JP2010278167A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスライン圧力を適正に校正する機構により原料ガス供給量を制御し、成長速度、或いは組成比変動による歩留低下を抑制することができる半導体製造装置を提供する。
【解決手段】流量制御部１０の制御により、キャリアガス流量×原料ガス濃度／（１−原料ガス濃度）が一定となるように、バブリングマスフローコントローラー６によりキャリアガス１５の流量を制御することにより、原料ガスの濃度を一定に保つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に半導体を薄膜状に形成して半導体装置を製造する半導体製造装置であって、特に半導体の原料ガスを圧力校正しながら供給する原料ガス供給技術に関するものである。

従来から、ＣＤ、ＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙディスク等の光記録メディアの記録／再生光源として用いられる半導体レーザや、衛星用および携帯電話用等の受信アンテナなどに用いられる高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）等の半導体装置は、近年、半導体製造装置においてＭＯＣＶＤ法による化合物半導体薄膜で形成されている。

このＣＶＤ法は、半導体製造装置において、反応室内に半導体薄膜を形成する半導体基板を設置し、この反応室内に有機金属原料ガスを導入し、熱分解及び化学反応させることにより、半導体基板上に半導体薄膜を形成する方法である。

上記のようにＣＶＤ法を用いて半導体装置を製造する半導体製造装置においては、半導体基板上に半導体薄膜を形成するための原料ガスを供給する原料ガス供給装置が設けられており、この原料ガス供給装置では、液体および固体の有機金属化合物などの原料をステンレス製等の原料容器に封入し、これを恒温槽等により一定温度に保持しながら原料を気化又は昇華させて原料ガスを発生させ、この原料ガスを、不活性ガス等からなるキャリアガスを用いて反応室に供給する方式が用いられる。

この場合、原料ガス供給装置において、キャリアガスの流量は、マスフローコントローラーにより制御され、原料容器と反応室を結ぶ途中のガスラインの圧力はガスライン下流の圧力制御バルブにより制御される。

しかしながら、有機金属である液体および固体の多くの原料は、その蒸気圧の安定性に問題があり、ガスライン圧力を一定に制御してもなお、安定した原料ガスを再現性よく反応室に導入することが困難である。

また、液体および固体の原料は、液体中および固体表面にキャリアガスを通過させることにより、気化又は昇華した原料ガス等を供給するバブリングと呼ばれる方法を用いることが多く、この場合、原料の消費による原料容器内の残量の変化によって、液体の原料の場合であればキャリアガスが液体中を通過する時間等の変化が起こり、また固定の原料の場合であれば原料の表面積等の変化が起こり、キャリアガスに含まれる原料ガスの濃度が変化してしまうという問題がある。

これらの問題を解決するために、半導体製造装置の原料ガス供給装置（例えば、特許文献１を参照）においては、原料容器と反応室を結ぶ途中のガスラインにインラインの濃度測定器が設置され、この濃度測定器により原料ガス濃度を検出し、マスフローコントローラーのキャリアガス流量にフィードバックして、

キャリアガス流量×原料ガス濃度／（１−原料ガス濃度）

が一定となるようにキャリアガス流量を制御するガスライン圧力校正方式が用いられ、反応室に運ばれる原料ガスのモル数（原料ガス濃度）が一定に保たれている。

特開２００４−３６３２７１号公報

しかしながら、上記のような半導体製造装置の原料ガス供給装置において、前述のガスライン圧力校正方法を用いても、ガスライン圧力を計測する計測機器における動作特性などの経時変動によって、原料ガス供給量に微小な変動が発生し、この経時変動によって圧力測定器の出力値にズレが生じる場合があり、この場合には、見かけ上はガスライン圧力を一定に制御していても実際には所望の圧力で制御していないことになる。

その結果、原料ガスの飽和蒸気圧が変化するため、下流に設置してあるインラインの濃度測定器で濃度変化を検出するが、その測定濃度は安定性および信頼性に欠けるという観点で問題が残る。

一般的に濃度測定器は、ガスラインに充満する気体の超音波伝播速度を計測し、その計測値と予め設定された使用ガス種や使用圧力などを基にしたガス圧縮係数とから、原料ガス濃度を算出するため、設定圧力と実際の圧力が異なる場合には、算出に誤差が含まれ、出力される原料ガス濃度の値にズレが生じてしまう。

