JP6782350B2 - 基板処理装置、反応管、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents

基板処理装置、反応管、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、基板処理装置、反応管、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
基板処理装置若しくは半導体製造装置の一例として、縦型装置が知られている。縦型装置は、反応管内に、基板（ウエハ）を多段に保持する基板保持部材としてのボートを有し、この複数の基板を保持した状態で反応管内の処理室にて基板をバッチ処理する（例えば特許文献１及び２参照）。
特開２０１０−１４７４３２号公報 国際特開第２０１５／０４１３７６号公報
しかしながら、縦型装置では、反応管内における排気側（ウエハ下流）における圧力損失が大きく、そのために処理ガスの速度分布がウエハ間で均一ではなくなり、処理ガスの分解の促進度合が異なることがあった。このため、ウエハを通過している間に生じる分解度合いの差によって、上下段のウエハ間で膜厚差が生じてしまうということがあった。
本発明は、ウエハ間の処理ガスの速度分布を均一とすることが可能な技術を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、
複数枚の基板を保持する基板保持具(217)と、
反応管内部に設置され、前記基板保持具を収容して前記基板を処理する処理室を有する筒部(209)と、
前記反応管と前記筒部との間隙を区画して設けられたノズル配置室(222)と、
前記ノズル配置室内に配置され、前記処理室内に処理ガスを供給するガスノズル(340a-340c)と、
前記ノズル配置室と前記処理室とが連通するように前記筒部に形成されるガス供給口(235)と、
前記間隙と前記処理室とを連通させるように前記筒部に形成され、前記処理室内の雰囲気を前記間隙に排気するガス排気口(236,237)と、
前記反応管に接続され、前記間隙内の雰囲気を排気する排気部(230,231)と、を備える技術が提供される。
本発明によれば、ウエハ間の処理ガスの速度分布を均一とすることができる。
実施形態に係る基板処理装置の縦型処理炉の縦断面図である。 実施形態に係る基板処理装置の反応管の横断面図である。 実施形態に係る基板処理装置の反応管の斜視断面図である。 実施形態に係る基板処理装置の反応管部分の縦断面図である。 実施形態に係る基板処理装置の反応管の上部を拡大した拡大図である。 実施形態に係る基板処理装置のコントローラのブロック図。 実施形態の反応管内のガスの流れの様子を示す解析結果を示す図である。 実施形態に係る基板処理装置と比較例に係る基板処理装置の反応管内の圧力分布を示す図である。 本実施形態に係る基板処理装置と比較例に係る基板処理装置の反応管内のウエハ中心のガス速度分布を示す図である。 本実施形態に係る基板処理装置と比較例に係る基板処理装置の反応管内のウエハ中心の原料分圧分布を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図１を用いて説明する。実施形態における基板処理装置は、半導体装置の製造に使用される半導体製造装置の一例として構成されている。
図１に示すように、処理炉２０２は加熱手段（加熱機構）としてのヒータ２０７を有する。ヒータ２０７は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース（図示せず）に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ２０７は、処理ガスを熱で活性化（励起）させる活性化機構（励起部）としても機能する。
ヒータ２０７の内側には、ヒータ２０７と同心円状に反応容器（処理容器）を構成する反応管２０３が配設されている。反応管２０３は、例えば石英（ＳｉＯ2）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料により構成されている。反応管２０３は、下端部が開放され、上端部が平坦状の壁体で閉塞された有天井の形状で形成されている。反応管２０３の内部には、円筒状に形成された筒部２０９と、筒部２０９と反応管２０３の間に区画されたノズル配置室２２２と、筒部２０９に形成されたガス供給口としてのガス供給スリット２３５と、筒部２０９に形成された第１ガス排気口２３６と、筒部２０９に形成され、第１ガス排気口２３６の下方に形成された第２ガス排気口２３７を備えている。筒部２０９は、下端部が開放され、上端部が平坦状の壁体で閉塞された有天井の形状で形成されている。また、筒部２０９は、ウエハ２００の直近にウエハ２００を囲むように設けられている。反応管２０３の筒部２０９の内部には、処理室２０１が形成されている。処理室２０１は、基板としてのウエハ２００を処理可能に構成されている。また、処理室２０１は、ウエハ２００を水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で保持可能な基板保持具としてのボート２１７を収容可能に構成されている。
反応管２０３の下端は、円筒体状のマニホールド２２６によって支持されている。マニホールド２２６は、例えばニッケル合金やステンレス等の金属で構成されるか、若しくは石英またはＳｉＣ等の耐熱性材料で構成されている。マニホールド２２６の上端部にはフランジが形成されており、このフランジ上に反応管２０３の下端部を設置して支持する。このフランジと反応管２０３の下端部との間にはＯリング等の気密部材２２０を介在させて反応管２０３内を気密状態にしている。
