JP2009224422A - 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータユニット内に熱伝導性のよいガスを供給し、かつ、ヒータユニット内の空間の圧力が反応室内の気圧より高くなることを抑制する。
【解決手段】ヒータユニット１００は、ヒータユニット１００の上面に、反応室１０に連通するガス導入空間１２０を有している。ヒータユニット１００に基板１を載置する工程において、基板１をガス導入空間１２０上に位置させる。基板１を昇温する工程において、ガス導入空間１２０には反応室１０から熱伝導性のよいガスが流入し、かつ反応室１０を排気する第１の排気系１４０と、ガス導入空間１２０を排気する第２の排気系１３０とを制御することにより、ガス導入空間１２０の気圧を反応室１０の気圧未満に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応室内で基板に成膜を行う工程を有する半導体装置の製造方法及び半導体製造装置に関する。

反応室内で半導体基板に成膜を行う半導体製造装置、例えば枚葉式減圧気相成長装置では、ヒータユニット上に載置された半導体基板を昇温し、反応室内に成膜用ガスを供給することにより、半導体基板に成膜を行う。このような半導体製造装置では、面内均一性や膜質といった成膜性を良くするために、半導体基板を均一に昇温する必要がある。このためには、半導体基板がヒータユニット上に浮き等が無い状態で載置される必要がある。

また、半導体基板を均一に昇温することを目的として、ヒータユニット内の空間に熱伝導性のよいガスを送り込むことがある。昇温工程において半導体基板はヒータユニットに吸着されていないため、反応室内の気圧がヒータユニット内の空間の圧力より高くなると、半導体基板がヒータユニットから浮き、場合によっては移動する。

特許文献１には、試料台からウェハが浮くことを抑制する第１の従来技術が記載されている。この技術は、ウェハを真空容器内に開口した試料台のガス封入部をウェハで閉塞し、ガス封入部に真空容器内の圧力より低い圧力の熱伝導性の良いガスを供給するものである。これにより、真空容器内とガス封入部内との圧力差でウェハを試料台に固定することができる、としている。

特許文献２には、ヒータユニットからウェハが浮くことを抑制する第２の従来技術が記載されている。この技術において、反応室にはウェハを支持して加熱するヒータユニットがある。反応室は反応室排気系で排気され、ヒータユニット内はユニット排気系により排気される。プレッシャーコントローラは、ユニット排気系の圧力制御弁を制御することにより、成膜時に（反応室内の圧力）≧（ヒータユニット内の圧力）となるようにする。なお、特許文献２には、ヒータユニットと基板の隙間近傍に、成膜に寄与しないガスを供給することにより、この隙間を通して反応室内の反応ガスがヒータユニット内に回り込むことを防止することが望ましい、と記載されている。
特開平８−３０６６０３号公報 特開２００２−３０２７７０号公報

特許文献１のように、ガス封入部に真空容器内の圧力より低い圧力のガスを供給した場合、ガスの流れを制御する制御弁を設ける必要がある。この制御弁が開動作を行うと、ガス封入部の圧力が瞬間的に真空容器内の圧力より高まることがある。

また特許文献２に記載の技術は、成膜時の制御が前提になっているため、反応室内の反応ガスがヒータユニット内に回り込むことを防止することが望ましい、とされている。このため、ウェハの昇温時に本技術を転用しようとしても、反応室からは熱伝導性の良いガスをヒータユニット内に供給することができない。また、この技術において、ヒータユニットと基板の隙間近傍から熱伝導性の良いガスを供給することも考えられるが、このようにすると、特許文献１と同様の問題が生じる。

このように、従来の技術では、基板の昇温時に、ヒータユニット内に熱伝導性のよいガスを供給し、かつ、ヒータユニット内の空間の圧力が反応室内の気圧より高くなることを抑制することは難しかった。このため、基板の昇温時に基板の浮きが生じる可能性があった。

