JP2012009555A - エピタキシャル成長装置およびそのクリーニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】天井部の温度をクリーニング時に上昇させてクリーニング効率を高めることができるエピタキシャル成長装置およびそのクリーニング方法を提供する。
【解決手段】赤外線を透過する天井部と底部とからなる反応室と、該反応室の内部に設置されたウェーハを載置するサセプタと、該サセプタを加熱するための赤外線を放射する赤外光源とを備えるエピタキシャル成長装置において、少なくとも天井部１９は、赤外光源から放射された赤外線が吸収される赤外活性ガスを導入するための中空構造を有するように構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、エピタキシャル成長装置およびそのクリーニング方法に関するものであり、特に、反応室内面のクリーニングを確実に実現するエピタキシャル成長装置およびそのクリーニング方法に関するものである。

一般に、ウェーハに対する高い結晶性や、抵抗率の異なる多層構造が必要となる場合には、ポリッシュドウェーハ上に単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させてエピタキシャルウェーハを製造する。

図１は、こうしたエピタキシャルウェーハを得るための従来のエピタキシャル成長装置を示している。このエピタキシャル成長装置１は、天井部９、底部１０、上部ライナー７および下部ライナー８によって反応室が区画され、該反応室内にサセプタ３を有する。一方、反応室の外側には赤外光源４を有し、天井部９および底部１０を透過させた赤外線によりサセプタ３を加熱する。

図１に示すエピタキシャル成長装置１では、サセプタサポート５により水平に支持されたサセプタ３上にウェーハ２が載置され、次いで、水素等の基準ガス雰囲気中で赤外によるサセプタ３の加熱を介して加熱された後、基準ガス中に新たに四塩化珪素等の原料ガスを導入してウェーハ２の表面上に供給することにより、ウェーハ２上に単結晶シリコン薄膜が形成される。

図２は、図１に示した従来のエピタキシャル成長装置１における天井部９を示している。この天井部９は、石英等からなる単層（中実）構造を有しており、赤外光源から放射された赤外線を透過して、エピタキシャル成長時には天井部９の温度が上昇しないように構成されている。

上記のエピタキシャル成長の際には、ウェーハ２の表面へ向けられた基準ガスおよび原料ガスは、天井部９および底部１０の内壁に沿っても流れるため、天井部９および底部１０の内壁面上でもシリコンの副生成物が形成されて付着する。こうしたシリコンの副生成物が天井部９に付着していると、赤外光源４から放射される赤外線を遮蔽してサセプタ３の加熱を阻害し、ウェーハ２表面の温度プロファイルに悪影響を与えるばかりでなく、ウェーハ２上に落下してパーティクル等の欠陥を形成する原因となる。そのため、従来、このような状態となった際には、塩化水素等のガスをエピタキシャル成長装置１の内部に供給して加熱し、そのエッチング効果により反応室の内壁に付着した副生成物を除去するためのクリーニングプロセスを施すのが通例である（例えば、特許文献１参照）。

ところで、エピタキシャル成長装置１の反応室の内部における単結晶シリコン薄膜の成長速度は、ウェーハ２の温度に依存する。即ち、ウェーハ２の温度が高い場合には単結晶シリコン薄膜の成長速度は大きく、温度が低い場合には成長速度は小さくなる。これは、天井部９や底部１０の内壁面上で形成されるシリコンの副生成物の成長にも当てはまる。従って、副生成物の形成を抑制するためには、エピタキシャル成長の際には天井部９の温度を低下させることが有利である。

一方、副生成物を除去するためのクリーニングプロセスにおいては、供給される塩化水素ガス等によるエッチング効率を高めてクリーニング効果を向上させるためには、特に天井部９の温度を上昇させる必要がある。
このように、エピタキシャル成長とクリーニングプロセスとでは、天井部９には相反する温度要件が課されることになる。

特開２００４−２８９０９８号公報

しかし、従来のエピタキシャル成長装置１の天井部９は、エピタキシャル成長時の天井部９の温度を低下させるために、石英等の材料からなる単層構造を有しており、クリーニングプロセスの際に赤外光源４の出力を上昇させても赤外線を透過するため、天井部９の温度を十分に上昇させることは困難である。その結果、反応室の内部に付着したシリコンの副生成物を十分に除去できず、ウェーハ２表面の温度プロファイルに悪影響を与えて形成されたエピタキシャル層の膜厚が不均一となり、また、エピタキシャルウェーハの表面にパーティクル等の欠陥が発生する問題があった。

