JP5524782B2 - ヒータユニット、及び半導体ウエハ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウエハ等の被加熱物を加熱処理するヒータユニット、及び半導体ウエハ製造方法に関する。

半導体製造過程において、半導体ウエハのプロセス処理を行うために基板加熱用のヒータユニットが用いられている（例えば、特許文献１参照）。半導体ウエハの外周部は、いわゆる熱引けが起こり易いため、ウエハの外周部の温度は、内周部の温度よりも低下しやすい。そこで、内周側と外周側とにそれぞれ温度調節が可能なヒータを設置したヒータユニットが提案されている。

このヒータユニットは、内周側に配置された内側ヒータと外周側に配置された外側ヒータとを有する。外側ヒータを内側ヒータよりも高い温度に設定することにより、熱引けが生じやすい半導体ウエハの外周部を、高い温度で加熱することができ、半導体ウエハ全体の温度を均一に近づけることができる。

特開２００２−０８３７８２号公報（図２参照）

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、半導体ウエハの直径が大きくなると課題が生じる。すなわち、半導体ウエハの直径が大きくなる程、外周部における熱引けが顕著になるため、半導体ウエハの温度を均一に保つために、外側ヒータの出力を上げる必要がある。これにより、外側ヒータには内側ヒータよりも多大な負荷がかかり、外側ヒータが劣化し易くなるという問題があった。また、外側ヒータの交換の回数が嵩み、結果としてコスト増に繋がっていた。

そこで、本発明は、外側ヒータと内側ヒータとの出力の差を小さくするとともに、外側ヒータの負荷を上げることなく、半導体ウエハの温度を均一に近づけることのできるヒータユニット、及び半導体ウエハ製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、以下の特徴を有する。略円形状に加工された半導体ウエハが載置される載置台と、前記載置台を加熱するヒータとを備えるヒータユニットであって、前記ヒータは、円環形状の外側ヒータと、前記外側ヒータの円環の内側に配置される円形状の内側ヒータとを有し、前記内側ヒータの発熱面積ＳＨ１と、前記外側ヒータの発熱面積ＳＨ２との比率が、 ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝６０乃至５５％、 ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％ を満たし、前記半導体ウエハの直径は、前記外側ヒータの内径よりも大きく、前記外側ヒータの外径よりも小さいことを要旨とする。

本発明において、発熱面積とは、円環状或いは円形状のパターンを有するヒータの裏表の表面積の和と、ヒータの側面の面積の和である。また、単に表面積と表記した場合には、一方の表面（又は裏面）のみの面積を示し、他方の表面と側面の面積の和は含まない。

本発明によれば、外側ヒータの発熱面積ＳＨ２が ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％ を満たすことにより、外側ヒータの断面積が減少する。これにより、外側ヒータの抵抗値が高くなるため、外側ヒータにかける電流を上げることなく、外側ヒータの発熱量を増加させることができる。従って、半導体ウエハの温度を均一に近づけることができる。

上述した本発明の特徴では、前記載置台の直径Ｄｂと前記半導体ウエハの直径Ｄｗとは、 １．２Ｗｄ≦Ｄｂ≦１．４Ｗｄ を満たすように構成されていてもよい。

上述した本発明の特徴では、前記内側ヒータの表面積Ｓ１と前記半導体ウエハの面積ＳＷとは、 ０．８５ＳＷ≦Ｓ１≦０．９０ＳＷ を満たすように構成されていてもよい。

上述した本発明の特徴では、前記外側ヒータの温度は、前記内側ヒータの温度よりも５０〜１００℃高く設定されてもよい。

また、上述した課題を解決するため、本発明は、以下の特徴を有する。略円形状に加工された半導体ウエハが載置される載置台と、前記載置台の前記半導体ウエハが載置される面の反対側の面を加熱するヒータとを備え、前記ヒータは、円環形状の外側ヒータと、前記外側ヒータの円環の内側に配置される円形状の内側ヒータとを有し、前記内側ヒータの発熱面積ＳＨ１と、前記外側ヒータの発熱面積ＳＨ２との比率が、ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝６０乃至５５％、ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％を満たし、前記半導体ウエハの直径は、前記外側ヒータの内径よりも大きく、前記外側ヒータの外径よりも小さことを特徴とするヒータユニットを用いて半導体ウエハを加熱し、前記加熱された半導体ウエハ上に薄膜を形成する半導体ウエハ製造方法であって、前記外側ヒータの温度が前記内側ヒータの温度よりも５０〜１００℃高く設定された状態で、前記半導体ウエハにプロセスガスが供給される半導体ウエハ製造方法であることを要旨とする。

