JP2010135390A - 成膜装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ウエハ50の表面に膜を成長させる成膜装置であって、内部にウエハ50が設置されるチャンバ15と、ウエハ50の表面において反応して、ウエハの表面に固着する物質と、副生成ガスに変化する原料ガスをチャンバ内に導入するガス導入手段25と、副生成ガスを反応させて、チャンバ内に原料ガスを生成する逆反応手段30、34を有していることを特徴とする成膜装置10。
【選択図】図1
Description
例えば、特許文献1には、シリコンウエハの表面にシリコン膜を成長させる成膜装置が開示されている。この成膜装置は、内部にシリコンウエハが設置されるチャンバと、トリクロロシラン等の塩化シリコンガスと水素ガスとの混合ガス(原料ガス)をチャンバ内に導入するガス導入手段を有している。シリコンウエハを加熱しながら原料ガスをチャンバ内に導入することで、水素ガスと塩化シリコンガスがシリコンウエハ表面で反応する。これによって、シリコンウエハの表面にシリコン膜が成長する。
本発明者らは、解析の結果、成膜速度が遅い原因の一つが以下の現象にあることを発見した。すなわち、原料ガスをウエハの表面で反応させると、ウエハの表面に固着する物質(すなわち、ウエハの表面の膜となる物質)と、副生成ガスとが生成される。生成された副生成ガスはチャンバ外に排出されるが、全ての副生成ガスをチャンバ外へ排出することはできない。生成された副生成ガスの一部は、チャンバ内を対流する。対流する副生成ガスは、チャンバ内に導入された原料ガスと混じって、ウエハの表面に向かって流れる。このように、副生成ガスが原料ガスと混じってウエハの表面に向かって流れると、ウエハの表面での成膜反応が阻害され、成膜速度が低下する。
例えば、特許文献1の技術では、水素ガスと塩化シリコンガスとがシリコンウエハの表面で反応することによって、その表面にシリコン膜(シリコンの結晶)が成長するとともに、副生成ガスとして塩酸ガス(HClガス)が生成される。生成された塩酸ガスの一部は、チャンバ内を対流し、原料ガス(水素ガスと塩化シリコンガス)に混じってシリコンウエハの表面に向かって流れる。すると、塩酸ガスとシリコン膜とが反応して、水素ガスと塩化シリコンガスが生成される。すなわち、水素ガスと塩化シリコンガスとの反応(成膜反応)に対する逆反応(シリコン膜をエッチングするエッチング反応)がウエハの表面で起こる。このため、特許文献1の技術では、成膜開始直後では成膜速度が高いものの、成膜開始から一定時間を経過するとチャンバ内の塩酸ガス濃度が上昇し、成膜速度が低下する。
なお、ガス導入手段は、原料ガスのみならず、その他のガスをさらに導入してもよい。例えば、ウエハの表面にシリコン膜を成長させる場合には、原料ガスに加えて、シリコン膜中にP型又はN型の不純物をドーピングするためのドーパントガスを導入してもよい。
また、原料ガスは、上述した水素ガスと塩化シリコンガスのように原料ガス同士で反応してウエハの表面に膜を成長させるガスであってもよいし、ウエハと反応してウエハの表面に膜を成長させるガスであってもよい。
この成膜装置では、逆反応手段が、チャンバ内の副生成ガスを反応させて、原料ガスを生成する。このため、チャンバ内の副生成ガスの量が減少し、原料ガスの量が増加する。このため、副生成ガスによって成膜反応が阻害されることが抑制される。この成膜装置によれば、高い成膜速度でウエハの表面に膜を成長させることができる。
このような構成によれば、ウエハの表面にシリコン膜を効率的に成長させることができる。
ウエハをシリコンブロックより高温に保持することで、ウエハの表面において成膜反応(第1原料ガスと第2原料ガスが反応してウエハの表面にシリコン結晶が成長する反応)を優位に生じさせることができる。また、シリコンブロックをウエハより低温に保持することで、シリコンブロックの表面においてエッチング反応(副生成ガスがシリコンブロックのシリコンと反応することによって、シリコンブロックがエッチングされ、第1原料ガスと第2原料ガスが生成される反応)を優位に生じさせることができる。このため、ウエハの表面に副生成ガスが供給されることが抑制される。ウエハの表面にシリコン膜を効率的に成長させることができる。
