JP2015138948A - 縦型熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】縦型の反応管内にて、基板保持具に棚状に保持された基板に対してガスノズルから処理ガスを供給して熱処理を行うにあたり、各ウエハ間にて加熱温度を揃えながら、当該ガスノズルの長さ方向に沿ってガスノズル内における処理ガスの温度を揃えること。【解決手段】ウエハＷを加熱するためのヒータ１３について、上下に複数に区画すると共に、各ヒータ１３ａ〜１３ｅを個別に温度調整可能に構成する。そして、反応管１２内にウエハボート１１を気密に搬入した時、最下段のヒータ１３ｅについて、他のヒータ１３ａ〜１３ｄよりも設定温度を高くする。また、原料ガスを供給するための原料ガスノズル５１ａに沿って流路形成部材３１を設けて、原料ガスの熱分解温度よりも低い温度に原料ガスノズル５１ａを冷却する。【選択図】図３

Description

本発明は、縦型の反応管内にて、基板保持具に棚状に保持された基板に対してガスノズルから処理ガスを供給して熱処理を行う縦型熱処理装置、熱処理方法及び記憶媒体に関する。

多数枚の半導体ウエハ（以下「ウエハ」と言う）などの基板に対して一括して成膜処理などの熱処理を行う装置として、これらウエハを棚状に積載したウエハボート（基板保持具）を縦型の反応管内に下方側から気密に搬入して熱処理を行う縦型熱処理装置が知られている。反応管内には、熱処理時の雰囲気を形成するための処理ガスを供給するガスノズルがウエハボートの長さ方向に沿って配置されている。また、反応管の外側には、各ウエハを加熱するための加熱機構をなすヒータが設けられており、このヒータは、上下方向に複数箇所例えば５箇所のゾーンに区画されると共に、各々独立して温度調整ができるように構成されている。

このような装置では、ウエハの熱処理が終了すると、ヒータへの通電（反応管内部の加熱）を継続したまま、反応管の下方側にてウエハボートにおける処理済みのウエハを未処理のウエハに入れ替えて、次いでウエハボートを上昇させて当該未処理のウエハの熱処理を行っている。ここで、ウエハボートを反応管内に搬入した時、反応管内では、上方側の領域よりも下方側の領域の温度が下がりやすくなってしまう。そこで、ウエハボートを反応管内に搬入する時は、各ウエハ間にて加熱温度を揃えるために、既述の５箇所のゾーンのうち最下段のゾーン（あるいは当該最下段のゾーンに加えて一段上のゾーン）を受け持つヒータについては他のヒータよりも通電量を増やしている。

既述の成膜処理の具体的な一例としては、互いに反応する処理ガスを交互に供給することによってこれら処理ガスの反応生成物を積層して薄膜を成膜する手法であるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられる。このような薄膜として酸化ハフニウム（Ｈｆ−Ｏ）などの高誘電率膜を成膜する場合には、処理ガスとして原料ガスである例えばＴＤＭＡＨ（テトラキスジメチルアミノハフニウム）ガスと反応ガスであるオゾン（Ｏ_３）ガスとが用いられる。また、酸化ハフニウム膜以外の高誘電率膜としては、酸化ジルコニウム（Ｚｒ−Ｏ）膜、酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）膜あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏ）膜などが知られており、これら高誘電率膜は、金属含有炭化物（有機物）系ガスを原料ガスとして使用して成膜される。これら原料ガス及び反応ガスは、夫々別のガスノズルを用いて供給される。また、高誘電率膜を成膜する時には、当該高誘電率膜に残存する不純物レベルをなるべく低減するために、ウエハの加熱温度は原料ガスの熱分解温度近傍に設定される。

ところで、このような高誘電率膜を成膜するときに既述のゾーン制御を行うと、原料ガスを供給するガスノズル内部では、この原料ガスの熱分解温度を超えてしまうおそれがある。即ち、反応管内におけるウエハの加熱温度が原料ガスの熱分解温度近傍に設定されているのに対して、最下段のゾーンの温度を他のゾーンの温度よりも高く設定すると、当該最下段のゾーンに位置するガスノズル内では原料ガスの熱分解温度を超えた温度に到達しやすくなる。そして、ガスノズル内で原料ガスの熱分解温度を超えると、当該ガスノズル内に付着物が付着しやすくなるので、この付着物の剥離に伴って発生するパーティクルやノズル詰まりを抑制するために、ガスノズルを頻度に交換せざるを得なくなってしまう。このような付着物の付着を抑制する手法として、原料ガスを供給した後、窒素（Ｎ_２）ガスなどをガスノズル内にフローさせる方法も挙げられるが、それ程大きな改善は見られない。

特許文献１には、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて薄膜の成膜を行うにあたって、インジェクターの表面にて四塩化スズと水蒸気との反応を抑えるために、窒素ガスを当該インジェクターの表面から吐出する技術について記載されている。特許文献２及び特許文献３には、枚葉式装置において、インジェクタヘッドやインジェクターを冷却する技術について記載されている。しかしながら、これら特許文献１〜３では、縦型熱処理装置における処理ガスの温度分布について検討されていない。

特許第３９５２３４１号 特表２００８−５０８７４４ 特表２００８−５３８２５６

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、縦型の反応管内にて、基板保持具に棚状に保持された基板に対してガスノズルから処理ガスを供給して熱処理を行うにあたり、当該ガスノズルの長さ方向に沿って処理ガスの温度を均一化できる技術を提供することにある。

