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JP5039076B2 - エピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法 - Google Patents

エピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、エピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法に関する。
シリコンウェーハ等の半導体基板に単結晶膜を気相成長させるエピタキシャル成長ではCVD(Chemical Vapor Deposition)法が多く使用される。CVD法を用いたエピタキシャルウェーハの製造装置は、例えば、チャンバの中に回転体ユニットがあり、回転体ユニットの上面にはウェーハを保持する例えば環状のウェーハ保持部が設けられ、回転体ユニット内にはウェーハを加熱するためのヒーターが設けられ、そして、チャンバに原料ガスを導入し、回転体ユニットと共にウェーハを高速回転させながらウェーハ上に単結晶膜を生成する。
ウェーハ上に単結晶膜を生成する際、例えば、トリクロロシランを原料ガスとし、水素をキャリアガスとした場合、塩素等の反応後ガスが発生する。
この反応後ガスは、排気口へと円滑に排気されることが望ましいが、従来のエピタキシャルウェーハの製造装置では、ウェーハやウェーハ保持部が回転体ユニットと共に高速回転しているため、反応後ガスに遠心力が発生する。これによって、この反応後ガスは、回転体ユニット外縁部付近では外周方向への流速が速くなり、その結果、反応後ガスがウェーハ上に逆流することがあった。そして、逆流した反応後ガスによってシリコン膜がエッチングされ、成膜速度の向上やガス利用効率の向上の弊害となっていた。
また、多層の成膜を行う際には、ドーパントガス濃度やドーパントガス種を切り替える必要がある。従来のエピタキシャルウェーハの製造装置では、装置内のガスの置換効率が悪いため、ドーパントガスの濃度やガス種の切り替えに長い時間を要し、スループットを低下させてしまい、結果的にエピタキシャルウェーハの生産性の向上に弊害があった。
なお、特許文献1には、化学蒸着装置において、基板の上方において基板との距離が徐々に狭くなる形状のガス導入ガイドと、基板との間に、ガス整流板を設けることにより、原料ガスの循環流を防止し、膜厚を均一化する技術が公開されている。ただし、この技術は、原料ガスの流れを制御するものであり、上記の反応後ガスの制御はできない。
特開2001−140078号公報
本発明は、反応後ガスの逆流を抑制することで、成膜速度とガス利用効率を向上し、そして、ガスの置換効率を向上する、高生産性のエピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法を提供する。
本発明の一態様によれば、チャンバと、前記チャンバに設けられ前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入口と、前記チャンバに設けられ前記反応ガスを前記チャンバ内から排出するガス排気口と、前記チャンバの内部に設けられた回転体ユニットと、前記回転体ユニットの上部に設けられ、ウェーハを保持するウェーハ保持部と、前記回転体ユニット及び前記ウェーハ保持部から離間してその上部を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁と、を備え、前記整流壁の上端は、前記ウェーハ保持部よりも上方にあり、且つその内径は、前記ウェーハ保持部の外周よりも小さく、前記整流壁の下端は、前記回転体ユニットの上面よりも下方にあり、且つその内径は、前記回転体ユニットの外周よりも大きく、前記ガス導入口から導入された前記反応ガスは、前記整流壁の上端における前記開口を介して前記整流壁と前記回転体ユニットとの間隙を通過し、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、連続的な曲面であり、前記回転体ユニットの回転中心部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さよりも、前記回転体ユニットの外周部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さを、短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの上部の外周部に近接し、前記回転体ユニットの下部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの回転中心から外側に向けての距離よりも、前記回転体ユニットの上部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの前記回転中心から外側に向けての距離を短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの前記上部の前記側面に近接し、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの回転軸を含む平面で切断したときに曲線を呈することを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、チャンバと、前記チャンバに設けられ前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入口と、前記チャンバに設けられ前記反応ガスを前記チャンバ内から排出するガス排気口と、前記チャンバの内部に設けられた回転体ユニットと、前記回転体ユニットの上部に設けられ、ウェーハを保持するウェーハ保持部と、を備えるエピタキシャルウェーハの製造装置であって、前記チャンバの内壁は、前記前記回転体ユニット及び前記ウェーハ保持部から離間してその周囲を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁を有し、前記整流壁の上端は、前記ウェーハ保持部よりも上方にあり、且つその内径は、前記ウェーハ保持部の外周よりも小さく、前記整流壁の下端は、前記回転体ユニットの上面よりも下にあり、且つその内径は、前記回転体ユニットの外周よりも大きく、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、連続的な曲面であり、前記回転体ユニットの回転中心部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さよりも、前記回転体ユニットの外周部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さを、短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの上部の外周部に近接し、前記回転体ユニットの下部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの回転中心から外側に向けての距離よりも、前記回転体ユニットの上部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの前記回転中心から外側に向けての距離を短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの前記上部の前記側面に近接し、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの回転軸を含む平面で切断したときに曲線を呈することを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造装置が提供される。
本発明の別の一態様によれば、チャンバの内部に設けられた回転体ユニットの上部に配置されたウェーハ保持部にウェーハを設置し、前記チャンバの内部に反応ガスを導入し、前記ウェーハを前記回転体ユニットにより回転しながら前記反応ガスを反応させ、前記反応によって生成した反応後ガスを、前記回転体ユニット及び前記ウェーハ保持部から離間してその上部を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁を用いて、前記ウェーハ保持部よりも上方で前記ウェーハ保持部の外周より内側の位置から、前記回転体ユニットの上面よりも下で前記回転体ユニットの外周より外側の位置まで整流し、前記ウェーハの上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、前記整流壁の上端は、前記ウェーハ保持部よりも上方にあり、且つその内径は、前記ウェーハ保持部の外周よりも小さく、前記整流壁の下端は、前記回転体ユニットの上面よりも下方にあり、且つその内径は、前記回転体ユニットの外周よりも大きく、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、連続的な曲面であり、前記ガス導入口から導入された前記反応ガスのは、前記整流壁の上端における前記開口を介して前記整流壁と前記回転体ユニットとの間隙を通過し、前記回転体ユニットの回転中心部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さよりも、前記回転体ユニットの外周部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さを、短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの上部の外周部に近接し、前記回転体ユニットの下部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの回転中心から外側に向けての距離よりも、前記回転体ユニットの上部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの前記回転中心から外側に向けての距離を短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの前記上部の前記側面に近接し、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの回転軸を含む平面で切断したときに曲線を呈することを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法が提供される。