このため、上記のガスライン圧力校正方法を用いても、原料ガス供給量が微小に変化してしまい、半導体基板上に形成される半導体薄膜の結晶方向に対しての成長速度あるいは組成比の変動の影響があり、製品の歩留低下が発生するという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、ガスライン圧力を適正に校正して原料ガス供給量を安定性よく正確に制御することができ、半導体基板上に形成される半導体薄膜の結晶方向における成長速度あるいは組成比の変動による製品の歩留低下をより抑制することができる半導体製造装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１記載の半導体製造装置は、基板上に半導体を形成して半導体装置を製造する半導体製造装置であって、前記半導体の原料ガスを圧力校正しながら供給する原料ガス供給装置が設けられ、前記原料ガス供給装置は、流量制御されたキャリアガスが導入され、前記キャリアガスとともに前記原料ガスを供給する原料容器と、前記基板が設置される反応室と、前記原料容器から前記反応室に前記原料ガスを供給するために接続されたガスラインと、流量制御された第二のキャリアガスを前記原料容器に対して側路させるバイパスラインと、前記ガスラインを通過するガス濃度を測定してガス伝播速度を計算する濃度測定器と、前記ガスラインのガス圧力を測定する圧力測定器と、前記圧力測定器による圧力測定値に基づいて前記ガスラインのガス圧力を制御する圧力制御バルブと、前記第二のキャリアガスについて前記ガス圧力と前記ガス伝播速度とを相関させたデータを記憶するデータベースと、前記濃度測定器で測定した前記第二のキャリアガスのガス濃度から得られたガス伝播速度を前記データベースのデータと比較演算する演算部とを備え、前記演算部による比較演算結果に基づいて前記圧力測定器で測定された前記ガスラインのガス圧力を校正しながら、前記ガスラインのガス圧力が一定になるように前記圧力制御バルブを調節し、その状態で、前記濃度測定器で測定された前記ガスラインのガス濃度が一定になるように、前記キャリアガスの流量を制御するよう構成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載の半導体製造装置は、請求項１記載の半導体製造装置であって、前記原料ガス供給装置は、プロセス処理以外の期間において、少なくとも２点以上の異なる圧力帯で前記第二のキャリアガスのガス濃度から得られたガス伝播速度を前記データベースと比較演算し、その比較演算結果を前記圧力測定器にフィードバックして前記第二のキャリアガスのガス伝播速度を校正する機構を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の半導体製造装置は、請求項１または請求項２記載の半導体製造装置であって、前記原料ガス供給装置は、前記半導体の原料ガスとして複数の原料が用いられ、各原料用の前記ガスライン毎に前記ガス圧力を校正する機構を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスラインの圧力測定器を適正に校正する機構を用い、ガスライン圧力を適正に校正して原料ガス供給量を精度よく制御することにより、半導体基板上への半導体薄膜形成をより安定的に行うことができる。

その結果、ガスライン圧力の計測誤差なく原料ガス供給量をより正確にかつ安定化することができ、半導体基板上に形成される半導体薄膜の結晶方向における成長速度あるいは組成比の変動をより抑え、製品の歩留をさらに向上することができる。

本発明の実施の形態の半導体製造装置において半導体の原料供給時の原料ガス供給量を調整する構成を示すブロック図 同実施の形態の半導体製造装置において原料ガス濃度計測値に関わるガス圧縮係数の圧力依存性を示す説明図

以下、本発明の実施の形態を示す半導体製造装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は本実施の形態の半導体製造装置における半導体の原料供給時の原料ガス供給量を調整する原料ガス供給機構部分の構成を示すブロック図である。図２は本実施の形態の半導体製造装置における原料ガス濃度計測値に関わるガス圧縮係数γの圧力依存性を示す説明図である。

本実施の形態の半導体製造装置には、原料ガス供給機構として図１に示すような原料ガス供給装置が設けられており、この原料ガス供給装置は、半導体薄膜が形成される半導体基板が設置される反応室２と、前記反応室２に原料ガスを供給するガスライン５と、前記ガスライン５にキャリアガス１５を流入させるバブリングマスフローコントローラー６と、前記ガスライン５に接続されて前記原料ガスを供給する原料容器１と、前記ガスライン５の圧力を測定する圧力測定器７と、前記原料ガスを通過させない希釈マスフローコントローラー８と、ガスライン５の下流に設けられた圧力制御バルブ３と、前記反応室２に供給される前記原料ガスの濃度を測定する濃度測定器４と、前記濃度測定器４にて測定した前記濃度に応じて前記バブリングマスフローコントローラー６からの前記キャリアガス１５の流量を制御する流量制御部１０を有している。

