JP2012033805A - 半導体製造装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハの熱処理を均一化することができる半導体製造装置を提供する。
【解決手段】半導体製造装置は、素子形成面が略水平となるようにウェハ３０２をエッジリング３０３が保持し、保持されたウェハ３０２の素子形成面に同心円状に区分されたゾーン毎にプロセスガスをガス導入口３０７が供給する。このため、プロセスガスの流量をウェハ３０２の素子形成面の同心円状のゾーン毎に制御することができるので、例えば、熱処理時（特に到達温度付近）でのウェハ３０２の外周部でガス流量を下げることにより、ウェハ３０２外周部でのウェハ３０２温度低下を抑制し、熱処理の均一化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェハの素子形成面に半導体回路を形成する複数工程の少なくとも一つを実行する半導体製造装置および方法に関する。

半導体装置の製造工程における熱処理は、ドーパントの活性化のように高温短時間化の傾向と、配線工程のような低温化の傾向の二極化が進んでいる。高温短時間化の熱処理は、わずかな温度の違いが結果に影響するため、装置の枚葉化が進み、より高精度の温度管理が必要になっている。

枚葉熱処理装置の典型は、ランプ加熱のＲＴＰ(Rapid Thermal Process)装置であるが、プロセスガスの流す方向やウェハ外周での温度分布などの影響を受けるため、それらの影響を緩和する装置構成やプロセス条件が重要である。

図６は、あるＲＴＰ装置の構造例である。このＲＴＰ装置では、シリコン基板１０６を素子が形成される面を上にして支持構造体１０８で保持し、ランプなどの加熱要素１１０によりシリコン基板１０６を上方から加熱する。

シリコン基板１０６の裏面（素子が作られる面の反対側）にはパイロメータ１２８が設けられ、シリコン基板１０６の温度をインシチュで測定している。パイロメータ１２８は複数あり、ゾーン毎に温度制御を行なっている。プロセスガスは図の左方向からプロセスチャンバ１００に導入され、図の右方向から排気される(特許文献１)。

図７に、他のＲＴＰ装置を示す。このＲＴＰ装置６０では、シリコン基板１２の置き方が上述の装置と異なっていて、素子１６が形成される面を下にして支持構造体６４，７０で保持している。

ランプ２６などによる加熱は上方から（従って、素子１６が形成される面の反対側から加熱）、パイロメータ４０を用いた温度測定は下方（即ち、素子が形成される面の方）から行なわれている。

このような構成をとっている理由として、温度制御が必要な面の温度を直接測定する重要性を挙げている。例としてＳＯＩ(Silicon On Insualtor)を挙げているが、ＳＯＩ基板の場合、基板内に厚いＳｉＯ_２膜が埋め込まれているので、加熱面と温度測定面が異なるとその間に温度差が生じる（特許文献２）。

特表２００２−５２２９１２ 特表２００７−５２６６３７

上述した特許文献１の従来技術では、プロセスガスが基板の片側の端から導入され、反対側の端付近から排気される構造になっていた。特許文献２の従来技術では、プロセスガスの導入方法は明確でないが、特許文献１と発明者が同じであり、やはり同様な構造と想定される。

短時間で昇降温を行い短時間の熱処理を行う必要がある近年の半導体装置では、プロセスガスに最初に触れるところと、基板中央と、排気口付近では温度差が生じてしまっていた。

長時間一定温度に保たれた熱処理路のような場合には、その一定温度にプロセスガスの温度を上げてから、半導体基板に供給するような方法をとることができたが、半導体基板の温度が短時間に大きく変化する場合、高温のガスを作っておいて供給することは難しい。

この結果として、プロセスガスが供給されるあたりの処理温度は低めにならざるを得なかった。これまで、半導体基板を回転させることでその温度差を緩和してきたが、近年の最先端の微細な半導体装置では、影響を無視することはできなくなっている。

本発明の半導体製造装置は、ウェハの素子形成面に半導体回路を形成する複数工程の少なくとも一つを実行する半導体製造装置であって、素子形成面が略水平となるようにウェハを保持するウェハ保持機構と、保持されたウェハの素子形成面に同心円状に区分されたゾーン毎にプロセスガスを供給するガス供給機構と、を有する。

従って、本発明の半導体製造装置では、素子形成面が略水平となるようにウェハをウェハ保持機構が保持する。保持されたウェハの素子形成面に同心円状に区分されたゾーン毎にプロセスガスをガス供給機構が供給する。このため、プロセスガスの流量をウェハの素子形成面の同心円状のゾーン毎に制御することができる。

本発明の半導体製造方法は、ウェハの素子形成面に半導体回路を形成する複数工程の少なくとも一つを実行する半導体製造方法であって、ウェハを素子形成面が略水平となるように保持し、保持されたウェハの素子形成面に同心円状に区分されたゾーン毎にプロセスガスを供給する。

