JP4972444B2 - 気相成長装置及び気相成長方法 - Google Patents

Description

本発明は、チャンバー内のウェハ上にシリコンなどの半導体層を気相成長により形成する気相成長装置及び気相成長方法に関する。

従来、ウェハに成膜する製造装置として、気相成長装置（ＣＶＤ：Chemical
Vapor Depositionで、この中にＶＰＥ：Vapor phase epitaxial growthを含む）が一般的で、例えば特開平９−１７７３４号公報（特許文献１）に示すように、Ｓｉの成膜では、ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）またはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスと水素（Ｈ_２）が用いられている。
なお、ここで、基板の性質によっては、単結晶ＳｉまたはポリＳｉ膜が形成されるが、Ｓｉ単結晶基板には通常、単結晶Ｓｉ膜が成膜される。

具体的な例としては、図２に示す通りで、支持台２０１上に載置された半導体ウェハ２０２がチャンバ２０３内に収納される。収納された半導体ウェハ２０２は、ヒータ２０４により、成膜に必要な温度に加熱される。
チャンバ２０３には、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス（或いはＳｉＨ_４ガス）及びＨ_２ガスを供給するガス流路２０５ａ、２０５ｂ（第１の流路）が連結され、ガス流路の他方はそれぞれガスシリンダ２０６ａ、２０６ｂに接続されている。その流路２０５ａ、２０５ｂの途中には、ガスを開閉するバルブ２０７ａ、２０７ｂが接続されている。

シリンダ２０６ａ、２０６ｂより、ガス流路２０５ａ、２０５ｂを介し、バルブ２０７ａ、２０７ｂが開放され、流路２００を介して、チャンバ２０３内に、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス（或いはＳｉＨ_４ガス）、Ｈ_２ガスが供給され、半導体ウェハ上に、単結晶Ｓｉ膜が成膜される。この成膜は、何回か繰り返して行う場合が多い。例えば特開２０００−２８２２４１号公報に示す如く、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス（或いはＳｉＨ_４ガス）に硼素、アルミニウム、ガリウム及び燐などを含むようにすると、Ｐ型、Ｎ型の半導体単結晶層を形成可能である。更に、特開２００４−２８１６７３号公報（特許文献２）の如く、ＳｉＨ_４ガスと、Ｏ_２ガスを供給するようにすれば、ＳｉＯ_２膜が、ＳｉＮ_４ガスとＨＮ_３ガスなどを供給するようにすれば、Ｓｉ_３Ｎ_４膜が成膜できる。

また、チャンバ２０３には、ＣｌＦ_３ガス（ＳｉＯ_２膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜の場合ＣＦ_４やＣ_２Ｆ_６などのガスを用いる）を供給するガス流路２０８が接続され、その流路２０８の途中には、ガスを開閉するバルブ２０９が接続されている。

成膜（単結晶Ｓｉ膜）が終了後、チャンバ２０３内をクリーニングする際、シリンダ２１０より、ガス流路２０８を介し、バルブ２０９を開放することにより、ＣｌＦ_３ガスが供給される（バルブ２０７ａ及び２０７ｂは閉じてある）。
なお、上記ウェハ上への成膜、チャンバ内のクリーニングにおいて、ガスの排気は、バルブ２１１を開放して、ガス排気用のガス流路２１２の接続されている真空ポンプ２１３より、バキュームされる。

ところで、上述した図２の気相成長装置において、成膜時に用いるジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス（或いはＳｉＨ_４ガス）と、クリーニング時に用いるＣｌＦ_３ガスとの混合を、危険性などから絶対に避ける必要がある。
このため、特に成膜時に用いるジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス（或いはＳｉＨ_４ガス）を流す流路２０５ａに接続されているバルブ３０７ａ、３０７ｂを、クリーニング時に完全に閉めるようにしている。また、成膜が完了後、Ｎ_２などで、チャンバ内をパージし、その後、バルブ２１１を開き、排出用のガス流路２１２に接続されている真空ポンプ２１３でバキュームし、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス（或いはＳｉＨ_４ガス）を完全に排気するようにしている。

上記の気相成長装置を用いて、半導体ウェハ上にＳｉ単結晶膜が成膜される。しかし、その成膜の膜厚が、半導体ウェハの中央部と周辺部とでバラツキがあると共に、成膜された膜における、不純物濃度も中央部と周縁部で異なり、改良すべきことが多くあった。
そこで、その１つとして、ヒータの温度をきめ細かく制御し、膜厚を一定にする方法があるが、膜厚制御において充分でないのが実情である。

