JPH11240796A - エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハを回転可能に垂直に立てて保持
できるエピタキシャル成長装置を得る。 【解決手段】 半導体ウエハの裏面に当接して該ウエハ
を保持する縁部によって囲まれた開口有すると共に、該
開口が縁部に当接状態の半導体ウエハによって塞がれた
ときに反応チャンバ内で隔離された独立空間のキャビテ
ィを形成する保持筐体を備え、前記開口の縁部に半導体
ウエハを垂直に立てて保持した状態で前記保持筐体を水
平軸心回りに回転させる回転駆動機構を更に備えた。

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−Ｃ
ｌ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−Ｓｉ
−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、又、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に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】半導体ウエハを反応チャンバ内に縦向きに
配置する場合には、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する方法もあるが、これでは
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する。

【０００８】そこで、従来は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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかししながら、上記
の如き傾斜したサセプタ上に半導体ウエハの自重を利用
して載置する方法では、傾斜の分だけ占有空間を余分に
必要としてしまう。又、エピタキシャル成長処理によっ
て形成されるエピタキシャル層の抵抗率や膜厚分布を均
一にするためには、処理工程中に半導体ウエハを回転さ
せることが望まれるが、上記方法では半導体ウエハを回
転させることができない。このように、エピタキシャル
成長処理において、半導体ウエハを反応チャンバ内で回
転可能に垂直に立てて固定配置するのは困難であった。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑み、半導体ウエ
ハを回転可能に垂直に立てて保持できる保持手段を備え
たエピタキシャル成長装置を得ることを目的とする。

【００１１】

【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
置では、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装置に
おいて、前記半導体ウエハを反応チャンバ内で垂直方向
に沿って縦に保持する保持筐体を備え、前記保持筐体
は、前記半導体ウエハの裏面に当接して該ウエハを保持
する縁部によって囲まれた開口を有すると共に、該開口
が縁部に当接状態の半導体ウエハによって塞がれたとき
に反応チャンバ内で隔離された独立空間のキャビティを
形成し、更に、前記開口の縁部に半導体ウエハを保持し
た状態で前記保持筐体を水平軸心回りに回転させる回転
駆動機構と、前記キャビティ内へはシリコン材料ガスを
含まないガスを、前記反応チャンバ内へはシリコン材料
ガスを含むガスを流通させるガス流通手段と、を備えた
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に記載のエピタキシャ
ル成長装置において、半導体ウエハの裏面に輻射熱を照
射する加熱手段が、前記キャビティ内に配置されている
ものである。

【００１３】また、請求項３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、前記開口の縁部に
半導体ウエハの裏面を吸着するために、前記キャビティ
の内圧をキャビティ外部における反応チャンバの内圧よ
り低圧に保持する気体圧力制御手段を備えたものであ
る。

【００１４】本発明においては、半導体ウエハを反応チ
ャンバ内で垂直方向に沿って縦に保持する保持手段とし
て、半導体ウエハの裏面に当接して該ウエハを保持する
縁部によって囲まれた開口を有すると共に、該開口が縁
部に当接状態の半導体ウエハによって塞がれたときに反
応チャンバ内で隔離された独立空間のキャビティを形成
する保持筐体を備え、回転駆動機構によって、この保持
筐体を開口の縁部に半導体ウエハを保持した状態で水平
軸心回りに回転させるものである。

【００１５】従って、本発明のエピタキシャル成長装置
によれば、前記保持筐体を介して半導体ウエハを垂直に
立てたまま回転させることができるので、抵抗率および
膜厚分布が均一なエピタキシャル成長膜を半導体ウエハ
表面に形成することが可能となる。

【００１６】また、保持筐体の開口が半導体ウエハの当
接で塞がれているキャビティは、反応チャンバ内で隔離
された独立空間であり、その内へはシリコン材料ガスが
流通されないため、その空間が効果的に利用できる。例
えば、請求項２に記載したように、キャビティ内に加熱
手段を配置することによって、より近くから半導体ウエ
ハの裏面へ輻射熱を照射でき、半導体ウエハの加熱が速
やかに且つ効率的に行える。さらに、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、ウエハを両面か
ら加熱することができる。

