JP4561793B2

JP4561793B2 - 熱処理方法

Info

Publication number: JP4561793B2
Application number: JP2007214472A
Authority: JP
Inventors: 昌幸北村; 朋弘塩谷; 功田房
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: JP2008028409A

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に膜付け等の熱処理を行なう時の熱処理方法に関する。

一般に、半導体ウエハ等に各種の熱処理、例えば膜付けを行なう際には、一度に多数枚の半導体ウエハに対して成膜処理を施すことができることから、バッチ式の熱処理装置が主に使用される。
この熱処理装置にあっては、７０〜１５０枚程度の多数枚の半導体ウエハを石英製のウエハボートに所定のピッチで多段に支持し、これを円筒体状の縦型の処理容器内に収容して処理ガスを容器内に上方向へ、或いは下方向へ流すことによって成膜等の所定の熱処理を行なうようになっている。ここで一般的な、バッチ式の熱処理装置について説明する。図２１は一般的なバッチ式熱処理装置を示す概略構成図であり、このバッチ式熱処理装置１０２は内筒１０４と外筒１０６とよりなる２重管構造の処理容器１０８を有しており、内筒１０４内の処理空間Ｓには、その下方より挿脱自在になされたウエハボート１１０が収容されており、これに多数枚、例えば１５０枚程の製品ウエハＷを所定のピッチで満載状態で載置して所定の熱処理、例えばＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜を行なうようになっている。
成膜ガス等の各種のガスは処理容器１０８の下部から導入されて、内筒１０４内の高温領域である処理空間Ｓを反応しつつ上昇した後、下方向へ折り返して、内筒１０４と外筒１０６との間の間隙を降下して排気口１１２から外部へ排出される。尚、処理容器の外周には、ゾーン分割された図示しない加熱ヒータが設けられる。この熱処理の間は、半導体ウエハは所定のプロセス温度に維持されると共に、処理容器内も所定のプロセス圧力に維持されている。処理容器内へ導入された処理ガスは、ウエハの配列方向に沿ってその周縁部を上昇しつつ一部はウエハ間に流れ込んで熱分解反応してウエハ面に膜が堆積されることになる。

ところで、成膜処理を例にとってみれば、生産性を向上する上からは、品質の良好な膜を、高い成膜レートでウエハの面間及び面内均一性を高く維持したまま形成することが必要である。
各種膜の成膜レートを上げるには、処理ガスの供給量、プロセス圧力、プロセス温度等のパラメータを大きくしてガスの反応を促進させればよいのであるが、品質の良好な膜を得るためには、上記した各パラメータの値にも限界がある。例えば処理ガスとしてシランガス（ＳｉＨ_４）を用いてポリシリコン膜などを成膜する場合、一般的には、１．５Ｔｏｒｒを越えるプロセス圧力では品質の良好な膜の形成が不可能である。例えば１．５Ｔｏｒｒを越える圧力では、処理空間Ｓである高温領域におけるシランガスの通過時間が長くなって気相中での分解反応が過度に促進してしまう。

このように気相反応が過度に促進すると、シリコンが粉状になって析出してウエハ表面に付着してしまい、膜の品質を劣化させるのみならず、パーティクルの発生原因となってしまう。従って、このような気相反応が過度に生ずることを防止してウエハ面上で分解反応が進む界面反応を主体とする成膜反応を行なうために、上述のようにプロセス圧力を１．５Ｔｏｒｒ以下に低下させざるを得ず、このため、成膜レートはせいぜい１５Å／ｍｉｎ程度が最大であった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、熱処理の品質を落とすことなく成膜レートなどの熱処理速度を高くすることができる熱処理方法を提供することにある。

