JP2003332240A - 珪素堆積膜の成膜装置のガスクリーニング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスクリーニングの工程は、できる限り時間
を短縮することによって半導体結晶の生産性が向上する
工程であるものの、新規なガス組成が見出される可能性
は少なく、できる限り速い化学反応速度とするためには
高温で反応させるしかないが、そうすると、装置部材の
腐食や汚染物の問題が生じる。 【構成】 半導体珪素基板上に珪素膜を堆積する際に該
基板の支持台の表面に堆積する珪素膜を除去するガスク
リーニング方法において、基板の支持台の温度を１００
０℃〜１２００℃に昇温してから、濃度８５％〜１００
％の塩化水素ガスにより珪素膜をエッチングして除去す
ることを特徴とする珪素堆積膜の成膜装置のガスクリー
ニング方法。半導体珪素基板上に珪素膜を堆積した基板
を成膜装置の反応容器内の圧力が１気圧の状態で反応容
器から取り出した後、１気圧の状態のままで、基板の支
持台の温度を昇温することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＶＤ法などの化
学反応を用いて半導体薄膜を基板上に形成する方法、特
に、珪素薄膜を珪素基板上に形成させる方法において、
薄膜形成時に成膜装置内の基板以外の領域に堆積した珪
素薄膜をエッチングして除去するガスクリーニング方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体珪素結晶薄膜を珪素基板上に形成
する工程においては、図１に示すように、主として、反
応容器１、支持台２、珪素基板３から構成される反応装
置を使用し、反応容器の入口４から希釈ガスおよび原料
ガスを導入して、高温に加熱されている珪素基板３の表
面に化学反応を生じさせることが行なわれる。

【０００３】化学反応の希釈ガスとして水素ガスが、原
料ガスとしてシランガス（モノシラン、ジシラン、ジク
ロロシラン、トリクロロシラン、四塩化珪素）が使用さ
れている。この時に、珪素基板３は８００℃〜１２００
℃の高温に均一性よく加熱される必要があるために、例
えば、炭化珪素などの熱伝導性の良い材質であって、珪
素基板３より大きな直径を有する支持台２の上に支持さ
れる。そのため、シランガスを用いて化学反応が生じる
と、高温に加熱されている珪素基板３だけでなく、同じ
く高温に加熱されている支持台２の表面にも珪素が堆積
して薄膜が形成される。

【０００４】この珪素堆積膜は粒子の集合からなる薄膜
であるために、剥離し易く、剥離すると微粒子となって
反応容器１内に浮遊して珪素基板３の表面に付着し、半
導体珪素結晶薄膜の正常な形成を妨げ、表面に突起状の
欠陥が多発した半導体珪素結晶薄膜が形成される結果と
なる。これを防ぐために、通常は、半導体珪素結晶薄膜
を形成後に、半導体結晶を取り出した後、支持台２のみ
を所望の温度に加熱して、反応容器の入口から水素ガス
と窒素ガスの混合ガス、水素ガスと塩化水素ガスの混合
ガスなどのクリーニングガスを供給して珪素基板や反応
容器の内壁に堆積した珪素膜を除去している。

【０００５】例えば、特開平１−６１９８６号（特許第
２７６１９１３号）公報には、反応容器をガスクリーニ
ングする際に反応容器内をまず水素ガスでパージし、次
いで２０ｓｌｍの水素担持流にＨＣｌのようなエッチン
グガスの高流を約２０ｓｌｍ加えて１２００℃でサセプ
タの堆積膜のエッチングを行い、サセプタのエッチング
の後水素の流れを２０秒に亘って１００ｓｌｍに増大し
てＨＣｌガスを希釈し、反応容器の壁の堆積膜をエッチ
ング除去し、最後に反応容器を１００ｓｌｍの水素流で
パージする方法が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＣＶＤ法などの反応装
置を用いた半導体珪素結晶膜の製造において、支持台表
面や反応容器の内壁面に堆積した珪素膜の除去に水素ガ
スと窒素ガスの混合ガスや水素ガスと塩化水素ガスの混
合ガスが通常使用されている。

【０００７】しかしながら、上記特開平１−６１９８６
号公報に開示されているように、水素ガスと塩化水素ガ
スの混合ガスを用いた方法でも、２分間で１０μｍの単
結晶シリコンを成長した場合にサセプタエッチングに４
０秒、反応容器の管壁のエッチングに６５秒を要してい
る。

【０００８】また、通常、サセプタを１２００℃程度に
加熱しても反応容器の温度上昇は十分ではなく、サセプ
タ表面の堆積物を除去できても反応容器の内壁面の堆積
物は除去し切れないという問題がある。この解決策の１
つとして、例えば、水素に塩化水素ガス（２０〜４０
％）を混合したガスと三フッ化塩素ガスを個別に時間差
をつけて供給する方法が知られている（特開平７−１２
２４９３号公報）が、操作が煩雑になり、またクリーニ
ング時間の短縮にはならない。

