(57)【要約】【課題】複数枚のウェーハの表面全体に十分な量のガスを効率よくかつ均一に供給することができる縦型熱処理炉及び該熱処理炉のガス導入方法を提供する。【解決手段】円筒状の炉１１内に収容されウェーハ２２の搬入搬出側と反対側の略半円筒内に所定の間隔で配置された複数の支柱１２ａ〜１２ｄを有し、複数枚のウェーハを水平に支持可能に構成されたウェーハボート１３と、ウェーハの搬入搬出側と反対側の炉壁に沿って立設され炉内にガスを供給するためのガス導入管１４とを備えた縦型熱処理炉の改良である。その特徴ある構成は、ガス導入管は炉壁と複数の支柱のうちウェーハの搬入搬出側に位置する支柱１２ａとの間に立設され、かつ長さ方向に間隔をあけて複数の噴出口２３を有し、複数のガス噴出口がウェーハの表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿ってガスを噴出して炉内に旋回流を生じるように設けられたところにある。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の炉（１１）内に収容されウェーハ（２２）の搬入搬出側と反対側の略半円筒内に所定の間隔で配置された複数の支柱（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）を有し、複数枚のウェーハ（２２）を水平に支持可能に構成されたウェーハボート（１３）と、
前記ウェーハの搬入搬出側と反対側の炉壁に沿って立設され炉内にガスを供給するためのガス導入管（１４）とを備えた縦型熱処理炉において、
前記ガス導入管（１４）は前記炉壁と前記複数の支柱（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）のうちウェーハ（２２）の搬入搬出側に位置するウェーハボートの支柱（１２ａ）との間に立設され、かつ長さ方向に間隔をあけて複数の噴出口（２３）を有し、
前記複数のガス噴出口（２３）が前記ウェーハ（２２）の表面と平行にかつ前記ウェーハ（２２）の搬入搬出側の炉壁内に沿ってガスを噴出して炉内に旋回流を生じるように設けられたことを特徴とする縦型熱処理炉。
【請求項２】
ガス噴出口（２３）の数が３〜２０である請求項１記載の縦型熱処理炉。
【請求項３】
請求項１又は２記載の縦型熱処理炉を用いたガス導入方法であって、ウェーハ（２２）の表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿って複数のガス噴出口（２３）よりガスを噴出して炉内に旋回流を生じさせる縦型熱処理炉のガス導入方法。
【請求項４】
ガス噴出口（２３）の数が３〜２０である請求項３記載のガス導入方法。
【請求項５】
ガス噴出口（２３）からの炉内へのガス噴出流量が１０〜１００Ｌ／分である請求項３又は４記載のガス導入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体製造工程において半導体ウェーハに対して酸化処理、拡散処理、ＣＶＤ法による処理及びクリーニング処理等を行う際に使用される縦型熱処理炉及びこの熱処理炉のガス導入方法に関する。更に詳しくは、ＳＩＭＯＸウェーハ表面の汚染源をクリーニングするための熱処理に好適な縦型熱処理炉及びこの熱処理炉のガス導入方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、被処理体であるウェーハに酸化、拡散、アニール、ＣＶＤ等の処理を施すために、一度に複数枚のウェーハの処理が可能な縦型熱処理炉が使用されている。この縦型熱処理炉は、複数枚のウェーハを所定間隔で水平に支持したウェーハボートを熱処理炉内に収容して処理ガス雰囲気下でウェーハに熱処理、例えば成膜処理やウェーハ表面のクリーニングを施すように構成されている。縦型熱処理炉においては、ウェーハボートに支持されている複数枚のウェーハに対して、いかにして面内均一にかつ迅速に熱処理を施すかが重要な課題とされている。
