JP5750328B2 - 気相成長方法及び気相成長装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば半導体ウェーハに成膜を行うために用いられる気相成長方法及び気相成長装置に関する。
例えば、成膜工程に用いられる枚葉式の気相成長装置において、反応室内で、ウェーハを９００ｒｐｍ以上で高速回転しながら、プロセスガスを供給し、ヒータを用いて裏面より加熱する裏面加熱方式により、ウェーハ上に成膜が行われる。
このような成膜が行われる際、余剰のプロセスガスや、反応副生成物などは、真空ポンプを用いて反応室から排出される。このとき、反応室と真空ポンプ間に設けられたスロットルバルブにより、反応室内が所定の圧力になるように調整される。
このようにスロットルバルブによる圧力制御が行われることにより、安定して圧力調整を行うことができるが、その一方で、真空ポンプは常に全負荷状態で稼働されるため、電力消費が増大するという問題がある。
真空ポンプの電力消費を抑制するために、真空ポンプの回転数を制御して圧力調整を行うと、反応室内の圧力が高い場合には、ポンプの回転数が低下し、圧力調整が不安定となる。特に、シリコンのエピタキシャル成長に用いられる蒸気圧の高いＨ２などを排気する場合、排気性能が大きく低下するという問題がある。
そこで、本発明は、真空ポンプの電力消費を抑えるとともに、安定した圧力調整が可能な気相成長方法及び気相成長装置を提供することを目的とするものである。
本発明の気相成長装置は、ウェーハが導入される反応室と、反応室にプロセスガスを供給するためのガス供給部と、ウェーハを載置する支持部と、ウェーハを回転させるための回転駆動部と、ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、反応室と接続され、反応室から排出される排気ガスの流量を制御する第１のバルブと、第１のバルブの下流側に設けられ、排気ガスを排出する第１のポンプと、反応室のガス排出口と第１のバルブとの間に設けられ、第１のバルブの一次側の圧力である第１の圧力を検出する第１の圧力計と、第１のバルブと第１のポンプとの間に設けられ、第１のバルブの二次側の圧力である第２の圧力を検出する第２の圧力計と、第１の圧力に基づき、第１のバルブを制御する第１の圧力制御部と、プロセスガスが反応室に供給されている間、第１の圧力と第２の圧力の比率に基づき、第１のポンプの稼働量を制御する第２の圧力制御部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の一態様の気相成長装置において、第２の圧力制御部により、第２の圧力が第１の圧力の半分以下となるように、前記稼働量が制御されることが好ましい。
また、本発明の一態様の気相成長装置は、ウェーハを反応室に搬送する搬送室と、搬送室と接続され、搬送室から排出される排気ガスの流量を制御する第２のバルブと、第２のバルブの下流側に設けられ、排気ガスを排出する第２のポンプと、搬送室のガス排出口と第２のバルブとの間に設けられ、第２のバルブの一次側の圧力である第３の圧力を検出する第３の圧力計と、第２のバルブと第２のポンプとの間に設けられ、第２のバルブの二次側の圧力である第４の圧力を検出する第４の圧力計と、第３の圧力に基づき、第２のバルブを制御する第３の圧力制御部と、第３の圧力と第４の圧力の比率に基づき、第２のポンプの稼働量を制御する第４の圧力制御部と、を備えることが好ましい。
また、本発明の一態様の気相成長装置は、排気ガスが、Ｈ２を含むとき、好適に用いられる。
本発明の一態様の気相成長方法は、反応室内にウェーハを導入して所定の温度に制御し、ウェーハ上にプロセスガスを供給し、反応室に接続された排気側のバルブを調整しながらポンプを稼働させ、バルブの一次側の圧力に対する、バルブとポンプ間の圧力であるバルブの二次側の圧力の比率に基づき、ポンプの稼働量を制御して、反応室より排気を行うことにより、反応室を所定の圧力に制御する、ことを特徴とする。
本発明によれば、真空ポンプの電力消費を抑えるとともに、安定した圧力調整が可能となる。
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に本実施形態の気相成長装置の構成を示す。図１に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室（チャンバー）１１と、反応室１１からの排気ガスの流量を制御するスロットルバルブ１２、例えばスクリューロータを回転させることにより排気ガスを排出するドライポンプ（真空ポンプ）１３が順次接続されている。
