JP5802069B2

JP5802069B2 - 気相成長方法及び気相成長装置

Info

Publication number: JP5802069B2
Application number: JP2011145654A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　邦彦; 邦彦鈴木; 慎一三谷
Original assignee: Nuflare Technology Inc
Current assignee: Nuflare Technology Inc
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: KR20130007449A; JP2013012665A; KR101359548B1; US20130000546A1

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気相成長方法及び気相成長装置に関する。

近年、半導体装置の低価格化、高性能化の要求に伴い、成膜工程における高い生産性と共に、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、枚葉式の気相成長装置が用いられている。枚葉式の気相成長装置においては、例えば、反応室内において、ウェーハを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により、ウェーハ上に成膜が行われる。

このような成膜工程において、ウェーハ上のみならず、ウェーハの支持部材であるサセプタ上にも生成物が堆積する。

特開平１１−６７６７５号公報

生成物がウェーハとサセプタ間に堆積すると、ウェーハがサセプタに貼り付き、ウェーハを搬出するために、突き上げピンで上昇させる際、サセプタも貼り付いた状態で上昇してしまう場合がある。そして、ウェーハを上昇中やロボットハンド上に載置する際に、ウェーハやサセプタが破損するなどにより、反応室内を降温させて、除去するなどの必要が生じ、歩留り、スループットが低下するという問題がある。

そこで、本発明は、成膜の際のウェーハとサセプタの貼り付きの有無を検出し、歩留り、スループットの向上が可能な気相成長方法及び気相成長装置を提供することを目的とするものである。

本発明の気相成長方法は、反応室内にウェーハを導入して、支持部上に載置し、支持部の下部に設けられたヒータにより、ウェーハを加熱し、ウェーハを回転させ、ウェーハ上にプロセスガスを供給することにより、ウェーハ上に成膜し、ウェーハの周縁部における少なくとも円周方向の温度分布を検出し、検出された温度分布に基づき、ウェーハと支持部との貼り付きの有無を判断し、貼り付きの有無の判断結果に基づき、成膜後におけるウェーハの冷却温度を変動させることを特徴とする。

また、本発明の一態様の気相成長方法において、成膜の前後に、ウェーハの周縁部における少なくとも円周方向の前記温度分布を検出することが好ましい。

また、本発明の一態様の気相成長方法において、温度分布は、前記ウェーハの周縁部における円周方向及び径方向の温度分布であることが好ましい。

また、本発明の一態様の気相成長方法において、判断された貼り付きの有無の情報を、前記ウェーハの履歴情報として記憶することが好ましい。

本発明の一態様の気相成長装置は、ウェーハが導入される反応室と、反応室にプロセスガスを供給するためのガス供給部と、反応室よりガスを排出するためのガス排出部と、ウェーハを載置する支持部と、ウェーハを回転させるための回転駆動制御部と、ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、ウェーハの周縁部における少なくとも円周方向の温度分布を検出するための温度検出部と、検出された温度分布に基づき、ウェーハと前記支持部材との貼り付きの有無を判断し、貼り付きの有無の判断結果に基づき、成膜後におけるウェーハの冷却温度を変動させる演算処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、成膜の際のウェーハとサセプタの貼り付きの有無を検出し、歩留り、スループットの向上が可能となる。

本発明の一態様に係る気相成長装置の断面図である。本発明の一態様に係るフローチャートである。本発明の一態様に係る貼り付きがない場合のウェーハとサセプタ間を示す部分断面図である。本発明の一態様に係る貼り付きがない場合のウェーハ周縁部の円周方向の温度分布を示す図である。本発明の一態様に係る貼り付きがある場合のウェーハとサセプタ間を示す部分断面図である。本発明の一態様に係る貼り付きがある場合のウェーハとサセプタ間を示す上面図である。本発明の一態様に係る貼り付きがある場合のウェーハ周縁部の円周方向の温度分布を示す図である。本発明の一態様に係る成膜前と成膜後の温度分布を示す図である。本発明の一態様に係る成膜前と成膜後の温度分布を示す図である。本発明の一態様に係るウェーハｗ全周に貼り付きがある場合と、貼り付きがない場合の所定の位相における径方向の温度分布を示す図である。

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に本実施形態の気相成長装置の断面図を示す。図１に示すように、ウェーハｗが成膜処理される反応室１１には、必要に応じてその内壁を覆うように石英カバー１１ａが設けられている。

反応室１１の上部には、ソースガス、キャリアガスを含むプロセスガスを供給するためのガス供給部１２と接続されたガス供給口１２ａが設けられている。そして、反応室１１下方には、例えば２か所に、ガスを排出し、反応室１１内の圧力を一定（例えば常圧）に制御するためのガス排出部１３と接続されたガス排出口１３ａが設置されている。

