JP2009081457A - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】循環流を防止し膜厚膜質均一性を向上しパーティクルを低減する。
【解決手段】ＣＶＤ装置はウエハ１０を保持したボート１１が搬入されるインナチューブ２と、インナチューブ２を取り囲むアウタチューブ３と、アウタチューブ３に垂直に開設されてインナチューブ２を排気する排気孔２５と、インナチューブ２の排気孔２５に対向する位置に径方向外向きに膨出するように形成された予備室２１と、予備室２１に互いに近接して垂直に敷設された一対のガス導入ノズル２２、２２と、両ガス導入ノズル２２、２２の同一の平面内に３個ずつ開設された複数組の噴出口２４とを備えている。複数個の噴出口２４の開口縁辺部にはＲ面取り部または近似曲面部が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板処理技術、特に、基板面内の膜厚均一性を改善する技術に関する。
例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法において、ＩＣが作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）にポリシリコンやシリコン窒化膜等を堆積（デポジション）するのに利用して有効なものに関する。

ＩＣの製造方法において、ウエハにポリシリコンやシリコン窒化膜等のＣＶＤ膜をデポジションするのにバッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置（以下、ＣＶＤ装置という。）が、広く使用されている。
従来のこの種のＣＶＤ装置としては、インナチューブおよびこのインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成され縦形に設置されたプロセスチューブと、複数枚のウエハを保持してインナチューブ内に搬入するボートと、インナチューブ内に原料ガスを導入するガス導入ノズルと、プロセスチューブ内を排気して減圧する排気口と、プロセスチューブ外に敷設されてプロセスチューブ内を加熱するヒータユニットとを備えており、ガス導入ノズルには複数個の噴出口がボートに保持された各ウエハに対応して開設され、インナチューブの側壁には排気孔が開設されているものがある（例えば、特許文献１参照）。

このＣＶＤ装置においては、複数枚のウエハがボートによって長く整列されて保持された状態でインナチューブ内に下端の炉口から搬入（ボートローディング）され、インナチューブ内に原料ガスがガス導入ノズルによって導入されるとともに、ヒータユニットによってプロセスチューブ内が加熱されることにより、ウエハにＣＶＤ膜がデポジションされる。
この際、ガス導入ノズルの複数の噴出口から水平に噴出された原料ガスは、ボートに互いに水平に保持された上下のウエハの間を流れてウエハの表面に接触し、インナチューブに開設された排気孔からインナチューブの外部に排気口の排気力によって排気される。

特開２０００−３１１８６２号公報

前記したＣＶＤ装置においては、ガス導入ノズルの噴出口から数Ｐａ〜数百Ｐａの処理室に噴射から高速度で噴出したガスは大きく減衰することにより圧力の高低差による大きな渦（循環流）を発生し、この渦によってガスの流路が長くなるために、ガスのウエハとの接触時間が長くなるという問題点がある。
例えば、ポリシリコン膜を成膜する場合において、高温領域におけるモノシラン（ＳｉＨ4 ）の通過時間が長くなると、気相中での分解反応が過度に進行してしまうことにより、ポリシリコンが粉状になって析出してウエハの表面に付着してしまうために、ポリシリコン膜の品質が低下するばかりでなく、パーティクルの発生原因になってしまう。

本発明の目的は、パーティクルを低減することができる基板処理装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）基板が搬入されるインナチューブおよびこのインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成されたプロセスチューブと、前記インナチューブ内にガスを導入するガス導入ノズルと、前記プロセスチューブ内を排気する排気口とを備えている基板処理装置において、
前記ガス導入ノズルには複数個の噴出口が開設されており、該複数個の噴出口の開口縁辺部にはＲ面取り部または近似曲面部が形成されていることを特徴とする基板処理装置。
（２）複数枚の基板を保持したボートを処理室に搬入するステップと、
ガスを導入ノズルに導入するステップと、
この導入ノズルに開設された複数個の噴出口の開口縁辺部のＲ面取り部または近似曲面部を前記ガスが通過するステップと、
前記ガスが前記基板を処理するステップと、
前記ガスが前記処理室を排気する排気口を通過するステップと、
前記ガスの供給を停止するステップと、
前記処理室から前記ボートを搬出するステップと、
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。

前記した手段によれば、パーティクルを低減することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、図１に示されているようにＣＶＤ装置（バッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置）として構成されている。
図１に示されているＣＶＤ装置は中心線が垂直になるように縦に配されて固定的に支持された縦形のプロセスチューブ１を備えており、プロセスチューブ１はインナチューブ２とアウタチューブ３とから構成されている。インナチューブ２およびアウタチューブ３はいずれも、石英ガラスや炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性の高い材料が用いられて円筒形状にそれぞれ一体成形されている。

