JP4465342B2 - 半導体製造装置、排気管系および半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置に関し、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、半導体素子を含む集積回路が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に各種の熱処理（thermal treatment ）を施す熱処理装置（furnace ）に関する。

ＩＣの製造方法において、ウエハに窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）や酸化シリコン（ＳｉＯｘ）およびポリシリコン等を堆積（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装置が、広く使用されている。
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。）は、処理室を形成するインナチューブおよび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て縦形に設置されたプロセスチューブと、処理室を排気する排気管系および処理室にガスを供給するガス導入管が接続されたマニホールドと、プロセスチューブの外に敷設されて処理室を加熱するヒータユニットと、複数枚のウエハを垂直方向に整列させて保持して処理室に搬入するボートとを備えており、複数枚のウエハを保持したボートが処理室に下端の炉口から搬入（ボートローディング）され、処理室に成膜ガスがガス導入管から供給されるとともに、ヒータユニットによって処理室が加熱されることにより、ウエハの上にＣＶＤ膜を堆積させるように構成されている。

従来のこの種のＣＶＤ装置においては、成膜ガスの残りや副生成物および塵芥等の粒子（パーティクル）が排気管系の継手部等の付着し易い場所に堆積して排気管系の詰まりを引き起こすため、排気管系の継手部等の付着し易い場所の上流側部位にガス導入ポートを設けて窒素ガス等の付着防止ガスを流すことにより、これらが排気管系に堆積するのを防止することが実施されている。

しかしながら、排気管系の継手部等の付着し易い場所の上流側部位にガス導入ポートを設けて窒素ガス等の付着防止ガスを流すことによって副生成物が排気管系に堆積するのを防止するＣＶＤ装置においては、排気管のガス導入ポートよりも上流側の部分や排気管系のマニホールドにおける開口（排気口）に対しては付着防止効果は発揮されないため、成膜ガスの残りや副生成物等が排気口に付着し堆積するという問題点がある。

本発明の目的は、排気管系の詰まりを効果的に防止することができる半導体製造装置を提供することにある。

本発明に係る半導体製造装置は、基板を処理する処理室に一端が接続され他端が排気装置に接続され、前記処理室から排気された排気ガスを排気する排気管系を備えており、
該排気管系を構成する一つの排気管の内側には被覆管がバッファを介して挿入されており、
前記バッファには付着防止ガスが導入されるように構成されており、
前記被覆管は、上流側の口径が大きく下流側の口径が小さい円筒形状に形成されたセグメントリングを複数個備えており、該複数個のセグメントリングは中心線を揃えて直列に配列されて、前記セグメントリングの上流側と隣接する前記セグメントリングの下流側とが一部重なって隙間を形成するように嵌合され、該隙間によって前記バッファの付着防止ガスを前記被覆管の内側空間に流出させる流出口が構成されていることを特徴とする。

前記した手段によれば、排気管による排気に際して、付着防止ガスがバッファに導入されると、付着防止ガスが被覆管の流出口から流出することにより、排気管を流下する排気ガスに含まれる付着し易い副生成物等の排気管の表面への接触を遮断するため、堆積し易い副生成物等が排気管や被覆管の内周面に付着し堆積するのを防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

図１に示されているように、本実施の形態に係るＣＶＤ装置１０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１１を備えており、プロセスチューブ１１は互いに同心円に配置されたアウタチューブ１２とインナチューブ１３とを備えている。
アウタチューブ１２は石英ガラスや炭化シリコン（ＳｉＣ）が使用されて上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に一体成形されており、インナチューブ１３は石英ガラスや炭化シリコンが使用されて上下両端が開口された円筒形状に形成されている。
インナチューブ１３の筒中空部はボートによって同心的に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１４を形成しており、インナチューブ１３の下端部には被処理基板としてのウエハの最大外径よりも大きな口径の炉口１５が形成されている。

図１および図２に示されているように、プロセスチューブ１１の下端にはマニホールド１６が同心円に配設されており、プロセスチューブ１１は筐体２に支持されることによって垂直に支持された状態になっている。
マニホールド１６はステンレス鋼等の金属が使用されて上下両端が開口した短尺の円筒形状に形成されており、マニホールド１６の内周の中間部にはマニホールド１６の内側空間を上下に仕切った隔壁１７が水平に突設されている。
マニホールド１６の側壁の下端部にはガス導入管１８が、隔壁１７が仕切ったマニホールド１６の内側空間のうち炉口１５側である下側空間に連通するように接続されており、ガス導入管１８の他端は原料ガスや窒素ガス等のガスを供給するガス供給装置（図示せず）に接続されている。
マニホールド１６の側壁の上部には後記する排気管系４０を接続された排気口２０が、隔壁１７が仕切ったマニホールド１６の内側空間のうち上側空間に一杯に連通するように開設されており、排気口２０はアウタチューブ１２とインナチューブ１３との隙間によって形成された排気路１９を排気するようになっている。

