JP2004228601A - 基板処埋装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 積層された基板へ供給されるガスの流量と流速とを均一化することで、前記積載された基板に対してガスを均一に供給する。
【解決手段】 反応管６内に、同一開口面積のバッファ室孔３を有するバッファ室１７を設け、その内部にガスの上流側より下流側へ向かって開口面積が大きくなるガスノズル孔４を有するガスノズル２を配設し、ガスノズル２より噴出するガスを、一旦バッファ室１７内に導入し、ガスの流速の差を均一化した後、バッファ室孔３よりウェーハ７へ供給する。
【選択図】 図１

Description

発明の詳細な説明

発明の属する技術分野

本発明は、半導体デバイスの製造工程の一工程で用いられる反応室内で基板を処理する基板処理装置に係り、特に基板にガスを供給するガス導入部を改善したものに関する。

従来の技術

ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法、またはその中の１つであるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition)法により反応室内で基板を処理する際の従来の技術について縦型の基板処理装置を例とし、図１０を参照しながら簡単に説明する。
図１０は、従来の技術にかかる縦型の基板処理装置における反応室である反応管内部の模式的な断面図である。
反応管１０６内部には、処理対象の基板としてウェーハ１０７を多段に重ねた状態で載置したボート１０８が挿入され、また反応管１０６内のウェーハ１０７をプロセス処理するためのガス導入部としてガスノズル１０１が設けてある。
ガスノズル１０１に複数のガスノズル孔１０３（図１０では、５個の例を示した。）を設けることにより、処理用のガスはガス導入口１０５よりガスノズル１０１内を進行し各ガスノズル孔１０３から各ウェーハ１０７へ供給される。
各ウェーハ１０７へ供給されたガスは、各ウェーハ１０７上に所望の膜を成膜する等のプロセス処理の後、排気口１１８から反応管１０６外へ排気される構造となっている。

しかし、ガスノズル１０１に設けられた各ガスノズル孔１０３の開口面積が全て同一の場合、各ガスノズル孔１０３から各ウェーハ１０７へ供給されるガス流量や流速は、ガスの導入口１０５に近い上流側から、遠い下流側に向かって減少するという問題が見出された。
すなわち、図１０に示す、複数枚のウェーハ１０７を一括してプロセス処理する装置において、ウェーハ１枚１枚に対しガスを供給する観点より検討すると、ガスノズル１０１は見かけ上、１枚１枚の各ウェーハ１０７へ均一にガスを供給しているようにみえるが、実際にはガス流量や流速に差が発生しており、全てのウェーハ１０７に同条件で供給されてはいないのである。
例えば、ガスノズル１０１に設けられた５箇所のガスノズル孔１０３を、ガスノズル１０１の導入口１０５に近い上流から、遠い下流へ向かって１番目、２番目…５番目とし、各々のガスノズル孔１０３より供給されるガス流量を、ｑ１、ｑ２…ｑ５としたとき、ｑ１＞ｑ２＞…＞ｑ５となっている。
さらにガスの流速においても、１番目のガスノズル孔１０３からのガスが最も速く、以降、２番目、３番目と次第に遅くなってゆく。
この結果、各ウェーハ１０７に供給されるガスの流量や流速に不均一が生じてしまうのである。
これでは、ガスの供給量に大きく左右されるウェーハのプロセス処理において、積載された各ウェーハ１０７間の成膜に不均一が生じてしまう。

再び図１０に戻り、このガスの供給量における不均一の原因を考察する。
ウェーハ１０７へガスを供給している状態のガスノズル１０１内において、導入口１０５と１番目のガスノズル孔１０３との間におけるガスの流量をｑ00、ガスの圧力をｐ0とする。次に１番目と２番目のガスノズル孔１０３との間におけるガスの流量をｑ01、ガスの圧力をｐ1とする。以下同様にして、ｎ−１番目とｎ番目のガスノズル孔１０３との間におけるガスの流量をｑ0(n-1)、ガスの圧力をｐn-1とする。
一方、ｎ番目のガスノズル孔１０３より噴出するガスの流量をｑnとする。

このとき、ガスノズル１０１の上流から下流にわたって設けた開口面積が同一の複数のガスノズル孔１０３から噴出するガス流量ｑn（ｎ＝１、２、…）は、式（１）に示すように、
ｑ1＞ｑ2＞…＞ｑn-1＞ｑn （１）
上流のガスノズル孔から下流のガスノズル孔にかけて減少していく。
これは、ガスノズル１０１内を上流から下流側に向かって流れるガスは、そのガス流量ｑ0(n-1)が、ガスノズル孔１０３を通過するとき、当該ガスノズル孔１０３から噴出するガス流量ｑn分だけ減って次のガスノズル孔に向かうことになるためで、当該ガスノズル孔１０３を通過した後のガスのガス流量ｑ0nは、式（２）のように
ｑ0n＝ｑ0(n-1)−ｑn （２）
上流側から下流側にいくにしたがって減少する。

