JP2002373861A - バッチ式熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、被処理体表面の膜厚の面内均一性
を簡便に改善することができるバッチ式熱処理装置を実
現することを目的とするものである。 【解決手段】 本発明は、加熱炉本体１と、該加熱炉本
体内に配設されている加熱手段５と、該加熱炉本体内に
収容されており、内部に被処理体Ｗを載置したウェハボ
ート６を収容する反応容器２と、該反応容器内に原料ガ
スを供給するノズル１３と、該反応容器内での反応の結
果生成する生成ガスを排出する排気ポート１５を少なく
とも備えたバッチ式熱処理装置において、該反応容器の
下部から、原料ガスの成膜反応を抑制するガスを供給す
るための複数の孔を形成した反応抑制ガス供給ノズル１
４を配設した半導体処理装置を用い、反応阻害ガスを被
処理体である半導体基板周辺部に偏在させることにより
半導体基板周辺部の成膜を抑制して膜厚の面内均一性を
向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウェハの
ような半導体基板やＬＣＤ用のガラス基板などの被処理
体の成膜に用いるためのバッチ式熱処理装置に関し、特
に被処理体表面の被膜厚さの面内均一性に優れたバッチ
式熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体デバイスの製造工程におい
ては、微細な素子を多数作る必要から半導体基板等の被
処理体上にシリコンナイトライドやシリコン酸化膜など
のシリコン系の薄膜を多数回形成することはすでに知ら
れている。この場合、ある程度以上の量産効率を必要と
することはもちろんのこと、最終製品としての半導体デ
バイスの特性の安定化、すなわち所望の電気的特性を得
るために、成膜処理において膜厚の面内均一性を向上さ
せなければならない。この成膜処理は、例えば減圧ＣＶ
Ｄ装置のような熱処理装置により行われ、処理ガスとし
ては、例えばシリコンナイトライド膜を形成する場合に
は、ジクロルシランとアンモニアを、シリコン酸化膜を
形成する場合にはＴＥＯＳ（テトラエトキシオルトシラ
ン）などが用いられている。

【０００３】従来このような半導体基板表面への成膜に
は、例えば図５のような半導体処理装置が用いられてい
る。すなわち、図５に示す半導体処理装置は、加熱炉本
体５０１と、該加熱炉本体５０１の内部に配置された加
熱装置５０５と、該加熱装置５０５の内部に配置され、
被処理体である半導体基板Ｗを整列搭載したウェハボー
ト５０６を収容できる反応容器外管５０３および反応容
器内管５０４からなる反応容器５０２と、該反応容器５
０２の下部に配置され、反応容器を支持するマニホール
ド５１０と、原料ガス導入用ノズル５１３と、該反応容
器外管５０３と該反応容器内管５０４との間隙に設けら
れ原料ガスの未反応残留ガスや生成する排ガスを排出す
るための排気ポート５１５と、該マニホールド５１０の
下部開口部を封口し上記反応容器内部を気密に保つため
の下部蓋体５１１、および該下部蓋体５１１に固定され
たウェハボート５０６を昇降させるための昇降装置５１
２等を備えている。そして、この半導体処理装置におい
ては、原料ガスは、ノズル５１３から供給され、反応容
器５０２内部を下から上へ上昇し、半導体基板Ｗ表面で
反応して成膜し、生成した排ガスは反応容器内管５０４
と反応容器外管５０３との間隙から排気ポート５１５を
経由して系外に排気される。

【０００４】このような半導体処理装置においては、被
処理体である半導体基板周辺部では、原料ガスが比較的
早い流速で通過し、新たな原料ガスの供給が速やかに行
われて原料ガス濃度が高いため、成膜速度が比較的早
い。一方、半導体基板中央部では、原料ガスの流通が比
較的滞りやすく、原料ガス濃度が周辺部より低くなるた
め、成膜速度は周辺部より低下する。その結果、同一半
導体基板内で、周辺部の成膜の膜厚が、中心部より厚く
なり、面内均一性が損なわれることになる。

