JP4516969B2 - 基板処理装置および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

基板処理装置および半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基板処理装置および半導体デバイスの製造方法に関し、特に、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてウエハ等の基板上に所望の膜を生成する基板処理装置および半導体デバイスの製造方法に関する。
熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使用して一度に多数枚の基板を処理する基板処理装置および半導体デバイスの製造方法においては、処理室内に一度にロードされ処理される基板の枚数は変動し、例えば、１００枚処理可能な場合においても５０枚の基板処理が行われたり、２５枚の処理が行われる場合がある。この場合は製品用基板の不足領域にフィルダミーと称する基板を挿入して総基板枚数が１００枚となるようにしていた。
しかしながら、このように、フィルダミー基板を挿入する方法では、フィルダミー基板の分だけ製造コストが上昇してしまうので、熱ＣＶＤ法において、製品用ウエハに不足が生じた場合、フィルダミーを使用せず、製品用ウエハをガス上流側に詰めて載置させ、更に、ヒーターゾーンの設定温度の調整を行いヒータ条件を変更させてウエハ間において膜厚が均一になるようにしていた。ヒータゾーンの設定温度変更では、ウエハが存在する領域だけを均熱ゾーンとし、その他の領域は保温ゾーンとして保温ゾーンにおける反応を抑え、ウエハ処理域への影響を防止していた（日本国特開２００３−４５８６３号公報参照）。
日本国特開２００３−４５８６３号
なお、製品用ウエハをガス上流側に詰めるのは、上流側に空きがあると、成膜処理用ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２の成膜による消費が減少する一方で、ＳｉＣｌ２への自己分解が進み、更にＳｉＣｌ２の吸着係数がＳｉＨ２Ｃｌ２よりも一桁大きい為、ＳｉＨ２Ｃｌ２の反応が阻害され、成膜速度が安定しなくなるからである。よってこの現象を防ぐ為、製品用ウエハをガス上流側に詰めて載置している。
上述の日本国特開２００３−４５８６３号公報に記載の技術ではフィルダミーを使用していないが、熱ＣＶＤ法を使用しているので、ヒータ条件の変更が必要となる。
この各ゾーンの設定温度変更によるヒータ条件の変更は、過去のデータにより経験に基づいて行ったり、或いは干渉行列法を用いて各ゾーンの設定温度を自動で算出して温度補正を行うなどしていた。
本発明の主な目的は、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合でも、新たに条件出しを行うことなく、基板間の膜厚均一性を向上させることができる基板処理装置および半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
処理室と、
前記処理室内において複数の製品用基板を少なくとも上下方向に積載して保持する保持部材と、
前記製品用基板を加熱する加熱部材と、
前記製品用基板の横方向から前記処理室内に少なくとも第１と第２の反応物質を交互に供給する供給部材と、
前記処理室の下部に開口した排気口と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第１の反応物質を前記処理室内に供給し、前記保持部材に保持される前記製品用基板上に前記第１の反応物質を吸着させた後、余剰な前記第１の反応物質を前記処理室内から除去し、次いで前記第２の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用基板上に吸着した前記第１の反応物質と反応させることで前記製品用基板上に薄膜を形成する処理を実行し、
前記保持部材に保持される前記製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板を前記保持部材の上側に詰めて保持させ、前記保持部材の前記排気口側を未保持領域として、前記製品用基板上に薄膜を形成する前記処理を実行す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、
処理室内の保持部材に複数の製品用の基板を上下方向に積載して保持させる第１の工程と、
前記製品用の基板を加熱する第２の工程と、
前記製品用の基板の横方向から第１の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用の基板上に前記第１の反応物質を吸着させる第３の工程と、
前記処理室の下部に開口した排気口から余剰な前記第１の反応物質を除去する第４の工程と、
前記製品用の基板の横方向から第２の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用の基板上に吸着した前記第１の反応物質と反応させ、前記製品用の基板上に薄膜を形成する第５の工程と、
少なくとも前記第３の工程から前記第５の工程を、前記製品用の基板上に所望の厚さの薄膜が形成されるまで所定回数繰り返す第６の工程と、を備え、
前記保持部材に保持される前記製品用の基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前記製品用の基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用の基板を前記保持部材の上側に詰めて保持させ、前記保持部材の前記排気口側を未保持領域として、前記工程を行う半導体デバイスの製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
処理室と、
前記処理室内において複数の基板を保持する保持部材と、
前記基板を加熱する加熱部材と、
前記処理室内に少なくとも第１と第２の反応物質を交互に供給する供給部材と、
前記処理室に開口した排気口とを有し、
前記第１の反応物質を供給し、前記基板上に前記第１の反応物質を吸着させた後、余剰な前記第１の反応物質を除去し、次いで前記第２の反応物質を供給し、前記基板上に吸着した前記第１の反応物質と反応させることで前記基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記保持部材に保持される製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板の枚数が不足した状態で薄膜を形成する処理を実行させる制御部を有する基板処理装置が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
処理室と、
前記処理室内において複数の基板を保持する保持部材と、
前記基板を加熱する加熱部材と、
前記処理室内に少なくとも第１と第２の反応物質を交互に供給する供給部材と、
前記処理室に開口した排気口とを有し、
前記第１の反応物質を供給し、前記基板上に前記第１の反応物質を吸着させた後、余剰な前記第１の反応物質を除去し、次いで前記第２の反応物質を供給し、前記基板上に吸着した前記第１の反応物質と反応させることで前記基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記保持部材に保持される製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板の枚数が不足した状態で薄膜を形成する処理を実行させる制御部を有する基板処理装置を用いて、
