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JP2839720B2 - 熱処理装置 - Google Patents

熱処理装置

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JP2839720B2
JP2839720B2 JP2403943A JP40394390A JP2839720B2 JP 2839720 B2 JP2839720 B2 JP 2839720B2 JP 2403943 A JP2403943 A JP 2403943A JP 40394390 A JP40394390 A JP 40394390A JP 2839720 B2 JP2839720 B2 JP 2839720B2
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furnace
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裕一 見方
孝彦 守屋
礼二 新納
資彦 西村
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Tokyo Electron Ltd
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Toshiba Corp
Tokyo Electron Ltd
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Publication date
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    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/14—Feed and outlet means for the gases; Modifying the flow of the reactive gases

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板上に例えば
窒化シリコン膜のような気相成長（ＣＶＤ）膜を形成す
るための熱処理装置に係り、特に内部に材料ガスを導入
するためのガスノズルのガス吹出し口の向きに関する。
【０００２】
【従来の技術】図９は従来の熱処理装置の一種である縦
型成膜装置の一例の断面構造を概略的に示しており、１
１は石英製のインナーチューブ、１２は石英製のアウタ
ーチューブ、１３はマニホールドフランジ、１４は炉口
蓋体、１５はＯリングであり、これらは密閉された減圧
可能なＣＶＤ炉（反応容器）１０を構成している。上記
インナーチューブ１１の内部には、ＣＶＤ炉外部の回転
機構１６に接続された被処理基板収納治具受け台１７が
配設され、この受け台１７上に被処理基板収納治具（石
英ボート）１８が配設されている。また、上記ＣＶＤ炉
１０の外部には、炉内を所望の温度とする（例えば図１
０に示すような温度分布とする）ように加熱するための
加熱機構（ヒーターエレメント）１９が設けられてい
る。そして、上記温度分布のうちの緩やかな温度勾配を
有する均熱ゾーンに多量の被処理半導体基板（ウェー
ハ）２０…が、上下方向に所定の間隔をあけてそれぞれ
水平状態に配置される。また、前記マニホールドフラン
ジ１３には排気口２１が設けられており、この排気口２
１に接続された外部の排気システムにより炉内を減圧下
に保つようになっている。さらに、前記マニホールドフ
ランジ１３には例えば２個の材料ガス導入口２２…が設
けられており、これらのガス導入口２２…から炉内奥部
に向かってガスノズル２３…が立てられている。この場
合、少なくとも１本のガスノズル２３は、被処理基板設
置領域の側方に沿って炉内最上部付近まで延び、先端が
封止され、長さ方向に間欠的にガス吹出し口が設けられ
ており、他方のガスノズル２３はインナーチューブ１１
内側の被処理基板収納治具受け台１７の近傍まで延びて
いる。なお、２４は搬送機構である。
【０００３】上記したような縦型成膜装置においては、
炉外からガス導入口２２…を通してそれぞれ所要の材料
ガス（例えばジクロルシランガスおよびアンモニアガ
ス）を供給することにより、多量の被処理基板２０…上
に所望のＣＶＤ膜（本例では窒化シリコン膜）を生成す
るように一括処理を行うことができる。
