JP2002134484A - 半導体基板保持装置 - Google Patents

半導体基板保持装置

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JP2002134484A JP2000318994A JP2000318994A JP2002134484A JP 2002134484 A JP2002134484 A JP 2002134484A JP 2000318994 A JP2000318994 A JP 2000318994A JP 2000318994 A JP2000318994 A JP 2000318994A JP 2002134484 A JP2002134484 A JP 2002134484A
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semiconductor substrate
ceramic heater
recess
substrate holding
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Kiyoshi Sato
清志 佐藤
Hirotaka Arai
宏貴 荒井
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ASM Japan KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】基板の反り若しくは歪みが生じず膜厚の均一な
膜が成膜される基板保持装置を与える。 【解決手段】真空排気された反応チャンバ内で半導体基
板を保持しかつ加熱する半導体基板保持装置が与えられ
る。当該半導体基板保持装置の基板保持面上には周辺部
から中心方向へ向かって傾斜する窪みから成る凹部が設
けられ、半導体基板は裏面周縁部分のみが凹部の傾斜面
と接触した状態で保持され、凹部はその中心と半導体基
板との間隔が所定の距離となるように形成される。凹部
の傾斜面は好適には球面の一部から成るが円錐面から成
ることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は真空排気された反
応室内で半導体基板を保持しかつ加熱する半導体基板保
持装置に関し、特に半導体基板を保持する表面形状に特
徴を有する半導体基板保持装置に関する。
【０００２】
【従来技術】従来、CVD装置によって、シリコン基板上
若しくはガラス基板上に、シリコン酸化膜、シリコン窒
化膜、アモルファスカーボン若しくはベンゼン環含有重
合体などの絶縁膜、タングステンシリサイド、チタンナ
イトライド若しくはアルミニウム合金等の導体膜及びPZ
T(PbZr1-xTixO3)若しくはBST(BaxSr1-xTiO3)等を含む高
誘電膜が形成されてきた。
【０００３】これらの膜を形成するために、一般に減圧
熱CVD法とプラズマCVD法が使用されている。しかし、減
圧熱CVD法では半導体基板を700℃以上の高温に晒すため
熱負荷により半導体素子の電気特性が変化し設計通りに
動作しないという問題が生じている。近年の半導体デバ
イスの高集積化に伴い熱負荷の問題は益々深刻となって
いる。そこでより低温で半導体基板を処理することで基
板への熱負荷を低減させるプラズマCVD法が主流になっ
てきている。
【０００４】一般的にプラズマCVD装置では300℃から65
0℃に加熱されたセラミックヒータにより基板は約250℃
から600℃に加熱保持される。セラミックヒータは基板
を直接保持するサセプタを兼ねている。セラミックヒー
タは窒化アルミニウム(AlN)から成る基体中に抵抗発熱
体及び高周波電極を埋設したものである。高周波電極は
半導体基板と直接接触するヒータ上部表面から約数百〜
数千μmの位置に埋設されている。
【０００５】従来、セラミックヒータの表面形状に関し
て以下のようなものが報告されている。米国特許番号第
5231690号、米国特許番号第5968379号及び特開2000-114
354には、セラミックヒータ表面と基板裏面とが完全に
