JP2011171450A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜室内壁を保護するライナ上にシリコン結晶が形成されるのを抑制する。
【解決手段】チャンバ１の頂部には、プロセスガス２５の供給部４が、内部には、半導体基板６を載置する回転式のサセプタ７と、チャンバ１の内壁を被覆する筒状のライナ２とがそれぞれ設けられている。ライナ２は、サセプタ７の配置される胴部３２と、供給部４の側にあって胴部３０より断面積の小さい頭部３１と、胴部３０と頭部３１をつなぐ段部３２とを有する。サセプタ７には、サセプタ本体３６上にドーナツ状円板３８が設けられており、ドーナツ状円板３８によりライナ２の段部３２の周囲をカバーしながら、プロセスガス２５を供給部４からチャンバ１内に流下させて、下方に配置されたサセプタ７上の半導体基板６に結晶膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。

従来より、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造には、エピタキシャル成長技術が活用されている。

エピタキシャル成長技術に使用される気相成長方法は、例えば、半導体基板上にシリコン（Ｓｉ）結晶を成長させてＳｉ単結晶基板を得ようとする場合、シリコンウェハ等の半導体基板が配置された気相成長用の成膜室内を、常圧（０．１ＭＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））、或いは減圧に保持する。

そして、半導体基板を加熱しながら、シリコン源となる原料ガスに、ボロン系のジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、リン系のホスフィン（ＰＨ_３）、砒素系のアルシン（ＡｓＨ_３）等のドーパントガスを混合したプロセスガスを気相成長用の成膜室内に供給する。そして、所定の温度以上に加熱された半導体基板の表面で、原料ガスの熱分解反応或いは水素還元反応が行なわれ、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いは砒素（Ａｓ）がドープされた気相成長膜が成膜されることにより行なわれる。

膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェハ等半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、従来の成膜装置においては、例えば、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている。

また、別の方法として、プロセスガスの供給において装置の改善が必要とされている。すなわち、成膜装置の成膜室内にプロセスガスを供給する場合、プロセスガスが効率良く半導体基板の表面に集められるように成膜装置上の工夫がなされる。

例えば、特許文献１には、成膜室内に供給されたプロセスガスを整流し、ホルダーに保持された半導体基板に向かってプロセスガスを供給する整流板と、整流板下部に設置され、上端の内径より下端の内径が大きく、半導体基板上から外周方向に排出されるガスを下方に整流する環状の整流フィンとを備えた半導体製造装置が開示されている。こうした構造を備えることにより、プロセスガスの利用効率は向上する。

特開２００９−２３１５８７号公報

図３は、エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の構成を説明するための模式的な断面図である。図３に示される成膜装置２００では、上述のような半導体基板の高速回転と、プロセスガスの効率的な利用とが可能となるよう構成されている。

図３に示す成膜装置２００において、２０１はチャンバ、２０２はチャンバ内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ、２０３ａ、２０３ｂはチャンバを冷却する冷却水の流路、２０４はプロセスガス２２５を導入する供給部、２０５は反応後のプロセスガスの排気部、２０６は気相成長を行うウェハ等の半導体基板、２０７は半導体基板２０６を支持するサセプタ、２０８は図示しない支持部に支持されて半導体基板２０６を加熱するヒータ、２０９はチャンバ２０１の上下部を連結するフランジ部、２１０はフランジ部２０９をシールするパッキン、２１１は排気部２０５と配管を連結するフランジ部、２１２はフランジ部２１１をシールするパッキンである。

そして、ライナ２０２は通常、石英製であり、透明性を備える。そして、その頭部２３１の上部開口部には、半導体基板２０６の表面に対してプロセスガス２２５を均一に供給するためのガス整流板であるシャワープレート２２０が取り付けられている。

また、チャンバ２０１底部には、チャンバ２０１の内部まで伸びる回転軸２２２が設けられており、この回転軸２２２の上端には回転筒２２３が配設され、この回転筒２２３に上述のサセプタ２０７が取り付けられている。したがって、サセプタ２０７は、ヒータ２０８の上方、チャンバ２０１の内部で回転可能に配置されている。

よって、成膜装置２００では、チャンバ２０１内でサセプタ２０７により半導体基板２０６を支持する。そして、回転機構（図示せず）を設けた回転軸２２２によってサセプタ２０７上に載置された状態で回転をしながら、半導体基板２０６をヒータ２０８により１０００℃以上に加熱する。この状態でチャンバ２０１内に反応性ガスを含むプロセスガス２２５を、供給部２０４からシャワープレート２２０の貫通孔２２１を介して供給する。

そして、半導体基板２０６表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行われ、半導体基板２０６表面に結晶膜を形成する。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは変性された生成ガスとなり、プロセスガス２２５とともにチャンバ２０１下部に設けられた排気部２０５から逐次排気される。

すなわち、成膜装置２００においては、半導体基板２０６を高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われており、上述のように、均一に加熱された半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に接触させて成膜速度を向上させるよう構成されている。

さらに、図３に示す成膜装置２００においては、供給部２０４から供給されるプロセスガス２２５をサセプタ２０７上の半導体基板２０６上に、均一に供給できるよう、シャワープレート２２０の貫通孔２２１の配置は半導体基板２０６に対応する領域内にあるように選択されている。

