JP2009044023A - 半導体装置の製造方法および基板処理装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および基板処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】形成する膜の屈折率やエッチングレートについてのウエハ相互間の差を抑止しつつ、ウエハ相互間の膜厚均一性を向上させる。
【解決手段】複数枚のウエハ１をボート２０で保持してヒータ３２で加熱しつつ処理室３４内に成膜ガスを供給して熱ＣＶＤ法でウエハ１に成膜する成膜工程において、処理室３４内のウエハ配列方向に温度勾配を設けずに、成膜ガスを処理室３４の下端から上端に向かって流す第一フローステップと、上端から下端に向かって流す第二フローステップとを１サイクルとし、このサイクルを１回もしくは複数回実施する。処理室内に温度勾配がないので、ウエハ相互間の屈折率やエッチングレートを均一化できる。第一フローによる成膜により生じたＢＴＭ側ウエハ膜厚とＴＯＰ側ウエハ膜厚との相違を第二フローによる成膜により相殺できるので、ウエハ相互間における膜厚を均一化できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および基板処理装置に関し、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）が作り込まれる基板としての半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に絶縁膜や金属膜および半導体膜を形成するＣＶＤ装置や酸化膜形成装置や拡散装置およびアニール装置等に利用して有効なものに関する。
ＩＣの製造方法において、複数枚のウエハ上に窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）膜を形成する場合には、バッチ式縦型ホットウオール型ＣＶＤ装置（以下、ＣＶＤ装置という。）が広く使用されている。
従来のこの種のＣＶＤ装置としては、次のような処理炉を備えたものがある。
すなわち、処理炉は処理室を形成するインナチューブを備えており、インナチューブの外側にはアウタチューブが同心円に設置されている。アウタチューブの下端にはマニホールドが配置されており、マニホールドには処理室の下端部にガスを供給するノズルと、アウタチューブとインナチューブとの間の筒状空間に連通する排気管とが接続されている。アウタチューブの外側にはヒータが設置されており、ヒータは処理室内を所定の温度分布をもって加熱するように構成されている。
このＣＶＤ装置による処理炉による成膜に際しては、複数枚のウエハを積層したボートがマニホールドの下端開口から処理室内に搬入（ボートローディング）されて、マニホールドの下端開口がシールキャップによって気密封止された状態で、処理ガスとしてのクロル系シランガスとアンモニアガスならびにその他のガスとがノズルよって処理室内の下端部に供給される。
処理室内の下端部に供給された処理ガスは、ウエハ群に下から順に接触して熱ＣＶＤ反応によって成膜しながら処理室内を上昇して行き、インナチューブの上端開口から筒状空間に流れ込み、筒状空間の下端部に接続された排気管によって排気される。
この際、成膜レートがガスの流れに依存するために、ボートのボトム側に配置されたウエハの膜厚がボートのトップ側に配置されたウエハの膜厚よりも厚くなる傾向がある。
そこで、このウエハ相互間の膜厚の差を解消するための温度勾配を処理室内にヒータによって形成することにより、ウエハ相互間の膜厚がボートの全長にわたって均一になるように制御することが、従来から実施されている。
しかしながら、処理室内に温度勾配を形成する成膜方法においては、ボートのボトム側に位置するウエハに形成された膜とボートのトップ側に位置するウエハに形成された膜との間で、屈折率やエッチングレート等の膜質に差が発生してしまう。
本発明の目的は、屈折率やエッチングレート等の膜質の被処理基板相互間での差の発生を防止しつつ、膜厚の被処理基板相互間での差の発生を防止することができる半導体装置の製造方法および基板処理装置を提供することにある。
前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）複数枚の基板を処理室内に配列した状態で、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内に成膜ガスを供給して熱ＣＶＤ法により、前記複数枚の基板に対して成膜処理を行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記成膜処理を行う工程では、
前記処理室内の基板配列方向に温度勾配を設けることなく、
前記成膜ガスを基板配列方向の一端から他端に向かって流すステップと、
前記成膜ガスを基板配列方向の前記他端から前記一端に向かって流すステップと、
を１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（２）複数枚の基板を処理室内に配列した状態で、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内に成膜ガスを供給して熱ＣＶＤ法により、前記複数枚の基板に対して成膜処理を行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記成膜処理を行う工程では、
