JP4366058B2 - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は減圧ＣＶＤ等により薄膜の気相成長等を行う基板処理装置、半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば減圧ＣＶＤ装置を用い、反応ガスとして、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、ＧｅＨ４等の成膜用ガスを用い、ポリシリコン（polysilicon）膜またはドープトポリシリコン（doped polysilicon）膜を成膜する場合、あるいは反応ガスとして、ＳｉＨ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＮＨ３等の成膜用ガスを用い、窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）を成膜する場合に、上記成膜用ガス等を反応室（インナチューブ）内に導入する際に、成膜用ガス供給ノズルとして、ノズルの内壁面の断面形状が円形で内径が約４ｍｍ（１／４インチノズル）という細い石英製ノズルが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のノズル断面が円形で内径が約４ｍｍという細い成膜用ガス供給ノズルを用いて、成膜用ガスであるＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２等のシラン系ガスを反応室に導入する場合、上記成膜用ガス供給ノズルも上記反応室（インナチューブ）内で加熱されるので、図２に示すごとく、反応ガスを流通させた石英製ノズル１１のノズルの内側１２ａで成膜反応が起こり、ノズルの内面１２に、例えばポリシリコン膜などの膜が形成される。このノズルの内面１２に堆積したポリシリコン膜１４の厚さは、ノズルの外側１３ａで生じた成膜反応によりノズルの外面１３に堆積したポリシリコン膜１５の厚さ（図１に示すインナチューブ３の内面に堆積した膜の厚さとほぼ等しくなる）に比べて、実際に約４倍程度の膜厚となり、上記ノズルの内面１２に堆積されたポリシリコン膜１４に成膜クラック等が発生して微細なパーティクルが生じ、これが成膜処理するウエハ等に付着して汚染されるという問題がある。
【０００４】
また、上記ノズル内面に付着した膜のクラック等により生じるパーティクルの発生を抑止するために、メンテナンス時にノズル内面の膜を除去した清浄なノズルまたは新品のノズルに交換する場合には、ノズルの交換頻度が通常の場合に比べて約４倍程度（インナチューブやアウタチューブの交換頻度の４倍程度）となり、すなわちメンテナンスサイクルが１／４となって、ノズルの交換が頻繁となり、それだけ装置の稼動時間が短くなり、生産性の低下と、製造コストの増大に繋がるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解消し、成膜用ガス供給ノズルの内面に成膜される膜の厚さを抑制し、上記ガス供給ノズルの内面の成膜クラック等による微細パーティクルの発生を抑止して、上記ガス供給ノズルの使用期間を長くして、メンテナンス周期の長期化をはかり、装置の稼働時間を長くして生産性の向上と生産コスト低減をはかる基板処理装置、半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、基板に成膜を行う反応室と、前記反応室内を加熱する抵抗加熱型のヒータと、前記反応室内で前記基板を保持するボートと、前記反応室内の前記ボートと前記抵抗加熱型のヒータとの間に設けられ、その内部で成膜反応が生じるように前記抵抗加熱型のヒータにより加熱され、前記反応室内に成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給ノズルとを少なくとも備えた基板処理装置であって、前記成膜用ガス供給ノズルの内壁面の断面形状を楕円形状とする。
また、半導体装置の製造方法において、基板を反応室内に搬送する工程と、前記反応室内で前記基板を保持するボートと前記反応室内を加熱する抵抗加熱型のヒータとの間に設けられ、その内部で成膜反応が生じるように前記抵抗加熱型のヒータにより加熱され、内壁面の断面形状を楕円形状とした成膜用ガス供給ノズルを用いて前記反応室内に成膜用ガスを供給して前記基板に成膜を行う工程と、前記基板を前記反応室より搬出する工程とを行う。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は半導体装置の製造工程の一工程として、バッチ式減圧ＣＶＤ装置等を用いて薄膜を形成する技術に係わり、成膜時に発生する微粒子汚染物質（パーティクルと言う）を低減する基板処理装置であって、特に、本発明は成膜用ガス供給ノズルの内壁面に成膜されるポリシリコン膜、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜等の膜厚の増加に伴う成膜クラックの発生を抑制して、汚染微粒子であるパーティクルの発生を抑止する基板処理装置である。
【０００８】
〈第１の実施の形態〉
