JP2011171479A - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応室を開放することなく、かつ、整流板上部の空間容積を変動させることなく、整流板とウェーハの距離を近づけて成膜処理を行うことができ、生産性、膜厚均一性を向上させることが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供する。
【解決手段】半導体製造装置は、反応室１１と、反応室１１壁面に設けられ、ウェーハｗの搬入出を行うためのゲート１６と、ガスを内部に導入するための導入口１２ｃと、ガスを整流状態で排出するための整流板１２ｄと、所定の内部容積を有するガス供給ユニット１２ａを備えるガス供給機構１２と、ガス供給ユニット１２ａを、整流板１２ｄの下面がゲート１６の位置より下方となるように移動させることが可能な上下駆動機構１３と、ガスを排出するためのガス排出機構１５と、ウェーハｗを保持するための支持部材１７と、ウェーハｗを所定の温度に加熱するためのヒータ２０ａ、２０ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハの裏面より加熱しながら表面に反応ガスを供給して成膜を行うために用いられる半導体製造装置および半導体製造方法に関する。

近年、半導体装置の低価格化、高性能化の要求に伴い、ウェーハの成膜工程における高い生産性とともに、膜厚均一性の向上など高品質化が要求されている。

このような要求を満たすために、枚葉式のエピタキシャル成膜装置を用い、例えば反応室内において９００ｒｐｍ以上で高速回転しながら、プロセスガスを供給し、ヒータを用いて裏面より加熱する裏面加熱方式が用いられている。

そして、例えば、安価なトリクロロシラン（以下ＴＣＳと記す）、ジクロロシラン（以下ＤＣＳと記す）などのＣｌ系ソースガスを高い効率で用いるとともに、φ３００ｍｍの大口径ウェーハを用いることにより、生産性の向上が期待できる。

しかしながら、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などに用いられる１５０μｍを超えるような厚膜のエピタキシャル膜を形成する場合、特に高い膜厚均一性が要求される。そこで、例えば、ソースガスを含むプロセスガスを、微細な開口部を有する整流板を介してウェーハ上に整流状態で供給することにより、膜厚均一性の向上を図ることが検討されている。

このとき、ウェーハ上にプロセスガスを整流状態で到達させるためには、整流板とウェーハをある程度近づける必要がある。しかしながら、反応室壁面に設けられたゲートよりウェーハを搬入し、成膜位置に載置するため、整流板はゲート位置より上部に設ける必要がある。従って、設計上、整流板とウェーハの距離の下限が制限されてしまうという問題がある。

反応室のリッドを開放して、ウェーハを成膜位置に載置し、整流板を設置することにより、ゲート位置による整流板の位置の設計上の制限はなくなる。しかしながら、リッドを開放するために、反応室周辺の清浄度をある程度向上させた上で、反応室内を室温近くまで降温する必要がある。さらに、リッドを閉めた後、成膜前に反応室内を清浄化する必要があり、スループットが大きく低下するという問題がある。

一方、整流板に上下駆動機構を設けることにより、ウェーハを成膜位置に載置した後に、整流板とウェーハを所定の距離とすることができる（例えば特許文献１など参照）。

特開２００９−２３１５８７号公報（請求項１など）

上述したように、整流板に上下駆動機構を設けることにより、ウェーハを成膜位置に載置した後に、整流板とウェーハを所定の距離とすることができる。しかしながら、整流板とリッドの間の空間容積が変動するため、種々の問題が生じる。

すなわち、空間容積が大きくなると、例えば、ウェーハ下方のヒータにより近い整流板側の温度と、リッド側の温度の差が大きくなり、空間に対流を生じる。そして、対流によりガス流速が低下するとともに、プロセスガスの一部が反応し、空間内に反応生成物が堆積してしまう。さらに、それが脱落してパーティクルとなり、ウェーハの汚染、歩留りの低下、成膜効率の低下につながってしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、反応室を開放することなく、かつ、整流板上部の空間容積を変動させることなく、整流板とウェーハの距離を近づけて成膜処理を行うことができ、生産性、膜厚均一性を向上させることが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様の半導体製造装置は、ウェーハが成膜処理される反応室と、反応室壁面に設けられ、ウェーハの搬入出を行うためのゲートと、第１のガスを内部に導入するための導入口と、ウェーハと対向するように配置され、第１のガスを整流状態で排出するための整流板を備え、所定の内部容積を有するガス供給ユニットを備える第１のガス供給機構と、ガス供給ユニットを、整流板の下面がゲートの位置より下方となるように移動させることが可能な上下駆動機構と、反応室よりガスを排出するためのガス排出機構と、ウェーハを保持するための支持部材と、ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、ウェーハを回転させるための回転駆動機構と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様の半導体製造装置において、ガス供給ユニットの上方をパージする第２のガスを導入するための第２のガス供給機構を有することが好ましい。