前記処理室内における成膜ガス濃度または圧力が基板配列方向の一端から他端に向かって低くなるようにして成膜するステップと、
前記処理室内における成膜ガス濃度または圧力が基板配列方向の前記他端から前記一端に向かって低くなるようにして成膜するステップと、
を１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（３）複数枚の基板を処理室内に配列した状態で、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内に成膜ガスを供給して熱ＣＶＤ法により、前記複数枚の基板に対して成膜処理を行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記成膜処理を行う工程では、
基板上に形成される膜の膜厚が基板配列方向の一端から他端に向かって薄くなるようにして成膜するステップと、
基板上に形成される膜の膜厚が基板配列方向の前記他端から前記一端に向かって薄くなるようにして成膜するステップと、
を１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（４）基板を処理する処理室と、
前記処理室内で複数枚の基板を支持する支持具と、
前記処理室内を加熱するヒータと、
前記処理室内の基板配列方向の一端側から成膜ガスを供給する第一ガス供給部と、
前記処理室内の基板配列方向の他端側から処理室内を排気する第一ガス排気部と、
前記処理室内の基板配列方向の前記他端側から成膜ガスを供給する第二ガス供給部と、 前記処理室内の基板配列方向の前記一端側から処理室内を排気する第二ガス排気部と、 前記処理室内の基板配列方向に温度勾配を設けることなく、前記成膜ガスを基板配列方向の前記一端側から前記他端側に向かって流し、前記成膜ガスを基板配列方向の前記他端側から前記一端側に向かって流し、これを１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うように制御するコントローラと、
を有することを特徴とする基板処理装置。
（５）前記（１）において、ジクロルシランガスとアンモニアガスとを含んだ前記成膜ガスを基板配列方向の前記一端から前記他端に向かって流すステップと、該成膜ガスを基板配列方向の前記他端から前記一端に向かって流すステップとの間に、前記処理室内をパージするパージステップを有し、該パージステップはアンモニアガス雰囲気下で実施されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（６）前記（１）において、ジクロルシランガスとアンモニアガスとを含んだ前記成膜ガスを基板配列方向の前記一端から前記他端に向かって流すステップと、該成膜ガスを基板配列方向の前記他端から前記一端に向かって流すステップとの間に、前記処理室内をパージするパージステップを有し、該パージステップはアンモニアガスが用いられて実施されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（７）前記（１）において、ジクロルシランガスとアンモニアガスとを含んだ前記成膜ガスの流れを基板配列方向の前記一端から前記他端に向かう流れから、基板配列方向の前記他端から前記一端に向かう流れに切り替える際、もしくは、
前記成膜ガスの流れを基板配列方向の前記他端から前記一端に向かう流れから、基板配列方向の前記一端から前記他端に向かう流れに切り替える際に、
前記アンモニアガスの供給は停止することなく継続して実施されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記手段によれば、基板相互間の膜質（膜の屈折率、エッチングレート）均一性および基板相互間の膜厚均一性の両方を向上させることができる。
ガス流れ切り替え時に界面が形成されないように制御することにより、連続した１つの膜を形成することができる。
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、ＩＣの製造方法における成膜工程を実施するＣＶＤ装置（バッチ式縦型ホットウオール型減圧ＣＶＤ装置）として構成されている。
図１に示されているように、本実施の形態に係るＣＶＤ装置１０は、処理室前予備室である待機室１２を形成した筐体１１を備えており、筐体１１は直方体の箱形状に構築されている。
待機室１２内にはボートエレベータ１３が設置されており、ボートエレベータ１３の昇降するアーム１４はシールキャップ１５を水平に支持している。
シールキャップ１５の下面には回転機構１６が設置されており、回転機構１６の回転軸１７はシールキャップ１５を貫通している。回転軸１７の上端には断熱板１８を保持した断熱板ホルダ１９を介してボート２０が設置されている。
なお、断熱板１８は例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料が使用されて、円板形状に形成されており、ヒータ（後記する）からの熱が下部マニホールド（後記する）側に伝わり難くなるよう構成されている。
