JP2007180528A - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、成膜装置のメンテナンスサイクルを長期化し、スループットの向上が可能な成膜方法と成膜装置を提供する。
【解決手段】複数のウェーハ１を反応室２内に設置されたサセプタ３に載置し、ウェーハ１を加熱しサセプタ３中心を貫通するように設置されたガス供給ノズル５に複数段設けられた開口部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからプロセスガスを供給し、複数段設けられた開口部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのうち、最上段の開口部５ａからは、斜め下方にプロセスガスを供給し、複数段設けられた開口部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからのプロセスガス供給方向を、反応室に対して相対的に変動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばエピタキシャル気相成長などの成膜方法、及びその成膜方法を実現する成膜装置に関する。

半導体装置の製造工程において、例えば、縦型エピタキシャル気相成長装置などの成膜装置を用いて、ウェーハ上へのエピタキシャル膜の成膜が行われている。

一般に、縦型エピタキシャル気相成長装置においては、例えば、特許文献１特開平１０−３１２９６６号公報に示されるように、石英ベルジャで構成される反応室内に、ウェーハを複数枚載置するサセプタと、サセプタの中心部を貫通するガス供給管上部に設置され、ウェーハ上にプロセスガスを供給するガス供給ノズルが複数配置されている。そして、サセプタの下方には、ウェーハを加熱する加熱手段と、サセプタを回転させる回転手段が設置され、成膜チャンバ下部には、ガスを排出する排出手段が接続されている。

このような縦型エピタキシャル気相成長装置を用いて、ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成する。ウェーハを複数枚載置するサセプタを回転させ、ウェーハ表面にガス供給ノズルよりプロセスガスを供給する。このとき、ガス供給ノズルより供給されたプロセスガスは、サセプタ上を通り、排出手段へと流れる。その際、一部のプロセスガスは、比較的温度の低い石英ベルジャにぶつかり、堆積してしまう。堆積量が多くなると、一部がパーティクルとして舞い上がり、反応室内の気流に乗ってウェーハ上に落下する。従って、一定量堆積した時点で、反応室内をメンテナンスする必要がある。

通常、ガス供給ノズルからは、一定方向（例えば１２０°毎に３方向）にプロセスガスが供給されている。そのため、石英ベルジャの同じ場所で堆積し、堆積量にはばらつきが生じてしまう。実際は、堆積量の最大値によりメンテナンスサイクルが決定する。従って、堆積量のばらつきを抑えることにより、メンテナンスサイクルを長期化し、スループットを向上させることが期待できる。

ウェーハ面内における堆積量のばらつきを抑える手法ついては、特許文献２（請求項１、図１など）、特許文献３（請求項１、図１など）に提案されている。しかしながら、反応室内壁の堆積量のばらつきに言及したものではない。
特開平１０−３１２９６６号公報 特開２０００−５８４６３号公報 特開平８−８８１８７号公報

上述したように、従来の成膜方法又は成膜装置では、メンテナンスサイクルの長期化が困難であるという問題があった。

本発明は、成膜装置のメンテナンスサイクルを長期化し、スループットの向上が可能な成膜方法と成膜装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様の成膜方法は、複数のウェーハを反応室内に設置されたサセプタに載置し、ウェーハを加熱しサセプタ中心を貫通するように設置されたガス供給ノズルに複数段設けられた開口部からプロセスガスを供給し、複数段設けられた開口部のうち、最上段の開口部からは、斜め下方にプロセスガスを供給し、複数段設けられた開口部からのプロセスガス供給方向を、反応室に対して相対的に変動させることを特徴とする。

本発明の成膜方法において、複数段設けられた開口部の各段の開口部から、実質的に等しい位相差で３方向以上にプロセスガスを供給することが望ましい。

また、本発明の成膜方法において、複数段設けられた開口部のうち、少なくとも最上段の開口部と、最下段の開口部の位相が等しいことが望ましい。

また、本発明の成膜方法において、ガス供給ノズルを回転させて、開口部からのプロセスガス供給方向を、反応室に対して相対的に変動させることが望ましい。

また、本発明の成膜方法において、プロセスガス供給ノズルを昇降させることが望ましい。

本発明の一態様の成膜装置は、ウェーハ上に成膜を行うための反応室と、ウェーハを複数載置するためのサセプタと、サセプタ直下または内部に設けられ、ウェーハを加熱するためのヒータと、サセプタの中心部を貫通して設けられ、ウェーハ上にプロセスガスを供給するための開口部を有するガス供給ノズルと、開口部を反応室に対して相対的に変動させるための回転機構を備え、ガス供給ノズルは、ウェーハ上にプロセスガスを供給するための複数段の開口部を有し、複数段の開口部の最上段は、プロセスガスを斜め下方に供給するための突起部を有することを特徴とする。

