JP4956469B2 - 半導体製造装置 - Google Patents

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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、高速回転しながら成膜を行なう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、膜厚均一性の向上、ダストの低減などとともに成膜工程における高い生産性が要求されている。
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、高速回転しながら加熱して成膜する手法が用いられている（例えば特許文献１など参照）。そして、例えばφ３００ｍｍの大口径ウェーハを用いるとともに、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系ソースガスを高い効率で用いることにより、さらなる生産性の向上が期待されている。
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際、十分な生産性を得ることが困難であるという問題がある。
特開平１１−６７６７５号公報
上述したように、特に厚膜形成の際に十分な生産性を得ることが困難であるという問題がある。
本発明は、成膜速度、ソースガスの利用効率を向上させ、高い生産性を得ることが可能な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装置は、ウェーハが導入され、成膜処理される反応室と、導入されたウェーハを保持するホルダーを上部に備え、ウェーハを加熱するヒータが内部に設置される回転体と、回転体に接続され、ウェーハを回転させる回転駆動機構と、反応室上方より反応室に所定流量のプロセスガスを供給するガス供給機構と、反応室よりガスを排出し、反応室内を所定の圧力に制御するガス排出機構と、供給されたプロセスガスを整流してホルダーに保持されたウェーハ上に供給する整流板と、整流板下部に設置され、上端の内径より下端の内径が大きく、ウェーハ上から外周方向に排出されるガスを下方に整流する環状の整流フィンと、整流板とウェーハとの垂直距離、および整流フィンと回転体上面との垂直距離が、それぞれ所定の距離となるように制御する距離制御機構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、距離制御機構は、前記整流フィンまたは前記ヒータユニットを上下する機構であることが望ましい。
また、本発明の半導体製造装置において、回転駆動機構による回転数に基づき前記距離制御機構を制御することが望ましい。
さらに、本発明の半導体製造装置において、整流フィンは、反応室または反応室壁面に近接して設けられるライナーとの間が充填されたバルク状であることが好ましい。
また、本発明の半導体製造装置において、整流フィンは、導電体を有し、電圧印加機構と接続され、誘導加熱されることが好ましい。
本発明の半導体製造装置を用いることにより、成膜速度、ソースガスの利用効率を向上させ、高い生産性を得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。
（実施形態１）
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、回転体１２が設置されている。回転体１２の上部は、導入されたウェーハを保持するホルダー１３が設けられ、その下部にホルダー１３を支持するリング１４が設けられている。このリング１４の内部には、ウェーハを加熱するインヒータ１５ａ、アウトヒータ１５ｂなどが設置されている。そして、回転体１２の外周には、放射された熱を反射して熱効率を向上させるための反射板１６が設けられている。さらに、この回転体１２は、反応室１１下部の開口部を介して、ウェーハｗを回転させる回転駆動機構１７と接続されている。
反応室１１上部には、ガス種およびその流量を制御する機構（図示せず）と接続され、反応室１１に所定流量のプロセスガスを供給するガス供給口１８と、圧力計（図示せず）、ポンプ（図示せず）などと接続され、反応室１１よりガスを排出し、反応室１１内を所定の圧力に制御するガス排出口１９が設置されている。
そして、回転体１２の上方には、供給されたプロセスガスを整流してウェーハ上に供給する整流板２０が設けられ、反応室１１の壁面を覆うライナー２１と一体化されている。この整流板２０の下部において、上端の内径より下端の内径が大きく、例えば石英で形成され、ウェーハｗ上から外周方向に排出されるガスを下方に整流する環状の整流フィン２２が固定されている。
整流板２０、整流フィン２２と一体化されたライナー２１は、反応室１１の外部に設けられた昇降機構２３に接続され、ライナー２１を昇降させることにより、整流板２０とウェーハとの垂直距離、および整流フィン２２と回転体１２上面との垂直距離が所定の距離となるように制御することが可能となっている。
このような半導体製造装置を用いて、例えばＳｉウェーハ上に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、ホルダー１３上に載置する。次いで、ライナー２１を降下させて、整流板２０とウェーハ、および整流フィン２２と回転体１２上面を近づけ、所定の距離となるように制御する。そして、ウェーハｗの温度が１１００℃となるように、インヒータ１５ａ、アウトヒータ１５ｂの温度を制御するとともに、ウェーハｗを、回転駆動機構１７により例えば９００ｒｐｍで回転させる。
そして、ガス供給口１８より、例えばＴＣＳ濃度が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２０を介して整流状態でウェーハｗ上供給し、ウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を成長させる。
図２に、ガスの流れを模式的に示す。ウェーハｗ上に供給され、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などのガス（排ガス）は、矢印で示すように、ウェーハｗの回転により外周方向に排出され、さらに整流フィン２２により整流され、下方に排出される。しかしながら、このとき、一部のガスが対流などによりウェーハｗ上に逆流する。
