JP2007281083A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッチ式の成膜装置において、真空ポンプの下流側における排気路に反応生成物の付着防止用の希釈用のガスを流している状態で反応容器内を大気開放したときに、そのガスが反応容器に逆流することを防止できる技術を提供すること。
【解決手段】上記成膜装置の排気系は、真空ポンプの下流側の排気路に接続され、希釈用のガスを供給するガス供給路と、一端が前記排気路におけるメインバルブの上流側に接続されたバイパス路と、このバイパス路に設けられ、メインバルブが開いているときには閉じられているバルブと、前記ガス供給路に設けられると共に前記バイパス路の他端側が接続され、前記希釈用のガスを駆動ガスとしてバイパス路の他端側を吸引するエジェクタ方式の吸引手段と、で構成することで希釈用のガスの逆流を防止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、反応容器内に原料ガスを供給して減圧雰囲気下で基板に対して成膜処理を行い、成膜終了後はパージガスの供給により反応容器内を大気圧に復帰させ、反応容器を大気に開放した後もパージガスを反応容器内に供給する成膜装置及び成膜方法に関する。

半導体デバイスの製造装置の一つとして、半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）を多段に載置したウエハ保持具を縦型の石英製の反応容器内に搬入し、減圧雰囲気下で原料ガスを分解あるいは反応させて成膜処理を行う縦型熱処理装置である成膜装置が用いられている。

この縦型熱処理装置の排気系の構成について図５を用いて説明すると、反応容器１１のガス排出口には上流側からメインバルブＭＶ、真空ポンプＰ１、トラップ装置１２が設けられた排気路１４が接続され、この排気路１４の下流側には除害装置１３が設けられている。前記真空ポンプＰ１の下流側の排気路１４には、当該排気路１４中における例えばＳｉＮ膜の成膜反応の副生成物である塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）の付着を抑えるために希釈用のガス例えばＮ_２ガスを供給するためのガス供給路１５が接続されており、このガス供給路１５にはＮ_２ガスを加熱するための加熱器１６が介設されている。また前記排気路１４は、メインバルブＭＶ及び真空ポンプＰ１を迂回するバイパス路１７が設けられており、当該バイパス路１７にはバルブＶ１と、他端側から一端側に向かうガス流を阻止するための逆止弁１８と、が介設されている。

上述した排気系における動作手順について簡単に説明すると、成膜終了後はメインバルブＭＶを閉じて、反応容器１１内にパージガス例えばＮ_２ガスを供給して反応容器１１内を大気圧に復帰させる。そして反応容器１１を大気圧に復帰させた後はバルブＶ１を開け、反応容器１１内にパージガスを供給し、当該パージガスはバイパス路１７から排気される。

一方、ＳｉＮ膜の成膜プロセスの一つとして、例えば特許文献１には、シラン系のガス例えばジクロロシラン（ＤＣＳ）ガスを基板に吸着させ、次いで処理雰囲気を真空引きした後、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを基板に吸着させてＤＣＳガスの成分とＮＨ_３ガスの成分とをウエハ上で反応させて、反応生成物である分子層を形成し、以後ＤＣＳガスとＮＨ_３ガスとを交互に基板に吸着させることにより分子層を多層に積層していく手法が知られている（分子堆積法）。この手法によれば吸着工程の繰り返し回数を設定することにより精度良く膜厚を制御できる利点がある。

しかしこの方法はＤＣＳガス及びＮＨ_３ガスを交互に多量に供給するため、各ガスが未反応のままトラップ装置１２の下流側に達し、後続の原料ガスに追いつかれて排気路１４にＳｉＮ膜の成膜反応の副生成物である塩化アンモニウムが多量に付着し、これにより正常な真空排気ができなくなってしまう。このようなことを防ぐために、加熱器１６によって加熱された希釈用のガス例えばＮ_２ガスを、ガス供給路１５を介してトラップ装置１２の下流側の排気路１４に流している。

また成膜処理後、つまり反応容器１１を大気圧に復帰させて、反応容器１１を大気に開放しているときにも前記希釈用のＮ_２ガスを流すようにしている。その理由は、除害装置１３には複数の減圧ＣＶＤ装置の排気路が接続されているため、成膜処理時のみ希釈用のＮ_２ガスを流すと、除害装置１３に導入されるガスの量が多い時と少ない時とがあるため、つまり除害装置１３に導入されるガスの量が変動するため、除害装置１３の燃焼状態が変わってしまうおそれがあるからである。

