JP3756100B2

JP3756100B2 - 成膜装置

Info

Publication number: JP3756100B2
Application number: JP2001314748A
Authority: JP
Inventors: 口一広矢; 本正幸橋; 木庸司高
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP2003124123A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハ上にプロセスガスを導いて成膜を施す成膜装置に関し、特に、エピタキシャル成長により薄膜を形成する成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の成膜装置、例えば、エピタキシャル成長装置は、図５に示すように、石英ガラス等で形成されてガス供給口１ａ及びガス排出口１ｂを有する処理チャンバ１、処理チャンバ１内において半導体ウェーハＷを載置するサセプタ２、ウェーハＷを加熱するために処理チャンバ１の上下領域において放射状に配置された複数のハロゲンランプ３、供給されるプロセスガスを加熱するための予備加熱リング４等を備えている。
【０００３】
また、ガス供給口１ａの上流側のプロセスガス供給ライン５には、プロセスガスを貯蔵するガスボンベ５ａ、流量制御器５ｂ、バルブ５ｃ等が連結され、一方、ガス排出口１ｂの下流側には、ガス排出口１ｂに連通する排気管６、排気管６の途中に配置されたアイソレーションバルブ６ａ、スクラバ６ｂ等が連結され、さらに、排気管６の周りには、排気管６を直接加熱する加熱器（ヒータジャケット）７等が配置されている。
【０００４】
ここで、成膜処理を行なう際には、ガスボンベ５ａに貯蔵されたトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）又はジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等のプロセスガスが、ガス供給ライン５を通してガス供給口１ａから処理チャンバ１内に供給される。そして、予備加熱リング４で加熱されたプロセスガスは、ハロゲンランプ３により所定の温度に加熱されたウェーハＷの表面に沿って流れ、ウェーハW上には、シリコンの単結晶がエピタキシャル成長して薄膜が形成される。
【０００５】
一方、薄膜として形成されなかった未反応のプロセスガス等は、ガス排出口１ｂから排気管６に向けて排出される。このとき、未反応のプロセスガスの温度が低下すると、排気管６内に副生成物を生じるため、排気管６の周りに配置された加熱器（ヒータジャケット）７により、排気管６を介して、あるいは、排気管６内に挿入された棒状の加熱ロッド（不図示）等を介して、未反応のプロセスガスを加熱するようにしている。そして、副生成物の発生が抑制されつつ、下流側に流れた未反応のプロセスガスは、スクラバ６ｂにより除去されるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の装置においては、副生成物の発生を抑制するために、排気管６の周りを加熱する加熱器（ヒータジャケット）７、あるいは、排気管６内に挿入する加熱ロッドを用いているため、副生成物の発生を抑制できるのは加熱器７等が配置された領域に限られる。したがって、さらに下流側の排気管６を含めた広範囲な領域で、副生成物の発生を抑制できなかった。
【０００７】
また、加熱器７等による加熱手法では、加熱器７から排気管６へ、そして排気管６から内部を流れる未反応のプロセスガスへと、熱伝導率の異なる固相から気相へ熱が伝わる間接的な伝熱経路となるため、熱伝達効率が比較的低く、未反応のプロセスガスを所定温度まで加熱するには、加熱器７での設定温度を、未反応のプロセスガスを加熱する所定温度よりも、予め高く設定する必要があった。
したがって、加熱器７での消費電力が増加し、又、排気管６の周りに配置された他の部品等が高温に曝されないように、耐熱対策を講じる必要があった。
