JP2008160081A - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

基板処理装置及び基板処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】気化ユニットを安定稼働できると共に基板処理における良好な基板間均一性を実現出来る基板処理装置を提供する。
【解決手段】基板２００を収容する処理室２０１と、基板２００を加熱する加熱手段２０７と、処理室内に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、処理室内の雰囲気を排気する排気系と、制御部２８０と、を備え、ガス供給系は、常温常圧で液体である１つの原料を気化させたガスを処理室のそれぞれに異なる位置に供給する複数のガスノズル２３３ａ１、２３３ａ２、２３３ａ３と、複数のガスノズルのそれぞれに連通される、原料ガスを気化する複数の気化ユニット２４２１、２４２２、２４２３と、を含み、複数の気化ユニットは制御部２８０によりそれぞれ個別に気化量が制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は基板処理装置及び基板処理方法に関し、特に、成膜用液体原料を使用する縦型ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）装置及びそれを用いる基板処理方法に関する。
従来の縦型ＡＬＤ装置は、図５に示すように、処理室２０１へ成膜用液体原料を供給する方法として１台の気化器２４２に対して１本の多孔ノズル２３３ａを使用していた。
この方法では液体材料の特性によっては十分な気化量を確保するために気化温度を上げる必要があり、それが原因で気化器２４２内の気化部に液体原料の熱分解による残渣が発生し、パーティクル発生やノズル部の詰まりの原因となっていた。
また、１台の気化器２４２により制御された気化ガスを、１本の多孔ノズル２３３ａの各穴から均一に供給することが難しくウエハ間均一性の向上が制限されていた。
従って、本発明の主な目的は、気化ユニットを安定稼働できると共に基板処理における良好な基板間均一性を実現出来る基板処理装置及び基板処理方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
基板を収容する処理室と、
前記基板を加熱する加熱手段と
前記処理室内に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
制御部と、を備え、
前記ガス供給系は、
常温常圧で液体である１つの原料を気化させたガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給する複数のガスノズルと、
前記複数のガスノズルのそれぞれに連通される、前記原料ガスを気化する複数の気化ユニットと、を含み、
前記複数の気化ユニットは前記制御部によりそれぞれ個別に気化量が制御される基板処理装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、
基板を収容する処理室と、
前記基板を加熱する加熱手段と
前記処理室内に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
制御部と、を備え、
前記ガス供給系は、
常温常圧で液体である１つの原料を気化させたガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給する複数のガスノズルと、
前記複数のガスノズルのそれぞれに連通される、前記原料を気化する複数の気化ユニットと、を含み、
前記複数の気化ユニットは前記制御部によりそれぞれ個別に気化量が制御される基板処理装置を用いて前記基板を処理する基板処理方法であって、
前記複数の気化ユニットによる前記原料の気化量を前記制御部によりそれぞれ個別に制御しながら、前記複数のガスノズルから前記原料の気化ガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給し、前記基板を処理する工程を有する基板処理方法が提供される。
本発明の一態様によれば、気化ユニットを安定稼働できると共に基板処理における良好な基板間均一性を実現出来る基板処理装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、気化ユニットを安定稼働できると共に基板処理における良好な基板間均一性を実現出来る基板処理方法が提供される。
次に、本発明の好ましい実施例を説明する。
本発明の好ましい実施例では、処理室内に設置するノズルを１本の多孔ノズルから複数本（具体的には３本）の一穴ノズルとした。そして、これら複数本の各ノズルに対してそれぞれに気化器を設置し各ノズルから供給する気化ガスを独立に個別制御することとした。
このように、気化器を複数設置することにより処理室に供給する気化ガスの総量に対し１台の気化器による気化量を減らすことが可能なため、液体材料が熱分解せず残渣が残らない余裕のある気化温度範囲で気化器を使用可能となる。これにより残渣が原因のパーティクル・詰まりによる装置稼働率低下を防止可能となる。
また、処理室内に設置した複数本のノズルそれぞれから供給される気化ガス量を各ノズル専用の気化器による独立制御によりコントロールすることにより、ウエハ間における基板処理の均一性を各ノズルの供給量調整により向上させることが可能となる。またノズルを複数本持ち各ノズルからの供給量を減らすことによって、ノズルの内圧低下により気化ガスの安定した状態でのウエハへの供給が可能となる。その結果、ウエハ面内均一性も向上する。
本発明の好ましい実施例の縦型ＡＬＤ装置は、成膜用原料供給のための流量制御可能とするユニットを含むガスＢＯＸ、成膜用原料をウエハ上に蒸着可能な減圧処理室、その処理室の排気システムを有している。
