JP2010062528A - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板処理装置は、反応管と、反応管内を加熱するヒータと、反応管内で複数枚の基板を配列させて保持する保持具と、基板配列領域に対応する領域の複数箇所から反応管内に水素含有ガスを供給する第1ノズルと、基板配列領域に対応する領域の複数箇所から反応管内に酸素含有ガスを供給する第2ノズルと、反応管内を排気する排気口と、反応管内の圧力が大気圧よりも低い圧力となるように制御する圧力制御器と、を有し、第1ノズルには複数の第1ガス噴出孔が設けられ、第2ノズルには少なくとも複数枚の基板の一枚一枚に対応するように少なくとも複数枚の基板の枚数と同数の第2ガス噴出孔が設けられる。
【選択図】 図20
Description
度は低くなり、それに伴い原子状酸素Oのモル密度が上下段で変化することにより、上下段においてウエハに形成される酸化膜の膜厚に差が生じる。また原子状酸素Oがウエハ上で酸化膜を成長させる際に消費されるため、上段から下段にかけて原子状酸素Oが不足し、図4に示すような膜厚差が発生する。これらの現象をローディング効果と呼んでおり、図3に示すようなシャワー板12’を持つ構造でも同様に発生する。従来の構造では、このローディング効果を打ち消すために、H2ガス供給用サブノズル8’を多段に配置し(図2,3の場合では4段)、それぞれのサブノズル8’に対し独立に制御されたマスフローコントローラを介して適量のH2ガスを供給し、ウエハ面間の膜厚均一性を補正している。
出願済みの明細書中に記載されている。図10に、図9の計算条件に対する定常計算結果(処理室内における原子状酸素Oのモル密度分布)を示す。図10に示すO濃度分布によると、定常状態においてウエハ半径方向に濃度差が生じ、この状態で定常となることが判る。ウエハに形成される酸化膜の膜厚面内分布はO濃度に直接依存するため、ウエハ半径方向には当然膜厚差が生じ、図10の場合には上段のウエハを除き、他の全てのウエハで、形成される酸化膜の膜厚面内分布が中央凹(すり鉢)分布となることが示されている。
ガスを供給し、前記基板配列領域に対応する領域に配置された第2ノズルを介して酸素含有ガスを供給し、前記複数枚の基板を処理する工程と、処理済の前記複数枚の基板を前記反応管内より搬出する工程と、を有し、前記基板を処理する工程では、前記水素含有ガスを前記基板配列領域に対応する領域の複数箇所から、前記第1ノズルに設けられた複数の第1ガス噴出孔を通して前記反応管内に供給すると共に、前記酸素含有ガスを前記基板配列領域に対応する領域の複数箇所から、少なくとも前記複数枚の基板の一枚一枚に対応するように少なくとも前記複数枚の基板の枚数と同数前記第2ノズルに設けられた第2ガス噴出孔を通して前記反応管内に供給する半導体装置の製造方法が提供される。
図12を参照して、本発明の第1実施形態における基板処理装置としてのバッチ式縦型半導体製造装置(酸化装置)を説明する。図12は、第1実施形態にかかる熱処理炉(酸化炉)の構成を例示する断面概略図である。図12には、ウエハの最大積載数が例えば120枚の場合の基板処理装置の熱処理炉5の装置構成例を示している。
から供給されたH2ガスは、バッファ室12a内で一旦混合されてから、シャワー板12を介して処理室4内に供給されることとなる。酸素供給ノズル7aと水素供給ノズル7bとによりメインノズル7が構成されている。また、シャワー板12により、複数枚のウエハ6が配列されるウエハ配列領域の一端側から他端側に向けてO2ガスとH2ガスとをシャワー状に供給するガス供給口が構成されている。
水素供給ノズル8bを構成する複数本のノズルのそれぞれに接続されている。水素供給管80bには、上流側から順に、水素ガス供給源(図示せず)、開閉バルブ96b、流量制御手段(流量制御器)としてのマスフローコントローラ(MFC)95b、及び開閉バルブ94bが設けられている。なお、開閉バルブ96b、マスフローコントローラ95b、及び開閉バルブ94bは、水素供給管80bを構成する複数本の配管のそれぞれに設けられており、水素供給ノズル8bを構成する複数本のノズル毎に独立してH2ガスの流量を制御できるようになっている。
ズル7aより処理室4内に供給する。また、開閉バルブ91b,93bを開くことで、マスフローコントローラ92bで流量制御されたH2ガスを、水素供給管70bを介して水素供給ノズル7bより処理室4内に供給する。酸素供給ノズル7aから供給されたO2ガスと水素供給ノズル7bから供給されたH2ガスは、バッファ室12a内で一旦混合されてから、シャワー板12を介して処理室4内にシャワー状に供給される。
処理温度(処理室内温度):500〜1000℃、
処理圧力(処理室内圧力):1〜1000Pa、
メインノズルから供給する酸素ガス供給流量:2000〜4000sccm、
メインノズルから供給する水素ガス供給流量:0〜500sccm、
サブノズルから供給する酸素ガス供給流量(合計流量):1000〜3000sccm、
