JP6862095B2 - エピタキシャル成長装置用のチャンバ構成要素 - Google Patents
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Description
このようなエピタキシャル成長装置では現在、成長速度を増大させることが求められている。しかしながら、例えば成長速度をさらに増大させるために、反応物ガスに大量の原料ガス(source gas)を含めることは好ましくない。膜形成コストの増大または粒子数の増加の原因となるためである。
エピタキシャル成長では、基板の表面の境界層(boundary layer)の厚さ(反応物ガス流の主ストリームの流量の99%の流量を有する位置における厚さ)が薄くなると、成長速度の増大が期待されることが知られている。その一方で、境界層の厚さが単純に薄くなると、基板の表面を基板の周縁に向かって反応物ガスが逃げる流れが形成され、したがって、膜厚分布または抵抗率分布を調整することは難しい。
本明細書では、別の実施形態として、整流板が開示される。この整流板は、細長い本体と、複数の貫通穴と、締め具穴とを含む。細長い本体は、第1の表面および第2の表面を含む。第2の表面は第1の表面の反対側にある。複数の貫通穴は、第1の表面から第2の表面まで延びる。これらの複数の貫通穴は、少なくとも3つのグループに割り振られる。締め具穴は、これらの少なくとも3つのグループの隣り合う貫通穴間に配される。この締め具穴は、第1の表面から第2の表面まで延びる。
本開示の別の実施形態によれば、エピタキシャル成長装置用の前駆体ガスサブシステムが開示される。この前駆体ガスサブシステムは、出力面を備える反応物ガス導入部分と、少なくとも1種類の前駆体ガスを出力面へ送達するように構成された複数の出力チャネルとを含む。前駆体ガスサブシステムはさらに整流板を含む。整流板は、第1の表面と、第1の表面の反対側の第2の表面と、締め具穴と、第1の表面から第2の表面まで延びる複数の貫通穴であり、複数のグループに割り振られた複数の貫通穴とを含む。これらの複数のグループはそれぞれ、複数の出力チャネルに関連づけられており、締め具穴は、整流板を反応物ガス導入部分に取り付けるためにそれを通して締め具が挿入されるように構成される。このようにすると、複数の出力チャネル間の交差流漏れ(cross flow leakage)が低減するため、より均一なエピタキシャル層を基板上に形成することができる。
反応物ガス供給経路は、反応物ガスの入口から、反応チャンバに接続された出口まで上に向かって延びる段の形に形成することができる。この場合には、この段の形の反応物ガス供給経路内で、反応物ガスの原料である複数の原料ガスが混合される。
ガス排出経路は、側壁の外側に配されたガス排出部分に接続することができ、ガス排出部分は、ガス排出経路に接続された内側から外側へ次第に狭くなる開口を有するように形成することができる。
基板載置部分は複数の貫通穴を有することができる。
最初に、本開示の実施形態に基づくエピタキシャル成長装置1の構成を概略的に説明する。図1は、エピタキシャル成長装置1の全体構成を示す断面図である。図2は、エピタキシャル成長装置1の反応チャンバ2の構成を示す分解透視図である。図3は、エピタキシャル成長装置1の反応チャンバ2の外部構成を示す分解透視図である。
エピタキシャル成長装置1は、基板W上で例えばシリコン膜がエピタキシャル成長することを可能にする膜形成装置である。
エピタキシャル成長装置1は反応チャンバ2を含む。反応チャンバ2は、その上に基板Wが載置されるサセプタ3、側壁4、およびシーリング5を含む。
サセプタ3は、上側から見たときに円の形状を有する板状部材であり、基板Wよりもわずかに大きなサイズを有する。サセプタ3は、基板Wがその上に載置される基板凹形部分3aを含む。サセプタ3は、複数のアームを有するサセプタ支持体6によって支持される。
