JP4355321B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、成長用ガスと、クリーニングガスとが混合しないように工夫した気相成長装置、及び気相成長装置におけるガス混合回避方法

従来、ウェハに成膜する製造装置として、気相成長装置（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎで、この中にＶＰＥ：Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈを含む）が一般的で、例えば特開平９−１７７３４号公報に示すように、Ｓｉの成膜では、ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）と水素（Ｈ_２）が用いられている。

なお、ここで、結晶性の悪い基板上には、ポリＳｉ膜が、Ｓｉ単結晶基板には単結晶Ｓ
ｉ膜が成膜される。

具体的な例としては、図３に示す通りで、支持台３０１上に載置された半導体ウェハ３０２がチャンバー３０３内に収納される。収納された半導体ウェハ３０２は、ヒータ３０４により、成膜に必要な温度に加熱される。

チャンバー３０３には、ＳｉＨ_４ガス及びＨ_２ガスを供給するガス流路３０５ａ、３０５ｂ（第１の流路）が連結され、ガス流路の他方はそれぞれガスシリンダ３０６ａ、３０６ｂに接続されている。その流路３０５ａ、３０５ｂの途中には、ガスを開閉するバルブ３０７ａ、３０７ｂが接続されている。

シリンダ３０６ａ、３０６ｂより、ガス流路３０５ａ、３０５ｂを介し、バルブ３０７ａ、３０７ｂが開放され、チャンバー３０３内に、ＳｉＨ_４ガス、Ｈ_２ガスが供給され、半導体単結晶ウェハ上に、Ｓｉ膜が成膜（エピタキシャル成長）される。この成膜は、何回か繰り返して行う場合が多い。例えば特開２０００−２８２２４１号公報に示す如く、ＳｉＨ_４ガスに硼素、アルミニウム、ガリウム及び燐などを含むようにすると、Ｐ型、Ｎ型の半導体単結晶層を形成可能である。更に、特開２００４−２８１６７３号公報の如く、ＳｉＨ_４ガスと、Ｏ_２ガスを供給するようにすれば、ＳｉＯ_２膜が、ＳｉＮ_４ガスとＨＮ_３ガスなどを供給するようにすれば、Ｓｉ_３Ｎ_４膜が成膜できる。

また、チャンバー３０３には、ＣｌＦ_３ガス（ＳｉＯ_２膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜の場合ＣＦ_４やＣ_２Ｆ_６などのガスを用いる）を供給するガス流路３０８が接続され、その流路３０８の途中には、ガスを開閉するバルブ３０９が接続されている。

成膜（Ｓｉ単結晶膜）が終了後、チャンバー３０３内をクリーニングする際、シリンダ３１０より、ガス流路３０８を介し、バルブ３０９を開放することにより、ＣｌＦ_３ガスが供給される。

なお、上記ウェハ上への成膜、チャンバー内のクリーニングにおいて、ガスの排気は、ガス排気用のガス流路３１１の接続されている真空ポンプ３１２より、バキュームされる。

ところで、上述した図３の気相成長装置において、成膜時に用いるＳｉＨ_４ガスと、クリーニング時に用いるＣｌＦ_３ガスとの混合を、危険性などから絶対に避ける必要がある。

このため、特に成膜時に用いるＳｉＨ_４ガスを流す流路３０５ａに接続されているバルブ３０６ａを、クリーニング時に完全に閉めるようにしている。また、成膜が完了後、Ｎ_２などで、チャンバー内をパージし、その後、バルブ３１１を開き、排出用のガス流路３１２に接続されている真空ポンプ３１３でバキュームし、ＳｉＨ_４ガスを完全に排気するようにしている。

しかしながら、従来の方法では、排出時の排気完了を確認できても、クリーニング中、ＳｉＨ_４ガスがチャンバー内に侵入しているかは全く不明である。換言すると、ＳｉＨ_４ガスがチャンバー内への侵入を検知していないという実情である。

