JP2000031065A - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反応室内に混入する酸化種を効率よく低減す
る。 【解決手段】 被処理基板３０５を加熱状態で処理可能
な反応室３０１と、反応室３０１に導入する被処理基板
３０５を保持する搬送室３０４とを有し、搬送室３０４
は雰囲気中に含まれる物質を固体として吸着する冷却機
構３１０を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板処理装置及び
基板処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程では、高温や高真
空を要する工程において雰囲気を厳密に制御する必要の
あるものがある。例えば、シリコン基板上に直接多結晶
シリコンを堆積して電気的な接続を得る場合には、シリ
コン基板と多結晶シリコンとの間にシリコン酸化膜が形
成されると、両者間での接触抵抗が増大してしまう。こ
のような問題を回避するためには、多結晶シリコンを堆
積する工程において雰囲気中の酸化種を極力低減するこ
とが必要でとなる。

【０００３】図１（ａ）〜図１（ｃ）は、シリコン基板
上のコンタクト孔領域に多結晶シリコンを堆積する場合
の工程を示した図である。まず、図１（ａ）に示すよう
に、シリコン基板１０１の表面領域にｎ型又はｐ型の導
電性を示す不純物を高濃度にドーピングした不純物拡散
層１０２を形成する。続いて、ＰＭＤ（Pre Metal Diel
ectrics ）となる主としてシリコン酸化膜から成る絶縁
膜１０３をＣＶＤ法等によって形成し、不純物拡散層１
０２の表面を露出させるコンタクト孔１０４を形成す
る。

【０００４】次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン
基板を減圧ＣＶＤ装置の反応室内に導入し、多結晶シリ
コンを堆積する温度（６１０℃〜６３０℃程度）まで昇
温させる。この昇温過程において、大気中から混入した
Ｏ₂ やＨ₂ Ｏ等の酸化種により、シリコン基板１０１の
露出した領域にシリコン酸化膜１０５が形成されてしま
う。

【０００５】次に、図１（ｃ）に示すように、減圧ＣＶ
Ｄ装置内において多結晶シリコン膜１０６を堆積する。
多結晶シリコン膜１０６には、不純物拡散層１０２と同
じ導伝型の不純物を堆積と同時にドーピングすればよい
が、多結晶シリコン堆積後にイオン注入法を用いて不純
物を導入し、さらに８００℃程度の熱工程を加えて不純
物の活性化を行ってもよい。このようにして形成された
多結晶シリコン膜１０６と不純物拡散層１０２との間に
はシリコン酸化膜１０５が介在しているため、電気抵抗
が高くなってしまう。

【０００６】図２（ａ）〜図２（ｄ）は、Ｗ（タングス
テン）膜上にシリコン窒化物を形成する場合の問題点を
示した図である。なお、この問題に関してはすでに特願
平９−１４９１６１において示されている。

【０００７】まず、図２（ａ）に示すように、シリコン
基板２０１上にゲート酸化膜２０２を形成し、その上に
ｐ型又はｎ型の不純物をドーピングした多結晶シリコン
膜２０３を堆積する。続いて、多結晶シリコン膜２０３
上に、多結晶シリコン膜２０３とＷとの間の反応を防止
するためのタングステン窒化物等からなる反応防止層２
０４を介してＷ膜２０５を堆積する。

【０００８】さらにＷ膜２０５上に減圧ＣＶＤ法によっ
てシリコン窒化物を堆積する場合（このときの温度は、
酸化の際の急激な体積膨張によって表面が割れながら酸
化されることを防止するために、５５０℃以下であるこ
とが望ましい）、上記積層構造を有する半導体基板を反
応室内に導入する際に大気が巻き込まれてＯ₂ やＨ₂Ｏ
等の酸化種が雰囲気中に混入するため、図２（ｂ）に示
すように、Ｗ膜２０５表面にＷＯ₃ 等のＷ酸化物２０６
が形成される。

【０００９】このＷ酸化物２０６は、はじめは平滑で膜
厚も均等であるが、シリコン窒化物を堆積する７８０℃
程度の高温まで昇温する過程で結晶構造が変化するた
め、図２（ｃ）に示すように、Ｗ酸化物２０６表面に凹
凸が生じる。

