JP2004006654A - 処理装置及び処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱処理の面内均一性を低下させることなく高く維持して、熱処理のスループットを向上させることが可能な処理装置を提供する。
【解決手段】処理容器４のシャワーヘッド構造６のガス噴射面８に形成した複数のガス噴射孔１０より、処理ガスを処理容器内に導入し、前記シャワーヘッド構造に対向させて配置した載置台３２の載置面３２Ａ上に載置された被処理体に所定の処理を施すようにした処理装置において、シャワーヘッド構造は、ガス噴射面と前記載置台との間のヘッド距離Ｌ１と、ガス噴射孔からのガス吹き出し速度Ｖ１との関係が、ヘッド距離が１５ｍｍの時はガス吹き出し速度が３２ｍ／ｓｅｃのポイントと６７ｍ／ｓｅｃのポイントと、ヘッド距離が７７ｍｍの時はガス吹き出し速度が４０ｍ／ｓｅｃのポイントと１１３ｍ／ｓｅｃのポイントの各ポイントを直線で結んだ時に囲まれる範囲内になるように設定する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の処理装置及び処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するには、半導体ウエハ等の被処理体に、成膜処理、エッチング処理、熱処理、改質処理、結晶化処理等の各種の枚葉処理を繰り返し行なって、所望する集積回路を形成するようになっている。上記したような各種の処理を行なう場合には、その処理の種類に対応して必要な処理ガス、例えば成膜処理の場合には成膜ガスを、改質処理の場合にはオゾンガス等を、結晶化処理の場合にはＮ２　ガス等の不活性ガスやＯ２　ガス等をそれぞれ処理容器内へ導入する。
例えば半導体ウエハに対して１枚毎に熱処理を施す枚葉式の処理装置を例にとれば、真空引き可能になされた処理容器内に、例えば抵抗加熱ヒータを内蔵した載置台を設置し、この上面に半導体ウエハを載置した状態で所定の処理ガスを流し、所定のプロセス条件下にてウエハに各種の熱処理を施すようになっている。
【０００３】
ところで、上述のような各種の熱処理を行うにあたって、できるだけ生産性を高く維持し、且つ製品化後の電気的特性を良好にするためには、各熱処理の面内均一性を高くすると共に、そのスループットも向上させなければならない。ここで例えば、キャパシタ等に用いるタンタル酸化膜（Ｔａ２　Ｏ５　）の改質処理を例にとれば、真空排気が可能になされた処理容器内へオゾンを導入し、ウエハ表面のタンタル酸化膜を上記Ｏ３　（オゾン）の存在下でアニールすることにより改質処理を行う。この改質処理によって、タンタル酸化膜中の炭素成分をＣＯ２　として取り除き、これにより、下地のポリシリコン層とタンタル酸化膜との界面にＳｉＯ２　膜が形成されることを促進させて電気的特性を向上させることができる。
そして、このような改質処理の効率を上げるために、改質時のウエハ温度やオゾン濃度を十分に上げることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在の半導体集積回路の製造工程では、利潤追及のため及び競争率の激化により、更なる生産性の向上が望まれているが、上述した改質時の温度には、これに先行する工程で形成されている下地の各層の耐熱性より自ら上限温度があり、下地の膜種にもよるが、その上限温度は例えば７２０℃程度であることから、スループットを向上させる目的で、改質時のウエハ温度を極端に上げることは現状では困難である。
また、スループットを向上させるために、発生するオゾン濃度を更に上げることも考えられるが、このオゾン濃度は、オゾン発生器の制約を受けてしまい、現行のオゾン濃度以上に上げるのは現況において困難である。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、熱処理の面内均一性を低下させることなく高く維持して、熱処理のスループットを向上させることが可能な処理装置及び処理方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、熱処理、特に改質処理時のオゾン存在下でのアニールによる改質処理について鋭意研究した結果、シャワーヘッド構造より供給する処理ガスの吹き出し速度をある程度の速い範囲内に設定することにより、改質効率を促進させることができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
