JP5814804B2 - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＳｉソースガスを用いて半導体ウェーハ上に成膜を行うために用いられる半導体製造装置および半導体製造方法に関する。

例えば、Ｓｉのエピタキシャル成長装置においては、反応室内にキャリアガスとしてＨ_２ガスを、ソースガスとしてＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスやＳｉＨＣｌ_３ガスなどを用い、これらを混合したガスがプロセスガスとして供給される。そして、ウェーハ温度を例えば１１００℃程度とし、水素還元反応によりＳｉをウェーハ上にＳｉをエピタキシャル成長させる。

この際、反応室内のサセプタなどの部材に堆積したポリシリコンなどの反応副生成物を除去する。このため、定期的にＨＣｌガスなどの塩素系ガスを用いたクリーニング（エッチング処理）が行われる。このとき、反応室内には反応副生成物としてＳｉ−Ｈ−Ｃｌの重合体が生成され、排気口付近で冷却されて、オイリーシラン（反応性ポリシロキサン）として堆積する。

このように堆積したオイリーシランは、排気系の閉塞を防ぐために、通常、定期的に行われる反応室のメンテナンスの際に除去される。しかしながら、大気開放の際に、表面が大気中の水分と反応して、Ｈ_２ガス、ＨＣｌガスを発生するという問題がある。

特開２００８−１１２９１９号公報（請求項１など）

オイリーシランは、反応室が大気開放されると、表面が大気中の水分と反応してＨ_２ガス、ＨＣｌガスを発生するものの、表面がＳｉＯ_２となって固化し、それ以上の反応は抑えられる。垂直面においては、堆積したオイリーシランは殆どＳｉＯ_２となって固化するので問題ない。

しかし、水平面においてオイリーシランがある程度溜まると、オイリーシランを剥離する際、固化部分の下層の未反応のオイリーシランが、激しく反応する。このため、Ｈ_２ガスの発火、爆発の危険性がある。特に、大気開放頻度が低く、オイリーシランが溜まりやすい枚葉式のエピタキシャル成長装置において問題となる。

また、湿式、乾式で大気開放することなくオイリーシランの除去を行うことが検討されている。しかしながら、オイリーシランは表面が酸化すると下層への反応が抑制されるため、酸化と表面除去を繰り返し行う必要があり、スループットに影響するという問題がある。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、スループットを低下させることなく、オイリーシランの安全な除去が可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の半導体製造装置は、ガス供給口およびガス排出口を有し、ウェーハが導入される反応室と、反応室のガス供給口から反応室内にプロセスガスを供給するプロセスガス供給機構と、反応室内に設けられ、ウェーハを保持するウェーハ保持部材と、反応室内に設けられ、ウェーハ保持部材で保持されたウェーハを所定の温度に加熱するヒータと、ウェーハ保持部材をウェーハと共に回転させる回転駆動制御機構と、反応室のガス排出口から反応室内のガスを排出するガス排出機構と、反応室の外部に設けられるドレインと、反応室の底面に設けられ、少なくとも一部に傾斜面を有し、反応室の壁面から滴下するオイリーシランを受けドレインに逐次導入するオイリーシラン受け部と、を備える。

また、本発明の一態様の半導体製造方法は、反応室内にウェーハを導入し、ウェーハを所定温度で加熱し、ウェーハを回転させ、ウェーハ上にＳｉソースガスを含む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、余剰のプロセスガスを排出するとともに、成膜の過程で生成され、反応室の壁面から滴下されるオイリーシランを、反応室の底面に設けられ、少なくとも一部に傾斜面を有するオイリーシラン受け部において受け、このオイリーシラン受け部を介して、反応室の外部に設けられたドレインに逐次導入し、反応室の外側に排出する。

