説明

ヒータ、半導体製造装置および半導体製造方法

【課題】本発明は、ウェーハを均一に加熱することが可能なヒータと、生産性高く、均一な成膜を行うことが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のヒータは、ウェーハwを加熱するヒータ17bであって、ウェーハwの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、それぞれ電極が設けられた複数のエレメント21a、21b、21c、21dを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば半導体ウェーハを加熱するためのヒータと、半導体ウェーハを加熱しながらプロセスガスを供給して成膜を行なう半導体製造装置および半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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手法が用いられている。
【0004】
このとき、膜厚均一性を得るためには、ヒータによりウェーハを均一に加熱する必要があり、例えば、ウェーハ全面を加熱するためのインヒータに加えて、温度が下がる外周部を加熱するアウトヒータが設けられている(例えば特許文献1など参照)。
【0005】
近年、さらなる生産性の向上を図るために、例えばφ300mmの大口径ウェーハが用いられている。そして、このような大口径ウェーハを加熱するためのヒータも大口径化が要求される。
【0006】
しかしながら、例えばSiCなどからなるヒータ部材は、熱により膨張する。そして、熱応力により固定箇所にストレスがかかり、破損してしまうという問題がある。さらに、特に大口径化してヒータ部材が大きくなると、ヒータ位置精度の低下が顕著となるとともに、反りなどにより、均一な温度制御が困難となるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平10−208855号公報([0017][0018]、図8など)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上述したように、半導体製造装置に用いられるヒータ部材は、熱応力により破損し、メンテナンス頻度の増大により生産性が低下する。また、ウェーハの大口径化に伴い、ヒータ部材が大口径化すると、ヒータ位置精度の低下が顕著となるとともに、反りなどにより均一な温度制御が困難となる。
【0009】
そこで、本発明は、ウェーハを均一に加熱することが可能なヒータと、生産性高く、均一な成膜を行うことが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様のヒータは、ウェーハを加熱するヒータであって、ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、それぞれに電極が設けられた複数のエレメントを備えることを特徴とする。
【0011】
また、本発明の一態様のヒータにおいて、複数のエレメントは、それぞれ等間隔で離間して配置されることが好ましい。
【0012】
さらに、本発明の一態様のヒータは、ウェーハの外周部を加熱するヒータであることが好ましい。
【0013】
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室と、この反応室の上部に配置され、プロセスガスを供給するガス供給機構と、反応室からガスを排出するガス排出機構と、ウェーハを保持するサセプタと、ウェーハと離間するように設置され、ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、中央部にそれぞれ電極が設けられた複数のエレメントを有するヒータと、ウェーハを回転させる回転駆動機構を備えることを特徴とする。
【0014】
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室と、この反応室の上部に配置され、プロセスガスを供給するガス供給機構と、反応室からガスを排出するガス排出機構と、ウェーハを保持するサセプタと、ウェーハと離間するように設置されるヒータと、ヒータと一体化され、ヒータに電流を供給する電極と、電極と接続される第1の接続面を有する第1の配線用部品と、第1の配線用部品と接続される第2の接続面を有し、この第2の接続面は、前記第1の接続面と垂直である第2の配線用部品と、第2の配線用部品と接続される第3の接続面を有し、この第3の接続面は、第1および第2の接続面と垂直である第3の配線用部品と、ウェーハを回転させる回転駆動機構を備えることを特徴とする。
【0015】
また、本発明の一態様の半導体製造装置において、第1〜第3の接続面は、それぞれ接続位置の変動が可能であることが好ましい。
【0016】
また、本発明の一態様の半導体製造装置において、ヒータは、少なくとも中心部と外周部で分割され、それぞれ独立して電流を供給する電極を有してもよい。
