JP2008198752A - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハを高速回転させずに成長速度を高める気相成長装置および気相成長方法を提供する。
【解決手段】チャンバ１０２と、チャンバ１０２に原料ガスを供給する供給部１０７と、チャンバ１０２内でウェハ１０１を載置する回転可能なホルダ１０４と、複数の羽根１１２を有し、ホルダ１０４の周囲を取り巻くように設けられた、原料ガスをウェハ１０１上から排出する回転可能な羽根車１１０と、羽根車１１０によって排出された気相成長反応後の原料ガスをチャンバ１０２から排気する排気部１０８とを備えることを特徴とする。これによりウェハ１０１を高速回転させなくても済むため、ウェハ１０１がホルダ１０４からはずれたり、破損したりすることによる生産歩留まりの低下を防止し、且つ気相成長反応の成長速度を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置および気相成長方法に係り、たとえばエピタキシャル成長装置におけるウェハの製造に用いるシリコン源を含んだ原料ガスの流れを調整する機構に関する。

超高速バイポーラ、超高速CMOS等の半導体素子の製造において、不純物の濃度や膜厚の制御された単結晶のエピタキシャル成長技術は、半導体素子の性能を向上させる上で不可欠なものである。
ウェハ等に単結晶薄膜を精製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、場合によっては減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）法が用いられる。気相成長反応炉内にウェハを収容し、気相成長反応炉内を常圧（０．１Ｍｐａ（７６０Ｔｏｒｒ））か、或いは所定の真空度の真空雰囲気に保持した状態でウェハを加熱し回転させながら、シリコン源とボロン化合物、砒素化合物、或いはリン化合物等のドーパントとを混合した原料ガスを供給する。そして加熱されたウェハの表面で原料ガスの熱分解反応或いは水素還元反応を行なって、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いは砒素（Ａｓ）がドープされた気相成長膜を生成させることにより製造する。

また、エピタキシャル成長技術は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等、高性能な半導体素子を製造するためには高品質の結晶膜を均一に、尚且つ厚く生成することが求められている。たとえば、単純なＭＯＳデバイス等においては数μm以下の膜厚しか必要ではないのに対し、ＩＧＢＴ等においては数μｍから百数十μmもの膜厚が必要とされる。このため、ウェハを高速で回転させて、気相成長温度に加熱されているウェハ表面に対して原料ガスを流し、新たに供給する原料ガスを順次ウェハ表面に接触させることにより、ウェハ表面に気相成長膜を生成させる。これにより、成長速度を高めている（特許文献１参照）。

図９は従来の気相成長装置４００の構成を示す概念図である。
従来の気相成長を行なう場合、ウェハ４０１をホルダ４０４（サセプタとも呼ぶ）に載置する。かかる状態でホルダ４０４を高速回転させることによってウェハ４０１を高速回転させている。そしてインヒータ４０５およびアウトヒータ４０６を用いて加熱し、チャンバ４０２に接続された供給部４０７から供給された原料ガスがウェハ４０１上で熱分解反応或いは水素還元反応されることで、気相成長膜が生成される。
特開平５−１５２２０７号公報

しかしながら、ホルダ４０４を高速回転させると、載置したウェハ４０１の重心がホルダ４０４の回転中心からずれていた場合、ウェハ４０１にかかる遠心力等により、載置していたホルダ４０４からウェハ４０１がはずれてしまい、最悪の場合には破損してしまうといった問題があった。

本発明は、かかる問題点を克服し、ウェハを高速回転させずに成長速度を高め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。

本発明の気相成長装置は、
チャンバと、
チャンバに原料ガスを供給する供給部と、
チャンバ内で基板を載置するホルダと、
複数の羽根を有し、ホルダの周囲を取り巻くように設けられた、原料ガスを基板上から排出する回転可能な羽根車と、
羽根車によって排出された気相成長反応後の原料ガスをチャンバから排気する排気部と、
を備えることを特徴とする。

かかる構成により、チャンバ内に供給した原料ガスを基板上で滞留、或いは乱流させないようにすることができる。その結果、原料ガスのチャンバ内への供給からチャンバ外への排気までの流れをスムーズにすることができる。そのため、次々に基板表面に新しい原料ガスを供給することができる。

