JP4083331B2 - 半導体装置の製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来の複数枚バッチ方式による半導体シリコンウェーハの化学気相成長（CVD）もしくは反応ガスとの直接反応によりウェーハ上に成膜する方法の改良であり、これらの皮膜の成長速度を増大させる半導体装置の製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
６〜８インチの大口径シリコンウェーハに対する均一性を保ったＣＶＤを行う方法として、ＳｉＣサセプタに横置きされた１枚の半導体ウェーハを回転させ、かつランプ加熱しながらウェーハ面上に反応ガスを水平に流し成膜を行う方法は公知である。この方法の利点は、反応炉の壁が冷えているコールドウォール方式であるためにＳｉＨ4 などの反応ガスが炉壁に付着し難い；そこでパーティクルの発生が比較的少ない；急速加熱が容易であるなどである。この方法は亜大気圧ＣＶＤ(sub-atmospheric CVD) と言われており、その原理は、圧力を低下させ気体原子間の平均自由行程(average mean free-pass)を長くするとともにウェーハを回転させることによりガス原子がウェーハと接触する機会を多くし、膜成長が均一になる点にある。膜成長速度は、具体的には、６００〜６３５℃、１０〜８０torr程度の圧力でpoly Si の成長を行うと、５００〜５０００Å／分になる。
【０００３】
一般に、反応温度が８００℃以上の高温になるとコールドウォール反応炉の使用は以下の点で難しくなると言われている：（イ）炉壁の温度を低く保つことが難しい；（ロ）電力及び冷却水使用量が激増する；（ハ）パーティクルが発生し易くなる。
【０００４】
コールドウォール型加熱炉では１枚のウェーハ当たりの処理時間は５〜１０分の短時間であるが、ＣＶＤの次の工程、例えばクリーニング、レジスト塗布工程に移るための最低必要な枚数に合わせてウェーハの運搬手段であるウェーハのキャリヤの溝数が定められており、この枚数は通常は２５枚である。例えば２５枚のウェーハを処理する時間は１２５〜２５０分間となる。
【０００５】
ホットウォール型加熱炉において、反応管を内装した加熱炉内に形成された均熱空間内に複数枚相互に並列に配置された半導体シリコンウェーハについてＬＰ（低圧）−ＣＶＤを行う方法は、長い歴史があるので、多数の文献にて報告されている。半導体シリコンウェーハにＣＶＤにより皮膜を形成する代表例を以下に示す。
（ａ）ＳｉＨ4 とＯ2 によるＳｉＯ2 膜の生成（４００℃程度）
（ｂ）ＳｉＨ4 、ＰＨ3 とＯ2 によるＰＳＧ膜の生成
（ｃ）ＳｉＨ4 ，Ｓｉ2 Ｈ6 によるＰドープ又はノンドープポリＳｉ（５８０〜６２０℃）もしくはａ（アモルファス）Ｓｉの生成（５００〜５３０℃）
（ｄ）ＳｉＨ4 とＮ2 Ｏ（又はＮＯ）によるＨＴＯ(High Temperature Oxi-dation) 膜の生成（８００〜８５０℃）
（ｅ）ＴＥＯＳとオゾンを用いたＳｉＯ2 膜、ＢＰＳＧ膜の生成（６５０〜６９０℃程度）
（ｆ）ＮＨ3 とＳｉＨ4 又はＳｉＣｌ2 を用いたＳｉ3 Ｎ4 膜の生成（７２０〜８００℃）
（ｇ）タンタルアルコキシドを用いたＴａ2 Ｏ5 膜の生成（４００〜４４０℃）
（ｈ）ＷＳｉ2 膜の生成
【０００６】
同様に、反応ガスの直接反応により半導体シリコンウェーハに皮膜を形成する方法も多数の文献に報告されており、これらの例を以下に示す。
（ｉ）単結晶もしくは多結晶シリコンとＮＨ4 を反応させることによるＳｉのＳｉＯＮ化、ＳｉＮ化、即ちＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜の生成
（ｊ）単結晶もしくは多結晶シリコンとＮＯ又はＮ2 Ｏを反応させることによるＳｉＯＮ膜、ＳｉＯ2 膜の生成
（ｋ）前記（ｇ）によるＴａ2 Ｏ5 膜とＮＨ4 を反応させることによるＴａＮ膜の生成
（ｌ）ＳｉＯ2 膜とＮＨ3 を反応させることによるＳｉＯＮ膜の生成
（ｍ）Ｓｉウェーハ上のＴｉ膜とＮＨ3 又はＮ2 の反応
（ｎ）Ｓｉウェーハ上のＴｉＯ2 膜とＮＨ3 又はＮ2 の反応によるＴｉＮ膜の生成
【０００７】
図１は従来のホットウォール型加熱炉の上部に配置された石英内管２ａ、石英外管２ｂ，石英ボート１８を示し、下部に配置された断熱、支持、冷却、密閉などの機構は図示を省略している。石英ボート１８は約１５０枚程度のウェーハを１回で処理できるように多数棚状に上下に配列されている。反応ガスは、石英内管２ａ内に下方から導入され、炉内空間を上向きに流れ、個々の半導体シリコンウェーハ間に流入して反応する。その後反応ガスは石英内管２ａと石英外管２ｂの間の環状間隙を通過してガス排出口から排気される。
このようなホットウォール型加熱炉では加熱時間が長いが、大口径ウェーハに微細化デバイスを製造する際に必要になる熱的ストレス緩和の観点からは有利である。
図１のホットウォール型加熱炉の石英ボート１８にウェーハを出入れするには、ウェーハを支えるフォーク状溝に１枚づつ又は多数枚一括で装入するのが一般的である。
【０００８】
ＬＰ−ＣＶＤを行うホットウォール型加熱炉では、１００〜１５０枚程度のウェーハを５〜９ｍｍピッチで７００〜９００ｍｍの均熱領域に配置してＣＶＤを行っている。この条件で各ウェーハでの膜厚を均一にするために、炉内圧力を０．３〜１torr程度の低圧にしかつ３〜７ｍ／秒程度又はそれ以上の高速で反応ガスを炉内に供給する。反応ガスは内側の石英管内でウェーハの周囲をウェーハ面と垂直方向に流され、その後ウェーハ面間に周辺部から巻き込まれながら供給される。このような低圧条件では皮膜の成長速度が２０〜１００オングストローム／分以下と遅くなっている。なお、ＬＰ−ＣＶＤにおける膜の成長速度に及ぼす他の因子として均熱長さがあり、これが長くなるとガス流の上流と下流でのウェーハ上での膜の成長速度の差が生じ易くなる。したがって上記長さの均熱長では、一般に、膜厚の分散が６インチウェーハでは１〜３％の範囲になるようにウェーハの処理枚数を制限する必要が生じる。
【０００９】
上記（ｃ）によるポリシリコン膜生成の例では、ＬＰ−ＣＶＤ条件が、ウェーハ間隔−５〜７ｍｍ；温度−６２５℃；ＳｉＨ4 流量−２００ｃｃ／分；ウェーハ−８インチ、５０〜１５０枚；圧力−０．６torrである場合、皮膜の成長速度は５０〜８０オングストローム／分である。
上記（ｄ）によるＨＴＯ膜は８００℃、０．３〜１．０ｔｏｒｒの条件で膜の成長速度は１５〜２０Å／分、膜厚分布は８インチウェーハで３〜６．５％、６インチウェーハで２〜５％である。
これらの膜成長速度はランプ加熱による１枚ウェーハの場合と比較してかなり低くなっている。また１５０枚処理の場合の昇温及び降温を含む全処理時間は約１２０〜６００分である。全処理時間は生成膜の種類、膜厚により大きく異なるが、アモルファスシリコンの成長（厚さ１μｍ）は全処理時間が長い例、すなわち６００分以上である。
上述のようにホットウォール型加熱炉を使用するＣＶＤ法及び直接反応法では、皮膜の成長速度が遅いので、１５０枚もの多量処理をすることにより生産性が上がる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のホットウォール型加熱炉処理の考え方から
離れ、高速成膜を可能にする装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造装置は、反応管を内装した加熱炉と、前記反応管内に形成された均熱空間内に位置し、かつ横置きされた半導体シリコンウェーハに、反応ガスを用いて化学気相成長もしくは直接反応による皮膜を形成する反応部とを含んでなる半導体装置の製造装置において、相互の間隔を5 〜 100mmに設定された2枚以上の半導体シリコンウェーハを1枚づつ担持するウェーハ支持治具と、ウェーハ面に直交する軸を中心として半導体シリコンウェーハを回転させる駆動手段と、前記反応ガスを炉内ガスと遮断して加熱炉内を半導体シリコンウェーハの端縁近傍位置まで案内する第1のガス案内手段と、実質的に全量の反応ガスを第１のガス案内手段から前記端縁近傍位置で半導体シリコンウェーハの間隙に噴出する手段を含んでなり、前記ウェーハ支持治具が、担持部を残して1枚の板を切除したものであり、かつ／又は外側環部、内側環部及びこれらを接続する連結部を含んでなり、前記第１のガス案内手段の各孔部から、該孔部に対面する半導体シリコンウェーハの間隙に向かって分流することを制限する第3のガス案内手段をさらに含んでなることを特徴とする。
