WO2000007228A1 - Four de croissance epitaxiale - Google Patents

Description

明 細 書

ェピタキシャル成長炉

技術分野

本発明は、 半導体ウェハの表面にェピタキシャル層を形成するためのェピタキ シャル成長炉に関するものであり、 詳しくは、 炉内で半導体ウェハを保持するた めのウェハホノレダに関するものである。

背景技術

現在、 シリ コンェ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— S i — C 1系 C V D (Chemical vapor depoid t ion)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ヤリァによりシリ コン材料ガスを供給 し、 基板上で H— S i —C 1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 コン材料ガスとしては、 S iCl 4 , S i HCl a , SiH₂C] ₂ ， SiH₄、 が一般的である。

このようなェピタキシャル成長には、 対象となる半導体ウェハをシールドチヤ ンバ内のサセプタ上に保持し、 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しつつ材料ガスをチヤンバ内に送り込む構成を持った成長炉 装置が用いられている。 装置のチャンバ内で半導体ウェハを水素等の基準ガス雰 囲気中で加熱した後、 基準ガス中に新たに材料ガスを放出してウェハ表面上に供 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、 そ の表面上にェピタキシャル成長層が形成される。

近年、 半導体ウェ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、 大口径ウェ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 卜にでき、 また、 加熱条件、 ガス流分布等の設計が容易でェピタキシャル膜特性の均一性を高くで きる。

ェピタキシャル成長層はもちろん半導体ウェハの対象表面上に効率よく形成さ れるのが望ましいが、 実際は、 チャンバ內で材料ガスに触れるもの全ての面上に 反応生成物の堆積が起こってしまう。 このような必要ない部分への反応生成物の 堆積は高品質のウェハ製造を妨げる原因になり得るものである。 特に、 半導体ウェハの周辺のウェハ保持機構の可動部にこの反応生成物の堆積 が生じると、 可動に伴って生成物が剥離してウェハ表面上に落下し、 パーテイク ル汚染となる場合がある。

また、 材料ガスが半導体ウェハの周縁からウェハの裏面側へ回り込んでしまう と、 ウェハ裏面上にェピタキシャル成長層が形成されてしまうだけでなく、 裏面 側に配置されている加熱機構にも生成物が付着し、 ェピタキシャル成長反応中で のゥェハに対する加熱量に変化が生じるなど、 ウェハの品質を低下させる可能性 もあった。

本発明は、 上記問題点に鑑み、 半導体ウェハ表面へのパ一ティクル汚染の原因 となる反応生成物の堆積を防止し得る半導体ウェハ保持機構を備えたェピタキシ ャル成長炉の提供を目的とする。 また、 本発明は、 材料ガスのウェハ周縁から裏 面側への回り込みを防止し得る半導体ウェハ保持機構を備えたェピタキシャル成 長炉の提供を目的とする。

発明の開示

本発明に係るェピタキシャル成長炉は、 シールドチヤンバ內で半導体ウェハの 成長対象表面に高温下で材料ガスを供給することにより前記表面にェピタキシャ ル層を形成するためのェピタキシャル成長炉において、 前記半導体ウェハの成長 対象表面を露呈させる開口部と、 半導体ウェハの成長対象表面側の周縁の面取り テーパー面に全周に亘つて係合する開口縁部と、 半導体ウェハの成長対象表面の 裏面側でウェハ外周部と解除可能に係合する複数の爪部と、 を有するウェハホル ダを備えたものである。

本発明においては、 半導体ウェハをその表面側周縁の面取りテーバー面に全周 に亘って嵌合する開口縁部で支持し、 ゥェハ裏面側の外周部を複数の爪部で解除 可能に係止することによって半導体ウェハを保持するウェハホルダを備えたもの である。 即ち、 本発明におけるウェハ保持機構の可動部は爪部であり、 この可動 部はウェハの裏面側のみに位置することになる。

従って、 本発明のェピタキシャル成長炉内でウェハを保持するウェハホルダに おいては、 可動部の可動によって発塵が生じても、 またこの可動部に反応生成物 が堆積したとしても、 塵や剥離した反応生成物がウェハ表面上に落下して汚染す ることは回避される。