本発明によれば、外側ヒータと内側ヒータとの出力の差を小さくするとともに、外側ヒータの負荷を上げることなく半導体ウエハの温度を均一に近づけることのできるヒータユニット、及び半導体ウエハ製造方法を提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係るヒータユニットを適用した半導体製造装置の概略を説明する構成図である。 図２は、本発明の実施形態にヒータユニットの構成を説明する断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係るヒータユニットのヒータを説明する平面図である。 図４は、本発明の実施形態に係るヒータユニットのヒータ、ウエハホルダ、及び半導体ウエハの寸法の関係を説明する図である。 図５は、本発明の実施形態に係るヒータユニットのウエハホルダの法線方向からみた平面におけるヒータ、ウエハホルダ、及び半導体ウエハの面積の違いを説明する図である。 図６は、本実施形態の発熱面積比率で構成されたヒータユニットによって加熱された直径２００ｍｍの半導体ウエハの温度分布を示す図である。 図７は、本実施形態の発熱面積比率で構成されたヒータユニットによって加熱された直径３００ｍｍの半導体ウエハの温度分布を示す図である。

本発明に係るヒータユニット、及びヒータユニットを用いた半導体製造装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。具体的には、（１）半導体製造装置の概略の説明、（２）ヒータユニットの構成の説明、（３）ヒータの構成の説明、（４）半導体製造方法、（５）作用・効果、（６）その他の実施形態、について説明する。

なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なのものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることを留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。

（１）半導体製造装置の概略の説明
図１は、実施形態に係るヒータユニット１を適用した半導体製造装置１００の概略を説明する図である。実施形態に係る半導体製造装置１００は、半導体ウエハ２００に化学気相成長（ＣＶＤ）を行う装置である。半導体製造装置１００は、図１に示すように、半導体ウエハ２００を加熱するヒータユニット１と、ヒータユニット１を覆うチャンバー１１０と、チャンバー１１０内部に取り付けられており半導体ウエハ２００に向けてプロセスガスを吹き付けるシャワーヘッド１２０と、チャンバー１１０の側面に配置された保温ヒータ１３０とを有する。保温ヒータ１３０は、半導体ウエハ２００の外周部からチャンバー１１０側への熱の流れ（熱引け）を防止するために、チャンバー１１０の側面を加熱するために配置される。

（２）ヒータユニットの構成の説明
次に、ヒータユニット１について説明する。図２は、ヒータユニット１の構成を説明する断面図であり、図３は、ヒータユニット１のヒータ７を具体的に説明する平面図である。図２に示すように、ヒータユニット１は、床面に載置される支持台２と、中央側支持柱３と、位置決め部材４と、ウエハホルダ５と、保持体６と、ヒータ７とを備える。ウエハホルダ５は、略円形状に加工された載置面５ａを有する。ウエハホルダ５は、載置台を構成する。

図２に示すように、ヒータ７は、内側ヒータ８と、外側ヒータ９とを有する。内側ヒータ８及び外側ヒータ９のそれぞれは、所定幅を有する帯状の発熱体からなり、同一平面上に連続した、いわゆる一筆書き状に所定のパターンが形成されている（図３参照）。

図２において、内側ヒータ８は、半導体ウエハ２００（図２，３には不図示）を載置する載置面５ａの径方向中央部側である内周側に配置される。実施形態では、内側ヒータ８の外観は、円板形になるように形成されている。また、外側ヒータ９の外観は、円環状に形成されている。外側ヒータ９は、内側ヒータ８よりも外周側に配置される。すなわち、内側ヒータ８は、外側ヒータ９の円環の内側に配置される。

内側ヒータ８の径方向外側の外縁部８ｅと、外側ヒータ９の内側の内縁部９ｉｅとは、同心円状に配置されている。

中央側支持柱３は、支持台２の中央部に配置されており、一方の端部が支持台２に固定されている。また、他方の端部が支持台２から上方に向けて延びる。中央側支持柱３の柱中心線ＣＬは、後述するウエハホルダ５の平面中心に一致する。

