JP3625741B2 - 熱処理装置及びその方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウエハなどの被処理体に対して成膜処理を行う熱処理装置及びその方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスである成膜プロセスの一つにCVD(Chemical Vapor Deposition)と呼ばれる処理がある。この手法は反応管内に処理ガスを導入して化学的気相反応により半導体ウエハ(以下「ウエハ」という)の表面に成膜するものである。このような成膜プロセスをバッチで行う装置の一つとして縦型熱処理装置がある。この装置は、例えば図5に示すように、筒状のマニホ−ルド11の上に設けられた縦型の反応管12と、この反応管12を囲むように設けられたヒ−タ13と、マニホ−ルド11を通じて突入されたガス導入管14と、マニホ−ルドに接続された排気管15とを備えて構成されている。
【0003】
このような装置ではウエハボ−トと呼ばれる保持具16に多数枚のウエハWを棚状に保持させてマニホ−ルド11の下端の開口部から反応管12内に搬入させ、ガス供給源17からガス導入管14を介して処理ガスを反応管12内に導入し、成膜処理を行っていた。この際処理ガスは反応管12内にてヒータ13により加熱されることにより分解され、さらに反応温度以上に加熱されることにより所定の反応が行われて、この反応物がウエハW上に堆積して所定の膜が形成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述の装置にてウエハWの成膜を行うと、図6に示すように、ウエハの中央部の膜厚が周縁部よりも大きくなる傾向がある。この理由については次のように考えられる。つまり上述のいわゆるバッチ炉と呼ばれる縦型熱処理装置では、処理ガスはガス導入管14により反応管12内に導入され、ウエハボ−ト16に保持されているウエハWには処理ガスがウエハWの周縁側から供給され、ウエハ上を周縁部から中央部に向かって流れることになるので、処理ガスの濃度はウエハの中央部の方が周縁部よりも高くなってしまう。
【0005】
またウエハを処理温度まで昇温させる過程では、ウエハWの周縁部における放熱量が中央部よりも大きくなるので、ウエハ中央部の温度が周縁部よりも高くなる。このようにウエハWの周縁部と中央部との間に生じた温度差及び処理ガスの濃度差により、温度及び処理ガスの濃度の高いウエハWの中央部の方が周縁部に対して成膜反応が促進され、これによりウエハWの中央部の膜厚が周縁部よりも大きくなってしまうと推察される。
【0006】
一方半導体製造プロセスでは、デバイスの前工程で生成された膜に悪影響を与えないようにするため、また省エネルギー化を図るために、低温プロセスが望まれている。しかしながら上述のウエハ中央部での膜厚が大きくなるという現象は、プロセス温度が低くなるとより顕著になる傾向にあることから、現状の装置では低温プロセスの実現は困難である。
【0007】
そこで本発明者は、処理ガスを反応管12に導入する前に、反応管12の外部に設けられた加熱器(図示せず)により所定温度まで予備加熱することにより活性化し、十分に加熱された処理ガスを反応管12に導入することにより、反応管12内のプロセス温度を低下させる技術を検討している。前記加熱器は、例えば処理ガスを導入して加熱する加熱室と、加熱室の外部に設けられ、加熱室を加熱するヒータと、を備えている。この技術では、処理ガスは予め加熱器で例えば分解温度に近い温度まで予備加熱されているので、十分に活性化された処理ガスが成膜領域に導入され、ウエハ周縁部に達したときに十分反応が起こる状態になっている。このため中央部での反応状態と周縁部での反応状態とが揃うので、反応管12内のプロセス温度が低くても膜厚均一性の高い処理を行うことができる。
【0008】
しかしながら反応管12内を減圧してプロセスを行う減圧CVD処理では、加熱器の内部も減圧されてしまうが、加熱器では内部の圧力が例えば200Torr程度に減圧されると、対流が起こりにくくなる。また加熱器内の圧力が低いと、処理ガスの分圧も小さくなるので、加熱器内における処理ガスの対流による熱伝導が起こりにくい。このため加熱器の内部まで熱が伝達されずに、処理ガスへの伝熱効率が悪く、処理ガスを十分活性化する温度まで加熱することは困難である。
【0009】
