JP3273247B2 - エピタキシャル成長炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エピタキシャル成
長炉に関するものであり、詳しくは、材料ガス流形成手
段に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、高温に加熱されたシリコン基板上
に水素キャリアにより、SiCl_４ ，SiHCl_３，SiH_２Cl_２
またはSiH_４等のシリコンソースガスを供給し、基板上
でＨ−Ｓｉ−Ｃｌ系の反応を通じてシリコン単結晶を堆
積、成長させるＨ−Ｓｉ−Ｃｌ系ＣＶＤ（Chemical vap
or deposition)法がシリコンエピタキシャル成長方法と
して最も広く研究、応用されている。

【０００３】このようなエピタキシャル成長には、対象
となる半導体ウエハをシールドチャンバ内のサセプタ上
に保持し、例えば、ハロゲンランプや赤外線ランプ等に
よる輻射加熱方式で加熱しつつ材料ガスをチャンバ内に
送り込む構成を持った成長炉装置が用いられている。材
料ガスは、半導体ウエハの成長対象表面に供給され、そ
の表面上にエピタキシャル成長層が形成される。

【０００４】なお、近年、半導体ウエハの大口径化に伴
って、反応炉の大型化も当然避けられないものとなって
いる。そこで、大口径ウエハ用の成長炉としては枚葉式
が一般的となっている。これは、枚葉処理であるので反
応室自体はコンパクトにでき、また、加熱条件、ガス流
分布等の設計が容易でエピタキシャル膜特性の均一性を
高くできる。

【０００５】さらに、反応室をよりコンパクトにできる
と共に、ウエハの結晶欠陥の原因となり得る自重による
反りを防止でき、また１枚以上の半導体ウエハの同時エ
ピタキシャル成長処理が可能な縦置き型の利用も検討さ
れている。この縦置き型では、半導体ウエハを表面が垂
直面内に沿うように立てて置き、半導体ウエハの成長対
象表面と平行な上下方向あるいは横方向に材料ガスを流
通させることによって半導体ウエハの表面上にエピタキ
シャル層を形成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の型のエピタキシャル成長炉においても、材料ガスは半
導体ウエハの成長対象表面にのみ供給されるわけではな
く、サセプタ等のウエハ周辺の保持手段にも材料ガスが
触れ、反応生成物の堆積が生じる。この場合、特に縦置
き型炉では、ウエハ上方の周辺領域に堆積した反応生成
物が剥離脱落してウエハ表面に付着し、パーティクル汚
染となる恐れがある。

【０００７】また、保持手段に限らず、材料ガスが反応
チャンバ内壁にまで達して内壁面上に反応生成物が堆積
した場合には、この堆積物によって、反応チャンバ外に
配置された加熱手段から照射される輻射熱の透過率が減
少し、エピタキシャル成長反応の間中で半導体ウエハに
対する加熱量を均一に維持できず、加熱量の減少変化、
不足によるウエハの品質低下をまねく恐れもあった。

【０００８】本発明は、上記問題点に鑑み、ウエハ周辺
に堆積した反応生成物がウエハ成長対象表面を汚染する
ことのない材料ガス供給手段を備えたエピタキシャル成
長炉の提供を目的とする。また、本発明は、加熱手段か
らの半導体ウエハに対する輻射熱照射量を減少させ得る
反応生成物のチャンバ内壁面上の堆積を防止できる材料
ガス供給手段を備えたエピタキシャル成長炉の提供を目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係るエピタキシャル成長炉
は、反応チャンバ内に保持される半導体ウエハの成長対
象表面に、所定の材料ガスを供給することにより、前記
表面にエピタキシャル層を形成させるエピタキシャル成
長炉において、一対の半導体ウエハを、互いの成長対象
表面同士が平行に対面すると共に前記反応チャンバ内の
専ら材料ガスが供給される反応空間に位置するように垂
直面内に保持するウエハ保持手段と、前記材料ガス流の
上流側に形成されて前記材料ガスを前記チャンバ内へ噴
出させる材料ガス供給ノズルと、前記材料ガス流の下流
側に形成されて前記材料ガスを前記チャンバ内から排出
させる材料ガス吸引ノズルと、を有し、少なくとも前記
半導体ウエハの直径幅にわたって前記ウエハ表面に沿っ
た方向の層流を生じさせる材料ガス流形成手段と、を備
えており、前記材料ガス供給ノズルは、その先端開口部
が、前記チャンバ内に保持される一対の半導体ウエハの
成長対象表面同士間にウエハ外周形状に合わせた上方略
半円の円弧状に延在するものであり、前記材料ガス吸引
ノズルは、その先端開口部が、前記一対の半導体ウエハ
の成長対象表面同士間で前記材料ガス供給ノズルの先端
開口部と対向するウエハ外周形状に合わせた残りの下方
略半円の円弧状に延在するものであり、これら材料ガス
供給ノズルと材料ガス吸引ノズルとによって全外周が環
状に覆われた前記一対の半導体ウエハの成長対象表面同
士間には、周囲から独立した反応空間が形成され、前記
材料ガス供給ノズルと材料ガス吸引ノズルとの間に上部
から下部へ流れる材料ガスの層流が形成されるものであ
る。

