JP2015072989A - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

半導体製造装置および半導体製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】反応炉の径を小さくしても、ウェーハの上面にプロセスガスを均一に供給する。
【解決手段】反応炉内にウェーハを導入して支持し、反応炉の上部の内部空間領域に形成された緩衝部内へプロセスガスを導入し、緩衝部に少なくとも一部が囲まれた整流板の上部領域に、水平方向に分散された状態でプロセスガスを導入し、整流板を介してからウェーハの上面にプロセスガスを整流状態で供給し、ウェーハを下方から加熱しながら回転させ、ウェーハの上面に成膜を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウェーハ表面にエピタキシャル膜を形成する半導体製造装置および半導体製造方法に関する。
一般に、半導体製造工程においては、ウェーハ表面にエピタキシャル膜などの被膜を形成するためにＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置などの半導体製造装置が用いられている。このＣＶＤ装置においては、例えばサセプタ上にウェーハを載置し、整流板を用いてウェーハの上方から整流状態でプロセスガスを供給し、加熱しながら回転することで、ウェーハ表面に被膜を形成する。
特開２００７−３１１６６０号公報 特開２０１１−６６３５６号公報 特開２００３−２０３８６６号公報
従来型の半導体製造装置においては、装置の径が整流板に対して十分に大きく、ガス導入口と整流板の距離も広かったために、整流板からウェーハ上面に向けて供給されるプロセスガスの圧力がガス導入口から整流板の吐出孔までの距離に応じて大きく変わるという問題はなかった。
しかしながら、近年の半導体製造装置においては、（１）少ないガス量で均一な厚さの被膜を形成すること、（２）成膜反応を行う空間領域のデッドスペースを小さくし、その領域内での渦の発生を抑制すること、（３）反応炉内での反応副生成物の堆積を抑制すること等を目的として、回転部と反応炉の側壁との間隔を狭め、装置を小型化することが要求されている。装置の径を小さくすると、ガス導入口と整流板との間隔も狭くなってしまうため、整流板からウェーハ上面に向けて供給するプロセスガスの圧力はガス導入口からの距離が近い吐出孔ほど高くなってしまう。従って、ウェーハ上面にプロセスガスを均一に供給することができない。このようなプロセスガスの均一性は、ガス流量条件を変更することで改善することができるが、多量のプロセスガスが必要となり、装置の小型化の目的と反する結果を生じる。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、反応炉の径を小さくしても、ウェーハの上面にプロセスガスを均一に供給することができる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課題とする。
本発明の一実施形態に係る半導体製造装置は、プロセスガスを導入するガス導入口及びこのガス導入口より前記プロセスガスが導入される緩衝部を含むガス導入部と、前記プロセスガスによりウェーハ上に成膜反応が行われる成膜反応部と、を有する反応炉と、前記緩衝部に少なくとも一部が囲まれた領域の下部に設けられ、前記緩衝部側から水平方向に分散された状態で導入された前記プロセスガスを前記ウェーハの上面に整流状態で供給する整流板と、前記成膜反応部内に設けられ、前記ウェーハを支持するウェーハ支持部材と、前記成膜反応部内に設けられ、前記ウェーハ支持部材の外周部を支持し、前記ウェーハ支持部材と共に前記ウェーハを回転させる回転部と、この回転部内に設けられ、前記ウェーハを下面側から加熱するヒータと、前記反応炉の底部に設けられ、前記成膜反応における反応副生成物を含む排気ガスを排出するガス排出口と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の一実施形態に係る半導体製造方法は、反応炉内にウェーハを導入して支持し、前記反応炉の上部の内部空間領域に形成された緩衝部内へプロセスガスを導入し、前記緩衝部に少なくとも一部が囲まれた整流板の上部領域に、水平方向に分散された状態で前記プロセスガスを導入し、前記整流板を介してから前記ウェーハの上面に前記プロセスガスを整流状態で供給し、前記ウェーハを下方から加熱しながら回転させ、前記ウェーハの上面に成膜を行うことを特徴とする。
