(57)【要約】【課題】ウェーハに急速加熱処理を施す際に、外周領域と中央領域との温度分布が不均一になるのを防止する。【解決手段】処理チャンバ１０、処理チャンバ１０内においてウェーハＷの外周領域を支持する支持面２４ａを有する環状のウェーハ支持リング２０、ウェーハＷの上方から赤外線を照射する加熱手段４０を備えた半導体製造の加熱処理装置において、ウェーハ支持リング２０に対して、内側リング２４の支持面２４ａの裏側領域を変化させた薄肉部２５を設ける。これにより、支持面２４ａの領域における内側リング２４の熱容量が小さくなり、ウェーハの外周領域から内側リング２４に伝わる熱が低減され、ウェーハＷの温度分布が均一化され、微小スリップ等の結晶欠陥が防止され、所望の半導体特性が得られる。【選択図】　図２
2004063895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側リングと、前記外側リングに対して凹状に形成され内縁により貫通孔を画定すると共に上面においてウェーハの外周領域を支持する環状の支持面を有する内側リングとを備え、ウェーハに熱処理を施す際にウェーハを支持するウェーハ支持リングであって、
前記内側リングには、前記支持面の裏側領域を変化させた薄肉部を設けた、
ことを特徴とするウェーハ支持リング。
【請求項２】
前記薄肉部は、少なくともウェーハが接触し得る領域と対向する裏側領域において、環状に形成されている、
ことを特徴とする請求項１記載のウェーハ支持リング。
【請求項３】
前記薄肉部は、前記内側リングの中心に向かうに連れて順次薄肉になるテーパ状に形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のウェーハ支持リング。
【請求項４】
前記薄肉部は、前記支持面と略平行に形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のウェーハ支持リング。
【請求項５】
処理チャンバと、前記処理チャンバ内においてウェーハの外周領域を支持する支持面を有する環状のウェーハ支持リングと、ウェーハの上方から加熱光を照射する加熱手段とを備えて、ウェーハに所定の加熱処理を施す半導体製造装置であって、
前記ウェーハ支持リングは、前記支持面の裏側領域を変化させた薄肉部を有する、
ことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項６】
前記薄肉部は、少なくともウェーハが接触し得る領域と対向する裏側領域において、環状に形成されている、
ことを特徴とする請求項５記載の半導体製造装置。
【請求項７】
前記薄肉部は、前記内側リングの中心に向かうに連れて順次薄肉になるテーパ状に形成されている、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体製造装置。
【請求項８】
前記薄肉部は、前記支持面と略平行に形成されている、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体用のウェーハに対して加熱処理を施して所定の半導体特性を形成する際にウェーハを支持するウェーハ支持リング及び半導体製造装置に関し、特に、ウェーハの外周領域を支持した状態で急速加熱処理（ＲＴＰ、Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）を施す際に適用されるウェーハ支持リング及び半導体製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウェーハに対して加熱処理を施す従来の半導体製造装置としては、ウェーハ１枚ごとに加熱処理を施す枚葉式の急速熱処理装置（ＲＴＰ）が知られている。この装置は、熱処理を行なう空間を画定する処理チャンバ、処理チャンバ内においてウェーハを支持する環状のウェーハ支持リング、支持されたウェーハの上方から赤外線を照射するハロゲンランプ、支持されたウェーハの下方から雰囲気温度を測定する温度センサ等を備えている。
【０００３】
ウェーハ支持リング１は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、貫通孔１ａを画定するようにシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等により環状に形成され、かつ、表面が所定の被膜剤でコーティングされており、外側リング１ｂ、外側リング１ｂの内側において凹状をなし貫通孔１ａを画定する内側リング１ｃ等を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の装置において、スパイクアニールのように高速で昇温・降温させる加熱処理を行なう場合、ウェーハＷの外周領域においては、昇温時には加えられた熱が接触面１ｃ´から内側リング１ｃに伝わってウェーハＷの中央領域に比べて低くなるという事態が生じる。すなわち、内側リング１ｃの熱容量の影響により、ウェーハＷの外周領域の温度は、ウェーハＷの中央領域の温度変化に追随できず、ウェーハＷ内の温度分布が不均一になっていた。
