JP2526683B2

JP2526683B2 - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2526683B2
Application number: JP1305348A
Authority: JP
Inventors: 徹山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-11-22
Filing date: 1989-11-22
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: JPH03165034A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体製造プロセスにおいて半導体ウエハに
薄膜を形成する薄膜形成装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、半導体製造プロセスで半導体ウエハ（以下、単
にウエハという。）に薄膜を形成するには、先ず、化学
気相成長装置によってウエハ上に反応生成膜を形成し、
その後、拡散炉を用いて前記反応生成膜を平坦化処理
し、さらにスピンコーターなどにより反応生成膜表面に
成膜用塗布液を塗布することによって行われていた。

第７図は従来の化学気相成長装置の概略構成を示す断
面図、第８図は従来の拡散炉の概略構成を示す断面図、
第９図は従来のスピンコーターの概略構成を示す断面図
である。これらの図において、１は半導体ウエハ（以
下、単にウエハという。）、２は化学気相成長装置のウ
エハステージで、このウエハステージ２は、搬送装置３
に複数並べて連結されており、この搬送装置３によって
連続的に無限軌道上を移動するように構成されている。
４は前記ウエハ１を成膜温度に加熱するためのヒータ
ー、５はウエハ２に反応ガスＡを供給するためのガスヘ
ッド、６は排気Ｂを排出するための排気ダクトである。
また、第８図において、７は拡散炉本体としての炉室管
で、この炉室管７は、一端部に炉室給気口7aが設けられ
ると共に他端部に炉室排気口7bが設けられており、ウエ
ハ導入用開口部には炉室蓋８が装着されている。９は前
記炉室管７内に導入されたウエハ１を成膜温度より高い
温度に加熱するための炉室着用ヒーター、10はウエハ１
を複数枚それぞれ立てた状態で炉室管７内に導入するた
めのウエハ載置ボートである。第９図において、11はス
ピンコーターのウエハステージで、このウエハステージ
11は、ウエハ１をその主面を露出させた状態で保持し、
かつ駆動装置（図示せず）によってウエハ１の周方向へ
回転されるように構成されている。12は前記ウエハステ
ージ11上のウエハ１に成膜用塗布液Ｃを滴下するための
注液管、13は余分な塗布液Ｃを排液口14へ集めるための
ステージカバーである。15は前記スピンコーターによっ
て塗布液Ｃが塗布されたウエハ１を搬送ベルト16によっ
て拡散炉へ搬送するための搬送装置で、この搬送装置15
は搬送中にウエハ１を加熱するヒーター17を備えてい
る。

上述したように構成された従来の化学気相成長装置に
よってウエハ１に反応生成膜を形成するには、先ず、連
続して移動しているウエハステージ２上にウエハ１を載
置する。そして、ウエハ１はウエハステージ２によって
ヒーター４の上側に搬送され、このヒーター４によって
成膜温度に加熱される。加熱されたウエハ１がガスヘッ
ド５の下方を通過する際に、反応ガスＡがガスヘッド５
から供給され、これによってウエハ１の主面上に反応生
成膜（図示せず）が形成されることになる。この反応生
成膜は、下地としての配線等の外周部にも形成されるた
めにその表面が平坦ではないので、第８図に示す拡散炉
によって平坦化処理が施される。拡散炉を用いて反応生
成膜の平坦化処理を行なうには、先ず、ウエハ１をウエ
ハ載置ボート10に保持させた状態で炉室管７内に挿入す
る。しかる後、拡散炉用ヒーター９によりウエハ１を所
定温度に加熱することによって、反応生成膜の表面を略
平坦に形成することができる。なお、このヒーター９に
よって加熱する際には、炉室給気口7aからガスを供給し
つつ炉室排気口7bからガスを排出させて炉室管７内を一
定雰囲気に保ちながら行われる。このように拡散炉を用
いて反応生成膜の平坦化処理を施しても反応生成膜の表
面が完全には平坦にならないために、第９図で示すスピ
ンコーターによってウエハ１の表面に成膜用塗布液Ｃを
塗布し、反応生成膜表面の凹部を埋める作業が行われ
る。スピンコーターで塗布液Ｃをウエハ１上に塗布する
には、ウエハ１をウエハステージ11上に保持させた状態
でこのウエハ１上に塗布液Ｃを滴下し、ウエハステージ
11を回転させることによって行われる。ウエハステージ
11を回転させると塗布液Ｃは主に反応生成膜表面の凹部
に溜められることになる。なお、ウエハ１上に滴下され
た塗布液Ｃのうち余剰分は、ウエハステージカバー13に
よって集められ、排液口14から排出される。このように
スピンコーターによって塗布液Ｃが塗布されたウエハ１
は、搬送装置15によって拡散炉へ戻され、拡散炉で再び
加熱される。このように塗布液Ｃを使用すると、表面平
坦化処理工程で残された表面の凹部が埋められるから、
反応生成膜の表面を略平坦にすることができる。

