JP5750339B2 - 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の裏面より加熱しながら表面に反応ガスを供給して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。
近年、半導体装置の低価格化、高性能化の要求に伴い、成膜工程における高い生産性と共に、膜厚均一性の向上など高品質化が要求されている。
このような要求を満たすため、枚葉式の気相成長装置が用いられている。枚葉式の気相成長装置においては、例えば、反応室内において、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。
このような成膜工程において、ウェーハ上のみならず、ウェーハの支持部材であるホルダ上にも反応生成物が堆積する。そして、反応室内に反応生成物のダストが飛散して、ウェーハを汚染し、歩留りが低下するという問題が生じる。そこで、反応室内が定期的にエッチングされ、堆積した反応生成物が除去される。
反応室内のエッチングは、例えばホルダ上に１００〜数１００μｍの反応生成物が堆積するなど、反応室内の状況を考慮した上で定期的に行われる。その際、通常、反応室内を降温させ、成膜処理されたウェーハを搬出し、反応室内を昇温させた後、エッチングガスが導入される。
そして、エッチングガスの導入から目視で反応生成物が除去されてホルダ上の色が変わるまでの時間が求められ、これに確実に反応生成物を除去するためのオーバーエッチングの時間を加えた時間が、予めエッチング時間として見積もられる。
しかしながら、目視での終点検出では必ずしも正確であるとはいえず、反応室内の状況が頻繁に変わる環境では、その都度時間の見積もりが必要になる。また、オーバーエッチングにより、例えばＳｉＣからなるホルダがエッチングによるダメージを受けるという問題がある。さらに、生産性向上の観点から、エッチング時間の短縮が要求されている。
そこで、本発明は、反応室内に堆積した反応生成物をエッチングにより除去する際、エッチング終点を正確に検出し、反応室内のダメージを抑え、歩留り、生産性を向上させること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。
本発明の気相成長方法は、反応室内にウェーハを導入して、支持部上に載置し、支持部の下方に設けられたヒータにより加熱し、ウェーハが所定温度となるようにヒータの出力を制御し、ウェーハを回転させ、ウェーハ上にプロセスガスを供給することにより、ウェーハ上に成膜し、反応室より前記ウェーハを搬出し、反応室内にエッチングガスを供給して、反応室内に堆積した反応生成物をエッチングにより除去し、前記反応生成物が除去されて、前記支持部の表面が露出するときに現れる、ヒータの出力が所定量に制御されるときの支持部上の温度である第１の温度の第１の特有の形、又は第１の温度が所定温度となるように制御されるヒータの出力の第２の特有の形を検出することにより、エッチング終点とすることを特徴とする。
また、本発明の一態様の気相成長方法において、成膜時に、ウェーハの温度である第２の温度を検出し、第２の温度に基づき前記ヒータの出力を制御し、成膜が終了した後、検出される温度を第１の温度に切り替え、第１の温度に基づきヒータの出力を制御することが好ましい。
また、本発明の一態様の気相成長方法において、反応室を昇温させながら、エッチングガスを供給することが好ましい。
本発明の一態様の気相成長装置は、ウェーハが導入される反応室と、反応室にプロセスガスおよびエッチングガスを供給するためのガス供給部と、反応室よりガスを排出するためのガス排出部と、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制御部と、反応室を所定の温度に加熱するためのヒータと、支持部の第１の温度を検出するための第１の温度検出部と、ウェーハの第２の温度を検出するための第２の温度検出部と、エッチングガスの供給によって支持部の表面の反応生成物が除去されて、支持部の表面が露出したときに現れるヒータの出力が所定量に制御されるときの第１の温度の第１の特有の形、又は第１の温度が所定温度となるように制御されるヒータの出力の第２の特有の形を検出することにより、エッチング終点を検出するエッチング終点検出機構と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、反応室内に堆積した反応生成物をエッチングにより除去する際、エッチング終点を正確に検出し、反応室内のダメージを抑え、歩留り、生産性を向上させ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に本実施形態の気相成長装置の断面図を示す。図１に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、必要に応じてその内壁を覆うように石英カバー１１ａが設けられている。
図１に本実施形態の気相成長装置の断面図を示す。図１に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、必要に応じてその内壁を覆うように石英カバー１１ａ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１２と接続されたガス供給口１２ａ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、ガスを排出し、反応室１１内の圧力を一定（例えば常圧）に制御するためのガス排出部１３と接続されたガス排出口１３ａが設置されている。
