JP2008060545A - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ウェーハの最外周まで均一に加熱することが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体製造装置は、ウェーハｗが導入される反応室１１と、反応室１１にガスを供給するためのガス供給手段１２、１３と、反応室１１よりガスを排出するためのガス排出手段１４と、ウェーハｗを外周部において保持するためのホルダー１６と、ウェーハｗを下部より加熱するための第1のヒータ１７ａと、ホルダー１６上方に設けられるリフレクター１８ｂと、リフレクター１８ｂを駆動させるための駆動機構１９を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハ上に、裏面から加熱しながら反応ガスを供給して成膜を行なう半導体製造装置および半導体製造方法に関する。

近年、半導体装置の微細化に伴い、成膜工程における高い膜厚均一性が要求されている。エピタキシャル成長装置などＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置において用いられる裏面加熱方式は、上方に加熱源がなく、垂直方向に反応ガスを供給することができるため、均一な成膜が可能である。

このような裏面加熱方式において、良好な膜厚均一性を得るためには、ウェーハの面内温度を均一に制御する必要があり、ウェーハを均一に加熱するための手法が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

近年、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、ウェーハ有効面積増大の要求が高まっている。また、素子の微細化に伴い、膜厚のスペックが厳しくなっている。そこで、これまでカットされていたウェーハの端部近傍領域まで均一に成膜する必要がある。しかしながら、ヒータの出力を制御することにより、ウェーハ面内の温度を制御すると、ウェーハを保持するホルダーの温度も変動してしまうため、ホルダーの温度に依存するウェーハの最外周の温度を安定させることが困難である。例えば、成膜中にエッジ部のみ温度上昇し、ウェーハ中心部とエッジ部で、±５〜６度の温度差が生じるため、形成される被膜（エピタキシャル膜）の膜厚が１％程度ばらつくとともに、温度の変動によるスリップ（きず）が発生してしまう。特に、プロセスガスがモノシランガスから生産性に優れたトリクロロシランガスに変更されたことにより、プロセスが高温化（１０５０℃から１１００℃に上昇）し、スリップの問題が顕在化している。
特開２０００−３０６８５０号公報

上述したように、ウェーハの最外周まで温度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、ウェーハの最外周まで均一に加熱することが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の半導体製造装置は、ウェーハが導入される反応室と、反応室にガスを供給するためのガス供給手段と、反応室よりガスを排出するためのガス排出手段と、ウェーハを外周部において保持するためのホルダーと、ウェーハを下部より加熱するための第1のヒータと、ホルダー上方に設けられるリフレクターと、リフレクターを駆動させるための駆動機構を備えることを特徴とする。

この本発明の半導体製造装置において、ウェーハの最外周の温度を検出するための第１の温度測定機構と、検出された最外周の温度に基づき、駆動機構を制御するための第１の制御機構を備えることが好ましい。

また、本発明の半導体製造装置において、ウェーハの中心部の温度を検出するための第２の温度測定機構と、検出された中心部の温度に基づき、第１のヒータを制御するための第２の制御機構を備えることが好ましい。

また、本発明の半導体製造装置において、ウェーハの周縁部を加熱するための第２のヒータと、ウェーハの周縁部の温度を検出するための第３の温度測定機構と、検出された周縁部の温度に基づき、第２のヒータを制御するための第３の制御機構を備えることが好ましい。

さらに、本発明の半導体製造装置において、ウェーハ上方に、ガスを整流状態でウェーハに供給するための整流板を備えることが好ましい。

また、本発明の半導体製造装置において、リフレクターは、ホルダー上面から１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で上下に駆動制御されることが好ましい。

そして、本発明の半導体製造装置において、リフレクターは、ＳｉＣ系材料、炭素系材料、ＡｌＮ系材料、ＳｉＮ系材料の少なくともいずれかを基材とすることが好ましい。

また、本発明の半導体製造方法は、反応室内に設置されたホルダー上に、ウェーハを保持し、ウェーハ上に、プロセスガスを供給し、ウェーハを回転させ、ウェーハを下部より加熱し、ホルダー上方に設置されたリフレクターを駆動させることにより、前記ウェーハ最外周の温度を制御することを特徴とする。

本発明の半導体製造方法において、ウェーハの最外周の温度を検出し、検出された最外周の温度に基づき、リフレクターを駆動させることが好ましい。

また、本発明の半導体製造方法において、ウェーハの中心部または周縁部の温度を検出し、検出された中央部または周縁部の温度に基づき、ウェーハの加熱温度を制御することが好ましい。

