(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に被処理体を搬入すると共に、この反応容器内を所定の処理温度に加熱し、ガス導入路により反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に対して処理を行う熱処理装置において、
前記ガス導入路に設けられ、処理ガスを反応容器に供給する前に当該処理ガスを所定温度に加熱するための加熱部を備え、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は、内管とこの外側に間隔をおいて設けられた外管とからなる二重管よりなり、前記二重管の外管を屈曲してフランジとし、このフランジと前記反応容器とがシール部材を介して接合され、
ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給して処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記ガス導入路の内管を介して前記反応容器に供給することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
反応容器を所定の真空度に減圧するための真空排気手段と、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路の内管に形成されたオリフィスと、を備え、
オリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で、ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給し、これにより処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記反応容器に供給することを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
反応容器内に被処理体を搬入すると共に、この反応容器内を所定の処理温度に加熱し、ガス導入路により反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に対して処理を行う熱処理装置において、
前記ガス導入路に設けられ、処理ガスを反応容器に供給する前に当該処理ガスを所定温度に加熱するための加熱部と、
反応容器を所定の真空度に減圧するための真空排気手段と、を備え、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は、内管とこの外側に間隔をおいて設けられた外管とからなる二重管よりなり、この内管にはオリフィスが形成され、
オリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で、ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給して処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記ガス導入路の内管を介して前記反応容器に供給することを特徴とする熱処理装置。
【請求項４】
加熱部は、処理ガスを加熱するための加熱室と、この加熱室を囲むように設けられた加熱室を加熱するためのヒータ部と、を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項５】
熱処理装置は、多数の被処理体を棚状に保持具に保持して縦型の反応容器内に搬入し、反応容器を取り囲む加熱手段により反応容器内を所定の処理温度に加熱する縦型熱処理装置であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項６】
加熱室の内部に通気抵抗体を設け、この通気抵抗体と処理ガスとを接触させて、当該処理ガスを所定温度に予備加熱することを特徴とする請求項４記載の熱処理装置。
【請求項７】
加熱室では処理ガスを分解しない程度に活性化する温度に予備加熱することを特徴とする請求項４または６記載の熱処理装置。
【請求項８】
ヒータ部は、金属不純物の少ない抵抗発熱体をセラミックスの中に封入して構成されることを特徴とする請求項４、６または７記載の熱処理装置。
【請求項９】
抵抗発熱体は高純度の炭素素材からなることを特徴とする請求項８記載の熱処理装置。
【請求項１０】
セラミックスは石英であることを特徴とする請求項８または９記載の熱処理装置。
【請求項１１】
所定の真空度に減圧された反応容器内において、被処理体を加熱しながら、反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に処理を行う熱処理方法において、