そして、中空筒状の形状を有するライナ２０２は、シャワープレート２２０を支持する頭部２３１の内径がサセプタ２０７の配置された胴部２３０より小さくなるよう構成されている。すなわち、中空筒状の形状を有するライナ２０２は、半導体基板２０６の配置される胴部２３０に対して、シャワープレート２２０を上部にて支持するとともにシャワープレート２２０を通過したプロセスガス２２５の流路となる頭部２３１の内径が小さくなっている。したがって、ライナ２０２は、所謂、胴部２３０に対し頭部２３１の断面積が絞られた構造を有していることになる。

よって、シャワープレート２２０の貫通孔２２１を出た後、プロセスガス２２５が拡散する無駄な空間が無くなっており、シャワープレート２２０から供給されるプロセスガス２２５が無駄なく半導体基板２０６表面に集められ、プロセスガス２２５の効率的な利用が可能となるよう構成されている。

したがって、供給部２０４から成膜装置２００のチャンバ２０１内に供給されたプロセスガス２２５は、頭部２３１を通過して半導体基板２０６の表面に向かって効率よく流下するが、このとき、半導体基板２０６表面でのプロセスガス２２５の流れをより均一にするよう、半導体基板２０６の周縁部分とライナ２０２との間の隙間は狭くなっている。具体的には、ライナ２０２の頭部２３１と胴部２３０との境にある、段部２３２の角部２３４と半導体基板２０６の周縁部分との間の隙間は狭くなっている。

しかしながら、ここで一つの問題が発生することがわかっている。すなわち、ヒータ２０８からの輻射熱は、半導体基板２０６だけでなく、成膜装置２００を構成する部材全てに伝わり、昇温させる。そして、そうした昇温は、半導体基板２０６やヒータ２０８のような高温部分の近傍において顕著である。

このため、半導体基板２０６やヒータ２０８に近い、ライナ２０２の胴部２３０と頭部２３１との境の部分には相対的な高温部分が生じる。特に、半導体基板２０６やサセプタ２０７に近い、ライナ２０２の段部２３２の角部２３４で温度が非常に高くなる。

図４は、エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の問題点を説明するための成膜装置の要部拡大図である。

チャンバ内壁を被覆するライナ２０２上に生じた相対的な高温部分にプロセスガス２２５が接触すると、半導体基板２０６の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が起きる。すると、図４に示すように、ライナ２０２の段部２３２の角部２３４には、プロセスガス２２５に由来するシリコン結晶２３５が形成されてしまう。

このようなシリコン結晶２３５の形成は、プロセスガス２２５の流路となる、段部２３２の角部２３４と半導体基板２０６の周縁部分との間の隙間をより狭くしてしまうことになる。
したがって、半導体基板２０６表面における成膜時のプロセスガス２２５の流れの状態が変化し、均一な条件下での半導体基板６への結晶膜形成が行えなくなることがある。

そして、ここで生成されるシリコン結晶２３５は、半導体基板２０６表面に成膜される気相成長膜と略同質である。このようなシリコン結晶２３５の形成は、ライナ２０２に求められる透明性を失わせることになる。

こうしたライナ２０２の失透は、例えばフッ酸を用いた洗浄により回復させることができる。しかしながら、形成されたシリコン結晶を完全に除去するのは容易ではない。そして、シリコン結晶の塊は、成膜装置２００の稼動に伴う昇温、降温が繰り返されることで欠片が剥離し、チャンバ２０１内にパーティクルとして滞留する。そして、後に生産される半導体基板に成膜される気相成長膜を汚染し、品質を低下させる要因となる。

よって、成膜装置２００を継続的に稼動させるためには、上述したシリコン結晶２３５を除去し、チャンバ２０１内を清浄に保持しなければならない。そのためには、定期的に成膜装置２００の稼動を停止し、チャンバ２０１のメンテナンスを行なう必要がある。

このメンテナンス作業は、チャンバ２０１内を洗浄する等の作業を行なうだけでなく、再度稼動するための環境を整えることが必須となるため、相応の時間を要する。例えば、内部の洗浄が完了したチャンバ２０１を、外気によってパーティクル汚染させないことに留意した慎重な作業や、組み立て直したチャンバ２０１を所定の真空度に調整することには、相応の時間と労力を要する。

したがって、パーティクルを除去するメンテナンス作業を定期的に行なう必要性がある成膜装置２００では、稼働率をある一定以上に向上させることができなかった。
このように、成膜装置２００においては、生産される半導体基板の品質に対する問題と、品質維持に必要な作業等のために生じる稼働率の低下という問題があった。

