JP5264384B2 - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、気相成長装置及び気相成長方法に係り、例えば、基板にエピタキシャル成長させる装置およびその方法に関する。

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おり、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。反応容器となるチャンバ内にシリコンウェハ等の半導体基板を配置し、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ながら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シリコン源のガスの熱分解或いは水素還元反応を行なって、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、特許文献１参照）。

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。

シリコンウェハの支持部材となるホルダ（サセプタともいう。）には、シリコンウェハ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が収まるように載置される。かかる状態でホルダを回転させることによりシリコンウェハを回転させて、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。ここで、エピタキシャル膜成長をより高速化させるためには、より高速回転でホルダを回転させる必要がある。しかしながら、回転数を上げると、遠心力によりシリコンウェハがホルダのザグリ穴の側面の一部に寄ってしまい、そこで、膜が成長するとシリコンウェハとホルダが貼り付いてしまうといった問題があった。シリコンウェハとホルダが貼り付いてしまうと、膜にスリップが発生してしまうといった問題や、ウェハ取り出し時にウェハが欠けてしまうといった問題があった。
特開平９−１９４２９６号公報

上述したように、シリコンウェハとホルダが貼り付いてしまうと、膜にスリップが発生してしまうといった問題や、ウェハ取り出し時にウェハが欠けてしまうといった問題があった。これらは特に厚膜を形成する場合に顕著になる。そのため、かかる問題の発端となるシリコンウェハとホルダの貼り付き防止が望まれている。

本発明は、かかる問題点を克服し、シリコンウェハとホルダの貼り付きを防止することが可能な気相成長装置および方法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、
シリコン基板が載置される円盤部材と、
円盤部材表面にシリコン基板を密着させた状態で、シリコン基板が載置される円盤部材を搬入し、シリコン基板上にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜するチャンバと、
内部に前記円盤部材の外径寸法よりも小さい直径の貫通する開口部が形成されると共に内部に前記円盤部材の外径寸法以上の直径で上面側から所定の深さまで掘り込んだ凹部となるザグリ穴が形成され、チャンバ内で、前記ザグリ穴の底面で前記円盤部材の裏面外周部と接触して、シリコン基板が密着して載置される円盤部材の裏面外周部を支持するホルダと、
ホルダを回転させる回転部材と、
を備えたことを特徴とする。

そして、かかる円盤部材の裏面側から円盤部材を介してシリコン基板が加熱されるように、熱源をさらに備えると好適である。

また、円盤部材は、直径がシリコン基板以上であるとなお好適である。

さらに、円盤部材は、厚さがシリコン基板より薄いとなお好適である。

本発明の一態様の気相成長方法は、
大気圧下でシリコン基板を円盤部材表面に載置し、円盤部材表面にシリコン基板が載置された状態で、大気圧から真空雰囲気に晒す工程と、
真空雰囲気下で、シリコン基板が載置された円盤部材をチャンバ内に搬入し、内部に前記円盤部材の外径寸法よりも小さい直径の貫通する開口部が形成されると共に内部に前記円盤部材の外径寸法以上の直径で上面側から所定の深さまで掘り込んだ凹部となるザグリ穴が形成されたホルダの前記ザグリ穴の底面で前記円盤部材の裏面外周部と接触して、前記シリコン基板が密着して載置される前記円盤部材の裏面外周部を支持する工程と、
シリコン基板を回転させながら、シリコン基板にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜する工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、シリコンウェハとホルダとの貼り付きを防止することができる。よって、スリップの発生や、ウェハ取り出し時におけるウェハが欠けてしまうことを抑制することができる。

実施の形態１．
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、ホルダ（サセプタとも言う。）１１０、円盤部材１１２、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、及び回転部材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）。

シリコンウェハ１０１は、円盤部材１１２上に保持された状態で、ホルダ１１０上に配置される。円盤部材１１２は、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）材で形成されると好適である。

ホルダ１１０は、外周が円形に形成されている。そして、ホルダ１１０には、内部に円盤部材１１２の外径寸法よりも小さい直径（内径）の貫通する開口部が形成される。そして、ホルダ１１０には、さらに、内部に円盤部材１１２の外径寸法以上の直径でホルダ１１０の上面から所定の深さまで掘り込んだ凹部となるザグリ穴が形成されている。そして、ザグリ穴の底面で円盤部材１１２の裏面と接触して円盤部材１１２を支持する。また、ザグリ穴の側面はホルダ１１０の上面に向かって径が若干大きくなるように斜めに掘られていると好適である。但し、ザグリ穴の側面は底面に直交するようにまっすぐに掘られていても構わない。また、ザグリ穴の深さは、シリコン基板の一例となるシリコンウェハ１０１の厚さと円盤部材１１２の厚さを合計した厚さ以下となるように形成すると好適である。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、すなわち、円盤部材１１２の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により円盤部材１１２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により円盤部材１１２の外周部以外を加熱することができる。そして、円盤部材１１２を介してシリコンウェハ１０１が加熱される。インヒータ１６０とは別に、ホルダ１１０、円盤部材１１２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、円盤部材１１２、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、円盤部材１１２を介してシリコンウェハ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の回転により円盤部材１１２と一体となったシリコンウェハ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を用いて所定の真空度の真空雰囲気に調整すればよい。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）にすると好適である。これにより、原料ガスが、円盤部材１１２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。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、ロードロック（Ｌ／Ｌ）チャンバへの搬送工程として、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Ｌ／Ｌチャンバ３２０内に搬送される。Ｌ／Ｌチャンバ３２０内には、円盤部材１１２が配置されており、搬入されたシリコンウェハ１０１が、円盤部材１１２上に載置される。

