JP2017224850A - エピタキシャル成長による成膜方法、および、エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル成長による成膜において、膜厚分布や抵抗率分布等の観点から成膜品質を確保しつつ、安定した高速成長を提供する。
【解決手段】上面の天井板２１と下面の基板載置部３と側面の側壁部４とによって画成された反応室２を構成する際に、支持部２２に、天井板２１の周縁部において、周縁部の上方かつ外側から天井板２１を支持させる。また、側壁部４に設けられた反応ガス供給路４１において、反応室２内での反応ガスの流れの向きの水平方向の成分が、反応ガス供給路４１の反応室２側の開口の中心から反応室２の中心に向かう向きの水平方向の成分と一致するように、反応ガスを整流するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エピタキシャル成長による成膜方法、および、エピタキシャル成長装置に関するものである。

従来、エピタキシャル成長により基板上にエピタキシャル膜を成長させるエピタキシャル成長装置としては、処理チャンバと、処理チャンバ内に配置され、回転軸を中心として基板を回転させるように構成された回転可能な基板支持体とを備え、基板に対して水平方向に反応ガスを導入し、基板支持体上の基板に成膜を行う装置が知られている(例えば、特許文献１)。

特表２００１−５２０４５６号公報

このようなエピタキシャル成長装置では、現在では成長速度の高速化が求められている。しかしながら、成長速度をより高速とするために反応ガス中に原料ガスを大量に含有させることは、例えば成膜コストの上昇やパーティクルの増加につながるため好ましくない。

エピタキシャル成長において、基板表面の境界層（反応ガスの流れの本流の流速の99％の流速となる位置）の厚みを薄くすれば、成長速度の高速化が期待されることが知られている。一方、単に境界層の厚みを薄くすると、基板表面において、基板の周縁に向かって反応ガスが逃げていく流れが生じるため、膜厚分布や抵抗率分布の調整が困難になってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、膜厚分布や抵抗率分布等の観点から成膜品質を確保しつつ、安定した高速成長を実現するエピタキシャル成長による成膜方法、および、エピタキシャル成長装置を提供することを目的とするものである。

本発明のエピタキシャル成長による成膜方法は、天井板と、基板を水平に載置する基板載置部（サセプタ）と、側壁部とによって、各々、上面、下面、側面が画成された反応室で行われる。ここで、天井板は、該天井板の周縁部において、該周縁部の上方かつ外側から支持されている。そして、この方法は、前記反応室内を所定の成長温度に加熱するステップと、前記側壁部に設けられた反応ガス供給路において、前記反応室内での反応ガスの流れの向きの水平方向の成分が、前記反応ガス供給路の前記反応室側の開口の中心から前記反応室の中心に向かう向きの水平方向の成分と一致するように、前記反応ガスを整流するステップと、前記反応ガス供給路から、前記整流された反応ガスを水平方向に前記反応室内に導入するステップと、前記基板載置部の中心を通る鉛直方向の軸を回転軸として前記基板を回転させながら、前記基板の上面に前記反応ガスによる成膜を行うステップと、前記成膜後の反応ガスを、前記側壁部において前記反応室の中心を挟んで前記反応ガス供給路と対向する位置に設けられたガス排出路に排出するステップとを有する。

本発明のエピタキシャル成長装置は、天井板と、基板を水平に載置するとともに、前記基板の中心を通る鉛直方向の軸を回転軸として回転可能な基板載置部（サセプタ）と、側壁部とによって、各々、上面、下面、側面が画成された反応室と、前記側壁部に形成された、反応ガスを前記反応室に供給する反応ガス供給路と、前記側壁部において前記反応室の中心を挟んで前記反応ガス供給路と対向する位置に形成された、前記反応室内を通過した反応ガスを外部に排出するガス排出路とを備え、前記反応室において前記基板の上面にエピタキシャル成長による成膜を行う装置に、前記天井板の周縁部において、該周縁部の上方かつ外側から前記天井板を支持する支持部と、前記反応ガス供給路において、前記反応室内での反応ガスの流れの向きの水平方向の成分が、前記反応ガス供給路の前記反応室側の開口の中心から前記反応室の中心に向かう向きの水平方向の成分と一致するように、前記反応ガスを整流する整流手段とをさらに設けたものである。

ここで、支持部は、天井板と基板上面との間の距離は所定の値以下になるように天井板を支持することが好ましい。

また、反応ガス供給路を、反応ガスの入口から、反応室に接続される出口に向かって上り階段状に形成してもよい。この場合、階段状の反応ガス供給路において、反応ガスの原料となる複数の原料ガスが混合される。

ガス排出路は、側壁部の外側に配置されたガス排出部に接続するようにし、ガス排出部は、側壁部の内側から外側に向かうにしたがって開口が狭くなるように形成してもよい。

基板載置部の外周にサセプタリング部を設け、反応ガスを予熱するようにしてもよい。このサセプタリング部は、側壁部に設けられたフランジ部に載置される外周リング部と、外周リング部の上面に設けられた凹部に載置される内周リング部の２つの部材で構成し、内周リング部は、基板載置部の周縁部と外周リング部の内側周縁部との間の間隙が狭くなるような内径を有するようにしてもよい。この場合、内周リング部によって、反応ガスが基板載置部の周縁から基板載置部の下面側に流れ込むのが阻止される。

