成膜装置および成膜方法
【課題】チャンバ内壁を保護するライナ上にシリコン結晶が形成されるのを抑制する。
【解決手段】チャンバ１の頂部にプロセスガスの供給部４、内部に半導体基板６を載置する回転可能なサセプタ７、内部の供給部４とサセプタ７との間にガス整流板２０、およびチャンバ内壁を被覆する筒状のライナ２とを備え、プロセスガスを供給部４からガス整流板２０を介してチャンバ１内を流下させ、下方のサセプタ７上の半導体基板６表面に結晶膜を形成する成膜装置５０において、ライナ２は、ガス整流板２０側の頭部３１と胴部３２との間に頭部３１および胴部３２より内径の小さい括れ部分３３を有し、さらに、ライナ２の括れ部分３４には、括れ部分３４の周囲を囲むように伝熱リング４０を配置して、伝熱リング４０を介してライナ２の熱をチャンバ１に伝えるようにする。
【解決手段】チャンバ１の頂部にプロセスガスの供給部４、内部に半導体基板６を載置する回転可能なサセプタ７、内部の供給部４とサセプタ７との間にガス整流板２０、およびチャンバ内壁を被覆する筒状のライナ２とを備え、プロセスガスを供給部４からガス整流板２０を介してチャンバ１内を流下させ、下方のサセプタ７上の半導体基板６表面に結晶膜を形成する成膜装置５０において、ライナ２は、ガス整流板２０側の頭部３１と胴部３２との間に頭部３１および胴部３２より内径の小さい括れ部分３３を有し、さらに、ライナ２の括れ部分３４には、括れ部分３４の周囲を囲むように伝熱リング４０を配置して、伝熱リング４０を介してライナ２の熱をチャンバ１に伝えるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造には、エピタキシャル成長技術が活用されている。
【０００３】
エピタキシャル成長技術に使用される気相成長方法は、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））、或いは減圧に保持する。そして、半導体基板を加熱しながら、シリコン源となる原料ガスに、ボロン系のジボラン（Ｂ２Ｈ６）、リン系のホスフィン（ＰＨ３）、砒素系のアルシン（ＡｓＨ３）等のドーパントガスを混合したプロセスガスを気相成長反応炉内に供給する。そして、所定の温度以上に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）がドープされた気相成長膜が成膜されることにより行なわれる。
【０００４】
膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェハ等半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、従来の成膜装置においては、例えば、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図４は、エピタキシャル成長技術を用いる従来の成膜装置の構成を説明する模式的な断面図である。
【０００６】
図４に示す従来の成膜装置１００において、１０１はチャンバ、１０２はチャンバ内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ、１０３a、１０３ｂはチャンバを冷却する冷却水の流路、１０４はプロセスガス１２５を導入する供給部、１０５は反応後のプロセスガスの排気部、１０６は気相成長を行うウェハ等の半導体基板、１０７は半導体基板１０６を支持するサセプタ、１０８は図示しない支持部に支持されて半導体基板１０６を加熱するヒータ、１０９はチャンバ１０１の上下部を連結するフランジ部、１１０はフランジ部１０９をシールするパッキン、１１１は排気部１０５と配管を連結するフランジ部、１１２はフランジ部１１１をシールするパッキンである。
【０００７】
そして、ライナ１０２は通常、石英製であり、透明性を備える。そして、その開口する頭部には、半導体基板１０６の表面に対してプロセスガス１２５を均一に供給するためのガス整流板であるシャワープレート１２０が取り付けられている。
【０００８】
上述の従来の成膜装置では、チャンバ１０１内で半導体基板１０６を支持し、回転機構（図示せず）を設けたサセプタ１０７により回転させながら、ヒータ１０８により１０００℃以上に加熱する。この状態でチャンバ１０１内に反応性ガスを含むプロセスガス１２５を、供給部１０４からシャワープレート１２０の貫通孔１２１を介して供給する。そして、半導体基板１０６表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行われ、半導体基板１０６表面に結晶膜を形成する。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは、変性された生成ガスとなり、プロセスガス１２５とともにチャンバ１０１下部に設けられた排気部１０５から逐次排気される。
【０００９】
また、チャンバ１０１のフランジ部１０９と、排気部１０５のフランジ部１１１にはシールのためにパッキン１１０、１１２を用いている。パッキン１１０、１１２はフッ素ゴム製で、耐熱温度は約３００℃である。そのため、チャンバ１０１外周にはパッキン１１０、１１２を熱で劣化させないための冷却水を循環させる流路１０３a、１０３ｂを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１０８９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このとき、気相成長法を用いた成膜装置において、膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりかつ高いスループットで製造するには、上述のように、均一に加熱されたウェハ等半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に高効率で接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、従来の成膜装置においては、例えば、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われているが、別の方法として、プロセスガスの供給において装置の改善が必要とされている。
【００１２】
すなわち、図４に示す従来の成膜装置１００においては、具備するライナ１０２が、シャワープレート１２０を支持する頭部開口部から、半導体基板１０６を支持するサセプタ１０７の設けられた胴部にかけて、同じ内径の中空筒状の構造を有している。このとき、供給部１０４から供給されるプロセスガス１２５をサセプタ１０７上の半導体基板１０６上に、均一に供給できるよう、シャワープレート１２０の貫通孔１２１の配置は、シャワープレート１２０の、支持するライナ１０２頭部の開口部より狭い領域、すなわち、半導体基板１０６に対応する領域内にあるように選択されている。
【００１３】
従って、プロセスガス１２５をシャワープレート１２０の貫通孔１２１を介して半導体基板１０６表面に供給しようとする場合、プロセスガス１２５の一部は、貫通孔１２１を出た後、ライナ１０２内で周囲の空間に拡散してしまい、そのまま、半導体基板１０６表面に到達することなく、その周囲をすり抜け、反応に関与することなくチャンバ１０１外に排出されてしまうことになる。従って、プロセスガス１２５の一部は無駄となり、高効率で高速の気相成長反応は実現できないこととなる。
【００１４】
図５は、エピタキシャル成長技術を用いる別の成膜装置の要部構成を模式的に説明する断面図である。
【００１５】
図５に示す成膜装置２００においては、チャンバ２０１内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ２０２の形状が成膜装置１００のものと比べ改善されている。すなわち、ライナ２０２では、シャワープレート２２０を支持する頭部２３１と、内部に半導体基板２０６が支持されるサセプタ２０７が設けられた胴部２３２との間に、頭部２３１および胴部２３２より内径の小さい部分、すなわち括れ部分２３３が形成されている。
【００１６】