特開平９−１７７３４号公報 特開２０００−２８２２４１号公報 特開２００４−２８１６７３号公報

上述したように、従来の気相成長装置において、安全性の観点から充分とは言えず、未だ改良すべき点がある。
本発明は、上記した点に対処して鑑みなされ、安全性を大幅に改善した新規な気相成長装置、及びこの気相成長装置におけるガス混合回避方法を提供するものである。

本発明の気相成長装置の特徴は、チャンバーに収容されたウェハ上に、気相成長法により成膜するために、成膜に必要な水素化物ガスを供給する第１の流路と、この第１のガス流路の水素化物ガスを制御する第１のバルブと、チャンバー内をクリーニングするために、クリーニング用のＣｌＦ_３をチャンバー内に供給する第２の流路と、チャンバー内のガスを排気する第３の流路とを備えてなる気相成長装置であって、第１のバルブを直列の２段構成とし、気相成長装置は、さらに、その２段構成のバルブの間に設けられた圧力スイッチと、第２のガス流路のＣｌＦ_３ガスを制御する第２のバルブと、圧力スイッチが圧力変動を検知した場合に、第２のバルブを閉じるように制御する制御装置と、を備えたことにある。

また、もう一つの本発明の気相成長装置の特徴は、チャンバーに収容されたウェハ上に、気相成長法により成膜するために、成膜に必要なガスを供給する第1の流路と、この第1のガス流路のガスを制御するバルブと、チャンバー内をクリーニングために、クリーニング用ガスをチャンバー内に供給する第2の流路と、チャンバー内のガスを排気する第3の流路とを備えてなる気相成長装置であって、バルブを直列の2段構成とし、その2段構成のバルブの間に、ガス検知器を設けたことにある。

なお、本発明で用いる、前記第１の流路は、Ｈ_２化物ガスを供給する流路と、キャリアガスを供給する流路との並列に構成され、その２つの流路それぞれが２段のバルブからなり、その中間に圧力スイッチが設けられている点にも特徴がある。

また、本発明で用いる前記第１の流路は、Ｈ_２化物ガスを供給する流路と、キャリアガスを供給する流路とが個々に構成され、第一のバルブを介して共通され、その共通部分の流路から、流路を分離し、個々に第二のバルブを介してその２つの流路それぞれがバルブを介してからなり、その中間にガス検出器が設けられている点にも特徴がある。

さらに、本発明で用いるＨ_２化物ガスは、シラン（ＳｉＨ_４）ガス、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスまたはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスであることが望ましい。

また、本発明で用いる第１の流路には、Ｈ_２化物ガスを供給する流路と、キャリアガスを供給する流路とが個々に構成されると共に、Ｎ_２を供給するための補助流路が設けられている点にも特徴がある。

さらにまた、本発明で用いる第１の流路は、並列構成で、その一方には、シラン（ＳｉＨ_４）ガス、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスまたはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス、他方にはＨ_２ガスが供給され、第２の流路には、ＣｌＦ_３ガスが供給されることが望ましい。

さらに、本発明において、第２のガス流路のガスを制御する第２のバルブと、圧力スイッチが圧力変動を検知した場合に、第２のバルブを閉じるように制御する制御装置と、を備えている点にも特徴がある。

また、本発明の方法の特徴は、上述した気相成長装置を用い、チャンバー内にクリーニングガスを供給する際は、２段構成のバルブを閉じてクリーニングを開始し、そのクリーニング中に、圧力スイッチの圧力変動が生じた時、クリーニングガスの供給を禁止することにより、前記Ｈ_２化物ガスとクリーニングガスの混合を無くすことにある。

さらに、本発明の方法のもう一つの特徴は、上述した気相成長装置を用い、チャンバー内にクリーニングガスを供給する際は、２段構成のバルブを閉じてクリーニングを開始し、そのクリーニング中に、ガス検出器でＨ_２化物ガスの検出が認められた時、クリーニングガスの供給を禁止することにより、Ｈ_２化物ガスとクリーニングガスの混合を無くすことにある。