実施形態１に係る半導体製造装置の反応炉の全体構成例を示す断面図。 図１に示す整流板および緩衝部の構成例を示す上面図。 図２において破線で示す要部Ａにおける斜視図。 実施形態１の変形例（１）における反応炉の全体構成例を示す断面図。 実施形態１の変形例（２）における整流板および緩衝部の構成例を示す上面図。 実施形態２に係る半導体製造装置の反応炉の全体構成例を示す断面図。 図６に示す整流板、緩衝部および堰部材の構成例を示す上面図。 図７において破線で示す要部Ｂにおける斜視図。 実施形態２の変形例（１）における堰部材の形状を示す正面斜視図。 実施形態２の変形例（２）における緩衝部および堰部材の形状を示す上面図。 実施形態２の変形例（３）における緩衝部および堰部材の形状を示す上面図。 実施形態２の変形例（４）における緩衝部および堰部材の形状を示す上面図。
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。なお、各実施形態においては、反応炉１０内においてシリコンからなるφ２００ｍｍのウェーハｗを使用する場合を例として説明するが、使用するウェーハｗの種類はこれに限られない。
＜実施形態１＞
図１は、本実施形態に係る半導体製造装置の反応炉１０の全体構成例を示す断面図である。同図に示すように、反応炉１０は、ガス導入部１０ａ、成膜反応部１０ｂから構成されている。ガス導入部１０ａにおいては、ソースガス（例えば、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）など）および水素（Ｈ２）などのキャリアガスを含むプロセスガスが導入される。ガス導入部１０ａの下部に設けられる成膜反応部１０ｂにおいては、、成膜反応部１０ｂに導入されたウェーハｗの上面でプロセスガスによる成膜反応が行われる。ガス導入部１０ａにおいて、天井面の端部近傍には、プロセスガスを供給するためのガス供給機構（図示省略）に接続されたガス導入口１１が例えば２箇所に設けられている。そして、ガス導入口１１からのプロセスガス流を緩和させるための緩衝部１３が設けられている。
また、ガス導入部１０ａと成膜反応部１０ｂとの間には、緩衝部１３でガス流が緩和され、緩衝部１３に少なくとも一部が囲まれた領域（Ｐ１領域）に導入されたガスを成膜反応部１０ｂ内に整流状態で供給するための多数の吐出孔が形成されたガス吐出部１２ａと整流板外周部１２ｂからなる整流板１２が設けられている。
成膜反応部１０ｂ内には、導入されたウェーハｗを支持するためのウェーハ支持部材の一種であるサセプタ１５が設けられている。また、成膜反応部１０ｂ内には、上部にサセプタ１５が載置される円筒形状の回転リング１６ａとその回転軸１６ｂから構成された回転部１６が設けられている。回転部１６の回転軸１６ｂは、反応炉１０の外部まで延設されており、回転駆動制御機構（図示省略）に接続されている。そして、回転駆動制御機構は、モータ（図示省略）の駆動力によって回転部１６を回転させ、サセプタ１５と共にウェーハｗを例えば９００ｒｐｍで回転させる。
また、回転部１６の内部には、ウェーハｗを下面側から加熱するヒータ１７が設けられている。ヒータ１７は、インヒータ１７ａとアウトヒータ１７ｂから構成されている。インヒータ１７ａは、ウェーハｗを中央側から加熱する。これに対し、アウトヒータ１７ｂは、インヒータ１７ａとサセプタ１５との間に設けられ、ウェーハｗを外周側から加熱する。インヒータ１７ａ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（図示省略）が設置されていてもよい。
