JP5079726B2 - 半導体製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

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方法および半導体製造装置に関する。

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、例えば反応炉内において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。

このような裏面加熱方式において、予め例えば７００℃程度に加熱された反応炉内に、常温のウェーハを導入して、部材上に移載する際、中央部材を冷却することにより、ウェーハ中央部の温度が低下して温度ムラが生じるという問題がある。そこで、中央部材を余分に加熱する手法が提案されている（例えば特許文献１など参照）。

特開２００２−４３３０２号公報（[００２８]〜[００２９]など）

上述したように、中央部を加熱することにより、高温の反応炉内に常温のウェーハを導入する際に生じるウェーハの温度ムラをある程度抑制することが可能である。しかしながら、実際はウェーハの温度ムラが全くない状態に制御することは困難であり、特に裏面に酸化膜が形成されている場合、自重によるだけでなく、表面と裏面の温度差、熱膨張率の違いなどにより、ウェーハに反りが生じてしまう。

そして、ウェーハを加熱することにより、凹状態から凸状態に変形するために、ウェーハの跳ね現象が生じてしまう。このような跳ね現象により、ウェーハが通常の位置よりずれ、水平保持ができなくなり、脱落して破損するなどにより、歩留り、生産性が低下するとともに、膜厚のばらつきにより、半導体装置の信頼性が低下するという問題が生じる。

発明者らの検証により、中央部と外周部の温度変動が大きくなると、跳ね現象が生じやすくなることがわかった。すなわち、ウェーハを反応炉内に投入した後、中央部と外周部で同じ変化量で温度が上昇すれば、変位量が抑えることができる。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、ウェーハの跳ね現象を抑え、ウェーハ上に均一に成膜を行うとともに、歩留り、生産性の低下を抑え、半導体装置の信頼性の向上を図ることが可能な半導体製造方法および半導体製造装置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方法は、反応炉内に成膜処理されるウェーハを導入し、ウェーハが成膜処理時に載置される支持部材と離間するように、ウェーハを支持し、ウェーハが支持部材と離間した状態で、支持部材を所定の回転速度で回転させながら、ウェーハを予備加熱し、ウェーハを前記支持部材上に載置し、ウェーハを所定温度で加熱するとともに、回転させながらウェーハ上にプロセスガスを供給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において、回転速度は、５０〜３００ｒｐｍ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方法において、回転速度は、ウェーハの温度分布に基づき制御することが好ましい。

また、本発明の一態様の半導体製造方法において、回転速度は、ウェーハの温度変化量の分布に基づき制御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は、ウェーハが導入される反応炉と、反応炉にプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、反応炉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支持部材と、ウェーハを上昇させた状態で支持するとともに、ウェーハを支持部材上に下降させる上下駆動機構と、ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、ウェーハを上下駆動機構により上昇させ、支持部材と離間させた状態でヒータにより所定の温度に予備加熱する時におけるウェーハの温度分布を検出する温度検出機構と、支持部材を回転させるための回転機構と、検出された温度分布に基づき、予備加熱時における回転機構を所定の回転速度に制御する回転駆動制御機構と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、半導体装置の成膜工程において、ウェーハの跳ね現象を抑え、ウェーハ上に均一に成膜を行うとともに、歩留り、生産性の低下を抑え、半導体装置の信頼性の向上を図ることが可能となる。

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半導体装置の製造工程を示す図である。 本発明の一態様におけるウェーハの温度変化を示す図である。 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。

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エピタキシャル成長装置の断面図を示す。図に示すように、例えばφ２００ｍｍのウェーハｗが成膜処理される反応炉１１には、反応炉１１上方より、トリクロロシラン、ジクロロシランなどのソースガスを含むプロセスガスなどを、所定の流量でウェーハ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。反応炉１１下方には、例えば２箇所にガスを排出し、反応炉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。

反応炉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。整流板１４には、ウェーハｗの上方を囲むように、例えばφ２４０ｍｍのライナー１５が接続されている。

反応炉１１の下方には、ウェーハｗを載置するための支持部材１６が例えばウェーハｗと整流板１４との距離が約７０ｍｍとなるように設置されている。さらに、ウェーハｗ及び支持部材１６を所定の回転速度で回転させる機構であり、支持部材１６と接続され、モータ（図示せず）、回転軸（図示せず）、リング１７ａなどから構成される回転駆動制御機構１７が設置されている。

支持部材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１８ａが設置されている。さらに、支持部材１６とインヒータ１８ａ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１８ｂが設置されている。インヒータ１８ａ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１９が設置されている。そして、インヒータ１８ａ、リフレクター１９を貫通するように設けられ、反応炉１１内に搬入されたウェーハｗを上昇させた状態で支持するとともに、ウェーハｗを支持部材１６上に下降させるための突き上げシャフト２０を備える上下駆動機構が設置されている。

