(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体ウェーハが載置されたボートが挿入される反応管と、上記反応管の内部に配置されて処理ガスを供給するノズルとを備えた縦型反応炉において、
上記ノズルは、上記反応管の長軸方向に延びる主管部と、この主管部から分岐して上記半導体ウェーハに向けて延びて処理ガスを先端の噴射口から噴射する複数の先端管部とからなり、
上記先端管部は、上記ボートに載置された半導体ウェーハの平面に略平行に延びており、
上記ノズルの複数の先端管部の噴射口に略対面する複数の排気口を、上記反応管に設け、
さらに、上記反応管の上端面および下端面に、排気口を設けたことを特徴とする縦型反応炉。
【請求項２】
請求項１に記載の縦型反応管において、上記先端管部は、上記半導体ウェーハに向けて徐々に広がった形状であることを特徴とする縦型反応管。
【請求項３】
請求項２に記載の縦型反応管において、上記先端管部は、偏平な形状をしており、かつ、上記先端管部の上下の平面部が上記半導体ウェーハの平面に略平行であることを特徴とする縦型反応管。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の縦型反応炉において、上記ノズルを複数備えていることを特徴とする縦型反応炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、半導体ウェーハを熱処理する縦形拡散炉や縦型化学気相蒸着装置等の縦型反応炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
縦型反応炉は、熱処理装置の一種で、半導体ウェーハの製造工程において、半導体ウェーハの表面に不純物を拡散したり、酸化膜、窒化膜等を形成したりするために使用される。
【０００３】
この縦型反応炉では、炉体の内部に挿入された反応管の内部にノズルから処理ガスを供給すると共に、反応管内のボートに載置された複数の半導体ウェーハに熱処理をして、半導体ウェーハに不純物の拡散をしたり、膜を形成したりする。この熱処理によって、半導体ウェーハは所定の温度勾配で所定温度に加熱され、所定の時間が経過後、所定の温度勾配で冷却される。この熱処理中には、縦型反応炉内に載置されたすべての半導体ウェーハの外表面に処理ガスを均一に流して、半導体ウェーハの表面に形成される膜の膜厚、膜質および不純物拡散のばらつきを小さく抑えることが要求される。
【０００４】
従来、縦型反応炉としては、図５に示すようなものがある（特開平１０−１２５５９号公報参照）。この縦型反応炉は、図示しない炉体と、この炉体内に挿入される反応管１と、この反応管１内に配置されると共に複数の半導体ウェーハ２が載置されるボート３と、上記反応管１内においてその反応管１の長軸方向に延びる長さの異なる３本のノズル５，６，７と、排気口８とを備えている。上記長いノズル５は、直管の上端部に直接に３個の噴射口５ａ，５ａ，５ａを等間隔に横方向に開口してなり、中間のノズル６は、直管の上端部に直接に３個の噴射口６ａ，６ａ，６ａを等間隔に横方向に開口してなり、短いノズル７は、直管７の先端に１個の噴射口７ａを上方向に開口してなる。
【０００５】
この縦型反応炉は、長さの異なる３本のノズル５，６，７の噴射口５ａ，５ａ，５ａ，６ａ，６ａ，６ａおよび７ａから処理ガスを噴出するから、反応管１の内部雰囲気の均一性が向上して、半導体ウェーハ２の表面に形成される膜の膜厚、膜質および不純物拡散のばらつきが比較的に抑えられるという利点を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の縦型反応炉においては、処理ガスの置換時間を短くするために、処理ガスの流量を大きくすると、噴射口５ａ，５ａ，５ａ，６ａ，６ａ，６ａおよび７ａから上端の排気口８に向けて処理ガスの一部が直線的に流れて、反応管１の全ての内部に処理ガスが拡散しないで、反応管１の内部を均一な雰囲気にすることができない。そのため、半導体ウェーハ２の表面に形成した膜の膜厚、膜質および不純物拡散が、反応管１内の位置によってばらつくという問題があった。
