JP4873820B2 - 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】
本発明は半導体装置の製造装置及び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】
縦型バッチ式加熱炉にはホットウォール型とコードウォール型がある。ホットウォール型は、例えば「ビギナーズブックス３、はじめての半導体製造装置」前田和夫著、株式会社工業調査会1999年7月5日発行初版第３刷、第１２５頁に解説されている。コールドウォール型炉は同書第143頁に解説されている。
縦型加熱炉の反応管は、古くは一重管であったが、パーティクルへの要求が厳しくなるにつれて二重管が使用され、環状間隙から反応ガスを排気口へ吸引するようになった（「電子材料」1986.3月号、縦型CVD装置ERECTUS SC-6,第98〜102頁）。
【０００３】
米国特許第4237150号明細書によると、シランを1400〜1600℃にタングステンもしくは炭素箔で10−６〜10−４torrの真空下で加熱することにより、シランを原子状水素と炭素に解離し、水素化アモルファスシリコンを成膜する方法が提案されている。
【０００４】
前掲米国特許第4237150号と同様に高温の加熱媒体を利用する方法（以下では「高温ガス解離法」と称する）は、例えば、2001年秋、応用物理学会13P-P11、北陸先端科学技術大学院大学西村他により、研究発表されており、加熱媒体が触媒作用をもつために反応ガスの解離・利用効率が高いことが発表されている。なお、この方法は「電子立国の復活に光」という記事の中で「触媒化学気相成長法」との名称で200２年１月16日の朝日新聞（夕刊）に紹介された。
【０００５】
高温ガス解離法では、ガス分子はある確率で解離をして何らかの形態の種が触媒体表面に化学吸着し、解離吸着種は高温の触媒体により熱脱離され、反応空間に放出されると言われる（Cat-CVD法による半導体デバイス製造プロセス、成果報告会・資料、２００１年６月４日第15頁）。高温とは、例えばSiH4、W触媒体の場合1600℃以上である。一般に固体表面へのガス分子の衝突頻度はガスの分子密度(ng)の関数である。ところが、解離吸着種の化学式は未知であるため、前掲資料において反応空間におけるSiH4分子の衝突頻度はSiH4の分子密度を用いて計算され、実際のCVD結果を考察されている。
【０００６】
Wなどの高温加熱媒体を使用する反応の条件を例示すると次のとおりである。
(1)NF3SF6,CHF3を使用するSi,SiO2,SiNのエッチング：希釈媒体-He,通電加熱温度-2400℃、圧力-67Pa、NF3流量-70sccm(前掲応用物理学会発表)
(2)アンドープ水素化微結晶SiのCVD：SiH4流速-2-15ヒーター面積-5〜30ｃｍ２、ガス圧-0.1〜13Pa、基板温度-200〜300℃, フィラメント温度−1,500℃、Wフィラメント表面積―４ｃｍ２(Extended Abstract of the International Pre-work shop on Cat - CVD (Hot-wide CVD)Process, 1999,9,29石川ハイテクセンター、ｐ５５)
(3)アモルファスSi：ヒーター温度1500-1900℃、SiH4流量-10~20sccm、H2流量-10~40sccm、ヒーター電力-100~600W,ヒーター面積-5~30cm2,ガス圧‐0.1〜13Pa、基板温度-150〜300℃（Exterded Abstract , 1st International Confeience on Cat-CVD (Hot-Wide CVD)Process, 2000年11月１４〜17日、金沢市 ）
(4)ポリSi：ヒーター温度-1500〜1900℃,SiH４流量-0.5〜10sccm,H２流量-0〜200sccm,ヒーター電力-800〜1500ｗ、ヒーター面積-10〜60ｃｍ２,ガス圧-0.1〜40Pa,基板温度-300〜450℃（(3)と同じ）。
(5)SiNx：ヒーター温度-1500〜1900℃、SiH4流量-0.5〜5sccm,NH3流量-50〜200 sccm,ヒーター電力-300〜800W,ヒーター面積-5〜30ｃｍ２,ガス圧-0.1〜13Pa,基板温度-200〜300℃（(3)と同じ）。
(6)レジストのアッシング：H2O、O2のガス（応用物理学会発表）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高温ガス解離法において酸化剤を解離しようとすると、触媒体の反応が激しく、触媒体が劣化するという問題があった。したがって、本発明の目的は酸化膜の生成が可能なバッチ式高温ガス解離方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成する第１の高温ガス解離装置は、２枚以上の半導体基板及び必要によりダミーウェーハを、取り外し可能に反応管内に上下方向に横置きで配列した基板載置治具と、必要により前記半導体基板を加熱するために該反応管に付設された加熱手段と、SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, 及びTEOSからなる群より選択される酸化剤以外の第１のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された管からなる第１のガス噴出手段と、前記第１のガス噴出手段から噴出前の第１のガスを解離させるために前記第1のガス噴出手段内に設けられた第１の加熱触媒手段と、NO2,O2,CO2,O3、マイクロ波で励起されるO2,O3ガスから選択される酸化剤からなる第２のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された、前記管とは別の管からなる第２のガス噴出手段とを含み、第２のガス及び触媒加熱された第１のガスが反応管内で混合され、この混合ガスを反応管外に排気する排気手段をさらに含んでなることを特徴とする。第1の高温ガス解離装置においては、ガス噴出手段からの第１のガスの噴出前に代えて噴出後に第1のガス加熱触媒手段により解離を行うことも可能であり、この場合は、第1の加熱触媒手段を第1のガス噴出手段の噴出孔に面するように配置することができる。