サブノズルから供給する水素ガス供給流量(合計流量):1500〜2000sccm、
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6に酸化処理がなされる。
増加効果)、H2ガス追加による膜厚増加効果及び膜厚面内均一性制御効果(膜厚面内分布の更なる中央凸分布度合い増加効果)はガスを供給した点を中心に作用する。これらの効果を効率的に組み合わせるには、O2ガスとH2ガスとを、ほぼ同様な高さから供給することが良い。すなわち、H2ガスの供給点(ガス噴出孔)とO2ガスの供給点(ガス噴出孔)の高さを合わせるのが好ましい。なお、図12の酸化炉では、水素用のサブノズル(水素供給ノズル8b)に設けられた複数のガス噴出孔と、酸素用のサブノズル(酸素供給ノズル8a)に設けられた複数のガス噴出孔は、それぞれが同じ高さに設けられている。すなわち、水素供給ノズル8bに設けられたガス噴出孔の孔数、配列ピッチは、酸素供給ノズル8aに設けられたガス噴出孔の孔数、配列ピッチと等しく、水素供給ノズル8bに設けられたガス噴出孔のそれぞれは、酸素供給ノズル8aに設けられたガス噴出孔のそれぞれと、それぞれ一対一で対応するように、それぞれ同一高さに設けられている。これにより膜厚面間均一性を維持しつつ、膜厚面内均一性のコントロールが可能となり(積極的に膜厚面内分布を中央凸分布化でき)、STIなどの彫りの深いパターン付きウエハ(原子状酸素O消費の大きいウエハ)を処理する際に発生していた膜厚面内分布の顕著な中央凹分布を防止することができる。
ガスを多く供給するので、ウエハ中心部にかけて生成する原子状酸素Oの量はH2ガスのみの供給時に比べ多くなる。結果としてH2ガスのみの供給時よりも中央凸分布の度合いを強くすることができる。すなわち、H2ガスのみの供給時よりも膜厚分布のコントロール範囲が広いと言える。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
上述の第1実施形態では、酸素用のサブノズル(酸素供給ノズル8a)を長さの異なる複数本のノズル(マルチノズル)により構成する例について説明したが、酸素供給ノズル8aは複数のガス噴出孔を有する単一のノズル(多孔ノズル)により構成するようにしてもよい。以下、第2実施形態として、酸素用のサブノズルを単一の多孔ノズルにより構成する例について説明する。
おいて、図12で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
上述の第1実施形態および第2実施形態の酸化炉では、酸素用のサブノズル(酸素供給ノズル8a)に設けられたガス噴出孔の配列ピッチを、ウエハ配列ピッチよりも大きくし(例えば、150mmピッチ程度とし)、O2ガス噴出孔(供給方向)をウエハに向けるようにしたが、この場合、図19に示すようにO2ガスの流れ(慣性)の影響によりO2ガス供給点付近において極端に膜厚面内分布が中央凸化する場合があることを発明者等は見出した。すなわち、O2ガス供給点付近とそれ以外の領域で膜厚面内分布改善(中央凸化)効果に差が発生する場合があることを見出した。そして、これに対し、酸素用のサブノズル(酸素供給ノズル8a)に設けられたガス噴出孔を少なくとも複数枚の処理ウエハの一枚一枚に対応するように少なくとも処理ウエハの枚数と同数設けることで、局所的な膜厚面内分布傾向変化(中央凸化)を防止しつつ、原子状酸素Oが処理ウエハ中央部でより多く発生するように反応をコントロールし、膜厚面内均一性を向上させることができることを見出した。なお、本明細書では、処理対象である製品基板としての製品ウエハを便宜上、単にウエハ、または処理ウエハと呼んでいる。本実施形態においても同様であり、ウエハ、または処理ウエハとは、製品ウエハのことを意味している。以下、第3実施形態として、酸素用のサブノズルのガス噴出孔を少なくとも複数枚の処理ウエハ(製品ウエハ)の一枚一枚に対応するように少なくとも処理ウエハ(製品ウエハ)の枚数と同数設けた例について説明する。
処理ウエハに対応するように少なくとも120個設けられる。また例えば、処理ウエハの上方及び下方にサイドダミーウエハが配列され、上部ダミーウエハ、処理ウエハ、下部ダミーウエハの枚数がそれぞれ10枚、100枚、10枚である場合、ガス噴出孔は少なくとも100枚の処理ウエハのそれぞれに対応するように少なくとも100個設けられる。なお、ガス噴出孔は、各処理ウエハに対応するように処理ウエハと同数設ける他、さらに処理ウエハに対応しない箇所に、すなわち、ウエハ配列領域以外の領域に対応する領域に設けるようにしてもよい。例えば、上述のサイドダミーウエハが配列されるダミーウエハ配列領域に対応する領域や、それよりも上方または下方の領域に設けるようにしてもよい。なお、ガス噴出孔をダミーウエハ配列領域に対応する領域に設ける場合、少なくとも処理ウエハと隣接する部分におけるダミーウエハの一枚一枚に対応するように、それらのダミーウエハの枚数と同数のガス噴出孔を設けるようにするのが好ましい。