さらに、ウェーハｗの温度分布、すなわち中心部と外周部の温度をそれぞれ検知する温度センサ２１ａ、２１ｂを備える温度検出機構２１が、例えば整流板１４下部に設けられている。この温度検出機構２１は、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂと接続されている。

このような半導体製造装置を用いて、例えば、９００ｎｍの裏面酸化膜が形成されたφ２００ｍｍのウェーハｗ上に、Ｓｉエピタキシャル膜を形成する。

先ず、反応炉１１のゲート（図示せず）を開にして、例えばロボットハンドにより、ウェーハｗを例えば炉内が７００℃に加熱された反応炉１１に搬入する。このとき、ウェーハｗは、温度分布のばらつきがなく、自重により若干凹状となっている。

次いで、図２に示すように、突き上げシャフト２０を上昇させ、ウェーハｗを突き上げシャフト２０上に載置し、ゲート（図示せず）を閉にする。この状態で、ウェーハｗは、突き上げシャフト２０上で、支持部材１６の上面からの高さが例えば６０ｍｍとなるように支持されている。そして、例えばＨ_２ガスなどソースガスを含まないプロセスガスを、ガス供給機構（図示せず）よりガス供給口１２を経て反応炉１１内に導入しながら、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂを制御して予備加熱を行う。このとき、同時に、回転駆動制御機構１７により、支持部材１６を例えば回転速度３００ｒｐｍで回転させる。すなわち、ウェーハｗを載置しない状態で、支持部材１６を回転させる。

図３に支持部材の回転速度を５０ｒｐｍ、３００ｒｐｍとしたときの予備加熱時のウェーハの位置による温度変化を示す。図に示すように、反応炉１１中に導入した時点では、ウェーハｗは内側（中心部）の温度が外側（外周部）の温度より低くなっている。

ここで、回転速度が５０ｒｐｍのとき、導入して約１０秒後に内側と外側の温度差が最大となり、約１５秒後でほぼ等しくなる。すなわち、外側の昇温速度が内側の昇温速度より遅くなった後、早くなっている。そして、このとき、ウェーハの跳ね現象が発生している。

一方、回転速度が３００ｒｐｍのとき、外側の温度上昇が抑えられていることがわかる。そして、導入直後の外側の温度上昇が抑えられ、その状態で昇温されるため、内側と外側の昇温速度には大きな差が生じていない。このとき、ウェーハの跳ね現象は発生していない。

このように、支持部材を回転させることにより、ウェーハｗの外側の温度を下げることができる。これは、支持部材を回転させることにより、ライナー１５と支持部材の間から排出されるプロセスガスの排出速度が増大することに起因すると考えられる。さらに、回転速度により、ウェーハｗの外側の昇温速度を制御することが可能であることがわかる。そして、内側と外側の昇温速度すなわち温度分布の変化量に差が生じないように制御することにより、ウェーハの跳ね現象の発生を抑えることができる。

このようにして、予備加熱を行い、開始から４０秒程度で、中心温度が７５０℃程度、外周温度が７００℃程度となり安定する。

温度が安定した後、突き上げシャフト２０を下降させることにより、ウェーハｗを支持部材１６上に載置する。そして、温度検出機構２１により検出されるウェーハｗの面内温度が均一に１１００℃となるように、インヒータ１８ａ、アウトヒータ１８ｂを制御する。

そして、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、例えばトリクロロシラン濃度が２．５％となるように調製し、例えば５０ＳＬＭで供給する。

一方、余剰となったトリクロロシランを含むプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物であるＨＣｌなどのガスは、ライナー１５と支持部材１６との間より下方に排出される。さらに、これらのガスは、ガス排出口１３よりガス排出機構（図示せず）を介して排出され、反応炉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Ｓｉエピタキシャル膜を成長させる。

このように、支持部材１６を回転させることにより、ウェーハｗの外側の温度上昇を抑えることができるため、外側の昇温速度を制御することができる。そのため、ウェーハｗが突き上げシャフト２０上に支持された状態での跳ね現象を抑えることができる。従って、突き上げシャフト２０を下降させることにより、支持部材１６の適切な位置にウェーハｗを載置することができるため、ウェーハｗ上に均一に成膜を行うとともに、歩留り、生産性の低下を抑え、半導体装置の信頼性の向上を図ることが可能となる。

（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、温度検出機構が回転駆動制御機構と接続されている点で、実施形態１と異なっている。

