JP3440685B2 - ウエハ処理装置および処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
に用いるウエハ処理装置およびウエハ処理方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のウエハ処理装置には、化学的気相
成長（以下、ＣＶＤと記す、ＣＶＤはChemical Vapor D
epositinの略）装置や、酸化炉、アニール炉などがあ
る。特に、減圧下でＣＶＤを行う装置（以下、ＬＰ−Ｃ
ＶＤ装置と記す、ＬＰはLow Pressureの略）は、バッチ
式のものが、キャパシタ用の窒化シリコン（ＳｉＮ）
膜、素子分離を形成するためのＳｉＮ膜、ポリシリコン
（Poly−Ｓｉ）膜、および酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜
等の薄膜を形成するＣＶＤ装置として広く使われてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な装置を用いて処理する前のウエハ表面には、通常、各
種の汚染物質が存在している。汚染物質は、ウエハ表面
に成膜する際の成膜特性や、ウエハに形成された素子特
性などに悪影響を及ぼすことが知られている。例えばシ
リコン（Ｓｉ）からなるウエハでは、大気中にウエハを
放置すると、ウエハ表面に自然酸化膜が成長する。また
前の工程の製造装置から次のウエハ処理装置までのウエ
ハ搬送中に、クリーンルーム内の空気中に存在する有機
ガスや、プラスチックの搬送ボックスから放出される有
機ガスがウエハ表面に吸着する。この有機ガスは、ウエ
ハをクリーンルーム内の空気にさらすまたはプラスチッ
クケース内に保管しておくだけでも、極めて短時間のう
ちにウエハ表面に吸着する。

【０００４】このような分子レベルの微量の吸着有機物
や成長した自然酸化膜がウエハ表面に存在している状態
で例えばＣＶＤを行うと、ウエハ表面において異常核成
長が起きる。または核成長し難くなり、図４の破線で示
すように成膜開始までの潜伏時間（Incubation Time)が
長くなる。この潜伏時間は、ウエハ表面に付着している
有機物などの量によって変動するため、膜を常に均一な
厚みに形成できないといった不具合が生じる。また上記
の異常核成長が起きることによっても膜厚および膜質が
ばらつき、安定した成膜を行うことができなくなる。

【０００５】最近では、ウエハ処理室に、この処理室を
大気開放することなく連続した状態で、真空が保てる搬
送待機室（ロードロック室）を設けて、処理前のウエハ
表面における自然酸化膜の成長防止を図る装置も開発さ
れてきている。しかしながら、この装置では、ウエハ表
面の有機物汚染の防止が図られていないため、ウエハ表
面の吸着有機物により依然として上記したような問題が
発生する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るウエハ処理
装置は、上記課題を解決するために、ウエハの処理室
に、この処理室内を大気開放することなく連続した状態
で予備室を設けるとともに、この予備室内を１００℃〜
３００℃の範囲の所定温度に加熱する加熱手段を備え
る。また予備室内に連通してこの予備室内のガスを排気
する排気手段と、予備室内に連通してこの予備室内に酸
素ガスを５０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍの供給量で供給する
供給手段とを予備室に接続する。

【０００７】また上記課題を解決するための本発明に係
るウエハ処理装置は、予備室内を排気しつつこの予備室
内に酸素ガスを５０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍの供給量で供
給しかつ予備室内に収めたウエハを１００℃〜３００℃
の範囲の所定温度に加熱し、その後、ウエハを大気にさ
らすことなく予備室から処理室内に搬送し、この処理室
内にて処理する。

