JP2008004766A

JP2008004766A - 半導体製造装置及び半導体製造方法

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Publication number: JP2008004766A
Application number: JP2006172839A
Authority: JP
Inventors: Akira Jogo; 章城後; Hironobu Hirata; 博信平田
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】本発明は、反応炉から回転機構へのガスの流入による回転機構の劣化や、ウェーハの汚染によるデバイスの劣化を抑えることが可能な半導体製造装置及び半導体製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体製造装置は、プロセスガスが供給・排出され、被処理ウェーハ１上に被膜を形成するための反応炉２と、反応炉２に設置され、被処理ウェーハ１を保持するための支持部と、反応炉２に設けられる開口部２ａと、反応炉２に連結され、被処理ウェーハ１を回転させるための回転機構４と、開口部２ａを貫通して支持部３及び回転機構４と連結し、軸方向にらせん状の翼部５ａを有する回転軸５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハを回転させながら、ウェーハ上に反応ガスを供給して成膜を行なう半導体製造装置と半導体製造方法に関する。

近年、エピタキシャル成長装置を含むＣＶＤ装置において、反応炉にウェーハを設置し、回転機構によりウェーハを高速回転させながら、所定の条件でウェーハ上にプロセスガスを供給することにより、面内均一性の高い被膜を形成する手法が用いられている。

このとき、ウェーハは回転機構からの駆動力により回転されている。回転軸を貫通させるために反応炉に設けられた開口部において、回転軸との間隙を完全にシールすることは困難であり、炉と回転機構間で気流（流体）の行き来を遮断することができないそこで、例えば特許文献１の図１などに示されるように、回転駆動手段をパージし、同［００２９］に記載されているように、これを減圧状態とすることにより、反応炉への金属を含むガスの流入による炉の汚染を抑えている。

しかしながら、回転機構側へのプロセスガスの流入により、回転機構と接続されるベアリングなどの表面に被膜が生成される。そして、これが粉化し、パーティクルとなって間隙から拡散し、反応炉内を汚染してしまう。また、反応炉内をクリーニングする際、塩素系ガスなどのクリーニングガスが、回転機構側へ流入することにより、軸受けなどの金属部材が腐食する。そして、腐食した金属が同様にパーティクルとなり、反応炉内を汚染してしまう。

特に、成膜生産性を向上させるために常圧成膜を行うと、小パーティクルの拡散がより生じやすくなるため、被処理ウェーハの汚染によるデバイスへの影響がより顕著となるという問題がある。
特開平１０−３４０８５９号公報

上述したように、半導体製造装置において、回転機構へのガスの流入による回転機構の劣化や、ウェーハの汚染によるデバイスの劣化といった問題が生じている。

本発明は、回転機構へのガスの流入を抑えることが可能な半導体製造装置と半導体製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様における半導体製造装置は、プロセスガスが供給・排出され、被処理ウェーハ上に被膜を形成するための反応炉と、反応炉に設置され、被処理ウェーハを保持するための支持部と、反応炉に設けられる開口部と、反応炉に連結され、被処理ウェーハを回転させるための回転機構と、開口部を貫通して支持部及び回転機構と連結し、軸方向にらせん状の翼部を有する回転軸を備えることを特徴とする。

この本発明の一態様における半導体製造装置において、回転軸は円筒状であり、回転軸の少なくとも外壁又は内壁に前記翼部が形成されていることが望ましい。

さらに、本発明の一態様における半導体製造装置において、回転軸の前記翼部形成面に対向する面を有する固定軸を備え、固定軸にはじゃま板が形成されており、前記じゃま板と対向する位置で、前記翼部が分割されていることが望ましい。

また、本発明の一態様における半導体製造方法は、反応炉に設置された支持部に、被処理ウェーハを載置する工程と、反応炉に、被処理ウェーハ上に被膜を形成するためのプロセスガスを供給する工程と、反応炉に連結された回転機構により、回転軸を介して支持部を回転させることにより、被処理ウェーハを回転させる工程と、回転軸の回転により、反応炉の被処理ウェーハ側に向かう気流を生成する工程を備えることを特徴とする。

さらに、本発明の一態様における半導体製造方法において、常圧で被処理ウェーハ上に被膜を形成することが望ましい。

本発明の半導体製造装置及び半導体製造方法を用いることにより、回転機構へのガスの流入による回転機構の劣化や、ウェーハの汚染によるデバイスの劣化を抑え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に本実施形態の半導体製造装置の断面図を示す。図に示すように、被処理ウェーハ１上に被膜を形成するための反応炉２と、反応炉２に設置され、被処理ウェーハ１を保持するための支持部３と、反応炉２に設けられる開口部２ａと、被処理ウェーハ１を回転させるための回転機構４が設置されている。そして、反応炉２の開口部２ａを貫通して、支持部３及び回転機構４と連結する円筒状の回転軸５が連結されている。回転軸５には、その外壁の軸方向にらせん状の翼部５ａが形成されている。また、反応炉２には、ソースガス、ドーパントガス及びキャリアガスを含むプロセスガスを供給するための供給口２ｂ、排出するための排気口２ｃが設置されている。そして、回転軸５には被処理ウェーハ１を加熱するための加熱手段６が設置されており、その上部に設置されるヒータ７と接続されている。

