(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉可能な反応炉と、該反応炉内に設置され表側に複数枚のウェハを保持するためのウェハ載置部を同一円周上に複数個有するウェハ収容手段と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段と、前記ウェハを加熱するための加熱手段と、前記ウェハ収容手段と略同一の大きさで前記ウェハ収容手段を保持するとともに前記加熱手段からの熱を均一化する均熱手段と、を少なくとも備え、
前記反応炉内において前記加熱手段により前記均熱手段及び前記ウェハ収容手段を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置であって、
前記ウェハ収容手段は、裏側に該ウェハ収容手段の中心を頂点とするドーム状に窪んだ凹部が形成されていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記ウェハ収容手段に設けられた前記凹部の高さをＨ、直径をＤとすると、高さと直径の比Ｈ／Ｄは、０．０１〜２．１０％であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記高さと直径の比Ｈ／Ｄは、０．５０〜１．５０％であることを特徴とする請求項２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記ウェハ収容手段に設けられた前記凹部の高さＨは、０．０２〜３．００ｍｍであることを特徴とする請求項２または３の何れかに記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェハを加熱しながら高温状態で原料ガスを供給することによりウェハ表面に化合物半導体等の薄膜を気相成長させるための気相成長装置に係り、特に、ウェハの面内温度分布の均一化を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、気相成長法は産業界の様々な分野で利用されている。この気相成長法においては、ウェハ上に成長させた薄膜の面内全域にわたって膜厚、組成及びドーピング濃度が均一であることはいうまでもなく必須項目である。そして、面内全域にわたる膜厚等の均一化の実現手段には種々の方法が考えられるが、ウェハを加熱する際の均熱化が最も重要な要素技術とされている。【０００３】
図５は、従来の一般的な気相成長装置の構成例を示す断面図である。図５に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１と、ウェハ２を配置するウェハホルダ３と、ウェハホルダ３を載置するサセプタ４と、サセプタ４の下側に設けられた加熱ヒータ５と、ウェハホルダ３及びサセプタ４を回転自在に支持する回転機構６と、原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管７と、未反応ガスを排気するガス排気管８等で構成される。【０００４】
図６はウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。ウェハホルダ３は、その片面にウェハ２を配置するための円形のポケット孔３ａを同一円周上に複数個（図６では６個）形成され、反対側の面でサセプタ４と接触するように構成されている。【０００５】
なお、サセプタ４は加熱ヒータ５からの熱を均一に伝達するために熱伝導率の高い材質（例えばモリブデン等）で構成される。また、ウェハホルダ３にも熱伝導率の高いグラファイトやモリブデン等が用いられるのが一般的である。【０００６】
上述の構成をした気相成長装置においては、加熱ヒータ５でサセプタ４の下側から加熱することによりサセプタ４、ウェハホルダ３を介してウェハ２に熱を伝え、ウェハ２を所定の温度まで上昇させる。また、サセプタ４を回転機構６により所定の回転数で回転させることにより、ガス導入管７より導入した原料ガスやキャリアガスをウェハ２表面に均等に供給しながら薄膜の気相成長を行う。【０００７】