また、本発明の一態様の半導体製造装置において、ゲートの下方でガス供給ユニットと反応室壁面との間をシールするシール機構を有することが好ましい。

本発明の一態様の半導体製造方法は、反応室内にゲートよりウェーハを導入して支持部材上に載置し、ウェーハと対向するように配置された整流板を備え、所定の内部容積を有するガス供給ユニットを、整流板の下面がゲートの下方となるように下降させて、整流板とウェーハとを所定の距離とし、ガス供給ユニットの内部に、第１のガスを導入し、整流板を介して、ウェーハ上に第１のガスを整流状態で供給し、ウェーハを所定温度で加熱し、回転させ、ウェーハ上に成膜することを特徴とする。

また、本発明の一態様の半導体製造方法において、少なくともガス供給ユニットの上方を、第２のガスでパージすることが好ましい。

本発明の半導体製造装置および半導体製造方法によれば、反応室を開放することなく、かつ、整流板上部の空間容積を変動させることなく、整流板とウェーハの距離を近づけて成膜処理を行うことができ、生産性、膜厚均一性を向上させることが可能となる。

本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

（実施形態１）
図１に本実施形態の半導体製造装置であるエピタキシャル成長装置の断面図を示す。図に示すように、例えばφ２００ｍｍのウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、必要に応じてその内壁を覆うように石英カバー１１ａが設けられている。そして、反応室１１の上部には、ＴＣＳ、ＤＣＳなどのソースガスや、Ｈ_２などの希釈ガス（パージガス）を含むプロセスガスを、ウェーハｗ上に供給するためのガス供給ユニット１２ａが配置され、このガス供給ユニット１２ａと接続され、各ガスの流量を制御して供給する供給制御機構１２ｂとともに、プロセスガス供給機構１２が構成されている。

ガス供給ユニット１２ａは、所定の内部容積（例えばφ４００ｍｍ×２５ｍｍ）を有し、その上部にガス供給口１２ｃ、成膜時にウェーハｗと対向する下面に、プロセスガスを整流して供給するための微細貫通孔を有する整流板１２ｄが設けられている。このように構成されるガス供給ユニット１２ａは、シャフト１３ａにより、ガス供給ユニット１２ａを上下駆動する上下駆動機構１３と接続されている。

さらに、反応室１１の上部には、ガス供給ユニット１２ａの上方に例えばＨ_２などのパージガスを供給するためのパージガス供給機構１４が接続されている。

反応室１１下方には、例えば２か所に、ガスを排出し、反応室１１内の圧力を一定（常圧）に制御するためのガス排出機構１５と接続されたガス排出口１５ａが設置されている。そして、反応室１１の壁面には、ウェーハｗを搬入出行うためのゲート１６が設けられている。

整流板１２ｄの下方には、ウェーハｗを載置するための支持部材であるサセプタ１７が、回転部材であるリング１８上に設置されている。リング１８は、ウェーハｗを所定の回転速度で回転させる回転軸、モータなどから構成される回転駆動制御機構１９と接続されている。

リング１８内部には、例えばＳｉＣからなるウェーハｗを加熱するためのインヒータ２０ａ、アウトヒータ２０ｂから構成されるヒータが設置されている。これらのヒータの下部には、ウェーハｗを効率的に加熱するための円盤状のリフレクター２０ｃが設置されている。

このような半導体製造装置を用いて、例えば、φ２００ｍｍのウェーハｗ上に、Ｓｉエピタキシャル膜が形成される。

先ず、ガス供給ユニット１２ａが上昇した状態で、搬送アーム（図示せず）などにより、反応室１１にゲート１６を介してウェーハｗが搬入され、例えば突き上げピン（図示せず）上に載置された後、これを下降させることにより、サセプタ１７上に載置される。このとき、ガス供給ユニット１２ａからは、Ｈ_２などのパージガスが供給されることにより、清浄度の低下が抑えられる。

そして、図２に示すように、上下駆動機構１３により、ガス供給ユニット１２ａを、整流板１２ｄの下面がゲート１６の下方の所定の位置（例えばウェーハ表面から２０ｍｍ）となるように下降させる。この状態で、そして、インヒータ２０ａ、アウトヒータ２０ｂによりウェーハｗ裏面を例えば１１００℃となるように加熱するとともに、回転駆動制御機構１９により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させる。そして、供給制御機構１２ｂにより流量が制御されて混合されたプロセスガスが、整流板１２ｄを介して、整流状態でウェーハｗ上に供給される。プロセスガスは、例えばＴＣＳ濃度が２．５％となるように調製され、例えば５０ＳＬＭで供給される。