インナチューブ２は上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、インナチューブ２の筒中空部はボートによって長く整列した状態に保持された複数枚のウエハが搬入される処理室４を形成している。インナチューブ２の下端開口は被処理基板としてのウエハ１０を出し入れするための炉口５を構成している。したがって、インナチューブ２の内径は取り扱うウエハ１０の最大外径よりも大きくなるように設定されている。
アウタチューブ３はインナチューブ２に対して大きめに相似し上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、インナチューブ２の外側を取り囲むように同心円に被せられている。
インナチューブ２とアウタチューブ３との間の下端部は円形リング形状に形成されたマニホールド６によって気密封止されており、マニホールド６はインナチューブ２およびアウタチューブ３についての保守点検作業や清掃作業のためにインナチューブ２およびアウタチューブ３に着脱自在に取り付けられている。
マニホールド６がＣＶＤ装置の筐体（図示せず）に支持されることにより、プロセスチューブ１は垂直に据え付けられた状態になっている。

マニホールド６の側壁の一部には排気口７が開設されており、排気口７は排気装置（図示せず）に接続されてプロセスチューブ１の内部を所定の真空度に減圧し得るように構成されている。排気口７はインナチューブ２とアウタチューブ３との間に形成された隙間からなる排気路８に連通した状態になっており、インナチューブ２とアウタチューブ３との隙間によって形成された排気路８の横断面形状が一定幅の円形リング形状になっている。排気口７がマニホールド６に開設されているため、排気口７は円筒形状の中空体を形成されて垂直に延在した排気路８の下端部に配置された状態になっている。

マニホールド６には下端開口を閉塞するシールキャップ９が垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ９はアウタチューブ３の外径と略等しい円盤形状に形成されており、プロセスチューブ１の外部に垂直に設備されたボートエレベータ（図示せず）によって垂直方向に昇降されるように構成されている。シールキャップ９の中心線上には被処理物としてのウエハ１０を保持するためのボート１１が垂直に立脚されて支持されるようになっている。
ボート１１は上下で一対の端板１２、１３と、両端板１２、１３間に架設されて垂直に配設された複数本の保持部材１４とを備えており、各保持部材１４には多数条の保持溝１５が長手方向に等間隔に配されて互いに対向して開口するように没設されている。ウエハ１０の円周縁が複数本の保持部材１４の同一の段の保持溝１５間に挿入されることにより、複数枚のウエハ１０は水平かつ互いに中心を揃えた状態に整列されて保持される。
ボート１１とシールキャップ９との間には上下で一対の補助端板１６、１７が複数本の補助保持部材１８によって支持されて配設されており、各補助保持部材１８には多数条の保持溝１９が没設されている。

アウタチューブ３の外部にはプロセスチューブ１内を全体にわたって均一または所定の温度分布に加熱するヒータユニット２０が、アウタチューブ３を包囲するように同心円に設備されており、ヒータユニット２０はＣＶＤ装置の筐体に支持されることにより垂直に据え付けられた状態になっている。

インナチューブ２の側壁の排気口７と１８０度反対側の位置には、チャンネル形状の予備室２１が径方向外向きに膨出されて垂直方向に長く延在するように形成されており、インナチューブ２の側壁の予備室２１と１８０度反対側の位置すなわち排気口７側の位置には排気孔２５が垂直方向に細長く開設されている。
図２に示されているように、予備室２１には一対のガス導入ノズル２２、２２が互いに近接して垂直方向に延在するように配管されている。図１に示されているように、各ガス導入ノズル２２のガス導入口部２３はマニホールド６の側壁を径方向外向きに貫通してプロセスチューブ１の外部に突き出されており、ガス導入口部２３には原料ガス供給装置や窒素ガス供給装置等（図示せず）が接続されている。
一対のガス導入ノズル２２、２２には３個で一組の噴出口２４が複数組、垂直方向に並べられて開設されている。噴出口２４群の組数はボート１１に保持されたウエハ１０の枚数に一致されており、各組の高さ位置はボート１１に保持された上下で隣合うウエハ１０と１０との間の空間に対向するようにそれぞれ設定されている。すなわち、ガス導入ノズル２２の３個の噴出口２４ａ、２４ｂ、２４ｃはウエハ１０の主面に対して平行な平面内に開設されている。
一対のガス導入ノズル２２、２２において３個の噴出口２４のうちの中心の噴出口２４ａのガスの噴出方向は、ウエハ１０の中心と排気孔２５とを結んだ線分と平行になるように設定されており、その両脇の噴出口２４ｂ、２４ｃのガスの噴出方向は、ガス導入ノズル２２の中心を起点として中心の噴出口２４ａの噴出方向を基準線とした仰角Θが３０度ずつの線対称形になるように設定されている。

