TWI479571B - 半導體裝置之製造裝置及製造方法 - Google Patents

半導體裝置之製造裝置及製造方法 Download PDF

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Description

半導體裝置之製造裝置及製造方法
相關申請案之相互參照
本申請案係根據2009年10月16日提出申請之日本專利申請案(申請案號：2009-238931)主張優先權，並併入該案所有內容。
本發明，例如係關於由半導體晶圓的背面加熱同時對表面供給製程氣體而進行成膜所用的半導體裝置之製造裝置及半導體裝置之製造方法。
近年來，伴隨著半導體裝置的低價格化、高性能化的要求，被要求著晶圓的成膜步驟之高生產性，同時要求膜厚均勻性的提高等高品質化。
為了滿足這樣的要求，使用叢簇式(cluster type)磊晶成膜裝置，例如採用於反應爐內以900rpm以上的轉速高速旋轉晶圓，同時供給製程氣體，使用加熱器由背面加熱的背面加熱方式。
通常，構成加熱器的加熱器元件，係在其面內使用螺栓等固定連接於支撐體之電極零件。然而，熱導致連接部分的變形或是伴隨之電阻值的上升，所以設置與加熱器元件一體化的加熱器電極部，與加熱器元件隔開而與電極零件連接之技術，已揭示於日本特開2007-288163號公報([圖1]、[圖2]等)。
於這樣的加熱器元件與加熱器電極部構成的加熱器，由其加工性選擇使用燒結SiC。而在加熱器電極部被添加不純物，賦予導電性，同時被施以防止不純物擴散之SiC覆層。
使用這樣的加熱器進行磊晶成膜時，會因為SiC的昇華導致加熱器劣化的問題。而隨著加熱器的劣化，產生電阻值的上升、強度的降低、引起成膜溫度的參差不齊，或是加熱器的破損。另一方面，伴隨著近年來對磊晶成膜之生產性、膜質提高等要求，對於高溫製程的要求變高，對於加熱器的負擔有變得更大的傾向。
在此，由上方對反應爐內供給SiC來源氣體，藉由在加熱器的昇華的部分形成SiC膜，使加熱器增長壽命的手法，已經揭示於日本特開2008-4767號公報(請求項1等)。
然而，有必要暫停裝置更換供給的氣體，會有無法避免產出率降低的問題。
此外，特別是在加熱器元件與加熱器電極部之接合部，會發生電場集中，更容易進行昇華，劣化變大。然而，在由上方之SiC來源氣體的供給，接合部變成在加熱器元件的陰影處，選擇性地在接合部成膜是困難的。
本發明之一樣態之半導體裝置之製造裝置，包含：被導入晶圓的反應爐、供對反應爐供給製程氣體之用的第1氣體供給機構、供由反應爐排出氣體之用的氣體排出機構、載置晶圓之晶圓支撐構件、載置晶圓支撐構件的環、與環連接，供使晶圓旋轉之用的旋轉驅動控制機構、具有被設置於環內，供把晶圓加熱至特定溫度而設的，至少表面具有SiC層之加熱器元件、及與此加熱器元件一體成形的，至少表面具有SiC層之加熱器電極部的加熱器、以及對環內供給SiC來源氣體之第2氣體供給機構。
本發明之一樣態之半導體裝置之製造方法，包含：對反應爐內導入晶圓，對至少於表面具有SiC層的加熱器電極部施加電壓，藉由使與加熱器電極部一體成形，至少於表面具有SiC層的加熱器元件發熱，而在特定溫度加熱晶圓，使晶圓旋轉，藉由對晶圓上供給製程氣體，於晶圓上成膜，同時於加熱器元件的背面側，供給SiC來源氣體。
以下，詳細說明本發明之實施型態，參考圖面說明實施例。
如前所述，根據從前的手法，必須要暫時停止裝置更換供給的氣體，無可避免產出率的降低，會有要解決加熱器元件與加熱器電極部之結合部的劣化是很困難的問題。
進而，於磊晶成膜中，昇華的SiC多晶化而堆積於加熱器上，使表面狀態劣化，所以會發生加熱器溫度的變動，或產生參差不齊的問題。亦即，有必要在室內(in-situ)抑制這樣的昇華導致加熱器的劣化的發展。以下的實施型態，係為了解決這樣的問題而發明者。
以下，參照圖面說明本發明之實施型態。
(實施形態1)
