JP4981485B2 - 気相成長方法および気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、半導体ウェーハ上に、加熱・回転させながら反応ガスを供給し、エピタキシャル膜などの薄膜を形成するための気相成長方法および気相成長装置に関する。

半導体装置の製造工程において、気相成長を用いたエピタキシャル成長装置として、枚葉式のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が用いられている。

このような枚葉式のＣＶＤ装置においては、例えば、特許文献１に示されるように、反応室内で、ウェーハを回転させながら、下方よりヒータにより加熱し、上方よりウェーハ上にシラン、ジクロロシラン、トリクロロシランなどの成膜ガスと水素などのキャリアガスを混合した反応ガスを供給することにより、ウェーハ上に薄膜が形成される。

近年、半導体装置の微細化に伴い、ウェーハの素子形成領域における膜厚に対する仕様がより厳しいものとなっている。また、素子のコストダウンを図るため、ウェーハの大口径化が進むとともに、ウェーハ当たりの素子の収率を増大させる要求が高まっている。そこで、素子形成領域における膜厚の均一性を向上させるのみならず、これまで素子が形成されていなかったウェーハの周縁部まで、均一に成膜する必要が生じてきた。

そこで、特許文献１に示されるように、ウェーハ面内の温度を均一に制御することにより、均一性の向上を図るものの、ある程度の膜厚のばらつきがあり、また、周縁部までの厳密な制御は困難であるという問題がある。
特開２０００−３０６８５０号公報（図１など）

上述したように、ウェーハの周縁部まで厳密な膜厚均一性を得ることが困難であるという問題がある。

本発明は、ウェーハの周縁部まで均一に成膜することが可能な気相成長方法および気相成長装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様の気相成長方法は、ウェーハ上に成膜を行うための反応室に、反応ガスを導入し、ウェーハを回転させながら裏面より加熱し、ウェーハを保持する保持機構の上面の外周部に対してノズルの先端部が離間して近傍に配置されたシャワーヘッドの内側において、ウェーハの上方より、ウェーハの全面に反応ガスを供給するための第１のガス流を形成するとともに、ノズルと保持機構との隙間から流出する第１のガス流の外周に、ノズルからのガス供給によって外周下方向の第２のガス流を形成して、ウェーハ上に成膜を行うことを特徴とする。

本発明の気相成長方法において、第２のガス流は、水素ガス或いは不活性ガスによるガス流であることが望ましい。

また、本発明の気相成長方法において、第１のガス流と、第２のガス流の流量比が、
１／２≦（第２のガス流量／第１のガス流量）≦１
であることが望ましい。
また、本発明の一態様の気相成長装置は、ウェーハ上に成膜を行う反応室と、反応室下部に設けられ、ウェーハを加熱するヒータと、ウェーハを保持する保持機構と、保持機構と接続され、ウェーハを回転させる回転機構と、反応室の上部に設けられ、上方よりウェーハ全面に供給される反応ガスによる第1のガス流を形成する第１のガス供給機構と、保持機構の上面の外周部に対してノズルの先端部が離間して近傍に配置され、ノズルと保持機構との隙間から流出する反応ガスのガス流の外周に、ノズルからのガス供給によって外周下方向の第２のガス流を形成する第２のガス供給機構を備えることを特徴とする。

本発明の気相成長装置において、第２のガス流は、水素ガスあるいは不活性ガスによるガス流であることが望ましい。

本発明の気相成長方法および気相成長装置により、ウェーハの周縁部まで均一に成膜することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

図１に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室１には、ウェーハｗを所定温度に加熱するためのヒータ２と、ウェーハｗを保持するための外周側にテーパーを有する環状のホルダー３と、ホルダー３と接続され、ウェーハｗを回転させるための回転機構４が設置されている。反応室１上方には、反応ガスを反応室内に導入するための反応ガス導入口５が、反応室１下方には、反応ガスを排出するためのガス排出口６が設置されている。

反応室２の上方には、導入された反応ガスを混合し、ウェーハｗ面内で流量が均一となるように供給するためのガス流を形成するためのシャワーヘッド７が設置されている。そして、シャワーヘッド７の外周には、反応ガスのガス流の外周にガス流を形成するためのリング状シャワーヘッド８が設置されている。図２に部分拡大図を示すように、リング状シャワーヘッド８のノズル８ａは、外周方向に向いており、ホルダー３の角近傍に配置されている。

このような気相成長装置を用いて、例えばＳｉからなるウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する。先ず、例えば１８０ｍｍ径のウェーハｗをホルダー３上に載置する。

そして、反応ガス導入口５より反応ガスを導入する。反応ガスは、例えば、キャリアガス：Ｈ_２、成膜ガス：ＳｉＨＣｌ_３、ドーパントガス：Ｂ_２Ｈ_６、ＰＨ_３とする。このような反応ガスは、混合され、シャワーヘッド７を経て、ウェーハｗ上に例えば流量：２０ＳＬＭ、圧力：約０．２ＭＰａで供給される。

このとき、シャワーヘッド７からウェーハｗに向かう反応ガス流が形成される。上述したキャリアガスと成膜ガスの２種類のガスの混合系では、ＳｉＨＣｌ_３のような重いガスは比較的慣性に従った流れをするのに対し、Ｈ_２のような軽いガスは相対的に慣性に従いにくい。その結果、図３に示すように、上流から下流への単純な流れから外れ、反応室内において、特にウェーハｗの外周部上方において、淀んでしまう。そして、その淀んだ流れ９により成膜ガスの流れが乱され（流れが乱される領域１０）、ウェーハ上での均一な成膜が阻害されてしまうと考えられる。