次に、前記構成に係るＣＶＤ装置による本発明の一実施の形態である成膜方法を説明する。

ウエハチャージングステップにおいて、ウエハ１０はボート１１に、その円周縁部が対向する複数箇所において保持部材１４の保持溝１５間にそれぞれ係合するように挿入されて行き、複数箇所の円周縁部が各保持溝１５に係合されて自重を支えられるように装填（チャージング）されて保持される。複数枚のウエハ１０はボート１１におけるチャージング状態においてその中心を揃えられて互いに平行かつ水平に整列されている。

ボートローディングステップにおいて、複数枚のウエハ１０を整列保持したボート１１はボートエレベータにより差し上げられるようにして、インナチューブ２の炉口５から処理室４内に搬入（ボートローディング）されて行き、処理室４に図１に示されているように存置される。この状態において、シールキャップ９は炉口５をシールした状態になる。

続いて、減圧ステップにおいて、プロセスチューブ１の内部が排気口７に作用する排気力によって所定の真空度（例えば、２００Ｐａ）に減圧されるとともに、昇温ステップにおいて、プロセスチューブ１の内部がヒータユニット２０によって所定の温度（例えば、４００℃）に昇温される。

次いで、成膜ステップにおいて、所定の原料ガス３０がガス導入ノズル２２のガス導入口部２３に常圧（大気圧）で供給され、一対のガス導入ノズル２２、２２を流通して複数組の３個の噴出口２４ａ、２４ｂ、２４ｃからインナチューブ２の処理室４に音速に近い高速度をもって噴出するように制御されて導入される。例えば、ドープドポリシリコンが拡散される場合においては、原料ガス３０としてはモノシラン（ＳｉＨ4 ）およびホスフィン（ＰＨ3 ）が処理室４に導入される。
処理室４に導入された原料ガス３０はインナチューブ２の側壁に垂直方向に細長く開設された排気孔２５からインナチューブ２とアウタチューブ３との隙間によって形成された排気路８に流出してアウタチューブ３の下端に位置するマニホールド６に開設された排気口７から排気される。

この際に、一対のガス導入ノズル２２、２２と排気孔２５および排気口７とは、互いに１８０度離れて対向するようにそれぞれ配置されていることにより、一対のガス導入ノズル２２、２２の各組の３個の噴出口２４ａ、２４ｂ、２４ｃからそれぞれ噴出された原料ガス３０は、処理室４を反対側の排気孔２５に向かって水平に流れるため、各ウエハ１０に対してそれぞれ平行に流れる。しかも、各組の３個の噴出口２４ａ、２４ｂ、２４ｃは上下で隣合うウエハ１０と１０との間に対向するようにそれぞれ配置されているため、各噴出口２４からそれぞれ噴出された原料ガス３０は上下で隣合うウエハ１０と１０との間の空間のそれぞれに流れ込んで確実に平行に流れる。
ウエハ１０の表面に接触しながら上下で隣合うウエハ１０と１０との間の空間を平行に流れて行く原料ガス３０のＣＶＤ反応によって、ウエハ１０の表面にはＣＶＤ膜が堆積する。例えば、モノシランとホスフィンとが導入された場合には、ドープドポリシリコン膜がウエハ１０に堆積する。
この際、原料ガス３０は各ウエハ１０内の全面にわたってそれぞれ均一に接触するため、ＣＶＤ膜の堆積状態は各ウエハ１０内において全体にわたって膜厚および膜質共に均一になる。

また、本実施の形態においては、ガス導入ノズル２２の各組の噴出口２４から原料ガス３０が音速に近い高速度で噴出されることにより、ガス導入ノズル２２内の下流側圧力と上流側圧力との比が臨界圧力比以下になり、下流側の流れの場の変動に関わらず常に一定の流量を発生させることができるため、ガス導入ノズル２２の上下でガスの流量を均等に制御することができる。その結果、ボート１１によって保持されたウエハ１０群の各ウエハ１０に形成された膜厚および膜質は、ウエハ１０群におけるボート１１の全長にわたって均一になる。

所望のＣＶＤ膜（例えば、ドープドポリシリコン膜）が堆積された後に、ボートアンローディングステップにおいて、シールキャップ９が下降されることによって炉口５が開口されるとともに、ボート１１に保持された状態で処理済みのウエハ１０群が炉口５からプロセスチューブ１の外部に搬出（ボートアンローディング）される。

