JP2009021533A - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル成長におけるパーティクル発生および付着物を低減させ、その生産性の向上を容易にする気相成長装置及び成長方法を提供する。
【解決手段】処理炉１１頂部にガス供給口１２、内部にガス整流板１３、底部に排気口１４、ガス整流板１３を頭部に載置し処理炉１１側壁を覆うライナー１５、半導体ウェーハＷを載置する環状ホルダー１６、環状ホルダー１６を回転する回転ユニット１７、半導体ウェーハＷを加熱するヒーター１８を備える。回転ユニット１７は中空の回転軸１７ａと一体で、ヒーター１８は回転軸１７ａの内部に貫設された支持軸１９の支持台２０上に固設してある。ガス整流板１３と環状ホルダー１６の離間距離は、ガス供給口１２からガス整流板１３を通り流下する成膜用ガス２１が半導体ウェーハＷ面上あるいは環状ホルダー１６面上で整流状態になるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置及び成長方法に係り、特に、半導体基板のエピタキシャル成長においてパーティクル発生および付着物を低減しその生産性の向上を容易にする気相成長装置及び成長方法に関する。

例えば超高速バイポーラ素子、超高速ＣＭＯＳ素子、パワーＭＯＳトランジスタ等が形成された半導体デバイスの製造において、不純物濃度、膜厚、結晶欠陥等の制御された単結晶層のエピタキシャル成長技術は、デバイスの性能を向上させる上で不可欠なものとなっている。
シリコンウェーハ、化合物半導体ウェーハ等の半導体基板の表面に単結晶薄膜を成長させて半導体デバイスの基板として用いるエピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャル成長装置には、多数枚のウェーハを一度に処理することのできるバッチ処理型と、ウェーハを一枚ずつ処理する枚葉型とがある。ここで、バッチ処理型のエピタキシャル成長装置は、一度に多数枚のウェーハ基板を処理することができるため、生産性が高くエピタキシャルウェーハの製造コストの低減に利点を有する。他方、枚葉型のエピタキシャル成長装置は、ウェーハ基板の大口径化に対応し易く、エピタキシャル成長層の均一性を含む膜厚制御に優れた利点を持つ。

近年、シリコンウェーハを用いた半導体デバイスの高集積化、高性能化、多機能化等により、シリコンエピタキシャルウェーハの用途が拡大している。例えば、ＣＭＯＳ素子から構成されたメモリ回路を搭載する半導体デバイスの製造では、メモリ容量が例えばギガビットレベルになり、その製造歩留まりを確保する上からバルクウェーハに較べて結晶性に優れる例えば膜厚１０μｍ程度のシリコンエピタキシャル層を有したエピタキシャルウェーハが多用されている。また、素子の微細化と共に超高速ＣＭＯＳ素子を容易にする、例えばシリコン・ゲルマニウム合金層を有するいわゆる歪みシリコンエピタキシャル層の実用化が期待されている。あるいは、パワーＭＯＳトランジスタのような高耐圧素子を有する半導体デバイスでは、例えば膜厚５０〜１００μｍ程度で高抵抗率のシリコンエピタキシャル層を有するエピタキシャルウェーハが用いられている。

このような中で、ウェーハの例えば３００ｍｍφのような大口径化が進み、エピタキシャル成長層の膜厚をウェーハ表面にわたり均一かつ高精度に制御する必要性が生じ、枚葉型エピタキシャル成長装置の比重が高くなっている。しかし、上述したように、枚葉型エピタキシャル成長装置は、ウェーハのバッチ処理ができないために、一般的には、バッチ処理型のエピタキシャル成長装置に較べて生産性が低い。なお、これまでに、枚葉型エピタキシャル成長装置として、生産性を高めるためにエピタキシャル成長速度を高速にする種々の構造のエピタキシャル成長装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−６７６７５号公報

上記特許文献１に開示されている枚葉型エピタキシャル成長装置は、例えばシリコンエピタキシャル層の成長速度を１０μｍ／ｍｉｎ程度に高めることができる。ところで、エピタキシャルウェーハ製造においてその生産性を高くするためには、上記エピタキシャル層の成長速度の他にも、例えばエピタキシャル層の良品歩留まりの向上あるいは装置稼働率の向上が重要になる。
ここで、エピタキシャル層の良品歩留まりは、そこに作製される半導体デバイスの性能にもよるが、通常、単結晶層であるエピタキシャル層の結晶欠陥、結晶中の析出物、汚染金属あるいはパーティクル等に大きく影響される。この中で、エピタキシャル成長時に発生し易いパーティクルは上記結晶欠陥、結晶中の析出物あるいは金属汚染の要因にもなることから、その発生低減は上記良品歩留まりの向上にとり極めて大きな課題である。