図１および図２に示されているように、ＣＶＤ装置１０はマニホールド１６の炉口１５を開閉する隔離バルブとしての炉口開閉装置２１を備えており、この炉口開閉装置２１はマニホールド１６の中心線の延長線と同心円に配置されてボートエレベータ（図示せず）によって昇降されるように構成されている。
炉口開閉装置２１はボートエレベータによって垂直に昇降されるベース２２と、マニホールド１６の外径と略等しい円盤形状に形成されてマニホールド１６の下端面に密着して炉口１５をシールするシールキャップ２３とを備えており、シールキャップ２３はベース２２の真上に若干の隙間をとって平行に配置されて水平に支持されている。
ベース２２の中心線上には回転駆動装置（図示せず）によって回転される回転軸２４が垂直方向に挿通されて軸受装置によって回転自在に支承されており、回転軸２４の上端にはボート２５が垂直に立脚されて固定されている。

図１に示されているように、ボート２５は上下で一対の端板２６および２７と、両端板２６、２７間に垂直に配設された複数本の保持部材２８とを備えており、各保持部材２８には複数条の保持溝２９が長手方向に等間隔に配されて互いに同一平面内において開口するようにそれぞれ刻設されている。
そして、ウエハ１は複数条の保持溝２９間に外周辺部が挿入されることにより、水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列されてボート２５に保持されるようになっている。

図１に示されているように、プロセスチューブ１１の外側にはプロセスチューブ１１の内部を加熱するためのヒータユニット３０がアウタチューブ１２の周囲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３０はプロセスチューブ１１内を均一または所定の温度分布に加熱するように構成されている。
ヒータユニット３０は円筒形状に形成された断熱槽３２の内周に抵抗ヒータ３１が螺旋状に敷設されて構成されており、筐体２の上に垂直に据え付けられている。

図２に詳示されているように、排気口２０に接続された本実施の形態に係る排気管系４０は排気口２０に管継手された第一排気管４１を備えており、第一排気管４１は大口径の排気口２０に対応して大口径の円筒形状に形成されている。
第一排気管４１の内周面における排気口２０側の端部（以下、上流側端部とする。）と排気口２０と、反対側の端部である下流側端部とには、上流側位置決め部４２と下流側位置決め部４３とが径方向内向きにそれぞれ突設されている。
第一排気管４１の中間部には窒素（Ｎ₂ ）ガス等の付着防止ガス４４を第一排気管４１の内側空間に導入するための付着防止ガス導入管４５が接続されており、付着防止ガス導入管４５には付着防止ガス供給装置（図示せず）がガス加熱装置７０を介して接続されている。

第一排気管４１の内側には第一排気管４１の内径よりも若干小径のテレスコープ（遠眼鏡）構造に形成された被覆管４７がバッファ４６を介して挿入されている。
すなわち、被覆管４７は短尺であって第一排気管４１の下流側位置決め部４３の内径に対応した円形リング形状に形成されたセンタリング４８を備えており、センタリング４８は第一排気管４１の下流側位置決め部４３に嵌入されて同心円に位置決めされている。
センタリング４８の外周にはフランジ部４９が突設されており、フランジ部４９の外周にはシールリング５０が嵌着されている。センタリング４８は第一排気管４１と後記する第二排気管５４との間にフランジ部４９およびシールリング５０を挟み込まれた状態で管継手部５６によって締結されることにより固定されるようになっている。
また、被覆管４７は短尺であって第一排気管４１の内径よりもバッファ４６の分だけ小径の円筒形状に形成された複数個のセグメントリング５１を備えており、複数個のセグメントリング５１が中心線を揃えて直列に配列されて隣合うもの同士が突合端部において嵌合されることにより一本の管構造に形成されている。
隣合うセグメントリング５１、５１の嵌合部には狭い隙間が形成されており、この隙間によって、バッファ４６の付着防止ガス４４を被覆管４７の内側空間に流出させる流出口５２が構成されている。
セグメントリング５１はその一端と他端とで口径が異なっている。排気ガス流れの上流側で口径を大きく、下流側で口径を小さくし、隣接するセグメントリング５１が一部重なるようにしている。このようにすることで、バッファ４６内の付着防止ガスが被覆管４７内に入り易くなり、また、入った後に被覆管４７の内面に沿って流れ易くなる。さらに、被覆管４７内を流れる排気ガスがバッファ４６内に出ることを抑止するとともに、被覆管４７の内側に付着することを抑止することができる。
被覆管４７の最上流側端に配置されたセグメントリング５１の上流側端部は第一排気管４１の上流側位置決め部４２に小さいクリアランスをもって嵌合されており、このクリアランスによってバッファ４６の付着防止ガス４４を排気口２０に流出させる流出口５３が構成されている。
そして、被覆管４７の最下流側端に配置されたセグメントリング５１の下流側端部がセンタリング４８の内周に嵌入されることにより、被覆管４７は第一排気管４１の内側に所定のバッファ４６を置いて同心円に固定されている。

