JP2011151118A - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応室壁面への反応副生成物の被膜形成を抑え、ウェーハの汚染による歩留りの低下を抑えるとともに、反応室のメンテナンス頻度を低減させること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。
【解決手段】ウェーハｗが導入される反応室１１と、反応室１１にプロセスガスを供給するための第１のガス供給機構１２と、反応室１１よりガスを排出するためのガス排出機構１３と、反応室１１の内壁に設けられ、内管１５ａと外管１５ｂから構成される二重管構造を有するカバー１５と、内管１５ａと外管１５ｂとの間にパージガスを供給するための第２のガス供給機構１６と、カバー１５に設けられ、カバー１５内よりパージガスを排出するための開口部１５ｄと、ウェーハｗを保持するための支持部材１７と、ウェーハｗを所定の温度に加熱するためのヒータ２０ａ、２０ｂと、ウェーハｗを回転させるための回転駆動制御機構１９と、を備える装置とする。
【選択図】図１

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半導体製造装置および半導体製造方法に関する。

近年、半導体装置の低価格化、高性能化の要求に伴い、ウェーハの成膜工程における高い生産性とともに、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に、枚葉式のエピタキシャル成膜装置を用い、例えば反応室内において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が用いられている。そして、例えばφ３００ｍｍの大口径ウェーハを用いるとともに、安価なトリクロロシラン（以下ＴＣＳと記す）、ジクロロシランなどのＣｌ系ソースガスを高い効率で用いることにより、さらなる生産性の向上が期待されている。

しかしながら、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などに用いられる１５０μｍを超えるような厚膜のエピタキシャル膜を形成する際、十分な生産性を得ることが困難であるという問題がある。

これは、例えば、ウェーハ上に供給され、余剰となったＴＣＳを含むプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物であるＨＣｌなどのガス（排ガス）は、ウェーハｗの回転により外周方向に排出された後、下方に排出される。しかしながら、このとき、一部のガスが対流などによりウェーハｗ上に逆流する。そして、逆流ガスによりＳｉの生成反応の進行が抑えられ、エピタキシャル成長率が低下することが考えられる。
そこで、ウェーハ周辺上の反応室壁面に傾斜を設け、ウェーハとの間隔を狭くして、外周方向への排出ガスを整流して下方に排出することにより、排出ガスの逆流を抑え、生産性を向上させる手法が提案されている。

特開２００９−２３１５８７号公報（請求項１など）

上述したように、ウェーハと反応室壁面との間隔を狭くすることで、外周方向への排出ガスが整流され、排出ガスの逆流が抑えられる。しかしながら、一方で、ウェーハ下部のヒータにも近づくことにより、反応室壁面の温度が８００〜８５０℃まで上昇する。そのため、排出ガスにより反応室壁面に反応副生成物の被膜が形成される。

特に、反応室壁面が石英の場合、成膜処理後に反応副生成物の被膜が形成された状態で反応室を降温させると、膨張率の大きい反応副生成物のみが収縮し、反応室壁面の表面に応力が加わる。そのため、反応室壁面の表面に歪が生じ、さらには０．１μｍ幅程度のマイクロクラックが形成されてしまう。

このような状態で、さらに成膜処理を行うと、クラック内に反応副生成物の被膜が形成され、それが脱落してパーティクルとなり、ウェーハを汚染するという問題が生じる。このようなウェーハ汚染を抑制するためには、メンテナンス頻度を上げる必要があり、スループットに影響してしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、反応室壁面への反応副生成物の被膜形成を抑え、ウェーハの汚染による歩留りの低下を抑えるとともに、反応室のメンテナンス頻度を低減させること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ものである。

本発明の一態様の半導体製造装置は、ウェーハが導入される反応室と、反応室にプロセスガスを供給するための第１のガス供給機構と、反応室よりガスを排出するためのガス排出機構と、反応室の内壁に設けられ、内管と外管から構成される二重管構造を有するカバーと、内管と外管との間にパージガスを供給するための第２のガス供給機構と、前記カバーに設けられ、カバー内よりパージガスを排出するための開口部と、ウェーハを保持するための支持部材と、ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、ウェーハを回転させるための回転駆動制御機構と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様の半導体製造装置において、開口部は、内管の内壁に、所定の間隔で形成された開口部を含むことが好ましい。そして、さらに開口部は、支持部材上に載置されるウェーハの水平位置より下方に形成されることが好ましい。

