JP2021068871A - エピタキシャル成長装置およびエピタキシャルウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル成長装置内の構成部材を破損させることなく、プリヒートリングと下部ライナとの間の発塵を防止することができるエピタキシャル成長装置を提案する。【解決手段】チャンバと、チャンバの内壁に配置された環状の上部ライナおよび下部ライナ１６と、チャンバ内の互いに対向する位置に設けられたガス導入口およびガス排出口と、チャンバの内部に設けられた、半導体ウェーハＷを載置するサセプタ４とを備え、半導体ウェーハＷは、チャンバに設けられたウェーハ搬入口からチャンバの内部に搬入され、下部ライナ１６を経由してサセプタ４上に載置されるように構成されているエピタキシャル成長装置において、下部ライナ１６の内周面とサセプタ４の側面とが直接対向していることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、エピタキシャル成長装置およびエピタキシャルウェーハの製造方法に関する。

代表的な半導体ウェーハであるシリコンウェーハ上にシリコンエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）など、様々な半導体デバイスを作製するための基板として用いられている。

図１は、半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相成長させる枚葉式のエピタキシャル成長装置の一例を示している。この図に示したエピタキシャル成長装置１００は、上部ドーム１１と、下部ドーム１２と、ドーム取付体１３とを有するプロセスチャンバ１０を有する。上部ドーム１１および下部ドーム１２は、透明な石英で構成されており、クランプ１４によってドーム取付体１３に取り付けられている。

上記プロセスチャンバ１０の内壁には、ドーム取付体１３を保護するために環状の上部ライナ１５および下部ライナ１６が配置されており、それぞれ石英で構成されている。そして、上部ライナ１５と下部ライナ１６との間には、プロセスチャンバ１０の対向する位置に、プロセスチャンバ１０内に反応ガスなどを供給するガス供給口１７および未反応ガスなどを排出するガス排出口１８が設けられている。このように、図１に示したエピタキシャル成長装置１００は、反応ガスなどを水平方向に流して半導体ウェーハの表面にエピタキシャル層を形成する装置である。

また、プロセスチャンバ１０の内部には、半導体ウェーハＷが載置されるサセプタ４が設置されている。サセプタ４は、回転可能な支持シャフト７の主柱７ａに連結された支持アーム７ｂによってその下面の外周部が嵌合支持されており、支持アーム７ｂとともに回転するように構成されている。サセプタ４は、カーボングラファイト（黒鉛）を母材とし、その表面をＳｉＣでコーティングして構成されており、その表面には、半導体ウェーハＷを収容して載置するザグリ部が形成されている。

上記サセプタ４および支持アーム７ｂには貫通孔が形成されており、半導体ウェーハＷの裏面を支持して昇降させるためのリフトピン５が各貫通孔に挿通されている。リフトピン５は、その基端を昇降シャフト６により支持し、昇降シャフト６を上下方向に移動させることにより昇降させることができる。

また、サセプタ４の外周には、ガス供給口１７からサセプタ４上に載置された半導体ウェーハＷの表面に供給される反応ガスを予熱する環状のプリヒートリング６０が配置されている。プリヒートリング６０は、カーボングラファイト（黒鉛）を母材とし、その表面を炭化ケイ素（ＳｉＣ）でコーティングして構成されており、下部ライナ１６の開口部に突出した支持部１６ａによって支持されている。

図２は、図１に示したエピタキシャル成長装置１００におけるウェーハ搬入口付近の図を示している。なお、ウェーハ搬入口は、図１に示したエピタキシャル成長装置１００を上面視した際に、ガス導入口１７およびガス排出口１８が設けられた位置とは、周方向に略９０°ずれた位置に設けられている。

図２に示すように、エピタキシャル装置１００のプロセスチャンバ１０に隣接して、半導体ウェーハＷをプロセスチャンバ１０の内部に搬送するための搬送チャンバ２０が設けられている。そして、搬送チャンバ２０とプロセスチャンバ１０とは、略直方体のスリット部材２１を介して連通されている。

スリット部材２１には、搬送チャンバ２０の内部とプロセスチャンバ１０の内部とを連通する連通路２２が画成されている。また、スリット部材２１の搬送チャンバ２０側には、プロセスチャンバ１０の内部を密閉するスリットバルブ２３が設けられている。

