JP2000208425A

JP2000208425A - 半導体装置の製造方法、半導体装置の製造装置ならびにウェ―ハ支持治具及び出入れ治具

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Publication number: JP2000208425A
Application number: JP11008378A
Authority: JP
Inventors: Mikio Takagi; 幹夫高木
Original assignee: FTL KK
Current assignee: FTL KK
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2000-07-28
Anticipated expiration: 2019-01-14
Also published as: JP4083331B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の縦型ホットウォール加熱炉を使用する
ＬＰ−ＣＶＤ法よりも高速膜成長を行う。【解決手段】（１）ウェーハ間隔：約５ｍｍ以上、
（２）ウェーハの回転、（３）反応ガスの送入・排気：
管体１０に設けた孔部１７より反応ガスを各ウェーハ間
隙に噴出し、かつ吸引は管体２０に形成した吸気孔２１
により反応ガスをウェーハ間隙から吸引する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関するものであり、より詳しく述べるならは、従
来の複数枚バッチ方式による半導体シリコンウェーハの
化学気相成長（ＣＶＤ）もしくは反応ガスとの直接反応
によりウェーハ上に成膜される方法の改良であり、これ
らの皮膜の成長速度を増大させる半導体装置の製造方法
及び製造装置に関するものである。さらに、本発明は大
口径ウェーハの反りを少なくするためにウェーハの両面
に膜を成長させることができるウェーハ支持治具及びこ
の支持治具に対してウェーハの出入れを行う治具に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】６〜８インチの大口径シリコンウェーハ
に対する均一性を保ったＣＶＤを行う方法として、Ｓｉ
Ｃサセプタに横置きされた１枚の半導体ウェーハを回転
させ、かつランプ加熱しながらウェーハ面上に反応ガス
を水平に流し成膜を行う方法は公知である。この方法の
利点は、反応炉の壁が冷えているコールドウォール方式
であるためにＳｉＨ₄ などの反応ガスが炉壁に付着し難
い；そこでパーティクルの発生が比較的少ない；急速加
熱が容易であるなどである。この方法は亜大気圧ＣＶＤ
(sub-atmospheric CVD) と言われており、その原理は、
圧力を低下させ気体原子間の平均自由行程(average mea
n free-pass)を長くするとともにウェーハを回転させる
ことによりガス原子がウェーハと接触する機会を多く
し、膜成長が均一になる点にある。膜成長速度は、具体
的には、６００〜６３５℃、１０〜８０torr程度の圧力
でpoly Si の成長を行うと、５００〜５０００Å／分に
なる。

【０００３】一般に、反応温度が８００℃以上の高温に
なるとコールドウォール反応炉の使用は以下の点で難し
くなると言われている：（イ）炉壁の温度を低く保つこ
とが難しい；（ロ）電力及び冷却水使用量が激増する；
（ハ）パーティクルが発生し易くなる。

【０００４】コールドウォール型加熱炉では１枚のウェ
ーハ当たりの処理時間は５〜１０分の短時間であるが、
ＣＶＤの次の工程、例えばクリーニング、レジスト塗布
工程に移るための最低必要な枚数に合わせてウェーハの
運搬手段であるウェーハのキャリヤの溝数が定められて
おり、この枚数は通常は２５枚である。例えば２５枚の
ウェーハを処理する時間は１２５〜２５０分間となる。

【０００５】ホットウォール型加熱炉において、反応管
を内装した加熱炉内に形成された均熱空間内に複数枚相
互に並列に配置された半導体シリコンウェーハについて
ＬＰ（低圧）−ＣＶＤを行う方法は、長い歴史があるの
で、多数の文献にて報告されている。半導体シリコンウ
ェーハにＣＶＤにより皮膜を形成する代表例を以下に示
す。（ａ）ＳｉＨ₄ とＯ₂ によるＳｉＯ₂ 膜の生成（４００
℃程度）（ｂ）ＳｉＨ₄ 、ＰＨ₃ とＯ₂ によるＰＳＧ膜の生成（ｃ）ＳｉＨ₄ ，Ｓｉ₂ Ｈ₆ によるＰドープ又はノンド
ープポリＳｉ（５８０〜６２０℃）もしくはａ（アモル
ファス）Ｓｉの生成（５００〜５３０℃）（ｄ）ＳｉＨ₄ とＮ₂ Ｏ（又はＮＯ）によるＨＴＯ(Hig
h Temperature Oxi-dation) 膜の生成（８００〜８５０
℃）（ｅ）ＴＥＯＳとオゾンを用いたＳｉＯ₂ 膜、ＢＰＳＧ
膜の生成（６５０〜６９０℃程度）（ｆ）ＮＨ₃ とＳｉＨ₄ 又はＳｉＣｌ₂ を用いたＳｉ₃
Ｎ₄ 膜の生成（７２０〜８００℃）（ｇ）タンタルアルコキシドを用いたＴａ₂ Ｏ₅ 膜の生
成（４００〜４４０℃）（ｈ）ＷＳｉ₂ 膜の生成

【０００６】同様に、反応ガスの直接反応により半導体
シリコンウェーハに皮膜を形成する方法も多数の文献に
報告されており、これらの例を以下に示す。（ｉ）単結晶もしくは多結晶シリコンとＮＨ₄ を反応さ
せることによるＳｉのＳｉＯＮ化、ＳｉＮ化、即ちＳｉ
ＯＮ膜、ＳｉＮ膜の生成（ｊ）単結晶もしくは多結晶シリコンとＮＯ又はＮ₂ Ｏ
を反応させることによるＳｉＯＮ膜、ＳｉＯ₂ 膜の生成（ｋ）前記（ｇ）によるＴａ₂ Ｏ₅ 膜とＮＨ₄ を反応さ
せることによるＴａＮ膜の生成（ｌ）ＳｉＯ₂ 膜とＮＨ₃ を反応させることによるＳｉ
ＯＮ膜の生成（ｍ）Ｓｉウェーハ上のＴｉ膜とＮＨ₃ 又はＮ₂ の反応（ｎ）Ｓｉウェーハ上のＴｉＯ₂ 膜とＮＨ₃ 又はＮ₂ の
反応によるＴｉＮ膜の生成

