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

半導体製造方法及び半導体製造装置 Download PDF

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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を20〜100SLM、成膜ガス:SiHClを50sccm〜2SLM、ドーパントガス:B、PH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膜やSi膜形成の場合にも適用可能で、SiO膜の場合、モノシラン(SiH)の他、N、O、Arガスを、Si膜の場合、モノシラン(SiH)の他、NH、N、O、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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPWO2015146637A1 (ja) * 2014-03-25 2017-04-13 株式会社日立国際電気 基板処理装置、温度制御方法及び半導体装置の製造方法並びに記録媒体
CN115565852A (zh) * 2022-12-06 2023-01-03 西安奕斯伟材料科技有限公司 用于对硅片进行背封的方法和设备

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