本発明者等は、多数枚配列された半導体ウエハ間に処理ガスを強制的に通過させることにより、この部分における処理ガスの滞留時間が少なくなってその分、気相反応が抑制され、高いプロセス圧力下でも気相反応による膜を抑制した状態で成膜レートを向上させることができる、という知見を得ることによって本発明に至ったものである。
請求項１に係る発明は、複数の被処理体を所定のピッチで配列させて支持する被処理体支持具と、前記被処理体を収容するために真空引き可能になされて内筒とその周囲を被う外筒とよりなる処理容器と、前記複数の被処理体の一端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って設けられたコンダクタンスの小さなガス導入口と、前記複数の被処理体の他端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って形成されたコンダクタンスの大きなガス吸引口と、前記被処理体支持具を、前記処理容器内へロード及びアンロードさせる挿脱機構とを備え、前記内筒は、その高さ方向に沿って肉厚になされた厚肉側壁の部分と薄肉になされた薄肉側壁の部分を有し、前記ガス導入口は、前記厚肉側壁の横断面の中央に位置されると共に、前記ガス吸引口は前記薄肉側壁の側に位置されており、前記ガス吸引口側の前記薄肉側壁と前記被処理体の周縁部との間の距離は、前記ガス導入口側の前記厚肉側壁と前記被処理体の周縁部との間の距離よりも大きく設定されている熱処理装置を用いて前記被処理体に対して処理ガスを流して所定の熱処理を施すに際して、前記コンダクタンスの小さなガス導入口から水平方向へ前記処理ガスを流しつつ前記被処理体間に通過させて前記被処理体に前記所定の熱処理を施し、処理済みの前記処理ガスを前記コンダクタンスの大きなガス吸引口から排出するようにしたことを特徴とする熱処理方法である。
請求項２に係る発明は、複数の被処理体を所定のピッチで配列させて支持する被処理体支持具と、前記被処理体を収容するための真空引き可能になされた単管構造の処理容器と、前記複数の被処理体の一端側を臨むように前記被処理体の配列方向と容器周方向とにそれぞれ複数に分割して配列された複数のガス噴出スリットを有するコンダクタンスの小さなガス導入口と、前記ガス導入口の反対側に前記複数の被処理体の他端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って形成されると共に、前記処理容器の側壁をその外方へ突出させることにより形成されたコンダクタンスの大きなガス吸引口と、前記被処理体支持具を、前記処理容器内へロード及びアンロードさせる挿脱機構とを備え、前記ガス導入部は、前記処理容器の側壁に貫通して形成した前記噴出スリットに対応させて前記処理容器の外周面に通路形成部材を接合することにより形成されると共に、該通路形成部材により前記各噴射スリットにガスを供給する通路溝が形成されている熱処理装置を用いて前記被処理体に対して処理ガスを流して所定の熱処理を施すに際して、前記コンダクタンスの小さなガス導入口から水平方向へ前記処理ガスを流しつつ前記被処理体間に通過させて前記被処理体に前記所定の熱処理を施し、処理済みの前記処理ガスを前記コンダクタンスの大きなガス吸引口から排出するようにしたことを特徴とする熱処理方法である。
本発明の関連技術は、所定のピッチで配列した複数の被処理体に対して処理ガスを流して所定の熱処理を施すに際して、前記配列された複数の被処理体の一端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って形成されたコンダクタンスの小さなガス導入口から前記複数の被処理体の他端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って形成されたコンダクタンスの大きなガス吸引口に向けて前記処理ガスを流して前記被処理体間に前記処理ガスを通過させるようにしたものである。

これによれば、コンダクタンスの小さなガス導入口よりコンダクタンスの大きなガス吸引口に向けて処理ガスが流れるので、これによって被処理体間にはなかば強制的に処理ガスが通過することになる。このため、被処理体間を通過する処理ガスの滞留時間がその分短くなり、従って、成膜処理を例にとればプロセス圧力を高くしても気相反応が抑制されて界面反応による膜付けが主体となって高い成膜レートで膜付けを行なうことが可能となる。
本発明の関連技術は、上記方法発明を実施する装置発明であり、被処理体に対して処理ガスを流して所定の熱処理を施す熱処理装置において、複数の被処理体を所定のピッチで配列させて支持する被処理体支持具と、前記被処理体を収容するための真空引き可能になされた処理容器と、前記複数の被処理体の一端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って形成されたコンダクタンスの小さなガス導入口と、前記複数の被処理体の他端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って形成されたコンダクタンスの大きなガス吸引口と、前記被処理体支持具を、前記処理容器内へロード及びアンロードさせる挿脱機構とを備えるように構成したものである。

この場合、例えば前記処理容器は、内筒と、この内筒を囲むように設けた外筒の２重管構造になされており、前記内筒の一側に沿って前記ガス導入口が形成されると共に、前記内筒の他側に沿って前記ガス吸引口が形成されるようにしてもよい。
また、前記ガス導入口は、前記処理容器の側壁に沿って設けられると共に、前記ガス吸引口は前記処理容器の側壁をその外方へ突出させて形成することにより設けられるようにしてもよい。更に、前記ガス導入口は、前記被処理体の配列方向に沿って複数のゾーン毎に分割して配置されているようにしてもよい。
これによれば、被処理体の配列方向に分割配置された各ガス導入口より処理ガスを略均等に導入することが可能となる。
また、前記ガス導入口は、前記被処理体の周方向に沿って複数に分割して配置されているようにしてもよい。これによれば、各被処理体に対して面内均一に処理ガスを供給することが可能となる。

更に、前記被処理体支持具は、内側に前記被処理体と当接して支持する支持部を有して所定の厚みになされた断面円弧状の２枚の板部材を具備するようにしてもよい。これによれば、上記板部材が邪魔板の作用をして、被処理体の外周に処理ガスが回り込むことを防止してこれを被処理体間に流れるように案内することができ、その分、例えば成膜レートも向上させることが可能となる。