【０００４】なお、均熱ゾーンに被処理基板２０…群を
配置する理由は、多量の被処理基板２０…上にそれぞれ
堆積する窒化シリコン膜の膜厚が、被処理基板収納治具
１８内での基板設置位置（炉口から被処理基板までの距
離）によってばらつくことを抑制するためである。
【０００５】また、前記したように独立した２本のガス
ノズル２３…を使用し、それぞれインナーチューブ１１
…内側まで延ばしている理由は、仮に、マニホールドフ
ランジ１３や炉口蓋体１４の近傍（炉口付近）の低温雰
囲気で上記２種類の材料ガスを混合させると所望外の塩
化アンモニウムを生成してしまうことを避けるためであ
る。
【０００６】また、前記２本のガスノズル２３…に代え
て、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、先端が封
止されると共に基端部が２分岐された１本のガスノズル
３０を炉口から炉奥まで設け、このガスノズル３０の分
岐部３１より炉奥側部分（インジェクターノズル部）３
３には長さ方向に間欠的にガス吹出し口３４…を設けて
おき、分岐先端の２個のノズル入口３２…に炉外からガ
ス導入口２３…を通してそれぞれ所要の材料ガスを独立
に供給することにより、前記温度勾配の均熱ゾーンに均
一な濃度の材料ガスを供給できることが報告されている
（例えば実開昭６４−３７４６４号）。
【０００７】しかし、上記したような一括処理により窒
化シリコン膜の膜厚の基板間のばらつき差を抑制するこ
とができても、生成された窒化シリコン膜本来の性質
（膜質、組成）の基板間でのばらつきが無視できないと
いう問題がある。
【０００８】ここで、窒化シリコン膜の膜質の基板間の
ばらつきを簡易的に調べるために、被処理基板２０…の
位置（炉口からの距離）に対する窒化シリコン膜の弗酸
（ＨＦ）エッチングレートおよび屈折率のそれぞれの分
布を測定した結果の一例を図１２および図１３に示す。
図１２および図１３から明らかなように、窒化シリコン
膜の膜組成は、被処理基板の設置位置に対してばらつき
が大きい。
【０００９】即ち、ＣＶＤ膜の膜厚および組成は、基板
間でそれぞれ均一であることが最良であるが、従来の縦
型成膜装置の特長である一括処理は、主に、ＣＶＤ膜の
膜厚差を抑制することが重要視され、膜組成の基板間の
ばらつきは無視されているのが実情である。
【００１０】ここで、従来の縦型成膜装置の構造のまま
でＣＶＤ膜の組成を基板間で均一にしようとすると、減
圧雰囲気条件、材料ガスの流量条件を変えても効果がな
いので、前記均熱ゾーンを温度勾配を付けずに一定温度
にする必要があるが、縦型成膜装置の特長である一括処
理の処理容量が著しく低下するので、この方法は採用さ
れていない。
【００１１】なお、上記したような問題は、図１１
（ａ）および（ｂ）に示したような基端部が２分岐され
たガスノズル３０を使用すれば若干改善されるが、ガス
吹出し口の向きが基板面内中心方向であり、生成される
ＣＶＤ膜の膜厚が基板中央部と基板外周部とでかなり異
なる（基板面内での膜厚差がかなり大きくなる）という
問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
縦型成膜装置は、一括処理により多量の被処理基板上に
ＣＶＤ膜を生成できるという特長を有し、ＣＶＤ膜の膜
厚の基板間のばらつき差を抑制することはできるが、膜
質の基板間でのばらつきが無視できないという問題があ
る。
【００１３】本発明は、上記問題点を解決すべくなされ
たもので、その目的は、一括処理により多量の被処理基
板上にＣＶＤ膜を生成する際、ＣＶＤ膜の膜厚および組
成を、基板間でそれぞれほぼ均一に生成し得る熱処理装
置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、減圧可能な反
応容器と、この反応容器内部に配設され、複数の被処理
半導体基板を上下方向に所定の間隔をあけてそれぞれ水
平状態に保持するための被処理基板収納治具と、上記被
処理基板の設置領域を所望の温度に加熱するために設け
られた加熱機構と、上記反応容器内部に外部から所定の
材料ガスを独立に導入するために複数設けられたガス導
入口と、前記反応容器内部に設けられ、上記ガス導入口
を通して材料ガスが導入され、先端が封止され、被処理
基板設置領域の側方に沿って延びると共に長さ方向に間
欠的にガス吹出し口が設けられたガスノズルとを具備す
る熱処理装置において、上記ガスノズル中心と被処理基
板面内中心方向とを結ぶ中心線方向を基準とする上記ガ
