JPWO2017138183A1 - 基板処理装置、継手部および半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

[課題] 基板上に形成する膜の均一性を向上させることが可能な技術を提供する。[解決手段] 基板を処理する反応管内にガスを導入するよう構成されたガス導入部と、ガスを反応管外で加熱する加熱部と、ガス導入部と加熱部との間に設置される接続部と、を有し、接続部は、ガス導入部と密閉部材を介して接続される外管と、外管よりも小さい径に形成され、一端が加熱部と接続し、他端が少なくとも密閉部材が設置される位置まで延伸する内管と、で構成される。【選択図】 図2

Description

本発明は、基板処理装置、継手部および半導体装置の製造方法に関する。
近年、フラッシュメモリ等の半導体装置(デバイス)は高集積化・微細化が進んでいる。デバイス製造工程の一工程として、基板上に膜を形成する処理が実施される場合があり、基板処理装置の処理室内に処理ガスを供給する前に、あらかじめ処理ガスを加熱することにより、処理ガスの熱分解を制御し、膜の均一性を向上させることが試みられている。
通常、ガス供給管とガス導入ポートとの接続部分には接続部が介設されている(例えば特許文献1)。接続部の耐熱温度より高い温度に処理ガスを加熱した場合、接続部を劣化させることがあるため、処理ガスを接続部の耐熱温度より高い温度に加熱することができず、処理ガスの熱分解制御が困難なことがあった。
特開2010−45251号公報
本発明の目的は、基板上に形成する膜の均一性を向上させることが可能な技術を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
基板を処理する反応管内にガスを導入するよう構成されたガス導入部と、
前記ガスを前記反応管外で加熱する加熱部と、
前記ガス導入部と前記加熱部との間に設置される接続部と、を有し、
前記接続部は、
前記ガス導入部と密閉部材を介して接続される外管と、
前記外管よりも小さい径に形成され、一端が前記加熱部と接続し、他端が少なくとも前記密閉部材が設置される位置まで延伸する内管と、で構成される技術が提供される。
本発明によれば、基板上に形成する膜の均一性を向上させることが可能となる。
本発明の一実施形態で好適に用いられる基板処理装置の概略構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態にかかるポートと接続部の接続状態を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態にかかるポートを示す縦断面図である。 本発明の一実施形態にかかる接続部を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態にかかるナットを示す斜視図である。 本発明の別の実施形態にかかるポートを示す縦断面図である。 本発明におけるガス温度のシミュレーション結果を示す図である。
<本発明の一実施形態>
以下、図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。全図面中、同一または対応する構成については、同一または対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施形態において、基板処理装置は、半導体装置(デバイス)の製造方法における製造工程の一工程として熱処理等の基板処理工程を実施する処理装置2として構成されている。図1に示すように、処理装置2は、円筒形状の反応管10と、反応管10の外周に設置された加熱手段(加熱機構)としてのヒータ12とを備える。反応管は、例えば石英やSiCにより形成される。反応管10の内部には、基板としてのウエハWを処理する処理室14が形成される。反応管10には、温度検出器としての温度検出部16が、反応管10の内壁に沿って立設されている。
反応管10の下端開口部には、円筒形のマニホールド18が、Oリング等のシール部材20を介して連結され、反応管10の下端を支持している。マニホールド18は、例えばステンレス等の金属により形成される。マニホールドの側壁には、後述するガスポート(ガス導入部)が複数形成される。マニホールド18の下端開口部は円盤状の蓋部22によって開閉される。蓋部22は、例えば金属により形成される。蓋部22の上面にはOリング等のシール部材20が設置されており、これにより、反応管10内と外気とが気密にシールされる。蓋部22上には、中央に上下に亘って孔が形成された断熱部24が載置される。断熱部24は、例えば石英やSiC等の耐熱性材料からなる筒状の部材により形成される。