本発明の一態様によれば、半導体製造工程におけるスループットを低下させることなく、オイリーシランの安全な除去が可能となる。

本発明の実施形態１のエピタキシャル成膜装置の構造を示す断面図。 本発明の実施形態１のオイリーシラン受け部を示す上面図および斜視図。 本発明の実施形態２のエピタキシャル成膜装置の構造を示す断面図。 本発明の実施形態２のオイリーシラン受け部を示す上面図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に、本実施形態の半導体製造装置であるエピタキシャル成膜装置の断面図を示す。図に示すように、例えばφ２００ｍｍのウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、反応室１１上方より、トリクロロシラン、ジクロロシランなどのソースガスを含むプロセスガスなどを、所定の流量でウェーハｗ上に供給するためのガス供給機構１２と接続されたガス供給口１２ａが設置されている。反応室１１の内壁には、例えば石英からなり、反応室１１の清掃時には取り外し可能なライナー１１ａが設けられている。反応室１１下方には、例えば２箇所に、ガスを排出し、反応室１１内の圧力を一定（常圧）に制御するためのガス排出機構１３と配管接続されたガス排出口１３ａが配置されている。反応室１１の底部には、反応室１１の壁面から滴下されるオイリーシランを受け取り、誘導するオイリーシランの案内溝としてオイリーシラン受け部１４ａが設置されている。また、オイリーシラン受け部１４ａの底面にはオイリーシランを排出するオイリーシラン排出口１４ｂが形成されている。オイリーシラン排出口１４ｂには、オイリーシランを反応室１１の外に排出するドレイン１４ｃが接続されている。そして、ドレイン１４ｃの下方には、バルブ１４ｄを介してオイリーシランを溜めるタンク１４ｅが接続されている。

図２は、本実施形態のオイリーシラン受け部１４ａを示す図である。図２Ａにオイリーシラン受け部１４ａの上面図、図２Ｂにオイリーシラン受け部１４ａの斜視図をそれぞれ示す。図２Ａに示すように、ガス排出口１３ａの外周部から、反応室１１の外部にオイリーシランを導入する導入部であるオイリーシラン受け部１４ａは、回転軸１８ａの周囲に設けられている。このオイリーシラン受け部１４ａは、例えば鏡面加工されたＳＵＳ（Steel Use Stainless）で構成されている。また、上面側から見ると、オイリーシラン受け部１４ａには、ガス排出口１３ａとオイリーシラン排出口１４ｂが同一円周上で交互に等間隔で配置されている。

また、図２Ｂに示すように、オイリーシラン受け部１４ａは、オイリーシラン受け部１４ａ自体にオイリーシランが溜まらないように、頂部から底部に向かって傾斜したテーパを有している。そして、オイリーシラン受け部１４ａの一対の頂部にはガス排出口１３ａが設けられ、一対の底部にはオイリーシラン排出口１４ｂがそれぞれ設けられている。このため、壁面からオイリーシラン受け部１４ａに滴下されたオイリーシランは底部方向に誘導され、最も低い位置（底部）に設けられたオイリーシラン排出口１４ｂより排出される機構となっている。尚、オイリーシラン排出口１４ｂは、オイリーシラン受け部１４ａの底部ごとに設けられている。底部の数は例えば１〜４個の中で任意に変更可能であり、図２Ｂに示すようにガス排出口１３ａの数が２つの場合には底部の数も２つとすると好適である。

また、図２Ｂに示すように、２つのガス排出口１３ａの開口部分は、オイリーシラン受け部１４ａの頂部よりも上方に位置しているため、反応室１１の内壁からオイリーシラン受け部１４ａ上に滴下されたオイリーシランはガス排出口１３ａに入り込まない。そして、ガス排出口１３ａとガス排出機構１３を接続する配管は、オイリーシラン受け部１４ａの外周部下方に伸びている。

また、タンク１４ｅ内には、必要に応じてオイリーシラン量を検知する検知機構（図示せず）や、ガス排出用のポンプ（図示せず）などが設置される。

反応室１１上部には、ガス供給口１２ａから供給されたプロセスガスを、ウェーハｗ上に整流状態で供給するための整流板１５が設置されている。そして、その下方には、ウェーハｗを保持するための保持部材であるサセプタ１６が、回転部材であるリング１７上に設置されている。なお、保持部材は環状のホルダであってもよい。リング１７は、ウェーハｗを所定の回転速度で回転させる回転軸１８ａ、モータ（図示せず）などから構成される回転駆動制御機構１８と接続されている。

リング１７内部には、ウェーハｗを加熱するために、例えばＳｉＣからなるディスク状のヒータ１９が設置されている。なお、ヒータ１９には均一に加熱するために、パターンが形成されていてもよい。ヒータ１９としては、さらにウェーハｗ周縁部を加熱するための環状のヒータを用いてもよく、効率的に加熱するためのリフレクタを有していてもよい。

