JP2008047846A - 上昇気流を利用した成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、半導体製造過程で使用される、成膜面を下に向けた成膜装置でウエハーにプロセスガスを押し付ける力を制御出来るものが無かった。そのため成膜効率、成膜品質を向上させる最適な成膜条件の設定が困難であった。
【解決手段】 上記従来の成膜装置のプロセスガスを上昇気流にし、その上昇力を制御する事により、ウエハーにプロセスガスを押し付ける力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体製造過程で使用される成膜方法及び装置に関する。また本発明は半導体製造過程に限らず、他の成膜装置にも利用できる。

従来、ウエハーの成膜面を下に向けた成膜装置では、成膜室内で成膜温度に加熱したウエハーに向けてプロセスガスを導入しウエハーの成膜面で分解させ成膜していた。また生産効率を向上させるためにはウエハーの全面に均一の膜を成膜することは必須であり、そのためにはウエハーに対しプロセスガスを平行に、かつ、流速を早く流す方法にて成膜していた。

しかしながら上記成膜法ではウエハーにプロセスガスが接する時のプロセスガスの温度がウエハーの温度より大幅に低いため、プロセスガスがウエハーに沿って流れる時に、温度差によりプロセスガスが下方に向かい、ウエハーから離れ様とする力が生じてしまう。結果としてウエハーにプロセスガスを押し付ける力が小さくなってしまい、これによりウエハー成膜面での熱分解効率が悪くなり、成膜の材料使用効率を揚げることが困難であった。また成膜温度が１０００℃と高温の窒化ガリウム膜等の成膜ではウエハーにプロセスガスを押し付ける力が弱いと成膜面より窒素が抜け出てしまい、高品質膜の成膜が解決困難であり、経済性にも欠け成膜の信頼性が乏しかった。そこで本発明は上記問題点に鑑み従来技術の欠点を克服除去し、一層簡単な機構によって、成膜の材料使用効率が高く、高品質膜の成膜のできる成膜方法及び装置を供することである。

本発明は上記課題を解決する手段として下記の技術を結合した。
（１）気体加熱制御装置９を通過させ加熱されたプロセスガスを成膜室４に導入する。
（２）上記プロセスガスを成膜室４に設けられたプロセスガス加熱機構１０によりさらに加熱してプロセスガスを上昇気流にする。
（３）上昇気流となったプロセスガスがウエハー８に向かうように、成膜室に設けられた排気口５より吸引し、上昇気流をウエハー８に沿って斜めに流れるように制御する。これにより成膜温度に加熱されたウエハー８の成膜面でウエハー８にプロセスガスを押し付ける力を保持したままプロセスガスを熱分解し成膜する。
（４）上記成膜中にウエハー８の対向面に対向面加熱機構１２を設け、対向面の温度を制御することにより上昇気流と成ったプロセスガスの上昇力を加速制御する技術を結合する。

半導体製造工程で使用される、ウエハーの成膜面を下に向け、プロセスガスを熱分解し成膜する成膜装置において、本発明の上昇気流を利用した成膜方法を使用する事により奏する効果は、先ず材料使用効率が揚がる、成膜時間が短縮される、量産が可能になる等による経済的な効果である。これは上昇気流の作用でウエハーにプロセスガスを押し付ける事が出来るために成膜の効率が揚がるためと、多数枚のウエハー同時にプロセスガスを均等に押し付けることが出来るためである。次に成膜した膜の品質を向上出来る事による工業的効果である。これはウエハー上でプロセスガスを熱分解し成膜する時に成膜面より抜け出ようとする元素が存在する事は知られていて、これが膜の品質向上の妨げになるが、本発明では上昇気流の作用でウエハーにプロセスガスを押し付けるので、元素の抜け出しを防止出来るためである。また装置としても機構が簡単になり、作動が容易で安価に提供できる等種々の工業的効果を奏することが出来る。

