JP6980125B2

JP6980125B2 - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6980125B2
Application number: JP2020547622A
Authority: JP
Inventors: 周平西堂; 隆史佐々木; 秀成吉田
Original assignee: Kokusai Electric Corp
Current assignee: Kokusai Electric Corp
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2021-12-15
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Description

本開示は、半導体デバイスの製造工程における基板を処理する基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体デバイスの製造工程における基板（ウェハ）の熱処理では、例えば縦型基板処理装置が使用されている。縦型基板処理装置では、基板保持具によって複数の基板を垂直方向に配列して保持し、基板保持具を処理室内に搬入する。その後、処理室を加熱した状態で処理室内に処理ガスを導入し、基板に対して薄膜形成処理が行われる。

特許文献１には、基板保持具に保持された前記複数の被処理基板の配置領域よりも上方及び下方に、凹凸が形成されたガス分布調整部材を設けることが記載されている。そして、このガス分布調整部材は、表面積の異なる２種類を併用することが記載されている。

特許文献２には、トレンチにゲート酸化膜を堆積する際に、製品ウェハと同じ表面積のダミーウェハを使用することが記載されている。

特許文献３には、基板保持具の上部と底部周辺の表面積を増大させるガス分布調整手段により、処理ガスの消費量を基板保持具の上下方向中央部と揃え、基板間での膜厚の均一性を向上させるようにした縦型基板処理装置が開示されている。ガス分布調整手段として、（１）基板保持具の上部と底部に製品基板よりパターン倍率の高いパターンダミーを配置する例、（２）反応管の内面の上方領域と下方領域にサンドブラストにより凹凸を形成する例、（３）基板保持具の天板と底板にサンドブラストにより凹凸を形成する例が開示されている。

特開２０１７−２２２３３号公報特開２００８−４７７８５号公報特開２０１５−１７３１５４号公報

しかしながら、上述した特許文献１乃至３に記載の構成では、処理表面積の極めて大きなウェハを処理する際に、複数のウェハの間で膜厚均一性が悪くなる場合がある。特にウェハ配列領域の上下端部で急激に均一性が悪化することをローディングエフェクトと称する。これが発生すると、製品として取り出せるウェハの枚数が減り、生産性が下がってしまう。

本開示によれば、大表面積のウェハを複数枚並べて処理する際の複数のウェハの面間不均一性(ローディングエフェクト)を緩和し、処理の歩留まりを向上させて生産性を維持できる技術が提供される。

本開示の一態様によれば、複数の基板を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具と、上端を閉塞する天井と下方に基板保持具を出し入れ可能な開口とを備えて基板保持具を収容する反応管と、この反応管の上方及び側方を取り囲む炉体と、基板保持具を直接または間接に保持するとともに開口を塞ぐ蓋と、反応管内で基板保持具に保持された複数の基板のそれぞれの表側面に対して表側面に平行なガスの流れを提供するガス供給機構とを備えて構成し、基板保持具は、集積回路パターンが形成された製品基板もしくはモニター基板と、この製品基板もしくはモニター基板を挟む両側の位置に表面（表側面）にSi溶射層が形成されたダミー基板とを保持するように基板処理装置を構成する技術が提供される。

本開示によれば、大表面積のウェハを処理する際の面間不均一性(ローディングエフェクト)を緩和し、製品として取り出せるウェハの枚数を従来と比べて安定して増加させて、高い生産性を維持することができるようになる。

本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置の概略の構成を示す縦断面図である。本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置のクリーンユニットの概略構成を示す縦断面図である。本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置の移載室の概略構成を示す横断面図である。本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置の処理炉及び反応管の概略の構成を示す縦断面図である。本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置のコントローラの構成を示すブロック図である。従来の大表面積ウェハを処理した場合の積層したウェハの面間のラジカル分布の解析結果を示すグラフである。本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置におけるＳｉダミーウェハの被膜の積算細孔容積分布を示すグラフである。本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置における積層したウェハの面間のラジカル分布の解析結果を示すグラフである。本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置を用いて１ロット分のウェハ上に膜を形成する成膜処理のシーケンス例を示すフローチャートである。本開示の実施例１に係る縦型基板処理装置を用いて処理するSi溶射ダミーウェハの（a）平面図と(b)正面の断面図である。本開示」の実施例２に係る縦型基板処理装置において、ダミーウェハよりも径の小さいＳｉ溶射ウェハをトレー上に複数枚搭載した状態を示すトレーの斜視図である。

本開示は、大消費パターンウェハを処理する際に、上下のダミーウェハにSi溶射処理を施すことを特徴とする基板処理装置である。これにより、ダミーウェハの表面積を数十倍〜数百倍まで増大させることができる。また、Si溶射処理における溶射膜厚を変えることで、ダミーウェハの表面積を調整することを可能にし、ダミーウェハの表面積を、処理するプロダクトウェハの表面積と同等もしくはそれ以上とするようにした。

これにより、本開示による基板処理装置を、膜種や世代の異なるプロセスにも柔軟に対応することができるようにした。また、パターンウェハとダミーウェハの消費差によるローディングエフェクトを緩和し、面間均一性を改善するようにした。

また、本開示による基板処理装置は、Si溶射された小径ウェハをトレー上に複数枚搭載することを特徴とし、溶射膜厚は一定のまま、Si溶射ウェハの搭載する枚数を変えることでトレー上の見かけの表面積を調整するようにしたものである。

以下、本開示の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、本開示は以下に説明する実施例に限定されるものではなく，様々な変形例が含まれる。下記に説明する実施例は本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明するものであり，必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また，ある実施例の構成の一部を他の実施例に置き換えることが可能であり，また，ある実施例の構成に他の実施例を加えることも可能である。また，各実施例の構成の一部について，他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

図１〜図１０を用いて、実施例１に係る基板処理装置及び半導体装置の製造方法について説明する。
＜基板処理装置の全体構成＞
本実施形態において、基板処理装置は、半導体装置（デバイス）の製造方法にお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に示すように、処理装置１は、移載室１２４と、移載室１２４の上方に配置された処理炉２を有する。

処理炉２は、鉛直方向に延びた円筒形状の反応管４と、反応管４の外周に設置された第１加熱手段（炉体）としてのヒータ３（図４参照）とを備える。反応管４は、例えば石英やＳｉＣにより形成される。反応管４の内部には、基板としてのウェハ７を処理する処理室６が形成される。

反応管４の下端開口部には、円筒形のマニホールド５が、Ｏリング等のシール部材を介して連結され、反応管４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。マニホールド５の下端開口部は円盤状の図示していないシャッタまたは蓋部１２２によって開閉される。蓋部１２２は、例えば金属により円盤状に形成される。図示していないシャッタおよび蓋部１２２の上面にはＯリング等のシール部材が設置されており、これにより、反応管４内と外気とが気密にシールされる。

蓋部１２２上には、断熱部１４４が載置される。断熱部１４４は、例えば石英により形成される。断熱部１４４は、表面または内部に第２加熱手段（加熱機構）としてのキャップヒータ１４４ａを有する。キャップヒータ１４４ａは、処理室６の下方や後述するボート１２６の下部に保持された基板を加熱するよう構成される。断熱部１４４の上方には、基板保持部としてのボート１２６が設置される。ボート１２６は、天板１２６ａと、底板１２６ｃと、天板１２６ａと底板１２６ｃとの間に複数本設置された柱１２６ｂとで構成される。ボート１２６は、柱１２６ｂに複数段形成された溝にウェハ７を載置することにより、複数枚、例えば２５〜１５０枚のウェハ７を垂直方向に多段に支持する。ボート１２６は、例えば石英やＳｉＣより形成される。断熱部１４４とボート１２６により基板保持体１２７が構成される。基板処理の際、基板保持体１２７は、処理室６内に収納される。

