JP2005150363A

JP2005150363A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2005150363A
Application number: JP2003385307A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sasaki; 伸也佐々木; Hajime Karasawa; 元柄澤; Yoshiro Hirose; 義朗広瀬
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: JP4305754B2

Abstract

【課題】基板処理前に反応炉内の熱取りを効果的に行うことによって、生産性を向上する。
【解決手段】主制御部２４９によりウェハ搬送ロボット１１２を次のように制御する。製品ウェハを処理する前に、矢印ｄに示すように、ＣＳ１に予め保管したＣＳダミー基板を搬出し、ＰＭ１内に搬入する。ＰＭ１内の熱を取るために、化学的処理を施すことなく、所定時間ＣＳダミー基板をＰＭ１内に滞在させる。ＰＭ１の熱取りを終了したＣＳダミー基板を、矢印ｅに示すように、ＰＭ１から搬出して、ＣＳ１に戻す。ＣＭ１のカセットから二枚の製品ウェハを搬出し、ＴＭを介してＰＭ１内に搬入する。ＰＭ１のガス制御系と真空排気系とを制御して、ＰＭ１内に反応性ガスを供給しつつ排気して、製品ウェハ上に薄膜を形成する。成膜後の製品ウェハをＰＭ１から搬出して、ＴＭを介してＣＳ１に搬入する。冷却した後、製品ウェハをＣＳ１からＣＭ１のカセットに収納する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応炉で基板を処理して半導体装置を製造する方法に係り、特に反応炉温度の安定化を図る半導体装置の製造方法に関する。

一般に、所定の温度に加熱された反応炉において、一枚もしくは複数枚の基板を、連続的に搬送してバッチ処理することが行われている。反応炉は基板によって冷却されるため、基板を短い間隔で連続処理する場合、反応炉の温度が回復しないうちに、次のバッチ処理が行なわれることになる。したがって、基板処理が進むにつれ、反応炉温度は待機状態（アイドル時）より低い温度になる。その結果、一バッチ目の処理と数バッチ目の処理とでは、基板処理時の膜厚が異なっていた。

これを枚葉ＣＶＤ装置について具体的に説明する。図６は、一枚もしくは二枚のウェハを処理するホットウォール式枚葉ＣＶＤ装置の概略構成と、ウェハ処理するためのウェハ搬送経路とを示している。
カセットにセットされたウェハは、矢印ａに示すように、第１のカセットモジュール（以下、単にＣＭ１という）からトランスファーモジュール（以下、単にＴＭという）を経て、第１のプロセスモジュール（以下、単にＰＭ１という）へ搬送される。ＰＭ１にてウェハ上に薄膜、例えばＴａ₂Ｏ₅膜が成膜処理される。ウェハは、成膜後矢印ｂに示すように、ＰＭ１から第１のクーリングステージ（以下、単にＣＳ１）へ搬送される。ウェハはＣＳ１で冷却された後、矢印ｃに示すように、ＣＳ１からＣＭ１へ搬送される。
このような一連の搬送（ａ）→成膜処理→搬送（ｂ、ｃ）を繰り返すことにより、一枚もしくは二枚のウェハが連続処理される。
上記成膜処理において、ウェハがＰＭ１へ搬送されると、ＰＭ１はウェハによって冷却される。このため、ＰＭ１の温度が低下するが、ＰＭ１の温度回復には時間がかかる。ウェハを１０分程度の短い間隔で連続処理する場合、ＰＭ１の温度が回復しないうちに、次のバッチ処理が行なわれることになる。したがって、ウェハ処理が進むにつれ、ＰＭ１の温度はアイドル時より低い温度に推移しながら安定化していく。その結果、一バッチ目の処理と数バッチ目の処理とでは、ＰＭ１の温度が異なり、ウェハ処理時のＴａ₂Ｏ₅膜の膜厚が異なる。特に反応炉がホットウォール式反応炉であると、炉内温度がウェハの影響を受けやすいため、バッチ間の膜厚差が大きい。

そこで、バッチ間の膜厚差を解消する必要があるが、そのためには、まず、ホットウォール式の反応炉内の温度が、ウェハ処理が進むにつれ、どのようにアイドル時より低い温度に推移していくのかを監視する必要がある。図７は、そのための反応炉の温度を監視するプロファイルＴＣ（熱電対）２１１を挿入したＰＭ１を例にとったホットウォール式の反応炉の構成図である。なお、プロファイルＴＣは、プロセス評価時、ハード評価時、メンテナンス時に挿入するものであり、実機の成膜時等では、通常挿入しない。
ホットウォール式の反応炉は、反応室２０１を内部に構成する石英反応管２０３、反応管２０３を加熱する抵抗加熱ヒータ２０７で構成されている。抵抗加熱ヒータ２０７には、プロファイルＴＣ２１１とは別にヒータ制御用のＴＣ（図示せず）が設けられ、このヒータ制御用のＴＣで検出されたヒータ温度をフィードバック制御することによって、反応室２０１内は一定温度に保たれている。

