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JP2011171450A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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JP2011171450A JP2010032742A JP2010032742A JP2011171450A JP 2011171450 A JP2011171450 A JP 2011171450A JP 2010032742 A JP2010032742 A JP 2010032742A JP 2010032742 A JP2010032742 A JP 2010032742A JP 2011171450 A JP2011171450 A JP 2011171450A
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Kunihiko Suzuki
邦彦 鈴木
Masami Yajima
雅美 矢島
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Nuflare Technology Inc
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Abstract

【課題】成膜室内壁を保護するライナ上にシリコン結晶が形成されるのを抑制する。
【解決手段】チャンバ1の頂部には、プロセスガス25の供給部4が、内部には、半導体基板6を載置する回転式のサセプタ7と、チャンバ1の内壁を被覆する筒状のライナ2とがそれぞれ設けられている。ライナ2は、サセプタ7の配置される胴部32と、供給部4の側にあって胴部30より断面積の小さい頭部31と、胴部30と頭部31をつなぐ段部32とを有する。サセプタ7には、サセプタ本体36上にドーナツ状円板38が設けられており、ドーナツ状円板38によりライナ2の段部32の周囲をカバーしながら、プロセスガス25を供給部4からチャンバ1内に流下させて、下方に配置されたサセプタ7上の半導体基板6に結晶膜を形成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。
従来より、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造には、エピタキシャル成長技術が活用されている。
エピタキシャル成長技術に使用される気相成長方法は、例えば、半導体基板上にシリコン(Si)結晶を成長させてSi単結晶基板を得ようとする場合、シリコンウェハ等の半導体基板が配置された気相成長用の成膜室内を、常圧(0.1MPa(760Torr))、或いは減圧に保持する。
そして、半導体基板を加熱しながら、シリコン源となる原料ガスに、ボロン系のジボラン(B)、リン系のホスフィン(PH)、砒素系のアルシン(AsH)等のドーパントガスを混合したプロセスガスを気相成長用の成膜室内に供給する。そして、所定の温度以上に加熱された半導体基板の表面で、原料ガスの熱分解反応或いは水素還元反応が行なわれ、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が成膜されることにより行なわれる。
膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェハ等半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、従来の成膜装置においては、例えば、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている。
また、別の方法として、プロセスガスの供給において装置の改善が必要とされている。すなわち、成膜装置の成膜室内にプロセスガスを供給する場合、プロセスガスが効率良く半導体基板の表面に集められるように成膜装置上の工夫がなされる。
例えば、特許文献1には、成膜室内に供給されたプロセスガスを整流し、ホルダーに保持された半導体基板に向かってプロセスガスを供給する整流板と、整流板下部に設置され、上端の内径より下端の内径が大きく、半導体基板上から外周方向に排出されるガスを下方に整流する環状の整流フィンとを備えた半導体製造装置が開示されている。こうした構造を備えることにより、プロセスガスの利用効率は向上する。
特開2009−231587号公報
図3は、エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の構成を説明するための模式的な断面図である。図3に示される成膜装置200では、上述のような半導体基板の高速回転と、プロセスガスの効率的な利用とが可能となるよう構成されている。
図3に示す成膜装置200において、201はチャンバ、202はチャンバ内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ、203a、203bはチャンバを冷却する冷却水の流路、204はプロセスガス225を導入する供給部、205は反応後のプロセスガスの排気部、206は気相成長を行うウェハ等の半導体基板、207は半導体基板206を支持するサセプタ、208は図示しない支持部に支持されて半導体基板206を加熱するヒータ、209はチャンバ201の上下部を連結するフランジ部、210はフランジ部209をシールするパッキン、211は排気部205と配管を連結するフランジ部、212はフランジ部211をシールするパッキンである。
そして、ライナ202は通常、石英製であり、透明性を備える。そして、その頭部231の上部開口部には、半導体基板206の表面に対してプロセスガス225を均一に供給するためのガス整流板であるシャワープレート220が取り付けられている。
