(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管と、
前記反応管の中に複数枚のウエハを一定の間隔で上下方向に積層保持し、
前記反応管のまわりに配備されたヒータにより前記ウエハを加熱し、
反応性ガスを反応管の下部より前記反応管の中に導き、上方へ流れるように構成された前記ウエハ上に所望の薄膜を形成する気相成長装置において、
前記ウエハの間隔を前記ウエハの端から前記反応管の内壁までの距離の一倍以上二倍以下になるように、内径が異なる反応管が配備され、前記反応管を囲むように外反応容器が配置されることを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
反応管の中に複数枚のウエハを保持し、前記反応管のまわりに配備されたヒータにより前記ウエハを加熱し、反応性ガスを前記反応管の中に導くことによって前記ウエハ上に所望の薄膜を形成する気相成長装置において、前記反応管を囲むように外反応容器が配置され、前記反応管を複数の反応管要素及びその接続部材から構成し、前記反応管要素と前記接続部材との組み合わせ方を変えることにより反応管の内径を変化させる反応管内径調節装置を備えたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項３】
反応管の中に複数枚のウエハを保持し、前記反応管のまわりに配備されたヒータにより前記ウエハを加熱し、反応性ガスを前記反応管の中に導くことによって前記ウエハ上に所望の薄膜を形成する気相成長装置において、前記反応管を囲むように外反応容器が配置され、前記ウエハの間隔と反応管内径を独立に変化させる機構を有することを特徴とする気相成長装置。
【請求項４】
反応管の中に複数枚のウエハを保持し、前記反応管のまわりに配備されたヒータにより前記ウエハを加熱し、反応性ガスを前記反応管の中に導くことによって前記ウエハ上に所望の薄膜を形成する気相成長装置において、前記反応管を囲むように外反応容器が配置され、配置されるウエハに応じて前記ウエハの間隔と前記反応管の内径との比を一定に近づけるように、前記ウエハの間隔が前記ウエハの端から前記反応管の内壁までの距離の一倍以上二倍以下に設定する装置を備えたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項５】
請求項１の気相成長装置において、前記反応管を囲むように配備される外反応管の上部が開閉することを特徴とする気相成長装置。
【請求項６】
請求項１の気相成長装置において、前記反応管を囲むように配備される外反応管が他の構成部品から分離できることを特徴とする気相成長装置。
【請求項７】
請求項１，２，３，４，５または６において、前記装置を用いて半導体装置を製造する製造プロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体成膜装置における成膜技術に係り、特に、ウエハ上に均一な膜厚分布を得るための気相成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一度に多数枚のウエハに成膜できる気相成長装置は、ウエハ面内の膜厚のばらつきを低減するのが困難であるという短所があり、特開平3−252128  号や特開平3−185720号公報のように原料ガスの供給方法に工夫をしたり、特開平3−263823号や特開平2−256155号公報のようにウエハの保持方法に工夫をしたりして、ウエハ面内の膜厚を均一にしようとしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術は、ウエハ面内の膜厚のばらつきを低減させるために気相成長装置の構成部品を増加させており、装置自体の製造費用が高くなったり、メンテナンスに手間がかかるという問題点があった。
【０００４】
また、通常の気相成長装置はウエハとウエハの間隔を変化させることはできるが、反応管の大きさは一定であり、ウエハ間隔がある大きさで最適化されていても、ウエハ間隔が変わると最適ではなくなっていた。
【０００５】
本発明の目的は、ウエハ面内に形成される膜厚のばらつきを低減し、形成しようとしている膜が変わったり、ウエハ間隔が変化してもウエハ面内の膜厚分布に関して均一な膜が得られる気相成長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】
上記目的を達成するために、本発明は一度に複数枚のウエハを処理する気相成長装置において、内径が異なる反応管を配備できるようにしたものである。さらに、そうすることによって、ウエハの間隔がウエハの端から反応管の内壁までの距離の一倍以上二倍以下になるようにしたものである。
【０００７】
また、反応管を複数の反応管要素及びその接続部材から構成し、反応管要素と接続部材との組み合わせ方を変えることにより反応管の内径を変化させる機構を備え、ウエハ間隔と反応管内径を独立に調節できるようにした。さらに、そうすることによって、ウエハの間隔がウエハの端から反応管の内壁までの距離の一倍以上二倍以下になるようにした。
【０００８】