このようにすることで、処理ウエハと隣接する部分におけるダミーウエハへのO2ガスの流れを、処理ウエハへのO2ガスの流れと同様にすることができ、ダミーウエハ付近の処理ウエハへのガスの流れを乱さないようにすることが出来る。各処理ウエハに対して均等な流量のO2ガスが噴出するように、ガス噴出孔は比較的小さな孔により構成されている。酸素供給ノズル8aは、例えば、φ10〜20mm程度の管に、φ0.5〜1mm程度の孔を全処理ウエハ枚数と同数設けてなる多孔ノズルにより構成される。なお、酸素供給ノズル8aは全処理ウエハに対して均等にO2ガスを供給出来れば良く、第1実施形態のように長さの異なる複数本のノズルにより構成してもよい。なお、図20において、図12、図18で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
処理温度(処理室内温度):500〜1000℃、
処理圧力(処理室内圧力):1〜1000Pa、
メインノズルから供給する酸素ガス供給流量:0〜2000sccm、
メインノズルから供給する水素ガス供給流量:0〜500sccm、
サブノズルから供給する酸素ガス供給流量:3000〜5000sccm、
サブノズルから供給する水素ガス供給流量(合計流量):1500〜2000sccm、
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6に酸化処理がなされる。なお、メインノズルから供給する酸素ガス供給流量および水素ガス供給流量の下限値を0sccmとしているが、これはメインノズルを用いることなくサブノズルだけを用いて酸化処理するケースを表している。本実施形態では、このようにサブノズルだけを用いて酸化処理することも可能である。
まず、図21、図22を用いてO2ガス追加による膜厚面内均一性制御作用について説明する。図21、図22は、酸素用のサブノズル(酸素供給ノズル8a)からO2ガスが供給された際の供給点近傍の原子状酸素O濃度分布を模式的に表したものである。図21,22において、酸素供給ノズル8aからウエハ6側に伸びる白抜きの矢印がガス噴出孔からのO2ガスの噴出方向を示しており、矢印の根元部分がガス噴出孔を示している。反応室内圧力は0.5Torr程度で一定なのでO2ガスの供給点近傍では希釈効果により原子状酸素Oの濃度(分圧)が低下する。それにより、従来技術のサブノズルからのガス供給が無い領域の挙動(ウエハエッジ部と反応管内壁間を流れ落ちる主流からの濃度拡散とウエハ表面上での原子状酸素O消費によりウエハ中央部にかけて原子状酸素O濃度が低下する)とは逆に、ウエハエッジ部では原子状酸素O濃度が低くなり、ウエハ中央部にかけて希釈効果の薄れと原子状酸素O生成反応の進行により原子状酸素Oの濃度が高くなる傾向となる。最終的にはこの現象にウエハ表面上での膜成長のための原子状酸素Oの消費が加わった状態でバランスする。
を約1500sccmとした処理条件において、サブノズルから流量約5000sccmのO2ガスを供給した際の膜厚面内分布結果を示す(全ウエハに対しO2途中供給)。なお、図23には、比較のため、図19の膜厚面内均一性の実験結果も一緒に示している(O2途中供給なし、途中供給あり)。図23より、O2ガスを全処理ウエハに対して均等に供給することにより、局所的な膜厚面内分布傾向の変化を防止でき、全処理ウエハの膜厚面内分布を均等に改善できることが分かる。以上よりO2ガスを全処理ウエハのそれぞれに対して均等に途中供給することで、膜厚の面間均一性を維持しつつ、全処理ウエハの膜厚面内分布のすり鉢化傾向を均等に緩和することが可能となる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
上述の第3実施形態の酸化炉では、水素用のサブノズル(水素供給ノズル8b)に設けられたガス噴出孔の配列ピッチを、ウエハ配列ピッチおよびO2ガス噴出孔の配列ピッチよりも大きくした(例えば、150mmピッチ程度とした)例について説明した。すなわち、H2ガス噴出孔の数を処理ウエハ枚数およびO2ガス噴出孔の数よりも少なくした例について説明した。このように、H2ガス噴出孔を処理ウエハと同数設けなくとも、現状必要な処理品質を十分に満たすことが出来ることは上述の通りである。ただし、H2ガス噴出孔を、O2ガス噴出孔と同様、少なくとも複数枚の処理ウエハの一つ一つに対応するように少なくとも処理ウエハと同数設けることで、さらに良好な膜厚面内、面間均一性を実現することができることを見出した。以下、第4実施形態として、水素用のサブノズルのガス噴出孔を、酸素用のサブノズルのガス噴出孔と同様、少なくとも複数枚の処理ウエハの一つ一つに対応するように少なくとも処理ウエハと同数設けた例について説明する。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
複数枚の基板を処理する反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内で前記複数枚の基板を配列させて保持する保持具と、
前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の複数
