JP5661078B2 - 処理チャンバにおいて気相成長法によって半導体ウエハの上に層を堆積させるための方法および装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明
本発明は、処理チャンバにおいて、気相成長法によって半導体ウエハの上に層を堆積させるための方法および装置に関する。本発明は、特に、シリコンからなるエピタキシャル層を単結晶シリコンからなる半導体ウエハの上に堆積させること、およびこれに適した装置に関する。

半導体ウエハには、多くの場合、気相成長法によって生成される層が設けられる。半導体ウエハは、通常、層を堆積させる際に回転サセプタによって保持される。このサセプタは、処理チャンバ内に配置される。上方カバーおよび下方カバーは、処理チャンバの境界部を形成する。これらのカバーは、熱放射を伝達可能であり、放射エネルギを処理チャンバ内および半導体ウエハ上に伝達する。半導体ウエハは、層を堆積させるのに適した所定の温度に加熱される。処理チャンバはさらに、処理チャンバ内に処理ガスを導入し、処理チャンバから処理ガスおよび処理ガスの気体の生成物を排出するための接続部を側壁に有する。処理ガスは、被覆される半導体ウエハの側部領域の上に導入される。処理ガスは、堆積温度に加熱された半導体ウエハと接触すると分解され、所望の層が半導体ウエハの上に堆積される。

処理チャンバは、所定の間隔で洗浄する必要がある。なぜなら、たとえばサセプタの部品、上方カバーの内表面、または側壁の内側など、処理チャンバの内側において処理ガスの生成物の堆積を完全に防ぐことができないからである。洗浄は、たとえば気相エッチングによって行われる。

処理チャンバの洗浄中は、半導体ウエハを被覆させることができない。このため、処理チャンバの洗浄を行なう頻度をできる限り下げることに大きな関心が集まっている。

このような理由により、欧州特許第０８０８９１７Ａ１号においては、制御ループにおいて処理チャンバの壁の温度を狭い温度範囲に制御することが推奨されている。具体的には、外側から冷却ガスによって処理チャンバを冷却し、冷却ガスの流入を制御することによって壁の温度を目標の温度に制御することが提案されている。

米国特許出願公開第２００７／００４２１１７Ａ１号によれば、処理チャンバの上方カバーの温度と処理チャンバの下方カバーの温度とを互いに独立して制御することによって、処理チャンバの表面の温度の制御を拡張することができる。カバーの温度と被覆される基板の温度とを制御するために、高温計が使用され、とりわけ上方カバーの外表面における上方カバーの温度、下方カバーの外表面における下方カバーの温度、基板の前側の中心における基板の温度、および基板のサセプタの温度が測定される。制御ループはまた、上方および下方カバーに対して冷却ガスを導入する冷却システムを含む。

欧州特許第０８０８９１７Ａ１号 米国特許出願公開第２００７／００４２１１７Ａ１号

本発明の発明者は、たとえば処理チャンバのカバーの表面の温度を慎重に制御したとしても欠陥が起こり得ることを発見し、このような欠陥によって、堆積された層の特徴が影響を受ける、または事実として処理チャンバを比較的頻繁に洗浄することが必要となる。

このため、本発明の目的は、このような欠陥の発生に対する改善策を提案することにある。

この目的は、上方カバーと下方カバーとを有する処理チャンバにおいて気相成長法によって半導体ウエハの上に層を堆積させる方法によって達成され、方法は、半導体ウエハの前面側の温度を測定するステップと、半導体ウエハを堆積温度に加熱するステップと、処理チャンバの上方カバーの温度を目標温度に制御するステップとを備える。上方カバーの温度は、上方カバーの外表面の中心において測定され、上方カバーの温度を制御するための制御ループの制御変数における実際の値として使用される。方法はさらに、処理チャンバを介して導入される、層を堆積させるための処理ガスのガス流量を設定するステップと、処理チャンバの上方カバーの温度を目標温度に制御する間に、堆積温度に加熱された半導体ウエハの前面側に層を堆積させるステップとを備える。

本発明においては、上方カバーの外表面の中心における上方カバーの温度を測定し、上方カバーの温度を目標温度に制御する制御ループにおける制御変数の実際の値としてこの測定温度を用いる。この目標温度は、最適な温度範囲内に選択されるのが好ましい。最適な温度範囲は、処理ガスの生成物が上方カバーの内表面に堆積する速度が、最適な温度範囲に隣接する温度範囲における速度よりも低い温度範囲を指す。上方カバーの実際の温度は、カバーの外表面の中心において測定されるため、たとえば欧州特許第０８０８９１７Ａ１号に開示される位置よりも離れた位置となる。

