JP6782362B2 - 保護プレート、基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板に薄膜の生成等の処理を行う保護プレート、基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体装置の製造工程に於ける基板処理を行う基板処理装置として、縦型基板処理装置がある。縦型基板処理装置では、複数枚の基板を多段に積層させて保持した状態で、処理室内に装入し、複数枚の基板を一括して処理する様になっている。

処理中、処理室の下部の炉口部は、処理室内で最も低温になり得る。そこへ原料ガスが拡散すると、原料ガスの反応副生成物が付着し、パーティクル発生の原因となる。従来、処理ガス濃度の高くなる炉口部にパージガスを供給し、金属部品への副生成物の付着を抑制する基板処理装置が知られる。

ＷＯ２０１７／３７９３７号公報 特開２００６−３１０８５７号公報 特開２００６−２６９６４６号公報 特開２００２−００９０１０号公報

然し乍ら、ある種の基板処理装置では、炉口部の構成に起因して原料ガスの希釈が不充分となり、炉口部に原料ガスによる副生成物が付着することがあった。特に炉口部に金属部品が使われていると、副生成物が付着しやすい。この為、クリーニング周期が短くなると共に、パーティクルが発生する虞れがあった。

本発明は、炉口部への原料ガスによる副生成物の付着を抑制する保護プレート、基板処理装置及び半導体装置の製造方法を提供するものである。

本発明の一態様は、筒状の反応管の下端開口を気密に閉塞する蓋部上に設けられる保護プレートであって、前記蓋部の上面に少なくとも下面の一部が接する様設けられた略円盤状の円板部(45,28)と、該円板部の外周端から垂直に延出する側壁部(12)と、前記下面に形成された略環状の溝(27)と、前記下面の前記溝よりも外周側に形成され、前記蓋部の上面との間に所定の隙間を生じさせる段差部(52)とを具備し、前記蓋部に形成されたガス供給口から前記溝に供給されたガスが、前記蓋部と前記段差部との間を通って前記側壁部の外側全体に供給される様構成された保護プレートの技術に係るものである。

一態様によれば、副生成物の付着及びパーティクルの発生を抑制でき、生産性の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施例に係る基板処理装置を示す縦断面図である。 該基板処理装置の炉口部を示す縦断面図である。 （Ａ）は前記基板処理装置に用いられる保護プレートを示す平面斜視図であり、（Ｂ）は該保護プレートを示す下面斜視図である。 （Ａ）は前記基板処理装置に用いられる保護プレートを示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図を示している。 前記炉口部に於ける第２パージガスの流速分布を示す説明図である。 （Ａ）は従来構造の前記炉口部の処理ガス濃度分布を示す縦断面図であり、（Ｂ）は従来構造の前記炉口部の処理ガス濃度分布を示す横断面図である。 （Ａ）は第１の実施例の前記炉口部の処理ガス濃度分布を示す縦断面図であり、（Ｂ）は第１の実施例の前記炉口部の処理ガス濃度分布を示す横断面図である。 第１の実施例に於ける炉口部の処理ガス濃度分布と、従来構造に於ける炉口部の処理ガス濃度分布とを比較したグラフである。 （Ａ）は本発明の第２の実施例に係る基板処理装置に用いられる保護プレートを示す平面図であり、（Ｂ）は該保護プレートを示す下面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。尚、以下の図面に於いて、同一又は対応する構成については、同一又は対応する符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施例に於いて、基板処理装置は、半導体装置（デバイス）の製造方法に於ける製造工程の一工程として、熱処理等の基板処理工程を実施する縦型基板処理装置（以下、処理装置と称する）１として構成されている。

図１に示される様に、処理装置１は、円筒状の反応管２と、反応管２の外周に設置された加熱手段（加熱機構）としてのヒータ３とを備える。反応管２は、例えば石英（ＳｉＯ）やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等により形成される。反応管２には、温度検出器４が設置される。温度検出器４は、反応管２の内壁に沿って立設される。

反応管２の下端開口部には、筒状のマニホールド５が、Ｏリング等のシール部材６を介して連結され、反応管２の下端を支持している。マニホールド５は、例えばステンレス等の金属により形成される。反応管２とマニホールド５とで処理容器７が形成される。処理容器７の内部には、基板としてのウェーハＷを処理する処理室８が形成される。

又、反応管２は、外側（半径方向）に突出する様に、供給バッファ室２Ａと排気バッファ室２Ｂとがそれぞれ対向して形成されている。供給バッファ室２Ａ及び排気バッファ室２Ｂは、隔壁によって複数の空間に区画されている。供給バッファ室２Ａの各区画には、ノズル２３ａ、ノズル２３ｂ、ノズル２３ｃ（後述）がそれぞれ設置される。供給バッファ室２Ａ及び排気バッファ室２Ｂと処理室８との境界壁は、供給バッファ室２Ａ等が設けられていない箇所における反応管の内径と同じ内径に形成され、両側を連通させる複数のスリットが設けられる。供給バッファ室２Ａの内壁下方には、ノズル２３ａ、ノズル２３ｂ、ノズル２３ｃを挿脱する為の開口部２Ｅが形成されている。開口部２Ｅは、供給バッファ室２Ａと略同じ幅に形成されている。ここで、開口部２Ｅとノズル２３ａ、ノズル２３ｂ、ノズル２３ｃの基部との間の間隙をなくすことは難しい為、該間隙からの反応ガス等の流出を防止するのは困難である。