本発明の縦型熱処理装置は、
複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、加熱機構に囲まれた縦型の反応管内に搬入して熱処理を行う縦型熱処理装置において、
前記反応管内に前記基板保持具の長さ方向に伸びるように設けられ、処理ガスを吐出するガスノズルと、
前記反応管内にて前記ガスノズルを囲むように設けられ、前記ガスノズル内の処理ガスの温調を行うための温調流体の通流空間を形成すると共に温調流体の供給口と排出口とを有する流路形成部材と、を備えたことを特徴とする。

本発明の熱処理方法は、
複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、加熱機構に囲まれた縦型の反応管内に搬入して熱処理を行う縦型熱処理方法において、
前記反応管内に前記基板保持具の長さ方向に伸びるように設けられたガスノズルから処理ガスを吐出する工程と、
前記反応管内にて前記ガスノズルを囲むように設けられた流路形成部材に温調流体を供給して、前記ガスノズル内の処理ガスの温調を行う工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の記憶媒体は、
コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、既述の熱処理方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。

本発明は、縦型の反応管内に棚状に積載された基板に熱処理を行うにあたって、各基板に処理ガスを吐出するガスノズルに沿うように流路形成部材を形成して、この流路形成部材に温調流体を供給している。そのため、ガスノズルの長さ方向に沿って処理ガスの温度を揃えることができる。

本発明の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。 前記縦型熱処理装置を示す縦断面図である。 前記縦型熱処理装置を示す横断平面図である。 前記縦型熱処理装置の一部を拡大して示す横断平面図である。 前記縦型熱処理装置に設けられるガスノズルの一例を示す斜視図である。 前記ガスノズルを示す縦断面図である。 前記成膜処理において各ヒータの設定温度やウエハの加熱温度を時系列的に並べた概略図である。 前記ガスノズルの温度を模式的に示す模式図である。 前記ガスノズルを切断して撮像したＳＥＭ写真図である。 従来のガスノズルを切断して撮像したＳＥＭ写真図である。 ガスノズルの温度と温調流体の流量との相関を示す特性図である。 本発明の他の例における温調流体の流量の経時変化を模式的に示す特性図である。 本発明の別の例における温調流体の流量の経時変化を模式的に示す特性図である。 本発明の更に他の例においてガスノズルを温調する機構を示す縦断面図である。 本発明の更にまた他の例においてガスノズルの温度分布を模式的に示す模式図である。

本発明に係る縦型熱処理装置の実施の形態の一例について、図１〜図６を参照して説明する。始めにこの装置の概略について簡単に説明すると、この縦型熱処理装置は、互いに反応する原料ガスと反応ガス（酸化ガス）とをウエハＷに対して交互に供給して反応生成物を積層するＡＬＤ法により薄膜を成膜する成膜装置となっている。そして、本発明は、原料ガスを供給するためのガスノズルの構成や当該構成を用いた成膜方法に特徴を有するが、始めにこの成膜装置の詳細について説明する。

成膜装置には、図１に示すように、多数枚例えば１５０枚のウエハＷに対して一括して成膜処理を行うための反応管１２が配置された熱処理領域１と、この熱処理領域１の下方側に形成されたウエハＷの搬入出領域２と、が設けられている。また、成膜装置には、ウエハＷを棚状に積載するための基板保持具であるウエハボート１１が設けられており、このウエハボート１１は、これら領域１、２の間で昇降自在となっている。図１中３はボートエレベータ、４はウエハボート１１に対してウエハＷの移載を行うアームである。ボートエレベータ３によるウエハボート１１の昇降速度は、例えば４００ｍｍ／ｍｉｎ〜６００ｍｍ／ｍｉｎである。尚、各領域１、２の間には、ウエハボート１１を反応管１２から取り出した時、反応管１２の下面側開口部を塞ぐための蓋体が水平方向にスライド自在に設けられているが、ここでは図示を省略している。

図２に示すように、熱処理領域１には、下面側が開口する概略円筒型の加熱炉本体１４が設けられており、この加熱炉本体１４の内部には、ウエハボート１１を気密に収納して成膜処理を行うための反応管１２が配置されている。加熱炉本体１４の内壁面には、周方向に亘って加熱機構であるヒータ１３が配置されている。このヒータ１３は、ウエハボート１１におけるウエハＷの収納領域を跨ぐように設けられており、上下方向に複数箇所例えば５箇所に互いに離間するように配置されている。

これら５つのヒータ（加熱部）１３について、図２に示すように、上側から下側に向かって順番に「１３ａ」、「１３ｂ」、「１３ｃ」、「１３ｄ」、「１３ｅ」の符号を付すと、各々のヒータ１３ａ〜１３ｅは、電源１５に個別に接続されている。そして、各ヒータ１３ａ〜１３ｅは、各々のヒータ１３ａ〜１３ｅが受け持つ反応管１２内の各ゾーンにおける加熱温度を個別に調整できるように構成されている。本発明では、後で詳述するように、ウエハＷに対して成膜処理を開始する時、下側２段のヒータ１３ｄ、１３ｅの出力を他のヒータ１３ａ〜１３ｃの出力よりも高くしている。尚、この例では上下方向に５段のヒータ１３ａ〜１３ｅを設けたが、４段のヒータ１３ａ〜１３ｄを設けても良いし、３段のヒータ１３ａ〜１３ｃを設けても良い。即ち、本発明では、成膜処理を開始する時、上下に複数に区画した複数のヒータ１３のうち下側のヒータ１３の出力を他のヒータ１３の出力よりも高くしている。

