JP2012243926A - 半導体製造装置及び半導体製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】アウトヒータのヒータエレメントの円周方向への変形に、ヒータ電極部が追従し、ヒータエレメントやヒータ電極部の破損、周辺部材への接触を防ぐ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】ウェーハ支持部材15を所定の温度に加熱するための、一か所に間隙を有する環状のヒータエレメント19aと、このヒータエレメント19aの各端部に設けられる第１のヒータ電極部と第２のヒータ電極部とを有するヒータ18、19と、第１のヒータ電極部と第２のヒータ電極部とそれぞれ接続される第１の電極部品と第２の電極部品と、第１の電極部品が固定される第１の溝と、第２の電極部品が配置され、ヒータエレメント19aの円周方向において、第１の電極部品と第１の溝との第１の遊びより、第２の電極部品との第２の遊びが大きくなるように設けられる第２の溝とを有するベース28と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】ウェーハ支持部材15を所定の温度に加熱するための、一か所に間隙を有する環状のヒータエレメント19aと、このヒータエレメント19aの各端部に設けられる第１のヒータ電極部と第２のヒータ電極部とを有するヒータ18、19と、第１のヒータ電極部と第２のヒータ電極部とそれぞれ接続される第１の電極部品と第２の電極部品と、第１の電極部品が固定される第１の溝と、第２の電極部品が配置され、ヒータエレメント19aの円周方向において、第１の電極部品と第１の溝との第１の遊びより、第２の電極部品との第２の遊びが大きくなるように設けられる第２の溝とを有するベース28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、膜厚均一性の向上など高品質化が要求されている。
枚葉式のエピタキシャル成膜装置を用い、例えば反応室内において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したヒータ電極部を設け、ヒータエレメントの下方で電極部品と接続される（例えば特許文献１など参照）。
通常、ヒータとして、主にウェーハを加熱するためのインヒータと、主にウェーハの外周からの温度低下（熱逃げ）を防止するためのアウトヒータが設けられている。
インヒータにおいては、円形平板にスリットが刻まれたヒータエレメントが用いられ、ヒータエレメントの中心を挟んで対称な位置にヒータ電極部が設けられている。スリットは、例えばヒータ電極部を結ぶ中心線と９０°の角度で刻まれた場合、温度上昇に伴う変形は中心線方向となる。ヒータ電極部は、電極部品に固定するためのボルトに遊びを設けるなどにより、ヒータエレメントの変形に追従して動き、ヒータエレメントの破損を防止することが可能である。
一方、アウトヒータにおいては、一か所分離された環状（Ｃ形状）のヒータエレメントが用いられ、両端部にヒータ電極部が並んで設けられている。そのため、温度上昇に伴うヒータエレメントの変形は端部が広がる方向（円周方向）となる。
近年、成膜プロセスの高温化に伴い、ヒータエレメントの変形量が増大している。そのため、円周方向へのヒータ電極部の追従が困難となり、ヒータエレメントが破損したり、ヒータエレメントやヒータ電極部が周辺部材に接触し、短絡するという問題が生じている。そのため、生産性が低下し、安定して良好な成膜を行うことが困難となる。
そこで、本発明は、アウトヒータのヒータエレメントの円周方向への変形に、ヒータ電極部が追従し、ヒータエレメントやヒータ電極部の破損、周辺部材への接触を防ぐ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、ウェーハが導入される反応室と、反応室にプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、反応室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、ウェーハを回転させるための回転駆動制御機構と、ウェーハ支持部材を所定の温度に加熱するための、一か所に間隙を有する環状のヒータエレメントと、このヒータエレメントの各端部に設けられる第１のヒータ電極部と第２のヒータ電極部とを有するヒータと、第１のヒータ電極部と第２のヒータ電極部とそれぞれ接続される第１の電極部品と第２の電極部品と、第１の前記電極部品が固定される第１の溝と、第２の前記電極部品が配置され、ヒータエレメントの円周方向において、第１の電極部品と第１の溝との第１の遊びより、第２の電極部品との第２の遊びが大きくなるように設けられる第２の溝とを有するベースと、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、第１の電極部品と前記第２の電極部品と、前記ウェーハの回転中心軸においてそれぞれ接続される第１の電極ロッドと第２の電極ロッドを有し、前記第２の電極ロッドが、前記ヒータの変形に追従して回転可能であることが好ましい。この場合、前記第１の電極ロッドは固定されることが好ましい。
