JP3567070B2 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱処理装置及び熱処理方法に関し、特に窒化膜と酸化膜のように成分の異なる多層膜を共通の装置により積層するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは、ＤＲＡＭに代表されるように集積度が増々高くなりつつあり、デバイスの構造、製法に種々の工夫がなされている。例えばＤＲＡＭのキャパシタ絶縁膜については、トレンチのコーナの絶縁耐圧を確保しながらプロセスの低温化を図るためにＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ ／Ｓｉ○２ 膜やＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ 膜といった多層膜が検討されている。
【０００３】
そしてデバイスについて高い信頼性を得るためには、薄膜の膜質改善が今まで以上に要求され、例えばＳｉ３ Ｎ４ 膜中に酸素が取り込まれると誘電率が低下し、長期信頼性も劣化する。従ってこのような多層絶縁膜を形成するにあたっては、炉内への空気の巻き込みが少ない縦型熱処理装置を使用することが適している。
【０００４】
そこで従来では被処理体である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）の表面上に例えばＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ 膜を形成する場合、まずウエハを保持具に載せて例えば図６に示すような縦型熱処理装置の減圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａ１ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ）炉内に搬入し、例えばＮＨ３ 及びＳｉＨ２ Ｃｌ２ をプロセスガス（成膜ガス）として用いてウエハＷの表面上にＳｉ３ Ｎ４ （シリコンナイトライド）膜を形成する。その後、炉内からウエハを搬出して保持具から取り出し、それをウエハキャリアに収納して別の熱処理装置、例えば図７に示すような縦型熱処理装置まで搬送する。そしてその熱処理装置において、例えばテトラエトキシシラン（以下「ＴＥＯＳ」とする）をプロセスガスとして用いてＳｉ３ Ｎ４ 膜の表面上にＳｉＯ２ 膜を積層する。その後炉内からウエハを搬出する。このようにして例えばポリシリコン層上にＳｉ３ Ｎ４ 膜及びＳｉＯ２ 膜が順次積層された多層絶縁膜構造が得られる（図５参照）。
【０００５】
Ｓｉ３ Ｎ４ 膜の形成に用いられる熱処理装置１は、図６に示すように、熱処理部１１と、それにガス供給管１２及びバルブＶ１を介して接続されたプロセスガス供給源１３と、熱処理部１１にガス排気管１４を介して熱処理部１１から順に接続されたメインバルブＭＶ、水冷トラップ１５及び真空ポンプ１６と、熱処理部１１とメインバルブＭＶとの間の排気管１４にバルブＶ２を介して接続された圧力センサーＳ１，Ｓ２と、熱処理部１１の排気口から水冷トラップ１５までの間の排気経路、すなわち熱処理部１１と水冷トラップ１５との間の排気管１４及びメインバルブＭＶを加熱するヒータ１７とから構成されている。
【０００６】
Ｓｉ３ Ｎ４ 膜の形成時には以下の反応式に示すように副生成物として粉末状のＮＨ４ Ｃｌ（塩化アンモニウム）が生成される。
１０ＮＨ３ ＋３ＳｉＨ２ Ｃｌ２ →Ｓｉ３ Ｎ４ ＋６ＮＨ４ Ｃｌ＋６Ｈ２ このＮＨ４ Ｃｌは、ポンプ１６を稼動させてメインバルブＭＶを開けた時に、排気管１４及びメインバルブＭＶをヒータ１７により１５０℃程度に加熱しておけば管及びバルブの内側に付着するのが防止され、そして水冷トラップ１５において冷却されることによって捕集される。それによってＮＨ４ Ｃｌ等の反応副生成物や未反応ガスなどがポンプ１６に到達することにより引き起こされる吸引能力の低下や各部の腐食等を防ぐとともに、排気管１４やメインバルブＭＶの内側に付着して排気のコンダクタンスが低下するのを防いでいる。
【０００７】
熱処理部１１にウエハＷをロードまたはアンロードする時にはメインバルブＭＶを閉じる。それによって水冷トラップ１５に捕集されたＮＨ４ Ｃｌの粉末が排気管１４及びメインバルブＭＶを介して熱処理部１１内へ逆流してパーティクルとなるのを防止している。
【０００８】
ＳｉＯ２ 膜の形成に用いられる熱処理装置２は、図７に示すように、熱処理部２１と、それにガス供給管２２及びバルブＶ１を介して接続されたプロセスガス供給源２３と、熱処理部２１にガス排気管２４を介して熱処理部２１から順に接続されたディスクトラップ２５、メインバルブＭＶ及び真空ポンプ２６と、熱処理部２１とディスクトラップ２５との間の排気管２４にバルブＶ２を介して接続された圧力センサーＳ１，Ｓ２と、熱処理部２１の排気口からメインバルブＭＶまでの間の排気管２４を加熱するヒータ２７とから構成されている。この熱処理装置２では、ディスクトラップ２５は常温のままである。
【０００９】
ＴＥＯＳを用いたＳｉＯ２ 膜の形成時には以下の反応式に示すように副生成物として炭化水素Ｃｘ Ｈｙ （ただしｘ，ｙはともに自然数）が生成される。
ＴＥＯＳ→ＳｉＯ２ ＋Ｃｘ Ｈｙ ＋Ｈ２ Ｏ
このＣｘ Ｈｙ は単純に冷却しただけでは捕集され難いという特性を有している。それゆえディスクトラップ２５により排気のコンダクタンスを小さくしてＣｘ Ｈｙ を捕集し、それによってポンプ２６の吸引能力の低下や各部の腐食等を防いでいる。ここで排気管１４に比べてコンダクタンスが小さいメインバルブＭＶにおいてその内側にＣｘ Ｈｙ が付着するのを防ぐために、ディスクトラップ２５がメインバルブＭＶよりも上流側すなわち熱処理部２１に近い側に配置されていてメインバルブＭＶにＣｘ Ｈｙ が到達しないようになっている。
【００１０】
しかしながら上述したように別々の熱処理装置１，２を用いて多層絶縁膜構造を形成しているため、熱処理装置１，２間でウエハを搬送する時にＳｉ３ Ｎ４ 膜の上に自然酸化膜が形成されてしまう。特に減圧ＣＶＤ炉内で成膜を行った後に熱処理部１１の下端のキャップを開いたときに大気の若干の巻き込みを避けられず、高温下でＳｉ３ Ｎ４ 膜の表面が大気に接触するので不均一な厚い自然酸化膜が形成され、次の酸化工程の前に洗浄しても均一に除去することは困難である。またＳｉＯ２ 膜を形成するための酸化炉（熱処理装置２）の下でウエハを保持具に移載するときにも可成り高い温度下でウエハが大気にさらされるため自然酸化膜の成長が促進され、この状態のまま酸化炉内で所定のＳｉＯ２ 膜が形成される。従って多層絶縁膜の中に膜質の悪い酸化膜が取り込まれるためデバイス例えばＤＲＡＭの信頼性が低くなる。
【００１１】
更に減圧ＣＶＤ炉からウエハを搬出し、キャリアに収納して搬送し、酸化炉内に搬入する間のウエハの移載の回数が多いためパーティクルが付着しやすく、上述の多層絶縁膜は非常に薄くて今後ＤＲＡＭの高集積化に伴って一層薄くなる状況にあることからわずかなパーティクルの付着であっても絶縁膜の性能を悪化させる。以上述べた問題点は、ＳｉＯ２ 膜の上にＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成する場合にも同様である。
【００１２】
こうしたことから従来の別々の熱処理装置を用いてＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ 膜やＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ ／ＳｉＯ２ 膜などを形成したのでは膜質の良好な多層絶縁膜を得ることが困難であり、ＤＲＡＭなどのデバイスの高集積化を阻む一因となっている。