図２及び図３に示すように、反応管１２は、石英により構成されると共に、この例では外管１２ａと当該外管１２ａの内部に収納された内管１２ｂとの二重管構造となっている。これら外管１２ａ及び内管１２ｂの各々は、下面側が開口するように形成されている。図３及び図４にも示すように、平面で見た時における内管１２ｂの一端側（手前側）の部位は、当該内管１２ｂの長さ方向に亘って外管１２ａに向かって膨らむように形成されており、後述の各ガスノズル（ガスインジェクタ）５１ａ〜５１ｃや流路形成部材３１を収納するための領域１２ｃをなしている。内管１２ｂにおいてこの領域１２ｃに対向する部位は、図２にも示すように、当該内管１２ｂの長さ方向に亘って開口しており、排気口であるスリット１７をなしている。尚、図２及び図３では、図示の便宜上、既述の領域１２ｃを平面図として示し、当該領域１２ｃの内部構造については図４に示している。

これら外管１２ａ及び内管１２ｂは、上下面が開口する概略円筒形状のフランジ部１８によって下方側から各々気密に支持されている。即ち、フランジ部１８の上端面により外管１２ａの下端部が気密に支持され、フランジ部１８の内壁面から内側に向かって周方向に亘って水平に突出する突出部１８ａにより内管１２ｂの下端部が気密に支持されている。外管１２ａと内管１２ｂとの間には、図２に示すように、上下方向に伸びるロッド１９がフランジ部１８に取り付けられており、このロッド１９には、既述の各ヒータ１３ａ〜１３ｅに対応する各高さ位置に夫々熱電対からなる温度センサＴＣａ〜ＴＣｅが測定部として設けられている。

これら温度センサＴＣａ〜ＴＣｅは、ロッド１９の内部を引き回された導電路を介して、各ヒータ１３ａ〜１３ｅが受け持つゾーンにおける測定温度を後述の制御部１００に伝達するように構成されている。図２中１６は、フランジ部１８及び既述の加熱炉本体１４を支持するためのベースプレートである。尚、ロッド１９は、図３に示すように、例えば既述の領域１２ｃに近接配置されているが、図２では各ヒータ１３ａ〜１３ｅと温度センサＴＣａ〜ＴＣｅとの位置関係を示すために側方側に離間させて描画している。

図２に示すように、フランジ部１８の側壁における既述のスリット１７に対向する部位には、内管１２ｂと外管１２ａとの間の領域に連通するように排気口２１が形成されている。そして、この排気口２１から伸びる排気路２２には、図２に示すように、バタフライバルブなどの圧力調整部２３を介して真空ポンプ２４が接続されている。フランジ部１８の下方側には、当該フランジ部１８の下端側外周部であるフランジ面に周方向に亘って気密に接触するように概略円板状に形成された蓋体２５が設けられており、この蓋体２５は、既述のボートエレベータ３によって、ウエハボート１１と共に昇降自在に構成されている。図２中２６は断熱体、２７はモータなどの回転機構である。また、図２中２８は回転軸であり、２１ａは排気ポートである。

続いて、反応管１２内に処理ガスを供給するための既述のガスノズル５１について詳述する。この例では、図４に示すように、ガスノズル５１は３本配置されており、各々石英により構成されている。各ガスノズル５１は、ウエハボート１１の長さ方向に沿って各々配置されると共に、反応管１２の周方向に沿って互いに離間するように並んでいる。ここで、これら３本のガスノズル５１について、図４に示すように、この例では反応管１２を上方側から見て時計周り（右周り）に原料ガスノズル５１ａ、オゾンガスノズル５１ｂ及びパージガスノズル５１ｃが配置されているものとする。

これらガスノズル（ガス供給部）５１ａ〜５１ｃは、夫々原料ガス（ＴＤＭＡＨガス）の貯留源５５ａ、反応ガス（オゾン（Ｏ_３）ガス）の貯留源５５ｂ及びパージガス（窒素（Ｎ_２）ガス）の貯留源５５ｃに接続されている。各ガスノズル５１ａ〜５１ｃにおけるスリット１７側の側面には、ウエハボート１１の長さ方向に沿って複数箇所にガス吐出口５２が形成されている。図３中５３はバルブ、５４は流量調整部であり、窒素ガスについてはパージガスノズル５１ｃだけでなく他のガスノズル５１ａ、５１ｂにも供給できるように構成されている。尚、貯留源５５ａは、高誘電率膜の原料である液体が貯留されると共に、この液体の加熱によって気化した金属含有有機ガスをキャリアガスである窒素ガスなどと共に供給するように構成されているが、ここでは図示を省略している。

そして、原料ガスノズル５１ａの周囲には、当該原料ガスノズル５１ａの温度の調整を行うための流路形成部材３１が設けられている。流路形成部材３１は、石英により構成されており、原料ガスノズル５１ａを概略囲むように当該原料ガスノズル５１ａに溶接されている。即ち、図５に示すように、流路形成部材３１は、原料ガスノズル５１ａの長さ方向に沿って伸びる概略箱型の流路本体３２と、この流路本体３２の上端付近における側面及び下端付近における側面から夫々伸び出す供給路３３及び排出路３４とを備えている。