本発明によれば、反応室内に配置されたヒータユニットに基板を載置する工程と、
前記ヒータユニットを用いて前記基板を昇温する工程と、
昇温した前記基板に成膜処理を行う工程と、
を備え、
前記ヒータユニットは、当該ヒータユニットの上面に、前記反応室に連通するガス導入空間を有しており、
前記ヒータユニットに前記基板を載置する工程において、前記基板を前記ガス導入空間上に位置させ
前記基板を昇温する工程において、前記ガス導入空間には前記反応室から熱伝導性のよいガスが流入し、かつ前記反応室を排気する第１の排気系と、前記ガス導入空間を排気する第２の排気系とを制御することにより、前記ガス導入空間の気圧を前記反応室の気圧未満に制御する半導体装置の製造方法が提供される。

前記ガス導入空間の気圧を前記反応室の気圧未満に制御するのは、前記基板を昇温する工程の少なくとも一部の期間であってもよい。

本発明によれば、昇温された基板に成膜処理が行われる反応室と、
前記反応室内に配置され、上面に基板を載置して昇温するヒータユニットと、
前記ヒータユニットの上面に設けられ、前記反応室に連通するガス導入空間と、
前記反応室を排気する第１の排気系と、
前記ガス導入空間を排気する第２の排気系と、
前記第１の排気系及び前記第２の排気系を制御する制御部と、
を具備し、
前記ガス導入空間は、基板の昇温工程においては前記反応室からガスが流入し、
前記制御部は、基板の昇温工程において、前記ガス導入空間の気圧を前記反応室の気圧未満に制御する半導体製造装置が提供される。

本発明によれば、前記制御部は、基板の昇温工程において、前記ガス導入空間の気圧を前記反応室の気圧未満に制御する。従って、ヒータユニット内に熱伝導性のよいガスを供給し、かつ、ヒータユニット内の空間の圧力が反応室内の気圧より高くなることを抑制することができる。このため、基板の昇温時に基板の浮きが生じることを抑制できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、実施形態にかかる半導体製造装置の構成を示す図である。図２は、半導体製造装置のヒータユニット１００の平面図である。この半導体製造装置は、反応室１０、ヒータユニット１００、第１の排気系１４０、第２の排気系１３０、及び制御部２００を有する。反応室１０では、昇温された基板（例えば半導体ウェハ）１に成膜処理が行われる。ヒータユニット１００は反応室１０内に配置されており、基板１を載置して昇温する。ヒータユニット１００の上面には、反応室１０に連通するガス導入空間１２０が設けられている。基板１は、ガス導入空間１２０上に位置する。第１の排気系１４０は、反応室１０を排気する。第２の排気系１３０は、ガス導入空間１２０を排気する。制御部２００は、第１の排気系１４０及び前記第２の排気系１３０を制御する。

ガス導入空間１２０には、基板１の昇温工程において反応室１０から熱伝導性のよいガスが流入する。そして制御部２００は、基板１の昇温工程において、ガス導入空間１２０の気圧を反応室１０の気圧未満に制御する。従って反応室内の気圧がヒータユニット内の空間の圧力より高くなることを抑制することができる。以下、詳細に説明する。

反応室１０の圧力は、圧力計３０によって計測される。圧力計３０の計測値は制御部２００に出力される。また反応室１０の中には、基板１と対向する位置にシャワーヘッド２０が設けられている。シャワーヘッド２０には、ガス供給管４０からガスが供給される。ガス供給管４０には、開閉バルブ４２及び流量コントローラ４４が取り付けられている。開閉バルブ４２及び流量コントローラ４４は、制御部２００によって制御されている。

シャワーヘッド２０に供給されたガスは、シャワーヘッド２０を介して反応室１０の内部に供給される。反応室１０の内部に供給されるガスは、昇温工程においては熱伝導性のよい不活性ガスであり、成膜工程においては原料ガスである。反応室１０に供給されたガスは、第１の排気系１４０を介してポンプ１６０により排気される。また反応室１０には、パージガス供給管１８２が取り付けられている。パージガス供給管１８２には、開閉バルブ１８４が設けられている。