図１に示されているように、排気管系４０は第二排気管５４を備えており、第二排気管５４の途中にはレデューサ部５５が、口径が上流側から下流側に行くに従って増加するように形成されている。第二排気管５４は第一排気管４１の下流側端に管継手部５６によって締結されている。
第二排気管５４の下流側端には第三排気管５７が管継手部５８によって接続されており、第三排気管５７の途中には付着防止ガス４４を第三排気管５７の内側空間に導入する付着防止ガス導入管５９が接続されており、付着防止ガス導入管５９には付着防止ガス供給装置（図示せず）がガス加熱装置７０を介して接続されている。
第三排気管５７の下流側端には第四排気管６０が管継手部６１によって接続されており、第四排気管６０の一端には副生成物除去ユニット６２が管継手部６３によって接続されている。
副生成物除去ユニット６２の下流側端は第五排気管６４が管継手部６５によって接続されている。図示は省略するが、第五排気管６４の下流側端は真空ポンプ等によって構成された排気装置に接続されている。

次に、前記構成に係るＣＶＤ装置を使用してウエハに窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）を成膜する場合について説明する。

プロセスチューブ１１の真下のボート搬入搬出室において、複数枚のウエハ１はボート２５に互いに平行で中心線が揃った状態にウエハ移載装置によって装填される。
図１に示されているように、複数枚のウエハ１が装填されたボート２５はシールキャップ２３の上にウエハ１群が並んだ方向が垂直になる状態で載置され、ボートエレベータによって上昇されて炉口１５から処理室１４に搬入（ボートローディング）されて行き、シールキャップ２３に支持されたままの状態で処理室１４に存置される。
この状態で、シールキャップ２３は炉口１５を気密シールした状態になる。

続いて、プロセスチューブ１１の内部は所定の真空度（数十〜数万Ｐａ）に排気口２０に接続された排気管系４０によって排気される。
この際、排気口２０が大口径に設定されていることにより、排気口２０による排気路１９に対する排気速度を従来例に比べて大きく設定することができるため、大きい排気速度によって排気路１９やマニホールド１６の表面に成膜ガスの残りや副生成物等の粒子が付着して堆積するのを防止することができる。
また、プロセスチューブ１１の内部がヒータユニット３０によって所定の温度（約６００℃）に全体にわたって均一に加熱される。

プロセスチューブ１１の内部の温度や圧力が安定すると、成膜ガス７１がインナチューブ１３の処理室１４にガス導入管１８によって導入される。本実施の形態においては、成膜ガスとしては、ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ガスとアンモニア（ＮＨ₃ ）ガスとが使用される。
ちなみに、ＮＨ₃ ガスはＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ガスが導入される以前から導入される。また、処理中には、ボート２５が回転軸２４によって回転される。

導入された成膜ガス７１はインナチューブ１３の処理室１４を上昇し、上端開口からインナチューブ１３とアウタチューブ１２との隙間によって形成された排気路１９に流出して排気口２０から排気される。
成膜ガス７１は処理室１４を通過する際にウエハ１の表面に接触する。このウエハ１との接触に伴う成膜ガス７１による熱ＣＶＤ反応により、ウエハ１の表面にはＳｉ₃ Ｎ₄ 膜が堆積（デポジション）する。

Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜が所望の膜厚だけ堆積する予め設定された処理時間が経過すると、シールキャップ２３が下降されて炉口１５が開口されるとともに、ボート２５に保持された状態でウエハ１群が炉口１５からプロセスチューブ１１の真下の図示しないボート搬入搬出室に搬出（ボートアンローディング）される。