また、２段構成のバルブを閉じる場合に、前記ガスを供給する側のバルブを閉じて、前記第３の流路側から排気した後に、前記２段構成のバルブの内、他方のバルブを閉じることにも特徴がある。

本発明によれば、クリーニング中において、ガス供給側のバルブ間に設けた、圧力スイッチの圧力の変動があった時点、ガス供給側のバルブ間に設けたガス検出器でガス検出が認められたに時点で、クリーニングガス（ＣｌＦ_３ガス）の供給を取り止めるようにして、チャンバー内でのＳｉＨ_４ガス、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスまたはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスと、クリーニングガスとの混在を無くし、安全性を高めた気相成長装置及びその装置を用いた方法を提供可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
第１の実施形態では、上述した従来例と同様で、図１に示す如く、支持台１０１上に載置されたSi単結晶ウェハ１０２がチャンバー１０３内に収納される。収納されたSi単結晶ウェハ１０２は、ヒータ１０４により、成膜に必要な温度に加熱される。

チャンバー１０３には、ＳｉＨ_４ガス及びＨ_２ガスを供給するガス流路１０５ａ、１０５ｂ（第１の流路）が連結され、ガス流路の他方はそれぞれガスシリンダ１０６ａ、１０６ｂに接続されている。その流路１０５ａ、１０５ｂの途中には、ガスを開閉するバルブ１０７Ａ、１０７ａ、１０７Ｂ、１０７ｂが接続されている。即ちバルブは、Ｈ_２ガス制御用として、直列に１０７Ａ、１０７ａ、ＳｉＨ_４ガス制御用として、直列に１０７Ｂ、１０７ｂが設けられている。このバルブ１０７Ａと１０７ａの間、１０７Ｂと１０７ｂの間には、圧力スイッチ１１４Ａ、１１４Ｂが接続され、その圧力スイッチ１１４の他端は制御装置１１５に接続されている。この制御装置１１５には、クリーニングガスを制御するバルブ１０９も接続されている。

なお、ＳｉＨ_４ガスに硼素（Ｂ_２Ｈ_６ガス）、燐（ＰＨ_３ガス）などを含むようにすると、Ｐ型、Ｎ型のＳｉ単結晶層を形成可能である。ＳｉＨ_４ガスに含ませるガスは、硼素、燐に限らず、Ａｌ、Ａｓなどを含むガスであっても構わない。

シリンダ１０６ａ、１０６ｂより、ガス流路１０５ａ、１０５ｂを介し、バルブ１０７Ａ、１０７ａ、１０７Ｂ、１０７ｂが開放され、チャンバー１０３内に、ＳｉＨ_４ガス、Ｈ_２ガスが供給され、Ｓｉ単結晶ウェハ上に、Ｓｉ単結晶膜が成膜される。この成膜は、何回か繰り返して行う場合が多い。本実施形態の場合は、最初、ＳｉＨ_４ガスにＰＨ_３ガスを混合したガスと、Ｈ_２ガスを、次に、ＳｉＨ_４ガスにＢ_２Ｈ_６ガスを混合したガスと、Ｈ_２ガスを流すことによって、最初Ｎ型Ｓｉ単結晶層、次にＰ型Ｓｉ単結晶層が形成される。

また、チャンバー１０３には、ＣｌＦ_３ガスを供給するガス流路１０８（第２の流路）が接続され、その流路１０８の途中には、ガスを開閉するバルブ１０９が接続されている。このバルブ１０９には、制御装置１１５が接続されている。なお、ＣｌＦ_３ガスを供給するガス流路１０８の他端は、当然ながらシリンダ１１０が接続されている。

