(57)【要約】【課題】半導体基板の面内温度分布のばらつきを低減するヒータを備え、半導体基板に成膜される気相成長膜の膜厚の均一性を向上させる気相成長装置及び気相成長方法を提供する。【解決手段】チャンバ１０１と、チャンバ１０１内に気相成長の原料となるプロセスガスを供給するガス供給部１０２と、チャンバ１０１内に配置され、その表面に対して傾斜したスリット１１１が形成された抵抗加熱体からなるヒータ１０９と、プロセスガスをチャンバ１０１内から排気するガス排気部１０５とを備えることを特徴とする。これにより、ヒータ１０９によって加熱されるウェハ１０３の面内温度分布の均一性を向上させることができ、これに伴って、成膜される気相成長膜の膜厚及び品質を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバ内に気相成長の原料となるプロセスガスを供給するガス供給部と、
前記チャンバ内に配置され、その表面に対して傾斜したスリットが形成された抵抗加熱体からなるヒータと、
前記プロセスガスを前記チャンバ内から排気するガス排気部と、
を備えることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記抵抗加熱体は、炭化ケイ素、チッ化アルミニウム或いはチッ化タングステンを基材とす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】
前記ヒータを構成する前記抵抗加熱体の厚さをｔ、前記スリットの幅をｄ、前記スリットの傾斜角をθとするときに、前記ヒータは、ｄ≦t／tanθを充足す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】
前記ヒータに形成された前記スリットの傾斜角θは、１５度≦θ＜９０度であることを特徴とする請求項３に記載の気相成長装置。
【請求項５】
チャンバ内に気相成長の原料となるプロセスガスをガス供給部から供給する工程と、
チャンバ内に配置され、その表面に対して傾斜したスリットが形成された抵抗加熱体からなるヒータにより、半導体基板を加熱し、半導体基板上に気相成長を行う工程と、
この気相成長で残されたプロセスガスをチャンバ内からガス排気部を介して排気する工程とを備え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、特にスリットが形成されたヒータによって半導体基板を加熱するものにおいて、半導体基板面内の温度分布の均一性を高めた気相成長装置及び気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高速バイポーラ、超高速ＣＭＯＳ、或いはパワーＭＯＳなどの高性能な半導体素子の製造には、膜厚や不純物濃度を制御することができるエピタキシャル成長技術が用いられており、素子の性能を向上させる上で不可欠のものとなっている。
超高速バイポーラ、超高速ＣＭＯＳ或いはパワーＭＯＳ等の高性能な半導体素子の製造において、不純物濃度や膜厚の制御することができるエピタキシャル成長技術は、素子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膜を成膜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、場合によっては減圧化学気相成長(ＬＰＣＶＤ)法が用いられている。
これらの気相成長方法は、シリコンウェハ等の半導体基板が配置された気相成長反応炉内を、常圧（０．１ＭＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））、或いは減圧に保持し、半導体基板を加熱し回転させた状態で、シリコン源となる原料ガスと、ボロン化合物、リン化合物或いは砒素化合物等を含むドーパントガスとの混合ガスを気相成長反応炉内に供給する。そして、加熱された半導体基板の表面で、原料ガスの熱分解反応或いは水素還元反応が行なわれ、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いは砒素（Ａｓ）等の所望の不純物がドープされた結晶膜が成膜される。ここで成膜される結晶膜の特性、例えば膜厚や不純物濃度は、気相成長時の半導体基板の温度に依存するため、半導体基板の全面において気相成長反応時の温度が均一化されることが常に望まれている。
【０００３】
図８は従来の気相成長装置に備えられたヒータ３０９の構成を示す上面図である。