また、本発明の一態様の半導体製造装置において、第２の電極部品の外周側端部における前記第２の遊びが、１．０〜２．５ｍｍであることが好ましい。
本発明の半導体製造方法は、反応室内にウェーハを導入して、ウェーハ支持部材上に載置し、ウェーハ支持部材の下部に設けられ、一か所が分離された環状のヒータエレメントの各端部にそれぞれ設けられたヒータ電極部に電圧印加し、ヒータエレメントを発熱させることにより、ウェーハ支持部材を所定温度で加熱するとともに、いずれかのヒータ電極部をヒータエレメントの変形に追従させ、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ことを特徴とする。
本発明によれば、半導体製造工程において、アウトヒータのヒータエレメントの円周方向への変形に、ヒータ電極部が追従し、ヒータエレメントやヒータ電極部の破損、周辺部材への接触を防ぐことが可能となる。
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
（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１に示すように、例えばφ１５０ｍｍのＧａＮ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。
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１に示すように、例えばφ１５０ｍｍのＧａＮ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、キャリア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。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１８、アウトヒータ１９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（図示せず）と接続されている。そして、これらインヒータ１８、アウトヒータ１９から下方への熱を反射し、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。
インヒータ１８は、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。また、アウトヒータ１９は、一か所に間隙を有する環状のヒータエレメント１９ａと、一体成型されたヒータ電極部１９ｂから構成されている。各ヒータ電極部１８ｂ、１９ｂ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、ヒータ電極部１８ｂ、１９ｂはそれぞれ２カ所に設けられる。
リング１６内部下方には、ヒータ電極部１８ｂ、１９ｂとそれぞれボルト２１などにより接続される電極部品であるブースバー２２、２３が設置されている。ブースバー２２、２３は、カーボンからなり、さらにＳｉＣ膜がコーティングされている。そして、ヒータシャフト２４に固定され、ヒータシャフト２４下方で外部電源（図示せず）と接続される電極ロッド２５、２６と、ボルト２７などにより接続されている。電極ロッド２５、２６には、モリブデンなどの材料が用いられる。ブースバー２２の下方には、溝が設けられた例えば石英製のベース２８が設けられている。
図２Ａにアウトヒータ１９の上面図を、図２Ｂにアウトヒータ１９の側面図を、図３にベース２８の上面図を、それぞれ示す。図に示すように、アウトヒータ１９のヒータエレメント１９ｂの各端部には、ヒータ電極部１９ｂ１、１９ｂ２が一体成形されており、それぞれ電極ロッド２６ａ、２６ｂと接続されるブースバー２３ａ、２３ｂと接続されている。ベース２８には、ブースバー２３ａ、２３ｂが配置される溝２８ａ、２８ｂが形成されている。溝２８ａは、ブースバー２３ａの位置決め、すなわちヒータの設置基準とするために設けられ、溝内にブースバー２３ａが固定されている。
ここで、ウェーハｗをＧａＮの成膜温度である１７００℃程度で加熱するためには、ヒータエレメント１９ａの温度は１８００℃程度とする必要がある。このような高温において、ヒータエレメント１９ａは大きく変形する。このとき、ヒータエレメント１９ａは、間隙が開く方向（円周方向）に変形するため、ブースバー２３ｂがベース２８に固定されていると、ヒータ電極部１９ｂの上部は円周方向へ動きに追従しようとするが、下部はブースバー２３ｂに固定されているため、ヒータエレメント１９ａやヒータ電極部１９ｂが破損してしまう。
そのため、溝２８ｂは、ブースバー２３ｂの寸法より大きくなるように形成され、ブースバー２３ｂとの間に遊びが設けられている。遊びは、予め、成膜温度におけるヒータの変形に追従してブースバー２３ｂが動く方向、距離などを、解析することにより求められる。本実施形態のようにφ１５０ｍｍウェーハｗを用いてウェーハ温度：１７００℃で成膜する場合、ブースバー２３ｂの外周側端部において、例えば１．５〜２．５ｍｍとする。