請求項１に係る発明は、処理容器の天井部に設けたシャワーヘッド構造のガス噴射面に形成した複数のガス噴射孔より、所定の処理ガスを前記処理容器内に導入し、前記シャワーヘッド構造に対向させて配置した載置台の載置面上に載置された被処理体に所定の処理を施すようにした処理装置において、前記シャワーヘッド構造は、前記ガス噴射面と前記載置台との間のヘッド距離と、前記ガス噴射孔からのガス吹き出し速度との関係が、前記ヘッド距離が１５ｍｍの時は前記ガス吹き出し速度が３２ｍ／ｓｅｃのポイントと６７ｍ／ｓｅｃのポイントと、前記ヘッド距離が７７ｍｍの時は前記ガス吹き出し速度が４０ｍ／ｓｅｃのポイントと１１３ｍ／ｓｅｃのポイントの各ポイントを直線で結んだ時に囲まれる範囲内になるように設定されることを特徴とする処理装置である。
このように、シャワーヘッド構造のガス噴射孔からのガス吹き出し速度を、シャワーヘッド構造と載置台との間の距離であるヘッド距離との関係で最適な範囲内に設定するようにしたので、処理の面内均一性を高く維持したまま、処理効率を向上させてスループットを大きくすることが可能となる。
【０００６】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記ガス噴射面の前記ガス噴射孔の形成領域の直径は、前記被処理体の直径と同一、或いはこれよりも小さく設定されている。このように、ガス噴射孔の形成領域の直径を被処理体の直径よりも小さく設定することで、処理の面内均一性を一層向上させることが可能となる。
この場合、例えば請求項３に規定するように、前記ガス噴射孔の形成領域の直径は、前記被処理体の直径の７０〜１００％の範囲内である。
【０００７】
また、例えば請求項４に規定するように、前記処理ガスは、前記被処理体の表面に形成されている金属酸化膜を改質するためのオゾン含有ガスである。
また、例えば請求項５に規定するように、前記金属酸化膜はタンタル酸化膜である。
請求項６は、上記処理装置で実施される方法発明を規定したものであり、すなわち処理容器の天井部に設けたシャワーヘッド構造のガス噴射面に形成した複数のガス噴射孔より、所定の処理ガスを前記処理容器内に導入し、前記シャワーヘッド構造に対向させて配置した載置台の載置面上に載置された被処理体に所定の処理を施すようにした処理方法において、前記ガス噴射面と前記載置台との間のヘッド距離と、前記ガス噴射孔からのガス吹き出し速度との関係が、前記ヘッド距離が１５ｍｍの時は前記ガス吹き出し速度が３２ｍ／ｓｅｃのポイントと６７ｍ／ｓｅｃのポイントと、前記ヘッド距離が７７ｍｍの時は前記ガス吹き出し速度が４０ｍ／ｓｅｃのポイントと１１３ｍ／ｓｅｃのポイントの各ポイントを直線で結んだ時に囲まれる範囲内になるように設定されることを特徴とする処理方法である。
【０００８】
この場合、例えば請求項７に規定するように、前記処理ガスは、前記被処理体の表面に形成されている金属酸化膜を改質するためのオゾン含有ガスである。
また、例えば請求項８に規定するように、前記金属酸化膜はタンタル酸化膜である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る処理装置及び処理方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る処理装置を示す断面構成図、図２はシャワーヘッド構造を示す下面図、図３はヘッド距離とガス吹き出し速度との関係の最適範囲を示す図である。ここでは処理装置として、タンタル酸化膜をアニールして改質するための処理装置を例にとって説明する。
図示するようにこの処理装置２は、例えば断面の内部が略円形状になされたアルミニウム製の処理容器４を有している。この処理容器４内の天井部には必要な処理ガス、例えば酸素（Ｏ２　）とオゾン（Ｏ３　）の混合ガス、或いはこれに酸素の活性種（＊Ｏ）が加えられた混合ガスを導入するためにガス供給手段である本発明の特徴とするシャワーヘッド構造６が設けられており、この下面のガス噴射面８に設けた多数のガス噴射孔１０から処理空間Ｓに向けて処理ガスを吹き出すようにして噴射するようになっている。