支持具としてのボート２０は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる上下の端板２１、２２や複数本の保持柱２３が使用されて、全体的にみると長い円筒形状になるように構築されており、保持柱２３には多数条のスロット（保持溝）２４（図２参照）が長手方向（垂直方向）に等間隔に配列されている。
ウエハ１の周縁部が同一段の複数個のスロット２４に同時に挿入されることにより、ボート２０は複数枚のウエハ１を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。
ボートエレベータ１３および回転機構１６には、駆動制御部２５が電気配線２６によって電気的に接続されている。駆動制御部２５はボートエレベータ１３および回転機構１６を所望のタイミングにて所望の動作をするように制御する。
図１に示されているように、筐体１１の上には処理炉３０が設置されている。
処理炉３０は加熱機構としてのヒータ３２を有する。ヒータ３２は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース３１に支持されることにより垂直に据え付けられている。
ヒータ３２の内側には、ヒータ３２と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ３３が配設されている。プロセスチューブ３３は、例えば石英（ＳｉＯ2 ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料が使用されて、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。
プロセスチューブ３３の筒中空部によって処理室３４が形成されており、基板としてのウエハ１をボート２０によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。
図２に示されているように、プロセスチューブ３３の下側には下部マニホールド３５が、プロセスチューブ３３と同心円状に配設されている。下部マニホールド３５はステンレスや石英等が使用されて、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。
下部マニホールド３５はプロセスチューブ３３に係合しており、プロセスチューブ３３を支持するように設けられている。
なお、下部マニホールド３５とプロセスチューブ３３との間には、シール部材としてのＯリング３６が設けられている。下部マニホールド３５がヒータベース３１に支持されることにより、プロセスチューブ３３は垂直に据え付けられた状態となっている。
プロセスチューブ３３の上側には上部マニホールド３７が、プロセスチューブ３３と同心円状に配設されている。上部マニホールド３７はステンレスや石英等が使用されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。
上部マニホールド３７はプロセスチューブ３３に係合しており、プロセスチューブ３３に支持されるように設けられている。
なお、上部マニホールド３７とプロセスチューブ３３との間には、シール部材としてのＯリング３８が設けられている。
プロセスチューブ３３と下部マニホールド３５と上部マニホールド３７により反応容器３９が形成される。
下部マニホールド３５には下側ガス導入部としての第一下ノズル４０および第二下ノズル５０が、処理室３４内に連通するようにそれぞれ接続されており、第一下ノズル４０および第二下ノズル５０には第一ガス供給管４１および第二ガス供給管５１がそれぞれ接続されている。
第一ガス供給管４１の第一下ノズル４０との接続側と反対側である上流側には、バルブ４２、ガス流量制御器としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ）４３およびバルブ４４を介して第一処理ガスを供給する第一処理ガス供給源４５が接続されている。
第一ガス供給管４１のバルブ４２の下流側には不活性ガス供給管４１Ａが接続されており、不活性ガス供給管４１Ａにはバルブ４６、ＭＦＣ４７およびバルブ４８を介して不活性ガスを供給する不活性ガス供給源４９が接続されている。
第二ガス供給管５１の第二下ノズル５０との接続側と反対側である上流側には、バルブ５２、ＭＦＣ５３、バルブ５４を介して第二処理ガスを供給する第二処理ガス供給源５５が接続されている。
第二ガス供給管５１のバルブ５２の下流側には不活性ガス供給管５１Ａが接続されており、不活性ガス供給管５１Ａはバルブ５６、ＭＦＣ５７およびバルブ５８を介して不活性ガスを供給する不活性ガス供給源４９に接続されている。
以上の第一下ノズル４０、第一ガス供給管４１、バルブ４２、ＭＦＣ４３、バルブ４４および第一処理ガス供給源４５等により第一処理ガス供給ラインが構成され、第二下ノズル５０、第二ガス供給管５１、バルブ５２、ＭＦＣ５３、バルブ５４、第二処理ガス供給源５５等により第二処理ガス供給ラインが構成される。
また、第一処理ガス供給ラインの第一ガス供給管４１、バルブ４２、ＭＦＣ４３、バルブ４４および第一処理ガス供給源４５と、第二処理ガス供給ラインの第二ガス供給管５１、バルブ５２、ＭＦＣ５３、バルブ５４および第二処理ガス供給源５５とにより、第一ガス供給部５９が構成される。
