JP2011086792A - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

半導体製造装置および半導体製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、ヒータの劣化の進行を抑制し、半導体装置の高性能化や信頼性の向上、低コスト化を図る半導体製造装置または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第１のガス供給機構と、反応炉よりガスを排出するためのガス排出機構と、ウェーハを載置するウェーハ支持部材と、ウェーハ支持部材を載置するリングと、リングと接続され、ウェーハを回転させるための回転駆動制御機構と、リング内に設置され、ウェーハを所定の温度に加熱するために設けられ、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータエレメントと、このヒータエレメントと一体成型され、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータ電極部と、を有するヒータと、リング内にＳｉＣソースガスを供給する第２のガス供給機構と、を備えることを特徴とする。
【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ヒータにより加熱しながら表面に反応ガスを供給して成膜を行うために用いられる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、ウェーハの成膜工程における高い生産性とともに、膜厚均一性の向上など高品質化が要求されている。
このような要求を満たすために、枚葉式のエピタキシャル成膜装置を用い、例えば反応炉内において９００ｒｐｍ以上で高速回転しながら、プロセスガスを供給し、ヒータを用いて裏面より加熱する裏面加熱方式が用いられている。
通常、ヒータを構成するヒータエレメントは、その面内で支持体である電極部品にボルトなどを用いて固定、接続される。しかしながら、熱により接続部分の変形やそれに伴う抵抗値の上昇が生じるため、ヒータエレメントと一体化されたヒータ電極部を設け、ヒータエレメントと離間して電極部品と接続することが提案されている（例えば特許文献１など参照）。
このようなヒータエレメントとヒータ電極部からなるヒータには、その加工性より焼結ＳｉＣが用いられる。そして、ヒータ電極部には不純物が添加され、導電性が付与されるとともに、不純物の拡散を防ぐためにＳｉＣコーティングが施されている。
このようなヒータを用いてエピタキシャル成膜を行う際、ＳｉＣの昇華によりヒータが劣化するという問題がある。そして、ヒータの劣化により、抵抗値の上昇や、強度の低下が生じ、成膜温度のばらつきや、ヒータの破断が引き起こされる。一方、近年のエピタキシャル成膜における生産性、膜質向上の要求に伴い、高温プロセスの要求が高まっており、よりヒータへの負担が大きくなる傾向にある。
そこで、上方より反応炉内にＳｉＣソースガスを供給し、ヒータの昇華した部分にＳｉＣ膜を成膜することにより、ヒータを長寿命化する手法が提案されている（例えば特許文献２など参照）。
しかしながら、一旦装置を停止して供給されるガスを換える必要があり、スループットの低下が避けられないという問題がある。
また、特にヒータエレメントとヒータ電極部との接合部は、電界集中することから、より昇華が進行するため、劣化が大きくなる。しかしながら、上方からのＳｉＣソースガスの供給では、接合部がヒータエレメントの陰になり、選択的に接合部に成膜することは困難である。
特開２００７−２８８１６３号公報（[図１]、[図２]など） 特開２００８−４７６７号公報（請求項１など）
このように、従来の手法ではスループットの低下が避けられず、ヒータエレメントとヒータ電極部との接合部の劣化に対応することは困難であるという問題がある。さらに、エピタキシャル成膜中に、昇華したＳｉＣが多結晶化してヒータ上に堆積し、表面状態が劣化することから、ヒータ温度の変動、ばらつきが生じるという問題が発生している。従って、このような昇華などによるヒータの劣化の進行をｉｎ−ｓｉｔｕで抑制する必要がある。
そこで、本発明は、ヒータの劣化の進行を抑制し、半導体装置の高性能化や信頼性の向上、低コスト化を図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。