図１に本実施形態の気相成長装置の構成を示す。図１に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室（チャンバー）１１と、反応室１１からの排気ガスの流量を制御するスロットルバルブ１２、例えばスクリューロータを回転させることにより排気ガスを排出するドライポンプ（真空ポンプ）１３が順次接続されている。
そして、反応室１１とスロットルバルブ１２との間には、反応室の圧力を検出する圧力計１４ａが設けられ、スロットルバルブ１２とドライポンプ１３との間には、スロットルバルブ１２の二次側（ドライポンプ１３の一次側）の圧力を検出する圧力計１４ｂがそれぞれ設けられている。
さらに、スロットルバルブ１２と圧力計１４ａと接続され、スロットルバルブ１２の開度を制御する圧力制御部１５ａと、圧力計１４ａ、１４ｂと、ドライポンプ１３と接続され、スクリューロータの回転数を制御する圧力制御部１５ｂが設けられている。なお、圧力制御部１５ａ、１５ｂは一体化されていてもよい。
図２に反応室１１の構成を断面図で示す。ウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、必要に応じてその内壁を覆うように石英カバー２１ａが設けられている。
反応室１１の上部には、ソースガス、キャリアガスを含むプロセスガスを供給するためのガス供給部２２と接続されたガス供給口２２ａが設けられている。そして、反応室１１下方には、例えば２か所に、上述したスロットルバルブ１２を介して、ドライポンプ１３と接続されるガス排出口２３が設置されている。
ガス供給口２２ａの下方には、供給されたプロセスガスを整流して供給するための微細貫通孔を有する整流板２４が設けられている。
そして、整流板２４の下方には、ウェーハｗを載置するための支持部である、例えばＳｉＣからなるサセプタ２５が設けられている。サセプタ２５は、回転部材であるリング２６上に設置されている。リング２６は、ウェーハｗを所定の回転速度で回転させる回転軸を介して、モータなどから構成される回転駆動部２７と接続されている。
リング２６内部には、ウェーハｗを加熱するための、例えばＳｉＣからなるインヒータ２８、アウトヒータ２９から構成されるヒータが設置されており、それぞれ所定の昇降温速度で所定の温度となるように制御する温度制御部（図示せず）と接続されている。そして、これらインヒータ２８、アウトヒータ２９から下方への熱を反射し、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３０が設置されている。
このような気相成長装置を用いて、以下のように例えばφ２００ｍｍのウェーハｗ上に、Ｓｉエピタキシャル膜が形成される。
先ず、反応室１１にウェーハｗを搬入し、サセプタ２５上に載置する。そして、インヒータ２８、アウトヒータ２９を、それぞれ温度制御部により例えば１５００〜１６００℃とすることにより、ウェーハｗが例えば１１００℃となるように加熱するとともに、回転駆動部２７により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させる。
そして、ガス供給部２２により流量が制御されて混合されたプロセスガスが、整流板２４を介して、整流状態でウェーハｗ上に供給される。プロセスガスは、例えばソースガスとして、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）が３ＳＬＭ、例えば希釈ガスとしてＨ２ガスが１５０ＳＬＭとなるように供給される。
一方、余剰となったプロセスガス、反応副生成物などからなる排出ガスは、ガス排出口２３より排出される。
このとき、圧力制御部１５ａによりスロットルバルブ１２の開度を制御することにより、流量調整されるとともに、ドライポンプ１３によりドライポンプ１３のスクリューロータの回転数が制御され、ドライポンプ１３の稼働量が制御される。そして、圧力計１４ａで検出される反応室１１内の圧力Ｐ１が、例えば９３．３ｋＰａ、圧力計１４ｂで検出されるスロットルバルブ１２とドライポンプ１３との間の圧力（ドライポンプの一次側の圧力）Ｐ２が、例えば４５．３ｋＰａとなるように制御される。
通常、ドライポンプ１３のスクリューロータの回転数は全負荷状態で一定であり、スロットルバルブ１２を制御することにより、所望の圧力が得られる。しかしながら、本実施形態のように、反応室１１内の圧力が常圧に近い場合、排気能力としてはかなり余裕のある状態となり、過剰に電力消費することになる。
