JP7397214B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法、基板処理方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
本開示は、基板処理装置、半導体装置の製造方法、基板処理方法、及びプログラムに関するものである。
半導体装置（半導体デバイス）の製造工程の一工程として、反応管内で基板の表面に酸化膜を形成する工程がある。当該酸化膜形成工程では、複数枚の基板を間隔を空けて反応室内に積載し、同時に処理することが行われることがある（特許文献１参照）。
複数枚の基板の反応室内の配置場所が異なることで、基板に形成される酸化膜の膜厚が異なること（Ｌｏａｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）がある。この課題を解決するために、反応室内における酸化ガスの濃度の均一性を維持することが必要である。そのために、反応室内へ供給する気体の流量を調整することが考えられるが、膜厚の均一性を向上させるために、さらなる工夫が求められる。
本開示は、上記事実を考慮してなされたものであり、基板の配置位置にかかわらず、酸化膜の厚さの均一性を向上させることができる技術を提供する。
本開示の一態様によれば、複数枚の基板が出し入れされる底開口を有し、前記複数枚の基板を処理する反応管と、前記反応管内で前記複数枚の基板を配列させて基板配列領域に保持する保持具と、前記基板配列領域の内、複数の製品基板が配列される第１領域に対応して配置され、該第１領域に対応する複数箇所から前記反応管内に水素含有ガスを供給する第１ノズルと、前記第１領域に対応して配置され、該第１領域に対応する位置から前記反応管内に酸素含有ガスを供給する第２ノズルと、前記第１領域よりも前記底開口側で、前記保持具に保持されたダミー基板もしくは断熱体が配列される第２領域に対応して配置され、該第２領域に対応する位置から前記反応管内に希釈ガスを供給する第３ノズルと、前記反応管内を排気する排気口と、前記第２領域の前記水素含有ガスの濃度が前記第１領域よりも低くなるように、前記第１ノズルから供給される前記水素含有ガスと前記第３ノズルから供給される前記希釈ガスの供給を制御可能に構成された制御部と、を有し、前記第１ノズルは、前記第１領域を含み前記第２領域を含まない領域を基板の配列方向で分割した分割領域に対応する噴射孔を有する複数本の多孔ノズルにより構成される、基板処理装置、が提供される。
本開示によれば、基板の配置位置にかかわらず、酸化膜の厚さの均一性を向上させることができる技術を提供することができる。
開示者等は、反応管内に基板と共に配列されたダミー基板または断熱体の近傍の配列位置と、その他の配列位置において、形成される膜厚が異なる課題が生じていることに着目した。そして、製品ウエハは、ダミー基板と比較して、ウエハ１枚当たりの成膜面積が大きいため、成膜時に消費される原子状酸素群の単位時間当たりの量が、ダミー基板が配列される領域と、製品ウエハが配列される領域で異なるため、これが原因で、製品ウエハについて、ダミー基板近傍に配列されたものとそうでないもので、膜厚が異なることを見いだした。
＜第１実施形態＞
以下、本開示の第１実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
以下、本開示の第１実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
図１に、基板処理装置Ｓの全体図を示す。基板処理装置Ｓは、ウエハポッドを搭載するポッドストッカ１と、ボート３と、ポッドストッカ１に搭載されたウエハポッドとボート３との間でウエハの移載を行うウエハ移載手段（移載機）２と、ボート３を熱処理炉５内に挿入及び引き出すボート昇降手段（ボートエレベータ）４と、加熱手段（ヒータ）を備えた熱処理炉５と、を含んで構成されている。
図２には、熱処理炉５の構成を例示する断面概略図が示されている。図２における上下が、鉛直方向と一致しており、本実施形態において上、下の記載は、鉛直方向の上、下を意味している。
図２示すとおり、熱処理炉５は、加熱源としての抵抗加熱ヒータ９を有している。ヒータ９は円筒形状であり、ヒータベース（図示せず）に支持されることで垂直に据え付けられている。ヒータ９の内側には、ヒータ９と同心円状に反応管１０が配設されている。反応管１０内には基板を処理する処理室（反応室）４が形成され、基板保持具としてのボート３が搬入されるように構成されている。ボート３は、複数枚の基板としてのシリコンウエハ等のウエハ６を略水平状態で隙間（基板ピッチ間隔）をもって複数段に保持するように構成されている。以下の説明では、ボート３内の最上段のウエハ支持位置を＃１２０とし、最下段のウエハ支持位置を＃１と表す。また、ボート３内の最下段からｎ段目の支持位置に保持されるウエハ６をウエハ＃ｎと表す。なおここで言うウエハ支持位置は、ウエハ６だけでなく、後述するダミー基板や断熱板を支持するための位置を含む場合があり、断熱板支持位置の間隔はウエハ６を支持するためのウエハ支持位置の間隔と異なり得る。
反応管１０の下方には、ボート３を挿入するための底開口４Ａが構成され開放されている。反応管１０の開放部分（底開口４Ａ）は、シールキャップ１３により密閉されるように構成されている。シールキャップ１３上には、ボート３を下方から支持する断熱キャップ１５が設けられている。断熱キャップ１５はシールキャップ１３を貫通するように設けられた回転軸（図示せず）を介して回転機構１４に取り付けられている。回転機構１４は、回転軸を介して、断熱キャップ１２、ボート３を回転させることでボート３に支持されたウエハ６を回転させるように構成されている。ボート３の下方の段に断熱板を配置する場合、断熱キャップ１５は省略できる。