流路本体３２は、図３及び図６に示すように、内部領域が中空の温調流体通流空間をなしており、また原料ガスノズル５１ａの大部分を当該内部領域に埋め込んだ状態でこの原料ガスノズル５１ａに気密に溶接されている。具体的には、流路本体３２におけるウエハボート１１側の側面には、当該流路本体３２における上端位置よりも僅かに下位置から、流路本体３２の下端位置までに亘って、原料ガスノズル５１ａを平面で見た時の外形寸法よりも小さい開口径の開口部がスリット状に形成されている。また、流路本体３２の底面には、原料ガスノズル５１ａを平面で見た時の形状と概略同形状の開口部が形成されており、前記側面の開口部と前記底面の開口部とは互いに連通している。従って、流路本体３２に対して下方側から原料ガスノズル５１ａを気密に差し込むと、ガス吐出口５２が流路本体３２から突出すると共に、既述のフランジ部２８に向かう原料ガスノズル５１ａの屈曲部分が流路本体３２の下方側に位置する。こうしてこれら原料ガスノズル５１ａと流路本体３２とを互いに溶接すると、既述の図５に示した構成が得られる。尚、図６は、図５におけるＡ−Ａ線における断面を示している。

既述の供給路３３及び排出路３４は、ウエハボート１１から見て流路本体３２における左右の側面に夫々形成されており、流路本体３２への取り付け面が夫々供給口３３ａ及び排出口３４ａをなしている。供給路３３及び排出路３４における流路本体３２とは反対側の端部は、図３に示すように、原料ガスノズル５１ａや他のガスノズル５１ｂ、５１ｃと同様に、フランジ部２８を気密に貫通している。即ち、これら供給路３３及び排出路３４における前記端部は、流路本体３２から水平方向に伸び出すと共に、下方側に向かって直角に屈曲して、フランジ部２８を介して反応管１２の外側に配置されたチラーなどの温調機構３５に各々接続されている。この温調機構３５に設けられた冷却機構及び加熱機構によって、任意の温度例えば９５℃に調整された温調流体この例では窒素ガスを流路本体３２の内部に循環させるように構成されている。

この縦型熱処理装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１００が設けられており、この制御部１００のメモリ内には後述の成膜処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部１０１から制御部１００内にインストールされる。

次に、上述実施の形態の作用について説明する。本発明では、後述するように、ウエハＷに成膜処理を行うにあたって、反応管１２内にウエハボート１１を気密に搬入した後、原料ガスノズル５１ａの恒温化（冷却）を図っているが、このように原料ガスノズル５１ａの冷却を行っている理由について始めに説明する。既述の背景の項目にて説明したように、縦型熱処理装置では、各ウエハＷは反応管１２の下方側にてウエハボート１１に載置された後、反応管１２内に気密に収納されて熱処理が行われる。熱処理が終了すると、ウエハボート１１を再度下降させて、処理済みのウエハＷを未処理のウエハＷと入れ替えて、こうして順次多数枚のウエハＷに対して連続して成膜処理を行う。従って、ヒータ１３ａ〜１３ｅの出力は、反応管１２内の昇降温に伴う時間的なロスをなるべく少なくするために、熱処理が終了した後（ウエハボート１１に対してウエハＷの入れ替えを行っている時）においても、反応管１２内がウエハＷの熱処理を行う処理温度となるように維持される。

ここで、各ヒータ１３ａ〜１３ｅの設定温度を揃えたまま反応管１２内にウエハボート１１を搬入すると、ウエハボート１１における下端側の領域では、上端側の領域よりもウエハＷの温度が低くなってしまう。即ち、ウエハボート１１を上昇させている間、反応管１２の炉口（下端の開口部）は、常温雰囲気の搬入出領域２に開口したままとなっていて、当該搬入出領域２に放熱している。また、反応管１２へのウエハボート１１の搬入を完了した時、当該ウエハボート１１に積載された多数枚のウエハＷのうち上端位置のウエハＷは、反応管１２内を長さ方向に亘って移動している間に、既にある程度加熱されている。一方、下端位置のウエハＷは、反応管１２内をそれ程長く移動しておらず、従って前記上端位置よりも温度が低い。また、既述のように、ボートエレベータ３によるウエハボート１１の昇降速度は、例えばアーム４によるウエハＷの搬送速度と比べて極めて遅い。そのため、ウエハボート１１の搬入を終えた時、各ヒータ１３ａ〜１３ｅの設定温度を揃えたままだと、当該ウエハボート１１では上下方向においてウエハＷの加熱温度がばらついてしまう。そして、ウエハボート１１の搬入完了後、このような温度ばらつきが解消されるまで（ウエハＷの加熱温度が揃うまで）待機時間を設けると、スループットの低下に繋がってしまう。

そこで、縦型熱処理装置では、ウエハボート１１の搬入が完了した後、各ウエハＷの温度を速やかに揃えている。具体的には、各ヒータ１３ａ〜１３ｅのうち例えば下側から２段のヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度について、他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度よりも例えば２５℃だけ高くしている。その後、ヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度を他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度と揃えて、下段側のウエハＷの加熱温度が高くなりすぎないようにしている。

