(57)【要約】【課題】成長用治具の上面と下面の圧力差をなくすことで、基板周辺の隙間からのガスの流れにより生じる成長面近傍のガス流の乱れを抑制し、エピタキシャルウエハの特性を面内で均一なものにする半導体製造装置を提供する。【解決手段】原料ガスｍｇが供給され、その原料ガスｍｇで基板１０上に半導体膜を成長させる反応炉２３と、その反応炉内２３に設けられ、基板１０を保持するための成長用治具２４とを備えた半導体製造装置１において、反応炉２３を、原料ガスｍｇが供給される成長室２と、基板１０を保温するための保温室３とに仕切り、これら成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力を独立に制御したものである。【選択図】図１
2008198857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスが供給され、その原料ガスで基板上に半導体膜を成長させる反応炉と、その反応炉内に設けられ、上記基板を保持するための成長用治具とを備えた半導体製造装置において、上記反応炉を、原料ガスが供給される成長室と、上記基板を保温するための保温室とに仕切り、これら成長室と保温室の各雰囲気の圧力を独立に制御したことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
上記成長室に上記原料ガスを供給する原料導入口を形成すると共に、上記原料ガスを排気する原料排気口を形成し、上記保温室にパージガスを供給するパージガス導入口を形成すると共に、上記パージガスを排気するパージガス排気口を形成した請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
上記成長用治具は、上記基板を保持して自転させるための複数個の基板保持治具と、これら各基板保持治具が回転自在に設けられ、上記基板を公転させるためのディスク治具とからなる請求項１または２記載の半導体製造装置。
【請求項４】
上記成長室と上記保温室の各雰囲気の圧力差を、１３３３．３２Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）未満にした請求項１〜３いずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項５】
上記保温室の雰囲気の圧力を、上記成長室の雰囲気の圧力よりも高くした請求項４記載の半導体製造装置。
【請求項６】
上記原料ガスとして、ＡｓＨ3 、ＰＨ3 、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｈ2 Ｓｅ、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 、Ａｌ（ＣＨ3 ）3 、Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 、Ｇａ（ＣＨ3 ＣＨ2 ）3 を用い、上記パージガスとして、不活性ガス、水素ガスを用いる請求１〜５いずれかに記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応炉内に固定した基板上に、原料ガスを供給して半導体膜を成長させる半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体製造装置は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法などの結晶成長法を用いている。この半導体製造装置は、原料ガスが供給され、その原料ガスで基板上に半導体膜（エピタキシャル層、あるいは半導体結晶）を成長させる反応炉（リアクタ、あるいは成長炉）を備える。反応炉内には、基板を保持するための成長用治具（ディスク、あるいはサセプタ）が設けられる。成長用治具には基板保持治具（フォルダ）が設けられ、この基板保持治具に基板が収容されて保持される。
【０００３】
従来の半導体製造装置では、反応炉内の反応管に基板をセットした状態の基板固定用治具を配置し、基板を加熱して反応炉内に原料ガスを供給することで、原料ガスが熱分解して基板上に結晶成長し、エピタキシャル層が形成され、エピタキシャルウエハ（エピウエハ）が得られる。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３０２４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の半導体製造装置では、結晶成長を実施する場合、反応炉内部にディスク下面側に配置された排気系により、反応炉内部を真空引きし、ある一定の減圧状態を保持した状態で原料ガスを反応炉に導入する。このとき、反応炉内の圧力は、ディスク下面側で真空排気されていることに起因して、「ディスク下面圧力＜ディスク上面圧力」となる。