接触するよう表面が平滑に仕上げられたセラミックヒー
タが開示されている。これによれば熱はセラミックヒー
タから基板に効率的に伝導される。一方、米国特許番号
第5306895号、特許第2049039号及び特開平7-238380に
は、セラミックヒータ表面に基板直径より小さい口径の
凹部を形成し基板裏面とセラミックヒータとの接触を基
板裏面周縁部でのみ行うというセラミックヒータが開示
されている。これによればセラミックヒータから基板へ
の熱伝導を基板周縁部からのみ行うため基板周縁部の低
温化が防止される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】表面が平滑に仕上げら
れたセラミックヒータの場合、基板がセラミックヒータ
表面に載置された直後にセラミックヒータから基板裏面
へ急速に熱が流入するため、基板裏面のみが膨張し反り
が生じる。反りによってセラミックヒータからの熱伝導
は急激に小さくなる。基板の反りが解消して平坦になる
まで数分間を要し、基板が所望の温度に達するにはさら
に数分間を要する。この結果基板がセラミックヒータに
載置されてから成膜処理を開始するまでに時間が掛かり
枚葉式の半導体製造装置の場合生産性が著しく低下す
る。基板の加熱時間を短くすると、基板は所定の反応温
度に達しない状態で膜が形成されるため設計通りの性質
の膜が得られない。基板が反った状態でプラズマ放電を
開始し成膜処理を行うと放電空間内で突出している基板
周縁部にプラズマエネルギーが集中してしまい基板全体
にわたって膜厚が不均一になる。
【０００７】一方、表面に基板直径より小さい口径の凹
部を形成したセラミックヒータの場合、基板への熱伝導
は基板の周縁部裏面のみから生じることから基板への熱
流入速度を小さくできるので基板の反りは解消される。
しかし、凹部の口径が小さい場合、セラミックヒータ表
面と基板裏面とが接触する面積が大きくなり接触してい
る部位が局所的に急速に加熱されて熱膨脹する。その結
果基板が全体的に歪んだ形に変形する。逆に凹部の口径
が大きく基板直径に近づくと基板裏面が急速に加熱され
ることは無くなるが、セラミックヒータの凹部に基板の
端部が落ちてしまう危険性がある。基板搬送時の位置ず
れ等によって基板がセラミックヒータの中心からずれた
位置に載置されると凹部内に基板の一端が落ち込み対向
端が上方に突出して傾斜した状態となってしまう。この
状態でプラズマ処理を開始すると異常なプラズマエネル
ギーの集中（いわゆるアーク）が生じ、正常なプラズマ
放電が維持できなくなり基板上には膜厚が不均一で性質
の異常な膜が形成される。
【０００８】したがって本発明の目的は、基板の反り若
しくは歪みが生じず膜厚の均一な膜が成膜される基板保
持装置を与えることである。
【０００９】また本発明の他の目的は、半導体基板を急
速に所望の温度まで加熱し半導体製造装置の生産性を高
める基板保持装置を与えることである。
【００１０】さらに本発明の他の目的は、プラズマの異
常放電を防止しプロセス的に安定な成膜処理を与える基
板保持装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体基板保持装置は以下の手段から
成る。
【００１２】真空排気された反応室内で半導体基板を保
持しかつ加熱する半導体基板保持装置は、基板保持面上
に周辺部から中心方向へ向かって傾斜する窪みから成る
凹部が設けられ、半導体基板は裏面周縁部分のみが凹部
の傾斜面と接触した状態で保持され、凹部はその中心と
半導体基板との間隔が所定の距離となるように形成され
る。
【００１３】好適には、凹部の傾斜面は球面の一部であ
るが、円錐面であってもよい。
【００１４】具体的には、凹部の中心と半導体基板との
所定の間隔は0.05mm〜0.3mmである。
【００１５】好適には、半導体基板処理装置は表面周辺
部においてリング状に突起したリップ部を有する。
【００１６】
【発明の実施の態様】以下、本願発明を図面とともに説
明する。
【００１７】図１は本発明に係る基板保持装置を含むプ
ラズマCVD装置の好適実施例の断面略示図である。半導