マニホールド５の下端開口部（処理容器７の下端開口部）は、円盤状の蓋部９によって開閉される。蓋部９は、例えば金属により形成される。蓋部９の上面には、Ｏリング等のシール部材１１が設置され、シール部材１１により反応管２と外気とが気密にシールされる。蓋部９の上面には、後述する蓋部カバーとしての保護プレート１２が設置される。蓋部９の中央には孔が形成され、後述する回転軸１３が挿通される。シール部材６やシール部材１１の保護のため、それらは２００℃以下に保たれることが望ましく、反応管２やマニホールド５のフランジにはウォータージャケット（不図示）が取り付けられうる。

処理室８は、複数枚、例えば２５〜１５０枚のウェーハＷを垂直に棚状に支持する基板保持具としてのボート１４を内部に収納する。ボート１４は例えば石英やＳｉＣ等により形成され、ボート１４は断熱構造体１５の上方に支持される。

断熱構造体１５の外形は円柱状となっており、蓋部９を貫通する回転軸１３によって支持される。回転軸１３は、蓋部９の下方に設置された回転機構１６に接続される。回転軸１３の蓋部９を貫通した部分には、例えば磁性流体シールが設けられており、回転軸１３は反応管２の内部を気密にシールした状態で回転可能に構成されている。回転軸１３が回転されることにより、断熱構造体１５とボート１４が一体に回転される。蓋部９は昇降機としてのボートエレベータ１７により上下方向に駆動される。ボートエレベータ１７により、基板保持体及び蓋部９が一体に昇降され、反応管２に対してボート１４が搬入出される。

処理装置１は、基板処理に使用される処理ガスとして原料ガス、反応ガスや不活性ガスを処理室８内に供給するガス供給機構１８を有している。ガス供給機構１８が供給する処理ガスは、成膜される膜の種類に応じて選択される。第１の実施例では、ガス供給機構１８は、原料ガス供給部、反応ガス供給部、不活性ガス供給部、第１パージガス供給部、第２パージガス供給部を含む。

原料ガス供給部は、ガス供給管１９ａを具備している。ガス供給管１９ａには、上流方向から順に、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）２１ａ及び開閉弁であるバルブ２２ａが設けられている。ガス供給管１９ａの下流端は、マニホールド５の側壁を貫通するノズル２３ａに接続されている。ノズル２３ａは、反応管２内に反応管２の内壁に沿って上下方向に立設し、ボート１４に保持されるウェーハＷに向って開口する複数の供給孔が形成されている。ノズル２３ａの供給孔を介して、ウェーハＷに対して原料ガスが供給される。

以下、同様の構成にて、反応ガス供給部からは、ガス供給管１９ｂ、ＭＦＣ２１ｂ、バルブ２２ｂ、ノズル２３ｂを介して反応ガスがウェーハＷに対して供給される。不活性ガス供給部からは、ガス供給管１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ、ＭＦＣ２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ、バルブ２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ、ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃを介してウェーハＷに対して不活性ガスが供給される。

第１パージガス供給部（供給機構）は、ガス供給管１９ｆを具備している。ガス供給管１９ｆには、上流方向から順にＭＦＣ２１ｆ及びバルブ２２ｆが設けられている。ガス供給管１９ｆの下流端は、回転軸１３の周囲に形成された中空部２４に接続されている。中空部２４は、磁性流体シールにより軸受けの手前でシールされ、上端、即ち反応管２の内部に開放されている。又、中空部２４から保護プレート１２の上面まで連通した空間が形成され、該空間は断熱構造体１５と保護プレート１２との間に形成された間隙４１（後述、図２参照）と連続しており、第１パージガス流路２５（図２参照）を形成している。

第２パージガス供給部（供給機構）は、ガス供給管１９ｇを具備している。ガス供給管１９ｇには、上流方向から順にＭＦＣ２１ｇ及びバルブ２２ｇが設けられている。ガス供給管１９ｇの下流端は、蓋部９を貫通し、蓋部９の上面に第２パージガス供給口が形成される。従って、第２パージガス供給口は、蓋部９の上面に形成され、第２パージガス流路２７に開口する。第２パージガス供給口の開口位置は、ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃの近傍である（図３ｂ参照）。バルブ２２ｇから第２パージガス供給口の間のガス供給管１９ａには、ベローズ管の様なフレキシブルな配管が用いられる。第２パージガス流路２７は略環状（ループ状）であり、保護プレート１２の下面の全周に亘って形成されている。

マニホールド５の排気口２６には、排気管３２が取付けられている。排気管３２には、処理室８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３３、及び圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ３４を介して、真空排気装置としての真空ポンプ３５が接続されている。この様な構成により、処理室８内の圧力を処理に応じた処理圧力とすることができる。排気管３２は、ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃと対向する位置に設置される。

回転機構１６、ボートエレベータ１７、ガス供給機構１８のＭＦＣ２１ａ〜２１ｇ、バルブ２２ａ〜２２ｇ及びＡＰＣバルブ３４には、これらを制御するコントローラ３６が接続される。コントローラ３６は、例えばＣＰＵを備えたマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなり、処理装置１の動作を制御する様に構成される。コントローラ３６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３７が接続されている。