図２に、回転軸のらせん状の翼部を示す。図に示すように、回転軸５の外壁に所定のピッチ、例えば３〜５ｍｍピッチで、翼部幅３〜５ｍｍ、翼部厚１．５ｍｍの翼部５ａが形成されたスクリュー形状となっている。

このような半導体製造装置を用いて、被処理ウェーハ１上に被膜を形成する。このとき、プロセス条件は、例えば、
設定温度：９２０〜１０２０℃
反応炉内圧：２〜６．６６７ＫＰａ（１５〜５０ｔｏｒｒ）
ソースガス、流量：ＳｉＨ_４、０．４〜０．８ｓｌｍ
ドーパントガス：Ｂ_２Ｈ_６
キャリアガス、流量：Ｈ_２、４０〜５０ｓｌｍ
ウェーハ回転速度：１３００〜１５００ｒｐｍ
とする。そして、回転軸により被処理ウェーハ１を回転させるとともに、翼部５ａを回転させることにより、回転軸５周辺に反応炉方向に向かう上昇気流を生成する。

このように、回転軸５周辺に被処理ウェーハ１側に向かう上昇気流８を生成することにより、プロセスガスの回転機構４側への流出を抑えることができる。

このような半導体製造装置を用いて、例えば１５枚の被処理ウェーハ上に被膜を形成した後、被処理ウェーハ上のパーティクル数を、パーティクルカウンターにより測定したところ、従来の半導体製造装置におけるパーティクル数より大幅に減少していることがわかった。

このように、回転機構の劣化を抑えることにより、ウェーハの汚染を抑えることができる。そして、このようなウェーハを用いることにより、デバイスの劣化を抑え、歩留りを向上させることが可能となる。

（実施形態２）
図３に本実施形態の半導体製造装置の断面図を示す。図に示すように、実施形態１と同様に、被処理ウェーハ１１上に被膜を形成するための反応炉１２と、反応炉１２に設置され、被処理ウェーハ１１を保持するための支持部１３と、反応炉１２に設けられる開口部１２ａと、被処理ウェーハ１１を回転させるための回転機構１４が設置されている。そして、反応炉１２の開口部１２ａを貫通して、支持部１３及び回転機構１４と連結する円筒状の回転軸１５が連結されている。回転軸１５には、その外壁及び内壁に、軸方向にらせん状の翼部１５ａ、１５ｂが形成されている。また、反応炉１２には、プロセスガスを供給するための供給口１２ｂ、排出するための排気口１２ｃが設置されている。そして、回転軸１５内部には被処理ウェーハ１１を加熱するための加熱手段１６が設置されており、その上部に設置されるヒータ１７と接続されている。

図４に、回転軸のらせん状の翼部を示す。図に示すように、回転軸１５の外壁に翼部１５ａ、内壁に翼部１５ｂが、所定のピッチ、例えば３〜５ｍｍピッチで形成されたスクリュー形状となっている。夫々翼部幅は、例えば３〜５ｍｍ、翼部厚は、例えば１．５ｍｍとなっている。

このような半導体製造装置を用いて、被処理ウェーハ１１上に被膜を形成する。このとき、プロセス条件は、例えば、
設定温度：９８０〜１１００℃
反応炉内圧：１０．６７〜５３．３３ＫＰａ（８０〜４００ｔｏｒｒ）
ソースガス、流量：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、０．５〜１．５ｓｌｍ
ドーパントガス：Ｂ_２Ｈ_６
キャリアガス、流量：Ｈ_２、１５０〜３００ｓｌｍ
ウェーハ回転速度：１３００〜１５００ｒｐｍ
とする。そして、回転軸により被処理ウェーハ１１を回転させるとともに、翼部１５ａ、１５ｂを回転させることにより、回転軸１５周辺に被処理ウェーハ１１側に向かう上昇気流１８を生成する。

このように、回転軸１５外周のみならず内周においても被処理ウェーハ１１側に向かう上昇気流を生成することにより、プロセスガスの回転機構１４側への流出を抑えることができる。

このような半導体製造装置を用いて、実施形態1と同様に被処理ウェーハ上のパーティクル数を評価したところ、同様に従来の半導体製造装置よりウェーハの汚染が抑えられていることがわかった。