基板載置部は、多数の貫通穴を有するようにしてもよい。

反応室内の上部に、反応室内を所定の成長温度に加熱する第１の加熱手段を設け、第１の加熱手段の上部に第１のリフレクタを設け、反応室の下部にも、反応室内を所定の成長温度に加熱する第２の加熱手段を設け、第２の加熱手段の下部に第２のリフレクタを設けてもよい。この場合、第１のリフレクタは、第１の加熱手段からの熱線を反応室の中心に向かって反射させる第１の傾斜部と、第１の加熱手段からの熱線を鉛直下向きに反射させる第１の平坦部とを設け、第１の傾斜部と第１の平坦部の面積比が所定の比率となるように、かつ、第１の傾斜部と第１の平坦部の分布が偏らないように、第１の傾斜部と第１の平坦部とを配列することが好ましい。第２のリフレクタについても、第２の加熱手段からの熱線を反応室の中心に向かって反射させる第２の傾斜部と、第２の加熱手段からの熱線を鉛直上向きに反射させる第２の平坦部とを設け、第２の傾斜部と第２の平坦部の面積比が所定の比率となるように、かつ、第２の傾斜部と第２の平坦部の分布が偏らないように、第２の傾斜部と第２の平坦部とを配列することが好ましい。

本発明のエピタキシャル成長による成膜方法、および、エピタキシャル成長装置によれば、支持部が、天井板の外側上方から天井板を支持するようにしたので、基板上部と天井板の間の距離が短い、熱応力の高い状態であっても天井板を確実に支持することが可能になる。したがって、境界層の厚みを薄くすることができ、成長速度の高速化に資する。一方、反応ガスを反応室に導入する前に、側壁部に設けられた反応ガス供給路において、反応室内での反応ガスの流れの向きの水平方向の成分が、反応ガス供給路の反応室側の開口の中心から反応室の中心に向かう向きの水平方向の成分と一致するように、反応ガスを整流するようにしたので、境界層の狭小化に伴い、反応室内の基板表面において、基板の周縁に向かって反応ガスが逃げていく流れが増えるのを抑制することができ、反応ガスの流れの安定化に資する。その結果、膜厚分布や抵抗率分布等の観点から成膜品質を確保しつつ、安定した高速成長が実現される。

本発明の実施形態となるエピタキシャル成長装置の全体を示す断面図 本発明の実施形態における反応室の構成を示す分解斜視図 本発明の実施形態における反応室の外側の構成を示す分解斜視図 本発明の実施形態における天井部の構成を示す斜視断面図 本発明の実施形態における側壁部の内側の構成を示す模式図 本発明の実施形態における反応ガス供給路を示す断面図 本発明の実施形態における反応ガス供給路について説明するための模式図 本発明の実施形態における整流板の例を示す斜視図 本発明の実施形態におけるサセプタリングの一例を示す一部断面図 本発明の実施形態におけるサセプタリングの他の例を示す一部断面図 本発明の実施形態におけるサセプタの一例を示す平面図 本発明の実施形態におけるサセプタの他の一例を示す平面図 本発明の実施形態におけるサセプタ支持部の構成を示す模式図 本発明の実施形態におけるサセプタ・シャフトの一例を示す斜視図 本発明の実施形態における基板・リフト部の一例を示す斜視図 本発明の実施形態におけるガス排出チューブの一例を示す斜視断面図 本発明の実施形態における上部リフレクタの一例を示す斜視図 本発明の実施形態における下部リフレクタの一例を示す斜視図 実施例及び比較例の結果を示すグラフ 従来のエピタキシャル成長装置における天井部の構成を示す斜視断面図 従来のエピタキシャル成長装置における反応室の外側の構成を示す分解斜視図 従来のエピタキシャル成長装置における上部リフレクタの一例を示す斜視図 従来のエピタキシャル成長装置における下部リフレクタの一例を示す斜視図

以下、本発明の実施形態となる、エピタキシャル成長装置、および、この装置で行われるエピタキシャル成長を用いた成膜方法について説明する。

(エピタキシャル成長装置の構成概要)
まず、本発明の実施形態となるエピタキシャル成長装置１の構成について概説する。図１はエピタキシャル成長装置１の全体を示す断面図である。また、図２はエピタキシャル成長装置１の反応室２の構成を示す分解斜視図、図３はエピタキシャル成長装置１の反応室２の外側の構成を示す分解斜視図である。

エピタキシャル成長装置１は、基板Ｗ上に、例えばシリコンなどの膜をエピタキシャル成長させるための成膜装置である。

エピタキシャル成長装置１は反応室２を有する。反応室２は、基板Ｗが載置されるサセプタ３と、側壁部４と、天井部５とから構成される。

サセプタ３は、上面視において円形状の板状部材であり、基板Ｗより若干大きくなるように構成されている。サセプタ３には、基板Ｗを載置するための基板用凹部３ａが設けられている。サセプタ３は、複数の腕部を有するサセプタ支持部６により支持されている。

サセプタ支持部６は、サセプタ３を支持しながらサセプタ３を昇降させる。サセプタ３の基板Ｗが載置される面の昇降範囲は、サセプタ３が、基板Ｗ上に成膜が行われる成膜位置Ｐ１から、基板Ｗのエピタキシャル成長装置１への出し入れを行う基板搬送位置Ｐ２までの間である。そして、サセプタ支持部６は、この成膜位置Ｐ１において、サセプタ支持部６の軸を回転中心として回転することによって、サセプタ３および基板Ｗを回転させることが可能であるように構成されている。

サセプタ３は、成膜位置Ｐ１においてその周囲に環状のサセプタリング７が配されている。サセプタリング７は、詳しくは後述するが、第１リング１１と、第１リング１１上に載置された第２リング１２とからなる。サセプタリング７は、反応室２の側壁部４に設けられたフランジ部１３により支持されている。

天井部５は、天井板２１と、天井板２１を支持する支持部２２とからなる。天井板２１は、透過性を有するものであり、天井板２１の外側上方に設けられた加熱手段２３(例えばハロゲンランプ)および上部リフレクタ２６からの熱を透過して反応室２内を加熱することができるように構成されている。即ち、本実施形態におけるエピタキシャル成長装置１はコールドウォールタイプのエピタキシャル成長装置である。本実施形態では、天井板２１として石英を用いている。