コントローラ３６には、記憶媒体としての記憶部３８が接続されている。記憶部３８には、処理装置１の動作を制御する制御プログラムや、処理条件に応じて処理装置１の各構成部に処理を実行させるプログラム（レシピとも言う）が、読出し可能に格納される。

記憶部３８は、コントローラ３６に内蔵された記憶装置（ハードディスクやフラッシュメモリ）であってもよいし、可搬性の外部記録装置（磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁器ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）であってもよい。又、コンピュータへのプログラムの提供は、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。プログラムは、必要に応じて入出力装置３７からの指示等にて記憶部３８から読出され、読出されたレシピに従った処理をコントローラ３６が実行することで、処理装置１はコントローラ３６の制御のもと、所望の処理を実行する。

蓋部９の上面に設けられた保護プレート１２は、例えば石英等の耐熱耐腐食材料（耐食材料）で形成されている。保護プレート１２が金属製の蓋部９を覆うことにより、蓋部９への処理ガスの接触が抑制され、処理ガスによる蓋部９の腐食や劣化が抑制される。

図２は、炉口部及び断熱構造体１５の内部構造を示している。断熱構造体１５は、円柱状の筒体３９と、回転軸１３によって支えられた金属製の円盤状の底板４０を有している。筒体３９は、例えば石英等の耐熱材料で形成され、下端が開放された中空構造となっており、底板４０に載せられる。又、筒体３９内には、中空筒状の断熱板支持柱４２が底板４０の上に設けられている。

断熱板支持柱４２は、例えば石英等の耐熱材料で形成された円板状の断熱板４３を多段に積層して保持している。断熱板支持柱４２内には、サブヒータ４４が挿通されている。サブヒータ４４は、断熱板支持柱４２の上方でリング状となっており、サブヒータ４４により筒体３９の上面、及び処理室８の下部を加熱する様になっている。サブヒータ４４を挿通する為、回転軸１３も中空構造を有しており、回転軸１３の磁気シール付近の側部に設けた貫通孔１３ｃから、第１パージガスから分岐した第３パージガスが回転軸１３内に導入される。

第１パージガス供給部から供給された第１パージガスは、回転軸１３の外周を上昇した後、進路を水平に変えて、底板４０と保護プレート１２の間の狭い間隙４１をパージしながら、炉口部である処理容器７下方に対して供給される。つまり、第１パージガスは、上流に於いて回転軸１３の周囲をパージし、下流では保護プレート１２の露出面やノズル２３ａ〜２３ｃの基部をパージした後、最終的に反応管２の下端に形成された排気口２６より排出される。

保護プレート１２には、ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃが配設された箇所を除き、マニホールド５の近傍迄延出する第１薄肉部２８が形成されている。又、第１薄肉部２８の外周端には、マニホールド５の内壁に沿って垂直に延出する側壁部２９が形成されている。第１薄肉部２８と蓋部９との間には所定の間隔の隙間が形成され、側壁部２９とマニホールド５との間にも、所定の間隔の隙間３１が形成されている。

第２パージガス流路２７に供給された第２パージガスは、第２パージガス流路２７から半径方向に流出して隙間３１を通りながら保護プレート１２の裏面やマニホールド５の内面をパージした後、排気口２６より排出される。

中空部２４に於いて第１パージガスから分岐した第３パージガスは、回転軸１３とサブヒータ４４との間隙及び断熱板支持柱４２とサブヒータ４４との間隙を通して、断熱構造体１５内に導入される。これらの間隙が第３パージガス流路３０を構成する。尚、第３パージガスの排出孔として、底板４０には、例えば等角度ピッチで複数の開口４０Ａが形成されている。第３パージガスは、第３パージガス流路３０を通って、断熱板支持柱４２の上端より筒体３９内に供給される。筒体３９内の第３パージガスは、筒体３９の内周面に沿って降下し、開口４０Ａより排出されて第１パージガスと合流し、炉口部内に放出される。第３パージガスが炉口部内に放出される過程で、筒体３９内がパージされる。第３パージガスの流量は第１パージガスよりも多くなる様に、それぞれの流路のコンダクタンスが設計される。尚、パージガスとしては、原料ガスや反応ガスと反応しないガスであればよい。

次に、炉口部の処理ガスの濃度（分圧）について説明する。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、従来の炉口部、即ち第２パージガス５４（後述）によるパージを行わない場合の炉口部の処理ガス濃度（ガス分圧）分布を示している。図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示される様に、従来の構成の場合、炉口部に於いては、排気口２６の反対側（対向する側）に位置するノズル２３ａ〜２３ｃの基部の部分（ノズル２３側）で、処理ガス濃度が高くなることが判明した。又、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部の部分で、副生成物の付着が顕著に見られることを確認した。

この時のマニホールド５の内周面に於ける処理ガス濃度は、ノズル２３側では２．５Ｐａ以上である一方、、ノズル２３の反対側（排気口２６側）では１Ｐａ以下となり、当該部分に於いては副生成物の付着が実質的に見られなかった。なおマニホールドの温度は全周においてほぼ一定であり、２００℃程度である。これらにより、炉口部に於いて処理ガス濃度を副生成物が発生しない臨界値（１〜２．５Ｐａの間の値。例えば２Ｐａ）よりも低い値（例えば、１Ｐａ）とすれば、炉口部への副生成物の付着を十分に抑制することができると考えられる。