従来の縦型熱処理炉は、ガス噴出口が炉内に処理ガスを供給するガス導入管の頂部に設けられて、処理ガスが上方に向かって流れるような構成を有していたため、炉内の天井や壁面に沿って流れた処理ガスはウェーハ設置部分上部の空間で大きな偏流が形成され、炉内中央部のウェーハ表面全体にガスが十分に供給されず、更にウェーハ表面内でのガスの流れが不均一になっていた。結果的にウェーハの純度やライフタイム等の品質の低下やむらが生じ、低品質のウェーハしか得られない問題があった。
【０００３】
このような上記問題を解決する方策として、処理ガスを複数箇所からウェーハに向けて水平に供給することにより、ウェーハ表面へのガスの接触を高めることができる熱処理炉が開発、検討されている（特開平６−５５３４）。この公報に示された縦型熱処理炉では、反応器内に原料ガスを噴射するガス噴射手段が多数の開口部を有し、この開口部が複数列形成され、このガス噴射手段の開口部がウェーハボートの周囲の一部に沿って凹面状に配置された構成を有する。このような構成を有する縦型熱処理炉では多数の半導体ウェーハ等の試料に十分な量の原料ガスを均一に供給することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平６−５５３４号公報に示された熱処理炉では、ガス供給口に近い位置のウェーハ表面はガスとの接触は良好であるが、ガス供給口から遠い位置では十分にガスの接触が行われない問題があった。また、凹面上に配置されたガス噴射手段から処理ガスをウェーハに向けて水平に供給することにより、処理ガスがウェーハを支持しているウェーハボートの支柱の横を通過する際に支柱に付着する汚染源によりガスが汚染されたり消費されたりするため、ウェーハにクリーンなガスが供給できない問題もあった。
また、上記公報に示された熱処理炉のように処理ガスをウェーハに向けて供給すると、ガス導入管中のガス温度が低い場合、ウェーハ面内に温度むらが生じ、ウェーハの酸化膜厚が局所的に薄くなる問題があった。また、ガス温度を予め上昇させておくには別に加熱装置が必要となるため、装置の複雑化、コスト上昇が懸念される。
【０００５】
本発明の目的は、複数枚のウェーハの表面全体に十分な量のガスを効率よくかつ均一に供給することができる縦型熱処理炉及び該熱処理炉のガス導入方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１及び図２に示すように、円筒状の炉１１内に収容されウェーハ２２の搬入搬出側と反対側の略半円筒内に所定の間隔で配置された複数の支柱１２ａ〜１２ｄを有し、複数枚のウェーハ２２を水平に支持可能に構成されたウェーハボート１３と、ウェーハの搬入搬出側と反対側の炉壁に沿って立設され炉内にガスを供給するためのガス導入管１４とを備えた縦型熱処理炉の改良である。その特徴ある構成は、ガス導入管１４は炉壁と複数の支柱１２ａ〜１２ｄのうちウェーハ２２の搬入搬出側に位置するウェーハボートの支柱１２ａとの間に立設され、かつ長さ方向に間隔をあけて複数の噴出口２３を有し、複数のガス噴出口２３がウェーハ２２の表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿ってガスを噴出して炉内に旋回流を生じるように設けられたところにある。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の縦型熱処理炉を用いたガス導入方法であって、ウェーハの表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿って複数のガス噴出口よりガスを噴出して炉内に旋回流を生じさせる縦型熱処理炉のガス導入方法である。
請求項１に係る縦型熱処理炉又は請求項３に係るガス導入方法によれば、旋回流を生じるように複数のガス噴出口からウェーハの表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿ってガスを噴出させるため、複数枚のウェーハの表面全体に十分な量のガスを均一に供給することができる。また、処理ガスは炉壁内面に沿って噴出させることにより、処理ガスが壁面を通して十分高温まで加熱される。従って、ウェーハに低温のガスを直接供給することがないため、ウェーハ面内の温度むらに起因する酸化膜厚のむらを防止できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の縦型熱処理炉はシリコンウェーハ、特にＳＩＭＯＸウェーハ内に含まれる汚染源である金属不純物を除去する表面クリーニング処理に好適である。このクリーニング処理を施す場合の処理ガスは塩素系ガスを用い、熱処理炉内に処理ガスを供給し、加熱することにより塩素系ガスを分解させ、ＳＩＭＯＸウェーハ表面の金属不純物と分解した塩素とを結合させて塩化物として金属をウェーハ表面から除去する。