さらに、好ましくは、（１）半導体シリコンウェーハ間隙に面して壁面に形成された第２の孔部を介して、半導体シリコンウェーハ間より流出した反応ガスを吸引し、炉内ガスと遮断して加熱炉外まで案内する第２のガス案内手段と、第２のガス案内手段に連通された排気手段をさらに含んでなり、（２）第2のガス案内手段の各孔部に向かって該孔部に対面する半導体シリコンウェーハの間隙から排出される反応ガス流に上下のウェーハ間隙からのガス流が混合することを制限する第4のガス案内手段をさらに含んでなり、また、（３）第2のガス案内手段の内部を半導体シリコンウェーハ配列領域において少なくとも２つの並列した流路に仕切り、加熱炉の上方側に位置する半導体シリコンウェーハと連通する流路の断面積を相対的に小さくしたことを特徴とする。
【００１２】
（１）加熱炉：反応管を内装した加熱炉内の該反応管内に均熱空間が形成されるいわゆるホットウォール型加熱炉を使用する。反応管は一重でも二重でもよい。
【００１３】
（２）半導体シリコンウェーハ：炉内の均熱空間内に面どうしが向かい合うように並列に配列されている。半導体シリコンウェーハ（以下「ウェーハ」と言う）の枚数は、各工程間をウェーハを移動する治具にウェーハを積載する枚数に応じて例えば5、13、50枚などの任意の枚数を処理することができる。但し約75枚を超えると均熱長が長くなり過ぎて膜厚分布が劣化することに加えて、処理時間が長くなるために約75枚を上限とすることが好ましい。また、ウェーハ間隔が狭いと昇温と降温が遅くなるので5mm以上の間隔とする。また上限は適切な加熱炉均熱長さより定められるが100mmである。
【００１４】
（３）反応ガスの送入及び排出：従来法では、反応ガスを炉内に一挙に高速で放出させ、次にウェーハ端縁の特定されない位置から個々のウェーハ間隙に巻込み、ウェーハ面全体と接触させ、その後個々のウェーハ間から排出しているが、この方法では、膜厚の分布がウェーハの上下位置で大きく変動する。したがって、圧力を高くすることによって高速成長を行おうとすると、膜厚分布の変動が一層大きくなる。そこで本発明においては、ウェーハ間隙への反応ガスの送入に関し、反応ガスの実質的に全量を特定の位置から行うことにした。すなわち、送入のための第１の位置はウェーハ周囲の任意の位置に送入ガス管などを使用して特定し、ガス管に形成された孔部よりウェーハ面上に平行にガスを流す。これにより成長速度を著しく増大することができる。排出側における排気方法は送入側における送気方法ほど膜成長速度に対する影響は大きくないので、排気方法は従来法のように反応管の上部もしくは下部に設けた排気孔より行うことができる。この方法ではウェーハ枚数が約２５枚以下の場合に十分な成果が達成される。勿論排出のための第２の位置も特定することが好ましく、これは第１の位置と向かい合ってガスが流れる位置である。また第１の位置及び第２の位置は上下方向で見ると１又は２以上のウェーハ間隙、好ましくは各ウェーハ間隙に面していることが必要である。これらの位置を規定する管、仕切り板、函体などは、ガスが流れるその内部空間を反応管内空間を区隔し、放出孔及び吸引孔のみで反応管内空間と連通していることが必要である。さらに、反応ガスは、送入ガス管内の圧力は反応管内の圧力より高く、例えば１気圧として、噴出させ、かつ排気管の先端にポンプなどを接続して反応ガスを吸引する。
【００１５】
反応ガスを噴出又は吸引する、ウェーハ端縁「近傍」とは、従来法のように反応管の上部もしくは下部ではなく、ウェーハ間隙から水平方向に延長した位置であって、炉内空間での流入・流出反応ガスが隣のウェーハ間隙の流入・流出ガスと実質的に混合しないような距離である。この距離が具体的にどのような値となるかは、ウェーハ間隙、ガス流量及び圧力を与えて、ソフトウェアソルバー（クレイドル社ソフトウェアSTREAM V2.9 −有限要素解析法を用いた三次元熱流体解析プログラム）をコンピュータ（シリコングラフィック社製IRS 4D/indy)にインストールして解析することにより知ることができる。
第１及び第２のガス案内手段は独立した管体、反応管内壁の一部を当該手段の一部として形成した管体、函体などガスを流す手段である。
【００１６】
以下、主として第１及び第２の位置を特定して、反応ガスをそれぞれ送入・排出する方法を説明する。
上述のように個々のウェーハ間隙近傍まで導かれた反応ガスは、当該ウェーハ間隙に向かって個々の噴出孔（第１の孔部）より実質的に等しい流量で噴出し、続いてウェーハ面間に流入し広がる。この際のガスの広がりを促進するためには噴出孔とウェーハ端縁の間隙はできるだけ離れている方が好ましい。同様に、噴出孔（第１の孔部）及び吸引孔（第２の孔部）の総面積は各管の内部断面積以下であることが好ましい。
反応ガスの流量を個々のウェーハ間隙に対して実質的に等しくするためには、第１の孔部の直径をガス流下流方向で大きくする、ガス案内管の内径を先端側で太くするなどの方法を採用することができる。しかし、この方法では孔部直径などの寸法調整が複雑であるために、ガス流方向が逆の２本以上の管体を炉の長さ方向で上下方向で互い違いにする配置するか、あるいはこれらを１本の管に連結して蛇行させる方法が好ましい。
【００１７】
第1、第2のガス案内手段の形状・構造に関しては、断面は円形、短形、半円形などの任意のものであってよい。管体の本数は1もしくは2以上であり、2本の管体の場合はガスの流れ方向を逆にすることにより多数のウェーハについてのガス流量を均一にすることができる。噴出孔及び吸引孔の個数は各ウェーハ間隙について1個もしくは2個以上である。2個以上の噴出孔の場合は反応ガスがウェーハ間隙に入る前に干渉を起こさないように隔てる必要がある。本発明においてウェーハを下側からピンなどの突起で局部的に支え、非支持下面（半導体装置が製作されない面）にも成膜させると、特に厚膜成長の場合に上下の皮膜の歪がウェーハの反りを少なくする利点がある。具体的には、窒化膜の場合は500Å以上、SiO2膜の場合は5000Å以上である。
【００１８】
（４）ウェーハの回転ウェーハはその面と垂直な軸の回りに回転させることにより反応ガスをウェーハ全面と接触させて膜厚を均一化する。回転速度は５〜６０ｒｐｍであることが好ましい。
【００１９】
上記(1)〜(4)を特徴とする本発明によると高速成長に適する圧力は1〜40torrを設定することができる。ガス圧力の測定位置は従来のホットウォール型加熱炉と同様に排気管内で炉に出来るだけ近い極近位置とすることができる。
【００２０】
本発明においては、多数枚ウェーハに高速のCVD成長を行うために、（イ）ウェーハ間隙を大きくする；（ロ）ウェーハを回転させる：（ハ）従来法によるウェーハ間隙端縁からの反応ガス巻込方式を採用せず、反応ガスの送入・排出方法を特定している。本発明に係る半導体装置の製造装置は、上記（イ）、（ロ）、（ハ）を採用し、さらに下記（５）治具を採用し、加えて下記（６）のように反応ガスの送入・排出構造を特定している。
【００２１】
（５）治具；ウェーハを保持する治具は従来のように各部を溶接等により接合して製作するのではなく、ウェーハ担持に必要な部分を残しその他の部分はＣＯ2 レーザ切断、打ち抜き、エッチングなど任意の方法により１枚の板を切除して作製している。溶接などでは各部を接合する方法により治具を組立てると、熱歪により治具の平坦性が劣化するが、板を切除する方法では平坦性が優れている。この方法に代えてあるいはこの方法とともに、担持部が、外側環部、内側環部及びこれらを接続する連結部からなるウェーハ支持治具を用いる。これら二つの環状部により内側と外側からウェーハを支持することによりウェーハの反りを少なくすることができる。これら環状部と連結部以外の空間ではウェーハの下側にも膜が成長するために、膜はウェーハの上下面に成長し、この結果ウェーハの反りが少なくなる。さらに、大口径１２インチウェーハの場合はウェーハ支持用突起は担持部に拡散接合法などにより接合すると全突起の高さを一定に斉えることができる。
【００２２】
（６）反応ガスの送入及び排出構造：第１のガス案内手段を採用する。さらに好ましくは第2のガス案内手段も採用する。ガス流が広がり易くするためには噴出孔（第1の孔部）をできるだけウェーハから遠ざけた方がよいが、すると隣接上下のウェーハ間に向かうガス流が混合しやすくなる。これを避けるためには、第1の孔部からと、該孔部に対面するウェーハの間隙に向かう反応ガス流が上下のウェーハ間隙に流れることを制限する第3のガス案内手段を設ける。第 2の孔部に向かって、該孔部に対面するウェーハの間隙から流れる反応ガス流が上下のウェーハ間隙に流れることを制限する第４のガス案内手段を設けることが好ましい。第3、第4のガス案内手段はウェーハと第1、2のガス案内手段の間の空間をガス流路に分ける仕切り板などであり、別体であっても一体であってもよい。
【００２３】