しかしながら、このような温度制御を行うと、ウエハＷの加熱温度については上下方向において速やかに均一化が図られる一方、原料ガスノズル５１ａを頻繁に交換せざるを得なくなってしまう。即ち、反応管１２内における各ウエハＷの加熱温度は、原料ガスに含まれる有機物などの不純物がなるべく薄膜に取り込まれないように、当該原料ガスの熱分解温度近傍あるいは熱分解温度を超えた温度に設定される。既述のＴＤＭＡＨガスの場合には、熱分解温度は２８０℃程度であり、反応管１２内の加熱温度は２８０℃〜３００℃である。従って、最下段のヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度を他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度を超えた温度に設定すると、最下段のゾーンに位置する原料ガスノズル５１ａ内では、原料ガスが熱分解しやすくなってしまう。そして、原料ガスが原料ガスノズル５１ａ内で熱分解すると、当該原料ガスノズル５１ａの内壁に付着物が付着するので、この付着物が剥離した場合にはパーティクルとなってしまうし、当該原料ガスノズル５１ａ内が詰まりやすくなってしまう。一方、原料ガスノズル５１ａ内の温度が原料ガスの熱分解以下の温度に落ち着くまで待機時間を設けて、その後原料ガスの供給を開始しようとすると、前記待機時間の分だけスループットの低下に繋がってしまう。

そこで、本発明では、以上説明した各ヒータ１３ａ〜１３ｅの温度制御を行う時に、原料ガスノズル５１ａを冷却している。このような温度ヒータ１３ａ〜１３ｅの温度制御及び原料ガスノズル５１ａの冷却の具体的なシーケンスについて、図７を参照してウエハＷの成膜処理と共に以下に詳述する。

今、既述の搬入出領域２において、ウエハボート１１に処理前の（これから処理を行おうとする）ウエハＷが移載されているものとする。この時点においては、各ヒータ１３ａ〜１３ｅの設定温度は、図７（ａ）に示すように、反応管１２内の熱処理温度に揃っている。原料ガスノズル５１ａは、図７（ｃ）に示すように、各ヒータ１３ａ〜１３ｅによって反応管１２の内部領域と同様の温度に加熱されている。そして、時刻ｔ０において、ウエハボート１１を上昇させて、反応管１２内への搬入（ローディング）を開始し、時刻ｔ１にてウエハボート１１の搬入を終了する。

図７（ａ）〜（ｄ）は、ウエハボート１１の搬入前後及びプロセス（成膜処理）時におけるヒータ１３の設定温度、反応管１２内の雰囲気温度、ウエハＷの温度、原料ガスノズル５１ａの温度及び温調流体の流量の推移を示している。図７では、ヒータ１３ａ〜１３ｅの温度については、最下段のヒータ１３ｅと、ヒータ１３ｄ、１３ｅよりも上段側のヒータ１３を代表する最上段のヒータ１３ａとの各温度を示している。また、反応管１２内の雰囲気の温度については、下側２段のヒータ１３ｄ、１３ｅが受け持つ（ヒータ１３ｄ、１３ｅに対応する）ゾーンと、当該ヒータ１３ｄ、１３ｅよりも上段側のヒータ１３が受け持つゾーンを代表して最上段のヒータ１３ａが受け持つゾーンとの各温度を示している。また、ウエハＷの温度については、ウエハボート１１上の製品ウエハＷのうち最下段のウエハＷと最上段のウエハＷとの各温度を示している。

ウエハボート１１の搬入が終了した時刻ｔ１の時点において、図７（ａ）に示すように、下側２段のヒータ１３ｄ、１３ａの設定温度を他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度よりも例えば２５℃高い第１の温度に設定する。また、図７（ｄ）に示すように、例えば時刻ｔ１にて、流路本体３２内に、例えば９５℃に設定された窒素ガスを供給して、原料ガスノズル５１ａの冷却（温調）を開始する。

反応管１２内では、図７（ｂ）に示すように、下側２段のヒータ１３ｄ、１３ｅが受け持つゾーン（ヒータ１３ｄ、１３ｅに対応するゾーン、底部領域）については他のゾーンよりも速やかに昇温して、一方当該他のゾーンではウエハＷの熱処理温度に保たれる。これに対して原料ガスノズル５１ａは、図７（ｃ）に示すように、反応管１２内における加熱温度と流路本体３２を通流する窒素ガスの温度とのバランスに基づいて、当該原料ガスノズル５１ａの長さ方向に亘って例えば原料ガスの熱分解温度以下の温度に保たれる（冷却される）。

また、ウエハボート１１に積載された各ウエハＷは、図７（ｃ）に示すように、反応管１２内に搬入された時点（ｔ１）では既述のように上下方向の温度ばらつきが僅かに発生しているものの、各ゾーンの温度制御によって速やかに加熱されて熱処理温度に到達する（ｔ２）。各ウエハＷの加熱温度が揃うと（詳しくは各ウエハＷの加熱温度が揃うまでの待機時間が経過した後）、図７（ａ）に示すように、下側２段のヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度が他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度と同じ第２の温度まで下げられる（ｔ２）。下側２段のヒータ１３ｄ、１３ｅが受け持つゾーンでは、図７（ｂ）に記載のように、当該ヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度の変更に伴って他のゾーンの加熱温度に向かって降温していく。

以上のように各ウエハＷの加熱温度が揃った後、薄膜の成膜処理を開始する。具体的には、反応管１２内を真空引きした後、当該反応管１２内を任意の処理圧力に設定すると共に原料ガスの供給を開始する（ｔ３）。ここで、下側２段のヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度を他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度に揃えた後、反応管１２内における下側２段のゾーンの実際の温度は、既述のように、緩やかに降温していく。従って、原料ガスの供給開始時（ｔ３）には、反応管１２内の下段のゾーンでは、当該原料ガスの熱分解温度を超えているか、あるいは前記熱分解温度近傍に加熱されている。しかしながら、原料ガスノズル５１ａを窒素ガスにより温調（冷却）しているため、原料ガスは、熱分解を抑制されながら通流して、当該原料ガスノズル５１ａからウエハＷに吐出される。各ウエハＷの表面では、当該ウエハＷが原料ガスの熱分解温度近傍に加熱されているので、原料ガスが接触すると、この原料ガスの熱分解によって生成物が付着する。

