JPH1055968A - 半導体処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反応炉内部に残留した汚染物質（パーテイク
ル）を効率よく除去でき、ガス流量の広い範囲にわたっ
て、基板上を流れるガスを均一にできる枚葉式半導体処
理装置を提供することである。 【解決手段】 反応炉（１０）の内部に供給されたガス
を反応炉（１０）の外部へと排気するための排気口（３
５）に連通した略環状スリット（３０）を有するガス整
流手段（２８、２９、３０）を具備し、略環状スリット
（３０）を基板（３４）の外側周囲下方に位置し、略環
状スリット（３０）の幅を排気口（３５）付近で狭くし
たことを特徴とする、枚葉式半導体処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】基板上に半導体、絶縁膜、金属膜
等を成長させるための枚葉式半導体処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明の解決しようとする課題】従来、
複数の基板を同一の反応炉内で同時に処理を行ってきた
が、近年、基板の大口径化に伴い、基板を１枚ずつ処理
する方式（つまり、枚葉式）へと変わってきた。

【０００３】このような枚葉式の半導体処理装置は、反
応に寄与するガスを反応炉に供給するためのガス供給手
段と、反応炉内部で基板を保持するための基板保持手段
と、供給されたガスを励起し反応させるためのエネルギ
ー供給手段と、ガスを反応炉外部へ排気するためのガス
排気手段とから成り、ガスが反応炉内部に保持した基板
の上方より供給され、このガスに熱又はプラズマエネル
ギーを供給してガスを励起し、反応させ、基板上にガス
組成に応じて堆積物を形成する成膜処理や、基板上に形
成されている膜を化学的に除去するエッチング処理が行
われる。

【０００４】半導体の高密度化とともに、基板上へ付着
する反応生成物粒子（パーテイクル）の低減が強く求め
られ、例えば、直径２００ｍｍの基板上では直径０．１
ミクロン以上のパーテイクルを１０個以下に抑えること
が要求されている。

【０００５】枚葉式半導体処理装置では、成膜に寄与し
なかった反応ガスや基板上に堆積しなかった反応生成物
は、ガスの流れに従って反応空間（プラズマ領域）から
排出されるが、反応生成物が反応炉外部へと排気される
とき、反応炉の内壁に付着し、成膜時にこの反応生成物
が反応炉内壁から剥離し、浮遊して、基板上に付着す
る。

【０００６】このため、手作業による反応炉の清掃を定
期的に行ったり、プラズマ励起したフッ素系ガスによる
化学的清浄化が行われ、反応炉内壁に付着した反応生成
物を除去している。

【０００７】装置の基板処理能力は、装置の稼働時間
と、単位時間当たりの基板処理量との積で表すことがで
きる。

【０００８】在来の枚葉式半導体処理装置では、装置の
消耗品の交換や反応炉内部の清掃作業は装置を停止して
手作業で行なっているため、装置の稼働時における基板
処理量の向上、及び非稼働時間の低減が装置の基板処理
能力を向上させる上で要求される。

【０００９】一般には、成膜速度を増加して稼働時の基
板処理量を向上しているが、例えば、プラズマ励起によ
り絶縁膜を成長させる場合、毎分５００ｎｍ以上の成膜
速度が要求されている。

【００１０】このような高成膜速度を実現するために
は、反応に寄与するガスを基板上に均一に流すことが重
要である。

【００１１】基板上で反応ガスを基板の中心部分から外
周へと均一に流すためのガス整流手段を具備した枚葉式
半導体装置が特開平６−１３３６８号（出願人：アプラ
イド・マテリアルズ・インコーポレイテッド）に開示さ
れている。

【００１２】特開平６−１３３６８号のガス整流手段
は、反応炉内の基板の載置位置の下方周囲に取り付けら
れ、環状配列の排出孔を有するガス整流プレートから成
り、基板上方に配置されたマニホルドに設けた多数の貫
通孔を通じて基板上に供給されたガスは、マニホルド
（高周波電極板）及び基板保持台（接地電極板）から成
るプラズマ発生電極によってプラズマ励起され、基板保
持台上に保持した基板上方でガスが活性状態となって反
応し、基板処理後、基板下方外周のガス整流プレートに
設けられた環状配列の排出孔及びこれに連通する環状溝
を通じて反応炉外部へと排出される。

