(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器の天井部に展開可能に設けた天井蓋に設けたシャワーヘッド部から処理ガスを供給しつつ載置台上に設置した被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、
前記シャワーヘッド部の外周側に、前記載置台に対する天井面の凹凸の形態を改善するために、下面が、前記シャワーヘッド部の下面と、同一水平レベルに設定され且つ、前記シャワーヘッド部の外周側の領域を空間として維持するような形態改良部材を、前記天井蓋の展開に必要な隙間を除いて前記シャワーヘッド部の側壁と前記処理容器の側壁との間の全域に亘って設けるように構成したことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記形態改良部材は、前記シャワーヘッド部を構成する材料と実質的に同一材料で形成されてい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】
前記形態改良部材は、内部が中空になされたリング状の円形リング体よりなることを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等に所定の熱処理を施す枚葉式の熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウエハに対して、成膜、エッチング、酸化拡散、アニール等の各種の熱処理が繰り返し施される。ここで、この種の熱処理を施す従来の枚葉式の熱処理装置の一例について図５を参照して説明する。
真空引き可能になされた筒体状の処理容器２内には、加熱ヒータ４を内蔵した載置台６が設けられており、この載置台６の上面に半導体ウエハＷを載置するようになっている。また、この処理容器２の天井部にシャワーヘッド部８を設け、これより必要な処理ガス、例えば薄膜を堆積させる場合には成膜ガスを処理容器内に導入し、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により薄膜を堆積させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シャワーヘッド部８から処理容器２内へ導入された処理ガスの多くは、処理空間においてその中心部から周辺部に拡散して広がり、載置台６の周辺部から略均等に下方向へ排気されていく。しかしながら、一部の処理ガスＧ１は、シャワーヘッド部８の外周側に形成されている天井空間１０の部分に滞留する傾向となり、この結果、ウエハ周縁部における処理ガスの流れが乱れてこの部分のガス流量が、例えば僅かに大きくなる。
また、上記したようにシャワーヘッド部８の外周側に天井空間１０が存在していることから、ウエハＷの表面から上面を見回した場合の天井面の形態が不均一となっており、この結果、ウエハ面内に大きな温度差が生じてウエハ温度の面内均一性が低下していた。
【０００４】
このようなことから、ウエハ表面に形成される堆積膜の膜厚の面内均一性が劣化し、例えば図６に示すように、ウエハ中心部よりもウエハ周辺部の膜厚の方が大きくなる、といった問題が生じていた。
このような場合、従来にあっては、加熱ヒータ４を同心円状にゾーン毎に分割し、各ゾーン毎に個別に温度制御できるような構造として、図７に示すように、ウエハ中心部分の温度よりもウエハの周辺部の温度を意図的に低くなるように温度制御し、これによってウエハ周辺部における成膜レートを少し抑制して、結果的にウエハ面上の膜厚の面内均一性を向上させるようにした技術も提案されている。
【０００５】
しかしながら、この場合には、例えば成膜のプロセス温度が、例えば４８０℃程度の時に、ウエハ中心とウエハ周辺との間の温度差Δｔが２０〜３０℃程度にも達してしまい、従来のプロセスのように、半導体製造技術の設計ルールがそれ程厳しくない場合には大きな問題にはならなかったが、微細化及び薄膜化がより進んで設計ルールがより厳しくなった最近にあっては、上述のような２０〜３０℃もの温度差が生ずるとこれが膜質に影響を与え、所望の電気的諸特性が得られなくなる、といった問題があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、被処理体の面内温度の均一性の向上を図ることができ、処理ガスの滞留をなくすことが可能な熱処理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】
