JPH03145123A

JPH03145123A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JPH03145123A
Application number: JP28373389A
Authority: JP
Inventors: Shigehiko Kaji; 成彦梶
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1991-06-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的」（産業上の利用分野）本発明は、薄膜形成やエツチング等に用いられる半導体
製造装置に係わり、特に基板を加熱又は冷却して基板温
度を制御する機能を備えた半導体製造装置に関する。

（従来の技術）半導体装置の高集積化に伴い、その製造に用いる薄膜形
成技術、エツチング技術においては、基板上での反応を
精密に制御する必要が生じてきている。また、基板の径
は益々大きくなる傾向にあり、このため多数枚の基板を
同時に処理するバッチ式から、少数枚のバッチ式、さら
には枚葉式の半導体製造装置が用いられるようになって
いる。

このように、１回の操作で処理できる枚数が減少するこ
とから、スルーブツト（単位時間当りの薄膜形成した基
板枚数）の低下が問題となる。例えば、１回の薄膜形成
操作において処理できる基板の枚数の減少に伴い、基板
１枚当りの薄膜形成操作に要する時間が大きくなり、ス
ループットが減少する。スルーブツトを減少させている
原因の１つとして、バッチ式では数１０枚の基板に対し
て１回の操作でよかった基板の加熱、温度安定化の操作
を、枚葉式では１枚の基板毎に行うため、その操作に必
要な時間が増大することがあげられる。

例えば、タングステン選択ＣＶＤ法を用い、タングステ
ン膜を基板上に形成する場合、１枚の基板を加熱する加
熱機構を具備したチャンバに、原料ガスを導入する方式
の枚葉式コールドウオール型の装置が用いられている。

この場合、基板の加熱方法としては、第５図（ａ）に示
すようなホットプレートによる主に熱伝導を利用した基
板裏面側からの加熱、又は同図（ｂ）に示すような赤外
線ランプによる輻射熱を利用した基板表面側からの加熱
が用いられ五〇なお、第５図において、１は基板、２は
ホットプレート、３は赤外線ランプ、４は試料台、５は
透明窓、６は反射板を示している。

基板温度は２００〜４００℃で、膜形成が行われる。ホ
ットプレート加熱では、室温〜３００℃の温度範囲では
、基板温度を精度良く制御することができる。しかし、
ホットプレートは一般に熱容量が大きいために昇温・降
温に時間がかかり、基板温度を短時間で安定させること
を目的として、その出力を変化させて使用する方法をと
り難いという欠点がある。また、４００℃以上の高温の
基板温度を効率良く得ることも困難である。一方、赤外
線ランプでは、基板温度を高速に昇温することは可能で
あるが、４００℃以下の温度域では基板温度を制御し難
く、基板温度の安定に時間がかかってしまう欠点がある
。

このように、枚葉式の半導体製造装置において、単独の
基板加熱方式を用いた場合、基板温度の昇温又は温度安
定に時間がかかり、スルーブツトをさらに減少させる原
因となっている。

一方、エツチングを行う場合、エツチング形状をより高
精度に制御する必要が生じてきたために、室温以下の温
度に基板温度を制御することが行われている。例えば、
フロンガス等を用いることにより、マイナス数１０℃近
傍で温度制御を行っている。しかしながら、この方法で
は室温よりも十分に低い温度に制御することは容易であ
るが、エツチング速度を高くするために室温近傍に基板
温度を制御することは困難であった。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、単独の加熱方式で基板の片側から加熱
する場合、基板の昇温又は温度安定化に時間がかかり、
１枚の基板処理操作に要する処理時間が増大し、スルー
ブツトが低下するという問題があった。また、基板温度
を室温近傍に保持する温度制御は極めて困難であった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、基板の昇温及び温度安定化を速やか
に行うことができ、スルーブツト向上等に寄与し得る半
導体製造装置を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、単独の加熱方式ではなく、複数の加熱
方式を採用することにより、基板の昇温及び温度安定化
を速やかに行うことにある。

即ち本発明は、容器内に配置される基板を加熱又は冷却
して該基板の温度を所望温度に保持し、この状態で該基
板に所定の処理を施す半導体製造装置において、前記基
板の裏面に接触して設けられ、少なくとも熱伝導により
該基板を加熱又は冷却する第１の温度制御機構（例えば
、通電により加熱されるピーク、又は流体との熱交換に
より加熱若しくは冷却される熱交換器）と、前記基板の
表面側から輻射熱により該基板を加熱する第２の温度制
御機構（ｅＡＩえば、赤外線ランプ）とを具備してなる
ものである。

