JP6796652B2 - ＳｉＣエピタキシャル成長炉系における三フッ化塩素クリーニング残渣除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、化学的気相成長法（以下、「ＣＶＤ」という。）によりＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長炉とその排気配管とを含むＳｉＣエピタキシャル成長炉系を三フッ化塩素ガスによりクリーニングした後に排気配管内に付着残留する三フッ化塩素クリーニング残渣を除去する三フッ化塩素クリーニング残渣除去方法に関する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、ケイ素（Ｓｉ）に比べて、バンドギャップの広さ、絶縁破壊電界強度、熱伝導率などの物性値の点で優れているため、近年、半導体パワーデバイスの材料として注目されている。このような半導体素子に用いられるＳｉＣエピタキシャルウエハは、通常、ＳｉＣバルク単結晶基板上にＣＶＤによりＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させることによって製造される。

具体的には、エピタキシャル成長炉内に処理対象である基板を保持したサセプタを配置し、Ｓｉ供給用の原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）やトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）等のシラン系ガスを、Ｃ供給用の原料ガスとしてプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）等の炭化水素系ガスをそれぞれ成長炉内に導入するとともに、基板温度をエピタキシャル成長に必要な成長温度にまで加熱して、基板上にＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させるというものである。成膜処理が終わった処理済みガスは成長炉に設けられた排気配管を通じて系外に排出される。

ここで、ＣＶＤにより生成されたＳｉＣは、基板表面だけでなく、エピタキシャル成長炉の内面やサセプタ表面、排気配管の内面にも付着堆積する。このため、成膜工程が終わった段階で、エピタキシャル成長炉及び排気配管を含むエピタキシャル成長炉系を定期的にクリーニングして、これらの堆積物を除去する必要があった。

特公平３−４８２６８号公報 特公平６−６３０９７号公報 特許第４６６２０３４号公報

このようなクリーニング方法には様々な方法があるが、本発明者らは、プラズマを使用しないノンプラズマクリーニングとして高いクリーニング能力を有する三フッ化塩素（ＣｌＦ_３）ガスを使用してＳｉＣエピタキシャル成長炉系をクリーニングすることを検討した。

しかしながら、ＳｉＣエピタキシャル成長炉系を三フッ化塩素ガスによりクリーニングした場合、エピタキシャル成長炉の内部は十分にクリーニングされるものの、排気配管中にクリーニング後の残渣（本明細書において「三フッ化塩素クリーニング残渣」という。）が付着残留するという問題が生じた。本発明者らが調べたところ、これは、主に両者の素材の相違に起因することが分かった。すなわち、耐熱性が要求されるエピタキシャル成長炉は表面ないし接ガス面をＳｉＣでコーティングした部材を用いることが多いのに対し、そこまでの耐熱性が求められない排気配管は例えばステンレスを用いることが多く、これが三フッ化塩素クリーニング残渣を吸着しやすいという性質を有していたからである。

このような三フッ化塩素クリーニング残渣を除去する方法として、出願人は過去に特許文献１及び２を提案している。特許文献１に記載のものは、クリーニング終了後の処理操作系に全体が分子状態にある水素を流し、この水素分子で三フッ化塩素クリーニング残渣を除去するというものである。また、特許文献２に記載のものは、クリーニング終了後の処理操作系にシラン、ホスフィン、アルシン等の水素含有化合物のガスを流して、この水素含有化合物で三フッ化塩素クリーニング残渣を除去するというものである。

しかし、特許文献１及び２の従来技術はいずれも、三フッ化塩素ガスによるクリーニング終了後に第２のクリーニングガスとしてＨ_２又はＳｉＨ_４等を流すというものであり、実質的にクリーニングを２回行うに等しいため、クリーニングプロセスに時間を要し、ウエハの製造効率が低下するという問題があった。このため、特許文献１及び２の従来技術は依然改良の余地があった。

本発明は、かかる課題を解決することを目的とするものであり、ＳｉＣエピタキシャル成長炉系を三フッ化塩素ガスによりクリーニングしたときに排気配管中に付着残留する三フッ化塩素クリーニング残渣を効率的に除去することができる方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ＳｉＣ成膜工程においてエピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入してＳｉＣの成膜を行うと、その過程で発生した水素分子や水素ラジカル等の水素系物質により排気配管中の三フッ化塩素クリーニング残渣を除去できることを見出した。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、以下のような方法を採用したことを特徴とする。

