JP2015119005A - 成膜装置 - Google Patents

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高田　　誠
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Abstract

【課題】本発明は、熱分解された材料ガスの密度を維持できる成膜装置を提供することを目的とする。
【解決手段】上面でウエハを保持する第１部分と、該第１部分につながる第２部分とを有するサセプタと、該サセプタの上方へ材料ガスを供給するガス供給部と、該第１部分を加熱する第１ヒータと、該第２部分を加熱する第２ヒータと、該第１ヒータと該第２ヒータの温度を制御する温度制御装置と、を備え、該温度制御装置は、該ウエハへの成膜中に、該第１ヒータの温度を保ちつつ、該第２ヒータの温度を増加させることで、該サセプタの上方の温度を一定に保つことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体デバイスの製造などに用いられる成膜装置に関する。
特許文献１には、材料ガスを反応炉に導入してウエハ（被処理物）に成膜するための成膜装置が開示されている。この成膜装置は、所望の膜厚の薄膜を得るために、ウエハの温度を測定しその測定結果を成膜条件に反映させるものである。
特開２００４−１６５４５４号公報
反応炉内でウエハに成膜するとサセプタにも成長物が堆積する。サセプタに堆積した堆積物は、サセプタからサセプタの上方に伝わる熱量を低下させる。これによりサセプタ上方の温度が低下すると、熱分解された材料ガス（以後、分解ガスという）の密度が低下するので、成長膜の品質が経時変化する問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、熱分解された材料ガスの密度を維持できる成膜装置を提供することを目的とする。
本願の発明に係る成膜装置は、上面でウエハを保持する第１部分と、該第１部分につながる第２部分とを有するサセプタと、該サセプタの上方へ材料ガスを供給するガス供給部と、該第１部分を加熱する第１ヒータと、該第２部分を加熱する第２ヒータと、該第１ヒータと該第２ヒータの温度を制御する温度制御装置と、を備え、該温度制御装置は、該ウエハへの成膜中に、該第１ヒータの温度を保ちつつ、該第２ヒータの温度を増加させることで、該サセプタの上方の温度を一定に保つことを特徴とする。
本願の発明に係る他の成膜装置は、上面でウエハを保持する第１部分と、該第１部分につながる第２部分とを有するサセプタと、該サセプタの上方へ材料ガスを供給するガス供給部と、該第１部分を加熱する第１ヒータと、該第２部分を加熱する第２ヒータと、該第１ヒータと該第２ヒータの温度を制御する温度制御装置と、該サセプタの上面の温度を測定する温度計と、を備え、該温度制御装置は、該ウエハへの成膜中に、該第１ヒータの温度を保ちつつ、該温度計の測定温度が低下するたびに該第２ヒータの温度を増加させることで、該サセプタの上面の温度を一定に保つことを特徴とする。
本願の発明に係る他の成膜装置は、上面でウエハを保持するサセプタと、該サセプタを加熱するヒータと、該サセプタの上面の温度を測定する温度計と、該サセプタの上方へ材料ガスを供給するガス供給部と、該ガス供給部へのガス供給量を調整するマスフローコントローラと、該マスフローコントローラを制御するガス流量設定部と、を備え、該ガス流量設定部は、該温度計の温度が低下するに伴い、該ガス供給部へのガス供給量を増加させるように該マスフローコントローラを制御し、該サセプタの上で熱分解された該材料ガスの密度を一定に保つことを特徴とする。
本発明によれば、サセプタ上方の温度を維持したり、材料ガスの供給量を増やしたりすることで、熱分解された材料ガスの密度を維持することができる。
本発明の実施の形態１に係る成膜装置の断面図である。 サセプタに堆積した堆積物を示す断面図である。 第２ヒータの温度等を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る成膜装置の断面図である。 第２ヒータの温度等を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る成膜装置の断面図である。
本発明の実施の形態に係る成膜装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る成膜装置１０の断面図である。成膜装置１０は反応炉１２を備えている。反応炉１２の内部構成について説明する。反応炉１２の中には支持台１４で支持されたサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は、上面でウエハを保持する第１部分１６ａと、第１部分１６ａにつながる第２部分１６ｂとを有している。第１部分１６ａはサセプタ１６の外周部分であり、第２部分１６ｂはサセプタ１６の中央部分となっている。
第１部分１６ａには窪みが形成されている。この窪みにはサテライトディスク２０を介してウエハ２２が設置されている。従って、第１部分１６ａはサテライトディスク２０を介してウエハ２２を保持している。なお、サテライトディスク２０はそれ自体が回転することで均一な成膜を実現するために設けられるものであるが、本発明の成膜装置では省略しても良い。
