JP2009071017A - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハ上に成膜される気相成長膜の全面における膜厚や不純物濃度の均一性を向上させる気相成長装置及び気相成長方法を提供する。
【解決手段】チャンバ１０１と、ガス供給部１０３と、チャンバ１０１内をバッファ領域１３０と反応領域１４０とに区分するとともに、貫通孔１２０が形成されプロセスガスを整流するガス整流板１０２と、バッファ領域１３０であって、ガス整流板１０２に対して所定距離離間して設けられ、ガス整流板１０２を通過するプロセスガスの流量を制御するガス遮蔽板１０４と、反応領域１４０に設けられ、ウェハ１０５を載置するホルダ１０６と、チャンバ１０１内からプロセスガスを排気するガス排気部１１０とを備えることを特徴とする。これにより、ウェハ１０５の気相成長膜が成膜される全面に供給するプロセスガスの流量を調整し、ウェハ１０５全面における膜厚や不純物濃度の均一性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置及び気相成長方法に係り、特にシリコンウェハ等の半導体基板に成膜される気相成長膜の膜厚や不純物濃度（ND・ドナー濃度或いはNA・アクセプタ濃度）等の均一性を向上できる気相成長装置及び気相成長方法に関する。

超高速バイポーラ、超高速ＣＭＯＳ或いはパワーＭＯＳ等の高性能な半導体素子の製造において、膜厚や不純物濃度を制御することができるエピタキシャル成長技術は、素子の性能を向上させる上で不可欠のものとなっている。
シリコンウェハ等の半導体基板に単結晶膜を成膜させるエピタキシャル成長には、一般に常圧化学気相成長法が用いられ、場合によっては減圧化学気相成長(ＬＰＣＶＤ)法が用いられている。
これらの気相成長方法は、シリコンウェハ等の半導体基板が配置されたチャンバ内を、常圧（０．１ＭＰａ（７６０Torr））、或いは減圧に保持した状態で、半導体基板を加熱し回転させながらシリコン源となる原料ガスと、ボロン化合物のジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、リン化合物のホスフィン（ＰＨ_３）、砒素化合物のアルシン（ＡｓＨ_３）等のドーパントガスとが混合されたプロセスガスを供給する。そして、加熱された半導体基板の表面で、原料ガスの熱分解反応或いは水素還元反応が行なわれ、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いは砒素（Ａｓ）がドープされた気相成長膜が成膜される。

また、エピタキシャル成長技術は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等、比較的厚い結晶膜が必要とされる半導体素子の製造に利用される。単純なＭＯＳデバイス等では数μｍ以下の膜厚しか必要ではないのに対し、上述のＩＧＢＴや超高速バイポーラデバイス等のベース層或いは素子分離層形成には、数十μｍから百数十μｍ以上の膜厚の結晶膜を必要とする。

但し、このような膜厚の大きな気相成長膜が均一に成膜されるには、気相成長膜の成膜速度が半導体基板の全面で一定に維持された状態でエピタキシャル成長が行なわれなければならない。そのためには、チャンバ内へのプロセスガスの供給を制御することが重要となる。
これを実現するために、必要に応じて成分濃度の異なるプロセスガスをチャンバ内に供給してエピタキシャル成長が行なわれる気相成長装置の技術が開示されている（特許文献１参照）。

図６は、従来の気相成長装置３００の構成を示す概念図である。
ガス整流板３０２が設けられた気相成長装置３００において気相成長が行なわれる場合、チャンバ３０１内のホルダ３０６（サセプタとも言う）に載置された半導体基板３０５(ウェハとも言う)を回転させながら、ウェハ３０５の下部に備えられたヒータ３０９によってウェハ３０５が加熱される。
チャンバ３０１の上部には、それぞれ異なった流量或いは異なった成分濃度のプロセスガスを供給するガス供給部３０３ａ、３０３ｂが設けられ、所定のプロセスガスが供給される。供給されたプロセスガスはガス整流板３０２を介してウェハ３０５に供給され、加熱されたウェハ３０５上において、熱分解反応或いは水素還元反応が行なわれ、気相成長膜が成膜される。
特開２００１−３５１８６４号公報

