JP3908616B2 - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造工程で、減圧工程を含む半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
先ず、図8により縦型反応炉を有する基板処理装置について略述する。
【0003】
反応管1は炉口フランジ2に立設されており、該炉口フランジ2には前記反応管1と同心に内管3が支持されている。又、前記反応管1を囲む様に円筒状のヒータ4が設けられている。該ヒータ4、前記反応管1により反応炉が構成される。
【0004】
前記反応管1の内部は気密な反応室5となっており、該反応室5には気密な予備室6が連通し、該予備室6は前記炉口フランジ2に連設されたロードロック室7によって画成されている。該ロードロック室7には炉入出手段であるボートエレベータ(図示せず)が設けられ、該ボートエレベータによって基板保持具8(以下ボート8)が前記反応室5に入炉、出炉される。又、前記ボート8の入炉時には炉口蓋9によって前記反応室5が気密に閉塞される様になっている。
【0005】
前記ロードロック室7にはゲート弁(図示せず)が設けられ、前記ロードロック室7の外部にはウェーハ移載機(図示せず)が設けられ、前記ボート8が降下(引出)され、前記ロードロック室7に収納されている状態で前記ボート8に前記ウェーハ移載機により前記ゲート弁を通してシリコンウェーハ等の基板10(以下ウェーハ10)が移載される様になっている。
【0006】
前記炉口フランジ2には第1ガス導入ライン11が連通され、前記内管3の下方からガスを前記反応室5に導入する様になっており、又前記ロードロック室7には第2ガス導入ライン12が連通されている。又、前記炉口フランジ2には第1排気ライン13が連通され、前記ロードロック室7には第2排気ライン14が連通され、前記第1排気ライン13、第2排気ライン14はエアバルブ15,16を介して図示しない排気装置に接続されている。
【0007】
前記ウェーハ10が前記ボート8に所定数装填された状態で、該ボート8は前記反応室5に入炉され、前記反応室5が真空引きされ、前記ヒータ4により加熱され、前記第1ガス導入ライン11より処理ガスが導入されつつ、排気され、所要の減圧状態に維持されることで、薄膜の生成等所要のウェーハ処理がなされる。
【0008】
処理が完了すると前記ボート8が降下され、前記ウェーハ10が払出される。
【0009】
従来、処理を開始する際に、前記反応室5に前記ボート8を入出炉する方法としては、前記反応室5、予備室6共に大気圧の状態で入出炉する。或は、該反応室5、予備室6を窒素ガスに置換して入出炉する方法、或は該反応室5、予備室6を真空にして入出炉する方法があった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
前記反応室5、予備室6が大気圧の状態で前記ボート8を入出炉する方法では、特に入炉時に自然酸化膜が生成し、半導体装置に悪影響を及す。
【0011】
前記反応室5、予備室6を窒素ガスに置換して前記ボート8を入出炉する方法では、自然酸化膜の生成が抑制され、大気圧の状態で入出炉する場合に比べ自然酸化膜の生成は大幅に抑制される。然し乍ら、窒素ガスに置換したといっても、置換されたガスから完全に酸素ガスを除去することはできないので、ある程度の自然酸化膜は生成され増加してしまう。
【0012】
前記反応室5、予備室6を真空にして前記ボート8を入出炉する方法は、該ボート8の入炉時に雰囲気を真空とするので、窒素ガス雰囲気下で入出炉する場合に比べ更に自然酸化膜の増加が抑制されるものである。
【0013】
ところが、真空雰囲気で前記ボート8の入炉を行うとパーティクルが発生することが分っている。
【0014】
