(57)【要約】【課題】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。【解決手段】ウェーハ上に成膜を行うための反応室１内を、所定の圧力に制御し、反応室１に、反応ガスを導入し、反応ガスのラミナーフローを形成し、回転させながら加熱したウェーハｗ上に、ラミナーフローを維持した状態で反応ガスを供給して、成膜を行う。【選択図】図１
2008205018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハ上に成膜を行うための反応室内を、所定の圧力に制御し、
前記反応室に、反応ガスを導入し、
前記反応ガスのラミナーフローを形成し、
回転させながら加熱したウェーハ上に、前記ラミナーフローを維持した状態で前記反応ガスを供給して、成膜を行うことを特徴とする気相成長方法。
【請求項２】
ウェーハ上に成膜を行うための反応室と、
前記反応室下部に設けられ、前記ウェーハを加熱するためのヒータと、
前記ウェーハを保持するための保持機構と、
前記保持機構と接続され、前記ウェーハを回転させるための回転機構と、
反応ガスを前記反応室内に導入するための反応ガス導入口と、
前記保持機構の上部に配置され、導入された前記反応ガスを通過させてラミナーフローを形成するための複数の細管を有するラミナーフロー形成機構を備えることを特徴とする気相成長装置。
【請求項３】
前記ラミナーフロー形成機構において、前記複数の細管は、前記ウェーハの外周上部より外側まで配置されていることを特徴とする請求項２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記ラミナーフロー形成機構は、シャワーヘッドを介して前記反応ガス導入口と接続されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記複数の細管は、石英ガラス管であることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【特許文献１】特開２０００−３０６８５０号公報（図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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ための反応室内を、所定の圧力に制御し、反応室に、反応ガスを導入し、反応ガスのラミナーフローを形成し、回転させながら加熱したウェーハ上に、ラミナーフローを維持した状態で反応ガスを供給して、成膜を行うことを特徴とする。
【０００９】
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ための反応室と、反応室下部に設けられ、ウェーハを加熱するためのヒータと、ウェーハを保持するための保持機構と、保持機構と接続され、前記ウェーハを回転させるための回転機構と、反応ガスを前記反応室内に導入するための反応ガス導入口と、保持機構の上部に配置され、導入された反応ガスを通過させてラミナーフローを形成するための複数の細管を有するラミナーフロー形成機構を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の気相成長装置において、ラミナーフロー形成機構において、複数の細管は、ウェーハの外周上部より外側まで配置されていることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の気相成長装置において、ラミナーフロー形成機構は、シャワーヘッドを介して反応ガス導入口と接続されることが望ましい。
【００１２】
さらに、本発明の気相成長装置において、複数の細管は、石英ガラス管であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【００１５】
図に示すように、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。
【００１６】
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に接するように、導入された反応ガスを通過させてウェーハ上にラミナーフローを形成するためのラミナーフロー形成機構８が、例えばホルダー３上に保持されるウェーハｗとの距離が２０ｍｍとなるように設置されている。
【００１７】
図２にラミナーフロー形成機構８の上面図の一部を示す。図に示すように、石英からなる例えば管径１ｍｍの複数の細管８ａが束ねられた構造で、その束ねられた全体の径は例えば２００ｍｍ径とする。
【００１８】
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。
【００１９】
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：Ｈ２を２０〜１００ＳＬＭ、成膜ガス：ＳｉＨＣｌ３を５０ｓｃｃｍ〜２ＳＬＭ、ドーパントガス：Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３：微量とする。このような反応ガスは、シャワーヘッド８を経て、ラミナーフロー形成機構８の例えば、長さ２００ｍｍ細管８ａ内を通過する。このとき、反応ガスのラミナーフロー９が形成される。
【００２０】
ラミナーフローは、流線が管軸と平行（ここではウェーハ面に垂直）な流れであり、例えば、管内においては、
Ｒｅ＝ρｖｄ／μ  ・・・  （１）
ρ：流体密度
ｖ：管路の流速
ｄ：管の直径
μ：流体の粘度