気相成長装置３００では、ホルダ３０６との接触面からの放熱により、温度低下が顕著なウェハ３０５の周縁部において、気相成長膜の成膜速度が低下していた。そのため、ウェハ３０５の周縁部では膜厚が小さく成膜され、ウェハ３０５全面の膜厚や不純物濃度に誤差を生じさせる傾向にあった。
これを解消するために、主にウェハ３０５の周縁部に対して供給するプロセスガスの流量或いは成分濃度を区画された隔壁３５０によって調整して、気相成長膜の均一性を向上させようとしていた。しかしながら、膜厚を調整することができるウェハ３０５の周縁部領域は隔壁３５０によって区画されるものであり、可動的に設定できるものではないため、成膜される気相成長膜の種類や、ホルダ３０６に載置されるウェハ３０５の種類等に適応した制御を行なうことはできなかった。
このため、従来の気相成長装置３００では、ウェハ３０５に成膜される気相成長膜の全面における膜厚や不純物濃度の均一性の向上が十分ではなかった。

本発明は、かかる問題点を克服し、半導体基板に成膜される気相成長膜の全面における膜厚や不純物濃度等の均一性を向上させることができる気相成長装置及び気相成長方法を提供することを目的とする。

本発明の気相成長装置は、
チャンバと、
チャンバ上部に設けられ、チャンバ内へプロセスガスを供給するガス供給部と、
チャンバ内の上部に設けられ、チャンバ内をバッファ領域と反応領域とに区分するとともに、貫通孔が形成されプロセスガスを整流するガス整流板と、
バッファ領域であって、ガス整流板に対して所定距離離間して設けられ、ガス整流板を通過するプロセスガスの流量を制御するガス遮蔽板と、
反応領域に設けられ、半導体基板を載置する基板支持台と、
チャンバ下部に設けられ、チャンバ内からプロセスガスを排気するガス排気部と、
を備えることを特徴とする。

上述のガス遮蔽板は、略円盤状であって、その直径をｄとし、チャンバ内に収容される半導体基板の直径をＤとするとき、ｄ≦Ｄ の関係が満たされることが好適である。

また、上述のガス遮蔽板は、駆動機構に接続され、ガス整流板との離間距離を増減できることが好適である。

さらにまた、上述の離間距離をaとすると、０＜a≦ｄ／４に設定されることが好適である。

本発明の気相成長方法は、
チャンバと、
チャンバ上部に設けられ、チャンバ内へプロセスガスを供給するガス供給部と、
チャンバ内の上部に設けられ、チャンバ内をバッファ領域と反応領域とに区分するとともに、貫通孔が形成されプロセスガスを整流するガス整流板と、
バッファ領域であって、ガス整流板に対して所定距離離間して設けられ、ガス整流板を通過するプロセスガスの流量を制御するガス遮蔽板と、
反応領域に設けられ、半導体基板を載置する基板支持台と、
チャンバ下部に設けられ、チャンバ内からプロセスガスを排気するガス排気部と、
を備える上述の気相成長装置を用いて、基板支持台に載置される半導体基板上に気相成長を行なうことを特徴とする。

かかる構成により、半導体基板に成膜される気相成長膜の全面における膜厚や不純物濃度の均一性を向上させることができる。

（実施形態１）
まず、実施形態１について、図に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態の気相成長装置１００を示す概念断面図である。また、図２は、本実施形態のガス整流板１０２の上面図である。
図１における気相成長装置１００は、チャンバ１０１上部の側面にガス供給部１０３が設けられ、チャンバ１０１のバッファ領域１３０にプロセスガスを供給する。また、チャンバ１０１内の上部にガス整流板１０２が設けられ、チャンバ１０１内をバッファ領域１３０と反応領域１４０とに区分する。

