JP2009135230A - 気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体生産性の向上と共に、気相成長反応の副生成物による金属部品の腐食を防止することを可能とする気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる気相成長膜形成装置は、ウェーハＷが挿入されるチャンバ２と、前記チャンバ２内で前記ウェーハＷを所定の回転速度で回転させる回転駆動手段６と、前記ウェーハＷを加熱する加熱手段８と、前記チャンバ２内に気相成長膜を形成するための第一の原料ガスを供給する第一の原料ガス供給手段１１と、前記チャンバ２内に前記第一の原料ガスとは異なる第二の原料ガスを供給する第二の原料ガス供給手段１３と、前記チャンバ２内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段１２と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法に関し、特に気相成長膜の形成速度を低下させることなく効率的な気相成長膜を形成することを可能とする気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法に関する。

気相成長膜形成装置として、シリコンウェーハ上に単結晶シリコン膜を気相成長させるエピタキシャル成膜装置がある。最近はウェーハの大径化と共に枚葉式の装置が主流となってきた。これらの装置では、反応室となるチャンバ内にウェーハ支持部材となるサセプタを設け、そのサセプタが回転軸を中心として回転可能に配設されている。エピタキシャル成長を行うために所定のプロセス温度まで加熱し、チャンバ内に原料ガスをキャリアガスとともに供給することで化学反応が起こり、シリコン基板上にシリコン単結晶膜を形成していく。反応後のガスは、ガス排気管より外部へ排出される。これら装置の中でも、回転体をより高速に回転させ、これら反応効率を上げ（成膜速度の高い）、かつ成膜の均一性の高い枚様式エピタキシャル成膜装置が知られている。

上述の化学反応においては、原料ガスＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２等とキャリアガスＨ_２を反応させて、シリコン（Ｓｉ）と塩化水素（ＨＣｌ）を生成する。これらの反応が連続で起こることによって、シリコン基板上に単結晶シリコン膜が形成されていく。前述した高速回転式の枚葉式エピタキシャル成膜装置では、これらの反応が顕著に増加することで、成膜速度が向上するのである。しかし、同時にＨＣｌの生成も増加する。生成されたＨＣｌが増加すると前述の成膜反応を阻害するばかりか、シリコンと反応し、シリコンをエッチングしてしまう。よって、生成されたＨＣｌは、ウェーハ表面からチャンバ外にすばやく排気しなければならない。ここで、ＨＣｌや原料ガスと共に排気されたキャリアガスＨ_２を再利用し製造工程の効率を改善する手段として、特許文献１および特許文献２に記載される技術が開示されている。特許文献１および特許文献２では、チャンバの外部に排気したキャリアガスをガス浄化手段により浄化した後再供給するという技術が開示されている。

特開平６−２９５８７０号公報 特開平８−３０６６２３号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されている技術では、排気されたガスを再利用しキャリアガスＨ_２を生成することにより、製造上の材料コストの低減という観点では改善効果はあるものの、生成されたＨＣｌガスそのものをウェーハ表面上から低減し、成膜速度を上昇させ、生産性を向上させるという観点では大きな問題が残っている。また、気相成長反応後のＨＣｌガスは腐食性であり、特に水分が付着すると塩酸を形成し、種々の金属を激しく腐食することが広く知られている。従って、ウェーハを回転させる回転胴等金属で形成される部分を腐食しこれら金属部品を短寿命化させることが大きな問題となっていた。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、半導体生産性の向上と共に、気相成長反応の副生成物による金属部品の腐食を防止することを可能とする気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明にかかる気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法は次のように構成されている。

（１）本発明にかかる気相成長膜形成装置は、ウェーハが挿入されるチャンバと、前記チャンバ内で前記ウェーハを所定の回転速度で回転させる回転駆動手段と、前記ウェーハを加熱する加熱手段と、前記チャンバ内に気相成長膜を形成するための第一の原料ガスを供給する第一の原料ガス供給手段と、前記チャンバ内に前記第一の原料ガスとは異なる第二の原料ガスを供給する第二の原料ガス供給手段と、前記チャンバ内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、を備えたことを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の気相成長膜形成装置において、前記第二の原料ガスの供給量は、前記第一の原料ガスの供給量よりも少ないことが望ましい。

