JP5496721B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。

従来から、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の厚い結晶膜を必要とする半導体素子の製造には、エピタキシャル成長技術が活用されている。

エピタキシャル成長技術に使用される気相成長方法では、例えば、半導体基板上にシリコン（Ｓｉ）結晶を成長させてＳｉ単結晶基板を得ようとする場合に、シリコンウェハ等の半導体基板が配置された気相成長用の成膜室内を、常圧（０．１ＭＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））、或いは減圧に保持する。

そして、半導体基板を加熱しながら、シリコン源となる原料ガスに、ボロン系のジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、リン系のホスフィン（ＰＨ_３）、砒素系のアルシン（ＡｓＨ_３）等のドーパントガスを混合したプロセスガスを気相成長用の成膜室内に供給する。すると、所定の温度以上に加熱された半導体基板の表面で、原料ガスの熱分解反応或いは水素還元反応が起こり、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、或いは砒素（Ａｓ）がドープされた気相成長膜が成膜される。

膜厚の厚いエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェハの表面に新たなプロセスガスを次々に接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、従来の成膜装置においては、例えば、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている。

また、膜厚の厚いエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造する別の方法として、プロセスガスの供給面からの装置の改善が図られている。すなわち、成膜装置の成膜室内にプロセスガスを供給する場合において、プロセスガスが効率良く半導体基板の表面に集められるように成膜装置上の工夫がなされている。

例えば、特許文献１には、成膜室内に供給されたプロセスガスを整流し、ホルダーに保持された半導体基板に向かってプロセスガスを供給する整流板と、整流板下部に設置され、上端の内径より下端の内径が大きく、半導体基板上から外周方向に排出されるガスを下方に整流する環状の整流フィンとを備えた半導体製造装置が開示されている。こうした構造を備えることにより、プロセスガスの利用効率は向上する。

特開２００９−２３１５８７号公報

図４は、エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の構成を説明するための模式的な断面図である。図４に示される成膜装置２００は、上述のような半導体基板の高速回転と、プロセスガスの効率的な利用とが可能となるように構成されている。

図４に示す成膜装置２００において、２０１は成膜室としてのチャンバ、２０２はチャンバ内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ、２０３ａ、２０３ｂはチャンバを冷却する冷却水の流路、２０４はプロセスガス２２５を導入する供給部、２０５は反応後のプロセスガスの排気部、２０６は気相成長を行うウェハ等の半導体基板、２０７は半導体基板２０６を支持するサセプタ、２０８は図示しない支持部に支持されて半導体基板２０６を加熱するヒータ、２０９はチャンバ２０１の上下部を連結するフランジ部、２１０はフランジ部２０９をシールするパッキン、２１１は排気部２０５と配管を連結するフランジ部、２１２はフランジ部２１１をシールするパッキンである。

ライナ２０２は、通常は、石英製であって透明性を備える。ライナ２０２の頭部２３１の上部開口部には、半導体基板２０６の表面に対してプロセスガス２２５を均一に供給するためのガス整流板であるシャワープレート２２０が取り付けられている。

チャンバ２０１の底部には、チャンバ２０１の内部まで伸びる回転軸２２２が設けられている。回転軸２２２の上端には回転筒２２３が配設され、この回転筒２２３に上述のサセプタ２０７が取り付けられている。これにより、サセプタ２０７は、ヒータ２０８の上方のチャンバ２０１の内部で回転可能に配置されている。

成膜装置２００では、チャンバ２０１内でサセプタ２０７により半導体基板２０６を支持する。そして、回転機構（図示せず）を設けた回転軸２２２によって、半導体基板２０６をサセプタ２０７上に載置された状態で回転させながら、ヒータ２０８によって１０００℃以上に加熱する。この状態でチャンバ２０１内に反応性ガスを含むプロセスガス２２５を、供給部２０４からシャワープレート２２０の貫通孔２２１を介して供給する。

すると、半導体基板２０６表面で熱分解反応或いは水素還元反応が起こり、半導体基板２０６の表面に結晶膜が形成される。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは変性された生成ガスとなり、プロセスガス２２５とともにチャンバ２０１下部に設けられた排気部２０５から逐次排気される。

このように、成膜装置２００においては、半導体基板２０６を高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている。これにより、均一に加熱された半導体基板の表面に新たなプロセスガスを次々に接触させて成膜速度が向上するようにしている。

さらに、図４に示す成膜装置２００においては、シャワープレート２２０の貫通孔２２１が半導体基板２０６に対応する領域内にあるように配置されている。これにより、供給部２０４から供給されるプロセスガス２２５をサセプタ２０７上の半導体基板２０６の上に均一に供給することができる。

中空筒状の形状を有するライナ２０２は、シャワープレート２２０を支持する頭部２３１の内径がサセプタ２０７の配置された胴部２３０より小さくなるよう構成されている。すなわち、中空筒状の形状を有するライナ２０２は、半導体基板２０６の配置される胴部２３０に対して、シャワープレート２２０を上部にて支持するとともに、シャワープレート２２０を通過したプロセスガス２２５の流路となる頭部２３１の内径が小さくなっている。つまり、ライナ２０２は、所謂、胴部２３０に対して頭部２３１の断面積が絞られた構造を有していることになる。

上記のようにすることで、シャワープレート２２０の貫通孔２２１を出たプロセスガス２２５が拡散する無駄な空間を低減することができる。これにより、シャワープレート２２０から供給されるプロセスガス２２５が無駄なく半導体基板２０６の表面に集められ、プロセスガス２２５の効率的な利用が可能となるよう構成されている。

供給部２０４からチャンバ２０１内に供給されたプロセスガス２２５は、頭部２３１を通過して半導体基板２０６の表面に向かって効率よく流下する。このとき、半導体基板２０６表面でのプロセスガス２２５の流れをより均一にするよう、半導体基板２０６の周縁部分とライナ２０２との間の隙間は狭くなっている。具体的には、ライナ２０２の頭部２３１と胴部２３０との境にある、段部２３２の角部２３４と半導体基板２０６の周縁部分との間の隙間が狭くなっている。