ガス供給口１２ａ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１４が設けられている。
そして、整流板１４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からなる環状のホルダ１５が設けられている。ホルダ１５は、回転部材であるリング１６上に設置されている。リング１６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制御部１７と接続されている。
リング１６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１８、アウトヒータ１９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２０と接続されている。そして、これらインヒータ１８、アウトヒータ１９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２１が設置されている。さらに、インヒータ１８及びリフレクタ２０を貫通するように、ウェーハｗの下面を支持し、ウェーハｗを上下に移動させる突き上げピン２２が設けられている。
反応室１１の上部には、ウェーハｗの中心部及び周縁部と、ホルダ１５の温度分布を検出するための温度検出部である放射温度計２３ａ、２３ｂ、２３ｃが設置されており、温度制御部２０と接続されている。
このような半導体製造装置を用いて、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。
図２にフローチャートを示す。先ず、ロボットハンド（図示せず）などにより、反応室１１にウェーハｗを搬入し、突き上げピン（図示せず）上に載置し、突き上げピンを下降させることにより、ホルダ１５上に載置する（Ｓｔｅｐ １）。
そして、それぞれ温度制御部２０により、放射温度計２３ａ、２３ｂで測定されるウェーハｗの温度が例えば１１００℃となるように、インヒータ１８、アウトヒータ１９を例えば１５００〜１６００℃となるようにヒータ出力を制御して、加熱するとともに、回転制御部１７により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させる（Ｓｔｅｐ ２）。
そして、ガス供給制御部１２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１４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、例えばＨ２ガスなどの希釈ガスにより所定の濃度（例えば２．５％）に希釈され、例えば５０ＳＬＭで供給される。
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１３ａよりガス排出部１３を介して排出され、反応室１１内の圧力が一定（例えば常圧）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る（Ｓｔｅｐ ３）。そして、反応室１１を例えば８００℃まで降温させた後、反応室１１からウェーハｗが搬出される（Ｓｔｅｐ ４）。
このように、成膜が繰り返されることにより、ホルダ１５上には図３に部分拡大図を示すように、反応生成物２４が堆積する。そこで、反応生成物２４が所定厚、例えば１００〜数１００μｍ程度堆積したと判断された時点で、反応生成物２４をエッチングにより除去する。
先ず、例えばＳｉＣからなるダミーウェハｗｄを反応室１１内に搬入し、ホルダ１５上に載置する（Ｓｔｅｐ ５）。そして、検出される温度を、放射温度計２３ａ、２３ｂで測定されるウェーハｗの温度から、放射温度計２３ｃで測定されるホルダ１５の温度に切り替える（Ｓｔｅｐ ６）。エッチングガスとして、ＨＣｌが、例えばＨ２ガスなどの希釈ガスにより所定の濃度に希釈されて供給される（Ｓｔｅｐ ７）。例えば、図４に温度と時間の関係を示すように、エッチングガスを３分間フローさせた後、エッチングガスを流しながら、放射温度計２３ｃで測定されるホルダの温度を、例えば１００℃／ｍｉｎ程度で上昇させるように、温度制御部２０により、インヒータ１８、アウトヒータ１９のヒータ出力を制御して、例えば１１５０℃まで昇温させる（Ｓｔｅｐ ８）。
このようにして、ホルダ１５上に堆積した反応生成物がエッチングにより除去されるが、ホルダ１５が露出したとき、所定の温度に制御するためのヒータ出力が、例えば図５にヒータ出力と時間の関係の部分拡大図を示すように、特有の形（例えば、一定、或いはリニアに変動していた出力が、一旦急下降して急上昇する）に変化する。そこで、温度制御部２０において、上述した特有の形となるヒータ出力変動を検出し（Ｓｔｅｐ ９）、エッチング終点とする。その後、反応室１１を降温させ、ダミーｗｄを搬出する（Ｓｔｅｐ １０）。
このような特有の形は、ホルダ１５上に堆積した反応生成物が除去されたとき、放射温度計２３ｃにより検出されるホルダ１５の温度（検出される波長強度）が変動することに起因すると考えられる。このとき、より温度変動を正確に検出するために、放射温度計として、異なる波長の強度比で温度を検出する二色温度計を用いることが好ましい。
