JP3764689B2

JP3764689B2 - 半導体製造方法および半導体製造装置

Info

Publication number: JP3764689B2
Application number: JP2002056775A
Authority: JP
Inventors: 貴行藤本; 和弘示野; 敏光宮田; 英輔西谷; 智司渡辺
Original assignee: Renesas Technology Corp; Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Renesas Technology Corp; Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2022-03-04
Also published as: JP2003257873A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造方法および半導体製造装置に係り、特にサセプタを回転しながら成膜室でウエハに成膜する半導体製造方法および半導体製造装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体製造方法および半導体製造装置を図８を参照しながら説明する。図８の半導体製造装置は、低圧に保持した成膜室に成膜ガスを導入し、加熱したウエハ面上に所望の厚さの膜を形成する枚葉式低圧熱ＣＶＤ（Chemicａl Vａpor
Deposition）装置である。
【０００３】
従来の半導体製造方法および半導体製造装置では、真空に保持した成膜室１０２内に、ゲートバルブ１０３を介してウエハ１０１が搬入される。搬入したウエハ１０１がウエハ支持台１０４上に設置したサセプタ１１０上に載置され、ウエハ支持台１０４内部に設置したヒータ１０５によりウエハ１０１が加熱される。ガス供給部１０６からシャワーヘッド１０７を介してウエハ１０１上へガスが供給されることにより成膜が行なわれる。このとき、膜厚の均一性を向上させるために、サセプタ１１０がある一定速度で回転される。導入した成膜ガスは排気口１０８から排気される。所望の厚さの膜が形成された後、成膜ガスの導入が止められ、ゲートバルブ１０３からウエハ１０１が搬出される。
【０００４】
ここで、ポリシリコン膜を成膜する場合には、ウエハ１０１が５５０℃から７５０℃程度に加熱され、ガス供給部１０６からモノシラン（SiH_４）ならびに水素（Ｈ_２）あるいは窒素（Ｎ_２）などの成膜ガスが導入されてウエハ１０１面上に成膜される。
【０００５】
半導体製造方法および半導体製造装置においては、高品質の半導体デバイスを製造するために、ウエハならびにサセプタの精密な温度管理が要求される。そこで、ウエハ支持台１０４の内部には、放射温度計１０９が設置されており、ウエハ面内温度が絶えず一定になるように、ヒータ１０５の出力を制御している。放射温度計１０９として熱電対を用いウエハ温度を制御すると、ウエハ温度上昇に時間遅れが生じるため、昇温速度が低下し、温度変動に対する応答性が低下する。そこで従来は、サセプタ温度を放射温度計で直接測定している。
【０００６】
係る従来の半導体製造方法に関連する従来技術としては、特開平６−７７１５１号公報、特開平７−９４４１９号公報、特開平１１−３２９９４２号公報などが挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
係るサセプタ温度を放射温度計１０９で測定してヒータ１０５の出力を制御する従来の半導体製造方法では、放射温度計１０９の指示値の変動により、サセプタ温度ならびにウエハ温度の再現性が低下するという問題が生じていた。放射温度計１０９の指示値が変動する原因は、放射温度計１０９とサセプタ１１０の間隔の変動、サセプタ１１０の裏面にも膜が形成されることによるサセプタ輻射率の変動である。また、サセプタ１１０の回転時には、ウエハ１０１の周方向温度分布により、放射温度計１０９の指示値が大きくばらつくという問題も生じていた。
【０００８】
本発明の目的は、ウエハ面内の温度制御性が向上すると共に、ウエハ面内の膜厚均一性を向上させることができ、高品質の半導体を高スループットで製造することが可能である半導体製造方法および半導体製造装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、成膜室内にウエハを搬入してサセプタに載置し、前記サセプタを加熱するヒータで前記サセプタを回転しながら前記ウエハを加熱し、前記ウエハの加熱状態で前記成膜室に成膜ガスを供給して前記ウエハ面上に成膜し、成膜時に回転する前記サセプタの温度を放射温度計で測定し、この測定結果に基づいて前記ヒータの出力を制御する半導体製造方法において、前記ウエハを成膜処理する際に前記ヒータの温度を熱電対で測定し、この測定結果に基づいて前記放射温度計の測定温度を補正し、この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御するようにしたことにある。