JPH0794419A

JPH0794419A - 半導体処理装置

Info

Publication number: JPH0794419A
Application number: JP5232994A
Authority: JP
Inventors: Tomoji Watanabe; 智司渡辺; Shigeki Hirasawa; 茂樹平沢; Nobuyuki Mise; 信行三瀬; Toshiyuki Uchino; 敏幸内野; Hiroyo Nishiuchi; 浩世西内; Atsushi Fujisawa; 厚藤沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1995-04-07
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: JP3338884B2

Abstract

(57)【要約】【目的】成膜装置あるいはエッチング装置において均
一で再現性のよい処理を可能にする。【構成】２枚の平行平板ヒータ１により形成される加
熱空間内に偏平な反応管２を設け、その内部に処理対象
のウエハ３を支持するウエハ３より大きい矩形の支持板
８を配置し、反応管２の両端にガス供給口４と排気口５
とをそれぞれ設け、反応管２内を流れるガスの流れ方向
を切り換え可能とした成膜装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造プロセスに
おいて、ウエハ基板表面に金属膜、金属シリサイド膜、
酸化膜、窒化膜、あるいは不純物などをドープしたシリ
コン膜などの薄膜を形成する熱ＣＶＤ装置、プラズマＣ
ＶＤ装置、ウエハ基板上に単結晶層を成長させるエピタ
キシャル成長装置、薄膜を所定のパターンにエッチング
するドライエッチング装置等の半導体処理装置に係り、
特にガス供給とウエハ加熱に配慮した半導体処理装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】熱ＣＶＤ，プラズマＣＶＤによって形成
される薄膜およびエピタキシャル成長層の厚さや特性
は、ウエハや反応室の温度，ガス（原料ガス，反応生成
物，中間体，ラジカルなど）の濃度に大きく依存してい
る。また、ドライエッチングでは、エッチングガスをプ
ラズマで分解して得られるラジカルや反応生成物の濃度
がエッチング速度に大きな影響を与える。このため、ウ
エハ温度の均一化とガス濃度の均一化がこれらのプロセ
スの重要な課題になっている。以下、熱ＣＶＤ装置を主
として従来技術を説明する。

【０００３】熱ＣＶＤ装置はバッチ式と枚葉式に大別で
きる。バッチ式の縦形ＣＶＤ装置は、縦形の円筒加熱炉
内に設けた反応管の内部に水平に保持した多数枚のウエ
ハを挿入し、ガスを供給して膜を生成するホットウォー
ル式装置（反応室の壁面全体が高温になる装置）であ
る。通常ガスを反応管の下部から供給するため、ガスが
上方に流れる間に反応が進んでガス濃度が変化し上下の
ウエハ間に膜厚の差ができるので、加熱炉内に温度勾配
をつけてその影響を補正していた。また例えば、特開平
４−３４３４１２号公報には成膜の途中で反応管内を下
から上に流していたガスの流れ方向を上から下に切り換
えるようにした技術が開示されているし、特開昭６３−
８２９９号公報には、平行平板ヒータで構成された加熱
炉内にウェハを垂直に保持して処理する技術が示されて
いる。さらに、特開昭６３−２３２４２２号公報には、
縦型の円筒炉内にウェハを水平に挿入して加熱する拡散
装置が示されている。

【０００４】枚葉熱ＣＶＤ装置は水冷された反応室の中
で、ランプによって直接ウエハを加熱するか、ヒータあ
るいはランプ等で加熱されたサセプタ上にウエハを載せ
て加熱し、ガスを供給して膜を生成するコールドウォー
ル式の装置である。バッチ式と異なりガスの濃度変化に
よるウエハ間の膜厚ばらつきはないが、ウエハ面内の膜
厚分布を低減するため、ウエハを回転させたり、ウエハ
上部からシャワー状にガスを供給するといった方法が用
いられていた。また例えば、特開平４−２５５２１４号
公報には、加熱用ランプの形状及び配列を工夫すること
によりウェハ温度を均一にする技術が示されている。

【０００５】プラズマＣＶＤ装置は、サセプタ加熱の熱
ＣＶＤ装置と基本的に同じ構造であり、さらにプラズマ
を発生させるために上部電極が設けられている。ガスの
供給方法には、反応室の側壁に設けた複数の導入口から
ウエハ中心に向けて供給する方法、上部電極に多数の小
さな穴を設けてここからシャワー状にガスを供給する方
法があった。また、特開昭６３−１０２３１２号公報に
は、ウェハとサセプタの間にＨeガスを一定圧力で供給
することによりウェハ温度の変動を防止する技術が示さ
れている。

【０００６】ドライエッチング装置は、大きく平行平板
形プラズマエッチング装置とマイクロ波エッチング装置
に分けられる。平行平板形プラズマエッチング装置は、
プラズマＣＶＤ装置のウエハ加熱機構が冷却機構に置き
換わった装置で供給するガスが異なるだけである。マイ
クロ波エッチング装置は、平行平板形プラズマエッチン
グ装置から上部電極を取り去り、ここからマイクロ波を
導入するための導波管が設けられている。エッチングガ
スはエッチング室の側面に設けられた複数の導入口から
ウエハ中心に向けて供給されることが多い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】これら従来技術による
装置には、以下のような問題があった。

【０００８】バッチ式の縦形ＣＶＤ装置で、加熱炉内に
温度勾配をつけてウエハ間の膜厚ばらつきを低減する方
法は、何度も試行錯誤を繰り返し最適な炉内温度分布を
見つける作業が必要であり、さらに通常のヒータ分割
（現状の装置では４ゾーン）では十分に満足できる温度
分布が得られない場合があった。これを解決するため、
成膜の途中でガスの流れを逆向きに切り替える方法（特
開平４−３４３４１２号公報参照）が考案されていた
が、加熱炉、反応管の構造、およびウエハの位置などが
ガス流れに対して対称ではないので、ガスの切り替えだ
けでは上下のウエハの膜厚ばらつきを十分に低減するこ
とが難しかった。

