JP2008066559A - 半導体製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ウェーハ中心部と周辺部の温度差を抑えながら昇温、降温し、ウェーハの反りによる欠陥の発生を抑えることが可能な半導体製造方法及び半導体製造装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体製造方法は、反応室内に被処理ウェーハを保持する工程と、被処理ウェーハを所定温度に昇温する工程と、被処理ウェーハを所定温度に保持し、被処理ウェーハを回転させ、被処理ウェーハ上に反応ガスを供給して、被処理ウェーハ上に被膜を形成する工程と、被処理ウェーハを所定温度から降温する工程を備え、昇温する工程と、降温する工程において、被処理ウェーハの中心部、周辺部と、その中間部の温度を測定し、中心部と中間部との温度差に基づいて、中心部の温度を制御し、周辺部と中間部との温度差に基づいて、周辺部の温度を制御する。
【選択図】図２

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方法および半導体製造装置に関する。

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る。例えば、特許文献１において、ウェーハ１０を下部より直接加熱する第一ヒータ２１と、サセプタ１２を下部より加熱することによりウェーハ１０を外周より加熱する第二ヒータ２２の出力をそれぞれ適宜制御することにより、ウェーハ１０を均一に加熱する手法が提案されている。

しかしながら、第一ヒータ２１は直接、第二ヒータ２２はサセプタ１２を介してウェーハ１０を加熱しているため、昇温、降温の際にタイムラグが生じてしまう。すなわち、サセプタの熱容量により、昇温時にはウェーハ周辺部の温度上昇が遅くなり、降温時にはウェーハ周辺部の温度下降が遅くなるため、昇温、降温の際に、ウェーハの中心部と周辺部に温度差が生じることになる。そのため、ウェーハに反りが生じ、欠陥が発生してしまう。そこで、予め、理想の温度パターンをプログラミングしておくことが考えられるが、ウェーハ投入時の反応室内の温度その他の環境が処理状況により変動するため、設定が困難であるという問題がある。
特開２０００−３０６８５０号公報

上述したように、ウェーハを成膜温度まで昇温する際、あるいは降温する際に、ウェーハ中心部と周辺部に温度差が生じるため、ウェーハの反りによる欠陥の発生を抑えることが困難であるという問題がある。

本発明は、ウェーハ中心部と周辺部の温度差を抑えながら昇温、降温し、ウェーハの反りによる欠陥の発生を抑えることが可能な半導体製造方法及び半導体製造装置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方法は、反応室内に被処理ウェーハを保持する工程と、被処理ウェーハを所定温度に昇温する工程と、被処理ウェーハを所定温度に保持し、被処理ウェーハを回転させ、被処理ウェーハ上に反応ガスを供給して、被処理ウェーハ上に被膜を形成する工程と、被処理ウェーハを所定温度から降温する工程を備え、昇温する工程と、降温する工程において、被処理ウェーハの中心部、周辺部と、その中間部の温度を測定し、中心部と中間部との温度差に基づいて、中心部の温度を制御し、周辺部と中間部との温度差に基づいて、周辺部の温度を制御することを特徴とする。

この本発明の半導体製造方法において、さらに昇温する工程において、中心部と中間部との温度差に基づいて、中心部の昇温速度を低下させることが望ましい。さらに、本発明の半導体製造方法において、昇温する工程において、周辺部と中間部との温度差に基づいて、周辺部の昇温速度を増大させることが望ましい。

さらに、本発明の半導体製造方法において、降温する工程において、周辺部と中間部との温度差に基づいて、周辺部の降温速度を増大させるまたは前記中心部の降温速度を低下させることが望ましい。

上述のように、昇温／降温する工程において、昇温／降温速度を制御することにより、ウェーハ面内の温度分布が均一になる。

また、本発明の半導体製造装置は、被処理ウェーハが導入される反応室と、反応室上方より反応室に反応ガスを供給するためのガス供給手段と、反応室より反応ガスを排出するためのガス排出手段と、被処理ウェーハの中心部、周辺部と、その中間部の温度をそれぞれ測定するための温度測定手段と、被処理ウェーハを下部より加熱するための第１のヒータと、被処理ウェーハを外周より加熱するための第２のヒータと、それぞれ温度測定手段により測定された中心部と中間部との温度差に基づいて、第１のヒータを制御するための第１の制御機構と、それぞれ前記温度測定手段により測定された周辺部と中間部との温度差に基づいて、第２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。

