JPWO2017047686A1 - ガス供給部、基板処理装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

縦方向に配列された基板に対し供給される処理ガスの濃度均一性を向上させる。同一種類であって同一質量流量の処理ガスを、それぞれの上端から供給する第１のガス供給管と第２のガス供給管とを備え、第１のガス供給管及び第２のガス供給管を介して、縦方向に配列された複数の基板を収容する処理室へ、基板を処理するための処理ガスを供給するガス供給部を有する構成であって、基板が配置される基板配置領域に対向する第１のガス供給管の長さをＬ１、第１のガス供給管の流路断面積をＳ１とし、基板配置領域に対向する第２のガス供給管の長さをＬ２、第２のガス供給管の流路断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも小さく構成される。

Description

本発明は、基板保持具に保持された複数の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。
基板処理装置の１つである縦型成膜装置（例えば、特許文献１参照）では、複数（数十〜百数十枚）の基板（ウエハ）を搭載したボート（基板保持具）を、処理室に収容して処理ガスを供給するとともに加熱し、処理室の圧力や温度を所定値に設定して、基板表面上に成膜処理を行う。
このような縦型成膜装置において、原料ガスを処理室のウエハに対し供給するため、例えば、ウエハ枚数と同数のガス噴出し孔が開けられた多孔ノズルを、処理室に設置して用いることがある。このようなノズルを用いた場合には、ノズル内部で原料ガスの気相分解が進む。気相に於ける熱分解は、分解温度に晒される滞在時間に応じ進行する。
多孔ノズルの場合には、ガス流れの上流側（ウエハ配置領域の下段側）では原料ガスの滞在時間は短く、下流側（ウエハ配置領域の上段側）では原料ガスの滞在時間が長い。そのため、ウエハ配置領域の下段では未分解の状態、ウエハ配置領域の上段では分解の進んだ状態で原料ガスが噴出される。原料ガスが未分解の状態では成膜に寄与する原料ガスは少なく、分解の進んだ状態では成膜に寄与する原料ガスは多いため、縦方向に配列されたウエハの上下で膜厚差が生じる。具体的には、ウエハ配置領域の下段側のウエハよりもウエハ配置領域の上段側のウエハの膜厚が厚くなってしまう。
多孔ノズルを用いる方法のほかに、長さの異なる複数本の先端開放ノズルを配置し、原料ガスを供給する方法もある。この場合も、各ノズルの長さが異なるゆえに、それぞれのノズル内の原料ガス滞在時間が異なってしまう。例えば、長いノズルを通過したガスと、短いノズルを通過したガスでは、長いノズルを通過したガスは、滞在時間が長いために熱分解が進んでしまい、多孔ノズルと同様に、ウエハの配置領域の上段で膜厚が厚くなってしまう。
特開２００８−９５１２６号公報
本発明の目的は、縦方向に配列された基板に対し供給される処理ガスの濃度均一性を向上させる構成を提供することにある。
本発明の一態様は、 同一種類であって同一質量流量の処理ガスを、それぞれの上端から供給する第１のガス供給管と第２のガス供給管とを備え、前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管を介して、縦方向に配列された複数の基板を収容する処理室へ、前記複数の基板を処理するための処理ガスを供給するガス供給部であって、前記複数の基板が配置される基板配置領域に対向する前記第１のガス供給管の長さをＬ１、前記第１のガス供給管の流路断面積をＳ１とし、前記基板配置領域に対向する前記第２のガス供給管の長さをＬ２、前記第２のガス供給管の流路断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも小さく構成されるガス供給部を有する構成が提供される。
上記の構成によれば、縦方向に配列された基板に対し供給される処理ガスの濃度均一性を向上させることが可能となる。