【０００９】コールドウォール式の枚葉熱ＣＶＤ装置
（ランプ加熱，サセプタ加熱いずれも）では、ウエハに
対して加熱源の温度をかなり高く設定する必要があるの
で（熱非平衡状態）、ウエハの放射率が変わると（表面
に形成された膜の種類や厚さ、あるいは不純物濃度の違
いによって、波長に対する特性が変化する。）温度再現
性が悪くなるという問題があった。これを解決するた
め、放射温度計を使ってウエハ温度を直接測定し加熱量
を制御する方法が考案されていたが、ウエハ表面に膜が
形成されることによって放射率が変化するため、大きな
測定誤差が生じ実用的ではなかった。さらに、サセプタ
加熱では介在するガスを通じてサセプタからウエハに熱
が伝わるため、反応室内の圧力やガスの種類、ウエハと
サセプタの隙間などによって伝熱量が変わりウエハ温度
が変化するという問題があった。この問題を解決するた
め、ウエハとサセプタの間にＨｅガスを一定圧力で供給
する方法（特開昭６３−１０２３１２号公報参照）が考
案されていたが、ウエハが浮き上がらないように周辺を
押さえる必要があるため、それによってウエハ周辺の温
度が下がるという問題があった。また、ランプ加熱、サ
セプタ加熱の装置は消費電力が大きいという問題があっ
た。これに対しコールドウォール式装置の欠点を解消す
るものとして、縦形角形炉内に垂直に保持したウエハを
挿入して加熱する装置（特開昭６３−８２９９号公報参
照）、縦形円筒炉内にウエハを水平に挿入して加熱する
装置（特開昭６３−２３２４２２号公報参照）が考案さ
れていた（いずれもホットウォール式装置）。しかし、
ウエハを支える石英治具が温まりにくいため、ウエハ面
内で治具が接触する部分の温度上昇が遅くなり、温度均
一性が悪くなるという問題があった。さらに、ハンドリ
ングの問題からマルチチャンバへの対応が困難であっ
た。

【００１０】プラズマＣＶＤ装置、ドライエッチング装
置において、反応室側壁の複数の導入口からウエハ中心
に向けてガスを供給する方式では、ウエハ中心に反応生
成物などが滞留しやすいため、膜厚やエッチング速度の
不均一を生じやすかった。一方、上部電極の穴からシャ
ワー状に供給する装置では、穴の付近でプラズマが異常
放電をすることがあった。また、穴の近傍に反応生成物
が付着しやすく、異物の発生原因になるという問題があ
った。

【００１１】本発明の目的は、成膜装置あるいはエッチ
ング装置において均一なガス濃度および均一なウエハ温
度および温度再現性が得られる装置構造を与え、均一で
再現性の良い処理を可能にすることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、熱ＣＶＤ
装置において抵抗加熱によるホットウォール式の枚葉式
装置を実現することにより達せられる。具体的には、加
熱炉を偏平な形状とし、この加熱炉内に同様に偏平な反
応容器を入れ、この反応容器の内部に１枚乃至２枚のウ
エハを水平に挿入して加熱するとともに、反応容器内に
ガスを供給してウエハ表面に膜を堆積させることによっ
て達成される。さらに、その各辺がウエハ直径より大き
い矩形支持板にウエハを載せて処理することにより達成
される。また、反応容器に少なくとも２つの開口部を設
け、この開口部に少なくとも２組のガス供給口および排
気口を設け、成膜の途中でガスの流れを切り替えて成膜
することにより達成される。

【００１３】一方、プラズマＣＶＤ装置、ドライエッチ
ング装置において反応室に少なくとも２組のガス供給口
と排気口とを設け、供給したガスがウエハ上を一方向に
流れるようにし、成膜あるいはエッチングの途中でガス
の流れ方向を切り替えて処理を進めることにより達成さ
れる。

【００１４】

【作用】熱ＣＶＤ装置において、・ホットウォール式であるため、ウエハと加熱炉内壁が
熱平衡状態（両者の温度が等しい状態）になり、膜の種
類や厚さによらずウエハ温度が一定に保たれ温度再現性
が向上する。

【００１５】・加熱炉が偏平形状で開口部からの放熱を
低減できるため、小形の加熱炉でもウエハ面内の温度均
一性がよい。これにより、ウエハを加熱炉内に挿入ある
いは引き出すためのハンドリング機構を小型化できる。

【００１６】・成膜の途中でガスの流れ方向を切り替え
ることにより、流れに沿った濃度変化によって生ずるウ
エハ面内の膜厚分布を低減できる。特に、加熱炉の中心
に位置しガスの流れ（反応室のウェハを挟んで互いに対
向する開口部を結ぶ線）に垂直な面に対して、反応管、
ガス流路および加熱炉の構造が概略対称になっているた
め、前半と後半の膜厚分布が対称となり、結果として膜
厚の均一性が非常に良くなる。

【００１７】・矩形支持板の各辺がウエハ直径より大き
いため、ウエハ周辺で膜厚が厚くなるのを防ぐことがで
きる。また、形状が矩形であるため、ガスの流れに垂直
方向のウエハ面内の膜厚分布を小さくすることができ
る。

【００１８】・矩形支持板を常に加熱炉内に入れっぱな
しにし、加熱炉内に挿入したウエハをこの支持板に移載
して処理するので、ウエハが迅速に温度上昇し温度が均
一になり易い。