（実施形態３）
図５に本実施形態の半導体製造装置の断面図を示す。図に示すように、実施形態１と同様に、被処理ウェーハ２１上に被膜を形成するための反応炉２２と、反応炉２２に設置され、被処理ウェーハ２１を保持するための支持部２３と、反応炉２２に設けられる開口部２２ａと、被処理ウェーハ２１を回転させるための回転機構２４が設置されている。そして、反応炉２２の開口部２２ａを貫通して、支持部２３及び回転機構２４と連結する円筒状の回転軸２５が連結されている。回転軸２５の外壁には、軸方向にらせん状の翼部２５ａが形成されている。尚、翼部２５ａは、所定間隔で複数の部分に分割されている。また、反応炉２２には、プロセスガスを供給するための供給口２２ｂ、排出するための排気口２２ｃが設置されている。そして、回転軸２５内部には被処理ウェーハ２１を加熱するための加熱手段２６が設置されており、その上部に設置されるヒータ２７と接続されている。さらに、回転軸２５の外周には、円筒状の固定軸２９が設置されている。そして、固定軸２９には、翼部２５ａの分割された領域に対応するように、複数のじゃま板２９ａが形成されている。

図６に、回転軸のらせん状の翼部及び固定軸を示す。図に示すように、回転軸２５の外壁に複数に分割された例えば翼部幅３〜５ｍｍ、翼部厚１．５ｍｍの翼部２５ａが、例えば３〜５ｍｍピッチで形成されたスクリュー形状となっている。固定軸２９の内壁と翼部２５ａ端部は間隙を有しており、例えば１．５〜３ｍｍ程度とする。そして、翼部２５ａ端部より内側に達する複数のじゃま板２９ａが、例えば２５〜３３ｍｍ間隔で２箇所形成されている。回転軸２５外壁とじゃま板２９ａ端部は間隙を有しており、例えば１．５〜３ｍｍ程度とする。

このような半導体製造装置を用いて、被処理ウェーハ２１上に被膜を形成する。このとき、プロセス条件は、例えば、
設定温度：１１００〜１１５０℃
反応炉内圧：８０〜１０１．３ＫＰａ（６００〜７６０ｔｏｒｒ）
ソースガス、流量：ＳｉＨＣｌ_３、２０〜３５ｓｌｍ
ドーパントガス、流量：ＰＨ_３、２００〜２５０ｓｌｍ→４０〜６０ｓｌｍ
キャリアガス、流量：Ｈ_２、１００〜１２０ｓｌｍ
ウェーハ回転速度：８００〜１０００ｒｐｍ
とする。そして、回転軸により被処理ウェーハ２１を回転させるとともに、翼部２５ａ、２５ｂを回転させることにより、回転軸２５周辺に被処理ウェーハ２１側に向かう上昇気流２８を生成する。

このように、回転軸２５周辺に被処理ウェーハ２１側に向かう上昇気流を生成することにより、プロセスガスの回転機構２４側への流出を抑えることができる。さらに、じゃま板２９ａを設けることにより、固定軸２９の内壁と翼部２５ａとの間隙を伝って下降する気流を抑止することができる。そして、さらに翼部２５ａを分割して、その部分に翼部２５ａ端部より内側に達するじゃま板２９ａを形成することにより、固定軸２９の内壁と翼部２５ａとの間隙を伝って下降する気流をより有効に抑止することが可能となる。

本実施形態において、翼部の形状、サイズ、及び回転速度を例示しているが、回転速度に応じて翼部を設計することが好ましい。例えば、回転数が低いとき（例えば８００ｒｐｍ）は、例えば翼部幅５ｍｍ、翼部の段数（分割数）３とすることが好ましい。そして、回転数が高いとき（例えば１５００ｒｐｍ）は、例えば翼部幅３ｍｍと狭く、翼部の分割数２と減少させることが好ましい。回転数を可変とする場合は、例えば翼部幅５ｍｍ、翼部の分割数３とすることが好ましい。

尚、本実施形態において、じゃま板２９ａを回転軸２５の外周に形成しているが、図７に示すように、回転軸２５の内壁に翼部２５ｂを形成する場合、回転軸２５内部の固定軸２９にじゃま板２９’ａ形成してもよい。

また、これら実施形態において、プロセス条件を例示したが、夫々これらの条件に限定されるものではなく、種々の条件を適用することが可能である。例えば、実施形態３のような常圧成膜においても、夫々顕著な効果を得ることが可能である。