上部マニホールド３７には上側ガス導入部としての第一上ノズル６０および第二上ノズル７０が、処理室３４内に連通するようにそれぞれ接続されており、第一上ノズル６０および第二上ノズル７０には第一ガス供給管６１および第二ガス供給管７１がそれぞれ接続されている。
第一ガス供給管６１の第一上ノズル６０との接続側と反対側である上流側には、バルブ６２、ＭＦＣ６３、バルブ６４を介して第一処理ガスを供給する第一処理ガス供給源６５が接続されている。
第一ガス供給管６１のバルブ６２の下流側には不活性ガス供給管６１Ａが接続されており、不活性ガス供給管６１Ａにはバルブ６６、ＭＦＣ６７およびバルブ６８を介して不活性ガスを供給する不活性ガス供給源６９が接続されている。
第二ガス供給管７１の第二上ノズル７０との接続側と反対側である上流側には、バルブ７２、ＭＦＣ７３、バルブ７４を介して第二処理ガスを供給する第二処理ガス供給源７５が接続されている。
第二ガス供給管７１のバルブ７２の下流側には不活性ガス供給管７１Ａが接続されており、不活性ガス供給管７１Ａはバルブ７６、ＭＦＣ７７およびバルブ７８を介して不活性ガスを供給する不活性ガス供給源６９に接続されている。
以上の第一上ノズル６０、第一ガス供給管６１、バルブ６２、ＭＦＣ６３、バルブ６４および第一処理ガス供給源６５等により第一処理ガス供給ラインが構成され、第二上ノズル７０、第二ガス供給管７１、バルブ７２、ＭＦＣ７３、バルブ７４および第二処理ガス供給源７５等により第二処理ガス供給ラインが構成される。
また、第一処理ガス供給ラインの第一ガス供給管６１、バルブ６２、ＭＦＣ６３、バルブ６４および第一処理ガス供給源６５と、第二処理ガス供給ラインの第二ガス供給管７１、バルブ７２、ＭＦＣ７３、バルブ７４および第二処理ガス供給源７５により、第二ガス供給部７９が構成される。
第一処理ガスとしてはクロル系シランガス、例えばジクロルシラン（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 、以下、ＤＣＳともいう。）ガスが使用される。
また、第二処理ガスとしては、例えばアンモニア（ＮＨ3 ）ガスが使用される。
図１に示されているように、第一ガス供給部５９（具体的にはＭＦＣ４３、ＭＦＣ５３）と、第二ガス供給部７９（具体的にはＭＦＣ６３、ＭＦＣ７３）とには、ガス流量制御部８０が電気配線８１によって電気的に接続されている。
ガス流量制御部８０は供給するガス（第一処理ガス、第二処理ガス）の流量が所望の量となるよう所望のタイミングにて制御する。
また、第一ガス供給部５９における不活性ガスラインに設けられ不活性ガスの流量を制御するＭＦＣ４７、５７と、第二ガス供給部７９における不活性ガスラインに設けられ不活性ガスの流量を制御するＭＦＣ６７、７７とにも、ガス流量制御部８０が電気配線８１によって電気的に接続されている。
ガス流量制御部８０は供給する不活性ガスの流量が所望の量となるよう所望のタイミングにて制御する。
なお、第一ガス供給部５９のバルブ４２、バルブ４４、バルブ５２、バルブ５４、および、第二ガス供給部７９のバルブ６２、バルブ６４、バルブ７２、バルブ７４にも、ガス流量制御部８０が電気的に接続されている。
ガス流量制御部８０はそれぞれのバルブを開閉するタイミング、すなわちガス（第一処理ガス、第二処理ガス）の供給／停止のタイミングをも制御する。
また、第一ガス供給部５９における不活性ガス供給ラインに設けられたバルブ４６、バルブ５６、バルブ４８、バルブ５８、および、第二ガス供給部７９における不活性ガス供給ラインに設けられたバルブ６６、バルブ７６、バルブ６８、バルブ７８にもガス流量制御部８０が電気的に接続されている。
ガス流量制御部８０はそれぞれのバルブを開閉するタイミング、すなわち不活性ガスの供給／停止のタイミングをも制御する。
図１および図２に示されているように、上部マニホールド３７には処理室３４内の雰囲気を排気する第一排気口９０が設けられており、第一排気口９０には第一排気管９１が接続されている。
第一排気管９１の上部マニホールド３７の第一排気口９０との接続側と反対側である下流側には、圧力検出器としての圧力センサ９２、排気バルブ９３および圧力調整バルブとしてのコンダクタンスバルブ９４が設けられている。
同様に、下部マニホールド３５には処理室３４内の雰囲気を排気する第二排気口９５が設けられており、第二排気口９５には第二排気管９６が接続されている。
第二排気管９６の下部マニホールド３５の第二排気口９５との接続側と反対側である下流側には、圧力検出器としての圧力センサ９７、排気バルブ９８および圧力調整バルブとしてのコンダクタンスバルブ９９が設けられている。
第一排気管９１と第二排気管９６とはコンダクタンスバルブ９４およびコンダクタンスバルブ９９よりも下流側において合流して一本化しており、一本化した第三排気管１００には真空ポンプ１０１が接続されている。
真空ポンプ１０１は第一排気管９１や第二排気管９６および第三排気管１００を通じて、処理室３４内を圧力が所定の圧力（真空度）となるよう排気する。
図１に示されているように、コンダクタンスバルブ９４、９９および圧力センサ９２、９７には、圧力制御部１０２が電気配線１０３によって電気的に接続されている。
圧力制御部１０２は圧力センサ９２、９７により検出された圧力に基づいてコンダクタンスバルブ９４、９９を調整して、処理室３４内の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御する。