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、ガス供給部および排気口を有する成膜室を形成する筐体と、ウエハを支持して成膜時に回転されるサセプタと、回転する前記サセプタの温度を測定するように前記サセプタに対向して配置された放射温度計と、前記サセプタを加熱するヒータと、前記ヒータの温度を測定するように配置された熱電対と、前記ヒータの出力を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記サセプタの回転時における前記放射温度計による測定温度を前記熱電対による測定温度により補正し、この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御する構成にしたことにある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の半導体製造方法および半導体製造装置について図を用いて説明する。
【００１２】
まず本実施形態の半導体製造装置の全体構成を図１を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態の枚葉式低圧熱ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【００１３】
成膜室２は密閉された筐体２ａにより形成されている。円形筒状の筐体２ａは、上面部にガス供給部３、側面一側にゲートバルブ１０、側面他側に排気口５がそれぞれ形成されている。
【００１４】
ガス供給部３は、成膜室２内へ成膜ガスや不活性ガスなどを導入するためのものであり、筐体２ａの上面中央部に設けられ、外部のガス供給源（図示せず）に接続されている。ガス供給部３の直下には成膜室２内の上部全体に広がるシャワーヘッド４が配置されている。これにより、ガス供給部３から供給される成膜ガスなどはシャワーヘッド４を介して成膜室２へ導入される。このシャワーヘッド４は成膜ガスなどを成膜室２内に均一に供給するためのものであり、多数の孔を有している。そして、シャワーヘッド４はウエハ１の直上に位置され、成膜ガスなどをウエハ１面上に均一に供給する。
【００１５】
ゲートバルブ１０は、成膜室２に対してウエハ１を搬入、搬出する際に開き、その他の状態では閉じて成膜室２内の密閉性を保つようになっている。
【００１６】
排気口５は真空ポンプ６に接続されている。真空ポンプ６を運転することにより、成膜室２内のガスが排気口５を通して真空ポンプ６に吸引され、筐体２ａ内が低圧に保たれる。
【００１７】
円板状のウエハ１は上述したようにゲートバルブ１０を通して搬入され、シャワーヘッド４と対向して設置されたウエハ支持台７上に載置される。
【００１８】
ウエハ支持台７は、円板状のサセプタ７１、ヒータ７２、ウエハ支持台側壁７３、ウエハ支持台底壁７４、ウエハ支持台回転軸７５から構成されている。そして、サセプタ７１、ウエハ支持台側壁７３、ウエハ支持台底壁７４により閉鎖された空間が形成され、この空間にヒータ７２が配置されている。
【００１９】
サセプタ７１は、ヒータ７２により加熱されてその熱によりウエハ１を加熱するためのものであり、ウエハ支持台側壁７３およびウエハ支持台底壁７４と共にウエハ支持台回転軸７５の回転により回転されるようになっている。従って、ウエハ１は、サセプタ７１に載置されて回転しながら加熱される。
【００２０】
ヒータ７２は、サセプタ７１を均一に加熱するために、複数のゾーン（本実施形態では３ゾーン）に分割され、ゾーン毎に制御されるように構成されている。なお、ヒータ７２は、サセプタ７１を均一に加熱できると共に、容易にサセプタ７１の温度を制御できるように分割されることが好ましい。従って、ヒータ７２の分割数は、均一加熱性が重視される場合には多いほうが好ましく、制御および製作容易性が重視される場合には少ないほうが好ましい。
【００２１】
ウエハ支持台７内部には、温度変動に対する応答性が優れる放射温度計８と熱電対９とが設置されている。放射温度計８はウエハ面内温度制御のために設けられ、サセプタ７１下面からの放射熱を検出してサセプタ７１の温度を測定する。熱電対９は放射温度計８による指示値を補正するために設けられ、ヒータ７２の温度を測定する。本実施形態では、３分割した各ヒータゾーンにつき、放射温度計８および熱電対９をそれぞれ一個ずつ設置している。なお、放射温度計８および熱電対９はそれぞれのゾーンに一個以上設置されていればよい。
【００２２】
放射温度計８および熱電対９による温度検知信号は、コンピュータ１１に導かれ、コンピュータ１１からの出力信号をヒータ出力制御装置１２に送ることにより、ヒータ７２を制御するシステムになっている。