膜形成位置P1では、サセプタ3の周囲に環状のサセプタリング7が配される。詳細は後に説明するが、サセプタリング7は、第1のリング11と、第1のリング11上に置かれた第2のリング12とを含む。サセプタリング7は、反応チャンバ2の側壁4に配されたフランジ部分13によって支持される。
シーリング板21を支持する支持体22は環の形状を有する。シーリング板21は、支持体22の内縁の内側の開口24の基板Wに近い端に固着される。固着する方法の一例は溶接法である。
側壁4は、環状の上部側壁31と環状の下部側壁32とを含む。フランジ部分13は下部側壁32の内周上に配される。フランジ部分13の下方には基板運搬ポート30が配される。上部側壁31は、その頂面に、支持体22の突出部25の外側の傾斜部分に対応する傾斜部分を有する。支持体22は、上部側壁31のこの傾斜上に配される。
このようにすると、反応チャンバ2内において反応物ガス供給経路41とガス排出経路42とが互いに向かい合わせとなり、反応チャンバ2内の反応物ガスが基板Wの上を水平方向に流れる。
下部側壁32の第2の凹形部分37を構成する壁面43には、そこを通してパージガスが排出されるパージ穴44が形成される。パージ穴44はフランジ部分13の下方に形成される。パージ穴44は第2の凹形部分37を構成する壁面43に形成されるため、パージ穴44はガス排出経路42と連通する。したがって、反応物ガスとパージガスはともにガス排出経路42を通して排出される。
シーリング部分5、側壁4およびプラットホーム45の外周側には環状クランプ部分51が配され、環状クランプ部分51は、シーリング部分5、側壁4およびプラットホーム45をクランプし支持する。クランプ部分51は、反応物ガス供給経路41と連通した供給側連通経路52と、ガス排出経路42と連通した排出側連通経路53とを備える。供給側連通経路52にはガス導入管55が挿入される。排出側連通経路53にはガス排出管58が挿入される。
プラットホーム45の内周側の下部には装置底部分61が配される。装置底部分61の外側には別の加熱手段62および下リフレクタ65が配され、下側から基板Wを加熱することができる。
装置底部分61の中心は、そこを通してサセプタ支持体6の軸部分63が挿入されパージガスが導入されるパージガス導入部分(図示せず)を備える。パージガスは、パージガス導入部分内に配された図示されていないパージガス導入手段から、装置底部分61、下部側壁32およびプラットホーム45によって形成された反応チャンバ下部64に導入される。パージ穴44は反応チャンバ下部64と連通する。
以下では、この実施形態に基づくエピタキシャル成長装置を使用した膜形成方法を説明する。
最初に、サセプタ3を基板運搬位置P2へ移動させ、基板運搬ポート30から基板Wを入れ、サセプタ3を膜形成位置P1へ移動させる。例えば直径200mmのシリコン基板が基板Wとして使用される。次いで、加熱手段23および62を使用することによって、基板を、待機温度(例えば800℃)から成長温度(例えば1100℃)まで加熱する。パージガス導入部分から反応チャンバ下部64へパージガス(例えば水素)を導入する。反応物ガス導入部分54から反応物ガス供給経路41を通して反応チャンバ2に、反応物ガス(例えば第1の原料ガスとしてのトリクロロシランおよび第2の原料ガスとしての水素)を導入する。この反応物ガスは基板Wの表面に境界層を形成し、この境界層内で反応が起こる。これに従って、基板W上にシリコン膜が形成される。この反応物ガスを、反応チャンバ2と連通したガス排出経路42から排出する。パージガスを、パージ穴44を通してガス排出経路42に排出する。このようにしてエピタキシャル成長が終わった後、温度は待機温度まで下がり、基板Wは取り出され、半導体製造装置の別のチャンバへ移される。
以下では、この実施形態に基づくエピタキシャル成長装置1の構成部材の詳細およびこの実施形態に基づく膜形成方法の詳細を説明する。
