JP4874842B2

JP4874842B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP4874842B2
Application number: JP2007073223A
Authority: JP
Inventors: 憲樹住松; 博信平田; 秀樹荒井
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008235585A

Description

本発明は気相成長装置及び気相成長方法に係り、特にエピタキシャル成長装置においてシリコンウェハ表面に結晶薄膜を成長させるときに発生する生成物等の付着防止の手段に関する。

超高速バイポーラ、超高速ＣＭＯＳ等の半導体素子の製造において、不純物の濃度や膜厚の制御された単結晶のエピタキシャル成長技術は半導体素子の性能を向上させる上で不可欠なものとなっている。
ウェハに単結晶薄膜を生成させるエピタキシャル成長には一般に常圧化学気相成長法が用いられ、場合によっては減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）法が用いられる。チャンバ内にウェハを収容し、チャンバ内を常圧（０．１Ｍｐａ（７６０Ｔｏｒｒ））か、或いは所定の真空度の真空雰囲気に保持した状態でウェハを加熱し回転させながら、シリコン源とボロン化合物、砒素化合物、或いはリン化合物等のドーパントとを混合したプロセスガスを供給する。そして加熱されたウェハの表面でプロセスガスの熱分解反応或いは水素還元反応を行なって、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いは砒素（Ａｓ）がドープされた気相成長膜を生成させることにより製造する。

また、エピタキシャル成長技術は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等、高性能な半導体素子を製造するためには高品質の結晶膜を均一に、尚且つ厚く生成することが求められている。たとえば、単純なＭＯＳデバイス等においては数μm以下の膜厚しか必要ではないのに対し、ＩＧＢＴ等においては数μｍから百数十μmもの膜厚が必要とされる。このため、ウェハを高速で回転させながら、ヒータによって均一に加熱することで生成されるエピタキシャル成長膜の面内均一性を高めている。

ここで、エピタキシャル成長技術の難点として、図７に示すように、プロセスガスがウェハの裏面へ侵入することによってシリコン生成物が付着してしまうことが問題視されていた。
図７は従来のエピタキシャル成長装置に用いられているウェハを載置するサセプタを断面した概念図である。
図７に示した、従来のエピタキシャル成長装置に用いられているウェハ３０１が載置されるサセプタ３０３には、効率良く且つ均一に図示しないヒータによってウェハ３０１を加熱するために、中央に貫通した開口部３１４が設けられている。そのため、ウェハ３０１とサセプタ３０３が接触している面の僅かな間隙を通り侵入するプロセスガスに、ウェハ３０１の裏面とサセプタ３０３の端部が晒され、シリコン生成物が付着してしまう。この結果、付着したシリコン生成物によってウェハ３０１とサセプタ３０３とが固着されてしまっていた。
この問題の対処法として、ウェハ３０１の裏面が露出している図示しないホルダの内部空間に水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）等のパージガスを供給してプロセスガスのウェハ３０１の裏面への侵入を阻止することで、ウェハ３０１の裏面にシリコン生成物を付着させないよう試みられていた。（特許文献１参照）。
特開平１１−７９８８８号公報

上述したように、従来のパージガスをホルダ内部に供給することでプロセスガスをウェハの裏面へ接触させないようにする方式を取るエピタキシャル成長装置では、ウェハの裏面へのシリコン生成物の付着防止は十分に行なえなかった。このため、気相成長反応後のウェハを搬送しようとしてもサセプタから取り外すことができなくなってしまう。また、ウェハの裏面に付着したシリコン生成物の凹凸でウェハ搬送用のハンドが正確にウェハを吸着できなくなり、サセプタから取り外すことはできても、その後、安全に搬送を行なうことができなくなってしまう。
また、上述の特許文献１の方式では、ホルダから排気されるパージガスの流れがプロセスガスの流れを阻害してしまうため、ウェハ周縁部のエピタキシャル成長膜を均一に成長させにくいという問題もあった。
このように、従来の気相成長装置及び気相成長方法に存在する、シリコン生成物によってウェハとサセプタが貼りついてしまうという問題を克服できる有効な技術が確立されていなかった。