このとき、ガスノズル１０１内の流体のガス密度は、上流から下流に向かってガス孔から噴出するガス流量分だけ減少していく。ガス密度とガス圧力は相関があるから、ガスノズル孔１０３に対応するガスノズル１０１内の部位のガス圧力ｐnは、式（３）のように上流から下流にかけて低くなっていく。
ｐ1＞ｐ2＞…＞ｐn-1＞ｐn （３）
このため、各ガスノズル孔１０３から噴出するガス流量ｑnは等しくならない。また、ガスノズル孔１０３の開口面積をＳとすると、ガスノズル孔から噴出するガス流速Ｖは、
Ｖ＝ｑn／Ｓ （４）
と表せる。各ガスノズル孔１０３から噴射されるガス流量ｑnは等しくないから、ノズル孔の開口面積が同一であると、各ガスノズル孔１０３から噴射されるガスの流速も異なる。従って、上述した従来のガスノズル１０１では、各ガスノズル孔１０３から噴射されるガスのガス流量もガス流速も異なるから、積載された各ウェーハへ、均一にガスを供給することができないと考えられる。

上述した問題点に対し、２つの前駆的な解決策が考えられた。
第１の解決策は、ガスノズル孔１０３の開口面積を上流から下流にかけて大きくしてやり、下流側にいくにしたがって減少するガス流量を開口面積の増大で稼ぐことが考えられる。しかし、開口面積の大きさによってガス流量を等しくしようとしても、式（４）から、開口面積の大きさに応じてガス流速が異なってしまう。したがって、各ガスノズル孔１０３から噴出するガスは、依然としてガス流速の不均一が解消されない。

第２の解決策は、上流から下流側にかけて各ガスノズル孔１０３からガスが噴出していっても、各ガスノズル孔に対応する部位のガスノズル１０１内のガス圧力が変化しないように、ガスノズル自体を、噴出量を無視できるような大量のガスを溜めることが可能な大容量ガスノズルで構成して、各ガスノズル孔１０３から噴出するガス流量を等しくすることも考えられる。しかし、ガスノズル１０１内のガス圧力がガス噴出量の影響を受けないような大きさに、ガスノズル自体の容量を大きくすることは、ガスノズルを格納する反応室のスペースに制約があるため実用的でない。
尚、上述の問題はウェーハに限定されず、広く基板に共通する。

そこで本発明の目的は、上述の構造とは異なる観点より、ガスを均一に供給することで、基板間の処理の均一性を達成できる基板処理装置を提供することである。

上述の課題を解決するための第１の手段は、
積層配置された基板を収納する反応室と、
前記反応室に基板の積層配置方向に沿って設けられた、基板処理用のガスを導入するためのガス導入部と、
基板の積層配置方向に沿って設けられた複数のガス供給口を有し、前記ガス導入部から導入される処理用ガスを前記複数のガス供給口から供給するようにしたバッファ室とを備えたことを特徴とする基板処埋装置である。

この構成を備えることにより、本発明にかかる基板処埋装置は、前記ガス導入部より供給される流速が不均一状態なガスを、前記バッファ室内において流速を均一化することができ、基板に対しガスを均一に供給することができる。

第２の手段は、第１の手段に記載の基板処埋装置であって、
前記バッファ室に設けられた複数のガス供給口の開口面積がほぼ等しいことを特徴とする基板処埋装置である。

第１の手段に加え、同じ開口面積を持つガス供給口を設けることで、基板へのガス供給をさらに均一化できる。

第３の手段は、第１または第２の手段に記載の基板処理装置であって、
前記バッファ室の中にプラズマ発生用の電極を設けたことを特徴とする基板処埋装置である。

バッファ室の中にプラズマ発生用の電極を設ける構成を用いることにより、基板に近接した位置で、且つ均一化された圧力の状態でプラズマにより活性種を生成し、均一でより多くの活性種を基板へ供給できる。
（発明の実施の形態）

まず、本発明の実施の形態にておこなった、基板へのプロセス処理例としてＣＶＤ法と、その中の１つであるＡＬＤ法を用いた成膜処理について、両者を比較しながら簡単に説明する。

ＣＶＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる１種類（またはそれ以上の種類）の原料となるガスを混合して基板上に供給し、気相反応と表面反応、あるいは表面反応のみを用いて基板上に吸着、反応させて成膜を行う手法である。
ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。

すなわち、利用する化学反応は、例えばＳｉＮ（窒化ケイ素）膜形成の場合ＡＬＤではＤＣＳ（ジクロルシラン）とＮＨ3（アンモニア）を用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。これに対して通常のＣＶＤの場合は、成膜温度は６００〜８００℃と比較的高温である。また、ガス供給は、ＡＬＤでは複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する（同時に供給しない）のに対し、通常のＣＶＤでは複数種類のガスを同時に供給する。そして、膜厚制御は、ＡＬＤでは反応性ガス供給のサイクル数で制御する。（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。）のに対して、ＣＶＤでは時間で制御する点で異なる。