ヒータ３０９は、大きな電気抵抗により発熱するための長い導電路を確保するため、抵抗加熱体の略水平な表面に対し垂直なスリット３１１が形成され、略同心円形に構成される。そして、図示しない電源機構と端子部３１０ａ及び３１０ｂを介して接続され、所定の大きさの電流を導通させることで発熱する。このとき、ヒータ３０９に形成されたスリット３１１は、抵抗加熱体間で放電、或いは短絡しない所定の距離を離間している。（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０―２０８８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した抵抗加熱式のヒータ３０９は、その面内に、発熱する抵抗加熱体と発熱しないスリット３１１が形成されていた。その結果、加熱される半導体基板の温度分布にばらつきが生じ、成膜される気相成長膜の膜厚の均一性を十分に向上できなかった。
【０００５】
また、この温度分布のばらつきを解消するために、半導体基板３０３を高速回転させた状態で加熱する方法が試みられている。これによって、半導体基板３０３を回転させずに加熱する方法に比べ、温度分布のばらつきがある程度低減されるものの、未だ半導体基板３０３の温度分布を十分に均一にするまで至っていない。
そのため、従来の気相成長装置では、高性能な半導体素子を製造するために求められる高品質の半導体基板を生産することができなかった。
【０００６】
本発明は、かかる問題点を克服するためになされたもので、気相成長を行なう半導体基板の面内温度分布の均一性を向上させるヒータを備え、成膜される気相成長膜の膜厚の均一性をより一層向上させることができる気相成長装置及び気相成長方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の気相成長装置は、
チャンバと、
チャンバ内に気相成長の原料となるプロセスガスを供給するガス供給部と、
チャンバ内に配置され、その表面に対して傾斜したスリットが形成された抵抗加熱体からなるヒータと、
プロセスガスをチャンバ内から排気するガス排気部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
上述の抵抗加熱体は、炭化ケイ素、チッ化アルミニウム或いはチッ化タングステンを基材とすることが好適である。
【０００９】
上述のヒータを構成する抵抗加熱体の厚さをｔ、スリットの幅をｄ、スリットの傾斜角をθとするときに、ヒータは、ｄ≦t／tanθを充足することが好適である。
【００１０】
ヒータに形成されたスリットの傾斜角θは、１５度≦θ＜９０度で効果（半導体基板の面内温度分布の均一性）があり、特に３０度〜６０度の範囲であれば、実験結果から半導体基板の面内温度分布が均一になることが分かった。
【００１１】
本発明の気相成長方法は、
チャンバ内に気相成長の原料となるプロセスガスをガス供給部から供給する工程と、
チャンバ内に配置され、その表面に対して傾斜したスリットが形成された抵抗加熱体からなるヒータにより、半導体基板を加熱し、半導体基板上に気相成長を行う工程と、
この気相成長で残されたプロセスガスをチャンバ内からガス排気部を介して排気する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
かかる構成により、ヒータ全面における発熱量の均一性が向上され、このヒータによって加熱される半導体基板の面内温度分布のばらつきが低減される。結果として、半導体基板上に成膜される気相成長膜の膜厚の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】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態の気相成長装置１００の要部の構成を示す断面図である。
気相成長装置１００は、例えば金属製の円筒形状の中空体であるチャンバ１０１と、このチャンバ１０１の上部に、チャンバ１０１内部に気相成長の原料となるシリコン源となる原料ガスと、所定の不純物を添加するドーパントガスとの混合ガスであるプロセスガスを供給するガス供給部１０２を備える。そして、チャンバ１０１内には、ガス供給部１０２から供給されたプロセスガスを整流し、下方に配置された半導体基板の一例であるウェハ１０３表面の全面に均等に供給させる整流板１０４を備える。そして、ウェハ１０３表面において気相成長を行なった後の原料ガスを含むチャンバ１０１内のプロセスガスを外部へと排出するガス排気部１０５を、チャンバ１０１の底部に備える。ガス排気部１０５は、チャンバ１０１外部に設置された図示しない真空ポンプと接続され、チャンバ１０１内を所定の真空度或いは減圧状態に保持する。