本発明は、かかる問題点を克服し、ウェハに付着するシリコン生成物によるウェハとサセプタの貼りつきを低減させる気相成長装置及び気相成長方法を提供する。

本発明の気相成長装置は、
チャンバと、
前記チャンバ内にプロセスガスを供給するプロセスガス供給部と、
前記チャンバに収容され、気相成長反応が行なわれるウェハを載置する開口が形成されたサセプタを有するホルダと、
前記ウェハを所定の温度に加熱するヒータと、
前記ホルダ内にエッチング性ガスを供給するエッチング性ガス供給部と、
前記エッチング性ガスを前記ホルダ内から排気するホルダ内ガス排気部と、
前記チャンバ内のガスを前記チャンバ外へ排気するチャンバ内ガス排気部と、
を備える気相成長装置であって、
前記ホルダは中空状に形成され、前記ホルダの内部に前記エッチング性ガス雰囲気の領域を保持するよう構成されており、
前記エッチング性ガス供給部は、先端の側面部分にエッチング性ガスの吐出部が備えられることを特徴とする。

また、上述のホルダは中空状に形成され、ホルダの内部にエッチング性ガス雰囲気の領域を保持する構成により、ウェハの裏面をエッチング性ガス雰囲気に晒すことができ、ウェハの裏面へのシリコン生成物の付着を防止することができる。

さらに、上述のエッチング性ガス供給部は、先端の側面部分にエッチング性ガスの吐出部を備える構成により、ホルダ内部に広汎なエッチング性ガス雰囲気を作り出すことができる。
また、ヒータ及びウェハに対して直進させないことで、流速の速いエッチング性ガスを吹き付けないようにすることができる。そのため、ウェハ及びヒータを局所的に冷却せず、設定したウェハの面内温度にするために均一になるように加熱することができる。

また、上述のエッチング性ガスは塩酸（ＨＣｌ）或いは硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）を含むことが好適である。

かかる構成により、ウェハの裏面にプロセスガスが侵入したとしても、エッチング性ガスに含まれる塩酸或いは硫酸がウェハの裏面にシリコン生成物の付着を防止することができる。

本発明によれば、気相成長中のウェハの裏面にプロセスガスを侵入させず、ウェハの裏面へのシリコン生成物の付着を防止することができる。これによってウェハとサセプタとの貼りつきを低減することができる。その結果、気相成長反応後のウェハを搬送する際にサセプタからはずすことができなかったり、ウェハ搬送用のハンドがウェハを正確に吸着できなかったりといった問題を克服することができ、気相成長装置及び気相成長方法の生産効率を向上させることができる。

（実施形態１）
まず、実施形態１について図１に基づいて詳細に説明する。尚、図１では実施形態１を説明する上で必要な構成以外は省略し、気相成長装置を構成する各部材の縮尺等も実物とは一致させていない。以下、各図面においても同様である。
図１は実施形態１における気相成長装置の構成を示す概念図である。
図１における気相成長装置１００は、ウェハ１０１収容するチャンバ１０２と、ウェハ１０１載置するサセプタ１０３を有する中空状のホルダ１０４と、ウェハ１０１を加熱するヒータ１０５と、ＨＣｌ或いはＨ_２ＳＯ_４等を含む強酸性のエッチング性ガスをホルダ１０４の内部に供給するエッチング性ガス供給部１０６とを備えている。
また、チャンバ１０２は、気相成長反応に用いられるプロセスガスをチャンバ１０２内に供給するシャワーヘッド１０７に接続されたプロセスガス供給部１０８と、チャンバ１０２内のガスをチャンバ１０２外に排気するチャンバ内ガス排気部１０９を備えている。
さらに、ホルダ１０４には、円環状の底面１１０が形成されており、底面１１０には貫通した開口部１１１を有するホルダ内ガス排気部１１２を備えている。また、ホルダ１０４は回転胴１１３と接続し、チャンバ１０２外へと繋がっている。
エッチング性ガス供給部１０６の先端の側面部分には、エッチング性ガスの吐出部１１４が形成されている。このため、エッチング性ガスは吐出部１１４からウェハ１０１の裏面やヒータ１０５を包容するように供給され、ホルダ１０４内に広汎に行き渡るエッチング性ガス雰囲気を形成することができる。