【００１９】・ウエハを概略水平に保持し、水平方向に
移動させて加熱炉内に挿入する構造であるため、ハンド
リングが簡単で、マルチチャンバ方式への対応が容易に
なる。また、プラズマＣＶＤ装置、ドライエッチング
装置において、・ウエハ表面をガスが一方向に流れるため、反応生成物
を速やかに排気できる。このため、ウエハ中央に反応生
成物が滞留することがなくなる。

【００２０】・ガス導入口および排気口を途中で切り替
えガスの流れ方向を変えて処理することにより、ウエハ
を回転させるのと同じ効果をより簡単に得られ、膜厚あ
るいはエッチング量の均一化が達成できる。

【００２１】・上部電極にガスを流す穴をあける必要が
ないため電極の構造が単純になり、プラズマ異常放電が
起きにくい。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図を用いて説
明する。図１は本発明を適用したＣＶＤ装置の加熱炉を
上方から見た断面平面図、図２は加熱炉を側方から見た
断面図である。図示のＣＶＤ装置は、軸線をほぼ水平に
して配置され両端が開放された扁平な反応管２と、該反
応管２の内部にほぼ水平に上下２層に配置された矩形の
支持板８と、該反応管２の上下に反応管２を挟んで対向
して配置され加熱炉を形成する平板状のヒータ１と、前
記反応管２の両端に結合されたフランジ９ａ，ｂと、該
フランジ９ａ，ｂの肉厚内に前記反応管２の軸線と垂直
方向にかつ中心から図上上方に向かって形成されたガス
供給口４a、bと、同じくフランジ９ａ，ｂの中心から図
上上方に向かって形成された排気口５a、bと、前記ヒー
タ１の外側に設けられた断熱材７と、前記フランジ９
a、bの外側に結合され該フランジ９a、bの中心開口に当
面するゲートバルブ１０a、bと、を含んで構成されてい
る。

【００２３】本装置では、反応管２の中にウエハ３が水
平状態で挿入され、支持板８に載置される。載置された
ウエハ３はヒータ１により加熱され、同時にガス供給口
４a、bのいずれかからガスを供給しながら、同じく反応
管２の両端に形成された排気口５a、bのいずれか（ガス
が供給される側とウエハ３を挟んで反対側）から排気し
てウエハ３の表面に膜を生成したり、エピタキシャル成
長を行う。支持板８は、上下２段に設けられており、各
支持板８にはそれぞれ１枚のウェハが載置されるように
なっていて、ウエハ３は１枚あるいは２枚同時に処理さ
れる。ガスはウエハ３の表面にほぼ平行に流れる。ヒー
タ１は複数に分割され、ウエハ３の温度分布が均一にな
るように各々発熱量が調整される。ヒータ１の外側には
断熱材７が設けられ、周囲への放熱を減らし消費電力を
低減するように考慮されている。

【００２４】反応管２の両端にはフランジ９a、bを介し
てゲートバルブ１０a、bが設けられ、ウエハ３は一方の
ゲートバルブ１０aを開いた状態で該ゲートバルブ１０a
を通してフォーク１１に載せられて反応管２の内部に挿
入される。挿入されたウエハ３はフォーク１１から支持
板８に移し換えられ、フォーク１１を引き抜いた後ゲー
トバルブ１０aが閉じられてガスが流され、成膜が行わ
れる。なお、支持板８はフォーク１１の動作範囲を切り
欠いてある。

【００２５】本実施例のようにウエハを２枚同時に処理
する場合は、支持板８は透明な石英製が望ましい。ウエ
ハを同時に１枚処理する場合はシリコン製、ＳiＣ製、
ＳiＣあるいはポリシリコンがコーティングされた石英
製などの不透明な材質でもよい。支持板８の下側には少
なくとも３個の脚８ａ（図示せず）が、フォーク１１の
動作範囲に干渉しない位置で、かつできるだけウエハ３
から離れた位置に設けられる。ウエハを同時に２枚処理
するときは、下の支持板８を反応管２の下側壁の内面に
置き、その上に上の支持板８を置く。上下の支持板８は
一体物として製作しともよい。また、上下のウエハの膜
厚を等しくするには（温度が同じだと仮定して）、上側
ウエハ３の表面から反応管２上壁内面までの距離と、下
側ウエハ３の表面から上側支持板８の下の面までの距離
を等しくすることが重要である。これは、ウエハ３の表
面に形成される膜の成長速度が、膜が成長する面の面積
とその周囲のガスが反応する空間の体積の比に依存する
からである。したがって、支持板８の脚８ａの長さは、
この条件が満たされる長さとなっている。

【００２６】また、支持板８と反応管２の材質は同じに
する方が望ましい（表面が同じ材質であればよい）。こ
れは、材質によっては他の条件が同じでも成膜速度が異
なる場合があるからで、支持板８と反応管２への成膜速
度が異なれば、その付近の気体中のガス濃度が変わるか
ら、結果として上下のウエハで成膜速度が変わってしま
うことになる。

【００２７】図３にヒータ１の分割例を示す。図示の例
ではヒータ１は、ウエハの中心に対面するＣヒータと、
この手前側（ウエハを挿入する側）のＦヒータと、奥側
のＢヒータと、Ｃヒータの両サイドのＳヒータから構成
される。Ｆ、Ｂヒータは反応管２の両側に設けられた開
口部からの放熱を補うために、Ｃヒータより発熱密度を
高くしてある。また、両サイドのＳヒータは、Ｃヒータ
よりは高く、Ｆ、Ｂヒータよりは低い発熱密度にしてあ
る。中央部のＣヒータは概略ウエハと同じ大きさにする
ことが望ましい。