本発明は、かかる問題点を克服し、気相成長によって、プロセスガスによるチャンバ内部への副生成物の形成が生じたとしても、生産する半導体基板の品質を低下させることが無く、装置の稼働率を従来よりも向上させることができる成膜装置、およびこれを用いた成膜方法を提供するものである。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の成膜装置は、成膜室と、成膜室内にプロセスガスを供給する供給部と、成膜室の底部に設けられた排気部と、成膜室の内壁を被覆する筒状のライナと、ライナの頭部の開口部に配設され、成膜室内に供給された反応ガスを整流する整流板と、成膜室の底部からライナの胴部内に伸びる回転軸と、回転軸の上端に配設された回転筒と、ライナの胴部内で、回転筒に支持されて、基板を載置するサセプタとを有する。そして、ライナは、胴部と、胴部より断面積の小さい頭部と、胴部と頭部をつなぐ段部とからなり、サセプタは、回転筒に支持されて基板を載置するサセプタ本体と、サセプタ本体上に立設された柱に支持されてサセプタ本体と離間するよう設けられたドーナツ状円板とからなり、そのドーナツ状円板は、サセプタが回転筒に支持された状態で、ライナの段部周囲をカバーするよう構成されたことを特徴とする。

そして、サセプタは、回転筒に着脱可能に支持されていることが好ましい。

また、ドーナツ状円板は、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＴａＣ（タンタルカーバイト）およびタングステンカーバイト（ＷＣ）よりなる群から選択された１以上の材料によりカーボン（Ｃ）をコートして得られた部材から構成されることが好ましい。

本発明の成膜方法では、プロセスガスを成膜室の頂部から流下し、回転筒に支持されたサセプタ上に載置した基板を加熱しつつ基板にプロセスガスを接触させて所定の膜を形成する。そして、成膜室の内壁を被覆する筒状のライナを設け、ライナは、サセプタが配設される胴部と、胴部より断面積が小さい頭部と、胴部と頭部をつなぐ段部とからなり、サセプタは、基板を載置するサセプタ本体と、サセプタ本体上にサセプタ本体と離間するよう設けられたドーナツ状円板とからなり、プロセスガスを、ライナの頭部から胴部内のサセプタ上に載置された基板に向けて流下するとともに、ドーナツ状円板によりライナの段部の周囲を被覆し、プロセスガスを基板に接触させて所定の膜を形成することを特徴とする。

そして、サセプタは、基板を載置したまま、回転筒への着脱が可能とされ、成膜室の外で、サセプタへの基板の載置がなされて、基板をサセプタに載置した状態で成膜室内への搬入がなされ、回転筒に支持されるようにされ、基板に所定の膜を形成した後、基板を載置したまま回転筒からサセプタが取り外され、サセプタが成膜室の外に搬出され、成膜室の外でサセプタからの基板の取り外しがなされることが好ましい。

本発明の成膜装置によれば、成膜処理の際に副生成物が発生してもチャンバ内壁に付着するのを抑制することができる。したがって、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。

また、本発明の成膜装置によれば、成膜処理後の基板をサセプタ上に載置したまま、サセプタごと成膜装置外に搬出することが可能となる。したがって、サセプタの有するドーナツ状円板に副生成物が付着しても、そのサセプタを成膜装置外に搬出することで成膜室内に副生成物が堆積することを抑制することができる。したがって、成膜装置のメンテナンス作業を容易にし、また、成膜装置の稼働率を向上することが可能となる。

さらに、本発明の成膜装置によれば、基板への成膜処理時にサセプタの有するドーナツ状円板は、ライナの段部の角部分周囲をカバーして、サセプタやヒータからの熱を基板側に反射することが可能となる。したがって、半導体基板周縁部分からの熱の逃げが抑制され、成膜時における基板のヒータ加熱効率を向上させることが可能となる。その結果、ヒータにおける基板加熱のための出力を低下させることが可能となり、高効率の成膜装置の提供が可能となる。

本発明の成膜方法によれば、成膜処理の際に副生成物が発生してもチャンバ内壁に付着するのを抑制することができる。したがって、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。

また、本発明の成膜方法によれば、基板をサセプタ上に載置した状態で、サセプタを装置内に搬入するとともに、成膜処理後には、基板とともにサセプタを装置外に搬出することが可能となる。したがって、サセプタの有するドーナツ状円板に副生成物が付着しても、そのサセプタを成膜装置外に搬出することで成膜室内に副生成物が堆積することを抑制することができる。また、装置内への基板の搬入時にはクリーニングされた、副生成物の付着の無いサセプタを使用することが可能となり、成膜装置のメンテナンス作業を容易にし、また、成膜装置の稼働率を向上することが可能となる。

本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。 本実施の形態の成膜装置の有するサセプタの作用を説明するための成膜装置の要部拡大図である。 エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の構成を説明するための模式的な断面図である。 エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の問題点を説明するための成膜装置の要部拡大図である。

図１は、本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の成膜装置５０は、成膜室であるチャンバ１と、チャンバ１内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ２と、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３ａ、３ｂと、プロセスガス２５を導入する供給部４と、反応後のプロセスガスを排気する排気部５と、シリコンウェハ等の基板である半導体基板６を載置してこれを支持する回転式のサセプタ７と、図示しない支持部に支持されて半導体基板６を加熱するヒータ８と、チャンバ１の上下部を連結するフランジ部９、フランジ部９をシールするパッキン１０と、排気部５と配管を連結するフランジ部１１と、フランジ部１１をシールするパッキン１２とからなる。

そして、チャンバ１の側壁の上部には、チャンバ１側壁とライナ２との間の隙間にアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスからなるパージガス４１を供給するためのパージガス供給部４２が設けられている。