（作用）本発明によれば、第１の温度制御機構としてピークや熱
交換器等を用いることにより、熱伝導により基板を加熱
或いは冷却することができ、室温〜３００℃で良好な基
板温度制御性を得ることができる。また、第２の温度制
御機構として赤外線ランプ等を用いることにより、低温
での基板温度制御性は劣るが、基板を高速昇温すること
ができる。そして、これら第１及び第２の温度制御機構
を組み合わせて用いることにより、基板の昇温、温度安
定化を短時間で行うことが可能となる。

即ち、熱伝導を利用したピークや熱交換器は一般に熱容
量が大きく、温度を安定化することは容易だが、急速な
昇温・降温は難しい。特に、高い温度に昇温することは
困難である。これとは逆に、輻射熱を利用した赤外線ラ
ンプは一般に熱容量が小さく、急速な昇温・降温は容易
だが、温度を安定化することは難しい。特に、低い温度
に安定化することは困難である。本発明では、これら２
種の加熱手段を併用することにより、例えば赤外線ラン
プにより昇温を速やかに行い、ピークや熱交換器により
昇温後の温度の安定化をはかることができ、これにより
基板を短時間で所望の温度まで昇温し、且つこの温度に
安定化することが可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は、本発明の一実施例に係わる半導体製造装置の
概略構成を示す断面図であり、この実施例では薄膜形成
装置を示している。図中り。

は真空容器であり、この容器ｌｏ内にはガス導入口から
所定のガスが導入され、容器１ｏ内のガスは排気口から
排気されるものとなっている。

容器１０の底部には、Ｓｉウェハ等の基板２゜を載置す
る試料台を兼ねた第１の温度制御機構３０が設けられ、
容器１０の上部には第２の温度制御機構４０が設けられ
ている。

第１の温度制御機構３０は、上部に静電チャック用電極
３２を備えたピーク３１からなるもので、熱伝導により
基板２０を裏面側から加熱するものとなっている。第２
の温度制御機＄１４０は、赤外線ランプ４１２石英窓４
２及び反射板４３からなるもので、輻射熱により基板２
０を表面側から加熱するものとなっている。また、温度
制御機構３０内には基板２０の温度を測定する熱電対３
３が設けられている。そして、この熱電対３３の検出温
度により、ピーク３１及び赤外線ランプ４１の出力が制
御される。熱電対３３は、基板２０に直接接しているこ
とが望ましいが、ピーク３１ε赤外線ランプ４１のいず
れか、或いは両方の近傍に設置され、基板温度と校正が
とれ、ピーク３１と赤外線ランプ４１とのいずれかの出
力の制御が行えればよい。

次に、上記装置を用いた薄膜形成方法について説明する
。ここで、第１の温度制御機構３０のピーク３１として
は、タングステン線をアルミナセラミック中に封入・焼
結したホットプレート（最大出力１　ｋＷ）を用い、第
２の温度制御機構４０の赤外線ランプ４１としては６０
０Ｗのハロゲンランプを用いた。また、容器１０内に導
入するガスとしては、ＷＦｂ　、Ｓ　ｉ　Ｈ４及びＨ２
を用いた。

まず、容器１０内を１　ｍＴｏｒｒ以下に排気しながら
、ホットプレート３１を一定出力に保ったままで基板２
０をホットプレート３１上に搬送する。その後、ハロゲ
ンランプ４１を点灯して、基板２０にさらに熱エネルギ
ーを加え、基板２゜を高速に昇温する。基板２ｏが所定
の温度に近づいたら、ハロゲンランプ４１の出力を小さ
くし、主にホットプレート３１での加熱を行う。

そして、この状態で容器ｌｏ内にガスを供給し、タング
ステンの選択ＣＶＤによるタングステン薄膜の堆積を行
った。

ホットプレート、ハロゲンランプ出力と基板温度との関
係を第２図（ａ）に示す。ホットプレート３１は、それ
単独の加熱で基板温度が３００℃となる出力３００Ｗの
定出力に制御されている。

