JP4933399B2 - 半導体製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハ上に、加熱しながらプロセスガスを供給して成膜を行なう半導体製造方法および半導体製造装置に関する。

近年、半導体装置の低価格化、高性能化の要求に伴い、成膜工程における高い生産性とともに、高い膜厚均一性などの高品質化が要求されている。

エピタキシャル成膜装置においては、ウェーハ直径が２００mm、３００mmと拡大するに従い、上記要求を満たすために、複数枚処理を行うバッチ式から１枚処理の枚葉式へと変わってきた。また、エピタキシャル成長条件についても、モノシランを用いた減圧成長からメンテナンスの容易性、コストダウンの要求などによって、堆積物が少なく安価なトリクロロシラン（以下ＴＣＳと記す）、ジクロロシランなどのＣｌ系シリコンソースガスを用いた常圧成長へと移ってきた。

しかしながら、半導体素子の中にはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）など厚いエピタキシャル膜を必要とするものもあり、枚葉式では生産性が低下する。高品質化を維持しながら生産性を向上する方法として、例えば９００ｒｐｍ以上で高速回転しながら加熱してエピタキシャル成長を行う高速回転方式の半導体製造装置が知られている（例えば特許文献１など参照）。また、生産性を上げるためにバッチ式としたものもあるが、枚葉式の様な均一性の制御は困難である。

更にエピタキシャル膜厚が１００μｍを超える、例えば１５０μｍを超えるようなものになると、枚葉式、バッチ式によらず、成膜速度の低い装置では極度に生産性が下がる。前述の高速回転方式の成膜装置であれば、生産性の低下を防ぐことは可能だが、何れのエピタキシャル成膜装置にも共通するのは、成膜時に生成されたポリシリコンがウェーハを保持する部材上などに堆積することである。ポリシリコンの堆積は、部材そのものにも影響を与えるほか、パーティクルや貼り付きなど、ウェーハ品質に多大な影響を及ぼすため、除去（エッチング）が必要である。しかしながら、エッチングそのものを頻繁に行うと、生産性を著しく低下させ、繰り返される昇降温によって部材の劣化も進んでしまう。その結果、生産性は下がり、消耗品のコストも増大してしまう問題がある。
特開平１１−６７６７５号公報

上述したように、例えばＣｌ系シリコンソースガスを用いた常圧成長における生産性向上が要求されている。

本発明は、Ｃｌ系シリコンソースガスを用いた常圧エピタキシャル成長率を増大させ、クリーニングによる生産性の低下を抑えることが可能な半導体製造方法および半導体製造装置を提供することを目的とするものである。

本発明の半導体製造方法は、反応室内にウェーハを保持し、ウェーハ上に、Ｃｌ系シリコンソースガスを含む第1のプロセスガスと、水素ガスまたは不活性ガスからなる第２のプロセスガスを、交互に整流状態で供給し、ウェーハを回転させ、ウェーハを加熱してウェーハ上に成膜することを特徴とする。

本発明の半導体製造方法において、第1のプロセスガスまたは第２のプロセスガスの供給と同時に、ウェーハの外周に、クリーニングガスを供給することが好ましい。

また、本発明の半導体製造方法において、第1のプロセスガスまたは第２のプロセスガスの供給と同時に、ウェーハの外周に、希釈ガスまたは成膜反応抑制ガスを供給することが好ましい。

また、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Ｃｌ系シリコンソースガスを含む第１のプロセスガスと、水素ガスまたは不活性ガスからなる第２のプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、第１のプロセスガスと、第２のプロセスガスが交互に供給されるように制御するためのガス制御機構と、ガス供給機構より供給された前記第１のプロセスガスまたは第２のプロセスガスを整流状態でウェーハに供給するための整流板と、反応室よりガスを排出するためのガス排出機構と、反応室内の所定位置でウェーハを保持するための保持機構と、ウェーハを加熱するためのヒータを備えることを特徴とする。