マニホールド２２６の下端の開口部には、シールキャップ２１９がＯリング等の気密部材２２０を介して気密に取り付けられており、反応管２０３の下端の開口部側、すなわちマニホールド２２６の開口部を気密に塞ぐようになっている。シールキャップ２１９は、例えばニッケル合金やステンレス等の金属で構成され、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９は、石英（ＳｉＯ2）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料でその外側を覆うように構成されてもよい。
シールキャップ２１９上にはボート２１７を支持するボート支持台２１８が設けられている。ボート支持台２１８は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で構成され断熱部として機能すると共にボートを支持する支持体となっている。ボート２１７は、ボート支持台２１８上に立設されている。ボート２１７は例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で構成されている。ボート２１７はボート支持台２１８に搭載可能な底板と、上方に配置された天板とを有しており、底板と天板との間に３〜４本の支柱が架設された構成を有している。ボート２１７には複数枚のウエハ２００が保持されている。複数枚のウエハ２００は、互いに一定の間隔をあけながら水平姿勢を保持しかつ互いに中心を揃えた状態で反応管２０３の管軸方向に多段に積載されボート２１７の支柱に支持されている。
シールキャップ２１９の処理室２０１と反対側にはボートを回転させるボート回転機構２６７が設けられている。ボート回転機構２６７の回転軸２６５はシールキャップを貫通してボート支持台２１８に接続されており、ボート回転機構２６７によって、ボート支持台２１８を介してボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させる。
シールキャップ２１９は反応管２０３の外部に設けられた昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって垂直方向に昇降され、これによりボート２１７を処理室２０１内に対し搬入搬出することが可能となっている。
マニホールド２２６には、処理室２０１内に処理ガスを供給するガスノズルとしてのノズル３４０ａ〜３４０ｄを支持するノズル支持部３５０ａ〜３５０ｄが、マニホールド２２６を貫通するようにして設置されている。ここでは、４本のノズル支持部３５０ａ〜３５０ｄが設置されている。ノズル支持部３５０ａ〜３５０ｄは、例えばニッケル合金やステンレス等の材料により構成されている。ノズル支持部３５０ａ〜３５０ｃの反応管２０３側の一端には処理室２０１内へガスを供給するガス供給管３１０ａ〜３１０ｃがそれぞれ接続されている。また、ノズル支持部３５０ｄの反応管２０３側の一端には反応管２０３と筒部２０９の間に形成される間隙Sへガスを供給するガス供給管３１０ｄが接続されている。また、ノズル支持部３５０ａ〜３５０ｄの他端にはノズル３４０ａ〜３４０ｄがそれぞれ接続されている。ノズル３４０ａ〜３４０ｄは、例えば石英またはＳｉＣ等の耐熱性材料により構成されている。
ガス供給管３１０ａには、上流方向から順に、第１処理ガスを供給する第１処理ガス供給源３６０ａ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３２０ａおよび開閉弁であるバルブ３３０ａがそれぞれ設けられている。ガス供給管３１０ｂには、上流方向から順に、第２処理ガスを供給する第２処理ガス供給源３６０ｂ、ＭＦＣ３２０ｂおよびバルブ３３０ｂがそれぞれ設けられている。ガス供給管３１０ｃには、上流方向から順に、第３処理ガスを供給する第３処理ガス供給源３６０ｃ、ＭＦＣ３２０ｃおよびバルブ３３０ｃがそれぞれ設けられている。ガス供給管３１０ｄには、上流方向から順に、不活性ガスを供給する不活性ガス供給源３６０ｄ、ＭＦＣ３２０ｄおよびバルブ３３０ｄがそれぞれ設けられている。ガス供給管３１０ａ，３１０ｂのバルブ３３０ａ，３３０ｂよりも下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管３１０ｅ，３１０ｆがそれぞれ接続されている。ガス供給管３１０ｅ,３１０ｆには、上流方向から順に、ＭＦＣ３２０ｅ，３２０ｆおよびバルブ３３０ｅ，３３０ｆがそれぞれ設けられている。
主に、ガス供給管３１０ａ、ＭＦＣ３２０ａ、バルブ３３０ａにより第１処理ガス供給系が構成される。第１処理ガス供給源３６０ａ、ノズル支持部３５０ａ、ノズル３４０ａを第１処理ガス供給系に含めて考えても良い。また、主に、ガス供給管３１０ｂ、ＭＦＣ３２０ｂ、バルブ３３０ｂにより第２処理ガス供給系が構成される。第２処理ガス供給源３６０ｂ、ノズル支持部３５０ｂ、ノズル３４０ｂを第２処理ガス供給系に含めて考えても良い。また、主に、ガス供給管３１０ｃ、ＭＦＣ３２０ｃ、バルブ３３０ｃにより第３処理ガス供給系が構成される。第３処理ガス供給源３６０ｃ、ノズル支持部３５０ｃ、ノズル３４０ｃを第３処理ガス供給系に含めて考えても良い。また、主に、ガス供給管３１０ｄ、ＭＦＣ３２０ｄ、バルブ３３０ｄにより不活性ガス供給系が構成される。不活性ガス供給源３６０ｄ、ノズル支持部３５０ｄ、ノズル３４０ｄを不活性ガス供給系に含めて考えても良い。なお、本明細書において、処理ガスという言葉を用いた場合は、第１処理ガスのみを含む場合、第２処理ガスのみを含む場合、第３処理ガスのみを含む場合、不活性ガスのみを含む場合、もしくはそれら全てを含む場合がある。また、処理ガス供給系という言葉を用いた場合は、第１処理ガス供給系のみを含む場合、第２処理ガス供給系のみを含む場合、第３処理ガス供給系のみを含む場合、不活性ガス供給系のみを含む場合、もしくはそれら全てを含む場合がある。
