(57)【要約】      （修正有）【課題】エピタキシャル成長工程後のウェーハ基板の降温時間を短縮させ、エピタキシャル層の成膜における高スループット化を容易にする気相成長装置及び成長方法を提供する。【解決手段】処理炉１１頂部にガス供給口１２、内部にガス整流板１３、底部に排気口１４、ガス整流板１３に対向して半導体ウェーハＷを載置する環状ホルダー１５、環状ホルダー１５を回転する回転ユニット１６、半導体ウェーハＷを加熱するヒーター１７を備える。回転ユニット１６は中空の回転軸１６ａと一体であり、ヒーター１７は回転軸１６ａの内部に貫設された支持軸１８の支持台１９上に固設してある。そして、ガス整流板１３と環状ホルダー１５の離間距離は、ガス供給口１２からガス整流板１３を通り流下する降温のための冷却用ガスが半導体ウェーハＷ面上あるいは環状ホルダー１５面上で整流状態になるように設定されている。【選択図】図１
2009021534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状反応炉の上部にガス供給口、その下部に排気口、その内部にウェーハを載置するウェーハ保持部材、該ウェーハ保持部材と前記ガス供給口との間にガス整流板を備えた気相成長装置において、
前記ガス整流板と前記ウェーハ保持部材の離間距離は、前記ウェーハを冷却するための冷却用ガスが前記ウェーハ面上あるいは前記ウェーハ保持部材面上で整流状態になるように設定されていることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記ガス整流板と前記ウェーハ保持部材の離間距離をＨとし、前記ウェーハ保持部材径をＤとして、Ｈ／Ｄ≦１／５を満たしてい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】
前記ガス整流板の下面と前記ウェーハ保持部材の上面との間に、前記反応炉内外に前記ウェーハを出し入れするハンドリングアームが挿入できるように構成されてい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】
前記ガス整流板は、上下移動可能に構成されていることを特徴とする請求項３記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記ガス整流板の上下移動は、前記ウェーハを出し入れするための前記ウェーハ保持部材から離脱する機構と連結されていることを特徴とする請求項４記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記ガス整流板の下面と前記ウェーハ保持部材の上面との距離は、１ｍｍ以上６０ｍｍ以下に調整可能であることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項７】
円筒状反応炉の上部にガス供給口、その下部に排気口、その内部にウェーハを載置するウェーハ保持部材、該ウェーハ保持部材と前記ガス供給口との間にガス整流板を備え、成膜用ガスを前記ガス供給口から前記ガス整流板を通して前記反応炉内を流下させて前記ウェーハに気相成長層を堆積させ、前記気相成長層を堆積させた後、冷却用ガスを前記ガス供給口から前記ガス整流板を通して前記反応炉内を流下させて前記ウェーハを降温する気相成長方法において、
前記ガス整流板と前記ウェーハ保持部材の離間距離は、前記冷却用ガスが前記ウェーハ面上あるいは前記ウェーハ保持部材面上で整流状態になるように設定されていることを特徴とする気相成長方法。
【請求項８】
前記ガス整流板の下面と前記ウェーハ保持部材の上面との間に、前記反応炉内外に前記ウェーハ基板を出し入れするハンドリングアームが設けられ、前記ハンドリングアームの移動により、前記反応炉内外に前記ウェーハ基板の出し入れを行うことを特徴とする請求項４に記載の気相成長方法。
【請求項９】
前記ウェーハに成膜する時は、前記整流板と前記ウェーハが近接しており、前記ウェーハを出し入れする時は、前記整流板と前記ウェーハとの距離が離れ、前記ウェーハの出し入れが可能にすることを特徴とする請求項８記載の気相成長方法。
【請求項１０】
前記整流板が上下移動可能であって、前記ウェーハの出し入れ時と連動していることを特徴とする請求項９記載の気相成長方法。
