JPH0945624A - 枚葉式の熱処理装置 - Google Patents

枚葉式の熱処理装置

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JPH0945624A
JPH0945624A JP7210973A JP21097395A JPH0945624A JP H0945624 A JPH0945624 A JP H0945624A JP 7210973 A JP7210973 A JP 7210973A JP 21097395 A JP21097395 A JP 21097395A JP H0945624 A JPH0945624 A JP H0945624A
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gas
wafer
mounting table
heating
shower head
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Jiyunichi Arami
淳一 荒見
Kenji Ishikawa
賢治 石川
Masayuki Kitamura
昌幸 北村
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Tokyo Electron Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 シャワーヘッド部と載置台の大きさを規定す
ることにより処理ガスの供給と消費をバランスさせて膜
厚の面内均一性を向上させた枚葉式の熱処理装置を提供
する。 【構成】 被処理体Ｗを載置するための載置台１４と、
この載置台を加熱するための加熱手段２２と、前記載置
台に平行に対向配置された処理ガス供給用のシャワーヘ
ッド部３２とを有する枚葉式の熱処理装置において、前
記載置台と対向する前記シャワーヘッド部のガス噴出面
の直径Ｌ３が前記載置台の直径Ｌ４と略同一になるよう
に構成する。これにより、処理ガスの供給量と消費量を
バランスさせて膜厚の面内均一化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被処理体の表面に
成膜処理を施すための枚葉式の熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、半導体集積回路の製造工程にお
いては、被処理体である半導体ウエハやガラス基板等に
成膜とパターンエッチング等を繰り返し行なうことより
所望の素子を得るようになっている。例えば、ウエハ表
面に成膜を施す処理装置には、一度に多数枚のウエハに
成膜処理を施すことができるバッチ式の処理装置と一枚
ずつ処理を行なう枚葉式の処理装置があり、成膜の品質
や種類等に応じて両装置の使い分けがなされている。
【０００３】ここで、枚葉式の処理装置を例にとって説
明すると、図５に示すように処理容器２には、例えばア
ルミニウム等よりなるサセプタ４が設けられ、この載置
面に図示しない静電チャック等により半導体ウエハＷが
吸着保持される。この載置面の上方には、これに平行に
対向させて配置されたシャワーヘッド部６を設けてお
り、このヘッド部６からキャリアガスにより搬送されて
きたシラン等の成膜用の処理ガスを処理容器２内へ供給
するようになっている。成膜処理は、ウエハＷを所定の
プロセス温度に維持しつつ上記ヘッド部６より処理ガス
を供給して所定のプロセス圧力を維持することにより行
い、これによりウエハ表面に例えばシリコンやシリコン
酸化膜等の所定の材料の成膜を行なうことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電気的特性
の良好なデバイスを多く得るためには、特性の良好な成
膜を形成することが必要であるが、中でもウエハ表面に
膜厚の均一な成膜を施す必要がある。この場合、膜厚を
制御するためのパラメータは、プロセス圧力、プロセス
温度、処理ガス供給量、各種部材のサイズ、ウエハサイ
ズ等種々存在するが、これらの各パラメータが複雑に絡