そこで、図４に示すように、リング状シャワーヘッド８により別途水素ガスを、例えば流量：１５ＳＬＭ、圧力：約０．２ＭＰａで供給して、反応ガス流の外周側に外周ガス流１１を形成する。このとき、外周ガス流１１は、外向きに外周ガスを噴出するように設けられたノズル８ａより、ホルダー３のテーパー部分にぶつかり、強い下向きの流れを形成する。そして、図５に図４の部分拡大図を示すように、ベンチュリ効果により、外周に負圧領域１２が形成されるため、シャワーヘッド７からの反応ガスの流れでウェーハから外周への流れが引き込まれ（引き込まれる流れ１３）、ウェーハ周辺に安定した流れが形成される。

そして、ガス排出口６から排出されるガスの流量を所定の流量に制御することにより、反応室１内の圧力を、例えば１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）〜常圧となるように制御する。

そして、ウェーハｗの温度が、面内で均一に、例えば１１００℃となるように、ヒータ２を制御する。そして、回転機構４によりウェーハｗを高速回転させて、ウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する。

このようにして、シャワーヘッド７から供給される反応ガス流におけるＨ_２のような軽いガスによる淀んだ流れを、その外周側に別途外周ガス流を形成し、ベンチュリ効果により整流することにより、一定の均一性を持つ反応ガス流を供給することができる。従って、例えばばらつきを従来の２％から１％に抑え、より均一に成膜することが可能となる。

本実施形態において、リング状シャワーヘッド８より水素ガスを供給しているが、プロセス上問題が発生しないガスであれば用いることが可能である。プロセスコストの観点からは、水素ガス、ヘリウムガスなどが好適に用いられる。また、Ａｒガスなどの比較的重い不活性ガスを用いることも効果的であり、減圧下であれば、適用も可能である。

また、反応ガス流と、外周ガス流の流量比は、流量バランスが取れ、良好な膜厚均一性を得る上で、
１／２≦（外周ガス流量／反応ガス流量）≦１
であることが好ましい。但し、外周ガスにキャリアガスと比較して重いＡｒガスなどを用いる場合では、外周ガスの流量を抑えることが可能である。

また、リング状シャワーヘッド８の形状は外周に強い流れを作ることができれば、特に限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、上方３箇所に外周ガス流用ガスを導入する外周ガス導入口１８ｂが配置されたリング状のヘッド１８ｃの下方に複数のノズル１８ａが配置された形状のリング状シャワーヘッド１８を用いることができる。

本実施形態によれば、ウェーハおよびウェーハより素子形成工程および素子分離工程を経て形成される半導体装置において、１ウェーハに形成されるチップ数を増大させ、歩留りを向上させるとともに、素子特性を安定させ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数１０μｍ〜１００μｍ程度の厚膜が用いられるパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体装置の厚膜形成プロセスに適用することにより、プロセスコストの大幅な削減が可能となる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、Ｓｉ基板上にエピタキシャル膜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。また、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜形成の場合にも適用可能で、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、モノシラン（ＳｉＨ_４）の他、ＮＨ_３、Ｎ_２、Ｏ_２、Ａｒガスなどを供給することになる。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。

本発明の一態様に係る気相成長装置の断面図。 図１の部分拡大図。 従来の反応ガス流を示す模式図。 本発明の一態様におけるガス流の流れを示す模式図。 図４の部分拡大図。 本発明の一態様におけるリング状シャワーヘッドを示す斜視図。

符号の説明

１…反応室、２…ヒータ、３…ホルダー、４…回転機構、５…反応ガス導入口、６…ガス排出口、７…シャワーヘッド、８、１８…リング状シャワーヘッド、９…淀んだ流れ、１０…流れが乱される領域、１１…外周ガス流、１２…負圧領域、１３…引き込まれる流れ

Claims (5)

1. ウェーハ上に成膜を行うための反応室に、反応ガスを導入し、
   前記ウェーハを回転させながら裏面より加熱し、
   前記ウェーハを保持する保持機構の上面の外周部に対してノズルの先端部が離間して近傍に配置されたシャワーヘッドの内側において、前記ウェーハの上方より、前記ウェーハの全面に前記反応ガスを供給するための第１のガス流を形成するとともに、前記ノズルと前記保持機構との隙間から流出する前記第１のガス流の外周に、前記ノズルからのガス供給によって外周下方向の第２のガス流を形成して、前記ウェーハ上に成膜を行うことを特徴とする気相成長方法。
2. 前記第２のガス流は、水素ガス或いは不活性ガスによるガス流であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。
3. 前記第１のガス流と、前記第２のガス流の流量比が、
   １／２≦（第２のガス流量／第１のガス流量）≦１
   であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相成長装置。
4. ウェーハ上に成膜を行う反応室と、
   前記反応室下部に設けられ、前記ウェーハを加熱するヒータと、
   前記ウェーハを保持する保持機構と、
   前記保持機構と接続され、前記ウェーハを回転させる回転機構と、
   前記反応室の上部に設けられ、上方より前記ウェーハ全面に供給される反応ガスによる第１のガス流を形成する第１のガス供給機構と、
   前記保持機構の上面の外周部に対してノズルの先端部が離間して近傍に配置され、前記ノズルと前記保持機構との隙間から流出する前記反応ガスのガス流の外周に、前記ノズルからのガス供給によって外周下方向の第２のガス流を形成する第２のガス供給機構と、
   を備えることを特徴とする気相成長装置。
5. 前記第２のガス流は、水素ガスあるいは不活性ガスによるガス流であることを特徴とする請求項４に記載の気相成長装置。

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