JP2007207974A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増やメンテナンスの複雑化を回避しつつ面内膜厚均一性を向上する。
【解決手段】複数枚の製品ウエハを複数枚のダミーウエハと共にボート４０によって保持して処理室内に搬入し、処理室内のボトム側からＴＥＯＳガスを供給してトップ側に流し、ウエハにＴＥＯＳ酸化膜を形成するＩＣの製造方法において、製品ウエハが配列される第一領域よりも上流側に設けられた第二領域であるボトム領域における製品ウエハと隣接する部分にダミーウエハを配置し、それよりも上流側にはダミーウエハを配置することなく空とする。ボトム領域のサイドダミーウエハよりも上流側に広い空間を設けることにより、ＴＥＯＳガスが充分にミキシングされて分解され、ＴＥＯＳガスが高濃度（過剰な状態）とならないため、処理室を改造しなくても、面内膜厚均一性を向上できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）が作り込まれる基板としての半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に絶縁膜や金属膜および半導体膜を形成するＣＶＤ装置や酸化膜形成装置や拡散装置およびアニール装置等の半導体製造装置を使用するものに関する。

ＩＣの製造方法において、ウエハに窒化シリコンやポリシリコン等のＣＶＤ膜をデポジションするのに、例えば、特許文献１に示されているようなバッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置が広く使用されている。
バッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置（以下、ＣＶＤ装置という。）は、ウエハが搬入される処理室を形成するインナチューブおよびこのインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成され縦形に設置されたプロセスチューブと、インナチューブ内に原料ガスを導入するガス導入管と、プロセスチューブ内を真空排気する排気管と、プロセスチューブ外に敷設されてプロセスチューブ内を加熱するヒータとを備えている。
そして、複数枚のウエハがボートによって垂直方向に整列されて保持された状態でインナチューブ内に下端の炉口から搬入され、インナチューブ内に原料ガスがガス導入管から導入されるとともに、ヒータによってプロセスチューブ内が加熱されることにより、ウエハにＣＶＤ膜がデポジションされる。

特開２００１−３３８８８３号公報

しかしながら、前記したＣＶＤ装置において有機系液体材料を使用してＣＶＤ膜をウエハに形成した場合には、ボートのボトム（bottom）領域においてウエハ中心部が周辺部よりも膜厚が厚くなり、ウエハ面内の均一性がボートのセンタ（center）領域のそれと比較して悪化するという問題点がある。
この現象の理由としては、ボトム領域では他の領域に比較してガスが過剰に供給されていること等が、考えられる。

これを改善する手段としては、インナチューブの径をボトム領域で広げて過剰のガスを逃がす方法が、考えられる。
しかし、インナチューブが特殊な形状になるために、コストが増加してしまい、また、メンテナンス時の再組み立て作業も複雑になってしまう等の問題点がある。

本発明の目的は、製造コストの増加やメンテナンス作業の複雑化を回避しつつ、処理結果の均一性を向上することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

本願が開示する発明のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）複数枚の製品基板を複数枚のダミー基板と共に基板保持具によって保持するステップと、
前記基板保持具にて保持した基板を処理室内に搬入するステップと、
前記処理室内の一端側から処理ガスを供給してその反対側に流し、前記基板保持具にて保持した基板を前記処理室内で処理するステップと、
処理後の基板を前記処理室より搬出するステップとを有し、
前記基板保持具は、少なくとも前記製品基板が配列される第一領域と、前記第一領域よりも上流側に設けられる第二領域とを有し、前記第二領域における前記製品基板と隣接する部分に前記ダミー基板を配置し、それよりも上流側には前記ダミー基板を配置することなく空とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（２）前記（１）において、前記第二領域におけるダミー基板を配置することなく空とする領域は、前記処理ガスが充分にミキシングされ、充分に分解する程度の広さ（容積）を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（３）前記（１）において、前記第二領域におけるダミー基板を配置することなく空とする領域は、前記第二領域におけるダミー基板を配列する領域よりも広い（容積が大きい）ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（４）前記（１）において、前記処理ガスとは有機系液体原料を気化したガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（５）前記（４）において、前記有機系液体原料ガスとは、ＢＴＢＡＳ（ビス ターシャリ ブチル アミノ シラン、ＳｉＨ₂ （ＮＨ（Ｃ₄ Ｈ₉ ））₂ ）またはＴＥＯＳ（テトラ エトキシ シラン、Ｓｉ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₄ ）であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（６）前記（１）において、前記処理ガスは前記第二領域よりも上流側から供給されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（７）前記（１）において、前記基板保持具は、さらに、前記第一領域よりも下流側に設けられる第三領域を有し、前記第三領域にもダミー基板が配置されることを特徴とする半導体装置の製造方法。

