(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉本体と、該加熱炉本体内に配設されている加熱手段と、該加熱炉本体内に収容されており、内部に被処理体を載置したウェハボートを収容する反応容器と、該反応容器内に原料ガスを供給するノズルと、該反応容器内の排ガスを排出するための排気ポートを少なくとも備えたバッチ式熱処理装置において、
該反応容器中に成膜反応を阻害するガスを供給するための複数の孔を形成した反応阻害ガス供給ノズルを配設し、
上記バッチ式熱処理装置において、反応阻害ガス供給ノズルからの反応阻害ガスの噴出方向が、被処理体の周辺部接線方向であることを特徴とするバッチ式熱処理装置。
【請求項２】
上記反応容器中に反応阻害ガス供給ノズルが少なくとも２本配設されていることを特徴とする請求項１に記載のバッチ式熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェハのような半導体基板やＬＣＤ用のガラス基板などの被処理体の成膜に用いるためのバッチ式熱処理装置に関し、特に被処理体表面の被膜厚さの面内均一性に優れたバッチ式熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体デバイスの製造工程においては、微細な素子を多数作る必要から半導体基板等の被処理体上にシリコンナイトライドやシリコン酸化膜などのシリコン系の薄膜を多数回形成することはすでに知られている。この場合、ある程度以上の量産効率を必要とすることはもちろんのこと、最終製品としての半導体デバイスの特性の安定化、すなわち所望の電気的特性を得るために、成膜処理において膜厚の面内均一性を向上させなければならない。この成膜処理は、例えば減圧ＣＶＤ装置のような熱処理装置により行われ、処理ガスとしては、例えばシリコンナイトライド膜を形成する場合には、ジクロルシランとアンモニアを、シリコン酸化膜を形成する場合にはＴＥＯＳ（テトラエトキシオルトシラン）などが用いられている。
【０００３】
従来このような半導体基板表面への成膜には、例えば図５のような半導体処理装置が用いられている。すなわち、図５に示す半導体処理装置は、加熱炉本体５０１と、該加熱炉本体５０１の内部に配置された加熱装置５０５と、該加熱装置５０５の内部に配置され、被処理体である半導体基板Ｗを整列搭載したウェハボート５０６を収容できる反応容器外管５０３および反応容器内管５０４からなる反応容器５０２と、該反応容器５０２の下部に配置され、反応容器を支持するマニホールド５１０と、原料ガス導入用ノズル５１３と、該反応容器外管５０３と該反応容器内管５０４との間隙に設けられ原料ガスの未反応残留ガスや生成する排ガスを排出するための排気ポート５１５と、該マニホールド５１０の下部開口部を封口し上記反応容器内部を気密に保つための下部蓋体５１１、および該下部蓋体５１１に固定されたウェハボート５０６を昇降させるための昇降装置５１２等を備えている。
そして、この半導体処理装置においては、原料ガスは、ノズル５１３から供給され、反応容器５０２内部を下から上へ上昇し、半導体基板Ｗ表面で反応して成膜し、生成した排ガスは反応容器内管５０４と反応容器外管５０３との間隙から排気ポート５１５を経由して系外に排気される。
【０００４】
このような半導体処理装置においては、被処理体である半導体基板周辺部では、原料ガスが比較的早い流速で通過し、新たな原料ガスの供給が速やかに行われて原料ガス濃度が高いため、成膜速度が比較的早い。一方、半導体基板中央部では、原料ガスの流通が比較的滞りやすく、原料ガス濃度が周辺部より低くなるため、成膜速度は周辺部より低下する。その結果、同一半導体基板内で、周辺部の成膜の膜厚が、中心部より厚くなり、面内均一性が損なわれることになる。
【０００５】
半導体処理装置のこのような問題を解決するために、気相シリコンエピタキシャル成長装置において、原料ガスの流通経路を、半導体基板表面に沿って通過されることにより、薄膜の面内均一性を改善することが試みられている（特開平４−１６３９１２号公報参照）。すなわち、図６に見られるように、反応容器６０１，６０２内に多数の原料ガス供給口を形成したノズル管６０７を配置し、反応容器内管６０２の側面に多数のガス排出口６０８を形成して、原料ガスがノズル管６０７からガス排出口６０８まで水平に通過するように配設している。
ところで、この装置においては、石英ガラスのような脆性の高い反応容器の側面に多数のガス排出口６０８を形成しなければならず、かかる半導体処理装置の製作が困難であった。