【０００７】
また、上記縦型反応炉では、排気口８が上方に１箇所しか開口していないため、処理ガスの置換に時間がかかる上に、処理ガスの置換の際、排気口８に近い半導体ウェーハ２が排気口８からの距離が遠いウェーハ２に比べて、処理ガスに長くさらされ、つまり、反応管１内の位置によって半導体ウェーハ２が処理ガスにさらされる時間が異なるため、膜厚、膜質および不純物拡散がバッチ内で不均―になるという問題があった。
【０００８】
また、反応管１内のガスの置換時間が長いと、半導体ウェーハ２の熱履歴が長くなって微細化が困難になると共に、生産性も落ちるという問題があった。
【０００９】
そこで、この発明の課題は、縦型反応炉内において複数の半導体ウェーハを均一に処理ガスにさらすことによって、半導体ウェーハに均一な膜厚、膜質、不鈍物拡散を得ることである。
【００１０】
また、この発明のもう１つの課題は、ガス置換時において、反応管内の複数の半導体ウェーハについて処理時間の差を無くすことによって、均一な膜厚、膜質、不鈍物拡散を得ることである。
【００１１】
また、この発明のもう１つの課題は、ガスの置換時間を短縮することによって、半導体ウェーハの熱履歴を短縮して、微細化を可能にすると共に、生産性を向上することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明の縦型反応炉は、
複数の半導体ウェーハが載置されたボートが挿入される反応管と、上記反応管の内部に配置されて処理ガスを供給するノズルとを備えた縦型反応炉において、
上記ノズルは、上記反応管の長軸方向に延びる主管部と、この主管部から分岐して上記半導体ウェーハに向けて延びて処理ガスを先端の噴射口から噴射する複数の先端管部とからなり、
上記先端管部は、上記ボートに載置された半導体ウェーハの平面に略平行に延びており、
上記ノズルの複数の先端管部の噴射口に略対面する複数の排気口を、上記反応管に設け、
さらに、上記反応管の上端面および下端面に、排気口を設けたことを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、処理ガスは、上記長軸方向の主管部から、半導体ウェーハに向けて延びる先端管部に流入し、さらに、この先端管部の先端の噴射口から半導体ウェーハに向けて噴出される。したがって、上記先端管部の噴射口から噴出された処理ガスが、排気口に向けて直線的に流れることがなくて、確実に複数の半導体ウェーハに到達して、複数の半導体ウェーハを均一に処理ガスにさらす。したがって、複数の半導体ウェーハに均一な膜厚、膜質、不鈍物拡散を得ることができる。
【００１４】
【００１５】
また、上記先端管部は、上記ボートに載置された半導体ウェーハの平面に略平行であるので、上記先端管部の先端の噴出口から噴出された処理ガスは、半導体ウェーハの上下の平面に略沿う方向に流れる。したがって、複数の半導体ウェーハを均一に処理ガスにさらして、複数の半導体ウェーハに均一な膜厚、膜質、不鈍物拡散を得ることができる。
また、上記複数の排気口が、上記ノズルの複数の先端管部の噴射口に略対面するので、反応管内の処理ガスの流れが各半導体ウェーハに対して平行になって、各半導体ウェーハが処理ガスにさらされる時間が均一になる。したがって、半導体ウェーハに形成される膜の膜厚、膜質、不純物拡散を均一にすることができる。
さらに、上記排気口が複数あって、しかも、ノズルの複数の先端管部の噴射口に略対面するので、ガスの置換時間が短縮される。したがって、半導体ウェーハの熱履歴を短縮して、微細化を達成でき、かつ、生産性を向上できる。
さらにまた、上記ノズルの複数の先端管部の噴射口に略対面する排気口に加えて、上記反応管の上端面および下端面に排気口を備えるので、ガス溜まりができなくて、処理ガスの置換時間が短縮できる。したがって、半導体ウェーハの熱履歴を短縮して、微細化を達成でき、かつ、スループットを増大できる。
【００１６】
１実施の形態では、上記先端管部は、上記半導体ウェーハに向けて徐々に広がった形状である。
【００１７】