みあっており、上記パラメータの最適値を一義的に決定
することは困難である。従って、現在の処理装置の設計
及び処理条件の決定においては、トライアンドエラーを
繰り返し行なっているのが現状である。
【０００５】それでも、６インチサイズのウエハに関し
てはかなり良好な成膜を得ることができるようになった
が、しかしながら、ウエハサイズが６インチから８イン
チに拡大すると６インチサイズの設計条件や処理条件が
そのまま適用できず、しかも、更なる高集積化及び高密
度化の要請によって膜厚の薄膜化及び高品質化が更に求
められているがこれに十分に応えることのできる処理装
置が存在しないのが現状である。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、シャワーヘッド部と加熱
状態となる載置台の大きさとを規定することにより処理
ガスの供給と消費をバランスさせて膜厚の面内均一性を
向上させることができる枚葉式の熱処理装置を提供する
ことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、加熱される被処理体支持体に被処理体
を設け、この被処理体に処理ガス供給用のシャワーヘッ
ド部から処理ガスを供給して熱反応により成膜する枚葉
式の熱処理装置において、前記支持体及び前記シャワー
ヘッド部のガス噴出面の直径が略同一になるように構成
したものである。本発明は、以上のように構成したの
で、シャワーヘッド部の直径と支持体の直径が略同一に
なる結果、加熱状態にある支持体の上面側で成膜により
消費される処理ガスの量と、ヘッド部より処理空間に供
給される処理ガスの量が単位面積当たりにおいて均等に
なり、その結果、成膜の面内均一性を向上させることが
できる。
【０００７】この場合、シャワーヘッド部からの単位面
積当たりの処理ガスの供給量を均一化するために、シャ
ワーヘッド部のガス噴出面に形成したガス噴出孔を偏在
させず、単位面積当たりの数が略同一となるように設け
るのがよい。また、被処理体の面内温度を均一化させる
ために、加熱手段を支持体に対応させて同心円状に分割
し、放熱量の多くなる傾向にある支持体周縁部に位置す
る加熱部への投入パワーを中心側に位置する加熱部への
投入パワーよりも多くして温度補償を行なうようにする
のがよい。この時、上記したガスの供給と消費をバラン
スさせるために、最外周に位置する加熱部の直径を上記
シャワーヘッド部の直径と略同一になるように設定す
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る枚葉用式の
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を示す断面図、
図２は図１に示す装置の載置台の近傍を示す拡大断面
図、図３は載置台に設けた加熱手段の配置状態を示す平
面図、図４はシャワーヘッド部のガス噴出面を示す平面
図である。
【０００９】本実施例においては熱処理装置として、抵
抗加熱方式の枚葉式の熱ＣＶＤ装置を例にとって説明す
る。このＣＶＤ装置８は、気密容器、例えばアルミニウ
ム等により円筒状或いは箱状に成形された処理容器１０
を有しており、この処理容器１０内には処理容器底部と
の間に断熱手段、例えば不透明石英よりなる底部断熱材
１２を介在させて被処理体支持体、例えば肉厚な被処理
体を載置するための載置台１４が設けられている。この
載置台１４の上面である載置面には、被処理体を所定位
置に仮固定するための手段、例えば少なくとも絶縁され
た一対のカーボン製電極を設け、表面に絶縁膜の設けら
れた静電チャック１６が設けられており、このチャック
１６の電極に高圧直流源１８よりスイッチ２０を介して
静電チャック作用を呈する直流高電圧を印加することに
よりクーロン力で被処理体である半導体ウエハＷを吸着
保持するようになっている。ここでは、静電チャックと
して双電極が用いられている。
【００１０】この載置台１４は、厚さ例えば数ｃｍの熱
良導体例えばボロンナイトライドにより略円柱状に形成
されて、その表面全体はＰＢＮ（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ
Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：パイロリティックボロン
ナイトライド）及び石英によりコーティングされると共
に、その下面中央部は凹部状に窪ませている。また、こ
の載置台１４の直径は、ウエハＷの直径よりも数ｃｍ程
度大きく設定されている。そして、この載置台１４に
は、これを加熱することによりウエハＷを間接的に加熱
するための加熱手段２２が設けられる。具体的には、加
熱手段２２は、例えば薄板状のカーボン板よりなり、同
心円状に複数、図示例においては３つに分割されてその
中心側より周辺部に向けて第１、第２及び第３の加熱部
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとして形成される。
【００１１】図３は載置台１４及び加熱手段２２の構造
を拡大して示す図であり、第１の加熱部２２Ａは載置台
１４の裏面中央部に設けられ円板状に成形され、第２の
加熱部２２Ｂは第１の加熱部２２Ａの周囲を僅かな間隔
を隔てて囲むようにリング状に成形され、周辺部温度を
制御するためのものでともに載置台１４の裏側側の凹部
に設けている。また、第３の加熱部２２Ｃは、載置台１
４のリング状の脚部１４Ａの側壁に沿って円筒状に設け
られており、特にこの脚部１４Ａを加熱し、被処理体の
周縁部の温度分布を補償するようになっている。そし
て、上記各加熱部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、異なった
夫々ヒータ駆動部２４Ａ、２４Ｂ、２３Ｃに接続され、
被処理体の処理面全面が均一に加熱されるように制御す
るための手段、例えばマイクロコンピュータ等よりなる
中央制御部２６により別個独立に制御される。
【００１２】従って、載置台１４は、同心円状に分割さ
れた３ゾーンで温度制御がなされ、これにより精度の高
い温度制御を行なうようになっている。尚、図示されな
いが、この３ゾーンの各位置に対応させて熱電対を設
け、ゾーン毎の温度の検出を行なっている。このように
ゾーン毎に温度制御を行なう理由は、載置台の半径方向
の位置によって放熱量が異なっているためである。従っ
て、３ゾーンに限らず、さらに４ゾーン、５ゾーンと増
加すればさらに高精度な温調が可能である。また、特
に、載置台１４の周縁部は、この外周や底部に種々の断
熱材を設けているとはいえ、他の部分よりも放熱量が多
くなっているので、この部分の温度補償をおこなうため
に脚部１４Ａをある程度長くして第３の加熱部２２Ｃの
取り付け面積を確保している。この場合、ウエハＷの処
理面内を均一に加熱保持するためには、載置台１４の上
面を均一加熱させるのではなく、載置台１４の周縁部の
温度を中心側の温度よりも僅かに高くするように載置台
１４に温度分布を持たせることが必要である。この理由
は、ウエハＷを載置することにより熱的バランスが崩
れ、しかも上述のように載置台周縁部の放熱量が他の部
分よりも大きくなっているからである。
【００１３】このような熱的バランスを効果的にとるた
めには、載置台の厚さＬ１とその脚部の厚さＬ２を略同
じに設定するのが好ましい。このように、形成された載
置台１４の外周にはこれを囲むように、例えば不透明石
英よりなるリング状の第１及び第２の側部断熱材２８
Ａ、２８Ｂが設けられる。また、載置台１４の周縁部上
端と上記第１及び第２の側部断熱材２８Ａ、２８Ｂの上
端を掛け渡すように、その周方向に沿って例えば不透明
石英よりなるリング状の石英リング３０が分割可能に配
置されている。この石英リング３０の上面とウエハＷの
上面の水平レベルは略同一になるように設定されてお
り、後述するように、上方より供給される処理ガスに偏
流を生ぜしめないようになっている。このようにして載
置部が構成されている。
【００１４】一方、前記処理容器１０の天井部には、上
記載置台１４に平行するように対向させて、処理室内へ
処理ガスを供給するためのシャワーヘッド部３２が設け
られている。このシャワーヘッド部３２は、例えばアル
ミニウムにより全体が円形の箱状に成形されると共に内
