(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で基板が支持されるチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、前記基板に向かって原料ガスを供給する供給部と、
前記チャンバ内に配置され、前記供給部と前記基板の表面との間の、前記チャンバ内の第１の空間と、前記第１の空間から排気されたガスが通過する前記チャンバ内の第２の空間とを接続し、前記第２の空間から前記第１の空間に向かって流れるガスを再生する再生部と、
を備え、
前記再生部は、シリコン（Ｓｉ）部材を有し、
前記再生部を加熱する熱源をさらに備えたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
内部で基板が支持されるチャンバと、
チャンバ内で、前記基板に向かって原料ガスを供給する供給部と、
前記チャンバ内に配置され、前記供給部と前記基板の表面との間の、前記チャンバ内の第１の空間と、前記第１の空間から排気されたガスが通過する前記チャンバ内の第２の空間と接続し、接続する領域にシリコン（Ｓｉ）部材を有する流路と、
前記流路を加熱する熱源と、
を備えたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項３】
チャンバ内で支持される基板に向かって供給部から原料ガスを供給する工程と、
前記供給部と前記基板の表面との間の、前記チャンバ内の第１の空間と、前記第１の空間から排気されたガスが通過する前記チャンバ内の第２の空間とが接続された前記チャンバ内の流路内で、前記第２の空間から前記第１の空間に向かって流れるガスを再生する工程と、
を備え、
前記チャンバ内の流路は、シリコン（Ｓｉ）部材を有し、
前記流路を加熱することを特徴とする気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置及び気相成長方法に係り、例えば、基板にエピタキシャル成長させる装置およびその方法に関する。
【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。
【０００３】
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。反応容器となるチャンバ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シリコン源の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）。
【０００４】
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。
【０００５】
ここで、従来の装置では、以下のような問題を抱えている。
図７は、従来のシリコンエピタキシャル成長装置の問題点を説明するための概念図である。
シリコンエピタキシャル成長装置２００では、例えば、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスといった原料ガスがチャンバ２２０内のシャワーヘッド２３０から回転部材２７０と共に高速回転するホルダ２１０に支持されたシリコンウェハ２０１に向かって供給される。そして、シリコンウェハ２０１上でシリコンエピタキシャル膜が成膜されることになる。ここで、供給されたガスの一部や成膜反応によって発生した塩化水素（ＨＣｌ）ガスは、高速回転するシリコンウェハ２０１面に沿って外周側に排気されることになる。しかし、排気速度が大きいために、シャワーヘッド２３０とシリコンウェハ２０１面との間の空間が排気側の空間に比べて負圧状態になり、排気したはずのガスの一部がシリコンウェハ２０１面側に対流して戻ってくる。原料ガス自体が戻ってくる分には良いが、反応後のＨＣｌガスも戻ってくるため、ＨＣｌガスによってシリコンエピタキシャル膜の成長速度が低下してしまうといった問題が生じている。その結果、生産性が低下してしまうことになる。よって、生産性を向上させるために、シリコンエピタキシャル膜を成長させる成長速度の向上が求められている。
【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】
【０００６】
上述したように、気相成長膜を成長させる成長速度の向上が求められている。しかし、従来の技術では、十分な成長速度の向上が果たせなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる問題点を克服し、気相成長膜を成長させる成長速度の向上を図ることが可能な気相成長装置および方法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】
【０００８】
本発明の一態様の気相成長装置は、
内部で基板が支持されるチャンバと、
チャンバ内に配置され、基板に向かって原料ガスを供給する供給部と、
前記チャンバ内に配置され、供給部と基板の表面との間の、前記チャンバ内の第１の空間と、第１の空間から排気されたガスが通過する前記チャンバ内の第２の空間とを接続し、第２の空間から第１の空間に向かって流れるガスを再生する再生部と、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
