JP5032828B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、気相成長装置及び支持台に係る。例えば、エピタキシャル成長装置におけるシリコンウェハ等の基板を支持する支持部材（支持台）に関する。

超高速バイポーラ、超高速のＣＭＯＳ等の半導体デバイスの製造において、不純物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、デバイスの性能を向上させる上で不可欠のものとなっている。シリコンウェハ等の半導体基板に単結晶薄膜を気相成長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ている。そして、場合によっては減圧化学気相成長（ＬＰ−ＣＶＤ）法が用いられている。反応容器内にシリコンウェハ等の半導体基板を配置する。そして、反応容器内を常圧（０．１ＭＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））雰囲気或いは所定の真空度の真空雰囲気に保持した状態で前記半導体基板を加熱し回転させる。そして、この状態でシリコン源とボロン化合物、ヒ素化合物、或いはリン化合物等のドーパントとを含む原料ガスを供給する。そして、加熱された半導体基板の表面で原料ガスの熱分解或いは水素還元反応を行なう。これにより、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いはヒ素（Ａｓ）がドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長させることにより製造する（例えば、特開平９−１９４２９６号公報参照）。

また、エピタキシャル成長技術は、パワー半導体の製造、例えば、ＩＧＢＴ（インシュレートゲートバイポーラトランジスタ）の製造にも用いられる。ＩＧＢＴ等のパワー半導体では、例えば、数１０μｍ以上の膜厚のシリコンエピタキシャル膜が必要となる。

図１２は、ホルダにシリコンウェハが支持された状態の一例を示す上面図である。
図１３は、図１２に示すホルダにシリコンウェハが支持された状態の断面を示す断面図である。
シリコンウェハ４００の支持部材となるホルダ４１０（サセプタともいう。）には、シリコンウェハ４００の直径より若干大きめの径のザグリ穴が形成されている。そして、かかるザグリ穴にシリコンウェハ４００が収まるように載置される。かかる状態でホルダ４１０を回転させることによりシリコンウェハ４００を回転させて、供給された原料ガスの熱分解或いは水素還元反応によりシリコンエピタキシャル膜を成長させる。
特開平９−１９４２９６号公報

ところで、上述した基板に均一にシリコンエピタキシャル膜を成長させるために、上述したように基板を加熱しているが、基板のエッジ部から放熱して熱が逃げてしまう。そのため、特に、基板のエッジ部分の膜厚均一性が劣化してしまうといった問題があった。そのため、基板の支持の仕方や加熱手法等のさらなる改善が望まれている。

本発明は、かかる問題点を克服し、基板エッジの温度をより均一に保つような支持部材を提供することを目的とする。

本発明の一態様の気相成長装置は、
チャンバと、
チャンバ内に配置され、貫通する内周壁面と、その内周壁面から内側に付き出るように配置された複数の所定の部材とを有し、その複数の所定の部材で基板を支持する支持台と、
基板裏面側で基板からの距離が上述した支持台よりさらに離れた位置に配置され、基板を加熱する第１の熱源と、
基板裏面側で支持台と第１の熱源との間に配置され、基板のエッジ部を加熱する第２の熱源と、
チャンバ内に成膜するためのガスを供給する第１の流路と、
そのガスをチャンバから排気する第２の流路と、
を備え、
前記複数の所定の部材は、板状部材であり、前記板状部材は、前記基板と接する側の端部が上部から下部に向けてより内側に突き出るように斜めに加工され、前記基板を支持する際に前記端部の斜めに加工された辺の一部で接することを特徴とする。

複数の所定の部材を内側に付き出るように配置することで、複数の所定の部材間の隙間から基板に２つの熱源からの熱を伝達することができる。複数の所定の部材で基板を支持することで、基板エッジ全体を支持する場合より接触面積を小さくすることができる。よって、支持台への伝熱量を抑えることができる。また、基板エッジからの放熱については、特に、第２の熱源で基板のエッジ部を加熱することができる。

そして、複数の所定の部材は、板状部材であり、複数の板状部材の所定の端部で基板を支持することを特徴とする。そして、複数の板状部材は、板面が垂直になるように配置されることを特徴とする。

