JP7302447B2 - 気相成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャルウェーハの製造装置の気相成膜装置に関する。

シリコンやガリウム砒素などの半導体は単結晶で構成され、小型から大型までのコンピュータのメモリ等に利用されており、記憶装置の大容量化、低コスト化、高品質化が要求されている。

従来、これらの半導体の要求を満たす単結晶を製造するための成膜方法の１つとして、反応室内に基板を載置し、基板を所望の温度に加熱しながら、半導体原料ガスを供給することで、高品質な半導体ウェーハを製造する方法（一般にエピタキシャル成膜と称される）が知られている。

図２を用いて、エピタキシャル成膜を行う従来の気相成膜装置の一例を説明する。図２の気相成膜装置（従来例）２００は、マスフローコントローラー（ＭＦＣ）として、上流ＭＦＣ１、上流ＭＦＣ２、反応室６そしてニードルバルブ２１を備えており、これらはメインガスラインで連通されている。

気相成膜装置２００を用いたエピタキシャル成膜おいて、エピタキシャル成長させた膜の膜厚分布（エピ膜厚分布とも称する）を調整するため、メインガスラインの原料ガス供給ポート流量比を、ニードルバルブ２１を用いて調整を行っている。（特許文献１）

２００２－５０５５３２号公報

図２に記載の気相成膜装置２００では、ニードルバルブ２１をマニュアルでの調整が必須であり、各ポートのニードルバルブ２１をＭＦＣに置き換えて流量比を自動制御することがかねてより求められていた。

しかしながら、単純にニードルバルブ２１をＭＦＣに変更するだけでは、メインガスラインの上流側でも各原料ガス流量をＭＦＣで制御を行っているため、メインガスラインの上流側に設置された上流ＭＦＣと下流側に設置された下流ＭＦＣで、ＭＦＣの精度誤差分だけ流量の帳尻が合わず、流量の制御が困難になってしまう問題があり、ニードルバルブをＭＦＣに置き換えた装置において、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの流量の帳尻を合わせることが実現できていなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、メインガスラインのニードルバルブをＭＦＣに置き換えた際に、メインガスラインの上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの流量の帳尻を調整することが可能な気相成膜装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、基板が載置されるサセプタと、サセプタが内部に設置される反応室と、反応室内のサセプタ上に載置された基板にガスを供給するガス供給装置と、反応後のガスを反応室外に排出するガス排出装置と、サセプタ上に載置された基板を加熱する加熱装置を具備した気相成膜装置であって、ガス供給装置が、基板の表面におけるガスの面内流量比を調整するための複数の下流ＭＦＣ、複数の下流ＭＦＣより上流側に設置された上流ＭＦＣ、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内圧力計およびガス配管内の圧力が一定となるよう調整する下流ＭＦＣ流量調整システムを備えるものである気相成膜装置を提供する。

このような気相成膜装置であれば、ガス配管内の圧力が一定となるよう調整するため、上流ＭＦＣの流量と下流ＭＦＣの流量の帳尻を合わせることができる。

このとき、下流ＭＦＣ流量調整システムは、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内の圧力が変化した際に、複数の下流ＭＦＣの流量比を保ったまま流量の絶対値を変動させて、ガス配管内の圧力が一定となるよう調整するものである気相成膜装置とすることができる。

このような気相成膜装置であれば、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの流量の帳尻を、下流ＭＦＣの流量比を変更することなく、より正確に合わせることができる。

以上のように、本発明の気相成膜装置であれば、エピタキシャルウェーハのエピ膜厚分布を調整するための流量調整をニードルバルブからＭＦＣに置き換えつつ、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内の圧力を監視し、圧力上昇や下降があった場合、下流ＭＦＣの流量比を保ったまま下流ＭＦＣの流量設定値を変化させることで、ガスラインの圧力を一定に保ち、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの流量の帳尻を合わせる流量制御が可能となる。従って、自動で均一な膜厚分布を有するエピタキシャルウェーハを成膜することができる。

本発明の気相成膜装置の一例を示す概略図である。 従来の気相成膜装置の一例を示す概略図である。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

上述のように、気相成膜装置において、メインガスラインの原料ガス供給ポートをニードルバルブからＭＦＣに置き換え、流量比を自動制御することが求められていた。しかし、単純にニードルバルブをＭＦＣに置き換えるだけでは、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣでＭＦＣの精度誤差分だけ流量の帳尻が合わず、流量の制御が困難になってしまう問題があった。