反応管２０３には排気口２３０が形成されている。排気口２３０は、第２ガス排気口２３７よりも下方に形成され、排気管２３１に接続されている。排気管２３１には処理室２０１内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部）としての圧力センサ２４５および圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２４４を介して真空排気装置としての真空ポンプ２４６が接続されており、処理室２０１内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。真空ポンプ２４６の下流側の排気管２３１は廃ガス処理装置（図示せず）等に接続されている。なお、ＡＰＣバルブ２４４は、弁を開閉して処理室２０１内の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節してコンダクタンスを調整して処理室２０１内の圧力調整をできるようになっている開閉弁である。主に、排気管２３１、ＡＰＣバルブ２４４、圧力センサ２４５により排気部として機能する排気系が構成される。なお、真空ポンプ２４６を排気系に含めてもよい。
反応管２０３内には温度検出器としての温度センサ(不図示)が設置されており、温度センサにより検出された温度情報に基づきヒータ２０７への供給電力を調整することで、処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。
以上の処理炉２０２では、バッチ処理される複数枚のウエハ２００がボート２１７に対し多段に積載された状態において、ボート２１７がボート支持台２１８で支持されながら処理室２０１に挿入され、ヒータ２０７が処理室２０１に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱するようになっている。
次に、本実施形態にて好適に用いられる反応管２０３の構成について、図２〜図５を参照して説明する。なお、図３においては、ノズル３４０、ボート２１７等の記載を省略している。
図２及び図３に示すように、筒部２０９には、処理室２０１内に処理ガスを供給するためのガス供給スリット２３５が複数形成されている。ガス供給スリット２３５は、ノズル配置室２２２と処理室２０１とを連通している。ノズル配置室（供給バッファ）２２２は、筒部２０９の外面と反応管２０３の内面の間に区画して形成されている。ノズル配置室２２２の壁は、反応管２０３の壁の一部として、反応管２０３と同心円状に形成されている。また、ノズル配置室２２２の壁は、筒部２０９の壁の一部として、筒部２０９と同心円状に形成されている。このような構成により、ウエハ表面に流入するガスの割合を高くすることができる。また、ノズル配置室２２２は、下端部が開放され、上端の一部（もしくは全部）が平坦状の板で閉塞された有天井の形状で構成されている。また、ノズル配置室２２２の天井部の上端は筒部２０９の天井部の上端と同じ高さである。筒部２０９と反応管２０３の天井部は一体に構成されている。
また、筒部２０９は、反応管２０３と同心円状に配設され、筒部２０９と反応管２０３の間には、間隙Sが形成されている。
図２及び図３に示すように、ノズル配置室２２２の内部には、ノズル配置室２２２内空間を複数の空間に区画する内壁２４８が形成されている。内壁２４８は、反応管２０３と同一材料で形成され、例えば、石英またはＳｉＣ等の耐熱性材料から形成されている。
ノズル配置室２２２内を区画する２つの内壁２４８は、ノズル配置室２２２を下端側から上端側に至るまで区画し、それぞれ隔離した３つの空間を形成するように設けられている。ノズル配置室２２２の各空間には、ノズル３４０ａ〜３４０ｃがそれぞれ設置されている。内壁２４８により、各ノズル３４０ａ〜３４０ｃはそれぞれ独立した空間内に設置されるため、各ノズル３４０ａ〜３４０ｃから供給される処理ガスがノズル配置室２２２内で混ざり合う事を抑制することができる。このような構成により、ノズル配置室２２２内で処理ガスが混ざり合って薄膜が形成されたり、副生成物が生成されたりすることを抑制することができる。
また、筒部２０９と反応管２０３の間の間隙Ｓには、その長さ方向（上下方向）に沿ってノズル３４０ｄが設置されている。間隙Ｓは、断面視において、筒部２０９を囲うように環状に形成されている。間隙Ｓの幅は、筒部２０９とウェハ２００の間の隙間の幅Ｗ（図５）よりも大きい。一例として、間隙Ｓの幅はＷの２倍より大きく設定される。
ノズル３４０ａ〜３４０ｃはノズル配置室２２２内の下部より上部に、ノズル３４０ｄは間隙Ｓ内の下部より上部に、その長さ方向（上下方向）に沿って設けられている。ノズル３４０ａ〜３４０ｄは、Ｉ字型のロングノズルとしてそれぞれ構成されている。ノズル３４０ａ〜３４０ｄの側面には、ガスを供給するガス供給孔２３４ａ〜２３４ｄがそれぞれ設けられている。ガス供給孔２３４ａ〜２３４ｃは、それぞれ反応管２０３の中心を向くように開口し、ガス供給孔２３４ｄは、反応管２０３の周方向を向くように開口している。このように、ノズル配置室２２２には、３本のノズル３４０ａ〜３４０ｃが設けられており、処理室２０１内へ複数種類のガスを供給することができるように構成されている。また、間隙Ｓには、ノズル３４０ｄが設けられており、間隙Ｓ内へ不活性ガス（パージガス）を供給することができるように構成されている。このような構成により、筒部裏側を効率的にパージすることができ、筒部裏側のガスの滞留が抑制され、パージ時間を短縮することができる。さらに、筒部裏側のガスの滞留が抑制されることにより、パーティクルを低減することができる。また、筒部裏側からパージガスを供給することにより、高圧プロセス時の処理室２０１内の昇圧をアシストすることができる。