反応管２０３の右側に配置されたＴＭから搬送されたウェハは石英製のウェハ支持板２１７上にセッティングされ、ウェハは主にヒータ２０７や、ヒータ２０７によって加熱された石英反応管２０３からの輻射で加熱される。反応室２０１の温度変化は反応室２０１に挿入されたプロファイルＴＣ２１１の温度推移から予想できる。

プロファイルＴＣ２１１の温度は、ウェハ挿入時には反応管２０３とウェハの温度を反映した温度を示す。ウェハをＰＭｌへ連続的に搬送したときの反応炉内温度推移を図８に示す。基板昇温パターンとしての温度リカバリ特性は、１バッチ目から６バッチ目にわたってアイドル時より低い温度に推移していき、６バッチ目あたりからを除いて、一致することはない。なお、タクトタイム、すなわち、先バッチ目のウェハ処理開始から後バッチ目のウェハ処理開始までの時間間隔は１２分である。

プロファイルＴＣ２１１の温度は、アイドル時には設定温度４５０℃で安定しているが、常温のウェハが搬送された直後（２分前後）は、約１３℃低下（約４３７℃）していることがわかる。その後、ウェハが加熱されるに従い、プロファイルＴＣ２１１による検出温度も回復し、３分付近以降から反応炉内温度（プロファイルＴＣ温度）は徐々に設定温度４５０℃に近づく。５分以降はプロファイルＴＣ温度の変化が約１℃／分と小さく、ウェハ温度も比較的安定している。

そこで、反応炉内温度が設定温度に回復しない５分以降から気相化学的処理（ＣＶＤ処理）による成膜を開始している。しかし、１０分後もプロファイルＴＣ温度は回復しない。これは反応管２０３の熱容量が大きいため、ヒータ制御用のＴＣの熱応答性が悪く、反応管内面の温度回復に時間がかかるためである。このような傾向は、ホットウォール式のようにチャンバ（反応管）の熱容量が大きく、熱応答性が鈍い場合に起こりやすい。

したがって、アイドル時の温度が回復しないまま、次ウェハを反応室２０１に搬送することになる。このような状態でウェハの連続処理を行った場合、ウェハを搬送するにしたがい、反応管温度は低下する。そして、図８に示すように、３〜４バッチ目のウェハを処理したところで、反応炉温度はアイドル時の温度よりもやや低い温度で安定する。このように反応炉内温度を監視することにより、反応炉内温度は、ウェハ処理が進むにつれ、アイドル時より低い温度に推移して、安定することがわかる。

このときの膜厚推移を図９に示す。１バッチ目の膜厚が１０３．１Åであるが、バッチ処理が進むにつれ反応炉の温度が低下するため膜厚が薄くなる。そして、３〜４バッチ目以降から膜厚が９６〜９７Åで安定になる。

このため、ウェハを連続処理する場合、バッチ間の膜厚差を解消するためには、連続処理前に、反応炉内の温度を安定化させる必要がある。そこで、従来は、最初の２〜３バッチは、先行ウェハを使用し、その後、はじめて製品ウェハを処理するようにしていた。すなわち、最初の２〜３バッチは、ダミーウェハを使って製品ウェハと全く同じ条件で化学的処理を施し、反応炉温度がアイドル時の温度よりもやや低い温度で安定したところで、初めて製品ウェハを連続処理するようにしていた。
また、ダミーウェハのウェハ搬送経路は、図６に示す製品ウェハと同様に、ＣＭ１からＰＭ１へ搬送し、成膜処理した後、ＣＳ１を経てＣＭ１へ搬送していた。さらに、ダミーウェハによる最初の２〜３バッチのタクトタイムも、製品ウェハと同じとしていた。

上述したように、従来の半導体装置の製造方法では、被処理基板の処理前に、反応炉温度を安定化させるために、ダミー基板を使って被処理基板と全く同じ条件で処理しているので、生産性が悪かった。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消し、ダミー基板を使っていながら、生産性の向上を図ることが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。

第１の発明は、反応炉にダミー基板を搬入する工程と、前記ダミー基板を化学的な処理を施すことなく前記反応炉に滞在させる工程と、前記ダミー基板を反応炉から搬出する工程と、前記ダミー基板を搬出した後に反応炉に被処理基板を搬入する工程と、前記被処理基板を反応炉で処理する工程と、処理後の被処理基板を反応炉から搬出する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。