【００２８】図４に反応管形状の一例を示す。成膜中は
反応管２の内部は数Ｔorr以下に減圧されるため、反応
管２は１気圧の外圧に耐えられなければならない。本実
施例のＣＶＤ装置で径２００mmのウエハ３を２枚同時に
処理する場合、反応管２の内部寸法として幅３００mm×
奥行き5００mm×高さ4０mm程度の大きさが必要となる。
反応管２は石英で製作されることが多いが、この大きさ
で１気圧の外圧に耐えるには、反応管２の厚さは少なく
とも１０mm以上必要である。しかも、１０mmの厚さで
は、側面中央に石英の引張強度とほぼ同じ引張応力が生
ずるため安全率が１となり、製作時に欠陥があれば破損
する恐れが高い。バッチ式と同程度の強度（バッチ式の
縦形ＣＶＤ装置では反応管の形状を円筒状にできるた
め、４〜６mm程度の厚さで安全率３〜５程度の強度が容
易に得られる）を得るには、反応管２の厚さを２０mm以
上にしなければならなかった。しかし、このような厚い
石英板を溶接して反応管２を製作することは実現困難で
あった。本実施例の反応管２は図４に示すように外側に
一定間隔で石英の補強リブ２ａを環状に設け、石英製の
反応管本体に溶接したものである。このような構造にす
ることによって、反応管２の側面に生ずる応力を低減で
きる。

【００２９】図５に反応管２の内側に石英の補強板２１
を入れた他の実施例を示す。補強板２１は石英の他、Si
C、Si等の耐熱性材料で作ってもよい。補強板２１は平
板状に形成され、その両端はフランジ９a、bに固定ブロ
ック２２で固定され、補強板２１の反応管内面に対向す
る面に設けた突起２１aが、反応管２の内面中央部に接
触するように反応管内面に平行に保持される。補強板２
１の厚さは使用する材料によって適当な厚さが選ばれ
る。外圧によって反応管２に生ずるたわみは中央部が最
も大きくなるため、ここを補強板２１で支持することで
反応管２の側面に生ずる応力を低減できる。

【００３０】本発明の一つの要点である加熱炉を偏平な
形状にする理由は、それによって開口部を小さくして放
熱を低減し、小さな加熱炉でもウエハ３の温度を均一に
できるからである。ここで、図１及び図２に示すＣＶＤ
装置において、炉内長（ウエハの挿入方向に対して断熱
材の内側から内側までの長さ）と開口部の高さの比が少
なくとも５より大きくなる程度に開口部の高さを低くし
た偏平形状が望ましい。次に、開口部の高さを低くす
るための加熱炉構造について説明する。図６は本発明の
加熱炉の構造を示す外形図である。一体型の加熱炉の場
合、図４および５に示した反応管２を炉内に入れるため
には、少なくとも補強リブが通る大きさの開口部が必要
である。しかし、図６に示すように加熱炉を複数に分割
することによって、開口部を補強リブより小さくするこ
とができる。図６の（a）に示す実施例はヒータ１から
なる加熱炉本体と、その軸方向両端に付けた断熱板１２
から構成されており、断熱板１２は上下に２分割されて
いる。反応管２は断熱板１２をはずした状態で炉内に挿
入され、そのあとで断熱板１２が加熱炉本体１に固定金
具１３により取り付けられる。上下の断熱板１２の隙間
（炉口１４）は、補強リブ２ａを除いた反応管２本体が
通る大きさにしてある。断熱板１２は固定金具１３によ
り加熱炉本体に脱着可能に取り付けられる。図６（b）
は加熱炉本体が上下に２分割され、上側ヒータをはずし
下側ヒータに反応管２を設置し、上から上側ヒータをか
ぶせて加熱炉を構成するようにした例である。

【００３１】図７は図１に示した実施例のガス供給系
と、排気系の系統図である。反応管２の軸方向両側にフ
ランジ９a、bを設け、フランジ９aにガス供給口4aと排
気口5aが、フランジ９bにガス供給口4bと排気口5bが、
それぞれ取り付けられている。ガス供給口4a、bはバル
ブ１７a、bを通してガス源１5に、排気口5a、bはバルブ
１７c、dを通して真空ポンプ１6に各々接続されてい
る。ウエハ３は反応管２の中に挿入して加熱され、ウエ
ハ３が所定の温度に達した後で所定時間ガスが流されて
成膜が行われる。

【００３２】成膜の前半では、バルブ１７a、１７dを開
け、バルブ１７b、１７cを閉じてガスが供給される。こ
の時は反応ガスは図中の黒い矢印のように反応管２内を
左から右に流れる。成膜の前半が終了したら次に、バル
ブ１７aおよび１７dが閉じられ、バルブ１７b、１７cが
開かれる。その時、ガスは図中の白い矢印のように反応
管２内を右から左に流れる。

【００３３】成膜時間を短くするという点からは、バル
ブ１７ａ，ｂ，ｃ，ｄの開閉切り替えを短時間で行う方
が望ましいが、反応管２内の圧力およびガスの流れが急
激に変化して反応管２の開口部付近に付着した反応生成
物が剥離するなどの問題が生ずる場合もある。この場合
には以下の手順でガスを切り替える。

【００３４】（１）排気口5aを徐々に閉じ、排気口5bを
徐々に開ける。

【００３５】（２）排気口5aが完全に閉じ、排気口5bが
完全に開いたら、ガス供給口4aを徐々に開け、ガス供給
口4bを徐々に閉じる。

【００３６】（３）この間、圧力センサ２３で反応管２
内の圧力を測定し、ガスコントローラ２４は反応管２内
の圧力が一定になるようにバルブ１７a、b、c、dの開度
を調整する。

【００３７】反応管内のガスの流れ方向を切り替えない
場合の、ウエハに形成される膜の成膜速度分布を図８に
示す。ＮＨ₃とＳiＨ₂Ｃl₂を用いてＳi₃Ｎ₄膜を付けた場
合の、成膜速度分布を計算で求めた結果である。ｄxは
ガス入り口からガス流れ方向に距離ｘの位置での膜厚、
ｄoはガス入り口での膜厚をそれぞれ示す。ガスの流速
を早くして（流量を増やして）、供給したガスの中で反
応で消費される割合を少なくすれば、例えば一点鎖線で
示されるように、ほぼ均一な膜厚分布が得られるが、（１）ガスを多量に消費する。