このように構成されるエピタキシャル成膜装置を用いて、例えば、φ２００ｍｍのＳｉ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、ウェーハｗが載置されたサセプタ１６を、リング１７上に載置する。そして、ウェーハｗの面内温度が均一に例えば１１００℃となるように、ヒータ１９の温度を１５００〜１６００℃に制御する。

そして、回転駆動制御機構１８により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させるとともに、プロセスガスを、ガス供給機構１２よりガス供給口１２ａを介して、整流板１５を介して整流状態でウェーハｗ上に供給する。プロセスガスは、例えばジクロロシラン濃度が２．５％となるように、Ｈ_２などの希釈ガスにより希釈され、例えば５０ＳＬＭで供給される。

余剰となったジクロロシラン、希釈ガスを含むプロセスガス、反応副生成物であるＨＣｌなどのガスは、サセプタ１６の外周より下方に排出される。さらに、これらのガスは、ガス排出口１３ａを介してガス排出機構１３より排出され、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Ｓｉエピタキシャル膜を成長させる。

このとき、ガス排出口１３ａの近傍の石英ライナー１１ａと反応室１１の内壁との間隙や、石英ライナー１１ａの内壁には、余剰のプロセスガスなどのガスより生成されたオイリーシランが堆積するが、ガス排出口１３ａの外周部に設置されたオイリーシラン受け部１４ａに滴下し、オイリーシラン排出口１４ｂ、ドレイン１４ｃ、バルブ１４dを経てタンク１４ｅに溜められる。

そして、タンク１４ｅ内に所定量のオイリーシランが溜まったことが検知機構（図示せず）で検知されると、バルブ１４dを閉にして、継手よりタンク１４ｅを分離する。そして、ドラフト内などの安全な環境下でオイリーシランを処理する。その際、発生するＨ_２、ＨＣｌなどのガスを回収して再利用することも可能である。

なお、反応室１１をメンテナンスする際、反応室１１の壁面などに堆積したオイリーシランは、大気開放時に殆どＳｉＯ_２となり固化するが、より安全性を向上させるために、予めＯ_２ガスを流し、ＳｉＯ_２とした上で、大気開放することが好ましい。固化したＳｉＯ_２は、他の堆積物（反応副生成物）とともに除去される。

本実施形態によれば、反応室１１外にオイリーシランを排出するドレイン１４ｃや排出されたオイリーシランを溜めるタンク１４ｅを設け、タンク１４ｅを反応室１１から分離して処理することにより、スループットを低下させることなく、オイリーシランの安全な除去が可能となる。

（実施形態２）
本実施形態において、実施形態１とエピタキシャル成膜装置の構成は同様であるが、排気を横方向とすることにより、オイリーシラン受け部を回転軸１８ａの周囲に複数個設けている点で実施形態１と異なっている。

図３に、本実施形態の半導体製造装置であるエピタキシャル成膜装置の断面図を示す。実施形態１と同様の構成であるが、反応室２１の下方壁面に、ガス排出機構２３と配管接続されたガス排出口２３ａが配置され、反応室２１の底面には、オイリーシラン受け部２４ａが設けられている。また、オイリーシラン受け部２４ａの下端にはオイリーシランを排出するオイリーシラン排出口２４ｂが形成されている。オイリーシラン排出口２４ｂには、オイリーシランを反応室２１の外に排出するドレイン２４ｃが接続されている。そして、ドレイン２４ｃの下方には、バルブ２４ｄを介してオイリーシランを溜めるタンク２４ｅが接続されている。

なお、オイリーシラン受け部２４ａは、オイリーシランが溜まらないように、オイリーシラン排出口２４ｂの口径が反応室２１の底面側の開口部分の口径より小さいテーパ形状を有することが好ましい。

このように構成されるエピタキシャル成膜装置を用いて、実施形態１と同様に、例えば、φ２００ｍｍのＳｉウェーハｗ上に、Ｓｉエピタキシャル膜が形成される。そして、実施形態１と同様に、成膜の際に生成され、堆積したオイリーシランは、オイリーシラン受け部２４ａ、オイリーシラン排出口２４ｂ、ドレイン２４ｃ、バルブ２４ｄを経て、タンク２４ｅに溜められた後、実施形態１と同様に処理され、同様にメンテナンスが行われる。

