JP2009135157A - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【目的】気相成長膜を成長させる成長速度の向上を図ることが可能な気相成長装置および方法を提供することを目的とする。
【構成】本発明のエピタキシャル成長装置１００は、ガスを加熱する加熱器１３２と、加熱器１３２で加熱されたガスを供給する流路１２２と、流路１２２が接続され、加熱されたガスを用いてシリコンウェハ１０１に成膜するチャンバ１２０と、チャンバ１２０からガスを排気する流路１２４と、を備えたことを特徴とする。本発明によれば、成膜される膜の成長速度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、例えば、基板にエピタキシャル成長させる装置およびその方法に関する。

超高速バイポーラ、超高速のＣＭＯＳ等の半導体デバイスの製造において、不純物濃度や膜厚の制御された単結晶のエピタキシャル成長技術は、デバイス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薄膜を気相成長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ており、場合によっては減圧化学気相成長（ＬＰ−ＣＶＤ）法が用いられている。反応容器となるチャンバ内にシリコンウェハ等の半導体基板を配置し、反応容器内を常圧（０．１ＭＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））雰囲気或いは所定の真空度の真空雰囲気に保持した状態で前記半導体基板を加熱し回転させながらシリコン源とボロン化合物、ヒ素化合物、或いはリン化合物等のドーパントとを含む原料ガスを供給する。そして、加熱された半導体基板の表面でシリコン源のガスの熱分解或いは水素還元反応を行なって、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いはヒ素（Ａｓ）がドープされたシリコンエピタキシャル膜を成長させることにより製造する（例えば、特許文献１参照）。

また、エピタキシャル成長技術は、パワー半導体の製造、例えば、ＩＧＢＴ（インシュレートゲートバイポーラトランジスタ）の製造にも用いられる。ＩＧＢＴ等のパワー半導体では、例えば、数１０μｍ以上の膜厚のシリコンエピタキシャル膜が必要となる。

そして、生産性を向上させるために、シリコンエピタキシャル膜を成長させる成長速度の向上が求められている。
特開平９−１９４２９６号公報

上述したように、気相成長膜を成長させる成長速度の向上が求められている。しかし、従来の技術では、十分な成長速度の向上が果たせなかった。

そこで、本発明は、かかる問題点を克服し、気相成長膜を成長させる成長速度の向上を図ることが可能な気相成長装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の気相成長装置は、
ガスを加熱する加熱部と、
加熱部で加熱されたガスを供給する第１の流路と、
第１の流路が接続され、加熱されたガスを用いて基板に成膜するチャンバと、
チャンバからガスを排気する第２の流路と、
を備えたことを特徴とする。

加熱部で加熱することで、加熱されたガスが第１の流路に送られる。そして、第１の流路を通って、加熱されたガスがチャンバ内の基板へと供給されることになる。そのため、基板上では、加熱されたガスにより成膜反応が進むことになる。

このガスとして、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスとジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスとのうち、少なくとも一方のガスが含まれ、チャンバ内では枚葉式に基板が成膜されることを特徴とする。

また、ガスは、チャンバ内に供給される複数の種類のガスが１つに混合されたガスであって、
加熱部は、混合後のガスを加熱することを特徴とする。

また、気相成長装置は、さらに、
チャンバ内に配置され、基板を支持する支持台と、
チャンバ内に配置され、基板の裏面側から基板を加熱する第２の加熱部と、
を備えると好適である。

また、本発明の一態様の気相成長方法は、
ガスを加熱する工程と、
加熱されたガスをチャンバ内に供給する工程と、
チャンバ内で、加熱されたガスを用いて基板に成膜処理する工程と、
チャンバから成膜処理後のガスを排気する工程と、
を備えたことを特徴とする気相成長方法。

