JP2010040544A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル膜の膜厚分布を均一にできる気相成長装置を提供する。
【解決手段】実質的に直方体状のチャンバ本体１０と、前記チャンバ本体の一端側壁部１１に設けられ、ガス導入方向に対して横方向に分割された領域ごとに設けられたガス導入部２０と、前記チャンバ本体の他端側壁部１４に設けられたガス排出部１８と、前記チャンバ本体の底壁部１６に回転可能に設けられ、被処理物である複数の基板Ｗを円周状に搭載するサセプタ３０と、前記チャンバ本体内であって、前記ガス導入部に対面して前記ガス導入部から前記チャンバ本体に導入されたガスが衝突する位置に設けられた整流体１７と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、気相成長装置に関するものである。

シリコンなどの半導体ウェーハの表面に高品質なエピタキシャル膜を成長させる気相成長装置として、その構造上の分類から、シリンダー炉（バレル路）、縦型炉（パンケーキ炉）、横型炉、枚葉炉などの各種気相成長装置が知られている。

このうち横型気相成長装置は、石英製の横長通路状チャンバ内に円盤状サセプタを設けるとともに、このサセプタ上に複数のウェーハを円周上に配置し、チャンバ外面に配置したヒータにてウェーハを加熱しながらチャンバの一端から原料ガスとキャリアガスをウェーハの主面に平行に流し、チャンバの他端から排気することで、ウェーハ表面にエピタキシャル膜を成長させるものである（特許文献１の図１〜図３）。

特開２００６−１７３５４０号公報

こうしたエピタキシャル成長工程は、ウェーハを高温に加熱した供給律速条件下で実施されるため、エピタキシャル膜の膜厚はウェーハ上を流れるガス流速の影響を受けやすい。

このため、チャンバの一端に形成したガス導入口を横方向に分割し、領域毎に流量制御を行うことで膜厚分布のコントロールも行われている。

本発明者が探求した結果、ウェーハ面内の膜厚分布を均一にするには、サセプタ中心部の流速を他の領域よりも速くすることが効果的であることが判明した。しかしながら、これを実現するためにチャンバの中心部の流速を相対的に早くすると、チャンバの側壁部で逆流が生じ、チャンバ壁面への副生成物の付着が促進されるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、チャンバ壁面への副生成物の付着を抑制しつつ、エピタキシャル膜の膜厚分布を均一にできる気相成長装置を提供することである。

本発明の気相成長装置は、実質的に直方体状のチャンバ本体と、前記チャンバ本体の一端側壁部に設けられ、ガス導入方向に対して横方向に分割された領域ごとに設けられたガス導入部と、前記チャンバ本体の他端側壁部に設けられたガス排出部と、前記チャンバ本体の底壁部に回転可能に設けられ、被処理物である単数の基板を同心円状または複数の基板を円周状に搭載するサセプタと、を備えた気相成長装置であって、
前記チャンバ本体内の、前記ガス導入部に対面して前記ガス導入部から前記チャンバ本体に導入されたガスが衝突する位置に整流体を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ガス導入部から導入されたガスが整流体に衝突することによりチャンバ側壁部におけるガスの逆流を抑制することができるので、エピタキシャル膜の膜厚分布を均一にすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態に係る気相成長装置を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿う断面図である。

本例の気相成長装置１は、実質的に直方体形状の石英製チャンバ本体１０を有する。実質的にとは厳密な意味での直方体以外にもほぼ直方体形状のものを含む趣旨である。

チャンバ本体１０は、長手方向の両端に位置する側壁部１１，１４と、これら側壁部１１，１４の間に位置する側壁部１２，１３及び天井壁部１５、底壁部１６とを有する。

一方の側壁部１１にはガス導入部２０が設けられ、これに対向する側壁部１４にはガス排出部１８が設けられている。ガス導入部２０は、ＳｉＨＣｌ_３等のＳｉソースを水素ガスで希釈し、それにドーパントを微量混合してなる反応ガスをチャンバ本体１０内に導入するものであり、図１にガス供給源２９にて示す。