一方、ドライポンプ１３のスクリューロータの回転数を低下させることにより、過剰なドライポンプ１３の稼働による電力消費を抑制することができる。しかしながら、ポンプの回転数が低下し過ぎると、圧力調整が不安定となる。特に、本実施形態のように、キャリアガスとして蒸気圧の高いＨ２などを用いる場合、排気性能が大きく低下する。
ドライポンプの一次側の圧力：Ｐ２は、反応室の圧力：Ｐ１の半分以下であれば、排気能力として十分である。そこで、Ｐ２をＰ１の半分以下、すなわち、
Ｐ２≦Ｐ１／２
となるようにドライポンプ１３を制御することにより、反応室１１内の安定した圧力調整が可能となるとともに、スクリューロータの回転数（ドライポンプの稼働量）を抑えることできる。
Ｐ２≦Ｐ１／２
となるようにドライポンプ１３を制御することにより、反応室１１内の安定した圧力調整が可能となるとともに、スクリューロータの回転数（ドライポンプの稼働量）を抑えることできる。
このようにして、ウェーハｗ上に所定の膜厚のＳｉエピタキシャル膜が形成された後、反応室１１よりウェーハｗが搬出される。
このように、本実施形態によれば、ドライポンプの一次側の圧力に基づきドライポンプの稼働量を抑えることにより、成膜の際のドライポンプの電力消費を、例えば全負荷状態の時と比較して１割程度抑えることができるとともに、反応室内の安定した圧力調整が可能となる。
（実施形態２）
本実施形態においては、実施形態１と同様の気相成長装置が用いられるが、成膜の条件をより低圧としている。
本実施形態においては、実施形態１と同様の気相成長装置が用いられるが、成膜の条件をより低圧としている。
すなわち、実施形態１と同様に、ウェーハｗを反応室１１に搬入し、サセプタ２５上に載置した後、ウェーハｗが例えば１１００℃となるように加熱するとともに、回転駆動部２７により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させる。
そして、ガス供給部２２により流量が制御されて混合されたプロセスガスが、整流板２４を介して、整流状態でウェーハｗ上に供給される。プロセスガスは、例えばソースガスとして、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）が０．３ＳＬＭ、例えば希釈ガスとしてＨ２ガスが７０ＳＬＭとなるように供給される。
一方、余剰となったプロセスガス、反応副生成物などからなる排出ガスは、ガス排出口２３より排出される。
このとき、圧力制御部１５ａによりスロットルバルブ１２の開度を制御することにより、流量調整されるとともに、ドライポンプ１３によりドライポンプ１３のスクリューロータの回転数が制御され、ドライポンプ１３の稼働量が制御される。そして、圧力計１４ａで検出される反応室１１内の圧力Ｐ１が、例えば４０．０ｋＰａ、圧力計１４ｂで検出されるスロットルバルブ１２とドライポンプ１３との間の圧力Ｐ２が、例えば１８．７ｋＰａとなるように制御される。
このようにして、ウェーハｗ上に所定の膜厚のＳｉエピタキシャル膜が形成された後、反応室１１よりウェーハｗが搬出される。
このように、本実施形態によれば、反応室内の圧力が４０ｋＰａ程度と比較的低圧であっても、ドライポンプの一次側の圧力に基づきドライポンプの稼働量を抑えることにより、成膜の際のドライポンプの電力消費を、例えば全負荷状態の時と比較して１割程度抑えるとともに、反応室内の安定した圧力調整が可能となる。
（実施形態３）
本実施形態においては、実施形態１と同様の気相成長装置が用いられるが、反応室にウェーハを搬送する搬送室においても同様に圧力制御が行われている。
本実施形態においては、実施形態１と同様の気相成長装置が用いられるが、反応室にウェーハを搬送する搬送室においても同様に圧力制御が行われている。
図３に本実施形態の気相成長装置の構成を示す。図３に示すように、反応室３１ａ、３１ｂと、搬入出室３２ａ、３２ｂが、それぞれゲートバルブ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを介して搬送室３４と接続されている。さらに、搬入出室３２ａ、３２ｂには、前工程からウェーハｗを搬送するウェーハカセット３５ａ、３５ｂと接続されるゲートバルブ３３ｅ、３３ｆが設けられている。
搬入搬出室３２ａ、３２ｂの外部（大気中）、及び搬送室３４の内部には、それぞれウェーハｗを搬送するハンドラー３６ａ、３６ｂが設けられている。
反応室３１ａ、３１ｂ、搬送室３４、搬入出室３２ａ、３２ｂには、それぞれ排気ガスの流量を制御するスロットルバルブ３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅ、及び例えばスクリューロータを回転させることにより排気ガスを排出するドライポンプ（真空ポンプ）３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｅが設けられている。そして、反応室３１ａ、３１ｂ、搬入出室３２ａ、３２ｂ、搬送室３４内の圧力を検出する圧力計３９ａ１、３９ｂ１、３９ｃ１、３９ｄ、３９ｅが設けられている。
