JP4509439B2

JP4509439B2 - 基板処理装置および基板処理方法

Info

Publication number: JP4509439B2
Application number: JP2001269681A
Authority: JP
Inventors: 智志谷山
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP2003077850A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は縦型アンチモン（Ｓｂ）拡散装置等の基板処理装置および基板処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の縦型アンチモン拡散装置を示す概略断面図、図１１は図１０に示した縦型アンチモン拡散装置の下部を示す詳細断面図である。図に示すように、ＳｉＣからなる均熱管（アウタ管）１の外側に基板加熱用の主ヒータ（プロセス用ヒータ）２が設けられ、均熱管１の内側に石英からなる筒状の反応管（インナ管）３が設けられ、反応管３内に昇降可能な石英からなるキャップ４が挿入され、キャップ４にボート５が載置され、ボート５に複数の半導体基板（図示せず）が保持されている。また、キャップ４に断熱部６および原料昇華部７が設けられ、キャップ４にヒータ部８が着脱可能に取り付けられている。そして、ヒータ部８に昇華用ヒータ１９が設けられ、昇華用ヒータ１９の上部に石英からなる原料昇華部７の原料載置板９が設けられ、原料載置板９の外周部に石英からなる複数の柱材１０が設けられ、原料載置板９の上部空間すなわち原料昇華空間は基板処理領域すなわち反応管３内の半導体基板が存在する領域と連通している。また、柱材１０に断熱部６が支持され、断熱部６は原料昇華部７と基板処理領域との間に位置しており、断熱部６は石英からなる箱状部材の内に石英ウールが詰められている。また、反応管３の下部にガス導入管１２が接続され、反応管３の均熱管乗せ部１３に排気スリット１４が設けられ、反応管３の外部でかつ均熱管乗せ部１３の下部に排気リング１５が設けられ、均熱管１の内部と排気リング１５とは排気スリット１４を介して連通しており、排気リング１５に排気管１６が接続されている。また、均熱管乗せ部１３の上面に円環状の溝１７が設けられ、溝１７の底部に開口した窒素（Ｎ_２）ガス導入管（図示せず）が設けられ、ヒータ部８に反応管３の開口を閉塞する蓋体２５が設けられ、反応管３と蓋体２５との間に気密シール部材であるＯリング１８が設けられ、蓋体２５の下部にＯリング１８を冷却する冷却手段である水冷ジャケット２０が設けられている。
【０００３】
この縦型アンチモン拡散装置においては、原料であるアンチモン１１を原料載置板９上に載置した状態で、ボート５が載置されたキャップ４を反応管３内に挿入する。つぎに、主ヒータ２によりボート５に保持された半導体基板を所定温度に加熱した状態で、ガス導入管１２からキャリアガスを供給するとともに、昇華用ヒータ１９によりアンチモン１１を６５０〜８５０℃に加熱する。すると、アンチモン１１が昇華し、キャリアガスによりアンチモンの蒸気が半導体基板の表面に供給され、半導体基板にアンチモンが拡散される。この場合、ガス導入管１２から導入されたキャリアガスは反応管３内を上昇し、反応管３の上端にて１８０°折り返して反応管３と均熱管１との間を流れ、排気スリット１４、排気リング１５を介して排気管１６から排気される。また、窒素ガス導入管を介して溝１７に窒素ガスを供給すると、均熱管１と反応管３との間から排ガスが漏れるのを防止することができる。また、水冷ジャケット２０によりＯリング１８を冷却することができるから、Ｏリング１８の劣化を防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような縦型アンチモン拡散装置においては、ガス導入管１２が反応管３の下端よりも上方でかつ原料載置板９の上面よりも上方に取り付けられているから、ガス導入管１２からキャリアガスを供給したときに、キャリアガスによりアンチモンの蒸気が反応室３の下部に巻き込まれる。すなわち、ガス導入管１２からキャリアガスを供給すると、キャリアガスによってアンチモンの蒸気の一部が反応室３の下部の方に流される。一方、水冷ジャケット２０により反応管３の下部等が冷却され、反応管３の下部等の温度が低下するから、反応室３の下部の方に流されアンチモンの蒸気が冷され、昇華したアンチモンの反応生成物が反応管３の下部等に付着する。このため、反応管３の下部等に付着したアンチモンの反応生成物からパーティクルが発生し、また石英からなる反応管等のメンテナンス周期が短くなる。また、昇華したアンチモンの反応生成物が反応管３の下部等に付着すると、アンチモンの蒸気の一部だけしか半導体基板の表面に供給されないから、アンチモンの蒸気を半導体基板の表面に確実に供給することができなくなるので、アンチモンの半導体基板への拡散処理に要する時間が長くなる。
