JP2010034196A - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属汚染を防止することができる基板処理装置を提供する。
【解決手段】ウエハを処理する処理室１６を形成したインナチューブ１５と、インナチューブ１５の外周側に設けられたアウタチューブ１４との間を下端で区画するアダプタ５０を設ける。インナチューブ１５、アウタチューブ１４およびアダプタ５０は石英によって形成する。アダプタ５０のアウタチューブ１４との接続部分の鉛直方向の厚みより水平方向の厚みを厚くする。ガス供給管２６と接続されるポート部５１をアダプタ５０の外側壁に形成し、ポート部５１からインナチューブ１５内まで貫通孔５２を形成し、貫通孔５２にガス供給ノズル５３を接続する。アダプタによる金属汚染の発生を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板処理装置および半導体装置の製造方法に関する。
例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に酸化膜や金属膜や半導体膜を形成する成膜、アニール、酸化、拡散およびリフロー等の熱処理（thermal treatment ）に使用される熱処理装置（furnace ）に利用して有効なものに関する。

ＩＣの製造方法において、窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）や酸化シリコン（ＳｉＯｘ）およびポリシリコン等をウエハに堆積（デポジション）するのに、熱処理装置の一例であるバッチ式縦形ホットウオール形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ＣＶＤ装置（以下、ＣＶＤ装置という。）は、アウタチューブと、アウタチューブの内側に設けられて処理室を形成するインナチューブと、アウタチューブ内を加熱する加熱装置（ヒータ）と、アウタチューブおよびインナチューブを載置し処理室を排気する排気管および処理室にガスを供給するガス導入管が接続されたマニホールドと、複数枚のウエハを垂直方向に整列させて保持して処理室に搬入するボートとを備えている。
そして、複数枚のウエハを保持したボートが処理室に下端の炉口から搬入（ボートローディング）され、処理室に成膜ガスがガス導入管から供給されるとともに、加熱装置によって処理室が加熱されることにより、ウエハの上にＣＶＤ膜が堆積される。

従来のこの種のＣＶＤ装置においては、特許文献１のように、マニホールド（炉口フランジ）は金属（耐蝕性の高いニッケル合金等）によって形成されている。
金属製のマニホールドの場合には、板厚が薄く熱容量も小さいために、炉口外に放熱し易かった。また、金属製のマニホールドは不透明であるために、熱線が透過することがなく、加熱装置（ヒータ）からの輻射熱がマニホールドとシールキャップ等に設けられるＯリングへ直射されることはない。
特開２００５−２０９８１３号公報

しかし、金属製マニホールドを使用したＣＶＤ装置においては、ＩＣの微細化に伴って、金属製マニホールドからの金属の放出が問題となっており、金属汚染等に対する管理基準が厳格になって来ている。
一方、ＣＶＤ装置の稼働率向上の要求に応じるために、腐蝕ガスを用いたセルフクリーニング技術を導入し、処理室内の構成部品に付着した膜を除去することにより、メンテナンス時間の短縮および運転サイクルの長期化が図られている。
処理室下部の開口部は、ガスの供給や排気を行なう筒状リング、ガス供給ノズルの傾きを調整する部材、インナチューブを固定しシールする部材、これらを固定する部材等々が設けられているために、複雑な構造になっている。
このような構成部品からの汚染物質、前述したクリーニングガスによる金属材料の腐蝕により、金属汚染が厳格になった基準値を大きく上回ることがある。
これを抑えるために、処理室内表面に予め成膜するプリコーティングが実施されているが、プリコーティングは生産に寄与しない無駄な稼働時間になるので、ＣＶＤ装置の稼働率を低下させてしまう。

