JP2009135158A - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【目的】基板と支持部材の貼り付きを抑制することが可能な気相成長装置および方法を提供することを目的とする。
【構成】本発明の一態様のエピタキシャル成長装置１００は、基板を支持するホルダ１１０と、ホルダを内部に配置し、基板にＳｉ含有膜を成膜するチャンバ１２０と、基板の裏面側からＨＣｌガスを基板に向けて供給する供給部１６０と、基板の加工面側から基板を加熱するウェハ加熱源１５０と、を備えたことを特徴とする。本発明によれば、基板とホルダ１１０の貼り付きを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置及び気相成長方法に係り、例えば、基板にエピタキシャル成長させる装置およびその方法に関する。

超高速バイポーラ、超高速のＣＭＯＳ等の半導体デバイスの製造において、不純物濃度や膜厚の制御された単結晶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のものとなっている。

シリコンウェハ等の半導体基板に単結晶薄膜を気相成長させるエピタキシャル成長には、一般に常圧化学気相成長法が用いられており、場合によっては減圧化学気相成長（ＬＰ−ＣＶＤ）法が用いられている。反応容器となるチャンバ内にシリコンウェハ等の半導体基板を配置し、反応容器内を常圧（０．１ＭＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））雰囲気或いは所定の真空度の真空雰囲気に保持した状態で前記半導体基板を加熱し回転させながらシリコン源とボロン化合物、ヒ素化合物、或いはリン化合物等のドーパントとを含む原料ガスを供給する。そして、加熱された半導体基板の表面でシリコン源のガスの熱分解或いは水素還元反応を行なって、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いはヒ素（Ａｓ）がドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長させることにより製造する（例えば、特許文献１参照）。

また、エピタキシャル成長技術は、パワー半導体の製造、例えば、ＩＧＢＴ（インシュレートゲートバイポーラトランジスタ）の製造にも用いられる。ＩＧＢＴ等のパワー半導体では、例えば、数１０μｍ以上の膜厚のシリコン（Ｓｉ）エピタキシャル膜が必要となる。

ここで、基板は、ホルダ（支持部材）の支持面上に配置される。そして、この状態でＳｉエピタキシャル膜を成膜すると、原料ガスが基板の裏面側にも入り込み、基板の裏面側にもＳｉエピタキシャル膜が形成されてしまう。そのため、基板がホルダに貼り付いてしまうといった問題が生じている。基板がホルダに貼り付いてしまうと基板の破損等が生じ、歩留まりを低下させてしまう。そのため、生産性を向上させるために、基板と支持部材との貼り付きを抑制することが求められている。
特開平９−１９４２９６号公報

上述したように、基板と支持部材の貼り付きを抑制することが求められている。しかし、従来の技術では、十分に基板と支持部材の貼り付きを抑制する手法が確立していなかった。

そこで、本発明は、かかる問題点を克服し、基板と支持部材の貼り付きを抑制することが可能な気相成長装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の気相成長装置は、
基板を支持する支持部材と、
支持部材を内部に配置し、基板にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜するチャンバと、
基板の裏面側から塩化水素（ＨＣｌ）ガスを基板に向けて供給するＨＣｌガス供給部と、
基板の加工面側から基板を加熱する熱源と、
を備えたことを特徴とする。

基板の裏面側からではなく、加工面側から加熱する。その結果、基板裏面側に位置する支持部材の加熱を抑制することができる。よって、基板の裏面側に成膜されるＳｉ含有膜の成長速度を抑制することができる。そして、基板の裏面側にＳｉ含有膜が成膜されたとしても、ＨＣｌガスを基板に向けて供給することで、基板の裏面側に成膜されたＳｉ含有膜と反応させることができる。その結果、基板の裏面側に成膜されるＳｉ含有膜をエッチングすることができる。