ここで、図１〜図９を用いて本発明の実施の形態について説明する。
尚、図１〜図９において共通する箇所には同一の符号を付して示した。

まず図４を用いて本発明に係る縦型の基板処理装置の機構概要について簡単に説明する。
図４は、複数枚の被処理用の基板である直径２００ｍｍのウェーハを、反応室である石英製の反応管内に積載し、プロセス処理としてＣＶＤ法あるいはその中の１つであるＡＬＤ法による成膜処理をおこなう縦型の基板処理装置例の外観を示した図である。
縦型の基板処理装置は、本体６０および本体へ電力等を供給するユーティリティ部６１を有している。

本体６０の内部には、ウェーハにプロセス処理を施す縦型の反応室として反応管６、その反応管６を適宜に加熱するヒータ１６が設けられている。そして、反応管６の下方には、反応管６中へウェーハを出し入れするボート８およびボート８を上下させるボートエレベータ３６が設置されている。
また、反応管６にてプラズマを生成する必要がある際は、反応管６内に電極５２を設け、この電極５２へＲＦマッチングユニット５３を介して高周波電源５１より高周波電力が加えられる。

さらに本体６０の内部には、前記ボート８へ供給されるウェーハが収納されたカセットを一時保管するカセット棚３４と、このカセット棚３４よりボート８へ被処理前ウェーハを供給し、被処理後ウェーハを搬出するウェーハ移載機３８が設けられている。
そしてカセット棚３４と、ウェーハのカセット３２を外界と受け渡しをするＩ／Ｏステージ３３との間では、カセットローダー３５がウェーハのカセット３２を運搬する。
Ｉ／Ｏステージ３３は、装置前面に設置されており装置外部との間でウェーハが収納されたカセット３２の授受を行なう。

ここで、上述した縦型の基板処理装置の動作について簡単に説明する。
Ｉ／Ｏステージ３３に、ウェーハが収納されたカセット３２をセットする。
Ｉ／Ｏステージ３３にセットされたカセット３２はカセットローダ３５によって順次カセット棚３４に連ばれる。

本実施の形態の場合、カセット３２には２５枚のウェーハが収納されている。
ウェーハ移載機３８は力セット棚３４からウェーハを搬出し、石英のボート８に搬送する。ボート８には１００枚のウェーハが装填できるため、上記ウェーハ移載機３８による搬送動作が何度か繰り返される。
ボート８へのウェーハの搬送が終了したら、ボ一ト８は、ボートエレベータ３６により上昇して反応管６のなかに挿入され、この後、反応管６内部は気密に保持される。

反応管６内のガスは、図示していない排気口からポンプで排気し、所定の圧力に到達したら、ボート８を図示していない回転機構により回転させ、反応管６内部に一定流量の成膜処理用のガスを供給する。供給される処理用ガスは、図示しない圧力調整機構よって一定の圧力に保たれている。このとき反応管６内部のウェーハは、ヒータ１６によって所定の温度に保持されている。

このようにして、ウェーハ上に成膜処理をおこなうプロセスが進行するがその内容については後述する。
またこのとき、プラズマＣＶＤ法あるいはその中の１つであるＡＬＤ法により成膜処理をおこなう場合は、電極５２に高周波電源５１よりＲＦマッチングユニット５３を介して高周波電力を加え、前記成膜用ガス中でプラズマを生成し、この成膜用ガスを活性化する操作もおこなわれるがその内容についても後述する。
成膜処理のプロセスが完了すると、ウェーハボート８は、ボートエレベータ３６により反応管６より降ろされ、ウェーハ移載機３８、カセット棚３４、カセットローダ３５を経由してＩ／Ｏステージ３３に運ばれ、装置外部へ搬出される。

次に、上述した縦型の基板処理装置を用い、以下、１）成膜処理プロセスにＣＶＤ法を用いた実施の形態、２）成膜処理プロセスにＡＬＤ法を用いた実施の形態、３）成膜処理プロセスにＡＬＤ法を用いた異なる実施の形態について説明する。

１）成膜処理プロセスにＣＶＤ法を用いた実施の形態
図２（ａ）は、本実施の形態にかかる縦型の基板処理装置における反応管の模式的な横断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のａ−ａ’縦断面図である。
図２（ａ）において、縦型の反応室である反応管６の外周にはヒータ１６が設けられ、内側には複数枚の被処理対象の基板としてウェーハ７が積層して載置されている。さらに反応管６の内壁とウェーハ７との間における円弧状の空間には、反応管６の下部より上部の内壁にウェーハ７の積載方向に沿って、バッファ室１７が設けられ、そのバッファ室１７のウェーハ７と隣接する壁の端部にはガス供給口としてのバッファ室孔３が設けられている。このバッファ室孔３は反応管６の中心へ向けて開口している。
そしてバッファ室１７内のバッファ室孔３が設けられた端部と反対側の端部には、ガス導入部に設けられたガスノズル２が、やはり反応管６の下部より上部にわたりウェーハ７の積載方向に沿って配設されている。そしてガスノズル２には複数のガスノズル孔４が設けられている。

