JPH11240795A - エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハを傷つけることなく、且つ落下
させることなく垂直方向に沿って縦に固定保持できる保
持機構を備えたエピタキシャル成長装置を得る。 【解決手段】 反応チャンバの内部に垂直方向に沿って
配置され、反応チャンバ内部を仕切って第１の独立空間
と第２の独立空間とを形成する隔壁に備えた半導体ウエ
ハを保持させるための保持機構にて、圧力制御手段によ
って第１の独立空間の内圧を第２の独立空間の内圧より
低く設定することにより、隔壁の半導体ウエハ当接領域
に分散して形成された複数の貫通孔を介して、半導体ウ
エハを隔壁の吸着固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ基板
の表面にエピタキシャル成長させるためのエピタキシャ
ル成長装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、シリコンエピタキシャル成長方法
として最も広く研究、応用されているのは、Ｈ−Ｓｉ−
Ｃｌ系ＣＶＤ（Chemical vapor deposition)法である。
これは、高温に加熱されたシリコン基板上に水素キャリ
アによりシリコンソースガスを供給し、基板上でＨ−Ｓ
ｉ−Ｃｌ系の反応を通じてシリコン単結晶を堆積、成長
させるものである。シリコンソースガスとしては、SiCl
₄ ，SiHCl₃，SiH₂Cl₂ またはSiH₄、が一般的である。

【０００３】このようなエピタキシャル成長を行なう成
長炉装置として、従来から各種のものが用いられてい
る。例えば、ハロゲンランプや赤外線ランプ等による輻
射加熱方式で加熱されるチャンバ内のサセプタ上に基板
を載置し、反応ガスをチャンバ内に送り込むものが挙げ
られる。

【０００４】上記のような従来のエピタキシャル成長方
法や装置では、半導体ウエハはチャンバ内のサセプタ上
に載置されたまま、水素等の基準ガス雰囲気中で加熱さ
れた後、基準ガス中に新たに材料ガスを放出してウエハ
表面上に供給することによって、基準ガスに材料ガスが
混ざった反応ガスを生じせしめ、成長が開始されるもの
である。

【０００５】近年、半導体ウエハの大口径化に伴って、
反応炉の大型化も当然避けられないものとなっている。
そこで、大口径ウエハ用の成長炉としては枚葉式が一般
的となっている。これは、枚葉処理であるので反応室自
体はコンパクトにでき、また、加熱条件、ガス流分布等
の設計が容易でエピタキシャル膜特性の均一性を高くで
きる。

【０００６】一方、反応室をコンパクトにできると共
に、ウエハの結晶欠陥の原因となり得る自重による反り
を防止でき、また１枚以上の半導体ウエハの同時エピタ
キシャル成長処理が可能な縦置き型の利用も検討されて
いる。この縦置き型では、例えば、円筒状の成長炉内に
半導体ウエハを垂直方向に沿って置き、上下方向に層流
の反応ガスを供給することによって半導体ウエハの表面
上にエピタキシャル成長を施すことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかししながら、半導
体ウエハを反応チャンバ内で垂直に立てて固定配置する
のは困難であった。半導体ウエハを縦向きに配置する場
合には、例えば、固定治具によって半導体ウエハの周辺
部等を直接挟持して固定したり、反応チャンバ内に若干
の傾斜を持たせて立てたサセプタ下部にザグリを刻み、
そのサセプタ上に半導体ウエハを載置し、半導体ウエハ
の自重とウエハ下部の前記ザグリへの掛止によって落下
を防止するという方法を用いていた。