また、成膜用原料供給のためのマスフローコントローラやエアバルブの制御系を持ち、常温常圧で液体である複数の成膜用原料を処理室へ供給可能な構成となっている。常温常圧とは、１５〜３０℃，大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）であり、好ましくは２０℃，大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）である。
また、成膜用の液体原料の一例としてアミン系液体材料（ＴＥＭＡＨ（tetrakis-ethylmethylamino Hafnium）、ＴＥＭＡＺ（tetrakis-ethylmethylamino Zirconium）、ＴＤＭＡＴ（tetrakis-dimethylamino Titanium） 等）が使用可能であり、このアミン系液体材料を加熱し、気化・バブリングにより成膜用原料として処理室へ供給可能な構造となっている。さらに、この成膜用原料の供給に関しては、内圧上昇による気相状態の変化が起こり難くし、かつ処理室への気化ガス供給箇所を調節することにより気化ガス濃度を均一に保つことでウエハ間の膜厚均一性向上を実現可能にするために、単穴のノズルを複数本反応室内に設置している。
本発明の好ましい実施例で使用される上記アミン系液体材料は、蒸気圧が低く低温で熱分解し易いという特性を有している。この液体材料を気相状態のまま熱分解しない状態でウエハ表面まで到達させるためには、ノズル内で状態変化を防止又は抑制する必要がある。これを達成するためには、ノズル内を低圧にするのがより有利である。ノズル内圧は多孔ノズルよりも単穴ノズルの方が低くなるので、上記アミン系液体材料を使用する場合にはノズルとして単穴ノズルを使用するのが有効である。
単一の多孔ノズルを反応室内に設置した場合には、反応室内の圧力や温度、反応室へのガス供給量により、各孔同士でガスの流出量が変化して各孔から供給されるガス供給量を予想するのが難しい。仮に、各孔のガス供給量を予想することができたとしても、孔径が異なる幾つかの種類の多孔ノズルを用いてガス供給量を調整する必要があり、ガス供給量の制御が難しい。これに対し、本発明の好ましい実施例のように、単穴のノズルを複数本反応室内に設置すれば、そのような不都合はなく、反応室へのガス供給量制御の面において有効である。
また、液体材料を含む複数の成膜用原料を交互に処理室へ供給し、かつその間に不活性ガスによるパージが可能な構造となっている。この場合、単一の多孔ノズルに比べて複数の単穴ノズルを用いることにより気化ガス供給量を分散することで内圧低下を実現し、液体材料を加熱し、気化・バブリングにより成膜用原料とした材料を安定した状態で処理室内に供給可能な構造となっている。
次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１を参照して、本発明の好ましい実施例の基板処理装置を説明する。図１は、本発明の好ましい実施例の基板処理装置を説明するための概略斜視図である。
図１に示されているように、シリコン等からなるウエハ（基板）２００を収納したウエハキャリアとしてのカセット１１０が使用されている本発明の処理装置１０１は、筐体１１１を備えている。筐体１１１の正面壁１１１ａの下方にはメンテナンス可能なように設けられた開口部としての正面メンテナンス口１０３が開設され、この正面メンテナンス口１０３を開閉する正面メンテナンス扉１０４が建て付けられている。メンテナンス扉１０４には、カセット搬入搬出口（基板収容器搬入搬出口）１１２が筐体１１１内外を連通するように開設されており、カセット搬入搬出口１１２はフロントシャッタ（基板収容器搬入搬出口開閉機構）１１３によって開閉されるようになっている。カセット搬入搬出口１１２の筐体１１１内側にはカセットステージ（基板収容器受渡し台）１１４が設置されている。カセット１１０はカセットステージ１１４上に工程内搬送装置（図示せず）によって搬入され、かつまた、カセットステージ１１４上から搬出されるようになっている。
カセットステージ１１４は、工程内搬送装置によって、カセット１１０内のウエハ２００が垂直姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。カセットステージ１１４は、カセット１１０を筐体後方に右回り縦方向９０°回転し、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体後方を向くように動作可能となるよう構成されている。
筐体１１１内の前後方向の略中央部には、カセット棚（基板収容器載置棚）１０５が設置されており、カセット棚１０５は複数段複数列にて複数個のカセット１１０を保管するように構成されている。カセット棚１０５にはウエハ移載機構１２５の搬送対象となるカセット１１０が収納される移載棚１２３が設けられている。
また、カセットステージ１１４の上方には予備カセット棚１０７が設けられ、予備的にカセット１１０を保管するように構成されている。
カセットステージ１１４とカセット棚１０５との間には、カセット搬送装置（基板収容器搬送装置）１１８が設置されている。カセット搬送装置１１８は、カセット１１０を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ（基板収容器昇降機構）１１８ａと搬送機構としてのカセット搬送機構（基板収容器搬送機構）１１８ｂとで構成されており、カセットエレベータ１１８ａとカセット搬送機構１１８ｂとの連続動作により、カセットステージ１１４、カセット棚１０５、予備カセット棚１０７との間で、カセット１１０を搬送するように構成されている。
カセット棚１０５の後方には、ウエハ移載機構（基板移載機構）１２５が設置されており、ウエハ移載機構１２５は、ウエハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置（基板移載装置）１２５ａおよびウエハ移載装置１２５ａを昇降させるためのウエハ移載装置エレベータ（基板移載装置昇降機構）１２５ｂとで構成されている。ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂは、耐圧筐体１１１の右側端部に設置されている。これら、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびウエハ移載装置１２５ａの連続動作により、ウエハ移載装置１２５ａのツイーザ（基板保持体）１２５ｃをウエハ２００の載置部として、ボート（基板保持具）２１７に対してウエハ２００を装填（チャージング）および脱装（ディスチャージング）するように構成されている。
