JP2002343779A

JP2002343779A - 熱処理装置

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Publication number: JP2002343779A
Application number: JP2001150100A
Authority: JP
Inventors: Harunori Ushigawa; 治憲牛川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2002-11-29
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP4569042B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理体の面内温度の均一性の向上を図るこ
とができ、処理ガスの滞留をなくすことが可能な熱処理
装置を提供する。【解決手段】処理容器２２の天井部に設けたシャワー
ヘッド部６４から処理ガスを供給しつつ載置台２８上に
設置した被処理体Ｗに対して所定の熱処理を施す熱処理
装置において、前記シャワーヘッド部の外周側に、前記
載置台に対する形態係数を改善するための形態係数改良
部材６６を設けるように構成する。これにより、被処理
体の面内温度の均一性の向上を図り、処理ガスの滞留を
なくす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等に
所定の熱処理を施す枚葉式の熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体集積回路を製造するため
には、半導体ウエハに対して、成膜、エッチング、酸化
拡散、アニール等の各種の熱処理が繰り返し施される。
ここで、この種の熱処理を施す従来の枚葉式の熱処理装
置の一例について図５を参照して説明する。真空引き可
能になされた筒体状の処理容器２内には、加熱ヒータ４
を内蔵した載置台６が設けられており、この載置台６の
上面に半導体ウエハＷを載置するようになっている。ま
た、この処理容器２の天井部にシャワーヘッド部８を設
け、これより必要な処理ガス、例えば薄膜を堆積させる
場合には成膜ガスを処理容器内に導入し、ＣＶＤ（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）に
より薄膜を堆積させる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シャワーヘ
ッド部８から処理容器２内へ導入された処理ガスの多く
は、処理空間においてその中心部から周辺部に拡散して
広がり、載置台６の周辺部から略均等に下方向へ排気さ
れていく。しかしながら、一部の処理ガスＧ１は、シャ
ワーヘッド部８の外周側に形成されている天井空間１０
の部分に滞留する傾向となり、この結果、ウエハ周縁部
における処理ガスの流れが乱れてこの部分のガス流量
が、例えば僅かに大きくなる。また、上記したようにシ
ャワーヘッド部８の外周側に天井空間１０が存在してい
ることから、ウエハＷの表面から上面を見回した場合の
形態係数が不均一となっており、この結果、ウエハ面内
に大きな温度差が生じてウエハ温度の面内均一性が低下
していた。

【０００４】このようなことから、ウエハ表面に形成さ
れる堆積膜の膜厚の面内均一性が劣化し、例えば図６に
示すように、ウエハ中心部よりもウエハ周辺部の膜厚の
方が大きくなる、といった問題が生じていた。このよう
な場合、従来にあっては、加熱ヒータ４を同心円状にゾ
ーン毎に分割し、各ゾーン毎に個別に温度制御できるよ
うな構造として、図７に示すように、ウエハ中心部分の
温度よりもウエハの周辺部の温度を意図的に低くなるよ
うに温度制御し、これによってウエハ周辺部における成
膜レートを少し抑制して、結果的にウエハ面上の膜厚の
面内均一性を向上させるようにした技術も提案されてい
る。

