JP2009135160A - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【目的】対流により残留する反応ガスが気相成長膜に到達することを抑制する気相成長装置を提供することを目的とする。
【構成】本発明の一態様のエピタキシャル成長装置１００は、基板を支持するホルダ１１０と、基板の加工面に直交する方向から基板に向けて気相成長膜を成膜するための原料ガスを供給するシャワーヘッド１３０と、シャワーヘッド１３０と基板の間の空間に、基板の加工面と平行な方向から所定のガスを供給するインジェクトノズル１３２と、空間を通過した所定のガスを排気する排気口１３６と、を備えたことを特徴とする。本発明によれば、成膜された気相成長膜を保護することができる。
【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。

従来のシリコンエピタキシャル成長装置では、以下のような問題を抱えていた。
図６は、従来のシリコンエピタキシャル成長装置の問題点を説明するための概念図である。
シリコンエピタキシャル成長装置２００では、例えば、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスといったシリコン源となる原料ガスがチャンバ２２０内のシャワーヘッド２３０から高速回転するシリコンウェハ２０１に向かって供給される。そして、シリコンウェハ２０１上でシリコンエピタキシャル膜が成膜されることになる。ここで、成膜反応によって塩酸（ＨＣｌ）ガスが発生する。そして、成膜に寄与しなかった原料ガスや反応後のＨＣｌガスは、チャンバ２２０内から排気されることになる。しかしながら、排気されているはずのＨＣｌガスの一部が対流によりチャンバ２２０内に残留してしまう。このＨＣｌガスは、シリコン（Ｓｉ）をエッチングする作用があるため、対流するＨＣｌガスが成膜されたシリコンウェハ２０１上のシリコンエピタキシャル膜に到達するとせっかく成長させたシリコンエピタキシャル膜がエッチングされてしまう。そのため、成膜後や複数段に分けて成膜を行なう場合の層間にＨＣｌガスがシリコンウェハ２０１上のシリコンエピタキシャル膜に到達することを防止することが求められている。

さらに、成膜後や層間にパージガスを供給しても残留するＨＣｌガスを完全にチャンバ２２０内から排気することが困難となっている。そのため、次の成膜処理において残留するＨＣｌガスがシリコンウェハ２０１に到達することによりＳｉ成長速度を低下させてしまう。そのため、ＨＣｌガスをできる限りチャンバ内から排気することが求められている。
特開平９−１９４２９６号公報

上述したように、ＨＣｌガスがシリコンウェハ上のシリコンエピタキシャル膜に到達することを防止することが求められている。さらには、ＨＣｌガスをできる限りチャンバ内から排気することが求められている。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、対流により残留する反応ガスが気相成長膜に到達することを抑制する気相成長装置および方法を提供することを目的とする。さらには、反応ガスをできる限りチャンバ内から排気する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、
基板を支持する支持部材と、
基板の加工面に直交する方向から基板に向けて気相成長膜を成膜するための原料ガスを供給する第１の供給部と、
第１の供給部と基板の間の空間に、基板の加工面と平行な方向から所定のガスを供給する第２の供給部と、
空間を通過した所定のガスを排気する排気口と、
を備えたことを特徴とする。

基板の加工面と平行な方向から所定のガスを供給することで、基板の加工面上に所定のガスによるバリアを形成することができる。そのため、バリアより上部の残留ガスが基板側へと侵入することをブロックすることができる。また、バリアより上部の残留ガスを所定のガスと共に排気することができる。そのため、徐々に残留ガスを置換することができる。

第２の供給部は、排気口に向けて層流になるように所定のガスを供給すると好適である。

また、第２の供給部は、基板のサイズ以上の幅の流れで所定のガスを供給するとなお好適である。

また、所定のガスとして、気相成長膜と反応しないガスを用いると好適である。

本発明の一態様の気相成長方法は、
基板の加工面に直交する方向から基板に向けて気相成長膜を成膜するための原料ガスを供給する工程と、
原料ガスの供給後、基板の加工面と平行な方向から所定のガスを供給する工程と、
を備えたことを特徴とする。

すなわち、成膜後或いは層間パージの際に、基板上に所定のガスによるバリアを形成する。そして、成膜された気相成長膜を保護しながら徐々に残留ガスを置換する。

本発明によれば、残留ガスが気相成長膜に到達することを抑制することができる。よって、成膜された気相成長膜を保護することができる。さらに、反応ガスを徐々に排気することができる。よって、次の気相成長処理時での気相成長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、インジェクトノズル１３２、排気口１３６、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。ホルダ１１０、シャワーヘッド１３０、インジェクトノズル１３２、排気口１３６、アウトヒータ１５０、インヒータ１６０、及び回転部材１７０は、チャンバ１２０内に配置される。チャンバ１２０には、ガスを供給する流路１２２とガスを排気する排気口１２６と、配管１３４，１３８が接続されている。そして、流路１２２となる配管は、シャワーヘッド１３０に接続されている。排気口１２６は、流路１２４に接続されている。また、配管１３４は、インジェクトノズル１３２に接続されている。配管１３８は、排気口１３６に接続されている。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。そして、流路１２４内には、圧力制御弁１４２が配置され、流路１２４は、真空ポンプ１４０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、ホルダ１１０は、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とアウトヒータ１５０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の外周部以外を裏面側から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。