Ｃｌ系ソースガスを用いたエピタキシャル成長において、例えばＴＣＳを用いた場合、ＴＣＳとＨ２を供給すると、
ＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２→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。（１）に示される反応は、複数の反応からなる平衡反応であるため、排出されるべきＨＣｌが逆流し、ガスが置換されないと、ウェーハｗ上のＨＣｌモル比が高くなり、平衡は左側にシフトする。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と考えられる。
そこで、ウェーハｗ周辺上に整流フィン２２を設けることにより、ある程度ガスの逆流を抑えることができる。これは、反応炉１１内が例えば１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）程度以上に制御されているとき、反応炉１１内に粘性流を形成されるが、整流フィン２２によりホルダー１３などとの間隙が狭くなることで、粘性抵抗が増大し、外周方向への流量を抑えることができる。外周方向への流量と逆流量の差は、プロセスガスの供給量とほぼ一致して一定であるため、外周方向への流量を抑えることにより、逆流量を抑えることが可能となる。
尚、粘性流は、圧力に反比例するプロセスガス中の分子の平均自由工程（ｍｅａｎ ｆｒｅｅ ｐａｔｈ）λが、反応室１１のサイズＬよりも十分小さいときに形成される。
そして、このような整流フィン２２を設けた際、逆流量は、整流板２０とウェーハとの垂直距離、および整流フィン２２と回転体１２上面との垂直距離に依存し、水平距離ではなく、垂直距離を小さくすることにより、粘性抵抗が増大するために、逆流を抑えることができる。例えば、整流板２０とウェーハとの垂直距離を４０％程度にすると、逆流量を４０％程度減少させることができる。また、整流フィン２２と回転体１２上面との垂直距離を１／１４程度にすると、逆流量を１／３以下に抑えることができる。
しかしながら、ウェーハｗをホルダー１３上に搬入・載置するためには、整流フィン２２下端をウェーハｗの上面よりある程度上方に設ける必要がある。従って、垂直距離を小さくするためには、構造的な限界がある。そこで、本実施形態のように、ウェーハｗをホルダー１３に載置した後に、整流板２０、整流フィン２２を下降させることにより、整流フィン２２を設けない場合の４０％程度まで逆流を抑えることができ、エピタキシャル成長率を４％程度向上させることが可能となる。
また、整流フィン２２にはプロセスガスが流れることにより堆積物が生成されるが、逆流を抑えることにより、堆積物起因のダストのウェーハｗ上への付着を抑えることが可能となる。さらに、逆流によるウェーハｗ上へのプロセスガスの流れへの影響を抑えることができるため、膜厚のウェーハ面内均一性を２％程度向上させることが可能となる。
一方、ガスの逆流量は、回転数にも依存し、回転数の増大に伴い増大する傾向がある。これは、高速回転により、遠心力が発生し、外周方向への流量が大きくなることに起因する。プロセスにより回転数を大きくすると、逆流量が増大することから、成膜レートなどが変動し、プロセスウィンドウ（マージン）を確保できないという問題が生じる。
本実施形態の半導体製造装置においては、このような場合、プロセスレシピに応じて、ガスの供給量が一定で、回転数を大きくするときには、整流板２０、整流フィン２２を下降させ、回転数を小さくするときには、整流板２０、整流フィン２２を上昇させることができる。そして、このように、回転数に応じて垂直距離を制御することで、逆流量を一定にし、プロセスウィンドウを確保することが可能となる。
なお、本実施形態において、回転体１２の外周には、放射された熱を反射して熱効率を向上させるための反射板１６が設けられているが、逆流量は、この反射板１６と整流フィン２２との距離にも依存する。従って、逆流量を抑えるためには、反射板１６と整流フィン２２との距離を抑えることも有効である。しかしながら、反射板１６の上端がホルダー１３など回転体１２上面より突出していると、反射板１６と回転体１２上面の間で対流が生じてしまうため、回転体１２上面より突出しないように設置することが好ましい。
（実施形態２）
図３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、反応室１１の構成は実施形態１とほぼ同様であるが、昇降機構３３はライナー２１ではなく、回転体３２と接続されている点で異なっている。
このような半導体製造装置を用いて、実施形態１と同様に例えばＳｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を形成することができ、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
なお、回転体３２内部に設置されたインヒータ１５ａ、アウトヒータ１５ｂなども、加熱条件の変動を抑えるために、併せて昇降させることが好ましい。また、反射板１６も、熱反射効率の変動、逆流量抑制の観点では、回転体３２とともに昇降することが好ましい。
（実施形態３）
図４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、反応室１１の構成は実施形態１とほぼ同様であるが、昇降機構４３はライナー４１ではなく、ライナー４１と分離され、整流フィン４２と一体化された整流板４０と接続されている点で異なっている。昇降機構４３は、ベローズ配管などを介して接続された複数（例えば３本）のシャフト４３ａにより整流板４０と接続され、昇降可能となっている。
このような半導体製造装置を用いて、実施形態１と同様に例えばＳｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を形成することができ、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
（実施形態４）