断熱部１４４は、蓋部１２２を貫通する回転軸１２８に接続される。回転軸１２８は、蓋部１２２の下方に設置された回転機構１３０に接続されている。回転機構１３０によって回転軸１２８を回転させることにより、断熱部１４４およびボート１２６を回転させることができる。

移載室１２４内には、基板移載機１５６と、ボート１２６と、昇降機構としてのボートエレベータ１３２とが配置される。基板移載機１５６は、例えば５枚のウェハ７を取り出すことができるアーム（ツィーザ）１５６ａを有している。基板移載機１５６は、図示しない駆動手段によりアーム１５６ａを上下回転動作させることにより、ポッドオープナ１５８の位置に置かれたポッド１６０とボート１２６との間にて、ウェハ７を搬送させることが可能なように構成される。ボートエレベータ１３２は、蓋部１２２を上下に昇降させることにより、反応管４に対してボート１２６を搬入出させる。移載室１２４の構成の詳細については後述する。

処理装置１は、基板処理に使用されるガスを処理室６内に供給するガス供給機構１３４を備えている。ガス供給機構１３４が供給するガスは、成膜される膜の種類に応じて適宜換えられる。ガス供給機構１３４は、原料ガス供給部（原料ガス供給系）、反応ガス供給部（反応ガス供給系）および不活性ガス供給部（不活性ガス供給系）を含む。

原料ガス供給系は、ガス供給管９を備え、ガス供給管９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）１０および開閉弁であるバルブ１１が設けられている。ガス供給管９はマニホールド５の側壁を貫通するノズル８に接続される。ノズル８は、反応管４内に上下方向に沿って立設し、ボート１２６に保持されるウェハ７に向かって開口する複数の供給孔が形成されている。ノズル８の供給孔を通してウェハ７に対して原料ガスが供給される。

以下、同様の構成にて、反応ガス供給系からは、ガス供給管９、ＭＦＣ１０、バルブ１１およびノズル８を介して、反応ガスがウェハ７に対して供給される。不活性ガス供給系からは、ガス供給管１２、ＭＦＣ１３、バルブ１４およびノズル８を介して、反応ガスがウェハ７に対して供給される。

マニホールド５には、排気管１５が取り付けられている。排気管１５には、処理室６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１６および圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｒｅｓｓｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ１７を介して、真空排気装置としての真空ポンプ１８が接続されている。このような構成により、処理室６内の圧力を処理に応じた処理圧力とすることができる。

次に、本実施形態にかかる移載室１２４の構成について図１〜３を用いて説明する。

図２、３に示すように、移載室１２４は、天井、床および四方を囲う側壁１２０によって平面多角形状に構成され、例えば、平面四角形状（直方体）に構成される。移載室１２４の一側面には、第１送風部（第１ガス供給部）としてのクリーンユニット１６２が設置される。クリーンユニット１６２よりクリーンエア（清浄雰囲気）としてのガスが移載室１２４内に供給される。また、移載室１２４の周囲に位置する空間には、ガスを循環させるための循環路１７４が形成される。移載室１２４内に供給されたガスは、側面排気部１７２ａより排気され、循環路１７４を経由してクリーンユニット１６２より再び移載室１２４内に供給される。循環路１７４の途中には図示しないラジエタが設置され、ガスはラジエタを通過することにより冷却される。

クリーンユニット１６２は、上部クリーンユニット１６２ａと下部クリーンユニット１６２ｂとが上下に隣り合うように配置される。上部クリーンユニット１６２ａは、移載室１２４内、特にボート１２６に向けてガスを供給するよう構成される。下部クリーンユニット１６２ｂは、移載室１２４内、特に断熱部１４４に向けてガスを供給するよう構成される。以下、クリーンユニット１６２と称した場合は、上部クリーンユニット１６２ａを示す場合、下部クリーンユニット１６２ｂを示す場合、またはそれらの両方を示す場合を含む。

クリーンユニット１６２は、上流側から順に、送風部としてのファン１６４と、バッファ室としてのバッファエリア１６６と、フィルタ部１６８と、ガス供給口１７０とを有する。バッファエリア１６６は、ガス供給口１７０の全面からガスを均一に吹き出すための拡散空間である。フィルタ部１６８は、ガスに含まれるパーティクルを取り除くように構成される。ファン１６４、バッファエリア１６６、フィルタ部１６８、ガス供給口１７０は、上部クリーンユニット１６２ａ、下部クリーンユニット１６２ｂにそれぞれ備えられている。

クリーンユニット１６２の対面側の一側面には、側面排気部１７２ａとボートエレベータ１３２が設置される。上部クリーンユニット１６２ａから移載室１２４内に供給されたガスは、主に側面排気部１７２ａより排気され、循環路１７４を経由してクリーンユニット１６２より移載室１２４内に再び供給される。これにより、移載室１２４内の上部領域（ウェハ７領域）には、水平方向（ウェハ７と平行な方向）のガス流れ（サイドフロー）が形成される。

図３に示すように、移載室１２４の床面には、ボート１２６を挟んで一対の底面排気部１７２ｂが設けられている。底面排気部１７２ｂは、移載室１２４の一辺に沿って長方形状に形成される。下部クリーンユニット１６２ｂから移載室１２４内に供給されたガスは、主に底面排気部１７２ｂより排気され、循環路１７４を経由してクリーンユニット１６２より移載室１２４内に再び供給される。これにより、移載室１２４内の下部領域（断熱部１４４領域）には、垂直方向のガス流れ（ダウンフロー）が形成される。

図２及び図３に示すように、クリーンユニット１６２が設置される側面と対面する側面以外の側面には、第２送風部（第２ガス供給部）としてのガスパイプ１７６が設置される。例えば、ガスパイプ１７６は、クリーンユニット１６２が設置される側面に隣接する側面に設置される。本実施例では、ガスパイプ１７６は、移載室１２４内の基板移載機１５６とボート１２６を挟んで対面する位置（移載室１２４の側面とボート１２６との間の位置）に設置される。ガスパイプ１７６は、ボート１２６の最下段に載置される基板よりも下の領域に向けてガスを供給するよう構成される。好ましくは、ガスパイプ１７６は、ボート１２６最下段の基板と断熱部１４４との間の領域に向けてガスを供給するように構成される。

図２に示すように、ガスパイプ１７６は、移載室１２４内に水平方向に沿って横設され、基板保持体１２７に向かって開口する吹出し口１７６ａが形成されている。ガスパイプ１７６の吹出し口１７６ａを介して移載室１２４内、特に基板保持体１２７に対してガスが供給される。ガスとしては、例えば不活性ガスが挙げられる。ガスパイプ１７６は、移載室１２４内にガスを供給する移載室ガス供給機構１７８に接続される。移載室ガス供給機構１７８は、ガス供給管１３６ｃを備え、ガス供給管１３６ｃには、上流方向から順に、ＭＦＣ１３８ｃおよびバルブ１４０ｃが設けられている。