本発明によれば、反応後ガスの逆流を抑制することで、成膜速度とガス利用効率を向上し、そして、ガスの置換効率を向上する、高生産性のエピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法が提供される。
本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。 第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における反応後ガスの状態を例示する断面模式図である。 第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。 第1の実施形態と第1、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における装置内の反応後ガスの流れを例示する模式図である。 第1の実施形態と第1、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における装置内の平均空気齢を例示する模式図である。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の別の変形例の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第2の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の要部の構成を例示する模式断面図である。 第2の実施形態と第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における、整流壁の距離を変えた時の特性を例示する模式図である。 第2の実施形態と第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における、整流壁の角度を変えた時の特性を例示する模式図である。 本発明の第3の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る別のエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第5の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第6の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第7の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。 本発明の第8の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造方法を例示するフローチャート図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。
図1に表したように、第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aは、チャンバ10を備える。チャンバ10の内部には、回転体ユニット70が設けられ、その上面には、ウェーハ40を保持するウェーハ保持部50が設けられている。図1においては、ウェーハ保持部50は、例えば、平面視(図1において紙面に対して平行に上方から下方に向けて眺めた場合)がリング状などの環状の形態を有する。このウェーハ保持部50によってウェーハは保持され、回転体ユニット70によってウェーハ40は回転する。
また、チャンバ10の例えば上部には、チャンバ10の内部に反応ガス(原料ガスやキャリアガス)を導入するガス導入口20が設けられ、また、チャンバ10の例えば下部には、反応ガス(反応後ガス)を排気するガス排気口30、が設けられている。また、チャンバ10の外壁部には、冷却用の冷媒として、例えば冷却水が循環するための冷却パイプ120が設けられている。
回転体ユニット70の上部には、アダプタ115に支持された整流板110が設けられ、ガス導入口20から導入された反応ガスを、ウェーハ40に向けて均一に整流して導入することができる。整流板110には、例えば石英等を用いることができる。ただし、これに限らず、整流板110には、耐熱性が高く化学的に安定な各種の材料を用いることができる。また、上記の整流板110及びアダプタ115は必要に応じて設ければ良く、例えば、ウェーハ保持部50の上部のチャンバ10の内壁12までの空間が狭い場合等は、省略しても良い。また、他の構成要素が、整流板110やアダプタ115を兼用することもできる。
なお、図1に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1aでは、チャンバ10の内壁12には、内壁12からウェーハ40への汚染を防止すると同時に、内壁12への反応物の付着を防止するライナ130が設けられている。ライナ130には、例えば、石英、SiC、シリコン等の他、例えば、カーボンにSiC膜をコートしたもの等各種の材料を用いることができる。なお、ライナ130には、これ以外の材料も用いることができる。また、ライナ130は必要に応じて設ければ良く、また、他の構成要素がライナ130を兼用することができる。また、エピタキシャルウェーハの製造装置1aでは、アダプタ115は、ライナ130を介して、チャンバ10に保持されているが、本発明はこれに限らず、整流板110やアダプタ115はライナ130を介さず、例えば直接チャンバ10に接続されても良い。
なお、回転体ユニット70の内部には、ウェーハ40を加熱する内部ヒーター100(第3ヒーター)が設けられている。内部ヒーター100は、例えば、円盤形状や環状形状を有することができる。また、場合によっては、回転体ユニット70の内部だけではなく、外部にもヒーターを設けても良い。これらヒーターには、例えば、グラファイトを石英層で挟んだ構造や、SiCからなる抵抗加熱方式のヒーターを用いることができる。
そして、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aでは、上端がアダプタ115に接続した整流壁200が設けられている。そして、整流壁200の上端201は、ウェーハ保持部50よりも上方で、ウェーハ保持部50の外周より内側にある。そして、整流壁200の下端202は、回転体ユニット70の上面よりも下方で、回転体ユニット70の外周より外側にある。
すなわち、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aは、回転体ユニット70及びウェーハ保持部50から離間してその上部を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁200を備える。そして、整流壁200の上端は、ウェーハ保持部50よりも上方にあり、且つその内径は、ウェーハ保持部50の外周よりも小さい。そして、整流壁200の下端は、回転体ユニット70の上面よりも下方にあり、且つその内径は、回転体ユニット70の外周よりも大きい。
すなわち、整流壁200の回転体ユニット70側の面(内側面)は、回転体ユニット70の上部の外周部に近接している。すなわち、回転体ユニット70の回転中心部における、回転体ユニット70の上方空間の上下方向の長さよりも、回転体ユニット70の外周部における、回転体ユニット70の上方空間の上下方向の長さを、短くする。
そして、整流壁200の内側面は、回転体ユニット70の上部の側面に近接している。すなわち、回転体ユニット70の下部における回転体ユニットの側面の外側の空間の、水平方向(回転体ユニット70の回転中心から外側に向けて)の距離よりも、回転体ユニット70の上部における回転体ユニット70の側面の外側の空間の、水平方向の距離を短くする。
整流壁200には、例えば、石英、SiC、シリコン等の他、例えば、カーボンにSiC膜をコートしたもの等各種の材料を用いることができる。
このような構成のエピタキシャルウェーハの製造装置において、例えば、反応ガスとして、原料ガスであるトリクロロシラン(SiHCl)と、キャリアガスである水素(H)との混合ガスをガス導入口20から導入し、回転体ユニット70によってウェーハ40を回転しながら、高温度に保持されたウェーハ40の上にエピタキシャル膜が形成される。
すなわち、チャンバ内に流入した反応ガスは、アダプタ115に保持された整流板110を介してウェーハ40の上面に流入する。流入した反応ガスは、高温に加熱されたウェーハ40の上にエピタキシャル膜を形成する。
この時、例えばトリクロロシランを原料ガスとし、水素をキャリアガスとした場合には、総括反応として以下の反応式で示す化学反応が生じる。

SiHCl+H → Si+3HCl

そして、上式の右辺のSiがウェーハ表面にシリコン膜として生成する。この化学反応が示すように、Siの生成と同時に、塩化水素(HCl)ガスが発生する。この塩化水素ガスを含む反応後ガス(この場合、残存する原料ガス、残存するキャリアガス、塩化水素ガス及び中間生成物ガス)がスムースに排出されずに装置内に残留すると、例えば、Si膜がエッチングされ、成膜速度の向上やガス利用効率の向上の弊害となるが、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいては、整流壁200が設けられているので、この反応後ガスを効率良く排気することができる。
すなわち、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいては、整流壁200を設けているので、回転体ユニット70の上面及び外側面と、整流壁200との間の隙間が狭くなることで、反応後ガスの粘性抵抗が増大し、反応後ガスの外周方向への流量を低減でき、反応後ガスの逆流を抑えることができる。この結果、ウェーハ上での成膜速度及びガス利用効率を向上することができる。