【０００７】図１は従来のホットウォール型加熱炉の上
部に配置された石英内管２ａ、石英外管２ｂ，石英ボー
ト１８を示し、下部に配置された断熱、支持、冷却、密
閉などの機構は図示を省略している。石英ボート１８は
約１５０枚程度のウェーハを１回で処理できるように多
数棚状に上下に配列されている。反応ガスは、石英内管
２ａ内に下方から導入され、炉内空間を上向きに流れ、
個々の半導体シリコンウェーハ間に流入して反応する。
その後反応ガスは石英内管２ａと石英外管２ｂの間の環
状間隙を通過してガス排出口から排気される。このよう
なホットウォール型加熱炉では加熱時間が長いが、大口
径ウェーハに微細化デバイスを製造する際に必要になる
熱的ストレス緩和の観点からは有利である。図１のホッ
トウォール型加熱炉の石英ボート１８にウェーハを出入
れするには、ウェーハを支えるフォーク状溝に１枚づつ
又は多数枚一括で装入するのが一般的である。

【０００８】ＬＰ−ＣＶＤを行うホットウォール型加熱
炉では、１００〜１５０枚程度のウェーハを５〜９ｍｍ
ピッチで７００〜９００ｍｍの均熱領域に配置してＣＶ
Ｄを行っている。この条件で各ウェーハでの膜厚を均一
にするために、炉内圧力を０．３〜１torr程度の低圧に
しかつ３〜７ｍ／秒程度又はそれ以上の高速で反応ガス
を炉内に供給する。反応ガスは内側の石英管内でウェー
ハの周囲をウェーハ面と垂直方向に流され、その後ウェ
ーハ面間に周辺部から巻き込まれながら供給される。こ
のような低圧条件では皮膜の成長速度が２０〜１００オ
ングストローム／分以下と遅くなっている。なお、ＬＰ
−ＣＶＤにおける膜の成長速度に及ぼす他の因子として
均熱長さがあり、これが長くなるとガス流の上流と下流
でのウェーハ上での膜の成長速度の差が生じ易くなる。
したがって上記長さの均熱長では、一般に、膜厚の分散
が６インチウェーハでは１〜３％の範囲になるようにウ
ェーハの処理枚数を制限する必要が生じる。

【０００９】上記（ｃ）によるポリシリコン膜生成の例
では、ＬＰ−ＣＶＤ条件が、ウェーハ間隔−５〜７ｍ
ｍ；温度−６２５℃；ＳｉＨ₄ 流量−２００ｃｃ／分；
ウェーハ−８インチ、５０〜１５０枚；圧力−０．６to
rrである場合、皮膜の成長速度は５０〜８０オングスト
ローム／分である。上記（ｄ）によるＨＴＯ膜は８００
℃、０．３〜１．０ｔｏｒｒの条件で膜の成長速度は１
５〜２０Å／分、膜厚分布は８インチウェーハで３〜
６．５％、６インチウェーハで２〜５％である。これら
の膜成長速度はランプ加熱による１枚ウェーハの場合と
比較してかなり低くなっている。また１５０枚処理の場
合の昇温及び降温を含む全処理時間は約１２０〜６００
分である。全処理時間は生成膜の種類、膜厚により大き
く異なるが、アモルファスシリコンの成長（厚さ１μ
ｍ）は全処理時間が長い例、すなわち６００分以上であ
る。上述のようにホットウォール型加熱炉を使用するＣ
ＶＤ法及び直接反応法では、皮膜の成長速度が遅いの
で、１５０枚もの多量処理をすることにより生産性が上
がる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のホッ
トウォール型加熱炉処理の考え方から離れ、高速成膜を
可能にする方法及び装置を提供することを目的とする。
さらに、従来のホットウォ−ル型加熱炉ではウェーハは
周縁から数カ所で支えられていたので、大口径ウェーハ
は中央部で下向きに反っていた。したがって、本発明は
ウェーハの反りを少なくすることができるウェーハ支持
治具を提供することも目的とする。同じく、本発明は環
状支持部を有するウェーハ支持治具に対してウェーハを
出入れするウェーハ出入治具を提供することも目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の製造方法は、反応管を内装した加熱炉内の該反応管内
に形成された均熱空間内に複数枚相互に並列に横置きさ
れた半導体シリコンウェーハに化学気相成長法あるいは
直接反応法により皮膜を形成する際に反応ガスを各半導
体シリコンウェーハ間の間隙に送入する半導体装置の製
造方法において、相互の間隔を約５ｍｍ以上に設定され
た２枚以上、好ましくは約７５枚以下の半導体シリコン
ウェーハをウェーハ面と直交する軸を中心として回転さ
せ、前記半導体シリコンウェーハ間の間隙に送入する反
応ガスの実質的に全量を該半導体シリコンウェーハの端
縁近傍の第１の位置から噴出し、さらに好ましくは半導
体シリコンウェーハ間の間隙から排出される反応ガスの
実質的に全量を、前記第１の位置と対向する第２の位置
から吸引することを特徴とする。また、本発明に係る半
導体装置の製造装置は、反応管を内装した加熱炉と、前
記反応管内に形成された均熱空間内に位置し、かつ横置
きされた半導体シリコンウェーハに化学気相成長もしく
は直接反応による皮膜を形成する反応部とを含んでなる
半導体装置の製造装置において、相互の間隔を約５ｍｍ
以上に設定された２枚以上、好ましくは約７５枚以下の
半導体シリコンウェーハを担持するウェーハ支持治具
と、ウェーハ面に直交する軸を中心として半導体シリコ
ンウェーハを回転させる駆動手段と、前記反応ガスを炉
内ガスと遮断して炉内をウェーハ端縁近傍位置まで案内
する第１のガス案内手段と、実質的に全量の反応ガスを
第１の案内手段から前記近傍位置で半導体シリコンウェ
ーハの間隙に噴出する手段とををさらに含んでなり、前
記ウェーハ支持治具が、担持部を残して１枚の板を切除
したものであり、かつ／又は外側環部、内側環部及びこ
れらを接続する連結部を含んでなることを特徴とし、さ
らに好ましくは、半導体シリコンウェーハ間隙に面して
第２のガス案内手段の壁面に形成された第２の孔部を介
して、半導体シリコンウェーハ間より流出した反応ガス
を吸引し、炉内ガスと遮断して炉外まで案内する第２の
ガス案内手段と、第２のガス案内手段に連通された排気
手段とを含んでなることを特徴とする。本発明に係るウ
ェーハ支持治具は、反応管を内装した加熱炉と、前記反
応管内に形成された均熱空間内に位置し、かつ複数枚の
半導体シリコンウェーハに化学気相成長もしくは直接反
応により皮膜の形成を行う反応部とを含んでなる半導体
装置の製造装置内にて相互の間隙を隔てて半導体シリコ
ンウェーハを担持するウェーハ支持治具において、担持
部を残して１枚の板を切除してなり、かつ／又は外側環
部、内側環部、及びこれらを接続する連結部からなるこ
とを特徴とする。このウェーハ支持治具にウェーハを出
入れするために、本発明は、半導体シリコンウェーハを
ウェーハ支持治具より持上げる昇降手段と、前記ウェー
ハ支持治具より上方のレベルで前記半導体シリコンウェ
ーハの下方の位置にて前進・後退し、前記昇降手段との
間で該半導体シリコンウェーハの受渡しを行うことを特
徴とするウェーハ出入治具を提供する。以下、本発明の
内容をより詳しく説明する。先ず本発明の方法を説明す
る。