圖1係顯示相關於本實施型態之半導體裝置之製造裝置的磊晶成長裝置之剖面圖。如圖所示，例如於Φ 200mm之晶圓w被施以成膜處理的反應爐11，被設置連接由反應爐11上方將包含三氯矽烷、二氯矽烷等之來源氣體的製程氣體等，以特定的流量供給至晶圓w上之用的第1氣體供給機構(未圖示)的氣體供給口12。於反應爐11下方，例如於2處所設置連接排出氣體，使反應爐11內的壓力控制為一定(常壓)之用的氣體排出機構(未圖示)的氣體排出口13。
於反應爐11上部，被設置著使由氣體供給口12供給的製程氣體，以整流的狀態供給至晶圓w上之用的整流板14。接著，於其下方，供以其周緣部來保持晶圓w之用的保持構件之環狀的保持架15，設置於旋轉構件之環16上。環16，與由使晶圓w以特定的轉速旋轉的旋轉軸(未圖示)、馬達(未圖示)等所構成的旋轉驅動控制機構17連接。
於環16內部，設置供加熱晶圓w之用的加熱器18。加熱器18，具有特定圖案，係由至少於表面具有SiC層的圓板狀的加熱器元件18a，及與此一體成形的加熱器電極部18b所構成。加熱器電極部18b，係由被添加不純物具有導電性的SiC所構成，進而被覆蓋SiC膜。又，作為加熱器，進而使用環狀的加熱器亦可，具有高效率地進行加熱之用的反射器亦可。
於環16內部下方，被設置與加熱器電極部18b連接的電極零件之角桿(booth bar)19，與被連接於外部電源(未圖示)，被固定於加熱器轉軸20的電極21連接。
於環16內部，與由下方供給單甲基矽烷等之SiC來源氣體的第2氣體供給機構(未圖示)連接，於先端部設有具開口部的氣體供給噴嘴22。
使用這樣的磊晶成長裝置，例如於Φ 200mm的矽晶圓w上形成矽磊晶膜。
首先，於反應爐11搬入晶圓w，把載置晶圓w的保持架15載置於環16上。接著，由與外部電源(未圖示)連接的電極21，對與角桿19連接的加熱器電極部18b施加電壓，以使晶圓w的面內溫度均勻地成為例如1100℃的方式，控制加熱器18於1500～1600℃。
接著，藉由旋轉驅動控制機構17，使晶圓w以例如900rpm的轉速旋轉，同時由氣體供給口12透過整流板14以整流狀態對晶圓w上供給製程氣體。製程氣體，例如以使三氯矽烷的濃度成為2.5%的方式來調製，例如以50SLM來供給。
此時，於環16的內部，由氣體供給噴嘴22的先端部的開口部，對加熱器元件18a的背面側，以10sccm的流量供給SiC來源氣體之例如單乙基矽烷，使由複數之平衡反應構成的以下的反應
CH3 SiH3 →SiC+3H2
往右方向移動，提高SiC分壓，抑制SiC的昇華。
另一方面，剩餘的三氯矽烷，包含稀釋氣體的製程氣體，反應副產物之HCl等氣體，由保持架15外周往下方排出。進而，這些氣體，由氣體排出口13透過氣體排出機構(未圖示)排出，反應爐11內的壓力被控制為一定(例如常壓)。如此進行，於晶圓w上使矽磊晶膜成長。
根據本實施型態，對晶圓w上供給製程氣體使磊晶膜成長時，藉由對環內供給SiC來源氣體，提高SiC分壓，可以抑制加熱器18(加熱器元件18a、加熱器電極部18b)，特別是來自接合部18c的SiC的昇華。結果，不須停止磊晶成長裝置，就可以抑制加熱器的劣化的發展，可以抑制電阻值的上升、強度的降低、與往加熱器上的多結晶之堆積。結果，可以防止成膜溫度的參差不齊，或加熱器的破損，可以謀求半導體裝置的高性能化或可信賴性的提高，與低成本化。
(實施形態2)
於本實施型態，與實施型態1在磊晶成長裝置的構成上是相同的，把保持晶圓w之用的保持構件，作為保持晶圓w的背面全面之襯托器(susceptor) 25這一點與實施型態1不同。
亦即，如圖2所示，晶圓w背面全面藉由襯托器25來保持，與環16內的氛圍分離。應該會由於環16內的SiC分壓變高而往晶圓w的背面堆積SiC。然而，藉由襯托器25保持晶圓w背面全面，可以防止SiC的堆積。
根據本實施型態，可以得到與實施型態1同樣的效果，同時不必大幅改變磊晶成長裝置的構造，即可抑制SiC堆積導致的晶圓的汙染。
(實施形態3)