筐体１１１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は、炉口シャッタ（炉口開閉機構）１４７により開閉されるように構成されている。
処理炉２０２の下方にはボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降機構としてのボートエレベータ（基板保持具昇降機構）１１５が設けられ、ボートエレベータ１１５の昇降台に連結された連結具としてのアーム１２８には蓋体としてのシールキャップ２１９が水平に据え付けられており、シールキャップ２１９はボート２１７を垂直に支持し、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。
ボート２１７は複数本の保持部材を備えており、複数枚（例えば、５０枚〜１５０枚程度）のウエハ２００をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。
カセット棚１０５の上方には、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを供給するよう供給ファン及び防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４ａが設けられておりクリーンエア１３３を前記筐体１１１の内部に流通させるように構成されている。
また、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびボートエレベータ１１５側と反対側である筐体１１１の左側端部には、クリーンエアを供給するよう供給フアンおよび防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４ｂが設置されており、クリーンユニット１３４ｂから吹き出されたクリーンエアは、ウエハ移載装置１２５ａ、ボート２１７を流通した後に、図示しない排気装置に吸い込まれて、筐体１１１の外部に排気されるようになっている。
次に、本発明の好ましい実施例の基板処理装置の動作について説明する。
カセット１１０がカセットステージ１１４に供給されるに先立って、カセット搬入搬出口１１２がフロントシャッタ１１３によって開放される。その後、カセット１１０はカセット搬入搬出口１１２から搬入され、カセットステージ１１４の上にウエハ２００が垂直姿勢であって、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。その後、カセット１１０は、カセットステージ１１４によって、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体後方を向けるように、筐体後方に右周り縦方向９０°回転させられる。
次に、カセット１１０は、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７の指定された棚位置へカセット搬送装置１１８によって自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７からカセット搬送装置１１８によって移載棚１２３に移載されるか、もしくは直接移載棚１２３に搬送される。
カセット１１０が移載棚１２３に移載されると、ウエハ２００はカセット１１０からウエハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃによってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされ、移載室１２４の後方にあるボート２１７に装填（チャージング）される。ボート２１７にウエハ２００を受け渡したウエハ移載装置１２５ａはカセット１１０に戻り、次のウエハ１１０をボート２１７に装填する。
予め指定された枚数のウエハ２００がボート２１７に装填されると、炉口シャッタ１４７によって閉じられていた処理炉２０２の下端部が、炉口シャッタ１４７によって、開放される。続いて、ウエハ２００群を保持したボート２１７はシールキャップ２１９がボートエレベータ１１５によって上昇されることにより、処理炉２０２内へ搬入（ローディング）されて行く。
ローディング後は、処理炉２０２にてウエハ２００に任意の処理が実施される。
処理後は、上述の逆の手順で、ウエハ２００およびカセット１１０は筐体１１１の外部へ払出される。
次に、本発明の好ましい実施例の基板処理装置の基板処理炉について説明する。
図２は、本発明の好ましい実施例で好適に用いられる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉２０２部分を縦断面で示し、図３は本実施の形態で好適に用いられる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉２０２部分を図２のＡ−Ａ線断面図で示す。図４は、本発明の好ましい実施例の基板処理装置の処理室内ノズルと供給系（気化器）を説明するための構成図である。
加熱装置（加熱手段）であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器としての反応管２０３が設けられている。この反応管２０３の下端には、例えばステンレス等により形成されたマニホールド２０９が気密部材であるＯリング２２０を介して設けられ、マニホールド２０９の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９によりＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、反応管２０３、マニホールド２０９及びシールキャップ２１９により処理室２０１を形成している。シールキャップ２１９にはボート支持台２１８を介して基板保持部材（基板保持手段）であるボート２１７が立設され、ボート支持台２１８はボートを保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理室２０１に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。ヒータ２０７は処理室２０１に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。