【０００５】半導体処理装置のこのような問題を解決す
るために、気相シリコンエピタキシャル成長装置におい
て、原料ガスの流通経路を、半導体基板表面に沿って通
過されることにより、薄膜の面内均一性を改善すること
が試みられている（特開平４−１６３９１２号公報参
照）。すなわち、図６に見られるように、反応容器６０
１，６０２内に多数の原料ガス供給口を形成したノズル
管６０７を配置し、反応容器内管６０２の側面に多数の
ガス排出口６０８を形成して、原料ガスがノズル管６０
７からガス排出口６０８まで水平に通過するように配設
している。ところで、この装置においては、石英ガラス
のような脆性の高い反応容器の側面に多数のガス排出口
６０８を形成しなければならず、かかる半導体処理装置
の製作が困難であった。さらにこの装置では、ノズル管
６０７の原料ガス供給孔内にも膜が成長し、ノズル管６
０７の原料ガス供給孔が閉塞してしまったり、パーティ
クル発生の原因ともなっている。その対策として、上記
引用例ではノズル管６０２の近傍に、エッチング専用ノ
ズル管６１１を配設して原料ガス供給孔の閉塞およびパ
ーティクル発生を防止する必要があり、装置が複雑にな
っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来用いら
れているバッチ式熱処理装置に大幅な変更を加えること
なく、簡便に被処理体基板表面の膜厚の面内均一性を改
善することができるバッチ式熱処理装置を実現すること
を目的とするものである。また、原料ガス供給孔を閉塞
することなく、さらにパーティクルの発生のおそれのな
い均一な膜を形成することのできるバッチ式熱処理装置
を実現することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の本発明は、加
熱炉本体と、該加熱炉本体内に配設されている加熱手段
と、該加熱炉本体内に収容されており、内部に被処理体
を載置したウェハボートを収容する反応容器と、該反応
容器内に原料ガスを供給するノズルと、該反応容器内の
排ガスを排出するための排気ポートを少なくとも備えた
バッチ式熱処理装置において、該反応容器中に成膜反応
を阻害するガスを供給するための複数の孔を形成した反
応阻害ガス供給ノズルを配設したことを特徴とするバッ
チ式熱処理装置である。

【０００８】また、請求項２の本発明は、上記請求項１
記載のバッチ式熱処理装置において、反応阻害ガス供給
ノズルからの反応阻害ガスの噴出方向が、被処理体の周
辺部接線方向であることを特徴とするバッチ式熱処理装
置である。

【０００９】また、請求項３の本発明は、上記反応容器
中に反応阻害ガス供給ノズルが少なくとも２本配設され
ていることを特徴とするバッチ式熱処理装置である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に図面を用いて本発明のバッ
チ式熱処理装置を説明する。図１が本発明で用いること
のできるバッチ式熱処理装置の概略断面図である。すな
わち本発明のバッチ式熱処理装置は、有天井であって下
部が開口している加熱炉本体１と、該加熱炉本体１の内
部に配置された抵抗加熱ヒータのような加熱装置５と、
該加熱装置５の内部に配置された反応容器２を備えてい
る。該反応容器２は、上部が封止され下部が開口してい
る石英ガラスのような高純度耐熱性材料で形成されてお
り、反応容器内管４および反応容器外管３から構成され
ている。該反応容器２の下部開口部には、マニホールド
１０が配設され、該反応容器２を支持し、かつＯリング
などを用いて密封できるようになっている。また、該マ
ニホールド１０の下端部は開口しており、この開口部に
下部蓋体１１が密封できるように配置されている。これ
らの反応容器２、マニホールド１０および下部蓋体１１
とで、Ｏリングなどを用いて気密に保持することのでき
る反応室を形成している。

【００１１】この反応室内には、複数の被処理体Ｗを整
列搭載したウェハボート６を収容するようになってい
る。該ウェハボート６は、磁性流体などを用いた回転軸
受け９および回転軸８によって上記下部蓋体１１に軸支
されるが、加熱装置によって加熱されている被処理体Ｗ
の熱が、回転軸８などを経由して放散しないように保温
筒７によって温度低下を防止している。

【００１２】また、該下部蓋体１１には、昇降装置１２
が固定され、ウェハボート６を昇降し、バッチ式熱処理
装置への被処理体Ｗの収容、および取り出しを行うこと
ができるようになっている。