【０００５】しかしながら、この場合には、例えば成膜
のプロセス温度が、例えば４８０℃程度の時に、ウエハ
中心とウエハ周辺との間の温度差Δｔが２０〜３０℃程
度にも達してしまい、従来のプロセスのように、半導体
製造技術の設計ルールがそれ程厳しくない場合には大き
な問題にはならなかったが、微細化及び薄膜化がより進
んで設計ルールがより厳しくなった最近にあっては、上
述のような２０〜３０℃もの温度差が生ずるとこれが膜
質に影響を与え、所望の電気的諸特性が得られなくな
る、といった問題があった。本発明は、以上のような問
題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたもの
である。本発明の目的は、被処理体の面内温度の均一性
の向上を図ることができ、処理ガスの滞留をなくすこと
が可能な熱処理装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明によ
れば、処理容器の天井部に設けたシャワーヘッド部から
処理ガスを供給しつつ載置台上に設置した被処理体に対
して所定の熱処理を施す熱処理装置において、前記シャ
ワーヘッド部の外周側に、前記載置台に対する形態係数
を改善するための形態係数改良部材を設けるように構成
したものである。このように、シャワーヘッド部の外周
側に形態係数改良部材を設けることにより、処理容器内
の天井面に対する載置台の表面の形態係数が均一化さ
れ、しかも、処理ガスの乱れの発生原因となる不要な空
間もなくなり、この結果、被処理体の温度分布の面内均
一性を大幅に向上させることができ、熱処理の面内均一
性、例えば成膜処理の場合には膜厚の面内均一性を大幅
に向上させることが可能となる。

【０００７】この場合、例えば請求項２に規定するよう
に、前記形態係数改良部材は、前記シャワーヘッド部の
側壁と前記処理容器の側壁との間の略全域に亘って設け
られる。また、例えば請求項３に規定するように、前記
形態係数改良部材は、前記シャワーヘッド部を構成する
材料と実質的に同一材料で形成されている。

【０００８】また、例えば請求項４に規定するように、
前記形態係数改良部材は、内部が中空になされたリング
状の円形リング体よりなる。また更に、例えば請求項５
に規定するように、前記シャワーヘッド部の下面と、前
記形態係数改良部材の下面とは、略同一水平レベルに設
定されている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る熱処理装置
の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発
明に係る熱処理装置を示す断面構成図、図２は処理容器
内の天井面を示す下面図、図３は処理容器内の処理ガス
の流れを示す模式図である。ここでは熱処理装置として
ＣＶＤ成膜を行う場合を例にとって説明する。図示する
ように、この熱処理装置２０は、例えばアルミニウムに
より円筒体状に成形された処理容器２２を有している。
また、この処理容器２２の底部には、図示しない真空ポ
ンプ等に接続された排気口２４が設けられており、処理
容器２２内を必要に応じて真空引き可能としている。そ
して、この処理容器２２内には、被処理体としての半導
体ウエハＷを載置するためにその底部より支柱２６を介
して起立された載置台２８が設けられている。この載置
台２８は、全体が誘電体、例えば全体がＡｌＮ等のセラ
ミックスよりなり、この内部に例えばモリブデン線等の
抵抗体よりなる加熱ヒータ３０が所定のパターン形状に
配列して埋め込まれている。この加熱ヒータ３０には、
ヒータ電源３２が配線３４を介して接続されており、必
要に応じて上記加熱ヒータ３０に電力を供給するように
なっている。尚、加熱ヒータ３０に代えて、加熱ランプ
を用いるようにしてもよい。

【００１０】そして、上記載置台２８には、この上下方
向に貫通して複数のピン孔４０が形成されており、各ピ
ン孔４０には、下端が連結リング４２に共通に連結され
た例えば石英製の押し上げピン４４が遊嵌状態で収容さ
れている。そして、上記連結リング４２は、容器底部を
貫通して上下移動可能に設けた出没ロッド４６の上端に
連結されており、この出没ロッド４６の下端はエアシリ
ンダ４８に接続されている。これにより、上記各押し上
げピン４４をウエハＷの受け渡し時に各ピン孔４０の上
端から上方へ出没させるようになっている。また、上記
出没ロッド４６の容器底部に対する貫通部には、伸縮可
能になされたベローズ５０が介設されており、上記出没
ロッド４６を、処理容器２２内の気密性を維持しつつ昇
降できるようになっている。