【００１２】（１）加熱炉：反応管を内装した加熱炉内
の該反応管内に均熱空間が形成されるいわゆるホットウ
ォール型加熱炉を使用する。反応管は一重でも二重でも
よい。

【００１３】（２）半導体シリコンウェーハ：炉内の均
熱空間内に面どうしが向かい合うように並列に配列され
ている。半導体シリコンウェーハ（以下「ウェーハ」と
言う）の枚数は、各工程間をウェーハを移動する治具に
ウェーハを積載する枚数に応じて例えば５、１３、５０
枚などの任意の枚数を処理することができる。但し約７
５枚を超えると均熱長が長くなり過ぎて膜厚分布が劣化
することに加えて、処理時間が長くなるために約７５枚
を上限とすることが好ましい。また、ウェーハ間隔が狭
いと昇温と降温が遅くなるので約５ｍｍ以上の間隔とす
る。また上限は適切な加熱炉均熱長さより定められるが
約１００ｍｍ程度である。

【００１４】（３）反応ガスの送入及び排出：従来法で
は、反応ガスを炉内に一挙に高速で放出させ、次にウェ
ーハ端縁の特定されない位置から個々のウェーハ間隙に
巻込み、ウェーハ面全体と接触させ、その後個々のウェ
ーハ間から排出しているが、この方法では、膜厚の分布
がウェーハの上下位置で大きく変動する。したがって、
圧力を高くすることによって高速成長を行おうとする
と、膜厚分布の変動が一層大きくなる。そこで本発明に
おいては、ウェーハ間隙への反応ガスの送入に関し、反
応ガスの実質的に全量を特定の位置から行うことにし
た。すなわち、送入のための第１の位置はウェーハ周囲
の任意の位置に送入ガス管などを使用して特定し、ガス
管に形成された孔部よりウェーハ面上に平行にガスを流
す。これにより成長速度を著しく増大することができ
る。排出側における排気方法は送入側における送気方法
ほど膜成長速度に対する影響は大きくないので、排気方
法は従来法のように反応管の上部もしくは下部に設けた
排気孔より行うことができる。この方法ではウェーハ枚
数が約２５枚以下の場合に十分な成果が達成される。勿
論排出のための第２の位置も特定することが好ましく、
これは第１の位置と向かい合ってガスが流れる位置であ
る。また第１の位置及び第２の位置は上下方向で見ると
１又は２以上のウェーハ間隙、好ましくは各ウェーハ間
隙に面していることが必要である。これらの位置を規定
する管、仕切り板、函体などは、ガスが流れるその内部
空間を反応管内空間を区隔し、放出孔及び吸引孔のみで
反応管内空間と連通していることが必要である。さら
に、反応ガスは、送入ガス管内の圧力は反応管内の圧力
より高く、例えば１気圧として、噴出させ、かつ排気管
の先端にポンプなどを接続して反応ガスを吸引する。

【００１５】反応ガスを噴出又は吸引する、ウェーハ端
縁「近傍」とは、従来法のように反応管の上部もしくは
下部ではなく、ウェーハ間隙から水平方向に延長した位
置であって、炉内空間での流入・流出反応ガスが隣のウ
ェーハ間隙の流入・流出ガスと実質的に混合しないよう
な距離である。この距離が具体的にどのような値となる
かは、ウェーハ間隙、ガス流量及び圧力を与えて、ソフ
トウェアソルバー（クレイドル社ソフトウェアSTREAM V
2.9 −有限要素解析法を用いた三次元熱流体解析プログ
ラム）をコンピュータ（シリコングラフィック社製IRS
4D/indy)にインストールして解析することにより知るこ
とができる。第１及び第２のガス案内手段は独立した管
体、反応管内壁の一部を当該手段の一部として形成した
管体、函体などガスを流す手段である。

【００１６】以下、主として第１及び第２の位置を特定
して、反応ガスをそれぞれ送入・排出する方法を説明す
る。上述のように個々のウェーハ間隙近傍まで導かれた
反応ガスは、当該ウェーハ間隙に向かって個々の噴出孔
（第１の孔部）より実質的に等しい流量で噴出し、続い
てウェーハ面間に流入し広がる。この際のガスの広がり
を促進するためには噴出孔とウェーハ端縁の間隙はでき
るだけ離れている方が好ましい。同様に、噴出孔（第１
の孔部）及び吸引孔（第２の孔部）の総面積は各管の内
部断面積以下であることが好ましい。反応ガスの流量を
個々のウェーハ間隙に対して実質的に等しくするために
は、第１の孔部の直径をガス流下流方向で大きくする、
ガス案内管の内径を先端側で太くするなどの方法を採用
することができる。しかし、この方法では孔部直径など
の寸法調整が複雑であるために、ガス流方向が逆の２本
以上の管体を炉の長さ方向で上下方向で互い違いにする
配置するか、あるいはこれらを１本の管に連結して蛇行
させる方法が好ましい。

