JP2013251558A - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ウェーハを均一に加熱することができ、生産性高く、均一な成膜を行う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。
【解決手段】本発明の半導体製造装置を構成するヒータ１７ｂは、ウェーハｗと離間するように設置され、ウェーハｗの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、中央部にそれぞれ電極が設けられ、これらの電極が共通の配線用部品に対して接続された複数のエレメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウェーハを加熱しながらプロセスガスを供給して成膜を行なう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手法が用いられている。

このとき、膜厚均一性を得るためには、ヒータによりウェーハを均一に加熱する必要があり、例えば、ウェーハ全面を加熱するためのインヒータに加えて、温度が下がる外周部を加熱するアウトヒータが設けられている（例えば特許文献１など参照）。

近年、さらなる生産性の向上を図るために、例えばφ３００ｍｍの大口径ウェーハが用いられている。そして、このような大口径ウェーハを加熱するためのヒータも大口径化が要求される。

しかしながら、例えばＳｉＣなどからなるヒータ部材は、熱により膨張する。そして、熱応力により固定箇所にストレスがかかり、破損してしまうという問題がある。さらに、特に大口径化してヒータ部材が大きくなると、ヒータ位置精度の低下が顕著となるとともに、反りなどにより、均一な温度制御が困難となるという問題がある。

特開平１０−２０８８５５号公報（［００１７］［００１８］、図８など）

上述したように、半導体製造装置に用いられるヒータ部材は、熱応力により破損し、メンテナンス頻度の増大により生産性が低下する。また、ウェーハの大口径化に伴い、ヒータ部材が大口径化すると、ヒータ位置精度の低下が顕著となるとともに、反りなどにより均一な温度制御が困難となる。

そこで、本発明は、ウェーハを均一に加熱することができ、生産性高く、均一な成膜を行う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室と、この反応室の上部に配置され、プロセスガスを供給するガス供給機構と、反応室からガスを排出するガス排出機構と、ウェーハを保持するサセプタと、ウェーハと離間するように設置され、ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、中央部にそれぞれ電極が設けられ、これらの電極が共通の配線用部品に対して接続された複数のエレメントを有するヒータと、ウェーハを回転させる回転駆動機構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は、電極と接続される第１の接続面を有する第１の配線用部品と、第１の配線用部品と接続される第２の接続面を有し、この第２の接続面は、第１の接続面と垂直である第２の配線用部品と、第２の配線用部品と接続される第３の接続面を有し、この第３の接続面は、第１の接続面および第２の接続面と垂直である第３の配線用部品を更に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、第１〜第３の接続面は、それぞれ接続位置の変動が可能であることが好ましい。

また、本発明の一態様の半導体製造装置において、ヒータは、少なくとも中心部と外周部で分割され、それぞれ独立して電流を供給する電極を有してもよい。

また、本発明の一態様の半導体製造装置において、ヒータは、ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、それぞれ電極が設けられた複数のエレメントを備えてもよい。

また、本発明の一態様の半導体製造方法は、反応室内でウェーハを保持し、ウェーハの表面に、プロセスガスを供給し、反応室よりガスを排出して、反応室内を所定の圧力となるように調整し、ウェーハを回転させ、ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるように配置されたヒータを構成する複数のエレメントの各中央部にそれぞれ設けられ、かつ、共通の配線用部品に接続された複数の電極より電圧をそれぞれ印加し、ヒータを発熱させることによりウェーハを加熱して、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は、電極と第１の配線用部品とを第１の接続面において接続し、第１の配線用部品と第２の配線用部品とを第１の接続面と垂直な第２の接続面において接続し、第２の配線用部品と第３の配線用部品とを第１の接続面および第２の接続面と垂直である第３の接続面において接続し、第３の配線用部品、第２の配線用部品、第１の配線用部品および電極を介してヒータに電圧を印加し、ヒータを発熱させることによりウェーハを加熱することが好ましい。

本発明によれば、ヒータによりウェーハを均一に加熱することが可能となり、半導体装置の製造工程において、生産性高く、均一な成膜を行うことが可能となる。

本発明の一態様の半導体製造装置の断面を示す図である。 本発明の一態様におけるアウトヒータの上面図である。 本発明の一態様におけるアウトヒータの側面図である。 本発明の一態様におけるヒータの上面図である。 本発明の一態様におけるヒータの側面図である。 本発明の一態様におけるヒータの側面図である。 本発明の一態様におけるヒータのエレメントのパターンを示す図である。 本発明の一態様におけるブースバーの接続部を示す図である。 本発明の一態様におけるヒータのエレメントの構成を示す図である。

