JP4610908B2

JP4610908B2 - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4610908B2
Application number: JP2004048507A
Authority: JP
Inventors: 建夫花島
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005243736A

Description

本発明は、処理室内に処理ガスを供給させながら処理室内を加熱手段で加熱して基板を処理するＣＶＤ装置等の基板処理装置に係り、特に、その加熱手段を制御する加熱制御手段に関するものである。

基板（ウェハ）に対して成膜処理を行う場合は、ウェハ面内の膜厚を均一にする必要がある。膜厚のウェハ面内均一性は、ガス流量や圧力といったプロセス条件にもよるが、主にウェハを支持するボートの溝ピッチ間隔や、処理炉形状、ボートの下部に設ける断熱板の配置方法といったハードウエアに頼るところが大きい。

一方、膜厚のウェハ面内均一性を決定する要素として、ウェハの加熱温度も挙げられるが、従来まではウェハの加熱温度は一定に保った状態で、処理室内での化学反応（ＣＶＤ反応）をさせることで、反応速度を一定として成膜を実施している。

なお、一度に多数のウェハを処理する縦型ＣＶＤ装置にあっては、ウェハを昇温・降温するときに、熱伝導率の高いガス（Ｈｅガス）に切替えて、より早いウェハの昇温・降温を実現し、単位時間あたりのウェハ処理枚数を増大することも考えられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２８９６０２公報

上記のことから膜厚の基板面内均一性は、ハードウエアとプロセス条件によってほぼ決定づけられており、良好な基板面内均一性を得ようとすると何かしらのハードウエアによる変更、もしくは良好な基板面内均一性を得られるプロセス条件に変更する必要があった。しかし、これらの改善方法は、目的とする成膜特性を得られない可能性も含んでおり、有効性が低い。その理由は次の通りである。

例えば、縦型ＣＶＤ装置において、基板上に成膜されるパターンとしては、エッジ側が厚く、センタ側が薄い、すり鉢状の形状にて分布するのが一般的である。これはガスの廻り込みによる特性と、基板上の温度分布が起因している。成膜速度は温度が高くなることで早くなることから、もしウェハの加熱温度を一定に保った状態で、ウェハ上の温度分布がエッジ側で高く、センタ側が低い分布となる場合、成膜されるパターンは、より顕著なすり鉢状となる。随って、上記改善方法が成膜パターンのすり鉢状化を助長するのであれば、基板面内均一性の悪化を招くことになる。また、上記改善方法が成膜パターンのすり鉢状化を是正しないのであれば、基板面内均一性の改善はみられないことになる。
また、特許文献１のように、ウェハを昇温・降温するときに、熱伝導率の高いガスに切替えて、より早いウェハの昇温・降温を実現できたとしても、ウェハ面内温度均一性は良好とはならず、なお改善の余地がある。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、処理量の基板面内均一性の良好な基板処理装置を提供することにある。

第１の発明は、基板を処理する処理室と、前記処理室を加熱する加熱手段と、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理室を排気する排気手段と、前記加熱手段を予め設定された設定温度に基づき制御する加熱制御手段と、前記処理ガス供給手段を制御して前記処理室内で前記基板の処理を開始する処理ガス供給制御手段とを備え、前記設定温度は、前記処理室内で前記基板の処理を開始する以前から、時間とともに前記処理室内の温度が降下するように設定されていることを特徴とする基板処理装置である。

設定温度が、基板処理開始以前から、時間とともに処理室内の温度が降下するように設定されていると、この設定温度に基づき加熱手段を制御する加熱制御手段によって、基板処理開始以前から、時間とともに処理室内の温度が降下している状態となる。処理室内の温度が降下している状態では、基板のエッジ部の温度が先に低くなり、センタ部へはその変動が遅れて伝わるため、基板面内の温度分布は、エッジ部が低くなりセンタ部で高くなる。従って、温度が安定した状態で示される、エッジ部で高くセンタ部で低いすり鉢状の温度分布が是正されて、基板面内の温度分布が均一な状態に近くなる。その結果、膜厚などの処理量の基板面内均一性を向上できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記設定温度は、前記処理室内で前記基板の処理を開始後も引続いて、時間とともに前記処理室内の温度を降下させるように設定されていることを特徴とする基板処理装置である。
設定温度が、処理室内で基板の処理を開始後も引続いて、時間とともに処理室内の温度を降下させるように設定されていると、基板面内の温度分布が均一な状態で基板処理を実施することができるため、処理量の基板面内均一性をより向上できる。