【０００９】
本発明の目的を達成する第２の高温ガス解離装置は、２枚以上の半導体基板及び必要によりダミーウェーハを、取り外し可能に反応管内に上下方向に横置きで配列した基板載置治具と、必要により前記半導体基板を加熱するために該反応管に付設された加熱手段と、SiH4, Si2H6,、SiH2Cl2,及び TEOSからなる群より選択される酸化剤以外の第１のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された管からなる第１のガス噴出手段と、前記第１のガス噴出手段から噴出前の第１のガスを解離させるために、第1のガス噴出手段内に設けられた、タングステン、モリブデンもしくはタンタルの線あるいはこれにAl 2 O 3 をコーティングした線からなる第１の加熱触媒手段と、NO2,O2,CO2,O3、から選択される酸化剤からなる第２のガスを前記反応管内に噴出するために、前記反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された、前記管とは別の管からなる第２のガス噴出手段と、前記第２のガス噴出手段から噴出前の第２のガスを解離させるために、前記第2のガス噴出手段内に設けられた、イリジウム、バナジウムもしくはFe-Cr-Al系電気抵抗体合金の線あるいはこれにAl 2 O 3 をコーティングした線からなる第２の加熱触媒手段とを含み、触媒加熱された第１及び第２のガスが反応室内で混合され、この混合ガスを前記反応管外に排気する排気手段をさらに含んでなることを特徴とする。本発明の第２の高温ガス解離装置においては、ガス噴出手段からの噴出前に代えて、噴出後に、前記第1及び第２の触媒加熱手段によりそれぞれのガスの解離を行うことも可能であり、この場合は、第1の加熱触媒手段及び第２の加熱触媒手段をそれぞれ第1のガス噴出手段の噴出孔及び第2のガス噴出手段の噴出孔に面するように配置することができる。
【００１０】
本発明においては、ガス噴出手段と排気手段は種々の態様として具体化することができる。
例えば、ガス噴出手段が、反応管内を縦方向に延在し、かつ側面に噴出孔が形成された管からなり、かつ排出手段が、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に吸気孔が形成されるように構成する。この場合、基板積置冶具は半導体基板を上下方向に横置きしている。
さらに別の態様では、ガス噴出手段が反応管の下部に開口しており、かつ排出手段が、反応管を取り囲む同心状外管と該反応管の間に形成された環状間隙からなるように構成することができる。この態様では、環状間隙を利用した排気流路はガスコンダクタンスを大きく取ることができる。
【００１１】
さらに、異なる態様では、ガス噴出手段が、噴出孔が反応管の側面に開口する管からなり、かつガス排出手段が、排気孔が反応管の側面に開口する排気管からなるように構成することができる。この態様では、ガス噴出管及び排出管の上下方向位置がほぼ一致していることが好ましい。
【００１２】
本発明において使用される加熱触媒手段も種々の態様として具体化することができる。例えば、加熱触媒手段が反応管内において噴出孔と面するように設けるように構成することができる。この態様においては、加熱触媒手段と半導体基板の中間に熱遮蔽板を設けることが好ましい。別の態様では、加熱触媒手段をガス噴出管内に設けることができる。
【００１３】
本発明に係る高温ガス解離装置にあっては、解離ガスがウェーハを200〜300℃に加熱するから、エッチングやレジストのアッシングの場合はヒーター、ランプなどの加熱手段は不要である。その他の場合はヒーター、ランプなど加熱手段を、後述の加熱温度を参照して設ける。
【００１４】
加熱触媒手段により解離されるガスは、一般に、SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, TEOSなどの酸化剤以外の物質である。この物質には化合物内に酸素を含むTEOSも含まれる。NO2,O2,CO2,O3あるいは、例えば２．５GHzのマイクロ波で励起されるO2,O3ガス（Remote Plasma Gasと言われることもある）などの酸化剤は解離せずに、これらを噴出させる別の噴出手段が設ける。
第二の発明においては、イリジウム、バナジウムおよびカンタルとして著名なFe-Cr-Al系電気抵抗体用合金を使用することにより、ヒーターの劣化を防止するものである。酸化剤としては上記のNO2,O2,CO2,O3であってよいが、マイクロ波励起されたO2ガスをさらに熱解離することは不可能と考えられるのでは、これは除く。
【００１５】
酸化膜を成膜する場合、酸化剤はWヒーターなどで解離させずにＳｉＨ４などの解離ガスと反応させる。酸素を化合物中に含むTEOSはＷヒーターなどで解離させる。好ましい実施態様においてはイリジウムヒーターなどにより解離させる。酸化剤としては、NO2,O2,CO2及びO3からなる群から選択されるものを使用することができ、特に次の組み合わせが好ましい。
SiO2膜；SiH4とNO2（約800℃）、SiH4とO2（300〜400℃）、SiH4とCO2（900〜1000℃）、TEOSとO2（650〜670℃）、TEOS（300〜400℃）、TEOSとO3（350〜400℃）
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、図面に示された実施例を参照して本発明を説明する。