半導体ウェーハＷは、以下のようにサセプタ４の上に載置される。まず、支持シャフト７によりサセプタ４を降下させる。次いで、搬送チャンバ２０内のスリットバルブ２３を開いた後、搬送ブレードＢ上に載置された半導体ウェーハＷを連通路２２を通過させ、ウェーハ搬入口２４からプロセスチャンバ１０の内部に搬入し、サセプタ４の上方に配置する。

続いて、昇降シャフト６によりリフトピン５を上昇させ、半導体ウェーハＷの裏面を支持する。その後、搬送ブレードＢをプロセスチャンバ１０から退避させ、スリットバルブ２３を閉じる。そして、支持シャフト７によりサセプタ４を上昇させて半導体ウェーハＷをサセプタ４上に載置し、サセプタ４を所定の高さ位置まで上昇させ、反応ガスをガス導入口１７から導入して半導体ウェーハＷの表面上にエピタキシャル層を成長させる。

エピタキシャル層の成長が終了し、得られたエピタキシャルウェーハをプロセスチャンバ１０から搬出する際には、上述した手順とは逆の手順を行う。

上述のように、プリヒートリング６０は、下部ライナ１６の支持部１６ａにより支持されているが、これらプリヒートリング６０と下部ライナ１６とでは、構成されている材料が異なる。そのため、チャンバ１０内を昇温または降温する際に、プリヒートリング６０と下部ライナ１６の支持部１６ａとの間で熱膨張率の差に起因する摩擦が発生し、これらの部材から発塵し、パーティクルが半導体ウェーハＷの表面に付着する問題がある。

近年の半導体デバイスの微細化・高集積化に伴って、結晶欠陥やウェーハの表面に付着したパーティクルの低減が要求されている。そのため、上述のようなプリヒートリング６０と下部ライナ１６との間の発塵を抑制する必要がある。

そこで、特許文献１には、プリヒートリングの下部に支持部を設けて下部ライナに固定し、チャンバ内を昇温または降温する際に、プリヒートリングと下部ライナとの間の発塵を防止する技術が記載されている。

国際公開第２０１５／０７６４８７号

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、チャンバ内を昇温または降温する際に、プリヒートリングと下部ライナとの間に熱膨張率の差に起因する力が負荷され、プリヒートリングや下部ライナなどのエピタキシャル成長装置内の構成部材が破損するおそれがある。

そこで、本発明の目的は、プリヒートリングを破損させることなく、プリヒートリングと下部ライナとの間の発塵を防止することができるエピタキシャル成長装置を提案することにある。

上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。
［１］チャンバと、
前記チャンバの内壁に配置された環状の上部ライナおよび下部ライナと、
前記チャンバ内の互いに対向する位置に設けられたガス導入口およびガス排出口と、
前記チャンバの内部に設けられた、前記半導体ウェーハを載置するサセプタと、
を備え、前記半導体ウェーハは、前記チャンバに設けられたウェーハ搬入口から前記チャンバの内部に搬入され、前記下部ライナを経由してサセプタ上に載置されるように構成されているエピタキシャル成長装置において、
前記下部ライナの内周面と前記サセプタの側面とが直接対向していることを特徴とするエピタキシャル成長装置。

［２］前記サセプタの直径は、前記半導体ウェーハの直径が３００ｍｍの場合には３７７ｍｍ以上であり、前記半導体ウェーハの直径が４５０ｍｍの場合には５４１ｍｍ以上であり、前記半導体ウェーハの直径が１５０ｍｍまたは２００ｍｍの場合には２５０ｍｍ以上である、前記［１］に記載のエピタキシャル成長装置。

［３］前記サセプタの側面と直接対向する前記下部ライナの内周面が平坦である、前記［１］または［２］に記載のエピタキシャル成長装置。

［４］前記［１］〜［３］のいずれか一項に記載のエピタキシャル成長装置を用いて、半導体ウェーハ上にエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。

［５］前記半導体ウェーハはシリコンウェーハである、前記［４］に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。

本発明によれば、プリヒートリングを破損させることなく、プリヒートリングと下部ライナとの間の発塵を防止することができる。

エピタキシャル成長装置の一例を示す模式図である。 エピタキシャル成長装置におけるウェーハ搬入口付近の構造を示す模式図である。 従来のエピタキシャル成長装置の下部ライナ周辺の構造の模式図であり、（ａ）はウェーハ搬送方向に沿った断面図、（ｂ）は上面図である。 本発明によるエピタキシャル成長装置における下部ライナ周辺の構造の一例を示す模式図であり、（ａ）はウェーハ搬送方向に沿った断面図、（ｂ）は上面図である。 本発明によるエピタキシャル成長装置における下部ライナ周辺の構造の別の例を示す模式図であり、（ａ）はウェーハ搬送方向に沿った断面図、（ｂ）は上面図である。