インヒータ１７ａおよびアウトヒータ１７ｂは、温度制御機構（図示省略）にそれぞれ接続されている。温度制御機構（図示省略）は、温度測定装置（図示省略）により測定されたウェーハｗの面内温度に基づいて、インヒータ１７ａおよびアウトヒータ１７ｂの温度を例えば１４００〜１５００℃の範囲で適宜出力を調整して、ウェーハｗの面内温度が均一に例えば１１００℃となるようにウェーハｗを介して加熱する。
そして、反応炉１０の底部には、ガス排出口１８が例えば２箇所に設けられている。このガス排出口１８は、ガス排出機構（図示省略）に接続されている。ガス排出機構は、バルブおよび真空ポンプを有し、ウェーハｗ上に供給されて余剰となったプロセスガスや反応副生成物を含む排気ガスを反応炉１０から排出するとともに、反応炉１０内の圧力を制御する。反応炉１０内の圧力は、ガス導入口１１からのガス供給とガス排出口１８からの排気の流量によって調整される。
図２は、図１に示す整流板１２および緩衝部１３の構成例を示す上面図である。また、図３は、図２において破線で示す要部Ａにおける斜視図である。ここでは、底面形状が扇形状の緩衝部１３が、ガス導入口１１の数と位置に対応してリング形状の整流板外周部１２ｂの外側に２箇所設けられている。また、図３中の矢印は、ガス導入口１１から緩衝部１３へ導入されたプロセスガスの進行方向の例を示している。なお、緩衝部１３の底面形状は、扇形状に限られず、大きさも任意に変更可能である。
続いて、上記のように構成された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方法の具体例を説明する。
先ず、反応炉１０のゲート（図示省略）を開放して、ロボットハンド（図示省略）により、ウェーハｗを例えば炉内が７００℃に加熱された反応炉１０内に搬入する。
次いで、突き上げ機構（図示省略）を上昇させ、ウェーハｗを突き上げ機構上に載置し、ロボットハンド（図示省略）を反応炉１０の外部に搬出して、ゲート（図示省略）を閉鎖する。
次いで、突き上げ機構を下降させることにより、サセプタ１５上にウェーハｗを載置する。そして、温度制御機構（図示省略）により、ウェーハｗの面内温度が均一に、例えば１１００℃となるように、インヒータ１７ａを１４００℃、アウトヒータ１７ｂを１５００℃程度に制御する。
そして、回転駆動機構（図示省略）により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させるとともに、ガス導入口１１からプロセスガス（例えば、キャリアガス：Ｈ２を６１ｓｌｍ、ソースガス：ＳｉＨＣｌ３を１６．５ｓｌｍ）を導入し、反応炉１０内の圧力を７００Ｔｏｒｒに調整する。
導入されたプロセスガスは先ず緩衝部１３内に供給され、緩衝部１３で一旦受け止められるため、プロセスガスは図３に示すように緩衝部１３内から整流板１２のガス吐出部１２ａへ水平方向に分散して進む。この結果、プロセスガスは整流板１２を介して整流状態でウェーハｗ上に供給され、その流量はガス吐出部１２ａにおける吐出孔の位置に関わらず一定となる。
また、余剰となったＳｉＨＣｌ３を含むプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物であるＨＣｌなどのガスは、ガス排出口１８より排出され、反応炉１０内の圧力を一定に制御する。このようにして、各条件を制御し、ウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を成長させる。
以上のように、本実施形態に係る半導体製造装置によれば、反応炉１０の径を従来型よりも大幅に小さくしつつ、ガス導入部１０ａ側に整流板１２の外側に所望の大きさの緩衝部１３を部分的に設けることで、整流板１２の外側に設けた緩衝部１３にプロセスガスを導入して整流板１２の上部において効率的に広げることができる。従って、整流板１２からウェーハｗの上面に供給されるプロセスガスの流量を吐出孔の位置に関わらず一定にすることができ、その結果、膜厚の均一性を向上させることができる。
なお、本実施形態に限定されるものではなく、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。
