JP2009135238A - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ内において、気相成長反応後の原料ガスを速やかにチャンバ外へと排気し、半導体基板全面において膜厚及び不純物濃度の均一性が高く、汚染の少ない結晶膜を成長させられる高スループットの気相成長装置及び気相成長方法を提供する。
【解決手段】リング１０７の回転によって回転するタービン翼１１０が、環状ホルダ１０６の側端から略水平に押し出された反応後の原料ガスを引き込み、チャンバ１０１からの排気を促進する。これによって、ウェハ１０３全面において膜厚及び不純物濃度の均一性が高く、汚染の少ないエピタキシャル膜の成長速度を向上させることが出来る。
【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、特に半導体基板へ成長させる結晶膜厚及び不純物濃度の均一性の向上を容易にする気相成長装置及び気相成長方法に関する。

超高速バイポーラ素子、超高速CMOS素子、パワーMOS素子等が形成された半導体デバイスの製造において、結晶膜の膜厚や不純物濃度を制御することが出来る気相成長技術、例えばエピタキシャル成長技術は、半導体デバイスの性能の向上させるために不可欠な技術となっている。シリコンウェハ等の半導体基板の表面に単結晶膜を成長させるエピタキシャル成長等の気相成長方法には、一般に常圧化学気相成長法が用いられ、場合によっては減圧化学気相成長（LPCVD）法が用いられる。

半導体基板の大口径化は未だ勢いが衰えず、例えば現在のところ最先端とされる300mmφウェハ(12インチ)の半導体基板が主流となりつつある。そして、さらに次世代のスタンダードとされる450mmφウェハ（18インチ）が実用化された場合、半導体基板全面において結晶膜の膜厚や不純物濃度の均一性は従来よりも一層向上されなければならない。半導体基板の大口径化の結果、数多くのダイを切り出せたところで、結晶膜の部分ごとの誤差が大きく、歩留まりが向上されていなければ、大口径化は意味を為さない。
また、近年の半導体デバイスの加速度的な超高集積化、パターンの超微細化が進んだ半導体デバイスの製造においても、半導体基板に成長させる結晶膜厚及び不純物濃度の高い均一性はより重要視される。
そのため、超高速半導体デバイスや高耐圧半導体デバイスの製造において、結晶膜の膜厚や抵抗率の制御が行ないやすい枚葉型気相成長装置にかかる比重はさらに高まっている。

ここで、従来の枚葉型気相成長装置として、原料ガスの流れを制御することで半導体基板に均一に結晶膜を成長させる種々の構造が設けられた気相成長装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、従来の気相成長装置２００を示す概念図である。
従来の気相成長装置２００では、反応炉２０１内に収容された支持台２０６に載置される半導体基板２０３をヒータ２０９によって加熱し、所定の速度で回転させながら、半導体基板２０３の表面に対して略垂直に原料ガスを供給する。そして、略垂直に供給された原料ガスは、半導体基板２０３の表面近傍で気相成長反応を行ないながら、流れる方向を略水平に変える。

図９は、従来の気相成長装置における原料ガスの流れを模式的に示した概念図である。図９における点線の矢印は、反応炉２０１内の原料ガス流を示す。
従来の気相成長装置２００では、原料ガスの一部が反応炉２０１の外壁内面に衝突することが問題となっていた。
反応炉２０１の外壁内面に衝突した原料ガスは、ガス排気部２０５が設けられた反応炉２０１の下方だけでなく、上方にも巻き上がる。そして、反応炉２０１の中央方向へ巻戻り、半導体基板２０３上の原料ガス流を乱してしまう。このため、原料ガスの供給が不均一になり、半導体基板２０３に成長させる結晶膜厚及び不純物濃度の均一性を低下させてしまう。

このように、枚葉型気相成長装置において、反応後の原料ガスがスムーズに半導体基板上から排出されず、反応炉２０１から排気されないことが、半導体基板に成長させる結晶膜の、特に周縁部における品質を低下させる一因となってしまっていた。
特開平１１−６７６７５号公報