上記構成によれば、上記先端管部は、上記半導体ウェーハに向けて徐々に広がった形状であるので、１本のノズルあるいは少数のノズルであっても、処理ガスは半導体ウェーハの全体に均一に供給される。したがって、半導体ウェーハに形成した膜の膜厚、膜質、不純物拡散を均一にできる。
【００１８】
１実施の形態では、上記先端管部は、偏平な形状をしており、かつ、上記先端管部の上下の平面部が上記半導体ウェーハの平面に略平行である。
【００１９】
上記構成によれば、上記先端管部は、上記半導体ウェーハに向けて徐々に広がった形状である上に、扁平な形状しており、かつ、上記先端管部の上下の平面部が上記半導体ウェーハの平面に略平行であるので、上記先端管部の先端の噴射口から噴出された処理ガスは、半導体ウェーハの上下の平面に略沿う方向に流れ、しかも、半導体ウェーハの平面の全体に沿って流れる。したがって、１本のノズルあるいは少数のノズルであっても、複数の半導体ウェーハの全平面を均一に処理ガスにさらして、複数の半導体ウェーハの全平面に形成した膜の膜厚、膜質、不鈍物拡散を均一にすることができる。
【００２０】
１実施の形態は、上記ノズルを複数備えている。
【００２１】
上記構成によれば、上記ノズルを複数備えているので、反応管の内部の雰囲気を均一にすることができる。したがって、複数の半導体ウェーハに形成した膜の膜厚、膜質、不鈍物拡散を均一にすることができる。
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２８】
図１に示すように、この発明の参考例の縦型反応炉は、図示しない炉体と、この炉体内に挿入される上下に延びる反応管１と、この反応管１１内に配置されると共に複数の半導体ウェーハ１２が載置されるボート１３と、上記反応管１１内に配置されたノズル１５と、上記反応管１１の下部に開口する排気口１８とを備える。
【００２９】
上記ノズル１５は、上記反応管１１の長軸方向に延びる主管部１６と、この主管部１６から直角に屈曲するように分岐して上記半導体ウェーハ１２に向けて延びる複数の先端管部１７，１７…とからなる。上記先端管部１７は、半導体ウェーハ１２の上下の平面に平行に、つまり、水平方向に延びていて、先端管部１７の先端は、半導体ウェーハ１２に例えば約１ｃｍの近傍に位置している。上記先端管部１７の先端には、水平方向に開口する噴射口１７ａを設けて、この噴射口１７ａを半導体ウェーハ１２から約１ｃｍの近傍に位置させている。
【００３０】
上記構成において、処理ガスは、上記ノズル１５の主管部１６に流入し、さらに、この主管部１６から直角に屈曲するように分岐する複数の先端管部１７，１７…に流入して、噴射口１７ａ，１７ａ…から半導体ウェーハ１２，１２，…に向けて水平に噴出される。この噴射口１７ａから水平方向に噴射された処理ガスは、確実に半導体ウェーハ１２に到達すると共に、半導体ウェーハ１２，１２…の間を半導体ウェーハ１２の上下の面に沿って流れて、噴出口１７ａから排気口１８に向けて直線的に流れることがない。したがって、複数の半導体ウェーハ１２に形成した膜に、均一な膜厚、膜質、不鈍物拡散を得ることができる。
【００３１】
上記主管部１６と先端管部１７とからなるノズル１５から先端管部１７を取り除いて、主管部に直接噴射口を設けた場合、例えば、８００℃での酸素による酸化のバッチ内の均一性は１０％であった。これに対して、上記実施の形態、つまり、主管部１６と先端管部１７からなるノズル１５を用いた場合、例えば、８００℃での酸素による酸化のバッチ内の均一性は５％であった。このことから、この実施の形態によると、バッチ内の均一性が著しく改善されたことが分る。
【００３２】
図示しないが、上記ノズル１５を複数本設けた場合は、さらに、均一性が向上した。この場合、ノズルの長さは同じであってもよく、異なってもよい。
【００３３】
図２は他の参考例のノズル２５を示す。この参考例は、ノズル２５の構成のみが、図１に示す参考例と異なるので、他の構成については図１を援用し、主にノズル２５について説明する。
【００３４】