部は、同心円状に配置されたリング状の２つの区画壁３
４、３６により３つのゾーンに同心円状に区画されてお
り、第１、第２及び第３のガス室３８Ａ、３８Ｂ、３８
Ｃを構成している。各ガス室３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ
は、それぞれ別個の配管３９、４０、４２及び分岐管を
介して処理ガス源４４、キャリアガス源４６及びクリー
ニングガス源４８に接続される。各ガス源は、開閉弁５
０、５０、５０によってその供給が制御されると共にそ
の流量が各分岐管に介設したマスフローコントローラ５
２により制御されることになる。
【００１５】そして、載置台１４に対向するシャワーヘ
ッド部３２の下面であるガス噴出面５４には図４に示す
ように例えば直径数ｍｍ程度の多数のガス噴出孔５６が
形成されている。この場合、ガス噴出孔５６の配列は、
単位面積当たりの孔数が一定となるよう井桁状に整然と
面内均等に配列されており、単位面積当たりの孔数が全
面に亘って略一定となるように設定されている。行及び
列方向の孔のピッチは、孔の直径にもよるが例えば５〜
１０ｍｍ程度に設定される。これにより、処理ガスの噴
出面の単位面積当たりのガス噴射量すなわちガス供給量
を均一化させている。尚、ここでは処理ガスとしてシラ
ンが、キャリアガスとしてアルゴンガスが、また、クリ
ーニングガスとしてＣｌＦ系ガスが用いられるが、これ
に限定するものではない。
【００１６】更に、本実施例では、シャワーヘッド部の
ガス噴出面５４の直径Ｌ３と上記載置台１４の直径Ｌ
４、詳しくは載置台１４の加熱部分、すなわちリング状
の第３の加熱部２２Ｃの直径と略同一になるように設定
してこれらを上下方向に略一致するように対応させてい
る。処理ガスは、載置台１４の上面の加熱された部分で
成膜が行なわれることにより消費されるが、このように
消費されるエリアとガス供給エリアとを略一致させるこ
とにより、ガスの供給と消費のバランスを図ることがで
き、ウエハの成膜の膜厚の面内均一性を向上させること
が可能となる。また、このシャワーヘッド部３２には、
冷却水を流すためのヘッド冷却ジャケット５８が設けら
れており、このようなヘッド部３２が成膜されない温度
例えば６０℃以下に冷却するようになっている。
【００１７】更には、処理容器１０の底部にも例えば冷
媒として冷却水を流す底部冷却ジャケット６０が設けら
れており、この容器１０の底部も成膜されない安全温度
まで冷却している。そして、処理容器１０の側壁には、
ウエハＷを搬入・搬出する際に開閉するゲートバルブ６
２が設けられると共に図示しない真空ポンプに接続され
た排気口６４が設けられる。尚、この載置台１４には、
この上で被処理半導体ウエハをウエハ搬送アームにより
自動的に受け渡しを行なうための図示しない３本のプッ
シャーピン等も設けられるのは勿論である。
【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、この抵抗加熱方式による
熱ＣＶＤ装置においては、載置台１４の熱容量が比較的
大きくて温度の昇降が迅速に行ない難いので運転中は常
時、加熱手段２２に通電を行なって載置台１４を加熱状
態にしておく。図示しないロードロック室から予め設定
されたプログラムにより運ばれてきた被処理半導体ウエ
ハＷは、ゲートバルブ６２を介して図示しない搬送アー
ムにより処理容器１０内へ搬入され、載置台１４上の所
定の位置に載置される。ここで静電チャック１６に直流
高電圧を印加することにより、クーロン力でウエハを静
電吸着保持する。
【００１９】そして、ウエハＷの温度を所定のプロセス
温度、例えば６５０℃程度に維持しつつ、ウエハ処理面
の温度が均一に制御された後、キャリアガス（Ａｒ）と
共に搬送した処理ガス（シラン）をシャワーヘッド部３
２から処理容器１０内へ導入し、この容器内を所定のプ
ロセス圧力、例えば１０Ｔｏｒｒ程度に維持して熱反応
により成膜を行なう。供給時の処理ガスの温度はこの実
施例では常温であり、シャワーヘッド部３２はヘッド部
冷却ジャケット５８により略６０℃程度に冷却され、こ