スノズルのガス吹出し口の向きθは、ガスノズル中心と
前記基板の外周端部とを結ぶ接線の方向が上記中心線方
向に対してなす角度以上の範囲内に設定されていること
を特徴とする。
【００１５】
【作用】ガス吹出し口の向きθを所定の範囲内に設定し
た場合に、一括処理により多量の被処理基板上にそれぞ
れ生成されるＣＶＤ膜の膜厚分布（基板面内）および膜
質の基板間のばらつきを簡易的に調べた結果、それぞれ
良好な結果が得られることが分かった。この場合、さら
に、ガス吹出し口と基板との距離ｌおよびガス吹出し口
の直径ｄもそれぞれ所定の適正な範囲内に設定しておく
ことが望ましい。
【００１６】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳
細に説明する。
【００１７】図１に示す縦型成膜装置は、図９を参照し
て前述した従来の縦型成膜装置における２本のガスノズ
ル２３…代えて、図１１（ａ）および（ｂ）に示したよ
うに、基端部が２分岐されると共に先端が封止された１
本のガスノズル３０’を炉口から炉奥まで設け、このガ
スノズル３０’の分岐部３１より炉奥側部分（インジェ
クターノズル部）３３に長さ方向に間欠的に設けられた
ガス吹出し口３４…の向きを後述するように設定してお
り、その他は同じであるので図９中と同一符号を付して
いる。
【００１８】この縦型成膜装置においては、ガスノズル
３０’の分岐先端の２個のノズル入口３２…に炉外から
ガス導入口２２…を通してそれぞれ所要の材料ガスを独
立に供給し、ノズル内のガス流通過程で混合し（通常
は、発塵や副生物が生じることのない分岐部３１付近で
混合する。）、ガス吹出し口３４…から炉内に導入す
る。
【００１９】図２は、減圧ＣＶＤ炉１０の高さ方向中央
部付近における横断面を概略的に示しており、１１はイ
ンナーチューブ、１２はアウターチューブ、１３はマニ
ホールドフランジ、１８は被処理基板収納治具、２０は
この被処理基板収納治具１８により水平状態に保持され
た被処理基板群のうちの一枚分を示しており、２０ａは
この被処理基板２０のオリエンテーション・フラット
部、２１は排気口、３０’はガスノズル、３４はこのガ
スノズル３０’のガス吹出し口、Ａは上記ガスノズル中
心と基板面内中心Ｏとを結ぶ中心線、Ｂは上記ガスノズ
ル中心と基板２０の外周端部の１カ所とを結ぶ直線（つ
まり、ガスノズル中心とほぼ円形の基板の外周部とを結
ぶ接線）、θは上記中心線Ａ方向を基準とするガス吹出
し口３４の向き、ｌはガス吹出し口３４と基板２０との
距離を示している。ここで、上記ガスノズル３０’のガ
ス吹出し口３４の向きθは、上記接線Ｂ方向が上記中心
線Ａ方向に対してなす角度以上の一定範囲内に設定され
ており、複数個のガス吹出し口３４のそれぞれの向きθ
は、互いに同方向でも異なる方向でもよく、上記一定範
囲内でそれぞれ任意の方向に設定されている。
【００２０】ここで、図１の縦型成膜装置内の均熱ゾー
ンに多量の被処理基板２０…を設置し、ガス導入口２２
…を通して材料ガス（例えばジクロルシランガスおよび
アンモニアガス）を供給する一括処理を行うことにより
多量の被処理基板２０…上にそれぞれ窒化シリコン膜を
生成する場合に、ガス吹出し口３４の向きθ、ガス吹出
し口３４と基板２０との距離ｌ、ガス吹出し口３４の直
径ｄをそれぞれパラメータとして変化させた場合におけ
る膜厚分布（基板面内）について調べた結果の一例を図
３乃至図６に示している。
【００２１】即ち、図３は、中心線Ａ方向に対して右回
り方向における接線Ｂ方向θ０を基準とするガス吹出し
口３４の向きを０〜±４５°の範囲内（中心線Ａ方向を
基準とするガス吹出し口３４の向きθとしては０〜＋９
０°の範囲内）で変化させた場合について調べた結果の
一例を示している。この場合、ガス吹出し口と基板との
距離ｌおよびガス吹出し口の直径ｄをそれぞれ最適化
（後述するように、例えばｌは１５ｍｍ、ｄは１．０ｍ
ｍ）している。
【００２２】なお、中心線Ａ方向に対して左回り方向に
おける接線方向を基準としてガス吹出し口の向きを０〜
±４５°の範囲内で変化させた場合には、図３と同様の
結果が得られる。
【００２３】この図３から、ガス吹出し口３４の向きを
接線Ｂ方向θ０に一致させた場合に膜厚分布（基板面
内）のばらつきが最も少ないという良好な結果が得られ
ており、ガス吹出し口３４の向きを前記接線Ｂ方向θ０
を基準として０〜＋４５°の範囲内で変化させた場合
（換言すれば、ガス吹出し口３４の向きθを、上記接線