【０００９】このような、塩化水素ガスを用いる従来の
クリーニング方法においては、堆積膜の成膜時間とほぼ
同程度か短くても２／３程度のクリーニング時間を必要
とし、堆積膜の完全除去に要する時間は早くても１分以
上を必要としていた。

【００１０】ガスクリーニングの工程は、できる限り時
間を短縮することによって半導体結晶の生産性が向上す
る工程であるものの、新規なガス組成が見出される可能
性は少なく、できる限り速い化学反応速度とするために
は高温で反応させるしかないが、そうすると、装置部材
の腐食や汚染物の問題が生じる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】従来、クリーニングガス
として水素ガスと塩化水素ガスの混合ガスを用いる場合
は、反応装置の金属部およびカーボンや炭化珪素製の部
品が塩化水素ガスで腐食・損傷される問題や、腐食によ
り発生する汚染物がエピタキシャル膜に混入する問題が
あり、塩化水素ガスを１０％から６０％程度の濃度に含
有するガスが経験に基づいて好ましい条件として選ばれ
ていた。

【００１２】ところが、本発明者は、半導体結晶製造装
置内の支持台表面や反応容器の内壁面等に堆積した珪素
膜を気化し易い化合物に変える速度が被処理表面温度と
塩化水素ガスの濃度に関連し、該速度は被処理表面温度
が１０００℃以上で塩化水素ガスの濃度を高濃度にする
ほど大きくなり、支持台表面や反応容器の内壁面のクリ
ーニング時間を大幅に短縮でき、かつ、このように高濃
度にしても、意外にも反応装置の金属部およびカーボン
や炭化珪素製の部品の腐食・損傷が長期間に亘り抑えら
れ、成膜したウエハの品質の総合評価も向上することを
見出した。

【００１３】すなわち、本発明は、半導体珪素基板上に
珪素膜を堆積する際に該基板の支持台の表面に堆積する
珪素膜を除去するガスクリーニング方法において、基板
の支持台の温度を１０００℃〜１２００℃に昇温してか
ら、濃度８５％〜１００％の塩化水素ガスにより珪素膜
をエッチングして除去することを特徴とする珪素堆積膜
の成膜装置のガスクリーニング方法である。

【００１４】また、本発明は、半導体珪素基板上に珪素
膜を堆積した基板を成膜装置の反応容器内の圧力が１気
圧の状態で反応容器から取り出した後、１気圧の状態の
ままで、基板の支持台の温度を昇温することを特徴とす
る上記のガスクリーニング方法である。

【００１５】また、本発明は、石英ガラス製反応容器の
内壁面に堆積した珪素膜を同時にエッチングして除去す
ることを特徴とする上記のガスクリーニング方法であ
る。

【００１６】また、本発明は、基板の支持台の材料がカ
ーボンまたは炭化珪素であり、該基板の支持台を反応容
器の外から赤外線を照射して加熱することを特徴とする
上記のガスクリーニング方法である。

【００１７】本発明の方法によれば、クリーニングガス
の組成を途中で変更することなく一定のまま反応容器に
供給して支持台表面や反応容器の内壁面に堆積した珪素
膜をエッチングにより迅速に除去でき、除去速度は１分
当り４０μｍ以上とすることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、シリコンＣＶＤ成膜装置
における成膜時の状態を概念的に示す斜視図である。成
膜装置は横型ＣＶＤの他に縦型や各種のＣＶＤ装置でも
適用可能である。図１に示すように、石英ガラス製反応
容器１内の支持台２にそれより径の小さい半導体珪素基
板３を載置し、水素ガスとトリクロロシランガスをガス
供給管（図示せず）より流し、半導体珪素基板３上に珪
素膜を成膜する。

【００１９】ガスクリーニング時の圧力は、高い方が同
じガス濃度であっても低圧時よりも体積当たりのモル濃
度が大きいので珪素膜の除去速度が速やかに進むが、半
導体珪素基板を反応容器から取り出すとき、および半導
体珪素基板を反応容器に装入するときの圧力と同じにす
ると、スループットを上げられるので有利である。半導
体珪素基板の装入、取り出しは、通常は１気圧で行うの
で、クリーニング時の圧力も１気圧の状態のままとする
ことがスループットの点では望ましい。

