JPH11214377A - 縦型減圧気相成長装置とこれを用いた気相成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 縦型減圧気相成長装置において、マニホール
ドの内壁面への反応生成物の付着および被処理体へのパ
ーティクル発生を防止する。 【解決手段】 ヒーター１３により加熱されつつプロセ
スガスが導入され被処理体７への薄膜形成が行われる反
応室１と、マニホールド１０とを有する縦型減圧気相成
長装置において、マニホールド１０が、反応ガスの排気
を行う排気口８と、冷却水循環部１２と、真空引きされ
ることにより生じる断熱作用によってマニホールド１０
内部を高温部と低温部とに分離する中空部１０ｂとを有
する。高温部は、反応ガスと接触する内壁面１０ａを含
み、低温部は、反応室１を密閉するための樹脂製のＯリ
ング１１が取り付けられているシール部１０ｅと、冷却
水循環部１２とを含む。排気口８と中空部排気口１０ｃ
とに接続されている真空ポンプ１７により、反応ガス吸
引と中空部１０ｂの真空化とが行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製品や電子
部品等の製造工程において、化学的気相成長法（ＣＶＤ
法）によりシリコンウェハ等の被処理体上に薄膜を堆積
するために用いられる縦型減圧気相成長装置およびこれ
を用いた気相成長方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製品や電子部品等を製造す
る上で、シリコンウェハ等の被処理体上に薄膜を堆積す
るために化学的気相成長法（ＣＶＤ法）が行われる。こ
のＣＶＤ法を行うための減圧気相成長装置としては、横
型や縦型などが一般的である。図３に、横型減圧気相成
長装置の一例として、実開平５−５０７２７号公報に開
示されている横型熱処理炉が示されている。これによる
と、石英ボード７６上に載せられたシリコンウェハ等の
被処理体７７がカンチレバー７５により炉心管７３内に
挿入され、この炉心管７３の炉口が石英キャップ７４お
よび図示しないドアにより閉じられた状態で、ＣＶＤ法
による被処理体７７表面への薄膜形成が行われる。な
お、この横型熱処理炉は、炉心管７３の周囲にヒータ７
１が配設され、キャップ７４には炉心管７３内のガスを
排気する排気口７４ｂと真空に保持された空間７４ａと
が設けられている。この真空に保持された空間７４ａに
より、炉口における断熱性・保温性が向上し、熱排気の
拡散、すなわち炉口での放熱が防止されている。

【０００３】しかし、横型減圧気相成長装置は、成長層
の抵抗率および厚さの均一性や結晶欠陥など品質面で問
題があるため、現在では縦型減圧気相成長装置の方が一
般的に用いられている。

【０００４】そこで、従来の縦型減圧気相成長装置の基
本構成を図４に示す。縦型減圧気相成長装置は、キャッ
ピングフランジ３４上に配置されたステンレス等の合金
製のマニホールド４０の上方に、石英またはＳｉＣ製の
インナー管３２とアウター管３３が垂直縦置きに装着さ
れていて、このインナー管３２内部（二重になった管の
内部）が反応室３１となる。アウター管３３の周囲に
は、ヒーター４３が配設されている。マニホールド４０
とアウター管３３の接合部は樹脂製のＯリング４１にて
シールされ、気密性を保つ構造となっている。また、マ
ニホールド４０内部のシール部４０近傍には、ヒーター
４３の熱影響からＯリング４１を保護するための冷却水
循環部４２が設けられている。この冷却水循環部４２に
は、図示しない冷却水供給手段から冷却水が供給されて
これが循環される。マニホールド４０には、反応室内に
気相成長用のプロセスガスを導入するためのインジェク
ター３９（一般的には石英製のノズル）が装着されると
ともに、反応室３１の内部を図示しない真空ポンプ（メ
カニカルブースターポンプ、ドライポンプ等）にて減圧
・真空にするための排気口３８が設けられている。シリ
コンウェハ等の被処理体３７は、キャッピングフランジ
３４の上に設置した石英またはＳｉＣ製のボート３６に
て搭載され移動可能である。