前記保持部材に保持される製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板の枚数が不足した状態で薄膜を形成する前記処理を行う半導体デバイスの製造方法が提供される。
本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明するための概略横断面図である。 本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉においてボートへのウエハの搭載状態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉においてボートへのウエハの搭載状態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉においてボートへのウエハの搭載状態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉においてボートへのウエハの搭載状態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例に係る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に係る基板処理装置を説明するための概略縦断面図である。
発明を実施するための好ましい形態
本発明の好ましい実施の形態では、ＣＶＤ法ではなくて、ＡＬＤ法により成膜を行う。ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
即ち、利用する化学反応は、例えば、ＳｉＮ（窒化珪素）膜形成の場合、ＡＬＤ法ではＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２、ジクロルシラン）とＮＨ３（アンモニア）を用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。（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、処理を２０サイクル行う。）
本発明の好ましい実施の形態では、第１の反応物質を供給し、基板上に第１の反応物質を吸着させた後、余剰な第１の反応物質を除去し、次いで第２の反応物質を供給し、基板上に吸着した第１の反応物質と反応させることで基板上に薄膜を形成するが、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合に、制御部によって製品用基板の枚数が不足した状態で薄膜を形成する処理を実行させる。
そして、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合、制御部は、製品用基板を保持部材のガス上流側に詰めて保持させ、保持部材の排気口側を未保持領域として、基板上に薄膜を形成する処理を実行させる。
また、供給部材は、多数のガス噴出孔を備える細長いノズルにて構成され、保持部材は、ノズルの長手方向に複数の基板を積層保持し、排気口がノズルの長手方向の一端側に位置している構造であり、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合、制御部は、製品用基板を保持部材のノズルの長手方向の他端側に詰めて保持させて、基板上に薄膜を形成する処理を実行させる。
また、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合、制御部は、保持部材にて製品用基板の最大保持枚数が保持されている時と同じ加熱部材の条件にて薄膜形成処理を実行させる。
なお、製品用基板は、半導体装置を実際に生産する生産用基板のみで構成される場合や、生産用基板とその上下に設けられたサイドダミー基板とから構成される場合があり、好ましくは、生産用基板の上下に少なくとも一枚のサイドダミー基板が設けられる。
本発明の好ましい実施の形態では、ＡＬＤ法により成膜を行っており、第２の反応物質を基板上に吸着した第１の反応物質と反応させることで基板上に１原子層ずつ薄膜を形成する点において、気相反応が行われる従来のＣＶＤ法とは異なる。このため、ＡＬＤ法による成膜では、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合であっても、従来の熱ＣＶＤの場合とは異なり、基板間の膜厚分布を揃えるために各ヒーターゾーンの設定温度を変える必要は生じない。
その結果、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合にも、保持部材にて製品用基板の最大保持枚数が保持されている時と同じ加熱部材の条件にて薄膜形成処理を実行することができる。
しかしながら、ＡＬＤ法によって成膜された膜の膜厚は、反応物ガスの流れの影響を受け、基板表面が晒されるガスの濃度の影響を受ける。そのため、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合であっても、基板表面が晒されるガスの濃度を、保持部材に保持される製品用基板の枚数が保持部材が保持可能な製品用基板の最大枚数保持の場合と同様にすることが好ましい。
そのために、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合、製品用基板を保持部材のガス上流側に詰めて保持させ、保持部材の排気口側を未保持領域として、基板上に薄膜を形成することが好ましい。
また、供給部材が、多数のガス噴出孔を備える細長いノズルにて構成され、保持部材は、ノズルの長手方向に複数の基板を積層保持し、排気口がノズルの長手方向の一端側に位置している構造であり、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合には、製品用基板を保持部材のノズルの長手方向の他端側に詰めて保持させて、基板上に薄膜を形成することが好ましい。
なお、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合に、ガス上流側やノズルの長手方向の何れかの端側に詰めるのではなく、基板間隔を長くして保持部材全体に渡って均等的に基板を載置する方法も考えられるが、そのようにすると、保持部材に保持される製品用基板の枚数が保持部材が保持可能な製品用基板の最大枚数保持の場合と、基板間隔が変わってしまって基板間に入り込む反応性ガス量が変化してしまう。その結果、膜厚が変ってしまうので、好ましくない。
次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照してより詳細に説明する。
図１は、本実施例にかかる縦型の基板処理炉を説明するための概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図２は本実施例にかかる縦型の基板処理炉を説明するための概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。