前記反応容器の外部に設けられた加熱部に前記処理ガスを供給して、この処理ガスを予備加熱する工程と、
この予備加熱された処理ガスを、その外管を屈曲して形成されたフランジがシール部材を介して前記反応容器に接合された二重管の内管を介して、前記反応容器に導入する工程と、を備え、
前記処理ガスを予備加熱する工程は、前記二重管の内管に設けられると共に前記内管の内径よりもその内径が小さいオリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で行うことを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウエハなどの被処理体に対して成膜処理を行う熱処理装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスである成膜プロセスの一つにＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と呼ばれる処理がある。この手法は反応管内に処理ガスを導入して化学的気相反応により半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）の表面に成膜するものである。このような成膜プロセスをバッチで行う装置の一つとして縦型熱処理装置がある。この装置は、例えば図５に示すように、筒状のマニホ−ルド１１の上に設けられた縦型の反応管１２と、この反応管１２を囲むように設けられたヒ−タ１３と、マニホ−ルド１１を通じて突入されたガス導入管１４と、マニホ−ルドに接続された排気管１５とを備えて構成されている。
【０００３】
このような装置ではウエハボ−トと呼ばれる保持具１６に多数枚のウエハＷを棚状に保持させてマニホ−ルド１１の下端の開口部から反応管１２内に搬入させ、ガス供給源１７からガス導入管１４を介して処理ガスを反応管１２内に導入し、成膜処理を行っていた。この際処理ガスは反応管１２内にてヒータ１３により加熱されることにより分解され、さらに反応温度以上に加熱されることにより所定の反応が行われて、この反応物がウエハＷ上に堆積して所定の膜が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述の装置にてウエハＷの成膜を行うと、図６に示すように、ウエハの中央部の膜厚が周縁部よりも大きくなる傾向がある。この理由については次のように考えられる。つまり上述のいわゆるバッチ炉と呼ばれる縦型熱処理装置では、処理ガスはガス導入管１４により反応管１２内に導入され、ウエハボ−ト１６に保持されているウエハＷには処理ガスがウエハＷの周縁側から供給され、ウエハ上を周縁部から中央部に向かって流れることになるので、処理ガスの濃度はウエハの中央部の方が周縁部よりも高くなってしまう。
【０００５】
またウエハを処理温度まで昇温させる過程では、ウエハＷの周縁部における放熱量が中央部よりも大きくなるので、ウエハ中央部の温度が周縁部よりも高くなる。このようにウエハＷの周縁部と中央部との間に生じた温度差及び処理ガスの濃度差により、温度及び処理ガスの濃度の高いウエハＷの中央部の方が周縁部に対して成膜反応が促進され、これによりウエハＷの中央部の膜厚が周縁部よりも大きくなってしまうと推察される。
【０００６】
一方半導体製造プロセスでは、デバイスの前工程で生成された膜に悪影響を与えないようにするため、また省エネルギー化を図るために、低温プロセスが望まれている。しかしながら上述のウエハ中央部での膜厚が大きくなるという現象は、プロセス温度が低くなるとより顕著になる傾向にあることから、現状の装置では低温プロセスの実現は困難である。
【０００７】
そこで本発明者は、処理ガスを反応管１２に導入する前に、反応管１２の外部に設けられた加熱器（図示せず）により所定温度まで予備加熱することにより活性化し、十分に加熱された処理ガスを反応管１２に導入することにより、反応管１２内のプロセス温度を低下させる技術を検討している。前記加熱器は、例えば処理ガスを導入して加熱する加熱室と、加熱室の外部に設けられ、加熱室を加熱するヒータと、を備えている。この技術では、処理ガスは予め加熱器で例えば分解温度に近い温度まで予備加熱されているので、十分に活性化された処理ガスが成膜領域に導入され、ウエハ周縁部に達したときに十分反応が起こる状態になっている。このため中央部での反応状態と周縁部での反応状態とが揃うので、反応管１２内のプロセス温度が低くても膜厚均一性の高い処理を行うことができる。
【０００８】
しかしながら反応管１２内を減圧してプロセスを行う減圧ＣＶＤ処理では、加熱器の内部も減圧されてしまうが、加熱器では内部の圧力が例えば２００Ｔｏｒｒ程度に減圧されると、対流が起こりにくくなる。また加熱器内の圧力が低いと、処理ガスの分圧も小さくなるので、加熱器内における処理ガスの対流による熱伝導が起こりにくい。このため加熱器の内部まで熱が伝達されずに、処理ガスへの伝熱効率が悪く、処理ガスを十分活性化する温度まで加熱することは困難である。