すなわち、縦に板状部材を配置することで、複数の板状部材間の隙間を広くすることができる。そのため、熱源から直接熱を伝達させることができる。

さらに、複数の板状部材は、上述した所定の端部が凸状に形成されると好適である。

そして、複数の板状部材は、基板と線或いは点で接触するようにすると好適である。

このような構成により、基板との接触面積を小さくすることができるので、基板から板状部材への放熱を抑制することができる。

以上のように、本発明の一態様の支持台は、
気相成長装置が有するチャンバ内に配置され、前記チャンバ内に供給されるガスにより成膜される基板を載置する支持台であって、
貫通する内周壁面と、
内周壁面から内側に付き出るように配置され、所定の端部で基板を支持する複数の板状部材と、
を備え、
前記複数の所定の部材は、板状部材であり、前記板状部材は、前記基板と接する側の端部が上部から下部に向けてより内側に突き出るように斜めに加工され、前記基板を支持する際に前記端部の斜めに加工された辺の一部で接することを特徴とする。

本発明によれば、基板へ熱が伝わり易く、基板からの熱が逃げにくくすることができる。具体的には、基板との接触面積を小さくすることで基板から支持台への放熱を抑制することができる。ここで、単に基板との接触面積を小さくしてもエッジから外気への熱の逃げ(放熱)により、エッジ部の温度が低下してしまう。そこで、本発明では、特に、第２の熱源で基板のエッジ部を加熱することで基板のエッジ部からの放熱による温度の低下を抑制することができる。その結果、基板の温度を確保することができる。よって、基板エッジの温度分布を良好にすることができ、膜厚均一性を向上させることができる。

実施の形態１．
気相成長装置の一例となる枚葉式エピタキシャル成長装置のプロセス開発においては、膜厚均一性が求められる。かかる膜厚均一性を左右するポイントとして、シリコンウェハエッジの均一性が挙げられることが明らかとなった。これは、所謂、エッジ効果と呼ばれ、ウェハエッジ数ｍｍに見られる、ウェハ中央部とは異なる特異現象である。この現象には温度分布が非常に関与しており、エッジ付近の温度分布を良好にすることが求められる。以下、図面を用いて説明する。

図１は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置の構成を示す概念図である。
図１において、気相成長装置の一例となるエピタキシャル成長装置１００は、支持台の一例となるホルダ（サセプタとも言う。）１１０、チャンバ１２０、シャワーヘッド１３０、真空ポンプ１４０、圧力制御弁１４２、アウトヒータ１５０、インヒータ１６０、回転部材１７０を備えている。チャンバ１２０には、ガスを供給する流路１２２とガスを排気する流路１２４が接続されている。そして、流路１２２は、シャワーヘッド１３０に接続されている。図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成について説明している。ただし、縮尺等は、実物とは一致させていない（以下、各図面において同様である）。

ホルダ１１０は、本体１１６と複数の板状部材１１２を有している。そして、本体１１６は、外周が円形に形成されている。そして、本体１１６には、内部にシリコンウェハ１０１の外径寸法以上の直径で貫通する開口部が形成されている。そして、開口部の内壁側に複数の板状部材１１２が縦に取り付けられている。その複数の板状部材１１２のシリコンウェハ１０１側の端部でシリコンウェハ１０１と接触して、シリコンウェハ１０１を支持している。そして、ホルダ１１０は、図示していない回転機構によりシリコンウェハ１０１面と直交するシリコンウェハ１０１面の中心線を軸に回転させられる回転部材１７０上に配置される。そして、ホルダ１１０は、回転部材１７０と共に回転することで、シリコンウェハ１０１を回転させることができる。

シリコンウェハ１０１裏面側でシリコンウェハ１０１からの距離が上述したホルダ１１０よりさらに離れた位置に熱源となるアウトヒータ１５０とインヒータ１６０が配置されている。すなわち、ホルダ１１０の裏面側に、アウトヒータ１５０とインヒータ１６０が配置されている。アウトヒータ１５０によりシリコンウェハ１０１の外周部とホルダ１１０とを加熱することができる。そして、インヒータ１６０は、アウトヒータ１５０の下部に配置され、インヒータ１６０によりシリコンウェハ１０１の外周部以外を加熱することができる。インヒータ１６０とは別に、ホルダ１１０或いは外気へと熱が逃げやすいシリコンウェハ１０１の外周部（エッジ部）の加熱にアウトヒータ１５０を設けている。このように、２重ヒータとすることで、シリコンウェハ１０１の面内均一性を向上させることができる。