【０００５】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、パーティクルの発生を削減することができ、しかも反応管のメンテナンス周期を長くすることができ、また原料ガスを基板の表面に確実に供給することができる基板処理装置、基板処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明に係る基板処理装置においては、内部の基板処理領域で基板を処理する反応管と、上記反応管の開口を閉塞する蓋体と、上記反応管と上記蓋体との間に設けられた気密シール部材と、上記気密シール部材を冷却する冷却手段と、上記反応管内の上記基板処理領域より下方に設けられ、原料が載置される原料昇華部と、上記反応管内に設けられ、上記原料の近傍で、上記原料を加熱して昇華するための昇華用ヒータと、上記反応管内にキャリアガスを供給するガス供給口と、上記反応管内と上記ガス供給口との間であって、上記反応管の下部に構成される障壁部と、上記障壁部と上記蓋体との間であって、上記気密シール部材よりも内側であるとともに上記原料昇華部よりも下方に設けられ、上記ガス供給口と上記反応管内とを連通させるスリットと、を有する。
また、本発明に係る基板処理方法においては、反応管と蓋体との間に設けられた気密シール部材を冷却しつつ、上記蓋体により上記反応管の開口を閉塞し、上記反応管内の基板処理領域にある基板を主ヒータにより加熱し、ガス供給口からキャリアガスを供給し、上記反応管内の原料昇華部に載置された原料を昇華用ヒータで加熱して昇華し、上記キャリアガスが、上記反応管の下部に構成された障壁部に沿って上記気密シール部材の方向に流れた後、上記障壁部と上記蓋体との間であって、上記気密シール部材よりも内側に設けられたスリットで折り返して、上記昇華された原料とともに、上記基板処理領域内に導入されて上記基板を処理する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る縦型アンチモン拡散装置の下部を示す断面図、図２は図１に示した縦型アンチモン拡散装置の断熱部および原料昇華部を示す拡大斜視図、図３は図１に示した縦型アンチモン拡散装置の排気リング部を示す拡大斜視図、図４は図１に示した縦型アンチモン拡散装置のヒータ部を示す拡大断面図、図５は図１に示した縦型アンチモン拡散装置のヒータ部の側部を示す拡大断面図、図６は図５のＡ矢視図、図７は図５のＢ矢視図、図８は図５のＣ−Ｃ断面図である。図に示すように、昇華用ヒータ１９の上部に石英からなる原料昇華部７の原料載置板３５が設けられ、原料載置板３５の外周部に石英からなる複数の柱材１０が設けられている。また、ヒータ部８のセラミックファイバからなるベース板２８にはヒータエレメント２９が設けられ、ベース板２８とヒータエレメント２９とからなる昇華用ヒータ１９は反応管３の内側すなわち炉内に位置している。また、ベース板２８の上面にはＳｉＣからなるサセプタ３０が設けられ、ヒータエレメント２９と接続されたヒータ端子３１が絶縁体３３を介してヒータ部８の接続フランジ３２に支持されている。また、昇華用ヒータ１９の加熱温度を測定するための熱電対３４が設けられ、熱電対３４は接続フランジ３２に支持されている。また、反応管３の外側に１個のガス供給部（ガスバッファ部）２１が取り付けられ、ガス供給部２１に反応管３内にキャリアガスを供給するガス供給口であるガス導入管２２が接続され、ガス供給部２１内に障壁部２６が設けられ、障壁部２６は反応管３の下部を構成しており、障壁部２６は反応管３内とガス導入管２２との間に位置している。また、反応管３の下部にガス供給部２１と連通した円環状の供給ガス通路（供給ガス溝）２３が設けられ、供給ガス通路２３は反応管３の下面（シール面）に溝を設けることにより形成されている。また、障壁部２６の下部に放射状に複数たとえば１６個の炉内導入スリット２４が同一ピッチで設けられ、炉内導入スリット２４は供給ガス通路２３と反応管３内とを連通している。また、原料載置板３５の外周部が反応管３側に突出しており、反応管３の内面と原料載置板３５の外周面との間に管路抵抗２７が形成されている。なお、均熱管１はＳｉＣから構成されているが、ＳｉＣは温度差が付くと破損し易く、また加工も難しいから、均熱管１は主ヒータ２で囲われた領域（均熱な空間）内に配置されている。また、排熱部を構成する排気リング１５等については、ＳｉＣよりも加工が容易な石英からなる反応管３に設けている。
【０００８】
