JP5283370B2

JP5283370B2 - 気相成長装置および気相成長方法

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Publication number: JP5283370B2
Application number: JP2007309271A
Authority: JP
Inventors: 博信平田; 雅美矢島
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: TWI401337B; JP2009135228A; TW200936802A; US20090139448A1

Description

本発明は、気相成長装置および気相成長方法に関し、特に気相成長膜を効率よく形成する上で問題となるシリコン（以下、Ｓｉと記載する）ウェーハを汚染する粒子状汚染物の浸入を防止することを可能とする気相成長装置および気相成長方法に関する。

気相成長装置の一種として枚葉式装置がある。この装置は、熱処理炉内に配置された水平円盤型のサセプタの上にウェーハを載せ、垂直軸を中心として回転させながら、炉内ウェーハ上方に原料ガスおよびキャリアガスを流入させることにより、ウェーハの上面にエピタキシャル気相成長膜を形成するものである。この装置は、ウェーハの大径化と共に多用されるようになり、３００ｍｍウェーハ対応装置でも主流と目されている。これらの装置では、シリコン単結晶基板の主表面にシリコンエピタキシャル層を気相成長させてシリコンエピタキシャルウェーハを製造することがよく知られている。この気相成長装置は、反応室となるチャンバ内にサセプタを設け、そのサセプタが回転軸を中心として回転可能に配設されており、サセプタにはそれぞれの外周面に座ぐりが形成されている。また、サセプタの下方には加熱手段が設けられている。このような水平円盤型サセプタを使用する気相成長装置によりシリコンエピタキシャルウェーハを製造するためには、加熱手段により所定温度に加熱されたチャンバ内に、ガス供給管から反応ガスをキャリアガスとともに供給する。この反応ガスは、回転軸の回りに回転されるサセプタに沿って流れながらシリコン単結晶基板上に供給され、ガス排気管から外部へ排出される。

ところで、上記反応に使用されるシリコン原料ガスとしては、一般に四塩化シリコン（ＳｉＣｌ_４）やトリクロールシラン（ＳｉＨＣｌ_３）等であり、また、反応前にはシリコン単結晶基板をエッチングするためにＨＣｌ（塩化水素）ガスが使用される。ＨＣｌガスは、チャンバや、ガス管内壁に付着した反応副生成物をエッチングするために行われるクリーニング用にも使用される。これらのガスは腐食性であり、特に水分が付着すると塩酸を形成し、種々の金属を激しく腐食することが広く知られている。従って、装置全体を密封するチャンバや、ウェーハと接触する可能性の高いサセプタ等は、塩酸系の物質に腐食されにくい性質を有する炭化珪素（ＳｉＣ）、もしくは石英（ＳｉＯ_２）等を使用する技術が特許文献１に開示されている。

特開２００１−２７４０９４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、チャンバ、サセプタおよびその周辺部品は炭化珪素（ＳｉＣ）、もしくは石英（ＳｉＯ_２）が使用されているので、これらのガスによって腐食されることは少ないが、回転胴等は通常、強度面からステンレス鋼で形成されていることが多く、上述した高温の腐食性ガスが通過することによって腐食されることがある。また、例えば、メインテナンスの際、チャンバは一時的に、大気に開放される。この際、大気はチャンバ内に入り込み、大気に相当量含まれている水分と、回転胴等金属部品に極微量ではあるが残存する上述の腐食性ガスとが混じり合う結果、塩酸が生じ、金属部品を腐食する。この腐食により、金属上に生成された腐食生成物は腐食性ガスと容易に反応して気体状の塩化化合物を生成する。そして、この気体状の塩化化合物は蒸気圧が高いため、金属部品からチャンバ内へと拡散し、チャンバ内で生成されたシリコンウェーハへと取り込まれる。その結果、シリコンウェーハのライフタイムを低下させる等、品質の低下を招くことがある。これら金属汚染物の発生がウェーハの歩留まり率を低下させる大きな問題となっていた。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、水平円盤型サセプタを備え、該サセプタを高速回転させながら高温に熱し気相成長膜を形成する装置において、サセプタの下方から発生する金属汚染物の浸入を遮蔽し、ウェーハの歩留まり率を改善することを可能とする気相成長装置および気相成長方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明にかかる気相成長装置および気相成長方法は次のように構成されている。