ガスパイプ１７６は、吹出し口１７６ａの高さ位置が、ボート１２６の最下段に保持される基板と断熱部１４４との間の高さ位置となるように設置される。図３に示すように、吹出し口１７６ａは複数の開孔により形成される。吹出し口１７６ａが偶数個の開孔で形成される場合、ウェハ７の中心線を挟んで左右に同数の開孔が形成される。吹き出し口１７６ｂが奇数個の開孔で形成される場合、ウェハ７の中心線上に１つの開孔を形成し、１つの開孔の左右に同数の開孔が形成される。本実施例においては、吹出し口１７６ａは、例えば直径１ｍｍ以下の開孔が５つ形成される。平面視において、吹出し口１７６ａは、ウェハ７の直径の範囲内の領域に形成される。言い換えれば、吹出し口１７６ａの開口（形成）範囲がウェハ７の直径の範囲内に収まるように形成される。このような構成により、吹出し口１７６ａから供給されるガスの主流の向きを、水平方向とすることができる。これにより、ボート１２６の最下段の基板と断熱部１４４との間の空間にガスの障壁（ガスカーテン）を形成することができ、ボート１２６側である上部雰囲気（ウェハ７領域の雰囲気）と断熱部１４４側である下部雰囲気（断熱部１４４領域の雰囲気）とをガスカーテンにより区切ることができる。

図１に示すように、回転機構１３０、ボートエレベータ１３２、基板移載機１５６、ガス供給機構１３４（ＭＦＣ１０，１３およびバルブ１１，１４）、ＡＰＣバルブ１７、クリーンユニット１６２、移載室ガス供給機構１７８（ＭＦＣ１３８ｃおよびバルブ１４０ｃ）には、これらを制御するコントローラ２９が接続される。コントローラ２９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の動作を制御するよう構成される。

処理炉２は、図４に示すように、後述する反応管４の筒部を加熱するために、上下方向に沿って配置されたメインヒータとしてのヒータ３を有する。ヒータ３は円筒形状であり、後述する反応管４の筒部（本実施形態では側部）の周囲に上下方向に沿って配置されている。ヒータ３は、上下方向に複数に分割された複数のヒータユニットで構成されている。本実施形態では、ヒータ３は、上方から下方に向かって順にアッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅと、を備えている。ヒータ３は、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、基板処理装置１の設置床に対して垂直に据え付けられている。

アッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅは、電力調整器７０にそれぞれ電気的に接続されている。電力調整器７０は、コントローラ２９に電気的に接続されている。コントローラ２９は、電力調整器７０によって各ヒータへの通電量を制御する温度コントローラとしての機能を有する。コントローラ２９によって、電力調整器７０の通電量が制御されることで、アッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅの温度がそれぞれ制御されるようになっている。ヒータ３は、後述するようにガスを熱で活性化（励起）させる活性化機構（励起部）としても機能する。

ヒータ３の内側に、反応容器（処理容器）を構成する反応管４が配設されている。反応管４は、例えば石英（ＳｉＯ₂）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管４は、下端のフランジ部４Ｃにおいて互いに結合した外管４Ａと内管４Ｂとを有する２重管構造とされている。言い換えると、外管４Ａと内管４Ｂは、それぞれ円筒状に形成されており、外管４Ａの内部に内管４Ｂが配置されている。外管４Ａには、上端が閉じられた天井部７２が設けられている。また、内管４Ｂには、上端が閉じられた天井７４が設けられており、内管４Ｂの下端は開口している。天井７４は、内面が平坦な形状とされている。外管４Ａは、内管４Ｂの上方及び側方を取り囲むように配置されている。

外管４Ａの下部には、フランジ部４Ｃが設けられている。フランジ部４Ｃは、外管４Ａよりも大きな外径を有し、外側へ突出している。反応管４の下端寄りには、外管４Ａ内と連通する排気ポート４Ｄが設けられる。これらを含む反応管４全体は単一の材料で一体に形成される。外管４Ａは、内側を真空にしたときの圧力差に耐えうるように、比較的肉厚に構成されている。

処理炉２は、ヒータ３の上部側に、外管４Ａの天井部７２の斜め上方側及び上方側を覆うように配置された側部断熱体７６及び上部断熱体７８を有している。一例として、円筒状の側部断熱体７６がヒータ３の上部に設けられており、上部断熱体７８が側部断熱体７６に架け渡された状態で側部断熱体７６に固定されている。これにより、処理炉２は、反応管４の上方及び側方を取り囲む構成とされている。

外管４Ａの天井部７２の上方側であって、上部断熱体７８の下壁部には、反応管４の外管４Ａの天井部７２及び内管４Ｂの天井７４を加熱する天井ヒータ８０が設けられている。本実施形態では、天井ヒータ８０は、外管４Ａの外側に設けられている。天井ヒータ８０は、電力調整器７０に電気的に接続されている。コントローラ２９は、電力調整器７０によって天井ヒータ８０への通電量を制御する。これにより、天井ヒータ８０の温度は、アッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅの温度とは独立して制御されるようになっている。

マニホールド５は、円筒又は円錐台形状で金属製又は石英製であり、反応管４の下端を支えるように設けられている。マニホールド５の内径は、反応管４の内径（フランジ部４Ｃの内径）よりも大きく形成されている。これにより、反応管４の下端（フランジ部４Ｃ）と後述するシールキャップ１９との間に後述する円環状の空間を形成される。この空間もしくはその周辺の部材を炉口部と総称する。

内管４Ｂは、排気ポート４Ｄよりも反応管の奥側で、その側面において内側と外側を連通させる主排気口４Ｅを有し、また、主排気口４Ｅと反対の位置において供給スリット４Ｆを有する。主排気口４Ｅは、基板としてのウェハ７が配置されている領域に対して開口する単一の縦長の開口としてもよいし、円周方向に延びた複数のスリットとしてもよい（図１参照）。供給スリット４Ｆは、円周方向に伸びたスリットであり、各ウェハ７に対応するように垂直方向に複数並んで設けられている。

外管４Ａと内管４Ｂの間の排気空間Ｓには、供給スリット４Ｆの位置に対応させて、原料ガス等の処理ガスを供給する1本以上のノズル８が設けられている。ノズル８には、処理ガス（原料ガス）を供給するガス供給管９がマニホールド５を貫通してそれぞれ接続されている。ノズル８から出た処理ガスは、各ウェハ７の端から端へ横断するように、各ウェハ７の隙間（最上段のウェハにあっては、ボート天板２１Ｂとの隙間）をウェハ７の表側面に平行に流れる。

それぞれのガス供給管９の流路上には、上流方向から順に、流量制御器であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０および開閉弁であるバルブ１１が設けられている。バルブ１１よりも下流側では、不活性ガスを供給するガス供給管１２がガス供給管９に接続されている。ガス供給管１２には、上流方向から順に、ＭＦＣ１３およびバルブ１４が設けられている。主に、ガス供給管９、ＭＦＣ１０、バルブ１１により、処理ガス供給系であるガス供給機構が構成される。

ノズル８は、ガス供給空間Ｓ１内に、反応管４の下部から立ち上がるように設けられている。ノズル８の側面や上端には、ガスを供給する１ないし複数のノズル孔８Ｈが設けられている。複数のノズル孔８Ｈは、供給スリット４Ｆのそれぞれの開口に対応させて、反応管４の中心を向くように開口させることで、内管４Ｂを通り抜けてウェハ７に向けてガスを噴射することができる。

排気ポート４Ｄには、処理室６内の雰囲気を排気する排気管１５が接続されている。排気管１５には、処理室６内の圧力を検出する圧力検出器（圧力計）としての圧力センサ１６および圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ１７を介して、真空排気装置としての真空ポンプ１８が接続されている。ＡＰＣバルブ１７は、真空ポンプ１８を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室６内の真空排気および真空排気停止を行うことができる。更に、ＡＰＣバルブ１７は、真空ポンプ１８を作動させた状態で、圧力センサ１６により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室６内の圧力を調整することができるように構成される。主に、排気管１５、ＡＰＣバルブ１７、圧力センサ１６により、排気系が構成される。真空ポンプ１８を排気系に含めて考えてもよい。