本発明の熱処理方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
コンダクタンスの小さなガス導入口からコンダクタンスの大きなガス吸引口に向けて処理ガスを流すようにしたので、被処理体間に効率的に処理ガスを流すことができる。従って、処理ガスによる熱処理が促進されて熱処理速度が高くなり、例えば成膜処理の場合には品質の良好な膜を高い成膜レートで形成することができる。
また、ガス導入口を被処理体の配列方向に分散してゾーン毎に配置して独立制御できるようにしたので、配列方向において処理ガスを均等に供給して、熱処理の面間均一性を高めることができる。
また、被処理体の周方向に沿ってガス導入口を分散して配置したので、被処理体の面内において処理ガスを均一に供給することができ、熱処理の面内均一性を高めることができる。
また、板部材が邪魔板の作用をして被処理体の外周に処理ガスが流れ込むことを防止してより多くの処理ガスが被処理体間に流れるようにしたので、その分、熱処理などの成膜レートを更に向上させることができる。

以下に、本発明に係る熱処理方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は第１の発明の熱処理装置を示す構成図、図２は図１中のＡ−Ａ線矢視断面図、図３は図１中の内筒を示す斜視図である。尚、ここでは熱処理としてシリコン膜を堆積させる成膜処理を例にとって説明する。
図示するように、この熱処理装置２は、例えば石英よりなる円筒体状の処理容器４を有しており、この処理容器４は第１の発明の特徴とする内筒６とこの周囲を被う外筒８とにより主に構成されている。尚、この処理容器４の外周には、図示しない加熱ヒータが設けられている。そして、この外筒８の下端は、Ｏリング等のシール部材１２を介して例えばステンレス製のマニホールド１０に気密に接合され、また、これにより内側に向けて突出させて設けたリング状の支持部１４に上記内筒６の下端を載置してこれを支持している。

そして、このマニホールド１０には、Ｌ字状に屈曲させたガス導入ノズル１６が貫通させて設けられており、処理ガスとして例えばシランやＳｉ_２Ｈ_６，Ｂ_２Ｈ_６，ＡｓＨ_３等の成膜ガス或いはその他に必要なガスを導入し得るようになっている。
また、上記マニホールド１０の下端開口部には、Ｏリング等のシール部材１８を介してキャップ２０が気密に着脱可能に取り付けられる。このキャップ２０の中央には、その上端に石英製の保温筒２２を支持した回転軸２４が挿通されており、上記保温筒２２には、被処理体支持具として例えば石英製のウエハボート２６が載置されている。そして、このウエハボート２６の例えば４本の支柱２６Ａの図示しない支持溝に支持させて、被処理体としての半導体ウエハＷが所定のピッチで多段に支持されている。
また、上記回転軸２４の下端は、挿脱機構としての例えば昇降可能になされたボートエレベータ２８のアーム２８Ａに取り付けられており、このボートエレベータ２８を昇降駆動することにより、上記ウエハボート２６を処理容器４内へロード及びアンロードできるようになっている。また、上記外筒８の上端には排気口３０が形成されており、この排気口３０には、途中に図示しない真空ポンプや除害ユニットを介設した真空排気系が接続されており、上記処理容器４内を真空引き可能としている。

一方、第１の発明の特徴とする円筒状の内筒６は、図２及び図３にも示すようにその側壁の横断面の略半分が高さ方向に肉厚になされて厚肉側壁３２となっており、略残りの半分が薄肉側壁３４となっている。そして、この厚肉側壁３２の略中央に、その高さ方向に沿って凹部状の溝３６を形成することによって、ここに内側に向けて開放されている縦長のコンダクタンスの小さなガス導入口３８を構成している。すなわち、このガス導入口３８が、ウエハＷの一端側を臨むようになっている。そして、この溝３６の下端開口部に、上記Ｌ字状のガス導入ノズル１６の先端１６Ａを位置させており、上記ガス導入口３８内へ処理ガス等を導くようになっている。
ここで、ウエハＷとしては例えば８インチサイズのものを用いており、上下に隣接するウエハＷ間の距離は６ｍｍ程度に設定されると共に、上記溝３６の縦Ｌ１は５ｍｍ〜３０ｍｍ程度、横Ｌ２は５ｍｍ〜３０ｍｍ程度にそれぞれ設定されている。また、厚肉側壁３２の内面とウエハＷの周縁部との間の距離Ｌ３は３ｍｍ〜２０ｍｍ程度になされており、上述のようにガス導入口３８の排気コンダクタンスは小さく設定されている。