本発明の一態様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第１のガス供給機構と、反応炉よりガスを排出するためのガス排出機構と、ウェーハを載置するウェーハ支持部材と、ウェーハ支持部材を載置するリングと、リングと接続され、ウェーハを回転させるための回転駆動制御機構と、リング内に設置され、ウェーハを所定の温度に加熱するために設けられ、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータエレメントと、このヒータエレメントと一体成型され、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータ電極部と、を有するヒータと、リング内にＳｉＣソースガスを供給する第２のガス供給機構と、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様の半導体製造装置において、ウェーハ支持部材は、ウェーハ裏面全面を保持することが好ましい。
また、本発明の一態様の半導体製造装置において、ウェーハとヒータエレメントとの間に、不活性ガスを供給する第３のガス供給機構を備えることが好ましい。
また、本発明の一態様の半導体製造装置において、リングは、ヒータエレメントの裏面の水平位置より高い位置に、ＳｉＣソースガスを排出する開口部を備えることが好ましい。
また、本発明の一態様の半導体製造方法は、反応炉内にウェーハを導入し、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータ電極部に電圧印加し、ヒータ電極部と一体成型され、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータエレメントを発熱させることにより、ウェーハを所定温度で加熱し、ウェーハを回転させ、ウェーハ上にプロセスガスを供給することにより、ウェーハ上に成膜するとともに、ヒータエレメントの裏面側に、ＳｉＣソースガスを供給することを特徴とする。
本発明の一態様によれば、半導体製造装置または半導体製造方法において、ヒータの劣化の進行を抑制し、半導体装置の高性能化や信頼性の向上、低コスト化を図ることが可能となる。
本発明の一態様の半導体製造装置の構造を示す断面図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の構造を示す断面図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の構造を示す断面図である。 本発明の一態様の半導体製造装置の構造を示す断面図である。
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であるエピタキシャル成長装置の断面図を示す。図に示すように、例えばφ２００ｍｍのウェーハｗが成膜処理される反応炉１１には、反応炉１１上方より、トリクロロシラン、ジクロロシランなどのソースガスを含むプロセスガスなどを、所定の流量でウェーハｗ上に供給するための第１のガス供給機構（図示せず）と接続されたガス供給口１２が設置されている。反応炉１１下方には、例えば２箇所にガスを排出し、反応炉１１内の圧力を一定（常圧）に制御するためのガス排出機構(図示せず)と接続されたガス排出口１３が設置されている。
反応炉１１上部には、ガス供給口１２から供給されたプロセスガスを、ウェーハｗ上に整流状態で供給するための整流板１４が設置されている。そして、その下方には、ウェーハｗを保持するための保持部材である環状のホルダ１５が、回転部材であるリング１６上に設置されている。リング１６は、ウェーハｗを所定の回転速度で回転させる回転軸（図示せず）、モータ（図示せず）などから構成される回転駆動制御機構１７と接続されている。
リング１６内部には、ウェーハｗを加熱するためのヒータ１８が設置されている。ヒータ１８は、所定パターンを有し、少なくとも表面にＳｉＣ層を有する円板状のヒータエレメント１８ａと、これと一体成型されたヒータ電極部１８ｂから構成されている。ヒータ電極部１８ｂは、不純物が添加されて導電性を有するＳｉＣからなり、さらにＳｉＣ膜がコーティングされている。なお、ヒータとしては、さらに環状のヒータを用いてもよく、効率的に加熱するためのリフレクタを有していてもよい。
リング１６内部下方には、ヒータ電極部１８ｂと接続される電極部品であるブースバー１９が設置され、外部電源（図示せず）に接続され、ヒータシャフト２０に固定される電極２１と接続されている。
リング１６内部には、下方よりモノメチルシランなどのＳｉＣソースガスを供給する第２のガス供給機構（図示せず）と接続され、先端部に開口部を有するガス供給ノズル２２が設けられている。