例えば、図４に断面図を示すように、ガス導入口１１を反応炉１０の側面に形成し、プロセスガスを垂直下方向ではなく水平方向に供給してもよい。すなわち、ガス導入口１１は必ずしも反応炉１０の天井面上に設ける必要はなく、プロセスガスの供給方向も垂直下方向だけでなく水平方向であってもよい。
また、図５に上面図を示すように、緩衝部１３の底面形状を扇型にして整流板１２の外側に部分的に配置するのではなく、リング形状にして整流板１２の上部全周を囲むように配置してもよい。
＜実施形態２＞
以下、本発明の実施形態２について説明する。なお、上記実施形態１において付された符号と共通する符号は同一の対象を表すため説明を省略し、以下では実施形態１と異なる箇所について詳細に説明する。
図６は、実施形態２に係る半導体製造装置の反応炉１０の全体構成例を示す断面図である。また、図７は、図６に示す整流板１２、緩衝部１３および堰部材１４の構成例を示す上面図であり、図８は、図７において破線で示す要部Ｂにおける斜視図である。これらの図に示されるように、本実施形態に係る半導体製造装置は、緩衝部１３と整流板１２との間に上方向へ突出して形成され、緩衝部１３から整流板１２に導入されるプロセスガスの流れの障壁となるように形成された堰部材１４を更に備えている点が実施形態１と異なっている。
堰部材１４は、緩衝部１３と整流板１２のガス吐出部１２ａとの間に設けられた領域である整流板外周部１２ｂにおいて反応炉１０の天井面方向に所定の高さで突出して形成され、かつ、長手方向の幅が少なくとも緩衝部１３の幅よりも広く調整されている。この堰部材１４は、成膜条件により高さ、厚さ、または幅をそれぞれ変化させるために、着脱可能に構成することが好ましい。
本実施形態に係る半導体製造装置は、堰部材１４を設けることにより、プロセスガスの流路途中の形状を変更するものである。図６乃至図８の場合における、プロセスガスの流路は以下の通りである。
例えば、反応炉１０内の圧力を７００Ｔｏｒｒに調整されるように、、ガス導入口１１から緩衝部１３へプロセスガス（例えば、キャリアガス：Ｈ２を６１ｓｌｍ、ソースガス：ＳｉＨＣｌ３を１６．５ｓｌｍ）が導入される。
次に、緩衝部１３へ導入されたプロセスガスは緩衝部１３で受け止められ、水平方向に分散して進む。その後、プロセスガスが堰部材１４に衝突すると、図７に示したように堰部材１４を上方や左右方向に迂回しながら通過する。そして、緩衝部１３の位置に対応して堰部材１４が設けられた箇所においては、プロセスガスは整流板１２に対して上から下方向のガス流が形成される。これに対し、堰部材１４が設けられていない箇所においては、堰部材１４を左右から迂回して水平方向のガス流が形成される。この結果、整流板１２上に形成されている吐出孔と堰部材１４との位置関係によってガス流の向きを大きく変えることができる。
以上のように、本実施形態に係る半導体製造装置によれば、堰部材１４を設けることによって、ガス導入口に近い場所のプロセスガスの供給量を抑え、整流板に供給するガス量を全ての吐出孔において均一にすることができる。その結果、膜厚の均一性を向上させることができる。
なお、本実施形態に限定されるものではなく、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。
図９に正面斜視図を示すように、堰部材１４の高さが、中央部のＣ点における高さＨ１を端部のＤ点における高さＨ２よりも高くしてもよい。さらに、図１０に堰部材１４の形状の上面図を示すように、中央部のＣ点における厚さを端部のＤ点における厚さよりも厚くなるように調整してもよい。図９、図１０に示すような構成により、ガス導入口１１に近い場所のプロセスガスの供給量を抑え、整流板１２に供給するガス量を全ての吐出孔において均一にすることができる。なお、図９、図１０では堰部材１４の高さおよび厚さを部分的に調整したが、全体を同様に調整してもよい。
同様に、図１１に上面図を示すように、堰部材１４の幅を緩衝部１３の幅より大幅に広くなるように形成してもよい。なお、堰部材１４の高さ、厚さおよび幅は、緩衝部１３の位置、大きさおよびプロセスガスの流量条件等に基づいて任意に調整し、実験等を通じて最適化することが好ましい。堰部材１４の高さ、厚さ、または幅をそれぞれ変化させることで、ウェーハｗ上におけるＳｉエピタキシャル膜の成長状況を更に詳細に制御することが可能となる。
