JPH1192280A - シリコンエピタキシャル気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体シリコン基板（シリコンウェファ）上
に、気相エピタキシャル成長技術により、単結晶膜を成
長させるシリコンエピタキシャル気相成長装置を提供す
る。 【解決手段】 高周波加熱方式の、縦型シリコンエピタ
キシャル成長装置において、石英ベルジャー１４の形状
を楕円とすると共に、その上部球面部分を同一曲率とし
たステンレス製ベルジャー１３の内周面に直接接触させ
ることにより冷却効果を高め、また、同石英ベルジャー
１４に開口部１８を設けることにより、反応室を大気に
開放することなく、シリコン基板１７を自動的に反応室
内に出し入れする事を可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体シリコン基
板（シリコンウェファ）上に、気相エピタキシャル成長
技術により、単結晶膜を成長させるシリコンエピタキシ
ャル気相成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の高周波加熱、縦型エピタキシャル
成長装置の概略を図３に示す。図３に示すように、ステ
ンレス製ベースプレート０１の上部には、反応室である
石英ベルジャー０２及びその外周を覆うステンレス製ベ
ルジャー０３が設けられている。該ステンレス製ベルジ
ャー０３内は、下部のＯリング０４により内部が外部と
遮断できる構造となっている。この反応室内部のベース
プレート０１の上部に設けられ、内部にワークコイル０
５を内部に配したコイルカバー０６の中央開口部には、
サセプタ回転手段０７により回転されるサセプター回転
サポート部材０８が設けられている。該サポート部材０
８に設置されたカーボンサセプター０９上には、シリコ
ン基板（シリコンウェファ）０１０が装填されており、
該シリコン基板０１０を装填したり取り出したりする際
には、上記ステンレス製ベルジャー０３を上下動させる
上下動機構０１１により、上昇させることにより、反応
室を大きく開いた状態でシリコン基板０１０の着脱を行
っている。

【０００３】なお、上記ステンレス製ベルジャー０３の
内壁には、該ステンレス製ベルジャー０３と同様の半球
形状をした石英ベルジャー０２が取付け金具０１２を用
いて取り付けられており、反応室に導入される腐蝕性ガ
スによって腐蝕されることを防いでいる。また、上記ス
テンレス製ベルジャー０３と石英ベルジャー０２との間
の隙間には、石英ベルジャー０２を冷却するため及び腐
蝕性ガスの侵入を防ぐために、パージガス（水素または
窒素）０１３が流されている。

【０００４】上記サセプター０９は、その下部に設けら
れた高周波ワークコイル０５によって誘導加熱され、こ
れによりシリコン基板０１０も所要の温度（1,000〜1,1
50℃)まで加熱され、回転するサセプター０９の中央部
を経由して石英ガスノズル０１４を介して導入される反
応ガス０１５によってエピタキシャル成長プロセスが行
われ、残余のガス０１６は排気部０１７を経由して自然
排気されている。なお、上記ステンレスベルジャー０３
内部は、冷却のために冷却水０１８が充填されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の装置においては、以下のような問題がある。 上記反応ガス０１５がサセプター０９中心部の一ヶ
所から導入され、サセプター外周方向に自然排気される
ため、１枚のウェファから見た場合、ガスの流れに対し
て上流・下流が形成されてしまい、例えサセプター０９
が回転していても、サセプターの内周、外周方向（即
ち、放射方向）ではエピタキシャル成長の均一性がとり
にくい、という問題がある。ここで、石英ベルジャー０
２内壁へのシリコン化合物の付着については、サセプタ
ー０９からの熱線により石英壁が一定温度以上に上昇す
ると付着が始まり、特に熱線が集中される石英ベルジャ
ー０２頂上部付近に最も多く付着するが、この付着・堆
積の進行は、石英壁の温度が低ければ低いほど遅くでき
る。また、石英壁が一定温度以下であれば、この付着は
発生しない。

【０００６】 この石英インナーベルジャー０２は取
り付け金具０１２を用いて、ステンレス製ベルジャー０
３内部に取り付けられるが、この時どうしても両ベルジ
ャーの間には２〜３mmの隙間ができてしまう。このた
め、大量のパージガス０１３を流して、石英ベルジャー
０２壁から、冷却水０１８で水冷されたステンレス ベ
ルジャー０３壁へのガスによる熱移動を行っている。ち
なみに、両ベルジャー０２，０３の間隙が数ミリメート
ル以上離れると急速に石英への付着・堆積・剥離が進行
し、事実上、エピタキシャル成長が不可能になる。