【００２３】
次に、ウエハ１の成膜処理手順、すなわち半導体製造方法を図１および図２を参照しながら説明する。図２は図１の半導体製造装置を用いた半導体製造方法を示すフローチャート図である。
【００２４】
ウエハ１を成膜室２内に搬入する前に、サセプタ７１が所定の温度になるように、ヒータ７２によりサセプタ７１が加熱される（ステップ８１）。この時のサセプタ７１の温度は放射温度計８により測定され、測定された温度はコンピュータ１１に送られる。
【００２５】
また、成膜室２内の圧力が成膜時とほぼ同一になるように、ガス供給部３から窒素（N_２）などの不活性ガスが導入され、シャワーヘッド４を介して成膜室２内に供給されると共に、真空ポンプ６が運転されて供給された不活性ガスが排気口５から排気される（ステップ８２）。
【００２６】
サセプタ７１が所定温度に達し、成膜室２内の圧力が成膜時とほぼ同一の低圧になった状態で、搬送治具によりウエハ１がゲートバルブ１０から成膜室２内へ搬入され、高温に加熱されたサセプタ７１上にウエハ１が載置される（ステップ８３）。サセプタ７１はヒータ７２で加熱されてその熱によりウエハ１を加熱し、ウエハ１が所定の温度（ポリシリコン膜を成膜する場合には５５０℃から７５０℃程度）になるまで待機する（ステップ８４）。この時のウエハ１の温度はサセプタ７１の温度を放射温度計８で測定されることにより間接的に測定される。
【００２７】
ウエハ１が所定温度に達した状態で、不活性ガスの供給が停止され、成膜ガス（ポリシリコン膜を成膜する場合には、モノシラン（SiH_４）、および水素（H_２）あるいは窒素（N_２））がガス供給部３から導入され、シャワーヘッド４を介して筐体２ａ内のウエハ１面上に供給され（ステップ８５）、この成膜ガスによりウエハ１面上へ膜が堆積される（ステップ８６）。このとき、ウエハ１面内の膜厚均一性を向上させる目的でサセプタ７１がある一定速度で回転される。成膜ガスは成膜した後に成膜室２の側面に設けた排気口５から排気される。
【００２８】
このウエハ１面上へ膜が堆積される時に、ウエハ１面内温度が放射温度計８により計測されると共に、この放射温度計８の指示値が熱電対９で検出した温度により補正されてヒータ７２の出力が制御される（ステップ８７）。こうすることにより、高速昇温過程を必要とする場合においても、温度計測の精度が向上し、ヒータ７２の出力値のばらつきが減少して、ウエハ１面内の温度分布の均一性が向上する。
【００２９】
ウエハ１面上への成膜が完了したら、成膜ガスの供給が停止され、不活性ガスが筐体２ａ内に供給される（ステップ８８）。そして、ウエハ１が成膜室２からゲートバルブ１０を通して搬出される（ステップ８８）。
【００３０】
このウエハ１の搬出の回数が所定回数に達したか判定され（ステップ８９）、所定回数に達していない場合にはステップ８３に戻り、ステップ８３〜８９の処理が行なわれ、所定回数に達すると終了する。
【００３１】
次に、ヒータ７２の制御方法および放射温度計８の指示値の補正方法について図３および図４を参照しながら詳細に説明する。図３は図１の半導体製造装置におけるウエハ搬入・搬出時のヒータ制御方法を示すタイムチャート図、図４は図１の半導体製造装置における放射温度計の設定値を補正する方法を示すタイムチャート図である。
【００３２】
成膜室２内に冷たいウエハ１が搬入されると、ヒータ７２の設定温度が一定の場合には、ヒータ７２の温度が低下し、数分間経過した後に元の温度に回復する。そこで、本実施形態では、図３の実線に示すようにウエハ１の搬入前にヒータ７２の設定温度を上げ、ウエハ１搬入後にヒータ７２の設定温度を元に戻すようにしている。これにより、ウエハ１の搬入後でも、図３の点線に示すヒータ測定温度のようにヒータ７２の温度低下を防止でき、迅速にウエハ１の温度を所定温度に上昇することができる。これによって、ウエハ１面内の膜厚均一性を向上することができ、高品質の半導体を高スループットで製造することができる。そして、次のウエハ１の搬入前に再びヒータ７２の設定温度を上げ、その後に元に戻すようにしている。以降、この処理を繰り返す。
【００３３】
このようにヒータ７２の設定温度を制御しても、ウエハ１の処理が繰り返されると、ヒータ測定温度が例えば図４に示すように２回目以降の処理から徐々に低下することがある。そこで、本実施形態では、処理回数によって放射温度計８の設定温度を徐々に上げ、次の式（１）で示すように処理温度の低下を補正するようにしている。
【００３４】
Ｔ_set＝Ｔ_set,0＋ｆ（ΔＴ）＝Ｔ_set,0＋（ａ×ΔＴ＋ｂ）（１）
ここに、Ｔ_set：放射温度計８の補正後設定温度、Ｔ_set,0：放射温度計８の補正前設定温度、ｆ：補正関数、ΔＴ：ヒータ測定温度差、ａ，ｂ：補正係数である。なお、式（１）では補正式f（ΔＴ）を一次式としたが、これを二次式：ａ×ΔＴ^２＋ｂ×ΔＴ＋ｃとしてもよい。
【００３５】