請求項１に係る発明によれば、処理容器の天井部に展開可能に設けた天井蓋に設けたシャワーヘッド部から処理ガスを供給しつつ載置台上に設置した被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、前記シャワーヘッド部の外周側に、前記載置台に対する天井面の凹凸の形態を改善するために、下面が、前記シャワーヘッド部の下面と、同一水平レベルに設定され且つ、前記シャワーヘッド部の外周側の領域を空間として維持するような形態改良部材を、前記天井蓋の展開に必要な隙間を除いて前記シャワーヘッド部の側壁と前記処理容器の側壁との間の全域に亘って設けるように構成したものである。
このように、シャワーヘッド部の外周側に形態改良部材を設けることにより、処理容器内の載置台に対する天井面の凹凸の形態が均一化され、しかも、処理ガスの乱れの発生原因となる不要な空間もなくなり、この結果、被処理体の温度分布の面内均一性を大幅に向上させることができ、熱処理の面内均一性、例えば成膜処理の場合には膜厚の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。
【０００７】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記形態改良部材は、前記シャワーヘッド部を構成する材料と実質的に同一材料で形成されている。
【０００８】
また、例えば請求項３に規定するように、前記形態改良部材は、内部が中空になされたリング状の円形リング体よりなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る熱処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る熱処理装置を示す断面構成図、図２は処理容器内の天井面を示す下面図、図３は処理容器内の処理ガスの流れを示す模式図である。ここでは熱処理装置としてＣＶＤ成膜を行う場合を例にとって説明する。図示するように、この熱処理装置２０は、例えばアルミニウムにより円筒体状に成形された処理容器２２を有している。
また、この処理容器２２の底部には、図示しない真空ポンプ等に接続された排気口２４が設けられており、処理容器２２内を必要に応じて真空引き可能としている。そして、この処理容器２２内には、被処理体としての半導体ウエハＷを載置するためにその底部より支柱２６を介して起立された載置台２８が設けられている。この載置台２８は、全体が誘電体、例えば全体がＡｌＮ等のセラミックスよりなり、この内部に例えばモリブデン線等の抵抗体よりなる加熱ヒータ３０が所定のパターン形状に配列して埋め込まれている。この加熱ヒータ３０には、ヒータ電源３２が配線３４を介して接続されており、必要に応じて上記加熱ヒータ３０に電力を供給するようになっている。尚、加熱ヒータ３０に代えて、加熱ランプを用いるようにしてもよい。
【００１０】
そして、上記載置台２８には、この上下方向に貫通して複数のピン孔４０が形成されており、各ピン孔４０には、下端が連結リング４２に共通に連結された例えば石英製の押し上げピン４４が遊嵌状態で収容されている。そして、上記連結リング４２は、容器底部を貫通して上下移動可能に設けた出没ロッド４６の上端に連結されており、この出没ロッド４６の下端はエアシリンダ４８に接続されている。これにより、上記各押し上げピン４４をウエハＷの受け渡し時に各ピン孔４０の上端から上方へ出没させるようになっている。また、上記出没ロッド４６の容器底部に対する貫通部には、伸縮可能になされたベローズ５０が介設されており、上記出没ロッド４６を、処理容器２２内の気密性を維持しつつ昇降できるようになっている。
【００１１】
そして、この処理容器２２の側壁には、ウエハを搬出入するための搬出入口５２が形成されており、これにはゲートバルブ５４が設けられて開閉可能になされている。このゲートバルブ５４には、図示しないロードロック室やトランスファチャンバ等が接続される。
そして、この処理容器２２の上端開口部には、一部が例えば蝶番５６により支持されて開閉可能になされた天井蓋５８がＯリング等のシール部材６０を介して気密に設けられている。そして、この天井蓋５８には、下面に多数のガス噴出孔６２を有するシャワーヘッド部６４が設けられており、これにより処理ガスとして例えば成膜ガス等を処理容器２２内の処理空間Ｓへ導入できるようになっている。尚、このシャワーヘッド部６４内へ拡散板を設けるようにしてもよい。
【００１２】
このシャワーヘッド部６４は図示例のように中空の円板状に成形されており、この全体は、例えばアルミニウム等により形成されている。このシャワーヘッド部６４を区画する区画壁の板厚ΔＬは、例えば３〜４ｍｍ程度に設定されている。
そして、上記シャワーヘッド部６４の外周側に、上記載置台２８に対する天井面の凹凸の形態を改善するための形態改良部材６６が設けられている。具体的には、この形態改良部材６６は、天井面の凹凸の形態の改善を図るために、例えば上記シャワーヘッド部６４を構成する材料と実質的に同一材料、例えばここではアルミニウムよりなり、内部が中空になされると共に、断面矩形状になされたリング状の円形リング体６８により構成されている。