【００１０】このような凹凸が形成されたＷ酸化物２０
６上にシリコン窒化物を堆積した場合、図２（ｄ）に示
すように、シリコン窒化物２０７はその下のＷ酸化物２
０６表面の凹凸を反映した表面形状になる。このような
凹凸形状では、微細なパターンを形成することが非常に
困難になる。

【００１１】以上述べたようなシリコンや金属が酸化さ
れる問題、すなわち反応室内にウエハを導入して昇温す
る過程でシリコンや金属の表面が酸化される問題を防止
するためには、被処理基板の導入時の雰囲気を制御して
酸化種の濃度を低くすることが効果的である。

【００１２】これを容易に実現する方法としては、図３
に示すように、反応室３０１内に被処理基板（シリコン
ウエハ３０５）を導入するための搬送室３０４内をＡｒ
やＮ₂ 等の非酸化性雰囲気で置換する方法がある。すな
わち、導入ライン３０８から搬送室３０４内に導入した
Ｎ₂ やＡｒ等の非酸化性気体を排気ライン３０９から排
出する。

【００１３】この方法によれば、図４に示すように、Ｏ
₂ のような装置壁面からの脱離が非常に少ないものに対
しては、ｅｘｐ（−ｔ）の依存性をもってその分圧を低
下させることができるため、大部分のＯ₂ を搬送室内の
雰囲気から速やかに除去することができる。

【００１４】しかし、大気中に含まれるＨ₂ Ｏは搬送室
壁面に吸着し、その分圧は１／ｔの依存性でしか低下し
ないため、これを速やかに除去することは困難である。
また、ウエハを支持する石英治具等にＨ₂ Ｏが吸着して
いる場合、上述したのと同様に、反応室内の雰囲気中に
昇温後もＨ₂ Ｏが徐々に放出されて酸化の原因となる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図１或いは図２で示し
たように、Ｗ等の金属やシリコン等の半導体上に形成さ
れる数ｎｍ程度の非常に薄い酸化膜が問題となる場合に
は、被処理基板を反応室に導入する際に、酸化種として
Ｏ₂ の他にＨ₂ Ｏも反応室内に混入させないことが必要
である。つまり、ウエハを反応室に導入する際には、Ｏ
₂ の他に搬送室内のＨ₂ Ｏ濃度を低くすることが重要で
ある。しかしながら、従来の装置ではこのような点に対
して十分な対策が施されていなかった。

【００１６】本発明は上記従来の課題に対してなされた
ものであり、反応室内に混入する酸化種を効率よく低減
することが可能な基板処理装置及び基板処理方法を提供
することを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る基板処理装
置は、被処理基板を加熱状態で処理する反応室と、この
反応室に導入する被処理基板を保持する搬送室とを有
し、前記搬送室は雰囲気中に含まれる物質を固体として
吸着する冷却手段を備えていることを特徴とする（請求
項１）。

【００１８】前記搬送室は、被処理基板が保持される領
域と冷却手段との間に設けた遮熱手段をさらに備えてい
てもよい（請求項２）。本発明に係る基板処理方法は、
前記基板処理装置を用い、被処理基板が保持された搬送
室内の雰囲気中に含まれる物質を冷却手段によって固体
として吸着した後、搬送室に保持された被処理基板を反
応室内に導入し、反応室内に導入された被処理基板を加
熱状態で処理することを特徴とする（請求項３）。

【００１９】本発明によれば、搬送室に設けた冷却手段
によってＨ₂ Ｏ等を吸着させることができるので、Ｈ₂
Ｏ等の濃度を十分低くした状態で被処理基板を反応室に
導入することができる。したがって、高温の反応室で金
属や半導体表面が酸化されることを抑制できるため、表
面形状の改善や接触抵抗の低減をはかることができ、特
性や信頼性に優れた半導体装置を作製することができ
る。