れに成膜が付着することを防止している。また、シャワ
ーヘッド部３２内は、第１、第２及び第３のガス室３８
Ａ、３８Ｂ、３８Ｃの３つのゾーンに区画されているの
で、ガス噴出孔５６から処理室内へ供給されるガス量や
その成分比を配管３９、４０、４１のそれぞれに制御バ
ルブを設けることにより各ゾーン毎に細かな制御が可能
となり、複数ゾーンに区画されていない従来構造と比較
して単位面積当たりのガス供給量の均一性を高めること
が可能となる。
【００２０】更には、ガス噴出面５４に形成されている
多数のガス噴出孔５６の配列は、従来装置にて多く見ら
れたような同心円状の配列ではなく、図４にも示される
ような例えば井桁状の配列を行なって単位面積当たりの
孔数を等しくしているので、特に、上記区画ゾーンとの
作用効果と相俟って、単位面積当たりのガス供給量の均
一性を一層高めることが可能となる。孔の数や孔径は必
要に応じて変えてもよい。
【００２１】また、載置台１４に設けた加熱手段２２は
同心円状に３つのゾーンに分割された第１、第２及び第
３の加熱部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃよりなっているの
で、各ゾーン毎に載置台温度を細かに制御することが可
能である。この場合、載置台１４の周縁部は、その中心
側と比較して当然のこととして放熱量が多いので、載置
台の周縁部に肉厚の脚部１４Ａを設けて加熱部ヒータの
取り付け面積を稼ぐと共にこの部分の熱容量を少し大き
くしてこの部分に加える熱量を、中心側と比較して多く
している。これにより、載置台周縁部の温度をその中心
側よりも少し高くして載置台レベルにおいて温度分布を
持たせており、載置台周縁部の温度補償を行なってい
る。このように載置台１４の表面にその周縁温度が少し
高くなるように積極的に温度分布を持たせることによ
り、ウエハＷを面内温度が均一になるように加熱するこ
とができる。すなわち、ウエハＷを載置台に載置すると
熱バランスが崩れ、もし、載置台表面が面内温度均一に
保持されていると、上記した熱バランスの崩れのために
ウエハＷの周縁部は、中心側よりも温度が低くなる傾向
にあり、これを温度補償するために上記したように載置
台周縁部の温度をその中心側より少し高くしたのであ
る。
【００２２】また、特に、本発明においては、図１に示
すガス噴出面５４の直径Ｌ３と載置台１４の加熱部分、
すなわちここではリング状の第３の加熱部２２Ｃの直径
Ｌ４とを略同じ大きさに設定してあるので、処理室の単
位面積当たりのガス供給量とガス消費量とがバランスし
て均一化される。すなわち、成膜が生ずる部分は加熱部
によって加熱されている部分、すなわち載置台の上面に
対応するエリアであり、このエリアに略１：１に対応さ
せた大きさでガス噴出面５４の大きさを設定しているの
で、上述のように単位面積当たりのガス供給量とガス消
費量とを均一化させることができる。この結果、上述し
た各要素が相俟ってウエハ表面に形成される成膜の厚さ
を面内方向において精度良く均一化させることが可能と
なる。
【００２３】この場合、特に、ガス噴出面５４の直径Ｌ
１と載置台１４の加熱エリアの直径Ｌ２との大きさを略
同一にして単位面積当たりのガス供給量と消費量とをバ
ランスさせて均一化させることが重要であり、これによ
り、ウエハ成膜の面内均一性を一層向上させることがで
きる。特に、ウエハサイズが６インチから８インチに大
きくなった場合において、上述のようにガス噴出孔５６
の単位面積当たりの配列数を同じにしてガス供給量を均
一化させ、そして、ガス噴出面５４の直径Ｌ３と載置台
１４の直径Ｌ４を略同一にしてガス供給量とガス消費量
とをバランスさせることにより、ウエハの成膜の厚さ
を、面内全体に亘って高い精度で均一化させることが可
能となる。
【００２４】また、載置台１４の底部及び側部には断熱
材１２、２８Ａ、２８Ｂが設けてあることから、断熱効
果を高くでき、特に、載置台１４の側部には２重に断熱
材２８Ａ、２８Ｂを設けてあることから高い断熱効果を
発揮して、載置台１４からの放熱を抑制することが可能
となる。そして、所定枚数のウエハの成膜処理を行なっ
たならば、載置台１４にクリーニング用のダミーウエハ