【００１３】成膜時に生成された反応生成物は、反応炉
内部にフッ素系ガスを導入し、プラズマエネルギーで活
性化し、反応炉内部に付着した反応生成物と反応させる
ことによって除去される。

【００１４】特開平６−１３３６８号の装置では、活性
化したフッ素系ガスは、ガス整流プレートに設けた環状
配列の排出孔が間隔をおいて配列されているため、環状
溝内部に入り込んだ活性化したフッ素系ガスが環状溝内
部全体に均一に供給されず、環状溝内部に付着した反応
生成物を完全に除去できない。

【００１５】このため、基板の処理を連続的に行う場
合、環状溝内部に残留した付着物が飛散して基板を汚染
する、という問題がある。

【００１６】また、反応炉内部に供給されるガスの流量
は、生成する膜の種類や成膜条件によって異なる。

【００１７】枚葉式半導体処理装置では、ガス流量が少
ない場合、キャリアガス（反応に寄与しないガス）を反
応炉内部に追加導入して基板上を流れるガスを均一にし
ている。

【００１８】特開平６−１３３６８号の装置では、プラ
ズマエネルギーにより二酸化珪素膜を基板上に成長させ
る場合、酸素６００ｓｃｃｍに対して不活性ガス（キャ
リアガス）であるヘリウム９００ｓｃｃｍを追加導入
し、全体として１５００ｓｃｃｍのガスを反応炉に導入
して基板上を流れるガスを均一にしている。

【００１９】しかし、キャリアガスを追加導入すること
は、反応ガスの濃度を低下させ、成長膜の成長速度を低
下させ、装置の基板処理能力を低下する、という問題が
ある。

【００２０】したがって、本発明の課題は、反応炉内部
に残留した汚染物質（パーテイクル）を効率よく除去で
き、ガス流量の広い範囲にわたって、基板上を流れるガ
スを均一にできる枚葉式半導体処理装置を提供すること
である。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、枚葉式半導体処理装置において、本発明は、反応炉
の内部に供給されたガスを反応炉外部へと排気するため
の排気口に連通した略環状スリットを有するガス整流手
段を具備し、略環状スリットを基板の外側周囲下方に位
置し、略環状スリットの幅を排気口付近で狭くしたこと
を特徴とする。

【００２２】略環状スリットの位置を基板よりも下方に
位置させて、基板の外側周囲に段差を付け、基板上方か
ら供給されたガスが基板上を通過してから略環状スリッ
トへと流れるようにする。

【００２３】ここで、略環状スリットの位置と基板と間
の距離は、プラズマ電極間の距離の約１．５倍以上であ
ることが望ましい。

【００２４】また、供給されたガスは排気口に向けて吸
引されるので、略環状スリットの幅を排気口付近で狭く
し、吸引されるガス流量を制御して、吸引されるガスが
排気口付近に片寄らないようにする。

【００２５】ここで、排気口付近（つまり、排気口の口
径の約１〜２倍の範囲）に位置する略環状スリットの幅
は、他の位置にある略環状スリットの幅の約１／２以下
（スリットを設けない場合も含む）である。

【００２６】略環状スリットの幅は、ガスの通過速度が
０．５〜１０ｍ／秒となるように調節される。

【００２７】これにより、基板上方から供給されたガス
の流量が少量であっても、反応炉の内部に供給されたガ
スを基板の中心付近から放射状に基板の外側周囲へと均
一に流すことができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の枚葉式半導体処理装置
は、図１に示すように、側部隔壁１１と上部隔壁１２と
によって真空密閉された反応炉１０から成る。

【００２９】基板３４は、側部隔壁１１に設けた開口部
１９を通じ、多関節ロボット等の基板移送手段によって
反応炉１０の内外に移送される。

【００３０】基板３４は、反応炉１０外部のエレベータ
手段（図示せず）によって上下移動可能な移動体１３の
上部の基板保持部１６に載置される。

【００３１】移動体１３は、上方の大径部１４と下方の
小径部１５とから成り、大径部１４には基板保持部１６
があり、基板保持部１６の下方に抵抗加熱器１７を一体
に接続している。

【００３２】移動体１３の小径部１５は反応炉１０の底
部の開口部２０を貫通し、反応炉１０外部のエレベータ
手段に接続されたテーブル２３上に固定され、基板保持
部１６とともに反応炉１０内部で上下移動できるように
なっている。

