JP3547810B2

JP3547810B2 - ウエハー載置用ボートおよびそれを用いた気相成長装置

Info

Publication number: JP3547810B2
Application number: JP23671094A
Authority: JP
Inventors: 良夫笠井; 豊和松山; 裕一見方; 浩荻野; 淑実梅津; 優青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: JPH08102443A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置の製造に際して使用される例えばＬＰＣＶＤ（減圧気相成長）装置の反応管内に設置されるウエハー載置用ボートおよびそれを用いた気相成長装置に係り、特に比較的低温、低圧下でＢ（ボロン）を含むアモルファスＳｉ（シリコン）膜を堆積する工程で使用される。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、縦型のＬＰＣＶＤ装置の一般的な構成を概略的に示している。図１において、石英製の反応管１０は、外側の反応外管１１と内側の反応内管１２との二重構造を有しており、ＳＵＳ（ステンレス）製のマニホールド１３に固定されている。上記マニホールド１３には、反応処理に必要なガスの導入口１４および排出口１５が形成されており、前記反応管１０の外部には、ガス排気用の真空ポンプ１６と、反応管内部を加熱するための抵抗加熱ヒータ１７が配設されている。さらに、前記マニホールド１３の下部開口面に対接するようにキャッピングフランジ１８が配設されており、上記キャッピングフランジ上に石英製のウエハ支持台２０が固定されている。このウエハ支持台２０は、前記反応内管１２の内側に配設されており、ウエハー載置用ボート２１およびこれを支持するために前記キャッピングフランジ上に固定された保温筒２２からなり、このウエハー載置用ボート２１には複数枚の半導体ウエハー２３が水平状態に載置される。そして、前記キャッピングフランジ１８の下方にウエハ支持台回転機構２４が配設されており、これは上記キャッピングフランジ１８を貫通して前記保温筒２２に連結された回転軸を有する
上記構成のＬＰＣＶＤ装置においては、反応ガスがマニホールド下部のガス導入口１４より導入されると、反応内管１２の内側から外側を経てガス排出口１５より真空ポンプ１６により排出される。従来、それぞれ石英製の前記反応外管１１、反応内管１２およびウエハー載置用ボート２１の表面は、形状加工後のガス焼き処理により、平均表面粗さＲａがほぼ０．０３μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍがほぼ１５００μｍに仕上げられている。
【０００３】
ところで、上記構成のＬＰＣＶＤ装置を使用して、成膜温度１５０〜４５０℃、成膜圧力０．０１〜０．２Ｔｏｒｒ（＝０．０１×１３３Ｐａ〜０．２×１３３Ｐａ）の低温、低圧下で、Ｓｉ_２Ｈ_６ガスとＢ_２Ｈ_６ガスとを熱分解させ、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜を半導体ウエハ２３上に堆積した場合、石英部品である前記反応外管１１、反応内管１２およびウエハー載置用ボート２１の表面にも、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜が堆積する。しかし、上記石英部品表面の被膜（アモルファスＳｉ膜）は、堆積膜厚が約１μｍを越えると剥離を起し易くなり、ダストが発生する原因となる。因みに、サンプルとして用いた石英ウエハー上にＢを含むアモルファスＳｉ膜を堆積させ、この石英ウエハーに対して、室温と４００℃との間を往復するような熱サイクルを与えた場合、熱サイクル回数が２回で被膜の剥離が発生した。このような石英部品表面の被膜の剥離を防止するために、上記被膜を除去するために頻繁に石英部品表面の酸エッチングを行わなければならないという問題がある。
【０００４】
なお、保温筒２２の外表面は、ヒータ１７の熱を保温筒２２の外表面で反射させることにより前記ウエハ支持台回転機構２４の回転軸の熱損傷を防止するために、ＪＩＳ規格の＃４００のＳｉＣ砥粒の吹き付け（サンドブラスト処理）によって、平均表面粗さＲａがほぼ０．５μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍがほぼ４０μｍに仕上げられている。
【０００５】