ガス供給口１２ａの下方には、供給されたプロセスガスを整流して供給するための微細貫通孔を有する整流板１４が設けられている。

そして、整流板１４の下方には、ウェーハｗを載置するための支持部である、例えばＳｉＣからなるサセプタ１５が設けられている。サセプタ１５は、回転部材であるリング１６上に設置されている。リング１６は、ウェーハｗを所定の回転速度で回転させる回転軸を介して、モータなどから構成される回転駆動制御部１７と接続されている。

リング１６内部には、ウェーハｗを加熱するための、例えばＳｉＣからなるインヒータ１８、アウトヒータ１９から構成されるヒータが設置されており、それぞれ所定の昇降温速度で所定の温度となるように制御する温度制御部（図示せず）と接続されている。そして、これらインヒータ１８、アウトヒータ１９から下方への熱を反射し、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２０が設置されている。さらに、インヒータ１８及びリフレクタ２０を貫通するように、ウェーハｗの下面を支持し、ウェーハｗを上下に移動させる突き上げピン２１が設けられている。

反応室１１の上部には、ウェーハｗの周縁部の温度分布を検出するための温度検出部である放射温度計２２が設置されており、演算処理部２３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φ２００ｍｍのウェーハｗ上に、Ｓｉエピタキシャル膜が形成される。

図２にフローチャートを示す。先ず、ロボットハンド（図示せず）などにより、反応室１１にウェーハｗを搬入し、突き上げピン（図示せず）上に載置し、突き上げピンを下降させることにより、サセプタ１５上に載置する（Ｓｔｅｐ１）。

そして、インヒータ１８、アウトヒータ１９を、それぞれ温度制御部により例えば１５００〜１６００℃とすることにより、ウェーハｗが例えば１１００℃となるように加熱するとともに、回転駆動制御部１７により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させる（Ｓｔｅｐ２）。

そして、ガス供給制御部１２により流量が制御されて混合されたプロセスガスが、整流板１４を介して、整流状態でウェーハｗ上に供給される。プロセスガスは、例えばソースガスとして、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）が、例えばＨ_２ガスなどの希釈ガスにより所定の濃度（例えば２．５％）に希釈され、例えば５０ＳＬＭで供給される。

一方、余剰となったプロセスガス、反応副生成物などからなる排出ガスは、ガス排出口１３ａよりガス排出部１３を介して排出され、反応室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上に所定の膜厚のＳｉエピタキシャル膜が形成される（Ｓｔｅｐ３）。そして、Ｓｉエピタキシャル膜が形成されたウェーハについて、ウェーハｗ周縁部の所定位置（例えばウェーハエッジからの距離が５ｍｍ）の温度を、放射温度計２２により、ウェーハｗを回転させながら測定することにより、ウェーハｗ周縁部の円周方向の温度分布が検出される（Ｓｔｅｐ４）。なお、測定は、１周のみに限られず、２週以上測定を行い、平均値を求めることにより、より温度分布の精度を向上させることができる。

このとき、図３に部分断面図を示すように、ウェーハｗとサセプタ１５間の堆積物２４による貼り付きがない場合、ウェーハｗ周縁部の円周方向の温度分布は、図４に示すように、大きな変動が認められない。しかしながら、図５Ａに部分断面図を、図５Ｂにウェーハの上面図を示すように、ウェーハｗの一部に堆積物２４による貼り付き部分２４ａがある場合、図６に示すように、貼り付き部分２４ａにおいて温度が上昇する。

そこで、演算処理部２３において、温度の変動（ΔＴ＝Ｔ(max)−Ｔ(min)）が所定の値（例えば５℃）を超えるとき、貼り付きがあると判断される。そこで、ウェーハｗは所定温度（例えば８００℃）より低温（例えば５００℃）まで冷却され、Ｓｉからなるウェーハｗと、ＳｉＣからなるサセプタ１５との熱膨張率の差による収縮差により、貼り付き状態が解除される（Ｓｔｅｐ５ａ）。

貼り付け状態が解除されたウェーハｗは、突き上げピン２１により上昇された後、ロボットハンドにより反応室１１より搬出される（Ｓｔｅｐ６）。

一方、温度上昇が所定の値（例えば５℃）以内のとき、貼り付きがないと判断される。そして、ウェーハｗは所定温度（例えば８００℃）に冷却され（Ｓｔｅｐ５ｂ）、突き上げピン２１によりウェーハｗを上昇させ、ロボットハンドにより反応室１１より搬出される（Ｓｔｅｐ６）。