さらにこの装置では、ノズル管６０７の原料ガス供給孔内にも膜が成長し、ノズル管６０７の原料ガス供給孔が閉塞してしまったり、パーティクル発生の原因ともなっている。その対策として、上記引用例ではノズル管６０２の近傍に、エッチング専用ノズル管６１１を配設して原料ガス供給孔の閉塞およびパーティクル発生を防止する必要があり、装置が複雑になっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来用いられているバッチ式熱処理装置に大幅な変更を加えることなく、簡便に被処理体基板表面の膜厚の面内均一性を改善することができるバッチ式熱処理装置を実現することを目的とするものである。
また、原料ガス供給孔を閉塞することなく、さらにパーティクルの発生のおそれのない均一な膜を形成することのできるバッチ式熱処理装置を実現することを目的としている。
【０００７】
請求項１の本発明は、加熱炉本体と、該加熱炉本体内に配設されている加熱手段と、該加熱炉本体内に収容されており、内部に被処理体を載置したウェハボートを収容する反応容器と、該反応容器内に原料ガスを供給するノズルと、該反応容器内の排ガスを排出するための排気ポートを少なくとも備えたバッチ式熱処理装置において、該反応容器中に成膜反応を阻害するガスを供給するための複数の孔を形成した反応阻害ガス供給ノズルを配設し、上記バッチ式熱処理装置において、反応阻害ガス供給ノズルからの反応阻害ガスの噴出方向が、被処理体の周辺部接線方向であることを特徴とするバッチ式熱処理装置である。
【０００９】
また、請求項２の本発明は、上記反応容器中に反応阻害ガス供給ノズルが少なくとも２本配設されていることを特徴とするバッチ式熱処理装置である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて本発明のバッチ式熱処理装置を説明する。
図１が本発明で用いることのできるバッチ式熱処理装置の概略断面図である。すなわち本発明のバッチ式熱処理装置は、有天井であって下部が開口している加熱炉本体１と、該加熱炉本体１の内部に配置された抵抗加熱ヒータのような加熱装置５と、該加熱装置５の内部に配置された反応容器２を備えている。該反応容器２は、上部が封止され下部が開口している石英ガラスのような高純度耐熱性材料で形成されており、反応容器内管４および反応容器外管３から構成されている。該反応容器２の下部開口部には、マニホールド１０が配設され、該反応容器２を支持し、かつＯリングなどを用いて密封できるようになっている。また、該マニホールド１０の下端部は開口しており、この開口部に下部蓋体１１が密封できるように配置されている。これらの反応容器２、マニホールド１０および下部蓋体１１とで、Ｏリングなどを用いて気密に保持することのできる反応室を形成している。
【００１１】
この反応室内には、複数の被処理体Ｗを整列搭載したウェハボート６を収容するようになっている。該ウェハボート６は、磁性流体などを用いた回転軸受け９および回転軸８によって上記下部蓋体１１に軸支されるが、加熱装置によって加熱されている被処理体Ｗの熱が、回転軸８などを経由して放散しないように保温筒７によって温度低下を防止している。
【００１２】
また、該下部蓋体１１には、昇降装置１２が固定され、ウェハボート６を昇降し、バッチ式熱処理装置への被処理体Ｗの収容、および取り出しを行うことができるようになっている。
【００１３】
このバッチ式熱処理装置は、被処理体Ｗの処理中は図示しない駆動装置により回転軸８、保温筒７およびウェハボート６が回転し、被処理体Ｗの温度を均一化するとともに、被処理体Ｗと原料ガスとが均一に接触するようになっている。
【００１４】
前記マニホールド１０の側面には、原料ガス供給ノズル１３が設けられている。この原料ガス供給ノズル１３は、複数の原料ガスを用いる場合には、複数配置することもできる。この原料ガス供給ノズル１３は、図示しない原料供給のための原料ガスボンベ、原料ガス供給制御装置などに接続されており、反応室下部に配置された原料ガス供給ノズルから、反応室内に原料ガスが供給されるようになっている。
また、上記反応容器外管３と上記反応容器内管４との間隙に、原料ガスの未反応残留ガスや成膜反応によって生成する排ガスを排出するための排気ポート１５が設けられている。
原料ガスは、反応室の下部から流入し、ウェハボート６に沿って上方に向かって流通し、ウェハボートに載置されている被処理体の対向面によって形成される空間を通過しながら、被処理体と接触して反応して成膜し、反応の結果生成する排ガスおよび未反応原料ガスは、反応容器内管４と反応容器外管３の間の間隙を経由して、図示しない排気ポンプにより、排気ポート１５から系外に排出され、処理される。