【００１１】そして、この処理容器２２の側壁には、ウ
エハを搬出入するための搬出入口５２が形成されてお
り、これにはゲートバルブ５４が設けられて開閉可能に
なされている。このゲートバルブ５４には、図示しない
ロードロック室やトランスファチャンバ等が接続され
る。そして、この処理容器２２の上端開口部には、一部
が例えば蝶番５６により支持されて開閉可能になされた
天井蓋５８がＯリング等のシール部材６０を介して気密
に設けられている。そして、この天井蓋５８には、下面
に多数のガス噴出口６２を有するシャワーヘッド部６４
が設けられており、これにより処理ガスとして例えば成
膜ガス等を処理容器２２内の処理空間Ｓへ導入できるよ
うになっている。尚、このシャワーヘッド部６４内へ拡
散板を設けるようにしてもよい。

【００１２】このシャワーヘッド部６４は図示例のよう
に中空の円板状に成形されており、この全体は、例えば
アルミニウム等により形成されている。このシャワーヘ
ッド部６４を区画する区画壁の板厚ΔＬは、例えば３〜
４ｍｍ程度に設定されている。そして、上記シャワーヘ
ッド部６４の外周側に、上記載置台２８に対する形態係
数を改善するための形態係数改良部材６６が設けられて
いる。具体的には、この形態係数改良部材６６は、形態
係数の改善を図るために、例えば上記シャワーヘッド部
６４を構成する材料と実質的に同一材料、例えばここで
はアルミニウムよりなり、内部が中空になされると共
に、断面矩形状になされたリング状の円形リング体６８
により構成されている。尚、上記円形リング体６８の内
部を中空にしないで、全体をアルミニウム素材で形成す
るようにしてもよい。

【００１３】また更に、形態係数の改善を図るために、
上記シャワーヘッド部６４の下面と上記形態係数改良部
材６６の円形リング体６８の底壁６８Ｃの下面とは略同
一水平レベルになされており、上記載置台６の表面側に
対して凹凸が発生しないようにしている。このような形
態係数改良部材６６は、形態係数の改善を図るためにシ
ャワーヘッド部６４の側壁６４Ａと上記処理容器２２の
上部側壁２２Ａとの間に形成されるリング状の空間の略
全域に設けられる。図示例では、上記シャワーヘッド部
６４の側壁６４Ａと上記形態係数改良部材６６の円形リ
ング体６８の内周壁６８Ａとが接合された状態で設けら
れており、また、円形リング体６８の外周壁６８Ｂとシ
ャワーヘッド部６４の側壁６４Ａとの間は、僅かな距離
ΔＬ２、例えば１ｍｍ程度だけ離間されて隙間が形成さ
れており、このシャワーヘッド部６４や形態係数改良部
材６８が取り付けられた天井蓋５８を、上記蝶番５６を
支点として展開させて開閉する時に、蝶番５６から最も
離れているこの形態係数改良部材６６の先端側の展開軌
跡が上記処理容器２２の側壁２２Ａと衝突しないように
している。ここで、各部の寸法の一例について説明する
と、直径が３０ｃｍのウエハを処理する場合の装置例で
は、シャワーヘッド部６４のサイズにもよるが、円形リ
ング体６８の内径Ｄ１は２９４〜３４９ｍｍ程度、外径
Ｄ２は４２９ｍｍ程度、高さＨ１は３９〜４４ｍｍ程度
である。

【００１４】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、処理容器２２の側壁に設
けたゲートバルブ５４を開状態とし、図示しないロード
ロック室等から搬出入口５２を介して未処理の半導体ウ
エハＷをこの処理容器２２内へ搬入し、これを押し上げ
ピン４４に受け渡して降下させることによって、ウエハ
Ｗを載置台２８上に載置させる。次に、処理容器２２内
を密閉状態とし、加熱ヒータ３０への投入電力を増して
予め予熱状態になされている載置台２８の温度をプロセ
ス温度まで昇温して維持する。そして、これと共にシャ
ワーヘッド部６４から処理ガスとして流量制御された成
膜ガス等を処理容器２２内の処理空間Ｓへ供給すると同
時に、排気口２４から処理容器２２内を真空引きして処
理容器２２内を所定のプロセス圧力に維持し、成膜処理
を行う。上記成膜ガスとしては、例えばＴａ₂ Ｏ₅ 膜の
薄膜を堆積させる場合には、例えばＰＥＴ（ペンタエト
キシタンタル）と酸素（Ｏ₂ ）等を用いる。