本発明におけるウェハホルダにおいてウェハ表面側の周緣面取りテ一パ一面を 支持するのはウェハ外周形状に合致嵌合する形状をもった開口縁部であるが、 こ の開口縁部はウェハ表面側のテーパー面と全周接触するものであるため、 ホルダ 開口は完全にウェハによって塞がれ、 ホルダとウェハ周縁との間には実質的に隙 間がなくなる。

従って、 ウェハ表面側にのみ材料ガスを供給する場合、 ホルダとウェハ周縁と の間を通って材料ガスがウェハ表面側から裏面側へ回り込むことはない。 このた め、 ウェハ裏面側へ回り込んだ材料ガスがウェハ裏面付近に配置されている加熱 機構に接触して反応生成物を堆積して均一な加熱状態の維持を困難にするという こともなく、 ウェハの品質低下をまねく恐れもない。

なお、 材料ガスをウェハ表面側のみに供給し、 ホルダ外周縁からウェハ裏面側 へ回り込むことがないような材料ガス供給の構成と しては、 例えば、 チャンバ內 に互いに表面側が平行に対向するように 2枚の半導体ウェハを近接配置する構成 とし、 上下の給排気機構によってこの 2枚のウェハ間にのみ材料ガスを層流とし て流通させる構成が考えられる。 さらに、 これら 2枚のウェハの全周を覆うこと によって、 周辺から隔離された独立した反応空間を形成し、 この反応空間内に専 ら材料ガスを流通させる構成としても良レ、。

本発明の好適な態様によるェピタキシャル成長炉は、 前記ウェハホルダの開口 緣部が、 半導体ウェハの成長対象表面側の周縁の面取りテーパー面のみと全周に 亘り接触するものである。 前記開口縁部は、 テ一パ一面のみとの接触によっても ウェハを表面側に開口を抜けることなく支持することはでき、 この場合、 開口縁 部はテーバー面以外のウェハ表面の周辺に接触して覆うことがないため、 ェピタ キシャル層を形成できるウェハ表面の有効面積をより広くすることができるとと もに、 開口縁部の周辺を覆う領域に反応生成物が堆積して汚染の原因となること もない。

また、 本発明におけるウェハホルダの複数の爪部の、 裏面側でウェハ外周部と 解除可能に係合する構成としては、 パネを利用したものが簡便である。 即ち、 開 口の中心方向に予付勢するパネ手段と、 該バネ手段の付勢に抗して爪部を開放状 態に口ックする解除可能な操作機構である。

半導体ウェハをホルダに保持する際には、 まず操作機構で各爪部をパネ手段の 予付勢に対抗してホルダ外周方向へ付勢した開放状態と し、 ホルダの爪部を備え た面 （ホルダ裏面） 側から開口を塞ぐように、 且つウェハ表面側の周縁面取りテ —パ面を開口周縁に当接させながら半導体ウェハを載置する。 ウェハ載置後、 各 爪部のホルダ外周方向への付勢をとけば、 各爪部はパネ手段の開口中心方向への 付勢によってウェハ裏面側の周縁を開口中心方向に押圧し、 互いに挟み込んでゥ ェハ保持状態が得られる。

なお、 この複数の爪部によるウェハに対する押圧力は互いに均一に分散するよ うに、 爪部をホルダ周上に等角度間隔で配置することが好ましい。 これは、 不均 一な複数の爪部による押圧は、 半導体ウェハへ局所的な加重が作用し、 押圧方向 がちよ う どウェハの物性上弱い部分に合致すると、 半導体ウェハにス トレスを与 え、 その結果、 ェピタキシャル成長時の高温環境下においては、 結晶がすべり変 形してウェハ表面に段差が生じる、 所謂スリ ップ欠陥を誘発する恐れがあるため である。

さらに、 爪部の配置は、 半導体ウェハの機械的強度が大きい部位に対してそれ ぞれ互いに均一な押圧力が作用する位置および数とすることが最も望ましい。 例 えば、 半導体ウェハは結晶面 （ 1 0 0 ) で切り出されたシリ コンウェハ基板であ るのが一般的であり、 この場合、 表面の結晶方位 < 1 1 0 >上の位置で機械的強 度が最も大きことが知られている。