上述の複数の羽根は、平面の板状に形成されていると好適である。

或いは、上述の複数の羽根は、流線型の曲面に形成されていても好適である。

かかる構成により、上述の羽根車が回転した場合、素早くガスを基板上から排出することができる。その結果、基板上から排気部へと流れる原料ガスを層流に形成することができる。

上述の複数の羽根は、羽根車の径方向に対してそれぞれ所定の角度を付けた状態で取り付けられると好適である。

かかる構成により、適切な回転方向に羽根車を回転させることで、効果的に排気することができる。

本発明の気相成長方法は、
チャンバ内に収容されたホルダに載置された基板の表面に原料ガスを供給することによって気相成長を行なわせる気相成長方法であって、
ホルダを取り囲むようにして設けられた複数の羽根を有する羽根車を回転させる第１の工程と、
前記羽根車を回転させた状態で基板に向かって原料ガスを供給してエピタキシャル成長させる第２の工程と、
を備えることが好適である。

かかる構成により、チャンバ内に供給した原料ガスを基板上に滞留させたり、或いは基板上で乱流させたりせずにスムーズに供給することができる。その結果、次々に基板表面に新しい原料ガスを供給することができ、基板表面のエピタキシャル成長速度を高めることができる。

本発明によれば、新たに供給されるガスを順次基板に供給することができる。尚且つ基板を載置したホルダを高速に回転させる必要がないため、安定して基板を支持することができる。よって、基板を破損する虞をも低減させることができる。
結果として、気相成長装置において生産されるウェハの品質と、生産歩留まりを向上させることができる。

（実施形態１）
まず、実施形態１について、図１に基づいて詳細に説明する。
図１における気相成長装置１００には、ウェハ１０１（基板の一例）を収容するチャンバ１０２と、回転体１０３と、回転体１０３に接続され、ウェハ１０１を載置するホルダ１０４と、回転体１０９と、回転体１０９に接続される羽根車１１０と、ウェハ１０１を加熱するインヒータ１０５およびアウトヒータ１０６が備えられている。
チャンバ１０２には気相成長を行なうために供給される原料ガスの供給部１０７となる流路と、気相成長プロセス後の原料ガスをチャンバ１０２外へと排気する排気部１０８となる流路が備えられている。そして、供給部１０７から原料ガスをウェハ１０１に向かって供給し、加熱されたウェハ１０１上において熱分解反応或いは水素還元反応を行なうことによって気相成長膜が生成される。気相成長を終えた原料ガスは排気部１０８を介してチャンバ１０２外に排気される。
図１では実施形態１を説明する上で必要な構成以外は省略し、気相成長装置を構成する各部材の縮尺等も実物とは一致させていない。以下、各図面においても同様である。

ウェハ１０１の下部にはウェハ１０１を加熱するためのヒータが２系統配置されている。
まず、インヒータ１０５がウェハ１０１の中心部を加熱するように配置されている。そして、アウトヒータ１０６がウェハ１０１の外周部と、ホルダ１０４を同時に加熱するように配置されている。ホルダ１０４に接触しているため熱が逃げやすいウェハ１０１の外周部をホルダ１０４もろとも加熱することにより、インヒータ１０５の１系統のみでウェハ１０１の温度制御を行なうよりもウェハ１０１面内の温度分布の均一性を高めることができる。

ホルダ１０４を取り囲むように回転可能な羽根車１１０が設けられ、羽根車１１０は円形の基面１１１を有し、基面１１１上には複数の羽根１１２が形成されている。

また、ホルダ１０４と羽根車１１０はウェハ１０１面と直交するホルダ１０４および羽根車１１０の共通の中心を回転軸として回転する。このため、ホルダ１０４に載置されたウェハ１０１と、羽根車１１０の円形の基面１１１に形成された羽根１１２をも同じくして回転させることができる。

さらに、気相成長プロセス後の原料ガスをチャンバ１０２外に排気する排気部１０８となる流路の上方には、シャワープレート１１３が設けられている。シャワープレート１１３は、チャンバ１０２内の原料ガスの流れを停滞させずに排気部１０８となる流路へと方向を転換させる押圧ガスを吐出する。