本発明の半導体製造装置において、整流板の下部にウェーハと離間するように配置され、ウェーハ上とウェーハの外周上を分離する仕切り板を備えることが好ましい。

本発明の半導体製造方法および半導体製造装置を用いることにより、Ｃｌ系シリコンソースガスを用いた常圧エピタキシャル成長率を増大させ、クリーニングによる生産性の低下を抑えることが可能となる。

以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

図１に本実施形態の半導体製造装置の断面図を示す。図に示すように、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、プロセスガスなどをウェーハｗ上に供給するためのガス供給口１２ａ、ウェーハｗの外周上にクリーニングガスなどを供給するためのガス供給口１２ｂと、反応室１１下方よりガスを排出し、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口１３が設置されている。

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などを、ウェーハｗ上に整流状態で供給するための整流板１４ａと、ガス供給口１２ｂから供給されたクリーニングガスなどを、ウェーハｗの外周上に整流状態で供給するための整流板１４ｂが、それぞれ設置されている。そして、これら整流板１４ａ、１４ｂの下部には、整流板１４ａと整流板１４ｂの間に下端がウェーハｗ表面から２０ｍｍの高さとなるように、仕切り板１５が設置されている。

反応室１１下部には、モータ（図示せず）、回転軸（図示せず）などから構成されるウェーハｗを回転させるための回転駆動機構１６と、回転駆動機構１６上でウェーハｗを保持するためのサセプタ１７が設置されている。サセプタ１７の下方には、ウェーハｗを加熱するためのインヒータ１８ａが設置され、サセプタ１７とインヒータ１８ａの間に、ウェーハｗの周縁部を加熱するためのアウトヒータ１８ｂが設置されている。インヒータ１８ａ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１９が設置されている。

このような半導体製造装置を用いて、ウェーハｗ上に例えばＳｉエピタキシャル膜を形成する。先ず、例えばφ２００ｍｍのウェーハｗを、反応室１１に導入し、サセプタ１７上に載置する。そして、ウェーハｗの温度が１１００℃となるように、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂの温度を制御するとともに、ウェーハｗを、回転駆動機構１６により例えば９００ｒｐｍで回転させる。

そして、図２にタイムチャートを示すように、先ず、ガス供給口１２ａより、ＴＣＳ濃度が例えば２．５％となるように調製されたプロセスガスを、例えば５０ＳＬＭで導入し、整流板１４ａを介して整流状態でウェーハｗ上に例えば１５秒間供給し、ウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を成長させる。

このとき、同時にガス供給口１２ｂより、希釈ガスとしてＨ_２を例えば５０ＳＬＭで導入し、整流板１４ｂを介して整流状態でウェーハｗ外周上に例えば１５秒間供給し、ウェーハｗ外周上のプロセスガスを希釈する。供給された希釈ガスは、仕切り板１５、供給速度、濃度の制御により、ウェーハｗ上への流入、プロセスガスとの混合が抑えられる。

次いで、ガス供給口１２ａからの供給ガスを、ソースガスを含まない例えばＨ_２などのプロセスガスに切替えて、例えば５０ＳＬＭで導入し、整流板１４ａを介して整流状態でウェーハｗ上に例えば７．５秒間供給する。これにより、ウェーハｗ上に残存するＴＣＳおよび副生成物であるＨＣｌをＨ_２に置換する。

このとき、同時にガス供給口１２ｂからの供給ガスを、例えばＨＣｌ＋Ｈ_２などのクリーニングガスに切替えて、例えば５０ＳＬＭで導入し、整流板１４ｂを介して整流状態でウェーハｗ外周上に例えば７．５秒間供給し、ウェーハｗ外周上に堆積したポリシリコン膜などを除去する。供給されたクリーニングガスは、希釈ガスと同様に、仕切り板１５、供給速度、濃度の制御により、ウェーハｗ上に供給されるプロセスガスとの混合が抑えられる。

尚、反応室１１内の圧力が常圧に制御されるように、余剰なプロセスガス、クリーニングガスなどは、ガス排出口１３より排出される。

そして、同様に、ウェーハｗ上およびウェーハｗ外周上への供給ガスの切替えを繰り返しながら、ウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を所望の膜厚（例えば１５０μｍ）となるまで成長させる。