しかしながら、ここで一つの問題が発生することが分かっている。すなわち、ヒータ２０８からの輻射熱は、半導体基板２０６だけでなく、成膜装置２００を構成する部材の全てに伝わり、これらを昇温させる。かかる昇温は、半導体基板２０６やヒータ２０８のような高温部分の近傍において顕著である。

このため、半導体基板２０６やヒータ２０８に近い、ライナ２０２の胴部２３０と頭部２３１の境の部分には、相対的な高温部分が生じる。特に、半導体基板２０６やサセプタ２０７に近い、ライナ２０２の段部２３２の角部２３４で温度が非常に高くなる。一方、チャンバ２０１内に供給されたプロセスガス２２５は、頭部２３１を通過して半導体基板２０６の表面に向かって効率よく流下し、半導体基板２０６表面で成膜反応をするとともに、その一部は、段部２３２の角部２３４近傍で流れの方向を変え、半導体基板２０６の周縁方向に向かって流れた後、チャン場２０１の外部へ排出されることになる。

図５は、エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の問題点を説明する図である。

未反応のプロセスガス２２５が、上述のように、半導体基板２０６の周縁から排出される際などにおいて、チャンバ内壁を被覆するライナ２０２に生じた相対的な高温部分にプロセスガス２２５が接触すると、半導体基板２０６の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が起こる。その場合、図５に示すように、ライナ２０２の段部２３２の角部２３４には、プロセスガス２２５に由来するシリコン結晶２３５が形成されてしまう。

このようなシリコン結晶２３５の形成は、プロセスガス２２５の流路となる、段部２３２の角部２３４と半導体基板２０６の周縁部分との間の隙間をより狭くしてしまうことになる。
これにより、成膜時における半導体基板２０６の表面でのプロセスガス２２５の流れの状態が変化してしまう。つまり、プロセスガス２２５の流れが均一な下で半導体基板２０６へ結晶膜を形成することができなくなる。

また、ここで生成されるシリコン結晶２３５は、半導体基板２０６表面に成膜される気相成長膜と略同質である。このようなシリコン結晶２３５の形成は、ライナ２０２に透明性が求められる場合にそれを失わせることになる。

こうしたライナ２０２の失透が問題となる場合、例えばフッ酸を用いた洗浄により回復させることが可能である。しかしながら、形成されたシリコン結晶を完全に除去するのは容易ではない。そして、シリコン結晶の塊は、成膜装置２００の稼動に伴う昇温、降温が繰り返されることで欠片が剥離し、チャンバ２０１内にパーティクルとして滞留する。そして、後に生産される半導体基板に成膜される気相成長膜を汚染し、品質を低下させる要因となる。

よって、成膜装置２００を継続的に稼動させるためには、上述したシリコン結晶２３５を除去し、チャンバ２０１内を清浄に保持しなければならない。そのためには、定期的に成膜装置２００の稼動を停止し、チャンバ２０１のメンテナンスを行なう必要がある。

このメンテナンス作業は、チャンバ２０１内を洗浄する等の作業を行なうだけでなく、再度稼動するための環境を整えることが必須となるため、相応の時間を要する。例えば、内部の洗浄が完了したチャンバ２０１を、外気によってパーティクル汚染させないことに留意した慎重な作業や、組み立て直したチャンバ２０１を所定の真空度に調整することには、相応の時間と労力を要する。したがって、パーティクルを除去するメンテナンス作業を定期的に行なう必要性がある成膜装置２００では、稼働率をある一定以上に向上させることができないという問題があった。

以上述べたように、従来の成膜装置２００においては、生産される半導体基板の品質に対する問題と、品質維持に必要な作業等のために生じる稼働率の低下という問題があった。

本発明は、かかる問題点を克服し、気相成長によって、プロセスガスによるチャンバ内部への副生成物の形成を防止させることができる成膜装置、およびこれを用いた成膜方法を提供するものである。
また、本発明は、チャンバ上に副生成物の形成が生じたとしても、それを除去して、生産する半導体基板の品質を低下させることが無く、装置の稼働率を従来よりも向上させることができる成膜装置、およびこれを用いた成膜方法を提供するものである。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の成膜装置は、成膜室と、その成膜室内にプロセスガスを供給する供給部と、成膜室の底部に設けられた排気部と、胴部と、その胴部より断面積の小さい頭部と、その胴部とその頭部とをつなぐ段部とからなり、成膜室の内壁を被覆する筒状のライナと、成膜室内のライナの胴部内に設けられ、基板が載置されるサセプタとを有する。そして、塩化水素ガスを成膜室のライナ内に供給するようライナの頭部の周囲にはガス流路が配設されていることを特徴とする。

そして、塩化水素ガスをライナ内に供給するためのガス流路のガス出口が、ライナの段部に設けられていることが好ましい。

また、ガス流路のガス出口は、ライナの頭部の周囲を囲むように、ライナの段部に設けられていることが好ましい。

そして、ガス流路はライナ内に、塩化水素ガスを供給するとともに水素ガスの供給もするよう構成されることが好ましい。

本発明の成膜方法では、プロセスガスを成膜室の頂部から流下し、回転筒に支持されたサセプタ上に載置した基板を加熱しつつ前記基板に前記プロセスガスを接触させて所定の膜を形成する。そして、成膜室の内壁を、サセプタが配設される胴部と、その胴部より断面積が小さい頭部と、胴部と頭部をつなぐ段部とからなる筒状のライナで被覆し、ライナの段部に設けられたガス出口からライナ内に塩化水素ガスを含むガスを供給しながら、プロセスガスを成膜室の頂部から流下し、基板にプロセスガスを接触させて所定の膜を形成することを特徴とする。