本実施の形態は、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程としての処理（ＣＶＤ法による成膜処理）を行う基板処理装置において、成膜用ガス供給ノズルとして、ノズル内壁面の断面形状を楕円形状となし、円形ノズルの内径ｄと楕円形ノズルの短軸径（２ｂ）とを同じとした場合に、楕円形ノズルの内面積が円形ノズルの内面積よりも大きくなり、楕円形ノズル内壁面の成膜厚さを低減して成膜クラックによるパーティクルの発生を抑止するものである。
【０００９】
図１に、楕円形ノズルを成膜用ガス供給ノズルとして用いた場合の装置構成を示す。図１において、１は抵抗加熱型のヒータ、２は反応室３ａを構成すると共に反応室３ａ内部の真空を保つアウタチューブ（外側反応管）、３はアウタチューブ２と共に反応室３ａを構成すると共に反応室３ａ内部のガス流路を形成するインナチューブ（内側反応管）、４はウエハを保持するボート、５はウエハ（基板）、６ａ、６ｂ、６ｃは成膜用ガス供給ノズル、７はガス流路、８ａ、８ｂ、８ｃはマスフローコントローラ、９ａ、９ｂ、９ｃは成膜用ガス源（シラン系ガス等）、１０はガス排気口を示す。そして、成膜用ガス供給ノズル６ａ、６ｂはボート４とヒータ１との間に設けられている。
【００１０】
ここで、図１に示す装置を用いて、ＣＶＤ法により成膜処理を行う工程を説明する。
【００１１】
まず、反応室３ａ下方に設けられたロードロック室（図示せず）にＮ２ガスを導入して不活性雰囲気となし、ウエハ５を搬入し、ボート４にウエハ５を移載する。次に、ロードロック室を高真空引きし、Ｎ２ガスによるパージを行った後、Ｎ２ガスを導入してロードロック室を大気圧に戻す。
次に、ウエハ５を保持しているボート４を反応室３ａ内に上昇させて（ボートアップ）、反応室３ａ内にウエハ５を保持したボート４を挿入する。
【００１２】
次いで、反応室３ａの真空引きを行う。反応室３ａ内の圧力を所定の圧力（例えば３０Ｐａ程度）に低下させ、成膜用ガス供給ノズル６ａ、６ｂ、６ｃから成膜用ガス〔例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）ガス等のシラン系ガス〕を反応室３ａ内に導入して、所定の温度（例えば５５０℃程度）で所定時間（例えば約３０分間程度）成膜処理を行う。
【００１３】
次に、Ｎ２ガス等を反応室３ａに導入して、反応室３ａ内のパージを行った後、圧力を大気圧程度にして、Ｎ２ガスで置換されているロードロック室にボートダウンし、さらにウエハ冷却を行って、ボート４から処理済みのウエハ５を取り出す。
上記のような成膜工程により、ウエハ５上にＳｉ膜等の薄膜を形成することができる。
【００１４】
本発明は請求項１に記載のように、例えば、基板（ウエハ５）に成膜を行う反応室３ａと、上記反応室３ａ内に成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給ノズル６ａ、６ｂ、６ｃとを少なくとも備えた基板処理装置であって、上記成膜用ガス供給ノズル６ａ〜６ｃの内壁面の断面形状を楕円形状〔例えば図３（ｂ）に示す〕にした基板処理装置である。
【００１５】
本発明の成膜用ガス供給ノズルにおいて、図３（ａ）に示す断面が円形の成膜用ガス供給ノズル１６と、図３（ｂ）に示す断面が楕円（長円）形の成膜用ガス供給ノズル１７とのノズル内面積の例を、それぞれ表１、表２に示す。
ここで、表１は、断面が円形の成膜用ガス供給ノズルの内径ｄ（４〜１８ｍｍ）に対するノズル内面積を示し、表２は、断面が楕円形の成膜用ガス供給ノズルの短軸２ｂを円形ノズルの内径ｄと等しくした場合の短軸〔２ｂ＝ｄ（４〜１２ｍｍ）、長軸２ａ＝１.５ｄ（６、７.５、９、１２、１５、１８ｍｍ〕に対するノズル内面積を示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】
【表２】
図３（ｂ）に示す断面が楕円（長円）形の成膜用ガス供給ノズル１７の場合は、表２に示すように、表１に示す断面が円形のノズル内径ｄが４ｍｍの場合と、断面が楕円形の短軸（例えば、２ｂ＝ｄ）、長軸（例えば、２ａ＝１.５ｄ）の楕円形ノズルの場合（表２）の、それぞれの内面積を比較すると、ｄ＝２ｂ＝４ｍｍにおいて、楕円形ノズル内面積（１６.０Ｌｍｍ２＝内径が約５.１ｍｍの円形ノズル内面積に相当）は、ｄ＝４ｍｍの円形ノズル内面積（１２.５６Ｌｍｍ２）の１.２７倍となり、楕円形ノズルの方が、短軸（２ｂ＝ｄ＝４、５、６、８、１０、１２ｍｍ）において、表１に示す円形ノズルの内面積よりも約３０％程度増加させることができるので、それだけ楕円形ノズル内の成膜ガスの内圧を低くすることが可能となり、楕円形ノズル内壁面に成膜される膜の厚さを低減することができ、成膜用ガス供給ノズルのメンテナンスサイクルを長期化することができる。したがって、成膜装置の稼働時間が増加し、生産性の向上と、製造コストの低減をはかることができる。
【００１８】
〈第２の実施の形態〉
本実施の形態は、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程としての処理（ＣＶＤ法による成膜処理）を行う基板処理装置において、成膜用ガス供給ノズルの材質をＳｉＣ（炭化ケイ素）とすることにより、ノズル内面に付着した膜の剥がれによるパーティクルの発生を抑止するものである。