マニホールド５の下方には、マニホールド５の下端の開口９０を気密に閉塞可能な蓋としてのシールキャップ１９が設けられている。すなわち、シールキャップ１９は、反応管４の外管４Ａを塞ぐ蓋（シャッター）としての機能を有する。シールキャップ１９は、例えばステンレスやニッケル基合金等の金属からなり、円板状に形成されている。シールキャップ１９の上面には、マニホールド５の下端と当接するシール部材としてのＯリング１９Ａが設けられている。

また、シールキャップ１９の上面には、マニホールド５の下端内周より内側の部分に対し、シールキャップ１９を保護するカバープレート２０が設置されている。カバープレート２０は、例えば、石英、サファイヤ、またはＳｉＣ等の耐熱耐蝕性材料からなり、円板状に形成されている。カバープレート２０は、機械的強度が要求されないため、薄い肉厚で形成されうる。カバープレート２０は、シールキャップ１９と独立して用意される部品に限らず、シールキャップ１９の内面にコーティングされた或いは内面が改質された、窒化物等の薄膜或いは層であってもよい。カバープレート２０はまた、円周の縁からマニホールド５の内面に沿って立ち上がる壁を有しても良い。

反応管４の内管４Ｂの内部には、基板保持具としてのボート２１（図１のボート１２６に対応）が収容されている。ボート２１は、直立した複数の支柱２１Ａと、複数の支柱２１Ａの上端を互いに固定する円板状のボート天板２１Ｂと、を備えている。ここで、ボート天板２１Ｂは、天板の一例である。なお、本実施形態では、ボート２１は、複数の支柱２１Ａの下端部に円環状の底板２１Ｃを備えているが、これに代えて、円板状の底板を設けてもよい。

ボート２１は、例えば２５〜２００枚のウェハ７を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持する。そこではウェハ７は、一定の間隔を空けて配列させる。ボート２１は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で形成されている。

反応管４の内管４Ｂは、ボート２１を安全に搬入出可能な最小限の内径を有することが望ましい。本実施形態では、例えば、ボート天板２１Ｂの直径は、内管４Ｂの内径の９０％以上９８％以下に設定されるか、又は、ボート２１に保持されたウェハ７間のギャップは、例えば、６ｍｍ以上１６ｍｍ以下に設定されている。ここで、ボート天板２１Ｂの直径は、内管４Ｂの内径の９０％以上９８％以下が好ましく、９２％以上９７％以下がより好ましく、９４％以上９６％以下がさらに好ましい。

ボート天板２１Ｂの直径が、内管４Ｂの内径の９０％以上とされることで、ボート天板２１Ｂの縁と内管４Ｂとの隙間を狭くすることができ、拡散によるガス移動（特にボート天板２１Ｂ上からウェハ７側へ後述する余剰ラジカルが流入すること）を抑制することができる。また、ボート天板２１Ｂの直径が、内管４Ｂの内径の９８％以下とされることで、ボート２１を内管４Ｂから安全に搬入出することができる。

また、ウェハ７間のギャップは、６ｍｍ以上１６ｍｍ以下が好ましく、７ｍｍ以上１４ｍｍ以下がより好ましく、８ｍｍ以上１２ｍｍ以下がさらに好ましい。ウェハ７間のギャップが、６ｍｍ以上とされることで、隣り合うウェハ７の間をガスがスムーズに流れる。また、ウェハ７間のギャップが１６ｍｍ以下とされることで、より多くのウェハ７を処理することができる。

さらに、本実施形態では、ボート天板２１Ｂによって他と仕切られた、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積は、例えば、ボート２１に保持された互いに隣接する（隣り合う）ウェハ７に挟まれた空間の容積の、１倍以上３倍以下となるように設定されている。

ここで、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積は、互いに隣接するウェハ７に挟まれた空間の容積の１倍以上３倍以下が好ましく、１倍以上２．５倍以下がより好ましく、１倍以上２倍以下がさらに好ましい。すなわち、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積は小さいほど好ましい。ただし、ガスが主排気口４Ｅにスムーズに流れることが求められる。

天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積が、ボート２１に保持された互いに隣接するウェハ７に挟まれた空間の容積の３倍以下とされることで、ガス余りの絶対量が少なくなる。また、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積が、ボート２１に保持された互いに隣接するウェハ７に挟まれた空間の容積の１倍以上とされることで、ガスが主排気口４Ｅにスムーズに流れる。

ボート２１の下部には後述する断熱アセンブリ（断熱構造体）２２が配設されている。断熱アセンブリ２２は、上下方向の熱の伝導或いは伝達が小さくなるような構造を有し、通常、内部に空洞を有する。内部は軸パージガスによってパージされうる。反応管４において、ボート２１が配置されている上部分をウェハ７の処理領域Ａ、断熱アセンブリ２２が配置されている下部分を断熱領域Ｂと呼ぶ。

シールキャップ１９の処理室６と反対側には、ボート２１を回転させる回転機構２３（図１の回転機構１３０に対応）が設置されている。回転機構２３には、軸パージガスのガス供給管２４が接続されている。ガス供給管２４には、上流方向から順に、ＭＦＣ２５およびバルブ２６が設けられている。このパージガスの１つの目的は、回転機構２３の内部（例えば軸受け）を、処理室６内で用いられる腐食性ガスなどから守ることである。パージガスは、回転機構２３から回転軸６６（図１の回転軸１２８に対応）に沿って供給され、断熱アセンブリ２２内に導かれる。

ボートエレベータ２７（図１の１３２に対応）は、反応管４の外部下方に垂直に備えられ、シールキャップ１９を昇降させる昇降機構（搬送機構）として動作する。これにより、シールキャップ１９に支えられたボート２１およびウェハ７が、処理室６内外に搬入出される。なお、シールキャップ１９が最下位置に降りている間、シールキャップ１９の代わりに反応管４の下端開口を塞ぐシャッタ（不図示）を設けることもできる。

外管４Ａの側部の外壁若しくは内管４Ｂの内側には、反応管４の内部の温度を検出する処理空間温度センサとしての温度センサ（温度検出器）２８が設置されている。温度センサ２８は、例えば、上下に並んで配列された複数の熱電対によって構成される。図示を省略するが、温度センサ２８は、コントローラ２９に電気的に接続されている。温度センサ２８により検出された温度情報に基づき、コントローラ２９は、電力調整器７０によってアッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅへの通電量をそれぞれ調整することで、処理室６内の温度が所望の温度分布となる。

また、外管４Ａの天井部７２の外壁には、反応管４内の上部の温度を検出する上端空間温度センサとしての温度センサ（温度検出器）８２が設置されている。温度センサ８２は、例えば、水平方向に並んで配列された複数の熱電対によって構成される。図示を省略するが、温度センサ８２は、コントローラ２９に電気的に接続されている。温度センサ８２により検出された温度情報に基づき、コントローラ２９は、電力調整器７０によって天井ヒータ８０への通電量を調整することで、処理室６内の上部の温度が所望の温度分布となる。

図１に示されているように、移載室１２４にはパーティクルを測定するために捕集する測定口である空間パーティクル測定口（以下、パーティクル測定口）４００が設置され、当該パーティクル測定口４００はチューブ４０１でパーティクルを計測するためのカウンタである空間パーティクルカウンタ（以下、パーティクルカウンタ）４０２につながれている。空間に漂うパーティクルを測定する測定器としてのパーティクル測定器はパーティクル測定口４００、チューブ４０１およびパーティクルカウンタ４０２によって構成される。さらに、パーティクルカウンタ４０２は、後述するコントローラ２９と接続されている。