また、チャンバ201底部には、チャンバ201の内部まで伸びる回転軸222が設けられており、この回転軸222の上端には回転筒223が配設され、この回転筒223に上述のサセプタ207が取り付けられている。したがって、サセプタ207は、ヒータ208の上方、チャンバ201の内部で回転可能に配置されている。
よって、成膜装置200では、チャンバ201内でサセプタ207により半導体基板206を支持する。そして、回転機構(図示せず)を設けた回転軸222によってサセプタ207上に載置された状態で回転をしながら、半導体基板206をヒータ208により1000℃以上に加熱する。この状態でチャンバ201内に反応性ガスを含むプロセスガス225を、供給部204からシャワープレート220の貫通孔221を介して供給する。
そして、半導体基板206表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行われ、半導体基板206表面に結晶膜を形成する。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは変性された生成ガスとなり、プロセスガス225とともにチャンバ201下部に設けられた排気部205から逐次排気される。
すなわち、成膜装置200においては、半導体基板206を高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われており、上述のように、均一に加熱された半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に接触させて成膜速度を向上させるよう構成されている。
さらに、図3に示す成膜装置200においては、供給部204から供給されるプロセスガス225をサセプタ207上の半導体基板206上に、均一に供給できるよう、シャワープレート220の貫通孔221の配置は半導体基板206に対応する領域内にあるように選択されている。
そして、中空筒状の形状を有するライナ202は、シャワープレート220を支持する頭部231の内径がサセプタ207の配置された胴部230より小さくなるよう構成されている。すなわち、中空筒状の形状を有するライナ202は、半導体基板206の配置される胴部230に対して、シャワープレート220を上部にて支持するとともにシャワープレート220を通過したプロセスガス225の流路となる頭部231の内径が小さくなっている。したがって、ライナ202は、所謂、胴部230に対し頭部231の断面積が絞られた構造を有していることになる。
よって、シャワープレート220の貫通孔221を出た後、プロセスガス225が拡散する無駄な空間が無くなっており、シャワープレート220から供給されるプロセスガス225が無駄なく半導体基板206表面に集められ、プロセスガス225の効率的な利用が可能となるよう構成されている。
したがって、供給部204から成膜装置200のチャンバ201内に供給されたプロセスガス225は、頭部231を通過して半導体基板206の表面に向かって効率よく流下するが、このとき、半導体基板206表面でのプロセスガス225の流れをより均一にするよう、半導体基板206の周縁部分とライナ202との間の隙間は狭くなっている。具体的には、ライナ202の頭部231と胴部230との境にある、段部232の角部234と半導体基板206の周縁部分との間の隙間は狭くなっている。
しかしながら、ここで一つの問題が発生することがわかっている。すなわち、ヒータ208からの輻射熱は、半導体基板206だけでなく、成膜装置200を構成する部材全てに伝わり、昇温させる。そして、そうした昇温は、半導体基板206やヒータ208のような高温部分の近傍において顕著である。
このため、半導体基板206やヒータ208に近い、ライナ202の胴部230と頭部231との境の部分には相対的な高温部分が生じる。特に、半導体基板206やサセプタ207に近い、ライナ202の段部232の角部234で温度が非常に高くなる。
図4は、エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の問題点を説明するための成膜装置の要部拡大図である。
チャンバ内壁を被覆するライナ202上に生じた相対的な高温部分にプロセスガス225が接触すると、半導体基板206の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が起きる。すると、図4に示すように、ライナ202の段部232の角部234には、プロセスガス225に由来するシリコン結晶235が形成されてしまう。
このようなシリコン結晶235の形成は、プロセスガス225の流路となる、段部232の角部234と半導体基板206の周縁部分との間の隙間をより狭くしてしまうことになる。
したがって、半導体基板206表面における成膜時のプロセスガス225の流れの状態が変化し、均一な条件下での半導体基板6への結晶膜形成が行えなくなることがある。
そして、ここで生成されるシリコン結晶235は、半導体基板206表面に成膜される気相成長膜と略同質である。このようなシリコン結晶235の形成は、ライナ202に求められる透明性を失わせることになる。
こうしたライナ202の失透は、例えばフッ酸を用いた洗浄により回復させることができる。しかしながら、形成されたシリコン結晶を完全に除去するのは容易ではない。そして、シリコン結晶の塊は、成膜装置200の稼動に伴う昇温、降温が繰り返されることで欠片が剥離し、チャンバ201内にパーティクルとして滞留する。そして、後に生産される半導体基板に成膜される気相成長膜を汚染し、品質を低下させる要因となる。