本発明の半導体製造装置では、プロセスガスの流量をウェハの素子形成面の同心円状のゾーン毎に制御することができるので、例えば、熱処理時（特に到達温度付近）でのウェハの外周側でガス流量を下げることにより、ウェハの外周側でのウェハ温度低下を抑制し、熱処理の均一化を図ることができる。

本発明の実施の形態の半導体形成装置であるＲＴＰ装置の内部構造を示す模式的な縦断面図である。 ＲＴＰ装置のウェハとガス供給機構であるガス導入口と温度検出器であるパイロメータとの位置関係を示す模式的な平面図である。 ＲＴＰ装置の複数のゾーンとパイロメータとの位置関係を示す模式的な平面図である。 ＲＴＰ装置の複数のゾーン毎のガス導入口とウェハとの位置関係を示す模式的な平面図である。 ウェハとプロセスガスの排気方向との関係を示す模式的な平面図である。 第一の従来例のＲＴＰ装置の内部構造を示す模式的な縦断面図である。 第二の従来例のＲＴＰ装置の内部構造を示す模式的な縦断面図である。

本発明の実施の一形態を図１ないし図５を参照して以下に説明する。ただし、本実施の形態に関して前述した一従来例と同一の部分は、同一の名称を使用して詳細な説明は省略する。

図１は本発明の実施形態の半導体製造装置であるＲＴＰ装置３００の断面構造を模式的に示している。本実施の形態のＲＴＰ装置３００は、ウェハ３０２の素子形成面に半導体回路を形成する複数工程の少なくとも一つを実行する。

このため、本実施の形態のＲＴＰ装置３００は、素子形成面が略水平となるようにウェハ３０２を保持するウェハ保持機構であるエッジリング３０３と、保持されたウェハ３０２の素子形成面に同心円状に区分されたゾーン毎にプロセスガスを供給するガス供給機構であるガス導入口３０７と、を有する。

そのエッジリング３０３は、ウェハ３０２を素子形成面が下面となるように保持し、ガス導入口３０７は、ウェハ３０２の素子形成面にプロセスガスを下方から供給する。そして、ガス導入口３０７は、ウェハ３０２の中央側のゾーンほどプロセスガスの供給量が多い。

また、ウェハ３０２の下面から全周方向にプロセスガスを排気させるガス排気機構であるガス排気口３０８と、ウェハ３０２の下面の温度を下方から非接触に検知する温度検知器であるパイロメータ３０６も、有する。さらに、エッジリング３０３は、ウェハ３０２を略鉛直な軸心方向で回転駆動する。

より具体的には、図１に示すように、ＲＴＰ装置３００のチャンバー３０１には円形のウェハ３０２を保持するエッジリング３０３があり、ウェハ３０２は素子が形成される素子形成面を下に裏面３０４を上にして置かれている。

ウェハ３０２の裏面に対向して加熱用のランプ３０５が配置され、ウェハ３０２の素子形成面に対向して上は温度測定用のパイロメータ３０６とプロセスガスのガス導入口３０７が配置されている。

ドーパント活性化などの熱処理だけを目的にする場合には、プロセスガスとして不活性ガス（Ｎ_２、Ｈｅ、Ａｒ）などを用い、表面酸化などを目的にする場合には酸素などの酸化性ガスをプロセスガスに含ませる。チャンバー３０１にはガス排気のためのガス排気口３０８が設けられている。

図２は、例として、パイロメータ３０６とプロセスガスのガス導入口３０７の位置を模式的に示した平面図である。ウェハ３０２の外周３０９を点線で示している。

図３には、温度をゾーン制御するためのゾーン設定例を示している。ゾーンの境界Ａはゾーンａとゾーンｂを分け、ゾーンの境界Ｂはゾーンｂとゾーンｃを分け、ゾーンの境界Ｃはゾーンｃとゾーンｄを分け、ゾーンの境界Ｄはゾーンｄとゾーンｅを分け、ゾーンの境界Ｅはゾーンｅとゾーンｆを分け、ゾーンの境界Ｆはゾーンｆとゾーンｇを分けている。

それぞれのゾーンａ〜ｇに対して複数のパイロメータ３０６が対応している。（図２との比較を容易にするためにパイロメータ３０６を一列に配置して描いたが、一列に並べる必要は無い）。

熱処理時に、ウェハ３０２を保持しているエッジリング３０３を回転することにより円周方向の均一性を上げることができる。そのようにして熱処理時（昇降温時も含む）にウェハ３０２を回転させる場合、プロセスガスの制御ゾーンａ〜ｇは図３および図４で例示したように（温度制御ゾーンと同様）円筒状にすることで十分な均一性を実現できる。

この例では、ゾーン３１６(ｍ)からゾーン３１９(ｑ)の５ゾーンに分けて、それぞれのゾーン３１６(ｍ)〜３１９(ｑ)に属するガス導入口３０７には、共通にプロセスガスを供給する。