【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、半導体基板の気相成長層の堆積における高スループット化を容易にする気相成長装置及び成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば超高速バイポーラ素子、超高速ＣＭＯＳ素子、パワーＭＯＳトランジスタ等が形成された半導体デバイスの製造において、不純物濃度、膜厚、結晶欠陥等の制御された単結晶層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なものとなっている。
シリコンウェーハ、化合物半導体ウェーハ等の半導体基板の表面に単結晶薄膜を成長させて半導体デバイスの基板として用いるエピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャル成長装置には、多数枚のウェーハを一度に処理することのできるバッチ処理型と、ウェーハを一枚ずつ処理する枚葉型とがある。ここで、バッチ処理型のエピタキシャル成長装置は、一度に多数枚のウェーハを処理することができるため、スループットが高くエピタキシャルウェーハの製造コストの低減に利点を有する。他方、枚葉型のエピタキシャル成長装置は、ウェーハの大口径化に対応し易く、エピタキシャル成長層の均一性を含む膜厚制御に優れた利点を持つ。
【０００３】
近年、シリコンウェーハを用いた半導体デバイスの高集積化、高性能化、多機能化等により、シリコンエピタキシャルウェーハの用途が拡大している。例えば、ＣＭＯＳ素子から構成されたメモリ回路を搭載する半導体デバイスの製造では、メモリ容量が例えばギガビットレベルになり、その製造歩留まりを確保する上からバルクウェーハに較べて結晶性に優れる例えば膜厚１０μｍ程度のシリコンエピタキシャル層を有したエピタキシャルウェーハが多用されている。また、素子の微細化と共に超高速ＣＭＯＳ素子を容易にする、例えばシリコン・ゲルマニウム合金層を有するいわゆる歪みシリコンエピタキシャル層の実用化が期待されている。あるいは、パワーＭＯＳトランジスタのような高耐圧素子を有する半導体デバイスでは、例えば膜厚５０〜１００μｍ程度で高抵抗率のシリコンエピタキシャル層を有するエピタキシャルウェーハが用いられている。
【０００４】
このような中で、ウェーハの例えば３００ｍｍφのような大口径化が進み、エピタキシャル成長層の膜厚をウェーハ表面にわたり均一かつ高精度に制御する必要性が生じ、枚葉型エピタキシャル成長装置の比重が高くなっている。しかし、上述したように、枚葉型エピタキシャル成長装置は、ウェーハのバッチ処理ができないために、一般的には、バッチ処理型のエピタキシャル成長装置に較べてスループットが低く、しかもエピタキシャルウェーハの製造コスト低減が難しい。なお、これまでに、枚葉型エピタキシャル成長装置として、エピタキシャル成長速度を高速にする種々の構造のエピタキシャル成長装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−６７６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示されている枚葉型エピタキシャル成長装置は、例えばシリコンエピタキシャル層の成長速度を１０μｍ／ｍｉｎ程度にすることができる。ところで、このシリコンエピタキシャル層の成長では、ウェーハの温度を１０００〜１１００℃の高温にする必要があり、エピタキシャルウェーハ製造におけるスループットを高めるためには、ウェーハの室温から上記成長温度の間における昇温／降温の処理時間を短縮させることが極めて重要になる。しかも、エピタキシャル層は単結晶層であることから、その結晶欠陥の発生を防止することが要求される。
しかしながら、従来の枚葉型エピタキシャル成長装置では、特にエピタキシャル層における成長後のウェーハの降温に要する処理時間の短縮が難しく、この降温処理がエピタキシャルウェーハ製造における高スループット化の大きなネックになるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、気相成長工程後の降温時間を短縮させ、気相成長層の堆積における高スループット化を容易にする気相成長装置及び成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明にかかる気相成長装置は、円筒状反応炉の上部にガス供給口、その下部に排気口、その内部にウェーハを載置するウェーハ保持部材、このウェーハ保持部材とガス供給口との間にガス整流板を備えた枚葉型エピタキシャル成長装置において、ガス整流板とウェーハ保持部材の離間距離は、ウェーハを冷却するための冷却用ガスがウェーハ面上あるいはウェーハ保持部材面上で整流状態になるように設定されている、ことを特徴とする。