よって、成膜装置200を継続的に稼動させるためには、上述したシリコン結晶235を除去し、チャンバ201内を清浄に保持しなければならない。そのためには、定期的に成膜装置200の稼動を停止し、チャンバ201のメンテナンスを行なう必要がある。
このメンテナンス作業は、チャンバ201内を洗浄する等の作業を行なうだけでなく、再度稼動するための環境を整えることが必須となるため、相応の時間を要する。例えば、内部の洗浄が完了したチャンバ201を、外気によってパーティクル汚染させないことに留意した慎重な作業や、組み立て直したチャンバ201を所定の真空度に調整することには、相応の時間と労力を要する。
したがって、パーティクルを除去するメンテナンス作業を定期的に行なう必要性がある成膜装置200では、稼働率をある一定以上に向上させることができなかった。
このように、成膜装置200においては、生産される半導体基板の品質に対する問題と、品質維持に必要な作業等のために生じる稼働率の低下という問題があった。
本発明は、かかる問題点を克服し、気相成長によって、プロセスガスによるチャンバ内部への副生成物の形成が生じたとしても、生産する半導体基板の品質を低下させることが無く、装置の稼働率を従来よりも向上させることができる成膜装置、およびこれを用いた成膜方法を提供するものである。
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
本発明の成膜装置は、成膜室と、成膜室内にプロセスガスを供給する供給部と、成膜室の底部に設けられた排気部と、成膜室の内壁を被覆する筒状のライナと、ライナの頭部の開口部に配設され、成膜室内に供給された反応ガスを整流する整流板と、成膜室の底部からライナの胴部内に伸びる回転軸と、回転軸の上端に配設された回転筒と、ライナの胴部内で、回転筒に支持されて、基板を載置するサセプタとを有する。そして、ライナは、胴部と、胴部より断面積の小さい頭部と、胴部と頭部をつなぐ段部とからなり、サセプタは、回転筒に支持されて基板を載置するサセプタ本体と、サセプタ本体上に立設された柱に支持されてサセプタ本体と離間するよう設けられたドーナツ状円板とからなり、そのドーナツ状円板は、サセプタが回転筒に支持された状態で、ライナの段部周囲をカバーするよう構成されたことを特徴とする。
そして、サセプタは、回転筒に着脱可能に支持されていることが好ましい。
また、ドーナツ状円板は、SiC(炭化珪素)、TaC(タンタルカーバイト)およびタングステンカーバイト(WC)よりなる群から選択された1以上の材料によりカーボン(C)をコートして得られた部材から構成されることが好ましい。
本発明の成膜方法では、プロセスガスを成膜室の頂部から流下し、回転筒に支持されたサセプタ上に載置した基板を加熱しつつ基板にプロセスガスを接触させて所定の膜を形成する。そして、成膜室の内壁を被覆する筒状のライナを設け、ライナは、サセプタが配設される胴部と、胴部より断面積が小さい頭部と、胴部と頭部をつなぐ段部とからなり、サセプタは、基板を載置するサセプタ本体と、サセプタ本体上にサセプタ本体と離間するよう設けられたドーナツ状円板とからなり、プロセスガスを、ライナの頭部から胴部内のサセプタ上に載置された基板に向けて流下するとともに、ドーナツ状円板によりライナの段部の周囲を被覆し、プロセスガスを基板に接触させて所定の膜を形成することを特徴とする。
そして、サセプタは、基板を載置したまま、回転筒への着脱が可能とされ、成膜室の外で、サセプタへの基板の載置がなされて、基板をサセプタに載置した状態で成膜室内への搬入がなされ、回転筒に支持されるようにされ、基板に所定の膜を形成した後、基板を載置したまま回転筒からサセプタが取り外され、サセプタが成膜室の外に搬出され、成膜室の外でサセプタからの基板の取り外しがなされることが好ましい。
本発明の成膜装置によれば、成膜処理の際に副生成物が発生してもチャンバ内壁に付着するのを抑制することができる。したがって、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。
また、本発明の成膜装置によれば、成膜処理後の基板をサセプタ上に載置したまま、サセプタごと成膜装置外に搬出することが可能となる。したがって、サセプタの有するドーナツ状円板に副生成物が付着しても、そのサセプタを成膜装置外に搬出することで成膜室内に副生成物が堆積することを抑制することができる。したがって、成膜装置のメンテナンス作業を容易にし、また、成膜装置の稼働率を向上することが可能となる。
さらに、本発明の成膜装置によれば、基板への成膜処理時にサセプタの有するドーナツ状円板は、ライナの段部の角部分周囲をカバーして、サセプタやヒータからの熱を基板側に反射することが可能となる。したがって、半導体基板周縁部分からの熱の逃げが抑制され、成膜時における基板のヒータ加熱効率を向上させることが可能となる。その結果、ヒータにおける基板加熱のための出力を低下させることが可能となり、高効率の成膜装置の提供が可能となる。
本発明の成膜方法によれば、成膜処理の際に副生成物が発生してもチャンバ内壁に付着するのを抑制することができる。したがって、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。
また、本発明の成膜方法によれば、基板をサセプタ上に載置した状態で、サセプタを装置内に搬入するとともに、成膜処理後には、基板とともにサセプタを装置外に搬出することが可能となる。したがって、サセプタの有するドーナツ状円板に副生成物が付着しても、そのサセプタを成膜装置外に搬出することで成膜室内に副生成物が堆積することを抑制することができる。また、装置内への基板の搬入時にはクリーニングされた、副生成物の付着の無いサセプタを使用することが可能となり、成膜装置のメンテナンス作業を容易にし、また、成膜装置の稼働率を向上することが可能となる。