そして、真空雰囲気に晒す工程として、真空ポンプによりＬ／Ｌチャンバ３２０内が真空引きされ、シリコンウェハ１０１と円盤部材１１２との間の空気が排気され、シリコンウェハ１０１の裏面が円盤部材１１２の表面に密着する。このように、大気圧下でシリコンウェハ１０１を円盤部材１１２表面に載置し、円盤部材１１２表面にシリコンウェハ１０１が載置された状態で、大気圧から真空雰囲気に晒す工程が行なわれる。

そして、トランスファーチャンバへの搬送工程として、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が同じく真空雰囲気のトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。

そして、チャンバへの搬送工程として、真空雰囲気下で、シリコンウェハ１０１が密着して載置された円盤部材１１２がチャンバ１２０内に搬入され、ホルダ１１０上に支持される。

そして、成膜工程として、シリコンウェハ１０１を回転させながら、エピタキシャル成長法によりシリコンウェハ１０１にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜する。例えば、回転数を５００〜２５００ｍｉｎ^−１、圧力を１９９５Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）〜９．３×１０^４Ｐａ（７００Ｔｏｒｒ）、基板温度を１１００〜１１８０℃とするとよい。そして、プロセスガスとして、シリコン（Ｓｉ）源となる原料ガスとして４％のトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスを８．３５Ｐａ・ｍ^３／ｓ（５ｓｌｍ）〜３３．３Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２０ｓｌｍ）、及び水素（Ｈ_２）といったキャリアガスを３３．３Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２０ｓｌｍ）〜１６７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（１００ｓｌｍ）供給すると良い。或いは、Ｓｉ源となるとなる原料ガスとしてジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスを０．１７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（１００ｓｃｃｍ）〜３．３４Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２ｓｌｍ）供給しても好適である。ホスフィン（リン化水素：ＰＨ_３）或いはジボラン（水素化ホウ素：Ｂ_２Ｈ_６）といったドーパントガスは、適宜加えればよい。シリコンウェハ１０１は円盤部材１１２に密着しているので、高速回転させても円盤部材１１２からずれることがない。よって、従来よりも高速回転させることができる。

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。そして、Ｌ／Ｌチャンバ３２０内が真空雰囲気から大気圧に戻され、シリコンウェハ１０１が円盤部材１１２から外される。例えば、メカニカルな機構によって取り外されればよい。

その後、シリコンウェハ１０１は、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における円盤部材にシリコンウェハが支持された状態の一例を示す断面図である。図４において、円盤部材１１２の直径は、シリコンウェハ１０１以上に形成されると好適である。すなわち、Δｔ≧０となると好適である。これにより、シリコンウェハ１０１が高速回転した場合に、その遠心力でホルダ１１０の開口部の側面に寄ったとしても円盤部材１１２の側面がホルダ１１０の開口部の側面に接触するだけで、シリコンウェハ１０１はホルダ１１０との接触を回避することができる。よって、かかる状態で膜が成長しても張り付くのは円盤部材１１２とホルダ１１０であって、シリコンウェハ１０１とホルダ１１０との張り付きは回避することができる。よって、スリップの発生や、ウェハ取り出し時におけるウェハが欠けてしまうことを抑制することができる。

図５は、実施の形態１におけるエピタキシャル膜がシリコンウェハ上等に形成された状態の一例を示す断面図である。エピタキシャル膜１０は、シリコンウェハ１０１上だけでなく、ホルダ１１０上、および、ホルダ１１０上面とシリコンウェハ１０１表面との間の隙間にも形成される。そこで、図４におけるΔｔがエピタキシャル膜１０の膜厚の２倍以上に設定されるとホルダ１１０上面のエピタキシャル膜１０とシリコンウェハ１０１表面のエピタキシャル膜１０との接触がなくなるのでより好適である。

シリコンウェハ１０１とホルダ１１０との張り付きが回避できることで、より高速で回転させることができる。従来、回転数を最大１５００ｍｉｎ^−１程度まで上げるのがせいぜいであったが、実施の形態１によれば、最大３０００ｍｉｎ^−１程度まで上げることができる。高速回転化が可能となるので、よりエピタキシャル成長速度を向上させることができる。例えば、４μｍ／ｍｉｎ以上の成膜速度で膜厚３０μｍ以上のエピタキシャル膜を形成することができる。