そして、支持部材は、基板面の略中心を軸として回転させられると好適である。

また、気相成長装置は、さらに、
基板の加工面側から基板に向けてＳｉ含有膜を成膜するための原料ガスを供給する原料ガス供給部を備え、
熱源は、原料ガス供給部が吸収しない波長の光を用いると好適である。

本発明の一態様の気相成長方法は、
チャンバ内で基板が支持部材に支持された状態で、原料ガスを用いて基板にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜する工程と、
基板が成膜される際に、基板が支持部材に支持された状態で、基板の裏面側から塩化水素（ＨＣｌ）ガスを基板に向けて供給する工程と、
基板が成膜される際に、基板の加工面側から前記基板を加熱する工程と、
を備えたことを特徴とする。

そして、基板には、Ｓｉエピタキシャル膜が成膜される場合に、以上説明した装置および方法が用いられると好適である。

本発明によれば、基板の裏面側に成膜されるＳｉ含有膜をエッチングすることができるので、基板と支持部材の貼り付きを抑制することができる。その結果、生産性を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置の構成を示す概念図である。
図１において、気相成長装置の一例となるエピタキシャル成長装置１００は、支持台の一例となるホルダ（サセプタとも言う。）１１０、チャンバ１２０、シャワーヘッド１３０、真空ポンプ１４０、圧力制御弁１４２、ウェハ加熱源１５０、供給部１６０、及び回転部材１７０を備えている。チャンバ１２０内には、シャワーヘッド１３０、ホルダ１１０、供給部１６０、及び回転部材１７０の一部が配置されている。回転部材１７０は、チャンバ１２０内から図示していない回転機構へとチャンバ１２０外に延びている。そして、チャンバ１２０には、ガスを供給する流路１２２となる配管とガスを排気する流路１２４となる配管が接続されている。そして、流路１２２は、チャンバ１２０内でシャワーヘッド１３０に接続されている。シャワーヘッド１３０或いは流路１２２は、原料ガス供給部の一例となる。また、供給部１６０は、ＨＣｌガス供給部の一例となる。図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成について説明している。ただし、縮尺等は、実物とは一致させていない（以下、各図面において同様である）。

ホルダ１１０は、所定の内径の貫通する開口部１１４が形成される。そして、上面側から垂直或いは所定の角度で所定の深さまで掘り込まれた開口部１１６の低面でシリコンウェハ１０１（基板）の裏面と接触してシリコンウェハ１０１を支持する。また、ホルダ１１０は、外周が円形に形成されている。そして、図示していない回転機構によりシリコンウェハ１０１面と直交するシリコンウェハ１０１面の略中心線を軸に回転させられる回転部材１７０上に配置される。そして、ホルダ１１０は、回転部材１７０と共にシリコンウェハ１０１面の略中心線を軸に回転することで、シリコンウェハ１０１を回転させることができる。

また、ホルダ１１０及びシリコンウェハ１０１の裏面側には、回転部材１７０の内部を通ってシリコンウェハ１０１の裏面近くまで延びる供給部１６０が配置されている。そして、ウェハ加熱源１５０（熱源）がチャンバ１２０外に配置されている。ウェハ加熱源１５０は、チャンバ１２０上面に配置され、シリコンウェハ１０１の加工面となる上面側からシリコンウェハ１０１を加熱する。シリコンウェハ１０１の温度としては、１１００℃程度に加熱されると好適である。ウェハ加熱源１５０としては、例えば、ランプ加熱ヒータが好適である。そして、さらに、シャワーヘッド１３０の素材が吸収しない波長の光を照射するヒータが好適である。例えば、シャワーヘッド１３０の素材が石英等で形成されている場合に、１μｍ程度の波長の光を用いると好適である。ウェハ加熱源１５０がチャンバ１２０外に配置されているため、シリコンウェハ１０１との間にシャワーヘッド１３０が配置されているが、シャワーヘッド１３０が加熱されないことで、シャワーヘッド１３０内部での成膜反応を抑制することができる。

