JP2015198111A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】縦型の反応容器内にて基板保持具に棚状に保持された基板に対して処理ガスを用いて処理を行うにあたり、基板に付着するパーティクルを低減すること。
【解決手段】真空雰囲気とされた縦型の反応容器１内へ原料ガスノズル５２を介して原料ガスを供給すると共に、電極４４１、４４２に電力を供給して処理ガスである反応ガスを活性化して、ウエハボート３に棚状に保持されたウエハＷに対して処理を行っている。前記原料ガスノズル５２は、前記反応容器１を平面的に見たときに、前記反応容器１の中心部から見て前記電極４４１、４４２の左方向または右方向に夫々４０度以上離れた領域に配置される。前記領域は前記電極４４１、４４２に供給された電力に基づく電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍよりも小さい領域であるので、前記原料ガスノズル５２を介して発生する異常放電の生成が抑えられ、この異常放電が要因となるパーティクルの発生が抑制される。
【選択図】図４

Description

本発明は、真空雰囲気とされた縦型の反応容器内にて、基板保持具に棚状に保持された基板に対し、処理ガスを供給して処理を行う基板処理装置に関する。

縦型熱処理装置の反応容器内において、ウエハボートに棚状に保持された半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に対して、プラズマにより活性化された処理ガスを用いてプロセスを行うことが知られている。例えば特許文献１には、ウエハに原料ガスと、原料ガスと反応して反応生成物を形成する反応ガスとを交互に供給して、いわゆるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いてＳｉＯ２膜を成膜するにあたり、前記反応ガスを活性化して原料との反応を促進する手法が記載されている。

一方、前記ウエハボートの上部側と下部側にダミーウエハを載置することが多く、このダミーウエハが置かれたまま複数回のバッチ処理が実施される。ダミーウエハ上には薄膜が累積されて形成され、この累積された薄膜の膜厚が所定の厚さ以上になると反応容器のクリーニングを行っている。ところが予定していたクリーニング時期に達する前に、反応容器内にパーティクルが飛散しウエハに付着する現象が見られたことから、本発明者らは、ダミーウエハとプラズマとが関連してパーティクルの発生要因になっているとの疑念を抱いている。

前記特許文献１には、被処理体を処理容器から搬出した状態で酸化パージ処理を実施して、処理容器の内壁に堆積した膜中のＳｉソースガスの放出量を少なくする技術が提案されている。しかしながらこの技術はＳｉソースガスと酸化種との反応によって生成するパーティクルを抑制するものである。また特許文献２には、プラズマを利用した基板処理装置において、プラズマを発生させるための電極のホット側とグランド側とを切り替えて高周波電力を印加する技術が提案されている。しかしながらこの技術は電極のホット側への付着物の堆積を抑制して、クリーニング頻度を低減するものである。従って、これら特許文献１、２の技術を用いても、本発明の課題を解決することはできない。

特開２０１１−１８７９３４号公報 特開２００９−９９９１９号公報

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、縦型の反応容器内にて基板保持具に棚状に保持された基板に対して処理ガスを用いて処理を行うにあたり、基板に付着するパーティクルを低減する技術を提案することにある。

このため本発明では、真空雰囲気とされた縦型の反応容器内にて、基板保持具に棚状に保持された直径が３００ｍｍ以上の複数の半導体ウエハである基板に対し、処理ガスを供給して処理を行う基板処理装置において、
前記処理ガスに電力を供給して処理ガスを活性化するために、基板保持具の長さ方向に伸びるように設けられた電極と、
前記基板が配列されている高さ領域にて基板保持具の長さ方向に伸びるように反応容器内に設けられた構造物と、
前記反応容器内を真空排気するための排気口と、を備え、
前記構造物は、前記反応容器を平面的に見たときに、前記反応容器の中心部から見て前記電極における当該構造物に最も近い部位の左方向または右方向に夫々４０度以上離れた領域に配置されていることを特徴とする。

本発明では、真空雰囲気とされた縦型の反応容器内へ処理ガスを供給すると共に、電極により前記処理ガスに電力を供給して処理ガスを活性化して、基板保持具に棚状に保持された基板に対して処理を行っている。前記基板保持具の長さ方向に伸びるように反応容器内に設けられた構造物は、前記反応容器を平面的に見たときに、前記反応容器の中心部から見て前記電極の左方向または右方向に夫々４０度以上離れた領域に配置される。前記領域は前記電極に供給された電力に基づく電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍよりも小さい領域であるので、前記構造物を介して発生する異常放電の生成が抑えられ、この異常放電が要因となるパーティクルの発生が抑制される。この結果前記基板に付着するパーティクルを低減することができる。

本発明に係る基板処理装置の一例を示す横断面図である。 基板処理装置の一例を示す縦断面図である。 基板処理装置の一例を示す縦断面図である。 基板処理装置の一例を示す横断面図である。 基板処理装置の一例を示す横断面図である。 電界ベクトルのシミュレーション図である。 電界強度分布のシミュレーション図である。 パッシェン曲線を示す特性図である。 評価試験の結果を示す特性図である。 評価試験の結果を示す特性図である。

