(57)【要約】【目的】基板面内の温度分布をより均一に保つような支持台と熱源との構成を有する気相成長装置を提供することを目的とする。【構成】ガスを供給する流路１２２及び排気する流路１２４が接続されたチャンバ１２０内でシリコンウェハ１０１に成膜する本発明の気相成長装置において、裏面に環状の凸部１１２を有し、シリコンウェハ１０１を支持するホルダ１１０と、表面位置が凸部１１２の先端よりもホルダ１１０側に位置するように凸部１１２の外周端より外側に配置されたアウトヒータ１５０と、さらに離れて配置されたインヒータ１６０と、を備えたことを特徴とする。本発明によれば、基板面内の温度分布を良好にすることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを供給する第１の流路及びガスを排気する第２の流路が接続されたチャンバ内で前記ガスを用いて基板に成膜する気相成長装置において、
裏面に環状の凸部を有し、表面側で前記基板を支持する支持台と、
表面位置が前記凸部の先端よりも前記支持台側に位置するように前記支持台の裏面側でかつ前記凸部の外周端より外側に配置された第１の熱源と、
前記支持台の裏面側に前記第１の熱源よりもさらに離れて配置された第２の熱源と、
を備えたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記第１の熱源は、環状に形成され、前記第１の熱源の内周端から前記基板の外周端までの距離が、前記第１の熱源の外周端から前記第１の熱源の内周端までの半径方向長さよりも短くなるように配置されたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記支持台は、環状に形成され、
前記第１の熱源は、前記第１の熱源の外周端から前記第１の熱源の内周端までの半径方向長さが、前記支持台の外周端から前記支持台の内周端までの半径方向長さの４５〜５９％になるように形成されたことを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記第１の熱源の裏面から前記第２の熱源の表面までの距離が、前記支持台の裏面から前記第１の熱源の表面までの距離よりも長くなるように前記第１と第２の熱源を配置することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記第１の熱源の裏面から前記第２の熱源の表面までの距離が、前記支持台の裏面から前記第１の熱源の表面までの距離の７倍以上となるように前記第１と第２の熱源を配置することを特徴とする請求項４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、気相成長装置に係り、例えば、エピタキシャル成長装置におけるシリコンウェハ等の基板を支持する支持部材（支持台）と基板等を加熱するヒータの形状及び配置位置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高速バイポーラ、超高速のＣＭＯＳ等の半導体デバイスの製造において、不純物濃度や膜厚の制御された単結晶のエピタキシャル成長技術は、デバイスの性能を向上させる上で不可欠のものとなっている。
シリコンウェハ等の半導体基板に単結晶薄膜を気相成長させるエピタキシャル成長には、一般に常圧化学気相成長法が用いられており、場合によっては減圧化学気相成長（ＬＰ−ＣＶＤ）法が用いられている。反応容器内にシリコンウェハ等の半導体基板を配置し、反応容器内を常圧（０．１ＭＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））雰囲気或いは所定の真空度の真空雰囲気に保持した状態で前記半導体基板を加熱し回転させながらシリコン源とボロン化合物、ヒ素化合物、或いはリン化合物等のドーパントとを含む原料ガスを供給する。そして、加熱された半導体基板の表面で原料ガスの熱分解或いは水素還元反応を行なって、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いはヒ素（Ａｓ）がドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長させることにより製造する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、エピタキシャル成長技術は、パワー半導体の製造、例えば、ＩＧＢＴ（インシュレートゲートバイポーラトランジスタ）の製造にも用いられる。ＩＧＢＴ等のパワー半導体では、例えば、数１０μｍ以上の膜厚のシリコンエピタキシャル膜が必要となる。
【０００４】
図７は、従来のホルダとヒータの形状と配置構成を示す概念図である。
図８は、図７に示す配置構成の寸法の一例を示す図である。