処理室14は、複数枚、例えば25〜150枚のウエハWを垂直に棚状に支持する基板保持具としてのボート26を内部に収納する。ボート26は、例えば石英やSiCより形成される。ボート26は、蓋部22および断熱部24の孔を貫通する回転軸28により、断熱部24の上方に支持される。蓋部22の回転軸28が貫通する部分には、例えば、磁性流体シールが設けられ、回転軸28は蓋部22の下方に設置された回転機構30に接続される。これにより、回転軸28は反応管10の内部を気密にシールした状態で回転可能に構成される。蓋部22は昇降機構としてのボートエレベータ32により上下方向に駆動される。これにより、ボート26および蓋部22が一体的に昇降され、反応管10に対してボート26が搬入出される。
処理装置2は、基板処理に使用されるガスを処理室14内に供給するガス供給機構34を備えている。ガス供給機構34が供給するガスは、成膜される膜の種類に応じて換えられる。ここでは、ガス供給機構34は、原料ガス供給部、反応ガス供給部および不活性ガス供給部を含む。
原料ガス供給部は、ガス供給管36aを備え、ガス供給管36aには、上流方向から順に、流量制御器(流量制御部)であるマスフローコントローラ(MFC)38aおよび開閉弁であるバルブ40aが設けられる。ガス供給管36aには、後述する予備加熱装置70および接続部80が設けられていても良い。ノズル44aは、反応管10内に上下方向に沿って立設し、ボート26に保持されるウエハWに向かって開口する複数の供給孔が形成されている。ガス供給管36aから供給された原料ガスは、ノズル44aの供給孔を通してウエハWに対して供給される。
反応ガス供給部は、ガス供給管36bを備え、ガス供給管36bには、上流方向から順に、MFC38b、バルブ40b、予備加熱装置70が設けられる。ガス供給管36bは、後述する接続部80を介してノズル44bに接続される。接続部80をガス供給管36bに含めて考えても良い。不活性ガス供給部からは、供給管36c、36d、MFC38c、38d、バルブ40c、40dおよびノズル44a、44bを介して、ウエハWに対して不活性ガスが供給される。
マニホールド18には、排気管46が取り付けられている。排気管46には、処理室14内の圧力を検出する圧力検出器(圧力検出部)としての圧力センサ48および圧力調整器(圧力調整部)としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ40を介して、真空排気装置としての真空ポンプ52が接続されている。このような構成により、処理室14内の圧力を処理に応じた処理圧力とすることができる。
回転機構30、ボートエレベータ32、ガス供給機構34のMFC38a〜38dおよびバルブ40a〜40d、APCバルブ50、予備加熱装置70には、これらを制御するコントローラ100が接続される。コントローラ100は、例えば、CPUを備えたマイクロプロセッサ(コンピュータ)からなり、処理装置2の動作を制御するよう構成される。コントローラ100には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置102が接続されている。
コントローラ100には記憶媒体としての記憶部104が接続されている。記憶部104には、処理装置10の動作を制御する制御プログラムや、処理条件に応じて処理装置2の各構成部に処理を実行させるためのプログラム(レシピとも言う)が、読み出し可能に格納される。
記憶部104は、コントローラ100に内蔵された記憶装置(ハードディスクやフラッシュメモリ)であってもよいし、可搬性の外部記録装置(磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、CDやDVD等の光ディスク、MO等の光磁気ディスク、USBメモリやメモリカード等の半導体メモリ)であってもよい。また、コンピュータへのプログラムの提供は、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。プログラムは、必要に応じて、入出力装置102からの指示等にて記憶部104から読み出され、読み出されたレシピに従った処理をコントローラ100が実行することで、処理装置2は、コントローラ100の制御のもと、所望の処理を実行する。