処理室２０１へは複数種類、ここでは２種類の処理ガスを供給する供給経路としての２系列のガス供給管（第１系列のガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３、第２系列のガス供給管２３２ｂ）が設けられている。第１系列のガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３には上流方向から順に流量制御装置（流量制御手段）である液体マスフローコントローラ２４０１〜２４０３、気化器２４２１〜２４２３、及び開閉弁であるバルブ２４３ａ１〜２４３ａ３をそれぞれ介し、キャリアガスを供給するキャリアガス供給管２３４ａ１、２３４ａ２、２３４ａ３がそれぞれ合流されている。このキャリアガス供給管２３４ａ１、２３４ａ２、２３４ａ３には上流方向から順に流量制御装置（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１ｂ１〜２４１ｂ３、及び開閉弁であるバルブ２４３ｃ１〜２４３ｃ３がそれぞれ設けられている。
ガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３の先端部には、処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間に、反応管２０３の下部より上部の内壁にウエハ２００の積載方向に沿って、ノズル２３３ａ１〜２３３ａ３がそれぞれ設けられている。ノズル２３３ａ１〜２３３ａ３の先端には処理室２０１に開口したガス供給孔２４８ａ１〜２４８ａ３がそれぞれ一つづつ設けられている。
本発明の好ましい実施例では、処理室２０１内に設置するノズルを図５に示すような１本の多孔ノズル２３３ａから複数本（具体的には３本）の一穴ノズル２３３ａ１〜２３３ａ３とした。
ガス供給管２３２ｂには上流方向から順に流量制御装置（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１ａ、開閉弁であるバルブ２４３ｂを介し、キャリアガスを供給するキャリアガス供給管２３４ｂが合流されている。このキャリアガス供給管２３４ｂには上流方向から順に流量制御装置（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｄが設けられている。また、ガス供給管２３２ｂの先端部には、処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間に、反応管２０３の下部より上部の内壁にウエハ２００の積載方向に沿って、ノズル２３３ｂが設けられ、ノズル２３３ｂの側面にはガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ｂが設けられている。このガス供給孔２４８ｂは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。
例えばガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３から供給される原料が液体の場合、ガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３からは、液体マスフローコントローラ２４０１、２４０２、２４０３、気化器２４２１、２４２２、２４２３、及びバルブ２４３ａ１、２４３ａ２、２４３ａ３をそれぞれ介し、キャリアガス供給管２３４ａ１、２３４ａ２、２３４ａ３とそれぞれ合流し、更にノズル２３３ａ１、２３３ａ２、２３３ａ３をそれぞれ介して処理室２０１内に反応ガスが供給される。例えばガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３から供給される原料が気体の場合には、液体マスフローコントローラ２４０１、２４０２、２４０３を気体用のマスフローコントローラに交換し、気化器２４２１、２４２２、２４２３は不要となる。また、ガス供給管２３２ｂからはマスフローコントローラ２４１ａ、バルブ２４３ｂを介し、キャリアガス供給管２３４ｂと合流し、更にノズル２３３ｂを介して処理室２０１に反応ガスが供給される。
なお、ガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３とキャリアガス供給管２３４ａ１〜２３４ａ３との接続部付近の構造は、図６の構成を有していてもよい。図６の構成では、ガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３とキャリアガス供給管２３４ａ１〜２３４ａ３との接続部には混合部３００ａ１〜３００ａ３がそれぞれ１つずつ設けられている。混合部３００ａ１〜３００ａ３には流量制御部３１０ａ１〜３１０ａ３がそれぞれ１つずつ設けられている。混合部３００ａ１〜３００ａ３では、ガス供給管２３２ａ１〜２３２ａ３から供給される液体原料と、キャリアガス供給管２３４ａ１〜２３４ａ３から供給されるキャリアガスとが、互いに混合される。その混合物は、流量制御部３１０ａ１〜３１０ａ３により流量制御されながら、気化器２４２１〜２４２３にそれぞれ供給される。
気化器２４２１〜２４２３には流路２４２１ａ〜２４２３ａがそれぞれ１つずつ形成されている。流路２４２１ａ〜２４２３ａの中途部にはオリフィス構造がそれぞれ形成されており、またその大径部にはヒータ２４２１ｂ〜２４２３ｂが設けられている。気化器２４２１〜２４２３に供給された混合物は、流路２４２１ａ〜２４２３ａを流通し、その途中のオリフィスで圧力が降下して小径部から大径部に向けて噴霧される。噴霧された混合物は、ヒータ２４２１ｂ〜２４２３ｂにより加熱され、気化ガスとして気化器２４２１〜２４２３から流出し、その後ノズル２３３ａ１〜２３３ａ３をそれぞれ介して処理室２０１内に供給される。
