JP4554075B2 - 熱処理チャンバ用基板支持体及び熱処理チャンバ用基板支持体の形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理チャンバ用基板支持体に関する。
【０００２】
多くの半導体デバイスの製造プロセスにおいて、要求される高いレベルのデバイス性能、歩留り、及びプロセス反復性は、基板処理中に基板（例えば半導体ウェーハ）の温度が厳しく監視されかつ制御されることによってのみ達成される。
【０００３】
例えば、急速熱アニーリング (rapid thermal annealing) （ＲＴＡ），急速熱洗浄 (rapid thermal cleaning) （ＲＴＣ）、急速熱化学気相堆積 (rapid thermal chemical vapor deposition) （ＲＴＶＤ）、急速熱酸化 (rapid thermal oxidation) （ＲＴＯ）及び急速熱窒化 (rapid thermal nitridation) （ＲＴＮ）を含む、急速熱処理 (rapid thermal processing) （ＲＴＰ）が幾つかの異なる製造プロセスで使われている。しかしながら、ＲＴＰチャンバ内の温度は１１００℃を超え、しかも急激な変化にさらされるので、基板温度の正確な制御をより複雑に、しかもより困難にしている。
【０００４】
その上、多くの製造プロセス中に基板全体へ実質的に均一な温度を提供することが望ましいが、上に基板が載る支持体が、そのような均一性を達成する製造システムの能力に悪影響を及ぼすことがある。例えば、サセプタのないシステムでは、基板は、エッジリングを使ってその外周の辺りを単に支持されるのが普通である。しかしながら、状況によって、エッジリングは、基板の端から熱を取り去る熱負荷として作用し、それにより基板全体に均一温度を提供することを困難にし、温度測定を妨げる。
【０００５】
発明の概要
一般に、本発明のひとつの局面において、半導体ウェーハ支持体は半導体ウェーハを受取るための棚を含む。この支持体は、炭化珪素基板と、炭化珪素基板上に配置されるポリシリコン層と、そしてポリシリコン層上に配置される窒化珪素層とで形成される。一実施例では、ウェーハ支持体は、半導体ウェーハを受取るための環状支持体を含むエッジリングである。
【０００６】
別の局面において、半導体ウェーハ支持体を形成する方法は、炭化珪素基板を形成すること、基板上へポリシリコン層を提供すること、そしてポリシリコン層上へ窒化珪素層を提供することを含む。基板は円環状にすることもできる。
【０００７】
種々の実施例は、以下の特徴のひとつ又はそれ以上を持っている。エッジリング又は他のウェーハ支持体は、半導体熱処理チャンバに配置されることができる。ポリシリコン層、それは、生来の、又はドープされたされたポリシリコンを含むことできるが、直に炭化珪素上に配置することができる。同様に、窒化珪素の層は、ポリシリコン層上へ直に配置することができる。ポリシリコンと窒化珪素の両層は、炭化珪素基板の全体表面を実質的にカバーすることができる。
【０００８】
一実施例では、窒化珪素層の厚さは１８００〜２０００オングストロームの範囲であり、そしてポリシリコン層の厚さは略１００ミクロンである。しかし、他の厚さを、一方又は両方の層に使用されることができる。このように、窒化珪素層の厚さは２０００オングストローム未満、又は、それを超えてもよい。窒化珪素層は非反射膜を形成することができる。
【０００９】
ウェーハ支持体又はエッジリングは多くの異なる技術を使って作ることができるが、ある技術によると、ポリシリコン層はエピタキシャルリアクタ内で成長し、窒化珪素層は低圧の化学気相堆積プロセスを使って成長する。
【００１０】
種々の実施例は以下のうちの、ひとつかそれ以上の利点を持っている。窒化珪素層を加えることにより、エッジリングあるいは他の支持体の放射率を改善することができる。システムの幾つかでは、ＲＴＰ温度コントローラがチャンバ温度を測定し、温度変化に影響を及ぼすのに必要な電力を決定する。エッジリングの放射率がより高いほど、加熱部材からの輻射をより速く吸収又は放射させる。従って、エッジリングは温度変化に対してより速く応答することができる。
【００１１】
窒化珪素層は、処理中の酸化層形成を防止することもでき、それによって半導体基板全体に、より均一な温度をもたらし、かつより正確な温度測定をもたらす。更に、窒化珪素層は、チャンバ内の加熱部材に対し、その故障発生を減らすよう助けることができる。更に、窒化珪素層は拡散障壁として作用することにより、ポリシリコン中に存在するかもしれない不純物が、エッジリングによって支持される半導体基板を汚染するのを防止できる。