再生部を備えたことで、第１の空間から排気されるガスの流路と、第２の空間から第１の空間に向かって流れるガスの流路を独立させることができる。そして、第２の空間から第１の空間に向かって流れるガスを再生することで、反応後のＨＣｌガスを原料ガスに再生する。そのため、第１の空間に戻る際には、再生されたガスとなっているので基板の気相成長速度の低下を回避或いは抑制することができる。
【００１０】
また、再生部は、シリコン（Ｓｉ）部材を有することを特徴とする。Ｓｉ部材のＳｉと反応後のＨＣｌガスとを反応させることができる。
【００１１】
また、気相成長装置は、さらに、再生部を加熱する熱源を備える好適である。
【００１２】
本発明の他の態様の気相成長装置は、
内部で基板が支持されるチャンバと、
チャンバ内で、基板に向かって原料ガスを供給する供給部と、
前記チャンバ内に配置され、供給部と基板の表面との間の、前記チャンバ内の第１の空間と、第１の空間から排気されたガスが通過する前記チャンバ内の第２の空間と接続し、接続する領域にシリコン（Ｓｉ）部材を有する流路と、
前記流路を加熱する熱源と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
Ｓｉ部材を有する流路を備えたことで、第１の空間から排気されるガスの流れと第２の空間から第１の空間に向かうガスの流れとを独立させることができる。そして、第２の空間から第１の空間に向かうガスとＳｉ部材のＳｉとを反応させる。これにより、反応後のＨＣｌガスを原料ガスに再生することができる。
【００１４】
本発明の一態様の気相成長方法は、
チャンバ内で支持される基板に向かって供給部から原料ガスを供給する工程と、
供給部と基板の表面との間の、前記チャンバ内の第１の空間と、第１の空間から排気されたガスが通過する前記チャンバ内の第２の空間とが接続された前記チャンバ内の流路内で、第２の空間から第１の空間に向かって流れるガスを再生する工程と、
を備え、
前記チャンバ内の流路は、シリコン（Ｓｉ）部材を有し、
前記流路を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、反応後のガスを再生することができるため、反応後のガスによる成長速度の低下を回避或いは抑制することができる。よって、従来に比べて基板上での反応速度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．
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、流路ヒータ１５２、流路１２６、回転部材１７０、及び隔壁１７２，１７４，１７６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。そして、ホルダ１１０、シャワーヘッド１３０、アウトヒータ１５０、インヒータ１６０、流路ヒータ１５２、流路１２６、回転部材１７０の一部、及び隔壁１７２，１７４，１７６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。隔壁１７４，１７６によってその間に流路１２６が形成される。また、隔壁１７２，１７４，１７６によって、シャワーヘッド１３０とシリコンウェハ１０１との間の空間Ｓ１（第１の空間）と排気側の空間Ｓ２（第２の空間）とを構成している。ただし、縮尺等は、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）。図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成について説明している。
【００１７】
ホルダ１１０は、所定の内径の貫通する開口部１１４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まで掘り込まれた開口部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。また、ホルダ１１０は、外周が円形に形成されている。そして、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。
【００１８】
ホルダ１１０及びシリコンウェハ１０１の裏面側には、インヒータ１６０とアウトヒータ１５０が配置されている。インヒータ１６０とアウトヒータ１５０は、シリコンウェハ１０１の裏面からある距離離れた位置に配置される。アウトヒータ１５０によりシリコンウェハ１０１の外周部とホルダ１１０と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の外周部の加熱にアウトヒータ１５０を設けている。このように、２重ヒータとすることで、シリコンウェハ１０１の面内均一性を向上させることができる。そして、流路ヒータ１５２（熱源）は、隔壁１７４を間に挟んで流路１２６上に配置される。そして、流路ヒータ１５２により流路１２６内が加熱される。
【００１９】
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する。この状態で、シリコンウェハ１０１をアウトヒータ１５０とインヒータ１６０とで加熱する。また、流路１２６内を流路ヒータ１５２で加熱する。そして、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る。そして、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シリコンウェハ１０１に向かって供給する。言い換えれば、チャンバ１２０内の空間Ｓ１に供給する。シャワーヘッド１３０は供給部の一例となる。そして、原料ガスがシリコンウェハ１０１上に到達することになる。そして、常温の原料ガスがシリコンウェハ１０１上に到達するとアウトヒータ１５０及びインヒータ１６０で加熱されたシリコンウェハ１０１の熱で以下の式（１）に示すような熱分解反応或いは水素還元反応を行なう。