【００１５】
上記、バッチ式熱処理装置においては、被処理体の周辺部においては常に高濃度の原料ガスが供給され、反応が行われるため、膜の成長速度が速いが、被処理体の中心部においては、原料ガスの供給が周辺部と比較して遅いため成膜速度も遅くなるため、生成する膜は、周辺部が厚く、中心部が薄くなる傾向にある。
【００１６】
そこで、このような成膜の膜厚不均一を防止するため、本発明においては、反応阻害ガスを使用して、膜厚均一性を改善するものである。すなわち、上記反応容器２内には、阻害ガスを供給するための多数の孔を有する反応阻害ガス供給ノズル１４が配設されている。この反応阻害ガス供給ノズル１４は、上記マニホールド１０から内部に装入され、ウェハボート６の頂部付近まで、ウェハボートに沿って伸長している。この阻害ガス供給ノズル１４の複数のノズル孔１４ａは、ウェハボート６に搭載されている被処理体に均一に反応阻害ガスが供給されるように形成されており、ノズル孔１４ａの開設方向は、被処理体である半導体基板の周辺部の接線方向とすることが望ましい。
【００１７】
本発明において用いられる反応阻害ガスとしては、成膜反応の進行を抑制する作用を示すガスであれば使用可能であり、例えばＳｉ成膜の際には塩化水素ガス、フッ化塩素ガスなどを用いることができる。この反応阻害ガスは、希釈せずに使用することもできるし、Ｎ２などの不活性ガスやアルゴンガスなどの希ガスによって希釈して使用することもできる。
【００１８】
本発明において反応阻害ガスの噴出時の圧力が過大であると、被処理体表面に全体的に反応阻害ガスが拡散し、被処理体周辺部のみの成膜反応を抑制しようとする本発明の作用を実現することが困難となる。従って、被処理体の周辺部のみに高濃度の反応阻害ガスが偏在するように、噴出圧力は、低い方が好ましい。
【００１９】
そして、このバッチ式熱処理装置における被処理体表面への原料ガスの供給形態を示す要部概略斜視図である図２に見られるように、原料ガスは、被処理体Ｗの下方から原料ガス供給ノズル１３を経由して供給され、被処理体の下方から上方に向かって流通するようになっている。一方、被処理体に近接して、反応阻害ガス供給ノズル１４が、反応容器２の下部からウェハボート６の頂部付近まで伸長しており、複数のノズル孔１４ａが該反応阻害ガス供給ノズルに形成されている。このノズル孔１４ａは、ウェハボート６に搭載されている被処理体に均一に反応阻害ガスを供給できるように形成されていることが好ましい。
また、このノズル孔１４ａから反応阻害ガスを被処理体Ｗ周辺部の接線方向に向かって噴出させている。これによって、被処理体周辺部において被処理体中心部より高い成膜反応速度を低下させ、その結果、被処理体周辺部の生成膜厚が減少し、被処理体中心部の膜厚との差が減少して、被処理体面内の成膜膜厚を均一化することができる。
なお、上記本発明においては反応阻害ガスの噴出方向を被処理体周辺部の接線方向としたが、反応阻害ガスの噴出方向が、被処理体の中心部へ向かう方向に設定すると、被処理体周辺部のみにおいて成膜反応を抑制することができなくなるため、被処理体成膜膜厚の面内均一化の効果を期待することはできない。
【００２０】
さらに、反応容器中に配設する反応阻害ガス供給ノズルは、１本でも効果が認められるが、２本配設した方がさらに成膜厚面内均一性改善の効果が期待できる。反応阻害ガスノズルを１本とし、強力に被処理体周辺部の膜厚成長を抑制しようとした場合、反応阻害ガスの流速もしくは流量をより高くすることが考えられるが、反応阻害ガスの流量もしくは流速を向上させると、反応阻害ガスが結局の所、反応室内で均一に分散してしまい、被処理体周辺部に局所的に阻害ガス濃度を向上させることが困難となる。従ってこのような場合には、反応阻害ガスノズルの数を増やして、個々の反応阻害ガスノズルから噴出する反応阻害ガスの流量および流速を過大に増大させない方が好ましい。
また、反応阻害ガス供給ノズルを２本配設する場合には、図３に見られるように、半導体基板の中心部から見て対向する位置に配置することが望ましい。また、複数の反応阻害ガス供給ノズル１４，１４’からの反応阻害ガスの噴射方向が、互いに逆方向となるように配置することが望ましい。ここで反応阻害ガスの噴射方向は、被処理体の回転方向と同一でも逆行していてもよいが、反応阻害ガスが反応室に均一に分散させてしまうことになり、反応阻害ガスを局所的に偏在させて成膜膜厚を抑制するための本発明にとって益とならないから、反応阻害ガスの噴出方向は、被処理体の回転方向と一致していることが好ましい。