上記式（１）のように放射温度計８の設定温度を補正することにより、図４に示す放射温度計８の補正前設定温度Ｔ_set,0から放射温度計８の補正後設定温度Ｔ_setのように補正され、ウエハ１の処理が繰り返されてもウエハ１面内温度が２回目以降の処理でも均一にして行なうことができ、高品質の半導体を高スループットで製造することができる。
【００３６】
次に、サセプタ７１の回転前後の絶対位置を制御する方法について図５および図６を参照しながら詳細に説明する。図５は従来の半導体製造装置におけるサセプタの回転前後の絶対位置を制御しない場合の説明図、図６は図１の半導体製造装置におけるサセプタの回転前後の絶対位置を制御する場合の説明図である。
【００３７】
従来一般の半導体製造装置のように、サセプタ７１の回転前後における絶対位置を制御しない場合には、図５の右上に示すように、サセプタ７１の回転前後でサセプタ７１の絶対位置がずれることがある。このように回転前後で絶対位置がずれると、図５の中央に示すタイムチャート図のように、回転前後で放射温度計８の指示値が大きく変動することになる。そこで、本実施形態では、図６に示すように、サセプタ７１の回転前後でサセプタ７１の絶対位置を合わせるように制御している。これにより、放射温度計８の指示値の変動を防ぎ、安定した温度制御が可能となる。なお、図６では図５との差異を明確にするために、後述するサセプタ７１の回転時におけるヒータ７２の制御を省略して示している。
【００３８】
次に、サセプタ７１の回転時におけるヒータ７２の制御方法について図７を参照しながら詳細に説明する。図７は図１の半導体製造装置におけるサセプタ回転時のヒータ制御方法を示すタイムチャート図である。
【００３９】
上述した図５および図６にも示すようにサセプタ７１の回転初期段階では放射温度計８の指示値の変動幅が大きくなり易いため、サセプタ７１の回転初期段階にはヒータ７２の出力を所定値に設定して発熱させ、回転を開始して一定時間経過した後には、放射温度計８の指示値の変動幅が小さくなるので、ヒータ７２の出力を放射温度計８の指示値により制御するようにしている。こうすることにより、放射温度計８の指示値が変動したときに、ヒータ７２出力が変動しないような制御を行なうことが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の実施形態の説明で明らかにされたように、本発明によれば、ウエハ面内の温度制御性が向上すると共に、ウエハ面内の膜厚均一性を向上させることができ、高品質の半導体を高スループットで製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の枚葉式低圧熱ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【図２】図１の半導体製造装置を用いた半導体製造方法を示すフローチャート図である。
【図３】図１の半導体製造装置におけるウエハ搬入・搬出時のヒータ制御方法を示すタイムチャート図である。
【図４】図１の半導体製造装置における放射温度計の設定値を補正する方法を示すタイムチャート図である。
【図５】従来の半導体製造装置におけるサセプタの回転前後の絶対位置を制御しない場合の説明図である。
【図６】図１の半導体製造装置におけるサセプタの回転前後の絶対位置を制御する場合の説明図である。
【図７】図１の半導体製造装置におけるサセプタ回転時のヒータ制御方法を示すタイムチャート図である。
【図８】従来の枚葉式低圧熱ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１…ウエハ、２…成膜室、２ａ…筐体、３…ガス供給部、４…シャワーヘッド、５…排気口、６…真空ポンプ、７…ウエハ支持台、８…放射温度計、９…熱電対、１０…ゲートバルブ、１１…コンピュータ、１２…ヒータ出力制御装置、７１…サセプタ、７２…ヒータ、７３…ウエハ支持台側壁、７４…ウエハ支持台底壁、７５…ウエハ支持台回転軸、１０１…ウエハ、１０２…成膜室、１０３…ゲートバルブ、１０４…ウエハ支持台、１０５…ヒータ、１０６…ガス供給部、１０７…シャワーヘッド、１０８…排気口、１０９…放射温度計、１１０…サセプタ。

Claims

成膜室内にウエハを搬入してサセプタに載置し、
前記サセプタを加熱するヒータで前記サセプタを回転しながら前記ウエハを加熱し、
前記ウエハの加熱状態で前記成膜室に成膜ガスを供給して前記ウエハ面上に成膜し、
成膜時に回転する前記サセプタの温度を放射温度計で測定し、
この測定結果に基づいて前記ヒータの出力を制御する半導体製造方法において、
前記ウエハを成膜処理する際に前記ヒータの温度を熱電対で測定し、
この測定結果に基づいて前記放射温度計の測定温度を補正し、
この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御すると共に、