したがって、反応容器１１内にパージガスを供給し、当該パージガスをバイパス路１７から排気させているときにも真空ポンプＰ１の下流側に希釈用のＮ_２ガスを流しているので、バイパス路１７の下流側が陽圧になり易い。またバイパス路１７に介設された逆止弁１８は、差圧が小さい時には機能しないため、バイパス路１７の下流側が陽圧になった時には希釈用のＮ_２ガスの逆流が起こる。反応容器１１からウエハボートを搬出した後は、キャップにより反応容器１１の炉口を閉じる場合があるが、この場合にはキャップが内圧により押されて隙間が形成され、そこからガスがローディングエリアに吹き出して、パーティクル汚染の要因になっていた。またキャップがない場合においても反応容器１１内からローディングエリアに向かう下降流が形成され、この場合もパーティクル汚染の要因になる。

また、真空ポンプＰ１の下流側の排気路１４とバイパス路１７とが合流する部分には、プロセス時における排気路１４からのガスの入り込みにより、反応副生成物が堆積するため、この部分が閉塞されることでバイパス路１７が機能しなくなるおそれがあり、メンテナンス作業の頻度が多かった。

特開２００４−３４３０１７（図１）

本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、バッチ式の成膜装置において、真空ポンプの下流側における排気路に反応生成物の付着防止用の希釈用のガスを流している状態で反応容器内を大気開放したときに、その希釈用のガスが反応容器に逆流することを防止できる技術を提供することにある。

本発明は、上流側からメインバルブ及び真空ポンプが設けられた排気路が反応容器に接続され、この反応容器内に原料ガスを供給して減圧雰囲気下で基板に対して成膜処理を行い、成膜終了後にはメインバルブを閉じると共にパージガスの供給により反応容器内を大気圧に復帰させ、反応容器を大気に開放した後もパージガスを反応容器内に供給する成膜装置において、
真空ポンプの下流側の排気路に接続され、当該排気路中における反応生成物の付着を抑えるために希釈用のガスを供給するガス供給路と、
一端が前記排気路におけるメインバルブの上流側に接続されたバイパス路と、
このバイパス路に設けられ、メインバルブが開いているときには閉じられているバルブと、
前記ガス供給路に設けられると共に前記バイパス路の他端側が接続され、前記希釈用のガスを駆動ガスとしてバイパス路の他端側を吸引するエゼクタ方式の吸引手段と、を備えたことを特徴とする。

前記成膜処理は、例えばシラン及び塩素を含む化合物とアンモニアとを反応させてシリコン窒化膜を成膜する処理である。また成膜処理は、例えば第１の原料ガスと、この第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスとを交互に反応容器内に複数サイクル供給することにより行われる。

また本発明は、反応容器に排気路が接続されると共にこの排気路に上流側からメインバルブ及び真空ポンプがこの順に設けられた成膜装置を用いて、反応容器内の基板に減圧雰囲気下で成膜処理を行う方法において、
成膜処理中に真空ポンプの下流側の排気路に反応副生成物の付着を抑えるために希釈用のガスを供給する工程と、
成膜処理が終了した後、前記メインバルブを閉じると共に、前記希釈用のガスを排気路に供給し続けたまま、反応容器内にパージガスを供給して大気圧に復帰させ、その後も反応容器内に大気の巻き込みを抑えるためにパージガスを供給する工程と、
この工程を行っているときに、一端が前記排気路におけるメインバルブの上流側に接続されたバイパス路の他端側を、前記希釈用のガスの供給路に設けられたエゼクタ方式の吸引手段により当該希釈用のガスを駆動ガスとして吸引すると共にこのバイパス路に設けられたバルブを開いた状態にしておく工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、真空ポンプの下流側の排気路に接続された希釈用のガスの供給路にエゼクタ方式の吸引手段を設け、真空ポンプを迂回するバイパス路の他端側に前記吸引手段に接続して、希釈用のガスを駆動ガスとしてバイパス路を吸引している。従って大気圧に復帰した反応容器内にパージガスを供給し、バイパス路から排気させているときにバイパス路側が陽圧になるおそれがない。このため希釈用のガスの逆流を防止することができ、反応容器の炉口がキャップで閉じられているときに内圧が大きくなってキャップからガスが吹き出したり、また反応容器の炉口が開いているときにも逆流作用に起因してガスが降りてくるといったこともなく、パーティクルの発生を防止できる。