本発明は、反応後の原料ガスの反応炉外への排気を促進することで、結晶膜の成長速度の向上と、結晶膜厚及び不純物濃度の均一性の向上とを同時に達成することが出来る気相成長装置及び気相成長方法を提供することを目的とする。

本発明の気相成長装置は、
半導体基板を収容する反応炉と、
反応炉の上部に設けられた原料ガスを供給するガス供給部と、
反応炉の一部に設けられたガス排気部と、
反応炉の内部に設けられた半導体基板を支持する半導体基板支持部と、
半導体基板支持部が取り付けられる回転部材とを備えた気相成長装置であって、
回転部材側面に翼が固設されることを特徴とする。

上述の翼は、その主表面を、回転部材の中心軸に直交して放射状に延ばした仮想線を回転軸として、半導体支持部上面に対し所定の角度に傾斜させて固設されることが好ましい。

上述の翼は、回転部材の側面に略等間隔に固設されることが好ましい。

上述の翼は、回転部材の側面の同一の高さに固設されることが好ましい。

本発明の気相成長方法は、
反応炉内に収容され、回転させられながら加熱された半導体基板に原料ガスを供給し、気相成長を行なう気相成長方法であって、
半導体基板を支持する半導体基板支持部が取り付けられた回転部材側面に、
翼を設け、回転することによって、反応後の原料ガスの排気を促進させることを特徴とする。

本発明によれば、反応後の原料ガスのチャンバ内での巻戻りを起こさず、半導体基板上面から外向きへと排気し、半導体基板全面に膜厚及び不純物濃度の均一性が高く、汚染の少ない結晶膜を成長させることが出来る。

以下、本発明の好適な実施形態を用いたエピタキシャル成長装置について図面を参照して説明する。

実施形態１
図１は、本実施形態のエピタキシャル成長装置１００の要部構成を示す概念図である。
図１に示すように、エピタキシャル成長装置１００は、例えばステンレス製で中空の円筒形のチャンバ１０１、チャンバ１０１内にシリコン源となる成分を含んだ原料ガスを供給するガス供給部１０２、ガス供給部１０２から供給された原料ガスを整流し、下方に配置されるウェハ１０３（半導体基板の一例）に対して層流の状態で送出するガス整流板１０４が備えられる。ガス整流板１０４は、例えば石英ガラス製の中空の円盤状で、ウェハ１０３に対向する面に、原料ガスを通過させる例えば１mmφの貫通孔が均等な分布で多数穿孔されており、原料ガスを均等に整流して送出する。
そして、チャンバ１０１の下部にはウェハ１０３表面においてエピタキシャル成長反応が行なわれた後の原料ガス及び反応生成物をチャンバ１０１外へと排出するガス排気部１０５が設けられている。ガス排気部１０５は、図示しない真空ポンプに接続されており、チャンバ１０１内を所定の圧力に保持する。

上述したチャンバ１０１の内部には、ウェハ１０３が載置される環状ホルダ１０６（サセプタとも言う）が上部に取り付けられた回転部材であるリング１０７が設けられる。
リング１０７は、チャンバ１０１の下部を貫通して回転自在に設けられ、チャンバ１０１外において図示しない回転機構に接続されている。なお、リング１０７とチャンバ１０１の下部外壁は真空シール部材等を介してチャンバ１０１内外を気密に隔絶している。

環状ホルダ１０６の中央部には、ウェハ１０３の内径よりも小さい貫通孔が形成されている。また、環状ホルダ１０６の内端には、ウェハ１０３の厚みと略同一或いはこれよりも浅く、且つウェハ１０３の外径よりも僅かに大きい凹部１０８が形成されている。ここで、ウェハ１０３は、凹部１０８に収まるように載置される。このため、環状ホルダ１０６は、ウェハ１０３に対し遠心力等の略水平の方向の力が働いても、安定してウェハ１０３を支持することが出来る。

