JP2012169543A - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、スループットを低下させることなく、オイリーシランの安全な除去が可能な半導体製造装置及び半導体製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体製造装置は、ウェーハが導入される反応室と、反応室にプロセスガスを供給するプロセスガス供給機構と、ウェーハを載置するウェーハ支持部材と、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制御機構と、反応室よりガスを排出する排気口を含むガス排出機構と、反応室の前記排気口上に、ウェーハ支持部材の水平位置より下方から酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給機構と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＳｉソースガスを用いて半導体ウェーハ上に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。

例えば、Ｓｉのエピタキシャル成長装置において、反応室内にキャリアガスとして、Ｈ_２ガス、ソースガスとして、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスや、ＳｉＨＣｌ_３ガスなどが、プロセスガスとして混合して供給される。そして、例えばウェーハ温度を１１００℃程度とし、水素還元反応によりＳｉをウェーハ上にＳｉをエピタキシャル成長させる。

この際、反応室内のサセプタなどの部材に堆積したポリシリコンなどの反応副生成物を除去するため、定期的にＨＣｌガスなどの塩素系ガスを用いたクリーニング（エッチング処理）が行われる。このとき、反応室内には反応副生成物としてＳｉ−Ｈ−Ｃｌの重合体が生成され、排気口付近で冷却されて、オイリーシラン（反応性ポリシロキサン）として堆積する。

このように堆積したオイリーシランは、排気系の閉塞を防ぐために、通常、定期的に行われる反応室のメンテナンスの際に除去される。しかしながら、大気開放の際に、表面が大気中の水分と反応して、Ｈ_２ガス、ＨＣｌガスを発生するという問題がある（例えば特許文献１など参照）。

特開２００８−１１２９１９号公報（請求項１など）

オイリーシランは、反応室が大気開放されると、表面が大気中の水分と反応してＨ_２ガス、ＨＣｌガスを発生するものの、表面がＳｉＯ_２となり固化し、それ以上の反応は抑えられる。しかしながら、垂直面においては、堆積したオイリーシランは殆どＳｉＯ_２となり固化するので問題ないが、水平面においてある程度溜まると、オイリーシランを剥離する際、固化部分の下層の未反応のオイリーシランが、激しく反応するため、Ｈ_２ガスの発火、爆発の危険性がある。特に、大気開放頻度が低く、オイリーシランが溜まりやすい枚葉式のエピタキシャル成長装置において問題となる。

そこで、大気開放することなくオイリーシランの除去を行うことが検討されている。オイリーシランは表面が酸化すると下層の酸化が抑制されるため、酸化したオイリーシランＦ系ガスによる表面除去と、露出した下層のオイリーシランの酸化とを繰り返し行う必要があり、スループットに影響する。

また、この場合、水素還元反応によるＳｉのエピタキシャル成長において、Ｆ系ガスが残存していると爆発的に反応するため、十分なガス置換が必要であり、これもスループットに大きく影響する。

さらに、通常、上述したように、Ｃｌを含むガス（Ｃｌ系ガス）を用いてポリシリコンなどが除去されるが、この場合、酸化性ガスを導入することにより、堆積したポリシリコンなどが酸化し、Ｃｌ系ガスでは除去できなくなる。そして、これを除去するために、Ｆ系のガスの導入や、装置の分解メンテナンスが必要となり、さらにスループットを低下させる。

そこで、本発明は、スループットを低下させることなく、オイリーシランの安全な除去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、ウェーハが導入される反応室と、反応室にプロセスガスを供給するプロセスガス供給機構と、ウェーハを載置するウェーハ支持部材と、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制御機構と、反応室よりガスを排出する排気口を含むガス排出機構と、反応室に、酸化性ガスを、ウェーハ支持部材の水平位置より下方から供給する酸化性ガス供給機構と、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、排気口上部の反応室の内壁に、石英からなるライナーを備えることが好ましい。

また、本発明の一態様の半導体製造装置において、内壁とライナーとの間隙がシールされることが好ましい。

また、本発明の一態様の半導体製造方法は、反応室内の所定位置にウェーハを保持し、ウェーハを所定温度で加熱し、ウェーハを回転させ、ウェーハ上にＳｉソースガスを含むプロセスガスを供給することにより、ウェーハ上に成膜し、所定位置より下方から酸化性ガスを供給し、排気口上部に堆積したオイリーシランを酸化させる、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、酸化性ガスは、ウェーハが反応室から搬出される毎に供給されることが好ましい。