上記したような保温筒２２のサンドブラスト処理面にも、前記したように低温、低圧下でＢを含むアモルファスＳｉ膜を半導体ウエハ２３上に堆積した場合に、アモルファスＳｉ膜が堆積するが、上記サンドブラスト処理面に堆積した被膜は、剥離を起し難いので、上記したような問題は生じない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来のウエハー載置用ボートおよびそれを用いたＣＶＤ装置は、比較的低温、低圧下で、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜を半導体ウエハー上に堆積した場合に、石英部品表面の被膜を除去するために頻繁に酸エッチングを行わなければならないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、比較的低温、低圧下で、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜を半導体ウエハー上に堆積した場合に、使用部品の表面の被膜の付着力を向上させ、被膜の剥離を起し難くし、ダストの発生を防止でき、被膜を除去するための頻繁な酸エッチングを行わなくて済むウエハー載置用ボートおよびそれを用いた気相成長装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明のウエハー載置用ボートは、半導体ウエハー表面に気相成長膜を形成するために用いられるウエハー載置用ボートにおいて、前記気相成長膜の熱膨張係数とほぼ同じかそれ以上の熱膨張係数を持つ材料からなり、表面が平均表面粗さＲａが０．２〜４μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍが２０〜１０００μｍであることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明の気相成長装置は、上記ウエハー載置用ボートを収容する反応内管および反応外管が前記気相成長膜の熱膨張係数とほぼ同じかそれ以上の熱膨張係数を持つ材料からなり、それぞれの表面が平均表面粗さＲａが０．２〜４μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍが２０〜１０００μｍであることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明において、ウエハー載置用ボートの表面が、平均表面粗さＲａが０．２〜４μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍが２０〜１０００μｍとなるように処理されている。そして、それを使用した気相成長装置は、上記ウエハー載置用ボートを収容する反応内管および反応外管の表面が、平均表面粗さＲａが０．２〜４μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍが２０〜１０００μｍとなるように処理されている。
【００１１】
上記したような気相成長装置を使用して、比較的低温、低圧下で、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜を半導体ウエハ上に堆積した場合に、半導体ウエハ支持台および反応管の表面の被膜（Ｂを含むアモルファスＳｉ膜）の付着力を向上させ、被膜の剥離を起し難いことが確認された。これにより、ダストの発生を防止できるので、被膜を除去するための頻繁な酸エッチングを行わなくて済む。
【００１２】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る半導体ウエハ支持台およびそれを使用した縦型のＬＰＣＶＤ装置の構成を概略的に示している。図１において、石英製の反応管１０は、外側の反応外管１１と内側の反応内管１２との二重構造を有しており、ＳＵＳ（ステンレス）製のマニホールド１３に固定されている。上記マニホールド１３には、反応処理に必要なガスの導入口１４および排出口１５が形成されており、前記反応管１０の外部には、ガス排気用の真空ポンプ１６と、反応管内部を加熱するための抵抗加熱ヒータ１７が配設されている。
【００１３】
さらに、前記マニホールド１３の下部開口面に対接するようにキャッピングフランジ１８が配設されており、上記キャッピングフランジ上に石英製のウエハ支持台２０が固定されている。このウエハ支持台２０は、前記反応内管１２の内側に配設されており、ウエハー載置用ボート２１およびこれを支持するために前記キャッピングフランジ上に固定された保温筒２２からなり、このウエハー載置用ボート２１には複数枚の半導体ウエハー２３が水平状態に載置される。
【００１４】
そして、前記キャッピングフランジ１８の下方にウエハ支持台回転機構２４が配設されており、これは上記キャッピングフランジ１８を貫通して前記保温筒２２に連結された回転軸を有する。
【００１５】
なお、保温筒２２の外表面は、ヒータ１７の熱を保温筒２２の外表面で反射させることにより前記ウエハ支持台回転機構２４の回転軸の熱損傷を防止するために、ＪＩＳ規格の＃４００のＳｉＣ砥粒の吹き付け（サンドブラスト処理）によって、平均表面粗さＲａがほぼ０．５μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍがほぼ４０μｍに仕上げられている。