縦型炉を示す図１、２おいて、１は縦型加熱炉の炉体であって、ホットウール炉の特長である耐火・耐熱材料を下端が開放され天井部が閉鎖された釜状に成形したものである。２は炉体1の内壁に適当な治具に固定された加熱手段であるヒーターである。ヒーター２は幾つかのゾーンに分けられ、それぞれの電流が独立に制御される。炉体１とヒーター２の下部は流速計V20,V30を図示する作図上省略してある。
【００１７】
５はタワー型基板載置治具であり、全体が下部中心軸11に担持されて炉内空間に進退するとともに枢転せしめられる。枢転は処理温度が１５０℃以下の場合は必要になり、処理温度が350〜450℃の場合は枢転を行わなくとも5〜10％の膜厚面内分布を達成することができる。３は複数枚のウェーハであって、最上及び／又は最下の1枚もしくは数枚はダミーウェーハのこともある。8インチウェーハ３は間隔が５〜１５ｍｍ、特に10ｍｍ程度で配列されることが好ましい。ウェーハ３を支えかつ縦方向に配列するために、多段に配列された環状部６を支柱７により一定間隔で固定している。さらに環状部６からは90°間隔で４個の爪８を水平に炉の中心軸に向かって突出させることによりウェーハ３の周縁を支えるようにしている。
【００１８】
１０は支柱７の下端を固定する基底部である。基底部１０は内部を真空とした中空体として構成することができる。基底部10の底部に固着された下部中心軸１１は着脱自在な底板１２の中心孔を貫通して、図示されない昇降・枢軸機構に連絡されている。
【００１９】
１３は石英製一重型反応管（以下「反応管」という）であって、内部に反応空間が設定される。２０は反応ガス噴出管、３０は反応ガス排出管であり、それぞれ２本を１組としている。
反応ガス噴出管２０は、内径が10ｍｍ以上であることが好ましく、また導入区間20a、減圧区間２０ｂ及び噴出区間２０ｃを逐次連続させることにより構成されている。導入区間20aには弁２１が設けられており、反応終了後反応ガスの流入を遮断し、さらにCVD成長中には反応ガス排出管３０に設けられたポンプの能力に対応して弁21が開閉され炉内のコンダクタンスを定める。次に、減圧区間２０ｂは均熱領域外に位置し，管内径を急激に拡大することにより減圧をもたらし、ガス流速を増大させる。
【００２０】
最後に噴出区間２０ｃは炉内にて縦方向に延在して、上下に配列されたウェーハ３に反応ガスを噴出孔２３より均等に給送する。噴出孔２３の態様は次の通りである。
【００２１】
例えば、図３に示すように管の先端を行止まりにして、管側面からの噴出孔22から反応ガスを噴出させる。この態様では噴出孔２３の総断面積(S１)を反応ガス噴出管20Cの断面積(S２)より大きくする(S1>S2)ことにより、ガスの絞込みによる流速増を避けることが必要である一重反応管１３内は、反応ガス噴出管２０内より排気ポンプに近いために反応ガスの流速が大きくなる傾向にあるためである。
【００２２】
別の態様では、管の先端を行止まりにしないで開放端３２とする（図１）。開放端３２の断面積（S1’）は噴出孔の断面積(S１)と同じ作用をするから S1+S1’ >S2とすることにより、ガスの絞込みによる流速増大を避けることができる。反応ガス噴出管の先端は先広がりにすると前記式の左辺を大きくすることができる。
さらに他の態様では、噴出管２０の先端を開放端32としかつ全部の噴出孔23を閉じる。この態様では開放端３２から反応ガスを噴出させる。
【００２３】
反応ガス排出管３０は弁３１を出口側に備えた、Ｌ字型の管からなり、先端は排気管の吸気孔３２を形成している。側面には吸気孔33が穿設され、さらに（図示されない）排気ポンプが設けられている。
【００２４】
反応ガス噴出管２０と反応ガス排気管３０の対応位置に，流速計V20をV30をそれぞれ設けることによりガスの流速を測定する。
【００２５】
反応ガス噴出管２０は図２に示すように2本の管体20(1),(2)を並立せることができる。管体２０(1),(2)の長さは同じでもよく、長短の差があっても良い。同じ長さの管体20(1),(2)には別種のガスを流すことができる。長短の差がある、管体２０(1),(2)のそれぞれからは上部ウェーハもしくは下部ウェーハの何れかのみに反応ガスを流すことができる。
反応ガス排出管３０も同様に２本の管体３０(1),(2)を並立させることができる。
【００２６】
図３には、先端が閉じられた反応ガス噴出管２０の実施例を示す。
図３(a)は断面図、同図(b),(c)は正面図である。3個の噴出孔２３は図５(b)のように先端(上側)の方が後端（下側）より三角形の断面積が大きくなり、かつ同じ位置の噴出孔２１も上側の方の断面積が大きくなり、これら孔形状の変化によってガス噴出流量が上下で均等化される。図３(ｃ)は同じ形状・寸法の噴出孔２１の個数を変化させることによって同様の効果を達成している。
【００２７】
図１に示される縦型加熱炉の反応ガス噴出管２０及び反応ガス排出管３０のみを抽出し、共通部分には同じ参照符号を付して図４に示してある。図４に図解される高温ガス解離法は、高温に加熱されたタングステン、モリブデン、タンタル、カンタル（ガデリウス社の商品名）、イリジウムなどの線あるいはこれらの金属にAl2O3をコーティングした線からなるヒーター（加熱解媒手段）２６（以下「タングステンヒーター２６」と称する）に反応ガスを接触させることにより「従来の技術」の欄で言及した反応ガス解離現象をもたらし、その後反応ガスを噴出孔２３から噴出させバッチ処理を行うところに特徴がある。減圧区間２０ｂ内の圧力は１〜２０Paであることが好ましい。
【００２８】
すなわち、図１の装置全体の構造をそのまま採用し、図４の点を変更することができる。但し、次の点を考慮する必要がある。
(a)タングステンヒーター２６とウェーハ３の距離が短く、かつ反応温度が低い場合はタングステンヒーター２６によりウェーハ３が反応温度に加熱されることもあるので、ヒーター２は必要ではない。
(b)酸化剤と酸化剤以外は別々の噴出管２０(1),(2)から噴出させる必要がある。
【００２９】