ところで、ガス導入ノズルの噴出口からガスを音速に近い高速度で噴出させた場合の定常状態に達した時のガス流動をシミュレーションしたところ、図３および図４に示されている流線が得られた。

図３はガス導入ノズルがインナチューブの側壁内周面に接するように配置され噴出口が１個の従来例の場合を示しており、噴出口の直後に強い大きな渦が形成されているのが観察される。噴射されたガスの多くがこの大きな渦によって噴出口の近傍に再度戻されており、ウエハ面上の流れは一様になってはいない。
図示は省略するが、図３の流線に対応した噴出口近傍の流速コンタ図を観測したところ、噴出口から音速に近い高速度で噴出したガスはウエハ面上に達してから３０ｍｍ程度の辺りで大きく減衰し、そこでは既に数ｍ／秒のオーダーになっているのが観察された。
減圧場であることにより、噴射されたガスは噴出口の直後から広く拡散するため、噴射ガスの貫徹力は著しく減衰し流速は極端に遅くなるものと考えられる。この大きな速度勾配および渦の影響を成膜時には強く受けるものと推定することができるため、これらを改善する必要がある。

図４は図３の結果における噴出口近傍の大きな渦により強い乱れの発生を防止することができる本実施の形態の場合を示している。
図４の流線を見ると、ウエハ面上では大きな乱れが発生することなくガスが排気孔まで流れているのを観察することができる。これは次のような理由によると、考察される。
一対のガス導入ノズル２２、２２の流量およびガス導入ノズル２２のノズル面積は図３の場合と同一であるので、一本のガス導入ノズル２２からの流量は半分になるため、一本のガス導入ノズル当たりのガスの運動量は半分になる。しかも、ガスは一対のガス導入ノズル２２、２２の３個で一組の噴出口２４ａ、２４ｂ、２４ｃからインナチューブ２内に分散されて噴出されることによって勢いを減衰されるために、ガス導入ノズル２２の近傍において大きな渦が発生するのを防止される。さらに、３個で一組の噴出口２４ａ、２４ｂ、２４ｃからウエハの主面に対して平行な平面の上に広角に噴出されることによって、ガスの排気口への貫徹力はウエハの主面に対し平行な平面上に広角になるので、ガス導入ノズル２２の近傍において大きな渦が発生するのを防止される。

なお、両脇の噴出口２４ｂ、２４ｃのガスの噴出方向は、ガス導入ノズル２２の中心を起点として中心の噴出口２４ａの噴出方向を基準線とした仰角Θが３０度ずつの対称形になるように設定するに限らず、一対のガス導入ノズル２２、２２の間隔や予備室２１の周方向および径方向の寸法等の条件によって最適値を設定することが望ましい。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

1) インナチューブの側壁に形成した予備室にガス導入ノズルを配管し、このガス導入ノズルの噴出口から原料ガスを処理室に噴出させることにより、噴射された原料ガスの貫徹力をウエハに到達するまでに減衰させて、ウエハ面上において大きな速度勾配や渦が発生するのを防止することができるため、原料ガスのウエハとの接触時間が長くなるのを防止することができる。

2) 原料ガスのウエハとの接触時間が長くなるのを防止することにより、例えば、ポリシリコン膜を成膜する場合において、高温領域におけるモノシランの通過時間が長くなって気相中での分解反応が過度に進行し、ポリシリコンが粉状になって析出してウエハの表面に付着することによってポリシリコン膜の品質が低下したり、パーティクルの発生原因になったりするのを防止することができるため、良質のポリシリコン膜を形成することができるとともに、成膜工程の歩留りの低下を防止することができる。

3) 予備室に一対のガス導入ノズルを配管し、一対のガス導入ノズルに３個で一組の噴出口を開設することにより、ガスが３個の噴出口からウエハの主面に対して平行な平面へ向けて広角に噴出される状態になるために、大きな渦による強い乱れの発生をより一層確実に防止することができ、より一層良質のポリシリコン膜を形成することができるとともに、成膜工程の歩留りの低下を確実に防止することができる。

4) ガス導入ノズルの噴出口から原料ガスを音速に近い高速度で噴出させることにより、ガス導入ノズルの上下で原料ガスの流量を均等に制御することができるため、ボートによって保持されたウエハ群の各ウエハに形成されたＣＶＤ膜の膜厚および膜質をウエハ群の全長にわたって均一化することができる。