装置のチャンバ内には、シリコンウェハ２００の支持部材（支持台）となるホルダ２１０（サセプタともいう。）が配置される。そして、ホルダ２１０には、シリコンウェハ２００の直径より若干大きめの径のザグリ穴が形成されている。そして、かかるザグリ穴にシリコンウェハ２００が収まるように載置される。かかる状態でホルダ２１０を回転部材１７１で回転させることによりシリコンウェハ２００を回転させて、供給された原料ガスの熱分解或いは水素還元反応によりシリコンエピタキシャル膜を成長させる。そして、ホルダ２１０の裏面側にはホルダ２１０を加熱するためのアウトヒータ１５１がホルダ２１０の裏面から寸法ｌ１離れて配置されている。かかるアウトヒータ１５１は環状に形成され、内周端がシリコンウェハ２００の外周端からｌ２の距離をおいて配置される。また、アウトヒータ１５１の下部には、アウトヒータ１５１の裏面から寸法ｌ３離れてシリコンウェハ２００の裏面を加熱するためのインヒータ１６１が配置されている。また、アウトヒータ１５１は、寸法ｌ４の幅に形成されている。また、かかる配置構成では、シリコンウェハ２００の裏面からインヒータ１６１までの距離は寸法ｌ５となる。そして、例えば、図８に示すように、ｌ１＝５ｍｍ、ｌ２＝１５ｍｍ、ｌ３＝４．５ｍｍ、ｌ４＝１０ｍｍ、ｌ５＝１２．１ｍｍで構成されていた。
【特許文献１】特開平９−１９４２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、シリコンウェハ２００に均一にシリコンエピタキシャル膜を成長させるために、インヒータ１６１でシリコンウェハ２００を加熱しているが、シリコンウェハ２００の支持台となるホルダ２１０を介して熱が逃げてしまうため、別にホルダ２１０も加熱するようにアウトヒータ１５１が配置されていた。しかし、図８に示すような寸法の配置構成では、基板面内での温度分布が一様にならず、特に、シリコンウェハ２００等の基板のエッジ部分の膜厚均一性が劣化してしまうといった問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる問題点を克服し、基板面内の温度分布をより均一に保つような支持台と熱源との構成を有す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】
【０００７】
本発明の一態様の気相成長装置は、
ガスを供給する第１の流路及びガスを排気する第２の流路が接続されたチャンバ内でガスを用いて基板に成膜する気相成長装置において、
裏面に環状の凸部を有し、表面側で基板を支持する支持台と、
表面位置が上述した凸部の先端よりも支持台側に位置するように支持台の裏面側でかつ凸部の外周端より外側に配置された第１の熱源と、
支持台の裏面側に第１の熱源よりもさらに離れて配置された第２の熱源と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
凸部の外周端より外側で第１の熱源の表面位置が凸部の先端よりも支持台側に配置されることにより、第１の熱源からの輻射熱を凸部で遮へいすることができる。そのため、第１の熱源から基板側への輻射熱の漏れを抑制することができる。
【０００９】
また、第１の熱源は、環状に形成され、第１の熱源の内周端から基板の外周端までの距離が、第１の熱源の外周端から第１の熱源の内周端までの半径方向長さよりも短くなるように配置されたことを特徴とする。
【００１０】
かかる構成により、第１の熱源と基板との距離が従来よりも近くなるようにすることができる。その結果、支持台を介して必要な熱量を基板に伝達し易くすることができる。
【００１１】
ここで、支持台は、環状に形成され、
特に、第１の熱源は、第１の熱源の外周端から第１の熱源の内周端までの半径方向長さが、支持台の外周端から支持台の内周端までの半径方向長さの４５〜５９％になるように形成されると好適である。
【００１２】
かかる長さに環状の第１の熱源を形成することで、必要な伝熱面積を得ることができる。
【００１３】
また、第１の熱源の裏面から第２の熱源の表面までの距離が、支持台の裏面から第１の熱源の表面までの距離よりも長くなるように第１と第２の熱源を配置することを特徴とする。
【００１４】
特に、第１の熱源の裏面から第２の熱源の表面までの距離が、支持台の裏面から第１の熱源の表面までの距離の７倍以上となるように第１と第２の熱源を配置すると好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板面内の温度分布を良好にすることができ、膜厚均一性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１．
気相成長装置の一例となる枚葉式エピタキシャル成長装置のプロセス開発においては、膜厚均一性が求められる。かかる膜厚均一性を左右するポイントとして、シリコンウェハの温度分布が重要であることが明らかとなった。特に、ウェハエッジ数ｍｍに見られる、所謂、エッジ効果と呼ばれるウェハ中央部とは異なる特異現象が存在する。この特異現象をいかに緩和するかが良好な温度分布を得るために必要である。実施の形態１では、シミュレーションを実施して、その結果からも実証されるウェハ面内の温度分布が最適となるホルダ形状およびヒータレイアウトを説明する。以下、図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置の構成を示す概念図である。