温度域によってウェハ３０２の外周部での熱の逃げが異なるため、熱処理時（特に昇降温時）のウェハ３０２の面内の温度分布は異なり、高温域（即ち、実質的な熱処理時）ほどウェハ３０２の周辺が低くなる傾向がある。

従って、到達温度付近のプロセスガス流量分布は温度測定など（酸化でのモニタも可能）で最適化し、昇温時はプロセスガスの流量差を小さくすることで、温度分布をより改善できる。

図５は、プロセスガスの排気方向（その先に排気口がある）を例示した平面図である。この例では、チャンバー３０１の側面に２４箇所のガス排気口３０８を設けている。プロセスガスのガス排気口３０８をチャンバー３０１の下方に設けることで、ウェハ３０２の外周部の排気方向をより均一化することもできる。

本実施例では、素子形成面を下にしてエッジリング状に保持している。このような構成をとり、加えてガスフローをウェハ３０２の中央から外周部に向かうようにすることによって、チャンバー３０１内で発生するパーティクルによる歩留り低下を無くすことができる。

本実施の形態のＲＴＰ装置３００では、上述のように素子形成面が略水平となるようにウェハ３０２をエッジリング３０３が保持する。保持されたウェハ３０２の素子形成面に同心円状に区分されたゾーン毎にプロセスガスをガス導入口３０７が供給する。

このため、プロセスガスの流量をウェハ３０２の素子形成面の同心円状のゾーン毎に制御することができるので、熱処理時（特に到達温度付近）でのウェハ３０２の外周側ほどガス流量を下げることにより、ウェハ３０２の外周側でのウェハ３０２の温度低下を抑制し、熱処理の均一化を図ることができる。

しかも、ウェハ３０２の下面から全周方向にガス排気機構であるガス排気口３０８がプロセスガスを排気させ、ウェハ３０２を略鉛直な軸心方向でエッジリング３０３が回転駆動するので、さらにウェハ３０２の熱処理を全体に均一にすることができる。

さらに、エッジリング３０３は、ウェハ３０２を素子形成面が下面となるように保持し、ガス導入口３０７は、ウェハ３０２の素子形成面にプロセスガスを下方から供給する。このため、パーティクルがウェハ３０２の素子形成面に落下することを防止できるので、半導体装置の歩留りを向上させることができる。

しかも、ウェハ３０２の下面の温度を温度検知器であるパイロメータ３０６が、下方から非接触に検知する。このため、熱処理するウェハ３０２の素子形成面に温度検知器が緩衝することがなく、ウェハ３０２の素子形成面の温度を検知しながらプロセスガスの流量などをリアルタイムに制御することができる。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。また、上述した実施の形態では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１２ シリコン基板
１６ 素子
２６ ランプ
４０ パイロメータ
６０ ＲＴＰ装置
６４，７０ 支持構造体
１００ プロセスチャンバ
１０６ シリコン基板
１０８ 支持構造体
１１０ 加熱要素
１２８ パイロメータ
３００ ＲＴＰ装置
３０１ チャンバー
３０２ ウェハ
３０３ エッジリング
３０４ 裏面
３０５ ランプ
３０６ パイロメータ
３０７ ガス導入口
３０８ ガス排気口
３０９ 外周
３１６〜３１９ ゾーン

Claims (7)

1. ウェハの素子形成面に半導体回路を形成する複数工程の少なくとも一つを実行する半導体製造装置であって、
   前記素子形成面が略水平となるように前記ウェハを保持するウェハ保持機構と、
   保持された前記ウェハの前記素子形成面に同心円状に区分されたゾーン毎にプロセスガスを供給するガス供給機構と、
   を有する半導体製造装置。
2. 前記ウェハ保持機構は、前記ウェハを前記素子形成面が下面となるように保持し、
   前記ガス供給機構は、前記ウェハの前記素子形成面に前記プロセスガスを下方から供給する請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記ガス供給機構は、前記ウェハの中央側の前記ゾーンほど前記プロセスガスの供給量が多い請求項１または２に記載の半導体製造装置。
4. 前記ウェハの下面から全周方向に前記プロセスガスを排気させるガス排気機構を、さらに有する請求項１ないし３の何れか一項に記載の半導体製造装置。
5. 前記ウェハの下面の温度を下方から非接触に検知する温度検知器を、さらに有する請求項１ないし４の何れか一項に記載の半導体製造装置。
6. 前記ウェハ保持機構は、前記ウェハを略鉛直な軸心方向で回転駆動する請求項１ないし５の何れか一項に記載の半導体製造装置。
7. ウェハの素子形成面に半導体回路を形成する複数工程の少なくとも一つを実行する半導体製造方法であって、
   前記ウェハを前記素子形成面が略水平となるように保持し、
   保持された前記ウェハの前記素子形成面に同心円状に区分されたゾーン毎にプロセスガスを供給する半導体製造方法。

Images