【0017】
また、本発明の一態様の半導体製造装置において、ヒータは、ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、それぞれ電極が設けられた複数のエレメントを備えてもよい。
【0018】
また、本発明の一態様の半導体製造方法は、反応室内でウェーハを保持し、ウェーハの表面に、プロセスガスを供給し、反応室よりガスを排出して、反応室内を所定の圧力となるように調整し、ウェーハを回転させ、ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるように配置されヒータを構成する複数のエレメントの各中央部にそれぞれ設けられた電極より電圧を印加し、ヒータを発熱させることによりウェーハを加熱して、ウェーハの表面に成膜することを特徴とする。
【0019】
また、本発明の一態様の半導体製造方法は、反応室内でウェーハを保持し、ウェーハの表面に、プロセスガスを供給し、反応室よりガスを排出して、反応室内を所定の圧力となるように調整し、ウェーハを回転させ、ヒータと一体化された電極と第1の接続面で第1の配線用部品を接続し、この第1の配線用部品と前記第1の接続面と垂直な第2の接続面で第2の配線用部品と接続し、この第2の配線用部品と第1の接続面および第2の接続面と垂直である第3の接続面で第3の配線用部品接続し、第3の配線用部品、第2の配線部品、第1の配線部品および電極を介してヒータに電圧を印加し、ヒータを発熱させることによりウェーハを加熱して、ウェーハの表面に成膜することを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、ヒータによりウェーハを均一に加熱することが可能となり、半導体装置の製造工程において、生産性高く、均一な成膜を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】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。
【図2】本発明の一態様におけるアウトヒータの上面図である。
【図3】本発明の一態様におけるアウトヒータの側面図である。
【図4】本発明の一態様におけるヒータの上面図である。
【図5A】本発明の一態様におけるヒータの側面図である。
【図5B】本発明の一態様におけるヒータの側面図である。
【図6】本発明の一態様におけるヒータのエレメントのパターンを示す図である。
【図7】本発明の一態様におけるブースバーの接続部を示す図である。
【図8】本発明の一態様におけるヒータのエレメントの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【0023】
(実施形態1)
図1に本実施形態の半導体製造装置の断面図を示す。図に示すように、ウェーハwが成膜処理される反応室11には、反応室11上方より、TCS、ジクロロシランなどのソースガスを含むプロセスガスをウェーハ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。そして、反応室11下方には、例えば2箇所にガスを排出し、反応室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。
【0024】
反応室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。
【0025】
反応室11の下方には、モータ(図示せず)、回転軸(図示せず)などから構成されるウェーハwを回転させるための回転駆動機構15と、回転駆動機構15と接続され、ウェーハwを保持するためのサセプタ16が設置されている。サセプタ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17aが設置されている。さらに、サセプタ17とインヒータ17a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17bが設置されている。インヒータ17a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18が設置されている。
【0026】
図2にアウトヒータの上面図を、図3にその側面図を示す。図に示すように、アウトヒータ17bは、各エレメント21a、21b、21c、21dに4分割されている。各エレメント21a、21b、21c、21dは、内周側と外周側が端部で接続され、内周側の中央部が離間した構造となっている。離間した中央部において、それぞれ電極22a、23a、電極22b、23b、電極22c、23c、電極22d、23dに接続、保持されている。各エレメント21a、21b、21c、21dの間隙dは等しく、例えば6mm程度とする。
【0027】
電極22aは、配線用部品24dを介して電極23bと接続され、電極22bは、配線用部品24bを介して電極23cと接続されている。そして、電極22cは、配線用部品24cを介して電極23dと接続され、電極22dは、配線用部品24aを介して電極23aと接続されている。配線用部品24dは、外部接続用端子25aを、配線用部品24bは外部接続用端子25bを有しており、これらは外部電極(図示せず)と接続されている。
