JP2008270589A - 半導体装置の製造方法およびその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の気相成長装置において、実際の対向板温度を確認して対向板の温度を制御可能にする。
【解決手段】対向板７の温度測定を行う対向板用熱電対１３と、冷却ジャケット８における対向板７との接触面の温度測定を行う冷却ジャケット用熱電対１４ａ〜１４ｃとを設置し、対向板７と冷却ジャケット８の対向板接触面との温度の関係から、冷却ジャケット８に内蔵された冷却ジャケット用ヒータ１２を加熱させて、冷却ジャケット８の対向板接触面の温度を変化させることにより、適切な対向板温度にフィードバックさせて対向板７の温度を安定させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、半導体基板を裏面側からヒータで加熱しながらガスと有機金属を供給して薄膜気相成長する半導体装置の気相成長装置及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関するものある。特にＧａＡｓ半導体基板等に薄膜形成する気相成長法の一種であるＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）で、反応炉内に複数枚の半導体基板をフェイスダウンでサセプタを介してホルダに設置して自公転させながら気相成長させるものである。

従来の半導体装置の製造方法及びその製造装置について図面を参照しながら説明する。

図５は従来のフェイスダウン自公転多数枚反応炉の気相成長装置の一例を示す構成図である。

図５に示すように、従来の半導体装置の製造方法は、基板（半導体基板）３をサセプタ１にフェイスダウンの向きで取り付け、回転軸２を軸としてサセプタ１を回転させながら基板３も自転させる。

そして、基板３の上方（裏面側）に接地された基板用ヒータ５で基板３を加熱しながら、原料ガス６を、ガス供給口１０ａから導入してガス排出口１０ｂへ排出し、サセプタ１の中心部から放射状（ガス流路４）に流れるようにし、加熱された基板３の表面に薄膜をエピタキシャル気相成長させる。

この薄膜の気相成長工程では、基板３の下方（表面側）に設けられた対向板７と対向板７を冷却する冷却ジャケット８によって装置内の温度を制御し、基板３に形成される薄膜の気相成長を均一に行うようにする。

しかし、この対向板７の表面にも堆積物が形成され、堆積物が剥離してパーティクルとなり、このパーティクルが基板３の信頼性を低下させる原因となるので、特許文献１には、対向板７に堆積物が形成されにくいように、冷却ジャケット８の内部に、冷却水１１の温度を調節する冷却水用温調器９を設けて、冷却ジャケット８内の冷却水１１の温度を制御することについて記載されている。
特開２００６−２１６８６４号公報

しかしながら、従来の半導体装置の製造方法及びその製造装置では次の課題があった。

冷却水用温調器９では、冷却ジャケット８の内部を流れる冷却水の温度に基づいて冷却水を制御しており、対向板７の温度に基づいているわけではなく、対向板７の温度制御が不十分なため、対向板７への堆積物の形成が十分に抑制されず、堆積物がパーティクルとなって基板３に付着することもしばしばあった。

また、パーティクルは対向板７に形成される堆積物の均一性によっても変動するが、この点においても、対向板７の温度制御が不十分なため堆積物の形成が均一ではなく、パーティクルの発生を十分抑制できていなかった。

上記課題を解決するために本発明の半導体装置の製造方法は、基板をフェイスダウンでサセプタに設置する工程と、前記基板を裏面側から基板用ヒータで加熱する加熱工程と、前記基板の表面側に設置された対向板を、前記対向板の前記基板とは反対側に設けられた冷却ジャケットにより冷却する冷却工程と、前記加熱工程と前記冷却工程とを継続しながら、前記基板の表面に原料ガスを供給して前記基板に薄膜を形成する薄膜形成工程とからなり、前記対向板の冷却工程は、前記対向板の温度を測定してその測定結果に基づいて前記冷却ジャケット内の冷却水の流れ、または冷却ジャケット内に設けられた冷却ジャケット用ヒータを制御して前記対向板を冷却することを特徴とする。

上記課題を解決するために本発明の半導体装置の製造装置は、処理室内に設けられ、下面側に基板をフェイスダウンで設置できるサセプタと、前記サセプタの上方に設けられた基板用ヒータと、前記サセプタの下方に設けられた対向板と、前記対向板の温度を直接測定する対向板温度測定器と、前記対向板の前記サセプタとは反対側に設けられ、内部に冷却水が流れる冷却ジャケットと、前記冷却ジャケット内に設けられた冷却ジャケット用ヒータとを備え、前記対向板温度測定器の測定結果に基づいて、前記冷却水の流れ、または冷却ジャケット用ヒータによって前記対向板の温度を制御していることを特徴とする。

また、半導体基板の対向面に、上部を加熱するために複数の径が異なる円形状の冷却ジャケット用ヒータと前記冷却ジャケット用ヒータ間を少なくとも１箇所測定する冷却ジャケット測定熱電対が内蔵され、かつ、上部に外周部から中心部にかけて少なくとも１箇所、対向板測定熱電対を設置するための溝が設けてある冷却ジャケットと前記対向板測定熱電対が１１０℃〜１９０℃の範囲で前記冷却ジャケット用ヒータを制御する機構を備えたものである。

