JP2008108983A - Vapor phase growth apparatus and vapor phase growth method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition.この中にVPE:Vapor Phase Epitaxial growsを含む。)装置および方法に係り、特に半導体ウェハを回転させながら成膜する気相成長装置および気相成長方法に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth (CVD: Chemical Vapor Deposition, including VPE: Vapor Phase Epitaxial grows), and more particularly, to a vapor phase growth apparatus and a vapor phase growth method for forming a film while rotating a semiconductor wafer. Regarding the method.
図5は、従来の気相成長装置の構造の断面図であり、101はチャンバ、102はチャンバ内壁を被覆する保護カバー、103a、bはチャンバを冷却する冷却水の流路、104はプロセスガスを導入する供給部、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、107はウェハ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ウェハ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。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the structure of a conventional vapor phase growth apparatus, wherein 101 is a chamber, 102 is a protective cover that covers the inner wall of the chamber, 103a and b are cooling water flow paths for cooling the chamber, and 104 is a process gas. 105 is a process gas exhaust unit after reaction, 106 is a wafer for vapor phase growth, 107 is a susceptor that supports the
上述の従来の一般的な気相成長装置において、チャンバ101内でウェハ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を供給部104から供給することでウェハ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、チャンバ101下部に設けられた排気部105から逐次排気されている。このとき、保護カバー102のうち、排気部105付近の部分はウェハ106やヒータ108などのチャンバ101内の高温部から距離が離れており、なおかつチャンバ101下部に位置しているため高温部からの熱の輻射を受けにくく、高温にはなりにくい。
In the conventional general vapor phase growth apparatus described above, the
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、bを設けている。冷却水はパッキン110、112をチャンバ101を介して冷却するが、同時にチャンバ101本体や保護カバー102も冷却してしまうため、チャンバ101内の排気部105の近傍には低温となる部分ができる。
Further,
ここで問題になるのは、気相成長反応にジクロロシラン(SiH2Cl2)を反応性ガスとして用いたときの反応後のプロセスガスが低温の環境に晒されると副生成物の反応性ポリシロキサン(化学式SixH2x+2-yCly 但しy≦2x+2)が発生し堆積することである。副生成物が排気部付近に堆積することにより、気相成長反応に必要なプロセスガスの流量や流速が変化したり、排気部105の排気圧力が上昇したりといった、高品質のウェハの生産に必要なプロセス条件を満たせなくなる様々な問題が発生する。
The problem here is that if the process gas after the reaction when dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) is used as the reactive gas in the vapor phase growth reaction is exposed to a low temperature environment, the reactive polycrystal of the byproduct is present. Siloxane (chemical formula Si x H 2x + 2-y Cl y where y ≦ 2x + 2) is generated and deposited. For the production of high quality wafers such as the flow rate and flow rate of the process gas required for the vapor phase growth reaction and the exhaust pressure of the
また、堆積物の発生でチャンバ101内のプロセス条件の設定が困難になったときにはフランジ部109をはずすことによってチャンバ101を分解し、内部の洗浄などのメンテナンスを、稼動する条件によって左右されるが、概ね1ヶ月に1回程度の頻度で行わなければならなくなる。また、このメンテナンス作業を全て完了した後に元のとおりに装置を組み立て直したとしても、生産されるウェハの結晶の膜厚や純度などの品質をメンテナンス作業以前の水準に戻すには、シーズニング(枯らし運転)の時間が必要になる。シーズニングとは、チャンバ内を生産稼動に耐えられる状態になるまで水分や金属汚染をなくすため、ダミーウェハを用いて成膜動作を繰り返す運転のことをいう。
上記のメンテナンス作業の頻度が高いと、これによる気相成長装置の稼働率が低下する。
このように、従来の気相成長装置には、チャンバ101内部への副生成物の堆積によってプロセス条件を満たせなくなり製造するウェハの品質維持が阻害される、チャンバ101内部のメンテナンスおよびメンテナンス後の装置の管理の煩雑さが増す、装置の稼働率が低下するといった問題があった。
Further, when it becomes difficult to set process conditions in the
When the frequency of the maintenance work is high, the operating rate of the vapor phase growth apparatus due to this decreases.