（１）本発明にかかる気相成長装置は、周縁部に複数の突起部を有し、ウェーハを収容する円環形状のホルダと、前記ホルダの円環形状の内周端と当接させる円周状段差を上面に設けた皿型形状のサセプタと、前記ウェーハを所定の回転速度で回転させる回転駆動機能を有し、前記ホルダを保持する回転胴と、前記ウェーハを加熱する手段であって、前記回転胴の内部に配置された加熱手段と、前記回転胴の外側に、前記ホルダの周縁部に設けられた突出部下面を押し上げるウェーハ突き上げ手段とを備えたことを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の気相成長装置において、前記サセプタは、炭素の基材上に炭化珪素（ＳｉＣ）を被膜したもの、炭化珪素（ＳｉＣ）基材、もしくはシリコン含浸炭化珪素のうちいずれか１つで形成されることが望ましい。

（３）上記（１）に記載の気相成長装置において、前記ウェーハ突き上げ手段は、前記ホルダの周縁部に設けられた突出部下面を下方から押し上げるピン形状であることが望ましい。

（４）上記（１）に記載の気相成長装置において、前記ホルダは、２４０度以上の角度に渡る円環形状の周縁部に突出部を設け、炭素の基材上に炭化珪素（ＳｉＣ）を被膜したもの、炭化珪素（ＳｉＣ）基材、もしくはシリコン含浸炭化珪素のうちいずれか１つで形成されることが望ましい。

（５）本発明にかかる気相成長方法は、周縁部に複数の突起部を有し、ウェーハを収容する円環形状のホルダと、前記ホルダの円環形状の内周端と当接させる円周状段差を上面に設けた皿型形状のサセプタと、前記ウェーハを所定の回転速度で回転させる回転駆動機能を有し、前記ホルダを保持する回転胴と、前記ウェーハを加熱する手段であって、前記回転胴の内部に配置された加熱手段と、前記回転駆動手段の外側に、前記突出部下面を押し上げるウェーハ突き上げ手段とを備えた気相成長装置を用いて、前記ウェーハ上に気相成長膜を形成する方法であって、前記ウェーハ突き上げ手段が前記突出部下面を押し上げた際に、前記ウェーハを搬入するウェーハ搬入工程と、前記サセプタの上面に設けられた円周状段差と、前記ホルダの円環形状の内周端と、を当接させた際に、前記気相成長膜を形成する気相成長工程と、前記ウェーハ突き上げ手段が前記突出部下面を押し上げた際に、前記ウェーハを搬出するウェーハ搬出工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、上面に円周状段差を設けた水平円盤形サセプタと、該円周状段差の周径とほぼ同じ内周径を有する円環形状のホルダと、を備え、下からサセプタ、ホルダ、ウェーハの順で支持し、ウェーハ交換時にはホルダの突出部下面を押し上げ、ウェーハとホルダを押し上げることにより、常時ウェーハ下に位置する開口部のないサセプタがウェーハ下方からの金属汚染物の浸入を遮蔽しウェーハの歩留まり率を改善することを可能とする気相成長装置および気相成長方法を提供するという効果を奏する。

以下、本発明にかかる気相成長装置および気相成長方法の実施の形態につき、添付図面に基づき説明する。

以下、本実施の形態にかかる気相成長装置について詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる気相成長装置１の概略構成を示す断面図である。気相成長装置１は、例えば、高純度単結晶シリコン（以下、Ｓｉと記載する）のウェーハＷ上に気相成長法によるＳｉを成長させる装置であり、チャンバ２と、チャンバ２に導管接続されたガス供給管３と、ガス排気管７と、を備えている。