【０００７】
このディスク上面側と下面側に圧力差が生じた状態では、ディスク外周の隙間、ディスクとフォルダ間の隙間、および基板とフォルダ間の隙間等より、上面側から下面側に向かうガスの流れが発生する。このガスの流れが結晶の成長面である基板の周辺で発生すると、基板に達する原料ガスの流れを乱し、均一な特性の結晶が得られないという問題が生じる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、成長用治具の上面と下面の圧力差をなくすことで、基板周辺の隙間からのガスの流れにより生じる成長面近傍のガス流の乱れを抑制し、エピタキシャルウエハの特性を面内で均一なものにする半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、原料ガスが供給され、その原料ガスで基板上に半導体膜を成長させる反応炉と、その反応炉内に設けられ、上記基板を保持するための成長用治具とを備えた半導体製造装置において、上記反応炉を、原料ガスが供給される成長室と、上記基板を保温するための保温室とに仕切り、これら成長室と保温室の各雰囲気の圧力を独立に制御した半導体製造装置である。
【００１０】
請求項２の発明は、上記成長室に上記原料ガスを供給する原料導入口を形成すると共に、上記原料ガスを排気する原料排気口を形成し、上記保温室にパージガスを供給するパージガス導入口を形成すると共に、上記パージガスを排気するパージガス排気口を形成した請求項１記載の半導体製造装置である。
【００１１】
請求項３の発明は、上記成長用治具は、上記基板を保持して自転させるための複数個の基板保持治具と、これら各基板保持治具が回転自在に設けられ、上記基板を公転させるためのディスク治具とからなる請求項１または２記載の半導体製造装置である。
【００１２】
請求項４の発明は、上記成長室と上記保温室の各雰囲気の圧力差を、１３３３．３２Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）未満にした請求項１〜３いずれかに記載の半導体製造装置である。
【００１３】
請求項５の発明は、上記保温室の雰囲気の圧力を、上記成長室の雰囲気の圧力よりも高くした請求項４記載の半導体製造装置である。
【００１４】
請求項６の発明は、上記原料ガスとして、ＡｓＨ3 、ＰＨ3 、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、Ｈ2 Ｓｅ、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 、Ａｌ（ＣＨ3 ）3 、Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 、Ｇａ（ＣＨ3 ＣＨ2 ）3 を用い、上記パージガスとして、不活性ガス、水素ガスを用いる請求１〜５いずれかに記載の半導体製造装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板固定用治具の上面と下面の圧力を独立して制御することにより、基板近傍のガス流の乱れを抑制し、均一な膜厚分布を持つエピウエハが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１７】
図２は、本発明の好適な実施形態を示す半導体製造装置の全体構成図である。
【００１８】
図２に示すように、本実施形態に係る半導体製造装置１は、ＭＯＶＰＥ装置に適用した例であり、ガス供給手段２２と、反応炉（リアクタあるいは成長炉）２３と、反応炉２３内に設けられて基板１０を保持するための成長用治具（サセプタ）２４と、排気系２５とで主に構成される。ガス供給手段２２と反応炉２３の供給側は複数本のガス供給管２６で接続され、反応炉２３の排気側は排気系２５を通してガス排気管２７が接続される。
【００１９】
ガス供給手段２２は、シリンダーキャビネット２８と、そのシリンダーキャビネット２８内に備えられ、エピタキシャル層の原料となる原料ガスを充填した複数本の原料ガスボンベ（後述するパージガスを充填したパージガスボンベを含む）２９とからなる。
【００２０】
原料ガスとしては、化合物半導体の材料となるＡｓＨ3 （アルシン）、ＰＨ3 （ホスフィン）、ＳｉＨ4 （モノシラン）、Ｓｉ2 Ｈ6 （ジシラン）、Ｈ2 Ｓｅ（セレン化水素）、Ｇａ（ＣＨ3 ）3 （トリメチルガリウム）、Ａｌ（ＣＨ3 ）3 （トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 （トリメチルインジウム）、Ｇａ（ＣＨ3 ＣＨ2 ）3 （トリエチルガリウム）を用いる。
