JP4640938B2 - 裏側加熱チャンバ - Google Patents

Description

発明の分野

[0001]本発明は、半導体ウエハの熱処理に関する。より詳細には、本発明は、処理中にウエハの加熱の影響を受けない放射率の為の方法および装置に関する。

発明の背景

[0002]化学気相堆積（ＣＶＤ）や原子層堆積（ＡＬＤ）のような技術を使用して薄膜を作製する為の装置は、半導体ウエハの製造において、ごく普通に使用される。膜形成装置において、ウエハにわたる再生可能な温度分布は、膜均一性にとって極めて重要である。

[0003]最近のシリコン（Ｓｉ）技術において使用される、最も一般的なエピタキシャル膜堆積リアクタは、似たような設計になっている。石英製反応チャンバは、ウエハサポート、サセプタを内包するが、サセプタはウエハにわたり堆積均一性を改善する為に回転される。一度にたった１枚のウエハだけが処理される。処理およびキャリアガスは、層流モードでウエハ表面に対し平行にウエハの上方を流れる。反応チャンバの下方および上方に置かれ石英を通過し、直接にウエハおよびサセプタを加熱するタングステン−ハロゲンランプにより、ウエハは加熱される。チャンバの石英壁とランプは、空冷され、ランプを保護し、リアクタ壁にＳｉが堆積する危険性を防止する。ウエハは、完全に自動的にロードおよびアンロードされ、反応チャンバは、ロードロック及びウエハ移送チャンバにより大気から分離されている。

[0004]サセプタは、ＳｉＣ被覆を備えたグラファイト製ディスクでもよく、放射熱源からの地域的温度変動をスムーズにする。５００から９００℃の温度範囲において、シリコン（Ｓｉ）とＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）のエピタキシャル成長は、非常に温度に敏感であり、しばしば、エピタキシャル成長は、選択的またはブランケット成長モードにおけるパターン化されたウエハに影響する。

[0005]パターン化された（回路とデバイスを有する）ウエハは、ブランケットウエハより、異なる放射率特性を有する場合がある。さらに、ウエハ上のパターンは、他のウエハ上の異なるパターンとは異なる放射率特性を有する場合がある。熱は、第１パターンを備えたウエハから、異なるパターンを備えたものより放射され、異なるパターンを備えたウエハの温度分布は変動可能であり、これが、そのウエハに配置される膜の特性および堆積速度を変動させる。ウエハの変動熱プロファイルは、反応速度に影響可能であり、変動熱プロファイルは、膜の堆積速度を決定可能である。その結果、ウエハパターンの変更は、ウエハの正しい加熱が達成されることを確認する為に処理の再調整を必要としてもよい。膜堆積処理に加えて、ベーキングやアニール等のような熱処置を含む、どんな処理もウエハ放射率により影響を受ける。

[0006]エピタキシャルＣＶＤ装置のような熱処理リアクタにおいて、基板は頻繁にデバイス側と非デバイス側の両方から加熱される。この両側加熱方式を使用すると、ウエハにわたる温度分布は、非常に、膜が堆積される表面の放射率に対し敏感になる。その結果、堆積速度は、ウエハの異なる場所で異なる。また、堆積速度は、これらのパターンの異なる放射率の為に、前面上に異なる放射率を有するウエハ間で変動する。さらに、堆積されている種はウエハの放射率を変更可能なので、堆積速度は、堆積中に変化し得る。堆積速度の放射率依存性に加えて、成長膜への種の導入は温度依存性があるので、堆積膜の化学組成も放射率に敏感である。

発明の概要

[0007]ウエハに沿ったウエハ放射率に対する温度分布の依存性を減じる、ウエハを加熱およびモニタする装置が開示されている。当該装置は、石英製ドーム内に処理チャンバが置かれるウエハを保持する能力があるサセプタを備える。石英製ドームの外側に置かれたランプアレイは、サセプタの裏側を加熱する。リフレクタは、石英製ドームの外側に置かれ、鏡面をウエハのデバイス側に向かせて熱をウエハに反射して戻す。リフレクタの形状は、最良の温度均一性を与えるように最適化されている。チャンバは、ウエハを直接加熱する為に、ランプからの光がサセプタ周囲に漏れることを制限するように設計されている。光学温度計は、リフレクタの穴を通してウエハのデバイス側の温度を読み取る為に、リフレクタの上方に置かれてもよい。