すなわち、本発明は、ＳｉＣ成膜を行うエピタキシャル成長炉とその排気配管とを含むＳｉＣエピタキシャル成長炉系を三フッ化塩素ガスによりクリーニングした後の排気配管内の三フッ化塩素クリーニング残渣を除去する方法であって、三フッ化塩素ガスによるクリーニング終了後、ＳｉＣ成膜工程においてエピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素ガスを導入することによりＳｉＣの成膜を行うとともに、その処理済みガスを排気配管を通じて排出することにより同排気配管内の三フッ化塩素クリーニング残渣を除去することを特徴とするものである。

塩化水素は熱分解し難く、１８００℃で０．２２％程度しか分解しないとされている。しかし、Ｓｉと共存させることによりＳｉＨＣｌ_３等への変換が進行するとともに、Ｈ_２が発生する。具体的には、ＳｉＣ成膜工程においてエピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素ガスを導入してＳｉＣの成膜を行うと、以下のような反応により、ＳｉＨＣｌ_３とともに、副次的にＨ_２が発生する。
Ｓｉ＋３ＨＣｌ→ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２

このうち、ＳｉＨＣｌ_３はＳｉＣ膜のエピタキシャル成長に不可欠の物質であるが、Ｈ_２自体は成膜には直接関与しない。しかし、特許文献１に示すとおり、Ｈ_２分子はフッ素系汚染物質を除去できるため、このＨ_２分子によって三フッ化塩素クリーニング残渣を同じプロセスの中で除去することができる。

なお、上記の反応式ではＨ_２の発生しか示されていないが、ＳｉＣ成膜の過程で水素ラジカルや水素イオン等の活性種の発生も考えられる。このような活性種であってもフッ素系汚染物質を除去できることは、特許文献１の従来技術欄（第２欄第５〜最終行）に記載されているとおりである。したがって、本発明における三フッ化塩素クリーニング残渣の除去は、必ずしもＨ_２分子による場合のみに限定されるものではない。

このように、本発明では、ＳｉＣ成膜工程においてエピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素ガスを導入してＳｉＣの成膜を行うことにより水素分子や水素ラジカル等の水素系物質が発生するので、これによって排気配管中の三フッ化塩素クリーニング残渣を同じプロセスの中で除去することができる。言い換えれば、三フッ化塩素ガスによりＳｉＣエピタキシャル成長炉系をクリーニングした後、別のクリーニングガスにより三フッ化塩素クリーニング残渣を除去する必要がないため、クリーニングプロセスに要する時間を短縮することができ、ウエハの製造効率を上げることができる。

以上に加えて、本発明ではさらにＳｉＣ膜のエピタキシャル成長自体を促進することできるというメリットもある。特許文献３の段落［００４５］に記載されているとおり、ＳｉＣエピタキシャル成長の原料ガス中にＨＣｌを混合することにより膜成長が促進されるからである。したがって、本発明は、この点でもウエハの生産性を向上させることができる。

以上のとおり、本発明によれば、ＳｉＣ成膜工程においてエピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素ガスを導入してＳｉＣ成膜を行うという簡単な方法によって、排気配管内に付着残留した三フッ化塩素クリーニング残渣を除去することができるので、クリーニング時間を短縮できるとともに、ＳｉＣ膜のエピタキシャル成長自体を促進することできるという効果を奏する。
この結果、ウエハの生産性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明は、三フッ化塩素ガスによるクリーニング終了後、ＳｉＣ成膜工程において、エピタキシャル成長炉内に、ＳｉＣ成膜に必要な原料ガスとともに塩化水素ガスを導入するというものである。

本発明に使用されるＣＶＤ装置は、主に、原料ガスを供給する原料ガス供給配管系と、膜形成を行うエピタキシャル成長炉と、膜形成終了後の処理済みガスを排出する排気配管系とを有する。

エピタキシャル成長炉の内部には、処理対象である基板を保持するためのサセプタが配置されており、加熱コイルやハロゲンランプ、赤外線ランプ等の加熱手段により成膜に必要な温度にまで加熱されるようになっている。

エピタキシャル成長炉の素材は特に限定されないが、一例として、表面ないし接ガス面をＳｉＣでコーティングした部材を挙げることができる。また、排気配管の素材としては、一例としてステンレス製のものを挙げることができるが、それ以外のものであってもよい。ステンレス以外の素材としては、例えばＮｉ合金や、ステンレスのフッ素樹脂コーティング、カーボンコーティングといった素材でも本発明が好適に適用できる。

原料ガスとしては、ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させるものであれば特に限定されないが、好ましくは、Ｓｉ供給用の原料ガスとして、モノシラン（ＳｉＨ_４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）等のシラン系ガスを挙げることができる。また、Ｃ供給用の原料ガスとして、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ネオペンタン（Ｃ_５Ｈ_１２）等の炭化水素系ガスを挙げることができる。このうち、Ｓｉ供給用の原料ガスとしてはモノシランガスが好ましく、Ｃ供給用の原料ガスとしてはプロパンガスが好ましい。本発明においては、さらにドーパントを添加するためにドーピングガスを供給してもよい。

