(57)【要約】  反応室内の領域毎にガス流量の比率を調節できる、反応ガス供給装置及び半導体製造装置を提供する。半導体製造装置の反応室内にガス供給路を通して反応ガスを供給する反応ガス供給装置であって、前記ガス供給路に接続されていると共にガスの流量を外部制御可能なガス供給器と、前記ガス供給路に接続されているマスフローコントローラとを備えると共に、前記ガス供給器は前記マスフローコントローラよりも前記反応室に近い位置に配置されている反応ガス供給装置。【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造装置の反応室内にガス供給路を通して反応ガスを供給する反応ガス供給装置であって、
前記ガス供給路に接続されていると共にガスの流量を外部制御可能なガス供給器と、
前記ガス供給路に接続されているマスフローコントローラとを備えると共に、
前記ガス供給器は前記マスフローコントローラよりも前記反応室に近い位置に配置されている
反応ガス供給装置。
【請求項２】
複数の前記ガス供給路が前記反応室に接続されていると共に、複数のガス供給路から供給されるガスの流量が互いに異なる
請求項１に記載の反応ガス供給装置。
【請求項３】
前記ガス供給器は、比較制御回路を省いて簡素化したマスフローコントローラである
請求項１に記載の反応ガス供給装置。
【請求項４】
半導体基板を収容する反応室と、該反応室内にガス供給路を通して反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備える半導体製造装置であって、
前記反応ガス供給装置は、前記ガス供給路に接続されていると共にガスの流量を外部制御可能なガス供給器と、
前記ガス供給路に接続されているマスフローコントローラとを備えると共に、
前記ガス供給器は前記マスフローコントローラよりも前記反応室に近い位置に配置されている
半導体製造装置。
【請求項５】
前記反応ガス供給装置は、複数の前記ガス供給路が前記反応室に接続されていると共に、複数のガス供給路から供給されるガスの流量が互いに異なる
請求項４に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記ガス供給器は、比較制御回路を省いて簡素化したマスフローコントローラである
請求項４に記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反応ガス供給装置及び半導体製造装置に関する。詳しくは、エピタキシャル層を形成するための、反応ガス供給装置及び半導体製造装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の表面にエピタキシャル層を結晶成長させて得られた、微小欠陥のない完全結晶表面部を有する基板は、ＭＰＵやメモリＩＣにおいて多く用いられている。例えばシリコンエピタキシャル層を結晶成長させる場合、高温に加熱されたシリコン基板上に、ＳｉＨＣｌ３等の材料ガスと水素等のキャリアガスとを含む反応ガスを供給し、シリコン基板上においてシリコン単結晶を堆積させ、そして成長させる（ＣＶＤ（化学気相成長）法）。【０００３】
従来、エピタキシャル層を結晶成長させる装置として、例えば特開平９−２７５０７６号公報には、石英製の壁を有する反応室１０７と、反応室内に設置されたＳｉＣ製のサセプタ１１３とを備え、サセプタ上には半導体基板１０８が載置され、反応室１０７の外部には、反応ガス１１０の導入用の第１の配管１０１、第１の配管に順次設けられた反応ガス流量制御用の第１のマスフローコントローラ１１２及び第１のバルブ１１１、不活性ガス導入用の第２の配管１０２、第２の配管に順次設けられた不活性ガス流量制御用の第２のマスフローコントローラ１０３及び第２のバルブ１０４、ガス排出用の第３の配管１０５、第３の配管に順次接続された圧力計１０６及び真空排気用のポンプ１１５、第３の配管の中間に設けられた主バルブ１１４、反応室の壁を通してサセプタ及び半導体基板を加熱するためのランプ１０９が設けられたＣＶＤ装置が記載されている。このような構成により、反応室内に導入された反応ガスを高い効率で利用して反応室内の基板上に薄膜を効率良く均一に堆積させることができる。図３に従来のＣＶＤ装置を示す概略断面図を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エピタキシャルプロセス中に、あるいはエピタキシャルプロセス毎に、供給するガスの総流量を変更せず、反応室内の領域毎にガス流量の比率を調節することは、半導体基板に良好なエピタキシャル層を結晶成長させるために、有益である。