続いて、本実施形態にかかる接続部80の構成について、図2〜6を用いて説明する。以下、ノズル44と称する場合は、ノズル44aのみを示す場合、ノズル44bのみを示す場合、それらの両方を示す場合を含む。その他の構成についても同様である。
(ガス導入部)
図3に示すように、マニホールド18の側壁には、ノズル44の基部を挿入するための開口部(貫通穴)19が、ノズルと同数設けられている。マニホールド18の開口部19には、挿入されたノズル44の基部を保持するガス導入部(ポート)60が、マニホールド18の外側に突出するように中空の円筒形状に構成されている。ノズル44は、マニホールド18に設けられた開口部19にノズル44の基部が挿入されるとともに、ポート60によって保持される。なお、ノズル44とポート60とは密着されており、反応容器内は気密に保たれるように構成されている。
ポート60の一端(処理室14側、下流側の端部)は、マニホールド18に設けられた開口部19の外周を気密に塞ぐように構成されている。ポート60の他端(上流側の端部)の外周面には、固定部としてのねじ山61が設けられている。ポート60の他端であるねじ山61部分の内周面の径は、ポート60の両端の中間部分の内周面の径よりも大きく形成されている。すなわち、ポート60の他端は内径が一回り大きくなるように形成されている。これにより、ポート60のねじ山61とノズル44との間には、間隙部62が設けられる。この間隙部62には、密閉部材(シール部材)としてのOリング63が設けられ、更に、後述する接続部80の外管82の端部が嵌め込まれることにより、ポート60と外管82とがOリング63を介して接続され、係合するように構成されている。
(接続部)
次に、図4、5を用いて接続部80について説明する。ポート60の上流側には、継手部としての接続部80が設置される。ポート60と予備加熱装置70とは、接続部80を介して接続される。予備加熱装置70は、処理ガスを反応管10外で予め所定の温度、例えば、Oリング63の耐熱温度より高い温度に加熱する加熱部として構成される。予備加熱装置70がガス供給管36に設置される場合は、接続部80はポート60とガス供給管36とを接続するように構成されても良い。接続部80は、内管81および外管82により構成される。ナット85を接続部80の構成に含めて考えても良い。内管81および外管82は、中空の円筒(円柱)形状に形成される。内管81の外径は、外管82の内径およびノズル44の外径よりも小さく構成されている。
内管81の外側には、外管82が設けられる。外管82は一端(上流側、予備加熱装置70側の端部)が閉塞し、他端(下流側、ポート60側の端部)が開口した形状であり、外管82の一端の閉塞部分である接続壁83は内管81の外面と溶接されている。言い換えれば、内管81は、外管82を貫通するように構成され、外管82と内管81とは一体に形成される。また、内管81の全長は外管80の全長よりも長く形成されている。接続部80は、外管82と内管81との二重管構造を有する。
外管82の両端の中間部分の内径は、ノズル44の内径と同じ径に形成される。外管82の他端は後述するナット85と干渉する段差部84が設けられている。また、外管82の他端の外周および内周の径は一端の外周および内周の径よりも大きく形成されている。言い換えれば、外管82の他端の内周の径はノズル44の外周の径以上に形成されている。内管81の下流側(ポート60側)の端部である開放端89は、外管82の他端よりもさらに下流側へ延伸するよう形成される。言い換えれば、内管81はポート60内、すなわち、ノズル44内まで延伸するよう形成される。
固定部材としてのナット85は、図5に示すように、外管82の外径より若干大きな径を有する開口部87を有しており、外管82の周りで回転可能に取り付けられている。
次に、ポート60と接続部80との接続について図2を用いて説明する。
ポート60に接続部80を接続する際、ポート60のねじ山61の内側に設けられた間隙62に、密閉部材としての0リング63と共に接続部80の段差部64の一部分を嵌め込む。続いて、ナット85をポート60側に押しながら回転させることによって、ポート側のねじ山61とナット85側のねじ山86が嵌合する。そして、ナット85の段差受部88によって段差部84が押されることにより、Oリング63が圧潰され、ポート60と接続部80とを気密に接続することが出来る。ポート60と接続部80とが接続された状態において、内管81の開放端89はOリング63よりも下流側、すなわち、ノズル44内(ポート60内)に位置することとなる。