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石英製の反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞されている。反応管２０３およびヒータ２０７の外側には断熱部材２０８が設けられている。断熱部材２０８はヒータ２０７の上方端を覆うように設けられている。少なくとも、ヒータ２０７、断熱部材２０８、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理炉２０２を形成している。また、反応管２０３、シールキャップ２１９および後述する反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７により処理室２０１を形成している。シールキャップ２１９には石英キャップ２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、石英キャップ２１８はボート２１７を保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理炉２０２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垂直方向に積載される。ヒータ２０７は処理炉２０２に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。
そして、処理炉２０２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給管としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが設けられる。ここではガス供給管２３２ａからは流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁であるバルブ２４３ａを介し、更に後述する反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７を介して処理室２０１に反応ガスが供給され、ガス供給管２３２ｂからは流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁であるバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、及び開閉弁であるバルブ２４３ｃを介し、更に後述するガス供給部２４９を介して処理室２０１に反応ガスが供給される。
ガス供給管２３２ｂには、原料の液化を防ぐために、１２０℃程度まで加熱できる配管ヒータ（図示せず。）を装着している。
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２４３ｄを介して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。尚、このバルブ２４３ｄ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になっている開閉弁である。
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は、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、ガス分散空間であるバッファ室２３７が設けられている。バッファ室２３７のウエハ２００と隣接する内側の壁の端部近傍にはガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ａが設けられている。このガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心へ向けて開口している。このガス供給孔２４８ａは、ウエハ２００の積載方向に沿って下部から上部に所定の長さ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。
そしてバッファ室２３７のガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部近傍には、ノズル２３３が、やはり反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル２３３にはガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ｂが複数設けられている。複数のガス供給孔２４８ｂは、ガス供給孔２４８ａの場合と同じ所定の長さにわたってウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そして、複数のガス供給孔２４８ｂと複数のガス供給孔２４８ａとをそれぞれ1対1で対応させて配置している。
また、ガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。
ガス供給孔２４８ｂの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節することで、まず、各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこの各ガス供給孔２４８ｂから噴出するガスをバッファ室２３７に噴出させて一旦導入し、ガスの流速差の均一化を行うことができる。
すなわち、バッファ室２３７において、各ガス供給孔２４８ｂより噴出したガスはバッファ室２３７で各ガスの粒子速度が緩和された後、ガス供給孔２４８ａより処理室２０１に噴出する。この間に、各ガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各ガス供給孔２４８ａより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができる。
さらに、バッファ室２３７に、細長い構造を有する棒状電極２６９及び棒状電極２７０が上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管２７５に保護されて配設され、この棒状電極２６９又は棒状電極２７０のいずれか一方は整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、棒状電極２６９及び棒状電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。
この電極保護管２７５は、棒状電極２６９及び棒状電極２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管２７５の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された棒状電極２６９及び棒状電極２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて棒状電極２６９又は棒状電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。
さらに、ガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を１２０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。このガス供給部２４９は、ＡＬＤ法による成膜においてウエハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。
このガス供給部２４９もバッファ室２３７と同様にウエハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ｃを有し、下部ではガス供給管２３２ｂが接続されている。