【０００８】本発明に係るウエハ処理装置では、予備室
が加熱手段と、酸素ガスの供給手段と、排気手段とを備
えているため、予備室内にウエハを収めた状態で、予備
室内に供給手段から酸素ガスを供給しつつ予備室内を加
熱してウエハ表面の吸着有機物を酸化分解、除去し、ウ
エハ表面を分子レベルで清浄化するといった処理が可能
になる。しかも、このとき、酸素ガスの供給量が５０ｐ
ｐｍ〜１００ｐｐｍであり、また加熱温度が１００℃〜
３００℃の範囲にあるため、有機物の酸化分解反応が充
分に進行し、ウエハ表面に自然酸化膜が形成されるおそ
れもない。また、排気手段による予備室内の排気によ
り、ウエハ表面からの除去物をウエハ表面に付着させる
ことなく外部へと排出することが可能になる。さらに、
処理室にこの処理室内を大気開放することなく連続した
状態で予備室が設けられているため、表面の清浄度を維
持しつつウエハを予備室から処理室内に搬送することが
可能になる。

【０００９】本発明に係るウエハ処理方法では、ウエハ
を予備室に収めた際に、予備室内を排気しつつこの予備
室内に酸素ガスを供給しかつ予備室内のウエハを加熱す
るため、表面の吸着有機物が酸化分解、除去されて、分
子レベルで清浄化されたウエハが得られる。しかも、こ
のとき、酸素ガスの供給量が５０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍ
であり、また加熱温度が１００℃〜３００℃の範囲にあ
るため、有機物の酸化分解反応が充分に進行し、ウエハ
表面に自然酸化膜が形成されるおそれもない。また予備
室内のウエハを大気にさらすことなく予備室から処理室
内に搬送するため、ウエハ表面は清浄化されたままの状
態で処理される。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面に
基づき詳細に説明する。図１は本発明に係るウエハ処理
装置の一実施形態を示した概略断面図であり、本発明を
バッチ式のＬＰ−ＣＶＤ装置に適用し、この装置内にウ
エハを収めた状態を示したものである。このウエハ処理
装置１において、成膜処理を行う処理室１０は、例えば
一般的な炉心型のＣＶＤ装置の密閉チャンバーと同様に
構成されている。

【００１１】すなわち、処理室１０は、例えば縦型の石
英製の外側反応管１１内に、石英製の内側反応管１２が
挿入された状態に形成されており、内側反応管１２内を
処理室１０内として、ボートローダ３上に載置された複
数枚のウエハ２が処理されるようになっている。処理室
１０の外周にはヒータ１３が設けられており、処理室１
０内には、ボートローダ３が配置される位置よりも下部
側に断熱筒１４が設けられている。また処理室１０の下
端側には、成膜に必要な原料ガスの導入管１５が接続さ
れており、処理室１０の例えば上端側には排気管（図示
略）が接続されている。

【００１２】この処理室１０の下端には、処理室２内を
大気開放することなく連続した状態でウエハ用の予備室
１６が設けられている。ここでは処理室１０に、処理室
２内を大気開放することなく連続した状態で設けられた
既存の真空が保てる搬送待機室（ロードロック室）を予
備室１６として用いている。そして、予備室１６と処理
室２との接続部分には、必要時に開閉し、開いた状態で
予備室１６内を処理室２内とを連通状態にし、閉じた状
態で予備室１６と処理室２とを分離するシャッター２０
が設けられている。予備室１６内には、本発明の加熱手
段になる前処理用ヒータ１７が例えば予備室１６の側壁
に沿って形成されている。この前処理用ヒータ１７は、
例えば抵抗加熱ヒータ、高周波誘導加熱ヒータ、赤外線
ランプなどから構成されている。

【００１３】また予備室１６には、予備室１６内に連通
してこの内部に微量の酸素ガスを供給する供給手段１８
が接続されている。供給手段１８は、酸素ガスの供給源
１８ａと、一端が供給源１８ａに接続されるとともに他
端が例えば予備室１６の下部側に接続された供給管１８
ｂと、供給源１８ａまたは供給管１８ｂに設けられたガ
ス流量制御部（図示略）とから構成されている。また予
備室１６には、予備室１６内に窒素ガスやアルゴンガス
などの不活性なガスを供給する供給手段（図示略）が接
続されている。