エピタキシャル層の成長では、反応炉内の所定位置に載置したウェーハの温度を１０００〜１１００℃の高温にし、成膜用ガスを反応炉内に供給しウェーハ表面において成膜用ガスを反応させて行われる。しかし、成膜用ガスはその一部が反応炉の内壁で反応し析出して付着物になりパーティクル源になる。また、成膜用ガスあるいはその反応生成物（反応副生成物も含む）の一部は、反応炉内の空間において析出してパーティクルとなる。このために、エピタキシャルウェーハ製造においては、このエピタキシャル成長で必然的に発生するパーティクルおよび付着物を反応炉内から除去しクリーニングするメンテナンス作業が必須になる。そこで、反応炉内壁あるいは炉内の各種部材表面に付着するパーティクル等の付着物を低減させることは、クリーニングのメンテナンス作業を軽減し装置稼働率を向上させるうえで大きな課題になっている。
そこで、本発明の目的は、反応炉内におけるパーティクル発生および付着物を低減させ、半導体基板のエピタキシャル成長における生産性向上を容易にする気相成長装置及び成長方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明にかかる気相成長装置は、円筒状反応炉の上部にガス供給口、その下部に排気口、その内部にウェーハを載置するウェーハ保持部材、このウェーハ保持部材とガス供給口との間にガス整流板を備えた気相成長装置において、ガス整流板とウェーハ保持部材の離間距離は、ウェーハにエピタキシャル層を成膜するための成膜用ガスがウェーハ面上あるいはウェーハ保持部材面上で整流状態になるように設定されている、ことを特徴とする。

本発明において、好適な一態様では、ガス整流板とウェーハ保持部材の離間距離をＨとし、ウェーハ保持部材径をＤとして、Ｈ／Ｄ≦１／５を満たしていることが望ましい。

また、本発明において、ウェーハ保持部材は、上下移動可能に構成されていることが望ましい。

さらに、本発明において、ウェーハ保持部材の直下には、ウェーハを加熱するためのヒーターが設けられ、そのヒーターは、ウェーハ保持部材と連携して上下移動可能に構成されていることが望ましい。

さらにまた、本発明において、ウェーハ保持部材及びヒーターの上下移動は、ウェーハを出し入れするためのウェーハ保持部材から離脱する機構と連結されていることが望ましい。

また、本発明において、好適な一態様では、反応炉内の側壁とウェーハ保持部材の離間距離、あるいは側壁を覆うように配置される円筒状の防着板とウェーハ保持部材の離間距離をＬとすると、２／１５≦Ｌ／Ｄ≦１／３を満たしていることが望ましい。

さらに、本発明において、ガス整流板の下面とウェーハ保持部材の上面との間に、反応炉内外にウェーハ基板を出し入れするハンドリングアームが挿入できるようになっていることが望ましい。

本発明にかかる気相成長方法は、円筒状反応炉の上部にガス供給口、その下部に排気口、その内部にウェーハを載置するウェーハ保持部材、このウェーハ保持部材とガス供給口との間にガス整流板を備え、成膜用ガスをガス供給口からガス整流板を通して反応炉内を流下させウェーハにエピタキシャル層を気相成長させる気相成長方法において、ガス整流板とウェーハ保持部材の離間距離は、成膜用ガスがウェーハ面上あるいはウェーハ保持部材面上で整流状態になるように設定されていることを特徴とする。

本発明の気相成長方法において、ガス整流板の下面とウェーハ保持部材の上面との間に、反応炉内外にウェーハを出し入れするハンドリングアームが設けられ、ハンドリングアームの移動により、反応炉内外にウェーハ基板の出し入れを行うようにすることが望ましい。

また、本発明の気相成長方法において、ウェーハに成膜する時は、整流板とウェーハが近接しており、ウェーハを出し入れする時は、整流板と前記ウェーハとの距離が離れ、ウェーハの出し入れが可能にするこが望ましい。

なお、本発明において、エピタキシャル成長に限らず、一般的な気相成長例えば、ＭＯＣＶＤなどであっても良く、また、枚葉型でなくても良い。
また、本発明のガス供給口は、反応炉の頂面でなく、反応炉全体の上部にあれば良く、例えば反応炉の側面でも良い。さらに、ガス排気口は、反応炉の底面でなく、反応炉全体の下部にあれば良く、例えば反応炉側面でも構わない。
さらに、本発明で用いるウェーハ保持部材は、環状ホルダーに限らず、一般的に言われるサセプタでも良い。環状ホルダー（中腹部が開口あり）の場合、開口部に取り外し可能な平板を配置して、例えば、その平板を持ち上げるようにして、ハンドリングアームで反応炉内外にウェーハの出し入れを行えるようにしても良い。