本発明の第１の実施の形態に係る基板処理装置について、図１〜図５を参照して説明する。図１は基板処理装置の横断面図、図２は図１のＡ−Ａ´線に沿って切断した基板処理装置の縦断面図、図３は図１のＢ−Ｂ´線に沿って切断した基板処理装置の縦断面図である。図１〜図５中１は、例えば石英により縦型の円筒状に形成された反応容器であり、この反応容器１内の上部側は、石英製の天井板１１により封止されている。また反応容器１の下端側には、例えばステンレスにより円筒状に形成されたマニホールド２が連結されている。マニホールド２の下端は基板搬入出口２１として開口され、ボートエレベータ２２に設けられた石英製の蓋体２３により気密に閉じられるように構成されている。蓋体２３の中央部には回転軸２４が貫通して設けられ、その上端部には基板保持具であるウエハボート３が搭載されている。

前記ウエハボート３は、例えば５本の支柱３１を備えており、ウエハＷの外縁部を支持して、複数枚例えば１１１枚のウエハＷを棚状に保持できるようになっている。このウエハＷは直径が３００ｍｍ以上であり、例えばウエハボート３のウエハ配列領域の上部側（例えば最上段のウエハから３枚分）及び下部側（例えば最下段のウエハから３枚分）にはダミーウエハＤＷが搭載されている。図２ではウエハボート３上のウエハの内、上部側の２枚及び下部側の２枚をダミーウエハＤＷとしている。
前記ボートエレベータ２２は図示しない昇降機構により昇降自在に構成され、前記回転軸２４は駆動部をなすモータＭにより鉛直軸周りに回転自在に構成されている。図中２５は断熱ユニットである。こうしてウエハボート３は、当該ウエハボート３が反応容器１内にロード（搬入）され、蓋体２３により反応容器１の基板搬入出口２１が塞がれる処理位置と、反応容器１の下方側の搬出位置との間で昇降自在に構成される。

図１及び図２に示すように、反応容器１の側壁の一部にはプラズマ発生部４が設けられている。このプラズマ発生部４は、反応容器１の側壁に形成された上下に細長い開口部１２を覆うように形成された、断面が略四角形状のプラズマ生成室４１を備えている。このプラズマ生成室４１は、前記反応容器１の側壁の一部をウエハボート３の長さ方向に沿って外側に膨らませて膨らんだ壁部で囲まれる空間であり、例えば反応容器１の側壁に例えば石英製の区画壁４２を気密に接合することにより構成される。また図１に示すように、区画壁４２の一部は反応容器１の内部に入り込み、当該反応容器１内の区画壁４２の前面にはガスを通過させるための細長いガス供給口４３が形成されている。このようにプラズマ生成室４１の一端側は反応容器１内へ開口されて連通されている。前記開口部１２及びガス供給口４３は例えばウエハボート３に支持されている全てのウエハＷをカバーできるように上下方向に長く形成されている。

また区画壁４２の両側壁の外側面には、ウエハボート３の長さ方向に伸びるようにその長さ方向（上下方向）に沿って、互いに対向する一対のプラズマ発生用の電極４４１、４４２が設けられている。これら電極４４１、４４２は容量結合プラズマを生成するためのものであり、プラズマ生成室４１から反応容器１を見たときに、右側にある電極を第１の電極４４１、左側にある電極を第２の電極４４２とする。第１及び第２の電極４４１、４４２には、プラズマ発生用の高周波電源４５が給電ライン４６を介して接続され、これら電極４４１、４４２に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を３０Ｗ以上２００Ｗ以下例えば１５０Ｗの電力で供給することによりプラズマを生成し得るようになっている。さらに区画壁４２の外側には、これを覆うように例えば石英よりなる絶縁保護カバー４７が取り付けられている。

また反応容器１の外周を囲むようにして、筒状の断熱体３４がベース体３５に固定して設けられ、この断熱体３４の内側には例えば抵抗発熱体からなる筒状のヒータ３６が設けられている。ヒータ３６は例えば複数段に上下に分割して断熱体３４の内側壁に取り付けられている。さらに例えば反応容器１とヒータ３６との間には、図３に示すようにリング状の送気ポート３７が設けられており、この送気ポート３７には、冷却ガス供給部３８から冷却ガスが送られるように構成されている。なお図２においては送気ポート３７の図示を省略している。

前記マニホールド２の側壁には、原料ガスであるシラン系のガス例えばジクロロシラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を供給するための原料ガス供給路５１が挿入され、当該原料ガス供給路５１の先端部には、原料ガスノズル５２が設けられている。原料ガスノズル５２は例えば断面が円形の石英管よりなり、図２に示すように、反応容器１の内部における、ウエハボート３の側方において、ウエハボート３に保持されたウエハＷの配列方向に沿って延びるように垂直に設けられている。原料ガスノズル５２はウエハボート３の近傍に配置され、原料ガスノズル５２の外面とウエハボート３上のウエハＷの外縁との距離は例えば３５ｍｍであり、原料ガスノズル５２の外径は例えば２５ｍｍである。

