(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が専ら材料ガスが流通する反応空間と材料ガスを含まない基準ガスが流通する非反応空間との２つの独立空間に仕切られた反応チャンバと、
該チャンバの非反応空間内に回転可能に配置された円筒ドラム部と、
半導体ウエハの成長対象表面を前記反応空間内に露呈させた状態で保持すると共に、装着状態で前記ドラム部の一方の開口端を塞ぐように該開口部に着脱可能に前記半導体ウエハを保持するチャックと、
前記チャンバ内で前記ドラム部を回転子としてドラム外周面部に構成された回転駆動装置と、
前記ドラム部の開口部に保持された半導体ウエハの裏面に輻射熱を照射する加熱手段と、を備えたことを特徴とするエピタキシャル成長炉。
【請求項２】
前記円筒ドラム部が実質的に水平な軸心回りに回転し、前記半導体ウエハが実質的に垂直面内に保持されることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長炉。
【請求項３】
冷却ガスを前記ドラム部の外周面部に流通させる流路をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル成長炉。
【請求項４】
前記回転駆動装置は、前記ドラム部の外周面部に構成されたガス流体圧モーターからなることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載のエピタキシャル成長炉。
【請求項５】
前記ガス流体圧モーターの駆動ガスの少なくとも一部が冷却ガスを兼ねていることを特徴とする請求項４に記載のエピタキシャル成長炉。
【請求項６】
前記ガス流体圧モーターは、前記ドラム部の外周面上の複数のベーンと、これらベーンを内包してドラム部の外周面部に設けられた回転子ハウジングと、該回転子ハウジング内に駆動流体および冷却流体としてのガスを流す固定子側ノズルと、を備えたことを特徴とする請求項５に記載のエピタキシャル成長炉。
【請求項７】
一対の半導体ウエハをそれぞれの成長対象表面が対面するように保持する一対の円筒ドラム部と、前記一対の半導体ウエハの各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と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャル成長炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの表面にエピタキシャル層を形成するためのエピタキシャル成長炉に関するものであり、詳しくは、炉内で半導体ウエハを回転するための回転手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、高温に加熱されたシリコン基板上に水素キャリアにより、SiCl４ ，SiHCl３，SiH２Cl２ またはSiH４等のシリコンソースガスを供給し、基板上でＨ−Ｓｉ−Ｃｌ系の反応を通じてシリコン単結晶を堆積、成長させるＨ−Ｓｉ−Ｃｌ系ＣＶＤ（Chemical vapor deposition)法がシリコンエ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。
【０００３】
このようなエピタキシャル成長には、対象となる半導体ウエハをシールドチャ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ャ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。材料ガスは、半導体ウエハの成長対象表面に供給され、その表面上にエピタキシャル成長層が形成される。
【０００４】
通常、半導体ウエハの成長対象表面の全域に亘って均一なエピタキシャル成長層を形成するために、エピタキシャル成長過程においては、均一な加熱状態および材料ガス供給を維持するように半導体ウエハを回転させながら成長反応を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のエピタキシャル成長炉においては、半導体ウエハの回転に電動機モーターを使用している。この電動機モーターの搭載方法としては、電動機モーターを反応チャンバの外に設置し、チャンバ壁に設けたシール部を通した伝達系を介してチャンバ内のウエハが載置されるサセプタ等に回転を伝えるという構成、あるいはチャンバ内に電動機モーターを設置する構成とがある。
【０００６】
しかしながら、前者の電動機モーターをチャンバ外に設置する場合には、チャンバのシールドを強固にするため伝達系を通すシール部をできるだけ小さくする必要があるが、そのためには実際には伝達系を回転軸として外に出す構成となってしまう。このチャンバ外に突出する回転軸分だけ、ヒーター設置位置がさらにチャンバ、即ちウエハから遠ざかり、エピタキシャル成長反応中のウエハに対する加熱効率を低くしてしまう。
【０００７】
一方、電動機モーターをチャンバ内に設置した場合、前者の場合よりヒーターをチャンバに近づけることはできるが、モーター自身も加熱されるだけでなく、チャンバ内に供給される種々のガスに晒されて駆動に悪影響を生じる恐れがある。また場合によっては、電動機モーターに材料ガスが触れて反応生成物が堆積し、剥離した生成物がウエハ汚染の原因となる可能性もある。