本発明者は、上記問題について鋭意検討を重ねた結果、基板が載置されるサセプタと、サセプタが内部に設置される反応室と、反応室内のサセプタ上に載置された基板にガスを供給するガス供給装置と、反応後のガスを反応室外に排出するガス排出装置と、サセプタ上に載置された基板を加熱する加熱装置を具備した気相成膜装置であって、ガス供給装置が、基板の表面におけるガスの面内流量比を調整するための複数の下流ＭＦＣ、複数の下流ＭＦＣより上流側に設置された上流ＭＦＣ、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内圧力計およびガス配管内の圧力が一定となるよう調整する下流ＭＦＣ流量調整システムを備えるものである気相成膜装置により、原料ガス供給ポートに設置されているニードルバルブを全てＭＦＣに置き換えることができることに加え、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内圧力計の圧力変動を、下流ＭＦＣの流量設定に補正フィードバックして制御することで、ガス配管内の圧力を監視し、圧力上昇や下降があった場合、下流ＭＦＣの流量比を保ったまま下流ＭＦＣの流量設定値を変化させることで、ガスラインの圧力を一定に保ち、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの流量の帳尻を合わせる流量制御が可能となることを見出し、本発明を完成した。

以下、図面を参照して説明する。

本発明に係る気相成膜装置の一例を、図１を参照しながら以下に説明する。また、図２に一例を示した従来装置と本発明の気相成膜装置と同じものについては、説明を適宜省略する。本発明に係る気相成膜装置１００は、上流ＭＦＣ１、上流ＭＦＣ２、反応室６、反応室６に流れるガスの流量を制御する下流ＭＦＣ（ｏｕｔ側）４ａ及び下流ＭＦＣ（ｉｎ側）４ｂ、上流ＭＦＣ１，２と下流ＭＦＣ４ａ，４ｂの間に設置されたガス配管内圧力計３、そして下流ＭＦＣ流量調整システム５を備える気相成膜装置１００である。

上流ＭＦＣ１，２で流量を制御するガスとしては、水素ガスやシリコンソースガスを用いることができるが、これらに限定されず、成膜種に応じて適宜選択できる。

また、下流ＭＦＣ流量調整システム５は、ガス配管内圧力計３が取り付けられているガス配管内の圧力が一定となるよう調整するシステムである。ガス配管内圧力計３で測定したガスライン圧力測定値を圧力データ１０として下流ＭＦＣ流量調整システム５に送り、ガス配管内に微小な圧力の変動を生じた際に、実流量の流量データ１１を取得しつつ、流量設定と圧力補正をする補正データ１２を下流ＭＦＣに補正フィードバックすることで、下流ＭＦＣの実流量を制御する。

エピタキシャル成長により成膜を行う際は、例えば、キャリアガスとして水素ガスを上流ＭＦＣ１で流量を制御し、トリクロロシランガスをシリコンソースガスとして上流ＭＦＣ２で流量を制御し、下流にガスが送られる。

下流ＭＦＣ４ａ，４ｂには、上流ＭＦＣ１，２の流量から計算されたトータル流量および設定済みの２台の下流ＭＦＣの分流比から計算された流量値が設定される。

しかしながら、ＭＦＣの精度誤差により、上流ＭＦＣおよび下流ＭＦＣに流れる実際の流量が完全に一致することはないため、上流ＭＦＣの流量が多い場合には、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内圧力計３の測定圧力が上昇し、逆に少ない場合には測定圧力が下降する。

そこで、下流ＭＦＣ流量調整システム５は、上流ＭＦＣ１，２と下流ＭＦＣ４ａ，４ｂの間に設置されたガス配管内圧力計３で測定したガスライン圧力測定値の微小な圧力の変動を受け取り、上流ＭＦＣ１，２と下流ＭＦＣ４ａ，４ｂの間に設置されたガス配管内圧力計３の圧力が上昇した場合には下流ＭＦＣの流量を増やし、逆に上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内圧力計３の圧力が下降した場合には下流ＭＦＣの流量を減らす。