（エピタキシャル成長装置）
以下、図面を参照して、本発明によるエピタキシャル成長装置について説明する。本発明によるエピタキシャル成長装置は、半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相成長させるエピタキシャル成長装置であって、チャンバと、該チャンバの内壁に配置された環状の上部ライナおよび下部ライナと、チャンバ内の互いに対向する位置に設けられたガス導入口およびガス排出口と、チャンバの内部に設けられた、半導体ウェーハを載置するサセプタとを備え、半導体ウェーハは、チャンバに設けられたウェーハ搬入口からチャンバの内部に搬入され、下部ライナを経由してサセプタ上に載置されるように構成されている。ここで、下部ライナの内周面とサセプタの側面とが直接対向していることを特徴とする。

図３は、従来のエピタキシャル成長装置１００のプリヒートリング６０周辺の構造の模式図を示しており、（ａ）はウェーハ搬送方向に沿った断面図、（ｂ）は上面図である。図３（ａ）に示すように、環状のプリヒートリング６０は、その全周に亘って下部ライナ１６の支持部１６ａに支持されている。

そして、図３（ｂ）に示すように、半導体ウェーハＷは、エピタキシャル成長装置１００のウェーハ搬入口２４から搬入されてサセプタ４上に載置されるまでの搬送経路において、プリヒートリング６０の下方を通過する。

このような状況の下で、チャンバ１０内を昇温または降温した際に、プリヒートリング６０と下部ライナ１６の支持部１６ａとの間に摩擦が発生して発塵すると、プリヒートリングの下方を通過する半導体ウェーハＷの表面にパーティクルが付着する場合がある。

本発明者らは、上記パーティクル付着の原因であるプリヒートリング６０と下部ライナ１６の支持部１６ａとの間の発塵を防止する方途について鋭意検討した。その結果、下部ライナ１６とサセプタ４とを直接対向させる、すなわち、プリヒートリング６０をエピタキシャル成長装置内に設けないように構成することに想到し、本発明を完成させたのである。

図４は、本発明によるエピタキシャル成長装置におけるプリヒートリング周辺の構造の一例を示しており、（ａ）はウェーハ搬送方向に沿った断面図、（ｂ）は上面図である。図４（ａ）に示した構成においては、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来の装置に設けられていたプリヒートリングは支持部１６ａ上にはない。

このように構成することにより、プリヒートリングと下部ライナ１６の支持部１６ａとの間の発塵が原理的に発生しないため、パーティクルが半導体ウェーハＷの表面に付着するのを防止することができる。また、従来の装置においては、熱膨張などによりプリヒートリングとサセプタとが接触してパーティクルが発生する場合があるが、プリヒートリングとサセプタとの接触のリスクがなくなるため、上記接触によるパーティクルの発生を防止することができる。

また、従来のエピタキシャル成長装置１００においては、半導体ウェーハＷの表面上にエピタキシャル層を成長させる際に、プリヒートリング６０と下部ライナ１６との間にポリシリコンが堆積し、半導体ウェーハＷが搬送される際に半導体ウェーハＷの表面に落下する場合がある。しかし、図４に示した下部ライナ１６においては、こうしたポリシリコンの堆積が生じないため、半導体ウェーハＷの搬送時にポリシリコンが半導体ウェーハＷ上に落下するのを防止することができる。

なお、図５（ｂ）に示すように、サセプタ４の直径は、図３（ｂ）に示したような、プリヒートリング６０が下部ライナ１６の支持部１６ａに支持されている場合に比べて、大きく構成されていることが好ましい。具体的には、サセプタ４の直径は、半導体ウェーハＷの直径が３００ｍｍの場合には３７７ｍｍ以上４４５ｍｍ以下であり、半導体ウェーハＷの直径が４５０ｍｍの場合には５４１ｍｍ以上６２３ｍｍ以下であり、半導体ウェーハＷの直径が１５０ｍｍまたは２００ｍｍの場合には２５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、サセプタ４と下部ライナ１６とが干渉するのを防止しつつ、ガス導入口１７から導入された反応ガスを予熱して半導体ウェーハＷの表面に導くことができる。