【００１４】さらに予備室１６には、予備室１６内に供
給された酸素ガスの拡散に支障がない位置に、予備室１
６内のガスを排気する排気手段１９が接続されている。
この排気手段１９は例えば、メカニカルブースタポン
プ、ロータリーポンプ、ターボモレキュラーポンプなど
からなる負圧源１９ａと、負圧源１９ａと予備室１６と
を接続する排気管１９ｂとを備えて構成されている。

【００１５】このように構成されたウエハ処理装置１で
は、予備室１６が前処理ヒータ１７と、酸素ガスの供給
手段１８と、排気手段１９とを備えているため、表面に
有機物が吸着しているウエハ２を予備室１６内に置き、
予備室１６内に酸素ガスを供給しつつ予備室１６内を加
熱することができる。そしてこのことにより、ウエハ１
表面の吸着有機物を酸化分解、除去でき、成膜処理する
前のウエハ２の表面を分子レベルで清浄化することがで
きる。またこのとき、予備室１６内を排気手段１９によ
って排気することができ、ウエハ２表面からの除去物を
外部へと排出することができるので、除去物による予備
室１６内およびウエハ２表面の汚染を防止することがで
きる。

【００１６】また処理室１０に、処理室１０内を大気開
放することなく連続した状態で予備室１６が設けられて
いるため、表面の清浄度を維持しつつウエハ２を予備室
１６から処理室１０内に搬送することができる。したが
って、このウエハ処理装置２によれば、清浄化されたウ
エハ２表面に対して成膜を行うことができるので、ウエ
ハ２表面に直ちに核が成長する成膜、つまり成膜が開始
されるまでの潜伏時間がゼロの成膜を実現することがで
きる。また、成膜時における異常核成長の発生を防止す
ることができる。この結果、膜厚、膜質が均一な膜を形
成することができるので、安定した成膜が可能になる。
さらに本実施形態では既存の搬送待機室を予備室１６に
用いているので、ウエハ処理装置１を簡易に作製するこ
とができる。

【００１７】ここで、本実施形態では、予備室内に前処
理用ヒータからなる加熱手段を設けたが、予備室の外壁
に加熱手段を設けることもできる。また予備室の外側の
予備室から若干隔てた位置に、予備室を囲むようにして
加熱手段を設け、予備室内を均一に加熱できるように構
成することも可能である。

【００１８】また処理室の構成は本実施形態に限定され
るものでなく、本発明に係る装置は種々のＬＰ−ＣＶＤ
装置に適用することができる。さらにＬＰ−ＣＶＤ装置
以外のＣＶＤ装置や、酸化炉、アニール炉などの装置に
も適用可能である。例えば酸化炉に本発明を適用した場
合には、酸化レートの傾きを急峻にすることができ、酸
化膜の形成に要する時間を短縮することができるといっ
た効果が得られる。またアニール炉に本発明を適用した
場合には、ウエハ表面に吸着している有機物がアニール
処理によってウエハ内に拡散していくことを防止するこ
とができるので、最終的に形成される半導体装置の信頼
性を向上させることができる。

【００１９】次に、上記実施形態のウエハ処理装置１に
よるＳｉＮ膜の成膜方法に基づき、本発明のウエハ処理
方法の一実施形態を図２を用いて説明する。まずステッ
プ（以下、ＳＴと記す）１に示すように、成膜前の工程
として、例えば急速熱窒化（ＲＴＮ）工程を経たウエハ
２をボートローダ３ごと予備室１６内に搬送し、収め
る。なお、この搬送中に、大気中に存在する有機ガスや
搬送ボックスから放出された有機ガスがウエハ２表面に
吸着する。