【００１３】
また半導体装置の製造分野においては、従来は半導体チップの量産ラインにおけるウエハ１枚当たりの製造コストが重要視されており、この製造コストを削減することに努力が払われていたが、近時半導体チップの試作ラインにおいては開発期間の短縮を図るため製造コストよりもプロセス処理の実時間を削減することが重要であるとの報告がなされている（日経マイクロデバイス、１９９７年８月号、１９５〜２０２頁）。そして今後は量産ラインにおいても製造コストの削減と同程度にプロセス処理の実時間の削減も重要になるであろうと指摘されている。
【００１４】
そこで、本発明者は上述したように従来例えばＳｉ３ Ｎ４ 膜の形成処理とＳｉＯ２ 膜の形成処理を別々の熱処理装置を用いて行っていたが、これらを共通の熱処理装置を用いて連続して行うことにより、ウエハ１枚当たりの製造コストの削減とプロセス処理の実時間の削減とを同時に満足することができるとともに、上述したような別々の熱処理装置間でのウエハの搬送及び移載による自然酸化膜の生成及びパーティクルの付着という問題を回避することができると考え、鋭意検討を行った。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図６に示す構成の熱処理装置１を用い、窒化膜を形成する時と酸化膜を形成する時のプロセスガスを単純に替えただけでは、窒化膜形成時に発生する副生成物であるＮＨ４ Ｃｌは水冷トラップ１５において有効に捕集されるが、水冷トラップ１５がメインバルブＭＶよりも下流側にあるため酸化膜形成時に発生する副生成物であるＣｘ Ｈｙ が排気管１４に比べてコンダクタンスが小さいメインバルブＭＶの内側に付着してしまうという問題点がある。
【００１６】
一方図７に示す構成の熱処理装置２を用いた場合には、Ｃｘ Ｈｙ はディスクトラップ２５において有効に捕集され、またディスクトラップ２５の温度（常温）がそれよりも上流側の排気管２４の温度（約１５０℃）よりも低いためＮＨ４ Ｃｌも捕集される。しかし熱処理部２１にウエハＷをロードまたはアンロードする時にメインバルブＭＶを閉じても、ディスクトラップ２５がメインバルブＭＶよりも上流側にあるため、ディスクトラップ２５に捕集されたＮＨ４ Ｃｌの粉末が排気管２４を介して熱処理部２１内へ逆流してパーティクルが発生してしまうという問題点がある。加えて捕集されたＮＨ４ Ｃｌの粉末によりディスクトラップ２５のディスクが目詰まりしてしまい、真空到達圧力の悪化が引き起こされるという問題点もある。
【００１７】
本発明は、このような事情のもとになされたものであり、その目的は、例えば窒化膜と酸化膜とを同一の装置で連続して形成することにより多層絶縁膜構造を形成することができる熱処理装置及び熱処理方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱処理装置は、被処理体を熱処理部にて熱処理する熱処理装置において、
前記熱処理部に接続された排気路に、上流側より流路コンダクタンスの小さい第１のトラップ、流路コンダクタンスの大きい第２のトラップを設けると共に、熱処理部と第２のトラップとの間に加熱手段を備え、
流路コンダクタンスが小さくても付着しにくい反応副生成物を生じる第１の熱処理を行う場合、熱処理部と第２のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱すると共に、第２のトラップを冷却して反応副生成物を捕集し、
流路コンダクタンスが小さいときに付着しやすい反応副生成物を生じる第２の熱処理を行う場合、熱処理部と第１のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱すると共に、第１のトラップを上流側の排気路の温度より低い状態として反応副生成物を捕集することを特徴とする。
【００１９】
前記第１の熱処理は、窒化膜を成膜し、例えば塩化アンモニウムを反応副生成物として成膜する成膜処理であり、前記第２の熱処理は、例えば有機シリコン化合物を原料ガスとして酸化膜を成膜し、炭化水素を反応副生成物として生成する成膜処理である。
また本発明の熱処理方法は、熱処理部に接続された排気路に、上流側より流路コンダクタンスの小さい第１のトラップ、流路コンダクタンスの大きい第２のトラップを設けた熱処理装置を用いた熱処理方法において、
被処理体を熱処理部に保持したまま、流路コンダクタンスが小さくても付着しにくい反応副生成物を生じる第１の熱処理を行うと共に、熱処理部と第２のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱しかつ第２のトラップを冷却して、前記第２のトラップにより反応副生成物を捕集する工程と、
被処理体を熱処理部に保持したまま、流路コンダクタンスが小さいときに付着しやすい反応副生成物を生じる第２の熱処理を行うと共に、熱処理部と第１のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱しかつ第１のトラップを上流側の排気路の温度より低い状態として反応副生成物を捕集する工程と、
を連続して行うことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をウエハ上にＳｉＯ２ とＳｉ３ Ｎ４ とからなる多層絶縁膜構造を形成する際に使用される縦型熱処理装置に適用した場合の実施の形態を示す概略図である。この熱処理装置は図１に示すように、熱処理部３と、それにガス供給管４１，４２及び開閉バルブＶ１，Ｖ３を介して接続されたプロセスガス供給源４３，４４と、熱処理部３にガス排気管４１を介して熱処理部３から順に接続された第１のトラップであるディスクトラップ５、ガスの流通を遮断可能なメインバルブＭＶ、第２のトラップである水冷トラップ６、熱処理部３の反応管３１内の圧力の制御行う圧力制御装置４２及び真空ポンプ４３と、熱処理部３の排気口から水冷トラップ６までの間の排気経路、すなわち熱処理部３と水冷トラップ６との間の排気管４１及びメインバルブＭＶを加熱する加熱手段であるヒータ４４と、ディスクトラップ５を加熱する加熱手段であるヒータ５１と備えている。
【００２１】
ヒータ５１は例えばスイッチ等によりディスクトラップ５の加熱及び非加熱を自在に切り替えることができるようになっている。ヒータ４４は特に限定しないが例えば線状または面状の発熱体でできており、配管に巻き付けられている。これらヒータ４４，５１は図示しない電力供給源により電力が供給される。
【００２２】
プロセスガス供給源４３は、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜を生成するためのプロセスガスであるＮＨ３ 及びＳｉＨ２ Ｃｌ２ を供給し、プロセスガス供給源４４はＳｉＯ２ 膜を生成するためのプロセスガスであるＴＥＯＳのガスを供給する。
【００２３】
熱処理部３は、下端がキャップ３２により気密封止される二重管構造の反応管３１と、それを囲繞する加熱炉３３と、反応管３１の内管内に保温筒３４を介して設置されるウエハボート３５とを備えている。そして反応管３１の内管の内側に前記ガス供給管４１，４２を介してプロセスガスが供給され、また反応管３１の内管と外管の間から排気管４１を介して未反応ガスや副生成物が排気されるようになっている。
【００２４】
またディスクトラップ５と水冷トラップ６との間には、メインバルブＭＶに対して並列となるように排気管（主排気路）４１に接続されてなる、主排気路よりもコンダクタンスが小さい補助排気路４５と、この補助排気路４５内のガスの流通を遮断可能なサブバルブＳＶと、補助排気路４５内を流通するガスの排気を遮断可能なバルブＶ４とが設けられている。補助排気路４５にもヒータ４４が設けられている。熱処理部３の反応管３１内を高真空にする際には、メインバルブＭＶ及びサブバルブＳＶの切り替えによってまず反応管３１内の圧力が例えば５Ｔｏｒｒになるまでは補助排気路４５のみを使用し、その後主排気路のみまたは主排気路と補助排気路４５の両方を用いて成膜処理等を行うのに適した例えば１０−３Ｔｏｒｒ以下の圧力となるようにする。このようにすることによって、真空引きの開始時に真空引きにより反応管３１内に生じる気流を小さくして、反応管３１内でパーティクルが舞い上がるのを防いでいる。