ホルダ１０４、インヒータ１０５およびアウトヒータ１０６、羽根車１１０、シャワープレート１１３はチャンバ１０２の内部に収容される。ホルダ１０４は回転体１０３と、羽根車１１０は回転体１０９とそれぞれ接続される。また、上述のシャワープレート１１３は押圧ガス配管１１４と接続され、チャンバ１０２外へと繋がっている。

図２は実施形態１の気相成長方法を示したフローチャートである。以下に本実施形態１の気相成長装置の動作を説明する。
この気相成長方法においては、まず常圧或いは所定の真空度に保持したチャンバ１０２内にウェハ１０１を収容する。そしてホルダ１０４に載置されたウェハ１０１をインヒータ１０５およびアウトヒータ１０６によってウェハ１０１面内の温度分布が所定の温度で均一になるように加熱する。このとき、ホルダ１０４は緩速回転させるか、或いは静止したままでも良い。
そして、羽根車回転工程（Ｓ１０１）として、複数の羽根１１２がその基面１１１に設けられた羽根車１１０を回転させることにより、ウェハ１０１上のガスをウェハ１０１に対して略外向きの流れにする。
次に、エピタキシャル成長工程（Ｓ１０２）として、羽根車１１０を回転させた状態で、供給部１０７から原料ガスをウェハ１０１に向かって供給し、エピタキシャル成長させる。

ここで供給される原料ガスは、シリコン成膜ガスであるシラン（ＳｉＨ_４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）等のうちいずれか一つとキャリアガスとなる水素（Ｈ_２）との混合ガスに所定のドーパントガスを添加することにより構成される。
ドーパントガスはボロン系のジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、リン系のホスフィン（ＰＨ_３）等が知られている。ジボランを添加すればｐ型、ホスフィンを添加すればｎ型の導電性を示す気相成長膜が生成される。

気相成長反応プロセスの環境が整ったチャンバ１０２内の加熱されたウェハ１０１において原料ガスが熱分解反応或いは水素還元反応されることにより、ウェハ１０１の表面に気相成長膜が生成される。ここで、原料ガスの供給部１０７はウェハ１０１の中心の上方には設けられておらず、所定の距離だけオフセットさせる。これによってウェハ１０１に供給されるガスの特異点を無くすことができる。よって原料ガスをウェハ１０１に均等に供給することができ、その結果、ウェハ１０１表面に気相成長膜を均一に生成させることができる。

図３は実施形態１に用いられるウェハ１０１と羽根車１１０とを上方から見た概念図である。
図３に示すように、羽根１１２は羽根車１１０の円形の基面１１１上に略等間隔に、且つ羽根車１１０の円形の基面１１１に径方向に対してそれぞれ所定の角度で配置されている。これによって、羽根車１１０が矢印の方向に回転するとウェハ１０１上のガスをウェハ１０１の中心に対して略水平外向きに排気することができる。よって、供給部１０７からウェハ１０１に向かって供給される原料ガスを順次ウェハ１０１上に外に向かって流れる層流状態で供給することができる。このとき、羽根車１１０をたとえば５００ｍｉｎ^−１（ｒｐｍ）以上の回転数で回転させると好適である。この結果、ウェハ１０１に生成される気相成長膜の成長速度を高めることができる。

また、羽根車１１０を設けて高速回転させることによってウェハ１０１を載置したホルダ１０４を高速回転させる必要が無くなる。ホルダ１０４は緩速回転或いは静止した状態でも良く、ウェハ１０１を安定して支持することが容易になる。たとえば、０〜５０ｍｉｎ^−１（ｒｐｍ）で回転されると良い。その結果、ウェハ１０１に遠心力等の余計な力が加わらず、ウェハ１０１がホルダ１０４からはずれ、破損させてしまうといった虞を低減させることができる。
なお、実施形態１の羽根車１１０に設ける複数の羽根１１２は、図３においては滑らかな曲面を持つ流線型の羽根１１２ａを例として挙げた。しかし、図４に示すように、平面の板状の羽根１１２ｂを設けても構わない。羽根車１１０が回転することによりウェハ１０１上のガスをウェハ１０１の中心に対して略外向きに排出できる形状の羽根であればその形状を限定するものではない。