上述のような構造のウェーハ支持治具に対して、従来のフォーク状ウェーハ出入れ治具を使用すると、環状部に突当たって前進を妨げられるので、ウェーハ出入れが不可能になる。そこで、本発明においては、反応管を内装した加熱炉と、反応管内に形成された均熱空間内に位置し、かつウェーハに化学気相成長によりあるいは直接反応により皮膜の成長を行う反応部とを含んでなる半導体装置の製造装置において、相互の間隙を隔ててウェーハを担持するウェーハ支持治具にウェーハを出入れする治具に、ウェーハをウェーハ支持治具より持上げ、持上げられたウェーハの下方まで前進し、昇降手段との間でウェーハの受渡しを行う機能をもたせる。
【００２４】
本発明に係る装置の実施態様に係る第２のガス案内手段内部の仕切りは、第２のガス案内手段の内部をウェーハ配列領域において少なくとも２つの並列した流路に仕切り、炉の上方側にガス入口を有する流路の断面積を相対的に大きく、かつ炉の下方側ガス出口を有する流路の断面積を相対的に小さくすることにより、ウェーハの上下位置に依存する吸引ガス流量を均一化する。図２においては流路の幅を調節して所期の効果を達成している。
以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。
【００２５】
【実施例】
図2は本発明装置の一実施例を示し、この装置は基本的には加熱炉1とウェーハ昇降機構30から構成される。通常のSiC、石英などの反応管（以下「石英反応管」と言う）2は上端が閉じられ、下端が開放した管体であって、その上部外周を取り囲むように設けられ、均熱空間を作り出すヒーター3を断熱材からなる炉体4に固設している。石英反応管2はL字形に曲げられた下端部で炉底構造体37に気密かつ着脱自在に固定され、又支持台6により支持されている。図示の状態では、ウェーハ5はウェーハ昇降機構30により上限位置まで上昇されている。多段に且つ相互間に5mm以上の間隔を置いて積み重ねられた。直径が8〜12インチのウェーハ5はヒーター3により所定温度に加熱される。5’はダミーウェーハであるが、その支持部は図示を省略している。
【００２６】
ウェーハ昇降機構３０は、下方の部材３３、３４などを防熱するための断熱機能を有するセパレータ３１を途中に固定した回転軸体３２に、ウェーハ５を上下に隔てて配列する石英ボート１８を棚状に配列したものであって、例えば本出願人の特開平９−１７７３９号公報（図８，９）にて公知のものである。この回転軸体３２の下端には磁石又はコイル３３を取り付け、一方この磁石又はコイル３３に回転力を及ぼす別の磁石又はコイル３４を上下可動に設けることによって、ウェーハ昇降機構３０を上昇・下降させるとともに回転軸体３２を回転する。かかる上昇・下降を行うために磁石３４などを支持する台３５を螺合したロッド３６を駆動装置４０ａにより回転する。
【００２７】
回転軸体３２の昇降を案内する管体４２と、その上部の加熱炉の底部と一体に接続した炉底構造体３７はウェーハ５の処理中は図示の位置に気密に固定されており、処理前後には支持台６に回転可能に接続されたロッド３８を駆動装置４０ｂにより回転させると、ロッド３８に螺合されかつ炉底構造体３７に固着された連結部３９がロッド３８に沿って昇降される。これに伴い炉底が開放されあるいは閉鎖される。回転軸体３２の昇降を案内する管体４２の内部を経て炉内に微量Ｎ2 ガス等のパージガスを流入口４２ａから送入することができる。
【００２８】
ロッド３６、駆動装置４０ａ，連結部４１は台３５を昇降させる機構であって、駆動装置４０ａによりロッド３６を回転させることにより、これと螺合した台３５が管体４２と摺動して昇降し、回転軸体３２の上下方向の位置が調節される。
【００２９】
図２において、１０は、母管１２から供給された反応ガスを個々のウェーハ５間に分配して噴出する第１のガス案内手段であり、２０は個々のウェーハ５の間から反応ガスを吸入する第２のガス案内手段である。２２は第２のガス案内手段２０に連通する排気管であって、ポンプにより反応ガスを吸引するとともに圧力測定器４１を付設している。後述の反応ガス噴出孔及び反応ガス吸引孔は上下に配列されたウェーハ５の間隙に面するように位置しているので、反応ガスはウェーハ間隙に直接噴出されかつ該間隙から直接排気され、炉内空間で層流状態が実現可能となる。すなわち、従来のように炉内空間を上向又は下向に流れる反応ガス流の一部がウェーハ間隙に分流すると、ガス流がウェーハ間で滞留し、かつ個々の間隙での制御は困難であるが、本発明によるとこのような滞留は避けられかつ個々の間隙での制御も可能である。
【００３０】
第２のガス案内手段２０は、図３（図２のＢ−Ｂ矢視図）に示すように幅が広い吸気孔２１（第２の孔部）をウェーハ間隙と同じ個数備えている。ウェーハ間隙でウェーハ全面に広がった反応ガス層を上下層間で混じり合うことなく吸引するためには、吸気孔２１は出来るだけ幅が広くいことがよく、好ましい厚さは０．５〜１．５ｍｍである。
【００３１】
図４はＡ−Ａの断面図である。第１のガス案内手段１０は共通の母管１２より分岐した３本の管体１０ａ，ｂ，ｃより構成される。即ち、３種のガスを使用するＣＶＤの場合１本の管体で反応ガスを案内すると噴出前に反応ガスが反応するので３本の管体より第１のガス案内手段を形成している。第１のガス案内手段１０の噴出孔はその合計面積が母管の断面積以下であることが好ましい。
第２のガス案内手段２０は、ウェーハの中心軸を中心として第１管体１０と反対方向に位置している。したがって、例えば管体１０ａ、ウェーハ中心及び第２ガス案内手段２０を結ぶ直線を引くことができる。第２のガス案内手段２０は外側弧状部２０ａ、吸引孔２１を上下に穿設した内側平坦部２０ｂ及び側面部２０ｃ（図２参照）を連結した函体であって、この内部を反応ガスを案内することによって炉内ガスとの混合や炉内への拡散を避けている。図２に示されるように第２のガス案内手段２０内に２つの仕切り板２０ｄをガス流路に沿って設け、上下のウェーハからの吸引流量がほぼ等しくなるようにしている。したがって、上側ウェーハからの反応ガスは流れ距離が長くなり流れ抵抗が大きくなるので、断面積を大きくすることによって、流れ抵抗を小さくしている。
【００３２】
図２、４の一実施例に示されるように第１のガス案内手段を構成する管体１０ａ，１０ｂ，１０ｃは環状仕切板２６を貫通しており、この環状仕切板２６は、図４に示されるように、外周にて石英反応管２の内壁に固着され、内周では石英ボート１８の回転を可能する範囲でできるだけ狭い間隙２７を介して、ウェーハ支持治具３２の外周部に環状に延在する外環部１８ａと対面している。さらに、環状仕切板２６は図２に示されているようにウェーハと同じ個数上下に併設されている。
図２のＣ部の拡大図に示す図５中、１７は第１のガス案内手段１０の壁部に形成された第１の孔部よりなるガスノズルである。このガスノズル１７から噴出する反応ガスは矢印に示すように第２のガス案内手段（図示せず）に向かって流れる。このガス流は下側のウェーハ５と接触して半導体装置のポリＳｉ膜などを形成し、さらに上側のウェーハ５とも接触して半導体装置が形成されないウェーハ下面にも薄くポリＳｉ膜などを形成する。
【００３３】
なお、この下面に形成される皮膜をより厚くするためには、ピン１９を高くすることによってウェーハの上側を流れるべき反応ガスの一部を下側にまわり込ませる。このようにすると上下面の膜厚差が少なくなってウェーハの反りがさらに少なくなる。
一つのガスノズル１７から噴出する反応ガス層が、拡散により上下のガスノズル１７からの反応ガス層とウェーハ５との反応前に実質的に混合しないように、環状仕切板２６及び外環部１８ａが第３及び第４のガス案内手段として設けられている。このように上下の反応ガス層の混合が起こらないために、各ウェーハ５に供給する反応ガスの流量や分布は他のウェーハのものによって影響され難くなる。
図２のＤ部の拡大図である図６に示されるように、第１のガス案内手段（図示せず）より噴出された反応ガスは第２のガス案内手段２０の吸気孔２１に向かって噴流している。
環状仕切板２６が吸気孔２１手前で上下の空間を隔てており、さらに間隙２７が狭く設定されているために、ウェーハ５面上での反応に寄与した反応ガス層は上下のガス層と実質的に混合されずに吸気孔２１に流入する。
【００３４】
図７には、第１のガス案内手段から噴出される反応ガス流を模式的に示す。即ち、ウェーハ（図示せず）の回転方向に反応ガス流は多少曲げられることに伴い扇形パターンも変形し、またガス流は幅方向に多少は拡散するが、ガス濃度の濃い部分を図示している。図示のように反応ガスは巻き込みによらず、噴出と吸引によりウェーハ面上を流れている。