さらに、加熱器７等は高価であり、又、加熱器７あるいは耐熱対策用の部品を配置するためのスペースを要し、装置の高コスト化、大型化等を招いていた。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、簡略な構造にて、低消費電力化、低コスト化、小型化等を図りつつ、副生成物の発生を効率良く抑制ないし防止することのできる成膜装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の成膜装置は、基板に成膜処理を施す処理チャンバと、処理チャンバにプロセスガスを供給するプロセスガス供給ラインと、処理チャンバ内のガスを排出する排気ラインと、排気ラインに設けられて所定の温度に予め加熱された加熱ガスを供給する加熱ガス供給ラインと、を備えた成膜装置であって、上記排気ラインは、処理チャンバのガス排出口に連通されて排気通路の断面形状を変化させる排気キャップと、排気キャップの下流側に連通される排気管とを有し、上記加熱ガス供給ラインは、排気キャップに連通された加熱ガス供給管を有する、ことを特徴としている。
【００１０】
この構成によれば、成膜処理において、処理後のガス（未反応のプロセスガスを含むガス）は、ガス排出口から排気ラインへ排出される。一方、排気ラインには、加熱ガス供給ラインから予め高温に加熱された加熱ガスが供給されている。したがって、排出されたガスは、加熱ガスと直接混ざり合って加熱される。すなわち、処理後の排出ガスと加熱ガスとは直接混合され、さらには、両方のガスが共に気相であるため、熱の伝達が効率良く行なわれる。これにより、未反応のプロセスガスによる副生成物等の発生が抑制又は防止される。また、加熱ガスの熱は、排出されたガスに直接伝わるため、排気ラインの周りに放射される熱は低減され、それ故に、周辺部品への熱の影響も少なくなり、耐熱対策等も不要になる。
特に、処理チャンバから排出されたガスは、処理チャンバのガス排出口から出て排気キャップに流れ込んだ時点で、加熱ガス供給管から供給される加熱ガスと混ざり合って加熱される。そして、排出されたガスと加熱ガスとは、一緒になって排気管を通って下流側へ流れ出る。このように、処理後の排出ガスは、加熱源である加熱ガスと共に排気管内を流れるため、排気管の下流側までの比較的広い範囲に亘って、未反応のプロセスガスによる副生成物の発生が抑制又は防止される。また、加熱ガス供給管を排気キャップに設けることにより、排気ラインのメンテナンス等が容易に行なえる。
【００１３】
上記構成において、排気キャップは、処理チャンバの処理空間と略平行に伸長する扁平な排気通路を画定し、加熱ガス供給管は、供給される加熱ガスが扁平な排気通路に沿う方向から導入されるように連結されている、構成を採用できる。
【００１４】
この構成によれば、処理チャンバから処理後のガスがスムーズに排出されると共に、この排出されるガスの流れに沿って加熱ガスが供給されるため、加熱ガスは、排気キャップ内を流れる排出ガスの流れを掻き乱して淀み等を生じさせることなく、排出ガスの流れに沿いながら、スムーズに混ざり合って一緒に下流側に流れる。
したがって、流れの淀み等による副生成物の堆積等も抑制又は防止され、排気管の下流側まで比較的広い範囲に亘って、未反応のプロセスガスによる副生成物の発生が抑制又は防止される。
【００１５】
上記構成において、加熱ガス供給管は、供給される加熱ガスがガス排出口に近接した領域から排気管が連通された下流側領域に向かうように連結されている、構成を採用できる。
この構成によれば、処理チャンバから排出されるガスの流れに沿うように又ガス排出口に近い上流側から加熱ガスが供給されるため、排気ラインの上流側を含めた幅広い範囲に亘って、副生成物の発生等が抑制又は防止される。
【００１６】
上記構成において、加熱ガスとしては、ＨＣｌガスを採用することができる。この構成によれば、処理チャンバから排出されるガス、特にシリコンを含む未反応のプロセスガスと加熱ガスであるＨＣｌとが反応するため、副生成物等の発生が、より一層抑制又は防止される。
【００１７】
上記構成において、加熱ガスの加熱温度としては、３４０°Ｃ〜４００°Ｃの範囲を採用することができる。
この構成によれば、未反応のプロセスガスがシリコンガス精製時の温度範囲まで加熱されるため、特に、シリコンを含む未反応のプロセスガスによる副生成物等の発生が、より一層抑制又は防止される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図４は、本発明に係る成膜装置に一実施形態を示すものであり、図１は概略構成を示すシステム図、図２は縦断面図、図３は横断面図、図４は斜視外観図である。
この成膜装置は、エピタキシャル成長装置であり、図１に示すように、石英ガラス等で形成された処理チャンバ１０、処理チャンバ１０内にプロセスガスを供給するプロセスガス供給ライン５０、処理チャンバ１０内のガスを排出する排気ライン６０、排気ライン６０に加熱ガスを供給する加熱ガス供給ライン７０、等を備えている。