体基板上に薄膜を形成するためのプラズマCVD装置1は、
反応室2と、該反応室2内にあって半導体基板9を載置す
るためのセラミックヒータ3と、該セラミックヒータ3に
対向して設置され、半導体基板9に反応ガスを均一に噴
射するためのシャワーヘッド4と、反応室2内部を排気す
るための排気口20とから成る。
【００１８】反応室2の側面には開口部19が設けられて
おり、当該反応室2はゲートバルブ18を介して半導体基
板9を搬入及び搬出するための搬送室（図示せず）と接
続されている。
【００１９】反応室2内にあって、半導体基板9を載置す
るためのセラミックヒータ3は焼結製作されたセラミッ
ク基体13から成る。セラミック基体13の素材としては、
フッ素や塩素系の活性種に耐久性をもった窒化物若しく
は酸化物のセラミックが挙げられる。セラミック基体13
は好適には窒化アルミニウムから成るが、酸化アルミニ
ウムまたは酸化マグネシウムであっても良い。後に詳細
に説明するように、セラミックヒータ3の表面14は周辺
部から中心部にかけて傾斜する窪みから成る凹部15を形
成する。基板9はその裏面周縁部がセラミックヒータ3の
凹部15の傾斜面と線接触した状態で保持される。凹部15
はその中心と半導体基板9との間隔が所定の距離となる
ように形成される。セラミックヒータ3は支持体29を介
して当該セラミックヒータ3を上下に移動するための駆
動機構25に接続されている。
【００２０】セラミックヒータ3の内部には抵抗発熱型
の発熱体26が埋設されており外部電源（図示せず）及び
温度制御器30と接続されている。発熱体26は温度制御器
30によってセラミックヒータ3を所望の温度（300℃から
650℃）で加熱するよう制御される。発熱体26の素材と
しては高融点金属であるタングステンが好適である。
【００２１】セラミックヒータ3の表面と発熱体26との
間にはプラズマ放電電極を画成する網状またはメッシュ
状の平坦な金属体27が埋設されている。好適には該金属
体27は接地28されているが、高周波電源に接続されるこ
ともできる。金属体27の素材としては高融点金属である
タングステンが好適であるがモリブデンであってもよ
い。
【００２２】反応室2内にあって、上記セラミックヒー
タ3と対向する位置にシャワーヘッド4が設置されてい
る。該シャワーヘッドの下面12には反応ガスを基板9に
噴出するための数千個の細孔（図示せず）が設けられて
いる。当該シャワーヘッド4は好適には整合回路10を介
して高周波発振器（8、8'）と電気的に接続されている
が金属体27に高周波電源を接続する場合には接地されて
いてもよい。シャワーヘッド4は、プラズマ放電のもう
一方の電極を画成する。高周波発振器（8、8'）は13.56
MHz及び300〜450kHzのそれぞれ異なる２つの高周波電力
を発生する。これら２つの高周波電力は整合回路10内部
で合成されシャワーヘッド4に供給される。シャワーヘ
ッド4には反応ガスを導入するための反応ガス導入管11
が接続されている。反応ガス導入管は反応ガスの種類に
応じた数だけ設けることが可能であり、それらは一本の
ガス導入管に統合されてシャワーヘッドに接続される。
反応ガス導入管11の一端は反応ガスを流し込むための反
応ガス流入ポート5を画成し、他端はシャワーヘッドに
ガスを流出するための反応ガス流出ポート7を画成す
る。反応ガス導入管の途中には質量流量制御器（図示せ
ず）及びバルブ6が設けられている。
【００２３】反応室2の内部には排気口20が設けられて
おり、該排気口20は配管17を通じて真空排気ポンプ（図
示せず）に接続されている。排気口20と真空ポンプとの
途中には反応室2内部の圧力を調節するためのコンダク
タンス調整バルブ21が設けられている。該コンダクタン
ス調整バルブ21は外部の制御装置22に電気的に接続され
ている。好適には反応室2内部の圧力を測定するための
圧力計23が設けられ、該圧力計23は制御装置22に電気的
に接続されている。
【００２４】次に、セラミックヒータ3について詳説す
る。図２は図１で使用されるセラミックヒータ3を拡大
したものである。本発明に係るセラミックヒータ3は好