【０００５】
その結果、ウェーハＷの中央領域と外周領域とでは、熱履歴が異なるアニール処理がなされ、例えば、アニール処理によって、イオン注入によりウェーハＷに打ち込まれた不純物を活性化させる場合、活性化の程度がウェーハＷの外周領域と中央領域とで異なってしまい、不純物の活性化領域における抵抗分布がウェーハＷ内で不均一になるという問題があった。また、不均一な温度分布により、微小スリップ等の結晶欠陥が発生し、所望の半導体特性を得ることができないという問題があった。
【０００６】
一方、ウェーハＷの下方には、制御用の温度センサが配置されて雰囲気温度の測定が行なわれるため、ハロゲンランプからの照射光が、内側リング１ｂとウェーハＷとの間から下方に洩れ出ないように、接触面１ｃ´をある程度確保しなければならないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ウェーハに対して加熱処理を施す場合において、簡略な構造にて、ウェーハを支持する部分の熱容量の影響を低減でき、ウェーハにおける温度分布の均一化を図り、加熱処理による所望の半導体特性が得られるウェーハ支持リング及び半導体製造装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のウェーハ支持リングは、外側リングと、外側リングに対して凹状に形成され内縁により貫通孔を画定すると共に上面においてウェーハの外周領域を支持する環状の支持面を有する内側リングとを備え、ウェーハに熱処理を施す際にウェーハを支持するウェーハ支持リングであって、上記内側リングには、支持面の裏側領域を変化させた薄肉部を設けた、ことを特徴としている。
この構成によれば、内側リングに薄肉部が形成されているため、従来に比べて支持面の領域における内側リングの熱容量が小さくなり、ウェーハの外周領域と内側リングとの間での熱伝達が低減される。これにより、ウェーハの温度分布が均一化されて、不純物の活性化領域が均一化され、微小スリップ等の結晶欠陥が防止され、所望の半導体特性が得られる。
また、薄肉部は支持面の裏側領域に設けられているため、ウェーハは支持面と確実に接触して支持される。したがって、内側リングとウェーハとの間に隙間が発生するのを防止できる。
【０００９】
上記ウェーハ支持リングにおいて、薄肉部は、少なくともウェーハが接触し得る領域と対向する裏側領域において環状に形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、本来の役割であるウェーハの支持が確実に行なわれると共に、薄肉部による熱容量の低減によって、ウェーハの温度分布が均一化される。
【００１０】
上記ウェーハ支持リングにおいて、薄肉部は、内側リングの中心に向かうに連れて順次薄肉になるテーパ状に形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、内側リングがその中心に向けて先細りの断面形状をなすため、ウェーハを支持することにより発生する内側リングの最大応力を低減でき、機械的強度を確保できる。
【００１１】
また、上記ウェーハ支持リングにおいて、薄肉部は、支持面と略平行に形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、薄肉部の肉抜き量を大きくすることができ、ウェーハ支持リング（内側リング）の熱容量をより一層小さくできる。
【００１２】
本発明の半導体製造装置は、処理チャンバと、処理チャンバ内においてウェーハの外周領域を支持する支持面を有する環状のウェーハ支持リングと、ウェーハの上方から加熱光を照射する加熱手段とを備えて、ウェーハに所定の加熱処理を施す半導体製造装置であって、上記ウェーハ支持リングは、支持面の裏側領域を変化させた薄肉部を有する、ことを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、処理チャンバ内において、ウェーハの外周領域をウェーハ支持リングの支持面で支持して、加熱手段によりウェーハの上面に加熱光が照射されて加熱処理が施される。このとき、ウェーハ支持リングには薄肉部が形成されているため、従来に比べて支持面の領域におけるウェーハ支持リングの熱容量が小さくなり、ウェーハの外周領域とウェーハ支持リングとの間での熱伝達が低減される。これにより、ウェーハの温度分布が均一化されて、不純物の活性化領域が均一化され、微小スリップ等の結晶欠陥が防止され、所望の半導体特性が得られる。
【００１４】