成膜用ガス供給ノズル（通常の場合は石英製ノズルを使用）の内面には、膜厚がインナチューブの内面の約４倍程度の厚さの膜が堆積し付着する。このことは、成膜用ガス供給ノズルのメンテナンスサイクル（周期）は、インナチューブの場合の約１／４程度に短くなることを示すものである。しかし、成膜用ガス供給ノズルの材質をＳｉＣ（炭化ケイ素）にすることで、石英製の成膜用ガス供給ノズルの場合には通常５μｍ程度で成膜にクラックが生じてパーティクルが発生するが、上記ＳｉＣ製ノズルの場合、ＳｉＣ製ノズルの内壁面に形成される膜はＳｉＣとの付着性が良く、また、ＳｉＣ内壁面に成膜された膜の成膜クラックの発生は、上記石英製のノズルの場合の５μｍの何倍もの厚さにならなければ成膜クラックの発生がないので、パーティクルの抑止にはノズルの材質をＳｉＣとすることが最も有効な方法の一つである。
【００１９】
図４に、内壁面の断面が円形の石英製ノズル（内径４ｍｍ）を用いた通常時のパーティクル発生状態を示す。なお、図４において、横軸はウエハのバッチ処理ナンバーを示し、縦軸はパーティクル数を示す。平均的なパーティクルの発生数としては１５〜２５個位であり、５０個を超える場合もある。これに対し、図５に示すように、成膜用ガス供給ノズル（断面が円形で内径４ｍｍ程度）の材質をＳｉＣにした場合のパーティクル発生数は、２５個程度発生しているものも見受けられるが、大多数は２０個以下であり、おおよそ平均的に１０個以下を示し、成膜用ガス供給ノズルの材質をＳｉＣにした場合は、パーティクル発生の抑止に極めて有効であることを示している。なお、図５の中のＴＯＰ、ＣＵ、ＣＣＵ、ＣＥＮ、ＣＣＬ、ＣＬ、ＣＬＬ、Ｌの８個の符号は、ボートに保持されたウエハの上部から下部へのウエハの位置を示すものである。
【００２０】
〈第３の実施の形態〉
本実施の形態は、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程としての処理（ＣＶＤ法による成膜処理）を行う基板処理装置において、成膜用ガス供給ノズルの内径を少なくとも５ｍｍ以上となし、ノズル内の成膜ガス圧を、従来から用いられている内径が４ｍｍ程度のガス供給ノズルの場合よりも成膜ガス圧を低下させることにより、ノズル内壁面に成膜される膜の厚さの低減を図り、膜の剥がれによるパーティクルの発生を抑止するものである。
【００２１】
図３（ａ）は、成膜用ガス供給ノズルの内壁面（円形）の断面形状を示し、また、第１の実施の形態で例示した表１は、ノズル内径を４ｍｍ〜径１８ｍｍに拡大した場合のノズル内壁の面積の増加度合を示したもので、ノズル内面積の拡大と共に、成膜用ガス供給ノズル１６内のガス圧力を低減することが可能となるので、成膜用ガス供給ノズル１６の内径を、例えばノズル内径ｄを５ｍｍ〜１８ｍｍとすることにより、表１の４ｍｍノズル内面積（１２.５６Ｌｍｍ２）と対比すると、ｄが５ｍｍのとき１.２５倍、６ｍｍのとき１.５倍、１０ｍｍのとき２.５倍、１４ｍｍのとき３.５倍、１８ｍｍのとき４.５倍となり、例えば４ｍｍノズル（１２.５６Ｌｍｍ２）を用いた場合のメンテナンス期間をあらかじめ設定しておき、そのメンテナンス期間を、例えば２倍に設定したいときには、成膜用ガス供給ノズル１６の内径ｄを８ｍｍノズル内面積（２５.１３Ｌｍｍ２）のものを選択するなどしてメンテナンス期間を長期に設定することも可能である。
【００２２】
また、ノズル内面積の拡大により、成膜用ガス供給ノズル内に成膜される膜の厚さを低減させることができ、パーティクルの発生を少なくすることができると共に、メンテナンス期間を長くすることができる。したがって、成膜装置の稼働時間が増加し、生産性の向上とコスト低減を図ることができる。
さらに、内壁面の断面形状が円形の成膜用ガス供給ノズルの内径を、例えば、５ｍｍ以上と、大きくすることで、上記ガス供給ノズルの内部圧力を下げることができる。ガス供給ノズルの内部圧力が下がれば上記ノズル内壁面に堆積する膜厚も低減できるので、成膜クラックによるパーティクルの発生を抑止できる効果がある。
【００２３】
ここで、成膜用ガス供給ノズルの内径ｄを４ｍｍ、６ｍｍ、および８ｍｍに設定した場合に、下記の（数１）式で示されるコンダクタンスＣ（ガス流通度）の値を算出しガス流通度を比較する。
Ｃ（２０℃の空気）＝21.1α[{(D-d)×(D-d)×(D+d)}/L][l/sec]……（数１）
α：系数
Ｄ：ノズル内径；４ｍｍまたはその他
ｄ：使用不能になった時の内径；０ｍｍ
Ｌ：ノズルの長さを、例えば０.５ｍとすると、
内径４ｍｍの場合のコンダクタンスＣは次ぎのごとくなる。
Ｃ＝２１.１α×（４×４×４）／５００＝６７５２００α
内径拡大ノズルについて、
▲１▼内径８ｍｍの場合
Ｃ＝２１.１α×（８×８×８）／５００＝５４０１６００α
５４０１６００α（８ｍｍ）／６７５２００α（４ｍｍ）＝８.０
８ｍｍノズルのコンダクタンスは、４ｍｍノズルのコンダクタンスに比べ８.０倍に増大する。すなわち、８ｍｍノズルの内部圧力は４ｍｍノズルに比べて１／８となり、したがって内部に堆積する膜厚もそれだけ低減することができ、成膜パーティクルの発生を抑止することができる。
▲２▼内径６ｍｍの場合
Ｃ＝２１.１α×（６×６×６）／５００＝２２７８８００α
２２７８８００α（６ｍｍ）／６７５２００α（４ｍｍ）＝３.３７５
６ｍｍノズルのコンダクタンスは、４ｍｍノズルのコンダクタンスに比べ３.３７５倍になる。すなわち、６ｍｍノズルの内部圧力は４ｍｍノズルに比べて１／３.３７５となり、したがって内部に堆積する膜厚もそれだけ低減することができ、成膜パーティクルの発生を抑止することができる。
したがって、成膜用ガス供給ノズルの内径は４ｍｍよりも６ｍｍにした方がノズルの内部圧力は約１／３.３７５に低下し、また８ｍｍノズルの内部圧力は４ｍｍノズルに比べて約１／８に低下するので、それだけ成膜パーティクルの発生を抑止することが可能である。