このように、本実施形態によれば、成膜の際、ウェーハとサセプタとの貼り付きがある場合でも、貼り付きを検出し、貼り付きを解除した後に搬出することができる。これにより、必要な場合のみに貼り付き解除の操作を行うことができる。すなわち、通常貼り付きのあるロット全てにおいて、貼り付き解除のために、例えば５００℃まで降温させていたものを、貼り付きが検出されたもののみについて貼り付き解除の操作を行うとすることにより、各ウェーハについて降温・昇温にかかる約２分間のタイムロスを削減することができる。従って、ウェーハやサセプタの破損を抑え、歩留り、スループットの低下を抑えることが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態においては、実施形態１と同様の気相成長装置が用いられるが、成膜後のみならず成膜前にもウェーハ周縁部の温度分布を検出している。

すなわち、実施形態１と同様に、ウェーハｗを反応室１１に搬入し、サセプタ１５上に載置した後、ウェーハｗが例えば１１００℃となるように加熱するとともに、回転駆動制御部１７により、ウェーハｗを、例えば９００ｒｐｍで回転させる。

そして、プロセスガスを供給する前に、ウェーハｗ周縁部の所定位置（例えばウェーハエッジからの距離が５ｍｍ）の温度を、放射温度計２２により、ウェーハｗを回転させながら測定することにより、ウェーハｗ周縁部の円周方向の温度分布が検出される。

そして、実施形態１と同様に、ウェーハｗ上に所定の濃度、流量でプロセスガスが供給され、ウェーハｗ上に所定の膜厚のＳｉエピタキシャル膜が形成される。そして、Ｓｉエピタキシャル膜が形成されたウェーハについて、同様にウェーハｗ周縁部の円周方向の温度分布が検出される。

図７Ａ、図７Ｂに、成膜前の温度分布Ａ（実線）と成膜後の温度分布Ｂ（破線）の例を示す。図７Ａに示すように、温度上昇が所定の値（例えば５℃）を超える場合、貼り付きがあると判断され、実施形態１と同様に、通常より低温（例えば５００℃）まで冷却され、貼り付き状態が解除された後、突き上げピン２１により上昇させ、ロボットハンドにより反応室１１より搬出される。

一方、図７Ｂに示すように、同じ温度であっても、もともとウェーハの円周方向に温度のばらつきがある場合、成膜前後の温度上昇（ΔＴ＝Ｔθi(after)−Ｔθi(initial))が所定の値（例えば５℃）以内であれば、貼り付きがないと判断される。その場合、実施形態１と同様に、ウェーハｗは所定温度（例えば８００℃）に冷却され、突き上げピン２１によりウェーハｗを上昇させ、ロボットハンドにより反応室１１より搬出される。

このように、本実施形態によれば、もともとウェーハの円周方向に温度のばらつきがある場合であっても、より正確に成膜の際の貼り付きを検出し、貼り付きを解除した後に搬出することにより、必要な場合のみに貼り付き解除の操作を行うことができ、実施形態１と同様に、タイムロスの削減が可能となる。従って、ウェーハやサセプタの破損を抑え、歩留り、スループットの低下を抑えることが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態においては、実施形態１と同様の気相成長装置が用いられるが、径方向においても、ウェーハ周縁部の温度分布を検出している。

そして、実施形態１と同様に、ウェーハｗ上に所定の濃度、流量でプロセスガスが供給され、ウェーハｗ上に所定の膜厚のＳｉエピタキシャル膜が形成される。そして、Ｓｉエピタキシャル膜が形成されたウェーハについて、図８に示すように、実施形態１と同様に、放射温度計２２により、例えばウェーハエッジからの距離が１５ｍｍの位置ａにおける温度が検出される。

同様に、放射温度計２２による測定位置を外周側に変動させ、ウェーハエッジからの距離が１０ｍｍの位置ｂにおける温度、ウェーハエッジからの距離が５ｍｍの位置ｃにおける温度が検出される。

図８にウェーハｗ全周に貼り付きがない場合（実線）と、貼り付きがある場合（破線）の所定の位相（周方向の位置）における径方向の温度分布を示す。図８に示すように、貼り付きがある場合は、外周側の温度上昇が大きくなっているのに対し、貼り付きがない場合は、温度の変動が抑えられていることがわかる。そこで、外周側への温度上昇（ΔＴ＝Ｔθi(outer)−Ｔθi(inner)）が所定の値（例えば５℃）を超えるとき、貼り付きがあると判断される。その場合、実施形態１と同様に、貼り付き状態が解除された後、突き上げピン２１により上昇させ、ロボットハンドにより反応室１１より搬出される。