これに対して、ウエハＷの他端側である薄肉側壁３４側は、全体がコンダクタンスの大きなガス吸引口４０として構成されており、上下に隣接するウエハ間に流れてきた処理ガスをこのガス吸引口４０で吸引するようになっている。この時、薄肉側壁３４の内面とウエハＷの周縁部との間の距離Ｌ４は、２０ｍｍ〜５０ｍｍ程度に設定されており、上述のようにガス吸引口４０の排気コンダクタンスを大きく設定している。そして、この内筒６の天井部には、上記ガス吸引口４０と同じ断面形状のガス出口４２を有する天井板４４が設けられている。

次に、以上のように構成された第１の発明装置の動作について説明する。
まず、ウエハボート２６に未処理の半導体ウエハＷを多段に載置した状態で、これをボートエレベータ２８により処理容器４の下方より上昇させて予熱状態の内筒６内にロードし、マニホールド１０の開口部をキャップ２０で閉じることによって処理容器４内を密閉する。尚、ここでは４０枚のウエハＷを載置している。
次に、図示しない加熱ヒータへの供給電力を増加してウエハＷをプロセス温度、例えば５３０℃程度まで昇温したならば、ガス導入ノズル１６から流量制御されたシラン、Ｎ_２ガス等を処理容器４内へ導入し、これと同時に、処理容器４内を排気口３０から真空引きして内部を所定のプロセス圧力に維持し、成膜処理を行なう。具体的には、ガス導入ノズル１６の先端１６Ａより放出された処理ガスは、内筒６に形成したガス導入口３８内を上昇しつつ横方向へ、すなわち水平方向へ流出し、各ウエハＷ間を通過しつつ分解反応して反対側に位置するガス吸引口４０へ流入する。そして、このガス吸引口４０に流れ込んだ反応済みの処理ガスは、上昇してガス出口４２及び排気口３０を介して処理容器４から排出されることになる。

そして、ウエハ間に処理ガスが通過する時に、シランが分解反応してウエハ表面に膜が形成されるが、ここでガス導入口３８は、厚肉側壁３２の内面とウエハ周縁部との間隔Ｌ３を非常に小さくして両者を接近させることによってその排気コンダクタンスを小さく設定してあり、これに対してガス吸引口４０は薄肉側壁３４の内面とウエハ周縁部との間隔Ｌ４を大きくして両者を離間させることによってその排気コンダクタンスを大きく設定しているので、ガス導入口３８とガス吸引口４０との間に大きな差圧が生じ、これがために処理ガスはウエハＷの外周を迂回することなくウエハ間に積極的に流れ込んでウエハ面上を迅速に通過することになる。
この結果、処理ガスがウエハ間に効率的に流れると共にここでの滞留時間が少なくなり、その分、処理ガスが高温に晒される時間が少なくなって気相反応が抑制され、逆に界面反応による成膜が促進されることになる。従って、処理ガスの流量を多くして、且つプロセス圧力を従来方法の場合（最大１．５Ｔｏｒｒ程度）よりも高くしても、界面反応による膜が主体となって品質の良好な膜を堆積させることができるのみならず、成膜レートも大幅に向上させることができ、生産性を向上させることが可能となる。

ここで、シランの分解反応を参照して上記効果を考察すると、シラン（ＳｉＨ_４）は、熱分解により途中でシリレン（ＳｉＨ_２）を主体とする中間生成物を経てＳｉ結晶となるが、ウエハ間におけるシラン及びシリレンの濃度は、図４に示すようになっている。すなわち、シランの導入と同時に熱分解が始まり、シラン濃度は次第に減少する一方、シリレン濃度は次第に増加し、ある程度の時間を経過すると、共に飽和状態となっている。
ここで、従来方法或いは装置においては、ウエハ間における処理ガスの流れは非常に遅いことからウエハ間の処理ガスは領域Ａで示される状態にあり、シリレンの濃度がかなり高く、またシリレンが結晶化したＳｉ結晶の膜の品質の判断となるステップカバレジは良好ではない。そのため、ここで気相反応が促進されてシリレンがＳｉ結晶化することを抑制するために、プロセス圧力を低く押さえ込まねばならなかったが、本発明の方法或いは装置のようにウエハ間に流れる処理ガスの速度を上げてこの通過時間を短くすることにより、ウエハ間の処理ガスは領域Ｂで示される状態となり、シリレンの濃度がかなり低くなる。そのため、処理ガスの供給量を多くするなどしてプロセス圧力を上げてもシリレンの濃度はそれ程上がらず、すなわち気相反応は促進されず、前述したように界面反応を主体とした品質の良好な膜を高い成膜レートで堆積することが可能となる。