さらにマニホールド２の側壁には、反応ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）ガスを供給するための反応ガス供給路６１が挿入されており、この反応ガス供給路６１の先端部には、例えば石英管よりなる反応ガスノズル６２が設けられている。反応ガスとは、原料ガスの分子と反応して反応生成物を生成するガスであり、本発明の処理ガスに相当する。反応ガスノズル６２は、反応容器１内を上方向へ延び、途中で屈曲してプラズマ生成室４１内に配置されている。

原料ガスノズル５２及び反応ガスノズル６２には、ウエハＷに向けて原料ガス及び反応ガスを夫々吐出するための複数のガス吐出孔５２１、６２１が形成されている。これらガス吐出孔５２１、６２１は、ウエハボート３に保持されたウエハＷにおいて、上下方向に隣接するウエハＷ同士の間の隙間に向けてガスを吐出するように、夫々ノズル５２、６２の長さ方向に沿って所定の間隔を隔てて形成されている。

前記原料ガス供給路５１は、バルブＶ１及び流量調整部ＭＦ１を介して原料ガスであるジクロロシランの供給源５３に接続されると共に、バルブＶ１の下流側にて分岐する分岐路５４により、バルブＶ３及び流量調整部ＭＦ３を介して置換ガスである窒素ガスの供給源５５に接続されている。また前記反応ガス供給路６１は、バルブＶ２及び流量調整部ＭＦ２を介して反応ガスであるアンモニアガスの供給源６３に接続されると共に、バルブＶ２の下流側にて分岐する分岐路６４により、バルブＶ４及び流量調整部ＭＦ４を介して前記窒素ガスの供給源５５に接続されている。前記バルブはガスの給断、前記流量調整部はガス供給量の調整を夫々行うものであり、以降のバルブ及び流量調整部についても同様である。

さらにマニホールド２の側壁には、図３に示すように、反応容器１内を真空排気するための排気口２０が形成され、この排気口２０は圧力調整部３２を備えた排気路３３を介して真空排気手段をなす真空ポンプ３１に接続されている。こうして処理時の反応容器１内の圧力は１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下より好ましくは、６．６５Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以上６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下に設定される。また反応容器１の内部には、温度検出部をなす熱電対７１が設けられている。例えば熱電対７１は、前記複数段に分割されたヒータ３６が受け持つ熱処理雰囲気の温度を夫々検出するように上下に複数個用意され、これら複数個の熱電対７１は例えば反応容器１の内壁に取り付けられた共通の石英管７２の内部に上下に設けられている。この石英管７２は例えばウエハボート３の側方にウエハＷの配列方向に沿って伸びるように設けられている。

前記原料ガスノズル５２及び熱電対７１を備えた石英管７２は、本発明の構造物に相当するものである。これら構造物は、当該構造物とダミーウエハＤＷとの間における異常放電の発生を抑える領域、つまりウエハＷの直径が３００ｍｍ以上の場合には、前記反応容器１を平面的に見たときに、前記反応容器１の中心部から見て電極４４１、４４２における当該構造物に最も近い部位の左方向または右方向に夫々４０度以上離れた領域に配置されている。具体的に図４を参照して説明する。前記反応容器１の中心部とは、ウエハボート３に載置されたウエハＷの中心部Ｃ１に相当し、電極４４１、４４２における構造物に最も近い部位とは第１の電極４４１の外面の中心部Ｃ２と、第２の電極４４２の外面の中心部Ｃ３に夫々相当する。

前記ウエハ中心部Ｃ１と第１の電極４４１の中心部Ｃ２とを結ぶ直線を第１の直線Ｌ１、前記ウエハ中心部Ｃ１と第２の電極４４２の中心部Ｃ３とを結ぶ直線を第２の直線Ｌ２とすると、前記構造物は第１の直線Ｌ１から左方向または右方向に夫々４０度以上離れた領域であって、第２の直線Ｌ２から左方向または右方向に夫々４０度以上離れた領域に配置される。この例では、第１の電極４４１の左方向であって第２の電極４４２の右方向にプラズマ生成室４１が設けられているので、前記構造物は第１の直線Ｌ２から右方向に４０度離れた直線Ｌ３と、第２の直線Ｌ２から左方向に４０度離れた直線Ｌ４との間の第１の領域Ｓ１に配置される。