そして、サセプタ７には、気相成長を行うウェハ等の基板である半導体基板６が載置される。この半導体基板６を支持するサセプタ７は、回転筒２３に支持され、回転軸２２を介して図示されない回転機構に接続されている。

具体的には、チャンバ１底部には、チャンバ１の内部まで伸びる回転軸２２が設けられており、この回転軸２２の上端には回転筒２３が配設され、この回転筒２３に上述のサセプタ７が取り付けられている。したがって、サセプタ７は、ヒータ８の上方、チャンバ１の内部で回転可能に配置されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６を高速に回転する。

なお、チャンバ１のフランジ部９と、排気部５のフランジ部１１には上述のようにシールのためにパッキン１０、１２を用いている。このパッキン１０、１２はフッ素ゴム製であり、耐熱温度は約３００℃である。従って、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３ａ、３ｂは、パッキン１０、１２を熱で劣化させることを防止でき、特に有効である。

以上の構成を有する本実施の形態の成膜装置５０においては、チャンバ１内で半導体基板６を支持し、回転機構（図示せず）に接続されたサセプタ７により回転させながら、ヒータ８により１０００℃以上に加熱する。この状態でチャンバ１内に反応性ガスを含むプロセスガス２５を供給部４から、シャワープレート２０の貫通孔２１を介して、供給する。

また、チャンバ１の側壁の上部のパージガス供給部４２からは、パージガス４１が供給されている。
そして、半導体基板６表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行われ、半導体基板６表面に結晶膜を形成する。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは、変性された生成ガスとなり、プロセスガス２５やパージガス４１とともにチャンバ１下部に設けられた排気部５から逐次排気される。

よって、成膜装置５０においては、半導体基板６を高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが可能であり、均一に加熱された半導体基板６の表面に新たなプロセスガス２５を次々に接触させて成膜速度を向上させることが可能なように構成されている。
以下、成膜装置５０の主要な構成部分について説明する。

中空筒状のライナ２は石英製であり、透明性を備える。そして、その頭部３１の上部開口部には、半導体基板６の表面に対してプロセスガス２５を均一に供給するよう、ガス整流板であるシャワープレート２０が取り付けられている。このシャワープレート２０には、プロセスガス２５を供給するための貫通孔２１が複数個設けられている。

図１に示す、本実施の形態の成膜装置５０においては、供給部４から供給されるプロセスガス２５をサセプタ７上の半導体基板６上に均一に供給できるよう、シャワープレート２０の貫通孔２１の配置が半導体基板６に対応する領域内にあるように選択されている。

なお、ライナ２の配設については、一般に、成膜装置のチャンバの壁がステンレス製であることによる。すなわち、成膜装置５０では、このステンレス製の壁を気相反応系内に露出させないように、ライナ２で全面を被覆している。これは、半導体基板６表面の結晶膜形成時のパーティクルや金属汚染、あるいはチャンバ１のステンレス製の壁の侵食を防ぐ効果がある。

本実施の形態の成膜装置５０において、中空筒状のライナ２は、シャワープレート２０を支持する頭部３１と、内部にサセプタ７が配置されてプロセスガス２５による半導体基板６表面での気相反応が行われる胴部３０とを有する。そして、頭部３１の内径は胴部３０より小さく、その結果、頭部３１の断面積は胴部３０より小さく、ライナ２は頭部３１が絞られた構造を有する。

このように、中空筒状のライナ２において、頭部３１が絞られた構造を備えるのは、頭部３１が、シャワープレート２０を上部開口部で支持するとともにシャワープレート２０を通過したプロセスガス２５の、胴部３０内の半導体基板６に向けた流路となるよう構成されているためである。

そして、この絞られた構造の頭部３１の内径は、シャワープレート２０の貫通孔２１の配置と半導体基板６の大きさに対応するように決められている。よって、シャワープレート２０の貫通孔２１を出た後、プロセスガス２５が拡散する無駄な空間が無くなっており、シャワープレート２０から供給されるプロセスガス２５が無駄なく半導体基板６表面に集められ、プロセスガス２５の効率的な利用が可能となるよう構成されている。このようにライナ２の形状を改善することにより、半導体基板６表面での高効率の気相成長反応が実現できることになる。

そして、中空筒状の形状を有するライナ２においては、それぞれの内径が異なって断面積の異なる胴部３０と頭部３１とを繋ぐ境に、それぞれの断面積の違いに由来する段部３２が形成されている。そして、その段部３２の、頭部３１との接合部分近傍には、隙間４４が設けられている。この隙間４４は、パージガス供給部４２によりチャンバ２と側壁との隙間に供給されたパージガス４１の流路となっている。

よって、ライナ２は、胴部３０と頭部３１とそれらの境にある段部３２とからなり、段部３２の角部３４近傍には、パージガス４１の流路となる隙間４４が設けられている。
このとき、この段部３２の角部３４は、胴部３０と頭部３１とが接合する部分でもあり、頭部３１がチャンバ１の上方に向けての立ち上がる付け根となっている。

そして、ライナ２では、プロセスガス２５が拡散する無駄な空間を無くすよう、頭部３１の付け根である段部３２の角部３４の下面側は、半導体基板６やサセプタ７の上空にせり出す構造となっている。すなわち、角部３４の下面側が半導体基板６やサセプタ７近傍に位置する構造となっている。