天井板２１を支持する支持部２２は環状である。支持部２２の内縁より内側の貫通穴２４の基板Ｗ側の端部に天井板２１が固定されている。固定方法としては、溶接が挙げられる。

側壁部４は、環状の上部側壁部３１と、環状の下部側壁部３２とからなる。下部側壁部３２の内周側には、前述したフランジ部１３が設けられている。このフランジ部１３よりも下方側に、基板搬送口３０が設けられている。上部側壁部３１は、その上面に、支持部２２の突出部２５の外側の斜面部に対応する斜面部を有している。この上部側壁部３１の斜面上に支持部２２が配置される。

下部側壁部３２の上面は外周部の一部が切り欠かれ、この切り欠きが設けられていない領域は、上部側壁部３１が載置される載置面３３として構成されている。下部側壁部３２の切り欠きにより、下部側壁部３２には第１凹部３４が形成されている。即ち、第１凹部３４は、下部側壁部３２の上面の載置面３３が形成されていない部分に形成された凹部である。上部側壁部３１には、下部側壁部３２への載置時にこの第１凹部３４に対応する位置に、第１凹部３４の形状に対応し、かつ、この第１凹部３４との間に間隙３５が形成されるように、第１凸部３６が設けられている。そして、この第１凸部３６と第１凹部３４との間の間隙３５が反応ガス供給路４１(供給路)として機能する。反応ガス供給路４１については詳しくは後述する。

また、下部側壁部３２の第１凹部３４と対向する領域において、下部側壁部３２の上面はその外周部の一部が切り欠かれて第２凹部３７が形成されている。上部側壁部３１には、下部側壁部３２への載置時にこの第２凹部３７に対応する位置に、第２凹部３７の形状に対応し、かつ、この第２凹部３７との間に間隙３８が形成されるように、第２凸部３９が形成されている。この第２凹部３７と上部側壁部３１の第２凸部３９とでガス排出路４２が形成されている。

このように反応ガス供給路４１とガス排出路４２とは反応室２において対向し、反応室２において反応ガスは基板Ｗ上を水平方向に流れる。

また、下部側壁部３２の第２凹部３７を構成する壁面４３には、パージガスが排出されるパージ孔４４が形成されている。パージ孔４４は、フランジ部１３よりも下方に設けられている。そして、このパージ孔４４が第２凹部３７を構成する壁面４３に設けられていることから、パージ孔４４はガス排出路４２に臨んでいる。従って、ガス排出路４２には、反応ガスとパージガスの両方が排出される。

側壁部４の下部側壁部３２の下面側には、環状の載置台４５が設けられ、側壁部４が載置台４５に載置されている。

天井部５、側壁部４、載置台４５の外周側には、環状の挟持部５１が設けられており、環状の挟持部５１は、これら天井部５、側壁部４及び載置台４５をクランプして支持している。挟持部５１には、それぞれ反応ガス供給路４１に連通する供給側連通路５２と、ガス排出路４２に連通する排出側連通路５３とが設けられている。供給側連通路５２にはガス導入チューブ５５が内挿されている。また、排出側連通路５３にはガス排出チューブ５８が内挿されている。

挟持部５１の外側には、反応ガス導入部５４が設けられており、反応ガス導入部５４と供給側連通路５２とは通路が連通している。反応ガス導入部５４からは、本実施形態では、第１原料ガスと、第２原料ガスとが導入されている。なお、第２原料ガスはキャリアガスとしても機能する。反応ガスとしては３種類以上のガスを混合して用いることも可能である。供給側連通路５２と反応ガス導入部５４との接続部分には、ガス流路に対して垂直となるように整流板５６が設けられている。整流板５６には、複数の孔部５６ａが周方向に沿って一列に設けられており、この孔部５６ａを反応ガスが通過することで、第１原料ガスと第２原料ガスとが混合されると共に整流される。また、挟持部５１の外側には、ガス排出部５７も設けられている。ガス排出部５７は、反応室２の中心を挟んで反応ガス導入部５４と対向する位置に設けられている。ガス排出部５７と排出側連通路５３とは通路が連通している。即ち、反応ガス供給路４１には、供給側連通路５２を介して反応ガス導入部５４が接続されている。また、ガス排出路４２は、排出側連通路５３を介してガス排出部５７が接続されている。ガス排出路４２は、反応室２の中心を挟んで反応ガス供給路４１と対向するように設けられている。

また、載置台４５の内周側下部には、装置底部６１が設けられている。装置底部６１の外側には、別の加熱手段６２および下部リフレクタ６５が設けられており、基板Ｗを下方からも加熱することが可能である。

装置底部６１の中央には、サセプタ支持部６の軸部６３が挿入されると共に、パージガスが導入されるパージガス導入部(図示せず)が設けられている。パージガスは、パージガス導入部に設けられた図示しないパージガス導入手段から装置底部６１、下部側壁部３２及び載置台４５とから構成された反応室下部６４に導入される。また、パージ孔４４は反応室下部６４に連通している。

(エピタキシャル成長を用いた成膜方法の概要)
次に、本実施形態のエピタキシャル成長装置を用いた成膜方法について説明する。

まず、サセプタ３を基板搬送位置Ｐ２まで移動させ、基板Ｗを基板搬送口３０から搬入し、サセプタ３を成膜位置Ｐ１まで移動させる。基板Ｗとしては、直径が例えば２００mmのシリコン基板を用いる。次に、加熱手段２３、６２により待機温度（例えば８００℃）から成長温度（例えば１１００℃）に加熱される。パージガス導入部からパージガス(例えば水素)を反応室下部６４に導入する。また、反応ガス(例えば第１原料ガスとしてトリクロロシラン、第２原料ガスとして水素)を反応ガス導入部５４から反応ガス供給路４１を介して反応室２内に導入する。反応ガスは、基板Ｗの表面に境界層を形成し、この境界層において反応が生じる。これにより、基板Ｗ上にシリコン膜が成膜される。反応ガスは、反応室２に臨んだガス排出路４２から排出される。また、パージガスはパージ孔４４を介してガス排出路４２へ排出される。このようにしてエピタキシャル成長が終了した後、待機温度まで降温してから、基板Ｗは搬出され、半導体製造装置の別のチャンバに移動される。