前記（１）によれば、処理室を改造しないでも、製品基板が配列される第一領域において処理ガスが過剰に供給されるのを防止することができるので、製造コストの増加やメンテナンス作業の複雑化を回避しつつ、製品基板における処理結果の均一性を向上することができる。
しかも、ダミー基板の使用量を低減することができるので、ランニングコストを削減することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る半導体装置の製造方法は、ＩＣの製造方法として構成されており、本実施の形態に係るＩＣの製造方法は特徴工程として、ＩＣが作り込まれる基板としてのウエハに例えば絶縁膜を成膜する成膜工程を備えている。
本実施の形態に係るＩＣの製造方法における特徴工程である成膜工程は、ＣＶＤ装置（バッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置）によって実施される。
本実施の形態に使用されるＣＶＤ装置について説明する。

本実施の形態に係るＣＶＤ装置は、図１に示された処理炉１０を備えている。
図１に示されているように、処理炉１０は加熱機構としてのヒータ１１を有する。
ヒータ１１は円筒形状であり、支持板としてのヒータベース１２に支持されることにより垂直に据え付けられている。

ヒータ１１の内側には反応管としてのプロセスチューブ１３が、ヒータ１１と同心円状に配設されている。プロセスチューブ１３は外部反応管としてのアウタチューブ１４と、その内側に設けられた内部反応管としてのインナチューブ１５とから構成されている。
アウタチューブ１４は、例えば石英（ＳｉＯ₂ ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料からなり、内径がインナチューブ１５の外径よりも大きく上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、インナチューブ１５と同心円状に設けられている。
インナチューブ１５は、例えば石英または炭化シリコン等の耐熱性材料からなり、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。インナチューブ１５の筒中空部には処理室１６が形成されており、基板としてのウエハ１を後述するボートによって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。

アウタチューブ１４の下方にはマニホールド１７が、アウタチューブ１４と同心円状に配設されている。マニホールド１７は例えばステンレス等からなり、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。
マニホールド１７はインナチューブ１５とアウタチューブ１４とに係合しており、これらを支持するように設けられている。マニホールド１７がヒータベース１２に支持されることにより、プロセスチューブ１３は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ１３とマニホールド１７により反応容器が形成される。
なお、マニホールド１７とアウタチューブ１４との間には、シール部材としてのＯリング１８が設けられている。

マニホールド１７には処理室１６内の雰囲気を排気する排気管２０が設けられている。排気管２０は、インナチューブ１５とアウタチューブ１４との隙間によって形成される筒状空間１９の下端部に配置されており、筒状空間１９に連通している。
排気管２０のマニホールド１７との接続側と反対側である下流側には、圧力検出器としての圧力センサ２１および圧力調整装置２２を介して真空ポンプ等の真空排気装置２３が接続されており、処理室１６内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。
圧力調整装置２２および圧力センサ２１には圧力制御部２４が、電気配線Ｂによって電気的に接続されている。圧力制御部２４は圧力センサ２１により検出された圧力に基づいて圧力調整装置２２により処理室１６内の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

マニホールド１７の下方には、マニホールド１７の下端開口を気密に閉塞する炉口蓋体としてのシールキャップ２５が設けられている。シールキャップ２５はマニホールド１７の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。
シールキャップ２５は例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ２５の上面には、マニホールド１７の下端と当接するシール部材としてのＯリング２６が設けられる。

シールキャップ２５はプロセスチューブ１３の外部に垂直に設備された昇降機構としてのボートエレベータ２７によって垂直方向に昇降されるように構成されており、これにより後述するボートを処理室１６に対し搬入搬出することが可能となっている。

シールキャップ２５の処理室１６と反対側には、ボートを回転させる回転機構２８が設置されている。回転機構２８の回転軸２９はシールキャップ２５を貫通して、後述するボートに接続されており、ボートを回転させることでウエハ１を回転させるように構成されている。
回転機構２８およびボートエレベータ２７には、駆動制御部３０が電気配線Ａによって電気的に接続されており、所望の動作をするよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