排気口２６側で処理ガス濃度が低くなるのは、パージガスが排気口２６に向けて流れ易い為と考えられる。一方で、パージガスが排気口２６へと流れる分、ノズル２３ａ〜２３ｃ側へは充分にパージガスが供給され難い為、ノズル２３ａ〜２３ｃ側では処理ガス濃度が高くなると考えられる。従って、ノズル２３ａ〜２３ｃ側に対しても充分な流量のパージガスを供給し、ノズル２３ａ〜２３ｃ側の処理ガスを充分に希釈することで、ノズル２３側の処理ガス濃度を副生成物が発生しない臨界値よりも低い値とすることができると考えられる。

炉口部の処理ガス濃度は、パージガスの流量が多い程低下する。然し乍ら、パージガスの流量がある臨界値以上の場合（例えば、５００ｓｃｃｍよりも大きい場合）には、ウェーハ処理領域に迄炉口部のパージガスが到達してしまい、成膜処理（例えば、面間均一性）に悪影響を及ぼしてしまうことが分った。成膜処理の品質を保つ為には、パージガス流量を５００ｓｃｃｍ以下とするのが好ましい。然し乍ら、この場合、炉口部の処理ガス濃度が臨界値（例えば、１Ｐａ）以上となってしまい、炉口部に副生成物が付着してしまうことがあることが分った。ここで、面間均一性とは、基板毎の処理均一性のことを意味する。例えば、ボート１４の下方に位置した基板の処理状態と、上方に位置した基板の処理状態とが同じ状態に近づくことを意味している。

そこで発明者等は、処理ガス濃度が高く、副生成物が付着し易い部分、例えば炉口部のうちノズル２３ａ〜２３ｃ基部の周辺部分に対して、他の部分よりも供給するパージガス流量を多くすることで、即ち局所的にパージガスの流量を増やすことで、成膜処理に悪影響を及ぼすことなく、炉口部全体の副生成物の付着を抑制できることを見出した。又、発明者等は、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部とその周辺部に第１パージガス５３の大部分を供給し、その他の部分についてはマニホールド５の内壁面に沿って第２パージガス５４を供給することで、パージガス流量を臨界値以下に抑えつつ、処理ガス濃度の高い箇所に集中的にパージガスを供給すると共に、その他の部分についてもパージガスを供給でき、副生成物の付着を抑制できると考えた。

以下、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図４（Ａ）、図４（Ｂ）に於いて、第１パージガス５３をノズル２３ａ〜２３ｃの基部に集中的に供給し、それ以外の部分に第２パージガス５４を供給する為の保護プレート１２の構造について説明する。尚、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図４（Ａ）中、第１パージガス５３の流れを実線の矢印で示し、第２パージガス５４の流れを破線の矢印で示している。又、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図４（Ａ）、図４（Ｂ）では、便宜上ノズル２３ａ〜２３ｃ（ノズル２３ａ〜２３ｃの設置位置）を孔として示している。

図３（Ａ）、図４（Ｂ）に示される様に、保護プレート１２の表面には、厚肉部４５と、第１薄肉部２８と、第２薄肉部４７と、第３薄肉部４８とが形成されている。厚肉部４５は、一部が切り欠かれた略円形となっており、中心部には断熱板支持柱４２が挿通される為の孔４６が穿設されている。尚、厚肉部４５と、第１薄肉部２８と、第２薄肉部４７と、第３薄肉部４８とで円盤状の円板部が構成される。

第１薄肉部２８は、厚肉部４５の外周側に形成されている。第１薄肉部２８の厚みは、厚肉部４５よりも小さくなっており、一部が切り欠かれた環状となっている。又、第１薄肉部２８の外周端に連続して、側壁部２９が垂直に形成されている。第１薄肉部２８が切り欠かれた箇所は、第１薄肉部２８よりも厚みが小さい第２薄肉部４７となっている。第２薄肉部４７は、ノズル２３ａ〜２３ｃとの接触を避ける目的で、その設置位置に対応する箇所（ノズル２３ａ〜２３ｃの基部及びその周辺部）に形成される。尚、第２薄肉部４７の外周端には側壁部２９が形成されていない。

厚肉部４５が切り欠かれた箇所は、厚肉部４５よりも厚みが小さく、第１薄肉部２８と同等、又は略同等の厚みを有する第３薄肉部４８となっている。第３薄肉部４８は、第２薄肉部４７の半径方向内側に連続し、第２薄肉部４７と同心且つ所定の幅を有する円弧状の部位となっている。又好ましくは、第３薄肉部４８の厚みは、第２薄肉部４７の厚みよりも厚く構成される。この様に構成することで、保護プレート１２の中心側からノズル２３ａ〜２３ｃの方への流路抵抗を小さくすることができる。即ち、保護プレート１２の中心側からノズル２３ａ〜２３ｃの方へガスの供給量を増大させることが可能となる。

尚、底板４０の外径は、厚肉部４５の外径よりも小さく、第３薄肉部４８の内周端の位置は底板４０の内周端よりも中心側となっている。従って、底板４０と第３薄肉部４８との間には、底板４０と厚肉部４５との間よりも大きな間隙４１が形成されるので、該間隙４１では底板４０と厚肉部４５との間よりも流路抵抗が小さくなる。この為、図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示される様に、筒体３９の内周面に沿って降下した第１パージガス５３のうち、大部分が第３薄肉部４８を通ってノズル２３ａ〜２３ｃの下方に供給され、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部及び周辺部がパージされる。