そこで本発明の目的は、天井部の温度をクリーニング時に上昇させてクリーニング効率を高めることができるエピタキシャル成長装置およびそのクリーニング方法を提供することにある。

発明者は、上記課題を解決するための方途について鋭意検討した結果、エピタキシャル成長装置の天井部を中空構造とし、その中空部に滞留または通過する赤外活性ガスに赤外線を照射し、赤外線を吸収して励起した赤外活性ガスにより天井部を直接加熱するのが有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明のエピタキシャル成長装置は、赤外線を透過する天井部と底部とからなる反応室と、該反応室の内部に設置されたウェーハを載置するサセプタと、該サセプタを加熱するための赤外線を放射する赤外光源とを備えるエピタキシャル成長装置において、少なくとも前記天井部は、前記赤外光源から放射された赤外線が吸収される赤外活性ガスを導入するための中空構造を有することを特徴とするものである。

また、本発明のエピタキシャル成長装置において、前記赤外活性ガスは、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、オゾン、水蒸気のいずれか、またはこれらのうちの２つ以上の混合ガスであることを特徴とするものである。

また、本発明のエピタキシャル成長装置において、前記天井部は三層構造を有することを特徴とするものである。

また、本発明のエピタキシャル成長装置において、前記透明材料は石英であることを特徴とするものである。

本発明のエピタキシャル成長装置をクリーニングする方法は、赤外線を透過する反応室と、該反応室の内部に設置されたウェーハを載置するサセプタと、該サセプタを加熱するための赤外線を放射する赤外光源とを備え、少なくとも天井部が中空構造になるエピタキシャル成長装置をクリーニングするに当たり、前記赤外光源から放射された赤外線が吸収される赤外活性ガスを前記中空構造に導入するとともに、前記赤外光源からの赤外線を前記天井部に向けて照射し、赤外線を吸収した赤外活性ガスを介して天井部の内面を加熱して、前記反応室にクリーニングガスを導入してクリーニングを行うことを特徴とするものである。

また、本発明のクリーニング方法において、前記赤外活性ガスは、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、オゾン、水蒸気のいずれか、またはこれらのうちの２つ以上の混合ガスであることを特徴とするものである。

また、本発明のクリーニング方法において、前記クリーニングガスは、塩化水素ガスであることを特徴とするものである。

本発明によれば、エピタキシャル成長装置の天井部の温度をクリーニング時に上昇させることが可能となり、装置内部のクリーニングプロセスの際に、天井部の温度を上昇させてクリーニングを確実に行うことができる。
その結果、天井部の副生成物を取り除いて清浄な状態を維持することができるため、天井部の交換や、洗浄などのメンテナンスの頻度を下げることが可能となる。また、エピタキシャル成長により得られるエピタキシャルウェーハの膜厚分布を向上させることができ、更に、エピタキシャルウェーハ中のパーティクル等の欠陥を低減することができる。

従来のエピタキシャル製造装置の断面図である。 従来のエピタキシャル製造装置の天井部を示す図である。 本発明のエピタキシャル製造装置の（ａ）天井部、（ｂ）天井部の断面、および（ｃ）天井部の構成を示す図である。 本発明および従来技術によるクリーニング時の天井部の温度を示す図である。 本発明および従来技術によるエピタキシャル成長装置により製造されたエピタキシャルウェーハ中のパーティクルの数を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
上述のように、エピタキシャル成長装置における反応室の天井部には、エピタキシャル成長の際には低温であり、クリーニングプロセスの際には高温であることが要求される。発明者は、こうした相反する温度要件を満足させるための方途について鋭意検討した結果、赤外線を吸収する赤外活性ガスによる天井部の加熱手法を見出したのである。即ち、図３（ａ）に例示するように天井部を中空構造とし、その中空部に滞留または通過する赤外活性ガスに赤外線を照射し、赤外線を吸収して励起した赤外活性ガスにより天井部を直接加熱するのである。

ここで、赤外活性ガスが天井部を加熱するメカニズムは、以下の通りである。即ち、まず、赤外光源から放射された赤外線が、天井部外側から中空構造の中空部に滞留または通過する赤外活性ガスに照射されると、該ガス中の赤外活性分子が赤外線を吸収する。その結果、赤外活性分子は、振動または回転励起して運動エネルギーが上昇する。励起した赤外活性分子は、赤外線を自然放射して基底状態へ戻るが、その寿命はミリ秒程度である。しかし、赤外活性分子が、他の分子に衝突する頻度の時定数はピコ秒オーダーであり、赤外線を自然放射して基底状態に戻る寿命よりもはるかに短い。そのため、励起した赤外活性分子は、赤外線を自然放射して基底状態に戻る前に、他の分子との衝突を繰り返し、最終的には天井部の中空構造の中空部の内壁に運動エネルギーを与えて基底状態に戻り、失活する。