【0028】
このような半導体製造装置を用いて、ウェーハw上に例えばSiエピタキシャル膜を形成する。先ず、例えばφ300mmのウェーハwを、反応室11に導入し、サセプタ16上に載置する。そして、ウェーハwの温度が1100℃となるように、インヒータ17aを1400℃、アウトヒータ17bを1500℃程度に温度制御する。
【0029】
このとき、外径が大きいアウトヒータ17bにおいて、外部電極(図示せず)と接続された外部接続用端子25a、25bに電圧を印加することにより、各エレメントは例えば1500℃となるように加熱される。加熱により各エレメントは、エレメントが固定される各電極を中心に端部方向(周方向)に熱膨張し、各エレメントの間隙dは例えば2mm程度となるが、各エレメントは短絡することなく、また反りなど生じることなくウェーハwの外周を安定して均一に加熱する。
【0030】
そして、ウェーハwを、回転駆動機構15により例えば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TCS濃度が2.5%となるように調製し、例えば50SLMで供給する。
【0031】
一方、余剰となったTCSを含むプロセスガス、希釈ガス、反応副生成物であるHClなどのガスを、ガス排出口13より排出し、反応室11内の圧力を一定(例えば常圧)に制御する。
【0032】
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。このとき、熱ストレスが抑制されるため、アウトヒータの反りが抑制され、ウェーハwとの間隔が一定に保持されることから、より均一な膜厚を得ることができる。そして、電極に固定されるために生じるアウトヒータの熱ストレスによる破損を抑制し、メンテナンス頻度を低減させ、生産性の低下を抑えることが可能となる。
【0033】
さらに、φ300mmウェーハに対応して最も口径が大きいアウトヒータを大口径化するためには、SiCなどを例えばφ500mmとなるように加工する必要がある。しかしながら、そのような大口径の部材を安定して形成すること(材料取り)は困難であり、製造コストも増大することが考えられる。本実施形態のように例えば4分割にすることにより、既存の技術で安定して材料取りを行うことが可能となる。
【0034】
本実施形態において、アウトヒータについてエレメントを分割したが、必ずしもアウトヒータに限定されるものではない。例えば、インヒータにおいても適用可能である。インヒータにおいては、φ300mmウェーハに対応した場合、φ300mm程度となるが、同様に電極で固定されているため、各エレメントに分割することにより、熱ストレスが抑えられる。従って、反りや破損を抑制し、メンテナンス頻度を低減することにより、均一な成膜と得るとともに、生産性の低下を抑えることが可能となる。
【0035】
なお、アウトヒータとインヒータ間にミッドヒータを設けた場合、ミッドヒータに適用することも可能である。
【0036】
また、本実施形態においては、ヒータを4分割としたが、4分割に限定されるものではなく、回転対称になっていればよいが、電源の安定供給、均一な加熱を行うためには、偶数に分割されることがより好ましい。但し、安定してヒータを形成する観点からは、3分割以上にすることが好ましい。また、各エレメント間は等間隔であることが、均一な加熱を行う上では好ましい。
【0037】
(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、電極が固定される配線用部材であるブースバーが3分割され、それぞれ垂直な面方位を有する面で接続されている点で、実施形態1と異なっている。
【0038】
図4にヒータの上面図を、図5A、図5Bにその側面図を示す。図に示すように、ヒータ41は、例えばSiC系材料などから構成され、中央で2分割された抵抗加熱方式のヒータのエレメント42と、エレメント42に電流を供給するための1対の電極である電極棒43a、43bが溶接などにより一体化された構成となっている。尚、エレメント42のパターンについては、図示したものは一例であり、半導体基板を均一に加熱することができ、温度変化に対応できるパターンであればよく、その他、例えば図6に示すようなヒータ61のパターンを用いることができる。以下図示するパターンについても同様である。
【0039】
電極棒43a、43bは、SiC系材料などから構成されるボルト44により、Mo、カーボンなどから構成される配線用部材であるブースバー45と接続面45cにおいて面接触するように固定されている。さらに、ブースバー45は、ブースバー46と接続面46cで、ブースバー46は、ブースバー47と接続面47cでそれぞれ面接触するように、固定されている。このとき、接続面45c、46c、47cの面方位は、それぞれ垂直となっている。
【0040】