図１において、気相成長装置の一例となるエピタキシャル成長装置１００は、支持台の一例となるホルダ（サセプタとも言う。）１１０、チャンバ１２０、シャワーヘッド１３０、真空ポンプ１４０、圧力制御弁１４２、アウトヒータ１５０、インヒータ１６０、回転部材１７０を備えている。チャンバ１２０には、ガスを供給する流路１２２とガスを排気する流路１２４が接続されている。そして、流路１２２は、シャワーヘッド１３０に接続されている。図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成以外を省略している。また、縮尺等も、実物とは一致させていない（以下、各図面において同様である）。
【００１８】
ホルダ１１０は、環状に形成されていて、所定の内径の貫通する開口部が形成される。そして、上面側から垂直或いは所定の角度で所定の深さに掘り込まれたザグリ穴１１６の低面でシリコンウェハ１０１の裏面と接触してシリコンウェハ１０１を支持する。
【００１９】
また、ホルダ１１０は、図示していない回転機構によりシリコンウェハ１０１面と直交するシリコンウェハ１０１面の中心線を軸に回転させられる回転部材１７０上に配置される。そして、ホルダ１１０は、回転部材１７０と共に回転することで、シリコンウェハ１０１を回転させることができる。
【００２０】
ホルダ１１０の裏面側には、熱源の一例となるアウトヒータ１５０（第１の熱源の一例）とインヒータ１６０（第２の熱源の一例）が配置されている。アウトヒータ１５０によりホルダ１１０を加熱することができる。そして、インヒータ１６０は、アウトヒータ１５０の下部に配置され、インヒータ１６０によりシリコンウェハ１０１を加熱することができる。インヒータ１６０とは別に、ホルダ１１０へと熱が逃げやすいシリコンウェハ１０１の外周部の放熱を抑えるためにホルダ１１０を加熱するアウトヒータ１５０を設け、２重ヒータとすることで、シリコンウェハ１０１の面内温度均一性を向上させることができる。
【００２１】
そして、ホルダ１１０、アウトヒータ１５０、インヒータ１６０、シャワーヘッド１３０、回転部材１７０は、チャンバ１２０内に配置される。回転部材１７０は、チャンバ１２０内から図示していない回転機構へとチャンバ１２０外に延びている。シャワーヘッド１３０は、チャンバ１２０内からチャンバ１２０外へと配管が延びている。
【００２２】
そして、反応容器となるチャンバ１２０内を常圧或いは真空ポンプ１４０により所定の真空度の真空雰囲気に保持した状態で、シリコンウェハ１０１とホルダ１１０とをアウトヒータ１５０とインヒータ１６０とで加熱し、ホルダ１１０の回転によりシリコンウェハ１０１を所定の回転数で回転させながら、シャワーヘッド１３０からシリコン源となる原料ガスをチャンバ１２０内に供給する。そして、加熱されたシリコンウェハ１０１の表面で原料ガスの熱分解或いは水素還元を行なって、シリコンウェハ１０１の表面にシリコンエピタキシャル膜を成長させる。チャンバ１２０内の圧力は、例えば、圧力制御弁１４２を用いて常圧或いは所定の真空度の真空雰囲気に調整すればよい。或いは常圧で用いる場合には、真空ポンプ１４０若しくは圧力制御弁１４２がない構成でも構わない。シャワーヘッド１３０では、チャンバ１２０外から配管で供給された原料ガスをシャワーヘッド１３０内部のバッファを介して、複数の貫通孔から排出するようにしているため均一に原料ガスをシリコンウェハ１０１上に供給することができる。さらに、ホルダ１１０や回転部材１７０の圧力を内外同一（シリコンウェハ１０１の表面側雰囲気の圧力と裏面側雰囲気の圧力とを同じ）にすることで、原料ガスが回転部材１７０の内側、若しくは回転機構内部へと廻り込むことを防止することができる。同様に、図示していない回転機構側のパージガス等が、チャンバ内（シリコンウェハ１０１の表面側雰囲気）に漏れることを防止することができる。
【００２３】
図２は、エピタキシャル成長装置システムの外観の一例を示す図である。
図２に示すように、エピタキシャル成長装置システム３００は、筺体により全体が囲まれている。
図３は、エピタキシャル成長装置システムのユニット構成の一例を示す図である。