(エピタキシャル成長装置・方法の詳細)
次に、本実施形態のエピタキシャル成長装置１の構成部材の詳細について説明するとともに、本実施形態の成膜方法の詳細についても説明する。

図４は、本実施形態における天井部５の構成を示す斜視断面図である。図に示したように、天井板２１を支持する支持部２２の内縁は、基板側に向かって徐々に径が小さくなっている。そして、内縁の基板Ｗ側の端部に天井板２１が固定されている。また、支持部２２を裏面側(下面側)からみると、内周部が突出して突出部２５となっている。この突出部２５も突出方向に向かって徐々に径が小さくなるように形成されている。このように、支持部２２は２つの斜面部から構成される。即ち、支持部２２は、天井板２１の周縁部において、周縁部の上方かつ外側から天井板２１を支持する。一方、図２０は、従来のエピタキシャル成長装置の天井部５’の一例を示す斜視断面図である。図に示したように、従来の装置の天井部５’では、天井板２１’の周縁部において、支持部２２’が、天井板２１’と同一平面上から天井板２１’を支持し、支持部２２’は略直角の角部２５’を有する形状となっている。

このように、本実施形態では、従来のものに比べて、支持部２２を応力が集中しにくい形状としていることから、基板Ｗと天井板２１との距離Hを短く、即ち１０mm未満とすることができる。

具体的には、天井板２１（２１’）を加熱手段２３からの赤外線は概ね通過するが、天井板２１（２１’）自体はサセプタ３、又は基板Ｗからの輻射熱を吸収する。この吸収された熱は天井板２１（２１’）から支持部２２（２２’）との接合部を介して支持部２２（２２’）へ入力される。ここで、基板Ｗと天井板２１（２１’）との距離Hを短くすると、この輻射熱の吸収量が高くなり、支持部２２（２２’）に入力される熱が多くなる。したがって、従来の天井部５’のように、支持部２２’が略直角の角部２５’を有すると、この角部２５’に応力が集中してしまい、割れなどが発生するおそれがある。

一方、本実施形態では、支持部２２に突出部２５を設け、天井板２１の周縁部において、周縁部の上方かつ外側から天井板２１を支持させることによって、なるべく応力が集中しやすい角部（２５’）を設けずに天井板２１を基板側で支持することができるようしている。

また、本実施形態では、上述のように境界層を狭くするために天井板２１と基板Ｗとの距離Hを短くしているので、反応ガスが基板Ｗの外側に逃げてしまいやすく、基板において膜厚分布の均一化が難しい場合も考えられるので、これを防止することが好ましい。このため、本実施形態では、以下に説明するように、ガス流れを均一化するために、反応ガス供給路４１にガイド部を設けている。

反応ガス供給路４１に設けられたガイド部について、図５から図７を用いて詳細に説明する。前述のとおり、反応ガス供給路４１は、下部側壁部３２の第１凹部３４と上部側壁部３１の第１凸部３６とから形成されて、供給側連通路５２内のガス導入チューブ５５を介して反応ガス導入部５４まで連通している。また、反応ガス供給路４１は、反応ガス導入部５４からのガスの導入方向と一致する方向（水平方向）に延設された第１供給路７１と、第１供給路７１に連通し、ガスの導入方向に対して垂直な方向（鉛直方向）に延設された第２供給路７２と、第２供給路７２に連通し、ガスの導入方向に一致する方向（水平方向）に延設された第３供給路７３とを有している。そして、第３供給路７３は、反応室２に連通している。即ち、反応ガス供給路４１は、反応ガスの入口である供給側連通路５２側から、反応ガスの出口である反応室２に接続される出口に向かって上り階段状に形成されている。

ここで、第２供給路７２は、上述のように鉛直方向に延設されているので、反応ガス導入部から導入されたガスが第２供給路７２の反応ガス導入部５４に対向する壁面７４に接触する。これにより、反応ガスが拡散され、反応ガスの混合性が高まる。即ち、第２供給路７２は反応ガスの混合室として機能する。この場合に、第２供給路７２で反応ガスが停滞しないように、本実施形態では、第２供給路７２の壁面７４には、鉛直方向に延びた溝部７５が形成されており、この溝部７５がガイド部として機能する。このように溝部７５が設けられていることで、第２供給路７２の壁面７４に接触することで拡散されたガスも第３供給路７３へ流入しやすく、さらにこの溝部７５に沿って整流されることで、反応ガスの直進性が向上して、反応室２に流入した場合の反応ガスの広がりを抑制できる。

溝部７５について詳細に説明する。溝部７５は、第２供給路７２の壁面７４の全面に複数本連続して凹部として形成されている。図７(２)に示すように、凹部である溝部７５は、溝部７５の幅方向において湾曲している。本実施形態では、溝部７５は、上面視において円弧状である。溝部７５が幅方向において湾曲していることから、反応ガスが、壁面７４の溝部７５の底部に接触した場合に、拡散しにくく(集中しやすく)、反応ガスが反応室２へ流入した場合にも基板Ｗの外側へより広がりにくい。なお、この溝部７５の深さが深すぎると拡散を抑制することはできるが、反応ガス中の第１原料ガスと第２原料ガスとの混合をすることが難しくなる。本発明の一実施形態では、溝部７５の深さは１mm〜５mmとすることが好ましい。さらに、３mmとすることがより好ましい。