で定義されるレイノルズ数Ｒｅを、２０００程度以下とすることで形成することができる。すなわち、流体密度、流速、粘度は、細管８ａの上流あるいは反応室１内の圧力に依存することから、所定の径ｄの細管８ａの上流および反応室１内を所定の圧力に制御して、細管８ａ内の反応ガスの密度、流速、粘度を所定の値とすることにより、ラミナーフローを形成することができる。そして、形成されたラミナーフローは、細管８ａの先端からの距離が、ある値を越えると、急に乱流となるため、細管８ａ先端からウェーハｗまでの距離を、ラミナーフローを維持することができる距離とすることにより、反応ガスがラミナーフローの状態でウェーハｗ上に供給される。
【００２１】
尚、常圧に近い領域では、細管８ａの上流の圧力が高いほど、流体密度、流速、粘度が増大するとともに、細管８ａ先端から噴射される反応ガスの勢いが増し、ラミナーフローが維持される距離が増大する。また、ラミナーフローを維持することができる距離は、反応室１の圧力が下がるとともに増大する。ラミナーフローが得られる条件下では、反応室１の圧力と、細管８ａの上流の圧力は比例関係にあり、細管８ａの上流の圧力を下げてもラミナーフローを実現することが可能となる。すなわち、反応室の圧力が真空近くなれば、上流の圧力もそれに伴って下げることができる。そして、それぞれの圧力を下げることにより、細管８ａの径を大きくした場合でも、ラミナーフローを得ることができる。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
このとき、図３に示すように、ウェーハｗ上にラミナーフロー９の状態で供給された反応ガスは、高速回転するウェーハｗ表面近傍において、成膜に直接寄与する境界層１０を形成する。
【００２５】
従来は、高速回転を用いた気相成長装置においては、図４に示すように、シャワーヘッド７から噴射された反応ガスは、直後は垂直方向の流れ１１となるが、すぐに乱れた流れ（乱流）１２となり、ウェーハに近づいて竜巻様の流れ１３となる。そして、ウェーハ近傍で境界層１０’が形成され、この境界層が、ウェーハｗに入射する反応ガスをコントロールしている。成膜反応自体は、ウェーハｗ表面における反応ガスとの反応で律速されているため、境界層への反応ガスの供給ばらつきは影響しないと考えられていた。
【００２６】
しかしながら、実際は、ウェーハ表面での反応は、これまであまり問題視していなかった反応ガスの供給分布にも若干依存することが考えられる。本実施形態においては、境界層９に対して、ラミナーフロー９を維持したまま反応ガスを供給する、すなわち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ため、例えばばらつきを２％未満の１％に抑え、より均一に成膜することが可能となる。
【００２７】
本実施形態において、ラミナーフロー形成機構８を、ウェーハｗとの距離が２０ｍｍとなるように設置しているが、その距離は、上述したように、ラミナーフローが維持される距離以内とすることが好ましい。しかしながら、あまり近接させると、細管８ａの先端がウェーハｗからの輻射熱を受けて加熱されるため、先端へのＳｉ膜の堆積が生じてしまう。従って、細管８ａへのＳｉ膜の堆積を抑制するという観点では、ラミナーフローが維持される限界点に近い方が好ましい。
【００２８】
また、本実施形態において、反応室１内の圧力を、例えば１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）〜常圧となるように制御しているが、本実施形態は、常圧に近い領域において特に有効である。
【００２９】
さらに、本実施形態において、細管８ａの径は、１ｍｍ以下であることが好ましい。１ｍｍを超えると、条件によればラミナーフローを形成することが困難となるためである。
【００３０】
また、ウェーハｗ径１８０ｍｍに対して、複数の細管８ａ全体の径を例えば２００ｍｍとしたが、この全体の径は、周縁部まで均一性の向上を図る上で、成膜されるウェーハ径より大きくすることが必要である。しかしながら２０％を超えると、成膜効率が低下し、プロセスコストが増大してしまう。従って、全体の径を、ウェーハ径の１０〜２０％大きくすることが好ましい。
【００３１】
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。
【００３２】
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、ＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜形成の場合にも適用可能で、ＳｉＯ２膜の場合、モノシラン（ＳｉＨ４）の他、Ｎ２、Ｏ２、Ａｒガスを、Ｓｉ３Ｎ４膜の場合、モノシラン（ＳｉＨ４）の他、ＮＨ３、Ｎ２、Ｏ２、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。また、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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一態様に係る気相成長装置の断面図。
【図２】本発明の一態様におけるラミナーフロー形成機構の一部上面図。
【図３】本発明の一態様におけるウェーハ近傍の成膜ガスの流れを示す模式図。
【図４】従来のウェーハ近傍の成膜ガスの流れを示す模式図。
【符号の説明】
【００３４】
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…ラミナーフロー形成機構、８ａ…細管、９…ラミナーフロー、１０、１０’…境界層、１１…垂直方向の流れ、１２…乱流、１３…竜巻様の流れ
【図１】
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【図２】
2008205018.tif 000004
【図３】
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【図４】
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