本発明は、フェイスダウン自公転多数枚反応炉に対して、半導体基板温度の均熱を維持しながら、半導体基板の対向板に付着する堆積物を剥離させない、対向板温度と対向板接触面の冷却ジャケット面を冷却ジャケットに内蔵された冷却ジャケット測定熱電対で温度測定して、その結果をヒータで温度制御できる設備構成を提供する。それにより、対向板の表面に堆積物が均一に堆積しパーティクル発生の低減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、図５にて説明した部材に対応する部材については同一符号を付した。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における半導体装置の製造装置の構成図であり、基板３をホルダ１５にてフェイスダウンで設置できるサセプタ１と、サセプタ１を回転させる回転軸２と、サセプタ１の上方に設けられた基板用ヒータ５と、サセプタ１の下方に設けられた対向板７と、対向板７の温度を直接測定する対向板用熱電対１３と、対向板７の下側に設けられ、内部に冷却水１１が流れる冷却ジャケット８と、冷却ジャケット８上部に埋め込まれた冷却ジャケット用ヒータ１２と、冷却ジャケット用熱電対１４ａ〜１４ｃとを備えている。

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法を図１，図３，図４を用いて説明する。

まず、基板３をサセプタ１にフェイスダウンで設置する。このサセプタ１は、複数の基板３を設置することができ、また、それぞれの基板３が自転できるような回転機構を備えており、さらに、サセプタ１自体は回転軸２によって回転することができるため、複数の基板３は回転軸２の周りを公転させることもできる。

次に、サセプタ１の上方に設けられた基板用ヒータ５によって基板３を加熱する。このとき、基板３はフェイスダウンで設置されているため、基板３の裏面側から加熱することになる。

次に、サセプタ１の下方に設けられた対向板７を、対向板７の下に設けられた冷却ジャケット８によって冷却する。これにより、装置内の温度を均一にし、後の工程で基板３に形成される薄膜を均一に形成することができる。

冷却ジャケット８は、内部に冷却水１１を流すことができるようになっており、また、冷却ジャケット８の上部には、冷却ジャケット８を加熱するための冷却ジャケット用ヒータ１２と冷却ジャケット８の温度を測定する冷却ジャケット用熱電対１４ａ〜１４ｃが埋め込まれており、冷却ジャケット８の上面には対向板７の温度を測定する対向板用熱電対１３が設けられている。

対向板用熱電対１３は冷却ジャケット８の上面に形成された溝の中に形成されており、また対向板７のさまざまな場所の温度が測定できるように、冷却ジャケット８には複数の溝を形成し、それぞれの溝の中に対向板用熱電対１３を複数設置することが好ましく、また、それらの対向板用熱電対１３は自公転する基板３の中心が通過する位置の下方と、自公転する基板３の周囲部が通過する位置の下方など、基板３の通過位置を考慮した位置に形成すると、対向板７を均一に加熱することの効果が最もよく発揮される。

冷却ジャケット用ヒータ１２は対向板７を均一に加熱できるように、冷却ジャケット８の中心から、同心円状に異なる径で独立して複数設けられていることが好ましく、これら複数の冷却ジャケット用ヒータ１２をバランス調整することで、対向板７を均一に加熱することができる。

冷却ジャケット用熱電対１４ａ〜１４ｃは冷却ジャケット用ヒータ１２の設定を制御するために、複数の冷却ジャケット用ヒータ１２の間に複数形成されており、すべての冷却ジャケット用ヒータ１２の間に形成されていることが好ましいが、任意の冷却ジャケット用ヒータ１２の間だけに形成されていてもよい。本実施形態においては、冷却ジャケット用熱電対１４ａ〜１４ｃは３つとしている。

そして、前記対向板用熱電対１３から得られた結果と冷却ジャケット用熱電対１４ａ〜１４ｃから得られた結果の一方、または両方に基づいて冷却ジャケット用ヒータ１２を調整することで対向板７の温度を均一にすることができる。

この冷却ジャケット用ヒータ１２を調整することに加えて、冷却ジャケット８に流す冷却水１１の流量や水温を調整して対向板７の温度を均一にしてもよいし、さらには、全体的に温度を上昇または下降させるときなどは、冷却ジャケット用ヒータ１２を調節することなく、または冷却ジャケット用ヒータ１２をＯＦＦにして、冷却ジャケット８に流す冷却水１１の流量や水温だけを調整してもよい。

このように、対向板用熱電対１３や冷却ジャケット用熱電対１４ａ〜１４ｃからの結果に基づいて、冷却ジャケット用ヒータ１２、あるいは冷却水１１の流量や冷却水１１の水温などの制御することで、対向板７の温度を均一にし、ひいては処理室内の温度を均一にすることができる。