（１）  ＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２→Ｓｉ＋３ＨＣｌ
【００２０】
ここでは、原料ガスとして、Ｓｉ源となるトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスとキャリアガスとなる水素（Ｈ２）ガスを用いた場合を示している。原料ガスは、その他にもホスフィン（リン化水素：ＰＨ３）或いはジボラン（水素化ホウ素：Ｂ２Ｈ６）といったドーパントガスが混合されても好適である。また、Ｓｉ源として、ＳｉＨＣｌ３ガス以外にもジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガスを用いても好適である。
【００２１】
また、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。その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。
【００２２】
そして、シリコンエピタキシャル膜の成膜処理後のガスは、空間Ｓ２から流路１２４を通ってチャンバ１２０内から排気される。ここでは、チャンバ１２０内を真空ポンプ１４０により排気しているが、これに限るものではない。チャンバ１２０内を排気できるものならよい。例えば、常圧或いは常圧に近い真空雰囲気でよければ、ブロア等で排気してもよい。
【００２３】
以上のようにして、Ｓｉエピタキシャル膜がシリコンウェハ１０１の加工面となる上面に形成される。ここで、式（１）に示したように、Ｓｉエピタキシャル成長反応が生じると、塩化水素（ＨＣｌ）ガスが発生することになる。これは、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを用いた場合も同様である。このＨＣｌガスがＳｉエピタキシャル膜に触れると以下の式（２）に示すように、Ｓｉエピタキシャル膜をエッチングしてしまうためＨＣｌガスは確実に排気することが望ましい。
（２）  Ｓｉ＋３ＨＣｌ→ＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２
【００２４】
この式（２）の反応によりＳｉエピタキシャル膜がエッチングされてしまうため、ＨＣｌガスがシリコンウェハ１０１側に戻ってくるとＳｉエピタキシャル膜の成長速度が低下してしまうことになる。また、上述したように、シリコンウェハ１０１は高速回転しているため、未反応の原料ガスと反応後のＨＣｌガスをシリコンウェハ１０１の上面に沿って外周側の空間Ｓ２に排気することができるが、排気速度が大きいために空間Ｓ２に比べて空間Ｓ１が負圧になる。ここで、実施の形態１では、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを接続する流路１２６をシリコンウェハ１０１の上面に沿って外周側の空間Ｓ２に排気するガスの流路の上方に別途設けた。これにより、シリコンウェハ１０１の上面に沿って外周側の空間Ｓ２に排気するガスの流れと流路１２６を通って排気されたガスの一部が空間Ｓ１に戻る流れとに流路を分離させることができる。そして、後述するように、流路１２６内でガスを再生することになる。
【００２５】
図２は、実施の形態１における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、実施の形態１における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、カセットが、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に配置される。そして、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内に搬送される。そして、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に搬送される。その後、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台ずつ搭載されている。これにより、スループットを向上させることができる。
【００２６】
図４は、実施の形態１におけるガスの再生手法の一例を説明するための概念図である。
図４において、流路１２６は、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを接続している。これにより、シリコンウェハ１０１の上面に沿って外周側の空間Ｓ２に排気するガスの流れと流路１２６を通って排気されたガスの一部が空間Ｓ１に戻る流れとに流路を分離させている。ここで、流路１２６の内周側の端部は、シリコンウェハ１０１の外周端より外周側に位置するように配置すると良い。図４では、寸法ｄだけ外周側にずれて配置している様子を示している。シリコンウェハ１０１の外周端より外側にすることでシャワーヘッド１３０からシリコンウェハ１０１へのガスの流れの障害になることを回避することができる。また、流路１２６の外周側の端部は、隔壁１７２の外周端と合わせた位置することで、空間Ｓ２へつながる上下位置を合わせることができる。また、流路１２６の外周側の端部は、回転部材１７０或いはホルダ１１０の外周端と同位置或いはそれよりも内側に位置するように配置するとなお良い。