本例のガス導入部２０は、チャンバ本体１０の主として中央部に向かって反応ガスを導入する中央ガス導入部２２と、中央ガス導入部２２の両側に設けられ、チャンバ本体１０の主として側壁部１２，１３に沿って反応ガスを導入する両側ガス導入部２１，２３とを有し、これら中央ガス導入部２２と両側ガス導入部２１，２３は側壁部１１の内部に２つの仕切り板２４，２５を設けることで構成されている。仕切り板２４，２５はガス導入部２０から噴出した反応ガスをチャンバ本体１０に向かって整流する作用を司る。

中央ガス導入部２２と２つの両側ガス導入部２１，２３には流量調節弁２６，２７，２８を介して反応ガスが供給される。各ガス導入部２１〜２３へのガス流量は各流量調節弁２６〜２８の開度を制御することで調節される。

そして、ガス導入部２０から導入された反応ガスは、ウェーハＷの表面を通過してエピタキシャル膜を成長させた後、ガス排出部１８から気相成長装置１外へ排出される。この反応ガスの流れを図１に太線の矢印で示す。

なお、ガス排出部１８は、側壁部１４に形成された複数の通孔１４１と、排出管１９を有し、チャンバ本体１０内を流下した反応ガスは、通孔１４１を通過してガス排出部１８に至り、ここから排出管１９により気相成長装置１外へ導かれる。

チャンバ本体１０の略中央の底壁部１６には被処理物であるシリコン単結晶ウェーハＷを搭載するサセプタ３０が設けられている。サセプタ３０は、複数（図示する例では８枚のウェーハＷを円周状に搭載し、その回転軸３２を中心に所定の速度で回転する（図１の矢印参照）。サセプタ３０の材質は特に限定されず、たとえば炭素基材の表面にＳｉＣ被膜をコーティングしたものなどが好ましく採用される。なお、サセプタ３０へウェーハＷを搬入したり、サセプタ３０からウェーハＷを搬出したりする方式としては特に限定されず、ベルヌイチャックを用いて搬送治具の昇降によりウェーハを移載するタイプや、ウェーハ下面をピンで支持して当該ピンの昇降により移載するタイプの何れも適用することができる。

サセプタ３０の下部には、高周波誘導加熱コイル３１が設けられ、輻射伝熱効果によりサセプタ３０及びウェーハＷが加熱される。

本例の気相成長装置１は、反応ガスをチャンバ本体１０内へ導入するガス導入部２０（２１〜２３）に対面するチャンバ本体１０の内部に、板状部材１７が設けられている。板状部材１７は、図１に示すようにチャンバ本体１０の左右両端にわたり設けられ、中央ガス導入部２２のみならず両側ガス導入部２１，２３の反応ガスが噴出す位置に対面して設けられている。

図２に示す例では、ガス導入部２０の導入管（ガス供給源２９からの配管）が天井壁部１５に近い位置に設けられているので板状部材１７は天井壁部１５から垂下するように設けている。

この場合、ガス導入部２０の導入管からの反応ガスの噴出し方向（図１及び図２にガス導入方向で示す方向）と板状部材１７のなす角度θを９０°〜４５°とすることが好ましい。θ＝４５°とした場合を図２に二点鎖線で示す。θが９０°より大きいと導入された反応ガスが天井壁部１５に向かって偏向し、ここに渦流が生じるので好ましくない。また、θが４５°より小さいと当該板状部材１７による整流効果が小さくなるので好ましくない。

また、図２に示すように、側壁部１１と板状部材１７との水平距離をＬ１としたときに、１０ｍｍ≦Ｌ１≦５０ｍｍとなるように板状部材１７の設定位置を選択することが好ましい。Ｌ１が１０ｍｍより小さいと板状部材１７と側壁部１１との水平距離が小さくなりすぎ、導入された反応ガスが急激に偏向するので好ましくない。また、Ｌ１が５０ｍｍより大きいと板状部材１７と側壁部１１との水平距離が大きくなりすぎ、板状部材１７による整流効果が小さくなるので好ましくない。