特開平９−１７７３４号公報 特開２００４−２８１６７３号公報

上述したように、従来の気相成長装置においては、半導体ウェハ上に成膜される膜厚が一定ではなく、また、不純物濃度にもバラつきがあり、未だ改良すべき点があった。
本発明は、上記した点に対処して鑑みなされ、半導体ウェハ上に成膜される膜を略均一に、そして不純物濃度のバラツキも少なくした新規な気相成長装置及び気相成長方法を提供することにある。

本発明の気相成長装置は、チャンバ内にウェハ載置用の支持台が収容され、前記ウェハ上に成膜するための第一のガスを供給する第一の流路及び前記ウェハ上に成膜される膜の不純物濃度を制御するための第二のガスを供給する第二の流路が前記チャンバに接続された気相成長装置において、
前記第一の流路は、シラン（ＳｉＨ _４ ）ガス、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ _３ ）ガスまたはジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）ガスを供給するガス流路Ａと、キャリアガスを供給するガス流路Ｂと、クリーニングガスを供給するガス流路Ｃとからなり、このガス流路Ａ、ガス流路Ｂおよびガス流路Ｃが合流してプロセスガス流路を形成し、このプロセスガス流路は、少なくとも２系統に分割され、前記チャンバに接続されて、ウェハ上の周辺部と中央部に前記第一のガスが個々に供給されるように構成されており、かつ前記ガス流路Ａ、前記ガス流路Ｂ、および前記ガス流路Ｃには、ガスの流通を制御するバルブがそれぞれ設けられており、前記ガス流路Ａのバルブよりチャンバ側流路および前記ガス流路Ｂのバルブよりチャンバ側流路に圧力センサが設けられ、これらの圧力センサが圧力上昇を感知した際には、前記流路Ｃのバルブを閉鎖するように設定されており、
前記第二の流路は、少なくとも２経路に分割され、前記ウェハ上の周辺部と中央部に、前記第二のガスが個々に供給されるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様は、上述した第一の流路が３経路１ａ、１ｂ，１ｃ、第二の流路が３経路２ａ，２ｂ，２ｃに分割され、ウェハ上の周辺部、中腹部及び中央部に、個々に供給されるように構成されていることを特徴とする。
この気相成長装置において、支持台には、ヒータが設けられ、このヒータがウェハの周辺部、中腹部、中央部に対応して設けられていることが望ましい。

さらに、本発明の特徴とする気相成長方法は、チャンバ内に、支持台上に載置されたウェハが収容され、ウェハ上に成膜するためのガスを供給する第一の流路及びウェハ上に成膜される膜の不純物濃度を制御するためのガスを供給する第二の流路がチャンバに接続された気相成長装置を用いてウェハに気相成長を行う際、上述した第一の流路及び前記第二の流路を、夫々２経路１ａ、１ｂ及び２経路２ａ，２ｂに分割し、夫々の経路１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂのガスを制御して、ウェハ上の周辺部と中央部の膜厚及び不純物濃度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、半導体ウェハ上に均一な成膜が可能で、また、成膜中の不純物濃度のバラツキも少なくなり、結果的に歩留まりの高い成長が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
第１の実施形態では、上述した従来例と同様で、図１に示す如く、支持台１０１上に載置されたＳｉ単結晶ウェハ１０２がチャンバ１０３内に収納される。収納されたＳｉ単結晶ウェハ１０２は、ヒータ１０４により、成膜に必要な温度例えば１１００度に加熱される。このヒータ１０４はウェハ１０２の中央部に相当する部分と、周辺部に相当する部分に分離し、個々に制御するようにした方が望ましい。縦型のエピタキシャル成長装置の場合は、インヒータとアウトヒータに相当する。

チャンバ１０３には、シラン（ＳｉＨ_４）ガス或いはトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスまたはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス、及びＨ_２ガスを供給するガス流路１０５ａ、１０５ｂを介して、第１の流路となるプロセスガスを供給するガス流路１２１に接続される。ガス流路１０５ａ、１０５ｂの他方は、それぞれガスシリンダ１０６ａ、１０６ｂに接続されている。その流路１０５ａ、１０５ｂの途中には、ガスを開閉するバルブ１０７ａ、１０７ｂが接続されている。上述の第１の流路となるガス流路１２１は、チャンバ１０３の上部の中央部と周辺部に分岐１２１ａ、１２１ｂ１及び１２１ｂ２に接続されている。このように構成することにより、ウェハ１０２への供給を制御可能となる。このプロセスガスの制御は、プロセスガス制御部１２２で行うことができる。

なお、ここで、ウェハ１０２の中央部と周辺部に供給できるように、２つに分岐させているが、さらに制御を行う必要がある場合、３つ即ち中央部と周辺部の間にガスが供給できるようにしても良い。このように３つに分岐すれば、さらなる膜厚制御が可能となる。