【００１０】本発明においては、反応チャンバ内に垂直
面内に立てて保持された一対の半導体ウエハの互いに対
面する成長対象表面同士の間に、専ら材料ガスが流通さ
れる反応空間が形成されるものであり、材料ガス流形成
手段を構成する材料ガス供給ノズルと材料ガス吸引ノズ
ルが上下でウエハ全外周沿って前記成長対象表面間の反
応空間を周囲から独立した空間としている。

【００１１】本発明のエピタキシャル成長炉では、この
独立した反応空間において、材料ガス供給ノズルと材料
ガス吸引ノズルとの間に上部から下部へ流れる材料ガス
の層流が形成されるため、材料ガスは、主に反応空間に
露呈されている一対の半導体ウエハの各成長対象表面に
のみに供給されるため、ウエハ周辺の保持機構等に材料
ガスが触れて反応生成物が堆積することはなく、特に、
ウエハ上方から堆積物がガス流によってウエハ表面に落
下して汚染を発生することは避けられる。

【００１２】また、反応チャンバの内壁面にも反応生成
物の堆積が生じないため、チャンバ外に配置された加熱
手段から照射される輻射熱が堆積物で遮蔽されてエピタ
キシャル成長反応中における半導体ウエハへの加熱量を
減少変化させることがない。従って、不安定な加熱状態
に起因するウエハの品質低下を招く恐れもない。また、
このような壁面への堆積物の付着がない場合は、チャン
バ内部の清掃を容易とし、その分、工程全体が簡略化で
きる。

【００１３】また、本発明においては、周囲から独立し
た反応空間は、上記両ノズルと、互いに対面配置された
一対の半導体ウエハの成長対象表面同士とから構成され
るものであり、即ち、二枚の半導体ウエハについて同時
にエピタキシャル層の形成を行うことができ、生産性の
向上を図れる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態として、ウエ
ハ保持手段として、一対の半導体ウエハを各成長対象表
面が対面するように保持する一対の略円筒ドラム上のサ
セプタを備え、これら成長対象表面同士とウエハ外周に
沿った上下の材料ガス供給ノズルと材料ガス吸引ノズル
とで前記両成長対象表面間に周囲と独立した反応空間が
形成されるエピタキシャル成長炉を図１、図２、図３の
概略構成図に示す。図１は、反応チャンバ内の側面側か
ら見た中央縦断面図であり、図２は、反応空間部をウエ
ハ表面側から見た模式図であり、図３は反応チャンバ内
を半導体ウエハ裏面側から見た概略正面図である。

【００１５】本実施形態のエピタキシャル成長炉では、
図１および図２に示すように、一対の略円筒ドラム状の
サセプタ２がそれぞれ回転可能に反応チャンバ１内に支
持されている。この両サセプタ２の互いに対向する各一
端側開口部は、この開口を塞ぐようにそれぞれ一対の半
導体ウエハ１０を各成長対象表面を対面させてウエハホ
ルダ１１を介して垂直方向に立てて固定するものであ
り、各開口縁部はウエハホルダ１１の外周形状に合致
し、ウエハホルダ１１の周辺部がサセプタ開口周縁のロ
ック機構Ｒ_２ によって解除可能に挟持される。

【００１６】一方、サセプタ２の外周面部には、回転子
ハウジングｈ内に複数のベーンが配置されてなる回転用
フィン３が取り付けられている。このフィン３は、回転
用ガス供給管４からベーンに吹き付けられるガス供給に
よって回転し、フィン３の回転に伴うサセプタ２の水平
軸回りの回転によってウエハホルダ１１と共に垂直面内
に保持されている半導体ウエハ１０も水平軸回りに回転
される。

【００１７】本実施形態で用いたウエハホルダ１１は、
ウエハ１０の外周形状に合致する開口部を中央に備えた
リング形状のものであり、その開口縁部にウエハ１０の
成長対象表面側周縁の面取りテーパー面が全周接触で隙
間なく係合した状態で、ロック機構Ｒ_１ によってウエ
ハ１０を解除可能に保持する。