【００１３】このバッチ式熱処理装置は、被処理体Ｗの
処理中は図示しない駆動装置により回転軸８、保温筒７
およびウェハボート６が回転し、被処理体Ｗの温度を均
一化するとともに、被処理体Ｗと原料ガスとが均一に接
触するようになっている。

【００１４】前記マニホールド１０の側面には、原料ガ
ス供給ノズル１３が設けられている。この原料ガス供給
ノズル１３は、複数の原料ガスを用いる場合には、複数
配置することもできる。この原料ガス供給ノズル１３
は、図示しない原料供給のための原料ガスボンベ、原料
ガス供給制御装置などに接続されており、反応室下部に
配置された原料ガス供給ノズルから、反応室内に原料ガ
スが供給されるようになっている。また、上記反応容器
外管３と上記反応容器内管４との間隙に、原料ガスの未
反応残留ガスや成膜反応によって生成する排ガスを排出
するための排気ポート１５が設けられている。原料ガス
は、反応室の下部から流入し、ウェハボート６に沿って
上方に向かって流通し、ウェハボートに載置されている
被処理体の対向面によって形成される空間を通過しなが
ら、被処理体と接触して反応して成膜し、反応の結果生
成する排ガスおよび未反応原料ガスは、反応容器内管４
と反応容器外管３の間の間隙を経由して、図示しない排
気ポンプにより、排気ポート１５から系外に排出され、
処理される。

【００１５】上記、バッチ式熱処理装置においては、被
処理体の周辺部においては常に高濃度の原料ガスが供給
され、反応が行われるため、膜の成長速度が速いが、被
処理体の中心部においては、原料ガスの供給が周辺部と
比較して遅いため成膜速度も遅くなるため、生成する膜
は、周辺部が厚く、中心部が薄くなる傾向にある。

【００１６】そこで、このような成膜の膜厚不均一を防
止するため、本発明においては、反応阻害ガスを使用し
て、膜厚均一性を改善するものである。すなわち、上記
反応容器２内には、阻害ガスを供給するための多数の孔
を有する反応阻害ガス供給ノズル１４が配設されてい
る。この反応阻害ガス供給ノズル１４は、上記マニホー
ルド１０から内部に装入され、ウェハボート６の頂部付
近まで、ウェハボートに沿って伸長している。この阻害
ガス供給ノズル１４の複数のノズル孔１４ａは、ウェハ
ボート６に搭載されている被処理体に均一に反応阻害ガ
スが供給されるように形成されており、ノズル孔１４ａ
の開設方向は、被処理体である半導体基板の周辺部の接
線方向とすることが望ましい。

【００１７】本発明において用いられる反応阻害ガスと
しては、成膜反応の進行を抑制する作用を示すガスであ
れば使用可能であり、例えばＳｉ成膜の際には塩化水素
ガス、フッ化塩素ガスなどを用いることができる。この
反応阻害ガスは、希釈せずに使用することもできるし、
Ｎ_２などの不活性ガスやアルゴンガスなどの希ガスによ
って希釈して使用することもできる。

【００１８】本発明において反応阻害ガスの噴出時の圧
力が過大であると、被処理体表面に全体的に反応阻害ガ
スが拡散し、被処理体周辺部のみの成膜反応を抑制しよ
うとする本発明の作用を実現することが困難となる。従
って、被処理体の周辺部のみに高濃度の反応阻害ガスが
偏在するように、噴出圧力は、低い方が好ましい。

【００１９】そして、このバッチ式熱処理装置における
被処理体表面への原料ガスの供給形態を示す要部概略斜
視図である図２に見られるように、原料ガスは、被処理
体Ｗの下方から原料ガス供給ノズル１３を経由して供給
され、被処理体の下方から上方に向かって流通するよう
になっている。一方、被処理体に近接して、反応阻害ガ
ス供給ノズル１４が、反応容器２の下部からウェハボー
ト６の頂部付近まで伸長しており、複数のノズル孔１４
ａが該反応阻害ガス供給ノズルに形成されている。この
ノズル孔１４ａは、ウェハボート６に搭載されている被
処理体に均一に反応阻害ガスを供給できるように形成さ
れていることが好ましい。また、このノズル孔１４ａか
ら反応阻害ガスを被処理体Ｗ周辺部の接線方向に向かっ
て噴出させている。これによって、被処理体周辺部にお
いて被処理体中心部より高い成膜反応速度を低下させ、
その結果、被処理体周辺部の生成膜厚が減少し、被処理
体中心部の膜厚との差が減少して、被処理体面内の成膜
膜厚を均一化することができる。なお、上記本発明にお
いては反応阻害ガスの噴出方向を被処理体周辺部の接線
方向としたが、反応阻害ガスの噴出方向が、被処理体の
中心部へ向かう方向に設定すると、被処理体周辺部のみ
において成膜反応を抑制することができなくなるため、
被処理体成膜膜厚の面内均一化の効果を期待することは
できない。