【００２１】
反応炉２３は、全体がほぼ円筒状、あるいは角筒状に形成される。この反応炉２３は、ガス供給手段２２から原料ガスが供給され、その原料ガスで基板１０上にエピタキシャル層をそれぞれ成長させるものである。
【００２２】
サセプタ２４は、全体がほぼ円板状に形成され、基板１０を保持して自転させるための複数個の基板保持治具（フォルダあるいは自転サセプタ）１１と、これら自転サセプタ１１がベアリングなどの軸受け手段を介して回転自在にリング状に設けられ、基板１０を公転させるためのディスク治具（公転サセプタ）１２とからなる。
【００２３】
サセプタ２４は、耐熱性、原料ガスに対する不活性さ、耐腐食性が高い材質、例えば、グラファイト、ＳｉＣ（炭化珪素）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ、耐熱性セラミックスなどで形成される。
【００２４】
排気系２５には、反応炉２３内を真空排気すると共に、エピタキシャル層の成長に寄与しなかった原料ガスを排気する図示しない真空ポンプが備えられる。
【００２５】
ここで、半導体製造装置１を図１でより詳細に説明する。
【００２６】
各自転サセプタ１１は、平面視でほぼ円形の収納穴１３を有し、この収納穴１３に基板１０が収納される。収納穴１３の外縁部には、収納穴１３に収納した基板１０の落下および基板１０の位置ズレを防止するための図示しない基板固定用治具が設けられる。
【００２７】
基板固定用治具としては、固定用爪あるいはクランク状の腕部などがある。この基板固定用治具で収納穴１３に収納した基板１０が保持される。本実施形態では、各自転サセプタ１１に保持した基板１０の成長面の向きは下向き（フェイスダウン）である。
【００２８】
各自転サセプタ１１の外周には歯車が形成され、公転サセプタ１２の内周には、各自転サセプタ１１の歯車とかみ合う内歯車が形成される。公転サセプタ１２の中心部には、回転軸１４が設けられ、その回転軸１４に公転サセプタ１２を回転させる図示しないモータが連結される。反応炉２３の内壁には、ベアリングなどの軸受け手段、サセプタ固定部材１５を介して公転サセプタ１２の外周部が反応炉２３内で回転可能に設けられる。つまり、サセプタ２４は自公転サセプタであり、反応炉２３は自公転炉である。
【００２９】
サセプタ２４の裏面、あるいは各収容穴１３の底部には、基板加熱時に熱を基板１０に伝導させ、基板１０の表面の温度を均一にするための図示しない均熱板が設けられる。均熱板は、金属などの熱伝導性が高い材料で形成される。
【００３０】
さて、反応炉２３内は、仕切り手段により、原料ガスｍｇが供給される成長室２と、基板１０を加熱・保温するための保温室３とに仕切られる。本実施形態に係る半導体装置１は、これら成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力を独立に制御した点に特徴がある。
【００３１】
本実施形態では、サセプタ２４とサセプタ固定部材１５とで仕切り手段を構成し、これらサセプタ２４とサセプタ固定部材１５で反応炉２３内を上下２室に仕切り、下側を成長室２とし、上側を保温室３とした。反応炉２内において、成長室２と保温室３間は完全に気密保持されてはいない。
【００３２】
成長室２の下部中心部には、成長室２内に原料ガスｍｇを供給する原料導入口４が形成される。成長室２の下部周囲には、エピタキシャル層の成長に寄与しなかった原料ガスｍｇを排気する原料排気口５が複数個形成される。
【００３３】
また、保温室３の上部中心部には、保温室３内へパージガスｐｇを供給するパージガス導入口６，６が形成される。保温室３の上部周囲には、パージガスｐｇを排気するパージガス排気口７が複数個形成される。保温室３内には、基板１０を加熱・保温するヒータ８が複数個設けられる。
【００３４】
パージガスｐｇとしては、水素の他、窒素やＡｒなどの不活性ガスを用いる。原料導入口４とパージガス導入口６，６は、図２の各ガス供給管２６と連通する。原料排気口５とパージガス排気口７は、図２のガス排気管２７と連通する。原料排気口５とパージガス排気口７に、別々のガス排気管２７をそれぞれ接続し、これら各ガス排気管２７に排気系２５の真空ポンプをそれぞれ接続すれば、成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力をより簡単に制御できる。
【００３５】
半導体製造装置１では、成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力差（原料ガスｍｇとパージガスｐｇの圧力差）を、１３３３．３２Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）未満、好ましくはほぼ０Ｐａにするとよい。成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力差が１３３３．３２Ｐａ以上であると、作製したエピタキシャルウエハ面内での膜厚ばらつきが±２．５０％以上となり、均一な特性のエピタキシャル層が得られないからである。