【００１２】
窒化珪素層の使用により、エッジリングが基板の延長部のように振舞って、エッジリングと基板の、温度と温度変化が相互に近接して同じになるようにできる。その結果、中にエッジリングが配置されるチャンバに入るエネルギーは、チャンバの様々な部分全体に亘ってより均衡が取られ、加熱部材のランプ群グループも、ＲＴＰ温度コントローラによってもっと簡単に制御されることができる。追加の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面、そして特許請求の範囲から直ちに明らかになろう。
【００１３】
発明の詳細な説明
図１と２は、デイスク状シリコン基板１０６を処理するための、処理チャンバ１００を含む急速熱処理（ＲＴＰ）システムを図解する。ＲＴＰシステムの様々な特徴は、１９９６年５月１日に提出され、現在出願係属中の米国特許出願番号第０８／６４１，４７７号、発明の名称「基板温度を測定するために方法と装置」の中で更に詳しく説明されており、前記出願は引用されて本明細書に組み込まれている。
【００１４】
基板１０６はチャンバ内で基板支持構造体１０８上に載置され、基板の直上方に配置された加熱部材１１０によって加熱される。加熱部材１１０は、タングステン（Ｗ）ハロゲンランプ１１１を含み、基板上方に配置された水冷式の、石英製窓アセンブリ１１４を通して処理チャンバに入る輻射１１２を発生する。ランプ１１１は幾つかの制御群の形で一緒にグループ化された多数のゾーン内に編成される。温度制御アルゴリズムを用いてランプを制御し、それによって温度を制御する。基板１０６の下方には水冷式のステンレス鋼ベース１１６に載置された反射器１０２がある。反射器１０２はアルミニウム製で、高反射性の表面膜を有する。基板１０６の下側と反射器１０２の頂部が、基板の効果的な放射率を向上させるために反射キャビティ１１８を形成し、それによって温度測定の精度を改善する。
【００１５】
基板１０６の配置領域１０９の温度は複数の温度プローブ１２６と高温計１２８とによって測定される。光ファイバのプローブを含んでもよい温度プローブ１２６は、基板１０６の中心から様々な距離で分散されている。
【００１６】
熱処理中、支持構造体１０８は回転される一実施例では、例えば、支持構造体は１分当たり約９０回転で回転する。こうして、各プローブは基板上の対応する環状リング領域の温度プロフィルを採集する。基板を回転させる支持構造体は、基板の外縁周りで基板に接触するエッジリング１３４を備え、それによって、外周まわりの小さい環状領域を除いて、基板の下側全体が露出されたままになる。
【００１７】
エッジリング１３４は、回転するチューブ状石英シリンダ１３６上に載っていて、石英シリンダは、パイロメータ１２８の周波数範囲で不伝導性になるようシリコンを被覆される。石英シリンダ上のシリコン膜はバッフルとして働き、温度測定を妨げるであろう外部ソースからの輻射を遮蔽する。石英シリンダの底は、据置式の環状下側ベアリングレース１４０内へ順に保持された複数のボールベアリング１３８に載る環状上側ベアリングレース１４２によって保持される。
【００１８】
図３と４を参照すると、エッジリング１３４は上に基板の端部１０６が載る環状の棚つまりリップ１３５を含む。８インチ（２００ｍｍ）の半導体ウェーハに関しては、エッジリング１３４は略９.３インチの外径（ｄ）と略７.６インチ（１９０ｍｍ）の内径（Ｄ）を持つことができる。環状の棚つまりリップ１３５は略０.２インチ（５ｍｍ）の半径方向幅（ｗ）を持つことができる。エッジリング１３４は環状リブ１３７を含むことができる。リブ１３７は、エッジリング１３４のための構造上の支持体を提供する。先の寸法は、アプライドマテリアルズ社（Applied Materials, Inc.） が製作した ＲＴＰ センチュラ（Centura）、又は、ＴＴＰセンチュラＸＥのような、特定の処理チャンバ内でエッジリング１３４を使用するのに適当である。例えば１２インチ（３００ｍｍ）という異なるサイズのウェーハ又は異なる処理システムには他の寸法が適当であろう。
【００１９】
図５を参照すると、エッジリング１３４の本体は炭化珪素（ＳｉＣ）基板１５０から形成される。しかし、ＳｉＣは基板の温度測定に使われる周波数範囲で輻射透過性があり、結果として、温度測定精度に影響を及ぼす迷輻射を伝達する可能性がある。従って、エッジリング１３４はそのような輻射に対して不透過にするためにポリシリコン（ポリ‐Ｓｉ）の層１５２で被覆される。一実施例において、厚さ略１００ミクロン（μｍ）の本来持っているか又はドープされたポリ−Ｓｉ層が、ＳｉＣ基板１５０の頂面、底面、及び側面の全体に亘って直に形成される。