また、本発明の一態様の半導体製造装置において、内管は、前記支持部材上に載置される前記ウェーハの水平位置より上方の径より、下方の径が大きいことが好ましい。

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て支持部材上に載置し、反応室の内壁に設けられ、内管と外管から構成される二重管構造を有するカバーの、内管と外管との間にパージガスを供給し、供給されたパージガスを排出し、ウェーハを所定温度で加熱し、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、ウェーハ上に成膜することを特徴とする。

本発明によれば、半導体装置の成膜工程において、反応室壁面への反応副生成物の被膜形成を抑え、ウェーハの汚染による歩留りの低下を抑えるとともに、反応室のメンテナンス頻度を低減させることが可能となる。

本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。

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に本実施形態の半導体製造装置であるエピタキシャル成長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プロセスガス供給機構１２と接続されたプロセスガス供給口１２ａが設置されている。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（常圧）に制御するためのガス排出機構１３と接続されたガス排出口１３ａが設置されている。

反応室１１上部には、プロセスガス供給口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１４が設置されている。そして、整流板１４には、石英カバー１５が接続されている。

石英カバー１５は、内管１５ａと外管１５ｂを有する二重管構造を有しており、その上部には、内管と外管の間にパージされる例えばＨ_２などのパージガスを供給するためのパージガス供給機構１６と接続されたパージガス供給口１５ｓが設けられている。

内管１５ａにおいて、ウェーハｗ上からの排出ガスを整流することができるように、ウェーハｗの水平位置を含む領域に傾斜が設けられており、ウェーハｗの水平位置より上部の径より、下部の径が大きくなっている。そして、内管１５ａの下部には、内管１５ａと外管１５ｂの間にパージされたガスを排出するための開口部１５ｄが、例えばガス排出口１３ａに対応して２か所設けられている。

反応室１１の下方には、ウェーハｗを載置するための支持部材であるサセプタ１７が、例えばウェーハｗと整流板１４との距離が約７０ｍｍとなるように回転部材であるリング１８上に設置されている。リング１８は、ウェーハｗを所定の回転速度で回転させる回転軸、モータなどから構成される回転駆動制御機構１９と接続されている。

リング１８内部には、例えばＳｉＣからなるウェーハｗを加熱するためのインヒータ２０ａ、アウトヒータ２０ｂから構成されるヒータが設置されている。これらのヒータの下部には、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ー２１が設置されている。

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エピタキシャル膜を形成する。

先ず、反応室１１にウェーハｗが搬入され、サセプタ１７上に載置される。そして、ヒータ２０ａ、２０ｂによりウェーハｗ裏面を例えば１１００℃となるように加熱するとともに、回転駆動制御機構１９により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させる。そして、プロセスガス供給機構１２からのプロセスガスが、プロセスガス供給口１２ａより整流板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、例えばトリクロロシラン濃度が２．５％となるように調製され、例えば５０ＳＬＭで供給される。

一方、余剰となったトリクロロシランを含むプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物であるＨＣｌなどからなる排出ガスは、石英カバー１５とサセプタ１７との間より整流状態で下方に排出される。さらに、これらのガスは、ガス排出口１３ａよりガス排出機構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Ｓｉエピタキシャル膜を成長させる。

このとき、石英カバー１５の内管１５ａと外管１５ｂの間には、パージガス供給機構１６からのパージガスであるＨ_２が、パージガス供給口１５ｓより供給され、開口部１５ｄより排出される。そして、石英カバー１５より排出されたパージガスは、ガス排出口１３ａより外部に排出される。

このように石英カバー１５内にパージガスを導入することにより、石英カバー１５の最高温度を、例えば８００〜８５０℃から６５０℃程度以下まで低下させることができる。

このように、石英カバーの温度を低下させることにより、石英カバーへの反応副生成物の被膜形成を抑制することができる。従って、降温時の歪によるマイクロクラックの発生を抑え、パーティクルの発生による歩留りの低下を抑えるとともに、メンテナンス頻度を低減させることが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態において、半導体製造装置の構成は実施形態１と同様であるが、石英カバーの構造が実施形態１と異なっている。

