JP2011198943A - 半導体製造装置及び半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温かつ高速回転時にウェーハを確実に保持することができ、ウェーハに均一な成膜を行うことが可能な半導体製造装置及び半導体製造方法を提供する。
【解決手段】ウェーハwが成膜処理される反応室11と、反応室11の上部に設けられ、プロセスガスを内部に導入するためのガス供給機構12と、反応室の下部に設けられ、反応室よりガスを排出するためのガス排出機構13と、成膜処理の際に、ウェーハwの端部が所定位置となるように保持するために設けられ、所定位置の上部より中心方向に突出したウェーハ外れ防止部を有する支持部材15と、ウェーハwを支持部材15の上方において保持し、上下駆動可能な突き上げ機構21と、ウェーハwを所定の温度分布となるように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駆動機構17と、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うために用いられる半導体製造装置及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。これまでも、加熱しながら回転させてエピタキシャル成長を行う半導体製造装置が用いられているが、さらなる高回転化により、生産性高く、均一な成膜を得ることが期待されている。

通常、このような半導体製造装置において、サセプタによりウェーハを保持して、加熱・回転させている。このとき、加熱する際にウェーハに熱応力がかかることから、ウェーハ裏面にある程度間隙を設けるなどにより、熱応力を開放する手法が用いられている。

しかしながら、このようにしてウェーハを保持して高速回転した場合、成膜中に何らかの問題によりウェーハ表面と裏面の圧力の不均一が生じると、ウェーハが浮き上がって外れ、破損してしまう。ウェーハの破損は、歩留りの低下のみならず、破損したウェーハの除去のために、生産性が低下する、という問題を引き起こす。

ウェーハの浮き上がりを抑制するためには、例えば、ウェーハを押圧する部材が設けることが有効であると考えられる（例えば特許文献１など参照）。しかしながら、押圧する部材の機構が複雑であり、押圧する部材に反応副生成物が堆積し、稼動時の摺動などにより、ダストが発生し、反応室内を汚染するなどの問題がある。従って、できるだけ簡単な機構で、ウェーハの浮き上がりを抑制する機構が要求されている。

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、高温かつ高速回転時にウェーハを確実に保持することができ、ウェーハに均一な成膜を行うことが可能な半導体製造装置及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、ウェーハが成膜処理される反応室と、反応室の上部に設けられ、プロセスガスを内部に導入するためのガス供給機構と、反応室の下部に設けられ、反応室よりガスを排出するためのガス排出機構と、成膜処理の際に、ウェーハの端部が所定位置となるように保持するために設けられ、所定位置の上部より中心方向に突出したウェーハ外れ防止部を有する支持部材と、ウェーハを支持部材の上方において保持し、上下駆動可能な突き上げ機構と、ウェーハを所定の温度分布となるように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駆動機構と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様の半導体製造装置において、ウェーハの反り量を検出するための反り量検出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、ウェーハが支持部材上に載置されているかどうかを検出するための位置検出機構を備えることが好ましい。

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、ウェーハを所定の温度分布となるように加熱して、ウェーハに所定量の反りを発生させ、ウェーハを、所定量の反りが発生した状態で、ウェーハ外れ防止部が上部に設けられた支持部材上に載置し、ウェーハを均熱化し、平坦化することにより、ウェーハ外れ防止部の下部にウェーハの端部を配置し、ウェーハの表面に、プロセスガスを供給し、ウェーハを回転させながら加熱して、ウェーハの表面に成膜することを特徴とする。

また、本発明の一態様の半導体製造方法において、所定量の反りは、上に凸の反りであることが好ましい。

本発明によれば、高速回転時にウェーハを確実に保持することができ、ウェーハの上に均一な成膜を行うことが可能となる。

本発明の一態様に係る成膜装置の断面図である。 本発明の一態様に係るサセプタの上面図である。 図２のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の一態様に係る半導体製造工程を示す図である。 本発明の一態様に係る半導体製造工程を示す図である。 本発明の一態様に係る半導体製造工程を示す図である。 本発明の一態様に係る半導体製造工程を示す図である。 本発明の一態様に係るサセプタ断面の部分拡大図である。 本発明の一態様に係るサセプタの上面図である。 図９のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の一態様に係るホルダの上面図である。 図１１のＣ−Ｃ’断面図である。 本発明の一態様に係る半導体製造工程を示す図である。 本発明の一態様に係る半導体製造工程を示す図である。 本発明の一態様に係る成膜装置の断面図である。 本発明の一態様に係る成膜装置の断面図である。

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成膜装置の断面図を示す。図に示すように、例えばφ１５０．０ｍｍのウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、必要に応じてその内壁を覆うように石英カバー１１ａが設けられている。