【００２０】また、遮熱手段を設けることにより、高温
の反応室から取り出された被処理基板の保持用治具等か
らの輻射熱を遮蔽することができるので、輻射熱によっ
て冷却手段に吸着されているＨ₂ Ｏ等の凍結層が大気中
に再放出されることを防止することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図５は、本実施形態に係るＣＶＤ装
置の概略構成を示したものである。図５において、反応
室３０１の周囲には被処理基板を加熱するためのヒータ
ー３０２が設けられており、この反応室３０１にはマニ
ホールド３０３を介して搬送室３０４が接続されてい
る。被処理基板であるシリコンウエハ３０５はキャップ
３０７上の石英治具３０６に載置されて搬送室３０４か
ら反応室３０１に導入される。搬送室３０４の下部に
は、搬送室内を外気から遮断した状態でＡｒやＮ₂ 等の
非酸化性雰囲気で置換するために、ＡｒやＮ₂ 等の導入
ライン３０８及び排気ライン３０９が設けられている。
ここまでの装置構成については、図３に示した従来の装
置構成と基本的には同様のものである。

【００２２】本実施形態の装置では、搬送室３０４の内
壁面に沿って冷却機構３１０を設けている。例えば、適
当な冷媒を内壁面に沿って循環させるような構成を用い
ればよい。この冷却機構３１０により、壁面から脱離す
るＨ₂ Ｏを凍結層として冷却面に固定し、搬送室３０４
内のＨ₂ Ｏ分圧を効率よく低下させている。冷却機構３
１０の温度は、Ｈ₂ Ｏの融点より十分低ければよく、例
えば−５０℃程度以下であれば十分である。このとき使
用する冷媒は、例えばフロリナートやガルデン等が好ま
しい。

【００２３】冷却機構３１０は常時運転する必要はな
く、少なくともウエハ３０５やウエハを支持する石英治
具３０６が搬送室３０４内に露出する時にＨ₂ Ｏ分圧が
十分低下するように運用すればよい。すなわち、ウエハ
３０５や石英治具３０６を反応室３０１に導入した後に
は冷却機構３１０の運転を中止し、凍結層として取り込
まれたＨ₂ Ｏを放出させることも可能である。

【００２４】また、冷却機構３１０に吸着したＨ₂ Ｏの
凍結層が、高温の反応室３０１から取り出された石英治
具３０６等からの輻射熱を受けて融解し、大気中に再放
出されることが懸念される。そこで、本実施形態の装置
では、冷却機構３１０と石英治具３０６設置領域等の高
温になる領域との間に遮熱板３１１を設け、石英治具３
０６等からの輻射熱を遮蔽するようにしている。

【００２５】本実施形態のＣＶＤ装置を図１の多結晶シ
リコン膜１０６の堆積工程に適用する場合には、石英治
具３０６によってシリコンウエハ３０５が保持されてい
る搬送室３０４内のＨ₂ Ｏを冷却機構３１０によって吸
着し、その後シリコンウエハ３０５を反応室３０１に導
入し、所定の温度で多結晶シリコン膜の堆積を行うよう
にすればよい。このように、シリコンウエハ３０５を反
応室３０１に導入する際に搬送室３０４内のＨ₂ Ｏ濃度
を十分低くしておくことができるので、反応室３０１内
へのＨ₂ Ｏの混入を防止することができる。したがっ
て、シリコン酸化膜１０５の形成を抑制することがで
き、シリコン酸化膜１０５による多結晶シリコン膜１０
６と不純物拡散層１０２との間の電気抵抗の上昇を抑制
することができる。

【００２６】また、本実施形態のＣＶＤ装置を図２に示
したＷ膜２０５上へのシリコン窒化物２０７の堆積工程
に適用する場合にも上記と同様、Ｗ膜２０５表面のＷ酸
化物２０６の形成を抑制することができ、凹凸のない平
坦な表面形状を得ることができる。

【００２７】なお、上記の例ではＨ₂ Ｏを除去する場合
について述べたが、他の比較的融点の高い物質について
も、同様の手法で除去することが可能である。次に、本
願の実施形態について説明する。

【００２８】すでに述べたように、金属や半導体上へ酸
化物が形成される問題は、反応室内に混入した酸化種
（Ｏ₂ やＨ₂ Ｏ）による酸化が原因になって生じる。こ
れらの酸化種による酸化はシリコン基板を反応室に導入
する際に最も生じやすい。これを制御するためには、低
温でシリコン基板を導入し、直ちに反応室内の気体を排
気して酸化種を除去することが有効であることは知られ
ている。反応室内の気体を排気するのに要する時間は反
応室の温度によらずほぼ一定であるため、シリコン基板
を導入する温度は低ければ低いほど酸化量は少なくなる
と予測される。