本発明の好ましい実施の形態を、図１、図２、を参照して説明する。
図１は本発明を説明するための成膜装置の断面図を示す。
図２は図１のＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。

図１に示すように成膜室４はパンケーキ状の上部真空槽１とベースフランジ２に囲まれるように形成されている。上部真空槽１には８ヶ所の排気口５があり、ウエハー加熱用ヒーター７と回転導入機構６が設置されている。この回転導入機構６には成膜面を下に向けたウエハー８をセットしたサセプター３が取りつけられている。またベースフランジ２上には対向面加熱機構１２とプロセスガス加熱機構１０が設置されており、ベースフランジ２下部には気体加熱制御装置９が取りつけられている。上記成膜室４には温度測定子ａ１３、温度測定子ｂ１４、温度測定子ｃ１５、が配置され、温度測定子ａ１３はウエハー加熱ヒーター７に、温度測定子ｂ１４は対向面加熱機構１２に、温度測定子ｃ１５はプロセスガス加熱機構１０に連係している。各温度測定子は個別に温度制御装置（図示省略）に接続され、各機構が独立して温度制御出来る構成となっている。以上が本発明の構成である。

次に成膜方法を説明する。本発明の成膜装置で成膜可能な膜の代表的なものを列記すると、ＧａＡｓ（ガリウム、砒素）、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム、ガリウム、砒素）、ＩｎＰ（インジウム、リン）、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム、ガリウム、砒素、リン）ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）が混晶膜としてあげられる。上記各膜の中よりＧａＮの成膜を例にとって説明を進める。ＧａＮ膜の成膜に必要なプロセスガスは材料として、アンモニア、トリメチルガリウム（有機金属）、ドーパントＮ、ドーパントＰがあり、またキャリアガスとしては窒素、水素があり合計６種類が最低必要である。

上記プロセスガスをガス導入口１１より導入し気体加熱制御装置９へ誘導し３００℃に加熱する。この気体加熱制御装置９は気体用の熱交換機であり通過する気体を５０℃〜３００℃に加熱する能力を有する。次に加熱されたプロセスガスを成膜室４内のプロセスガス加熱機構１０に誘導する。プロセスガス加熱機構１０により加熱されたプロセスガスは上昇気流と化しプロセスガス加熱機構１０に沿ってウエハー８へと向かう。この時のプロセスガスの温度はアンモニアの分解効率があがり、ガリウムが事前分解しすぎない６３０℃〜６５０℃が望ましい。ここでプロセスガス加熱ヒーター１０ａはハロゲンランプヒーターか抵抗加熱ヒーターが望ましい。

次にウエハー加熱ヒーター７により９５０℃〜１０５０℃（ＧａＮの成膜温度）に加熱された、サセプター３にセットされたウエハー８は上記上昇気流となったプロセスガスと接触する。この時点でウエハー８の成膜面にて材料が熱分解され成膜が開始する。ＧａＮの成膜温度が高温であるために成膜面より窒素が抜け出ようとするが、これをプロセスガスの上昇力で押さえ込む様に成膜する。その結果、窒素抜けの少ない良質のＧａＮ膜が成膜できる。この時のウエハー加熱ヒーター７はハロゲンランプヒーターか抵抗加熱ヒーターが望ましい。

次にウエハー８の成膜部でのプロセスガス上昇気流化を促進するために、ウエハー８対向面に対向面加熱機構１２を設けプロセスガスをさらに加熱する。これによりプロセスガスの上昇力は更に増して、ウエハー８にプロセスガスを更に強く押し付けられ成膜効率を揚げることが出来る。この時の対向面温度は成膜温度プラス５０℃〜１００℃が望ましい。なお対向面加熱ヒーター１２ａはハロゲンランプヒーターか抵抗加熱ヒーターが望ましい。