【００３３】反応炉１０の底部の開口部２０と移動体１
３の小径部１５とは上下方向に伸縮可能なベローズ２２
によって密閉され、ベローズ２２の内部へのガスの流入
を防止するために、ベローズ２２の内部にアルゴン、ヘ
リウム等の不活性ガスを導入するためのガス導入口２１
が設けられている。

【００３４】移動体１３の大径部１４には、３個の上下
方向の小径貫通孔３２（図２を参照）が設けられ、ま
た、これら小径貫通孔３２の位置に対応して反応炉１０
の底部に大径部１４の厚さよりもやや長い貫通棒３３が
垂直に設けられ、移動体１３が最下方に位置していると
き（つまり、基板３４を反応炉１０の内外に出し入れす
るとき）、貫通棒３３の先端が基板保持部１６からやや
突き出すようになっている。この突き出した部分に基板
３４を３点支持し、移動体１３を上方に移動して基板３
３を基板保持部１６上に載置する。

【００３５】反応に寄与するガスは、上部隔壁１２のガ
ス導入口１８を通じて反応炉１０内部へ供給され、ガス
整流プレート２４の外側周囲に設けた開口部２５を通じ
てシャワープレート２６上方へと流され、シャワープレ
ート２６に設けた多数の貫通孔２７を通じて基板３４上
へ供給される。

【００３６】基板保持部１６は下部電極板を兼ねてお
り、高周波電源（図示せず）の出力を上部電極板を兼ね
るシャワープレート２６に印加することによって、これ
らの間にプラズマ領域を形成することができる。下部電
極には陽極酸化処理が施されている。

【００３７】反応炉１０の側部隔壁１１の下方周囲に
は、反応炉１０の内部に基板３４の上方から供給された
ガスを基板３４の中心付近から放射状に外周付近へと均
一に流すためのガス整流手段が設けられている。

【００３８】ガス整流手段は、側部隔壁１１の壁面に沿
った形状の上板２８及び側板２９から成り、上板２８と
側板２９とで排気口３５に接続した環状の溝３１を形成
し、上板２８の外周縁、つまり反応炉１０の側部隔壁１
１との間に略環状スリット３０を設け、反応炉１０の内
部に供給されたガスを略環状スリット３０を通じて環状
溝３１へと流し、反応炉１０の外部へと排気する。

【００３９】ここで、上板２８表面と基板３４との間に
段差が設けられ、略環状スリット３０が、プラズマ電極
間の距離の約１．５倍以上の距離だけ基板３４の外側周
囲下方に位置される。

【００４０】また、排気口３５付近（排気口の口径の約
１〜２倍の範囲）に位置する略環状スリット３０の幅
は、他の位置にある略環状スリット３０の幅の約１／２
以下とした。図２では、排気口３５付近には略環状スリ
ット３０は設けられていない。

【００４１】略環状スリット３０の幅は、ガスの通過速
度が０．５〜１０ｍ／秒となるように調節される。

【００４２】略環状スリット３０を通過するガスの通過
速度は、例えば、図３に示すように、可動プレート３６
を上板２８表面に配置し、この可動プレート３６を移動
させて略環状スリット３０の幅を調節して制御できる。

【００４３】可動プレート３６に設けた略放射状のガイ
ド孔３７を上板２８表面の所定箇所に設けた突起部３８
に係合し、このガイド孔３７に沿って可動プレート３６
を移動して略環状スリット３０を通過するガス流量を調
節できる。

【００４４】以上のように、上方から反応炉１０内部に
供給されたガスは、シャワープレート２６の貫通孔２７
を通じて基板３４上に供給され、基板３４上を放射状に
横切って基板３４の下方周囲の略環状スリット３０へ導
かれ、この環状スリット３０を通じて環状溝３１内部へ
入り込み、排気口３５を通じて反応炉１０外部へと排気
される。

【００４５】また、ベローズ２２の内部に導入された不
活性ガスは、反応炉１０の底部の開口部２０を通じて反
応炉１０内部へ導入され、ガス整流手段の側板２９と移
動体１３との間を通過し、上板２８を横切って略環状ス
リット３０へ導かれ、略環状スリット３０を通じて環状
溝３１内部へ入り込み、排気口３５を通じて反応炉１０
の外部へと排気される。