一方、温度上昇が所定の値（例えば５℃）以内のとき、貼り付きがないと判断され、実施形態１と同様に、ウェーハｗは冷却され、突き上げピン２１によりウェーハｗを上昇させ、ロボットハンドにより反応室１１より搬出される。

このように、本実施形態によれば、径方向の温度分布を検出することにより、ウェーハｗの外周全面でサセプタ１５との貼り付きがある場合でも、成膜の際の貼り付きを検出し、貼り付きを解除した後に搬出することができ、実施形態１と同様に、タイムロスの削減が可能となる。従って、必要な場合のみに貼り付き解除の操作を行うことができ、ウェーハやサセプタの破損を抑え、歩留り、スループットの低下を抑えることが可能となる。

なお、本実施形態において、成膜後の温度分布のみが検出されたが、実施形態２と同様に、併せて成膜前の温度分布を検出することにより、もともとウェーハの円周方向に温度のばらつきがある場合であっても、より正確に成膜の際の貼り付きを検出することができる。

これら実施形態において、ＳｉウェーハとＳｉＣからなるサセプタが用いられているが、この組合せに限定されるものではない。ウェーハとサセプタとの熱膨張率の差があればよく、例えば、その他ＳｉＣウェーハとＴａＣからなるサセプタの組合せを用いることができる。

また、これら実施形態において、温度差により貼り付きの有無が判断されているが、温度又は温度上昇の偏差により貼り付きの有無を判断してもよい。このような偏差は、例えば実施形態２を例に挙げると、

として求めることができる。

また、これら実施形態において、貼り付きの有無が判断され、貼り付きがある場合に貼り付きの解除動作が行われるが、解除動作の要否の判断に用いるだけに限定されるものではない。例えば、貼り付きの有無の情報をウェーハの履歴情報として、例えば演算処理部２３内、又は外部に設けられたメモリーに記憶させてもよい。このようにウェーハの履歴情報として記憶されることにより、例えば、貼り付きがあったウェーハについては、貼り付きの解除操作により、内部歪が大きくなっていると考えられることから、このようなウェーハについて、ウェーハ状態の再検査を行うなどにより、検査精度を向上させることができる。

これら実施形態によれば、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。

本実施形態においては、Ｓｉエピタキシャル膜形成の場合を例に挙げたが、その他、ＳｉＣなどの化合物半導体についても、同様に適用することができる。また、本実施形態は、例えばＧａＮ、ＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなど化合物半導体のエピタキシャル層や、ポリＳｉ層や、例えばＳｉＯ_２層やＳｉ_３Ｎ_４層などの絶縁膜の成膜時に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…反応室
１１ａ…石英カバー
１２…ガス供給部
１２ａ…ガス供給口
１３…ガス排出部
１３ａ…ガス排出口
１４…整流板
１５…サセプタ
１６…リング
１７…回転駆動制御部
１８…インヒータ
１９…アウトヒータ
２０…リフレクタ
２１…突き上げピン
２２…放射温度計
２３…演算処理部
２４…堆積物

Claims

反応室内にウェーハを導入して、支持部上に載置し、
前記支持部の下部に設けられたヒータにより、前記ウェーハを加熱し、
前記ウェーハを回転させ、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し、
前記ウェーハの周縁部における少なくとも円周方向の温度分布を検出し、
検出された前記温度分布に基づき、前記ウェーハと前記支持部との貼り付きの有無を判断し、
前記貼り付きの有無の判断結果に基づき、前記成膜後における前記ウェーハの冷却温度を変動させることを特徴とする気相成長方法。
前記成膜の前後に、前記ウェーハの周縁部における少なくとも円周方向の前記温度分布を検出することを特徴とする請求項１に記載の気相成長方法。
前記温度分布は、前記ウェーハの周縁部における円周方向及び径方向の温度分布であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気相成長方法。
前記判断された貼り付きの有無の情報を、前記ウェーハの履歴情報として記憶す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項に記載の気相成長方法。
ウェーハが導入される反応室と、
前記反応室にプロセスガスを供給するためのガス供給部と、
前記反応室よりガスを排出するためのガス排出部と、
前記ウェーハを載置する支持部と、
前記ウェーハを回転させるための回転駆動制御部と、
前記ウェーハを所定の温度に加熱するためのヒータと、
前記ウェーハの周縁部における少なくとも円周方向の温度分布を検出するための温度検出部と、
検出された前記温度分布に基づき、前記ウェーハと前記支持部との貼り付きの有無を判断し、前記貼り付きの有無の判断結果に基づき、成膜後における前記ウェーハの冷却温度を変動させる演算処理部と、
を備えることを特徴とする気相成長装置。