第１部分１６ａの直下には第１部分１６ａを加熱する第１ヒータ３０が設けられている。第１ヒータ３０は平面視で例えば同心円状又は渦巻状に一体的に形成されている。第２部分１６ｂの直下には第２部分１６ｂを加熱する第２ヒータ３２が設けられている。第２ヒータ３２は平面視で例えば同心円状又は渦巻状に一体的に形成されている。
第１ヒータ３０と第２ヒータ３２には温度制御装置３４が接続されている。温度制御装置３４は第１ヒータ３０と第２ヒータ３２の温度を個別に制御するものである。なお、温度制御装置３４は反応炉１２の内に設けても良い。
反応炉１２の上面にはガス供給部４０が設けられている。ガス供給部４０は、反応炉１２の外部からサセプタ１６の上方へ材料ガスを供給する部分である。供給された材料ガスはサセプタ１６の外周方向に向かって流れ、排気口４２から排気される。
成膜装置１０を用いた成膜方法について説明する。ここでは、一例としてＩＩＩ族元素であるＧａとＶ族元素であるＡｓ及びＰによりＧａＡｓＰを成膜する。第１ヒータ３０と第２ヒータ３２を加熱した状態で、ガス供給部４０からＧａの材料ガスとＡｓの材料ガスであるＡｓＨ３とＰの材料ガスであるＰＨ３を反応炉１２内へ供給する。これらの材料ガスはサセプタ１６からの熱によりサセプタ１６の上方にて分解されて、分解ガスがウエハ２２にＧａＡｓ（ｙ）Ｐ（１−ｙ）をエピタキシャル成長させる。ここで、ｙは０より大きく１より小さい値である。
図２は、サセプタ１６に堆積物５０が堆積した成膜装置１０の断面図である。堆積物５０の生成に伴い、分解ガスの密度低下が懸念される。そこで、本発明の実施の形態１では、図３に示すように第１ヒータ３０と第２ヒータ３２の温度を制御する。つまり、温度制御装置３４は、ウエハ２２への成膜中に、第１ヒータ３０の温度を保ちつつ、第２ヒータ３２の温度を増加させる。第２ヒータ３２の温度増加速度は、サセプタ１６の上方の温度を一定に保つことができるように定める。具体的には、実験データ又はシミュレーション等から堆積物５０がサセプタ１６の上方の温度に与える影響を推定し、第２ヒータ３２の温度増加速度を決める。
ウエハ２２への成膜中には、サセプタ１６における堆積物の量が増加するが、第１ヒータ３０の温度を保ちつつ、第２ヒータ３２の温度を増加させることで、サセプタ１６上方の温度を一定に維持することができる。よって、分解ガスの密度が経時変化することを防止できるので、成長膜の品質を安定させることができる。
さらに、ウエハ２２の温度への寄与が大きい第１ヒータ３０の温度を維持することでウエハ２２の温度を概ね一定にすることができる。そして、ウエハ２２の温度への寄与が小さい第２ヒータ３２の温度を上昇させることで、ウエハ２２の温度を維持しつつ、第２部分１６ｂの温度を上昇させることができる。
上記のとおり、成膜装置１０を用いた成膜方法はサセプタ１６への堆積物の増加を前提に分解ガスの密度を維持するものであるため、成膜処理が行われるたびにサセプタを交換したりサセプタに堆積した堆積物を除去したりする必要がない。よってサセプタ交換又は堆積物除去に伴う生産性の低下とコスト増加の問題を解消できる。
ガス供給部４０から反応炉１２の内に供給する材料ガスの種類は、熱分解されるものであれば特に限定されない。第１ヒータ３０を第１部分１６ａに埋め込み、第２ヒータ３２を第２部分１６ｂに埋め込んでも良い。その他、本発明の特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。なお、これらの変形は以下の実施の形態に係る成膜装置に応用できる。
以下の実施の形態に係る成膜装置については、実施の形態１に係る成膜装置１０との相違点を中心に説明する。
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る成膜装置１００の断面図である。反応炉１２の上面には開口１２ａが設けられている。この開口１２ａは、例えばガラスなどの光に対して透明な透明材料１０２で塞がれている。反応炉１２の外には、透明材料１０２を介してサセプタ１６の上面の温度を測定する温度計１０４が設けられている。温度計１０４は、第２部分１６ｂの上面の温度を測定する放射温度計である。
温度制御装置１０６は温度計１０４と接続されている。温度制御装置１０６は、ウエハ２２への成膜中に、第１ヒータ３０の温度を保ちつつ、温度計１０４の測定温度が低下するたびに第２ヒータ３２の温度を増加させる。図５は、温度計１０４の温度変化と第２ヒータ３２の温度変化等を示す図である。図５に示されるように、サセプタ上の堆積物の量の増加に伴い温度計１０４の温度が低下すると、温度制御装置１０６が第２ヒータ３２の温度を上昇させる。これにより、サセプタ１６の上面の温度を一定に保つ。なお、この制御は自動かつリアルタイムで行うことが好ましい。
この発明はサセプタ１６上方の温度を一定に保つことが目的であるので、温度計１０４により温度測定する場所は、サセプタ１６のうち最もサセプタ１６上方の温度に寄与する部分であることが好ましい。成膜装置１００で最もサセプタ１６上方の温度に寄与する部分は第２部分１６ｂであるため、温度計１０４により第２部分１６ｂの温度を測定した。しかしながら、サセプタ１６上方の温度を一定に保つことができれば、第１部分１６ａの温度を測定してもよい。