於本實施型態，與實施型態1在磊晶成長裝置的構成上是相同的，在晶圓w與加熱器元件之間，配置供給非活性氣體之氣體供給噴嘴這一點與實施型態1不同。
以及，如圖3所示，於環16內部，設有由下方供給單甲基矽烷等之SiC來源氣體的氣體供給噴嘴22，同時設有與第3氣體供給機構(未圖示)連接，供給He等非活性氣體的氣體供給噴嘴32。氣體供給噴嘴32，先端如虛線所示分歧為複數(例如3方向)，分別具有開口部的端部已成為加熱器元件18a的上方的方式被配置。接著，被供給SiC來源氣體時，對晶圓w與加熱器元件18a之間供給非活性氣體。
應該會由於環16內的SiC分壓變高而往晶圓w的背面堆積SiC。然而，藉由如此般供給非活性氣體使晶園w背面之SiC分壓降低，比加熱器元件18a的背面側更低，與實施型態2同樣可以防止往晶圓w的背面之SiC的堆積。
根據本實施型態，可以得到與實施型態1同樣的效果，同時不必使用襯托器即可抑制SiC堆積導致的晶圓的汙染。
(實施形態4)
於本實施型態，與實施型態1在磊晶成長裝置的構成上是相同的，在環的上部設有複數開口部這一點與實施型態1不同。
亦即，如圖4所示，於環16，在加熱器元件18a的外周，於比加熱器元件背面的水平位置更高的位置，設置複數(例如4處)之開口部41。接著，環16內的壓力，抑制晶圓w的浮起，所以比其外部之反應爐11內，例如以稍微變高的方式，使SiC來源氣體的流量控制在0.5～5 torr程度。接著，被供給的SiC來源氣體，由於其壓力差，不往加熱器元件18a的上方流動，而由開口部41往環16外部(反應爐11內)排出。
應該是會由於環16內的SiC分壓變高而往晶圓w的背面堆積SiC。然而，如此進行而藉由從晶圓零件的外周排出SiC來源氣體，抑制晶圓w背面之SiC分壓的上升，可以與實施型態2同樣防止往晶圓w的背面之SiC的堆積。
根據本實施型態，可以得到與實施型態1同樣的效果，同時不必使用襯托器(susceptor)，此外，不須設置新的氣體供給系，即可以抑制SiC堆積導致的晶圓的汙染。
根據此實施型態，可以把膜，例如磊晶膜，高生產率地形成於半導體晶圓，而且，透過元件形成製程與元件分離過程而製造的晶圓與半導體裝置的生產率可以提高，且可得半導體裝置之安定的元件性能。特別是，藉由適用於功率半導體裝置例如功率MOSFET及IGBT的磊晶形成製程，需要在N型基極區、P型基極區或者絕緣隔離區長出100μm或更厚的厚膜，可得到令人滿意的元件性能。
於本實施型態當磊晶膜形成於矽基板時，可應用於多晶矽層的形成，亦可應用於其他化合物半導體，例如GaAs層、GaAlAs層、InGaAs層等。亦可應用於二氧化矽SiO2 膜及氮化矽Si3 N4 膜的形成，在二氧化矽膜的場合，供應單矽烷(SiH4 )及氮氣、氧氣與氬氣，在氮化矽膜的場合，供給單矽烷(SiH4 )及氨氣、氮氣、氧氣及氬氣。
其他實施型態還包括熟悉該項技藝者可由本說明書及本發明所揭露的實施例來聯想推知的。本發明所揭露之說明書及實施例僅係供作解釋之用之例子，在未超出請求項的範疇及其本發明之精神之各種實施亦包含於本發明。
w．．．晶圓
11．．．反應爐
12．．．氣體供給口
13．．．氣體排出口
14．．．整流板
15．．．保持架
16．．．環
17．．．旋轉驅動控制機構
18．．．加熱器
18a．．．加熱器元件
18b．．．加熱器電極部
18c．．．接合部
19．．．角桿(booth bar)
20．．．加熱器轉軸
21．．．電極
22．．．氣體供給噴嘴
25．．．襯托器(susceptor)
圖1係顯示本發明之一態樣之磊晶成長裝置的構造之剖面圖。
圖2係顯示本發明之一態樣之磊晶成長裝置的構造之剖面圖。
圖3係顯示本發明之一態樣之磊晶成長裝置的構造之剖面圖。
圖4係顯示本發明之一態樣之磊晶成長裝置的構造之剖面圖。
w．．．晶圓
11．．．反應爐
12．．．氣體供給口
13．．．氣體排出口
14．．．整流板
15．．．保持架
16．．．環
17．．．旋轉驅動控制機構
18a．．．加熱器元件
18b．．．加熱器電極部