本発明により、エピタキシャル成長時の反応炉内においてパーティクル発生および付着物が低減し、エピタキシャル成長の生産性向上を容易にする気相成長装置及び成長方法を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は一部省略される。

図１に、本発明の一実施形態の枚葉型エピタキシャル成長装置の構成を示す。図１に示すように、エピタキシャル成長装置は、反応炉である例えばステンレス製で円筒状中空体の処理炉１１、この処理炉内部にその頂部から成膜用ガスを導入するガス供給口１２、ガス供給口１２から導入された成膜用ガスを整流し、下方に配置される半導体ウェーハＷに例えば層流として流下させるガス整流板１３を備える。そして、半導体ウェーハＷ表面等で反応した後の反応生成物および一部成膜用ガスを処理炉１１外部にその底部から排出するガス排気口１４を備える。ここで、上記ガス整流板１３をその頭部に載置し処理炉１１の内壁を覆う円筒状のライナー１５が配設されている。なお、ガス排出口１４は真空ポンプ（図示せず）に接続してある。

上記ライナー１５は、処理炉１１の側壁に沿って覆い、成膜用ガスあるいは反応生成物から上記内壁を遮蔽し、処理炉１１の内壁で析出し付着物として堆積するのを防止する防着板である。この場合、エピタキシャル成長中にはライナー１５内壁に上記付着物が堆積することになる。

上述した処理炉１１内部には、半導体ウェーハＷを載置保持するウェーハ保持部材の環状ホルダー１６をその上面に配置し回転する回転体ユニット１７、環状ホルダー１６に載置された半導体ウェーハＷを輻射熱により加熱するヒーター１８を備えている。ここで、回転体ユニット１７は、その回転軸１７ａが下方に位置する回転装置（図示せず）に接続され、高速回転が可能に取り付けられている。円筒状の回転体ユニット１７の径は環状ホルダー１６の外周径とほぼ同じにしてあると好適である。また、この円筒状の回転軸１７ａは中空の回転体ユニット１７内を排気するための真空ポンプに接続され、この吸引により半導体ウェーハＷが環状ホルダー１６に真空吸着する構成になっていてもよい。なお、回転軸１７ａは、処理炉１１の底部に真空シール部材を介して回転自在に挿設されている。

そして、ヒーター１８は、回転軸１７ａの内部に貫通する支持軸１９の支持台２０上に固設してある。この支持台２０には半導体ウェーハＷを環状ホルダー１６から脱着させるための例えば突き上げピン（図示せず）が形設されている。なお、上記ウェーハ保持部材としては、環状ホルダーの替わりに半導体ウェーハＷ裏面のほぼ全面に接する構造のものを使用してもよい。ここで、このウェーハ保持部材は、通常、円板状のウェーハ基板を載置することからその縁端の平面形状が円状であり、ヒーター１８の輻射熱を遮断しない材質により形成されていると好適である。

上述した枚葉型エピタキシャル成長装置において、ガス整流板１３は例えば石英ガラス製の円板体であり多数の多孔状ガス吐出口が形成されている。そして、図１に示すように、ほぼ平行に対向配置される環状ホルダー１６の上面とガス整流板１３の下面との離間距離をＨ_１とし、環状ホルダー１６の外周径をＤとして、後述するようにＨ_１／Ｄ≦１／５が満たされるようにすると好適である。ここで、環状ホルダー１６の内周側にはザグリ加工が施され、そのザグリ面に半導体ウェーハＷの裏面が接するように載置されることから、半導体ウェーハＷの主面は環状ホルダー１６の主面とほぼ同じ高さ位置になる。

更に、図１に示すように、環状ホルダー１６の外周径をＤとし、ライナー１５の内周面と回転ユニット１７の外周面との離間距離をＬ_１として、後述するように２／１５≦Ｌ_１／Ｄ≦１／３が満たされるようにすると好適である。

なお、図１に示した枚葉型エピタキシャル成長装置では、図示していない処理炉１１の側壁箇所において、半導体ウェーハを出し入れするためのウェーハ出入口およびゲートバルブが設けられている。そして、このゲートバルブで連結する例えばロードロック室と処理炉１１との間において、ハンドリングアームにより半導体ウェーハＷを搬送できるようになっている。ここで、例えば合成石英製のハンドリングアームは、ガス整流板１３とウェーハ保持部材である環状ホルダー１６とのスペースに挿入されるようになることから、離間距離Ｈ_１はハンドリングアームの挿入スペースが確保できる寸法以上にする必要がある。