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の断面図を示す。図に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、反応室１１上方より、ＴＣＳ、ジクロロシランなどのソースガスを含むプロセスガスをウェーハｗ上に供給するためのガス供給機構（図示せず）と接続されたガス供給口１２が設置されている。そして、反応室１１下方には、例えば２箇所にガスを排出し、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(図示せず)と接続されたガス排出口１３が設置されている。

反応室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。

反応室１１の下方には、モータ（図示せず）、回転軸（図示せず）などから構成されるウェーハｗを回転させるための回転駆動機構１５と、回転駆動機構１５と接続され、ウェーハｗを保持するためのサセプタ１６が設置されている。サセプタ１６の下方には、例えばＳｉＣからなるウェーハｗを加熱するためのインヒータ１７ａが設置されている。さらに、サセプタ１７とインヒータ１７ａの間には、例えばＳｉＣからなるウェーハｗの周縁部を加熱するためのアウトヒータ１７ｂが設置されている。インヒータ１７ａ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ー１８が設置されている。

図２にアウトヒータの上面図を、図３にその側面図を示す。図に示すように、アウトヒータ１７ｂは、各エレメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに４分割されている。各エレメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、内周側と外周側が端部で接続され、内周側の中央部が離間した構造となっている。離間した中央部において、それぞれ電極２２ａ、２３ａ、電極２２ｂ、２３ｂ、電極２２ｃ、２３ｃ、電極２２ｄ、２３ｄに接続、保持されている。各エレメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの間隙ｄは等しく、例えば６ｍｍ程度とする。

電極２２ａは、配線用部品２４ｄを介して電極２３ｂと接続され、電極２２ｂは、配線用部品２４ｂを介して電極２３ｃと接続されている。そして、電極２２ｃは、配線用部品２４ｃを介して電極２３ｄと接続され、電極２２ｄは、配線用部品２４ａを介して電極２３ａと接続されている。配線用部品２４ｄは、外部接続用端子２５ａを、配線用部品２４ｂは外部接続用端子２５ｂを有しており、これらは外部電極（図示せず）と接続されている。

このような半導体製造装置を用いて、ウェーハｗ上に例えばＳｉエピタキシャル膜を形成する。先ず、例えばφ３００ｍｍのウェーハｗを、反応室１１に導入し、サセプタ１６上に載置する。そして、ウェーハｗの温度が１１００℃となるように、インヒータ１７ａを１４００℃、アウトヒータ１７ｂを１５００℃程度に温度制御する。

このとき、外径が大きいアウトヒータ１７ｂにおいて、外部電極（図示せず）と接続された外部接続用端子２５ａ、２５ｂに電圧を印加することにより、各エレメントは例えば１５００℃となるように加熱される。加熱により各エレメントは、エレメントが固定される各電極を中心に端部方向(周方向)に熱膨張し、各エレメントの間隙ｄは例えば２ｍｍ程度となるが、各エレメントは短絡することなく、また反りなど生じることなくウェーハｗの外周を安定して均一に加熱する。

そして、ウェーハｗを、回転駆動機構１５により例えば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ＴＣＳ濃度が２．５％となるように調製し、例えば５０ＳＬＭで供給する。

一方、余剰となったＴＣＳを含むプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物であるＨＣｌなどのガスを、ガス排出口１３より排出し、反応室１１内の圧力を一定（例えば常圧）に制御する。

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。このとき、熱ストレスが抑制されるため、アウトヒータの反りが抑制され、ウェーハｗとの間隔が一定に保持されることから、より均一な膜厚を得ることができる。そして、電極に固定されるために生じるアウトヒータの熱ストレスによる破損を抑制し、メンテナンス頻度を低減させ、生産性の低下を抑えることが可能となる。

さらに、φ３００ｍｍウェーハに対応して最も口径が大きいアウトヒータを大口径化するためには、ＳｉＣなどを例えばφ５００ｍｍとなるように加工する必要がある。しかしながら、そのような大口径の部材を安定して形成すること（材料取り）は困難であり、製造コストも増大することが考えられる。本実施形態のように例えば４分割にすることにより、既存の技術で安定して材料取りを行うことが可能となる。