本発明の半導体製造方法および半導体製造装置を用いることにより、ウェーハ中心部と周辺部の温度差を抑えながら昇温、降温することができ、ウェーハの反りによる欠陥の発生を抑えることが可能となる。

以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

図１に本実施形態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１が成膜処理される反応室２には、反応室２上方より成膜ガスとキャリアガスからなるプロセスガスを供給するためのガス供給口３と、反応室２下方よりプロセスガスを排出するためのガス排出口４が設置されている。反応室２内部には、ウェーハ１を回転させるための回転駆動手段５と、回転駆動手段５上でウェーハ１をその外周部において保持するための環状のホルダー６が設置されている。そして、ホルダー６の下方には、ウェーハを加熱するためのインヒータ７ａ、アウトヒータ７ｂが設置されている。さらに、インヒータ７ａの下部に、例えばＳｉＣ系材料からなるリフレクター８が設置されている。反応室２上方には、例えば放射温度計などの温度測定機構９ａ、９ｂ、９ｃが設置されており、それぞれウェーハ１中心Ａの温度、ウェーハ１周辺部Ｂの温度、その中間部Ｃの温度が測定される。そして、温度測定機構９ａ、９ｃにより測定された温度に基づき、ヒータ７ａの出力を制御するための制御機構１０ａと、温度測定機構９ｂ、９ｃにより測定された温度に基づき、ヒータ７ｂの出力を制御するための制御機構１０ｂと接続配置されている。

このような半導体製造装置を用いて、ウェーハ１上に例えばＳｉエピタキシャル膜を形成する。先ず、例えば１２インチのウェーハ１を反応室２に導入し、ホルダー６上に載置する。そして、制御機構１０ａ、１０ｂにより、インヒータ７ａ、アウトヒータ７ｂの出力を制御し、ウェーハ１の温度が例えば成膜温度：１１００℃となるまで昇温させる。

このとき、インヒータ７ａにより直接加熱されるウェーハ１中心部Ａの温度、ホルダー６を介してアウトヒータ７ｂにより加熱されるウェーハ１周辺部Ｂの温度を、中間部Ｃの温度を基準として、これに近づけるように制御する。すなわち、中心部Ａの温度と中間部Ｃの温度の差分を０に近づけるように、制御機構１０ａによりインヒータ７ａの出力を制御し、周辺部Ｂの温度と中間部Ｃの温度の差分を０に近づけるように、制御機構１０ｂによりアウトヒータ７ｂの出力を制御する。

図２に、従来のウェーハの中心部、周辺部、中間部における時間による温度変化と本実施形態における温度制御方法の概念図を示す。図に示すように、従来は、中心部Ａと周辺部Ｂの昇温パターンは大きく異なっている。すなわち、中心部Ａの温度上昇より周辺部Ｂの温度上昇は若干遅くなっており、中間部Ｃの昇温パターンは、ほぼその中間に位置している。そこで、中心部Ａの温度を中間部Ｃの温度に近づけるように、制御機構１０ａにより、インヒータ７ａの出力を抑え、昇温速度が低下する方向１１に制御する。そして、同時に、周辺部Ｂの温度を中間部Ｃの温度に近づけるように、制御機構１０ｂにより、アウトヒータ７ｂの出力を増大させ、昇温速度が増大する方向１２に制御する。

このように、インヒータ７ａ、アウトヒータ７ｂの出力を制御しながら、ウェーハ１の温度が例えば成膜温度：１１００℃となるまで昇温させた後（このときのインヒータ７ａ、アウトヒータ７ｂの温度は約１５００℃）、温度を保持しながら、ガス供給口３より、例えば、反応ガスを、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、反応炉２内の圧力を例えば１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）〜常圧に制御しながら供給し、ガス排出口４より排出する。そして、所望の膜厚となるように成膜した後、反応ガスの供給を止めてウェーハ１を降温させる。

このとき、昇温時と同様に、中心部Ａの温度、周辺部Ｂの温度を、中間部Ｃの温度を基準として、これに近づけるように制御する。すなわち、中心部Ａの温度と中間部Ｃの温度の差分を０に近づけるように、制御機構１０ａによりインヒータ７ａの出力を制御し、周辺部Ｂの温度と中間部Ｃの温度の差分を０に近づけるように、制御機構１０ｂによりアウトヒータ７ｂの出力を制御する。