以下、上記離間距離Ｈ_１およびＬ_１について具体例を示すと、半導体ウェーハＷが例えば口径２００ｍｍφのシリコンウェーハである場合には、環状ホルダー１６の外周径Ｄは３００ｍｍφとする。そして、ハンドリングアームによる搬送操作に必要な挿入スペースを例えば１０ｍｍ程度にして、好適な離間距離Ｈ_１は２０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲になる。同様に、上記条件において、好適な離間距離Ｌ_１は４０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲になる。
なお、ここで、ウェーハ保持部材１６及びヒーター１７を後述するように（図５参照）上下移動可能にした場合、気相成長時の半導体ウェーハＷ表面とガス整流板１３の下面との距離は、１ｍｍ程度でもよく、気相成長終了後、ウェーハ保持部材１６及びヒーター１７を下に移動して１０ｍｍ位にすれば、ハンドリングアームによるウェーハＷの搬送操作が可能である。この場合、半導体ウェーハＷ表面とガス整流板１３の下面との距離を１ｍｍを下回ると、気相成長の膜厚に変動が生じたり、欠陥が発生したりするので、半導体ウェーハＷ表面とガス整流板１３の下面との距離は１ｍｍが限度でる。

次に、上記枚葉型エピタキシャル成長装置を用いたエピタキシャル成長方法および本実施形態における効果について図１および図２を参照して説明する。図２は枚葉型エピタキシャル成長装置の比較例の構成を示した縦断面図である。

先ず、処理炉１１内の環状ホルダー１６に半導体ウェーハＷを公知の枚葉方式により載置する。ここで、処理炉１１の上記ウェーハ出入口のゲートバルブを開きハンドリングアームにより例えばロードロック室内の半導体ウェーハを処理炉１１内に搬送する。そして、半導体ウェーハＷは例えば突き上げピン（図示せず）を介して環状ホルダー１６に載置され、ハンドリングアームはロードロック室に戻され、ゲートバルブは閉じられる。

そして、図示しない真空ポンプを作動して処理炉１１内のガスをガス排気口１４から排気して所定の真空度にする。ここで、環状ホルダー１６に載置した半導体ウェーハＷは、ヒーター１７により所定温度に予備加熱しているので、ヒーター１７の加熱出力を上げて半導体ウェーハＷをエピタキシャル成長温度に昇温する。そして、上記真空ポンプによる排気を続行すると共に、回転体ユニット１６を所要の速度で回転させながら、ガス供給口１２から所定の成膜用ガス２１を供給し、所定の真空度において半導体ウェーハＷ表面にエピタキシャル層を成長させる。

例えば、シリコンエピタキシャル層を成長させる場合には、予備加熱の温度は５００〜９００℃の範囲で所望の温度に設定され、エピタキシャル成長温度は１０００〜１２００℃の範囲で所望の温度に設定される。そして、シリコンのソースガスとしてはＳｉＨ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２やＳｉＨＣｌ_３、そしてドーパントガスとしては、Ｂ_２Ｈ_６、ＰＨ_３またはＡｓＨ_３が用いられる。また、キャリアガスとしてＨ_２が通常用いられる。これ等のガスが成膜用ガスである。
このシリコンエピタキシャル層の成長時における処理炉１１内は、約２×１０^３Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）〜約９．３×１０^４Ｐａ（７００Ｔｏｒｒ）の範囲で所望の圧力に設定される。また、回転体ユニット１６の回転は、例えば９００〜１５００ｒｐｍの範囲で所望の回転数に設定される。

上記エピタキシャル成長にあって、本実施形態におけるガス整流板１３と環状ホルダー１６は、それ等の離間距離Ｈ_１が、上述したように環状ホルダー１６の外周径Ｄとの関係において、Ｈ_１／Ｄ≦１／５を満たすように配置されている。このために、図１に示した成膜用ガス２１の流れに半導体ウェーハＷ上で乱流の発生が殆ど無くなる。ガス整流板１３を通り整流され流下した成膜用ガス２１は、半導体ウェーハＷおよび環状ホルダー１６の主面に当たり、その後、これ等の主面に沿い水平方向にほぼ層流として整流され流れるようになる。そして、この水平方向に整流された成膜用ガスの流れにより、パーティクルの半導体ウェーハＷ表面への付着が大幅に低減し、エピタキシャル層の高い良品歩留まりが得られる。