筒部２０９のノズル配置室２２２が形成された一側面に対向する他側面に、第１ガス排気口２３６が形成される。第１ガス排気口２３６は、ノズル配置室２２２との間に処理室２０１のウエハ２００が収容される領域を挟むように配置されている。そして第１ガス排気口２３６は、処理室２０１のウエハ２００が収容される下端側から上端側に至るまでの領域（ウエハ領域）に形成されている。また、筒部２０９の第１ガス排気口２３６の下方の側面に、第２ガス排気口２３７が形成されている。また排気管２３１は、反応管２０３の下端寄りの位置で、第２ガス排気口２３７と同じ方向に開口している。このように、第１ガス排気口２３６、第２ガス排気口２３７及び排気口２３７は、筒部２０９の中心からみて、ガス供給スリットとは反対側に設けられる。つまり、第１ガス排気口２３６は、処理室２０１と間隙Ｓとを連通し、処理室２０１内の雰囲気を間隙Ｓに排気するガス排気口である。第１ガス排気口２３６から排気されたガスは、筒部２０９の裏側（筒部２０９と反応管２０３の間）の間隙Ｓを経由して排気口２３０を介して排気管２３１から反応管２０３外へ排気される。また第２ガス排気口２３７は、処理室２０１下方の雰囲気（主にパージガス）を間隙Ｓへ排気する。このような構成により、ウエハ通過後のガスが筒部裏側全体を経由して排気することにより、排気部の圧力とウエハ領域の圧力との差を小さくして圧力損失を最小限とすることができる。そして、最小限の圧力損失により、ウエハ領域の圧力を下げることができ、ウエハ領域の流速を上げ、ローディング効果を緩和することができる。
図４は、ガス供給スリット２３５の構成を示す図であって、ボート２１７等の記載は省略している。図４に示すように、ガス供給スリット２３５は、上下左右方向に複数段、複数列のマトリクス状に形成されている。ノズル配置室２２２内の内壁２４８で区画された各空間それぞれに対向した横長のスリットが上下方向に複数形成されている。
好適には、ガス供給スリット２３５の筒部２０９周方向の長さはノズル配置室２２２内の各空間の周方向の長さと同じにするとガス供給効率が向上するので良い。また、好適には、ガス供給スリット２３５は、内壁２４８と筒部２０９との連結部分を除いて横長に、縦複数段に形成するとガス供給効率が向上するので良い。また、好適には、ガス供給スリット２３５の列数は区画された空間と同じ数に形成される。本実施形態では、３つの区画された空間に対応して、３列のガス供給スリット２３５が形成されている。言い換えれば、ガス供給孔２３４ａ〜２３４ｃ、対応するガス供給スリット２３５及び第１ガス排気口２３６は直線上にあり、それぞれの直線は処理室２０１の略中心を通る。
ガス供給スリット２３５は、四隅としてのエッジ部が曲面を描くように滑らかに形成されている。エッジ部にＲがけ等を行い、曲面状にすることにより、エッジ部周縁のガスのよどみを抑制することができ、エッジ部の膜の形成を抑制することができ、さらに、エッジ部に形成される膜の膜剥がれを抑制することができる。
また、筒部２０９のノズル配置室２２２側の側面の下端には、ノズル３４０ａ〜３４０ｃをノズル配置室２２２内に設置するための開口部２５６が形成されている。ノズル３４０ａ〜３４０ｃは、その下端にノズル支持部３５０ａ〜３５０ｃに装着された状態でマニホールド２２６に固定される。ノズル支持部３５０ａ〜３５０ｃは、予めノズル３４０ａ〜３４０ｃが装着される部分と、予めマニホールド２２６に固定される部分との２ピース構成になっている。ノズルの設置は、開口部２５６の下方から各空間にノズル３４０ａ〜３４０ｃを挿入し、２ピースを嵌合させた上でボルト等で固定することで行われる。なお位置や角度を微調整する部品（不図示）が適宜用いられうる。
ノズル配置室２２２内の内壁２４８は、ノズル配置室２２２の天井部から反応管２０３の下端部上部まで形成されている。具体的には、内壁２４８の下端は、開口部２５６の上端よりも下側まで形成される。内壁２４８の下端は、反応管２０３の下端部よりも上側であって、ノズル支持部３５０の上端部よりも下側になる領域として形成されている。
図５に示すように、ガス供給スリット２３５は、処理室２０１に収容された状態のボート２１７に複数段載置された、隣り合うウエハ２００とウエハ２００との間にそれぞれ配置されるように形成されている。図５では、ボート２１７を省略して説明する。好適には、ボート２１７に載置可能な最下段のウエハ２００とその下側に隣り合うボート２１７の底板との間、各ウエハ２００間、及び、最上段のウエハ２００とその上側に隣り合うボート２１７の天板との間に対し１段ずつ対向するように形成されると良い。
ノズル３４０ａ〜３４０ｃのガス供給孔２３４ａ〜２３４ｃは各ガス供給スリット２３５に対し１個ずつ対応するように、各ガス供給スリット２３５の縦幅の中央部分に形成すると良い。例えば、ガス供給スリット２３５が２６個形成されているときは、それぞれ２６個のガス供給孔２３４ａ〜２３４ｃが形成されると良い。すなわち、ガス供給スリット２３５とガス供給孔２３４ａ〜２３４ｃは、載置されるウエハ２００の枚数＋１個形成されると良い。
一方、第１ガス排気口２３６は、筒部２０９のウエハ領域に形成され、処理室２０１と間隙Sが連通している。第２ガス排気口２３７は、ガス排気口２３０の上端よりも高い位置から排気口２３０の下端よりも高い位置まで形成されている。このようなスリット構成とすることにより、各ウエハ２００上にウエハ２００に平行な処理ガスの流れを形成することができる（図５矢印参照）。ウエハ２００の外側を迂回するガスの流れを抑制するため、筒部２０９とウェハ２００の間の隙間の幅Ｗは、ボート２１７を安全に挿入し回転させることができる範囲で最小に設定されうる。
図６に示すように、制御部（制御手段）であるコントローラ２８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、内部バス１２１ｅを介して、ＣＰＵ１２１ａとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ２８０には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置１２２が接続されている。