【０００９】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、被処理体に対して例えば成膜処理を行うにあたって、加熱部にて予備加熱された処理ガスを反応容器に供給することにより、形成された膜の膜厚について高い均一性が得られ、プロセス温度の低温下に寄与することができる熱処理装置及びその方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、反応容器内に被処理体を搬入すると共に、この反応容器内を所定の処理温度に加熱し、ガス導入路により反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に対して処理を行う熱処理装置において、
前記ガス導入路に設けられ、処理ガスを反応容器に供給する前に当該処理ガスを所定温度に加熱するための加熱部を備え、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は、内管とこの外側に間隔をおいて設けられた外管とからなる二重管よりなり、前記二重管の外管を屈曲してフランジとし、このフランジと前記反応容器とがシール部材を介して接合され、
ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給して処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記ガス導入路の内管を介して前記反応容器に供給することを特徴とする。ここで前記加熱部としては、処理ガスを加熱するための加熱室と、この加熱室を囲むように設けられた加熱室を加熱するためのヒータ部と、を備えたものが用いられる。
【００１１】
このような熱処理装置では、前記反応容器の外部に設けられた加熱部に前記処理ガスを供給して、この処理ガスを予備加熱する工程と、
この予備加熱された処理ガスを、その外管を屈曲して形成されたフランジがシール部材を介して前記反応容器に接合された二重管の内管を介して、前記反応容器に導入する工程と、を備え、
前記処理ガスを予備加熱する工程は、前記二重管の内管に設けられると共に前記内管の内径よりもその内径が小さいオリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で行うことを特徴とする熱処理方法が実施される。
【００１２】
このようにすると、反応容器において減圧プロセスを実施した場合であっても、オリフィスの圧力損失により前記加熱部の減圧の程度が前記反応容器よりも小さくなる。このためこの加熱部では十分に対流が起こり、また処理ガスの分圧も大きくなるので当該加熱部は十分に内部まで加熱され、処理ガスの加熱効率が向上する。このように加熱部にて処理ガスを所定温度例えば分解しない程度に活性化する温度に予備加熱できるので、反応容器におけるプロセス温度を低下させることができ、このような低温プロセスにおいても成膜された膜の膜厚について高い均一性を確保できる。
【００１４】
このような熱処理装置では、前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は二重管よりなり、予備加熱された処理ガスは内管を介して反応容器に供給されるので、当該二重管の内部を通気中の処理ガスの放熱が抑えられ、高い温度を維持した状態で処理ガスを反応容器に導入することができる。
【００１５】
またこの際、前記ガス導入路の二重管の外管を屈曲してフランジとし、このフランジと前記反応容器とをシール部材を介して接合する構成とすれば、外管の温度は内管よりも低いので、例えば樹脂製のシール部材を熱により劣化させることなく、ガス導入路と反応容器とを接合させることができる。
【００１６】
さらに他の発明は、反応容器内に被処理体を搬入すると共に、この反応容器内を所定の処理温度に加熱し、ガス導入路により反応容器内に処理ガスを供給して、被処理体に対して処理を行う熱処理装置において、
前記ガス導入路に設けられ、処理ガスを反応容器に供給する前に当該処理ガスを所定温度に加熱するための加熱部と、
反応容器を所定の真空度に減圧するための真空排気手段と、を備え、
前記加熱部と反応容器との間の前記ガス導入路は、内管とこの外側に間隔をおいて設けられた外管とからなる二重管よりなり、この内管にはオリフィスが形成され、
オリフィスの圧力損失により、前記加熱部の圧力を前記反応容器の圧力よりも高くした状態で、ガス導入路より加熱部内に処理ガスを供給して処理ガスを所定温度に予備加熱し、この予備加熱された処理ガスを前記ガス導入路の内管を介して前記反応容器に供給することを特徴とする。