【００１４】
チャンバ１０１内に収容されるウェハ１０３は、中空の円筒形状の回転胴１０８の上部に設置された、凹部１０６が形成されたリング状のホルダ１０７に、裏面の周縁部が接地した状態で載置される。
ホルダ１０７に形成された凹部１０６は、載置されたウェハ１０３の略水平方向への遊動を拘束し、ウェハ１０３上で行なわれる気相成長を安定させる。
回転胴１０８は、チャンバ１０１外に設けられた図示しない回転機構に接続され、ウェハ１０３の中心線を回転軸として回転する。回転胴１０８の上部に設置されているホルダ１０７は、回転胴１０８の回転に伴って回転され、このホルダ１０７に載置されるウェハ１０３もまた、これに付随して回転する。
ここで、中空の回転胴１０８は、チャンバ１０１外に設けられた図示しない真空ポンプに接続され、回転胴１０８内を所定の真空度或いは減圧状態に保持することができる。すると、ウェハ１０３がホルダ１０７に吸着、固定される状態となり、安定して気相成長による気相成長膜の成膜を行なえる。また他方で、回転胴１０８の内外が略等圧になるように回転胴１０８内にパージガスを供給すれば、回転胴１０８内へのプロセスガスの流入を防ぎ、シリコン結晶の付着によってウェハ１０３がホルダ１０７に固着されることを防止することができる。
【００１５】
図２は、本実施形態のヒータ１０９の構成を示す上面図である。また、図３は、図２に示すヒータ１０９のＡ−Ａ断面の要部を示す拡大断面図である。
ヒータ１０９は、例えば、炭化ケイ素（SiC）製の円盤状の抵抗加熱体が略同心円形に形成されるようにスリット１１１が形成され、回転胴１０８内のウェハ１０３の直下に配置される。ヒータ１０９は、図示しない電源機構と端子部１１０ａ及び１１０ｂを介して接続され、所定の大きさの電流を導通させることで発熱する。このとき、ホルダ１０７に載置されたウェハ１０３は、回転しながらヒータ１０９によって加熱され、気相成長が行なわれる温度に昇温される。ヒータ１０９に形成されたスリット１１１は、所定の導電路を形成するだけではなく、ヒータ１０９を形成する抵抗加熱体間で放電或いは短絡しない距離を離間している。
【００１６】
図３に示すように、本実施形態のヒータ１０９に形成されたスリット１１１は、ヒータ１０９の略水平な表面に対して所定の角度θだけ傾斜して、対向する両側壁が平行に形成されている。ここで、スリット１１１の傾斜角θは、スリット１１１とヒータ１０９の略水平面とが交差して形成される角のうちの鋭角部を取る。
また、スリット１１１によって形成される内向端部１１２の角度は、スリット１１１の傾斜角と同位角であるため同様にθとなる。このスリット１１１は、例えば所定の厚さの炭化ケイ素製の円形の板状部材を、その表面に対して常に一定の角度θが保持された状態で、所定の略同心円形の導電路が形成されるようにワイヤーカット加工をすることによって形成される。よって、スリット１１１は、ヒータ１０９の外縁側から中心側に向かって擂鉢状の傾斜面を形成する。ここで、図２に示すように、ヒータ１０９の中央を縦断するように形成されたスリット１１１ａについては、ヒータ１０９の表面に対して左右どちらかに傾斜していればよい。
上述した略同心円形とは、何重かの真なる同心円がそれぞれ独立して導通される構造ではなく、端子部１１０ａから端子部１１０ｂまでを辿る一筋の導電路が形成される、図２に示す形状である。また、ヒータ１０９に形成されるスリット１１１の内向端部１１２及び外向端部１１３は、図２に示す上面図では視認できないため、点線を用いて補助的に示す。
【００１７】
ヒータ１０９は、所定の大きさの電流を導通させることで発熱し、且つチャンバ１０１内を金属汚染しない物質の一つである炭化ケイ素で構成されている事が望ましい。また、チッ化アルミニウム（AlN）、或いはチッ化タングステン（WN）等のいずれかでヒータ１０９を構成することができる。
【００１８】
ヒータ１０９は、ヒータ１０９を構成する抵抗加熱体の厚さをｔ、スリット１１１の水平方向の幅をｄ、スリット１１１の傾斜角をθとするときに、ｄ＜t／tanθを充足する関係の形状である。つまり、スリット１１１の水平方向の幅よりも、スリット１１１が形成する抵抗加熱体の傾斜面の水平成分の長さの方が大きい形状に構成されている。このため、スリット１１１によって形成される抵抗加熱体の内向端部１１２は、ヒータ１０９の中心寄りに隣接する抵抗加熱体の下方に配置される。