シールキャップ２５にはガス導入部としてのノズル３１が処理室１６内に連通するように接続されており、ノズル３１にはガス供給管３２が接続されている。
ガス供給管３２のノズル３１との接続側と反対側である上流側には、ガス流量制御器としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ）３３を介して図示しない処理ガス供給源や不活性ガス供給源が接続されている。
ＭＦＣ３３にはガス流量制御部３４が、電気配線Ｃによって電気的に接続されている。ガス流量制御部３４は供給するガスの流量が所望の量となるよう所望のタイミングにて、ＭＦＣ３３を制御するように構成されている。

プロセスチューブ１３内には、温度検出器としての温度センサ３５が設置されている。ヒータ１１と温度センサ３５には、温度制御部３６が電気配線Ｄによって電気的に接続されている。
温度制御部３６は温度センサ３５により検出された温度情報に基づきヒータ１１への通電具合を調整することにより、処理室１６内の温度が所望の温度分布となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

圧力制御部２４、駆動制御部３０、ガス流量制御部３４、温度制御部３６は、操作部、入出力部をも構成しており、ＣＶＤ装置全体を制御する主制御部３７に電気的に接続されている。
圧力制御部２４、駆動制御部３０、ガス流量制御部３４、温度制御部３６および主制御部３７はコントローラ３８として構成されている。

基板保持具としてのボート４０は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる上下の端板４１、４２や複数本の保持柱４３が使用されて、全体的にみると長い円筒形状になるように構築されており、保持柱４３には多数条のスロット（保持溝）４４が長手方向（垂直方向）に等間隔に配列されている。
ウエハ１の周縁部が同一段の複数個のスロット４４に同時に挿入されることにより、ボート４０は複数枚のウエハ１を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。
なお、ボート４０の下部には、断熱部材としての断熱板４５が水平姿勢で多段に複数枚配置されている。断熱板４５は例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料が使用されて、円板形状に形成されており、ヒータ１１からの熱がマニホールド１７側に伝わり難くなるよう構成されている。

次に、以上の構成に係る処理炉１０を用いて、ＣＶＤ法によりウエハ１の上に薄膜を形成する方法について説明する。
なお、以下の説明において、ＣＶＤ装置を構成する各部の動作はコントローラ３８により制御される。

複数枚のウエハ１がボート４０に装填（ウエハチャージ）されると、図１に示されているように、複数枚のウエハ１を保持したボート４０は、ボートエレベータ２７によって持ち上げられて処理室１６に搬入（ボートローディング）される。
この状態で、シールキャップ２５はＯリング２６を介してマニホールド１７の下端をシールした状態となる。

処理室１６内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置２３によって真空排気される。この際、処理室１６内の圧力は圧力センサ２１で測定され、この測定された圧力に基づき、圧力調整装置２２がフィードバック制御される。
また、処理室１６内が所望の温度となるようにヒータ１１によって加熱される。
この際、処理室１６内が所望の温度分布となるように温度センサ３５が検出した温度情報に基づきヒータ１１への通電具合がフィードバック制御される。
続いて、回転機構２８によってボート４０が回転されることにより、ウエハ１が回転される。

次いで、処理ガス供給源から供給される。ＭＦＣ３３にて所望の流量となるように制御されたガスは、ガス供給管３２を流通してノズル３１から処理室１６内に導入される。
導入されたガスは処理室１６内を上昇し、インナチューブ１５の上端開口から筒状空間１９に流出して排気管２０から排気される。
ガスは処理室１６内を通過する際にウエハ１の表面と接触し、この際に熱ＣＶＤ反応によってウエハ１の表面上に薄膜が堆積（デポジション）される。

予め設定された処理時間が経過すると、不活性ガス供給源から不活性ガスが供給され、処理室１６内が不活性ガスに置換されるとともに、処理室１６内の圧力が常圧に復帰される。

その後、ボートエレベータ２７によりシールキャップ２５が下降されて、マニホールド１７の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ１がボート４０に保持された状態でマニホールド１７の下端からプロセスチューブ１３の外部に搬出（ボートアンローディング）される。
その後、処理済ウエハ１はボート４０より取り出される（ウエハディスチャージ）。