As described above, in the conventional vapor phase growth apparatus, the maintenance inside the
上述の気相成長装置において副生成物の堆積に起因して、チャンバ101内のプロセス条件が満たされない状態に常に陥らないことが望まれる。
In the above-described vapor phase growth apparatus, it is desired that the process conditions in the
また、たとえば特開2001‐226774号公報(特許文献1)のように、チャンバの排気部に接続され、副生成物が堆積しやすい部分である排気管内部の温度制御を行うことや、不活性ガス(たとえばN2)の流層を排気管内筒表面付近に作り、反応後のプロセスガスを排気管内筒表面に晒さないことで副生成物の堆積を抑制することによって排気を円滑にしようとすることは一般的である。 Further, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-226774 (Patent Document 1), the temperature inside the exhaust pipe, which is connected to the exhaust part of the chamber and is easy to deposit by-products, is controlled or inactive. A flow layer of gas (for example, N 2 ) is created near the surface of the inner tube of the exhaust pipe, and the process gas after the reaction is not exposed to the surface of the inner tube of the exhaust pipe so as to suppress the accumulation of by-products and thereby try to smooth the exhaust. That is common.
しかしながら、排気管以後の排気経路を構成する部分をどれだけ清浄にしようとも、チャンバ内での副生成物の堆積は特許文献1の方法においても同様に発生してしまう問題であり、当然チャンバ内に堆積した副生成物を除去するメンテナンスは行わなければならない。
上述の如く、従来の気相成長装置のようにチャンバ外部の排気管への副生成物の発生を抑制することだけではチャンバ内部に副生成物が堆積するためチャンバ内のプロセス条件を満たせない状態に陥り、装置の稼働率が低下する。よって、製造されるウェハの品質や生産性に影響を及ぼしてしまうという問題点は解決されていない。
本発明は、上述した点に対処して、チャンバ内における気相成長中の副生成物の発生を抑制することで気相成長装置の稼働率を向上させ、気相成長反応時のプロセス条件を安定化するようにして高品質のウェハを高い稼働率で製造できる新規の気相成長装置および気相成長方法を提供するものである。
As described above, as in the conventional vapor phase growth apparatus, by suppressing the generation of by-products in the exhaust pipe outside the chamber, the by-products are deposited inside the chamber, so that the process conditions in the chamber cannot be satisfied. Falls into the system, and the operating rate of the apparatus decreases. Therefore, the problem of affecting the quality and productivity of the manufactured wafer has not been solved.
The present invention addresses the above-mentioned points, improves the operating rate of the vapor phase growth apparatus by suppressing the generation of by-products during vapor phase growth in the chamber, and sets the process conditions during the vapor phase growth reaction. A novel vapor phase growth apparatus and vapor phase growth method capable of manufacturing a high-quality wafer at a high operating rate in a stable manner are provided.
本発明の気相成長装置の特徴は、プロセスガスを導入する供給部と反応後のプロセスガスを排気する排気部を有するチャンバと、チャンバの内壁を被覆する保護カバーと、保護カバーを設定した温度に加熱する第1のヒータと、第1のヒータあるいは保護カバーの温度を検出する温度検出手段と、チャンバの外周に設けられた冷却手段と、チャンバ内に設けられ、気相成長を行うウェハを支持する回転自在なサセプタと、ウェハを加熱する第2のヒータとを備え、第1のヒータおよび温度検出手段は保護カバーの排気部近傍に設けられていることにある。 The feature of the vapor phase growth apparatus of the present invention is that a chamber having a supply part for introducing a process gas and an exhaust part for exhausting the process gas after reaction, a protective cover for covering the inner wall of the chamber, and a temperature at which the protective cover is set A first heater for heating the substrate, a temperature detecting means for detecting the temperature of the first heater or the protective cover, a cooling means provided on the outer periphery of the chamber, and a wafer for vapor phase growth provided in the chamber. A rotatable susceptor for supporting and a second heater for heating the wafer are provided, and the first heater and the temperature detecting means are provided in the vicinity of the exhaust portion of the protective cover.
また、本発明において第1のヒータは、保護カバーに覆われていることを特徴とする。 In the present invention, the first heater is covered with a protective cover.
さらに、本発明において第1のヒータは、温度検出手段により検出された温度に基づき前記ヒータの出力を制御するコントローラが接続されることを特徴とする。 Further, in the present invention, the first heater is connected to a controller for controlling the output of the heater based on the temperature detected by the temperature detecting means.