【００１６】
上記構成のＬＰＣＶＤ装置においては、反応ガスがマニホールド下部のガス導入口１４より導入されると、反応内管１２の内側から外側を経てガス排出口１５より真空ポンプ１６により排出される。いま、上記構成の第１実施例に係るＬＰＣＶＤ装置を使用して、成膜温度１５０〜４５０℃、成膜圧力０．０１〜０．２Ｔｏｒｒ（＝０．０１×１３３Ｐａ〜０．２×１３３Ｐａ）の比較的低温、低圧下で、Ｓｉ_２Ｈ_６ガスとＢ_２Ｈ_６ガスとを熱分解させ、半導体ウエハ２３上にＢを含むアモルファスＳｉ膜を堆積した場合、石英部品である前記反応外管１１、反応内管１２、ウエハー載置用ボート２１および保温筒２２の表面にも、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜が堆積する。
【００１７】
次に、前記被膜の剥離の難易性の測定方法について説明する。まず、評価実験サンプルとして、図２に示すように、表面粗さの異なるいくつかの石英ウエハ（サンプルＮｏ．２〜４）および熱膨脹係数３．７×１０^−６／℃（室温〜４００℃）を持つＳｉＣウエハ（サンプルＮｏ．５）を作成した。
【００１８】
サンプルＮｏ．２〜４の石英ウエハーは、１５０ｍｍφ、厚さ２ｍｍの形状に加工し、＃１８０のＳｉＣ砥粒により研磨した。さらに、上記石英ウエハーの両面を＃６０または＃４００のＳｉＣ砥粒によりサンドブラスト処理または研磨処理を行った後、純水で洗浄してサンプルとした。また、上記サンプルの一部は、酸水素炎によるバーナー加熱により表面の平滑化処理を行った。
【００１９】
また、サンプルＮｏ．５のＳｉＣウエハーは、ＳｉＣ原料粉とバインダーを配合、混練し、円板状に成型した。そして、上記ＳｉＣウエハーを焼成後、１５０ｍｍφ、厚さ２ｍｍの形状に加工した。その後、上記ＳｉＣウエハーにＳｉを含浸し、表面に残留したＳｉを研磨除去した後、純水で洗浄して全面にＳｉＣ−ＣＶＤコーティングを行ってサンプルとした。
【００２０】
そして、上記のように作成した各種のサンプル（Ｎｏ．２〜５）の表面粗さの特性値（平均表面粗さＲａ、平均表面粗さ間隔Ｓｍ）を電子式表面粗さ計を用いてＪＩＳＢ−０６０１にしたがって測定した。
【００２１】
ここで、上記平均表面粗さＲａは、図３に示すように、平均線を基準点として求めた形状の変位量の算術平均値で規定する。また、上記平均表面粗さ間隔Ｓｍは、図４に示すように、平均線を基準としてそこから上に突き出た各山の平均線の高さにおける山頂の間隔の算術平均値で規定する。そして、上記した各種のサンプル（Ｎｏ．２〜５）のウエハを図１に示したような構成のＬＰＣＶＤ装置のウエハー載置用ボート２１に水平状態に載置し、成膜温度１５０〜４５０℃、成膜圧力０．０１〜０．２Ｔｏｒｒ（＝０．０１×１３３Ｐａ〜０．２×１３３Ｐａ）の比較的低温、低圧下で、Ｓｉ_２Ｈ_６ガスとＢ_２Ｈ_６ガスとを熱分解させ、サンプルウエハ上にＢを含むアモルファスＳｉ膜を１μｍ堆積した。
【００２２】
次に、上記サンプルウエハ上に堆積したＢを含むアモルファスＳｉ膜（被膜）の耐剥離性を評価するために、室温（３０分保持）と４００℃（３０分保持）との間を往復するような熱サイクル試験を行った。この場合、サンプルウエハからの被膜の剥離の有無は、昇温と降温とを５サイクル繰り返す毎に顕微鏡でサンプル表面を観察して確認した結果、被膜の剥離の発生が確認された熱サイクル回数を図２に示した。なお、対比のために従来の表面粗さの特性値を持つ石英ウエハ（サンプルＮｏ．１）をサンプルとした場合に得られたデータも示した。
【００２３】
上記結果から、本実施例のサンプル（Ｎｏ．２〜５）では、被膜材の平均表面粗さＲａが０．２〜４μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍが２０〜１０００μｍとなるように仕上げることによって、従来例に比較し、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜（被膜）の耐剥離性が向上していることが判明した。
【００２４】
なお、本実施例とは異なる加工方法を用いた場合でも、被膜材の表面が上記したような表面粗さの特性値（Ｒａ、Ｓｍ）を示す場合には、本実施例と同様の効果が得られる。また、図２中に示したＳｉＣウエハー（サンプルＮｏ．５）は、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜の耐剥離性が大幅に向上しているが、その理由は、表面粗さの特性値（Ｒａ、Ｓｍ）が最適であるだけでなく、さらに、上記ＳｉＣウエハーの熱膨脹係数（室温〜４００℃において、ほぼ３．７×１０^−６／℃）と上記アモルファスＳｉ膜の熱膨脹係数（室温〜４００℃において、ほぼ３．４×１０^−６／℃）との差により、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜に圧縮応力が生じるか無応力状態になるためである。Ｂを含むアモルファスＳｉ膜の熱膨脹係数とほぼ同じかそれ以上の熱膨脹係数を持つ材料として、石英ガラス、ＳｉＣ、Ｓｉ _３Ｎ _４、Ａｌ_２Ｏ_３などがある。好ましくは、熱膨脹係数が３．０〜８．０×１０^−６／℃（室温〜４００℃）を持ち、かつ、Ｒａ＝０．２〜４μｍ、Ｓｍ＝２０〜１０００μｍの材料を使用することにより、本実施例と同様の効果が得られる。