このような構成によれば、副生成ガスを最も多く含むウエハ表面通過後のガスに逆反応原料を接触させることができる。したがって、副生成ガスを効率的に減少させることができる。
このような構成によれば、羽根車を回転させることによって、ホルダ上方(すなわち、ウエハの表面近傍)のガスを羽根車の外周側に送り出し、ウエハの表面近傍に新たな原料ガスを供給することができる。また、複数の羽根が逆反応原料により構成されているので、羽根により送り出されるガスに含まれる副生成ガスが羽根(逆反応原料)と反応する。これによって、副生成ガスを減少させることができる。羽根により送り出されるガスは、ウエハの表面通過後のガスであるので、副生成ガスを多量に含んでいる。したがって、羽根を逆反応原料によって構成することで、副生成ガスを効率的に減少させることができる。
この成膜方法によれば、ウエハの表面に効率的に膜を成長させることができる。
(特徴1)ガス導入手段は、ウエハの表面に向けて原料ガスを導入する。また、成膜装置は、ウエハを回転させる回転装置と、チャンバ内からガスを排気する排気手段を備えている。このため、導入された原料ガスは、ウエハの表面に向かって流れ、その後、ウエハの表面に沿って外周側に流れる。ウエハの表面通過後(すなわち、反応後)のガスの一部は排気手段によって排気される。残りのガスはチャンバの外周壁に沿って原料ガス導入部側に向かって流れ、導入された原料ガスと合流する(すなわち、チャンバ内を対流する)。
(特徴2)逆反応手段は、ウエハの表面通過後にチャンバ内を対流するガスが、チャンバ内に導入された原料ガスと合流するまでに通過する経路に設置されたシリコンブロックを備えている。より具体的には、チャンバの外周壁近傍に設置されたシリコンブロックを備えている。
(特徴3)ガス導入手段は、水素ガスからなる第1原料ガスと、塩化シリコンガス(SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4等)からなる第2原料ガスをチャンバ内に導入する。また、ガス導入手段は、ドーパントガスをチャンバ内に導入する。
(特徴4)ウエハの表面では、成膜反応(第1原料ガスと第2原料ガスとが反応してシリコン結晶が成長するとともに副生成ガスが生じる反応)とエッチング反応(副生成ガスとシリコン結晶が反応してシリコン結晶がエッチングされるとともに第1原料ガスと第2原料ガスが生じる反応)が起きる。シリコンブロックの表面では、成膜反応とエッチング反応が起きる。
(特徴5)成膜装置は、シリコンブロックを加熱する第1加熱手段と、ウエハを加熱する第2加熱手段を備えている。第1加熱手段は、シリコンブロックの表面においてエッチング反応が成膜反応より優位に生じる温度にシリコンブロックを加熱する。第2加熱手段は、ウエハの表面において成膜反応がエッチング反応より優位に生じる温度にウエハを加熱する。
筐体12の底部には、軸受部20が形成されている。ホルダ16の軸部18は軸受部20に挿入されている。これによって、ホルダ16は、図1の矢印60に示すように回転可能に軸受部20に取り付けられている。ホルダ16は、図示しない駆動装置によって回転させることができる。
ホルダ部17は、チャンバ15内に位置している。ホルダ部17の上面17aは、エピタキシャル層を成長させる対象であるシリコンウエハ50が載置される載置面である。載置面17aの中央には開口17bが形成されている。シリコンウエハ50は、開口17bを塞ぐように載置面17a上に載置される。ホルダ部17の内部には、抵抗加熱型のヒータ22が設置されている。ヒータ22は、開口17bの直下に設置されている。したがって、ヒータ22によって、載置面17a上に載置されたシリコンウエハ50を加熱することができる。