【０００８】上記の如き固定治具を用いて半導体ウエハ
を固定する方法では、半導体ウエハに直接触れて傷や汚
染による欠陥発生の原因となり得るだけでなく、治具を
含む周辺構造が複雑で装置全体の大型化につながるとい
う問題を有し、また、サセプタの傾きと半導体ウエハの
自重を利用したものでは、傾斜の分だけ占有空間を余分
に必要とし、また、例えばエピタキシャル成長処理中に
半導体ウエハを回転させることができないという問題が
あった。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑み、半導体ウエ
ハを傷つけることなく垂直に固定配置できると共に、半
導体ウエハを回転させても落下させることなく良好に保
持できる保持機構を備えたエピタキシャル成長装置を得
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係るエピタキシャル成長装
置は、反応チャンバの内部で高温下の半導体ウエハの表
面に反応ガスの還元または熱分解によってＳｉエピタキ
シャル層を析出成長させるエピタキシャル成長炉におい
て、反応チャンバの内部に垂直方向に沿って配置され、
反応チャンバ内部を仕切って第１の独立空間と第２の独
立空間とを形成する隔壁と、該隔壁に半導体ウエハを保
持させるための保持機構と、を備え、前記保持機構は、
前記半導体ウエハがその表面を第２の独立空間に露呈し
た状態で当接する隔壁の領域に分散して形成された複数
の貫通孔と、前記第１の独立空間の内圧を第２の独立空
間の内圧より低く設定する圧力制御手段とを有するもの
である。

【００１１】また、請求項２に記載の発明に係るエピタ
キシャル成長装置では、請求項１に記載のエピタキシャ
ル成長装置において、前記第１の独立空間と第２の独立
空間との内圧差を、１×１０⁴ Ｐａ以上、５×１０⁴ Ｐ
ａ以下の範囲内としたものである。

【００１２】また、請求項２に記載の発明に係るエピタ
キシャル成長装置では、請求項１または請求項２に記載
のエピタキシャル成長装置において、前記貫通孔の半導
体ウエハの表面積に対する開口比を、１％以上、５％以
下の範囲内としたものである。

【００１３】本発明においては、隔壁によって反応チャ
ンバ内部に第１と第２の独立空間を形成し、圧力制御手
段によって第１の独立空間の内圧を第２の独立空間の内
圧より低く設定することによって、第２の独立空間に表
面を露呈するように隔壁に当接させた半導体ウエハは、
裏面側で隔壁に形成された貫通孔を介して吸引保持され
る。

【００１４】従って、治具を用いる場合のように、直接
部材が半導体ウエハを押さえ込むことがないので、ウエ
ハを傷つけることなく、良好に、隔壁が垂直であれば、
垂直方向に沿って半導体ウエハを縦に保持することがで
きる。

【００１５】なお、第１の独立空間内と第２の独立空間
内との圧力差は、若干の圧力変動や振動によって半導体
ウエハを落下することがないと共に、半導体ウエハに欠
陥を生じさせるほどのストレスをかけることのないよう
に、適当な範囲を設定することが望ましい。

【００１６】そこで、前記圧力差の適当な範囲として、
請求項２に記載したように、１×１０⁴ Ｐａ以上、５×
１０⁴ Ｐａ以下とした。この下限は、例えば、直径４０
０ｍｍの所謂大口径半導体ウエハであっても充分安定に
吸引保持できる圧力差であり、また、上限は、シリコン
の１０００℃以上の高温加熱における降伏応力として実
験的に求められたおよその値である１×１０⁷ Ｐａより
２桁以上の開きがあり、半導体ウエハに欠陥を発生させ
ることはない。

【００１７】また、吸引のための貫通孔は、できるだけ
多くのものを均一に分散させることが、圧力分散して半
導体ウエハの吸着保持もより均一で安定なものとなる。
従って、貫通孔の開口は小さい方が望ましい。