適には直径220mm〜250mmで厚さ15mm〜25mmの円柱形セラ
ミック基体13から成り、基板保持面31には窪みから成る
凹部15が設けられている。凹部15は基板保持面31の周辺
部から中心部にかけて傾斜する傾斜面24から成る。好適
には傾斜面24は曲率半径約51000mmの球の一部から成る
がそれ以外の曲率半径の球を使用することもできる。半
導体基板9はその裏面の周縁部16でのみセラミックヒー
タと接触する。したがって半導体基板9とセラミックヒ
ータとの接触は線接触となる。半導体基板9と基板保持
面31の中心との間の距離Aは0.05mm〜0.3mmであるが、好
適には0.1mm〜0.2mmである。処理される基板の直径に応
じて傾斜面24の曲率半径を変えることにより距離Aを所
定に値に維持することが可能である。
【００２５】セラミックヒータ3の表面周辺部には半導
体基板9を包囲するようにリング状のリップ32が設けら
れている。リップ32の上端33と半導体基板9の表面は同
じ高さとなるように形成されている。これはシャワーヘ
ッドからのプラズマ電位を同電位とすることでいずれか
一方へプラズマが集中するのを防止するためである。
【００２６】セラミックヒータ3の内部には上記した発
熱体26及び金属体27が埋設されている。高周波電極の一
方を形成する金属体27は、基板保持面31と基板9との接
触点から深さBの位置に埋設されている。深さBは0.5mm
〜2mmであるが好適には0.7mm〜1.2mmである。
【００２７】図３は本発明に係るセラミックヒータ3の
他の実施例を示したものである。図２の実施例と異なる
点は基板保持面31'が円錐形の窪み35から成る凹部15'を
有する点である。半導体基板9はその裏面の周縁部16で
のみセラミックヒータと接触する。半導体基板9と凹部1
5'の中心との距離Aは図２の実施例と同一である。
【００２８】図４は本発明に係るセラミックヒータ3の
他の実施例を示したものである。図２の実施例と異なる
点は基板保持面31''が傾斜部36と平坦部37とから成る窪
み39から成る凹部15''を有する点である。傾斜部36は好
適には円錐面の一部であるが球面の一部でもよい。半導
体基板9はその裏面の周縁部16でのみ傾斜部36と接触す
る。半導体基板9と平坦部37との距離Aは図２の実施例と
同一である。この実施例によれば、半導体基板9の直径
が300mm程度の大型基板の場合には、距離Aを小さくして
も傾斜部36の傾斜を比較的大きくすることができる。
【００２９】図５は本発明に係るセラミックヒータ3の
他の実施例を示したものである。図５に記載のセラミッ
クヒータ40は減圧熱CVD装置用に設計されたものであ
る。したがって、プラズマ集中を防止するためのリップ
部が設けられていない。基板保持面31'''は好適には球
面の窪みから成る凹部15'''を有する。凹部15'''は円錐
面から成ることもできる。半導体基板9はその裏面の周
縁部16でのみ基板保持面31'''と接触する。半導体基板9
と凹部15'''との距離Aは図２の実施例と同一である。
【００３０】
【実施例】以下、図１に示すプラズマCVD装置を使用し
て半導体基板上に窒化珪素膜を成膜した実験結果につい
て説明する。
【００３１】まず、セラミックヒータ3を抵抗発熱体26
により600℃に保持し、半導体基板9を540℃から550℃に
加熱した。配管5からSiH4ガスとN2ガスの混合ガスを導
入しシャワーヘッド4より半導体基板9に向かって反応ガ
スを噴出した。反応室2の内部圧力は圧力計23により計
測された圧力に基づき、コンダクタンス調整バルブ21の
開度を制御装置22で制御することによって４〜９Torrの
範囲に一定に制御した。13.56MHzで400Wの高周波電力を
整合回路10を通してシャワーヘッド4に印加し、シャワ
ーヘッド4とセラミックヒータ3との間にプラズマ放電領
域を形成した。
【００３２】この実験の結果半導体基板表面に１分間で
窒化珪素膜が100nm形成された。半導体基板をセラミッ
クヒータ上に載置してから約20秒後に窒化珪素膜の形成
が開始できた。半導体基板全体で膜厚のばらつきは±1.