第３の発明は、第２の発明において、前記設定温度は、前記処理室内で前記基板の処理を開始後は、時間とともに前記処理室内の温度を１℃／ｍｉｎ未満で降下させるように設定されていることを特徴とする基板処理装置である。
設定温度が、処理室内で基板の処理を開始後は、温度降下レートが１℃／ｍｉｎ以上になるように設定すると、処理量の基板面内均一性の向上は見られない。温度降下レートを１℃／ｍｉｎ未満で降下させるように設定すると、処理量の基板面内均一性が良好になり、±１．０％未満に抑えることができる。

第４の発明は、基板を処理する処理室と、前記処理室を加熱する加熱手段と、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理室を排気する排気手段と、前記加熱手段を予め設定された設定温度に基づき制御する加熱制御手段と、前記処理ガス供給手段を制御して前記処理室内で前記基板の処理を開始する処理ガス供給制御手段とを備え、前記設定温度は、前記処理室内で前記基板の処理を開始する以前から、時間とともに前記処理室内の温度が降下するように設定されている基板処理装置を用いる半導体装置の製造方法において、前記設定温度に基づき加熱制御手段により前記加熱手段を制御して、前記処理室内で前記基板の処理を開始する以前から、時間とともに前記処理室内の温度を降下する第１の工程と、前記第１の工程後引続き、前記処理ガス供給制御手段により前記処理ガス供給手段を制御して、前記処理室内に前記処理ガスを供給開始し、前記処理室内で前記基板の処理を開始する第２の工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。

本発明によれば、処理室内で基板の処理を開始する以前から、時間とともに処理室内の温度が降下するようにしたので、膜厚などの処理量の基板面内均一性を向上できる。

本発明の基板処理装置の構成を図面を用いて説明する。尚、以下の説明では、基板処理装置として基板に拡散処理やＣＶＤ処理などを行う縦型の装置（以下、単に処理装置という）に適用した場合について述べる。図２は、本発明に適用される処理装置の外観斜視図である。尚、この図は透視図として描かれている。また、図３は図２に示す処理装置の側面図である。

処理装置は、シリコン等からなるウェハ（基板）２００を収納したポッド（基板収納容器）１００を、外部から筐体１０１内へ挿入するため、およびその逆に筐体１０１内から外部へ払出すためのＩ／Ｏステージ（保持具授受部材）１０５が筐体１０１の前面に付設され、筐体１０１内には挿入されたポッド１００を保管するためのカセット棚（載置手段）１０９が敷設されている。また、ウェハ２００の搬送エリアであり、後述のボート（基板保持手段）２１７のローディング、アンローディング空間となるＮ₂パージ室（気密室）１０２が設けられている。ウェハ２００に処理を行なうときのＮ₂パージ室１０２の内部は、ウェハ２００の自然酸化膜を防止するためにＮ₂ガスなどの不活性ガスが充満されるように、Ｎ₂パージ室１０２は密閉容器となっている。

上述したポッド１００としては、現在ＦＯＵＰというタイプが主流で使用されており、ポッド１００の一側面に設けられた開口部を蓋体（図示せず）で塞ぐことで大気からウェハ２００を隔離して搬送でき、蓋体を取り去る事でポッド１００内へウェハ２００を入出させることができる。このポッド１００の蓋体を取外し、ポッド内の雰囲気とＮ₂パージ室１０２の雰囲気とを連通させるために、Ｎ₂パージ室１０２の前面側には、ポッドオープナ（開閉手段）１０８が設けられている。ポッドオープナ１０８、カセット棚１０９、およびＩ／Ｏステージ１０５間のポッド１００の搬送は、カセット移載機１１４によって行なわれる。このカセット移載機１１４によるポッド１００の搬送空間には、筐体１０１に設けられたクリーンユニット（図示せず）によって清浄化した空気をフローさせるようにしている。

Ｎ₂パージ室１０２の内部には、複数のウェハ２００を多段に積載するボート２１７と、ウェハ２００のノッチ（又はオリエンテーションフラット）の位置を任意の位置に合わせる基板位置合わせ装置１０６と、ポッドオープナ１０８上のポッド１００と基板位置合わせ装置１０６とボート２１７との間でウェハ２００の搬送を行なうウェハ移載機（搬送手段）１１２とが設けられている。また、Ｎ₂パージ室１０２の上部にはウェハ２００を処理するための処理炉２０２が設けられており、ボート２１７はボートエレベータ（昇降手段）１１５によって処理炉２０２へローディング、又は処理炉２０２からアンローディングすることができる。