本発明では、ＳｉＣ成膜工程において、エピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素ガスを導入する。エピタキシャル成長炉内に塩化水素ガスを導入する方法は特に限定されない。成長炉の上流で予め両者を混合して成長炉内に供給してもよいし、別々の経路で成長炉に供給し、成長炉内で両者を混合してもよい。

以上のようなＣＶＤ装置を使用して基板上にＳｉＣ膜を形成する。それには、サセプタに基板を装着し、原料供給配管を通して原料ガスを供給するとともに、加熱手段により基板を成長温度（一例としては１４００〜１８００℃。ＳｉＣ成膜を促進する観点からは１５００〜１８００℃がさらに好ましい）まで加熱する。また、必要に応じて炉内圧力やガス流量等の他の成膜条件についても適宜調整する。このようにして基板表面に原料ガスを接触させることで、基板表面にＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させることができる。成膜処理が終了した処理済みガスないし排ガスは排気配管を通じて排出する。

ＳｉＣ成膜工程が終了すると、ＣＶＤにより生成されたＳｉＣは、基板表面だけでなく、エピタキシャル成長炉の内面やサセプタ表面、排気配管の内面にも付着堆積する。そこで、成膜工程が終わった段階で、エピタキシャル成長炉及び排気配管を含むエピタキシャル成長炉系を適宜タイミングでクリーニングする。本発明では、かかる堆積物を三フッ化塩素ガスによってクリーニングする。

三フッ化塩素ガスによってクリーニングするに当たっては、成膜が完了した基板（ウエハ）を取り出した後、成長炉内に三フッ化塩素ガスを供給することによりクリーニングを行う。三フッ化塩素ガスは、適宜Ａｒ等の不活性ガスで希釈させて使用してもよい。三フッ化塩素によるクリーニング時の温度の一例としては４００℃以下である。但し、これに限定されない。

このように、クリーニングガスとして三フッ化塩素ガスを使用して、これをエピタキシャル成長炉及び排気配管内に流通させることにより、エピタキシャル成長炉内の堆積物は除去されることになる。しかし、他方で、排気配管の内部には新たに三フッ化塩素ガスによるクリーニングの結果生じた三フッ化塩素クリーニング残渣が付着する。特に排気配管がステンレス製の場合は、三フッ化塩素クリーニング残渣が付着しやすい。

しかし、本発明では、かかる三フッ化塩素クリーニング残渣は次回のＳｉＣ成膜工程において除去されることになる。このため、本発明では、必要な時間クリーニングガスを流した後、次のウエハの製造（ＳｉＣエピタキシャル膜の形成）に取り掛かる。すなわち、新たな基板を成長炉内に配置して次回の成膜の準備を行い、すべての準備が整った後、改めてエピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素ガスを導入して基板上にＳｉＣエピタキシャル膜を形成する。そして、成膜処理が終了した処理済みガスないし排ガスを排気配管を通じて炉外に排出する。

本発明では、このＳｉＣ成膜工程において水素分子や水素ラジカル等の水素系物質が副次的に発生する。この水素系物質を処理済みガスとともに排気配管に流すことにより、排気配管内の三フッ化塩素クリーニング残渣が除去されることになる。除去された三フッ化塩素クリーニング残渣は、排気配管の下流に設けられた除害装置において無害化されてから、系外に排出されることになる。

このように、本発明では、エピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素ガスを供給してＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させつつ、その成膜処理に使用した処理済みガスないし排ガスをそのまま排気配管に流すという簡単な方法により、前回のクリーニング時に排気配管内に付着残留した三フッ化塩素クリーニング残渣を除去することができる。

Claims (1)

1. ＳｉＣ成膜を行うエピタキシャル成長炉とそのステンレス製の排気配管であって接ガス面にステンレスが露出したものとを含むＳｉＣエピタキシャル成長炉系を三フッ化塩素ガスによりクリーニングした後の排気配管内の三フッ化塩素クリーニング残渣を除去する方法であって、
   三フッ化塩素ガスによるクリーニング終了後、ＳｉＣ成膜工程においてエピタキシャル成長炉内に原料ガスとともに塩化水素ガスを導入することによりＳｉＣの成膜を行うとともに、成膜処理終了後のガスを排気配管を通じて排出することにより同排気配管内の三フッ化塩素クリーニング残渣を除去することを特徴とする、ＳｉＣエピタキシャル成長炉系における三フッ化塩素クリーニング残渣除去方法。