【０００５】この縦型減圧気相成長装置を用いて被処理
体に薄膜を形成する気相成長方法について説明する。ヒ
ーター４３により、反応室３１内は高温（５００〜８０
０℃程度）に加熱されている。この状態で、反応室３１
内を真空ポンプにて真空引きし減圧下となった後、反応
室内にインジェクター３９からプロセスガスが供給され
ると、気相成長により被処理体３７表面上に薄膜が堆積
される。例えば、プロセスガスとしてＮＨ₃とＳｉＨ₂Ｃ
ｌ₂とが反応室３１内に導入される場合、被処理体３７
上にＳｉ₃Ｎ₄膜が生成される。

【０００６】なお、このような縦型減圧気相成長装置の
もう一つの例として、特開平４−１６５６１４号公報に
記載の構成を図５に示している。この構成について説明
すると、被処理体移載室５２内に設けられたネジ部材５
８に螺合した腕部材５９にボート５７が固着され、この
ボート５７上にシリコンウェハ等の被処理体６１が載置
されている。ネジ部材５８の回転によって腕部材５９お
よびボート５７が上下し、ボート５７内の被処理体６１
は反応室５１（簡略化して図示）内に挿入・脱出可能で
ある。また、被処理体移載室５２に隣接してロード室５
３およびアンロード室５４が設けられている。反応室５
１の周囲にはヒーター６０が、反応室５１の下方（炉
口）には炉口フランジ５５がそれぞれ設けられている。
そして、炉口フランジ５５内面の、反応ガスに接触する
部分には保温材５６が設けられている。被処理体６１
は、ロード室５３から被処理体移載室５２に搬送され、
上昇して反応室５１内で薄膜形成された後、加工して被
処理体移載室５２からアンロード室５４に搬送される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記したようにプロセ
スガスとしてＮＨ₃とＳｉＨ₂Ｃｌ₂とを反応室内に導入
する場合、プロセスガスの反応として、Ｓｉ₃Ｎ₄膜の堆
積以外にＮＨ₄Ｃｌが生成される。このＮＨ₄Ｃｌは、比
較的低温（１３０℃程度）で蒸発する。図４に示す高温
（５００〜８００℃程度）状態の反応室３１内では、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄膜の被処理体３７上への堆積が行われるのみであ
るが、温度が低いマニホールド４０の内壁面４０ａ及び
マニホールド４０の排気口３８から排気配管・真空ポン
プの内部においてＮＨ₄Ｃｌが生成される。

【０００８】このＮＨ₄Ｃｌの生成について説明する。
プロセスガスは、インナー管３２内側から、インナー管
３２とアウター管３３の間を通って、マニホールド４０
の排気口３８を経て図示しない排気配管から排出され
る。ところで、マニホールド４０とアウター管３３の接
合部をシールするための樹脂製のＯリング４１は、一般
的に最高２００℃程度の耐熱性しかもたない。そこでこ
のＯリング４１を反応室用ヒーター４３の熱影響から保
護するため、マニホールド４０内部の冷却水循環部４２
に冷却水が循環され、シール部４０ｂが低温に保たれて
いる。したがって、反応後のガス（５００〜８００℃程
度）が、循環冷却水によって冷却されているマニホール
ド４０の内側を通過する際に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜生成時に未反
応であったガスが低温化され、ＮＨ₄Ｃｌが生成する。
この生成物は必然的にマニホールド内壁面４０ａ（反応
ガスとの接触面）及び図示しない排気配管内壁面に付着
する。付着した生成物は、一連の気相成長プロセスが繰
り返されるうちに、マニホールド内壁面４０ａより剥が
れ反応室３１内に巻き上がり、被処理体３７上にパーテ
ィクルとして付着し、その結果、半導体製品の品質悪化
および歩留まり低下を引き起こすことになる。このパー
ティクル発生を防いで装置を安定稼働させるためには、
頻繁にメンテナンス（マニホールド内壁面４０ａに付着
した生成物の除去および清掃）を行う必要が有り、装置
稼働率が低下する。