反応室１１の上部には、ソースガス、希釈ガスを含むプロセスガスを供給するためのプロセスガス供給機構１２と接続されたガス供給口１２ａが設けられている。そして、反応室１１下方には、例えば２か所に、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機構１３と接続されたガス排出口１３ａが設置されている。

ガス供給口１２ａの下方には、供給されたプロセスガスを整流して供給するための微細貫通孔を有する整流板１４が設けられている。

そして、整流板１４の下方には、ウェーハｗを載置するための支持部材である、例えばＳｉＣからなるサセプタ１５が設けられている。

図２にサセプタ１５の上面図を、図３にそのＡ−Ａ’断面図を示す。サセプタ１５は、ウェーハを載置するために、ザグリ加工されている。ザグリ部の内径ｄ_２は、例えばｄ_２＝１５０．４ｍｍと、短破線で示すウェーハｗの径ｄ_１＝１５０．０ｍｍより若干大きく形成されている。そして、サセプタ１５の外周部１５ａ上、例えば３か所に、例えば、サセプタ１５と同じＳｉＣからなるウェーハ外れ防止部１５ｂが、サセプタ１５の外周部の端部より突出するように、溶接などにより固定されて設けられている。例えば、ウェーハ外れ防止部１５ｂを、サセプタ１５の外周部１５ａの端部より、０．４ｍｍ突出させた場合、長破線で示すウェーハ外れ防止部１５ｂの内周側端部を結ぶ円の径ｄ_３は、ｄ_３＝１４９．６ｍｍとなる。

このように構成されるサセプタ１５は、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を介して、モータ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、例えばＳｉＣからなるインヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂから構成されるヒータが設置されており、それぞれ温度制御機構１９と接続されている。そして、これらインヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂ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２０が設置されている。

さらに、サセプタ１５、インヒータ１８ａ、リフレクタ２０を貫通するように、ウェーハｗを裏面より支持し、例えば３本のピンを備える突き上げピン２１が設置されている。突き上げピン２１は上下駆動制御機構２２により上下駆動可能となっており、搬入されたウェーハｗをサセプタ１５の上方で載置し、下降させることにより、ウェーハｗをサセプタ１５上に載置させることができる。

このような半導体製造装置を用いて、ウェーハｗ上に、Ｓｉエピタキシャル膜が形成される。

先ず、搬送アーム（図示せず）などにより、反応室１１にウェーハｗが搬入される。そして、上下駆動制御機構２２により上昇させた突き上げピン２１上にウェーハｗを載置する。

この状態で、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂを、それぞれ温度制御機構１９により所定の温度とすることにより、ウェーハｗの中心部を例えば６００℃、外周部を５００℃と、中心部を外周部より５０〜１００℃程度高温となるように、温度分布を制御する。

このようにして温度分布を制御することにより、図４に示すように、ウェーハｗには、例えば反り量ｈ＝１５ｍｍの、上が凸の反りが発生するとともに、ウェーハｗ外周の径は、例えば約１ｍｍ小さくなり、１４９．０ｍｍとなる。

このようにウェーハｗに反りが生じた状態で、上下駆動制御機構２２により、突き上げピン２１を下降させる。このとき、ウェーハｗ外周の径は、ウェーハ外れ防止部１５ｂの内周側端部を結ぶ円の径ｄ_３＝１４９．６ｍｍより小さくなっている。従って、ウェーハｗをサセプタ１５の中心となるように配置することにより、図５に示すように、ウェーハｗは、ウェーハ外れ防止部１５ｂの内周側端部の内側を通って、サセプタ１５上に載置される。

この状態で、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂを、それぞれ温度制御機構１９により所定の昇温速度とすることにより、ウェーハｗを均熱化しながら加熱する。均熱化により、ウェーハｗは、図６に示すように、平坦化され、その端部は、ウェーハ外れ防止部１５ｂの下部に配置される。

この状態で、そして、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂにより、ウェーハｗ裏面を例えば１１００℃となるように加熱するとともに、回転駆動制御機構１９により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させる。そして、プロセスガス供給制御機構１２により流量が制御されて混合されたプロセスガスが、整流板１４を介して、整流状態でウェーハｗ上に供給される。プロセスガスは、例えばトリクロロシラン濃度が２．５％となるように調製され、例えば５０ＳＬＭで供給される。

一方、余剰となったＴＣＳを含むプロセスガス、反応副生成物であるＨＣｌなどからなる排出ガスは、石英カバー１１ａとサセプタ１５との間より、下方に排出される。なお、石英カバー１１ａを設けない場合、反応室１１とサセプタ１５との間より排出される。

さらに、これらのガスは、ガス排出口１３ａよりガス排出機構１３を介して排出され、反応室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。