第１のガス案内手段の管体１０ａ，１０ｂ，１０ｃからはそれぞれシラン、フォスフィン、ジボランなどの別種の反応ガスを流すこともでき、あるいは同種の反応ガスを流すこともできる。噴出ガス流は角度θが３０〜４０°となるように管体１０ａ，１０ｂ，１０ｃから噴出することが好ましい。ウェーハ５と接触する反応ガスの濃度は局部的に低くなるので、ウェーハ５を回転させることにより、ウェーハ５面上での膜成長の均一化を図っている。
【００３５】
再び図２に戻って、１５はパージガスの導入管であって、Ｎ2 などの非反応性ガス、Ａｒなどの不活性ガスを少量流すことによって、炉の下部に流入した微量の反応ガスにより炉の下部でパーティクルが発生することを阻止している。このパージガスが間隙２７（図５、６）より多量に吹上がると、上述した反応ガスの流れが乱されるので、パージ量は極く少量とするか且つ／又は１５’の位置に設けた管より排気する必要がある。
【００３６】
図８には一実施例に係るウェーハ５の支持治具の構造を示す。
ウェーハ５を支持する棚もしくは石英ボート１８は内環部７ａと外環部７ｂにそれぞれ適当な個数のピン１９を分配することによりウェーハ５を下側から点接触方式で支える。外環部１８ａと内環部１０ｂの間にはこれらの連結部７ｃを放射状に等角度で設けている。内環部７ａはウェーハ径が大きい場合は２個以上設けてもよい。
さらに、最外部に石英ボート１８との連結部７ｄを放射状に突出させ、これ（７ｄ）を石英ボート１８に固定している。これらの各部７ａ，ｂ，ｃ，ｄは一枚のシリコンウェーハなどの板につき不要部を打抜くかあるいはエッチングなどにより分離して形成される。なお２４は石英ボート１８を上下に配列し、固定する支柱である。図８に示されるウェーハ５の支持方法によると、ウェーハは外周側（７ｂ）と中央部（７ａ）で支持されるために、反りが極めて少なくなる。
【００３７】
図９にはウェーハを石英ボート１８に対して出入れする一実施例に係る治具の平面図を示す。すなわち、従来のボートは馬蹄形になっていたので、ウェーハはその開放部から装入できたが、図８に示す環状支持構造では装入治具と石英ボート１８、ウェーハ支持治具７との干渉が起こる。そこで、本発明に係るウェーハ出入治具５０は、基本的には、石英ボート１８及びウェーハ支持治具７の上方で水平に進退するフォーク状上部５１とこれら（１８、７）の下方で水平に進退する下部５２より構成し、下部５２でウェーハを持上げ、フォーク状上部５１により持上げられたウェーハをフォーク状先端５１ａで下から支えて後退することによりウェーハを取出す。ウェーハの装入は、これとは逆にフォーク状上部５１によりウェーハを所定位置まで前進させ、この位置に前進した下部５２を上昇させて、ウェーハを下から支え次に下降することによりウェーハを支持治具７に載置する。なお、フォーク状先端５１ａにはウェーハの直径より若干小さい直径の円弧状凹部５１ｃを形成してウェーハの位置を安定させる。
図１０には、上記した一連の動作中ウェーハ５を治具７から持上げた状態を示す。図中５２ａはウェーハ５を持上げるための突出部であり、その寸法は、高さに関しては上下の支持治具７の間隔より小さくかつ石英ボート１８の高さよりは大きく定められ、また直径は内環部７ａよりは小さくかつウェーハが不安定にならないように定められている。
【００３８】
なお、図９では進退可能な下部によりウェーハを持上げるようにしているが、図１１に示すようにウェーハ支持治具の切除部を貫通して上下するロッド受け５２を３本設けることにより、装入時には上側ウェーハから順にウェーハ５を装入し、取出時には下側ウェーハ５から順に撤去を行う。５１は図９の５１と同様の機能をもつ治具である。
【００３９】
続いて、本発明に係る装置のより好ましい実施例を説明する。
通常１本管よりなる第１のガス案内手段の噴出孔から流れるガスは先端ほど流量が少なくなる。これを避けるためには先端ほど噴出孔の口径を大きくあるいは管の内径を小さくすればよいが、正確な流量制御は期し難い。そこで、ガスを上向に流す部分と下向に流す部分を同じガス案内手段に含め、これらの部分を並列させることにより、全ての噴出孔からのガス流量の均等化を図ることが好ましい。ガス供給源はこれら各部に共通していてもよく、あるいは各部に個別としてもよい。具体的には、図１２（噴出孔の図示は省略している）に示すように、第１の管体１０は母管１２を二分岐させ、一つの分岐部１０ａは上向に延長させ、他の分岐部１０ｂは一旦上向きに延長させた後１８０°方向転換して下向きに延長させ（１０ｂ(1) ），これらの上向き延長部１０ａ及び下向き延長部（１０ｂ(1) ）に反応ガスの流出口１１をウェーハ間隔の個数だけ形成することができる。もし上向き延長部１０ａのみから反応ガスを流出させるとガス流量分布が下側のウェーハで多くなるが、この他に下向き延長部１０ｂ(1) を設けることによりこのようなガス流量分布を平均化することができる。さらに噴出孔の総面積を母管の断面積とほぼ等しいか、未満とするとより好ましい結果を得ることができる。
【００４０】
以上説明した本発明の装置に種々の公知技術を付加的に適用することができる。この中には次のものが含まれる。
（イ）本出願人の特許第2025683号にて公知のプラズマクリーニングを実施する。この場合、炉体より内側においてプラズマにさらされる部材は全て石英製とすることが好ましい。
（ロ）本出願人の実用新案登録第3037794号にて公知のようにホットウォール炉（すなわち本発明による加熱炉）にコールドウォール炉を組み合わせる。
【００４１】
本発明において、ポリシリコンのCVD成長を行うと300〜2000Å／分の成長速度でかつ膜厚分布を2〜5%以内で成長させることができる。また、HTOのCVD成長を行うと30〜150Å／分の成長速度でかつ膜厚分布が8インチウェーハで1〜4%で成長させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、ＣＶＤもしくは直接反応以降の工程において、ウェーハ上に高速膜形成処理を行い、また膜厚の均一性の点でも従来法と比べて遜色がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のホットウォール型加熱炉の部分斜視図である。
【図２】 本発明の装置の一態様に係る加熱炉の断面図である。
【図３】 図2のBB線断面図である。
【図４】 図2のAA線の断面図である。
【図５】 図2のC部の拡大図である。
【図６】 図2のD部の拡大図である。
【図７】 反応ガス流を模式的に示す平面図である。
【図８】 ボート及びウェーハ支持治具の平面図である。
【図９】 ウェーハ出入治具の平面図である。
【図１０】 ウェーハ出入れの説明図である。
【図１１】 図８とは別の実施態様に係るウェーハ出入れ治具の平面図(a)及び側面図(b)である。
【図１２】 第１のガス案内手段の一実施態様を示す図面である。
【符号の説明】
1 加熱炉
２ 石英反応管
３ ヒーター
４ 炉体
５ ウェーハ
７ ウェーハ支持治具
１０ 第１の管体
１２ 母管
１５ パージガス導入ノズル
１７ ガスノズル（第１の孔部）
１８ ボート
１９ ピン
２０ 第２のガス案内手段
２１ 吸気孔
２２ 排気管
２４ 支柱
２６ 環状仕切板
２７ 間隙
３０ ウェーハ昇降装置
３１ セパレータ
３２ 回転軸体
３３ 磁石又はコイル
３４ 磁石又はコイル
３５ 台
３６ ロッド
３７ 炉底構造体
３８ ロッド
３９ 連結部
４０ 駆動手段
４１ 圧力計
４２ 管体
５０ ウェーハ出入治具
５１ ウェーハ出入治具のフォーク状上部
５２ ウェーハ出入治具の下部
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来の複数枚バッチ方式による半導体シリコンウェーハの化学気相成長（CVD）もしくは反応ガスとの直接反応によりウェーハ上に成膜する方法の改良であり、これらの皮膜の成長速度を増大させる半導体装置の製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
６〜８インチの大口径シリコンウェーハに対する均一性を保ったＣＶＤを行う方法として、ＳｉＣサセプタに横置きされた１枚の半導体ウェーハを回転させ、かつランプ加熱しながらウェーハ面上に反応ガスを水平に流し成膜を行う方法は公知である。この方法の利点は、反応炉の壁が冷えているコールドウォール方式であるためにＳｉＨ4 などの反応ガスが炉壁に付着し難い；そこでパーティクルの発生が比較的少ない；急速加熱が容易であるなどである。この方法は亜大気圧ＣＶＤ(sub-atmospheric CVD) と言われており、その原理は、圧力を低下させ気体原子間の平均自由行程(average mean free-pass)を長くするとともにウェーハを回転させることによりガス原子がウェーハと接触する機会を多くし、膜成長が均一になる点にある。膜成長速度は、具体的には、６００〜６３５℃、１０〜８０torr程度の圧力でpoly Si の成長を行うと、５００〜５０００Å／分になる。