また、上述のリング１０７の中空の内部には、ウェハ１０３を裏面から加熱するヒータ１０９が設けられている。上述のように、環状ホルダ１０６の中央部には貫通孔が形成され、ウェハ１０３の裏面が露出されている。そのため、ウェハ１０３にヒータ１０９からの熱を効率よく与えることが出来、素早い加熱が可能である。

図２は、リング１０７の構成の一部を拡大して示した側面図である。また、図３は、環状ホルダ１０６及びリング１０７の構成を示した上面図である。
図２及び図３に示すように、その中心軸に略平行であるリング１０７の側面には、主表面をリング１０７の中心軸に直交して放射状に延ばした仮想線を回転軸として、環状ホルダ１０６の上面に対し所定の角度に傾斜させたタービン翼１１０（翼の一例）が略等間隔に複数固設される。また、タービン翼１１０は全て略同一の高さ位置に固設される。
このため、リング１０７は、高速で回転させても重心がぶれず、回転による振動が発生しない。このため、回転に伴う振動によって環状ホルダ１０６からウェハ１０３が外れ、破損させる虞は低減される。また、環状ホルダ１０６から外れたウェハ１０３が衝突することでエピタキシャル成長装置１００自体をも破損させる危険性も低減させることが出来る。
なお、リング１０７の回転に伴う振動を抑止するためには、タービン翼１１０がそれぞれリング１０７の回転軸に対する回転対称の位置に固設されていれば、より好ましい。

上述のタービン翼１１０は、所定の大きさの平坦な長方形に形成された炭化ケイ素（SiC）製の板状部材がリング１０７の側面に対し垂直に埋め込まれるようにして固設される。
また、このとき複数のタービン翼１１０は、環状ホルダ１０６の上面に対し同一の所定の傾斜角度が設定される。

ここで、タービン翼１１０は、リング１０７の回転に付随する回転によってタービン翼１１０の上方のガスを引き込み、略下向きの流れを形成する任意の傾斜角度が設定される。また、リング１０７の回転方向に従い、タービン翼１１０の傾斜角度を適宜変更する。

なお、図３において、リング１０７の側面には１６枚のタービン翼１１０を固設したが、設ける枚数について適宜増減しても良く、これに限定するものではない。
また、例えばリング１０７は、タービン翼１１０の先端から、ウェハ１０３の中心に対し反対側の一方に固設されたタービン翼１１０の先端までの長さよりも大きい直径の円筒形状の炭化ケイ素材を、タービン翼１１０が形成されるように削り出して作成しても良い。

以下、本実施形態の気相成長方法について、図を参照しながら詳細に説明する。
図４は、本実施形態の気相成長方法における原料ガス流を模式的に示した概念図である。図４における点線の矢印は、チャンバ１０１内の原料ガス流を示す。以下、他の各図面においても同様である。
また、図５は、タービン翼１１０の回転によって形成される原料ガス流を模式的に示した概念図である。
本実施形態の気相成長方法は、ウェハ１０３を常圧或いは所定の圧力に保持したチャンバ１０１内に収容し、環状ホルダ１０６に形成された凹部１０８に載置する。
そして、リング１０７を略水平の所定の方向に、所定の速度で回転させながら、環状ホルダ１０６の下部に設けられたヒータ１０９を用い、ウェハ１０３全面において均一な温度になるように加熱する。
上述のように、回転させられながら加熱されたウェハ１０３に対し、ガス供給部１０２から原料ガスを略垂直に供給する。ガス供給部１０２から供給された原料ガスは、ガス整流板１０４を通過することで整流され、ウェハ１０３に対し均一に供給される。
そして、例えば１１００℃以上に加熱されたウェハ１０３上で原料ガスの熱分解反応或いは水素還元反応が行なわれ、ウェハ１０３表面にエピタキシャル膜が成長する。

