JP4720029B2

JP4720029B2 - 枚葉式の熱処理装置

Info

Publication number: JP4720029B2
Application number: JP2001185594A
Authority: JP
Inventors: 明修柿本; 哲善光
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: JP2003007694A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等に対して成膜処理等の各種の熱処理を行う枚葉式の熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウエハに成膜処理、パターンエッチング処理、酸化拡散処理、改質処理等の各種の熱処理を繰り返し行なって所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスが高密度化、多層化及び高集積化するに伴ってその仕様が年々厳しくなっており、これらの各種の熱処理のウエハ面内における均一性の向上が特に臨まれている。例えばこれらの熱処理の内の絶縁膜の成膜処理を例にとれば、デバイス中のキャパシタの絶縁膜やゲート絶縁膜のように非常に薄い酸化膜などに対しても更なる薄膜化が要求され、これと同時に更に高い絶縁性が要求されている。
【０００３】
これらの絶縁膜としては、シリコン酸化膜やシリコンナイトライド膜等を用いることができるが、最近にあっては、より絶縁特性の良好な材料として、金属酸化膜、例えば酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）等が用いられる傾向にある。この金属酸化膜は、薄くても信頼性の高い絶縁性を発揮する。
この金属酸化膜を形成するには、例えば酸化タンタルを形成する場合を例にとって説明すると、タンタルの有機化合物である金属アルコキシド（Ｔａ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₅ ：ペントエトキシタンタル）を用い、これを窒素ガス等でバブリングしながら供給して半導体ウエハを例えば４００℃程度のプロセス温度に維持し、真空雰囲気下でＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により酸化タンタル膜（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）を積層させている。
【０００４】
ここで用いている枚葉式の熱処理装置は、例えば特開平５−５１２９４号公報や特開平９−２１９３６９号公報等に開示されている。ここで従来の熱処理装置について説明する。図５は従来の熱処理装置の一例を示す概略構成図、図６は図５中のＡ部の拡大図である。真空引き可能になされた処理容器２内には、この底部より起立させて例えばアルミニウムよりなる円筒体状の載置台支持基台４を設けており、この載置台支持基台４の上部に、平面リング状のガス安定フランジ部６を設け、更にこれより内側へ突出させてリング状の支持棚部８を設けている。
【０００５】
そして、上記支持棚部８上に例えば石英よりなるスペーサ部材１０を配置し、このスペーサ部材１０上に載置台１２の周縁部の裏面を当接させて支持させ、この上より例えばアルミナ等よりなるリング状の押えリング板１４により固定している。また、上記ガス安定フランジ部６の内周部からは、例えばアルミニウム製の円筒体状の反射板１６が下方に向かって延びるようにして形成されている。
そして、処理容器２の底部には、例えば石英よりなる透過窓１８が設けられ、この下方に配置した加熱ランプ２０により載置台１２上に載置した半導体ウエハＷを間接的に加熱するようになっている。また、処理容器２の天井部には、シャワーヘッド部２２を設けて、これより処理ガス、すなわちここではタンタルの有機化合物ガス等を供給するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の熱処理装置を用いて、タンタル酸化膜をウエハ表面に堆積した場合、ウエハ中心部よりも主としてウエハ周縁部、すなわちエッジ部により多くのタンタル酸化膜が堆積してこの部分の膜厚が比較的厚くなり、膜厚の面内均一性が劣化してしまう、といった現象が多く見られた。
この理由は、半導体ウエハＷの周縁部の外周側に位置する円形リング状の押えリング板１４や更にその外周側のガス安定フランジ部６等からの輻射熱がウエハＷの周縁部に熱的に悪影響を与え、これがためにこのウエハＷの周縁部の温度が予定よりも高くなる傾向になってこの部分の成膜レートが大きくなるからであると、考えられる。
【０００７】
そこで、上記ウエハＷの周縁部の熱的悪影響をなくすべく、加熱ランプ２０からの放射熱量をウエハＷに対する同心円状のゾーン毎に制御することも行われているが、このウエハＷの周縁部における熱移動の形態は非常に微妙であって解析が困難であり、上記したゾーン毎の温度制御だけでは根本的な解決には至っていない。