図５は、図４とは異なる形状及び配置のタングステンヒーターを示す。タングステンヒーター26は反応ガス噴出管２０とウェーハ載置治具の中間に配置されている。タングステンヒーター２６は石英管などの鞘体27内を案内され、反応に必要な高温区間は鞘体２７外でU字状に展開している（26a）。 噴出孔２３から噴出された反応ガスがタングステンヒーター２６ａと接触し、その後ウェーハ上にて成膜する。鞘体２７内ではタングステンヒーター２６との間に間隙が形成されるようにし、ここにN2,NH3などのガスを流してタングステンを保護することができる。また鞘体２７内のタングステンは鞘体２７外のタングステンより太くすることが好ましい。
【００３０】
図６及び図７は、３５０〜４５０℃より低温、特に１５０〜３００℃での反応に適したランプ加熱を行う。但し、流速計Ｖ２０，Ｖ３０は設置位置のみを示す。
図６，７において図１，２と同じ部材には同じ参照符号を付している。図中４０ａ は棒状加熱ランプであり、円周上に多数配列されており、４１は金（Au）箔を張った反射板であり、４２はジャケットである。反射板４１とジャケット４２の間は水冷されている。４０ｂは天井を蛇行するランプヒーターである。また、処理終了後に炉内ガスを追い出すパージガス導入管５０及び炉内の熱に対して下部を保護するセパレータ５１が設けられている。
基底部１０内には反射板５２が設けられ、炉内の熱を反射して反応空間における温度均一性を高める。さらに、上端面石英板５３が最上ウェーハ３の上方に設けられ、反応空間の均熱性を高める。
【００３１】
図８は本発明に係る装置の実施態様を示す図面である。
図中，２０(1)はSiH4などの酸化剤以外の噴出管、２０(2)はO2などの酸化剤の噴出管、２６(1)はタングステンヒーター、２６(2)はイリジウムヒーター、４５は解離前のSiH4とO2の混合を妨げる邪魔板の機能をもつ第１の仕切板であり、酸化剤以外の噴出管２０ （１） 、タングステンヒーター２６ （１） と、酸化剤の噴出管２０ （２） 、イリジウムヒーター２６ （２） との中間に位置してこれらを隔てている。これらの噴出管２０及びヒーター２６がウェーハ３と面する側には第2の仕切板２９が配置されており、これら噴出管２０及びヒーター２６から発生する解離ガスがそのままウェーハ３に拡散されるのではなく、矢印で示したように、これら仕切板２６，４５の隙間から噴出される。
図９は、本発明の実施態様を示す図面であり、酸化剤以外のガス導入管４１と酸化剤導入管４２を反応管１３から分岐させている。
酸化剤を解離させるイリジウムヒーター２６(2)の代わりに2.45GHzのマイクロ波リモートプラズマ発生手段に配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第一の方法を実施する一重管・バッチ式縦型炉の断面図である。
【図２】 図１のA-A矢視平面図である。
【図３】 反応ガス噴出管の態様を示す図面である。（a）図は縦面図、(b)及び(c)図は正面図である。
【図４】 本発明で使用される加熱触媒手段の態様を示す図面である。
【図５】 加熱触媒手段の他の態様を示す図面である。
【図６】 図７のE-E矢視図である。
【図７】 ランプ加熱式装置を示す縦断面図である。
【図８】 本発明の実施態様を示す図面である。
【図９】 本発明の別の一実施態様を示す図面である。
【符号の説明】
１：炉体
２：ヒーター
３：ウェーハ
５：基板載置治具
６：環状部
７：支柱
８：爪
１０：基底部
１１：下部中心軸
１２：底板
１３：反応管
２０：反応ガス噴出管
２１：弁
２３：噴出孔
２６：タングステンヒーター
２７：鞘体
３０：反応ガス排出管
３１：弁
３２：吸気孔
４３：酸化剤以外のガス導入管
４４：酸化剤導入管
５０：パージガス導入管
５１：セパレータ
５２：反射板
５３：上端面石英板
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造装置及び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】
縦型バッチ式加熱炉にはホットウォール型とコードウォール型がある。ホットウォール型は、例えば「ビギナーズブックス３、はじめての半導体製造装置」前田和夫著、株式会社工業調査会1999年7月5日発行初版第３刷、第１２５頁に解説されている。コールドウォール型炉は同書第143頁に解説されている。
縦型加熱炉の反応管は、古くは一重管であったが、パーティクルへの要求が厳しくなるにつれて二重管が使用され、環状間隙から反応ガスを排気口へ吸引するようになった（「電子材料」1986.3月号、縦型CVD装置ERECTUS SC-6,第98〜102頁）。
【０００３】
米国特許第4237150号明細書によると、シランを1400〜1600℃にタングステンもしくは炭素箔で10−６〜10−４torrの真空下で加熱することにより、シランを原子状水素と炭素に解離し、水素化アモルファスシリコンを成膜する方法が提案されている。
【０００４】
前掲米国特許第4237150号と同様に高温の加熱媒体を利用する方法（以下では「高温ガス解離法」と称する）は、例えば、2001年秋、応用物理学会13P-P11、北陸先端科学技術大学院大学西村他により、研究発表されており、加熱媒体が触媒作用をもつために反応ガスの解離・利用効率が高いことが発表されている。なお、この方法は「電子立国の復活に光」という記事の中で「触媒化学気相成長法」との名称で200２年１月16日の朝日新聞（夕刊）に紹介された。
【０００５】
高温ガス解離法では、ガス分子はある確率で解離をして何らかの形態の種が触媒体表面に化学吸着し、解離吸着種は高温の触媒体により熱脱離され、反応空間に放出されると言われる（Cat-CVD法による半導体デバイス製造プロセス、成果報告会・資料、２００１年６月４日第15頁）。高温とは、例えばSiH4、W触媒体の場合1600℃以上である。一般に固体表面へのガス分子の衝突頻度はガスの分子密度(ng)の関数である。ところが、解離吸着種の化学式は未知であるため、前掲資料において反応空間におけるSiH4分子の衝突頻度はSiH4の分子密度を用いて計算され、実際のCVD結果を考察されている。