また、本実施形態におけるライナー１５と回転ユニット１７の外周面は、それ等の離間距離Ｌ_１が、上述したように環状ホルダー１６の外周径Ｄとの関係において、２／１５≦Ｌ_１／Ｄ≦１／３を満たすように形設されている。このために、ライナー１５の内壁に成膜用ガスあるいは反応生成物が析出して形成される付着物２２が低減する。
ここで、２／１５≦Ｌ_１／Ｄとして離間距離Ｌ_１を従来の比較例に較べて大きくすることにより、後述する水平方向ガス２１ａの流速の増加に起因するライナー１５内壁の付着物の飛散が抑制される。また、半導体ウェーハＷ上を通り昇温された成膜用ガスあるいは反応生成物の水平方向ガス２１ａは、ライナー１５内壁に近いガス整流板１３の多孔状ガス吐出口から流下する成膜用ガスにより、ガス排気口１４方向に押し流され易くなることから、ライナー１５内壁の付着物２２は大きく低減するようになる。このような効果はＬ_１／Ｄが増加するほど大きくなるが、１／３＜Ｌ_１／Ｄになるとその効果の増加度合いは下がる。むしろ、離間距離Ｌ_１の増加による装置の大型化に伴う問題が大きくなる。

そして、上述したようなライナー１５の定期的なクリーニングのメンテナンス作業間隔を長く、例えば従来技術の場合の２倍程度にすることが可能になる。このように装置のメンテナンス作業が大きく軽減されることから、エピタキシャル成長装置の稼働率が大幅に向上する。

これに対して、図２に示した枚葉型エピタキシャル成長装置は、従来技術の典型的の処理炉内を示しているが、ガス整流板１３と環状ホルダー１６は、それ等の離間距離Ｈ_２が、上述したように環状ホルダー１６の外周径Ｄとの関係において、Ｈ_２／Ｄは通常１以上であり１／５以下になることを満たしていない。ここで、ガス整流板１３で整流された成膜用ガス２１は、エピタキシャル成長時の高温に加熱された半導体ウェーハＷ表面からの輻射熱を受けて上昇流になり易く、半導体ウェーハＷ上においてその一部が例えば渦流になる。成膜用ガス２１に生じるこのような乱流は、半導体ウェーハＷ上において成膜用ガスあるいは反応生成物の析出を生じ易くすると共に、この析出したパーティクルを半導体ウェーハＷ表面に付着し易くする。そして、エピタキシャル層の良品歩留まりの向上が難しくなっている。

また、図２の例では、ライナー１５と回転ユニット１７は、それ等の離間距離Ｌ_２が、環状ホルダー１６の外周径Ｄとの関係において、Ｌ_１／Ｄ＜２／１５となっている。このために、図１に示したエピタキシャル成長装置の場合に較べて、半導体ウェーハＷからの輻射熱の影響を受け易くなることもありライナー１５の内壁に析出する付着物２２が増大する。そして、ライナー１５の定期的なクリーニングのメンテナンス作業の間隔は短くなり、エピタキシャル成長装置の稼働率の向上が難しくなっている。

そして、上述したようなエピタキシャル成長後は、上記エピタキシャル層の形成された半導体ウェーハＷの降温を始める。ここで、上記成膜用ガスの供給および回転体ユニット１７の回転を停止させ、エピタキシャル層が形成された半導体ウェーハＷを環状ホルダー１６に載置したままにして、ヒーター１８の加熱出力を初めに戻し予備加熱の温度に低下するように自動調整する。

そして、今度は、処理炉１１内に冷却用ガスをガス供給口１２から流入させ、ガス整流板１３により整流した冷却用ガスにより上記半導体ウェーハＷをガス冷却する。ここで、冷却用ガスは、例えば上記成膜用ガスのキャリアガスと同じＨ_２ガスであってもよいし、アルゴン、ヘリウムのような希ガスあるいはＮ_２ガスであっても構わない。また、この冷却用ガスが流入した処理炉１１内の圧力はエピタキシャル層の成長時の圧力と同程度にする。

次に、半導体ウェーハＷが所定の温度に安定した後、例えば突き上げピンにより半導体ウェーハＷを環状ホルダー１５から脱着させる。なお、半導体ウェーハＷを環状ホルダー１５から脱着するには、突き上げピンでなく、静電接着方式を用いたり、また、半導体ウェーハＷ自身を浮かせるベルヌイチャック方式を用いても構わない。そして、再びゲートバルブを開いてハンドリングアームをガス整流板１３および環状ホルダー１６の間に挿入し、その上に半導体ウェーハＷを載せる。そして、半導体ウェーハＷを載せたハンドリングアームをロードロック室に戻す。

以上のようにして、一の半導体ウェーハに対するエピタキシャル層の成膜サイクルが終了し、引き続いて他の半導体ウェーハに対する成膜が上述したのと同一のプロセスシーケンスに従って行われる。