次いで、原料ガスの供給を停止して、反応管１２内を真空引きすると共にパージガスにより反応管１２内の雰囲気を置換した後、反応ガスを各ウエハＷに供給する。ウエハＷの表面では、前記生成物が酸化されて、ハフニウムの酸化物からなる反応生成物（Ｈｆ−Ｏ）が形成される。こうして再度反応管１２内の雰囲気を置換して、原料ガスと反応ガスとを前記雰囲気を置換しながら交互に各ウエハＷに供給することにより、前記反応生成物が積層されて薄膜が形成される。

この薄膜を成膜している間に亘って、流路本体３２内には温調された窒素ガスを通流させているので、各々のウエハＷの薄膜における膜厚方向に亘って、且つ各ウエハＷ間において、原料ガスの温度の均一化が図られて、従って薄膜の膜質が揃う。また、原料ガスノズル５１ａ内では原料ガスの熱分解が抑制されるので、原料ガスの熱分解によって生成する生成物の付着及び当該生成物の剥離が抑えられる。図８は、以上説明した原料ガスノズル５１ａ内の温度及び反応管１２内における成膜温度を模式的に示したものであり、反応管１２内では、原料ガスの熱分解温度近傍あるいは当該熱分解温度を超えた温度に設定されている。一方、原料ガスノズル５１ａ内では、原料ガスの気化温度以上且つ熱処理温度以下に設定されている。

その後、各ヒータ１３ａ〜１３ｅの設定温度についてはそのまま熱処理温度に維持しながら、反応管１２内を大気雰囲気に戻してウエハボート１１を下降させて、既に詳述したように処理済みのウエハＷと未処理のウエハＷとを交換する。

上述の実施の形態によれば、反応管１２内にて多数枚のウエハＷに対して一括して薄膜の成膜処理を行うにあたって、反応管１２内に原料ガスノズル５１ａを囲むように流路形成部材３１を設けて、原料ガスノズル５１ａの温調（冷却）を行っている。従って、既述のように下側のヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度を他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度より高くしても、原料ガスノズル５１ａの長さ方向に亘って原料ガスの温度を均一化できる。そのため、下側のヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度が原料ガスの熱分解温度を超えた場合であっても、原料ガスノズル５１ａ内における原料ガスの熱分解（生成物の付着）を抑制できる。従って、原料ガスノズル５１ａを頻繁に交換せずに済む。また、薄膜の膜質をウエハＷ間にて揃えることもできる。そして、温調流体について、反応管１２内に漏れ出さないようにしているので、当該反応管１２内にて行われるプロセスには影響を及ぼさずに原料ガスノズル５１ａを恒温化できる。

図９は、以上説明した原料ガスノズル５１ａについて、多数回の成膜処理に使用した後、当該原料ガスノズル５１ａを切断して内側に付着した付着物を撮像したＳＥＭ写真を示している。図９では、前記付着物の膜厚寸法ｄは、４８．５ｎｍとなっていた。一方、図１０は、原料ガスノズル５１ａの温調を行わずに、同様の成膜処理を行った時に原料ガスノズル５１ａ内に付着する付着物を示している。図１０では、付着物の膜厚寸法ｄが７０５ｎｍとなっており、図９と比べて極めて厚膜となっていた。

また、図１１は、反応管１２内が例えば３００℃となるように各ヒータ１３ａ〜１３ｅの設定温度を設定すると共に、流路本体３２内に通流させる窒素ガス（温度：９５℃）の流量を種々変えた時、反応管１２内に吐出する原料ガスの温度がどのように変化するか実験した結果を示している。図１１から分かるように、５〜５０ｓｌｍまで温調流体の流量を増やして行くに従って、原料ガスの温度が下がっていた。そのため、温調流体の流量を介して、原料ガスの温度を調整できることが分かる。従って、原料ガスノズル５１ａ内の処理ガスの温調を行うにあたって、処理ガスの温度をある任意の温度に設定するためには、温調流体の流量と、温調流体の温度と、の少なくとも一方を調整すれば良いと言える。尚、図１１において原料ガスの温度を測定する時には、最下段のゾーンにおける原料ガスノズル５１ａの吐出口５２の近傍位置に熱電対などの温度計測部の計測端を配置して、当該吐出口５２から吐出する原料ガスの温度を測定した。

図１１の結果から、反応管１２内の加熱温度が原料ガスの熱分解温度を超えていても、原料ガスノズル５１ａ内では原料ガスの熱分解が抑制されることが分かる。言い換えると、本発明では、原料ガスノズル５１ａを冷却することにより、原料ガスの熱分解温度を超えた高温までウエハＷを加熱できるので、不純物レベルが極めて低い薄膜を得ることができる。