こうして、天井部の中空構造に滞留または通過した赤外活性ガスを構成する赤外活性分子に赤外光源から放射された赤外線を吸収させて励起させ、励起した赤外活性分子を天井部の中空構造の中空部の内壁に衝突させて運動エネルギーを与えることにより天井部を加熱させることができる。

このように、本発明のエピタキシャル成長装置は、その反応室の少なくとも天井部の構造に特徴を有し、上述の効果を奏するものである。従って、エピタキシャル成長装置における他の構成要素は特に限定されず、エピタキシャル成長の条件等に合わせて適切に構成すればよい。
以下、本発明のエピタキシャル成長装置の天井部および赤外活性ガスについて説明する。

上述のように、本発明のエピタキシャル成長装置における天井部１９は中空構造を有しており、図３（ａ）にその一例を示す。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ｂでの天井部１９の断面図を示している。この天井部１９は、空気層を挟む２枚の石英板からなる三層構造を有しており、ガスの導入口から赤外活性ガスを内部に導入し、ガスの排出口からガスを排出可能なように構成されている。天井部１９は、例えば図３（ｃ）に示すように、２つの部材１９ａおよび１９ｂを組み合わせることにより構成することができる。また、それらを溶着することにより気密性を向上させることができる。

天井部１９の材料としては、ウェーハ２の加熱手段として赤外光源４を使用することから、赤外線を透過させることが必要である。好ましくは石英である。

天井部１９の外形は特に限定されず、装置内部を常圧にして成長させる場合には図３（ａ）に示したような平坦な形状とし、減圧で成長させる場合には装置の外部に向かって凸状の形状を有することができる。
また、赤外活性ガスを滞留または通過させるためのガスの導入口および排出口の位置、形状、個数、およびサイズは限定されず、赤外活性ガスの流量範囲や滞留させるガスの圧力等の要請に応じて適切に設定すればよい。

また、天井部１９の中空部の形状についても限定されず、天井部を必要な温度まで加熱するために必要な容積や、天井部の強度を確保するように適切に設計すればよい。

赤外活性ガスは、天井部１９を通過するように構成することも、天井部１９の中空部に滞留するように構成することもできる。赤外活性ガスを滞留させる場合には、天井部１９の中空部に赤外活性ガスを十分に通過させた後に赤外活性ガスの導入を停止するようにする。

赤外活性ガスとしては、赤外線を吸収するガスであれば特に限定されず、二酸化炭素（ＣＯ_２）、二酸化窒素（ＮＯ_２）、メタン（ＣＨ_４）、オゾン（Ｏ_３）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）等を使用することができる。これらのガスは、それぞれ単体で使用することも、２以上のガスを混合して使用することもできる。安全性やコストの点から、好適にはＣＯ_２を使用する。
また、天井部の温度を制御するために、窒素（Ｎ_２）や酸素（Ｏ_２）等の非赤外活性ガスと混合させて濃度を調整することができる。

赤外活性ガスの流量により天井部１９の温度を調節することができ、天井部１９の所望の温度、および使用する赤外活性ガスの赤外線吸収能力に応じて適切に制御する。赤外活性ガスによる加熱効果を最大限に利用する場合には、赤外活性ガスの流量を０、即ち、天井部１９の中空構造に赤外活性ガスを滞留させるようにする。

また、赤外活性ガスを天井部１９に滞留させる場合には、天井部１９の温度は滞留する赤外活性ガスの圧力にも依存するが、天井部１９の所望の温度、および使用する赤外活性ガスの赤外線吸収能力に応じて適切に制御する。

このような本発明のエピタキシャル成長装置により、装置内部のクリーニングプロセスの際に、エピタキシャル成長装置の天井部を加熱することが可能となる。

次に、本発明のエピタキシャル成長装置をクリーニングする方法について説明する。本発明のクリーニング方法は、上述した中空構造を有する天井部１９を備える本発明のエピタキシャル成長装置をクリーニングするに当たって、赤外光源から放射された赤外線が吸収される赤外活性ガスを、天井部１９の中空構造に導入するとともに、赤外光源からの赤外線を天井部１９に向けて照射する。また、赤外線を吸収した赤外活性ガスを介して天井部１９の内面を加熱して、反応室にクリーニングガスを導入してクリーニングを行う。