本発明の実施形態に係る基板処理装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示した図である。 図２に示す処理炉のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る第２のガス供給系を説明するための図である。 第１実施例のガス供給ノズルの形状を説明するための図である。 第２実施例のガス供給ノズルの形状を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置のコントローラを説明するためのブロック図である。 第３実施例のガス供給ノズルの形状を説明するための図である。 第４実施例のガス供給ノズルの形状を説明するための図である。 第３実施例または第４実施例のガス供給ノズルの効果を説明するための図である。 第３実施例または第４実施例のガス供給ノズルの効果を説明するための図である。 第３実施例または第４実施例のガス供給ノズルの効果を説明するための図である。
（１）処理装置 以下、図面を参照して、本発明の実施形態における基板処理装置を説明する。本実施形態において、基板処理装置は、一例として、半導体装置の製造方法における処理工程を実施する半導体製造装置として構成されている。以下の実施形態では、基板処理装置として基板にＣＶＤ処理などの成膜処理を行うバッチ式縦型半導体製造装置（以下、単に処理装置ともいう）を適用した場合について述べる。なお、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
図１に示されているように、ウエハ（基板）２００を収納したウエハキャリアとしてのカセット１００が使用されている処理装置１は、筐体１０１を備えている。カセット搬入搬出口（図示せず）の筐体１０１内側にはカセットステージ１０５が設置されている。カセット１００はカセットステージ１０５上に工程内搬送装置（図示せず）によって搬入され、また、カセットステージ１０５上から搬出されるようになっている。
カセットステージ１０５は、工程内搬送装置によって、カセット１００内のウエハ２００が垂直姿勢となり、カセット１００のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。カセットステージ１０５は、カセット１００を筐体後方に右回り縦方向９０°回転し、カセット１００内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１００のウエハ出し入れ口が筐体後方を向くように動作可能となるよう構成されている。
筐体１０１内の前後方向の略中央部には、カセット棚１０９が設置されており、カセット棚１０９は複数段複数列にて複数個のカセット１００を保管するように構成されている。カセット棚１０９にはカセット１００が収納される移載棚１２３が設けられている。また、カセットステージ１０５の上方には予備カセット棚１１０が設けられ、予備的にカセット１００を保管するように構成されている。
カセットステージ１０５とカセット棚１０９との間には、カセット１００を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ１１５とカセット移載機１１４が設けられている。カセットエレベータ１１５とカセット移載機１１４との連続動作により、カセットステージ１０５、カセット棚１０９、予備カセット棚１１０との間で、カセット１００を搬送するように構成されている。
カセット棚１０９の後方には、ウエハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載機１１２およびウエハ移載機１１２を昇降させるための移載エレベータ１１３が設けられている。移載エレベータ１１３は、耐圧筐体１０１の右側端部に設置されている。これら、移載エレベータ１１３およびウエハ移載機１１２の連続動作により、ウエハ移載機１１２のツイーザ（基板保持体）１１１をウエハ２００の載置部として、ボート（基板保持部）２１７に対してウエハ２００を装填（チャージング）および脱装（ディスチャージング）するように構成されている。
筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は、炉口シャッタ１１６により開閉されるように構成されている。処理炉２０２の下方にはボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降機構としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１の昇降台に連結された連結具としての昇降部材１２２には蓋体としてのシールキャップ２１９が水平に据え付けられており、シールキャップ２１９はボート２１７を垂直に支持し、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。