本発明は斯かる実情に鑑み、自然酸化膜の増大を抑制しつつ、更にパーティクルの発生を抑制し、半導体装置の品質の向上を図るものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板保持具により支持した基板を予備室から反応炉内に装入する際に、該反応炉及び前記予備室内を不活性ガス雰囲気とした状態で、前記反応炉及び前記予備室内の雰囲気圧力を200Pa以上大気圧未満とすると共に、炉内温度を300℃以下とする半導体装置の製造方法に係り、又前記雰囲気圧力を200 Pa 以上3000 Pa 以下とする半導体装置の製造方法に係り、又前記雰囲気圧力を200 Pa 以上1300 Pa 以下とする半導体装置の製造方法に係るものである。
又本発明は、基板を処理する反応炉と、該反応炉内で基板を支持する基板保持具と、前記反応炉に連接し、前記基板保持具を収納可能な予備室と、該予備室に設けられ前記基板保持具を前記反応炉に対して入炉、出炉する炉入出手段と、前記反応炉内にガスを導入する第1ガス導入ラインと、前記予備室内にガスを導入する第2ガス導入ラインと、前記反応炉内を排気する第1排気ラインと、前記予備室内を排気する第2排気ラインと、前記基板保持具により保持した基板を前記予備室から前記反応炉内に装入する際に、該反応炉及び前記予備室内を不活性ガス雰囲気とした状態で、前記反応炉及び前記予備室内の雰囲気圧力が200 Pa 以上大気圧未満となる様、又炉内温度が300℃以下となる様制御する制御手段とを有する基板処理装置に係るものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【0017】
本発明では、自然酸化膜の増大を抑制する為、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気で、且つ減圧下でボートの入出炉を行うことを基本技術思想としている。
【0018】
上記した様に、ボートの入出炉を行う場合、大気圧雰囲気での入炉にはパーティクルの発生は見られず、減圧雰囲気ではパーティクルが発生することが確認されている。本発明者はウェーハ処理後のパーティクルの測定、実験等によりパーティクルの発生の度合いはボートの雰囲気圧力のみに限らず、入炉温度にも依存することを確認した。即ち、入炉温度が高くなる程パーティクルの発生が多くなることを確認した。
【0019】
図5は大気圧状態で、ボート8の入炉を行いウェーハ処理を実行した場合のウェーハ10へのパーティクルの付着状態を示す図であり、図6は高真空状態(200Pa)で前記ボート8の入炉を行いウェーハ処理を実行した場合のウェーハ10へのパーティクルの付着状態を示す図である。
【0020】
又、図7はこの時に使用された前記ボート8の概略図である。
【0021】
該ボート8は底板25と天板26間に4本の支柱27が設けられ、該支柱27には所要間隔でウェーハ保持溝28が刻設され、該ウェーハ保持溝28に前記ウェーハ10が挿入保持される。
【0022】
図5に示される様に、大気圧状態でのパーティクルの付着状態は僅かであり、又パーティクルの付着と前記ボート8との因果関係は見られない。尚、大気圧状態で入炉等を行いウェーハ10の処理をした場合のパーティクル付着量の増加は、0〜10個程度である。
【0023】
図6に示される様に、高真空状態では前記ウェーハ10全体にパーティクルの付着が増加していると共に、該ウェーハ10の前記ウェーハ保持溝28へ挿入された部分(ウェーハ支持部)についてパーティクルの付着が顕著である。即ち、高真空状態では、全体としてパーティクルの付着量が増加すると共にパーティクルの付着と前記ボート8との因果関係も発生している。
【0024】
本発明者はパーティクル発生のメカニズムを以下の如く解析した。
【0025】
ウェーハを支持したボートの雰囲気圧力を真空状態或は減圧状態とすると、ウェーハとボートのウェーハ支持部間の気体層が圧力に対応して無くなり、或は薄くなり、完全な固体接触となり摩擦力が増大する。又、摩擦力は真空度が高くなる程大きくなる。
【0026】
更に、ボートの入炉時、温度リカバリ時、更にウェーハの目的温度迄の昇温時には、振動、ウェーハやボートにかかる温度負荷によるウェーハの膨張、反り、ボートの変形、温度上昇過程で発生するウェーハとボート間の温度差、ウェーハ面内での温度分布の発生等の原因で、ウェーハとボート間に変位が生じる。