反応管１０の底開口４Ａと反対側の閉鎖端である天井４Ｂの壁にはシャワー板１２が取り付けられており、反応管１０の天井壁とシャワー板１２とによりバッファ室１２ａが形成されている。反応管１０の上部には、希釈ガスとしての不活性ガスを反応室４内の上方からウエハ６に対して供給する不活性ガス供給ノズル７が、バッファ室１２ａ内に連通するように接続されている。不活性ガス供給ノズル７のガス噴射口は下方を向いており、反応室４内の上方から下方に向けて（ウエハの積載方向に沿って）不活性ガスを噴射するように構成されている。不活性ガス供給ノズル７から供給された不活性ガスは、バッファ室１２ａ内に送られ、シャワー板１２を介して反応室４内に供給される。シャワー板１２により、複数枚のウエハ６が配列されるウエハ配列領域の一端側から他端側に向けて不活性ガスをシャワー状に供給するガス供給口が構成されている。シャワー板１２とバッファ室１２ａにより天井ガス供給部が構成される。
不活性ガスとしては、例えば、 窒素（Ｎ２）ガスや、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスを用いることができる。不活性ガスとしては、これらのうち１以上を用いることができる。この点は、後述する他の不活性ガスにおいても同様である。
不活性ガス供給ノズル７には、不活性ガス供給ラインとしての不活性ガス供給管７０が接続されている。不活性ガス供給管７０には、上流側から順に、不活性ガス供給源（図示せず）、開閉バルブ９３、流量制御手段（流量制御器）としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９２、及び開閉バルブ９１が設けられている。
反応管１０の側方下部には、水素含有ガスを反応室４内の側方からウエハ６に対して供給する水素含有ガス供給ノズル８ｂが、反応管１０の側壁を貫通するように接続されている。水素含有ガス供給ノズル８ｂは、第１領域としてのウエハ配列領域ＰＷに対応する領域、すなわち反応管１０内においてウエハ配列領域ＰＷと対向しウエハ配列領域ＰＷを取り囲む円筒状の領域に配置されている。水素含有ガス供給ノズル８ｂは長さの異なる複数本（本実施形態では３本）のＬ字型のノズルにより構成されており、それぞれが反応管１０内において反応管１０の側壁の内壁に沿って立ち上がっている。
水素含有ガスとしては、水素（Ｈ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）や、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、ジアゼン（Ｎ２Ｈ２）、Ｎ３Ｈ８等の各種の炭化水素ガスの少なくともいずれか、又はこれらの混合ガスが例示される。
本実施形態において、ウエハ配列領域ＰＷは、主に製品ウエハが配置される領域であり一例として、支持位置♯６～♯１１５とすることができる。また、サイドダミー基板ＳＤをホルダー３に支持する位置に対応する、天井側の上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔは、一例として、支持位置♯１１６～♯１２０とすることができる。また、サイドダミー基板ＳＤをホルダー３に支持する位置に対応する、下開口側の下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕは、一例として、支持位置♯１～♯５とすることができる。
図３にも示されるように、水素含有ガス供給ノズル８ｂを構成する複数本のノズルは、ウエハ配列方向において異なる位置で、少なくとも１つの噴射孔を有する。水素含有ガスは、ウエハ配列領域ＰＷ及び上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔに対応する領域を、ウエハ配列方向において分割した複数の分割領域からそれぞれ反応管１０内に供給され、ウエハ配列方向（垂直方向）の反応室４内の水素濃度を調節することが可能となっている。分割数を３とし、複数本のノズルがそれぞれ１の噴射孔を有する場合、３か所から反応管１０内に供給される。なお、水素含有ガス供給ノズル８ｂは、ウエハ６よりも、反応管１０の側壁の内壁に近い側に内壁に沿って設けられている。水素含有ガス供給ノズル８ｂにより第１ノズルが構成される。
水素含有ガス供給ノズル８ｂを構成する複数本のノズルの先端の上面はそれぞれ閉塞しており、それぞれのノズル先端部側面に少なくとも１つ、より好適には複数のガス噴射孔が設けられている。図３において、水素含有ガス供給ノズル８ｂからウエハ６側に伸びる矢印が各ガス噴射孔からの水素含有ガスの噴射方向を示しており、各矢印の根元部分が各ガス噴射孔を示している。すなわち、ガス噴射孔はウエハ６側を向いており、反応室４内の側方から水平方向に（ウエハの主面に沿う方向に）ウエハ６に向けて水素含有ガスを噴射するように構成されている。このように基板の配列方向に沿って複数のガス噴射孔を有するノズルは、多孔ノズルの一種である。なお、本実施形態の場合、一番長いノズル（以下「水素含有ガス供給ノズル８ｂ－１」という）には５つのガス噴射孔、二番目に長いノズル（以下「水素含有ガス供給ノズル８ｂ－２」という）には５つのガス噴射孔、三番目に長いノズル（以下「水素含有ガス供給ノズル８ｂ－３」という）には７つのガス噴射孔、が設けられている。これら複数（本実施形態では１７個）のガス噴射孔はそれぞれのノズルにおいて等間隔に設けられている。
水素含有ガス供給ノズル８ｂ－１、８ｂ－２、８ｂ－３に形成された噴射孔を底開口４Ａ側から順に噴射孔Ｈ４～Ｈ２０とする。本実施形態では、一例として、図３に示されるように、水素含有ガス供給ノズル８ｂ－１の噴射孔Ｈ１６～Ｈ２０を、１番目に高い位置の分割領域に対応して形成し、水素含有ガス供給ノズル８ｂ－２の噴射孔Ｈ１１～Ｈ１５を、２番目に高い位置の分割領域に対応して形成し、水素含有ガス供給ノズル８ｂ－３の噴射孔Ｈ４～Ｈ１０を、３番目に高い位置の分割領域に対応して形成する。このようにして、水素含有ガス供給ノズル８ｂ－１、８ｂ－２、８ｂ－３が、分割領域へのガス供給を分担する。なお分割領域には製品ウエハを一定間隔で配置することができる。更に、噴射孔Ｈ４～Ｈ２０を全て等間隔に配置して、噴射孔１個当たりに割り当てられる製品ウエハの枚数を１より大きい一定数にすることもできる。分割領域の高さ（ウエハ配列方向の長さ）は任意であり、それぞれ異なってもよく、或いは、最も低い位置の分割領域を除く分割領域（すなわち１番目及び2番目に高い位置の分割領域）の高さを等しくすることもできる。例えば、これらの分割領域に、１つのウエハポッドに収容される基板の数（２５枚）と同数の基板が配列されるようにすることができる。