次に、本発明の処理装置の動作について説明する。
先ず、ＡＧＶ（自走型搬送車）やＯＨＴ（天井吊下式搬送装置）などにより筐体１０１の外部から搬送されてきたポッド１００は、Ｉ／Ｏステージ１０５に載置される。Ｉ／Ｏステージ１０５に載置されたポッド１００は、カセット移載機１１４によって、直接ポッドオープナ１０８上に搬送されるか、または、一旦カセット棚１０９にストックされた後にポッドオープナ１０８上に搬送される。ポッドオープナ１０８上に搬送されたポッド１００は、ポッドオープナ１０８によってポッド１００の蓋体を取り外され、ポッド１００の内部雰囲気がＮ₂パージ室１０２の雰囲気と連通される。

次に、ウェハ搬送機１１２によって、Ｎ₂パージ室１０２の雰囲気と連通した状態のポッド１００内からウェハ２００を取り出す。取り出されたウェハ２００は、基板位置合わせ装置１０６によって任意の位置にノッチが定まる様に位置合わせが行なわれ、位置合わせ後、ボート２１７へ搬送される。

ボート２１７へのウェハ２００の搬送が完了したならば、処理室２０１の炉口シャッタ１１６を開けて、ボートエレベータ１１５によりウェハ２００を搭載したボート２１７をローディングする。

ローディング後は、処理炉２０２にてウェハ２００に任意の処理が実施され、処理後は上述の逆の手順で、ウェハ２００およびポッド１００は筐体１０１の外部へ払出される。

次に、上述した処理炉２０２の具体例を、図１に示した減圧ＣＶＤ処理炉について説明する。
外管（以下アウターチューブ２０５）は例えば石英（ＳｉＯ２）等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞され、下端に開口を有する円筒状の形態である。内管（以下インナーチューブ２０４）は、上端及び下端の両端に開口を有する円筒状の形態を有し、アウターチューブ２０５内に同心円状に配置されている。アウターチューブ２０５とインナーチューブ２０４の間の空間は筒状空間２５０を成す。インナーチューブ２０４の上部開口から上昇したガスは、筒状空間２５０を通過して排気管２３１から排気されるようになっている。なお、後述する処理炉の制御系は主制御部１２０で制御される。

アウターチューブ２０５およびインナーチューブ２０４の下端には、例えばステンレス等よりなるマニホールド２０９が係合され、このマニホールド２０９にアウターチューブ２０５およびインナーチューブ２０４が保持されている。このマニホールド２０９は保持手段（以下ヒータベース２５１）に固定される。アウターチューブ２０５の下端部およびマニホールド２０９の上部開口端部には、それぞれ環状のフランジが設けられ、これらのフランジ間には気密部材（以下、Ｏリング２２０）が配置され、両者の間が気密にシールされている。

マニホールド２０９の下端開口部には、例えばステンレス等よりなる円盤状の蓋体（以下シールキャップ２１９）がＯリング２２０を介して気密シール可能に着脱自在に取付けられている。アウタチューブ２０５の下方側には、ガスの供給管２３２が設けられている。これらのガスの供給管２３２により、処理用のガスがアウターチューブ２０５内に供給されるようになっている。これらのガスの供給管２３２はガスの流量制御手段（以下マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１）に連結されており、ＭＦＣ２４１は処理ガス供給制御手段としてのガス流量制御部１２２に接続されており、供給するガスの流量を所定の量に制御し得る。

マニホールド２０９の上部には、圧力調節器（例えばＡＰＣ、Ｎ₂バラスト制御器があり、以下ここではＡＰＣ２４２とする）及び、排気装置（以下真空ポンプ２４６）に連結されたガスの排気管２３１が接続されており、アウターチューブ２０５とインナーチューブ２０４との間の筒状空間２５０を流れるガスを排出し、アウターチューブ２０５内をＡＰＣ２４２により圧力を制御することにより、所定の圧力の減圧雰囲気にするよう圧力検出手段（以下圧力センサ２４５）により検出し、主制御部１２０の圧力制御部１２３により制御する。

シールキャップ２１９には、回転手段（以下回転軸２５４）が連結されており、回転軸２５４により、基板保持手段（以下ボート２１７）及びボート２１７上に保持されている基板（以下ウェハ２００）を回転させる。又、シールキャップ２１９は昇降手段（以下ボートエレベータ１１５）に連結されていて、ボート２１７を昇降させる。回転軸２５４、及びボートエレベータ１１５を所定のスピードにするように、主制御部１２０の駆動制御部１２４により制御する。

アウターチューブ２０５の外周には加熱手段（以下ヒータ２０７）が同心円状に配置されている。ヒータ２０７は、アウターチューブ２０５内の温度を所定の処理温度にするよう温度検出手段（以下熱電対２６３）により温度を検出し、加熱制御手段としての温度制御部１２１により制御する。