従って、 ウェハホルダの各爪部の半導体ウェハに対する相対位置は、 各爪部に よる押圧方向が半導体ウェハ結晶方位く 1 1 0〉上に一致するホルダ周上の 4部 位となるようにすれば、 少なく とも物性上最も機械的強度の大きい部位で半導体 ウェハを押圧挟持することになるため、 より安定に半導体ウェハを保持すること ができる。 これは、 特に重量の大きい大口径半導体ウェハに有利である。

実際、 半導体ウェハを保持するだけであれば、 2つの爪部で可能であるが、 2 点支持では自重により ウェハが橈み易く、 特に大口径ウェハでその傾向が顕著に である。 そこで、 本発明におけるウェハホルダでは、 少なく とも 3つの爪部を有 する構成とする。 設計、 製造上は、 この 3つ或いは上記の如き 4つの爪部を持つ 構成が簡便である。 もちろん、 5つ以上でもかまわないが、 いずれにしてもホル ダ周上に等角度間隔で配置する。

なお、 半導体ウェハの表面側だけでなく裏面側周縁にも面取りテーパー面が形 成されている場合は、 各爪部の当接部分にウェハの表裏両面側周縁のテーパー面 に対応する斜面部を持つ形状とすることによって半導体ウェハの保持状態をより 安定なものにできる。

また、 上記のように半導体ウェハの周縁を表面側と裏面側から保持する構成を 持つ本発明におけるウェハホルダは、 半導体ウェハを縦置き （ウェハ表面を垂直 方向に沿って立てて置く） にできるため、 ウェ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枚以上の半導体ウェハの同時ェピタキシャル成 長処理が可能で大口径ウェハに適すると思われる縦置き型に採用できる _c,

図面の簡単な説明

図 1は 本発明の一実施例としてのェピタキシャル成長炉のチャンバ内をゥェ ハ裏面側から見た概略正面図である。

図 2は、 図 1のチヤンバ内を側面側から見た縦断面図である。

図 3は、 図 ίのェピタキシャル成長炉に用いたウェハホルダの構成図であり ( a ) は裏面側から見た平面図であり、 （b ) は横断面図である。

図 4は、 図 3のウェハホルダの爪部操作機構の構成図であり （ a ) はホルダ裏 面側から見た部分拡大平面図であり （ b ) は横部分断面図、 （c ) は爪部付近の 横断面拡大図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明の一実施例によるェピタキシャル成長炉は、 パネ式操作機構によって操 作される複数の爪部を持つウェハホルダを用い、 半導体ウェハ 2枚同時にェピタ キシャル層を形成できる構成を備えている。

本実施例のェピタキシャル成長炉では、 図 1のチャンバ內を半導体ウェハ裏面 側から見た概略正面図および図 2のチャンバを側面側からみた中央断面図に示す ように、 一対の略円筒ドラム状のサセプタ 2がそれぞれ回転可能にチヤンバ :1内 に支持されている。

この両サセプタ 2の互いに対向する円筒 ドラムの- 端側開口には、 それぞれゥ ェハ 1 0が成長対象表面が互いに対向状態で露呈するようにウェハホルダ 1 1 を 介して垂直方向に立てて保持される。 このサセプタ開口周縁は、 ウェハホルダ 1 1 の外周形状に合致し、 このサセプタ開口を塞ぐようにウェハホルダ t 1の周辺 部が口ック機構 Rによって解除可能に挟持されるものとした。

一方、 サセブタ 2の外周面上には、 複数のベ一ンからなる回転用フィン 3が取 り付けられている。 このフィン 3は、 回転用ガス供給管 4からべ一ンに吹き付け られるガス供給によって回転し、 フィン 3の回転に伴う円筒ドラム状のサセプタ 2の水平軸回りの回転によってウェハホルダ 1 1 と共に垂直面内に保持されてい る半導体ウェハ 1 0も水平軸回りに回転される。