これらの装置を用いて薄膜を形成する一例として、例
えば、ウエハ１の主面上に形成されたポリシリコン配線
上へ絶縁膜を形成する場合には、第７図で示した化学気
相成長装置においてウエハ１を400℃に加熱し、反応ガ
スＡとしてSiH₄,PH₃,B₂H₆,O₂ガスを用い、SiO₂中にＰと
Ｂとを少量拡散させた膜（以下、BPSG膜と記す。）をウ
エハ１上に形成する。また、第８図で示した拡散炉にお
いてBPSG膜の平坦化処理を施すには、炉室管７内をO₂の
一定雰囲気とした状態で20分間900℃に加熱して行な
う。以後、この平坦化の工程をリフローと記す。そし
て、第９図で示すスピンコーターでは、塗布液Ｃとして
Si（OH）_４系の化合物などをアルコールを主成分とする
有機溶剤に溶解させたもの（以下、SOGと記す。）を使
用する。このSOGは、ウエハ１への塗布後に搬送装置15
のヒーター17によって加熱され、さらに第８図で示した
拡散炉中で焼成されてSiO₂の膜となる。

なお、上述したBPSG成膜，リフローおよびSOG塗布工
程は必要であれば繰り返し行われ、また、BPSG成膜の前
にSOG塗布が行われることもある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、上述したようにウエハ１上に薄膜を形成す
るにあたって化学気相成長装置，拡散炉およびスピンコ
ーターの３種類の装置を使用すると、各装置間でウエハ
１を搬送する時間や、処理待ち時間が多くかかり過ぎ、
全処理時間が長くなるとという問題があった。特に、拡
散炉はバッチ式の装置であるので、ウエハ１が一定数揃
わないうちに処理を行なうと効率が低下する関係から待
ち時間が長いものであった。

また、化学気相成長装置および拡散炉はその構造上、
設置場所に大きなスペースが必要となるという問題もあ
った。

さらにまた、化学気相成長装置は連続式の装置である
関係から少ない枚数で処理条件を変更することが困難で
あった。また、反応ガスの気相反応によって生じた異物
がウエハ１上に付着し易く、製品の歩留まりの低下を招
いていた。

〔課題を解決するための手段〕本発明に係る薄膜形成装置は、半導体ウエハを主面を
露出させて保持するウエハ加熱用ヒーターと、このヒー
ターを半導体ウエハの周方向に回転自在かつ半導体ウエ
ハの厚み方向に進退自在に支持し、水平な回転軸をもっ
て回転自在に設けられたアームとからなるウエハ移送装
置を備えてなり、このウエハ移送装置の下方に成膜装置
を配置すると共に、上方に成膜液塗布装置を配置し、加
熱装置をウエハ移送装置の側方であってウエハ加熱用ヒ
ーターと対向する位置に配置したものである。

〔作用〕

本発明によれば、半導体ウエハはウエハ移送装置によ
って１枚ずつ成膜装置，成膜液塗布装置および加熱装置
に順次移送され、連続して処理されることになる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第５図
（ａ），（ｂ）によって詳細に説明する。

