JP2009059934A - 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、ウェーハ上に均一に成膜することができ、ガス使用量の低減を図るとともに、反応炉内のダストの発生を抑え、歩留の低下を抑え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が導入される反応炉１１と、反応炉１１にプロセスガスを供給するためのガス供給機構１３と、反応炉１１よりプロセスガスを排出するためのガス排出機構１４と、ウェーハｗをその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ヒータ１８ａ、１８ｂと、ウェーハｗを回転させるための回転機構１５と、ガスをウェーハｗ上に供給するために設けられ、着脱可能な整流板１２と、ウェーハｗおよび整流板１２を、反応炉１１に搬入あるいは反応炉１１より搬出するために、前記反応炉の側面に設けられ、開閉可能なゲート２１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハの裏面より加熱しながら表面に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。成膜工程には、一般にエピタキシャル成長装置などＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が用いられる。このようなＣＶＤ装置において、裏面から加熱を行う裏面加熱方式は、上方に加熱源がなく、成膜に用いられる反応ガスを、等距離から垂直方向にウェーハ上に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とともに、プロセスガスをウェーハ上に均一に供給する必要がある。そこで、ウェーハを高速で回転させるとともに、プロセスガスをできるだけ近距離から供給することにより、ガス流が対流などにより乱れることなく、均一に供給することができると考えられる。

しかしながら、反応炉の側面には、ウェーハを搬出入するためのゲートが設けられているため、プロセスガスをウェーハ表面に供給するための整流板を、構造上ゲートより高い位置に設ける必要がある。そのためプロセスガスの供給位置をゲートの上端より下げることが困難となるとともに、プロセスガスの供給位置がゲート部より高くなるため、ゲート部にプロセスガスが流れ込む。ゲート部は、比較的温度が低くなるために反応副生成物が付着しやすく、これが堆積、飛散することにより、反応炉内にダストが発生し、半導体装置の歩留が低下してしまうという問題がある。反応炉の容積を大きくすることにより、ゲート部への反応副生成物の付着をある程度抑えることができるが、十分とはいえず、装置の製造コスト、ランニングコストの低減を図る上では好ましくない。

一方、枚葉式の熱処理炉において、シャワーヘッド部と保持台のいずれか一方の高さ位置を、必要に応じて調整することが提案されている（例えば特許文献１など参照）。このようにシャワーヘッドなどの高さ位置を調整することにより、プロセスガスの供給位置をよりウェーハに近づけることが可能となるとともに、ゲート部より低い位置でプロセスガスを供給することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に示されるように単に保持台を上下駆動させるだけではなく、加えてウェーハを高速回転させる場合、反応炉内の駆動機構が複雑になるという問題がある。
特開平９−２３２２９７号公報（請求項１、[０００９]、[００１３]など）

上述したように、反応炉内の駆動機構を複雑にすることなく、プロセスガスの供給位置をウェーハに近づけ、ゲート部への反応副生成物の付着を抑制することが困難であるという問題がある。

本発明は、ウェーハ上に均一に成膜することができ、ガス使用量低減を図るとともに、反応炉内のダストの発生を抑え、歩留の低下を抑え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炉と、反応炉にプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、反応炉よりプロセスガスを排出するためのガス排出機構と、ウェーハをその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ヒータと、ウェーハを回転させるための回転機構と、ガスをウェーハ上に供給するために設けられ、着脱可能な整流板と、ウェーハおよび整流板を、反応炉に搬入あるいは反応炉より搬出するために、反応炉の側面に設けられ、開閉可能なゲート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、ウェーハおよび整流板を、反応炉に搬入するための搬送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、整流板は、搬送機構およびゲートを開閉するためのゲートバルブと一体化されていることが好ましい。

さらに、本発明の半導体製造装置において、整流板上に前記プロセスガスを導入するためのガス導入機構を備えることが好ましい。

また、本発明の半導体製造方法は、反応炉内にウェーハを搬入し、応室内に設置されたホルダー上に、ウェーハを載置し、反応炉内に整流板を搬入し、ウェーハの上方に所定の離間距離となるように設置し、ウェーハを下部より加熱し、ウェーハを回転させ、整流板を介して、ウェーハ上にプロセスガスを供給することを特徴とする。