本発明の成膜装置によれば、チャンバ内に供給される塩化水素（ＨＣｌ）ガスを用いることにより、成膜処理の際に、チャンバ内壁に副生成物が付着するのを抑制することができる。そして、成膜処理の際に副生成物が発生して、チャンバ内壁に副生成物が付着しても、チャンバ内に供給される塩化水素（ＨＣｌ）ガスを用いてこれを除去することができる。したがって、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。

そして、本発明の成膜装置によれば、チャンバ内壁に副生成物が付着するのを抑制することができ、成膜装置のメンテナンス作業を容易にし、また、成膜装置の稼働率を向上することが可能となる。

本発明の成膜方法によれば、チャンバ内に供給される塩化水素ガスを用いることにより、成膜処理の際に、チャンバ内壁に副生成物が付着するのを抑制することができる。そして、成膜処理の際に副生成物が発生して、チャンバ内壁に副生成物が付着しても、チャンバ内に供給される塩化水素ガスを用いてこれを除去することができる。したがって、高品質のエピタキシャル基板を製造することが可能である。

そして、本発明の成膜方法によれば、チャンバ内壁に副生成物が付着するのを抑制することができ、使用する成膜装置のメンテナンス作業を容易にし、また、成膜装置の稼働率を向上して成膜作業効率を向上することが可能となる。

本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。 本実施の形態の成膜装置の要部拡大図である。 本実施の形態の成膜装置の別の例の模式的な断面図である。 エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の構成を説明するための模式的な断面図である。 エピタキシャル成長技術を用いる成膜装置の問題点を説明するための成膜装置の要部拡大図である。

図１は、本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の成膜装置５０は、成膜室としてのチャンバ１と、チャンバ１内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ２と、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３ａ、３ｂと、プロセスガス２５を導入する供給部４と、反応後のプロセスガスを排気する排気部５と、シリコンウェハ等の基板である半導体基板６を載置してこれを支持する回転式のサセプタ７と、図示しない支持部に支持されて半導体基板６を加熱するヒータ８と、チャンバ１の上下部を連結するフランジ部９、フランジ部９をシールするパッキン１０と、排気部５と配管を連結するフランジ部１１と、フランジ部１１をシールするパッキン１２とを有する。

中空筒状のライナ２の周囲にはガス流路２６が周設されており、また、チャンバ１の上部の側壁部には、ガス供給部４２が設けられている。このガス供給部４２は、ガス流路２６に接続しており、後に説明するように、ライナ２の周囲に周設されたガス流路２６に対し、塩化水素（ＨＣｌ）ガスや水素ガスなどのガス４１を供給できるように構成されている。

尚、塩化水素ガスは、例えば塩化水素ボンベである塩化水素供給部（図示されない）からガス供給部４２に供給される。また、水素ガスは、例えば水素ボンベである水素ガス供給部（図示されない）からガス供給部４２に供給される。これらは、それぞれ独立にまたは混合されて、ガス流路２６へと供給される。

サセプタ７には、半導体基板６が載置される。半導体基板６は、気相成長を行う対象となるウェハ等である。半導体基板６を支持するサセプタ７は、回転筒２３に支持され、さらに、回転軸２２を介して図示されない回転機構に接続されている。

具体的には、チャンバ１底部には、チャンバ１の内部まで伸びる回転軸２２が設けられており、この回転軸２２の上端には回転筒２３が配設され、この回転筒２３に上述のサセプタ７が取り付けられている。したがって、サセプタ７は、ヒータ８の上方であってチャンバ１の内部で回転可能に配置されている。気相成長反応時においては、サセプタ７を回転させることで、その上に載置された半導体基板６が高速に回転する。

チャンバ１のライナ２の底部には、半導体基板６を載置するサセプタ７やヒータ８の周囲を覆うようにしてリフレクタ４５が立設されている。このリフレクタ４５は、ヒータ８から熱を反射して、サセプタ７上に載置された半導体基板６への加熱効率を向上させるとともに、ライナ２内の半導体基板６やヒータ８の周囲の過度の温度上昇を抑制するよう働く。リフレクタ４５は、高耐熱性を有するよう、カーボン（Ｃ）にＳｉＣ（炭化珪素）コートして構成された部材からなることか好ましい。

チャンバ１のフランジ部９と、排気部５のフランジ部１１には、シールのためにパッキン１０、１２を用いている。このパッキン１０、１２はフッ素ゴム製であり、耐熱温度は約３００℃である。したがって、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３ａ、３ｂを設けることは、パッキン１０、１２が熱で劣化するのを防止できる点から、特に有効である。

成膜装置５０においては、チャンバ１内でサセプタ７上に載置された半導体基板６は、回転機構（図示せず）に接続されたサセプタ７を介して回転しながら、ヒータ８によって１０００℃以上に加熱される。この状態でチャンバ１内に反応性ガスを含むプロセスガス２５が、供給部４から、ガスの整流板であるシャワープレート２０の貫通孔２１を介して、供給される。

また、チャンバ１の上部の側壁部にあるガス供給部４２からはガス４１が供給されている。ガス４１は、塩化水素ガスや水素ガス等を含んでなる。
半導体基板６の表面で熱分解反応或いは水素還元反応が起こると、半導体基板６の表面には結晶膜が形成される。その際、気相成長反応に使用されたもの以外のプロセスガスは、変性された生成ガスとなり、プロセスガス２５やガス４１とともにチャンバ１下部に設けられた排気部５から逐次排気される。

成膜装置５０においては、半導体基板６を高速で回転させながらその表面にエピタキシャル成長膜を形成させることが可能である。そして、均一に加熱された半導体基板６の表面に新たなプロセスガス２５を次々に接触させて成膜速度を向上させることができるように構成されている。
以下、成膜装置５０の主要な構成部分についてより詳細に説明する。