そして、サセプタ１によって自公転された基板３に対して、対向板７によって温度が均一にされた処理室内で、原料ガス６を導入して、基板３の表面にパーティクルの少ない、信頼性の高い薄膜をエピタキシャル成長によって形成することができる。

原料ガス６は、ガス供給口１０ａから導入してガス排出口１０ｂへ排出し、サセプタ１の中心部に導入されて、そこからサセプタ１の外周に向かって放射状に流れるようにする（ガス流路４）。このようにすることで、自公転している基板３に対して原料ガスが偏ることなく基板３に達することができる。そして、原料ガス６が基板３の付近に達するときに原料ガス６が成膜に最も適するように分解されると、原料ガス６を効率よく成膜に利用できる。また、成膜に利用されなかった原料ガス６はサセプタ１の外周部から処理室外部へ排気される。

そして、対向板７の温度を制御する範囲は、本実施形態では１５０℃±４０℃の範囲の中で制御する。

冷却ジャケット８の対向板７の接触面の温度変化について確認実験を行った。

図３は冷却ジャケット７における本例では４箇所の温度測定位置（１）〜（４）を示す説明図である。図４は図３における各測定位置（１）〜（４）においける測定結果を示す図であり、冷却ジャケット７の温度設定を１３０℃と１４０℃にした時のものであって、それぞれの温度設定において冷却ジャケット７の温度差は０．１℃から０．２℃以内であることを確認することができた。

（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２における半導体装置の製造装置であり、実施形態１と共通する部分の説明は省略する。実施形態２において実施形態１と異なるのは、対向板７に垂直に穴あけ加工して、その穴に対向板用熱電対１３を設けている点であり、穴あけ加工位置は自公転する基板３の中心が通過する位置であり、それに加えて基板３の中心以外が通過する位置にも複数の対向板用熱電対１３を設けてもよい。

そして、本実施形態の対向板用熱電対１３から得られた結果を、実施形態１と同様に用いることで、実施形態１と同様またはそれ以上の効果を発揮することができる。

本発明の半導体装置の製造方法およびその製造装置は、半導体基板に信頼性の高い薄膜を形成するものとして有用である。

本発明の実施形態１に係る半導体装置の製造装置の構成図 本発明の実施形態２に係る半導体装置の製造装置の構成図 本実施形態における冷却ジャケットの表面温度の測定箇所の説明図 本実施形態における冷却ジャケットの設定温度を変更した時の表面温度を示す図 従来の半導体装置の製造装置の構成図

符号の説明

１ サセプタ
２ 回転軸
３ 半導体基板
４ ガス流路
５ 基板用ヒータ
６ 原料ガス
７ 対向板
８ 冷却ジャケット
１０ａ ガス供給口
１０ｂ ガス排気口
１１ 冷却水
１２ 冷却ジャケット用ヒータ
１３ 対向板用熱電対
１４ａ〜１４ｃ 冷却ジャケット用熱電対
１５ ホルダ

Claims (8)

1. 基板をフェイスダウンでサセプタに設置する工程と、
   前記基板を裏面側から基板用ヒータで加熱する加熱工程と、
   前記基板の表面側に設置された対向板を、前記対向板の前記基板とは反対側に設けられた冷却ジャケットにより冷却する冷却工程と、
   前記加熱工程と前記冷却工程とを継続しながら、前記基板の表面に原料ガスを供給して前記基板に薄膜を形成する薄膜形成工程とからなり、
   前記冷却工程では、前記対向板の温度を測定して、その測定結果に基づいて前記冷却ジャケット内の冷却水の流れ、または冷却ジャケット内に設けられた冷却ジャケット用ヒータを制御して対向板を冷却することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記薄膜形成工程において、前記基板を自公転させながら前記基板に薄膜を形成させることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記冷却工程において、前記対向板の温度は１１０℃〜１９０℃に制御されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 処理室内に設けられ、下面側に基板をフェイスダウンで設置できるサセプタと、
   前記サセプタの上方に設けられた基板用ヒータと、
   前記サセプタの下方に設けられた対向板と、
   前記対向板の温度を直接測定する対向板温度測定器と、
   前記対向板の前記サセプタとは反対側に設けられ、内部に冷却水が流れる冷却ジャケットと、
   前記冷却ジャケット内に設けられた冷却ジャケット用ヒータとを備え、
   前記対向板温度測定器の測定結果に基づいて、前記冷却水の流れ、または前記冷却ジャケット用ヒータによって前記対向板の温度を制御することを特徴とする半導体装置の製造装置。
5. 前記冷却ジャケット用ヒータは複数であり、径が異なる同心円状に設けられていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造装置。
6. 前記対向板温度測定器は、前記冷却ジャケットに形成された溝に埋め込まれている熱電対であることを特徴とする請求項４または５記載の半導体装置の製造装置。
7. 前記対向板温度測定器は、前記冷却ジャケットを貫通して設けられた熱電対であることを特徴とする請求項４または５記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記対向板温度測定器は複数であることを特徴とする請求項４〜７いずれか１項記載の半導体装置の製造装置。

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