【００２４】
図６に、内壁面の断面が円形の成膜用ガス供給ノズルの内径を拡大（ノズル内径６ｍｍの場合）した場合のパーティクル発生状態を示す。パーティクルの発生数は、ほとんどのバッチ処理ナンバーにおいて、おおよそ１０個以下を示し、パーティクルの発生数が著しく減少していることを示している。なお、図６中の、ＴＯＰ、ＣＮＴ、ＢＴＭの符号はボートに保持されたウエハの上部から下部へのウエハの位置を示す。
【００２５】
〈第４の実施の形態〉
本実施の形態では、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程としての処理（ＣＶＤ法による成膜処理）を行う基板処理装置において、成膜前または／および成膜後に、成膜用ガス供給ノズル内をＮ２ガスでパージしないようにした基板処理装置であって、成膜前または／および成膜後に成膜用ガス供給ノズル内をＮ２パージしないことにより、冷えたＮ２ガスによるノズルの温度低下と、Ｎ２ガスによる成膜クラック部分の吐き出しによるパーティクルの発生を抑止することができ、成膜時のパーティクルによるウエハの汚染を防止することができる。
【００２６】
このように、半導体装置の製造方法において、基板を反応炉内に挿入する工程と、基板を収納した反応炉内に成膜用ガスノズルより成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給工程と、反応炉内に不活性ガスを供給して炉内をパージするパージ工程とを有し、上記パージ工程では、成膜用ガスノズル以外のノズルを用いて炉内に不活性ガスを供給する（成膜用ガスノズルには不活性ガスを流さない）ことを特徴としたときには、効果的に成膜パーティクルの発生による基板の汚染を防止することができる。
【００２７】
なお、本発明の成膜用ガス供給ノズルは、反応ガスとして、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、ＧｅＨ４等を含むシラン系のガス、または反応ガスとして、ＳｉＨ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＮＨ３等を含むシラン系のガスを反応室３ａ内に導入するのに用いられるガス供給ノズルであって、特にＳｉＨ４（モノシラン）ガスを供給するノズルに適用する場合に好適に用いられる。
【００２８】
また、本発明は基板を反応炉内に搬入する工程と、反応炉内に、成膜用ガス供給ノズルの内壁面の断面形状が楕円形状である成膜用ガスノズルを用いて成膜用ガスを供給する工程と、基板を反応炉より搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００２９】
また、本発明は基板を反応炉内に搬入する工程と、反応炉内に、材質がＳｉＣである成膜用ガスノズルを用いて成膜用ガスを供給する工程と、基板を反応炉より搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００３０】
また、本発明は基板を反応炉内に搬入する工程と、反応炉内に、内径が５ｍｍ以上である成膜用ガスノズルを用いて成膜用ガスを供給する工程と、基板を反応炉より搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣＶＤ成膜装置の反応室に、成膜用ガス供給ノズルを用いてシラン系ガス等の反応ガスを導入し、ポリシリコン膜、ドープトポリシリコン膜、窒化シリコン膜等の成膜処理のメンテナンスサイクルの長期化が可能となる。したがって、メンテナンスに伴う成膜装置のダウンタイム（稼働停止時間）を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示した減圧ＣＶＤ法により成膜する基板処理装置の構成を示す模式図。
【図２】従来の石英製のガス導入ノズルを用いた場合のノズル内側と外側とに成膜されるポリシリコン膜の膜厚を示す図。
【図３】本発明の実施の形態で例示した成膜用ガス供給ノズルの断面形状が円形の場合と楕円（長円）形の場合を示す図。
【図４】本発明の実施の形態で例示した石英製のガス導入ノズルを用いた通常時のパーティクル発生状態を示す図。
【図５】本発明の実施の形態で例示した成膜用ガス供給ノズルの材質をＳｉＣにした場合のパーティクル発生状態を示す図。
【図６】本発明の実施の形態で例示した成膜用ガス供給ノズルの内径を拡大した場合のパーティクル発生状態を示す図。
【符号の説明】
１…ヒータ
２…アウタチューブ（外側反応管）
３…インナチューブ（内側反応管）
３ａ…反応室
４…ボート
５…ウエハ（基板）
６ａ…成膜用ガス供給ノズル
６ｂ…成膜用ガス供給ノズル
６ｃ…成膜用ガス供給ノズル
７…ガス流路
８ａ…マスフローコントローラ
８ｂ…マスフローコントローラ
８ｃ…マスフローコントローラ
９ａ…成膜用ガス源
９ｂ…成膜用ガス源
９ｃ…成膜用ガス源
１０…ガス排気口
１１…石英製ノズル
１２…ノズルの内面
１２ａ…ノズルの内側
１３…ノズルの外面
１３ａ…ノズルの外側
１４…ノズル内側に堆積したポリシリコン膜
１５…ノズル外側に堆積したポリシリコン膜
１６…断面が円形の成膜用ガス供給ノズル