【００１８】一方、エピタキシャル成長処理において
は、通常、反応チャンバ内に設置された半導体ウエハを
外部のヒータ等の加熱手段からの輻射熱照射によって反
応条件温度となるよう裏面側からサセプタを介して加熱
している。従って、輻射熱の照射による加熱が均一とな
るには、貫通孔の径は０．５〜１．０ｍｍが適当であ
る。これより小さい径では、目詰まりしやすくてクリー
ニングが非常に困難であると共に、全貫通孔数が非常に
多くなり、特に大口径ウエハ相当の面積においてはあま
りにも多くなりすぎて貫通孔の制作工程への負担から実
用的ではない。また、前記範囲を超えて大きくなると、
温度ムラが大きくなってウエハへの均一加熱が難しくな
ってしまう。

【００１９】このような範囲内に設定される径を持つ貫
通孔は、請求項３に記載したように半導体ウエハの表面
積に対する全開口比が１％以上、５％以下の範囲内とし
た場合、適度に多くの孔数が得られ、圧力分散して均一
な吸着保持が得られる。例えば、直径４００ｍｍの半導
体ウエハに対して５％の開口比とすると、貫通孔径が１
ｍｍのとき、貫通孔数は約８０００個となり、０．５ｍ
ｍのときは約３００００個もの貫通孔が得られる。

【００２０】なお、開口比が１％より小さいと、貫通孔
数が少なく、特に直径４００ｍｍの大口径半導体ウエハ
に対する吸引圧の分散が不十分で安定な吸着保持が難し
くなる。一方、５％を超えると、貫通孔の数があまりに
もおおくなり、後述するように貫通孔に傾斜を持たせた
い場合、隣り合う貫通孔同士の間隔が小さすぎて傾斜を
つけることができなくなる。

【００２１】また、貫通孔は隔壁に対して直行方向に形
成するのが設計上簡便であるが、隔壁を介して半導体ウ
エハを加熱するためのヒータから直進してくる輻射熱
（赤外線）が、貫通孔を通って部分的に直接ウエハに当
たると、温度ムラを生じる可能性がある。そこで、貫通
孔を、隔壁に対して直行方向より傾斜をつけて形成する
ことにより、貫通孔内に入ってくる赤外光はほとんど孔
壁にぶつかるため、ウエハへの直接の照射は大幅に低減
される。その角度としては、例えば、隔壁の半導体ウエ
ハ当接領域を例えばＳｉＣや石英、グラファイト等を基
材として形成した一般的なサセプタで構成し、このサセ
プタの厚さ５ｍｍ、貫通孔径１．０ｍｍの場合、隔壁
面、ここではサセプタ表面に対する直行方向より約１２
度以上、２２度以下の傾斜が好ましい。これより小さい
と、加熱源からの輻射光が直接半導体ウエハに達してし
まい、温度ムラを生じさせてしまう。

【００２２】また、本発明の構成によれば、隔壁の、少
なくとも複数の貫通孔が形成された半導体ウエハが当接
する領域を含む部分をその周囲の隔壁に対して分離し、
回転可能とすれば、半導体ウエハを垂直方向に沿って保
持したまま回転することもでき、より均一な加熱状態が
得られる。例えば、隔壁の一部を着脱可能なサセプタで
構成し、このサセプタを回転可能にする構成が考えられ
る。

【００２３】さらに、本発明の構成においては、第１の
独立空間は、隔壁によって半導体ウエハ表面へのエピタ
キシャル成長処理のために反応ガスが送られる第２の独
立空間に対して、隔離されたものであるので、この第１
の独立空間内の隔壁近くにヒータ等の加熱手段をおくこ
とができる。また、半導体ウエハ表面側のチャンバ外に
も加熱手段を配置し、ウエハ両面を加熱することができ
る。このように、本発明のエピタキシャル成長装置にお
いては、半導体ウエハをより近くで加熱できるため、反
応に必要な高温条件までの加熱が速やかに、且つ効率良
く行える。この場合、加熱手段の設置は、第１の独立空
間内の圧力制御に影響を生じない設計とすれば良い。