本発明の成膜装置において、複数段の開口部は、それぞれ３箇所以上、周方向に実質的に等角度毎となるように設けられることが望ましい。

また、本発明の成膜装置において、複数段の開口部の各段の間隔は、少なくとも１つの段の間隔が他の段の間隔と異なることが望ましい。

また、本発明の成膜装置において、ガス供給ノズルを昇降するための昇降制御機構を備えることが望ましい。

本発明の成膜方法、成膜装置により、成膜装置のメンテナンスサイクルを長期化し、スループットを向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

（実施形態１）
図１に本実施形態の縦型エピタキシャル気相成長装置の断面図を示す。図に示すように、石英ベルジャで構成されウェーハ１上に成膜を行なう反応室である成膜チャンバ２内に、ウェーハ１を複数枚載置可能なサセプタ３が設置されている。

成膜チャンバ２下方より、成膜ガスを供給するためのガス供給管４が配置されている。ガス供給管４の上方には、ガス供給ノズル５が接続されている。ガス供給ノズル５は、サセプタ３の中心部を貫通し、サセプタ３上方よりウェーハ１上に成膜ガスを供給するための開口部が形成されている。

サセプタ３の下方には、サセプタ３を介してウェーハ１を加熱するＲＦコイルなどの加熱手段６と、サセプタ３を回転させる回転手段７が設置されている。成膜チャンバ２下部には、ガスを排出する排出手段８が接続されている。さらに、ガス供給管４に接続され、ガス供給ノズル５を所定角度回転させるためのノズル回転制御機構９が設けられている。

図２にガス供給ノズル５の側面図を、図３にガス供給ノズル５の上面図を示す。図に示すように、例えば１２０°毎３方向に、所定の間隔、位相で、例えば４段形成される開口部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが設けられている。最上段の開口部５ａのみ、斜め下方にプロセスガスを供給するための突起部(枝)を有している。

ここで、ガスの供給方向（突起部（枝）の形成方向）は、水平でない、すなわち、ガス供給ノズル５の中心軸との角度γは、９０°未満であることが必要である。サセプタのエッジから最上段の開口部（突起部（枝)の付け根部）の中心を結ぶ線とガス供給ノズル５の中心軸との角度をβとすると、
β≦γ≦０．３β＋６３（度）
であることが好ましい。γがβより小さいと、ガスを全てのウェーハ１上に均等に供給することが困難となる。一方、γが（０．３β＋６３）より大きいと、成膜チャンバ２の壁面方向にガスが流れることになり、ガスをウェーハ１上に効率的に供給することが困難となる。

そして、最上段(１段目)の下段に同位相の２段目、これらと異なる位相の３段目に、それぞれ水平方向にガスを供給するための開口部５ｂ、５ｃが順次設けられる。そして、最下段（４段目）には最上段(１段目)と同じ位相で、同様に水平方向にガスを供給するための開口部５ｄが設けられる。このガス供給ノズル５は、回転可能となっており、適宜回転させて、プロセスガスの供給方向を変動させることができる。

このような縦型エピタキシャル気相成長装置を用いて、ウェーハ１上にエピタキシャル膜を形成する。先ず、サセプタ３上に例えば４インチウェーハ１を１０枚載置する。そして、ガス供給手段（図示せず）からガス供給管４を経てガス供給ノズル５より、例えばＨ_２ガスを１４０ＳＬＭ、トリクロロシランを１０．５ＳＬＭという混合比で、モノシラン、トリクロロシランなどの原料ガスを含むプロセスガスをウェーハ１上に供給する。そして、加熱手段６によりウェーハ１を例えば１１３０℃に加熱し、プロセスガスを水素還元又は加熱分解して、サセプタ３を回転させながら堆積させる。このようにして、ウェーハ１上にエピタキシャル膜を形成する。

ここで、形成されたエピタキシャル膜の膜厚分布を図４に示す。図に示すように、膜厚の大きなばらつきはなく、良好な膜厚分布が得られていることが分かる。尚、最上段の開口部から水平方向にプロセスガスを供給した比較例を併せて示す。図に示すように、最上段の開口部５ａから斜め下方に供給することにより、形成されるエピタキシャル膜の膜厚ばらつきが小さくなるとともに、その膜厚が増大していることが分かる。