室温の基板２０が搬送されると同時に、ハロゲンランプ
出力を最大の６００Ｗ　、＝し、ホットプレート３１と
共に基板２ｏを加熱する。基板温度が２９０℃になった
ところで、ハロゲンランプ出力を減少させ、ｋｋ柊的に
ゼロとする。

この場合、基板温度は２分で３００℃に安定した。これ
に対し、３００　Ｗ定出力のホットプレート単独では３
００℃安定までに１５分、ハロゲンランプ単独では３０
０℃安定までに５分要した。このように本実施例では、
基板温度の昇温を短時間で行うことが可能である。なお
、以上の基板温度は、温度制御用の熱電対３３とは別途
、基板表面に固定した熱電対（図示せず）で測定し、以
下の基板温度も同様にして測定した。

このように本実施例によれば、ホットプレート３１によ
る裏面側からの熱伝導による加熱と、ハロゲンランプ４
１による表面側からの輻射による加熱とを併用すること
により、基板２０を短時間で所望温度まで加熱すること
ができ、さらにその温度に安定に保持することができる
。

このため、薄膜形成において基板２０の処理に要する時
間を短縮することができ、スルーブツトの向上をはかる
ことができる。この効果は、枚葉式の装置にとっては極
めて大きいものである。

また本実施例では、加熱・温度安定時間の短縮によるス
ループットの向上と共に、タングステン堆積中には、石
英窓４２が加熱されていないため、石英窓４２へのタン
グステンの付着が生じ難く、ゴミの発生を制御する効果
も得られた。さらに、タングステンの堆積の後、密着性
を増すために、堆積温度以上の加熱処理を連続して行う
場合は、第２図（ｂ）に示すように、タングステン堆積
後、ハロゲンランプ４１による加熱とホットプレート３
１による加熱を同時に行えばよい。また、静電チャック
３２を使用しない場合、熱伝導の効率が下がるため、ホ
ットプレート出力を基板温度３００℃の場合、５０％上
げる必要が生じた。即ち、静電チャック３２を用いるこ
とにより加熱の効率を上げることができた。

なお、ホットプレート３ユは、その治具の基板を置く面
が加熱されていればよく、シリコンカーバイドやグラフ
ァイト等のジュール熱を用いた発熱体で加熱された治具
、さらには赤外線輻射を用いるハロゲン等の赤外線ラン
プを用いて加熱された治具であってもよい。また、ホッ
トプレート３１の出力を一定としているのは、その熱容
量が大きく、短時間での温度変更が困難なためである。

しかし、基板搬送、ガス排気等の待ち時間があり、その
間に強制的に冷却する等して、ホットプレート３１の表
面の温度が所定温度に戻る範囲であれば、ホットプレー
ト３１の出力を変化させてもよい。

第３図は本発明の他の実施例に係わる半導体製造装置の
概略構成を示す断面図であり、この実施例ではエツチン
グ装置を示している。なお、第１図と同一部分には同一
符号を付して、その詳しい説明は省略する。

この実施例例では、第１の温度制御機構３０としてホッ
トプレート３１の代わりに熱交換器３４を用い、第２の
温度制御機構４０としては先の例と同様のハロゲンラン
プ４１を用いた。

以下に、熱交換器３４により基板冷却を行うと同時に、
ハロゲンランプ４１による加熱を同時に行い室温近傍の
温度に基板温度を保った例を示す。なお、本実施例では
マグネトロン放電によりＲＩＥを行ったが、図ではマグ
ネトロン放電のためのマグネット及び電極は省略して示
している。

まず、熱交換器３４に流ｆｆ１ｌｌ！　／分で５℃の冷
却水を導入し、基板２０を冷却する。これと同時にハロ
ゲンランプ４１の出力を０〜４００　Ｗに変化させ、基
板２０を加熱する。これにより、基板温度１５〜１５０
℃の範囲で、所定の基板温度１；３分以内で制御するこ
とができた。このように強制的に冷却と加熱を行い、熱
移動量を大きくすることにより、室温近傍でも迅速に基
板温度を制御することができた。これに対し、単に熱交
換器或いはハロゲンランプで加熱を行い、室温近傍で温
度を制御する場合、加熱し過ぎた場合は周囲との温度差
が小さく熱移動量が小さく温度を下げ難い。さらに、加
熱し過ぎないためには温度を精密に制御しながら加熱す
る必要があり、温度制御に１０数分の時間がかかった。