【０００７】 上記の石英ベルジャー０２内の天井部
分等に付着・堆積したシリコン化合物の堆積物０１９
は、シリコン基板０１０の着脱の際に、反応室を開いた
ときに、外気と接触し、酸化反応が進行し、シリコン酸
化物等となって落下し、パーティクルがシリコン基板０
１０上に付着する結果、品質不良のエピタキシャルウェ
ファを生ずる。

【０００８】 また、上述した縦形反応炉では、シリ
コン原料ガスの分解反応によってシリコン化合物の副産
物が生じ、これが上部石英ベルジャー０２の内壁に時間
とともに付着・堆積されていくが、この堆積量が一定限
度を超えると、石英壁の透明性が失われ、サセプター０
９からの熱線により、この堆積物が加熱され、ますます
シリコン化合物の付着が増幅されてきて、さらにこれが
進行すると、厚くなりすぎた付着物がはがれ、シリコン
基板０１０上に落下するようになり、この結果、エピタ
キシャル成長プロセスは不可能となる、という問題があ
る。

【０００９】 また、サセプター０９上へのシリコン
基板０１０の着脱をロボットを使用して自動化する試み
が図られたこともあるが、サセプター０９上で各基板の
位置を正確に検出することが困難であることや、ロボッ
トの効率が悪く、人手に比べて時間がかかりすぎる等の
問題があり、ウェファハンドリングの自動化が進んでい
ないのが現状である。

【００１０】以上のように、従来高周波加熱方式のシリ
コンエピタキシャル気相成長装置では、製品の品質確
保、生産性の改善および生産コストの低減、自動化の点
で、不充分であった。

【００１１】本発明では、効果的な石英ベルジャーの冷
却手段を与え、反応ガスを導入する位置を適正にとると
同時にサセプター上でのガス流速を調節する手段をと
り、さらに反応室を大気開放することなくシリコン基板
の自動装填・取り出しが可能となる装置構成手段をとる
ことにより、従来よりもはるかに高性能なシリコンエピ
タキシャル気相成長装置を提供する事を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する［請
求項１］の発明は、石英ベルジャーの外部に冷却用のス
テンレス製ベルジャーを配して反応室を形成し、該反応
室内部に反応ガスを導入して高周波加熱方式でシリコン
基板上にエピタキシャル気相成長する縦型のシリコンエ
ピタキシャル気相成長装置において、上記石英ベルジャ
ーを楕円ドーム状とすると共に、該石英ベルジャーがそ
の外周に設けたステンレス製ベルジャーの内周面に密着
して設けられていることを特徴とする。

【００１３】本構成によれば、石英ベルジャーがステン
レス製ベルジャーに密着しているので、冷却効果が高く
なり、シリコン化合物の付着が少なくなると共に、石英
ベルジャーを取り出して洗浄する必要が生じるまで、長
時間の使用が可能となる。また、石英ベルジャーの冷却
効果が高いため、従来の反応室の構造に比較して、石英
ベルジャーとサセプターとの距離を約1/2以下と、はる
かに短くでき、ステンレス製ベルジャーによる熱線の反
射効率が上がり、高周波電力エネルギーの消費量が削減
できる。さらに、この反射効率が上がり、シリコン基板
の上面が高温に保てることにより、エピタキシャル膜の
結晶欠陥、スリップ発生の減少を図ることができる。

【００１４】［請求項２］の発明は、請求項１におい
て、高周波誘導加熱されている回転するサセプターと石
英ベルジャー側壁との中間部に少なくとも一ヶ所反応ガ
ス導入口を設け、該反応ガス導入口とサセプターを介し
て反対側に排気部を設けたことを特徴とする。

【００１５】本構成によれば、該排気部から反応室内の
ガスを強制排気することにより、サセプター上の全面に
わたって反応ガスの流速を調節できる事となる。また、
従来のようなサセプター中心部に反応ガス導入用の穴を
開ける必要がないため、サセプター全面が効率よく使用
できるようになり、大口径ウェファの処理に対しても簡
単に対処できる。

【００１６】［請求項３］の発明は、請求項１におい
て、上記石英ベルジャーの側面にシリコン基板の出し入
れのための開口部を設け、反応室本体の側壁にゲートバ
ルブを設けてなると共に、上記ゲートバルブを介して、
シリコン基板の自動挿入・取り出し用ロボットを備えた
搬送室が接続されていることを特徴とする。