【０００９】特開平４−１６５６１４号公報に開示の構
成は、図５に示す通り、縦型減圧気相成長装置におい
て、ヒーター７１に覆われ加温されている反応室５１の
炉口フランジ５５の内面に保温材５６が設けられてい
る。したがって、冷却手段により炉口フランジ５５が冷
却されても、炉口フランジ５５内面の反応ガスに触れる
部分は保温され、反応ガスは低温化せず生成物の生成や
付着が抑制され、被処理体６１上にパーティクルが付着
しにくくなる。しかし、炉口フランジ５５やマニホール
ドは一般的にはステンレス等の合金から形成されてお
り、石英やセラミックスからなる保温材５６を取り付け
る際の密着接合が技術的に難しく、しかも製造コストが
高くなり、実現性に乏しい。特に、炉口フランジ５５あ
るいはマニホールド内面に保温材５６を取り付ける場
合、炉口フランジ５５またはマニホールドの内面と保温
材５６の外周面との間にわずかでも隙間が生じると反応
ガスが入り込み、やはり反応生成物（ＮＨ₄Ｃｌ）が付
着し、結果的に被処理体上のパーティクル発生の原因と
なる。しかもこの場合、炉心フランジ５５またはマニホ
ールドと保温材５６との間に生成物が強固に固着する
と、炉心フランジ５５またはマニホールドの内壁面の清
掃および生成物の除去を行おうとしても、保温材５６の
取り外しが容易に行えない。

【００１０】なお、前記した実開平５−５０７２７号公
報に開示の構成も、炉口における保温性を確保すること
はできる。しかし、これは図3に示すような横型減圧気
相成長装置に関するものであり、前記したような、気相
成長用ガスがマニホールドの低温化により生成物が付着
するという縦型減圧気相成長装置に特有の問題を解決す
るものではない。また、石英製のキャップ７４に真空に
保持された空間７４ａを設ける構成は、製造が困難でコ
スト高であり、また材料の耐久性にも問題があり、実現
性に乏しい。さらに、前記の通り、このような横型減圧
気相成長装置は、成長層の抵抗率および厚さの均一性や
結晶欠陥など品質面で問題がある。

【００１１】そこで、本発明の目的は、成長層の抵抗率
および厚さの均一性や結晶欠陥等の問題がない縦型減圧
気相成長装置において、マニホールドのシール部分を低
温に保ちつつ、かつマニホールド内壁面（反応ガスとの
接触面）を反応室内の低温化を抑制し、壁面への反応生
成物の付着を抑制し被処理体上へのパーティクル発生を
防止することにある。そして、本発明のさらなる目的
は、このような構成を簡単かつ低コストで可能にすると
ともに、半導体製品の品質向上と気相成長装置の安定稼
働および稼働率向上を可能にすることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、プロセスガス
が導入されて被処理体表面への薄膜形成が行われる反応
室と、前記反応室を密閉可能に取り付けられるマニホー
ルドとを有する縦型減圧気相成長装置において、前記マ
ニホールドが、前記反応室からの反応ガスの排気を行う
排気口と、冷却水が供給され循環する冷却水循環部と、
真空引きされることにより生じる断熱作用によって該マ
ニホールド内部を高温部と低温部とに分離する中空部と
を有することを特徴とする。

【００１３】前記マニホールドの前記高温部が、前記反
応ガスと接触する内壁面を含み、前記低温部が、前記反
応室を密閉するためのシール部を含む。

【００１４】前記低温部が前記冷却水循環部を含んでい
る。

【００１５】前記シール部には樹脂製のＯリングが取り
付けられている。

【００１６】前記排気口に接続され前記反応ガスを吸引
する真空ポンプを有しており、該真空ポンプが前記中空
部の中空部排気口にも接続されている。

【００１７】前記反応室を加熱するためのヒーターを有
する。

【００１８】本発明の気相成長方法は、前記いずれかの
構成の縦型減圧気相成長装置を用い、前記真空ポンプに
より前記中空部を真空にして断熱作用をもたせ、前記マ
ニホールドを前記低温部と前記高温部とに分けた状態
で、前記真空ポンプにより前記反応室を減圧しつつ前記
プロセスガスを導入して前記被処理体への薄膜形成を行
う。