【００１９】
処理チャンバ１０は、図１及び図２に示すように、本体１１及び蓋体１２により輪郭が形成されている。本体１１には、ガス供給口１１ａ及びガス排出口１１ｂが形成され、その内部には、基板としての半導体ウェーハＷを載置するサセプタ２０、ウェーハＷを下側から加熱するために放射状に配置された複数のハロゲンランプ３０、供給されるプロセスガスを加熱するべくサセプタ２０の周りに配置された予備加熱リング４０等が設けられている。蓋体１２は、本体１１に対して開閉自在に連結されており、その内部には、ウェーハＷを上側から加熱するために放射状に配置された複数のハロゲンランプ３０、処理空間Ｓを画定するアッパープレート１２ａ等が設けられている。
【００２０】
プロセスガス供給ライン５０は、図１及び図２に示すように、処理チャンバ１０のガス供給口１１ａに連結される供給キャップ５１ａを有するプロセスガス供給管５１、プロセスガス供給管５１に上流側からそれぞれ順次に配置されたガスボンベ５２、ポンプ５３、流量制御器５４、通路を開閉するバルブ５５等により形成されている。
そして、プロセスガスとしては、例えば、気相エピタキシャル成長を常圧（大気圧）状態で行なう場合はトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）が適用され、気相エピタキシャル成長を減圧状態で行なう場合はジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）が適用される。
【００２１】
排気ライン６０は、図１及び図２に示すように、処理チャンバ１０のガス排出口１１ｂに連結される排気キャップ６１、排気キャップ６１の下流側に連結される排気管６２、排気管６２の上流側からそれぞれ順次に配置されたアイソレーションバルブ６３、ポンプ６４、スクラバ６５等により形成されている。
すなわち、ガス排出口１１ｂ、排気キャップ６１、排気管６２はそれぞれ連通しており、処理チャンバ１０から排出される未反応のプロセスガスを含む排出ガスは、排気キャップ６１内の通路から排気管６２内の通路を通って、ポンプ６４により吸い出される。そして、未反応のプロセスガス、その他の有害な物質等は、スクラバ６５により除去される。
【００２２】
ここで、排気キャップ６１は、図２ないし図４に示すように、略矩形形状をなすガス排出口１１ｂと略円形形状をなす排気管６２とを連通させるべく、排気通路の断面形状を先細りとなるように変化させて、処理チャンバ１０の処理空間Ｓと略平行に伸長する扁平な排気通路を画定している。
また、排気キャップ６１には、処理チャンバ１０のガス排出口１１ｂに近接した領域において、後述する加熱ガス供給管７１を連結するためのフランジ部６１ａが形成されている。
【００２３】
加熱ガス供給ライン７０は、処理チャンバ１０から排出されるガスに対して、所定の温度に加熱された加熱ガスを直接混ざり合わせて、排出されるガスを加熱し、特に未反応のプロセスガスによる副生成物の発生を抑制ないし防止するものであり、図１に示すように、排気ライン６０の排気キャップ６１に連結される加熱ガス供給管７１、加熱ガス供給管７１の上流側からそれぞれ順次に配置されたガスボンベ７２、流量制御器７３、ガスを直接加熱する加熱器７４、通路を開閉するバルブ７５等により形成されている。
【００２４】
加熱ガス供給管７１は、図３及び図４に示すように、排気キャップ６１に形成されたフランジ部６１ａに連結されて、供給される加熱ガスが排気キャップ６１内の扁平な排気通路に沿う方向から導入（供給）されるようになっている。また、フランジ部６１ａの位置がガス排出口１１ｂの近傍であることから、供給される加熱ガスは、排気キャップ６１内の上流側に導入され、ガス排出口１１ｂに近接した領域から排気管６２が連通された下流側領域に向かって流れるように方向付けられている。
【００２５】
このように、加熱ガス供給管７１が方向付けて連結されることで、排気キャップ６１内に供給（導入）される加熱ガスは、ガス排出口１１ｂから排気管６２に向けて流れる排出ガスの流れを掻き乱すことなく、この排出ガスの流れに沿いつつスムーズに混ざり合って一緒に下流側に流れる。したがって、加熱ガスは、ガス排出口１１ｂから排出された排出ガスの流れに淀み等を生じさせることなく、淀み等に起因した副生成物の堆積等を防止して、未反応のプロセスガスを含む排出ガスを直接加熱することになる。