図 3は本実施形態のェピタキシャル成長炉に用いたウェハホルダ 1 1の構成を 示すものであり、 （ a ) は裏面側から見た平面図で （ b ) は横断面図である。 ま た図 4はウェハホルダ 1 1のバネ式操作機構を示すものであり、 （a ) は裏面側 から見た部分拡大平面図、 （b ) は操作機構部分の部分断面図、 （c ) は爪部の 動作を説明する模式図である。

これら図 3および図 4に示すように、 ウェハホルダ 1 1は、 中央にウェハ 1 0 の成長対象表面を露呈する開口部を備えたリング形状のものである。 開口縁部 1 2は、 ウェハ 1 0の表面側 S bの周縁の面取りテーパー面のみに全周接触状態で 係合してウェハ i 0が表面側に抜けるのを阻止する形状となっている。 従って、 ウェハ 1 0を、 表面側 S b周縁を開口縁部 1 2上に当接させてホルダ 1 1上に載 置することによって、 ホルダ 1 丄の開口部は隙間なく ウェハ 1 0に塞がれる。 また、 ホルダ 1 1のウェハ裏面側 S a (ホルダ裏面側とする） には、 等角度間 隔で 4つの爪部操作機構 1 2が設けられている。 この操作機構 1 2は、 それぞれ 爪部 1 4がバネ 1 6によってホルダ開口の中心方向に予め付勢されており、 この 爪部 1 4をパネ 1 6の予付勢に杭してホルダ外周方向に押し戻した状態で口ック してなる開放状態が得られる構成となっている 各爪部 1 4は、 自由状態では先 端部 1 5が開口縁部 1 2より内側に突出している。

従って、 各爪部 1 4の開放状態においてウェハ 1 0をその表面側周縁を開口縁 部 1 2に嵌合させてホルダ 1 1上に載置したのちに、 各爪部 1 4の口ックを解除 すると、 再ぴバネ 1 6の付勢に従って各爪部丄 4の先端部 1 5は開口中心方向に 移動して互いにウェハ 1 0の裏面側周縁を 4つのウェハ周方向から中心に向かつ て押圧挟持し、 ウェハ 1 0の保持状態が得られる。 なお、 本実施形態では、 ゥェ ハ 1 0のホルダ上 1 1の載置に当たっては、 各爪部 1 4の押圧方向と、 ウェハ 1 0の機械的強度の大きい方位、 例えばウェハ 1 0の結晶方位く 丄 1 0〉上と一致 するように位置決めするものとした。

また、 図 4 ( c ) に示したようにウェハ 1 0の裏面側周縁も面取りテ一パー面 が形成されている場合には、 爪先端部 1 5に前記テーパー面に対応する斜面を形 成することによってウェハ周縁に対してより安定な係止状態が得られる。

以上のように、 それぞれウェハ 1 0を保持している 2組のホルダ 1 1を、 それ ぞれチヤンバ 1内のサセプタ 2に取り付けることによって 2枚のウェハ 1 0をチ ャンバ 1内に位置決め配置することができる。

本実施例においては、 チャンバ 1內に、 一対のウェハ I 0の成長対象表面間に 周囲から独立した反応空間を形成する環状ハウジング Hが備えられており、 この 反応空間内へ、 チャンバ 1上部からチャン 1内へ貫通挿入されている材料ガス 供給管 5からノズル 6を介して材料ガス S Gが供給されている。 また反応空間内 に供給された材料ガス流の下流は、 ノズル 7を介して吸引されてガス排出管 8か らチャンバ 1外へ排出される。

なお、 本実施例では、 環状ハウジング Hの内周領域で、 ガス供給用ノズル 6は ウェハ 1 0のほぼ上方半周に沿った円弧状のスリ ッ ト孔を有し、 ガス吸引用ノズ ル 7は、 ほぼ残りの下方半周に沿った円弧状のスリ ッ ト孔を有ている。 このよう なガス供給用ノズル 6 とガス吸引用ノズル 7との間の給排構造によって反応空間 内には上方から下方へ流通する材料ガスの層流が形成される。