【０００６】
Wなどの高温加熱媒体を使用する反応の条件を例示すると次のとおりである。
(1)NF3SF6,CHF3を使用するSi,SiO2,SiNのエッチング：希釈媒体-He,通電加熱温度-2400℃、圧力-67Pa、NF3流量-70sccm(前掲応用物理学会発表)
(2)アンドープ水素化微結晶SiのCVD：SiH4流速-2-15ヒーター面積-5〜30ｃｍ２、ガス圧-0.1〜13Pa、基板温度-200〜300℃, フィラメント温度−1,500℃、Wフィラメント表面積―４ｃｍ２(Extended Abstract of the International Pre-work shop on Cat - CVD (Hot-wide CVD)Process, 1999,9,29石川ハイテクセンター、ｐ５５)
(3)アモルファスSi：ヒーター温度1500-1900℃、SiH4流量-10~20sccm、H2流量-10~40sccm、ヒーター電力-100~600W,ヒーター面積-5~30cm2,ガス圧‐0.1〜13Pa、基板温度-150〜300℃（Exterded Abstract , 1st International Confeience on Cat-CVD (Hot-Wide CVD)Process, 2000年11月１４〜17日、金沢市 ）
(4)ポリSi：ヒーター温度-1500〜1900℃,SiH４流量-0.5〜10sccm,H２流量-0〜200sccm,ヒーター電力-800〜1500ｗ、ヒーター面積-10〜60ｃｍ２,ガス圧-0.1〜40Pa,基板温度-300〜450℃（(3)と同じ）。
(5)SiNx：ヒーター温度-1500〜1900℃、SiH4流量-0.5〜5sccm,NH3流量-50〜200 sccm,ヒーター電力-300〜800W,ヒーター面積-5〜30ｃｍ２,ガス圧-0.1〜13Pa,基板温度-200〜300℃（(3)と同じ）。
(6)レジストのアッシング：H2O、O2のガス（応用物理学会発表）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高温ガス解離法において酸化剤を解離しようとすると、触媒体の反応が激しく、触媒体が劣化するという問題があった。したがって、本発明の目的は酸化膜の生成が可能なバッチ式高温ガス解離方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成する第１の高温ガス解離装置は、２枚以上の半導体基板及び必要によりダミーウェーハを、取り外し可能に反応管内に上下方向に横置きで配列した基板載置治具と、必要により前記半導体基板を加熱するために該反応管に付設された加熱手段と、SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, 及びTEOSからなる群より選択される酸化剤以外の第１のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された管からなる第１のガス噴出手段と、前記第１のガス噴出手段から噴出前の第１のガスを解離させるために前記第1のガス噴出手段内に設けられた第１の加熱触媒手段と、NO2,O2,CO2,O3、マイクロ波で励起されるO2,O3ガスから選択される酸化剤からなる第２のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された、前記管とは別の管からなる第２のガス噴出手段とを含み、第２のガス及び触媒加熱された第１のガスが反応管内で混合され、この混合ガスを反応管外に排気する排気手段をさらに含んでなることを特徴とする。第1の高温ガス解離装置においては、ガス噴出手段からの第１のガスの噴出前に代えて噴出後に第1のガス加熱触媒手段により解離を行うことも可能であり、この場合は、第1の加熱触媒手段を第1のガス噴出手段の噴出孔に面するように配置することができる。
【０００９】
本発明の目的を達成する第２の高温ガス解離装置は、２枚以上の半導体基板及び必要によりダミーウェーハを、取り外し可能に反応管内に上下方向に横置きで配列した基板載置治具と、必要により前記半導体基板を加熱するために該反応管に付設された加熱手段と、SiH4, Si2H6,、SiH2Cl2,及び TEOSからなる群より選択される酸化剤以外の第１のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された管からなる第１のガス噴出手段と、前記第１のガス噴出手段から噴出前の第１のガスを解離させるために、第1のガス噴出手段内に設けられた、タングステン、モリブデンもしくはタンタルの線あるいはこれにAl 2 O 3 をコーティングした線からなる第１の加熱触媒手段と、NO2,O2,CO2,O3、から選択される酸化剤からなる第２のガスを前記反応管内に噴出するために、前記反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された、前記管とは別の管からなる第２のガス噴出手段と、前記第２のガス噴出手段から噴出前の第２のガスを解離させるために、前記第2のガス噴出手段内に設けられた、イリジウム、バナジウムもしくはFe-Cr-Al系電気抵抗体合金の線あるいはこれにAl 2 O 3 をコーティングした線からなる第２の加熱触媒手段とを含み、触媒加熱された第１及び第２のガスが反応室内で混合され、この混合ガスを前記反応管外に排気する排気手段をさらに含んでなることを特徴とする。本発明の第２の高温ガス解離装置においては、ガス噴出手段からの噴出前に代えて、噴出後に、前記第1及び第２の触媒加熱手段によりそれぞれのガスの解離を行うことも可能であり、この場合は、第1の加熱触媒手段及び第２の加熱触媒手段をそれぞれ第1のガス噴出手段の噴出孔及び第2のガス噴出手段の噴出孔に面するように配置することができる。