そして、ブースバー47は、外部接続用端子48において、ボルト49により電極ロッド50に固定されている。電極ロッド50は、ベースディスク(図示せず)により保持され、温度制御機構(図示せず)と接続されている。
【0041】
図7に、ブースバー46とブースバー47との接続部を示す。図に示すように、ボルト44とブースバー46に挟まれるブースバー47には、ボルト径より大きい開口部(破線)が設けられている。従って、その径の差の範囲で接続位置を面方向(X、Y方向およびθ方向)に動かすことができる。
【0042】
そして、電極棒43aとブースバー45との接続位置、ブースバー45とブースバー46との接続位置についても、同様に面方向(X、Y方向およびθ方向)に動かすことができる。
【0043】
そして、このような半導体製造装置を用いて、ウェーハw上に例えばSiエピタキシャル膜を形成する。
【0044】
特に厚膜の成膜時に要求される高精度な温度制御を行うためには、ウェーハの高速回転時にも温度分布にむらが生じないよう、ヒータを高い取付精度で所定の位置に設置する必要がある。しかしながら、ヒータのエレメントと電極棒が溶接により一体化される際に生じる溶接誤差など、ヒータ側に製作誤差が生じてしまう。また、所定の位置に設置するためにヒータ取付時にヒータに負荷をかけると、昇温した際に熱ストレスによりヒータに反りやクラックを発生させる場合がある。
【0045】
しかしながら、本実施形態のように、異なる3方向およびその回転方向に、接続位置を変動可能とすることにより、ヒータの製作誤差を吸収するとともに、ヒータに負荷をかけることなく高い取付精度を得ることが可能となる。従って、ウェーハwとの間隔が高精度で一定に保持されることから、より均一な膜厚を得ることができる。さらに、熱ストレスが抑制されるため、ヒータの反りやクラック、破損が抑制され、メンテナンス頻度を低減させ、生産性の低下を抑えることが可能となる。
【0046】
(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、ヒータが中心部と外周部に分離され、これらの間に、所定の間隙をもって中間部が設けられている点、さらに、これらがそれぞれ実施形態1と同様に複数に分割されている点で、実施形態2と異なっている。
【0047】
すなわち、図8に示すように、中心部にインヒータ71、外周部にアウトヒータ72が設けられており、さらにこれらの間に所定の間隙をもってミッドヒータ73が設けられている。このとき、各ヒータが熱膨張により接触してショートしないとともに、ヒータ間が開き過ぎて温度分布に影響が出ないように、間隙を設定する必要がある。このような構成により、ヒータを分離し、それぞれのヒータを高い取付精度で設置することができる。そして、各ヒータを独立して制御することにより、ウェーハ面内の温度をより高精度にかつ均一となるように制御することができ、膜厚均一性を向上させることができる。なお、中間部であるミッドヒータ73は、温度制御の観点では設置されていることが好ましいが、インヒータ71、アウトヒータ72から構成されていてもよい。
【0048】
さらに、これらのインヒータ71、アウトヒータ72、ミッドヒータ73は、複数に分割されているため、実施形態1と同様に、大口径であっても安定して形成することができ、熱ストレスを低減することができる。なお、熱ストレスの低減などの観点では、各ヒータが全て分割されていることが好ましいが、必ずしもすべてのヒータが分割されている必要はなく、いずれかが分割されていれば、特に本実施形態のように大口径のアウトヒータが分割されていれば、分割されたヒータにおいてその効果を得ることができる。
【0049】
これら実施形態において、ヒータのエレメントとしてSiCを用いたが、電極との溶接が可能であり、加工性、高温安定性の観点で好ましい。SiCは、焼結体を用いることが可能であり、さらに高純度のSiCを被覆してもよい。また、カーボンに高純度のSiCを被覆したものも用いることができる。
【0050】
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。
【0051】
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膜やSi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。
【符号の説明】
【0052】
11…反応室
12…ガス供給口
13…ガス排出口
14…整流板
15…回転駆動機構
16…サセプタ
17a、71…インヒータ
17b、72…アウトヒータ
18…リフレクター
21a、21b、21c、21d、42…エレメント
22a、22b、22c、22d、23a、23b、23c、23d…電極
24a、24b、24c、24d…配線用部品
25a、25b、48…外部接続用端子
41、61…ヒータ
43a、43b…電極棒
44、49…ボルト
45、46、47…ブースバー
45c、46c、47c…接続面
50…電極ロッド