位置決め部材４は、支持台２の外周側に配置されており、一方の端部が支持台２に当接している。また、他方の端部が支持台２から上方に向けて延びる。また、位置決め部材４は、内側ヒータ８と外側ヒータ９との境界に配置されており、内側ヒータ８と外側ヒータ９との双方に当接する。位置決め部材４は、外側ヒータ９と内側ヒータ８との境界に含まれる同心円上に等間隔に配置される。

位置決め部材４は、円筒状に形成された構造体１１の挿通孔１１ｈに挿通されている。構造体１１の下端部には、フランジ１１ａが設けられる。フランジ１１ａは、ボルト１２を介して支持台２に取り付けられている。このように、構造体１１が支持台２に固定されることによって、位置決め部材４が固定される。ウエハホルダ５の上面（載置面５ａ）は、被加熱体である半導体ウエハ（図示せず）を保持するため、高温耐性を有する材質（例えば石英）から形成される。

ウエハホルダ５の平面形状は、半導体ウエハの平面形状と略同一であり、実施形態では、略円形である。ウエハホルダ５は、水平な載置面５ａを有し、載置面５ａには半導体ウエハ２００（不図示）が載置される。ウエハホルダ５は、中央側支持柱３および位置決め部材４によって支持される。保持体６は、ウエハホルダ５の下方に配置される。ヒータ７は、保持体６とウエハホルダ５と保持体６との間に配置される。ヒータ７は、通電により発熱する。

外側ヒータ９の内縁部９ｉｅには、位置決め部材４の側面を支持する略半円状の支持凹部９ａが形成される。内側ヒータ８の外縁部８ｅには、外側ヒータ９の支持凹部９ａに対向配置された略半円状の支持凹部８ａが形成される。位置決め部材４は、一対の支持凹部８ａ，９ａによって支持される。内側ヒータ８の中央部には中央孔１０が形成されている。中央孔１０の中心は、中心線ＣＬに一致する。

（３）ヒータの構成の説明
次に、ヒータ７（内側ヒータ８、外側ヒータ９）の構成について説明する。図４は、ヒータユニット１のヒータ７（内側ヒータ８、外側ヒータ９）、ウエハホルダ５、及び半導体ウエハ２００の寸法の関係を説明する図である。図５は、ヒータユニット１のウエハホルダ５の法線方向からみた平面における内側ヒータ８、外側ヒータ９、ウエハホルダ５、及び半導体ウエハ２００の面積の違いを説明する図である。

図４に示すように、半導体ウエハ２００の直径Ｄｗ、ウエハホルダ５の直径Ｄｂ、内側ヒータ８の直径Ｄｈ０、外側ヒータ９の内径Ｄｈ１、外側ヒータ９の外径Ｄｈ２と表す。また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、内側ヒータ８の発熱面積ＳＨ１（側面の面積Ｓｓ１＋側面の面積Ｓｓ２＋表面積Ｓ１×２）、外側ヒータ９の発熱面積ＳＨ２（側面の面積Ｓｓ３＋側面の面積Ｓｓ４＋表面積Ｓ２×２）を定義する。また、半導体ウエハ２００の面積ＳＷ、ウエハホルダ５の面積を面積ＳＢと表す。

このとき、実施形態において、内側ヒータ８の発熱面積ＳＨ１と外側ヒータ９の発熱面積ＳＨ２との比率は、 ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝６０乃至５５％、 ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％ を満たす。

更に、半導体ウエハ２００の直径Ｄｗは、外側ヒータ９の内径Ｈｄ１よりも大きく、外側ヒータ９の外径Ｈｄ２よりも小さい。

また、ウエハホルダ５の直径Ｄｂと、半導体ウエハ２００の直径Ｄｗとは、 １．２Ｄｗ≦Ｄｂ≦１．４Ｄｗ を満たす。

また、内側ヒータ８の表面積Ｓ１と半導体ウエハ２００の面積ＳＷとは、 ０．８５ＳＷ≦Ｓ１≦０．９０ＳＷ を満たす。

外側ヒータ９を形成する帯状の発熱体の幅は、内側ヒータ８を形成する帯状の発熱体の幅の略１／２としてもよい。これにより、外側ヒータ９の断面積を１／２にすることができる。

（４）半導体製造方法
実施形態では、上述したヒータ７の構成を有するヒータユニット１が適用された半導体製造装置１００を用いて、半導体ウエハを加熱し、加熱された半導体ウエハ２００上に薄膜を形成する。実施形態では、ＣＶＤ法により、薄膜を形成する。