【０００８】
図１及び図２に示すように、この縦型の熱処理炉１０は鉛直方向に延びる円筒状の炉本体１１を有する。この炉本体１１内には所定の間隔をあけてウェーハボート１３が収容される。ウェーハボート１３はウェーハの搬入搬出側と反対側の略半円筒内に所定の間隔で配置された４つの支柱１２ａ〜１２ｄを有し、複数枚のウェーハを水平に支持可能に構成される。ウェーハの搬入搬出側と反対側の炉壁に沿って炉内にガスを供給するためのガス導入管１４が立設される。炉本体１１の外周面は筒状のヒータ１６により覆われる。ウェーハボート１３はベース１７及び保温筒１８を介して炉蓋１９に立設される。炉底部には炉内のガスを排出するガス排出口２４が設けられる。
このウェーハボート１３は熱処理時の高熱により変形を防止するためＳｉＣにより形成される。ウェーハボート１３の支柱１２ａ〜１２ｄにはそれぞれ多数の凹溝が形成され、これらの凹溝には円板状に形成されたＳｉＣからなる多数の支持板２１がそれぞれ水平状態で挿入される。凹溝に挿入された支持板２１の上には熱処理されるウェーハ２２が載せられる。これによりウェーハ２２はウェーハボート１３により水平に支持されるように構成される。支持板２１にはウェーハ２２を搬入搬出するフォークを挿入するための切欠き部が設けられる。
【０００９】
本発明の縦型熱処理炉の特徴ある構成は、ガス導入管１４は炉壁と４つの支柱１２ａ〜１２ｄのうちウェーハの搬入搬出側に位置するウェーハボートの支柱１２ａとの間に立設され、かつ長さ方向に間隔をあけて複数の噴出口２３を有し、複数のガス噴出口２３がウェーハ２２の表面と平行にかつウェーハ２２の搬入搬出側の炉壁内に沿ってガスを噴出して炉内に旋回流を生じるように設けられたところにある。立設されたガス導入管１４の基端には水平方向に延びるガス供給管１５が接続される。
図１に示すように、ガス導入管１４に設けられたガス噴出口２３から矢印が示す方向に処理ガスをウェーハ２２の表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿って噴出して炉内に旋回流を生じさせることにより、炉内に処理ガスの旋回流が作り出される。このガス旋回流はウェーハの表面全体に均一に行きわたる。ガス導入管１４に複数のガス噴出口２３が設けられているため、炉内の底部、中央部及び頂部に位置する全てのウェーハに効率よくかつ均一にガスが供給される。複数のガス噴出口の数は３〜２０である。ガス噴出口の数は３〜１０が好ましい。ガス噴出口の数が３未満であると、底部、中央部及び頂部においてウェーハの表面に処理ガスが効率よくかつ均一に行きわたらず、２０を越えると各ガス噴出口からの処理ガス流速を一定に制御するのが困難になる。
【００１０】
次に本発明の縦型熱処理炉の動作について説明する。
まずウェーハ２２を炉内に収容するために炉蓋１９の上に保温筒１８及びウェーハ２２を水平に配置したウェーハボート１３を載置する。この状態で炉蓋１９を図示しない昇降装置により持ち上げ、ウェーハボート１３を炉本体１１の内部に挿入し、炉蓋１９を炉底部に固定する。
次に、ウェーハに所定の熱処理を施すために、保温筒１８を回転させ、ヒータ１６を動作させる。処理ガスは炉外よりガス供給管１５及びガス導入管１４を通ってガス導入管１４に設けられた複数のガス噴出口２３より炉内部に供給される。ガス噴出口２３からの炉内へのガス噴出流量は１０〜１００Ｌ／分に制御される。好ましいガス噴出流量は２５〜５０Ｌ／分である。処理ガスはウェーハ２２の表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿ってガス噴出口２３から炉内に供給され、炉内に処理ガスの旋回流を生じさせる。炉内で処理ガスは旋回流が生じることにより底部、中央部及び頂部における各ウェーハの表面全体に十分な量の処理ガスが効率よくかつ均一に供給される。供給された処理ガスは高温雰囲気中でウェーハと反応してウェーハに所定の処理を施した後に、炉底部に設けられたガス排出口２４より炉外へ排出される。