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、被処理体の周縁部の温度補償を僅かに行うことにより、被処理体に対する熱処理の面内均一性を大幅に向上させることが可能な枚葉式の熱処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、排気が可能になされた処理容器内に、前記処理容器の底部、或いは側壁に支持させて載置台支持基台を設け、該載置台支持基台により載置台の周縁部を支持させるようにし、前記載置台の下方に配置した複数の加熱ランプを有する加熱手段からの熱により前記載置台上に載置した被処理体を加熱しつつ所定の熱処理を施すようにした枚葉式の熱処理装置において、前記載置台の周縁部は、断熱材料よりなるスペーサ部材を介して前記載置台支持基台に支持されており、前記載置台支持基台から前記載置台の周縁部の上方側に半径方向内方に向けて延在させ、その内周端を前記被処理体の外周端に接近させるようにして円形リング状の熱伝導板を設けると共に、前記熱伝導板と前記載置台支持基台との間には、前記載置台の周縁部を押さえるために断熱部材よりなる円形リング状の押え部材を介在させるように構成したことを特徴とする枚葉式の熱処理装置である。
このように、被処理体の外周端に接近させるようにして円形リング状の熱伝導板を設け、被処理体の周縁部の熱をこの熱伝導板を介して載置台支持基台側へ僅かずつ逃がして温度補償を行うようにしたので、被処理体に対する熱処理の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。従って、熱処理として例えば成膜処理を行う場合には、その膜厚の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。
【００１０】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記熱伝導板は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の内のいずれか１つよりなる。
また、例えば請求項３に規定するように、前記熱伝導板の内周端と前記被処理体の外周端との間の距離は、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の範囲内である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る枚葉式の熱処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る枚葉式の熱処理装置の一実施例を示す断面図、図２は図１に示す装置の横断面図、図３は図１中のＢ部を示す拡大断面図である。
本実施例では、枚葉式の熱処理装置として成膜処理装置を例にとって説明する。この成膜処理装置３０は、例えばアルミニウム等により内部が円筒状或いは箱状に成形された処理容器３２を有しており、この処理容器３２内には、処理容器３２の底部３４より起立させた円筒状の載置台支持基台３６が設けられている。尚、この支持基台３６を容器側壁で支持させてもよい。この載置台支持基台３６は例えばアルミニウム等の耐腐食性材料により形成される。この円筒状の載置台支持基台３６の上部に、平面リング状のガス安定フランジ部３８を設け、更に、このフランジ部３８より内側方向へ僅かに突出させてリング状に支持棚部４０が形成されている。そして、この支持棚部４０上に、これと略同じ幅でリング状に成形されたスペーサ部材４２が載置されており、このスペーサ部材４２の上面の内周側に、円板状の載置台４４の周縁部を当接させて載置している。ここで上記スペーサ部材４２は、例えば石英等の断熱材料により形成される。また、この載置台４４は、例えば厚さが３〜４ｍｍ程度のＳｉＣにより形成されている。そして、この載置台４４の直径は、この載置台４４上に載置されて処理されるべき半導体ウエハＷのサイズにより異なり、例えば８インチサイズのウエハを処理する場合には、載置台４４の直径は２４ｃｍ程度になされる。
【００１２】
そして、上記ガス安定フランジ部３８の内周部からは、例えばアルミニウム製の円筒体状の反射板４６が下方向に向かって延びるように形成されており、この内面が反射面となっている。この反射板４６の下端は、上記処理容器３２の底部３４からは、僅かに離間されており、浮いた状態となっている。
そして、この載置台４４の周縁部と上記載置台支持基台３６のガス安定フランジ部３８との間に、全体が円形リング状に成形された押え部材４８を掛け渡して、これをネジ（図示せず）によりガス安定フランジ部３８に締め付け固定することにより、載置台４４の全体は固定される。この押え部材４８は、断熱材料、例えばアルミナ等により成形されている。