【０００８】
また、近年では半導体ウエハの大口径化に伴うチャンバの大型化のため、チャンバ自体をコンパクトにできると同時に、加熱条件、ガス流分布等の設計が容易でエピタキシャル膜特性の均一性を高くできる枚葉式が採用されており、さらにウエ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枚以上の半導体ウエハの同時エピタキシャル成長処理が可能な縦置き型（ウエハを表面が垂直方向に沿うように立てて置く）が大口径ウエハに適すると思われるが、電動機モーターの設置に関してはいずれの方法でも縦置き型の成長炉においては構造上困難である。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、半導体ウエハをパーティクル汚染の恐れなく効率良く加熱できると同時に、駆動系への悪影響を生じることなく良好にウエハを回転できる回転手段を備えたエピタキシャル成長炉の提供を目的とする。また、本発明は、縦置き型の場合でも簡便に配置できる回転手段を備えたエピタキシャル成長炉の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るエピタキシャル成長炉では、内部が専ら材料ガスが流通する反応空間と材料ガスを含まない基準ガスが流通する非反応空間との２つの独立空間に仕切られた反応チャンバと、該チャンバの非反応空間内に回転可能に配置された円筒ドラム部と、半導体ウエハの成長対象表面を前記反応空間内に露呈させた状態で保持すると共に、装着状態で前記ドラム部の一方の開口端を塞ぐように該開口部に着脱可能に前記半導体ウエハを保持するチャックと、前記チャンバ内で前記ドラム部を回転子としてドラム外周面部に構成された回転駆動装置と、前記ドラム部の開口部に保持された半導体ウエハの裏面に輻射熱を照射する加熱手段と、を備えたものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明に係るエピタキシャル成長炉は、請求項１に記載のエピタキシャル成長炉において、前記円筒ドラム部が実質的に水平な軸心回りに回転し、前記半導体ウエハが実質的に垂直面内に保持されるものである。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明に係るエピタキシャル成長炉は、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル成長炉において、冷却ガスを前記ドラム部の外周面部に流通させる流路をさらに備えたものである。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明に係るエピタキシャル成長炉は、請求項１、請求項２または請求項３に記載のエピタキシャル成長炉において、前記回転駆動装置は、前記ドラム部の外周面部に構成されたガス流体圧モーターからなるものである。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明に係るエピタキシャル成長炉は、請求項４に記載のエピタキシャル成長炉において、前記ガス流体圧モーターの駆動ガスの少なくとも一部が冷却ガスを兼ねているものである。
【００１５】
さらに、請求項６に記載の発明に係るエピタキシャル成長炉は、請求項５に記載のエピタキシャル成長炉において、前記ガス流体圧モーターは、前記ドラム部の外周面上の複数のベーンと、これらベーンを内包してドラム部外周面に設けられた回転子ハウジングと、該回転子ハウジング内に駆動流体および冷却流体としてのガスを流す固定子側ノズルと、を備えたものである。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明に係るエピタキシャル成長炉は、請求項２に記載のエピタキシャル成長炉において、一対の半導体ウエハをそれぞれの成長対象表面が対面するように保持する一対の円筒ドラム部と、前記一対の半導体ウエハの各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と、を備えたものである。
【００１７】
本発明においては、反応チャンバ内の非反応空間に配置されている円筒ドラム部に半導体ウエハを保持させてこの円筒ドラム部を回転駆動するという簡便な構成によって、エピタキシャル成長反応中における半導体ウエハの回転を行っている。半導体ウエハは、成長対象表面を反応空間に露呈させて裏面で円筒ドラムの一端の開口を塞ぐように円筒ドラム部にチャックを介して保持されるものであるため、ウエハ裏面は円筒ドラムの他端開口から、材料ガスを含まない基準ガス（あるいは不活性ガス）のみが流通する非反応空間に露呈することになる。
【００１８】
従って、ウエハ裏面側には、ウエハで塞がれた円筒ドラム内空間を含む非反応空間が存在するだけで、従来の電動機モーターからの回転をウエハ載置用サセプタに伝達するための回転軸がウエハ裏面側中央部からチャンバ外にシール部を介して突出することがなく、その分、ウエハ裏面により近いチャンバ壁近傍にヒーターを配置することができる。その結果、半導体ウエハに対して効率的な加熱が行える。
【００１９】