成膜（Ｐ型Ｓｉ単結晶層、Ｎ型Ｓｉ単結晶層）が終了後、チャンバー１０３内をクリーニングする。この場合、シリンダ１１０より、ガス流路１０８を介し、バルブ１０９を開放することにより、ＣｌＦ_３ガスが供給される。

なお、上記ウェハ上への成膜、チャンバー内のクリーニングにおいて、ガスの排気は、ガス排気用のガス流路１１２（第３の流路）が接続されている真空ポンプ１１３により、バキュームされる（バルブ１１１を開放する）。

本実施形態では、気相成長プロセスからクリーニングへの移行の際、バルブ１０７Ａ、１０７Ｂを閉じておいて、チャンバー１０３内に加えて、ＳｉＨ_４ガスの供給元側のバルブ１０７Ａ（チャンバーからバルブ１０７ａ経由バルブ１０７Ａ迄），１０７Ｂ（チャンバーからバルブ１０７ｂ経由バルブ１０７Ｂ迄）までの配管もバキュームし、管内からＳｉＨ_４ガスを排出する。ＳｉＨ_４ガスの排出後、バルブ１０７ａ、１０７ｂを閉じる。この後に、ＣｌＦ_３ガスをチャンバー１０３内に導入し、クリーニングを実施する。

この後が本実施形態において、最も重要で、ＣｌＦ_３ガス導入中、バルブ１０７ａと１０７Ａの間、１０７ｂと１０７Ｂの間の配管に設けられた圧力スイッチ１１４Ａが圧力上昇を検知した時、クリーニングガス（ＣｌＦ_３ガス）の導入を禁止（バルブ１０９を閉じる）する。即ち、圧力スイッチ１１４Ａ、１１４Ｂで圧力上昇を感知すると、制御装置１１５に信号が送られ、その制御装置１１５からバルブ１０９が閉じられ、クリーニングガスの供給ができなくなる。

このように制御を行えば、微量のＳｉＨ_４ガスの残量或いはバルブ１０７Ａ、１０７Ｂの緩みから発生する漏れがあったとしても、ＳｉＨ_４ガスとクリーニングガスとが混合するということはない。

換言すると、バルブ１０７Ａ，１０７Ｂ間の圧力スイッチ１１４で、異常が感知された時に、クリーニングガスの供給を止める（バルブ１０９を閉じる）ので、アパチャー内で、ＳＩＨ４ガスとＣｌＦ_３ガスでの混合がなくなり、安全性に優れたものとなる。

この装置で上記のように制御すれば、ＳｉＨ_４ガスとクリーニングガスの混合の危険性を、クリーニングガスの導入中もリアルタイムで監視可能となる。

したがって、本実施形態１の気相成長装置によれば、ＳｉＨ_４ガスとクリーニングガスの混合の危険性がなくなる為、安全性の高いものを提供可能となる。

なお、上記実施形態１では、Ｓｉ単結晶層形成の場合を説明したが、ポリＳｉ層形成時にも適用でき、他の化合物半導体例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなどにも適用可能である。この場合、成膜用のガスを代える必要がある。しかし、クリーニング用のガスとしては、基本的にフッ素系のガスを用いるケースが多いが、他のガス即ちチャンバー内をクリーニングできるガスであれば良い。

また、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜形成の場合にも適用可能で、その場合は、供給ガス、クリーニングガスも上記とは大幅に異なってくる。

ＳｉＯ_２膜の場合、モノシラン（ＳｉＨ_４）の他、Ｎ_２，Ｏ_２，Ａｒガスを、Ｓｉ_３Ｎ_４膜の場合、ＳｉＨ_４の他、ＮＨ３，Ｎ_２，Ｏ_２、Ａｓガスなどを供給することになる。この時の、クリーニングガスとしては、ＣＦ３、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＯＦ２などを用いる。これらの場合も、上記実施形態と同様に、安全性を高めることが可能となる。