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、ウェーハ上に均一に成膜することができ、ガス使用量低減を図れ、反応炉内のダストの発生を抑え、歩留の低下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。

（実施形態１）
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ｗが成膜処理される反応炉１１には、反応炉１１上方よりプロセスガスをウェーハｗ上に整流板１２を介して供給するためのガス供給口１３と、反応炉１１下方よりプロセスガスを排出するためのガス排出口１４が設置されている。反応炉１１の下方には、ウェーハｗを回転させるための回転機構１５と、回転機構１５と接続され、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。反応炉１１の上方には、整流板１２にプロセスガスを導入するためのガス導入機構１７が設けられている。

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１８ａが設置され、ホルダー１６とインヒータ１８ａ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１８ｂが設置されている。これらインヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂは、温度測定機構（図示せず）により測定されるウェーハ温度に基づき、温度制御機構（図示せず）により制御される。インヒータ１８ａの下方には、円盤状のリフレクター１９が設置されている。そして、インヒータ１７ａ、リフレクター１９を貫通するように、ウェーハｗを持ち上げるための突き上げピン２０が設置されている。

反応炉１１の側面には、ホルダー１６より高い位置に、ウェーハｗおよび整流板１２を搬出入するためのゲート２１が設けられている。ウェーハｗおよび整流板１２は、隣接する搬送室（図示せず）に設けられる搬送機構２２によりゲート２１を介して搬出入される。搬送機構２２は、ウェーハｗ用の搬送アーム２２ａと、整流板１２用の搬送アーム２２ｂを備え、搬送アーム２２ｂは、整流板１２およびゲートを開閉するためのゲートバルブ２３と一体化されている。

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、例えば図３に成膜ユニットの概念図を示すように、１２インチのウェーハｗが、収納されたカセット３１からロードロックユニット３２を経て、搬送アーム２２ａにより搬送室３３に搬入される。そして、搬送アーム２２ａにより、ゲート２１より反応炉１１に搬入され、突き上げピン２０上に載置される。そして、突き上げピン２０を降下させることにより、ウェーハｗがホルダー１６に保持される。

そして、図２に示すように、搬送アーム２２ｂと一体化された整流板１２が、反応炉１１内に搬入され、必要に応じて整流板１２を、例えばウェーハｗとの離間距離が２０ｍｍとなるように、搬送機構２２を上下させる。そして、一体化されたゲートバルブ２３によりゲート２１が閉じられる。

次いで、温度測定機構（図示せず）により測定されるウェーハｗの温度に基づき、温度制御機構（図示せず）により、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂの温度が例えば１４００〜１５００℃の範囲で適宜制御することにより、ウェーハｗの温度を、面内で均一に例えば１１００℃となるように制御する。さらに、回転機構１５によりウェーハｗを例えば９００ｒｐｍで回転させる。

そして、ガス供給口１３より、例えば、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：微量からなるプロセスガスが、反応炉１１内に供給される。さらに、ガス導入機構１７により整流板１２上に導入され、整流状態でウェーハｗ上に供給される。このとき、反応炉１１内の圧力は、ガス供給口１３、ガス排出口１４のバルブを調整することにより、例えば１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）〜常圧に制御される。このようにして、各条件が制御され、ウェーハｗ上にエピタキシャル膜が形成される。

このように、ウェーハを高速回転させるとともに、整流板をウェーハに近づけることにより、整流状態を維持してプロセスガスをウェーハ上に供給することができるため、ウェーハ面内に均一にプロセスガスが供給される。その結果、ウェーハ上に、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を形成することが可能となる。また、整流板とウェーハの距離が近いため、ガスが横に広がることなくウェーハ上に無駄なく流れ、ガスの反応効率が上がり、ガス使用量の低減が可能となる。また、ウェーハの成膜位置（ホルダー位置）をゲートより低い位置とすることができるため、ゲート部への反応副生成物の付着、ダストの発生を抑え、ウェーハの歩留りを向上させることが可能となる。

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、素子特性のばらつきを抑え、歩留りの向上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、良好な素子特性を得ることが可能となる。