【００２５】
さらに図１に示す熱処理装置では、圧力センサーＳ１，Ｓ２が熱処理部３とディスクトラップ５との間の排気管４１に開閉バルブＶ２を介して接続されている。
【００２６】
図２にはディスクトラップ５の一例が示されており、同図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれその正面断面図及び側面図である。ディスクトラップ５は、例えば両端に排気ガスが流入及び流出するガス導入口５２及びガス排出口５３を有する略筒状のハウジング５４内に、ディスクアッセンブリ５５及びカバー５６が収納されてできている。ディスクアッセンブリ５５は、多数枚の例えば環状の板材よりなるディスクが相対峙するようにガス導入口５２からガス排出口５３へ向かって所定間隔おきに一列に並べられてできており、両端が開放されてなる筒状をなしている。そしてディスクアッセンブリ５５のガス導入口５２に臨む側の開放端はカバー５６により塞がれている。また、ディスクトラップ５には、図示省略したが、上述した加熱手段が設けられている。なおこの加熱手段は、ディスクトラップ５の周囲をヒータ５１が囲繞するように構成されていてもよいし、ディスクトラップ５にヒータ５１が内蔵された構成となっていてもよい。
【００２７】
ガス導入口５２から流入したガスは図２（ａ）にその流れを矢印で示すように、カバー５６によりディスクアッセンブリ５５の外周とハウジング５４の内周面との間の隙間に流れ込み、ディスクアッセンブリ５５のディスク間の間隙を通ってディスクアッセンブリ５５の内側空間に流入する。ディスクの間はコンダクタンスが小さいため、コンダクタンスが小さいことによって付着し得る物質、例えばＳｉＯ２ を生成するためのプロセスガスであるＴＥＯＳからＳｉＯ２ 膜を形成する際に発生する副生成物であるＣｘ Ｈｙ がディスク間の間隙に付着し、それによってＣｘ Ｈｙ が捕集される。そしてＣｘ Ｈｙ が除去された排気ガスはガス排出口５３より排出される。
【００２８】
図３には水冷トラップ６の一例が示されており、同図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれその正面断面図及び側面図である。水冷トラップ６は、両端に排気ガスが流入及び流出するガス導入口６１及びガス排出口６２を有するハウジング６３と、そのハウジング６３内に挿入される冷却部６４と、その冷却部６４を支持するとともにハウジング６３の一端の開放端を気密に塞ぐ蓋体部６５と、冷却部６４内を循環する冷却水の流入出部６６を備えている。冷却部６４は冷却水により冷却される冷却水循環部６７と、その冷却水循環部６７上に立設された複数の冷却フィン６８とからできている。冷却水循環部６７はガス導入口６１及びガス排出口６２に対向するような向きで、ガス導入口６１とガス排出口６２との間で真っ直ぐガスが流れるのを妨げてガスの迂回路６９が形成されるように配置されている。そして冷却フィン６８はガス導入口６１に向かって起立するように配置されている。
【００２９】
ガス導入口６１から流入したガスは図３（ａ）にその流れを矢印で示すように、冷却部６４に当たり冷却フィン６８と十分に接触して冷却される。それによって冷却により付着し得る物質、例えばＳｉ３ Ｎ４ を生成するためのプロセスガスであるＮＨ３ 及びＳｉＨ２ Ｃｌ２ からＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成する際に発生する副生成物であるＮＨ４ Ｃｌが冷却部６４に付着し、捕集される。ＮＨ４ Ｃｌが除去された排気ガスは迂回路６９を通ってガス排出口６２より排出される。
【００３０】
次に上述の熱処理装置を用いてウエハ上にＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ よりなる多層絶縁膜構造を形成する場合について図４及び図５を参照しながら説明する。先ず加熱炉３３により反応管３１内を例えば４００℃の均熱状態に加熱し、被処理体であるウエハＷを例えば５０枚棚状にウエハボート３５に保持して反応管３１内にロードする。またヒータ４４，５１に給電して排気管４１、ディスクトラップ５、メインバルブＭＶ、サブバルブＳＶ及び補助排気路４５を例えば１５０℃に加熱する。水冷トラップ６については冷却水を循環させて冷却する。次いでメインバルブＭＶを閉状態としたままサブバルブＳＶを開き、真空ポンプ４３により補助排気路４５を介して反応管３１内を例えば５Ｔｏｒｒ程度までスロー排気し、続けてメインバルブＭＶを開けて（サブバルブＳＶは開いていても閉じていてもよい）例えば１０−３Ｔｏｒｒ以下の減圧状態まで真空排気する（図４「ウエハ搬入」参照）。
【００３１】
そしてバルブＶ３を閉じたままバルブＶ１を開いてガス供給管４１を介してＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成するためのプロセスガス例えばＮＨ３ 及びＳｉＨ２ Ｃｌ２ を夫々流量１０００ｓｃｃｍ及び１００ｓｃｃｍで反応管３１内に供給しながら排気管４１を介して未反応ガス及び副生成物を反応管３１内から排気して第１の熱処理を例えば５０分間行う。この時の反応管３１内の圧力は圧力制御装置４２により例えば０．２５Ｔｏｒｒに制御されている。この第１の熱処理によって図５に示すようにウエハＷの例えばポリシリコン７１上にＳｉ３ Ｎ４ 膜７２が形成され、それと同時に生じた副生成物であるＮＨ４ Ｃｌは冷却により付着するという特性を有するため水冷トラップ６にて捕集される（図４「第１の熱処理」参照）。
【００３２】
ＮＨ４ Ｃｌは排気ガスの流路のコンダクタンスが小さくても付着し難いという特性を有している。ここで排気ガスの流路のコンダクタンスが小さくても付着し難いとは、排気管４１に比べてコンダクタンスが小さいディスクトラップ５及びメインバルブＭＶやサブバルブＳＶの中を通っても付着しないかほとんど付着しないということである。従ってＮＨ４ Ｃｌは排気ガスとともにディスクトラップ５及びメインバルブＭＶやサブバルブＳＶの中を通っても、それらトラップ５及びバルブＭＶ，ＳＶが例えば１５０℃に加熱されている限り付着しないかまたはほとんど付着することはない。すなわち、第１の熱処理においてディスクトラップ５を加熱するのは、ディスクトラップ５にＮＨ４ Ｃｌを付着させないためである。
【００３３】
次いでバルブＶ１を閉じてＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成するためのプロセスガスの供給を停止し、再び真空引きを行って反応管３１内を１０−３Ｔｏｒｒまで排気する（図４「排気」参照）。
【００３４】
そして加熱炉３３により反応管３１内を例えば７００℃の均熱状態に加熱する。その状態でバルブＶ１を閉じたままバルブＶ３を開いてガス供給管４２を介してＳｉＯ２ 膜を形成するためのプロセスガス例えばＴＥＯＳのガスを流量２００ｓｃｃｍで反応管３１内に供給しながら排気管４１を介して未反応ガス及び副生成物を反応管３１内から排気して第２の熱処理を例えば２０分間行う。この時の反応管３１内の圧力は圧力制御装置４２により例えば０．５Ｔｏｒｒに制御されている。なお少なくともディスクトラップ５よりも上流側の排気管４１はヒータ４４により例えば１５０℃に加熱されており、一方ディスクトラップ５は常温（２５℃程度）に保持されている。この第２の熱処理によって図５に示すようにウエハＷ上のＳｉ３ Ｎ４ 膜７２上にＳｉＯ２ 膜７３が形成され、それと同時に生じた副生成物であるＣｘ Ｈｙ は排気路のコンダクタンスが小さいと付着するという特性を有するため排気管４１よりもコンダクタンスが小さいディスクトラップ５にて捕集される（図４「第２の熱処理」参照）。