さらに、本発明において温度検出手段は、保護カバーに覆われていることを特徴とする。 Furthermore, in the present invention, the temperature detecting means is covered with a protective cover.
また、本発明の方法の特徴は、チャンバを冷却しながら、チャンバ内においてプロセスガス雰囲気下でウェハを加熱処理することでウェハ表面に結晶膜を形成し、反応後のプロセスガスをチャンバ内から排気する気相成長方法において、
チャンバ内壁を被覆する保護カバーに覆われた温度検出手段がヒータあるいは保護カバーの温度を検出する第1の工程と、
ヒータに接続されたコントローラが温度検出手段の検出した温度情報をもとにヒータの出力を制御して、保護カバーが設定した温度になるように制御する第2の工程と、
を備えたことにある。
In addition, the method of the present invention is characterized by forming a crystal film on the wafer surface by heat-treating the wafer in a process gas atmosphere in the chamber while cooling the chamber, and exhausting the reacted process gas from the chamber. In the vapor phase growth method,
A first step in which temperature detection means covered with a protective cover covering the inner wall of the chamber detects the temperature of the heater or the protective cover;
A second step in which a controller connected to the heater controls the output of the heater based on the temperature information detected by the temperature detection means so that the temperature of the protective cover is set;
It is in having.
本発明によれば、チャンバ内における気相成長中の副生成物の発生を抑制することで気相成長装置の稼働率の向上と、気相成長反応時のプロセス条件を安定化するようにして高品質のウェハを高い稼働率で製造できる新規の気相成長装置および気相成長方法を提供することが可能である。 According to the present invention, by suppressing the generation of by-products during vapor phase growth in the chamber, the operating rate of the vapor phase growth apparatus is improved and the process conditions during the vapor phase growth reaction are stabilized. It is possible to provide a novel vapor phase growth apparatus and vapor phase growth method capable of producing a high-quality wafer at a high operation rate.
以下、本発明の実施をするための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(実施形態)
この実施形態の気相成長装置および気相成長方法を、図1ないし図3に基づいて順を追って説明する。また、従来例の図5と同一部分は同一符号を付して重複する説明については省略する。
(Embodiment)
The vapor phase growth apparatus and the vapor phase growth method of this embodiment will be described in order with reference to FIGS. Further, the same parts as those of the conventional example shown in FIG.
チャンバ101に供給するプロセスガスの供給流量の設定は、たとえばキャリアガス: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101内の圧力をたとえば1333Pa〜常圧に制御する。以上の条件を満たし、気相成長を開始する。
For example, carrier gas: H 2 is set to 20 to 100 SLM (Standard Liter per Minutes), and reactive gas: dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) is set to 50 sccm. (Standard
Cubic centimeter per minutes (standard cc per minute) to 2 SLM, and other dopant gases: diborane (B 2 H 6 ) or phosphine (PH 3 ) are set to be added in a very small amount. When diborane is introduced as described above, a p-type conductivity film is formed, and when phosphine is introduced, an n-type conductivity film is formed. Then, the pressure in the
一般に、気相成長装置のチャンバ101内壁は、ステンレス製の筐体を露出させないように保護カバー102で全面を被覆している。これは、ウェハ106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101のステンレス製の筐体の侵食を防ぐためである。
また、ウェハ106を支持するサセプタ107はサセプタ支持部107aを介して回転機構に接続されている。
In general, the inner wall of the
The
上述のプロセス条件でウェハ106が気相成長反応を行う間、ヒータ108はウェハ106を常に1000℃以上に加熱するため、チャンバ101内の温度は輻射熱によって全体的に高くなり、ヒータ108に接近した箇所や、熱の輻射を受けやすいチャンバ101上部において特に顕著になる。
During the vapor phase growth reaction of the