従来の構成においては内管81を備えないため、加熱されたガスが高温のままOリング設置部分周辺に直接接触してしまう。これにより、Oリング設置部分が、Oリングの耐熱温度より高い高温に加熱され、Oリングが劣化してしまうことがあった。そのため、Oリングの耐熱温度より高い温度、例えば、一般的なOリングの耐熱温度である100〜350℃より高い温度にガスを加熱することが困難であった。本実施形態によれば、図7に示すように、内管81内を高温のガスが流れても、Oリング周辺は内管81内の温度に比較して約半分以下の温度に維持されていることが分かる。すなわち、Oリングの設置位置を二重管構造とし、高温のガスの直接接触を抑制することにより、Oリングが耐熱温度より高い温度に加熱されることを防ぐことができる。なお、内管81の長さは、少なくともOリングが設置されている位置よりもポート側(下流側)へ延伸するような長さに構成することが好ましい。少なくともOリングが設置される位置を二重管構造とすることにより、高温のガスによるOリングの加熱を抑制できる。また、内管81は、開口部19まで延伸されていても良い。内管81を開口部19まで延伸することにより、高温のガスが反応管10内に供給される前に冷却されてしまうことを抑制できる。
接続部80は、高温のガスに対して耐熱性があり、金属汚染が発生しにくい金属材料で形成される。例えば、接続部80はアルミニウムが添加された金属で形成される。このような材料を用いることにより、接続部80の内壁面、すなわち、ガスが流れるガス流路にアルミナ皮膜が形成される。このアルミナ皮膜が保護膜の役割を果たすことによって、接続部80が含有する金属を起因とした金属汚染を抑制することができる。アルミナ皮膜は、例えば、上述のような金属材料を焼成することにより形成することができる。また、アルミナ皮膜は、少なくとも高温のガスが流れ、金属材料で形成されるガス流路の壁面に形成されることが好ましい。例えば、予備加熱装置70内のガス流路も高温のガスが流れることから、予備加熱装置70を接続部80と同一の材料で形成しても良い。また例えば、予備加熱装置70と接続部80を一体に形成しても良い。このような構成により、予備加熱装置70と接続部80との材質の違いにより、加熱されたガスが冷却されてしまうこと(放熱)を抑制できるとともに、金属汚染もさらに低減させることができる。
以上の様な構成によって、処理装置2内に予備加熱装置70によって高温に加熱された処理ガスを供給することが可能となり、所望のガスの分解制御を行うことができ、膜の均一性を向上させることができる。加熱されたガスは内管部分を流れるため、外管のOリング周辺に高温のガスが直接接触することがない。また、内管81を出た後に、Oリング周辺に回り込んでくる処理ガスは、Oリングの耐熱温度以下となっている。これにより、Oリングの耐熱温度より高い温度にガスを加熱しても、Oリングの劣化を抑制することができ、Oリングの破損や劣化を防ぐことができる。
なお、図6に示すように、ポート60のねじ山63及び間隙62の近傍に環状の冷却流路64を設け、内部に冷却水を流すことにより、Oリング63周辺を冷却することができるため、Oリング63の破損のおそれを更に低下させることが可能となる。このような構成により、処理ガスをより高温に加熱することができる。環状の冷却流路64は、ポート60に埋め込むような構成に限らず、接続部80の外周に水冷管を巻きつけるような構成としても良い。
次に、上述の処理装置2を用いて、基板上に膜を形成する処理(成膜処理)について説明する。ここでは、ウエハWに対して、原料ガスとしてDCS(SiH2 Cl2 :ジクロロシラン)ガスと、反応ガスとしてO2 (酸素)ガスとを供給することで、ウエハW上にシリコン酸化(SiO)膜を形成する例について説明する。なお、以下の説明において、処理装置2を構成する各部の動作はコントローラ100により制御される。
(ウエハチャージおよびボートロード)
複数枚のウエハWがボート26に装填(ウエハチャージ)されると、ボート26は、ボートエレベータ32によって処理室14内に搬入(ボートロード)され、反応管10の下部開口は蓋部22によって気密に閉塞(シール)された状態となる。
(圧力調整および温度調整)