図２に示すように、降温時においても、従来は、中心部Ａと周辺部Ｂの昇温パターンが大きく異なっている。すなわち、中心部Ａの温度下降より周辺部Ｂの温度下降は若干遅くなっており、中間部Ｃの降温パターンは、ほぼその中間に位置している。そこで、中心部Ａの温度を中間部Ｃの温度に近づけるように、制御機構１０ａにより、インヒータ７ａを完全にオフにしないで、降温速度が低下する方向１３に制御する。そして、同時に、周辺部Ｂの温度を中間部Ｃの温度に近づけるように、制御機構１０ｂにより、アウトヒータ７ｂの出力を下げて、降温速度が増大する方向１４に制御する。

このようにインヒータ７ａ、アウトヒータ７ｂの出力を制御することにより、反応室２内の温度などの環境に因らずに、ウェーハ１の中心部と周辺部の温度ができるだけ近くなるように昇温し、成膜後、ウェーハ１の中心部と周辺部の温度ができるだけ近くなるように降温することができる。そして、ウェーハの反りによる欠陥の発生を抑えることが可能となる。例えば、１２インチのＳｉウェーハにおいて、上述の条件で、膜厚１００μｍのエピタキシャル膜を形成した際、反りが従来の２０％程度に抑えられる。

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することにより、良好な素子特性を得ることが可能となる。

尚、本実施形態において、降温時に周辺部Ｂの温度を中間部Ｃの温度に近づけるように、制御機構１０ｂにより、アウトヒータ７ｂの出力を下げているが、アウトヒータ７ｂの上下制御機構を設け、アウトヒータ７ｂの位置を下げることにより、周辺部Ｂの降温速度を増大させるように制御しても良い。

また、温度測定機構９ａにより温度が測定される中心部Ａは、例えば、インヒータ７ａにより温度が支配される中心部領域であり、温度測定機構９ｂにより温度が測定される周辺部Ｂは、アウトヒータ７ｂにより温度が支配されるウェーハ１の外周から１〜５ｍｍの領域であることが好ましい。また、温度測定機構９ｃにより測定される中間部Ｃは、中心部Ａと周辺部Ｂのほぼ中間に位置していればよいが、その温度が中心部Ａと周辺部Ｂのほぼ中間となる領域が好ましい。

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単結晶層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、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。

本発明の一態様による半導体製造装置の断面図。 従来のウェーハの中心部、周辺部、中間部における時間による温度変化と本実施形態における温度制御方法の概念図。

符号の説明

１…ウェーハ、２…反応室、３…ガス供給口、４…ガス排出口、５…回転駆動手段、６…ホルダー、７ａ…インヒータ、７ｂ…アウトヒータ、８…リフレクター、９ａ、９ｂ、９ｃ…温度測定機構、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…制御機構、１１、１２、１３、１４…制御方向

Claims (5)

1. 反応室内に被処理ウェーハを保持する工程と、
   前記被処理ウェーハを所定温度に昇温する工程と、
   前記被処理ウェーハを前記所定温度に保持し、前記被処理ウェーハを回転させ、前記被処理ウェーハ上に反応ガスを供給して、前記被処理ウェーハ上に被膜を形成する工程と、
   前記被処理ウェーハを前記所定温度から降温する工程を備え、
   前記昇温する工程と、前記降温する工程において、
   前記被処理ウェーハの中心部、周辺部と、その中間部の温度を測定し、
   前記中心部と前記中間部との温度差に基づいて、前記中心部の温度を制御し、
   前記周辺部と前記中間部との温度差に基づいて、前記周辺部の温度を制御することを特徴とする半導体製造方法。
2. 前記昇温する工程において、前記中心部と前記中間部との温度差に基づいて、前記中心部の昇温速度を低下させることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造方法。
3. 前記昇温する工程において、前記周辺部と前記中間部との温度差に基づいて、前記周辺部の昇温速度を増大させることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造方法。
4. 前記降温する工程において、前記周辺部と前記中間部との温度差に基づいて、前記周辺部の降温速度を増大させるまたは前記中心部の降温速度を低下させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体製造方法。
5. 被処理ウェーハが導入される反応室と、
   前記反応室上方より前記反応室に反応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反応ガスを排出するためのガス排出手段と、
   前記被処理ウェーハの中心部、周辺部と、その中間部の温度をそれぞれ測定するための温度測定手段と、
   前記被処理ウェーハを下部より加熱するための第１のヒータと、
   前記被処理ウェーハを外周より加熱するための第２のヒータと、
   それぞれ前記温度測定手段により測定された前記中心部と前記中間部との温度差に基づいて、前記第１のヒータを制御するための第１の制御機構と、
   それぞれ前記温度測定手段により測定された前記周辺部と前記中間部との温度差に基づいて、前記第２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半導体製造装置。

Images