すなわち、図２に示すように、石英カバー２５は、内管２５と外管２５ｂを有する二重管構造を有しており、その上部には、実施形態１と同様に内管と外管の間にパージされる例えばＨ_２などのパージガスを供給するためのパージガス供給機構１６と接続されたパージガス供給口２５ｓが設けられている。

内管２５ａにおいて、実施形態１と同様にウェーハｗ上からの排出ガスを整流することができるように、傾斜が設けられており、ウェーハｗの水平位置より上部の径より、下部の径が大きくなっている。

そして、内管２５ａの内壁には、内管２５ａと外管２５ｂの間にパージされたガスを排出するための複数の開口部２５ｄが設けられている。開口部２５ｄは、例えばφ１ｍｍで１ｍｍ間隔となるように設けられている。

このような石英カバー２５において、実施形態１と同様に、石英カバー２５の内管２５ａと外管２５ｂの間には、パージガス供給機構１６からのパージガスであるＨ_２が、パージガス供給口２５ｓより供給され、開口部２５ｄより排出される。そして、石英カバー２５より排出されたパージガスは、ガス排出口１３ａより外部に排出される。なお、パージガス排出流量は、供給されるプロセスガス、或いは排出ガスの流れにできるだけ影響しないように調整される。

このように石英カバー内にパージガスを導入することにより、実施形態１と同様に、石英カバーの最高温度を、例えば８００〜８５０℃から６５０℃程度以下まで低下させることができる。

さらに、パージガスを内管の内側に排出することにより、内管の内壁にパージガスの層が形成され、余剰プロセスガスなどの排出ガスが、内管の内壁に到達しないため、反応副生成物の被膜形成をより抑制することができる。

このように、石英カバーの温度を低下させ、その内壁にパージガスの層が形成されることにより、石英カバーへの反応副生成物の被膜形成をより抑制することができる。従って、降温時の歪によるマイクロクラックの発生を抑え、パーティクルの発生による歩留りの低下を抑えるとともに、メンテナンス頻度を低減させることが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態において、半導体製造装置の構成は実施形態２と同様であるが、パージガスを排出する開口部の配置が実施形態２と異なっている。

すなわち、図３に示すように、石英カバー３５は、内管３５と外管３５ｂを有する二重管構造を有しており、その上部には、実施形態２と同様に内管と外管の間にパージされる例えばＨ_２などのパージガスを供給するためのパージガス供給機構１６と接続されたパージガス供給口３５ｓが設けられている。

内管３５ａにおいて、実施形態２と同様にウェーハｗ上からの排出ガスを整流することができるように、傾斜が設けられており、ウェーハｗの水平位置より上部の径より、下部の径が大きくなっている。

そして、内管３５ａの内壁には、内管３５ａと外管３５ｂの間にパージされたガスを排出するための複数の開口部３５ｄがウェーハｗの水平位置より下方に設けられている。ただし、開口部３５ｄは、例えばφ１ｍｍで１ｍｍ間隔となるように設けられている。

このような石英カバー３５において、実施形態１と同様に、石英カバー３５の内管３５ａと外管３５ｂの間には、パージガス供給機構１６からのパージガスであるＨ_２が、パージガス供給口３５ｓより供給され、開口部３５ｄより排出される。そして、石英カバー３５より排出されたパージガスは、ガス排出口１３ａより外部に排出される。なお、パージガス排出流量は、余剰プロセスガスなどの排出ガスの流れに影響しないように調整される。

このように石英カバー内にパージガスを導入することにより、実施形態１と同様に、石英カバーの最高温度を、例えば８００〜８５０℃から６５０℃程度以下まで低下させることができる。

さらに、パージガスを内管の内側に排出することにより、内管の内壁にパージガスの層が形成され、余剰プロセスガスなどの排出ガスが、内管の内壁に到達しないため、反応副生成物の被膜形成をより抑制することができる。特にパーティクルが発生しやすいウェーハｗの水平位置より下方に開口部を設けることにより、供給されるプロセスガスの流れに影響を与えることなく、より効果的にパーティクルの発生を抑制することができる。