一方、図２（ｂ）に示すように、反応管６は、その外周をヒータ１６で覆われている。そして反応管６は、炉口フランジ２５の上に支持され、炉口フランジ２５の炉口は炉口キャップ２７により密閉される。

反応管６内の中央部には複数枚のウェーハ７を多段に同一間隔で載置するボート８が設けられており、このボート８は上述したボートエレベータ機構により反応管６に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート８の下部にはボート８を回転するための回転機構１５が設けてある。

ボート８が反応管６内に入り、ウェーハ７に成膜処理がおこなわれる際、多段に載置された状態の各ウェーハ７は、バッファ室１７と等距離をもって載置された状態となる。

反応管６の内壁に沿ってバッファ室１７が設けられ、バッファ室１７の内部にはガスノズル２が反応管６側面の下部より上部にわたって配設されており、下部ではガス導入口５となる。

ガスノズル２とバッファ室１７には、上述したガスノズル孔とバッファ室孔とが設けられているが、この孔の開口状態の例を図３により説明する。
図３（ａ）は、図２に示されたガスノズルの斜視図であり、（ｂ）は、同じく図２に示されたバッファ室の斜視図である。
図３（ａ）に示すガスノズル２は、断面が円形のパイプでその側面には、そのガスノズル２のほぼ最上部より、バッファ室１７の底部に至る位置にまでガスノズル孔４が、ガス流の上流側より下流側へ向けて直線的に並んで設けられ、且つその開口面積は、前記ガス導入口から見て上流側（図３においては下方）より下流側（図３においては上方）に向かって大きくなっている。
図３（ｂ）に示すバッファ室１７は、断面が円弧状を有するパイプで、その内側の曲面の端部には、同じ開口面積を有するバッファ室孔３が、ウェーハ７の積載方向に沿って直線的に並んで設けられている。

ここで再び、図２（ｂ）に戻る。
反応管６下部の側面には、図示していない排気ポンプに連なる排気口１８が設けられている。

ここで、反応管６内における、ウェーハ７へのＣＶＤ法による成膜プロセスについて図２（ａ）（ｂ）を参照しながら説明する。

成膜の原料となる処理用のガスは、ガス導入口５よりガスノズル２へ供給される。ガスノズル２には、上述した複数のガスノズル孔４が設けられ、バッファ室１７内にガスを噴出する。しかし前駆的な解決策として説明したように、ガスノズル孔４の開口面積の制御のみでは、複数のガスノズル孔４より噴出するガスの流量と流速とを同一にすることは困難である。

そこで、本発明においては、ガスノズル孔４の開口面積を下流から上流にかけて大きくすることで、まず、各ガスノズル孔４よりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこの各ガスノズル孔４から噴出するガスを反応管６内に噴出するのではなく、バッファ室１７内に噴出させて一旦導入し、前記ガスの流速差の均一化をおこなうこととした。
すなわち、バッファ室１７内において、各ガスノズル孔４より噴出したガスはバッファ室１７の内部で各ガスの粒子速度が緩和された後、バッファ室孔３より反応管６内に噴出する。この間に、各ガスノズル孔４よりより噴出したガスは、互いの運動エネルギーを交換するので、各バッファ室孔３より噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができた。

上述したバッファ室１７における、ガス供給量の均一化に関し、図１を用いてさらに説明する。
図１は、本発明にかかる縦型の基板処理装置の反応管内部における、ガスノズルと、バッファ室と、ウェーハとの関係を示した模式的な断面図である。
図１において、反応管６内には、バッファ室１７が設けられ、バッファ室１７の内部にはガスノズル２が配設され、さらに反応管６内のガスを室外に排気する排気口１８が設けられている。
さらに反応管６内には、バッファ室１７に隣接して、ウェーハ７を載置した（図１においては、５枚載置している。）ボート８が設けられている。
ガスノズル２とバッファ室１７には、ガスノズル孔４とバッファ室孔３とが設けられており（図１においては、各々５個設けられている。）、ガスノズル孔４の開口面積は、各ガスノズル孔４からのガスの噴出量が同量となるように、ガス導入口５から見て上流側が小さく、下流側に向かって大きくなっている。