第１の発明では、被処理基板を反応炉内で処理する前に、ダミー基板を反応炉に入れて滞在させるので、アイドル時の反応炉の温度が設定温度であり、ダミー基板温度が反応炉温度よりも温度が低いと、ダミー基板による反応炉の熱取りが行なわれる。反応炉の熱取り量は、反応炉に滞在させるダミー基板の温度に応じて変わってくる。ダミー基板が適切な温度になっていれば、この熱取りにより反応炉温度が低下して安定する。なお、ダミー基板を反応炉内に滞在させる場合の反応炉内の圧力は特に限定されない。反応炉の熱取りを行い、反応炉温度を所望する温度にすることが可能であれば、いずれの圧力、雰囲気であってもよい。このように第１の発明によれば、温度の安定した反応炉で被処理基板を安定に処理することができる。

また、第１の発明において、ダミー基板を反応炉に滞在させる工程では、ダミー基板に化学的な処理を施さない。ここで化学的な処理とは、反応性ガスを流して被処理基板に成膜等を行なうことである。ダミー基板に化学的な処理を施さなくても、反応炉の熱取りを有効に行うことができる。化学的な処理は、反応炉温度を所望する温度にすることには影響しないと考えられる。もし、化学的な処理により極端な発熱反応が起きるのであれば、被処理基板を連続処理したときに、バッチが進むに従い反応炉温度が低下するというような現象は起きないはずだからである。
第１の発明のようにダミー基板に化学的な処理を施さないで済むと、化学的な処理を施す場合に比して、生産性が向上する。特に、ダミー基板を１バッチだけ滞在させて反応炉の熱取りを行う場合には、従来のように被処理基板に先行して２〜３バッチ処理する場合に比して、生産性がより向上する。

第２の発明は、第１の発明において、前記ダミー基板は冷却室にて保管され、使用する際は冷却室から搬送室を介して反応炉へ搬送され、使用後は反応炉から搬送室を介して冷却室に搬送されることを特徴とする半導体装置の製造方法である。

処理後の被処理基板を冷却する冷却室を使って、ダミー基板を保管し、使用の際は、冷却室から搬送室へ搬送するようにするので、外部からダミー基板を搬入するものと比べて、ダミー基板の冷却、ダミー基板の反応炉に対する搬出入が容易である。また、ダミー基板は、化学的処理を施さず、しかも使用後も外部に搬出することなく冷却室に保管するので、必要に応じて、また何回でも繰り返し再利用することができ、生産性がより向上する。

第３の発明は、第１の発明において、前記ダミー基板を反応炉に滞在させる工程では、反応炉温度が待機状態（アイドル時）における反応炉温度よりも低い温度となるよう滞在させることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
ダミー基板を反応炉に滞在させる工程で、反応炉温度が待機状態における反応炉温度よりも低い温度となるよう滞在させると、反応炉の熱取りを有効に行うことができ、ダミー基板搬出後の被処理基板の処理工程を安定に行うことができる。
この場合、反応炉温度よりも温度の低いダミー基板を使えば、反応炉温度が待機状態における反応炉温度よりも低い温度となるよう滞在させることができる。

第４の発明は、第１の発明において、前記ダミー基板を反応炉に滞在させる工程では、被処理基板を連続処理したときに毎回略同じ基板昇温パターンとなるような温度となるまで滞在させることを特徴とする半導体装置の製造方法である。ここで、基板昇温パターンとは、反応炉に被処理基板を搬入したのち、反応炉で被処理基板が加熱されて処理温度にまで上昇していく温度パターンをいう。
反応炉の温度は被処理基板の搬入出で変化する。被処理基板を連続処理した場合に、バッチが進むに従い、反応炉温度が低下して安定する。これは、反応炉を構成する加熱機構の熱容量や加熱方式等が関係すると考えられる。第４の発明のように、被処理基板を処理する前に、ダミー基板を反応炉に滞在させる工程で、被処理基板を連続処理したときに毎回略同じ基板昇温パターンとなるような温度となるまで滞在させるようにすると、被処理基板を連続処理しても、反応炉温度が毎回安定しているので、バッチ間膜厚のようなバッチ間処理量の均一性が向上する。
この場合、ダミー基板を反応炉に１回滞在させる工程で、被処理基板を２〜３バッチ処理する場合と等価な熱取りを行うように滞在させることにより、被処理基板を連続処理したときに毎回略同じ基板昇温パターンとなるような温度となるまで滞在させるようにすることができる。

第５の発明は、第１の発明において、前記処理とは有機原料を用いて、被処理基板上に金属酸化膜を形成する処理であることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
バッチ間膜厚均一性が向上するので、有機原料を用いて、被処理基板上に金属酸化膜を形成する処理に適用すると、膜厚の安定した金属酸化膜を形成することができる。

第６の発明は、第１の発明において、前記処理とはペンタエトキシタンタル（Ｔａ（ＯＣ₂Ｈ₅）₅：略称ＰＥＴａ）を用いて、被処理基板上に酸化タンタル膜（Ｔａ₂Ｏ₅）を形成する処理であることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
バッチ間膜厚均一性が向上するので、Ｔａ（ＯＣ₂Ｈ₅）₅を用いて、被処理基板上にＴａ₂Ｏ₅膜を形成する処理に適用すると、膜厚の安定したＴａ₂Ｏ₅膜が形成された半導体装置を製造することができる。