ガス供給管３は、チャンバ２内の上部、水平方向の略中央部に配設され、原料ガス、キャリアガスもしくはドーパントガスがチャンバ２内に供給されるように、チャンバ２外部のガス供給制御装置（図示省略）と接続されている。そして、ガス供給制御装置（図示省略）からは、気相成長装置１において形成する気相成長膜の種類に応じて、原料ガス、キャリアガスもしくはドーパントガスが図１のＡ方向に供給される。原料ガスとしては、主に四塩化シリコン（ＳｉＣｌ_４）、その他ジクロールシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、トリクロールシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、シラン（ＳｉＨ_４）を適宜選択して使用する。また、キャリアガスとしては、水素（Ｈ₂）が使用される。また、ドーパントガスとしては、ホスフィン（ＰＨ_３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、ヒ素（Ａｓ）化合物を適宜選択して使用する。

ガス排気管７は、チャンバ２内の下部、図１の左右に分かれて２箇所に配設され、チャンバ２内部でシリコン原料ガスとキャリアガスＨ_２が反応した結果生成される塩化水素（以下、ＨＣｌと記載する）および未反応に終わったキャリアガス、原料ガスおよびドーパントガスを排気する。これらガスをチャンバ２外部に排出するように、チャンバ２外部のガス排気制御装置（図示省略）と接続されている。そして、ガス排気制御装置（図示省略）と接続されていることにより、図１のＢ方向に排出されたガスは、廃棄される。

更に、チャンバ２は、その内部にウェーハＷと、整流板４と、サセプタ５と、ホルダ１０と、回転胴６と、ヒーター８と、ウェーハ突き上げ機構９と、温度センサ１１と、を備えている。

整流板４は、ガス供給管３から供給された後、上記の原料ガス、キャリアガスおよびドーパントガスをウェーハＷ上方に均一に流入させる部材であり石英等で形成され、ガス供給管３とサセプタ５の間の、チャンバ２の内部壁面に固定されている。また、ウェーハＷに対向する範囲の全域にわたって多数の開口部が設けられており、ウェーハＷ全域にわたって均一なガス流量になるように開口面積が調整されている。

温度センサ１１は、放射温度計等を使用して、チャンバ２外壁に設けられた透明石英窓からウェーハの表面温度を遠隔検知する。ヒーター８は、上方に位置するウェーハＷを背面側から気相成長のプロセス温度に達するまで加熱する加熱器であり、温度センサ１１の検知温度に従い、チャンバ２の外部に備えられた加熱回路（図示省略）から供給される定電流によって加熱する。上記プロセス温度は、原料ガスによって異なり、約９００〜１２５０℃の間である。

ウェーハＷは、気相成長膜を形成する対象の高純度単結晶Ｓｉである。ウェーハＷ上に気相成長膜を形成するため、ヒーター８の加熱により上記プロセス温度まで加熱される。通常、ＦＺ法、あるいはＣＺ法で引上げ育成したシリコンインゴットをスライスし、ラッピング処理もしくはエッチング処理を施したものである。

ホルダ１０は、気相成長膜を形成するウェーハＷを所定の位置で支持するために円環形状となっており、円環形状の内周段差にウェーハＷを収容する。また、ホルダ１０の周縁部の３箇所に突出部１０ａを備えている。従って、ウェーハＷの交換時には、突出部１０ａが押し上げられることによりホルダ１０はウェーハＷを支持したまま上方に押し上げられる。ホルダ１０の材質としては、熱伝導性、熱膨張性、耐熱性、高純度製造性等の観点から、炭素の基材上に炭化珪素（以下、ＳｉＣと記載する）を皮膜したもの、基材をＳｉＣとしたもの、もしくはシリコン含浸炭化珪素のうちいずれかが好ましい。