上記の原料ガス供給装置において、前記原料ガスの濃度を一定に保つ際に、前記流量制御部１０の制御により、

キャリアガス流量×原料ガス濃度／（１−原料ガス濃度）

が一定となるように、前記バブリングマスフローコントローラー６によりキャリアガス１５の流量を制御する機構を備えている。

また、上記の原料ガス供給装置においては、キャリアガス１５と第二のキャリアガス１６を任意に切替えられる切替えバルブ９を有し、第二のキャリアガス１６が原料容器１を通過しないためのバイパスライン１３と、複数のガスライン圧力に対する第二のキャリアガス１６のガス伝播速度を相対的に記憶したデータベース１４と、第二のキャリアガス１６が実際に前記濃度測定器４を通過した際に計測されるガス伝播速度と前記データベース１４内のガス伝播速度データとを比較演算してガスライン圧力の校正値を算出する演算部１１とを有し、演算部１１で算出されたガスライン圧力の校正値を前記圧力測定器７にフィードバックする機構を備えている。この圧力測定器７の校正方法が本発明の特徴となる構成であるが、この詳細については半導体製造方法の説明と合わせて後述する。

以下、本実施の形態の半導体製造装置における半導体の原料ガス供給方法について説明する。
まず、反応室２に半導体形成処理の対象物である半導体基板（例えば半導体からなるウェーハなど）を設置し、一方、原料容器１には、半導体基板上に形成される半導体薄膜となる原料ガスを生成するための例えばＴＭＧａ（トリメチルガリウム）等を充填する。

次に、キャリアガス１５である水素ガスをガスライン５からベントライン１２に導入する。このとき、キャリアガス１５である水素ガスは、ガスライン５に原料容器１内の原料ガスが共に供給されないようにバイパスライン１３を通す。ここで、圧力測定器７で測定したガスライン５の圧力を圧力制御バルブ３の開閉度にフィードバックし、ガスライン５の圧力が一定になるように制御する。

そして、ガスライン５を通じて反応室２に原料ガスを供給するため、原料容器１内にキャリアガス１５である水素ガスを導入する。このとき、ガスライン５においては水素ガスと原料ガスが混合されている。ガスライン５の圧力制御範囲は、一般的に１００〜１３００ｈＰａで用いられる。このとき、濃度測定器４によって測定された原料ガス濃度に基づいて、

キャリアガス流量×原料ガス濃度／（１−原料ガス濃度）

が一定となるように、バブリングマスフローコントローラー６による制御を開始し、キャリアガス１５である水素ガスの流量を調整することで、反応室２に運ばれる原料ガス供給量を一定に保つ。

これは、原料容器１内の残量などの状態や環境温度、さらにガスライン５の圧力によって原料ガス濃度が変動してしまうのを補う役割を持つ。また、バブリングマスフローコントローラー６と希釈マスフローコントローラー８の流量和が、ガスライン５において常に一定量になるように、バブリングマスフローコントローラー６で調整した流量分だけ、希釈マスフローコントローラー８の流量も調整する。

ここで使用される濃度測定器４は、一般的にガスライン５に充満する気体の超音波伝播速度を計測し、予め設定された使用ガス種、使用圧力などを基にしたガス圧縮係数から原料ガス濃度を算出する。但し、実際のところ、圧力測定器７は経時変動などでズレが生じてしまう。そのため所定の圧力値で制御したとしても、見かけ上はその所定の圧力値を示していても実際は異なる圧力になっている。

ガスライン５の圧力が変化した場合、原料の飽和蒸気圧が変化するので濃度測定器４によって、原料ガス濃度の変化を察知することが可能である。
しかしながら、濃度測定器４で算出するのに用いられるガス圧縮係数は、図２に示すように、圧力依存性を持つ。例えば、見かけ上の圧力Ｐ０の状態のガス伝播速度γをγ０とした場合、原料ガス濃度はγ０を利用して算出される。

ここで、機器の経時変動などで実際の圧力がＰ１の状態であった場合には、ガス伝播速度はγ１となる。つまりガス伝播速度において、Δγ（＝γ１−γ０）だけズレが生じる。つまり、これを基に算出される原料ガス濃度においては、実際に出力すべき値に誤差が発生してしまう。このため原料ガス供給量に影響し、結晶方向において成長速度あるいは組成比に変動が発生してしまう。以上の現象を引き起こさないためには、圧力測定器７の適切な校正が重要となる。

次に、圧力測定器７の校正方法について説明する。
この圧力校正は、プロセス処理を行わない期間に実施する。切替えバルブ９によって、キャリアガス１５を水素ガスから第二のキャリアガス１６である窒素ガスに切替える。水素ガスが完全に窒素ガスで置換されるまで十分な時間をおく。このとき、窒素ガスは、同時に原料容器１を通過せず、バイパスライン１３のみを通過するようなライン接続に切替える。

次に、ガスライン５の圧力を０−１３００ｈＰａの任意の圧力に制御する。このときの窒素ガスのガス伝播速度を濃度測定器４でガス濃度として測定し、そのデータを演算部１１に送付する。