【００１７】第１、第２のガス案内手段の形状・構造に
関しては、断面は円形、矩形、半円形などの任意のもの
であってよい。管体の本数は１もしくは２以上であり、
２本の管体の場合はガスの流れ方向を逆にすることによ
り多数のウェーハについてのガス流量を均一にすること
ができる。噴出孔及び吸引孔の個数は各ウェーハ間隙に
ついて１個もしくは２個以上である。２個以上の噴出孔
の場合は反応ガスがウェーハ間隙に入る前に干渉を起こ
さないように隔てる必要がある。本発明法においてウェ
ーハを下側からピンなどの突起で局部的に支え、非支持
下面（半導体装置が製作されない面）にも成膜させる
と、特に厚膜成長の場合に上下の皮膜の歪がウェーハの
反りを少なくなる利点がある。具体的には、窒化膜の場
合は５００Å以上、ＳｉＯ₂ 膜の場合は５０００Å以上
である。

【００１８】（４）ウェーハの回転ウェーハはその面と
垂直な軸の回りに回転させることにより反応ガスをウェ
ーハ全面と接触させて膜厚を均一化する。回転速度は５
〜６０ｒｐｍであることが好ましい。

【００１９】上記（１）〜（４）を特徴とする本発明法
によると高速成長に適する圧力は１〜４０torrを設定す
ることができる。ガス圧力の測定位置は従来のホットウ
ォール型加熱炉と同様に排気管内で炉に出来るだけ近い
極近位置とすることができる。

【００２０】本発明法においては、多数枚ウェーハに高
速のＣＶＤ成長を行うために、（イウェーハ間隙を大き
くする；（ロ）ウェーハを回転させる；（ハ）従来法に
よるウェーハ間隙端縁からの反応ガス巻込方式を採用せ
ず、反応ガスの送入・排出方法を特定している。本発明
に係る半導体装置の製造装置は、上記（イ）、（ロ）、
（ハ）を採用し、さらに下記（５）治具を採用し、加え
て下記（６）のように反応ガスの送入・排出構造を特定
している。

【００２１】（５）治具；ウェーハを保持する治具は従
来のように各部を溶接等により接合して製作するのでは
なく、ウェーハ担持に必要な部分を残しその他の部分は
ＣＯ₂ レーザ切断、打ち抜き、エッチングなど任意の方
法により１枚の板を切除して作製している。溶接などで
は各部を接合する方法により治具を組立てると、熱歪に
より治具の平坦性が劣化するが、板を切除する方法では
平坦性が優れている。この方法に代えてあるいはこの方
法とともに、担持部が、外側環部、内側環部及びこれら
を接続する連結部からなるウェーハ支持治具を用いる。
これら二つの環状部により内側と外側からウェーハを支
持することによりウェーハの反りを少なくすることがで
きる。これら環状部と連結部以外の空間ではウェーハの
下側にも膜が成長するために、膜はウェーハの上下面に
成長し、この結果ウェーハの反りが少なくなる。さら
に、大口径１２インチウェーハの場合はウェーハ支持用
突起は担持部に拡散接合法などにより接合すると全突起
の高さを一定に斉えることができる。

【００２２】（６）反応ガスの送入及び排出構造：請求
項３記載の第１のガス案内手段を採用する。さらに好ま
しくは請求項５記載の第２のガス案内手段も採用する。
ガス流が広がり易くするためには噴出孔（第１の孔部）
をできるだけウェーハから遠ざけた方がよいが、すると
隣接上下のウェーハ間に向かうガス流が混合し易くな
る。これを避けるためには、第１の孔部からと、該孔部
に対面するウェーハの間隙に向かう反応ガス流が上下の
ウェーハ間隙に流れることを制限する第３のガス案内手
段、及び第２の孔部に向かって、該孔部に対面するウェ
ーハの間隙から流れる反応ガス流が上下のウェーハ間隙
に流れることを制限する第３のガス案内手段を設けるこ
とが好ましい。第３、第４のガス案内手段はウェーハと
第１、２のガス案内手段の間の空間をガス流路に分ける
仕切り板などであり、別体であっても一体であってもよ
い。

【００２３】上述のような構造のウェーハ支持治具に対
して、従来のフォーク状ウェーハ出入れ治具を使用する
と、環状部に突当たって前進を妨げられるので、ウェー
ハ出入れが不可能になる。そこで、本発明においては、
反応管を内装した加熱炉と、反応管内に形成された均熱
空間内に位置し、かつウェーハに化学気相成長によりあ
るいは直接反応により皮膜の成長を行う反応部とを含ん
でなる半導体装置の製造装置において、相互の間隙を隔
ててウェーハを担持するウェーハ支持治具にウェーハを
出入れする治具に、ウェーハをウェーハ支持治具より持
上げ、持上げられたウェーハの下方まで前進し、昇降手
段との間でウェーハの受渡しを行う機能をもたせる。

【００２４】本発明に係る装置の実施態様に係る第２の
ガス案内手段内部の仕切りは、第２のガス案内手段の内
部をウェーハ配列領域において少なくとも２つの並列し
た流路に仕切り、炉の上方側にガス入口を有する流路の
断面積を相対的に大きく、かつ炉の下方側ガス出口を有
する流路の断面積を相対的に小さくすることにより、ウ
ェーハの上下位置に依存する吸引ガス流量を均一化す
る。図２においては流路の幅を調節して所期の効果を達
成している。以下、実施例によりさらに詳しく本発明を
説明する。