[0008]本発明は、例示の為に示されているので、同様の参照符号が同様の要素を示す図面の図に限定されるものではない。

詳細な説明

[0014]ウエハを熱処理する為の装置が説明されている。当該装置は、鏡面を備えたウエハの裏側に熱を与え、ウエハの反対側に逃げる熱を反射して戻す。ウエハの裏側（非デバイス側）加熱は、ウエハ加熱におけるウエハのデバイス側放射率の影響を単に減少させるだけである。この装置は、ウエハの両側への直接放射熱を備えた装置と比較すると、膜堆積におけるウエハ放射率の依存性を減少させる。そのような熱処理は、シリコン、シリコン・ゲルマニウム、シリコン・ゲルマニウム・カーボン膜のような様々な被膜のエピタキシャル堆積でもよい。堆積は、化学気相堆積または原子層堆積のような幾つかの膜堆積方法の一つを介して達成されてもよい。本発明が使用可能な他の処理は、以下に限定されるものではないが、酸化シリコン、窒化シリコン、多結晶堆積、より広く、どんな温度依存性処置や処理を含む。

[0015]以下の説明において、本発明の完全な理解を与える為に、説明という目的の為に多数の特定事項が記載されている。しかし、当業者にとって、本発明は、これらの特定事項がなくても実施可能であることは明白である。例えば、周知構造と装置は、詳細というよりブロック図形式で示され、本発明の不明瞭性を避けている。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明されているが、輔ｋｓの実施形態は利用可能であり、論理的、機械的、電気的な他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく可能であることが理解されよう。

[0016]本発明は、本願の動作を実施する装置により実現可能である。この装置は、要求された目的の為に特別に構成可能であり、要求された目的を達成する為に選択的に起動または再構成された汎用処理チャンバを備えてもよい。

[0017]いろいろな用語や技術は、通信、プロトコル、応用、実施、メカニズム等を説明する為に当業者により使用されていることを理解されたい。

[0018]図１は、説明された技術が適用可能な放射率に影響されない熱処理の為の裏側加熱チャンバを例示する。一実施形態において、放射率に影響されない熱処理の為の裏側加熱チャンバ（処理チャンバ）１００は、サセプタ１０６の裏側１０４を加熱する為に放射加熱ランプアレイ１０２を含む。ウエハ１０８（伸縮せず）は、処理チャンバ１００に持ち込まれ、ローディングポート１０３を介してサセプタ１０６上に位置決めされる。ピンリフト１０５は、サセプタ１０６の穴を通過し、ウエハ１０８を受容する為に上昇可能であり、それから、デバイス側を上向きにしてウエハ１０８をサセプタ１０６の前側１１０に位置決めする為に平行移動可能である。サセプタ１０６は、処理チャンバ１００の内側に配置可能であり、石英のような透明ガラスで形成された上部ドーム１２８と下部ドーム１１４の内部に配置可能である。ランプアレイ１０２のような一個以上のランプは、下部ドーム１１４の外側かつ下方に配置可能である。ローディングポート１０３は、ライナとして作用する一以上のリング、局部的なリングを含んでもよいが、これらは、ランプ１０２からウエハの前側（デバイス側）１１６への熱漏れを最小限または防止する為に、サセプタ１０６の縁部を整列させることができる。ライナ１１２は、光を通さない材料（例えば、不透明な石英）で形成可能である。不透明な石英のライナ１１２を使用することにより、ウエハ１０８に達する熱エネルギーのほとんどは、サセプタ１０６周囲のランプ１０２からウエハの前側１１６への漏れよりむしろ、サセプタ１０６を通して伝導される。サセプタ１０６を通るウエハ１０８への熱伝達が導通しているので、放射率に影響されないウエハ１０８上の膜堆積は放射率に影響されない。