図５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、反応室１１の構成は実施形態１とほぼ同様であるが、昇降機構５３はライナー５１ではなく、整流板５０と分離された整流フィン５２に接続されている点で異なっている。従って、整流板５０を昇降させることはできないが、逆流量の抑制に最も寄与する整流フィン５２と回転体１２上面との距離を制御することができるため、簡単な構造で効果を得ることができる。
昇降機構５３は、ベローズ配管などを介して接続された複数（例えば３本）のシャフト５３ａにより整流板５０と接続され、昇降可能となっている。
このような半導体製造装置を用いて、実施形態１と同様に例えばＳｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を形成することができ、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
これら実施形態において、整流フィンを断面形状が略矩形の環状としたが、図６に示すような反応室あるいはライナーとの間隙を充填したバルク状としてもよい。このような構造により、整流フィンが例えば６００℃程度まで冷却され、整流フィン表面に堆積物が生成されにくくなる。
また、整流フィンにＳｉＣまたはカーボンをＳｉＣで被覆した材料を用いることにより、反射板としての機能を備えることができ、ヒータによる加熱効率を向上させることができる。また、さらにこれを誘導加熱することにより、ヒータとしての機能を備えることができ、ウェーハ周縁部の放熱を効果的に抑制することが可能となる。
これら実施形態によれば、半導体ウェーハｗ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。
さらに、これらパワー半導体において、特に図７に示すようなスーパージャンクション構造の形成に好適に用いることができる。このようなスーパージャンクション構造の形成において、ｐ型エピタキシャル膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により微細溝を形成し、溝内にｎ型エピタキシャル膜を形成するが、逆流量の抑制により、微細溝中にも淀みなく理想的な整流状態でエピタキシャル膜を形成することができるため、良好なスーパージャンクション構造を形成することができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、Ｓｉ基板上にＳｉ単結晶層を形成する場合を説明したが、ポリＳｉ層形成時にも適用できる。また、化合物半導体基板上に、例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなど他の化合物半導体層を形成する場合にも適用可能である。さらに、例えばＳｉ基板上にＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜を形成する場合にも適用可能であり、ＳｉＯ２膜を形成する場合、プロセスガスとして、シラン系ガスの他、Ｎ２、Ｏ２、Ａｒガスを供給し、Ｓｉ３Ｎ４膜を形成する場合、シラン系ガスの他、ＮＨ３、Ｎ２、Ｏ２、Ａｒガスなどを供給すればよい。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。
本発明の一態様による半導体製造装置の断面図。 従来のガスの流れを示す図。 本発明の一態様におけるガスの流れを示す図。 本発明の一態様による半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様による半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様による半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様における整流フィンの構造を示す断面図。 本発明の一態様によるスーパージャンクション構造を示す断面図。
符号の説明
ｗ…ウェーハ
１１…反応室
１２、３２…回転体
１３…ホルダー
１４…リング
１５ａ…インヒータ
１５ｂ…アウトヒータ
１６…反射板
１７…回転駆動機構
１８…ガス供給口
１９…ガス排出口
２０、４０…整流板
２１、４１、５１…ライナー
２２、４２、５２…整流フィン
２３、３３、４３、５３…昇降機構
４３ａ、５３ａ…シャフト

Claims (5)

  1. ウェーハが導入され、成膜処理される反応室と、
    導入された前記ウェーハを保持するホルダーを上部に備え、前記ウェーハを加熱するヒータが内部に設置される回転体と、
    前記回転体に接続され、前記ウェーハを回転させる回転駆動機構と、
    前記反応室上方より前記反応室に所定流量のプロセスガスを供給するガス供給機構と、
    前記反応室よりガスを排出し、前記反応室内を所定の圧力に制御するガス排出機構と、
    供給された前記プロセスガスを整流して前記ホルダーに保持された前記ウェーハ上に供給する整流板と、
    前記整流板下部に設置され、上端の内径より下端の内径が大きく、前記ウェーハ上から外周方向に排出されるガスを下方に整流する環状の整流フィンと、
    前記整流板と前記ウェーハとの垂直距離、および前記整流フィンと前記回転体上面との垂直距離が、それぞれ所定の距離となるように制御する距離制御機構を備えることを特徴とする半導体製造装置。
  2. 前記距離制御機構は、前記整流フィンまたは前記回転体を上下する機構であ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. 前記回転駆動機構による回転数に基づき前記距離制御機構を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造装置。
  4. 前記整流フィンは、前記反応室または前記反応室壁面に近接して設けられるライナーとの間が充填されたバルク状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
  5. 前記整流フィンは、導電体を有し、電圧印加機構と接続され、誘導加熱されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
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