ホルダ１０４は下部の回転胴１１３を介して図示しない回転機構と接続されており、ウェハ１０１面と直交するホルダ１０４の中心を回転軸として回転する。その結果、ホルダ１０４が上部に有するサセプタ１０３に載置されたウェハ１０１をも同じくして回転させることができる。

サセプタ１０３は円形の板状部材を加工した形状となっており、その中心部分に２段の開口部が形成されている。
１段目の開口部は所定の深さに形成され、ウェハ１０１を裏面から支持する。そして、サセプタ１０３の中央部には貫通した２段目の開口部１１１が形成されている。このため、サセプタ１０３に載置されたウェハ１０１の裏面は、サセプタ１０３によって支持されている部分以外はホルダ１０４の内部に露出する。

そして、チャンバ１０２内を常圧或いは所定の真空度に保持し、サセプタ１０３に載置されたウェハ１０１をウェハ１０１の下部に設けられたヒータ１０５によってウェハ１０１面内の温度分布が所定の温度で均一になるように加熱する。このとき、サセプタ１０３に開口部１１１が形成されているため、ウェハ１０１は素早く、且つ均一に加熱することができる。
また、上述したようにウェハ１０１はホルダ１０４が回転することに付随して回転する。

次に、気相成長反応の環境が整ったウェハ１０１表面に、プロセスガス供給部１０８からシャワーヘッド１０７を介してプロセスガスが供給される。このとき、シャワーヘッド１０７はウェハ１０１に対向した面に貫通した通気孔が略等間隔に設けられているため、ウェハ１０１表面にプロセスガスを均等に供給することができる。

ここで、チャンバ１０２内にプロセスガスが供給され、プロセスガス雰囲気が形成されると、ウェハ１０１の裏面へとプロセスガスが侵入し、シリコン生成物を付着させてしまう。これを防ぐため、エッチング性ガス供給部１０６の吐出部１１４からエッチング性ガスを供給し、ホルダ１０４内にエッチング性ガス雰囲気を形成する。
そして、供給されたエッチング性ガスはホルダ１０４に設けられたホルダ内ガス排気部１１２からチャンバ１０２内へ排気される。
上述のように、吐出部１１４はホルダ１０４内の上部に設けられ、ホルダ内ガス排気部１１２はホルダ１０４の底面１１０に設けられている。
このため、エッチング性ガスのホルダ１０４内での流路はホルダ１０４内の上部から下部へと流れるように形成される。その結果、ホルダ１０４内に露出したウェハ１０１の裏面と十分に接触するエッチング性ガス雰囲気を形成することができる。その結果、ウェハ１０１の裏面にプロセスガスが進入することによるシリコン生成物の付着を防止することができる。

そして、チャンバ１０２内へ排気されたエッチング性ガスは、図示しない真空ポンプに接続されたチャンバ内ガス排気部１０９へと向かう気相成長反応後のプロセスガスの流れと合流し、上述のプロセスガスとともにチャンバ１０２外へと排気される。

かかる状態で、ウェハ１０１表面においてプロセスガスが熱分解反応或いは水素還元反応を行なうことによって、気相成長膜がウェハ１０１表面に生成される。そして、ホルダ１０４内はエッチング性ガス雰囲気に保持されているため、ウェハ１０１の裏面にシリコン生成物を付着させにくくする。この結果、ウェハ１０１とのサセプタ１０３との貼りつきを低減させることができる。

また、従来の気相成長装置に設けられているチャンバ内や配管内のメンテナンス或いはクリーニングのためにＨＣｌ等を供給する機構を活用すれば、新たに別の種類のガスの供給機構を設ける必要が無い。
この点においても、本実施形態はＨ_２、Ｎ_２、Ａｒ等を供給してプロセスガスをパージする、上述した従来の技術に対して有利である。