１７…断面が楕円（長円）形の成膜用ガス供給ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は減圧ＣＶＤ等により薄膜の気相成長等を行う基板処理装置、半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば減圧ＣＶＤ装置を用い、反応ガスとして、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、ＧｅＨ４等の成膜用ガスを用い、ポリシリコン（polysilicon）膜またはドープトポリシリコン（doped polysilicon）膜を成膜する場合、あるいは反応ガスとして、ＳｉＨ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＮＨ３等の成膜用ガスを用い、窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）を成膜する場合に、上記成膜用ガス等を反応室（インナチューブ）内に導入する際に、成膜用ガス供給ノズルとして、ノズルの内壁面の断面形状が円形で内径が約４ｍｍ（１／４インチノズル）という細い石英製ノズルが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のノズル断面が円形で内径が約４ｍｍという細い成膜用ガス供給ノズルを用いて、成膜用ガスであるＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２等のシラン系ガスを反応室に導入する場合、上記成膜用ガス供給ノズルも上記反応室（インナチューブ）内で加熱されるので、図２に示すごとく、反応ガスを流通させた石英製ノズル１１のノズルの内側１２ａで成膜反応が起こり、ノズルの内面１２に、例えばポリシリコン膜などの膜が形成される。このノズルの内面１２に堆積したポリシリコン膜１４の厚さは、ノズルの外側１３ａで生じた成膜反応によりノズルの外面１３に堆積したポリシリコン膜１５の厚さ（図１に示すインナチューブ３の内面に堆積した膜の厚さとほぼ等しくなる）に比べて、実際に約４倍程度の膜厚となり、上記ノズルの内面１２に堆積されたポリシリコン膜１４に成膜クラック等が発生して微細なパーティクルが生じ、これが成膜処理するウエハ等に付着して汚染されるという問題がある。
【０００４】
また、上記ノズル内面に付着した膜のクラック等により生じるパーティクルの発生を抑止するために、メンテナンス時にノズル内面の膜を除去した清浄なノズルまたは新品のノズルに交換する場合には、ノズルの交換頻度が通常の場合に比べて約４倍程度（インナチューブやアウタチューブの交換頻度の４倍程度）となり、すなわちメンテナンスサイクルが１／４となって、ノズルの交換が頻繁となり、それだけ装置の稼動時間が短くなり、生産性の低下と、製造コストの増大に繋がるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解消し、成膜用ガス供給ノズルの内面に成膜される膜の厚さを抑制し、上記ガス供給ノズルの内面の成膜クラック等による微細パーティクルの発生を抑止して、上記ガス供給ノズルの使用期間を長くして、メンテナンス周期の長期化をはかり、装置の稼働時間を長くして生産性の向上と生産コスト低減をはかる基板処理装置、半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、基板に成膜を行う反応室と、前記反応室内を加熱する抵抗加熱型のヒータと、前記反応室内で前記基板を保持するボートと、前記反応室内の前記ボートと前記抵抗加熱型のヒータとの間に設けられ、その内部で成膜反応が生じるように前記抵抗加熱型のヒータにより加熱され、前記反応室内に成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給ノズルとを少なくとも備えた基板処理装置であって、前記成膜用ガス供給ノズルの内壁面の断面形状を楕円形状とする。
また、半導体装置の製造方法において、基板を反応室内に搬送する工程と、前記反応室内で前記基板を保持するボートと前記反応室内を加熱する抵抗加熱型のヒータとの間に設けられ、その内部で成膜反応が生じるように前記抵抗加熱型のヒータにより加熱され、内壁面の断面形状を楕円形状とした成膜用ガス供給ノズルを用いて前記反応室内に成膜用ガスを供給して前記基板に成膜を行う工程と、前記基板を前記反応室より搬出する工程とを行う。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は半導体装置の製造工程の一工程として、バッチ式減圧ＣＶＤ装置等を用いて薄膜を形成する技術に係わり、成膜時に発生する微粒子汚染物質（パーティクルと言う）を低減する基板処理装置であって、特に、本発明は成膜用ガス供給ノズルの内壁面に成膜されるポリシリコン膜、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜等の膜厚の増加に伴う成膜クラックの発生を抑制して、汚染微粒子であるパーティクルの発生を抑止する基板処理装置である。
【０００８】
〈第１の実施の形態〉
本実施の形態は、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程としての処理（ＣＶＤ法による成膜処理）を行う基板処理装置において、成膜用ガス供給ノズルとして、ノズル内壁面の断面形状を楕円形状となし、円形ノズルの内径ｄと楕円形ノズルの短軸径（２ｂ）とを同じとした場合に、楕円形ノズルの内面積が円形ノズルの内面積よりも大きくなり、楕円形ノズル内壁面の成膜厚さを低減して成膜クラックによるパーティクルの発生を抑止するものである。