（実施形態２）
図４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、ほぼ実施形態１と同様の構成であるが、整流板４１、ゲートバルブ４２が独立しており、これらが搬送機構４３の搬送アーム４３ａと一体化されていない点、ウェーハｗと整流板４１の双方に搬送アーム４３ａが共通で用いられる点、整流板４１がホルダー１６上に設置されたピン４４により保持される点で異なっている。

そして、実施形態１と同様に、ウェーハｗがホルダー１６上に保持された後、搬送アーム４３ａにより整流板４１が反応炉１１内に搬入され、ホルダー１６上に設置された整流板保持ピン４４上に載置、保持される。次いで、ゲートバルブ４２によりゲート２１が閉じられ、実施形態１と同様に、各条件が制御され、ウェーハｗ上にエピタキシャル膜が形成される。

このようにして、ウェーハ上にエピタキシャル膜を形成することにより、実施形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、実施形態１と異なり、ウェーハと整流板の搬送アームを共通化するため、部品の削減、搬送制御系の簡素化を図ることが可能となる。

これら実施形態において、整流板が反応炉より搬出された後、ウェーハｗが反応炉より搬出される。このとき、搬出された整流板をクリーニングしてもよい。クリーニングにより、整流板に付着する反応副生成物などを除去することができ、ダストの発生を抑え、歩留りの向上を図ることが可能となるとともに、反応炉内のクリーニング頻度を低減することができるため、稼働率の向上を図ることが可能となる。そして、図５に成膜ユニットの概念図を示すように、搬送室３３に隣接してクリーニングユニット５１を設けることにより、成膜ユニット内でクリーニングを行うことができ、さらに稼働率の向上を図ることが可能となる。

また、整流板にプロセスガスを導入するためのガス導入機構は、図１に示されるような形状に限定されるものではなく、例えば図６に示すようなガス導入機構６１を用いることができる。また、図７に示すように、整流板７１側にリング状の突起７２を設け、ガス導入機構７３と接続してもよい。このようなガス導入機構は、さらに上下駆動機構（図示せず）を設け、上下駆動させてもよい。

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。

本発明の一態様における半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様における半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様における成膜ユニットの概念図。 本発明の一態様における半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様における成膜ユニットの概念図。 本発明の一態様における半導体製造装置の断面図。 本発明の一態様における半導体製造装置の断面図。

符号の説明

１１…反応炉、１２、４１、７１…整流板、１３…ガス供給口、１４…ガス排出口、１５…回転機構、１６…ホルダー、１７、６１、７３…ガス導入機構、１８ａ…インヒータ、１８ｂ…アウトヒータ、１９…リフレクター、２０…突き上げピン、２１…ゲート、２２、４３…搬送機構、２２ａ、２２ｂ、４３ａ…搬送アーム、２３、４２…ゲートバルブ、３１…カセット、３２…ロードロックユニット、３３…搬送室、４４…整流板保持ピン、５１…クリーニングユニット、７２…突起。

Claims (5)

1. ウェーハが導入される反応炉と、
   前記反応炉にプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、
   前記反応炉より前記プロセスガスを排出するためのガス排出機構と、
   前記ウェーハをその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ヒータと、
   前記ウェーハを回転させるための回転機構と、
   前記ガスを前記ウェーハ上に供給するために設けられ、着脱可能な整流板と、
   前記ウェーハおよび前記整流板を、前記反応炉に搬入あるいは前記反応炉より搬出するために、前記反応炉の側面に設けられ、開閉可能なゲートを備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記ウェーハおよび前記整流板を、前記反応炉に搬入するための搬送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. 前記整流板は、前記搬送機構および前記ゲートを開閉するためのゲートバルブと一体化されてい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. 前記整流板上に前記プロセスガスを導入するためのガス導入機構を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
5. 反応炉内にウェーハを搬入し、
   前記反応炉内に設置されたホルダー上に、前記ウェーハを載置し、
   前記反応炉内に整流板を搬入し、前記ウェーハの上方に所定の離間距離となるように設置し、
   前記ウェーハを下部より加熱し、
   前記ウェーハを回転させ、
   前記整流板を介して、前記ウェーハ上にプロセスガスを供給することを特徴とする半導体製造方法。

Images