つぎに、この縦型アンチモン拡散装置の動作すなわち基板処理方法について説明する、まず、原料（成膜用原料）であるアンチモン１１を原料載置板３５上に載置した状態で、ボート５が載置されたキャップ４を反応管３内に挿入し、反応管３の開口を蓋体２５で閉塞した状態とする。つぎに、主ヒータ２によりボート５に保持された半導体基板（基板）を所定温度に加熱するとともに、ガス導入管２２からアルゴン（Ａｒ）ガス、窒素ガス等のキャリアガスを供給すると、ガス導入管２２から供給されたキャリアガスが供給ガス通路２３内を障壁部２６に沿ってＯリング１８の方向に流れた後、障壁部２６の端部にて炉内導入スリット２４を介して折り返して反応管３内に導入される。また、昇華用ヒータ１９によりアンチモン１１を６５０〜８５０℃に加熱すると、アンチモンが昇華する。そして、原料ガス（成膜用ガス、プロセス用ガス）であるアンチモンの蒸気は反応管３内に導入されたキャリアガスによって半導体基板の表面まで搬送され、半導体基板の表面にアンチモンが拡散される。
【０００９】
図９は半導体基板の表面にアンチモンを拡散するときのヒータの加熱温度の変化を示すグラフで、(ａ)は主ヒータ２の加熱温度の変化を示し、(ｂ)は昇華用ヒータ１９の加熱温度の変化を示す。このグラフから明らかなように、主ヒータ２、昇華用ヒータ１９の加熱温度をそれぞれ９００℃、４５５℃とした状態から、主ヒータ２、昇華用ヒータ１９の加熱温度を同時に上昇させ、主ヒータ２の加熱温度を１２００℃にしたのち、昇華用ヒータ１９の加熱温度を７７５℃にする。なお、昇華用ヒータ１９の加熱温度がアンチモンの昇華温度である６５６℃に達した時点では、主ヒータ２の加熱温度が１２００℃となっている必要がある。すなわち、原料ガスの昇華温度の６５６℃に達した時点で、炉内の温度が拡散温度（処理温度）に達していれば、膜質の良い処理が可能となる。一方、原料の昇華が始まっているにも拘らず、反応管３内の温度が拡散温度に達していないと良好な拡散処理を行なうことができない。そして、主ヒータ２の加熱温度を４５分間１２００℃に保持し、昇華用ヒータ１９の加熱温度を２５分間７７５℃に保持し、つぎに主ヒータ２、昇華用ヒータ１９の加熱温度を同時に下降させ、主ヒータ２の加熱温度を９００℃に戻したのち、昇華用ヒータ１９の加熱温度を４５５℃に戻す。この場合、主ヒータ２の加熱温度が１２００℃に保持されているときには、ガス導入管２２からキャリアガスとして流量が２ｌ／minのアルゴンガスを供給し、それ以外のときにはガス導入管２２から流量が１０ｌ／minの窒素ガスを供給する。
【００１０】
このような縦型アンチモン拡散装置においては、ガス導入管２２からキャリアガスを供給すると、障壁部２６の端部にて炉内導入スリット２４を介して折り返して反応管３内に導入される。このため、ガス導入管２２から供給されたキャリアガスは反応管３の最下部から反応管３内に供給される。すなわち、ガス導入管２２から供給されたキャリアガスは反応生成物が付着しやすい個所から反応管３内に供給される。このため、アンチモンの蒸気がキャリアガスにより反応室３の下部に巻き込まれることがない。すなわち、ガス導入管２２からキャリアガスを供給したときに、キャリアガスによってアンチモンの蒸気の一部が反応室３の下部の方に流されることがない。したがって、水冷ジャケット２０により反応管３の下部等が冷却され、反応管３の下部等の温度が低下したとしても、別系統で稀釈ガスを導入することなく、昇華したアンチモンの反応生成物が反応管３の下部等に付着するのを防止することができるので、パーティクルの発生を削減することができ、しかも石英からなる反応管等のメンテナンス周期を長くすることができる。また、昇華したアンチモンの反応生成物が反応管３の下部等に付着するのを防止することができるから、アンチモンの蒸気のほとんど全てが半導体基板の表面に供給される。このため、アンチモンの蒸気を半導体基板の表面に確実に供給することができるから、アンチモンの半導体基板への拡散処理（成膜処理）に要する時間を短くすることができる。また、反応管３の内面と原料載置板３５の外周面との間に管路抵抗２７が形成されているから、アンチモンの蒸気の一部が反応室３の下部の方に流されるのを更に確実に防止することができるので、昇華したアンチモンの反応生成物が反応管３の下部等に付着するのを確実に防止することができる。また、反応管３内に基板処理領域と原料昇華部７とが位置しているが、基板処理領域と原料昇華部７との間に断熱部６を介在させているので、基板処理領域の温度の影響を防止するために基板処理領域と原料昇華部７との間隔を十分に取らなくても、原料昇華部７への熱影響を防止することができる。したがって、反応管３の長さを極端に長くしなくても、換言すれば基板処理領域と原料昇華部７とを近づけても、原料の昇華制御に影響がなく、装置の高さ増加を抑制したコンパクトな装置を実現することができる。また、原料の昇華用ヒータ１９が原料と同一空間すなわち炉内でかつ近傍に位置するから、原料昇華における制御性の向上を図ることができる。また、原料昇華部７を半導体基板と同一空間である反応管３の下部に設けているため、昇華されたアンチモンの蒸気を反応管３の下部から上方に向け流さなければならないが、反応管３、均熱管１の上記構成とすることで、ガスの流れを破損等の問題がなく実現することができる。また、ベース板２８の上面にはサセプタ３０が設けられているから、ヒータエレメント２９からの金属汚染を防止することができる。