次に、本実施の形態の成膜装置５０の有するサセプタ７の構造と作用について説明する。

本実施の形態の成膜装置５０の有するサセプタ７は、半導体基板６を載置して支持するドーナツ板状のサセプタ本体３６を有する。そして、そのサセプタ本体３６の外周端部に柱３７が立設され、その柱３７上にさらにドーナツ状円板３８を設けた構成を備える。すなわち、図１に示す成膜装置５０において、サセプタ７は、半導体基板６を載置して支持するドーナツ板状のサセプタ本体３６と、サセプタ本体３６の外周端部に立設された柱３７に支持されてサセプタ本体３６から離間するよう設けられたドーナツ状円板３８とからなる。

このサセプタ７のドーナツ状円板３８は、カーボン（Ｃ）に対しＳｉＣ（炭化珪素）がコートされた部材から構成することが可能である。また、カーボンにＴａＣ（タンタルカーバイト）やタングステンカーバイト（ＷＣ）をコートして構成された部材など、高い耐熱性を備え、半導体基板６表面での気相成長を汚染する懸念の無い部材を適宜選択して使用することが可能である。

そして、サセプタ７では、半導体基板６をサセプタ本体３６に載置したままで、回転筒２３に対し着脱可能とされている。したがって、成膜装置５０では、成膜装置５０の外で、半導体基板６をサセプタ７のサセプタ本体３６に半導体基板６を載置し、そのままサセプタ７とともに半導体基板６を成膜装置５０内に搬入することができる。

そして、半導体基板６を載置したサセプタ７を回転筒２３上に装着し、半導体基板６上での気相成長反応を行うことができる。気相反応終了後は、再びサセプタ７のサセプタ本体３６に反応後の半導体基板６を載置したまま、回転筒２３上からサセプタ７を取り外し、サセプタ７とともに半導体基板６を成膜装置５０外に搬出することができる。

したがって、成膜装置５０の外で、気相反応後の半導体基板６をサセプタ７から回収することができる。そして、クリーニングされて汚れの除去されたサセプタ７や新たなサセプタ７などに新たな半導体基板６を載置し、再び同様の、成膜装置５０における基板搬入と成膜と基板搬出とを繰り返すことができる。

ここで、サセプタ７の有するドーナツ状円板３８の配置と作用について説明する。
上述のように、本実施の形態の成膜装置５０においては、ライナ２は、胴部３０に対し、所謂、頭部３１が絞られた構造を有する。

したがって、チャンバ１の頂部に設けられた供給部４から成膜装置５０のチャンバ１内に供給されたプロセスガス２５は、流路となる頭部３１を通過して半導体基板６の表面に向かって効率よく流下する。そして、このとき、半導体基板６表面でのプロセスガス２５の流れをより均一にするよう、半導体基板６の周縁部分とライナ２との間の隙間は狭くなるよう構成されている。具体的には、ライナ２の頭部３１と胴部３０との境にある段部３２の角部３４と半導体基板６の周縁部分との間の隙間は狭くなっている。

このように、ライナ２の段部３２の角部３４と半導体基板６の周縁部分との間の隙間を狭くすることにより、プロセスガス２５が半導体基板６近傍に到達した後、プロセスガス２５の半導体基板６表面から、サセプタ７を支持する回転筒２３の側方に流れ出る速度を速めている。その結果、ライナ２の頭部３１上方へとプロセスガス２５が巻き上がることを防止している。

しかしながら、ここで一つの問題が発生することは上述した。すなわち、ヒータ８からの輻射熱は、半導体基板６だけでなく、成膜装置５０を構成する部材全てに伝わり、昇温させる。そして、そうした昇温は、半導体基板６やヒータ８のような高温部分の近傍において顕著である。

このため、半導体基板６やヒータ８に近い、ライナ２の胴部３０と頭部３１の境の部分には相対的な高温部分が生じる場合がある。特に、半導体基板６やサセプタ７に近い部分、すなわち、ライナ２の胴部３０と頭部３１の境にある段部３２の角部３４では、何らかの防御手段が施さなれない限り、温度が非常に高くなってしまう。

そして既に述べたように、チャンバ１内面のライナ２上に生じた相対的な高温部分にプロセスガス２５が接触すると、半導体基板６の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が起きる。したがって、チャンバ１内のライナ２の段部３２の角部３４には、何らかの防御手段を施さない限り、図４に示したようなプロセスガス２５に由来するシリコン結晶３５が生成されてしまうことになる。

このようなシリコン結晶３５の形成は、ライナ２を汚すとともに、プロセスガス２５の流路となる、ライナ２の段部３２の角部３４と半導体基板６の周縁部分との間の隙間をより狭くしてしまうことになる。
したがって、半導体基板６表面における成膜時のプロセスガス２５の流れの状態が変化し、均一な条件下での半導体基板６への成膜が行えなくなることがある。

そこで、サセプタ７の有するドーナツ状円板３８は、温度が非常に高くなる可能性がある、ライナ２の半導体基板６やサセプタ７に近い部分、すなわち、ライナ２の段部３２の角部３４をカバーしてこれを保護する役割を果たしている。