サセプタ５は、ホルダ１０を所定の位置に支持すると共に、サセプタ５より下方の粒子状汚染物（パーティクル）の浸入を遮蔽し、ウェーハＷへの汚染を防止する機能を有する。従って、ウェーハＷに対して垂直方向の開口部がない略皿形状であることが必須要件である。サセプタ５の材質としては、ホルダ１０と同様、炭素の基材上に炭化珪素（以下、ＳｉＣと記載する）を皮膜したもの、基材をＳｉＣとしたもの、もしくはシリコン含浸炭化珪素のうちいずれかが好ましい。

回転胴６は、上記サセプタ５を回転させる回転体であり、ウェーハＷ上の気相成長膜が均一に生成されるように、ウェーハＷを図１のＣ方向に一定の回転速度で高速回転させる駆動機能を有する。なお、回転速度は、本実施の形態にかかる気相成長装置を実用するにあたって、均一性の高い気相成長膜を効率的に形成するためには、気相成長膜形成時５００ｒｐｍ以上の速度で回転させることが好ましい。

ウェーハ突き上げ機構９は、ウェーハＷをホルダ１０ごと下方から押し上げる機能を有する。ウェーハ突き上げ機構９は、回転胴６の外側に配設され、外部に設けられた駆動機構（図示省略）により図１のＤ方向上下に往復運動する。ピンが上方に動作すると、ピンがホルダ１０の突出部１０ａを押し上げ、ウェーハＷを載せたままホルダ１０が押し上げられる構成となっている。

以下、ウェーハＷ、ホルダ１０、サセプタ５の位置関係について詳細に説明する。図２は、本実施の形態にかかる気相成長装置１の図１におけるＥ−Ｅ方向上面図である。図２は、サセプタ５がホルダ１０を支持し、ホルダ１０がウェーハＷを支持している。ホルダ１０は、サセプタ５の外周径からはみ出すように３箇所の突出部１０ａを備えている。ホルダ１０の周縁部に設けられた突出部１０ａは、図２においては、略台形形状を示しているが、略円弧形状、あるいは略長方形状でも構わない。突出部１０ａは、ウェーハ突き上げ機構９のピンが当接するにあたって最小面積であることが好ましい。突出部１０ａの面積が広いほどホルダ１０の重量は重くなるため、ホルダ１０を押し上げるウェーハ突き上げ機構９に十分な駆動トルクが必要となる。

また、ウェーハＷを搬送する際のウェーハ搬送アーム１２の状態を詳細に説明する。図３は、本実施の形態にかかる気相成長装置へのウェーハ搬送アーム１２挿入状態を示す上面図である。ウェーハ搬送アーム１２は、図３に示すように、細長い形状を有しており、アームの先端形状は限定されるものではない。ホルダ１０の開口部への挿入、もしくは引き出し動作によりウェーハＷを搬入、もしくは搬出する。ホルダ１０は、円環形状の一部が開口した形状を有している。この開口部は、ウェーハ搬送アーム１２が挿入されるために設けられたものである。ホルダ１０の円環形状部分は、突出部１０ａが３箇所設けられていることから２４０度以上の角度に渡る形状を有している。また、ホルダ１０の円環形状の一部が開口した領域において、図１に示すように、サセプタ５が凸部段差を備えており、ウェーハＷ端部を支持している。

以下、ウェーハ突き上げ機構９の動作について詳細に説明する。図４は、本実施の形態にかかる気相成長装置のウェーハＷ設置状態を示す拡大断面図である。サセプタ５が回転胴６の上に保持されている。この状態では、ウェーハＷは円環形状からなるホルダ１０の内周段差の中に支持されており、ホルダ１０はその円環形状の内周端がサセプタ５の上面に設けられた円周状段差に当接するように支持されている。また、ウェーハ突き上げ機構９のピン先端がホルダ１０の突出部１０ａの下面に当接している、もしくは即時に当接できる位置にある。また、ウェーハＷがホルダ１０の円環形状の内周段差内に支持された状態では、ウェーハＷ下面とサセプタ５上面の間に数百μｍ〜１ｍｍ程度のわずかな空間を空けることが好ましい。