例えば、第二排気管９６の排気バルブ９８を閉じ、第一排気管９１の排気バルブ９３を開いた状態では、圧力センサ９２によって検出された圧力に基づいてコンダクタンスバルブ９４を調整して、処理室３４内の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御する。
また、第一排気管９１の排気バルブ９３を閉じ、第二排気管９６の排気バルブ９８を開いた状態では、圧力センサ９７によって検出された圧力に基づいてコンダクタンスバルブ９９を調整して、処理室３４内の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御する。
プロセスチューブ３３内には、図示しない温度検出器としての温度センサが設置されている。ヒータ３２および温度センサには温度制御部８２が電気配線８３によって電気的に接続されている。温度制御部８２は温度センサにより検出された温度情報に基づきヒータ３２への通電具合を調整することにより、処理室３４内の温度が所望の温度分布となるよう所望のタイミングにて制御する。
駆動制御部２５、ガス流量制御部８０、温度制御部８２および圧力制御部１０２は、操作部、入出力部をも構成し、ＣＶＤ装置全体を制御する主制御部１０４に電気的に接続されている。これら、駆動制御部２５、ガス流量制御部８０、温度制御部８２、圧力制御部１０２および主制御部１０４はコントローラ１０５として構成されている。
次に、本発明の一実施の形態であるＩＣの製造方法の成膜工程を、上記構成に係るＣＶＤ装置を使用してＣＶＤ法によりウエハ上に薄膜を形成する場合について説明する。
なお、以下の説明において、ＣＶＤ装置を構成する各部の動作はコントローラ１０５により制御される。
複数枚のウエハ１がボート２０に装填（ウエハチャージ）されると、複数枚のウエハ１を保持したボート２０は、図２に示されているように、ボートエレベータ１３によって持ち上げられて、処理室３４に搬入（ボートローディング）される。
この状態で、シールキャップ１５はＯリング１５ａを介して下部マニホールド３５の下端をシールした状態となる。
続いて、第二排気管９６の排気バルブ９８が閉じられ、第一排気管９１の排気バルブ９３が開かれ、処理室３４内が第一排気管９１を介して真空ポンプ１０１によって所望の圧力（真空度）となるように排気される。
この際、処理室３４内の圧力は第一排気管９１の圧力センサ９２で測定され、この測定された圧力に基づき、第一排気管９１のコンダクタンスバルブ９４がフィードバック制御される。
なお、このとき、第一排気管９１の排気バルブ９３を閉じ、第二排気管９６の排気バルブ９８を開き、第二排気管９６を介して排気するようにしてもよい。
その場合、処理室３４内の圧力は第二排気管９６の圧力センサ９７で測定され、この測定された圧力に基づき、第二排気管９６のコンダクタンスバルブ９９がフィードバック制御される。
また、第一排気管９１の排気バルブ９３と第二排気管９６の排気バルブ９８との両方を開いて、第一排気管９１と第二排気管９６との両方を介して排気してもよい。
その場合、処理室３４内の圧力は、第一排気管９１の圧力センサ９２および第二排気管９６の圧力センサ９７のうち少なくともいずれか一方で測定され、この測定された圧力に基づき、第一排気管９１のコンダクタンスバルブ９４および第二排気管９６のコンダクタンスバルブ９９のうち少なくともいずれか一方が、フィードバック制御される。
なお、処理室３４内の圧力調整は、第一ガス供給部５９および第二ガス供給部７９のうち少なくともいずれか一方により処理室３４内に不活性ガスを供給しつつ行う。
また、処理室３４内が所望の温度となるようにヒータ３２によって加熱される。
この際、処理室３４内の少なくともウエハ群配列領域（ボートのウエハ積載領域）には、温度勾配が形成されないように、すなわち温度勾配がフラットとなるように、温度センサが検出した温度情報に基づきヒータ３２への通電具合がフィードバック制御される。
これにより、処理室３４内において水平姿勢で間隔を空けて垂直方向に配列されたウエハは、ボート２０の全長にわたって同一温度に加熱される。
続いて、ボート２０が回転機構１６によって回転されることにより、ウエハ１が回転される。
次いで、図３に示されたシーケンスに従って、第二ガス供給部７９（具体的にはバルブ６２、６４、７２、７４）が閉じられるとともに、第二排気管９６の排気バルブ９８が閉じられる。
その状態で、第一ガス供給部５９（具体的にはバルブ４２、４４、５２、５４）が開かれ、第一排気管９１の排気バルブ９３が開かれる。
これにより、第一ガス供給部５９の第一処理ガス供給源４５から第一処理ガス（ＤＣＳガス）が供給され、第二処理ガス供給源５５から第二処理ガス（アンモニアガス）が供給される。ＭＦＣ４３、５３によって所望の流量となるように制御された第一処理ガスおよび第二処理ガスは、第一ガス供給管４１および第二ガス供給管５１を流通して第一下ノズル４０および第二下ノズル５０から処理室３４内に導入される。
導入されたガスは下部マニホールド３５内から処理室３４内を上昇し、上部マニホールド３７に設けられた第一排気口９０、第一排気管９１から排気される（第一フロー）。
このとき、第二ガス供給部７９の不活性ガス供給管６１Ａ、７１Ａのバルブ６６、６８、７６、７８は開かれ、第二ガス供給部７９からは不活性ガスが供給される。供給された不活性ガスはガス供給管６１、７１を流通して第一上ノズル６０および第二上ノズル７０から処理室３４内に導入される。
