JP4720029B2 - 枚葉式の熱処理装置 - Google Patents
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Description
【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(Chemical Vapor Deposition)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、SiO2 、Al2 O3 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 (3)
- 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、SiO2 、Al2 O3 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。
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