JP5010235B2

JP5010235B2 - 気相成長方法

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Publication number: JP5010235B2
Application number: JP2006291722A
Authority: JP
Inventors: 邦彦鈴木; 誠一中澤
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-10-26
Also published as: JP2008108983A

Description

本発明は気相成長（CVD：Chemical Vapor Deposition．この中にVPE：Vapor Phase Epitaxial growsを含む。）方法に係り、特に半導体ウェハを回転させながら成膜する気相成長方法に関する。

図５は、従来の気相成長装置の構造の断面図であり、１０１はチャンバ、１０２はチャンバ内壁を被覆する保護カバー、１０３ａ、ｂはチャンバを冷却する冷却水の流路、１０４はプロセスガスを導入する供給部、１０５は反応後のプロセスガスの排気部、１０６は気相成長を行うウェハ、１０７はウェハ１０６を支持するサセプタ、１０８は図示しない支持部に支持されウェハ１０６を加熱するヒータ、１０９はチャンバ１０１の上下部を連結するフランジ部、１１０はフランジ部１０９をシールするパッキン、１１１は排気部１０５と配管を連結するフランジ部、１１２はフランジ部１１１をシールするパッキンである。

上述の従来の一般的な気相成長装置において、チャンバ１０１内でウェハ１０６を支持し、回転機構（図示せず）を設けたサセプタ１０７により回転させながら、ヒータ１０８により１０００℃以上に加熱する。この状態でチャンバ１０１内に反応性ガスを含むプロセスガスを供給部１０４から供給することでウェハ１０６表面に結晶膜を形成する。その際気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは、チャンバ１０１下部に設けられた排気部１０５から逐次排気されている。このとき、保護カバー１０２のうち、排気部１０５付近の部分はウェハ１０６やヒータ１０８などのチャンバ１０１内の高温部から距離が離れており、なおかつチャンバ１０１下部に位置しているため高温部からの熱の輻射を受けにくく、高温にはなりにくい。

また、チャンバ１０１のフランジ部１０９と、排気部１０５のフランジ部１１１にはシールのためにパッキン１１０、１１２を用いている。パッキン１１０、１１２はフッ素ゴム製で、耐熱温度は約３００℃である。そのため、チャンバ１０１外周にはパッキン１１０、１１２を熱で劣化させないための冷却水を循環させる流路１０３ａ、ｂを設けている。冷却水はパッキン１１０、１１２をチャンバ１０１を介して冷却するが、同時にチャンバ１０１本体や保護カバー１０２も冷却してしまうため、チャンバ１０１内の排気部１０５の近傍には低温となる部分ができる。

ここで問題になるのは、気相成長反応にジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を反応性ガスとして用いたときの反応後のプロセスガスが低温の環境に晒されると副生成物の反応性ポリシロキサン（化学式Si_xH_2x+2-yCl_ｙ但しｙ≦2x+2）が発生し堆積することである。副生成物が排気部付近に堆積することにより、気相成長反応に必要なプロセスガスの流量や流速が変化したり、排気部１０５の排気圧力が上昇したりといった、高品質のウェハの生産に必要なプロセス条件を満たせなくなる様々な問題が発生する。

また、堆積物の発生でチャンバ１０１内のプロセス条件の設定が困難になったときにはフランジ部１０９をはずすことによってチャンバ１０１を分解し、内部の洗浄などのメンテナンスを、稼動する条件によって左右されるが、概ね１ヶ月に１回程度の頻度で行わなければならなくなる。また、このメンテナンス作業を全て完了した後に元のとおりに装置を組み立て直したとしても、生産されるウェハの結晶の膜厚や純度などの品質をメンテナンス作業以前の水準に戻すには、シーズニング(枯らし運転)の時間が必要になる。シーズニングとは、チャンバ内を生産稼動に耐えられる状態になるまで水分や金属汚染をなくすため、ダミーウェハを用いて成膜動作を繰り返す運転のことをいう。
上記のメンテナンス作業の頻度が高いと、これによる気相成長装置の稼働率が低下する。
このように、従来の気相成長装置には、チャンバ１０１内部への副生成物の堆積によってプロセス条件を満たせなくなり製造するウェハの品質維持が阻害される、チャンバ１０１内部のメンテナンスおよびメンテナンス後の装置の管理の煩雑さが増す、装置の稼働率が低下するといった問題があった。