[0019]サセプタ１０６からのウエハ１０２の裏側加熱の結果として、ウエハ前側（デバイス側）１１６上における温度測定の為の光学温度計１１８の使用は実施可能である。光学温度計１１８による温度測定は、この方式におけるウエハ前側１１６の加熱は放射率に影響されないので、未知の放射率を持つウエハのデバイス側で行われる。その結果、光学温度計１１８は、ウエハの前側１１６又は光学温度計１１８に直接達するランプ１０２からの最小限の背景的放射を伴ってサセプタ１０６から伝導する、熱いウエハ１０８からの放射だけを感知することができる。

[0020]リフレクタ１２２は、上部ドーム１２８の外側に置くことが可能であり、ウエハ１０８から離れる放射赤外線を反射してウエハ１０８に戻す。反射された赤外線のため、加熱の効率は、システム１００を逃げるであろう熱を含むことにより改善されるであろう。更なる態様は、連続反射でウエハに戻る、ウエハを離れる放射熱を伴い、この熱の周波数分布は、ウエハ１０８の黒体放射に近づく。その結果、ウエハの前側１１６上に反射する為にウエハの下方から漏れる直接光は、全体の熱の小さな比率をウエハに与えることができるので、この漏れから生じる前面１１６における放射率の影響は、最小限になる。

[0021]ウエハ放射率におけるウエハ加熱の依存性を減少することにより、ウエハのデバイス側１１６の表面温度を読み取る為の光学温度計１１８の使用が効果的になる。光学温度計１１８が効果的になるのは、ランプの為に減じられた光の比率が、光学温度計内の「寄生」信号の比率を減少させるからである。さらに、ウエハの加熱は、漏れにより生じる低い誤差で放射率に影響されないことから、ウエハ回路設計（パターン）が変更されたとき、光学温度計１１８は、再較正されなくてもよい。

[0022]一実施形態において、リフレクタ１２２は、アルミニウムやステンレス鋼のような金属で形成可能である。アルミニウムは、リフレクタ１２２を冷却する為の水のような液体流を運ぶ為に、機械加工されたチャネル１２４を持たせてもよい。さらに、反射効率は、金のような高反射性被覆で反射領域を覆うことにより改善可能である。リフレクタ１２２は、リフレクタ１２２の中心のような場所を通る穴１２０を持たせ、これを通してウエハ１０８の温度を光学温度計１１８で感知してもよい。一実施形態において、サセプタ１０６は、グラファイト、シリコンカーバイドで被覆された材料から製造可能である。サセプタ１０６は、ストラット１３０及び中心シャフト１３２により支持可能であり、これらは、ウエハ１０８のローディング及びアンローディング中に上下方向１３４にウエハ１０８を移動可能である。

[0023]一実施形態において（図１）、処理チャンバ１１０の上部ドーム１２８は、湾曲されている。湾曲の程度および上部ドーム１２８の石英ガラス材料の厚みは、上部ドーム１２８の両側に作用する圧力差に依存可能である。この実施形態において、外圧は大気圧であり、上部ドーム１２８及び下部ドーム１１４の内部の処理中の圧力は、およそ０．１から７００トルである。その結果、上部ドーム１２８の石英ガラスの厚みは、およそ０．１２インチであり、湾曲の半径は、およそ１５．０インチである。

[0024]図２に示されるような他の実施形態において、石英製ドーム２３０、２３２の両側の圧力は、ほぼ同一に保たれてもよい。構造的懸念がないので、上部ドーム２２８は、平坦にすることができ、リフレクタ２２２は、効率を改善するため、ウエハ２０８に密接に配置可能である。上部ドーム２２８の両側に作用する等しい圧力を確実にするため、上部ドーム２２８の一方側２３０、２３２のボリュームは、互いに接続されてもよい。上部ドーム２２８の一方側のボリューム２３０、２３２が接続されないとき、２つのボリューム２３０、２３２内の圧力の接近および上部ドーム２２８の非破壊を確実にするため、所定位置に圧力制御システム（図示せず）があってもよい。