前記放射温度計の補正後設定温度をＴ_setとし、前記放射温度計の補正前設定温度をＴ_set,0とし、前記ウエハを複数回成膜する時の前記熱電対によるヒータ測定温度差をΔＴとし、補正関数をｆとした場合に、前記熱電対による補正をＴ_set＝Ｔ_set,0＋f（ΔＴ）の補正式に基づいて行なうことを特徴とする半導体製造方法。
成膜室内にウエハを搬入してサセプタに載置し、
前記サセプタを加熱するヒータで前記サセプタを回転しながら前記ウエハを加熱し、
前記ウエハの加熱状態で前記成膜室に成膜ガスを供給して前記ウエハ面上に成膜し、
成膜時に回転する前記サセプタの温度を放射温度計で測定し、
この測定結果に基づいて前記ヒータの出力を制御する半導体製造方法において、
前記ウエハを成膜処理する際に前記ヒータの温度を熱電対で測定し、
この測定結果に基づいて前記放射温度計の測定温度を補正し、
この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御すると共に、
前記サセプタの回転初期段階に前記ヒータの出力を所定値に設定し、その後に前記ヒータの出力を前記放射温度計の指示値により制御することを特徴とする半導体製造方法。
ガス供給部および排気口を有する成膜室を形成する筐体と、
ウエハを支持して成膜時に回転されるサセプタと、
回転する前記サセプタの温度を測定するように前記サセプタに対向して配置され放射温度計と、
前記サセプタを加熱するヒータと、
前記ヒータの温度を測定するように配置された熱電対と、
前記ヒータの出力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記サセプタの回転時における前記放射温度計による測定温度を前記熱電対による測定温度により補正し、この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御すると共に、前記放射温度計の補正後設定温度をＴ_setとし、前記放射温度計の補正前設定温度をＴ_set,0とし、前記ウエハを複数回成膜する時の前記熱電対によるヒータ測定温度差をΔＴとし、補正関数をｆとした場合に、前記熱電対による補正をＴ_set＝Ｔ_set,0＋f（ΔＴ）の補正式に基づいて行なうことを特徴とする半導体製造装置。
ガス供給部および排気口を有する成膜室を形成する筐体と、
ウエハを支持して成膜時に回転されるサセプタと、
回転する前記サセプタの温度を測定するように前記サセプタに対向して配置され放射温度計と、
前記サセプタを加熱するヒータと、
前記ヒータの温度を測定するように配置された熱電対と、
前記ヒータの出力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記サセプタの回転時における前記放射温度計による測定温度を前記熱電対による測定温度により補正し、この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御すると共に、前記ウエハを前記成膜室内に搬入する直前に前記ヒータの設定を上げると共に搬入直後に下げるように制御するものであることを特徴とする半導体製造装置。
ガス供給部および排気口を有する成膜室を形成する筐体と、
ウエハを支持して成膜時に回転されるサセプタと、
回転する前記サセプタの温度を測定するように前記サセプタに対向して配置され放射温度計と、
前記サセプタを加熱するヒータと、
前記ヒータの温度を測定するように配置された熱電対と、
前記ヒータの出力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記サセプタの回転時における前記放射温度計による測定温度を前記熱電対による測定温度により補正し、この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御するものであり、
前記サセプタの成膜時の回転前後でサセプタの絶対位置を合わせるように制御する手段を備えることを特徴とする半導体製造装置。
ガス供給部および排気口を有する成膜室を形成する筐体と、
ウエハを支持して成膜時に回転されるサセプタと、
回転する前記サセプタの温度を測定するように前記サセプタに対向して配置され放射温度計と、
前記サセプタを加熱するヒータと、
前記ヒータの温度を測定するように配置された熱電対と、
前記ヒータの出力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記サセプタの回転時における前記放射温度計による測定温度を前記熱電対による測定温度により補正し、この補正した温度に基づいて前記ヒータの出力を制御すると共に、前記サセプタの回転初期段階には前記ヒータの出力を所定値に設定し、その後に前記ヒータの出力を前記放射温度計の指示値により制御するように制御するものであることを特徴とする半導体製造装置。