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、被処理体に対して例えば成膜処理を行うにあたって、加熱部にて予備加熱された処理ガスを反応容器に供給することにより、形成された膜の膜厚について高い均一性が得られ、プロセス温度の低温下に寄与することができる熱処理装置及びその方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、反応容器内に被処理体を搬入すると共に、この反応容器内を所定の処理温度に加熱し、ガス導入路により反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に対して処理を行う熱処理装置において、
前記ガス導入路に設けられ、処理ガスを反応容器に供給する前に当該処理ガスを所定温度に加熱するための加熱部を備え、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は、内管とこの外側に間隔をおいて設けられた外管とからなる二重管よりなり、前記二重管の外管を屈曲してフランジとし、このフランジと前記反応容器とがシール部材を介して接合され、
ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給して処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記ガス導入路の内管を介して前記反応容器に供給することを特徴とする。ここで前記加熱部としては、処理ガスを加熱するための加熱室と、この加熱室を囲むように設けられた加熱室を加熱するためのヒータ部と、を備えたものが用いられる。
【0011】
このような熱処理装置では、前記反応容器の外部に設けられた加熱部に前記処理ガスを供給して、この処理ガスを予備加熱する工程と、
この予備加熱された処理ガスを、その外管を屈曲して形成されたフランジがシール部材を介して前記反応容器に接合された二重管の内管を介して、前記反応容器に導入する工程と、を備え、
前記処理ガスを予備加熱する工程は、前記二重管の内管に設けられると共に前記内管の内径よりもその内径が小さいオリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で行うことを特徴とする熱処理方法が実施される。
【0012】
このようにすると、反応容器において減圧プロセスを実施した場合であっても、オリフィスの圧力損失により前記加熱部の減圧の程度が前記反応容器よりも小さくなる。このためこの加熱部では十分に対流が起こり、また処理ガスの分圧も大きくなるので当該加熱部は十分に内部まで加熱され、処理ガスの加熱効率が向上する。このように加熱部にて処理ガスを所定温度例えば分解しない程度に活性化する温度に予備加熱できるので、反応容器におけるプロセス温度を低下させることができ、このような低温プロセスにおいても成膜された膜の膜厚について高い均一性を確保できる。
【0014】
このような熱処理装置では、前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は二重管よりなり、予備加熱された処理ガスは内管を介して反応容器に供給されるので、当該二重管の内部を通気中の処理ガスの放熱が抑えられ、高い温度を維持した状態で処理ガスを反応容器に導入することができる。
【0015】
またこの際、前記ガス導入路の二重管の外管を屈曲してフランジとし、このフランジと前記反応容器とをシール部材を介して接合する構成とすれば、外管の温度は内管よりも低いので、例えば樹脂製のシール部材を熱により劣化させることなく、ガス導入路と反応容器とを接合させることができる。
【0016】
さらに他の発明は、反応容器内に被処理体を搬入すると共に、この反応容器内を所定の処理温度に加熱し、ガス導入路により反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に対して処理を行う熱処理装置において、
前記ガス導入路に設けられ、処理ガスを反応容器に供給する前に当該処理ガスを所定温度に加熱するための加熱部と、
反応容器を所定の真空度に減圧するための真空排気手段と、を備え、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は、内管とこの外側に間隔をおいて設けられた外管とからなる二重管よりなり、この内管にはオリフィスが形成され、
オリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で、ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給して処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記ガス導入路の内管を介して前記反応容器に供給することを特徴とする。
【0017】
ここで加熱室の内部に通気抵抗体を設け、この通気抵抗体と処理ガスとを接触させて、当該処理ガスを所定温度に予備加熱することが望ましく、この場合にはさらに処理ガスの加熱効率が向上する。
【0018】
【発明の実施の形態】
先ず図1により本発明方法を実施する縦型熱処理装置の一例について説明する。図1中2は、例えば石英で作られた内管2a及び外管2bよりなる二重管構造の反応管であり、反応管2の下部側には金属製の筒状のマニホ−ルド21が設けられている。
【0019】
前記内管2aは上端が開口されており、マニホ−ルド21の内方側にて支持されている。外管2bは上端が塞がれており、下端がマニホ−ルド21の上端に気密に接合されている。この例では、内管2a,外管2b及びマニホ−ルド21により反応容器が構成されている。22はベ−スプレ−トである。
【0020】
前記反応管2内には、例えば図2に示すように、多数枚例えば60枚程度の被処理体をなすウエハWが各々水平な状態で上下に間隔をおいて保持具であるウエハボ−ト23に棚状に載置されており、このウエハボ−ト23は蓋体24の上に保温筒(断熱体)25を介して保持されている。前記蓋体24は、ウエハボ−ト23を反応管2内に搬入、搬出するためのボ−トエレベ−タ26の上に搭載されており、上限位置にあるときにはマニホ−ルド21の下端開口部、即ち反応管2とマニホ−ルド21で構成される反応容器の下端開口部を閉塞する役割を持つものである。なお図2中27はウエハボ−ト21に対してウエハWの移載を行うための移載ア−ムである。
【0021】
前記反応管2の側周囲にはこれを取り囲むように加熱手段をなすヒ−タ28が設けられている。このヒ−タ28は例えば発熱抵抗体により構成されており、後述する制御部により、予め入力されている成膜処理の温度プロファイルに基づいて温度制御が行われるようになっている。
【0022】
前記マニホ−ルド21には、第1の処理ガスであるN2O(一酸化二窒素)ガスを反応管2内に供給するためのガス導入路をなす第1のガス導入管3と、第2の処理ガスであるSiH2Cl2(ジクロロシラン)ガスを反応管2内に供給するための第2のガス導入管4が周方向に複数本配列して設けられており、これらガス供給管3,4を介して夫々のガスが装置外部の第1及び第2のガス供給源31,41から反応管2内に導入されるようになっている。
【0023】
またこれら第1及び第2のガス導入管31,41には夫々ガス流量を制御するためのガス流量制御部32,42が介装されている。このガス流量制御部33,43はガス流量調整器やバルブを含む部分を示しており、前記制御部からの制御信号により、予め入力されている成膜処理時における処理ガス導入のプログラムに基づいて開閉のタイミングが制御され、これにより処理ガスの導入のタイミングが制御されるようになっている。また前記マニホ−ルド21には、内管2a及び外管2bの間に開口するように排気管43が接続されており、図示しない真空排気手段により反応管2内が所定の減圧雰囲気に維持できるようになっている。
【0024】
続いて第1の処理ガスであるN2Oガスの供給系について説明する。前記第1のガス導入管3のガス流量制御部31の下流側には、N2Oガスを所定の温度に予備加熱するための加熱部をなす加熱器5と、オリフィス6とが、加熱器5を上流側にしてこの順序で介装されている。
【0025】
前記加熱器5は、例えば図3に示すように、縦型熱処理装置の外部において第1のガス導入管3の途中に設けられており、第1のガス導入管3を遮断するように設けられた例えば透明石英からなる加熱室51を備えている。この加熱室51は、例えばガス導入管3の内径よりも内径が大きい円筒形状の加熱管により構成され、ガスの通気方向に長さ方向が揃うように配置されていて、内部には通気抵抗体52例えば多数の透明石英カレットが多数充填されている。
【0026】
この加熱室51の一例について述べると、第1のガス導入管3の内径が例えば20mmである場合、加熱室51は、内径が例えば60mm〜80mm、通気方向の長さが例えば100mm〜200mm程度であり、加熱室51に充填される石英カレットの大きさは例えばφ1〜φ10程度である。