図１に示した処理炉による減圧ＣＶＤ処理方法の一例を説明すると、まず、ボートエレベータ１１５によりボート２１７を下降させる。ボート２１７に複数枚のウェハ２００を保持する。次いで、ヒータ２０７により加熱しながら、アウターチューブ２０５内の温度を所定の処理温度にする。ガスの供給管２３２に接続されたＭＦＣ２４１により予めアウターチューブ２０５内を不活性ガスで充填しておき、ボートエレベータ１１５により、ボート２１７を上昇させてアウターチューブ２０５内に移し、アウターチューブ２０５の内部温度を所定の処理温度に維持する。アウターチューブ２０５内を所定の真空状態まで排気した後、回転軸２５４により、ボート２１７及びボート２１７上に保持されているウェハ２００を回転させる。同時にガスの供給管２３２から処理用のガスを供給する。供給されたガスは、アウターチューブ２０５内を上昇し、ウェハ２００に対して均等に供給される。

減圧ＣＶＤ処理中のアウターチューブ２０５内は、排気管２３１を介して排気され、所定の真空になるようＡＰＣ２４２により圧力が制御され、所定時間減圧ＣＶＤ処理を行う。

このようにして減圧ＣＶＤ処理が終了すると、次のウェハ２００の減圧ＣＶＤ処理に移るべく、アウターチューブ２０５内のガスを不活性ガスで置換するとともに、圧力を常圧にし、その後、ボートエレベータ１１５によりボート２１７を下降させて、ボート２１７及び処理済のウェハ２００をアウターチューブ２０５から取出す。アウターチューブ２０５から取出されたボート２１７上の処理済のウェハ２００は、未処理のウェハ２００と交換され、再度前述同様にしてアウターチューブ２０５内に上昇され、減圧ＣＶＤ処理が成される。

ところで、前述したように、縦型ＣＶＤ装置において、基板上に成膜される膜の面内パターンとしては、エッジ側が厚く、センタ側が薄い、すり鉢状の形状にて分布するのが一般的であり、従来は、ハードウエア又はソフトウェアを変更することによって、これの不均一分布を解消している。

本実施の形態では、ハードウエアを変更することなく、ソフトウェアのみを変更することによって、基板面内の膜厚を有効に均一化させるものであり、つぎのような３つの手段を備えて実現している。処理室で所定のガスを化学反応させることにより基板上にＣＶＤ膜を形成する手段、成膜前の温度安定状態を破り、温度を降下状態としておくことで、より良好なウェハ面内均一性を得ることができる手段、及び処理温度を降下させながら成膜することで良好なウェハ面内均一性を得ることができる手段である。

以下、図１を用いて具体的に説明する。
ウェハ２００の処理は、ウェハ２００を処理室２０１たるインナーチューブ２０４内に搬入する工程（ボートロード工程）と、処理室２０１内のウェハ２００を所定の温度まで昇温する工程（ランプアップ工程）と、処理室内温度を安定化する工程（ステイブル工程ないし温度安定イベント）と、処理室２０１内に処理ガスを導入してウェハ２００を処理する工程（デポ工程ないし成膜イベント）と、処理室２０１内のウェハ２００を所定の温度まで降温する工程（ランプダウン工程）と、ウェハ２００を処理室２０１たるインナーチューブ２０４外に搬出する工程（ボートアンロード工程）とを含んだものとなる。

このボートロード、ランプアップ、ステイブル、デポ、ランプダウン、ボートアンロードといった諸工程との関連で見ると、ウェハ２００はボート２１７に積載されて搬入された後、ヒータ２０７により加熱昇温され、処理室２０１たるインナーチューブ２０４内に供給される処理ガスにより所定のデポが行なわれる。そして、このデポ工程の前、及びデポ工程開始後で処理室２０１内の温度を降下したりしている。

このような処理室２０１内の温度制御は、予め設定された設定温度に基づきヒータ２０７を制御する温度制御部１２１によって行われる。この設定温度は、図５のようにデポ開始後とともに処理室２０１内の温度を降下するように設定したり（実施例１）、図６のようにデポ開始前に処理室内の温度を降下するように設定したり（実施例２）、あるいは図７に示すように、処理室２０１内でデポを開始後も引続いて時間とともに処理室２０１内の温度を降下するように設定したりしている（実施例３）。

ここで、図５、図６、図７に示す実施例１、実施例２、実施例３の設定温度に基づく制御を、それぞれ、温度降下成膜シーケンス、擬似降下成膜シーケンス及び２段階温度降下成膜シーケンスと呼ぶことにする。なお、参考までに示した図４は、常シーケンスと呼ばれる従来型のもので、ランプアップ後の設定温度は一定である。なお、シーケンスはレシピともいう。