本発明の一態様によれば、半導体製造工程におけるスループットを低下させることなく、オイリーシランの安全な除去が可能となる。

本発明の一態様のエピタキシャル成膜装置の構造を示す断面図である。 本発明の一態様におけるガス排出口の断面図である。 本発明の一態様におけるガス排出口のオイリーシランの堆積状態を示す模式図である。 本発明の一態様におけるガス排出口の断面図である。

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膜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、反応室１１上方より、トリクロロシラン、ジクロロシランなどのソースガスを含むプロセスガスなどを、所定の流量でウェーハｗ上に供給するためのガス供給機構１２と接続されたガス供給口１２ａが設置されている。反応室１１の内壁には、例えば石英からなるライナー１１ａが設けられている。

反応室１１の底面には、例えば２箇所に、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１３と接続されたガス排出口１３ａが配置されている。ガス排出口１３ａの内壁には、それぞれライナー１１ａと分離された例えば石英からなるライナー１１ｂが設けられている。

図２にガス排出口１３ａの断面図を示す。図に示すように、ガス排出口１３ａの内壁にカップ状のライナー１１ｂが設けられ、その底面には、ガスを排出する開口部が設けられている。

ガス排出口１３ａ上部には、それぞれガス排出口１３ａ近傍に、酸素ガス、オゾンガス、水蒸気など後述するオイリーシランを酸化させるガスを含むガス（以下酸化性ガスと記す）を供給するための酸化性ガス供給機構１４と接続された酸化性ガス供給口１４ａが設けられている。

反応室１１上部には、ガス供給口１２ａから供給されたプロセスガスを、ウェーハｗ上に整流状態で供給するための整流板１５が設置されている。そして、その下方には、ウェーハｗを保持するための保持部材であるサセプタ１６が、回転部材であるリング１７上に設置されている。なお、保持部材は環状のホルダであってもよい。リング１７は、ウェーハｗを所定の回転速度で回転させる回転軸１８ａ、モータ（図示せず）などから構成される回転駆動制御機構１８と接続されている。

リング１６内部には、ウェーハｗを加熱するために、例えばＳｉＣからなるディスク状のヒータ１９が設置されている。なお、ヒータ１９には均一に加熱するために、パターンが形成されていてもよい。ヒータ１９としては、さらにウェーハｗ周縁部を加熱するための環状のヒータを用いてもよく、効率的に加熱するためのリフレクタを有していてもよい。

このように構成されるエピタキシャル成膜装置を用いて、例えば、φ２００ｍｍのＳｉウェーハｗ上に、Ｓｉエピタキシャル膜が形成される。

先ず、反応室１１にウェーハｗを搬入し、ウェーハｗが載置されたサセプタ１６を、リング１７上に載置する。そして、ウェーハｗの面内温度が均一に例えば１１００℃となるように、ヒータ１９の温度を１５００〜１６００℃に制御する。

そして、回転駆動制御機構１８により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させるとともに、プロセスガスを、ガス供給機構１２よりガス供給口１２ａを介して、整流板１５を介して整流状態でウェーハｗ上に供給する。プロセスガスは、例えばジクロロシラン濃度が２．５％となるように、Ｈ_２などの希釈ガスにより希釈され、例えば５０ＳＬＭで供給される。

余剰となったジクロロシラン、希釈ガスを含むプロセスガス、反応副生成物であるＨＣｌなどのガスは、サセプタ１６の外周より下方に排出される。さらに、これらのガスは、ガス排出口１３ａを介してガス排出機構１３より排出され、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。所望の膜厚のＳｉエピタキシャル膜が形成された後、ウェーハｗが反応室１１より搬出される。

このとき、図３に示すように、石英ライナー１１ｂの内壁及び底面には、余剰のプロセスガスなどのガスより生成されたオイリーシラン３１が堆積する。そこで、酸化性ガス供給機構１４より、ガス排出口１３ａ近傍に、酸化性ガスを供給し、堆積したオイリーシランを酸化させ、大気中でも安定なシリコン酸化物を生成する。

