JP2010010280A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
特定の反応ガスの加熱不足によるウェーハ面内、ウェーハ間の膜厚不均一、及び膜質悪化を改善し、省スペースで安価な基板処理装置を提供する。
【解決手段】
基板５を収納し処理する反応室と、該反応室を画成する反応管２，３と、該反応管を収納するヒータ１と、前記反応室内にガスを導入するガス導入管８と、基板を前記反応室内で保持する基板保持具４と、前記ガス導入管に接続されて前記反応室内に設けられたノズル３３とを具備し、該ノズルは、内部流路と該内部流路の周囲に形成された外部流路を有する二重構造となっており、前記内部流路と前記外部流路は最上部で連通し、前記内部流路より導入されたガスは、該内部流路を上昇して最上部で折返し、前記外部流路を下降し、該外部流路の下部に設けられた排出口よりガスを前記反応室内に供給する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シリコンウェーハ等の半導体ウェーハ、ガラス基板等の基板に薄膜の生成処理、拡散処理、熱処理等の基板処理を行う基板処理装置に関するものである。

半導体装置を製造する工程の一部に基板に薄膜の生成処理、拡散処理、熱処理等を行う基板処理がある。又、基板処理を行う基板処理装置としては、基板（ウェーハ）を１枚ずつ処理する枚葉式の基板処理装置と、所要枚数のウェーハを一度に処理するバッチ式の基板処理装置とがあり、更にバッチ式の基板処理装置の１つとして、縦型処理炉を有し、処理炉中に基板（ウェーハ）を水平姿勢で上下方向に多段に保持して処理する縦型基板処理装置がある。

従来の縦型処理炉を図７に示す。

ヒータ１の内側に、反応管２と内部反応管３が同心で配置され、該内部反応管３は反応室を画成し、該反応室に基板保持具（以下、ボートと称す）４が収納され、該ボート４に所定枚数のウェーハ５が保持され、該ウェーハ５は前記ボート４に保持された状態で処理される様になっている。前記反応管２の下部には、石英製のアダプタ６が設置され、該アダプタ６を、前記内部反応管３の下端よりも下側から、１本以上のガス供給口７が貫通している。該ガス供給口７の外端にはガス導入管８が連通し、前記ガス供給口７の内端にはノズル９が連通している。又、前記内部反応管３の下端よりも上側から、ガス排気口１０が前記アダプタ６を貫通し、前記ガス排気口１０はガス排気管１１と連通している。前記ボート４は、図示しないボートエレベータによって昇降され、前記反応室に装脱される様になっている。

基板処理は、前記ヒータ１により前記ウェーハ５を所定温度に加熱し、前記ガス供給口７、前記ノズル９より反応ガスを反応室の下部に導入する。導入された反応ガスは、前記反応室を上昇し、前記反応管２と前記内部反応管３の間を下降して、前記ガス排気口１０より排出される。

基板処理に用いる反応ガスの中には、加熱して熱分解させる必要があるものもあり、反応ガスの加熱が不足すると、充分に熱分解しない状態でウェーハ５に供給されることによりウェーハ面内、ウェーハ間の膜厚の不均一及び膜質に斑が生じる。その為、特定の反応ガスを加熱する場合、従来は前記ガス導入管８の上流側に加熱部を設置して反応ガスを予備加熱していたが、専用の加熱部が必要となり、加熱部のスペースが必要であり、コストも高くなる。

前記ガス導入管８や、前記アダプタ６等の接続部には、Ｏリング等のシール部材が用いられるが、シール部材は耐熱温度が低く、更に予備加熱すると、該シール部材の熱劣化が生じやすい。更に、前記ガス導入管８からの熱伝達による周辺部材の熱劣化をどう防ぐかという断熱上の問題から、反応ガスの温度を２００℃程度迄にしか上げることができなかった。

又、特に反応ガスを予め熱分解させた後に成膜するプロセスに於いては、供給した反応ガスの温度が分解するのに充分な温度ではない為、前記ヒータ１で反応ガスを充分に加熱して分解する迄に前記ボート４下部のウェーハ５（ガス上流側のウェーハ）に到達してしまい、成膜される膜厚が薄くなってしまうという問題が生じていた。