第１図は本発明に係る薄膜形成装置の全体の構成を示
す断面図、第２図（ａ），（ｂ）はウエハヒートステー
ジに対してウエハの受け渡しを行なうウエハ受け渡し部
の概略構成を示す断面図で、同図（ａ）は移載中の状態
を示し、同図（ｂ）はウエハヒートステージへウエハが
移載された後の状態を示す。第３図（ａ），（ｂ）は化
学気相成長によって薄膜を形成する薄膜形成部の概略構
成を示す断面図で、同図（ａ）は成膜前後の状態を示
し、同図（ｂ）は成膜中の状態を示す。第４図（ａ），
（ｂ）は一定雰囲気中でウエハを加熱する加熱部の概略
構成を示す断面図で、同図（ａ）は加熱前後の状態を示
し、同図（ｂ）は加熱中の状態を示す。第５図（ａ），
（ｂ）は成膜液をウエハに塗布する液体塗布部の概略構
成を示す断面図で、同図（ａ）は成膜液塗布前後の状態
を示し、同図（ｂ）は成膜液塗布中の状態を示す。これ
らの図において前記第７図ないし第９図で説明したもの
と同一もしくは同等部材については、同一符号を付し詳
細な説明は省略する。これらの図において、21は本発明
の薄膜形成装置に使用するウエハ移送装置としてのウエ
ハヒートステージで、このウエハヒートステージ21は、
ウエハ１をその主面を露出させた状態で保持する円盤状
ウエハ加熱用ヒーター22と、このヒーター22を支持する
と共に、駆動装置の回転軸23に連結されて水平な回転軸
をもって回転されるアーム24とを備えている。このアー
ム24は、ヒーター22との連結部にシリンダー25およびウ
エハ回転用モーター26が介装されており、ヒーター22を
ウエハ１の厚み方向に沿って進退自在かつウエハ１の周
方向に回転自在に支持するように構成されている。すな
わち、このウエハヒートステージ21のヒーター22上に保
持されたウエハ１は、ヒーター22によって加熱されると
共に、シリンダー25によって厚み方向に沿って進退さ
れ、しかもモーター26によって周方向へ回転されること
になる。さらに、このウエハヒートステージ21のアーム
24が回転軸23を中心にして回転することによって、ウエ
ハ１は水平な回転軸をもって上下に回転されることにな
る。

27は前記ウエハヒートステージ21に対してウエハ１の
授受を行なうウエハ受け渡し部を示し、前記ウエハヒー
トステージ21の上方に配置されたウエハ供給用搬送ベル
ト27aおよびウエハ排出用搬送ベルト27bとによって構成
されている。

28はウエハ１に反応生成膜を形成するための薄膜形成
部を示し、この薄膜形成部28は、成膜反応室を形成する
成膜反応室壁28aと、前記成膜反応室内に配置され、上
方へ向かって反応ガスを供給するガスヘッド28bと、前
記成膜反応室壁28aに一体的に設けられた成膜室排気口2
8cとから構成されており、前記ウエハヒートステージ21
の下方に配置されている。また、前記成膜反応室壁28a
には、前記ヒーター22が嵌挿される開口部28dが上部に
設けられている。

29はリフローを行なうための加熱機構部を示し、この
加熱機構部29は、ウエハ１を成膜時より高い温度をもっ
て加熱するランプ29aと、このランプ29aを囲む炉室壁29
bとを備え、前記ウエハヒートステージ21の側方であっ
てヒーター22と対向する位置に配置されている。また、
前記炉室壁29bは、両側部に炉室給気口29cおよび炉室排
気口29dが設けられ、ウエハヒートステージ21側にはウ
エハヒートステージ21のヒーター22が嵌挿される開口部
29eが設けられている。

30はウエハ１に成膜用塗布液を塗布するための液体塗
布機構部を示し、この液体塗布機構部30は、注液管12お
よびステージカバー13とからなり、前記ウエハヒートス
テージ21の上方であって前記ウエハ受け渡し部27の上側
に配置されている。また、この液体塗布機構部30に用い
るステージカバー13には、ウエハヒートステージ21のヒ
ーター22が嵌挿される開口部13aが下部に設けられてい
る。