そして、成膜処理の終了後、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂを、それぞれ温度制御機構１９により所定の温度（降温速度）とすることにより、ウェーハｗの中心部を外周部より５０〜１００℃程度高温となるように、温度分布を制御する。

このようにして温度分布を制御することにより、ウェーハｗには、例えば反り量１５ｍｍの、上が凸の反りが再び発生し、ウェーハｗ外周の径は、同様に例えば約１ｍｍ小さくなり、１４９．０ｍｍとなる。

そして、このようにウェーハｗに反りが生じた状態で、図７に示すように、突き上げピン２１によりウェーハｗを上昇させる。このとき、ウェーハｗ外周の径は、ウェーハ外れ防止部１５ｂの内周側端部を結ぶ円の径ｄ_３より小さくなっているため、ウェーハｗは、ウェーハ外れ防止部１５ｂの内周側端部の内側を通って、上昇され、搬送アーム（図示せず）により反応室１１より搬出される。

このように、ウェーハ外れ防止部１５ｂを設け、温度分布を制御することにより、その内周側端部を結ぶ円の径よりウェーハｗの外径を小さくして搬入後、平坦化することにより、高速回転においても、サセプタ１５上に安定して支持することが可能となる。そして、ウェーハｗの上下圧力不均一による浮き上がりを抑えることができる。例えば、成膜反応中に何らかの不具合が生じてガスの供給を停止した場合、あるいはサセプタ１５の回転を停止した場合、ウェーハｗの上部が減圧状態となる。このような場合でも、ウェーハ外れ防止部１５ｂが、ウェーハｗの外周部を押さえ、ウェーハｗの浮き上がりを抑えることができる。

さらに、ウェーハｗの浮き上がりを抑えることにより、サセプタ１５より脱落、破損することによる歩留り低下を抑えることができる。そして、脱落、破損した際に、反応室１１を開放してメンテナンスを行う必要があるが、メンテナンス頻度を大幅に減少させ、生産性を向上させることができる。

本実施形態において、ウェーハ外れ防止部を、ウェーハｗ面に平行となるように設けているが、図８に示すように、上部のテーパを設けてもよい。テーパを設けることにより、ウェーハｗ面上より余剰なプロセスガス、反応生成物などの排ガスを、流れを阻害させることなく排出させ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と同様の半導体製造装置が用いられるが、サセプタにおいて、ウェーハ外れ防止部がウェーハのベベルに沿うように設けられている点で実施形態１と異なっている。

図９にサセプタ２５の上面図を、図１０にそのＢ−Ｂ’断面図を示す。図に示すように、サセプタ２５の外周部２５ａに、ウェーハ外れ防止部２５ｂが、ウェーハｗのベベルに沿うように、かつ、ウェーハｗの厚さと同じ高さとなるように設けられている。

このようなサセプタ２５を用いて、実施形態１と同様に、ウェーハｗが搬入された後、温度分布を制御することにより、反りを発生させ、環状のウェーハ外れ防止部２５ｂの内周径よりウェーハｗの外径を小さくしてサセプタ２５に載置する。

そして、ウェーハｗを均熱化することにより平坦化させる。このとき、ウェーハｗ上面とウェーハ外れ防止部２５ｂの上面が一致している。そして、実施形態１と同様に、成膜処理が行われる。成膜処理終了後、再度反りを発生させ、搬出される。

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。さらに、ウェーハ外れ防止部を、環状とし、ウェーハｗのベベルに沿うように、かつ、ウェーハｗの厚さと同じ高さとなるようにすることにより、排ガス流の乱れを抑え、ウェーハｗの外周部における膜厚均一性を向上させることができる。

（実施形態３）
本実施形態において、実施形態１と同様の半導体製造装置が用いられるが、ウェーハｗの保持部材が環状のホルダで、ウェーハｗを下に凸に反らせている点で実施形態１と異なっている。

図１１にホルダ３５の上面図を、図１２にそのＣ−Ｃ’断面図を示す。図に示すように、ホルダ３５には、例えば３か所にウェーハ外れ防止部３５ｂが設けられている。そして、ホルダ３５の下部の内径は、ウェーハ外れ防止部３５ｂの内周側端部を結ぶ円の径より小さくなっている。

このようなホルダ３５を用いて、ウェーハｗが搬入された後、実施形態１と同様に温度分布を制御する。例えば、ウェーハｗの中心部を６００℃、外周部を６３０℃と、中心部を外周部より２０〜３０℃程度高温とする。

このようにして温度分布を制御することにより、図１３に示すように、ウェーハｗには、例えば反り量ｈ＝１５ｍｍの、下が凸の反りが発生するとともに、ウェーハｗ外周の径は、例えば約１ｍｍ小さくなり、１４９．０ｍｍとなる。