支持体22は、関連技術の形状ほどには応力が集中しない形状に形成されているため、このようにすると、この実施形態では、基板Wとシーリング板21の間の距離Hを小さくすること、すなわち10mm未満にすることができる。
一方、この実施形態では、支持体22に突出部25を形成し、シーリング板21を、シーリング板21の周縁のところで周縁の上側および外側から支持することによって、応力が容易に集中するコーナ(25’)をできるだけ小さく形成することなく基板側にシーリング板21を支持することができる。
この実施形態では、前述のとおり、境界層を薄くするためにシーリング板21と基板Wの間の距離が小さくされているため、反応物ガスは基板Wの外側へ逃げやすく、基板の膜厚分布が十分に均一化されない可能性がある。好ましくはこのことが防止されるべきである。これに従って、この実施形態では、後述するように、反応物ガス供給経路41内に、ガス流を均一化するための案内部分が配される。
溝75は、下部側壁32のインプレーン方向(in−plane direction)に中心cに向かって形成される。すなわち、溝75は、下部側壁32の周囲方向に沿って配置される。溝をこのように配置することによって、溝75によって案内され反応チャンバ2に導入された反応物ガスの流動方向の水平成分が、反応物ガス供給経路41の反応チャンバ2に面した開口の中心から反応チャンバ2の中心へ延びる方向の水平成分に対応し、それによって反応チャンバ2内における反応物ガスの拡散を抑制するように、整流特性を強化することができる。
図24A〜24Cはそれぞれ、図8Aおよび8Bの整流板の別の実施形態である整流板56’の上面正面透視図、正面図および上面図である。整流板56’では、前駆体ガスが反応チャンバ2に入る間の前駆体ガスの制御がより高度になることが観察されており、このより高度な制御はより良好な均一性を促進する。整流板56’は細長い本体209を備え、本体209は、第1の表面210と、第1の表面210の反対側にあって5ミリメートル未満の距離によって隔てられた第2の表面212とを含む。整流板56’は、第1の表面210から第2の表面212まで延びる円形の断面を有する貫通穴214を含む。正確な流れ制御のためには、貫通穴214の直径を3.5ミリメートル未満とすることができる。貫通穴214の中心軸は、第1の表面210および第2の表面212に対して直角に配してもまたは直角でない角度に配してもよいが、より均一な流れを促進するように前駆体ガスを整流板56’を通して導くためには互いに直角かつ平行であることが好ましい。貫通穴214を、3つの領域81、81(82)、81(83)に対応する複数のグループ216A、216B、216Cに割り振ることができる。下部側壁32の溝75は同じ高さに配することができるため、貫通穴214は、第1の表面210に沿って整列した位置で第1の表面210に開くことができる。このようにすると、貫通穴214は、前駆体ガスを、下部側壁32の溝75に導くことができる。
図9に拡大されているとおり、サセプタリング7の第1のリング11は、サセプタの外周から間隔を置いて配され、第1のリングの内周には、低い頂面を有する段の付いた部分91が形成される。第2のリング12は段の付いた部分91上に置かれ、第1のリング11とサセプタ3の間に形成されたクリアランス(clearance)部分92に面するように、すなわちクリアランス部分92へ突き出るように形成される。第2のリング12は、その頂面がサセプタ3の頂面と同じ高さになるように配される。このように第2のリング12の頂面をサセプタ3の頂面と同じ高さにすることによって、反応物ガス供給経路41などの中の混合され整流された状態に維持された反応物ガスを、流量をできるだけ低下させることなく滑らかに基板Wに供給することができる。本明細書で言及するサセプタ3の頂面は、サセプタ3の基板凹形部分3a(図1、2、11および12参照)が形成されていない領域の頂面を意味する。この実施形態の第2のリング12は、熱伝導率を考慮して炭化ケイ素から形成される。