本発明は、処理ガスの生成物による上方カバーの内表面の被覆が、上方カバーの中心から離れた位置よりも上方カバーの中心位置において時間的に遅く始まるという事実を考慮に入れている。処理チャンバの上方カバーおよび下方カバーは、一般に石英ガラスからなる。この材料は、熱放射を伝達可能であり、比較的低い熱伝導性を有する。後者の特徴により、上方カバーの外表面の位置で測定される温度は、この位置での処理ガスの生成物の堆積による上方カバーの内表面の被覆に大きく依存する。

このため、上方カバーの内表面において、処理ガスの生成物の堆積によって測定結果が損なわれる可能性が最も低い位置で上方カバーの温度を測定するのと有利である。この位置は、上方カバーの外表面の中心である。上方カバーの外表面の中心における温度の測定結果を制御変数の実際の値として用いることにより、初期における上方カバーの内表面の被覆にかかわらず、上方カバーの温度の制御によって上方カバーの温度が目標温度に実際に対応または実質的に対応し、最適な温度範囲に保たれることを保証する。結果として、洗浄の必要が生じるまで、長い期間にわたって処理チャンバを使用して気相成長によって半導体ウエハの上に層を堆積させることができるという効果がある。上方カバーの温度が異なる位置で測定された場合は、処理チャンバの洗浄を２回行う場合の間隔を短くせざるを得ない。

好ましくは、処理チャンバを洗浄する前に、少なくとも１つの追加の層が、少なくとも１つの追加の半導体ウエハの上に堆積される。処理チャンバの洗浄は、気相エッチングによって行なわれるのが好ましい。

本方法の１つの好ましい構成によれば、上方カバーの目標温度は、層を堆積するために設定された処理ガスのガス流量と相関するように選択される。

これは、上方カバーの内表面に対する冷却効果を処理ガスが有しているためである。この結果、およびカバーの材料の熱伝導性が低いことから、上方カバーの内表面と外表面とのに大きな温度差が生じ得る。上方カバーの外表面で測定された温度は、上方カバーの材料が温度の急速な均等化を許容する熱伝導性を有する場合よりも高くなる。目標温度を選択する際に処理ガスの冷却効果を考慮に入れなければ、上方カバーの温度を制御する手段を取ったとしても、カバーの内表面の温度が最適な温度範囲から外れてしまい、結果として処理チャンバをより頻繁に洗浄しなければならなくなる。

本方法のさらに好ましい構成によれば、処理チャンバを洗浄した後に、半導体ウエハに堆積した材料の量が全厚さとして記録され、処理チャンバは、材料の堆積が規定の全厚さに達した場合にのみ再度洗浄される。堆積された材料の規定の全厚さは、処理チャンバを２回洗浄する間に半導体ウエハの上に堆積された層の厚さの合計に対応する。

さらに、半導体ウエハの前面側の温度とサセプタの後方側の温度との間に差があるために望ましいと考えられる場合、特に、処理チャンバを洗浄した後に最初に行われる堆積の際の初期の温度差が５℃より大きく変化した場合、洗浄の後に堆積した材料の規定の全厚さにかかわらず処理チャンバを再度洗浄するための条件を設けることができる。このような温度差の変化は、処理ガスの生成物が上方カバーの内表面における上方カバーの中心にも堆積したことを示す指標と見なすことができる。このような堆積によって、半導体ウエハの前面側における半導体ウエハの温度の測定結果が乱れる。実の温度を下回る温度が示される。前面側の温度の測定結果が、想定される堆積温度に対応する温度を示す場合、既に半導体ウエハの温度は高過ぎる状態となっている。サセプタの後方側の温度の測定結果は、上方カバーの内表面の堆積によって損なわれることはなく、サセプタの後方側の実の温度を示す。半導体ウエハの前面側で測定された温度と比較したこの温度の増加は、上方カバーの内表面の汚染が増大していることを表わす。

本方法のさらなる好ましい構成によれば、シリコンからなるエピタキシャル層が、単結晶シリコンからなる半導体ウエハの上に気相成長法によって堆積され、たとえばトリクロロシランと水素との混合気体が処理ガスとして用いられる。

シリコンからなるエピタキシャル層の堆積には、以下の表に示される処理パラメータが選択されるのが好ましい。

ガス流量は、上記の表において、層を堆積させるために設定される処理ガスのガス流量を示す。

目標温度が、上記の表における値から外れて最適温度範囲の下限を下回る温度に設定された場合、処理ガスの生成物は、白色の堆積物として、より急速に上方カバーの内表面に堆積し、処理チャンバの洗浄をより頻繁に行なう必要がある。

目標温度が、上記の表における値から外れて最適温度範囲の上限を超える温度に設定された場合、処理ガスの生成物は、茶色の堆積物として、より急速に上方カバーの内表面に堆積し、処理チャンバの洗浄をより頻繁に行う必要がある。