このようにウェーハｗに反りが生じた状態で、ウェーハｗを下降させる。ウェーハｗは、ウェーハ外れ防止部３５ｂの内周側端部の内側を通って、その外周部がホルダ３５上に載置される。ホルダ３５の下部の内径は、ウェーハ外れ防止部３５ｂの内周側端部を結ぶ円の径より小さくなっているため、図１４に示すように、ウェーハｗは脱落することなく、ホルダ３５の下部に中心部が突出した状態で保持される。

そして、実施形態１と同様に、均熱化することにより平坦化させる。そして、実施形態１と同様に、成膜処理を行う。成膜処理終了後、再度同様に温度分布を制御することにより、反りを発生させ、搬出される。

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。また、実施形態２と同様に、ウェーハ外れ防止部を、環状とし、ウェーハｗのベベルに沿うように、かつ、ウェーハｗの厚さと同じ高さとなるようにしてもよい。これにより、実施形態２と同様の効果を得ることができる。

これら実施形態において、ウェーハｗに発生させる反り量は、予めその反り量が得られる条件（温度分布）を求め、その条件（温度分布）に制御することにより、所定の反り量を発生させることができる。また、図１５に示すように、反応室４１上部に、位置センサなどを用いた反り量検出機構４２を設けてもよい。反り量検出機構４２を設け、これを上下駆動制御機構４３と接続することにより、より正確に反り量（ウェーハ外周の径）を求めることができ、適切な反り量の時にウェーハｗを上下移動させることができる。また、さらに温度制御機構４４と接続することにより、予め条件を求めることなく、検出される反り量が所定の値になるように、温度分布を制御することができる。

さらに、ウェーハ外れ防止部とウェーハｗとの遊びはサブミリオーダーであることから、ウェーハｗを保持部材に載置する際に、突き上げピンなどの位置がずれると、ウェーハ外れ防止部上にウェーハｗの端部が乗り上げ、ウェーハｗが外れたままの状態となる。そこで、図１６に示すように、反応室５１の内部に位置検出機構５２を設け、例えば、ウェーハ外れ防止部５３の上面の温度を測定することにより、ウェーハｗが乗り上げているか否かを検出する。そして、位置検出機構５２と上下駆動制御機構５４を接続することにより、乗り上げていると検出された場合は、再度突き上げピンを上昇させ、搬送アームにより反応室より搬出し、再度位置合せを行った上で、搬入することにより、位置を調整することができる。

これら実施形態によれば、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ＳｉＣ膜、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も可能である。特に、周縁部の結晶性が厳密に要求されない、ＳｉＣ膜、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜や、ポリＳｉ層などにおいて、好適に用いることができる。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、４１、５１…反応室
１１ａ…石英カバー
１２…プロセスガス供給機構
１２ａ…ガス供給口
１３…ガス排出機構
１３ａ…ガス排出口
１４…整流板
１５、２５…サセプタ
１５ａ…外周部
１５ｂ、２５ｂ、３５ｂ、５３…ウェーハ外れ防止部
１６…リング
１７…回転駆動制御機構
１８ａ…インヒータ
１８ｂ…アウトヒータ
１９、４４…温度制御機構
２０…リフレクタ
２１…突き上げピン
２２、４３、５４…上下駆動制御機構
３５…ホルダ
４２…反り量検出機構
５２…位置検出機構

Claims (5)

1. ウェーハが成膜処理される反応室と、
   前記反応室の上部に設けられ、プロセスガスを内部に導入するためのガス供給機構と、
   前記反応室の下部に設けられ、前記反応室よりガスを排出するためのガス排出機構と、
   前記成膜処理の際に、前記ウェーハの端部が所定位置となるように保持するために設けられ、前記所定位置の上部より中心方向に突出したウェーハ外れ防止部を有する支持部材と、
   前記ウェーハを前記支持部材の上方において保持し、上下駆動可能な突き上げ機構と、
   前記ウェーハを所定の温度分布となるように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駆動機構と、
   を備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記ウェーハの反り量を検出するための反り量検出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. 前記ウェーハが支持部材上に載置されているかどうかを検出するための位置検出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. 反応室内にウェーハを搬入し、
   前記ウェーハを所定の温度分布となるように加熱して、前記ウェーハに所定量の反りを発生させ、
   前記ウェーハを、前記所定量の反りが発生した状態で、ウェーハ外れ防止部が上部に設けられた支持部材上に載置し、
   前記ウェーハを均熱化し、平坦化することにより、前記ウェーハ外れ防止部の下部に前記ウェーハの端部を配置し、
   前記ウェーハの表面に、プロセスガスを供給し、
   前記ウェーハを回転させながら加熱して、前記ウェーハの表面に成膜することを特徴とする半導体製造方法。
5. 前記所定量の反りは、上に凸の反りであることを特徴とする請求項４に記載の半導体製造方法。

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