パーティクルカウンタ４０２は内部にポンプを備えており、パーティクル測定口４００から周辺の雰囲気を吸い込んでいる。コントローラ２９は、ボート２１が処理炉２内から下降し始める時、すなわち、シールキャップ１９が処理炉２の下端部から離れて炉口６１が開放される時にパーティクルカウンタ４０２に「測定開始」の信号を送る。パーティクルカウンタ４０２はコントローラ２９から「測定開始」信号を受信すると、測定開始時前に記憶していたパーティクル数を０（ゼロ）にリセットした後、吸い込んだ雰囲気中に含まれるパーティクル数を検出し、その数を累積カウントし、累積パーティクル数として記録する。また、コントローラ２９は、パーティクルカウンタ４０２から送られてくるパーティクル数を入出力装置２２２（図５参照）の表示画面（以下、画面）に表示するようにしてもよい。

このパーティクルカウンタ４０２で、冷却ガスの供給中にその下流で測定を行う。コントローラ２９は、ボート２１に収納された溶射被膜が形成されたダミーウェハを横切った冷却ガスからパーティクルカウンタ４０２が測定したパーティクルが規定値を超えた時に、所定の記録動作、報告動作あるいは当該ダミーウェハをボート２１から取り除く動作を行う。つまり、溶射被膜の表面形状は極めてランダムであるため、その上に成膜されたSiN膜が容易に剥離するような特異な局所形状をしている可能性が否定できない。したがって、実際に成膜を行って、パーティクルを発生させやすいダミーウェハを見極めて除外することが有効である。

コントローラ２９は、図５に示すように、ＭＦＣ１０、１３、２５、１３８ｃ、バルブ１１、１４、２６、１４０ｃ、圧力センサ１６、ＡＰＣバルブ１７、真空ポンプ１８、回転機構２３、１３０、ボートエレベータ１３２（図４のボートエレベータ２７に相当）等の各構成と電気的に接続され、それらを自動制御する。また、コントローラ２９は、ヒータ３（アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ）、天井ヒータ８０、キャップヒータ３４（図１のキャップヒータ１４４ａに相当）、温度センサ２８、８２等の各構成と電気的に接続され、それらを自動制御する。図示を省略するが、コントローラ２９は、電力調整器７０を介してヒータ３（アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ）、天井ヒータ８０、キャップヒータ３４とそれぞれ電気的に接続されている。

コントローラ２９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８を備えたコンピュータとして構成される。ＲＡＭ２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８は、内部バス２２０を介して、ＣＰＵ２１２とデータ交換可能なように構成される。Ｉ／Ｏポート２１８は、上述の各構成に接続されている。コントローラ２９には、例えばタッチパネル等との入出力装置２２２及び外部記憶装置２２４が接続されている。

記憶装置２１６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２１６内には、基板処理装置１の動作を制御する制御プログラムや、処理条件に応じて基板処理装置１の各構成に成膜処理等を実行させるためのプログラム（プロセスレシピやクリーニングレシピ等のレシピ）が読み出し可能に格納されている。ＲＡＭ２１４は、ＣＰＵ２１２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。

ＣＰＵ２１２は、記憶装置２１６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２２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２１６からレシピを読み出し、レシピに沿うように各構成を制御する。

コントローラ２９は、外部記憶装置（例えば、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＨＤＤ）２２４に持続的に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置２１６や外部記憶装置２２４は、コンピュータ読み取り可能な有体の媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置２２４を用いず、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。

コントローラ２９は、個々のダミー基板の使用履歴を管理する。つまりダミー基板のそれぞれについて、前記基板保持具に保持されて前記製品ウェハとともに処理された履歴を、膜厚の累積値として保持する。そして、前記累積値が規定値を超えた時に所定の記録動作、報告動作あるいは当該ダミーウェハを前記基板保持具から取り除く動作を行う。

このような構成において、ウェハ７として大表面積ウェハ（表側の表面に凹凸状の集積回路パターンが形成されて表面積が、例えば、平坦な表面のベアウェハの１００倍）を従来の方法で処理した際の面間のラジカル分布の解析結果を図６に示す。これは膜厚分布と相関がある。縦型装置では通常、製品として使用するウェハ７（プロダクトウェハ６１０）の他に、ボート１２６の上下端に製品として使用しないダミーウェハ６２０を数枚装填してプロセスを行う。これは主にプロダクトウェハ６１０の温度の均一性を保つためである。本例ではプロダクトウェハ６１０は、スロット８〜１０７に装填され、それらの両端にはそれぞれ７〜８枚のダミーウェハ６２０がプロダクトウェハ６１０と同じ間隔で装填される。

図６に示した従来の方法では、プロダクトウェハ６１０（表面に回路パターンが形成されたウェハ：以下、パターンウェハと記す）の上下端においてラジカルの分圧が上昇し、均一性が悪化していることが分かる。この原因は、パターンウェハ６１０上は表面積が大きくラジカルの消費が激しいために気相中のラジカル濃度は低くなる一方で、表面積が小さいダミーウェハ６２０上では消費が少ないため気相中のラジカル濃度は高いためである。

そして、このような極端な濃度差がついているパターンウェハ６１０とダミーウェハ６２０が隣り合う領域では、気相中の濃度拡散が発生しラジカル濃度差を緩和する方向に働く。そのためプロダクトウェハ６１０の上下端では必然的に濃度が高く（膜厚が厚く）なり、均一性を悪化させてしまう。このようにして、ラジカルの消費がほとんどないダミーウェハ６２０と、消費が激しいパターンウェハ６１０（表面積に比例する）の差によってローディングエフェクトが発生する
そのための対策のひとつとして、既存のダミーウェハ６２０ではなく、ダミーウェハにSi溶射処理を施すことによってダミーウェハ上の表面積を増大させることが考えられる。ダミーウェハの表面積をパターンウェハと同等かもしくはそれ以上とすることによって、両者の消費差をなくしてローディングエフェクトを緩和することができる。ただし、例えばダミーウェハ表面を粗面化しただけでは、表面積はベアウェハの数倍程度にしかならず、大表面積のパターンウェハには対応できない。これに対して、本手法のSi溶射処理を用いれば、ベアウェハの数十倍〜数百倍まで表面積を増大することができる。

［Si溶射ダミーウェハの作り方］
ダミーウェハは、一般的に、デバイス製造過程等で生じる不良ウェハを再研磨して用意されることが多い。本実施例のSi溶射ダミーウェハ８２０（図１０参照）も、そのようなダミーウェハ（ベアーダミー）を材料とすることができる。本実施例のSi溶射ダミーウェハは、まず、単結晶Siウェハであるベアーダミー８２１の表側面に、Si溶射によりSi溶射被膜８２２を形成する。溶射には大きく分けて、原料を溶解し溶滴（微粒子）にして吹き付けるサーマルスプレーと、固体の粉体を臨界速度以上で吹き付けるコールドスプレーがあり、いずれも利用できる。

このとき、Si溶射ダミーウェハ８２０のSi溶射被膜８２２中の気孔が連続細孔となり、かつ大表面積を得るために適度に高い気孔率となる条件で安定して溶射が行われる必要がある。この点において、溶射は低温で行われた方が、微粒子が基材にたたきつけられて扁平化したスプラットが過度に密着しないので好ましい場合がある。このように形成された多孔質膜は、表面に開口した連続細孔に富んでおり、その表面積が膜厚（体積）に比例し、この比例定数は比表面積と呼ばれる。

Si溶射によるSi溶射被膜８２２を形成後、Si溶射ダミーウェハ８２０は、製品ウェハ８１０（パターンウェハ６１０に相当）と類似した洗浄（例えば改良型ＲＣＡ洗浄）及び乾燥が行われ、更に必要に応じてウェハ表面検査装置等による異物（パーティクル）検査を行う。