また、図１２に上面図を示すように、緩衝部１３をリング形状として整流板１２の上部全周に配置するとともに、堰部材１４をリング形状としてもよい。
また、上記実施形態２では、堰部材１４は、整流板外周部１２ｂ上に形成されるものとしたが、少なくとも緩衝部１３と整流板１２のガス吐出部１２ａとの間に設けられていればよいため、緩衝部１３側に整流板外周部１２ｂと隣接するように設けてもよい。
また、上記二つの実施形態では、緩衝部１３の底面は整流板１２の上面と同じ水平面である必要はなく、緩衝部１３の底面が整流板１２の上面よりも上方あるいは下方に配置させてもよい。すなわち、緩衝部１３はガス導入口１１から供給されるプロセスガスを一旦受け止められる領域であればよく、その位置および大きさはガス導入口１１や整流板１２の位置に応じて任意に決定することができる。
更に、上記実施形態において、単層のＳｉエピタキシャル膜形成を例に挙げて説明したが、ＧａＮ系の化合物半導体、その他ポリＳｉ層、ＳｉＯ２層やＳｉ３Ｎ４層などの絶縁膜や、ＳｉＣ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓなど化合物半導体の積層に適用することが可能である。また、半導体膜のドーパントを変動させる際にも適用することが可能である。
ｗ…ウェーハ、１０…反応炉、１０ａ…ガス導入部、１０ｂ…成膜反応部、１１…ガス導入口、１２…整流板、１２ａ…ガス吐出部、１２ｂ…整流板外周部、１３…緩衝部、１４…堰部材、１５…サセプタ（ウェーハ支持部材）、１６…回転部、１６ａ…回転リング、１６ｂ…回転軸、１７…ヒータ、１７ａ…インヒータ、１７ｂ…アウトヒータ、１８…ガス排出口。

Claims (5)

  1. プロセスガスを導入するガス導入口及びこのガス導入口より前記プロセスガスが導入される緩衝部を含むガス導入部と、前記プロセスガスによりウェーハ上に成膜反応が行われる成膜反応部と、を有する反応炉と、
    前記緩衝部に少なくとも一部が囲まれた領域の下部に設けられ、前記緩衝部側から水平方向に分散された状態で導入された前記プロセスガスを前記ウェーハの上面に整流状態で供給する整流板と、
    前記成膜反応部内に設けられ、前記ウェーハを支持するウェーハ支持部材と、
    前記成膜反応部内に設けられ、前記ウェーハ支持部材の外周部を支持し、前記ウェーハ支持部材と共に前記ウェーハを回転させる回転部と、
    この回転部内に設けられ、前記ウェーハを下面側から加熱するヒータと、
    前記反応炉の底部に設けられ、前記成膜反応における反応副生成物を含む排気ガスを排出するガス排出口と、を備えることを特徴とする半導体製造装置。
  2. 前記緩衝部と前記整流板との間に上方向へ突出して形成され、前記緩衝部から前記整流板に導入される前記プロセスガスの流れの障壁となるように形成された堰部材を更に備えることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
  3. 前記堰部材の高さ、厚さまたは幅は、前記緩衝部の位置、大きさおよび前記プロセスガスの流量条件に基づいてそれぞれ調整されることを特徴とする請求項２の半導体製造装置。
  4. 前記堰部材は、着脱可能に設けられることを特徴とする請求項２または請求項３記載の半導体製造装置。
  5. 反応炉内にウェーハを導入して支持し、
    前記反応炉の上部の内部空間領域に形成された緩衝部内へプロセスガスを導入し、
    前記緩衝部に少なくとも一部が囲まれた整流板の上部領域に、水平方向に分散された状態で前記プロセスガスを導入し、
    前記整流板を介してから前記ウェーハの上面に前記プロセスガスを整流状態で供給し、
    前記ウェーハを下方から加熱しながら回転させ、前記ウェーハの上面に成膜を行うことを特徴とする半導体製造方法。
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