【０００３】
一般に、反応温度が８００℃以上の高温になるとコールドウォール反応炉の使用は以下の点で難しくなると言われている：（イ）炉壁の温度を低く保つことが難しい；（ロ）電力及び冷却水使用量が激増する；（ハ）パーティクルが発生し易くなる。
【０００４】
コールドウォール型加熱炉では１枚のウェーハ当たりの処理時間は５〜１０分の短時間であるが、ＣＶＤの次の工程、例えばクリーニング、レジスト塗布工程に移るための最低必要な枚数に合わせてウェーハの運搬手段であるウェーハのキャリヤの溝数が定められており、この枚数は通常は２５枚である。例えば２５枚のウェーハを処理する時間は１２５〜２５０分間となる。
【０００５】
ホットウォール型加熱炉において、反応管を内装した加熱炉内に形成された均熱空間内に複数枚相互に並列に配置された半導体シリコンウェーハについてＬＰ（低圧）−ＣＶＤを行う方法は、長い歴史があるので、多数の文献にて報告されている。半導体シリコンウェーハにＣＶＤにより皮膜を形成する代表例を以下に示す。
（ａ）ＳｉＨ4 とＯ2 によるＳｉＯ2 膜の生成（４００℃程度）
（ｂ）ＳｉＨ4 、ＰＨ3 とＯ2 によるＰＳＧ膜の生成
（ｃ）ＳｉＨ4 ，Ｓｉ2 Ｈ6 によるＰドープ又はノンドープポリＳｉ（５８０〜６２０℃）もしくはａ（アモルファス）Ｓｉの生成（５００〜５３０℃）
（ｄ）ＳｉＨ4 とＮ2 Ｏ（又はＮＯ）によるＨＴＯ(High Temperature Oxi-dation) 膜の生成（８００〜８５０℃）
（ｅ）ＴＥＯＳとオゾンを用いたＳｉＯ2 膜、ＢＰＳＧ膜の生成（６５０〜６９０℃程度）
（ｆ）ＮＨ3 とＳｉＨ4 又はＳｉＣｌ2 を用いたＳｉ3 Ｎ4 膜の生成（７２０〜８００℃）
（ｇ）タンタルアルコキシドを用いたＴａ2 Ｏ5 膜の生成（４００〜４４０℃）
（ｈ）ＷＳｉ2 膜の生成
【０００６】
同様に、反応ガスの直接反応により半導体シリコンウェーハに皮膜を形成する方法も多数の文献に報告されており、これらの例を以下に示す。
（ｉ）単結晶もしくは多結晶シリコンとＮＨ4 を反応させることによるＳｉのＳｉＯＮ化、ＳｉＮ化、即ちＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜の生成
（ｊ）単結晶もしくは多結晶シリコンとＮＯ又はＮ2 Ｏを反応させることによるＳｉＯＮ膜、ＳｉＯ2 膜の生成
（ｋ）前記（ｇ）によるＴａ2 Ｏ5 膜とＮＨ4 を反応させることによるＴａＮ膜の生成
（ｌ）ＳｉＯ2 膜とＮＨ3 を反応させることによるＳｉＯＮ膜の生成
（ｍ）Ｓｉウェーハ上のＴｉ膜とＮＨ3 又はＮ2 の反応
（ｎ）Ｓｉウェーハ上のＴｉＯ2 膜とＮＨ3 又はＮ2 の反応によるＴｉＮ膜の生成
【０００７】
図１は従来のホットウォール型加熱炉の上部に配置された石英内管２ａ、石英外管２ｂ，石英ボート１８を示し、下部に配置された断熱、支持、冷却、密閉などの機構は図示を省略している。石英ボート１８は約１５０枚程度のウェーハを１回で処理できるように多数棚状に上下に配列されている。反応ガスは、石英内管２ａ内に下方から導入され、炉内空間を上向きに流れ、個々の半導体シリコンウェーハ間に流入して反応する。その後反応ガスは石英内管２ａと石英外管２ｂの間の環状間隙を通過してガス排出口から排気される。
このようなホットウォール型加熱炉では加熱時間が長いが、大口径ウェーハに微細化デバイスを製造する際に必要になる熱的ストレス緩和の観点からは有利である。
図１のホットウォール型加熱炉の石英ボート１８にウェーハを出入れするには、ウェーハを支えるフォーク状溝に１枚づつ又は多数枚一括で装入するのが一般的である。
【０００８】
ＬＰ−ＣＶＤを行うホットウォール型加熱炉では、１００〜１５０枚程度のウェーハを５〜９ｍｍピッチで７００〜９００ｍｍの均熱領域に配置してＣＶＤを行っている。この条件で各ウェーハでの膜厚を均一にするために、炉内圧力を０．３〜１torr程度の低圧にしかつ３〜７ｍ／秒程度又はそれ以上の高速で反応ガスを炉内に供給する。反応ガスは内側の石英管内でウェーハの周囲をウェーハ面と垂直方向に流され、その後ウェーハ面間に周辺部から巻き込まれながら供給される。このような低圧条件では皮膜の成長速度が２０〜１００オングストローム／分以下と遅くなっている。なお、ＬＰ−ＣＶＤにおける膜の成長速度に及ぼす他の因子として均熱長さがあり、これが長くなるとガス流の上流と下流でのウェーハ上での膜の成長速度の差が生じ易くなる。したがって上記長さの均熱長では、一般に、膜厚の分散が６インチウェーハでは１〜３％の範囲になるようにウェーハの処理枚数を制限する必要が生じる。
【０００９】
上記（ｃ）によるポリシリコン膜生成の例では、ＬＰ−ＣＶＤ条件が、ウェーハ間隔−５〜７ｍｍ；温度−６２５℃；ＳｉＨ4 流量−２００ｃｃ／分；ウェーハ−８インチ、５０〜１５０枚；圧力−０．６torrである場合、皮膜の成長速度は５０〜８０オングストローム／分である。
上記（ｄ）によるＨＴＯ膜は８００℃、０．３〜１．０ｔｏｒｒの条件で膜の成長速度は１５〜２０Å／分、膜厚分布は８インチウェーハで３〜６．５％、６インチウェーハで２〜５％である。
これらの膜成長速度はランプ加熱による１枚ウェーハの場合と比較してかなり低くなっている。また１５０枚処理の場合の昇温及び降温を含む全処理時間は約１２０〜６００分である。全処理時間は生成膜の種類、膜厚により大きく異なるが、アモルファスシリコンの成長（厚さ１μｍ）は全処理時間が長い例、すなわち６００分以上である。
上述のようにホットウォール型加熱炉を使用するＣＶＤ法及び直接反応法では、皮膜の成長速度が遅いので、１５０枚もの多量処理をすることにより生産性が上がる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のホットウォール型加熱炉処理の考え方から
離れ、高速成膜を可能にする装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造装置は、反応管を内装した加熱炉と、前記反応管内に形成された均熱空間内に位置し、かつ横置きされた半導体シリコンウェーハに、反応ガスを用いて化学気相成長もしくは直接反応による皮膜を形成する反応部とを含んでなる半導体装置の製造装置において、相互の間隔を5 〜 100mmに設定された2枚以上の半導体シリコンウェーハを1枚づつ担持するウェーハ支持治具と、ウェーハ面に直交する軸を中心として半導体シリコンウェーハを回転させる駆動手段と、前記反応ガスを炉内ガスと遮断して加熱炉内を半導体シリコンウェーハの端縁近傍位置まで案内する第1のガス案内手段と、実質的に全量の反応ガスを第１のガス案内手段から前記端縁近傍位置で半導体シリコンウェーハの間隙に噴出する手段を含んでなり、前記ウェーハ支持治具が、担持部を残して1枚の板を切除したものであり、かつ／又は外側環部、内側環部及びこれらを接続する連結部を含んでなり、前記第１のガス案内手段の各孔部から、該孔部に対面する半導体シリコンウェーハの間隙に向かって分流することを制限する第3のガス案内手段をさらに含んでなることを特徴とする。
さらに、好ましくは、（１）半導体シリコンウェーハ間隙に面して壁面に形成された第２の孔部を介して、半導体シリコンウェーハ間より流出した反応ガスを吸引し、炉内ガスと遮断して加熱炉外まで案内する第２のガス案内手段と、第２のガス案内手段に連通された排気手段をさらに含んでなり、（２）第2のガス案内手段の各孔部に向かって該孔部に対面する半導体シリコンウェーハの間隙から排出される反応ガス流に上下のウェーハ間隙からのガス流が混合することを制限する第4のガス案内手段をさらに含んでなり、また、（３）第2のガス案内手段の内部を半導体シリコンウェーハ配列領域において少なくとも２つの並列した流路に仕切り、加熱炉の上方側に位置する半導体シリコンウェーハと連通する流路の断面積を相対的に小さくしたことを特徴とする。
【００１２】
（１）加熱炉：反応管を内装した加熱炉内の該反応管内に均熱空間が形成されるいわゆるホットウォール型加熱炉を使用する。反応管は一重でも二重でもよい。
【００１３】
（２）半導体シリコンウェーハ：炉内の均熱空間内に面どうしが向かい合うように並列に配列されている。半導体シリコンウェーハ（以下「ウェーハ」と言う）の枚数は、各工程間をウェーハを移動する治具にウェーハを積載する枚数に応じて例えば5、13、50枚などの任意の枚数を処理することができる。但し約75枚を超えると均熱長が長くなり過ぎて膜厚分布が劣化することに加えて、処理時間が長くなるために約75枚を上限とすることが好ましい。また、ウェーハ間隔が狭いと昇温と降温が遅くなるので5mm以上の間隔とする。また上限は適切な加熱炉均熱長さより定められるが100mmである。