基板保持手段であるボート２１７は、複数本のボート柱部２２１を備えており、複数枚（例えば、５０枚〜１５０枚程度）のウエハ２００をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。
図１に示されているように、カセット棚１０９の上方には、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを供給するよう供給ファン及び防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１１８が設けられており、クリーンエアを前記筐体１０１の内部に流通させるように構成されている。
次に、処理装置１の動作について説明する。 図１に示されているように、カセット１００はカセット搬入搬出口から搬入され、カセットステージ１０５の上にウエハ２００が垂直姿勢であって、カセット１００のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。その後、カセット１００は、カセットステージ１０５によって、カセット１００内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１００のウエハ出し入れ口が筐体後方を向けるように、筐体後方に右周り縦方向９０°回転させられる。
次に、カセット１００は、カセット棚１０９ないし予備カセット棚１１０の指定された棚位置へ自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、カセット棚１０９ないし予備カセット棚１１０から移載棚１２３に移載されるか、もしくは直接移載棚１２３に搬送される。
カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ２００はカセット１００からウエハ移載機１１２のツイーザ１１１によってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされ、ボート２１７に装填される。ボート２１７にウエハ２００を受け渡したウエハ移載機１１２はカセット１００に戻り、次のウエハ２００をボート２１７に装填する。
予め指定された枚数のウエハ２００がボート２１７に装填されると、炉口シャッタ１１６によって閉じられていた処理炉２０２の下端部が、炉口シャッタ１１６によって、開放される。続いて、ウエハ２００群を保持したボート２１７はシールキャップ２１９がボートエレベータ１２１によって上昇されることにより、処理炉２０２内へ搬入されて行く。
ローディング後は、処理炉２０２にてウエハ２００に任意の処理が実施される。処理後は、上述の逆の手順で、ウエハ２００およびカセット１００は筐体１０１の外部へ払出される。
（１−１）処理炉 次に、上述した処理炉２０２について図２〜図４を用いて詳細に説明する。
図２に示すように、加熱装置（加熱部）であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器としての反応管２０３が設けられる。反応管２０３の下端には、マニホールド２０９が気密部材であるＯリング２２０を介して設けられる。マニホールド２０９の下端開口は、蓋体であるシールキャップ２１９によりＯリング２２０を介して気密に閉塞される。少なくとも、反応管２０３、マニホールド２０９及びシールキャップ２１９により処理室（反応室）２０１を形成している。反応管２０３の材質は、例えば石英である。マニホールド２０９及びシールキャップ２１９の材質は、例えばステンレスである。
シールキャップ２１９には、ボート支持台２１８を介して基板保持部材（基板保持部）であるボート２１７が立設され、ボート支持台２１８はボートを保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理室２０１に挿入される。ボート２１７には、バッチ処理される複数のウエハ２００が、水平姿勢で、反応管２０３の管軸方向に多段に積載される。このように、ボート２１７は、縦方向（垂直方向）に配列された複数のウエハ２００を保持する。
なお、図２では、ボート２１７の最上段と最下段に搭載されたウエハ２００のみを示しているが、最上段と最下段のウエハ２００の間にも、複数のウエハ２００が保持される。また、図２では、図を解り易くするため、ボート支柱２２１の図示を省略している。