【００１１】
なお、本実施の形態では、炉壁とウェーハ２２の搬入搬出側に位置するウェーハボートの支柱１２ａとの間の炉１１内にガス導入管１４を立設したが、炉壁と支柱１２ｄとの間の炉１１内にガス導入管１４を立設してもよい。
【００１２】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
先ず、図２に示すような縦型熱処理炉を用意した。この縦型熱処理炉はガス導入管に３個のガス噴出口が一定の間隔で一列に設けられ、ガス噴出口はウェーハの表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿って処理ガスを噴出して炉内に旋回流を生じるように設けられている。次いで、ウェーハボートに６０枚のウェーハを配置し、このウェーハボートを縦型熱処理炉内に収容した。次に、炉内をヒータにより１３２０℃に加熱し、ガス導入管から処理ガスを供給してガス噴出口からの処理ガスの流量が２５Ｌ／分となるように制御してウェーハに熱処理を施した。
【００１３】
＜実施例２＞
６個のガス噴出口が設けられたガス導入管を用い、熱処理炉内へ導入する処理ガスの流量を３５Ｌ／分とした以外は実施例１と同様にして熱処理を施した。
＜実施例３＞
１０個のガス噴出口が設けられたガス導入管を用い、熱処理炉内へ導入する処理ガスの流量を５０Ｌ／分とした以外は実施例１と同様にして熱処理を施した。
【００１４】
＜比較例１＞
頂部に１個のガス噴出口が設けられたガス導入管を用いた以外は実施例１と同様にして熱処理を施した。
＜比較例２＞
熱処理炉内へ導入する処理ガスの流量を３５Ｌ／分とした以外は比較例１と同様にして熱処理を施した。
＜比較例３＞
熱処理炉内へ導入する処理ガスの流量を５０Ｌ／分とした以外は比較例１と同様にして熱処理を施した。
【００１５】
＜比較試験１＞
実施例１〜３、比較例１〜３における炉内に導入した処理ガスの炉内分布濃度をＦＶＭ（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｖｏｌｕｍｅ　Ｍｅｔｈｏｄ、有限体積法）を用いてそれぞれ解析した。このＦＶＭは、以下に示す（１）〜（３）の手法を用いて解析する方法である。（１）解析領域を格子により囲まれた有限な領域（コントロールボリューム）に分割し、各コントロールボリューム及び境界に変数を配置する。（２）支配方程式を各コントロールボリュームについて積分し、その積分方程式をガウスの積分定理を使って変形する。（３）そこに完全陰解法、ハイブリッド法を適用し、線形化、離散化を行って得られた離散化方程式を解く。
炉内ガス濃度条件はウェーハボートを汚染源とし、ウェーハボート表面でガスが完全に消費されると仮定して、ガス入口濃度を１、ウェーハボート表面濃度及び保温筒内の支柱や遮蔽板の表面濃度を０として、炉内での拡散状況を調べ、ガス入口濃度に近い濃度からａ、ｂ及びｃと順に分類し、ウェーハボート表面濃度に一番近い濃度をｄに設定した。実施例１〜３及び比較例１〜３の炉内に導入した処理ガス分布濃度を図３〜図８にそれぞれ示す。なお、図中のハッチングはウェーハボート支柱及びガス導入管を示す。
【００１６】
図６〜図８より明らかなように、比較例１〜３のガス分布濃度では炉内天井部のガス濃度は高いがウェーハ表面内でのガス濃度は低く、十分な量の処理ガスがウェーハ表面内に均一に行きわたっていない。これに対して図３〜図５より明らかなように、実施例１〜３における炉内に導入した処理ガスの分布濃度は底部、中央部及び頂部における各ウェーハの表面に高い濃度で均一に行きわたっていることが判る。
【００１７】
＜比較試験２＞
実施例３及び比較例１のウェーハボートの下から２０段目及び４０枚目に配置したウェーハの表面におけるガス分布濃度をＦＥＭ法を用いてそれぞれ解析した。図９〜図１２にウェーハの表面におけるガス分布濃度をそれぞれ示す。なお図中の×印はガス導入管の位置を示す。