箇所から前記反応管内に水素含有ガスを供給する第1ノズルと、
前記基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の複数箇所から前記反応管内に酸素含有ガスを供給する第2ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い圧力となるように制御する圧力制御器と、を有し、
前記第1ノズルには複数の第1ガス噴出孔が設けられ、
前記第2ノズルには少なくとも前記複数枚の基板の一枚一枚に対応するように少なくとも前記複数枚の基板の枚数と同数の第2ガス噴出孔が設けられる基板処理装置が提供される。
複数枚の基板を反応管内に搬入する工程と、
前記反応管内の圧力を大気圧よりも低くした状態で、加熱された状態の前記反応管内に、前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置された第1ノズルを介して水素含有ガスを供給し、前記基板配列領域に対応する領域に配置された第2ノズルを介して酸素含有ガスを供給し、前記複数枚の基板を処理する工程と、
処理済の前記複数枚の基板を前記反応管内より搬出する工程と、を有し、
前記基板を処理する工程では、前記水素含有ガスを前記基板配列領域に対応する領域の複数箇所から、前記第1ノズルに設けられた複数の第1ガス噴出孔を通して前記反応管内に供給すると共に、前記酸素含有ガスを前記基板配列領域に対応する領域の複数箇所から
、少なくとも前記複数枚の基板の一枚一枚に対応するように少なくとも前記複数枚の基板の枚数と同数前記第2ノズルに設けられた第2ガス噴出孔を通して前記反応管内に供給する半導体装置の製造方法が提供される。
4 処理室(反応室)
5 熱処理炉(酸化炉)
6 ウエハ
8a 酸素供給ノズル
8b 水素供給ノズル
9 抵抗加熱ヒータ
10 反応管
11 排気口
Claims (5)
- 複数枚の基板を処理する反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内で前記複数枚の基板を配列させて保持する保持具と、
前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の複数箇所から前記反応管内に水素含有ガスを供給する第1ノズルと、
前記基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の複数箇所から前記反応管内に酸素含有ガスを供給する第2ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い圧力となるように制御する圧力制御器と、を有し、
前記第1ノズルには複数の第1ガス噴出孔が設けられ、
前記第2ノズルには少なくとも前記複数枚の基板の一枚一枚に対応するように少なくとも前記複数枚の基板の枚数と同数の第2ガス噴出孔が設けられる
ことを特徴とする基板処理装置。 - 前記第2ガス噴出孔は、それぞれの前記第2ガス噴出孔と、それぞれの前記第2ガス噴出孔に対応するそれぞれの基板と、の基板配列方向におけるそれぞれの距離が等しくなるように構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記第2ガス噴出孔は、前記第2ガス噴出孔の配列ピッチが基板の配列ピッチと等しくなるように構成される
ことを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置 - 前記第1ガス噴出孔は、少なくとも前記複数枚の基板の一枚一枚に対応するように少なくとも前記複数枚の基板の枚数と同数設けられる
ことを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。 - 複数枚の基板を反応管内に搬入する工程と、
前記反応管内の圧力を大気圧よりも低くした状態で、加熱された状態の前記反応管内に、前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置された第1ノズルを介して水素含有ガスを供給し、前記基板配列領域に対応する領域に配置された第2ノズルを介して酸素含有ガスを供給し、前記複数枚の基板を処理する工程と、
処理済の前記複数枚の基板を前記反応管内より搬出する工程と、を有し、
前記基板を処理する工程では、前記水素含有ガスを前記基板配列領域に対応する領域の複数箇所から、前記第1ノズルに設けられた複数の第1ガス噴出孔を通して前記反応管内に供給すると共に、前記酸素含有ガスを前記基板配列領域に対応する領域の複数箇所から、少なくとも前記複数枚の基板の一枚一枚に対応するように少なくとも前記複数枚の基板の枚数と同数前記第2ノズルに設けられた第2ガス噴出孔を通して前記反応管内に供給する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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