この括れ部分２３３の内径は、シャワープレート２２０の貫通孔２２１の配置と半導体基板２０６の大きさに対応するように決められている。よって、シャワープレート２２０の貫通孔２２１を出た後、プロセスガス２２５が拡散する無駄な空間が無くなっており、シャワープレート２２０から供給されるプロセスガスが無駄なく、効率良く半導体基板２０６表面に集められるように構成されている。このようにライナ２０２形状を改善することにより、半導体基板２０６表面での高効率で高速の気相成長反応が実現できることとなる。
【００１７】
しかしながら、ここで一つの問題が発生することがわかっている。すなわち、ヒータ２０８からの輻射熱は、半導体基板２０６だけでなく、気相成長装置２００を構成する部材全てに伝わり、昇温させる。特に、半導体基板２０６やヒータ２０８のような高温部分の近傍において顕著である。
このため、半導体基板２０６やヒータ２０８に近いライナ２０２の括れ部分２３３には、相対的な高温部分が生じる。特に、半導体基板２０６に近い、ライナ２０２の括れ部分２３３の角部２３４で温度が高くなる。
【００１８】
チャンバ２０１内面のライナ２０２上に生じた相対的な高温部分にプロセスガスが接触すると、半導体基板２０６の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が起きる。すると、チャンバ２０１内のライナ２０２の括れ部分２３３の角部２３４には、プロセスガス２２５に由来するシリコン結晶が生成されてしまう。
【００１９】
ここで生成されるシリコン結晶は、半導体基板２０６表面に成膜される気相成長膜と略同質である。こうしたシリコン結晶の形成は、ライナ２０２に求められる透明性を失わせることになる。こうしたライナ２０２の失透は、例えばフッ酸を用いた洗浄により回復させることができるが、形成されたシリコン結晶を完全に除去するのは容易ではなく、シリコン結晶の塊は、成膜装置２００の稼動に伴う昇温、降温が繰り返されることで欠片が剥離し、チャンバ２０１内にパーティクルとして滞留する。そして、後に生産される半導体基板に成膜される気相成長膜を汚染し、品質を低下させる要因となる。
【００２０】
よって、成膜装置２００を継続的に稼動させるためには、上述したシリコン結晶を除去し、チャンバ２０１内を清浄に保持しなければならない。そのためには、定期的に成膜装置２００の稼動を停止し、チャンバ２０１のメンテナンスを行なう必要がある。このメンテナンス作業は、チャンバ２０１内を洗浄する等の作業を行なうだけでなく、再度稼動するための環境を整えることが必須となるため、相応の時間を要する。例えば、内部の洗浄が完了したチャンバ２０１を、外気によってパーティクル汚染させないことに留意した慎重な作業や、組み立て直したチャンバ２０１を所定の真空度に調整することには、相応の時間と労力を要する。
【００２１】
したがって、パーティクルを除去するメンテナンス作業を定期的に行なう必要性がある成膜装置２００は、稼働率をある一定以上に向上させることができなかった。
このように、成膜装置２００には、生産される半導体基板の品質に対する問題と、品質維持に必要な作業等のために生じる稼働率の低下という問題があった。
【００２２】
本発明は、かかる問題点を克服し、気相成長による成膜前のプロセスガスおよび成膜後のプロセスガスによるチャンバ内への副生成物の生成を抑止し、生産する半導体基板の品質および稼働率を従来よりも向上させることができる成膜装置、およびこれを用いた成膜方法を提供するものである。
【００２３】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の成膜装置は、チャンバと、チャンバの頂部に設けられたプロセスガスの供給部と、チャンバの底部に設けられた排気部と、チャンバの胴部に設けられ、基板が載置されるサセプタと、チャンバの内部で供給部とサセプタとの間に設けられたガス整流板と、チャンバの内壁を被覆する筒状のライナとを有する。そして、ライナは、ガス整流板とサセプタとの間に頭部および胴部より内径の小さい括れ部分を有し、括れ部分には、その周囲を囲むように伝熱リングが設けられていることを特徴とする。
【００２５】
伝熱リングは、分離可能な二つの略半リング形状のリング部を組み合わせて構成されることが好ましい。
【００２６】
伝熱リングは、炭化珪素（ＳｉＣ）、カーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）よりなる群から選択された１以上の材料により構成されることが好ましい。
【００２７】
チャンバには冷却手段が設けられていることが好ましい。
【００２８】
本発明の成膜方法では、チャンバを冷却しながらプロセスガスをチャンバの頂部から流下し、サセプタ上に載置した基板を加熱しつつ基板にプロセスガスを接触させて所定の膜を形成する。そして、チャンバの内壁を被覆するライナに、サセプタが配設される胴部より上方に括れ部分を設け、プロセスガスを括れ部分を通って基板に到達させるとともに、括れ部分を囲むように伝熱リングを配置し、伝熱リングによりライナの熱をチャンバに伝えてライナの過熱を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の成膜装置によれば、成膜処理の際にチャンバ内壁に副生成物が発生するのを抑制することができる。したがって、成膜装置の稼働率を向上することができる。また、成膜処理時のプロセス条件の安定化が図れるので、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。
【００３０】
また、本発明の成膜装置によれば、伝熱リングを分離可能な二つの略半リング形状のリング部を組み合わせて構成することにより、ライナの括れ部分に容易に取り付けたり、取り外したりことができる。したがって、成膜装置のメンテナンス作業を容易にすることが可能となる。
【００３１】
さらに、本発明の成膜装置によれば、伝熱リングを炭化珪素（ＳｉＣ）、カーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）よりなる群から選択された１以上の材料により構成することにより、高温条件下に置かれても熱的安定性の高い伝熱リングとすることができる。したがって、基板を高温で加熱しながら行う気相成長反応時においてもチャンバ内を汚染から防止することが可能となる。
【００３２】
本発明の成膜方法によれば、成膜処理の際にチャンバ内壁に副生成物が発生するのを抑制することができる。また、成膜処理時のプロセス条件の安定化が図れるので、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。
【図２】本実施の形態の成膜装置の部品である伝熱リングの平面図である。
【図３】本実施の形態の成膜装置の部品である伝熱リングの側面図である。
【図４】エピタキシャル成長技術を用いる従来の成膜装置の構成を説明する模式的な断面図である。
【図５】エピタキシャル成長技術を用いる別の成膜装置の要部構成を模式的に説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。
【００３５】
図１に示すように、本実施の形態の成膜装置５０は、チャンバ１と、チャンバ１内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ２と、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３a、３ｂと、プロセスガス２５を導入する供給部４と、反応後のプロセスガスを排気する排気部５と、後述の半導体基板６を載置してこれを支持する回転式のサセプタ７と、図示しない支持部に支持されて半導体基板６を加熱するヒータ８と、チャンバ１の上下部を連結するフランジ部９、フランジ部９をシールするパッキン１０と、排気部５と配管を連結するフランジ部１１と、フランジ部１１をシールするパッキン１２とからなる。
【００３６】