さらに、図４にヒータシャフト２４の下部断面図を示すように、電極ロッド２６ａは、ナット２９ａによりテフロン（登録商標）パイプ３０に固定されるが、電極ロッド２６ｂに肩部３１を設け、ヒータ電極部１９ｂ２とベース２８との間に、微小な間隙が形成されるように、ナット２９ｂによりテフロン（登録商標）パイプ３０に固定される。このようにして、電極ロッド２６ｂ２を回転可能とする。
このような構成により、ヒータ電極部１９ｂ２、ブースバー２３ｂ、電極ロッド２６ｂが、ヒータエレメント１９ａの変形に追従可能とする。
このような半導体製造装置を用いて、ウェーハｗ上に、ＧａＮ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を搬入し、サセプタ１５上に載置する。
そして、インヒータ１８、アウトヒータ１９を、それぞれ温度制御機構により例えば１８００℃とすることにより、ウェーハｗが例えば１６５０℃となるように加熱するとともに、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。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、例えばソースガスとして、アンモニア（ＮＨ３）：トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）が、アルゴンガス（Ａｒ）により所定の濃度に希釈され、例えばそれぞれ５０ＳＬＭ：５０ＳＬＭ供給される。
このとき、アウトヒータ１９において、ヒータエレメント１９ａは、温度上昇に伴い、間隙が開く方向（円周方向）に変形する。そして、その変形に追従して、ヒータ電極部１９ｂが円周方向に動き、併せてブースバー２３ｂ、電極ロッド２６ｂ２が回転する。
一方、余剰となったプロセスガス、反応副生成物などからなる排出ガスは、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ＧａＮエピタキシャル膜を成長させる。
本実施形態によれば、アウトヒータ１９において、ヒータ電極部１９ｂ、ブースバー２３ｂ、電極ロッド２６ｂ２を、ヒータエレメント１９ａの温度上昇に伴う変形に追従させることができるため、ヒータエレメントやヒータ電極部の破損、周辺部材への接触を防ぐことができる。従って、生産性の低下を抑え、安定して良好な成膜を行うことが可能となる。
そして、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。
本実施形態においては、ＧａＮエピタキシャル膜形成の場合を例に挙げたが、その他、ＳｉＣなどの化合物半導体についても、同様に適用することができる。また、Ｓｉエピタキシャル膜についても、適用することができる。この場合、高いレートで厚膜形成するために、プロセスガスとして、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を用い、成膜温度を１０００〜１１００℃程度とする。そのため、ヒータエレメント１９ａの温度は、１３００〜１４００℃程度とする必要がある。このような場合、ブースバー２３ｂの外周側端部における遊びは、φ１５０ｍｍウェーハｗで、例えば１．０〜２．０ｍｍとすることができる。
また、本実施形態は、ＧａＮ、ＳｉＣ以外の、例えばＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなど化合物半導体のエピタキシャル層や、ポリＳｉ層や、例えばＳｉＯ２層やＳｉ３Ｎ４層などの絶縁膜の成膜時に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…サセプタ
１６…リング
１７…回転駆動制御機構
１８…インヒータ
１９…アウトヒータ
２０…リフレクタ
２２、２３…ブースバー
２４…ヒータシャフト
２５、２６…電極ロッド
２７…ボルト
２８…ベース
２８ａ、２８ｂ…溝
２９ａ、２９ｂ…ナット
３０…テフロン（登録商標）パイプ
３１…肩部
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…サセプタ
１６…リング
１７…回転駆動制御機構
１８…インヒータ
１９…アウトヒータ
２０…リフレクタ
２２、２３…ブースバー
２４…ヒータシャフト
２５、２６…電極ロッド
２７…ボルト
２８…ベース
２８ａ、２８ｂ…溝
２９ａ、２９ｂ…ナット
３０…テフロン（登録商標）パイプ
３１…肩部
（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。例えばφ１５０ｍｍのＧａＮ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が設けられる。
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。例えばφ１５０ｍｍのＧａＮ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が設けられる。