次に、このように構成された本発明の薄膜形成装置を
使用してウエハ１上に薄膜を形成する手順について説明
する。

ウエハ１上に薄膜を形成するには、先ず、ウエハ受け
渡し部27でウエハヒートステージ21のヒーター22にウエ
ハ１を移載させる。この際、ウエハ１をウエハ供給用搬
送ベルト27aからヒーター22に移載させるには、第２図
（ａ），（ｂ）に示すように、ヒーター22のウエハ載置
面が上方を指向するようにアーム24を回転させ、この状
態でシリンダー25を伸ばしてヒーター22をウエハ供給用
搬送ベルト27aと同じ高さになるまで上昇させて行な
う。ウエハ１が移載された後、第２図（ｂ）に示すよう
に、シリンダー25を作動させてヒーター22を元の位置に
戻す。次に、ウエハヒートステージ21を回転軸23を中心
に回転させ、第３図（ａ）に示すように、ウエハ１をウ
エハヒートステージ21の真下へ、換言すれば薄膜形成部
28の真上へ移送する。この移送中にウエハ１はヒーター
22によって装置内温度より高い温度に加熱される。

薄膜形成部28で化学気相成長による成膜処理を行なう
には、上述したように薄膜形成部28上に移送されたウエ
ハ１を第３図（ｂ）に示すように、成膜反応室内に臨ま
せて行なう。この操作はシリンダー25を伸ばしてヒータ
ー22を成膜反応室壁28aの開口部28dに嵌挿させて行な
う。そして、成膜を行なう際にはウエハ１をヒーター22
と共にモーター26によって周方向へ回転させ、反応ガス
Ａをガスヘッド28bから吹き出させて行なう。なお、成
膜に供した反応ガスＡは、成膜室排気口28cから排出さ
れる。ここで、例えばウエハ１の主面上に形成されたポ
リシリコン配線上へBPSG膜を形成する場合には、ヒータ
ー22によってウエハ１を400℃に加熱し、反応ガスＡと
してSiH₄,PH₃,B₂H₆,O₂ガスを用いて成膜が行われる。薄
膜形成後、第３図（ａ）に示すように、シリンダー25を
作動させてヒーター22を元の位置に戻す。そして、ウエ
ハヒートステージ21を回転軸23を中心に回転させ、第４
図（ａ）に示すように、ウエハ１をウエハヒートステー
ジ21の真横へ、換言すれば加熱機構部29の真横へ移送す
る。

加熱機構部29で薄膜のリフローを行なうには、上述し
たように加熱機構部29の真横に移送されたウエハ１を第
４図（ｂ）に示すように、加熱機構部29内に臨ませて行
なう。この操作はシリンダー25を伸ばしてヒーター22を
炉室壁29bの開口部29eに嵌挿させて行なう。そして、例
えばBPSG膜のリフローを行なう場合には、先ず、第４図
（ｂ）に示す状態で、炉室給気口29cからO₂ガスを供給
すると共に炉室排気口29dから排気を行ない、加熱機構
部29内をO₂雰囲気とする。次いで、ランプ29aを点灯さ
せ、ウエハ１をこのランプ29aおよびヒーター22によっ
て900℃の温度をもって20分間加熱する。このように加
熱することによって、BPSG膜のリフローが行われ、膜表
面における凹凸の平坦化処理が行われる。なお、リフロ
ーを行なう際には、ウエハ１をヒーター22と共にモータ
ー26によって周方向へ回転させてもよい。リフロー後、
ランプ29aを消灯させると共に、シリンダー25を作動さ
せ、第４図（ａ）に示すように、ヒーター22およびウエ
ハ１をリフロー前の位置へ復帰させる。次いで、ウエハ
ヒートステージ21を回転軸23を中心に回転させ、第５図
（ａ）に示すように、ウエハ１をウエハヒートステージ
21の真上へ、換言すれば液体塗布機構部30の真下へ移送
する。