本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。 本実施の形態の成膜装置の有するサセプタの作用を説明するための成膜装置の要部拡大図である。 エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の構成を説明するための模式的な断面図である。 エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の問題点を説明するための成膜装置の要部拡大図である。
図1は、本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。
図1に示すように、本実施の形態の成膜装置50は、成膜室であるチャンバ1と、チャンバ1内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ2と、チャンバ1を冷却する冷却水の流路3a、3bと、プロセスガス25を導入する供給部4と、反応後のプロセスガスを排気する排気部5と、シリコンウェハ等の基板である半導体基板6を載置してこれを支持する回転式のサセプタ7と、図示しない支持部に支持されて半導体基板6を加熱するヒータ8と、チャンバ1の上下部を連結するフランジ部9、フランジ部9をシールするパッキン10と、排気部5と配管を連結するフランジ部11と、フランジ部11をシールするパッキン12とからなる。
そして、チャンバ1の側壁の上部には、チャンバ1側壁とライナ2との間の隙間にアルゴン(Ar)などの不活性ガスからなるパージガス41を供給するためのパージガス供給部42が設けられている。
そして、サセプタ7には、気相成長を行うウェハ等の基板である半導体基板6が載置される。この半導体基板6を支持するサセプタ7は、回転筒23に支持され、回転軸22を介して図示されない回転機構に接続されている。
具体的には、チャンバ1底部には、チャンバ1の内部まで伸びる回転軸22が設けられており、この回転軸22の上端には回転筒23が配設され、この回転筒23に上述のサセプタ7が取り付けられている。したがって、サセプタ7は、ヒータ8の上方、チャンバ1の内部で回転可能に配置されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ7を回転させることにより、その上に載置された半導体基板6を高速に回転する。
なお、チャンバ1のフランジ部9と、排気部5のフランジ部11には上述のようにシールのためにパッキン10、12を用いている。このパッキン10、12はフッ素ゴム製であり、耐熱温度は約300℃である。従って、チャンバ1を冷却する冷却水の流路3a、3bは、パッキン10、12を熱で劣化させることを防止でき、特に有効である。
以上の構成を有する本実施の形態の成膜装置50においては、チャンバ1内で半導体基板6を支持し、回転機構(図示せず)に接続されたサセプタ7により回転させながら、ヒータ8により1000℃以上に加熱する。この状態でチャンバ1内に反応性ガスを含むプロセスガス25を供給部4から、シャワープレート20の貫通孔21を介して、供給する。
また、チャンバ1の側壁の上部のパージガス供給部42からは、パージガス41が供給されている。
そして、半導体基板6表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行われ、半導体基板6表面に結晶膜を形成する。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは、変性された生成ガスとなり、プロセスガス25やパージガス41とともにチャンバ1下部に設けられた排気部5から逐次排気される。
よって、成膜装置50においては、半導体基板6を高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが可能であり、均一に加熱された半導体基板6の表面に新たなプロセスガス25を次々に接触させて成膜速度を向上させることが可能なように構成されている。
以下、成膜装置50の主要な構成部分について説明する。
中空筒状のライナ2は石英製であり、透明性を備える。そして、その頭部31の上部開口部には、半導体基板6の表面に対してプロセスガス25を均一に供給するよう、ガス整流板であるシャワープレート20が取り付けられている。このシャワープレート20には、プロセスガス25を供給するための貫通孔21が複数個設けられている。
図1に示す、本実施の形態の成膜装置50においては、供給部4から供給されるプロセスガス25をサセプタ7上の半導体基板6上に均一に供給できるよう、シャワープレート20の貫通孔21の配置が半導体基板6に対応する領域内にあるように選択されている。
なお、ライナ2の配設については、一般に、成膜装置のチャンバの壁がステンレス製であることによる。すなわち、成膜装置50では、このステンレス製の壁を気相反応系内に露出させないように、ライナ2で全面を被覆している。これは、半導体基板6表面の結晶膜形成時のパーティクルや金属汚染、あるいはチャンバ1のステンレス製の壁の侵食を防ぐ効果がある。
本実施の形態の成膜装置50において、中空筒状のライナ2は、シャワープレート20を支持する頭部31と、内部にサセプタ7が配置されてプロセスガス25による半導体基板6表面での気相反応が行われる胴部30とを有する。そして、頭部31の内径は胴部30より小さく、その結果、頭部31の断面積は胴部30より小さく、ライナ2は頭部31が絞られた構造を有する。
このように、中空筒状のライナ2において、頭部31が絞られた構造を備えるのは、頭部31が、シャワープレート20を上部開口部で支持するとともにシャワープレート20を通過したプロセスガス25の、胴部30内の半導体基板6に向けた流路となるよう構成されているためである。
