JP2003257873A - 半導体製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体製造方法において、ウエハ面内の温度制
御性が向上すると共に、ウエハ面内の膜厚均一性を向上
させることができ、高品質の半導体を高スループットで
製造できるようにする。 【解決手段】成膜室２内にウエハ１を搬入してサセプタ
７１に載置し、サセプタ７１を回転しながらウエハ１を
加熱し、この加熱状態で成膜室２に成膜ガスを供給して
ウエハ１面上に成膜し、成膜時にサセプタ７１の温度を
放射温度計８で測定し、この測定結果に基づいてヒータ
７２の出力を制御しウエハ１を成膜処理する際にヒータ
７２の温度を熱電対９で測定し、この測定結果に基づい
て放射温度計８の測定温度を補正し、この補正された温
度に基づいてヒータ７２の出力を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造方法お
よび半導体製造装置に係り、特にサセプタを回転しなが
ら成膜室でウエハに成膜する半導体製造方法および半導
体製造装置に好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体製造方法および半導体製造
装置を図８を参照しながら説明する。図８の半導体製造
装置は、低圧に保持した成膜室に成膜ガスを導入し、加
熱したウエハ面上に所望の厚さの膜を形成する枚葉式低
圧熱ＣＶＤ（Chemicａl VａporDeposition）装置であ
る。

【０００３】従来の半導体製造方法および半導体製造装
置では、真空に保持した成膜室１０２内に、ゲートバル
ブ１０３を介してウエハ１０１が搬入される。搬入した
ウエハ１０１がウエハ支持台１０４上に設置したサセプ
タ１１０上に載置され、ウエハ支持台１０４内部に設置
したヒータ１０５によりウエハ１０１が加熱される。ガ
ス供給部１０６からシャワーヘッド１０７を介してウエ
ハ１０１上へガスが供給されることにより成膜が行なわ
れる。このとき、膜厚の均一性を向上させるために、サ
セプタ１１０がある一定速度で回転される。導入した成
膜ガスは排気口１０８から排気される。所望の厚さの膜
が形成された後、成膜ガスの導入が止められ、ゲートバ
ルブ１０３からウエハ１０１が搬出される。

【０００４】ここで、ポリシリコン膜を成膜する場合に
は、ウエハ１０１が５５０℃から７５０℃程度に加熱さ
れ、ガス供給部１０６からモノシラン（SiH_４）ならび
に水素（Ｈ_２）あるいは窒素（Ｎ_２）などの成膜ガスが
導入されてウエハ１０１面上に成膜される。

【０００５】半導体製造方法および半導体製造装置にお
いては、高品質の半導体デバイスを製造するために、ウ
エハならびにサセプタの精密な温度管理が要求される。
そこで、ウエハ支持台１０４の内部には、放射温度計１
０９が設置されており、ウエハ面内温度が絶えず一定に
なるように、ヒータ１０５の出力を制御している。放射
温度計１０９として熱電対を用いウエハ温度を制御する
と、ウエハ温度上昇に時間遅れが生じるため、昇温速度
が低下し、温度変動に対する応答性が低下する。そこで
従来は、サセプタ温度を放射温度計で直接測定してい
る。

【０００６】係る従来の半導体製造方法に関連する従来
技術としては、特開平６−７７１５１号公報、特開平７
−９４４１９号公報、特開平１１−３２９９４２号公報
などが挙げられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】係るサセプタ温度を放
射温度計１０９で測定してヒータ１０５の出力を制御す
る従来の半導体製造方法では、放射温度計１０９の指示
値の変動により、サセプタ温度ならびにウエハ温度の再
現性が低下するという問題が生じていた。放射温度計１
０９の指示値が変動する原因は、放射温度計１０９とサ
セプタ１１０の間隔の変動、サセプタ１１０の裏面にも
膜が形成されることによるサセプタ輻射率の変動であ
る。また、サセプタ１１０の回転時には、ウエハ１０１
の周方向温度分布により、放射温度計１０９の指示値が
大きくばらつくという問題も生じていた。

【０００８】本発明の目的は、ウエハ面内の温度制御性
が向上すると共に、ウエハ面内の膜厚均一性を向上させ
ることができ、高品質の半導体を高スループットで製造
することが可能である半導体製造方法および半導体製造
装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、成膜室内にウエハを搬入してサセプタに
載置し、前記サセプタを加熱するヒータで前記サセプタ
を回転しながら前記ウエハを加熱し、前記ウエハの加熱
状態で前記成膜室に成膜ガスを供給して前記ウエハ面上
に成膜し、成膜時に回転する前記サセプタの温度を放射
温度計で測定し、この測定結果に基づいて前記ヒータの
出力を制御する半導体製造方法において、前記ウエハを
成膜処理する際に前記ヒータの温度を熱電対で測定し、
この測定結果に基づいて前記放射温度計の測定温度を補
正し、この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を
制御するようにしたことにある。

