JP2008243938A - 熱ｃｖｄ方法および熱ｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ウェーハの周縁部まで均一に成膜することが可能な熱ＣＶＤ方法および熱ＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】熱ＣＶＤ方法において、ウェーハｗ上に成膜を行うための反応室１１内を、所定の圧力に制御し、所定の圧力に制御された反応室１１に、上部より反応ガスを導入し、反応ガスをシャワーヘッド１７において断熱膨張させることにより、反応ガスのガス流を加速させ、回転させながら加熱したウェーハｗ上に、加速された反応ガスのガス流を供給して、成膜を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、半導体ウェーハ上に、加熱・回転させながら反応ガスを供給し、Ｓｉエピタキシャル膜などの薄膜を形成するための熱ＣＶＤ装置および熱ＣＶＤ方法に関する。

半導体装置の製造工程において、特に気相成長を用いたＳｉ膜のエピタキシャル成長装置として、枚葉式の熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が用いられている。

このような枚葉式の熱ＣＶＤ装置においては、例えば、特許文献１に示されるように、反応室内で、ウェーハを回転させながら、下方よりヒータにより加熱し、上方よりウェーハ上に、シラン、ジクロロシラン、トリクロロシランなどの比較的重い成膜ガスと、水素、ヘリウムなどの比較的軽いキャリアガスを混合した反応ガスを供給することにより、ウェーハ上に薄膜が形成される。

近年、半導体装置の微細化に伴い、ウェーハの素子形成領域における膜厚に対する仕様がより厳しいものとなっている。また、素子のコストダウンを図るため、ウェーハの大口径化が進むとともに、ウェーハ当たりの素子の収率を増大させる要求が高まっている。そこで、素子形成領域における膜厚の均一性を向上させるのみならず、これまで素子が形成されていなかったウェーハの周縁部まで、均一に成膜する必要が生じてきた。

そこで、特許文献１に示されるように、ウェーハ面内の温度を均一に制御することにより、均一性の向上を図るものの、ある程度の膜厚のばらつきがあり、また、周縁部までの厳密な制御は困難であるという問題がある。
特開２０００−３０６８５０号公報（図１など）

上述したように、ウェーハの周縁部まで厳密な膜厚均一性を得ることが困難であるという問題がある。

本発明は、ウェーハの周縁部まで均一に成膜することが可能な熱ＣＶＤ方法および熱ＣＶＤ装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様の熱ＣＶＤ方法は、ウェーハ上に成膜を行うための反応室内を、所定の圧力に制御し、所定の圧力に制御された反応室に、上部より反応ガスを導入し、反応ガスを断熱膨張させることにより、反応ガスのガス流を加速させ、回転させながら加熱したウェーハ上に、加速された反応ガスのガス流を供給して、成膜を行うことを特徴とする。

本発明の熱ＣＶＤ方法において、反応ガスのガス流は、ウェーハ面に対して垂直方向に加速されることが好ましい。

本発明の一態様の熱ＣＶＤ装置は、ウェーハ上に成膜を行うための反応室と、反応室下部に設けられ、前記ウェーハを加熱するためのヒータと、ウェーハを保持するための保持機構と、保持機構と接続され、ウェーハを回転させるための回転機構と、反応ガスを前記反応室内に導入するための反応ガス導入口と、保持機構の上部に配置され、導入された反応ガスを通過させることにより断熱膨張させるための、ガス導入部が小さく、ガス放出部が大きい複数の開口部を有するシャワーヘッドを備えることを特徴とする。

本発明の熱ＣＶＤ装置において、開口部は、釣鐘形状であることが好ましい。

また、本発明の熱ＣＶＤ装置において、シャワーヘッドは、中央部と周辺部で分割され、中央部と前記周辺部は、それぞれ異なる圧力に制御可能であることが好ましい。

本発明の熱ＣＶＤ方法および熱ＣＶＤ装置により、ウェーハの周縁部まで均一に成膜す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。