また、溝部７５は、それぞれが下部側壁部３２の面内方向の中央Ｃに向かうように設けられている。即ち、溝部７５は、下部側壁部３２の周方向に沿って設けられている。このように設けることで、各溝部７５によりガイドされて反応室２内に導入された反応ガスの流れの向きの水平方向の成分が、反応ガス供給路４１の反応室２側の開口の中心から反応室２の中心に向かう向きの水平方向の成分と一致するように整流性が高められ、反応ガスが反応室２内で分散されてしまうことが抑制される。

さらに、各溝部７５の幅方向の中心と反応ガス導入部５４に設けられた整流板５６の孔部５６ａの中心とが略一致する(対応する)位置に、各溝部７５は設けられている。即ち、本実施形態では壁面７４における溝部７５の数と孔部５６ａの数とは一致する。これにより、整流板５６より整流された反応ガスがそのまま各溝部７５に流入するので、さらに整流作用が高まり、反応ガスの直進性を向上させることができる。

なお、本実施形態では第２供給路７２の壁面７４の全面に溝部７５を設けたが、第２供給路７２の壁面７４のうち、少なくとも端部部分に設ければよい。端部部分とは、整流板５６の孔部が複数の領域に分けられて設けられているが、この領域のうち、最も端部の領域に対応する部分をいう。例えば、図７に示す場合では、整流板５６は３つの領域８１に分けられており、この領域のうち、最も端部の領域８２、８３の孔部に対応して溝部７５が設けられていればよい。上記のように反応ガスは基板Ｗの外側に逃げやすいので、特に反応ガス供給路４１の端部部分において反応ガスの直進性を高めるために溝部７５を設けることが好ましいのである。そして、この場合にガイド部として機能する溝部７５を凹部として形成することでこのような効果を簡易に得ることができる。例えば、整流部材を第２供給路７２に別途設けるとなると反応ガスの混合性や製造コスト等の問題が発生するが、本実施形態のように溝部７５を凹部として形成することにより、これらの問題は解決される。

図８は、整流板５６の例を示した斜視図である。図に示したように、整流板５６は、溝部７５のパターンに応じたものを用意すればよい。整流板５６の開口率は、成長速度の観点だけでなく、スクラバーや、外部の配管の形状、長さ等の付帯設備を含めて最適な値に決定することが好ましい。

本実施形態では、上述のように境界層を狭くするために天井板２１と基板Ｗとの距離を狭くしているので、反応室２下部への反応ガスの周りこみが発生しやすいと共に、基板Ｗの温度分布が均一化されにくいことが考えられ、その結果、厚膜形成時の膜厚分布や膜質の低下(例えば抵抗率の分布や結晶欠陥の発生など)も考えられる。本実施形態では、これを防止すべく、サセプタリング７が２つの部材で構成されている。この点について説明する。

図９に拡大して示したように、サセプタリング７を構成する第１リング１１は、サセプタの外周に対して離間して設けられており、この第１リングの内周側には上面が低い段差部９１が形成されている。段差部９１には、第２リング１２が載置されており、この第２リング１２は、第１リング１１とサセプタ３との間に形成された離間部９２に臨んで、即ち離間部９２にせり出すように設けられている。第２リング１２は、その上面がサセプタ３の上面と等しくなるように設けている。このように第２リング１２の上面がサセプタ３の上面と等しくなるように設けていることで、反応ガス供給路４１等で混合されて整流された状態が維持された反応ガスを、速度をできるだけ低下させること無く、スムーズに基板Ｗに供給できる。なお、ここでいうサセプタ３の上面とは、サセプタ３の基板用凹部３ａ (図１，２，１１，１２参照)の形成されていない領域の上面をいう。本実施形態の第２リング１２は、熱伝導性に鑑みてシリコンカーバイドを材料としている。

そして、このように第２リング１２と第１リング１１とを別部材で構成していることで、より精度良くサセプタリング７を構成することができる。即ち、サセプタリング７とサセプタ３との距離を限界まで近づけることができ、これにより基板Ｗの裏面側、即ち反応室下部６４への反応ガスの回り込みを低減できると共に、基板Ｗの温度分布を均一化することができる。これにより、本実施形態では、形成された膜の膜厚分布や膜質分布が均一化される。

また、第１リング１１と第２リング１２の２つの部材にすることで、第１リング１１と第２リング１２との間の熱の移動を第１リング１１と第２リング１２を１つの部材で構成する場合よりも抑制することができる。

さらに、このように第２リング１２が離間部９２に臨むように構成されていることで、成膜時にサセプタリング７とサセプタ３との間から反応ガスが下方に漏れ出すことを低減できて、反応ガスの流れが乱れにくく、また、反応ガスが下方に漏れ出すことを低減できることから、パーティクルを低減できる。

この場合に、第２リング１２は第１リング１１に比べて薄く形成してある。これにより、サセプタ３からの輻射による熱損失を抑制することができる。また、第２リング１２が薄いことで、第２リング１２を所定の高温に維持する(プリヒート)ために必要な加熱量を少なくすることができる。他の実施形態として、第１リング１１を熱伝導率の小さい材質にした場合には、第１リング１１が断熱材として機能し、上記の効果をさらに高めることができる。

なお、本実施形態では第２リング１２が離間部９２に臨むように構成したが、これに限定されない。第２リング１２は、第１リング１１の段差部９１に少なくとも載置されるように構成されていれば、精度良くサセプタリング７を構成することができるので、サセプタリング７とサセプタ３との距離を限界まで近づけることができ、これにより基板Ｗの裏面側への反応ガスの回り込みを低減できると共に、基板の温度分布を均一化することができる。