【０００９】
図１に、楕円形ノズルを成膜用ガス供給ノズルとして用いた場合の装置構成を示す。図１において、１は抵抗加熱型のヒータ、２は反応室３ａを構成すると共に反応室３ａ内部の真空を保つアウタチューブ（外側反応管）、３はアウタチューブ２と共に反応室３ａを構成すると共に反応室３ａ内部のガス流路を形成するインナチューブ（内側反応管）、４はウエハを保持するボート、５はウエハ（基板）、６ａ、６ｂ、６ｃは成膜用ガス供給ノズル、７はガス流路、８ａ、８ｂ、８ｃはマスフローコントローラ、９ａ、９ｂ、９ｃは成膜用ガス源（シラン系ガス等）、１０はガス排気口を示す。そして、成膜用ガス供給ノズル６ａ、６ｂはボート４とヒータ１との間に設けられている。
【００１０】
ここで、図１に示す装置を用いて、ＣＶＤ法により成膜処理を行う工程を説明する。
【００１１】
まず、反応室３ａ下方に設けられたロードロック室（図示せず）にＮ２ガスを導入して不活性雰囲気となし、ウエハ５を搬入し、ボート４にウエハ５を移載する。次に、ロードロック室を高真空引きし、Ｎ２ガスによるパージを行った後、Ｎ２ガスを導入してロードロック室を大気圧に戻す。
次に、ウエハ５を保持しているボート４を反応室３ａ内に上昇させて（ボートアップ）、反応室３ａ内にウエハ５を保持したボート４を挿入する。
【００１２】
次いで、反応室３ａの真空引きを行う。反応室３ａ内の圧力を所定の圧力（例えば３０Ｐａ程度）に低下させ、成膜用ガス供給ノズル６ａ、６ｂ、６ｃから成膜用ガス〔例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）ガス等のシラン系ガス〕を反応室３ａ内に導入して、所定の温度（例えば５５０℃程度）で所定時間（例えば約３０分間程度）成膜処理を行う。
【００１３】
次に、Ｎ２ガス等を反応室３ａに導入して、反応室３ａ内のパージを行った後、圧力を大気圧程度にして、Ｎ２ガスで置換されているロードロック室にボートダウンし、さらにウエハ冷却を行って、ボート４から処理済みのウエハ５を取り出す。
上記のような成膜工程により、ウエハ５上にＳｉ膜等の薄膜を形成することができる。
【００１４】
本発明は請求項１に記載のように、例えば、基板（ウエハ５）に成膜を行う反応室３ａと、上記反応室３ａ内に成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給ノズル６ａ、６ｂ、６ｃとを少なくとも備えた基板処理装置であって、上記成膜用ガス供給ノズル６ａ〜６ｃの内壁面の断面形状を楕円形状〔例えば図３（ｂ）に示す〕にした基板処理装置である。
【００１５】
本発明の成膜用ガス供給ノズルにおいて、図３（ａ）に示す断面が円形の成膜用ガス供給ノズル１６と、図３（ｂ）に示す断面が楕円（長円）形の成膜用ガス供給ノズル１７とのノズル内面積の例を、それぞれ表１、表２に示す。
ここで、表１は、断面が円形の成膜用ガス供給ノズルの内径ｄ（４〜１８ｍｍ）に対するノズル内面積を示し、表２は、断面が楕円形の成膜用ガス供給ノズルの短軸２ｂを円形ノズルの内径ｄと等しくした場合の短軸〔２ｂ＝ｄ（４〜１２ｍｍ）、長軸２ａ＝１.５ｄ（６、７.５、９、１２、１５、１８ｍｍ〕に対するノズル内面積を示す。
【００１６】
【表１】
【表２】
【００１８】
〈第２の実施の形態〉
本実施の形態は、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程としての処理（ＣＶＤ法による成膜処理）を行う基板処理装置において、成膜用ガス供給ノズルの材質をＳｉＣ（炭化ケイ素）とすることにより、ノズル内面に付着した膜の剥がれによるパーティクルの発生を抑止するものである。
成膜用ガス供給ノズル（通常の場合は石英製ノズルを使用）の内面には、膜厚がインナチューブの内面の約４倍程度の厚さの膜が堆積し付着する。このことは、成膜用ガス供給ノズルのメンテナンスサイクル（周期）は、インナチューブの場合の約１／４程度に短くなることを示すものである。しかし、成膜用ガス供給ノズルの材質をＳｉＣ（炭化ケイ素）にすることで、石英製の成膜用ガス供給ノズルの場合には通常５μｍ程度で成膜にクラックが生じてパーティクルが発生するが、上記ＳｉＣ製ノズルの場合、ＳｉＣ製ノズルの内壁面に形成される膜はＳｉＣとの付着性が良く、また、ＳｉＣ内壁面に成膜された膜の成膜クラックの発生は、上記石英製のノズルの場合の５μｍの何倍もの厚さにならなければ成膜クラックの発生がないので、パーティクルの抑止にはノズルの材質をＳｉＣとすることが最も有効な方法の一つである。
【００１９】
図４に、内壁面の断面が円形の石英製ノズル（内径４ｍｍ）を用いた通常時のパーティクル発生状態を示す。なお、図４において、横軸はウエハのバッチ処理ナンバーを示し、縦軸はパーティクル数を示す。平均的なパーティクルの発生数としては１５〜２５個位であり、５０個を超える場合もある。これに対し、図５に示すように、成膜用ガス供給ノズル（断面が円形で内径４ｍｍ程度）の材質をＳｉＣにした場合のパーティクル発生数は、２５個程度発生しているものも見受けられるが、大多数は２０個以下であり、おおよそ平均的に１０個以下を示し、成膜用ガス供給ノズルの材質をＳｉＣにした場合は、パーティクル発生の抑止に極めて有効であることを示している。なお、図５の中のＴＯＰ、ＣＵ、ＣＣＵ、ＣＥＮ、ＣＣＬ、ＣＬ、ＣＬＬ、Ｌの８個の符号は、ボートに保持されたウエハの上部から下部へのウエハの位置を示すものである。