このように、ウェーハｗ上に、Ｃｌ系シリコンソースガスを含むプロセスガスと、ソースガスを含まないプロセスガスを切替えながら供給することにより、エピタキシャル成長率を向上させることができる。

Ｃｌ系シリコンソースガスを用いたエピタキシャル成長においては、時間が経つにつれて、エピタキシャル成長率が低下する。図３にＴＣＳ濃度２．５０％、４．３０％で、所定の条件におけるエピタキシャル成長率の経時変化の一例を示す。図に示すように、成膜開始から１５〜３０秒後までは比較的急激に、さらに６０秒後まで低下した後、徐々に低下している。その理由としては、例えばＴＣＳを用いた場合、ＴＣＳとＨ_２を供給すると、
ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２→Ｓｉ＋３ＨＣｌ・・・（１）
の反応が右側に進行することにより、Ｓｉエピタキシャル膜が形成されるが、
ＳｉとともにＨＣｌが生成される。この反応は、複数の反応からなる平衡反応であり、ＨＣｌがウェーハｗ上に滞留し、ウェーハｗ上のＨＣｌモル比が高くなると、平衡は左側にシフトすることになる。従って、Ｓｉの生成反応の進行が抑えられ、エピタキシャル成長率が低下することが考えられる。

そこで、一旦ＴＣＳの供給を止め、ウェーハｗ上に滞留したＨＣｌをＨ_２あるいは不活性ガスで置換する。そして、ウェーハｗ上がＨ_２あるいは不活性ガスで置換された状態で、再度ＴＣＳを供給することにより、（１）式の平衡反応が右側に進行することになると考えられる。

このとき、切替えられるプロセスガスは、Ｈ_２に限定されるものではなく、成膜反応に影響しない不活性ガスを用いることも可能である。その場合、Ａｒなどの重いガスを用いることにより、より効果的にプロセスガスの置換を行うことが可能となる。

そして、切替え周期は、例えば１５秒／７．５秒としたが、適宜設定することができる。例えば、エピタキシャル成長率の初期変化が急激であれば、より短時間でＨ_２などに切替えればよい。また、供給される各ガスの速度、濃度などにより、適宜供給時間を設定することができる。

さらに、ウェーハｗ上にガスを切替えながら供給するとともに、ウェーハｗ外周上に、希釈ガスであるＨ_２と、クリーニングガスであるＨＣｌを切替えながら供給することにより、成膜工程と並行して、希釈ガスにより、ウェーハｗ外周へのポリシリコンなどの堆積を抑制し、クリーニングガスにより、ウェーハｗ外周に堆積したポリシリコンなどの堆積物を、除去することが可能となる。

また、希釈ガスは、Ｈ_２に限定されるものではなく、成膜反応に影響しない不活性ガスを用いることも可能である。その場合、Ａｒなどの重いガスを用いることにより、より効果的にウェーハｗ外周上のプロセスガスを希釈除去することが可能となる。さらに、このようなＨ_２、Ａｒなどの希釈ガスに限定されるものではなく、成膜反応の平衡を成膜抑制側にシフトさせることが可能なＨＣｌなどの成膜反応抑制ガスを含むことも効果的である。

このとき、必ずしも切替えを行う必要はなく、希釈ガス（成膜反応抑制ガス）のみ、クリーニングガスのみを供給してもよい。ただし、クリーニングガスのみを供給する場合には、ソースガスを含むプロセスガスとクリーニングガスとの混合を抑制するために、クリーニングガスの速度、濃度を厳密に制御する必要がある。ウェーハｗ上にクリーニングガスが流入することにより、膜厚の均一性が劣化する可能性があるからである。

このようにして、成膜工程と並行して、ウェーハｗ外周上の堆積物を抑制、除去することにより、堆積物による部材およびウェーハ品質への影響を抑えることができる。従って、クリーニング頻度を低減し、別途クリーニングを行うことによる生産性の低下を抑えることが可能となる。