インジェクトノズル１３２は、ホルダ１１０の外周側であってシリコンウェハ１０１の加工面となる上面から所定の高さ位置に配置される。例えば、２０〜３０ｍｍ上方に配置される。そして、インジェクトノズル１３２は、後述するタイミングでシリコンウェハ１０１の上面と平行な方向からシリコンウェハ１０１の加工面上の空間を通過するように水素（Ｈ_２）ガス（所定のガス）を供給する。インジェクトノズル１３２は、第２の供給部の一例となる。そして、排気口１３６は、ホルダ１１０の外周側であって、間にシリコンウェハ１０１の加工面上の空間を挟んでインジェクトノズル１３２と対向する位置に配置される。排気口１３６は、インジェクトノズル１３２から供給されるＨ_２ガスを排気する。

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における気相成長方法のフローチャート図の一例である。
図４において、実施の形態１における気相成長方法は、前処理工程と、成膜（１）工程と、層間パージ工程と、成膜（２）工程と、後処理工程といった各工程を実施する。

まず、前処理工程として、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。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。さらに、ホルダ１１０や回転部材１７０の圧力を内外同一（シリコンウェハ１０１の表面側雰囲気の圧力と裏面側雰囲気の圧力とを同じ）にすると好適である。これにより、原料ガスが回転部材１７０の内側、若しくは回転機構内部へと廻り込むことを防止することができる。同様に、図示していない回転機構側のパージガス等が、チャンバ内（シリコンウェハ１０１の表面側雰囲気）に漏れることを防止することができる。

そして、成膜（１）工程として、シリコンウェハ１０１の加工面にシリコンエピタキシャル膜を成長させる。具体的には、以下のように動作させる。シリコンウェハ１０１を回転させながら、シャワーヘッド１３０からシリコン源等が混合された原料ガスをチャンバ１２０内に供給する。シャワーヘッド１３０は、シリコンウェハ１０１の加工面に直交する方向、図１では上方に配置される。そして、シャワーヘッド１３０は、シリコンウェハ１０１の加工面に直交する方向からシリコンウェハ１０１に向けて気相成長膜を成膜するための原料ガスを供給する。シャワーヘッド１３０は、第１の供給部の一例となる。シャワーヘッド１３０では、チャンバ１２０外から流路１２２となる配管を通って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。

原料ガスとして、例えば、シリコン源となるトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスとキャリアガスとなるＨ_２ガスの混合ガスを用いることができる。その他に、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を混合しても好適である。また、シリコン源として、ＳｉＨＣｌ_３ガスの他、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスを用いても好適である。或いは、ＳｉＨＣｌ_３ガスとＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスとの混合ガスを用いても構わない。

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。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う。これにより、シリコンウェハ１０１の加工面（上面）でシリコンエピタキシャル膜が成長する。その際、以下の式（１）で示すように塩酸（ＨＣｌ）ガスが反応副生成物として発生することになる。
（１）ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２→Ｓｉ＋３ＨＣｌ

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、排気口１２６を通ってチャンバ１２０内から排気される。そして、排気口１２６から流路１２４を通って真空ポンプ１４０により排気される。ここでは、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。

そして、層間パージ工程として、シリコンエピタキシャル膜の膜厚が所望する膜厚になった時点で、原料ガスの供給を停止し、キャリアガスとなるＨ_２ガスをパージして、チャンバ１２０内を置換する。しかしながら、上述したように、ＨＣｌガスの一部が対流によりチャンバ１２０内に残留している。さらに、このＨ_２ガスをパージしただけでは、残留するＨＣｌガスを排気しきれない。そのため、このままでは、チャンバ１２０内に残留するＨＣｌガスがシリコンウェハ１０１上に到達してしまい、せっかく成膜したシリコンエピタキシャル膜をエッチングしてしまうことになる。そこで、実施の形態１では、この層間パージ工程において、バリアパージ処理として、インジェクトノズル１３２からＨ_２ガスを供給する。