この構成により、ガスノズル２において導入口５に近い上流から、遠い下流へ向かって１番目、２番目…５番目とし、各々のガスノズル孔４より供給されるガス流量を、Ｑ１、Ｑ２…Ｑ５としたとき、Ｑ１＝Ｑ２＝…＝Ｑ５とすることができる。
しかし、前駆的な解決策にて説明したようにガスの流速においては、１番目のガスノズル孔４からのガスが最も速く、以降、２番目、３番目と次第に遅くなってゆく。
流量は同量だが流速は異なるＱ１〜Ｑ５のガス流は、バッファ室１７内に一旦導入される。この間にＱ１〜Ｑ５のガス流は、運動のエネルギーの交換による流速差の均一化がおこなわれ、バッファ室１７内の圧力はほぼ均一になる。

この結果、各バッファ室孔３から噴出するガス流の流量をＲ１、Ｒ２…Ｒ５としたとき、各バッファ室孔３が同一の開口面積であっても、バッファ室１７内の圧力は均一であるため、Ｒ１＝Ｒ２＝…＝Ｒ５であるとともに、その流速も等しくなる。
さらに、バッファ室孔３の各開口位置を、それぞれ隣接するウェーハ７と同ピッチとし、さらに載置された各ウェーハ７間の間隔の部分にガスを供給するように設けることで、流速および流量が均一化されたガスを効率よくウェーハ７へ供給でき好ましい。
流速および流量が均一化されたガスが効率よくウェーハ７へ供給されることで、各ウェーハ７間の成膜状態は均一なものとなることに加え、ウェーハ７のプロセス処理の速度を大幅に向上できる。

尚、上述の説明において、ガスノズルと、バッファ室との構成についてＣＶＤ法を例として記載したが、これはＡＬＤ法においても同様に適用できる構成である。

２）成膜処理プロセスにＡＬＤ法を用いた実施の形態
成膜をＡＬＤ法でおこなう実施の形態について、ＣＶＤ法の場合より、さらに具体的に説明する。

ＡＬＤ法によりウェーハ７へ成膜する際も、上述した縦型の基板処理装置を用いることができる。但し、ＡＬＤ法の場合、処理用のガスをプラズマ等により活性化することが求められる場合は、この過程に必要な装置および操作が加わることとなる。
以下、図５、図６を用いて、成膜がＡＬＤ法でおこなわれる場合について説明する。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、ＡＬＤ法による成膜の際に用いられる、本発明にかかる縦型の基板処理装置における反応室である反応管の外観および内部を異なる側面より示した図であり、図６は、そのＡ−Ａ横断面図である。
尚、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）において、（ａ）は反応室の外観を示し、（ｂ）（ｃ）は反応室の縦断面を示し、ヒータ、ウェーハ、ボート、反応管と炉口フランジとの接合部、ボート回転機構は省略してある。

図６において、反応管６の外周には、ヒータ１６が設けられ、内側には、複数枚の処理対象の基板としてウェーハ７が積層して載置されている。さらに反応管６の内壁とウェーハ７との間における円弧状の空間には、反応管６の内壁へウェーハ７の積載方向に沿って、バッファ室１７が設けられ、そのウェーハと隣接する壁の端部にはバッファ室孔３が設けられている。
また、反応管６の下部には排気口１８が設けられている。

ここで、図２（ａ）において説明した反応管においては、バッファ室内のバッファ室孔が設けられた端部と反対側の端部にはガスノズルが配設されていたが、本実施の形態にかかる反応管においては、ガスノズルの替わりにガス供給室４３がガス導入部として配設され、その下部にはガス導入口５が設けられている。
そして、ガス供給室４３とバッファ室１７との隔壁には、上述したガスノズルに設けられていたガスノズル孔と同様の構成を有するガス供給室孔４７が設けられており、バッファ室１７に設けられた各バッファ室孔３の開口位置を、それぞれ隣接するウェーハ７と同ピッチにて設置している。
この結果、「１）成膜処理プロセスにＣＶＤ法を用いた実施の形態」にて説明したのと同様に、ガス導入部からガスが一旦導入されて、積載された各ウェーハ７へガスを均一に供給することができる。

さらに本実施の形態においては、バッファ室１７内に、電極５２が上部より下部にわたって電極保護管５０に保護されて配設され、この電極５２はＲＦマッチングユニット５３を介して高周波電源５１に接続されている。この結果、電極５２はバッファ室１７内において、プラズマ１４を発生させることができる。

さらに加えて、本実施の形態においては、バッファ室孔３の開口位置より、反応管６の内周を１２０°程度回った内壁に反応ガスバッファ室４２が設けられている。この反応ガスバッファ室４２は、ＡＬＤ法による成膜においてウェーハ７へ、複数種類のガスを1種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室１７とガス供給種を分担するものである。
この反応ガスバッファ室４２も、バッファ室１７と同様にウェーハと隣接する位置に同一ピッチで反応ガスバッファ室孔４８を有し、下部には反応ガス導入口４５を有している。しかし、バッファ室１７と異なりガス供給室４３と電極５２を有さず、さらに反応ガスバッファ室孔４８は、開口面積が上流側から下流に向かうに従って大きくなる構成を有している。