【００１７】
ここで加熱室の内部に通気抵抗体を設け、この通気抵抗体と処理ガスとを接触させて、当該処理ガスを所定温度に予備加熱することが望ましく、この場合にはさらに処理ガスの加熱効率が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
先ず図１により本発明方法を実施する縦型熱処理装置の一例について説明する。図１中２は、例えば石英で作られた内管２ａ及び外管２ｂよりなる二重管構造の反応管であり、反応管２の下部側には金属製の筒状のマニホ−ルド２１が設けられている。
【００１９】
前記内管２ａは上端が開口されており、マニホ−ルド２１の内方側にて支持されている。外管２ｂは上端が塞がれており、下端がマニホ−ルド２１の上端に気密に接合されている。この例では、内管２ａ，外管２ｂ及びマニホ−ルド２１により反応容器が構成されている。２２はベ−スプレ−トである。
【００２０】
前記反応管２内には、例えば図２に示すように、多数枚例えば６０枚程度の被処理体をなすウエハＷが各々水平な状態で上下に間隔をおいて保持具であるウエハボ−ト２３に棚状に載置されており、このウエハボ−ト２３は蓋体２４の上に保温筒（断熱体）２５を介して保持されている。前記蓋体２４は、ウエハボ−ト２３を反応管２内に搬入、搬出するためのボ−トエレベ−タ２６の上に搭載されており、上限位置にあるときにはマニホ−ルド２１の下端開口部、即ち反応管２とマニホ−ルド２１で構成される反応容器の下端開口部を閉塞する役割を持つものである。なお図２中２７はウエハボ−ト２１に対してウエハＷの移載を行うための移載ア−ムである。
【００２１】
前記反応管２の側周囲にはこれを取り囲むように加熱手段をなすヒ−タ２８が設けられている。このヒ−タ２８は例えば発熱抵抗体により構成されており、後述する制御部により、予め入力されている成膜処理の温度プロファイルに基づいて温度制御が行われるようになっている。
【００２２】
前記マニホ−ルド２１には、第１の処理ガスであるＮ２Ｏ（一酸化二窒素）ガスを反応管２内に供給するためのガス導入路をなす第１のガス導入管３と、第２の処理ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロロシラン）ガスを反応管２内に供給するための第２のガス導入管４が周方向に複数本配列して設けられており、これらガス供給管３，４を介して夫々のガスが装置外部の第１及び第２のガス供給源３１，４１から反応管２内に導入されるようになっている。
【００２３】
またこれら第１及び第２のガス導入管３１，４１には夫々ガス流量を制御するためのガス流量制御部３２，４２が介装されている。このガス流量制御部３３，４３はガス流量調整器やバルブを含む部分を示しており、前記制御部からの制御信号により、予め入力されている成膜処理時における処理ガス導入のプログラムに基づいて開閉のタイミングが制御され、これにより処理ガスの導入のタイミングが制御されるようになっている。また前記マニホ−ルド２１には、内管２ａ及び外管２ｂの間に開口するように排気管４３が接続されており、図示しない真空排気手段により反応管２内が所定の減圧雰囲気に維持できるようになっている。
【００２４】
続いて第１の処理ガスであるＮ２Ｏガスの供給系について説明する。前記第１のガス導入管３のガス流量制御部３１の下流側には、Ｎ２Ｏガスを所定の温度に予備加熱するための加熱部をなす加熱器５と、オリフィス６とが、加熱器５を上流側にしてこの順序で介装されている。
【００２５】
前記加熱器５は、例えば図３に示すように、縦型熱処理装置の外部において第１のガス導入管３の途中に設けられており、第１のガス導入管３を遮断するように設けられた例えば透明石英からなる加熱室５１を備えている。この加熱室５１は、例えばガス導入管３の内径よりも内径が大きい円筒形状の加熱管により構成され、ガスの通気方向に長さ方向が揃うように配置されていて、内部には通気抵抗体５２例えば多数の透明石英カレットが多数充填されている。
【００２６】
この加熱室５１の一例について述べると、第１のガス導入管３の内径が例えば２０ｍｍである場合、加熱室５１は、内径が例えば６０ｍｍ〜８０ｍｍ、通気方向の長さが例えば１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度であり、加熱室５１に充填される石英カレットの大きさは例えばφ１〜φ１０程度である。
加熱室５１の例えば通気方向の外周囲にはヒータ部をなすヒータエレメント５３が螺旋状に巻回されている。このヒータエレメント５３は、例えば金属不純物の少ない金属例えば１０ミクロン前後の細い高純度のカーボンからなるファイバの束を複数束編み上げて紐状体を形成し、この紐状体をセラミックス体よりなる封止部材例えば外径が十数ミリの石英（例えば透明石英）管の中に封入して螺旋状に形成したものであり、通電されて発熱する。図中５４は、ヒータエレメントへの電力供給部、５５は封止端子である。