成膜処理を行うときには、ホルダ16の載置面17a上にシリコンウエハ50を載置する。そして、以下のように、成膜装置10の各部を制御する。すなわち、排気ポンプ29を作動させて、チャンバ15内の圧力を760Torr以下に保持する。水冷管32内に冷水を流通させて、筐体14の外周壁14aを冷却する。ホルダ16を、約1000rpmの回転速度で回転させる。ヒータ22を作動させて、シリコンウエハ50の温度を約1100℃に保持する。誘導加熱コイル34に高周波電流を流して、シリコンリング30の温度を約1000℃に保持する。そして、原料ガス供給装置25を作動させて、チャンバ15内に原料混合ガスを供給する。
シリコンウエハ50はヒータ22によって加熱されているため、原料混合ガスがシリコンウエハ50の近傍を流れるときに反応を起こす。より詳細には、SiHCl3ガスとH2ガスとが、以下の反応式に示す反応を起こす。
SiHCl3+H2→Si+3HCl
上記反応式に示す反応により生成されるSi(シリコン)が、シリコンウエハ50の表面に固着するシリコンとなる。すなわち、上記の反応式に示す反応によって、シリコンウエハ50の表面にエピタキシャル層(シリコン層)が成長する。また、シリコンウエハ50の表面にエピタキシャル層が成長する際には、PH3ガスが含有するリン原子がエピタキシャル層中に取り込まれる。このため、成長するエピタキシャル層はN型のシリコン層となる。また、上記の反応式に示すように、反応後には副生成物としてHClガス(塩酸ガス)が生成される。以下では、上記の反応式に示す反応を成膜反応という。
Si+3HCl→SiHCl3+H2
すなわち、HClガスとシリコンリング30のSi(シリコン)とが結びついて、SiHCl3ガスとH2ガスが生成される。この反応は、上述した成膜反応に対する逆反応である。この反応により、シリコンリング30がエッチングされる。以下では、この反応をエッチング反応という。
上述したように、シリコンリング30は、約1000℃に保持されている。この温度領域では、エッチング反応が成膜反応より優位に生じる。したがって、ガスがシリコンリング30の表面近傍を通過すると、HClガスの量が減少し、SiHCl3ガスとH2ガスの量が増加する。
ここで、上述したように、チャンバ15内をガスが対流するとき(矢印76に示すように流れるとき)には、シリコンリング30の表面で生じるエッチング反応によって、HClガスが消費され、SiHCl3ガスとH2ガスが生成される。このため、シリコンウエハ50の表面に到達するHClガスが減少している。これによって、シリコンウエハ50の表面でエッチング反応が生じることが抑制され、エピタキシャル層の成長速度の低下が抑制される。したがって、この成膜装置10によれば、エピタキシャル層をより速く成長させることができる。
図3は、第2実施例の成膜装置80の概略断面図を示している。第2実施例の成膜装置80は、第1実施例の成膜装置10とは異なり、シリコンリング30と誘導加熱コイル34を有していない。また、第2実施例の成膜装置80では、ホルダ16は回転不可能であり、チャンバ15内に固定されている。また、第2実施例の成膜装置80は、羽根車82とヒータ88を備えている。
成膜処理を行うときには、ホルダ16の載置面17a上にシリコンウエハ50を載置する。そして、以下のように、成膜装置80の各部を制御する。すなわち、排気ポンプ29を作動させて、チャンバ15内の圧力を760Torr以下に保持する。水冷管32内に冷水を流通させて、筐体14の外周壁14aを冷却する。羽根車82を回転させる。ヒータ22を作動させて、シリコンウエハ50の温度を約1100℃に保持する。ヒータ88を作動させて、羽根車82の温度を約1000℃に保持する。そして、原料ガス供給装置25を作動させて、チャンバ15内に原料混合ガスを供給する。