【００１０】
このシャワーヘッド構造６内には、中空状のガス拡散室１２が形成されており、ここに導入された処理ガスを平面方向へ拡散した後、上記各ガス噴射孔１０より吹き出すようになっている。このシャワーヘッド構造６の全体は、例えばニッケルやハステロイ（登録商標）等のニッケル合金、アルミニウム、或いはアルミニウム合金により形成されている。このシャワーヘッド構造６のガス噴射面８の周縁部には処理ガスの流れを下方向へ案内するために下方へ突出した案内突起１４がリング状に形成されている。そして、このシャワーヘッド構造６と処理容器４の上端開口部との接合部には、例えばＯリング等よりなるシール部材１６がそれぞれ介在されており、処理容器４内の気密性を維持するようになっている。
【００１１】
また、処理容器４の側壁４Ａには、この処理容器４内に対して被処理体としての半導体ウエハＷを搬入搬出するための搬出入口１８が設けられると共に、この搬出入口１８には、気密に開閉可能になされたゲートバルブ２０が設けられている。
そして、この処理容器４の底部２２に排気落とし込め空間２４が形成されている。具体的には、この容器底部２２の中央部には大きな開口２６が形成されており、この開口２６に、その下方へ延びる有底円筒体状の円筒区画壁２８を連結してその内部に上記排気落とし込め空間２４を形成している。そして、この空間２４を区画する円筒区画壁２８の底部２８Ａには、これより起立させて例えば円筒体状の支柱３０が設けられており、この上端部に載置台３２が固定されている。
【００１２】
そして、上記排気落とし込め空間２４の入口開口２６は、載置台３２の直径よりも小さく設定されており、上記載置台３２の周縁部の外側を流下する処理ガスが載置台３２の下方に回り込んで入口開口２６へ流入するようになっている。また、処理容器４の内側壁には、上記載置台３２の下部近傍に向けて内側へ突出させた案内板３４がリング状に設けられており、排気される雰囲気を上記入口開口２６へ向けるようになっている。そして、上記円筒区画壁２８の下部側壁には、この排気落とし込め空間２４に臨ませて排気口３６が形成されており、この排気口３６には、図示しない真空ポンプが介設された排気管３８が接続されて、処理容器４内及び排気落とし込め空間２４の雰囲気を排気できるようになっている。
【００１３】
そして、この排気管３８の途中には、開度コントロールが可能になされた図示しない圧力調整弁が介設されており、この弁開度を自動的に調整することにより、上記処理容器４内の圧力を一定値に維持したり、或いは所望する圧力へ迅速に変化させ得るようになっている。
また、上記載置台３２は、加熱手段として例えば内部に所定のパターン形状に配置された抵抗加熱ヒータ４０を有しており、この外側は焼結された例えばＡｌＮ等よりなるセラミックスにより構成され、上面に被処理体としての半導体ウエハＷを載置し得るようになっている。また、上記抵抗加熱ヒータ４０は上記支柱３０内に配設された給電線４２に接続されて、電力を制御しつつ供給できるようになっている。
【００１４】
上記載置台３２には、この上下方向に貫通して複数、例えば３本のピン挿通孔４４が形成されており（図１においては２つのみ示す）、上記各ピン挿通孔４４に上下移動可能に遊嵌状態で挿通させた押し上げピン４６を配置している。この押し上げピン４６の下端には、円形リング形状の一部を欠いてなる円弧形状に形成された例えばアルミナのようなセラミックス製の押し上げリング４８が配置されており、この押し上げリング４８の上面に、上記各押し上げピン４６の下端は支持されている。この押し上げリング４８から延びるアーム部４８Ａは、容器底部２２を貫通して設けられる出没ロッド５０に連結されており、この出没ロッド５０はアクチュエータ５２により昇降可能になされている。これにより、上記各押し上げピン４６をウエハＷの受け渡し時に各ピン挿通孔４４の上端から上方へ出没させるようになっている。また、アクチュエータ５２の出没ロッド５０の容器底部の貫通部には、伸縮可能なベローズ５４が介設されており、上記出没ロッド５０が処理容器４内の気密性を維持しつつ昇降できるようになっている。
【００１５】