中空筒状のライナ２は、例えば石英製であり、透明性を備える。そして、その頭部３１の上部開口部には、半導体基板６の表面に対してプロセスガス２５を均一に供給できるよう、ガスの整流板であるシャワープレート２０が取り付けられている。このシャワープレート２０には、プロセスガス２５を供給するための貫通孔２１が複数個設けられている。

図１に示す、本実施の形態の成膜装置５０においては、供給部４から供給されるプロセスガス２５をサセプタ７上の半導体基板６上に均一に供給できるよう、シャワープレート２０の貫通孔２１を半導体基板６に対応する領域内に配置している。

尚、ライナ２を配設するのは、成膜装置のチャンバの壁がステンレス製であることによる。すなわち、成膜装置５０では、このステンレス製の壁を気相反応系内に露出させないように、ライナ２でその全面を被覆している。このようにすることで、半導体基板６表面の結晶膜形成時のパーティクルや金属汚染、あるいはチャンバ１のステンレス製の壁の侵食を防ぐ効果が得られる。

中空筒状のライナ２は、シャワープレート２０を支持する頭部３１と、内部にサセプタ７が配置されてプロセスガス２５による半導体基板６表面での気相反応が行われる胴部３０とを有する。頭部３１の内径は胴部３０より小さいので、頭部３１の断面積は胴部３０より小さく、ライナ２は頭部３１が絞られた構造を有する。

このように、中空筒状のライナ２において、頭部３１が絞られた構造を備えるのは、シャワープレート２０をその上部開口部で支持するとともに、シャワープレート２０を通過したプロセスガス２５の半導体基板６に向けた流路となるようにするためである。

この絞られた構造の頭部３１の内径は、シャワープレート２０の貫通孔２１の配置と半導体基板６の大きさに対応するように決められる。これにより、シャワープレート２０の貫通孔２１を出た後、プロセスガス２５が拡散する無駄な空間を低減させることができ、シャワープレート２０から供給されるプロセスガス２５を無駄なく半導体基板６の表面に集めて、プロセスガス２５が効率的に利用されるようにしている。このようにライナ２の形状を改善することにより、半導体基板６表面での高効率の気相成長反応を実現できる。

中空筒状の形状を有するライナ２においては、それぞれの内径が異なるために断面積の異なる胴部３０と頭部３１とを繋ぐ境に、断面積の違いに由来する段部３２が形成されている。この段部３２の角部３４は、胴部３０と頭部３１とが接合する部分でもあり、頭部３１がチャンバ１の上方に向けての立ち上がる付け根となっている。

このように、ライナ２は、胴部３０と頭部３１とそれらの境にある段部３２とからなる。段部３２の角部３４近傍には、段部３２を貫通して頭部３１の立ち上がり部分を包囲するよう、隙間３８が設けられている。この隙間３８は、上述したガス流路２６に接続しており、後述するように、ガス流路２６に供給されたガス４１を噴出すガス出口４４を構成する。

ライナ２では、プロセスガス２５が拡散する無駄な空間を無くすよう、頭部３１の付け根である段部３２の角部３４の下面側が、半導体基板６やサセプタ７の上方にせり出す構造となっている。すなわち、角部３４の下面側が半導体基板６やサセプタ７近傍に位置する構造となっている。

ライナ２の頭部３１の周囲には、上述したように、ガス流路２６が周設されている。ライナ２の頭部３１は筒状の形状を有するが、それを包囲するガス流路２６も筒状の壁部からなり、ライナ２の頭部３１とガス流路２６とにより二重管構造を構成している。ガス流路２６は、その上部において、チャンバ１の上部側壁部に設けられたガス供給部４２に接続している。これにより、ガス供給部４２に供給された塩化水素ガスや水素ガス等であるガス４１は、ライナ２の頭部３１を包囲するガス流路２６に供給されることになる。

ガス流路２６は、その下部において、ライナ２の段部３２に設けられた、段部３２を貫通して頭部３１の立ち上がり部分を包囲するよう設けられた隙間３８に接続している。したがって、この隙間３８は、ガス流路２６に供給されたガス４１の出口となり、ガス４１を噴出するガス出口４４を構成する。

このとき、ガス出口４４は、ライナ２の頭部３１の周囲を包囲するように設けられており、このガス出口４４は、隙間３８を挟んで、サセプタ７と対向し、サセプタ７の直上付近に位置するようになっている。

次に、サセプタ７の直上付近に位置するガス出口４４の配置と、ガス流路２６を通って、そこから噴出される塩化水素ガスや水素ガス等のガス４１の作用について説明する。

上述のように、本実施の形態の成膜装置５０においては、ライナ２は、胴部３０に対し、所謂、頭部３１が絞られた構造を有する。

したがって、チャンバ１の頂部に設けられた供給部４から成膜装置５０のチャンバ１内に供給されたプロセスガス２５は、流路となる頭部３１を通過して半導体基板６の表面に向かって効率よく流下する。このとき、半導体基板６表面でのプロセスガス２５の流れをより均一にするよう、半導体基板６の周縁部分とライナ２との間の隙間３８は狭くなるよう構成されている。具体的には、ライナ２の頭部３１と胴部３０との境にある段部３２の角部３４と半導体基板６の周縁部分との間の隙間３８は狭くなっている。

このように、ライナ２の段部３２の角部３４と半導体基板６の周縁部分との間の隙間３８を狭くすることにより、プロセスガス２５が半導体基板６近傍に到達した後、プロセスガス２５の半導体基板６表面から、サセプタ７を支持する回転筒２３の側方に流れ出る速度を速めている。このようにすることで、ライナ２の頭部３１上方へとプロセスガス２５が巻き上がるのを防止している。

しかしながら、ここで一つの問題が発生することは上述した通りである。すなわち、ヒータ８からの輻射熱は、半導体基板６だけでなく、成膜装置５０を構成する部材全てに伝わり、これらの部材を昇温させる。かかる昇温は、半導体基板６やヒータ８のような高温部分の近傍において顕著である。