尚、原料ガスや反応ガスの濃度が高く、第１パージガス５３を集中的に流す必要がある領域の両端部と、保護プレート１２の中心とを線で結んで形成される領域は、扇形領域Ｓとなっており、第２薄肉部４７と第３薄肉部４８は扇形領域Ｓ内に位置している。扇形領域Ｓの中心角（開放角）αは、例えば６０°であり、ノズルの設置本数等に応じて、０°
＜α＜１２０°の範囲内で適宜設定される。尚、中心角αが１２０°を超える場合には、処理ガス濃度が臨界値を超える虞れがあり、処理容器７内に副生成物が付着する可能性がある為、好ましくない。

厚肉部４５には、第３薄肉部４８との境界（第３薄肉部４８の内周端）から、第３薄肉部４８の外周端迄半径方向外側に突出する突出部４９が形成されている。突出部４９が形成される位置は、例えば排気口２６と対向する位置（排気口２６の反対側）となっている。突出部４９の上面は、薄肉部の内側と同じ高さを保っている。

図３（Ｂ）に示される様に、厚肉部４５及び突出部４９の裏面には、厚肉部４５及び突出部４９の外周端部に沿って、所定の幅、所定の深さを有する溝２７（以下第２パージガス流路と称す）が刻設されている。第２パージガス流路２７は、突出部４９の先端部から中心方向に延出する第１流路２７ａと、突出部４９の基端部で分岐して周方向に湾曲し、第３薄肉部４８の内周端部に沿って延出する第２流路２７ｂ，２７ｂと、第３薄肉部４８の側端部で半径方向外側に湾曲し、更に厚肉部４５の外周端部に沿って周方向に湾曲し、厚肉部４５の外周端部に沿って延出し、第２流路２７ｂ，２７ｂと連続する環状の第３流路２７ｃとから構成されている。

保護プレート１２の裏面のうち、第２パージガス流路２７よりも外周側（第１薄肉部２８、第２薄肉部４７、第３薄肉部４８の裏面）には厚みを減じる様段差部５２が形成される。従って、保護プレート１２を蓋部９上に設置した際には、第２パージガス流路２７よりも中心側の中心部（厚肉部４５の裏面）５１と蓋部９の上面とが接触し、蓋部９の上面と段差部５２との間には僅かな隙間が形成される。

第２パージガス供給部のガス供給管１９ｇは、第１流路２７ａの先端部（外周側）に連通し、第１流路２７ａの先端部から第２パージガス５４が供給される。第１流路２７ａに供給された第２パージガス５４は、第１流路２７ａ、第２流路２７ｂ、第３流路２７ｃの順に順次流通する。この時、蓋部９の上面と中心部５１が接触し、蓋部９の上面と段差部５２との間には僅かな隙間が形成されている。従って、第２パージガス５４は、第１流路２７ａ、第２流路２７ｂ及び第３流路２７ｃを流通する過程で、前記隙間より流出し、蓋部９の上面と段差部５２との間、マニホールド５の内周面と側壁部２９との間を流通し、パージしつつ炉口部へと放出される。炉口部へ放出された第２パージガス５４は、排気口２６より排気される。

尚、第１流路２７ａ、第２流路２７ｂ及び第３流路２７ｃを炉口部へ連通させる隙間は、全周に於いて一定の間隔となっており、少なくとも第３流路２７ｃに於いて比較的均一にパージガスを炉口部へ流出させうる。一方第２流路２７ｂでは、隙間の長さが倍程度になりコンダクタンスが低下するので、流出は少ない。この減少量よりも、第３薄肉部４８によって第１パージガスが増加する量の方が多い為、結果的にノズル２３ａ〜２３ｃの基部へのパージガス供給の強化を実現できる。

図５は、第２パージガス流路２７に第２パージガス５４を供給した際の、第２パージガス５４の流通状態を流線で示している。図５に示される様に、第２パージガス５４は、第１流路２７ａ、第２流路２７ｂからはほとんど流出せず、半径方向外側に向って流出させながら第３流路２７ｃを流通し、マニホールド５と側壁部２９との間をパージしている。尚、厳密には第２パージガス５４の流出量は、ノズル２３ａ〜２３ｃに近い程多く、排気口２６に近づく程少なくなりうる。尚、図５では、排気口２６の近傍で、第２パージガス５４の流束がない様に示されているが、実際には少量流れている。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、第１の実施例の、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部に第１パージガス５３を集中的に供給し、それ以外の箇所に第２パージガス５４を供給する構造に於ける、炉口部の処理ガス濃度（ガス分圧）分布を示している。図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示される様に、第１の実施例の構成の場合、炉口部の処理ガス濃度が全域に亘って低減され、特にノズル２３ａ〜２３ｃの基部及び周辺部（第１測定点、第２測定点付近）に於いて、顕著に処理ガス濃度が低下しているのが分る。

図８は、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）に示された第１測定点〜第７測定点に於いて、ガス分圧を測定し、測定結果を比較したグラフを示している。尚、図８中、実線が従来の構造の処理ガス濃度分布を示し、破線が第１の実施例の構造の処理ガス濃度分布を示している。

図８に示される様に、第１の実施例の構造では、第１パージガス５３が集中的に供給されるノズル２３ａ〜２３ｃの基部及びその近傍（第１測定点、第２測定点近傍）では、処理ガス濃度が従来よりも１／２程度迄低減されているのが分る。又、側壁部２９が形成され、第２パージガス流路２７を介して側壁部２９とマニホールド５の間に第２パージガス５４が供給されている部分（第３測定点〜第７測定点）では、処理ガス濃度が従来よりも１／４以下に低減されているのが分る。