水素含有ガス供給ノズル８ｂには、水素含有ガス供給ラインとしての水素含有ガス供給管８０ｂが接続されている。水素含有ガス供給管８０ｂは複数本（本実施形態では３本）の配管により構成されており、水素含有ガス供給ノズル８ｂを構成する複数本のノズルのそれぞれに接続されている。水素含有ガス供給管８０ｂには、上流側から順に、水素含有ガス供給源（図示せず）、開閉バルブ９６ｂ、流量制御手段（流量制御器）としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９５ｂ、及び開閉バルブ９４ｂが設けられている。なお、開閉バルブ９６ｂ、マスフローコントローラ９５ｂ、及び開閉バルブ９４ｂは、水素含有ガス供給管８０ｂを構成する複数本の配管のそれぞれに設けられており、水素含有ガス供給ノズル８ｂを構成する複数本のノズル毎に独立して水素含有ガスの流量を制御できるようになっている。
なお、噴射孔Ｈ４～Ｈ２０における水素含有ガス吐出バランスとして、噴射孔Ｈ４及びＨ５の１孔当たりの吐出流量を、噴射孔Ｈ６～Ｈ１０の１．３～２．１倍程度、多くなるように設定することが好ましい。一例として、Ｈ４及びＨ５から各々１６８ｓｃｃｍを供給し、Ｈ６～Ｈ２０で各々１００ｓｃｃｍを供給することができる。
本実施形態では、等間隔の噴射孔の吐出流量を制御したが、単位長さ当たりの吐出流量が単調に増加するような開口（噴射孔）もしくは間隔を異ならせて形成して制御してもよい。
反応管１０の側方下部には、水素含有ガス供給ノズル８ｂ－３よりも短い不活性ガス供給ノズル８ｃが、反応管１０の側壁を貫通するように接続されている。不活性ガス供給ノズル８ｃはウエハ配列領域ＰＷよりも底開口４Ａ側で、ボート３に保持されたダミー基板もしくは断熱体が配列される領域（以下「下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕ」という）に対向し、下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕを取り囲む円筒状の領域に配置されている。不活性ガス供給ノズル８ｃにより第３ノズルが形成されている。
不活性ガス供給ノズル８ｃの先端の上面は閉塞しており、ノズル先端部側面に少なくとも１つのガス噴射孔が設けられている（本実施形態では２つ）。図３において、不活性ガス供給ノズル８ｃから下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕ側に伸びる矢印が各ガス噴射孔からの不活性ガスの噴射方向を示しており、各矢印の根元部分が各ガス噴射孔を示している。すなわち、ガス噴射孔は下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕ側を向いており、反応室４内の側方から水平方向に（ウエハの主面に沿う方向に）ダミーウエハまたは断熱板に向けて希釈ガスとしての不活性ガスを噴射するように構成されている。
不活性ガス供給ノズル８ｃに形成された２つの噴射孔を、下開口４Ａ側から噴射孔Ｈ１、Ｈ２とする。噴射孔Ｈ４～Ｈ２０の隣り合う噴射孔同士の間隔の内、最大のものを間隔ＤＭとし、噴射孔Ｈ１とＨ２の間隔を間隔Ｄ１－２とすると、噴射孔Ｈ２とＨ４の間の間隔Ｄ２－４は、間隔ＤＭと間隔Ｄ１－２のいずれよりも大きい。一例として、間隔Ｄ２－４は、間隔ＤＭの２倍である。つまり、噴射孔Ｈ２及びＨ４と間隔Ｍとなる位置に、孔の形成されていない非噴射部Ｈ３があるとみなすことができる。
不活性ガス供給ノズル８ｃには、不活性ガス供給ラインとしての不活性ガス供給管８０ｃが接続されている。不活性ガス供給管８０ｃには、上流側から順に、不活性ガス供給源（図示せず）、開閉バルブ９６ｃ、流量制御手段（流量制御器）としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９５ｃ、及び開閉バルブ９４ｃが設けられている。
反応管１０の側方下部には、酸素含有ガス（酸化ガス）を反応室４内の側方からウエハ６に対して供給する酸素含有ガス供給ノズル８ａが、反応管１０の側壁を貫通するように接続されている。酸素含有ガス供給ノズル８ａはウエハ配列領域ＰＷに対応する領域、すなわち反応管１０内においてウエハ配列領域ＰＷと対向しウエハ配列領域ＰＷを取り囲む円筒状の領域に配置されている。酸素含有ガス供給ノズル８ａは、Ｌ字型のノズルにより構成されており、反応管１０内において反応管１０の側壁の内壁に沿って立ち上がっている。酸素含有ガス供給ノズル８ａは、ウエハ６よりも、反応管１０の側壁の内壁に近い側に内壁に沿って設けられている。酸素含有ガス供給ノズル８ａにより第２ノズルが構成される。
酸素含有ガスとして、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ3）、過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）、一酸化窒素（ＮＯ）の少なくともいずれか、又はこれらの混合ガスを用いることができる。