【００２７】
このような加熱室５１とヒータエレメント５３は筒状の断熱体よりなる加熱部本体５０により覆されており、加熱部本体５０には例えばヒータエレメント５３に沿って通気方向には、冷媒例えば冷却水を通流させるための冷却ジャケット５６が形成されている。冷却ジャケット５６には冷却水供給部５７により冷却水が供給されるようになっており、例えば加熱部本体５０の内部の、冷却ジャケット５６とヒータエレメント５３との間には温度検出部５８例えば熱電対が設けられている。こうして熱電対により検出された当該内部の温度に基づいて、制御部Ｃにより電力供給部５４及び冷却水供給部５７に制御信号を出力し、ヒータエレメント５３への電力供給量及び冷却ジャケット５６への冷却水供給量が制御されて、ヒータエレメント５３の加熱と冷却ジャケット５６の冷却との相互作用により加熱室５１が所定の温度に調整されるようになっている。
【００２８】
このようにこの加熱器５では、加熱室５１は熱交換部をなすものであり、所定の温度に調整された加熱室５１内に処理ガスを導入して、当該処理ガスと通気抵抗体５２とを接触させることにより、処理ガスが所定温度に予備加熱されるようになっている。
【００２９】
前記第１のガス導入管３は、加熱室５１の下流側の部分は、内管３ａとこれの外側に間隔をおいて設けられた外管３ｂとの二重管として構成されており、外管３ｂの他端側は屈曲されてフランジ部３３として形成され、例えばマニホールド２１の側壁に樹脂製のシール部材３４例えばＯリングを介して接続されている。一方内管３ａは既述のように第１のガス導入管３としてマニホールドの内部に突入して設けられている。こうして加熱室５１により予備加熱された処理ガスは内管３ａ内を通気して、オリフィス６を介して反応管２に導入される。
【００３０】
前記オリフィス６は、図３に示すように、管径が急激に狭くなっている部分をいい、この例では例えば外管３ｂの内径は変わらず、内管３ａの内径のみが狭くなっていて、オリフィス６の内径は、内管３ａの内径の例えば１／５０〜１／２程度に設定され、内管３ａのオリフィス６の上流側及び下流側には、内管３ａとオリフィス６との間を接続する傾斜路６１，６２が設けられていて、上流側傾斜路６１ではオリフィス６までに徐々に内径が狭まり、下流側傾斜路６２では徐々に内径が広がるように構成されている。
【００３１】
このオリフィス６の一例について述べると、加熱室４１の下流側の二重管の外管３ｂの内径が例えばφ１０〜φ１８、内管３ａの内径が例えばφ２〜φ６である場合、オリフィス６は、内径が例えばφ０．１〜φ２、長さが例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であり、上流側傾斜路６１及び下流側傾斜路６２の長さは夫々例えば共に０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
【００３２】
次に上述の装置にて行われる本方法について、ＨＴＯ膜（Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｘｉｄｅ）と呼ばれる酸化膜を形成する場合を例にして説明する。ここでＨＴＯ膜は例えばフラッシュメモリのフローティングゲートとコントロールゲートとの間に介在するＯ−Ｎ−Ｏ膜と呼ばれる、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）からなる３層構造に用いられるシリコン酸化膜として適用されている。
【００３３】
具体的には先ず多数枚の被処理体であるウエハＷをウエハボ−ト２３に棚状に保持して、ボ−トエレベ−タ２６を上昇させることにより反応管２内に下端開口部より搬入し、ヒータ２８により処理雰囲気を所定の温度例えば７２０℃に加熱すると共に、蓋体２４によりマニホ−ルド２１の下端開口部つまり反応容器のウエハ搬入出口を気密に封止する。次いで加熱雰囲気下で図示しない真空排気手段により排気管４３を通じて反応容器内を所定の真空度例えば０．１Ｔｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ程度まで減圧する。
【００３４】
一方、加熱器５ではヒータエレメント５３による加熱と冷却水の通流による冷却との組み合わせにより加熱室５１を加熱し、通気抵抗体５２を所定温度例えば５００℃〜９００℃に加熱して、ここに第１の処理ガスであるＮ２Ｏガスをガス供給源３１からガス導入管３を通じて所定の流量例えば１００ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍで供給する。この際反応管２内の圧力は既述のように０．１Ｔｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ程度に減圧されているが、加熱器５と反応管２の間にはオリフィス６が形成されているので、このオリフィス６での圧力損失により加熱室５１内の圧力は例えば２００Ｔｏｒｒ〜７００Ｔｏｒｒ程度になる。