図２に示すように、ガス整流板１０２には、例えば１ｍｍφの貫通孔１２０が縦横に略均等間隔で多数形成されている。このため、バッファ領域１３０に供給されたプロセスガスは、ガス整流板１０２を通過すると、反応領域１４０に均等に供給される。
ここで供給されるプロセスガスは、例えば、シリコン源となるトリクロロシラン（SiHCl₃）と、キャリアガスとなる水素(H₂)とを混合した原料ガスに、所定のドーパントガスを添加することにより構成される。例えば、ドーパントガスにはジボラン、ホスフィン、アルシン等が知られている。ジボランを添加すればｐ型、ホスフィン、或いはアルシンを添加すればｎ型の導電性を示す気相成長膜が成膜される。

図１に示すように、チャンバ１０１の下部である反応領域１４０内には基板支持台（以下ホルダ１０６と言う。）が配置され、半導体基板（以下ウェハ１０５と言う。）が載置される。ホルダ１０６は、回転胴１０７の上部に固定されたリング状部材であり、その内周端部にウェハ１０５を載置するための凹部１０８を有する。回転胴１０７は、チャンバ１０１の下部を貫通し、回転自在に挿設される。そして、回転胴１０７は、図示しない回転機構とチャンバ１０１外において接続され、ウェハ１０５面の中心線を軸として回転する。これによりホルダ１０６は回転し、ホルダ１０６に載置されたウェハ１０５もまた、これに付随して回転する。このとき、ホルダ１０６の内周端部に凹部１０８が形成されているため、ウェハ１０５は略水平方向への遊動を拘束され、成膜時にも安定して保持される。

ウェハ１０５の直下である回転胴１０７の内部にはヒータ１０９が配置され、ウェハ１０５を加熱する。ヒータ１０９は、ホルダ１０６がリング状であり、中央部が開口しているため、ホルダ１０６に載置されるウェハ１０５に輻射熱を直接与えることができる。そのため、ウェハ１０５を効率よく加熱することができる。そして、加熱されたウェハ１０５上において、ガス整流板１０２を介して供給されたプロセスガスの熱分解反応あるいは水素還元反応が行なわれ、気相成長膜を成膜させる。そして、成膜後のプロセスガスを含む反応領域１４０内のガスは、チャンバ１０１下部に設けられたガス排気部１１０からチャンバ１０１外へと排気される。
また、チャンバ１０１内のバッファ領域１３０に設けられたガス整流板１０２に対して、所定距離離間してガス遮蔽板１０４が設けられる。このガス遮蔽板１０４の上面には、ガス遮蔽板１０４と同様の基材によって構成された駆動軸１１１が略垂直に設けられる。ガス遮蔽板１０４は、この駆動軸１１１を介して駆動機構１１２と接続され、上下に移動することができる。

図３は、本実施形態のガス整流板１０２、ガス遮蔽板１０４及びウェハ１０５の配置を示す拡大断面図である。また、図４は、本実施形態のガス遮蔽板１０４の上面図である。
図３及び図４に示すように、ガス遮蔽板１０４は、例えば、チャンバ１０１内を金属汚染しない基材の一種である炭化ケイ素（SiC）或いは石英（SiO₂）製の円盤状部材によって構成される。そして、ガス遮蔽板１０４は、その中心がウェハ１０５の中心の直上に重なるように配置される。
ガス遮蔽板１０４は、駆動軸１１１を介して駆動機構１１２により上下に移動し、ガス整流板１０２とガス遮蔽板１０４との離間距離a_１を自在に増減し、反応領域１４０へ供給するプロセスガスの流量を制御する。

ここで、ガス遮蔽板１０４について説明する。
ガス遮蔽板１０４は、その直径をｄ_１、ホルダ１０６に載置されるウェハ１０５の直径をＤ_１としたときに、ｄ_１≦Ｄ_１ の関係を満たすように構成される。具体的には、ウェハ１０５が８インチウェハ（約２００mmφ）であった場合、ガス遮蔽板１０４の直径ｄ_１は、０．７Ｄ_１〜０．８Ｄ_１となる１４０ｍｍφ〜１６０ｍｍφとされることが望ましい。
本実施形態の気相成長装置１００は、ウェハ１０５の周縁部領域Ｂ_１の上面への成膜を促進するために、上述した直径がｄ_１のガス遮蔽板１０４を備え、ウェハ１０５の中央部領域Ａ_１の上面に供給されるプロセスガスの流量が少なくなるように制御する。この結果、ウェハ１０５の周縁部領域Ｂ_１の上面と接触するプロセスガスの流量を、ウェハ１０５の中央部領域Ａ_１に対して相対的に多くすることができる。