さらに、図２に示すように、チャンバ本体１０の天井壁部１５と底壁部１６との鉛直距離をＬ２、天井壁部１５とガス導入部２０との鉛直距離をＬ３、板状部材１７の鉛直長さをＬ４としたときに、０．１≦Ｌ４／Ｌ２≦０．５、０．２≦Ｌ３／Ｌ４≦１．０となるように板状部材１７の設定位置及び大きさを選択することが好ましい。Ｌ４／Ｌ２が０．１より小さいと板状部材１７の整流効果が小さくなるので好ましくない。また、Ｌ４／Ｌ２が０．５より大きいと板状部材１７により反応ガスの流れが大きく阻害されるので好ましくない。また、Ｌ３／Ｌ４が０．２より小さいと板状部材１７により反応ガスの流れが大きく疎外されるので好ましくない。また、Ｌ３／Ｌ４が１．０より大きいと導入された反応ガスが殆ど板状部材１７に衝突せず、板状部材１７の整流効果が小さくなるので好ましくない。

これに対し、図３に示すようにガス導入部２０の導入管２９を底壁部１６に近い位置に設けることもできる。この場合の板状部材１７はチャンバ本体１０の低壁部１６に立設させる。図３は他の実施形態に係る気相成長装置１を示す断面図（図１のII-II線に沿う断面図に相当）である。図２の実施形態と共通する部分には同一の符号を付し、その説明を援用する。

図３に示す例では、ガス導入部２０の導入管からの反応ガスの噴出し方向（図３にガス導入方向で示す方向）と板状部材１７のなす角度θを９０°〜４５°とすることが好ましい。θ＝４５°とした場合を図３に二点鎖線で示す。θが９０°より大きいと導入された反応ガスが底壁部１６に向かって偏向し、ここに渦流が生じるので好ましくない。また、θが４５°より小さいと当該板状部材１７による整流効果が小さくなるので好ましくない。

また、図３に示すように、チャンバ本体１０の天井壁部１５と底壁部１６との鉛直距離をＬ２、底壁部１６とガス導入部２０との鉛直距離をＬ３、板状部材１７の鉛直長さをＬ４としたときに、０．１≦Ｌ４／Ｌ２≦０．５、０．２≦Ｌ３／Ｌ４≦１．０となるように板状部材１７の設定位置及び大きさを選択することが好ましい。Ｌ４／Ｌ２が０．１より小さいと板状部材１７の整流効果が小さくなるので好ましくない。また、Ｌ４／Ｌ２が０．５より大きいと板状部材１７により反応ガスの流れが大きく阻害されるので好ましくない。また、Ｌ３／Ｌ４が０．２より小さいと板状部材１７により反応ガスの流れが大きく疎外されるので好ましくない。また、Ｌ３／Ｌ４が１．０より大きいと導入された反応ガスが殆ど板状部材１７に衝突せず、板状部材１７の整流効果が小さくなるので好ましくない。

次に作用を説明する。

本発明者が探求したところによれば、上述した構造の気相成長装置１を用いてシリコン単結晶ウェーハＷにシリコンエピタキシャル膜を成長させるにあたり、ウェーハ面内の膜厚分布を均一にするには、サセプタ３０の中心部の流速を他の領域よりも速くすることが効果的である。

すなわち、図１に示す中央ガス導入部２２の流速を、両側ガス導入部２１，２３の流速より速くすると、得られるシリコンエピタキシャル膜の膜厚分布が均一になる。

しかしながら、チャンバ本体１０の中心部の流速、すなわち中央ガス導入部２２の流速を相対的に早くすると、図４に示すようにチャンバ本体１０の側壁部１２，１３で逆流が生じ、チャンバ本体１０壁面１２，１３への副生成物の付着が促進される。

これに対し、ガス導入部２０に対面して板状部材１７を設けた本実施形態の気相成長装置１においては、図２に示すように中央ガス導入部２２から導入された相対的に早い流速の反応ガスは板状部材１７に衝突して、その流下方向を下方に変え、さらにウェーハＷが搭載されて回転するサセプタ３０に向かって偏向して流れる。また、両側ガス導入部２１，２３から導入された相対的に遅い流速の反応ガスも同様に板状部材１７に衝突し、その流下方向を下方に変え、さらにウェーハＷが搭載されて回転するサセプタ３０に向かって偏向して流れる。