ここで本発明の特徴とする上記シャワーヘッド構造６について具体的に説明すると、このシャワーヘッド構造６にあっては、図２にも示すようにガス噴射孔１０は略円形の領域に略均等に分散させて多数形成されている。各ガス噴射孔１０の内径は、例えば０．４〜０．８ｍｍ程度であり、また、ガス噴射孔１０の個数は５０〜８００個程度である。そして、このガス噴射孔１０が形成されている円形の形成領域５６の直径Ｄ１を、半導体ウエハＷの直径Ｄ２（図１参照）と同一、或いはこれよりも小さく設定するのがよく、好ましくは、上記形成領域５６の直径Ｄ１を、上記ウエハＷの直径Ｄ２の７０〜１００％の範囲内に設定するのがよい。
【００１６】
更に、上記ガス噴射面８と上記載置台３２の載置面３２Ａとの間の距離をヘッド距離Ｌ１とすると、上記ヘッド距離Ｌ１と、上記ガス噴射孔１０からのガス吹き出し速度Ｖ１との関係が、上記ヘッド距離Ｌ１が１５ｍｍの時は上記ガス吹き出し速度Ｖ１が３２ｍ／ｓｅｃのポイントと６７ｍ／ｓｅｃのポイントと、上記ヘッド距離Ｌ１が７７ｍｍの時は上記ガス吹き出し速度Ｖ１が４０ｍ／ｓｅｃのポイントと１１３ｍ／ｓｅｃのポイントの各ポイントを直線で結んだ時に囲まれる範囲内、すなわち図３に示すグラフにおいて斜線で示される範囲内になるように設定される。
このように、ヘッド距離Ｌ１とガス吹き出し速度Ｖ１との関係を、図３に示す斜線の範囲内に設定することにより、後述するようにウエハ面上におけるガス流の表面速度を最適化して、処理の面内均一性を高く維持できると共に、処理効率を向上させてスループットも向上させることが可能となる。
【００１７】
次に、以上のように構成された処理装置の動作について説明する。
まず、半導体ウエハＷの搬入に先立って、例えば図示しないロードロック室に接続されたこの処理装置２の処理容器４内は例えば真空引きされており、また、ウエハＷを載置する載置台３２は加熱手段である抵抗加熱ヒータ４０によって所定の温度に昇温されて安定的に維持されている。
さて、このような状態において、まず、未処理の半導体ウエハＷは、図示しない搬送アームに保持されて開状態となったゲートバルブ２０、搬出入口１８を介して処理容器４内へ搬入され、このウエハＷは、上昇された押し上げピン４６に受け渡された後に、この押し上げピン４６を降下させることにより、ウエハＷを載置台３２の上面に載置してこれを支持する。尚、このシリコン基板よりなるウエハＷの表面には、前工程で金属酸化膜として例えばタンタル酸化膜が形成されている。
次に、シャワーヘッド構造６へ処理ガスとして例えばＯ２　やＯ３　を含む処理ガスを流量制御しつつ供給して、このガスをガス噴射孔１０より吹き出して噴射し、処理空間Ｓへ導入する。そして、図示してないが排気管３８に設けた真空ポンプの駆動を継続することにより、処理容器４内や排気落とし込め空間２４内の雰囲気を真空引きし、そして、圧力調整弁の弁開度を調整して処理空間Ｓの雰囲気を所定のプロセス圧力に維持する。この時、ウエハＷの温度は例えば６６０℃程度に維持されている。これにより、半導体ウエハＷの表面のタンタル酸化膜はアニールされて上記Ｏ２　やＯ３　等により改質されることになる。
【００１８】
この時、前述したように上記ヘッド距離Ｌ１と、上記ガス噴射孔１０からのガス吹き出し速度Ｖ１との関係が、上記ヘッド距離Ｌ１が１５ｍｍの時は上記ガス吹き出し速度Ｖ１が３２ｍ／ｓｅｃのポイントＰ１と６７ｍ／ｓｅｃのポイントＰ２と、上記ヘッド距離Ｌ１が７７ｍｍの時は上記ガス吹き出し速度Ｖ１が４０ｍ／ｓｅｃのポイントＰ３と１１３ｍ／ｓｅｃのポイントＰ４の各ポイントを直線で結んだ時に囲まれる範囲内、すなわち図３に示すグラフにおいて斜線で示される範囲内になるように設定されている。
このように、ヘッド距離Ｌ１とガス吹き出し速度Ｖ１との関係を、図３に示す斜線の範囲内に設定することにより、ウエハ面上におけるガス流の表面速度を最適化して、処理の面内均一性を高く維持できると共に、処理効率を向上させてスループットも向上させることが可能となる。
【００１９】
この点について以下に詳細に説明する。
図４は直径が２００ｍｍのシリコン基板よりなる半導体ウエハに対してアニールを施して改質処理を行った時のガス吹き出し速度とこの時形成されたＳｉＯ２　の膜厚との関係を示すグラフ、図５はＯ３　濃度とＳｉＯ２　膜の膜厚との関係を示すグラフ、図６はヘッド距離が７７ｍｍの時のガス吹き出し速度の上限値を説明するためのグラフである。