処理室14内が所定の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ52によって真空排気(減圧排気)される。処理室14内の圧力は、圧力センサ48で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ50が、フィードバック制御される。また、処理室14内のウエハWが所定の温度となるように、ヒータ12によって加熱される。この際、処理室14が所定の温度分布となるように、温度検出部16が検出した温度情報に基づきヒータ12への通電具合がフィードバック制御される。また、回転機構30によるボート26およびウエハWの回転を開始する。
(成膜処理)
[原料ガス供給工程]
処理室14内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、処理室14内のウエハWに対してDCSガスを供給する。DCSガスは、MFC38aにて所望の流量となるように制御され、ガス供給管36aおよびノズル44aを介して処理室14内に供給される。
[原料ガス排気工程]
次に、DCSガスの供給を停止し、真空ポンプ52により処理室14内を真空排気する。この時、不活性ガス供給部から不活性ガスとしてNガスを処理室14内に供給しても良い(不活性ガスパージ)。
[反応ガス供給工程]
次に、処理室14内のウエハWに対してO2ガスを供給する。処理室14内にO2ガスを供給する前に、予備加熱装置70をONとしておく。予備加熱装置70は、成膜処理の前後においては、OFFとするか、成膜温度よりも低い温度とする。O2ガスは、予備加熱装置70で高温に、例えば、800℃に加熱される。O2ガスは、MFC38bにて所望の流量となるように制御され、ガス供給管36b、予備加熱装置70、接続部80およびノズル44bを介して処理室14内に供給される。このような構成により、処理室14内に導入される前に、O2ガスを予め高い温度に加熱することができる。
[反応ガス排気工程]
次に、O2ガスの供給を停止し、真空ポンプ52により処理室14内を真空排気する。この時、不活性ガス供給部からNガスを処理室14内に供給しても良い(不活性ガスパージ)。
上述した4つの工程を行うサイクルを所定回数(1回以上)行うことにより、ウエハW上に、所定組成および所定膜厚のSiO膜を形成することができる。
(ボートアンロードおよびウエハディスチャージ)
所定膜厚の膜を形成した後、不活性ガス供給部からNガスが供給され、処理室14内がNガスに置換されると共に、処理室14の圧力が常圧に復帰される。その後、ボートエレベータ32により蓋部22が降下されて、ボート26が反応管10から搬出(ボートアンロード)される。その後、処理済ウエハWはボート26より取出される(ウエハディスチャージ)。
ウエハWにSiO膜を形成する際の処理条件としては、例えば、下記が例示される。
処理温度(ウエハ温度):300℃〜1000℃、
処理圧力(処理室内圧力)1Pa〜4000Pa、
DCSガス:100sccm〜10000sccm、
2ガス:100sccm〜10000sccm、
2ガス:100sccm〜10000sccm、
それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内の値に設定することで、成膜処理を適正に進行させることが可能となる。
<本実施形態にかかる効果>
本実施形態によれば、以下に示す1つ又は複数の効果が得られる。
(1)処理ガスをOリングの耐熱温度より高い温度の高温に加熱することができるため、処理ガスの分解を促進させたり、反応性を向上させたりすることが可能となる。これにより、成膜の品質を向上させることができ、デバイスの歩留まりを向上させることが可能となる。
(2)Oリング設置部分を、内管と外管との二重管構造とすることにより、内管内を流れる処理ガスの熱がOリング周辺に伝播することを抑制することができる。これにより、Oリングを耐熱温度以下に維持することができるため、Oリングの劣化を抑制することができ、装置稼働率を向上させることができる。
(3)内管をガスノズル内まで延出させることにより、接続部内での処理ガスの冷却(放熱)を抑制することができるため、高温を保ったまま処理ガスを処理室内に供給させることができ、膜の面間均一性および面内均一性を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
例えば、ガス供給管に接続部を含めてもよい。言い換えれば、ガス供給管の端部(ガス導入ポートとの接続側)を接続部と同様の構成にしても良い。また、ガス供給管の端部に接続部を溶接して固着しても良い。このような構成とすることにより、接続部を介することがないため、構成を簡略化することができる。