【００１０】
本発明においては、ガス噴出手段と排気手段は種々の態様として具体化することができる。
例えば、ガス噴出手段が、反応管内を縦方向に延在し、かつ側面に噴出孔が形成された管からなり、かつ排出手段が、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に吸気孔が形成されるように構成する。この場合、基板積置冶具は半導体基板を上下方向に横置きしている。
さらに別の態様では、ガス噴出手段が反応管の下部に開口しており、かつ排出手段が、反応管を取り囲む同心状外管と該反応管の間に形成された環状間隙からなるように構成することができる。この態様では、環状間隙を利用した排気流路はガスコンダクタンスを大きく取ることができる。
【００１１】
さらに、異なる態様では、ガス噴出手段が、噴出孔が反応管の側面に開口する管からなり、かつガス排出手段が、排気孔が反応管の側面に開口する排気管からなるように構成することができる。この態様では、ガス噴出管及び排出管の上下方向位置がほぼ一致していることが好ましい。
【００１２】
本発明において使用される加熱触媒手段も種々の態様として具体化することができる。例えば、加熱触媒手段が反応管内において噴出孔と面するように設けるように構成することができる。この態様においては、加熱触媒手段と半導体基板の中間に熱遮蔽板を設けることが好ましい。別の態様では、加熱触媒手段をガス噴出管内に設けることができる。
【００１３】
本発明に係る高温ガス解離装置にあっては、解離ガスがウェーハを200〜300℃に加熱するから、エッチングやレジストのアッシングの場合はヒーター、ランプなどの加熱手段は不要である。その他の場合はヒーター、ランプなど加熱手段を、後述の加熱温度を参照して設ける。
【００１４】
加熱触媒手段により解離されるガスは、一般に、SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, TEOSなどの酸化剤以外の物質である。この物質には化合物内に酸素を含むTEOSも含まれる。NO2,O2,CO2,O3あるいは、例えば２．５GHzのマイクロ波で励起されるO2,O3ガス（Remote Plasma Gasと言われることもある）などの酸化剤は解離せずに、これらを噴出させる別の噴出手段が設ける。
第二の発明においては、イリジウム、バナジウムおよびカンタルとして著名なFe-Cr-Al系電気抵抗体用合金を使用することにより、ヒーターの劣化を防止するものである。酸化剤としては上記のNO2,O2,CO2,O3であってよいが、マイクロ波励起されたO2ガスをさらに熱解離することは不可能と考えられるのでは、これは除く。
【００１５】
酸化膜を成膜する場合、酸化剤はWヒーターなどで解離させずにＳｉＨ４などの解離ガスと反応させる。酸素を化合物中に含むTEOSはＷヒーターなどで解離させる。好ましい実施態様においてはイリジウムヒーターなどにより解離させる。酸化剤としては、NO2,O2,CO2及びO3からなる群から選択されるものを使用することができ、特に次の組み合わせが好ましい。
SiO2膜；SiH4とNO2（約800℃）、SiH4とO2（300〜400℃）、SiH4とCO2（900〜1000℃）、TEOSとO2（650〜670℃）、TEOS（300〜400℃）、TEOSとO3（350〜400℃）
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、図面に示された実施例を参照して本発明を説明する。
縦型炉を示す図１、２おいて、１は縦型加熱炉の炉体であって、ホットウール炉の特長である耐火・耐熱材料を下端が開放され天井部が閉鎖された釜状に成形したものである。２は炉体1の内壁に適当な治具に固定された加熱手段であるヒーターである。ヒーター２は幾つかのゾーンに分けられ、それぞれの電流が独立に制御される。炉体１とヒーター２の下部は流速計V20,V30を図示する作図上省略してある。
【００１７】
５はタワー型基板載置治具であり、全体が下部中心軸11に担持されて炉内空間に進退するとともに枢転せしめられる。枢転は処理温度が１５０℃以下の場合は必要になり、処理温度が350〜450℃の場合は枢転を行わなくとも5〜10％の膜厚面内分布を達成することができる。３は複数枚のウェーハであって、最上及び／又は最下の1枚もしくは数枚はダミーウェーハのこともある。8インチウェーハ３は間隔が５〜１５ｍｍ、特に10ｍｍ程度で配列されることが好ましい。ウェーハ３を支えかつ縦方向に配列するために、多段に配列された環状部６を支柱７により一定間隔で固定している。さらに環状部６からは90°間隔で４個の爪８を水平に炉の中心軸に向かって突出させることによりウェーハ３の周縁を支えるようにしている。
【００１８】
１０は支柱７の下端を固定する基底部である。基底部１０は内部を真空とした中空体として構成することができる。基底部10の底部に固着された下部中心軸１１は着脱自在な底板１２の中心孔を貫通して、図示されない昇降・枢軸機構に連絡されている。
【００１９】
１３は石英製一重型反応管（以下「反応管」という）であって、内部に反応空間が設定される。２０は反応ガス噴出管、３０は反応ガス排出管であり、それぞれ２本を１組としている。
反応ガス噴出管２０は、内径が10ｍｍ以上であることが好ましく、また導入区間20a、減圧区間２０ｂ及び噴出区間２０ｃを逐次連続させることにより構成されている。導入区間20aには弁２１が設けられており、反応終了後反応ガスの流入を遮断し、さらにCVD成長中には反応ガス排出管３０に設けられたポンプの能力に対応して弁21が開閉され炉内のコンダクタンスを定める。次に、減圧区間２０ｂは均熱領域外に位置し，管内径を急激に拡大することにより減圧をもたらし、ガス流速を増大させる。
【００２０】