【００１９】このような構成によれば、マニホールドに
設けられた中空部を真空引きすることにより、真空空間
層にて断熱作用が生じ、冷却水の循環により低温状態を
確保したいマニホールドのシール部側と、反応室内の高
温状態を確保したいマニホールドの内壁面側（反応ガス
接触面側）とで相反する温度状態を確保することが可能
となる。その結果、樹脂製Ｏリングが劣化することなく
反応室のシール性を保つことができ、かつ反応ガスはマ
ニホールドの内壁面を高温状態のまま通過・排出される
ので、マニホールド内壁面（反応ガス接触面）への生成
物の堆積・付着が抑制され、生成物剥がれによるパーテ
ィクル発生が防止できる。

【００２０】この中空部の真空を達成させるために、従
来より反応室内の反応ガスの排気用として装備されてい
る真空ポンプを利用すると、新たに真空排気システムを
構成する必要もがなく、合理的である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に
係る縦型減圧気相成長装置の構成を示す断面図であり、
被処理体７がセットされた状態を示すものである。

【００２２】本発明の縦型減圧気相成長装置は、キャッ
ピングフランジ４上のステンレス等の合金製のマニホー
ルド１０の上方に、石英またはＳｉＣ製のインナー管２
とアウター管３が重なるように垂直縦置きに装着されて
いて、このインナー管２内部（二重になった管の内部）
が反応室１となる。アウター管３の周囲にはヒーター１
３が配設されている。

【００２３】マニホールド１０には、反応室１内に気相
成長用のプロセスガスを導入するためのインジェクター
９が装着されるとともに、反応室１内部を真空ポンプ１
７にて減圧・真空にするための排気口８が設けられてい
る。シリコンウェハ等の被処理体７は、キャッピングフ
ランジ４の上に設置された保温筒５上の石英またはＳｉ
Ｃ製のボート６にて移載可能に装填されている。

【００２４】マニホールド１０とアウター管３の接合部
は樹脂製のＯリング１１にてシールされている。ヒータ
ー１３は反応室１を高温（５００〜８００℃程度）に加
熱するように放熱するので、耐熱温度２００℃程度の樹
脂製Ｏリング１１をこのヒーター１３の熱影響から保護
するため、マニホールド１０内部のシール部１０ｅの近
傍に、冷却水循環部１２が設けられている。冷却水循環
部１２には、冷却水供給手段１４から冷却水が供給され
る。

【００２５】マニホールドの内壁面１０ａ（反応ガス排
気接触面）は、アウター管３の内壁面に沿って、アウタ
ー管３の外周にあるヒーター１３の最下部近傍の高さま
で、上方に向かって立ち上がる形状に形成されている。
このヒーター１３の最下部近傍へと立ち上がった部分１
０ｄから反応ガス排気口８の近傍までの範囲に中空部１
０ｂが設けられている。ここで、マニホールドの内壁面
１０ａの立ち上げ部１０ｄは、反応室１の内部から排気
口８へ至るガスの流れが、シール部１０ｅ側に向かうこ
とを遮る壁となるように形成されており、この立ち上げ
部１０ｄの内部に中空部１０ｂが設けられている。マニ
ホールド１０端面には、中空部１０ｂに連通する中空部
排気口１０ｃが設けられている。なお中空部１０ｂは、
同種類の合金の溶接により容易に製造することができ、
製造する時点では中空部内を真空にする必要もないた
め、低コストにて簡単に製造可能である。

【００２６】次に、図１左側に示されている真空排気系
統について説明する。熱処理（気相成長）のために反応
室１内を真空にしたりプロセスガス導入後の排出ガスを
吸い出すため、真空ポンプ１７が排気配管１８およびメ
インバルブ２０を介して排気口８に接続されている。排
気配管１８には真空状態を確認するための真空センサー
１９が取り付けられている。