本発明によれば、加熱されたガスにより基板上での反応速度を向上させることができる。そのため、成膜される膜の成長速度を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置の構成を示す概念図である。
図１において、気相成長装置の一例となるエピタキシャル成長装置１００は、支持台の一例となるホルダ（サセプタとも言う。）１１０、チャンバ１２０、シャワーヘッド１３０、加熱器１３２、真空ポンプ１４０、圧力制御弁１４２、アウトヒータ１５０、インヒータ１６０、回転部材１７０を備えている。ここでのエピタキシャル成長装置１００は、枚葉式の成膜装置を記載している。そして、チャンバ１２０内では枚葉式にシリコンウェハ１０１が成膜される。チャンバ１２０には、ガスを供給する流路１２２とガスを排気する流路１２４が接続されている。そして、流路１２２は、加熱器１３２（第１の加熱部）とシャワーヘッド１３０に接続されている。図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成について説明している。ただし、縮尺等は、実物とは一致させていない（以下、各図面において同様である）。

ホルダ１１０は、所定の内径の貫通する開口部１１４が形成される。そして、上面側から垂直或いは所定の角度で所定の深さまで掘り込まれた開口部１１６の低面でシリコンウェハ１０１の裏面と接触してシリコンウェハ１０１を支持する。また、ホルダ１１０は、外周が円形に形成されている。そして、図示していない回転機構によりシリコンウェハ１０１面と直交するシリコンウェハ１０１面の中心線を軸に回転させられる回転部材１７０上に配置される。そして、ホルダ１１０は、回転部材１７０と共に回転することで、シリコンウェハ１０１を回転させることができる。

ホルダ１１０及びシリコンウェハ１０１の裏面側には、インヒータ１６０（第２の加熱部）とアウトヒータ１５０（第３の加熱部）が配置されている。インヒータ１６０とアウトヒータ１５０は、シリコンウェハ１０１の裏面からある距離離れた位置に配置される。アウトヒータ１５０によりシリコンウェハ１０１の外周部とホルダ１１０とを加熱することができる。そして、インヒータ１６０は、アウトヒータ１５０の下部に配置され、インヒータ１６０によりシリコンウェハ１０１を加熱することができる。インヒータ１６０とは別に、ホルダ１１０へと熱が逃げやすいシリコンウェハ１０１の外周部の加熱にアウトヒータ１５０を設けている。このように、２重ヒータとすることで、シリコンウェハ１０１の面内均一性を向上させることができる。例えば、シリコンウェハ１０１の温度を１１００℃程度にすると好適である。

そして、ホルダ１１０、アウトヒータ１５０、インヒータ１６０、シャワーヘッド１３０、回転部材１７０は、チャンバ１２０内に配置される。回転部材１７０は、チャンバ１２０内から図示していない回転機構へとチャンバ１２０外に延びている。シャワーヘッド１３０は、チャンバ１２０内からチャンバ１２０外へと流路１２２となる配管が延びている。

そして、反応容器となるチャンバ１２０内を常圧或いは真空ポンプ１４０により所定の真空度の真空雰囲気に保持する。この状態で、シリコンウェハ１０１をアウトヒータ１５０とインヒータ１６０とで加熱する。そして、ホルダ１１０の回転によりシリコンウェハ１０１を所定の回転数で回転させる。そして、回転させながら、シャワーヘッド１３０からシリコン源となる原料ガスをチャンバ１２０内に供給する。その際、加熱器１３２で予め原料ガスを加熱しておく。そして、加熱器１３２で加熱されたガスが流路１２２を通ってシャワーヘッド１３０を介してチャンバ１２０内に供給される。例えば、原料ガスは、加熱器１３２により常温より高く、かつ、シリコン成長反応を起こさない温度で加熱すると良い。この温度範囲に設定することで流路１２２或いはシャワーヘッド１３０内でのシリコン成長反応を回避することができる。また、さらに言えば、加熱器１３２により常温より高く、流路１２２となる配管が許容可能な温度までの範囲で加熱されるとなお良い。例えば、常温〜２００℃の間になるように加熱されると好適である。そして、加熱された原料ガスがシリコンウェハ１０１上に到達することになる。従来、常温の原料ガスがシリコンウェハ１０１上に到達するとアウトヒータ１５０及びインヒータ１６０で加熱されたシリコンウェハ１０１の熱で熱分解或いは水素還元を行なっていた。これに対し、実施の形態１では、加熱された原料ガスがシリコンウェハ１０１上に到達するので熱分解或いは水素還元が始まるまでの期間を短縮することができる。そのため、シリコンウェハ１０１面に成膜する際に、シリコンウェハ１０１の表面でのシリコンエピタキシャル膜の成長速度を速めることができる。