【００３８】（２）ガスでウエハが冷却され面内の温度
均一性が損なわれる。

【００３９】等の問題がある。

【００４０】ガスの流れを途中で切り替えた場合の同様
の計算結果を図９に示す。図から成膜の前半と後半の成
膜速度分布が重ね合わされることにより、より低いガス
流量（流速１２．０m／sec）で均一な厚さの膜が得られ
ることがわかる。ここで特に膜厚分布を均一にするのに
重要な点は、前半と後半の成膜速度分布を中心位置に対
して対称にすることである。これには、装置の構造を対
称にし、ガスの流れ、濃度、温度分布等を、ウェハの反
応管軸方向中心位置に対して対称にすることが重要であ
る。本実施例に示す枚葉ＣＶＤ装置では、ヒータ１およ
び反応管２の構造が反応管軸方向中心位置に対して完全
に対称になっているため、膜厚の均一性が従来より格段
に良くなる。

【００４１】ガスの切り替え周期は、仮にウェハ３の温
度が定常に達していれば、成膜の前半と後半で切り替え
るだけでよい。しかし後述するようにウェハ３の温度が
成膜中にも変化していく場合には、より短い周期で切り
替える必要がある。

【００４２】図１０は本発明の第２の実施例を示し、縦
形ＣＶＤ装置において、開口部を２つ有し加熱炉および
反応管２の構造を上下対称とした例である。図１０に示
す実施例は反応管２の上側にも下側と同様に開口部を設
け、上側開口部と下側開口部にキャップ１８が取り付け
られている。ウエハ３は従来の装置と同様に下から挿入
され、その下には上側と同じキャップ１８が取り付けら
れる。ヒータは例えば４ゾーン分割とし、中央部の２ゾ
ーンと端の２ゾーンに分け、ウエハの温度分布が上下対
称になるようにしている。また、ガスの流れは前半下か
ら上へ流れるようにした場合、後半は上から下へ流れる
ようにする。構造が上下対称になっているので重力の影
響以外は全く上下対称の流れである（低圧プロセスであ
るため重力の影響は小さい）。これによって先に示した
第１の実施例の枚葉ＣＶＤ装置と同様にウエハ間の膜厚
均一性が向上する。

【００４３】なお、上記の二つの実施例では反応管２に
２つの開口部がある場合について説明したが、開口部が
３箇所以上あって適時ガスの供給口および排気口をか
え、ガスの流れ方向を３方向以上に変化させてもよい。
例えば、中央にガス供給口4cを設け、このガス供給口4c
からガスを供給し、両端の排気口5a、bから排気する工
程を前記の２つの工程に加えてもよい。これによってウ
エハ３中央での膜厚の低下を補正し、さらに膜厚分布を
均一にできる。

【００４４】また、ガスの拡散が速い場合には、枚葉Ｃ
ＶＤ装置では図１１に示すように、バルブ１７a、b、
c、dを全て開放し、ガス供給口4a、4bから導入したガス
が排気口5a、5bからすぐに排気されるようにし、ウエハ
３へは拡散だけでガスが供給されるようにしてもウエハ
３面内の膜厚は均一になる。

【００４５】さらに、本実施例では図１に示すように支
持板８が矩形であるため、ガスの流れ及び流れに沿った
ガス濃度の分布がウエハ中央と端（図１では上側あるい
は下側）でほぼ同じになる。このため、流れに垂直な断
面におけるウエハ面内の膜厚分布が小さくなる。また、
先に説明したように、２枚のウエハ３を同時に処理する
場合、上側ウエハ３の上面と反応管２の上壁内面と、下
側ウエハ３の上面と上側支持板８の下面の間隔を等しく
する必要がある。これにより、上下のウエハ３に対する
ガス流れ及びガス濃度がほぼ同じになり、２枚のウエハ
の膜厚差を小さくできる。

【００４６】次に、ウエハ面内の温度分布を低減する方
法について説明する。図１に示す枚葉ＣＶＤ装置内にウ
エハ３を挿入した時のウエハの温度（図の（ａ））と、
ヒータの温度（図の（ｂ））およびウエハの中央を基準
にした温度差（図の（ｃ））の時間変化を図１２に示す
（径２００mmのウエハを炉内に挿入し、定常状態に達し
た時点でウエハ温度偏差が所定温度に対し±１℃の範囲
に入るようにヒータ設定温度を調整した場合）。ウエハ
３の温度は加熱炉内に挿入した直後は急激に上昇し、約
１分でほぼ定常温度に達し、さらにこの後徐々に上昇し
て炉内温度に近づく。ヒータは冷たいウエハ３が挿入さ
れるため一旦温度が下がり、数分間経過した後で元の温
度に回復している。ここでウエハ３に直接正対するＣヒ
ータの温度低下が最も大きい。これらが原因となってウ
エハ３は奥および側方の温度上昇が速く、続いて手前、
中央と言う順序になる。

【００４７】ウエハ３の温度分布を低減するには、中央
の温度上昇を速くすることが効果的である。したがっ
て、例えばウエハ３が挿入される時点まで、Ｃヒータの
設定温度を高くしておく、あるいはＢ、Ｓヒータの設定
温度を低くしておくとよい。このような温度制御を行っ
た場合のウエハ３の温度変化を図１３に示す。ウエハ中
央の温度上昇が速くなり、成膜を開始する時点でのウエ
ハ面内の温度分布が小さくなっている。

【００４８】ここでは各ヒータの設定温度をウエハ３を
挿入する時点で切り替える例について述べたが、これ以
外の時点でもよく、また１回の処理中に複数回ヒータ設
定温度変更を行ってもよい。