【００２０】次いでＳＴ２に示すように、排気手段１９
によって予備室１６内を１３３Ｐａ程度のいれゆる工業
的な真空状態にする。続いてＳＴ３に示すように、予備
室１６内に供給管１８ｂから微量の酸素ガスを徐々に供
給しながら、前処理用ヒータ１７によって予備室１６内
のウエハ２を加熱する。上記酸素ガスの供給およびウエ
ハ２の加熱は、排気手段１９によって予備室１６内を排
気しつつ行う。この予備室１６内での処理によって、ウ
エハ２表面に吸着している有機物が二酸化炭素と水に酸
化分解、除去され、ウエハ表面が完全に分子レベルで清
浄化される。さらにウエハ２表面からの除去物は、排気
手段１９によって外部へと排出される。

【００２１】ここで予備室１９内への酸素ガスの供給量
は、例えば５０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍ程度の微量にす
る。この範囲にするのは、５０ｐｐｍ未満であるとウエ
ハ２表面の吸着有機物の酸化分解反応が充分に進行しな
いおそれがあり、１００ｐｐｍを越えるとウエハ２表面
に自然酸化膜が形成されるおそれがあるためである。ま
た加熱温度は、例えば１００℃〜３００℃程度の低温に
する。この範囲にするのは、１００℃未満であると有機
物の酸化分解反応が充分に進行しない可能性があり、３
００℃を越えるとウエハ２表面に自然酸化膜が形成され
るおそれがあるためである。

【００２２】また、酸素ガスの供給とウエハ２の加熱
は、ウエハ２表面から有機物がほぼ除去されるまで行
う。ここでは、１００℃〜３００℃の範囲の所定の温度
に達してから１０分程度、酸素ガスを供給し続けるとと
もにウエハ２を加熱し続ける。そして、１０分経過した
後に酸素ガスの供給を停止し、そのままの状態で予備室
１６内を引き続き排気し、ウエハ２表面からの除去物を
予備室１６内から完全に排出する。

【００２３】次にＳＴ４に示すように、このように前処
理したウエハ２をボートローダ３ごと、予備室１６から
処理室１０内に搬送し、設置する。このとき、ウエハ２
は大気にさらされることがなく、表面の清浄度が維持さ
れた状態で処理室１０内に収められる。その後、ＳＴ５
に示すように、処理室１０内を所定の減圧度に設定する
とともにヒータ１３によって所定の加熱温度に設定し、
処理室内１０にＳｉＮ膜の成膜に必要な原料ガスを導入
管１５より導入して、ウエハ２表面にＳｉＮ膜を成膜す
る。

【００２４】このときの成膜条件の一例を以下に示す。
なお、下記における単位ｓｃｃｍは、標準状態における
流量でｃｍ³ ／ｍｉｎを示している。 原料ガスおよび流量：ＮＨ₃ ／ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ／Ｎ₂＝
１５０ｓｃｃｍ／２０ｓｃｃｍ／１７０ｓｃｃｍ 雰囲気圧力 ：５０Ｐａ 温度 ：６８０℃ 清浄度が維持されたウエハ２表面に成膜するため、処理
室１０内に原料ガスを導入すると、ウエハ２表面に直ち
に核が成長し、成膜が開始される。

【００２５】図３（ａ）は上記実施形態において、予備
室１６にて前処理する前のウエハ２表面おける吸着有機
物のガスクロマトグラフであり、また同図（ｂ）は前処
理後のウエハ２表面における吸着有機物のガスクロマト
グラフである。このガスクロマトグラフは、加熱脱離ガ
スクロマトグラフィーと質量分析計とを用いて得られた
分析結果である。

【００２６】前処理を行う前のウエハ２表面には、図３
（ａ）に示すようにトリブチルエステル（ＴＢＰ）、フ
タル酸ブチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジオクチル（ＤＯ
Ｐ）のいずれもプラスチック可塑剤である有機物のピー
クが認められている。これに対して、図３（ｂ）に示す
ように前処理後のウエハ２表面からはこれらの有機物の
ピークがほとんど認められない。この結果から、予備室
１６内での前処理によって、ウエハ２表面に吸着してい
る有機物が確実に分解、除去され、ウエハ表面が完全に
分子レベルで清浄化されることが明らかである。