73…ミッドヒータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ウェーハを加熱するヒータであって、前記ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、それぞれに電極が設けられた複数のエレメントを備えることを特徴とするヒータ。
【請求項2】
前記複数のエレメントは、それぞれ等間隔で離間して配置されることを特徴とする請求項1に記載のヒータ。
【請求項3】
前記ウェーハの外周部を加熱するヒータであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヒータ。
【請求項4】
ウェーハが導入される反応室と、
この反応室の上部に配置され、プロセスガスを供給するガス供給機構と、
前記反応室からガスを排出するガス排出機構と、
前記ウェーハを保持するサセプタと、
前記ウェーハと離間するように設置され、前記ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、中央部にそれぞれ電極が設けられた複数のエレメントを有するヒータと、
前記ウェーハを回転させる回転駆動機構を備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項5】
ウェーハが導入される反応室と、
この反応室の上部に配置され、プロセスガスを供給するガス供給機構と、
前記反応室からガスを排出するガス排出機構と、
前記ウェーハを保持するサセプタと、
前記ウェーハと離間するように設置されるヒータと、
前記ヒータと一体化され、前記ヒータに電流を供給する電極と、
前記電極と接続される第1の接続面を有する第1の配線用部品と、
前記第1の配線用部品と接続される第2の接続面を有し、この第2の接続面は、前記第1の接続面と垂直である第2の配線用部品と、
前記第2の配線用部品と接続される第3の接続面を有し、この第3の接続面は、前記第1の接続面および前記第2の接続面と垂直である第3の配線用部品と、
前記ウェーハを回転させる回転駆動機構を備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項6】
前記第1〜第3の接続面は、それぞれ接続位置の変動が可能であることを特徴とする請求項5に記載の半導体製造装置。
【請求項7】
前記ヒータは、少なくとも中心部と外周部で分割され、それぞれ独立して電流を供給する電極を有することを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の半導体製造装置。
【請求項8】
前記ヒータは、前記ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるようにそれぞれ離間して配置され、中央部にそれぞれ電極が設けられた複数のエレメントを備えることを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の半導体製造装置。
【請求項9】
反応室内でウェーハを保持し、
前記ウェーハの表面に、プロセスガスを供給し、
前記反応室よりガスを排出して、前記反応室内を所定の圧力となるように調整し、
前記ウェーハを回転させ、
前記ウェーハの中心を通る軸を中心軸として回転対称となるように配置されヒータを構成する複数のエレメントの各中央部にそれぞれ設けられた電極より電圧を印加し、前記ヒータを発熱させることにより前記ウェーハを加熱して、前記ウェーハの表面に成膜することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項10】
反応室内でウェーハを保持し、
前記ウェーハの表面に、プロセスガスを供給し、
前記反応室よりガスを排出して、前記反応室内を所定の圧力となるように調整し、
前記ウェーハを回転させ、
ヒータと一体化された電極と第1の接続面で第1の配線用部品を接続し、この第1の配線用部品と前記第1の接続面と垂直な第2の接続面で第2の配線用部品と接続し、この第2の配線用部品と前記第1の接続面および前記第2の接続面と垂直である第3の接続面で第3の配線用部品接続し、前記第3の配線用部品、前記第2の配線部品、前記第1の配線部品および前記電極を介して前記ヒータに電圧を印加し、前記ヒータを発熱させることにより前記ウェーハを加熱して、前記ウェーハの表面に成膜することを特徴とする半導体製造方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5A】
image rotate

【図5B】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate


【公開番号】特開2010−80909(P2010−80909A)
【公開日】平成22年4月8日(2010.4.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−68254(P2009−68254)
【出願日】平成21年3月19日(2009.3.19)
【出願人】(504162958)株式会社ニューフレアテクノロジー (669)
【Fターム(参考)】