ここで中央ガス導入部２２からの流速の早い反応ガスと、両側ガス導入部２１，２３からの流速の遅い反応ガスとがそれぞれ板状部材１７に衝突して偏向する際に、これらの相互作用により図４に示すような逆流が防止される。

その結果、サセプタ３０に搭載されて回転するウェーハＷに対しては、中央部の流速が早く、両側部の流速が遅い反応ガスが平行に流れることになり、膜厚分布が均一となる。

なお、上記実施形態は複数のシリコンウェーハＷをサセプタ３０に搭載したが、一枚のシリコンウェーハをサセプタに搭載する、いわゆる枚葉式気相成長装置にも適用することができる。

発明の実施形態に係る気相成長装置を示す平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 発明の他の実施形態に係る気相成長装置を示す断面図（図１のII-II線に沿う断面図に相当）である。 発明の比較例に係る気相成長装置を示す平面図である。

符号の説明

１…気相成長装置
１０…チャンバ本体
１１，１２，１３，１４…側壁部
１４…天井壁部
１６…底壁部
１７…整流体（板状部材）
２０…ガス導入部
２１，２３…両側ガス導入部
２２…中央ガス導入部
２４，２５…仕切り板
２６，２７，２８…流量調節弁
２９…ガス供給源
３０…サセプタ
３１…ヒータ
Ｗ…ウェーハ

Claims (7)

1. 実質的に直方体状のチャンバ本体と、
   前記チャンバ本体の一端側壁部に設けられ、ガス導入方向に対して横方向に分割された領域ごとに設けられたガス導入部と、
   前記チャンバ本体の他端側壁部に設けられたガス排出部と、
   前記チャンバ本体の底壁部に回転可能に設けられ、被処理物である単数の基板を同心円状または複数の基板を円周状に搭載するサセプタと、
   前記チャンバ本体内であって、前記ガス導入部に対面して前記ガス導入部から前記チャンバ本体に導入されたガスが衝突する位置に設けられた整流体と、を備えたことを特徴とする気相成長装置。
2. 請求項１に記載の気相成長装置において、
   前記ガス導入部は、
   前記チャンバ本体の主として中央部に向かってガスを導入する中央ガス導入部と、
   前記中央ガス導入部の両側に設けられ、前記チャンバ本体の主として側壁部に沿ってガスを導入する両側ガス導入部と、を含むことを特徴とする気相成長装置。
3. 請求項２に記載の気相成長装置において、
   前記中央ガス導入部からのガス導入量は、前記両側ガス導入部からのガス導入量より大きいことを特徴とする気相成長装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の気相成長装置において、
   前記整流体は、前記チャンバ本体の前記一端側壁部に対面して設けられた板状部材であることを特徴とする気相成長装置。
5. 請求項４に記載の気相成長装置において、
   前記整流体である板状部材は、その主面が前記ガスの導入方向に垂直乃至前記他端側壁部に向かって４５°傾斜して設けられていることを特徴とする気相成長装置。
6. 請求項４または５に記載の気相成長装置において、
   前記一端側壁部と前記板状部材との水平距離をＬ１としたときに、１０ｍｍ≦Ｌ１≦５０ｍｍであることを特徴とする気相成長装置。
7. 請求項４〜６のいずれか一項に記載の気相成長装置において、
   前記ガス導入部は前記チャンバ本体の前記一端側壁部の上部に設けられ、
   前記板状部材は前記チャンバ本体の天井壁部から垂下され、
   前記チャンバ本体の前記天井壁部と前記底壁部との鉛直距離をＬ２、前記天井壁部と前記ガス導入部との鉛直距離をＬ３、前記板状部材の鉛直長さをＬ４としたときに、０．１≦Ｌ４／Ｌ２≦０．５、０．２≦Ｌ３／Ｌ４≦１．０であることを特徴とする気相成長装置。

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