【００４９】その一例を図１４〜１７に示す（１サイク
ル＝６分３０秒）。

【００５０】これは、（１）１枚目のウエハが入る前に設定温度を変更する。
（周辺ヒータＢ、Ｆ、Ｓの温度を下げ、中央ヒータＣの
温度を上げる。）（２）ウエハが挿入されてから一定時間経過後設定温度
を元に戻す。

【００５１】（３）ウエハ引出の一定時間前（２枚目の
ウエハが入る前）に、１枚目のウエハが入る前と同様に
設定温度を変更する。

【００５２】（４）上記（１）から（２）の手順を繰り
返す。

【００５３】という手順（以後、この手順に基づいてヒ
ータ設定温度を変更した場合において、それぞれ設定温
度が一定の間をイベントと呼ぶ）からなり、あらかじめ
各ヒータの設定温度の変更パターンは決めておく（フィ
ードフォワード制御）。

【００５４】また、図１２よりウエハを挿入した後、ヒ
ータ温度が定常状態に回復するのに５〜６分かかること
がわかる。これ以下の時間で処理が繰り返されると、２
回目以降の処理では徐々に炉内温度が変化する（多くの
場合は下がる。）。このため、処理回数によってヒータ
の設定温度を徐々に上げ、処理温度の低下を補正する必
要がある。この方法の一例を図１８に示す。ただし、Ｐ
（ｉ，ｊ）は第ｉ枚目のウエハに対する処理、第ｊ番目
のイベントを指すものとする。

【００５５】設定温度の決め方は、（１）処理ｎ、イベントｊ−１の終了時点でのヒータ温
度Ｔm（ｎ，ｊ−１）と、１枚目のウエハの処理の同時
点におけるヒータ温度Ｔm（１，ｊ−１）の差ΔＴm
（ｎ，ｊ−１）を求める。

【００５６】（２）上記の温度差ΔＴm（ｎ，ｊ−１）
から適当な係数ａ（ｊ），ｂ（ｊ）を用いて、次式より
補正値ΔＴset（ｎ，ｊ）（最終イベントではΔＴset
（ｎ＋１，１））を求め、これに続くイベントＰ（ｎ，
ｊ）（最終イベントではＰ（ｎ＋１，１））の設定温度
Ｔset（ｎ，ｊ）（最終イベントではＴset（ｎ＋１，
１））を求める。

【００５７】となり、式で表せばＴset（ｎ，ｊ）＝Ｔset（１，ｊ）＋ΔＴset（ｎ，
ｊ）＝Ｔset（１，ｊ）＋ａ（ｊ）×ΔＴm（ｎ，ｊ−
１）＋ｂ（ｊ）となる。

【００５８】図１８はＢ（奥側）ヒータに対し第２およ
び第４イベント終了時点で上記の制御を行った例であ
り、他のヒータについても同様の制御を行えばよい。

【００５９】次に、熱ＣＶＤ装置以外に本発明のガス供
給方法を適用した実施例を示す。図１９に本発明による
プラズマＣＶＤ装置の断面を示す。図示の装置は、両端
が閉じられた円筒状をなし軸線を縦にして配置された反
応室２６と、該反応室２６にウェハ載置面を水平にして
内装されたサセプタ２６と、該サセプタ２６のウェハ載
置面に電極面を対向させて配置された上部電極２７と、
該上部電極２７の電極面の延長面とサセプタ２６のウェ
ハ載置面の延長面が反応室２６の壁面と交わる線で挟ま
れた反応室２６の壁面部分に形成された複数の開口と、
該複数の開口それぞれに接続されたガス供給口４ａ，
ｂ，ｃ，ｄ，…及び排気口５ａ，ｂ，ｃ，ｄ，…とを含
んで構成されている。サセプタ２６のウェハ載置面の下
方には、ヒータ１が配置されている。

【００６０】上記構成の装置において、ヒータ１を組み
込んだサセプタ２５の上（ウェハ載置面）にウエハ３を
載せてヒータ１で加熱し、反応室２６の側壁に設けたガ
ス供給口４ａからガスを供給し、排気口５ｂから排気
し、上部電極２７とウエハ３の間に高周波電圧を供給し
てプラズマを発生させて、ガスを分解しウエハ３の表面
に膜を形成する。成膜の途中でガス供給口４ｂからガス
を供給し、排気口５ａから排気するようにガスの流れを
切り替える。これにより、ウエハ３上のガスの流れによ
り反応に伴って発生する反応生成物を速やかに排気する
ことができ、さらにウエハ３面内の膜厚分布も小さくで
きる。さらに、ガスをガス供給口４ｃから供給し、手前
右側に位置する排気口５ｆ（図示せず）から排気する行
程、ガス供給口４ｄから供給し、手前左側に位置する排
気口５ｅ（図示せず）から排気する行程、および各々そ
の反対方向にガスを流す行程を追加してもよく、特にガ
ス供給口および排気口の数を限定するものではない。な
お、何らかの理由でホットウォール式のＣＶＤ装置が利
用できないプロセスには、図１０に示すプラズマＣＶＤ
装置から上部電極２７を除いた熱ＣＶＤ装置を用いれば
膜厚の均一化に効果がある。