【００３５】
ここでメインバルブＭＶやサブバルブＳＶのコンダクタンスは排気管４１よりも小さいが、これらのバルブＭＶ，ＳＶはディスクトラップ５よりも下流側に配設されており、ほとんど全てのＣｘ Ｈｙ がディスクトラップ５で捕集されてしまうため、Ｃｘ Ｈｙ はメインバルブＭＶ内やサブバルブＳＶ内に付着しないかまたはほとんど付着しない。つまりＣｘ Ｈｙ はコンダクタンスが小さければたとえバルブＭＶ，ＳＶが加熱されていても付着してしまうが、これらバルブＭＶ，ＳＶをディスクトラップ５よりも下流側に配置することによってＣｘ Ｈｙ の付着から保護している。
【００３６】
なお第２の熱処理を行う際にディスクトラップ５を適度に加熱してＣｘ Ｈｙ の除去量を調整し、このディスクトラップ５にＣｘ Ｈｙ が多量に付着することによってメンテナンス時期がディスクトラップ５により律速にならないように配慮してもよい。
【００３７】
最後にバルブＶ３を閉じてＳｉＯ２ 膜を形成するためのプロセスガスの供給を停止するとともにメインバルブＭＶ及びサブバルブＳＶを閉じ、キャップ３２を開けてウエハＷを取り出す（図４「ウエハ搬出」参照）。その際メインバルブＭＶ及びサブバルブＳＶが閉じられていることにより、水冷トラップ６により捕集されたＮＨ４ Ｃｌが反応管３１内に逆流するのが防止される。
【００３８】
上述実施の形態によれば、排気路に上流側から順にディスクトラップ５、メインバルブＭＶ、サブバルブＳＶ及び水冷トラップ６が配置され、かつ水冷トラップ６よりも上流側の排気管４１、メインバルブＭＶ、サブバルブＳＶ及びディスクトラップ５を加熱するヒータ４４，５１が設けられているため、この熱処理装置を用いればＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成する時には水冷トラップ６よりも上流側の排気管４１、メインバルブＭＶ、サブバルブＳＶ及びディスクトラップ５を加熱するとともに水冷トラップ６を冷却することにより副生成物であるＮＨ４ Ｃｌを水冷トラップ６で有効に捕集することができ、またＳｉＯ２ 膜を形成する時には少なくともディスクトラップ５よりも上流側の排気管４１を加熱することにより副生成物であるＣｘ Ｈｙ をディスクトラップ５で有効に捕集することができる。
【００３９】
しかもウエハ搬出時にはメインバルブＭＶ及びサブバルブＳＶを閉じることにより、水冷トラップ６からＮＨ４ Ｃｌが逆流してパーティクルとなるのを防止することができる。従って真空引きの機能低下やパーティクルの発生が抑えられるので、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜７２及びＳｉＯ２ 膜７３を共通の熱処理装置でもって連続して形成する手法を実施することができる。この結果Ｓｉ３ Ｎ４ 膜７２とＳｉＯ２ 膜７３との間に不要な酸化膜が形成されることもないし、多層膜構造を形成している最中にウエハＷの移載や反応管３１に対する搬入、搬出を行わないのでパーティクルが取り込まれることもない。従って上述した構成の熱処理装置を用いれば良質な多層絶縁膜を得ることができる。
【００４０】
また共通の熱処理装置を用いて連続して多層膜の形成を行っているため、従来のように別々の装置で各膜を形成した場合に比べ、スループットが格段に向上してプロセス処理の実時間を削減することができる上、装置の占有スペースを狭くすることができ、更にウエハの移載に伴うウエハの破損のおそれもない。
【００４１】
そしてまたディスクトラップ（第１のトラップ）５にヒータ５１を設けているため、次のような効果がある。即ちＴＥＯＳの処理を重ねてくると反応管の内壁に反応生成物が堆積してくる。これがある以上堆積してくると反応管及びトラップ及び排気管のクリーニングが必要である。このクリーニングは装置のダウンタイムをなるべく少なくするために、また作業を容易にするために、ＨＦやＣｌＦ３ ガスを用いて、反応管や配管を外さずにクリーニングできるシステムを構築中である。このクリーニングはその洗浄個所をある温度に加熱してガスを流さないと効果が得られないので、従来のディスクトラップでは洗浄できなかったが、ヒータ５１を設けることにより洗浄効果が期待でき、装置の運転効率の向上に貢献することができる。
【００４２】
以上において本発明は、ＴｉＣｌ４ ガスとＮＨ３ ガスとを反応させて被処理基板にＴｉＮ膜を形成する場合（反応副生成物としてＮＨ４ Ｃｌが生成される）にも用いることができるし、ＴＥＯＳ以外の有機シリコン化合物を原料ガスとして用いる場合にも適用できる。また酸化膜の形成後に窒化膜を形成する場合にも用いることができるし、酸化膜の形成処理と窒化膜の形成処理を繰り返して行うような場合、例えばＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ ／ＳｉＯ２ 膜を形成する場合にも用いることができるし、また多層絶縁膜以外の薄膜を形成する場合にも用いることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、共通の熱処理装置を用いて連続して多層膜の形成を行うことができるため、良質な多層膜構造、特に窒化膜と酸化膜とからなる多層絶縁膜構造を得ることができるとともに、プロセス処理の実時間を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱処理装置の一例を示す概略図である。
【図２】ディスクトラップの一例の正面断面及び側面を示す図である。
【図３】水冷トラップの一例の正面断面及び側面を示す図である。
【図４】本発明に係る熱処理装置を用いて多層絶縁膜構造を形成する場合の処理の一例を示すタイムチャートである。
【図５】ウエハ上に形成された多層絶縁膜構造の一例を示す断面図である。
【図６】を用いてＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成する際に使用される従来の熱処理装置を示す概略図である。
【図７】ＴＥＯＳを用いてＳｉＯ２ 膜を形成する際に使用される従来の熱処理装置を示す概略図である。
【符号の説明】
ＭＶ メインバルブ
ＳＶ サブバルブ
Ｗ 被処理体（ウエハ）
３ 熱処理部
４１ 排気路（排気管）
４４，５１ 加熱手段（ヒータ）
５ 第１のトラップ（ディスクトラップ）
６ 第２のトラップ（水冷トラップ）
【発明の属する技術分野】
本発明は熱処理装置及び熱処理方法に関し、特に窒化膜と酸化膜のように成分の異なる多層膜を共通の装置により積層するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは、ＤＲＡＭに代表されるように集積度が増々高くなりつつあり、デバイスの構造、製法に種々の工夫がなされている。例えばＤＲＡＭのキャパシタ絶縁膜については、トレンチのコーナの絶縁耐圧を確保しながらプロセスの低温化を図るためにＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ ／Ｓｉ○２ 膜やＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ 膜といった多層膜が検討されている。
【０００３】
そしてデバイスについて高い信頼性を得るためには、薄膜の膜質改善が今まで以上に要求され、例えばＳｉ３ Ｎ４ 膜中に酸素が取り込まれると誘電率が低下し、長期信頼性も劣化する。従ってこのような多層絶縁膜を形成するにあたっては、炉内への空気の巻き込みが少ない縦型熱処理装置を使用することが適している。