加熱室51の例えば通気方向の外周囲にはヒータ部をなすヒータエレメント53が螺旋状に巻回されている。このヒータエレメント53は、例えば金属不純物の少ない金属例えば10ミクロン前後の細い高純度のカーボンからなるファイバの束を複数束編み上げて紐状体を形成し、この紐状体をセラミックス体よりなる封止部材例えば外径が十数ミリの石英(例えば透明石英)管の中に封入して螺旋状に形成したものであり、通電されて発熱する。図中54は、ヒータエレメントへの電力供給部、55は封止端子である。
【0027】
このような加熱室51とヒータエレメント53は筒状の断熱体よりなる加熱部本体50により覆されており、加熱部本体50には例えばヒータエレメント53に沿って通気方向には、冷媒例えば冷却水を通流させるための冷却ジャケット56が形成されている。冷却ジャケット56には冷却水供給部57により冷却水が供給されるようになっており、例えば加熱部本体50の内部の、冷却ジャケット56とヒータエレメント53との間には温度検出部58例えば熱電対が設けられている。こうして熱電対により検出された当該内部の温度に基づいて、制御部Cにより電力供給部54及び冷却水供給部57に制御信号を出力し、ヒータエレメント53への電力供給量及び冷却ジャケット56への冷却水供給量が制御されて、ヒータエレメント53の加熱と冷却ジャケット56の冷却との相互作用により加熱室51が所定の温度に調整されるようになっている。
【0028】
このようにこの加熱器5では、加熱室51は熱交換部をなすものであり、所定の温度に調整された加熱室51内に処理ガスを導入して、当該処理ガスと通気抵抗体52とを接触させることにより、処理ガスが所定温度に予備加熱されるようになっている。
【0029】
前記第1のガス導入管3は、加熱室51の下流側の部分は、内管3aとこれの外側に間隔をおいて設けられた外管3bとの二重管として構成されており、外管3bの他端側は屈曲されてフランジ部33として形成され、例えばマニホールド21の側壁に樹脂製のシール部材34例えばOリングを介して接続されている。一方内管3aは既述のように第1のガス導入管3としてマニホールドの内部に突入して設けられている。こうして加熱室51により予備加熱された処理ガスは内管3a内を通気して、オリフィス6を介して反応管2に導入される。
【0030】
前記オリフィス6は、図3に示すように、管径が急激に狭くなっている部分をいい、この例では例えば外管3bの内径は変わらず、内管3aの内径のみが狭くなっていて、オリフィス6の内径は、内管3aの内径の例えば1/50〜1/2程度に設定され、内管3aのオリフィス6の上流側及び下流側には、内管3aとオリフィス6との間を接続する傾斜路61,62が設けられていて、上流側傾斜路61ではオリフィス6までに徐々に内径が狭まり、下流側傾斜路62では徐々に内径が広がるように構成されている。
【0031】
このオリフィス6の一例について述べると、加熱室41の下流側の二重管の外管3bの内径が例えばφ10〜φ18、内管3aの内径が例えばφ2〜φ6である場合、オリフィス6は、内径が例えばφ0.1〜φ2、長さが例えば0.1mm〜1mm程度であり、上流側傾斜路61及び下流側傾斜路62の長さは夫々例えば共に0.1mm〜1mm程度である。
【0032】
次に上述の装置にて行われる本方法について、HTO膜(High Temperature Oxide)と呼ばれる酸化膜を形成する場合を例にして説明する。ここでHTO膜は例えばフラッシュメモリのフローティングゲートとコントロールゲートとの間に介在するO−N−O膜と呼ばれる、シリコン酸化膜(SiO2膜)、シリコン窒化膜(Si3N4)、シリコン酸化膜(SiO2膜)からなる3層構造に用いられるシリコン酸化膜として適用されている。
【0033】
具体的には先ず多数枚の被処理体であるウエハWをウエハボ−ト23に棚状に保持して、ボ−トエレベ−タ26を上昇させることにより反応管2内に下端開口部より搬入し、ヒータ28により処理雰囲気を所定の温度例えば720℃に加熱すると共に、蓋体24によりマニホ−ルド21の下端開口部つまり反応容器のウエハ搬入出口を気密に封止する。次いで加熱雰囲気下で図示しない真空排気手段により排気管43を通じて反応容器内を所定の真空度例えば0.1Torr〜1Torr程度まで減圧する。
【0034】