上記実施形態では、処理炉１１の側壁に沿ってライナー１５を配置した場合について枚葉型エピタキシャル成長装置を説明したが、このライナー１５がない場合でも同様な効果が生じる。但し、この場合には、クリーニングのメンテナンス作業では、処理炉１１の側壁部に堆積することになる付着物を定期的に除去することになる。

次に、図３の模式図を参照して、半導体ウェーハのエピタキシャル成長時におおける上記実施形態の装置構造の作用を説明する。図３は枚葉型エピタキシャル成長装置のガス整流板１３と半導体ウェーハＷを保持した環状ホルダー１６の間における成膜用ガス２１のガス流を示す模式図である。ここで、図３（ａ）は上述した離間距離Ｈ_１が、環状ホルダー１６の外周径Ｄ（ウェーハ保持部材の径）との関係において、Ｈ_１／Ｄ≦１／５を満たす場合であり、図３（ｂ）は比較例に示したように離間距離Ｈ_２が、Ｈ_２／Ｄ＞１／５となる場合の一例である。

処理炉１１内の成膜用ガス２１は粘性流であり、ガス供給口１２から導入されガス整流板１３の多孔状ガス吐出口を通して例えば層流として整流され流下する。ここで、図３（ａ）に示したような構成であると、流下した成膜用ガス２１は、半導体ウェーハＷおよび環状ホルダー１６の主面に当たり、一部は高温の半導体ウェーハＷ表面で反応しエピタキシャル層を形成する。そして、未反応の成膜用ガスあるいは反応生成物は、これ等の主面に沿って水平方向に曲折し例えば層流の整流状態を維持したまま流れるようになる。また、環状ホルダー１５の外周端における乱流の発生もない。但し、これ等のガスの流れは、回転ユニット１７の回動に伴い上記主面に平行な面で回転方向に少し偏向する。

このために、半導体ウェーハＷの上部において成膜用ガスあるいは反応生成物による析出が抑制されるようになる。しかも、主面に沿った本実施形態の水平方向ガス２１ａの流速は、同一の成膜用ガス量の供給条件下において、図３（ｂ）の場合の比較例の水平ガス２１ｂの流速より１桁大きくなることが、シミュレーションにより確かめられている。このため、たとえ半導体ウェーハＷの上部で析出したパーティクル発生があっても、あるいはライナー１５の内壁に堆積した付着物２２の剥離あるいは飛散等によりパーティクルが飛来しても、それ等は上記整流状態のガス流により水平方向に排出されて半導体ウェーハＷ表面に付着することは殆どない。そして、上述したような離間距離Ｌ_１の回転体ユニット１７とライナー１５との間のガス流路を通りガス排気口１４から排出される。

これに対して、図３（ｂ）に示したような構成であると、流下する成膜用ガス２１は、半導体ウェーハＷおよび環状ホルダー１６の主面においてその整流の状態が乱れて崩れ易くなる。そして、その後、これ等の主面に当たり水平方向に曲折して流れる。また、上述したように水平方向ガス２１ｂの流速が本実施形態の水平方向ガス２１ａより小さく、環状ホルダー１６の外周端における乱流の発生がもともと生じ易い。これ等のことから、整流状態に乱れが生じて流下する成膜用ガス２１は、半導体ウェーハＷの外周側あるいは環状ホルダー１６において極めて容易に渦流２３を生成する。そして、Ｈ_２／Ｄ値が増加するに従い、渦流２３は半導体ウェーハＷのより内周上でも生じるようになる。

このような渦流２３の発生のために、上述したエピタキシャル層成長時において、成膜用ガスあるいは反応生成物による析出が生じ易くなり、いわゆる空間反応に起因したパーティクルが多く発生するようになる。また、この渦流２３のような乱流は、この半導体ウェーハＷの上部で析出し発生したパーティクル、あるいはライナー１５の内壁に堆積した付着物２２の剥離あるいは飛散等により発生するパーティクルを半導体ウェーハＷ表面に付着させ易くする。

また、半導体ウェーハＷのエピタキシャル成長後の降温におけるガス冷却においても、上記実施形態の装置構造は以下のような作用をもたらし効果的に機能する。この作用の説明でも図３を用いる。この場合、図３の成膜用ガス２１を冷却用ガスに置き換えて説明する。