（実施形態２）
第２の実施形態では、上述した実施形態１と類似し、基本構成は略同じである。即ち、図２（ａ）に示す如く、支持台２０１上に載置されたＳｉ単結晶ウェハ２０２がチャンバー２０３内に収納される。収納されたＳｉ単結晶ウェハ２０２は、ヒータ２０４により、成膜に必要な温度に加熱される。

チャンバー２０３には、ＳｉＨ_４ガスを供給するガス流路２０５ａ（第１の流路）が連結され、ガス流路の他方はガスシリンダ２０６ａに接続されている。その流路２０５ａ、の途中は、Ｈ_２ガス流路２０５ｂと共通化され、そのＨ_２ガス流路２０５ｂの他端は、ガスシリンダ２０６ｂに接続されている。そのガスを開閉するバルブ２０７ａ、２０７Ａ、２０７ｂ、２０７Ｂが接続されている。ガス流路が共通化された部分に、ガス検知器２１６が接続され、そのガス検知器２１６の他端は制御装置２１５に接続されている。この制御装置２１５には、クリーニングガスを制御するバルブ２０９も接続されている。

なお、ＳｉＨ_４ガスに硼素（Ｂ_２Ｈ_６ガス）、燐（ＰＨ_３ガス）などを含むようにすると、実施形態１と同様、Ｐ型、Ｎ型のＳｉ単結晶層を形成可能である。ＳｉＨ_４ガスに含ませるガスは、硼素、燐に限らず、Ａｌ、Ａｓなどを含むガスであっても構わない。

シリンダ２０６ａ、２０６ｂより、ガス流路２０５ａ、２０５ｂを介し、バルブ２０７Ａ、２０７ａ、２０７ｂ、２０７Ｂが開放され、チャンバー２０３内に、ＳｉＨ_４ガスが供給され、Ｓｉ単結晶ウェハ上に、Ｓｉ単結晶膜が成膜される。この成膜は、何回か繰り返して行う場合が多い。なお、この場合、Ｈ_２ガスは、チャンバー２０３には供給されず、外部へ放出される。

また、チャンバー２０３には、ＣｌＦ_３ガスを供給するガス流路２０８（第２の流路）が接続され、その流路２０８の途中には、ガスを開閉するバルブ２０９が接続されている。このバルブ２０９には、制御装置２１５が接続されている。なお、ＣｌＦ_３ガスを供給するガス流路２０８の他端は、当然ながらシリンダ２１０が接続されている。

成膜が終了後、チャンバー２０３内をクリーニングする。この場合、シリンダ２１０より、ガス流路２０８を介し、バルブ２０９を開放することにより、ＣｌＦ_３ガスが供給される。

なお、上記ウェハ上への成膜、チャンバー内のクリーニングにおいて、ガスの排気は、ガス排気用のガス流路２１２（第３の流路）が接続されている真空ポンプ２１３により、バキュームされる（バルブ２１１を開放する）。

本実施形態では、気相成長プロセスからクリーニングへの移行の際、バルブ２０７Ａをまず閉じて、チャンバー２０３内に加えて、ＳｉＨ_４ガスの供給元側のバルブ２０７Ａ（チャンバーからバルブ２０７ａ経由バルブ２０７Ａ迄）までの配管もバキュームし、管内からＳｉＨ_４ガスを排出する。ＳｉＨ_４ガスの排出後、バルブ２０７ａを閉じる。その後、ＣｌＦ_３ガスはバルブ１０９を開放することで、チャンバー２０３内に導入され、クリーニングが実施される。

この後が本実施形態につき、最も重要で、ＣｌＦ_３ガス導入中、バルブ２０７ａと２０７Ａとの間の配管に設けられたＳｉＨ_４ガスの検出器２１６が、ＳｉＨ_４ガスを検知した時、クリーニングガス（ＣｌＦ_３ガス）の導入を禁止（バルブ２０９を閉じる）する。即ち、ガス検出器２１６でＳｉＨ_４ガスを感知すると、制御装置２１５に信号が送られ、その制御装置２１５からバルブ２０９が閉じられ、クリーニングガスの供給ができなくなる。このように制御を行えば、微量のＳｉＨ_４ガスの残量或いはバルブ２０７Ａの緩みなどから発生する漏れがあったとしても、第１の流路内でＳｉＨ_４ガスの検知が可能であり、チャンバー内で、ＳｉＨ_４ガスとクリーニングガスとが混合するということはない。