すなわち、図４に示すように、反応炉４１において、ウェーハｗの温度分布、すなわち中心部と外周部の温度を検知する温度センサを備える温度検出機構４２が、例えば整流板４３下部に設けられている。この温度検出機構４２は、実施形態１と同様に、インヒータ４４ａ、アウトヒータ４４ｂと接続されている。そして、さらにウェーハｗ及び支持部材４５を所定の回転速度で回転させる回転駆動制御機構４６と接続されている。

このような半導体製造装置により、支持部材４５の回転速度は、ウェーハｗの温度分布に基づき制御することができる。すなわち、温度検出機構４２により検出されたウェーハｗの内側と外側の温度の差が、例えば５０℃となるように、回転駆動制御機構４６により支持部材４５の回転速度を変動させることができる。また、さらに、ウェーハｗの内側と外側の温度変化量（温度変化量の分布）、すなわち昇温速度が、ほぼ等しくなるように、回転駆動制御機構４６により支持部材４５の回転速度を変動させることができる。

このように、ウェーハｗの温度分布、あるいは温度変化量（昇温速度）の分布に基づき、支持部材４５の回転速度を制御し、ウェーハｗの外側の昇温速度をより適切に制御することができる。従って、実施形態１と同様に、跳ね現象を抑えることができ、支持部材４５の適切な位置にウェーハｗを載置することができるため、ウェーハｗ上に均一に成膜を行うとともに、歩留り、生産性の低下を抑え、半導体装置の信頼性の向上を図ることが可能となる。

これら実施形態において、支持部材の回転速度は、５０〜３００ｒｐｍであることが好ましい。支持部材を回転させているときのウェーハｗ外側の温度（昇温速度）は、回転速度のみならず、ライナーと支持部材との間から排出されるプロセスガスの排出速度、整流板と支持部材との距離、ウェーハｗの支持高さといったパラメータに依存することが考えられる。そのため、それぞれのパラメータにより、所望の温度（昇温速度）を得るための回転数は変動する。しかしながら、５０ｒｐｍ未満であると、支持部材の回転による温度制御の効果を得ることが困難となると考えられる。一方、３００ｒｐｍを超えると、ウェーハｗを支持部材に載置するために回転停止する際、回転停止に要する時間が２０回転あたり１秒延長することから、スループットが低下してしまう。

また、これら実施形態において、搬入、予備加熱時に、突き上げシャフト２０上に直接ウェーハｗを載置したが、突き上げシャフト２０上に支持部材１６を介してウェーハを載置してもよい。このとき、支持部材は分割されていてもよく、支持部材を構成するパーツ上に載置してもよい。

本実施形態によれば、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、４１…反応炉
１２…ガス供給口
１３…ガス排出口
１４、４３…整流板
１５…ライナー
１６、４５…支持部材
１７、４６…回転駆動制御機構
１７ａ…リング
１８ａ、４４ａ…インヒータ
１８ｂ、４４ｂ…アウトヒータ
１９…リフレクター
２０…突き上げシャフト
２１、４２…温度検出機構

Claims (5)

1. 反応炉内に成膜処理されるウェーハを導入し、
   前記ウェーハが前記成膜処理時に載置される支持部材と離間するように、前記ウェーハを支持し、
   前記ウェーハが前記支持部材と離間した状態で、前記支持部材を所定の回転速度で回転させながら、前記ウェーハを予備加熱し、
   前記ウェーハを前記支持部材上に載置し、
   前記ウェーハを所定温度で加熱するとともに、回転させながら前記ウェーハ上にプロセスガスを供給することを特徴とする半導体製造方法。
2. 前記回転速度は、５０〜３００ｒｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造方法。
3. 前記回転速度は、前記ウェーハの温度分布に基づき制御されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体製造方法。
4. 前記回転速度は、前記ウェーハの温度変化量の分布に基づき制御され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方法。
5. ウェーハが導入される反応炉と、
   前記反応炉にプロセスガスを供給するためのガス供給機構と、
   前記反応炉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支持部材と、
   前記ウェーハを上昇させた状態で支持するとともに、前記ウェーハを前記支持部材上に下降させる上下駆動機構と、
   前記ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、
   前記ウェーハを前記上下駆動機構により上昇させ、前記支持部材と離間させた状態で前記ヒータにより所定の温度に予備加熱する時における前記ウェーハの温度分布を検出する温度検出機構と、
   前記支持部材を回転させるための回転機構と、
   前記検出された前記温度分布に基づき、前記予備加熱時における前記回転機構を所定の回転速度に制御する回転駆動制御機構と、
   を備えることを特徴とする半導体製造装置。

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