また、処理室２０１は、ガスを排気する排気管であるガス排気管２３１によりバルブ２４３ｅを介して排気装置（排気手段）である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。なお、このバルブ２４３ｅは弁を開閉して処理室２０１の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能となっている開閉弁である。
反応管２０３内の中央部には、複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は、図示しないボートエレベータ機構により反応管２０３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ためにボート２１７を回転するためのボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を駆動することにより、ボート支持台２１８に支持されたボート２１７を回転するようになっている。
制御部（制御手段）であるコントローラ２８０は、液体マスフローコントローラ２４０１、２４０２、２４０３、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ１、２４１ｂ２、２４１ｂ３、２４１ｃ、バルブ２４３ａ１、２４３ａ２、２４３ａ３、２４３ｂ、２４３ｃ１、２４３ｃ２、２４３ｃ３、２４３ｄ、２４３ｅ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図示しないボート昇降機構とに接続されており、液体マスフローコントローラ２４０１、２４０２、２４０３、及びマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ１、２４１ｂ２、２４１ｂ３、２４１ｃの流量調整、バルブ２４３ａ１、２４３ａ２、２４３ａ３、２４３ｂ、２４３ｃ１、２４３ｃ２、２４３ｃ３、２４３ｄの開閉動作、２４３ｅの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７の温度調整、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御が行われる。
本発明の好ましい実施例では、複数本のノズル２３３ａ１〜２３３ａ３に対して気化器２４２１〜２４２３をそれぞれ設置し、ノズル２３３ａ１〜２３３ａ３ノズルから供給する気化ガスを独立に個別制御することとした。
このように、気化器２４２１〜２４２３を複数設置することにより処理室２０１に供給する気化ガスの総量に対し１台の気化器による気化量を減らすことが可能なため、液体材料が熱分解せず残渣が残らない余裕のある気化温度範囲で気化器を使用可能となる。これにより残渣が原因のパーティクル・詰まりによる装置稼働率低下を防止可能となる。
また、処理室２０１内に設置した複数本のノズル２３３ａ１〜２３３ａ３のそれぞれから供給される気化ガス量を各ノズル専用の気化器による独立制御によりコントロールすることにより、ウエハ２００間におけるウエハ基板処理の均一性を各ノズルの供給量調整により向上させることが可能となる。またノズルを複数本持ち各ノズルからの供給量を減らすことによって、ノズルの内圧低下により気化ガスの安定した状態でのウエハ２００への供給が可能となる。その結果、ウエハ面内均一性も向上する。
また、液体原料の一例としてアミン系液体材料（ＴＥＭＡＨ（tetrakis-ethylmethylamino Hafnium）、ＴＥＭＡＺ（tetrakis-ethylmethylamino Zirconium）、ＴＤＭＡＴ（tetrakis-dimethylamino Titanium） 等）が使用可能であり、このアミン系液体材料を加熱し、気化・バブリングにより成膜用原料として処理室２０１へ供給可能な構造となっている。さらに、この成膜用原料の供給に関しては、内圧上昇による気相状態の変化が起こり難くし、かつ処理室２０１への気化ガス供給箇所を調節することにより気化ガス濃度を均一に保つことでウエハ２００間の膜厚均一性向上を実現可能にするために、単穴のノズル２３３ａ１〜２３３ａ３を複数本処理室２０１内に設置している。
本実施例で使用される上記アミン系液体材料は、蒸気圧が低く低温で熱分解し易いという特性を有している。その液体材料を気相状態のまま熱分解しない状態でウエハ２００表面まで到達させるためには、ノズル内で状態変化を防止又は抑制する必要がある。これを達成するためには、ノズル内を低圧にするのがより有利である。ノズル内圧は多孔ノズルよりも単穴ノズルの方が低くなるので、上記アミン系液体材料を使用する場合にはノズルとして単穴ノズル２３３ａ１〜２３３ａ３を使用するのが有効である。
単一の多孔ノズルを処理室２０１内に設置した場合には、処理室２０１内の圧力や温度、処理室２０１へのガス供給量により、各孔同士でガスの流出量が変化して各孔から供給されるガス供給量を予想するのが難しい。仮に、各孔のガス供給量を予想することができたとしても、孔径が異なる幾つかの種類の多孔ノズルを用いてガス供給量を調整する必要があり、ガス供給量の制御が難しい。これに対し、本実施例のように、単穴のノズル２３３ａ１〜２３３ａ３を複数本処理室２０１内に設置すれば、そのような不都合はなく、処理室２０１へのガス供給量制御の面において有効である。
また、液体材料を含む複数の成膜用原料を交互に処理室２０１へ供給し、かつその間に不活性ガスによるパージが可能な構造となっている。この場合、単一の多孔ノズルに比べて複数の単穴ノズル２３３ａ１〜２３３ａ３を用いることにより気化ガス供給量を分散することで内圧低下を実現し、液体材料を加熱し、気化・バブリングにより成膜用原料とした材料を安定した状態で処理室２０１内に供給可能な構造となっている。
次に、ＡＬＤ法を用いた成膜処理例について、半導体デバイスの製造工程の一つである、ＴＥＭＡＨ及びＯ３を用いてＨｆＯ２膜を成膜する例を基に説明する。なお、以下の成膜処理例は基板処理方法の一例である。
ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法の一つであるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる少なくとも２種類の原料となる反応性ガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子単位で基板上に吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。このとき、膜厚の制御は、反応性ガスを供給するサイクル数で行う（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、２０サイクル行う）。
ＡＬＤ法では、例えばＨｆＯ２膜形成の場合、ＴＥＭＡＨ（Ｈｆ［ＮＣＨ３Ｃ２Ｈ５］４、テトラキスメチルエチルアミノハフニウム）とＯ３（オゾン）を用いて１８０〜２５０℃の低温で高品質の成膜が可能である。
まず、上述したようにウエハ２００をボート２１７に装填し、処理室２０１に搬入する。ボート２１７を処理室２０１に搬入後、後述する３つのステップを順次実行する。
（ステップ１）
ガス供給管２３２ａ１、２３２ａ２、２３２ａ３にＴＥＭＡＨ、キャリアガス供給管２３４ａにキャリアガス（Ｎ２）を流す。ガス供給管２３２ａ１、２３２ａ２、２３２ａ３のバルブ２４３ａ１、２４３ａ２、２４３ａ３、キャリアガス供給管２３４ａ１、２３４ａ２。２３４ａ３のバルブ２４３ｃ１、２４３ｃ２、２４３ｃ３、およびガス排気管２３１のバルブ２４３ｅを共に開ける。キャリアガスは、キャリアガス供給管２３４ａ１、２３４ａ２、２３４ａ３から流れ、マスフローコントローラ２４１ｂ１、２４１ｂ２、２４１ｂ３により流量調整される。ＴＥＭＡＨは、ガス供給管２３２ａ１、２３２ａ２、２３２ａ３から流れ、液体マスフローコントローラ２４０１、２４０２、２４０３により流量調整され、気化器２４２１、２４２２、２４２３により気化され、流量調整されたキャリアガスを混合し、ノズル２３３ａ１、２３３ａ２、２３３ａ３のガス供給孔２４８ａ１、２４８ａ２、２４８ａ３から処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。この時、バルブ２４３ｅを適正に調整して処理室２０１内の圧力を所定の圧力に維持する。液体マスフローコントローラ２４０で制御するＴＥＭＡＨの供給量は０．０１〜０．１ｇ／ｍｉｎである。ＴＥＭＡＨガスにウエハ２００を晒す時間は３０〜１８０秒間である。このときヒータ２０７温度はウエハの温度が１８０〜２５０℃の範囲内の所定の値になるよう設定してある。
ＴＥＭＡＨを処理室２０１内に供給することで、ウエハ２００上の下地膜などの表面部分と表面反応（化学吸着）する。
（ステップ２）
ガス供給管２３２ａ１、２３２ａ２、２３２ａ３のバルブ２４３ａ１、２４３ａ２、２４３ａ３ａを閉め、ＴＥＭＡＨの供給を停止する。このときガス排気管２３１のバルブ２４３ｅは開いたままとし、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を２０Ｐａ以下となるまで排気し、残留ＴＥＭＡＨガスを処理室２０１内から排除する。このときＮ２等の不活性ガスを処理室２０１内へ供給すると、更に残留ＴＥＭＡＨガスを排除する効果が高まる。
（ステップ３）
ガス供給管２３２ｂにＯ３、キャリアガス供給管２３４ｂにキャリアガス（Ｎ２）を流す。ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂ、キャリアガス供給管２３４ｂのバルブ２４３ｄを共に開ける。キャリアガスは、キャリアガス供給管２３４ｂから流れ、マスフローコントローラ２４１ｂにより流量調整される。Ｏ３はガス供給管２３２ｂから流れ、マスフローコントローラにより流量調整され、流量調整されたキャリアガスを混合し、ノズル２３３ｂのガス供給孔２４８ｂから処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。この時、バルブ２４３ｅを適正に調整して処理室２０１内の圧力を所定の圧力に維持する。Ｏ３にウエハ２００を晒す時間は１０〜１２０秒間である。このときのウエハの温度が、ステップ１のＴＥＭＡＨガスの供給時と同じく１８０〜２５０℃の範囲内の所定の温度となるようヒータ２０７を設定する。Ｏ３の供給により、ウエハ２００の表面に化学吸着したＴＥＭＡＨとＯ３とが表面反応して、ウエハ２００上にＨｆＯ２膜が成膜される。
成膜後、ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂ及び、キャリアガス供給管２３４ｂの第４のバルブ２４３ｄを閉じ、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、残留するＯ３の成膜に寄与した後のガスを排除する。このとき、Ｎ２等の不活性ガスを反応管２０３内に供給すると、更に残留するＯ３の成膜に寄与した後のガスを処理室２０１から排除する効果が高まる。
また、上述したステップ１〜３を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことにより、ウエハ２００上に所定の膜厚のＨｆＯ２膜を成膜することができる。
以上の本発明の好ましい実施例によれば、複数台の気化器２４２１〜２４２３を設置しているから、１台の気化器を設置する場合に比較して、処理室２０１に供給する気化ガスの総量に対する気化器１台当たりの気化量が減少する。そのため、気化器２４２１〜２４２３の気化温度を降下させることが可能となり、液体原料の気化温度を熱分解温度より低くすることができる。この場合、液体原料の熱分解による残渣の発生とこれに起因するパーティクル発生やノズル部詰まりとを未然に回避することができ、結果的に気化器２４２１〜２４２３を安定稼動させることができる。