そして、サセプタ７上には、気相成長を行うウェハ等の半導体基板６が載置される。この半導体基板６を支持するサセプタ７はサセプタ支持部７ａを介して図示されない回転機構に接続されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６を高速に回転する。
【００３７】
また、ライナ２は石英製であり、透明性を備え、その開口する頭部には、半導体基板６の表面に対してプロセスガス２５を均一に供給するためのガス整流板であるシャワープレート２０が取り付けられている。このシャワープレート２０には、プロセスガス２５を供給するための貫通孔２１が複数個設けられている。
【００３８】
なお、ライナ２の配設については、一般に、成膜装置のチャンバの壁がステンレス製であることによる。すなわち、成膜装置５０では、このステンレス製の壁を気相反応系内に露出させないように、ライナ２で全面を被覆している。これは、半導体基板６表面の結晶膜形成時のパーティクルや金属汚染、あるいはチャンバ１のステンレス製の壁の侵食を防ぐ効果がある。
【００３９】
そして、成膜装置５０の具備するライナ２においては、シャワープレート２０を支持する頭部３１と半導体基板６が支持されるサセプタ７が設けられた胴部３２との間に、頭部３１および胴部３２より内径の小さい部分、すなわち括れ部分３３が形成されている。
【００４０】
この括れ部分３３の内径は、シャワープレート２０の貫通孔２１の配置と半導体基板６の大きさに対応するように決められている。よって、シャワープレート２０の貫通孔２１を出た後、プロセスガス２５が拡散する無駄な空間が無くなっており、シャワープレート２０から供給されるプロセスガス２５が無駄なく、効率良く半導体基板６表面に集められるように構成されている。このような形状にライナ２をすることにより、成膜装置５０においては、半導体基板６表面での高効率で高速の気相成長反応が実現できることとなる。
【００４１】
そして、本実施の形態である成膜装置５０では、上述のライナ２の括れ部分３３において、その括れ部分３３の周囲を取り囲むようにリング状の伝熱リング４０が設けられている。
【００４２】
図２は、本実施の形態である成膜装置５０の部品である伝熱リング４０の平面図である。
【００４３】
伝熱リング４０は、上述のように所定の厚みを有したリング状である。そして、概略半分の大きさで分離可能となるよう、２つの略半リング状のリング部４０a、４０ｂを組み合わせて構成されている。そして、これら二つのリング部４０a、４０ｂを組み合わせてリング形状を完成することにより、ライナ２の括れ部分３３の周囲を取り囲むよう配置することが可能となる。
【００４４】
そして特に、半導体基板６に近いために、気相成長反応中、周囲に比べ相対的に高温となっているライナ２の括れ部分３３の角部３４の近傍に、伝熱リング４０の内壁部分近傍が位置するように構成されている。一方、伝熱リング４０の外壁部分は、チャンバ１の内壁に近接するか、もしくは実際に接触するように構成されている。
【００４５】
そして、伝熱リング４０は、耐熱性と比較的高い熱伝導性を有する材料から構成される。特に、高温の条件下に置かれても、チャンバ１内を不純物で汚染することがない材料が選択される。具体的には、炭化珪素（ＳｉＣ）やカーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）などの高耐熱材料から構成することが可能である。
【００４６】
また、図３は、伝熱リング４０の側面図であるが、伝熱リング４０は、概略半分の大きさで互いに分離可能なように、２つの半リング状のリング部４０a、４０ｂから構成されている。そして、それぞれの先端部分が噛み合うようにして一つの伝熱リング４０を構成している。このとき、熱膨張による伝熱リング４０の破損を防止するため、リング部４０a、４０ｂが噛み合わされた際にも互いのリング部４０a、４０ｂの間に若干の隙間ができるように構成されている。
なお、伝熱リング４０の構造については、図３に示された構造に限るものではない。すなわち、図３に示したように２つの半リング状のリング部それぞれの先端部分が噛み合うような構造をとらず、先端部分について別の組み合わせ構造をとることも可能である。例えば、２つの半リング状のリング部それぞれについて、一つのリングを単に半分に切断したような構造とし、その切断部分を組み合わせて一つの伝熱リングとするように構成することも可能である。
【００４７】
なお、チャンバ１のフランジ部９と、排気部５のフランジ部１１には上述のようにシールのためにパッキン１０、１２を用いている。このパッキン１０、１２はフッ素ゴム製であり、耐熱温度は約３００℃である。従って、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３a、３ｂは、パッキン１０、１２を熱で劣化させることを防止でき、特に有効である。
【００４８】
以上の構成を有する本実施の形態の成膜装置５０においては、チャンバ１内で半導体基板６を支持し、回転機構（図示せず）に接続されたサセプタ７により回転させながら、ヒータ８により１０００℃以上に加熱する。この状態でチャンバ１内に反応性ガスを含むプロセスガス２５を、供給部４からシャワープレート２０の貫通孔２１を介して、供給する。そして、半導体基板６表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行われ、半導体基板６表面に結晶膜を形成する。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは、変性された生成ガスとなり、プロセスガス２５とともにチャンバ１下部に設けられた排気部５から逐次排気される。
【００４９】
このとき、伝熱リング４０の作用について説明する。伝熱リングを具備しない装置構成に対応する、図５に示された成膜装置２００では、ヒータ２０８からの熱がライナ２０２に到達する。ライナ２０２は石英製であり、ライナ２０２に吸収されるのは到達する熱の一部であって、ほとんどの部分はライナ２０２を透過する。そして、透過した熱は、冷却水の流路２０３a、２０３ｂが配設されて冷却されたチャンバ２０１により冷却されてしまう。
【００５０】
しかし、一部であってもライナ２０２に吸収された熱はライナ２０２の温度を上昇させる。そして、そうした熱吸収の機会が多くなる、ヒータ２０８に近いライナ２０２の括れ部分２３３においては、熱吸収とそれに伴う温度上昇が無視できないレベルに達する。具体的には、ヒータ２０８によりサセプタ２０７上に載置された半導体基板２０６を１０００℃程度に加熱しようとすると、ライナ２０２の括れ部分２３３の角部２３４近傍は７００℃を超える温度に達する場合がある。
【００５１】
このような状況においては、ライナ２０２の括れ部分２３３で望まない気相成長反応が発生し、上述したライナ２０２の失透やシリコン結晶の形成という問題が発生してしまう。
【００５２】
一方、本実施の形態である成膜装置５０では、ライナ２の括れ部分３３に、その周囲を取り囲むよう、リング状の伝熱リング４０が設けられている。この伝熱リング４０は、加熱したライナ２の熱を吸収して冷却水で冷却されたチャンバ１の壁に伝え、ライナ２を冷却する。そして特に、伝熱リング４０の配置された、その括れ部分３３を冷却する。
【００５３】
加えて、伝熱リング４０は、加熱されたライナ２から発せられて伝熱リング４０に伝えられた熱の一部を反射する。反射された熱の一部は、ライナ２を透過してライナ２内部側に戻る。その結果、ライナ２の内部にある半導体基板６を加熱することとなる。すなわち、伝熱リング４０はライナ２の熱を吸収してこれを冷却するものの、一部をライナ２内部に反射して戻すことから、伝熱リング４０の配置によって、ライナ２内部に置かれた半導体基板６を冷却してしまうことはほとんど無い。
【００５４】
次に、本実施の形態である上述の成膜装置を使用した成膜方法について説明する。
【００５５】
本実施の形態である成膜方法においては、成膜装置５０を使用し、そのチャンバ１外周に設けた冷却水の流路３a、３ｂによりチャンバ１を冷却しながら、プロセスガス２５をチャンバ１の頂部に設けられた供給部４からガス整流板であるシャワープレート２０の貫通孔２１を介して流下させ、下方に配設された回転式のサセプタ７上に載置した半導体基板６を加熱するとともにプロセスガス２５を接触させ、半導体基板６表面に結晶膜を形成する。