【００２４】なお、本発明によるエピタキシャル成長装
置では、隔壁の保持機構による半導体ウエハの保持は一
枚に限らず、例えば同一隔壁の縦方向に２枚配置して同
時にエピタキシャル成長処理を行ったり、また、２つの
隔壁を互いに対向して設け、両隔壁に挟まれた空間を第
２の独立空間とし、それぞれの隔壁に半導体ウエハを保
持し、同時にエピタキシャル成長処理を行うというよう
に、複数枚の半導体ウエハを同時に処理できる構成とし
ても良い。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施の形態と
して、反応チャンバ内に一枚の半導体ウエハを垂直方向
に沿って縦に配置してエピタキシャル成長を行うための
成長装置を、図１の概略構成図に示す。（ａ）はＹ−Ｙ
部分側断面図、（ｂ）はＸ−Ｘ部分横断面図である。

【００２６】本実施形態によるエピタキシャル成長装置
は、断面楕円で逆釣鐘形状縦型の反応チャンバ１内を、
隔壁２によって互いに独立した第２の独立空間としての
Ａ室と、第１の独立空間としてのＢ室とに仕切ったもの
である。また、隔壁２は、一部をサセプタ３で構成する
ものとし、具体的には、隔壁２の中央部の開口を塞ぐよ
うにサセプタ３を着脱可能に固定できるものとした。な
お、サセプタ３を回転機構によって周辺の隔壁に対して
回転可能に固定する方法としてもよい。

【００２７】本実施形態では、回転機構に関しては省
き、例えば、所謂バヨネット方式等を利用してサセプタ
３を隔壁２に固定する場合を説明する。即ち隔壁２の開
口内周およびサセプタ３外周に突起や爪部を形成して相
対回転により互いに係止状態となり固定するものであ
る。またサセプタ３は、半導体ウエハ１０がその表面を
Ａ室側に露呈した状態で載置されるものとする。このサ
セプタ３の半導体ウエハ１０載置領域には、複数の貫通
孔４が形成されている。

【００２８】本実施形態においては、半導体ウエハ１０
が直径４００ｍｍのものであるとし、貫通孔４の径を
１．０ｍｍ、ウエハ表面に対する全開口比を約５％とす
る。従って、貫通孔４の数は約８０００個である。貫通
孔４の配列は、分散が均一であるほど、後述する圧力や
加熱も均一に分散される。配列は種々なパターンが採用
可能であるが、たとえば、図２の平面図に示すような同
心円状のものや、図３の放射状、あるいはこれらを組み
合わせたものが考えられる。また、全体的に均一な分散
であれば、図４のようにランダムな配列でも良い。

【００２９】また、本エピタキシャル成長装置では、反
応チャンバ１の外部に、Ａ室内へのみシリコン材料ガス
を含む反応ガスを送り込み、Ｂ室へは材料ガスを含まな
い基準ガス（水素ガス）のみを送り込むガス供給手段
（不図示）と、Ａ室内圧およびＢ室内圧をそれぞれコン
トロールする圧力制御手段（不図示）とを備えている。

【００３０】また、Ｂ室内には、反応チャンバ１外部か
ら駆動制御されるヒータ５をサセプタ３近傍に配置し
た。このように近傍に位置するヒータ５によって、半導
体ウエハ１０は裏面側からサセプタ３を介して速やかに
且つ効率よく加熱される。

【００３１】上記のごとき構成のエピタキシャル成長装
置における半導体ウエハ１０表面へのエピタキシャル成
長処理工程においては、まず、たとえばロボットアーム
等を用いてその先端にサセプタ３の貫通孔４の一部を介
して吸引固定した半導体ウエハ１０を反応チャンバ１内
へＢ室側から入れ、ウエハ表面をＡ室側へ露呈するよう
にサセプタ３を隔壁２に固定する。