記憶装置１２１ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置１２１ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件等が記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ２８０に実行させ、所定の結果を得ることが出来るように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、プロセスレシピや制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、それらの両方を含む場合がある。ＲＡＭ１２１ｂは、ＣＰＵ１２１ａによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、上述のＭＦＣ３２０ａ〜３２０ｆ、バルブ３３０ａ〜３３０ｆ、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２４４、真空ポンプ２４６、ヒータ２０７、温度センサ、ボート回転機構２６７、ボートエレベータ１１５等に接続されている。
ＣＰＵ１２１ａは、記憶装置１２１ｃから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置１２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置１２１ｃからプロセスレシピを読み出すように構成されている。ＣＰＵ１２１ａは、読み出したプロセスレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ３２０ａ〜３２０ｆによる各種ガスの流量調整動作、バルブ３３０ａ〜３３０ｆの開閉動作、ＡＰＣバルブ２４４の開閉動作および圧力センサ２４５に基づくＡＰＣバルブ２４４による圧力調整動作、真空ポンプ２４６の起動および停止、温度センサに基づくヒータ２０７の温度調整動作、ボート回転機構２６７によるボート２１７の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５によるボート２１７の昇降動作等を制御するように構成されている。
コントローラ２８０は、専用のコンピュータとして構成されている場合に限らず、汎用のコンピュータとして構成されていてもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置（例えば、ハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリ等の半導体メモリ）１２３を用意し、この外部記憶装置１２３を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすること等により、本実施形態のコントローラ２８０を構成することができる。但し、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置１２３を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶装置１２３を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。記憶装置１２１ｃや外部記憶装置１２３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成される。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶装置１２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置１２３単体のみを含む場合、または、それらの両方を含む場合がある。
次に、本発明に関わる基板処理装置の動作概要について説明する。なお、基板処理装置は、コントローラ２８０により制御される。
所定枚数のウエハ２００が載置されたボート２１７が反応管２０３内に挿入され、シールキャップ２１９により、反応管２０３が気密に閉塞される。気密に閉塞された反応管２０３内では、ウエハ２００が加熱されると共に、処理ガスが反応管２０３内に供給され、ウエハ２００に加熱等の熱処理がなされる。
熱処理として、例えば、第１処理ガスとしてＮＨ3ガスと、第２処理ガスとしてＨＣＤＳガスと、第３処理ガスとしてＮ2ガスとを交互供給する（ＨＣＤＳガス供給→Ｎ2パージ→ＮＨ3ガス供給→Ｎ2パージを１サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返す）ことにより、ウエハ２００上にＳｉＮ膜を形成する。処理条件は、例えば下記のとおりである。ウエハ２００の温度：１００〜６００℃処理室内圧力：１〜３０００ＰａＨＣＤＳガス供給流量：１〜２０００ｓｃｃｍＮＨ3ガス供給流量：１００〜１００００ｓｃｃｍＮ2ガス供給流量：１０〜１００００ｓｃｃｍＳｉＮ膜の膜厚：０．２〜１０ｎｍ
まず、第２処理ガス供給系のガス供給管３１０ｂよりノズル３４０ｂのガス供給孔２３４ｂ、ガス供給スリット２３５を介して処理室２０１内にＨＣＤＳガスを供給する。具体的には、バルブ３３０ｂ、３３０ｆを開けることにより、キャリアガスと共に、ガス供給管３１０ｂからＨＣＤＳガスの処理室２０１内への供給を開始する。このとき、ＡＰＣバルブ２４４の開度を調整して、処理室２０１内の圧力を所定の圧力に維持する。所定時間が経過したら、バルブ３３０ｂを閉じ、ＨＣＤＳガスの供給を停止する。
処理室２０１内に供給されたＨＣＤＳガスは、ウエハ２００に供給され、ウエハ２００上を平行に流れた後、第１ガス排気口２３６を通って間隙Ｓを上部から下部へと流れ、第２ガス排気口２３７、排気口２３０を介して排気管２３１から排気される。
なお、処理室２０１内にＨＣＤＳガスを供給する間、ガス供給管３１０ａに接続される不活性ガス供給管のバルブ３３０ｅおよびガス供給管３１０ｃ，３１０ｄのバルブ３３０ｃ，３３０ｄを開けてＮ2等の不活性ガスを流すと、ガス供給管３１０ａ，３１０ｃ，３１０ｄ内にＨＣＤＳガスが回り込むのを防ぐことができる。