また、チャンバ１２０内の圧力は、例えば、圧力制御弁１４２を用いて常圧或いは所定の真空度の真空雰囲気に調整すればよい。或いは常圧で用いる場合には、真空ポンプ１４０若しくは圧力制御弁１４２がない構成でも構わない。シャワーヘッド１３０では、チャンバ１２０外から配管で供給された原料ガスをシャワーヘッド１３０内部のバッファを介して、複数の貫通孔から排出するようにしている。そのため均一に原料ガスをシリコンウェハ１０１上に供給することができる。

そして、シリコンエピタキシャル膜の成膜処理後のガスは、流路１２４を通ってチャンバ１２０内から排気される。ここでは、チャンバ１２０内を真空ポンプ１４０により排気しているが、これに限るものではない。チャンバ１２０内を排気できるものならよい。例えば、常圧或いは常圧に近い真空雰囲気でよければ、ブロア等で排気してもよい。

図２は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置システムの外観の一例を示す図である。
図２に示すように、エピタキシャル成長装置システム３００は、筺体により全体が囲まれている。
図３は、実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置システムのユニット構成の一例を示す図である。
エピタキシャル成長装置システム３００内では、カセットが、カセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１０或いはカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１２に配置される。そして、カセットにセットされたシリコンウェハ１０１が、搬送ロボット３５０によりロードロック（Ｌ／Ｌ）チャンバ３２０内に搬送される。そして、トランスファーチャンバ３３０内に配置された搬送ロボット３３２によりＬ／Ｌチャンバ３２０からシリコンウェハ１０１がトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。そして、搬出されたシリコンウェハ１０１がエピタキシャル成長装置１００のチャンバ１２０内に搬送される。そして、エピタキシャル成長法によりシリコンウェハ１０１表面にシリコンエピタキシャル膜が成膜される。シリコンエピタキシャル膜が成膜されたシリコンウェハ１０１は、再度、搬送ロボット３３２によりエピタキシャル成長装置１００からトランスファーチャンバ３３０内に搬出される。そして、搬出されたシリコンウェハ１０１は、Ｌ／Ｌチャンバ３２０に搬送される。その後、搬送ロボット３５０によりＬ／Ｌチャンバ３２０からカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１０或いはカセットステージ（Ｃ／Ｓ）３１２に配置されたカセットに戻される。図３に示すエピタキシャル成長装置システム３００では、エピタキシャル成長装置１００のチャンバ１２０とＬ／Ｌチャンバ３２０とが２台ずつ搭載されている。これにより、スループットを向上させることができる。

図４は、実施の形態１におけるチャンバまでのガスの流れの一例を説明するための概念図である。
マスフローコントローラー１３４でそれぞれ流量調整された複数の種類のガスが１つに混合された混合ガスがチャンバ１２０に供給される。例えば、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスとジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスとのうち、少なくとも一方のシリコン（Ｓｉ）源となる原料ガスと、ホスフィン（リン化水素：ＰＨ_３）或いはジボラン（水素化ホウ素：Ｂ_２Ｈ_６）といったドーパントガスと、水素（Ｈ_２）といったキャリアガスとが混合される。そして、この混合ガスがチャンバ１２０外の加熱器１３２によって加熱される。そして、加熱された混合ガスが流路１２２となる配管を通ってチャンバ１２０内のシャワーヘッド１３０へと供給される。原料ガスに２０％のＳｉＨＣｌ_３ガスを用いる場合に、その供給量は、例えば、１．６７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（１ｓｌｍ）〜３３．３Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２０ｓｌｍ）が好適である。或いは、原料ガスにＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスを用いる場合に、その供給量は、例えば、０．１７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（０．１ｓｌｍ）〜３．３Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２ｓｌｍ）が好適である。また、Ｈ_２ガスの供給量は、例えば、３３．３Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２０ｓｌｍ）〜１６６．７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（１００ｓｌｍ）が好適である。