また、第２の流路となるガス流路１３１は、第１のガス流路１２１と同様にフォスフィン（ＰＨ_３）シリンダ１１７からリンを含むガスが、ガス流路１０５ｃ、バルブ１０７ｃを介してチャンバ１０３内に供給される。この場合も、上記プロセスガスの供給と同様に、ガス流路１３１は２つに分岐１３１ａ、１３１ｂ１及び１３１ｂ２されている。このように構成すれば、リンを含むガスが、ウェハ１０２の中央部と周辺部に供給できるようになり、ウェハの不純物濃度を制御可能となる。このリンを含むガスの制御は、リンのガス制御部１３２で行うことができる。なお、ここで、ウェハ１０２の中央部と周辺部に供給できるように、２つに分岐させているが、さらに制御を行う必要がある場合、プロセスガス制御と同様に、３つ即ち中央部と周辺部の間にガスが供給できるようにしても良い。このように３つに分岐すれば、さらなる膜厚制御が可能となる。

なお、この実施形態の場合、不純物濃度を制御するガスとして、フォスフィン（ＰＨ_３）を用いたが、硼素を含むガスＢ_２Ｈ_６を用いても良く、他のガスＡｌやＡｓを含むガスを用いても構わない。

シリンダ１０６ａ、１０６ｂより、ガス流路１０５ａ、１０５ｂを介し、バルブ１０７ａ、１０７ｂが開放され、また、シリンダ１１７から、ガス流路１０５ｃを介してバルブ１０７ｃが開放され、ガス流路１２１，１３１を経由してチャンバ１０３内に、ＳｉＨ_４ガス或いはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス、Ｈ_２ガス、ＰＨ_３ガスが供給され、Ｓｉ単結晶ウェハ１０２上に、Ｓｉ単結晶膜が成膜される。この成膜は、何回か繰り返して行う場合が多い。不純物ガス供給源として、ＰＨ_３を用いれば、Ｎ型に、Ｂ_２Ｈ_６を用いればＰ型に形成される。

また、チャンバ１０３には、ＣｌＦ_３ガスを供給するガス流路１０８が接続され、その流路１０８の途中には、ガスを開閉するバルブ１０９が接続されている。このバルブ１０９には、制御装置（図示せず）が接続されている。なお、ＣｌＦ_３ガスを供給するガス流路１０８の他端は、当然ながらシリンダ１１０が接続されている。

成膜（Ｐ型Ｓｉ単結晶層、Ｎ型Ｓｉ単結晶層）が終了後、チャンバ１０３内をクリーニングする。この場合、シリンダ１１０より、ガス流路１０８を介し、バルブ１０９を開放することにより、ＣｌＦ_３ガスが供給される。
なお、上記ウェハ上への成膜、チャンバ内のクリーニングにおいて、ガスの排気は、ガス排気部１１５を介して、ガス排気用のガス流路１１２（第３の流路）が接続されている真空ポンプ１１３により、バキュームされる（バルブ１１１を開放する）。

本実施形態では、気相成長プロセスからクリーニングへの移行の際、チャンバ１０３内に加えて、ＳｉＨ_４ガス或いはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスの供給する流路１２１やＰＨ_３ガスを供給するガス流路１３１内もクリーニングされる。この場合、当然バルブ１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃを閉じて行う。

なお、本実施形態で、ＣｌＦ_３ガス導入中、バルブ１０７ａと流路１２１の間、１０７ｂと１２１の間、バルブ１０７ｃと流路１３１の配管に圧力スイッチ（図示せず）を設け、このスイッチで圧力上昇を検知した時、クリーニングガスの導入を禁止（バルブ１０７を閉じる）する。即ち、圧力スイッチで圧力上昇を感知すると、制御装置（図示せず）に信号が送られ、その制御装置からバルブ１０７が閉じられ、クリーニングガスの供給ができなくなる。
このように制御を行えば、微量のプロセスガスの残量或いはバルブ１０７ａ、１０７ｂの緩みから発生する漏れがあったとしても、プロセスガスとクリーニングガスとが混合するということはない。
換言すると、圧力スイッチで、異常が感知された時に、クリーニングガスの供給を止める（バルブ１０７を閉じる）ので、チャンバ内で、プロセスガスとクリーニングガスでの混合がなくなり、安全性に優れたものとなる。

したがって、本実施形態によれば、半導体ウェハ上に均一な成膜が可能で、また、成膜中の不純物濃度のバラツキも少なくなり、結果的に歩留まりの高い成長が可能となる。さらには、実施形態の気相成長装置によれば、プロセスガスとクリーニングガスの混合の危険性がなくなる為、安全性の高いものを提供可能となる。

なお、上記実施形態では、Ｓｉ単結晶層形成の場合を説明したが、ポリＳｉ層形成時にも適用でき、他の化合物半導体例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなどにも適用可能である。この場合、成膜用のガスを代える必要がある。しかし、クリーニング用のガスとしては、基本的にフッ素系のガスを用いるケースが多いが、他のガス即ちチャンバー内をクリーニングできるガスであれば良い。