また、ウエハ間隔を変化させると連動して反応管内径も変化するようにしたものである。さらに、そうすることによって、ウエハの間隔がウエハの端から反応管の内壁までの距離の一倍以上二倍以下になるようにした。
【０００９】
また、上記を容易に実現するために、反応管を囲むように配備される外反応管の上部を開閉可能としたり、外反応管を容易に他の構成部品から分離できるようにした。
【００１０】
【作用】
気相成長装置では、原料ガスが気相で反応し、直接成膜に寄与する分子種を生成し、その分子種がウエハに到達して膜を形成することが多い。このとき、直接成膜に寄与する分子種は気相における化学反応で生成され、ウエハや反応管の内壁などの表面で膜として消費される。
【００１１】
ウエハ面内で膜厚分布のばらつきが存在するのは、この生成と消費のバランスがウエハ面内の位置によって異なるためである。消費と生成のバランスは、成膜に直接寄与する活性種の消費される面積Ｓと生成される空間Ｖとの比Ｓ／Ｖから推測できる。
【００１２】
本発明によれば、用いられるウエハの大きさや設定されるウエハ間隔毎にウエハ端から反応管内壁までの距離を調節することができ、ウエハの中心付近と端付近におけるＳ／Ｖを等しくすることができるので、成膜に直接寄与する分子種の生成と消費のバランスがとれ、ウエハ面内の膜厚が均一となる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の各実施例を図１ないし図８を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例の気相成長装置の縦断面図である。図１のように、反応管１の内部には複数枚のウエハ２が保持棒３によって一定の間隔で積層されている。反応管１の外部にはヒータ４が配備されて、反応管１及びその内部を加熱し、ウエハ２の温度を一定に保っている。
【００１５】
成膜用の原料ガスは、反応管１の下部より導入され、上方へ流れていく。このガスの主たる流路は、反応管１の内側でウエハ２の端より外側の空間５である。反応管１の内部はヒータ４によって加熱されているので、原料ガスの一部は反応管１の内側でウエハ２の端より外側の空間５及びウエハとウエハの間の空間で反応し、成膜に直接寄与する活性種６を生成する。通常、この活性種６は反応管１の内壁やウエハ２の表面に付着して、膜を形成する。
【００１６】
活性種６はウエハとウエハの間の空間や空間５などの気相で生成され、反応管１の内壁やウエハ２といった表面で消費される。すなわち、活性種６の生成は空間体積Ｖで、消費は表面面積Ｓで代表される。従って、ＳとＶの比が成膜速度と関連づけられる。
【００１７】
まずウエハ中心付近では、図２のように直接成膜に寄与する活性種６が消費される面積ＳC  はウエハの面積であり、考えている空間にウエハは上下に二枚(面積ＳW  の扇型の面)あるから、
Ｓc＝２×SW                                        …（数１）
また、直接成膜に寄与する活性種６が生成される空間ＶC  は、上述の面積ＳW  の扇型の面を底面とし、高さをウエハ間隔ｈとする空間であるから、
ＶC＝ＳW×ｈ                                        …（数２）
従って、ＳC／ＶCは、
ＳC／ＶC＝２／ｈ                                    …（数３）
である。
【００１８】
次に、反応管１の内側でウエハ２の端より外側の空間５では、直接成膜に寄与する活性種６が消費される面積ＳE  は反応管内壁の面積であり、
ＳE＝２π（Ｒ＋ｗ）×ｈ                    …（数４）
また、直接成膜に寄与する活性種６が生成される空間ＶE  は
ＶE＝（π（Ｒ＋ｗ）2−πＲ2）×ｈ                            …（数５）
である。ここで、Ｒはウエハの半径で、ｗはウエハ２の端から反応管１の内壁までの距離である。従って、ＳE／ＶEは、
ＳE／ＶE＝２（Ｒ＋ｗ）／（２Ｒｗ＋ｗ2）              …（数６）
となる。今、
ＳC／ＶC＝ＳE／ＶE                                  …（数７）
のとき、ウエハの中心付近とウエハの外側での生成と消費のバランスが等しいと考えられるので、数７を満たす条件を求めると、
ｈ／ｗ＝（２Ｒ＋ｗ）／（Ｒ＋ｗ）                    …（数８）
となる。ここで、
Ｒ／ｗ−＞０    のとき  ｈ／ｗ−＞１                …（数９）
Ｒ／ｗ−＞∞    のとき  ｈ／ｗ−＞２                …（数１０）
であるから、適切なｈ／ｗの範囲は
１≦ｈ／ｗ≦２                                      …（数１１）
となる。
【００１９】
定性的には、ｈに対しｗが大きいと反応管１の内側でウエハ２の端より外側の空間５で生成される活性種の量がウエハとウエハの間の空間で生成される量よりも多く、ウエハの端で厚い膜が形成される。ｗが小さいとその逆であり、その中間の数１１の範囲でウエハの中心と端とで同じ厚さの膜が形成される。
【００２０】