好ましくは、シリコンからなる少なくとも１つの追加のエピタキシャル層が、単結晶シリコンからなる少なくとも１つの追加の半導体ウエハの上に堆積され、最後に行われた処理チャンバの洗浄から半導体ウエハの全体に堆積した材料の量が記録される。処理チャンバは、エピタキシャルに堆積したシリコンの全厚さ、すなわち堆積した材料の規定の全厚さが５０μｍ以上である場合、好ましくは８０μｍ以上である場合にのみ、最後に行われた洗浄の後に再度洗浄される。

上記の目的は、気相成長法によって半導体ウエハの上に層を堆積するための装置によって同じく実現される。装置は、上方カバーおよび下方カバーならびに上方カバーの外表面の中心において上方カバーの温度を測定する第１のセンサを含む処理チャンバと、第１のセンサによって測定された温度を実際の温度として用いて上方カバーの温度を所定の目標温度に制御するための制御部とを含む。

本発明の一実施形態に係る、気相成長法によって半導体ウエハの上に層を堆積させるための装置を示す概略図である。

処理チャンバの好ましい実施形態の詳細は、図面を参照して以下でより具体的に説明される。図面は、本発明の重要な構成要素を簡易な態様で示す。

処理チャンバ１は、実質的に対称に構成され、リアクタ空間を囲う上方カバー２、下方カバー３、および側壁４を含む。リアクタ空間においては、半導体ウエハが気相成長法によって被覆される。被覆される半導体ウエハ５は、リアクタ空間に配置されるサセプタ６によって保持される。半導体ウエハを所定の堆積温度に加熱するための放射加熱システム７および８は、上方カバー２の上方および下方カバー３の下方に配置される。さらに、処理チャンバの側壁４を介して処理チャンバ内に処理ガスを導入し、処理チャンバから処理ガスのガス生成物および処理ガスを排出するための接続部９および１０が設けられる。処理チャンバはさらに、上方カバー２および下方カバー３を冷却するための冷却システムを含む。冷却システムは、たとえば、上方および下方カバーに対して冷却ガスを導くファン１８や、カバーと接触して加熱された冷却ガスから熱を取り除く熱交換器１１などがある。冷却ガスの動きの方向は、矢印で示される。冷却システムは、処理チャンバの上方カバーの温度を制御するための制御ループの駆動装置として作用する。センサ１２は、制御ループの測定要素を形成する。センサ１２は、上方カバー２の温度を非接触の状態で測定することを補助する高温計であるのが好ましい。上方カバーの温度を所定の目標温度に制御する制御部１９は、センサ１２によって測定された温度と目標温度との差に応じてファン１８の動力に変化を与える。制御ループは、特に、処理チャンバのハウジングにおける漏れの結果として引き起される乱れを対象としている。このような漏れが容易に起こる位置は、図面において点線の円で強調されている。

センサ１２は、上方カバーの外表面の中心における上方カバー２の温度が測定されるように、本発明に係る態様で配置されている。この温度は、制御ループの制御変数を構成する。センサ１２は、所定の目標温度と比較される実際の温度を得られるようにする。

目標温度は、データメモリ１５によって規定されるのが好ましい。データメモリ１５には、複数の温度値が記憶され、それぞれの温度値には、半導体ウエハの上に層を堆積する際の処理ガスのガス流量が割り当てられる。データメモリ１５は、層を堆積するために設定されるガス流量に対して割り当てられる目標温度としての温度値を規定する。

装置は、測定ユニット１６を含むのが好ましい。測定ユニット１６は、最後に行われた処理チャンバの洗浄から半導体ウエハの上にどれくらいの量の材料が堆積されたかを記録し、堆積された材料の規定の全厚さを記録した後に、処理チャンバの次の洗浄を開始する信号を発生する。

センサ１３は、半導体ウエハの前面側における半導体の温度を測定するために設けられる。半導体ウエハの前面側は、層が堆積される側の領域である。さらに、センサ１４が設けられる。このセンサ１４は、サセプタ６の後方側の温度を測定する。センサ１３および１４は、高温計として同様に例示されるのが好ましく、制御部２０によって半導体ウエハの温度を制御するための制御ループの一部である。センサ１３は、前面側の中心における半導体ウエハの前面側の温度を測定するように配置される。

装置はまた、比較ユニット１７を含むのが好ましい。この比較ユニット１７は、制御部２０と統合され、センサ１３および１４によって測定された温度を比較し、半導体ウエハの前面側のセンサ１３によって測定された温度と半導体ウエハを保持するサセプタの後方側のセンサ１４によって測定された温度とが初期の温度差から５℃より大きく変化した場合に処理チャンバの次の洗浄を開始する信号を発生する。初期の温度差は、次の洗浄の直前に行なわれる処理チャンバの洗浄の後における最初の堆積の際に発生する。