以下に、本発明の他の例について説明する。図１２は、温調流体の供給量について、経時的に変化させた例を示している。具体的には、ウエハボート１１を反応管１２内に気密に搬入して温調流体の供給を開始する時（ｔ１）、温調流体の供給量を流量Ｖ１に設定して、その後成膜処理を開始した後、任意のタイミングｔ４にて流量Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）に減少させる例を示している。即ち、既に詳述したように、本発明では、ウエハボート１１を反応管１２内に搬入した後、成膜処理を開始するまでのいわば準備段階において、下側のヒータ１３ｄ、１３ｅの設定温度を他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度よりも高くしている。従って、前記準備段階では、成膜処理を開始した後よりも、原料ガスノズル５１ａ内の温度が高くなりやすい。そこで、この例では、前記準備段階において、成膜処理を開始した後と比べて温調流体の流量を多くしている。

また、図１３は、温調流体の流量について、当該温調流体の供給開始時ｔ１から前記タイミングｔ４に向かって、流量Ｖ１からＶ２に徐々に少なくなるように設定した例を示している。更に、図１４は、流路形成部材３１について、原料ガスノズル５１ａの下端側から当該原料ガスノズル５１ａの長さ方向における途中部位まで設けた例を示している。即ち、下側のヒータ１３ｄ、１３ｅについては前記準備段階で他のヒータ１３ａ〜１３ｃの設定温度よりも高い設定温度に設定するため、当該ヒータ１３ｄ、１３ｅが受け持つゾーンあるいはこのゾーンに加えて一つ上段側のゾーンだけに流路形成部材３１を設けている。図１４では、流路形成部材３１の上端の高さレベルｈは、反応管１２内のウエハボート１１に積載される多数枚のウエハＷのうち高さ方向において中央のウエハＷの上面と同じ高さ位置となるように設定している。尚、図１４では、供給路３３や排出路３４の描画を省略している。

以上の各例では、流路本体３２内に通流させる温調流体の温度について、反応管１２内の熱処理温度よりも低い温度に設定したが、当該熱処理温度近傍に設定しても良い。即ち、熱分解温度の近傍温度にて活性化する原料ガス（例えばオゾンガス）を用いる場合には、原料ガスノズル５１ａ内にて原料ガスの熱分解を抑制しながら、当該原料ガスの活性化を図っても良い。
また、成膜処理を開始する時に反応管１２内の上方側よりも下方側の加熱温度を高く設定するにあたり、既述の例ではヒータ１３ａ〜１３ｅのうち下側２段のヒータ１３ｄ、１３ｅの出力を大きくしたが、最下段のヒータ１３ｅの出力だけを大きくしても良い。

また、既述の最下段のゾーンの温度調整を行わずに、ウエハボート１１の搬入時から成膜処理の終了時までに亘って各ヒータ１３ａ〜１３ｅの設定温度を揃える場合には、原料ガスは、図１５に破線にて示すように、原料ガスノズル５１ａ内を上方側に向かって通流するにつれて昇温する。従って、原料ガスにこのような温度ばらつきが生じていると、各ウエハＷでは、原料ガスの熱分解の度合い（ウエハＷ上に形成される反応生成物の膜厚）のばらつくおそれがある。そこで、このような場合には、流路本体３２内に供給する温調流体について、ウエハＷの熱処理温度あるいは当該熱処理温度近傍に加熱して、原料ガスの温度の均一化を行っても良い。

更に、流路形成部材３１について、原料ガスノズル５１ａに代えて、あるいは原料ガスノズル５１ａと共に、オゾンガスノズル５１ｂに設けても良い。即ち、オゾンガスについても、上方側に向かってオゾンガスノズル５１ｂ内を通流するにつれて昇温する。従って、オゾンガスノズル５１ｂの長さ方向に沿ってオゾンガスの温度を揃えることにより、ウエハＷの表面に吸着した原料ガスの成分と当該オゾンガスとの反応性を反応管１２の長さ方向に沿って揃えることができる。

以上の説明では、原料ガスと反応ガスとを交互にウエハＷに供給するＡＬＤ法を例に挙げたが、これら原料ガス及び反応ガスを同時にウエハＷに供給してＣＶＤ法により薄膜を成膜しても良い。また、各ガスノズル５１ａ〜５１ｃとしては、ウエハボート１１の長さ方向に沿ってガス吐出口５２を形成する構成に代えて、当該ガスノズル５１ａ〜５１ｃの先端側上端部を開口させてガス吐出口５２として構成であっても良い。

流路形成部材３１については、原料ガスノズル５１ａ（オゾンガスノズル５１ｂ）の周囲を覆うように流路本体３２を形成して、いわば２重管構造を採っても良い。この場合には、内管と外管との間に、内管の吐出口５２から流路本体３２の外側に向かって伸びるガス流路を配置しても良い。

また、温調流体としては、気体に代えて液体（純水）を用いても良い。以上説明した成膜処理を行う時に使用する原料ガスとしては、Ｈｆ系有機ガスに代えて、例えばＺｒ（ジルコニウム）系有機ガス、Ｓｒ（ストロンチウム）系有機ガス、Ａｌ（アルミニウム）系有機ガス、Ｔｉ（チタン）系有機ガスあるいはＳｉ（シリコン）系有機ガスなどを用いても良い。これら有機ガスと反応する反応ガスとしては、既述のオゾンガスに代えて、水蒸気（Ｈ_２Ｏガス）を用いても良い。更に、ウエハＷに対して行う熱処理としては、成膜処理に代えて、加熱したウエハＷに水蒸気を供給する処理であっても良い。このような熱処理であっても、水蒸気はガスノズルの長さ方向に沿って恒温化が図られて、各ウエハＷに対して温度の揃った水蒸気が供給される。