そして、反応容器となるチャンバ１２０内を常圧或いは真空ポンプ１４０により所定の真空度の真空雰囲気に保持する。この状態で、シリコンウェハ１０１をウェハ加熱源１５０で加熱する。そして、ホルダ１１０の回転により、ホルダ１１０に支持されたシリコンウェハ１０１を所定の回転数で回転させる。そして、回転させながら、シャワーヘッド１３０からシリコン源となる原料ガスをチャンバ１２０内に供給する。このように、ウェハ加熱源１５０が、シリコンウェハ１０１が成膜される際に、シリコンウェハ１０１の加工面側からシリコンウェハ１０１を加熱する。そして、常温の原料ガスがシリコンウェハ１０１上に到達するとウェハ加熱源１５０で加熱されたシリコンウェハ１０１の熱で熱分解或いは水素還元を行なう。これにより、シリコンウェハ１０１面にＳｉ含有膜の一例となるシリコンエピタキシャル膜が成膜される。

また、チャンバ１２０内の圧力は、例えば、圧力制御弁１４２を用いて常圧或いは所定の真空度の真空雰囲気に調整すればよい。或いは常圧で用いる場合には、真空ポンプ１４０若しくは圧力制御弁１４２がない構成でも構わない。シャワーヘッド１３０では、チャンバ１２０外から配管で供給された原料ガスをシャワーヘッド１３０内部のバッファを介して、複数の貫通孔から排出するようにしている。そのため均一に原料ガスをシリコンウェハ１０１上に供給することができる。

ここで、実施の形態１では、シリコンウェハ１０１が成膜される際に、シリコンウェハ１０１がホルダ１１０に支持された状態で、シリコンウェハ１０１の裏面側に配置された供給部１６０からＨＣｌガスをシリコンウェハ１０１に向けて供給する。これにより、基板の裏面側に成膜されたシリコンエピタキシャル膜と反応させることができる。その結果、基板の裏面側に成膜されるシリコンエピタキシャル膜をエッチングすることができる。

そして、シリコンエピタキシャル膜の成膜処理後のガスは、流路１２４を通ってチャンバ１２０内から排気される。また、シリコンウェハ１０１の裏面側からシリコンウェハ１０１とホルダ１１０の隙間を通って流れてきたＨＣｌガスやＨＣｌガスとシリコンエピタキシャル膜との反応後のガスも流路１２４を通ってチャンバ１２０内から排気される。ここでは、チャンバ１２０内を真空ポンプ１４０により排気しているが、これに限るものではない。チャンバ１２０内を排気できるものならよい。例えば、常圧或いは常圧に近い真空雰囲気でよければ、ブロア等で排気してもよい。

図２は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置システムの外観の一例を示す図である。
図２に示すように、エピタキシャル成長装置システム３００は、筺体により全体が囲まれている。
図３は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置システムのユニット構成の一例を示す図である。
エピタキシャル成長装置システム３００内では、カセットが、カセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１０或いはカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１２に配置される。そして、カセットにセットされたシリコンウェハ１０１が、搬送ロボット３５０によりロードロック（Ｌ／Ｌ）チャンバ３２０内に搬送される。そして、トランスファーチャンバ３３０内に配置された搬送ロボット３３２によりＬ／Ｌチャンバ３２０からシリコンウェハ１０１がトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。そして、搬出されたシリコンウェハ１０１がエピタキシャル成長装置１００のチャンバ１２０内に搬送される。そして、エピタキシャル成長法によりシリコンウェハ１０１表面にシリコンエピタキシャル膜が成膜される。シリコンエピタキシャル膜が成膜されたシリコンウェハ１０１は、再度、搬送ロボット３３２によりエピタキシャル成長装置１００からトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。そして、搬出されたシリコンウェハ１０１は、Ｌ／Ｌチャンバ３２０に搬送される。その後、搬送ロボット３５０によりＬ／Ｌチャンバ３２０からカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１０或いはカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１２に配置されたカセットに戻される。図３に示すエピタキシャル成長装置システム３００では、エピタキシャル成長装置１００のチャンバ１２０とＬ／Ｌチャンバ３２０とが２台ずつ搭載されている。これにより、スループットを向上させることができる。