【０００７】
本発明において、好適な一態様では、ガス整流板とウェーハ保持部材の離間距離をＨとし、ウェーハ保持部材径をＤとして、Ｈ／Ｄ≦１／５を満たしていることが望ましい。
【０００８】
本発明において、ガス整流板の下面とウェーハ保持部材の上面との間に、反応炉内外にウェーハを出し入れするハンドリングアームが挿入できるようになっていることが望ましい。
【０００９】
本発明において、ガス整流板は、上下移動可能に構成されていることが望ましい。
【００１０】
また、ガス整流板の上下移動は、ウェーハを出し入れするためのウェーハ保持部材から離脱する機構と連結されていることが望ましい。
【００１１】
さらに、ガス整流板の下面とウェーハ保持部材の上面との距離は、１ｍｍ以上６０ｍｍ以下に調整可能であることが望ましい。
【００１２】
一方、本発明にかかる気相成長方法は、円筒状反応炉の上部にガス供給口、その下部に排気口、その内部にウェーハを載置するウェーハ保持部材、このウェーハ保持部材とガス供給口との間にガス整流板を備え、成膜用ガスをガス供給口からガス整流板を通して反応炉内を流下させてウェーハに気相成長層を堆積させ、気相成長層を堆積させた後、冷却用ガスをガス供給口からガス整流板を通して反応炉内を流下させてウェーハ基板を降温することを気相成長方法において、
ガス整流板と前記ウェーハ保持部材の離間距離は、冷却用ガスがウェーハ面上あるいはウェーハ保持部材面上で整流状態になるように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の成長方法において、ガス整流板の下面と前記ウェーハ保持部材の上面との間に、反応炉内外にウェーハ基板を出し入れするハンドリングアームが設けられ、ハンドリングアームの移動により、反応炉内外にウェーハの出し入れを行えるようにすることが望ましい。
【００１４】
また、本発明の成長方法において、ウェーハに成膜する時は、整流板とウェーハが近接しており、ウェーハを出し入れする時は、整流板とウェーハとの距離が離れ、ウェーハの出し入れが可能にすることが望ましい。
【００１５】
さらに、本発明の成長方法において、整流板が上下移動可能であって、ウェーハの出し入れ時と連動していることが望ましい。
【００１６】
なお、本発明において、エピタキシャル成長に限らず、一般的な気相成長例えば、ＭＯＣＶＤなどであっても良く、また、枚葉型でなくても良い。
また、本発明のガス供給口は、反応炉の頂面でなく、反応炉全体の上部にあれば良く、例えば反応炉の側面でも良い。さらに、ガス排気口は、反応炉の底面でなく、反応炉全体の下部にあれば良く、例えば反応炉側面でも構わない。
本発明で用いるウェーハ保持部材は、環状ホルダーに限らず、一般的に言われるサセプタでも良い。環状ホルダー（中腹部が開口あり）の場合、開口部に取り外し可能な平板を配置して、例えば、その平板を持ち上げるようにして、ハンドリングアームで反応炉内外にウェーハの出し入れを行えるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、気相成長工程後のウェーハの降温における均一な冷却が可能になり、降温時間が短縮して、気相層の堆積における高スループット化を容易にする気相成長装置及び成長方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態おける枚葉型エピタキシャル成長装置の構成を示す。図１に示すように、エピタキシャル成長装置は、例えばステンレス製で円筒状中空体の処理炉１１、この処理炉内部にその頂部から成膜用ガスを導入するガス供給口１２、ガス供給口１２から導入された成膜用ガスを整流し、下方に配置される半導体ウェーハＷに例えば層流として流下させるガス整流板１３を備える。そして、半導体ウェーハＷ表面等で反応した後の反応生成物および一部成膜用ガスを処理炉１１外部にその底部から排出するガス排気口１４を備える。ここで、ガス排出口１４は真空ポンプ（図示せず）に接続してある。
【００２０】