そして、ホルダ１１０、アウトヒータ１５０、インヒータ１６０、シャワーヘッド１３０、回転部材１７０は、チャンバ１２０内に配置される。回転部材１７０は、チャンバ１２０内から図示していない回転機構へとチャンバ１２０外に延びている。シャワーヘッド１３０は、チャンバ１２０内からチャンバ１２０外へと配管が延びている。

そして、反応容器となるチャンバ１２０内を常圧或いは真空ポンプ１４０により所定の真空度の真空雰囲気に保持する。この状態で、シリコンウェハ１０１をアウトヒータ１５０とインヒータ１６０とで加熱する。そして、ホルダ１１０の回転によりシリコンウェハ１０１を所定の回転数で回転させる。そして、回転させながら、シャワーヘッド１３０からシリコン源となる原料ガスをチャンバ１２０内に供給する。そして、加熱されたシリコンウェハ１０１の表面で原料ガスの熱分解或いは水素還元を行なう。これにより、シリコンウェハ１０１の表面にシリコンエピタキシャル膜を成長させる。チャンバ１２０内の圧力は、例えば、圧力制御弁１４２を用いて常圧或いは所定の真空度の真空雰囲気に調整すればよい。或いは常圧で用いる場合には、真空ポンプ１４０若しくは圧力制御弁１４２がない構成でも構わない。シャワーヘッド１３０では、チャンバ１２０外から配管で供給された原料ガスをシャワーヘッド１３０内部のバッファを介して、複数の貫通孔から排出するようにしている。そのため均一に原料ガスをシリコンウェハ１０１上に供給することができる。さらに、ホルダ１１０や回転部材１７０の圧力を内外同一（シリコンウェハ１０１の表面側雰囲気の圧力と裏面側雰囲気の圧力とを同じ）にする。その手法としては、例えば、水素ガスをシリコンウェハ１０１の裏面側雰囲気に供給する。これにより、原料ガスが、シリコンウェハ１０１とホルダ１１０との隙間から回転部材１７０の内側、若しくは回転機構内部へと廻り込むことを防止することができる。圧力を調整するためのガスは、水素ガス等、デポ膜を形成しないガスを主として用いることができる。同様に、図示していない回転機構側のパージガス等が、チャンバ内（シリコンウェハ１０１の表面側雰囲気）に漏れることを防止することができる。ここでは、チャンバ１２０内を真空ポンプ１４０により排気しているが、これに限るものではない。チャンバ１２０内を排気できるものならよい。例えば、常圧或いは常圧に近い真空雰囲気でよければ、ブロア等で排気してもよい。

図２は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置システムの外観の一例を示す図である。
図２に示すように、エピタキシャル成長装置システム３００は、筺体により全体が囲まれている。
図３は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置システムのユニット構成の一例を示す図である。
エピタキシャル成長装置システム３００内では、カセットが、カセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１０或いはカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１２に配置される。そして、カセットにセットされたシリコンウェハ１０１が、搬送ロボット３５０によりロードロック（Ｌ／Ｌ）チャンバ３２０内に搬送される。そして、トランスファーチャンバ３３０内に配置された搬送ロボット３３２によりＬ／Ｌチャンバ３２０からシリコンウェハ１０１がトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。そして、搬出されたシリコンウェハ１０１がエピタキシャル成長装置１００のチャンバ１２０内に搬送される。そして、エピタキシャル成長法によりシリコンウェハ１０１表面にシリコンエピタキシャル膜が成膜される。シリコンエピタキシャル膜が成膜されたシリコンウェハ１０１は、再度、搬送ロボット３３２によりエピタキシャル成長装置１００からトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。そして、搬出されたシリコンウェハ１０１は、Ｌ／Ｌチャンバ３２０に搬送される。その後、搬送ロボット３５０によりＬ／Ｌチャンバ３２０からカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１０或いはカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１２に配置されたカセットに戻される。図３に示すエピタキシャル成長装置システム３００では、エピタキシャル成長装置１００のチャンバ１２０とＬ／Ｌチャンバ３２０とが２台ずつ搭載されている。これにより、スループットを向上させることができる。