【００５６】
このとき、成膜装置５０のチャンバ１の内壁には、これを被覆する中空筒状のライナ２が設けられており、このチャンバ１の内壁を被覆するライナ２には、内部にサセプタ７が配設される胴部より上方に括れ部分３３が設けられている。その結果、上述のように、プロセスガス２５はこの括れ部分３３を通って効率良くサセプタ７上の半導体基板６に到達する。そしてさらに、ライナ２の括れ部分３３にはその周囲を囲むように伝熱リング４０が配置されている。従って、この伝熱リング４０によりライナ２の熱を、冷却されたチャンバ１に伝え、ライナ２の過熱を抑制しながら半導体基板６表面に結晶膜を形成することができる。
【００５７】
半導体基板６としては、例えば、シリコンウェハ、特にパワー半導体などの用途で使用される３００mmのシリコンウェハなどを挙げることができる。このとき、例えば、パワー半導体の用途では、３００mmのシリコンウェハ上に１０μm以上、多くは１０μm〜１００μm程度の厚膜が形成される。
【００５８】
また、供給部４からチャンバ１に供給するプロセスガス２５の供給流量の設定は、例えばキャリアガス：Ｈ２を２０〜１００ＳＬＭ（Standard Liter per Minutes・標準リットル毎分）、反応性ガス：ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を５０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minutes・標準cc毎分）〜２ＳＬＭと設定し、その他のドーパントガス：ジボラン（Ｂ２Ｈ６）またはホスフィン（ＰＨ３）を微量だけ加えるよう設定する。そのようにジボランを導入すればｐ型、ホスフィンを導入すればｎ型の導電性を示す膜が形成される。そしてチャンバ１内の圧力を例えば１３３３Ｐａ〜常圧に制御する。以上の条件を満たし、チャンバ１内で半導体基板６上の気相成長を開始する。
【００５９】
また、半導体基板６を支持するサセプタ７は、サセプタ支持部７ａを介して回転機構に接続されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６を高速に回転する。そして、厚膜を形成する場合、成膜時において半導体基板６の回転数を特に高くするのがよく、例えば、９００rpm程度の回転数とするのがよい。
【００６０】
上述のプロセス条件で半導体基板６が気相成長反応を行う間、ヒータ８は半導体基板６を常に１０００℃以上に加熱している。そのため、チャンバ１内の温度は輻射熱によって全体的に高くなり、ヒータ８に接近したライナ２の括れ部分３３において特に顕著になる。
【００６１】
チャンバ１全体の温度があまりに高くなってしまうと、上述したライナ２の括れ部分３３での生成物の堆積や、上述のようにチャンバ１のフランジ部９をシールしているフッ素ゴム製のパッキン１０や、排気部５と排気配管を連結しているフランジ部１１のシールをしているパッキン１２を劣化させる。
【００６２】
そこで、パッキン１０、１２の劣化を抑制する目的においても、チャンバ１外周に設けた冷却水の流路３a、３ｂに水温約２０℃程度の冷却水を循環させ、熱の輻射を受けやすいチャンバ１、パッキン１０、１２などを冷却水の循環により冷却する。
【００６３】
加えて、上述のように、具備する伝熱リング４０の作用により、サセプタ７上の半導体基板６を冷却してしまうことがほとんどない程度に、ライナ２の括れ部分３３を冷却する。そして、括れ部分３３でのシリコン結晶の堆積を抑制しながら、成膜装置５０は稼動に良好な温度に保たれる。
また、このときの冷却手段は水以外でも良く、空気など、装置から効果的に熱を奪うことが出来るものであれば良い。
【００６４】
以上のように、本実施の形態である成膜装置およびそれを用いた成膜方法では、従来から問題となっていたチャンバ内におけるライナ上に生じる副生成物の堆積を抑制し、メンテナンスの頻度を低減させることによりメンテナンス作業の労力を軽減させるとともに、装置の稼働率を向上させることが出来る。ひいては、プロセス条件を安定化させることにより高品質のウェハ等半導体基板を生産可能にする。
【００６５】
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できる。
【００６６】
すなわち、本発明の成膜装置の一例として、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、シリコンウェハ表面に所定の結晶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成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００６７】
さらに、装置の構成や制御の手法など、本発明に直接必要としない部分など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、制御の手法などを適宜選択して用いることができる。
【００６８】
また、本発明を説明するために示した図において、説明のために必要な構成以外は省略し、縮尺等に就いても原寸大のものとは一致させず、明確に視認できるよう適宜変更した。
【００６９】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての気相成長装置および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７０】
１、１０１、２０１ チャンバ
２、１０２、２０２ ライナ
３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ 流路
４、１０４ 供給部
５、１０５ 排気部
６、１０６、２０６ 半導体基板
７、１０７、２０７ サセプタ
７a サセプタ支持部
８、１０８、２０８ ヒータ
９、１１、１０９、１１１ フランジ部
１０、１２、１１０、１１２ パッキン
２０、１２０、２２０ シャワープレート
２１、１２１、２２１ 貫通孔
２５、１２５，２２５ プロセスガス
３１、２３１ 頭部
３２、２３２ 胴部
３３、２３３ 括れ部分
３４、２３４ 角部
４０ 伝熱リング
４０ａ、４０ｂ リング部
５０、１００、２００ 成膜装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造には、エピタキシャル成長技術が活用されている。
【０００３】
エピタキシャル成長技術に使用される気相成長方法は、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））、或いは減圧に保持する。そして、半導体基板を加熱しながら、シリコン源となる原料ガスに、ボロン系のジボラン（Ｂ２Ｈ６）、リン系のホスフィン（ＰＨ３）、砒素系のアルシン（ＡｓＨ３）等のドーパントガスを混合したプロセスガスを気相成長反応炉内に供給する。そして、所定の温度以上に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）がドープされた気相成長膜が成膜されることにより行なわれる。
【０００４】
膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェハ等半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、従来の成膜装置においては、例えば、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図４は、エピタキシャル成長技術を用いる従来の成膜装置の構成を説明する模式的な断面図である。
【０００６】