なお、製品ウェハ８１０への成膜の際のラジカル消費をできるだけ忠実に再現しようとすると、Si溶射ダミーウェハ８２０の被膜中の細孔の径を、製品ウェハ８１０のパターンの寸法（ヴィアの直径やトレンチの幅）に対応させた方が良い場合がある。例えば３ＤＮＡＮＤで用いられるヴィア直径は５０nm以下である。一方で、Si溶射により形成する溶射被膜の細孔の径は、溶射する微粒子のサイズによってある程度制御できる。

図７に、Si溶射ダミーウェハ８２０に形成された、好ましいSi溶射被膜８２２の積算細孔容積分布７０１の例を示す。製品ウェハ８１０のパターンのスケールを５０nmとしたときに、積算細孔容積は約４０％となっている。このように、積算細孔容積分布７０１において全容積の２５％から７５％に相当する細孔直径の範囲に、製品ウェハ８１０が有するヴィアの直径もしくはトレンチの幅が収まっていることが望ましい。７５％の積算容積に対応する細孔直径が、パターンのサイズに比べて小さいと、細孔が小さすぎるために細孔の閉塞が起こりやすいだけでなく、毛管凝縮のような別の現象が起こって、製品ウェハ８１０を模擬できなくなる恐れがある。他方、２５％の積算容積に対応する細孔直径が、パターンのサイズに比べて大きいと、細孔が大きすぎるために、忠実に模擬できなくなる恐れがある。

あるいは、Si溶射による溶射被膜にフッ化水素酸水溶液中での陽極化成による多孔質化を施し、製品ウェハ８１０上に形成されたパターンと同等のスケールのメソ孔を形成してもよい。この場合、表面積Sは下記の式で表現される：
S = S_s0 * t_s * (1 + S_p0 * t_p),
ここで、t_s は溶射処理時間、S_s0は溶射によって単位時間に形成される表面積、t_s は陽極化成時間、S_p0は陽極化成によって短時間に増加する表面積であり、S_s0 とS_p0は経験的に得られる。

［成膜シミュレーション］
Si溶射ダミーウェハ８２０と回路パターンが形成された製品ウェハ８１０の表面積を同じにした場合の面間のラジカル分布の解析結果を図８に示す。この計算は実機よりもシンプルなモデルで実施しているが、Si溶射ダミーウェハ８２０と製品ウェハ８１０の消費差がなければ上下端でもフラットとなり、面間のラジカル分布が均一となっていることが示されている。ラジカル濃度差が抑えられることにより、ローディングエフェクトも解消されうる。供給律速のＣＶＤでない限り、ラジカル分圧が直ちに膜厚に比例するわけではないが、この濃度差は例えば５％以内であることが望ましい。
実際の装置では、ボート天板と反応管の間の空間に高濃度のラジカルが存在するなどの影響により、製品ウェハ８１０よりも少し大きめな表面積のSi溶射ダミーウェハ８２０とした方が均一性は良好となる場合もある。

本手法のSi溶射層は、溶射膜厚と表面積がほぼ比例しているため、溶射膜厚が厚いほど表面積が大きくなる。すなわち溶射膜厚を変えることで表面積を自由に調整することができる。したがって膜種や世代によって表側面に形成されるパターンが変わることにより製品ウェハ８１０の表面積が変わるような場合でも、それに合わせて柔軟に対応することができる。

［１ロット（バッチ）分の成膜処理手順］
次に、上記の基板処理装置１を用い、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、１ロット分のウェハ７上に膜を形成する処理（以下、成膜処理ともいう）のシーケンス例について、主に図４に示した構成に基づいて、図９を用いて説明する。

（ウェハチャージおよびボートロード）：Ｓ９０１
ボート２１（図１のボート１２６）には、ウェハ７を保持可能なすべての位置に、パターンが形成された複数のプロダクトウェハが保持されている。複数枚のウェハ７がボート２１に装填（ウェハチャージ）されると、ボート２１は、ボートエレベータ２７（図１のボートエレベータ１３２）によって処理室６内に搬入（ボートロード）される。このとき、シールキャップ１９は、Ｏリング１９Ａを介してマニホールド５の下端を気密に閉塞（シール）した状態となる。ウェハチャージする前のスタンバイの状態から、バルブ２６を開き、円筒部３９内へ少量のパージガスが供給されうる。

（圧力調整）：Ｓ９０２
処理室６内、すなわち、ウェハ７が存在する空間が所定の圧力（真空度）となるように、真空ポンプ１８によって真空排気（減圧排気）される。この際、処理室６内の圧力は、圧力センサ１６で測定され、この測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ１７が、フィードバック制御される。円筒部３９内へのパージガス供給及び真空ポンプ１８の作動は、少なくともウェハ７に対する処理が終了するまでの間は維持する。

（昇温工程）：Ｓ９０３
処理室６内から酸素等が十分排気された後、処理室６内の昇温が開始される。処理室６が成膜に好適な所定の温度分布となるように、温度センサ２８が検出した温度情報に基づきヒータ３（アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ）への通電量がフィードバック制御される。また、温度センサ８２が検出した温度情報に基づき天井ヒータ８０への通電量がフィードバック制御される。

ヒータ３（アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ）、天井ヒータ８０及びキャップヒータ３４による処理室６内の加熱は、少なくともウェハ７に対する処理（成膜）が終了するまでの間は継続して行われる。キャップヒータ３４への通電期間は、ヒータ３による加熱期間と一致させる必要はない。成膜が開始される直前において、キャップヒータ３４の温度は、成膜温度と同温度に到達し、マニホールド５の内面温度は１８０℃以上（例えば２６０℃）に到達していることが望ましい。

また、回転機構２３によるボート２１およびウェハ７の回転を開始する。回転機構２３により、回転軸６６、回転台３７、円筒部３９を介してボート２１が回転されることで、キャップヒータ３４は回転させずにウェハ７を回転させる。これにより加熱のむらが低減される。回転機構２３によるボート２１およびウェハ７の回転は、少なくとも、ウェハ７に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。

（成膜工程）：Ｓ９０４
Ｓ９０３で処理室６内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、成膜工程Ｓ９０４でステップ１：Ｓ９０４１〜ステップ４：Ｓ９０４４を繰り返し実行する。なお、ステップ１：Ｓ９０４１を開始する前に、バルブ２６を開き、パージガス（Ｎ_２）の供給を増加させてもよい。

［ステップ１：原料ガス供給工程］：Ｓ９０４１
ステップ１では、処理室６内のウェハ７に対し、ＨＣＤＳガスを供給する。バルブ１１を開くと同時にバルブ１４を開き、ガス供給管９内へＨＣＤＳガスを、ガス供給管１２内へＮ_２ガスを流す。ＨＣＤＳガスおよびＮ_２ガスは、それぞれＭＦＣ１０、１３により流量調整され、ノズル室４２を介して処理室６内へ供給され、排気管１５から排気される。ウェハ７に対してＨＣＤＳガスを供給することにより、ウェハ７の最表面上に、第１の層として、例えば、シリコン（Ｓｉ）含有膜が形成される。

［ステップ２：原料ガス排気工程］：Ｓ９０４２
第１の層が形成された後、バルブ１１を閉じ、ＨＣＤＳガスの供給を停止する。このとき、ＡＰＣバルブ１７は開いたままとして、真空ポンプ１８により処理室６内を真空排気し、処理室６内に残留する未反応もしくは第１の層の形成に寄与した後のＨＣＤＳガスを処理室６内から排出する。また、バルブ１４やバルブ２６を開いたままとして、供給されたＮ２ガスは、ガス供給管９や反応管４内、炉口部をパージする。