上述の気相成長装置において副生成物の堆積に起因して、チャンバ１０１内のプロセス条件が満たされない状態に常に陥らないことが望まれる。

また、たとえば特開２００１‐２２６７７４号公報（特許文献１）のように、チャンバの排気部に接続され、副生成物が堆積しやすい部分である排気管内部の温度制御を行うことや、不活性ガス（たとえばN_２）の流層を排気管内筒表面付近に作り、反応後のプロセスガスを排気管内筒表面に晒さないことで副生成物の堆積を抑制することによって排気を円滑にしようとすることは一般的である。

しかしながら、排気管以後の排気経路を構成する部分をどれだけ清浄にしようとも、チャンバ内での副生成物の堆積は特許文献１の方法においても同様に発生してしまう問題であり、当然チャンバ内に堆積した副生成物を除去するメンテナンスは行わなければならない。
特開２００１‐２２６７７４

上述の如く、従来の気相成長装置のようにチャンバ外部の排気管への副生成物の発生を抑制することだけではチャンバ内部に副生成物が堆積するためチャンバ内のプロセス条件を満たせない状態に陥り、装置の稼働率が低下する。よって、製造されるウェハの品質や生産性に影響を及ぼしてしまうという問題点は解決されていない。
本発明は、上述した点に対処して、チャンバ内における気相成長中の副生成物の発生を抑制することで気相成長装置の稼働率を向上させ、気相成長反応時のプロセス条件を安定化するようにして高品質のウェハを高い稼働率で製造できる新規の気相成長装置および気相成長方法を提供するものである。

本発明の気相成長装置の特徴は、プロセスガスを導入する供給部と反応後のプロセスガスを排気する排気部を有するチャンバと、前記チャンバの内壁を被覆する保護カバーと、前記保護カバーを前記反応後のプロセスガスより生成される反応副生成物の堆積が抑制される温度に加熱する第１のヒータと、前記第１のヒータあるいは前記保護カバーの温度を検出する温度検出手段と、前記チャンバの外周に設けられた冷却手段と、前記チャンバ内に設けられ、気相成長を行うウェハを支持する回転自在なサセプタと、前記ウェハを加熱する第２のヒータと備え、前記第１のヒータおよび前記温度検出手段は前記保護カバーの前記排気部近傍に設けられることを特徴とすることにある。

また、本発明において前記プロセスガスは、シラン、ジクロルシラン、及びトリクロルシランの少なくともいずれかを含み、前記第２のヒータは前記ウェハを１０００℃以上に加熱するものであることを特徴とする。
また、本発明において第１のヒータは、保護カバーに覆われていることを特徴とする。

さらに、本発明において第１のヒータは、温度検出手段により検出された温度に基づき前記ヒータの出力を制御するコントローラが接続されることを特徴とする。

さらに、本発明において温度検出手段は、保護カバーに覆われていることを特徴とする。

また、本発明の方法の特徴は、チャンバを冷却しながら、前記チャンバ内においてプロセスガス雰囲気下でウェハを加熱処理することで前記ウェハ表面に結晶膜を形成し、反応後のプロセスガスを前記チャンバ内から排気する気相成長方法において、
チャンバ内壁を被覆する保護カバーに覆われた温度検出手段が前記保護カバーを加熱するヒータあるいは前記保護カバーの温度を検出する第１の工程と、
前記ヒータに接続されたコントローラが前記温度検出手段の検出した温度情報をもとに、前記保護カバーが前記反応後のプロセスガスより生成される反応副生成物の堆積が抑制される温度となるように制御する第２の工程と、
を備えたことを特徴とする気相成長方法。

本発明によれば、チャンバ内における気相成長中の副生成物の発生を抑制することで気相成長装置の稼働率の向上と、気相成長反応時のプロセス条件を安定化するようにして高品質のウェハを高い稼働率で製造できる新規の気相成長装置および気相成長方法を提供することが可能である。

以下、本発明の実施をするための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態）
この実施形態の気相成長装置および気相成長方法を、図１ないし図３に基づいて順を追って説明する。また、従来例の図５と同一部分は同一符号を付して重複する説明については省略する。

チャンバ１０１に供給するプロセスガスの供給流量の設定は、たとえばキャリアガス：Ｈ_２を２０〜１００ＳＬＭ（Standard Liter per Minutes・標準リットル毎分）、反応性ガス：ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を５０ｓｃｃｍ（standard
cubic centimeter per minutes・標準cc毎分）〜２ＳＬＭと設定し、その他のドーパントガス：ジボラン（B_２H_６）またはホスフィン（PH_３）を微量だけ加えるよう設定する。そのようにジボランを導入すればｐ型、ホスフィンを導入すればｎ型の導電性を示す膜が形成される。そしてチャンバ１０１内の圧力をたとえば１３３３Ｐａ〜常圧に制御する。以上の条件を満たし、気相成長を開始する。