【００１３】
そして、上記載置台支持基台３６のガス安定フランジ部３８の内周部から上記載置台４４の周縁部の上方側に半径方向に向けて本発明の特徴とする円形リング状の微量の熱伝導を行なう熱伝導板（以下「微量熱伝導板」とも称す）５０が設けられている。具体的には、この微量熱伝導板５０は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような比較的熱伝導性が低く、且つウエハＷに対して汚染の恐れがない断熱材料よりなり、薄板状の円形リング板として形成されている。そして、この微量熱伝導板５０の外周側は、上記押え部材４８に重ね合わせられており、図２にも示すようにここにネジ５２により締め付け固定されている。また、この微量熱伝導板５０の内周側は、上述したように上記載置台４４の周縁部の上方においてこの半径方向の内方に向けて、すなわち中心方向に向けて延在されており、その内周端５０Ａは、上記ウエハＷの外周端ＷＡに僅かな間隙５４しか離れていないような位置まで非常に接近されている。このように、微量熱伝導板５０をウエハＷの周縁部に対して非常に接近させて非接触状態で位置させることにより、ウエハＷの周縁部の熱を僅かずつこの微量熱伝導板５０側へ輻射により、或いは伝導により伝えるようにし、ウエハＷの周縁部における放熱量を僅かに増加させるようになっている。
【００１４】
この場合、この微量熱伝導板５０の下面は、載置台４４の周縁部の上面に対して僅かな間隔５６だけ浮いた状態で離間されて両者は接触しておらず、この載置台４４の周縁部から多量の熱が微量熱伝導板５０側に伝わることを防止している。また、同様に、この微量熱伝導板５０の外周側は、断熱材料よりなる上記押え部材４８の上面側に接しており、これがアルミニウムよりなるガス安定フランジ部３８に接してはいない。これにより、この微量熱伝導板５０側から上記ガス安定フランジ部３８、すなわち載置台支持基台３６側へ過度に熱が伝わらないようになっている。ここで各部の寸法に関して、直径２０ｃｍのウエハＷを処理する場合には、上記微量熱伝導板５０の厚さは１〜２ｍｍ程度、幅Ｌ１は３０〜４０ｍｍ程度、間隙５４の幅Ｌ２は、０．５〜２ｍｍ程度の範囲内である。この間隙５４の幅Ｌ２が０．５ｍｍよりも小さいと、ウエハＷの搬入搬出時に両者が干渉する恐れが生ずるし、また、２ｍｍよりも大き過ぎると、この微量熱伝導板５０を設けた効果が大幅に低下してしまうことになる。
そして、この載置台３２の上面の周縁部には、ウエハＷの位置を決める微小な位置決め突起５８（図３参照）が形成されている。
【００１５】
また、この載置台４４の下方には、複数本、例えば３本のＬ字状のリフタピン６０（図１では２本のみ示す）が上方へ起立させて設けられており、この各リフタピン６０の基部を連結するリング状の連結部材６２を処理容器３２の底部３４に貫通して設けられた押し上げ棒６４により上下動させることにより、上記リフタピン６０を載置台４４に貫通させて設けたリフタピン穴６６に挿通させてウエハＷを持ち上げ得るようになっている。このリフタピン６０は石英等の熱線透過材料により形成される。また、反射板４６の一部には、リフタピン６０を貫通してこの上下動を許容する長孔（図示せず）が形成されている。
上記押し上げ棒６４の下端は、処理容器３２において内部の気密状態を保持するために伸縮可能なベローズ６８を介してアクチュエータ７０に接続されている。
【００１６】
また、載置台４４の直下の容器底部３４には、石英等の熱線透過材料よりなる透過窓７２が気密に設けられており、この下方には、透過窓７２を囲むように箱状の加熱室７４が設けられている。この加熱室７４内には加熱手段として複数個の加熱ランプ７６が反射鏡も兼ねる回転台７８に取り付けられており、この回転台７８は、回転軸８０を介して加熱室７４の底部に設けた回転モータ８２により回転される。従って、この加熱ランプ７６より放出された熱線は、透過窓７２を透過して載置台４４の下面を照射してこれを加熱し得るようになっている。
また、上記ガス安定フランジ部３８の外周側には、図２にも示すように多数の整流孔８４を有する、例えばアルミニウム製のリング状の整流板８６が、処理容器３２の側壁８８との間で連結されるように支持させて設けられている。この整流板８６の下方の底部３４には排気口９０が設けられ、この排気口９０には図示しない真空ポンプに接続された排気路９２が接続されており、処理容器３２内を所定の真空度に真空引きし得るようになっている。また、処理容器３２の側壁８８には、ウエハを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ９４が設けられる。
【００１７】
一方、上記載置台４４と対向する処理容器３２の天井部９６には、処理ガス等を処理容器３２内へ導入するためにシャワーヘッド部９８が設けられている。具体的には、このシャワーヘッド部９８は、例えばアルミニウム等により円形箱状に成形されたヘッド本体１００を有し、この天井部には流量制御された必要な処理ガスを導入するガス導入口１０２が設けられている。