図１の実施例では、内径の異なる反応管１を用意しておき、ウエハ間隔ｈに対応して適当な内径の反応管１を配備することにより、数１１を満たすようにしている。すなわち、常にウエハとウエハの間隔ｈをウエハの端から反応管１の内壁までの距離ｗの一倍以上二倍以下とするような反応管１を配備する。
【００２１】
図３に示す実施例では、従来、一体型であった反応管１を分割したような反応管要素７及びそれぞれの反応管要素７を接続する接続部材８から反応管を構成する例を示している。本発明によれば、ウエハ間隔ｈが変化しても、接続部材８による反応管要素７の接続方法を変えることで、実質的な反応管の内径を変えることができる。図３では、反応管要素７も接続部材８も四個用いている。今、ウエハの半径Ｒが１００mm，ウエハ間隔ｈが２０mmの場合、ウエハ端から反応管の内壁までの距離ｗが１５mmのとき最適であるとし、反応管は最適に設計されているとする。このとき、反応管要素７と接続部材８とは図４のように、接続部材８の最も外側の溝で接続されている。
【００２２】
ここで、さらに複数のウエハに成膜させるため、ｈを１０mmとする必要が生じた場合、上記の理論によればｗを７.５mm  としなければならない。このとき、反応管要素７と接続部材８との接続方法を変化させ、図５のようにすればよい。すなわち、接続部材８の最も内側の溝で接続すればよい。
【００２３】
反応管要素７はその四枚を組み合わせたときの反応管の内径が最小のときに反応管が円筒形になるようになっており、組み合わせたときの反応管の内径がそれより大きくなったときには、厳密な円筒形ではなくなる。
【００２４】
本発明では、接続部材８は、断面が扇型あるいは台形のような形の柱状の部材としている。接続部材８は、実質的な反応管の内径が変えられるように、反応管要素７が固定される溝９を持つ。図３ないし図５では接続部材８には複数の溝があるが、図６のようにある内径用の溝だけがあり、反応管の内径を変化させたいときには接続部材８ごと交換し、設定したい内径用の接続部材７を配備することも可能である。本発明によれば、ウエハ間隔を変化させても、実質的な反応管内径を変化させることができ、常に数１１を満たすことによってウエハ面内の膜厚分布を均一にすることができる。
【００２５】
反応管が分割できると点検，洗浄，交換などの作業が容易に行えるという利点も生じる。分割することによって部分的な点検，部分的な洗浄，部分的な交換などの作業も容易であり、必要に応じた部分のみの作業が可能である。
【００２６】
この発明では、ウエハ間隔を変えても、気相成長装置を構成する部品は基本的に同じであり、その構成方法を変えることによってウエハ面内の膜厚均一性を得ている。
【００２７】
また、図７に示す本発明の一実施例は、反応管２を囲むように配備される外反応管９の上部を開閉可能としたものである。図８に示す本発明の一実施例は反応管２を囲むように配備される外反応管９が反応管１などから容易に分離できるようにしたものである。図７や図８に示す発明によれば、反応管１が容易に取り替えられる。また、図３ないし図６の発明を用いた場合、反応管要素７の接続方法を変え、実質的な反応管内径を変化させるのが容易となる。
【００２８】
このように、本発明によれば、ウエハ面内の膜厚を均一にすることができ、一枚のウエハに形成される複数の半導体装置で不良を低減することができ、生産性を向上できる。また本発明によれば、ウエハの径が変化しても反応管を取り替えることで新たな装置を用意しなくても対応でき、装置を共通化することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、設定されるウエハ間隔毎にウエハ端から反応管内壁までの距離を調節することができるので、成膜に直接寄与する分子種の生成と消費のバランスがとれ、ウエハ面内の膜厚が均一になる。
【００３０】
また、本発明によればウエハ面内の膜厚を均一にできるので、一枚のウエハより得られる半導体装置のうち不良品の数を減らし、生産性が上がる。
【００３１】
さらに、本発明によれば異なる径のウエハに対しても、装置全体を変えることなく、一部の構成部品を交換するのみで対応でき、装置の共通化に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の説明図。
【図２】位置によるＳ／Ｖの違いを示す説明図。
【図３】本発明の第二の実施例の説明図。
【図４】本発明の一実施例の反応管要素を接続する接続部材の説明図。
【図５】本発明の第二の実施例の反応管要素を接続する接続部材の説明図。
【図６】本発明の第三の実施例の接続部材の説明図。
【図７】本発明の第三の実施例の説明図。
【図８】本発明の第四の実施例の説明図。
【符号の説明】
１…反応管、２…ウエハ、３…保持棒、４…ヒータ、５…空間、６…成膜に寄与する活性種、７…反応管要素、８…接続部材、９…外反応管。
【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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【図７】
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【図８】
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