【００２９】しかし、実際にはこの予測は正しくないこ
とが判明した。図６は、Ｗ膜を堆積したシリコン基板を
温度を変えて反応室に導入し、０．１Ｐａ程度まで真空
排気した後に１００Ｐａ程度の圧力の窒素中で５５０℃
まで昇温し、２００℃まで冷却した後にシリコン基板を
取り出したときの、導入（ロードイン）温度とＷ酸化膜
の膜厚との関係を示したものである。酸化量は温度の増
加とともに単調に増加するのではなく、３５０℃付近で
極小になっていることがわかる。これは以下のように説
明される。

【００３０】酸化種が反応室に混入するときの形態とし
ては気体として混入するものが大部分を占めるが、これ
に関しては前述の通り反応室内を真空排気すれば速やか
に除去することができる。ところが、石英治具等の表面
に吸着したＨ₂ Ｏは、反応室内が一旦真空に排気された
後も放出され続け、完全に放出されるのは石英の場合で
は４５０℃以上になってからである。すなわち、このよ
うな表面に吸着したＨ₂ Ｏの酸化に対する寄与は基板導
入時の温度が低いときほど大きくなる。したがって、気
体として導入されたものの寄与と合わせて総合的に見た
場合には、３５０℃付近で酸化量が最小になると考えら
れる。実際に、シリコン基板上に堆積したＷ膜上にシリ
コン窒化膜を堆積する場合にも、基板の反応室への導入
温度を３５０℃付近にすることにより平滑な形状を得る
ことができる。

【００３１】以上のことから、シリコンや金属の酸化量
が最小になるような温度を選択して、被処理基板を反応
室内に導入することが望ましいといえる。酸化量が最小
になる温度は装置の構成により若干異なってくるが、そ
れぞれの装置において酸化量が最小になる導入温度を選
択して被処理基板を反応室に導入することにより、良好
な結果を得ることができる。

【００３２】なお、上記実施形態では主としてＣＶＤ装
置について説明したが、その他にもアニール等において
酸化を防止する必要のある装置に対しては同様に適用可
能である。

【００３３】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その
趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施する
ことが可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、冷却手段によって反応
室に混入するＨ₂ Ｏ等を効率よく除去することができる
ので、金属や半導体表面の酸化を抑制することができ、
特性や信頼性に優れた半導体装置を作製することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術によって生じる問題点について示した
工程断面図。

【図２】従来技術によって生じる問題点について示した
工程断面図。

【図３】従来技術に係る装置構成を模式的に示した図。

【図４】図３に示したような装置を用いた場合の酸素及
び水蒸気の分圧の時間変化について示した図。

【図５】本発明の実施形態に係る装置構成の一例を模式
的に示した図。

【図６】反応室への導入温度に対するＷ酸化物の膜厚に
ついて示した図。

【符号の説明】

１０１…シリコン基板 １０２…不純物拡散層 １０３…絶縁膜 １０４…コンタクト孔 １０５…シリコン酸化膜 １０６…多結晶シリコン膜 ２０１…シリコン基板 ２０２…ゲート酸化膜 ２０３…多結晶シリコン膜 ２０４…反応防止層 ２０５…Ｗ膜 ２０６…Ｗ酸化物 ２０７…シリコン窒化物 ３０１…反応室 ３０２…ヒーター ３０３…マニホールド ３０４…搬送室 ３０５…シリコンウエハ ３０６…石英治具 ３０７…キャップ ３０８…導入ライン ３０９…排気ライン ３１０…冷却機構 ３１１…遮熱板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理基板を加熱状態で処理する反応室
   と、この反応室に導入する被処理基板を保持する搬送室
   とを有し、前記搬送室は雰囲気中に含まれる物質を固体
   として吸着する冷却手段を備えていることを特徴とする
   基板処理装置。
2. 【請求項２】前記搬送室は、被処理基板が保持される領
   域と前記冷却手段との間に設けた遮熱手段をさらに備え
   ていることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装
   置。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載の基板処理装置を用
   い、被処理基板が保持された前記搬送室内の雰囲気中に
   含まれる物質を前記冷却手段によって固体として吸着し
   た後、前記搬送室に保持された被処理基板を前記反応室
   内に導入し、反応室内に導入された被処理基板を加熱状
   態で処理することを特徴とする基板処理方法。