液体塗布機構部30で成膜用塗布液をウエハ１上に塗布
するには、上述したように液体塗布機構部30の真下に移
送されたウエハ１を第５図（ｂ）に示すように、液体塗
布機構部30内に臨ませて行なう。この操作はシリンダー
25を伸ばしてヒーター22をステージカバー13の開口部13
aに嵌挿させて行なう。そして、例えばリフロー後のBPS
G膜上にSiO₂膜を形成する場合には、液体塗布機構部30
内でウエハ１上に注液管12からSOGを滴下させ、ウエハ
１をヒーター22と共にモーター26によって周方向へ回転
させて行なう。この際、ウエハ１上に滴下されたSOGの
うち余剰分は、ウエハ１上から溢れ、ウエハステージカ
バー13によって集められて排液口14から排出される。こ
のようにウエハ１を回転させてSOGを塗布することによ
って、前記リフロー工程で残されたBPSG膜表面の凹部が
埋めることができる。ウエハ１上に塗布されたSOGはヒ
ーター22の熱によって固められて流動性がなくなる。SO
G塗布終了後、シリンダー25を作動させて第５図（ａ）
に示すように、ヒーター22およびウエハ１を成膜液塗布
前の位置へ復帰させる。次いで、ウエハヒートステージ
21を回転軸23を中心に回転させ、第６図（ａ）に示すよ
うに、ウエハ１を加熱機構部29へ再び移送する。そし
て、SOGが塗布されたウエハ１を加熱機構部29において
リフロー工程での加熱手順と同様にして再び加熱してSO
Gを焼き固める。

以上示した成膜，リフロー，成膜液塗布および焼成工
程は、必要であれば繰り返し行われ、その順序も適宜変
えて行なってもよい。全ての処理が終了したウエハ１
は、ウエハヒートステージ21によってウエハ受け渡し部
27の真下へ移送され、ヒーター22へ移載された時と逆の
手順によってウエハ排出用搬送ベルト27bに移載されて
ウエハヒートステージ21から搬出される。このようにし
てウエハ１への薄膜形成工程が終了されることになる。

したがって、本発明によれば、ウエハ１はウエハヒー
トステージ21によって１枚ずつ薄膜形成部28、加熱機構
部29および液体塗布機構部30に順次移送され、連続して
処理されることになる。このため、装置の小型化を図る
ことができると共に、ウエハ１の搬送時間を含めた全処
理時間を短縮することができ、しかも処理条件をウエハ
１毎に変更することもできる。

なお、本実施例では化学気相成長によってBPSG膜を形
成し、成膜用塗布液としてSOGを用いた例を示したが、B
PSG膜に代わる他の膜を形成させてもよく、SOGの代わり
に他の塗布液を使用してもよい。また、成膜機構，反応
ガス，加熱機構，加熱温度，成膜および加熱の回数等も
前記実施例で説明したものに限定されるものではなく、
適宜変更することができるということはいうまでもな
い。

また、前記実施例ではウエハヒートステージ21一つに
対してヒーター22,アーム24,シリンダー25およびモータ
ー26をそれぞれ一つずつ設けた例を示したが、本発明は
このような限定にとらわれることなく、例えば第６図に
示すように、回転軸23に上述した各部材をアーム24の回
転方向へ複数並設することもできる。

