JP4535754B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に半導体装置を製造する際に用いる拡散炉及びこの拡散炉を用いた成膜を行う方法に関する。

半導体装置の製造において、基板上に絶縁層や誘電層を形成するために、拡散炉が利用される。拡散炉を用いて成膜を行う場合、高温に保たれた処理室に長時間基板を入れる工程が必要となるため、現在においても、バッチ式の拡散炉を用いて、多数の基板を同時に処理することが多い。

図２に従来の拡散炉の構成を示す。一般的なバッチ式の装置では、図中１１で示した炉心管と呼ばれる石英製の管がある。炉芯管は一方の側には基板を出し入れするために大きな開口部が設けられており、他方では炉芯管内部へガス導入を行うために絞られたガス導入口がある。炉芯管１１に基板を出し入れする手段としては、図中１６で示したボートと呼ばれる石英製の治具に基板１７を積載して、前記ボート１６を図中１５に示したアームと呼ばれる治具に載せ、炉芯管１１へ導入し、ボート１６と基板１７を炉芯管内部に残し、アーム１５は取り出される。ボート１６が炉芯管１１から取り出された後、炉の蓋１２を閉めることで作業が可能な状態となる。

その後、バルブ１３を開放し、マスフローコントローラ１４で流量を制御して、膜の材料となるガスを、ガス導入口から流す。通常、炉心管１１はその外部に設けられた不図示のヒーターで加熱されており、内部に導入された基板１７上に材料ガスに応じた膜が成膜される。

上記の作業において、問題となるのが、炉心管１１への基板１７挿入時の外気の巻き込みである。作業時には、炉の蓋１２が閉じられ、炉心管１１内部と外部で外気の出入りが発生することはない。しかし、基板１７挿入時には、炉の蓋１２が開けられ、なおかつ、炉芯管１１の内部と外部環境の温度差が大きいため、外気と炉芯管１１内部にあるガスの対流が起こりやすい状態となる。

特に拡散工程では、ドーパント等の意図的に混合した不純物でない限り、不純物の少ない膜が求められる。例えば、トランジスタのゲート絶縁膜を成膜する際に不純物が混じると、トランジスタの耐圧低下の原因となり半導体装置の性能を大きく低下させる要因となる。

そのため、基板を搭載したボートを炉心管内に挿入する際に、外気の巻き込みを少なくする方法が提案されている。それらの多くは、ボートが処理室に入る部分に、窒素等のガスを流すことによって、処理室内へ外気が侵入するのを防止するようになっている。

上述した技術は、以下の特許文献１、２、３、４に記載されている。
特開２０００−１００７５４号公報 特開２００２−２５９４１号公報 特開２００２−１３４７０４号公報 特開平１１−１８６５４５号公報

前述した発明では、窒素等のガスを新たに供給する配管等の機構を設ける必要がある。また、場合によっては、炉心管の形状変更を行う必要がある。従って、既存の装置を改良して、これらの機構を設けようとする場合、新たなガス配管の追加や処理室の形状変更等が必要であった。また、成膜に利用しないガスを使用し、排気するため、ランニングコストの増大につながるという欠点もあった。

さらに、既存の特許文献では着目されていない問題点として、炉心管内部でのガスの流れに乱れが生じることが挙げられる。例えば、炉芯管への基板の出し入れを行う部分である炉の蓋がある部分の付近に、エアカーテンのような炉芯管内部への外気の流入を防ぐ機構を用いたとしても、炉芯管内部に外気と同等の温度を有した基板が導入されると、温度差があるために、対流が発生し炉芯管内部でのガスの流れが乱れてしまう。

そのため、炉の蓋に近い方や、ガス導入部に近い方では、ガス流の乱れが発生し、ボート中央部に比べると、膜厚、膜質の均一性が劣った膜が成膜されるようになる。また、同一バッチ内における膜の均一性が低下する。