さらに、反応後ガスの逆流が低減し、反応後ガスの滞留が生じなくなることと、反応後ガスが流れる空間の体積が低減することと、反応後ガスのガス排気口30への誘導の効率が向上することによりガスの置換効率を向上し、生産性を向上できる。
(第1の比較例)
以下、第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9aについて説明する。
第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9aは、図1に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいて、整流壁200が設けられていない構造を有す。これ以外は、エピタキシャルウェーハの製造装置1aと同様なので、詳細な説明は省略する。
図2は、第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における反応後ガスの状態を例示する断面模式図である。
同図は、第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9aの要部を例示しており、回転体ユニット70の回転中心線71の左側部分の、整流板110、アダプタ115、回転体ユニット70、ウェーハ保持部50、ウェーハ40を例示している。
第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9aは、整流壁200を有していないので、ウェーハ保持部50とアダプタ115との間の隙間が広い。
そして、図2に表したように、ウェーハ40及びウェーハ保持部50は、回転体ユニット70と共に高速回転しているので、反応ガスに遠心力が発生し、回転体ユニット70の外縁部付近では外周方向への流速が早くなる。そのため、回転体ユニット70の外周部の回転体ユニット70の近傍では、外周方向への流量Voutが大きくなる。
この時、外周方向へ流れる反応後ガスは、この例では、アダプタ115とウェーハ保持部50との間、及び、ライナ130と回転体ユニット70の側壁との間、を通って、ガス排気口30に向けて流れようとするが、外周方向への流量Voutが過度に大きいと、ガス排気口30に向けての流動可能量を超えてしまい、結果として、例えば、回転体ユニット70の上方のアダプタ115に近接した部位で逆流してしまう。すなわち、反応後ガスの内周方向への流量Vin(逆流流量Vin)が増大する。この逆流流量Vinは、外周方向への流量Voutと、ガス排気口30に向けての流動可能量と、の差分であり、外周方向への流量Voutが増大すると、逆流流量Vinも増大する。そして、塩化水素ガスを含む反応後ガスが、ウェーハ40上に逆流すると、シリコン膜がエッチングされ、成膜速度やガス利用効率が低下する。
また、多層の成膜を行う際には、反応後ガスが逆流すると、ドーパントガスの切り替えに長い時間を要し、すなわち、装置内のガスの置換効率が悪くなり、結果として、スループットを低下させてしまい、エピタキシャルウェーハの生産性の向上に弊害がある。
(第2の比較例)
図3は、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。
図3に表したように、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9bにおいては、整流壁209が設けられている。だたし、この整流壁209は、回転体ユニット70の上方のみに設けられている。すなわち、整流壁209の上端201は、ウェーハ保持部50よりも上方で、ウェーハ保持部50の外周より内側にあり、整流壁209の下端202は、回転体ユニット70の上面よりも上にある。この整流壁209の構造以外は、図1に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1aと同等なので、説明を省略する。
このように、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9bにおいては、整流壁209が、回転体ユニット70の上方のみに設けられている。このため、反応後ガスは、整流壁209の下端202からその上方に向かって逆流し、チャンバ内に滞留してしまう。このため、ドーパントガスの切り替えに長い時間を要し、結果として、装置内のガスの置換効率が悪く、スループットを低下させてしまい、エピタキシャルウェーハの生産性の向上に弊害がある。
以下、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aと、第1、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9a、9bの特性について詳しく説明する。
図4は、第1の実施形態と第1、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における装置内の反応後ガスの流れを例示する模式図である。
すなわち、図4(a)、(b)、(c)は、それぞれ、第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1a及び第1、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9a、9bの反応後ガスの流れの数値解析結果を例示している。
これらの図には、大きい矢印の他に、多くの小さい矢印が描かれている。多くの小さい矢印は、装置内の各位置におけるガスの流れの向きと速さを示している。ただし、回転方向の速度成分を除いている。すなわち、濃い色の矢印は流れが速く、薄い色の矢印は流れが遅く、それらの中間の色の矢印はそれらの中間の速さであることを表している。一方、図中の大きい矢印は、上記の小さい矢印で表されたガスの流れの向きの概要を表している。
図4(b)に表したように、第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9aにおいては、回転体ユニット70の外周の上部において、流速が速い反応後ガスの上方向の流れ21aが観察される。そして、回転体ユニット70の上方のアダプタ115に近い空間で反応後ガスの逆流21bが観察される。すなわち、回転体ユニット70の上方のアダプタ115に近い空間で、反応後ガスの逆流流量Vinが大きい。例えば、アダプタ115と整流板110との境界116の下部における反応後ガスの流れ21cは内周側(同図中の紙面に向かって右側)に向いており、その流速は速い。
また、図4(c)に表したように、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9bにおいては、整流壁209を有しているため、例えば、アダプタ115と整流板110との境界116の下部における反応後ガスの流れ21cは小さくなっており、第1の比較例に比べると、ある程度の改善効果が見られる。しかしながら、第2の比較例においては、整流壁209の下端202からその上方に向かう流れ21aが観察され、反応後ガスは、チャンバ内に滞留してしまう。すなわち、この上方に向かう流れ21aのために、ウェーハ保持部50とアダプタ115との間の空間から、回転体ユニット70とライナ130との間の空間へと、下方向に、反応後ガスが円滑に流出することを妨げてしまい、結果として、反応後ガスの排気効率が低い。
これに対し、図4(a)に表したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aでは、反応後ガスは、ウェーハ40の上部空間から整流壁200にそって、回転体ユニット70の側面に向けて、下方向に円滑に流れている。そして、例えば、アダプタ115と整流板110との境界116の下部における反応後ガスの流れ21cの逆流流量Vinが小さい。これにより、反応後ガスの滞留は実質的に生じていない。
また、整流壁200の下端202における上方に向かう流れないため、ウェーハ保持部50とアダプタ115との間の空間から、回転体ユニット70とライナ130との間の空間へと、下方向に、反応後ガスが円滑に流れ出るので、反応後ガスの排気効率が高い。
ここで、これらの装置における、反応後ガスの整流性能を表す指標として、アダプタ115と整流板110との境界116における反応後ガスの流れ21cの逆流流量Vinを比較すると、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aの反応後ガスの逆流流量Vinは、第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9aに対し、59%低減することが分かった。
これは、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aでは、整流壁200を設けることにより、回転体ユニット70の上面及びウェーハ保持部50の上面と、整流壁200とで形成される空間の鉛直(上下)方向の隙間が、第1の比較例よりも狭くなっているため、反応後ガスの粘性抵抗が増加し、外周方向への流量Voutが低減し、結果として、内周方向に向かう逆流流量Vinが低減したものと考えられる。
一方、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9bにおいては、整流壁209が設けられているので、反応後ガスの逆流流量Vinは、本実施形態のエピタキシャルウェーハの製造装置1aと同等に小さな値を示した。しかしながら、製造装置9bでは、整流壁209の下端が、回転体ユニット70の上面よりも上にあるため、以下具体的に説明するように、反応後ガスが円滑に排気されずチャンバ10内に滞留する。
図5は、第1の実施形態と第1、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における装置内の平均空気齢を例示する模式図である。
すなわち、図5(a)、(b)、(c)は、それぞれ、第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1a及び第1、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9a、9bの平均空気齢の数値解析結果を例示している。ここで、平均空気齢とは、系に流入したガスが、ある点に至るまでに要した平均的な時間である。つまり、平均空気齢が小さいほど、装置内の置換効率が良いことを表す。