を搬入して、不要な部分に付着した成膜を除去してパー
ティクルの発生を防止するために、クリーニングガス例
えばＣｌＦ系ガスによりクリーニング処理を定期的に行
なう。このクリーニング期間においても、シャワーヘッ
ド部３２、前記容器１０の底部も非成膜温度に保持して
クリーニングする。
【００２５】尚、上記実施例においては、原料ガスとし
てシランを、キャリアガスとしてアルゴンガスを用いた
が、これらに限定されるものではなく、例えば処理ガス
としてジシランや他のガスを用いることができ、また、
キャリアガスとして他の不活性ガス、例えば窒素ガス、
ヘリウムガス、キセノンガス等も用いることができる。
そして、被処理体を加熱するための支持体の加熱手段は
ヒータによる加熱に限らず、ランプ照射による加熱でも
何れでもよい。また、上記実施例では、抵抗加熱方式の
ＣＶＤ装置を例にとって説明したが、これに限定され
ず、ランプ加熱方式等の他の熱処理装置にも適用し得る
のは勿論である。更に、被処理体として半導体ウエハを
例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基
板、高分子基板等を用いることできる。
【００２６】
【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。ガス噴出面の直径と載置面の直径を
略同一となるようにして単位面積当たりの処理ガスの供
給量と消費量とを均一化させてバランスをとるようにし
たので、被処理体に形成される成膜の膜厚の面内均一性
を大幅に向上させることがてきる。特に、ガス噴出面の
単位面積当たりのガス噴出孔の数を略同一となるように
したので、ガス供給量も面内に亘って精度良く均一化さ
せることができ、従って、上記した理由と相俟って膜厚
の面内均一性を一層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を示す断面図
である。
【図２】図１に示す装置の載置台の近傍を示す拡大断面
図である。
【図３】載置台に設けた加熱手段の配置状態を示す平面
図である。
【図４】シャワーヘッド部のガス噴出面を示す平面図で
ある。
【図５】従来の枚葉式の熱処理装置を示す概略構成図で
ある。
【符号の説明】
８ ＣＶＤ装置（熱処理装置） １０ 処理容器 １２ 底部断熱材 １４ （被処理体支持体）載置台 １４Ａ 脚部 １６ 静電チャック ２２ 加熱手段 ２２Ａ 第１の加熱部 ２２Ｂ 第２の加熱部 ２２Ｃ 第３の加熱部 ２８Ａ 第１の外部断熱材 ２８Ｂ 第２の外部断熱材 ３２ シャワーヘッド部 ３４，３６ 区画壁 ４４ 処理ガス源 ４６ キャリアガス源 Ｌ３ ガス噴出面の直径 Ｌ４ 第３の加熱部の直径 Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加熱される被処理体支持体に被処理体を
    設け、この被処理体に処理ガス供給用のシャワーヘッド
    部から処理ガスを供給して熱反応により成膜する枚葉式
    の熱処理装置において、前記支持体及び前記シャワーヘ
    ッド部のガス噴出面の直径が略同一になるように構成し
    たことを特徴とする枚葉式の熱処理装置。
  2. 【請求項２】 前記シャワーヘッド部のガス噴出面に
    は、単位面積当たりの数が略同じになるように多数のガ
    ス噴出孔を形成するように構成したことを特徴とする請
    求項１記載の枚葉式の熱処理装置。
  3. 【請求項３】 前記加熱手段は、前記支持体に設けられ
    ると共に同心円状に複数に区分した加熱部よりなり、各
    加熱部は個々に制御可能になされていることを特徴とす
    る請求項１または２記載の枚葉式の熱処理装置。
  4. 【請求項４】 前記加熱手段の最外周の加熱部は、前記
    支持体の側壁に設けられると共にその直径は、前記ガス
    噴出面の直径と略同一になされていることを特徴とする
    請求項１乃至３記載の枚葉式の熱処理装置。
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