さらに原料ガスノズル５２の位置は、反応容器１内の気流の乱れを抑えるために、図５に示すように、反応容器１を平面的に見たときに、前記排気口２０の左右方向の中心部Ｃ５から前記反応容器１の中心部（ウエハ中心部Ｃ１）を見て９０度以上１６０度以下の開き角となる位置に設けることが好ましい。実際には排気口２０は、図３に示すようにマニホールド２の側壁に設けられているが、図５では図示の便宜上、反応容器１の側壁の周方向の一部が排気口２０として構成されるように描いている。

この例では、排気口２０から右方向（反時計回り）に移動した位置に原料ガスノズル５２が設けられているので、原料ガスノズル５２は排気口２０の中心部Ｃ５から反時計回り（右方向）の角度θ１が９０度以上１６０度以下の領域に配置されることが望ましい。前記角度θ１とは、ウエハ中心部Ｃ１と排気口２０の中心部Ｃ５とを結ぶ直線Ｌ５と、原料ガスノズル５２の中心部Ｃ６とウエハ中心部Ｃ１との結ぶ直線Ｌ６とのなす角である。このように排気口２０との関係で設定される配置領域を第２の領域Ｓ２とする。この第２の領域Ｓ２は図５において、一点鎖線で夫々示すＬ１０とＬ１１との間の領域である。

この範囲が好ましい理由については、前記角度θ１が９０度より小さいと、原料ガスノズル５２が排気口２０に接近するため、原料ガスノズル５２からのガスの吐出方向と、排気口２０からのガスの排気方向とが揃わずに気流が乱れ、膜厚の面内及び面間均一性が低下するおそれがある。また前記角度θ１が１６０度より大きいと、原料ガスノズル５２からの気流が排気口２０と反応ガスノズル６２との配置によりつくられる気流とぶつかる形となり、ガスの流速が低下し、成膜性能が低下するおそれがあるからである。

続いて構造物を前記第１の領域Ｓ１に配置する理由について詳述する。本発明者らは、電極４４１、４４２により形成される電界分布において、電界が強い領域に構造物が配置されると、ダミーウエハＤＷに積層される薄膜の膜厚が小さいにも関わらずウエハＷに付着するパーティクルが多くなるという知見を得ており、これを踏まえてパーティクル発生のメカニズムについて次のように推察している。後述するように、ダミーウエハＤＷは複数のバッチ処理の間、ウエハボート３に載置されたままの状態であるので、その膜厚は次第に大きくなっていく。そして電界が強い領域に構造物が配置されると、電界が構造物を介してダミーウエハＤＷに飛び、構造物とダミーウエハＤＷとの間で異常放電が発生する。この異常放電は、プラズマ状態のオン、オフが頻繁に切り替わるような不安定なものであり、前記異常放電が発生すると、ダミーウエハＤＷの周縁部近傍の膜に局所的に強いダメージが与えられ、前記膜が部分的に剥がれて飛散し、パーティクルとして製品ウエハＷに付着するものと推測している。このため構造物は、前記異常放電の発生を抑える程度に電界強度が小さい領域に配置する必要がある。

図６及び図７は、Ansoft Corp.Maxwell SVより求めた静電界シミュレーション結果であり、図６（ａ）は、第１の電極４４１に１５０Ｗの電力でプラズマを立てた際の実測値より＋５００Ｖの電圧を印加したときの電界ベクトル、図６（ｂ）は第１の電極４４１に同実測値−５００Ｖの電圧を印加したときの電界ベクトルを夫々示す。また図７（ａ）は電極４４１に＋５００Ｖの電圧を印加したときの電界強度分布、図７（ｂ）は電極４４１に−５００Ｖの電圧を印加したときの電界強度分布を夫々示している。このシミュレーションでは、ウエハＷの大きさを直径３００ｍｍ、反応容器１の直径を４００ｍｍ、電極４４１の横断面の大きさを１５ｍｍ×２ｍｍ、反応容器１の中心部Ｃ１（ウエハ中心部Ｃ１）と電極４４１の中心部Ｃ２との直線的距離を４２５ｍｍとした。

また図６及び図７に実線にて示す位置Ｐ１に原料ガスノズル５２を配置して後述の成膜処理を実施したときにはウエハＷに付着するパーティクルが少なく、点線で示す位置Ｐ２に原料ガスノズル５２を配置したときには前記パーティクルが多いことが認められている。さらに位置Ｐ２に原料ガスノズル５２を配置した場合でも電極４４１、４４２に印加する電力を小さくすると、前記パーティクルが少なくなることを確認している。