【００２０】
〈第３の実施の形態〉
本実施の形態は、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程としての処理（ＣＶＤ法による成膜処理）を行う基板処理装置において、成膜用ガス供給ノズルの内径を少なくとも５ｍｍ以上となし、ノズル内の成膜ガス圧を、従来から用いられている内径が４ｍｍ程度のガス供給ノズルの場合よりも成膜ガス圧を低下させることにより、ノズル内壁面に成膜される膜の厚さの低減を図り、膜の剥がれによるパーティクルの発生を抑止するものである。
【００２１】
図３（ａ）は、成膜用ガス供給ノズルの内壁面（円形）の断面形状を示し、また、第１の実施の形態で例示した表１は、ノズル内径を４ｍｍ〜径１８ｍｍに拡大した場合のノズル内壁の面積の増加度合を示したもので、ノズル内面積の拡大と共に、成膜用ガス供給ノズル１６内のガス圧力を低減することが可能となるので、成膜用ガス供給ノズル１６の内径を、例えばノズル内径ｄを５ｍｍ〜１８ｍｍとすることにより、表１の４ｍｍノズル内面積（１２.５６Ｌｍｍ２）と対比すると、ｄが５ｍｍのとき１.２５倍、６ｍｍのとき１.５倍、１０ｍｍのとき２.５倍、１４ｍｍのとき３.５倍、１８ｍｍのとき４.５倍となり、例えば４ｍｍノズル（１２.５６Ｌｍｍ２）を用いた場合のメンテナンス期間をあらかじめ設定しておき、そのメンテナンス期間を、例えば２倍に設定したいときには、成膜用ガス供給ノズル１６の内径ｄを８ｍｍノズル内面積（２５.１３Ｌｍｍ２）のものを選択するなどしてメンテナンス期間を長期に設定することも可能である。
【００２２】
また、ノズル内面積の拡大により、成膜用ガス供給ノズル内に成膜される膜の厚さを低減させることができ、パーティクルの発生を少なくすることができると共に、メンテナンス期間を長くすることができる。したがって、成膜装置の稼働時間が増加し、生産性の向上とコスト低減を図ることができる。
さらに、内壁面の断面形状が円形の成膜用ガス供給ノズルの内径を、例えば、５ｍｍ以上と、大きくすることで、上記ガス供給ノズルの内部圧力を下げることができる。ガス供給ノズルの内部圧力が下がれば上記ノズル内壁面に堆積する膜厚も低減できるので、成膜クラックによるパーティクルの発生を抑止できる効果がある。
【００２３】
ここで、成膜用ガス供給ノズルの内径ｄを４ｍｍ、６ｍｍ、および８ｍｍに設定した場合に、下記の（数１）式で示されるコンダクタンスＣ（ガス流通度）の値を算出しガス流通度を比較する。
Ｃ（２０℃の空気）＝21.1α[{(D-d)×(D-d)×(D+d)}/L][l/sec]……（数１）
α：系数
Ｄ：ノズル内径；４ｍｍまたはその他
ｄ：使用不能になった時の内径；０ｍｍ
Ｌ：ノズルの長さを、例えば０.５ｍとすると、
内径４ｍｍの場合のコンダクタンスＣは次ぎのごとくなる。
Ｃ＝２１.１α×（４×４×４）／５００＝６７５２００α
内径拡大ノズルについて、
▲１▼内径８ｍｍの場合
Ｃ＝２１.１α×（８×８×８）／５００＝５４０１６００α
５４０１６００α（８ｍｍ）／６７５２００α（４ｍｍ）＝８.０
８ｍｍノズルのコンダクタンスは、４ｍｍノズルのコンダクタンスに比べ８.０倍に増大する。すなわち、８ｍｍノズルの内部圧力は４ｍｍノズルに比べて１／８となり、したがって内部に堆積する膜厚もそれだけ低減することができ、成膜パーティクルの発生を抑止することができる。
▲２▼内径６ｍｍの場合
Ｃ＝２１.１α×（６×６×６）／５００＝２２７８８００α
２２７８８００α（６ｍｍ）／６７５２００α（４ｍｍ）＝３.３７５
６ｍｍノズルのコンダクタンスは、４ｍｍノズルのコンダクタンスに比べ３.３７５倍になる。すなわち、６ｍｍノズルの内部圧力は４ｍｍノズルに比べて１／３.３７５となり、したがって内部に堆積する膜厚もそれだけ低減することができ、成膜パーティクルの発生を抑止することができる。
したがって、成膜用ガス供給ノズルの内径は４ｍｍよりも６ｍｍにした方がノズルの内部圧力は約１／３.３７５に低下し、また８ｍｍノズルの内部圧力は４ｍｍノズルに比べて約１／８に低下するので、それだけ成膜パーティクルの発生を抑止することが可能である。
【００２４】
図６に、内壁面の断面が円形の成膜用ガス供給ノズルの内径を拡大（ノズル内径６ｍｍの場合）した場合のパーティクル発生状態を示す。パーティクルの発生数は、ほとんどのバッチ処理ナンバーにおいて、おおよそ１０個以下を示し、パーティクルの発生数が著しく減少していることを示している。なお、図６中の、ＴＯＰ、ＣＮＴ、ＢＴＭの符号はボートに保持されたウエハの上部から下部へのウエハの位置を示す。
【００２５】
〈第４の実施の形態〉
本実施の形態では、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程としての処理（ＣＶＤ法による成膜処理）を行う基板処理装置において、成膜前または／および成膜後に、成膜用ガス供給ノズル内をＮ２ガスでパージしないようにした基板処理装置であって、成膜前または／および成膜後に成膜用ガス供給ノズル内をＮ２パージしないことにより、冷えたＮ２ガスによるノズルの温度低下と、Ｎ２ガスによる成膜クラック部分の吐き出しによるパーティクルの発生を抑止することができ、成膜時のパーティクルによるウエハの汚染を防止することができる。
【００２６】