［ステップ３：反応ガス供給工程］：Ｓ９０４３
ステップ３では、処理室６内のウェハ７に対してＮＨ_３ガスを供給する。バルブ１１、１４の開閉制御を、ステップ１におけるバルブ１１、１４の開閉制御と同様の手順で行う。ＮＨ_３ガスおよびＮ_２ガスは、それぞれＭＦＣ１０、１３により流量調整され、ノズル室４２を介して処理室６内へ供給され、排気管１５から排気される。ウェハ７に対して供給されたＮＨ_３ガスは、ステップ１でウェハ７上に形成された第１の層、すなわちＳｉ含有層の少なくとも一部と反応する。これにより第１の層は窒化され、ＳｉおよびＮを含む第２の層、すなわち、シリコン窒化層（ＳｉＮ層）へと変化（改質）される。

［ステップ４：反応ガス排気工程］：Ｓ９０４４
第２の層が形成された後、バルブ１１を閉じ、ＮＨ_３ガスの供給を停止する。そして、ステップ１と同様の処理手順により、処理室６内に残留する未反応もしくは第２の層の形成に寄与した後のＮＨ３ガスや反応副生成物を処理室６内から排出する。

以上の４つのステップＳ９０４１からＳ９０４４までを非同時に、すなわち、オーバーラップさせることなく行うサイクルを所定回数（ｎ回）行うことにより、ウェハ７上に、所定組成および所定膜厚のＳｉＮ膜を形成することができる（Ｓ９０４５）。

上述の成膜工程：Ｓ９０４におけるステップＳ９０４１からＳ９０４４までのシーケンスの処理条件としては、例えば、
処理温度（ウェハ温度）：２５０〜７００℃、
処理圧力（処理室内圧力）：１〜４０００Ｐａ、
ＨＣＤＳガス供給流量：１〜２０００ｓｃｃｍ、
ＮＨ_３ガス供給流量：１００〜１００００ｓｃｃｍ、
Ｎ_２ガス供給流量（ノズル）：１００〜１００００ｓｃｃｍ、
Ｎ_２ガス供給流量（回転軸）：１００〜５００ｓｃｃｍ、
が例示される。それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある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可能となる。

ＨＣＤＳ等の熱分解性ガスは、石英よりも金属の表面において副生成物の膜を形成しやすい場合がある。ＨＣＤＳ（及びアンモニア）に晒された表面は、特に２６０℃以下のときにＳｉＯ、ＳｉＯＮなどが付着しやすい。

（パージおよび大気圧復帰）：Ｓ９０５
成膜処理が完了した後、バルブ１４を開き、ガス供給管１２からＮ_２ガスを処理室６内へ供給し、排気管１５から排気する。これにより、処理室６内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、残留する原料や副生成物が処理室６内から除去（パージ）される。その後、ＡＰＣバルブ１７が閉じられ、処理室６内の圧力が常圧になるまでＮ_２ガスが充填される（大気圧復帰）。

（ボートアンロードおよびウェハディスチャージ）：Ｓ９０６
ボートエレベータ２７によりシールキャップ１９が下降され、マニホールド５の下端が開口される。そして、処理済のウェハ７が、ボート２１に支持された状態で、マニホールド５の下端から反応管４の外部に搬出される（ボートアンロード）。処理済のウェハ７は、ボート２１より取出される。

上述の成膜処理を行うと、加熱されていた反応管４内の部材の表面、例えば、外管４Ａの内壁、ノズル８の表面、内管４Ｂの表面、ボート２１の表面等に、窒素を含むＳｉＮ膜等が堆積し、薄膜を形成しうる。そこで、これらの堆積物の量、すなわち、累積膜厚が、堆積物に剥離や落下が生じる前の所定の量（厚さ）に達したところで、クリーニング処理が行われる。クリーニング処理は、反応管４内へフッ素系ガスとして例えばＦ_２ガスを供給することで行われる。

（降温工程）：：Ｓ９０７
基板保持体１２７の移載室１２４への搬出が完了すると、ウェハ７が所定の温度になるまで移載室１２４内でウェハ７を降温（冷却）させる。この時、クリーンユニット１６２からは第１の流速および第１の流量でのガス供給が継続され、ガスパイプ１７６からは第１の流速より大きい第３の流速および第１の流量より小さく、第２の流量より大きい第３の流量で基板保持体１２７にガスが供給される。ここで、所定の温度とは、ウェハ７を搬出可能な温度であり、ツィーザ１５６ａまたはポッド１６０の耐熱温度以下の温度である。

第３の流速は、例えば２０〜４０ｃｍ／ｓであり、第３の流量は、例えば１５〜７０Ｌ／ｍｉｎである。第３の流速が２０ｃｍ／ｓより小さい場合、または、第３の流量が１５Ｌ／ｍｉｎより小さい場合、ボート２１最下段のウェハ７と断熱部１４４との間の領域に水平なガスの流れを形成することができない。第３の流速が４０ｃｍ／ｓより大きい場合、または、第３の流量が７０Ｌ／ｍｉｎより大きい場合、ウェハ７が振動してしまう。

ボートアンロード時に、冷却ガスでウェハ７やボート２１、断熱アセンブリを冷却する。その際、ダミー基板が強い気流にさらされると、急激な冷却による膜剥がれやパーティクルが発生する可能性があるため、流速を下げるように冷却ガスの供給量を制御することができる。

［Si溶射ダミーを持続的に使用するための管理］
Si溶射ダミーウェハ８２０は、成膜されたSiN等によって細孔が徐々に塞がれ、表面積が減少する。N枚のウェハを搭載できるボート２１において、それぞれの搭載位置を、一番上からSlot N, Slot N-1, Slot N-2,…とするとき、例えば、Slot Nには使用回数がn回以下のウェハを、Slot N-1には使用回数がn+1回以上2n回以下のウェハを、Slot N-2には使用回数が2n+1回以上3n回以下のウェハを、Slot N-iには使用回数がi * n+1回以上(i + 1) *n回以下のウェハを搭載する。ここで、nは１つの搭載位置に搭載したまま繰り返し使用できる回数、iは０から始まるインデックスである。

ボート２１の上側のSi溶射ダミーウェハ８２０の枚数を４枚とすると、ボートダウン時に、Slot N-3に使用回数が4nに達したSi溶射ダミーウェハ８２０があるとき、移載機は、そのSi溶射ダミーウェハ８２０をボート２１から取り出して所定の収容器に移載し、Slot NからSlot N-2にあるSi溶射ダミーウェハ８２０を、一段下のSlot N-1からSlot N-3にそれぞれ移し替える。そしてSlot Nには、新たなSi溶射ダミーウェハ８２０を搭載する。

ボート２１の下側のSi溶射ダミーウェハ８２０についても同様である。なお使用回数又は表面積の減少が所定以上になったものを副ダミーウェハとし、Si溶射ダミーウェハ８２０をダミーウェハと副ダミーウェハの２つにグループ化して管理してもよい。
なおここでは、製品ウェハ８１０からより遠いところに使用回数のより少ないSi溶射ダミーウェハ８２０を配置したが、その逆に、製品ウェハ８１０からより近いところに使用回数のより少ないSi溶射ダミーウェハ８２０を配置してもよい。

［Si溶射ダミーウェハの再生方法］
・再溶射
通常の再生ウェハ同様、一旦Si溶射ダミーウェハ８２０をＣＭＰ等の手法で研磨し、Si溶射被膜８２２を除去する。あるいは、細孔の開口を実質的に閉塞させるように、今のSi溶射被膜８２２の上に多結晶または単結晶Ｓｉ厚膜を例えば成膜させる。その後Ｓｉ溶射を行う。