【００１８】
図１１及び図１２より明らかなように、比較例１では４０段目の方が２０段目に比べてガス分布濃度が高いが、どちらもガス導入管に近い位置と導入管から遠い位置のウェーハの表面ではガス分布濃度が大きく異なり、均一にガスが行きわたっていない。これに対して図９及び図１０より明らかなように、実施例３ではウェーハボートの段位置の違いによる分布濃度の違いは特に見られない。また比較例１のガス分布濃度に比べ実施例３のガス分布濃度は全体的に高い濃度を示し、また均一な分布を示していることが判る。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の縦型熱処理炉は円筒状の炉内に収容されウェーハの搬入搬出側と反対側の略半円筒内に所定の間隔で配置された複数の支柱を有し、複数枚のウェーハを水平に支持可能に構成されたウェーハボートと、ウェーハの搬入搬出側と反対側の炉壁に沿って立設され炉内にガスを供給するためのガス導入管とを備えた縦型熱処理炉の改良であり、その特徴ある構成は、ガス導入管は炉壁と複数の支柱のうちウェーハの搬入搬出側に位置するウェーハボートの支柱との間に立設され、かつ長さ方向に間隔をあけて複数の噴出口を有し、複数のガス噴出口がウェーハの表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿ってガスを噴出して炉内に旋回流を生じるように設けられたところにある。また、この縦型熱処理炉を用いた本発明のガス導入方法は、ウェーハの表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿って複数のガス噴出口よりガスを噴出して炉内に旋回流を生じさせるところにある。このようにしてガス旋回流を生じるように複数のガス噴出口からウェーハの表面と平行にかつウェーハの搬入搬出側の炉壁内に沿ってガスを噴出させるため、底部、中央部及び頂部における複数枚のウェーハの表面全体に十分な量のガスを効率よくかつ均一に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における縦型熱処理炉を示す図２のＡ−Ａ線断面図。
【図２】その縦型熱処理炉の断面構成図。
【図３】実施例１の熱処理炉内へガスを導入したときのガス濃度分布を示す模式図。
【図４】実施例２の熱処理炉内へガスを導入したときのガス濃度分布を示す模式図。
【図５】実施例３の熱処理炉内へガスを導入したときのガス濃度分布を示す模式図。
【図６】比較例１の熱処理炉内へガスを導入したときのガス濃度分布を示す模式図。
【図７】比較例２の熱処理炉内へガスを導入したときのガス濃度分布を示す模式図。
【図８】比較例３の熱処理炉内へガスを導入したときのガス濃度分布を示す模式図。
【図９】実施例３のウェーハボート２０段目に配置したウェーハの表面におけるガス濃度分布を示す模式図。
【図１０】実施例３のウェーハボート４０段目に配置したウェーハの表面におけるガス濃度分布を示す模式図。
【図１１】比較例１のウェーハボート２０段目に配置したウェーハの表面におけるガス濃度分布を示す模式図。
【図１２】比較例１のウェーハボート４０段目に配置したウェーハの表面におけるガス濃度分布を示す模式図。
【符号の説明】
１０　縦型熱処理炉
１２ａ〜１２ｄ　支柱
１３　ウェーハボート
１４　ガス導入管
２２　ウェーハ
２３　ガス噴出口
【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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【図９】
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【図１０】
2004014910.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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