【００１８】このロック機構Ｒ_１ や前記サセプタ２の
開口におけるウエハホルダ１１保持機構としてのロック
機構Ｒ_２ には、例えば、バネ式を利用した爪部材の付
勢による挟持状態を解除可能にロックできる構造がな
ど、それぞれウエハ１０およびホルダ１１を着脱可能に
簡便に保持できるものであれば良い。ただし、これら可
動部は、材料ガスの触れないウエハ裏面側に位置するこ
とが望ましい。これによって可動部に堆積した反応生成
物や可動による発塵がウエハ表面に落下してパーティク
ル汚染となることが回避される。

【００１９】以上のように、それぞれウエハ１０を保持
している２つのホルダ１１を、それぞれチャンバ１内の
サセプタ２に取り付けることによって２枚のウエハ１０
を互いに成長対象表面を対面させてチャンバ１内に位置
決め配置することができる。

【００２０】さらに本実施形態においては、チャンバ１
内に、一対のウエハ１０の成長対象表面間の反応空間を
周囲から独立した空間とする構成とした。即ち、一対の
半導体ウエハ１０の両成長対象表面間にウエハ上方から
ウエハの直径幅にわたってウエハ表面に沿った方向に材
料ガスを供給する材料ガス供給ノズル６と、この材料ガ
ス供給ノズル６と対向する下流側で材料ガスを吸引する
材料ガス吸引ノズル７とで、両ウエハ１０の全外周を環
状に覆い、両ウエハ成長対象表面間に周囲から実質的に
独立した反応空間を形成する。

【００２１】図２に示すように、材料ガス供給ノズル６
の先端開口部は、一対のウエハ１０の各成長対象表面間
にウエハ外周形状に合わせた上方略半円の円弧状に延在
するものであり、一方、材料ガス吸引ノズル７の先端開
口部は、一対のウエハ１０の各成長対象表面間で前記材
料ガス供給ノズル６の先端開口部と対向するウエハ外周
形状に合わせた残りの下方略半円の円弧状に延在するも
のである。

【００２２】このため、これら材料ガス供給ノズル６と
材料ガス吸引ノズル７とによって全外周が環状に覆わ
れ、一対のウエハ１０の成長対象表面同士間に形成され
た実質的に周囲から独立した反応空間には、材料ガス供
給ノズル６と材料ガス吸引ノズル７との間に上部から下
部へ流れる材料ガスの層流が形成される。

【００２３】なお、ノズル先端のエッジ部は、できるだ
けウエハ外周に近くして、ウエハ周辺のホルダやサセプ
タ表面への材料ガスの接触領域を極力小さくすることが
望ましいが、ウエハ表面全体に材料ガスを供給するため
にノズルエッジ部がウエハ表面内を覆うことがないよう
にウエハ外周よりは若干外側に位置するようにする。

【００２４】以上のように、本実施形態においては、反
応チャンバ１内で材料ガスが流通するのは、一対のウエ
ハ１０の互いに対面する成長対象表面同士間の周囲から
独立した反応空間内だけであり、チャンバ１上部からチ
ャンバ１内へ貫通挿入されている材料ガス供給管５から
供給され材料ガス供給ノズル６からこの反応空間へ噴出
された材料ガスは、両ウエハ成長対象表面に沿って上方
から下方へ層流として流れ、下流の材料ガス吸引ノズル
７から吸引されてガス排出管８を通って、チャンバ１外
へ排出される。

【００２５】従って、反応空間内以外の、回転駆動系や
ウエハ保持機構、チャンバ内壁面等に材料ガスが接触し
て反応生成物を堆積することがない。よって、周囲から
の堆積物によるウエハ表面への汚染、特に、ウエハの上
方周辺部からの堆積物の重力落下がなくなるため、汚染
物としての反応生成堆積物のウエハ表面へ付着は避けら
れる。

【００２６】また、エピタキシャル成長過程において
は、チャンバ１の外側に配置されているヒータ９によっ
てチャンバ壁を介して各ウエハ１０の裏面側へ輻射熱を
照射して加熱されているが、上記の如くチャンバ１のウ
エハ裏面側領域に相当する内壁に反応生成物が堆積する
ことがないため、成長反応が行われている間中、常に一
定の輻射熱照射量が維持され、加熱量の変化に起因する
ウエハの品質低下は回避される。さらに、後のチャンバ
１内の清掃も簡便となる。

【００２７】なお、半導体ウエハ１０は円形であるた
め、材料ガス供給ノズル６と材料ガス吸引ノズル７との
距離が大きい中央部と、距離が小さい左右周辺部とで材
料ガス噴出量を、全体的に均一な材料ガス流通量となる
ようにそれぞれ調整することが望ましい。