チャンバ101全体の温度があまりに高くなってしまうと、チャンバ101のフランジ部109をシールしているパッキン110や、排気部105と排気配管を連結しているフランジ部111のシールをしているパッキン112を劣化させる。ここで用いるパッキン類(Oリングなどを含む)は、フッ素ゴム製のもので、耐熱温度は約300℃である。
If the temperature of the
このときパッキン110、112の劣化を抑制するため、チャンバ101外周および下部に設けた冷却水の流路103a、bに水温約20℃の冷却水を循環させることで、熱の輻射を受けやすいチャンバ101上部、パッキン110、112などは冷却水の循環により冷却され、装置の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。
At this time, in order to suppress the deterioration of the
しかしながら保護カバー102は、たとえば石英ガラスあるいはセラミックスなどの加熱されにくい材質で構成されており、さらに保護カバー102のうちヒータ108などの高温部から距離が離れている、チャンバ101の下部に位置しているなど、ヒータ108の輻射熱の影響を受けにくい部分では冷却水からの影響をより強く受け低温部になり、問題となる副生成物が発生する。具体的にはチャンバ101下部の排気部105付近の壁面を覆う保護カバー102aや、その下部102b、図2および図3に示すチャンバ101内下面を被覆している円形の保護カバー102cなどの部分が冷却されることで、気相成長反応後のプロセスガスによる副生成物が発生し、堆積する。気相成長反応後のプロセスガスから生じる副生成物は、反応性ポリシロキサン(SixH2x+2-yCly 但しy≦2x+2)であり、その性質は、概ね100℃以下の環境に気相成長後のプロセスガスが晒されると発生、堆積するものであるとされている。
However, the
このような状態になると排気部105の近傍の保護カバー102a、bとサセプタ107の外周との間に形成される排気経路の断面積が減少するとともに、排気部105の排気口の断面積が減少し、チャンバ101内に導入する気相成長反応に必要なプロセスガスの流量、流速の変化、排気部105の排気圧力の上昇などが起こり、高品質のウェハの生産に必要なプロセス条件を満たせなくなる。
In such a state, the cross-sectional area of the exhaust path formed between the
また、堆積する反応性ポリシロキサンは発火、爆発などの危険性があり、外気に触れると硬化する性質も持つ。このためメンテナンス時に除去するのにも慎重な作業が必要になり、かつ時間も要する。よって、この装置自体の稼働率低下の原因として問題になる。 Moreover, the deposited reactive polysiloxane has a risk of ignition, explosion, and the like, and has a property of curing when exposed to the outside air. For this reason, careful work is required for removal during maintenance, and time is required. Therefore, it becomes a problem as a cause of a decrease in the operating rate of the device itself.
この問題を解決するため、保護カバー102a、b、cに覆われているヒータ113a、b、cで保護カバー102a、b、cを加熱する。またこの保護カバー102a、b、cには熱電対114a、b、cがそれぞれヒータ113a、b、cと同様に保護カバー102a、b、cに覆われており、保護カバー102a、b、cあるいはヒータ113a、b、cの温度を検出する。
なお、このときの温度の検出には熱電対を設けたが、熱電対に限らず正確に温度を検出できるものであれば、サーミスタ、サーモスタットなどを採用しても良い。
In order to solve this problem, the
In addition, although the thermocouple was provided in the detection of the temperature at this time, you may employ | adopt a thermistor, a thermostat, etc. as long as it can detect temperature not only with a thermocouple.
また、ヒータ113および熱電対114はチャンバ101内に露出させないように、保護カバー102によって覆われているため、チャンバ内部の金属汚染やパーティクルの発生源にはならず、さらにプロセスガスに晒されることもなく、温度の検出を正確に行うことが出来る。
Further, since the heater 113 and the thermocouple 114 are covered with the
このとき、保護カバー102への副生成物の堆積を抑制し、かつパッキン110、112を劣化させない範囲に保護カバー102の温度を調整するため、コントローラ115が稼動する。コントローラ115は保護カバー102に設けられているヒータ113と熱電対114に接続されており、熱電対114の検出する温度情報をもとにヒータ113を設定した温度になるように出力を制御し、保護カバー102を100℃から200℃の範囲に収まるよう調整する。この範囲であれば保護カバー102への副生成物の堆積を抑制することが出来、また近接して設けられているパッキン110、112を劣化させるおそれもない。
At this time, the
図4はこの実施形態の気相成長方法のフローチャートを示す。
チャンバ101を冷却しながら、チャンバ101内において反応ガスを含むプロセスガス雰囲気下でウェハ106を加熱処理することでウェハ106表面に結晶膜を形成し、反応後のプロセスガスをチャンバ101から排気する気相成長方法において、
チャンバ101内を被覆する保護カバー102a、b、cに覆われた温度検出手段114a、b、cが、保護カバー102a、b、cを加熱するヒータ113a、b、cあるいは保護カバー102a、b、cの温度を検出する温度検出工程(S101)、ヒータ113a、b、cに接続されたコントローラ115が温度検出手段114a、b、cの検出した温度情報をもとにヒータ113a、b、cの出力を制御して、保護カバー102a、b、cが設定した温度になるように制御する温度制御工程(S102)という一連の工程を継続的に繰り返して実施する。この方法によれば、チャンバ101内に副生成物が堆積されるのを抑制し、気相成長に用いたプロセスガスの排気を円滑にすることができる。
FIG. 4 shows a flowchart of the vapor phase growth method of this embodiment.