【００１３】
また更に、天井面の凹凸の形態の改善を図るために、上記シャワーヘッド部６４の下面と上記形態改良部材６６の円形リング体６８の底壁６８Ｃの下面とは略同一水平レベルになされており、上記載置台６の表面側に対して天井面に凹凸が発生しないようにしている。
このような形態改良部材６６は、天井面の凹凸の形態の改善を図るためにシャワーヘッド部６４の側壁６４Ａと上記処理容器２２の上部側壁２２Ａとの間に形成されるリング状の空間の略全域に設けられる。図示例では、上記シャワーヘッド部６４の側壁６４Ａと上記形態改良部材６６の円形リング体６８の内周壁６８Ａとが接合された状態で設けられており、また、円形リング体６８の外周壁６８Ｂと処理容器２２の側壁２２Ａとの間は、僅かな距離ΔＬ２、例えば１ｍｍ程度だけ離間されて隙間が形成されており、このシャワーヘッド部６４や形態改良部材６８が取り付けられた天井蓋５８を、上記蝶番５６を支点として展開させて開閉する時に、蝶番５６から最も離れているこの形態改良部材６６の先端側の展開軌跡が上記処理容器２２の側壁２２Ａと衝突しないようにしている。
ここで、各部の寸法の一例について説明すると、直径が３０ｃｍのウエハを処理する場合の装置例では、シャワーヘッド部６４のサイズにもよるが、円形リング体６８の内径Ｄ１は２９４〜３４９ｍｍ程度、外径Ｄ２は４２９ｍｍ程度、高さＨ１は３９〜４４ｍｍ程度である。
【００１４】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。
まず、処理容器２２の側壁に設けたゲートバルブ５４を開状態とし、図示しないロードロック室等から搬出入口５２を介して未処理の半導体ウエハＷをこの処理容器２２内へ搬入し、これを押し上げピン４４に受け渡して降下させることによって、ウエハＷを載置台２８上に載置させる。
次に、処理容器２２内を密閉状態とし、加熱ヒータ３０への投入電力を増して予め予熱状態になされている載置台２８の温度をプロセス温度まで昇温して維持する。そして、これと共にシャワーヘッド部６４から処理ガスとして流量制御された成膜ガス等を処理容器２２内の処理空間Ｓへ供給すると同時に、排気口２４から処理容器２２内を真空引きして処理容器２２内を所定のプロセス圧力に維持し、成膜処理を行う。上記成膜ガスとしては、例えばＴａ２ Ｏ５ 膜の薄膜を堆積させる場合には、例えばＰＥＴ（ペンタエトキシタンタル）と酸素（Ｏ２ ）等を用いる。
【００１５】
上記シャワーヘッド部６４のガス噴出孔６２より処理空間Ｓへ放出された成膜ガスはこの処理空間Ｓを流下しつつ載置台２８の中心側よりその周辺部側に向けて拡散して行き、そして、載置台２８の外周側を略均等の流量で流下して排気口２４から容器外へ排出されることになる。
ここで従来装置にあっては、シャワーヘッド部の側部にデッドスペース的な天井空間１０が存在したので（図５参照）、ウエハ面より上方を見た場合の天井面の形態は、天井空間１０の存在のために凹凸が発生してしまってそれ程均一性が良好ではなかったが、本実施例の場合にはシャワーヘッド部６４の外周側に形態改良部材６６を設けているので、ウエハ面より上方を見た場合の天井面の形態は、凹凸がほとんどなくなっていることから、均一性を大幅に向上させることが可能となる。この結果、ウエハ面における容器天井側の輻射熱に関する熱的条件は、ウエハ面内において略均一な状態となり、ウエハ温度の面内均一性を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、上述のように形態改良部材６６を設けた結果、シャワーヘッド部６４の外周側には、従来装置の場合には存在したデッドスペースが、本実施例の場合にはなくなり、従って、この部分に成膜ガスが渦巻等を起こして滞留することがなくなり、成膜ガス処理空間Ｓ内をその中心より周辺に向けて円滑に拡散しつつ流下して真空引きされることになる。これにより、処理空間Ｓにおけるガス流量がウエハの面内において略均一化され、結果的に、ウエハに図７に示したような温度分布を持たせることなく、すなわちウエハ温度の面内均一性を保持したまま、この熱処理（成膜処理）の面内均一性を向上させることができ、本実施例の場合には、膜厚の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。
特に、本実施例の場合には、シャワーヘッド部６４の下面と形態改良部材６６の下面とを略同一水平レベルになるように設定しているので、この点よりもウエハ面に対する天井面の凹凸の形態を均一化させることができる。
【００１７】
更には、ここではシャワーヘッド部６４と形態改良部材６６との構成材料を互いに同一にして輻射などの熱的条件が同じとなるように設定しているので、この点よりもウエハ面に対する天井面の凹凸の形態を更に均一化させることができる。