そして、同図中の濃いハッチングの領域は、平均空気齢が大きいことを表し、薄いハッチングの領域は、平均空気齢が小さいことを表し、そして、それらの中間の濃さのハッチングの領域は、それらの中間の平均空気齢であることを表している。
そして、エピタキシャルウェーハの製造装置においては、特に回転体ユニット70の上部及びウェーハ保持部50の上部におけるガスの置換効率が高いことが望まれる。すなわち、特に回転体ユニット70の上部及びウェーハ保持部50の上部において、平均空気齢が小さいことが望まれる。
図5(b)に表したように、第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9aにおいては、回転体ユニット70及びウェーハ保持部50の外周部の上部で、平均空気齢が大きい。すなわち、装置の換気効率が低い。
また、図5(c)に表したように、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9bにおいても、回転体ユニット70及びウェーハ保持部50の外周部の上部で、平均空気齢が大きく、装置の換気効率が低い。
これに対し、図5(a)に表したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいては、装置全体で平均空気齢が小さく、特に、回転体ユニット70及びウェーハ保持部50の外周部の上部で、平均空気齢が小さい。すなわち、装置の換気効率が高い。
そして、これらの装置における排気効率を表す指標として、回転体ユニット70の上方の平均空気齢、すなわち、アダプタ115と整流板110との境界116を延長した、アダプタ115からウェーハ保持部50に到る面における、平均空気齢の最大値を比較すると、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aの平均空気齢の最大値は、整流壁200を設けない第1の比較例に対し、72%低減し、そして、整流壁209の下端が回転体ユニット70の上面よりも上にある、第2の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9bに対し、47%低減することが分かった。
これは、整流壁200の設置によって、反応後ガスの逆流が低減するため滞留が生じなくなることと、反応後ガスが流れる空間の体積が低減することと、ガス排気口30へのガスの誘導が効率化することと、整流壁200と回転体ユニット70との間の距離が短くなることによって、平均空気齢が大きくなる下部の空間(回転体ユニット70の側面とライナ130との間の空間)と、ウェーハ保持部50の上方の空間の分離ができることと、が原因と考えられる。
このように、第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aは、整流壁200を設けることにより、装置内部のガスの流れが整流化され、ウェーハ上への逆流流量及び平均空気齢を大幅に低減することができる。すなわち、成膜速度、ガス利用効率を向上し、そして、ガスの置換効率を向上することで、高生産性のエピタキシャルウェーハの製造装置が提供できる。
なお、図1に例示したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいては、整流壁200は、上端の口径が狭く下端の口径が広くなった環状の形状を有している。そして、整流壁200の上端は、チャンバ10の内壁12に連通している。すなわち、この例では、アダプタ115を介して、チャンバ10の内壁12に連通している。
もし、整流壁200がこのように環状であり、その上端がアダプタ115(及びそれに連通したチャンバ10の内壁12)から離間している場合、例えば、整流板110を介してウェーハ保持部50の上方に流入した反応ガスは、整流壁200の上端において、整流壁200の回転体ユニット70側の面だけでなく、整流壁200のチャンバ10側の面にも流入されることになり、反応ガスの利用効率が低下する。また、図1に例示したように、整流壁200の下端がライナ130から離間していて、上端がアダプタ115から離間している場合、反応後ガスが、整流壁200の下端から上方に向けて逆流し、整流壁の上端を経て、ウェーハ40に向けて逆流してしまう。
これを防止するために、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aのように、整流壁200が、環状の形状を有している場合、整流壁200の上端は、チャンバ10の内壁12に連通していることが望ましい。この場合、整流壁200の上端は、アダプタ115等の他の部材を介して、チャンバ10の内壁12に連通していることを含める。すなわち、整流壁200の外側(チャンバ10側)の面側の空間に、反応ガスが流入したり、整流壁200の外側を介して、反応後ガスがウェーハ40側に逆流しないようにできれば良い。
すなわち、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいては、ガス導入口20から導入された反応ガスの実質的に全ては、整流壁200の上端における開口を介して整流壁200と回転体ユニット70との間隙を通過する。
なお、後述するように、整流壁200の外側の面が、チャンバ10やライナ130、アダプタ115に当接または近接しており、整流壁200の外側の面側の空間が狭く、その空間に反応ガスや反応後ガスが流入しなければ、整流壁200の上端は、必ずしも、チャンバ10の内壁12に連通していなくても良い。
また、図1に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいては、整流壁200の回転体ユニット70側の面(内側面)の上部は、回転体ユニットに向かった凸形状を有している。そして、整流壁200の回転体ユニット70側の面の下部は、回転体ユニット70に向かった凹形状を有している。これにより、反応ガス及び反応後ガスの両方を整流し、反応後ガスの逆流を効率的に抑制することができる。ただし、後述するように、本発明はこれに限らず、整流壁200の内側面の断面形状が直線的であっても良い。
さらに、図1に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいては、整流壁200の回転体ユニット70側の面は、連続的な曲面である。これにより、反応ガス及び反応後ガスの局部的な滞留を抑制でき、反応後ガスの逆流を効率的に抑制できる。ただし、後述するように、本発明はこれに限らず、整流壁200の内側面の断面形状は、不連続な面であっても良い。
以下、本実施形態のエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例を説明する。
図6は、本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例の構成を例示する模式断面図である。
図6に表したように、本実施形態に係る変形例のエピタキシャルウェーハの製造装置1bでは、整流壁200が、ライナを兼用している例である。
このような構成とした時も、ウェーハ上への逆流流量及び平均空気齢を大幅に低減することができ、成膜速度、ガス利用効率を向上し、そして、ガスの置換効率を向上することで、高生産性のエピタキシャルウェーハの製造装置が提供できる。
なお、整流壁200がライナを兼用することから部品点数が減り、装置のメンテナンスが容易となる他、装置の低コスト化等、種々の利点がある。
図7は、本発明の第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の別の変形例の構成を例示する模式断面図である。
図7に表したように、本実施形態に係る別の変形例のエピタキシャルウェーハの製造装置1cでは、整流壁200は、外周面の形状が円筒状であり、内周面上端の口径よりも下端の口径が広くなる形状である。すなわち、整流壁200の外側の面が、チャンバ10やライナ130、アダプタ115に当接または近接している。
このような構成とした時も、ウェーハ上への逆流流量及び平均空気齢を大幅に低減することができ、成膜速度、ガス利用効率を向上し、そして、ガスの置換効率を向上することで、高生産性のエピタキシャルウェーハの製造装置が提供できる。
なお、整流壁200を、外周面の形状が円筒状であり、内周面上端の口径よりも下端の口径が広くなる形状とすることで、整流壁200の外側の面が、チャンバ10やライナ130、アダプタ115に当接または近接することにより、整流壁200の温度は低温下し、整流壁200への膜の付着量を低減できるため、装置のメンテナンス回数を低減できる。
(第2の実施の形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の要部の構成を例示する模式断面図である。
図8に表したように、本発明の第2の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置2aにおいては、整流壁200が設けられている。そして、整流壁200の断面形状が直線形状である例である。すなわち、図1に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいては、整流壁200の断面形状が、曲線の形状を有していたが、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置2aは、整流壁200の断面形状が直線である。これ以外は、エピタキシャルウェーハの製造装置1aと同様なので説明を省略する。
そして、以下では、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置2aにおいて、整流壁200の構成を変えた場合の特性について、詳しく説明する。
すなわち、図8に例示したように、整流壁200がウェーハ保持部50の上面となす角θ(整流壁角θ)、及び、整流壁200とウェーハ保持部との水平方向(回転体ユニット70の回転軸に垂直方向)の距離L(整流壁距離L)を変えて、反応後ガスの逆流流量Vin及び平均空気齢を数値解析した。なお、整流壁角θを変える際、ウェーハ保持部50の上面の延長線と整流壁200とが交差する同図中のa点を中心として、角度を変えた。