【００１７】本構成によれば、反応室を外気に対して密
閉したまま連続してエピタキシャルプロセスができ、シ
リコン化合物の酸化によるパーティクル発生が抑制さ
れ、かつ外部からの汚染源の侵入を防ぐことができる。
さらに、シリコンウェファの自動搬送が可能になり、装
置運転の完全自動化により、飛躍的に生産性を向上でき
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００１９】発明は、高周波加熱方式の、縦型シリコン
エピタキシャル成長装置において、石英ベルジャーの形
状を楕円とすると共に、その上部球面部分を同一曲率と
したステンレス製ベルジャーの内周面に直接接触させる
ことにより冷却効果を高め、また、同石英ベルジャーに
開口部を設けることにより、反応室を大気に開放するこ
となく、シリコンウェファを自動的に反応室内に出し入
れする事を可能にしたものである。また、本発明は、サ
セプターと石英ベルジャー側壁との中間部に少なくとも
一ヶ所反応ガス導入口を設ることにより、シリコン基板
に対する反応ガスの供給がまんべんなくおこなわれ、こ
の結果、シリコン基板へのシリコン成長膜の均一性を高
めるようにしたものである。

【００２０】本発明によれば、高価な石英ベルジャーの
使用可能時間を大幅に延長できると同時に、パーティク
ル発生も抑制され、また従来のように反応室を開くこと
なくシリコン基板の出し入れが可能となり、さらに反応
ガスをシリコン基板の全面にまんべんなく供給し、かつ
反応室内圧力を一定に調節することにより成長膜の均一
性・再現性を向上させ、これらの総合的な結果として、
高品質のエピタキシャルウェファを高い生産性で生産出
来る装置が実現できる。

【００２１】さらに、本発明は、反応本体の側壁にシリ
コン基板の出し入れ用のゲートバルブを取り付け、上記
ゲートバルブを介して、シリコン基板の自動挿入・取り
出し用ロボットを備えた搬送室が接続しているので、高
周波加熱方式において、反応室を外気に対して密閉した
まま連続してエピタキシャルプロセスが可能となる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳述
するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２３】［第１実施例］図１及び図２は本実施例の
概略図を示し、図１は平面断面図、図２は立面断面図を
示す。

【００２４】図１及び図２に示すように、本実施例にか
かるシリコンエピタキシャル気相成長装置は、ステンレ
ス製反応室１１の側壁１２の上部に、曲率が大きい楕円
ドーム状のステンレス製のベルジャー１３がフランジ１
２ａ，フランジ１３ａを介して設けられており、該ステ
ンレス製ベルジャー１３の内面側には、該ステンレス製
ベルジャー１３と同一の曲率を有する楕円形状の石英ベ
ルジャー１４が直接密着されている。上記石英ベルジャ
ー１３のステンレス製ベルジャー１２への密着は、ステ
ンレス製ベローズ等のバネの力を使用した押圧手段１５
を用いて直接石英ベルジャー１３をステンレス製ベルジ
ャー１１の内面に押し付けることによって行っている。
また、上記ステンレス製ベルジャー１３はその内部に冷
却水Ｗが導入されており、密着している石英ベルジャー
１４の冷却をしている。なお、上記ステンレス製反応室
１１全体は、その内部を図示しない真空手段により真空
状態にすることも可能な気密性があり、外気との遮断が
なされている。

【００２５】上記楕円ドーム状のベルジャーのドーム部
分の曲率はＲ２００〜３５０の範囲の偏平状としてお
り、本実施例では、Ｒ３００の曲率としている。このよ
うに、楕円状で曲率を大きくすることで、シリコン基板
１７と石英ベルジャーの天井部との距離を従来の球状ド
ームの１／２〜１／３程度と短くし、該シリコン基板１
７を加熱する際の熱反射効率を向上させている。

【００２６】上記石英ベルジャー１４は、押圧手段１５
によって上方に押し上げられてステンレス製ベルジャー
１３の内周面と石英ベルジャー１４の外周面とが密着し
ているが、さらに、冷却効率を向上するため及び腐蝕性
ガスの侵入を防ぐために、この２つのベルジャー１３，
１４の間には、上部からパージガス（水素または窒素）
１６が供給されている。また、上記石英ベルジャー１４
の側壁には、シリコン基板１７の出し入れのために、開
口部１８が形成されている。

【００２７】上記シリコン基板１７は、回転サポート１
９上に置かれ回転機構２０により回転されるサセプター
２１上に載置されている。なお、本実施例では、簡便上
一枚のみ図示されているが、装置全体を大型化し、大型
のサセプターとして勿論複数枚装填してもよい。