【００３２】その後、圧力制御手段によって、たとえば
Ａ室の内圧を９×１０⁴ Ｐａ、Ｂ室の内圧を５×１０⁴
Ｐａとし、両室の圧力差を４×１０⁴ Ｐａとした。この
ようにＡ室の内圧をＢ室より高くすることによって、前
記ロボットアームによる吸引固定を解除しても、半導体
ウエハ１０はサセプタ３の貫通孔４を介して半導体ウエ
ハに決勝欠陥を生じない範囲で強力に吸引固定される。

【００３３】このＡ室およびＢ室の各内圧を前記値に維
持しつつ、Ｂ室内のヒータ５による加熱を始める。半導
体ウエハ１０がエピタキシャル成長反応に必要な高温、
たとえば１０００℃まで達したら、Ａ室内へ反応ガスを
上方から下方へ（あるいは下方から上方へ）送り込み、
エピタキシャル成長反応を開始する。この処理の間中維
持されるＡ室とＢ室との差圧によって、常に半導体ウエ
ハ１０は垂直のまま安定に保持され、欠陥の原因となる
ような傷も、そりも生じることなく、良好にエピタキシ
ャル成長膜が形成された高品質の半導体ウエハが得られ
る。

【００３４】なお、上記実施の形態においては、一度に
一枚の半導体ウエハ１０のみを処理する構成としたが、
同一反応チャンバ内を互いに対向する２つの隔壁で仕切
ったり、２重チャンバの中チャンバを隔壁とするなど、
隔壁の設計をくふうすることによって、一枚以上の半導
体ウエハを同時に処理できる構成としても良い。

【００３５】また、サセプタ３を回転させる回転機構を
設けることによって、半導体ウエハ１０をエピタキシャ
ル成長処理中回転させ、加熱状態やエピタキシャル成長
膜の形成をより均一にすることもできる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明のエピタキ
シャル成長装置によれば、簡便な構成でありながら、反
応チャンバ内で半導体ウエハを垂直方向に沿って安定に
縦に保持でき、欠陥の原因となるような傷やそり等の発
生を回避でき、従来より良好なエピタキシャル成長膜形
成が可能となるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるエピタキシャル成長
装置の概略構成図であり、（ａ）はＹ−Ｙ部分側断面
図、（ｂ）はＸ−Ｘ部分横断面図である。

【図２】貫通孔の配列の一例を示す平面模式図である。

【図３】貫通孔の配列の他の例を示す平面模式図であ
る。

【図４】貫通孔の配列の他の例を示す平面模式図であ
る。

【符号の説明】

１：反応チャンバ ２：隔壁 ３，１３，２３：サセプタ ４，１４，２４：貫通孔 ５：ヒータ １０：半導体ウエハ

フロントページの続き (72)発明者 中原 信司 群馬県安中市中野谷555番地の１ 株式会 社スーパーシリコン研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応チャンバの内部で高温下の半導体ウ
   エハの表面に反応ガスの還元または熱分解によってＳｉ
   エピタキシャル層を析出成長させるエピタキシャル成長
   装置において、 反応チャンバの内部に垂直方向に沿って配置され、反応
   チャンバ内部を仕切って第１の独立空間と第２の独立空
   間とを形成する隔壁と、 該隔壁に半導体ウエハを保持させるための保持機構と、
   を備え、 前記保持機構は、前記半導体ウエハがその表面を第２の
   独立空間に露呈した状態で当接する隔壁の領域に分散し
   て形成された複数の貫通孔と、前記第１の独立空間の内
   圧を第２の独立空間の内圧より低く設定する圧力制御手
   段とを有することを特徴とするエピタキシャル成長装
   置。
2. 【請求項２】 前記第１の独立空間と第２の独立空間と
   の内圧差は、１×１０⁴ Ｐａ以上、５×１０⁴ Ｐａ以下
   の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のエピ
   タキシャル成長装置。
3. 【請求項３】 前記貫通孔の半導体ウエハの表面積に対
   する開口比は、１％以上、５％以下の範囲内であること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のエピタキ
   シャル成長装置。