【０００４】
そこで従来では被処理体である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）の表面上に例えばＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ 膜を形成する場合、まずウエハを保持具に載せて例えば図６に示すような縦型熱処理装置の減圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａ１ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ）炉内に搬入し、例えばＮＨ３ 及びＳｉＨ２ Ｃｌ２ をプロセスガス（成膜ガス）として用いてウエハＷの表面上にＳｉ３ Ｎ４ （シリコンナイトライド）膜を形成する。その後、炉内からウエハを搬出して保持具から取り出し、それをウエハキャリアに収納して別の熱処理装置、例えば図７に示すような縦型熱処理装置まで搬送する。そしてその熱処理装置において、例えばテトラエトキシシラン（以下「ＴＥＯＳ」とする）をプロセスガスとして用いてＳｉ３ Ｎ４ 膜の表面上にＳｉＯ２ 膜を積層する。その後炉内からウエハを搬出する。このようにして例えばポリシリコン層上にＳｉ３ Ｎ４ 膜及びＳｉＯ２ 膜が順次積層された多層絶縁膜構造が得られる（図５参照）。
【０００５】
Ｓｉ３ Ｎ４ 膜の形成に用いられる熱処理装置１は、図６に示すように、熱処理部１１と、それにガス供給管１２及びバルブＶ１を介して接続されたプロセスガス供給源１３と、熱処理部１１にガス排気管１４を介して熱処理部１１から順に接続されたメインバルブＭＶ、水冷トラップ１５及び真空ポンプ１６と、熱処理部１１とメインバルブＭＶとの間の排気管１４にバルブＶ２を介して接続された圧力センサーＳ１，Ｓ２と、熱処理部１１の排気口から水冷トラップ１５までの間の排気経路、すなわち熱処理部１１と水冷トラップ１５との間の排気管１４及びメインバルブＭＶを加熱するヒータ１７とから構成されている。
【０００６】
Ｓｉ３ Ｎ４ 膜の形成時には以下の反応式に示すように副生成物として粉末状のＮＨ４ Ｃｌ（塩化アンモニウム）が生成される。
１０ＮＨ３ ＋３ＳｉＨ２ Ｃｌ２ →Ｓｉ３ Ｎ４ ＋６ＮＨ４ Ｃｌ＋６Ｈ２ このＮＨ４ Ｃｌは、ポンプ１６を稼動させてメインバルブＭＶを開けた時に、排気管１４及びメインバルブＭＶをヒータ１７により１５０℃程度に加熱しておけば管及びバルブの内側に付着するのが防止され、そして水冷トラップ１５において冷却されることによって捕集される。それによってＮＨ４ Ｃｌ等の反応副生成物や未反応ガスなどがポンプ１６に到達することにより引き起こされる吸引能力の低下や各部の腐食等を防ぐとともに、排気管１４やメインバルブＭＶの内側に付着して排気のコンダクタンスが低下するのを防いでいる。
【０００７】
熱処理部１１にウエハＷをロードまたはアンロードする時にはメインバルブＭＶを閉じる。それによって水冷トラップ１５に捕集されたＮＨ４ Ｃｌの粉末が排気管１４及びメインバルブＭＶを介して熱処理部１１内へ逆流してパーティクルとなるのを防止している。
【０００８】
ＳｉＯ２ 膜の形成に用いられる熱処理装置２は、図７に示すように、熱処理部２１と、それにガス供給管２２及びバルブＶ１を介して接続されたプロセスガス供給源２３と、熱処理部２１にガス排気管２４を介して熱処理部２１から順に接続されたディスクトラップ２５、メインバルブＭＶ及び真空ポンプ２６と、熱処理部２１とディスクトラップ２５との間の排気管２４にバルブＶ２を介して接続された圧力センサーＳ１，Ｓ２と、熱処理部２１の排気口からメインバルブＭＶまでの間の排気管２４を加熱するヒータ２７とから構成されている。この熱処理装置２では、ディスクトラップ２５は常温のままである。
【０００９】
ＴＥＯＳを用いたＳｉＯ２ 膜の形成時には以下の反応式に示すように副生成物として炭化水素Ｃｘ Ｈｙ （ただしｘ，ｙはともに自然数）が生成される。
ＴＥＯＳ→ＳｉＯ２ ＋Ｃｘ Ｈｙ ＋Ｈ２ Ｏ
このＣｘ Ｈｙ は単純に冷却しただけでは捕集され難いという特性を有している。それゆえディスクトラップ２５により排気のコンダクタンスを小さくしてＣｘ Ｈｙ を捕集し、それによってポンプ２６の吸引能力の低下や各部の腐食等を防いでいる。ここで排気管１４に比べてコンダクタンスが小さいメインバルブＭＶにおいてその内側にＣｘ Ｈｙ が付着するのを防ぐために、ディスクトラップ２５がメインバルブＭＶよりも上流側すなわち熱処理部２１に近い側に配置されていてメインバルブＭＶにＣｘ Ｈｙ が到達しないようになっている。
【００１０】
しかしながら上述したように別々の熱処理装置１，２を用いて多層絶縁膜構造を形成しているため、熱処理装置１，２間でウエハを搬送する時にＳｉ３ Ｎ４ 膜の上に自然酸化膜が形成されてしまう。特に減圧ＣＶＤ炉内で成膜を行った後に熱処理部１１の下端のキャップを開いたときに大気の若干の巻き込みを避けられず、高温下でＳｉ３ Ｎ４ 膜の表面が大気に接触するので不均一な厚い自然酸化膜が形成され、次の酸化工程の前に洗浄しても均一に除去することは困難である。またＳｉＯ２ 膜を形成するための酸化炉（熱処理装置２）の下でウエハを保持具に移載するときにも可成り高い温度下でウエハが大気にさらされるため自然酸化膜の成長が促進され、この状態のまま酸化炉内で所定のＳｉＯ２ 膜が形成される。従って多層絶縁膜の中に膜質の悪い酸化膜が取り込まれるためデバイス例えばＤＲＡＭの信頼性が低くなる。
【００１１】
更に減圧ＣＶＤ炉からウエハを搬出し、キャリアに収納して搬送し、酸化炉内に搬入する間のウエハの移載の回数が多いためパーティクルが付着しやすく、上述の多層絶縁膜は非常に薄くて今後ＤＲＡＭの高集積化に伴って一層薄くなる状況にあることからわずかなパーティクルの付着であっても絶縁膜の性能を悪化させる。以上述べた問題点は、ＳｉＯ２ 膜の上にＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成する場合にも同様である。
【００１２】
こうしたことから従来の別々の熱処理装置を用いてＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ 膜やＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ ／ＳｉＯ２ 膜などを形成したのでは膜質の良好な多層絶縁膜を得ることが困難であり、ＤＲＡＭなどのデバイスの高集積化を阻む一因となっている。
【００１３】
また半導体装置の製造分野においては、従来は半導体チップの量産ラインにおけるウエハ１枚当たりの製造コストが重要視されており、この製造コストを削減することに努力が払われていたが、近時半導体チップの試作ラインにおいては開発期間の短縮を図るため製造コストよりもプロセス処理の実時間を削減することが重要であるとの報告がなされている（日経マイクロデバイス、１９９７年８月号、１９５〜２０２頁）。そして今後は量産ラインにおいても製造コストの削減と同程度にプロセス処理の実時間の削減も重要になるであろうと指摘されている。
【００１４】
そこで、本発明者は上述したように従来例えばＳｉ３ Ｎ４ 膜の形成処理とＳｉＯ２ 膜の形成処理を別々の熱処理装置を用いて行っていたが、これらを共通の熱処理装置を用いて連続して行うことにより、ウエハ１枚当たりの製造コストの削減とプロセス処理の実時間の削減とを同時に満足することができるとともに、上述したような別々の熱処理装置間でのウエハの搬送及び移載による自然酸化膜の生成及びパーティクルの付着という問題を回避することができると考え、鋭意検討を行った。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図６に示す構成の熱処理装置１を用い、窒化膜を形成する時と酸化膜を形成する時のプロセスガスを単純に替えただけでは、窒化膜形成時に発生する副生成物であるＮＨ４ Ｃｌは水冷トラップ１５において有効に捕集されるが、水冷トラップ１５がメインバルブＭＶよりも下流側にあるため酸化膜形成時に発生する副生成物であるＣｘ Ｈｙ が排気管１４に比べてコンダクタンスが小さいメインバルブＭＶの内側に付着してしまうという問題点がある。