【００３６】
成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力差は、各ガスボンベ２９から供給される原料ガスｍｇとパージガスｐｇの供給量（流量）と、排気系２５の真空ポンプの排気量とで決定する。
【００３７】
また、半導体製造装置１では、保温室３の雰囲気の圧力を、成長室２の雰囲気の圧力よりも高くするとよい。
【００３８】
本実施形態の作用を半導体装置１の動作と共に説明する。
【００３９】
まず、半導体製造装置１では、各自転サセプタ４の収容穴１３に基板１０をそれぞれ収納してサセプタ２４に基板１０を保持し、サセプタ２４に基板１０をセットする。
【００４０】
排気系２５の真空ポンプで反応炉３を真空排気し、反応炉３内をヒータ８で加熱して基板１０を加熱・保温し、この状態で各ガスボンベ２９から反応炉２３内に原料ガスｍｇとパージガスｐｇを供給する。原料ガスｍｇは原料導入口４から成長室２内に供給され、パージガスｐｇはパージガス導入口６，６から保温室３内に供給される。
【００４１】
このとき、各ガスボンベ２９から供給される原料ガスｍｇとパージガスｐｇの供給量と、排気系２５の真空ポンプの排気量とを調整することで、成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力を独立に制御し、成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力差を所望の値に保つ。
【００４２】
これにより、成長室２内で原料ガスｍｇが熱分解して基板１０上に結晶成長し、基板１０上にエピタキシャル層が形成される。成長に寄与しなかった原料ガスｍｇは原料排気口５から排気される（図１中の太線矢印）。
【００４３】
このとき、保温室３の雰囲気の圧力を、成長室２の雰囲気の圧力よりもわずかに高くしておけば、パージガスｐｇが、保温室３から公転サセプタ１２とサセプタ固定部材１５の隙間、公転サセプタ１２と自転サセプタ１１の隙間、自転サセプタ１１と基板１０の隙間を通して成長室２内に供給される（図１中の細線矢印）。
【００４４】
これにより、サセプタ２４の上面側から下面側に向かうパージガスｐｇの流れが発生し、成長室２内のみに原料ガスｍｇが均一に供給される。
【００４５】
つまり、半導体製造装置１では、反応炉２３を成長室２と保温室３に仕切り、成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力を独立に制御することで、基板１０周辺の隙間から保温室３へ向かう原料ガスｍｇの流れにより生じる成長面近傍の原料ガス流の乱れを抑制できる。
【００４６】
特に、半導体製造装置１は、成長室２と保温室３の排気系を分けているため、成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力をより簡単に独立に制御できる。
【００４７】
したがって、半導体製造装置１を用いれば、作製したエピタキシャルウエハの特性のばらつき分布が小さく、均一な膜厚分布を有するエピタキシャルウエハが得られるため、エピタキシャルウエハの特性を面内で均一化できる。すなわち、半導体製造装置１は、エピ特性分布均一化可能な半導体製造装置である。
【００４８】
また、これにより半導体製造装置１では、作製したエピタキシャルウエハの外周部分からもチップを取得できるようになり、歩留まりも向上する。
【００４９】
パージガスｐｇとしては、原料ガスｍｇの一成分にもなっている水素を用いる他、不活性ガスを使用すれば、空気を使う場合に比べ、反応室２３内のサセプタ２４などの部品、基板１０上に形成するエピタキシャル層に悪い影響を与えないという利点がある。
【００５０】
上記実施の形態では、不要な不純物が混入しにくいフェイスダウン方式で基板１０上にエピタキシャル層を成長させる例で説明したが、ウェハセットやウェハ取り出しが簡単になるフェイスアップ方式でもよい。原料ガスｍｇのフロー方向については、上述した縦型ガスフローに限らず、横型ガスフローでもよい。
【００５１】
また、上記実施の形態では、原料ガスｍｇとして化合物半導体の材料を用いた例で説明したが、原料ガスｍｇとして半導体の材料を用いてもよい。
【実施例】
【００５２】
（実施例１）
本発明を図１のＭＯＶＰＥ装置である半導体製造装置１に適用し、図３に示すエピタキシャルウエハ３１を作製した。このエピタキシャルウエハ３１は、ＧａＡｓ基板１０上に、エピタキシャル層として厚さ１．０μｍのＡｌ0.3ＧａＡｓ層３２を形成したものである。