Ｂ方向が前記中心線Ａ方向に対してなす角度以上の一定
範囲内に設定した場合）に、膜厚分布（基板面内）がば
らつきが少ない（実用的な膜厚分布の範囲である例えば
５％以下）という良好な結果が得られることが分かる。
【００２４】また、図４は、本実施例装置および従来例
装置でそれぞれ均熱ゾーンをほぼ一定温度にして処理し
た場合に得られる被処理基板２０の位置（炉口からの距
離）に対する窒化シリコン膜の膜厚分布（基板面内）を
対比して示している。この場合、本実施例装置において
は、ガス吹出し口の向きθ、ガス吹出し口と基板との距
離ｌおよびガス吹出し口の直径ｄをそれぞれ最適化（例
えばθは前記接線Ｂ方向である４５°、ｌは１５ｍｍ、
ｄは１．０ｍｍ）している。
【００２５】この図４から、被処理基板２０の位置（炉
口からの距離）に対する窒化シリコン膜の膜厚分布（基
板面内）のばらつきは、本実施例装置における場合の方
が従来例装置における場合よりも非常に少ないという良
好な結果が得られることが分かる。
【００２６】また、図５は、ガス吹出し口と基板との距
離ｌを１０〜２０ｍｍの範囲内で変化させた場合（１０
ｍｍ以下は、装置の構造上、基板とノズルとの干渉が生
じるなどの理由から、実現が不可能である。）について
調べた結果の一例を示している。この場合、ガス吹出し
口の向きθおよびガス吹出し口の直径ｄをそれぞれ最適
化（例えばθは前記接線Ｂ方向である４５°、ｄは１．
０ｍｍ）している。この図５から、ｌ＝１２〜１８ｍｍ
の範囲内が最適であることが分かる。
【００２７】また、図６は、ガス吹出し口の直径ｄを
０．５〜１．５ｍｍの範囲内で変化させた場合（０．５
ｍｍ以下は、穴径の加工精度上、実現が不可能であ
る。）について調べた結果の一例を示している。この場
合、ガス吹出し口の向きθおよびガス吹出し口と基板と
の距離ｌをそれぞれ最適化（例えばθは前記接線Ｂ方向
である４５°、ｌは１５ｍｍ）している。この図６か
ら、ｄ＝０．７〜１．３ｍｍの範囲内が最適であること
が分かる。
【００２８】図７および図８は、図１の縦型成膜装置に
よる一括処理により多量の基板上に窒化シリコン膜を生
成する場合に、ガス吹出し口の向きθ、ガス吹出し口と
基板との距離ｌ、ガス吹出し口の直径ｄをそれぞれ最適
化した場合に生成される窒化シリコン膜の膜質の基板間
のばらつきを簡易的に調べた結果の一例を示している。
【００２９】即ち、図７は、被処理基板の位置（炉口か
らの距離）に対する窒化シリコン膜のＨＦエッチングレ
ートの分布を測定した結果の一例を示しており、図８
は、被処理基板収納治具上の各被処理基板の位置（炉口
からの設置枚数）に対する窒化シリコン膜の屈折率の分
布を測定した結果の一例を示している。図７および図８
から、生成膜の膜厚および組成が基板間でそれぞれほぼ
均一に生成されるという良好な結果が得られることが分
かる。
【００３０】なお、図１に示した縦型成膜装置中の１本
のガスノズル３０’に代えて、図９に示した縦型成膜装
置中のように２本のガスノズル２３を用いた場合にも、
少なくとも一方のガスノズル２３のガス吹出し口の向き
の基板面内中心方向に対する角度θを上記したように設
定しておくことにより、上記実施例と同様の効果が得ら
れる。
【００３１】また、上記したようにガス吹出し口の向き
を設定することは、窒化シリコン膜などのＣＶＤ絶縁膜
の生成に限らず、例えば多結晶シリコン膜にドープすべ
き不純物ガス（ＰＨ3 ガス、Ｂ2 Ｈ6 ガスなど）を導入
する場合とか、ＣＶＤ膜自身を半導体の一部として用い
る場合などにも適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】上述したように本発明の熱処理装置によ
れば、一括処理により多量の被処理基板上にＣＶＤ膜を
生成でき、ＣＶＤ膜の膜厚および組成を基板間でそれぞ
れほぼ均一に生成することができる。このように生成さ
れたＣＶＤ膜は、エッチングなどの所望の膜加工に際し
ては基板間の加工差が少なくなり、さらには、ＣＶＤ膜
自身を半導体の一部として用いる場合にも、基板間の特
性差が少なくなるなどの利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の縦型成膜装置の一実施例を概略的に
示す断面図、
【図２】 図１中の減圧ＣＶＤ炉の高さ方向中央部付近
における横断面を概略的に示す図。
【図３】 図１の縦型成膜装置を使用して膜を形成した
ときの膜厚分布状態を示す図。
【図４】 図１の縦型成膜装置を使用して膜を形成した