【００３５】
こうして所定温度に加熱された加熱室５１内にＮ２Ｏガスを通気させ、Ｎ２Ｏガスを通気抵抗体５２と接触させることにより、このＮ２Ｏガスを分解させない程度に活性化させる温度、つまり分解温度に近い温度例えば５００℃〜８５０℃に予備加熱し、このように予備加熱したＮ２Ｏガスをガス導入管３ａを通じて反応管２内に導入する。
【００３６】
こうして反応管２内に、第１の処理ガスであるＮ２Ｏガス及び第２の処理ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２  ガスとを夫々ガス供給源３１，４１からガス導入管３，４を通じて反応管２内（詳しくは反応管２及びマニホールド２１からなる反応容器内）に所定の流量で供給し、これにより反応管２内の圧力を例えば０．１Ｔｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒとした状態でウエハＷの表面にシリコン酸化膜を形成する。
【００３７】
この際これら処理ガスを供給することによって、次式の反応に従い、ウエハＷ上にシリコン酸化膜が成膜される。
【００３８】
３Ｎ２Ｏ＋ＳｉＨ２Ｃｌ２  →  ＳｉＯ２＋Ｈ２Ｏ＋３Ｎ２＋Ｃｌ２
ここで処理ガスは反応管２の内管２ａ内に拡散してウエハボ−ト２３に搭載されているウエハＷの表面に供給されながら上昇し、内管２ａの上端部に達した後、内管２ａと外管２ｂの間の隙間を流下し、排気管４３から排気されていき、こうしてウエハボ−ト２３に搭載されているウエハＷに対して満遍なく処理ガスが供給されて、ウエハＷにシリコン酸化膜が形成される。
【００３９】
こうして所定のシリコン酸化膜の成膜が終了した後、前記処理ガスの導入を停止して、ウエハＷの表面温度を所定温度まで降温すると共に、成膜時に処理ガスを導入していたガス導入管３，４の内の例えば２本からパ−ジガス例えばＮ２  ガスを導入し、反応管２内を常圧に戻す。そしてボ−トエレベ−タ２６を降下させて反応管２の下端の搬入出口を開き、ウエハボ−ト２３を反応管２から搬出する。
【００４０】
このような実施の形態によれば、予め加熱器５で予備加熱した処理ガスを反応管２に供給しているので、反応管２のプロセス温度を低下させた、いわゆる低温プロセスを行う場合であっても面内均一性の高い成膜処理を行うことができる。つまり「発明が解決しようとする課題」の項で既述したように、ウエハＷの温度はウエハＷの中央部の方が周縁部よりも高く、しかも処理ガスはウエハＷの周縁部から中央部に向かって流れるので、プロセス温度を従来の７５０℃〜８３０℃程度から７２０℃程度まで低下させると、ウエハ周縁部には、あまり分解反応が進行していない、分解の程度が小さい処理ガスが供給されることになる。一方ウエハ中央部に対しては、周縁部よりも温度やガスの濃度が高いため、周縁部よりも分解反応が進行した分解の程度が大きい処理ガスが供給される。このため成膜反応はウエハＷの周縁部よりも中央部で進行しやすく、これにより形成される膜の膜厚は中央部の方が大きくなってしまう。
【００４１】
これに対し、本発明のように、予め加熱器５で分解反応が進行しない程度に活性化する温度例えば分解温度に近い温度まで予備加熱された処理ガスを反応管２に導入すると、反応管２内のプロセス温度が７２０℃程度と低くても、反応管２に導入された処理ガスは既に分解温度に近い温度まで予備加熱されているので、反応管２内を通ってウエハ周縁部に到達するまでに分解温度以上に加熱され、ウエハ周縁部には分解反応が十分に進行した処理ガスが供給されることになる。
【００４２】
このようにウエハＷの周縁部と中央部に対して、分解の程度がほぼ同じ状態の処理ガスが供給されることになるので、ウエハＷの面内全体に亘ってほぼ同じ状態で成膜反応が進行し、これにより形成される膜の膜厚の高い面内均一性を確保することができる。
【００４３】
この際予め処理ガスを予備加熱する加熱器５では、加熱室５１に通気抵抗体５２を設け、処理ガスを通気抵抗体５２に接触させて加熱しているので、効率良く処理ガスの温度を上昇させることができる。つまり加熱室５１内に通気抵抗体５２を充填することにより、処理ガスは通気抵抗体５２と接触しながら加熱室５１内を通気していくので、処理ガスの滞留時間が長くなり、またヒータエレメント５３により加熱された処理ガス自体の対流による加熱と、通気抵抗体５２からの伝熱による加熱との組み合わせにより加熱されるからである。
【００４４】