ところで、ＣＶＤ装置において有機系液体材料を使用してＣＶＤ膜をウエハに形成した場合には、ボートのボトム領域においてウエハの中心部が周辺部よりも膜厚が厚くなり、ウエハ面内の膜厚均一性がボートのセンタ領域のそれと比較して悪化するという現象が、本発明者によって発見された。
本発明者は、この現象が起こるのは、ボトム領域では他の領域に比較してガスが過剰に供給されているためであると、考察した。
この考察に基づいて、本発明者は、以下に述べる究明を行った。

第一に、ＴＥＯＳ酸化膜の成膜評価を図２と図３に示されているように実施した。
ＴＥＯＳ酸化膜の成膜条件は、次の通りである。
処理炉の温度：６８０℃、処理炉内圧力：６６．５Ｐａ、ＴＥＯＳ流量：４００ｓｃｃｍ（スタンダード立方センチメートル分）、ＤＥＰＯ（堆積）時間：１８分。
なお、有機系液体材料を気化させたＴＥＯＳガスは、ボート４０の製品ウエハが配列される第一領域よりも上流側にある第二領域であるボトム領域よりも上流側に配されたノズル３１から供給した。
また、ボート４０の製品ウエハが配列される第一領域よりも下流側である第三領域にもサイドダミーウエハを配列した。

図２（ａ）に示されているように、ボート４０の下側のサイドダミーウエハを１０枚全て挿入した場合には、ボート４０のボトム領域に配置されたボトムモニタウエハの膜厚面内均一性は、図２（ｂ）に示されているように、±２．５０％であり、ウエハの中心部の膜厚が周辺部に比較して厚い傾向がある。
次に、全く同じ条件で、図３（ａ）に示されているように、ボート４０の製品ウエハが配列される第一領域よりも上流側にある第二領域であるボトム領域のサイドダミーウエハを最上流側から７枚減らして（１スロット目から７スロット目までを空として）３枚だけ残して（８スロット目から１０スロット目までにサイドダミーウエハを装填して）、ＴＥＯＳ酸化膜の成膜を実施した結果、図３（ｂ）に示されているように、ボトムモニタウエハの膜厚面内均一性はウエハの中心部と周辺部との膜厚差が緩和され、±１．７９％に改善された。

第二に、ＢＴＢＡＳ窒化膜の成膜評価を図４と図５に示されているように実施した。
ＢＴＢＡＳ窒化膜の成膜条件は、次の通りである。
処理炉の温度：５７５℃、処理炉内圧力：２４Ｐａ、ＢＴＢＡＳ流量：９０ｓｃｃｍ、ＤＥＰＯ時間：３０分。
第一の場合と同様に、有機系液体材料を気化させたＢＴＢＡＳガスは、ボート４０の製品ウエハが配列される第一領域よりも上流側にある第二領域であるボトム領域よりも上流側に配されたノズル３１から供給した。
また、ボート４０の製品ウエハが配列される第一領域よりも下流側である第三領域にもサイドダミーウエハを配列した。

図４（ａ）に示されているように、ボート４０の下側のサイドダミーウエハを１０枚全て挿入した場合には、ボトムモニタウエハの膜厚面内均一性は、図４（ｂ）に示されているように、±２．７２％であり、ウエハの中心部の膜厚が周辺部に比較して厚い傾向がある。
同じ条件で、図５（ａ）に示されているように、第二領域であるボート４０のボトム領域のサイドダミーウエハを最上流側から６枚減らして（１スロット目から６スロット目までを空として）４枚だけ残して（７スロット目から１０スロット目までにサイドダミーウエハを装填して）、ＢＴＢＡＳ窒化膜の成膜を実施した結果、図５（ｂ）に示されているように、ボトムモニタウエハの膜厚面内均一性はウエハの中心部と周辺部との膜厚差が緩和され、±１．２０％に改善された。