【００２０】さらに、反応容器中に配設する反応阻害ガ
ス供給ノズルは、１本でも効果が認められるが、２本配
設した方がさらに成膜厚面内均一性改善の効果が期待で
きる。反応阻害ガスノズルを１本とし、強力に被処理体
周辺部の膜厚成長を抑制しようとした場合、反応阻害ガ
スの流速もしくは流量をより高くすることが考えられる
が、反応阻害ガスの流量もしくは流速を向上させると、
反応阻害ガスが結局の所、反応室内で均一に分散してし
まい、被処理体周辺部に局所的に阻害ガス濃度を向上さ
せることが困難となる。従ってこのような場合には、反
応阻害ガスノズルの数を増やして、個々の反応阻害ガス
ノズルから噴出する反応阻害ガスの流量および流速を過
大に増大させない方が好ましい。また、反応阻害ガス供
給ノズルを２本配設する場合には、図３に見られるよう
に、半導体基板の中心部から見て対向する位置に配置す
ることが望ましい。また、複数の反応阻害ガス供給ノズ
ル１４，１４’からの反応阻害ガスの噴射方向が、互い
に逆方向となるように配置することが望ましい。ここで
反応阻害ガスの噴射方向は、被処理体の回転方向と同一
でも逆行していてもよいが、反応阻害ガスが反応室に均
一に分散させてしまうことになり、反応阻害ガスを局所
的に偏在させて成膜膜厚を抑制するための本発明にとっ
て益とならないから、反応阻害ガスの噴出方向は、被処
理体の回転方向と一致していることが好ましい。

【００２１】さらに、この反応阻害ガス供給ノズルを３
本配設することもできるが、反応容器中に供給される反
応阻害ガスが反応容器中に均一に分散してしまい、濃度
が平均化されてしまうため、成膜厚面内均一性改善の効
果が低下してしまい、好ましくない。

【００２２】以上に説明した本発明のバッチ式熱処理装
置は、耐熱性を有する板状体表面に化学物質の熱分解反
応を利用して成膜するような熱処理に適用でき、特に、
シリコンウェハ表面への成膜や、ＬＣＤ用ガラス基板表
面への成膜などに適用できるが、これに制限されず各種
基板表面への成膜に適用可能である。

【００２３】

【実施例】原料ガス導入ノズルを２本設けたこと以外
は、図１に示したものと同等の減圧ＣＶＤ装置を用いて
２００ｍｍ（８インチ）シリコンウェハ表面にポリシリ
コン膜を成膜する試験を行った。すなわち、まず、反応
阻害ガスノズルとして、ノズル孔のピッチが４ｃｍで、
孔径が０．２ｍｍのノズル孔３０個を形成した反応阻害
ガスノズル１本を反応室に配設した半導体処理装置を準
備した。次いで、２００ｍｍ（８インチ）のシリコンウ
ェハを、ウェハボートに３０枚整列搭載し、加熱炉本体
内の反応室内に収容した。ウェハボートのシリコンウェ
ハの搭載ピッチを、反応阻害ガスノズルのノズル孔ピッ
チと等しい４ｃｍとした。反応阻害ガスノズルから、塩
化水素ガスを１５０〜６００ｓｃｃｍの流量で供給し
た。次いで、ウェハボートを０．５ｒｐｍの速度で反応
阻害ガスの供給方向と同一の方向に回転させながら、反
応室内を９００℃に昇温した後、１３３．３Ｐａ（１Ｔ
ｏｒｒ）の圧力で、原料ガスとしてジクロルシランおよ
び水素ガスを、それぞれのガスの流量は、ジクロルシラ
ンが５００〜１０００ｓｃｃｍ、水素ガスが１６００ｓ
ｃｃｍとなるように反応室に供給し、所要時間加熱を継
続して、シリコンウェハ表面にポリシリコン薄膜を成膜
した。