また、薄肉部は支持面の裏側領域に設けられているため、ウェーハは支持面と確実に接触して支持される。したがって、ウェーハ支持リングとウェーハとの間に隙間が発生するのを防止できる。これにより、加熱手段から発せられる照射光が、ウェーハの裏側（下方）に洩れ出るのを防止でき、例えば、ウェーハの下方にて制御情報としての温度の測定を行なう場合、その温度測定が高精度に行なえる。
【００１５】
上記装置において、薄肉部は、少なくともウェーハが接触し得る領域と対向する裏側領域において環状に形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、本来の役割であるウェーハの支持が確実に行なわれると共に、薄肉部による熱容量の低減によって、ウェーハの温度分布が均一化される。
【００１６】
上記装置において、薄肉部は、ウェーハ支持リングの中心に向かうに連れて順次薄肉になるテーパ状に形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、ウェーハを支持する部分が先細りの断面形状をなすため、ウェーハを支持することにより発生するウェーハ支持リング内に生じる最大応力を低減でき、機械的強度を確保できる。
【００１７】
また、上記装置において、薄肉部は、支持面と略平行に形成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、薄肉部の肉抜き量を大きくすることができ、ウェーハ支持リングの熱容量をより一層小さくできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明に係るウェーハ支持リングを備えた半導体製造装置の一実施形態を示すものであり、図１は装置の全体を示す概略構成図、図２はウェーハを支持するウェーハ支持リングを示す平面図及び断面図である。
【００１９】
この半導体製造装置は、半導体用のウェーハＷを１枚ごと収容して、急速加熱処理（ＲＴＰ）を施す枚葉式の加熱処理装置であり、図１に示すように、加熱処理時にガスが供給される処理チャンバ１０、処理チャンバ１０内においてウェーハＷを支持する環状のウェーハ支持リング２０、ウェーハ支持リング２０を着脱自在に支持するサポートシリンダ３０、ウェーハＷの上方から加熱光を照射する加熱手段としてランプユニット４０、ウェーハＷの下方に配置された反射プレート５０、反射プレート５０内に埋設された温度センサ６０及び出没自在な支持ピン（不図示）等を備えている。
【００２０】
処理チャンバ１０は、図１に示すように、処理室Ｃ内に処理ガスを供給するガス供給口１１、処理室Ｃ内のガスを排出するガス排出口１２等により形成されている。尚、処理室Ｃは、ランプユニット４０の下面、ウェーハ支持リング２０及びウェーハ支持リング２０に支持されたウェーハＷ、ウェーハ支持リング２０の周りに配置されたリングスペーサ（不図示）等により画定される。
【００２１】
ランプユニット４０は、図１に示すように、円筒状に形成され水冷却されるハウジング４１、ハウジング４１の内部にハニカム状に配列された複数のハロゲンランプ４２、ハロゲンランプ４２から発せられる赤外線を透過させる石英窓４３等により形成されている。
【００２２】
ウェーハ支持リング２０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、サポートシリンダ３０に嵌合される円筒部２１、外側リング２２、外側リング２２に対して凹状に形成され、内縁により貫通孔２３を画定すると共に上側に環状の支持面２４ａを画定する内側リング２４等を備えるように、ＣＶＤ−ＳｉＣ、又はその上にコーティングを施したものにより、あるいはシリコンカーバイド（炭化ケイ素）をホットプレスして成形されている。
【００２３】
内側リング２４の支持面２４ａは、図２（ｂ）に示すように、ウェーハＷの外径ｄｗよりも大きい径Ｄをもつ、環状の平坦な面に形成されている。したがって、搬送ロボットのアーム等によりウェーハＷを支持面２４ａに載置する際に、ウェーハＷが確実に支持面２４ａに位置付けられ、又、ウェーハＷ及びウェーハ支持リング２０が熱膨張あるいは熱収縮等の変形を生じても、ウェーハＷは位置ずれを生じることなく、環状をなす支持面２４ａに確実に接触して支持される。
また、ウェーハＷは、その外周領域Ｈが、平坦な支持面２４ａに密着して確実に支持されるため、内側リング２４とウェーハＷとの間に隙間が発生するのを防止できる。これにより、ハロゲンランプ４２からの照射光（加熱光）が、支持部材２０とウェーハＷとの間から下方に洩れ出るのを防止できる。
【００２４】
また、内側リング２４には、図２（ｂ）に示すように、支持面２４ａの裏側領域の肉厚を変化させた薄肉部２５が形成されている。この薄肉部２５は、ウェーハＷが接触し得る支持面２４ａの領域と対向する裏側の領域Ｈにおいて環状に形成されており、ウェーハ支持リング２０（内側リング２４）の中心（貫通孔２３の中心）に向かう（方向Ｌ）に連れて順次に薄肉となるテーパ状（円錐状の傾斜面）に形成されている。