第１の排気系１４０は、排気管１４１を有する。排気管１４１には、反応室１０とポンプ１６０を接続する。排気管１４１は、上流側から順に、開閉バルブ１４２、圧力コントロールバルブ１４６、及び圧力計１４８が設けられている。開閉バルブ１４２の開閉及び圧力コントロールバルブ１４６の開度は、制御部２００によって制御される。圧力コントロールバルブ１４６の開度は、例えば反応室１０の圧力計３０の測定値に基づいてフィードバック制御される。圧力計１４８の測定値は、制御部２００に出力される。

第２の排気系１３０は、排気管１３１，１３２，１３４を有する。排気管１３１の先端はガス導入空間１２０に接続している。排気管１３１の後端は、排気管１３２，１３４の先端に接続している。排気管１３２の後端は、排気管１４１のうち開閉バルブ１４２より上流側に接続している。排気管１３４の後端は、排気管１４１のうち圧力コントロールバルブ１４６より下流側に接続している。排気管１３２は基板１を真空吸着するときに用いられる。排気管１３２と排気管１３４は、排気力が略同等である。

排気管１３１、１３２，１３４それぞれには、開閉バルブ１３１ａ，１３２ａ，１３４ａが設けられている。開閉バルブ１３１ａ，１３２ａ，１３４ａの開閉は、制御部２００によって制御される。また排気管１３２には、開閉バルブ１３２ａより上流側に位置する圧力計１３２ｂが取り付けられている。圧力計１３２ｂの計測値は、ガス導入空間１２０内の圧力として制御部２００に出力される。

さらに排気管１３２のうち、圧力計１３２ｂより上流側に位置する部分には、ガス供給管１８６が接続している。ガス供給管１８６は、ガス導入間１２０内にガスを導入する配管である。ガス供給管１８６には、排気管１３２に近い側から順に、開閉バルブ１８６ａ及び流量コントローラ１８８が設けられている。開閉バルブ１８６ａ及び流量コントローラ１８８は、制御部２００によって制御される。

図３の各図は、反応室１０内の基板１を昇温するときに制御部２００が行う制御を説明するための図である。本図において、半導体製造装置は一部が省略されている。また図４は、図３の各図に示す状態における、反応室１０内の圧力及びガス導入空間１２０内の圧力を示す表図である。以下の工程において、制御部２００は開閉バルブ１８６ａを閉じたままにして、ガス供給管１８６からガス導入空間１２０にガスを供給させない。

まず、図３（Ａ）に示すように、基板１を反応室１０の内部に搬入してヒータユニット１００上に配置する（ポジショニング）。このとき、ヒータユニット１００は、ある温度に予め加熱されている。そして制御部２００は、基板１とシャワーヘッド２０の間のギャップを調整し、基板１を、成膜を行うポジションに移動させる。このギャップの調整は、例えばヒータユニット１００を上下することにより行われる。このとき、制御部２００は、シャワーヘッド２０からガスを供給しない。また、制御部２００は、開閉バルブ１３２ａを閉じておき、開閉バルブ１３１ａ，１３４ａ，１４２を開けておく。ポンプ１６０は常に動作している。このため、図３に示す状態において、反応室１０内は排気管１４１を介してポンプ１６０によって排気され、かつガス導入空間１２０は排気管１３１，１３４を介してポンプ１６０によって排気される。そして、反応室１０内及びガス導入空間１２０は、図４に示すように略０Ｔｏｒｒ（ＯＰａ）になる。

ついで、図３（Ｂ）に示すように、制御部２００は、シャワーヘッド２０から熱伝導性のよいガスを供給し、開閉バルブ１３４ａを閉じる（ガスON）。そして図３（Ｃ）に示すように、制御部２００は開閉バルブ１３２ａを開く。すると、図４に示すように反応室１０内の圧力は徐々に上昇する（バイパス）。

上記したように、排気管１３２による排気力は排気管１３４による排気力と略同等である。ガス導入空間１２０は、排気管１３１，１３４を介して、ポンプ１６０によってヒータユニット１００に吸着されない程度に排気される。このため、反応室１０内に供給されたガスの一部は、ヒータユニット１００の上面と基板１の間を通ってガス導入空間１２０に流入する。従って、図４に示すようにガス導入空間１２０の圧力も徐々に上昇する。このとき、ガス導入空間１２０の圧力は、反応室１０内の圧力にわずかに遅れて上昇する。