また、上述した処理炉内部には、半導体ウェーハ１７を載置保持するウェーハ保持部材の環状ホルダー１５をその上面に配置し回転する回転体ユニット１６、環状ホルダー１５に載置された半導体ウェーハＷを輻射熱により加熱するヒーター１７を備えている。ここで、回転体ユニット１６は、その回転軸１６ａが下方に位置する回転装置（図示せず）に接続され、高速回転が可能に取り付けられている。また、この円筒状の回転軸１６ａは中空の回転体ユニット１６内を排気するための真空ポンプに接続され、この吸引により半導体ウェーハＷが環状ホルダー１５に真空吸着する構成になっていてもよい。なお、回転軸１６ａは、処理炉１１の底部に真空シール部材を介して回転自在に挿設されている。
【００２１】
そして、ヒーター１７は、回転軸１６ａの内部に貫通する支持軸１８の支持台１９上に固設してある。この支持台１９には半導体ウェーハＷを環状ホルダー１５から脱着するいわゆる突き上げピン（図示せず）が形設されている。なお、上記ウェーハ保持部材としては、環状ホルダーの替わりに半導体ウェーハＷ裏面のほぼ全面に接する構造のものを使用してもよい。ここで、このウェーハ保持部材は、通常、円板状のウェーハ基板を載置することからその縁端の平面形状が円状であり、ヒーター１７の輻射熱を遮断しない材質により形成されていると好適である。
【００２２】
上述した枚葉型エピタキシャル成長装置において、ガス整流板１３は例えば石英ガラス製の円板体であり多数の多孔状ガス吐出口が形成されている。そして、図１に示すように、ほぼ平行に対向配置される環状ホルダー１５の上面とガス整流板１３の下面との離間距離をＨとし、環状ホルダー１５の外周径をＤとして、Ｈ／Ｄ≦１／５が満たされるようにすると好適である。ここで、環状ホルダー１５の内周側にはザグリ加工が施され、そのザグリ面に半導体ウェーハＷの裏面が接するように載置されることから、半導体ウェーハＷの主面は環状ホルダー１５の主面とほぼ同じ高さ位置になる。
【００２３】
図１に示すように、処理炉１１の側壁には半導体ウェーハを出し入れするためのウェーハ出入口２０およびゲートバルブ２１が設けられ、このゲートバルブ２１で連結する例えばロードロック室（図示せず）と処理炉１１との間において、ハンドリングアームにより半導体ウェーハＷを搬送できるようになっている。ここで、例えば合成石英製のハンドリングアームは、ガス整流板１３とウェーハ保持部材である環状ホルダー１５とのスペースに挿入されるようになることから、離間距離Ｈはハンドリングアームの挿入スペースが確保できる寸法以上にする必要がある。
【００２４】
以下、上記離間距離Ｈについて具体例を示すと、半導体ウェーハＷが例えば口径２００ｍｍφのシリコンウェーハである場合には、環状ホルダー１５の外周径Ｄは３００ｍｍφとする。そして、ハンドリングアームによる搬送操作に必要な挿入スペースを例えば１０ｍｍ程度にして、好適な離間距離Ｈは２０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲になる。
なお、ここで、ガス整流板１３を後述するように（図５参照）上下移動可能にした場合、気相成長時の半導体ウェーハＷ表面とガス整流板１３の下面との距離は、１ｍｍ程度でもよく、気相成長終了後、ガス整流板１３を上に移動して１０ｍｍ位にすれば、ハンドリングアームによるウェーハＷの搬送操作が可能である。この場合、半導体ウェーハＷ表面とガス整流板１３の下面との距離を１ｍｍを下回ると、気相成長の膜厚に変動が生じたり、欠陥が発生したりするので、半導体ウェーハＷ表面とガス整流板１３の下面との距離は１ｍｍが限度でる。
【００２５】
次に、上記枚葉型エピタキシャル成長装置におけるエピタキシャル層の成膜方法、その動作および本実施形態における効果について図１，２および３を参照して説明する。図２はエピタキシャル層の成膜におけるプロセスシーケンスの概略を示す説明図である。図２では、横軸に成膜サイクルにおける処理時間をとり、縦軸に半導体ウェーハＷのウェーハ温度を示している。そして、図３は処理炉１１に半導体ウェーハＷを出し入れする状態を示した枚葉型エピタキシャル成長装置の縦断面図である。
【００２６】
先ず、図２に示す処理時間ｔ０において、室温Ｔ０で減圧状態にあるロードロック室内の半導体ウェーハＷを、図３に示すようにゲートバルブ２０を開き、ハンドリングアーム２２上に載せてウェーハ出入口２０から処理炉１１内に挿入する。ここで、処理炉１１内は例えば窒素（Ｎ２）ガス雰囲気の減圧状態であるが、ロードロック室より陽圧になるように圧力設定されている。このようにして、ロードロック室からのパーティクル等の処理炉１１内の汚染を防止する。そして、半導体ウェーハＷは例えば突き上げピン（図示せず）を介して環状ホルダー１５に載置され、ハンドリングアーム２２はロードロック室に戻され、ゲートバルブ２１が閉じられる。