エピタキシャル成長装置システム３００内では、カセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１０或いはカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１２に配置されたカセットにセットされたシリコンウェハ１０１が、搬送ロボット３５０によりロードロック（Ｌ／Ｌ）チャンバ３２０内に搬送される。そして、トランスファーチャンバ３３０内に配置された搬送ロボット３３２によりＬ／Ｌチャンバ３２０からシリコンウェハ１０１がトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。そして、搬出されたシリコンウェハ１０１がエピタキシャル成長装置１００のチャンバ１２０内に搬送され、エピタキシャル成長法によりシリコンウェハ１０１表面にシリコンエピタキシャル膜が成膜される。シリコンエピタキシャル膜が成膜されたシリコンウェハ１０１は、再度、搬送ロボット３３２によりエピタキシャル成長装置１００からトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。そして、搬出されたシリコンウェハ１０１は、Ｌ／Ｌチャンバ３２０に搬送された後、搬送ロボット３５０によりＬ／Ｌチャンバ３２０からカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１０或いはカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１２に配置されたカセットに戻される。図３に示すエピタキシャル成長装置システム３００では、エピタキシャル成長装置１００のチャンバ１２０とＬ／Ｌチャンバ３２０とが２台ずつ搭載されており、スループットを向上させることができる。
【００２４】
図４は、実施の形態１におけるホルダ形状とヒータレイアウトの詳細を説明するための断面概念図である。
ホルダ１１０の裏面には、下方に出っ張った環状の凸部１１２（ベロ）が形成されている。図４において、凸部１１２は、ホルダ１１０の裏面と直交する方向、すなわち、真下に向かって凸に延びているが、これに限るものではなく、所定の角度をもって斜め下方に延びても構わない。
【００２５】
そして、シート状の表面と裏面をもち、環状に形成されたアウトヒータ１５０は、ホルダ１１０の下部、すなわち、ホルダ１１０の裏面側にホルダ１１０の裏面から所定の寸法ｌ１離れて配置される。かかる配置構成により、アウトヒータ１５０からの輻射熱でホルダ１１０を加熱することができる。そして、アウトヒータ１５０は、凸部１１２の外周端より外側に配置される。すなわち、アウトヒータ１５０の内周端が凸部１１２の外周端よりも外側になるように配置される。そして、アウトヒータ１５０の表面位置が凸部１１２の先端よりもホルダ１１０側に位置するように配置する。かかる配置構成により、アウトヒータ１５０からの輻射熱が凸部１１２で遮へいされ、直接的にシリコンウェハ１０１へと熱が漏れることを抑制することができる。例えば、凸部１１２の出っ張り高さは、２〜４ｍｍに形成されることが望ましい。そして、アウトヒータ１５０は、アウトヒータ１５０の表面位置が凸部１１２の先端よりも０．５ｍｍ以上ホルダ１１０側に位置する（入り込む）ように配置されると好適である。アウトヒータ１５０の表面とホルダ１１０裏面との距離寸法ｌ１は例えば１．５ｍｍが望ましい。
【００２６】
また、アウトヒータ１５０の内周端からシリコンウェハ１０１の外周端までの距離ｌ２が、アウトヒータ１５０の外周端からアウトヒータ１５０の内周端までの半径方向長さ、すなわち、アウトヒータ１５０の幅寸法ｌ４よりも短くなるようにアウトヒータ１５０を配置する。アウトヒータ１５０の幅寸法ｌ４は、必要な伝熱面積が得られるように設定される。アウトヒータ１５０の幅寸法ｌ４は、ホルダ１１０の外周端からホルダ１１０の内周端までの半径方向長さ、すなわち、ホルダ１１０の幅寸法ｌ６の４５〜５９％になるように形成されると好適である。ここでは、アウトヒータ１５０の幅寸法ｌ４が１０〜１７ｍｍで形成されると好適である。そして、距離ｌ２が、アウトヒータ１５０の幅寸法ｌ４よりも短くなる程度にシリコンウェハ１０１に近づけるようにすることで、ホルダ１１０を介して必要な熱量をシリコンウェハ１０１に伝達し易くすることができる。ここでは、距離ｌ２が６ｍｍ程度になるように配置すると好適である。
【００２７】
また、インヒータ１６０は、ホルダ１１０の裏面側で、アウトヒータ１５０よりもさらに離れて配置される。ここで、アウトヒータ１５０の裏面からインヒータ１６０の表面までの距離ｌ３が、上述したホルダ１１０の裏面からアウトヒータ１５０の表面までの距離ｌ１よりも長くなるようにインヒータ１６０を配置する。特に、アウトヒータ１５０の裏面からインヒータ１６０の表面までの距離ｌ３が、ホルダ１１０の裏面からアウトヒータ１５０の表面までの距離ｌ１の７倍以上となるように配置すると好適である。ここでは、距離ｌ３が１０．５〜１４．５ｍｍになるように配置すると好適である。また、かかる場合に、シリコンウェハ１０１の裏面からインヒータ１６０の表面までの距離ｌ５は１４．５〜１８．５ｍｍになるように配置すると好適である。従来に比べ、アウトヒータ１５０とインヒータ１６０とを離すことで、インヒータ１６０自身がアウトヒータ１５０によって加熱されてしまうことを防止することができる。特に、アウトヒータ１５０と重なるインヒータ１６０の外周付近がアウトヒータ１５０によって加熱されてしまうことにより、シリコンウェハ１０１のエッジ部が必要以上に加熱されてしまうことを抑制することができる。
【００２８】