しかしながら、従来のＣＶＤ装置のように、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）よりも下流即ちマスフローコントローラよりも反応室に近い位置においてバルブを配置している構成では、手動のバルブの場合、人間が手でバルブを調節するので、エピタキシャルプロセスの最中にガス流量の変更が容易ではなく、更に、ガス流量がどれくらいなのか外部から判らない。自動制御のバルブの場合、バルブを制御するためのコントローラを別個用意する必要があるので高価であると共に複雑なシステムとなっていた。また、バルブに代えて通常のマスフローコントローラを用いた場合、実際に流れるガス流量の信頼性はマスフローコントローラの一次側と二次側のガス圧力に影響を受ける。しかし、エピタキシャルプロセスの最中に、反応室の付近においてガスの圧力変動が生じる。反応室内の領域毎に異なる流量のガスを流す場合において、一つの領域に対しガス流量を変更すると、それ以外の領域のガス流量やガス圧力に影響するため、全体としてのガス流量、ガス圧力も不安定になる。その結果、反応室に流れるガス流量が変動し、エピタキシャル層の膜厚、あるいは比抵抗は不安定になる。【０００５】
本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、反応室内の領域毎にガス流量の比率を調節できる、反応ガス供給装置及び半導体製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の反応ガス供給装置は、半導体製造装置の反応室内にガス供給路を通して反応ガスを供給する反応ガス供給装置であって、前記ガス供給路に接続されていると共にガスの流量を外部制御可能なガス供給器と、前記ガス供給路に接続されているマスフローコントローラとを備えると共に、前記ガス供給器は前記マスフローコントローラよりも前記反応室に近い位置に配置されている。【０００７】
ここで、ガスの流量を外部制御可能なガス供給器は、マスフローコントローラとは異なり、マスフローコントローラのように、その一次側と二次側のガス圧力に影響を受けることなく一定の量のガスを流すことができる。更に、ガス供給器をマスフローコントローラよりも反応室に近い位置に配置することによって、圧力変動が生じた場合の反応室付近においても安定してガスを流すことができる。なお、ここでいう「外部制御可能」とは、例えばガス供給器内のバルブの開度を外部から設定できるというように、外部からコントロール可能な状態を示す。また、外部制御可能なガス供給器と、マスフローコントローラは、どちらも共通の制御器等で外部からこれらを制御できる。【０００８】
また、上記の目的を達成するために、本発明の半導体製造装置は、半導体基板を収容する反応室と、該反応室内にガス供給路を通して反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備える半導体製造装置であって、前記反応ガス供給装置は、前記ガス供給路に接続されていると共にガスの流量を外部制御可能なガス供給器と、前記ガス供給路に接続されているマスフローコントローラとを備えると共に、前記ガス供給器は前記マスフローコントローラよりも前記反応室に近い位置に配置されている。【０００９】
ここで、ガスの流量を外部制御可能なガス供給器は、マスフローコントローラとは異なり、マスフローコントローラのように、その一次側と二次側のガス圧力に影響を受けることなく一定の量のガスを流すことができる。更に、ガス供給器をマスフローコントローラよりも反応室に近い位置に配置することによって、圧力変動が生じた場合の反応室付近においても安定してガスを流すことができる。なお、ここでいう「外部制御可能」とは、例えばガス供給器内のバルブの開度を外部から設定できるというように、外部からコントロール可能な状態を示す。また、外部制御可能なガス供給器と、マスフローコントローラは、どちらも共通の制御器等で外部からこれらを制御できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る反応ガス供給装置は、反応室内の領域毎にガス流量の比率を調節できる。
また、本発明に係る半導体製造装置は、反応室内の領域毎にガス流量の比率を調節できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した反応ガス供給装置を用いた半導体製造装置の概略説明図である。
【図２】反応室を拡大した概略横断面図である。
【図３】従来のＣＶＤ装置を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００１２】
１      反応ガス供給装置
２      半導体製造装置
３      ガス供給源
４      ガス供給路
４Ａ    ガス導入路端部
４Ｂ    ガス排出路端部