【００６１】図２０は本発明による平行平板形プラズマ
エッチング装置の断面を示す図である。図示の装置は、
図１９に示した装置のサセプタ２６に代えて、上面をウ
ェハ載置面を兼ねる電極面とした下部電極２８を設けた
もので、該ウェハ載置面下方の下部電極内に、冷媒流路
２９が形成されている。他の構成は図１９に示した装置
と同様なので同様の符号を付し、説明は省略する。上記
構成の装置において、下部電極２８のウェハ載置面（電
極面）にウエハ３を載せ、反応室２６の側壁に設けたガ
ス供給口４ａからエッチングガスを供給し、排気口５ｂ
から排気し、上部電極２７とウエハ３の間に高周波を供
給してプラズマ発生させて、エッチングガスを分解しウ
エハ３の表面に形成された膜をエッチングする。下部電
極２８に設けられた冷媒流路２９に冷媒が流され、ウエ
ハ３が所定の温度になるように冷却される。エッチング
の途中でガス供給口４ｂからエッチングを供給し、排気
口５ａから排気するようにガスの流れを切り替える。こ
れにより、プラズマＣＶＤ装置と同様に反応生成物を速
やかに排気でき、ウエハ３面内のエッチング速度の分布
も小さくなる。さらに、プラズマＣＶＤ装置の実施例で
述べたように、これとは異なった方向からガスを流す行
程を加えてもよい。

【００６２】図２１はＳＴＣ（Ｓtacked Ｃapacitor）
構造のＤＲＡＭセルの模式図である。このようなＤＲＡ
Ｍの製造プロセスにおいて、本発明による熱ＣＶＤ装置
を用いて形成される膜には、ゲート電極配線に用いられ
るポリシリコン膜あるいはリンドープポリシリコン膜、
層間絶縁膜として用いられるリンガラス膜、キャパシタ
絶縁膜として用いられるＳｉ₃Ｎ₄膜などがある。この中
で特に最近膜厚の均一化が必要になっているのはキャパ
シタの形成行程で、絶縁膜Ｓｉ₃Ｎ₄の薄膜化と自然酸化
膜を抑制することが重要な課題になっている。本発明に
よる成膜装置、エッチング装置を用いて、このキャパシ
タの形成行程に対する有効性について説明する。本発明
による枚葉熱ＣＶＤ装置の基本性能として、従来の装置
よりウエハ間の温度やガス濃度のばらつきによる膜厚の
不均一が小さいため、キャパシタ膜の厚さをより薄く設
計しキャパシタの蓄電容量を増やすことができる。さら
に、本発明によるＣＶＤ装置、エッチング装置を組み合
わせてマルチチャンバ装置（複数の処理装置を中央チャ
ンバに接続し、その中に配置されたハンドリングロボッ
トによってウエハを各処理装置に挿入し、成膜やエッチ
ング等の処理を連続して行う装置。ウエハを大気にさら
すことなく連続して処理を行える。）を構成し、（１）
熱ＣＶＤ装置で第２層ゲート電極配線のポリシリコンの
成膜を行い、（２）エッチング装置で第２層ゲート電極
配線を所定のパターンにエッチングし、（３）その上に
熱ＣＶＤ装置でキャパシタ絶縁膜Ｓｉ₃Ｎ₄膜の成膜を行
い、（４）さらに次の反応室で第３層ゲート電極配線の
ポリシリコンの成膜を行う、という手順でウエハを大気
に触れさせずにキャパシタを形成することにより、ポリ
シリコンゲート電極配線とキャパシタ絶縁膜Ｓｉ₃Ｎ₄の
間に自然酸化膜が成長せず、さらにキャパシタの蓄電容
量のばらつきを小さくするのに効果的である。このよう
に、本発明による成膜あるいはエッチング装置を用いる
ことにより、キャパシタの蓄電容量を増やすことが可能
になり、これによってＤＲＡＭ動作時のＳＮ比が向上
し、かつリフレッシュ時間を長くすることができる。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、ＣＶＤプロセスにおけ
る成膜時のウエハ面内およびウエハ間の膜厚の均一性、
膜質の均一性を向上できる。また、原料ガスおよび電力
の消費量を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の加熱炉を上方から見た
水平断面図である。