尚、反応ガスを加熱する手段を具備する縦型ＣＶＤ膜生成装置として、特許文献１に示されるものがある。

特開平５−９３２７４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、特定の反応ガスの加熱不足によるウェーハ内、ウェーハ間の膜厚不均一、及び膜質を改善し、省スペースで安価な基板処理装置を提供するものである。

本発明は、基板を収納し処理する反応室と、該反応室を画成する反応管と、該反応管を収納するヒータと、前記反応室内にガスを導入するガス導入管と、基板を前記反応室内で保持する基板保持具と、前記ガス導入管に接続されて前記反応室内に設けられたノズルとを具備し、該ノズルは、内部流路と該内部流路の周囲に形成された外部流路を有する二重構造となっており、前記内部流路と前記外部流路は最上部で連通し、前記内部流路より導入されたガスは、該内部流路を上昇して最上部で折返し、前記外部流路を下降し、該外部流路の下部に設けられた排出口よりガスを前記反応室内に供給する基板処理装置に係るものである。

本発明によれば、基板を収納し処理する反応室と、該反応室を画成する反応管と、該反応管を収納するヒータと、前記反応室内にガスを導入するガス導入管と、基板を前記反応室内で保持する基板保持具と、前記ガス導入管に接続されて前記反応室内に設けられたノズルとを具備し、該ノズルは、内部流路と該内部流路の周囲に形成された外部流路を有する二重構造となっており、前記内部流路と前記外部流路は最上部で連通し、前記内部流路より導入されたガスは、該内部流路を上昇して最上部で折返し、前記外部流路を下降し、該外部流路の下部に設けられた排出口よりガスを前記反応室内に供給するので、簡単で安価且つ省スペースの装置で、反応ガスの加熱時間が増加し、反応ガスを充分加熱でき、基板の膜厚や膜質等の品質を高められるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

図１は本発明が実施される縦型基板処理装置の一例を示している。

図中、１２は筐体を示し、該筐体１２の正面には基板収納容器授受ステージであるポッド授受ステージ１３が配設され、該ポッド授受ステージ１３に密閉式の基板収納容器であるポッド１４が搬送される。該ポッド１４は所定枚数、例えば２５枚の基板（ウェーハ）５を収納し、開閉可能な蓋（図示せず）を具備している。

前記筐体１２の内部で、前記ポッド授受ステージ１３に対向する位置にはポッドオープナ１５が設けられ、該ポッドオープナ１５に隣接して基板枚数検出器１６が設けられ、前記ポッドオープナ１５の上方にはポッド格納棚１７が配設されている。前記ポッドオープナ１５、前記ポッド格納棚１７と前記ポッド授受ステージ１３の間にはポッド搬送装置１８が設けられている。

該ポッド搬送装置１８によって前記ポッドオープナ１５、前記ポッド格納棚１７、前記ポッド授受ステージ１３の間で前記ポッド１４が搬送される。前記ポッドオープナ１５は、載置された前記ポッド１４の蓋を開放するものであり、前記基板枚数検出器１６は前記ポッドオープナ１５に載置された前記ポッド１４内に収納されているウェーハ５の枚数を検出する。

前記筐体１２の内部で、前記ポッド格納棚１７の背面側には処理炉１９が設けられ、該処理炉１９の下方には基板保持具昇降手段であるボートエレベータ２１が配設されている。該ボートエレベータ２１と前記ポッドオープナ１５間には基板移載機２２が配設され、該基板移載機２２に対峙して基板姿勢整合手段であるノッチアライナ２３が設けられている。

前記ボートエレベータ２１は前記処理炉１９の下端開口部（炉口部）を気密に閉塞する炉口蓋２４を具備し、該炉口蓋２４には基板保持具であるボート４が載置され、前記ボートエレベータ２１は前記炉口蓋２４を昇降させることで、前記ボート４を前記処理炉１９に挿脱可能であり、前記ボート４の装入状態で前記炉口蓋２４は前記炉口部を気密に閉塞する。

前記基板移載機２２は、前記ポッドオープナ１５に載置された前記ポッド１４と前記ノッチアライナ２３と降下状態の前記ボート４との間でウェーハ５の移載を行い、前記ノッチアライナ２３は前記ウェーハ５に形成されたノッチ、又はオリエンテーションフラットを検出して前記ウェーハ５の姿勢を一定に整合するものである。