図５に成膜時におけるプロセスガスのフローの水平概念図を、図６にその垂直方向の断面概念図を示す。図に示すように、ガス供給ノズル５から供給されたプロセスガスは、最上段の開口部５ａから斜め下方に供給されるため、成膜チャンバ２上部へのガスの流れが抑えられ、サセプタ３上に均一に、かつ効率的に供給されている。そのため、上述のように、ウェーハ１上の膜厚が増大するとともに、ガス流の方向（本実施形態においては３方向）において、成膜チャンバ２の壁で冷却されて堆積する堆積物１０も増大し、その影響が無視できなくなると考えられる。

このようにして、ウェーハ１に所定の膜厚のエピタキシャル膜を形成した後、成膜チャンバ２を大気解放してウェーハを搬出する。そして、このとき、ノズル回転制御機構９により、ガス供給ノズル５を時計回りに例えば３０°回転させる。

そして、同様にサセプタ３上にウェーハを載置して成膜処理を行い、成膜処理後、同様に、ガス供給ノズル５を時計回りに３０°回転させる。

このように、成膜処理が行われる度にガス供給ノズルを回転させ、成膜チャンバに対するプロセスガスの供給方向を、成膜チャンバの水平周方向に変動させることにより、石英ベルジャにおける堆積位置を水平方向に変動させ、堆積膜厚を均一化し、堆積膜厚の増大を抑えることができる。

本実施形態において、成膜処理毎にガス供給ノズルを時計回りに３０°回転させているが、回転方向、回転角度は特に限定されるものではない。回転方向は、一定方向であれば良く、また、回転角度は、ガス供給ノズル５の各開口部の位相差（本実施形態においては１２０°）と異なっていれば良い。

（実施形態２）
図７に本実施形態の縦型エピタキシャル気相成長装置の断面図を示す。実施形態１とほぼ同様の構造であるが、ノズル回転制御機構１９に回転速度制御機構２０が設けられている点が異なっている。

このような縦型エピタキシャル気相成長装置を用いて、ウェーハ１１上にエピタキシャル膜を形成する。先ず、実施形態１と同様に、サセプタ１３上にウェーハ１１を載置し、ガス供給ノズル１５よりプロセスガスをウェーハ１１上に供給する。そして、加熱手段１６によりウェーハ１１を加熱し、サセプタ１３を６〜１０ｒｐｍで回転させながらウェーハ１１上にエピタキシャル膜を形成する。このとき、同時にガス供給ノズル１５を、ノズル回転制御機構２０により回転速度を例えば０．１ｒｐｍに制御し、ノズル回転制御機構１９により回転させる。

このように、成膜処理中にガス供給ノズルを回転させ、成膜チャンバに対するプロセスガスの供給方向を水平周方向に変動させることにより、石英ベルジャにおける堆積位置を水平方向に変動させ、堆積膜厚を均一化し、堆積膜厚の増大を抑えることができる。

本実施形態において、ガス供給ノズル１５を０．１ｒｐｍに制御して回転させているが、ガス供給ノズル１５の回転速度は、サセプタ１３の回転速度より低速であれば良い。例えば、1回の成膜処理の間に1回転するように設定しても良い。

尚、これら実施形態において、ガス供給ノズル１、１５を回転させているが、成膜チャンバに対するプロセスガスの供給方向を変動させることができれば、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、図１に示す成膜装置のガス供給ノズル５を昇降可能となるようにノズル昇降制御装置２１と接続し、上下（垂直）方向に駆動させ、さらに成膜チャンバの垂直周方向に変動させても良い。その場合は、ノズル回転制御機構９に、上下方向のすべり機構を設けることで、回転駆動を行なうとともに垂直方向の駆動が可能となる。

また、成膜時にサセプタ３、１３を回転させているが、ウェーハ面内の温度分布を均一にできれば良く、例えば加熱手段６、１６を回転させても良い。

また、サセプタ３、１３に４インチウェーハを１０枚載置しているが、ウェーハのサイズ、枚数などは特に限定されるものではなく、６インチ、８インチのウェーハを適宜枚数載置することが可能である。

また、ガス供給ノズル５、１５において、最下段（４段目）と最上段(１段目)の開口部を同じ位相としたが、成膜に最も寄与する最下段（４段目）からの供給ガスの拡散を、最上段(１段目)からの斜め上方からの供給ガスにより抑えるために、最上段(１段目)と最下段（４段目）の開口部５ａ、５ｄの位相は同じであることが好ましい。この場合、同じ場所により多くの堆積物が形成されることになるため、プロセスガス供給方向を成膜チャンバに対して相対的に変動させることがより効果的である。また、これら各段の間隔は、必ずしも等しい必要はない。図２に示すように１、２段目間、２、３段目間と３、４段目間との間隔が異なっていても良く、全ての間隔が異なっていても良い。