すなわち、本実施例の比較例として１台の気化器を設置した場合、液体原料の気化量を増加させるときは気化温度を上昇させればよいが、そのとき液体原料が熱により自己分解し、気化器内に残渣が発生する。そして残渣が気化器内に付着すると、その影響で気化スペースの温度が下がり、液体原料の気化量が不十分となる。これに対し、本実施例では、液体原料の気化温度を熱分解温度より低くすることが可能であるから、残渣の発生や液体原料の気化量が不十分となるといった事態を回避することができる。
なお、上記比較例では、液体原料の気化量を増加させる手法として、液体原料の気化温度の上昇に代え、気化ガスの供給時間を延ばすことも可能であるが、スループットの低下を招く可能性があり、液体原料の気化量を増加させる上では、液体原料の気化温度を上昇させるほうが有効である。
また、本実施例の他の比較例として、気化器への液体原料の供給量を増加させれば、液体原料の気化が不十分となり好ましくない。さらに他の比較例として、液体原料の気化量を増加させるため気化器内の気化スペースを拡大（気化器を大型化）すれば、気化スペース自体を気化温度以上にする必要があり好ましくない。例えば、気化スペースの内部を所望の温度（例えば気化温度より高く熱分解温度より低いような温度）とすると、気化スペースの外部が熱分解温度以上にする必要があり、この場合に液体原料の熱分解を招く可能性があるので、気化器を大型化するのは好ましくない。
以上の内容を加味すると、本実施例は、温度を上昇させると熱分解し易い液体原料を使用する場合に有効であり、特に気化温度と熱分解温度とが近似した（気化温度と熱分解温度との温度差が小さい）液体原料を使用する場合に有効である。
ここで、液体原料の具体例としてＴＥＭＡＨ，ＴＥＭＡＺを使用した場合の本実施例の有効性について説明する。ＴＥＭＡＨ，ＴＥＭＡＺの蒸気圧曲線は概略的に図７で表される。ＴＥＭＡＨ（図７中実線部），ＴＥＭＡＺ（図７中一点鎖線部）の熱分解温度は約１４０℃であり、基本的には圧力に依存しない。ＴＥＭＡＨ，ＴＥＭＡＺを気化させるとき、気化器の設定温度（１台の気化器で液体原料の気化量を増加させようとしたときの気化スペース（図６中拡大図参照）内の設定温度）は約１５０℃となる。
このような状況において、１台の気化器を設置して液体原料を気化させた場合には、気化器の設定温度が液体原料の熱分解温度より高いから、液体原料が熱分解する可能性がある。これに対し、本実施例のように、複数台の気化器２４２１〜２４２３を設置して液体原料を気化させる場合には、気化器１台当たりの気化量が減少するから、気化器の設定温度を約１５０℃から約１３０℃まで降下させることが可能であり、気化器２４２１〜２４２３の設定温度を液体原料の熱分解温度より低くすることができる。その結果、液体原料の熱分解による残渣の発生を未然に回避でき、気化器２４２１〜２４２３を安定稼動させることができる。
また、処理室２０１内の圧力が５０〜１００Ｐａ（≒０．４〜０．８Ｔｏｒｒ）であるとき（ウエハ２００の処理中など）、気化器のガス流出口側（下流側）の圧力は１０〜２０Ｔｏｒｒ程度となるが、気化器２４２１〜２４２３の設定温度を約１３０℃まで降下させることが可能であれば、ＴＥＭＡＨ，ＴＥＭＡＺは図７に示すように気相状態が保持され、液体原料の再液化も未然に回避することができる。
以上のＴＥＭＡＨ，ＴＥＭＡＺに対し、その比較例として、ＴＤＭＡＳ（Tris（dimethylamino）silane）を使用した場合について説明すると、ＴＤＭＡＳの蒸気圧曲線は概略的に図８で表される。ＴＤＭＡＳの熱分解温度は約５００℃であるのに対し、液体原料の気化温度は約３０℃である（気化器の下流側の圧力が１０Ｔｏｒｒの場合）。この場合、液体原料の分解温度と気化温度とが大きくかけ離れており、液体原料の気化温度が分解温度を上回り残渣が発生するというような状況は考えられない。したがって、本実施例は液体原料として気化温度と熱分解温度との温度差が小さい原料を用いた際に有効であり、そのような液体原料は、好ましくは、気化温度が熱分解温度より低く、気化器２４２１〜２４２３のガス流出口側（下流側）の圧力が２０Ｔｏｒｒ以下のときに気化温度と熱分解温度との差が５０℃以内である。
さらに本発明の好ましい実施例によれば、気化器２４２１〜２４２３ごとに気化ガスの供給量を個別制御しているから、処理室２０１に供給する気化ガス全体の供給量を容易に調整することができ、結果的にウエハ２００間の面内均一性を実現することができる。また、単一の多孔ノズルに代えて複数本の単穴ノズル２３３ａ１〜２３３ａ３を設置しているから、処理室２０１に供給する気化ガスの供給量を分散させることが可能（ノズル１本当たりの気化ガスの供給量を減少させることが可能）であり、ノズル１本当たりの内圧を低下させることができる。この場合、気化ガスを気相状態のまま安定した状態で処理室２０１のウエハ２００に供給することができ、結果的にウエハ２００間の面内均一性を実現することができる。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の好ましい実施の形態によれば、
基板を収容する処理室と、
前記基板を加熱する加熱手段と
前記処理室内に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
制御部と、を備え、
前記ガス供給系は、
常温常圧で液体である１つの原料を気化させたガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給する複数のガスノズルと、
前記複数のガスノズルのそれぞれに連通される、前記原料を気化する複数の気化ユニットと、を含み、
前記複数の気化ユニットは前記制御部によりそれぞれ個別に気化量が制御される基板処理装置が提供される。
好ましくは、前記原料は、気化温度が熱分解温度より低く、圧力が２０Ｔｏｒｒ以下のときに前記気化温度と前記熱分解温度との差が５０℃以内である。
更に好ましくは、前記原料はＴＥＭＡＨであるか、ＴＥＭＡＺである。
また、好ましくは、前記ガスノズルには前記処理室に開口した穴が１つ設けられている。
本発明の他の好ましい実施の形態によれば、
基板を収容する処理室と、
前記基板を加熱する加熱手段と
前記処理室内に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