【００１０】上記目的を達成するために、本発明は、ガ
ス供給部および排気口を有する成膜室を形成する筐体
と、ウエハを支持して成膜時に回転されるサセプタと、
回転する前記サセプタの温度を測定するように前記サセ
プタに対向して配置された放射温度計と、前記サセプタ
を加熱するヒータと、前記ヒータの温度を測定するよう
に配置された熱電対と、前記ヒータの出力を制御する制
御装置とを備え、前記制御装置は、前記サセプタの回転
時における前記放射温度計による測定温度を前記熱電対
による測定温度により補正し、この補正した温度に基づ
いて前記ヒータの出力を制御する構成にしたことにあ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態の半導
体製造方法および半導体製造装置について図を用いて説
明する。

【００１２】まず本実施形態の半導体製造装置の全体構
成を図１を参照しながら説明する。図１は本発明の一実
施形態の枚葉式低圧熱ＣＶＤ装置の概略構成図である。

【００１３】成膜室２は密閉された筐体２ａにより形成
されている。円形筒状の筐体２ａは、上面部にガス供給
部３、側面一側にゲートバルブ１０、側面他側に排気口
５がそれぞれ形成されている。

【００１４】ガス供給部３は、成膜室２内へ成膜ガスや
不活性ガスなどを導入するためのものであり、筐体２ａ
の上面中央部に設けられ、外部のガス供給源（図示せ
ず）に接続されている。ガス供給部３の直下には成膜室
２内の上部全体に広がるシャワーヘッド４が配置されて
いる。これにより、ガス供給部３から供給される成膜ガ
スなどはシャワーヘッド４を介して成膜室２へ導入され
る。このシャワーヘッド４は成膜ガスなどを成膜室２内
に均一に供給するためのものであり、多数の孔を有して
いる。そして、シャワーヘッド４はウエハ１の直上に位
置され、成膜ガスなどをウエハ１面上に均一に供給す
る。

【００１５】ゲートバルブ１０は、成膜室２に対してウ
エハ１を搬入、搬出する際に開き、その他の状態では閉
じて成膜室２内の密閉性を保つようになっている。

【００１６】排気口５は真空ポンプ６に接続されてい
る。真空ポンプ６を運転することにより、成膜室２内の
ガスが排気口５を通して真空ポンプ６に吸引され、筐体
２ａ内が低圧に保たれる。

【００１７】円板状のウエハ１は上述したようにゲート
バルブ１０を通して搬入され、シャワーヘッド４と対向
して設置されたウエハ支持台７上に載置される。

【００１８】ウエハ支持台７は、円板状のサセプタ７
１、ヒータ７２、ウエハ支持台側壁７３、ウエハ支持台
底壁７４、ウエハ支持台回転軸７５から構成されてい
る。そして、サセプタ７１、ウエハ支持台側壁７３、ウ
エハ支持台底壁７４により閉鎖された空間が形成され、
この空間にヒータ７２が配置されている。

【００１９】サセプタ７１は、ヒータ７２により加熱さ
れてその熱によりウエハ１を加熱するためのものであ
り、ウエハ支持台側壁７３およびウエハ支持台底壁７４
と共にウエハ支持台回転軸７５の回転により回転される
ようになっている。従って、ウエハ１は、サセプタ７１
に載置されて回転しながら加熱される。

【００２０】ヒータ７２は、サセプタ７１を均一に加熱
するために、複数のゾーン（本実施形態では３ゾーン）
に分割され、ゾーン毎に制御されるように構成されてい
る。なお、ヒータ７２は、サセプタ７１を均一に加熱で
きると共に、容易にサセプタ７１の温度を制御できるよ
うに分割されることが好ましい。従って、ヒータ７２の
分割数は、均一加熱性が重視される場合には多いほうが
好ましく、制御および製作容易性が重視される場合には
少ないほうが好ましい。

【００２１】ウエハ支持台７内部には、温度変動に対す
る応答性が優れる放射温度計８と熱電対９とが設置され
ている。放射温度計８はウエハ面内温度制御のために設
けられ、サセプタ７１下面からの放射熱を検出してサセ
プタ７１の温度を測定する。熱電対９は放射温度計８に
よる指示値を補正するために設けられ、ヒータ７２の温
度を測定する。本実施形態では、３分割した各ヒータゾ
ーンにつき、放射温度計８および熱電対９をそれぞれ一
個ずつ設置している。なお、放射温度計８および熱電対
９はそれぞれのゾーンに一個以上設置されていればよ
い。