（実施形態４）
図１に示す半導体製造装置において、内部のクリーニングを行う。このとき、クリーニング条件は、ＳｉＨ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨＣｌ_３を用いて成膜した場合、それぞれ成膜条件に近い条件が選択され、例えば、
温度：ＳｉＨ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２１０２０〜１０８０℃
ＳｉＨＣｌ_３１０００〜１０５０℃
ガス種、流量：ＳｉＨ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２
Ｈ_２：Ｃｌ＝１２〜１５ｓｌｍ：１０〜１２ｓｌｍ
ＳｉＨＣｌ_３
Ｈ_２：Ｃｌ＝１０〜１２ｓｌｍ：１２〜１５ｓｌｍ
圧力：ＳｉＨ_４２〜６．６６７ＫＰａ（１５〜５０ｔｏｒｒ）
ＳｉＨ_２Ｃｌ_２１０．６７〜５３．３３ＫＰａ（８０〜４００ｔｏｒｒ）
ＳｉＨＣｌ_３８０〜１０１．３ＫＰａ（６００〜７６０ｔｏｒｒ）
とすることができる。そして、翼部５ａを、
回転速度：ＳｉＨ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２１３００〜１５００ｒｐｍ
ＳｉＨＣｌ_３８００〜１０００ｒｐｍ
で回転させることにより、回転軸５周辺に被処理ウェーハ１側に向かう上昇気流を生成する。

このように、回転軸５周辺に被処理ウェーハ１側に向かう上昇気流８を生成することにより、腐食性の高いクリーニングガスの回転機構４側への流出を抑えることができる。

これら実施形態に示す半導体製造装置において、例えば１５枚の被処理ウェーハ処理した後、クリーニングを行う。その後ＳＰＶ（ＳｕｒｆａｃｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ）法により被処理ウェーハ上の金属汚染を評価したところ、従来の半導体製造装置より金属汚染が抑えられていることがわかった。

尚、本実施形態において、エピタキシャル成長とクリーニングを繰り返す、立ち上げ運転を行った方がよい。

このように、回転機構の腐食による劣化を抑えることにより、ウェーハの汚染を抑えることができる。そして、このようなウェーハを用いることにより、デバイスの劣化を抑え、歩留りを向上させることが可能となる。

これら実施形態において、被処理ウェーハを回転させるための回転軸に、上昇気流を生成するための翼部を設けているが、独立して設けても良く、別途設けられた上昇気流生成用の回転機構と接続した回転軸に翼部を形成しても良い。この場合、被膜の形成のための回転数と異なる回転数を設定することができ、より好適な上昇気流を生成することが可能となる。

このような半導体製造装置を用いて、半導体ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成し、素子形成工程を経て、半導体装置が形成される。生産性高く且つ安定してパーティクルの発生を抑えることができるため、厚膜形成が要求される半導体装置の形成に適している。特に、例えば、数１０μｍ程度の厚膜エピタキシャル成長が必要なパワーＭＯＳやＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）といった高耐圧半導体装置の形成に有効である。

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。

本発明の一態様による半導体製造装置の断面図。本発明の一態様における回転軸のらせん状の翼部を示す図。本発明の一態様による半導体製造装置の断面図。本発明の一態様における回転軸のらせん状の翼部を示す図。本発明の一態様による半導体製造装置の断面図。本発明の一態様における回転軸のらせん状の翼部及び固定軸を示す図。本発明の一態様における回転軸のらせん状の翼部及び固定軸を示す図。

符号の説明

１、１１、２１…被処理ウェーハ、２、１２、２２…反応炉、３、１３、２３…支持部、４、１４、２４…回転機構、５、１５、２５…回転軸、５ａ、１５ａ、１５ｂ，２５ａ…翼部、６、１６、２６…加熱手段、７、１７、２７…ヒータ、８、１８、２８…上昇気流、２９、２９’…固定軸、２９ａ、２９’ａ…じゃま板

Claims

プロセスガスが供給・排出され、被処理ウェーハ上に被膜を形成するための反応炉と、
前記反応炉に設置され、前記被処理ウェーハを保持するための支持部と、
前記反応炉に設けられる開口部と、
前記反応炉に連結され、前記被処理ウェーハを回転させるための回転機構と、
前記開口部を貫通して前記支持部及び前記回転機構と連結し、軸方向にらせん状の翼部を有する回転軸を備えることを特徴とする半導体製造装置。
前記回転軸は円筒状であり、前記回転軸の少なくとも外壁又は内壁に、前記翼部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
前記回転軸の前記翼部形成面に対向する面を有する固定軸を備え、
前記固定軸にはじゃま板が形成されており、前記じゃま板と対向する位置で、前記翼部が分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造装置。
反応炉に設置された支持部に、被処理ウェーハを載置する工程と、
前記反応炉に、前記被処理ウェーハ上に被膜を形成するためのプロセスガスを供給する工程と、
前記反応炉に連結された回転機構により、回転軸を介して前記支持部を回転させることにより、前記被処理ウェーハを回転させる工程と、
前記回転軸の回転により、前記反応炉の前記被処理ウェーハ側に向かう気流を生成する工程を備えることを特徴とする半導体製造方法。
常圧で前記被処理ウェーハ上に被膜を形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体製造方法。