前記ボート４は、前記基板移載機２２によって１バッチ分の前記ウェーハ５が水平姿勢で多段に装填され、前記ボートエレベータ２１によって前記処理炉１９内に装入されることで、前記ウェーハ５は前記ボートエレベータ２１に保持された状態で処理される。

図２に於いて、前記処理炉１９の一例を説明する。尚、図２中、図７中で示したものと同等のものには同符号を付している。

前記処理炉１９は、炉体ベース２５に立設された円筒状のヒータ１と、該ヒータ１内に同心多重に配設された炭化珪素（ＳｉＣ）製の反応管２及び内部反応管３を有する。前記反応管２は、上端部が閉塞されて下端部が開放された円筒形状をしており、開放された下端部にフランジ部（以下、下端フランジと称す）２６が形成されている。又、前記内部反応管３は、前記反応管２の内部に配設され、上端部及び下端部が開放された円筒形状をしており、上端部は前記反応管２に触れない高さに位置し、下端部は前記下端フランジ２６よりも下部に位置している。

前記反応管２の下方には、該反応管２を支持する石英製のアダプタ６が配置される。該アダプタ６は上端部と下端部が開放された円筒形状をしており、開放された上端に上フランジ２７、下端部に下フランジ２８、及び中途部内面に内フランジ２９が形成されている。

前記上フランジ２７の上面に、前記下端フランジ２６の下面が当接し、前記内フランジ２９の上面に、前記内部反応管３の下端面が当接しており、前記反応管２、前記内部反応管３、前記アダプタ６により反応容器３１が構成されている。

前記反応容器３１の下部は、前記ボート４を装入する為に開放され、下端開口部（炉口部）を形成している。前記反応容器３１は、前記ボートエレベータ２１によって支持された前記炉口蓋２４が、Ｏリングを挾んで前記下フランジ２８の下面と当接することでシールされる。

前記炉口蓋２４は、前記ボート４を支持し、該ボート４と共に昇降可能に設けられている。前記炉口蓋２４と前記ボート４の間には、断熱部３２が設けられている。前記ボート４は、多数枚、例えば２５〜１００枚の前記ウェーハ５を略水平状態で隙間を以て多段に支持し、前記反応容器内３１に装入される。

１２００℃以上の高温での処理を可能とする為、前記反応管２は炭化珪素（ＳｉＣ）製としてある。該反応管２を炉口部まで延ばし、該炉口部をＯリングを介して前記炉口蓋２４でシールする構造とすると、前記反応管２を介して伝達された熱によりシール部まで高温となり、シール材料であるＯリングを溶かしてしまう虞がある。又、該Ｏリングを溶かさない様前記反応管２のシール部を冷却すると、該反応管２が温度差による熱膨張差によって破損してまう。

その為、前記反応容器３１のうち、前記ヒータ１による加熱領域をＳｉＣ製の前記反応管２で構成し、前記ヒータ１の加熱領域から外れた部分を石英製の前記アダプタ６で構成することで、前記反応管２からの熱の伝達を和らげ、Ｏリングを溶かすことなく、又前記反応管２を破損することなく炉口部をシールすることが可能となる。

又、ＳｉＣ製の前記反応管２と石英製の前記アダプタ６とのシールは、双方の面積精度をよくすれば、前記反応管２は前記ヒータ１の加熱領域に配置されている為に温度差は発生せず、等方的に膨張する。その為、前記下端フランジ２６は平面を保つことができ、前記アダプタ６との間に隙間ができないので、前記反応管２を前記アダプタ６に乗せるだけでシール性を確保することができる。

前記アダプタ６には、該アダプタ６と一体にガス供給口７とガス排気口１０が設けられている。又、前記ガス供給口７にはガス導入管８が、前記ガス排気口１０にはガス排気管１１がそれぞれ接続されている。又、前記ガス供給口７は前記内フランジ２９と前記下フランジ２８の間に位置し、前記ガス排気口１０は前記上フランジ２７と前記内フランジ２９の間に位置する。