これらのことから位置Ｐ１に原料ガスノズル５２を配置したときには、前記ダミーウエハＤＷと電極４４１、４４２との間の異常放電の発生が抑えられるものの、位置Ｐ２に原料ガスノズル５２を配置したときには、前記異常放電が発生していると推察される。さらに異常放電は原料ガスノズル５２が置かれた領域の電界強度によって、発生するか否かが決定されるものと推測できる。
ここで電界強度分布を見てみると、電極４４１に近い程電界強度が大きく、電極４４１から離れるにつれて電界強度が小さくなっている。従って、電極４４１から遠い位置Ｐ１の電界強度は、電極４４１から近い位置Ｐ２の電界強度よりも小さい。具体的には前記位置Ｐ１の電界強度は、第１の電極４４１に＋５００Ｖの電圧を印加したときには６．３７×１０^２Ｖ／ｍより大きく、８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さい。また第１の電極４４１に−５００Ｖの電圧を印加したときには５．００×１０^２Ｖ／ｍより大きく、６．３７×１０^２Ｖ／ｍより小さい。
前記位置Ｐ２の電界強度は、第１の電極４４１に＋５００Ｖの電圧を印加したときには１．８９×１０^３Ｖ／ｍより大きく、３．４８×１０^３Ｖ／ｍより小さい。また第１の電極４４１に−５００Ｖの電圧を印加したときには８．１２×１０^２Ｖ／ｍより大きく、１．８９×１０^３Ｖ／ｍより小さい。

このように位置Ｐ１の電界強度は８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さいことから、電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さい領域に原料ガスノズル５２（構造物）を配置すれば、前記異常放電が抑制できることが理解される。図７（ａ）、（ｂ）を参照すると、前記反応容器１の中心部Ｃ１から見て電極４４１、４４２における当該構造物に最も近い部位の左方向または右方向に夫々４０度以上離れた領域（第１の領域Ｓ１）は、電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さい領域であることは明らかである。従ってこの第１の領域Ｓ１に、原料ガスノズル５２（構造物）を配置すれば前記異常放電が抑制され、パーティクルを低減できることになる。構造物を第１の領域Ｓ１に配置するとは、平面的に見たときに構造物の全てが第１の領域Ｓ１内に収まるように配置することをいう。

また前記構造物を前記第１の領域Ｓ１に設けることによって、前記異常放電を抑制できることは、パッシェンの法則によって直観的に理解できる。前記パッシェンの法則とは、平行な電極間で放電の生じる電圧ＶＢは、次の（１）式に示すように、ガス圧Ｐと電極の間隔ｄとの積の関数であることを示すものであり、この関数は図８に示すパッシェン曲線を描く。
ＶＢ＝ｆ（Ｐ×ｄ）・・・（１）
図８中横軸は（ｐ×ｄ）、縦軸は放電が生じる電圧ＶＢであり、窒素ガスのデータを示している。

図８に示すように、放電電圧ＶＢは極小値を持ち、この極小値近傍ではプラズマが発生しやすいことを意味する。圧力容器１内の圧力をＰ（Ｔｏｒｒ）、電極４４１、４４２の内、構造物に近い電極と当該構造物との直線距離をｄ（ｃｍ）とすると、本発明者らは前記極小値よりも右にずれた領域つまり距離ｄが大きい領域に構造物を配置して、異常放電の発生を抑制することを目指している。

このように異常放電を抑えて、パーティクルの発生を低減する観点からは、前記反応容器１内の構造物は前記第１の領域Ｓ１に設けることが好ましく、例えば気流の乱れや成膜性能の低下を抑えることを考慮すると、前記反応容器１内の構造物は第１の領域Ｓ１と第２の領域Ｓ２とが重なる範囲に設けることがより好ましい。
以上のことから、反応容器１内の圧力が１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下より好ましくは、６．６５Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以上６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下であってウエハＷの直径が３００ｍｍのときの構造物の好ましい配置領域を示す。熱電対７２は前記第１の領域Ｓに配置し、原料ガスノズル５２は、ウエハ中心部Ｃ１から見て第１の電極４４１の中心部Ｃ２と原料ガスノズル５２の中心部Ｃ６とのなす角θ２（図５参照）が４０度以上１１０度以下の領域に配置することがより好ましい。

この例では、排気口２０が第１の電極４４１から左方向に例えば４５度（前記直線Ｌ１と直線Ｌ５とのなす角が４５度）の位置に設けられ、原料ガスノズル５２は第１の電極４４１から右方向に例えば５０度（直線Ｌ１と直線Ｌ６とのなす角θ２が５０度）の位置に設けられている。
また熱電対７１を備えた石英管７２は、例えば最も近い第２の電極４４２から例えば１４０度（石英管７２の中心部Ｃ７とウエハ中心部Ｃ１とを結ぶ直線Ｌ７と直線Ｌ３とのなす角が１４０度）の位置に配置されている。熱電対７１は石英管７２に設けられていることから、石英管７２を第１の領域Ｓ１に配置すれば、熱電対７１も第１の領域Ｓ１に設けられることになる。

以上に説明した構成を備えた基板処理装置は、図１に示すように制御部１００と接続されている。制御部１００は例えば図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部には基板処理装置の作用、この例では反応容器１内にてウエハＷに成膜処理を行うときの制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。