尚、本実施形態で供給するプロセスガスは、例えば、シリコン成膜ガスであるシラン（ＳｉＨ_４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）等のうちいずれか一つとキャリアガスとなる水素（Ｈ_２）との混合ガスに所定のドーパントガスを添加することにより構成される。
ドーパントガスはボロン系のジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、リン系のホスフィン（ＰＨ_３）等が知られている。ジボランを添加すればｐ型、ホスフィンを添加すればｎ型の導電性を示す気相成長膜が生成される。

図２はエッチング性ガス供給部１０６の先端と、ウェハ１０１の裏面にエッチング性ガスが接触する様子を示した概念図である。
図２に示すように、エッチング性ガス供給部１０６はヒータ１０５の直下に設けられ、その先端の側面部分にエッチング性ガスを吐出する吐出部１１４が設けられている。このため、ホルダ１０４内にエッチング性ガスが略横向きに広がるように吐出され。この結果、エッチング性ガス雰囲気を広汎に形成することができ、ウェハ１０１の裏面の全面に広く接触させることができる。
また、吐出部１１４はエッチング性ガス供給部１０６の先端の側面部分に設けられているため、エッチング性ガスをウェハ１０１及びヒータ１０５に対して直進させず、流速の速いエッチング性ガスを直接吹き付けないようにすることができる。このため、ウェハ１０１及びヒータ１０５を局所的に冷却せず、設定したウェハ１０１の面内温度にするため均一に加熱できる。その結果、ウェハ１０１の面内温度分布の均一性を高めることができる。
さらに、上述のヒータ１０５の形状は、円形の抵抗体材料板に導電路を形成するようスリットを設けて形成した所定の略円形の輪郭の抵抗加熱体、或いは細長い棒状の抵抗加熱体を略円形の輪郭の形状になるように曲げ加工して形成したものであるため、ホルダ１０４内部を上部、下部に遮断する障壁とならない。エッチング性ガスは図２の矢印が示すようにヒータ１０５の隙間を通って、ウェハ１０１の裏面へと到達することができる。
尚、図２においては吐出部１１４を円形の貫通した開口を２箇所図示したが、設ける箇所や形状はこれに限るものではない。

図３はホルダ１０４の底面１１０を上方から見た概念図である。また、図４は同じくホルダ１０４の内部の構造を示した一部欠截した斜視図である。
ホルダ１０４は、その底面１１０の外周部に略等間隔に所定の内径の貫通した開口であるホルダ内ガス排気部１１２が複数設けられており、チャンバ１０２内と連通されている。そして、底面１１０の中央には回転胴１１３の内部と接続する開口が設けられており、エッチング性ガス供給部１０６の配管はこの開口を通り、チャンバ１０２外へと伸ばされている。エッチング性ガス供給部１０６からホルダ１０４内に供給されたエッチング性ガスは、ホルダ１０４内にエッチング性ガス雰囲気を形成してウェハ１０１の裏面に接触した後、ホルダ内ガス排気部１１２からチャンバ１０２内に排気される。

上述のホルダ内ガス排気部１１２から排気されたエッチング性ガスは、気相成長反応後のプロセスガスと合流し、図示しない真空ポンプに接続されたチャンバ内ガス排気部１０９を介してチャンバ１０２外へと排気される。したがって、ホルダ１０４の底面１１０にホルダ内ガス排気部１１２を設けることにより、エッチング性ガスをホルダ１０４から排気するための特段の機構を設けなくとも、チャンバ１０２外へ排気することができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２について図５及び図６に基づいて詳細に説明する。
図５はホルダ２０４内に供給したエッチング性ガスをホルダ内ガス排気部２１２を介してチャンバ２０２外へと排気する形態の気相成長装置の概念図である。また、図６はホルダ２０４の底面２１０を上方から見た概念図である。
図５における気相成長装置２００は、中央部にエッチング性ガス供給部２０６の配管が貫通する底面２１０を有するホルダ２０４をチャンバ２０２内に収容する。そして、回転胴２１３が形成する空洞の上方の位置の底面２１０にホルダ内ガス排気部２１２が設けられ、ホルダ２０４内と回転胴２１３の内部空間とを連通している。このとき、エッチング性ガスの排気は、回転胴２１３に接続する図示しない真空ポンプによって行なわれることが好適である。
これにより、プロセスガス雰囲気の領域と、エッチング性ガス雰囲気の領域とを隔絶することができる。したがって、チャンバ２０２内の圧力とホルダ２０４内の圧力とを独立して設定することができる。そのため、ホルダ２０４内の圧力をチャンバ２０２内の圧力と同じか、或いはそれ以下に設定しておくことにより、ウェハ２０１をより安定してサセプタ２０３に載置しておくことができる。その結果、ウェハ２０１がサセプタ２０３からはずれたり、最悪の場合にはウェハ２０１がはずれた上、いずれかの部材に衝突して破損させたりする虞を低減することができる。