第７の発明は、第１の発明において、前記反応炉は、被処理基板を反応炉に搬入する前から反応炉温度を処理時と同等の温度となるよう維持するタイプの炉であることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
本発明は、特にこのようなタイプの炉、すなわち被処理基板を反応炉に搬入する前から反応炉温度を処理時と同等の温度となるよう維持するタイプの反応炉を用いて基板を連続処理する場合に、特に有効となる。

第８の発明は、第１の発明において、前記反応炉はホットウォール式の炉であることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
コールドウォール式に比べて、特に反応炉の温度低下が生じやすいホットウォール式の反応炉を用いて処理する場合に、温度の安定した反応炉で被処理基板を安定に処理することができるので、特に有効となる。

第９の発明は、反応ガスを供給可能な反応炉と、反応炉に対してダミー基板又は被処理基板を搬送する基板搬送手段と、前記反応炉に反応ガスを供給するガス制御系と、前記基板搬送手段及び前記ガス制御系を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、反応炉にダミー基板を搬入する工程と、ダミー基板を化学的な処理を施すことなく反応炉に滞在させる工程と、ダミー基板を反応炉から搬出する工程と、ダミー基板を搬出した後に反応炉に被処理基板を搬入する工程と、被処理基板を反応炉で処理する工程と、処理後の被処理基板を反応炉から取り出す工程と、を実行するよう前記基板搬送手段及び前記ガス制御系を制御するものであることを特徴とする基板処理装置である。
このような制御手段を設けると、第１の発明の半導体装置の製造方法を容易に実施できる。

本発明によれば、反応炉の熱取りにダミー基板を使っていながら、化学的処理を施さないので、生産性が向上する。

基板バッチ処理間の膜厚均一性を向上して生産性を向上するという目的を、反応炉内における被処理基板である製品ウェハの処理前に、冷却室内に用意したダミー基板を反応炉内へ搬送し、反応炉内の熱取りを行って反応炉内の温度の安定化を図ることにより、実現した。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図５は、本発明の半導体装置の製造方法を実施するための二枚葉基板処理装置を構成する反応炉の概略縦断面図である。この反応炉は、図１のＰＭ１、ＰＭ２に対応したホットウォール式の反応炉であって、所定の温度に加熱されて、ウェハを連続処理する。

石英製の反応容器としての反応管２０３は水平方向に扁平な空間を有しており、内部に基板としての半導体ウェハ（図示せず）を収容する。なお、反応容器は炭化珪素製、又はアルミナ製でもよい。反応管２０３内部には半導体ウェハを支持する支持具としてのウェハ支持板２１７が設けられ、反応管２０３の両端にはマニホールドとしてのガス導入フランジ２０９ａ、ガス導入フランジ２０９ｂが気密に設けられ、一方のガス導入フランジ２０９ａには更に仕切弁としてのゲートバルブ２４４を介して搬送室（図示せず）が連接されている。ガス導入フランジ２０９ａ、ガス導入フランジ２０９ｂにはそれぞれ供給管としてのガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂ、排気管としての排気ライン２３１ａ、２３１ｂが連通される。ガス導入ライン２３２ａ、２３２ｂには、反応管２０３内に導入するガスの流量を制御する流量制御手段２４１ａ，２４１ｂがそれぞれ設けられている。また、排気ライン２３１ａ、２３１ｂには、反応管２０３内の圧力を制御する圧力制御手段２４８ａ，２４８ｂがそれぞれ設けられている。
上述したガス導入フランジ２０９ａ，２０９ｂ、ガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂ、及び流量制御手段２４１ａ，２４１ｂからガス制御系が構成される。

反応管２０３の上下にはそれぞれ加熱手段としての上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂが設けられ、反応管２０３内部を均一にもしくは所定の温度勾配を生じさせて加熱するようになっている。また、上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂには、それぞれのヒータ温度を制御する温度制御手段２４７が接続されている。また上ヒータ２０７ａ、下ヒータ２０７ｂおよび反応管２０３を覆うように断熱部材としての断熱材２０８が設けられている。反応管２０３内の温度、反応管２０３内の圧力、反応管２０３内に供給するガスの流量は、それぞれ温度制御手段２４７、圧力制御手段２４８ａ、２４８ｂ、流量制御手段２４１ａ、２４１ｂにより、所定の温度、圧力、流量となるよう制御される。また、温度制御手段２４７、圧力制御手段２４８ａ、２４８ｂ、流量制御手段２４１ａ，２４１ｂは、主制御部２４９により制御される。