上記ヘッド本体１００の下面であるガス噴射面には、ヘッド本体１００内へ供給されたガスを放出するための多数のガス噴射孔１０４が面内の略全体に配置されており、ウエハ表面に亘ってガスを放出するようになっている。
また、ヘッド本体１００内には、多数のガス分散孔１０６を有する拡散板１０８が配設されており、ウエハ面に、より均等にガスを供給するようになっている。
【００１８】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。
まず、ウエハ表面に例えば酸化タンタルのような金属酸化膜のＣＶＤ成膜処理を施す場合には、処理容器３２の側壁８８に設けたゲートバルブ９４を開いて搬送アーム（図示せず）により処理容器３２内にウエハＷを搬入し、リフタピン６０を押し上げることによりウエハＷをリフタピン６０側に受け渡す。そして、リフタピン６０を、押し上げ棒６４を下げることによって降下させ、ウエハＷを載置台４４上に載置する。
【００１９】
次に、図示しない処理ガス源から成膜ガスとして金属アルコキシド、例えばＴａ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₅ のＨｅバブリングガスをＯ₂ ガス等と共にシャワーヘッド部９８へ所定量ずつ供給して混合し、これをヘッド本体１００の下面のガス噴射孔１０４から処理容器３２内へ略均等に供給する。これと同時に、排気口９０から内部雰囲気を吸引排気することにより処理容器３２内を所定の真空度、例えば４０〜１３３２Ｐａ（０．３〜１０Ｔｏｒｒ）程度の範囲内の値に設定し、且つ加熱室７４内の加熱ランプ７６を回転させながら駆動し、熱エネルギを放射する。
放射された熱線は、透過窓７２を透過した後、載置台４４の裏面を照射してこれを加熱する。この載置台４４は、前述のように数ｍｍ程度と非常に薄いことから迅速に加熱され、従って、この上に載置してあるウエハＷを迅速に所定の温度まで加熱することができる。供給された混合ガスは所定の化学反応を生じ、例えば酸化タンタル膜がウエハ表面に堆積し、形成されることになる。この時のプロセス温度は、例えば２５０〜４５０℃の範囲内である。
【００２０】
ここで、従来装置にあっては、載置台４４の周縁部を押さえて支持する押え部材４８やこの外周側に位置するガス安定フランジ部３８からの輻射熱による悪影響のためにウエハＷの周辺部の温度が設定値より上昇気味となってこの部分の膜厚がウエハ中心側よりも厚くなる傾向にあった。しかしながら、本実施例の場合には、上記押え部材４８上に重ね合わせるようにして円形リング状の微量熱伝導板５０を設け、その内周端５０Ａを上記ウエハＷの外周端ＷＡに接近させて位置させるようにしているので、ウエハＷの周縁部の熱が、輻射により、或いは熱伝導により微量熱伝導板５０側へ伝わることになり、このウエハＷの周縁部が、従来装置の場合と比較して僅かにその放熱が促進されて温度補償がなされる。従って、このウエハＷの周縁部における成膜レートが僅かに低下して堆積する膜厚が小さくなり、この結果、ウエハＷの面内における熱処理の面内均一性、ここでは膜厚の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。
【００２１】
ここで、微量熱伝導板５０における熱は、アルミニウム製のガス安定フランジ部３８を介して容器側壁８８や、同じくアルミニウム製の載置台支持基台３６を介して容器底部３６に熱伝導によって放熱されて行くが、この微量熱伝導板５０は直接的にはガス安定フランジ部３８とは接触しておらず、熱的に浮いた状態となっている。従って、この微量熱伝導板５０からは過度に多量の熱量が逃げて行くことはないので、ウエハＷの周縁部が過度に放熱されることもない。換言すれば、ウエハＷの周縁部に、熱的な大きなアンバランスを生ぜしめることなくこの部分の放熱を僅かに促進させて、その結果、ウエハ周縁部における成膜レートを僅かに落として膜厚の面内均一性を向上させることが可能となる。
ここで、実際にタンタル酸化膜を成膜してその膜厚の評価を行ったので、従来装置の場合と比較して説明する。図４は本発明装置と従来装置とを用いて直径２０ｃｍの半導体ウエハ上にタンタル酸化膜を成膜した時の膜厚の分布を示すグラフである。図４（Ａ）はプロセス圧力が４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）の場合を示し、図４（Ｂ）はプロセス圧力が３３３Ｐａ（２．５Ｔｏｒｒ）の場合を示す。尚、プロセス温度は共に４４０℃程度である。
【００２２】