赤外活性ガスとしては、上述のエピタキシャル成長装置の場合と同様に、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、オゾン、水蒸気のいずれか、またはこれらのうちの２つ以上の混合ガスとすることができる。好適には二酸化炭素である。また、天井部１９の温度を制御するために、窒素や酸素等の非赤外活性ガスと混合させて濃度を調整することができる。

エピタキシャル成長装置の内部に導入するクリーニングガスとしては、エピタキシャル成長処理後のエピタキシャル成長装置内の壁面やサセプタ等に付着堆積する副生成物を還元反応により除去できるガスを用いればよく、純度、除去効率に優れる塩化水素（ＨＣｌ）ガスを使用することが望ましい。また、堆積した副生成物を完全に除去するように、クリーニングガスの濃度、流量、処理時間を設定すればよい。
例えば、シリコンウェーハ表面上にシリコンエピタキシャル膜を形成するエピタキシャル処理を行った場合は、エピタキシャル成長炉内の壁面やサセプタ等にアモルファスシリコンや塩化シランポリマー等の副生成物が付着堆積する。このため、エピタキャル成長処理装置からエピタキシャルシリコンウェーハを取り出した後、反応室内のサセプタの表面温度が１１５０℃〜１２００℃となるように赤外線照射し、エピタキシャル成長装置の内部にキャリアガス(水素ガス)とともにＨＣｌガスを導入して、熱還元反応により副生成物を除去する。エピタキシャル成長処理後の副生成物の堆積量を正確に把握することは困難なため、シリコンウェーハ表面上に成長させる所定のシリコンエピタキシャル膜量と同等量以上を除去するように、ＨＣｌガスの濃度、流量、処理時間を調整することで、副生成物を完全に除去することができる。

こうして、本発明のエピタキシャル成長装置をクリーニングする方法により、反応室の天井部の温度を上昇させてクリーニング効果を向上させることができる。その結果、天井部の副生成物を取り除いて清浄な状態を維持することができるため、天井部の交換や、洗浄などのメンテナンスの頻度を下げることが可能となる。また、エピタキシャル成長により得られるエピタキシャルウェーハの膜厚分布を向上させることができ、更に、エピタキシャルウェーハ中のパーティクル等の欠陥を低減することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
まず、従来の中実の天井部９を有するエピタキシャル成長装置（比較例）、および本発明の三重構造の天井部１９を有するエピタキシャル成長装置（発明例１〜３）において、反応室内部のクリーニングを行った際の天井部の温度を測定した。反応室内部のクリーニング条件は、サセプタ３の表面温度をパイロメータで測定して表面温度が１１７０℃となるようにハロゲンランプ４により赤外線照射加熱するとともに、反応室内にキャリアガス（水素ガス）とともに１０ｓｌｍのＨＣｌガスを供給するクリーニング操作を１０分間行う条件とした。ここで、天井部の温度の計測は、天井部の表面に熱電対を接触させることにより行い、データロガーにて温度データを取得した。また、本発明のエピタキシャル成長装置においては、天井部１９の層間にＣＯ_２ガスを滞留または通過させた。通過させたＣＯ_２ガスの流量は、８ｓｌｍ（発明例１）、４ｓｌｍ（発明例２）であり、ＣＯ_２ガスを滞留させる場合には、天井部１９にＣＯ_２ガスを十分に通過させた後にガスの導入を停止した（発明例３）。得られた天井部の温度変化を図４に示す。
図から、従来のエピタキシャル成長装置における単層（中実）構造を有する天井部９の温度は４５０℃程度までしか上昇しないのに対して、本発明のエピタキシャル成長装置における三層構造を有する天井部１９は６００℃付近まで加熱されており、赤外線を吸収させた赤外活性ガスにより天井部１９が加熱されて温度が上昇していることが分かる。また、天井部１９の温度とＣＯ_２ガス流量の関係を調べると、ＣＯ_２ガスの流量が小さい方が天井部１９の温度が高く、ＣＯ_２ガスを滞留させた場合（発明例３）に温度が最も高くなることが分かる。