5％（最大値から最小値を減じその２分の１を平均値で
除した値のパーセント表記）以下であり、本発明のセラ
ミックヒータを使用することによって非常に均一な膜が
形成されることがわかった。
【００３３】
【効果】本発明に従う半導体基板保持装置によれば、半
導体基板の裏面周縁部のみがセラミックヒータの凹部傾
斜面と線接触することから熱は半導体基板の最外周部か
らのみ流入し中心方向へ移動するため、基板の反り若し
くは歪みが生じることが無くなり、膜厚の均一な成膜処
理を達成することができた。
【００３４】また本発明に従う半導体基板保持装置によ
れば、半導体基板の裏面周縁部のみがセラミックヒータ
の凹部傾斜面と線接触することから基板の反り若しくは
歪みが生じることが無く半導体基板の最外周部から中心
方向へ熱が急速に移動するため、半導体基板を急速に所
望の温度まで加熱し半導体製造装置の生産性を高めるこ
とができた。
【００３５】さらに本発明に従う半導体製造装置によれ
ば、半導体基板の裏面周縁部のみがセラミックヒータの
凹部傾斜面と線接触すること及び表面周辺部にリップ部
が形成されることから、半導体基板の脱落及びプラズマ
の異常放電が防止されプロセス的に安定な成膜処理を達
成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に従う基板保持装置を含むプラ
ズマCVD装置の断面略示図である。
【図２】図２は、図１の基板保持装置の拡大断面図であ
る。
【図３】図３は、本発明に係る基板保持装置の他の実施
例を示したものである。
【図４】図４は、本発明に係る基板保持装置の他の実施
例を示したものである。
【図５】図５は、減圧熱CVD装置で使用する、本発明に
従う基板保持装置の変形例である。
【符号の説明】
1 プラズマCVD装置 2 反応室 3 セラミックヒータ 4 シャワーヘッド 5 反応ガス流入ポート 6 バルブ 7 反応ガス流出ポート 8、8' 高周波発振器 9 半導体基板 10 整合回路 11 反応ガス導入管 12 シャワーヘッドの下面 13 セラミック基体 14 セラミックヒータ表面 15 凹部 17 配管 18 ゲートバルブ 19 開口部 20 排気口 21 コンダクタンス調整バルブ 22 制御装置 23 圧力計 25 駆動機構 26 抵抗発熱体 27 金属体 28 接地 29 支持体 30 温度制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 AA06 BA40 CA04 FA01 GA01 KA23 KA30 5F045 AA03 AA08 AB30 AB32 AB33 AB39 AB40 BB08 BB11 EK09 EM02

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】真空排気された反応室内で半導体基板を保
    持しかつ加熱する半導体基板保持装置であって、基板保
    持面上には周辺部から中心方向へ向かって傾斜する窪み
    から成る凹部が設けられ、前記半導体基板は裏面周縁部
    分のみが前記凹部の傾斜面と接触した状態で保持され、
    前記凹部はその中心と前記半導体基板との間隔が所定の
    距離となるように形成されるところの装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の装置であって、前記傾斜
    面は球面の一部であるところの装置。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の装置であって、前記傾斜
    面は円錐面であるところの装置。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の装置であって、前記凹部
    は傾斜部と平坦部とから成るところの装置。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の装置であって、前記所定
    の間隔は0.05mm〜0.3mmであるところの装置。
  6. 【請求項６】請求項１に記載の装置であって、さらに前
    記凹部の下方に発熱体が埋設されているところの装置。
  7. 【請求項７】請求項６に記載の装置であって、さらに前
    記凹部の下方であって前記発熱体の上方に高周波電極を
    形成する金属体が埋設されているところの装置。
  8. 【請求項８】請求項１に記載の装置であって、さらに表
    面周辺部においてリング状に突起したリップ部を有する
    ところの装置。
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