続いて本発明の基板処理装置の作用について説明する。先ず未処理のウエハＷが搭載されたウエハボート３を反応容器１内に搬入（ロード）し、真空ポンプ３１により反応容器１内を２６．６６Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）程度の真空雰囲気に設定する。そしてヒータ３６によりウエハＷを所定の温度例えば５００℃に加熱し、ウエハボート３を回転した状態で、バルブＶ１、Ｖ３、Ｖ４を開き、バルブＶ２を閉じて原料ガスノズル５２を介して所定流量のジクロロシランガス及び窒素ガス、反応ガスノズル６２から窒素ガスを夫々反応容器１内に供給する。

反応容器１内は真空雰囲気に設定されているので、原料ガスノズル５２から吐出されたジクロロシランガスは、反応容器１内において排気口２０に向けて流れていき、排気路３３を介して外部へ排出される。ウエハボート３が回転していることから、ジクロロシランガスがウエハ表面全体に到達し、ウエハ表面にジクロロシランガスの分子が吸着される。
次いでバルブＶ１、Ｖ２を閉じ、バルブＶ３、Ｖ４を開いて、ジクロロシランガスの供給を停止する一方、反応容器１内に原料ガスノズル５２及び反応ガスノズル６２から置換ガスである窒素ガスを所定時間供給し、反応容器１内のジクロロシランガスを窒素ガスにより置換する。続いて高周波電源１６に例えば１００Ｗの電力を供給すると共に、バルブＶ１を閉じ、バルブＶ２、Ｖ３、Ｖ４を開いて、反応容器１内に反応ガスノズル６２を介して反応ガスであるアンモニアガスと窒素ガスとを供給する。

これによりプラズマ生成室４１内ではプラズマが発生し、例えばＮラジカル、ＮＨラジカル、ＮＨ_２ラジカル、ＮＨ_３ラジカル等の活性種が生成され、これらの活性種がウエハＷ表面に吸着される。そしてウエハＷの表面では、ジクロロシランガスの分子とＮＨ_３の活性種とが反応してシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）の薄膜が形成される。こうしてアンモニアガスの供給を行った後、高周波電源１６をＯＦＦにして、バルブＶ１、Ｖ２を閉じ、バルブＶ３、Ｖ４を開いて、反応容器１内に、原料ガスノズル５２及び反応ガスノズル６２から窒素ガスを供給し、反応容器１内のアンモニアガスを窒素ガスにより置換する。このような一連の工程を繰り返すことで、ウエハＷの表面にＳｉＮ膜の薄膜が一層ずつ積層され、ウエハＷの表面に所望の厚さのＳｉＮ膜が形成される。

こうして成膜工程を行った後、例えばバルブＶ３、Ｖ４を開いて、反応容器１に窒素ガスを供給し、反応容器１内を大気圧に復帰させる。次いでウエハボート３を搬出（アンロード）し、当該ウエハボート３に対して、成膜処理が終了したウエハＷの取り出しと、未処理のウエハＷの受け渡しとを行い、ダミーウエハＤＷは載置したまま次のバッチ処理を開始する。こうしてダミーウエハＤＷを載置したままの状態で、バッチ処理を複数回繰り返す。

上述の実施の形態によれば、反応容器１内に設けられる構造物を、第１の領域Ｓ１であって、電極４４１、４４２により形成される電界強度が小さい領域に配置したので、既述のように構造物とダミーウエハＤＷとの間において不安定な異常放電の生成が抑えられ、当該異常放電が原因となるパーティクルの発生が抑制されてパーティクルを低減することができる。
高周波電源１６に印加される電力を小さくすることによってもパーティクルの発生を抑制できるが、電力を低減すると、膜質やローディング効果といった成膜性能が低下するため得策ではない。また本発明は構造物を適切な領域Ｓ１、Ｓ２に配置するという簡易な手法でパーティクルを低減しているので、装置構成を大幅に変更する必要がなく、有効である。

なおウエハボート３は、電極４４１、４４２からある程度近い位置に設けられているが、図７の電界強度分布に示すように、ウエハボート３が設けられた領域は電界強度が６．３７×１０^２Ｖ／ｍより小さい領域である。このため電極４４１、４４２に電力が印加されたときに、電界がウエハボート３を介してダミーウエハＤＷに飛び、ウエハボート３とダミーウエハＤＷとの間で異常放電が発生するおそれはない。
また上述のように、原料ガスノズル５２を排気口２０との関係で設定した第２の領域Ｓ２に設けると、既述のように気流の乱れが抑えて、膜厚及び膜質の面内均一性が高く、成膜性能が良好な成膜処理を行うことができる。

以上において、構造物は電極に供給された電力に基づく電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さい領域に配置されればよい。この領域は、既述のように異常放電の発生を抑制できる領域だからである。なお図７に示す電界強度分布は、電極４４１に印加される電力が１５０Ｗの場合を想定してシミュレーションしているが、電力が２００Ｗの場合も、前記シミュレーション結果はそれほど変化しないことから、電力が３０Ｗ〜２００Ｗのときにも、前記電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さい領域であれば異常放電の発生が抑制できる。このように直径が３００ｍｍのウエハＷ以外の基板を処理する基板処理装置であっても、構造物を電極に供給された電力に基づく電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さい領域に配置されれば、異常放電の発生を抑えてパーティクルを低減することができる。