一方、加熱器5ではヒータエレメント53による加熱と冷却水の通流による冷却との組み合わせにより加熱室51を加熱し、通気抵抗体52を所定温度例えば500℃〜900℃に加熱して、ここに第1の処理ガスであるN2Oガスをガス供給源31からガス導入管3を通じて所定の流量例えば100sccm〜1000sccmで供給する。この際反応管2内の圧力は既述のように0.1Torr〜1Torr程度に減圧されているが、加熱器5と反応管2の間にはオリフィス6が形成されているので、このオリフィス6での圧力損失により加熱室51内の圧力は例えば200Torr〜700Torr程度になる。
【0035】
こうして所定温度に加熱された加熱室51内にN2Oガスを通気させ、N2Oガスを通気抵抗体52と接触させることにより、このN2Oガスを分解させない程度に活性化させる温度、つまり分解温度に近い温度例えば500℃〜850℃に予備加熱し、このように予備加熱したN2Oガスをガス導入管3aを通じて反応管2内に導入する。
【0036】
こうして反応管2内に、第1の処理ガスであるN2Oガス及び第2の処理ガスであるSiH2Cl2 ガスとを夫々ガス供給源31,41からガス導入管3,4を通じて反応管2内(詳しくは反応管2及びマニホールド21からなる反応容器内)に所定の流量で供給し、これにより反応管2内の圧力を例えば0.1Torr〜1Torrとした状態でウエハWの表面にシリコン酸化膜を形成する。
【0037】
この際これら処理ガスを供給することによって、次式の反応に従い、ウエハW上にシリコン酸化膜が成膜される。
【0038】
3N2O+SiH2Cl2 → SiO2+H2O+3N2+Cl2
ここで処理ガスは反応管2の内管2a内に拡散してウエハボ−ト23に搭載されているウエハWの表面に供給されながら上昇し、内管2aの上端部に達した後、内管2aと外管2bの間の隙間を流下し、排気管43から排気されていき、こうしてウエハボ−ト23に搭載されているウエハWに対して満遍なく処理ガスが供給されて、ウエハWにシリコン酸化膜が形成される。
【0039】
こうして所定のシリコン酸化膜の成膜が終了した後、前記処理ガスの導入を停止して、ウエハWの表面温度を所定温度まで降温すると共に、成膜時に処理ガスを導入していたガス導入管3,4の内の例えば2本からパ−ジガス例えばN2 ガスを導入し、反応管2内を常圧に戻す。そしてボ−トエレベ−タ26を降下させて反応管2の下端の搬入出口を開き、ウエハボ−ト23を反応管2から搬出する。
【0040】
このような実施の形態によれば、予め加熱器5で予備加熱した処理ガスを反応管2に供給しているので、反応管2のプロセス温度を低下させた、いわゆる低温プロセスを行う場合であっても面内均一性の高い成膜処理を行うことができる。つまり「発明が解決しようとする課題」の項で既述したように、ウエハWの温度はウエハWの中央部の方が周縁部よりも高く、しかも処理ガスはウエハWの周縁部から中央部に向かって流れるので、プロセス温度を従来の750℃〜830℃程度から720℃程度まで低下させると、ウエハ周縁部には、あまり分解反応が進行していない、分解の程度が小さい処理ガスが供給されることになる。一方ウエハ中央部に対しては、周縁部よりも温度やガスの濃度が高いため、周縁部よりも分解反応が進行した分解の程度が大きい処理ガスが供給される。このため成膜反応はウエハWの周縁部よりも中央部で進行しやすく、これにより形成される膜の膜厚は中央部の方が大きくなってしまう。
【0041】
これに対し、本発明のように、予め加熱器5で分解反応が進行しない程度に活性化する温度例えば分解温度に近い温度まで予備加熱された処理ガスを反応管2に導入すると、反応管2内のプロセス温度が720℃程度と低くても、反応管2に導入された処理ガスは既に分解温度に近い温度まで予備加熱されているので、反応管2内を通ってウエハ周縁部に到達するまでに分解温度以上に加熱され、ウエハ周縁部には分解反応が十分に進行した処理ガスが供給されることになる。
【0042】
このようにウエハWの周縁部と中央部に対して、分解の程度がほぼ同じ状態の処理ガスが供給されることになるので、ウエハWの面内全体に亘ってほぼ同じ状態で成膜反応が進行し、これにより形成される膜の膜厚の高い面内均一性を確保することができる。
【0043】
この際予め処理ガスを予備加熱する加熱器5では、加熱室51に通気抵抗体52を設け、処理ガスを通気抵抗体52に接触させて加熱しているので、効率良く処理ガスの温度を上昇させることができる。つまり加熱室51内に通気抵抗体52を充填することにより、処理ガスは通気抵抗体52と接触しながら加熱室51内を通気していくので、処理ガスの滞留時間が長くなり、またヒータエレメント53により加熱された処理ガス自体の対流による加熱と、通気抵抗体52からの伝熱による加熱との組み合わせにより加熱されるからである。