【0027】
摩擦力が増大した真空雰囲気下でのボートとウェーハ間の接触部相対変位、摩擦により、ウェーハ、ボートに付着していた膜が剥がれ、パーティクルとなる。
【0028】
更に、本発明者は入炉時の入炉温度がパーティクルの発生量に影響を及すこと、又パーティクルの発生は入炉温度が上昇するに従い増大することを確認した。
【0029】
本発明は、上記解析結果、確認結果に基づくものであり、減圧下、且つ所定温度以下でボートの入炉を行うことで、パーティクルの発生を抑制するものである。
【0030】
図1に於いて、本実施の形態に係るウェーハ処理装置の概略について説明する。尚、図1中、図8中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【0031】
第1排気ライン13に第1圧力検知器17が設けられ、第2排気ライン14には第2圧力検知器18が設けられる。前記第1圧力検知器17、第2圧力検知器18の圧力検知結果は圧力制御部19に入力される。前記第1排気ライン13、第2排気ライン14は排気ポンプ22に接続されている。
【0032】
第1ガス導入ライン11には第1流量制御器20、第2ガス導入ライン12には第2流量制御器21が設けられ、前記第1流量制御器20、第2流量制御器21は前記圧力制御部19からの指令により前記第1ガス導入ライン11から反応室5に供給されるガスの流量を制御し、前記第2ガス導入ライン12から予備室6に供給されるガスの流量を制御する。
【0033】
ヒータ4には電力供給部23より電力が供給され、該電力供給部23は炉内温度制御部24により供給電力を制御されている。尚、図示していないが、反応管1内には温度検出器が設けられ、該温度検出器により検出された炉内温度は前記電力供給部23にフィードバックされる様になっている。
【0034】
本ウェーハ処理装置に於ける成膜等のウェーハ処理については、図8で説明した従来例と同様であるので、説明を省略する。
【0035】
前記圧力制御部19により、前記第1流量制御器20、第2流量制御器21を閉鎖し、ガスの供給を停止し、エアバルブ15,16を開き、前記排気ポンプ22により真空引きすることで、前記反応室5、予備室6を真空状態又は減圧状態とすることができる。
【0036】
又、前記エアバルブ15,16を開き、前記排気ポンプ22により真空引きした状態で、前記第1圧力検知器17、第2圧力検知器18からの圧力検知信号は前記圧力制御部19にフィードバックされ、該圧力制御部19では前記第1圧力検知器17、第2圧力検知器18が検知する圧力が設定圧力となる様、前記第1流量制御器20、第2流量制御器21を制御し、ガス導入流量を調整する。
【0037】
尚、圧力調整過程、維持過程で供給されるガスは、酸化膜増大を抑制する為、不活性ガス、例えば窒素ガスが用いられる。
【0038】
又、前記第1ガス導入ライン11と第2ガス導入ライン12の2系統で前記反応室5、予備室6にガスが供給され、又前記第1排気ライン13、第2排気ライン14の2系統で排気され、更に前記反応室5は開閉可能であるので、該反応室5、前記予備室6は個々に圧力制御、圧力管理が可能であると共に、前記反応室5と予備室6とが連通している状態では、該反応室5と予備室6とを一体に圧力制御、圧力管理が可能である。
【0039】
炉内温度は図示しない温度検出器により検出され、処理中の炉内温度、ボート8の入炉、装脱時の温度は、前記炉内温度制御部24により前記電力供給部23の前記ヒータ4への供給電力が制御されることで所定の温度に制御される。
【0040】
上記構成に於いて、入炉時の雰囲気圧力を200Paとし、入炉温度を100℃〜700℃迄変化させ前記ボート8を前記反応室5内に入炉させた場合に、該ボート8の上部のウェーハ10と下部のウェーハ10にそれぞれ付着したパーティクル(粒径>0.16μ)の個数を測定したものが図2である。パーティクルの付着量は前記ボート8下部に位置するウェーハ10が前記ボート8上部に位置するウェーハ10よりも多くなっている。前記ボート8下部に位置するウェーハ10についてパーティクルを考慮すると、入炉温度が300℃で10個以下であったものが、400℃では17個程度に大幅に増加している。