【００２５】

【実施例】図２は本発明法を実施する装置の一実施例を
示し、この装置は基本的には加熱炉１とウェーハ昇降機
構３０から構成される。通常のＳｉＣ，石英などの反応
管（以下「石英反応管」と言う）２は上端が閉じられ、
下端が開放した管体であって、その上部外周を取り囲む
ように設けられ、均熱空間を作り出すヒーター３を断熱
材からなる炉体４に固設している。石英反応管２はＬ字
形に曲げられた下端部で炉底構造体３７に気密かつ着脱
自在に固定され、又支持台６により支持されている。図
示の状態では、ウェーハ５はウェーハ昇降機構３０によ
り上限位置まで上昇されている。多段に且つ相互間に約
５ｍｍ以上の間隔を置いて積み重ねられた、直径が８〜
１２インチのウェーハ５はヒーター３により所定温度に
加熱される。５’はダミーウェーハであるが、その支持
部は図示を省略している。

【００２６】ウェーハ昇降機構３０は、下方の部材３
３、３４などを防熱するための断熱機能を有するセパレ
ータ３１を途中に固定した回転軸体３２に、ウェーハ５
を上下に隔てて配列する石英ボート１８を棚状に配列し
たものであって、例えば本出願人の特開平９−１７７３
９号公報（図８，９）にて公知のものである。この回転
軸体３２の下端には磁石又はコイル３３を取り付け、一
方この磁石又はコイル３３に回転力を及ぼす別の磁石又
はコイル３４を上下可動に設けることによって、ウェー
ハ昇降機構３０を上昇・下降させるとともに回転軸体３
２を回転する。かかる上昇・下降を行うために磁石３４
などを支持する台３５を螺合したロッド３６を駆動装置
４０ａにより回転する。

【００２７】回転軸体３２の昇降を案内する管体４２
と、その上部の加熱炉の底部と一体に接続した炉底構造
体３７はウェーハ５の処理中は図示の位置に気密に固定
されており、処理前後には支持台６に回転可能に接続さ
れたロッド３８を駆動装置４０ｂにより回転させると、
ロッド３８に螺合されかつ炉底構造体３７に固着された
連結部３９がロッド３８に沿って昇降される。これに伴
い炉底が開放されあるいは閉鎖される。回転軸体３２の
昇降を案内する管体４２の内部を経て炉内に微量Ｎ₂ ガ
ス等のパージガスを流入口４２ａから送入することがで
きる。

【００２８】ロッド３６、駆動装置４０ａ，連結部４１
は台３５を昇降させる機構であって、駆動装置４０ａに
よりロッド３６を回転させることにより、これと螺合し
た台３５が管体４２と摺動して昇降し、回転軸体３２の
上下方向の位置が調節される。

【００２９】図２において、１０は、母管１２から供給
された反応ガスを個々のウェーハ５間に分配して噴出す
る第１のガス案内手段であり、２０は個々のウェーハ５
の間から反応ガスを吸入する第２のガス案内手段であ
る。２２は第２のガス案内手段２０に連通する排気管で
あって、ポンプにより反応ガスを吸引するとともに圧力
測定器４１を付設している。後述の反応ガス噴出孔及び
反応ガス吸引孔は上下に配列されたウェーハ５の間隙に
面するように位置しているので、反応ガスはウェーハ間
隙に直接噴出されかつ該間隙から直接排気され、炉内空
間で層流状態が実現可能となる。すなわち、従来のよう
に炉内空間を上向又は下向に流れる反応ガス流の一部が
ウェーハ間隙に分流すると、ガス流がウェーハ間で滞留
し、かつ個々の間隙での制御は困難であるが、本発明に
よるとこのような滞留は避けられかつ個々の間隙での制
御も可能である。

【００３０】第２のガス案内手段２０は、図３（図２の
Ｂ−Ｂ矢視図）に示すように幅が広い吸気孔２１（第２
の孔部）をウェーハ間隙と同じ個数備えている。ウェー
ハ間隙でウェーハ全面に広がった反応ガス層を上下層間
で混じり合うことなく吸引するためには、吸気孔２１は
出来るだけ幅が広くいことがよく、好ましい厚さは０．
５〜１．５ｍｍである。

【００３１】図４はＡ−Ａの断面図である。第１のガス
案内手段１０は共通の母管１２より分岐した３本の管体
１０ａ，ｂ，ｃより構成される。即ち、３種のガスを使
用するＣＶＤの場合１本の管体で反応ガスを案内すると
噴出前に反応ガスが反応するので３本の管体より第１の
ガス案内手段を形成している。第１のガス案内手段１０
の噴出孔はその合計面積が母管の断面積以下であること
が好ましい。第２のガス案内手段２０は、ウェーハの中
心軸を中心として第１管体１０と反対方向に位置してい
る。したがって、例えば管体１０ａ、ウェーハ中心及び
第２ガス案内手段２０を結ぶ直線を引くことができる。
第２のガス案内手段２０は外側弧状部２０ａ、吸引孔２
１を上下に穿設した内側平坦部２０ｂ及び側面部２０ｃ
（図２参照）を連結した函体であって、この内部を反応
ガスを案内することによって炉内ガスとの混合や炉内へ
の拡散を避けている。図２に示されるように第２のガス
案内手段２０内に２つの仕切り板２０ｄをガス流路に沿
って設け、上下のウェーハからの吸引流量がほぼ等しく
なるようにしている。したがって、上側ウェーハからの
反応ガスは流れ距離が長くなり流れ抵抗が大きくなるの
で、断面積を大きくすることによって、流れ抵抗を小さ
くしている。

【００３２】図２、４の一実施例に示されるように第１
のガス案内手段を構成する管体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
は環状仕切板２６を貫通しており、この環状仕切板２６
は、図４に示されるように、外周にて石英反応管２の内
壁に固着され、内周では石英ボート１８の回転を可能す
る範囲でできるだけ狭い間隙２７を介して、ウェーハ支
持治具３２の外周部に環状に延在する外環部１８ａと対
面している。さらに、環状仕切板２６は図２に示されて
いるようにウェーハと同じ個数上下に併設されている。
図２のＣ部の拡大図に示す図５中、１７は第１のガス案
内手段１０の壁部に形成された第１の孔部よりなるガス
ノズルである。このガスノズル１７から噴出する反応ガ
スは矢印に示すように第２のガス案内手段（図示せず）
に向かって流れる。このガス流は下側のウェーハ５と接
触して半導体装置のポリＳｉ膜などを形成し、さらに上
側のウェーハ５とも接触して半導体装置が形成されない
ウェーハ下面にも薄くポリＳｉ膜などを形成する。