反応管６の下部には排気口１８が設けられているが、上述したＡＬＤ法による成膜において、ウェーハ７へ、複数種類のガスを1種類ずつ交互に供給する際、この排気口１８は、反応管６より内部の気体を排気できる構造となっている。

図５（ａ）は、バッファ室１７が正面となる方向より見た場合における、反応管６の外観および内部（破線で示している。）である。
反応管６内には、上部より下部にわたってバッファ室１７が設けられ、バッファ室１７に隣接してガス供給室４３が設けられている。そしてバッファ室１７内には、上部より下部にわたって電極保護管５０に覆われた電極５２が配設され、ガス供給室４３の下部にはガス導入口５が設けられている。

この電極保護管５０は、細長い構造を有する電極５２をバッファ室１７の雰囲気と隔離した状態で、バッファ室１７内へ挿入できる構造となっている。ここで電極保護管５０の内部は外気（大気）と同一雰囲気であるため、電極保護管５０に挿入された電極５２は、図示していないヒータの加熱で酸化される。このため電極保護管５０の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えるための、不活性ガスパージ機構が設けてある。

このバッファ室１７より、反応管６の内壁を回ったところに、同じく上部より下部にわたって反応ガスバッファ室４２が設けられ、その下部には反応ガス導入口４５が設けられている。
またバッファ室１７より、反応ガスバッファ室４２と反対の方向へ反応管６の内壁を回ったところの下部に排気口１８が設けられている。

図５（ｂ）は、バッファ室孔３および反応ガスバッファ室孔４８が正面となる方向より見た場合における、反応管６の内部である。
反応管６内には、上部より下部にわたってバッファ室１７と、それに隣接するガス供給室４３が設けられており、バッファ室１７内には、上部より下部にわたって、図示していないウェーハと隣接する位置に、同一の開口面積を有するバッファ室孔３が同ピッチで設けられている。尚、バッファ室孔３は、同一の厚みのバッファ室１７の壁に同一の開口面積を有している。

このバッファ室１７より、反応管６の内壁を回ったところに、同じく上部より下部にわたって反応ガスバッファ室４２が設けられている。そして反応ガスバッファ室４２内には、上部より下部にわたって、図示していないウェーハと隣接する位置に同一ピッチで反応ガスバッファ室孔４８が設けられている。尚、反応ガスバッファ室孔４８の開口面積は、上流側より下流側、図５では下から上に向かうに従って大きくなる構成を有している。

図５（ｃ）は、ガス供給室４３に設けられたガス供給室孔４７が、正面に現れるよう反応管６を縦断した縦断面である。
反応管６内には、上部より下部にわたって、バッファ室１７に隣接してガス供給室４３が設けられている。そしてバッファ室１７とガス供給室４３との隔壁には、上部より、図示していないウェーハと隣接する位置よりもさらに下部にわたってガス供給室孔４７が設けられている。ガス供給室孔４７がバッファ室１７の最下端まで開口してある理由は、バッファ室１７の中にガスの淀み部を生じさせないためである。
尚、ガス供給室孔４７の開口面積は、図３（ａ）にて説明したガスノズルに設けられたガスノズル孔と同様に、ガス流の上流側より下流に向かうに従って大きくなる構成を有している。

ここで、反応管６内におけるウェーハ７へのＡＬＤ法による成膜について図５、図６を参照しながら説明する。
尚、本成膜例においては、処理用のガスとしてアンモニア（ＮＨ3）の活性種とジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）とを交互に供給し、原子層成膜法によつてＳｉＮｘ膜（窒化シリコン膜）を形成する方法について説明する。

反応管６に１００枚のウェーハ７を装填し、反応管６内部を気密状態として保持する。反応管６内部を排気管１８を介して、図示しないポンプで排気し、ヒータ１６の温度調節により、３００〜６００℃の範囲で一定の温度に保持する。

アンモニアをガス導入口５からガス供給室４３へ供給開始する。
ガス供給室４３に設けられたガス供給室孔４７は、ここからバッファ室１７に噴出するアンモニアの流量が同量となるように、ガス流の上流側より下流側に向かって開口面積が徐々に大きくなるように設けられている。
従って、ガス供給室孔４７を通過してバッファ室１７に噴出するアンモニアは、流速において、上流側で速く下流側で遅くなるが、流量においては、全てのガス供給室孔４７において同一となる。
このバッファ室１７に噴出したアンモニアは、ここに一旦導入され、互いの運動エネルギーの交換により流速の差が均一化され、バッファ室１７の内部の圧力は均一になる。