酸素含有ガス供給ノズル８ａの先端の上面は閉塞しており、ノズル先端部側面にガス噴射孔が設けられている。図３において、酸素含有ガス供給ノズル８ａからウエハ６側に伸びる矢印が各ガス噴射孔からの酸素含有ガスの噴射方向を示しており、各矢印の根元部分が各ガス噴射孔を示している。すなわち、ガス噴射孔はウエハ側を向いており、反応室４内の側方から水平方向に（ウエハの主面に沿う方向に）ウエハ６に向けて酸素含有ガスを噴射するように構成されている。なお、本実施形態の場合、ウエハ６に対して１対１で対応する対応噴射孔、ずなわち、ボート３に形成されたウエハの支持ピッチと同ピッチで対応噴射孔を有している。酸素含有ガス供給ノズル８ａ、水素含有ガス供給ノズル８ｂ－１、８ｂ－２、８ｂ－３及び不活性ガス供給ノズル８ｃの噴射孔は、水平方向において、ウエハ６の中心つまり反応管１０の中心軸に向いて開口するように設けることができる。
酸素含有ガス供給ノズル８ａには、酸素含有ガス供給ラインとしての酸素含有ガス供給管８０ａが接続されている。酸素含有ガス供給管８０ａには、上流側から順に、酸素含有ガス供給源（図示せず）、開閉バルブ９６ａ、流量制御手段（流量制御器）としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９５ａ、及び開閉バルブ９４ａが設けられている。
反応管１０の側方下部（下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕよりも下側）には、処理室内を排気するガス排気口１１が設けられている。ガス排気口１１には、ガス排気ラインとしてのガス排気管５０が接続されている。ガス排気管５０には、上流側から順に、圧力調整手段（圧力制御器）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）５１と、排気手段（排気装置）としての真空ポンプ５２とが設けられている。主に、ガス排気口１１、ガス排気管５０、ＡＰＣ５１、真空ポンプ５２により排気系が構成される。
抵抗加熱ヒータ９、マスフローコントローラ９２、９５ａ、９５ｂ、９５ｃ、開閉バルブ９１、９３、９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ、ＡＰＣ５１、真空ポンプ５２、及び回転機構１４などの基板処理装置の各部は、制御手段（制御部）としてのコントローラ１００に接続されており、コントローラ１００は、水素含有ガス供給ノズル８ｂから供給する水素含有ガス流量、酸素含有ガス供給ノズル８ａから供給する酸素含有ガス流量、シャワー板１２から供給する不活性ガス流量、不活性ガス供給ノズル８ｃから供給する不活性ガス流量、反応管１０内の温度、圧力等、基板処理装置の各部の環境、動作を制御可能に構成されている。コントローラ１００は、ＣＰＵ、メモリ、ＨＤＤ等の記憶装置、ＦＰＤ等の表示装置、キーボードやマウス等の入力装置を備えたコンピュータとして構成されている。
次に、上述の基板処理装置Ｓの熱処理炉５を使用して、半導体装置の製造工程の一工程として、基板としてのウエハ６に酸化処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置Ｓを構成する各部の動作はコントローラ１００により制御される。
まず、基板移載機により１バッチ分（例えば１００枚）のウエハ６をボート３のウエハ配列領域ＰＷに移載（ウエハチャージ）する。また、ボート３の上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔ及び下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕには、サイドダミー基板ＳＤを載置する。サイドダミー基板ＳＤは、ウエハ６よりも１枚当たりの成膜面積が小さい。ヒータ９により加熱状態を維持された熱処理炉５の反応室４内に、ウエハ６及びサイドダミー基板ＳＤを装填したボート３を搬入（ボートロード）し、シールキャップ１３により反応管１０内を密閉する。次に、真空ポンプ５２により反応管１０内を真空引きし、ＡＰＣ５１により反応管１０内圧力（炉内圧力）が大気圧よりも低い所定の処理圧力となるよう制御する。回転機構１４によりボート３が所定の回転速度で回転するようにする。また、反応室４内温度（炉内温度）を昇温させ、炉内温度が所定の処理温度となるよう制御する。
そして、不活性ガス供給ノズル７、８ｃより反応室４内に不活性を供給する。すなわち、開閉バルブ９１、９３を開くことで、マスフローコントローラ９２で流量制御された不活性ガスを、不活性ガス供給管７０を介して不活性ガス供給ノズル７より反応室４内に供給する。不活性ガス供給ノズル７から供給された不活性ガスは、バッファ室１２ａ内を経て、シャワー板１２を介して反応室４内にシャワー状に供給される。
また、酸素含有ガス供給ノズル８ａ、水素含有ガス供給ノズル８ｂ、不活性ガス供給ノズル８ｃから、反応室４内に酸素含有ガス、水素含有ガス、不活性ガスをそれぞれ供給する。すなわち、開閉バルブ９４ａ、９６ａを開くことで、マスフローコントローラ９５ａで流量制御された酸素含有ガスを、酸素含有ガス供給管８０ａを介して酸素含有ガス供給ノズル８ａより反応室４内に供給する。また、開閉バルブ９４ｂ，９６ｂを開くことで、マスフローコントローラ９５ｂで流量制御された水素含有ガスを、水素含有ガス供給管８０ｂを介して水素含有ガス供給ノズル８ｂより反応室４内に供給する。また、開閉バルブ９４ｃ，９６ｃを開くことで、マスフローコントローラ９５ｃで流量制御された不活性ガスを、不活性ガス供給管８０ｃを介して不活性ガス供給ノズル８ｃより反応室４内に供給する。酸素含有ガス供給ノズル８ａから供給された酸素含有ガスと水素含有ガス供給ノズル８ｂから供給された水素含有ガスは、ウエハ配列領域に対応する領域の複数箇所（複数の噴射孔）から反応室４内に供給される。