While cooling the
The temperature detection means 114a, b, c covered with the
上述したように、本発明は従来から問題となっていたチャンバ内における反応後のプロセスガスから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を生産可能にすることにも繋がる。 As described above, the present invention suppresses the accumulation of by-products generated from the process gas after the reaction in the chamber, which has been a problem in the past, and reduces the maintenance work by reducing the frequency of maintenance. The operating rate of the apparatus can be improved. As a result, it is possible to produce high quality wafers by stabilizing the process conditions.
また、本発明の実施形態において気相成長反応のプロセス条件として反応性ガスにジクロロシランを挙げたが、発明者の実施の経験からジクロロシランを使用した場合がシラン(SiH4)、トリクロロシラン(SiHCl3)を使用した場合に比べ、より多量の副生成物を発生させることが分かっており、最もその効果が顕著に表れる例として取り上げた。 In the embodiment of the present invention, dichlorosilane was cited as a reactive gas as a process condition for the vapor phase growth reaction. However, when dichlorosilane is used from the experience of the inventors, silane (SiH 4 ), trichlorosilane ( Compared to the case of using SiHCl 3 ), it has been found that a larger amount of by-products are generated, and this example was taken up as an example in which the effect is most prominent.
本発明の、チャンバ内の保護カバーの低温部を加熱して副生成物の堆積を抑制する装置を稼動させながら操業したときに必要なメンテナンスの頻度と、図5に示した従来の装置を操業させるのに必要なメンテナンスの頻度を比較すると、稼動条件によっても左右されるが、本発明の装置は概ね3ヶ月に1回程度の実施で済み、従来の装置では概ね1ヶ月に1回程度実施が必要となる。よって、本発明の装置ではメンテナンス作業の頻度を約3分の1程度に低減できる。 The maintenance frequency required when operating the apparatus for suppressing the accumulation of by-products by heating the low temperature part of the protective cover in the chamber of the present invention, and the conventional apparatus shown in FIG. When the frequency of maintenance required for the operation is compared, it depends on the operating conditions, but the device of the present invention needs to be carried out about once every three months, and the conventional device is carried out about once a month. Is required. Therefore, in the apparatus of the present invention, the frequency of maintenance work can be reduced to about one third.
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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.
101…チャンバ
102a、b、c…保護カバー
103a、b…冷却水の流路
104…供給部
105…排気部
106…ウェハ
107…サセプタ
108…ヒータ
109…フランジ部
110…パッキン
111…フランジ部
112…パッキン
113a、b、c…ヒータ
114a、b、c…熱電対
115…コントローラ
101 ...
Claims (5)
チャンバ内壁を被覆する保護カバーに覆われた温度検出手段が前記保護カバーを加熱するヒータあるいは前記保護カバーの温度を検出する第1の工程と、
前記ヒータに接続されたコントローラが前記温度検出手段の検出した温度情報をもとに前記ヒータの出力を制御して、前記保護カバーが設定した温度になるように制御する第2の工程と、
を備えたことを特徴とする気相成長方法。 In the vapor phase growth method of forming a crystal film on the wafer surface by heating the wafer in a process gas atmosphere in the chamber while cooling the chamber, and exhausting the process gas after the reaction from the chamber,
A first step in which a temperature detecting means covered with a protective cover covering the inner wall of the chamber detects a temperature of a heater for heating the protective cover or the protective cover;
A second step in which a controller connected to the heater controls the output of the heater based on temperature information detected by the temperature detecting means so that the temperature of the protective cover is set;
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