このように、第2のリング12がクリアランス部分92に面するようにすることにより、膜を形成しているときにサセプタリング7とサセプタ3の間から下側へ向かう反応物ガスの漏れを減らすことが可能であり、したがって反応物ガスの流れは乱されにくい。下側への反応物ガスの漏れを低減させることができるため、粒子を減らすことが可能である。
この場合には、第2のリング12が第1のリング11よりも薄い。これに従って、放射によるサセプタ3からの熱損失を抑制することが可能である。第2のリング12の方が薄いため、第2のリング12を所定の高温に維持する(予熱する)ための熱量を低減させることが可能である。別の実施形態において、第1のリング11が熱伝導率の小さな材料から形成されるときには、第1のリング11が断熱体の役目を果たし、それによって前述の効果をさらに強化する。
この変更例では、クリアランス部分92Aを覆うように第2のリング12Aが配されるため、反応チャンバ2Aの反応チャンバ下部64Aに流入する反応物ガスの流れをさらに抑制することが可能である。ここで、図10には示されていない加熱手段23によるサセプタ3Aの加熱を第2のリング12Aが妨げることを防ぐため、第2のリング12Aとサセプタ3Aの重なりエリアは小さいことが好ましい。
この変更例では、第2のリング12Aの厚さが、好ましくは例えば0.5mm〜2mmの範囲に設定され、より好ましくは約0.8mmに設定される。この厚さを設定することによって、放射に起因するサセプタ3Aから第2のリング12Aへの熱損失をできるだけ抑制することが可能である。
図16は、この実施形態のガス排出管58の例を示す透視断面図である。この図面に示されているように、ガス排出管58は、反応チャンバ2からガス排出部分57まで、開口が中心に向かって狭まるように形成される。これに従って、中心において排ガスが整流され、それによって排ガス効率が向上する。
ガス排出経路42とパージ穴44の開口比が過度に大きいときには反応物ガスが反応チャンバ下部64へ流入し、この開口比が過度に小さいときには、パージガスが、反応チャンバ2内での膜形成プロセスに影響を及ぼす。これに従って、これらの開口は、開口比の値が最適になるように形成される。
図17は、本開示の実施形態に基づく上リフレクタ26の例を示す透視図である。この図面に示されているように、上リフレクタ26は、加熱手段23からの熱線を反応チャンバ2の中心へ反射する傾斜部分26aと、加熱手段23からの熱線を垂直に下降する方向へ反射する水平部分26bとを含む。一方、図22は、関連技術に基づくエピタキシャル成長装置内の上リフレクタ26’の例を示す透視図である。この図面に示されているように、関連技術の上リフレクタ26’は、傾斜部分26a’と水平部分26b’とを含むが、本開示の実施形態に基づく上リフレクタ26とは傾斜部分26aの配置が異なる。具体的には、本開示の実施形態に基づく上リフレクタ26は、関連技術の上リフレクタ26’の水平部分26b’の中心に傾斜部分が追加された配置を有する。このようにすると、傾斜部分26aと水平部分26bの面積比が所定の比となるように、また傾斜部分26aおよび水平部分26bの分布が偏らないように傾斜部分26aおよび水平部分26bを配置することにより、基板Wの温度分布の均一化が達成される。
すなわち、この実施形態の反応チャンバ2では、基板Wとシーリング板21の間の距離を、関連技術における距離(関連技術では約20mm)よりも小さくなるように設定することによって境界層を薄くして、基板の表面における反応効率を強化し、したがって成長速度を高めることが可能である。
(実施例1)
図10に示されたサセプタリングを使用したエピタキシャル成長装置1A(基板Wの表面とシーリング板21の間の距離Hは9.27mmである)を使用することにより、エピタキシャル成長を、以下の成長条件下で実行した。
第1の原料ガス(トリクロロシラン)の量:8.5SLM