【００２７】図４は、上記実施形態において前処理した
ウエハ２表面に成膜したときの成膜時間とＳｉＮ膜の膜
厚との相関図であり、比較例として前処理を行わない従
来例を破線で示してある。この結果から、５〜６分程度
の潜伏時間がある従来例に対して本実施形態では成膜開
始までの潜伏時間をゼロにすることができ、直ちに成膜
が開始することが確認される。

【００２８】以上の結果からも明らかなように、本実施
形態の方法では、処理室１０内で成膜を行う前に、予備
室１６内にて前処理を行ってウエハ２表面を分子レベル
で完全に清浄化し、この清浄度を維持した状態でウエハ
２表面に膜を形成するので、常に潜伏時間をゼロにした
状態で、また異常核成長を発生させることなくＳｉＮ膜
を成膜することができる。よって、膜厚、膜質が均一な
ＳｉＮ膜を安定して形成することができる。したがっ
て、本実施形態のウエハ処理装置１および処理方法によ
れば、半導体装置製造における信頼性の向上を図ること
ができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るウエハ
処理装置では、予備室内にウエハを収めた状態で、予備
室内に供給手段から酸素ガスを供給しつつ加熱手段によ
って予備室内を加熱し、ウエハ表面を分子レベルで清浄
化するといった処理が可能になる。また、表面の清浄度
を維持した状態でウエハを処理室内に収めることができ
るので、例えば処理室が成膜処理室であれば、成膜が開
始されるまでの潜伏時間がゼロの成膜を実現することが
できる。また成膜時における異常核成長の発生を防止す
ることができる。よって、膜厚、膜質が均一な膜を形成
することができるので、安定した成膜が可能になる。

【００３０】本発明に係るウエハ処理方法では、予備室
にてウエハ表面を分子レベルで清浄化した後、ウエハを
大気にさらすことなく予備室から処理室内に搬送し、処
理するので、この処理が成膜処理であった場合、常に潜
伏時間をゼロにした状態で、また異常核成長を発生させ
ることなくウエハ表面に膜を形成することができる。こ
のため、本発明装置と同様の効果が得られる。したがっ
て、本発明に係るウエハ処理装置および処理方法によれ
ば、半導体装置製造における信頼性の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るウエハ処理装置の一実施形態を示
す概略断面図である。

【図２】本発明に係るウエハ処理方法の一実施形態を示
す工程図である。

【図３】ウエハ表面における吸着有機物を分析した結果
を示すガスクロマトグラフであり、（ａ）は前処理前の
ウエハ、（ｂ）は前処理後のウエハの分析結果である。

【図４】ＬＰ−ＣＶＤ装置による成膜時間と膜厚との相
関図である。

【符号の説明】

１ ウエハ処理装置 ２ ウエハ １０ 処理室
１６ 予備室 １７ 前処理用ヒータ（加熱手段） １８ 供給手段
１９ 排気手段

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウエハの処理室に、該処理室内を大気開
   放することなく連続した状態で設けられた予備室と、 前記予備室内を１００℃〜３００℃の範囲の所定温度に
   加熱する加熱手段と、 前記予備室に接続されかつ該予備室内に連通してこの予
   備室内のガスを排気する排気手段と、 前記予備室に接続されかつ該予備室内に連通してこの予
   備室内に酸素ガスを５０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍの供給量
   で供給する供給手段と を備えていることを特徴とするウエハ処理装置。
2. 【請求項２】 予備室内に収めたウエハを、大気にさら
   すことなく予備室から処理室内に搬送し、該処理室内に
   て処理する方法において、 前記ウエハを前記予備室内に収めた際に、該予備室内を
   排気しつつこの予備室内に酸素ガスを５０ｐｐｍ〜１０
   ０ｐｐｍの供給量で供給しかつ予備室内のウエハを１０
   ０℃〜３００℃の範囲の所定温度に加熱することを特徴
   とするウエハ処理方法。