さて、処理室２０１内の温度が安定した状態である場合、ウェハ面内のエッジ部とセンタ部の温度差は一定に保たれている。処理室２０１内の温度に変化が生じた場合、ウェハ面内においてはエッジ部に最初にその変化が伝わり、徐々にセンタ部へとその変化が伝わっていく。つまり炉内の温度変化に対してウェハ２００のエッジ部の温度は敏感に変動し、センタ部の温度はそれから若干遅れて変動することとなる。

炉内安定状態のウェハ面内の温度分布がエッジ部で高くセンタ部で低いすり鉢状の温度分布をしていたとする。本実施の形態は、炉内の温度にウェハ２００のエッジ部が敏感に変動する特性を利用することで、炉内の温度を少しずつ温度降下させることで、ウェハ２００のエッジ部もそれにあわせて温度降下する。ウェハ２００のエッジ部の温度が低くなりセンタ部へはその変動が遅れて伝わり、ウェハ面内の温度分布は均一な状態に近くなる。このウェハ面内温度均一状態で成膜を実施することでエッジ部の成膜速度を抑えることが可能となり、すり鉢伏の膜厚面内分布を緩和させることが可能である。
このような温度降下成膜において、温度安定状態と同等の成膜特性を得るには、降下成膜中の面内温度の平均値が安定状態の面内温度に近くなるように炉内温度を制御すればよい。

図５の温度降下成膜シーケンス（実施例１）は、６００℃でのボートロード、２０分間のランプアップ、３０分間のステイブル、及び２９分３０秒のデポ工程からなっている。ここでは、化学反応させる前（デポ開始前）に目的とする成膜温度（ターゲット温度）、例えば７５０℃より若干高めの温度、例えば最大５℃加算した温度にて安定させておく。化学反応開始時（デポ開始）からこの温度を下降させて、化学反応終了時（デポ終了時）には目的とする成膜温度７５０℃より若干低めの温度、例えば最大５℃減算した温度にて完了させる。この場合の降下レート（ランプレート）は温度差の１０℃から成膜時間で除算した値（−０．３℃／ｍｉｎ）を設定することで、従来例の安定状態と同等の成膜特性が得られ、ウェハ面内温度均一性、ひいてはウェハ面内膜厚均一性を改善することが可能である。

また図６の擬似温度降下成膜シーケンス（実施例２）は、６００℃でのボートロード、２０分間のランプアップ、７０分間のステイブル、及び２９分３０秒のデポ工程からなっている。ここでは、成膜前（デポ前）に面内分布でエッジ部の温度を常シーケンスに比べ低い状態にしておくことで、実施例１の効果に近い効果を得ることができる。つまり成膜前における温度安定イベントにて温度降下状態とする。ここでは、化学反応させる前（デポ開始前）に目的とする成膜温度（ターゲット温度）、例えば７５０℃より若干高めの温度、例えば最大５℃加算した温度までランプアップする。ステイブル期間、この温度を下降させて、化学反応開始時（デポ開始時）には目的とする成膜温度７５０にもってくる。この場合の降下レート（ランプレート）は温度差の５℃から成膜時間で除算した値（−０．１℃／ｍｉｎ）を設定する。デポ開始後は、図４の従来例の場合と同様に目的温度に安定化させて、成膜する。
本擬似温度降下成膜シーケンスでは、温度推移波形は設定温度に対してオーバシュートし、下降状態に差し掛かった状態にて成膜イベントに入ってる。つまり本シーケンスにおいては温度安定に向かう過程にて温度降下成膜と同様な効果を得ており、このことが面内均一性を向上している理由であると推測することができる。この意味から本シーケンスに擬似の名を付けている。

また図７の２段階温度降下成膜シーケンス（実施例３）は、６００℃でのボートロード、７０分間のステイブル、及び２９分３０秒のデポ工程からなっている。ここでは、成膜前（デポ前）に面内分布でエッジ部の温度を常シーケンスに比べ低い状態にしておくことで、実施例２の効果が加わり、実施例１の効果をより高めることができる。あるいは、成膜開始後（デポ後）も引続いて、面内分布でエッジ部の温度を低い状態にしておくことで、実施例１の効果が加わり、実施例２の効果をより高めることができる。つまり成膜前における温度安定イベントにて温度降下状態とする。化学反応させる前（デポ開始前）に目的とする成膜温度（ターゲット温度）、例えば７５０℃より若干高めの温度、例えば最大１０℃加算した温度までランプアップする。ステイブル期間、この温度を下降させて、化学反応開始時（デポ開始時）には目的とする成膜温度７５０℃より若干高めの温度、例えば最大５℃加算した温度にもってくる。この場合の降下レート（ランプレート）は温度差の５℃から成膜時間で除算した値（−０．１℃／ｍｉｎ）を設定する。デポ開始後は、図５の実施例１の場合と同様である。図５の温度降下成膜シーケンスであれば、成膜開始時からエッジ部の温度変動をさせているが、実施例３の２段階温度降下シーケンスでは、成膜開始時には既にエッジ部の温度が低い状態にあることから、すり鉢状分布となる膜厚分布を緩和して、より良好な面内均一性を得ることが可能となる。