また、上記ウエハ面上における処理ガスの速度について従来装置の場合と本発明装置の場合のシミュレーションを行なったのでその結果を比較する。
図５は従来装置の場合の半導体ウエハ上の処理ガスの流速分布のシミュレーションを示す図、図６は第１の発明装置のシミュレーション結果を示す図であり、図６（Ａ）は第１の発明装置のシミュレーションモデルを示し、図６（Ｂ）は半導体ウエハ上の処理ガスの流速分布のシミュレーションを示しており、共に半分の領域について記してある。プロセス条件は共に同じであり、プロセス温度は５３０℃、プロセス圧力は１．０Ｔｏｒｒ、処理ガスの流量は５００ｓｃｃｍである。尚、図中の矢印の長さが処理ガスの速度を表している。
この図から明らかなように、図５に示す従来装置の場合には、矢印はほとんど点のようになって処理ガスの速度が非常に遅いのに対して、図６に示す第１の発明装置の場合には、矢印はかなり長くなっており、処理ガスの速度が例えば０．０４ｍ／ｓｅｃとなってはるかに速くなっていることが判明する。

また、従来装置と第１の発明装置の膜質の良否と成膜レートの圧力依存性を実際に求めたので、その結果について図７を参照して説明する。ここでは、従来装置と第１の発明装置についてそれぞれプロセス圧力を１．０Ｔｏｒｒと３．０Ｔｏｒｒにした時の膜質を調べた。他のプロセス条件は同じであり、プロセス温度は５３０℃、シラン流量は５００ｓｃｃｍである。図７中において斜線の部分は品質の良好なＳｉＨ_４層（シランが結晶化したＳｉ結晶層）を示し、白色部分は品質の不良なＳｉＨ_２層（シリレンが結晶化したＳｉ結晶層）を示し、各グラフ上の数値は全体の成膜レートに対するＳｉＨ_２層の成膜寄与率を表している。
この図から明らかなように、プロセス圧力が低い１．０Ｔｏｒｒの場合には、従来装置も第１の発明装置も共に成膜レートは低くて略１５Å／ｍｉｎであり、差はほとんどない。これに対してプロセス圧力が３．０Ｔｏｒｒの場合には、従来装置及び第１の発明装置の成膜レートはそれぞれ３６Å／ｍｉｎ及び２８Å／ｍｉｎであり、大幅に上昇している。そして、この場合、従来装置の方が成膜レートは高いが品質の劣るＳｉＨ_２層が３６．５％も寄与しているのに対して、第１の発明装置の場合には２４．３％と低い値となっており、結果的に第１の発明装置の方が膜質が良いことが判明した。

次に、上記第１の発明装置を用いて処理ガス流量に対する膜質の依存性について検討したので、その結果について図８を参照して説明する。
ここでは、第１の発明装置を用いて、プロセス圧力を５３０℃、プロセス圧力を３Ｔｏｒｒにそれぞれ固定し、シラン流量を５００ｓｃｃｍ、１０００ｓｃｃｍ及び１５００ｓｃｃｍと変化させた。
このグラフから明らかなように、シラン流量を増加する程、成膜レートは次第に少しずつ変化しているが、これと同時に全体の成膜レートに対する品質の劣るＳｉＨ_２層の寄与率が、２４．３％、１４．９％及び１０．１％の順に大幅に減少している。従って、シランの流量を増加した方が、全体の成膜レートは少し落ちるが、その分、高い品質の膜を得ることができ、好ましいことが判明する。

次に、シラン流量に対するシリレン濃度のプロセス圧力依存性について検討したので、図９を参照してその検討結果について説明する。
ここでは、第１の発明装置を用い、プロセス温度を５３０℃に固定し、シランの流量を変化させた。また、プロセス圧力は３Ｔｏｒｒ、４．５Ｔｏｒｒ、７Ｔｏｒｒの３種類について検討した。また、グラフ中には、成膜レートも併せて記載しており、それぞれ従来比よりもかなり高い値である。
このグラフから明らかなように、共にシラン流量を多くする程、シリレンの濃度は低下して好ましくなっており、しかも、プロセス圧力が高い程、成膜レートも高くなっている。従って、シリレン濃度を許容値、例えば１０．５％（この値については後述する）以下に抑制するには、シラン流量をプロセス圧力が３Ｔｏｒｒの時は略１７００ｓｃｃｍ以上、プロセス圧力が４．５Ｔｏｒｒの時は略２７００ｓｃｃｍ以上、プロセス圧力が７Ｔｏｒｒの時は４１００ｓｃｃｍ以上に設定すればよいことが判明する。