このように、半導体装置の製造方法において、基板を反応炉内に挿入する工程と、基板を収納した反応炉内に成膜用ガスノズルより成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給工程と、反応炉内に不活性ガスを供給して炉内をパージするパージ工程とを有し、上記パージ工程では、成膜用ガスノズル以外のノズルを用いて炉内に不活性ガスを供給する（成膜用ガスノズルには不活性ガスを流さない）ことを特徴としたときには、効果的に成膜パーティクルの発生による基板の汚染を防止することができる。
【００２７】
なお、本発明の成膜用ガス供給ノズルは、反応ガスとして、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、ＧｅＨ４等を含むシラン系のガス、または反応ガスとして、ＳｉＨ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＮＨ３等を含むシラン系のガスを反応室３ａ内に導入するのに用いられるガス供給ノズルであって、特にＳｉＨ４（モノシラン）ガスを供給するノズルに適用する場合に好適に用いられる。
【００２８】
また、本発明は基板を反応炉内に搬入する工程と、反応炉内に、成膜用ガス供給ノズルの内壁面の断面形状が楕円形状である成膜用ガスノズルを用いて成膜用ガスを供給する工程と、基板を反応炉より搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００２９】
また、本発明は基板を反応炉内に搬入する工程と、反応炉内に、材質がＳｉＣである成膜用ガスノズルを用いて成膜用ガスを供給する工程と、基板を反応炉より搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００３０】
また、本発明は基板を反応炉内に搬入する工程と、反応炉内に、内径が５ｍｍ以上である成膜用ガスノズルを用いて成膜用ガスを供給する工程と、基板を反応炉より搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法に適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣＶＤ成膜装置の反応室に、成膜用ガス供給ノズルを用いてシラン系ガス等の反応ガスを導入し、ポリシリコン膜、ドープトポリシリコン膜、窒化シリコン膜等の成膜処理のメンテナンスサイクルの長期化が可能となる。したがって、メンテナンスに伴う成膜装置のダウンタイム（稼働停止時間）を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示した減圧ＣＶＤ法により成膜する基板処理装置の構成を示す模式図。
【図２】従来の石英製のガス導入ノズルを用いた場合のノズル内側と外側とに成膜されるポリシリコン膜の膜厚を示す図。
【図３】本発明の実施の形態で例示した成膜用ガス供給ノズルの断面形状が円形の場合と楕円（長円）形の場合を示す図。
【図４】本発明の実施の形態で例示した石英製のガス導入ノズルを用いた通常時のパーティクル発生状態を示す図。
【図５】本発明の実施の形態で例示した成膜用ガス供給ノズルの材質をＳｉＣにした場合のパーティクル発生状態を示す図。
【図６】本発明の実施の形態で例示した成膜用ガス供給ノズルの内径を拡大した場合のパーティクル発生状態を示す図。
【符号の説明】
１…ヒータ
２…アウタチューブ（外側反応管）
３…インナチューブ（内側反応管）
３ａ…反応室
４…ボート
５…ウエハ（基板）
６ａ…成膜用ガス供給ノズル
６ｂ…成膜用ガス供給ノズル
６ｃ…成膜用ガス供給ノズル
７…ガス流路
８ａ…マスフローコントローラ
８ｂ…マスフローコントローラ
８ｃ…マスフローコントローラ
９ａ…成膜用ガス源
９ｂ…成膜用ガス源
９ｃ…成膜用ガス源
１０…ガス排気口
１１…石英製ノズル
１２…ノズルの内面
１２ａ…ノズルの内側
１３…ノズルの外面
１３ａ…ノズルの外側
１４…ノズル内側に堆積したポリシリコン膜
１５…ノズル外側に堆積したポリシリコン膜
１６…断面が円形の成膜用ガス供給ノズル
１７…断面が楕円（長円）形の成膜用ガス供給ノズル
Claims (2)
- 基板に成膜を行う反応室と、前記反応室内を加熱する抵抗加熱型のヒータと、前記反応室内で前記基板を保持するボートと、前記反応室内の前記ボートと前記抵抗加熱型のヒータとの間に設けられ、その内部で成膜反応が生じるように前記抵抗加熱型のヒータにより加熱され、前記反応室内に成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給ノズルとを少なくとも備えた基板処理装置であって、前記成膜用ガス供給ノズルの内壁面の断面形状を楕円形状としたことを特徴とする基板処理装置。
- 基板を反応室内に搬送する工程と、
前記反応室内で前記基板を保持するボートと前記反応室内を加熱する抵抗加熱型のヒータとの間に設けられ、その内部で成膜反応が生じるように前記抵抗加熱型のヒータにより加熱され、内壁面の断面形状を楕円形状とした成膜用ガス供給ノズルを用いて前記反応室内に成膜用ガスを供給して前記基板に成膜を行う工程と、
前記基板を前記反応室より搬出する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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