また、図４においては、下部ライナ１６に支持部１６ａが設けられているが、図５に示すように、下部ライナ１６に支持部１６ａが設けられずに、下部ライナ１６のサセプタ４と直接対向する面が平坦であることが好ましい。これにより、石英の加工が容易になり、また下部ライナ１６の強度を高めることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によるエピタキシャル成長装置は、従来の装置においては通常設けられていたプリヒートリングが設けられていないことに特徴を有するものであり、その他の構成は限定されず、従来の構成を適切に使用することができる。

（エピタキシャルウェーハの製造方法）
本発明によるエピタキシャルウェーハの製造方法は、上述した本発明によるエピタキシャル成長装置を用いて、半導体ウェーハ上にエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とする。

上述のように、本発明によるエピタキシャル成長装置においては、プリヒートリングが設けられておらず、プリヒートリングと下部ライナとの間の発塵を防止することができるとともに、プリヒートリングと下部ライナの支持部との間にポリシリコンが堆積して、半導体ウェーハの搬送時にポリシリコンが半導体ウェーハ上に落下するのを防止することができる。また、従来の装置においては、熱膨張などによりプリヒートリングとサセプタとが接触してパーティクルが発生する場合があるが、こうしたプリヒートリングとサセプタとが接触するリスクがなくなり、上記接触によるパーティクルの発生を防止することができる。従って、上記本発明によるエピタキシャル成長装置に反応ガスを供給して半導体ウェーハ上にエピタキシャル層を形成することにより、パーティクルの付着が抑制されたエピタキシャルウェーハを製造することができる。

エピタキシャルウェーハの基板である半導体ウェーハは、特に限定されないが、シリコンウェーハを好適に用いることができ、シリコンウェーハ上にシリコンエピタキシャル層を好適に成長させることができる。

本発明によれば、エピタキシャル成長装置内の構成部材を破損させることなく、プリヒートリングと下部ライナとの間の発塵を防止することができ、またプリヒートリングとサセプタとの接触によるパーティクルの発生を防止できるため、半導体ウェーハ製造業において有用である。

４ サセプタ
５ リフトピン
６ 昇降シャフト
７ 支持シャフト
７ａ 主柱
７ｂ 支持アーム
１０ プロセスチャンバ
１１ 上部ドーム
１２ 下部ドーム
１３ ドーム取付体
１４ クランプ
１５ 上部ライナ
１６ 下部ライナ
１６ａ 支持部
１７ ガス供給口
１８ ガス排出口
２０ 搬送チャンバ
２１ スリット材
２２ 連通路
２３ スリットバルブ
２４ ウェーハ搬入口
６０ プリヒートリング
１００ エピタキシャル成長装置
Ｂ 搬送ブレード
Ｗ 半導体ウェーハ

Claims (5)

1. 半導体ウェーハの表面上にエピタキシャル層を気相成長させるエピタキシャル成長装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバの内壁に配置された環状の上部ライナおよび下部ライナと、
   前記チャンバ内の互いに対向する位置に設けられたガス導入口およびガス排出口と、
   前記チャンバの内部に設けられた、前記半導体ウェーハを載置するサセプタと、
   を備え、前記半導体ウェーハは、前記チャンバに設けられたウェーハ搬入口から前記チャンバの内部に搬入され、前記下部ライナを経由してサセプタ上に載置されるように構成されているエピタキシャル成長装置において、
   前記下部ライナの内周面と前記サセプタの側面とが直接対向していることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
2. 前記サセプタの直径は、前記半導体ウェーハの直径が３００ｍｍの場合には３７７ｍｍ以上であり、前記半導体ウェーハの直径が４５０ｍｍの場合には５４１ｍｍ以上であり、前記半導体ウェーハの直径が１５０ｍｍまたは２００ｍｍの場合には２５０ｍｍ以上である、請求項１に記載のエピタキシャル成長装置。
3. 前記サセプタの側面と直接対向する前記下部ライナの内周面が平坦である、請求項１または２に記載のエピタキシャル成長装置。
4. 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を用いて、半導体ウェーハ上にエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
5. 前記半導体ウェーハはシリコンウェーハである、請求項４に記載のエピタキシャルウェーハの製造方法。
   

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