処理炉１１内の冷却用ガスは粘性流であり、ガス供給口１２から導入されガス整流板１３の多孔状ガス吐出口を通して例えば層流として整流され流下する。ここで、図３（ａ）に示したような構成であると、流下した冷却用ガスは、半導体ウェーハＷおよび環状ホルダー１６の主面に当たり、その後、これ等の主面に沿って水平方向に曲折し整流状態を維持したまま流れるようになる。また、環状ホルダー１６の外周端における乱流の発生もない。
このために、半導体ウェーハＷでは、その面内において、冷却用ガスが均一な温度および流量で接触するようになり、冷却用ガスとの熱交換による放熱が一様に行われる。また、環状ホルダー１６の外周端における乱流の発生による放熱の乱れは無く、上記放熱の一様性が保持される。そして、半導体ウェーハＷの降温において、その面内の温度が均一に保たれる。なお、半導体ウェーハＷ表面からの熱輻射による放熱は面内で均一になる。

これに対して、図３（ｂ）に示したような構成であると、流下する冷却用ガスは、半導体ウェーハＷおよび環状ホルダー１６の主面においてその整流の状態が乱れて崩れ易くなる。そして、その後、これ等の主面に当たり水平方向に曲折して流れる。また、環状ホルダー１６の外周端における乱流の発生がもともと生じ易い。これ等のことから、整流状態に乱れが生じて流下する冷却用ガスは、半導体ウェーハＷの外周側あるいは環状ホルダー１６において極めて容易に渦流２３を生成する。そして、Ｈ_２／Ｄ値が増加するに従い、渦流２３は半導体ウェーハＷのより内周上でも生じるようになる。
このような渦流２３の発生のために、半導体ウェーハＷは、その面内において、冷却用ガスとの熱交換による放熱が不均一に行われる。そして、半導体ウェーハＷの降温において、その面内の温度の均一性が損なわれる。

上述したことから本実施形態では、半導体ウェーハのエピタキシャル層成長において、例えば半導体ウェーハの上部等の処理炉内の空間で成膜用ガスあるいはその反応生成物の一部が析出しパーティクル発生になるのが大きく低減する。また、成膜用ガスの一部が処理炉の内壁あるいはそのライナー内壁で反応し析出するパーティクル源になる付着物量が低減する。このために、エピタキシャル成長においてパーティクル付着の低減により良品歩留まりが向上する。また、このエピタキシャル成長で必然的に発生するパーティクルおよび付着物を処理炉内から除去しクリーニングするメンテナンス作業が大きく軽減する。このようにして、エピタキシャル成長における生産性が向上する

また、本実施形態では、処理炉外に搬出するために半導体ウェーハを降温する工程において、上述した理由から従来技術の場合に較べて半導体ウェーハの冷却速度を上げることでき、エピタキシャルウェーハ製造におけるスループットの向上が容易になる。また、エピタキシャル層を成長した後の半導体ウェーハの降温が従来技術の場合より安定し、半導体ウェーハの冷却バラツキが小さくなる。このことから、ハンドリングアームにより半導体ウェーハをロードロック室に搬出する際のウェーハ割れの発生頻度が大きく低減する。そして、上述した半導体ウェーハのスリップ等の結晶欠陥の低減効果と併せて、エピタキシャル層の成膜における製造歩留まりが更に向上する。

上述した実施形態において、図５に示す如く、ウェーハ保持部材１６及びヒーター１７を上下移動（図の矢印Ａ，Ａ’）可能に即ち図示していないが、ウェーハ保持部材１６及びヒーター１７の下端部にエアシリンダなどの駆動機構５２を設けて上下移動可能に制御している。
ここで、ウェーハ保持部材１６及びヒーター１７の駆動機構のより、ガス整流板１３と半導体ウェーハＷの距離は、１ｍｍから６０ｍｍまで調整可能で、成長時は１ｍｍと極めて近接しても成長可能である。また、半導体ウェーハＷの出し入れ時は、ガス整流板１３と半導体ウェーハＷの距離は２０ｍｍ前後が好ましいが、１０ｍｍ程度でも可能である。

図５の実施形態の場合、成長時のガス整流板１３と半導体ウェーハＷの距離は、理想的に狭い方が良いが、現実的には１ｍｍ程度が限度である。
このように１ｍｍ程度に調整する時に、ウェーハ保持するサセプタ１５とヒーター１７を連結して移動することも可能である。また、ガス整流板１３を移動させることも可能である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態において、枚葉型エピタキシャル成長装置はゲートバルブ２１で例えばクラスターツールの搬送室に連結してもよい。

また、上記ウェーハ保持部材としては、加熱機構を有し半導体ウェーハ裏面の全面に接するサセプタであってもよい。

また、本発明は、エピタキシャル成長させる半導体ウェーハが非回転で固定したウェーハ保持部材上に載置されるような構造の枚葉型エピタキシャル成長装置にも同様に適用される。