以下に例示するのは、整流壁角θを45°一定とし、整流壁距離Lを変え、反応後ガスの逆流流量Vin及び平均空気齢を求めた結果である。そして、整流壁距離Lを一定とし、整流壁角θを30°、45°、60°と変えて、反応後ガスの逆流流量Vin及び平均空気齢を求めた結果である。
図9、図10は、第2の実施形態と第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置における、整流壁の、それぞれ距離と角度を変えた時の特性を例示する模式図である。
すなわち、図9(a)及び図10(a)は、反応後ガスの逆流流量Vinの解析結果を例示しており、縦軸は、ウェーハ保持部50の上方のアダプタ115と整流板110の境界116における反応後ガスの逆流流量Vinを表している。また、図9(b)及び図10(b)は、平均空気齢を例示しており、縦軸は、アダプタ115と整流板110との境界116を延長した、アダプタ115からウェーハ保持部50に到る面における、平均空気齢の最大値である。そして、これらの図には、第1の比較例のエピタキシャルウェーハの製造装置9aの結果も合わせて記載している。
図9(a)に例示したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置2aにおいては、整流壁距離Lが大きい場合(例えばLが3d)は、逆流流量Vinは第1の比較例と同等であるが、整流壁距離Lが小さくなると(例えばLがdや2dの場合)、比較例に比べて逆流流量Vinが特に小さくなり、逆流が抑制されている。なお、上記において、「d」は、製造装置の各サイズに関連する所定の長さである。
また、図9(b)に例示したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置2aにおいては、整流壁距離Lがいずれの場合も、平均空気齢が第1の比較例よりも小さい。そして、整流壁距離Lが小さいほど、逆流流量Vinが小さくなっている。
このように、整流壁距離Lが小さいほど、逆流流量Vinが小さくなり、逆流が抑制され、そして、平均空気齢も小さくなり、換気効率が向上する。
一方、図10(a)に例示したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置2aにおいては、どの整流壁角θの場合も、逆流流量Vinは第1の比較例よりも小さい。そして。整流壁角θが小さくなるほど逆流流量Vinは小さくなり、特にθが30°の場合に、逆流流量Vinは特に小さくなっている。
また、図10(b)に例示したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置2aにおいては、整流壁角θがいずれの場合も、平均空気齢は第1の比較例よりも小さい。そして、整流壁角θが小さいほど逆流流量Vinが小さくなっている。
このように、整流壁角θが小さいほど、逆流流量Vinが小さくなり、逆流が抑制でき、そして、平均空気齢も小さくなり、換気効率が向上する。
以上のように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置2aにおいて、整流壁距離L及び整流壁角θが小さいほど、逆流流量Vinが小さくなり逆流が抑制でき、そして、平均空気齢も小さくなり換気効率が向上する。
特に、整流壁角θが小さい場合に、逆流流量Vinが特に改善されている。すなわち、整流壁角θが小さくなると、整流壁200の上端が、ウェーハ保持部50の内周側に位置することになる。この時、回転体ユニット70の外周部において、回転体ユニット70(またはウェーハ保持部50)の上方空間の上下方向の長さが短くなる。すなわち、回転体ユニット70(またはウェーハ保持部50)と整流壁200とで形成される空間の鉛直方向の隙間が、第1の比較例と比較して狭くなるため、反応後ガスの粘性抵抗が増加し、外周方向への流量Voutが低減し、結果として逆流流量Vinが低減したものと考えられる。
すなわち、整流壁200の回転体ユニット70側の面(内側面)は、回転体ユニット70の上部の外周部に近接することによって、回転体ユニット70の回転中心部における、回転体ユニット70の上方空間の上下方向の長さよりも、回転体ユニット70の外周部における、回転体ユニット70の上方空間の上下方向の長さを短くする形状であることが望ましい。
また、上記のように、整流壁距離Lが小さくなると、逆流流量Vin及び平均空気齢が改善する。すなわち、整流壁距離Lが小さくなると、整流壁200が、回転体ユニット70の側面部の上部に近づく。これにより、回転体ユニット70の上部における空間、すなわち、反応後ガスが流れる空間の体積が低減することと、ガス排気口へのガスの誘導が効率化することと、整流壁200と回転体ユニット70との間の距離が短くことによって、平均空気齢が大きくなる下部の空間(回転体ユニット70とライナ130との間の空間)と、ウェーハ保持部50の上方の空間の分離ができ、逆流流量Vin及び平均空気齢が改善する。
すなわち、整流壁200の内側面は、回転体ユニット70の上部の側面に近接することによって、回転体ユニット70の下部における回転体ユニットの側面の外側の空間の、水平方向(回転体ユニット70の回転中心から外側に向けて)の距離よりも、回転体ユニット70の上部における回転体ユニット70の側面の外側の空間の、水平方向の距離を短くする形状であることが望ましい。
なお、既に説明したように、第1の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおける整流壁200の形状も上記の条件に合致している。
(第3の実施の形態)
図11は、本発明の第3の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。
図10に表したように、本発明の第3の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置3aでは、チャンバ10の内壁12自身が、整流壁200となる例である。
すなわち、チャンバ10の内壁は、回転体ユニット70及びウェーハ保持部50から離間してその周囲を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁200を有している。整流壁200の上端は、ウェーハ保持部50よりも上方にあり、且つその内径は、ウェーハ保持部50の外周よりも小さい。そして、整流壁200の下端は、回転体ユニット70の上面よりも下にあり、且つその内径は、回転体ユニット70の外周よりも大きい。
すなわち、チャンバ10の内側の面に、上端が、ウェーハ保持部50よりも上方でウェーハ保持部50の外周より内側にあり、下端が、回転体ユニット70の上面よりも下で回転体ユニット70の外周より外側にある整流壁200が設けられている。そして、この整流壁200は、反応ガスが反応した後の反応後ガスを整流して、ガス排気口30に向けて流出させる。
すなわち、エピタキシャルウェーハの製造装置3aにおいては、チャンバ10の内壁12が、図1に例示した整流壁200の内側の側面の形状を有している。この場合、整流壁200の断面形状は曲線である。
このような構成とした時も、ウェーハ上への逆流流量及び平均空気齢を大幅に低減することができ、成膜速度、ガス利用効率を向上し、そして、ガスの置換効率を向上することで、高生産性のエピタキシャルウェーハの製造装置が提供できる。
また、チャンバ10の内壁12自身が、整流壁200なることで、部品点数を減らすことができ、装置のメンテナンスが容易となる他、装置の低コスト化等、種々の利点がある。
図12は、本発明の第3の実施形態に係る別のエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。
図12に表したように、本発明の第3の実施形態に係る別のエピタキシャルウェーハの製造装置3bでは、チャンバ10の内壁12自身が、整流壁200なる別の例である。すなわち、製造装置3bにおいては、チャンバ10の内壁12が、断面形状が直線的な形状を有している。
このような構成とした時も、ウェーハ上への逆流流量及び平均空気齢を大幅に低減することができ、成膜速度、ガス利用効率を向上し、そして、ガスの置換効率を向上することで、高生産性のエピタキシャルウェーハの製造装置が提供できる。
また、チャンバ10の内壁12自身が、整流壁200なることで、部品点数を減らすことができ、装置のメンテナンスが容易となる他、装置の低コスト化等、種々の利点がある。
なお、図11、図12において、整流壁200が設けられている部分のチャンバ10の壁の内部にも冷却パイプを設けることができる。また、整流壁200が設けられるチャンバ10の内側の面には、石英やSiC等の反応ガスに対して汚染性の小さい保護層を設けることができる。
(第4の実施の形態)
図13は、本発明の第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。
図13に表したように、第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置4aは、図1に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1aにおいて、整流壁200が整流壁ヒーター210(第1ヒーター)を有するものである。それ以外はエピタキシャルウェーハの製造装置1aと同様なので説明を省略する。
整流壁ヒーター210は、ウェーハ保持部50の少なくとも一部を加熱する。エピタキシャルウェーハの製造装置4aにおいては、整流壁200に整流壁ヒーター210が設けられているので、ウェーハ保持部50の外周部を整流壁ヒーター210で加熱することができる。これにより、成膜速度、ガス利用効率、及びガスの置換効率を向上することに加えて、ウェーハ保持部50内の温度差を縮小することで応力を緩和してウェーハ保持部50の破損のリスクや歪みを低減できる。そして、ウェーハ40の温度均一性を高め、均一なエピタキシャル膜が得られる。