上記の説明によりウエハー８にプロセスガスを押し付ける力は成膜に有効であることは容易にわかるが、本発明は特にプロセスガス自身の上へ昇ろうとする力を利用するために、広い面積へ均等な力でプロセスガスを押し付けることが可能である。例えば図２のように８枚のウエハー８をサセプター３に配置し同時に多数枚の成膜を行う時に、複雑な機構を用いることなく、プロセスガスを均等にウエハー８へ押し付けることが出来る。この押し付ける力もプロセスガス加熱機構１０、対向面加熱機構１２、を個別に制御することにより任意に設定する事が可能である。

上記成膜法でウエハー８全面に均一の膜を、同時に品質の高い膜を成膜するためにはプロセスガスがウエハーに対して層流でスムースに流れることが必要で、同時にプロセスガスをウエハー８に押し付ける力が求められる。そこで本発明では成膜室４内で上昇気流と成ったプロセスガスを横方向に設けた８ヶ所の排気口５より吸引しプロセスガスをウエハー８面に層流で、同時にウエハー８に押し付ける流れを作ることが出来る。この時プロセスガスの流速を遅くすればウエハー８にプロセスガスを押し付ける力が強くなり、流速を早めれば弱くなる。つまり本発明はプロセスガスの上昇力と流速を制御出来るので最適な成膜条件を設定する事ができる。なおプロセスガスの流速は流量が一定であれば成膜室４の圧力に依存するが上記成膜法では２０ＴＯＲＲ〜８００ＴＯＲＲが望ましい。

本発明の実施形態である、成膜装置の断面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。

符号の説明

１、 上部真空槽
２、 ベースフランジ
３、 サセプター
４、 成膜室
５、 排気口
６、 回転導入機構
７、 ウエハー加熱ヒーター
８、 ウエハー
９、 気体温度制御装置
１０、 プロセスガス加熱機構
１０ａ、プロセスガス加熱用ヒーター
１１、 ガス導入口
１２、 対向面加熱機構
１２ａ，対向面加熱用ヒーター
１３、 温度測定子ａ
１４、 温度測定子ｂ
１５、 温度測定子ｃ

Claims (12)

1. 半導体製造用装置でプロセスガスを用いウエハーの成膜面を下に向けた成膜装置において、プロセスガスに上昇気流を発生させる機構を設けた事を特長とする成膜方法。
2. 半導体製造用装置でプロセスガスを用いウエハーの成膜面を下に向けた成膜装置において、プロセスガスに上昇気流を発生させる機構を設けた事を特長とする成膜装置。
3. 請求項１記載の成膜方法において、さらに上昇気流の上昇力を制御する機構を設けた成膜方法。
4. 請求項２記載の成膜装置において、さらに上昇気流の上昇力を制御する機構を設けた成膜装置。
5. 請求項３記載の成膜方法において、さらにプロセスガスを成膜室へ導入前に予備加熱する気体加熱制御装置を設けた成膜方法。
6. 請求項４記載の成膜装置において、さらにプロセスガスを成膜室へ導入前に予備加熱する気体加熱制御装置を設けた成膜装置。
7. 半導体製造用装置でプロセスガスを用いウエハーの成膜面を下に向けた成膜装置において、プロセスガスに上昇気流を発生させる機構を２段階に設けた事を特長とする成膜方法。
8. 半導体製造用装置でプロセスガスを用いウエハーの成膜面を下に向けた成膜装置において、プロセスガスに上昇気流を発生させる機構を２段階に設けた事を特長とする成膜装置。
9. 請求項７記載の成膜方法において、さらに上昇気流の上昇力を制御する機構を２つ設けた成膜方法。
10. 請求項８記載の成膜装置において、さらに上昇気流の上昇力を制御する機構を２つ設けた成膜装置。
11. 請求項９記載の成膜方法において、さらにプロセスガスを成膜室へ導入前に予備加熱する気体加熱制御装置を設けた成膜方法。
12. 請求項１０記載の成膜装置において、さらにプロセスガスを成膜室へ導入前に予備加熱する気体加熱制御装置を設けた成膜装置。

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