このようなエピタキシャル成長装置を用いて、例えば、φ２００ｍｍのＳｉウェーハｗ上に、Ｓｉエピタキシャル膜が形成される。
先ず、反応炉１１にウェーハｗを搬入し、ウェーハｗが載置されたホルダ１５を、リング１６上に載置する。そして、外部電源（図示せず）と接続された電極２１より、ブースバー１９と接続されたヒータ電極部１８ｂに電圧を印加し、ウェーハｗの面内温度が均一に例えば１１００℃となるように、ヒータ１８を１５００〜１６００℃に制御する。
そして、回転駆動制御機構１７により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させるとともに、プロセスガスをガス供給口１２より整流板１４を介して整流状態でウェーハｗ上供給する。プロセスガスは、例えばトリクロロシラン濃度が２．５％となるように調製し、例えば５０ＳＬＭで供給する。
このとき、リング１６の内部において、ガス供給ノズル２２の先端部の開口部より、ヒータエレメント１８ａの裏面側に、ＳｉＣソースガスである例えばモノエチルシランを１０ｓｃｃｍで供給し、複数の平衡反応からなる以下の反応：
ＣＨ３ＳｉＨ３→ＳｉＣ＋３Ｈ２
を右方向にシフトさせることにより、ＳｉＣ分圧を上げ、ＳｉＣの昇華を抑制する。
一方、余剰となったトリクロロシラン、希釈ガスを含むプロセスガス、反応副生成物であるＨＣｌなどのガスは、ホルダ１５外周より下方に排出される。さらに、これらのガスは、ガス排出口１３よりガス排出機構（図示せず）を介して排出され、反応炉１１内の圧力が一定（例えば常圧）に制御される。このようにして、ウェーハｗ上にＳｉエピタキシャル膜を成長させる。
本実施形態によれば、ウェーハｗ上にプロセスガスを供給してエピタキシャル膜を成長させる際に、リング内にＳｉＣソースガスを供給し、ＳｉＣ分圧を上げることにより、ヒータ１８（ヒータエレメント１８ａ、ヒータ電極部１８ｂ）、特に接合部１８ｃからのＳｉＣの昇華を抑制することができる。その結果、エピタキシャル成長装置を止めることなく、ヒータの劣化の進行を抑えることができ、抵抗値の上昇、強度の低下、ヒータ上への多結晶の堆積を抑えることができる。その結果、成膜温度のばらつきや、ヒータの破断を防ぎ、半導体装置の高性能化や信頼性の向上、低コスト化を図ることが可能となる。
（実施形態２）
本実施形態において、実施形態１とエピタキシャル成長装置の構成は同様であるが、ウェーハｗを保持するための保持部材を、ウェーハｗの裏面全面を保持するサセプタ２５とする点で実施形態１と異なっている。
すなわち、図２に示すように、ウェーハｗの裏面全面がサセプタ２５により保持され、リング１６内の雰囲気と分離されている。リング１６内のＳｉＣ分圧が高くなることにより、ウェーハｗの裏面へのＳｉＣの堆積が考えられる。しかしながら、ウェーハｗ裏面全面をサセプタ２５により保持することで、ＳｉＣの堆積を防止することができる。
本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、エピタキシャル成長装置の構造を大きく変更することなく、ＳｉＣの堆積によるウェーハの汚染を抑制することが可能となる。
（実施形態３）
本実施形態において、実施形態１とエピタキシャル成長装置の構成は同様であるが、ウェーハｗとヒータエレメントとの間に、不活性ガスを供給するガス供給ノズルが配置されている点で実施形態１と異なっている。
すなわち、図３に示すように、リング１６内部には、下方よりモノメチルシランなどのＳｉＣソースガスを供給するガス供給ノズル２２とともに、第３のガス供給機構（図示せず）と接続され、Ｈｅなどの不活性ガスを供給するガス供給ノズル３２が設けられている。ガス供給ノズル３２は、破線で示すように複数（例えば３方向）に分岐し、それぞれ開口部を有する端部がヒータエレメント１８ａの上方となるように配置されている。そして、ＳｉＣソースガスが供給される際に、ウェーハｗとヒータエレメント１８ａの間に不活性ガスを供給する。
リング１６内のＳｉＣ分圧が高くなることにより、ウェーハｗの裏面へのＳｉＣの堆積が考えられる。しかしながら、このように不活性ガスを供給しウェーハｗの裏面におけるＳｉＣ分圧を低下させることにより、実施形態２と同様にウェーハｗの裏面へのＳｉＣの堆積を防止することが可能となる。
本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、サセプタを用いることなくＳｉＣの堆積によるウェーハの汚染を抑制することが可能となる。
（実施形態４）
本実施形態において、実施形態１とエピタキシャル成長装置の構成は同様であるが、リングの上部に複数の開口部が設けられている点で実施形態１と異なっている。