本実施形態において、それぞれ異なるガスを供給するために、整流板１４ａ、１４ｂを設けているが、整流板により、ガスを整流することにより、ウェーハｗ上に均一にガスを供給することができる。従って、ウェーハｗ上に形成されるエピタキシャル膜などの膜厚の均一性を図ることが可能となる。また、ウェーハｗ外周上に整流されたガスを供給することにより、ウェーハｗ外周上のソースガスを効果的に除去するとともに、ウェーハｗ上に供給されるガスとの混合をより効果的に抑制することができる。

そして、整流板１４ａ、１４ｂの下部に、整流板１４ａと整流板１４ｂの間に下端がウェーハｗ表面から２０ｍｍの高さとなるように、仕切り板１５が設置されている。ウェーハｗ上に供給されるプロセスガスと、ウェーハｗ外周上に供給されるガスの混合状態は、主にウェーハｗ外周上に供給されるガスの速度、濃度に支配されるものの、このように、仕切り板１５を設けることにより、ガスの混合をより効果的に抑制することができる。

ガスの混合抑制の観点では、仕切り板１５はウェーハｗ近くまで設けられることが好ましいと考えられる。しかしながら、回転するウェーハｗ上に供給されるガスは、ウェーハｗ上に境界層を形成し、余剰のガスは外周方向に排出されるため、その排出経路において障害とならないように配置する必要がある。例えば、所望のプロセス条件において、仕切り板１５の設置高さを変動させたときの、仕切り板１５への堆積物量を測定し、堆積物の生成量が少なくなる高さとなるように配置すればよい。

本実施形態によれば、半導体ウェーハ上にエピタキシャル膜などの膜を高い生産性で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ともに、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。

上述した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、膜成長率が経時的に低下する場合に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。

本発明の一態様における半導体製造装置の断面を示す図。 本発明の一態様におけるタイムチャートを示す図。 本発明の一態様におけるエピタキシャル成長率の経時変化の一例を示す図。

符号の説明

１１…反応室、１２ａ、１２ｂ…ガス供給口、１３…ガス排出口、１４ａ、１４ｂ…整流板、１５…仕切り板、１６…回転駆動機構、１７…サセプタ、１８ａ…インヒータ、１８ｂ…アウトヒータ、１９…リフレクター。

Claims (5)

1. 反応室内にウェーハを保持し、
   前記ウェーハ上に、Ｃｌ系シリコンソースガスを含む第1のプロセスガスと、水素ガスまたは不活性ガスからなる第２のプロセスガスを、交互に整流状態で供給し、
   前記ウェーハを回転させ、
   前記ウェーハを加熱して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。
2. 前記第1のプロセスガスまたは前記第２のプロセスガスの供給と同時に、前記ウェーハの外周に、クリーニングガスを供給することを特徴とする請求項１の半導体製造方法。
3. 前記第1のプロセスガスまたは前記第２のプロセスガスの供給と同時に、前記ウェーハの外周に、希釈ガスまたは成膜反応抑制ガスを供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体製造方法。
4. ウェーハが導入される反応室と、
   前記反応室にＣｌ系シリコンソースガスを含む第１のプロセスガスと、水素ガスまたは不活性ガスからなる第２のプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、
   前記第１のプロセスガスと、前記第２のプロセスガスが交互に供給されるように制御するためのガス制御機構と、
   前記ガス供給機構より供給された前記第１のプロセスガスまたは前記第２のプロセスガスを整流状態で前記ウェーハに供給するための整流板と、
   前記反応室より前記ガスを排出するためのガス排出機構と、
   前記反応室内の所定位置で前記ウェーハを保持するための保持機構と、
   前記ウェーハを加熱するためのヒータを備えることを特徴とする半導体製造装置。
5. 前記整流板の下部に前記ウェーハと離間するように配置され、前記ウェーハ上と前記ウェーハの外周上を分離する仕切り板を備えることを特徴とする請求項４に記載の半導体製造装置。

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