本実施形態において、アウトヒータについてエレメントを分割したが、必ずしもアウトヒータに限定されるものではない。例えば、インヒータにおいても適用可能である。インヒータにおいては、φ３００ｍｍウェーハに対応した場合、φ３００ｍｍ程度となるが、同様に電極で固定されているため、各エレメントに分割することにより、熱ストレスが抑えられる。従って、反りや破損を抑制し、メンテナンス頻度を低減することにより、均一な成膜と得るとともに、生産性の低下を抑えることが可能となる。

なお、アウトヒータとインヒータ間にミッドヒータを設けた場合、ミッドヒータに適用することも可能である。

また、本実施形態においては、ヒータを４分割としたが、４分割に限定されるものではなく、回転対称になっていればよいが、電源の安定供給、均一な加熱を行うためには、偶数に分割されることがより好ましい。但し、安定してヒータを形成する観点からは、３分割以上にすることが好ましい。また、各エレメント間は等間隔であることが、均一な加熱を行う上では好ましい。

（実施形態２）
本実施形態において、実施形態１と半導体製造装置の構成は同様であるが、電極が固定される配線用部材であるブースバーが３分割され、それぞれ垂直な面方位を有する面で接続されている点で、実施形態１と異なっている。

図４にヒータの上面図を、図５Ａ、図５Ｂにその側面図を示す。図に示すように、ヒータ４１は、例えばＳｉＣ系材料などから構成され、中央で２分割された抵抗加熱方式のヒータのエレメント４２と、エレメント４２に電流を供給するための１対の電極である電極棒４３ａ、４３ｂが溶接などにより一体化された構成となっている。尚、エレメント４２のパターンについては、図示したものは一例であり、半導体基板を均一に加熱することができ、温度変化に対応できるパターンであればよく、その他、例えば図６に示すようなヒータ６１のパターンを用いることができる。以下図示するパターンについても同様である。

電極棒４３ａ、４３ｂは、ＳｉＣ系材料などから構成されるボルト４４により、Ｍｏ、カーボンなどから構成される配線用部材であるブースバー４５と接続面４５ｃにおいて面接触するように固定されている。さらに、ブースバー４５は、ブースバー４６と接続面４６ｃで、ブースバー４６は、ブースバー４７と接続面４７ｃでそれぞれ面接触するように、固定されている。このとき、接続面４５ｃ、４６ｃ、４７ｃの面方位は、それぞれ垂直となっている。

そして、ブースバー４７は、外部接続用端子４８において、ボルト４９により電極ロッド５０に固定されている。電極ロッド５０は、ベースディスク（図示せず）により保持され、温度制御機構（図示せず）と接続されている。

図７に、ブースバー４６とブースバー４７との接続部を示す。図に示すように、ボルト４４とブースバー４６に挟まれるブースバー４７には、ボルト径より大きい開口部（破線）が設けられている。従って、その径の差の範囲で接続位置を面方向（Ｘ、Ｙ方向およびθ方向）に動かすことができる。

そして、電極棒４３ａとブースバー４５との接続位置、ブースバー４５とブースバー４６との接続位置についても、同様に面方向（Ｘ、Ｙ方向およびθ方向）に動かすことができる。

そして、このような半導体製造装置を用いて、ウェーハｗ上に例えばＳｉエピタキシャル膜を形成する。

特に厚膜の成膜時に要求される高精度な温度制御を行うためには、ウェーハの高速回転時にも温度分布にむらが生じないよう、ヒータを高い取付精度で所定の位置に設置する必要がある。しかしながら、ヒータのエレメントと電極棒が溶接により一体化される際に生じる溶接誤差など、ヒータ側に製作誤差が生じてしまう。また、所定の位置に設置するためにヒータ取付時にヒータに負荷をかけると、昇温した際に熱ストレスによりヒータに反りやクラックを発生させる場合がある。

しかしながら、本実施形態のように、異なる３方向およびその回転方向に、接続位置を変動可能とすることにより、ヒータの製作誤差を吸収するとともに、ヒータに負荷をかけることなく高い取付精度を得ることが可能となる。従って、ウェーハｗとの間隔が高精度で一定に保持されることから、より均一な膜厚を得ることができる。さらに、熱ストレスが抑制されるため、ヒータの反りやクラック、破損が抑制され、メンテナンス頻度を低減させ、生産性の低下を抑え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と半導体製造装置の構成は同様であるが、ヒータが中心部と外周部に分離され、これらの間に、所定の間隙をもって中間部が設けられている点、さらに、これらがそれぞれ実施形態１と同様に複数に分割されている点で、実施形態２と異なっている。