【００３３】なお、この下面に形成される皮膜をより厚
くするためには、ピン１９を高くすることによってウェ
ーハの上側を流れるべき反応ガスの一部を下側にまわり
込ませる。このようにすると上下面の膜厚差が少なくな
ってウェーハの反りがさらに少なくなる。一つのガスノ
ズル１７から噴出する反応ガス層が、拡散により上下の
ガスノズル１７からの反応ガス層とウェーハ５との反応
前に実質的に混合しないように、環状仕切板２６及び外
環部１８ａが第３及び第４のガス案内手段として設けら
れている。このように上下の反応ガス層の混合が起こら
ないために、各ウェーハ５に供給する反応ガスの流量や
分布は他のウェーハのものによって影響され難くなる。
図２のＤ部の拡大図である図６に示されるように、第１
のガス案内手段（図示せず）より噴出された反応ガスは
第２のガス案内手段２０の吸気孔２１に向かって噴流し
ている。環状仕切板２６が吸気孔２１手前で上下の空間
を隔てており、さらに間隙２７が狭く設定されているた
めに、ウェーハ５面上での反応に寄与した反応ガス層は
上下のガス層と実質的に混合されずに吸気孔２１に流入
する。

【００３４】図７には、第１のガス案内手段から噴出さ
れる反応ガス流を模式的に示す。即ち、ウェーハ（図示
せず）の回転方向に反応ガス流は多少曲げられることに
伴い扇形パターンも変形し、またガス流は幅方向に多少
は拡散するが、ガス濃度の濃い部分を図示している。図
示のように反応ガスは巻き込みによらず、噴出と吸引に
よりウェーハ面上を流れている。第１のガス案内手段の
管体１０ａ，１０ｂ，１０ｃからはそれぞれシラン、フ
ォスフィン、ジボランなどの別種の反応ガスを流すこと
もでき、あるいは同種の反応ガスを流すこともできる。
噴出ガス流は角度θが３０〜４０°となるように管体１
０ａ，１０ｂ，１０ｃから噴出することが好ましい。ウ
ェーハ５と接触する反応ガスの濃度は局部的に低くなる
ので、ウェーハ５を回転させることにより、ウェーハ５
面上での膜成長の均一化を図っている。

【００３５】再び図２に戻って、１５はパージガスの導
入管であって、Ｎ₂ などの非反応性ガス、Ａｒなどの不
活性ガスを少量流すことによって、炉の下部に流入した
微量の反応ガスにより炉の下部でパーティクルが発生す
ることを阻止している。このパージガスが間隙２７（図
５、６）より多量に吹上がると、上述した反応ガスの流
れが乱されるので、パージ量は極く少量とするか且つ／
又は１５’の位置に設けた管より排気する必要がある。

【００３６】図８には一実施例に係るウェーハ５の支持
治具の構造を示す。ウェーハ５を支持する棚もしくは石
英ボート１８は内環部７ａと外環部７ｂにそれぞれ適当
な個数のピン１９を分配することによりウェーハ５を下
側から点接触方式で支える。外環部１８ａと内環部１０
ｂの間にはこれらの連結部７ｃを放射状に等角度で設け
ている。内環部７ａはウェーハ径が大きい場合は２個以
上設けてもよい。さらに、最外部に石英ボート１８との
連結部７ｄを放射状に突出させ、これ（７ｄ）を石英ボ
ート１８に固定している。これらの各部７ａ，ｂ，ｃ，
ｄは一枚のシリコンウェーハなどの板につき不要部を打
抜くかあるいはエッチングなどにより分離して形成され
る。なお２４は石英ボート１８を上下に配列し、固定す
る支柱である。図８に示されるウェーハ５の支持方法に
よると、ウェーハは外周側（７ｂ）と中央部（７ａ）で
支持されるために、反りが極めて少なくなる。

【００３７】図９にはウェーハを石英ボート１８に対し
て出入れする一実施例に係る治具の平面図を示す。すな
わち、従来のボートは馬蹄形になっていたので、ウェー
ハはその開放部から装入できたが、図８に示す環状支持
構造では装入治具と石英ボート１８、ウェーハ支持治具
７との干渉が起こる。そこで、本発明に係るウェーハ出
入治具５０は、基本的には、石英ボート１８及びウェー
ハ支持治具７の上方で水平に進退するフォーク状上部５
１とこれら（１８、７）の下方で水平に進退する下部５
２より構成し、下部５２でウェーハを持上げ、フォーク
状上部５１により持上げられたウェーハをフォーク状先
端５１ａで下から支えて後退することによりウェーハを
取出す。ウェーハの装入は、これとは逆にフォーク状上
部５１によりウェーハを所定位置まで前進させ、この位
置に前進した下部５２を上昇させて、ウェーハを下から
支え次に下降することによりウェーハを支持治具７に載
置する。なお、フォーク状先端５１ａにはウェーハの直
径より若干小さい直径の円弧状凹部５１ｃを形成してウ
ェーハの位置を安定させる。図１０には、上記した一連
の動作中ウェーハ５を治具７から持上げた状態を示す。
図中５２ａはウェーハ５を持上げるための突出部であ
り、その寸法は、高さに関しては上下の支持治具７の間
隔より小さくかつ石英ボート１８の高さよりは大きく定
められ、また直径は内環部７ａよりは小さくかつウェー
ハが不安定にならないように定められている。

【００３８】なお、図９では進退可能な下部によりウェ
ーハを持上げるようにしているが、図１１に示すように
ウェーハ支持治具の切除部を貫通して上下するロッド受
け５２を３本設けることにより、装入時には上側ウェー
ハから順にウェーハ５を装入し、取出時には下側ウェー
ハ５から順に撤去を行う。５１は図９の５１と同様の機
能をもつ治具である。