このとき、堆積したオイリーシランは、表面で酸素と反応し、内部には進行しない。そのため、未反応オイリーシランの残存を防ぐために、このような酸化性ガスの供給処理は、オイリーシランが大量に堆積する前に逐次行われることが好ましく、成膜処理毎に行われることがより好ましい。なお、酸化性ガスが供給された後、次の成膜処理を行う前に、ウェーハｗの酸化を防ぐために、反応室１１内部より十分に酸化性ガスを除去する必要がある。

そして、石英ライナー１１ｂの内壁及び底面に堆積したシリコン酸化物は、例えば反応室１１内に堆積した他の堆積物（反応副生成物）を除去するための通常の反応室１１のメンテナンス時に、併せて除去される。このとき、ライナー１１ｂを分離して取り出し、フッ硝酸水溶液などを用いて洗浄することができる。

本実施形態によれば、予めオイリーシランを酸化させ、大気中でも安定なシリコン酸化物として堆積させてから、通常の分解メンテナンス時に除去することができる。従って、スループットを低下させることなく、オイリーシランの安全な除去が可能となる。

（実施形態２）
本実施形態において、実施形態１とエピタキシャル成膜装置の構成は同様であるが、ガス排出口１３ａと、その内壁に設けられた石英ライナー１１ｂとの間がシールされている点で実施形態１と異なっている。

図４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膜装置におけるガス排出口１３ａの断面図を示す。実施形態１と同様の構成であるが、ガス排出口１３ａと、その内壁に設けられた石英ライナー１１ｂとの間が、シリコーンなどからなるＯリング４１によりシールされている。

このような構成により、ガス排出口１３ａと、その内壁に設けられた石英ライナー１１ｂとの間隙に、余剰のプロセスガスなどのガスが進入し、オイリーシランが生成されることを抑えることが可能となる。そして、大気中において、ガス排出口１３ａより石英ライナー１１ｂを取り外す際に、未反応のオイリーシランが爆発的に大気中の水分と反応することを抑えることが可能となる。

本実施形態によれば、実施形態１と同様の作用により、スループットを低下させることなく、さらに未反応のオイリーシランの残存を抑え、オイリーシランのより安全な除去が可能となる。

これら実施形態によれば、半導体ウェーハにエピタキシャル膜などの高品質の膜を形成する半導体製造装置において、安全にメンテナンスを行うことが可能となる。また、安全性を向上させても、スループットを低下させることがないため、そして、半導体ウェーハや、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において、高い生産性を得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、４０μｍ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を形成するためのエピタキシャル成膜装置として、好適に用いることができる。

また、これら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ＳｉＯ_２膜や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、２１…反応室
１２…ガス供給機構
１２ａ…ガス供給口
１３、２３…ガス排出機構
１３ａ、２３ａ…ガス排出口
１４…酸化性ガス供給機構
１４ａ…酸化性ガス供給口
１５…整流板
１６…サセプタ
１７…リング
１８…回転駆動制御機構
１９…ヒータ
３１…オイリーシラン
４１…Ｏリング

Claims (5)

1. ウェーハが導入される反応室と、
   前記反応室にプロセスガスを供給するプロセスガス供給機構と、
   前記ウェーハを載置するウェーハ支持部材と、
   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制御機構と、
   前記反応室よりガスを排出する排気口を含むガス排出機構と、
   前記反応室の前記排気口上に、前記ウェーハ支持部材の水平位置より下方から酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給機構と、
   を備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記排気口上部の反応室の内壁に、石英からなるライナーを備え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. 前記内壁と前記ライナーとの間隙がシールされることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
4. 反応室内の所定位置にウェーハを保持し、
   前記ウェーハを所定温度で加熱し、
   前記ウェーハを回転させ、前記ウェーハ上にＳｉソースガスを含むプロセスガスを供給することにより、前記ウェーハ上に成膜し、
   前記所定位置より下方から酸化性ガスを供給し、前記排気口上部に堆積したオイリーシランを酸化させる、
   ことを特徴とする半導体製造方法。
5. 前記酸化性ガスは、前記ウェーハが前記反応室から搬出される毎に供給され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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