制御部１９および２０、データメモリ１５、測定ユニット１６、および比較ユニット１７もまた、設置制御システムの部分とすることができる。

Claims (9)

1. 上方カバーと下方カバーとを有する処理チャンバにおいて気相成長法によって半導体ウエハの上に層を堆積する方法であって、該方法は、前記半導体ウエハの前面側の温度を測定するステップと、前記半導体ウエハを堆積温度に加熱するステップと、前記処理チャンバの前記上方カバーの温度を目標温度に制御するステップとを備え、前記上方カバーの温度は、前記上方カバーの外表面の中心において測定され、前記上方カバーの温度を制御するための制御ループにおける制御変数の実際の値として使用され、前記方法はさらに、前記処理チャンバを介して導入される、層を堆積させるための処理ガスのガス流量を設定するステップと、前記処理チャンバの前記上方カバーの温度を前記目標温度に制御した状態で、前記堆積温度に加熱された前記半導体ウエハの前面側に層を堆積するステップとを備え、前記目標温度は、前記処理ガスの設定されたガス流量と相関するように選択される、方法。
2. 少なくとも１つの追加の層が少なくとも１つの追加の半導体ウエハの上に堆積され、最後に行われた処理チャンバの洗浄から半導体ウエハの上に堆積された材料の量が記録され、前記処理チャンバは、材料の堆積が規定の全厚さに達した場合にのみ、前記最後に行われた洗浄の後に再度洗浄される、請求項１に記載の方法。
3. 前記温度は、前記半導体ウエハを保持するサセプタの後方側において測定され、少なくとも１つの追加の層が少なくとも１つの追加の半導体ウエハの上に堆積され、前記処理チャンバの次の洗浄の直前に行なわれる前記処理チャンバの洗浄の後に最初の堆積が行われる際の初期温度差と比較して、前記半導体ウエハの前面側における温度と前記サセプタの後方側における温度との温度差が５℃より大きく変化した場合、堆積された材料の規定の全厚さにかかわらず前記処理チャンバの次の洗浄が開始される、請求項２に記載の方法。
4. 前記半導体ウエハが単結晶シリコンからなり、前記堆積された材料がエピタキシャルに堆積されたシリコンである場合において、前記堆積された材料の規定の全厚さは５０μｍ以上である、請求項２または請求項３に記載の方法。
5. シリコンからなるエピタキシャル層が単結晶シリコンからなる半導体ウエハの上に堆積され、前記処理ガスの設定されたガス流量が４５ｓｌｍから５５ｓｌｍの範囲にある場合、前記目標温度は５１０℃から５３０℃の範囲に選択され、前記処理ガスの設定されたガス流量が５６ｓｌｍから６５ｓｌｍの範囲にある場合、前記目標温度は５２５℃から５４５℃の範囲に選択され、前記処理ガスの設定されたガス流量が６６ｓｌｍから８０ｓｌｍの範囲にある場合、前記目標温度は５４０℃から５６０℃に選択される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 気相成長法によって半導体ウエハの上に層を堆積するための装置であって、該装置は、上方および下方カバーならびに上方カバーの外表面の中心において前記上方カバーの温度を測定する第１のセンサを含む処理チャンバと、前記第１のセンサによって測定された温度を実際の温度として用いて前記上方カバーの温度を所定の目標温度に制御する制御部とを備える、装置。
7. データメモリを備え、該データメモリにおいては、複数の温度値が記憶され、これらの温度値は前記半導体ウエハの上に層を堆積する際の処理ガスのガス流量に対してそれぞれ割り当てられ、前記データメモリは、前記層を堆積するために設定されるガス流量に対して割り当てられる目標温度として温度値を設定する、請求項６に記載の装置。
8. 測定ユニットを備え、前記測定ユニットは、最後に行われた前記処理チャンバの洗浄から半導体ウエハの上にどのくらいの量の材料が堆積されたかを記録し、堆積された材料の規定の全厚さを記録した後に、前記最後に行われた洗浄に続く前記処理チャンバの次の洗浄を開始する信号を発生する、請求項６または７に記載の装置。
9. 前記半導体ウエハの前面側における前記半導体ウエハの温度を測定する第２のセンサと、前記半導体ウエハを保持するサセプタの後方側における温度を測定する第３のセンサと、前記処理チャンバの次の洗浄の直前に行なわれた処理チャンバの洗浄の後の最初の堆積の際に存在する初期温度差から、前記第２のセンサによって測定された温度と前記第３のセンサによって測定された温度との温度差が５℃より大きく外れている場合、前記処理チャンバの次の洗浄を開始する信号を発生する比較ユニットとを備える、請求項６または請求項７に記載の装置。