パージガス(水素)の量:15.0SLM
成長時間:600.0秒
成長温度:1100.0℃
回転速度:20.0RPM
(実施例2)
第1の原料ガスの量を13.5SLMに変更した以外は実施例1の条件と同じ条件下でエピタキシャル成長を実行した。
(実施例3)
第1の原料ガスの量を17.0SLMに変更した以外は実施例1の条件と同じ条件下でエピタキシャル成長を実行した。
関連技術に基づくエピタキシャル成長装置(基板Wの表面とシーリング板21の間の距離Hは20mmであり、溝75はなく、サセプタリングは単一の部材からなる)を使用して、回転速度を35.0RPMに変更した以外は実施例1の条件と同じ条件下でエピタキシャル成長を実行した。
(比較例2)
関連技術に基づくエピタキシャル成長装置(基板Wの表面とシーリング板21の間の距離Hは20mmであり、溝75はなく、サセプタリングは単一の部材からなる)を使用して、回転速度を35.0RPMに変更した以外は実施例2の条件と同じ条件下でエピタキシャル成長を実行した。
関連技術に基づくエピタキシャル成長装置(基板Wの表面とシーリング板21の間の距離Hは20mmであり、溝75はなく、サセプタリングは単一の部材からなる)を使用して、回転速度を35.0RPMに変更した以外は実施例3の条件と同じ条件下でエピタキシャル成長を実行した。
図19に示されているように、本開示の実施形態に基づくエピタキシャル成長装置1Aを使用することにより、成長速度は50%向上し、第1の原料ガスの量を増やすとこの成長速度の向上は増大した。したがって、この実施形態に基づくエピタキシャル成長装置を使用することによって成長速度が強化された。
1 エピタキシャル成長装置
2A 反応チャンバ
2 反応チャンバ
3A サセプタ
3B サセプタ
3Ba 凹形部分
3Bb 非凹形部分
3Bc 移行部分
3 サセプタ
3a 基板凹形部分
4 側壁
5 シーリング部分
6 サセプタ支持体
7 環状のサセプタリング
11A 第1のリング
11 第1のリング
12A 第2のリング
12 第2のリング
13A フランジ部分
13 フランジ部分
21 シーリング板
22 支持体
24 開口
25 突出部
25 長方形のコーナ
25 コーナ
26 上リフレクタ
26a 傾斜部分
26a 傾斜部分
26b 水平部分
26b 水平部分
26 上リフレクタ
30 基板運搬ポート
31 環状の上部側壁
32A 側壁
32B 締め具穴
32 環状の下部側壁
33 載置面
34 第1の凹形部分
35 間隙
36 第1の凸形部分
37 第2の凹形部分
38 間隙
39 第2の凹形部分
41 反応物ガス供給経路
42 ガス排出経路
43 壁面
44 パージ穴
45 環状のプラットホーム
50
51 環状のクランプ部分
52 供給側連通経路
53 排出側連通経路
54 部分
55 ガス導入管
55 ガス導入管
56 整流板
56a 穴
56 整流板
57 ガス排出部分
58 ガス排出管
58 ガス排出管
61 装置底部分
63 軸部分
64A 反応チャンバ下部
64 反応チャンバ下部
65 下リフレクタ
65a 傾斜部分
65b 水平部分
65b 水平部分
65 下リフレクタ
71 第1の供給経路
72 第2の供給経路
73 第3の供給経路
74 壁面
75 溝
81 領域
82 一番端の領域
83 一番端の領域
91A 段の付いた部分
91 段の付いた部分
92A クリアランス部分
92 クリアランス部分
100
110A リフトピン貫通穴
110B リフトピン貫通穴
110
111B 複数の貫通穴
120
121 サセプタシャフト
122 基板リフト
123 リフトピン
124 ペデスタル
150
199 本体
200 頂面
202 底面
204A 流れ案内面
204B 流れ案内面
205A 内面
205B 内面
206A 接触面
206B 接触面
209 細長い本体
210 第1の表面
212 第2の表面