本発明の目的は、前記問題点を回避しつつ金属汚染を防止することができる基板処理装置を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）基板を処理する処理室を形成したインナチューブと、
該インナチューブの外周側に設けられたアウタチューブと、
非金属材によって形成され、前記インナチューブと前記アウタチューブとの間を下端で区画するアダプタと、を備えており、
該アダプタは、少なくとも前記アウタチューブとの接続部分の鉛直方向の厚みより水平方向の厚みを厚くするように形成されており、ガス供給管と接続するポート部が外側壁に形成され、少なくとも該ポート部から前記インナチューブ内まで貫通孔が形成されている基板処理装置。
（２）アウタチューブの内周側に配置されたインナチューブ内の処理室に基板を搬入する工程と、
非金属材によって形成され、前記インナチューブと前記アウタチューブとの間を下端で区画し、少なくとも前記アウタチューブとの接続部分の鉛直方向の厚みより水平方向の厚みを厚くするように形成されており、ガス供給管と接続するポート部が外側壁に形成され、少なくとも該ポート部から前記インナチューブ内まで貫通孔が形成されているアダプタの前記ポート部から前記処理室内にガスを供給しつつ前記基板を処理する工程と、
前記処理室内から前記基板を搬出する工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
（３）アウタチューブと、
該アウタチューブ内周側で処理室を形成し、底部が前記アウタチューブの下側まで達する鍔部を有するインナチューブと、を備えており、
前記インナチューブの鍔部は、前記処理室外から前記処理室内にガスを供給するガス供給路を形成し、前記鍔部と前記アウタチューブとの間で密閉部材を介して閉塞されている基板処理装置。
（４）前記アダプタは、硝子材によって形成される前記（１）の基板処理装置。
（５）前記アダプタは、石英材によって形成される前記（４）の基板処理装置。
（６）前記インナチューブおよび前記アウタチューブは、非金属材によって形成される前記（３）（４）の基板処理装置。
（７）前記インナチューブおよび前記アウタチューブは、硝子材によって形成される前記（４）の基板処理装置。
（８）前記インナチューブおよび前記アウタチューブは、石英材によって形成される前記（４）の基板処理装置。
（９）前記貫通孔は、前記インナチューブの内面に沿って立設されたガス供給ノズルに接続されている前記（１）の基板処理装置。
（１０）前記インナチューブは、前記鍔部および前記インナチューブの鉛直方向に延びる延在部にも前記貫通孔が形成されている前記（３）の基板処理装置。

前記した手段によれば、金属汚染を防止することができる。

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、本発明に係る基板処理装置は、ＩＣの製造方法における成膜工程を実施するＣＶＤ装置（バッチ式縦形ホットウオール形ＣＶＤ装置）として構成されている。

図１に示されているように、ＣＶＤ装置１０は加熱機構としてのヒータ１２を有する。ヒータ１２は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース１１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１２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１２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、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は石英（ＳｉＯ₂ ）によって形成されており、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いる。アウタチューブ１４はインナチューブ１５と同心円状に設けられている。
インナチューブ１５は石英によって形成されており、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の筒中空部は処理室１６を形成している。処理室１６はウエハ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とインナチューブ１５との隙間によって筒状空間１７が形成されている。

アウタチューブ１４の下方にはアダプタ５０が、アウタチューブ１４と同心円状に配設されている。アダプタ５０は非金属材としての石英が使用されて、円形リング形の扁平ブロック形状に形成されている。アダプタ５０はインナチューブ１５とアウタチューブ１４との間を下端で区画するように構成されている。すなわち、アダプタ５０はアウタチューブ１４との接続部分の鉛直方向の厚み５０Ｙより水平方向の厚み５０Ｘが厚くなるように形成されている。
アダプタ５０の外側壁にはガス供給管２６と接続するポート部５１が形成されており、ポート部５１からインナチューブ１５内まで貫通孔５２が形成されている。貫通孔５２はインナチューブ１５の内面に沿ってアダプタ５０に立設された円筒形状のガス供給ノズル５３に接続されている。
アダプタ５０の上にはアウタチューブ１４およびインナチューブ１５が載置されており、これらを支持している。アダプタ５０がヒータベース１１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とアダプタ５０により処理容器が形成される。
なお、アダプタ５０とアウタチューブ１４との間には、密閉部材としてのＯリング１８が設けられている。