【００２０】
図４に示すように、改質能力を評価するために、ここではシャワーヘッド構造６のガス噴射孔１０から吹き出されるガスの吹き出し速度Ｖ１と、この時形成されるＳｉＯ２　膜の膜厚との関係を調べた。用いたウエハサイズは２００ｍｍであり、ヘッド距離Ｌ１は７７ｍｍである。また、プロセス温度は６６０℃、プロセス圧力は３０Ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）である。更に、図４の曲線Ａ、Ｂにおいては、Ｏ２　ガスの流量は１００００ｓｃｃｍ、Ｏ３　ガスの流量はトータル流量の１．３０％でそれぞれ一定である。また、吹き出し速度を変化させるためにＮ２　ガスを０〜７０００ｓｃｃｍの範囲で適宜変更して添加している。また、図４の曲線Ｃにおいては、Ｏ２　ガスの流量を７０００〜１００００ｓｃｃｍまで変化させ、Ｏ３　ガスの流量はトータル流量の１．３０％、また、Ｎ２　ガスは添加せずに、所定の流速を得るようにしている。
【００２１】
尚、ここで改質処理能力の評価としてＳｉＯ２　膜の膜厚（成膜レート）で代用した理由は、改質処理能力が高くなるほど、ＳｉＯ２　膜の成膜レートも高くなり、結果として、同一時間内の改質処理においてはＳｉＯ２　膜の厚いものの方が、改質処理能力が高いと判断できるためである。
また、吹き出し速度Ｖ１を変化させるためにＯ２　ガス流量、Ｎ２　ガス流量をそれぞれ変化させている。これによれば、吹き出し速度Ｖ１のみならず、Ｏ３　濃度も変化することになる。しかし、図５に示すように、ＳｉＯ２　膜の膜厚とＯ３　濃度との関係は、本実施例で用いる濃度範囲においては略フラット（平坦）となってＯ３　濃度の依存性は非常に小さくなり、従って、図４におけるＳｉＯ２　成膜レートの変化は、以下に説明するようにガス吹き出し速度Ｖ１に依存する、と言ってよい。尚、図５ではＯ３　濃度を０．５〜２．５％の範囲で変化させている。
【００２２】
また、ガス吹き出し速度Ｖ１は、以下の式にて示される。
Ｖ１＝Ｑ・（２７３＋Ｔ）／（Ｋ・Ａ・Ｐ・２７３）
Ｑ：ガス流量（ｓｃｃｍ）
Ａ：シャワーヘッド全吹き出し口面積（ｍ２　）
Ｐ：シャワーヘッド吹き出し口における圧力（Ｐａ）
Ｔ：シャワーヘッド温度（℃）
Ｋ：変換定数＝５９２
【００２３】
さて、図４において、曲線Ａはガス噴射孔１０の内径が０．８ｍｍ、数が３６８個の場合であって、これは従来のシャワーヘッド構造を示している。特に、この曲線Ａの内、最も左側のポイントＡ１で表される条件で従来の改質アニール処理が行われていた。曲線Ｂはガス噴射孔１０の内径が０．８ｍｍ、数が１４０個、曲線Ｃはガス噴射孔１０の内径が０．８ｍｍ、数が８８個の場合をそれぞれ示している。尚、ガス噴射孔１０の数が１４０個或いは８８個のシャワーヘッド構造は、従来のシャワーヘッド構造において最外周側より数列までの全てのガス噴射孔１０を封止することにより、それぞれ容易に実現することができる。
【００２４】
このグラフから明らかなように、全体的にガス吹き出し速度Ｖ１を上げることにより、改質によって形成されるＳｉＯ２　の膜厚（成膜レート）も上昇することが判明する。
この場合、曲線Ａで示される従来のシャワーヘッド構造では、ポイントＡ１では膜厚は２０Å程度であり、ガス吹き出し速度Ｖ１を上げても、４０ｍ／ｓｅｃ程度までは膜厚は増加するが、それ以上ガス吹き出し速度を上げても２３Å程度で飽和してしまって膜厚はそれ以上増加しない。
これに対して、曲線Ｂ及び曲線Ｃに示すように、ガス噴射孔１０の数を少なくしてガス吹き出し速度Ｖ１をより大きい範囲まで上げた場合には、ガス吹き出し速度Ｖ１が７０〜１１３ｍ／ｓｅｃの範囲で、ＳｉＯ２　の膜厚を２４〜２５Å程度まで上昇させることができ、高い成膜レートが得られることが判明する。そして、従来のガス噴射孔１０の数が３６８個の場合では５分間での成膜レートの上限値が２３Å程度であることに鑑みると、ガス吹き出し速度Ｖ１の下限値は４０ｍ／ｓｅｃ程度となり、より好ましくは５分間での成膜レートが２４Å程度となる７０ｍ／ｓｅｃ程度である。
【００２５】
ここでガス吹き出し速度Ｖ１の上限値について検討した。
図６に示すように、ここではガス吹き出し速度Ｖ１が１１３ｍ／ｓｅｃ（図４中のポイントＣ１に対応）の場合と２０７ｍ／ｓｅｃの場合についてウエハ半径方向のＳｉＯ２　の膜厚に関して検討した。他のプロセス条件は図４にて説明した場合と同様である。