例えば、ｔ＝１cm、ｄ＝０．２cm、θ＝６０度のとき、t／tanθ＝０．５cmであるため、上述の位置関係が達成される。
【００１９】
よって、本実施形態のヒータ１０９を真上から見た場合には、スリット１１１を通じてヒータ１０９の下方側が透視されない。したがって、ヒータ１０９には、真上に向かって発熱しない部分が存在せず、発熱量の均一性が向上される。スリット１１１が従来のようにウェハ１０３の表面に対し垂直ではないため、スリット１１１の上下方向の傾斜面を形成する抵抗加熱体からも発熱されるからである。
また、上述したｄ≦t／tanθの関係は、ｄ＝t／tanθの場合において、ヒータ１０９の下方側が透視されない状態を実現するため、本実施形態の特徴を発揮することができる。しかしながら、ｄ＜t／tanθの場合においては、抵抗加熱体の端部の重畳する領域が大きいため、よりヒータ１０９から発される放射熱のばらつきを小さくする。このため、本実施形態のより良い作用効果を得るためには、ｄ＜t／tanθであることが望ましい。
また、内向端部１１２の角度θは、内向端部１１２の先端部が余りにも鋭角化し、抵抗加熱体としての電気的耐久力及び物理的強度が損なわれず、且つ、ウェハ１０３の面内温度分布の均一性に効果がある１５度以上、９０度未満で形成されていることが望ましい。特に３０度〜６０度の範囲であれば、実験結果からウェハ１０３の面内温度分布が均一になることが分かった。
【００２０】
図４は、本実施形態のウェハ１０３と、ヒータ１０９の要部を示す拡大断面図である。また、図５は、本実施形態のウェハ１０３の面内温度分布を示す図である。
ウェハ１０３は、図示しない回転機構によるホルダ１０７の高速回転に伴って回転しながら、ヒータ１０９によって加熱される。
このとき、ウェハ１０３の点Ｐ１ｂから点Ｐ１ｃの領域、及び点Ｐ１ｄから点Ｐ１ｅの領域は、抵抗加熱体に対応するため、図５に示す所定の温度Ｔ１まで昇温される。
そして、ウェハ１０３の点Ｐ１ａから点Ｐ１ｂの領域、及び点Ｐ１ｃから点Ｐ１ｄの領域は、ヒータ１０９に形成されたスリット１１１を含む部分からの発熱の影響を受け、図５に示す温度Ｔ２まで昇温される。ここで、上述した２つの領域に生じたウェハ１０３の面内温度分布のばらつきＴ１−Ｔ２と、従来の気相成長装置の半導体基板３０３の面内温度分布のばらつきとを比較すると、Ｔ１−Ｔ２は、従来のそれよりも凡そ５０％狭い範囲内に収まることが実験結果から分かった。つまり、本実施形態のヒータ１０９は、加熱するウェハ１０３の面内温度分布の均一性を５０％程度向上させることができる。
【００２１】
そして、上述したヒータ１０９によって加熱されたウェハ１０３に対し、ガス供給部１０２から供給されたプロセスガスが整流板１０４を介し、均等に供給されることによって気相成長が行なわれる。そして、気相成長を行なった原料ガスを含むプロセスガスは、図示しない真空ポンプに接続されたガス排気部１０５から排気される。
上述した手順を所定の時間だけ繰り返し継続的に行なうことによって、膜厚の均一性を向上させた気相成長膜を成膜できる。また、ウェハ１０３面内の温度分布が均一であれば、気相成長膜の成膜時に結晶欠陥も生じにくくなり、生産されるウェハの品質を向上させることもできる。
このように、気相成長反応時のウェハ１０３の温度分布に関する問題点を克服することにより、上述した様々な利点を享受することができる。
【００２２】
次に、他の一例のヒータ２０９について説明する。
図６は、本実施形態の他の一例のヒータ２０９の要部を示す拡大断面図である。
ヒータ２０９は、ヒータ２０９の中心から外縁方向へ下方に傾斜したスリット２１１が形成された抵抗加熱体によって構成されている。
このスリット２１１は、ヒータ１０９と同様、所定の厚さの炭化ケイ素製の板状部材を、その略水平な表面に対して常に一定の角度θが保持された状態で、所定の略同心円形の導電路が形成されるようにワイヤーカット加工をすることによって形成される。また、スリット２１１によって形成される外向端部２１３の角度は、スリット２１１の傾斜角と同位角であるため同様にθとなる。よって、ヒータ２０９に形成されたスリット２１１は、ヒータ２０９の中心側から外縁側に向かって裾広がり状の傾斜面を形成する。
【００２３】