【００２７】また、マニホールド１０の中空部排気口１
０ｃは、中空部排気配管２１を介して、排気配管１８
の、メインバルブ２０と真空ポンプ１７との間に接続さ
れている。従って、中空部１０ｂは真空ポンプ１７によ
り真空に引かれ得る。中空部排気配管２１にはバルブ２
２が設けられ、中空部１０ｂの真空引きのタイミングを
コントロールできる構成となっている。バルブ２２を開
いて真空ポンプ１７を作動させることによりマニホール
ド１０内の中空部１０ｂが真空空間層となって断熱作用
が生じる。この断熱作用により、中空部１０ｂを挟ん
で、マニホールド１０のシール部１０ｅ側は冷却水の循
環による低温状態が確保され、マニホールド１０の内壁
面１０ａ側（反応ガス接触面側）はヒーター１３の加熱
による反応室１内の高温状態が確保される。従来より気
相成長装置の反応室１の排気用として装備されている真
空ポンプ１７を利用することにより、新たな構成要素を
あまり増やすことなく容易に真空状態を保つことが可能
である。

【００２８】次に、本発明の気相成長方法によりシリコ
ンウェハ等の被処理体７上に薄膜を堆積させる一連の動
作の流れについて図１、図２を参照して説明する。

【００２９】まず、シリコンウェハ等の被処理体７をボ
ート６に載置し、反応室１内（インナー管２内）に挿入
する(ステップＡ)。そして、気相成長処理を開始する前
にバルブ２２を開き、マニホールド１０の中空部１０ｂ
を真空ポンプ１７にて真空に引いた後、バルブ２２を閉
じマニホールド１０の中空部１０ｂを真空状態のまま保
持する（ステップＢ）。なお、マニホールド１０の冷却
水循環部１２では、冷却水供給手段１４から供給された
冷却水が循環されており、またアウター管３周囲のヒー
ター１３は加熱状態となっている（ステップＣ）。次
に、反応室排気配管１８のメインバルブ２０を開き、反
応室１内を真空ポンプ１７により減圧しながら、反応室
１内にプロセスガス（本実施形態ではＮＨ₃とＳｉＨ₂Ｃ
ｌ₂）を供給し、被処理体７の上にＳｉ₃Ｎ₄の薄膜を気
相成長させる（ステップＤ）。

【００３０】従来は、Ｓｉ₃Ｎ₄膜の成長堆積と同時にＮ
Ｈ₄Ｃｌが生成されマニホールド内壁面などに付着して
いた。しかし、本実施形態の場合、真空状態の中空部１
０ｂの断熱作用により、マニホールド１０が低温部（シ
ール部１１ｅ側）と高温部（内壁面１０ａ側）とに分離
されているため、マニホールド１０の内壁面１０ａの温
度を、ＮＨ₄Ｃｌの蒸発温度（約１３０℃）以上に高く
保つことができ、ＮＨ₄Ｃｌはマニホールド１０の内壁
面１０ａに付着しない。この一連の気相成長プロセスが
繰り返されても、パーティクルが発生することがない。

【００３１】なお、マニホールド１０の中空部１０ｂ
は、中空部排気配管２１交換後の初期段階であらかじめ
真空引きしておき、常時バルブ２２を閉じて真空状態を
保持しても、気相成長プロセス中、常時バルブ２２を開
いて真空ポンプを作動させ真空引きし続けるようにして
も良く、特に限定されるものではない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明の縦型減
圧気相成長装置およびこれを用いた気相成長方法によれ
ば、マニホールド内に真空引き可能な中空部を設けるこ
とで真空断熱層を形成することができ、マニホールドの
シール部を低温に保ちつつ、かつマニホールド内壁面
（反応ガスとの接触面）を反応室内に近い高温に保ち、
反応ガスの低温化を防止して反応生成物のマニホールド
内壁面等への付着を抑制し、ひいては被処理体上へのパ
ーティクル発生を防止することができる。

【００３３】また、マニホールドを高温部と低音部に分
離するための断熱作用は、従来の縦型減圧気相成長装置
に装備されている真空ポンプを利用して中空部を真空引
きすることにより得られるので、簡単な構造で容易に製
造でき低コストでより実現性のある構成となる。そし
て、半導体製品の品質向上と、気相成長装置の安定稼働
および稼働率向上が達成できる。