上述した反応管２０３、ヒータ２０７ａ，２０７ｂ、ガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂ、ガス導入フランジ２０９ａ、２０９ｂ、排気ライン２３１ａ、２３１ｂ等のうち、少なくとも反応管２０３、ヒータ２０７ａ、２０７ｂを含むものから、ウェハを処理する反応炉が構成される。

次に、半導体デバイスの製造工程の一工程として、上述した基板処理装置の反応炉を用いて半導体ウェハを処理する方法について説明する。

反応管２０３内の温度がヒータ２０７ａ，２０７ｂにより処理温度に維持された状態で、ゲートバルブ２４４が開かれ、ウェハ搬送ロボット（図示せず）によリ図中左方より反応管２０３内に半導体ウェハが搬入され、ウェハ支持板２１７に載置される。本例ではウェハ支持板２１７には二枚のウェハ（図示せず）が載置され、二枚のウェハが同時に処理される。なお、同時に処理する二枚のウェハの熱履歴を等しくするためにウェハは二枚同時に反応管２０３内に搬送される。ウェハが反応管２０３内に搬入されると同時にウェハの処理温度までの昇温が開始される。

ウェハ搬送ロボットが後退してゲートバルブ２４４が閉じられた後、反応管２０３内の圧力は処理圧力となるよう圧力制御手段２４８ａ，２４８ｂにより制御され（圧力安定化）、反応管２０３内の温度はウェハ温度が処理温度となるよう温度制御手段２４７により制御される（温度安定化）。この反応管２０３内の圧力安定化、ウェハの温度安定化の際、反応管２０３内にはガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂより不活性ガスが導入されつつ排気ライン２３１ａ，２３１ｂより排気され、反応管２０３内は、不活性ガス雰囲気とされる。

反応管２０３内の圧力が処理圧力に安定化し、ウェハの温度が処理温度に安定化した後、反応管２０３内にガス導入ライン２３２ａ，２３２ｂより処理ガスが導入され、排気ライン２３１ａ，２３１ｂより排気されることにより、ウェハが処理される。この際、処理の均一性を確保するため、処理ガスは対角に向かって交互に流すのが好ましい。すなわち、例えば、まず処理ガスをガス導入ライン２３２ａから排気ライン２３１ｂに向かってウェハの表面に対して略水平な方向に流し、その後、それとは反対向きに、すなわちガス導入ライン２３２ｂから排気ライン２３１ａに向かってウェハの表面に対して略水平な方向に流し、所要時間毎に流れの向きを変更するのが好ましい。なお、処理の均一性が処理ガスの流れの向きに依存しないような場合は、処理ガスは一方向に向かって流れるようにしてもよい。すなわち、例えばガス導入ライン２３２ａから排気ライン２３１ｂに向かってウェハの表面に対して略水平な方向に、或はガス導入ライン２３２ｂから排気ライン２３１ａに向かってウェハの表面に対して略水平な方向に流れるようにしてもよい。

なお、本実施の形態の基板処理装置の反応炉にて基板を処理する際の処理条件としては、例えば、Ｔａ₂Ｏ₅膜を成膜する場合、処理温度４２０〜４７０℃、処理圧力２０〜５０Ｐａ、成膜原料ＰＥＴａ流量２．６〜１７．２ｓｃｃｍ、Ｏ₂流量０〜１０００ｓｃｃｍが例示される。

ウェハの処理が完了すると、反応管２０３内の残留ガスを除去するために、反応管２０３内には、ガス導入ライン２３２ａ、２３２ｂより不活性ガスが導入されつつ、排気ライン２３１ａ，２３１ｂより排気され、反応管内がパージされる。なお、ウェハ処理時の処理ガスの供給流量、ウェハ処理前または後の不活性ガスの供給流量は流量制御手段２４１ａ、２４１ｂにより制御される。

反応管２０３内のパージ後、反応管２０３内の圧力を圧力制御手段２４８ａ、２４８ｂにより、ウェハ搬送圧力となるよう調整する。反応管２０３内の圧力が搬送圧力となった後、ゲートバルブ２４４が開かれ、ウェハは、ウェハ搬送ロボットにより反応管２０３より搬送室へ搬出される。

なお、上述の圧力制御手段２４８ａ、２４８ｂによる反応管２０３内の圧力制御、温度制御手段２４７による反応管２０３内の温度制御、流量制御手段２４１ａ，２４１ｂによる反応管２０３内へのガス流量制御は、主制御部２４９が各制御手段を制御することにより行われる。

ところで、ホットウォール式の反応炉にあっては、前述したように、ウェハを処理する場合、３〜４バッチのウェハを成膜処理したところで、反応炉温度が安定するため、製品ウェハ処理前に、ダミー基板を用いて、製品ウェハと同様に、前述した処理条件で、２〜３バッチ成膜処理する必要がある。この場合、ダミー基板は、図６に示したウェハ搬送経路を取らなければならない上、反応炉でＣＶＤ処理による成膜を施されるので、生産性が悪かった。