【００１７】また、保持筐体の半導体ウエハの保持方法
としては、エピタキシャル成長の処理工程中、半導体ウ
エハを落下させることなく良好に保持できる方法であれ
ば広く利用可能である。例えば、縁部外面に接着剤層を
設けて半導体ウエハの裏面を接着したり、また請求項３
に記載したように、半導体ウエハの裏面を吸着する方法
を用いることができる。

【００１８】この半導体ウエハの吸着は、保持筐体のキ
ャビティがその外部における反応チャンバと隔離された
独立空間であることから、反応チャンバと独立して内圧
を制御することができるので、気体圧力制御手段によっ
てキャビティの内圧を反応チャンバの内圧より低圧に保
持するだけで実現できる。

【００１９】なお、前記キャビテイ内の低圧による吸引
力、即ち、反応チャンバ内とキャビテイ内との圧力差
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。

【００２０】具体的には、上限を、シリコンの１０００
℃以上の高温加熱における降伏応力（およそ１×１０⁷
Ｐａより）より充分低く、下限は直径４００ｍｍ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
る圧力差に設定することが考えられる。例えば１×１０
⁴ Ｐａ以上、５×１０⁴ Ｐａ以下という範囲内であれば
上記条件は満たされる。

【００２１】また、本発明によるエピタキシャル成長装
置では、保持筐体による半導体ウエハの保持は一枚に限
らず、例えば２個の保持筐体を同一反応チャンバに設
け、各々に半導体ウエハを保持させ、２枚同時にエピタ
キシャル成長処理を行わせるなど、保持筐体の数に応じ
た複数枚の半導体ウエハの同時エピタキシャル成長処理
が可能である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施の形態と
して、反応チャンバ内で一枚の半導体ウエハを垂直方向
に沿って縦に吸着保持する保持筐体を備えたエピタキシ
ャル成長装置の概略構成を図１の縦断面図に示す。

【００２３】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内に、
チャンバ外のモータ等の回転駆動機構９によって水平軸
心回りに回転可能に保持筐体２を備えている。

【００２４】この保持筐体２は、反応チャンバ１の中央
部に向かって開いた開口を持ち、リング状の開口縁部３
の上面が垂直方向に沿ったものである。また、保持筐体
２の開口に対向する底部側は、チャンバ壁面から突設さ
れたサポート壁７によって摺動可能に支持されており、
保持筐体２の回転中の軸ブレを防止し、常に安定した回
転状態が得られる。

【００２５】保持筐体２は、半導体ウエハ１０の裏面周
辺が開口縁部３に当接して開口を塞いだ状態で形成され
るキャビティ４は、反応チャンバ１内で隔離された独立
空間であり、またチャンバ外の回転駆動機構９やその他
周辺機器との連結部はシールドされており、気体圧力制
御手段（不図示）によってその外部である反応チャンバ
１の内圧より低圧にすることによって半導体ウエハ１０
を吸着保持することができる。

【００２６】また、本実施形態においては、保持筐体２
のキャビティ４内にヒータ５が備えられている。このヒ
ータ５は、保持筐体２の開口縁部３に吸着保持されてい
る半導体ウエハ１０に対してその裏面に輻射熱を近接位
置から直接照射するものであり、効率良く加熱できるも
のである。

【００２７】さらに、このキャビティ４内には、シリコ
ン材料ガスを含まない水素ガスのみを流通させるガス供
給管６が導入されている。なお、これらヒータ５および
ガス供給管６は、保持筐体２の回転機構とは独立して設
置されている。

【００２８】なお、反応チャンバ１内には、内部を縦に
仕切るように隔壁８が設けられている。この隔壁８は、
開口縁部３に当接状態の半導体ウエハ１０の表面とほぼ
同一平面上に存在するように、丁度、保持筐体２の開口
と重なる位置に少なくとも半導体ウエハ１０の表面積に
一致する大きさの開口を持つものである。これは、シリ
コン材料ガスを含む反応ガスが保持筐体２の周辺まで回
り込むことを防いで、半導体ウエハ１０の表面のみに効
率よく層流の反応ガスを供給するためのものである。

【００２９】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、半導体ウエハ１０を反応チャンバ１内の隔
壁８より保持筐体２の反対側へ入れ、隔壁８の開口から
保持筐体２の開口縁部３へ半導体ウエハ１０の裏面を当
接させる。