ガス供給孔２４８ｃの開口面積はバッファ室２３７と処理室２０１の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。
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鉛直方向に載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略の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を回転するための回転手段であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。
制御手段であるコントローラ３２１は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、ボートエレベータ１２１、高周波電源２７３、整合器２７２に接続されており、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄの開閉動作、ヒータ２０７の温度調節、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、ボートエレベータ１２１の昇降動作制御、高周波電極２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。
次にＡＬＤ法による成膜例について、ＤＣＳ及びＮＨ３ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。
まず成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。
［ステップ１］
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ３ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して流す。まずガス供給管２３２ａに設けたバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けたバルブ２４３ｄを共に開けて、ガス供給管２３２ａからマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ３ガスをノズル２３３のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、棒状電極２６９及び棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ３をプラズマ励起し、活性種として処理室２０１に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、バルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内圧力を１０〜１００Ｐａとする。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７の温度はウエハが３００〜６００℃になるよう設定してある。ＮＨ３は反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。
このＮＨ３をプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、ガス供給管２３２ｂの上流側のバルブ２４３ｂを開け、下流側のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳも流すようにする。これによりバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。このとき、処理室２０１内に流しているガスはＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳは存在しない。したがって、ＮＨ３は気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ３はウエハ２００上の下地膜と表面反応する。
［ステップ２］
ステップ２では、ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ３の供給を止めるが、引続きガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄは開いたままにし真空ポンプ２４６により、処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ３を処理室２０１から排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留ＮＨ３を排除する効果が高まる。ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜め２４７と処理室２０１との間のコンダクタンスが１．５×１０−３ｍ３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３の容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３の容積１００１（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。
［ステップ３］
ステップ３では、処理室２０１の排気が終わったらガス排気管２３１のバルブ２４３ｄを閉じて排気を止める。ガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理室２０１に一気に供給される。このときガス排気管２３１のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理室２０１内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。ＤＣＳを供給するための時間は２〜４秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。このときのウエハ温度はＮＨ３の供給時と同じく、３００〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ３とＤＣＳとが表面反応して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。成膜後、バルブ２４３ｃを閉じ、バルブ２４３ｄを開けて処理室２０１を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留するＤＣＳ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。またバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。
上記ステップ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上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。
なお、ＡＬＤ装置では、ガスは下地膜表面に吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施例では、バルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理室２０１内のＤＣＳの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。