本発明の半導体製造装置および半導体製造方法を用いることにより、ウェーハの最外周まで均一に加熱することができ、ウェーハ最外周まで均一なエピタキシャル膜を形成することが可能となる。

以下本発明の実施例について、図を参照して説明する。

図１に本実施例の半導体製造装置の断面図を示す。図に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、反応室１１上方より、ガスを、整流板１２を介してウェーハｗ上に供給するためのガス供給口１３と、反応室１１下方よりガスを排出するためのガス排出口１４が設置されている。ガスとしては、成膜ガスとキャリアガスからなるプロセスガス、あるいはウェーハを冷却するための冷却ガスなどが挙げられる。

反応室１１内部には、ウェーハｗを回転させるための回転駆動手段１５と、回転駆動手段１５上でウェーハｗをその外周部において保持するための環状のホルダー１６が設置されている。ホルダー１６の下方には、ウェーハｗを加熱するためのインヒータ１７ａが設置され、ホルダー１６とインヒータ１７ａの間に、ウェーハｗの周縁部を加熱するためのアウトヒータ１７ｂが設置されている。インヒータ１７ａの下部に円盤状のリフレクター１８ａが、ホルダー１６の上方に環状のリフレクター１８ｂがそれぞれ設置されている。これらはリフレクター１８ａ、１８ｂは、例えばそれぞれＳｉＣ系材料から形成されている。リフレクター１８ｂは、駆動軸１９ａにより例えば３点で保持されている。

反応室１１上方には、例えば放射温度計などの温度測定機構２０ａ、２０ｂ、２０ｃが設置されており、それぞれウェーハｗの中心の温度、ウェーハｗの周縁近傍の温度、ウェーハｗの最外周（ホルダー１６上の領域）の温度が測定される。温度測定機構２０ａは、測定された温度に基づき、ヒータ１７ａの温度を制御するための制御機構２１ａと接続配置されている。温度測定機構２０ｂは、測定された温度に基づき、ヒータ１７ｂの温度を制御するための制御機構２１ｂと接続配置されている。温度測定機構２０ｃは、測定された温度に基づき、駆動軸１９ａを上下方向に駆動させてリフレクター１８ｂの位置を制御するための制御機構２１ｃと接続配置されている。制御機構２１ｃは、ベローズ配管１９ｂを介して駆動軸１９ａと接続され、これらにより駆動機構１９が構成されている。

このような半導体製造装置を用いて、ウェーハｗ上に例えばＳｉエピタキシャル膜が形成される。先ず、例えば１２インチのウェーハｗが、反応室１１に導入され、ホルダー１６上に載置される。そして、ガス供給口１３より、例えば、プロセスガスが、キャリアガス：Ｈ_２を２０〜１００ＳＬＭ、成膜ガス：ＳｉＨＣｌ_３を５０ｓｃｃｍ〜２ＳＬＭ、ドーパントガス：Ｂ_２Ｈ_６、ＰＨ_３を微量として導入され、ウェーハｗ上に供給される。反応炉１２内の圧力は、例えば１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）〜常圧に制御される。そして、余剰なプロセスガスは、ガス排出口１４より排出される。

そして、温度測定機構２０ａ、２０ｂ、２０ｃにより測定されるウェーハｗの温度がそれぞれ１１００℃となるように、制御機構２１ａ、２１ｂによりインヒータ１７ａ、アウトヒータ１７ｂの温度が制御される（例えばヒータ温度：１４００〜１５００℃）。併せて、制御機構２１ｃにより、図２に示すように、リフレクター１８ｂの位置が、例えばホルダー１６上面から１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で上下に制御されることにより、ホルダー１６温度が制御される（例えばホルダー温度：１１５０〜１１８０℃）。リフレクター１８ｂの位置が上下に駆動制御されることにより、ホルダー１６の温度を±１０℃程度変動させることができる。このように、インヒータ１７ａ、アウトヒータ１７ｂの温度及びリフレクター１８ｂの位置がそれぞれ制御されて、ウェーハｗが均一に成膜温度となるように加熱される。

このようにして、ウェーハｗ面内の温度が均一に制御されることにより、ウェーハｗ上に、例えば膜厚のばらつきが０．５％以下の均一なエピタキシャル膜が形成されるとともに、スリップの発生が抑えられる。

スリップは、成膜時のみならず、冷却時においても発生するため、冷却ガスが供給される際においても、ウェーハｗ面内の温度の均一性が要求される。従って、冷却時においても、成膜時と同様に、ウェーハｗ面内の温度が均一に制御されることにより、スリップの発生が抑えられる。