【0044】
また通気抵抗体52としてφ1〜φ10程度の大きさの石英カレットを加熱室51内に充填した場合には、石英カレット52全体の表面積が大きいので、大きい伝熱表面積を確保でき、より効率よく処理ガスを昇温させることができる。
【0045】
またこの際加熱器5と反応管2との間の処理ガス導入管3にオリフィス6を形成しているので、反応容器内で減圧プロセスを行う場合であっても処理ガスを十分所定温度まで加熱することができる。つまりオリフィス6では圧力損失が生じるので、上流側の圧力は下流側の圧力より大きくなる。このため反応容器2を例えば0.1Torr〜1Torr程度に減圧しても、オリフィス6の上流側の加熱室51内の圧力は例えば200Torr〜700Torr程度になる。これに対しオリフィス6を設けない場合には、反応容器2を例えば0.1Torr〜1Torr程度に減圧すると、加熱室51内の圧力は例えば0.2Torr〜1Torr程度の減圧状態になる。
【0046】
このようにオリフィス6を設けることによって加熱室51内の減圧の程度が小さくなるので、加熱室51内の対流が起こりにくくなるとってもその程度は小さく、また加熱室51内の処理ガスの分圧も大きくなるので、オリフィス6を設けない場合に比べて、加熱器5内における処理ガスの対流による熱伝導が起こりやすい。このため加熱器5の内部まで十分に熱が伝達されるので、処理ガスへの伝熱効率が向上し、処理ガスを短時間で所定の温度に加熱することができ、低温プロセスの実現を図ることができる。
【0047】
実際に上述の実施の形態と同様の構成の熱処理装置を用い、反応管2内の圧力を0.1〜1Torr、反応管2内のプロセス温度を720℃、加熱室51を500℃〜900℃に設定し、N2OガスとSiH2Cl2を夫々100sccm〜1000sccm,100sccm〜300sccm程度の流量で導入して成膜処理を行ない、これらのウエハWに形成されたシリコン酸化膜の膜厚の面内均一性を膜厚測定機(Ellipsometer)により測定したところ、前記流量にてN2Oガスを加熱室51内に通気させることによりN2Oガスを十分に予備加熱することができ、低温プロセスであっても形成された膜の膜厚について均一性の高い処理を行うことができることが確認された。
【0048】
さらに加熱器5の下流側は二重管であるので、次の効果が得られる。つまり加熱室51と反応管2とを単管のガス導入管により接続した場合、この単管の端部をフランジとして構成し、このフランジと反応管2との間に樹脂製のシール部材(Oリング)を介在させて両者を接続することになるが、このような構成では加熱室51から出される処理ガスは例えば450℃〜850℃程度の高温であるので、このガスの通気によりガス導入路が加熱される。このためフランジが樹脂製のシール部材の耐熱温度例えば250℃より高温となってしまい、このフランジの熱により樹脂製のシール部材34が変形し、気密性の悪化を招く恐れがある。
【0049】
一方本発明のように二重管とした場合には、処理ガスは内管3a内を通気していくので外管3bとは接触せず、このため外管3bには処理ガスとの接触による熱伝導が起こらないので、内管3aほど温度が上がらない。従って外管3bによりフランジ33を形成し、このフランジ33と反応管2との間に樹脂製のシール部材34を介在させて両者を接続すれば、外管の温度は樹脂製のシール部材34の耐熱温度を越えることはないので、フランジ33の熱により樹脂製のシール部材34が変形するおそれがなく、信頼性が高まる。
【0050】
またガス導入管3を二重管にすると、ガスが通気していく内管3aと外気との間に外管3bが介在し、内管3aが外気と接触しないので、内管3aの外気による冷却の程度が小さくなる。このため加熱された処理ガスが内管3a内を通気していく際の放熱量が小さくなるので、処理ガスの温度の低下が抑えられ、予備加熱により活性化された状態を保持したまま処理ガスを反応管2に導入することができる。
【0051】
続いて他の実施の形態について図4及び図5を用いて説明する。この例は、ガス導入路(第1のガス導入管3)に、当該導入路を塞ぐように、加熱室とオリフィスとを組み合わせて構成したガス室7を設けたものである。このガス室7は、通気方向に並ぶ3つの部屋7a,7b,7cを有しており、これらの部屋7a〜7cはオリフィスをなす、第1のガス導入管3の内径よりも内径が小さい通気孔71a,71bが形成された隔壁72a,72bにより区画されている。ここで上流側の第1の部屋7a、下流側の第3の部屋7cには、夫々第1のガス導入管3が接続されており、第1の部屋7aと第3の部屋7cとの間には第2の部屋7bが設けられている。