また原料ガスノズルが複数である場合には、全ての原料ガスノズルが既述の第１の領域Ｓ１、より好ましくは第１の領域Ｓ１と第２の領域Ｓ２とが重なる領域に配置される。このように原料ガスノズルが複数である場合には、例えば原料ガスノズルはプラズマ生成室４１を挟んで左右方向に分かれて設けられる。また排気口２０とプラズマ生成室４１との位置関係は、上述の例に限らず、例えば排気口２０がプラズマ生成室４１とウエハボート３を介して対向する位置に設けるようにしてもよい。この場合にも排気口２０を基点として、第２の領域Ｓ２が設定される。

さらに本発明のプラズマ発生用電極は、例えば誘導結合プラズマ発生用のコイル状の電極でもよい。この場合には、例えば反応容器１の側壁から外方に突出するプラズマ生成室４１を設けずに、反応容器１の側壁に渦巻き状のコイルを平面状に形成したコイル状電極を設けるようにしてもよい。そしてコイル状電極のうち、構造物と最も近い部位を基点として前記第１の領域Ｓ１が設定される。
さらに本発明の構造物は、反応容器１内におけるウエハボート３の側方に、ウエハＷが配列されている高さ領域にてウエハボート３の長さ方向に伸びるように反応容器内に設けられたものであればよく、原料ガスノズル５２や熱電対７１を支持する石英管７２には限られない。また構造物は導電体であってもよいし、絶縁体であってもよい。

またシラン系ガスとしては、ジクロロシランガスの以外に、ＢＴＢＡＳ（（ビスターシャルブチルアミノ）シラン）、ＨＣＤ（ヘキサジクロロシラン）、３ＤＭＡＳ（トリスジメチルアミノシラン）などが挙げられる。また置換ガスとしては、窒素ガスの以外にアルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。
さらに本発明の基板処理装置では、例えば原料ガスとして塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガス、反応ガスとしてアンモニアガスを用いて、窒化チタン（ＴｉＮ）膜を成膜するようにしてもよい。また、原料ガスとしては、ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)を用いてもよい。
またウエハＷの表面に吸着した原料ガスを反応させて、所望の膜を得る反応は、例えばＯ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ等を利用した酸化反応、Ｈ_２、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ等の有機酸、ＣＨ_３ＯＨ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ等のアルコール類等を利用した還元反応、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_２等を利用した炭化反応、ＮＨ_３、ＮＨ_２ＮＨ_２、Ｎ_２等を利用した窒化反応等の各種反応を利用してもよい。

さらに原料ガス及び反応ガスとして、３種類や４種類のガスを用いてもよい。例えば３種類のガスを用いる場合の例としては、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）を成膜する場合があり、例えばＳｒ原料であるＳｒ（ＴＨＤ）_２（ストロンチウムビステトラメチルヘプタンジオナト）と、Ｔｉ原料であるＴｉ（ＯｉＰｒ）_２（ＴＨＤ）_２（チタニウムビスイソプロポキサイドビステトラメチルヘプタンジオナト）と、これらの酸化ガスであるオゾンガスが用いられる。この場合には、Ｓｒ原料ガス→置換用のガス→酸化ガス→置換用のガス→Ｔｉ原料ガス→置換用のガス→酸化ガス→置換用のガスの順でガスが切り替えられる。このように原料ガスノズルが複数本になる場合であっても、全ての原料ガスノズルが既述の第１の領域Ｓ１、より好ましくは第１の領域Ｓ１と第２の領域Ｓ２とが重なる領域に配置される。

さらに本発明の成膜処理は、いわゆるＡＬＤ法によって反応生成物を積層する処理には限らず、プラズマを用いて不活性ガスよりなる処理ガスを活性化して基板に対して改質処理を行う基板処理装置に適用することができる。

（評価試験１）
上述の基板処理装置を用いて、直径３００ｍｍのウエハＷに対して、上述のＳｉＮ膜の成膜処理を複数のバッチ処理に亘って行い、そのときのパーティクルの個数と大きさとを測定した。このとき反応容器１内の圧力は３５．９１Ｐａ（０．２７Ｔｏｒｒ）とし、原料ガスノズル５２は、電極４４１との最も近い部位の直線距離が１７ｍｍの位置（図５に示す直線Ｌ１と直線Ｌ６とのなす角θ２が５０度の位置）に配置した。この結果を図９に示す。横軸は処理のバッチ数、左縦軸はパーティクル数、右縦軸は累積膜厚を夫々示している。パーティクル数については、ウエハボート３の特定のスロットについて棒グラフにて示し、１μｍ未満サイズのパーティクルについては白で、１μｍ以上サイズのパーティクルについては斜線で夫々示している。またダミーウエハＤＷ上の累積膜厚については□でプロットしている。
さらに反応容器１内の圧力は３５．９１Ｐａ（０．２７Ｔｏｒｒ）とし、原料ガスノズル５２は、電極４４１との最も近い部位の直線距離が７ｍｍの位置（図５に示す直線Ｌ１と直線Ｌ６とのなす角θ２が２５度の位置）に配置した基板処理装置についても同様の実験を行い、結果を図１０に示した。