【００２２】放射温度計８および熱電対９による温度検
知信号は、コンピュータ１１に導かれ、コンピュータ１
１からの出力信号をヒータ出力制御装置１２に送ること
により、ヒータ７２を制御するシステムになっている。

【００２３】次に、ウエハ１の成膜処理手順、すなわち
半導体製造方法を図１および図２を参照しながら説明す
る。図２は図１の半導体製造装置を用いた半導体製造方
法を示すフローチャート図である。

【００２４】ウエハ１を成膜室２内に搬入する前に、サ
セプタ７１が所定の温度になるように、ヒータ７２によ
りサセプタ７１が加熱される（ステップ８１）。この時
のサセプタ７１の温度は放射温度計８により測定され、
測定された温度はコンピュータ１１に送られる。

【００２５】また、成膜室２内の圧力が成膜時とほぼ同
一になるように、ガス供給部３から窒素（N_２）などの
不活性ガスが導入され、シャワーヘッド４を介して成膜
室２内に供給されると共に、真空ポンプ６が運転されて
供給された不活性ガスが排気口５から排気される（ステ
ップ８２）。

【００２６】サセプタ７１が所定温度に達し、成膜室２
内の圧力が成膜時とほぼ同一の低圧になった状態で、搬
送治具によりウエハ１がゲートバルブ１０から成膜室２
内へ搬入され、高温に加熱されたサセプタ７１上にウエ
ハ１が載置される（ステップ８３）。サセプタ７１はヒ
ータ７２で加熱されてその熱によりウエハ１を加熱し、
ウエハ１が所定の温度（ポリシリコン膜を成膜する場合
には５５０℃から７５０℃程度）になるまで待機する
（ステップ８４）。この時のウエハ１の温度はサセプタ
７１の温度を放射温度計８で測定されることにより間接
的に測定される。

【００２７】ウエハ１が所定温度に達した状態で、不活
性ガスの供給が停止され、成膜ガス（ポリシリコン膜を
成膜する場合には、モノシラン（SiH_４）、および水素
（H_２）あるいは窒素（N_２））がガス供給部３から導入
され、シャワーヘッド４を介して筐体２ａ内のウエハ１
面上に供給され（ステップ８５）、この成膜ガスにより
ウエハ１面上へ膜が堆積される（ステップ８６）。この
とき、ウエハ１面内の膜厚均一性を向上させる目的でサ
セプタ７１がある一定速度で回転される。成膜ガスは成
膜した後に成膜室２の側面に設けた排気口５から排気さ
れる。

【００２８】このウエハ１面上へ膜が堆積される時に、
ウエハ１面内温度が放射温度計８により計測されると共
に、この放射温度計８の指示値が熱電対９で検出した温
度により補正されてヒータ７２の出力が制御される（ス
テップ８７）。こうすることにより、高速昇温過程を必
要とする場合においても、温度計測の精度が向上し、ヒ
ータ７２の出力値のばらつきが減少して、ウエハ１面内
の温度分布の均一性が向上する。

【００２９】ウエハ１面上への成膜が完了したら、成膜
ガスの供給が停止され、不活性ガスが筐体２ａ内に供給
される（ステップ８８）。そして、ウエハ１が成膜室２
からゲートバルブ１０を通して搬出される（ステップ８
８）。

【００３０】このウエハ１の搬出の回数が所定回数に達
したか判定され（ステップ８９）、所定回数に達してい
ない場合にはステップ８３に戻り、ステップ８３〜８９
の処理が行なわれ、所定回数に達すると終了する。

【００３１】次に、ヒータ７２の制御方法および放射温
度計８の指示値の補正方法について図３および図４を参
照しながら詳細に説明する。図３は図１の半導体製造装
置におけるウエハ搬入・搬出時のヒータ制御方法を示す
タイムチャート図、図４は図１の半導体製造装置におけ
る放射温度計の設定値を補正する方法を示すタイムチャ
ート図である。

【００３２】成膜室２内に冷たいウエハ１が搬入される
と、ヒータ７２の設定温度が一定の場合には、ヒータ７
２の温度が低下し、数分間経過した後に元の温度に回復
する。そこで、本実施形態では、図３の実線に示すよう
にウエハ１の搬入前にヒータ７２の設定温度を上げ、ウ
エハ１搬入後にヒータ７２の設定温度を元に戻すように
している。これにより、ウエハ１の搬入後でも、図３の
点線に示すヒータ測定温度のようにヒータ７２の温度低
下を防止でき、迅速にウエハ１の温度を所定温度に上昇
することができる。これによって、ウエハ１面内の膜厚
均一性を向上することができ、高品質の半導体を高スル
ープットで製造することができる。そして、次のウエハ
１の搬入前に再びヒータ７２の設定温度を上げ、その後
に元に戻すようにしている。以降、この処理を繰り返
す。