（３）上記（１）に記載の気相成長膜形成装置において、前記第一の原料ガスはトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、もしくはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）のうちいずれか１つであり、前記第二の原料ガスはシラン（ＳｉＨ_４）であることが望ましい。

（４）上記（１）に記載の気相成長膜形成装置において、前記第一の原料ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを設定する第一の原料ガス設定手段と、前記第二の原料ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを設定する第二の原料ガス設定手段と、を備えたことが望ましい。

（５）本発明にかかる気相成長膜形成方法は、ウェーハが挿入されるチャンバと、前記チャンバ内で前記ウェーハを所定の回転速度で回転させる回転駆動手段と、前記ウェーハを加熱する加熱手段と、前記チャンバ内に気相成長膜を形成するための第一の原料ガスを供給する第一の原料ガス供給手段と、前記チャンバ内に前記第一の原料ガスとは異なる第二の原料ガスを供給する第二の原料ガス供給手段と、前記チャンバ内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、を備えた気相成長膜形成装置を用いて、前記ウェーハに気相成長膜を形成する気相成長膜形成方法であって、前記第一の原料ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを設定する第一の原料ガス設定工程と、前記第二の原料ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを設定する第二の原料ガス設定工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、気相成長膜を形成する際に、原料ガスとなるＳｉＨＣｌ_３、もしくはＳｉＨ_２Ｃｌ_２およびキャリアガスＨ_２に加え、シランＳｉＨ_４を少量周期的に混入させることにより、Ｓｉ膜生成時に副生成物として生成されたＨＣｌを再利用しエピタキシャルウェーハの生産性向上と共に、ＨＣｌガスによる金属部品の腐食を防止することを可能とする気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法を提供するという効果を奏する。

以下、本発明にかかる気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法の実施の形態につき、添付図面に基づき説明する。

以下、本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置について詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置１の概略構成を示す構成図である。気相成長膜形成装置１は、例えば、高純度単結晶シリコン（以下、Ｓｉと記載する）のウェーハＷ上に気相成長法による単結晶Ｓｉ膜を成長させる装置であり、チャンバ２と、ガス供給管３と、ガス排気管７と、トリクロロシランガス供給部１１と、水素ガス供給部１２と、シランガス供給部１３と、供給ガス切り替え部１４と、ガス排気部１５と、を備えている。

チャンバ２は、気相成長膜を形成するための熱処理炉であり、ガス供給管３と、供給ガス切り替え部１４と、を経由してトリクロロシランガス供給部１１と、水素ガス供給部１２と、シランガス供給部１３と、の下流側に配設されており、ガス排気管７を経由してガス排気部１５の上流側に配設されている。これら構成要素を順次詳細に説明する。

トリクロロシランガス供給部１１は、気相成長膜の形成に必要なシリコン原料ガスであるトリクロロシラン（以下、ＳｉＨＣｌ_３と記載する）をチャンバ２に供給する機能を有し、具体的にはＳｉＨＣｌ_３のガスタンクである。タンクから流出するガス流量を自在に調節できるように流量調節バルブが設けられている。また、ガス供給設定部１６は、トリクロロシランガス供給部１１の流量調整バルブを調整し、トリクロロシランガス供給部１１から供給されるＳｉＨＣｌ_３ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを気相成長膜形成前にあらかじめ設定する設定部である。

水素ガス供給部１２は、気相成長膜の形成に必要なキャリアガスである水素（以下、Ｈ_２と記載する）をチャンバ２に供給する機能を有し、具体的にはＨ_２のガスタンクである。タンクから流出するガス流量を自在に調節できるように流量調節バルブが設けられている。また、ガス供給設定部１７は、水素ガス供給部１２の流量調整バルブを調整し、水素ガス供給部１２から供給されるＨ_２ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを気相成長膜形成前にあらかじめ設定する設定部である。

シランガス供給部１３は、本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置の気相成長反応時に生成される塩化水素（以下、ＨＣｌと記載する）ガスを再利用するためシラン（以下、ＳｉＨ_４と記載する）をチャンバ２に供給する機能を有し、具体的にはＳｉＨ_４のガスタンクである。タンクから流出するガス流量を自在に調節できるように流量調節バルブが設けられている。また、ガス供給設定部１８は、シランガス供給部１３の流量調整バルブを調整し、シランガス供給部１３から供給されるＳｉＨ_４ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを気相成長膜形成前にあらかじめ設定する設定部である。