次に、ガス遮蔽板１０４とガス整流板１０２との位置関係について説明する。
本実施形態のガス遮蔽板１０４と、ガス整流板１０２との離間距離をa_１としたとき、a_１を０に漸近させると、ウェハ１０５の中央部領域Ａ_１の上面に成膜される気相成長膜の成膜速度が次第に減退する。これは、領域Ａ_１に流れるプロセスガスの流量が減少し、ウェハ１０５の中央部領域Ａ_１の上面に接触する成膜成分が減少するためである。しかしこのとき、ウェハ１０５の周縁部領域Ｂ_１の上面に流れるプロセスガスの流量は、遮蔽板１０４の影響を受けないために変動しない。したがって、ウェハ１０５の中央部領域Ａ_１の上面に成膜される気相成長膜の成膜速度は変動しない。即ち、ウェハ１０５の周辺部領域Ｂ_１における成膜速度が相対的に向上する。
また逆に、a_１を、０から遠ざければ遠ざけるほど、ウェハ１０５の中央部領域Ａ_１では、ガス遮蔽板１０４が設けられていない場合と略同様の成膜速度に近づく。即ち、ウェハ１０５の周辺部領域Ｂ_１の上面に成膜される気相成長膜の成膜速度は、領域Ａ_１に比べ、相対的に低下する。

ウェハ１０５に成膜される気相成長膜の膜厚や不純物濃度、及びその成膜速度は、チャンバ１０１内に供給されるプロセスガスの成分濃度や流量、チャンバ１０１内の圧力、ウェハ１０５の温度等、様々な要素に依存する。そのため、領域Ａ_１及び領域Ｂ_１双方において成膜速度が略同一になる０(mm)＜a_１≦ｄ_１／４（mm）の範囲内の所定の離間距離a_１にガス遮蔽板１０４を制御することが望ましい。すると、ウェハ１０５上に成膜される気相成長膜の全面における膜厚や不純物濃度の均一性が向上する。

また、この離間距離a_１が自在に制御され、領域Ａ_１及び領域Ｂ_１に供給されるプロセスガスの流量を設定することができるため、成膜される気相成長膜の種類や、或いはホルダ１０６に載置されるウェハ１０５の種類等に適応した制御を行なうことができる。

このとき、離間距離a_１の範囲には、０を含まない。a_１＝０の場合、ガス整流板１０２に形成された貫通孔１２０はガス遮蔽板１０４により完全に封塞される。すると、領域Ａ_１にはプロセスガスが供給されず、領域Ｂ_１の圧力が相対的に高まる。すると、領域Ｂ_１に供給されたプロセスガスが領域Ａ_１即ちウェハ１０５の中央方向に流れて行き場をなくし、ウェハ１０５上で乱流する。層流が形成されていないプロセスガスによって気相成長が行なわれると、ウェハ１０５上において気相成長膜は均一な膜厚や不純物濃度で成膜されない。これでは、ガス遮蔽板１０４が設けられることによる作用効果が発揮されなくなってしまう。

また、離間距離a_１が、ｄ_１／４を超える場合では、領域Ａ_１と領域Ｂ_１に供給されるプロセスガスの流量に差異がなくなり、ガス遮蔽板１０４が設けられることによる作用効果が発揮されなくなってしまう。

上述したように、直径ｄ_１のガス遮蔽板１０４とガス整流板１０２との離間距離a_１を制御、調整し、ウェハ１０５の中央部領域Ａ_１と周辺部領域Ｂ_１において成膜される気相成長膜の全面における膜厚、不純物濃度、及び成膜速度が均一になるプロセスガスの流量に制御する。
これにより、ウェハ１０５に成膜される気相成長膜の全面における膜厚や不純物濃度の均一性を向上させることができる。