【００２０】図２は、シリコンＣＶＤ成膜装置における
ガスクリーニング時の状態を概念的に示す斜視図であ
る。成膜後に、石英ガラス製反応容器１内を一方側に排
気するとともにクリーニングガスとして濃度８５〜１０
０％の塩化水素ガスを他方側から反応容器１内に導入す
る。この際、反応容器１内の圧力は１気圧の状態のまま
でよい。反応容器内に設置された支持台表面と反応容器
内壁などに堆積した珪素膜は塩化水素ガスと化学反応
し、珪素膜は気化し易い化合物に変化して気化し除去さ
れる。

【００２１】図３は、珪素膜除去速度に及ぼす塩化水素
ガス濃度と支持台の加熱温度の関係を示している。図３
に示すように、珪素膜除去速度を一定とした場合、塩化
水素ガスの濃度が大きいほど加熱温度は低くてよいこと
が分かる。塩化水素ガスが１００％の時に加熱温度は最
も低くてよい。塩化水素ガスの濃度が約８５％付近まで
は塩化水素ガスの濃度が１００％の場合と実用的には大
差はない。塩化水素ガスの濃度を約８５％まで希釈する
ガスとしては水素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスな
どの不活性ガスを使用できる。

【００２２】塩化水素ガス濃度が同一であっても反応温
度が高ければ高い程、塩化水素ガスと珪素堆積膜の反応
速度が増大するので、支持台の加熱温度を高くすること
が望ましいが、加熱温度が１２００℃を越えると、支持
台の材質であるカーボンや炭化珪素、その他の反応装置
内の金属部品が塩化水素ガスにより腐食され易くなるた
めに、望ましくない。上限温度はより好ましくは１１５
０℃とする。

【００２３】反応容器の内壁面など支持台以外の部材
は、支持台よりも昇温速度が遅く、これらの上に堆積し
た珪素膜は支持台の温度より低い温度で塩化水素ガスと
反応することになるが、これらの珪素膜の膜厚は通常、
支持台表面上に堆積した珪素膜の膜厚より薄く、支持台
表面上に堆積した珪素膜が完全に除去される条件では、
反応容器の内壁面に堆積した珪素膜もほぼ同時に除去さ
れることになる。

【００２４】支持台および反応容器の内壁の加熱手段
は、高周波加熱、抵抗加熱、赤外線ランプ加熱などの適
宜の加熱手段を用いることができるが、加熱源を反応容
器の外に設置して反応容器の外側からハロゲンランプに
より赤外線を照射して基板を加熱する方法は、加熱源か
ら汚染物が発生しても反応容器内に入らず、昇温・降温
の速度が速い（スループットが大きい）、加熱温度分布
を微調整可能であるなどの利点がある。他の方法では支
持台の材料のカーボンや炭化珪素が直接に加熱されるた
めに、それらから相当の脱ガスがあり、汚染源になるこ
とがある。

【００２５】成膜装置内を直接加熱するとともにクリー
ニングガスを加熱すれば、赤外線加熱による温度上昇が
遅い反応容器内壁のクリーニング速度を高めるなどの点
で有効である。

【００２６】成膜装置の支持台表面上のみの堆積膜の除
去を行う場合は、半導体薄膜形成と支持台表面上の堆積
膜の除去を同一の反応容器内で行う代わりに、支持台を
外部に取り出して、別途設けられた反応容器内において
上記と同様に塩化水素ガスを用いて珪素堆積膜を除去す
ることもできる。

【００２７】珪素膜の除去速度は支持台の加熱温度と塩
化水素ガス濃度により定まるので、この珪素膜の除去速
度から珪素膜の完全除去時点は予測できる。塩化水素ガ
スエッチングにより珪素膜の除去が済んだらオーバーエ
ッチングを避けるために速やかに供給を停止する必要が
ある。したがって、珪素膜の完全除去時点の経過直後に
塩化水素ガスの供給を停止する。これにより、不要な塩
化水素ガスの供給による反応容器の金属部材の腐食・損
傷を防止できる。

【００２８】本発明の方法により、１分当り４０μｍ以
上の珪素堆積膜を除去することができるので、珪素堆積
膜が２０μｍであれば、３０秒で塩化水素ガスの供給を
停止すればよい。珪素膜の完全除去時点は加熱温度と塩
化水素ガス濃度により定まる予め求めたデータによる珪
素膜の除去速度から求めることができる。このように、
本発明の方法によれば、珪素膜の除去時間は、従来の方
法の７０％〜３０％に短縮される。

【００２９】

【実施例】実施例１ 図１に示す成膜装置の石英ガラス製反応容器１内の直径
２８０ｍｍの支持台２に直径２００ｍｍの半導体珪素基
板３を載置し、ガス供給管（図示せず）により反応容器
の入口４から希釈ガスとして水素ガスのみを流したまま
支持台２と半導体珪素基板３を昇温した。水素ガスの流
量は４０リットル毎分であった。反応容器１内の圧力は
１気圧であった。昇温方法には、反応容器１の外側から
ハロゲンランプ（図示せず）により赤外線を半導体珪素
基板３および支持台２に照射する方法を採用した。