【００１５】上記シャワーヘッド部６４のガス噴出孔６
２より処理空間Ｓへ放出された成膜ガスはこの処理空間
Ｓを流下しつつ載置台２８の中心側よりその周辺部側に
向けて拡散して行き、そして、載置台２８の外周側を略
均等の流量で流下して排気口２４から容器外へ排出され
ることになる。ここで従来装置にあっては、シャワーヘ
ッド部の側部にデッドスペース的な天井空間１０が存在
したので（図５参照）、ウエハ面より上方を見た場合の
形態係数は、天井空間１０の存在のために凹凸が発生し
てしまってそれ程均一性が良好ではなかったが、本実施
例の場合にはシャワーヘッド部６４の外周側に形態係数
改良部材６６を設けているので、ウエハ面より上方を見
た場合の形態係数は、天井面の凹凸がほとんどなくなっ
ていることから、均一性を大幅に向上させることが可能
となる。この結果、ウエハ面における容器天井側の輻射
熱に関する熱的条件は、ウエハ面内において略均一な状
態となり、ウエハ温度の面内均一性を向上させることが
可能となる。

【００１６】また、上述のように形態係数改良部材６６
を設けた結果、シャワーヘッド部６４の外周側には、従
来装置の場合には存在したデッドスペースが、本実施例
の場合にはなくなり、従って、この部分に成膜ガスが渦
巻等を起こして滞留することがなくなり、成膜ガス処理
空間Ｓ内をその中心より周辺に向けて円滑に拡散しつつ
流下して真空引きされることになる。これにより、処理
空間Ｓにおけるガス流量がウエハの面内において略均一
化され、結果的に、ウエハに図７に示したような温度分
布を持たせることなく、すなわちウエハ温度の面内均一
性を保持したまま、この熱処理（成膜処理）の面内均一
性を向上させることができ、本実施例の場合には、膜厚
の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。特
に、本実施例の場合には、シャワーヘッド部６４の下面
と形態係数改良部材６６の下面とを略同一水平レベルに
なるように設定しているので、この点よりもウエハ面に
対する形態係数を均一化させることができる。

【００１７】更には、ここではシャワーヘッド部６４と
形態係数改良部材６６との構成材料を互いに同一にして
輻射などの熱的条件が同じとなるように設定しているの
で、この点よりもウエハ面に対する形態係数を更に均一
化させることができる。また更には、形態係数改良部材
６６の内部を中空に形成するなどして、内部に拡散室を
有するシャワーヘッド部６４と類似する構造にしている
ので、この点よりもウエハ面に対する形態係数を更に均
一化させることができる。また、上述のように、形態係
数改良部材６６を設けた結果、この分、処理空間Ｓの容
量を小さくできるので、例えば金属膜を一原子層ずつ堆
積させるＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）法を実施する場合、ガス置換を早く行う
ことができるので、その分、スループットを向上させる
ことができる。

【００１８】また、実際に従来装置と本発明装置のウエ
ハ面上における温度分布を比較したところ、従来装置の
場合には最大温度が４４１．６℃、最低温度が４３９．
２℃でその差が２．４℃であったが、本発明装置の場合
には最大温度が４４０．２℃、最低温度が４３８．７℃
でその差が１．５℃であり、本発明装置の場合ではウエ
ハ温度の面内均一性を大幅に改善できることが判明し
た。尚、この時のウエハ設定温度は共に４８５℃、プロ
セス圧力は共に４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）である。ま
た、従来装置と本発明装置の処理ガスの流れをシミュレ
ートした結果、図３（Ａ）に示すように、従来装置の場
合にはシャワーヘッド部８の外周側の天井空間１０に渦
巻状に滞留する処理ガスが見られたが、本発明装置の場
合には、図３（Ｂ）に示すようにシャワーヘッド部６４
の外周側に形態係数改良部材６６を設けてデッドスペー
スをなくしたので、処理ガスは処理空間Ｓ内に滞留する
ことなく円滑に流れていることが判明した。