【００３０】この当接状態にて、気体圧力制御手段によ
ってキャビティ４内をその外部における反応チャンバ１
の内圧より低圧にする。例えば反応チャンバ１の内圧を
７×１０⁴ Ｐａとし、キャビティ４の内圧を３×１０⁴
Ｐａとした。この圧力差（４×１０⁴ Ｐａ）によって、
半導体ウエハ１０は保持筐体２の開口縁部３に吸着保持
される。この圧力差は、この後エピタキシャル成長処理
終了まで維持する。

【００３１】この半導体ウエハ１０の吸着保持状態を保
ちつつ、回転駆動機構９の駆動制御によって保持筐体２
を例えば数ｒｐｍ〜数十ｒｐｍ以上の一定速度で回転さ
せ、またヒータ５による加熱を始める。このヒータ５に
よる加熱は、非常に近い位置から行われるため、エピタ
キシャル成長条件に必要な高温（約１０００℃）まで半
導体ウエハ１０を加熱するのに従来の反応チャンバ１外
からの加熱より短時間で済む。また、保持筐体２を介し
た半導体ウエハ１０の回転により、加熱状態も均一とな
る。

【００３２】更に、ガス供給管６からキャビティ４内へ
水素ガスを流通させる一方、反応チャンバ１内の半導体
ウエハ１０の表面側へ反応ガスの層流を上方から下方へ
（あるいは下方から上方へ）送り込み、エピタキシャル
成長を開始する。このエピタキシャル膜形成の間中、半
導体ウエハ１０は保持筐体２を介して一定の速度で回転
しているため、膜厚分布も均一であり、そりや結晶欠陥
を発生することなく高品質なエピタキシャル成長膜が形
成された半導体ウエハが得られる。

【００３３】なお、上記実施形態においては、吸着によ
って半導体ウエハ１０を保持筐体２に保持する構成とし
たが、本発明はこの方法に限定されるものではなく、例
えば開口縁部３上に接着剤層を設けて半導体ウエハ１０
の裏面を接着保持する等、半導体ウエハを垂直に回転可
能に保持できる方法であれば良い。

【００３４】また、上記実施形態では、一つの保持筐体
を備え、一枚の半導体ウエハについてエピタキシャル成
長処理を行う装置を示したが、同一反応チャンバ内に複
数の保持筐体を備え、一枚以上の半導体ウエハについて
同時ににエピタキシャル成長処理を行う構成としても良
い。

【００３５】

【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、半導体ウエハを落下させるこ
となく回転可能に垂直に保持することができ、抵抗率及
び膜厚分布が均一なエピタキシャル成長膜が形成された
高品質な半導体ウエハを得ることができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるエピタキシャル成
長装置の概略構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１：反応チャンバ ２：保持筐体 ３：開口縁部 ４：キャビティ ５：ヒータ ６：ガス供給管 ７：サポート壁 ８：隔壁 ９：回転駆動機構 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、 前記半導体ウエハを反応チャンバ内で垂直方向に沿って
   縦に保持する保持筐体を備え、 前記保持筐体は、前記半導体ウエハの裏面に当接して該
   ウエハを保持する縁部によって囲まれた開口を有すると
   共に、該開口が縁部に当接状態の半導体ウエハによって
   塞がれたときに反応チャンバ内で隔離された独立空間の
   キャビティを形成し、 更に、前記開口の縁部に半導体ウエハを保持した状態で
   前記保持筐体を水平軸心回りに回転させる回転駆動機構
   と、 前記キャビティ内へはシリコン材料ガスを含まないガス
   を、前記反応チャンバ内へはシリコン材料ガスを含むガ
   スを流通させるガス流通手段と、を備えたことを特徴と
   するエピタキシャル成長装置。
2. 【請求項２】 半導体ウエハの裏面に輻射熱を照射する
   加熱手段が、前記キャビティ内に配置されていることを
   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】 前記開口の縁部に半導体ウエハの裏面を
   吸着するために、前記キャビティの内圧をキャビティ外
   部における反応チャンバの内圧より低圧に保持する気体
   圧力制御手段を備えた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。