【００３４】さらに、本発明の縦型減圧気相成長装置
は、成長層の抵抗率および厚さの均一性にすぐれ、また
結晶欠陥が少なく、高品質の薄膜形成が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の縦型減圧気相成長装置の一実施例の構
成を示す断面図である。

【図２】図１に示す縦型減圧気相成長装置を用いた気相
成長方法を示すフローチャートである。

【図３】従来の横型減圧気相成長装置の構成の一例を示
す断面図である。

【図４】従来の縦型減圧気相成長装置の構成の一例を示
す断面図である。

【図５】従来の縦型減圧気相成長装置の構成の他の例を
示す断面図である。

【符号の説明】

１ 反応室 ２ インナー管 ３ アウター管 ４ キャッピングフランジ ５ 保温筒 ６ ボート ７ 被処理体（シリコンウェハ） ８ 排気口 ９ インジェクター １０ マニホールド １０ａ 内壁面 １０ｂ 中空部 １０ｃ 中空部排気口 １０ｄ 立ち上げ部 １０ｅ シール部 １１ Ｏリング １２ 冷却水循環部 １３ ヒーター １４ 冷却水供給手段 １７ 真空ポンプ １８ 排気配管 １９ 真空センサー ２０ メインバルブ ２１ 中空部排気配管 ２２ バルブ ３１ 反応室 ３２ インナー管 ３３ アウター管 ３４ キャッピングフランジ ３５ 保温筒 ３６ ボート ３７ 被処理体（シリコンウェハ） ３８ 排気口 ３９ インジェクター ４０ マニホールド ４０ａ 内壁面 ４０ｂ シール部 ４１ Ｏリング ４２ 冷却水循環部 ４３ ヒーター ５１ 反応室 ５２ 被処理体移載室 ５３ ロード室 ５４ アンロード室 ５５ 炉口フランジ ５６ 保温材 ５７ ボート ５８ ネジ部材 ５９ 腕部材 ６０ ヒーター ６１ 被処理体（シリコンウェハ） ７１ ヒーター ７３ 炉心管 ７４ キャップ ７４ａ 空間 ７４ｂ 排気口 ７５ カンチレバー ７６ 石英ボード ７７ 被処理体（シリコンウェハ）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロセスガスが導入されて被処理体表面
   への薄膜形成が行われる反応室と、前記反応室を密閉可
   能に取り付けられるマニホールドとを有する縦型減圧気
   相成長装置において、 前記マニホールドが、前記反応室からの反応ガスの排気
   を行う排気口と、冷却水が供給され循環する冷却水循環
   部と、真空引きされることにより生じる断熱作用によっ
   て該マニホールド内部を高温部と低温部とに分離する中
   空部とを有することを特徴とする縦型減圧気相成長装
   置。
2. 【請求項２】 前記マニホールドの前記高温部が、前記
   反応ガスと接触する内壁面を含み、前記低温部が、前記
   反応室を密閉するためのシール部を含む請求項１に記載
   の縦型減圧気相成長装置。
3. 【請求項３】 前記低温部が前記冷却水循環部を含んで
   いる請求項１または２に記載の縦型減圧気相成長装置。
4. 【請求項４】 前記シール部には樹脂製のＯリングが取
   り付けられている請求項２または３に記載の縦型減圧気
   相成長装置。
5. 【請求項５】 前記排気口に接続され前記反応ガスを吸
   引する真空ポンプを有しており、該真空ポンプが前記中
   空部の中空部排気口にも接続されている請求項１〜４の
   いずれか１項に記載の縦型減圧気相成長装置。
6. 【請求項６】 前記反応室を加熱するためのヒーターを
   有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の縦型減圧気
   相成長装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項に記載の縦
   型減圧気相成長装置を用い、 前記真空ポンプにより前記中空部を真空にして断熱作用
   をもたせ、前記マニホールドを前記低温部と前記高温部
   とに分けた状態で、前記真空ポンプにより前記反応室を
   減圧しつつ前記プロセスガスを導入して前記被処理体へ
   の薄膜形成を行う気相成長方法。