【００２８】上記サセプター２１は、石英製のコイルカ
バー２２により覆われた高周波ワークコイル２３により
高周波誘導加熱されている。

【００２９】反応室内に導入する反応ガス２４は、石英
ガスノズル２５ａ，２５ｂを通ってシリコン基板１７上
に供給され、排気ガス２６は、該ノズル２５ａ，２５ｂ
とサセプタ１７を介して対向する排気ポート２７を通っ
て真空ポンプ（図示せず）に強制排気される。なお、本
実施例では、石英ガスノズルは２本図示されているが、
ガスの供給の程度により必要に応じて１本乃至数本使用
してもよい。

【００３０】反応室は、ステンレス製ベルジャー１３
と、ステンレス製反応室１１とにより囲まれた空間で構
成されており、ステンレス製ベルジャー１３とステンレ
ス製反応室１１との間は、両フランジ部１２ａ，１３ａ
に設けられた耐真空シール２８によってシールされてい
る。なお、本実施例では、簡便上箱型構造を示してある
が、円筒型等の他の形状のチェンバー構造でもよい。

【００３１】ステンレス製反応室１１の側壁の一ヶ所に
は、上記石英ベルジャー１４の側壁に設けた開口部１８
と対向する位置に第１のゲートバルブ３１を取り付ける
開口部２９が設けられており、該第１のゲートバルブ３
１を介して、シリコン基板１７を反応室１１内に搬入・
搬出するための搬送ロボット３２を備え付けた搬送チェ
ンバー３３が設置されている。なお、上記搬送チェンバ
ー３３内には、パージガスが導入されており、外気とは
遮断された状態を保持している。

【００３２】この搬送チェンバー３３には、第１のゲー
トバルブ３１に相対する側壁にもう一つの第２のゲート
バルブ３４が取り付けられており、該２のゲートバルブ
３４を介して、複数のウェファカセットを収容するロー
ドロック室（図示せず）が設置されるようになってい
る。なお、本実施例では、シリコン基板１７の受け取り
の際には、真空チャック手段３５を用いているが、本発
明ではこれに限定されるものではなく、例えばベルヌー
イチャック等の公知の基板支持手段を用いればよい。

【００３３】上述した構成の装置の動作は、下記の手順
による。 (1) 先ず、第２のゲートバルブ３４を開いて、搬送チェ
ンバー３３内の搬送ロボット３２により、ロードロック
室（図示せず）内のウェファカセット（図示せず）から
シリコン基板１７を一枚受け取り、これを搬送チェンバ
ー３３内に搬入する。

【００３４】(2) 次に、第１のゲートバルブ３１を開い
て、ステンレス製ベルジャー１３の開口部２９及び石英
ベルジャー１４の開口部１８を通って、搬送ロボット３
２により、シリコン基板１７がサセプター２１上に搬送
される。この搬送が終了したら、搬送ロボット３２のロ
ボットアームは搬送チェンバー３３内に戻され、第１の
ゲートバルブ３１が閉鎖される。

【００３５】(3) 次に、サセプター２１は、回転機構２
０により、回転が開始され、同時に高周波コイル２３に
高周波電力が印加され、サセプター２１の高周波加熱が
開始される。

【００３６】(4) 上記サセプター２１が所定の温度まで
上昇したら、反応ガス２４を石英ガスノズル２５ａ，２
５ｂを通って反応室内に導入し、エピタキシャル成長プ
ロセスを開始する。

【００３７】(5) エピタキシャル成長プロセスが終了し
たら、反応ガス及び高周波電力の供給が停止され、直ち
に、サセプター２１の冷却が行われる。

【００３８】(6) サセプター２１およびシリコン基板１
７の温度が下がったら、第１のゲートバルブ３１を開い
て、搬送ロボット３２により反応終了後のシリコン基板
１７が取り出され、第２のゲートバルブ３４を経由し
て、ロードロック室内のウェファカセットに戻される。

【００３９】以上でエピタキシャル成長のサイクルが一
回終了する。

【００４０】(7) 上記により、一枚目のウェファが処理
された後は、同様に二枚目のウェファに対する処理が行
われ、ロードロック内に収容されているカセット内の全
てのウェファに対する処理が完了するまで上記のサイク
ルが繰り返される。

【００４１】

【発明の効果】本発明による効果は下記の通りである。 (1) 石英ベルジャーがステンレス ベルジャーに密着し
ており冷却効果が高いため、シリコン化合物の付着が少
なく、石英ベルジャーを取り出して洗浄する必要が生じ
るまで、長時間の使用が可能となる。