尚、シリレン濃度の許容値を１０．５％以下にした理由は、図１０に示すシリレン濃度とステップカバレジ（ホール径：０．４μｍ、深さ：１μｍ）との関係より、ステップカバレジを９７％以上に設定するためには、シリレン濃度を１０．５％以下にする必要があるためである。
上記した第１の発明装置の各部材の寸法、ガス導入口３８の形状、ガス吸引口４０の形状等は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されない。例えば、ガス導入口３８を厚肉側壁３２の部分に複数個形成してもよいし、また、厚肉側壁３２の周方向における長さを更に長くしてガス吸引口４０の周方向における長さを短くしてもよい。

また、以上説明した第１の発明装置においては、ウエハボート２６は従来のものを用い、処理容器４としては２重管構造のものを用いて内筒６の形状を工夫してガス導入口３８やガス吸引口４０を構成したが、これに限定されず、以下に示す第２の発明装置のように処理容器を単管構造としてこれにガス導入口やガス吸引口を形成し、更に、ウエハボートの形状を変えることによってウエハの外周に逃げる処理ガスを抑制して処理ガスをウエハ間に効率的に通過させるようにしてもよい。
図１１はこのような第２の発明の熱処理装置を示す構成図、図１２は図１１中のＢ−Ｂ線矢視断面図、図１３は被処理体支持具であるウエハボートを示す概略構成図、図１４は図１３に示すウエハボートの部分断面斜視図、図１５は処理容器を示す部分断面斜視図、図１６は処理ガスの供給系を示す図である。尚、先に説明した第１の発明装置と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。

図示するように、この熱処理装置５０では、上述したように処理容器５２は単管構造になされており、容器側壁の底部に真空引き用の排気口５４を設けている。そして、マニホールド１０を貫通させて第１の発明装置と同様にＬ字状のガス導入ノズル１６が設けられ、これにはガス管５６が接続されて処理ガス等の各種の必要とされるガスを供給するようになっている。尚、このノズル１６は、図示例では１本記しているが、実際には複数設けられる。
上記処理容器５２は、その片側の側壁（内壁）にコンダクタンスの小さなガス導入口５８を設け、この対向側に、側壁を部分的に外側へ凸状に突出させて形成することによりコンダクタンスの大きなガス吸引口６０を設けている。具体的には、上記ガス導入口５８は、図１５に示すように、上記処理容器５２の側壁に、高さ方向及び周方向へそれぞれ３つずつ配列した合計９つの噴出スリット６２Ａ〜６２Ｃ、６４Ａ〜６４Ｃ、６６Ａ〜６６Ｃを有しており、高さ方向への配列位置は、僅かずつ周方向へ位置ずれさせている。従って、噴出スリットは、容器の高さ方向へは３つのゾーンに分割されることになる。

そして、この各噴出スリット６２Ａ〜６２Ｃ、６４Ａ〜６４Ｃ、６６Ａ〜６６Ｃは側壁を貫通しており、このスリットに対応する側壁の外周面には、この高さ方向に沿って石英製の通路形成部材６８が溶接等により接合されている。各通路形成部材６８には、高さ方向に異なる上記噴出スリット６２Ａ〜６２Ｃ、６４Ａ〜６４Ｃ、６６Ａ〜６６Ｃの高さレベルに対応させて、長さが異なる３つの通路溝７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃが形成されており、この通路形成部材６８を処理容器６８の外周面に接合することにより、各通路溝７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃと対応する高さレベルの各噴出スリットが連通するようになっている。そして、前記ガス導入ノズル１６は、上記スリット数に対応した数だけ設けられる。ここで処理容器５２の実効部分の長さを９００ｍｍとすると、各スリットの長さは３００ｍｍ程度、幅は１０ｍｍ程度に設定され、また、各通路溝７０Ａ〜７０Ｃの断面形状の縦横はそれぞれ共に１０ｍｍ程度である。
上記各噴出スリット６２Ａ〜６２Ｃ、６４Ａ〜６４Ｃ、６６Ａ〜６６Ｃへのガス供給系は、図１６に示されており、周方向へ配列された各噴出スリットは共通に接続されている。そして、ゾーン毎に接続されたガス管５６の途中には、個別に制御可能なマスフローコントローラのような流量制御器７２及び開閉弁７４を介設した後に、共通に処理ガス源７６に接続されている。