また例えば、予備加熱装置内に処理ガスを通して処理ガスを加熱する例を挙げたが、ガス供給管に外部ヒータ、例えばテープヒータを設置してガス供給管内を通過する処理ガスを加熱するようにしても良い。また、反応ガスを加熱する場合を例に挙げたが、原料ガスを加熱する場合についても本発明を適用できる。
また例えば、密閉部材として0リング63を用いる例を挙げたが、Oリングの代わりに金属製のガスケットを用いても良い。また例えば、接続部80の端部をフランジ形状とし、ねじで固定する構成としても良い。これらの場合においても、上述の実施形態と同様に、接続部分の温度をそれぞれの密閉部材の耐熱温度以下の温度に維持することができる。
上述の実施形態では、ウエハW上に膜を堆積させる例について説明したが、本発明は、このような態様に限定されない。例えば、ウエハWやウエハW上に形成された膜等に対して、酸化処理、拡散処理、アニール処理、エッチング処理等の処理において、処理ガスを加熱して使用する場合にも、好適に適用可能である。また、上述の実施形態では、縦型装置を用いる例について説明したが、枚葉装置にも好適に適用可能である。
なお、上述した各実施形態以外にも、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々様々に変形して実施可能なことは勿論である。
この出願は、2016年2月8日に出願された日本出願特願2016−021845を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。
2 処理装置
10 反応管
36 ガス供給管
60 ポート
63 Oリング
64 冷却路
70 予備加熱装置
80 接続部
81 内管
82 外管
85 ナット
89 解放端

Claims (12)

  1. 基板を処理する反応管内にガスを導入するよう構成されたガス導入部と、
    前記ガスを前記反応管外で加熱する加熱部と、
    前記ガス導入部と前記加熱部との間に設置される接続部と、を有し、
    前記接続部は、
    前記ガス導入部と密閉部材を介して接続される外管と、
    前記外管よりも小さい径に形成され、一端が前記加熱部と接続し、他端が少なくとも前記密閉部材が設置される位置まで延伸する内管と、で構成される基板処理装置。
  2. 前記内管の全長は、前記外管の全長よりも長く形成される請求項1に記載の基板処理装置。
  3. 前記内管の他端は前記ガス導入部内まで延伸するよう構成される請求項2に記載の基板処理装置。
  4. 前記内管と前記外管とは一体に形成される請求項3に記載の基板処理装置。
  5. 前記加熱部は、前記密閉部材の耐熱温度よりも高い温度に前記ガスを加熱する請求項1に記載の基板処理装置。
  6. 前記接続部は前記加熱部と一体に形成される請求項5に記載の基板処理装置。
  7. 前記接続部と前記加熱部とは同じ金属材料で形成される請求項6に記載の基板処理装置。
  8. 前記ガスは、前記加熱部内および前記内管内に形成された流路を流れ、前記流路の壁面は、アルミナ皮膜が形成される請求項1に記載の基板処理装置。
  9. 前記金属材料はAlを含む金属材料であり、前記金属材料を焼成することにより、前記加熱部内および前記内管内に形成されるガス流路の壁面にアルミナ皮膜を形成する請求項7に記載の基板処理装置。
  10. 前記密閉部材を冷却する環状の冷却部材を備える請求項5に記載の基板処理装置。
  11. 基板を処理する反応管内にガスを導入するよう構成されたガス導入部と前記ガスを前記反応管外で加熱する加熱部との間に設置される継手部であって、
    前記ガス導入部と密閉部材を介して接続される外管と、
    前記外管よりも小さい径に形成され、一端が前記加熱部と接続し、他端が少なくとも前記密閉部材が設置される位置まで延伸する内管と、で構成される前記継手部。
  12. 反応管内に基板を搬入する工程と、
    前記反応管外に設置された加熱部によって加熱されたガスを、ガス導入部を介して前記反応管内に供給し、前記基板を処理する工程と、を有し、
    前記加熱部と前記ガス導入部とは、前記ガス導入部と密閉部材を介して接続される外管と、前記外管よりも小さい径に形成され、一端が前記加熱部と接続し、他端が少なくとも前記密閉部材が設置される位置まで延伸する内管とで構成される接続部を介して接続され、前記ガスは、前記密閉部材の耐熱温度よりも高い温度に加熱される半導体装置の製造方法。


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