ところで、処理室１４の雰囲気が排気管系４０によって排気されると、成膜ガス７１の残りや副生成物および塵埃等の全ての粒子は、排気管系４０を流れて行く間に内壁面の極微細な凹凸表面や継手部の継ぎ目等に接触するため、これらの表面や隙間等に付着したり吸着したりして異物として堆積する現象が発生する。
特に、アンチモン等の昇華性のものが原料ガスとして使用される場合には、その発生が顕著になることが知られている。

そこで、本実施の形態においては、プロセスチューブ１１の内部が排気管系４０によって排気されるに際して付着防止ガス４４を付着防止ガス導入管４５、５９によって流すことにより、排気管系４０の詰まり現象が防止される。
すなわち、第一排気管４１の付着防止ガス導入管４５から供給された付着防止ガス４４は第一排気管４１と被覆管４７との間のバッファ４６に拡散し、バッファ４６に排気管系４０の排気力が作用しているため、被覆管４７の複数の流出口５２から被覆管４７の内側空間に吸い出される。
被覆管４７の内側空間に吸い出された付着防止ガス４４は被覆管４７の内周面に沿って流れることにより、被覆管４７の内周面を被覆した状態になるために、排気ガスが被覆管４７の内周面に接触することはない。
したがって、被覆管４７すなわち第一排気管４１の表面に成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子が付着して堆積して行くのを防止することができる。また、被覆管４７の上流側端の流出口５３にも排気管系４０の排気力が作用しているため、バッファ４６に供給された付着防止ガス４４の一部は被覆管４７の上流側端の流出口５３から排気口２０に吸い出される。
排気口２０に吸い出された付着防止ガス４４は排気口２０を被覆した状態になるため、排気ガスが排気口２０の内周面に接触することはない。したがって、排気口２０の表面に成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子が付着して堆積して行くのを防止することができる。

第三排気管５７に接続された付着防止ガス導入管５９から供給された付着防止ガス４４は第三排気管５７の内周面に沿って流れることにより、第三排気管５７の内周面を被覆した状態になるため、排気ガスが第三排気管５７の内周面に接触することはない。
したがって、第三排気管５７の表面に成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子が付着して堆積して行くのを防止することができる。
そして、排気ガス中の成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子は副生成物除去ユニット６２によって除去される。

本実施の形態においては、付着防止ガス４４はガス加熱装置７０によって所定の温度に加熱される。例えば、ＴＥＯＳが成膜される場合には、付着防止ガス４４の温度は２００℃に設定される。
このように加熱された付着防止ガス４４がバッファ４６、排気口２０および第三排気管５７に流れることにより、排気ガスの温度が下がるのを防止することができるため、副生成物が排気ガスによって生成されるのを防止することができ、その結果、成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子が付着して堆積して行くのをより一層確実に防止することができる。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

1) 排気管系のうち排気口に接続された第一排気管の内側に流出口を有する被覆管を挿入することにより、被覆管の内周面および排気口を付着防止ガスによって被覆することによって排気ガスが被覆管の内周面および排気口の表面に接触するのを阻止することができるため、排気ガス中の成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子が付着して堆積して行くのを防止することができる。

2) 排気管系の排気口付近において成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子が付着して堆積して行くのを防止することにより、堆積物が剥離して異物（パーティクル）となって成膜中の処理室の圧力変動によって処理室に逆流する現象が発生するのを未然に防止することができるため、ＣＶＤ装置ひいてはＩＣの製造方法の歩留りの低下を防止することができる。

3) 排気管系の排気口付近において成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子が付着して堆積して行くのを防止することにより、ＣＶＤ装置のメンテナンスの厳格性を緩和することができるため、ＣＶＤ装置の稼働休止時間を短縮することができ、ＣＶＤ装置ひいてはＩＣの製造方法のスループットを向上させることができる。

4) 付着防止ガスをガス加熱装置によって所定の温度に加熱することにより、排気ガスの温度が下がるのを防止することができるため、副生成物が排気ガスによって生成されるのを防止することができ、その結果、成膜ガスの残りや副生成物および塵埃等の粒子がバッファ、排気口および第三排気管に、付着して堆積して行くのをより一層確実に防止することができる。

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、付着防止ガスとしては、窒素ガスを使用するに限らず、他の不活性ガスやクリーンルームのクリーンエア等を使用してもよい。