そして、この絞られた構造の頭部31の内径は、シャワープレート20の貫通孔21の配置と半導体基板6の大きさに対応するように決められている。よって、シャワープレート20の貫通孔21を出た後、プロセスガス25が拡散する無駄な空間が無くなっており、シャワープレート20から供給されるプロセスガス25が無駄なく半導体基板6表面に集められ、プロセスガス25の効率的な利用が可能となるよう構成されている。このようにライナ2の形状を改善することにより、半導体基板6表面での高効率の気相成長反応が実現できることになる。
そして、中空筒状の形状を有するライナ2においては、それぞれの内径が異なって断面積の異なる胴部30と頭部31とを繋ぐ境に、それぞれの断面積の違いに由来する段部32が形成されている。そして、その段部32の、頭部31との接合部分近傍には、隙間44が設けられている。この隙間44は、パージガス供給部42によりチャンバ2と側壁との隙間に供給されたパージガス41の流路となっている。
よって、ライナ2は、胴部30と頭部31とそれらの境にある段部32とからなり、段部32の角部34近傍には、パージガス41の流路となる隙間44が設けられている。
このとき、この段部32の角部34は、胴部30と頭部31とが接合する部分でもあり、頭部31がチャンバ1の上方に向けての立ち上がる付け根となっている。
そして、ライナ2では、プロセスガス25が拡散する無駄な空間を無くすよう、頭部31の付け根である段部32の角部34の下面側は、半導体基板6やサセプタ7の上空にせり出す構造となっている。すなわち、角部34の下面側が半導体基板6やサセプタ7近傍に位置する構造となっている。
次に、本実施の形態の成膜装置50の有するサセプタ7の構造と作用について説明する。
本実施の形態の成膜装置50の有するサセプタ7は、半導体基板6を載置して支持するドーナツ板状のサセプタ本体36を有する。そして、そのサセプタ本体36の外周端部に柱37が立設され、その柱37上にさらにドーナツ状円板38を設けた構成を備える。すなわち、図1に示す成膜装置50において、サセプタ7は、半導体基板6を載置して支持するドーナツ板状のサセプタ本体36と、サセプタ本体36の外周端部に立設された柱37に支持されてサセプタ本体36から離間するよう設けられたドーナツ状円板38とからなる。
このサセプタ7のドーナツ状円板38は、カーボン(C)に対しSiC(炭化珪素)がコートされた部材から構成することが可能である。また、カーボンにTaC(タンタルカーバイト)やタングステンカーバイト(WC)をコートして構成された部材など、高い耐熱性を備え、半導体基板6表面での気相成長を汚染する懸念の無い部材を適宜選択して使用することが可能である。
そして、サセプタ7では、半導体基板6をサセプタ本体36に載置したままで、回転筒23に対し着脱可能とされている。したがって、成膜装置50では、成膜装置50の外で、半導体基板6をサセプタ7のサセプタ本体36に半導体基板6を載置し、そのままサセプタ7とともに半導体基板6を成膜装置50内に搬入することができる。
そして、半導体基板6を載置したサセプタ7を回転筒23上に装着し、半導体基板6上での気相成長反応を行うことができる。気相反応終了後は、再びサセプタ7のサセプタ本体36に反応後の半導体基板6を載置したまま、回転筒23上からサセプタ7を取り外し、サセプタ7とともに半導体基板6を成膜装置50外に搬出することができる。
したがって、成膜装置50の外で、気相反応後の半導体基板6をサセプタ7から回収することができる。そして、クリーニングされて汚れの除去されたサセプタ7や新たなサセプタ7などに新たな半導体基板6を載置し、再び同様の、成膜装置50における基板搬入と成膜と基板搬出とを繰り返すことができる。
ここで、サセプタ7の有するドーナツ状円板38の配置と作用について説明する。
上述のように、本実施の形態の成膜装置50においては、ライナ2は、胴部30に対し、所謂、頭部31が絞られた構造を有する。
したがって、チャンバ1の頂部に設けられた供給部4から成膜装置50のチャンバ1内に供給されたプロセスガス25は、流路となる頭部31を通過して半導体基板6の表面に向かって効率よく流下する。そして、このとき、半導体基板6表面でのプロセスガス25の流れをより均一にするよう、半導体基板6の周縁部分とライナ2との間の隙間は狭くなるよう構成されている。具体的には、ライナ2の頭部31と胴部30との境にある段部32の角部34と半導体基板6の周縁部分との間の隙間は狭くなっている。
このように、ライナ2の段部32の角部34と半導体基板6の周縁部分との間の隙間を狭くすることにより、プロセスガス25が半導体基板6近傍に到達した後、プロセスガス25の半導体基板6表面から、サセプタ7を支持する回転筒23の側方に流れ出る速度を速めている。その結果、ライナ2の頭部31上方へとプロセスガス25が巻き上がることを防止している。
しかしながら、ここで一つの問題が発生することは上述した。すなわち、ヒータ8からの輻射熱は、半導体基板6だけでなく、成膜装置50を構成する部材全てに伝わり、昇温させる。そして、そうした昇温は、半導体基板6やヒータ8のような高温部分の近傍において顕著である。
このため、半導体基板6やヒータ8に近い、ライナ2の胴部30と頭部31の境の部分には相対的な高温部分が生じる場合がある。特に、半導体基板6やサセプタ7に近い部分、すなわち、ライナ2の胴部30と頭部31の境にある段部32の角部34では、何らかの防御手段が施さなれない限り、温度が非常に高くなってしまう。
そして既に述べたように、チャンバ1内面のライナ2上に生じた相対的な高温部分にプロセスガス25が接触すると、半導体基板6の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が起きる。したがって、チャンバ1内のライナ2の段部32の角部34には、何らかの防御手段を施さない限り、図4に示したようなプロセスガス25に由来するシリコン結晶35が生成されてしまうことになる。