前記ガス供給口７と連通した石英製のノズル３３は、前記ボート４と前記内部反応管３の間を垂直に延びるＬ字形状となっている。又、前記ノズル３３は前記ガス供給口７に対して着脱可能であり、取外して交換が可能である。

次に図３〜図６を参照に、前記ノズル３３の形状について説明する。

図３〜図６に示された該ノズル３３の断面形状は、円形の内管３４を、同心に設けられた外管３５が覆う形となっており、該外管３５の断面形状は、長円形状となっており、平行する直線及び直線の両端が円弧で結ばれた形状となっている。

円形の断面形状を持つ前記内管３４は、前記ガス供給口７と連通し、垂直方向に延びるＬ字状をしている。前記内管３４は途中で細くなり、細くなった円筒形状の該内管３４を長円筒形状の前記外管３５が覆っている。又、前記内管３４と前記外管３５とは同心であり、該外管３５の短径部分の面と、前記内管３４の外面の間に固定ブロック３６が少なくとも前記内管３４の上下２箇所に設けられ、前記固定ブロック３６により前記内管３４と前記外管３５とが固定されている。

該外管３５の上端は、天板３７で閉塞され、前記外管３５下部には１つの排出孔３８が穿設されている。又、該排出孔３８は、前記ヒータ１の加熱領域よりも下方に位置する。

前記内管３４は上端が開放されており、該内管３４の上端は、前記外管３５の上端より低くなっている。前記内管３４の上端は、前記天板３７の下面よりも下に位置する為、前記内管３４の上端と前記天板３７との間には空間４２が形成される。前記内管３４の内側の空間（以下、内部流路と称す）３９と、該内管３４の外側と前記外管３５の内側の間の空間（以下、外部流路と称す）４１とは前記空間４２で連通している。

ここで、長さの異なる複数の前記ノズル３３を用意し、交換することで、前記ヒータ１の加熱領域内にある前記ノズル３３の上下方向の長さを調節できる。この為、必要に応じて該ノズル３３を交換し、加熱領域内の該ノズル３３の長さを変えることにより、反応ガスの加熱時間を調整し、反応ガス温度を調整することが可能となる。更に、前記ノズル３３の上下方向の調節は、反応ガスの必要な分だけ加熱することができる為、前記ノズル３３が必要以上に長い場合と比較して、該ノズル３３の不要な部位への膜の付着を防止することができる。尚、前記ノズル３３の長さを調節し、交換したとしても、前記排出孔３８の位置は変化しないものとする。

反応ガスは、前記ガス導入管８、前記ガス供給口７より前記ノズル３３内の前記内部流路３９に導入される。導入された反応ガスは、前記内部流路３９を上昇し、前記空間４２で折返し、前記外部流路４１を降下し、前記排出孔３８より前記反応容器３１内部へ供給される。

該反応容器３１内部に供給された反応ガスは、反応室を上昇し、前記反応管２と前記内部反応管３の間を降下し、前記ガス排気口１０、ガス排気管１１より排出される。

前記ノズル３３を、特許文献１の様に折返しではなく二重構造としたので、流路長に比して外部面積を減少させることができ、特に成膜装置に於いて、成膜される部位が少なくなり、必要以上のガスが消費されることを防ぐことができる。又、外部形状が複雑ではない為、付着した膜の除去が容易にでき、メンテナンス性もよい。更に、前記内部流路３９よりも前記外部流路４１の表面積を大きくでき、受熱面積が大きくなり、加熱を促進できる。

又、断面が長円形状の前記外管３５の効果として、通常前記ボート４と前記内部反応管３間の径方向のスペースが取れない為、周方向のスペースを有効に使い、前記ノズル３３の流路面積を確保することにより、該ノズル３３の圧損が軽減され、反応ガスの供給量を確保することが可能となる。尚、本発明に於ける前記ノズル３３の断面形状は、円形や楕円形であってもよい。