このように、本実施形態によれば、ホルダ上に堆積した反応生成物が除去されたときに検出されるホルダの温度変動により、エッチング終点が正確に検出されるため、オーバーエッチングによる反応室内のダメージを抑えることが可能となるとともに、エッチング時間を短縮することが可能となる。従って、反応室内の反応生成物が確実に除去されるために、歩留りを向上させることができ、反応室内のダメージ抑制により、メンテナンス頻度を低下させるとともに、エッチング時間の短縮により、生産性を向上させることが可能となる。
なお、本実施形態において、ヒータ出力変動を検出しているが、図６に温度と時間の関係の部分拡大図を示すように、ヒータ出力を段階的に上げる、又は一定として、温度変動自体を検出してもよい。
また、本実施形態において、従来のように、反応室１１内を所定温度まで昇温した後にエッチングガスを流すのではなく、昇温しながらエッチングガスを流すことにより、エッチング時間を短縮させることができる。これは、エッチングレートは昇温に伴い増大するが、昇温の途中で飽和すると考えられる。そのため、昇温しながらエッチングガスを流しても、ある程度のエッチングレートが得られることから、トータルでのエッチング時間を短縮させることができる。
なお、昇温しながらのエッチングでは、エッチングレートが変動するため、予めエッチング終点に達する時間を正確に予測することは困難であるが、本実施形態においては、終点に到達したことが検出されるため、エッチングレートが変動しても問題がない。
なお、本実施形態においては、環状のホルダ１５を用い、エッチング時にはホルダ１５上にダミーウェハｗｄを載置したが、支持部として円板状のサセプタを用いる場合は、ダミーウェハｗｄを載置する必要はない。
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、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、例えばＳｉＯ２層やＳｉ３Ｎ４層などの絶縁層の形成時にも同様に適用することも可能である。また、本実施形態は、例えば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…反応室
１１ａ…石英カバー
１２…ガス供給部
１２ａ…ガス供給口
１３…ガス排出部
１３ａ…ガス排出口
１４…整流板
１５…ホルダ
１６…リング
１７…回転制御部
１８…インヒータ
１９…アウトヒータ
２０…温度制御部
２１…リフレクタ
２２…突き上げピン
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…放射温度計
２４…反応生成物
１１ａ…石英カバー
１２…ガス供給部
１２ａ…ガス供給口
１３…ガス排出部
１３ａ…ガス排出口
１４…整流板
１５…ホルダ
１６…リング
１７…回転制御部
１８…インヒータ
１９…アウトヒータ
２０…温度制御部
２１…リフレクタ
２２…突き上げピン
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…放射温度計
２４…反応生成物
Claims (4)
- 反応室内にウェーハを導入して、支持部上に載置し、
前記支持部の下方に設けられたヒータにより加熱し、前記ウェーハが所定温度となるように前記ヒータの出力を制御し、
前記ウェーハを回転させ、前記ウェーハ上にプロセスガスを供給することにより、前記ウェーハ上に成膜し、
前記反応室より前記ウェーハを搬出し、
前記反応室内にエッチングガスを供給して、前記反応室内に堆積した反応生成物をエッチングにより除去し、
前記反応生成物が除去されて、前記支持部の表面が露出するときに現れる、前記ヒータの出力が所定量に制御されるときの前記支持部上の温度である第１の温度の第１の特有の形、又は前記第１の温度が所定温度となるように制御される前記ヒータの出力の第２の特有の形を検出することにより、エッチング終点とすることを特徴とする気相成長方法。 - 成膜時に、前記ウェーハの温度である第２の温度を検出し、
前記第２の温度に基づき前記ヒータの出力を制御し、
前記成膜が終了した後、検出される温度を前記第１の温度に切り替え、
前記第１の温度に基づき前記ヒータの出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。 - 前記反応室を昇温させながら、前記エッチングガスを供給することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気相成長方法。
- 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およびエッチングガスを供給するためのガス供給部と、
前記反応室よりガスを排出するためのガス排出部と、
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制御部と、
前記反応室を所定の温度に加熱するためのヒータと、
前記支持部の第１の温度を検出するための第１の温度検出部と、
前記ウェーハの第２の温度を検出するための第２の温度検出部と、
前記エッチングガスの供給によって前記支持部の表面の反応生成物が除去されて、前記支持部の表面が露出したときに現れる、前記ヒータの出力が所定量に制御されるときの前記第１の温度の第１の特有の形、又は前記第１の温度が所定温度となるように制御される前記ヒータの出力の第２の特有の形を検出することにより、エッチング終点を検出するエッチング終点検出機構と、
を備えることを特徴とする気相成長装置。
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