【００１４】
（３）反応ガスの送入及び排出：従来法では、反応ガスを炉内に一挙に高速で放出させ、次にウェーハ端縁の特定されない位置から個々のウェーハ間隙に巻込み、ウェーハ面全体と接触させ、その後個々のウェーハ間から排出しているが、この方法では、膜厚の分布がウェーハの上下位置で大きく変動する。したがって、圧力を高くすることによって高速成長を行おうとすると、膜厚分布の変動が一層大きくなる。そこで本発明においては、ウェーハ間隙への反応ガスの送入に関し、反応ガスの実質的に全量を特定の位置から行うことにした。すなわち、送入のための第１の位置はウェーハ周囲の任意の位置に送入ガス管などを使用して特定し、ガス管に形成された孔部よりウェーハ面上に平行にガスを流す。これにより成長速度を著しく増大することができる。排出側における排気方法は送入側における送気方法ほど膜成長速度に対する影響は大きくないので、排気方法は従来法のように反応管の上部もしくは下部に設けた排気孔より行うことができる。この方法ではウェーハ枚数が約２５枚以下の場合に十分な成果が達成される。勿論排出のための第２の位置も特定することが好ましく、これは第１の位置と向かい合ってガスが流れる位置である。また第１の位置及び第２の位置は上下方向で見ると１又は２以上のウェーハ間隙、好ましくは各ウェーハ間隙に面していることが必要である。これらの位置を規定する管、仕切り板、函体などは、ガスが流れるその内部空間を反応管内空間を区隔し、放出孔及び吸引孔のみで反応管内空間と連通していることが必要である。さらに、反応ガスは、送入ガス管内の圧力は反応管内の圧力より高く、例えば１気圧として、噴出させ、かつ排気管の先端にポンプなどを接続して反応ガスを吸引する。
【００１５】
反応ガスを噴出又は吸引する、ウェーハ端縁「近傍」とは、従来法のように反応管の上部もしくは下部ではなく、ウェーハ間隙から水平方向に延長した位置であって、炉内空間での流入・流出反応ガスが隣のウェーハ間隙の流入・流出ガスと実質的に混合しないような距離である。この距離が具体的にどのような値となるかは、ウェーハ間隙、ガス流量及び圧力を与えて、ソフトウェアソルバー（クレイドル社ソフトウェアSTREAM V2.9 −有限要素解析法を用いた三次元熱流体解析プログラム）をコンピュータ（シリコングラフィック社製IRS 4D/indy)にインストールして解析することにより知ることができる。
第１及び第２のガス案内手段は独立した管体、反応管内壁の一部を当該手段の一部として形成した管体、函体などガスを流す手段である。
【００１６】
以下、主として第１及び第２の位置を特定して、反応ガスをそれぞれ送入・排出する方法を説明する。
上述のように個々のウェーハ間隙近傍まで導かれた反応ガスは、当該ウェーハ間隙に向かって個々の噴出孔（第１の孔部）より実質的に等しい流量で噴出し、続いてウェーハ面間に流入し広がる。この際のガスの広がりを促進するためには噴出孔とウェーハ端縁の間隙はできるだけ離れている方が好ましい。同様に、噴出孔（第１の孔部）及び吸引孔（第２の孔部）の総面積は各管の内部断面積以下であることが好ましい。
反応ガスの流量を個々のウェーハ間隙に対して実質的に等しくするためには、第１の孔部の直径をガス流下流方向で大きくする、ガス案内管の内径を先端側で太くするなどの方法を採用することができる。しかし、この方法では孔部直径などの寸法調整が複雑であるために、ガス流方向が逆の２本以上の管体を炉の長さ方向で上下方向で互い違いにする配置するか、あるいはこれらを１本の管に連結して蛇行させる方法が好ましい。
【００１７】
第1、第2のガス案内手段の形状・構造に関しては、断面は円形、短形、半円形などの任意のものであってよい。管体の本数は1もしくは2以上であり、2本の管体の場合はガスの流れ方向を逆にすることにより多数のウェーハについてのガス流量を均一にすることができる。噴出孔及び吸引孔の個数は各ウェーハ間隙について1個もしくは2個以上である。2個以上の噴出孔の場合は反応ガスがウェーハ間隙に入る前に干渉を起こさないように隔てる必要がある。本発明においてウェーハを下側からピンなどの突起で局部的に支え、非支持下面（半導体装置が製作されない面）にも成膜させると、特に厚膜成長の場合に上下の皮膜の歪がウェーハの反りを少なくする利点がある。具体的には、窒化膜の場合は500Å以上、SiO2膜の場合は5000Å以上である。
【００１８】
（４）ウェーハの回転ウェーハはその面と垂直な軸の回りに回転させることにより反応ガスをウェーハ全面と接触させて膜厚を均一化する。回転速度は５〜６０ｒｐｍであることが好ましい。
【００１９】
上記(1)〜(4)を特徴とする本発明によると高速成長に適する圧力は1〜40torrを設定することができる。ガス圧力の測定位置は従来のホットウォール型加熱炉と同様に排気管内で炉に出来るだけ近い極近位置とすることができる。
【００２０】
本発明においては、多数枚ウェーハに高速のCVD成長を行うために、（イ）ウェーハ間隙を大きくする；（ロ）ウェーハを回転させる：（ハ）従来法によるウェーハ間隙端縁からの反応ガス巻込方式を採用せず、反応ガスの送入・排出方法を特定している。本発明に係る半導体装置の製造装置は、上記（イ）、（ロ）、（ハ）を採用し、さらに下記（５）治具を採用し、加えて下記（６）のように反応ガスの送入・排出構造を特定している。
【００２１】
（５）治具；ウェーハを保持する治具は従来のように各部を溶接等により接合して製作するのではなく、ウェーハ担持に必要な部分を残しその他の部分はＣＯ2 レーザ切断、打ち抜き、エッチングなど任意の方法により１枚の板を切除して作製している。溶接などでは各部を接合する方法により治具を組立てると、熱歪により治具の平坦性が劣化するが、板を切除する方法では平坦性が優れている。この方法に代えてあるいはこの方法とともに、担持部が、外側環部、内側環部及びこれらを接続する連結部からなるウェーハ支持治具を用いる。これら二つの環状部により内側と外側からウェーハを支持することによりウェーハの反りを少なくすることができる。これら環状部と連結部以外の空間ではウェーハの下側にも膜が成長するために、膜はウェーハの上下面に成長し、この結果ウェーハの反りが少なくなる。さらに、大口径１２インチウェーハの場合はウェーハ支持用突起は担持部に拡散接合法などにより接合すると全突起の高さを一定に斉えることができる。
【００２２】
（６）反応ガスの送入及び排出構造：第１のガス案内手段を採用する。さらに好ましくは第2のガス案内手段も採用する。ガス流が広がり易くするためには噴出孔（第1の孔部）をできるだけウェーハから遠ざけた方がよいが、すると隣接上下のウェーハ間に向かうガス流が混合しやすくなる。これを避けるためには、第1の孔部からと、該孔部に対面するウェーハの間隙に向かう反応ガス流が上下のウェーハ間隙に流れることを制限する第3のガス案内手段を設ける。第 2の孔部に向かって、該孔部に対面するウェーハの間隙から流れる反応ガス流が上下のウェーハ間隙に流れることを制限する第４のガス案内手段を設けることが好ましい。第3、第4のガス案内手段はウェーハと第1、2のガス案内手段の間の空間をガス流路に分ける仕切り板などであり、別体であっても一体であってもよい。
【００２３】
上述のような構造のウェーハ支持治具に対して、従来のフォーク状ウェーハ出入れ治具を使用すると、環状部に突当たって前進を妨げられるので、ウェーハ出入れが不可能になる。そこで、本発明においては、反応管を内装した加熱炉と、反応管内に形成された均熱空間内に位置し、かつウェーハに化学気相成長によりあるいは直接反応により皮膜の成長を行う反応部とを含んでなる半導体装置の製造装置において、相互の間隙を隔ててウェーハを担持するウェーハ支持治具にウェーハを出入れする治具に、ウェーハをウェーハ支持治具より持上げ、持上げられたウェーハの下方まで前進し、昇降手段との間でウェーハの受渡しを行う機能をもたせる。
【００２４】
本発明に係る装置の実施態様に係る第２のガス案内手段内部の仕切りは、第２のガス案内手段の内部をウェーハ配列領域において少なくとも２つの並列した流路に仕切り、炉の上方側にガス入口を有する流路の断面積を相対的に大きく、かつ炉の下方側ガス出口を有する流路の断面積を相対的に小さくすることにより、ウェーハの上下位置に依存する吸引ガス流量を均一化する。図２においては流路の幅を調節して所期の効果を達成している。
以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。