また更には、形態改良部材６６の内部を中空に形成するなどして、内部に拡散室を有するシャワーヘッド部６４と類似する構造にしているので、ウエハ面に対する容器天井側の熱的条件は、ウエハ面内において略均一な状態となり、ウエハ温度の面内均一性を一層向上させることが可能となる。
また、上述のように、形態改良部材６６を設けた結果、この分、処理空間Ｓの容量を小さくできるので、例えば金属膜を一原子層ずつ堆積させるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を実施する場合、ガス置換を早く行うことができるので、その分、スループットを向上させることができる。
【００１８】
また、実際に従来装置と本発明装置のウエハ面上における温度分布を比較したところ、従来装置の場合には最大温度が４４１．６℃、最低温度が４３９．２℃でその差が２．４℃であったが、本発明装置の場合には最大温度が４４０．２℃、最低温度が４３８．７℃でその差が１．５℃であり、本発明装置の場合ではウエハ温度の面内均一性を大幅に改善できることが判明した。尚、この時のウエハ設定温度は共に４８５℃、プロセス圧力は共に４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）である。
また、従来装置と本発明装置の処理ガスの流れをシミュレートした結果、図３（Ａ）に示すように、従来装置の場合にはシャワーヘッド部８の外周側の天井空間１０に渦巻状に滞留する処理ガスが見られたが、本発明装置の場合には、図３（Ｂ）に示すようにシャワーヘッド部６４の外周側に形態改良部材６６を設けてデッドスペースをなくしたので、処理ガスは天井空間１０に滞留することなく円滑に流れていることが判明した。
【００１９】
また、上記実施例では形態改良部材６６として内部が中空になされた円形リング体６８を用いたが、これに限定されず、図４に示すように、形態改良部材６６として例えば円形リング板７０を用い、この円形リング板７０をシャワーヘッド部６４の側壁６４Ａの外周面に一体的に接続固定し、且つその下面をシャワーヘッド部６４の下面と略同一水平レベルとなるように設定してもよい。これによれば、シャワーヘッド部６４の外周側にデッドスペースである天井空間１０が存在しても、この天井空間１０は処理空間Ｓ側から略分離されているので、この空間部分に処理ガスが侵入することはほとんどなく、しかも、ウエハ面に対する天井面の凹凸の形態も改善することができる。
【００２０】
尚、上記実施例では、形態改良部材６６をアルミニウムで形成したが、これに限定されず、金属汚染の少ない材料ならばどのような材料でもよく、例えばステンレスやセラミック等も用いることができる。
また、上記実施例では熱処理装置としてＣＶＤ処理装置を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマ処理装置、エッチング装置、酸化拡散装置、改質装置等にも本発明を適用できるのは勿論である。
また、本実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等を処理する場合にも本発明を適用できるのは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、シャワーヘッド部の外周側に形態改良部材を設けることにより、処理容器内の載置台に対する天井面の凹凸の形態が均一化され、しかも、処理ガスの乱れの発生原因となる不要な空間もなくなり、この結果、被処理体の温度分布の面内均一性を大幅に向上させることができ、熱処理の面内均一性、例えば成膜処理の場合には膜厚の面内均一性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る熱処理装置を示す断面構成図である。
【図２】  処理容器内の天井面を示す下面図である。
【図３】  処理容器内の処理ガスの流れを示す模式図である。
【図４】  本発明の熱処理装置の変形例を示す図である。
【図５】  熱処理を施す従来の枚葉式の熱処理装置の一例を示す構成図である。
【図６】  堆積膜の膜厚の面内分布を示す図である。
【図７】  半導体ウエハの面内の温度分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
２０  熱処理装置
２２  処理容器
２２Ａ  側壁
２８  載置台
５８  天井蓋
６４  シャワーヘッド部
６４Ａ  側壁
６６  形態改良部材
６８  円形リング体
７０  円形リング板
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
0004569042.tif 000002
【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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