このように、酸素含有ガスと水素含有ガスは、反応室４内におけるウエハ配列領域に対応する噴射孔（吐出孔）から供給され、反応室内で混合する。また、不活性ガスは、反応室４内におけるウエハ配列領域に対応する一端側（天井側）から供給されるとともに、反応室４内におけるウエハ配列領域ＰＷよりもの下側の下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕに対応する複数の噴射孔からも供給される。反応室４内に供給された酸素含有ガスと水素含有ガスは、不活性ガスと共に、反応室４内を流下してウエハ配列領域ＰＷの底開口４Ａ側に設けられたガス排気口１１より排気される。酸素含有ガス供給ノズル８ａ、水素含有ガス供給ノズル８ｂからウエハの中心方向へ噴射された酸素含有ガスと水素含有ガスの混合及び酸化種の生成は、配列されたウエハ同士の間、及び、ウエハの外周と反応管１０の間の環状空間、のいずれにおいても起こり得る。このとき、ウエハの縁から中心に向かうガス分子の移動おける、拡散と対流の割合は、酸素含有ガスの方が、水素含有ガスに比べて対流の割合が大きくなる。言い換えれば、水素含有ガスは拡散しやすく、ウエハと異なる間隔で噴射孔が設けられていても、ウエハの中心付近での濃度差が生じにくい。
このとき、酸素含有ガスと水素含有ガスはヒータ５により加熱された減圧の反応室４内で混合し反応してＨ２Ｏを生じるが、この燃焼反応の中間生成物であるＨ，Ｏ，ＯＨ等の中間生成物も所定の平衡濃度で残存し、その中で原子状酸素Ｏの濃度が比較的高い。本出願人が特願２００８－１３３７７２号にて出願済みの明細書中に記載したように、これら中間生成物のうち、酸化膜形成に直接寄与するものは原子状酸素Ｏであり、他の中間生成物やＨ２Ｏ及び原料ガスそのものは、酸化膜成長に関する表面反応において支配的ではない。すなわち、酸素含有ガスと水素含有ガスとが反応することにより生じた中間生成物のうち、原子状酸素Ｏが反応種（酸化種）として作用することでウエハ６に酸化処理が施され、ウエハ６表面に酸化膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）が形成される。なお原子状酸素Ｏの濃度は、酸素含有ガスと水素含有ガスの供給比に関して上に凸の関数で表現される。極大点よりも比率が低くても或いは高くても、原子状酸素Ｏの濃度は低下する。水素含有ガス供給ノズル８ｂの各噴射孔からの供給量を調整する本例の技術は、極大点よりも水素欠乏の状態で好適に用いることができる。水素欠乏状態では、酸素含有ガス自体も希釈ガスになり得る。
このときの処理条件（酸化処理条件）としては、
処理温度（処理室内温度）：５００～１０００℃、
処理圧力（処理室内圧力）：１～５００Ｐａ、
酸素含有ガス供給ノズル８ａから供給する酸素含有ガス供給流量：３．０～６．０ｓｌｍ、
水素含有ガス供給ノズル８ｂから供給する水素含有ガス供給流量（合計流量）：１５００～３０００ｓｃｃｍ、
不活性ガス供給ノズル８ｃから供給する不活性ガス供給流量：１．０～１．５ｓｌｍ、
シャワー板１２から供給する不活性ガス供給流量：４００～１０００ｓｃｃｍ、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ６に酸化処理がなされる。
処理温度（処理室内温度）：５００～１０００℃、
処理圧力（処理室内圧力）：１～５００Ｐａ、
酸素含有ガス供給ノズル８ａから供給する酸素含有ガス供給流量：３．０～６．０ｓｌｍ、
水素含有ガス供給ノズル８ｂから供給する水素含有ガス供給流量（合計流量）：１５００～３０００ｓｃｃｍ、
不活性ガス供給ノズル８ｃから供給する不活性ガス供給流量：１．０～１．５ｓｌｍ、
シャワー板１２から供給する不活性ガス供給流量：４００～１０００ｓｃｃｍ、
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ６に酸化処理がなされる。
ウエハ６の酸化処理が終了すると、反応室４内への酸素含有ガス、水素含有ガスの供給を停止して、反応管１０内に対し真空引きや不活性ガスによるパージ等を行うことにより反応管１０内の残留ガスを除去する。その後、炉内圧力を大気圧に戻し、炉内温度を所定の温度まで降温した後、処理済ウエハ６を支持したボート３を反応室４内から搬出（ボートアンロード）し、ボート３に支持された全ての処理済ウエハ６が冷えるまで、ボート３を所定位置で待機させる。待機させたボート３に保持された処理済ウエハ６が所定温度まで冷却されると、基板移載機により処理済ウエハ６を回収（ウエハディスチャージ）する。このようにして、ウエハ６に対して酸化処理を施す一連の処理が終了する。
以下、本開示の作用について説明する。
本実施形態では、ボート３の上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔ及び下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕに、サイドダミー基板ＳＤを載置しているため、酸化膜の形成処理時において、これらの領域での原子状酸素群の消費量が少ない。そこで、水素含有ガス供給ノズル８ｂから供給される水素含有ガスの流量と、不活性ガス供給ノズル８ｃから供給される不活性ガスの流量を制御し、下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕにおける水素含有ガス濃度が、ウエハ配列領域ＰＷにおける水素含有ガス濃度よりも低くなるようにする。
図４Ａには、反応管１０へ供給される各ノズルからの気体の流量と原子状酸素の濃度分布が示されており、図４Ｂには、支持位置♯Ｎ（横軸）における膜厚（縦軸）のグラフが示されている。これらは、反応管１０は、処理圧５５Ｐａ、温度８５０℃の条件とするシミュレーションにより得られた。このとき噴射孔Ｈ１、Ｈ２から不活性ガスを１．２ｓｌｍ、噴射孔Ｈ４から水素含有ガスを２００ｓｃｃｍ、噴射孔Ｈ５から水素含有ガスを１３５ｓｃｃｍ、噴射孔Ｈ６～Ｈ１０から水素含有ガスを各々１００ｓｃｃｍ、噴射孔Ｈ１１～Ｈ１５から水素含有ガスを合計５７０ｓｃｃｍ、噴射孔Ｈ１６～Ｈ２０から水素含有ガスを合計４００ｓｃｃｍ、シャワー板１２から不活性ガスを６００ｓｃｃｍ、噴射させた。また、酸素含有ガス供給ノズル８ａから酸素含有ガスを合計５．０ｓｌｍ噴射させた。