一方、被処理体支持具としてのウエハボート８０は、図１３及び図１４にも示すように、天板８２と底板８４との間に断面円弧状の２枚の板部材８６を接合させて構成されている。この板部材８６の内側面には、ウエハＷの下面周縁部を支持するための支持部として支持突起８８がそれぞれ２個ずつ形成されており、例えば９０〜１００枚のウエハＷを所定のピッチで多段に支持できるようになっている。尚、この支持突起２８に代えて支持溝を形成するようにしてもよい。この２枚の板部材８６は、図１２に示すように、上記ガス吸引口６０の開口幅Ｌ８に対応した距離だけ離間されており、ウエハボート８０の断面の略半円を被っている。そして、この板部材８６の厚さＬ６は例えば５〜７ｍｍ程度にかなり厚く設定することにより、この板部材８６と容器内壁との間の距離Ｌ７が非常に狭く、例えば２〜５ｍｍ程度の範囲内になるようになされている。これにより、ウエハＷの外周を迂回する処理ガスの量をできるだけ抑制するようになっている。また、板部材８６の先端８６Ａはガスの流れ方向に沿ってウエハ中心側へ傾斜されたテーパ面となっており、ウエハ外周へ迂回しようとする処理ガスを効率的にウエハ面側へ取り込むようになっている。
また、８インチウエハを処理する場合、上記ガス吸引口６０の断面形状の幅Ｌ８は５０〜１００ｍｍ程度、奥行Ｌ９は２５〜３０ｍｍ程度の長さであるが、この数値に限定されない。

次に、以上のように構成された第２の発明装置を用いた成膜方法について図１７〜図１９も参照して説明する。図１７〜図１９は、熱処理装置のそれぞれ下段、中段及び上段部分の縦断面と横断面における処理ガスの流れを模式的に示す図である。
図１１に示すように成膜時において処理ガス源７６（図１６参照）から供給された処理ガスは各ゾーン毎に適正に流量制御されて、各ノズル１６を介して対応する通路溝７０Ａ〜７０Ｃ（図１５参照）に流れ込み、この溝内を上昇してガス導入口５８を構成する各噴出スリット６２Ａ〜６２Ｃ、６４Ａ〜６４Ｃ、６６Ａ〜６６Ｃより処理容器５２内へ放出される。この放出された処理ガスはウエハＷ間を通過してガス吸引口６０へ流れ込み、これを流下して排気口５４から容器外へ排出されることになる。

ここで、第１の発明装置と同様に、ガス導入口５８は小さな排気コンダクタンスになされ、これに対してガス吸引口６０は大きな排気コンダクタンスになされているので、両者間に差圧が生じ、処理ガスはウエハ間に効率的に流れて行きつつシランの熱分解によって成膜が行なわれる。
特に、この第２の発明装置では、ウエハボート８０を形成する２枚の板部材８６が容器内壁に非常に接近した状態で収容されているので、これが処理ガスに対して邪魔板のように作用し、ウエハの外周を流れようとする処理ガスの流れを阻止してこれをウエハ面内側へ案内することになる。また、この板部材８６の先端８６Ａもテーパ面となっていることから、ウエハ外周へ流れようとする処理ガスを一層ウエハ面内側へ案内するように作用する。従って、第１の発明装置の場合と比較して、より多くの処理ガスをウエハ面間に流すことができるので処理ガスを有効利用でき、その分、供給する処理ガスの流量を少なくできる。

また、図１７〜図１９に示すように、ここでは処理容器５２の高さ方向へ３つのゾーンに分割し、更に、周方向にも３つに分割して処理ガスを供給するようにしているので、ウエハ面上に偏りなく略均一に処理ガスを供給することができるので、例えば膜の面内及び面間均一性も高く維持することができる。この時の評価をシミュレーションで行ったのでその結果を図２０に示す。図２０（Ａ）は上記したような第２の発明装置の場合のシミュレーションモデルを示し、図２０（Ｂ）はその中における処理ガスの流速分布のシミュレーションを示す図である。この場合、図６に示す場合と同様に図中の矢印の長さが処理ガスの速度を表している。図６に示す第１の発明装置の場合には、ウエハ外周と容器内面との間にかなり多くの処理ガスが密集して流れているが、図２０に示す第２の発明装置の場合には、板部材８６によってウエハ外周側を迂回する処理ガス量が非常に少なくなってウエハ表面上に多くのガスが流れ込んで流速も速くなっており、処理ガスをより有効利用できていることが判明する。例えば、ここでは流速は略０．１５ｍ／ｓｅｃであり、図６に示す第１の発明装置の０．０４ｍ／ｓｅｃよりもかなり速くなっており、必要ガス流量を１／４程度に削減することが可能である。

上記第２の発明装置において、スリットは、高さ方向及び周方向にそれぞれ３段ずつ設けるようにしたが、この数量には限定されないのは勿論である。
また、熱処理としてポリシリコン膜、アモルファス膜、或いは他の膜種の成膜処理に限定されず、酸化拡散処理、アニール処理等の他の熱処理にも適用できるのは勿論である。
更には、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用することができる。