すなわち、図８に示すように、中心部にインヒータ７１、外周部にアウトヒータ７２が設けられており、さらにこれらの間に所定の間隙をもってミッドヒータ７３が設けられている。このとき、各ヒータが熱膨張により接触してショートしないとともに、ヒータ間が開き過ぎて温度分布に影響が出ないように、間隙を設定する必要がある。このような構成により、ヒータを分離し、それぞれのヒータを高い取付精度で設置することができる。そして、各ヒータを独立して制御することにより、ウェーハ面内の温度をより高精度にかつ均一となるように制御することができ、膜厚均一性を向上させることができる。なお、中間部であるミッドヒータ７３は、温度制御の観点では設置されていることが好ましいが、インヒータ７１、アウトヒータ７２から構成されていてもよい。

さらに、これらのインヒータ７１、アウトヒータ７２、ミッドヒータ７３は、複数に分割されているため、実施形態１と同様に、大口径であっても安定して形成することができ、熱ストレスを低減することができる。なお、熱ストレスの低減などの観点では、各ヒータが全て分割されていることが好ましいが、必ずしもすべてのヒータが分割されている必要はなく、いずれかが分割されていれば、特に本実施形態のように大口径のアウトヒータが分割されていれば、分割されたヒータにおいてその効果を得ることができる。

これら実施形態において、ヒータのエレメントとしてＳｉＣを用いたが、電極との溶接が可能であり、加工性、高温安定性の観点で好ましい。ＳｉＣは、焼結体を用いることが可能であり、さらに高純度のＳｉＣを被覆してもよい。また、カーボンに高純度のＳｉＣを被覆したものも用いることができる。

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。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
１２…ガス供給口
１３…ガス排出口
１４…整流板
１５…回転駆動機構
１６…サセプタ
１７ａ、７１…インヒータ
１７ｂ、７２…アウトヒータ
１８…リフレクター
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、４２…エレメント
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ…電極
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ…配線用部品
２５ａ、２５ｂ、４８…外部接続用端子
４１、６１…ヒータ
４３ａ、４３ｂ…電極棒
４４、４９…ボルト
４５、４６、４７…ブースバー
４５ｃ、４６ｃ、４７ｃ…接続面
５０…電極ロッド
７３…ミッドヒータ

Claims (7)

1. ウェーハが導入される反応室と、
   この反応室の上部に配置され、プロセスガスを供給するガス供給機構と、
   前記反応室からガスを排出するガス排出機構と、
   前記ウェーハを保持するサセプタと、
   前記ウェーハと離間するように設置され、前記ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、中央部にそれぞれ電極が設けられ、これらの電極が共通の配線用部品に対して接続された複数のエレメントを有するヒータと、
   前記ウェーハを回転させる回転駆動機構と、
   を備えることを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記電極と接続される第１の接続面を有する第１の配線用部品と、
   前記第１の配線用部品と接続される第２の接続面を有し、この第２の接続面は、前記第１の接続面と垂直である第２の配線用部品と、
   前記第２の配線用部品と接続される第３の接続面を有し、この第３の接続面は、前記第１の接続面および前記第２の接続面と垂直である第３の配線用部品と、
   を更に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. 前記第１〜第３の接続面は、それぞれ接続位置の変動が可能であることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
4. 前記ヒータは、少なくとも中心部と外周部で分割され、それぞれ独立して電流を供給する電極を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半導体製造装置。
5. 前記ヒータは、前記ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、中央部にそれぞれ電極が設けられた複数のエレメントを備えることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
6. 反応室内でウェーハを保持し、
   前記ウェーハの表面に、プロセスガスを供給し、
   前記反応室よりガスを排出して、前記反応室内を所定の圧力となるように調整し、
   前記ウェーハを回転させ、
   前記ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるように配置されたヒータを構成する複数のエレメントの各中央部にそれぞれ設けられ、かつ、共通の配線用部品に接続された複数の電極より電圧をそれぞれ印加し、前記ヒータを発熱させることにより前記ウェーハを加熱して、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。
7. 前記電極と第１の配線用部品とを第１の接続面において接続し、前記第１の配線用部品と第２の配線用部品とを前記第１の接続面と垂直な第２の接続面において接続し、前記第２の配線用部品と第３の配線用部品とを前記第１の接続面および前記第２の接続面と垂直である第３の接続面において接続し、前記第３の配線用部品、前記第２の配線用部品、前記第１の配線用部品および前記電極を介して前記ヒータに電圧を印加し、前記ヒータを発熱させることにより前記ウェーハを加熱することを特徴とする請求項６に記載の半導体製造方法。

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