反応管内における原子状酸素濃度は、ウエハ配列領域ＰＷにおいて、ほぼ均一となっており、ウエハ配列領域ＰＷとの境界部分での差も小さい。原子状酸素の消費が少ない下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕで高い濃度となっているが、不活性ガス供給ノズル８ｃの噴射する不活性ガスによって、下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕからウエハ配列領域ＰＷへの原子状酸素成分の拡散が抑制されている。また、形成された酸化膜の膜厚も、支持位置全体で±０．６％以内となっている。
このように、ウエハ６形成される酸化膜の膜厚が支持位置によって異なる、Ｌｏａｄｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔを低減することができる。
なお、本実施形態では、上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔにサイドダミー基板ＳＤを装填したが、図５に示されるように、ウエハ６を上詰めとして、サイドダミー基板ＳＤを配列しない構成にしてもよい。この場合には、上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔがなくなり、天井４Ｂ側の端部は、ウエハ配列領域ＰＷとなる。
＜第２実施形態＞
次に第２実施形態について説明する。本実施形態では、断熱部材ＤＰを用いる点が第１実施形態と異なり、その他の構成については第１実施形態と同一である。
次に第２実施形態について説明する。本実施形態では、断熱部材ＤＰを用いる点が第１実施形態と異なり、その他の構成については第１実施形態と同一である。
図６に示されるように、下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕに配置されたサイドダミー基板ＳＤを、断熱部材ＤＰで覆う。断熱部材としては、石英プレートを用いることができる。断熱部材ＤＰは、サイドダミー基板ＳＤの板面を覆う円板状部ＤＰ１と、円板状部ＤＰ１の下側に連接される円筒状部Ｐ２を有している。
図７には、酸化膜形成処理中における、下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕ付近の、原子状酸素濃度の分布が濃淡で示されている。グレースケールが濃いほど、原子状酸素濃度が高いことを示している。図７Ａは、断熱部材ＤＰを配置した場合であり、図７Ｂは断熱部材ＤＰを配置しない場合である。また、図７Ａ２は、断熱部材ＤＰを配置した場合の膜厚のバラツキを示し、図７Ｂ２は断熱部材ＤＰを配置しない場合の膜厚のバラツキを示している。断熱部材ＤＰを配置した場合には、下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕからウエハ配列領域ＰＷへの原子状酸素成分の拡散が抑制されている。そして、ウエハ６形成される酸化膜の膜厚のバラツキは、断熱部材ＤＰを配置した場合が±０．４％であり、断熱部材ＤＰを配置しない場合の±０．９％よりも抑制されている。
したがって、ウエハ６の支持位置によって膜厚が異なる、Ｌｏａｄｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔを低減することができ、膜厚の均一性がさらに改善される。
なお、本実施形態では、サイドダミー基板ＳＤを断熱部材ＤＰで覆った例について説明したが、サイドダミー基板ＳＤに代えて断熱板を断熱部材ＤＰで覆ってもよい。すなわち、下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕに断熱板を配列し、断熱板を断熱部材ＤＰで覆ってもよい。
＜第３実施形態＞
次に第３実施形態について説明する。本実施形態では、ボート３に載置する製品ウエハ６が比較的少なく、フィルダミー基板ＦＤを用いる場合について説明する。基板処理装置Ｓや熱処理炉５、反応管１０、各種のガス供給ノズル等の装置構成については、第１実施形態と同一である。
次に第３実施形態について説明する。本実施形態では、ボート３に載置する製品ウエハ６が比較的少なく、フィルダミー基板ＦＤを用いる場合について説明する。基板処理装置Ｓや熱処理炉５、反応管１０、各種のガス供給ノズル等の装置構成については、第１実施形態と同一である。
本実施形態は、比較的少ない小ロットの任意枚数の製品ウエハ６を１バッチで処理する場合であり、例えば、２５枚、５０枚、７５枚、のウエハ６を処理する場合である。
図８には、反応管１０内における、サイドダミー基板ＳＤ、ウエハ６（製品ウエハ）、フィルダミー基板ＦＤの配列が示されている。
ウエハ配列領域ＰＷには、天井側詰めで、ウエハ６が配列する。ウエハ６群の底開口４Ａ側に、ラージエリアダミーＬＡＤを配置する。ラージエリアダミーＬＡＤは、製品ウエハ６の１．５倍前後（１．２倍～１．８倍）の表面積をもつダミー基板である。ラージエリアダミーＬＡＤは、１０枚程度をボート３に配列する。
ラージエリアダミーＬＡＤ群と、下ダミー配列領域ＳＤ－Ｕに配列されたサイドダミー基板ＳＤの間に、フィルダミー基板ＦＤを配列する。フィルダミー基板ＦＤにより、ボート３のウエハ６が載置されていない空間を埋める。
本実施形態のように、製品ウエハ６群とフィルダミー基板ＦＤ群との間に、ラージエリアダミーＬＡＤを装填することにより、フィルダミー基板ＦＤ側の領域における余剰原子状酸素成分による影響を抑制することができる。
図９には、２５枚（Ａ）、５０枚（Ｂ）、７５枚（Ｃ）、のウエハ６を処理する場合の配置が、それぞれ示されている。図８の左側が反応管１０の天井４Ｂ側であり、右側が底開口４Ａ側である。図９には、このように配列して成膜処理を行った場合の、支持位置♯Ｎ（横軸）における膜厚（縦軸）のグラフが示されている。いずれの製品ウエハ６枚数であっても、膜厚分布は±１．０％以内に抑制されている。
＜第４実施形態＞