【００２０】
ＳｉＣ基板上に、ドープされたポリ−Ｓｉ層を提供することにより、赤外線域の低温吸収又はエッジリング１３４の放射率を改善できる。チャンバ１００内のウェーハの温度が上昇するとともに、温度プローブ１２６と高温度計１２８は略３２５℃の温度を検知し始めるのでこの特徴は有利である。実施例の幾つかでは、例えば略２００〜３００℃の範囲の低い温度が検出される。赤外線域でエッジリング１３４の放射率を高めることによって、半導体ウェーハ１０６のエッジで熱を取り去る熱負荷として作用しなくなるように、エッジリング１３４は一層速く加熱される。
【００２１】
エッジリング１３４は更にポリ−Ｓｉ層１５２上へ直に配置される窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎｉ₄）層を含む。一実施例で、略１８００〜２０００オングストロームのＳｉ₃Ｎｉ₄層１５４がポリ―Ｓｉ層１５２上の全面に亘って形成される。もうひとつの実施例では、略１２００オングストロームの薄いＳｉ₃Ｎｉ₄層１５４がポリ―Ｓｉ層１５２上の全体に亘って形成される。略１２００オングストローム未満の層、又は約２０００オングストロームを超えるＳｉ₃Ｎｉ₄層も使用することができる。
【００２２】
一般にＳｉ₃Ｎｉ₄層１５４は、エッジリング１３４の放射率を改善することができる。エッジリング１３４の放射率が高いほど、ＲＴＰの温度コントローラに対する応答性は一層良好である。
【００２３】
例えば、ポリ―Ｓｉの外層を有して、ＳｉＣで形成されたエッジリングが、半導体基板の製造中に加熱されるとき、ポリ―Ｓｉ層上に酸化層が形成される可能性のあることが観測された。この酸化層は、エッジリング１３４の内周と外周では異なる速度で成長するのが普通である。酸化層の蓄積は、内周近くのエッジリング１３４の部分を、外周近くのエッジリング部分より一層速く加熱させる。
【００２４】
更にエッジリング１３４の下側に酸化層が形成されると、特に環状棚つまりリップ１３５近傍では、輻射がエッジリング１３４の下側から放射又は反射されるので、測定プローブ１２６を通して得られる測定値に影響を及ぼす可能性がある。
【００２５】
Ｓｉ₃Ｎｉ₄層１５４の追加は酸化層の形成を遅くするか、あるいは防止することができ、それによって半導体基板全体に均一な温度をもたらし、しかもより正確な温度測定値をもたらす。
【００２６】
更に、Ｓｉ₃Ｎｉ₄層１５４の使用は、加熱部材１１０内の幾つかのランプ領域の電力消費を削減できる。エッジリング１３４が使われる時よりも、たとえ全体の加重エネルギーが高くても、加熱部材１１０の領域の電力消費はチャンバに入るエネルギーは、一層バランスがとられるように制御されることができる。また、実施例の幾つかでは、ランプ１１１は、エッジリング１３４がランプからの輻射をより効果的に吸収するので、以前に必要とされたより低い平均電力を使うことができる。このように、Ｓｉ₃Ｎｉ₄層は、ランプ故障の発生も減らす助けとなる。
【００２７】
Ｓｉ₃Ｎｉ₄層１５４は、ポリ−Ｓｉ層１５２に在る金属不純物が基板１０６を汚染するのを防止するために拡散障壁として作用することもできる。
【００２８】
上記のように、ポリ−Ｓｉ層とＳｉ₃Ｎｉ₄層１５２、１５４は、実質的にエッジリング１３４の全表面をカバーするように形成できる。しかし他の実施例では、ポリ−Ｓｉ層とＳｉ₃Ｎｉ₄層１５２、１５４は、エッジリング１３４の全表面をカバーする必要はない。つまり、ポリ−Ｓｉ層とＳｉ₃Ｎｉ₄層１５２、１５４は適当なマスクを使うことにより、頂面上だけ、又は底面上だけに形成されることができる。例えば、チャンバ１００がエッジリングの底面へ輻射を反射して戻すための反射器１０２を含んでいない場合、層１５２、１５４はエッジリングの頂面上だけへ形成されることができる。
【００２９】