図４に示す従来の成膜装置１００において、１０１はチャンバ、１０２はチャンバ内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ、１０３a、１０３ｂはチャンバを冷却する冷却水の流路、１０４はプロセスガス１２５を導入する供給部、１０５は反応後のプロセスガスの排気部、１０６は気相成長を行うウェハ等の半導体基板、１０７は半導体基板１０６を支持するサセプタ、１０８は図示しない支持部に支持されて半導体基板１０６を加熱するヒータ、１０９はチャンバ１０１の上下部を連結するフランジ部、１１０はフランジ部１０９をシールするパッキン、１１１は排気部１０５と配管を連結するフランジ部、１１２はフランジ部１１１をシールするパッキンである。
【０００７】
そして、ライナ１０２は通常、石英製であり、透明性を備える。そして、その開口する頭部には、半導体基板１０６の表面に対してプロセスガス１２５を均一に供給するためのガス整流板であるシャワープレート１２０が取り付けられている。
【０００８】
上述の従来の成膜装置では、チャンバ１０１内で半導体基板１０６を支持し、回転機構（図示せず）を設けたサセプタ１０７により回転させながら、ヒータ１０８により１０００℃以上に加熱する。この状態でチャンバ１０１内に反応性ガスを含むプロセスガス１２５を、供給部１０４からシャワープレート１２０の貫通孔１２１を介して供給する。そして、半導体基板１０６表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行われ、半導体基板１０６表面に結晶膜を形成する。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは、変性された生成ガスとなり、プロセスガス１２５とともにチャンバ１０１下部に設けられた排気部１０５から逐次排気される。
【０００９】
また、チャンバ１０１のフランジ部１０９と、排気部１０５のフランジ部１１１にはシールのためにパッキン１１０、１１２を用いている。パッキン１１０、１１２はフッ素ゴム製で、耐熱温度は約３００℃である。そのため、チャンバ１０１外周にはパッキン１１０、１１２を熱で劣化させないための冷却水を循環させる流路１０３a、１０３ｂを設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１０８９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このとき、気相成長法を用いた成膜装置において、膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりかつ高いスループットで製造するには、上述のように、均一に加熱されたウェハ等半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に高効率で接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、従来の成膜装置においては、例えば、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われているが、別の方法として、プロセスガスの供給において装置の改善が必要とされている。
【００１２】
すなわち、図４に示す従来の成膜装置１００においては、具備するライナ１０２が、シャワープレート１２０を支持する頭部開口部から、半導体基板１０６を支持するサセプタ１０７の設けられた胴部にかけて、同じ内径の中空筒状の構造を有している。このとき、供給部１０４から供給されるプロセスガス１２５をサセプタ１０７上の半導体基板１０６上に、均一に供給できるよう、シャワープレート１２０の貫通孔１２１の配置は、シャワープレート１２０の、支持するライナ１０２頭部の開口部より狭い領域、すなわち、半導体基板１０６に対応する領域内にあるように選択されている。
【００１３】
従って、プロセスガス１２５をシャワープレート１２０の貫通孔１２１を介して半導体基板１０６表面に供給しようとする場合、プロセスガス１２５の一部は、貫通孔１２１を出た後、ライナ１０２内で周囲の空間に拡散してしまい、そのまま、半導体基板１０６表面に到達することなく、その周囲をすり抜け、反応に関与することなくチャンバ１０１外に排出されてしまうことになる。従って、プロセスガス１２５の一部は無駄となり、高効率で高速の気相成長反応は実現できないこととなる。
【００１４】
図５は、エピタキシャル成長技術を用いる別の成膜装置の要部構成を模式的に説明する断面図である。
【００１５】
図５に示す成膜装置２００においては、チャンバ２０１内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ２０２の形状が成膜装置１００のものと比べ改善されている。すなわち、ライナ２０２では、シャワープレート２２０を支持する頭部２３１と、内部に半導体基板２０６が支持されるサセプタ２０７が設けられた胴部２３２との間に、頭部２３１および胴部２３２より内径の小さい部分、すなわち括れ部分２３３が形成されている。
【００１６】
この括れ部分２３３の内径は、シャワープレート２２０の貫通孔２２１の配置と半導体基板２０６の大きさに対応するように決められている。よって、シャワープレート２２０の貫通孔２２１を出た後、プロセスガス２２５が拡散する無駄な空間が無くなっており、シャワープレート２２０から供給されるプロセスガスが無駄なく、効率良く半導体基板２０６表面に集められるように構成されている。このようにライナ２０２形状を改善することにより、半導体基板２０６表面での高効率で高速の気相成長反応が実現できることとなる。
【００１７】
しかしながら、ここで一つの問題が発生することがわかっている。すなわち、ヒータ２０８からの輻射熱は、半導体基板２０６だけでなく、気相成長装置２００を構成する部材全てに伝わり、昇温させる。特に、半導体基板２０６やヒータ２０８のような高温部分の近傍において顕著である。
このため、半導体基板２０６やヒータ２０８に近いライナ２０２の括れ部分２３３には、相対的な高温部分が生じる。特に、半導体基板２０６に近い、ライナ２０２の括れ部分２３３の角部２３４で温度が高くなる。
【００１８】
チャンバ２０１内面のライナ２０２上に生じた相対的な高温部分にプロセスガスが接触すると、半導体基板２０６の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が起きる。すると、チャンバ２０１内のライナ２０２の括れ部分２３３の角部２３４には、プロセスガス２２５に由来するシリコン結晶が生成されてしまう。
【００１９】
ここで生成されるシリコン結晶は、半導体基板２０６表面に成膜される気相成長膜と略同質である。こうしたシリコン結晶の形成は、ライナ２０２に求められる透明性を失わせることになる。こうしたライナ２０２の失透は、例えばフッ酸を用いた洗浄により回復させることができるが、形成されたシリコン結晶を完全に除去するのは容易ではなく、シリコン結晶の塊は、成膜装置２００の稼動に伴う昇温、降温が繰り返されることで欠片が剥離し、チャンバ２０１内にパーティクルとして滞留する。そして、後に生産される半導体基板に成膜される気相成長膜を汚染し、品質を低下させる要因となる。
【００２０】
よって、成膜装置２００を継続的に稼動させるためには、上述したシリコン結晶を除去し、チャンバ２０１内を清浄に保持しなければならない。そのためには、定期的に成膜装置２００の稼動を停止し、チャンバ２０１のメンテナンスを行なう必要がある。このメンテナンス作業は、チャンバ２０１内を洗浄する等の作業を行なうだけでなく、再度稼動するための環境を整えることが必須となるため、相応の時間を要する。例えば、内部の洗浄が完了したチャンバ２０１を、外気によってパーティクル汚染させないことに留意した慎重な作業や、組み立て直したチャンバ２０１を所定の真空度に調整することには、相応の時間と労力を要する。
【００２１】
したがって、パーティクルを除去するメンテナンス作業を定期的に行なう必要性がある成膜装置２００は、稼働率をある一定以上に向上させることができなかった。
このように、成膜装置２００には、生産される半導体基板の品質に対する問題と、品質維持に必要な作業等のために生じる稼働率の低下という問題があった。