図６に示すように、ガス吹き出し速度が１１３ｍ／ｓｅｃの場合には、膜厚の凹凸はそれ程激しくはなく、膜厚の面内均一性も３．８２％であって良好な結果を示している。これに対して、ガス吹き出し速度が２０７ｍ／ｓｅｃの場合には、ガス吹き出し速度が過度に大きいことから、ガス噴射孔１０に対応する部分の膜厚が極端に薄くなって転写されてしまい、全体として大きな凹凸が発生している。
【００２６】
このため、このガス吹き出し速度が２０７ｍ／ｓｅｃの場合には膜厚の面内均一性が１５．６３％まで低下してしまい、好ましくない結果を示している。以上の点より、ヘッド距離Ｌ１が７７ｍｍの場合には、ガス吹き出し速度Ｖ１の上限値は１１３ｍ／ｓｅｃであり、下限値は４０ｍ／ｓｅｃであることが判明する。
このようにガス吹き出し速度Ｖ１を大きくすると成膜レートが上昇する理由は、ウエハ面上におけるガスの表面速度が増加し、これに起因してタンタル酸化膜に対するＯ２　ガスやＯ３　ガスによる酸化力が増大するものと考えられる。
また、図４において、曲線Ａの部分の膜厚の面内均一性は９．８６〜１４．９８％程度であってそれ程良好ではなかったが、曲線Ｂ及び曲線Ｃの部分の膜厚の面内均一性は３．３２〜３．８２％程度であって、その特性は大幅に向上している。
【００２７】
この場合、ガス噴射孔１０が１４０個（曲線Ｂ）或いは８８個（曲線Ｃ）形成されている形成領域５０（図１及び図２参照）の直径Ｄ１は、ウエハＷの直径Ｄ２と同一、或いはこれよりも小さく設定されており、例えば直径Ｄ２の７０〜１００％の範囲内に設定されている。これにより、膜厚の面内均一性を一層向上させることが可能となる。尚、ガス噴射孔の数が３６８個（曲線Ａ）の場合には、形成領域５０の直径Ｄ１は、ウエハＷの直径Ｄ２よりも僅かに大きく設定されている。
ここで、従来の処理装置のシャワーヘッド構造と本発明の処理装置のシャワーヘッド構造より吹き出されたガスの処理空間におけるガス速度の分布をシミュレーションしたので、そのシミュレーション結果について説明する。
図７は上記シミュレーション結果を示すグラフであり、処理容器内の右半分の状態を示している。図７（Ａ）は従来の処理装置のシャワーヘッド構造より吹き出されたガス速度の分布を示しており、図４中の曲線Ａに対応するものである。
図７（Ｂ）は本発明の処理装置のシャワーヘッド構造より吹き出されたガス速度の分布を示しており、図４中の曲線Ｂまたは曲線Ｃに対応するものである。尚、図中、白色に近い部分程、ガスの速度が高い領域を示している。
【００２８】
図７（Ａ）に示すように、従来装置の場合には、ウエハＷの表面のガス速度はそれ程速くなく、ウエハＷの外周の部分のみの流速が速くなっているに過ぎない。これに対して、図７（Ｂ）に示すように、本発明装置の場合には、ウエハＷの上面の大部分でガスの流速が速くなっていることが判明する。
上記装置例の場合には、ウエハサイズが２００ｍｍ対応の処理装置であって、ヘッド距離Ｌ１が７７ｍｍ程度の処理装置について説明したが、ウエハサイズには限定されず、例えばウエハサイズが３００ｍｍ対応の処理装置についても本発明は適用することができる。この３００ｍｍ対応の処理装置の場合には、載置台３２やシャワーヘッド構造６の各直径は、上記ウエハサイズに対応して当然のこととして大きくなるが、ヘッド距離Ｌ１は、装置小型化の要請により、逆に小さく設定され、例えば１５ｍｍ程度に設定される。
【００２９】
ここで、上記ヘッド距離Ｌ１が１５ｍｍの場合の３００ｍｍウエハ対応の処理装置について先に説明したと同様な実験を行ったところ、ガス吹き出し速度Ｖ１の上限値は略６７ｍ／ｓｅｃ程度であった。このように、ガス吹き出し速度が、ウエハサイズ２００ｍｍ対応の処理装置の場合の上限値である１１３ｍ／ｓｅｃよりも低くなった理由は、上述のようにヘッド距離Ｌ１が７７ｍｍ程度から１５ｍｍ程度に小さくなったため、より転写が起こり易くなったものと推測される。また、この時のガス吹き出し速度の下限値は、５分間の成膜レートの最小値を２３Å程度とすると、３２ｍ／ｓｅｃ程度、好ましくは４０ｍ／ｓｅｃ程度である。ここでヘッド距離Ｌ１が１５ｍｍ場合の上記数値の根拠について説明する。
【００３０】