ヒータ２０７は、反応管２０３の周囲に設けられ、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。図２の例では、ヒータ２０７は、複数のウエハ２００が配置されるウエハ配置領域（基板配置領域）を囲むように設けられる。詳しくは、ヒータ２０７は、ボート２１７の底部とボート支持台２１８の上部との境界から上方において、反応管２０３を覆うように設けられる。また、ヒータ２０７は、後述のバッファ室２０４を覆うように設けられる。なお、反応管２０３の内側又は外側には、ウエハ２００の温度を計測するための温度センサ２６５（不図示）が設けられている。
反応管２０３の内側には、ボート２１７上の複数のウエハ２００に対して均一な流量の処理ガスを供給するためのバッファ室２０４が設けられている。バッファ室２０４を形成するバッファ室壁２０５の材質は、例えば石英である。バッファ室２０４は、バッファ室壁２０５と反応管２０３の側壁とで囲まれた空間であり、ボート２１７上の複数のウエハ２００に対向するように設けられる。バッファ室２０４内には、縦方向の管軸を有するノズル２３１とノズル２３２とが、複数のウエハ２００の積載方向（縦方向）に配置されている。ノズル２３１とノズル２３２は、後述する第１のガス供給系を構成する。したがって、ヒータ２０７に囲まれたウエハ配置領域を上方に延びるノズル２３１とノズル２３２の内部の処理ガスは、ヒータ２０７の熱により分解が進むことになる。
また、図３及び図４に示すように、反応管２０３の内側であってバッファ室２０４の外側には、後述する第２のガス供給系を構成するノズル２３３が配置されている。ノズル２３３は、その側壁に複数のガス出口２３３ａを有する多孔ノズルである。ノズル２３１〜２３３は、それぞれ、マニホールド２０９付近で直角に折り曲げられて水平方向に向きを変え、マニホールド２０９を内側から外側へ貫通した後、ガス配管２４１ａ〜２４３ａと接続される。ノズル２３１〜２３３の材質は、例えば石英である。
なお、ノズル２３１〜２３３とガス配管２４１ａ〜２４３ａとの継ぎ目を、マニホールド２０９内部としてもよい。この場合、ガス配管２４１ａ〜２４３ａは、それぞれ、マニホールド２０９を外側から内側へ貫通した後、マニホールド２０９付近で直角に折り曲げられて鉛直方向に向きを変え、ノズル２３１〜２３３と接続される。
なお、図２において、ボート２１７に対し、ノズル２３１がノズル２３２よりも遠い位置に描かれているが、これは、図を解り易くするためであり、図３に示すように、ボート２１７に対し、ノズル２３１とノズル２３２が等距離になるように配置するのが好ましい。また、ノズル２３１、ノズル２３２の上端には、後述する開口部が設けられ、この開口部から処理ガスがバッファ室２０４内に供給されるよう構成されている。本実施の形態において、ノズル２３１、ノズル２３２の２本のノズルからガスを供給しているが、この本数(２本)に限定されないのは言うまでもない。
また、図３に示すように、１本の多孔ノズル２３３をバッファ室２０４の外側に配置したが、第２のガス供給系を構成する複数のノズル２３３をバッファ室２０４の内側に配置してもよい。この場合、複数のノズル２３３のそれぞれのガス出口２３３ａは、図４に示すように複数設けるのではなく、ノズル２３１やノズル２３２のように、ノズル２３３の上端に上向きに１つ後述する開口部を設けるようにしてもよい。
また、図２に示すように、バッファ室２０４を反応管２０３の内側に配置したが、バッファ室２０４を反応管２０３の外側に配置してもよい。後述の第１実施例乃至第４実施例では、バッファ室２０４を反応管２０３の外側に配置する（図５、図６、図８、図９参照）。
（１−２）ガス供給系（ガス供給部） 処理室２０１へ複数種類（本実施形態では２種類）の処理ガスを供給する供給経路として、ガス供給部としての２つのガス供給系（第１のガス供給系と第２のガス供給系）が設けられている。
（第１のガス供給系） 図２及び図３を用いて、処理室２０１へ原料ガス（第１の処理ガス）を供給する第１のガス供給系について詳述する。第１のガス供給系は、第１のガス供給ラインと第１のキャリアガス供給ラインとで構成される。
第１のガス供給ラインは、第１の処理ガスを供給するガス配管２４０に対し、上流方向から順に、原料を供給する原料供給部である第１ガス源２４５ａと、開閉弁であるバルブ２４７ｂ１が設けられ、バルブ２４７ｂ１の下流側（ガス流れの下流側）で、ガス配管２４１とガス配管２４２に分岐する。以下、開閉弁をバルブと称すことがある。