アンモニアがバッファ室１７に導入され、１対の電極保護管の間の空間の圧力が均一になった状態で、バッファ室１７内に設けられた２本の電極保護管５０に挿入された棒状の電極５２へ、高周波電源５１からの高周波電力を、ＲＦマッチクグユニット５３を介して供給すると、電極保護管５０の間にプラズマ１４が生成される。
そしてバッファ室１７内において、アンモニアをプラズマ化することによりアンモニアの活性種が生成される。またこの時、バッファ室１７内の圧力が均一な状態でプラズマが生成されるため、活性種の生成に影響のあるプラズマの電子温度やプラズマ密度の分布も均一になるため、より均一な状態の活性種が生成できる。
プラズマ等の作用で生成された活性種には寿命があり、プラズマ生成部とウェーハ７との距離が離れていると、ウェーハ７に供給される前に失活し、ウェーハ７上で反応に寄与する活性種の量が著しく減少してしまうため、プラズマの生成はウェーハ７の近傍でおこなうのが望ましい。
この構成によれば、バッファ室１７内というウェーハ７の近傍でアンモニアの活性種を生成するので、生成したアンモニアの大量の活性種を効率よくウェーハ７へ供給することができる。
尚、２本の電極保護管５０の間隔は、プラズマ１４の生成がバッファ室１７の内部に限定されるように、適切な距離に設定することが好ましく好適には２０ｍｍ程度である。またプラズマ１４の生成はバッファ室１７のどこでも良いが、バッファ室１７に導入されたガスがプラズマ中を通過していくことが望ましく、好適にはバッファ室孔３とガス供給室孔４７の中間に位置するように設けると良い。

さらに、バッファ室１７内部に生成されたプラズマ１４が拡散してバッファ室１７の室外に漏れることのないよう、電極保護管５０とバッファ室孔３との距離は適切な間隔に調整してある。
この結果、バッファ室孔３からウェーハ７に供給されるのは電気的に中性なアンモニアの活性種のみとなり、ウェーハ７のチャージアップによるダメージを回避できる。

上述したようにバッファ室１７に設けられたバッファ室孔３は、全て同一開口面積であるため、ウェーハ７ヘ供給されるアンモニアの活性種は、均一な流量、且つ均一な流速で供給されるため、各ウェーハ７に対して均一な成膜処理が行われる。
さらに、バッファ室孔３は、多段に載置されたウェーハ７の間隔の中間に位置するよう設けてあるので、処理用のガスは、積載された各ウェーハ７へ充分に供給される。

尚、異なる種類の処理用ガスを交互に供給して極薄膜を１層ずつ形成するＡＬＤ法においては、反応管６内部の圧力や温度を適宜に設定することで、このアンモニアの活性種の供給によるＮ原子を含んだ極薄膜が１層分形成されるとリミットがかかり、それ以上、膜厚は増加しない。

ウェーハ７の全面にＮ原子を含んだ極薄膜が形成されたら、電極５２に印加していたＲＦ電力を切り、アンモニアの供給も停止する。

次に、Ｎ2やＡｒなどの不活性ガスにより反応管６内部をパージしながら、これらのガスを排気口１８より排気する。そして、反応管６内におけるアンモニアの活性種の濃度が充分下がった時点で、前記不活性ガスの供給を停止し、反応ガス導入口４５から反応ガスバッファ室４２へジクロルシランを導入する。

反応ガスバッファ室４２には、反応ガス導入口４５の上流より下流に向かって開口面積が徐々に大きくなる反応ガスバッファ室孔４８が反応管６の中心に向けて設けられている。この結果、反応ガスバッファ室孔４８よりウェーハに供給されるジクロルシランは、流速は異なるが、流量は同一の流れとなって、反応管６内へ噴出する。

もちろん、ジクロルシランの供給も反応ガスバッファ室４２の替わりに、アンモニアの供給に用いたのと同様のガス供給室４３とこれに隣接したしたバッファ室１７を、もう一組、反応管６内に設置し、ここに設けられたバッファ室孔３よりジクロルシランを供給することとすれば、流量も流速も均一にすることができ好ましい。
しかし、本実施の形態において、ジクロルシランの供給は、ガス供給室４３とバッファ室１７の組合わせよりも簡易的な、反応ガスバッファ室４２を用いて、ガス流量を等しくすれば、ウェーハ７において充分均一な成膜処理が可能である。

ウェーハ７表面にＳｉを含んだ粒子が極薄膜状に吸着したら、ジクロルシランの供給を停止する。そして、Ｎ2やＡｒなどの不活性ガスで反応管６内部をパージした後、これらのガスを排気口１８より排気し、反応管６内のジクロルシランの濃度が充分に下がった時点で、不活性ガスの供給を停止する。

この一連のプロセスにより、約１ÅのＳｉＮｘ膜が形成できる。そこで例えば、ウェーハ７上に５００ÅのＳｉＮｘ膜を形成する場合は、上記プロセスを約５００回繰り返す。

尚、ウェーハ７を載置した図示していないボートを、一定速度で回転させることで、ウェーハ７の一方の横部よりガスを供給しても、ウェーハ７の全面にわたって、より均一な成膜処理が実現される。本実施の形態例において、この回転速度は１〜１０ｒｐｍあれば十分である。
因みに、ボートを回転させない場合、ウェーハ７の膜厚の均一性は±５％程度であるが、ボートを回転した場合は＜±１％となった。