本実施形態で供給するプロセスガスのシリコン源としては、例えばトリクロロシランが用いられる。トリクロロシランは、モノシランに比べ発火や爆発の危険性が低く、また、所定の温度以下ではシリコン結晶を生成させにくい。そのため、ウェハ１０５やヒータ１０９と、ガス整流板１０２とを比較的近接して配置することができる。ガス整流板１０２からウェハ１０５までの距離が短ければ、チャンバ１０１内が０．０９MPa（７００Torr）〜０．１MPa（７６０Torr）といった微減圧から常圧の状態であっても、ガスの流れる距離が短いために、プロセスガスは乱流しにくい。
この結果、チャンバ１０１内が微減圧や常圧であっても、プロセスガスの層流をウェハ１０５上に形成することができる。

また、トリクロロシランはモノシランに比べ、気相成長膜の成膜速度に優れる。この形態で行なわれる気相成長は、反応が常圧下でおこなわれるために、モノシランを用いて減圧下で行なわれる気相成長よりも、成膜速度をより一層向上させることができる。
さらに、トリクロロシランは、シリコン結晶等の副生成物の生成も少なく抑えられる。そのため、気相成長装置１００では、これを洗浄するためのメンテナンスを行なう頻度を減少させても、良好な反応環境を維持することができる。
したがって、気相成長装置１００は、チャンバ１０１内を減圧する時間的コストの低減、メンテナンスを行なう頻度の減少、気相成長膜の成膜速度の向上が同時に達成され、生産性、量産性ともに優れる。

（実施形態２）
次に、実施形態２について図に基づいて説明する。
図５は、実施形態２におけるガス遮蔽板２０４と、ガス整流板２０２及びウェハ２０５の配置を示す拡大断面図である。
本実施形態のガス遮蔽板２０４は、例えば、独楽の形状に類似した、底面の直径をｄ_２とする下向きの略円錐状部材によって構成されている。そして、ガス遮蔽板２０４は、これを構成する略円錐状部材の頂点である先端部２１２がウェハ２０５の中心の直上に重なるように配置される。
ガス遮蔽板２０４の上面には、駆動軸２１１が略垂直に設けられる。ガス遮蔽板２０４は、この駆動軸２１１を介して図示しない駆動機構と接続され、上下に移動させることができる。これにより、ガス整流板２０２とガス遮蔽板２０４との離間距離a_２が自在に増減され、ウェハ２０５に供給するプロセスガスの流量を制御することができる。

ガス遮蔽板２０４は、下向きの略円錐状に形成されているため、ガス整流板２０２のプロセスガスの流量を制御した場合、ウェハ２０５の中央部領域Ａ_２と、周縁部領域Ｂ_２との間に確たる境界線を形成しない。このため、ウェハ２０５の中心部から外周端部に向けて徐々にプロセスガスの流量が増加するような制御を行なうことができる。

ガス遮蔽板２０４とガス整流板２０２との離間距離a₂は、ガス遮蔽板２０４の先端部２１２と、ガス整流板２０２との離間距離である。このとき、０(cm)≦a₂の範囲において、所定の気相成長膜を成膜させる離間距離a₂が設定される。
本実施形態においては、離間距離a₂＝０であっても、ガス遮蔽板２０４の先端部２１２以外はガス整流板２０２に接しない。そのため、ガス整流板２０２に形成された貫通孔２２０を封塞しないため、ガス遮蔽板２０４の作用効果は発揮される。このため、ガス遮蔽板２０４を設けた気相成長装置を用いることで、ウェハ２０５上に供給されるプロセスガスの流量を、ウェハ２０５の周方向の気相成長膜の膜厚の分布に応じて制御することができる。
この結果、本実施形態の気相成長装置において生産されるウェハ２０５は、成膜される気相成長膜の全面において膜厚や不純物濃度の均一性を向上できる。