従来の通常シーケンスと、実施の形態による温度降下成膜及び２段階温度降下成膜シーケンスとで、ボートのＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲ、ＢＯＴＴＯＭの３つのウェハ積載領域について、ウェハ面内均一性の比較評価を実施した。その結果を図８〜図１２に示す。

図８はウェハ面内膜厚平均データ、図９はウェハ面内均一性データ、図１０はウェハ面内均一性グラフ、図１１は通常シーケンスウェハマップ、図１２は温度降下シーケンスウェハマップである。

ここで、各シーケンスの設定温度による成膜状況をまとめて説明する。通常シーケンス（図４）では、目的温度（７５０℃）で炉内を充分安定させて成膜した。また、温度降下成膜シーケンス（図５）では、目的温度より＋５℃加算した７５５℃にて充分安定させ、成膜開始時から０．３℃／ｍｉｎにて温度降下開始し、膜終了時には目的温度より−５℃減算した７４５℃にて成膜完了した。なお、温度降下成膜における温度降下レートは以下の式にて算出した。
温度降下レート（℃／ｍｉｎ）＝温度差（℃）÷成膜時間（ｍｉｎ）
＝（７５５−７４５）÷２９．５≒０．３（℃／ｍｉｎ）

また、２段階温度降下成膜シーケンス（図７）では、目的温度より＋１０℃加算した７６０℃を設定して昇温し、成膜前に目的温度より＋５℃加算した７５５℃になるよう温度降下させ、成膜開始時から０．３℃／ｍｉｎにて温度降下開始し、成膜終了時には目的温度より−５℃減算した７４５℃にて成膜完了した。

図８に示すように、温度降下成膜、２段階温度降下成膜では、全ウェハ積載領域において、通常シーケンスよりも、面内膜厚分布の改善が見られた。また、図９及び図１０の結果の示すとおり、温度降下成膜では、全ウェハ積載領域において、温度を一定に保った通常シーケンスよりも約±０．５％の面内均一性の改善が見られた。また、２段階温度降下成膜では通常シーケンスよりも約±１０％の改善が見られた。さらに、図１１および図１２に示す通り、通常シーケンス及び温度降下成膜シーケンスのいずれのシーケンスも、すり鉢分布状であるが、温度降下成膜シーケンスでは通常シーケンスと比べて大きく改善されているのがわかる。同図においてはウェハマップ上の等高線は５Åと固定としてあるので、等高線の数が減っていることで確認できる。

このように本実施の形態によれば次のような効果を得ることができる。
成膜中、温度を変化させる温度降下成膜シーケンスにて成膜すると、従来の温度を安定化する通常シーケンスで成膜する場合と比較して、面内均一性±０．５％の改善が可能である。しかも、成膜中の温度降下レートを微少（１℃／ｍｉｎ未満）とすることができるので、膜質への悪影響を防ぐことができる。
また、成膜開始前から温度を変化させ、さらに成膜中も温度を変化させる２段階降下成膜シーケンスにて成膜すると、従来の温度を安定化する通常シーケンスで成膜する場合と比較して、面内均一性±１．０％の改善が可能である。しかも、成膜中の温度降下レートを微少（１℃／ｍｉｎ未満）とすることができるので、膜質への悪影響を防ぐことができる。
また、本発明は、設定温度を操作するソフトウェアだけの改善ですむので、装置のタイプやハードウエア構成に依存することなく適応が可能である。さらに、すり鉢分布状にて推移する膜厚分布の全てに適応することが可能で、膜種に依存しない。

また、本発明を縦型ＣＶＤ装置に適用した場合には、ウェハを昇温・降温するときに、熱伝導率の高いガス（Ｈｅ）に切替えて、より早いウェハの昇温・降温を実現するときにも、ウェハ面内温度均一性を良好とすることができ、したがって、目的とする成膜特性をもつウェハの単位時間あたりの処理枚数を増大できる。