その結果、半導体製品の性能の低下、ばらつきの増大が発生する。この問題への対応として、基板の蓋の近くやガス導入部の近くといったボートの中央から離れた部分には、成膜処理を行う基板ではなく、ダミーの基板を置くことが行われることも行われている。しかし、その結果として、一回の作業で処理可能な基板の枚数が減少し、作業能率の低下につながる。

本発明では、基板を炉芯管内へ出し入れする際に用いるアームに排気管を設け、それに排気手段を接続することにより、炉心管内のガスと外気を排気する機構を設け、炉心管内に流されるガスと合わせて、ガスの流れを形成する。さらに、炉芯管内部のガス導入部の近くに整流板を設け、当該整流板の開口部の配置を適正化する。排気手段及び整流板により、炉芯管内でのガスの流れが均一になるようにする。

表１は、同一のボートを用いた炉に対して、本発明の機構を取り入れていない既存炉と、今回の発明の機構を取り入れた改良炉について、６インチの半導体基板上に６８０ｎｍのシリコン酸化膜を形成した結果を比較したものである。この時、既存炉にはボートの中央部に基板を１００枚、その前後に２５枚ずつのダミー基板を配置した。改良炉には１５０枚の基板をボートに配置して成膜処理を行った。その結果、改良炉の方が、処理枚数が多いにもかかわらず、面内ばらつき、基板間ばらつきの両項目について、改良炉の方が良好な結果を得た。

つまり、本発明によって、成膜性能の向上だけではなく、一度の作業で成膜可能な基板枚数が増えたことによる生産効率の向上も同時に実現できることになる。

本発明の実施形態を以下に示す。図１は、本発明の実施形態に係る拡散炉の概略図を示したものである。基板７を搭載したボート６をアーム５にのせて、炉芯管１内に導入すること、バルブ３とマスフローコントローラ４によって、材料ガスを炉芯管１内に送り込むのは、既存の炉と同様である。

既存の炉と異なるのは、アーム５に排気管を設け、これにコンバム等の小型ポンプによる排気手段９を接続することで、炉心管１内のガスと外気を前記排気管から排気するようになっていることである。また、炉の蓋２と反対側のガス導入口に近い方に、整流板８を設けることで、ガス導入口から炉芯管１に入り、ガスが流れる面積が急激に変化することにより、乱れてしまうガスの流れが前記整流板８を通過する間に整えることにある。

なお、本実施形態では、横型炉を用いて説明するが、本発明は、縦型炉においても利用可能である。

以下に、図３、図４を用いて、基板挿入時における炉心管内のガスの流れについて説明する。先ず、図３を用いて、従来の拡散炉での炉芯管に基板を挿入する際の、ガスの流れを説明する。なお、図３で使用されている符号は図２で使用されている符号と対応する。一般的に、基板を炉芯管に挿入するときは、内部へ大気が流入するのを防止するために、ガス導入部から図中符号３１で示したように窒素、酸素乃至はそれらの混合ガスを流す。なお、符号３１のガスの流れは、図３中では点線で示している。符号３１のガスは、基板１７がある所で通過できる面積が減り、流れをさえぎられるようになるため、基板１７よりもガス導入部に近い部分で流れが乱れてしまう。また、一部のガスは、図中に示したように、基板１７やボート１６の脇を抜けて流れていく。

一方、図中において符号３０で示したように、外気はアーム１５と炉芯管１１の隙間から炉芯管内部に流入する。図３では、外気の流れを実線で示している。炉芯管内部に入った外気は、基板や温度の高い炉心管１１内部のガスにさえぎられる形で、炉心管１１及びアーム１５内で、基板１７より蓋１２に近い部分で流れが乱れた状態となる。

この結果、基板が積載されたボートのガス導入部側と蓋側では、ガスの温度や成分に差が生じることになり、基板１７及びボート１６を炉心管内に置き、アーム１５を炉芯管１１から取り去った後でも、炉の蓋１２が閉まり、前記した温度差や成分の差がなくなるまである程度の時間がかかり、膜厚、膜質の均一性の低下につながる。