バルブ３３０ｂを閉じ、処理室２０１内へのＨＣＤＳガスの供給を停止した後は、処理室２０１内を排気し、処理室２０１内に残留しているＨＣＤＳガスや反応生成物等を排除する。この時、ガス供給管３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄからＮ2等の不活性ガスをそれぞれ処理室２０１内及び間隙Ｓに供給してパージすると、処理室２０１内及び間隙Ｓからの残留ガスを排除する効果をさらに高めることができる。
次に、第１処理ガス供給系のガス供給管３１０ａよりノズル３４０ａのガス供給孔２３４ａ、ガス供給スリット２３５を介して処理室２０１内にＮＨ3ガスガスを供給する。具体的には、バルブ３３０ａ、３３０ｅを開けることにより、キャリアガスと共に、ガス供給管３１０ａからＮＨ3ガスの処理室２０１内への供給を開始する。このとき、ＡＰＣバルブ２４４の開度を調整して、処理室２０１内の圧力を所定の圧力に維持する。所定時間が経過したら、バルブ３３０ａを閉じ、ＮＨ3ガスの供給を停止する。
処理室２０１内に供給されたＮＨ3ガスは、ウエハ２００に供給され、ウエハ２００上を平行に流れた後、第１ガス排気口２３６を通って間隙Ｓを上部から下部へと流れ、第２ガス排気口２３７、排気口２３０を介して排気管２３１から排気される。
なお、処理室２０１内にＮＨ3ガスを供給する間、ガス供給管３１０ｂに接続される不活性ガス供給管のバルブ３３０ｆおよびバルブ３３０ｃ，３３０ｄを開けてＮ2等の不活性ガスを流すと、ガス供給管３１０ｂ,３１０ｃ,３１０ｄ内にＮＨ3ガスが回り込むのを防ぐことができる。
バルブ３３０ａを閉じ、処理室２０１内へのＮＨ3ガスの供給を停止した後は、処理室２０１内を排気し、処理室２０１内に残留しているＮＨ3ガスや反応生成物等を排除する。この時、ガス供給管３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄからＮ2等の不活性ガスをそれぞれ処理室２０１内及び間隙Ｓに供給してパージすると、処理室２０１内及び間隙Ｓからの残留ガスを排除する効果をさらに高めることができる。
ウエハ２００の処理が完了すると、上記した動作の逆の手順により、ボート２１７が反応管２０３内から搬出される。ウエハ２００は、図示しないウエハ移載機により、ボート２１７から移載棚のポッドに移載され、ポッドは、ポッド搬送機により、移載棚からポッドステージに移載され、外部搬送装置により、筐体の外部に搬出される。
上述の実施形態では、第１処理ガスと第２処理ガスとを交互に供給する場合について説明したが、本発明は、第１処理ガスと第２処理ガスとを同時に供給する場合にも適用することができる。
上述の実施形態においては、ノズル配置室２２２を３つの空間に区画したが、２つの空間に区画しても良いし、４つ以上の空間に区画しても良い。所望の熱化学処理に必要なノズルの本数に合わせて、区画する空間の数は変更されうる。また、互いに反応しないガスであれば、１つの区間に複数のノズルを配置しても良い。ノズル３４０ｄは筒部２０９と反応管２０３の間隙Ｓに１つ配置したが、これに限らず２つ以上のノズルを配置しても良い。
また、ノズルの形状を各々変更されうる。例えば、ノズルのガス供給孔は、ウエハ毎に設けられる細孔に限らず、ノズルの長手方向に複数のウエハを跨って延伸するようなスリットでもよい。また、中央の空間に設置されるノズルのガス供給孔をウエハ２００ではなくノズル配置室の側壁に向けて開口させることにより、処理ガスを空間内で拡散させ、各ガス供給スリットから均一に処理ガスを供給させることができる場合がある。更に、ノズルは、最も下のガス供給スリットの位置に届かない長さの、先端が開口した単なるパイプでもよい。
ノズル配置室２２２は、その内周側に筒部と共通の壁を有するものに限らず、その内周側の全てが処理室２０１に対して開口していても良い。同様にノズル配置室２２２は、その外周側に反応管と共通の壁を有するものに限らず、独自の壁を有しても良い。例えば、ノズル配置室２２２は筒部を外側に膨らませたポケットにより構成することができる。
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果が得られる。
（ａ）ウエハ下流における圧力損失を最小限としてウエハ間の速度分布を均一とすることが可能となる。すなわち、ウエハ通過後のガスが筒部裏側を経由して排気されることにより圧力損失を最小限とすることができ、これにより、ウエハ領域の圧力を下げることができ、ウエハ領域の圧力を下げることで、ウエハ領域の流速を上げ、ローディング効果を緩和することができる。
（ｂ）反応管と筒部との間にノズル配置室を設け、反応管を真円の筒形状に保つことで、反応管の肉厚を薄くすることができ、処理室の容積を小さくすることができる。また、溶接箇所を減らして反応管の製造を容易にすることができ、かつ強度を上げることができ、処理室内の昇温時間を短くすることが可能となる。
（ｃ）ウエハ直近にウエハを囲むように筒部を設けることで、ウエハ表面に流入するガスの割合を高くすることができる。例えば、本実施形態における筒部を用いない場合にはガス流入率が６％程度だったものが、用いることで５０％程度まで向上させることができる。
（ｄ）筒部の裏側にパージ用のノズルを設け、筒部裏側を効率的にパージすることにより、筒部裏のガスの滞留が抑制され、パージ時間を短縮することができる。また、筒部裏のガスの滞留が抑制されることにより、パーティクルを低減することができる。
（ｅ）筒部の裏側にパージ用のノズルを設けることにより、高圧プロセス時の昇圧をアシストすることができる。
＜実験例＞
図７は、本実施形態における反応管２０３を用いてガスの流れを解析した結果を示す図である。図７に示されているように、ノズル３４０から供給されたガスは処理室２０１内のウエハ２００間を通過して第１ガス排気口２３６、筒部２０９の裏側、第２ガス排気口２３７を経由して排気管２３１から排気されている。すなわち、第１ガス排気口２３６をウエハ２００の下端側から上端側のウエハ領域にかけて形成することにより、ガスの通過断面積が大きくなるため、圧力損失を減らすことができることが確認された。