供給ガス切り替え部１４は、上述したトリクロロシランガス供給部１１、水素ガス供給部１２、シランガス供給部１３、のうちどのガス供給部からガスをチャンバ２に供給するかを選択するガス管切り替えスイッチである。複数のガス供給部からのガス供給も選択可能である。

ガス供給管３は、チャンバ２内の上部、水平方向の２箇所に配設され、上述した３種のガス供給部からのガスがチャンバ２内に供給されるように、供給ガス切り替え部１４の下流側に配設されるガス経路である。上述した３種のガス供給部からのガスは、図１のＡ方向にチャンバ２に供給される。

ガス排気管７は、チャンバ２内の下部、図１の左右に分かれて２箇所に配設され、チャンバ２内部でＳｉＨＣｌ_３、Ｈ_２、ＳｉＨ_４および気相成長膜形成後の副生成物ＨＣｌが混在したガスを排気するガス経路である。チャンバ２内のガスは、ガス排気管７を経由してガス排気部１５に排気される。また、ガス排気部１５は、ガス排気管７を経由して図１のＢ方向に排気されたガスを集め、最終的にガスを廃棄する機能を有する。

また、図１に示されるサセプタ５、回転胴６、ヒーター８については、図２を図示して詳細に説明する。図２は、本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置１のチャンバ２の内部構成を示す断面図である。チャンバ２の内部には、ウェーハＷと、整流版４と、サセプタ５と、回転胴６と、ヒーター８と、ウェーハ突き上げ機構９と、温度センサ１０と、が備えられている。また、ガス供給管３と、ガス排気管７がチャンバ２に導管接続されている。ガス供給管３と、ガス排気管７については、上述のとおりであり、詳細の説明を省略する。

ウェーハＷ上に気相成長膜を形成するため、ヒーター８の加熱によりプロセス温度まで加熱される。上記プロセス温度は、ＳｉＨＣｌ_３を使用する場合、１０００℃以上である。

サセプタ５は、ウェーハＷを所定の位置に支持する機能を有する。サセプタ５の材質としては、炭素の基材上に炭化珪素（以下、ＳｉＣと記載する）を皮膜したもの、基材をＳｉＣとしたもの、もしくはシリコン含浸炭化珪素のうちいずれかが好ましい。一般的な形状としては、図２に示すように内周部に段差を設け、ウェーハＷを戴置きすることによりウェーハＷを支持する。

ヒーター８は、上方に位置するウェーハＷを下方側から気相成長のプロセス温度に達するまで加熱する加熱器であり、チャンバ２の外部に備えられた加熱回路（図示省略）から供給される定電流によって加熱する。また、温度センサ１０により、ウェーハＷの表面温度を検知しヒーター８の通電を制御する加熱回路（図示省略）にフィードバックする。

回転胴６は、上記ウェーハＷを戴置きしたサセプタ５を保持した状態で回転する回転体である。回転胴６は、ウェーハＷ上の気相成長膜が均一に生成されるように、図２のＣ方向に一定の回転速度で高速回転させる駆動機能を有する。なお、回転速度は、本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置を実用するにあたって、均一性の高い気相成長膜を効率的に形成するためには、気相成長膜形成時３００ｒｐｍ以上の速度で回転させることが好ましい。

整流板４は、ガス供給管３から流入させる原料ガスおよびキャリアガスの流速を調整するものであり、ウェーハＷ全域の対向面にわたってガス流量が均一になるように開口面積が調整されている。

ウェーハ突き上げ機構９は、ウェーハＷを下方から押し上げる機構を有する。ウェーハ突き上げ機構９は、ヒーター８に設けられた開口部に該当する位置に配設され、外部に設けられた駆動機構（図示省略）により往復運動する。ピンが上方に動作すると、ウェーハＷを持ち上げる構造となっている。