図１に、本実施形態の熱ＣＶＤ装置の断面構造を示す。図に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、ウェーハｗを所定温度に加熱するためのヒータ１２と、ウェーハｗを保持するための環状のホルダー１３と、ホルダー１３と接続され、ウェーハｗを回転させるための回転機構１４が設置されている。反応室１１上方には、反応ガスを反応室内に導入するための反応ガス導入口１５が、反応室１１下方には、反応ガスを排出するためのガス排出口１６が設置されている。

反応室１１の上方には、導入された反応ガスを混合し、ウェーハｗ面内で流量が均一となるように供給するための、例えばＳｉＣ、石英ガラスからなるシャワーヘッド１７が設置されている。

図２にシャワーヘッド１７の部分拡大断面図を示す。図に示すように、シャワーヘッドの開口部１８において、開口部１８上方のガス導入部１８ａが小さく、下方のガス放出部１８ｂが大きい円錐形状となっている。

このような気相成長装置を用いて、例えばＳｉからなるウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する。先ず、例えば１８０ｍｍ径のウェーハｗをホルダー１３上に載置する。

そして、反応ガス導入口１５より反応ガスを導入する。反応ガスは、例えば、キャリアガス：Ｈ_２を２０〜１００ＳＬＭ、成膜ガス：ＳｉＨＣｌ_３を５０ｓｃｃｍ〜２ＳＬＭ、ドーパントガス：Ｂ_２Ｈ_６、ＰＨ_３：微量とする。このような反応ガスは、シャワーヘッド１７に導入され、開口部１８より噴出される。

このとき、シャワーヘッド１７内の圧力が、反応室１１内の圧力より高くなるように、反応ガスの供給・排出量を制御する。そして、圧力の高いシャワーヘッド１７（例えば１０００Ｔｏｒｒ＝１．３×１０^６Ｐａ）内から、圧力の低い反応室１１（例えば１０Ｔｏｒｒ＝１３３３Ｐａ）に、反応ガスを噴出させることにより、反応ガスを断熱膨張させ、ウェーハｗに向かって加速させる。

そして、ウェーハｗの温度が、面内で均一に、例えば１１００℃となるように、ヒータ１２を制御する。そして、回転機構１４によりウェーハｗを高速回転させながら、ウェーハｗ上に加速させた反応ガスを供給することにより、ウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する。

このとき、図３に示すように、反応ガスは、高速回転により、ウェーハｗ表面近傍において、成膜に直接寄与する境界層１９を形成する。そして、この境界層１９に対して、反応ガスが供給されるが、このとき、水素などの比較的軽いキャリアガスは、慣性力が小さく、シャワーヘッド１７とウェーハｗの間に淀む（淀み２０）。しかしながら、ＳｉＨＣｌ_３などの比較的重い成膜ガスは、断熱膨張による加速を十分大きくすることにより、慣性力が増大し、軽いガスの淀みによる影響を抑えることができる。従って、境界層１９に対して、加速により一定の均一性が得られた状態を維持したままで成膜ガスを供給することが可能となり、例えば、膜厚のばらつきを２％未満の１％に抑え、ウェーハｗの周縁部まで、より均一に成膜することが可能となる。

本実施形態において、シャワーヘッド１７を、ウェーハｗの上部に配置しているが、ウェーハｗとシャワーヘッド１７との距離は、均一性を維持できる距離であることが好ましい。しかしながら、あまり近接させると、シャワーヘッド１７の下部がウェーハｗからの輻射熱を受けて加熱されるため、Ｓｉ膜の堆積が生じてしまう。従って、シャワーヘッド１７へのＳｉ膜の堆積を抑制するという観点では、均一性が維持される限界点に近い方が好ましい。

また、本実施形態において、反応室１内の圧力を、例えば１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）となるように制御しているが、断熱膨張を発生させる上で、シャワーヘッド１７内と反応室１１内の圧力差が大きい方が好ましく、例えば反応室１１内の圧力が、シャワーヘッド内の圧力の１／１０以下であればよい。そして、反応室１内の圧力は、負圧、特に真空に近いことが好ましく、例えば数１０Ｔｏｒｒ以下であればよい。