また、本実施形態では、境界層を狭くするために天井板２１と基板Ｗとの距離を狭くしているので、天井板２１の天井面も反応ガスによりコーティングされやすい。天井面がコーティングされると、天井面が曇ってしまい、天井板２１を介して加熱手段２３から加熱するコールドウォールタイプのエピタキシャル成長装置では十分に成膜ができないおそれがある。これに対し、本実施形態では、上述のように反応ガス供給路４１の壁面に溝部７５を設け、かつ、サセプタリング７を２つの部材で構成することで、反応ガスが反応室２において滞留しにくく、その結果、コート材の付着を抑制できる。これにより、連続して十分な成膜を行うことが可能である。

図１０は、サセプタリング７の変形例を示したものである。本変形例では、第２リング１２Ａが離間部９２Ａを覆うように設けられている点において図９に示した実施形態とは異なる。本変形例でも、第１リング１１Ａは側壁部３２Ａのフランジ部１３Ａに載置されている。第２リング１２Ａは、この第１リング１１Ａの段差部９１Ａに載置されており、かつ、その内周側はサセプタ３Ａの外周に臨んでいる。

本変形例では、第２リング１２Ａが離間部９２Ａを覆うように設けられていることで、反応室２Ａに流入した反応ガスが反応室下部６４Ａへ入ることをより抑制することができる。ただし、第２リング１２Ａが、図１０中に図示しない加熱手段２３からサセプタ３Ａへの加熱を遮るのを抑制すべく、第２リング１２Ａとサセプタ３Ａとのオーバーラップ量は少ない方が好ましい。

本変形例において、第２リング１２Ａの厚みは、例えば０．５mm〜２mmとすることが好ましい。さらに、約０.８mmとすることがより好ましい。このような厚みとすることで、サセプタ３Ａから第２リング１２Ａへの輻射による熱損失を可能な限り抑制することができる。

図１１および図１２は、本発明の実施形態におけるサセプタ３の一例を示す平面図である。図に示したように、サセプタ３Ａ，３Ｂは、リフトピン１２３（図１３参照）が貫通するリフトピン用貫通穴１１０Ａ，１１０Ｂが設けられている。また、図１２に示したように、多数の貫通穴１１１Ｂを有していてもよい。この貫通穴１１１Ｂにより、基板をサセプタに載置した瞬間に間に挟まれた気体を逃がすことができ、基板Ｗが水平方向に滑ってしまうという問題を解決することができる。また、このようなサセプタ３Ｂを用いた場合、サセプタ３Ａを用いた場合と比較すると、基板Ｗの膜厚分布の均一化や抵抗率分布の均一化の点で優位である。これは、貫通穴１１１Ｂの直径が小さければ小さいほど、貫通穴１１１Ｂの数が多ければ多いほど顕著である。また、開口率は４％を超えるものとするのが好ましく、また、サセプタの基板用凹部３Ｂａのみではなく、その周囲にも貫通穴１１１Ｂを設けるのがより好ましい。

図１３から図１６までは、サセプタ支持部６の一実施形態を示したものである。図１３に示したとおり、サセプタ支持部６は、サセプタ・シャフト１２１と基板リフト部１２２とリフトピン１２３とから構成されている。サセプタ３はサセプタ・シャフト１２１の３本の腕部によって支持されている。基板リフト部１２２の３本の腕部には、リフトピン１２３の下端が配置される凹部を有する台座１２４が設けられている。また、基板リフト部１２２の軸部分は筒状になっており、この基板リフト部１２２の軸部分は、サセプタ・シャフト１２１の軸部分が挿入可能となっている。

本実施形態では、サセプタ支持部６において、各腕部の太さは通常のものよりも細く構成されている。これにより、加熱手段６２がサセプタ３上の基板Ｗを加熱する際におけるサセプタ支持部６の影響を小さくすることができるので、サセプタ３の温度分布を均一にすることが可能である。なお、本実施形態のサセプタ支持部６の構成の詳細、および、昇降動作は、本出願人による国際公開ＷＯ２０１３/００５４８１号公報に記載のサセプタ装置と同様である。ただし、同公報記載のサセプタ装置はサセプタ・シャフト（載置部シャフト）が１本となっているが、本実施形態のサセプタ支持部６のサセプタ・シャフト（腕部）１２１は３本となっている。

図１６は、本実施形態におけるガス排出チューブ５８の一例を示した斜視断面図である。図に示したように、ガス排出チューブ５８は、反応室２側からガス排出部５７に向かうにしたがって開口が中央に向かって絞られて狭くなるように形成されている。これにより、排気が中央に整流され、排気効率の向上が図られている。

また、図２１は、従来のエピタキシャル成長装置における反応室２の外側の構成を示す分解斜視図である。図に示したように、ガス導入チューブ５５と５５’、ガス排出チューブ５８と５８’とを比較すると、本実施形態では、各々の中央部にある仕切り部が除去されている。これにより、膜厚分布に影響するガスの流れがスムーズになる。

なお、ガス排出路４２とパージ孔４４は、開口率が大きすぎると、反応ガスが反応室下部６４に潜り込み、開口率が小さすぎると、パージガスが反応室２内での成膜プロセスに影響を及ぼしてしまうので、最適な値となるように開口が形成される。

図１７は、本発明の実施形態における上部リフレクタ２６の一例を示す斜視図である。図に示したように、上部リフレクタ２６は、加熱手段２３からの熱線を反応室２の中心に向かって反射させる傾斜部２６ａと、加熱手段２３からの熱線を鉛直下向きに反射させる平坦部２６ｂとを有している。一方、図２２は、従来のエピタキシャル成長装置における上部リフレクタ２６’の一例を示す斜視図である。図に示したように、従来の上部リフレクタ２６’も傾斜部２６ａ’と平坦部２６ｂ’とを有しているが、本発明の実施形態の上部リフレクタ２６とは傾斜部２６ａの配列が異なっている。具体的には、本発明の実施形態の上部リフレクタ２６は、従来の上部リフレクタ２６’の平坦部２６ｂ’の中央に傾斜部を１つ追加した配列となっている。このように、傾斜部２６ａと平坦部２６ｂの面積比が所定の比率となるように、かつ、傾斜部２６ａと平坦部２６ｂの分布が偏らないように、傾斜部２６ａと平坦部２６ｂとを配列することにより、基板Ｗの温度分布の均一化が図られている。