図２は、本実施の形態の成膜装置の有するサセプタの作用を説明するための成膜装置の要部拡大図である。図２では、図１に示した成膜装置５０の要部を拡大して示すようにしてある。

本実施の形態の成膜装置５０において、サセプタ７は、上述のように、サセプタ本体３６と、サセプタ本体３６の外周端部に立設された柱３７に支持されてサセプタ本体３６から離間するよう設けられたドーナツ状円板３８からなる。そして、図２に示すように、ドーナツ状円板３８は、サセプタ７が回転筒２３に装着された状態において、半導体基板６やサセプタ７の上空にせり出す構造を有するライナ２の段部３２の角部３４を、その先端から所望の幅で、下面側からカバーしてこれを保護する役割を果たしている。

そして、半導体基板６表面への成膜時に、サセプタ７上に載置された半導体基板６をヒータ加熱して、その表面においてプロセスガス２５の熱分解反応或いは水素還元反応を起こさせる場合、ヒータ８の加熱による輻射熱は半導体基板６だけでなく、成膜装置５０を構成する部材全てに伝わり、昇温させてしまう。そして、そのような昇温現象は、半導体基板６やヒータ８のような高温部分の近傍において顕著である。

したがって、サセプタ７のドーナツ状円板３８は、半導体基板６表面への成膜時において、ヒータ８の加熱による輻射熱を受け止め、ライナ２内の他の部分、特に、ライナ２の段部３２の角部３４に対してヒータ８からの輻射熱を遮断する。その結果、段部３２の角部３４において、半導体基板６の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が生じることを防止する。そして、その部位にプロセスガス２５に由来するシリコン結晶３５が生成することを抑制する。

その際、ドーナツ状円板３８自身は、加熱されて高温に昇温することになる。したがって、ドーナツ状円板３８の表面において、半導体基板６の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が生じる。その結果、図２に示すように、ドーナツ状円板３８の下面側では、プロセスガス２５に由来するシリコン結晶３５が生成する。

しかしながら、ドーナツ状円板３８を有するサセプタ７は、上述のように、半導体基板６を載置したままで、回転筒２３に対し着脱可能とされている。そして、気相反応終了後は、サセプタ７のサセプタ本体３６に反応後の半導体基板６を載置したまま、回転筒２３上からサセプタ７を取り外し、半導体基板６とともにサセプタ７を成膜装置５０外に搬出することができる。

よって、反応体基板６への成膜時に、サセプタ７のドーナツ状円板３８上にシリコン結晶３５が形成されることがあるものの、ドーナツ状円板３８は、成膜反応後に半導体基板６とともにライナ２の外へ、すなわち、チャンバ１の外部に搬出されてしまう。その結果、残されたチャンバ１のライナ２内においては、プロセスガス２５に由来するシリコン結晶は残されないこととなる。したがって、ライナ２上、特にライナ２の頭部３１と胴部３０との境にある段部３２の角部３４と半導体基板６の周縁部分との間の隙間にシリコン結晶３５が堆積していくことはない。

よって、ライナ２内でシリコン結晶３５の形成は起こるものの、ライナ２に求められる透明性が失われることは抑制される。そして、シリコン結晶３５の塊が剥離し、チャンバ１内にパーティクルとして滞留して、後に生産される半導体基板に成膜される気相成長膜を汚染し、品質を低下させる要因となることも抑制される。よって、チャンバ１のメンテナンスを行なう頻度が低減され、成膜装置５０を継続的に稼動させることができ、成膜装置の稼働率を従来よりも向上させることができる。

尚、図１および図２に示すように、ドーナツ状円板３８の上面とライナ２の段部３２の角部３４の下面と間には隙間が設けられている。この隙間は、サセプタ７に半導体基板６を載置したままサセプタ７を回転筒２３上に装着し、または取り外す作業を行うためのものである。

したがって、ドーナツ状円板３８の角部３４の保護機能を十分に発揮させるため、この隙間は、サセプタ７の装着と取り外し作業に妨げにならない範囲内で、その幅を小さくすることが好ましい。

また、サセプタ７の有するドーナツ状円板３８の別の作用について説明する。
ドーナツ状円板３８は、サセプタ７が回転筒２３に装着された状態において、半導体基板６やサセプタ７の上空にせり出す構造を有するライナ２の段部３２の角部３４を下面側からカバーする役割を果たしている。そして、半導体基板６表面への成膜時において、ヒータ８の加熱による輻射熱やサセプタ７からの放射熱を受け止めている。

このとき、サセプタ７のドーナツ状円板３８は、これらの熱、特に、サセプタ７からの放射熱の反射板としての役割を果たす。
このような、放射熱の反射板としての役割を果たすことにより、半導体基板６の周縁部分からの熱の逃げを抑制し、成膜時における半導体基板６のヒータ加熱効率を向上させることが可能となる。その結果、ヒータ８における基板加熱のための出力を低下させることが可能となり、高効率の成膜装置５０の提供が可能となる。

