JP2009135201A - 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、高速回転時にウェーハを確実に支持し、ウェーハ上に均一な成膜を行う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、反応室１１内の所定位置でウェーハｗを下面側より支持する第１の支持部材１７と、この第１の支持部材１７の上方に設けられ、ウェーハｗの外周縁部を上面側より全周に亘って支持する第２の支持部材１８を備え、ウェーハｗを第１および第２の支持部材と共に回転させながら加熱し、均一に成膜を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハの上面に、加熱しながらプロセス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、半導体装置の低価格化、高性能化の要求に伴い、成膜工程における高い生産性と共に、膜厚均一性などの高品質化が要求されている。

高品質化を維持しながら生産性を向上する方法として、テーブルに載置されたウェーハを高速で回転しながら加熱してエピタキシャル成長を行う枚葉式の半導体製造装置が知られている（例えば特許文献１など参照）。

上記の技術においては、回転時のウェーハの浮き上がりや位置ずれを防止するために、ウェーハが載置されるテーブルの外周縁部には回転機構による回転に伴って揺動し、ウェーハを上面側からテーブル方向へ押圧する部材が設けられている。しかし、回転時のウェーハの浮き上がりや位置ずれを二点で抑える構造のため、例えば１５００ｒｐｍにも及ぶ高速回転を行う場合には支持が不十分となり、回転軌道に誤差が生じ易くなる。すなわち、ウェーハ上面の膜厚が不均一になってしまうという問題があった。
特開平１１−９７５１５号公報

上述したように、半導体装置の低価格化、高性能化の要求に伴い、成膜工程における高い生産性と共に、膜厚均一性などの高品質化が要求されている。

そこで、本発明は、従来技術の問題に鑑み、高速回転時にウェーハを確実に支持し、ウェーハの上面に均一な成膜を行うことが可能な半導体製造方法およ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装置は、ウェーハが搬入される反応室と、この反応室にソースガスを含む第１のプロセスガスを供給するガス供給機構と、このガス供給機構より供給された第１のプロセスガスを整流状態でウェーハの上面側に供給する整流板と、反応室より第１のプロセスガスを排出するガス排出機構と、反応室内の所定位置でウェーハを下面側より支持する第１の支持部材と、この第１の支持部材の上方に設けられ、ウェーハの外周縁部を上面側より全周に亘って支持する第２の支持部材と、この第２の支持部材を昇降させ、ウェーハの支持および開放を行わせる昇降駆動機構と、ウェーハを第１および第２の支持部材と共に回転させる回転駆動機構と、第１および第２の支持部材によって支持されたウェーハを下面側より加熱する加熱機構を備えることを特徴とする。

また、本発明の半導体製造装置において、第２の支持部材におけるウェーハの支持箇所は、ウェーハの外周縁部に形成されたベベル内であることが好ましい。

また、本発明の半導体製造装置において、ガス供給機構は、水素ガスまたは不活性ガスを含む第２のプロセスガスをウェーハの外周部に供給することが好ましい。

本発明の半導体製造方法は、反応室内にウェーハを搬入し、ウェーハを第１の支持部材上に載置し、載置されたウェーハの外周縁部を第２の支持部材によってウェーハの上面側から全周に亘って支持し、支持されたウェーハの上面側に、ソースガスを含む第１のプロセスガスを整流状態で供給し、ウェーハを第１および第２の支持部材と共に回転させながら加熱し、ウェーハの上面側に成膜することを特徴とする。

また、本発明の半導体製造方法において、水素ガスまたは不活性ガスを含む第２のプロセスガスをウェーハの外周部に供給することが好ましい。

本発明によれば、高速回転時にウェーハを確実に支持でき、ウェーハの上面に均一な成膜を行うことが可能となる。

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。同図に示すように、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、プロセスガスなどをウェーハｗの上面に供給するためのガス供給口１２ａ、ウェーハｗの外周部に例えば水素ガスや、Ａｒ、Ｈｅなどの不活性ガスや、さらにＨＣｌを含むクリーニングガスなどを供給するためのガス供給口１２ｂと、反応室１１下方よりガスを排出し、反応室１１内の圧力を一定（常圧）に制御するためのガス排出口１３が設置されている。

反応室１１上部には、ガス供給口１２ａから供給されるプロセスガスなどをウェーハｗの上面に整流状態で供給するための整流板１４ａと、ガス供給口１２ｂから供給される水素ガスまたは不活性ガスを含むガスなどをウェーハｗの外周部（外側）に整流状態で供給するための整流板１４ｂが、それぞれ設置されている。そして、これら整流板１４ａ、１４ｂの下部には、整流板１４ａと整流板１４ｂの間に、下端がウェーハｗ表面から例えば２０ｍｍの高さとなるように、仕切り板１５が設置されている。