【００４２】(2) 石英ベルジャーの冷却効果が高いた
め、従来の反応室の構造に比較して、石英ベルジャーと
サセプターとの距離を約1/2以下と、はるかに短くでき
るため、上部ステンレス製ベルジャーによる熱線の反射
効率が上がり、高周波電力エネルギーの消費量が削減で
きる。さらに、この反射効率が上がり、ウェファの上面
が高温に保てることにより、エピタキシャル膜の結晶欠
陥、スリップ発生の減少につながる。

【００４３】(3) サセプター中心部に穴を開ける必要が
ないため、サセプター全面が効率よく使用できるように
なり、大口径ウェファ（例えば、300mm〜500mm直径）の
処理にも簡単に対処できる。

【００４４】(4) 反応ガスの導入がサセプターの中心部
からではなく、外側から行われることにより、反応ガス
の供給が各ウェファに対してまんべんなく行われ、エピ
タキシャル膜の均一性が良くなる。さらに、導入された
反応ガスをサセプターの反対側から、強制排気すること
により、反応ガスが長時間反応室に滞留することが避け
られ、オートドーピングの低減につながると同時に、反
応室内の圧力を一定の減圧状態に保つことにより、エピ
タキシャルプロセスの再現性の向上にもつながる。

【００４５】(5) 本発明の反応室の構造により、反応室
を外気に対して密閉したまま連続してエピタキシャルプ
ロセスができるため、シリコン化合物の酸化によるパー
ティクル発生が抑制され、かつ外部からの汚染源の侵入
を防ぐことができる。

【００４６】(6) 本発明の反応室の構造により、シリコ
ンウェファの自動搬送が可能になり、装置運転の完全自
動化により、飛躍的に生産性を向上できる。

【００４７】(7) ウェファ搬送チェンバーを多角形にし
てクラスター方式とし、この周囲に反応室を複数個配置
することにより、装置の生産性を大幅に向上できる。

【００４８】(8) また、本発明による反応室の構造は、
シリコンエピタキシャル成長プロセス以外にも、例え
ば、MO(METAL-ORGANIC:有機金属)-CVD(CHEMICAL VAPOR
DEPOSITON:化学的気相堆積・成長）装置へも、全く同様
に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の縦型シリコンエピタキシャル成長装
置の立面概略図である。

【図２】本実施例の縦型シリコンエピタキシャル成長装
置の平面概略図である。

【図３】従来技術の縦型シリコンエピタキシャル成長装
置の概略図である。

【符号の説明】

１１ ステンレス製反応室 １２ 側壁 １３ ステンレス製のベルジャー １４ 石英ベルジャー １５ 押圧手段 １６ パージガス １７ シリコン基板 １８ 開口部 １９ 回転サポート ２０ 回転機構 ２１ サセプター ２２ コイルカバー ２３ 高周波ワークコイル ２４ 反応ガス ２５ａ，２５ｂ 石英ガスノズル ２６ 排気ガス ２７ 排気ポート ２８ 耐真空シール ２９ 開口部 ３１ 第１のゲートバルブ ３２ 搬送ロボット ３３ 搬送チェンバー ３４ 第２のゲートバルブ ３５ 真空チャック手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 石英ベルジャーの外部に冷却用のステン
   レス製ベルジャーを配して反応室を形成し、該反応室内
   部に反応ガスを導入して高周波加熱方式でシリコン基板
   上にエピタキシャル気相成長する縦型のシリコンエピタ
   キシャル気相成長装置において、 上記石英ベルジャーを楕円ドーム状とすると共に、該石
   英ベルジャーがその外周に設けたステンレス製ベルジャ
   ーの内周面に密着して設けられていることを特徴とする
   シリコンエピタキシャル気相成長装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 高周波誘導加熱されている回転するサセプターと石英ベ
   ルジャー側壁との中間部に少なくとも一ヶ所反応ガス導
   入口を設け、該反応ガス導入口とサセプターを介して反
   対側に排気部を設けたことを特徴とするシリコンエピタ
   キシャル気相成長装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、 上記石英ベルジャーの側面にシリコン基板の出し入れの
   ための開口部を設け、反応室本体の側壁にゲートバルブ
   を設けてなると共に、上記ゲートバルブを介して、シリ
   コン基板の自動挿入・取り出し用ロボットを備えた搬送
   室が接続されていることを特徴とすることを特徴とする
   シリコンエピタキシャル気相成長装置。