実施形態にかかる半導体製造方法では、外側ヒータ９の温度が内側ヒータ８の温度よりも５０〜１００℃高く設定された状態で、半導体ウエハ２００にプロセスガスを供給する。

（５）作用・効果
ヒータユニット１によれば、内側ヒータ８の発熱面積ＳＨ１，外側ヒータ９の発熱面積ＳＨ２は、ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝６０乃至５５％、 ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％、 １．２Ｄｗ≦Ｄｂ≦１．４Ｄｗ、 ０．８５ＳＷ≦Ｓ１≦０．９０ＳＷ を満たすことにより、外側ヒータの断面積を減少させることができる。これにより、外側ヒータ９の抵抗値が高くなるため、外側ヒータ９にかける電力負荷上げることなく、外側ヒータ９の発熱温度を増加させることができる。従って、半導体ウエハの外周部における熱引けを防止し、半導体ウエハ２００の温度を均一に近づけることができる。

内側ヒータ８と外側ヒータ９の出力差は、小さいことが好ましいことから、例えば、外側ヒータ９の出力を内側ヒータ８の出力よりも高めれば、出力差を低減させることが可能であるが、外側ヒータ９に流れる電流値が高められると、電極端部の温度が自己発熱により上昇し、ヒータの寿命を低下させる。また、流す電流の容量によって、使用するケーブル径も決まるため、装置設計上の制約になるため、好ましくない。そのため、内側ヒータ８と外側ヒータ９の電流差も小さくできることが好ましい。

外側ヒータ９を形成する帯状の発熱体の幅は、内側ヒータ８を形成する帯状の発熱体の幅の略１／２としてもよい。このとき、外側ヒータ９の断面積は、１／２になる。これにより、内側ヒータ８と外側ヒータ９との出力バランスを変更しなくても、外側ヒータ９の抵抗値を高くすることができ、外側ヒータ９の発熱温度を上昇させることができる。

換言すれば、外側ヒータ９の出力を下げることができる。すなわち、発熱体の幅を１／２にする前に比べて、発熱温度を低下させることなく、外側ヒータ９の電流値を小さくできるため、ランニングコストを低減することができ、省エネ化、長寿命化に繋がるという利点がある。

（６）その他の実施形態
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が明らかとなる。例えば、本発明の実施形態は、次のように変更することができる。

例えば、内側ヒータ８の発熱面積ＳＨ１，外側ヒータ９の発熱面積ＳＨ２は、ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝６０乃至５５％、 ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％、 １．２Ｄｗ≦Ｄｂ≦１．４Ｄｗ、 ０．８５ＳＷ≦ＳＨ１≦０．９０ＳＷ を満たしていればよく、内側ヒータ８，外側ヒータ９のパターンは、図３，図４に示すパターンに限定されない。

また、実施形態のヒータユニット１には、半導体ウエハ２００を位置決めする位置決め部材４が形成されており、内側ヒータ８及び外側ヒータ９は、位置決め部材４を避けるようなパターンで形成されている。しかし、ヒータユニット１は、位置決め部材４を備えなくてもよい。

＜実施例１＞
内側ヒータ、外側ヒータ、ウエハホルダのサイズを変えて、比較例１，２，実施例１のヒータユニットを作製した。各ヒータユニットの内側ヒータ、外側ヒータ、ウエハホルダサイズと、ヒータ出力との関係を表１に示す。

但し、表１において、※１括弧内は、半導体ウエハ面積に対する内側ヒータの発熱面積の比率であり、※２括弧内は、半導体ウエハ直径に対する外側ヒータの外径の比率であり、※３括弧内は、半導体ウエアの直径に対するウエハホルダの直径の比率であり、※４括弧内は、内側ヒータの発熱面積＋外側ヒータの発熱面積の合計に対する内側ヒータの発熱面積の比率であり、※５括弧内は、内側ヒータの発熱面積＋外側ヒータの発熱面積の合計に対する外側ヒータの発熱面積の比率である。

内側ヒータの発熱面積ＳＨ１と外側ヒータの発熱面積ＳＨ２との比率が、 ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝５９％、 ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４１％に設定された実施例１では、内側ヒータと外側ヒータとの出力差が９５５Ｗであり、出力差が良好であった。