このノズル２５は、縦方向に延びる主管部２６と、この主管部２６から直角に屈曲するように分岐して上記半導体ウェーハ１２（図１参照）に向けて延びる複数の先端管部２７，２７…とからなる。上記先端管部２７は、半導体ウェーハ１２に向けて末広がり状に、より詳しくは、略３角形状に徐々に広がっている。また、上記先端管部２７は扁平な形状をしていて、上下の平面部２７bが半導体ウェーハ１２の上下の平面に平行になっている。上記末広がり状の先端管部２７の先端は、半導体ウェーハ１２に例えば約１ｃｍの近傍に位置している。上記先端管部２７の先端には、水平方向に開口する扁平な噴射口２７ａを設けて、この噴射口２７ａを半導体ウェーハ１２から約１ｃｍの近傍に位置させている。
【００３５】
上記構成において、処理ガスは、上記ノズル２５の主管部２６に流入し、さらに、この主管部２６から直角に屈曲するように分岐する複数の先端管部２７，２７…に流入して、扁平な噴射口２７ａ，２７ａ…から半導体ウェーハ１２，１２，…（図１参照）に向けて水平に噴出される。このとき、上記先端管部２７は、上記半導体ウェーハ１２に向けて徐々に広がった形状である上に、扁平な形状しており、かつ、上記先端管部１７の上下の平面部１７ｂが上記半導体ウェーハ１２の平面に略平行であるので、上記先端管部１７の先端の扁平な噴射口１７ａから噴出された処理ガスは、確実に半導体ウェーハ１２に到達すると共に、半導体ウェーハ１２，１２…の間を半導体ウェーハ１２の上下の面に沿ってスムーズに流れ、しかも、半導体ウェーハ１２の平面の全体に沿って流れる。したがって、ノズル２５が１本だけであっても、複数の半導体ウェーハ１２の全平面を均一に処理ガスにさらして、複数の半導体ウェーハ１２の全平面に形成した膜の膜厚、膜質、不鈍物拡散を均一にすることができる。
【００３６】
上記参考例、つまり、主管部２６と扁平な末広がり状の先端管部２７からなるノズル２５を用いた場合、例えば、８００℃での酸素による酸化のバッチ内の均一性は４．５％であった。このことから、この参考例は、先の参考例よりも、バッチ内の均一性が改善されたことが分る。
【００３７】
なお、上記ノズル２５を複数本設けた場合は、さらに、均一性が向上することは言うまでもない。
【００３８】
上記ノズル２５の先端管部２７は扁平で末広がり状であったが、ラッパ状に末広がりであってもよい。
【００３９】
図３は他の参考例を示し、この参考例は、反応管１１に、ノズル１５の複数の先端管部１７の噴射口１７ａ，１７ａ…に略対面するように、複数の水平方向の排気口２８，２８…を設ける一方、図１に示す排気口１８を削除した点が図１の参考例と異なる。したがって、図１に示す参考例の構成部と同一構成部は、図１における構成部の参照番号と同一参照番号を付して説明を省略する。
【００４０】
上記構成において、ノズル１５の複数の先端管部１７の噴射口１７ａから噴射された処理ガスは、複数の半導体ウェーハ１２，１２…の上下の平面に平行に流れて、複数の排出口２８，２８…から外部に排出される。このように、複数の噴射口１７ａ，１７ａ…と複数の排気口２８，２８…とが水平方向に互いに対面するように配置されているため、処理ガスが複数の半導体ウェーハ１２，１２…の上下の平面に平行に流れて、ボート１３上の複数の半導体ウェーハ１２，１２，…が処理ガスにさらされる時間が均一になる。その結果、ボート１３上の半導体ウェーハ１２，１２…に形成される膜の膜厚、膜質、不純物拡散が均一になる。例えば、８００℃での酸素による酸化のバッチ内の均一性は２．５％であった。均一性が極めて向上したことが分った。
【００４１】
さらに、上記排気口２８，２８…が多数あって、しかも、ノズル１５の複数の先端管部１７，１７…の噴射口１７ａ，１７ａ…に略対面するので、処理ガスの置換に要する時間が短縮される。したがって、半導体ウェーハの熱履歴を短縮して、微細化を達成でき、かつ、生産性を向上できる。
【００４２】
図４はこの発明の実施の形態を示し、この実施の形態は、図３の参考例とは、反応管１１の上端と下端とに排気口３１と３２を設けた点のみが異なる。
【００４３】