【００２７】
そして、環状ホルダー１５に載置された半導体ウェーハＷは、予備加熱のために第１の温度Ｔ１に加熱待機しているヒーター１７により加熱し、処理時間ｔ１から安定するまで保持する。この予備加熱の間にＮ２ガスは水素（Ｈ２）ガスに置換し、処理炉１１内を所定の真空度になるように真空排気する。
【００２８】
次に、ヒーター１７の加熱出力を上げて半導体ウェーハＷをエピタキシャル成長温度である第２の温度Ｔ２に加熱し昇温する。そして、半導体ウェーハＷが処理時間ｔ２で第２の温度Ｔ２に安定すると、回転体ユニット１６を所要の速度で回転させながら、ガス供給口１２から所定の成膜用ガスを供給し、所定の真空度において処理時間ｔ３まで半導体ウェーハＷ表面にエピタキシャル層を成長させる。
【００２９】
例えば、シリコンエピタキシャル層を成長させる場合には、第１の温度Ｔ１は５００〜９００℃の範囲で所望の温度に設定され、第２の温度Ｔ２は１０００〜１２００℃の範囲で所望の温度に設定される。そして、シリコンのソースガスとしてはＳｉＨ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２やＳｉＨＣｌ３、そしてドーパントガスとしては、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３またはＡｓＨ３が用いられる。また、キャリアガスとしてＨ２が通常用いられる。これ等のガスが成膜用ガスである。
このシリコンエピタキシャル層の成長時における処理炉１１内は、約２×１０３Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）〜約９．３×１０４Ｐａ（７００Ｔｏｒｒ）の範囲で所望の圧力に設定される。また、回転体ユニット１６の回転は、例えば９００〜１５００ｒｐｍの範囲で所望の回転数に設定される。
【００３０】
次に、エピタキシャル成長が終了する処理時間ｔ３において、上記エピタキシャル層の形成された半導体ウェーハＷの降温を始める。ここで、上記成膜用ガスの供給および回転体ユニット１６の回転を停止させ、エピタキシャル層が形成された半導体ウェーハＷを環状ホルダー１５に載置したままにして、ヒーター１７の加熱出力を初めに戻し第１の温度Ｔ１になるように自動調整する。
【００３１】
そして、ほぼ同時に、図１に示すように、処理炉１１内に冷却用ガス２３をガス供給口１２から流入させ、ガス整流板１３により整流した冷却用ガス２３により上記半導体ウェーハＷをガス冷却する。ここで、冷却用ガス２３は、例えば上記成膜用ガスのキャリアガスと同じＨ２ガスであってもよいし、アルゴン、ヘリウムのような希ガスあるいはＮ２ガスであっても構わない。また、この冷却用ガス２３が流入した処理炉１１内の圧力はエピタキシャル層の成長時の圧力と同程度にする。
【００３２】
上述したように、本実施形態におけるガス整流板１３と環状ホルダー１５は、それ等の離間距離Ｈが、上述したように環状ホルダー１５の外周径Ｄとの関係において、Ｈ／Ｄ≦１／５を満たすように配置されている。このために、図１に示した冷却用ガス２３の流れにおいて、後述するように半導体ウェーハＷ上において渦流の発生が殆ど無く、半導体ウェーハＷ面内において高い均一性を有した冷却ができるようになる。そして、この冷却時の半導体ウェーハＷに生じる熱応力が低減し、冷却用ガス２３による強制冷却速度を高くしても半導体ウェーハＷへのスリップ等の結晶欠陥の発生が抑制されることから、エピタキシャル成長後の半導体ウェーハＷの降温に要する時間が短縮できる。
【００３３】
例えば、図２に示した処理時間ｔ３後において、半導体ウェーハＷがエピタキシャル成長温度の第２の温度Ｔ２から予備加熱温度の第１の温度Ｔ１に低下し安定するまでの時間間隔を、図２に点線で示した従来技術の場合の１／２〜２／３程度に短縮可能になる。
【００３４】
次に、半導体ウェーハＷが第１の温度Ｔ１に安定した後、例えば突き上げピンにより半導体ウェーハＷの裏面を突き上げて環状ホルダー１５から脱着させる。なお、半導体ウェーハＷを環状ホルダー１５から脱着するには、突き上げピンでなく、静電接着方式を用いたり、また、半導体ウェーハＷ自身を浮かせるベルヌイチャック方式を用いても構わない。そして、再び図３に示すようにゲートバルブ２１を開いてハンドリングアーム２２をガス整流板１３および環状ホルダー１５の間に挿入し、その上に半導体ウェーハＷを載せる。その後、突き上げピンを下げた状態にし、ハンドリングアーム２２を上記挿入位置において、半導体ウェーハＷの温度が第１の温度Ｔ１より低い第３の温度Ｔ３になり安定する処理時間ｔ４まで保持する。