また本実施例では、エタノール、メタノール、アセトン
等の有機溶媒の様に融点が０℃より低い液体、或いはフ
レオン系ガス等で、さらに低温の表面温度にした熱交換
器３４とハロゲンランプ４１を組み合わせることによっ
て、マイナス数１０℃程度までの基板温度の制御が可能
となった。この効果は、次のようなエツチング処理に有
効である。

タングステンシリサイド／ポリシリコン／Ｓｉｎ、積層
膜のタングステンシリサイドとポリシリコンをエツチン
グし、ポリサイドゲートを形成する場合、従来はポリシ
リコンと５ｉ０２の選択比を得るために、エツチング速
度を犠牲にして、フレオンガスで冷却した熱交換器（冷
却器）を用い一１０℃でエツチングを行っていた。

しかし、本実施例を適用した場合、第４図に示したよう
な基板温度制御を容易に行うことが可能であり、タング
ステンシリサイドは２０℃で高速でエツチングし、ポリ
シリコンは一１０℃で高選択比でエツチングすることが
できる。

即ち、基板搬入後に熱交換器３４で冷却、ハロゲンラン
プ４１で加熱し、基板温度２０℃とし、タングステンシ
リサイドさらにポリシリコンの一部をエツチングする。

その後、−旦エッチングを中断し、熱交換器３４の出力
を増し基板２０を冷却する。冷却途中からハロゲンラン
プ４１による加熱を開始し−ｌＯ℃に安定させ、ポリシ
リコンを高選択比でエツチングする。温度以外のエツチ
ング条件は、Ｓ　ｉ　Ｃ４７ａ　２０ｃｃ／分、（：　
Ｑ　、　８０ｃｃ／分、圧力４Ｐａ、ＲＦ出力１５ＱＷ
のマグネトロンＲＩＥとした。タングステンシリサイド
のエツチングを一１０℃から２０℃にすることにより、
エツチング速度を１０００入／分から２５００入／分と
することができた。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
なく、その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。例えば、容器内で行う処理は薄膜堆
積、エツチングに限るものではなく、レジスト灰化及び
それらの前処理としての基板加熱、冷却及び後処理のア
ニール、シンター等であってもよい。また、基板を第１
の温度制御機構に密着させることができれば、静電チャ
ックは必ずしも必要ではない。

また、第１の温度制御機構としては熱伝導のみで基板を
加熱（又は冷却）するものに限らず、熱伝導と共に輻射
を併用して基板を加熱するものを用いることも可能であ
る。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、単独の加熱方式で
はなく、熱伝導による第１の温度制御機構と輻射による
第２の温度制御機構を設け、これら２つの加熱方式を採
用することにより、基板の昇温及び温度安定化を速やか
に行うことができ、各種基板処理におけるスルーブツト
向上等に寄与することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例に係わる半導体製造装置の概略
構成を示す断面図、第２図は同実施例における基板温度
制御方法を説明するための特性図、第３図は他の実施例
の概略構成を示す断面図、第４図は上記他の実施例にお
ける基板温度制御方法を説明するための特性図、第５図
は従来の加熱方法を説明するための模式図である。１０・・・真空容器、２０・・・基板、３０・・・第１の温度制御機構、３１・・・ホットプレート（電熱ピーク）、３２・・・
静電チャック板、３３・・・熱電対、３４・・・熱交換器、４０・・・第２の温度制御機構、４１・・・ハロゲンランプ（赤外線ランプ）、４２・・
・石英窓、４３・・・反射板。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）容器内に配置される基板を加熱又は冷却して該基
板の温度を所望温度に保持し、この状態で該基板に所定
の処理を施す半導体製造装置において、前記基板の裏面に接触して設けられ、少なくとも熱伝導
により該基板を加熱又は冷却する第１の温度制御機構と
、前記基板の表面側から輻射熱により該基板を加熱する
第２の温度制御機構とを具備してなることを特徴とする
半導体製造装置。
（２）前記第１の温度制御機構は、通電により加熱され
るピーク、又は流体との熱交換により加熱若しくは冷却
される熱交換器であり、前記第２の温度制御機構は赤外
線ランプであることを特徴とする請求項１記載の半導体
製造装置。