次に、本実施の形態である上述の成膜装置を使用した成膜方法について説明する。

本実施の形態である成膜方法においては、成膜装置５０を使用する。そして、そのチャンバ１外周に設けた冷却水の流路３ａ、３ｂによりチャンバ１を冷却しながら、プロセスガス２５をチャンバ１の頂部に設けられた供給部４からガス整流板であるシャワープレート２０の貫通孔２１を介して流下させる。そして、下方に配設された回転式のサセプタ７上に載置した半導体基板６を加熱するとともにプロセスガス２５を接触させ、半導体基板６表面に結晶膜を形成する。

ここで、サセプタ７は、回転筒２３に装着され、回転軸２２を介して図示されない回転機構に接続されて回転可能とされている。

また、成膜装置５０のチャンバ１の内壁には、これを被覆する中空筒状のライナ２が設けられている。このチャンバ１の内壁を被覆するライナ２には、内部にサセプタ７が配置される胴部３０と、その胴部３０より小さな内径を有して絞られた構造の頭部３１と、胴部３０と頭部３１との境に位置する段部３２とが設けられている。

そして、上述のように、その頭部３１を流路として、プロセスガス２５を効率良くサセプタ７上の半導体基板６に到達させる。そしてさらに、サセプタ７には、半導体基板６を載置するサセプタ本体３６の周縁部に立設された柱３７に支持されて、サセプタ本体３６と離間するよう設けられたドーナツ状円板３８が配設されている。

このドーナツ状円板３８は、サセプタ７が回転筒２３に装着された状態で、ライナ２の段部３２の角部３４を、その先端から所望の幅で、下面側からカバーしてこれを保護する役割を果たしている。

また、ライナ２の段部３２の角部３４先端近傍には隙間４４が形成されており、チャンバ１とライナ２との間に供給されたパージガス４１をその隙間４４から流出させることができる。その結果、その隙間４４から流出されたパージガス４１は、さらに、ライナ２の段部３２の角部３４下面側と、ドーナツ状円板３８の上面との間にある隙間を通って、半導体基板６の側方およびサセプタ７の側方を通過し、最終的にチャンバ１底部から装置外に排気される。

従って、このパージガス４１の流れとドーナツ状円板３８によるカバーによって、ライナ２の段部３２の角部３４が高温に昇温されるのを防止し、チャンバ１内の不純物となるシリコン結晶３５が、ライナ２の段部３２周辺などに付着するのを抑制しながら、半導体基板６表面に所望の結晶膜を形成することができる。

気相反応終了後は、サセプタ７のサセプタ本体３６に反応後の半導体基板６を載置したまま、回転筒２３上からサセプタ７を取り外し、サセプタ７とともにその半導体基板６を成膜装置５０のチャンバ１の外に搬出する。そして、成膜装置５０の外で、その気相反応後の半導体基板６をサセプタ７から取り外して回収する。このとき、その半導体基板６における気相成長反応に使用され、半導体基板６を取り外された後のサセプタ７は、特にドーナツ状円板３８において、シリコン結晶３５の形成などにより汚染されている。したがって、次の成膜作業の準備としてこのサセプタ７をクリーニングする。

そして、そのクリーニングされた汚染の無いサセプタ７や新品のサセプタ７に気相反応前の新たな半導体基板６を載置し、そのサセプタ７を成膜装置５０のチャンバ１内に搬入する。
そして、成膜装置５０における、サセプタ７に載置された半導体基板６のチャンバ１への搬入とチャンバ１内での成膜とチャンバ１からの搬出とを繰り返す。

尚、半導体基板６としては、例えば、シリコンウェハ、特にパワー半導体などの用途で使用される３００ｍｍのシリコンウェハなどを挙げることができる。このとき、例えば、パワー半導体の用途では、３００ｍｍのシリコンウェハ上に１０μｍ以上、多くは１０μｍ〜１００μｍ程度の厚膜が形成される。

また、供給部４からチャンバ１に供給するプロセスガス２５の供給流量の設定は、例えばキャリアガス：Ｈ_２を２０〜１００ＳＬＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅｓ：標準リットル毎分）、反応性ガス：ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を５０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅｓ：標準ｃｃ毎分）〜２ＳＬＭと設定し、その他のドーパントガス：ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）またはホスフィン（ＰＨ_３）を微量だけ加えるよう設定する。そのようにジボランを導入すればｐ型、ホスフィンを導入すればｎ型の導電性を示す膜が形成される。そしてチャンバ１内の圧力を例えば１３３３Ｐａ〜常圧に制御する。以上の条件を満たし、チャンバ１内で半導体基板６上の気相成長を開始する。

また、半導体基板６を支持するサセプタ７は、回転軸２２を介して図示されない回転機構に接続されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６を高速に回転する。そして、厚膜を形成する場合、成膜時において半導体基板６の回転数を特に高くするのがよく、例えば、９００ｒｐｍ程度の回転数とするのがよい。

上述のプロセス条件で半導体基板６が気相成長反応を行う間、ヒータ８は半導体基板６を常に１０００℃以上に加熱している。そのため、チャンバ１内の温度は輻射熱によって全体的に高くなる。ヒータ８に接近したライナ２の段部３２の角部３４など、そうした昇温が特に顕著となる部位については、サセプタ７のドーナツ状円板３８によりカバーされ、保護されている。