なお、上述した実施例では、SiHCl3ガスを原料ガスとして用いたが、SiHCl3ガスに換えてSiH3Cl2ガスやSiCl4ガスを用いてもよい。これらのガスを用いた場合にも、シリコンウエハ50の表面にシリコンのエピタキシャル層を成長させることが可能であるとともに、シリコンリング30や羽根84とのエッチング反応によって副生成ガス(HClガス)を減少させることができる。
また、上述した実施例では、HClガスを減少させるための逆反応原料としてシリコンのブロック(すなわち、シリコンリング30、及び、羽根84)を用いた。しかしながら、シリコンのブロックの形状は必要に応じて適宜変更することができる。また、シリコンのブロックを設置する位置も、HClガスと反応可能な位置であれば、適宜変更することができる。また、逆反応原料は、シリコンに限られない。シリコンを含有しており、HClガスと反応する物質であれば、材質を適宜変更することができる。また、逆反応原料は、ブロック状の物体に限られない。逆反応原料は、気体、液体、固体の何れであってもよい。また、逆反応原料をチャンバ15内に設置するのではなく、必要に応じて逆反応原料をチャンバ15内に供給するようにしてもよい。
また、上述した実施例では、シリコンウエハの表面に成膜する例について説明したが、成膜する対象のウエハはシリコンウエハに限られない。例えば、SiCウエハ等の表面に成膜する際に、本明細書に開示の技術を適用してもよい。
また、上述した実施例では、シリコンのエピタキシャル層(単結晶の層)を成長させる例について説明したが、他の層を成長させる際に、本明細書に開示の技術を適用してもよい。例えば、SiC等の他の材質の層を成長させる場合に、本明細書に開示の技術を適用してもよい。また、エピタキシャル層ではなく、多結晶の層を成長させる場合に、本明細書に開示の技術を適用してもよい。
また、上述した実施例では、H2ガスとSiHCl3ガス(すなわち、原料ガス同士)が反応して成膜する例について説明したが、原料ガスとウエハとを反応させて成膜する場合に、本明細書に開示の技術を適用してもよい。
また、上述した実施例では、加熱装置として抵抗加熱型のヒータや誘導加熱コイルを用いたが、加熱装置には種々の装置を用いることができ、例えば、ランプアニール装置等を用いることもできる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12:筐体
14:筐体
15:チャンバ
16:ホルダ
22:ヒータ
24a,24b:原料ガス供給路
26:シャワープレート
28a,28b:排気通路
30:シリコンリング
34:誘導加熱コイル
50:シリコンウエハ
80:成膜装置
82:羽根車
84:羽根
88:ヒータ
なお、ガス導入手段は、原料ガスのみならず、その他のガスをさらに導入してもよい。例えば、ウエハの表面にシリコン膜を成長させる場合には、原料ガスに加えて、シリコン膜中にP型又はN型の不純物をドーピングするためのドーパントガスを導入してもよい。
また、原料ガスは、上述した水素ガスと塩化シリコンガスのように原料ガス同士で反応してウエハの表面に膜を成長させるガスであってもよいし、ウエハと反応してウエハの表面に膜を成長させるガスであってもよい。
この成膜装置では、逆反応原料が、チャンバ内の副生成ガスと反応して、原料ガスを生成する。このため、チャンバ内の副生成ガスの量が減少し、原料ガスの量が増加する。このため、副生成ガスによって成膜反応が阻害されることが抑制される。この成膜装置によれば、高い成膜速度でウエハの表面に膜を成長させることができる。
なお、逆反応原料は、チャンバの外周壁に沿って配置されたリング形状を備えていることが好ましい。
また、成膜装置は、逆反応原料を加熱する誘導加熱コイルをさらに有していることが好ましい。
このような構成によれば、ウエハの表面にシリコン膜を効率的に成長させることができる。