そして、素子形成工程及び素子分離工程を経て半導体装置が形成される際、歩留りの向上、素子特性の安定を図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程度の厚膜成長が必要な、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エピタキシャル形成工程に適用されることにより、良好な素子特性が得られる。

尚、本実施例において、リフレクター１８ａ、１８ｂの材料として、ＳｉＣ系材料が用いられているが、熱を反射することが可能で、熱伝導性が高く、金属汚染のない耐熱性の材料であれば良く、絶縁体であってもよい。例えば、ＳｉＣ焼結体、ＡｌＮ焼結体、ＳｉＮ焼結体、グラファイトなどの炭素系材料にＡｌＮ膜、ＳｉＣ膜やイリジウム膜で被覆したものなどを用いることができる。

そして、リフレクター１８ａ、１８ｂは、ホルダー６の温度を制御することが可能であれば、板状、メッシュ状など、特に限定されるものではない。また、リフレクター１８ｂの上面形状は環状（ドーナツ状）であることが好ましい。さらに、リフレクター１８ｂは、駆動軸１９に３点で保持されているが、安定して保持することができればよい。４点以上であってもよいが、ガス流の妨げにならない程度である必要がある。

また、温度測定機構２０ａにより測定される領域は、例えば、インヒータ１７ａにより温度が支配されるウェーハｗの周縁部を除く中心部領域であり、温度測定機構２０ｂにより測定される領域は、アウトヒータ１７ｂにより温度が支配されるウェーハｗの外周から５〜２０ｍｍの領域が好ましい。また、温度測定機構２０ｃにより測定される領域は、ウェーハｗの最外周、すなわち温度測定機構２０ｂにより測定される領域より外周側で、ウェーハｗのエッジから１０ｍｍ（±１０％）であり、かつ、ホルダー１６上の領域で、ホルダー１６のエッジから２〜３ｍｍの位置であることが好ましい。

また、上述した実施例においては、図１に断面図を示すような半導体製造装置を用いたが、このような半導体製造装置に限定されるものではない。例えば、ウェーハｗの上方に配置された整流板と、ホルダーとの距離は、２０〜１００ｍｍ程度であるが、図３に示すように、反応室３１において、整流板３２と、ホルダー３６との離間距離を２０ｍｍ程度に短くし、整流板３２をよりウェーハｗに近づけるように設置されてもよい。

このように整流板３２をウェーハｗに近づけることにより、整流板３２からウェーハｗ上への均一なガスの流れを実現することができる。そして、ウェーハｗ上に均一に成膜されるのみならず、冷却ガスを流した際に、均一な温度分布を保ちながら、短時間で冷却することが可能となる。従って、成膜時と同様にスリップの発生を抑え、リードタイムの短縮によるコストダウンを計ることが可能となる。

また、既存の装置において、ホルダー３６、ヒータ３７ａ、３７ｂを上昇させることにより、整流板３２と、ホルダー３６との離間距離を短くすると、回転駆動手段３５とヒータ３７ａ、３７ｂとの距離が長くなるため、回転駆動手段３５の温度上昇を抑えることが可能となる。

このとき、整流板３２とホルダー３６との離間距離をＨとし、ホルダー３６の径をＤとすると、
Ｈ／Ｄ≦１／４
を満たしていることが好ましい。Ｈ／Ｄが１／４を超えると、供給されるガスがウェーハｗに整流状態で到達することが困難となる。

なお、ウェーハｗと整流板３２との距離を短くすると、それに伴いリフレクター３８ｂは、整流板３２より下の位置で制御される。

また、図４に示すように、反応室４１の径を大きくし、反応室４１の側壁と、ウェーハｗを保持するホルダー４６のエッジとの離間距離を長くしてもよい。整流板４２を介して上方よりウェーハｗ上に供給されるガス５１ａは、ウェーハｗに到達した後、ウェーハｗの上面に沿って反応室４１の側壁方向に流れる。そして、ウェーハｗ上を通り昇温されたプロセスガス、反応生成物を含むガス流５１ｂが、整流板４２に接続し、反応室４１の側面の内側に設けられたライナー５２の側壁に到達する。そして、ガス流５１ｂが、側壁において冷却されることにより、堆積物５３が生成される。

従って、ホルダー４６のエッジとの間隔を大きくすることにより、堆積物５３の生成、飛散が抑制される。これは、整流板４２を介して上方からホルダー４６の外周に供給されるガス流５１ｃにより、対流が抑制され、ガス排出口４４の方向に押し流され易くなることからである。このようにして、側壁への堆積物５３の生成を抑制することにより、ウェーハｗの金属汚染を抑えることが可能となり、形成される半導体素子の歩留りを向上させることが可能となる。