また、バイパス路の他端側は吸引手段に接続されていることから、排気路から当該他端側にガスが回り込んで、反応生成物が付着するという問題も解決される。

本発明の実施の形態に係る縦型熱処理装置である成膜装置について説明する。図１中の２は例えば石英により縦型の円筒状に形成された反応容器である。この反応容器２の下面には、例えばステンレススチールにより円筒状に形成されたマニホールド３がＯリング等のシール部材３１を介して連結されている。前記マニホールド３の下端は、搬入出口（炉口）として開口され、その開口部３２の下方には、開口部３２を気密に閉塞する、例えば石英製の蓋体３３が図示しない昇降機構により昇降自在に構成されたボートエレベータ３４により上下方向に開閉可能に設けられている。前記蓋体３３の中央部には回転軸３５が貫通して設けられ、その上端部には複数枚の被処理基板であるウエハＷを棚状に保持する基板保持具であるウエハボート４が搭載されている。前記回転軸３５の下部には、当該回転軸３５を回転させる駆動部をなすモータＭが設けられており、従ってウエハボート４はモータＭにより回転することになる。

前記マニホールド３の側壁には、Ｌ字型のガス供給管４０が挿入して設けられており、前記ガス供給管４０の先端部には、反応容器２内を上方向へ延びる石英管よりなるガス供給ノズル４１が設けられている。このガス供給ノズル４１には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス吐出孔４１ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス吐出孔４１ａから水平方向に向けて略均一にガスを吐出できるようになっている。またガス供給管４０の他端側は、供給制御部４２を介して複数例えば２個の成膜ガス供給源４３，４４と、パージガス供給源４５に接続され、前記ガス供給管４０、ガス供給ノズル４１を介して反応容器２の中に成膜に必要なガスを供給できるようになっている。前記供給制御部４２は、バルブＶ１１〜Ｖ１３、流量調整部Ｍ１〜Ｍ３等を含む供給制御機器群により構成されている。この例では成膜ガス供給源４３，４４は夫々ＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロロシラン：ＤＣＳ）ガス、アンモニア（ＮＨ_３）ガスの供給源である。また前記パージガス供給源４５は、不活性ガス例えばＮ_２ガス等の供給源である。なお、パージガスは不活性ガスに限られない。

また前記反応容器２には、反応容器２内の雰囲気を真空排気するために、処理容器２の側壁を例えば上下方向へ削りとることによって形成した細長い排気口６０が形成されている。この排気口６０にはこれを覆うようにして石英よりなる断面コ字状に形成された排気カバー部材６１が溶接により取り付けられている。この排気カバー部材６１は、前記反応容器２の側壁に沿って上方に延びて、反応容器２の上方側を覆うように構成されており、当該排気カバー部材６１の天井側にはガス排出口６２が形成されている。また図１に示すように反応容器２の外周を囲むようにして、反応容器２及び反応容器２内のウエハＷを加熱する加熱手段である筒状体のヒータ６３が設けられている。

次にこの成膜装置の排気系の構成について図１を用いて説明すると、前記反応容器２のガス排出口６２には上流側からメインバルブＭＶ、真空ポンプＰ１、トラップ装置７０が設けられた排気路７２が接続され、この排気路７２の下流側には除害装置７１が設けられている。前記真空ポンプＰ１の下流側の排気路７２には、当該排気路７２中における後述するＳｉＮ膜の成膜反応の副生成物である塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）の付着を抑えるために希釈用のガスを供給するためのガス供給路７３の一端側が接続されており、前記ガス供給路７３の他端側は例えば既述のパージガス供給源４５に接続されている。またこのガス供給路７３には後述するエゼクタ方式の吸引手段８と、希釈用のガスを加熱するための加熱器７４と、が設けられている。

前記排気路７２のメインバルブＭＶの上流側には、バイパス路７５の一端側が接続されており、前記バイパス路７５の他端側は前記吸引手段８を介して前記ガス供給路７３に接続されている。また前記バイパス路７５にはバルブＶ１と、他端側から一端側に向かうガス流を阻止するための逆止弁７６と、が介設されている。

続いて図２を用いてエゼクタ方式の吸引手段８の構成について説明する。この吸引手段８は、図２に示すように、エゼクタ本体８１と、前記エゼクタ本体８１に着脱可能に取り付けられたノズル８２と、前記エゼクタ本体８１に内装されたディフューザー８３とを備えている。前記ノズル８２の周囲にはガス流入室８７をなす空間が形成され、ディフューザー８３の入口は、このガス流入室８７に、ノズル８２と対向するように開口している。またガス流入室８７の側面にはバイパス路７５が接続されている。このような吸引手段８においては、ガス供給路７３からノズル本体８２の流路部に希釈用のガスを供給すると、当該ガスはノズル８２から噴出し、低圧超音速流となり、バイパス路７５からガス流入室８７に供給されるパージガスが吸い込まれる。両方のガスは、ディフューザー８３の前半部で混合し、後半部では速度を減じて昇圧しつつガス供給路７３へと流れる。この例では、パージガス供給源４５から供給される希釈用のガスが前記吸引手段８の駆動ガスとして用いられている。