これら実施形態によれば、成膜チャンバ内の堆積膜厚の増大を抑えることができるため、メンテナンスサイクルの長期化を図ることができる。そして、ウェーハ及びウェーハより素子形成工程及び素子分離工程を経て形成される半導体装置において、歩留りや素子特性の安定性を低下させることなく、スループットの向上を図ることが可能となる。特に、Ｎ型ベース領域、Ｐ型ベース領域や、絶縁分離領域などに数１０μｍ〜１００μｍ程度の厚膜が用いられるパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体装置の厚膜形成プロセスに適用することにより、プロセスコストの大幅な削減が可能となる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、Ｓｉ基板上にエピタキシャル膜形成の場合を説明したが、ポリＳｉ層形成時にも適用でき、他の化合物半導体例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなどにも適用可能である。また、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜形成の場合にも適用可能で、ＳｉＯ_２膜の場合、モノシラン（ＳｉＨ_４）の他、Ｎ_２、Ｏ_２、Ａｒガスを、Ｓｉ_３Ｎ_４膜の場合、モノシラン（ＳｉＨ_４）の他、ＮＨ_３、Ｎ_２、Ｏ_２、Ａｒガスなどを供給することになる。その他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。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他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。

本発明の一態様に係る縦型エピタキシャル気相成長装置の断面図。 図1に示すガス供給ノズル５の側面図。 図1に示すガス供給ノズル５の上面図。 図１に示す成膜装置を用いて形成されたエピタキシャル膜の膜厚分布を示す図。 本発明の一態様に係る成膜時のプロセスガスのフローの上面概念図。 本発明の一態様に係る成膜時のプロセスガスのフローの断面概念図。 本発明の一態様に係る縦型エピタキシャル気相成長装置の断面図。 本発明の一態様に係る縦型エピタキシャル気相成長装置の断面図。

符号の説明

１、１１ ウェーハ
２、１２ 成膜チャンバ
３、１３ サセプタ
４、１４ ガス供給管
５、１５ ガス供給ノズル
６、１６ 加熱手段
７、１７ 回転手段
８、１８ 排出手段
９、１９ ノズル回転制御機構
１０ 堆積物
２０ 回転速度制御機構

Claims (10)

1. 複数のウェーハを反応室内に設置されたサセプタに載置し、
   前記ウェーハを加熱し、
   前記サセプタ中心を貫通するように設置されたガス供給ノズルに複数段設けられた開口部からプロセスガスを供給し、
   前記複数段設けられた開口部のうち、最上段の開口部からは、斜め下方に前記プロセスガスを供給し、
   前記複数段設けられた開口部からの前記プロセスガス供給方向を、前記反応室に対して相対的に変動させることを特徴とする成膜方法。
2. 前記複数段設けられた開口部の各段の開口部から、実質的に等しい位相差で３方向以上に前記プロセスガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
3. 前記複数段設けられた開口部のうち、少なくとも最上段の開口部と、最下段の開口部の位相が等しいことを特徴とする請求項1または請求項２に記載の成膜方法。
4. 前記ガス供給ノズルを回転させて、前記開口部からのプロセスガス供給方向を、前記反応室に対して相対的に変動させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の成膜方法。
5. 前記プロセスガス供給ノズルを昇降させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の成膜方法。
6. ウェーハ上に成膜を行うための反応室と、
   前記ウェーハを複数載置するためのサセプタと、
   前記サセプタ直下または内部に設けられ、前記ウェーハを加熱するためのヒータと、
   前記サセプタの中心部を貫通して設けられ、前記ウェーハ上にプロセスガスを供給するための開口部を有するガス供給ノズルと、
   前記開口部を前記反応室に対して相対的に変動させるための回転機構を備え、
   前記ガス供給ノズルは、前記ウェーハ上に前記プロセスガスを供給するための複数段の開口部を有し、
   前記複数段の開口部の最上段は、前記プロセスガスを斜め下方に供給するための突起部を有することを特徴とする成膜装置。
7. 前記複数段の開口部は、それぞれ３箇所以上、周方向に実質的に等角度毎となるように設けられる請求項６に記載の成膜装置。
8. 前記複数段の開口部の最上段と最下段は、位相が等しい請求項６または請求項７に記載の成膜装置。
9. 前記複数段の開口部の各段の間隔は、少なくとも１つの段の間隔が他の段の間隔と異なる請求項６から請求項８のいずれかに記載の成膜装置。
10. 前記ガス供給ノズルを昇降するための昇降制御機構を備える請求項６から請求項９のいずれかに記載の成膜装置。

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