このとき供給する原料ガスは、キャリアガスとなる水素（H_２）等にモノシラン（SiH₄）、ジクロロシラン（SiH₂Cl₂）、トリクロロシラン（SiHCl₃）等のシラン系ガスとドーパントとしてボロン系のジボラン（B₂H₆）、リン系のホスフィン（PH₃）、砒素系のアルシン（AsH₃）等のドーパントガスのいずれかを所定の濃度で添加したものが用いられる。例えば、ジボランが添加されボロンがドープされたエピタキシャル膜はｐ型の導電性を示し、またホスフィン或いはアルシンが添加されリン或いは砒素がドープされたエピタキシャル膜はｎ型の導電性を示す。

図４に示すように、ウェハ１０３に対して略垂直に供給された原料ガスは、ウェハ１０３表面近傍でエピタキシャル成長を行ないながら、流れる方向を略水平に変える。そして、反応後の原料ガスは、環状ホルダ１０６が回転することによって、回転中心であるウェハ１０３の中心に対して略外向きに押し出される。これにより、ガス供給部１０２から順次新鮮な原料ガスがウェハ１０３に供給される原料ガス流が形成され、エピタキシャル膜の成長速度を高く維持することが出来る。

リング１０７の側面に固設されたタービン翼１１０は、ウェハ１０３を回転させるために回転するリング１０７に付随して回転する。すると、タービン翼１１０の上方のガスを引き込み、略下向きのガス流を形成する。
図５に示すように、環状ホルダ１０６上面の側端から略水平に押し出された反応後の原料ガス流は、タービン翼１１０の回転によって略下向きに方向が変えられ、流速が加速される。そして、チャンバ１０１下部に設けられたガス排気部１０５からチャンバ１０１外へと排出される。

この結果、従来のエピタキシャル成長装置において問題となっていた、反応後の原料ガスがチャンバ１０１の外壁内面に衝突し、ウェハ１０３上への巻戻りを抑止される。これにより、ウェハ１０３上の中心から外向きへ一定方向のスムーズな原料ガスの流れが形成され、ウェハ１０３全面において均一な膜厚及び不純物濃度のエピタキシャル膜の成長を行なうことが出来る。
また、反応後の原料ガスの排気が促進されることで後から供給される新鮮な原料ガスを順次ウェハ１０３に供給することが出来る。そのため、ウェハ１０３に成長させるエピタキシャル膜の成長速度を高く維持することが出来る。

また、チャンバ１０１の外壁内面等に副生成物等が付着していても、反応後の原料ガスの巻戻りの流れによって飛散せず、ウェハ１０３を汚染する虞が低減出来る。このため、パーティクルの付着によるエピタキシャル膜の結晶欠陥等の発生を抑止することが出来る。

さらに、本実施形態では、チャンバ１０１内の反応後の原料ガスの流速を加速することでチャンバ１０１内からの排気を促進させるため、チャンバ１０１へのガスの供給から排気までの所要時間を短縮させることが出来る。
チャンバ１０１内には、原料ガスの成分に由来する副生成物が各所に堆積する。特に、ヒータ１０９などの熱源から遠いため、温度が低いガス排気部１０５周辺はこれが顕著である。この副生成物を放置すると、ガス排気部１０５が閉塞しチャンバ１０１内の圧力がばらついたり、ガスの排気が不可能になったりする。これを防止するため、エピタキシャル成長装置１００の一定稼働時間ごとに、チャンバ１０１を開封して、内部を洗浄することが必要となる。
内部洗浄が行われると、外気によってチャンバ１０１内がパーティクル等で汚染される。そのため、この洗浄を行なった後、再度エピタキシャル成長装置１００を稼働させる前には、チャンバ１０１内に流入した外気の入れ替え及びパーティクル等の排出のため、水素等を供給してチャンバ１０１内をパージする。これらのパージガスも、原料ガスと同様の供給排気経路を介してチャンバ１０１内を通過させる。
そのため、本実施形態を採用すれば、チャンバ１０１内の水素パージ等といった成膜作業以外の作業においても、作業効率の向上を期待することが出来る。

したがって、本実施形態では、エピタキシャル膜の成長速度の向上と、パージ等の作業効率の向上とが同時に達成出来るため、エピタキシャル成長装置１００の高スループット化に寄与することが出来る。