【００２２】
本発明は、かかる問題点を克服し、気相成長による成膜前のプロセスガスおよび成膜後のプロセスガスによるチャンバ内への副生成物の生成を抑止し、生産する半導体基板の品質および稼働率を従来よりも向上させることができる成膜装置、およびこれを用いた成膜方法を提供するものである。
【００２３】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の成膜装置は、チャンバと、チャンバの頂部に設けられたプロセスガスの供給部と、チャンバの底部に設けられた排気部と、チャンバの胴部に設けられ、基板が載置されるサセプタと、チャンバの内部で供給部とサセプタとの間に設けられたガス整流板と、チャンバの内壁を被覆する筒状のライナとを有する。そして、ライナは、ガス整流板とサセプタとの間に頭部および胴部より内径の小さい括れ部分を有し、括れ部分には、その周囲を囲むように伝熱リングが設けられていることを特徴とする。
【００２５】
伝熱リングは、分離可能な二つの略半リング形状のリング部を組み合わせて構成されることが好ましい。
【００２６】
伝熱リングは、炭化珪素（ＳｉＣ）、カーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）よりなる群から選択された１以上の材料により構成されることが好ましい。
【００２７】
チャンバには冷却手段が設けられていることが好ましい。
【００２８】
本発明の成膜方法では、チャンバを冷却しながらプロセスガスをチャンバの頂部から流下し、サセプタ上に載置した基板を加熱しつつ基板にプロセスガスを接触させて所定の膜を形成する。そして、チャンバの内壁を被覆するライナに、サセプタが配設される胴部より上方に括れ部分を設け、プロセスガスを括れ部分を通って基板に到達させるとともに、括れ部分を囲むように伝熱リングを配置し、伝熱リングによりライナの熱をチャンバに伝えてライナの過熱を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の成膜装置によれば、成膜処理の際にチャンバ内壁に副生成物が発生するのを抑制することができる。したがって、成膜装置の稼働率を向上することができる。また、成膜処理時のプロセス条件の安定化が図れるので、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。
【００３０】
また、本発明の成膜装置によれば、伝熱リングを分離可能な二つの略半リング形状のリング部を組み合わせて構成することにより、ライナの括れ部分に容易に取り付けたり、取り外したりことができる。したがって、成膜装置のメンテナンス作業を容易にすることが可能となる。
【００３１】
さらに、本発明の成膜装置によれば、伝熱リングを炭化珪素（ＳｉＣ）、カーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）よりなる群から選択された１以上の材料により構成することにより、高温条件下に置かれても熱的安定性の高い伝熱リングとすることができる。したがって、基板を高温で加熱しながら行う気相成長反応時においてもチャンバ内を汚染から防止することが可能となる。
【００３２】
本発明の成膜方法によれば、成膜処理の際にチャンバ内壁に副生成物が発生するのを抑制することができる。また、成膜処理時のプロセス条件の安定化が図れるので、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。
【図２】本実施の形態の成膜装置の部品である伝熱リングの平面図である。
【図３】本実施の形態の成膜装置の部品である伝熱リングの側面図である。
【図４】エピタキシャル成長技術を用いる従来の成膜装置の構成を説明する模式的な断面図である。
【図５】エピタキシャル成長技術を用いる別の成膜装置の要部構成を模式的に説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。
【００３５】
図１に示すように、本実施の形態の成膜装置５０は、チャンバ１と、チャンバ１内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ２と、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３a、３ｂと、プロセスガス２５を導入する供給部４と、反応後のプロセスガスを排気する排気部５と、後述の半導体基板６を載置してこれを支持する回転式のサセプタ７と、図示しない支持部に支持されて半導体基板６を加熱するヒータ８と、チャンバ１の上下部を連結するフランジ部９、フランジ部９をシールするパッキン１０と、排気部５と配管を連結するフランジ部１１と、フランジ部１１をシールするパッキン１２とからなる。
【００３６】
そして、サセプタ７上には、気相成長を行うウェハ等の半導体基板６が載置される。この半導体基板６を支持するサセプタ７はサセプタ支持部７ａを介して図示されない回転機構に接続されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６を高速に回転する。
【００３７】
また、ライナ２は石英製であり、透明性を備え、その開口する頭部には、半導体基板６の表面に対してプロセスガス２５を均一に供給するためのガス整流板であるシャワープレート２０が取り付けられている。このシャワープレート２０には、プロセスガス２５を供給するための貫通孔２１が複数個設けられている。
【００３８】
なお、ライナ２の配設については、一般に、成膜装置のチャンバの壁がステンレス製であることによる。すなわち、成膜装置５０では、このステンレス製の壁を気相反応系内に露出させないように、ライナ２で全面を被覆している。これは、半導体基板６表面の結晶膜形成時のパーティクルや金属汚染、あるいはチャンバ１のステンレス製の壁の侵食を防ぐ効果がある。
【００３９】
そして、成膜装置５０の具備するライナ２においては、シャワープレート２０を支持する頭部３１と半導体基板６が支持されるサセプタ７が設けられた胴部３２との間に、頭部３１および胴部３２より内径の小さい部分、すなわち括れ部分３３が形成されている。
【００４０】
この括れ部分３３の内径は、シャワープレート２０の貫通孔２１の配置と半導体基板６の大きさに対応するように決められている。よって、シャワープレート２０の貫通孔２１を出た後、プロセスガス２５が拡散する無駄な空間が無くなっており、シャワープレート２０から供給されるプロセスガス２５が無駄なく、効率良く半導体基板６表面に集められるように構成されている。このような形状にライナ２をすることにより、成膜装置５０においては、半導体基板６表面での高効率で高速の気相成長反応が実現できることとなる。
【００４１】
そして、本実施の形態である成膜装置５０では、上述のライナ２の括れ部分３３において、その括れ部分３３の周囲を取り囲むようにリング状の伝熱リング４０が設けられている。
【００４２】
図２は、本実施の形態である成膜装置５０の部品である伝熱リング４０の平面図である。
【００４３】
伝熱リング４０は、上述のように所定の厚みを有したリング状である。そして、概略半分の大きさで分離可能となるよう、２つの略半リング状のリング部４０a、４０ｂを組み合わせて構成されている。そして、これら二つのリング部４０a、４０ｂを組み合わせてリング形状を完成することにより、ライナ２の括れ部分３３の周囲を取り囲むよう配置することが可能となる。
【００４４】
そして特に、半導体基板６に近いために、気相成長反応中、周囲に比べ相対的に高温となっているライナ２の括れ部分３３の角部３４の近傍に、伝熱リング４０の内壁部分近傍が位置するように構成されている。一方、伝熱リング４０の外壁部分は、チャンバ１の内壁に近接するか、もしくは実際に接触するように構成されている。
【００４５】
そして、伝熱リング４０は、耐熱性と比較的高い熱伝導性を有する材料から構成される。特に、高温の条件下に置かれても、チャンバ１内を不純物で汚染することがない材料が選択される。具体的には、炭化珪素（ＳｉＣ）やカーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）などの高耐熱材料から構成することが可能である。