しかし、チャンバ１全体の温度があまりに高くなってしまうと、上述したドーナツ状円板３８への副生成物の堆積以外に、上述のようにチャンバ１のフランジ部９をシールしているフッ素ゴム製のパッキン１０や、排気部５と排気配管を連結しているフランジ部１１のシールをしているパッキン１２を劣化させる。

そこで、パッキン１０、１２の劣化を抑制する目的においても、チャンバ１外周に設けた冷却水の流路３ａ、３ｂに水温約２０℃程度の冷却水を循環させ、熱の輻射を受けやすいチャンバ１、パッキン１０、１２などを冷却水の循環により冷却する。

そして、ドーナツ状円板３８によってライナ２へのシリコン結晶３５の堆積を抑制しながら、成膜装置５０は稼動に良好な温度に保たれる。
また、このときの冷却手段は水以外でも良く、空気など、成膜装置５０から効果的に熱を奪うことが出来るものであれば良い。

以上のように、本実施の形態である成膜装置およびそれを用いた成膜方法では、従来から問題となっていたチャンバ内におけるライナ上に生じる副生成物の堆積を抑制し、メンテナンスの頻度を低減させることによりメンテナンス作業の労力を軽減させるとともに、装置の稼働率を向上させることが出来る。ひいては、プロセス条件を安定化させることにより高品質のウェハ等半導体基板を生産可能にする。

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できる。

すなわち、本発明の成膜装置の一例として、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、シリコンウェハ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成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。

また、ＳｉＣ基板表面にＳｉＣ結晶膜を気相成長させるため、１６５０℃での加熱など、より高温での基板加熱を必要とする成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、装置の構成や制御の手法など、本発明に直接必要としない部分など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、制御の手法などを適宜選択して用いることができる。

また、本発明を説明するために示した図において、説明のために必要な構成以外は省略し、縮尺等に就いても原寸大のものとは一致させず、明確に視認できるよう適宜変更した。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての成膜装置および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

１、２０１ チャンバ
２、２０２ ライナ
３ａ、３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ 流路
４、２０４ 供給部
５、２０５ 排気部
６、２０６ 半導体基板
７、２０７ サセプタ
８、２０８ ヒータ
９、１１、２０９、２１１ フランジ部
１０、１２、２１０、２１２ パッキン
２０、２２０ シャワープレート
２１、２２１ 貫通孔
２２、２２２ 回転軸
２３、２２３ 回転筒
２５、２２５ プロセスガス
３０、２３０ 胴部
３１、２３１ 頭部
３２、２３２ 段部
３４、２３４ 角部
３５、２３５ シリコン結晶
３６ サセプタ本体
３７ 柱
３８ ドーナツ状円板
４１ パージガス
４２ パージガス供給部
４４ 隙間
５０、２００ 成膜装置

Claims (5)

1. 成膜室と、
   前記成膜室内にプロセスガスを供給する供給部と、
   前記成膜室の底部に設けられた排気部と、
   前記成膜室の内壁を被覆する筒状のライナと、
   前記ライナの頭部の開口部に配設され、前記成膜室内に供給された反応ガスを整流する整流板と、
   前記成膜室の底部から前記ライナの胴部内に伸びる回転軸と、
   前記回転軸の上端に配設された回転筒と、
   前記胴部内で前記回転筒に支持されて、基板が載置されるサセプタとを有する成膜装置であって、
   前記ライナは、前記胴部と、前記胴部より断面積の小さい前記頭部と、前記胴部と前記頭部をつなぐ段部とからなり、
   前記サセプタは、前記回転筒に支持されて前記基板が載置されるサセプタ本体と、前記サセプタ本体の上に立設された柱に支持されて前記サセプタ本体と離間するよう設けられたドーナツ状円板とからなり、
   前記ドーナツ状円板は、前記サセプタが前記回転筒に支持された状態で、前記ライナの前記段部の周囲をカバーするよう構成されたことを特徴とする成膜装置。
2. 前記サセプタは、前記回転筒に着脱可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記ドーナツ状円板は、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＴａＣ（タンタルカーバイト）およびタングステンカーバイト（ＷＣ）よりなる群から選択された１以上の材料でカーボン（Ｃ）をコートして得られた部材によって構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. プロセスガスを成膜室の頂部から流下し、回転筒に支持されたサセプタ上に載置した基板を加熱しつつ前記基板に前記プロセスガスを接触させて所定の膜を形成する成膜方法において、
   前記成膜室の内壁を、前記サセプタが配設される胴部と、前記胴部より断面積が小さい頭部と、前記胴部と前記頭部をつなぐ段部とからなる筒状のライナで被覆し、
   前記サセプタを、前記基板が載置されるサセプタ本体と、前記サセプタ本体上に前記サセプタ本体と離間するよう設けられたドーナツ状円板とで構成するとともに、前記ドーナツ状円板により前記ライナの前記段部の周囲を被覆して、
   前記ライナの前記頭部から前記プロセスガスを前記基板に向けて流下させることを特徴とする成膜方法。
5. 前記成膜室の外部で前記サセプタに前記基板を載置し、この状態で前記サセプタを前記成膜室の内部に搬入して前記回転筒で支持し、前記基板に所定の膜を形成した後、前記基板を載置したまま前記回転筒から前記サセプタを取り外して前記成膜室の外部に前記サセプタを搬出することを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。

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