アウタチューブ１４には排気管２０が設けられており、排気管２０は処理室１６内の雰囲気を排気する。排気管２０はアウタチューブ１４とインナチューブ１５との隙間によって形成された筒状空間１７の下端部に配置されており、筒状空間１７に連通している。
排気管２０の下流側には、排気路２０ａが接続されている。排気路２０ａの排気管２０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および圧力調整弁等開度を調整することにより圧力を調整する圧力調整装置２２を介して真空ポンプ等の排気装置２３が接続されている。排気装置２３は処理室１６内の圧力が所定の圧力（真空度）となるように排気する。
圧力センサ２１および圧力調整装置２２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を処理室１６内の圧力が所望の圧力となるように所望のタイミングをもって制御する。

ガス供給管２６のポート部５１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）２７を介してガス供給源２８が接続されている。ガス供給源２８は処理ガスや不活性ガスを供給する。
なお、図１には、１つのポート部５１、ガス供給管２６、ＭＦＣ２７、ガス供給源２８しか図示していないが、ポート部５１に接続されるガス供給管を１箇所以上、途中分岐し、１つ以上のＭＦＣ、ガス供給源をそれぞれに接続してもよいし、また、アダプタ５０にポート部５１を複数設けて、それぞれのポート部５１にガス供給管２６を接続してもよいし、さらに、該ガス供給管２６に１箇所以上分岐し、１つ以上のＭＦＣ、ガス供給源をそれぞれに接続してもよい。
ＭＦＣ２７にはガス流量制御部２９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２９は供給するガスの流量が所望の量となるように、ＭＦＣ２７を所望のタイミングをもって制御する。

アダプタ５０の下方には、処理室１６の下端開口を気密に閉塞可能な蓋体としてのシールキャップ３１が設けられている。シールキャップ３１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３１の処理室１６側にはシールキャップカバー３１Ａが設けられている。シールキャップカバー３１Ａはシールキャップ３１を覆うことで金属部分を処理室１６側にむき出さないように構成されており、例えば、石英等の非金属材料によって形成されている。シールキャップカバー３１Ａはアダプタ５０の下面に垂直方向下側から当接されるようになっている。
図２に示されているように、シールキャップカバー３１Ａの上面にはアダプタ５０の下面と当接する密閉部材としてのＯリング３２が、少なくともウエハの外径よりも大きい径として、リング径を異ならせて複数設けられている。また、シールキャップ３１の上面には、シールキャップカバー３１Ａの下面と当接する密閉部材としてのＯリング３２Ａが、少なくともウエハの外径よりも大きい径として、リング径を異ならせて複数設けられている。
なお、図２では、Ｏリング３２、Ｏリング３２Ａが複数設けられていることを示しているが、それぞれ１つ以上設ければよい。
シールキャップ３１の処理室１６と反対側には、ボートを回転させる回転機構３３が設置されている。回転機構３３の回転軸３４はシールキャップ３１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。
シールキャップ３１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３５のアーム３６に支持されており、ボートエレベータ３５によって垂直方向に昇降されるように構成されている。つまり、ボートエレベータ３５はシールキャップ３１を介してボートを処理室１６に対し搬入搬出する。
回転機構３３およびボートエレベータ３５には、駆動制御部３７が電気配線Ａによって電気的に接続されている。駆動制御部３７は回転機構３３およびボートエレベータ３５が所望の動作をするように、所望のタイミングにて制御する。

基板保持具としてのボート３８は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなり、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３８の下部には、ヒータ１２からの熱がアダプタ５０側に伝わり難くさせる断熱部材としての断熱板３９が複数枚、水平姿勢で多段に配置されている。断熱板３９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４０が、インナチューブ１５の内側に設置されている。
ヒータ１２と温度センサ４０には温度制御部４１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４１は温度センサ４０によって検出された温度情報に基づき処理室１６内の温度が所望の温度分布となるように、ヒータ１２への通電具合を所望のタイミングをもって制御する。

圧力制御部２４、ガス流量制御部２９、駆動制御部３７および温度制御部４１は、操作部や入出力部をも構成し、バッチ式ＣＶＤ装置１０全体を制御する主制御部４２に電気的に接続されている。
圧力制御部２４、ガス流量制御部２９、駆動制御部３７、温度制御部４１および主制御部４２はコントローラ４３を構成している。