【００２４】一方、比較例として、図５の従来の半導体
処理装置を用いて、反応阻害ガスを用いないこと以外は
上記実施例と同等の条件で、２００ｍｍ（８インチ）シ
リコンウェハ表面にポリシリコン膜を形成した。上記、
本発明の実施例と、比較例において成膜した後、それぞ
れシリコンボートの中央部に位置するシリコンウェハを
取り出し、その表面のポリシリコン膜の膜厚を測定して
成膜の面内均一性を評価した。その結果を図４に示す。

【００２５】図４の結果から明らかなように、本発明の
反応阻害ガスを用いた場合には、従来の反応阻害ガスを
用いない場合と比較して、２００ｍｍ（８インチ）シリ
コンウェハ周辺部の成膜速度がおよそ２０％低下し、シ
リコンウェハ中央部との膜厚の差が減少することが明ら
かとなった。

【００２６】

【発明の効果】上記本発明によれば、半導体処理装置に
大幅な変更を加えることなく、簡単な構成により半導体
の面内均一性に優れた処理基板を製造することができる
処理装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の半導体処理装置の１例を示す断面
図。

【図２】 本発明の半導体処理装置の１例を示す要部拡
大斜視図。

【図３】 本発明の半導体処理装置の他の１例を示す要
部拡大斜視図。

【図４】 本発明１実施例の効果を示すグラフ。

【図５】 従来の半導体処理装置を示す断面図。

【図６】 従来の半導体処理装置の他の例を示す断面
図。

【符号の説明】

Ｗ・・・半導体基板 １，５０１・・・加熱炉本体 ２，５０２・・・反応容器 ３，５０３・・・反応容器外管 ４，５０４・・・反応容器内管 ５，５０５・・・加熱装置 ６，５０６・・・ウェハボート ７，５０７・・・保温筒 ８，５０８・・・回転軸 ９，５０９・・・回転軸受け １０，５１０・・・マニホールド １１，５１１・・・下部蓋体 １２，５１２・・・昇降装置 １３，５１３・・・原料ガス供給ノズル １４，１４’・・・反応阻害ガス供給ノズル １５，５１５・・・排気ポート ６０１・・・外管 ６０２・・・内管 ６０３・・・架台 ６０４・・・基板ホルダー ６０５・・・単結晶基板 ６０６・・・抵抗加熱炉 ６０７・・・ノズル管 ６０８・・・ガス排出口 ６０９・・・排気孔 ６１１・・・エッチング専用ノズル管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA17 BA29 BB03 CA04 EA01 EA03 FA10 KA49 LA15 5F045 AB03 AB32 AB33 AC12 AC13 AC15 AC16 AD13 AE21 AF03 BB02 BB15 DP19 DQ05 EB02 EE13 EF03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加熱炉本体と、該加熱炉本体内に配設され
   ている加熱手段と、該加熱炉本体内に収容されており、
   内部に被処理体を載置したウェハボートを収容する反応
   容器と、該反応容器内に原料ガスを供給するノズルと、
   該反応容器内の排ガスを排出するための排気ポートを少
   なくとも備えたバッチ式熱処理装置において、 該反応容器中に成膜反応を阻害するガスを供給するため
   の複数の孔を形成した反応阻害ガス供給ノズルを配設し
   たことを特徴とするバッチ式熱処理装置。
2. 【請求項２】上記バッチ式熱処理装置において、反応阻
   害ガス供給ノズルからの反応阻害ガスの噴出方向が、被
   処理体の周辺部接線方向であることを特徴とする請求項
   １に記載のバッチ式熱処理装置。
3. 【請求項３】上記反応容器中に反応阻害ガス供給ノズル
   が少なくとも２本配設されていることを特徴とする請求
   項１もしくは請求項２に記載のバッチ式熱処理装置。