図４は、実施の形態１におけるガスの流れおよび膜の状態を説明するための図である。
図４において、シリコンウェハ１０１の加工面となる上方から原料ガスが供給される。原料ガスとしては、例えば、Ｓｉ源となるトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスやジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスが好適である。或いは、これらの混合ガスでも好適である。また、キャリアガスとして水素（Ｈ_２）ガスも混合される。その他、ドーパントガスとして、ホスフィン（リン化水素：ＰＨ_３）或いはジボラン（水素化ホウ素：Ｂ_２Ｈ_６）等が混合されても構わない。これらの混合ガスが、ウェハ加熱源１５０で加熱されたシリコンウェハ１０１の加工面に到達すると、シリコンエピタキシャル膜１０が成膜されることになる。ここで、これら原料ガスは、シリコンウェハ１０１の加工面だけではなく、シリコンウェハ１０１の裏面やホルダ１１０の上面でも成膜する。特に、シリコンウェハ１０１の裏面側に原料ガスが回り込むことでシリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の隙間にシリコン膜２０が形成されてしまう。そのため、シリコン膜２０によってシリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０とが貼りついてしまうことにつながる。

しかし、実施の形態１では、シリコンウェハ１０１の裏面側からＨＣｌガスがシリコンウェハ１０１に向けて供給されることで、ＨＣｌガスがシリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の隙間に侵入し、以下の式（１）によるエッチング反応によりシリコン膜２０をエッチングする。
（１） Ｓｉ＋３ＨＣｌ→ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２

この反応には例えば９００℃程度に加熱されている必要があるが、ウェハ加熱源１５０によりシリコンウェハ１０１は、１１００℃程度に加熱されているので、十分にエッチング反応を起こすことができる。また、シリコンウェハ１０１とホルダ１１０は、共に高速回転しているので、ＨＣｌガスは、シリコンウェハ１０１の裏面に沿って外周側に、すなわち、シリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の接触位置に供給することができる。

以上のように、シリコンウェハ１０１の裏面に生成されるシリコン膜２０をエッチングすることで、シリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０とが貼り付きを抑制することができる。

図５は、実施の形態１における加熱方向の違いによるシリコンウェハの貼り付き抑制を説明するための図である。
図５（ａ）に示すように、シリコンウェハ１０１の裏面側からヒータ１５２でシリコンウェハ１０１の裏面を加熱すると、シリコンウェハ１０１は裏面側に凸に反ることになる。その場合、シリコンウェハ１０１とホルダ１１０と接触位置がより中心側に移動することで、シリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の隙間が広がることになる。そのため、広がったシリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の隙間に原料ガスが入り込み易くなるため、よりＳｉ成長を起こしやすくなる。他方、図５（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１０１の上面（加工面）側からウェハ加熱源１５０でシリコンウェハ１０１の上面を加熱すると、シリコンウェハ１０１は上面側に凸に反ることになる。その場合、シリコンウェハ１０１とホルダ１１０と接触位置がより外周側に移動することで、シリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の隙間が狭まることになる。そのため、シリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の隙間に原料ガスが入り込みにくくなるため、よりＳｉ成長を起こしにくくすることができる。

また、図５（ａ）に示すように、シリコンウェハ１０１の裏面側からヒータ１５２でシリコンウェハ１０１の裏面を加熱すると、ホルダ１１０をも直接加熱することになる。そして、ホルダ１１０が加熱されることで、シリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の隙間に侵入した原料ガスのＳｉ成長速度を速めてしまう。他方、図５（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１０１の上面（加工面）側からウェハ加熱源１５０でシリコンウェハ１０１の上面を加熱しても、シリコンウェハ１０１の裏面とホルダ１１０との間の隙間が直接加熱される訳ではないので、裏面側から加熱する場合に比べて、隙間に侵入した原料ガスのＳｉ成長を抑制することができる。