反応室３１ａ、３１ｂ、搬送室３４には、さらに、それぞれスロットルバルブ３７ａ、３７ｂ、３７ｃの二次側（ドライポンプ３８ａ、３８ｂ、３８ｃの一次側）を検出する圧力計３９ａ２、３９ｂ２、３９ｃ２が設けられている。
そして、反応室３１ａには、実施形態1と同様に、スロットルバルブ３７ａと圧力計３９ａ１と接続され、スロットルバルブ３７ａの開度を制御する圧力制御部４０ａ１と、圧力計３９ａ１、３９ａ２と、ドライポンプ３８ａと接続され、スクリューロータの回転数を制御する圧力制御部４０ａ２が設けられている。また、反応室３１ｂには、スロットルバルブ３７ｂと圧力計３９ｂ１と接続された圧力制御部４０ｂ１と、圧力計３９ｂ１、３９ｂ２と、ドライポンプ３８ｂと接続された圧力制御部４０ｂ２が設けられている。
さらに、搬送室３４には、スロットルバルブ３７ｃと圧力計３９ｃ１と接続された圧力制御部４０ｃ１と、圧力計３９ｃ１、３９ｃ２と、ドライポンプ３８ｃと接続された圧力制御部４０ｃ２が設けられている。
なお、圧力制御部４０ａ１、４０ａ２、圧力制御部４０ｂ１、４０ｂ２、圧力制御部４０ｃ１、４０ｃ２は、それぞれ一体化されていてもよい。
このような気相成長装置を用いて、以下のようにウェーハｗ上に成膜処理が行われる。
予め、搬送室３４には、ＭＦＣ（Mass Flow Controller）（図示せず）よりＨ２が５ＳＭＬ供給され、圧力計３９ｃ１により測定される搬送室３４の圧力が９３．３ｋＰａとなるように制御されるとともに、圧力計３９ｃ２で測定されるスロットルバルブ３７ｃの二次側（ドライポンプ３８ｃの一次側）の圧力がそれぞれ４５．３ｋＰａとなるように制御されている。
以下、反応室３１ａ、搬入出室３２ａについて説明するが、反応室３１ｂ、搬入出室３２ｂについても、同様に制御される。
先ず、ウェーハｗが、ウェーハカセット３５ａからハンドラー３６ａにより取り出され、ノッチ合せの後、ゲートバルブ３３ｅを開け、圧力計３９ｅにより測定される圧力が、予め大気圧（１０１．３ｋＰａ）状態に制御された搬入出室３２ａに搬送される。
ゲートバルブ３３ｅを閉じ、搬入出室３２ａを真空にした後、９３．３ｋＰａとなるようにＨ２を供給する。
ゲートバルブ３３ｃを開け、ウェーハｗがハンドラー３６ｂにより搬送室４３に搬送され、ゲートバルブ３３ｃを閉じる。そして、ゲートバルブ３３ａを開け、ウェーハｗは、ハンドラー３６ｂにより予め圧力が９３．３ｋＰａとなるように制御された反応室３１ａに搬送され、ゲートバルブ３３ａを閉じる。
このようにして反応室３１ａに搬送されたウェーハｗは、実施形態１、２と同様に成膜処理された後、ゲートバルブ３３ａを開け、搬送室３４、搬入出室３２ａを経て搬出される。
このように、本実施形態によれば、搬送室においても、実施形態１、２と同様に、ドライポンプの一次側の圧力に基づきドライポンプの稼働量を抑えることにより、搬送室に設けられたドライポンプの電力消費を、例えば全負荷状態の時と比較して１割程度抑えるとともに、搬送室内の安定した圧力調整が可能となる。
これら実施形態によれば、反応室や搬送室における真空ポンプの消費電力を抑えるとともに、安定した圧力調整が可能となり、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安定して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。
本実施形態においては、Ｓｉエピタキシャル膜形成の場合を例に挙げたが、その他、ＳｉＣなどの化合物半導体についても、同様に適用することができる。また、本実施形態は、例えばＧａＮ、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなど化合物半導体のエピタキシャル層や、ポリＳｉ層や、例えばＳｉＯ２層やＳｉ３Ｎ４層などの絶縁膜の成膜時にも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。
１１、３１ａ、３１ｂ…反応室
１２、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅ…スロットルバルブ
１３、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ…ドライポンプ