[0025]図３Ａ及び図３Ｂに示される他の実施形態において、処理チャンバ３００の上部ドーム２２８は、リブ３３０で補強されている。上部ドーム３２８に作用する著しい圧力差があると、上部ドーム３２８は、これらの強化リブ３３０を使用することにより、より強く形成することができる。リブ３３０の結果、上部ドーム３２８は、ウエハ３０８に面する場合、実質的に平坦のままである。図３Ａは、更に、センターレス・サセプタ３０６を例示するが、これは、サセプタ３０６に穴３３４があり、ウエハ３０８が穴３３４の縁部でサセプタ３０６と接触可能になっていることを意味する。センターレス・サセプタ３０６は、ランプ３０２からの放射を許容し、直接、ウエハ３０８の裏側に衝突可能であり、熱は、ウエハの前側３１６を加熱する為にウエハ３０８の厚みを通して伝達可能である。一つだけリブ３３０形式が示されているが、圧力差を考慮事項を満足する、いろいろなリブ設計が可能であることが分かる。また、いろいろなチャンバ形状も、図１−図３に示された円形形状以外に可能である。圧力差に耐えるように上部ドーム３２８の能力を改善する為に、矩形や楕円チャンバ形状も可能である。

[0026]図４は、クラスタ・ツール・システムの例示である。Epi Centuraのようなクラスタ・ツール４００は、複数の裏側加熱チャンバ４０２、４０２’を含み、ウエハ４０３は、ロボット４０７により、チャンバ４０２，４０２’、カードリッジ４０１，４０１’間を供給される。裏側加熱チャンバ４０２，４０２’は、全てが同様の機能（例えば、エピタキシャル堆積）を実行するか、各々が異なる機能を実行する。図４に示されているのは、低温エピタキシャル堆積の為のシステム構成であり、これは、予備エピタキシャル洗浄の為に一つのエピタキシャル洗浄用チャンバ４０４と、３つの堆積用チャンバ４０２、４０２’とを有する。各チャンバ４０２，４０２’、４０４は、光学温度計４０６、４０６’を有してもよい。温度計４０６、４０６’は、複数のチャネル４０８を備えた一つの制御ユニットにより、個々に制御可能であるか、全てが一緒に制御可能である。ウエハ上方の直接ランプ放射は最小限になるので、光学温度計における寄与信号も、最小限になる。光学温度計４０６、４０６’は、ウエハの大きさ及び／又は回路パターンの各変更に伴い再較正されなくてもよいので、処理サイクルの回数を減少する。

[0027]裏側加熱だけが、温度依存処理における放射率に対し不活性態を達成する。これにより、ウエハ回路設計（パターン）又は固有の膜放射率に拘わらず、熱処理の再現性を許容する。処理を調整する為に費やされた時間は、この特徴により減少可能である。リアクタ（処理チャンバ）は、上部のランプアレイが存在しないことにより、一層、コンパクトにできる。最後に、この方式は、未知の放射率を持つ、パターン化されたウエハのウエハ温度の直接測定を許容する。

[0028]そのため、ウエハ裏側加熱、ウエハ放射熱を反射してウエハに戻すこと、ランプ熱漏れの影響を最小限にすることを介し、放射率に影響されないウエハ加熱装置が説明された。本発明は、特定の実施形態を参考に説明されたが、様々な変形や変更が、請求の範囲に記載された発明の範囲及び広い精神から逸脱することなく、可能であることは、いうまでもない。したがって、明細書及び図面は、限定的なものではなく、例示的なものである。

図１は、熱処理とは独立した放射率の為の裏側加熱チャンバの例示である。 図２は、平坦上部ドームを備えた裏側加熱チャンバの例示である。 リブが形成された平坦上部ドームを備えた裏側加熱チャンバの例示である。 リブが形成された平坦上部ドームの平面図の例示である。 図４は、クラスタ・ツール・システムの例示である。