また、加熱器１３２には、塩化水素（ＨＣｌ）ガスも供給可能に配管されている。ＨＣｌガスの供給量は、例えば、１．６７Ｐａ・ｍ^３／ｓ（１ｓｌｍ）〜３３．３Ｐａ・ｍ^３／ｓ（２０ｓｌｍ）が好適である。ＨＣｌガスは、流路１２２或いはチャンバ１２０内等に堆積した堆積物をクリーニングする際に用いると好適である。その際にもこのクリーニングガスを加熱器１３２で加熱することで、堆積物のエッチング性を向上させることができる。

図５は、実施の形態１における加熱器からシャワーヘッドへと接続された配管の概念図である。
図５に示すように、流路１２２となる配管の外周面には断熱材１３６が巻かれると好適である。断熱材１３６を周囲に配置することで、せっかく加熱した混合ガスの温度の低下を抑制することができる。

以上のように構成することで、Ｓｉの成長速度を高めることができる。その結果、例えば、６０μｍ以上のエピタキシャル成長に用いると好適である。

なお、当然ながら、ＩＧＢＴに限らず、パワー半導体で、高耐圧を必要とする、パワーＭＯＳの他、電車などのスイッチング素子として使用される、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）や一般的なサイリスタ（ＳＣＲ）の厚いベースのエピタキシャル層形成に適用可能である。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、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、試料面に所定の膜を気相成長させるための装置であれば構わない。例えば、ポリシリコン膜を成長させる装置であっても構わない。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。例えば、エピタキシャル成長装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用いることは言うまでもない。

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全ての気相成長装置、及び気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。

実施の形態１におけるエピタキシャル成長装置の構成を示す概念図である。 エピタキシャル成長装置システムの外観の一例を示す図である。 エピタキシャル成長装置システムのユニット構成の一例を示す図である。 実施の形態１におけるチャンバまでのガスの流れの一例を説明するための概念図である。 実施の形態１における加熱器からシャワーヘッドへと接続された配管の概念図である。

符号の説明

１００ エピタキシャル成長装置
１０１ シリコンウェハ
１１０ ホルダ
１１４，１１６ 開口部
１２０ チャンバ
１２２，１２４ 流路
１３０ シャワーヘッド
１３２ 加熱器
１３４ マスフローコントローラー
１３６ 断熱材
１４０ 真空ポンプ
１４２ 圧力制御弁
１５０ アウトヒータ
１６０ インヒータ
１７０ 回転部材
３００ エピタキシャル成長装置システム
３１０，３１２ カセットステージ
３２０ Ｌ／Ｌチャンバ
３３０ トランスファーチャンバ
３３２，３５０ 搬送ロボット

Claims (5)

1. ガスを加熱する加熱部と、
   前記加熱部で加熱されたガスを供給する第１の流路と、
   前記第１の流路が接続され、加熱された前記ガスを用いて基板に成膜するチャンバと、
   前記チャンバからガスを排気する第２の流路と、
   を備えたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記ガスとして、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスとジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスとのうち、少なくとも一方のガスが含まれ、
   前記チャンバ内では枚葉式に前記基板が成膜されることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記ガスは、前記チャンバ内に供給される複数の種類のガスが１つに混合されたガスであって、
   前記加熱部は、混合後の前記ガスを加熱することを特徴とする請求項１又は２記載の気相成長装置。
4. 前記気相成長装置は、さらに、
   前記チャンバ内に配置され、前記基板を支持する支持台と、
   前記チャンバ内に配置され、前記基板の裏面側から前記基板を加熱する第２の加熱部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の気相成長装置。
5. ガスを加熱する工程と、
   加熱されたガスをチャンバ内に供給する工程と、
   前記チャンバ内で、加熱された前記ガスを用いて基板に成膜処理する工程と、
   前記チャンバから成膜処理後のガスを排気する工程と、
   を備えたことを特徴とする気相成長方法。

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