図４では、回転部材１７０の外周端と同位置で配置している様子を示している。回転部材１７０或いはホルダ１１０の外周端より外側まで延びていると、シリコンウェハ１０１の上面に沿って排気されるガスへ働く遠心力が働かなくなった位置で、対流によりシリコンウェハ１０１側に戻ってくる場合があり得る。すなわち、流路１２６に入る前に対流によりシリコンウェハ１０１側に戻ってくる場合があり得る。そこで、回転部材１７０或いはホルダ１１０の外周端と同位置或いはそれよりも内側に位置するように配置することで、排気の流れと戻りの流れとを確実に分離することができる。隔壁１７６は、例えば、中央部が開口した円板状の部材を円筒状の隔壁１７２の上部に隙間を空けて組み合わせても良い。或いは、隔壁１７６と隔壁１７２とを一体の部材で形成しても良い。その場合には、シリコンウェハ１０１の上面に沿って外周側の空間Ｓ２に排気するガスの流れを確保するため、隔壁１７２，１７６間に複数の開口部を形成すればよい。或いは、例えば、隔壁１７６と隔壁１７４とを一体の部材で形成しても良い。その場合には、流路１２６を確保するため、隔壁１７４，１７６間に流路１２６となる複数の開口部を形成すればよい。
【００２７】
以上のようにして、シリコンウェハ１０１の上面に沿って排気されるガスの一部となる対流分のガスが、流路ヒータ１５２で加熱された流路１２６に入る。対流分のガスが流路１２６に入ると、流路１２６内に配置されたＳｉ部材１２８のＳｉと式（２）で示した反応を起こして、ＨＣｌガスを原料ガスとなるＳｉＨＣｌ３ガスに再生することができる。そして、再生されたＳｉＨＣｌ３ガスは、空間Ｓ１側に通過することになる。つまり、流路１２６は、再生部の一例となる。このようにして、流路１２６で、空間Ｓ２から空間Ｓ１に向かって流れるＨＣｌガスを再生することで、シリコンウェハ１０１の加工面へのＨＣｌガスの到達を回避することができる。よって、シリコンウェハ１０１の加工面でのＳｉ成膜速度の低下を回避或いは抑制することができる。ここで、再生反応を起こすために、流路ヒータ１５２で流路１２６を９００℃以上に加熱することが望ましい。
【００２８】
図５は、実施の形態１における流路内のＳｉ部材の形状の一例を示す図である。
図５において、板状のＳｉ部材１２８を、隙間を空けて複数段配置する。そして、ＨＣｌガスがＳｉ部材１２８の板面に沿って流れることで、再生反応を起こすことができる。或いは、以下のように構成しても好適である。
【００２９】
図６は、実施の形態１における流路内のＳｉ部材の形状の他の一例を示す図である。
図６において、複数のＳｉ部材１２９を、隙間を空けて複数段配置する。ここで、Ｓｉ部材１２９には、板面上に凸部を設けておく。そして、ＨＣｌガスがＳｉ部材１２９の表面に沿って流れることになるが、凸部を設けることで、表面積を大きくすることができる。その結果、ＨＣｌガスの再生反応漏れを抑制することができる。図６では、上下のＳｉ部材１２９が位置をずらしながら、上側のＳｉ部材１２９では下に向かって凸部を、下側のＳｉ部材１２９では上に向かって凸部を設けている。そのため、ＨＣｌガスは凸部にぶつかるたびに流れ方向が変化することになり、よりＳｉ部材１２９と接触しやすくすることができる。その結果、よりＨＣｌガスの再生反応を促進することができる。
【００３０】
以上のように、ＨＣｌガスのシリコンウェハ１０１の加工面への到達を回避することで従来に比べてＳｉの成長速度を高めることができる。その結果、例えば、６０μｍ以上のエピタキシャル成長に用いると好適である。
【００３１】
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。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、及び気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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におけるガスの再生手法の一例を説明するための概念図である。
【図５】実施の形態１における流路内のＳｉ部材の形状の一例を示す図である。
【図６】実施の形態１における流路内のＳｉ部材の形状の他の一例を示す図である。
【図７】従来のシリコンエピタキシャル成長装置の問題点を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００，２００  エピタキシャル成長装置
１０１，２０１  シリコンウェハ
１１０，２１０  ホルダ
１１４，１１６  開口部
１２０，２２０  チャンバ
１２２，１２４，１２６  流路
１２８，１２９  Ｓｉ部材
１３０，２３０  シャワーヘッド
１４０  真空ポンプ
１４２  圧力制御弁
１５０  アウトヒータ
１５２  流路ヒータ
１６０  インヒータ
１７０，２７０  回転部材
１７２，１７４，１７６  隔壁
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】
0005107685.tif 000002
【図２】
0005107685.tif 000003
【図３】
0005107685.tif 000004
【図４】
0005107685.tif 000005
【図５】
0005107685.tif 000006
【図６】
0005107685.tif 000007
【図７】
0005107685.tif 000008