最後に噴出区間２０ｃは炉内にて縦方向に延在して、上下に配列されたウェーハ３に反応ガスを噴出孔２３より均等に給送する。噴出孔２３の態様は次の通りである。
【００２１】
例えば、図３に示すように管の先端を行止まりにして、管側面からの噴出孔22から反応ガスを噴出させる。この態様では噴出孔２３の総断面積(S１)を反応ガス噴出管20Cの断面積(S２)より大きくする(S1>S2)ことにより、ガスの絞込みによる流速増を避けることが必要である一重反応管１３内は、反応ガス噴出管２０内より排気ポンプに近いために反応ガスの流速が大きくなる傾向にあるためである。
【００２２】
別の態様では、管の先端を行止まりにしないで開放端３２とする（図１）。開放端３２の断面積（S1’）は噴出孔の断面積(S１)と同じ作用をするから S1+S1’ >S2とすることにより、ガスの絞込みによる流速増大を避けることができる。反応ガス噴出管の先端は先広がりにすると前記式の左辺を大きくすることができる。
さらに他の態様では、噴出管２０の先端を開放端32としかつ全部の噴出孔23を閉じる。この態様では開放端３２から反応ガスを噴出させる。
【００２３】
反応ガス排出管３０は弁３１を出口側に備えた、Ｌ字型の管からなり、先端は排気管の吸気孔３２を形成している。側面には吸気孔33が穿設され、さらに（図示されない）排気ポンプが設けられている。
【００２４】
反応ガス噴出管２０と反応ガス排気管３０の対応位置に，流速計V20をV30をそれぞれ設けることによりガスの流速を測定する。
【００２５】
反応ガス噴出管２０は図２に示すように2本の管体20(1),(2)を並立せることができる。管体２０(1),(2)の長さは同じでもよく、長短の差があっても良い。同じ長さの管体20(1),(2)には別種のガスを流すことができる。長短の差がある、管体２０(1),(2)のそれぞれからは上部ウェーハもしくは下部ウェーハの何れかのみに反応ガスを流すことができる。
反応ガス排出管３０も同様に２本の管体３０(1),(2)を並立させることができる。
【００２６】
図３には、先端が閉じられた反応ガス噴出管２０の実施例を示す。
図３(a)は断面図、同図(b),(c)は正面図である。3個の噴出孔２３は図５(b)のように先端(上側)の方が後端（下側）より三角形の断面積が大きくなり、かつ同じ位置の噴出孔２１も上側の方の断面積が大きくなり、これら孔形状の変化によってガス噴出流量が上下で均等化される。図３(ｃ)は同じ形状・寸法の噴出孔２１の個数を変化させることによって同様の効果を達成している。
【００２７】
図１に示される縦型加熱炉の反応ガス噴出管２０及び反応ガス排出管３０のみを抽出し、共通部分には同じ参照符号を付して図４に示してある。図４に図解される高温ガス解離法は、高温に加熱されたタングステン、モリブデン、タンタル、カンタル（ガデリウス社の商品名）、イリジウムなどの線あるいはこれらの金属にAl2O3をコーティングした線からなるヒーター（加熱解媒手段）２６（以下「タングステンヒーター２６」と称する）に反応ガスを接触させることにより「従来の技術」の欄で言及した反応ガス解離現象をもたらし、その後反応ガスを噴出孔２３から噴出させバッチ処理を行うところに特徴がある。減圧区間２０ｂ内の圧力は１〜２０Paであることが好ましい。
【００２８】
すなわち、図１の装置全体の構造をそのまま採用し、図４の点を変更することができる。但し、次の点を考慮する必要がある。
(a)タングステンヒーター２６とウェーハ３の距離が短く、かつ反応温度が低い場合はタングステンヒーター２６によりウェーハ３が反応温度に加熱されることもあるので、ヒーター２は必要ではない。
(b)酸化剤と酸化剤以外は別々の噴出管２０(1),(2)から噴出させる必要がある。
【００２９】
図５は、図４とは異なる形状及び配置のタングステンヒーターを示す。タングステンヒーター26は反応ガス噴出管２０とウェーハ載置治具の中間に配置されている。タングステンヒーター２６は石英管などの鞘体27内を案内され、反応に必要な高温区間は鞘体２７外でU字状に展開している（26a）。 噴出孔２３から噴出された反応ガスがタングステンヒーター２６ａと接触し、その後ウェーハ上にて成膜する。鞘体２７内ではタングステンヒーター２６との間に間隙が形成されるようにし、ここにN2,NH3などのガスを流してタングステンを保護することができる。また鞘体２７内のタングステンは鞘体２７外のタングステンより太くすることが好ましい。
【００３０】
図６及び図７は、３５０〜４５０℃より低温、特に１５０〜３００℃での反応に適したランプ加熱を行う。但し、流速計Ｖ２０，Ｖ３０は設置位置のみを示す。
図６，７において図１，２と同じ部材には同じ参照符号を付している。図中４０ａ は棒状加熱ランプであり、円周上に多数配列されており、４１は金（Au）箔を張った反射板であり、４２はジャケットである。反射板４１とジャケット４２の間は水冷されている。４０ｂは天井を蛇行するランプヒーターである。また、処理終了後に炉内ガスを追い出すパージガス導入管５０及び炉内の熱に対して下部を保護するセパレータ５１が設けられている。
基底部１０内には反射板５２が設けられ、炉内の熱を反射して反応空間における温度均一性を高める。さらに、上端面石英板５３が最上ウェーハ３の上方に設けられ、反応空間の均熱性を高める。
【００３１】
図８は本発明に係る装置の実施態様を示す図面である。
図中，２０(1)はSiH4などの酸化剤以外の噴出管、２０(2)はO2などの酸化剤の噴出管、２６(1)はタングステンヒーター、２６(2)はイリジウムヒーター、４５は解離前のSiH4とO2の混合を妨げる邪魔板の機能をもつ第１の仕切板であり、酸化剤以外の噴出管２０ （１） 、タングステンヒーター２６ （１） と、酸化剤の噴出管２０ （２） 、イリジウムヒーター２６ （２） との中間に位置してこれらを隔てている。これらの噴出管２０及びヒーター２６がウェーハ３と面する側には第2の仕切板２９が配置されており、これら噴出管２０及びヒーター２６から発生する解離ガスがそのままウェーハ３に拡散されるのではなく、矢印で示したように、これら仕切板２６，４５の隙間から噴出される。