【００２５】
なお、本実施例は、評価実験サンプルとして、表面粗さの特性値が異なるいくつかのウエハおよび所定の熱膨脹係数を持つウエハを用いた場合を示したが、実際の半導体ウエハ支持台２０（ウエハー載置用ボート２１およびそれを支持する保温筒２２）およびこれを使用したＬＰＣＶＤ装置の反応管１０（反応外管１１および反応内管１２）として、本実施例のように＃６０または＃４００のＳｉＣ砥粒の吹き付け（サンドブラスト処理）によってＲａがほぼ０．２μｍ以上、ほぼ４μｍ以下で、Ｓｍがほぼ２０μｍ以上、ほぼ１０００μｍ以下となるように仕上げられた石英を適用した場合に、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜の堆積膜厚が１０μｍ程度であっても耐剥離性が大幅に向上し、ダストの発生が激減したことが確認された。
【００２６】
なお、上記使用部材の平均表面粗さＲａが４μｍより大きくなると、ウエハー載置用ボート２１から剥離する初期ダストが多発するので不適当である。上記Ｒａを４μｍ以下にする方法として、石英ガラスの場合には、表面のガス焼きによる平滑化、砥粒の微細化などが可能である。また、上記使用部材の平均表面粗さ間隔Ｓｍが１０００μｍより大きくなると、凹凸の周期が大きくなり、平坦化し過ぎるので、被膜の密着力が低下した。一方、上記Ｓｍが２０μｍより小さくなると、凹凸の周期が小さくなり過ぎるので、部材の表面が欠け易くなり、初期ダストが多発するので不適当である。
【００２７】
上記と同様に、実際の半導体ウエハ支持台２０（ウエハー載置用ボート２１およびそれを支持する保温筒２２）およびこれを使用したＬＰＣＶＤ装置の反応管１０（反応外管１１および反応内管１２）として、ＳｉＣウエハを焼成後にＳｉＣ−ＣＶＤコーティングを行ったセラミック材を適用した場合にも、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜の堆積膜厚が１０μｍ程度であっても耐剥離性が大幅に向上し、ダストの発生が激減したことが確認された。
【００２８】
従って、本発明を適用したＬＰＣＶＤ装置においては、比較的低温、低圧下で半導体ウエハ２３上にＢを含むアモルファスＳｉ膜を堆積した場合に、半導体ウエハ支持台２０（ウエハー載置用ボート２１およびそれを支持する保温筒２２）およびこれを収容する反応管１０（反応外管１１および反応内管１２）の表面に堆積した被膜を除去するための頻繁な酸エッチングを行わなくて済む。
【００２９】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、比較的低温、低圧下で、Ｂを含むアモルファスＳｉ膜を半導体ウエハ上に堆積した場合に、使用部品の表面の被膜の付着力を向上させ、被膜の剥離を起し難くし、ダストの発生を防止でき、被膜を除去するための頻繁な酸エッチングを行わなくて済む半導体ウエハ支持台およびそれを用いた気相成長装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る縦型のＬＰＣＶＤ装置の構成を概略的に示す図。
【図２】図１の装置における半導体ウエハ支持台および反応管に堆積する被膜の剥離の難易性を評価するために使用された実験サンプルの特性を一覧にして示す図。
【図３】図２中の実験サンプルの平均表面粗さＲａを説明するために示す図。
【図４】図２中の実験サンプルの平均表面粗さ間隔Ｓｍを説明するために示す図。
【符号の説明】
１０…反応管、１１…反応外管、１２…反応内管、１３…マニホールド、１４…ガスの導入口、１５…ガスの排出口、１６…真空ポンプ、１７…抵抗加熱ヒータ、１８…キャッピングフランジ、２０…ウエハ支持台、２１…ウエハー載置用ボート、２２…保温筒、２３…半導体ウエハー、２４…ウエハ支持台回転機構。

Claims

半導体ウエハー表面に気相成長膜を形成するために用いられるウエハー載置用ボートにおいて、前記気相成長膜の熱膨張係数とほぼ同じかそれ以上の熱膨張係数を持つ材料からなり、表面が平均表面粗さＲａが０．２〜４μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍが２０〜１０００μｍであることを特徴とするウエハー載置用ボート。
請求項１記載のウエハー載置用ボートを収容する反応内管および反応外管が前記気相成長膜の熱膨張係数とほぼ同じかそれ以上の熱膨張係数を持つ材料からなり、それぞれの表面が平均表面粗さＲａが０．２〜４μｍ、平均表面粗さ間隔Ｓｍが２０〜１０００μｍであることを特徴とする気相成長装置。