ここで、具体的な数値としては、内側リング２４の最大肉厚を約０．４ｍｍ程度とした場合に、薄肉部２５の先端肉厚は約０．２５〜０．３５ｍｍ程度に設定される。
【００２５】
このように、薄肉部２５を設けることにより、この領域の熱容量が小さくなり、ウェーハＷの外周領域と内側リング２４との間での熱伝達が低減される。これにより、加熱処理を行なう際に、ウェーハの温度分布が均一化され、不純物の活性化領域が均一化され、例えば、イオン注入後のアニール処理において抵抗分布が均一化される。また、微小スリップ等の結晶欠陥が防止され、所望の半導体特性が得られる。さらに、この薄肉部２５が、ウェーハ支持リング２０の中心に向けて先細りの断面形状をなすため、ウェーハＷを支持することにより内側リング２４内に発生する最大応力を低減でき、機械的強度が確保される。
【００２６】
尚、ウェーハ支持リング２０は、ハロゲンランプ４２から照射される赤外線（照射光）を透過させないように、周囲の構成あるいはウェーハＷに影響を及ぼさない不純物がドーピングされたＣＶＤ−ＳｉＣ又はホットプレスＳｉＣ等を用いて形成され、表面にコーティング処理を施さない状態に形成されることが好ましい。
すなわち、薄肉部２５による熱容量の低減に加えて、ウェーハＷからウェーハ支持リング２０への熱の伝達を抑制するために、材料的に変更あるいは表面処理の変更等を付加してもよい。
【００２７】
次に、この装置による熱処理について説明する。
先ず、搬送ロボットによりウェーハＷが搬送されて、処理チャンバ１０に設けられた開閉ドアから処理室Ｃ内に搬入されウェーハ支持リング２０の上方に位置付けられると、貫通孔２３の内側に位置する支持ピンに支持される。そして、支持ピンが下降して、ウェーハＷ（外周領域）がウェーハ支持リング２０の支持面２４ａに支持される。
【００２８】
続いて、ガス供給口１１から所定の処理ガスが供給され、ハロゲンランプ４２が点灯し、石英窓４３を通してウェーハＷの表面に赤外線（加熱光）が照射される。ここで、加熱処理としては、昇温速度１５０〜３００℃／秒程度でウェーハＷを急速に加熱した後に冷却するプロセス、例えば、約２５０℃／秒の昇温速度で１０５０℃程度まで、約５〜１５秒程度、急速加熱した後に冷却するスパイクアニール処理が施される。
この熱処理に際して、ウェーハＷが斑なく加熱されるように、反射プレート５０の下方に配置された回転駆動機構等によりサポートシリンダ３０を回転させて、ウェーハＷを所定の速度で回転させる。
【００２９】
ここで、ウェーハ支持リング２０には、薄肉部２５が設けられているため、ウェーハＷの外周領域からウェーハ支持リング２０に伝わる熱が抑制され、ウェーハＷは中央領域と外周領域とで均一に加熱され、全体として均一な温度分布となる。したがって、ウェーハＷの外周領域において、不純物の活性化領域が均一化され、微小スリップ等の結晶欠陥を生じることはなく、加熱処理による所望の半導体特性が得られる。
【００３０】
また、支持面２４ａは平坦な環状の面に形成されているため、ウェーハ支持リング２０は隙間を生じることなくウェーハＷの外周領域（下面）を支持する。したがって、ハロゲンランプ４２から照射された赤外線が、ウェーハＷの下方に洩れ出ることはない。これにより、温度センサ６０は、赤外線の影響を受けることなく、雰囲気温度を高精度に検出することができる。
そして、温度センサ６０による検出結果に基づいて、加熱状態の監視、目標の加熱温度になるように加熱処理の制御が行なわれる。
【００３１】
その後、所定時間（約５〜１５秒、例えば１０秒）経過した後に、ハロゲンランプ４２が消灯又は低パワーとされ、加熱処理が終了する。そして、支持ピンが上昇してウェーハＷが持ち上げられると、処理チャンバ１０の開閉ドアが開けられて、搬送ロボットにより、ウェーハＷは処理チャンバ１０の外部に取り出される。以下、ウェーハＷ１枚ごとに、同様の加熱処理が施される。
【００３２】
図３は、本発明に係るウェーハ支持リングの他の実施形態を示すものである。
この実施形態において、ウェーハ支持リング２００は、図３に示すように、サポートシリンダ３０に嵌合される円筒部２１０、外側リング２２０、外側リング２２０に対して凹状に形成され、内縁により貫通孔２３０を画定すると共に上側に支持面２４０ａを画定する内側リング２４０等を備えるように、ＣＶＤ−ＳｉＣ又はシリコンカーバイド（炭化ケイ素）をホットプレスして成形されている。
【００３３】
内側リング２４０の支持面２４０ａは、図３（ｂ）に示すように、ウェーハＷの外径ｄｗよりも大きい径Ｄをもつ、環状の平坦な面に形成されている。したがって、前述の実施形態と同様に、搬送ロボットのアーム等によりウェーハＷを支持面２４０ａに載置する際に、ウェーハＷが支持面２４０ａに確実に位置付けられ、又、ウェーハＷ及びウェーハ支持リング２００が熱膨張あるいは熱収縮等の変形を生じても、ウェーハＷは位置ずれを生じることなく、環状の平坦な支持面２４０ａに確実に接触して支持される。
【００３４】