また、図５，６では、ウェハ２を載置するウェハホルダ３を１つの部材で構成しているが、複数のウェハを載置する場合、それぞれのウェハに対応して複数のウェハホルダを設け、サセプタの所定の位置に前記複数のウェハホルダを載置するようにした気相成長装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−８１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したような気相成長装置１００においては、ウェハ２を含むウェハホルダ３全体において、ウェハ２と平行な面における面内温度分布に大きなむらが生じることが判明した。また、ウェハホルダ自体の温度分布を調査したところ、ウェハホルダ表面の中心部の温度は周縁部の温度よりも高くなっている（例えば１５℃以上）ことも判明した。【０００９】
これは、主に加熱ヒータ５の加熱方式や設置位置、又はサセプタ４、ウェハホルダ３，及びウェハ２の熱伝達率（熱拡散率）の違いや接触熱抵抗によるものと考えられる。つまり、サセプタ４とウェハホルダ３、ウェハホルダ３とウェハ２のような固体同士の接触は完全な面接触とはならず、不連続な面接触となる（点接触の集合となる）ため、それぞれの境界面における熱抵抗が不均一となりウェハホルダ３（ウェハ２を含む）の温度分布の悪化を引き起こしていると考えられる。その結果、従来の気相成長装置ではウェハ２の面内温度分布が不均一となってしまい、ウェハ２の面内全域において均一性に優れた薄膜を気相成長させるのは困難であった。【００１０】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ウェハの面内温度分布を改善することで、ウェハの面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができる気相成長装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、密閉可能な反応炉と、該反応炉内に設置され表側に複数枚のウェハを保持するためのウェハ載置部（ポケット孔）を同一円周上に複数個有するウェハ収容手段（ウェハホルダ）と、ウェハに向けて原料ガスを供給するためのガス供給手段（ガス導入管）と、前記ウェハを加熱するための加熱手段（加熱ヒータ）と、前記ウェハ収容手段を保持するとともに前記加熱手段からの熱を均一化する均熱手段（サセプタ）と、を少なくとも備え、前記反応炉内において前記加熱手段により前記均熱手段及び前記ウェハ収容手段を介してウェハを加熱しつつ、高温状態で原料ガスを供給することにより、前記ウェハ表面に成長膜を形成する気相成長装置において、前記ウェハ収容手段の裏側にドーム状に窪んだ凹部を形成するようにしたものである。
【００１２】
これにより、ウェハ収容手段と均熱手段との間に熱伝導率の低い気体で満たされた空間が形成され、該空間が大きいほど、すなわちドーム状凹部の中心部（ウェハ収容手段の中心部）ほど熱の伝達効率が悪くなることとなる。したがって、従来のウェハ収容手段では中心部ほど温度が高くなっていたのを、本発明のウェハ収容手段によれば中心部と周縁部の温度差を小さくすることができる。【００１３】
また、前記ウェハ収容手段に設けられたドーム状凹部の高さをＨ、直径をＤとしたときに、高さと直径の比Ｈ／Ｄが０．０１〜２．００％となるようにした。より好ましくは、前記ドーム状凹部の高さと直径の比Ｈ／Ｄを０．５０〜１．５０％となるようにする。これにより、ウェハ収容手段の表面における中心部と周縁部との温度差を１０℃以下とすることができる。【００１４】
また、前記ウェハ収容手段に設けられたドーム状凹部の高さＨは０．０１〜３．００ｍｍとするのが望ましい。これにより、ドーム状凹部により形成される空間が制限されるので、空間により熱伝達効率が低下するのを最小限に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ウェハ収容手段の裏側にドーム状に窪んだ凹部を形成するようにしたので、ウェハ収容手段の中心部と周縁部の温度差は小さくなり、ウェハ収容手段に載置されたウェハに対して熱が均一に伝達されることとなる。この結果、ウェハの面内全域における温度は均一となるので、良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】実施形態のウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）上面図と（ｂ）断面図である。
【図３】ウェハホルダ３に形成されたドーム状凹部３ｂの高さＨ（ｍｍ）とウェハホルダ表面における温度差ΔＴ（℃）との関係を示すグラフである。
【図４】ドーム状凹部３ｂの高さと直径の比Ｈ／Ｄとウェハホルダ表面における温度差ΔＴ（℃）との関係を示すグラフである。