また通気抵抗体５２としてφ１〜φ１０程度の大きさの石英カレットを加熱室５１内に充填した場合には、石英カレット５２全体の表面積が大きいので、大きい伝熱表面積を確保でき、より効率よく処理ガスを昇温させることができる。
【００４５】
またこの際加熱器５と反応管２との間の処理ガス導入管３にオリフィス６を形成しているので、反応容器内で減圧プロセスを行う場合であっても処理ガスを十分所定温度まで加熱することができる。つまりオリフィス６では圧力損失が生じるので、上流側の圧力は下流側の圧力より大きくなる。このため反応容器２を例えば０．１Ｔｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ程度に減圧しても、オリフィス６の上流側の加熱室５１内の圧力は例えば２００Ｔｏｒｒ〜７００Ｔｏｒｒ程度になる。これに対しオリフィス６を設けない場合には、反応容器２を例えば０．１Ｔｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ程度に減圧すると、加熱室５１内の圧力は例えば０．２Ｔｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ程度の減圧状態になる。
【００４６】
このようにオリフィス６を設けることによって加熱室５１内の減圧の程度が小さくなるので、加熱室５１内の対流が起こりにくくなるとってもその程度は小さく、また加熱室５１内の処理ガスの分圧も大きくなるので、オリフィス６を設けない場合に比べて、加熱器５内における処理ガスの対流による熱伝導が起こりやすい。このため加熱器５の内部まで十分に熱が伝達されるので、処理ガスへの伝熱効率が向上し、処理ガスを短時間で所定の温度に加熱することができ、低温プロセスの実現を図ることができる。
【００４７】
実際に上述の実施の形態と同様の構成の熱処理装置を用い、反応管２内の圧力を０．１〜１Ｔｏｒｒ、反応管２内のプロセス温度を７２０℃、加熱室５１を５００℃〜９００℃に設定し、Ｎ２ＯガスとＳｉＨ２Ｃｌ２を夫々１００ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍ，１００ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍ程度の流量で導入して成膜処理を行ない、これらのウエハＷに形成されたシリコン酸化膜の膜厚の面内均一性を膜厚測定機（Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ）により測定したところ、前記流量にてＮ２Ｏガスを加熱室５１内に通気させることによりＮ２Ｏガスを十分に予備加熱することができ、低温プロセスであっても形成された膜の膜厚について均一性の高い処理を行うことができることが確認された。
【００４８】
さらに加熱器５の下流側は二重管であるので、次の効果が得られる。つまり加熱室５１と反応管２とを単管のガス導入管により接続した場合、この単管の端部をフランジとして構成し、このフランジと反応管２との間に樹脂製のシール部材（Ｏリング）を介在させて両者を接続することになるが、このような構成では加熱室５１から出される処理ガスは例えば４５０℃〜８５０℃程度の高温であるので、このガスの通気によりガス導入路が加熱される。このためフランジが樹脂製のシール部材の耐熱温度例えば２５０℃より高温となってしまい、このフランジの熱により樹脂製のシール部材３４が変形し、気密性の悪化を招く恐れがある。
【００４９】
一方本発明のように二重管とした場合には、処理ガスは内管３ａ内を通気していくので外管３ｂとは接触せず、このため外管３ｂには処理ガスとの接触による熱伝導が起こらないので、内管３ａほど温度が上がらない。従って外管３ｂによりフランジ３３を形成し、このフランジ３３と反応管２との間に樹脂製のシール部材３４を介在させて両者を接続すれば、外管の温度は樹脂製のシール部材３４の耐熱温度を越えることはないので、フランジ３３の熱により樹脂製のシール部材３４が変形するおそれがなく、信頼性が高まる。
【００５０】
またガス導入管３を二重管にすると、ガスが通気していく内管３ａと外気との間に外管３ｂが介在し、内管３ａが外気と接触しないので、内管３ａの外気による冷却の程度が小さくなる。このため加熱された処理ガスが内管３ａ内を通気していく際の放熱量が小さくなるので、処理ガスの温度の低下が抑えられ、予備加熱により活性化された状態を保持したまま処理ガスを反応管２に導入することができる。
【００５１】