図８（Ａ）は、比較例における反応管内の圧力分布を示す図であって、図８（Ｂ）は、本実施形態における反応管２０３内の圧力分布を示す図である。図８（Ａ）に示す比較例における反応管は、本実施形態における反応管と筒部に形成されるガス排気口の構成が異なる。比較例における反応管では、ガス供給スリットに対応する位置にガス供給スリットと同形状のガス排気スリットが設けられている。
比較例における反応管では、図８（Ａ）に示すように、ＡＰＣバルブ２４４、圧力センサ２４５、真空ポンプ２４６等の排気部により５Ｐａに設定しても、圧力損失によってウエハ領域の圧力は１５Ｐａとなってしまう。一方、図８（Ｂ）に示すように、本実施形態における反応管では、排気部により５Ｐａに設定しても、ウエハ領域の圧力を１０Ｐａとすることができ、比較例に比べて圧力損失を５Ｐａ減らすことができた。ここで、ウエハ上の流速はウエハ上の圧力に反比例するため、本実施形態における反応管のウエハ上の流速は、比較例における反応管のウエハ上の流速の１．５倍となることが確認された。
図９は、本実施形態における反応管と比較例における反応管を用いてそれぞれ成膜処理を行った際のウエハ中心の流速分布を比較して示す図である。図１０は、本実施形態における反応管と比較例における反応管を用いてそれぞれ成膜処理を行った際の原料分圧分布を比較して示す図である。
大容量のウエハを処理する場合、ガスの流速が大きいほど副生成物の掃気の効率が向上し、面内のローディングエフェクト等が改善されるため、望ましい。
図９に示すように、比較例における反応管を用いた場合には、上下段のウエハ中心のガス速度分布は±８．０７％となり、流速分布が均一にならなかった。すなわち、比較例では、圧力損失が生じてしまい、上段のウエハよりも下段のウエハの方が流速が大きくなってしまっていた。また、図１０に示すように、上下段においてウエハ中心の原料分圧分布は±１．６５％となり、上段のウエハが下段のウエハに比べて膜厚が厚くなってしまっていた。
一方、図９に示すように、本実施形態における反応管を用いた場合には、ウエハ中心のガス速度分布は±２．９５％に向上し、比較例と同条件により実験を行った場合であっても、流速が比較例と比べて速くなった。すなわち、比較例に比べて圧力損失が低減することにより、流速が上がると同時に流速の均一性も向上した。また、図１０に示すように、上下段においてウエハ中心の原料分圧分布は±０．９６％となり、成膜ガスの分解の促進度合が上段と下段でほぼ均一となって、ウエハ面間の膜厚均一性が向上した。
基板処理装置で行われる成膜処理には、例えば、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤ、Ｅｐｉ、その他酸化膜、窒化膜を形成する処理、金属を含む膜を形成する処理がある。更に、アニール処理、酸化処理、拡散処理等の処理でも構わない。
以上、本発明の種々の典型的な実施形態及び実施例を説明してきたが、本発明はそれらの実施形態及び実施例に限定されず、適宜組み合わせて用いることもできる。
１０ 基板処理装置１２１ コントローラ２００ ウエハ（基板）２０１ 処理室２０３ 反応管２０９ 筒部２１７ ボート２２２ ノズル配置室２３０ 排気口２３５ ガス供給スリット２３６ 第１ガス排気口２３７ 第２ガス排気口３４０ ノズル

Claims (18)

  1. 複数枚の基板を保持する基板保持具と、
    反応管内部に設置され、前記基板保持具を収容して前記基板を処理する処理室を有する筒部と、
    前記筒部に近接してその延伸方向に沿って配置され、前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記ガス供給部と前記処理室とが連通するように形成されるガス供給口と、
    前記反応管と前記筒部との間隙と、前記処理室とを連通させるように前記筒部に形成され、前記処理室内の雰囲気を前記間隙に排気するガス排気口と、
    前記筒部の中心からみて前記ガス排気口と同じ方向において前記反応管に接続され、前記間隙内の雰囲気を前記反応管外に排気する排気部と、を備え、
    前記ガス供給部は、前記処理室内に不活性ガスと異なる第１の処理ガスを供給する第１ のノズルと、前記第１の処理ガス及び不活性ガスと異なる第２の処理ガスを供給する第２ のノズルとを有し、
    前記ガス排気口は、前記第１のノズルに設けられたガス供給孔と前記処理室の略中心と を通る直線上において開口し、且つ、前記第２のノズルに設けられたガス供給孔と前記処 理室の略中心とを通る直線上において開口し、
    前記ガス供給部を除く前記間隙の全体を使って前記処理室内の雰囲気を前記ガス排気口 から前記排気部へ排気するように構成された基板処理装置。
  2. 前記ガス排気口は、前記処理室の基板が収容される領域に対応して設けられ、前記排気部は、前記ガス排気口よりも下方の位置で前記反応管に接続される請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記筒部の前記ガス排気口よりも下方の位置に、前記処理室下方の雰囲気を排気する第２ガス排気口が形成される請求項２記載の基板処理装置。
  4. 前記ガス排気口は、前記処理室の基板が収容される領域の下端側から上端側に至る単一 の開口として形成される請求項２又は３に記載の基板処理装置。
  5. 前記反応管は上端が閉塞され、前記筒部は上端が閉塞されている請求項２乃至４のいず れかに記載の基板処理装置。
  6. 前記ガス供給部は、前記処理室内に不活性ガスを供給する第３のノズルを更に有し、
    前記ガス排気口は、前記第３のノズルに設けられたガス供給孔と前記処理室の略中心と を通る直線上において開口するように形成される請求項１乃至５のいずれかに記載の基板処理装置。
  7. 前記ガス供給部は、前記間隙を区画して設けられたバッファ室を有し、前記ガス供給口は、前記バッファ室の内周側の壁である前記筒部に設けられる請求項１乃至６のいずれか に記載の基板処理装置。