円筒ドラム部の筒部軸方向長さは外周面部に回転駆動装置を構成できる幅があれば良いため、ウエハ裏面からチャンバ壁までの距離が、前記電動機モーターの回転軸が突出する場合ほどドラム部の筒部長さよって大きくなることはない。
【００２０】
なお、本発明における円筒ドラム部を、実質的に水平な軸心回りに回転し、半導体ウエハを実質的に垂直面内に保持するものとすれば、特に大口径半導体ウエハに有益な縦置き型成長炉を簡便に構成することができる。
【００２１】
また、ヒーターをウエハ裏面に近づけるほど、円筒ドラム部も加熱され、反応工程中にドラム温度も上昇してしまうが、このドラム部の外周面部に冷却ガスを流通させる構成とすることによって、ドラム部の過剰な温度上昇を抑えることができるので、たとえば、ドラム部内というウエハ裏面に非常に近設した位置にヒーターを配置することができ、さらなる加熱効率の向上と、成長炉全体の装置構成のコンパクト化が図れる。
【００２２】
ドラム部の回転駆動装置としては、ガス流体で駆動するガス流体圧モーターをドラム部の外周面部に設ける構成が簡便である。これは、反応生成物を堆積させる材料ガスでなければ、従来の電動機モーターのように種々のガスに晒されて駆動系に悪影響を生じる恐れがない。また、駆動用のガス流を前記ドラム部冷却用の冷却ガスと兼用させれば、配管系が簡略化できる。
【００２３】
ガス流体圧モーターとしては、回転翼としてのベーンを複数ドラム外周面上に設ける構成とすれば、これらベーンを内包してドラム外周面に設けられた回転子ハウジング内に固定子側ノズルから駆動ガス流をベーンに吹き付けるように流すだけでドラムを回転させることができる。この時の駆動ガスは、ドラム部の外周面を冷却する冷却ガスとしても働くことができる。
【００２４】
さらに、半導体ウエハを垂直面内に保持して水平な軸心回りに回転する縦置き式のドラム部を一対配置することにより、比較的コンパクな反応チャンバでありながらも一度に２枚の半導体ウエハについてエピタキシャル成長層を形成することができる。即ち、一対の半導体ウエハをそれぞれの成長対象表面が対面するように一対のドラム部にそれぞれ保持させ、両半導体ウエハ成長対象表面の間に材料ガスを流通させる構成とすれば良い。このとき、両半導体ウエハ外周を覆う環状ハウジングを設けることによって一対の半導体ウエハの各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ことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態として、一対の半導体ウエハを各成長対象表面が対面するように保持する一対の略円筒状のドラムサセプタを備えたエピタキシャル成長炉を図１、図２の概略構成図に示す。図１は、反応チャンバ内の側面側から見た中央縦断面図であり、図２は反応チャンバ内を半導体ウエハ裏面側から見た概略正面図である。
【００２６】
本実施形態のエピタキシャル成長炉では、図１および図２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反応チャンバ１内に支持されている。この両サセプタ２の互いに対向する各一端側開口部は、この開口を塞ぐようにそれぞれ一対の半導体ウエハ１０を各成長対象表面を対面させてウエハホルダ１１を介して垂直方向に立てて固定するものであり、各開口縁部はウエハホルダ１１の外周形状に合致し、ウエハホルダ１１の周辺部がサセプタ開口周縁のロック機構Ｒ２ によって解除可能に挟持される。
【００２７】
一方、サセプタ２の外周面部には、回転子ハウジングｈ内に複数のベーンが配置されてなる回転用フィン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からベーンに吹き付けられるガス供給によって回転し、フィン３の回転に伴うサセプタ２の水平軸回りの回転によってウエハホルダ１１と共に垂直面内に保持されている半導体ウエハ１０も水平軸回りに回転される。
【００２８】
このように本実施形態においては、回転機構がサセプタ２の外周面部に構成されるものであるため、ウエハ裏面側には従来の電動機モーターに繋がる回転軸等のチャンバ１からの突出物が存在せず、ウエハ裏面側のチャンバ壁に近設してヒーター９を配置することができる。
【００２９】
ここで、回転用ガス供給管４からの回転用ガスをサセプタ２の外周面部の冷却も行うものとすることによって、近設したヒーター９がサセプタ２を加熱しても、その温度上昇を抑えることができる。そこで本実施形態では、冷却ガスによる冷却を行うものとし、サセプタ２の円筒部内というウエハ裏面に非常に近い位置にヒーター９を配置した。これによりさらなる加熱効率の向上と、装置全体のコンパクト化が図れる。
【００３０】
ウエハホルダ１１は、ウエハ１０の外周形状に合致する開口部を中央に備えたリング形状のものであり、その開口縁部は、ウエハ１０の成長対象表面の周縁の面取りテーパー面を含む表面側周辺に全周接触状態で隙間なく係合する形状を持つと同時に、前述のようにホルダ１１自身の外周もサセプタ２の開口縁部に全周接触状態で隙間なく係合するものである。
【００３１】
従って、ウエハ１０表面側に材料ガスを流通させた際に、サセプタ２とウエハホルダ１１との間、及びウエハホルダ１１とウエハ１０との間からウエハ裏面側へ材料ガスが回り込むことはない。
【００３２】