このような構成によれば、羽根車を回転させることによって、ホルダ上方(すなわち、ウエハの表面近傍)のガスを羽根車の外周側に送り出し、ウエハの表面近傍に新たな原料ガスを供給することができる。また、複数の羽根が逆反応原料により構成されているので、羽根により送り出されるガスに含まれる副生成ガスが羽根(逆反応原料)と反応する。これによって、副生成ガスを減少させることができる。羽根により送り出されるガスは、ウエハの表面通過後のガスであるので、副生成ガスを多量に含んでいる。したがって、羽根を逆反応原料によって構成することで、副生成ガスを効率的に減少させることができる。
なお、ガス導入手段は、原料ガスのみならず、その他のガスをさらに導入してもよい。例えば、ウエハの表面にシリコン膜を成長させる場合には、原料ガスに加えて、シリコン膜中にP型又はN型の不純物をドーピングするためのドーパントガスを導入してもよい。
また、原料ガスは、上述した水素ガスと塩化シリコンガスのように原料ガス同士で反応してウエハの表面に膜を成長させるガスであってもよいし、ウエハと反応してウエハの表面に膜を成長させるガスであってもよい。
この成膜装置では、逆反応原料が、チャンバ内の副生成ガスと反応して、原料ガスを生成する。このため、チャンバ内の副生成ガスの量が減少し、原料ガスの量が増加する。このため、副生成ガスによって成膜反応が阻害されることが抑制される。この成膜装置によれば、高い成膜速度でウエハの表面に膜を成長させることができる。
なお、逆反応原料は、チャンバの外周壁に沿って配置されたリング形状を備えていることが好ましい。
また、成膜装置は、逆反応原料に誘導電流を流すことによって逆反応原料を加熱する誘導加熱コイルをさらに有していることが好ましい。
Claims (6)
- ウエハの表面に膜を成長させる成膜装置であって、
内部にウエハが設置されるチャンバと、
ウエハの表面において反応して、ウエハの表面に固着する物質と、副生成ガスに変化する原料ガスをチャンバ内に導入するガス導入手段と、
チャンバ内の副生成ガスを反応させて、原料ガスを生成する逆反応手段、
を有していることを特徴とする成膜装置。 - チャンバ内には、シリコンからなるウエハが設置され、
ガス導入手段は、第1原料ガスと、シリコンを含有する第2原料ガスをチャンバ内に導入し、
第1原料ガスと第2原料ガスは、ウエハの表面において互いに反応して、ウエハの表面に固着するシリコン結晶と、副生成ガスに変化し、
逆反応手段は、シリコンを含有する逆反応原料を備えており、その逆反応原料と副生成ガスを反応させて、第1原料ガスと第2原料ガスを生成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。 - 逆反応原料は、チャンバ内の副生成ガスの流通経路に設置されているシリコンブロックであり、
シリコンブロックを加熱する第1加熱手段と、ウエハをシリコンブロックより高温に加熱する第2加熱手段をさらに有していることを特徴とする請求項2に記載の成膜装置。 - 逆反応原料が、ウエハの表面通過後にチャンバ内で対流するガスがチャンバ内に導入された原料ガスと合流するまでに通過する経路に設置されていることを特徴とする請求項2または3に記載の成膜装置。
- ウエハが設置される載置部を有するホルダと、ホルダの載置部の周囲に配置された複数の羽根を備える羽根車をさらに有しており、
羽根車がホルダを中心として回転することによってホルダ上方のガスが外周側に送り出されるようになっており、
前記複数の羽根が逆反応原料により構成されていることを特徴とする請求項2または3に記載の成膜装置。 - チャンバ内に設置されたウエハの表面に膜を成長させる成膜方法であって、
原料ガスをチャンバ内に導入することによって、ウエハの表面において原料ガスを反応させて、ウエハの表面に固着する物質と副生成ガスを生成するとともに、チャンバ内の副生成ガスを反応させて、原料ガスを生成することを特徴とする成膜方法。
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