5) ガス導入ノズルと排気孔とを互いに１８０度離れて対向するようにそれぞれ配置し、複数個の噴出口のそれぞれを上下で隣合うウエハ間に対向するようにそれぞれ配置することにより、各噴出口からそれぞれ噴出された原料ガスを上下で隣合うウエハ間の空間で平行に流して各ウエハ内の全面にわたってそれぞれ均一に接触させることができるため、各ウエハ面内において全体にわたってＣＶＤ膜の膜厚および膜質を均一に形成させることができる。

6) ウエハ面内およびウエハ群内のＣＶＤ膜の膜厚および膜質を全体的に均一化させることにより、一回の処理におけるＣＶＤ膜の膜厚や膜質等を均一化することができるため、ＣＶＤ装置および成膜工程の品質および信頼性を高めることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、ガス導入ノズルの噴出口の開口縁辺部には、図５（ａ）に示されているように、角部（エッジ）２６を残すに限らず、図５（ｂ）に示されているようにＲ面取り部２７を形成してもよいし、図５（ｃ）に示されているように、近似曲面部２８を形成してもよい。
これらにより、ガスの流れの乱れがより一層発生し難くなる。さらに、角部２６では付着した膜が剥がれ易く、パーティクルの発生の原因となるが、Ｒ面取り部２７もしくは近似曲面部２８を形成することにより、この剥離現象の発生を防止することができる。
つまり、パーティクルの発生原因をより一層防止することができるので、良質のポリシリコン膜を形成することができるとともに、成膜工程の歩留りの低下を防止することができる。

例えば、ガス導入ノズルの同一平面内の一組の噴出口の個数は３個に限らず、２個または４個以上であってもよい。また、ガス導入ノズルは一対に限らず、１本または３本以上であってもよい。

ガス導入ノズルに開設する噴出口の組数は、処理するウエハの枚数に一致させるに限らず、処理するウエハの枚数に対応して増減することができる。例えば、各組の複数個の噴出口は上下で隣合うウエハ同士間にそれぞれ対向して配置するに限らず、２枚や３枚置きに配設してもよい。

インナチューブの側壁に開設する排気孔は一連の長孔に形成するに限らず、複数個の長孔や円形孔および多角形孔等に形成してもよいし、インナチューブの上下において孔径を増減してもよい。

前記実施の形態では処理がウエハに施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

前記実施の形態では、ドープドポリシリコン膜の堆積について説明したが、本発明に係る成膜方法はドープドポリシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のＣＶＤ膜の成膜方法全般に適用することができる。
さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法は酸化膜形成方法や拡散方法等の半導体装置の製造方法全般に適用することができる。

前記実施の形態ではバッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく、横形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置や酸化膜形成装置や拡散装置および他の熱処理装置等の基板処理装置全般に適用することができる。

本発明の一実施の形態であるＣＶＤ装置を示す正面断面図である。 ヒータユニットを省略した平面断面図である。 ガス導入ノズルの噴出口が１個の場合を示す流線図である。 本実施の形態に係る噴出口が３個の場合を示す流線図である。 噴出口の開口縁辺部の形状を示す各断面図であり、（ａ）は角部を有する噴出口、（ｂ）はＲ面取り部を有する噴出口、（ｃ）は近似曲面部を有する噴出口をそれぞれ示している。

符号の説明

１…プロセスチューブ、２…インナチューブ、３…アウタチューブ、４…処理室、５…炉口、６…マニホールド、７…排気口、８…排気路、９…シールキャップ、１０…ウエハ（基板）、１１…ボート、１２、１３…端板、１４…保持部材、１５…保持溝、１６、１７…補助端板、１８…補助保持部材、１９…保持溝、２０…ヒータユニット、２１…予備室、２２…ガス導入ノズル、２３…ガス導入口部、２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…噴出口、２５…排気孔、２６…角部、２７…Ｒ面取り部、２８…近似曲面部、３０…原料ガス。

Claims (2)

1. 基板が搬入されるインナチューブおよびこのインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成されたプロセスチューブと、前記インナチューブ内にガスを導入するガス導入ノズルと、前記プロセスチューブ内を排気する排気口とを備えている基板処理装置において、
   前記ガス導入ノズルには複数個の噴出口が開設されており、該複数個の噴出口の開口縁辺部にはＲ面取り部または近似曲面部が形成されていることを特徴とする基板処理装置。
2. 複数枚の基板を保持したボートを処理室に搬入するステップと、
   ガスを導入ノズルに導入するステップと、
   この導入ノズルに開設された複数個の噴出口の開口縁辺部のＲ面取り部または近似曲面部を前記ガスが通過するステップと、
   前記ガスが前記基板を処理するステップと、
   前記ガスが前記処理室を排気する排気口を通過するステップと、
   前記ガスの供給を停止するステップと、
   前記処理室から前記ボートを搬出するステップと、
   を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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