【００３３】このようにヒータ７２の設定温度を制御し
ても、ウエハ１の処理が繰り返されると、ヒータ測定温
度が例えば図４に示すように２回目以降の処理から徐々
に低下することがある。そこで、本実施形態では、処理
回数によって放射温度計８の設定温度を徐々に上げ、次
の式（１）で示すように処理温度の低下を補正するよう
にしている。

【００３４】 Ｔ_set＝Ｔ_set,0＋ｆ（ΔＴ）＝Ｔ_set,0＋（ａ×ΔＴ＋ｂ） （１） ここに、Ｔ_set：放射温度計８の補正後設定温度、Ｔ
_set,0：放射温度計８の補正前設定温度、ｆ：補正関
数、ΔＴ：ヒータ測定温度差、ａ，ｂ：補正係数であ
る。なお、式（１）では補正式f（ΔＴ）を一次式とし
たが、これを二次式：ａ×ΔＴ^２＋ｂ×ΔＴ＋ｃとして
もよい。

【００３５】上記式（１）のように放射温度計８の設定
温度を補正することにより、図４に示す放射温度計８の
補正前設定温度Ｔ_set,0から放射温度計８の補正後設定
温度Ｔ_setのように補正され、ウエハ１の処理が繰り返
されてもウエハ１面内温度が２回目以降の処理でも均一
にして行なうことができ、高品質の半導体を高スループ
ットで製造することができる。

【００３６】次に、サセプタ７１の回転前後の絶対位置
を制御する方法について図５および図６を参照しながら
詳細に説明する。図５は従来の半導体製造装置における
サセプタの回転前後の絶対位置を制御しない場合の説明
図、図６は図１の半導体製造装置におけるサセプタの回
転前後の絶対位置を制御する場合の説明図である。

【００３７】従来一般の半導体製造装置のように、サセ
プタ７１の回転前後における絶対位置を制御しない場合
には、図５の右上に示すように、サセプタ７１の回転前
後でサセプタ７１の絶対位置がずれることがある。この
ように回転前後で絶対位置がずれると、図５の中央に示
すタイムチャート図のように、回転前後で放射温度計８
の指示値が大きく変動することになる。そこで、本実施
形態では、図６に示すように、サセプタ７１の回転前後
でサセプタ７１の絶対位置を合わせるように制御してい
る。これにより、放射温度計８の指示値の変動を防ぎ、
安定した温度制御が可能となる。なお、図６では図５と
の差異を明確にするために、後述するサセプタ７１の回
転時におけるヒータ７２の制御を省略して示している。

【００３８】次に、サセプタ７１の回転時におけるヒー
タ７２の制御方法について図７を参照しながら詳細に説
明する。図７は図１の半導体製造装置におけるサセプタ
回転時のヒータ制御方法を示すタイムチャート図であ
る。

【００３９】上述した図５および図６にも示すようにサ
セプタ７１の回転初期段階では放射温度計８の指示値の
変動幅が大きくなり易いため、サセプタ７１の回転初期
段階にはヒータ７２の出力を所定値に設定して発熱さ
せ、回転を開始して一定時間経過した後には、放射温度
計８の指示値の変動幅が小さくなるので、ヒータ７２の
出力を放射温度計８の指示値により制御するようにして
いる。こうすることにより、放射温度計８の指示値が変
動したときに、ヒータ７２出力が変動しないような制御
を行なうことが可能となる。

【００４０】

【発明の効果】以上の実施形態の説明で明らかにされた
ように、本発明によれば、ウエハ面内の温度制御性が向
上すると共に、ウエハ面内の膜厚均一性を向上させるこ
とができ、高品質の半導体を高スループットで製造する
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の枚葉式低圧熱ＣＶＤ装置
の概略構成図である。