５−１  第１のガス供給器
５−２  第２のガス供給器
５−３  第３のガス供給器
５−４  第４のガス供給器
６      マスフローコントローラ
６Ａ    センサーのフィードバックループ
７      反応ガス
８      反応室
９      ガス導入室
１０      支持体
１１      半導体基板
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。図１及び図２に基づいて反応室内へのガス供給を説明する。図１は、本発明を適用した反応ガス供給装置を用いた半導体製造装置の概略説明図であり、図２は、反応室を拡大した概略横断面図である。反応ガス供給装置１は、キャリアガスであるＨ２ガス（水素ガス）、材料ガスであるＳｉＨＣｌ３ガス（三塩化シランガス）、ドーパントガス（ジボランガス）等のガス供給源３と、ガス供給源に接続されて反応ガス７等を反応室に供給するガス供給路４と、ガス供給路に接続されていると共にガスの流量を外部制御可能な４つのガス供給器（第１のガス供給器５−１、第２のガス供給器５−２、第３のガス供給器５−３及び第４のガス供給器５−４）と、ガス供給路に接続されていると共にセンサーのフィードバックループ６Ａが接続されている、ガス流量を制御する３つのマスフローコントローラ６とを備えている。【００１４】
また、半導体製造装置２は、上記の反応ガス供給装置１と、反応ガス７等がガス供給路を通して供給される、光透過性材料（例えば石英等）で構成された反応室８と、反応ガス供給装置１のガス供給源３から伸びるガス供給路４が接続されたガス導入室９とを備えている。また、図２に示すように、反応室８内には、円形の回転可能な支持体（サセプタ）１０が略中央領域に配置されており、支持体上に円形の半導体基板１１が載置されている。ここで、反応室内の圧力は大気圧と略同じであるが、減圧ポンプ等を用いて反応室内を減圧してもよい。また、ガスを反応室内に供給できるのであれば、反応ガス供給装置や半導体製造装置は必ずしもガス供給源を装置内に備えていなくてもよい。また、図１では、キャリアガス供給源、材料ガス供給源及びドーパントガス供給源がそれぞれ１つだけであり、これらからガス供給路を分岐して反応室内へガスを供給しているが、ガスを供給できれば必ずしもこのような配置にしなくてもよく、例えばガス導入室内の区分けされた供給領域毎にキャリアガス供給源、材料ガス供給源及びドーパントガス供給源を１組として接続してもよい。【００１５】
図１に示すように、ガスの流量を外部制御可能な、第１のガス供給器５−１、第２のガス供給器５−２、第３のガス供給器５−３及び第４のガス供給器５−４は、ガス流量を制御するマスフローコントローラ６よりも下流即ち反応室に近い位置に配置されている。また、ガスの流量を外部制御可能な、第１のガス供給器５−１、第２のガス供給器５−２、第３のガス供給器５−３及び第４のガス供給器５−４並びにガス流量を制御するマスフローコントローラ６は、共通のシステム制御器（図示せず。）によって制御されている。なお、ガスの流量を外部制御可能な、第１のガス供給器５−１、第２のガス供給器５−２、第３のガス供給器５−３及び第４のガス供給器５−４と反応室８との間にはベローズバルブのようなバルブは配置されていない。【００１６】
各ガス供給源３とガス流量を制御する各マスフローコントローラ６との間の、ガスが通るガス供給路４には、トグルスイッチ（図示せず。）が各ガス供給源付近に取り付けられており、ガスの供給及び非供給を切り替え、そしてフィルタ（図示せず。）も取り付けられている。ガス流量を制御する各マスフローコントローラ６を通過した各種ガスは混合され、得られた混合ガス（反応ガス）は次に、ガスの流量を外部制御可能な、第１のガス供給器５−１、第２のガス供給器５−２、第３のガス供給器５−３及び第４のガス供給器５−４を通過して反応室８に供給される。ここで、キャリアガスと材料ガスが供給できれば、ドーパントガスは必ずしも供給しなくてもよい。【００１７】
本発明で使用されるマスフローコントローラは、一般に使われているマスフローコントローラを用いており、センサー、ブリッジ回路、増幅回路、比較制御回路そして制御バルブから構成されている。【００１８】
次にマスフローコントローラの動作原理を説明する。マスフローコントローラに供給されたガスは、その一部がセンサーを通過する。センサーにガスが流れると上流側と下流側に温度差が生じ、センサーは流量に比例した温度変化をブリッジ回路に伝え、ブリッジ回路でこれを電気信号に変換する。この信号を０〜５Ｖのリニアな信号に増幅回路で増幅し、流量信号として比較制御回路へ出力する。また、外部から０〜５Ｖに対応した流量設定信号が比較制御回路へ送られ、センサーからの流量信号と外部からの流量設定信号とを比較し、これらの差が差信号となって制御バルブへ送られ、差信号が常に０になるように即ち設定値＝流量値になるよう制御バルブを制御する。【００１９】