その後、ガスライン５の圧力を前記と異なる任意の値に変化させ、濃度測定器４で測定し、再び演算部１１に送る。これを少なくとも２点以上の圧力帯で繰り返し実行し、その結果を窒素ガスのガスライン圧力におけるガス伝播速度を記録したデータベース１４と比較演算し、校正値を圧力測定器７にフィードバックし圧力校正を完了する。

上記の方法で校正された圧力測定器７の測定値に従って、圧力制御バルブ３の例えば開閉度を調整することで、ガスライン５の圧力は常に所望の圧力に制御することが可能となる。

以上のような圧力校正方法を用いた半導体製造装置における原料供給方法によって、従来技術では、

キャリアガス流量×原料ガス濃度／（１−原料ガス濃度）

が一定となるようにキャリアガス流量の調整を行った場合でも、見かけ上は一定なガスライン圧力ではあるが実際上は変化していると、濃度測定器４において、計算出力に誤差が生じ、出力される原料ガス濃度自体が実際とは異なるため、これに同期して原料ガス供給量が変動してしまうが、これに対して、本実施の形態では、ガスライン５の圧力測定器７を適正に校正する機構を用い、ガスライン圧力を適正に校正して反応室２に供給される原料ガス供給量を精度よく制御することにより、半導体基板上への半導体薄膜形成をより安定的に行うことができる。

そのため、ガスライン圧力の計測誤差なく原料ガス供給量をより正確にかつ安定化することができ、半導体基板上に形成される半導体薄膜の結晶方向における成長速度あるいは組成比の変動をより抑えて一定化することができ、その結果、製品の歩留をさらに向上することができる。

なお、本実施の形態では、有機金属原料を用いＭＯＣＶＤ装置を例として用いたが、上記構成を活用した装置であれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、複数の原料毎に上記方法を用いた装置構成においても、同様の効果が得られる。

本発明の半導体製造装置は、反応室に供給される原料ガス供給量を安定的に制御し、成長速度あるいは組成比変動による製品の歩留低下を抑制することができるもので、例えば、ＭＯＣＶＤ装置等における原料ガス供給技術を用いて、有機金属を原料とする化学気相成長法により化合物半導体などの薄膜を堆積する半導体製造技術等に有用である。

１ 原料容器
２ 反応室
３ 圧力制御バルブ
４ 濃度測定器
５ ガスライン
６ バブリングマスフローコントローラー
７ 圧力測定器
８ 希釈マスフローコントローラー
９ 切替えバルブ
１０ 流量制御部
１１ 演算部
１２ ベントライン
１３ バイパスライン
１４ データベース
１５ キャリアガス
１６ 第二のキャリアガス

Claims (3)

1. 基板上に半導体を形成して半導体装置を製造する半導体製造装置であって、
   前記半導体の原料ガスを圧力校正しながら供給する原料ガス供給装置が設けられ、
   前記原料ガス供給装置は、
   流量制御されたキャリアガスが導入され、前記キャリアガスとともに前記原料ガスを供給する原料容器と、
   前記基板が設置される反応室と、
   前記原料容器から前記反応室に前記原料ガスを供給するために接続されたガスラインと、
   流量制御された第二のキャリアガスを前記原料容器に対して側路させるバイパスラインと、
   前記ガスラインを通過するガス濃度を測定してガス伝播速度を計算する濃度測定器と、
   前記ガスラインのガス圧力を測定する圧力測定器と、
   前記圧力測定器による圧力測定値に基づいて前記ガスラインのガス圧力を制御する圧力制御バルブと、
   前記第二のキャリアガスについて前記ガス圧力と前記ガス伝播速度とを相関させたデータを記憶するデータベースと、
   前記濃度測定器で測定した前記第二のキャリアガスのガス濃度から得られたガス伝播速度を前記データベースのデータと比較演算する演算部とを備え、
   前記演算部による比較演算結果に基づいて前記圧力測定器で測定された前記ガスラインのガス圧力を校正しながら、
   前記ガスラインのガス圧力が一定になるように前記圧力制御バルブを調節し、
   その状態で、前記濃度測定器で測定された前記ガスラインのガス濃度が一定になるように、前記キャリアガスの流量を制御するよう構成した
   ことを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記原料ガス供給装置は、
   プロセス処理以外の期間において、
   少なくとも２点以上の異なる圧力帯で前記第二のキャリアガスのガス濃度から得られたガス伝播速度を前記データベースと比較演算し、
   その比較演算結果を前記圧力測定器にフィードバックして前記第二のキャリアガスのガス伝播速度を校正する機構を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
3. 前記原料ガス供給装置は、
   前記半導体の原料ガスとして複数の原料が用いられ、
   各原料用の前記ガスライン毎に前記ガス圧力を校正する機構を備えた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体製造装置。

Images