上述のように、ウエハサイズが３００ｍｍ対応の処理装置において、ヘッド距離Ｌ１を小さくして１５ｍｍとした場合のシャワーヘッド構造において同様な実験をした結果は次のようなものであった。
ここでのガス噴射孔１０は、流速を早く維持しつつ、転写を極力押さえ且つ均一な流れを達成するために直径を０．４ｍｍとし、ガス噴射孔１０の数は７６１個とした。また、プロセス温度は６６０℃、プロセス圧力は３０Ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）である。吹き出し速度Ｖ１を変化させるために、Ｏ２　ガスの流量を６０００〜１００００ｓｃｃｍ、Ｎ２　ガスの流量を０〜９０００ｓｃｃｍの範囲で変化させた。この際、Ｏ３　ガス流量はトータル流量の０．６８％〜２．１７％の範囲で変化させている。
【００３１】
図８はガス吹き出し速度Ｖ１と、この時形成されるＳｉＯ２　膜の膜厚（５分間処理）との関係を示すグラフである。これによれば、ガス吹き出し速度Ｖ１が３２ｍ／ｓｅｃ〜１０２ｍ／ｓｅｃの全流域で従来の成膜レートである２３Åを上回る結果を得ることができることが判明した。尚、吹き出し速度Ｖ１が３２ｍ／ｓｅｃよりも小さい領域ではＯ２　ガス流量を６０００ｓｃｃｍ以下に設定する必要があるが、このようにＯ２　ガス流量が減少するとオゾン発生器からのオゾン発生が安定的に行われなくなるため、この領域でのデータは採取できなかった。
【００３２】
また図９はヘッド距離が１５ｍｍの時のガス吹き出し速度の上限値を説明するためのグラフである。図９に示すように、ガス吹き出し速度Ｖ１が６７ｍ／ｓｅｃの場合には膜厚の凹凸はそれ程激しくなくて膜厚の面内均一性も３．５％であって良好な結果を示している。これに対して、ガス吹き出し速度Ｖ１が１０２ｍ／ｓｅｃの場合には激しい転写が起きてしまい、全体として大きな凹凸が発生して膜厚の面内均一性も７．２％となって良好でない。従って、ガス吹き出し速度Ｖ１の上限値は６７ｍ／ｓｅｃであることが判明する。
【００３３】
そして、このガス吹き出し速度Ｖ１の下限値は、上述のようにさらに低い流速であることが予想されるが、大きくとも３２ｍ／ｓｅｃである。これにより、図３中にてポイントＰ１〜Ｐ４で囲まれる斜線で示される範囲が適正範囲であることが確認できる。尚、今後の技術革新により、ヘッド距離が１５ｍｍよりも更に小さな処理装置が開発されたならば、この適正領域は図３中にて更に左側の領域に延びることが予測される。
【００３４】
このようにして、図３においてポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ３で囲まれる斜線の範囲が、改質アニール処理を行う上で最適な条件となる範囲であることが判明する。
そして、上記図３に示す斜線の範囲内であるならぱ、ヘッド距離Ｌ１やガス吹き出し速度Ｖ１を任意に設定することにより、前述したように、処理の面内均一性を高く維持できると共に、処理効率を向上させてスループットも向上させることができる。
尚、上記実施例におけるガス噴射孔１０の直径や数量は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。
【００３５】
また、上記実施例では処理としてタンタル酸化膜のアニール改質処理を例にとって説明したが、これに限定されず、熱ＣＶＤ処理装置、プラズマＣＶＤ処理装置、エッチング処理装置、酸化拡散処理装置、スパッタ処理装置等についても本発明を適用することができる。
また、本実施例では被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用できるのは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の処理装置及び処理方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１、４〜７に係る発明によれば、シャワーヘッド構造のガス噴射孔からのガス吹き出し速度を、シャワーヘッド構造と載置台との間の距離であるヘッド距離との関係で最適な範囲内に設定するようにしたので、処理の面内均一性を高く維持したまま、処理効率を向上させてスループットを大きくすることができる。