反応室内の領域ごとに異なる流量のガスを流す場合において、一つの領域に対しガス流量を変更すると、それ以外の領域のガス圧力が変動即ちガス流量が変動するため、その都度マスフローコントローラは流量値を設定値に一致させようと制御する。特に反応室付近で複雑なガス圧力変動が生じる場合、頻繁にマスフローコントローラがガス流量を制御すると、ガス流量はなかなか一定せず、不安定になると共に流量がどのくらいかも不明になる。そこで本発明では、マスフローコントローラではなく、ガスの流量を外部制御可能なガス供給器を、マスフローコントローラよりも反応室に近い位置に配置して、ガスの安定供給を実現しているが、例えば比較制御回路を省いて簡素化したマスフローコントローラを用いてもよい。【００２０】
また、図２に示されているように、反応室８の、反応ガス７が導入される側にはガス導入室９が取り付けられている。また、ガス導入室９内は７つの領域に区分けされ、それぞれの領域にガス導入路端部４Ａが１つずつ配置されている。区分けされた各領域に配置されたガス導入路端部４Ａから放出される反応ガス７の流量は、反応ガスを供給できれば、中央領域、中央領域の両隣に位置する左右の内側領域、左右の内側領域それぞれの隣（外側）に位置する左右の外側領域、そして両端領域で異ならせて、４種類の異なる流量を設定できるが、全て同じ流量としてもよく、また、７つの領域全ての流量を異ならせてもよい。また、反応室に反応ガスを供給できれば、ガス導入室内は必ずしも７つの領域に区分けされていなくてもよく、７つ未満の領域若しくは７つを超えた領域に区分けされていてもよい。また、図１や図２において、第２のガス供給器５−２、第３のガス供給器５−３及び第４のガス供給器５−４を通ったガス供給路４がそれぞれ反応室８の手前で分岐しているが、反応ガスを反応室に導入できれば、必ずしも分岐していなくてもよく、例えば区分けされたガス導入室内の１つの領域につき１つのガス供給器を通過したガス供給路を分岐させず接続させて、領域の数と同じ数のガス供給器を配置するようにしてもよい。【００２１】
反応室８内に供給された反応ガス７は、半導体基板１１上を通り、ガス導入路端部４Ａが配置されている反応室の側壁に対向する側壁に配置されたガス排出路端部４Ｂから反応室の外側へ排出される。また、反応室８の外側には、半導体基板１１を１０００〜１２００℃まで加熱するために加熱手段（例えばハロゲンランプ等）（図示せず。）が配置されており、反応ガス７と加熱手段（図示せず。）とによって半導体基板１１上にエピタキシャル層を成長させる。【００２２】
ここで、反応ガス中の材料ガスとして三塩化シラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスを例に挙げて説明したが、必ずしも三塩化シランガスを用いなくてもよく、例えば四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）ガス、二塩化シラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガス、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ゲルマン（ＧｅＨ４）ガス若しくはモノメチルシラン（ＳｉＨ３ＣＨ３）ガスを反応室８内に導入してもよい。【００２３】
また、キャリアガスとして水素ガスを例に挙げて説明したが、不活性ガス例えば窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン及びラドンから選ばれるガスを用いてもよく、またこれらガスの少なくとも２種からなる混合ガスを用いてもよい。【００２４】
また、ドーパントガスとしてジボランガスを例に挙げて説明したが、ホスフィン、アルシン、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）等から選ばれるガスを用いてもよい。【００２５】
ここで、ガス流量の比率の調節方法の好適な実施例について述べる。混合ガス（反応ガス）の流量をＶｔ、混合ガス（反応ガス）の圧力をＰｒ、ガス供給器５−１、ガス供給器５−２、ガス供給器５−３及びガス供給器５−４をそれぞれ流れるガスの流量をＶ１〜Ｖ４とすると、Ｖｔは、
Ｖｔ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４                    （１）