このとき、ガス供給ユニット１２ａの上部には、例えばＨ_２などのパージガスガスが供給され、ガス供給ユニット１２ａと石英カバー１１ａとの間隙より下方に排出される。このとき、ガス供給ユニット１２ａの上部は、プロセスガスの良好な整流状態を得るとともに、ガス供給ユニット１２ａの上部空間と成膜領域とのガスの出入りを抑制するために、ガス供給ユニット１２ａの内部とほぼ同圧となるように制御されることが好ましい。一方、余剰となったＴＣＳを含むプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物であるＨＣｌなどからなる排出ガスは、石英カバー１１ａとサセプタ１７との間より、パージガスとともに下方に排出される。なお、石英カバー１１ａを設けない場合、反応室１１とサセプタ１７との間より排出される。

さらに、これらのガスは、ガス排出口１５ａよりガス排出機構１５を介して排出され、反応室１１内の圧力が一定（例えば常圧）に制御される。

このようにして、ウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を成長させる。そして、成膜処理の終了後、ガス供給ユニット１２ａを上昇させ、突き上げピン（図示せず）などによりウェーハｗを上昇させ、搬送アーム
本実施形態によれば、整流板をガス供給ユニットに設置して上下駆動させることにより、反応室を開放することなく、かつ、整流板上部の空間容積を変動させることなく、整流板とウェーハの距離を近づけて成膜処理を行うことができ、生産性、膜厚均一性を向上させることが可能となる。

例えば、反応室を開放してウェーハを載置し、整流板をウェーハ位置に近い所定位置に設置する場合、ウェーハ交換には、反応室を室温近傍まで降温→ガス抜き→Ｎ_２パージ→反応室を開放→ウェーハ取出し→新たなウェーハを搬入→ガス（大気）抜き→Ｈ_２パージ→昇温→成膜処理、といった工程に３時間以上要する。しかしながら、本実施形態によれば、反応室を室温まで降温させる必要がなく、１０分程度でウェーハ交換を行うことができる。また、膜厚均一性については、反応室を開放して整流板をウェーハ位置に近い所定位置に設置する場合と同等のものを得ることができる。

（実施形態２）
本実施形態において、半導体製造装置の構成は実施形態１と同様であるが、ガス供給ユニットが下降した状態で、ガス供給ユニットと石英カバーの間隙がシールされている点で、実施形態１と異なっている。

すなわち、図３に示すように、石英カバー３１ａの上部の所定位置に、Ｏリングなどを備えたシール機構３３が設けられている。そして、ガス供給ユニット３２ａが下降して、その周縁部がシール機構３３上に載置されることにより、ガス供給ユニットと石英カバー３１ａの間隙がシールされ、ゲート３６と、整流板３２ｄ下部の成膜領域が分離される。なお、石英カバー３１ａを設けない場合は、反応室３１壁面に直接シール機構を設ければよい。

一方、反応室３１上部には、パージガス供給機構３４とパージガス排出機構３５が設けられている。なお、パージガスは反応室３１と石英カバー３１ａの間隙より下方に排出されてもよく、その場合はパージガス排出機構３５を設けなくてもよい。

本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果が得られるとともに、外部からのパーティクルが付着するゲートと成膜領域が分離されるため、成膜領域の清浄度を向上させることができ、膜質の向上や、歩留り低下の抑制が可能となる。

（実施形態３）
本実施形態において、半導体製造装置の構成は実施形態２と同様であるが、整流板下部に整流フィンが設けられている点で、実施形態２と異なっている。

すなわち、図４に示すように、反応室４１および石英カバー４１ａの内部に実施形態２と同様に設置されるガス供給ユニット４２ａにおいて、整流板４２ｄ下部に、上径が下径より小さい環状の整流フィン４３が設けられている。整流フィン４３は、成膜時に、余剰となったＴＣＳを含むプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物であるＨＣｌなどからなる排出ガスを、整流状態で下方に排出するために設けられる。このような整流フィン４３は、ガス供給ユニット４２ａと一体化され、ウェーハｗの搬入時には、整流フィン４３の下端がゲート４６の上部となるように、ガス供給ユニット４２ａとともに上下駆動される。

本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果が得られるとともに、整流フィンを設けることにより、効率的に排出ガスを排出することができ、生産性、膜質の向上を図ることが可能となる。

整流フィンを設けた場合、ウェーハの搬入時に整流フィン分さらに整流板を上昇させる必要があり、より整流板上部の空間を大きくする必要があることから、ガス供給ユニットを設けることは特に効果的であるといえる。また、整流フィンにより、ゲートと成膜領域を分離することができるため、成膜領域の清浄度を向上させることができ、膜質の向上や、歩留りの低下を抑えることが可能となる。