また、本実施例では、ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理室２０１の排気をしているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。また、処理室２０１内を排気してＮＨ３ガスを除去しているからＤＣＳを流すので、両者はウエハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウエハ２００に吸着しているＮＨ３とのみ有効に反応させることができる。
以上は、ＤＣＳをガス溜め２４７に溜める場合について説明したが、ガス溜め２４７を用いない場合には、次の３つのステップを順次実行する。なお、ガス溜め２４７を用いない場合には、ガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃも用いない。
［ステップ１］
ステップ１では、まずガス供給管２３２ａに設けたバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けたバルブ２４３ｄを共に開けて、ガス供給管２３２ａからマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ３ガスをノズル２３３のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、棒状電極２６９及び棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ３をプラズマ励起し、活性種として処理室２０１に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、処理室２０１内圧力を１０〜１００Ｐａとする。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７の温度はウエハが３００〜６００℃になるよう設定してある。
［ステップ２］
ステップ２では、ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ３の供給を止める。ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄは開いたままにし、真空ポンプ２４６により、ガス処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ３を処理室２０１から排除する。この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留ＮＨ３を排除する効果が高まる。
［ステップ３］
ステップ３では、処理室２０１の排気が終わっても、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄは開けたままとし、ガス供給管２３２ｂに設けたバルブ２４３ｂを開けて、ガス供給管２３２ｂからマスフローコントローラ２４３ｂにより流量調整されたＤＣＳガスをガス供給部２４９のガス供給孔２４８ｃから処理室２０１に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＤＣＳガスを流すときは、処理室２０１内圧力を１０〜１００Ｐａとする。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＤＣＳの供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＤＣＳにウエハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７の温度はウエハが３００〜６００℃になるよう設定してある。このときのウエハ温度はＮＨ３の供給時と同じく、３００〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ３とＤＣＳとが表面反応して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。
成膜後、バルブ２４３ｂを閉じ、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄは開いたままにし、真空ポンプ２４６により処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留するＤＣＳ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。
上記ステップ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上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。
次に、以上説明した基板処理装置を用いて成膜を行う場合に、ボート２１７に保持される製品用ウエハの枚数が、ボート２１７が保持可能な製品用ウエハ２００の最大保持枚数の場合（図３参照）と、最大保持枚数未満の場合とについて説明する。ボート２１７に保持される製品用ウエハ２００の枚数がボート２１７が保持可能な製品用ウエハ２００の最大保持枚数未満の場合については、図４に製品用ウエハ２００をボート２１７の上部に詰めた場合を示し、図５に製品用ウエハ２００をボート２１７の中央部に搭載した場合を示し、図６に製品用ウエハ２００をボート２１７の下部に詰めた場合を示している。なお、製品用ウエハ２００は、半導体装置を実際に生産する生産用基板とその上下に設けられた少なくとも一枚のサイドダミーウエハとから構成されている。
反応性ガスの供給は、バッファ室２３７の側壁にウエハ２００の積載方向に沿って下部から上部にわたって設けられたガス供給孔２４８ａまたはガス供給部２４９の側壁にウエハ２００の積載方向に沿って下部から上部にわたって設けられたガス供給孔２４８ｃ（図２参照）を介して、ウエハ２００の横方向から行われるが、排気は反応管２０３の下部に設けられた排気口から行われるため（図１参照）、ウエハが装填されていない領域が存在するとその下流領域においてはウエハ端部での実質的なガスの濃度が高くなるためウエハの面内分布のばらつきが大きくなり、又、ウエハ間の膜厚分布のばらつきも大きくなるものと考えられる。従って、ＡＬＤプロセスにおいては、製品用ウエハ２００を常にガスの上流側に置くことが望ましい。
図４〜図６を参照すると、図４のように、ウエハ２００をボート２１７に上詰めする場合には、各ウエハが受けるガス濃度は、ウエハ２００をボート２１７に最大枚数搭載した場合のガス濃度と同じであるため、上詰めした場合のウエハ２００間の均一性は、最大枚数搭載した場合のウエハ２００間の均一性と殆ど変わらないが、図５、６に示すように、ウエハ２００をボート２１７の中央部に搭載する場合や、ボート２１７に下詰めする場合には、載置されている上部側ウエハに対しては、それより上側にあるガス供給孔２４８ａやガス供給孔２４８ｃ（図２参照）から、ウエハ２００をボート２１７に最大枚数搭載した場合の以上のガスの供給を受けるので、下部側ウエハとの濃度差が顕著となり、ウエハ間の均一性が悪くなる。
ウエハの最大搭載枚数が５０枚の場合で、ボート２１７にウエハ２００を５０枚搭載した場合、２５枚のウエハ２００をボート２１７に上詰めした場合、２５枚のウエハ２００をボート２１７に下詰めした場合の、ウエハ面内およびウエハ間の膜厚均一性を表１に示す。