以下、本実施の形態にかかる気相成長膜形成プロセスを詳細に説明する。図３は、本実施の形態にかかる気相成長膜形成プロセスを示すシーケンス図である。

最初に、ウェーハ搬入工程２０において、ガス供給設定部１７が設定したガス供給量に従い、Ｈ_２ガスをチャンバ２内に供給しガス濃度が十分となった状態で（ステップＳ１００）、ウェーハ突き上げ機構９が動作しウェーハＷをチャンバ２に搬入する（ステップＳ１０１）。次に、昇温工程２１においては、回転胴６の回転を開始する（ステップＳ１０２）。同時に、ヒーター８の温度を上げ、ウェーハＷの温度を成膜温度まで上げる（ステップＳ１０３）。気相成長膜形成工程２２の前に、ＳｉＨＣｌ_３ガスをバブリング、ベントし、供給開始の準備をしておく。次に、気相成長膜形成工程２２において、ガス供給設定部１６が設定した供給量、供給時間および供給サイクルに従い、ＳｉＨＣｌ_３ガスをチャンバ２内へ供給し成膜を開始する（ステップＳ１０４）。同時に、ガス供給設定部１８が設定した供給量、供給時間および供給サイクルに従い、ＳｉＨ_４ガスをチャンバ２内へ供給する（ステップ１０５）。成膜終了後、ガス供給設定部１６がＳｉＨＣｌ_３ガス供給を停止し、降温工程２３へ移る。降温工程２３で回転胴６の回転を下げ、ヒーター８の温度を下げ、ウェーハＷを搬出可能な温度まで下げる。９００℃程度まで温度が下がる段階で、ガス供給設定部１８がＳｉＨ_４ガスの供給を停止する。ウェーハ搬出工程２４においては、回転胴６を停止、ウェーハ突き上げ機構９が動作しウェーハＷをチャンバ２から搬出する（ステップＳ１０６）。

以下、本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置の気相成長反応について詳細に説明する。上述の昇温工程２１において、トリクロロシラン供給部１１が供給したＳｉＨＣｌ_３ガスは、キャリアガスＨ_２と下記のように反応する。

化学式（１）に示すように、シリコン原料ガスＳｉＨＣｌ_３とキャリアガスＨ_２が反応し、ＳｉとＨＣｌを生成する。ＳｉはウェーハＷ上へ気相成長膜を形成させていくが、ＨＣｌがチャンバ２内に長く残留すると、エッチングが発生し気相成長膜を形成する速度が低下する。これは、結果的に製造時間の増加につながり製造工数増となる。また、ＨＣｌは水分子と反応すると塩酸を発生させるが、この塩酸は金属を腐食する性質がある。従って、ＨＣｌの発生は気相成長膜の形成を阻害すると共に、チャンバ２内部の主要部品を短寿命化するためその発生の抑制、できれば再利用することが好ましい。

本実施の形態においては、上述したようなＨＣｌの悪影響を除外するためＳｉＨ_４を使用する。ＳｉＨ_４は、約１１００℃程度のプロセス温度では容易に分解してしまう性質がある。

ＳｉＨ_４が分解すると、化学式（２）のようにＳｉとＨ_２を生成する。Ｈ_２は、気相成長膜を形成する化学式（１）の反応に利用される。一方、Ｓｉは、ＨＣｌと反応し、化学式（３）に示すように、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２を生成する。

あるいは、Ｓｉは、ＨＣｌと反応し、化学式（４）に示すように、ＳｉＨＣｌ_３とＨ_２を生成する。

化学式（３）で生成されたＳｉＨ_２Ｃｌ_２はＳｉの気相成長膜を形成する反応によってＳｉとＨＣｌを再生成する。また、化学式（４）で生成されたＳｉＨＣｌ_３はＨ_２と反応しＳｉとＨＣｌを再生成する。

すなわち、化学式（１）〜（４）で示した化学反応を還元的に起こさせることにより、ＨＣｌの発生量をかなり抑制することが可能となる。図４は、本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置の化学反応を模式的に示す反応フロー図である。このように、還元反応のサイクルをうまく起こさせることにより、ＨＣｌの発生量を効果的に抑制することができる。図４に示す還元反応を効果的に起こさせるには、ＳｉＨ_４の供給が重要な要素となる。ＳｉＨ_４は非常に分解しやすいガスであり、ＳｉＨ_４単体では非常に使いにくい性質がある。しかし、本実施の形態のように、ＳｉＨＣｌ_３と併用することによりＨＣｌの発生を抑制し気相成長膜の形成を効率的に実施可能となる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、ＳｉＨＣｌ_３ガスを供給し気相成長反応が進みＨＣｌの発生量が増加しても、ＳｉＨ_４ガスを供給することにより、ＨＣｌの発生を抑制すると共に気相成長膜を形成する反応を促進し気相成長膜の形成速度を低下させることなく効率的な気相成長膜形成を可能とする気相成長膜形成装置および気相成長膜形成方法を提供することが出来る。