【００３９】続いて、本発明に係る装置のより好ましい
実施例を説明する。通常１本管よりなる第１のガス案内
手段の噴出孔から流れるガスは先端ほど流量が少なくな
る。これを避けるためには先端ほど噴出孔の口径を大き
くあるいは管の内径を小さくすればよいが、正確な流量
制御は期し難い。そこで、ガスを上向に流す部分と下向
に流す部分を同じガス案内手段に含め、これらの部分を
並列させることにより、全ての噴出孔からのガス流量の
均等化を図ることが好ましい。ガス供給源はこれら各部
に共通していてもよく、あるいは各部に個別としてもよ
い。具体的には、図１２（噴出孔の図示は省略してい
る）に示すように、第１の管体１０は母管１２を二分岐
させ、一つの分岐部１０ａは上向に延長させ、他の分岐
部１０ｂは一旦上向きに延長させた後１８０°方向転換
して下向きに延長させ（１０ｂ₍₁₎ ），これらの上向き
延長部１０ａ及び下向き延長部（１０ｂ₍₁₎ ）に反応ガ
スの流出口１１をウェーハ間隔の個数だけ形成すること
ができる。もし上向き延長部１０ａのみから反応ガスを
流出させるとガス流量分布が下側のウェーハで多くなる
が、この他に下向き延長部１０ｂ₍₁₎ を設けることによ
りこのようなガス流量分布を平均化することができる。
さらに噴出孔の総面積を母管の断面積とほぼ等しいか、
未満とするとより好ましい結果を得ることができる。

【００４０】以上説明した本発明の方法及び装置の種々
の公知技術を付加的に適用することができる。この中に
は次のものが含まれる。（イ）請求項１〜１９に関し、本出願人の特許第２０２
５６８３号にて公知のプラズマクリーニングを実施す
る。この場合、炉体より内側においてプラズマにさらさ
れる部材は全て石英製とすることが好ましい。（ロ）請求項１〜１９に関し、本出願人の実用新案登録
第３０３７７９４号にて公知のようにホットウール炉
（すなわち本発明による加熱炉）にコールドウォール炉
を組み合わせる。（ハ）請求項１〜６に関し、熱伝導性の良いＳｉＣ板に
ウェーハの下面全体を支持し、上面に皮膜を成長させ
る。

【００４１】本発明法において、ポリシリコンのＣＶＤ
成長を行うと３００〜２０００Å／分の成長速度でかつ
膜厚分布を２〜５％以内で成長させることができる。ま
た、ＨＴＯのＣＶＤ成長を行うと３０〜１５０Å／分の
成長速度でかつ膜厚分布が８インチウェーハで１〜４％
で成長させることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、ＣＶＤ
もしくは直接反応以降の工程において、ウェーハ上に高
速膜形成処理を行い、また膜厚の均一性の点でも従来法
と比べて遜色がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のホットウォール型加熱炉の部分斜視図
である。

【図２】本発明法を実施する一態様に係る加熱炉の断
面図である。

【図３】図２のＢＢ線断面図である。

【図４】図２のＡＡ線の断面図である。

【図５】図２のＣ部の拡大図である。

【図６】図２のＤ部の拡大図である。

【図７】反応ガス流を模式的に示す平面図である。

【図８】ボート及びウェーハ支持治具の平面図であ
る。

【図９】ウェーハ出入治具の平面図である。

【図１０】ウェーハ出入れの説明図である。

【図１１】図８とは別の実施態様に係るウェーハ出入
れ治具の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。