この下流ＭＦＣ４ａ，４ｂの流量増減は、設定済みの２台の下流ＭＦＣ４ａ，４ｂの分流比を保ったまま、トータルの流量を調整するため、反応室６内の面内流量比には影響を与えない。この微調整を常時繰り返すことで、下流ＭＦＣ４ａ，４ｂ量比を一定に保ちつつ、上流ＭＦＣ１，２の流量の制御が可能となる。

このように本発明は、エピタキシャルウェーハのエピ膜厚分布を調整するためのニードルバルブをＭＦＣに置き換えつつ、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内の圧力を監視し、圧力上昇や下降があった場合、下流ＭＦＣの流量比を保ちつつ下流ＭＦＣの流量設定値を変化させることで、ガスラインの圧力を一定に保つ気相成膜装置である。これにより、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの流量の帳尻を合わせる流量制御が可能となる気相成膜装置である。その結果、自動で均一な膜厚分布を有するエピタキシャルウェーハを成膜することができ、高品質、高生産性を達成することができる。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について詳細に説明するが、これは本発明を限定するものではない。

実施例及び比較例では、下流のＭＦＣ（２分岐）の流量比を５０：５０に設定し、上流から水素（Ｈ_２）ガスを１００ｓｌｍとシリコンソースガスを１０ｓｌｍ流した。

（比較例）
図２のような従来装置のニードルバルブをＭＦＣに置き換えただけの気相成膜装置では、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間のガスラインの圧力が上昇してしまったことにより、上流ＭＦＣの流量が不安定となり、Ｈ_２ガスは１００ｓｌｍのままであったが、シリコンソースガスは８ｓｌｍに変動してしまった。

（実施例）
図１のような本発明に係る気相成膜装置では、下流ＭＦＣの流量比を５０：５０のまま、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間のガスラインの圧力を一定に保つよう下流ＭＦＣの設定値を増減させることで、上流ＭＦＣにおいてＨ_２ガスは１００ｓｌｍ、シリコンソースガスは１０ｓｌｍのままに制御することができた。

実施例の気相成膜装置は、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内圧力計およびガス配管内の圧力が一定となるよう調整する下流ＭＦＣ流量調整システムを有する。これにより、原料ガス供給ポートに設置されているニードルバルブを全てＭＦＣに置き換えても、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内圧力計の圧力変動を、下流ＭＦＣの流量設定に補正フィードバックして制御を行うため、ガス配管内の圧力を監視し、圧力上昇や下降があった場合、下流ＭＦＣの流量比を保ったまま下流ＭＦＣの流量設定値を変化させて、ガスラインの圧力を一定に保つことで、上流ＭＦＣと下流ＭＦＣの帳尻を合わせる流量制御が可能となった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…上流ＭＦＣ、 ２…上流ＭＦＣ、 ３…ガス配管内圧力計、
４ａ…下流ＭＦＣ（ｏｕｔ側）、 ４ｂ…下流ＭＦＣ（ｉｎ側）、
５…下流ＭＦＣ流量調整システム、 ６…反応室、
１０…圧力データ、 １１…流量データ、 １２…補正データ、
１００…気相成膜装置（本発明例）、
２１…ニードルバルブ、
２００…気相成膜装置（従来例）。

Claims (1)

1. 基板が載置されるサセプタと、該サセプタが内部に設置される反応室と、該反応室内の前記サセプタ上に載置された前記基板にガスを供給するガス供給装置と、反応後のガスを前記反応室外に排出するガス排出装置と、前記サセプタ上に載置された前記基板を加熱する加熱装置を具備した気相成膜装置であって、
   前記ガス供給装置が、前記基板の表面における前記基板に供給するガスの面内流量比を調整するための複数の下流マスフローコントローラー（ＭＦＣ）、前記複数の下流ＭＦＣより上流側にソースガス用とキャリアガス用に複数設置された複数の上流ＭＦＣ、前記複数の上流ＭＦＣと前記複数の下流ＭＦＣの間に設置されたガス配管内圧力計および前記ガス配管内の圧力が一定となるよう調整する下流ＭＦＣ流量調整システムを備えるものであって、
   前記下流ＭＦＣ流量調整システムは、前記複数の上流ＭＦＣと前記複数の下流ＭＦＣの間に設置された前記ガス配管内の圧力が変化した際に、前記複数の下流ＭＦＣの流量比を保ったまま流量の絶対値を変動させて、前記ガス配管内の圧力が一定となるよう調整するものであることを特徴とする気相成膜装置。

Images