請求項２、３に係る発明によれば、ガス噴射孔の形成領域の直径を被処理体の直径よりも小さく設定することで、処理の面内均一性を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る処理装置を示す断面構成図である。
【図２】シャワーヘッド構造を示す下面図である。
【図３】ヘッド距離とガス吹き出し速度との関係の最適範囲を示す図である。
【図４】直径が２００ｍｍのシリコン基板よりなる半導体ウエハに対してアニールを施して改質処理を行った時のガス吹き出し速度とこの時形成されたＳｉＯ２　の膜厚との関係を示すグラフである。
【図５】Ｏ３　濃度とＳｉＯ２　膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図６】ヘッド距離が７７ｍｍの時のガス吹き出し速度の上限値を説明するためのグラフである。
【図７】従来の処理装置のシャワーヘッド構造と本発明の処理装置のシャワーヘッド構造より吹き出されたガスの処理空間におけるガス速度の分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】ガス吹き出し速度とＳｉＯ２　膜の膜厚（５分間処理）との関係を示すグラフである。
【図９】ヘッド距離が１５ｍｍの時のガス吹き出し速度の上限値を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
２　処理装置
４　処理容器
６　シャワーヘッド構造
８　ガス噴射面
１０　ガス噴射孔
３２　載置台
３２Ａ　載置面
５６　ガス噴射孔の形成領域
Ｌ１　ヘッド距離
Ｖ１　ガス吹き出し速度
Ｗ　半導体ウエハ（被処理体）

Claims (8)

  1. 処理容器の天井部に設けたシャワーヘッド構造のガス噴射面に形成した複数のガス噴射孔より、所定の処理ガスを前記処理容器内に導入し、前記シャワーヘッド構造に対向させて配置した載置台の載置面上に載置された被処理体に所定の処理を施すようにした処理装置において、
    前記シャワーヘッド構造は、
    前記ガス噴射面と前記載置台との間のヘッド距離と、前記ガス噴射孔からのガス吹き出し速度との関係が、前記ヘッド距離が１５ｍｍの時は前記ガス吹き出し速度が３２ｍ／ｓｅｃのポイントと６７ｍ／ｓｅｃのポイントと、前記ヘッド距離が７７ｍｍの時は前記ガス吹き出し速度が４０ｍ／ｓｅｃのポイントと１１３ｍ／ｓｅｃのポイントの各ポイントを直線で結んだ時に囲まれる範囲内になるように設定されることを特徴とする処理装置。
  2. 前記ガス噴射面の前記ガス噴射孔の形成領域の直径は、前記被処理体の直径と同一、或いはこれよりも小さく設定されているこを特徴とする請求項１記載の処理装置。
  3. 前記ガス噴射孔の形成領域の直径は、前記被処理体の直径の７０〜１００％の範囲内であることを特徴とする請求項２記載の処理装置。
  4. 前記処理ガスは、前記被処理体の表面に形成されている金属酸化膜を改質するためのオゾン含有ガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の処理装置。
  5. 前記金属酸化膜はタンタル酸化膜であることを特徴とする請求項４記載の処理装置。
  6. 処理容器の天井部に設けたシャワーヘッド構造のガス噴射面に形成した複数のガス噴射孔より、所定の処理ガスを前記処理容器内に導入し、前記シャワーヘッド構造に対向させて配置した載置台の載置面上に載置された被処理体に所定の処理を施すようにした処理方法において、
    前記ガス噴射面と前記載置台との間のヘッド距離と、前記ガス噴射孔からのガス吹き出し速度との関係が、前記ヘッド距離が１５ｍｍの時は前記ガス吹き出し速度が３２ｍ／ｓｅｃのポイントと６７ｍ／ｓｅｃのポイントと、前記ヘッド距離が７７ｍｍの時は前記ガス吹き出し速度が４０ｍ／ｓｅｃのポイントと１１３ｍ／ｓｅｃのポイントの各ポイントを直線で結んだ時に囲まれる範囲内になるように設定されることを特徴とする処理方法。
  7. 前記処理ガスは、前記被処理体の表面に形成されている金属酸化膜を改質するためのオゾン含有ガスであることを特徴とする請求項６記載の処理方法。
  8. 前記金属酸化膜はタンタル酸化膜であることを特徴とする請求項７記載の処理方法。
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