符号の説明

１００…処理チャンバ、１０２…放射熱ランプアレイ、１０３…ローディングポート、１０４…裏側、１０５…ピンリフト、１０６…サセプタ、１０８…ウエハ、１１０…前側、１１２…ライナ、１１４…下部ドーム、１１６…ウエハ前側、前面、１１８…光学温度計、１２０…穴、１２２…リフレクタ、１２４…チャネル、１２８…上部ドーム、１３０…ストラット、１３２…中心シャフト、１３４…上下方向、２０８…ウエハ、２２２…リフレクタ、２２８…上部ドーム、２３０…石英製ドーム、２３２…ボリューム、３００…、３０２…ランプ、３０６…サセプタ、３０８…ウエハ、３１６…、３２８…上部ドーム、３３０…リブ、３３２…裏側、３３４…穴、４００…クラスタ・ツール、４０１…カートリッジ、４０２…裏側加熱チャンバ、４０２’…裏側加熱チャンバ、４０３…、４０４…、４０６…光学温度計、４０６’…光学温度計、４０７…ロボット、４０８…チャネル

Claims (15)

1. 下方に面するミラー表面を有するリフレクタと、
   前記リフレクタの下に置かれたガラス構造体と、
   処理される部品を保持する能力があり、上方に面する表面を有する、前記ガラス構造体内のサセプタと、
   前記ガラス構造体の下面に直接向けられ且つ前記ガラス構造体の下に置かれた一以上の放射熱源とを含み、
   前記サセプタには穴が形成され、
   前記処理される部品は、前記穴の縁部において保持され、
   前記一以上の放射熱源からの放射は、前記処理される部品の裏側を加熱する、装置。
2. 前記ガラス構造体の一部は、前記サセプタと前記リフレクタとの間に置かれ、湾曲されている、請求項１記載の装置。
3. 前記ガラス構造体の一部は、前記サセプタと前記リフレクタとの間に置かれ、構造的に圧力差に耐えるようにリブが形成されている、請求項１記載の装置。
4. 前記リフレクタは、反射材の外層を有する、請求項１記載の装置。
5. 前記リフレクタは、温度を感知する貫通穴を有する、請求項１記載の装置。
6. 前記穴は、０．５０〜１．５０インチの径を有する、請求項５記載の装置。
7. 前記リフレクタは、実質的に平坦である、請求項１記載の装置。
8. 前記リフレクタは、水冷される、請求項１記載の装置。
9. 前記部品は、半導体ウエハである、請求項１記載の装置。
10. 前記半導体ウエハは、デバイス側が上向きになっている、請求項９記載の装置。
11. 半導体処理装置において、
    下方に面するミラー表面を有する平坦なリフレクタと、
    前記リフレクタの下に置かれた石英製処理チャンバと、
    ウエハを保持する能力があり、上方に面する表面を有する、前記石英製処理チャンバ内のサセプタと、
    前記石英製処理チャンバの一部であって、均一な厚みを持ち、前記サセプタと前記リフレクタとの間に置かれる、石英製処理チャンバの一部と、
    前記サセプタに直接向けられ、前記石英製処理チャンバの下に置かれる、一以上の放射熱源と、
    前記平坦なリフレクタ内の穴を通じてウエハ表面温度を読む為に位置決めされた温度感知装置とを備え、
    前記サセプタには穴が形成され、
    前記ウエハは、前記サセプタの前記穴の縁部において保持され、
    前記一以上の放射熱源からの放射は、前記ウエハの裏側を加熱する、半導体処理装置。
12. 圧力差を均一にする為に、前記石英製処理チャンバ内のボリュームおよび前記リフレクタ周りのボリュームを連結する通路を更に備える、請求項１１記載の装置。
13. 前記石英製処理チャンバ内に作用する第１圧力と、前記石英製処理チャンバと前記リフレクタ間に作用する第２圧力とを一致させることができる圧力制御システムを更に備える、請求項１１記載の装置。
14. 前記リフレクタは、反射材の外層を有する、請求項１１記載の装置。
15. 前記反射材は、金である、請求項１４記載の装置。

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