214 穴
216A グループ
216B グループ
216C グループ
220 ガスケット
221A 流れ入口ユニット
221B 流れ入口ユニット
224 ガス混合プレナム
226 出力チャネル
228 出力面
230 締め具
232A 締め具穴
232B 締め具穴
234A 締め具
234B 締め具
235A 固定穴
235B 固定穴
299 環状の本体
300 頂面
302 底面
304 環状の保持面
312 支持位置
314 窪んだ面
Claims (15)
- エピタキシャル成長装置内で基板を支持するサセプタであって、
中心軸から外側半径まで広がる環状の本体であり、頂面および前記頂面の反対側の底面を有する環状の本体
を備え、前記頂面が、
前記中心軸のところに配された、内側半径まで広がる凹形部分と、
前記環状の本体の周囲に沿って配された非凹形部分と、
前記凹形部分を前記非凹形部分に接続する移行部分であり、前記内側半径は前記移行部分まで広がり、前記基板と接触部を形成し、前記基板を支持するように構成されており、前記頂面が上を向き、前記中心軸が垂直に配されたときに、前記凹形部分よりも高い高さにあり、かつ前記非凹形部分よりも低い高さにある移行部分と
を含み、前記サセプタがさらに、
第1の複数の貫通穴であって各々が第1の直径を有する第1の複数の貫通穴と、第2の複数の貫通穴であって各々が第2の直径を有する第2の複数の貫通穴とを備え、各々が前記頂面から前記底面まで延びており、前記第1の直径は、前記第2の直径に実質的に等しく、前記第1の複数の貫通穴は、第1の密度で前記凹形部分内に位置し、前記第2の複数の貫通穴は、第2の密度で前記非凹形部分内に位置し、前記凹形部分内における前記第1の複数の貫通穴および前記非凹形部分内における前記第2の複数の貫通穴の密度が1平方センチメートル当たり少なくとも5.0個であり、前記第1の密度及び前記第2の密度は、実質的に同じであり、前記サセプタがさらに、
前記サセプタの前記中心軸から等距離のところに配置されたリフトピン穴であり、前記凹形部分の中へ延びるリフトピン穴
を備えるサセプタ。 - 前記凹形部分および前記非凹形部分が前記中心軸に対して直角に配された、請求項1に記載のサセプタ。
- 前記移行部分が前記中心軸に対して直角である、請求項2に記載のサセプタ。
- 前記頂面が上を向き、前記中心軸が垂直に配されたときに、前記移行部分が、前記凹形部分よりも0.2ミリメートル未満だけ高い、請求項1に記載のサセプタ。
- 前記頂面が上を向き、前記中心軸が垂直に配されたときに、前記移行部分が、前記非凹形部分よりも少なくとも1/2ミリメートル低く配される、請求項1に記載のサセプタ。
- 前記移行部分が前記複数の貫通穴を含まない、請求項1に記載のサセプタ。
- 厚さが5ミリメートル未満である、請求項1に記載のサセプタ。
- 黒鉛を含む、請求項1に記載のサセプタ。
- 前記底面が、前記貫通穴を含まない支持位置を備え、前記支持位置がそれぞれ、少なくとも横2ミリメートル×少なくとも縦5ミリメートルの寸法を有する、請求項1に記載のサセプタ。
- 前記支持位置が、前記非凹形部分の真裏に配された、請求項9に記載のサセプタ。
- 前記支持位置が、前記サセプタの前記中心軸から等距離のところに配された、請求項9に記載のサセプタ。
- 前記支持位置がそれぞれ、前記サセプタの前記頂面が上を向き、前記中心軸が垂直に配されたときに前記底面のすぐ周りの部分よりも少なくとも0.7ミリメートル高い窪んだ面を含む、請求項9に記載のサセプタ。
- 前記貫通穴の中心軸が、前記サセプタの前記中心軸に対して平行である、請求項1に記載のサセプタ。
- 前記サセプタの外径が、200〜300ミリメートルの範囲にある、請求項1に記載のサセプタ。
- 前記環状の本体が一体として形成された、請求項1に記載のサセプタ。
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