【００４６】
また、図３は、伝熱リング４０の側面図であるが、伝熱リング４０は、概略半分の大きさで互いに分離可能なように、２つの半リング状のリング部４０a、４０ｂから構成されている。そして、それぞれの先端部分が噛み合うようにして一つの伝熱リング４０を構成している。このとき、熱膨張による伝熱リング４０の破損を防止するため、リング部４０a、４０ｂが噛み合わされた際にも互いのリング部４０a、４０ｂの間に若干の隙間ができるように構成されている。
なお、伝熱リング４０の構造については、図３に示された構造に限るものではない。すなわち、図３に示したように２つの半リング状のリング部それぞれの先端部分が噛み合うような構造をとらず、先端部分について別の組み合わせ構造をとることも可能である。例えば、２つの半リング状のリング部それぞれについて、一つのリングを単に半分に切断したような構造とし、その切断部分を組み合わせて一つの伝熱リングとするように構成することも可能である。
【００４７】
なお、チャンバ１のフランジ部９と、排気部５のフランジ部１１には上述のようにシールのためにパッキン１０、１２を用いている。このパッキン１０、１２はフッ素ゴム製であり、耐熱温度は約３００℃である。従って、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３a、３ｂは、パッキン１０、１２を熱で劣化させることを防止でき、特に有効である。
【００４８】
以上の構成を有する本実施の形態の成膜装置５０においては、チャンバ１内で半導体基板６を支持し、回転機構（図示せず）に接続されたサセプタ７により回転させながら、ヒータ８により１０００℃以上に加熱する。この状態でチャンバ１内に反応性ガスを含むプロセスガス２５を、供給部４からシャワープレート２０の貫通孔２１を介して、供給する。そして、半導体基板６表面で熱分解反応或いは水素還元反応が行われ、半導体基板６表面に結晶膜を形成する。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは、変性された生成ガスとなり、プロセスガス２５とともにチャンバ１下部に設けられた排気部５から逐次排気される。
【００４９】
このとき、伝熱リング４０の作用について説明する。伝熱リングを具備しない装置構成に対応する、図５に示された成膜装置２００では、ヒータ２０８からの熱がライナ２０２に到達する。ライナ２０２は石英製であり、ライナ２０２に吸収されるのは到達する熱の一部であって、ほとんどの部分はライナ２０２を透過する。そして、透過した熱は、冷却水の流路２０３a、２０３ｂが配設されて冷却されたチャンバ２０１により冷却されてしまう。
【００５０】
しかし、一部であってもライナ２０２に吸収された熱はライナ２０２の温度を上昇させる。そして、そうした熱吸収の機会が多くなる、ヒータ２０８に近いライナ２０２の括れ部分２３３においては、熱吸収とそれに伴う温度上昇が無視できないレベルに達する。具体的には、ヒータ２０８によりサセプタ２０７上に載置された半導体基板２０６を１０００℃程度に加熱しようとすると、ライナ２０２の括れ部分２３３の角部２３４近傍は７００℃を超える温度に達する場合がある。
【００５１】
このような状況においては、ライナ２０２の括れ部分２３３で望まない気相成長反応が発生し、上述したライナ２０２の失透やシリコン結晶の形成という問題が発生してしまう。
【００５２】
一方、本実施の形態である成膜装置５０では、ライナ２の括れ部分３３に、その周囲を取り囲むよう、リング状の伝熱リング４０が設けられている。この伝熱リング４０は、加熱したライナ２の熱を吸収して冷却水で冷却されたチャンバ１の壁に伝え、ライナ２を冷却する。そして特に、伝熱リング４０の配置された、その括れ部分３３を冷却する。
【００５３】
加えて、伝熱リング４０は、加熱されたライナ２から発せられて伝熱リング４０に伝えられた熱の一部を反射する。反射された熱の一部は、ライナ２を透過してライナ２内部側に戻る。その結果、ライナ２の内部にある半導体基板６を加熱することとなる。すなわち、伝熱リング４０はライナ２の熱を吸収してこれを冷却するものの、一部をライナ２内部に反射して戻すことから、伝熱リング４０の配置によって、ライナ２内部に置かれた半導体基板６を冷却してしまうことはほとんど無い。
【００５４】
次に、本実施の形態である上述の成膜装置を使用した成膜方法について説明する。
【００５５】
本実施の形態である成膜方法においては、成膜装置５０を使用し、そのチャンバ１外周に設けた冷却水の流路３a、３ｂによりチャンバ１を冷却しながら、プロセスガス２５をチャンバ１の頂部に設けられた供給部４からガス整流板であるシャワープレート２０の貫通孔２１を介して流下させ、下方に配設された回転式のサセプタ７上に載置した半導体基板６を加熱するとともにプロセスガス２５を接触させ、半導体基板６表面に結晶膜を形成する。
【００５６】
このとき、成膜装置５０のチャンバ１の内壁には、これを被覆する中空筒状のライナ２が設けられており、このチャンバ１の内壁を被覆するライナ２には、内部にサセプタ７が配設される胴部より上方に括れ部分３３が設けられている。その結果、上述のように、プロセスガス２５はこの括れ部分３３を通って効率良くサセプタ７上の半導体基板６に到達する。そしてさらに、ライナ２の括れ部分３３にはその周囲を囲むように伝熱リング４０が配置されている。従って、この伝熱リング４０によりライナ２の熱を、冷却されたチャンバ１に伝え、ライナ２の過熱を抑制しながら半導体基板６表面に結晶膜を形成することができる。
【００５７】
半導体基板６としては、例えば、シリコンウェハ、特にパワー半導体などの用途で使用される３００mmのシリコンウェハなどを挙げることができる。このとき、例えば、パワー半導体の用途では、３００mmのシリコンウェハ上に１０μm以上、多くは１０μm〜１００μm程度の厚膜が形成される。
【００５８】
また、供給部４からチャンバ１に供給するプロセスガス２５の供給流量の設定は、例えばキャリアガス：Ｈ２を２０〜１００ＳＬＭ（Standard Liter per Minutes・標準リットル毎分）、反応性ガス：ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を５０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minutes・標準cc毎分）〜２ＳＬＭと設定し、その他のドーパントガス：ジボラン（Ｂ２Ｈ６）またはホスフィン（ＰＨ３）を微量だけ加えるよう設定する。そのようにジボランを導入すればｐ型、ホスフィンを導入すればｎ型の導電性を示す膜が形成される。そしてチャンバ１内の圧力を例えば１３３３Ｐａ〜常圧に制御する。以上の条件を満たし、チャンバ１内で半導体基板６上の気相成長を開始する。
【００５９】
また、半導体基板６を支持するサセプタ７は、サセプタ支持部７ａを介して回転機構に接続されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６を高速に回転する。そして、厚膜を形成する場合、成膜時において半導体基板６の回転数を特に高くするのがよく、例えば、９００rpm程度の回転数とするのがよい。
【００６０】
上述のプロセス条件で半導体基板６が気相成長反応を行う間、ヒータ８は半導体基板６を常に１０００℃以上に加熱している。そのため、チャンバ１内の温度は輻射熱によって全体的に高くなり、ヒータ８に接近したライナ２の括れ部分３３において特に顕著になる。
【００６１】
チャンバ１全体の温度があまりに高くなってしまうと、上述したライナ２の括れ部分３３での生成物の堆積や、上述のようにチャンバ１のフランジ部９をシールしているフッ素ゴム製のパッキン１０や、排気部５と排気配管を連結しているフランジ部１１のシールをしているパッキン１２を劣化させる。
【００６２】