【0041】
更に、図2で明らかな様に、温度が上昇するに従って付着したパーティクルの量が増加し、入炉温度が300℃を越えたところでパーティクルの増加率が大きくなり、加速度的にパーティクルが増加している。
【0042】
従って、入炉時の雰囲気圧力を200Paとした場合では、入炉温度を300℃以下とすることで、パーティクルの発生の抑制に有効である。
【0043】
又、図3は入炉温度が100℃の場合と、700℃の場合のパーティクルの付着状態を示しており、増加したパーティクルはウェーハ支持部に集中していることが分る。この場合のパーティクルの発生メカニズムは上記したと同様、ウェーハとウェーハ支持部の摩擦によることが分る。
【0044】
又、前記ボート8の雰囲気圧力を変化させた場合の、前記ウェーハ10の処理前後でのパーティクルの増加量の一例を求めたものが、図4である。ここで、雰囲気圧力とは、前記ボート8が収納されている空間の圧力を意味し、前記ボート8が前記反応室5に入炉され、該反応室5が閉塞されている場合は、該反応室5の圧力が雰囲気圧力であり、該反応室5、前記予備室6のいずれかの空間に前記ボート8が収納され、前記反応室5が開放されている場合、例えば反応炉へボート8を入炉する際は、該反応室5と予備室6を1つとした空間の圧力を意味する。
【0045】
ここで、パーティクルの増加量とは、前記ウェーハ10の処理前のパーティクル量に対する処理後のパーティクルの増加量を意味し、以下の実験では、使用ガスを全てN2 として処理シーケンスを実行した場合である。
【0046】
図4は、入炉時の雰囲気圧力を200Pa、650Pa、980Pa、1300Paとし、前記反応室5へ前記ボート8を入炉し、温度リカバリ時の圧力を1300Paとした場合の、該ボート8の上部、中部、底部でのウェーハに付着したパーティクルの増加量を測定したものである。
【0047】
入炉時の雰囲気圧力が200Pa、650Pa、980Pa、1300Paと増加するに従って、前記ボート8の各部位に於いて、パーティクルの増加量は略減少傾向を示している。雰囲気圧力の増大と共にパーティクルの減少傾向が見られる。
【0048】
上記した様に、雰囲気圧力を高くすることで、付着するパーティクルの増加量は低減することができるが、必要以上に高くすると、自然酸化膜の生成の抑制が十分でなくなる。或は、雰囲気圧力を必要以上に高くすると、ウェーハ処理圧力、例えばSiH4 (モノシラン)とPH3 (ホスフィン)を用いて行うD−poly Si膜(リンドープシリコン膜)の成膜では、成膜圧力は110Paであるので圧力差が大きくなり、圧力調整に時間が掛り、スループットが低下するという不具合を生じる。
【0049】
従って、実用上効果的な最大雰囲気圧力としては、3000Paとするのが好ましい。雰囲気圧力が3000Paの場合、圧力変更時の圧力調整時間を、スループットに影響を及さない程度とすることができ、又自然酸化膜の抑制にも充分な効果がある。
【0050】
上述した様に、パーティクルの発生は入炉温度と入炉時の雰囲気圧力と密接な関係があり、入炉温度が高くなる程又雰囲気圧力が低くなる程、発生量が多くなる。
【0051】
更に、雰囲気圧力は200Paで、パーティクルの発生量を効果的に抑止するには、入炉温度が300℃以下とすることが有効であることは前述した通りである。又、図4で示した様に、雰囲気圧力が増大すると共にパーティクルの発生が減少することを説明した。尚、図示していないが、入炉時の雰囲気圧力が大気圧(101080Pa)では入炉温度に拘らず、パーティクルが発生しないことが確認されている。
【0052】
而して、入炉温度を300℃以下とすることで、入炉時の雰囲気圧力が200Pa以上でパーティクルの発生が抑止できる。更に、スループットを低下させないという観点から、入炉時の雰囲気圧力の上限は3000Paとするのが好ましい。
【0053】
尚、本発明は以下の実施態様を含む。
【0054】
【付記】