図４は、実施の形態１におけるホルダにシリコンウェハが支持された状態の一例を示す上面図である。
図５は、図４の断面図である。
本体１１６には、貫通する開口部の内周壁面１１４を有している。そして、その内周壁面１１４から内側に付き出るように複数の板状部材１１２が板面を垂直にして配置される。ここでは、３つの板状部材１１２がシリコンウェハ１０１を取り囲むように配置されている。そして、３つの板状部材１１２でシリコンウェハ１０１を３点支持する。３つの板状部材１１２は、配置位置が均等になるように配置角度を１２０度ずつずらして配置すると良い。そして、内周壁面１１４に板状部材１１２の寸法に合わせて穴（溝）を加工しておき、この板状部材１１２を内周壁面１１４に突き刺すように取り付ける。このように形成することで簡易に作製することができるので好ましい。板状部材１１２は、シリコンウェハ１０１と接する側の端部２０を斜めに加工する。すなわち、上部から下部に向けてより内側に突き出るように端部２０を形成する。そして、シリコンウェハ１０１を降ろしてきたときに端部２０の辺の一部でシリコンウェハ１０１が接するように形成する。また、本体１１６や板状部材１１２の材料として、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いると好適である。金属材料を用いずにＳｉＣといったセラミック材料を用いることで、金属汚染を回避することができる。

図６は、実施の形態１における伝熱の様子を説明するための図である。
図６に示すように、内周壁面１１４は、シリコンウェハ１０１の外径寸法以上の径で開口されている。そして、複数の板状部材１１２を内側に付き出るように配置して、そこにシリコンウェハ１０１を載せている。また、複数の板状部材１１２は、板面が垂直に配置される。縦に配置することで、複数の板状部材１１２間の隙間を広くすることができる。よって、アウトヒータ１５０或いはインヒータ１６０からの輻射熱がホルダ１１０の本体１１６に遮蔽されることなく複数の板状部材１１２間の隙間からシリコンウェハ１０１に伝達される。よって、効果的にシリコンウェハ１０１のエッジ部分を加熱することができる。

図７は、実施の形態１における板状部材の一例を示す図である。
シリコンウェハ１０１を載せる板状部材１１２の端部２０は、図７に示すように凸状に形成されると好適である。ここでは、２つの面が鋭角に繋がる形状に形成している。このようにナイフエッジ状に先端を尖らせた形状に形成することで、シリコンウェハ１０１との接触領域を小さくすることができる。このようにナイフエッジ状に先端を尖らせた形状に形成することで、シリコンウェハ１０１裏面或いは側面と線或いは点で接触させることができる。また、ここでは、板状部材１１２をホルダの本体１１６とは別部品で加工することができるので、研磨により先端を限りなく尖った形状に形成することができる。

以上のように構成することで、熱源となるアウトヒータ１５０等からの熱をシリコンウェハ１０１に伝え易くすることができる。逆に、シリコンウェハ１０１からの放熱を外部に逃がさないようにすることができる。さらには、加熱装置（熱源）であるヒータに負荷をかけることない。これによりシリコンウェハ１０１のエッジ付近の温度をより上昇させることができる。よって、シリコンウェハ１０１のエッジ付近の温度分布を均一に保つことができる。その結果、シリコンウェハ１０１のエッジ部の膜厚均一性を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１とは形状の異なる板状部材を配置したホルダについて説明する。板状部材以外の構成については実施の形態１と同様である。
図８は、実施の形態２におけるホルダにシリコンウェハが支持された状態の一例を示す上面図である。
図９は、図８の断面図である。
ここでは、ホルダ２１０は、本体１１６と複数の板状部材２１２を有している。本体１１６の内周壁面１１４から内側に付き出るように複数の板状部材２１２が板面を垂直にして配置される。ここでも３つの板状部材２１２がシリコンウェハ１０１を取り囲むように配置されている。そして、３つの板状部材２１２でシリコンウェハ１０１を３点支持する。板状部材２１２は、シリコンウェハ１０１と接する側の端部３０を斜めに加工する。しかし、途中の変曲箇所１０で角度を水平側に変更する。すなわち、上方から所定の角度で斜めに形成された第１の端部１２が変曲箇所１０で角度を水平側に変更して第２の端部１４へと接続される。

図１０は、実施の形態２におけるホルダにシリコンウェハを載置する様子を説明するための図である。
上方から第１の端部１２の辺に沿ってシリコンウェハ１０１をずらしてくると、変曲箇所１０でシリコンウェハ１０１が止まる。そして、シリコンウェハ１０１の裏面或いは側面が、変曲箇所１０或いは第２の端部１４と接触して支持される。他の板状部材２１２でも同様の位置で支持される。よって、シリコンウェハ１０１を水平に配置することができる。そして、第１の端部１２の辺に沿ってシリコンウェハ１０１を滑らせて移動させることで、センターリング（芯出し）を行なうことができる。