図示するように、膜厚としてはウエハ中心部の厚さが小さく、ウエハ周辺部に行く程、その膜厚が大きくなる傾向にある。特に、従来装置による場合には、ウエハ周辺部における膜厚の上昇は図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す双方共にかなり大きくなっている。これに対して、本発明装置の場合には、ウエハ周辺部の膜厚の上昇は、かなり抑制されており、特に、図４（Ｂ）に示す場合には、ウエハ周辺部の膜厚はウエハ中周における膜厚よりも小さくなっている。この結果、本発明装置による場合には、ウエハ面内における膜厚の均一性をかなり向上できたことが判明した。
また、参考のためにこの時の本発明装置の各部の温度を測定したところ、載置台４４は４８０℃、ウエハＷは４３０〜４７０℃、微量熱伝導板５０は２５０〜３００℃、ガス安定フランジ部３８は２００℃程度であった。
本実施例では、微量熱伝導板５０として窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他の比較的熱伝導性の低い断熱材料、例えばＳｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 等も用いることができる。
【００２３】
また、上記実施例では、熱処理としてタンタル酸化膜を成膜する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、酸化チタン膜、酸化ジルコニウム膜、酸化バリウム膜、酸化ストロンチウム膜を成膜する場合にも適用し得るのは勿論である。更には、金属酸化膜のみならず、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＮｘ等の成膜を行なう全ての成膜装置について本発明装置を適用し得る。また更には、熱処理として成膜処理に限定されず、本発明は温度依存性のある熱処理には全て適用でき、例えば酸化拡散処理、改質処理等にも本発明を適用し得る。
また、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等についても適用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の枚葉式の熱処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体の外周端に接近させるようにして円形リング状の熱伝導板を設け、被処理体の周縁部の熱をこの熱伝導板を介して載置台支持基台側へ僅かずつ逃がして温度補償を行うようにしたので、被処理体に対する熱処理の面内均一性を大幅に向上させることができる。従って、熱処理として例えば成膜処理を行う場合には、その膜厚の面内均一性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る枚葉式の熱処理装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す装置の横断面図である。
【図３】図１中のＢ部を示す拡大断面図である。
【図４】本発明装置と従来装置とを用いて直径２０ｃｍの半導体ウエハ上にタンタル酸化膜を成膜した時の膜厚の分布を示すグラフである。
【図５】従来の熱処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】図５中のＡ部の拡大図である。
【符号の説明】
３０成膜処理装置（熱処理装置）
３２処理容器
３４底部
３６載置台支持基台
３８ガス安定フランジ部
４２スペーサ部材
４４載置台
４８押え部材
５０微量熱伝導板
５０Ａ内周端
７６加熱ランプ（加熱手段）
８８側壁
９８シャワーヘッド部
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）
ＷＡ外周端

Claims

排気が可能になされた処理容器内に、前記処理容器の底部、或いは側壁に支持させて載置台支持基台を設け、該載置台支持基台により載置台の周縁部を支持させるようにし、前記載置台の下方に配置した複数の加熱ランプを有する加熱手段からの熱により前記載置台上に載置した被処理体を加熱しつつ所定の熱処理を施すようにした枚葉式の熱処理装置において、
前記載置台の周縁部は、断熱材料よりなるスペーサ部材を介して前記載置台支持基台に支持されており、前記載置台支持基台から前記載置台の周縁部の上方側に半径方向内方に向けて延在させ、その内周端を前記被処理体の外周端に接近させるようにして円形リング状の熱伝導板を設けると共に、前記熱伝導板と前記載置台支持基台との間には、前記載置台の周縁部を押さえるために断熱部材よりなる円形リング状の押え部材を介在させるように構成したことを特徴とする枚葉式の熱処理装置。
前記熱伝導板は、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の内のいずれか１つよりなることを特徴とする請求項１記載の枚葉式の熱処理装置。
前記熱伝導板の内周端と前記被処理体の外周端との間の距離は、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２記載の枚葉式の熱処理装置。