このように、石英カバーの温度を低下させ、その内壁のウェーハの水平位置より下方にパージガスの層が形成されることにより、石英カバーへの反応副生成物の被膜形成をより効果的に抑制することができる。従って、降温時の歪によるマイクロクラックの発生を抑え、パーティクルの発生による歩留りの低下を抑えるとともに、メンテナンス頻度を低減させることが可能となる。

これら実施形態において、石英カバーの内管及び外管に傾斜が設けられているが、石英カバー内（内管と外管の間）にパージガスを流すことができればよい。以下、実施形態１を例に挙げて説明すると、図４に示すように、石英カバー４５の外管４５ｂは、内管４５ａに沿って形成される必要はなく、外管４５ｂのみ上下が同じ径であってもよい。また、内管についても、傾斜が設けられる場合に限定されるものではなく、図５に示すように、内管５５ａ、外管５５ｂともに上下とも同じ径であってもよい。実施形態２、３においても同様である。

また、実施形態２、３において、石英カバーの内管に所定の径、所定の間隔でパージガスを排出する開口部が設けられているが、その径、間隔は適宜設定することができる。例えば、径が０．５〜１．５ｍｍ、間隔が０．５〜１．５ｍｍとすることができる。このような開口部は、位置により、径や間隔を変動させてもよい。例えば、ウェーハ水平位置より上方には、径の小さい、或いは広い間隔で開口部を設け、下方には径の大きい、或いは狭い間隔で開口部を設けることも可能である。このように径又は間隔を適宜変動させることにより、より効率的に石英カバーへの反応副生成物の被膜形成を抑制することができる。

また、実施形態２、３において、開口部を所定径、すなわち丸形状としたが、楕円形状でもよく、所定幅（例えば０．５〜１．５ｍｍ幅）で所定間隔（例えば０．５〜１．５ｍｍ間隔）に設けられたスリット状であってもよい。このとき、隣接するスリットが端部で接続されていてもよい。スリット状の開口部を設けた場合も、丸形状の開口部と同様の効果を得ることができる。

本実施形態によれば、ウェーハにエピタキシャル膜などの膜を高い品質でかつ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。

また、本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ＳｉＣ膜、ＳｉＯ_２膜、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…反応室
１２…プロセスガス供給機構
１３…ガス排出機構
１４…整流板
１５、２５、３５、４５、５５…石英カバー
１５ａ、２５ａ、３５ａ、４５ａ、５５ａ…内管
１５ｂ、２５ｂ、３５ｂ、４５ｂ、５５ｂ…外管
１５ｓ、２５ｓ、３５ｓ…パージガス供給口
１５ｄ、２５ｄ、３５ｄ…開口部
１６…パージガス供給機構
１７…サセプタ
１８…リング
１９…回転駆動制御機構
２０ａ…インヒータ
２０ｂ…アウトヒータ
２１…リフレクター

Claims (5)

1. 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を供給するための第１のガス供給機構と、
   前記反応室よりガスを排出するためのガス排出機構と、
   前記反応室の内壁に設けられ、内管と外管から構成される二重管構造を有するカバーと、
   前記外管と前記内管との間にパージガスを供給するための第２のガス供給機構と、
   前記カバーに設けられ、前記カバー内より前記パージガスを排出するための開口部と、
   前記ウェーハを保持するための支持部材と、
   前記ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、
   前記ウェーハを回転させるための回転駆動制御機構と、
   を備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記開口部は、前記内管の内壁に、所定の間隔で形成された開口部を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記開口部は、前記支持部材上に載置される前記ウェーハの水平位置より下方に形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
4. 前記内管は、前記支持部材上に載置される前記ウェーハの水平位置より上方の径より、下方の径が大きいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
5. 反応室内にウェーハを導入して支持部材上に載置し、
   前記反応室の内壁に設けられ、内管と外管から構成される二重管構造を有するカバーの、前記外管と前記内管との間にパージガスを供給し、
   供給された前記パージガスを排出し、
   前記ウェーハを所定温度で加熱し、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することを特徴とする半導体製造方法。

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