第一処理ガスおよび第二処理ガスは処理室３４内を通過する際にウエハ１の表面と接触し、この際に、熱ＣＶＤ反応によってウエハ１の表面上に薄膜が堆積（デポジション）される。
なお、このとき、処理室３４内の圧力は第一排気管９１に設けられた圧力センサ９２によって測定され、この測定された圧力に基づき、第一排気管９１に設けられたコンダクタンスバルブ９４がフィードバック制御されることにより、処理室３４内の圧力が調整される。
図３に示されているように、予め設定された処理時間が経過すると、ガスの流れが切り替えられる。
すななち、第一ガス供給部５９（具体的にはバルブ４２、４４、５２、５４）が閉じられ、第一排気管９１の排気バルブ９３が閉じられることにより、第一ガス供給部５９からの第一処理ガスおよび第二処理ガスの供給が停止される。
その状態で、第二ガス供給部７９（具体的にはバルブ６２、６４、７２、７４）が開かれ、第二排気管９６の排気バルブ９８が開かれる。
これにより、第二ガス供給部７９の第一処理ガス供給源６５から第一処理ガスが供給され、第二処理ガス供給源７５から第二処理ガスが供給される。ＭＦＣ６３、７３によって所望の流量となるように制御された第一処理ガスおよび第二処理ガスは、第一ガス供給管６１および第二ガス供給管７１を流通して第一上ノズル６０および第二上ノズル７０から処理室３４内に導入される。
導入されたガスは上部マニホールド３７内から処理室３４内を下降し、下部マニホールド３５に設けられた第二排気口９５、第二排気管９６から排気される（第二フロー）。
このとき、第一ガス供給部５９の不活性ガス供給管４１Ａ、５１Ａのバルブ４６、４８、５６、５８は開かれ、第一ガス供給部５９からは不活性ガスが供給される。供給された不活性ガスは第一ガス供給管４１および第二ガス供給管５１を流通して第一下ノズル４０および第二下ノズル５０から処理室３４内に導入される。
第一処理ガスおよび第二処理ガスは処理室３４内を通過する際にウエハ１の表面と接触し、この際に、熱ＣＶＤ反応によってウエハ１の表面上に薄膜が堆積（デポジション）される。
なお、このとき、処理室３４内の圧力は第二排気管９６に設けられた圧力センサ９７によって測定され、この測定された圧力に基づき、第二排気管９６に設けられたコンダクタンスバルブ９９がフィードバック制御されることにより、処理室３４内の圧力が調整される。
以上の処理室３４内の下部から上部に向かう第一フローによる成膜と、処理室３４内の上部から下部に向かう第二フローによる成膜とを、１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うことにより、所望膜厚の薄膜が成膜される。
但し、ウエハ相互間の膜厚均一性をより一層向上させることを考慮すると、このサイクルは複数回繰り返すのが好ましい。
予め設定された回数だけ、以上のサイクルが繰り返されて、所望膜厚の薄膜が形成された後に、第一ガス供給部５９（具体的にはバルブ４２、４４、５２、５４）と第二ガス供給部７９（具体的にはバルブ６２、６４、７２、７４）とが閉じられる。
また、第一ガス供給部５９および第二ガス供給部７９のうち少なくともいずれか一方か、好ましくは両方の不活性ガスラインから不活性ガスが供給され、処理室３４内が不活性ガスに置換されるとともに、処理室３４内の圧力が常圧に復帰される。
その後、ボートエレベータ１３によってシールキャップ１５が下降されて、下部マニホールド３５の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ１がボート２０に保持された状態で、下部マニホールド３５の下端からプロセスチューブ３３の外部に搬出（ボートアンローディング）される。
その後、処理済ウエハ１はボート２０から取り出される（ウエハディスチャージ）。
なお、本実施の形態の処理炉にてウエハ１を処理する際の処理条件としては、Ｓｉ3 Ｎ4 膜の成膜においては、処理温度：７００〜８００℃、処理圧力：１０〜１００Ｐａ、ＤＣＳガス流量：５〜５００ｓｃｃｍ、ＮＨ3 ガス流量：５〜２０００ｓｃｃｍ、サイクル数：１〜５０サイクルが例示され、それぞれの処理条件をそれぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハに処理がなされる。
以上のようにして処理室３４内に温度勾配を設けることなく、成膜ガス（ＤＳＣガスおよびアンモニアガス）を第一フローと第二フローとをもって交互に流すと、処理室３４内においては、図４に示された現象が発生する。
図４（ａ）に示されているように、成膜ガスが処理室３４の下端側（以下、ＢＴＭという。）から処理室３４の中央部（以下、ＣＮＴという。）を経由して処理室３４の上端側（以下、ＴＯＰという。）に向かう第一フローにより、
ＢＴＭ側圧力＞ＴＯＰ側圧力、
ＢＴＭ側ガス濃度＞ＴＯＰ側ガス濃度となり、
ＢＴＭ側膜厚＞ＴＯＰ側膜厚となるように膜が形成される。
例えば、ＴＯＰ側に配置されたウエハ１に形成される膜の膜厚ｔ１、
ＣＮＴ側に配置されたウエハ１に形成される膜の膜厚ｔ２、
ＢＴＭ側に配置されたウエハ１に形成される膜の膜厚ｔ３とすると、
ｔ１＜ｔ２＜ｔ３となる。
その後、図４（ｂ）に示されているように、成膜ガスがＴＯＰ側からＣＮＴ側を経由してＢＴＭ側に向かう第二フローにより、