反応室１１下部には、モータ（図示せず）、回転軸（図示せず）などから構成されたウェーハｗを回転させるための回転駆動機構１６と、回転駆動機構１６上でウェーハｗを載置するための下部支持部材１７が設置されている。尚、ここでは下部支持部材１７をサセプタとしているが、開口部を有するホルダーであってもよい。下部支持部材１７の上方には、例えばリング状の上部支持部材１８が設けられ、昇降駆動機構１９によって鉛直方向に昇降し、ウェーハｗの支持と開放が行われる。上部支持部材１８は、ウェーハｗの外周縁部を全周に亘ってウェーハｗの上面側より支持する。

図２にウェーハの支持構造を説明する要部拡大図を示す。同図に示すように、下部支持部材１７上に載置されたウェーハｗは、成膜面Ａと、ウェーハｗの外周縁部に例えば４００μｍ程度形成されたベベル部Ｂからなり、リング状の上部支持部材１８の内壁面Ｃはウェーハｗのベベル部Ｂ上に位置している。また、上部支持部材１８および下部支持部材１７とウェーハｗのベベル部Ｂの間には、ウェーハｗの熱膨張に対応できるように僅かに間隙（例えば０．２μｍ）が設けられることが好ましい。

尚、上部支持部材１８の内壁面Ｃはウェーハｗのベベル部Ｂと平行となるように形成されているが、同じテーパが設けられていることが温度分布制御、効果的な支持を行う上では好ましい。また、上部支持部材１８の内壁面Ｃの断面形状は特に限定されるものではない。例えば、段部が設けられていても、曲面となっていてもよく、回転時のウェーハｗの上方への浮き上がりを防止することができればよい。

図３にウェーハの支持構造を説明する斜視図を示す。同図に示すように、ウェーハｗのベベル部Ｂは、リング状に形成された上部支持部材１８によってウェーハｗの上面側から全周に亘って囲い込まれている。

また、下部支持部材１７の下方には、ウェーハｗを加熱するためのインヒータ２０ａが設置され、下部支持部材１７とインヒータ２０ａ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２０ｂが設置されている。インヒータ２０ａの下部には、ウェーハｗを効率的に加熱するための円盤状のリフレクター２１が設置されている。

このような半導体製造装置を用いて、ウェーハｗの上面に例えばＳｉエピタキシャル膜を形成する。

先ず、例えばφ２００ｍｍのウェーハｗを、搬送アーム（図示せず）によって反応室１１に導入し、下部支持部材１７上に載置する。

次に、昇降駆動機構１９によってリング状の上部支持部材１８を降下させることでウェーハｗの外周縁部のベベル部を全周に亘って囲い込むように、ウェーハｗの上面側から支持する。

次に、ウェーハｗの温度が例えば１１００℃となるように、インヒータ２０ａ、アウトヒータ２０ｂの温度を制御すると共に、ウェーハｗを回転駆動機構１６により、例えば１５００〜２０００ｒｐｍで高速回転させる。このとき、ウェーハｗの回転軌道は、上部支持部材１８と下部支持部材１７の協働によってほぼ一定に維持される。

次に、ガス供給口１２ａより、トリクロロシラン（ＴＣＳ）濃度が例えば２．５％となるように調製されたプロセスガスを、例えば５０ＳＬＭで導入し、整流板１４ａを介して整流状態でウェーハｗの上面に供給し、ウェーハｗの上面にＳｉエピタキシャル膜を成長させる。このとき、同時にガス供給口１２ｂより、例えばＨ_２ガスを例えば５０ＳＬＭで導入し、整流板１４ｂを介して整流状態でウェーハｗの外周部に供給し、ウェーハｗ外周部上のプロセスガスを希釈する。供給された希釈ガスは、仕切り板１５、供給速度、濃度の制御により、ウェーハｗの上面への流入、プロセスガスとの混合が抑えられる。尚、反応室１１内の圧力が常圧に制御されるように、余剰なプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物などは、ガス排出口１３より排出される。

そして、ウェーハｗの上面にＳｉエピタキシャル膜を所望の膜厚（例えば１５０μｍ）となるまで成長させる。成膜処理の完了後は、図４に示すように、上部支持部材１８を昇降駆動機構１９によって上昇させると、ウェーハｗを突き上げピン（図示せず）によって下部支持部材１７の上方に移動し、ウェーハｗを搬送アーム（図示せず）で保持して反応室１１より搬出する。

このように、上部支持部材１８を設けることより、高速回転時においてウェーハｗの外周縁部を下部支持部材１７との協働によって確実に支持することが可能となる。従って、ウェーハｗの浮き上がりや位置ずれが抑制されるので、ウェーハｗの上面に形成されるエピタキシャル膜などの膜厚の均一性を図ることが可能となる。

さらに、ポイントで支持する場合、ウェーハｗと支持部材との熱伝導率の差により、温度分布における特異点が生じてしまうが、ウェーハｗの外周縁部を、均一な温度で支持することが可能となる。そして、特異点に起因するウェーハｗのスリップの発生を抑えることが可能となる。

また、上部支持部材１８を設けることにより、ウェーハｗと下部支持部材１７との間隙にプロセスガス（ソースガス）が流入しにくい構造とすることができる。また、流入しても還流しない構造であるため、間隙部分において、流入したプロセスガス（ソースガス）による堆積物の発生を抑えることができる。従って、ウェーハｗと下部支持部材１７の貼りつきによる生産効率の低下を抑制することが可能となる。