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る成膜装置１５０の断面図である。実施の形態１、２の成膜装置はサセプタ上方の温度を維持することで分解ガスの密度を一定に保つものであったが、成膜装置１５０はガス供給量を増加させることで分解ガスの密度を一定に保つものである。
成膜装置１５０は上面でウエハ２２を保持するサセプタ１６を備えている。サセプタ１６を加熱するためにサセプタ１６の直下にヒータ１５１が設けられている。温度計１０４にはガス流量設定部１５２が接続されている。ガス流量設定部１５２は、ガス供給部４０へのガス供給量を調整するマスフローコントローラ１６０、１６２に接続されている。ガス流量設定部１５２は、マスフローコントローラ１６０、１６２を制御する。
ガス流量設定部１５２は、温度計１０４で測定した温度を表示する温度表示部１５４を備えている。ガス流量設定部１５２は、予め設定された成膜プロセスを実現するように各材料ガスの供給量を指令する指令部１５６を備えている。そして、温度表示部１５４と指令部１５６は調整部１５８に接続されている。調整部１５８は、サセプタ温度が基準温度（予め定めた温度）のときのサセプタ上方における各材料ガスの熱分解率のデータを有している。調整部１５８は、このデータと、温度計１０４で測定した温度におけるサセプタ上方の各材料ガスの熱分解率との差を演算する。そしてこの熱分解率の差に基づいて、分解ガスの密度が基準値（予め定めた値）となるようにマスフローコントローラ１６０、１６２に信号を出す。
サセプタ１６への堆積物の増加に伴い温度計１０４の温度は低下していくので、ガス流量設定部１５２は、温度計１０４の温度が低下するに伴い、ガス供給部４０へのガス供給量を増加させるようにマスフローコントローラ１６０、１６２を制御する。そして、ガス供給量の増加分は、サセプタ１６の上で熱分解された材料ガスの密度を一定に保つことができるように決められる。従って、成膜装置１５０によれば、サセプタ１６への堆積物がサセプタ１６上方の温度を低下させても、分解ガスの密度を維持できる。
ガス流量設定部１５２は、分解ガスの密度を維持するように材料ガス供給量を増加させるものであれば、他の構成としてもよい。なお、ここまでで説明した各実施の形態に係る成膜装置の特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。
１０ 成膜装置、 １２ 反応炉、 １２ａ 開口、 １６ サセプタ、 １６ａ 第１部分、 １６ｂ 第２部分、 ２０ サテライトディスク、 ２２ ウエハ、 ３０ 第１ヒータ、 ３２ 第２ヒータ、 ３４ 温度制御装置、 ４０ ガス供給部、 ４２ 排気口、 ５０ 堆積物、 １００ 成膜装置、 １０２ 透明材料、 １０４ 温度計、 １５０ 成膜装置、 １５１ ヒータ、 １５２ ガス流量設定部、 １５４ 温度表示部、 １５６ 指令部、 １５８ 調整部、 １６０,１６２ マスフローコントローラ

Claims (4)

  1. 上面でウエハを保持する第１部分と、前記第１部分につながる第２部分とを有するサセプタと、
    前記サセプタの上方へ材料ガスを供給するガス供給部と、
    前記第１部分を加熱する第１ヒータと、
    前記第２部分を加熱する第２ヒータと、
    前記第１ヒータと前記第２ヒータの温度を制御する温度制御装置と、を備え、
    前記温度制御装置は、前記ウエハへの成膜中に、前記第１ヒータの温度を保ちつつ、前記第２ヒータの温度を増加させることで、前記サセプタの上方の温度を一定に保つことを特徴とする成膜装置。
  2. 上面でウエハを保持する第１部分と、前記第１部分につながる第２部分とを有するサセプタと、
    前記サセプタの上方へ材料ガスを供給するガス供給部と、
    前記第１部分を加熱する第１ヒータと、
    前記第２部分を加熱する第２ヒータと、
    前記第１ヒータと前記第２ヒータの温度を制御する温度制御装置と、
    前記サセプタの上面の温度を測定する温度計と、を備え、
    前記温度制御装置は、前記ウエハへの成膜中に、前記第１ヒータの温度を保ちつつ、前記温度計の測定温度が低下するたびに前記第２ヒータの温度を増加させることで、前記サセプタの上面の温度を一定に保つことを特徴とする成膜装置。
  3. 前記温度計は、前記第２部分の上面の温度を測定する放射温度計であることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
  4. 上面でウエハを保持するサセプタと、
    前記サセプタを加熱するヒータと、
    前記サセプタの上面の温度を測定する温度計と、
    前記サセプタの上方へ材料ガスを供給するガス供給部と、
    前記ガス供給部へのガス供給量を調整するマスフローコントローラと、
    前記マスフローコントローラを制御するガス流量設定部と、を備え、
    前記ガス流量設定部は、前記温度計の温度が低下するに伴い、前記ガス供給部へのガス供給量を増加させるように前記マスフローコントローラを制御し、前記サセプタの上で熱分解された前記材料ガスの密度を一定に保つことを特徴とする成膜装置。
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