一般に、気相成長装置のチャンバ１０１内壁は、ステンレス製の筐体を露出させないように保護カバー１０２で全面を被覆している。これは、ウェハ１０６表面の結晶膜形成時のパーティクルや金属汚染、あるいはチャンバ１０１のステンレス製の筐体の侵食を防ぐためである。
また、ウェハ１０６を支持するサセプタ１０７はサセプタ支持部１０７ａを介して回転機構に接続されている。

上述のプロセス条件でウェハ１０６が気相成長反応を行う間、ヒータ１０８はウェハ１０６を常に１０００℃以上に加熱するため、チャンバ１０１内の温度は輻射熱によって全体的に高くなり、ヒータ１０８に接近した箇所や、熱の輻射を受けやすいチャンバ１０１上部において特に顕著になる。

チャンバ１０１全体の温度があまりに高くなってしまうと、チャンバ１０１のフランジ部１０９をシールしているパッキン１１０や、排気部１０５と排気配管を連結しているフランジ部１１１のシールをしているパッキン１１２を劣化させる。ここで用いるパッキン類（Ｏリングなどを含む）は、フッ素ゴム製のもので、耐熱温度は約３００℃である。

このときパッキン１１０、１１２の劣化を抑制するため、チャンバ１０１外周および下部に設けた冷却水の流路１０３ａ、bに水温約２０℃の冷却水を循環させることで、熱の輻射を受けやすいチャンバ１０１上部、パッキン１１０、１１２などは冷却水の循環により冷却され、装置の稼動に良好な温度に保たれる。また、このときの冷却手段は水以外でも良く、空気など、装置から効果的に熱を奪うことが出来るものであれば良い。

しかしながら保護カバー１０２は、たとえば石英ガラスあるいはセラミックスなどの加熱されにくい材質で構成されており、さらに保護カバー１０２のうちヒータ１０８などの高温部から距離が離れている、チャンバ１０１の下部に位置しているなど、ヒータ１０８の輻射熱の影響を受けにくい部分では冷却水からの影響をより強く受け低温部になり、問題となる副生成物が発生する。具体的にはチャンバ１０１下部の排気部１０５付近の壁面を覆う保護カバー１０２ａや、その下部１０２ｂ、図２および図３に示すチャンバ１０１内下面を被覆している円形の保護カバー１０２ｃなどの部分が冷却されることで、気相成長反応後のプロセスガスによる副生成物が発生し、堆積する。気相成長反応後のプロセスガスから生じる副生成物は、反応性ポリシロキサン（Si_xH_2x+2-yCl_ｙ但しｙ≦2x+2）であり、その性質は、概ね１００℃以下の環境に気相成長後のプロセスガスが晒されると発生、堆積するものであるとされている。

このような状態になると排気部１０５の近傍の保護カバー１０２a、bとサセプタ１０７の外周との間に形成される排気経路の断面積が減少するとともに、排気部１０５の排気口の断面積が減少し、チャンバ１０１内に導入する気相成長反応に必要なプロセスガスの流量、流速の変化、排気部１０５の排気圧力の上昇などが起こり、高品質のウェハの生産に必要なプロセス条件を満たせなくなる。

また、堆積する反応性ポリシロキサンは発火、爆発などの危険性があり、外気に触れると硬化する性質も持つ。このためメンテナンス時に除去するのにも慎重な作業が必要になり、かつ時間も要する。よって、この装置自体の稼働率低下の原因として問題になる。

この問題を解決するため、保護カバー１０２ａ、b、cに覆われているヒータ１１３ａ、b、cで保護カバー１０２a、b、cを加熱する。またこの保護カバー１０２ａ、b、cには熱電対１１４ａ、b、cがそれぞれヒータ１１３ａ、b、cと同様に保護カバー１０２ａ、b、cに覆われており、保護カバー１０２ａ、b、cあるいはヒータ１１３ａ、b、cの温度を検出する。
なお、このときの温度の検出には熱電対を設けたが、熱電対に限らず正確に温度を検出できるものであれば、サーミスタ、サーモスタットなどを採用しても良い。

また、ヒータ１１３および熱電対１１４はチャンバ１０１内に露出させないように、保護カバー１０２によって覆われているため、チャンバ内部の金属汚染やパーティクルの発生源にはならず、さらにプロセスガスに晒されることもなく、温度の検出を正確に行うことが出来る。