また、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜形成の場合にも適用可能で、その場合は、供給ガス、クリーニングガスも上記とは大幅に異なってくる。
ＳｉＯ_２膜の場合、モノシラン（ＳｉＨ_４）の他、Ｎ_２，Ｏ_２，Ａｒガスを、Ｓｉ_３Ｎ_４膜の場合、ＳｉＨ_４の他、ＮＨ_３，Ｎ_２，Ｏ_２、Ａｓガスなどを供給することになる。この時の、クリーニングガスとしては、ＣＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＯＦ_２などを用いる。これらの場合も、上記実施形態と同様に、安全性を高めることが可能となる。

本発明の実施形態を説明するための気相成長装置の概略図。 従来の電子銃を説明するための図。

符号の説明

１０１・・・・・・・・・・支持台
１０２・・・・・・・・・・Ｓｉ単結晶ウェハ
１０３・・・・・・・・・・チャンバ
１０４・・・・・・・・・・ヒータ
１０５ａ・・・・・・・・・ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス（或いはＳｉＨ_４ガス）流路
１０５ｂ・・・・・・・・・Ｈ_２ガス流路
１０５ｃ・・・・・・・・・ＰＨ_３ガス流路
１０６ａ・・・・・・・・・ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス（或いはＳｉＨ_４ガス）シリンダ
１０６ｂ・・・・・・・・・Ｈ_２シリンダ
１０７、１０９、１１１・・バルブ
１０８・・・・・・・・・・ＣｌＦ_３ガス流路
１１０・・・・・・・・・・ＣｌＦ_３ガスシリンダ
１１２・・・・・・・・・・排気用ガス流路（第３のガス流路）
１１３・・・・・・・・・・真空ポンプ
１１５・・・・・・・・・・ガス排気部
１１７・・・・・・・・・・ＰＨ_３ガスシリンダ
１２１・・・・・・・・・・プロセスガス流路
１３１・・・・・・・・・・ＰＨ３ガス流路
１２２、１３２・・・・・・ガス流路制御部

Claims (4)

1. チャンバ内にウェハ載置用の支持台が収容され、前記ウェハ上に成膜するための第一のガスを供給する第一の流路及び前記ウェハ上に成膜される膜の不純物濃度を制御するための第二のガスを供給する第二の流路が前記チャンバに接続された気相成長装置において、
   前記第一の流路は、シラン（ＳｉＨ _４ ）ガス、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ _３ ）ガスまたはジクロロシラン（ＳｉＨ _２ Ｃｌ _２ ）ガスを供給するガス流路Ａと、キャリアガスを供給するガス流路Ｂと、クリーニングガスを供給するガス流路Ｃとからなり、このガス流路Ａ、ガス流路Ｂおよびガス流路Ｃが合流してプロセスガス流路を形成し、このプロセスガス流路は、少なくとも２系統に分割され、前記チャンバに接続されて、ウェハ上の周辺部と中央部に前記第一のガスが個々に供給されるように構成されており、かつ前記ガス流路Ａ、前記ガス流路Ｂ、および前記ガス流路Ｃには、ガスの流通を制御するバルブがそれぞれ設けられており、前記ガス流路Ａのバルブよりチャンバ側流路および前記ガス流路Ｂのバルブよりチャンバ側流路に圧力センサが設けられ、これらの圧力センサが圧力上昇を感知した際には、前記流路Ｃのバルブを閉鎖するように設定されており、
   前記第二の流路は、少なくとも２経路に分割され、前記ウェハ上の周辺部と中央部に、前記第二のガスが個々に供給されるように構成されていることを特徴とする気相成長装置。
   
2. チャンバ内には、支持台上に載置されたウェハが収容され、前記ウェハ上に成膜するための第一のガスを供給する第一の流路及び前記ウェハ上に成膜される膜の不純物濃度を制御するための第二のガスを供給する第二の流路が前記チャンバに接続された気相成長装置において、
   前記第一の流路が３経路１ａ、１ｂ，１ｃ、第二の流路が３経路２ａ，２ｂ，２ｃに分割され、前記ウェハ上の周辺部、中腹部及び中央部に、前記第一及び第二のガスが個々に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記支持台には、ヒータが内蔵され、このヒータが前記ウェハの周辺部、中腹部、中央部に対応して設けられていることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
4. 請求項１に記載の気相成長装置を用いて前記ウェハに気相成長を行う際、
   前記第一の流路及び前記第二の流路を、夫々２経路１ａ、１ｂ及び２経路２ａ，２ｂに分割し、夫々の経路１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂのガスを制御して、前記ウェハ上の周辺部と中央部の膜厚及び不純物濃度を制御することを特徴とする気相成長方法。
   

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