【図５】従来の気相成長装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】従来のウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）上面図と（ｂ）断面図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  反応炉
２  ウェハ
３  ウェハホルダ（ウェハ収容手段）
３ａ  ポケット孔
３ｂ  ドーム状凹部
３ｃ  接触部
４  サセプタ（均熱手段）
５  加熱ヒータ（加熱手段）
６  回転機構
７  ガス導入管（ガス供給手段）
８  ガス排気管
１００  気相成長装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明に係る気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施例により何ら限定されるものでないのはいうまでもない。【００１９】
図１は、本実施形態に係る気相成長装置の構成例を示す断面図である。また、図２はウェハホルダ３の詳細な構成を示す拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。【００２０】
図１、２に示すように、気相成長装置１００は、反応炉１と、ウェハ２を配置するウェハ収容手段としてのウェハホルダ３と、ウェハホルダ３を保持するとともに加熱手段からの熱を均一化する均熱手段としてのサセプタ４と、サセプタ４の下側に設けられた加熱ヒータ５と、ウェハホルダ３及びサセプタ４を回転自在に支持する回転機構６と、原料ガスやキャリアガスを供給するガス導入管７と、未反応ガスを排気するガス排気管８等で構成される。【００２１】
この気相成長装置１００の各壁体は例えばステンレスで構成される。また、ガス導入管７は上側壁体中央部に設置され、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の第１３（３Ｂ）族原料ガスと、アルシン（ＡｓＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）等の第１５（５Ｂ）族原料ガスと、キャリアガスとしての水素（Ｈ2）等の不活性ガスと、を反応炉内に導入する。【００２２】
ウェハホルダ３は、円盤状に成型された部材でなり、その片面にウェハ２を配置するための円形のポケット孔３ａを同一円周上に複数個（図２では６個）形成され、反対面でサセプタ４と接触するように構成される。また、本実施形態のウェハホルダ３は、サセプタ４と接する側の面に周縁から所定の間隔をおいてドーム状に窪んだ凹部３ｂを形成されており、ウェハホルダ３とサセプタ４は周縁部の接触面３ｃで接触するようになっている。【００２３】
サセプタ４は、加熱ヒータ５からの熱を均等に伝達するために熱伝導率の高い材質（例えばモリブデン等）で構成され、回転機構６により回転可能に支持されている。また、サセプタ４の下側にはウェハ２を加熱するための加熱ヒータ５が同心円状に配設されている。【００２４】
ガス導入管７は反応炉１の上壁に、また、ガス排気管８は反応炉１の底壁に設置される。ガス導入管７を介して導入口より反応炉１内に導入された原料ガスは、反応炉の上流側で分解され下流側に流れてウェハ２上に薄膜を形成し、未反応の原料ガスはキャリアガスと共に排気口を介してガス排気管８から外部へ排出される。【００２５】
また、図には示さないが、例えば回転機構６の外周及び反応炉の下側壁面外壁には水冷ジャケットが設けられ、これらの水冷ジャケット及び加熱ヒータ５で反応炉１内の温度を制御するようになっている。【００２６】
上述した構成をした気相成長装置１００においては、加熱ヒータ５でサセプタ４の下側から加熱することにより、サセプタ４、ドーム状の凹部３ｂにより形成された空間、ウェハホルダ３を介してウェハ２に熱が伝わり、ウェハ２を所定の温度まで上昇させる。また、サセプタ４を回転機構６により所定の回転数で回転させることにより、ガス導入管７より導入した原料ガスやキャリアガスをウェハ２表面に均等に供給して薄膜を気相成長させる。【００２７】
本実施形態のウェハホルダ３は、例えば、直径１８０ｍｍ，厚さ１０ｍｍで、表面に設けられたポケット孔３ａは直径５０ｍｍ，高さ０．５ｍｍで、裏面に設けられたドーム状凹部３ｂは直径（Ｄ）１７０ｍｍ，高さ（Ｈ）１．７ｍｍである。つまり、ウェハホルダ３の裏面側に設けられた凹部３ｂは、その高さ（Ｈ）と直径（Ｄ）の比Ｈ／Ｄが１．０％となるようにしている。【００２８】