【００２５】
【実施例】
図2は本発明装置の一実施例を示し、この装置は基本的には加熱炉1とウェーハ昇降機構30から構成される。通常のSiC、石英などの反応管（以下「石英反応管」と言う）2は上端が閉じられ、下端が開放した管体であって、その上部外周を取り囲むように設けられ、均熱空間を作り出すヒーター3を断熱材からなる炉体4に固設している。石英反応管2はL字形に曲げられた下端部で炉底構造体37に気密かつ着脱自在に固定され、又支持台6により支持されている。図示の状態では、ウェーハ5はウェーハ昇降機構30により上限位置まで上昇されている。多段に且つ相互間に5mm以上の間隔を置いて積み重ねられた。直径が8〜12インチのウェーハ5はヒーター3により所定温度に加熱される。5’はダミーウェーハであるが、その支持部は図示を省略している。
【００２６】
ウェーハ昇降機構３０は、下方の部材３３、３４などを防熱するための断熱機能を有するセパレータ３１を途中に固定した回転軸体３２に、ウェーハ５を上下に隔てて配列する石英ボート１８を棚状に配列したものであって、例えば本出願人の特開平９−１７７３９号公報（図８，９）にて公知のものである。この回転軸体３２の下端には磁石又はコイル３３を取り付け、一方この磁石又はコイル３３に回転力を及ぼす別の磁石又はコイル３４を上下可動に設けることによって、ウェーハ昇降機構３０を上昇・下降させるとともに回転軸体３２を回転する。かかる上昇・下降を行うために磁石３４などを支持する台３５を螺合したロッド３６を駆動装置４０ａにより回転する。
【００２７】
回転軸体３２の昇降を案内する管体４２と、その上部の加熱炉の底部と一体に接続した炉底構造体３７はウェーハ５の処理中は図示の位置に気密に固定されており、処理前後には支持台６に回転可能に接続されたロッド３８を駆動装置４０ｂにより回転させると、ロッド３８に螺合されかつ炉底構造体３７に固着された連結部３９がロッド３８に沿って昇降される。これに伴い炉底が開放されあるいは閉鎖される。回転軸体３２の昇降を案内する管体４２の内部を経て炉内に微量Ｎ2 ガス等のパージガスを流入口４２ａから送入することができる。
【００２８】
ロッド３６、駆動装置４０ａ，連結部４１は台３５を昇降させる機構であって、駆動装置４０ａによりロッド３６を回転させることにより、これと螺合した台３５が管体４２と摺動して昇降し、回転軸体３２の上下方向の位置が調節される。
【００２９】
図２において、１０は、母管１２から供給された反応ガスを個々のウェーハ５間に分配して噴出する第１のガス案内手段であり、２０は個々のウェーハ５の間から反応ガスを吸入する第２のガス案内手段である。２２は第２のガス案内手段２０に連通する排気管であって、ポンプにより反応ガスを吸引するとともに圧力測定器４１を付設している。後述の反応ガス噴出孔及び反応ガス吸引孔は上下に配列されたウェーハ５の間隙に面するように位置しているので、反応ガスはウェーハ間隙に直接噴出されかつ該間隙から直接排気され、炉内空間で層流状態が実現可能となる。すなわち、従来のように炉内空間を上向又は下向に流れる反応ガス流の一部がウェーハ間隙に分流すると、ガス流がウェーハ間で滞留し、かつ個々の間隙での制御は困難であるが、本発明によるとこのような滞留は避けられかつ個々の間隙での制御も可能である。
【００３０】
第２のガス案内手段２０は、図３（図２のＢ−Ｂ矢視図）に示すように幅が広い吸気孔２１（第２の孔部）をウェーハ間隙と同じ個数備えている。ウェーハ間隙でウェーハ全面に広がった反応ガス層を上下層間で混じり合うことなく吸引するためには、吸気孔２１は出来るだけ幅が広くいことがよく、好ましい厚さは０．５〜１．５ｍｍである。
【００３１】
図４はＡ−Ａの断面図である。第１のガス案内手段１０は共通の母管１２より分岐した３本の管体１０ａ，ｂ，ｃより構成される。即ち、３種のガスを使用するＣＶＤの場合１本の管体で反応ガスを案内すると噴出前に反応ガスが反応するので３本の管体より第１のガス案内手段を形成している。第１のガス案内手段１０の噴出孔はその合計面積が母管の断面積以下であることが好ましい。
第２のガス案内手段２０は、ウェーハの中心軸を中心として第１管体１０と反対方向に位置している。したがって、例えば管体１０ａ、ウェーハ中心及び第２ガス案内手段２０を結ぶ直線を引くことができる。第２のガス案内手段２０は外側弧状部２０ａ、吸引孔２１を上下に穿設した内側平坦部２０ｂ及び側面部２０ｃ（図２参照）を連結した函体であって、この内部を反応ガスを案内することによって炉内ガスとの混合や炉内への拡散を避けている。図２に示されるように第２のガス案内手段２０内に２つの仕切り板２０ｄをガス流路に沿って設け、上下のウェーハからの吸引流量がほぼ等しくなるようにしている。したがって、上側ウェーハからの反応ガスは流れ距離が長くなり流れ抵抗が大きくなるので、断面積を大きくすることによって、流れ抵抗を小さくしている。
【００３２】
図２、４の一実施例に示されるように第１のガス案内手段を構成する管体１０ａ，１０ｂ，１０ｃは環状仕切板２６を貫通しており、この環状仕切板２６は、図４に示されるように、外周にて石英反応管２の内壁に固着され、内周では石英ボート１８の回転を可能する範囲でできるだけ狭い間隙２７を介して、ウェーハ支持治具３２の外周部に環状に延在する外環部１８ａと対面している。さらに、環状仕切板２６は図２に示されているようにウェーハと同じ個数上下に併設されている。
図２のＣ部の拡大図に示す図５中、１７は第１のガス案内手段１０の壁部に形成された第１の孔部よりなるガスノズルである。このガスノズル１７から噴出する反応ガスは矢印に示すように第２のガス案内手段（図示せず）に向かって流れる。このガス流は下側のウェーハ５と接触して半導体装置のポリＳｉ膜などを形成し、さらに上側のウェーハ５とも接触して半導体装置が形成されないウェーハ下面にも薄くポリＳｉ膜などを形成する。
【００３３】
なお、この下面に形成される皮膜をより厚くするためには、ピン１９を高くすることによってウェーハの上側を流れるべき反応ガスの一部を下側にまわり込ませる。このようにすると上下面の膜厚差が少なくなってウェーハの反りがさらに少なくなる。
一つのガスノズル１７から噴出する反応ガス層が、拡散により上下のガスノズル１７からの反応ガス層とウェーハ５との反応前に実質的に混合しないように、環状仕切板２６及び外環部１８ａが第３及び第４のガス案内手段として設けられている。このように上下の反応ガス層の混合が起こらないために、各ウェーハ５に供給する反応ガスの流量や分布は他のウェーハのものによって影響され難くなる。
図２のＤ部の拡大図である図６に示されるように、第１のガス案内手段（図示せず）より噴出された反応ガスは第２のガス案内手段２０の吸気孔２１に向かって噴流している。
環状仕切板２６が吸気孔２１手前で上下の空間を隔てており、さらに間隙２７が狭く設定されているために、ウェーハ５面上での反応に寄与した反応ガス層は上下のガス層と実質的に混合されずに吸気孔２１に流入する。
【００３４】
図７には、第１のガス案内手段から噴出される反応ガス流を模式的に示す。即ち、ウェーハ（図示せず）の回転方向に反応ガス流は多少曲げられることに伴い扇形パターンも変形し、またガス流は幅方向に多少は拡散するが、ガス濃度の濃い部分を図示している。図示のように反応ガスは巻き込みによらず、噴出と吸引によりウェーハ面上を流れている。
第１のガス案内手段の管体１０ａ，１０ｂ，１０ｃからはそれぞれシラン、フォスフィン、ジボランなどの別種の反応ガスを流すこともでき、あるいは同種の反応ガスを流すこともできる。噴出ガス流は角度θが３０〜４０°となるように管体１０ａ，１０ｂ，１０ｃから噴出することが好ましい。ウェーハ５と接触する反応ガスの濃度は局部的に低くなるので、ウェーハ５を回転させることにより、ウェーハ５面上での膜成長の均一化を図っている。
【００３５】
再び図２に戻って、１５はパージガスの導入管であって、Ｎ2 などの非反応性ガス、Ａｒなどの不活性ガスを少量流すことによって、炉の下部に流入した微量の反応ガスにより炉の下部でパーティクルが発生することを阻止している。このパージガスが間隙２７（図５、６）より多量に吹上がると、上述した反応ガスの流れが乱されるので、パージ量は極く少量とするか且つ／又は１５’の位置に設けた管より排気する必要がある。
【００３６】
図８には一実施例に係るウェーハ５の支持治具の構造を示す。
ウェーハ５を支持する棚もしくは石英ボート１８は内環部７ａと外環部７ｂにそれぞれ適当な個数のピン１９を分配することによりウェーハ５を下側から点接触方式で支える。外環部１８ａと内環部１０ｂの間にはこれらの連結部７ｃを放射状に等角度で設けている。内環部７ａはウェーハ径が大きい場合は２個以上設けてもよい。