すなわち、ウェーハ40上に単結晶膜を生成する際に、内部ヒーター100からの輻射熱によってウェーハの温度を例えば1100℃程度の高温に加熱する。このとき、ウェーハ保持部50の温度も上昇する。
この時、一般的には、ウェーハ保持部50の外周部では反応ガスの流速が速いため、反応ガスによってウェーハ保持部50の外周部は冷却される傾向となる。また、例えば、チャンバ10の外壁が冷却水により冷却されて温度は低くされ、この外壁への輻射により、ウェーハ保持部50の外周部は冷却される。これのため、ウェーハ保持部50の外周部の温度はその内側に比べて低下する傾向になる。
このため、通常のエピタキシャルウェーハの製造放置では、この外周部と内側の温度差のために、ウェーハ保持部50に大きな応力が発生し易くなる。また、ウェーハ保持部50としてウェーハ40の裏面を保持するサセプタを用いた場合にも同様のことが起きる。これにより、サセプタに温度差による応力が発生して、サセプタに僅かではあるが歪みが生じ、ウェーハ40の裏面とサセプタとの接触が不均一となり、結果としてウェーハ40の温度が不均一となり、均一なエピタキシャル膜を得ることが難しい。
これに対し、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置4aでは、ウェーハ保持部50の外周部を整流壁ヒーター210で加熱することができるので、ウェーハ保持部50の外周部の温度低下が抑制され、結果としてウェーハ保持部50の応力を緩和できる。また、内部ヒーター100と整流壁ヒーター210の両者によって、ウェーハ40の外周部を加熱することができるので、ウェーハ40の外周部を局部的に加熱でき、ウェーハ40の温度分布が均一化され、均一なエピタキシャル膜が得られる。
なお、整流壁200に原料ガスが付着することがある。この時、HCl等のガスを導入してこの付着物の除去を行う際、整流壁200を整流壁ヒーター210によって加熱できるので、除去し易くなり、装置のクリーニングの効率の点でも本実施形態の構成は優れている。
図14は、本発明の第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例の構成を例示する模式断面図である。
図14(a)に表したように、本実施形態に係る変形例のエピタキシャルウェーハの製造装置4bは、図13に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置4aにおいて、内部ヒーター100が、アウトヒーター102とインヒーター104とを有するものである。それ以外はエピタキシャルウェーハの製造装置4aと同様なので説明を省略する。
インヒーター104は例えば円盤状であり、アウトヒーター102はインヒーター104の外周部に設けられ、環状である。そして、本具体例では、アウトヒーター102は、インヒーター104よりもウェーハ保持部50側に設けられている。そして、インヒーター104とアウトヒーター102とによってウェーハ40を加熱しつつエピタキシャル成膜を行う。
この時、ウェーハ40の温度を均一にするために、一般に、アウトヒーター102の温度は非常に高温となり、このためアウトヒーター102の寿命が短くなり、結果として、生産性を低下させる要因となる。
これに対し、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置4bにおいては、整流壁ヒーター210によってウェーハ40の外周部を加熱でき、結果として、アウトヒーター102の温度を従来よりも下げることができる。これにより、アウトヒーター102の寿命を向上し、生産性を向上させる。そして、整流壁ヒーター210によってウェーハ40の外周部を局部的に加熱でき、ウェーハ40の温度分布が均一化されるので、均一なエピタキシャル膜が得られる。
また、図14(b)に表したように、本実施形態に係る変形例のエピタキシャルウェーハの製造装置4cは、図14(a)に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置4bにおいて、内部ヒーター100が、実質的に同一平面上に配置されたインヒーター108とアウトヒーター107を有するものである。それ以外はエピタキシャルウェーハの製造装置4bと同様なので説明を省略する。
この場合も、整流壁ヒーター210によってウェーハ40の外周部を加熱でき、アウトヒーター107の温度を従来よりも下げ、アウトヒーター107の寿命を向上し、生産性を向上させる。そして、ウェーハ40の温度分布が均一化され、均一なエピタキシャル膜が得られる。
図15は、本発明の第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例の構成を例示する模式断面図である。
図15に表したように、本実施形態に係る変形例のエピタキシャルウェーハの製造装置4dは、図6に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1bにおいて、整流壁200が整流壁ヒーター210を有するものである。すなわち、整流壁200が、ライナを兼用し、さらに、整流壁ヒーター210を有する。それ以外はエピタキシャルウェーハの製造装置1bと同様なので説明を省略する。
この場合も、成膜速度、ガス利用効率、及びガスの置換効率を向上することに加えて、ウェーハ保持部50内の温度差を縮小することで応力を緩和してウェーハ保持部50の破損のリスクや歪みを低減できる。そして、ウェーハ40の温度均一性を高め、均一なエピタキシャル膜が得られ、そして、整流壁200がライナを兼用することから部品点数が減り、装置のメンテナンスが容易となる他、装置の低コスト化等、種々の利点がある。
図16は、本発明の第4の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の変形例の構成を例示する模式断面図である。
図16に表したように、本実施形態に係る変形例のエピタキシャルウェーハの製造装置4eは、図7に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1cにおいて、整流壁200が整流壁ヒーター210を有するものである。それ以外はエピタキシャルウェーハの製造装置1cと同様なので説明を省略する。
この場合も、成膜速度、ガス利用効率、及びガスの置換効率を向上することに加えて、ウェーハ保持部50内の温度差を縮小することで応力を緩和してウェーハ保持部50の破損のリスクや歪みを低減できる。そして、ウェーハ40の温度均一性を高め、均一なエピタキシャル膜が得られる。
なお、上記のエピタキシャルウェーハの製造装置4d及び4eにおいて、内部ヒーター100が、ウェーハ保持部50に対して異なる位置に設けられるアウトヒーター102及びインヒーター104や、ウェーハ保持部50に対して実質的に同一平面上の位置に設けられるアウトヒーター107及びインヒーター108を有しても良い。
また、上記のエピタキシャルウェーハの製造装置4a〜4eにおいて、ウェーハ保持部50としてサセプタを用いても良い。この場合は、サセプタにおいて温度差による応力を減少させ、サセプタの歪みを縮小し、ウェーハ40の裏面とサセプタとの接触を均一にし、結果としてウェーハ40の温度が均一となり、均一なエピタキシャル膜が得られる。
また、上記のエピタキシャルウェーハの製造装置4a〜4eの具体例においては、整流壁ヒーター210は整流壁200の内部に埋め込まれる構造として例示したが、本発明はこれに限らない。すなわち、整流壁200が整流壁ヒーター210を有していれば良く、整流壁ヒーター210は、整流壁200の外側面(回転体ユニット70の側と反対の側の面であり、これらの具体例ではチャンバ10の内壁12の側の面)に、その少なくとも一部が接触して、または接触しないで設けられても良い。
(第5の実施の形態)
図17は、本発明の第5の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。
図17(a)及び(b)に表したように、本実施形態に係る変形例のエピタキシャルウェーハの製造装置5a及び5bは、それぞれ図11及び図12に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置3a及び3bにおいて、内壁12の一部に形成される整流壁200が整流壁ヒーター210を有するものである。それ以外はエピタキシャルウェーハの製造装置3a及び3bと同様なので説明を省略する。
すなわち、エピタキシャルウェーハの製造装置5a及び5bにおいては、チャンバ10の内壁12は、回転体ユニット70及びウェーハ保持部50から離間してその周囲を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁200を有し、そして、整流壁200が整流壁ヒーター210を有する。
この場合も、成膜速度、ガス利用効率、及びガスの置換効率を向上することに加えて、ウェーハ保持部50内の温度差を縮小することで応力を緩和してウェーハ保持部50の破損のリスクや歪みを低減できる。そして、ウェーハ40の温度均一性を高め、均一なエピタキシャル膜が得られる。
なお、この場合も、チャンバ10の内壁12の整流壁200に原料ガスが付着することがある。この時、HCl等のガスを導入してこの付着物の除去を行う際、整流壁200を整流壁ヒーター210によって加熱できるので、除去し易くなり、装置のクリーニングの効率の点でも本実施形態の構成は優れている。
なお、上記のエピタキシャルウェーハの製造装置5a及び5bにおいて、内部ヒーター100が、ウェーハ保持部50に対して異なる位置に設けられるアウトヒーター102及びインヒーター104や、ウェーハ保持部50に対して実質的に同一平面上の位置に設けられるアウトヒーター107及びインヒーター108を有しても良い。
また、上記のエピタキシャルウェーハの製造装置5a及び5bにおいて、ウェーハ保持部50としてサセプタを用いても良い。この場合は、サセプタにおいて温度差による応力を減少させ、サセプタの歪みを縮小し、ウェーハ40の裏面とサセプタとの接触を均一にし、結果としてウェーハ40の温度が均一となり、均一なエピタキシャル膜が得られる。