このようなシリコン結晶35の形成は、ライナ2を汚すとともに、プロセスガス25の流路となる、ライナ2の段部32の角部34と半導体基板6の周縁部分との間の隙間をより狭くしてしまうことになる。
したがって、半導体基板6表面における成膜時のプロセスガス25の流れの状態が変化し、均一な条件下での半導体基板6への成膜が行えなくなることがある。
そこで、サセプタ7の有するドーナツ状円板38は、温度が非常に高くなる可能性がある、ライナ2の半導体基板6やサセプタ7に近い部分、すなわち、ライナ2の段部32の角部34をカバーしてこれを保護する役割を果たしている。
図2は、本実施の形態の成膜装置の有するサセプタの作用を説明するための成膜装置の要部拡大図である。図2では、図1に示した成膜装置50の要部を拡大して示すようにしてある。
本実施の形態の成膜装置50において、サセプタ7は、上述のように、サセプタ本体36と、サセプタ本体36の外周端部に立設された柱37に支持されてサセプタ本体36から離間するよう設けられたドーナツ状円板38からなる。そして、図2に示すように、ドーナツ状円板38は、サセプタ7が回転筒23に装着された状態において、半導体基板6やサセプタ7の上空にせり出す構造を有するライナ2の段部32の角部34を、その先端から所望の幅で、下面側からカバーしてこれを保護する役割を果たしている。
そして、半導体基板6表面への成膜時に、サセプタ7上に載置された半導体基板6をヒータ加熱して、その表面においてプロセスガス25の熱分解反応或いは水素還元反応を起こさせる場合、ヒータ8の加熱による輻射熱は半導体基板6だけでなく、成膜装置50を構成する部材全てに伝わり、昇温させてしまう。そして、そのような昇温現象は、半導体基板6やヒータ8のような高温部分の近傍において顕著である。
したがって、サセプタ7のドーナツ状円板38は、半導体基板6表面への成膜時において、ヒータ8の加熱による輻射熱を受け止め、ライナ2内の他の部分、特に、ライナ2の段部32の角部34に対してヒータ8からの輻射熱を遮断する。その結果、段部32の角部34において、半導体基板6の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が生じることを防止する。そして、その部位にプロセスガス25に由来するシリコン結晶35が生成することを抑制する。
その際、ドーナツ状円板38自身は、加熱されて高温に昇温することになる。したがって、ドーナツ状円板38の表面において、半導体基板6の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が生じる。その結果、図2に示すように、ドーナツ状円板38の下面側では、プロセスガス25に由来するシリコン結晶35が生成する。
しかしながら、ドーナツ状円板38を有するサセプタ7は、上述のように、半導体基板6を載置したままで、回転筒23に対し着脱可能とされている。そして、気相反応終了後は、サセプタ7のサセプタ本体36に反応後の半導体基板6を載置したまま、回転筒23上からサセプタ7を取り外し、半導体基板6とともにサセプタ7を成膜装置50外に搬出することができる。
よって、反応体基板6への成膜時に、サセプタ7のドーナツ状円板38上にシリコン結晶35が形成されることがあるものの、ドーナツ状円板38は、成膜反応後に半導体基板6とともにライナ2の外へ、すなわち、チャンバ1の外部に搬出されてしまう。その結果、残されたチャンバ1のライナ2内においては、プロセスガス25に由来するシリコン結晶は残されないこととなる。したがって、ライナ2上、特にライナ2の頭部31と胴部30との境にある段部32の角部34と半導体基板6の周縁部分との間の隙間にシリコン結晶35が堆積していくことはない。
よって、ライナ2内でシリコン結晶35の形成は起こるものの、ライナ2に求められる透明性が失われることは抑制される。そして、シリコン結晶35の塊が剥離し、チャンバ1内にパーティクルとして滞留して、後に生産される半導体基板に成膜される気相成長膜を汚染し、品質を低下させる要因となることも抑制される。よって、チャンバ1のメンテナンスを行なう頻度が低減され、成膜装置50を継続的に稼動させることができ、成膜装置の稼働率を従来よりも向上させることができる。
尚、図1および図2に示すように、ドーナツ状円板38の上面とライナ2の段部32の角部34の下面と間には隙間が設けられている。この隙間は、サセプタ7に半導体基板6を載置したままサセプタ7を回転筒23上に装着し、または取り外す作業を行うためのものである。
したがって、ドーナツ状円板38の角部34の保護機能を十分に発揮させるため、この隙間は、サセプタ7の装着と取り外し作業に妨げにならない範囲内で、その幅を小さくすることが好ましい。
また、サセプタ7の有するドーナツ状円板38の別の作用について説明する。
ドーナツ状円板38は、サセプタ7が回転筒23に装着された状態において、半導体基板6やサセプタ7の上空にせり出す構造を有するライナ2の段部32の角部34を下面側からカバーする役割を果たしている。そして、半導体基板6表面への成膜時において、ヒータ8の加熱による輻射熱やサセプタ7からの放射熱を受け止めている。
このとき、サセプタ7のドーナツ状円板38は、これらの熱、特に、サセプタ7からの放射熱の反射板としての役割を果たす。
このような、放射熱の反射板としての役割を果たすことにより、半導体基板6の周縁部分からの熱の逃げを抑制し、成膜時における半導体基板6のヒータ加熱効率を向上させることが可能となる。その結果、ヒータ8における基板加熱のための出力を低下させることが可能となり、高効率の成膜装置50の提供が可能となる。
次に、本実施の形態である上述の成膜装置を使用した成膜方法について説明する。