ウェハホルダ３をこのような形状とすることにより、ウェハホルダ３とサセプタ４との間に空間が形成され、ドーム状凹部３ｂの中心部ほど熱の伝達が悪くなる。したがって、従来はウェハホルダ３の中心部ほど温度が高くなっていたが、本実施形態ではウェハホルダ３の中心部と周縁部の温度差が格段に小さくなる。その結果、ウェハホルダ３に載置されるウェハ２へ熱が均一に伝達されることとなり、ウェハ２の面内温度分布の均一化を図ることができる。【００２９】
実際に、本実施例のウェハホルダ３を適用した気相成長装置を用いてＩｎＰウェハ２上に薄膜を成長させたところ、ウェハ２表面の面内温度分布のバラツキは１℃以下でほぼ均一にすることができた。また、ウェハ２の面内全域において良好な均一性を有する薄膜を気相成長させることができた。【００３０】
以下に、ウェハホルダ３の裏面に形成するドーム状凹部の形状（高さ）について検討した結果について説明する。
図３は、ウェハホルダ３に形成されたドーム状凹部３ｂの高さＨ（ｍｍ）とウェハホルダ表面における温度差ΔＴ（℃）との関係を示すグラフで、図４は、ドーム状凹部３ｂの高さと直径の比Ｈ／Ｄとウェハホルダ表面における温度差ΔＴ（℃）との関係を示すグラフである。ここで、ドーム状凹部３ｂの頂点の直上に位置する部分の温度を中心部温度Ｔinとし、ウェハホルダ３のサセプタ４との接触部３ｃの直上に位置する部分の温度を周縁部温度Ｔoutとしたときに、Ｔin−Ｔoutで求められる温度差をウェハホルダ表面における温度差ΔＴとした。また、ドーム状凹部３ｂの直径Ｄは１７０ｍｍで、加熱ヒータ５の設定温度は６４０℃とした。【００３１】
図３，４より、ドーム状凹部３ｂの高さＨが高くなるに伴いウェハホルダ表面における温度差ΔＴは小さくなることから、高さＨと温度差ΔＴとの間には相関関係が成り立つといえる。また、高さＨが０．０２〜３．５ｍｍの範囲（高さと直径の比Ｈ／Ｄが０．０１〜２．１％の範囲）では温度差ΔＴは１５℃以下となり、特に、高さＨが０．９〜２．５ｍｍの範囲（高さと直径の比Ｈ／Ｄが０．５０〜１．５０％の範囲）では温度差ΔＴは５℃以下となっている。【００３２】
一方、ドーム状凹部３ｂの高さＨを０ｍｍ、すなわち従来と同様にウェハホルダ３とサセプタ４とが全面で接触する構成としてウェハホルダ表面の温度測定を行ったところ、中心部と周縁部の温度差は１５℃であった。このことから、本実施形態のようにウェハホルダ３の裏面にドーム状凹部３ｂを設けることにより、ウェハホルダ３の表面における温度分布は均一化されることがわかった。【００３３】
さらに、ドーム状凹部３ｂにより形成される空間が大きくなると熱伝達効率が悪くなると考えられるため、凹部３ｂの高さＨに対する熱の損失について検討した。その結果、ドーム状凹部３ｂの高さＨを３．０〜３．５ｍｍとした場合は、加熱ヒータ５の設定温度６４０℃に対してウェハホルダ３の到達温度は６０７℃となり、熱伝達効率が低下することが判明した。したがって、ドーム状凹部３ｂの高さＨは０．０２〜３．０ｍｍとすることが望ましく、これにより空間を介して熱伝達されることによる熱の損失を最小限に抑えることができる。【００３４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。【００３５】
例えば、ドーム状凹部３ｂにはウェハホルダ３の温度分布を改善するための突起を設けるようにしてもよいし、その突起により局部的にウェハホルダ３とサセプタ４を接触させるようにしてもよい。また、この突起を連続して形成することによってドーム状凹部３ｂにより形成された空間部が分割されるようになっても構わない。【００３６】
また、ウェハホルダ３の材質は、特に限定しないが、育成結晶や反応炉１内の雰囲気を汚染しないような特性を有する材料であれば、いかなる材料を用いて製作してもよい。ただし、加熱ヒータ５からの熱伝導効率を上げるために、グラファイトやモリブデン等のように熱導電率が５０Ｗ／ｍ2Ｋ以上５００Ｗ／ｍ2Ｋ以下の材質とするのが望ましい。【００３７】
上記実施例では、ウェハホルダ３にポケット孔３ａに対応して凹部３ｂを設けて空間部を形成するようにしたが、適当な治具を用いてサセプタ４とウェハホルダ３とを所定の距離だけ離間するようにしてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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