図１８は、本発明の実施形態における下部リフレクタ６５の一例を示す斜視図である。図２３は、従来のエピタキシャル成長装置における下部リフレクタ６５’の一例を示す斜視図である。下部リフレクタ６５も上部リフレクタ２６と同様に、加熱手段６２からの熱線を反応室２の中心に向かって反射させる傾斜部６５ａと、加熱手段６２からの熱線を鉛直上向きに反射させる平坦部６５ｂとを有しており、従来の下部リフレクタ６５’の平坦部６５ｂ’の中央に傾斜部を１つ追加した配列となっている。このように、傾斜部６５ａと平坦部６５ｂの面積比が所定の比率となるように、かつ、傾斜部６５ａと平坦部６５ｂの分布が偏らないように、傾斜部６５ａと平坦部６５ｂとを配列することにより、基板Ｗの温度分布の均一化が図られている。

かかる本実施形態のエピタキシャル成長装置によれば、支持部２２が天井板２１を支持することで、天井板２１の中央部の反応室側の天井面と基板Ｗとの距離Hを１０mm未満とすることができる。これにより、本実施形態におけるエピタキシャル成長装置１は、この天井板２１とサセプタ３との間を流れる反応ガスにより形成される境界層が天井側に広がるのを抑制でき、結果として境界層が狭くなる。そうすると、この境界層内におけるガス速度が上昇するので、結果としてガス密度が向上し、基板Ｗ表面における反応効率を高めることができる。これにより、エピタキシャル成長装置１では、成長速度を向上させることができる。

なお、本発明の一実施形態では、天井板２１と基板Ｗとの距離Hは１０mm未満であり、好ましくは天井板２１と基板Ｗとの距離Hが１０mm未満、かつ、基板Ｗの成膜された膜の表面から天井板２１との距離を１mm以上である。この範囲とすることで、境界層を形成しつつも、反応ガスのガス流れをスムーズに行うことができる。

即ち、本実施形態における反応室２では、基板Ｗと天井板２１との距離を従来よりも短く(従来は２０mm程度)することで、境界層を狭くして基板表面における反応効率を高め、結果として成長速度を向上させている。

(実施例)
以下、実施例により発明の詳細について説明する。

図１０に示したサセプタリングを用いたエピタキシャル成長装置１Ａ(基板Ｗ表面と天井板２１との距離Hは9.27mm)により、以下の成長条件に基づいてエピタキシャル成長を行った。
第１原料ガス（トリクロロシラン）流量 ８．５ ＳＬＭ
パージガス（水素）流量 １５．０ ＳＬＭ
成長時間 ６００．０秒
成長温度 １１００．０℃
回転速度 ２０．０ ＲＰＭ

実施例１とは、第１原料ガス量を13.5 SLMに変更した点以外は同一条件でエピタキシャル成長を行った。

実施例１とは、第１原料ガス量を17.0 SLMに変更した点以外は同一条件でエピタキシャル成長を行った。
(比較例１)

従来のエピタキシャル成長装置(基板Ｗ表面と天井板２１との距離Hは20mm、溝部７５はなく、サセプタリングは１つの部材からなる)により、回転速度を35.0 RPMとした点以外は、実施例１と同一の成長条件に基づいてエピタキシャル成長を行った。
(比較例２)

従来のエピタキシャル成長装置(基板Ｗ表面と天井板２１との距離Hは20mm、溝部７５はなく、サセプタリングは１つの部材からなる)により、回転速度を35.0 RPMとした点以外は、実施例２と同一の成長条件に基づいてエピタキシャル成長を行った。
(比較例３)

従来のエピタキシャル成長装置(基板Ｗ表面と天井板２１との距離Hは20mm、溝部７５はなく、サセプタリングは１つの部材からなる)により、回転速度を35.0 RPMとした点以外は、実施例３と同一の成長条件に基づいてエピタキシャル成長を行った。
各実施例及び比較例による膜の成長速度を検出した。検出された成長速度と第１原料ガスとの関係を図１９に示す。

図１９に示すように、本発明の実施形態となるエピタキシャル成長装置１Ａによれば、成長速度が50％以上向上され、第１原料ガス量が多くなれば多くなるほど成長速度の改善率は向上した。従って、本実施形態のエピタキシャル成長装置を用いることで、成長速度が向上した。

１ エピタキシャル成長装置
２ 反応室
３ サセプタ
４ 側壁部
５ 天井部
６ サセプタ支持部
７ サセプタリング
１１ 第１リング
１２ 第２リング
１３ フランジ部
２１ 天井板
２２ 支持部
２３ 加熱手段
２４ 貫通穴
２５ 突出部
２６ 上部リフレクタ
３０ 基板搬出口
３１ 上部側壁部
３２ 下部側壁部
３３ 載置面
３４ 第１凹部
３５ 間隙
３６ 第１凸部
３７ 第２凹部
３８ 間隙
３９ 第２凸部
４１ 反応ガス供給路
４２ ガス排出路
４３ 壁面
４４ パージ孔
４５ 載置台
５１ 挟持部
５２ 供給側連通路
５３ 排出側連通路
５４ 反応ガス導入部
５５ ガス導入チューブ
５６，５６Ａ，５６Ｂ 整流板
５６ａ 孔部
５７ ガス排出部
５８ ガス排出チューブ
６１ 装置底部
６２ 加熱手段
６３ 軸部
６４ 反応室下部
６５ 下部リフレクタ
７１ 第１供給路
７２ 第２供給路
７３ 第３供給路
７４ 壁面
７５ 溝部
８１，８２，８３ 領域
９１ 段差部
９２ 離間部
１１０Ａ，１１０Ｂ リフトピン用貫通穴
１１１Ｂ 貫通穴
１２１ サセプタ・シャフト
１２２ 基板リフト部
１２３ リフトピン
１２４ 台座
Ｗ 基板