ＴＯＰ側圧力＞ＢＴＭ側圧力、
ＴＯＰ側ガス濃度＞ＢＴＭ側ガス濃度となり、
ＴＯＰ側膜厚＞ＢＴＭ側膜厚となるように膜が形成される。
すなわち、ＴＯＰ側のウエハ１に形成された膜厚ｔ１の膜上に、膜厚ｔ３の膜が形成され、
ＣＮＴ側のウエハ１に形成された膜厚ｔ２の膜上に、膜厚ｔ２の膜が形成され、
ＢＴＭ側のウエハ１に形成された膜厚ｔ３の膜上に、膜厚ｔ１の膜が形成される（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）。
これにより、ＴＯＰ側のウエハ１に形成される総膜厚ｔはｔ１＋ｔ３となり、
ＣＮＴ側のウエハ１に形成される総膜厚ｔはｔ２＋ｔ２となり、
ＢＴＭ側のウエハ１に形成される総膜厚ｔはｔ３＋ｔ１となり、各ポジションにおける各ウエハ１上に形成される膜の総膜厚ｔは等しくなる。ｔ＝ｔ１＋ｔ３（ＴＯＰ側）＝ｔ２＋ｔ２（ＣＮＴ側）＝ｔ３＋ｔ１（ＢＴＭ側）。
図４（ｂ）に示された各ポジションにおける各ウエハ１の総膜厚から明らかな通り、第一フローによる成膜と第二フローによる成膜とを１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うように成膜すれば、第一フローによる成膜により生じたＢＴＭ側ウエハ膜厚とＴＯＰ側ウエハ膜厚との相違を、第二フローによる成膜により相殺することができるので、ウエハ相互間における膜厚を均一化することができる。
以上のようなサイクル成膜の間に処理室３４内には温度勾配が設けられないので、ＢＴＭ側ウエハの膜質とＣＮＴ側ウエハの膜質とＴＯＰ側ウエハの膜質の相違は発生しない。すなわち、ウエハ相互間における膜質すなわち膜の屈折率やエッチングレートを均一化することができる。
ところで、以上のガス流れ切り替え時に界面が形成される懸念がある。
そこで、成膜ガスの流れを第一フローから第二フローに、または、第二フローから第一フローに切り替える際に、アンモニアガスの供給を停止することなく処理室内に流し続けることにより、第一フローにより形成した薄膜と、第二フローにより形成した薄膜との間に界面が形成されるのを防止することができる。すなわち、連続した一つの薄膜を形成することができる。
つまり、第一フローと第二フローとの間、または、第二フローと第一フローとの間に行うパージは、アンモニアガス雰囲気下で行うのが好ましい。
不活性ガスとアンモニアガスとでパージするようにしてもよいし、アンモニアガスだけでパージするようにしてもよい。
第一処理ガスがＤＣＳガスで第二処理ガスがアンモニアガスである本実施の形態の場合においては、第一フローから第二フローにガスの流れを切り替える時には、第一ガス供給部５９における第一ガス供給管４１のバルブ４２、４４は閉じるが、第二ガス供給管５１のバルブ５２、５４は閉じないで、アンモニアガスの供給を停止することなく処理室３４内に流し続ける。
逆に第二フローから第一フローにガスの流れを切り替える時には、第二ガス供給部７９における第一ガス供給管６１のバルブ６２、６４は閉じるが、第二ガス供給管７１のバルブ７２、７４は閉じないで、アンモニアガスの供給を停止することなく処理室３４内に流し続ける。
成膜中は、第一ガス供給部５９および第二ガス供給部７９のいずれの第二ガス供給管５１、７１からもアンモニアガスを流し続けることが好ましい。
図５は従来例による成膜により形成した膜と、本実施形態の方法による成膜により形成した膜の屈折率のウエハ相互間の均一性の効果を示すグラフである。
図５において、縦軸は屈折率を示しており、横軸はボートのウエハを保持したスロットの位置を示している。
破線曲線は従来例を示しており、実線曲線は本実施の形態の場合を示している。
なお、屈折率はジクロルシランガスとアンモニアガスとを使用して、ウエハ上に形成した窒化シリコン膜に関するものである。
図５から明らかな通り、本実施の形態によれば、屈折率のウエハ相互間の均一性を従来例に比べて向上させることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、本発明は、ＤＣＳ（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ）とＮＨ3 とを用いてＳｉ3 Ｎ4 膜を形成する場合に限らず、ＴＣＳ（ＳｉＨＣｌ3 ）、ＨＣＤ（Ｓｉ2 Ｃｌ6 ）等のクロル系シランガスを用いてＳｉ3 Ｎ4 膜を形成する場合や、Ｎ2 Ｈ4 等のヒドラジン系ガスを用いてＳｉ3 Ｎ4 膜を形成する場合にも適用することができる。
また、Ｓｉ3 Ｎ4 膜を形成する場合の他、ＨＴＯ（ＳｉＯ2 ）膜を形成する場合のように、ＣＶＤ法によって成膜を行う場合全般に適用することができる。
ＣＶＤ装置はバッチ式縦型ホットウオール型ＣＶＤ装置に限らず、横型ホットウオール型ＣＶＤ装置等の他のＣＶＤ装置であってもよい。
前記実施の形態ではウエハに処理が施される場合について説明したが、被処理基板は液晶パネルやホトマスク、プリント配線基板、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
本発明の一実施の形態であるＣＶＤ装置を示す正面断面図である。 処理炉を示す模式図である。 ガス供給シーケンスを示すタイムチャートである。 ガスフローの切り替えによる現象を説明する模式図である。 膜の屈折率についてのウエハ相互間均一性効果を示すグラフである。