この実施の形態では、ノズル１５の複数の先端管部１７，１７…の噴射口１７ａ，１７ａ…に略対面する排気口２８，２８…に加えて、上記反応管１１の上端および下端に排気口３１，３２を備えるので、処理ガスの溜まりができず、処理ガスの置換時間が短縮できる。したがって、半導体ウェーハの熱履歴を短縮して、微細化を達成でき、かつ、スループットを増大できる。なお、図２に示すノズルを用いてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の縦型反応炉は、反応管の長軸方向に延びる主管部と、この主管部から分岐して半導体ウェーハに向けて延びて処理ガスを先端の噴射口から噴射する複数の先端管部とからなるノズルを備えているので、上記噴射口から噴出された処理ガスが、排気口に向けて直線的に流れることがなくて、確実に複数の半導体ウェーハに到達して、複数の半導体ウェーハを均一に処理ガスにさらし、したがって、複数の半導体ウェーハに形成する膜の膜厚、膜質、不鈍物拡散を均一にすることができる。
【００４５】
また、この発明では、上記先端管部が、ボートに載置された半導体ウェーハの平面に略平行であるので、上記先端管部の先端の噴射口から噴出された処理ガスを、半導体ウェーハの上下の平面に略沿う方向に流して、複数の半導体ウェーハを均一に処理ガスにさらして、複数の半導体ウェーハに均一な膜厚、膜質、不鈍物拡散を得ることができる。
また、この発明では、上記ノズルの複数の先端管部の噴射口に略対面する複数の排気口を、上記反応管に設けているので、反応管内の処理ガスの流れが各半導体ウェーハに対して平行になって、各半導体ウェーハが処理ガスにさらされる時間が均一になる。したがって、半導体ウェーハに形成される膜の膜厚、膜質、不純物拡散を均一にすることができる。さらに、上記排気口が複数あって、しかも、ノズルの複数の先端管部の噴射口に略対面するので、ガスの置換時間が短縮される。したがって、半導体ウェーハの熱履歴を短縮して、微細化を達成でき、かつ、生産性を向上できる。
また、この発明では、上記ノズルの複数の先端管部の噴射口に略対面する排気口に加えて、上記反応管の上端面および下端面に排気口を備えるので、ガス溜まりができなくて、処理ガスの置換時間が短縮できる。したがって、半導体ウェーハの熱履歴を短縮して、微細化を達成でき、かつ、スループットを増大できる。
【００４６】
１実施の形態では、上記先端管部が、上記半導体ウェーハに向けて徐々に広がった形状であるので、１本のノズルであっても、処理ガスを半導体ウェーハの全体に均一に供給でき、したがって、半導体ウェーハに形成した膜の膜厚、膜質、不純物拡散を均一にできる。
【００４７】
１実施の形態では、上記先端管部は、上記半導体ウェーハに向けて徐々に広がった形状である上に、扁平な形状しており、かつ、上記先端管部の上下の平面部が上記半導体ウェーハの平面に略平行であるので、上記先端管部の先端の噴射口から噴出された処理ガスを、半導体ウェーハの上下の平面に略沿う方向に流し、しかも、半導体ウェーハの平面の全体に沿って流して、複数の半導体ウェーハの全平面を均一に処理ガスにさらして、複数の半導体ウェーハの全平面において膜の膜厚、膜質、不鈍物拡散を均一にすることができる。
【００４８】
１実施の形態は、上記ノズルを複数備えているので、反応管の内部の雰囲気を均一にすることができ、したがって、複数の半導体ウェーハに形成した膜の膜厚、膜質、不鈍物拡散を均一にすることができる。
【００４９】
【００５０】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の参考例の縦形反応炉の縦断面図である。
【図２】この発明の他の参考例のノズルの斜視図である。
【図３】この発明の他の参考例の縦形反応炉の縦断面図である。
【図４】この発明の実施の形態の縦形反応炉の縦断面図である。
【図５】従来の縦形反応炉の縦断面図である。
【符号の説明】
１１    反応管
１２    半導体ウェーハ
１３    ボート
１５，２５    ノズル
１６，２６    主管部
１７，２７    先端管部
１７ａ，２７ａ    噴射口
１８，２８，３１，３２    排気口
【図１】
0003595763.tif 000002
【図２】
0003595763.tif 000003
【図３】
0003595763.tif 000004
【図４】
0003595763.tif 000005
【図５】
0003595763.tif 000006