【0052】
前記第1の部屋7aは加熱室として構成され、例えば図4(b)に示すように例えば石英カレットよりなる通気抵抗体73が充填されると共に、周囲にはヒータ部をなすヒータエレメント74が巻回されている。通気抵抗体73やヒータエレメント74は上述の実施の形態と同様に構成されている。
【0053】
このような構成では、加熱室7aに隣接して、第2の部屋7bと第3の部屋7cとが設けられ、これらの接続部にはオリフィス71a,71bが設けられているので、反応管2を減圧した場合、オリフィスでの圧力損失により各部屋7a〜7cの圧力は、第1の部屋7a>第2の部屋7b>第3の部屋7cの順で大きくなる。このため第1の部屋7aの減圧の程度は最も小さくなるので、この部屋7aでは十分に対流が起こり、加熱室の内部まで十分に熱が伝達されるので、処理ガスの加熱効率が向上し、当該ガスを所定温度まで十分に加熱することができる。
【0054】
以上において加熱室51,7aでは、内部に通気抵抗体52,73を充填せず、処理ガスの対流により処理ガスを加熱するようにしてもよい。また通気抵抗体52,73としては、石英カレットの他に発泡石英、多孔質SiC等を用いることができる。
【0055】
さらに上述の例では、第2のガスであるSiH2Cl2ガスはN2Oガスに比べて分解温度が低く、予備加熱を行わなくても反応管2内での加熱により十分分解反応が起こるので第1の処理ガスであるN2Oガスのみが予備加熱されているが、SiH2Cl2ガスを予備加熱するようにしてもよい。
【0056】
さらに本発明は、減圧CVD処理のみならず、例えば処理ガスとしてHCl(塩化水素)ガスとO2(酸素)ガスを用いて、次式の反応を起こさせる常圧プロセスにも適用できる。
【0057】
2HCl+O2 → H2O+Cl2
また本発明は上述のバッチ式の縦型熱処理装置に限らず、枚葉式の熱処理装置で成膜を行う場合にも有効であり、この場合においても均一性の高い処理を行うことができる。さらに本発明では、シリコン酸化膜の成膜に限らず、ポリシリコン膜、TEOSによるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の成膜に適用することができる。また、CVD成膜プロセス以外のドライ酸化、ウェット酸化、HCl酸化等の酸化膜の成膜にも適用できる。
【0058】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、反応容器の外部に設けた加熱部にて処理ガスを所定温度に予備加熱してから反応容器に供給するようにしたので、処理の均一性を確保しながらプロセス温度の低温化を図ることができる。この場合減圧プロセスであっても、加熱部と反応容器との間にオリフィスを設けることにより、加熱部の減圧の程度を小さくし、加熱部において処理ガスを高い加熱効率で加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の縦型熱処理装置の実施の形態の一例を示す縦断側面図である。
【図2】前記縦型熱処理装置の一部を示す斜視図である。
【図3】前記縦型熱処理装置に用いられる加熱器とオリフィスを示す断面図である。
【図4】縦型熱処理装置の他の実施の形態に用いられるガス室を示す斜視図と断面図である。
【図5】従来の縦型熱処理装置を示す断面図である。
【図6】膜厚とウエハ上の位置との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
W 半導体ウエハ
2 反応管
2a 内管
2b 外管
3 第1のガス導入管
5 加熱器
51 加熱室
52 通気抵抗体
53 第2の加熱手段
6 オリフィス
7 ガス室
71a、71b 通気孔
Claims (11)
- 反応容器内に被処理体を搬入すると共に、この反応容器内を所定の処理温度に加熱し、ガス導入路により反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に対して処理を行う熱処理装置において、
前記ガス導入路に設けられ、処理ガスを反応容器に供給する前に当該処理ガスを所定温度に加熱するための加熱部を備え、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は、内管とこの外側に間隔をおいて設けられた外管とからなる二重管よりなり、前記二重管の外管を屈曲してフランジとし、このフランジと前記反応容器とがシール部材を介して接合され、
ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給して処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記ガス導入路の内管を介して前記反応容器に供給することを特徴とする熱処理装置。 - 反応容器を所定の真空度に減圧するための真空排気手段と、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路の内管に形成されたオリフィスと、を備え、
オリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で、ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給し、これにより処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記反応容器に供給することを特徴とする請求項1記載の熱処理装置。 - 反応容器内に被処理体を搬入すると共に、この反応容器内を所定の処理温度に加熱し、ガス導入路により反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に対して処理を行う熱処理装置において、
前記ガス導入路に設けられ、処理ガスを反応容器に供給する前に当該処理ガスを所定温度に加熱するための加熱部と、
反応容器を所定の真空度に減圧するための真空排気手段と、を備え、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は、内管とこの外側に間隔をおいて設けられた外管とからなる二重管よりなり、この内管にはオリフィスが形成され、
オリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で、ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給して処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記ガス導入路の内管を介して前記反応容器に供給することを特徴とする熱処理装置。 - 加熱部は、処理ガスを加熱するための加熱室と、この加熱室を囲むように設けられた加熱室を加熱するためのヒータ部と、を備えたことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の熱処理装置。
- 熱処理装置は、多数の被処理体を棚状に保持具に保持して縦型の反応容器内に搬入し、反応容器を取り囲む加熱手段により反応容器内を所定の処理温度に加熱する縦型熱処理装置であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の熱処理装置。
- 加熱室の内部に通気抵抗体を設け、この通気抵抗体と処理ガスとを接触させて、当該処理ガスを所定温度に予備加熱することを特徴とする請求項4記載の熱処理装置。
- 加熱室では処理ガスを分解しない程度に活性化する温度に予備加熱することを特徴とする請求項4または6記載の熱処理装置。
- ヒータ部は、金属不純物の少ない抵抗発熱体をセラミックスの中に封入して構成されることを特徴とする請求項4、6または7記載の熱処理装置。
- 抵抗発熱体は高純度の炭素素材からなることを特徴とする請求項8記載の熱処理装置。
- セラミックスは石英であることを特徴とする請求項8または9記載の熱処理装置。
- 所定の真空度に減圧された反応容器内において、被処理体を加熱しながら、反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に処理を行う熱処理方法において、
前記反応容器の外部に設けられた加熱部に前記処理ガスを供給して、この処理ガスを予備加熱する工程と、
この予備加熱された処理ガスを、その外管を屈曲して形成されたフランジがシール部材を介して前記反応容器に接合された二重管の内管を介して、前記反応容器に導入する工程と、を備え、
前記処理ガスを予備加熱する工程は、前記二重管の内管に設けられると共に前記内管の内径よりもその内径が小さいオリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で行うことを特徴とする熱処理方法。
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