ときの膜厚分布状態を示す図。
【図５】 図１の縦型成膜装置を使用して膜を形成した
ときの膜厚分布状態を示す図。
【図６】 図１の縦型成膜装置を使用して膜を形成した
ときの膜厚分布状態を示す図。
【図７】 図１の縦型成膜装置を使用して膜を形成した
ときの膜厚分布状態を示す図。
【図８】 図１の縦型成膜装置を使用して膜を形成した
ときの膜厚分布状態を示す図。
【図９】 従来の縦型成膜装置の一例の断面構造を概略
的に示す図。
【図１０】 図９の縦型成膜装置の炉外の加熱機構によ
り加熱された炉内の温度分布の一例を示す図。
【図１１】 図９の縦型成膜装置中の２本のガスノズル
に代えて使用される１本のガスノズルを示す縦断面図お
よび側面図。
【図１２】 図９の縦型成膜装置を使用して形成される
膜のエッチングレートの変化を示す図。
【図１３】 図９の縦型成膜装置を使用して形成される
膜の屈折率の変化を示す図。
【符号の説明】
１０…減圧可能なＣＶＤ炉（反応容器）、１１…インナ
ーチューブ、１２…アウターチューブ、１３…マニホー
ルドフランジ、１４…炉口蓋体、１５…Ｏリング、１６
…回転機構、１７…被処理基板収納治具受け台、１８…
被処理基板収納治具、１９…加熱機構、２０…被処理半
導体基板（ウェーハ）、２１…排気口、２２…材料ガス
導入口、３０’…ガスノズル、３１…分岐部、３２…ノ
ズル入口、３３…インジェクターノズル部、３４…ガス
吹出し口。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 守屋 孝彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 新納 礼二 東京都府中市住吉町２丁目30番７号 東 京エレクトロン株式会社内 (72)発明者 西村 資彦 東京都府中市住吉町２丁目30番７号 東 京エレクトロン株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−235235（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−271520（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−288011（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−251725（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/22 511 H01L 21/31

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 減圧可能な反応容器と、この反応容器内
    部に配設され、複数の被処理半導体基板を上下方向に所
    定の間隔をあけてそれぞれ水平状態に保持するための被
    処理基板収納治具と、上記被処理基板の設置領域を所望
    の温度に加熱するために設けられた加熱機構と、上記反
    応容器内部に外部から所定の材料ガスを独立に導入する
    ために複数設けられたガス導入口と、前記反応容器内部
    に設けられ、上記ガス導入口を通して材料ガスが導入さ
    れ、先端が封止され、被処理基板設置領域の側方に沿っ
    て延びると共に長さ方向に間欠的にガス吹出し口が設け
    られたガスノズルとを具備する熱処理装置において、上
    記ガスノズル中心と被処理基板面内中心方向とを結ぶ中
    心線方向を基準とする上記ガスノズルのガス吹出し口の
    向きθは、ガスノズル中心と前記基板の外周端部とを結
    ぶ接線の方向が上記中心線方向に対してなす角度以上の
    範囲内に設定されていることを特徴とする熱処理装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の熱処理装置において、前
    記ガスノズルは、先端が封止され、基端部が２分岐され
    ており、この分岐部より炉奥側部分に長さ方向に間欠的
    にガス吹出し口が設けられており、分岐先端の２個のノ
    ズル入口に前記ガス導入口を通してそれぞれ所要の材料
    ガスが独立に供給され、この材料ガスをノズル内の分岐
    部以降のガス流通過程で混合して前記ガス吹出し口から
    炉内に導入することを特徴とする熱処理装置。
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