また、上記のエピタキシャルウェーハの製造装置5a及び5bの具体例においては、整流壁ヒーター210は整流壁200の内部に埋め込まれる構造として例示したが、本発明はこれに限らない。すなわち、整流壁200が整流壁ヒーター210を有していれば良く、整流壁ヒーター210は、例えば、整流壁200の外側面(回転体ユニット70の側と反対の側の面であり、これらの具体例ではチャンバ10の外側の面)に、その少なくとも一部が接触して、または接触しないで設けられても良い。
(第6の実施の形態)
図18は、本発明の第6の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。
また、図18に表したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置6a及び6bは、図1及び図6に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置1a及び1bにおいて、整流壁200とチャンバ10との間に設けられた付加ヒーター220をさらに備える。すなわち、付加ヒーター220は、整流壁200の回転体ユニット70とは反対の側に設けられている。
この付加ヒーター220は、整流壁200とは別体として設けられる。そして、付加ヒーター220は、ウェーハ保持部50の少なくとも一部を加熱する。具体的には、付加ヒーター220は、整流壁200を加熱し、結果として、整流壁200からの輻射熱により、ウェーハ保持部50の外周部を整流壁ヒーター210で加熱することができる。これにより、成膜速度、ガス利用効率、及びガスの置換効率を向上することに加えて、ウェーハ保持部50内の温度差を縮小することで応力を緩和してウェーハ保持部50の破損のリスクや歪みを低減できる。そして、ウェーハ40の温度均一性を高め、均一なエピタキシャル膜が得られる。
このように、付加ヒーター220は、整流壁200の回転体ユニット70の側、及び、整流壁200の回転体ユニット70とは反対の側、の少なくともいずれかに設けることができる。なお、この付加ヒーター220は、既に説明した本発明の実施形態に係るエピタキシャルウェーハのいずれかにおいて設けることができる。
(第7の実施の形態)
図19は、本発明の第7の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置の構成を例示する模式断面図である。
図19に表したように、本実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造装置7は、図3に例示したエピタキシャルウェーハの製造装置9bにおいて、整流壁208が整流壁ヒーター210を有するものである。
すなわち、エピタキシャルウェーハの製造装置7は、チャンバ10と、チャンバ10に設けられチャンバ10内に反応ガスを導入するガス導入口20と、チャンバ10に設けられ反応ガスをチャンバ10内から排出するガス排気口30と、チャンバ10の内部に設けられた回転体ユニット70と、回転体ユニット70の上部に設けられ、ウェーハを保持するウェーハ保持部50と、回転体ユニット70及びウェーハ保持部50から離間してその上部を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁208と、を備える。そして、整流壁208の上端は、ウェーハ保持部50よりも上方にあり、且つその内径は、ウェーハ保持部50の外周よりも小さく、整流壁208は、整流壁ヒーター210(第1ヒーター)を有する。
整流壁ヒーター210は、ウェーハ保持部50の少なくとも一部を加熱する。すなわち、ウェーハ保持部50の外周部を整流壁ヒーター210で加熱することができる。これにより、ウェーハ保持部50内の温度差を縮小することで応力を緩和してウェーハ保持部50の破損のリスクや歪みを低減できる。そして、ウェーハ40の温度均一性を高め、均一なエピタキシャル膜が得られる。
また、内部ヒーター100と整流壁ヒーター210の両者によって、ウェーハ40の外周部を加熱することができるので、ウェーハ40の外周部を局部的に加熱でき、ウェーハ40の温度分布が均一化され、均一なエピタキシャル膜が得られる。
すなわち、ウェーハ保持部がアウトヒーター102(または107)を有する場合、アウトヒーター102(または107)の寿命を向上し、生産性を向上させる。
そして、ウェーハ保持部50としてサセプタを用いた場合は、サセプタにおける温度差による応力を減少させ、サセプタの歪みを縮小し、ウェーハ40の裏面とサセプタとの接触を均一にし、結果としてウェーハ40の温度が均一となり、均一なエピタキシャル膜が得られる。
(第8の実施形態)
次に、本発明の第8の実施の形態であるエピタキシャルウェーハの製造方法について説明する。
図20は、本発明の第8の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造方法を例示するフローチャート図である。
図20に表したように、第8の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造方法は、まず、チャンバ10の内部に設けられた回転体ユニット70の上部に配置したウェーハ保持部50に、例えばシリコンからなるウェーハ40を設置する(ステップS110)。
そして、ウェーハ40を回転体ユニット70により回転しながらチャンバ10の内部に反応ガスを導入する(ステップS120)。例えば、反応ガスとしては、エピタキシャル成長させる膜の原料ガスであるSiHClと、キャリアガスであるHと、の混合ガス等を用いることができる。
そして、反応ガスを、ウェーハ保持部50よりも上方でウェーハ保持部50の外周よりも内側の位置から、回転体ユニット70の上面よりも下で回転体ユニット70の外周よりも外側の位置まで整流しつつ、ウェーハ40の上にエピタキシャル膜を形成する(ステップS130)。
これには、例えば、第1〜第6の実施形態で説明した各種の整流壁200を用いることができる。
なお、ウェーハ40を、例えば、回転体ユニット70の内部に設けられた内部ヒーター100等で加熱することができる。
このように、第8の実施形態に係るエピタキシャルウェーハの製造方法においては、整流壁200を設けることで、反応後ガスの逆流流量Vinを低減し、また、平均空気齢を小さくし、反応後ガスの滞留を抑制することで、成膜速度とガス利用効率を向上し、そして、ガスの置換効率を向上する、高生産性のエピタキシャルウェーハの製造方法が得られる。
なお、上記において、ステップS120とステップS130は同時に実施しても良い。
上記の各種の実施形態において、反応ガスとしては、SiCl、SiHCl、SiHCl、SiHCl、SiH等の他、各種のシリコン化合物を用いることができる。また、さらに、これらの原料ガスと、H、HCl等のガスを交互に導入し、単結晶シリコンを一層ずつ結晶成長させる際にも応用できる。また、ドーパントとしてジボランB等のボロン化合物やPH等のリン化合物のガスを混合しても良い。本実施形態のエピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法により、高品質のエピタキシャルウェーハが安定して得られ、超高速バイポーラや超高速CMOS等の半導体デバイスの品質が向上し、また、製造コストを低減できる。
また、上記の実施形態では、シリコンの単結晶膜をエピタキシャル成長させる場合を例示したが、これに限らず他のものでも良い。例えば、炭化珪素(SiC)をエピタキシャル成長させることにも応用できる。この時、用いるガスとしては、Si源としてSiH等が、C源としC等が、キャリアガスとしてH等が例示できる。また、n型ドーパントガスとしてN等が、p型ドーパントガスとしてAl(CH等が例示できる。
一方、本発明においては、炭化珪素の他にも、各種の化合物の薄膜を形成することも可能である。例えば、III-V族化合物半導体やサファイアなどからなる基板の上に、III-V族化合物半導体やその他の各種の化合物を形成することができる。この場合、形成する化合物は、半導体には限定されず、絶縁体や誘電体でも良い。
具体的には、例えば、本発明の実施形態は、超高周波・マイクロ波用のショットキーダイオードやヘテロ接合バイポーラトランジスタ、可視光半導体レーザなどの構成材料に用いられるガリウムヒ素(GaAs)系の膜をエピタキシャル成長する際にも応用できる。この時、用いるガスとしては、トリメチルガリウム、トリエチルガリウムなどの有機金属が例示できる。また、各種のドーパントガスを使用することができる。
本発明の実施形態として説明したエピタキシャルウェーハの製造装置と製造方法は、減圧CVDや常圧CVDなど各種のエピタキシャルウェーハの製造装置と製造方法に応用できる。
なお、本願明細書において、「環状」とは、大略の形状を指しており、各種の変形された形状も含む。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、エピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法を構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述したエピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのエピタキシャルウェーハの製造装置及び製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
1a、1b、1c、2a、3a、3b、4a〜4e、5a、5b、6a、6b、7、9a、9b エピタキシャルウェーハの製造装置
10 チャンバ
12 内壁
20 ガス導入口
21a、21c ガスの流れ
21b 逆流
30 ガス排気口
40 ウェーハ
50 ウェーハ保持部
70 回転体ユニット
71 回転中心線
100 内部ヒーター(第3ヒーター)
102、107 アウトヒーター
104、108 インヒーター
110 整流板
115 アダプタ
116 境界
120 冷却パイプ
130 ライナ
200、208、209 整流壁
201 上端
202 下端
210 整流壁ヒーター(第1ヒーター)
220 付加ヒーター(第2ヒーター)

Claims (13)

  1. チャンバと、
    前記チャンバに設けられ前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入口と、