次に、上述の処理装置１を用い、基板上に膜を形成する処理（成膜処理）について説明する。ここでは、ウェーハＷに対して、原料ガスとしてＤＣＳ（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ：ジクロロシラン）ガスと、反応ガスとしてＯ2 （酸素）ガスとを供給することで、ウェーハＷ上にシリコン酸化（ＳｉＯ2 ）膜を形成する例について説明する。尚、以下の説明に於いて、処理装置１を構成する各部の動作は、コントローラ３６により制御される。

（ウェーハチャージ及びボートロード）
複数枚のウェーハＷがボート１４に装填（ウェーハチャージ）されると、ボート１４はボートエレベータ１７によって処理室８内に搬入（ボートロード）され、反応管２の下部以降は蓋部９によって気密に閉塞（シール）された状態となる。この時、第１パージガス供給部から、第１パージガス５３としてＮ2 ガスを間隙４１を介してノズル２３ａ〜２３ｃの基部に供給する。又、第２パージガス供給部から、第２パージガス５４としてＮ2 ガスを、第２パージガス流路２７を介して側壁部２９とマニホールド５との間に供給する。第１パージガス５３、第２パージガス５４の供給は、少なくとも成膜処理が完了する迄継続される。

（圧力調整及び温度調整）
処理室８内が所定の圧力（真空度）となる様に、真空ポンプ３５によって真空排気（減圧排気）される。処理室８内の圧力は、圧力センサ３３で測定され、測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ３４がフィードバック制御される。又、処理室８内のウェーハＷが所定の温度となる様に、ヒータ３によって加熱される。この際、処理室８が所定の温度分布となる様に、温度検出器４が検出した温度情報に基づきヒータ３への通電具合がフィードバック制御される。又、回転機構１６によるボート１４及びウェーハＷの回転を開始する。

（成膜処理）
［原料ガス供給工程］
処理室８内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、処理室８内のウェーハＷに対してＤＣＳガスを供給する。ＤＣＳガスは、ＭＦＣ２１ａにて所望の流量となる様に制御され、ガス供給管１９ａ及びノズル２３ａを介して処理室８内に供給される。この時、第１パージガス供給部、第２パージガス供給部から炉口部に対してＮ2 ガスが供給されている。これにより、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部と周辺部を第１パージガス５３で集中的にパージできると共に、それ以外の部分を第２パージガス５４でパージし、炉口部の原料ガス濃度を希釈できる。尚、この工程に於いて、第１パージガス供給部、第２パージガス供給部によるＮ2 ガスの供給を一時的に増加させてもよい。

［原料ガス排気工程］
次に、ＤＣＳガスの供給を停止し、真空ポンプ３５により処理室８内を真空排気する。この時、不活性ガス供給部から、不活性ガスとしてＮ2 ガスを処理室８内に供給してもよい（不活性ガスパージ）。

［反応ガス供給工程］
次に、処理室８内のウェーハＷに対してＯ2 ガスを供給する。Ｏ2 ガスは、ＭＦＣ２１ｂにて所望の流量となる様に制御され、ガス供給管１９ｂ及びノズル２３ｂを介して処理室８内に供給される。この時、第１パージガス供給部、第２パージガス供給部から炉口部に対してＮ2 ガスが供給されている。これにより、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部と周辺領域を集中的にパージできると共に、その他の部分についてもパージでき、炉口部に於ける反応ガス濃度を希釈することができる。

［反応ガス排気工程］
次に、Ｏ2 ガスの供給を停止し、真空ポンプ３５により処理室８内を真空排気する。この時、不活性ガス供給部からＮ2 ガスを処理室８内に供給してもよい（不活性ガスパージ）。

上述した４つの工程を行うサイクルを所定回数（１回以上）行うことにより、ウェーハＷ上に、所定組成及び所定膜厚のＳｉＯ2 膜を形成することができる。

（ボートアンロード及びウェーハディスチャージ）
所定膜厚の膜を形成した後、不活性ガス供給部からＮ2 ガスが供給され、処理室８内がＮ2 ガスに置換されると共に、処理室８の圧力が常圧に復帰される。その後、ボートエレベータ１７により蓋部９が降下され、ボート１４が反応管２から搬出（ボートアンロード）される。その後、処理済ウェーハＷは、ボート１４より取出される（ウェーハディスチャージ）。

ウェーハＷにＳｉＯ2 膜を形成する際の処理条件としては、例えば下記が例示される。
処理温度（ウェーハ温度）：３００℃〜７００℃、
処理圧力（処理室内圧力）：１Ｐａ〜４０００Ｐａ、
ＤＣＳガス：１００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ、
Ｏ2 ガス：１００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ、
Ｎ2 ガス：１００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ、
それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内の値に設定することで、成膜処理を適正に進行させることができる。

上述の様に、第１の実施例では、厚肉部４５のノズル２３ａ〜２３ｃと対向する部分に第３薄肉部４８を形成し、第１薄肉部２８のノズル２３ａ〜２３ｃの基部とその周辺部に第２薄肉部４７を形成している。