ついで、図３（Ｄ）に示すように、反応室１０内の圧力及びガス導入空間１２０の圧力がそれぞれａになると、制御部２００は、開閉バルブ１３２ａを閉じて、ヒータによる基板１の昇温を開始する（バイパスー２及びヒートアップ）。すると、反応室１に導入されたガスはガス導入空間１２０に流入しなくなる。このため、反応室１０の圧力は上昇し続けるが、ガス導入空間１２０の圧力は上昇しなくなる。この状態において、反応室１０内の圧力はガス導入空間１２０の圧力より高くなるため、基板１がヒータユニット１００から浮きにくくなる。また、ガス導入空間１２０には、既に熱伝導性の高いガスが圧力ａほど導入されている。従って、基板１の加熱均一性は向上する。そして、図４に示すように、反応室１０内の圧力は、ｂ（ｂ＞ａ）まで上昇する。一方、ガス導入空間１２０の圧力は、例えばａのままである。

なお、反応室１０とガス導入空間１２０の圧力差（ｂ−ａ）は、５Ｔｏｒｒ（６６７Ｐａ）以上２５Ｔｏｒｒ（３３３３Ｐａ）以下であればよい。またガス導入空間１２０の圧力ａは、５Ｔｏｒｒ（６６７Ｐａ）以上２５Ｔｏｒｒ（３３３３Ｐａ）以下であればよい。なお、この圧力値は、反応室１０を略３０Ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）に制御した場合の例である。

そして図３（Ｅ）に示すように、基板１が一定の温度まで加熱されると、制御部２００は、開閉バルブ１３４ａを開く（基板チャック）。これにより、ガス導入空間１２０は排気管１３４を介して排気され、約０Ｔｏｒｒになる。この状態において、基板１はヒータユニット１００に真空吸着される。また反応室１０内の圧力は、例えばｂのままである。そして、ガス導入空間１２０の圧力が０Ｔｏｒｒから上昇せず基板１が真空吸着されていることを確認した後、制御部２００は成膜処理を開始する。

図５（Ａ）は、図３に示した処理を行ったときの反応室１０及びガス導入空間１２０それぞれの圧力変動を示すチャートである。図５（Ｂ）は図５（Ａ）のうち四角で囲んだ領域を拡大した図である。これらの図に示すように、ガス導入空間１２０の圧力は、反応室１０内の圧力より高くならない。また、ヒータによる基板１の昇温を開始するときには、反応室１０内の圧力が、ガス導入空間１２０内の圧力より一定圧（例えば５Ｔｏｒｒ以上２５Ｔｏｒｒ以下）高くなる。従って、基板１がヒータユニット１００から浮きにくくなる。

なお、成膜処理に移行する過程において、ガス導入空間１２０内の圧力が瞬間的に上昇しているが、これは、開閉バルブ１８６ａを開いてＡｒ等を供給し始めるために生じるものである。このタイミングでは、基板１は十分に加熱されて熱的に平衡状態にあるため、問題は生じない。

以上、本実施形態によれば、基板１を昇温するときに、ガス導入空間１２０には反応室１から熱伝導性のよいガスが流入する。制御部２００は、反応室１を排気する第１の排気系１４０と、ガス導入空間１２０を排気する第２の排気系１３０とを制御することにより、ガス導入空間１２０の気圧を反応室１０の気圧未満にする。従って、基板１の昇温時に、ガス導入空間１２０内に熱伝導性のよいガスを供給し、かつ、ガス導入空間１２０の圧力が反応室１０内の圧力より高くなることを抑制することができる。また、ガス導入空間１２０には、ガス供給管１８６から直接ガスが導入されないため、ガス導入空間１２０の圧力が反応室１０内の圧力より低い状態を安定して維持することができる。

このため、基板１がヒータユニット１００から浮くことを抑制して、基板１を均一に加熱することができる。この結果、基板１に成膜される膜の品質を向上させることができる。また、成膜前に基板１をヒータユニット１００に真空吸着をおこなうときに、吸着不良が生じることを抑制できる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