Figure 0004516969
成膜条件としては、成膜温度が５５０℃であり、ＤＣＳを流量が１５ｓｃｃｍで２秒間流し、その後反応管２０３内を４秒間パージし、その後、０．４ｋＷの高周波で励起したＮＨ３を流量が４ｓｌｍで３秒間流し、その後反応管２０３内を４秒間パージするサイクルを１００サイクル繰り返して行った。ボート２１７にウエハ２００を５０枚搭載した場合も２５枚搭載した場合も、同じ加熱条件とし、２５枚搭載した場合も、温度傾斜は設けなかった。また、ＤＣＳ用のガス溜め２４７は用いず、ガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃも用いない装置構成で成膜を行った。
表１より、２５枚のウエハ２００をボート２１７に上詰めした場合は、ボート２１７にウエハ２００を５０枚搭載した場合とほぼ同等の結果が得られたが、２５枚のウエハ２００をボート２１７に下詰めした場合は、膜厚均一性に劣っていたことがわかる。なお、ウエハ面内Ｔｏｐとは搭載したウエハのうち最上部に搭載したウエハの面内を示し、ウエハ面内Ｂｏｔとは搭載したウエハのうち最下部に搭載したウエハの面内を示している。
次に、図７、図８を参照して本実施例の基板処理装置の概略を説明する。
筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。
筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下側を気密に閉塞する閉塞手段としての炉口シャッタ１１６が設けられている。
ウエハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ２００が上向き姿勢で搬入され、ウエハ２００が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。
カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ２００が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。
カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウエハ２００を移載する。
ボート２１７に所定枚数のウエハ２００が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウエハ２００が加熱されると共に処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウエハ２００に処理がなされる。
ウエハ２００への処理が完了すると、ウエハ２００は上記した作動の逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を気密に閉塞し、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。
なお、カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。
明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を含む年月日提出の日本国特許出願２００４−２９４９０８号の開示内容全体は、そのまま引用してここに組み込まれる。
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の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。
以上説明したように、本発明の好ましい形態によれば、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合でも、新たに条件出しを行うことなく、基板間の膜厚均一性を向上させることができる。
その結果、本発明は、半導体ウエハ処理装置および半導体デバイスの製造方法に特に好適に利用できる。

Claims (4)

  1. 処理室と、
    前記処理室内において複数の製品用基板を少なくとも上下方向に積載して保持する保持部材と、
    前記製品用基板を加熱する加熱部材と、
    前記製品用基板の横方向から前記処理室内に少なくとも第１と第２の反応物質を交互に供給する供給部材と、
    前記処理室の下部に開口した排気口と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記第１の反応物質を前記処理室内に供給し、前記保持部材に保持される前記製品用基板上に前記第１の反応物質を吸着させた後、余剰な前記第１の反応物質を前記処理室内から除去し、次いで前記第２の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用基板上に吸着した前記第１の反応物質と反応させることで前記製品用基板上に薄膜を形成する処理を実行し、
    前記保持部材に保持される前記製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板を前記保持部材の上側に詰めて保持させ、前記保持部材の前記排気口側を未保持領域として、前記製品用基板上に薄膜を形成する前記処理を実行する基板処理装置。
  2. 前記供給部材は、多数のガス噴出孔を備える細長いノズルにて構成される請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記保持部材に保持される前記製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、
    前記制御部は、前記保持部材にて前記製品用基板の最大保持枚数が保持されている時と同じ前記加熱部材の条件にて薄膜形成処理を実行させる請求項１又は２に記載の基板処理装置。
  4. 処理室内の保持部材に複数の製品用の基板を上下方向に積載して保持させる第１の工程と、
    前記製品用の基板を加熱する第２の工程と、
    前記製品用の基板の横方向から第１の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用の基板上に前記第１の反応物質を吸着させる第３の工程と、
    前記処理室の下部に開口した排気口から余剰な前記第１の反応物質を除去する第４の工程と、
    前記製品用の基板の横方向から第２の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用の基板上に吸着した前記第１の反応物質と反応させ、前記製品用の基板上に薄膜を形成する第５の工程と、
    少なくとも前記第３の工程から前記第５の工程を、前記製品用の基板上に所望の厚さの薄膜が形成されるまで所定回数繰り返す第６の工程と、を備え、
    前記保持部材に保持される前記製品用の基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前記製品用の基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用の基板を前記保持部材の上側に詰めて保持させ、前記保持部材の前記排気口側を未保持領域として、前記工程を行う半導体デバイスの製造方法。
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