JP5275935B2 - 半導体製造装置および半導体製造方法 - Google Patents
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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）。
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、スリットを有し、ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、上昇させた状態でウェーハが載置され、下降させた状態でスリット内に収納される突き上げベースと、突き上げベースを、上昇、下降させるとともに、突き上げベースを上昇させた状態で突き上げベース上に載置されたウェーハをヒータによって予備加熱しながら回転させる上下回転駆動制御機構と、ウェーハを所定の位置で回転させるための回転部材およびこの回転部材と接続される回転駆動制御機構と、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様の半導体製造装置において、ウェーハと回転部材または突き上げベース間に配置される支持部材を設けることが好ましい。
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、成膜処理時にウェーハを所定の位置で回転させる回転部材と離間した状態で、ウェーハを所定の回転速度で回転させながら、予備加熱し、所定の位置で、ウェーハを所定温度で加熱し、回転させ、ウェーハ上にプロセスガスを供給することにより、ウェーハ上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において、回転速度は、５〜３００ｒｐｍ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、回転部材を回転させながら予備加熱することが好ましい。
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。
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。
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であるサセプタ１６が、例えばウェーハｗと整流板１４との距離が約７０ｍｍとなるように回転部材であるリング１７上に設置されている。リング１７は、ウェーハｗを所定の回転速度で回転させる回転軸（図示せず）、モータ（図示せず）などから構成される回転駆動制御機構１８と接続されている。
リング１７内部には、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１９ａ、ミッドヒータ１９ｂ、アウトヒータ１９ｃから構成されるヒータ１９が設置されている。これらのヒータの下部には、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２０が設置されている。
図２にヒータ１９の上面図を示す。インヒータ１９ａの外周にミッドヒータ１９ｂ、その外周にアウトヒータ１９ｃが設けられている。インヒータ１９ａには、例えば十字型のスリット２１が設けられており、スリット２１内には、同様の形状（十字型）の突き上げベース２２が収納されている。
突き上げベース２２の中心下部には、スリット２１の中央部を貫通するように、突き上げシャフト２３が設置されている。そして、突き上げシャフト２３は、上下回転駆動させるためのモータ（図示せず）などから構成される上下回転駆動制御機構２４と接続されている。突き上げベース２２の枝部分の端部上には、サセプタ１６を介してウェーハｗを支持するためのピン２５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２６ａ、２６ｂを備える温度検出機構２６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２６は、インヒータ１９ａ、ミッドヒータ１９ｂ、アウトヒータ１９ｃ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、表裏の熱伝導率の差により若干凹状となっている。
次いで、図３に示すように、上下回転駆動制御機構２４により、突き上げシャフト２３を上方に駆動させることにより、突き上げベース２２を上昇させる。そして、ウェーハｗを突き上げベース２２上のサセプタ１６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、突き上げベース２２上のサセプタ１６上で、リング１７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Ｈ２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１９ａ、ミッドヒータ１９ｂ、アウトヒータ１９ｃを制御して予備加熱を行う。このとき、同時に、上下回転駆動制御機構２４により、突き上げベース２２を例えば回転速度３００ｒｐｍで回転させる。
ウェーハｗは、反応炉１１中に導入した時点では、内側（中心部）の温度が外側（外周部）の温度より低くなっており、予備加熱により外側の温度がより上昇するために、跳ね現象が発生する。しかしながら、突き上げベース２２を回転させながら予備加熱を行うことにより、外側の温度上昇が抑えられる。従って、内側と外側の昇温速度には大きな差が生じず、ウェーハの跳ね現象が抑えられる。
このように、ウェーハｗを上昇させたまま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とウェーハｗ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。
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、突き上げベース２２を下降させることにより、ウェーハｗが載置されたサセプタ１６を、リング１７上に載置する。そして、温度検出機構２５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１９ａ、ミッドヒータ１９ｂ、アウトヒータ１９ｃを制御する。
そして、回転駆動制御機構１８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とサセプタ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、突き上げベース２２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。そして、回転速度を制御することにより、外側の昇温速度を制御することができる。このように回転速度を制御して昇温速度を制御することにより、ウェーハｗが突き上げシャフト２３上に支持された状態での跳ね現象を抑えることができ、ウェーハｗを適切な位置に載置した状態で突き上げベース２２を下降させることができる。
また、インヒータ１９ａなどのヒータには電極が設けられているため、発熱しない電極上の温度が低下し、予備加熱時にウェーハｗ面内の温度ムラが生じてしまう。このように、突き上げベース２２を回転させ、ウェーハｗとヒータの相対位置を変動させることにより、温度ムラを抑えることが可能となる。
従って、ウェーハｗ上に均一に成膜が行われるとともに、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。
なお、本実施形態において、突き上げベースの回転速度は、５０〜３００ｒｐｍであることが好ましい。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。
ただし、突き上げベース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、ライナーとウェーハｗ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と考えられる。