（実施形態２）
次に、本発明の好適な他の一例について説明する。

図６は、本実施形態の環状ホルダ１０６及びリング１０７ａの構成を示した側面図である。また、図７は、タービン翼１１０ａが固設されたタービン翼リング１１１を示した上面図である。

図７に示すように、本実施形態のタービン翼１１０ａは、リング１０７ａの外径よりも僅かに大きく、リング１０７ａに嵌合させられる内径のタービン翼リング１１１の表面に形成されている。そして、図６に示すように、円筒形のリング１０７ａにタービン翼リング１１１を嵌合し、リング１０７ａの回転に付随してタービン翼１１０ａを回転させる。
これを用い、環状ホルダ１０６上面の側端から押し出された反応後の原料ガス流を引き込み、略下向きの流れに変える。そして、ガス流の流速を加速させることにより、チャンバ１０１外への反応後の原料ガスの排気を促進する。

本実施形態では、タービン翼１１０ａの一部が破損し、効果を発揮させられなくなった場合、リング１０７ａ全体を交換する必要がなく、タービン翼リング１１１だけを交換すれば良い。そのため、部材の交換に必要な金銭的、時間的コストを削減することが出来る。

なお、本実施形態を説明する上で、実施形態１で説明した内容と重複するものについては説明を省略する。

以上、具体例を参照しつつ、実施形態について説明した。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが出来る。

例えば、図１において、ガス排気部１０５はチャンバ１０１の下部に２箇所設けるように示したが、タービン翼１１０によって流速を加速されたガス流がチャンバ１０１の底面において滞留或いは逆流しないよう、適宜増設して排気能力を向上させても良い。

また、本発明は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、ウェハの表面に所定の結晶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ことを目的とした装置であってもよい。

更に、装置の構成や制御の手法等、本発明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置の構成や制御の手法等を適宜選択して用いることが出来る。

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すべての気相成長装置、及び各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

本発明の実施形態１の気相成長装置の要部構成を示す概念図である。 実施形態１のリングの構成の一部を拡大して示した側面図である。 実施形態１の環状ホルダ及びリングの構成を示した上面図である。 実施形態１の気相成長方法における原料ガスのガス流を模式的に示した概念図である。 実施形態１のタービン翼の回転によって形成される原料ガス流を模式的に示した概念図である。 本発明の実施形態２の環状ホルダ及びリングの構成を示した側面図である。 実施形態２のタービン翼が固設されたタービン翼リングを示した上面図である。 従来の気相成長装置を示す概念図である。 従来の気相成長装置における原料ガスの流れを模式的に示した概念図である。

符号の説明

１００…エピタキシャル成長装置
１０１…チャンバ
１０２…ガス供給部
１０３…ウェハ
１０４…ガス整流板
１０５…ガス排気部
１０６…環状ホルダ
１０７…リング
１０８…凹部
１０９…ヒータ
１１０…タービン翼
１１１…タービン翼リング

Claims (5)

1. 半導体基板を収容する反応炉と、
   前記反応炉の上部に設けられた原料ガスを供給するガス供給部と、
   前記反応炉の一部に設けられたガス排気部と、
   前記反応炉の内部に設けられた前記半導体基板を支持する半導体基板支持部と、
   前記半導体基板支持部が取り付けられる回転部材とを備えた気相成長装置であって、
   前記回転部材側面に翼が固設されることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記翼は、その主表面を、前記回転部材の中心軸に直交して放射状に延ばした仮想線を回転軸として、前記半導体基板支持部上面に対し所定の角度に傾斜させて固設されることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記翼は、前記回転部材の側面に略等間隔に固設されることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の気相成長装置。
4. 前記翼は、前記回転部材の側面の同一の高さに固設されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の気相成長装置。
5. 反応炉内に収容され、回転させられながら加熱された半導体基板に原料ガスを供給し、気相成長を行なう気相成長方法であって、
   前記半導体基板を支持する半導体基板支持部が取り付けられた回転部材側面に、
   翼を設け、回転することによって、反応後の原料ガスの排気を促進させることを特徴とする気相成長方法。

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