また、図４において、円盤部材１１２の厚さｄ１は、シリコンウェハ１０１の厚さｄ２より薄く形成されると好適である。例えば、ｄ２＝０．７２５ｍｍに対して、ｄ１＝０．５ｍｍに形成されると好適である。円盤部材１１２は、シリコンウェハ１０１よりも強度の大きいＳｉＣ材が用いられているので、シリコンウェハ１０１の厚さより薄く形成された場合でも、貼り付いたホルダ１１０から剥がす際の割れを回避することができる。また、円盤部材１１２が厚いとアウトヒータ１５０やインヒータ１６０による熱が初期加熱時にシリコンウェハ１０１に伝達しにくい。そのため、かかるヒータのパワー（出力）が大きなものを搭載する必要が生じてしまう。これに対して、実施の形態１では、円盤部材１１２の厚さｄ１は、シリコンウェハ１０１の厚さｄ２より薄く形成されるので、かかるヒータのパワーを増大させなくとも済ますことができる。

図６は、円盤部材の有無による成膜中の基板の温度分布を比較するための概念図である。図６（ａ）では、円盤部材１１２が無い場合における成膜中の基板の温度分布の一例を示している。円盤部材１１２が無いと、ヒータからの熱が直接シリコンウェハ１０１の裏面に伝達されることになる。そして、アウトヒータ１５０の熱がホルダ１１０から直接シリコンウェハ１０１の裏面に伝達されることになる。その結果、シリコンウェハ１０１の外周部付近での温度が中央部に比べてＴ１だけ高くなってしまう。これに対して、シリコンウェハ１０１を載せた円盤部材１１２をホルダ１１０に配置することで、シリコンウェハ１０１へは円盤部材１１２を介して伝熱されることになる。円盤部材１１２の材料となるＳｉＣは、熱伝導率が２３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、シリコンウェハ１０１の材料となるＳｉの熱伝導率１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも大きい。よって、円盤部材１１２の外周部の熱を中央部に伝え易く、その結果、シリコンウェハ１０１へ均等に伝熱することができる。その結果、図６（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１０１の外周部付近での温度が中央部に比べてＴ１より小さいＴ２だけ高くなるだけで済ますことができる。このように、円盤部材１１２を介することで、シリコンウェハ１０１を均熱化することができる。

その他、シリコンウェハ１０１を円盤部材１１２に密着させた状態で円盤部材１１２をホルダ１１０に配置することで、シリコンウェハ１０１裏面へのエピタキシャル膜の廻り込みを防止することもできる。

このように構成することで、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における円盤部材にシリコンウェハが支持された状態の一例を示す断面図である。 実施の形態１におけるエピタキシャル膜がシリコンウェハ上等に形成された状態の一例を示す断面図である。 円盤部材の有無による成膜中の基板の温度分布を比較するための概念図である。

符号の説明

１０ エピタキシャル膜
１００ エピタキシャル成長装置
１０１ シリコンウェハ
１１０ ホルダ
１１２ 円盤部材
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 Ｃ／Ｓ
３３２，３５０ 搬送ロボット
３２０ Ｌ／Ｌチャンバ
３３０ トランスファーチャンバ

Claims (5)

1. シリコン基板が載置される円盤部材と、
   前記円盤部材表面に前記シリコン基板を密着させた状態で、前記シリコン基板が載置される前記円盤部材を搬入し、前記シリコン基板上にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜するチャンバと、
   内部に前記円盤部材の外径寸法よりも小さい直径の貫通する開口部が形成されると共に内部に前記円盤部材の外径寸法以上の直径で上面側から所定の深さまで掘り込んだ凹部となるザグリ穴が形成され、前記チャンバ内で、前記ザグリ穴の底面で前記円盤部材の裏面外周部と接触して、前記シリコン基板が密着して載置される前記円盤部材の裏面外周部を支持するホルダと、
   前記ホルダを回転させる回転部材と、
   を備えたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記円盤部材の裏面側から前記円盤部材を介して前記シリコン基板が加熱されるように、熱源をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記円盤部材は、直径が前記シリコン基板以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の気相成長装置。
4. 前記円盤部材は、厚さが前記シリコン基板より薄いことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の気相成長装置。
5. 大気圧下でシリコン基板を円盤部材表面に載置し、前記円盤部材表面に前記シリコン基板が載置された状態で、大気圧から真空雰囲気に晒す工程と、
   真空雰囲気下で、前記シリコン基板が密着して載置された前記円盤部材をチャンバ内に搬入し、内部に前記円盤部材の外径寸法よりも小さい直径の貫通する開口部が形成されると共に内部に前記円盤部材の外径寸法以上の直径で上面側から所定の深さまで掘り込んだ凹部となるザグリ穴が形成されたホルダの前記ザグリ穴の底面で前記円盤部材の裏面外周部と接触して、前記シリコン基板が密着して載置される前記円盤部材の裏面外周部を支持する工程と、
   前記シリコン基板を回転させながら、前記シリコン基板にシリコン（Ｓｉ）含有膜を成膜する工程と、
   を備えたことを特徴とする気相成長方法。

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