制御部と、を備え、
前記ガス供給系は、
常温常圧で液体である１つの原料を気化させたガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給する複数のガスノズルと、
前記複数のガスノズルのそれぞれに連通される、前記原料を気化する複数の気化ユニットと、を含み、
前記複数の気化ユニットは前記制御部によりそれぞれ個別に気化量が制御される基板処理装置を用いて前記基板を処理する基板処理方法であって、
前記複数の気化ユニットによる前記原料の気化量を前記制御部によりそれぞれ個別に制御しながら、前記複数のガスノズルから前記原料の気化ガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給し、前記基板を処理する工程を有する基板処理方法が提供される。
以上、種々の典型的な実施の形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施例及び実施形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、請求の範囲によってのみ限定されるものである。
本発明の好ましい実施例の基板処理装置を説明するための概略斜視図である。 本発明の好ましい実施例の基板処理装置の反応炉を説明するための概略縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線拡大断面図である。 本発明の好ましい実施例の基板処理装置の処理室内ノズルと供給系（気化器）を説明するための構成図である。 従来の基板処理装置の処理室内ノズルと供給系（気化器）を説明するための構成図である。 本発明の好ましい実施例で使用される気化器とそれに付随する部材の構造を説明するための概略図である。 ＴＥＭＡＨ，ＴＥＭＡＺの蒸気圧曲線を概略的に示す図面である。 ＴＤＭＡＳの蒸気圧曲線を概略的に示す図面である。
符号の説明
２００…ウエハ
２０１…処理室
２０２…処理炉
２０３…反応管
２０７…ヒータ
２０９…マニホールド
２１７…ボート
２１８…ボート支持台
２１９…シールキャップ
２２０…Ｏリング
２３１…ガス排気管
２３２ａ…第１のガス供給管
２３２ａ１、２３２ａ２、２３２ａ３…ガス供給管
２３２ｂ…ガス供給管
２３３ａ…ノズル
２３３ａ１、２３３ａ２、２３３ａ３…ノズル
２３３ｂ…ノズル
２３４ａ１、２３４ａ２、２３４ａ３…キャリアガス供給管
２３４ｂ…キャリアガス供給管
２４０…液体マスフローコントローラ
２４０１、２４０２、２４０３…液体マスフローコントローラ
２４１ａ…マスフローコントローラ
２４１ｂ…マスフローコントローラ
２４１ｃ…マスフローコントローラ
２４２…気化器
２４２１、２４２２、２４２３…気化器
２４２１ａ、２４２２ａ、２４２３ａ…流路
２４２１ｂ、２４２２ｂ、２４２３ｂ…ヒータ
２４３ａ…バルブ
２４３ａ１、２４３ａ２、２４３ａ３…バルブ
２４３ｂ…バルブ
２４３ｃ…バルブ
２４３ｄ…バルブ
２４３ｅ…バルブ
２４６…真空ポンプ
２４８ａ１、２４８ａ２、２４８ａ３…ガス供給孔
２４８ｂ…ガス供給孔
２６７…ボート回転機構
３００ａ１、３００ａ２、３００ａ３…混合部
３１０ａ１、３１０ａ２、３１０ａ３…流量制御部

Claims (6)

  1. 基板を収容する処理室と、
    前記基板を加熱する加熱手段と
    前記処理室内に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、
    前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
    制御部と、を備え、
    前記ガス供給系は、
    常温常圧で液体である１つの原料を気化させたガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給する複数のガスノズルと、
    前記複数のガスノズルのそれぞれに連通される、前記原料を気化する複数の気化ユニットと、を含み、
    前記複数の気化ユニットは前記制御部によりそれぞれ個別に気化量が制御される基板処理装置。
  2. 請求項１に記載の基板処理装置において、
    前記原料は、気化温度が熱分解温度より低く、圧力が２０Ｔｏｒｒ以下のときに前記気化温度と前記熱分解温度との差が５０℃以内である基板処理装置。
  3. 請求項２に記載の基板処理装置において、
    前記原料はＴＥＭＡＨである基板処理装置。
  4. 請求項２に記載の基板処理装置において、
    前記原料はＴＥＭＡＺである基板処理装置。
  5. 請求項１に記載の基板処理装置において、
    前記ガスノズルには前記処理室に開口した穴が１つ設けられている基板処理装置。
  6. 基板を収容する処理室と、
    前記基板を加熱する加熱手段と
    前記処理室内に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、
    前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、
    制御部と、を備え、
    前記ガス供給系は、
    常温常圧で液体である１つの原料を気化させたガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給する複数のガスノズルと、
    前記複数のガスノズルのそれぞれに連通される、前記原料を気化する複数の気化ユニットと、を含み、
    前記複数の気化ユニットは前記制御部によりそれぞれ個別に気化量が制御される基板処理装置を用いて前記基板を処理する基板処理方法であって、
    前記複数の気化ユニットによる前記原料の気化量を前記制御部によりそれぞれ個別に制御しながら、前記複数のガスノズルから前記原料の気化ガスを前記処理室のそれぞれに異なる位置に供給し、前記基板を処理する工程を有する基板処理方法。
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