【００２６】
ここで、特に、排出ガスと加熱ガスとは、排気キャップ６１から排気管６２に至る全領域において直接混合され、さらには、加熱媒体と加熱されるものとが共に気相（ガス）であるため、熱の伝達が効率良く行なわれる。これにより、未反応のプロセスガスによる副生成物等の発生を、効率良く抑制ないし防止できる。したがって、排気キャップ６１の領域だけでなく、排気管６２の下流側に至る幅広い範囲に亘って、副生成物の発生等を抑制ないし防止できる。
【００２７】
また、加熱ガスは、排出ガスと直接混合されるため、加熱ガスの熱の殆どが排出ガスに効率良く伝わり、排気キャップ６１及び排気管６２等から外部へ放出される熱の量は極力低減される。これにより、排気ライン６０の周りに配置された周辺部品が熱の影響を受けることも少なくなり、遮熱板あるいは断熱層等の耐熱対策等も不要になる。
【００２８】
さらに、加熱ガス供給管７１を排気キャップ６１に連結する構成故に、排気ライン６０（排気キャップ６１、排気管６２等）を分解して洗浄する場合は、単に加熱ガス供給管７１を外すだけでよいため、例えば排気キャップ６１の周りに加熱ヒータ等を設けたものに場合に比べて、メンテナンスが容易になる。
【００２９】
ここで、供給される加熱ガスとしては、例えば、ＨＣｌガスが好適であり、特に処理チャンバ１０から排出される未反応のプロセスガスとＨＣｌガスとが反応することにより、シリコン等による副生成物の発生を、効率良く抑制ないし防止できる。
また、加熱器７４により加熱されて、排気チャンバ６１内に供給される加熱ガスの温度としては、３４０°Ｃ〜４００°Ｃの範囲が適用され、さらに好ましくは、３５０°Ｃ〜４００°Ｃの範囲が適用される。
【００３０】
すなわち、シリコンガスの精製時の温度範囲が３４０°Ｃ〜４００°Ｃであるため、この温度領域までＨＣｌガスを加熱することにより、未反応のプロセスガスに含まれるシリコンによる副生成物の発生を、一層効率良く抑制ないし防止できる。さらに、加熱温度を３５０°Ｃ〜４００°Ｃの範囲とすることにより、他の領域への伝熱等による熱の逃げ等を生じても、副生成物の発生を効率良く抑制ないし防止できる。
【００３１】
次に、この成膜装置における成膜処理について説明する。すなわち、成膜処理に際しては、ガスボンベ５２に貯蔵されたトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）又はジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）等のプロセスガスが、ポンプ５３、流量制御器５４を介して、例えば２０Ｐｓｉ程度の圧力にて、ガス供給口１１ａから処理チャンバ１０内の処理空間Ｓに供給される。
そして、予備加熱リング４０で加熱されたプロセスガスは、ハロゲンランプ３０により、約１１００°Ｃ〜１１５０°Ｃに加熱されたウェーハＷの表面に沿って流される。このとき、ウェーハW上には、シリコンの単結晶がエピタキシャル成長して薄膜が形成される。
【００３２】
一方、薄膜として形成されなかった未反応のプロセスガス等は、ガス排出口１１ｂから排気キャップ６１内に排出され、さらに排気管６１に向けて排出される。このとき、排気キャップ６１内には、加熱ガス供給ライン７０（ガスボンベ７２、流量制御器７３、加熱器７４等）により、３４０°Ｃ〜４００°Ｃに加熱されたＨＣｌガスが、加熱ガス供給管７１により方向付けられて導入される。
そして、排気キャップ６１内において、排出ガスの流れを掻き乱すことなく、供給された加熱ガスは、排出ガス（未反応のプロセスガスを含む排出ガス）にスムーズに流れ込み、その後両方のガスは一体となって排気管６２を通り排気ライン６０の下流側へ流れ出る。
【００３３】
この際、加熱ガスの熱が排出ガスに効率良く伝達されるため、排気キャップ６１の内壁面あるいは排気管６２の内壁面において、シリコン等による副生成物の発生が抑制ないし防止されて、未反応のプロセスガス等の有害なガス及び物質は、スクラバ６５により捕獲されて除去される。
【００３４】
上記実施形態においては、成膜装置として、エピタキシャル成長装置を示したが、排気ラインにおいてプロセスガスに起因した副生成物等の発生が問題となる装置であれば、その他の成膜装置において、本発明に係る加熱ガスの供給システムを採用することもできる。
【００３５】