18c．．．接合部
19．．．角桿(booth bar)
20．．．加熱器轉軸
21．．．電極
22．．．氣體供給噴嘴

Claims (19)

  1. 一種半導體裝置之製造裝置，其特徵為具備：被導入晶圓的反應爐(a chamber)、作為對前述反應爐供給製程氣體之用的第1氣體供給機構、作為由前述反應爐排出氣體之用的氣體排出機構、載置前述晶圓之晶圓支撐構件、載置前述晶圓支撐構件的環、與前述環連接，使前述晶圓旋轉之用的旋轉驅動控制機構、具有被設置於前述環內，把前述晶圓加熱至特定溫度而設的，至少表面具有SiC層之加熱器元件、及與此加熱器元件一體成形的，至少表面具有SiC層之加熱器電極部的加熱器、以及對前述環內供給SiC來源氣體之第2氣體供給機構。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造裝置，其中前述晶圓支撐構件，係支承前述晶圓背面全面。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造裝置，其中前述第2氣體供給機構，具備於先端部具有開口部的氣體供給噴嘴。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造裝置，其中前述SiC來源氣體，係單甲基矽烷。
  5. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造裝置，其中具備對前述晶圓與前述加熱器元件之間，供給非活性 氣體之第3氣體供給機構。
  6. 如申請專利範圍第5項之半導體裝置之製造裝置，其中前述第3氣體供給機構，先端分歧為複數，分別具有開口部。
  7. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造裝置，其中前述環，在比前述加熱器元件的背面之水平位置還高的位置，具備排出前述SiC來源氣體的開口部。
  8. 如申請專利範圍第7項之半導體裝置之製造裝置，其中前述開口部，被設置複數個。
  9. 如申請專利範圍第7項之半導體裝置之製造裝置，其中前述晶圓支撐構件，保持前述晶圓的周緣部。
  10. 如申請專利範圍第6項之半導體裝置之製造裝置，其中前述第3氣體供給機構，係以使前述環內的壓力比反應爐內的壓力更高的方式進行控制的。
  11. 一種半導體裝置之製造方法，其特徵為包含：對反應爐內導入晶圓，對至少於表面具有SiC層的加熱器電極部施加電壓，藉由使與前述加熱器電極部一體成形，至少於表面具有SiC層的加熱器元件發熱，而在特定溫度加熱前述晶圓，使前述晶圓旋轉，藉由對前述晶圓上供給製程氣體，於前述晶圓上成膜，同時於前述加熱器元件的背面側，供給SiC來源氣體。
  12. 如申請專利範圍第11項之半導體裝置之製造方法，其中前述SiC來源氣體，係單甲基矽烷。
  13. 如申請專利範圍第11項之半導體裝置之製造方法，其中藉由前述SiC來源氣體的供給，提高前述加熱器元件背面側的SiC分壓。
  14. 如申請專利範圍第11項之半導體裝置之製造方法，其中前述晶圓的背面側之SiC分壓，比前述加熱器元件的背面側更低。
  15. 如申請專利範圍第11項之半導體裝置之製造方法，其中對前述晶圓與前述加熱器元件之間，供給非活性氣體。
  16. 如申請專利範圍第11項之半導體裝置之製造方法，其中使被供給的前述SiC來源氣體，由前述加熱器元件的外周排出。
  17. 如申請專利範圍第16項之半導體裝置之製造方法，其中前述SiC來源氣體，係由複數處所排出。
  18. 如申請專利範圍第16項之半導體裝置之製造方法，其中前述SiC來源氣體，係往前述反應爐內排出。
  19. 如申請專利範圍第18項之半導體裝置之製造方法，其中前述晶圓的背面側的壓力，比前述反應爐內的壓力更高。
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