＜実施例２＞
本実施形態の発熱面積比率を有するヒータが備えられた直径ウェハサイズ２００ｍｍと同等の載置面を有するヒータユニットと、本実施形態の発熱面積比率を有するヒータが備えられた直径ウェハサイズ３００ｍｍと同等の載置面を有するヒータユニットとを用いて、半導体ウエハを加熱し、温度分布を測定した。結果を、図６，７に示す。

図６は、本実施形態の発熱面積比率で構成された、直径２００ｍｍの半導体ウエハ用のヒータユニットによって加熱された直径２００ｍｍの半導体ウエハの温度分布を示す図である。図７は、本実施形態の発熱面積比率で構成された、直径３００ｍｍの半導体ウエハ用のヒータユニットによって加熱された直径３００ｍｍの半導体ウエハの温度分布を示す図である。

図６，７に示すように、ヒータユニットにおける内側ヒータの発熱面積ＳＨ１と外側ヒータの発熱面積ＳＨ２との比率が、 ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝６０乃至５５％、 ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％ を満たすように形成することによって、半導体ウエハの直径によらず、良好な温度分布が得られることが判った。

１…ヒータユニット、 ２…支持台、 ３…中央側支持柱、 ４…位置決め部材、５…ウエハホルダ、 ５ａ…載置面、 ６…保持体、 ７…ヒータ、 ８…内側ヒータ、 ８ｅ…外縁部、 ９…外側ヒータ、 ９ｉｅ…内縁部、 １０…中央孔、１１…構造体、 １１ｈ…挿通孔、 １１ａ…フランジ、 １２…ボルト、 １００…半導体製造装置、 １１０…チャンバー、 １２０…シャワーヘッド、 １３０…保温ヒータ、 ２００…半導体ウエハ

Claims (3)

1. 略円形状に加工された半導体ウエハが載置される載置台と、前記載置台を加熱するヒータとを備えるヒータユニットであって、
   前記ヒータは、
   円環形状の外側ヒータと、
   前記外側ヒータの円環の内側に配置される円形状の内側ヒータとを有し、
   前記内側ヒータの発熱面積ＳＨ１と、前記外側ヒータの発熱面積ＳＨ２との比率が、
   ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝６０乃至５５％、
   ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％
   を満たし、
   前記半導体ウエハの直径Ｄｗは、前記外側ヒータの内径Ｄｈ１よりも大きく、前記外側ヒータの外径Ｄｈ２よりも小さく、
   前記載置台の直径Ｄｂと前記半導体ウエハの直径Ｄｗとは、
   １．２Ｄｗ≦Ｄｂ≦１．３３Ｄｗ
   を満たし、
   前記内側ヒータの表面積Ｓ１と前記半導体ウエハの面積ＳＷとは、
   ０．８５ＳＷ≦Ｓ１≦０．９０ＳＷ
   を満たすヒータユニット。
2. 前記外側ヒータの温度は、前記内側ヒータの温度よりも５０〜１００℃高く設定される請求項１に記載のヒータユニット。
3. 略円形状に加工された半導体ウエハが載置される載置台と、前記載置台の前記半導体ウエハが載置される面の反対側の面を加熱するヒータとを備え、
   前記ヒータは、
   円環形状の外側ヒータと、
   前記外側ヒータの円環の内側に配置される円形状の内側ヒータとを有し、
   前記内側ヒータの発熱面積ＳＨ１と、前記外側ヒータの発熱面積ＳＨ２との比率が、
   ＳＨ１／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝６０乃至５５％、
   ＳＨ２／（ＳＨ１＋ＳＨ２）×１００＝４０乃至４５％
   を満たし、
   前記載置台の直径Ｄｂと前記半導体ウエハの直径Ｄｗとは、
   １．２Ｄｗ≦Ｄｂ≦１．３３Ｄｗ
   を満たし、
   前記内側ヒータの表面積Ｓ１と前記半導体ウエハの面積ＳＷとは、
   ０．８５ＳＷ≦Ｓ１≦０．９０ＳＷ
   を満たし、
   前記半導体ウエハの直径は、前記外側ヒータの内径よりも大きく、前記外側ヒータの外径よりも小さいことを特徴とするヒータユニットを用いて半導体ウエハを加熱し、前記加熱された半導体ウエハ上に薄膜を形成する半導体ウエハ製造方法であって、
   前記外側ヒータの温度が前記内側ヒータの温度よりも５０〜１００℃高く設定された状態で、前記半導体ウエハにプロセスガスが供給される半導体ウエハ製造方法。

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