次に第４実施形態について説明する。本実施形態では、図１０に示されるように、反応管１０の天井４Ｂ側に、不活性ガスを供給する構成を有していない。また、酸素含有ガス供給ノズル８ａの噴射孔は、上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔに対応する部分には設けられていない。
次に第４実施形態について説明する。本実施形態では、図１０に示されるように、反応管１０の天井４Ｂ側に、不活性ガスを供給する構成を有していない。また、酸素含有ガス供給ノズル８ａの噴射孔は、上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔに対応する部分には設けられていない。
上記の構成では、上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔへ向かって水素含有ガスは供給され酸素含有ガスが供給されていない。これにより、上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔにおける酸素含有ガス濃度が低下し、上述の極大点に対して水素リッチな状態となり、原子状酸素濃度を効果的に下げることができる。なお、例えば水素含有ガスとしてＨ２ガスを用いる場合、成膜速度が水素含有ガス供給量に律速される水素欠乏状態では、容易に拡散するＨ２ガスの性質も影響して、上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔに局所的に水素含有ガスを供給しないようにしたり、酸素含有ガスの供給量を倍に増加したりしても、原子状酸素濃度はほとんど下げることができない。
上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔにおいて、原子状酸素濃度が相対的に低下することで、余剰原子状酸素成分によるウエハ６への影響を低減させることができる。したがって、膜厚分布を小さくして、Ｌｏａｄｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔを改善することができる。本形態は、ウエハの処理枚数が変化しても上ダミー配列領域ＳＤ－Ｔの高さが変化しない場合に、好適に利用できる。
上述の態様や変形例は、適宜組み合わせて用いることができる。このときの処理手順、処理条件は、例えば、上述の態様や変形例における処理手順、処理条件と同様とすることができる。本開示の技術は、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＧｅ等のシリコン系基板の酸化に好適に適用できる他、金属酸化膜等の酸化原料を必要とする膜の堆積に広く適用できる。
３ ボート（保持具）
６ ウエハ（基板）
４Ａ 底開口
４Ｂ 天井
１０ 反応管
８ａ 酸素含有ガス供給ノズル（第２ノズル）
８ｂ 水素含有ガス供給ノズル（第１ノズル）
８ｃ 不活性ガス供給ノズル（第３ノズル）
ＰＷ ウエハ配列領域（第１領域）
ＳＤ－Ｕ 下ダミー配列領域（第２領域）
ＳＤ－Ｔ 上ダミー配列領域（第３領域）
ＳＤ サイドダミー基板（ダミー基板）
１１ ガス排気口（排気口）
１００ コントローラ（制御部）
８ｂ－１、８ｂ－２、８ｂ－３ｂ水素含有ガス供給ノズル（多孔ノズル）
６ ウエハ（基板）
４Ａ 底開口
４Ｂ 天井
１０ 反応管
８ａ 酸素含有ガス供給ノズル（第２ノズル）
８ｂ 水素含有ガス供給ノズル（第１ノズル）
８ｃ 不活性ガス供給ノズル（第３ノズル）
ＰＷ ウエハ配列領域（第１領域）
ＳＤ－Ｕ 下ダミー配列領域（第２領域）
ＳＤ－Ｔ 上ダミー配列領域（第３領域）
ＳＤ サイドダミー基板（ダミー基板）
１１ ガス排気口（排気口）
１００ コントローラ（制御部）
８ｂ－１、８ｂ－２、８ｂ－３ｂ水素含有ガス供給ノズル（多孔ノズル）
Claims (17)
- 複数枚の基板が出し入れされる底開口を有し、前記複数枚の基板を処理する反応管と、
前記反応管内で前記複数枚の基板を配列させて基板配列領域に保持する保持具と、
前記基板配列領域の内、複数の製品基板が配列される第１領域に対応して配置され、該第１領域に対応する複数箇所から前記反応管内に水素含有ガスを供給する第１ノズルと、
前記第１領域に対応して配置され、該第１領域に対応する位置から前記反応管内に酸素含有ガスを供給する第２ノズルと、
前記第１領域よりも前記底開口側で、前記保持具に保持されたダミー基板もしくは断熱体が配列される第２領域に対応して配置され、該第２領域に対応する位置から前記反応管内に希釈ガスを供給する第３ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記第２領域の前記水素含有ガスの濃度が前記第１領域よりも低くなるように、前記第１ノズルから供給される前記水素含有ガスと前記第３ノズルから供給される前記希釈ガスの供給を制御可能に構成された制御部と、を有し、
前記第１ノズルは、前記第１領域を含み前記第２領域を含まない領域を基板の配列方向で分割した分割領域に対応する噴射孔を有する複数本の多孔ノズルにより構成される、
基板処理装置。 - 前記第３ノズルの上端の噴射孔と、前記第１ノズルの下端の噴射孔との高さ方向の間隔は、前記第１ノズルの互いに隣接する噴射孔の間隔のいずれよりも大きい、
請求項１に記載の基板処理装置。 - 前記反応管は、前記底開口と反対側の閉鎖端である天井に設けられ、前記反応管内に不活性ガスを供給する天井ガス供給部、を有する、
請求項１または請求項２に記載の基板処理装置。 - 前記複数本の多孔ノズルの内、最も前記底開口側の噴射孔を有する多孔ノズルの噴射孔は、前記反応管の天井側よりも前記底開口に向かって単位長さ当たりの吐出量が単調に増加するような開口もしくは間隔を有する、
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の基板処理装置。 - 前記反応管の天井側から前記反応管内に希釈ガスを供給するガス供給口、
を更に備え、