という式で表すことができる。エピタキシャルプロセス中に、あるいはエピタキシャルプロセス毎に、供給するガスの総流量を変更せず、ガス導入室内の区分けされた供給領域毎のガス流量を変更する場合においては、外部のシステム制御器によりＶ１〜Ｖ４を変更することで、所望の区分けされた供給領域に所望の量のガスを流すことができるが、Ｖ１〜Ｖ４を任意に変更すると、Ｖｔ、Ｐｒが変動するため、Ｖｔを一定にして、Ｖ１〜Ｖ４の比率を設定することが望ましい。ガス供給器５−１、ガス供給器５−２、ガス供給器５−３及びガス供給器５−４のバルブの開度をそれぞれＲ１〜Ｒ４とすると、バルブの開度とガスの流量との関係は、
Ｖ１＝Ｋ１Ｒ１                                （２）
Ｖ２＝Ｋ２Ｒ２                                （３）
Ｖ３＝Ｋ３Ｒ３                                （４）
Ｖ４＝Ｋ４Ｒ４                                （５）
という式で表すことができる。ここで、K１〜K４はバルブの開度と流れるガスの流量を関連付ける係数、あるいは関係式である。式（１）〜（５）をまとめると、
Ｖｔ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４
＝Ｋ１Ｒ１＋Ｋ２Ｒ２＋Ｋ３Ｒ３＋Ｋ４Ｒ４      （６）
という式で表すことができる。エピタキシャルプロセスにおいて、供給するガスの総流量を変更しない場合には、Ｖｔが一定であるとすると、外部のシステム制御器により、K１〜K４を制御することで、バルブの開度Ｒ１〜Ｒ４を任意に変更することができるため、エピタキシャルプロセス中に、あるいはエピタキシャルプロセスごとに、容易にＶ１〜Ｖ４を調節することができる。【００２６】
このように、本発明を適用した反応ガス供給装置及び半導体製造装置は、外部制御可能なガス供給器と、マスフローコントローラとを用いることによって、どちらも外部から制御できることから、共通の制御器等でこれらを制御できるので制御が簡単であり、エピタキシャル層を略均一に成長させることができ、しかも従来のようなバルブ（例えばベローズバルブ）を用いた場合よりも任意に精度良くガス流量を調節できる。また、共通の制御器等でガス供給器とマスフローコントローラを制御できるので、安価に対応することができると共にシステムを簡素化できる。【００２７】
また、ガスの流量を外部制御可能なガス供給器によって、マスフローコントローラとは異なり、マスフローコントローラのように、その一次側と二次側のガス圧力に影響を受けることなく一定の量のガスを流すことができる。更に、ガス供給器をマスフローコントローラよりも反応室に近い位置に配置することによって、複雑な圧力変動が生じる場合の反応室付近においても安定してガスを流すことができる。【００２８】
更に、ガスの流量を外部制御可能なガス供給器に備えられたセンサーからの流量信号は、常に外部の制御器に伝達されるので、エピタキシャルプロセス中も含めて常に各ガス供給路に流れるガスの流量を正確に把握することができる。【００２９】
また、反応ガスを反応室の中心と周辺部に分流する機器として、反応室付近にガスの流量を外部制御可能なガス供給器を用いているので、従来のような手動または自動のバルブを用いた場合や、マスフローメータ（ＭＦＭ）または通常のマスフローコントローラを用いた場合に比べて、本発明を適用した反応ガス供給装置及び半導体製造装置は操作性、簡素性そして調節精度において優れている。即ち、反応室付近にガスの流量を外部制御可能なガス供給器を用いた場合、従来のような手動のバルブを用いた場合に比べて制御器等で遠隔調節できて操作性が良く、また、自動のバルブを用いた場合に比べてバルブを制御するための特別な機器が不要であり、その分、システムを簡素化でき、更に、マスフローメータを用いた場合に比べてガス供給器内のバルブの開度を任意に調節できるのでエピタキシャルプロセス中においてもガス流量の調節を可能とし、そしてマスフローコントローラを用いた場合に比べて、複雑な圧力変動が生じる場合の反応室付近においても安定してガスを流すことができる。【００３０】
また、反応室に接続された複数のガス供給路から放出されるガスの流量を互いに異ならせて、各ガス供給路が配置された領域ごとに細かくガス流量を調節できるので、更に精度の高いエピタキシャル層の膜厚、あるいは比抵抗の調節を行うことができる。特に、複数枚の半導体基板を用いる装置の場合には、領域毎に細かくガス流量を調節できることによって、各半導体基板に良好なエピタキシャル層を結晶成長させることができ、有益である。
【図１】
2007032053.tif 000002
【図２】
2007032053.tif 000003
【図３】
2007032053.tif 000004
【国際調査報告】
2007032053.tif 000005
2007032053.tif 000006