さらに、最外部に石英ボート１８との連結部７ｄを放射状に突出させ、これ（７ｄ）を石英ボート１８に固定している。これらの各部７ａ，ｂ，ｃ，ｄは一枚のシリコンウェーハなどの板につき不要部を打抜くかあるいはエッチングなどにより分離して形成される。なお２４は石英ボート１８を上下に配列し、固定する支柱である。図８に示されるウェーハ５の支持方法によると、ウェーハは外周側（７ｂ）と中央部（７ａ）で支持されるために、反りが極めて少なくなる。
【００３７】
図９にはウェーハを石英ボート１８に対して出入れする一実施例に係る治具の平面図を示す。すなわち、従来のボートは馬蹄形になっていたので、ウェーハはその開放部から装入できたが、図８に示す環状支持構造では装入治具と石英ボート１８、ウェーハ支持治具７との干渉が起こる。そこで、本発明に係るウェーハ出入治具５０は、基本的には、石英ボート１８及びウェーハ支持治具７の上方で水平に進退するフォーク状上部５１とこれら（１８、７）の下方で水平に進退する下部５２より構成し、下部５２でウェーハを持上げ、フォーク状上部５１により持上げられたウェーハをフォーク状先端５１ａで下から支えて後退することによりウェーハを取出す。ウェーハの装入は、これとは逆にフォーク状上部５１によりウェーハを所定位置まで前進させ、この位置に前進した下部５２を上昇させて、ウェーハを下から支え次に下降することによりウェーハを支持治具７に載置する。なお、フォーク状先端５１ａにはウェーハの直径より若干小さい直径の円弧状凹部５１ｃを形成してウェーハの位置を安定させる。
図１０には、上記した一連の動作中ウェーハ５を治具７から持上げた状態を示す。図中５２ａはウェーハ５を持上げるための突出部であり、その寸法は、高さに関しては上下の支持治具７の間隔より小さくかつ石英ボート１８の高さよりは大きく定められ、また直径は内環部７ａよりは小さくかつウェーハが不安定にならないように定められている。
【００３８】
なお、図９では進退可能な下部によりウェーハを持上げるようにしているが、図１１に示すようにウェーハ支持治具の切除部を貫通して上下するロッド受け５２を３本設けることにより、装入時には上側ウェーハから順にウェーハ５を装入し、取出時には下側ウェーハ５から順に撤去を行う。５１は図９の５１と同様の機能をもつ治具である。
【００３９】
続いて、本発明に係る装置のより好ましい実施例を説明する。
通常１本管よりなる第１のガス案内手段の噴出孔から流れるガスは先端ほど流量が少なくなる。これを避けるためには先端ほど噴出孔の口径を大きくあるいは管の内径を小さくすればよいが、正確な流量制御は期し難い。そこで、ガスを上向に流す部分と下向に流す部分を同じガス案内手段に含め、これらの部分を並列させることにより、全ての噴出孔からのガス流量の均等化を図ることが好ましい。ガス供給源はこれら各部に共通していてもよく、あるいは各部に個別としてもよい。具体的には、図１２（噴出孔の図示は省略している）に示すように、第１の管体１０は母管１２を二分岐させ、一つの分岐部１０ａは上向に延長させ、他の分岐部１０ｂは一旦上向きに延長させた後１８０°方向転換して下向きに延長させ（１０ｂ(1) ），これらの上向き延長部１０ａ及び下向き延長部（１０ｂ(1) ）に反応ガスの流出口１１をウェーハ間隔の個数だけ形成することができる。もし上向き延長部１０ａのみから反応ガスを流出させるとガス流量分布が下側のウェーハで多くなるが、この他に下向き延長部１０ｂ(1) を設けることによりこのようなガス流量分布を平均化することができる。さらに噴出孔の総面積を母管の断面積とほぼ等しいか、未満とするとより好ましい結果を得ることができる。
【００４０】
以上説明した本発明の装置に種々の公知技術を付加的に適用することができる。この中には次のものが含まれる。
（イ）本出願人の特許第2025683号にて公知のプラズマクリーニングを実施する。この場合、炉体より内側においてプラズマにさらされる部材は全て石英製とすることが好ましい。
（ロ）本出願人の実用新案登録第3037794号にて公知のようにホットウォール炉（すなわち本発明による加熱炉）にコールドウォール炉を組み合わせる。
【００４１】
本発明において、ポリシリコンのCVD成長を行うと300〜2000Å／分の成長速度でかつ膜厚分布を2〜5%以内で成長させることができる。また、HTOのCVD成長を行うと30〜150Å／分の成長速度でかつ膜厚分布が8インチウェーハで1〜4%で成長させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、ＣＶＤもしくは直接反応以降の工程において、ウェーハ上に高速膜形成処理を行い、また膜厚の均一性の点でも従来法と比べて遜色がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のホットウォール型加熱炉の部分斜視図である。
【図２】 本発明の装置の一態様に係る加熱炉の断面図である。
【図３】 図2のBB線断面図である。
【図４】 図2のAA線の断面図である。
【図５】 図2のC部の拡大図である。
【図６】 図2のD部の拡大図である。
【図７】 反応ガス流を模式的に示す平面図である。
【図８】 ボート及びウェーハ支持治具の平面図である。
【図９】 ウェーハ出入治具の平面図である。
【図１０】 ウェーハ出入れの説明図である。
【図１１】 図８とは別の実施態様に係るウェーハ出入れ治具の平面図(a)及び側面図(b)である。
【図１２】 第１のガス案内手段の一実施態様を示す図面である。
【符号の説明】
1 加熱炉
２ 石英反応管
３ ヒーター
４ 炉体
５ ウェーハ
７ ウェーハ支持治具
１０ 第１の管体
１２ 母管
１５ パージガス導入ノズル
１７ ガスノズル（第１の孔部）
１８ ボート
１９ ピン
２０ 第２のガス案内手段
２１ 吸気孔
２２ 排気管
２４ 支柱
２６ 環状仕切板
２７ 間隙
３０ ウェーハ昇降装置
３１ セパレータ
３２ 回転軸体
３３ 磁石又はコイル
３４ 磁石又はコイル
３５ 台
３６ ロッド
３７ 炉底構造体
３８ ロッド
３９ 連結部
４０ 駆動手段
４１ 圧力計
４２ 管体
５０ ウェーハ出入治具
５１ ウェーハ出入治具のフォーク状上部
５２ ウェーハ出入治具の下部
Claims (4)
- 反応管を内装した加熱炉と、前記反応管内に形成された均熱空間内に位置し、かつ横置きされた半導体シリコンウェーハに、反応ガスを用いて化学気相成長もしくは直接反応による皮膜を形成する反応部とを含んでなる半導体装置の製造装置において、相互の間隔を5 〜 100mmに設定された2枚以上の半導体シリコンウェーハを1枚づつ担持するウェーハ支持治具と、ウェーハ面に直交する軸を中心として半導体シリコンウェーハを回転させる駆動手段と、前記反応ガスを炉内ガスと遮断して加熱炉内を半導体シリコンウェーハの端縁近傍位置まで案内する第1のガス案内手段と、実質的に全量の反応ガスを第１のガス案内手段から前記端縁近傍位置で半導体シリコンウェーハの間隙に噴出する手段を含んでなり、前記ウェーハ支持治具が、担持部を残して1枚の板を切除したものであり、かつ／又は外側環部、内側環部及びこれらを接続する連結部を含んでなり、前記第１のガス案内手段の各孔部から、該孔部に対面する半導体シリコンウェーハの間隙に向かって噴出される反応ガス流が、上下のウェーハ間隙に分流することを制限する第3のガス案内手段をさらに含んでなることを特徴とする半導体装置の製造装置。
- 半導体シリコンウェーハ間隙に面して壁面に形成された第２の孔部を介して、半導体シリコンウェーハ間より流出した反応ガスを吸引し、炉内ガスと遮断して加熱炉外まで案内する第２のガス案内手段と、第２のガス案内手段に連通された排気手段をさらに含んでなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造装置。
- 第2のガス案内手段の各第２の孔部に向かって該孔部に対面する半導体シリコンウェーハの間隙から排出される反応ガス流に上下のウェーハ間隙からの反応ガス流が混合することを制限する第4のガス案内手段をさらに含んでなることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造装置。
- 第2のガス案内手段の内部を半導体シリコンウェーハ配列領域において少なくとも２つの並列した流路に仕切り、加熱炉の上方側に位置する半導体シリコンウェーハと連通する流路の断面積を相対的に小さくしたことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造装置。
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