このため、半導体基板６やヒータ８に近い、ライナ２の胴部３０と頭部３１の境の部分には相対的な高温部分が生じる場合がある。特に、半導体基板６やサセプタ７に近い部分、すなわち、ライナ２の胴部３０と頭部３１の境にある段部３２の角部３４では、温度が非常に高くなってしまう。

既に述べたように、チャンバ１の内面のライナ２に生じた相対的な高温部分に、例えばシリコン源となる原料ガスを含んで構成されたプロセスガス２５が接触すると、半導体基板６の表面と同様の熱分解反応或いは水素還元反応が起こる。したがって、チャンバ１内のライナ２の段部３２の角部３４には、何らかの防御手段を施さない限り、図５に示したようなプロセスガス２５に由来するシリコン結晶２３５が生成されてしまうことになる。

このようなシリコン結晶の形成は、ライナ２を汚すとともに、プロセスガス２５の流路となる、ライナ２の段部３２の角部３４と半導体基板６の周縁部分との間の隙間３８を想定されたものより狭くしてしまうことになる。
その結果、半導体基板６の表面における成膜時のプロセスガス２５の流れの状態が変化して、均一な流れの下で半導体基板６へ成膜することができなくなる。

そこで、本実施の形態の成膜装置５０では、ライナ２の段部３２の角部３４に、ガス出口４４が設ける。ガス供給部４２に塩化水素ガスが導入されると、この塩化水素ガスは、ガス流路２６を通ってガス出口４４から噴き出す。その結果、高温に昇温したライナ２の半導体基板６やサセプタ７に近い部分、すなわち、ライナ２の段部３２の角部３４において、プロセスガス２５に由来するシリコン結晶が付着するのを抑制できる。

図２は、本実施の形態の成膜装置のガス出口とそこから噴き出る塩化水素ガスの作用を説明する図である。図２では、図１に示した成膜装置５０の要部を拡大して示している。

本実施の形態の成膜装置５０では、サセプタ７上に半導体基板６が載置され、サセプタ７はこれによって半導体基板６を支持する。このとき、図２に示すように、ガス出口４４は隙間３８を挟んでサセプタ７と対向し、サセプタ７の直上付近に位置する。したがって、ガス流路２６に導入された塩化水素ガス等のガス４１は、ガス出口４４から噴き出し、ライナ２の段部３２の角部３４にある、サセプタ７と段部３２との間の隙間３８に放出される。

隙間３８では、サセプタ７上の半導体基板６の周縁部側に向かって、半導体基板６上でのエピタキシャル膜形成に使用された後の変性ガスや、プロセスガス２５のうちの反応に使用されなかった一部のガスが流れを形成している。

したがって、隙間３８に放出された塩化水素ガスは、隙間３８に向かって流れてくる一部のプロセスガス２５と反応する。その結果、隙間３８を流れるプロセスガス２５が、高温に昇温した段部３２の角部３４に触れて分解反応を起こし、副生成物を生成する。これにより、シリコン結晶が角部３４に付着するのが抑制される。

例えば、プロセスガス２５がシリコン源となる原料ガスを含んで構成されている場合、副生成物としてシリコン結晶が生成され、ライナ２の高温部分に付着する可能性があるが、塩化水素ガスは、その流れてくる原料ガスと反応してガス状のＳｉ_ｘＣｌ_ｙ化合物を形成し、上述した流れに乗せてこれを半導体基板６周辺から排出してしまう。

このように、ガス出口４４から噴き出るガス４１は、サセプタ７上に半導体基板６が載置された状態において、半導体基板６やサセプタ７の上方にせり出す構造を備えたライナ２の段部３２の角部３４をカバーしてこれを保護する役割を果たしている。

このとき、上記したＳｉ_ｘＣｌ_ｙ化合物の形成反応に用いられなかった、ガス４１の残りの塩化水素ガスは、上述したプロセスガス２５等による流れがあるために、半導体基板６の中心部側に向かうことはない。すなわち、未反応の塩化水素ガスは、プロセスガス２５等の流れに乗って、半導体基板６の周縁部側に排出される。よって、半導体基板６上でのエピタキシャル膜成長反応に悪影響を及ぼすことや、形成されたエピタキシャル膜に望ましくない影響を及ぼすことは回避される。

そしてまた、この隙間３８を通過するプロセスガス２５により、ライナ２の段部３２の角部３４近傍にシリコン結晶が付着してしまったとしても、その部分が加熱された状態で塩化水素ガスが導入されることにより、シリコン結晶と塩化水素ガスが反応して、Ｓｉ_ｘＣｌ_ｙ化合物が形成される。このＳｉ_ｘＣｌ_ｙ化合物は、プロセスガス２５の流れに乗って半導体基板６の周縁部側から排出される。

さらに、プロセスガス２５により、半導体基板６を載置するサセプタ７にシリコン結晶が付着してしまう場合があるが、このようなサセプタ７へのシリコン結晶の付着についても、ガス出口４４から噴き出されるガス４１は有効である。すなわち、ガス出口４４は、サセプタ７の直上に位置しており、ガス出口４４から噴き出されるガス４１は、サセプタ７にまで到達する。そこで、ライナ２の段部３２の角部３４と同様、これをプロセスガス２５からカバーすることが可能となる。

また、たとえサセプタ７にシリコン結晶が付着してしまっても、通常サセプタ７は高温の状態にあり、付着したシリコン結晶も高温にあるので、シリコン結晶と塩化水素ガスが反応してＳｉ_ｘＣｌ_ｙ化合物が形成される。このＳｉ_ｘＣｌ_ｙ化合物は、プロセスガス２５の流れに乗って半導体基板６の周縁部側から排出される。