【００１６】
一方図７に示す構成の熱処理装置２を用いた場合には、Ｃｘ Ｈｙ はディスクトラップ２５において有効に捕集され、またディスクトラップ２５の温度（常温）がそれよりも上流側の排気管２４の温度（約１５０℃）よりも低いためＮＨ４ Ｃｌも捕集される。しかし熱処理部２１にウエハＷをロードまたはアンロードする時にメインバルブＭＶを閉じても、ディスクトラップ２５がメインバルブＭＶよりも上流側にあるため、ディスクトラップ２５に捕集されたＮＨ４ Ｃｌの粉末が排気管２４を介して熱処理部２１内へ逆流してパーティクルが発生してしまうという問題点がある。加えて捕集されたＮＨ４ Ｃｌの粉末によりディスクトラップ２５のディスクが目詰まりしてしまい、真空到達圧力の悪化が引き起こされるという問題点もある。
【００１７】
本発明は、このような事情のもとになされたものであり、その目的は、例えば窒化膜と酸化膜とを同一の装置で連続して形成することにより多層絶縁膜構造を形成することができる熱処理装置及び熱処理方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱処理装置は、被処理体を熱処理部にて熱処理する熱処理装置において、
前記熱処理部に接続された排気路に、上流側より流路コンダクタンスの小さい第１のトラップ、流路コンダクタンスの大きい第２のトラップを設けると共に、熱処理部と第２のトラップとの間に加熱手段を備え、
流路コンダクタンスが小さくても付着しにくい反応副生成物を生じる第１の熱処理を行う場合、熱処理部と第２のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱すると共に、第２のトラップを冷却して反応副生成物を捕集し、
流路コンダクタンスが小さいときに付着しやすい反応副生成物を生じる第２の熱処理を行う場合、熱処理部と第１のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱すると共に、第１のトラップを上流側の排気路の温度より低い状態として反応副生成物を捕集することを特徴とする。
【００１９】
前記第１の熱処理は、窒化膜を成膜し、例えば塩化アンモニウムを反応副生成物として成膜する成膜処理であり、前記第２の熱処理は、例えば有機シリコン化合物を原料ガスとして酸化膜を成膜し、炭化水素を反応副生成物として生成する成膜処理である。
また本発明の熱処理方法は、熱処理部に接続された排気路に、上流側より流路コンダクタンスの小さい第１のトラップ、流路コンダクタンスの大きい第２のトラップを設けた熱処理装置を用いた熱処理方法において、
被処理体を熱処理部に保持したまま、流路コンダクタンスが小さくても付着しにくい反応副生成物を生じる第１の熱処理を行うと共に、熱処理部と第２のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱しかつ第２のトラップを冷却して、前記第２のトラップにより反応副生成物を捕集する工程と、
被処理体を熱処理部に保持したまま、流路コンダクタンスが小さいときに付着しやすい反応副生成物を生じる第２の熱処理を行うと共に、熱処理部と第１のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱しかつ第１のトラップを上流側の排気路の温度より低い状態として反応副生成物を捕集する工程と、
を連続して行うことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をウエハ上にＳｉＯ２ とＳｉ３ Ｎ４ とからなる多層絶縁膜構造を形成する際に使用される縦型熱処理装置に適用した場合の実施の形態を示す概略図である。この熱処理装置は図１に示すように、熱処理部３と、それにガス供給管４１，４２及び開閉バルブＶ１，Ｖ３を介して接続されたプロセスガス供給源４３，４４と、熱処理部３にガス排気管４１を介して熱処理部３から順に接続された第１のトラップであるディスクトラップ５、ガスの流通を遮断可能なメインバルブＭＶ、第２のトラップである水冷トラップ６、熱処理部３の反応管３１内の圧力の制御行う圧力制御装置４２及び真空ポンプ４３と、熱処理部３の排気口から水冷トラップ６までの間の排気経路、すなわち熱処理部３と水冷トラップ６との間の排気管４１及びメインバルブＭＶを加熱する加熱手段であるヒータ４４と、ディスクトラップ５を加熱する加熱手段であるヒータ５１と備えている。
【００２１】
ヒータ５１は例えばスイッチ等によりディスクトラップ５の加熱及び非加熱を自在に切り替えることができるようになっている。ヒータ４４は特に限定しないが例えば線状または面状の発熱体でできており、配管に巻き付けられている。これらヒータ４４，５１は図示しない電力供給源により電力が供給される。
【００２２】
プロセスガス供給源４３は、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜を生成するためのプロセスガスであるＮＨ３ 及びＳｉＨ２ Ｃｌ２ を供給し、プロセスガス供給源４４はＳｉＯ２ 膜を生成するためのプロセスガスであるＴＥＯＳのガスを供給する。
【００２３】
熱処理部３は、下端がキャップ３２により気密封止される二重管構造の反応管３１と、それを囲繞する加熱炉３３と、反応管３１の内管内に保温筒３４を介して設置されるウエハボート３５とを備えている。そして反応管３１の内管の内側に前記ガス供給管４１，４２を介してプロセスガスが供給され、また反応管３１の内管と外管の間から排気管４１を介して未反応ガスや副生成物が排気されるようになっている。
【００２４】
またディスクトラップ５と水冷トラップ６との間には、メインバルブＭＶに対して並列となるように排気管（主排気路）４１に接続されてなる、主排気路よりもコンダクタンスが小さい補助排気路４５と、この補助排気路４５内のガスの流通を遮断可能なサブバルブＳＶと、補助排気路４５内を流通するガスの排気を遮断可能なバルブＶ４とが設けられている。補助排気路４５にもヒータ４４が設けられている。熱処理部３の反応管３１内を高真空にする際には、メインバルブＭＶ及びサブバルブＳＶの切り替えによってまず反応管３１内の圧力が例えば５Ｔｏｒｒになるまでは補助排気路４５のみを使用し、その後主排気路のみまたは主排気路と補助排気路４５の両方を用いて成膜処理等を行うのに適した例えば１０−３Ｔｏｒｒ以下の圧力となるようにする。このようにすることによって、真空引きの開始時に真空引きにより反応管３１内に生じる気流を小さくして、反応管３１内でパーティクルが舞い上がるのを防いでいる。
【００２５】
さらに図１に示す熱処理装置では、圧力センサーＳ１，Ｓ２が熱処理部３とディスクトラップ５との間の排気管４１に開閉バルブＶ２を介して接続されている。
【００２６】
図２にはディスクトラップ５の一例が示されており、同図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれその正面断面図及び側面図である。ディスクトラップ５は、例えば両端に排気ガスが流入及び流出するガス導入口５２及びガス排出口５３を有する略筒状のハウジング５４内に、ディスクアッセンブリ５５及びカバー５６が収納されてできている。ディスクアッセンブリ５５は、多数枚の例えば環状の板材よりなるディスクが相対峙するようにガス導入口５２からガス排出口５３へ向かって所定間隔おきに一列に並べられてできており、両端が開放されてなる筒状をなしている。そしてディスクアッセンブリ５５のガス導入口５２に臨む側の開放端はカバー５６により塞がれている。また、ディスクトラップ５には、図示省略したが、上述した加熱手段が設けられている。なおこの加熱手段は、ディスクトラップ５の周囲をヒータ５１が囲繞するように構成されていてもよいし、ディスクトラップ５にヒータ５１が内蔵された構成となっていてもよい。