また、ここでホルダ２０４内にエッチング性ガス供給部２０６からエッチング性ガスを供給することでウェハ２０１の裏面にシリコン生成物を付着させないことや、プロセスガス供給部２０８からプロセスガスを供給して気相成長反応を行なうことに関しては、図１から図４に基づく説明と同様であるため、ここでは省略する。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することもできる。

たとえば、実施形態１及び実施形態２において、ホルダ内ガス排気部をそれぞれ略等間隔に４箇所設けるように図３、図４及び図６に図示したが、設ける箇所はこれに限るものではなく、供給したエッチング性ガスを効率よく排気できるように形成されていれば良い。

また、たとえば実施形態１においては、ホルダ内ガス排気部１１２を単純な貫通した開口部としたが、逆止弁等を設けることによってホルダ１０４の内外の雰囲気をより厳密に隔絶しても良い。つまり、ホルダ１０４内に供給したエッチング性ガスを滞留させること無く排気できるものであれば、上述の例に限るものではない。

また、本発明は気相成長装置の一例としてエピタキシャル成長装置について説明したが、これに限るものではなく、ウェハ表面に所定の結晶膜を気相成長させるための装置であれば構わない。たとえば、ポリシリコン膜を成長させることを目的とした装置であっても良い。

さらに、装置の構成や制御の手法等、本発明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置の構成や制御の手法等を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうるすべての気相成長装置、及び各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

本発明の実施形態１における気相成長装置の動作を説明するために示す概念図である。本発明の実施形態１におけるエッチング性ガスの流れについて示した概念図である。本発明の実施形態１におけるホルダの底面を上方から見た概念図である。本発明の実施形態１におけるホルダの構成を示した一部欠截した斜視図である。本発明の実施形態２における気相成長装置の動作を説明するために示す概念図である。本発明の実施形態２におけるホルダの底面を上方から見た概念図である。従来の気相成長装置のサセプタにウェハが固着する様子を示す概念図である。

符号の説明

１００、２００…気相成長装置
１０１、２０１…ウェハ
１０２、２０２…チャンバ
１０３、２０３…サセプタ
１０４、２０４…ホルダ
１０５…ヒータ
１０６、２０６…エッチング性ガス供給部
１０７…シャワーヘッド
１０８、２０８…プロセスガス供給部
１０９…チャンバ内ガス排気部
１１０、２１０…底面
１１１…開口部
１１２、２１２…ホルダ内ガス排気部
１１３、２１３…回転胴
１１４…吐出部

Claims

チャンバと、
前記チャンバ内にプロセスガスを供給するプロセスガス供給部と、
前記チャンバに収容され、気相成長反応が行なわれるウェハを載置する開口が形成されたサセプタを有するホルダと、
前記ウェハを所定の温度に加熱するヒータと、
前記ホルダ内にエッチング性ガスを供給するエッチング性ガス供給部と、
前記エッチング性ガスを前記ホルダ内から排気するホルダ内ガス排気部と、
前記チャンバ内のガスを前記チャンバ外へ排気するチャンバ内ガス排気部と、
を備える気相成長装置であって、
前記ホルダは中空状に形成され、前記ホルダの内部に前記エッチング性ガス雰囲気の領域を保持するよう構成されており、
前記エッチング性ガス供給部は、先端の側面部分にエッチング性ガスの吐出部が備えられることを特徴とする気相成長装置。
前記エッチング性ガスは、塩酸（ＨＣｌ）或いは硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）を含むことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。