従って、 この一対のウェハ 1 0の間の独立した反応空間内に上方から材料ガス S Gが供給されることによって両ウェハ 1 0の表面側のみにその表面に沿った材 料ガス層流が形成され、 ウェハ裏面側へ材料ガスが回りこむことはない。

さらに、 本実施例のウェハホルダ 1 1は、 開口周縁 1 2でウェハ 1 0の周縁を 全周接触で支持しているため、 ウェハ 1 0とホルダ 1 1 との間にはウェハ裏面側 へ材料ガスが回り込めるような間隙は存在しない。

ェピタキシャル成長過程においては、 チャンバ 1の外側に配置されているヒー タ 9によってチャンバ壁を介して各ウェハ 1 0の裏面側へ輻射熱を照射して加熱 されているが、 本実施形態においては、 上記の如く ウェハ裏面側に材料ガスが回 つてチャンバ 1のウェハ裏面側領域に相当する内壁に反応生成物が堆積すること がないため、 成長反応が行われている間中、 常に一定の輻射熱照射量が維持され、 加熱量の変化に起因するウェハの品質低下は回避される。

以上のように、 本実施例におけるウェハホルダによれば、 半導体ウェハを保持 するための可動部である爪部の操作機構は、 ウェハの裏面側に存在するため、 材 料ガスをウェハ表面側のみに流通させれば操作機構部分に材料ガスが触れること なく、 パーティクル汚染の原因となり得る反応生成物の堆積は生じない。

また、 もしこの操作機構部分に反応生成物が堆積したとしても、 ウェハ取り外 し等の操作時に反応生成物が剥離してもウェハの表面側にパ一ティクルとして落 下してェピタキシャル層形成ウェハを汚染することはない。 また、 操作機構に可 動によって生じる発塵もウェハ表面側に落下することはない。

なお、 上記実施例のウェハホルダにおいては、 4つの爪部およびの操作機構を 備えたものを示したが、 本発明はこれに限定されるものではなく、 複数の爪部が ホルダ上で互いに等角度間隔をもって配置される構成であれば良い。

また、 上記実施形態では、 反応空間内に供給される材料ガスの流通はチャンバ 上方から下方へ向かう構成としたが、 もちろん下方から上方へ向かう流れとする 構成も可能である。

また、 フィン 3を回転させるためのガスには、 ェピタキシャル成長反応の基準 ガスである水素ガスあるいは不活性ガスを利用できる。 また、 この回転用ガスを 円筒ドラム状のサセプタ 2の冷却に兼用すれば、 サセプタ 2を低温維持できるの で、 サセプタ （ドラム） 内という非常にウェハ 1 0に近接した位置にヒータを配 置でき、 効率的なウェハ 1 0の加熱ができるとともに装置構成全体をコンパク 卜 化できる。

Claims

請求の範囲

1 . 反応チャンバ内で半導体ウェハの成長対象表面に高温下で材料ガスを供給す ることにより前記表面にェピタキシャル層を形成するためのェピタキシャル成長 炉において、

前記半導体ウェハの成長対象表面を露呈させる開口部と、 半導体ウェハの成長 対象表面側の周縁の面取りテーパー面に全周に亘つて係合する開口縁部と、 半導 体ウェハの成長対象表面の裏面側でウェハ外周部と解除可能に係合する複数の爪 部と、 を有するウェハホルダを備えたことを特徴とする。

2 . 前記ウェハホルダの開口緣部は、 半導体ウェハの成長対象表面側の周縁の面 取りテーパー面のみと全周に亘り接触するものであることを特徴とする請求項 1 に記載のェピタキシャル成長炉。

3 . 前記ウェハホルダの爪部は、 前記開口の中心方向に予め付勢するバネ手段と、 該バネ手段の付勢に杭して爪部を開放状態に口ックするための解除可能な操作機 構とを更に備えたことを特徴とする請求項 1に記載のェピタキシャル成長炉。

4 . 前記爪部が、 半導体ウェハの前記裏面側の周縁の面取りテ一パー面に対応す る斜面部を有することを特徴とする請求項 2または請求項 3に記載のェピタキシ ャ /レ成長炉。