また、実施形態１においては羽根車１１０に８枚の羽根１１２を設けるように図示したが、羽根１１２の枚数はこれに限るものではない。さらに、羽根１１２の取り付け角を変えた場合には図示したような矢印の方向と異なる方向も含む適切な方向に回転させ、原料ガスの流れる方向を外向きにすることができるものである。

図５は、羽根車３１０の基面３１１がウェハ３０１の上面の位置の高さよりも高い位置に形成された羽根車３１０を用いた場合の気相成長反応時の原料ガスの流れを説明するために示す概念図である。
羽根車３１０の基面３１１がウェハ３０１よりも高い位置とする場合、供給部から供給された原料ガスはウェハ３０１の表面に当たり、略水平方向に進行方向を変える。そして熱分解或いは水素還元反応を行ないながら、図示しない真空ポンプに接続された排気部へと流れようとする。しかし、羽根車３１０の基面３１１はウェハ３０１の上面より高い位置にあるため原料ガス流は羽根車３１０の側面に流れを妨げられる。羽根車３１０が回転し、複数の羽根３１２が層流を形成しようとしても、ウェハ３０１外縁部付近の原料ガス流が乱れているため、図示しないチャンバ内の原料ガス流はウェハ３０１上から速やかに排気されなくなってしまう。そのため、新たな原料ガスが順次ウェハ３０１に接触しなくなり、気相成長膜の成長速度を高めることができない。また、ウェハ３０１上で原料ガスが乱流してしまうために、ウェハ３０１に生成される気相成長膜の面内均一性は低下してしまう。
このため、上述のウェハ３０１と羽根車３１０の位置関係は好適ではない。

図６は実施形態１における羽根車１１０を用いた場合の気相成長反応時の原料ガスの流れを説明するために示す概念図である。図６に示すように、実施形態１では、ホルダ１０４を取り囲むように羽根車１１０が設けられる。
上述したように、羽根車１１０の上部に形成された円形の基面１１１には、複数の羽根１１２が形成されており、羽根車１１０が回転するとそれに伴い羽根１１２も回転する。そしてウェハ１０１上のガスがウェハ１０１に対して略外向きに排気されるように形成されている。そして、基面１１１の位置の高さは、ウェハ１０１の上面の高さと同じに形成されている。
上述した実施形態１における羽根車１１０を用いた場合、図５に示す羽根車３１０と異なり、乱流を起こさないスムーズな原料ガス流を形成することができ、ウェハ１０１全面において均一な気相成長を行なうことができる。
また、図６ではウェハ１０１の上面の位置と基面１１１の位置の高さが同じ場合を図示して説明したが、基面１１１の高さがウェハ１０１の上面の高さに比べて低い場合においても、原料ガス流を妨げないことは言うまでもない。
以上のように、本発明の実施形態１での基面１１１の高さはウェハ１０１の上面の位置の高さと同じか、或いは低く形成される。そのためウェハ１０１上で気相成長反応を行なった原料ガス流は羽根車１１０の側面に流れを妨げられることが無い。そのため、原料ガスは層流を形成して流れる。そのため、新たな原料ガスが順次ウェハ１０１に接触させることができ、気相成長膜の成長速度を高めることができる。また、ウェハ１０１上で原料ガスが乱流しないために、ウェハ１０１表面に生成される気相成長膜の面内均一性をも高めることができる。

図７はチャンバ１０２に設けられたシャワープレート１１３から吐出された押圧ガスが、羽根車１１０の回転によって排出された略水平方向の原料ガスの進行方向を略下向きに整流する様子を示す概念図である。
羽根車１１０の回転により、ウェハ１０１上から排出された気相成長反応後の原料ガスは、そのままではチャンバ１０２の外壁の内面に当たり、流れを停滞させてしまう。このため、チャンバ１０２にシャワープレート１１３を設け、排気部１０８に向かう方向に流れる押圧ガスを吐出させる。上述の押圧ガスはＨ_２等のキャリアガスを用いるとよい。そしてこの押圧ガスをシャワープレート１１３からチャンバ１０２内に吐出させる。これにより、羽根車１１０に排出された原料ガスは押圧ガスに整流され、方向を略下向きに転換することができ、排気部１０８からチャンバ１０２外にスムーズに排気させることができる。これによって、原料ガスをチャンバ１０２外に排出するまで停滞させずに維持することができる。その結果、ウェハ１０１に生成されるエピタキシャル成長膜の成長速度を高めることができる。
また、供給する押圧ガスはＨ_２を例として挙げたが、チャンバ内の原料ガス雰囲気を阻害するものでなければ良く、種類を限定するものではない。