ウエハホルダ１１は、開口周縁にウエハ１０を保持するための解除可能なロック機構Ｒ１ を備えている。このロック機構Ｒ１ や前記サセプタ２の開口におけるウエハホルダ１１保持機構としてのロック機構Ｒ２ には、例えば、バネ式を利用した爪部材の付勢による挟持状態を解除可能にロックできる構造など、それぞれウエハ１０およびホルダ１１を着脱可能に簡便に保持できるものであれば良い。ただし、これら可動部は、材料ガスの触れないウエハ裏面側に位置することが望ましい。これによって可動部に堆積した反応生成物や可動による発塵がウエハ表面に落下してパーティクル汚染となることが回避される。
【００３３】
以上のように、それぞれウエハ１０を保持している２つのホルダ１１を、それぞれチャンバ１内のサセプタ２に取り付けることによって２枚のウエハ１０を互いに成長対象表面を対面させてチャンバ１内に位置決め配置することができる。
【００３４】
さらに本実施形態においては、チャンバ１内において、一対の半導体ウエハ１０の両成長対象表面間にウエハ上方からウエハの直径幅にわたってウエハ表面に沿った方向に材料ガスを供給する材料ガス供給ノズル６と、この材料ガス供給ノズル６と対向する下流側で材料ガスを吸引する材料ガス吸引ノズル７とで、両ウエハ１０の全外周を環状に覆い、両ウエハ成長対象表面間に周囲から実質的に独立した反応空間を形成するものとした。
【００３５】
この反応空間内へは、チャンバ１上部からチャンバ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を介して材料ガスが供給され、ノズル７から吸引された材料ガス下流はガス排出管８からチャンバ１外へ排出される。また、ガス供給用ノズル６はウエハ１０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はウエハ１０のほぼ残りの下方半周に沿った円弧状のスリット孔を有している。
【００３６】
上記の如き一対のウエハ１０間の独立した反応空間内には、上方から下方へ材料ガスが供給されることによって両ウエハ１０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、ウエハ裏面側へ材料ガスが回りこむことはない。また、一対の半導体ウエハ１０の成長対象表面間に形成された反応空間の周囲は、材料ガスを含まない基準ガスあるいは不活性ガスのみが流通（配管系は不図示）する非反応空間となるので、この非反応空間内に位置する回転フィン３に対して供給される回転用ガス供給管４からの冷却兼用の回転用ガスには、材料ガスを含まない基準ガスあるいは不活性ガスを用いれば良い。
【００３７】
以上のように、本実施形態におけるエピタキシャル成長炉においては、半導体ウエハの回転機構は反応チャンバ内に配置され、また、ウエハ裏面側には回転軸のようなチャンバ外にまで突出するものもこれに回転を伝える電動機モーターも存在しないため、よりウエハ裏面近傍にヒーターを配置することができた。また、回転機構である回転用フィンに送り込む駆動ガスを冷却ガスとしても兼用させれば、サセプタ（円筒ドラム部）の外周面部を冷却することができ、温度上昇を抑えることができるため、サセプタドラム内という非常にウエハ裏面に近設した位置にヒーターを配置することも可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明では、半導体ウエハの回転機構が反応チャンバ内の非反応空間にあると同時に回転機構の部材がウエハ裏面側には存在しないため、ウエハ近傍に加熱手段を配置できるため、エピタキシャル反応中におけるウエハの加熱が効率よく行えるという効果がある。
【００３９】
また、反応チャンバ外に加熱手段を配置する場合でも、半導体ウエハ裏面側は非反応空間であるので加熱手段との間に位置するチャンバ壁に反応生成物が堆積して輻射熱の照射量を減少せしめることがなく、常に安定した加熱が行えるので高品質のエピタキシャル層形成ウエハが得られる。
【００４０】
また、半導体ウエハを保持する円筒ドラム部の外周面部に構成された回転駆動装置をガス流体モーターとし、駆動回転用ガスを冷却ガス兼用とすることによってドラム部の外周部を冷却することができるので、ドラム部内という非常に半導体ウエハ裏面に近接した位置に加熱手段を配置することができるので、さらに効率的なウエハの加熱を行える。
【００４１】
また、本発明においては、回転駆動装置をウエハを垂直面内に保持する縦置き型成長炉でも簡便に構成できるため、成長炉全体のコンパクト化や二枚処理等のエピタキシャル成長工程の効率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態としてのエピタキシャル成長炉の反応チャンバを側面から見た概略縦断面図である。
【図２】図１のチャンバ内をウエハ裏面側から見た概略正面図である。
【符号の説明】
１：反応チャンバ
２：サセプタ
３：回転用フィン
４：回転用ガス供給管
５：材料ガス供給管
６：ノズル（材料ガス供給用）
７：ノズル（ガス吸引用）
８：ガス排気管
９：ヒーター
１０：半導体ウエハ
１１：ウエハホルダ
１２：開口周縁
Ｒ１ ，Ｒ２ ：ロック機構
ｈ：回転子ハウジング
【図１】
0003665491.tif 000002
【図２】
0003665491.tif 000003