【図１２】第１のガス案内手段の一実施態様を示す図
面である。

【符号の説明】

１加熱炉２石英反応管３ヒーター４炉体５ウェーハ７ウェーハ支持治具１０第１の管体１２母管１５パージガス導入ノズル１７ガスノズル（第１の孔部）１８ボート１９ピン２０第２のガス案内手段２１吸気孔（第２の孔部）２２排気管２４支柱２６環状仕切板２７間隙３０ウェーハ昇降装置３１セパレータ３２回転軸体３３磁石又はコイル３４磁石又はコイル３５台３６ロッド３７炉底構造体３８ロッド３９連結部４０駆動手段４１圧力計４２管体５０ウェーハ出入治具５１ウェーハ出入治具のフォーク状上部５２ウェーハ出入治具の下部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応管を内装した加熱炉内の該反応管内
に形成された均熱空間内に複数枚相互に並列に横置きさ
れた半導体シリコンウェーハに化学気相成長法あるいは
直接反応法により皮膜を形成する際に反応ガスを各半導
体シリコンウェーハ間の間隙に送入する半導体装置の製
造方法において、相互の間隔を約５ｍｍ以上に設定された２枚以上の半導
体シリコンウェーハをウェーハ面と直交する軸を中心と
して回転させ、前記半導体シリコンウェーハ間の間隙に
送入する反応ガスの実質的に全量を該半導体シリコンウ
ェーハの端縁近傍の第１の位置から噴出することを特徴
とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】半導体シリコンウェーハ間の間隙から排
出される反応ガスのの実質的に全量を、第１の位置と対
向する第２の位置から吸引することを特徴とする請求項
１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記第１の位置まで反応ガスの第１のガ
ス案内手段により炉内ガスとの接触を避けて案内し、次
に該反応ガスを第１のガス案内手段に形成された孔部か
ら個々のウェーハ間隙に噴出させることを特徴とする請
求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記反応ガスを第１のガス案内手段に形
成された孔部から個々のウェーハ間隙に実質的に等しい
流量で噴出させることを特徴とする請求項３記載の半導
体装置の製造方法。
【請求項５】前記第１の位置まで反応ガスの第１のガ
ス案内手段により炉内ガスとの接触を避けて案内し、次
に該反応ガスを第１のガス案内手段に形成された孔部か
ら個々のウェーハ間隙に噴出させ、その後個々の半導体
シリコンウェーハ間から排出された反応ガスを、前記第
２の位置から、ウェーハ間隙毎に第２のガス案内手段内
にその孔部より吸引しかつ炉内ガスとの接触を避けて炉
外に排出することを特徴とする請求項２記載の半導体装
置の製造方法。
【請求項６】前記反応ガスを第１のガス案内手段に形
成された孔部から個々のウェーハ間隙に実質的に等しい
流量で噴出させ、かつ該反応ガスを第２のガス案内手段
に形成された孔部から個々のウェーハ間隙に実質的に等
しい流量で吸引することを特徴とする請求項５記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項７】前記半導体シリコンウェーハをそれぞれ
の下面から局部的に支持するとともに、前記半導体装置
を形成しない半導体シリコンウェーハの下面の非支持面
にも前記皮膜を形成することを特徴とする請求項１から
６までの何れか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記第１のガス案内手段の孔部の形状と
対比して前記第２のガス案内手段の孔部の形状を幅広と
したことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項９】反応ガスを上向に流す第１の部分と下向
きに流す第２の部分を並列させてなる第１のガス案内手
段より反応ガスを噴出することを特徴とする請求項３か
ら８までの何れか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】前記反応管の下部より、非反応性ガス
もしくは不活性ガスよりなるパージガスを導入すること
を特徴とする請求項１から９までの何れか１項記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記半導体シリコンウェーハが約７５
枚以下である請求項１から１０までの何れか１項記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項１２】反応管を内装した加熱炉と、前記反応
管内に形成された均熱空間内に位置し、かつ横置きされ
た半導体シリコンウェーハに化学気相成長もしくは直接
反応による皮膜を形成する反応部とを含んでなる半導体
装置の製造装置において、相互の間隔を約５ｍｍ以上に
設定された２枚以上の半導体シリコンウェーハを１枚づ
つ担持するウェーハ支持治具と、ウェーハ面に直交する
軸を中心として半導体シリコンウェーハを回転させる駆
動手段と、前記反応ガスを炉内ガスと遮断して炉内を半
導体ウェーハ端縁近傍位置まで案内する第１のガス案内
手段と、実質的に全量の反応ガスを第１の案内手段から
前記近傍位置で半導体シリコンウェーハの間隙に噴出す
る手段とををさらに含んでなり、前記ウェーハ支持治具
が、担持部を残して１枚の板を切除したものであり、か
つ／又は外側環部、内側環部及びこれらを接続する連結
部を含んでなることを特徴とする半導体装置の製造装
置。
【請求項１３】半導体シリコンウェーハ間隙に面して
第２のガス案内手段の壁面に形成された第２の孔部を介
して、半導体シリコンウェーハ間より流出した反応ガス
を吸引し、炉内ガスと遮断して炉外まで案内する第２の
ガス案内手段と、第２のガス案内手段に連通された排気
手段をさらに含んでなることを特徴とする請求項１２記
載の半導体装置の製造装置。
【請求項１４】前記第１のガス案内手段の各孔部か
ら、該孔部に対面する半導体シリコンウェーハの間隙に
向かって噴出される反応ガス流が、上下のウェーハ間隙
に分流することを制限する第３のガス案内手段をさらに
含んでなることを特徴とする請求項１２又は１３記載の
半導体装置の製造装置。
【請求項１５】前記第２のガス案内手段の各孔部に向
かって該孔部に対面する半導体シリコンウェーハの間隙
から排出される反応ガス流に上下のウェーハ間隙からの
ガス流が混合することを制限する第４のガス案内手段を
さらに含んでなることを特徴とする請求項１３記載の半
導体の製造装置。
【請求項１６】前記ウェーハ支持治具の担持部にウェ
ーハ支持用突起を設けたことを特徴とする請求項１２か
ら１５までの何れか１項記載の半導体装置の製造装置。
【請求項１７】前記反応管の下部に、非反応性ガスも
しくは不活性ガスよりなるパージガス導入孔を設けたこ
とを特徴とする請求項１２から１６までの何れか１項記
載の半導体装置の製造装置。
【請求項１８】前記第２のガス案内手段の内部をウェ
ーハ配列領域において少なくとも２つの並列した流路に
仕切り、炉の上方側に位置するウェーハと連通する流路
の断面積を相対的に大きく、かつ炉の下方側に位置する
ウェーハと連通する流路の断面積を相対的に小さくした
ことを特徴とする請求項１３項記載の半導体装置の製造
装置。
【請求項１９】前記半導体シリコンウェーハが約７５
枚以下である請求項１２から１８までの何れか１項記載
の半導体装置の製造装置。
【請求項２０】反応管を内装した加熱炉と、前記反応
管内に形成された均熱空間内に位置し、かつ複数枚の半
導体シリコンウェーハに化学気相成長もしくは直接反応
により皮膜の形成を行う反応部とを含んでなる半導体装
置の製造装置内にて相互の間隙を隔てて半導体シリコン
ウェーハを担持するウェーハ支持治具において、担持部
を残して１枚の板を切除してなることを特徴とするウェ
ーハ支持治具。
【請求項２１】反応管を内装した加熱炉と、前記反応
管内に形成された均熱空間内に位置し、かつ複数枚の半
導体シリコンウェーハに化学気相成長もしくは直接反応
により皮膜の形成を行う反応部とを含んでなる半導体装
置の製造装置内にて相互の間隙を隔てて半導体シリコン
ウェーハを担持するウェーハ支持治具において、外側環
部、内側環部、及びこれらを接続する連結部を含んでな
ることを特徴とするウェーハ支持治具。
【請求項２２】前記担持部にウェーハ支持用突起を設
けたことを特徴とする請求項２０又は２１記載のウェー
ハ支持治具。
【請求項２３】請求項２０又は２１記載のウェーハ支
持治具にウェーハを出入れする治具において、前記半導
体シリコンウェーハを前記ウェーハ支持治具より持上げ
る昇降手段と、前記ウェーハ支持治具より上方のレベル
で前記半導体シリコンウェーハの下方の位置に前進しか
つ該位置から後退し、前記昇降手段との間で半導体シリ
コンウェーハの受渡しを行うウェーハ受渡手段とを含ん
でなることを特徴とするウェーハ出入治具。
【請求項２４】前記昇降手段が前記ウェーハ支持治具
より下方のレベルで前記半導体シリコンウェーハの下方
まで水平に前進可能であることを特徴とする請求項２３
記載のウェーハ出入治具。
【請求項２５】前記昇降手段が前記ウェーハ支持治具
より下方において前記半導体シリコンウェーハの底部と
当接するまで垂直移動可能であることを特徴とする請求
項２３記載のウェーハ出入治具。