ヒータ２０９は、ヒータ１０９と同様に、ヒータ２０９を構成する抵抗加熱体の厚さをｔ、スリット２１１の水平方向の幅をｄ、スリット２１１の傾斜角をθとするときに、ｄ＜t／tanθを充足する関係となる形状である。
つまり、ヒータ２０９は、ヒータ１０９の天地を逆にしたものと略同一の形状である。
【００２４】
図７は、ウェハ１０３と、ヒータ２０９の要部を示す拡大断面図である。
ヒータ２０９が加熱するウェハ１０３の点Ｐ２ｂから点Ｐ２ｃの領域、及び点Ｐ２ｄから点Ｐ２ｅの領域は、図５に示すヒータ１０９の場合と略同様に、抵抗加熱体に対応するため、所定の温度Ｔ１まで昇温される。
そして、ウェハ１０３の点Ｐ２ａから点Ｐ２ｂの領域、及び点Ｐ２ｃから点Ｐ２ｄの領域は、ヒータ２０９に形成されたスリット２１１を含む部分からの発熱の影響を受け、温度Ｔ２まで昇温される。
したがって、ヒータ２０９は、ヒータ１０９と略同様に、従来の気相成長装置で気相成長を行なう場合に比べ、ウェハ１０３の面内温度分布の均一性を５０％程度向上させることができる。
【００２５】
このように、ヒータに形成されたスリットが、ヒータの表面に対し所定の角度だけ傾斜し、且つ、このスリットが抵抗加熱体に形成する内向端部或いは外向端部が、隣接する抵抗加熱体の下方に位置する構成であると、ヒータの全面において発熱量の均一性を向上できる。すると、ウェハの面内に生じる温度分布のばらつきが弱められ、良質で均一な膜厚の気相成長膜を成膜できる。
【００２６】
以上、具体例を参照しながら実施形態について説明した。本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
また、本発明は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、ウェハ表面に所定の気相成長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ことを目的とした装置等であっても良い。
【００２７】
さらに、本発明では、略同心円形のヒータを用いたが、例えば渦巻型、くし型等、その他の形状のものであっても、ヒータの全面において発熱しない領域がないように抵抗加熱体を形成すれば、同様の効果を得ることができる。
【００２８】
さらにまた、装置の構成や制御の手法等、本発明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置の構成や制御の手法等を適宜選択して用いることができる。
【００２９】
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すべての気相成長装置、及び各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態の気相成長装置の要部の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態のヒータの構成を示す上面図である。
【図３】図２に示すヒータのＡ−Ａ断面の要部を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態のウェハと、ヒータの断面形状の要部を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の実施形態のウェハの面内温度分布を示す図である。
【図６】本発明の実施形態の他の一例のヒータの要部を示す拡大断面図である。
【図７】本発明の実施形態のウェハと、他の一例のヒータの要部を示す拡大断面図である。
【図８】従来の気相成長装置に備えられたヒータの構成を示す上面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００…気相成長装置
１０１…チャンバ
１０２…ガス供給部
１０３…ウェハ
１０４…整流板
１０５…ガス排気部
１０６…凹部
１０７…ホルダ
１０８…回転胴
１０９、２０９…ヒータ
１１０ａ、１１０ｂ…端子部
１１１、２１１…スリット
１１２…内向端部
１１３、２１３…外向端部
θ  …傾斜角
【図１】
2009081185.tif 000003
【図２】
2009081185.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009081185.tif 000009
【図８】
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