このとき、ホルダー４６の径をＤとし、ホルダー４６のエッジとライナー５２（ライナーが設けられていないときは、反応室４１）の側壁との距離をＬとすると、
２／１５≦Ｌ／Ｄ≦７／１５
とすることが好ましい。Ｌ／Ｄが２／１５未満であると、十分に堆積物の生成を抑えることができず、７／１５を超えると、その効果の増加度合いは下がる。むしろ、離間距離Ｌの増加による装置の大型化に伴う問題が大きくなる。より好ましくは、１／５≦Ｌ／Ｄ≦２／５である。

図４においては、図1と比して整流板とホルダーとの離間距離を短くした上で、側壁とホルダーのエッジとの離間距離を長くしているが、いずれかであっても、それぞれによる効果を得ることができる。ただし、整流板とホルダーとの離間距離を短くすることにより、ガス流速が増大し、堆積物が生成されやすくなるため、双方の条件を備えることがより好ましい。

これら半導体製造装置において、反応室の側面に設けられた開口部（図示せず）より、ハンドリングアーム（図示せず）により、ウェーハｗが搬入、搬出される。

上述した実施例においては、Ｓｉ単結晶層（エピタキシャル成長層）形成の場合を説明したが、本実施形態は、ポリＳｉ層形成時にも適用されることも可能である。また、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ガスなどが供給されることになる。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。

本発明の実施例における半導体製造装置の断面を示す図。 本発明の実施例におけるリフレクターの駆動状態を示す部分拡大断面図。 本発明の実施例における半導体製造装置の断面を示す図。 本発明の実施例における半導体製造装置の断面を示す図。

符号の説明

１１、３１、４１…反応室、１２、３２、４２…整流板、１３…ガス供給口、１４、４４…ガス排出口、１５…回転駆動手段、１６、３６、４６…ホルダー、１７ａ、１７ｂ、３７ａ、３７ｂ…ヒータ、１８ａ、１８ｂ…リフレクター、１９ａ…駆動軸、１９ｂ…ベローズ配管、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…温度測定機構、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…制御機構、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ…ガス流、５２…ライナー、５３…堆積物。

Claims (10)

1. ウェーハが導入される反応室と、
   前記反応室にガスを供給するためのガス供給手段と、
   前記反応室より前記ガスを排出するためのガス排出手段と、
   前記ウェーハを外周部において保持するためのホルダーと、
   前記ウェーハを下部より加熱するための第1のヒータと、
   前記ホルダー上方に設けられるリフレクターと、
   前記リフレクターを駆動させるための駆動機構を備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記ウェーハの最外周の温度を検出するための第１の温度測定機構と、
   検出された前記最外周の温度に基づき、前記駆動機構を制御するための第１の制御機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記ウェーハの中心部の温度を検出するための第２の温度測定機構と、
   検出された前記中心部の温度に基づき、前記第１のヒータを制御するための第２の制御機構を備えることを特徴とする請求項1または請求項２に記載の半導体製造装置。
4. 前記ウェーハの周縁部を加熱するための第２のヒータと、
   前記ウェーハの周縁部の温度を検出するための第３の温度測定機構と、
   検出された前記周縁部の温度に基づき、前記第２のヒータを制御するための第３の制御機構を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
5. 前記ウェーハ上方に、ガスを整流状態で前記ウェーハに供給するための整流板を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
6. 前記リフレクターは、前記ホルダー上面から１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で上下に駆動制御されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
7. 前記リフレクターは、ＳｉＣ系材料、炭素系材料、ＡｌＮ系材料、ＳｉＮ系材料の少なくともいずれかを基材とすることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載に記載の半導体製造装置。
8. 反応室内に設置されたホルダー上に、ウェーハを保持し、
   前記ウェーハ上に、プロセスガスを供給し、
   前記ウェーハを回転させ、
   前記ウェーハを下部より加熱し、
   前記ホルダー上方に設置されたリフレクターを駆動させることにより、前記ウェーハ最外周の温度を制御することを特徴とする半導体製造方法。
9. 前記ウェーハの最外周の温度を検出し、
   検出された最外周の温度に基づき、前記リフレクターを駆動させることを特徴とする請求項８の半導体製造方法。
10. 前記ウェーハの中心部または周縁部の温度を検出し、
    検出された前記中央部または前記周縁部の温度に基づき、前記ウェーハの加熱温度を制御することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の半導体製造方法。

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