【００２７】
ガス導入口５２から流入したガスは図２（ａ）にその流れを矢印で示すように、カバー５６によりディスクアッセンブリ５５の外周とハウジング５４の内周面との間の隙間に流れ込み、ディスクアッセンブリ５５のディスク間の間隙を通ってディスクアッセンブリ５５の内側空間に流入する。ディスクの間はコンダクタンスが小さいため、コンダクタンスが小さいことによって付着し得る物質、例えばＳｉＯ２ を生成するためのプロセスガスであるＴＥＯＳからＳｉＯ２ 膜を形成する際に発生する副生成物であるＣｘ Ｈｙ がディスク間の間隙に付着し、それによってＣｘ Ｈｙ が捕集される。そしてＣｘ Ｈｙ が除去された排気ガスはガス排出口５３より排出される。
【００２８】
図３には水冷トラップ６の一例が示されており、同図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれその正面断面図及び側面図である。水冷トラップ６は、両端に排気ガスが流入及び流出するガス導入口６１及びガス排出口６２を有するハウジング６３と、そのハウジング６３内に挿入される冷却部６４と、その冷却部６４を支持するとともにハウジング６３の一端の開放端を気密に塞ぐ蓋体部６５と、冷却部６４内を循環する冷却水の流入出部６６を備えている。冷却部６４は冷却水により冷却される冷却水循環部６７と、その冷却水循環部６７上に立設された複数の冷却フィン６８とからできている。冷却水循環部６７はガス導入口６１及びガス排出口６２に対向するような向きで、ガス導入口６１とガス排出口６２との間で真っ直ぐガスが流れるのを妨げてガスの迂回路６９が形成されるように配置されている。そして冷却フィン６８はガス導入口６１に向かって起立するように配置されている。
【００２９】
ガス導入口６１から流入したガスは図３（ａ）にその流れを矢印で示すように、冷却部６４に当たり冷却フィン６８と十分に接触して冷却される。それによって冷却により付着し得る物質、例えばＳｉ３ Ｎ４ を生成するためのプロセスガスであるＮＨ３ 及びＳｉＨ２ Ｃｌ２ からＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成する際に発生する副生成物であるＮＨ４ Ｃｌが冷却部６４に付着し、捕集される。ＮＨ４ Ｃｌが除去された排気ガスは迂回路６９を通ってガス排出口６２より排出される。
【００３０】
次に上述の熱処理装置を用いてウエハ上にＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ よりなる多層絶縁膜構造を形成する場合について図４及び図５を参照しながら説明する。先ず加熱炉３３により反応管３１内を例えば４００℃の均熱状態に加熱し、被処理体であるウエハＷを例えば５０枚棚状にウエハボート３５に保持して反応管３１内にロードする。またヒータ４４，５１に給電して排気管４１、ディスクトラップ５、メインバルブＭＶ、サブバルブＳＶ及び補助排気路４５を例えば１５０℃に加熱する。水冷トラップ６については冷却水を循環させて冷却する。次いでメインバルブＭＶを閉状態としたままサブバルブＳＶを開き、真空ポンプ４３により補助排気路４５を介して反応管３１内を例えば５Ｔｏｒｒ程度までスロー排気し、続けてメインバルブＭＶを開けて（サブバルブＳＶは開いていても閉じていてもよい）例えば１０−３Ｔｏｒｒ以下の減圧状態まで真空排気する（図４「ウエハ搬入」参照）。
【００３１】
そしてバルブＶ３を閉じたままバルブＶ１を開いてガス供給管４１を介してＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成するためのプロセスガス例えばＮＨ３ 及びＳｉＨ２ Ｃｌ２ を夫々流量１０００ｓｃｃｍ及び１００ｓｃｃｍで反応管３１内に供給しながら排気管４１を介して未反応ガス及び副生成物を反応管３１内から排気して第１の熱処理を例えば５０分間行う。この時の反応管３１内の圧力は圧力制御装置４２により例えば０．２５Ｔｏｒｒに制御されている。この第１の熱処理によって図５に示すようにウエハＷの例えばポリシリコン７１上にＳｉ３ Ｎ４ 膜７２が形成され、それと同時に生じた副生成物であるＮＨ４ Ｃｌは冷却により付着するという特性を有するため水冷トラップ６にて捕集される（図４「第１の熱処理」参照）。
【００３２】
ＮＨ４ Ｃｌは排気ガスの流路のコンダクタンスが小さくても付着し難いという特性を有している。ここで排気ガスの流路のコンダクタンスが小さくても付着し難いとは、排気管４１に比べてコンダクタンスが小さいディスクトラップ５及びメインバルブＭＶやサブバルブＳＶの中を通っても付着しないかほとんど付着しないということである。従ってＮＨ４ Ｃｌは排気ガスとともにディスクトラップ５及びメインバルブＭＶやサブバルブＳＶの中を通っても、それらトラップ５及びバルブＭＶ，ＳＶが例えば１５０℃に加熱されている限り付着しないかまたはほとんど付着することはない。すなわち、第１の熱処理においてディスクトラップ５を加熱するのは、ディスクトラップ５にＮＨ４ Ｃｌを付着させないためである。
【００３３】
次いでバルブＶ１を閉じてＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成するためのプロセスガスの供給を停止し、再び真空引きを行って反応管３１内を１０−３Ｔｏｒｒまで排気する（図４「排気」参照）。
【００３４】
そして加熱炉３３により反応管３１内を例えば７００℃の均熱状態に加熱する。その状態でバルブＶ１を閉じたままバルブＶ３を開いてガス供給管４２を介してＳｉＯ２ 膜を形成するためのプロセスガス例えばＴＥＯＳのガスを流量２００ｓｃｃｍで反応管３１内に供給しながら排気管４１を介して未反応ガス及び副生成物を反応管３１内から排気して第２の熱処理を例えば２０分間行う。この時の反応管３１内の圧力は圧力制御装置４２により例えば０．５Ｔｏｒｒに制御されている。なお少なくともディスクトラップ５よりも上流側の排気管４１はヒータ４４により例えば１５０℃に加熱されており、一方ディスクトラップ５は常温（２５℃程度）に保持されている。この第２の熱処理によって図５に示すようにウエハＷ上のＳｉ３ Ｎ４ 膜７２上にＳｉＯ２ 膜７３が形成され、それと同時に生じた副生成物であるＣｘ Ｈｙ は排気路のコンダクタンスが小さいと付着するという特性を有するため排気管４１よりもコンダクタンスが小さいディスクトラップ５にて捕集される（図４「第２の熱処理」参照）。
【００３５】
ここでメインバルブＭＶやサブバルブＳＶのコンダクタンスは排気管４１よりも小さいが、これらのバルブＭＶ，ＳＶはディスクトラップ５よりも下流側に配設されており、ほとんど全てのＣｘ Ｈｙ がディスクトラップ５で捕集されてしまうため、Ｃｘ Ｈｙ はメインバルブＭＶ内やサブバルブＳＶ内に付着しないかまたはほとんど付着しない。つまりＣｘ Ｈｙ はコンダクタンスが小さければたとえバルブＭＶ，ＳＶが加熱されていても付着してしまうが、これらバルブＭＶ，ＳＶをディスクトラップ５よりも下流側に配置することによってＣｘ Ｈｙ の付着から保護している。
【００３６】
なお第２の熱処理を行う際にディスクトラップ５を適度に加熱してＣｘ Ｈｙ の除去量を調整し、このディスクトラップ５にＣｘ Ｈｙ が多量に付着することによってメンテナンス時期がディスクトラップ５により律速にならないように配慮してもよい。
【００３７】