なお、実施形態３において、整流フィンをガス供給ユニットと一体化しているが、図５に示すように、整流フィン５３の上端がゲート５６の下部となるようにゲート石英カバー５１ａと一体化させ、ガス供給ユニット５２ａのみを上下駆動してもよい。

このとき、突き上げピン（図示せず）を整流フィン５３の上端より上部まで上昇させてウェーハｗを載置した後、下降させてサセプタ５７上に載置すればよい。なお、石英カバー５１ａを設けない場合は、反応室５１と整流フィン５３を一体化させればよい。この場合、整流フィンにより、ゲートと成膜領域を分離することができるため、成膜領域の清浄度を向上させることができ、膜質の向上や、歩留りの低下を抑えることが可能となる。

これら実施形態において用いられるガス供給ユニットの好適な内部容積は、その内部底面積に依存するとともに、成膜温度、成膜時のウェーハと整流板との距離によっても変動するが、その高さは、３〜２５ｍｍであることが好ましい。３ｍｍ未満であると、ガス供給ユニット内に導入されたプロセスガスを、整流板より均一にウェーハ上に供給することが困難となり、２５ｍｍを超えると、整流板直上と上面近傍の温度差によりガス供給ユニット内に対流が生じる可能性がある。より好ましくは、成膜温度が１１００〜１７００℃で、成膜時のウェーハと整流板との距離が２０〜７５ｍｍのときに、３〜２５ｍｍである。

これら本実施形態によれば、ウェーハにエピタキシャル膜などの膜を、高い膜厚均一性でかつ高い生産性で安定して形成することが可能となる。そして、ウェーハの歩留り向上と共に、素子形成工程及び素子分離工程を経て形成される半導体装置の歩留りの向上、素子特性の安定を図ることが可能となる。特にＮ型ベース領域、Ｐ型ベース領域や、絶縁分離領域などに１００μｍ以上の厚膜成長が必要な、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体装置のエピタキシャル形成工程に適用されることにより、良好な素子特性を得ることが可能となる。

また、本実施形態においては、Ｓｉ単結晶層（エピタキシャル膜）形成の場合を説明したが、本実施形態は、ポリＳｉ層形成時にも適用することも可能である。また、例えばＳｉＣ膜、ＳｉＯ_２膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜などＳｉ膜以外の成膜や、例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなど化合物半導体などにおいても適用することも可能である。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１１、３１、４１、５１…反応室
１１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａ…石英カバー
１２…プロセスガス供給機構
１２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ…ガス供給ユニット
１２ｂ…供給制御機構
１２ｃ…ガス供給口
１２ｄ、３２ｄ、４２ｄ…整流板
１３…上下駆動機構
１３ａ…シャフト
１４、３４…パージガス供給機構
１５…ガス排出機構
１５ａ…ガス排出口
１６、３６、４６…ゲート
１７、５７…サセプタ
１８…リング
１９…回転駆動制御機構
２０ａ…インヒータ
２０ｂ…アウトヒータ
２０ｃ…リフレクター
３３…シール機構
３５…パージガス排出機構
４３、５３…整流フィン

Claims (5)

1. ウェーハが成膜処理される反応室と、
   前記反応室の壁面に設けられ、前記ウェーハの搬入出を行うためのゲートと、
   第１のガスを内部に導入するための導入口と、前記ウェーハと対向するように配置され、前記第１のガスを整流状態で排出するための整流板を備え、所定の内部容積を有するガス供給ユニットを備える第１のガス供給機構と、
   前記ガス供給ユニットを、前記整流板の下面が前記ゲートの位置より下方となるように移動させることが可能な上下駆動機構と、
   前記反応室よりガスを排出するためのガス排出機構と、
   前記ウェーハを保持するための支持部材と、
   前記ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、
   前記ウェーハを回転させるための回転駆動機構と、
   を備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記ガス供給ユニットの上方をパージする第２のガスを導入するための第２のガス供給機構を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記ゲートの下方で前記ガス供給ユニットと前記反応室壁面との間をシールするシール機構を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体製造装置。
4. 反応室内にゲートよりウェーハを導入して支持部材上に載置し、
   前記ウェーハと対向するように配置された整流板を備え、所定の内部容積を有するガス供給ユニットを、前記整流板の下面が前記ゲートの下方となるように下降させて、前記整流板と前記ウェーハとを所定の距離とし、
   前記ガス供給ユニットの内部に、第１のガスを導入し、前記整流板を介して、前記ウェーハ上に前記第１のガスを整流状態で供給し、
   前記ウェーハを所定温度で加熱し、回転させ、前記ウェーハ上に成膜することを特徴とする半導体製造方法。
5. 少なくとも前記ガス供給ユニットの上方を、第２のガスでパージすることを特徴とする請求項４に記載の半導体製造方法。

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