  8. 前記ガス供給部は、前記バッファ室を独立した少なくとも２つの空間に区画する内壁を 有し、前記第１のノズルと前記第２のノズルは、前記２つの空間にそれぞれ配置される請求項７記載の基板処理装置。
  9. 前記バッファ室の下端には、前記第１のノズルと前記第２のノズルを設置するための開 口部が形成される請求項７又は８に記載の基板処理装置。
  10. 前記バッファ室を除く前記間隙の全体を使って前記処理室内の雰囲気を前記ガス排気口から前記排気部へ排気することで、所定の直径の前記反応管に対して、前記ガス排気口と前記排気部との間の圧力損失を最小化した請求項７乃至９のいずれかに記載の基板処理装置。
  11. 前記間隙に不活性ガスを供給するガスノズルを前記筒部裏の前記間隙に設置する請求項７記載の装置。
  12. 前記間隙は環状であり、前記間隙の幅は、前記筒部と前記基板の間の隙間の幅の２倍よ り大きく設定された請求項７乃至１１のいずれかに記載の基板処理装置。
  13. 前記バッファ室の外周側の壁は、前記反応管と共通であり、前記バッファ室の内周側の 壁は、前記筒部と共通である請求項７乃至１２に記載の基板処理装置。
  14. 前記バッファ室は、内周側の全てが前記処理室に対して開口する請求項７乃至１２に記 載の基板処理装置。
  15. 前記バッファ室の下端には、前記第１のノズルと前記第２のノズルを設置するための開口部が形成され、
    前記ガス供給部は、前記バッファ室の上端の一部を閉塞する板を有し、
    前記内壁の上端は、筒部の天井部の上端よりも上に伸びている請求項８記載の基板処理装置。
  16. 基板処理装置で用いられる反応管であって、
    反応管内部に設置され、複数の基板を保持する基板保持具を収容して前記基板を処理する処理室を有する筒部と、
    前記反応管と前記筒部との間隙を区画して設けられ、前記処理室内に処理ガスを供給するガスノズルを配置するノズル配置室と、
    前記ノズル配置室と前記処理室とが連通するように前記筒部に形成されるガス供給口と、
    前記間隙と前記処理室とを連通させるように前記筒部に形成され、前記処理室内の雰囲気を前記間隙に排気するガス排気口と、
    前記筒部の中心からみて前記ガス排気口と同じ方向において前記反応管に形成され、前記間隙内の雰囲気を前記反応管外に排気する排気部に接続される排気口と、を備え、
    前記ノズル配置室は、前記処理室内に不活性ガスと異なる第１の処理ガスを供給する第１のノズルと、前記第１の処理ガス及び不活性ガスと異なる第２の処理ガスを供給する第２のノズルとを配置可能に構成され、
    前記ガス排気口は、前記第１のノズルに設けられたガス供給孔と前記処理室の略中心とを通る直線上において開口し、且つ、前記第２のノズルに設けられたガス供給孔と前記処理室の略中心とを通る直線上において開口し、
    前記ノズル配置室を除く前記間隙の全体を使って前記処理室内の雰囲気を前記ガス排気口から前記排気部へ排気するように構成された反応管。
  17. 反応管内部に設置される筒部内の処理室内に複数枚の基板を保持する基板保持具を搬送する工程と、
    前記筒部に近接してその延伸方向に沿って配置されたガス供給部から、前記ガス供給部と前記処理室とが連通するように前記筒部に形成されるガス供給口を介して前記処理室内に処理ガスを供給する工程と、
    前記反応管と前記筒部との間隙と前記処理室とを連通させるように前記筒部に形成されるガス排気口から前記処理室内の雰囲気を前記間隙に排気し、前記間隙に排気された前記雰囲気を前記筒部の中心からみて前記ガス排気口と同じ方向において前記反応管に接続される排気部から前記反応管外に排気する工程と、を備え、
    前記供給する工程では、前記ガス供給部の第１のノズルが、前記処理室内に不活性ガスと異なる第１の処理ガスを供給し、前記ガス供給部の第２のノズルが、前記第１の処理ガス及び不活性ガスと異なる第２の処理ガスを供給し、
    前記排気する工程では、前記第１のノズルに設けられたガス供給孔と前記処理室の略中心とを通る直線上において開口し、且つ、前記第２のノズルに設けられたガス供給孔と前記処理室の略中心とを通る直線上において開口する前記ガス排気口が用いられ、前記ガス供給部を除く前記間隙の全体を使って前記処理室内の雰囲気を前記ガス排気口から前記排気部へ排気する半導体装置の製造方法。
  18. 基板処理装置の反応管内部に設置される筒部内の処理室内に複数枚の基板を保持する基板保持具を搬送する手順と、
    前記筒部に近接してその延伸方向に沿って配置されたガス供給部から、前記ガス供給部と前記処理室とが連通するように前記筒部に形成されるガス供給口を介して前記処理室内に処理ガスを供給する手順と、
    前記反応管と前記筒部との間隙と前記処理室とを連通させるように前記筒部に形成されるガス排気口から前記処理室内の雰囲気を前記間隙に排気し、前記間隙に排気された前記雰囲気を前記反応管に接続される排気部から前記反応管外に排気する手順と、をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラムであって、
    前記供給する手順では、前記ガス供給部の第１のノズルが、前記処理室内に不活性ガスと異なる第１の処理ガスを供給し、前記ガス供給部の第２のノズルが、前記第１の処理ガス及び不活性ガスと異なる第２の処理ガスを供給し、
    前記排気する手順では、前記第１のノズルに設けられたガス供給孔と前記処理室の略中心とを通る直線上において開口し、且つ、前記第２のノズルに設けられたガス供給孔と前記処理室の略中心とを通る直線上において開口する前記ガス排気口が用いられ、前記ガス供給部を除く前記間隙の全体を使って前記処理室内の雰囲気を前記ガス排気口から前記排気部へ排気するプログラム。
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