図４において、ウェーハ突き上げ機構９のピンが上方に押し上げ動作を行うと、ピンがホルダ１０の突出部１０ａの下面を押し上げる。図５は、本実施の形態にかかる気相成長装置のホルダ１０押し上げ状態を示す拡大断面図である。図５は、ウェーハ突き上げ機構９のピンの押し上げにより、ウェーハＷを支持したままホルダ１０が押し上げられた状態を示している。図５に示すように、ホルダ１０が押し上げられた状態では、ウェーハ搬送アーム１２はウェーハＷの下方に挿入されている。その後、ウェーハ突き上げ機構９のピンが下降しウェーハＷを支持したウェーハ搬送アーム１２がウェーハＷを他のチャンバ、あるいは次工程へ搬送する。

上述のごとく、サセプタ５下方に位置するヒーター８や回転胴６から発生する金属汚染物のウェーハＷ近傍への浸入を遮蔽することにより、複数の気相成長装置にウェーハ搬送ロボットを接続したマルチチャンバ構成のシステムにおいて、ウェーハの歩留まり率を向上させる半導体製造方法を実現する。図６は、本実施の形態にかかる気相成長装置のシングルウェーハマルチチャンバ２０の概略構成を示す構成図である。図６において、シングルウェーハマルチチャンバ２０は、１つのウェーハＷを収容するサセプタを使用し気相成長膜を形成する気相成長装置２１、２２、２３と、ウェーハ搬送アーム１２と、ウェーハ搬送ロボット２４と、を備えている。

気相成長装置２１、２２、２３は、上述したように、シングルウェーハを収容しウェーハ上に気相成長膜を形成する装置であり、その目的に応じて原料ガス、キャリアガスおよびドーパントガスの種類、ウェーハの種類等を適宜選択する。ウェーハ搬送ロボット２４は、ウェーハ搬送アーム１２を操作し気相成長装置２１、２２、２３のいずれにもウェーハの搬入、もしくは搬出が可能である。

以上述べたように、本実施の形態によれば、開口部のない略皿形状のサセプタ５がホルダ１０を支持しホルダ１０がウェーハＷを支持する構成で、ウェーハ交換時にはウェーハ突き上げ機構９がホルダ１０の突出部１０ａを押し上げることにより、ウェーハＷ交換時にもサセプタ５が下方に位置するヒーター８や回転胴６から発生する金属汚染物のウェーハＷ近傍への浸入を遮蔽し、ウェーハの歩留まり率を改善することを可能とする気相成長装置および気相成長方法を提供する。

なお、本発明においては、ホルダ１０に設けた突出部１０ａを略台形形状として実施の形態を詳細に説明したが、これに限定されるものではなく、略円弧形状、略長方形状のうちいずれでもよい。ウェーハ突き上げ機構９のピン突き上げによりホルダ１０が上方に押し上げられる程度の面積を有していればよい。また、ウェーハ突き上げ機構９のピン本数および突出部１０ａの設置個数は、本実施の形態においては３箇所として実施の形態を詳細に説明したが、２箇所の場合、ホルダ１０を持ち上げた際に不安定でウェーハＷ破損の危険性がある。一方、５箇所以上になると、ホルダ１０の開口角度が狭くなるためウェーハ搬送アーム１２を挿入する際の空間的余裕がなく、ウェーハ搬送アーム挿入時に干渉の危険性が高くなる。従って、突出部１０ａは、３箇所、もしくは４箇所のうちいずれかが好ましい。

なお、本発明においては、円環形状のホルダの周縁部に突出部を設けた形状を有する実施の形態を詳細に説明したが、ウェーハ突き上げ機構のピンが突き当たる面積だけサセプタよりも外周径が大きいホルダの形状でもよい。この場合、ホルダの加工が大変容易となる利点がある。ただし、ホルダの重量は重くなるためウェーハ突き上げ機構のピンにかかる荷重が大きくなり、ピンの強度を上げたり、ホルダを上方に押し上げる際の駆動耐荷重を大きくする必要が出てくるが、本発明の記載に限定されるものではない。