本実施の形態である成膜方法においては、成膜装置50を使用する。そして、そのチャンバ1外周に設けた冷却水の流路3a、3bによりチャンバ1を冷却しながら、プロセスガス25をチャンバ1の頂部に設けられた供給部4からガス整流板であるシャワープレート20の貫通孔21を介して流下させる。そして、下方に配設された回転式のサセプタ7上に載置した半導体基板6を加熱するとともにプロセスガス25を接触させ、半導体基板6表面に結晶膜を形成する。
ここで、サセプタ7は、回転筒23に装着され、回転軸22を介して図示されない回転機構に接続されて回転可能とされている。
また、成膜装置50のチャンバ1の内壁には、これを被覆する中空筒状のライナ2が設けられている。このチャンバ1の内壁を被覆するライナ2には、内部にサセプタ7が配置される胴部30と、その胴部30より小さな内径を有して絞られた構造の頭部31と、胴部30と頭部31との境に位置する段部32とが設けられている。
そして、上述のように、その頭部31を流路として、プロセスガス25を効率良くサセプタ7上の半導体基板6に到達させる。そしてさらに、サセプタ7には、半導体基板6を載置するサセプタ本体36の周縁部に立設された柱37に支持されて、サセプタ本体36と離間するよう設けられたドーナツ状円板38が配設されている。
このドーナツ状円板38は、サセプタ7が回転筒23に装着された状態で、ライナ2の段部32の角部34を、その先端から所望の幅で、下面側からカバーしてこれを保護する役割を果たしている。
また、ライナ2の段部32の角部34先端近傍には隙間44が形成されており、チャンバ1とライナ2との間に供給されたパージガス41をその隙間44から流出させることができる。その結果、その隙間44から流出されたパージガス41は、さらに、ライナ2の段部32の角部34下面側と、ドーナツ状円板38の上面との間にある隙間を通って、半導体基板6の側方およびサセプタ7の側方を通過し、最終的にチャンバ1底部から装置外に排気される。
従って、このパージガス41の流れとドーナツ状円板38によるカバーによって、ライナ2の段部32の角部34が高温に昇温されるのを防止し、チャンバ1内の不純物となるシリコン結晶35が、ライナ2の段部32周辺などに付着するのを抑制しながら、半導体基板6表面に所望の結晶膜を形成することができる。
気相反応終了後は、サセプタ7のサセプタ本体36に反応後の半導体基板6を載置したまま、回転筒23上からサセプタ7を取り外し、サセプタ7とともにその半導体基板6を成膜装置50のチャンバ1の外に搬出する。そして、成膜装置50の外で、その気相反応後の半導体基板6をサセプタ7から取り外して回収する。このとき、その半導体基板6における気相成長反応に使用され、半導体基板6を取り外された後のサセプタ7は、特にドーナツ状円板38において、シリコン結晶35の形成などにより汚染されている。したがって、次の成膜作業の準備としてこのサセプタ7をクリーニングする。
そして、そのクリーニングされた汚染の無いサセプタ7や新品のサセプタ7に気相反応前の新たな半導体基板6を載置し、そのサセプタ7を成膜装置50のチャンバ1内に搬入する。
そして、成膜装置50における、サセプタ7に載置された半導体基板6のチャンバ1への搬入とチャンバ1内での成膜とチャンバ1からの搬出とを繰り返す。
尚、半導体基板6としては、例えば、シリコンウェハ、特にパワー半導体などの用途で使用される300mmのシリコンウェハなどを挙げることができる。このとき、例えば、パワー半導体の用途では、300mmのシリコンウェハ上に10μm以上、多くは10μm〜100μm程度の厚膜が形成される。
また、供給部4からチャンバ1に供給するプロセスガス25の供給流量の設定は、例えばキャリアガス:Hを20〜100SLM(Standard Liter per Minutes:標準リットル毎分)、反応性ガス:ジクロロシラン(SiHCl)を50sccm(standard cubic centimeter per minutes:標準cc毎分)〜2SLMと設定し、その他のドーパントガス:ジボラン(B)またはホスフィン(PH)を微量だけ加えるよう設定する。そのようにジボランを導入すればp型、ホスフィンを導入すればn型の導電性を示す膜が形成される。そしてチャンバ1内の圧力を例えば1333Pa〜常圧に制御する。以上の条件を満たし、チャンバ1内で半導体基板6上の気相成長を開始する。
また、半導体基板6を支持するサセプタ7は、回転軸22を介して図示されない回転機構に接続されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ7を回転させることにより、その上に載置された半導体基板6を高速に回転する。そして、厚膜を形成する場合、成膜時において半導体基板6の回転数を特に高くするのがよく、例えば、900rpm程度の回転数とするのがよい。
上述のプロセス条件で半導体基板6が気相成長反応を行う間、ヒータ8は半導体基板6を常に1000℃以上に加熱している。そのため、チャンバ1内の温度は輻射熱によって全体的に高くなる。ヒータ8に接近したライナ2の段部32の角部34など、そうした昇温が特に顕著となる部位については、サセプタ7のドーナツ状円板38によりカバーされ、保護されている。
しかし、チャンバ1全体の温度があまりに高くなってしまうと、上述したドーナツ状円板38への副生成物の堆積以外に、上述のようにチャンバ1のフランジ部9をシールしているフッ素ゴム製のパッキン10や、排気部5と排気配管を連結しているフランジ部11のシールをしているパッキン12を劣化させる。
そこで、パッキン10、12の劣化を抑制する目的においても、チャンバ1外周に設けた冷却水の流路3a、3bに水温約20℃程度の冷却水を循環させ、熱の輻射を受けやすいチャンバ1、パッキン10、12などを冷却水の循環により冷却する。