【００１９】また、上記実施例では形態係数改良部材６
６として内部が中空になされた円形リング体６８を用い
たが、これに限定されず、図４に示すように、形態係数
改良部材６６として例えば円形リング板７０を用い、こ
の円形リング板７０をシャワーヘッド部６４の側壁６４
Ａの外周面に一体的に接続固定し、且つその下面をシャ
ワーヘッド部６４の下面と略同一水平レベルとなるよう
に設定してもよい。これによれば、シャワーヘッド部６
４の外周側にデッドスペースである天井空間１０が存在
しても、この天井空間１０は処理空間Ｓ側から略分離さ
れているので、この空間部分に処理ガスが侵入すること
はほとんどなく、しかも、ウエハ面に対する形態係数も
改善することができる。

【００２０】尚、上記実施例では、形態係数改良部材６
６をアルミニウムで形成したが、これに限定されず、金
属汚染の少ない材料ならばどのような材料でもよく、例
えばステンレスやセラミック等も用いることができる。
また、上記実施例では熱処理装置としてＣＶＤ処理装置
を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマ
処理装置、エッチング装置、酸化拡散装置、改質装置等
にも本発明を適用できるのは勿論である。また、本実施
例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明
したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等
を処理する場合にも本発明を適用できるのは勿論であ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱処理装
置によれば、次のように優れた作用効果を発揮すること
ができる。本発明によれば、シャワーヘッド部の外周側
に形態係数改良部材を設けることにより、処理容器内の
天井面に対する載置台の表面の形態係数が均一化され、
しかも、処理ガスの乱れの発生原因となる不要な空間も
なくなり、この結果、被処理体の温度分布の面内均一性
を大幅に向上させることができ、熱処理の面内均一性、
例えば成膜処理の場合には膜厚の面内均一性を大幅に向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱処理装置を示す断面構成図であ
る。

【図２】処理容器内の天井面を示す下面図である。

【図３】処理容器内の処理ガスの流れを示す模式図であ
る。

【図４】本発明の熱処理装置の変形例を示す図である。

【図５】熱処理を施す従来の枚葉式の熱処理装置の一例
を示す構成図である。

【図６】堆積膜の膜厚の面内分布を示す図である。

【図７】半導体ウエハの面内の温度分布の一例を示す図
である。

【符号の説明】

２０熱処理装置２２処理容器２２Ａ側壁２８載置台５８天井蓋６４シャワーヘッド部６４Ａ側壁６６形態係数改良部材６８円形リング体７０円形リング板Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理容器の天井部に設けたシャワーヘッ
ド部から処理ガスを供給しつつ載置台上に設置した被処
理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、前記シャワーヘッド部の外周側に、前記載置台に対する
形態係数を改善するための形態係数改良部材を設けるよ
うに構成したことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】前記形態係数改良部材は、前記シャワー
ヘッド部の側壁と前記処理容器の側壁との間の略全域に
亘って設けられることを特徴とする請求項１記載の熱処
理装置。
【請求項３】前記形態係数改良部材は、前記シャワー
ヘッド部を構成する材料と実質的に同一材料で形成され
ていることを特徴とする請求項１または２記載の熱処理
装置。
【請求項４】前記形態係数改良部材は、内部が中空に
なされたリング状の円形リング体よりなることを特徴と
する請求項１乃至３のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項５】前記シャワーヘッド部の下面と、前記形
態係数改良部材の下面とは、略同一水平レベルに設定さ
れていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに
記載の熱処理装置。