このとき、保護カバー１０２への副生成物の堆積を抑制し、かつパッキン１１０、１１２を劣化させない範囲に保護カバー１０２の温度を調整するため、コントローラ１１５が稼動する。コントローラ１１５は保護カバー１０２に設けられているヒータ１１３と熱電対１１４に接続されており、熱電対１１４の検出する温度情報をもとにヒータ１１３を設定した温度になるように出力を制御し、保護カバー１０２を１００℃から２００℃の範囲に収まるよう調整する。この範囲であれば保護カバー１０２への副生成物の堆積を抑制することが出来、また近接して設けられているパッキン１１０、１１２を劣化させるおそれもない。

図４はこの実施形態の気相成長方法のフローチャートを示す。
チャンバ１０１を冷却しながら、チャンバ１０１内において反応ガスを含むプロセスガス雰囲気下でウェハ１０６を加熱処理することでウェハ１０６表面に結晶膜を形成し、反応後のプロセスガスをチャンバ１０１から排気する気相成長方法において、
チャンバ１０１内を被覆する保護カバー１０２ａ、b、cに覆われた温度検出手段１１４ａ、b、cが、保護カバー１０２ａ、b、cを加熱するヒータ１１３ａ、b、cあるいは保護カバー１０２ａ、b、cの温度を検出する温度検出工程（Ｓ１０１）、ヒータ１１３ａ、b、cに接続されたコントローラ１１５が温度検出手段１１４ａ、b、cの検出した温度情報をもとにヒータ１１３ａ、b、cの出力を制御して、保護カバー１０２ａ、b、cが設定した温度になるように制御する温度制御工程（Ｓ１０２）という一連の工程を継続的に繰り返して実施する。この方法によれば、チャンバ１０１内に副生成物が堆積されるのを抑制し、気相成長に用いたプロセスガスの排気を円滑にすることができる。

上述したように、本発明は従来から問題となっていたチャンバ内における反応後のプロセスガスから生じる副生成物の堆積を抑制し、メンテナンスの頻度を低減させることによりメンテナンス作業の労力を軽減させるとともに、装置の稼働率を向上させることが出来る。ひいては、プロセス条件を安定化させることにより高品質のウェハを生産可能にすることにも繋がる。

また、本発明の実施形態において気相成長反応のプロセス条件として反応性ガスにジクロロシランを挙げたが、発明者の実施の経験からジクロロシランを使用した場合がシラン（ＳｉＨ_４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）を使用した場合に比べ、より多量の副生成物を発生させることが分かっており、最もその効果が顕著に表れる例として取り上げた。

本発明の、チャンバ内の保護カバーの低温部を加熱して副生成物の堆積を抑制する装置を稼動させながら操業したときに必要なメンテナンスの頻度と、図５に示した従来の装置を操業させるのに必要なメンテナンスの頻度を比較すると、稼動条件によっても左右されるが、本発明の装置は概ね３ヶ月に１回程度の実施で済み、従来の装置では概ね１ヶ月に１回程度実施が必要となる。よって、本発明の装置ではメンテナンス作業の頻度を約３分の１程度に低減できる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、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。

本発明の実施形態における気相成長装置の断面模式図。本発明の実施形態におけるチャンバ内下部を示した平面模式図。本発明の実施形態におけるチャンバ内下部の断面模式図。本発明の気相成長方法を示したフローチャート。従来の気相成長装置を模式的に示した断面模式図。

符号の説明

１０１…チャンバ
１０２ａ、b、c…保護カバー
１０３ａ、b…冷却水の流路
１０４…供給部
１０５…排気部
１０６…ウェハ
１０７…サセプタ
１０８…ヒータ
１０９…フランジ部
１１０…パッキン
１１１…フランジ部
１１２…パッキン
１１３ａ、b、c…ヒータ
１１４ａ、b、c…熱電対
１１５…コントローラ

Claims

チャンバを冷却しながら、前記チャンバ内においてプロセスガス雰囲気下でウェハを加熱処理することで前記ウェハ表面に結晶膜を形成し、反応後のプロセスガスを前記チャンバ内から排気する気相成長方法において、
チャンバ内壁を被覆する保護カバーに覆われた温度検出手段が前記保護カバーを加熱するヒータあるいは前記保護カバーの温度を検出する第１の工程と、
前記ヒータに接続されたコントローラが前記温度検出手段の検出した温度情報をもとに、前記保護カバーが前記反応後のプロセスガスより生成される反応副生成物の堆積が抑制される温度となるように制御する第２の工程と、
を備えたことを特徴とする気相成長方法。
前記プロセスガスは、シラン、ジクロルシラン、及びトリクロルシランの少なくともいずれかを含み、前記ウェハを１０００℃以上で加熱処理することを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。