尚、ガス供給部４２に供給されるガス４１の量や、ガス４１における塩化水素ガスの濃度は、そこに供給される塩化水素ガスと水素ガスの量によって所望の値とすることが可能である。半導体基板６上でのエピタキシャル膜成長反応に悪影響を及ぼさないよう、また、形成されたエピタキシャル膜に望ましくない影響を与えることのないよう、ガス出口４４から隙間３８に噴き出るガス４１の量や、ガス４１が含有する塩化水素ガスの濃度が決められることが望ましい。

次に、本実施の形態の成膜方法について説明する。この成膜方法では、上述した成膜装置５０を使用する。

成膜装置５０において、サセプタ７は回転筒２３に装着され、回転軸２２を介して図示されない回転機構に接続されて回転可能とされている。

成膜装置５０のチャンバ１の内壁には、これを被覆する中空筒状のライナ２が設けられている。このチャンバ１の内壁を被覆するライナ２には、内部にサセプタ７が配置される胴部３０と、その胴部３０より小さな内径を有して絞られた構造の頭部３１と、胴部３０と頭部３１との境に位置する段部３２とが設けられている。

そして、その頭部３１を流路として、プロセスガス２５が効率良くサセプタ７上の半導体基板６に到達することができるようにされている。

チャンバ１上部の側壁部には、塩化水素（ＨＣｌ）ガスや水素ガスなどを含んでなるガス４１をチャンバ１内に供給するためのガス供給部４２が設けられている。
尚、塩素ガスは、例えば塩化水素ボンベである塩化水素供給部（図示されない）からガス供給部４２に供給され、水素ガスは、例えば水素ボンベである水素ガス供給部（図示されない）からガス供給部４２に供給される。

ライナ２の頭部３１の周囲には、ガス流路２６が周設されている。ライナ２の頭部３１は筒状の形状を有するが、それを包囲するガス流路２６も筒状の壁部からなり、ライナ２の頭部３１とガス流路２６とにより二重管構造を構成している。
ガス流路２６は、その上部において、上述の、チャンバ１の側壁に設けられたガス供給部４２に接続している。したがって、ガス供給部４２に供給された塩化水素ガスや水素ガスなどのガス４１は、ライナ２の頭部３１を包囲するガス流路２６に供給されることになる。

ライナ２の段部３２の角部３４近傍には、段部３２を貫通して頭部３１の立ち上がり部分を包囲するよう、隙間３８が設けられている。

ガス流路２６は、その下部において、ライナ２の段部３２に設けられた隙間３８に接続している。したがって、この隙間３８は、ガス流路２６に供給されたガス４１の出口となり、ガス４１を噴き出すガス出口４４を構成する。

このとき、ガス出口４４は、上述のように、ライナ２の頭部３１の周囲を包囲するように設けられおり、ガス出口４４は、サセプタ７の直上付近に位置する。

したがって、ライナ２の段部３２における角部３４の先端近傍には、ガス出口４４が形成されており、ガス供給部４２に供給されたガス４１をそのガス出口４４からライナ２内に供給することができる。その結果、ガス出口４４から噴き出したガス４１は、さらに、ライナ２の段部３２における角部３４の下面側と、サセプタ７の上面との間にある隙間３８を通って、半導体基板６の側方およびサセプタ７の側方を通過し、最終的にチャンバ１底部から装置外に排気される。

以上の構成を備える成膜装置５０を用いた、本実施形態の成膜方法では、チャンバ１の外周に設けた冷却水の流路３ａ、３ｂによりチャンバ１を冷却しながら、プロセスガス２５をチャンバ１の頂部に設けられた供給部４から導入し、ガスの整流板であるシャワープレート２０の貫通孔２１を介してプロセスガス２５を流下させる。そして、下方に配設された回転式のサセプタ７上に載置された半導体基板６を加熱しながらプロセスガス２５を接触させることで、半導体基板６の表面に結晶膜を形成する。

このとき、ガス供給部４２へ塩化水素ガスを含んだガス４１を供給する。すなわち、プロセスガス２５をチャンバ１の頂部に設けられた供給部４から導入するのと同時に、塩化水素ガスを含んだガス４１の供給を開始する。そして、半導体基板６表面でのエピタキシャル膜形成のためのプロセスガス２５がチャンバ１内に供給されている間は、常に、ガス供給部４２からの塩化水素ガスを含んだガス４１の供給を続ける。

隙間３８では、サセプタ７上の半導体基板６の周縁部側に向かって、半導体基板６上でのエピタキシャル膜形成に使用された後の変性ガスや、プロセスガス２５の反応に使用されなかったガスの一部が流れを形成している。

したがって、ガス４１が塩化水素ガスを含んで構成されている場合、この隙間３８に放出された塩化水素ガスは、この隙間３８に向かって流れてくるプロセスガス２５と反応する。その結果、隙間３８を流れるプロセスガス２５が、高温に昇温した段部３２の角部３４に触れて分解反応を起こし、副生成物を形成して、シリコン結晶が段部３２に付着するのを抑制する。

例えば、プロセスガス２５がシリコン源となる原料ガスを含んで構成されている場合、副生成物としてシリコン結晶が生成され、ライナ２の高温部分に付着する可能性があるが、塩化水素ガスは、その流れてくる原料ガスと反応してガス状のＳｉ_ｘＣｌ_ｙ化合物を形成し、上述した流れに乗せてこれを半導体基板６周辺から排出してしまう。

したがって、このガス４１のガス出口４４からの噴き出しによるカバーによって、チャンバ１内の不純物となるプロセスガス２５由来のシリコン結晶が、ライナ２の段部３２周辺などに付着するのを抑制しながら、半導体基板６表面に所望の結晶膜を形成することができる。

以上のようにして、半導体基板６の表面に所定の膜厚のエピタキシャル膜が形成される。成膜を終えた後は、プロセスガス２５の供給を終了する。このとき同時に、ガス供給部４２からのガス４１の供給も、エピタキシャル膜の形成の終了とともに終了することができるが、放射温度計（図示せず）による測定により、半導体基板６が所定の温度より低くなったのを確認してから終了するようにしてもよい。