なお、本実施の形態においては、ＳｉＨＣｌ_３ガスとＳｉＨ_４ガスの供給口として共通のガス管を使用する構成を基に本実施の形態を詳細に説明したが、供給口を別個に設けてもよい。

また、上述したトリクロロシランガス供給部１１と、水素ガス供給部１２と、シランガス供給部１３がチャンバ２内に供給する３種のガス供給条件（ガス供給量、ガス供給時間およびガス供給サイクル）は、それぞれガス供給設定部１６、１７、１８によって設定されることとして本実施の形態を説明したが、これらのガス供給条件は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置を少なくとも備えた通常のコンピュータを利用したハードウェア構成と、当該ハードウェア構成上で動作するプログラムによって一括管理される構成でもよい。

本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置１の概略構成を示す構成図。 本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置１のチャンバ２の内部構成を示す断面図。 本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置の半導体製造プロセスを示すシーケンス図。 本実施の形態にかかる気相成長膜形成装置の化学反応を模式的に示す反応フロー図。

符号の説明

１ 気相成長膜形成装置
２ チャンバ
３ ガス供給管
４ 整流板
５ サセプタ
６ 回転胴
７ ガス排気管
８ ヒーター
９ ウェーハ突き上げ機構
１０ 温度センサ
１１ トリクロロシランガス供給部
１２ 水素ガス供給部
１３ シランガス供給部
１４ 供給ガス切り替え部
１５ ガス排気部
１６ ガス供給設定部
１７ ガス供給設定部
１８ ガス供給設定部
２０ ウェーハ搬入工程
２１ 昇温工程
２２ 気相成長膜形成工程
２３ 降温工程
２４ ウェーハ搬出工程
Ｗ ウェーハ
Ａ ガス供給方向
Ｂ ガス排気方向
Ｃ 回転胴回転方向

Claims (5)

1. ウェーハが挿入されるチャンバと、
   前記チャンバ内で前記ウェーハを所定の回転速度で回転させる回転駆動手段と、
   前記ウェーハを加熱する加熱手段と、
   前記チャンバ内に気相成長膜を形成するための第一の原料ガスを供給する第一の原料ガス供給手段と、
   前記チャンバ内に前記第一の原料ガスとは異なる第二の原料ガスを供給する第二の原料ガス供給手段と、
   前記チャンバ内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
   を備えたことを特徴とする気相成長膜形成装置。
2. 前記第二の原料ガスの供給量は、前記第一の原料ガスの供給量よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載の気相成長膜形成装置。
3. 前記第一の原料ガスはトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、もしくはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）のうちいずれか１つであり、前記第二の原料ガスはシラン（ＳｉＨ_４）であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長膜形成装置。
4. 前記第一の原料ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを設定する第一の原料ガス設定手段と、
   前記第二の原料ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを設定する第二の原料ガス設定手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の気相成長膜形成装置。
5. ウェーハが挿入されるチャンバと、
   前記チャンバ内で前記ウェーハを所定の回転速度で回転させる回転駆動手段と、
   前記ウェーハを加熱する加熱手段と、
   前記チャンバ内に気相成長膜を形成するための第一の原料ガスを供給する第一の原料ガス供給手段と、
   前記チャンバ内に前記第一の原料ガスとは異なる第二の原料ガスを供給する第二の原料ガス供給手段と、
   前記チャンバ内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、を備えた気相成長膜形成装置を用いて、前記ウェーハに気相成長膜を形成する気相成長膜形成方法であって、
   前記第一の原料ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを設定する第一の原料ガス設定工程と、
   前記第二の原料ガスの供給量、供給時間および供給サイクルを設定する第二の原料ガス設定工程と、
   を備えたことを特徴とする気相成長膜形成方法。

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