本発明が実施される処理の一例を以下に示す。

Ｓｉ2 、Ｃｌ2 等のガスは、単独で成膜される為、前記ノズル３３を前記ヒータ１の加熱領域まで延伸して予備加熱せず、前記加熱領域よりも下部から導入すればよいが、Ｎ2 Ｏガス等の場合は、単独では成膜されない為、前記ノズル３３を前記加熱領域まで延伸し、予備加熱する必要がある。一方で、特にＮ2 Ｏガスの場合、一旦ガスがＮＯに分解すると、その後、若干低温になっても分解された状態を維持する為、反応室内の前記加熱領域で一旦ガスを予備加熱し、その後再び前記加熱領域より上流側までガスを戻す作用を奏する。更に、本発明のノズル３３を用いることにより、最下段のウェーハ５、即ち最上流側のウェーハ５にもガス分解後のガスにより均一に成膜できる。具体的なＣＶＤ処理として、Ｎ2 ＯガスとＳｉＨ2 Ｃｌ2 ガスを用いてＳｉＯ2 膜を形成させるプロセスがあり、この場合、Ｎ2 Ｏガスを本発明のノズル３３を用いて予備加熱する。

尚、本発明は、ガスの予備加熱が必要な処理である酸化、拡散、ＣＶＤ、アニール等の様々な基板処理に用いることができる。

本発明の基板処理装置は、基板の製造工程にも適用することができる。ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハの一種であるＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）ウェーハの製造工程の１工程に本発明の基板処理装置を適用する例について説明する。

先ずイオン注入装置等により単結晶シリコンウェーハ内へ酸素イオンを注入する。その後、酸素イオンが注入されたウェーハを上記実施の形態の基板処理装置を用いて、例えばＡｒ、Ｏ2 雰囲気の下、１３００℃〜１４００℃、例えば１３５０℃以上の高温でアニールする。これらの処理により、ウェーハ内部にＳｉＯ2 層が形成された（ＳｉＯ2 が埋込まれた）ＳＩＭＯＸウェーハが作製される。

又、ＳＩＭＯＸウェーハの他、水素アニールウェーハやＡｒアニールウェーハの製造の１工程に本発明の基板処理装置を適用することも可能である。この場合、ウェーハを本発明の基板処理装置を用いて、水素雰囲気中若しくはＡｒ雰囲気中で１２００℃以上の高温でアニールすることとなる。これによりＩＣ（集積回路）が作られるウェーハ表面層の結晶欠陥を低減することができ、結晶の完全性を高めることができる。又、この他、エピタキシャルウェーハの製造工程の１工程に本発明の基板処理装置を適用することも可能である。

以上の様な基板の製造工程の１工程として行う高温アニール処置を行う場合であっても、本発明の基板処理装置を適用することができる。

本発明の基板処理装置は、半導体装置（デバイス）の製造工程に適用することも可能である。特に、比較的高い温度で行う熱処理工程過程、例えば、ウェット酸化、ドライ酸化、水素燃焼酸化（パイロジェニック酸化）、ＨＣｌ酸化等の熱酸化工程や、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物（ドーパント）を半導体薄膜に拡散する熱拡散工程等に適用するのが好ましい。

この様な半導体デバイスの製造工程の１工程としての熱処理工程を行う場合に於いても、本発明の基板処理装置を適用することができる。

本発明の実施の形態に係る基板処理装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態を示す要部拡大図である。 図３のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の実施の形態を示す要部拡大縦断面図である。 本発明の実施の形態を示す要部拡大平断面図である。 従来の処理炉の縦断面図である。

符号の説明

１ ヒータ
２ 反応管
３ 内部反応管
４ ボート
５ ウェーハ
８ ガス導入管
１１ ガス排気管
１２ 筐体
１９ 処理炉
３１ 反応容器
３３ ノズル
３４ 内管
３５ 外管
３８ 排出孔
３９ 内部流路
４１ 外部流路

Claims (1)

1. 基板を収納し処理する反応室と、該反応室を画成する反応管と、該反応管を収納するヒータと、前記反応室内にガスを導入するガス導入管と、基板を前記反応室内で保持する基板保持具と、前記ガス導入管に接続されて前記反応室内に設けられたノズルとを具備し、該ノズルは、内部流路と該内部流路の周囲に形成された外部流路を有する二重構造となっており、前記内部流路と前記外部流路は最上部で連通し、前記内部流路より導入されたガスは、該内部流路を上昇して最上部で折返し、前記外部流路を下降し、該外部流路の下部に設けられた排出口よりガスを前記反応室内に供給することを特徴とする基板処理装置。

Images