そして、成膜されるウェーハ基板としては、典型的にはシリコンウェーハであるが、炭化ケイ素基板等のシリコン以外の半導体基板も使用することができる。また、ウェーハ基板上に成膜される薄膜は、シリコン膜あるいはボロン、リンやヒ素等を不純物として含有する単結晶シリコン膜がもっとも一般的であるが、ポリシリコン膜を一部に含む単結晶シリコン膜又はその他の薄膜、例えば、ＧａＡｓ膜やＧａＡｌＡｓ膜等の化合物半導体でも支障なく適用され得る。

本発明の実施形態にかかる枚葉型エピタキシャル成長装置の一構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態の説明に供するために枚葉型エピタキシャル成長装置の比較例の構成を示した縦断面図である。 枚葉型エピタキシャル成長装置のガス整流板と半導体ウェーハを保持したウェーハ保持部材の間における冷却用ガスのガス流を示す模式図である。 本発明の他の実施形態を説明するための枚葉型エピタキシャル成長装置の縦断面図である。

符号の説明

１１ 処理炉
１２ ガス供給口
１３ 整流板
１４ ガス排気口
１５ ライナー
１６ 環状ホルダー
１７ 回転体ユニット
１７ａ 回転軸
１８ ヒーター
１９ 支持軸
２０ 支持台
２１ 成膜用ガス
２１ａ 本実施形態の水平方向ガス
２１ｂ 比較例の水平方向ガス
２２ 付着物
２３ 渦流

Claims (11)

1. 円筒状反応炉の上部にガス供給口、その下部に排気口、その内部にウェーハを載置するウェーハ保持部材、該ウェーハ保持部材と前記ガス供給口との間にガス整流板を備えた気相成長装置において、
   前記ガス整流板と前記ウェーハ保持部材の離間距離は、前記ウェーハにエピタキシャル層を成膜するための成膜用ガスが前記ウェーハ面上あるいは前記ウェーハ保持部材面上で整流状態になるように設定されていることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記ガス整流板と前記ウェーハ保持部材の離間距離をＨとし、前記ウェーハ保持部材径をＤとして、Ｈ／Ｄ≦１／５を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記ウェーハ保持部材は、上下移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
4. 前記ウェーハ保持部材の直下には、ウェーハを加熱するためのヒーターが設けられ、そのヒーターは、前記ウェーハ保持部材と連携して上下移動可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。
5. 前記ウェーハ保持部材及び前記ヒーターの上下移動は、前記ウェーハを出し入れするための前記ウェーハ保持部材から離脱する機構と連結されていることを特徴とする請求項４記載の気相成長装置。
6. 前記反応炉内の側壁と前記ウェーハ保持部材の離間距離、あるいは前記側壁を覆うように配置される円筒状の防着板と前記ウェーハ保持部材の離間距離をＬとすると、２／１５≦Ｌ／Ｄ≦１／３を満たしていることを特徴とする請求項２に記載の気相成長装置。
7. 前記ガス整流板の下面と前記ウェーハ保持部材の上面との距離は、１ｍｍ以上６０ｍｍ以下に調整可能であることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
8. 前記ガス整流板の下面と前記ウェーハ保持部材の上面との間に、前記反応炉内外に前記ウェーハを出し入れするハンドリングアームが挿入できるようになっていることを特徴とする請求項２又３に記載の気相成長装置。
9. 円筒状反応炉の上部にガス供給口、その下部に排気口、その内部にウェーハを載置するウェーハ保持部材、該ウェーハ保持部材と前記ガス供給口との間にガス整流板を備え、成膜用ガスを前記ガス供給口から前記ガス整流板を通して前記反応炉内を流下させ前記ウェーハにエピタキシャル層を気相成長させる気相成長方法において、
   前記ガス整流板と前記ウェーハ保持部材の離間距離は、前記成膜用ガスが前記ウェーハ面上あるいは前記ウェーハ保持部材面上で整流状態になるように設定されていることを特徴とする気相成長方法。
10. 前記ガス整流板の下面と前記ウェーハ保持部材の上面との間に、前記反応炉内外に前記ウェーハを出し入れするハンドリングアームが設けられ、前記ハンドリングアームの移動により、前記反応炉内外に前記ウェーハの出し入れを行うことを特徴とする請求項９に記載の気相成長方法。
11. 前記ウェーハに成膜する時は、前記整流板と前記ウェーハが近接しており、前記ウェーハを出し入れする時は、前記整流板と前記ウェーハとの距離が離れ、前記ウェーハの出し入れが可能にすることを特徴とする請求項１０記載の気相成長方法。
    
    

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