図１に示すように、反応室１１の上部には、ソースガス、キャリア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。
図２Ａにアウトヒータ１９の上面図を、図２Ｂにアウトヒータ１９の側面図を、図３にベース２８の上面図を、それぞれ示す。図に示すように、アウトヒータ１９のヒータエレメント１９ａの各端部には、ヒータ電極部１９ｂ１、１９ｂ２が一体成形されており、それぞれ電極ロッド２６ａ、２６ｂと接続されるブースバー２３ａ、２３ｂと接続されている。ベース２８には、ブースバー２３ａ、２３ｂが配置される溝２８ａ、２８ｂが形成されている。溝２８ａは、ブースバー２３ａの位置決め、すなわちヒータの設置基準とするために設けられ、溝内にブースバー２３ａが固定されている。
さらに、図４にヒータシャフト２４の下部断面図を示すように、電極ロッド２６ａは、ナット２９ａによりテフロン（登録商標）パイプ３０に固定されるが、電極ロッド２６ｂに肩部３１を設け、ヒータ電極部１９ｂ２とベース２８との間に、微小な間隙が形成されるように、ナット２９ｂによりテフロン（登録商標）パイプ３０に固定される。このようにして、電極ロッド２６ｂを回転可能とする。
そして、インヒータ１８、アウトヒータ１９を、それぞれ温度制御機構により例えば１８００℃とすることにより、ウェーハｗが例えば１６５０℃となるように加熱するとともに、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。そして、プロセスガス供給機構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、例えばソースガスとして、アンモニア（ＮＨ３）：トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）が、アルゴンガス（Ａｒ）により所定の濃度に希釈され、例えばそれぞれ５０ＳＬＭ：５０ＳＬＭ供給される。
このとき、アウトヒータ１９において、ヒータエレメント１９ａは、温度上昇に伴い、間隙が開く方向（円周方向）に変形する。そして、その変形に追従して、ヒータ電極部１９ｂ ２ が円周方向に動き、併せてブースバー２３ｂ、電極ロッド２６ｂが回転する。
本実施形態によれば、アウトヒータ１９において、ヒータ電極部１９ｂ ２ 、ブースバー２３ｂ、電極ロッド２６ｂを、ヒータエレメント１９ａの温度上昇に伴う変形に追従させることができるため、ヒータエレメントやヒータ電極部の破損、周辺部材への接触を防ぐことができる。従って、生産性の低下を抑え、安定して良好な成膜を行うことが可能となる。
Claims (5)
- ウェーハが導入される反応室と、
前記反応室にプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、
前記反応室よりガスを排出するためのガス排出機構と、
前記ウェーハを載置するウェーハ支持部材と、
前記ウェーハを回転させるための回転駆動制御機構と、
前記ウェーハ支持部材を所定の温度に加熱するための、一か所に間隙を有する環状のヒータエレメントと、このヒータエレメントの各端部に設けられる第１のヒータ電極部と第２のヒータ電極部とを有するヒータと、
前記第１のヒータ電極部と前記第２のヒータ電極部とそれぞれ接続される第１の電極部品と第２の電極部品と、
前記第１の電極部品が固定される第１の溝と、前記第２の電極部品が配置され、前記ヒータエレメントの円周方向において、前記第１の電極部品と前記第１の溝との第１の遊びより、前記第２の電極部品との第２の遊びが大きくなるように設けられる第２の溝とを有するベースと、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。 - 前記第１の電極部品と前記第２の電極部品と、前記ウェーハの回転中心軸においてそれぞれ接続される第１の電極ロッドと第２の電極ロッドを有し、前記第２の電極ロッドが、前記ヒータの変形に追従して回転可能であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
- 前記第１の電極ロッドが固定されることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
- 前記第２の電極部品の外周側端部における前記第２の遊びが、１．０〜２．５ｍｍであ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。
- 反応室内にウェーハを導入して、ウェーハ支持部材上に載置し、
前記ウェーハ支持部材の下部に設けられ、一か所が分離された環状のヒータエレメントの各端部にそれぞれ設けられたヒータ電極部に電圧印加し、前記ヒータエレメントを発熱させることにより、前記ウェーハ支持部材を所定温度で加熱するとともに、いずれかの前記ヒータ電極部を前記ヒータエレメントの変形に追従させ、
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ことを特徴とする半導体製造方法。
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