第１の発明の熱処理装置を示す構成図である。図１中のＡ−Ａ線矢視断面図である。図１中の内筒を示す斜視図である。半導体ウエハ間におけるシラン及びシリレンの濃度を示す図である。従来装置の場合の半導体ウエハ上の処理ガスの流速分布のシミュレーションを示す図である。第１の発明装置の場合のモデルと半導体ウエハ上の処理ガスの流速分布のシミュレーションを示す図である。従来装置と第１の発明装置の膜質の良否と成膜レートの圧力依存性を示す図である。第１の発明装置を用いて処理ガス流量に対する膜質の依存性を示す図である。シラン流量に対するシリレン濃度のプロセス圧力依存性を示す図である。シリレン濃度とステップカバレジとの関係を示す図である。第２の発明の熱処理装置を示す構成図である。図１１中のＢ−Ｂ線矢視断面図である。被処理体支持具であるウエハボートを示す概略構成図である。図１３に示すウエハボートの部分断面斜視図である。処理容器を示す部分断面斜視図である。処理ガスの供給系を示す図である。第２の発明の熱処理装置内の処理ガスの流れを模式的に示す図である。第２の発明の熱処理装置内の処理ガスの流れを模式的に示す図である。第２の発明の熱処理装置内の処理ガスの流れを模式的に示す図である。第２の発明装置の処理ガスの流れのシミュレーションを示す図である。一般的なバッチ式熱処理装置を示す概略構成図である。

符号の説明

２熱処理装置
４処理容器
６内筒
８外筒
１６ガス導入ノズル
２６ウエハボート（被処理体支持具）
２８ボートエレベータ（挿脱機構）
３２厚肉側壁
３４薄肉側壁
３８ガス導入口
４０ガス吸引口
５０熱処理装置
５２処理容器
５８ガス導入口
６０ガス吸引口
６２Ａ〜６２Ｃ，６４Ａ〜６４Ｃ，６６Ａ〜６６Ｃ噴出スリット
６８通路形成部材
７０Ａ〜７０Ｃ通路溝
８０ウエハボート（被処理体支持具）
８２天板
８４底板
８６板部材
８８支持突起（支持部）
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

複数の被処理体を所定のピッチで配列させて支持する被処理体支持具と、前記被処理体を収容するために真空引き可能になされて内筒とその周囲を被う外筒とよりなる処理容器と、前記複数の被処理体の一端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って設けられたコンダクタンスの小さなガス導入口と、前記複数の被処理体の他端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って形成されたコンダクタンスの大きなガス吸引口と、前記被処理体支持具を、前記処理容器内へロード及びアンロードさせる挿脱機構とを備え、前記内筒は、その高さ方向に沿って肉厚になされた厚肉側壁の部分と薄肉になされた薄肉側壁の部分を有し、前記ガス導入口は、前記厚肉側壁の横断面の中央に位置されると共に、前記ガス吸引口は前記薄肉側壁の側に位置されており、前記ガス吸引口側の前記薄肉側壁と前記被処理体の周縁部との間の距離は、前記ガス導入口側の前記厚肉側壁と前記被処理体の周縁部との間の距離よりも大きく設定されている熱処理装置を用いて前記被処理体に対して処理ガスを流して所定の熱処理を施すに際して、
前記コンダクタンスの小さなガス導入口から水平方向へ前記処理ガスを流しつつ前記被処理体間に通過させて前記被処理体に前記所定の熱処理を施し、処理済みの前記処理ガスを前記コンダクタンスの大きなガス吸引口から排出するようにしたことを特徴とする熱処理方法。
複数の被処理体を所定のピッチで配列させて支持する被処理体支持具と、前記被処理体を収容するための真空引き可能になされた単管構造の処理容器と、前記複数の被処理体の一端側を臨むように前記被処理体の配列方向と容器周方向とにそれぞれ複数に分割して配列された複数のガス噴出スリットを有するコンダクタンスの小さなガス導入口と、前記ガス導入口の反対側に前記複数の被処理体の他端側を臨むように前記被処理体の配列方向に沿って形成されると共に、前記処理容器の側壁をその外方へ突出させることにより形成されたコンダクタンスの大きなガス吸引口と、前記被処理体支持具を、前記処理容器内へロード及びアンロードさせる挿脱機構とを備え、前記ガス導入部は、前記処理容器の側壁に貫通して形成した前記噴出スリットに対応させて前記処理容器の外周面に通路形成部材を接合することにより形成されると共に、該通路形成部材により前記各噴射スリットにガスを供給する通路溝が形成されている熱処理装置を用いて前記被処理体に対して処理ガスを流して所定の熱処理を施すに際して、
前記コンダクタンスの小さなガス導入口から水平方向へ前記処理ガスを流しつつ前記被処理体間に通過させて前記被処理体に前記所定の熱処理を施し、処理済みの前記処理ガスを前記コンダクタンスの大きなガス吸引口から排出するようにしたことを特徴とする熱処理方法。