次に、比較例として従来の中実の天井部９を有するエピタキシャル成長装置を用いてエピタキシャル成長処理を行い、エピタキシャル成長処理後に毎回クリーニング処理を行う操作を繰り返し行った。また、本発明例として本発明の三層構造の天井部１９を有するエピタキシャル成長装置を用いてエピタキシャル成長処理を行い、エピタキシャル成長処理後に、天井部１９にＣＯ_２ガスを滞留させた（発明例３）状態で毎回クリーニング処理を行う操作を繰り返し行った。比較例および本発明例とも、エピタキシャル条件およびクリーニング条件は何れも同じ条件である。具体的には、エピタキシャル成長条件は、キャリアガス（Ｈ_２ガス）、ソースガス（ＳｉＨＣｌ_３ガス）およびドーパントガス（Ｂ_２Ｈ_６等）を反応室内に供給し、１１３０℃の高温に熱せられた直径３００ｍｍシリコンウェーハ表面に１００μｍのエピタキシャル膜を成長させた。クリーニング条件は、成長させたエピタキシャルシリコンウェーハを取り出した後、反応室内のサセプタ３の表面温度をパイロメータで測定して表面温度が１１７０℃となるようにハロゲンランプ４により赤外線照射加熱するとともに、反応室内にキャリアガス（水素ガス）とともに１０ｓｌｍのＨＣｌガスを１５分間供給するクリーニング操作を行った。
各エピタキシャル成長後に、エピタキシャルウェーハ表面に発生するパーティクル等のＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ）欠陥の数を計測した。ＬＰＤ欠陥の数は、パーティクルカウンタにより計測し、０．１３μｍ以上のサイズを有するもののみをカウントした。得られた結果を図５に示す。
この図から、同じクリーニング処理を施しても、従来の天井部９を有するエピタキシャル成長装置においてエピタキシャル成長した場合には、ランニング回数が増加するにつれてウェーハ1枚あたりのＬＰＤ欠陥の数が増加しているのに対して、本発明の天井部１９を有するエピタキシャル成長装置によりエピタキシャル成長したウェーハにおいては、ランニング回数が増加してもＬＰＤ欠陥の数はほとんど増加しないことが分かる。また、このＬＰＤ欠陥の増加を排除するように、定期的にエピタキシャル成長装置を解体し清掃するメンテナンス作業を行う必要があるが、本発明の天井部１９を有するエピタキシャル成長装置では、ＬＰＤ欠陥の増加は軽微であることから、メンテナンス作業頻度を減らすことができ、メンテナンスのコストを低減することができる。

１ エピタキシャル成長装置
２ ウェーハ
３ サセプタ
３ａ サセプタのザグリ部
３ｂ サセプタのザグリ部のウェーハ支持領域
４ 赤外光源
５ サセプタサポート
５ａ ウェーハリフトピン
６ ローター
７ 上部ライナー
８ 下部ライナー
９，１９ 天井部
１０ 底部
１９ａ，１９ｂ 部材

Claims (7)

1. 赤外線を透過する天井部と底部とからなる反応室と、該反応室の内部に設置されたウェーハを載置するサセプタと、該サセプタを加熱するための赤外線を放射する赤外光源とを備えるエピタキシャル成長装置において、
   少なくとも前記天井部は、前記赤外光源から放射された赤外線が吸収される赤外活性ガスを導入するための中空構造を有することを特徴とする、エピタキシャル成長装置。
2. 前記赤外活性ガスは、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、オゾン、水蒸気のいずれか、またはこれらのうちの２つ以上の混合ガスであることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。
3. 前記天井部は三層構造を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のエピタキシャル成長装置。
4. 前記透明材料は石英であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長装置。
5. 赤外線を透過する反応室と、該反応室の内部に設置されたウェーハを載置するサセプタと、該サセプタを加熱するための赤外線を放射する赤外光源とを備え、少なくとも天井部が中空構造になるエピタキシャル成長装置をクリーニングするに当たり、
   前記赤外光源から放射された赤外線が吸収される赤外活性ガスを前記中空構造に導入するとともに、前記赤外光源からの赤外線を前記天井部に向けて照射し、赤外線を吸収した赤外活性ガスを介して天井部の内面を加熱して、前記反応室にクリーニングガスを導入してクリーニングを行うことを特徴とするクリーニング方法。
6. 前記赤外活性ガスは、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、オゾン、水蒸気のいずれか、またはこれらのうちの２つ以上の混合ガスであることを特徴とする、請求項５に記載のクリーニング方法。
7. 前記クリーニングガスは、塩化水素ガスであることを特徴とする、請求項５または６に記載のクリーニング方法。

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