【００３５】
その後に、半導体ウェーハＷを載せたハンドリングアーム２２をロードロック室に戻し、ゲートバルブ２１を閉じる。そして、半導体ウェーハＷの温度はロードロック室において室温Ｔ０に戻る。ここで、処理時間ｔ０のところで説明したように、例えばＮ２ガス雰囲気の減圧状態になる処理炉１１内はロードロック室より陽圧になっている。
【００３６】
以上のようにして、一の半導体ウェーハに対するエピタキシャル層の成膜サイクルが終了し、引き続いて他の半導体ウェーハに対する成膜が上述したのと同一のプロセスシーケンスに従って行われる。
【００３７】
上記第１の温度Ｔ１から第３の温度Ｔ３に安定するまでの間は、半導体ウェーハＷは、ハンドリングアーム２２上において冷却用ガス２３によるガス冷却を受ける。そして、半導体ウェーハＷが第１の温度Ｔ１から第３の温度Ｔ３に低下し安定するまでの時間間隔は、図２に点線で示した従来技術の場合の１／２程度に短縮可能になる。なお、図２に記した処理時間ｔ５は、従来技術における半導体ウェーハの温度が第１の温度Ｔ１から第３の温度Ｔ３に低下し安定する時間として例示した。
【００３８】
次に、図４の模式図を参照して、エピタキシャル層成長後の半導体ウェーハのガス冷却における上記実施形態の構造の作用を説明する。図４は枚葉型エピタキシャル成長装置のガス整流板１３と半導体ウェーハＷを保持した環状ホルダー１５の間における冷却用ガス２３のガス流を示す模式図である。ここで、図４（ａ）は上述した離間距離Ｈが、環状ホルダー１５の外周径Ｄ（ウェーハ保持部材の径）との関係において、Ｈ／Ｄ≦１／５を満たす場合であり、図４（ｂ）は離間距離Ｈが、Ｈ／Ｄ＞１／５となる場合の一例である。
【００３９】
処理炉１１内の冷却用ガス２３は粘性流であり、ガス供給口１２から導入されガス整流板１３の多孔状ガス吐出口を通して例えば層流として整流され流下する。ここで、図４（ａ）に示したような構成であると、流下した冷却用ガス２３は、半導体ウェーハＷおよび環状ホルダー１５の主面に当たり、その後、これ等の主面に沿って水平方向に曲折し整流状態を維持したまま流れるようになる。また、環状ホルダー１５の外周端における乱流の発生もない。
このために、半導体ウェーハＷでは、その面内において、冷却用ガス２３が均一な温度および流量で接触するようになり、冷却用ガス２３との熱交換による放熱が一様に行われる。また、環状ホルダー１５の外周端における乱流の発生による放熱の乱れは無く、上記放熱の一様性が保持される。そして、半導体ウェーハＷの降温において、その面内の温度が均一に保たれる。なお、半導体ウェーハＷ表面からの熱輻射による放熱は面内で均一になる。
【００４０】
これに対して、図４（ｂ）に示したような構成であると、流下する冷却用ガス２３は、半導体ウェーハＷおよび環状ホルダー１５の主面においてその整流の状態が乱れて崩れ易くなる。そして、その後、これ等の主面に当たり水平方向に曲折して流れる。また、環状ホルダー１５の外周端における乱流の発生がもともと生じ易い。これ等のことから、整流状態に乱れが生じて流下する冷却用ガス２３は、半導体ウェーハＷの外周側あるいは環状ホルダー１５において極めて容易に渦流２４を生成する。そして、Ｈ／Ｄ値が増加するに従い、渦流２４は半導体ウェーハＷのより内周上でも生じるようになる。
このような渦流２４の発生のために、半導体ウェーハＷは、その面内において、冷却用ガス２３との熱交換による放熱が不均一に行われる。そして、半導体ウェーハＷの降温において、その面内の温度の均一性が損なわれる。
【００４１】
上述したことから本実施形態では、エピタキシャル層の成長終了後から処理炉外に搬出するまでの半導体ウェーハの降温に要する時間、すなわち図２に示した処理時間ｔ３から処理時間ｔ４の時間間隔が、従来技術の場合の処理時間ｔ３から処理時間ｔ５の時間間隔に較べて大幅に低減できるようになる。そして、エピタキシャル層の成膜におけるスループットの向上が容易になる。ここで、エピタキシャル層の成長時間（ｔ３−ｔ２）が短くなるに従い、エピタキシャル成長後の半導体ウェーハの降温時間（ｔ４−ｔ３）の成膜サイクルに占める割合が増加し、本実施形態の降温時間の短縮効果は大きくなる。