実施形態にかかる半導体製造装置の構成を示す図である。 ヒータユニットの平面図である。 各図は、反応室内の基板を昇温するときに制御部が行う制御を説明するための図である。 図３の各図に示す状態における、反応室内の圧力及びガス導入空間内の圧力を示す表図である。 （Ａ）は図３に示した処理を行ったときの反応室及びガス導入空間それぞれの圧力変動を示すチャートであり、（Ｂ）は（Ａ）のうち四角で囲んだ領域を拡大した図である。

符号の説明

１ 基板
１０ 反応室
２０ シャワーヘッド
３０ 圧力計
４０ ガス供給管
４２ 開閉バルブ
４４ 流量コントローラ
１００ ヒータユニット
１２０ ガス導入空間
１３０ 第２の排気系
１３１ 排気管
１３１ａ 開閉バルブ
１３２ 排気管
１３２ａ 開閉バルブ
１３２ｂ 圧力計
１３４ 排気管
１３４ａ 開閉バルブ
１４０ 第１の排気系
１４１ 排気管
１４２ 開閉バルブ
１４６ 圧力コントロールバルブ
１４８ 圧力計
１６０ ポンプ
１８２ パージガス供給管
１８４ 開閉バルブ
１８６ ガス供給管
１８６ａ 開閉バルブ
１８８ 流量コントローラ
２００ 制御部

Claims (8)

1. 反応室内に配置されたヒータユニットに基板を載置する工程と、
   前記ヒータユニットを用いて前記基板を昇温する工程と、
   昇温した前記基板に成膜処理を行う工程と、
   を備え、
   前記ヒータユニットは、当該ヒータユニットの上面に、前記反応室に連通するガス導入空間を有しており、
   前記ヒータユニットに前記基板を載置する工程において、前記基板を前記ガス導入空間上に位置させ
   前記基板を昇温する工程において、前記ガス導入空間には前記反応室から熱伝導性のよいガスが流入し、かつ前記反応室を排気する第１の排気系と、前記ガス導入空間を排気する第２の排気系とを制御することにより、前記ガス導入空間の気圧を前記反応室の気圧未満に制御する半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ガス導入空間にガスを供給するガス供給管があり、
   前記基板を昇温する工程において、前記ガス供給管は前記ガス導入空間にガスを供給しない半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記基板を昇温する工程において、前記ガス導入空間の気圧を前記反応室の気圧に対して５Ｔｏｒｒ以上２５Ｔｏｒｒ以下低くする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記基板を昇温する工程において、前記ガス導入空間の気圧を５Ｔｏｒｒ以上２５Ｔｏｒｒ以下に制御する半導体装置の製造方法。
5. 昇温された基板に成膜処理が行われる反応室と、
   前記反応室内に配置され、上面に基板を載置して昇温するヒータユニットと、
   前記ヒータユニットの上面に設けられ、前記反応室に連通するガス導入空間と、
   前記反応室を排気する第１の排気系と、
   前記ガス導入空間を排気する第２の排気系と、
   前記第１の排気系及び前記第２の排気系を制御する制御部と、
   を具備し、
   前記ガス導入空間は、基板の昇温工程においては前記反応室からガスが流入し、
   前記制御部は、基板の昇温工程において、前記ガス導入空間の気圧を前記反応室の気圧未満に制御する半導体製造装置。
6. 請求項５に記載の半導体製造装置において、
   前記ガス導入空間にガスを供給するガス供給管を備え、
   前記制御部は、基板の昇温工程において、前記ガス供給管から前記ガス導入空間にガスを供給しない半導体製造装置。
7. 請求項５または６に記載の半導体製造装置において、前記制御部は、基板の昇温工程において、前記ガス導入空間の気圧を前記反応室の気圧に対して５Ｔｏｒｒ以上２５Ｔｏｒｒ以下低くする半導体製造装置。
8. 請求項５乃至７のいずれか一つに記載の半導体製造装置において、
   前記制御部は、基板の昇温工程において、前記ガス導入空間の気圧を５Ｔｏｒｒ以上２５Ｔｏｒｒ以下に制御する半導体製造装置。

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