【００２８】また、フィン３を回転させるためのガスに
は、エピタキシャル成長反応の基準ガスである水素ガス
あるいは不活性ガスを利用できる。また、この回転用ガ
スを円筒ドラム状のサセプタ２の冷却に兼用すれば、サ
セプタ２を低温維持できるので、サセプタ（ドラム）内
という非常にウエハ１０に近接した位置にヒータを配置
でき、効率的なウエハ１０の加熱ができるとともに装置
構成全体をコンパクト化できる。

【００２９】また、上記実施形態においては、一対の半
導体ウエハを互いの成長対象表面をに平行に対面させて
配置する構成としたが、本発明における平行とは、必ず
しも完全な平行とは限らず、保持機構の構成やガス流の
均一性を向上させる等の各種設計上の便宜を図るため
に、例えば、両ウエハの間隔が下方より上方で若干広く
なるなど、適宜、両ウエハ表面の相対位置関係を平行関
係より若干ずらして調整する場合もある。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明は、一対の
半導体ウエハ外周に沿って互いに対面する成長対象表面
間に形成された独立空間である反応空間内にのみ、上部
から下部へ流れる材料ガス層流が形成されるものである
ため、ウエハ周囲に反応生成物が堆積して、これが剥離
脱落してウエハ表面を汚染する恐れがない。

【００３１】また、チャンバ外の加熱手段から照射され
る輻射熱の透過率を減少せしめるチャンバ内壁面への反
応生成物の堆積もないため、エピタキシャル成長反応中
におけるウエハへの加熱が安定して行え、ウエハの品質
低下が避けられるだけでなく、チャンバの清掃も簡便と
なり、工程全体の簡略化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としてのエピタキシャル成
長炉の反応チャンバ内を側面側から見た中央縦断面図で
ある。

【図２】図１の反応チャンバ内の反応空間部をウエハ表
面側から見た模式図である。

【図３】図１の反応チャンバ内を半導体ウエハ裏面側か
ら見た概略正面図である。

【符号の説明】

１：チャンバ ２：サセプタ ３：回転用フィン ４：回転用ガス供給管 ５：材料ガス供給管 ６：材料ガス供給ノズル ７：材料ガス吸引ノズル ８：ガス排気管 ９：ヒーター １０：半導体ウエハ １１：ウエハホルダ ｈ：回転子ハウジング Ｒ_１，Ｒ_２：ロック機構

フロントページの続き (72)発明者 井上 和俊 群馬県安中市中野谷555番地の１ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 儀間 眞敏 群馬県安中市中野谷555番地の１ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (56)参考文献 特開 平９−40491（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−172915（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−162130（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−29128（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−47829（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−186227（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−74208（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/68 C23C 16/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応チャンバ内に保持される半導体ウエ
   ハの成長対象表面に、所定の材料ガスを供給することに
   より、前記表面にエピタキシャル層を形成させるエピタ
   キシャル成長炉において、 一対の半導体ウエハを、互いの成長対象表面同士が平行
   に対面すると共に前記反応チャンバ内の専ら材料ガスが
   供給される反応空間に位置するように垂直面内に保持す
   るウエハ保持手段と、 前記材料ガス流の上流側に形成されて前記材料ガスを前
   記チャンバ内へ噴出させる材料ガス供給ノズルと、前記
   材料ガス流の下流側に形成されて前記材料ガスを前記チ
   ャンバ内から排出させる材料ガス吸引ノズルと、を有
   し、少なくとも前記半導体ウエハの直径幅にわたって前
   記ウエハ表面に沿った方向の層流を生じさせる材料ガス
   流形成手段と、を備えており、 前記材料ガス供給ノズルは、その先端開口部が、前記チ
   ャンバ内に保持される一対の半導体ウエハの成長対象表
   面同士間にウエハ外周形状に合わせた上方略半円の円弧
   状に延在するものであり、前記材料ガス吸引ノズルは、
   その先端開口部が、前記一対の半導体ウエハの成長対象
   表面同士間で前記材料ガス供給ノズルの先端開口部と対
   向するウエハ外周形状に合わせた残りの下方略半円の円
   弧状に延在するものであり、 これら材料ガス供給ノズルと材料ガス吸引ノズルとによ
   って全外周が環状に覆われた前記一対の半導体ウエハの
   成長対象表面同士間には、周囲から独立した反応空間が
   形成され、前記材料ガス供給ノズルと材料ガス吸引ノズ
   ルとの間に上部から下部へ流れる材料ガスの層流が形成
   されることを特徴とするエピタキシャル成長炉。