次に、ＣＶＤ装置１０によるＩＣの製造方法における成膜工程を説明する。
なお、以下の説明において、ＣＶＤ装置１０を構成する各部の動作はコントローラ４３により制御される。

複数枚のウエハ１がボート３８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３８は、ボートエレベータ３５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３１はＯリング３２Ａ、シールキャップカバー３１ＡおよびＯリング３２を介してアダプタ５０の下面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）となるように排気装置２３によって排気される。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節装置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１２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４０が検出した温度情報に基づきヒータ１２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３３によってボート３８が回転されることにより、ウエハ１が回転される。

次いで、ガス供給源２８から供給されＭＦＣ２７によって所望の流量となるように制御された成膜ガスは、ガス供給管２６を流通してポート部５１から貫通孔５２およびガス供給ノズル５３を経由して処理室１６内に供給される。
供給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１７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、ガス供給源２８から供給されＭＦＣ２７によって所望の流量となるように制御された不活性ガスは、ガス供給管２６を流通してポート部５１から貫通孔５２およびガス供給ノズル５３を経由して処理室１６内に供給される。所定時間、不活性ガスを供給しつづけると、ガス供給管２６、ポート部５１、貫通孔５２、ガス供給ノズル５３内および処理室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３５によってシールキャップ３１が下降されて、処理室１６の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ１がボート３８に保持された状態で、処理室１６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３８から取出される（ウエハディスチャージ）。

以上の成膜工程において、アダプタ５０は石英によって形成されていることにより、高温度に加熱されても金属を放出することはないので、ウエハ１の金属汚染を引き起こす懸念は無い。

前記実施の形態によれば、次の効果のうち、少なくとも１つ以上の効果が得られる。

（１）インナチューブとアウタチューブとの間を下端で区画するアダプタを石英によって形成することにより、アダプタが高温度に加熱されても金属を放出することはないので、アダプタに起因するウエハへの金属汚染を抑制することができる。

（２）アダプタのアウタチューブとの接続部分の鉛直方向の厚みより水平方向の厚みを厚くすることにより、アダプタすなわちマニホールドの高さを小さくすることができる。
ところで、マニホールドの高さを大きくすると、それに応じて反応容器内に入れるウエハを積層するためのボートのサイズを大きくしないと、ヒータが形成する均熱エリアにウエハを配置することができないのに加えて、マニホールド下部より、ボートを搬入出する必要があり、このエリア（予備室）の高さをもそれに応じて大きくする必要がある。
そのため、マニホールドの高さが大きくなるとそれに応じて、マニホールドの高さの約２倍分、ＣＶＤ装置全体の高さが必要になってしまうが、扁平形状のアダプタとすることにより、逆に約２倍分、ＣＶＤ装置全体の高さを小さくすることができる。

（３）インナチューブとアウタチューブとの間を下端で区画するアダプタを石英によって形成することにより、ヒータからの輻射熱を受け易く、アダプタ全体に熱が伝わり易くなるために、アダプタ側内壁へ副生成物が付着し難くなる。

（４）ヒータからの輻射熱を受け易く、アダプタ全体に熱が伝わり易いために、ポート部、貫通孔およびガス供給ノズルを流通するガスを予備加熱することができる。

（５）アダプタを石英によって形成することにより、ガスクリーニングしても腐食による金属汚染物を放出することがない。

（６）アダプタにポート部、貫通孔およびガス供給ノズルを一体形成することにより、メンテナンス時に取付状態を再度調整する必要がなくなるために、メンテナンスの作業時間を短縮することができ、しかも、成膜の再現性を向上させることができる。

（７）貫通孔に接続するガス供給ノズルをアダプタにさらに一体化することにより、インナチューブをアダプタと一体で下ろすことができるために、処理室外においてメンテナンス作業を施工することができ、作業性および安全性を向上させることができる。

（８）ガス供給ノズルを外すためにはヒータの温度を下げる必要があるが、ガス供給ノズルの取り外し作業を処理室外で施工することにより、ヒータの温度を下げる必要がなくなるので、ヒータの昇降温時間を短縮することができ、その分、エネルギーを節約することができる。