Claims (11)

1. 反応室内でエピタキシャル成長による成膜を行う方法であって、
   反応ガス供給路を画定する第１凸部と第１凹部との間に形成される間隙内において反応室に反応ガスを供給するステップと、
   前記反応室の下部側壁部の壁面に形成された複数の溝部に沿って前記反応ガスを流すことにより、反応ガス供給路において、前記反応ガスを整流するステップであって、前記反応ガスを整流するステップは、
   前記天井板と前記サセプタとの間に画定される約１０ｍｍ未満の間隔を通して形成された前記反応ガスにより形成された境界層を狭くするステップを含む前記反応ガスを整流するステップと、
   前記第１凸部と前記第１凹部との間に形成される前記第１開口に対向する、前記反応室の第２凸部と第２凹部との間に形成される第２開口を介して、前記反応室から前記反応ガスを排出するステップとを含むことを特徴とするエピタキシャル成長による成膜方法。
2. 前記反応ガス供給路は、
   前記反応ガスの供給方向に延設された第１供給路と、
   前記第１供給路に連通し、前記反応ガスの供給方向に対して略垂直な方向に延設された第２供給路と、
   前記第２供給路に連通し、前記反応ガスの供給方向に延設された第３供給路とを含み、
   前記複数の溝部のうちの１つの溝部は、前記第２供給路に設けられる請求項１に記載の成膜方法。
3. 前記溝部の底面部分は、幅方向に湾曲した形状を有する請求項１又は２に記載の成膜方法。
4. 前記溝部は、前記反応室の側壁部の面内方向の中央へ向かうように設けられ、前記側壁部は前記下部側壁部を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜方法。
5. 前記溝部の深さは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の成膜方法。
6. ガス排出路は、前記側壁部の外側に配置されたガス排出部に接続されており、該ガス排出部は、前記ガス排出路と接続される内側から外側に向かうにしたがって開口が狭くなるように形成されており、
   前記成膜方法は、該ガス排出路を通じて前記反応ガスを外部に排出するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の成膜方法。
7. 反応室を加熱するステップをさらに含み、前記反応室を加熱するステップは、前記反応室内に配置されたサセプタの外周に設けられたサセプタリング部の使用によって前記反応ガスを予熱するステップを含み、
   前記サセプタリング部は、前記側壁部に配置されたフランジ部に載置される第１リング部と、該第１リング部の上面に配置された凹部に載置される第２リング部を含み、該第２リング部は、前記サセプタの周縁部と前記第１リング部の内側周縁部との間の離間部が狭くなるような内径を有するものであり、
   前記成膜方法が、第２リング部の使用により、前記反応ガスが前記サセプタの周縁から該サセプタの下面側に流れ込むのを阻止するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の成膜方法。
8. 反応室内で基板の上面にエピタキシャル成長を用いて成膜を行うエピタキシャル成長装置であって、
   天井板と、サセプタと、側壁部とを含む反応室であって、前記天井板は前記サセプタから約１０ｍｍ未満離間している反応室と、
   前記側壁部に形成された、反応ガスを前記反応室に供給する反応ガス供給路であって、前記反応ガス供給路は、第１凸部と第１凹部との間に画定される反応ガス供給路と、
   前記反応ガス供給路と対向する前記側壁部の位置に形成されたガス排出路であって、ガス排出路は、前記第１凸部と前記第１凹部との間に形成された第１開口に対向する、第２凸部と第２凹部との間に形成された第２開口を介して前記反応室を通過するガス排出路と、
   前記反応ガス供給路において前記反応ガスを整流する整流手段とを備え、
   前記反応ガス供給路は、前記側壁部の周方向に配置された前記側壁部の壁面に形成された複数の溝部に沿って提供されることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
9. 前記サセプタは、多数の貫通穴を有することを特徴とする請求項８に記載のエピタキシャル成長装置。
10. 前記ガス排出路は、前記側壁部の外側に配置されたガス排出部に接続されており、該ガス排出部は、前記ガス排出路と接続される内側から外側に向かうにしたがって開口が狭くなるように形成されることを特徴とする請求項８又は９に記載のエピタキシャル成長装置。
11. 前記反応室の上方に配置された、前記反応室を所定の成長温度に加熱する第１の加熱手段と、
    前記第１の加熱手段の上方に配置された第１のリフレクタと、
    前記反応室の下方に配置された、前記反応室を所定の成長温度に加熱する第２の加熱手段と、
    前記第２の加熱手段の下方に配置された第２のリフレクタとをさらに備え、
    前記第１のリフレクタは、前記第１の加熱手段からの熱線を前記反応室の中心に向かって反射させる第１の傾斜部と、前記第１の加熱手段からの熱線を鉛直下向きに反射させる第１の平坦部とを含み、前記第１の傾斜部と前記第１の平坦部の面積比が所定の比率となるように、かつ、前記第１の傾斜部と前記第１の平坦部の分布が偏らないように、前記第１の傾斜部と前記第１の平坦部とが配列されたものであり、
    前記第２のリフレクタは、前記第２の加熱手段からの熱線を前記反応室の中心に向かって反射させる第２の傾斜部と、前記第２の加熱手段からの熱線を鉛直上向きに反射させる第２の平坦部とを含み、前記第２の傾斜部と前記第２の平坦部の面積比が所定の比率となるように、かつ、前記第２の傾斜部と前記第２の平坦部の分布が偏らないように、前記第２の傾斜部と前記第２の平坦部とが配列されたものであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のエピタキシャル成長装置。