次に、異なった加熱方式でウェハを加熱する方式を採用した場合の気相成長装置について説明する。

図８はランプ加熱式の気相成長装置を示す概念図である。
気相成長装置２００はランプ式ヒータをチャンバ２０２の外部に設けている。チャンバ２０２内をエピタキシャル成長を行なうことができる環境に整えた状態でランプ式ヒータによってウェハ２０１を加熱することで、ウェハ２０１表面にエピタキシャル成長膜を生成させる。このように、図１に示したヒータを用いた抵抗加熱に限らず、ランプ加熱や他の加熱方式を用いても構わない。
上述のエピタキシャル装置においても、羽根車２１０を用いて原料ガスの流れを層流にすることで、原料ガスのスムーズな供給と排気を行なってエピタキシャル成長膜が生成される成長速度を高めることができる。

また、ここでは羽根車２１０を設けることによって原料ガスを層流にすることができることや、シャワープレート２１３を設けることによって原料ガスをさらに整流してスムーズにチャンバ２０２外へと排気できること、またその他の各部材の配置等に関しては図１から６に基づく説明と同様であるためここでは説明を省略する。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

また、本発明は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、ウェハ表面に所定の結晶膜を気相成長させるための装置であれば構わない。たとえば、ポリシリコン膜を成長させることを目的とした装置であってもよい。

さらに、装置の構成や制御の手法等、本発明に直接必要としない部分などについては記載を省略したが、必要とされる装置の構成や制御の手法などを適宜選択して用いることができる。

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すべての気相成長装置、および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

本発明の実施形態１における気相成長装置の動作を説明するために示す概念図である。 本発明の実施形態１における気相成長方法の工程を示したフローチャートである。 本発明の実施形態１における羽根車の形状の一例を示した、上方から見た概念図である。 本発明の実施形態１における羽根車の形状の他の一例を示した、上方から見た概念図である。 ウェハの上面の位置よりも羽根車の基面の位置が高い羽根車を用いた気相成長装置における原料ガスの流れを示した概念図である。 本発明のホルダおよび羽根車上における原料ガスの流れを示した概念図である。 本発明のチャンバ内で、回転する羽根車によって形成された原料ガスの層流の方向をシャワープレートが吐出する押圧ガスによって転換する様子を示した概念図である。 本発明の他の態様の加熱機構を備えた気相成長装置の構成を示した概念図である。 従来の気相成長装置の構成を示した概念図である。

符号の説明

１００…気相成長装置
１０１…ウェハ
１０２…チャンバ
１０３…ホルダ回転体
１０４…ホルダ
１０５…インヒータ
１０６…アウトヒータ
１０７…供給部
１０８…排気部
１０９…羽根車回転体
１１０…羽根車
１１１…羽根車の基面
１１２…羽根
１１３…シャワープレート
１１４…押圧ガス配管

Claims (5)

1. チャンバと、
   前記チャンバに原料ガスを供給する供給部と、
   前記チャンバ内で基板を載置するホルダと、
   複数の羽根を有し、前記ホルダの周囲を取り巻くように設けられた、前記原料ガスを前記基板上から排出する回転可能な羽根車と、
   前記羽根車によって排出された気相成長反応後の原料ガスを前記チャンバから排気する排気部と、
   を備えることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記複数の羽根は、平面の板状に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記複数の羽根は、流線型の曲面に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の気相成長装置。
4. 前記複数の羽根は、前記羽根車の径方向に対してそれぞれ所定の角度をつけた状態で取り付けられることを特徴とする、請求項２もしくは３記載の気相成長装置。
5. チャンバ内に収容されたホルダに載置された基板の表面に原料ガスを供給することによって気相成長を行なわせる気相成長方法であって、
   前記ホルダを取り囲むようにして設けられた複数の羽根を有する羽根車を回転させる第１の工程と、
   前記羽根車を回転させた状態で前記基板に向かって前記原料ガスを供給してエピタキシャル成長させる第２の工程と、
   を備えることを特徴とする気相成長方法。

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