また、本実施形態においては、整流板１４ａを設けてガスを整流することにより、ウェーハｗの上面にプロセスガスを均一に供給することができ、膜厚の均一性を図ることができる。

さらに、本実施形態においては、整流板１４ｂを設けてウェーハｗの外側に整流された水素ガスや、Ａｒ、Ｈｅなどの不活性ガスを供給することにより、ウェーハｗの周囲に滞留するソースガスを効果的に除去することができる。また、ソースガスが残存した場合でも、平衡を成膜反応が抑制される方向にシフトさせることができ、ウェーハｗの外周部における堆積物の生成を抑えることが可能となる。さらに、堆積物が生成した場合でも、ＨＣｌを含むクリーニングガスを供給することにより、堆積物の除去が可能となる。

また、本実施形態においては、整流板１４ａと整流板１４ｂとの間に、下端がウェーハｗ表面から例えば２０ｍｍの高さとなるように、仕切り板１５が設置されている。ウェーハｗの上面に供給されるプロセスガスと、ウェーハｗの外周部に供給されるガスの混合状態は、主にウェーハｗの外周部に供給されるガスの速度、濃度に支配されるが、この仕切り板１５により、ガスの混合をより効果的に抑制することができる。

また、ガスの混合抑制の観点では、仕切り板１５はウェーハｗ近くまで設けられることが好ましいと考えられる。しかしながら、回転するウェーハｗの上面に供給されるガスは、ウェーハｗの上面に境界層を形成し、余剰のガスは外周方向に排出されるため、その排出経路において障害とならないように配置する必要がある。例えば、所望のプロセス条件において、仕切り板１５の設置高さを変動させたときの、仕切り板１５への堆積物量を測定し、堆積物の生成量が少なくなる高さとなるように配置すればよい。

また、本実施形態によれば、半導体ウェーハｗの上面にエピタキシャル膜などの膜を高い生産性で形成することが可能となる。そして、ウェーハの歩留り向上と共に、素子形成工程及び素子分離工程を経て形成される半導体装置の歩留りの向上、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１００μｍ以上の厚膜成長が必要な、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ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。

また、本実施形態においては、Ｓｉ単結晶層（エピタキシャル膜）形成の場合を説明したが、本実施形態は、ポリＳｉ層形成時にも適用することも可能である。また、例えばＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などＳｉ膜以外の成膜や、例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなど化合物半導体などにおいても適用することが可能である。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を示す図。 本発明の一態様におけるウェーハの支持構造を説明する要部拡大図。 本発明の一態様におけるウェーハの支持構造を説明する斜視図。 本発明の一態様における半導体製造装置の断面を示す図。

符号の説明

１１…反応室、１２ａ、１２ｂ…ガス供給口、１３…ガス排出口、１４ａ、１４ｂ…整流板、１５…仕切り板、１６…回転駆動機構、１７…下部支持部材、１８…上部支持部材、１９…昇降駆動機構、２０ａ…インヒータ、２０ｂ…アウトヒータ、２１…リフレクター。

Claims (5)

1. ウェーハが搬入される反応室と、
   この反応室にソースガスを含む第１のプロセスガスを供給するガス供給機構と、
   このガス供給機構より供給された前記第１のプロセスガスを整流状態で前記ウェーハの上面側に供給する整流板と、
   前記反応室より前記第１のプロセスガスを排出するガス排出機構と、
   前記反応室内の所定位置で前記ウェーハを下面側より支持する第１の支持部材と、
   この第１の支持部材の上方に設けられ、前記ウェーハの外周縁部を上面側より全周に亘って支持する第２の支持部材と、
   この第２の支持部材を昇降させ、前記ウェーハの支持および開放を行わせる昇降駆動機構と、
   前記ウェーハを前記第１および前記第２の支持部材と共に回転させる回転駆動機構と、
   前記第１および前記第２の支持部材によって支持された前記ウェーハを加熱する加熱機構と、
   を備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記第２の支持部材における前記ウェーハの支持箇所は、前記ウェーハの外周縁部に形成されたベベル内であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
3. 前記ガス供給機構は、水素ガスまたは不活性ガスを含む第２のプロセスガスを前記ウェーハの外周部に供給することを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体製造装置。
4. 反応室内にウェーハを搬入し、
   前記ウェーハを第１の支持部材上に載置し、
   前記載置された前記ウェーハの外周縁部を第２の支持部材によって前記ウェーハの上面側から全周に亘って支持し、
   前記支持されたウェーハの上面側に、ソースガスを含む第１のプロセスガスを整流状態で供給し、
   前記ウェーハを前記第１および前記第２の支持部材と共に回転させながら加熱し、
   前記ウェーハの上面側に成膜することを特徴とする半導体製造方法。
5. 水素ガスまたは不活性ガスを含む第２のプロセスガスを前記ウェーハの外周部に供給することを特徴とする請求項４の半導体製造方法。

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