従って、断熱構造体１５と保護プレート１２との間に形成される間隙４１は、保護プレート１２の中心からノズル２３ａ〜２３ｃへと向う方向で、開口面積が大きくなる。即ち、間隙４１を通過する際の流路抵抗が小さくなるので、断熱構造体１５内の第１パージガス５３は、大部分が第３薄肉部４８を通過する。又、第２薄肉部４７が第１薄肉部２８よりも厚みが小さくなっているので、第３薄肉部４８を通過した第１パージガス５３は、周方向に広がることなくノズル２３ａ〜２３ｃの基部と周辺部に供給される。

従って、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部とその周辺部の処理ガス濃度が低減され、副生成物の付着を抑制することができる。これにより、パーティクルの発生が抑制でき、生産性の向上を図ることができる。

又、第１の実施例では、保護プレート１２の裏面に第２パージガス流路２７を形成すると共に、保護プレート１２の外周端に、垂直に立設する側壁部２９を形成し、保護プレート１２と蓋部９の間、側壁部２９とマニホールド５との間に所定の間隙が形成される様、保護プレート１２を配置している。

従って、第２パージガス流路２７に供給された第２パージガス５４は、保護プレート１２と蓋部９との間、側壁部２９とマニホールド５との間を通り、炉口部へと放出される。側壁部２９を形成したことで、第２パージガス５４の流路断面積を小さくすることができるので、第２パージガス５４の供給量を抑えつつ、マニホールド５の内周面を充分にパージでき、処理ガス濃度を大幅に低減させることができる。これにより、マニホールド５の内周面に対する副生成物の付着、パーティクルの発生を抑制でき、生産性の向上を図ることができる。

又、第２パージガス５４の供給量を抑えることができるので、パージガスの総流量を必要以上に増やす必要がない。従って、パージガスによるウェーハ処理への悪影響を抑制することができ、成膜品質を向上させることができる。

更に、第２パージガス５４は、ノズル２３ａ〜２３ｃ側に向って突出した第１流路２７ａから供給されるので、第２パージガス流路２７からの第２パージガス５４の流出量は、ノズル２３ａ〜２３ｃに近い程多くなる（図５参照）。即ち、処理ガス濃度の高いノズル２３ａ〜２３ｃ側に、より多くの第２パージガス５４が供給されるので、処理ガス濃度の分布に合わせて効率よく第２パージガス５４を供給することができる。

以上、本発明の実施例を具体的に説明した。然し乍ら、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

次に、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例では、温度検出器４が蓋部９及び保護プレート１２を下方から貫通して設けられている。

温度検出器４を下方から貫通させる場合、図９（Ｂ）に示される様に、温度検出器４の貫通位置は、保護プレート１２の裏面に形成された第２パージガス流路２７（第３流路２７ｃ）内に位置する。

そこで、第２の実施例では、温度検出器４を中心側から迂回する様に第３流路２７ｃを半円状に屈曲させ、迂回流路２７ｄを形成している。蓋部９に設けられた温度検出器４の導入孔は、シール性能を維持する為パージされることが望ましい。導入孔は迂回流路２７ｄと連通しており、第２パージガス５４が迂回流路２７ｄを流通する際には、導入孔の周囲をパージすることができる。

第２の実施例に於いても、第１の実施例と同様に、第１パージガス５３をノズル２３ａ〜２３ｃの基部及び周辺部に集中的に供給できると共に、第３流路２７ｃから流出した第２パージガス５４により蓋部９と段差部５２との間、マニホールド５と側壁部２９との間をパージすることができる。

尚、第１及び第２の実施例では、第３薄肉部４８を避けるように第２パージガス流路（第２流路２７ｂ）を形成したが、第３薄肉部４８に於いても十分な肉厚を確保できる場合には、第２パージガス流路は、第３薄肉部４８を避けずに一定の半径の円形に形成されてもよい。

尚、上述した第１の実施例、第２の実施例では、原料ガスとしてＤＣＳガスを用いる例について説明したが、本発明はこの様な態様に限定されない。例えば、原料ガスとしては、ＤＣＳガスの他、ＨＣＤＳ（Ｓｉ2 Ｃｌ6 ：ヘキサクロロジシラン）ガス、ＭＣＳ（ＳｉＨ3 Ｃｌ：モノクロロシラン）ガス、ＴＣＳ（ＳｉＨＣｌ3 ：トリクロロシラン）ガス等の無機系ハロシラン原料ガスや、３ＤＭＡＳ（Ｓｉ［Ｎ（ＣＨ3 ）2 ］3 Ｈ：トリスジメチルアミノシラン）ガス、ＢＴＢＡＳ（ＳｉＨ2 ［ＮＨ（Ｃ4 Ｈ9 ）］2 ：ビスターシャリブチルアミノシラン）ガス等のハロゲン基非含有のアミノ系（アミン系）シラン原料ガスや、ＭＳ（ＳｉＨ4 ：モノシラン）ガス、ＤＳ（Ｓｉ2 Ｈ6 ：ジシラン）ガス等のハロゲン基非含有の無機系シラン原料ガスを用いることができる。