図６はエッジリング１３４を製造するための一実施例を示す。ステップ２００で示すように、ＳｉＣのブロックは、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスを使って形成される。次に、ステップ２０２で示すように、ＳｉＣのブロックは、所望寸法のエッジリング１３４を持つ環状のリングを形成するよう機械加工される。例えば、ダイヤモンド研削ヘッドが、ＳｉＣブロックを所望寸法へ機械加工するために使用されてもよい。ポリ−Ｓｉ層はステップ２０４で示すように、機械加工されたＳｉＣの表面上に成長させられる。一実施例では、ポリ−Ｓｉ皮膜は、大気圧下で、略１１５０〜１２００℃の温度のエピタキシャルリアクタ中で成長させられる。代替として、ポリ−Ｓｉ層は、２個のマスク、つまりエッジリング１３４の頂面と底面にそれぞれひとつ、を使って堆積プロセスにより形成されることができる。ポリ−Ｓｉ層が形成された後、ステップ２０６で示すように、Ｓｉ₃Ｎｉ₄層が形成される。一実施例では、低圧ＣＶＤプロセスが、Ｓｉ₃Ｎｉ₄層を成長させるのに使われる。一般に、エッジリング１３４は、汚染されず、かつオイル、金属、又は塩分を移してしまう素手や他の媒体だけでなく金属にも触れることがないように保つべきである。ステップ２０８で示すように、洗浄プロセスは、チャンバ１００内にエッジリングを入れる直前、そしてエッジリングの加工直後にも実施されることができる。
【００３０】
上記の特殊な半導体基板支持体はエッジリング１３４であるが、ＳｉＣ上に配置されたポリ−Ｓｉ層と、そのポリ−Ｓｉ層上へ直に配置されたＳｉ₃Ｎｉ₄層とを備えるＳｉＣ基板も同様に、サセプタシステムの半導体ウェーハ支持体として使われることができる。このようなシステムにおいて、支持量がウェーハの表面積に比例するように、半導体ウェーハがサセプタの支持体に戴置される。
【００３１】
更に、多くの実施例で、エッジリング１３４は、上記特定寸法とは異なる寸法を持つことができる。同様に、エッジリング１３４の正確な形状は、図３〜５に示される形状と異なっていてもよい。例えば、環状の棚、つまりリップ１３５は勾配のある、つまりベベル付面を持つことができる。
【００３２】
他の実施例は請求項の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明によるＲＴＰシステムの部分断面正面図である。
【図２】 図２は、本発明によるＲＴＰの側断面図である。
【図３】 図３は、本発明によるエッジリングの平面図である。
【図４】 図４は、図３の３‐３側断面図である。
【図５】 図５は、本発明の一実施例による、更に詳細を図解する、図３のエッジリングの側断面図である。
【図６】 図６は、本発明の一実施例に従ってエッジリングを製作するためのフローチャートである。

Claims (14)

1. 炭化珪素基板から形成された半導体ウェーハ支持体であって、
   半導体ウェーハを受けるための棚と、
   少なくとも前記炭化珪素基板の頂面上又は底面上に直に配置されたポリシリコン層と、
   前記ポリシリコン層上に直に配置された窒化珪素層とを備えた、半導体ウェーハ支持体。
2. 炭化珪素基板から形成された、半導体ウェーハを受容するためのエッジリングであって、
   前記基板は、少なくとも前記基板の頂面上又は底面上に直に配置されたポリシリコン層と、前記ポリシリコン層上に直に配置された窒化珪素層とを有する、エッジリング。
3. 前記エッジリングが熱処理チャンバ内に配置された、請求項２のエッジリング。
4. 前記ポリシリコン層がドープされたポリシリコンを含む、請求項２のエッジリング。
5. 前記ポリシリコンと窒化シリコンの両層が、実質的に前記炭化珪素基板の全面をカバーする、請求項２のエッジリング。
6. 前記窒化珪素層の厚さが２０００オングストローム未満である、請求項２のエッジリング。
7. 前記窒化珪素層の厚さが１８００〜２０００オングストロームの範囲内にある、請求項２のエッジリング。
8. 前記ポリシリコン層の厚さが１００ミクロンである、請求項２のエッジリング。
9. 前記窒化珪素層が非反射性皮膜を形成する、請求項２のエッジリング。
10. 半導体ウェーハの支持体を形成する方法であって、
    炭化珪素基板を形成し、
    少なくとも前記基板の頂面上又は底面上に直にポリシリコン層を提供し、
    前記ポリシリコン層上に直に窒化珪素層を提供する、ことを含む方法。
11. ポリシリコン層を提供することが、エピタキシャルリアクタ内でポリシリコン層を成長させることを含む、請求項１０の方法。
12. ポリシリコン層を提供することが、厚さが１００ミクロンのポリシリコン層を成長させることを含む、請求項１０の方法。
13. 窒化珪素層を提供することが、化学気相堆積プロセスを使って、窒化珪素層を成長させることを含む、請求項１０の方法。
14. 窒化珪素層を提供することが、１８００〜２０００オングストロームの範囲の厚さを持つ窒化珪素層を成長させることを含む、請求項１０の方法。

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