【図２】図１の半導体製造装置を用いた半導体製造方法
を示すフローチャート図である。

【図３】図１の半導体製造装置におけるウエハ搬入・搬
出時のヒータ制御方法を示すタイムチャート図である。

【図４】図１の半導体製造装置における放射温度計の設
定値を補正する方法を示すタイムチャート図である。

【図５】従来の半導体製造装置におけるサセプタの回転
前後の絶対位置を制御しない場合の説明図である。

【図６】図１の半導体製造装置におけるサセプタの回転
前後の絶対位置を制御する場合の説明図である。

【図７】図１の半導体製造装置におけるサセプタ回転時
のヒータ制御方法を示すタイムチャート図である。

【図８】従来の枚葉式低圧熱ＣＶＤ装置の概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１…ウエハ、２…成膜室、２ａ…筐体、３…ガス供給
部、４…シャワーヘッド、５…排気口、６…真空ポン
プ、７…ウエハ支持台、８…放射温度計、９…熱電対、
１０…ゲートバルブ、１１…コンピュータ、１２…ヒー
タ出力制御装置、７１…サセプタ、７２…ヒータ、７３
…ウエハ支持台側壁、７４…ウエハ支持台底壁、７５…
ウエハ支持台回転軸、１０１…ウエハ、１０２…成膜
室、１０３…ゲートバルブ、１０４…ウエハ支持台、１
０５…ヒータ、１０６…ガス供給部、１０７…シャワー
ヘッド、１０８…排気口、１０９…放射温度計、１１０
…サセプタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 示野 和弘 東京都中野区東中野三丁目14番20号 株式 会社日立国際電気内 (72)発明者 宮田 敏光 東京都中野区東中野三丁目14番20号 株式 会社日立国際電気内 (72)発明者 西谷 英輔 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 渡辺 智司 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 4K030 CA12 FA10 GA06 JA10 KA24 KA39 KA41 5F045 AA03 AA06 BB03 DP04 EK05 EK22 GB05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】成膜室内にウエハを搬入してサセプタに載
   置し、 前記サセプタを加熱するヒータで前記サセプタを回転し
   ながら前記ウエハを加熱し、 前記ウエハの加熱状態で前記成膜室に成膜ガスを供給し
   て前記ウエハ面上に成膜し、 成膜時に回転する前記サセプタの温度を放射温度計で測
   定し、 この測定結果に基づいて前記ヒータの出力を制御する半
   導体製造方法において、 前記ウエハを成膜処理する際に前記ヒータの温度を熱電
   対で測定し、 この測定結果に基づいて前記放射温度計の測定温度を補
   正し、 この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御す
   ることを特徴とする半導体製造方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記放射温度計の補正
   後設定温度をＴ_setとし、前記放射温度計の補正前設定
   温度をＴ_set,0とし、前記ウエハを複数回成膜する時の
   前記熱電対によるヒータ測定温度差をΔＴとし、補正関
   数をｆとした場合に、前記熱電対による補正をＴ_set＝
   Ｔ_set,0＋f（ΔＴ）の補正式に基づいて行なうことを特
   徴とする半導体製造方法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記サセプタの回転初
   期段階に前記ヒータの出力を所定値に設定し、その後に
   前記ヒータの出力を前記放射温度計の指示値により制御
   することを特徴とする半導体製造方法。
4. 【請求項４】ガス供給部および排気口を有する成膜室を
   形成する筐体と、 ウエハを支持して成膜時に回転されるサセプタと、 回転する前記サセプタの温度を測定するように前記サセ
   プタに対向して配置され放射温度計と、 前記サセプタを加熱するヒータと、 前記ヒータの温度を測定するように配置された熱電対
   と、 前記ヒータの出力を制御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、前記サセプタの回転時における前記放
   射温度計による測定温度を前記熱電対による測定温度に
   より補正し、この補正した温度に基づいて前記ヒータの
   出力を制御することを特徴とする半導体製造装置。
5. 【請求項５】請求項４において、前記放射温度計の補正
   後設定温度をＴ_setとし、前記放射温度計の補正前設定
   温度をＴ_set,0とし、前記ウエハを複数回成膜する時の
   前記熱電対によるヒータ測定温度差をΔＴとし、補正関
   数をｆとした場合に、前記熱電対による補正をＴ_set＝
   Ｔ_set,0＋f（ΔＴ）の補正式に基づいて行なうことを特
   徴とする半導体製造装置。
6. 【請求項６】請求項４において、前記ウエハを前記成膜
   室内に搬入する直前に前記ヒータの設定を上げると共に
   搬入直後に下げることを特徴とする半導体製造装置。
7. 【請求項７】請求項４において、前記サセプタの成膜時
   の回転前後でサセプタの絶対位置を合わせるように制御
   する手段を備えることを特徴とする半導体製造装置。
8. 【請求項８】請求項４において、前記制御装置は、前記
   サセプタの回転初期段階には前記ヒータの出力を所定値
   に設定し、その後に前記ヒータの出力を前記放射温度計
   の指示値により制御することを特徴とする半導体製造装
   置。