そこで、パッキン１０、１２の劣化を抑制する目的においても、チャンバ１外周に設けた冷却水の流路３a、３ｂに水温約２０℃程度の冷却水を循環させ、熱の輻射を受けやすいチャンバ１、パッキン１０、１２などを冷却水の循環により冷却する。
【００６３】
加えて、上述のように、具備する伝熱リング４０の作用により、サセプタ７上の半導体基板６を冷却してしまうことがほとんどない程度に、ライナ２の括れ部分３３を冷却する。そして、括れ部分３３でのシリコン結晶の堆積を抑制しながら、成膜装置５０は稼動に良好な温度に保たれる。
また、このときの冷却手段は水以外でも良く、空気など、装置から効果的に熱を奪うことが出来るものであれば良い。
【００６４】
以上のように、本実施の形態である成膜装置およびそれを用いた成膜方法では、従来から問題となっていたチャンバ内におけるライナ上に生じる副生成物の堆積を抑制し、メンテナンスの頻度を低減させることによりメンテナンス作業の労力を軽減させるとともに、装置の稼働率を向上させることが出来る。ひいては、プロセス条件を安定化させることにより高品質のウェハ等半導体基板を生産可能にする。
【００６５】
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できる。
【００６６】
すなわち、本発明の成膜装置の一例として、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、シリコンウェハ表面に所定の結晶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成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００６７】
さらに、装置の構成や制御の手法など、本発明に直接必要としない部分など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、制御の手法などを適宜選択して用いることができる。
【００６８】
また、本発明を説明するために示した図において、説明のために必要な構成以外は省略し、縮尺等に就いても原寸大のものとは一致させず、明確に視認できるよう適宜変更した。
【００６９】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての気相成長装置および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７０】
１、１０１、２０１ チャンバ
２、１０２、２０２ ライナ
３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ 流路
４、１０４ 供給部
５、１０５ 排気部
６、１０６、２０６ 半導体基板
７、１０７、２０７ サセプタ
７a サセプタ支持部
８、１０８、２０８ ヒータ
９、１１、１０９、１１１ フランジ部
１０、１２、１１０、１１２ パッキン
２０、１２０、２２０ シャワープレート
２１、１２１、２２１ 貫通孔
２５、１２５，２２５ プロセスガス
３１、２３１ 頭部
３２、２３２ 胴部
３３、２３３ 括れ部分
３４、２３４ 角部
４０ 伝熱リング
４０ａ、４０ｂ リング部
５０、１００、２００ 成膜装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバの頂部に設けられたプロセスガスの供給部と、
前記チャンバの底部に設けられた排気部と、
前記チャンバの胴部に設けられ、基板が載置されるサセプタと、
前記チャンバの内部で前記供給部と前記サセプタとの間に設けられたガス整流板と、
前記チャンバの内壁を被覆する筒状のライナとを有し、
前記ライナは、前記ガス整流板と前記サセプタとの間に前記頭部および前記胴部より内径の小さい括れ部分を有し、
前記括れ部分には、その周囲を囲むように伝熱リングが設けられていることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記伝熱リングは、分離可能な二つの略半リング形状のリング部を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記伝熱リングは、炭化珪素（ＳｉＣ）、カーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）よりなる群から選択された１以上の材料により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記チャンバには冷却手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項５】
チャンバを冷却しながらプロセスガスを前記チャンバの頂部から流下し、サセプタ上に載置した基板を加熱しつつ前記基板に前記プロセスガスを接触させて所定の膜を形成する成膜方法において、
前記チャンバの内壁を被覆するライナに、前記サセプタが配設される胴部より上方に括れ部分を設け、前記プロセスガスを前記括れ部分を通って前記基板に到達させるとともに、前記括れ部分を囲むように伝熱リングを配置し、前記伝熱リングにより前記ライナの熱を前記チャンバに伝えて前記ライナの過熱を抑制することを特徴とする成膜方法。
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバの頂部に設けられたプロセスガスの供給部と、
前記チャンバの底部に設けられた排気部と、
前記チャンバの胴部に設けられ、基板が載置されるサセプタと、
前記チャンバの内部で前記供給部と前記サセプタとの間に設けられたガス整流板と、
前記チャンバの内壁を被覆する筒状のライナとを有し、
前記ライナは、前記ガス整流板と前記サセプタとの間に前記頭部および前記胴部より内径の小さい括れ部分を有し、
前記括れ部分には、その周囲を囲むように伝熱リングが設けられていることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記伝熱リングは、分離可能な二つの略半リング形状のリング部を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記伝熱リングは、炭化珪素（ＳｉＣ）、カーボン（Ｃ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）よりなる群から選択された１以上の材料により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記チャンバには冷却手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項５】
チャンバを冷却しながらプロセスガスを前記チャンバの頂部から流下し、サセプタ上に載置した基板を加熱しつつ前記基板に前記プロセスガスを接触させて所定の膜を形成する成膜方法において、
前記チャンバの内壁を被覆するライナに、前記サセプタが配設される胴部より上方に括れ部分を設け、前記プロセスガスを前記括れ部分を通って前記基板に到達させるとともに、前記括れ部分を囲むように伝熱リングを配置し、前記伝熱リングにより前記ライナの熱を前記チャンバに伝えて前記ライナの過熱を抑制することを特徴とする成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−３８１４９（Ｐ２０１１−３８１４９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８６３２６（Ｐ２００９−１８６３２６）
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【出願人】（５０４１６２９５８）株式会社ニューフレアテクノロジー (669)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【出願人】（５０４１６２９５８）株式会社ニューフレアテクノロジー (669)
【Ｆターム（参考）】
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