すなわち、図４に示すように、リング１６において、ヒータエレメント１８ａの外周（ヒータエレメント裏面の水平位置より高い位置）に、複数（例えば４か所）の開口部４１が設けられている。そして、リング１６内の圧力は、ウェーハｗの浮きを抑えるため、その外部（反応炉１１内）と比較してわずかに（例えば、０．５〜５ｔｏｒｒ程度）高くなるように、ＳｉＣソースガスの流量が制御されている。そして、供給されたＳｉＣソースガスは、その圧力差により、ヒータエレメント１８ａの上方に流れることなく、開口部４１よりリング１６外部（反応炉１１内）に排出される。
リング１６内のＳｉＣ分圧が高くなることにより、ウェーハｗの裏面へのＳｉＣの堆積が考えられる。しかしながら、このようにしてウェーハエレメントの外周よりＳｉＣソースガスを排出し、ウェーハｗの裏面におけるＳｉＣ分圧の上昇を抑えることにより、実施形態２と同様にウェーハｗの裏面へのＳｉＣの堆積を防止することが可能となる。
本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、サセプタを用いることなく、また、新たなガス供給系を設けることなく、ＳｉＣの堆積によるウェーハの汚染を抑制することが可能となる。
本実施形態によれば、半導体ウェーハｗにエピタキシャル膜などの膜を高い生産性で安定して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ＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４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も可能である。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。
１１…反応炉
１２…ガス供給口
１３…ガス排出口
１４…整流板
１５…ホルダ
１６…リング
１７…回転駆動制御機構
１８…ヒータ
１９…ブースバー
２０…ヒータシャフト
２１…電極
２２、３２…ガス供給ノズル
２５…サセプタ
４１…開口部

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第１のガス供給機構と、
    前記反応炉よりガスを排出するためのガス排出機構と、
    前記ウェーハを載置するウェーハ支持部材と、
    前記ウェーハ支持部材を載置するリングと、
    前記リングと接続され、前記ウェーハを回転させるための回転駆動制御機構と、
    前記リング内に設置され、前記ウェーハを所定の温度に加熱するために設けられ、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータエレメントと、このヒータエレメントと一体成型され、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータ電極部と、を有するヒータと、
    前記リング内にＳｉＣソースガスを供給する第２のガス供給機構と、
    を備えることを特徴とする半導体製造装置。
  2. 前記ウェーハ支持部材は、前記ウェーハ裏面全面を保持す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. 前記ウェーハと前記ヒータエレメントとの間に、不活性ガスを供給する第３のガス供給機構を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体製造装置。
  4. 前記リングは、前記ヒータエレメントの裏面の水平位置より高い位置に、前記ＳｉＣソースガスを排出する開口部を備えることを特徴とする請求項１から請求項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導入し、
    少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータ電極部に電圧印加し、前記ヒータ電極部と一体成型され、少なくとも表面にＳｉＣ層を有するヒータエレメントを発熱させることにより、前記ウェーハを所定温度で加熱し、
    前記ウェーハを回転させ、前記ウェーハ上にプロセスガスを供給することにより、前記ウェーハ上に成膜するとともに、前記ヒータエレメントの裏面側に、ＳｉＣソースガスを供給することを特徴とする半導体製造方法。
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