以上のように、製品ウエハが配列されるボート４０の第一領域よりも上流側にあるボート４０の第二領域であるボトム領域におけるサイドダミーウエハの枚数を減らして、この部分のボート４０のスロット４４を空にして、ボート下側の最上流側すなわちサイドダミーウエハよりも上流側に空間を設けることにより、ボトム領域のウエハの膜厚面内均一性を向上させることができる。
これは、上流側のサイドダミーウエハよりも上流側にある程度広い空間を設けることにより、原料ガスが充分にミキシングされて分解され、原料ガスが高濃度（過剰な状態）とならないからと、考えられる。
この空間が狭い（充分でない）場合には、原料ガスが充分にミキシングされずに分解されないために、原料ガスが高濃度（過剰な状態）となり、ボトム領域においてウエハ中央部の膜厚が盛り上がり均一性の悪化の原因となる。
この傾向は、有機系液体材料を気化させた有機系原料ガスを用いる場合に、顕著に見られる。
上流側のサイドダミーウエハよりも上流側に設ける空間は、原料ガスが充分にミキシングされて分解する程度の大きさとする必要があり、少なくとも、上流側のサイドダミーウエハ（３〜４枚）が配列される空間の倍程度すなわち少なくとも６〜８枚のウエハが配列される空間に相当する程度の広さとする必要がある。
このように、ダミーウエハの使用枚数を低減することにより、ＣＶＤ装置のランニングコストを削減することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

成膜処理はＴＥＯＳ酸化膜やＢＴＢＡＳ窒化膜を形成する処理に限らず、他の酸化膜や窒化膜、さらには、金属膜および半導体膜（例えば、ポリシリコン膜）等の他のＣＶＤ膜を形成する処理であってもよい。

ＣＶＤ装置はバッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置に限らず、横形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置等の他のＣＶＤ装置であってもよい。

本発明に係る半導体装置の製造方法はＣＶＤ装置を使用する場合に限らず、酸化膜形成装置や拡散装置およびアニール装置等を使用する場合にも適用することができる。

前記実施の形態ではウエハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

本発明の一実施の形態であるＩＣの製造方法の成膜工程に使用されるＣＶＤ装置の処理炉を示す正面断面図である。 ウエハ配列とウエハ面内膜厚均一性との関係を究明するＴＥＯＳ酸化膜の評価のための比較例の場合を示しており、（ａ）はウエハ配列を示す模式図、（ｂ）はウエハ面内膜厚分布図である。 本発明の一実施の形態の場合を示しており、（ａ）はウエハ配列を示す模式図、（ｂ）はウエハ面内膜厚分布図である。 ＢＴＢＡＳ窒化膜の評価のための比較例の場合を示しており、（ａ）はウエハ配列を示す模式図、（ｂ）はウエハ面内膜厚分布図である。 本発明の一実施の形態の場合を示しており、（ａ）はウエハ配列を示す模式図、（ｂ）はウエハ面内膜厚分布図である。

符号の説明

１…ウエハ（基板）、１０…処理炉、１１…ヒータ（加熱機構）、１２…ヒータベース、１３…プロセスチューブ（反応管）、１４…アウタチューブ（外部反応管）、１５…インナチューブ（内部反応管）、１６…処理室、１７…マニホールド、１８…Ｏリング（シール部材）、１９…筒状空間、２０…排気管、２１…圧力センサ（圧力検出器）、２２…圧力調整装置、２３…真空排気装置、２４…圧力制御部、２５…シールキャップ（炉口蓋体）、２６…Ｏリング（シール部材）、２７…ボートエレベータ、２８…回転機構、２９…回転軸、３０…駆動制御部、３１…ノズル（ガス導入部）、３２…ガス供給管、３３…ＭＦＣ（ガス流量制御器）、３４…ガス流量制御部、３５…温度センサ（温度検出器）、３６…温度制御部、３７…主制御部、３８…コントローラ、４０…ボート（基板保持具）、４１、４２…端板、４３…保持柱、４４…スロット（保持溝）、４５…断熱板（断熱部材）。

Claims (1)

1. 複数枚の製品基板を複数枚のダミー基板と共に基板保持具によって保持するステップと、
   前記基板保持具にて保持した基板を処理室内に搬入するステップと、
   前記処理室内の一端側から処理ガスを供給してその反対側に流し、前記基板保持具にて保持した基板を前記処理室内で処理するステップと、
   処理後の基板を前記処理室より搬出するステップとを有し、
   前記基板保持具は、少なくとも前記製品基板が配列される第一領域と、前記第一領域よりも上流側に設けられる第二領域とを有し、前記第二領域における前記製品基板と隣接する部分に前記ダミー基板を配置し、それよりも上流側には前記ダミー基板を配置することなく空とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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