図１１は、実施の形態２における板状部材の一例を示す図である。
シリコンウェハ１０１を載せる板状部材１１２の端部３０は、実施の形態１と同様、図１１に示すように凸状に形成されると好適である。このようにナイフエッジ状に先端を尖らせた形状に形成することで、シリコンウェハ１０１との接触領域を小さくすることができる。このようにナイフエッジ状に先端を尖らせた形状に形成することで、シリコンウェハ１０１裏面或いは側面と線或いは点で接触させることができる。

以上のように構成することで、実施の形態１における効果に加え、さらに、シリコンウェハ１０１の水平度を向上させることができる。よって、シリコンウェハ１０１が傾いたままホルダに保持されることを抑制することができる。その結果、より均一な加熱ができると共に、より均一な膜を成膜することができる。

以上説明した各実施の形態によれば、シリコンウェハ１０１とホルダとがほとんど接触していない。そのため、シリコンウェハ１０１の加熱処理について、ホルダの影響を排除することができる。その結果、ヒータ調整によりシリコンウェハ１０１温度を効果的に制御することができる。よって、基板エッジの温度分布を良好にすることができ、膜厚均一性を向上させることができる。

このように構成することでエッジ付近の温度分布を均一に保つことができ、膜厚均一性に優れたｎ−ベースの厚さである６０μｍ以上のエピタキシャル成長も可能となった。

なお、当然ながら、ＩＧＢＴに限らず、パワー半導体で、高耐圧を必要とする、パワーＭＯＳの他、電車などのスイッチング素子として使用される、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）や一般的なサイリスタ（ＳＣＲ）の厚いベースのエピタキシャル層形成に適用可能である。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、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、試料面に所定の膜を気相成長させるための装置であれば構わない。例えば、ポリシリコン膜を成長させる装置であっても構わない。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、エピタキシャル成長装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。

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全ての気相成長装置、及び支持部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置の構成を示す概念図である。 実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置システムの外観の一例を示す図である。 実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置システムのユニット構成の一例を示す図である。 実施の形態１におけるホルダにシリコンウェハが支持された状態の一例を示す上面図である。 図４の断面図である。 実施の形態１における伝熱の様子を説明するための図である。 実施の形態１における板状部材の一例を示す図である。 実施の形態２におけるホルダにシリコンウェハが支持された状態の一例を示す上面図である。 図８の断面図である。 実施の形態２におけるホルダにシリコンウェハを載置する様子を説明するための図である。 実施の形態２における板状部材の一例を示す図である。 ホルダにシリコンウェハが支持された状態の一例を示す上面図である。 図１２に示すホルダにシリコンウェハが支持された状態の断面を示す断面図である。

符号の説明

１０ 変曲箇所
１２，１４，２０，３０ 端部
１００ エピタキシャル成長装置
１０１，４００ シリコンウェハ
１１０，２１０，４１０ ホルダ
１１２，２１２ 板状部材
１１４ 内周壁面
１１６ 本体
１２０ チャンバ
１２２，１２４ 流路
１３０ シャワーヘッド
１４０ 真空ポンプ
１４２ 圧力制御弁
１５０ アウトヒータ
１６０ インヒータ
１７０ 回転部材
３００ エピタキシャル成長装置システム
３１０，３１２ カセットステージ
３２０ Ｌ／Ｌチャンバ
３３０ トランスファーチャンバ
３３２，３５０ 搬送ロボット

Claims (3)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に配置され、貫通する内周壁面と、前記内周壁面から内側に付き出るように配置された複数の所定の部材とを有し、前記複数の所定の部材で基板を支持する支持台と、
   前記基板裏面側で前記基板からの距離が前記支持台よりさらに離れた位置に配置され、前記基板を加熱する第１の熱源と、
   前記基板裏面側で前記支持台と前記第１の熱源との間に配置され、前記基板のエッジ部を加熱する第２の熱源と、
   前記チャンバ内に成膜するためのガスを供給する第１の流路と、
   前記ガスを前記チャンバから排気する第２の流路と、
   を備え、
   前記複数の所定の部材は、板状部材であり、前記板状部材は、前記基板と接する側の端部が上部から下部に向けてより内側に突き出るように斜めに加工され、前記基板を支持する際に前記端部の斜めに加工された辺の一部で接することを特徴とする気相成長装置。
2. 前記複数の板状部材は、板面が垂直になるように配置されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記複数の板状部材は、前記所定の端部が凸状に形成されることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。

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