本実施の形態にかかる気相成長装置１の概略構成を示す断面図。本実施の形態にかかる気相成長装置１の図１におけるＥ−Ｅ方向上面図。本実施の形態にかかる気相成長装置へのウェーハ搬送アーム１２挿入状態を示す上面図。本実施の形態にかかる気相成長装置のウェーハＷ設置状態を示す拡大断面図。本実施の形態にかかる気相成長装置のホルダ１０押し上げ状態を示す拡大断面図。本実施の形態にかかる気相成長装置のシングルウェーハマルチチャンバ２０の概略構成を示す構成図。

符号の説明

１気相成長装置
２チャンバ
３ガス供給管
４整流板
５サセプタ
６回転胴
７ガス排気管
８ヒーター
９ウェーハ突き上げ機構
１０ホルダ
１０ａホルダ突出部
１１温度センサ
１２ウェーハ搬送アーム
２０シングルウェーハマルチチャンバ
２１チャンバ
２２チャンバ
２３チャンバ
２４ウェーハ搬送ロボット
Ｗウェーハ
Ａガス供給方向
Ｂガス排気方向
Ｃ回転胴回転方向
Ｄウェーハ突き上げ機構の動作方向
Ｅ−ＥウェーハＷ設置状態の上面図の矢視方向

Claims

周縁部に複数の突出部を有し、ウェーハを収容する円環形状のホルダと、
前記ホルダの円環形状の内周端と当接させる円周状段差を上面に設けた皿型形状のサセプタと、
前記ウェーハを所定の回転速度で回転させる回転駆動機能を有し、前記ホルダを保持する回転胴と、
前記ウェーハを加熱する手段であって、前記回転胴の内部に配置された加熱手段と、
前記回転胴の外側に、前記突出部下面を押し上げるウェーハ突き上げ手段とを備えたことを特徴とする気相成長装置。
前記サセプタは、炭素の基材上に炭化珪素（ＳｉＣ）を被膜したもの、炭化珪素（ＳｉＣ）基材、もしくはシリコン含浸炭化珪素のうちいずれか１つで形成されることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
前記ウェーハ突き上げ手段は、前記ホルダの周縁部に設けられた突出部下面を下方から押し上げるピン形状であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
前記ホルダは、２４０度以上の角度に渡る円環形状の周縁部に突出部を設け、炭素の基材上に炭化珪素（ＳｉＣ）を被膜したもの、炭化珪素（ＳｉＣ）基材、もしくはシリコン含浸炭化珪素のうちいずれか１つで形成されることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
周縁部に複数の突出部を有し、ウェーハを収容する円環形状のホルダと、
前記ホルダの円環形状の内周端と当接させる円周状段差を上面に設けた皿型形状のサセプタと、
前記ウェーハを所定の回転速度で回転させる回転駆動機能を有し、前記ホルダを保持する回転胴と、
前記ウェーハを加熱する手段であって、前記回転胴の内部に配置された加熱手段と、
前記回転胴の外側に、前記突出部下面を押し上げるウェーハ突き上げ手段とを備えた気相成長装置を用いて、前記ウェーハ上に気相成長膜を形成する方法であって、
前記ウェーハ突き上げ手段が前記突出部下面を押し上げた際に、前記ウェーハを搬入するウェーハ搬入工程と、
前記サセプタの上面に設けられた円周状段差と、前記ホルダの円環形状の内周端と、を当接させた際に、前記気相成長膜を形成する気相成長工程と、
前記ウェーハ突き上げ手段が前記突出部下面を押し上げた際に、前記ウェーハを搬出するウェーハ搬出工程と、
を備えたことを特徴とする気相成長方法。