そして、ドーナツ状円板38によってライナ2へのシリコン結晶35の堆積を抑制しながら、成膜装置50は稼動に良好な温度に保たれる。
また、このときの冷却手段は水以外でも良く、空気など、成膜装置50から効果的に熱を奪うことが出来るものであれば良い。
以上のように、本実施の形態である成膜装置およびそれを用いた成膜方法では、従来から問題となっていたチャンバ内におけるライナ上に生じる副生成物の堆積を抑制し、メンテナンスの頻度を低減させることによりメンテナンス作業の労力を軽減させるとともに、装置の稼働率を向上させることが出来る。ひいては、プロセス条件を安定化させることにより高品質のウェハ等半導体基板を生産可能にする。
本発明は上述した実施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。
すなわち、本発明の成膜装置の一例として、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、シリコン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。例えば、ポリシリコン膜を成長させることを目的とした成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。
また、SiC基板表面にSiC結晶膜を気相成長させるため、1650℃での加熱など、より高温での基板加熱を必要とする成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、装置の構成や制御の手法など、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。
また、本発明を説明するために示した図において、説明のために必要な構成以外は省略し、縮尺等に就いても原寸大のものとは一致させず、明確に視認できるよう適宜変更した。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての成膜装置および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。
1、201 チャンバ
2、202 ライナ
3a、3b、203a、203b 流路
4、204 供給部
5、205 排気部
6、206 半導体基板
7、207 サセプタ
8、208 ヒータ
9、11、209、211 フランジ部
10、12、210、212 パッキン
20、220 シャワープレート
21、221 貫通孔
22、222 回転軸
23、223 回転筒
25、225 プロセスガス
30、230 胴部
31、231 頭部
32、232 段部
34、234 角部
35、235 シリコン結晶
36 サセプタ本体
37 柱
38 ドーナツ状円板
41 パージガス
42 パージガス供給部
44 隙間
50、200 成膜装置

Claims (5)

  1. 成膜室と、
    前記成膜室内にプロセスガスを供給する供給部と、
    前記成膜室の底部に設けられた排気部と、
    前記成膜室の内壁を被覆する筒状のライナと、
    前記ライナの頭部の開口部に配設され、前記成膜室内に供給された反応ガスを整流する整流板と、
    前記成膜室の底部から前記ライナの胴部内に伸びる回転軸と、
    前記回転軸の上端に配設された回転筒と、
    前記胴部内で前記回転筒に支持されて、基板が載置されるサセプタとを有する成膜装置であって、
    前記ライナは、前記胴部と、前記胴部より断面積の小さい前記頭部と、前記胴部と前記頭部をつなぐ段部とからなり、
    前記サセプタは、前記回転筒に支持されて前記基板が載置されるサセプタ本体と、前記サセプタ本体の上に立設された柱に支持されて前記サセプタ本体と離間するよう設けられたドーナツ状円板とからなり、
    前記ドーナツ状円板は、前記サセプタが前記回転筒に支持された状態で、前記ライナの前記段部の周囲をカバーするよう構成されたことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記サセプタは、前記回転筒に着脱可能に支持されていることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  3. 前記ドーナツ状円板は、SiC(炭化珪素)、TaC(タンタルカーバイト)およびタングステンカーバイト(WC)よりなる群から選択された1以上の材料でカーボン(C)をコートして得られた部材によって構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の成膜装置。
  4. プロセスガスを成膜室の頂部から流下し、回転筒に支持されたサセプタ上に載置した基板を加熱しつつ前記基板に前記プロセスガスを接触させて所定の膜を形成する成膜方法において、
    前記成膜室の内壁を、前記サセプタが配設される胴部と、前記胴部より断面積が小さい頭部と、前記胴部と前記頭部をつなぐ段部とからなる筒状のライナで被覆し、
    前記サセプタを、前記基板が載置されるサセプタ本体と、前記サセプタ本体上に前記サセプタ本体と離間するよう設けられたドーナツ状円板とで構成するとともに、前記ドーナツ状円板により前記ライナの前記段部の周囲を被覆して、
    前記ライナの前記頭部から前記プロセスガスを前記基板に向けて流下させることを特徴とする成膜方法。
  5. 前記成膜室の外部で前記サセプタに前記基板を載置し、この状態で前記サセプタを前記成膜室の内部に搬入して前記回転筒で支持し、前記基板に所定の膜を形成した後、前記基板を載置したまま前記回転筒から前記サセプタを取り外して前記成膜室の外部に前記サセプタを搬出することを特徴とする請求項4に記載の成膜方法。
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