図５は、実施の形態１と従来構成とを比較したウェハ面内温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
図５において、従来のヒータ配置構成（レイアウト）では、ウェハエッジ付近（ウェハ中心から９０ｍｍ付近）で温度が大きく上昇してしまっていることがわかる。これでは、所謂エッジ効果によるウェハエッジ付近の膜厚不足は解消しても逆にウェハエッジ付近の膜厚が大きくなりすぎてウェハ中央部の膜厚とのばらつきが大きくなってしまう。これに対し、実施の形態１の構成によれば、ウェハエッジ付近（ウェハ中心から９０ｍｍ付近）での温度上昇も小さく、ウェハ面内均一性が従来に比べ大幅に向上していることがわかる。
【００２９】
図６は、実施の形態１と従来構成とを比較したウェハ面内温度差とヒータＭＡＸ温度を示す図である。
図６に示すように、従来の構成に比べ、実施の形態１によれば、ウェハ面内温度差が小さくなっていることがわかる。従って、ウェハ面内均一性が従来に比べ大幅に向上していることがわかる。また、アウトヒータ１５０とインヒータ１６０の最大（ＭＡＸ）温度も小さくすることができ、ヒータへの負荷を低減することができる。その結果、ヒータの寿命を向上させることにもつながる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態によれば、シリコンウェハ１０１の面内温度分布を均一に保つことができる。よって、所謂、エッジ効果を抑制し、シリコンウェハ１０１の膜厚均一性を向上させることができる。
【００３１】
このように構成することで膜厚均一性に優れたｎ−ベースの厚さである６０μｍ以上のエピタキシャル成長も可能となった。
【００３２】
なお、当然ながら、ＩＧＢＴに限らず、パワー半導体で、高耐圧を必要とする、パワーＭＯＳの他、電車などのスイッチング素子として使用される、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）や一般的なサイリスタ（ＳＣＲ）の厚いベースのエピタキシャル層形成に適用可能である。
【００３３】
以上、具体例を参照しつつ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、気相成長装置の一例として、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、試料面に所定の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装置であっても構わない。
【００３４】
また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、エピタキシャル成長装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。
【００３５】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長装置、及び支持部材の形状は、本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置の構成を示す概念図である。
【図２】エピタキシャル成長装置システムの外観の一例を示す図である。
【図３】エピタキシャル成長装置システムのユニット構成の一例を示す図である。
【図４】実施の形態１におけるホルダ形状とヒータレイアウトの詳細を説明するための断面概念図である。
【図５】実施の形態１と従来構成とを比較したウェハ面内温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】実施の形態１と従来構成とを比較したウェハ面内温度差とヒータＭＡＸ温度を示す図である。
【図７】従来のホルダとヒータの形状と配置構成を示す概念図である。
【図８】図７に示す配置構成の寸法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００  エピタキシャル成長装置
１０１，２００  シリコンウェハ
１１０，２１０  ホルダ
１１２  凸部
１１６  ザグリ穴
１２０  チャンバ
１２２，１２４  流路
１３０  シャワーヘッド
１４０  真空ポンプ
１４２  圧力制御弁
１５０，１５１  アウトヒータ
１６０，１６１  インヒータ
１７０，１７１  回転部材
３００  エピタキシャル成長装置システム
３１０，３１２  カセットステージ
３２０  Ｌ／Ｌチャンバ
３３０  トランスファーチャンバ
３３２，３５０  搬送ロボット
【図１】
2007224375.tif 000003
【図２】
2007224375.tif 000004
【図３】
2007224375.tif 000005
【図４】
2007224375.tif 000006
【図５】
2007224375.tif 000007
【図６】
2007224375.tif 000008
【図７】
2007224375.tif 000009
【図８】
2007224375.tif 000010