そこで、実施の形態では、図１に示すように、ＣＳ１に予め用意されたダミー基板をＰＭ１へ搬送して、化学的処理を施すことなく、所定の時間、ＰＭ１に滞在させる。これによりＰＭ１の熱取りを行い、ＰＭ１温度を所望する温度にすることで、ウェハを１バッチ目から所望の温度にて所望の膜厚を成膜することができるようにしている。以下、詳細に説明する。

図１は基板処理装置の概略平面構成図である。中央に配置されたＴＭは、ウェハなどの基板を搬送するためのチャンバである。ＴＭの外周には、ウェハをセットするためのカセットを収納するカセットモジュールＣＭ１，ＣＭ２、ウェハを冷却する冷却室としてのクーリングステージＣＳ１、及び図５で説明したホットウォール式反応炉としてのＰＭ１、ＰＭ２が配置されている。ＰＭ１、ＰＭ２はそれぞれ一枚または二枚のウェハ２００を処理可能な反応炉である。ＣＳ１は、ウェハ三枚を保管可能に構成されている。三枚のうち、二枚は成膜対象となる製品ウェハであり、残りの一枚は熱取り用のダミー基板である。ＴＭの内部には、基板搬送装置としてのウェハ搬送ロボット１１２が、二枚のツィーザ１１３を有して、二枚のウェハ２００を同時に搬送することが可能なように設けられる。ウェハ搬送ロボット１１２はダミー基板、製品ウェハのいずれも搬送可能である。このウェハ搬送ロボット１１２により、ウェハ２００をＴＭを経由して、ＣＭ１からＰＭ１（あるいはＰＭ２）へ、ＰＭ１（あるいはＰＭ２）からＣＳ１、さらにＣＭ１（あるいはＣＭ２）へ搬送するようになっている。

ＴＭはゲートバルブを介してＰＭ１に接続されている。ＴＭとゲートバルブを介さないで接続されているＣＳ１は、ＰＭ１で加熱された基板の冷却、およびダミー基板の保管を目的として設けられている。

ここでＰＭ１又はＰＭ２は、図５で説明したように、反応ガスを供給可能且つ排気可能な反応炉で構成されている。また、ＰＭ１又はＰＭ２は、図１では省略しているが、反応室２０１の外周から反応室２０１内を加熱するヒータ（図５の２０７ａ、２０８ａ）が設けられる。また、ＰＭ１又はＰＭ２には、ＰＭ１又はＰＭ２へ導入する反応ガスの流量を制御する流量制御手段（図５の２４１ａ，２４１ｂ）と、ＰＭ１又はＰＭ２内の圧力を制御する圧力制御手段（図５の２４８ａ，２４８ｂ）が設けられている。主制御部２４９は、ＴＭとその周囲に設けられたチャンバとの間に設けたゲートバルブ（例えば図５の２４４）、ウェハ搬送ロボット１１２及びヒータ、流量制御手段、圧力制御手段を制御して、ダミー基板の搬入、搬出、製品基板の搬入、処理、搬出などの成膜を行うための一連の工程を実行する。

図１にダミー基板の搬送経路を矢印で示している。ウェハを三枚保管可能なＣＳ１にダミー基板（以下、ＣＳダミー基板という）を一枚用意して、何回でも再利用可能なように保管しておく。ＣＳダミー基板は、熱容量が大きい材料から構成され、例えば製品と同じシリコンウェハでもよいし、セラミックス基板又は石英基板、さらにはＳｉＣ基板でもよい。この場合、熱容量が大きすぎると、熱取りのための昇温に時間がかかりスループットが低下してしまう。ＣＳダミー基板の熱容量は、ＰＭ１の熱容量、設定温度、ゲートバルブの開時間、基板搬送スピード等の種々の要因で決定される。
また、ＣＳダミー基板の形状は、任意であるが、基板を大型化すると、昇温、降温に時間がかかるから余り好ましくなく、また搬送手段にも工夫を要することとなる。このためＣＳダミー基板の形状は製品ウェハと同じ形状であることが好ましい。
以下、ダミー基板による熱取り、及びその後に行うウェハへの成膜工程を説明する。

（１）主制御部２４９は、ＰＭ１とＴＭとの間に設けたゲートバルブ（図５の２４４）を開放し、ウェハ搬送ロボット１１２を制御して、ＣＳ１に予め保管されている１枚の常温のＣＳダミー基板を、ＣＳ１から搬出する。そして、図１の矢印ｄに示す搬送経路で、ＣＳ１からＴＭを経由し、アイドル時設定温度（４２０〜４７０℃）にあるＰＭ１内にＣＳダミーウェハを搬入する。
（２）主制御部２４９は、ウェハ搬送ロボットを待機位置に戻し、ゲートバルブ（図５の２４４）を閉じる。ＣＳダミー基板をＰＭ１内に所定時間滞在させて、ＰＭ１内の熱取りを行う。ここでは、ＣＳダミー基板に対して化学的な処理は施さず、単にＰＭ１内にＣＳダミー基板を放置するだけにする。この放置によって、ＰＭ１温度はアイドル時の設定温度より低い、所望する温度になる。なお、ＰＭ１には、反応ガスは流さないが、不活性ガスＮ₂を１０００ｓｃｃｍ流している。