本実施形態によれば、実施形態１と同様に、反応室２１外にオイリーシランを排出するドレイン２４ｃや排出されたオイリーシランを溜めるタンク２４ｅを設け、タンク２４ｅを反応室２１から分離して処理することにより、スループットを低下させることなく、オイリーシランの安全な除去が可能となる。

これら実施形態によれば、半導体ウェーハにエピタキシャル膜などの高品質の膜を形成する半導体製造装置において、安全にメンテナンスを行うことが可能となる。また、安全性を向上させても、スループットを低下させることがない。このため、半導体ウェーハや、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において、高い生産性を得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、４０μｍ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を形成するためのエピタキシャル成膜装置として、好適に用いることができる。

また、これら実施形態においては、Ｓｉ単結晶層（エピタキシャル膜）形成の場合を説明したが、本実施形態は、ポリＳｉ層形成時にも適用することも可能である。また、例えばＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などＳｉ膜以外の成膜や、例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなど化合物半導体などにおいて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、２１…反応室
１２…ガス供給機構
１２ａ…ガス供給口
１３、２３…ガス排出機構
１３ａ、２３ａ…ガス排出口
１４ａ、２４ａ…オイリーシラン受け部
１４ｂ、２４ｂ…オイリーシラン排出口
１４ｃ、２４ｃ…ドレイン
１４ｄ、２４ｄ…バルブ
１４ｅ、２４ｅ…タンク
１５…整流板
１６…サセプタ
１７…リング
１８…回転駆動制御機構
１９…ヒータ

Claims (10)

1. ガス供給口およびガス排出口を有し、ウェーハが導入される反応室と、
   前記反応室の前記ガス供給口から前記反応室内にプロセスガスを供給するプロセスガス供給機構と、
   前記反応室内に設けられ、前記ウェーハを保持するウェーハ保持部材と、
   前記反応室内に設けられ、前記ウェーハ保持部材で保持された前記ウェーハを所定の温度に加熱するヒータと、
   前記ウェーハ保持部材を前記ウェーハと共に回転させる回転駆動制御機構と、
   前記反応室の前記ガス排出口から前記反応室内のガスを排出するガス排出機構と、
   前記反応室の外部に設けられるドレインと、
   前記反応室の底面に設けられ、少なくとも一部に傾斜面を有し、前記反応室の壁面から滴下するオイリーシランを受け前記ドレインに逐次導入するオイリーシラン受け部と、
   を備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記ガス排出口は、前記オイリーシラン受け部の上面から突出して設置されることを特徴とする請求項１の半導体製造装置。
3. 前記ガス排出口は、前記反応室の壁面の下部に設置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
4. 前記オイリーシラン受け部は、前記反応室の内壁面に沿って形成され、前記ガス排出口近傍を頂部として、この頂部から前記ドレインが設けられる底部に向かって下方に傾斜し、前記反応室の前記壁面より滴下された前記オイリーシランを前記ドレインへ誘導する案内溝を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
5. 前記オイリーシラン受け部は、複数個形成され、前記反応室の前記底面側の口径より前記ドレイン側の口径が小さいことを特徴とする請求項３に記載の半導体製造装置。
6. 前記ドレインに接続され、前記オイリーシランを溜めた状態で、前記反応室から分離可能なタンクを更に備えることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体製造装置。
7. 前記タンクの内部に溜められた前記オイリーシランの量を検知する検知機構を更に備えることを特徴とする請求項６の半導体製造装置。
8. 反応室内にウェーハを導入し、
   前記ウェーハを所定温度で加熱し、
   前記ウェーハを回転させ、前記ウェーハ上にＳｉソースガスを含む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、
   余剰のプロセスガスを排出するとともに、前記成膜の過程で生成され、前記反応室の壁面から滴下されるオイリーシランを、前記反応室の底面に設けられ、少なくとも一部に傾斜面を有するオイリーシラン受け部において受け、このオイリーシラン受け部を介して、前記反応室の外部に設けられたドレインに逐次導入し、前記反応室の外側に排出すること特徴とする半導体製造方法。
9. 前記オイリーシランが導入される前記ドレインに接続されたタンクを前記反応室から分離した後、前記オイリーシランを処理することを特徴とする請求項８に記載の半導体製造方法。
10. 前記タンクの内部に溜められた前記オイリーシランの量を検知し、前記検知した量に基づいて前記タンクを前記反応室から分離することを特徴とする請求項９に記載の半導体製造方法。

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