(付記1)基板保持具により支持した基板を反応炉に装入する際の、基板の雰囲気圧力を200Pa以上大気圧未満とすると共に、炉内温度を300℃以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0055】
(付記2)基板を反応炉に装入する際の、基板の存在する空間の圧力を200Pa以上3000Pa以下とする付記1の半導体装置の製造方法。
【0056】
(付記3)基板を処理する反応炉と、該反応炉内で基板を支持する基板保持具と、前記反応炉に連接し、前記基板保持具を収納可能な予備室と、前記基板保持具により保持した基板を前記予備室から前記反応炉内に装入する際に基板の雰囲気圧力が200Pa以上大気圧未満となる様、又炉内温度が300℃以下となる様制御する制御手段とを有することを特徴とする基板処理装置。
【0057】
(付記4)前記制御手段は、基板を反応炉内に装入する際、基板の雰囲気圧力が200Pa以上3000Pa以下となる様制御する付記3の基板処理装置。
【0058】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、基板保持具により支持した基板を反応炉に装入する際の、基板の雰囲気ガスを不活性ガス雰囲気とし、雰囲気圧力を200Pa以上大気圧未満とすると共に、炉内温度を300℃以下とするので、自然酸化膜の増大が抑制され、更にパーティクルの発生が抑制され、半導体装置の品質の向上が図れるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す骨子図である。
【図2】本発明の実施の形態に於ける入炉温度と基板に付着するパーティクルの増加量との関係を示す図である。
【図3】基板に付着したパーティクルの状態を示す図である。
【図4】本発明の実施の形態に於ける雰囲気圧力と基板に付着するパーティクルの増加量との関係を示す図である。
【図5】大気圧状態で処理した場合の基板に付着したパーティクルの状態を示す説明図である。
【図6】真空状態で処理した場合の基板に付着したパーティクルの状態を示す説明図である。
【図7】基板を保持する基板保持具の斜視図である。
【図8】従来例を示す骨子図である。
【符号の説明】
1 反応管
5 反応室
6 予備室
8 ボート
10 ウェーハ
11 第1ガス導入ライン
12 第2ガス導入ライン
13 第1排気ライン
14 第2排気ライン
17 第1圧力検知器
18 第2圧力検知器
19 圧力制御部
20 第1流量制御器
21 第2流量制御器
22 排気ポンプ
23 電力供給部
24 炉内温度制御部
Claims (4)
- 基板保持具により支持した基板を予備室から反応炉内に装入する際に、該反応炉及び前記予備室内を不活性ガス雰囲気とした状態で、前記反応炉及び前記予備室内の雰囲気圧力を200Pa以上大気圧未満とすると共に、炉内温度を300℃以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記雰囲気圧力を200 Pa 以上3000 Pa 以下とする請求項1の半導体装置の製造方法。
- 前記雰囲気圧力を200 Pa 以上1300 Pa 以下とする請求項1の半導体装置の製造方法。
- 基板を処理する反応炉と、該反応炉内で基板を支持する基板保持具と、前記反応炉に連接し、前記基板保持具を収納可能な予備室と、該予備室に設けられ前記基板保持具を前記反応炉に対して入炉、出炉する炉入出手段と、前記反応炉内にガスを導入する第1ガス導入ラインと、前記予備室内にガスを導入する第2ガス導入ラインと、前記反応炉内を排気する第1排気ラインと、前記予備室内を排気する第2排気ラインと、前記基板保持具により保持した基板を前記予備室から前記反応炉内に装入する際に、該反応炉及び前記予備室内を不活性ガス雰囲気とした状態で、前記反応炉及び前記予備室内の雰囲気圧力が200 Pa 以上大気圧未満となる様、又炉内温度が300℃以下となる様制御する制御手段とを有することを特徴とする基板処理装置。
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