【００１１】
なお、上述実施の形態においては、縦型アンチモン拡散装置について説明したが、他の基板処理装置に本発明を適用することができる。また、上述実施の形態においては、原料昇華部７で昇華する原料がアンチモンである場合について説明したが、原料昇華部で昇華する原料が他の場合にも本発明を適用することができる。また、上述実施の形態においては、反応管３の外側に１個のガス供給部２１を設けたが、反応管３の外側に複数のガス供給部を同一ピッチで設けてもよい。また、上述実施の形態においては、半導体基板の表面にアンチモンを拡散するときの主ヒータ２の加熱温度を１２００℃としたが、基板にアンチモンの蒸気を供給するときの主ヒータの加熱温度を１１５０℃以上にするのが望ましい。また、上述実施の形態においては、ベース板２８の上面にサセプタ３０を設けたが、汚染が問題にならない場合であれば、ベース板の上面にサセプタを設けなくてもよい。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る基板処理装置、基板処理方法においては、ガス供給口からキャリアガスを供給したときに、原料ガスが反応室の下部に巻き込まれることがないから、冷却手段により反応管の下部が冷却され、反応管の下部の温度が低下したとしても、原料ガスの反応生成物が反応管の下部に付着することがないので、パーティクルの発生を削減することができ、しかも反応管のメンテナンス周期を長くすることができ、また原料ガスを基板の表面に確実に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る縦型アンチモン拡散装置の下部を示す断面図である。
【図２】図１に示した縦型アンチモン拡散装置の断熱部および原料昇華部を示す拡大斜視図である。
【図３】図１に示した縦型アンチモン拡散装置の排気リング部を示す拡大斜視図である。
【図４】図１に示した縦型アンチモン拡散装置のヒータ部を示す拡大断面図である。
【図５】図１に示した縦型アンチモン拡散装置のヒータ部の側部を示す拡大断面図である。
【図６】図５のＡ矢視図である。
【図７】図５のＢ矢視図である。
【図８】図５のＣ−Ｃ断面図である。
【図９】半導体基板の表面にアンチモンを拡散するときのヒータの加熱温度の変化を示すグラフである。
【図１０】従来の縦型アンチモン拡散装置を示す概略断面図である。
【図１１】図１０に示した縦型アンチモン拡散装置の下部を示す詳細断面図である。
【符号の説明】
３…反応管
７…原料昇華部
１８…Ｏリング
１９…昇華用ヒータ
２０…水冷ジャケット
２１…ガス供給部
２２…ガス導入管
２５…蓋体
２６…障壁部
３５…原料載置板

Claims

内部の基板処理領域で基板を処理する反応管と、
上記反応管の開口を閉塞する蓋体と、
上記反応管と上記蓋体との間に設けられた気密シール部材と、
上記気密シール部材を冷却する冷却手段と、
上記反応管内の上記基板処理領域より下方に設けられ、原料が載置される原料昇華部と、
上記反応管内に設けられ、上記原料の近傍で、上記原料を加熱して昇華するための昇華用ヒータと、
上記反応管内にキャリアガスを供給するガス供給口と、
上記反応管内と上記ガス供給口との間であって、上記反応管の下部に構成される障壁部と、
上記障壁部と上記蓋体との間であって、上記気密シール部材よりも内側であるとともに上記原料昇華部よりも下方に設けられ、上記ガス供給口と上記反応管内とを連通させるスリットと、を有する基板処理装置。
反応管と蓋体との間に設けられた気密シール部材を冷却しつつ、上記蓋体により上記反応管の開口を閉塞し、上記反応管内の基板処理領域にある基板を主ヒータにより加熱し、ガス供給口からキャリアガスを供給し、上記反応管内の原料昇華部に載置された原料を昇華用ヒータで加熱して昇華し、上記キャリアガスが、上記反応管の下部に構成された障壁部に沿って上記気密シール部材の方向に流れた後、上記障壁部と上記蓋体との間であって、上記気密シール部材よりも内側に設けられたスリットで折り返して、上記昇華された原料とともに、上記基板処理領域内に導入されて上記基板を処理する基板処理方法。