ガス遮蔽板２０４の直径d₂がウェハ２０５に与える効果、ガス整流板２０２とウェハ２０５の配置される距離の関係、またその他の各部材の配置及び基材等に関しては、図１から図４に基づく説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。

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。

例えば、本実施形態において、プロセスガスのシリコン源としてトリクロロシランを使用するとしたが、ジクロロシラン（SiH₂Cl₂）等を用いても、本発明を実施することは可能である。
また、本発明の実施形態では、ガス遮蔽板は円盤状或いは略円錐状といった、平面が円形の部材で構成され、ガス遮蔽板が整流板の中央部付近を封塞する形態とした。しかし、例えばウェハの中央部の成膜速度が低い特性を持つ気相成長装置については、ウェハの周縁部に対してプロセスガスの流量を調整できる、例えばリング状の部材を用いてガス遮蔽板を構成すれば良い。すると、上述の実施形態の作用効果と同様に、ウェハの中央部への気相成長膜の成膜速度を促進することができ、ウェハ全面における気相成長膜の膜厚や不純物濃度の均一性を向上できる。

また、角数の多い多角形の部材で構成されたガス遮蔽板は、これを用いた場合に得られる作用効果が上述の実施形態で用いた略円形のガス遮蔽板と略同様であるため、本発明に包含される。

さらに、所定の真空度下での減圧化学気相成長（LPCVD）を行なう気相成長装置であっても、本発明の各構成を用いることで、同様の作用効果が期待できる。

さらにまた、本発明は気相成長装置の一例としてエピタキシャル成長装置について説明したが、これに限るものではなく、ウェハ表面に所定の結晶膜を気相成長させるための装置であれば構わない。たとえば、ポリシリコン膜を成長させることを目的とした装置であってもよい。

さらに、装置の構成や制御の手法等、本発明に直接必要としない部分などについては記載を省略したが、必要とされる装置の構成や制御の手法などを適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうるすべての気相成長装置、および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

本発明の実施形態１の気相成長装置を示す概念断面図である。 本発明の実施形態１のガス整流板の上面図である。 本発明の実施形態１のガス整流板、ガス遮蔽板及びウェハの配置を示す拡大断面図である。 本発明の実施形態１のガス遮蔽板の上面図である。 本発明の実施形態２におけるガス遮蔽板と、ガス整流板及びウェハの配置を示す拡大断面図である。 従来の気相成長装置の構成を示す概念断面図である。

符号の説明

１００…気相成長装置
１０１…チャンバ
１０２…ガス整流板
１０３…ガス供給部
１０４…ガス遮蔽板
１０５…ウェハ
１０６…ホルダ
１０７…回転胴
１０８…凹部
１０９…ヒータ
１１０…ガス排気部
１１１…駆動軸
１１２…駆動機構
１２０…貫通孔
１３０…バッファ領域
１４０…反応領域

Claims (5)

1. チャンバと、
   前記チャンバ上部に設けられ、前記チャンバ内へプロセスガスを供給するガス供給部と、
   前記チャンバ内の上部に設けられ、前記チャンバ内をバッファ領域と反応領域とに区分するとともに、貫通孔が形成されプロセスガスを整流するガス整流板と、
   前記バッファ領域であって、前記ガス整流板に対して所定距離離間して設けられ、前記ガス整流板を通過する前記プロセスガスの流量を制御するガス遮蔽板と、
   前記反応領域に設けられ、半導体基板を載置する基板支持台と、
   前記チャンバ下部に設けられ、前記チャンバ内からプロセスガスを排気するガス排気部と、
   を備えることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記ガス遮蔽板は、略円盤状であって、その直径をｄとし、前記チャンバ内に収容される半導体基板の直径をＤとするとき、ｄ≦Ｄ の関係が満たされることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記ガス遮蔽板は、駆動機構に接続され、前記ガス整流板との離間距離を増減できることを特徴とする請求項１或いは請求項２に記載の気相成長装置。
4. 前記離間距離をaとすると、０＜a≦ｄ／４に設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の気相成長装置。
5. 請求項１記載の気相成長装置を用いて、半導体基板上に気相成長を行なうことを特徴とする気相成長方法。

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