次に、図４を用いて、本発明に係る拡散炉での炉芯管に基板を挿入する際のガスの流れを説明する。そして、図４中の符号は図１で用いている符号と対応する。

まず、図中９で示された排気手段はアーム５の排気管と接続しているので、外部から流入した外気３０はアーム内で循環することなく、アーム５内の排気管を通って、炉芯管の外部へ抜けていく。外気の流れは実線で示されている。

ガス導入口から流される窒素、酸素乃至はそれらの混合ガスによる、符号２１で示されたガスについても、アーム５内の排気管を通じて排気されるために、炉心管１内部に流れが形成される。この流れは、点線で示されている。しかも、整流板８を設けているために、狭いガス導入口から広い炉芯管１内部でガスが広がった時に、流れが乱れても、整流板８を通過する間に均一な流れが形成される。

次に、図５、図６を用いて、整流板８の開口部の配置について説明する。なお、図中に示されている番号は、図１、図４の番号と対応する。

本発明者は、整流板の開口部の配置を検討した。ひとつは、図５に示したように、直線状に開口部１０が配置されている整流板８’を複数枚用いる方法である。この時、前後の整流板は９０度回転させて配置されている。このような配置を用いても、整流板８’を通過したガス流は、ある程度一様にはなるが、開口部の数が少ないことにより、基板全面に対して均等にガスが行き渡りにくい。また、整流板８’の脇を通過するガスが増え、整流板８’を通過したところで、流れが乱れやすくなる原因となった。

そこで、図６に示すような開口部１０’の配置にした整流板８’’を使用することにした。この整流板８’’は、図５に示した整流板８’よりも、多くの開口部が設けられており、基板の全面にガス流が行き渡るようになる。また、開口部１０’は、千鳥格子状に開口されており、前後に配置された整流板では、異なる位置に開口部がある。この結果、整流板による整流効果を持たせたままで、ガスの均一な分布を実現することができた。

本発明の実施形態に係る拡散炉の概略図である。 従来の拡散炉の概略図である。 従来の拡散炉での基板挿入時の炉内のガスの流れを示した図である。 本発明の実施形態に係る拡散炉での基板挿入時の炉内のガスの流れを示した図である。 整流版と炉芯管内部のガス流の流れを示す図である。 整流版と炉芯管内部のガス流の流れを示す図である。

符号の説明

１、１１ 炉心管
２、１２ 炉の蓋
３、１３ バルブ
４、１４ マスフローコントローラ
５、１５ アーム
６、１６ ボート
７、１７ 基板
８、８’、８’’ 整流板
９ 排気手段
１０、１０’ 整流板に設けられた開口部

Claims (2)

1. 基板導入部分とガス導入口を持つ炉芯管内で基板を加熱し、材料ガスと基板を反応させることによって、基板に成膜を行う拡散炉を用いた半導体装置の製造方法において、
   前記基板を搭載したボートを前記炉心管内部へ導入するためのアームに排気口を設け、前記排気口に排気手段を接続し、
   前記炉心管内部のガス導入部付近に、千鳥格子状に配置された複数の開口部を有する整流板を、前後の整流板で開口部の位置が異なるように配置し、
   前記基板を前記炉芯管内に導入する際に、ガスを前記ガス導入口から前記炉芯管内に流す際に、前記整流板を通過して流れるようにし、
   炉心管外部から炉心管内へ入る外気と、前記炉心管内に流されたガスを、前記アームに設けられた排気管を通じて外部へ排出させ、
   前記基板を前記炉心管内に設置後、アームを炉心管から抜き、前記整流板を介して反応性ガスを基板に当てることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記拡散路は、横型拡散炉であることを特徴とする請求項１に記載した半導体装置の製造方法。

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