例えば、エピタキシャル膜の形成の終了とともに、先ずプロセスガス２５の供給を終了し、供給部４からはチャンバ１内部に対し、キャリアガスである水素ガスのみを供給する。そして、ガス供給部４２に対しては塩化水素ガスを含むガス４１の供給を継続し、ガス出口４１からの塩化水素ガスの噴出を継続する。

このとき、エピタキシャル膜形成終了直後のサセプタ７は非常に高温の状態であり、シリコン結晶等の副生成物が付着していた場合、ガス出口４１からの塩化水素ガスと反応して、このシリコン結晶は除去される。

そして、サセプタ７からシリコン結晶等の副生成物が除かれた後は、ガス供給部４２に供給するガス４１を、塩化水素の含まれないガス４１に切り替える。例えば、水素ガスのみからなるガス４１に切り替える。その結果、ガス流路２６やガス出口４４がパージされ、ガス流路２６へチャンバ１内の汚染されたガスが侵入することを防ぐとともに、サセプタ７や半導体基板６が冷却される。

チャンバ１内の汚染されたガスがガス流路２６内に侵入すると、次にエピタキシャル膜形成を行うときに塩化水素ガスを含むガス４１がガス流路２６に供給され、それとともに、ガス出口４４から噴出されることになる。その結果、ガス流路２６から押し出されたれた汚染されたガスは、半導体基板６上でのエピタキシャル膜形成に悪影響を及ぼす可能性がある。よって、上述した水素ガスによるガス流路２６のパージは非常に重要な工程となる。

その後は、半導体基板６が所定の温度まで冷却されたのを確認してから、供給部４からのチャンバ１内への水素ガスの供給とガス供給部４２への水素ガスの供給を停止し、チャンバ１の外部に半導体基板６を搬出する。
そして、成膜装置５０の外で、上記気相反応後の半導体基板６を回収する。

尚、半導体基板６としては、例えば、シリコンウェハ、特にパワー半導体などの用途で使用される３００ｍｍのシリコンウェハなどを挙げることができる。このとき、例えば、パワー半導体の用途では、３００ｍｍのシリコンウェハ上に１０μｍ以上、多くは１０μｍ〜１００μｍ程度の厚膜が形成される。

また、供給部４からチャンバ１に供給するプロセスガス２５の供給流量の設定は、例えばキャリアガス：Ｈ_２を２０〜１００ＳＬＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅｓ：標準リットル毎分）、反応性ガス：ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を５０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅｓ：標準ｃｃ毎分）〜２ＳＬＭと設定し、その他のドーパントガス：ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）またはホスフィン（ＰＨ_３）を微量だけ加えるよう設定する。そのようにジボランを導入すればｐ型、ホスフィンを導入すればｎ型の導電性を示す膜が形成される。そしてチャンバ１内の圧力を例えば１３３３Ｐａ〜常圧に制御する。以上の条件を満たし、チャンバ１内で半導体基板６上の気相成長を開始する。

また、半導体基板６を支持するサセプタ７は、回転軸２２を介して図示されない回転機構に接続されている。そして、気相成長反応時においては、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６を高速に回転する。そして、厚膜を形成する場合、成膜時において半導体基板６の回転数を特に高くするのがよく、例えば、９００ｒｐｍ程度の回転数とするのがよい。

上述のプロセス条件で半導体基板６が気相成長反応を行う間、ヒータ８は半導体基板６を常に１０００℃以上に加熱している。そのため、チャンバ１全体の温度があまりに高くなってしまうと、上述のようにチャンバ１のフランジ部９をシールしているフッ素ゴム製のパッキン１０や、排気部５と排気配管を連結しているフランジ部１１のシールをしているパッキン１２を劣化させる。

そこで、パッキン１０、１２の劣化を抑制する目的からも、チャンバ１の外周に設けた冷却水の流路３ａ、３ｂに水温約２０℃程度の冷却水を循環させて、熱の輻射を受けやすいチャンバ１やパッキン１０、１２などを冷却水の循環によって冷却する。

尚、このときの冷却手段は水以外でも良く、空気などの成膜装置５０から効果的に熱を奪うことが出来るものであれば良い。

以上のように、本実施の形態である成膜装置およびそれを用いた成膜方法では、従来から問題となっていたチャンバ内におけるライナ上に生じる副生成物の堆積を抑制し、メンテナンスの頻度を低減させることによりメンテナンス作業の労力を軽減させるとともに、使用する装置の稼働率を向上させることが出来る。ひいては、プロセス条件を安定化させることにより高品質のウェハ等半導体基板を生産可能にする。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、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。

すなわち、本発明の成膜装置の一例として、エピタキシャル成長装置について説明したが、これに限るものではなく、シリコンウェハ表面に所定の結晶膜を気相成長させるための装置であれば構わない。例えば、ポリシリコン膜を成長させることを目的とした成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。

また、ＳｉＣ（炭化珪素）基板表面にＳｉＣ結晶膜を気相成長させるため、１６５０℃での加熱など、より高温での基板加熱を必要とする成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。

図３は、本実施の形態の成膜装置の別の例の模式的な断面図である。
尚、図３に示す成膜装置１５０は、プロセスガス２５の流路となるライナ２の頭部３１が短くなるよう構成されて、それに対応してチャンバ１の高さが低くなるように構成されている以外、図１に示す上述の成膜装置５０と同様の構成を有している。したがって、それぞれの間で共通する目的と作用効果の部位については、便宜上、同じ符号を使用して示した。

図３に示す成膜装置１５０は、半導体基板６にＳｉＣ基板を使用し、ＳｉＣ基板表面にＳｉＣ結晶膜を気相成長させるための成膜装置である。この成膜装置１５０では、基板表面にＳｉＣ結晶膜を気相成長させるため、ヒータ８を使用し、１６５０℃での加熱など、上述の成膜装置５０などより高温での基板加熱を必要とする。