Ｗ ウエハ
１１ ウエハボート
１２ 反応管
１３ ヒータ
２１ 排気口
３１ 流路形成部材
５１ａ〜５１ｃ ガスノズル
５２ ガス吐出孔

Claims (21)

1. 複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、加熱機構に囲まれた縦型の反応管内に搬入して熱処理を行う縦型熱処理装置において、
   前記反応管内に前記基板保持具の長さ方向に伸びるように設けられ、処理ガスを吐出するガスノズルと、
   前記反応管内にて前記ガスノズルを囲むように設けられ、前記ガスノズル内の処理ガスの温調を行うための温調流体の通流空間を形成すると共に温調流体の供給口と排出口とを有する流路形成部材と、を備えたことを特徴とする縦型熱処理装置。
2. 前記温調流体は温調ガスであることを特徴とする請求項１に記載の縦型熱処理装置。
3. 前記処理ガスは成膜用の原料ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の縦型熱処理装置。
4. 前記処理ガスは、金属含有有機ガスであることを特徴とする請求項３に記載の縦型熱処理装置。
5. 前記原料ガスと反応する反応ガスを反応管内に供給するガス供給部を備えていることを特徴とする請求項３または４に記載の縦型熱処理装置。
6. 前記温調流体は、前記処理ガスを冷却するための冷却用の流体であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一項に記載の縦型熱処理装置。
7. 前記加熱機構は、反応管内における縦方向に並ぶ複数の領域を夫々加熱するための複数の加熱部から構成され、
   前記反応管内への基板保持具の搬入が終了した後、前記複数の領域のうち反応管の底部領域の温度が当該底部領域に対して上方側の領域の温度よりも高くかつ処理ガスの熱分解温度以上である第１の温度となるように、また前記温調流体の通流によりガスノズル内の処理ガスの温度が処理ガスの熱分解温度よりも低くなるように制御信号を出力する制御部を備えたことを特徴とする請求項６に記載の縦型熱処理装置。
8. 前記制御部は、反応管の底部領域の温度が第１の温度に設定された後、第１の温度よりも低い第２の温度に降温するための制御信号を出力すると共に、反応管の底部領域の温度が第１の温度に設定された後、第２の温度に降温する前に処理ガスの供給を開始するための制御信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の縦型熱処理装置。
9. 前記基板の熱処理時において、反応管内の雰囲気は処理ガスの熱分解温度以上の温度に設定され、前記ガスノズル内は温調流体により処理ガスの熱分解温度以下に維持されることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか一項に記載の縦型熱処理装置。
10. 前記制御部は、処理ガスの供給を開始した後、温調流体の供給流量を減らすように制御信号を出力することを特徴とする請求項６ないし９のいずれか一項に記載の縦型熱処理装置。
11. 複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、加熱機構に囲まれた縦型の反応管内に搬入して熱処理を行う縦型熱処理方法において、
    前記反応管内に前記基板保持具の長さ方向に伸びるように設けられたガスノズルから処理ガスを吐出する工程と、
    前記反応管内にて前記ガスノズルを囲むように設けられた流路形成部材に温調流体を供給して、前記ガスノズル内の処理ガスの温調を行う工程と、を含むことを特徴とする熱処理方法。
12. 前記温調流体は温調ガスであることを特徴とする請求項１１に記載の熱処理方法。
13. 前記処理ガスは成膜用の原料ガスであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の熱処理方法。
14. 前記処理ガスは、金属含有有機ガスであることを特徴とする請求項１３に記載の熱処理方法。
15. 前記原料ガスと反応する反応ガスを反応管内に供給する工程を行うことを特徴とする請求項１３または１４に記載の熱処理方法。
16. 前記温調流体は、前記処理ガスを冷却するための冷却用の流体であることを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか一項に記載の熱処理方法。
17. 前記加熱機構は、反応管内における縦方向に並ぶ複数の領域を夫々加熱するための複数の加熱部から構成され、
    前記反応管内に前記基板保持具を搬入する工程と、
    前記基板保持具の搬入が終了した後、前記複数の領域のうち反応管の底部領域の温度が当該底部領域に対して上方側の領域の温度よりも高くかつ処理ガスの熱分解温度以上である第１の温度となるように前記反応管内の加熱温度を調整する工程と、を含み、
    前記処理ガスの温調を行う工程は、前記温調流体の通流によりガスノズル内の処理ガスの温度が処理ガスの熱分解温度よりも低くなるように、温調流体の温度及び流量の少なくとも一方を調整する工程であることを特徴とする請求項１６に記載の熱処理方法。
18. 反応管の底部領域の温度が第１の温度に設定された後、第１の温度よりも低い第２の温度に降温する工程と、を含み、
    前記処理ガスを吐出する工程は、反応管の底部領域の温度が第１の温度に設定された後、第２の温度に降温する前に処理ガスの供給を開始する工程であることを特徴とする請求項１７に記載の熱処理方法。
19. 前記基板の熱処理時において、反応管内の雰囲気は処理ガスの熱分解温度以上の温度に設定され、
    前記処理ガスの温調を行う工程は、前記ガスノズル内の温度を処理ガスの熱分解温度以下に維持する工程であることを特徴とする請求項１６ないし１８のいずれか一項に記載の熱処理方法。
20. 前記処理ガスを吐出する工程の後、温調流体の供給流量を減らす工程を行うことを特徴とする請求項１６ないし１９のいずれか一項に記載の熱処理方法。
21. コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
    前記コンピュータプログラムは、請求項１１ないし２０のいずれか一項に記載の熱処理方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。