    前記チャンバに設けられ前記反応ガスを前記チャンバ内から排出するガス排気口と、
    前記チャンバの内部に設けられた回転体ユニットと、
    前記回転体ユニットの上部に設けられ、ウェーハを保持するウェーハ保持部と、
    前記回転体ユニット及び前記ウェーハ保持部から離間してその上部を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁と、
    を備え、
    前記整流壁の上端は、前記ウェーハ保持部よりも上方にあり、且つその内径は、前記ウェーハ保持部の外周よりも小さく、
    前記整流壁の下端は、前記回転体ユニットの上面よりも下方にあり、且つその内径は、前記回転体ユニットの外周よりも大きく、
    前記ガス導入口から導入された前記反応ガスは、前記整流壁の上端における前記開口を介して前記整流壁と前記回転体ユニットとの間隙を通過し、
    前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、連続的な曲面であり、
    前記回転体ユニットの回転中心部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さよりも、前記回転体ユニットの外周部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さを、短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの上部の外周部に近接し、
    前記回転体ユニットの下部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの回転中心から外側に向けての距離よりも、前記回転体ユニットの上部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの前記回転中心から外側に向けての距離を短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの前記上部の前記側面に近接し、
    前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの回転軸を含む平面で切断したときに曲線を呈することを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造装置。
  2. チャンバと、
    前記チャンバに設けられ前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入口と、
    前記チャンバに設けられ前記反応ガスを前記チャンバ内から排出するガス排気口と、
    前記チャンバの内部に設けられた回転体ユニットと、
    前記回転体ユニットの上部に設けられ、ウェーハを保持するウェーハ保持部と、
    を備えるエピタキシャルウェーハの製造装置であって、
    前記チャンバの内壁は、前記回転体ユニット及び前記ウェーハ保持部から離間してその周囲を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁を有し、
    前記整流壁の上端は、前記ウェーハ保持部よりも上方にあり、且つその内径は、前記ウェーハ保持部の外周よりも小さく、
    前記整流壁の下端は、前記回転体ユニットの上面よりも下にあり、且つその内径は、前記回転体ユニットの外周よりも大きく、
    前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、連続的な曲面であり、
    前記回転体ユニットの回転中心部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さよりも、前記回転体ユニットの外周部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さを、短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの上部の外周部に近接し、
    前記回転体ユニットの下部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの回転中心から外側に向けての距離よりも、前記回転体ユニットの上部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの前記回転中心から外側に向けての距離を短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの前記上部の前記側面に近接し、
    前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの回転軸を含む平面で切断したときに曲線を呈することを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造装置。
  3. 前記整流壁の前記回転体ユニット側の面の上部は、前記回転体ユニットに向かった凸形状であり、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面の下部は、前記回転体ユニットに向かった凹形状であることを特徴とする請求項1または2に記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  4. 前記整流壁は、前記チャンバの内壁側に設けられ、前記チャンバから前記ウェーハへの汚染及び前記チャンバの前記内壁への膜付着の少なくともいずれかを防止するライナと一体形状であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  5. 前記整流壁は、第1ヒーターを有することを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  6. 前記整流壁の前記回転体ユニットの側、及び、前記整流壁の前記回転体ユニットとは反対の側、の少なくともいずれかに設けられた第2ヒーターをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  7. 前記整流壁は第1ヒーターを有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  8. 前記ウェーハ保持部は、前記ウェーハの外周部を保持する環状の環状ホルダーであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  9. 前記ウェーハ保持部は、前記ウェーハの裏面を保持するサセプタであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  10. 前記回転体ユニットの内部に設けられた第3ヒーターをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  11. 前記第3ヒーターは、円盤状のインヒーターと前記インヒーターの外周部に設けられた環状のアウトヒーターとを含むことを特徴とする請求項1記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  12. 前記アウトヒーターは、前記インヒーターよりも前記ウェーハ保持部の側に設けられていることを特徴とする請求項1記載のエピタキシャルウェーハの製造装置。
  13. チャンバの内部に設けられた回転体ユニットの上部に配置されたウェーハ保持部にウェーハを設置し、
    前記ウェーハを前記回転体ユニットにより回転しながら前記チャンバの内部に反応ガスを導入し、
    前記反応ガスを、前記回転体ユニット及び前記ウェーハ保持部から離間してその上部を取り囲み下方に向けて拡開した環状の整流壁を用いて、前記ウェーハ保持部よりも上方で前記ウェーハ保持部の外周よりも内側の位置から、前記回転体ユニットの上面よりも下で前記回転体ユニットの外周よりも外側の位置まで整流しつつ、前記ウェーハの上にエピタキシャル膜を形成するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、
    前記整流壁の上端は、前記ウェーハ保持部よりも上方にあり、且つその内径は、前記ウェーハ保持部の外周よりも小さく、
    前記整流壁の下端は、前記回転体ユニットの上面よりも下方にあり、且つその内径は、前記回転体ユニットの外周よりも大きく、
    前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、連続的な曲面であり、
    前記ガス導入口から導入された前記反応ガスは、前記整流壁の上端における前記開口を介して前記整流壁と前記回転体ユニットとの間隙を通過し、
    前記回転体ユニットの回転中心部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さよりも、前記回転体ユニットの外周部における、前記回転体ユニットの上方空間の上下方向の長さを、短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの上部の外周部に近接し、
    前記回転体ユニットの下部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの回転中心から外側に向けての距離よりも、前記回転体ユニットの上部における前記回転体ユニットの側面の外側の空間の、前記回転体ユニットの前記回転中心から外側に向けての距離を短くするように、前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの前記上部の前記側面に近接し、
    前記整流壁の前記回転体ユニット側の面は、前記回転体ユニットの回転軸を含む平面で切断したときに曲線を呈することを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。
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