また、上記実施形態においては、加熱ガス供給ライン７０としては、ガスボンベ７２、流量制御器７３、加熱器７４、バルブ７５等により構成したものを示したが、これに限定されるものではなく、処理チャンバ１０から排出されるガスに対して、予め加熱されたガスを供給できるものであれば、その他の構成を採用することができる。
【００３６】
さらに、上記実施形態においては、処理チャンバ１０のガス排出口１１ｂに連結される排気ライン６０として、扁平な排気通路を画定する排気キャップ６１及びこれに連結される排気管６２等からなるものを示したが、これに限定されるものではなく、排気ラインにおいて未反応のプロセスガス等に起因した副生成物の発生が問題となるものであれば、その他の形状及び構造をなす排気ラインにおいて、本発明に係る加熱ガスの供給システムを採用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の成膜装置によれば、基板に成膜処理を施す処理チャンバ内のガスを排出する排気ラインとして、排気キャップと、排気キャップの下流側に連通される排気管を採用し、所定の温度に予め加熱された加熱ガスを供給する加熱ガス供給ラインとして、排気キャップに連通される加熱ガス供給管を採用したことにより、加熱媒体が排出されるガスと同じく気相であるため、供給された加熱ガスが排出されたガスと直接混ざり合うことで、排出ガスを効率良く加熱することができる。
これにより、未反応のプロセスガス等に起因する副生成物の発生を抑制ないし防止できる。また、加熱ガスは排出されたガスと一体となって排気管を通って下流側に流れ至るため、排気管の下流側までの幅広い範囲に亘って、副生成物の発生を抑制ないし防止できる。さらに、排気ラインの周りに放出される熱も少なくなり、周辺部品等への熱の影響を低減することができる。さらに、加熱ガス供給管を排気キャップに設けることにより、排気ラインのメンテナンス等が容易に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成膜装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す成膜装置の処理チャンバの領域を示す縦断面図である。
【図３】図１に示す成膜装置の処理チャンバの領域を示す横断面図である。
【図４】図１に示す成膜装置の外観を示す斜視図である。
【図５】従来の成膜装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ処理空間
Ｗウェーハ（基板）
１０処理チャンバ
１１本体
１１ａガス供給口
１１ｂガス排出口
１２蓋体
２０サセプタ
３０ハロゲンランプ
４０予備加熱リング
５０プロセスガス供給ライン
５１プロセスガス供給管
６０排気ライン
６１排気キャップ
６１ａフランジ部
６２排気管
６３アイソレーションバルブ
６４ポンプ
６５スクラバ
７０加熱ガス供給ライン
７１加熱ガス供給管
７２ガスボンベ
７３流量制御器
７４加熱器
７５バルブ

Claims

基板に成膜処理を施す処理チャンバと、前記処理チャンバにプロセスガスを供給するプロセスガス供給ラインと、前記処理チャンバ内のガスを排出する排気ラインと、前記排気ラインに設けられて所定の温度に予め加熱された加熱ガスを供給する加熱ガス供給ラインと、を備えた成膜装置であって、
前記排気ラインは、前記処理チャンバのガス排出口に連通されて排気通路の断面形状を変化させる排気キャップと、前記排気キャップの下流側に連通される排気管と、を有し、
前記加熱ガス供給ラインは、前記排気キャップに連通された加熱ガス供給管を有する、
ことを特徴とする成膜装置。
前記排気キャップは、前記処理チャンバの処理空間と略平行に伸長する扁平な排気通路を画定し、
前記加熱ガス供給管は、供給される加熱ガスが前記扁平な排気通路に沿う方向から導入されるように、連結されている、
ことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記加熱ガス供給管は、供給される加熱ガスが前記ガス排出口に近接した領域から前記排気管が連通された下流側領域に向かうように、連結されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
前記加熱ガスは、ＨＣｌガスである、
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の成膜装置。
前記加熱ガスの加熱温度は、３４０°Ｃ〜４００°Ｃである、
ことを特徴とする請求項４記載の成膜装置。