（９）アダプタにポート部、貫通孔およびガス供給ノズルを一体化することにより、ガス漏れやガス溜まり等を低減することができるので、シール部材の取付不良やリークおよび交換時間を低減によってメンテナンス時間の低減を図ることができ、ガス接触部分の低減によって反応副生成物等の付着も低減することができ、さらに、排気速度を向上させることができる。

図２は本発明の第二実施の形態であるＣＶＤ装置を示す主要部の縦断面図である。
本実施の形態が前記実施の形態と異なる点は、ガスノズル５３とアダプタ５０とが一体に形成されている点である。
本実施の形態によれば、図３に示されているように、ガスノズル５３がアダプタ５０に挿入されている場合に比べて、図３に示された金属製のノズル調整部材７１およびシール部材７２、７３を省略することができる。

図４は本発明の第三実施の形態であるＣＶＤ装置を示す主要部の縦断面図である。

本実施の形態が前記実施の形態と異なる点は、インナチューブ１５の鍔部６０が処理室１６外から処理室１６内にガスを供給するガス供給路６１を形成しており、鍔部６０とアウタチューブ１４との間で密閉部材としてのＯリング１８を介して閉塞されている点である。
ガス供給路６１は鍔部６０およびインナチューブ１５の鉛直方向に延びる貫通孔によって形成されている。成膜ガスはガス供給路６１を介して処理室１６内に供給される。

本実施の形態においても、前記実施の形態と同様の作用および効果が奏される。
さらに、インナチューブ１５の鍔部６０をアダプタ５０と兼用することにより、シール部材を省略することができる。

なお、本発明は前記実施の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。

例えば、ガス供給ノズルを省略することができる。

アダプタ、インナチューブおよびアウタチューブは、石英材によって形成するに限らず、硝子材等の非金属材によって形成してもよい。

前記実施の形態ではＣＶＤ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、アニール、酸化、拡散およびリフローのような熱処理に使用される熱処理装置等の基板処理装置全般に適用することができる。

基板はウエハに限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、光ディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

本発明の一実施形態であるＣＶＤ装置を示す縦断面図である。 本発明の第二実施形態であるＣＶＤ装置の主要部を示す縦断面図である。 その比較例の主要部を示す縦断面図である。 本発明の第三実施形態であるＣＶＤ装置を示す主要部の縦断面図である。

符号の説明

１ ウエハ（基板）
１０ ＣＶＤ装置（基板処理装置）
１４ アウタチューブ
１５ インナチューブ
１６ 処理室
１８ Ｏリング（密閉部材）
５０ アダプタ
５１ ポート部
５２ 貫通孔
５３ ガス供給ノズル
６０ 鍔部
６１ ガス供給路

Claims (2)

1. 基板を処理する処理室を形成したインナチューブと、
   該インナチューブの外周側に設けられたアウタチューブと、
   非金属材によって形成され、前記インナチューブと前記アウタチューブとの間を下端で区画するアダプタと、を備えており、
   該アダプタは、少なくとも前記アウタチューブとの接続部分の鉛直方向の厚みより水平方向の厚みを厚くするように形成されており、ガス供給管と接続するポート部が外側壁に形成され、少なくとも該ポート部から前記インナチューブ内まで貫通孔が形成されている基板処理装置。
2. アウタチューブの内周側に配置されたインナチューブ内の処理室に基板を搬入する工程と、
   非金属材によって形成され、前記インナチューブと前記アウタチューブとの間を下端で区画し、少なくとも前記アウタチューブとの接続部分の鉛直方向の厚みより水平方向の厚みを厚くするように形成されており、ガス供給管と接続するポート部が外側壁に形成され、少なくとも該ポート部から前記インナチューブ内まで貫通孔が形成されているアダプタの前記ポート部から前記処理室内にガスを供給しつつ前記基板を処理する工程と、
   前記処理室内から前記基板を搬出する工程と、
   を備える半導体装置の製造方法。

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