・ドライ洗浄
Si溶射ダミーウェハ８２０のSi溶射被膜８２２上に成膜された材質を選択的にエッチングする方法により、再生可能である。例えばSiN/Siであれば、フッ素化オレフィン（ハイドロフルオロカーボン）を用いた等方性プラズマエッチ等が利用できる。

・ウェット洗浄
Si溶射ダミーウェハ８２０のSi溶射被膜８２２上に成膜された材質を選択的にエッチングする方法により、再生可能である。例えばSiN/Siであれば、リン酸エッチングが利用できる。

本実施例によれば、大消費ウェハ処理時のローディングエフェクトを緩和し、プロダクトウェハ上に形成される膜の、複数のプロダクトウェハ間の面間均一性を向上させることが可能となる。

実施例１では、製品ウェハと同じ大きさのベアウェハを用いて、このベアウェハの表側面にSi溶射してSi溶射ダミーウェハを作成したが、第二の実施例として、製品ウェハと同じ大きさのベアウェハよりも径の小さなベアウェハを用いて、この小さな径のベアウェハにSi溶射して形成したSi溶射ダミーウェハ１１０２を、トレー１１０１上に複数枚搭載する形態を図１１に示す。

基板処理装置の構成は、実施例１において図１乃至図９を用いて説明したものと同じであるので、説明を省略する。

このトレー１１０１（材質は任意、たとえば石英・SiCなど）を、実施例１で説明したSi溶射ダミーウェハ８２０の代わりにボート２１に載せる。この場合、溶射膜厚ではなく、Si溶射ダミーウェハ１１０２の搭載枚数を変えることでトレー１１０１上の見かけの表面積を調整することができる。

本開示は、基板処理装置及び基板処理方法に関するものであり、半導体基板を熱処理して表面に薄膜を形成する半導体デバイスの製造分野において利用することができる。

１基板処理装置
２処理炉
３ヒータ
４反応管
８ノズル
１９シールキャップ
２１，１２６ボート
２７、１３２ボートエレベータ
２９コントローラ
１２４移載室
１３４ガス供給機構
１６２クリーンユニット
４０２パーティクルカウンタ
８２０ Si溶射ダミーウェハ

Claims

複数の基板を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具と、
上端を閉塞する天井と、下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口とを備え、前記基板保持具を収容する反応管と、
前記基板保持具を直接または間接に保持するとともに前記開口を塞ぐ蓋と、
前記反応管内で前記基板保持具に保持された前記複数の基板のそれぞれの表側面に対して表側面に平行なガスの流れを提供するガス供給機構と、を備え、
前記基板保持具は、前記配列の端において、製品基板の表面積を模擬したSi溶射層が形成されたダミー基板を１枚以上保持し、それ以外の位置には集積回路パターンが形成された前記製品基板もしくはモニター基板を保持する基板処理装置。
請求項１記載の基板処理装置であって、前記ダミー基板は、表側面に形成された前記Si溶射層が前記製品基板と略等しい表面積を有する基板処理装置。
請求項１記載の基板処理装置であって、前記Si溶射層は、積算細孔容積分布において全容積の２５％から７５％に相当する細孔直径の範囲に、前記製品基板が有するヴィアの直径もしくはトレンチの幅が収まっている基板処理装置。
請求項１記載の基板処理装置であって、前記基板保持具は、前記製品基板もしくは前記モニター基板と比べて半分以下の直径を有して表面にSi溶射層が形成された複数枚のダミー基板をトレーに載せて保持する基板処理装置。
請求項１または４に記載の基板処理装置であって、
前記反応管の上方及び側方を取り囲む炉体と、
前記製品基板もしくは前記モニター基板に所定の厚さの膜を堆積させるように前記炉体の温度と、前記ガス供給機構とを制御するコントローラと、を更に備え、
前記コントローラは、更に、複数枚の前記ダミー基板のそれぞれについて、前記基板保持具に保持されて前記製品基板もしくは前記モニター基板とともに処理された履歴を膜厚若しくは使用回数の累積値として保持する基板処理装置。
請求項５記載の基板処理装置であって、前記コントローラは、前記累積値が規定値を超えた時に所定の記録動作、報告動作あるいは当該ダミー基板を前記基板保持具から取り除く動作を行う基板処理装置。
請求項５記載の基板処理装置であって、
前記蓋を上下に駆動して、前記基板保持具を前記反応管へ搬出及び搬入するエレベータと、
前記反応管の前記開口よりも下方に設けられ、搬出中のもしくは搬出された前記基板保持具に向けて冷却ガスを噴射する冷却器と、を更に備え、
前記冷却器は、噴射する冷却ガスが前記ダミー基板に当たるときに、当たらない時とは異なる流量で噴射するように制御される基板処理装置。
請求項７記載の基板処理装置であって、前記冷却器と対向する位置において、噴射された前記冷却ガスの気中パーティクルを測定するパーティクルカウンタを更に備え、
前記コントローラは、前記ダミー基板を横切った前記冷却ガスから前記パーティクルカウンタが測定したパーティクルが規定値を超えた時に、所定の記録動作、報告動作あるいは当該ダミー基板を前記基板保持具から取り除く動作を行う基板処理装置。
請求項１記載の基板処理装置であって、前記ダミー基板は、再溶射、ドライエッチング又はウェットエッチングによって再生された基板である。
請求項６記載の基板処理装置であって、
前記基板保持具は、前記ダミー基板を複数の保持位置でそれぞれ保持し、
前記コントローラは、前記複数の保持位置毎に異なる前記規定値を適用する。
請求項１０記載の基板処理装置であって、
前記コントローラは、前記ダミー基板のうち使用回数が前記規定値を満たさなくなったダミー基板を前記基板保持具から取り出し、取り出された前記ダミー基板があった保持位置に、他の保持位置のダミー基板を移し替えるように制御する。
半導体装置の製造方法であって、
複数の基板を所定の間隔で配列して保持した基板保持具を搬入手段で筒状の反応管の中に搬入するステップと、
前記基板を保持した前記基板保持具を搬入した前記筒状の反応管の内部の圧力を圧力調整部で調整すると共にヒータで所定の温度まで加熱するステップと、
前記圧力を調整し、前記所定の温度まで加熱した前記筒状の反応管の前記内部にガス供給部から処理ガスを供給するステップと、
前記処理ガスの供給を終えた後に前記筒状の反応管の前記内部を大気圧に復帰するステップと、
前記内部を大気圧に復帰された前記筒状の反応管の前記内部から前記基板を保持した前記基板保持具を前記搬入手段で搬出して前記基板を室温まで冷却するステップと、を備え、
前記供給するステップは、集積回路パターンが形成された製品基板もしくはモニター基板と、前記製品基板もしくは前記モニター基板を挟む両側の位置に前記製品基板の表面積を模擬したSi溶射層が形成されたダミー基板とを前記基板保持具に配列して保持させた状態で行う半導体装置の製造方法。
請求項１２に記載の半導体装置の製造方法であって、前記供給するステップでは、前記製品基板もしくは前記モニター基板に所定の厚さの膜を堆積させるように前記ヒータの温度と、前記ガス供給部とをコントローラで制御し、
更に前記コントローラで、複数枚の前記ダミー基板のそれぞれについて、前記基板保持具に保持されて前記製品基板もしくは前記モニター基板とともに処理された履歴を膜厚の累積値として保持し、前記累積値が規定値を超えたときに、所定の記録動作、または所定の報告動作を行うステップを備える半導体装置の製造方法。