【００５３】
成長炉２３内圧力を約１．３３×１０3 Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）に保持した状態でＧａＡｓ基板１０を加熱し、Ｖ族原料（アルシン）を約４００〜７００ｃｍ3 ／分、III族原料（トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム）をそれぞれ約３〜１０ｃｍ3 ／分、約０．５〜５ｃｍ3 ／分供給してＡｌ0.3ＧａＡｓ層３２を成長させた。
【００５４】
Ａｌ0.3ＧａＡｓ層３２の成長時、各ガスボンベ２９から供給される原料ガスｍｇとパージガスｐｇの供給量と、排気系２５の真空ポンプの排気量とを調整し、成長室２と保温室３の各雰囲気の圧力を独立に制御し、サセプタ２４下面の圧力が約１．３３×１０3 Ｐａのとき、サセプタ２４上面の圧力も約１．３３×１０3 Ｐａになるように制御した。
【００５５】
作製したエピタキシャルウエハ３１のＡｌ0.3ＧａＡｓ層３２の結晶に対膜厚測定を実施し、ウエハ面内の膜厚分布を調べた。その結果、得られたウエハ面内の膜厚分布を図４中に●で示す。
【００５６】
（従来例）
従来の半導体製造装置において、反応炉内の雰囲気圧力を約１．３３×１０3 Ｐａに保った状態での成長中において、サセプタ上面、下面の圧力を測定すると、それぞれ約１．４７×１０3 Ｐａ（１１０Ｔｏｒｒ）、約１．３３×１０3 Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）（サセプタ上下面間の圧力差１３３３．３２Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ））であった。この状態で図３の構造のエピタキシャルウエハを作製し、その面内の膜厚分布を調べた結果を図４中に◆で示す。
【００５７】
図４に示すように、従来例では、ウエハ外周部側の膜厚が薄く、膜厚分布が上に凸状の分布形状になり、ウエハ面内で約±２．５０％程度のばらつきが存在した。
【００５８】
これに対し、実施例１では、分布の傾向は従来例と同様であるが、ウエハ面内での膜厚ばらつきを±０．４５％と従来例の約１８％まで大幅に低減することができた。
【００５９】
（実施例２）
実施例１で述べた条件では、作製したエピタキシャルウエハ３１の膜厚分布の傾向は、図４に示した上凸で、面内の膜厚ばらつき±０．４５％であった。
【００６０】
チップ作製プロセスにおいて、ウエハをエッチングする工程があるが、ウエハのエッチング速度は、ウエハ外周側が中心より速いため、ウエハ外周側膜厚が薄いと所望の層もエッチングされてしまうおそれがある。また、成長において成長の回数が進み、反応炉２３内部への堆積物の厚さが増すと、分布の傾向は上凸がきつくなる方向に向かうため、膜厚分布の傾向は下凸のほうがよい。
【００６１】
そこで、半導体製造装置１において、成長時のサセプタ２４下面の圧力約１．３３×１０3 Ｐａのとき、サセプタ上面圧力がわずかに高い圧力にあるように制御して成長した際、エピタキシャルウエハ３１のウエハ面内の膜厚分布の結果を図４中に■で示す。その結果、ウエハ面内での膜厚ばらつきは±０．４５％、かつ分布の傾向は従来例と逆転し、下凸の分布とすることができた。これにより、エッチング工程においても、エピタキシャルウエハ３１の所望の層がエッチングされるのを防止できた。
【００６２】
また、成長を重ね、反応炉２３内部の堆積厚が増しても、この圧力制御により、エピタキシャルウエハ３１の膜厚分布の形状を下凸に維持することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す半導体製造装置の反応炉の断面図である。
【図２】本発明の好適な実施形態を示す半導体製造装置の全体構成図である。
【図３】炉内純度の評価に用いたエピタキシャルウエハの結晶構造を示す図である。
【図４】図１の半導体製造装置を用いて作製したエピタキシャルウエハと、従来の半導体装置を用いて作製したエピタキシャルウエハとについて、ウエハ面内の膜厚分布を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  半導体製造装置
２  成長室
３  保温室
１１  自転サセプタ（基板保持治具）
１２  公転サセプタ（ディスク治具）
２３  反応炉
２４  サセプタ（成長用治具）
ｍｇ  原料ガス
ｐｇ  パージガス
【図１】
2008198857.tif 000003
【図２】
2008198857.tif 000004
【図３】
2008198857.tif 000005
【図４】
2008198857.tif 000006