次に上述の実施の形態の作用について説明を行う。図３は各工程と反応容器２内の圧力とメインバルブＭＶの状態とを対応させた図である。先ず、多数枚この例では５０枚の３００ｍｍサイズのウエハＷが多段に載置されたウエハボート４を予め所定の温度に設定された反応容器２内に、その下方より上昇させて搬入（ロード）して、蓋体３３でマニホールド３の下端開口部３２を閉じることにより反応容器２内を密閉する。

反応容器２内にウエハボート４が搬入された後、バイパス路７５に介設されているバルブＶ１を閉じて、排気路７２に介設されているメインバルブＭＶを開けて、反応容器２内を真空ポンプＰ１によって真空引きし、反応容器２内を所定の真空度にする。次いでガス供給ノズル４１より反応容器２内にＤＣＳガス及びＮ_２ガスを供給し、回転しているウエハボート４の棚状に保持されているウエハＷの表面にＤＣＳの分子を吸着させる。その後、ＤＣＳガスの供給を止め、反応容器２内にはＮ_２ガスを供給し続け、反応容器２内をＮ_２パージする。次いで、ガス供給ノズル４１より反応容器２内にＮＨ_３ガス及びＮ_２ガスを供給し、アンモニア（ＮＨ_３）ガスをウエハＷに吸着させてＤＣＳガスの成分とＮＨ_３ガスの成分とをウエハＷ上で反応させて、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）の分子層を形成させる。その後、ＮＨ_３ガスの供給を止め、反応容器２内にはＮ_２ガスを供給し続け、反応容器２内をＮ_２パージする。このような一連の工程を繰り返すことで、ウエハＷの表面にＳｉＮ膜の薄膜が一層ずつ積層され、ウエハＷの表面に所望の厚さのＳｉＮ膜が形成される（分子層堆積法）。

またこの成膜処理時には、図４（ａ）に示すようにメインバルブＭＶが開いているので反応容器２内に供給されたプロセスガス及びパージガスは反応容器２のガス排出口６２から排気路７２を通ってトラップ装置７０に達し、このトラップ装置７０でＳｉＮ膜の成膜反応の副生成物である塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）が捕集されて取り除かれる。そしてＤＣＳガスとＮＨ_３ガスとが交互に排気路７２に流れるので、トラップ装置７０の下流側においても一方の原料ガスに他方の原料ガスが追い付いて塩化アンモニウムが生成されようとするが、希釈用のガスである加熱されたＮ_２ガスが流入するので各原料ガスが希釈され、排気路７２の内壁等への塩化アンモニウムの付着作用が抑えられる。希釈用のＮ_２ガスにより希釈された原料ガスは除害装置７１に導入され、この除害装置７１でこれらのガスを燃焼させた後、排出される。

しかる後、メインバルブＭＶを閉じ、反応容器２内にパージガスを供給し、反応容器２内が大気圧に復帰したときにバイパス路７５のバルブＶ１を開ける。これにより反応容器２内は大気圧状態に維持されながらパージガスが通流することになる。続いて、反応容器２内からウエハボート４を搬出（アンロード）して、ウエハボート４の待機位置においてウエハボート４に載置されている処理後のウエハＷと未処理のウエハＷとの積み替え作業が行われる。ウエハボート４を搬出した後は、図示しないキャップにより反応容器２の炉口が閉じられる。一方バルブＶ１を開けることにより図４（ｂ）に示すように反応容器２内に供給されたパージガスはバイパス路７５を通り、吸引手段８からガス供給路７３に流入し、排気路７２を介して排出される。

上述の実施の形態によれば、真空ポンプＰ１の下流側の排気路７２に接続された希釈用のガス供給路７３にエゼクタ方式の吸引手段８を設け、真空ポンプＰ１を迂回するバイパス路７２の他端側を前記吸引手段８に接続して、希釈用のガスを駆動ガスとしてバイパス路７５を吸引している。従って、大気圧に復帰した反応容器２内にパージガスを供給し、バイパス路７５から排気させているときにバイパス路７５側が陽圧になるおそれがない。このため希釈用のガスの逆流を防止することができ、反応容器２の炉口がキャップで閉じられているときに内圧が大きくなってキャップからガスが吹き出したり、また反応容器２の炉口が閉じているときにも逆流作用に起因してガスが降りてくるといったこともなくパーティクルの発生を防止できる。