【図２】本発明の第１の実施例の加熱炉を側方から見た
縦断面図である。

【図３】本発明の第１の実施例のヒータ分割を示す斜視
図である。

【図４】本発明の第１の実施例の反応管の形状を示す斜
視図である。

【図５】本発明の第１の実施例の反応管の形状の他の例
を示す斜視図である。

【図６】本発明の第１の実施例の加熱炉の構造例を示す
平面図及び側面図である。

【図７】本発明の第１の実施例のガス供給系と、排気系
の系統図である。

【図８】本発明の第１の実施例においてガスの流れを成
膜の途中で切り換えない場合のウエハに形成される膜厚
分布を計算した結果を示すグラフである。

【図９】本発明の第１の実施例においてガスの流れを成
膜の途中で切り替えた場合のウエハに形成される膜厚分
布を計算した結果を示すグラフである。

【図１０】本発明の第２の実施例である、ガスの流れを
成膜の途中で切り替える縦形ＣＶＤ装置の断面図であ
る。

【図１１】本発明の第１の実施例において拡散が速い場
合のガスの供給方法の例を示す図である。

【図１２】本発明の第１の実施例におけるウエハおよび
ヒータの温度変化の例を示すグラフである。

【図１３】本発明の第１の実施例においてフィードフォ
ワード制御を行った場合のウエハおよびヒータの温度変
化の例を示すグラフである。

【図１４】本発明の第１の実施例におけるフィードフォ
ワード制御の奥側ヒータの温度パターン例を示すグラフ
である。

【図１５】本発明の第１の実施例におけるフィードフォ
ワード制御の中央ヒータの温度パターン例を示すグラフ
である。

【図１６】本発明の第１の実施例におけるフィードフォ
ワード制御の手前側ヒータの温度パターン例を示すグラ
フである。

【図１７】本発明の第１の実施例におけるフィードフォ
ワード制御の横側ヒータの温度パターン例を示すグラフ
である。

【図１８】本発明の第１の実施例における連続処理の場
合の温度制御パターン例を示すグラフである。

【図１９】本発明をプラズマＣＶＤ装置に適用した実施
例の断面図である。

【図２０】本発明を平行平板形プラズマエッチング装置
に適用した実施例の断面図である。

【図２１】ＳＴＣ（Ｓtacked Ｃapacitor）構造のＤＲ
ＡＭセルの模式図である。

【符号の説明】

１ヒータ２反応管２ａ補強リブ３ウエハ４ａ、ｂ、ｃ、ｄガス供給口５ａ、ｂ、ｃ、
ｄ排気口６ SiＣ板７断熱材８支持板９ａ、ｂフラ
ンジ１０ａ、ｂゲートバルブ１１フォーク１２断熱板１３固定金具１４炉口１５ガス源１６真空ポンプ１７ａ、ｂ、
ｃ、ｄバルブ１８キャップ２１補強板２１ａ突起２２固定ブロ
ック２３圧力センサ２４ガスコン
トローラ２５サセプタ２６反応室２７上部電極２８下部電極２９冷媒流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内野敏幸東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所武蔵工場内 (72)発明者西内浩世東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所武蔵工場内 (72)発明者藤沢厚東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所武蔵工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱炉内部に反応管を収納し、該反応管
の内部に半導体ウエハを収納して加熱し、該反応管内を
排気しながらガスを供給してウエハ表面への薄膜の形成
または、エピタキシャル成長を行う半導体処理装置にお
いて、該加熱炉および該反応管が概略偏平な形状であっ
て、前記反応管は同時に１枚乃至２枚のウエハを概略水
平に保持して処理するものであることを特徴とする半導
体処理装置。
【請求項２】請求項１記載の半導体処理装置におい
て、反応管が石英製であることを特徴とする半導体処理
装置。
【請求項３】請求項２記載の半導体処理装置におい
て、反応管の内側または外側あるいは両側に、補強部材
を設けたことを特徴とする半導体処理装置。
【請求項４】請求項３記載の半導体処理装置におい
て、補強部材は反応管に溶接により固定されていること
を特徴とする半導体処理装置。
【請求項５】請求項１記載の半導体処理装置におい
て、加熱炉は複数に分割され処理されるウエハの上下方
向に該ウエハの被処理面とほぼ平行に配置した平行平板
ヒータを含んでなり、該平行平板ヒータが１つの中心ヒ
ータと、それを囲む複数の周辺ヒータに分割されている
ことを特徴とする半導体処理装置。
【請求項６】請求項１記載の半導体処理装置におい
て、ウエハの１回の処理サイクル中、あるいは各サイク
ル毎に加熱炉の設定温度を変更する手段を含んでなるこ
とを特徴とする半導体処理装置。
【請求項７】加熱炉内部に反応管を収納し、該反応管
の内部に半導体ウエハを収納して加熱し、該反応管内を
排気しながらガスを供給してウエハ表面への薄膜の形成
や、エピタキシャル成長を行う半導体処理装置におい
て、加熱炉が少なくとも２つの構成要素に分割できるこ
とを特徴とする半導体処理装置。
【請求項８】反応室内部にウエハを収納し、反応室内
を排気しながらガスを供給しかつ収納されたウェハを加
熱あるいは冷却してウエハ表面への薄膜の形成、エピタ
キシャル成長、エッチングを行う半導体処理装置におい
て、該反応室は収納されたウェハを挟んで互いに対向す
る位置にすくなくとも２個の開口部を有し、各開口部は
それぞれガス供給口と排気口とを有し、該ガス供給口お
よび排気口が各々バルブを介してガス源および真空ポン
プに接続され、ウエハ加熱手段あるいは冷却手段を含む
反応室の構造およびウエハの位置が、反応室の中心に位
置し前記二つの開口部を結ぶ線に垂直な面に対して概略
対称になっていることを特徴とする半導体処理装置。
【請求項９】請求項８記載の半導体処理装置におい
て、同じ開口部に接続されたガス供給口と排気口は、該
ガス供給口から供給されたガスのほとんどが反応室を経
由することなく排気口に直接流れ出すようにガス供給口
と排気口が近接して配置されていることを特徴とする半
導体処理装置
【請求項１０】請求項８記載の半導体処理装置におい
て、処理の途中で反応室内のガスの流れ方向を切り替え
る手段を有することを特徴とする半導体処理装置。
【請求項１１】請求項１０記載の半導体処理装置にお
いて、反応室内のガスの流れ方向を切り替える手段は、
ガスの流れを切り替える際に、まず排気口を一方の開口
部の排気口から他方の開口部の排気口へ徐々に切り替
え、これに続いてガス供給口を該他方の開口部のガス供
給口から前記一方の開口部のガス供給口へ徐々に切り替
えるものであることを特徴とする半導体処理装置。
【請求項１２】請求項１０又は１１記載の半導体処理
装置において、反応室内のガスの流れ方向を切り替える
手段は、処理の途中でガスの流れ方向を切り替える際
に、反応室内の圧力を一定に保つようにガス流量および
排気速度を制御するものであることを特徴とする半導体
処理装置。
【請求項１３】請求項１乃至第１２のいずれかに記載
の半導体処理装置において、反応室内に導入したガスが
ウエハの被処理面とほぼ平行に流れることを特徴とする
半導体処理装置。
【請求項１４】請求項１乃至１３のいずれかに記載の
半導体処理装置において、反応室内に、概略矩形でその
各辺が少なくとも収納されるウエハの直径より大きいウ
エハ保持用の支持板が配置されていることを特徴とする
半導体処理装置。
【請求項１５】請求第１〜１４項記載の半導体処理装
置を用いて、ゲート電極配線のポリシリコン膜あるいは
リンドープポリシリコン膜、層間絶縁膜のリンガラス
膜、キャパシタ絶縁膜のＳｉ₃Ｎ₄膜を成膜することによ
り製作されたＬＳＩ。