図９は、本発明の実施態様を示す図面であり、酸化剤以外のガス導入管４１と酸化剤導入管４２を反応管１３から分岐させている。
酸化剤を解離させるイリジウムヒーター２６(2)の代わりに2.45GHzのマイクロ波リモートプラズマ発生手段に配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第一の方法を実施する一重管・バッチ式縦型炉の断面図である。
【図２】 図１のA-A矢視平面図である。
【図３】 反応ガス噴出管の態様を示す図面である。（a）図は縦面図、(b)及び(c)図は正面図である。
【図４】 本発明で使用される加熱触媒手段の態様を示す図面である。
【図５】 加熱触媒手段の他の態様を示す図面である。
【図６】 図７のE-E矢視図である。
【図７】 ランプ加熱式装置を示す縦断面図である。
【図８】 本発明の実施態様を示す図面である。
【図９】 本発明の別の一実施態様を示す図面である。
【符号の説明】
１：炉体
２：ヒーター
３：ウェーハ
５：基板載置治具
６：環状部
７：支柱
８：爪
１０：基底部
１１：下部中心軸
１２：底板
１３：反応管
２０：反応ガス噴出管
２１：弁
２３：噴出孔
２６：タングステンヒーター
２７：鞘体
３０：反応ガス排出管
３１：弁
３２：吸気孔
４３：酸化剤以外のガス導入管
４４：酸化剤導入管
５０：パージガス導入管
５１：セパレータ
５２：反射板
５３：上端面石英板
Claims (7)
- ２枚以上の半導体基板及び必要によりダミーウェーハを、取り外し可能に反応管内に上下方向に横置きで配列した基板載置治具と、必要により前記半導体基板を加熱するために該反応管に付設された加熱手段と、SiH4, Si2H6, SiH2Cl2, 及びTEOSからなる群より選択される酸化剤以外の第１のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された管からなる第１のガス噴出手段と、前記第１のガス噴出手段から噴出前の第１のガスを解離させるために前記第1のガス噴出手段内に設けられた第１の加熱触媒手段と、NO2,O2,CO2,O3、マイクロ波で励起されるO2,O3ガスから選択される酸化剤からなる第２のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された、前記管とは別の管からなる第２のガス噴出手段とを含み、第２のガス及び触媒加熱された第１のガスが反応管内で混合され、この混合ガスを反応管外に排気する排気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。
- ２枚以上の半導体基板及び必要によりダミーウェーハを、取り外し可能に反応管内に上下方向に横置きで配列した基板載置治具と、必要により前記半導体基板を加熱するために該反応管に付設された加熱手段と、SiH4, Si2H6,、SiH2Cl2,及び TEOSからなる群より選択される酸化剤以外の第１のガスを前記反応管内に噴出するために、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された管からなる第１のガス噴出手段と、前記第１のガス噴出手段から噴出前の第１のガスを解離させるために、第１のガス噴出手段内に設けられた、タングステン、モリブデンもしくはタンタルの線あるいはこれにAl 2 O 3 をコーティングした線からなる第１の加熱触媒手段と、NO2,O2,CO2,O3から選択される酸化剤からなる第２のガスを前記反応管内に噴出するために、前記反応管内を縦方向に延在しかつ側面に噴出孔が形成された、前記管とは別の管からなる第２のガス噴出手段と、前記第２のガス噴出手段から噴出前の第２のガスを解離させるために、前記第2のガス噴出手段内に設けられた、イリジウム、バナジウムもしくはFe-Cr-Al系電気抵抗体合金の線あるいはこれにAl 2 O 3 をコーティングした線からなる第２の加熱触媒手段とを含み、触媒加熱された第１及び第２のガスが反応室内で混合され、この混合ガスを前記反応管外に排気する排気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。
- 前記第１及び第２のガス噴出手段が並設されてい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。
- 前記第1のガス噴出手段内に前記第1の加熱触媒手段を設けることに代えて、第１の加熱触媒手段を第１のガス噴出手段の噴出孔に面するように配置した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。
- 前記第1及び第２のガス噴出手段内にそれぞれ前記第1及び第２の触媒加熱手段を設けることに代えて、第1の加熱触媒手段及び第２の加熱触媒手段をそれぞれ第1のガス噴出手段の噴出孔及び第2のガス噴出手段の噴出孔に面するように配置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。
- 併設された第１のガス噴出手段と第２のガス噴出手段の中間に配置された第1の仕切り板と、半導体基板に面する前面に配置された第2の仕切り板とにより画成された空間に、それぞれ第1の加熱触媒手段及び第２の加熱触媒手段を配置し、触媒加熱された第１のガス及び第2のガスを第1の仕切り板と第2の仕切り板の隙間から噴出することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造装置。
- 前記排気手段が、反応管内を縦方向に延在しかつ側面に吸気孔が形成された管からなることを特徴とする請求項１から６までの何れか１項記載の半導体装置の製造装置。
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