成膜中の温度降下レートを０．１℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎと変動させて、温度降下レート０℃／ｍｉｎ（温度降下成膜無し、すなわち温度がフラットで安定した状態）との比較評価を実施した。ここで、評価内容は、ウェハ面内均一性、ウェハ面内膜厚分布の温度降下レート依存性であり、ウェハ積載領域の所定のポジション（Ｐｏｓ．）について行なった。また、温度設定範囲のバランスは、目的温度に対して上限加算温度＋５℃、下限減算温度−５℃とした。その結果を図１３〜図１５に示す。

装置構成は、縦型ＣＶＤ装置を用い、ボート溝ピッチは７．５ｍｍ、製品ウェハ枚数は５０枚、ダミーウェハは上部に５枚下部に１０枚、断熱板は６枚（上詰め１枚おき）、ボート回転速度は１．０ｒｐｍである。

プロセス条件は、次の通りである。温度制御は、ヒータ２０７とアウタチューブ２０５との間に、熱電対２６３と同様な熱電対を配置し、この熱電対を用いて、熱電対２６３と同様に温度制御することとし、ヒータ２０７は、４ゾーンに分割制御される。この４ゾーンはヒータ２０７の上方からＵゾーン、ＵＬゾーン、ＣＬゾーン、Ｌゾーンとし、この時の目的温度をそれぞれ、Ｕゾーン；７４２．４℃，ＵＬゾーン；７４２．０℃、ＣＬゾーン；７３６．０℃，Ｌゾーン；７３２．４℃とする。ガスはＤＣＳ／ＮＨ_３＝８０／８００ｃｃｍ、圧力３０Ｐａ、デポ時間４４ｍｉｎである。

また、図１６に示すように、ＣＥＮＴＥＲ領域に投入した３枚のモニタウェハ（ボートポジションＰｏｓ．５０，Ｐｏｓ．３７，Ｐｏｓ．２４）について、評価した。ＣＥＮＴＥＲ領域のモニタウェハとしたのは、ＵＰＰＥＲ領域およびＬＯＷＥＲ領域は処理室外の外乱に影響を受けやすいため、このような外乱の影響を受けにくいＣＥＮＴＥＲ領域を選んだためである。

図１３は面内均一性の降温レート依存性、図１４は膜厚付着量の降温レート依存性、図１５は面内分布の降温レート依存性を示す。図１７はＣＵゾーンにおける各０．１℃／ｍｉｎ〜１．０℃／ｍｉｎまでのそれぞれの降下成膜時のヒータ２０７とアウタチューブ２０５との間に設けられた熱電対が検知する温度推移のグラフである。
図１７を見ればわかる通り、降温レート０．１℃／ｍｉｎ及び０．２℃／ｍｉｎについては、デポ時間４４ｍｉｎでは、設定値は下限減算温度（設定温度下限）−５℃まで到達せずに、デポ時間が終了してしまう。従って、平均温度も目的温度より高くなる。このとき、図１４のように平均膜厚はターゲット膜厚５００Åより厚くなる。また、図１３から膜厚均一牲は±０．５％〜±１．０％となることがわかる。

次に、降温レート０．３℃／ｍｉｎについては、デポ開始後３３ｍｉｎで設定値は下限減算温度（設定温度下限）−５℃に達する。従って、平均温度は目的温度より低くなることになる。しかし、図１４のように平均膜厚はターゲット膜厚５００Åより厚くなる。これは、図１７に示す温度が、ヒータ２０７とアウタチューブ２０５との間に設けられた熱電対にて測定しており、ウェハの位置よりヒータに近いことから、設定値に比較的素早く反応する。そのため、実際のウェハ周辺は、遅れて降温することからターゲット膜厚より厚くなると推定される。また、図１３より膜厚均一性は±０．４％〜±０．６％となることがわかる。

次に、降温レート０．４℃／ｍｉｎ及び０．５℃／ｍｉｎについては、デポ開始後２５分及び２０分で設定値は下限減算温度（設定温度下限）−５℃に達する。従って、平均温度は目的温度より低くなり、膜厚は、ターゲット膜厚より薄くなる。
また、図１３より膜厚均一性は±０．２％〜±０．５％となることがわかる。
次に、降温レート１．０℃／ｍｉｎについては、デポ開始後１０分で設定値は下限減算温度（設定温度下限）−５℃に達する。従って、平均温度は目的温度より低くなり、膜厚は、ターゲット膜厚より薄くなる。
また、図１３より膜厚均一性は逆にバラツキが大きくなり±０．７％〜±０．９％となることがわかる。

これらの結果により次のことが言える。
（１）温度降下レートを上げることにより、面内均一性について、改善効果が見られる。特に、温度降下レート０．３℃／ｍｉｎ〜０．５℃／ｍｉｎについては、面内均一性０．５％以下を満たしている領域も見受けられる。Ｐｏｓ．２４においては本温度降下成膜効果によって面内分布形状が凸分布へと変化している。