例えば、膜厚が１０μｍ程度のシリコンエピタキシャル層の成膜では、スループットは２０％程度増加する。そして、エピタキシャル層の所要膜厚が薄くなる場合、エピタキシャル層の成長速度が上がる場合には、更にスループット増加の割合は大きくなる。
【００４２】
更に、本実施形態では、エピタキシャル層を成長後の半導体ウェーハの降温が従来技術の場合より安定し、半導体ウェーハの冷却バラツキが小さくなる。このことから、ハンドリングアーム２２により半導体ウェーハをロードロック室に搬出する際のウェーハ割れの発生頻度が大きく低減する。そして、上述した半導体ウェーハにおけるスリップ等の結晶欠陥の低減効果と併せて、エピタキシャル層の成膜における製造歩留まりが向上する。
【００４３】
上述した実施形態において、図５に示す如く、ガス整流板１３を上下移動（図の矢印）可能に即ち反応炉１１の内壁をすべり可能な部材５１を設け、その反対面にエアシリンダなどの駆動機構５２からの接続部材５２ａを連結させる。この接続部材５２ａのと駆動機構の間の上部にはベローズ５２ｂが備えられている。
ここで、駆動機構５２のより、ガス整流板１３と半導体ウェーハＷの距離は、１ｍｍから６０ｍｍまで調整可能で、成長時は１ｍｍと極めて近接しても成長可能である。また、半導体ウェーハＷの出し入れ時は、ガス整流板１３と半導体ウェーハＷの距離は２０ｍｍ前後が好ましいが、１０ｍｍ程度でも可能である。
【００４４】
図５の実施形態の場合、成長時のガス整流板１３と半導体ウェーハＷの距離は、理想的に狭い方が良いが、現実的には１ｍｍ程度が限度である。
このように１ｍｍ程度に調整する時に、ウェーハ保持するサセプタ１５とヒータ１７を連結して移動することも可能である。
【００４５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【００４６】
例えば、上記実施形態において、枚葉型エピタキシャル成長装置はゲートバルブ２１で例えばクラスターツールの搬送室に連結してもよい。
【００４７】
また、上記ウェーハ保持部材としては、加熱機構を有し半導体ウェーハ裏面の全面に接するサセプタであってもよい。
【００４８】
また、本発明は、エピタキシャル成長させる半導体ウェーハが非回転で固定したウェーハ保持部材上に載置されるような構造の枚葉型エピタキシャル成長装置にも同様に適用される。
【００４９】
そして、成膜されるウェーハ基板としては、典型的にはシリコンウェーハであるが、炭化ケイ素基板等のシリコン以外の半導体基板も使用することができる。また、ウェーハ基板上に成膜される薄膜は、シリコン膜あるいはボロン、リンやヒ素等を不純物として含有する単結晶シリコン膜がもっとも一般的であるが、ポリシリコン膜を一部に含む単結晶シリコン膜又はその他の薄膜、例えば、ＧａＡｓ膜やＧａＡｌＡｓ膜等の化合物半導体でも支障なく適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態にかかる枚葉型エピタキシャル成長装置の一構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態における枚葉型エピタキシャル成長装置を用いたエピタキシャル層の成膜プロセスシーケンスの概略を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態におけるエピタキシャル層成膜の説明に供するための枚葉型エピタキシャル成長装置の縦断面図である。
【図４】枚葉型エピタキシャル成長装置のガス整流板と半導体ウェーハを保持したウェーハ保持部材の間における冷却用ガスのガス流を示す模式図である。
【図５】本発明の他の実施形態を説明するための枚葉型エピタキシャル成長装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１１  処理炉
１２  ガス供給口
１３  整流板
１４  ガス排気口
１５  環状ホルダー
１６  回転体ユニット
１６ａ  回転軸
１７  ヒーター
１８  支持軸
１９  支持台
２０  ウェーハ出入口
２１  ゲートバルブ
２２  ハンドリングアーム
２３  冷却用ガス
２４  渦流
【図１】
2009021534.tif 000003
【図２】
2009021534.tif 000004
【図３】
2009021534.tif 000005
【図４】
2009021534.tif 000006
【図５】
2009021534.tif 000007