また上述の実施の形態によれば、バイパス路７２の他端側は吸引手段８に接続されていることから、排気路７２から当該他端側にガスが回り込んで、ＳｉＮ膜の成膜反応の副生成物である塩化アンモニウムが付着するという問題も解決される。

なお、本発明はウエハボート４が搬出されているときに反応容器２の炉口をキャップで塞がない装置にも適用することができる。さらにまたバイパス路７５には逆止弁７６を設けない構成としてもよい。

また上述の実施の形態では、ＤＣＳ（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスとＮＨ_３ガスとを交互に供給するＭＬＤ処理により説明したが、本発明は同時にこれらのガスを供給する減圧ＣＶＤ装置に適用してもよいし、またＳｉＮ膜以外の成膜処理であってもよい。

本発明の実施の形態に係る成膜装置の一例を示す概略縦断面図である。 本発明の実施の形態に係るエゼクタ方式の吸引手段を示す概略断面図である。 前記成膜装置で実施される成膜処理を説明するための工程図である 本発明の実施の形態に係る成膜装置の作用を示す説明図である。 従来の成膜装置の一例を示す概略縦断面図である。

符号の説明

Ｗ 半導体ウエハ
Ｍ モータ
Ｐ１ 真空ポンプ
ＭＶ メインバルブ
Ｖ１ バルブ
２ 反応容器
３ マニホールド
４ ウエハボート
４５ パージガス供給源
６２ ガス排気口
７０ トラップ装置
７１ 除害装置
７２ 排気路
７３ ガス供給路
７４ 加熱器
７５ バイパス路
７６ 逆止弁
８ エゼクタ方式の吸引手段

Claims (6)

1. 上流側からメインバルブ及び真空ポンプが設けられた排気路が反応容器に接続され、この反応容器内に原料ガスを供給して減圧雰囲気下で基板に対して成膜処理を行い、成膜終了後にはメインバルブを閉じると共にパージガスの供給により反応容器内を大気圧に復帰させ、反応容器を大気に開放した後もパージガスを反応容器内に供給する成膜装置において、
   真空ポンプの下流側の排気路に接続され、当該排気路中における反応生成物の付着を抑えるために希釈用のガスを供給するガス供給路と、
   一端が前記排気路におけるメインバルブの上流側に接続されたバイパス路と、
   このバイパス路に設けられ、メインバルブが開いているときには閉じられているバルブと、
   前記ガス供給路に設けられると共に前記バイパス路の他端側が接続され、前記希釈用のガスを駆動ガスとしてバイパス路の他端側を吸引するエゼクタ方式の吸引手段と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
2. 前記成膜処理は、シラン及び塩素を含む化合物とアンモニアとを反応させてシリコン窒化膜を成膜する処理であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 成膜処理は、第１の原料ガスと、この第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスとを交互に反応容器内に複数サイクル供給することにより行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 反応容器に排気路が接続されると共にこの排気路に上流側からメインバルブ及び真空ポンプがこの順に設けられた成膜装置を用いて、反応容器内の基板に減圧雰囲気下で成膜処理を行う方法において、
   成膜処理中に真空ポンプの下流側の排気路に反応副生成物の付着を抑えるために希釈用のガスを供給する工程と、
   成膜処理が終了した後、前記メインバルブを閉じると共に、前記希釈用のガスを排気路に供給し続けたまま、反応容器内にパージガスを供給して大気圧に復帰させ、その後も反応容器内に大気の巻き込みを抑えるためにパージガスを供給する工程と、
   この工程を行っているときに、一端が前記排気路におけるメインバルブの上流側に接続されたバイパス路の他端側を、前記希釈用のガスの供給路に設けられたエゼクタ方式の吸引手段により当該希釈用のガスを駆動ガスとして吸引すると共にこのバイパス路に設けられたバルブを開いた状態にしておく工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
5. 前記成膜処理は、シラン及び塩素を含む化合物とアンモニアとを反応させてシリコン窒化膜を成膜する処理であることを特徴とする請求項４記載の成膜方法。
6. 成膜処理は、第１の原料ガスと、この第１の原料ガスと反応する第２の原料ガスとを交互に反応容器内に供給することにより行われることを特徴とする請求項４又は５に記載の成膜方法。
   
   

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