又、上述の実施例では、ＳｉＯ2 膜を形成する例について説明した。然し乍ら、本発明はこの様な態様に限定されない。例えば、これらの他、若しくはこれらに加え、アンモニア（ＮＨ3 ）ガス等の窒素（Ｎ）含有ガス（窒化ガス）、プロピレン（Ｃ3 Ｈ6 ）ガス等の炭素（Ｃ）含有ガス、三塩化硼素（ＢＣｌ3 ）ガス等の硼素（Ｂ）含有ガス等を用い、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯＣＮ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＢＮ膜、ＳｉＢＣＮ膜等を形成することができる。これらの成膜を行う場合に於いても、上述の実施例と同様な処理条件にて成膜を行うことができ、上述の実施例と同様の効果が得られる。

又、本発明は、ウェーハＷ上に、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の金属元素を含む膜、即ち金属系膜を形成する場合に於いても、好適に適用可能である。

半導体基板等に対して、減圧下若しくは処理ガス雰囲気下或いは高温下で処理する装置に適用でき、例えば、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤ、エピタキシャル成長等の堆積や、表面に酸化膜、窒化膜を形成する処理、拡散処理、エッチング処理に適用できる。

１ 処理装置
２ 反応管
５ マニホールド
７ 処理容器
８ 処理室
９ 蓋部
１２ 保護プレート
１４ ボート
１５ 断熱構造体
１８ ガス供給機構
２６ 排気口
２７ 第２パージガス流路
２８ 第１薄肉部
２９ 側壁部
４５ 厚肉部
４７ 第２薄肉部
４８ 第３薄肉部
４９ 突出部
５２ 段差部

Claims (9)

1. 下端が開放された円筒状の反応管の開口を気密に閉塞する蓋部上に設けられる保護プレートであって、前記蓋部の上面に少なくとも下面の一部が接する様設けられた略円盤状の円板部と、該円板部の外周端から垂直に延出する側壁部と、前記下面に形成されたループ状の溝と、前記下面の前記溝よりも外周側に形成され、前記蓋部の上面との間に所定の隙間を生じさせる段差部とを具備し、前記蓋部に形成されたガス供給口から前記溝に供給されたガスが、前記蓋部と前記段差部との間を通って前記側壁部の外側全体に供給される様構成された保護プレート。
2. 上面の外周端部の一部に形成され、上方に近接して設けられる部材との間に部分的に広い間隙を生じさせる薄肉部を更に具備し、前記部材内に供給されたガスが集中的に前記間隙より流出する様構成された請求項１に記載の保護プレート。
3. 処理される基板を内部に収容し、下端が開口する処理容器と、前記開口を気密に閉塞する蓋部と、前記処理容器内で前記基板を保持する基板保持具と、前記蓋部と前記基板保持具との間に設けられる断熱構造体と、前記処理容器内に処理ガスを供給するノズルを含む処理ガス供給機構と、前記蓋部の上面に設けられる保護プレートと、前記断熱構造体と前記保護プレートとの間に形成される間隙を介して、前記処理容器下部の前記ノズルの基部及び基部周辺に第１パージガスを供給する第１パージガス供給機構と、前記蓋部と前記保護プレートとの間に形成される間隙を介して、少なくとも前記処理容器下部の前記ノズルの基部及び基部周辺以外の部分に第２パージガスを供給する第２パージガス供給機構とを具備し、
   前記処理容器は、上端が閉塞した筒状の反応管と、前記反応管の下端に接続される、反応管よりも短い筒状のマニホールドとを有し、該マニホールドに前記ノズルが取付けられ、前記反応管は前記マニホールドを介して前記蓋部に閉塞され、
   前記保護プレートは、前記蓋部の上面に少なくとも下面の一部が接する様設けられた略円盤状の円板部と、該円板部の外周端から垂直に延出する側壁部と、下面に形成されるループ状の溝と、前記下面の少なくとも前記溝よりも外周側に形成されて前記蓋部の上面との間に所定の隙間を生じさせる段差部とを具備し、前記第２パージガス供給機構は、前記蓋部に形成されたガス供給口を介して第２パージガスを前記溝に供給し、前記側壁部の外側を所定の範囲の流量若しくは流速でパージする様構成された基板処理装置。
4. 前記蓋部と前記段差部との間は前記第２パージガスの流路の一部となり、前記溝に供給された前記第２パージガスは、前記蓋部と前記段差部との間を半径方向外側に向って流通する様構成され、前記側壁部と前記マニホールドとの間に所定の隙間が形成され、前記側壁部と前記マニホールドとの間が前記第２パージガスの流路の一部となる様構成された請求項３に記載の基板処理装置。
5. 前記処理容器は、真空ポンプに接続される排気口を有し、該排気口は前記ノズルの反対側に設けられた請求項３又は４に記載の基板処理装置。
6. 前記側壁部は、前記第１パージガス供給機構から供給される前記第１パージガスの供給経路から取除かれた請求項３又は４に記載の基板処理装置。
7. 前記保護プレートは、その上面の外周端部の一部に形成されて前記断熱構造体との間に部分的に広い間隙を生じさせる薄肉部を更に具備するに請求項３又は４に記載の基板処理装置。
8. 前記保護プレートの上面には、前記薄肉部の内周端から外周端に向って、前記薄肉部の内側と同じ高さを保って突出する突出部が形成され、前記ガス供給口は前記突出部の裏面に設けられた請求項７に記載の基板処理装置。
9. 請求項３に記載の基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、基板搬入工程と、基板処理工程と、基板搬出工程とを有し、前記基板処理工程では、前記第１パージガス供給機構と前記第２パージガス供給機構から成膜に影響しない所定量のパージガスを常時供給する半導体装置の製造方法。

Images