【００３０】半導体珪素基板３を１１５０℃に６０秒間
保持することにより半導体珪素基板３の表面を覆ってい
る酸化珪素薄膜を除去し、珪素表面を露出させた。次
に、半導体珪素基板３および支持台２の温度を１１２５
℃に調整した。水素ガスにトリクロロシランガスを４％
の濃度で混合してガス供給管（図示せず）により反応容
器の入口４から導入し、そのまま５分間保持することに
より厚さ２０μｍの珪素薄膜を半導体珪素基板３の表面
に形成した。

【００３１】この時、支持台２の表面のうち、半導体珪
素基板３の外側の領域に珪素薄膜が厚さ約２０μｍで堆
積した。次に、トリクロロシランガスの供給を停止し、
水素ガスだけの雰囲気とした後に、半導体珪素基板３お
よび支持台２に照射する赤外線を弱くして降温し、半導
体珪素基板３を取り出した。

【００３２】ここで、支持台２の表面には、半導体珪素
基板３が載置されていた中心部には珪素堆積膜が無く、
外周部のみに珪素堆積膜が付着していた。反応容器１内
の圧力を１気圧のままで、反応容器１内に希釈ガスとし
て水素ガスを供給しながら半導体珪素基板３および支持
台２に照射する赤外線を強くして昇温し、支持台２の温
度を１１００℃まで昇温した。この温度で塩化水素濃度
１００％を使用した場合の珪素膜の除去速度は８０μｍ
／分以上なので、２０μｍの堆積膜の除去は１５秒あれ
ば十分である。

【００３３】支持台２の温度が１１００℃に達した時点
で、反応容器１内の圧力は１気圧のままで、希釈ガスで
ある水素ガスの供給を停止し、同時に塩化水素ガスの流
量を２０リットル毎分に調整してガス供給管（図示せ
ず）により反応容器１内に供給し、そのまま１５秒間流
した時点で塩化水素ガスの供給を停止し、同時に水素ガ
ス流量を４０リットル毎分とし、半導体珪素基板３およ
び支持台２に照射する赤外線を弱くして降温した。降温
終了後に支持台２の表面および反応容器の内壁面を観察
したところ、珪素堆積膜は全く観察されなかった。

【００３４】本実施例の保持時間である１５秒は、従来
の条件、例えば１２００℃において塩化水素濃度５０％
でガスクリーニングする場合の除去速度と同等であり、
同じ除去速度を約１００℃低い温度で達成できた。ま
た、成膜装置は１ケ月〜半年間の使用においても腐食・
損傷が抑えられたことが目視により認められた。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、シリコンＣＶＤ成膜装置における成膜
時の状態を概念的に示す斜視図である。

【図２】図２は、シリコンＣＶＤ成膜装置におけるガス
クリーニング時の状態を概念的に示す斜視図である。

【図３】図３は、珪素膜除去速度に及ぼす塩化水素ガス
濃度と支持台の加熱温度の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 反応容器 ２ 支持台 ３ 半導体珪素基板 ４ 反応容器の入口 ５ 珪素堆積膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA17 BA29 CA04 CA17 DA06 FA10 GA02 JA09 JA10 KA46 5F045 AB02 AC01 AC03 AD12 AD13 AD14 AD15 AD16 AE29 AF03 BB14 DP04 DP19 DP20 EB06 EK14 EM09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体珪素基板上に珪素膜を堆積する際
   に該基板の支持台の表面に堆積する珪素膜を除去するガ
   スクリーニング方法において、基板の支持台の温度を１
   ０００℃〜１２００℃に昇温してから、濃度８５％〜１
   ００％の塩化水素ガスにより珪素膜をエッチングして除
   去することを特徴とする珪素堆積膜の成膜装置のガスク
   リーニング方法。
2. 【請求項２】 半導体珪素基板上に珪素膜を堆積した基
   板を成膜装置の反応容器内の圧力が１気圧の状態で反応
   容器から取り出した後、１気圧の状態のままで、基板の
   支持台の温度を昇温することを特徴とする請求項１記載
   のガスクリーニング方法。
3. 【請求項３】 石英ガラス製反応容器の内壁面に堆積し
   た珪素膜を同時にエッチングして除去することを特徴と
   する請求項１または２記載のガスクリーニング方法。
4. 【請求項４】 基板の支持台の材料がカーボンまたは炭
   化珪素であり、該基板の支持台を反応容器の外から赤外
   線を照射して加熱することを特徴とする請求項１ないし
   ３のいずれかに記載のガスクリーニング方法。