また、ウェーハＷは、その外周領域Ｈが、平坦な支持面２４０ａに密着して確実に支持されるため、内側リング２４０とウェーハＷとの間に隙間が発生するのを防止できる。これにより、ハロゲンランプ４２からの照射光が、ウェーハ支持リング２００とウェーハＷとの間から下方に洩れ出るのを防止できる。
【００３５】
また、内側リング２４０には、図３（ｂ）に示すように、支持面２４０ａの裏側領域の肉厚を変化させた薄肉部２５０が形成されている。この薄肉部２５０は、ウェーハＷが接触し得る支持面２４０ａの領域と対向する裏側の領域Ｈにおいて環状に形成されており、支持面２４０ａと略平行に（同一の肉厚となるように）形成されている。
具体的な数値としては、内側リング２４０の最大肉厚を約０．４ｍｍ程度とした場合に、薄肉部２５０の肉厚は約０．２５〜０．３５ｍｍ程度に設定される。
【００３６】
このように、支持面２４０ａと略平行な薄肉部２５０を設けることにより、この領域の熱容量をより一層小さくすることができ、ウェーハＷの外周領域と内側リング２４０との間での熱伝達がより一層低減される。これにより、加熱処理を行なう際に、ウェーハの温度分布が均一化されて、不純物の活性化領域が均一化され、微小スリップ等の結晶欠陥が防止され、所望の半導体特性が得られる。
【００３７】
上記実施形態においては、ウェーハ支持リング２０，２００に設ける薄肉部２５，２５０として、先細りのテーパ状の肉抜き形状、あるいは、同一の肉厚をなす直線状の肉抜き形状を示したが、これに限定されるものではなく、ウェーハＷの外周領域を支持する部分の熱容量を小さくできるものであれば、その他の形状を採用してもよい。
また、上記実施形態においては、半導体製造装置として、加熱処理専用の装置を示したが、熱処理を含めその他の処理を行なえる装置において、本発明に係る構成を採用してもよい。
さらに、上記実施形態においては、加熱処理として、スパイクアニール処理の如く急速加熱処理を行なう場合を示したが、その他の加熱処理を行なう装置において、本発明の構成を採用してもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のウェーハ支持リング及び半導体製造装置によれば、ウェーハの外周領域を支持する支持面を有する環状のウェーハ支持リングにおいて、支持面の裏側領域を変化させて薄肉部を設けたことにより、従来に比べてウェーハ支持リングの熱容量が小さくなり、ウェーハの外周領域とウェーハ支持リングとの間での熱伝達が低減される。これにより、ウェーハの温度分布が均一化され、特に、ウェーハの中央領域に対する外周領域の温度追随性が改善されて、ウェーハの中央領域と外周領域とで熱履歴の違いが解消され、例えば、イオン注入された不純物の活性化の程度をウェーハ内で均一化でき、不純物活性化領域における抵抗分布を均一化できる。また、微小スリップ等の結晶欠陥が防止され、所望の半導体特性が得られる。
また、薄肉部を支持面の裏側領域に設けることにより、ウェーハは支持面と確実に接触して支持され、ウェーハ支持リングとウェーハとの間に隙間が発生するのを防止できる。これにより、加熱光がウェーハの裏側に洩れ出るのを防止でき、例えば、ウェーハの下方にて制御情報としての温度の測定を行なう場合、その温度測定が高精度に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るウェーハ支持リング及び半導体製造装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係るウェーハ支持リング一実施形態を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＥ１−Ｅ１における断面図である。
【図３】本発明に係るウェーハ支持リングの他の実施形態を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＥ２−Ｅ２における断面図である。
【図４】従来の半導体製造装置におけるウェーハ支持リングを示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＥ−Ｅにおける断面図である。
【符号の説明】
１０　処理チャンバ
１１　ガス供給口
１２　ガス排出口
２０　環状のウェーハ支持リング
２１　円筒部
２２　外側リング
２３　貫通孔
２４　内側リング
２４ａ　支持面
２５　薄肉部
３０　サポートシリンダ
４０　ランプユニット（加熱手段）
４１　ハウジング
４２　ハロゲンランプ
４３　石英窓
５０　反射プレート
６０　温度センサ
２００　環状のウェーハ支持リング
２１０　円筒部
２２０　外側リング
２３０　貫通孔
２４０　内側リング
２４０ａ　支持面
２５０　薄肉部
Ｗ　ウェーハ
【図１】
2004063895.tif 000003
【図２】
2004063895.tif 000004
【図３】
2004063895.tif 000005
【図４】
2004063895.tif 000006