１４ａ、１４ｂ、３９ａ１、３９ａ２、３９ｂ１、３９ｂ２、３９ｃ１、３９ｃ２、３９ｄ、３９ｅ、…圧力計
１５ａ、１５ｂ、４０ａ１、４０ａ２、４０ｂ１、４０ｂ２、４０ｃ１、４０ｃ２…圧力制御部
２１ａ…石英カバー
２２…ガス供給部
２２ａ…ガス供給口
２３…ガス排出口
２４…整流板
２５…サセプタ
２６…リング
２７…回転駆動部
２８…インヒータ
２９…アウトヒータ
３０…リフレクタ
３２ａ、３２ｂ…搬入出室
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆ…ゲートバルブ
３４…搬送室
３５ａ、３５ｂ…ウェーハカセット
３６ａ、３６ｂ…ハンドラー
１２、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ、３７ｅ…スロットルバルブ
１３、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ…ドライポンプ
１４ａ、１４ｂ、３９ａ１、３９ａ２、３９ｂ１、３９ｂ２、３９ｃ１、３９ｃ２、３９ｄ、３９ｅ、…圧力計
１５ａ、１５ｂ、４０ａ１、４０ａ２、４０ｂ１、４０ｂ２、４０ｃ１、４０ｃ２…圧力制御部
２１ａ…石英カバー
２２…ガス供給部
２２ａ…ガス供給口
２３…ガス排出口
２４…整流板
２５…サセプタ
２６…リング
２７…回転駆動部
２８…インヒータ
２９…アウトヒータ
３０…リフレクタ
３２ａ、３２ｂ…搬入出室
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆ…ゲートバルブ
３４…搬送室
３５ａ、３５ｂ…ウェーハカセット
３６ａ、３６ｂ…ハンドラー
Claims (5)
- ウェーハが導入される反応室と、
前記反応室にプロセスガスを供給するためのガス供給部と、
前記ウェーハを載置する支持部と、
前記ウェーハを回転させるための回転駆動部と、
前記ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、
前記反応室と接続され、前記反応室から排出される排気ガスの流量を制御する第１のバルブと、
前記第１のバルブの下流側に設けられ、前記排気ガスを排出する第１のポンプと、
前記反応室のガス排出口と前記第１のバルブとの間に設けられ、前記第１のバルブの一次側の圧力である第１の圧力を検出する第１の圧力計と、
前記第１のバルブと前記第１のポンプとの間に設けられ、前記第１のバルブの二次側の圧力である第２の圧力を検出する第２の圧力計と、
前記第１の圧力に基づき、前記第１のバルブを制御する第１の圧力制御部と、
前記プロセスガスが前記反応室に供給されている間、前記第１の圧力と前記第２の圧力の比率に基づき、前記第１のポンプの稼働量を制御する第２の圧力制御部と、
を備えることを特徴とする気相成長装置。 - 前記第２の圧力制御部により、前記第２の圧力が前記第１の圧力の半分以下となるように、前記稼働量が制御されることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
- 前記ウェーハを前記反応室に搬送する搬送室と、
前記搬送室と接続され、前記搬送室から排出される排気ガスの流量を制御する第２のバルブと、
前記第２のバルブの下流側に設けられ、前記排気ガスを排出する第２のポンプと、
前記搬送室のガス排出口と前記第２のバルブとの間に設けられ、前記第２のバルブの一次側の圧力である第３の圧力を検出する第３の圧力計と、
前記第２のバルブと前記第２のポンプとの間に設けられ、前記第２のバルブの二次側の圧力である第４の圧力を検出する第４の圧力計と、
前記第３の圧力に基づき、前記第２のバルブを制御する第３の圧力制御部と、
前記第３の圧力と前記第４の圧力の比率に基づき、前記第２のポンプの稼働量を制御する第４の圧力制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置。 - 前記排気ガスは、Ｈ２を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
- 反応室内にウェーハを導入して所定の温度に制御し、
前記ウェーハ上にプロセスガスを供給し、
前記反応室に接続された排気側のバルブを調整しながらポンプを稼働させ、
前記バルブの一次側の圧力に対する、前記バルブと前記ポンプ間の圧力である前記バルブの二次側の圧力の比率に基づき、前記ポンプの稼働量を制御して、前記反応室より排気を行うことにより、前記反応室を所定の圧力に制御する、ことを特徴とする気相成長方法。
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