続いて他の実施の形態について図４及び図５を用いて説明する。この例は、ガス導入路（第１のガス導入管３）に、当該導入路を塞ぐように、加熱室とオリフィスとを組み合わせて構成したガス室７を設けたものである。このガス室７は、通気方向に並ぶ３つの部屋７ａ，７ｂ，７ｃを有しており、これらの部屋７ａ〜７ｃはオリフィスをなす、第１のガス導入管３の内径よりも内径が小さい通気孔７１ａ，７１ｂが形成された隔壁７２ａ，７２ｂにより区画されている。ここで上流側の第１の部屋７ａ、下流側の第３の部屋７ｃには、夫々第１のガス導入管３が接続されており、第１の部屋７ａと第３の部屋７ｃとの間には第２の部屋７ｂが設けられている。
【００５２】
前記第１の部屋７ａは加熱室として構成され、例えば図４（ｂ）に示すように例えば石英カレットよりなる通気抵抗体７３が充填されると共に、周囲にはヒータ部をなすヒータエレメント７４が巻回されている。通気抵抗体７３やヒータエレメント７４は上述の実施の形態と同様に構成されている。
【００５３】
このような構成では、加熱室７ａに隣接して、第２の部屋７ｂと第３の部屋７ｃとが設けられ、これらの接続部にはオリフィス７１ａ，７１ｂが設けられているので、反応管２を減圧した場合、オリフィスでの圧力損失により各部屋７ａ〜７ｃの圧力は、第１の部屋７ａ＞第２の部屋７ｂ＞第３の部屋７ｃの順で大きくなる。このため第１の部屋７ａの減圧の程度は最も小さくなるので、この部屋７ａでは十分に対流が起こり、加熱室の内部まで十分に熱が伝達されるので、処理ガスの加熱効率が向上し、当該ガスを所定温度まで十分に加熱することができる。
【００５４】
以上において加熱室５１，７ａでは、内部に通気抵抗体５２，７３を充填せず、処理ガスの対流により処理ガスを加熱するようにしてもよい。また通気抵抗体５２，７３としては、石英カレットの他に発泡石英、多孔質ＳｉＣ等を用いることができる。
【００５５】
さらに上述の例では、第２のガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２ガスはＮ２Ｏガスに比べて分解温度が低く、予備加熱を行わなくても反応管２内での加熱により十分分解反応が起こるので第１の処理ガスであるＮ２Ｏガスのみが予備加熱されているが、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを予備加熱するようにしてもよい。
【００５６】
さらに本発明は、減圧ＣＶＤ処理のみならず、例えば処理ガスとしてＨＣｌ（塩化水素）ガスとＯ２（酸素）ガスを用いて、次式の反応を起こさせる常圧プロセスにも適用できる。
【００５７】
２ＨＣｌ＋Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ＋Ｃｌ２
また本発明は上述のバッチ式の縦型熱処理装置に限らず、枚葉式の熱処理装置で成膜を行う場合にも有効であり、この場合においても均一性の高い処理を行うことができる。さらに本発明では、シリコン酸化膜の成膜に限らず、ポリシリコン膜、ＴＥＯＳによるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の成膜に適用することができる。また、ＣＶＤ成膜プロセス以外のドライ酸化、ウェット酸化、ＨＣｌ酸化等の酸化膜の成膜にも適用できる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、反応容器の外部に設けた加熱部にて処理ガスを所定温度に予備加熱してから反応容器に供給するようにしたので、処理の均一性を確保しながらプロセス温度の低温化を図ることができる。この場合減圧プロセスであっても、加熱部と反応容器との間にオリフィスを設けることにより、加熱部の減圧の程度を小さくし、加熱部において処理ガスを高い加熱効率で加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の縦型熱処理装置の実施の形態の一例を示す縦断側面図である。
【図２】前記縦型熱処理装置の一部を示す斜視図である。
【図３】前記縦型熱処理装置に用いられる加熱器とオリフィスを示す断面図である。
【図４】縦型熱処理装置の他の実施の形態に用いられるガス室を示す斜視図と断面図である。
【図５】従来の縦型熱処理装置を示す断面図である。
【図６】膜厚とウエハ上の位置との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
Ｗ          半導体ウエハ
２          反応管
２ａ        内管
２ｂ        外管
３          第１のガス導入管
５          加熱器
５１        加熱室
５２        通気抵抗体
５３        第２の加熱手段
６          オリフィス
７          ガス室
７１ａ、７１ｂ    通気孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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