【００４６】ガス整流手段の上板２８及び側板２９は、
酸素やフッ素系のプラズマに対する耐性、及び反応炉１
０内部の清浄化時の活性化されたフッ素系ガスの拡散を
実現するために、金属、好ましくはアルミニウム系の合
金から成る。

【００４７】変形的に、ガス整流手段は、図４に示すよ
うに、側部隔壁１１の壁面に沿った形状の上板２８及び
側板２９から成り、上板２８と側板２９とで排気口３５
に接続した環状の溝３１を形成し、側板２９の下方周
縁、つまり反応炉１０の底部に沿って略環状スリット３
０を設け、反応炉１０の内部に供給されたガスを略環状
スリット３０を通じて環状溝３１へと流し、反応炉１０
の外部へと排気してもよい。

【００４８】

【実施例】図１に示す本発明の枚葉式基板処理装置を使
用してシリコンウエハ（２００ｍｍ）上へシリコン酸化
膜を形成した。

【００４９】シャワープレートの基板に対向する面には
φ０．５ｍｍの５０００個の貫通孔が設けられた。

【００５０】テトラエトキシシラン（Si(OC₂H₅)₄）（以
下、ＴＥＯＳという）と酸素とを反応ガスとして反応炉
に供給した。

【００５１】ＴＥＯＳと酸素の流量は、それぞれ、８０
ｓｃｃｍ、８００ｓｃｃｍであった。

【００５２】反応炉の圧力を３Ｔｏｒｒ、基板温度を３
６０°Ｃとし、１３．５６ＭＨｚを２８５Ｗ及び４３０
ＫＨｚを３１５Ｗの高周波出力をシャワープレートに印
加した。

【００５３】成膜時の基板を載置した下部電極板とシャ
ワープレート（上部電極板）との間の距離は、１０ｍｍ
であった。

【００５４】ガス整流手段の上板及び側板をアルミニウ
ム合金（Ａ５０５２）で製作し、幅３．５ｍｍの略環状
スリット（スリットの総面積＝４０ｃｍ２）を下部電極
板の下方の基板中心より約１８２ｍｍ離れた反応炉側部
隔壁に沿って上板に円弧状に設け、総流量（ＴＥＯＳ：
８０ｓｃｃｍ、酸素：８００ｓｃｃｍ）８８０ｓｃｃｍ
の反応ガスを流速０．５５ｍ／秒で略環状スリットを通
過させた。

【００５５】この結果、シリコン酸化膜は、毎分６６０
ｎｍで成長した。

【００５６】また、その膜厚の「ばらつき」について、
従来技術では±３％以内は困難であったが、本発明に従
うと、約±１％以内であった。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の枚葉式半導体処理装置の断面
図である。

【図２】図２は、本発明の枚葉式半導体処理装置に具備
したガス整流手段の平面図である。

【図３】図３は、本発明の枚葉式半導体処理装置に具備
したガス整流手段の変形例の平面図である。

【図４】図４は、本発明の枚葉式半導体処理装置の変形
例の断面図である。

【符号の説明】

１０．．．反応炉 １１．．．反応炉側部隔壁 １２．．．反応炉上部隔壁 １３．．．移動体 １４．．．移動体大径部 １５．．．移動体小径部 １６．．．基板保持部 １７．．．抵抗加熱器 １８．．．ガス導入口 １９．．．反応炉側部隔壁開口部 ２０．．．反応炉底部開口部 ２１．．．不活性ガス導入口 ２２．．．ベローズ ２３．．．テーブル ２４．．．ガス整流プレート ２５．．．ガス整流プレート開口部 ２６．．．シャワープレート ２７．．．貫通孔 ２８．．．上板 ２９．．．側板 ３０．．．略環状スリット ３１．．．環状溝 ３２．．．小径貫通孔 ３３．．．貫通棒 ３４．．．基板 ３５．．．排気口 ３６．．．可動プレート ３７．．．ガイド孔 ３８．．．突出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応炉の内部に基板の上方から供給され
   たガスを基板の中心付近から放射状に外周付近へと均一
   に流すために、前記反応炉の内部に供給された前記ガス
   を前記反応炉の外部へと排気するための排気口に連通し
   た略環状スリットを有するガス整流手段を具備し、前記
   略環状スリットを前記基板の外側周囲下方に位置し、前
   記略環状スリットの幅を前記排気口の付近で狭くしたこ
   とを特徴とする、枚葉式半導体処理装置。