前記排気口は、前記第１領域よりも下方に設けられる請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の基板処理装置。 - 前記分割領域は、その中に２５枚若しくはその倍数の基板が配列されるように分割される、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の基板処理装置。
- 前記第２領域の複数の前記ダミー基板もしくは断熱体を纏めて覆うカバー、を更に備えた、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の基板処理装置。
- 前記希釈ガスは、不活性ガス若しくは酸素含有ガスである、
請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の基板処理装置。 - 前記基板の縁から中心に向かうガス分子の移動おける、拡散と対流の割合は、酸素含有ガスの方が、水素含有ガスに比べて対流の割合が大きくなるように、前記第１ノズル及び前記第２ノズルの噴射孔が構成される、
請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の基板処理装置。 - 前記第１ノズルの噴射孔および前記第２ノズルの噴射孔の少なくとも一方は、基板に対して平行な方向に開口する、
請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の基板処理装置。 - 前記第１ノズルの噴射孔および前記第２ノズルの噴射孔の少なくとも一方は、基板に中心に向かって開口する、
請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の基板処理装置。 - 前記第１ノズルの噴射孔の数は、前記第２ノズルの噴射孔の数よりも少ない、
請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の基板処理装置。 - 前記第２ノズルの噴射孔は、少なくとも、前記第１領域に配置される前記複数の製品基板のそれぞれに対応して設けられる、
請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の基板処理装置。 - 前記第２ノズルは、前記第１領域に配列される製品基板に１対１で対応する噴射孔を有し、
前記噴射孔は、前記基板配列領域内の最も前記天井側で複数のダミー基板が配列される第３領域に対応して配置されず、
前記第１ノズルの噴射孔は前記第３領域に対応して配置される、
請求項３または請求項９に記載の、基板処理装置。 - 複数枚の基板を底開口から反応管内へ搬入し、基板配列領域に保持する工程と、
前記基板配列領域の内、複数の製品基板が配列される第１領域に少なくとも対応して配置された第１ノズルから該第１領域に対応する複数箇所から前記反応管内に水素含有ガスを供給し、前記第１領域に対応して配置された第２ノズルから該第１領域に対応する位置から前記反応管内に酸素含有ガスを供給し、前記第１領域よりも前記底開口側でダミー基板もしくは断熱体が配列される第２領域に対応して配置された第３ノズルから該第２領域に対応する位置から前記反応管内に希釈ガスを供給し、基板を処理する工程と、
を有し、
前記基板を処理する工程では、前記第２領域の前記水素含有ガスの濃度を、前記第１領域よりも低くなるように、前記第１ノズルから供給する前記水素含有ガスと前記第３ノズルから供給する前記希釈ガスの供給を制御し、
前記第１領域を含み前記第２領域を含まない領域を分割した分割領域に対応する噴射孔を有する複数本の多孔ノズルにより構成される前記第１ノズルから、前記水素含有ガスを供給する、
半導体装置の製造方法。 - 複数枚の基板を底開口から反応管内へ搬入し、基板配列領域に保持する工程と、
前記基板配列領域の内、複数の製品基板が配列される第１領域に少なくとも対応して配置された第１ノズルから該第１領域に対応する複数箇所から前記反応管内に水素含有ガスを供給し、前記第１領域に対応して配置された第２ノズルから該第１領域に対応する位置から前記反応管内に酸素含有ガスを供給し、前記第１領域よりも前記底開口側でダミー基板もしくは断熱体が配列される第２領域に対応して配置された第３ノズルから該第２領域に対応する位置から前記反応管内に希釈ガスを供給し、基板を処理する工程と、
を有し、
前記基板を処理する工程では、前記第２領域の前記水素含有ガスの濃度を、前記第１領域よりも低くなるように、前記第１ノズルから供給する前記水素含有ガスと前記第３ノズルから供給する前記希釈ガスの供給を制御し、
前記第１領域を含み前記第２領域を含まない領域を分割した分割領域に対応する噴射孔を有する複数本の多孔ノズルにより構成される前記第１ノズルから、前記水素含有ガスを供給する、
基板処理方法。 - 複数枚の基板を底開口から反応管内へ搬入し、基板配列領域に保持する手順と、
前記基板配列領域の内、複数の製品基板が配列される第１領域に少なくとも対応して配置された第１ノズルから該第１領域に対応する複数箇所から前記反応管内に水素含有ガスを供給し、前記第１領域に対応して配置された第２ノズルから該第１領域に対応する位置から前記反応管内に酸素含有ガスを供給し、前記第１領域よりも前記底開口側でダミー基板もしくは断熱体が配列される第２領域に対応して配置された第３ノズルから該第２領域に対応する位置から前記反応管内に希釈ガスを供給し、基板を処理する手順と、
を有し、
前記基板を処理する手順では、前記第２領域の前記水素含有ガスの濃度を、前記第１領域よりも低くなるように、前記第１ノズルから供給する前記水素含有ガスと前記第３ノズルから供給する前記希釈ガスの供給を制御し、
前記第１領域を含み前記第２領域を含まない領域を分割した分割領域に対応する噴射孔を有する複数本の多孔ノズルにより構成される前記第１ノズルから、前記水素含有ガスを供給する、
ように、コンピュータにより基板処理装置に実行させるプログラム。
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