３）成膜処理プロセスにＡＬＤ法を用いた異なる実施の形態
図７は、本発明の異なる実施の形態例に係る縦型の基板処理装置の反応管の横断面図である。
図７に示す反応管６は、図６に示す反応管６と同様の構造を有しているが、図６においては、バッファ室１７内にプラズマ発生用電極を配設していたのに対し、図７においては、ガスを活性化するための紫外線ランプ５４と、紫外線がバッファ室１７の外に照射されるのを防ぐための反射板５８を組み合わせて設けてある。
ランプ５４の光のエネルギーにより反応性ガスを活性化する。
以上の構成を有するバッファ室１７内で活性種化された処理用のガスは、バッファ室孔３よりウェーハ７へ向かって噴出し、上述したＡＬＤ法によりウェーハ７上に成膜がおこなわれる。

図８も、本発明の異なる実施の形態例に係る縦型の基板処理装置の反応管の横断面図である。
図８に示す反応管６は、図７に示す反応管６と同様の構造を有しているが、図７においては、反応性ガスを光のエネルギーで活性化するが、本実施では適宜な電気抵抗値を有する発熱線（以下、ホットワイヤーと記載する。）５５を電源５７で１６００℃以上に加熱し、該ホットワイヤーに触れたガスを活性化するものである。
この適宜な電気抵抗値を有し活性種を発生するホットワイヤー５５としては、０．５ｍｍ程度のＷ（タングステン）のワイヤー等が好個に適用できる。
このホットワイヤー５５を、電源５７の電力により１６００℃以上に加熱し、これと接触した処理用ガスの熱エネルギーで活性化するものである。
以上の構成を有するバッファ室１７内で活性化された処理用のガスは、バッファ室孔３よりウェーハ７へ向かって噴出し、上述したＡＬＤ法によりウェーハ７上に成膜がおこなわれる。

図９も、本発明の異なる実施の形態例に係る縦型の基板処理装置の反応管の横断面図である。
図９に示す反応管６は、図６に示す反応管６と同様の構造を有しているが、図６においては、バッファ室１７内にプラズマ発生用電極を配設していたのに対し、図９においては、処理用のガスが反応管６内に導入されるガス導入口５のさらに上流側のガス流路にリモートプラズマユニット５６を配設し、ここを通過するガスにプラズマを生成する構成としたものである。

リモートプラズマユニット５６を通過する処理用のガスは、ここでプラズマと反応して活性種化し、この活性種化したガスをガス導入口５より反応管６内へ入りガス供給室４３を経由してバッファ室１７へ供給され、さらに、このバッファ室１７に設けられたバッファ室孔３より均一なガスとしてウェーハ７へ供給される。そして上述したＡＬＤ法によりウェーハ７上に成膜がおこなわれる。
ここでリモートプラズマユニット５６として、ＩＣＰコイル等が好個に用いられる。
この構成によれば、図６の装置と比べて、ウェーハに供給される活性種の量が減り処理効率が落ちるが、処理効率が落ちても構わない場合に用いられる.

積層された基板へ処理用のガスを供給してこれを処理する際、ガス導入部から導入される処理用のガスを複数のガス供給口から供給するようにしたバッファ室を設けたことでガスの流速を均一化し、前記積層された基板に対してガスを均一に供給することができる。

本発明にかかる基板処理装置の反応管内部の模式的な断面図である。 本発明にかかる基板処理装置の反応管の模式的な横断面図である。 本発明にかかるガスノズルとバッファ室との斜視図である。 本発明にかかる縦型の基板処理装置の機構概要図である。 本発明にかかる基板処理装置の反応管の外観および内部を示す図である。 図５のＡ−Ａ横断面図である。 異なる実施の形態例に係る基板処理装置の反応管の横断面図である。 同 上 同 上 従来の技術にかかる基板処理装置の反応管内部の模式的な断面図である。

符号の説明

２．ガスノズル
３．バッファ室孔
４．ガスノズル孔
５．ガス導入口
６．反応管
７．ウェーハ
８．ボート
１８．排気口
Ｑ1〜4．ガスノズル孔より噴出するガスの流量
Ｒ1〜4．バッファ室孔より噴出するガスの流量

Claims (1)

1. 積層配置された基板を収納する反応室と、
   前記反応室に基板の積層配置方向に沿って設けられた、基板処理用のガスを導入するためのガス導入部と、
   基板の積層配置方向に沿って設けられた複数のガス供給口を有し、前記ガス導入部から導入される処理用ガスを前記複数のガス供給口から供給するようにしたバッファ室とを備えたことを特徴とする基板処埋装置。

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