また、シャワーヘッド１７の開口部１８の形状を円錐形状としたが、開口部１８上方のガス導入部１８ａが小さく、下方のガス放出部１８ｂが大きい形状で、断熱膨張を阻害しない形状であれば、特に限定されない。このような形状とすることにより、導入される反応ガスが断熱膨張し、加速され、ウェーハｗに向かう指向性が増大される。

このとき、図４に示すように、シャワーヘッドの開口部２８が、微小なガス導入部２８ａを有し、ガス放出部２８ｂにおいては、ほぼ平行（ウェーハｗ面に対して垂直）となる釣鐘形状とすることが好ましい。このような釣鐘形状とすることにより、破線で示す断熱膨張により形成された自由膨張流を包み込むことができる。また、このとき、開口部のガス導入部２８ａの径は、加工精度が得られる範囲で小さいほど好ましい。例えば開口部厚が３ｍｍの場合、ガス導入部２８ａの径を０．１ｍｍ程度、ガス放出部２８ｂの径を２、３ｍｍとすることができる。

また、シャワーヘッド１７の径は、ウェーハｗ径に対して１０〜２０％大きくすることが好ましい。１０％未満であると、周縁部まで均一性の向上を図ることが困難となり、２０％を超えると、成膜効率が低下し、プロセスコストが増大してしまうためである。

また、本実施形態において、シャワーヘッド内の圧力は均一であるが、図５に示すように、シャワーヘッド３７を中央部３７ａと周辺部３７ｂで分割し、それぞれの圧力を独立して制御できるようにしてもよい。このように中央部３７ａと周辺部３７ｂを分割することにより、例えば、軽いガスの淀みがある周辺部３７ｂ内の圧力を高くし、成膜ガスの加速度を上げることにより、より均一な膜厚の制御が可能となる。

本実施形態によれば、ウェーハおよびウェーハより素子形成工程および素子分離工程を経て形成される半導体装置において、ウェーハ当たりの素子の収率を増大させ、歩留りを向上させるとともに、素子特性を安定させ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。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熱ＣＶＤ装置の断面図。 本発明の一態様におけるシャワーヘッドの部分拡大断面図。 本発明の一態様におけるウェーハ近傍の成膜ガスの流れを示す模式図。 本発明の一態様におけるシャワーヘッドの部分拡大断面図。 本発明の一態様におけるシャワーヘッドの断面図。

符号の説明

１１…反応室、１２…ヒータ、１３…ホルダー、１４…回転機構、１５…反応ガス導入口、１６…ガス排出口、１７、２７、３７…シャワーヘッド、１８、２８…開口部、１９…境界層

Claims (5)

1. ウェーハ上に成膜を行うための反応室内を、所定の圧力に制御し、
   前記所定の圧力に制御された反応室に、上部より反応ガスを導入し、
   前記反応ガスを断熱膨張させることにより、前記反応ガスのガス流を加速させ、
   回転させながら加熱したウェーハ上に、加速された前記反応ガスのガス流を供給して、成膜を行うことを特徴とする熱ＣＶＤ方法。
2. 前記反応ガスのガス流は、ウェーハ面に対して垂直方向に加速されることを特徴とする請求項1に記載の熱ＣＶＤ方法。
3. ウェーハ上に成膜を行うための反応室と、
   前記反応室下部に設けられ、前記ウェーハを加熱するためのヒータと、
   前記ウェーハを保持するための保持機構と、
   前記保持機構と接続され、前記ウェーハを回転させるための回転機構と、
   反応ガスを前記反応室内に導入するための反応ガス導入口と、
   前記保持機構の上部に配置され、導入された前記反応ガスを通過させることにより断熱膨張させるための、ガス導入部が小さく、ガス放出部が大きい複数の開口部を有するシャワーヘッドを備えることを特徴とする熱ＣＶＤ装置。
4. 前記開口部は、釣鐘形状であることを特徴とする請求項３に記載の熱ＣＶＤ装置。
5. 前記シャワーヘッドは、中央部と周辺部で分割され、
   前記中央部と前記周辺部は、それぞれ異なる圧力に制御可能であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱ＣＶＤ装置

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