【００２１】
さらに、この反応阻害ガス供給ノズルを３本配設することもできるが、反応容器中に供給される反応阻害ガスが反応容器中に均一に分散してしまい、濃度が平均化されてしまうため、成膜厚面内均一性改善の効果が低下してしまい、好ましくない。
【００２２】
以上に説明した本発明のバッチ式熱処理装置は、耐熱性を有する板状体表面に化学物質の熱分解反応を利用して成膜するような熱処理に適用でき、特に、シリコンウェハ表面への成膜や、ＬＣＤ用ガラス基板表面への成膜などに適用できるが、これに制限されず各種基板表面への成膜に適用可能である。
【００２３】
【実施例】
原料ガス導入ノズルを２本設けたこと以外は、図１に示したものと同等の減圧ＣＶＤ装置を用いて２００ｍｍ（８インチ）シリコンウェハ表面にポリシリコン膜を成膜する試験を行った。
すなわち、まず、反応阻害ガスノズルとして、ノズル孔のピッチが４ｃｍで、孔径が０．２ｍｍのノズル孔３０個を形成した反応阻害ガスノズル１本を反応室に配設した半導体処理装置を準備した。
次いで、２００ｍｍ（８インチ）のシリコンウェハを、ウェハボートに３０枚整列搭載し、加熱炉本体内の反応室内に収容した。ウェハボートのシリコンウェハの搭載ピッチを、反応阻害ガスノズルのノズル孔ピッチと等しい４ｃｍとした。反応阻害ガスノズルから、塩化水素ガスを１５０〜６００ｓｃｃｍの流量で供給した。
次いで、ウェハボートを０．５ｒｐｍの速度で反応阻害ガスの供給方向と同一の方向に回転させながら、反応室内を９００℃に昇温した後、１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）の圧力で、原料ガスとしてジクロルシランおよび水素ガスを、それぞれのガスの流量は、ジクロルシランが５００〜１０００ｓｃｃｍ、水素ガスが１６００ｓｃｃｍとなるように反応室に供給し、所要時間加熱を継続して、シリコンウェハ表面にポリシリコン薄膜を成膜した。
【００２４】
一方、比較例として、図５の従来の半導体処理装置を用いて、反応阻害ガスを用いないこと以外は上記実施例と同等の条件で、２００ｍｍ（８インチ）シリコンウェハ表面にポリシリコン膜を形成した。
上記、本発明の実施例と、比較例において成膜した後、それぞれシリコンボートの中央部に位置するシリコンウェハを取り出し、その表面のポリシリコン膜の膜厚を測定して成膜の面内均一性を評価した。その結果を図４に示す。
【００２５】
図４の結果から明らかなように、本発明の反応阻害ガスを用いた場合には、従来の反応阻害ガスを用いない場合と比較して、２００ｍｍ（８インチ）シリコンウェハ周辺部の成膜速度がおよそ２０％低下し、シリコンウェハ中央部との膜厚の差が減少することが明らかとなった。
【００２６】
【発明の効果】
上記本発明によれば、半導体処理装置に大幅な変更を加えることなく、簡単な構成により半導体の面内均一性に優れた処理基板を製造することができる処理装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体処理装置の１例を示す断面図。
【図２】  本発明の半導体処理装置の１例を示す要部拡大斜視図。
【図３】  本発明の半導体処理装置の他の１例を示す要部拡大斜視図。
【図４】  本発明１実施例の効果を示すグラフ。
【図５】  従来の半導体処理装置を示す断面図。
【図６】  従来の半導体処理装置の他の例を示す断面図。
【符号の説明】
Ｗ・・・半導体基板
１，５０１・・・加熱炉本体
２，５０２・・・反応容器
３，５０３・・・反応容器外管
４，５０４・・・反応容器内管
５，５０５・・・加熱装置
６，５０６・・・ウェハボート
７，５０７・・・保温筒
８，５０８・・・回転軸
９，５０９・・・回転軸受け
１０，５１０・・・マニホールド
１１，５１１・・・下部蓋体
１２，５１２・・・昇降装置
１３，５１３・・・原料ガス供給ノズル
１４，１４’・・・反応阻害ガス供給ノズル
１５，５１５・・・排気ポート
６０１・・・外管
６０２・・・内管
６０３・・・架台
６０４・・・基板ホルダー
６０５・・・単結晶基板
６０６・・・抵抗加熱炉
６０７・・・ノズル管
６０８・・・ガス排出口
６０９・・・排気孔
６１１・・・エッチング専用ノズル管
【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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