ＣＳダミー基板の滞在時のＰＭ１圧力は、成膜時の圧力（２０〜５０Ｐａ）と同じにしている。しかし、ＰＭ１の熱取りを行ない、ＰＭ１温度を所望する温度にすることが可能であれば、特に圧力は成膜時の圧力に限定されない。
また、ＰＭ１でのＣＳダミー基板滞在時間は、ここでは５分とした。これは、ウェハを連続処理したときに、ＰＭ１の温度が安定になるように調整した時間である。ＣＳダミー基板の滞在時間は、ＰＭ１の熱容量、設定温度、ゲートバルブの開時間、基板搬送スピード等の種々の要因により決まる。滞在時間は、生産効率を考えた場合、熱取りをしない改善前よりも、生産効率がダウンするような長さになると、現実的ではない。例えば、滞在時間が約２４分以上となると、生産効率が悪化するので好ましくない。ただし、例外的に、ダミー基板をＣＭ１に用意できない場合や、他の温度調整方法がない場合には、ＣＳダミー基板のＰＭ１での滞在時間が２４分以上となっても、本発明は有用である。

（３）ＰＭ１の熱取りを終了した後、主制御部２４９はゲートバルブを開き、ウェハ搬送ロボット１１２を制御して、ＣＳダミー基板を、矢印ｅの搬送経路で、ＰＭ１から搬出して、ＣＳ１に搬入する。ＣＳダミー基板の温度は、ＣＳダミー基板をＰＭ１から搬出し、ＣＳ１へ搬入直後は経時変化し（少しずつ低下し）、数分後、所定の温度、例えば常温で安定になる。
具体的には、ＣＳ１でのＣＳダミー基板は約２００℃から常温まで冷却される。ＣＳダミー基板は、ＰＭ１→ＣＳ１の搬送過程で降温するが、その後さらにＣＳ１で放置することで常温となる。ＣＳダミー基板の温度が常温まで降温する時間（冷却効率）は、ＣＳダミー基板熱容量と、ＴＭとＣＳ１の圧力およびガス流量、ＣＳ１の冷却システムないし冷却方法等の要因で決まると考えられる。例えば、ＰＭ１からＣＳ１への搬送過時間を１分とすると、その間ＣＳダミー基板の温度は４５０℃から３００〜２００℃に降温する。ＣＳ１でＣＳダミー基板を４〜８分放置すると、ＣＳダミー基板温度は３００〜２００℃ から常温に降温すると考えられる。
（４）ダミー基板をＣＳ１に搬入して保管した後、主制御部２４９は、ウェハ搬送ロボット１１２を制御してＣＭ１のカセットから未処理の二枚の製品ウェハを搬出し、ＴＭを介してＰＭ１内に搬入する。
（５）そして、図５で説明したように、主制御部２４９は、ゲートバルブ２４４を閉じた後、ＰＭ１の流量制御手段と圧力制御手段とを制御して、ＰＭ１内に反応性ガスを供給しつつ排気させる。これにより製品ウェハ上に薄膜、例えばＴａ₂Ｏ₅膜を形成する。
（６）主制御部２４９は、ゲートバルブを開き、ウェハ搬送ロボット１１２を制御して、成膜後の製品ウェハをＰＭ１から搬出して、ＴＭを介してＣＳ１に搬入する。常温までに冷却した後、ウェハ搬送ロボット１１２を制御して、製品ウェハをＣＳ１からＣＭ１のカセットに収納する。
上記（４）から（６）を繰り返してウェハの連続処理を行う。この場合の製品ウェハの連続処理枚数は、クリーニングやメンテナンスを必要とするまでの処理枚数まで可能である。一連の成膜処理に要する時間は６分〜９分であり、そのうち、成膜時間は２分〜３分である。残りの４〜５分は、成膜後の後処理時間と基板の搬入出時間となる。なお、成膜時間が長くなる場合、ウェハ処理の時間間隔が長くなる。

上述した実施の形態による一連の処理における反応炉内の温度推移を図２に示す。この温度推移は、図７と同様に、ＰＭ１にプロファイルＴＣ２１１を挿入して測定することによって得ている。
図２に示すように、ＣＳダミー基板を挿入したときの反応炉内温度は、図８に示した従来例における１バッチ目の炉内プロファイル温度と略同じ昇温パターンとなっている。従来例と異なる点は、ダミー基板によるＰＭ１の熱取りを５分行い、５分経過後にダミー基板をＰＭ１から取り出している点である。また、ダミー基板を搬出した後、ＰＭ１でウェハを連続処理したときの温度リカバリ特性は、図８の従来例と異なり、１バッチ目から５バッチ目にわたってほとんど一致していることがわかる。このことから、ＰＭ１温度は、ＣＳダミー基板で熱取りをすることによって、製品ウェハ１バッチ目から安定させることができることが分かる。