以上のように、シリコンウェハ１０１の裏面側からではなく、加工面側から加熱することで、シリコンウェハ１０１裏面側に位置するホルダ１１０の加熱を抑制することができる。よって、シリコンウェハ１０１の裏面側に成膜されるＳｉ含有膜の成長速度を抑制することができる。そして、シリコンウェハ１０１の裏面側にＳｉ含有膜が成膜されたとしても、ＨＣｌガスを基板に向けて供給することで、シリコンウェハ１０１の裏面側に成膜されたＳｉ含有膜と反応させることができる。その結果、シリコンウェハ１０１の裏面側に成膜されるＳｉ含有膜をエッチングすることができる。従って、シリコンウェハ１０１とホルダ１１０の貼り付きを抑制することができる。その結果、生産性を向上させることができる。

実施の形態１は、特に、膜厚の厚いエピタキシャル成長に用いるとよりその効果を発揮することができる。例えば、６０μｍ以上のエピタキシャル成長に用いると好適である。

なお、当然ながら、ＩＧＢＴに限らず、パワー半導体で、高耐圧を必要とする、パワーＭＯＳの他、電車などのスイッチング素子として使用される、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）や一般的なサイリスタ（ＳＣＲ）の厚いベースのエピタキシャル層形成に適用可能である。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、気相成長装置の一例として、エピタキシャル成長装置について説明したが、これに限るものではなく、試料面にＳｉ膜を気相成長させるための装置であれば構わない。例えば、ポリシリコン膜を成長させる装置であっても構わない。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、エピタキシャル成長装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長装置、及び気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置の構成を示す概念図である。 エピタキシャル成長装置システムの外観の一例を示す図である。 エピタキシャル成長装置システムのユニット構成の一例を示す図である。 実施の形態１におけるガスの流れおよび膜の状態を説明するための図である。 実施の形態１における加熱方向の違いによるシリコンウェハの貼り付き抑制を説明するための図である。

符号の説明

１０ シリコンエピタキシャル膜
２０ シリコン膜
１００ エピタキシャル成長装置
１０１ シリコンウェハ
１１０ ホルダ
１１４，１１６ 開口部
１２０ チャンバ
１２２，１２４ 流路
１３０ シャワーヘッド
１４０ 真空ポンプ
１４２ 圧力制御弁
１５０ ウェハ加熱源
１６０ 供給部
１７０ 回転部材
３００ エピタキシャル成長装置システム
３１０，３１２ カセットステージ
３２０ Ｌ／Ｌチャンバ
３３０ トランスファーチャンバ
３３２，３５０ 搬送ロボット

Claims (5)

1. 基板を支持する支持部材と、
   前記支持部材を内部に配置し、前記基板にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜するチャンバと、
   前記基板の裏面側から塩化水素（ＨＣｌ）ガスを前記基板に向けて供給するＨＣｌガス供給部と、
   前記基板の加工面側から前記基板を加熱する熱源と、
   を備えたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記支持部材は、前記基板面の略中心を軸として回転させられることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記気相成長装置は、さらに、
   前記基板の加工面側から前記基板に向けて前記Ｓｉ含有膜を成膜するための原料ガスを供給する原料ガス供給部を備え、
   前記熱源は、前記原料ガス供給部が吸収しない波長の光を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の気相成長装置。
4. チャンバ内で基板が支持部材に支持された状態で、原料ガスを用いて前記基板にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜する工程と、
   前記基板が成膜される際に、前記基板が前記支持部材に支持された状態で、前記基板の裏面側から塩化水素（ＨＣｌ）ガスを前記基板に向けて供給する工程と、
   前記基板が成膜される際に、前記基板の加工面側から前記基板を加熱する工程と、
   を備えたことを特徴とする気相成長方法。
5. 前記基板には、Ｓｉエピタキシャル膜が成膜されることを特徴とする請求項４記載の気相成長方法。

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