第６図は薄膜形成装置の他の実施例を示す断面図で、
同図において前記第１図ないし第５図（ａ），（ｂ）で
説明したものと同一もしくは同等部材については、同一
符号を付し詳細な説明は省略する。第６図においては、
上述したようにウエハヒートステージ21一つに対してヒ
ーター22,アーム24,シリンダー25およびモーター26を複
数設けた他に、加熱機構部29がウエハヒートステージ21
の両側に配置されている。このようにすると、複数のウ
エハ１に並行して成膜，リフロー，成膜液塗布および成
膜液の焼成を行なうことができる。すなわち、一つのヒ
ーター22に保持されているウエハ１に対して薄膜形成部
28で成膜を行っている間に、他のヒーター22に保持され
ているウエハ１には成膜液を塗布するなど同時に複数の
処理が行えるので、装置の処理能力を向上させることが
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る薄膜形成装置は、半
導体ウエハを主面を露出させて保持するウエハ加熱用ヒ
ーターと、このヒーターを半導体ウエハの周方向に回転
自在かつ半導体ウエハの厚み方向に進退自在に支持し、
水平な回転軸をもって回転自在に設けられたアームとか
らなるウエハ移送装置を備えてなり、このウエハ移送装
置の下方に成膜装置を配置すると共に、上方に成膜液塗
布装置を配置し、加熱装置をウエハ移送装置の側方であ
ってウエハ加熱用ヒーターと対向する位置に配置すると
いう簡単な構成により装置の小型化を図ることができ
る。本発明によれば、半導体ウエハはウエハ移送装置に
よって１枚ずつ成膜装置，成膜液塗布装置および加熱装
置に順次移送され、連続して処理されることになるか
ら、半導体ウエハの搬送時間を含めた全処理時間を短縮
でき、処理条件を半導体ウエハ毎に変更することができ
る。化学気相成長によって成膜を行なう際には、半導体
ウエハの主面を下向きにして行なわれるため、反応ガス
の気相反応により生じる異物が半導体ウエハの主面上に
付着するのを確実の防ぐことができる。また、装置内で
半導体ウエハを移送する場合には、加熱されたヒーター
に保持されて行われるので、熱泳動によって、移送中に
半導体ウエハ上に付着する異物の量を減少させることも
できる。さらに、本発明によれば、半導体ウエハを保持
し加熱するヒーター以外に加熱装置を備えているので、
ヒーターに保持，加熱された半導体ウエハをさらに高い
温度に加熱する際の温度制御を短時間で行なうことがで
きる。さらにまた、ヒーターは半導体ウエハを保持した
状態で回転することができるから、化学気相成長による
成膜，成膜液塗布，一定雰囲気中での加熱等を行なう際
にヒーターを回転させることによって、各処理を均一に
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る薄膜形成装置の全体の構成を示す
断面図、第２図（ａ），（ｂ）はウエハヒートステージ
に対してウエハの受け渡しを行なうウエハ移載部の概略
構成を示す断面図で、同図（ａ）は移載時の状態を示
し、同図（ｂ）はウエハヒートステージへウエハが移載
された後の状態を示す。第３図（ａ），（ｂ）は化学気
相成長によって薄膜を形成する薄膜形成部の概略構成を
示す断面図で、同図（ａ）は成膜前後の状態を示し、同
図（ｂ）は成膜中の状態を示す。第４図（ａ），（ｂ）
は一定雰囲気中でウエハを加熱する加熱部の概略構成を
示す断面図で、同図（ａ）は加熱前後の状態を示し、同
図（ｂ）は加熱中の状態を示す。第５図（ａ），（ｂ）
は成膜液をウエハに塗布する液体塗布部の概略構成を示
す断面図で、同図（ａ）は成膜液塗布前後の状態を示
し、同図（ｂ）は成膜液塗布中の状態を示す。第６図は
薄膜形成装置の他の実施例を示す断面図、第７図は従来
の化学気相成長装置の概略構成を示す断面図、第８図は
従来の拡散炉の概略構成を示す断面図、第９図は従来の
スピンコーターの概略構成を示す断面図である。１……半導体ウエハ、21……ウエハヒートステージ、22
……ヒーター、24……アーム、28……薄膜形成部、29…
…加熱機構部、30……液体塗布機構部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱された半導体ウエハに成膜用ガスによ
って薄膜を形成する成膜装置と、前記半導体ウエハを薄
膜形成温度より高い温度に加熱して薄膜の平坦化処理を
行なう加熱装置と、半導体ウエハに成膜液を塗布する成
膜液塗布装置とを有する薄膜形成装置において、半導体
ウエハを主面を露出させて保持するウエハ加熱用ヒータ
ーと、このヒーターを半導体ウエハの周方向に回転自在
かつ半導体ウエハの厚み方向に進退自在に支持し、水平
な回転軸をもって回転自在に設けられたアームとからな
るウエハ移送装置を備えてなり、このウエハ移送装置の
下方に前記成膜装置を配置すると共に、上方に前記成膜
液塗布装置を配置し、前記加熱装置をウエハ移送装置の
側方であってウエハ加熱用ヒーターと対向する位置に配
置したことを特徴とする薄膜形成装置。