また、このときの膜厚推移を図３に示す。ＣＳダミー基板を使用した場合、１バッチ目から膜厚が安定しており、５バッチの平均膜厚、バッチ間膜厚均一性は、それぞれ９７．２Å、±０．４８％となった。このときの面内膜厚均一性は約２％でＣＳダミー基板なしのとき（従来例）と同等の結果である。また、ＣＳダミー基板を使用した場合と使用しない場合（従来例）のバッチ間膜厚均一性を図４に示す。ＣＳダミーありとはＣＳダミーを使用した場合、ＣＳダミーなしとはＣＳダミーを使用しない場合（従来例）を示している。ＣＳダミー基板ありのときは、バッチ間膜厚均一性は±０．４８％となり、ＣＳダミー基板なしのときよりも大幅に改善されている。

以上述べたように、実施の形態によれば、冷却されたＣＳダミー基板で反応炉の熱取りを行うことにより、ウェハを連続処理した場合に、バッチが進むにしたがい、反応炉温度が低下することで起きる膜厚低下によるバッチ間膜厚均一性の悪化を、解決している。その結果、１バッチ目から反応炉の温度および基板膜厚を安定させることができる。

また、従来行なっていた手法では、連続処理前に製品ウェハと同じ搬送経路でダミー基板を反応炉に搬送し、ダミー基板に対して、製品ウェハと同様な成膜処理を行うようにしている（ダミー成膜）。すなわち、基板は、製品と同様に、カセットにセッティングしたうえで、ＣＭ１からＴＭを経てＰＭ１へ搬送し、ダミー成膜を行った後、ＰＭ１から搬出してＣＭ１から装置外へ搬出していた。そして、これを２〜３バッチ繰り返す必要があった。このため、搬送やダミー成膜に時間がかかり、生産性が悪かった。この点で、実施の形態では、ＰＭ１と隣接したＣＳ１に予めＣＳダミー基板を保管しておき、１回の処理で反応炉の熱取りを行うことができ、さらにＣＳダミー基板を最短の搬送経路で搬送するようにしている。これによりＣＳダミー基板をカセットヘセッティングする必要もなく、搬送に時間がかからないので、従来例のものと比べて、生産性が格段に向上する。また、ＣＳダミー基板に化学的処理を施すことなくＣＳダミー基板を不活性ガス雰囲気の反応炉内に滞在させるだけなので、従来のように２〜３バッチも要して無駄にダミー基板を廃棄するものと異なり、ＣＳダミー基板はＣＳ１に保管して、何回でも使用できる。この点からも実施の形態では、生産性が向上し、生産管理も容易になる。

なお、実施の形態では、１枚のＣＳダミー基板を用いて１回の処理で熱取りを行う場合を説明したが、複数枚のＣＳダミー基板を同時に、あるいは、最初の２〜３バッチを要する従来よりは少ないバッチ回数で、連続的に反応炉の熱取りを行うようにしてもよい。

本発明の半導体装置の製造方法を実施するための基板処理装置におけるウェハ搬送経路を示す説明図である。実施の形態によるウェハ連続処理時の炉内温度の推移を示す特性図である。実施の形態によるウェハ連続処理時の平均膜厚とウェハ面内均一性の推移を示す特性図である。実施の形態と従来例とのバッチ間膜厚均一性を比較説明図である。実施の形態による二枚葉基板処理装置を構成する反応炉の概略縦断面図である。従来例の基板処理装置におけるウェハ搬送経路を示す説明図である。従来と実施例とに共通したホットウォール式の反応炉の構成とプロファイルＴＣ挿入位置を示す概略縦断面図である。従来例によるウェハ連続処理時の炉内温度の推移を示す特性図である。従来例のウェハ連続処理時の平均膜厚とウェハ面内均一性の推移を示す特性図である。

符号の説明

１１２ウェハ搬送ロボット（基板搬送手段）
２００ＣＳダミー基板
２４９主制御部
ＣＳ１クーリングステージ（冷却室）
ＣＭ１カセットモジュール
ＰＭ１プロセスモジュール（反応炉）
ＴＭ基板搬送室

Claims

反応炉にダミー基板を搬入する工程と、
前記ダミー基板を化学的な処理を施すことなく前記反応炉に滞在させる工程と、
前記ダミー基板を反応炉から搬出する工程と、
前記ダミー基板を搬出した後に反応炉に被処理基板を搬入する工程と、
前記被処理基板を反応炉で処理する工程と、
処理後の被処理基板を反応炉から搬出する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。