この装置で上記のように制御すれば、ＳｉＨ_４ガスとクリーニングガスの混合の危険性を、クリーニングガスの導入中もリアルタイムで監視可能となる。

したがって、本実施形態の気相成長装置によれば、チャンバー内でのＳｉＨ_４ガスとクリーニングガスの混合の危険性がなくなる為、安全性の高いものを提供可能となる。

本実施形態２の場合、通常減圧で行うケースが多いので、図２（ｂ）に示す如く、Ｎ_２ガスをパージガスとして供給することが望ましい。この図２の（ｂ）において、２０５Ｃは第１の供給路の一部、２０６ＣはＮ_２シリンダ、２０７Ｃ、２０７ｃはバルブである。バルブ２０７Ｃ、２０７ｃは、ＳｉＨ_４ガスを供給時には、供給するようにして置くことが望ましい。

本発明の実施形態１を説明するための気相成長装置の概略図。 本発明の実施形態２を説明するための気相成長装置の概略図。 従来の気相成長装置の概略図。

符号の説明

１０１・・・・・・・・・・支持台
１０２・・・・・・・・・・Si単結晶ウェハ
１０３・・・・・・・・・・チャンバー
１０４・・・・・・・・・・ヒータ
１０５ａ・・・・・・・・・SiH4ガス流路
１０５ｂ・・・・・・・・・H2ガス流路
１０６ａ・・・・・・・・・SiH4ガスシリンダ
１０６ｂ・・・・・・・・・H2シリンダ
１０７、１０９、１１１・・バルブ
１０８・・・・・・・・・・ClF3ガス流路（第２のガス流路）
１１０・・・・・・・・・・ClF3ガスシリンダ
１１２・・・・・・・・・・排気用ガス流路（第３のガス流路）
１１３・・・・・・・・・・真空ポンプ
１１４・・・・・・・・・・圧力スイッチ

Claims (5)

1. チャンバーに収容されたウェハ上に、気相成長法により成膜するために、成膜に必要な水素化物ガスを供給する第１の流路と、
   この第１のガス流路の水素化物ガスを制御する第１のバルブと、
   前記チャンバー内をクリーニングするために、クリーニング用のＣｌＦ_３ガスを前記チャンバー内に供給する第２の流路と、
   前記チャンバー内のガスを排気する第３の流路と
   を備えてなる気相成長装置であって、
   前記第１のバルブを直列の２段構成とし、
   前記気相成長装置は、さらに、
   前記２段構成のバルブの間に設けられた圧力スイッチと、
   第２のガス流路のＣｌＦ_３ガスを制御する第２のバルブと、
   前記圧力スイッチが圧力変動を検知した場合に、前記第２のバルブを閉じるように制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記第１の流路は、水素化物ガスを供給する流路と、キャリアガスを供給する流路との並列に構成され、その２つの流路それぞれが２段のバルブからなり、その中間に圧力スイッチが設けられていることを特徴とする前記請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記水素化物ガスは、シラン（ＳｉＨ_４）ガス、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスまたはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスであることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
4. 前記第１の流路には、水素化物ガスを供給する流路と、キャリアガスを供給する流路とが個々に構成されると共に、Ｎ_２を供給するための補助流路が設けられていることを特徴とする前記請求項１記載の気相成長装置。
5. 前記第１の流路は並列構成で、その一方には、シラン（ＳｉＨ_４）ガス、トリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスまたはジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガス、他方にはＨ_２ガスが供給されることを特徴とする前記請求項１記載の気相成長装置。