符号の説明
１…ウエハ（基板）、１０…ＣＶＤ装置（基板処理装置）、１１…筐体、１２…待機室、１３…ボートエレベータ、１４…アーム、
１５…シールキャップ（炉口蓋体）、１６…回転機構、１７…回転軸、１８…断熱板、１９…断熱板ホルダ、
２０…ボート（支持具）、２１、２２…端板、２３…保持柱、２４…スロット、
２５…駆動制御部、２６…電気配線、
３０…処理炉、３１…ヒータベース、３２…ヒータ、３３…プロセスチューブ、３４…処理室、
３５…下部マニホールド、３６…Ｏリング、３７…上部マニホールド、３８…Ｏリング、３９…反応容器、
４０…第一下ノズル、４１…第一ガス供給管、４２…バルブ、４３…ＭＦＣ、４４…バルブ、４５…第一処理ガス供給源、４６…バルブ、４７…ＭＦＣ、４８…バルブ、４９…不活性ガス供給源、
５０…第二下ノズル、５１…第二ガス供給管、５２…バルブ、５３…ＭＦＣ、５４…バルブ、５５…第二処理ガス供給源、５６…バルブ、５７…ＭＦＣ、５８…バルブ、
５９…第一ガス供給部、
６０…第一上ノズル、６１…第一ガス供給管、６２…バルブ、６３…ＭＦＣ、６４…バルブ、６５…第一処理ガス供給源、６６…バルブ、６７…ＭＦＣ、６８…バルブ、６９…不活性ガス供給源、
７０…第二上ノズル、７１…第二ガス供給管、７２…バルブ、７３…ＭＦＣ、７４…バルブ、７５…第二処理ガス供給源、７６…バルブ、７７…ＭＦＣ、７８…バルブ、
７９…第二ガス供給部、
８０…ガス流量制御部、８１…電気配線、
８２…温度制御部、８３…電気配線、
９０…第一排気口、９１…第一排気管、９２…圧力センサ、９３…排気バルブ、９４…コンダクタンスバルブ、９５…第二排気口、９６…第二排気管、９７…圧力センサ、９８…排気バルブ、９９…コンダクタンスバルブ、１００…第三排気管、１０１…真空ポンプ、
１０２…圧力制御部、１０３…電気配線、
１０４…主制御部、１０５…コントローラ。

Claims (4)

  1. 複数枚の基板を処理室内に配列した状態で、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内に成膜ガスを供給して熱ＣＶＤ法により、前記複数枚の基板に対して成膜処理を行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記成膜処理を行う工程では、
    前記処理室内の基板配列方向に温度勾配を設けることなく、
    前記成膜ガスを基板配列方向の一端から他端に向かって流すステップと、
    前記成膜ガスを基板配列方向の前記他端から前記一端に向かって流すステップと、
    を１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 複数枚の基板を処理室内に配列した状態で、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内に成膜ガスを供給して熱ＣＶＤ法により、前記複数枚の基板に対して成膜処理を行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記成膜処理を行う工程では、
    前記処理室内における成膜ガス濃度または圧力が基板配列方向の一端から他端に向かって低くなるようにして成膜するステップと、
    前記処理室内における成膜ガス濃度または圧力が基板配列方向の前記他端から前記一端に向かって低くなるようにして成膜するステップと、
    を１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 複数枚の基板を処理室内に配列した状態で、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内に成膜ガスを供給して熱ＣＶＤ法により、前記複数枚の基板に対して成膜処理を行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記成膜処理を行う工程では、
    基板上に形成される膜の膜厚が基板配列方向の一端から他端に向かって薄くなるようにして成膜するステップと、
    基板上に形成される膜の膜厚が基板配列方向の前記他端から前記一端に向かって薄くなるようにして成膜するステップと、
    を１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室内で複数枚の基板を支持する支持具と、
    前記処理室内を加熱するヒータと、
    前記処理室内の基板配列方向の一端側から成膜ガスを供給する第一ガス供給部と、
    前記処理室内の基板配列方向の他端側から処理室内を排気する第一ガス排気部と、
    前記処理室内の基板配列方向の前記他端側から成膜ガスを供給する第二ガス供給部と、 前記処理室内の基板配列方向の前記一端側から処理室内を排気する第二ガス排気部と、 前記処理室内の基板配列方向に温度勾配を設けることなく、前記成膜ガスを基板配列方向の前記一端側から前記他端側に向かって流し、前記成膜ガスを基板配列方向の前記他端側から前記一端側に向かって流し、これを１サイクルとして、このサイクルを１回もしくは複数回行うように制御するコントローラと、
    を有することを特徴とする基板処理装置。
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