なお、突き上げベースの回転速度が５０ｒｐｍ未満であっても、５ｒｐｍ以上で回転させる場合、ヒータの電極との相対位置を変動させることができるため、ウェーハｗの面内温度均一性を向上させることが可能である。
（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、予備加熱時に回転部材であるリングも回転させている点が実施形態１と異なっている。
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、予備加熱時に回転部材であるリングも回転させている点が実施形態１と異なっている。
すなわち、予備加熱時に、上下回転駆動制御機構２４により、突き上げベース２２を例えば５０ｒｐｍ回転させるとともに、回転駆動制御機構１８によりリング１７を突き上げベース２２の回転方向と逆方向に、例えば３００ｒｐｍで回転させる。
このように回転させることにより、上昇させた不安定な状態での回転速度を抑えることができるとともに、より精度よく予熱時のウェーハｗの温度分布、温度変動を制御することが可能となる。
例えば、突き上げベース２２を５０ｒｐｍ未満で回転させ、ウェーハｗの面内温度均一性を向上させた上で、リング１７を回転させることによりウェーハｗの外側の温度を制御してもよい。
そして、実施形態１と同様に、ウェーハｗを成膜処理する際、ウェーハｗ上に均一に成膜が行われるとともに、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、温度検出機構が上下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。
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、温度検出機構が上下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３１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３２が、例えば整流板３３下部に設けられている。この温度検出機構３２は、実施形態１と同様に、インヒータ３４ａ、ミッドヒータ３４ｂ、アウトヒータ３４ｃと接続されている。そして、さらに突き上げベース３５を上下させ、所定の回転速度で回転させる上下回転駆動制御機構３６と接続されている。
このような半導体製造装置により、実施形態１と同様にして、予備加熱が行われる。このとき、突き上げベース３５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３２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、上下回転駆動制御機構３６により突き上げベース３５の回転速度を変動させることができる。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、上下回転駆動制御機構３６により突き上げベース３５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、突き上げベース３５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、サセプタ上の適切な位置にウェーハｗを載置した状態で成膜することができる。
そして、実施形態１と同様に、ウェーハｗを成膜処理する際、ウェーハｗ上に均一に成膜が行われるとともに、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。
また、本実施形態において、実施形態２と同様に、予備加熱時に併せてリングを回転させてもよい。その場合、温度制御機構３２は、より精度よく温度制御を行うために、図４中破線に示すように、リング３７の回転を制御する回転駆動制御機構３８と接続されることが好ましい。
これら実施形態において、搬入、予備加熱時に、突き上げベース上にサセプタを介してウェーハｗを載置したが、突き上げシャフト２０上に直接ウェーハｗを載置してもよい。この場合、リング上に支持部材である環状のホルダーを設置し、ホルダー上にウェーハｗを載置すればよい。
また、サセプタは中心部と外周部に分割されていてもよく、中心部のサセプタのみを突き上げベースにより上昇させ、予備加熱後、突き上げベースを下降させる際に、外周部のサセプタ上に設置する構成としてもよい。
また、突き上げベースは、高温安定性を考慮すると、ヒータなどと同様にＳｉＣなどから構成されることが好ましい。また、ウェーハｗを安定して保持するために、突き上げベース（枝部分）の短手方向の断面形状において、水平方向の長さａより鉛直方向の長さｂが長いことが好ましく、ａ／ｂは５〜１５であることがより好ましい。
また、突き上げベースは、十字型、すなわち突き上げシャフトと接続される枝部分を４本としたが、特に限定されるものではなく、枝部分が３以上であればよい。
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ＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４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、３１…反応炉
１２…ガス供給口
１３…ガス排出口
１４、３３…整流板
１５…ライナー
１６…サセプタ
１７、３７…リング
１８、３８…回転駆動制御機構
１９…ヒータ
１９ａ、３４ａ…インヒータ
１９ｂ、３４ｂ…ミッドヒータ
１９ｃ、３４ｃ…アウトヒータ
２０…リフレクター
２１…スリット
２２、３５…突き上げベース
２３…突き上げシャフト
２４、３６…上下回転駆動制御機構
２５…ピン
２６、３２…温度検出機構
２６ａ、２６ｂ…温度センサ
１２…ガス供給口
１３…ガス排出口
１４、３３…整流板
１５…ライナー
１６…サセプタ
１７、３７…リング
１８、３８…回転駆動制御機構
１９…ヒータ
１９ａ、３４ａ…インヒータ
１９ｂ、３４ｂ…ミッドヒータ
１９ｃ、３４ｃ…アウトヒータ
２０…リフレクター
２１…スリット
２２、３５…突き上げベース
２３…突き上げシャフト
２４、３６…上下回転駆動制御機構
２５…ピン
２６、３２…温度検出機構
２６ａ、２６ｂ…温度センサ
Claims (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、
スリットを有し、前記ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、
上昇させた状態で前記ウェーハが載置され、下降させた状態で前記スリット内に収納される突き上げベースと、
前記突き上げベースを、上昇、下降させるとともに、前記突き上げベースを上昇させた状態で前記突き上げベース上に載置された前記ウェーハを前記ヒータによって予備加熱しながら回転させる上下回転駆動制御機構と、
前記ウェーハを所定の位置で回転させるための回転部材およびこの回転部材と接続され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。 - 前記ウェーハと前記回転部材または前記突き上げベース間に配置される支持部材を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。
- 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、前記成膜処理時に前記ウェーハを所定の位置で回転させる回転部材と離間した状態で、前記ウェーハを所定の回転速度で回転させながら、予備加熱し、
前記所定の位置で、前記ウェーハを所定温度で加熱し、回転させ、前記ウェーハ上にプロセスガスを供給することにより、前記ウェーハ上に成膜することを特徴とする半導体製造方法。 - 前記回転速度は、５〜３００ｒｐｍであることを特徴とする請求項３に記載の半導体製造方法。
- 前記回転部材を回転させながら予備加熱することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体製造方法。
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