（２）（１）より徐々に温度降下レートを上げていくことで、面内均一性が向上していく結果が得られたが、必ずしも降下レートを上げることが、面内均一性の向上につながるわけではない。降下レート１．０℃／ｍｉｎの結果に見られるように、本評価の成膜時間においては、降下レートを上げすぎて安定時間が長くなってしまい、再度エッジ部の温度が安定してしまい、温度降下成膜の恩恵が無くなってしまう結果となった。

（３）温度降下レート０．３℃／ｍｉｎ〜０．５℃／ｍｉｎの結果に挙げられるように、下限側の設定温度に到達後ある程度の安定時間を用いたほうが良好な結果が得られる。すなわち、少なくとも成膜下限減算温度で維持される安定時間を設けることが好ましい。

（４）本評価によって、膜質に影響を与えないよう微少範囲（１．０℃／ｍｉｎ未満）で温度降下レートを設定してデポすることにより、面内均一性を±０．５％まで改善可能であることが分かった。

実施の形態による基板処理装置を構成する減圧ＣＶＤ処理炉の縦断面図である。本発明に適用される処理装置の外観斜視図である。本発明に適用される処理装置の側面図である。従来型シーケンスの説明図である。実施例１の温度降下成膜シーケンスの説明図である。実施例２の擬似降下成膜シーケンスの説明図である。実施例３の２段階温度降下成膜シーケンスの説明図である。ウェハ面内膜厚の比較データを示す図である。ウェハ面内均一性の比較データを示す図である。ウェハ面内均一性の比較グラフを示す図である。従来（通常）のシーケンスウェハマップである。実施例１の温度降下成膜シーケンスウェハマップである。ウェハ面内均一性の降温レート依存性を示す図である。ウェハ膜厚付着量の降温レート依存性を示す図である。ウェハ面内膜厚分布の降下レート依存性を示すウェハマップである。モニタウェハのボートポジションの説明図である。ＣＵゾーンにおける降下レート温度推移のグラフである。

符号の説明

１２１温度制御部（加熱制御手段）
１２２ガス流量制御部（処理ガス供給制御手段）
２００ウェハ（基板）
２０１処理室
２０７ヒータ（加熱手段）
２４１マスフローコントローラ（処理ガス供給手段）
２４６真空ポンプ（排気手段）

Claims

基板を処理する処理室と、
前記処理室を加熱する加熱手段と、
前記基板に所定の膜を成膜するために前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、
前記処理室を排気する排気手段と、
前記加熱手段を制御する加熱制御手段と、
前記処理ガス供給手段を制御して前記処理室内に前記処理ガスを供給することで前記基板の処理を開始する処理ガス供給制御手段と、
を備え、
前記加熱制御手段は、少なくとも前記処理室内での基板への成膜前及び成膜中に、前記処理室内の温度をそれぞれ１℃／ｍｉｎ未満で降下させるように予め設定されている設定温度に基づき前記加熱手段を制御し、
前記処理室内を所定の温度まで昇温させた後の前記設定温度が、
前記処理室内での基板への成膜開始前は、成膜開始時における前記基板のエッジ部の温度が中央部の温度よりも低い状態となるような第１温度降下レートで降下するように設定されており、
前記基板への成膜開始後は、前記第１温度降下レートより大きく、成膜中における前記基板のエッジ部の温度が中央部の温度よりも低い状態が維持されるような第２温度降下レートで降下するように設定されている
ことを特徴とする基板処理装置。
前記１℃／ｍｉｎ未満が、０．３℃／ｍｉｎ以上０．５℃／ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
基板を処理室内に搬入する工程と、
前記処理室内の温度を加熱手段を用いて所定の温度まで昇温する工程と、
前記処理室内の温度を加熱制御手段を用いて前記加熱手段を制御することにより１℃／ｍｉｎ未満の第１温度降下レートで降下させる工程と、
前記処理室内の温度を前記加熱制御手段を用いて前記加熱手段を制御することにより１℃／ｍｉｎ未満の第２温度降下レートで降下させつつ、前記基板に所定の膜を成膜するた
めに前記処理室内に処理ガス供給手段を用いて処理ガスを導入して前記基板を処理する工程と、
前記基板を前記処理室内から搬出する工程と、を有し、
前記第１温度降下レートは、前記基板を処理する工程の開始時における前記基板のエッジ部の温度が中央部の温度よりも低い状態となるようなレートであり、
前記第２温度降下レートは、前記第１温度降下レートより大きく、成膜中における前記基板のエッジ部の温度が中央部の温度よりも低い状態が維持されるようなレートである
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。