最後にバルブＶ３を閉じてＳｉＯ２ 膜を形成するためのプロセスガスの供給を停止するとともにメインバルブＭＶ及びサブバルブＳＶを閉じ、キャップ３２を開けてウエハＷを取り出す（図４「ウエハ搬出」参照）。その際メインバルブＭＶ及びサブバルブＳＶが閉じられていることにより、水冷トラップ６により捕集されたＮＨ４ Ｃｌが反応管３１内に逆流するのが防止される。
【００３８】
上述実施の形態によれば、排気路に上流側から順にディスクトラップ５、メインバルブＭＶ、サブバルブＳＶ及び水冷トラップ６が配置され、かつ水冷トラップ６よりも上流側の排気管４１、メインバルブＭＶ、サブバルブＳＶ及びディスクトラップ５を加熱するヒータ４４，５１が設けられているため、この熱処理装置を用いればＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成する時には水冷トラップ６よりも上流側の排気管４１、メインバルブＭＶ、サブバルブＳＶ及びディスクトラップ５を加熱するとともに水冷トラップ６を冷却することにより副生成物であるＮＨ４ Ｃｌを水冷トラップ６で有効に捕集することができ、またＳｉＯ２ 膜を形成する時には少なくともディスクトラップ５よりも上流側の排気管４１を加熱することにより副生成物であるＣｘ Ｈｙ をディスクトラップ５で有効に捕集することができる。
【００３９】
しかもウエハ搬出時にはメインバルブＭＶ及びサブバルブＳＶを閉じることにより、水冷トラップ６からＮＨ４ Ｃｌが逆流してパーティクルとなるのを防止することができる。従って真空引きの機能低下やパーティクルの発生が抑えられるので、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜７２及びＳｉＯ２ 膜７３を共通の熱処理装置でもって連続して形成する手法を実施することができる。この結果Ｓｉ３ Ｎ４ 膜７２とＳｉＯ２ 膜７３との間に不要な酸化膜が形成されることもないし、多層膜構造を形成している最中にウエハＷの移載や反応管３１に対する搬入、搬出を行わないのでパーティクルが取り込まれることもない。従って上述した構成の熱処理装置を用いれば良質な多層絶縁膜を得ることができる。
【００４０】
また共通の熱処理装置を用いて連続して多層膜の形成を行っているため、従来のように別々の装置で各膜を形成した場合に比べ、スループットが格段に向上してプロセス処理の実時間を削減することができる上、装置の占有スペースを狭くすることができ、更にウエハの移載に伴うウエハの破損のおそれもない。
【００４１】
そしてまたディスクトラップ（第１のトラップ）５にヒータ５１を設けているため、次のような効果がある。即ちＴＥＯＳの処理を重ねてくると反応管の内壁に反応生成物が堆積してくる。これがある以上堆積してくると反応管及びトラップ及び排気管のクリーニングが必要である。このクリーニングは装置のダウンタイムをなるべく少なくするために、また作業を容易にするために、ＨＦやＣｌＦ３ ガスを用いて、反応管や配管を外さずにクリーニングできるシステムを構築中である。このクリーニングはその洗浄個所をある温度に加熱してガスを流さないと効果が得られないので、従来のディスクトラップでは洗浄できなかったが、ヒータ５１を設けることにより洗浄効果が期待でき、装置の運転効率の向上に貢献することができる。
【００４２】
以上において本発明は、ＴｉＣｌ４ ガスとＮＨ３ ガスとを反応させて被処理基板にＴｉＮ膜を形成する場合（反応副生成物としてＮＨ４ Ｃｌが生成される）にも用いることができるし、ＴＥＯＳ以外の有機シリコン化合物を原料ガスとして用いる場合にも適用できる。また酸化膜の形成後に窒化膜を形成する場合にも用いることができるし、酸化膜の形成処理と窒化膜の形成処理を繰り返して行うような場合、例えばＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ ／ＳｉＯ２ 膜を形成する場合にも用いることができるし、また多層絶縁膜以外の薄膜を形成する場合にも用いることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、共通の熱処理装置を用いて連続して多層膜の形成を行うことができるため、良質な多層膜構造、特に窒化膜と酸化膜とからなる多層絶縁膜構造を得ることができるとともに、プロセス処理の実時間を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱処理装置の一例を示す概略図である。
【図２】ディスクトラップの一例の正面断面及び側面を示す図である。
【図３】水冷トラップの一例の正面断面及び側面を示す図である。
【図４】本発明に係る熱処理装置を用いて多層絶縁膜構造を形成する場合の処理の一例を示すタイムチャートである。
【図５】ウエハ上に形成された多層絶縁膜構造の一例を示す断面図である。
【図６】を用いてＳｉ３ Ｎ４ 膜を形成する際に使用される従来の熱処理装置を示す概略図である。
【図７】ＴＥＯＳを用いてＳｉＯ２ 膜を形成する際に使用される従来の熱処理装置を示す概略図である。
【符号の説明】
ＭＶ メインバルブ
ＳＶ サブバルブ
Ｗ 被処理体（ウエハ）
３ 熱処理部
４１ 排気路（排気管）
４４，５１ 加熱手段（ヒータ）
５ 第１のトラップ（ディスクトラップ）
６ 第２のトラップ（水冷トラップ）
Claims (4)
- 被処理体を熱処理部にて熱処理する熱処理装置において、
前記熱処理部に接続された排気路に、上流側より流路コンダクタンスの小さい第１のトラップ、流路コンダクタンスの大きい第２のトラップを設けると共に、熱処理部と第２のトラップとの間に加熱手段を備え、
流路コンダクタンスが小さくても付着しにくい反応副生成物を生じる第１の熱処理を行う場合、熱処理部と第２のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱すると共に、第２のトラップを冷却して反応副生成物を捕集し、
流路コンダクタンスが小さいときに付着しやすい反応副生成物を生じる第２の熱処理を行う場合、熱処理部と第１のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱すると共に、第１のトラップを上流側の排気路の温度より低い状態として反応副生成物を捕集することを特徴とする熱処理装置。 - 第１の熱処理は、窒化膜を成膜し、塩化アンモニウムを反応副生成物として生成する成膜処理であることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
- 第２の熱処理は、有機シリコン化合物を原料ガスとして酸化膜を成膜し、炭化水素を反応副生成物として生成する成膜処理であることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
- 熱処理部に接続された排気路に、上流側より流路コンダクタンスの小さい第１のトラップ、流路コンダクタンスの大きい第２のトラップを設けた熱処理装置を用いた熱処理方法において、
被処理体を熱処理部に保持したまま、流路コンダクタンスが小さくても付着しにくい反応副生成物を生じる第１の熱処理を行うと共に、熱処理部と第２のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱しかつ第２のトラップを冷却して、前記第２のトラップにより反応副生成物を捕集する工程と、
被処理体を熱処理部に保持したまま、流路コンダクタンスが小さいときに付着しやすい反応副生成物を生じる第２の熱処理を行うと共に、熱処理部と第１のトラップとの間を反応副生成物が付着しない温度に加熱しかつ第１のトラップを上流側の排気路の温度より低い状態として反応副生成物を捕集する工程と、
を連続して行うことを特徴とする熱処理方法。
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