成膜装置１５０において、ライナ２の頭部３１は、成膜装置５０と同様、供給部４から供給されたプロセスガス２５が、シャワープレート２０を通過し、半導体基板６に向かって流下する際のプロセスガス２５の流路となっている。このとき、成膜装置１５０では、ＳｉＣ結晶膜を形成するため非常に高温での基板加熱がなされるため、ライナ２の頭部３１は非常に高温に昇温してしまう。

したがって、シラン（ＳｉＨ_４）等の分解反応を起こしやすい原料ガスを含むプロセスガス２５が、昇温されたライナ２の頭部３１に触れると分解反応を起こして、副生成物としてシリコンを成分に含む結晶が生成され、その高温の部位に副生成物が付着してしまう。

そのため、シャワープレート２０を通過した半導体基板６までの流路の距離は短い方が好ましく、ライナ２の頭部３１はより低い高さであることが好ましい。
成膜装置１５０では、塩化水素ガスなどからなるガス４１が供給されるガス供給部４２に接続するガス流路２６を設けるスペースを確保することを考慮に入れながら、副生成物の付着が抑制されるよう、ライナ２の頭部３１の高さ、すなわち、チャンバ１の高さが設定されている。

このような構造の成膜装置１５０では、ライナ２の段部３２に設けられたガス出口４４からライナ２内に塩化水素ガスを含むガス４１を供給しながら、プロセスガス２５をチャンバ１の頂部にある供給部４から流下し、半導体基板６にプロセスガスを接触させてＳｉＣエピタキシャル膜を形成する。

このとき、ガス供給部４２に供給されたガス４１はライナ２の頭部３１周囲のガス流路２６の内部全域に行渡り、その後、下方のガス出口４４は噴出される。このガス出口４４から噴き出る塩化水素ガスは、隙間３８を流れてくるプロセスガス２５に含まれる原料ガスと反応し、ライナ２上での副生成物付着を抑制し、プロセスガス２５の流れに乗せて半導体基板６周辺から排出することが可能となる。

そして、成膜装置１５０においては、チャンバ１の内壁を被覆するライナ２の頭部３１は、高温条件に耐えられるよう、カーボン（Ｃ）にＳｉＣコートして構成された部材を使用することが好ましい。また、同様に、ライナ２の頭部３１の周囲に周設されるガス流路２６も高温条件に耐えられるよう、カーボン（Ｃ）にＳｉＣコートして構成された部材を使用することが好ましい。

また、シャワープレート２０は、成膜時の温度の上昇が８００℃程度までである場合、汚染源となる不純物の発生が少ない石英材料を用いて構成されることが好ましい。また、成膜時の温度上昇が８００℃を超える場合、高い耐熱性を有する、カーボン（Ｃ）にＳｉＣコートして構成された部材や、カーボンにＴａＣ（タンタルカーバイト）コートして構成された部材を用いて構成されることが好ましい。

さらに、装置の構成や制御の手法など、本発明に直接必要としない部分などについては記載を省略したが、必要とされる装置の構成や、制御の手法などを適宜選択して用いることができる。

また、本発明を説明するために示した図において、説明のために必要な構成以外は省略し、縮尺等に就いても原寸大のものとは一致させず、明確に視認できるよう適宜変更した。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての気相成長装置および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

１、２０１ チャンバ
２、２０２ ライナ
３ａ、３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ 流路
４、２０４ 供給部
５、２０５ 排気部
６、２０６ 半導体基板
７、２０７ サセプタ
８、２０８ ヒータ
９、１１、２０９、２１１ フランジ部
１０、１２、２１０、２１２ パッキン
２０、２２０ シャワープレート
２１、２２１ 貫通孔
２２、２２２ 回転軸
２３、２２３ 回転筒
２５、２２５ プロセスガス
２６ ガス流路
３０、２３０ 胴部
３１、２３１ 頭部
３２、２３２ 段部
３４、２３４ 角部
３８ 隙間
４１ ガス
４２ ガス供給部
４４ ガス出口
４５ リフレクタ
５０、１５０、２００ 成膜装置
２３５ シリコン結晶

Claims (4)

1. 成膜室と、
   前記成膜室内にプロセスガスを供給する供給部と、
   前記成膜室の底部に設けられた排気部と、
   胴部と、前記胴部より断面積の小さい頭部と、前記胴部と前記頭部とをつなぐ段部とからなり、前記成膜室の内壁を被覆する筒状のライナと、
   前記成膜室内の前記ライナの胴部内に設けられ、ＳｉＣ基板が載置されるサセプタとを有する成膜装置であって、
   塩化水素ガスを前記成膜室の前記ライナ内に供給するガス流路が前記ライナの頭部の周囲に配設され、
   前記ガス流路のガス出口は、前記ライナの段部に設けられ、前記サセプタの直上に位置することを特徴とする成膜装置。
2. 前記ガス流路の前記ガス出口は、前記ライナの頭部の周囲を囲むように前記ライナの段部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記ガス流路は、前記ライナ内に塩化水素ガスを供給するとともに水素ガスの供給もするよう構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. プロセスガスを成膜室の頂部から流下し、回転筒に支持されたサセプタ上に載置したＳｉＣ基板を加熱しつつ前記ＳｉＣ基板に前記プロセスガスを接触させて所定の膜を形成する成膜方法において、
   前記成膜室の内壁を、前記サセプタが配設される胴部と、前記胴部より断面積が小さい頭部と、前記胴部と前記頭部をつなぐ段部とからなる筒状のライナで被覆し、
   前記ライナの段部に設けられ前記サセプタの直上に位置するガス出口から前記ライナ内に塩化水素ガスを含むガスを供給しながら、前記プロセスガスを前記成膜室の頂部から流下し、前記ＳｉＣ基板に前記プロセスガスを接触させて所定の膜を形成することを特徴とする成膜方法。

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