被覆管は排気口に接続された第一排気管に設置するに限らず、レデューサ部を有する第二排気管等の排気管系の他の段の排気管に設置してもよい。

被覆管はテレスコープ構造に構成するに限らず、多孔質の管構造等に構成してもよい。また、被覆管の流出口もセグメントリングの接続部の隙間やクリアランスによって形成するに限らず、被覆管の管壁に開設した小孔やスリット等によって形成してもよい。

本発明はＣＶＤ装置に限らず、酸化膜形成装置や拡散装置、アニール装置および他の熱処理装置等の半導体製造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装置を示す一部省略側面断面図である。 （ａ）は主要部の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ部の拡大断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ部の拡大断面図である。

符号の説明

１…ウエハ、２…筐体、１０…ＣＶＤ装置（半導体製造装置）、１１…プロセスチューブ、１２…アウタチューブ、１３…インナチューブ、１４…処理室、１５…炉口、１６…マニホールド、１７…隔壁、１８…ガス導入管、１９…排気路、２０…排気口、２１…炉口開閉装置、２２…ベース、２３…シールキャップ、２４…回転軸、２５…ボート、２６、２７…端板、２８…保持部材、２９…保持溝、３０…ヒータユニット、３１…抵抗ヒータ、３２…断熱槽、４０…排気管系、４１…第一排気管、４２…上流側位置決め部、４３…下流側位置決め部、４４…付着防止ガス、４５…付着防止ガス導入管、４６…バッファ、４７…被覆管、４８…センタリング、４９…フランジ部、５０…シールリング、５１…セグメントリング、５２、５３…流出口、５４…第二排気管、５５…レデューサ部、５６…管継手部、５７…第三排気管、５８…管継手部、５９…付着防止ガス導入管、６０…第四排気管、６１…管継手部、６２…副生成物除去ユニット、６３…管継手部、６４…第五排気管、６５…管継手部、７０…ガス加熱装置、７１…成膜ガス。

Claims (3)

1. 基板を処理する処理室に排気口を介して一端が接続され他端が排気装置に接続され、前記処理室から排気された排気ガスを排気する排気管系を備えており、
   該排気管系を構成する一つの排気管のうちの前記排気口と接続された排気管の内周面における前記排気口と接続された上流側端部と前記排気口とは反対側の下流側端部とには、上流側位置決め部と下流側位置決め部とが径方向内向きにそれぞれ突設されており、
   前記排気管の内側には被覆管がバッファを介して挿入されており、
   前記バッファは付着防止ガスが導入されるように構成されており、
   前記被覆管は、該被覆管の最上流側端の径方向外側と前記上流側位置決め部の径方向内側との間にクリアランスをもって嵌合されており、該クリアランスによって前記付着防止ガスの一部が前記排気口の内周面を被覆するよう流出される流出口が構成されていることを特徴とする半導体製造装置。
2. 基板を処理する処理室に排気口を介して一端が接続され他端が排気装置に接続され、前記処理室から排気された排気ガスを排気する排気管系であって、
   前記排気口と接続された一つの排気管の内周面における前記排気口と接続された上流側端部と前記排気口とは反対側の下流側端部とには、上流側位置決め部と下流側位置決め部とが径方向内向きにそれぞれ突設され、
   前記排気管の内側には被覆管が、付着防止ガスが導入されるように構成されるバッファを介して挿入され、
   該被覆管は最上流側端の径方向外側が前記上流側位置決め部の径方向内側との間にクリアランスをもって嵌合され、該クリアランスによって前記付着防止ガスの一部が前記排気口の内周面を被覆するよう流出される流出口が構成されていることを特徴とする排気管系。
3. 処理室に基板を搬入する搬入工程と、
   前記処理室を加熱し、前記処理室に成膜ガスを導入し、前記処理室に排気口を介して一端が接続され他端が排気装置に接続された排気管系にて前記処理室から排気ガスを排気し、基板を処理する処理工程と、を有し、
   前記処理工程は、前記排気管系を構成する一つの排気管のうち、前記排気口と接続された排気管の内周面における前記排気口と接続された上流側端部と前記排気口とは反対側の下流側端部とには、上流側位置決め部と下流側位置決め部とが径方向内向きにそれぞれ突設された排気管の内側のバッファに付着防止ガスを供給し、前記排気管の内側に前記バッファを介して挿入された被覆管の最上流側端の径方向外側と前記上流側位置決め部の径方向内側との間にクリアランスをもって嵌合され、該クリアランスにて構成された流出口から前記付着防止ガスの一部が前記排気口の内周面を被覆するよう流出される、
   ことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。

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