図９及び図１０に示すように、原料ガスノズル５２を第１の領域Ｓ１（θ２＝５０度）に配置した場合には、原料ガスノズル５２を第１の領域Ｓ１以外の領域（θ２＝２５度）に配置した場合に比べて、パーティクル数が激減していることが認められた。また図１０の結果では、処理のバッチに関わらず、特定のスロットのウエハＷにパーティクルが多く付着していることが確認された。これらのことから、原料ガスノズル５２を第１の領域Ｓ１以外の領域に配置すると、ダミーウエハＤＷと原料ガスノズル５２との間で異常放電が発生する。そしてこの異常放電がダミーウエハＷに累積している膜にダメージを与えて膜剥がれが起き、パーティクルとなって浮遊し、ダミーウエハＷの近傍のウエハＷに付着していることが推察される。このため構造物を第１の領域Ｓ１に配置して、構造物とダミーウエハＤＷとの間の異常放電の生成を抑えることは、パーティクルの低減に有効であることが確認された。

Ｗ ウエハ
ＤＷ ダミーウエハ
１ 反応容器
２０ 排気口
３ ウエハボート
３１ 真空ポンプ
５１ 原料ガス供給路
４２ 原料ガスノズル
６２ 反応ガスノズル
１００ 制御部

Claims (10)

1. 真空雰囲気とされた縦型の反応容器内にて、基板保持具に棚状に保持された直径が３００ｍｍ以上の複数の半導体ウエハである基板に対し、処理ガスを供給して処理を行う基板処理装置において、
   前記処理ガスに電力を供給して処理ガスを活性化するために、基板保持具の長さ方向に伸びるように設けられた電極と、
   前記基板が配列されている高さ領域にて基板保持具の長さ方向に伸びるように反応容器内に設けられた構造物と、
   前記反応容器内を真空排気するための排気口と、を備え、
   前記構造物は、前記反応容器を平面的に見たときに、前記反応容器の中心部から見て前記電極における当該構造物に最も近い部位の左方向または右方向に夫々４０度以上離れた領域に配置されていることを特徴とする基板処理装置。
2. 前記構造物は、前記電極に供給された電力に基づく電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さい領域に配置されることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
3. 真空雰囲気とされた縦型の反応容器内にて、基板保持具に棚状に保持された複数の基板に対し、処理ガスを供給して処理を行う基板処理装置において、
   前記処理ガスに電力を供給して処理ガスを活性化するために、基板保持具の長さ方向に伸びるように設けられた電極と、
   前記基板が配列されている高さ領域にて基板保持具の長さ方向に伸びるように反応容器内に設けられた構造物と、
   前記反応容器内を真空排気するための排気口と、を備え、
   前記構造物は、前記電極に供給された電力に基づく電界強度が８．１２×１０^２Ｖ／ｍより小さい領域に配置されることを特徴とする基板処理装置。
4. 前記反応容器内の圧力は、６．６５Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）以上６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の基板処理装置。
5. 前記電極に印加される電力は、３０Ｗ以上２００Ｗ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の基板処理装置。
6. 前記電極は、容量結合プラズマを生成するためのものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の基板処理装置。
7. 前記反応容器内に基板の配列方向に伸びるように設けられると共にその長さ方向に沿ってガス吐出孔が形成され、基板に原料ガスを供給して吸着させるための原料ガスノズルと、
   前記反応容器内に基板の配列方向に伸びると共にその長さ方向に沿ってガス吐出孔が形成され、前記原料ガスと反応する反応ガスを前記原料ガスの供給と交互に供給して反応生成物を基板上に積層するための反応ガスノズルと、を備え、
   前記反応ガスは処理ガスに相当し、
   前記原料ガスノズルは前記構造物に相当することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の基板処理装置。
8. 前記反応容器の側壁の一部を基板保持具の長さ方向に沿って外側に膨らませて膨らんだ壁部で囲まれる空間をプラズマ生成室とし、
   前記電極はプラズマ生成室を挟んで互いに対向する一対の電極であることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。
9. 前記構造物は、前記反応容器内の温度を検出するための温度検出部であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の基板処理装置。
10. 前記排気口は、当該反応容器内を側方から真空排気するように設けられ、
    前記反応容器を平面的に見たときに、前記排気口の左右方向の中心部から前記反応容器の中心部を見て９０度以上１６０度以下の開き角となる位置に、前記原料ガスノズルが設けられることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。

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