図５は、実施の形態１におけるチャンバ内のシャワーヘッドとシリコンウェハの間の高さ位置から下方を見た場合の概念図である。
インジェクトノズル１３２は、原料ガスの供給後、バリアパージ処理として、シリコンウェハ１０１の上面と平行な方向からシリコンウェハ１０１の加工面上の空間を通過するようにＨ_２ガスを供給する。インジェクトノズル１３２の供給口の幅は、シリコンウェハ１０１のサイズ以上となるように形成することが望ましい。そうすることで、シリコンウェハ１０１のサイズ以上の幅の流れでＨ_２ガスを供給することができる。そして、排気口１３６の幅も、インジェクトノズル１３２の供給口の幅と同様、シリコンウェハ１０１のサイズ以上となるように形成することが望ましい。そうすることで、インジェクトノズル１３２から供給されたシリコンウェハ１０１の直径以上の幅で流れるＨ_２ガスを略すべて受けて、排気することができる。そして、インジェクトノズル１３２は、排気口１３６に向けて層流になるようにＨ_２ガスを供給すると好適である。このようなＨ_２ガスの流れによって、シリコンウェハ１０１の加工面上にＨ_２ガスのバリアを形成することができる。そのため、バリアより上部のＨＣｌガスがシリコンウェハ１０１側へと侵入することをブロックすることができる。また、バリアより上部のＨＣｌガスをＨ_２ガスと共に排気口１３６に排気することができる。そのため、徐々にＨＣｌガスを置換することができる。インジェクトノズル１３２から供給するガスは、Ｈ_２ガスのように、気相成長膜となるシリコンエピタキシャル膜と反応しないガスを用いる。また、バリアパージ処理でのＨ_２ガスの流速は、層間パージでのＨ_２ガスの流速より速い方が好適である。速くすることでバリア性を向上させることができる。

ここで、排気口１２６は、図５に示すように、バリアパージの流れとは外れた位置に形成されている。ここで、２箇所の排気口１２６ａ，１２６ｂが形成されている。そして、層間パージのＨ_２ガスは、これらの排気口１２６ａ，１２６ｂから排気される。

以上のように、層間パージで徐々にＨＣｌガスを置換すると共に、このバリアパージ処置で徐々にＨＣｌガスを置換することで、チャンバ１２０内のＨＣｌガスを排気することができる。

次に、成膜（２）工程として、シリコンウェハ１０１の加工面にさらにシリコンエピタキシャル膜を成長させる。ここでは、ドーパントガスの濃度等を変更して第２のシリコンエピタキシャル膜を成膜する。ドーパントガスの濃度等を変更することで、抵抗値の異なる膜を形成することができる。その他の動作等は、成膜（１）工程と同様で構わない。なお、この工程では、層間パージ工程でＨＣｌガスが従来に比べて置換されているのでシリコンエピタキシャル膜の成長速度を向上させることができる。

そして、後処理工程として、所望するシリコンエピタキシャル膜が形成された後、層間パージ工程と同様、原料ガスの供給を停止し、キャリアガスとなるＨ_２ガスをパージして、チャンバ１２０内を置換する。その際にも、層間パージ工程と同様、バリアパージ処理として、インジェクトノズル１３２からＨ_２ガスを供給する。その動作は、層間パージ工程と同様で構わない。

以上のように、成膜後或いは層間パージの際に、シリコンウェハ１０１上にＨ_２ガスによるバリアを形成する。そして、成膜されたシリコンエピタキシャル膜を保護しながら徐々に残留ガスを置換する。

本実施の形態によれば、ＨＣｌガスがシリコンエピタキシャル膜に到達することを抑制することができる。よって、成膜されたシリコンエピタキシャル膜を保護することができる。さらに、ＨＣｌガスを徐々に排気することができる。よって、次の気相成長処理時でのシリコンエピタキシャル膜の成長速度を向上させることができる。

以上のように構成することで、シリコン（Ｓｉ）の成長速度を高めることができる。その結果、例えば、ｎ−ベースの厚さである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り、気相成長膜に悪影響を与えるガスが対流する場合であれば構わない。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、及び支持部材の形状は、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における気相成長方法のフローチャート図の一例である。 実施の形態１におけるチャンバ内のシャワーヘッドとシリコンウェハの間の高さ位置から下方を見た場合の概念図である。 従来のシリコンエピタキシャル成長装置の問題点を説明するための概念図である。

符号の説明

１００，２００ エピタキシャル成長装置
１０１，２０１ シリコンウェハ
１１０ ホルダ
１１４，１１６ 開口部
１２０，２２０ チャンバ
１２２，１２４ 流路
１２６，１３６ 排気口
１３０，２３０ シャワーヘッド
１３２ インジェクトノズル
１３４，１３８ 配管
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. 基板を支持する支持部材と、
   前記基板の加工面に直交する方向から前記基板に向けて気相成長膜を成膜するための原料ガスを供給する第１の供給部と、
   前記第１の供給部と前記基板の間の空間に、前記基板の加工面と平行な方向から所定のガスを供給する第２の供給部と、
   前記空間を通過した前記所定のガスを排気する排気口と、
   を備えたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記第２の供給部は、前記排気口に向けて層流になるように前記所定のガスを供給することを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記第２の供給部は、前記基板のサイズ以上の幅の流れで前記所定のガスを供給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. 前記所定のガスとして、前記気相成長膜と反応しないガスを用いる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. 前記基板の加工面に直交する方向から前記基板に向けて気相成長膜を成膜するための原料ガスを供給する工程と、
   前記原料ガスの供給後、前記基板の加工面と平行な方向から所定のガスを供給する工程と、
   を備えたことを特徴とする気相成長方法。

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