ガス配管２４１に対しては、上流方向から順に、流量制御装置（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４６ａ、バルブ２４７ａが設けられる。ガス配管２４１は、バルブ２４７ａの下流側で、ガス配管２５１、つまり、後述する第１のキャリアガス供給ラインと合流し、ガス配管２４１ａとなる。以下、マスフローコントローラをＭＦＣと称すことがある。マスフローコントローラは、ガスの質量流量を計測することにより流量制御を行う。
ガス配管２４２に対しては、上流方向から順に、ＭＦＣ２４６ｂ、バルブ２４７ｂ２が設けられる。ガス配管２４２は、バルブ２４７ｂ２の下流側で、ガス配管２５２、つまり第１のキャリアガス供給ラインと合流し、ガス配管２４２ａとなる。
第１のキャリアガス供給ラインは、キャリアガスを供給するガス配管２５０に対し、上流方向から順に、ＭＦＣ２４６ｄと、バルブ２４７ｄとが設けられる。ガス配管２５０は、バルブ２４７ｄの下流側で、ガス配管２５１とガス配管２５２に分岐する。前述したように、ガス配管２５１とガス配管２５２は、それぞれ、ガス配管２４１とガス配管２４２に合流し、ガス配管２４１ａとガス配管２４２ａになる。
ガス配管２４１ａとガス配管２４２ａの下流側の先端部には、それぞれ、ノズル２３１とノズル２３２が取り付けられている。ノズル２３１とノズル２３２は、バッファ室２０４内において、バッファ室２０４の下部より上部に亘り、ウエハ２００の積載方向（縦方向）に沿って設けられている。
ノズル２３１の上端には、ノズル２３１からバッファ室２０４内へガスを噴出させる開口部としてのガス出口２３１ａが、上向きに開口されて設けられている。また、ノズル２３２の上端には、ノズル２３２からバッファ室２０４内へガスを噴出させる開口部としてのガス出口２３２ａが、上向きに開口されて設けられている。ガス出口２３１ａとガス出口２３２ａが、上向きに開口されているので、ノズル２３１とノズル２３２から出たガスは、それぞれ上向きに噴出する。
なお、ノズル２３１の上端のガス出口２３１ａと、ノズル２３２の上端のガス出口２３２ａは、上向き以外の方向、例えば、ウエハ２００の方向と反対側の方向（反応管２０３の方向）や、横方向（反応管２０３の管壁に沿う方向）に開口するように構成してもよい。このようにすると、ガスの流量が多い場合にノズル２３１とノズル２３２から出たガスの上方向の勢いを抑えることができ、バッファ室２０４の上部から流出するガスが下部から流出するガスよりも多くなることを抑制することができる。
図２に示すように、ガス出口２３１ａは、ボート２１７上の複数のウエハ２００が配置された領域（ウエハ配置領域）において、下から３／４程度以下の位置に設けられる。ガス出口２３２ａは、ウエハ配置領域において、下から１／４程度以下の位置に設けられる。詳しくは、ガス出口２３１ａとガス出口２３２ａの方向が上向きの場合は、それぞれ、下から３／４程度よりも少し下の位置、下から１／４程度よりも少し下の位置に設けられ、ウエハ２００の方向と反対側の方向や横方向の場合は、それぞれ、下から３／４程度の位置、下から１／４程度の位置に設けられる。このように、ノズル２３１とノズル２３２は、ウエハ配置領域の中心(下から１／２の位置)からの位置を同じに設けられる。
このように、ウエハ配置領域に対向するノズル２３１の長さは、ウエハ配置領域に対向するノズル２３２の長さよりも長い。こうすることにより、バッファ室２０４の複数のガス出口２０５ａから処理室２０１へ供給されるガスの流速を同一とすることができ、ボート２１７上の複数のウエハ２００に対して、バッファ室２０４から均一な流量の処理ガスを供給することが容易となる。ここで、ガスの流速や流量を同一とするとは、厳密に同一である場合のほか、各ウエハ２００に対して供給される処理ガスが同程度の処理を行うものであることを含む。
また、バッファ室壁２０５のボート２１７に対向する面には、処理室２０１と連通する複数の開口として、バッファ室２０４内のガスを処理室２０１内へ噴出させるガス出口２０５ａが複数設けられている。ガス出口２０５ａは、複数のウエハ２００の配置領域に対向する位置に設けられる。
また、複数のガス出口２０５ａは、図２に示すように、ウエハ２００に対して１対１で対応するように設けること、詳しくは、ウエハ２００とウエハ２００の間の位置に対向するよう設けられることが好ましい。これにより、ボート２１７上の複数のウエハ２００に対して均一な流量の処理ガスを供給することが容易となる。
こうして、第１の処理ガスは、第１ガス源２４５ａからガス配管２４０を通り、バルブ２４７ｂ１の下流側で、ガス配管２４１とガス配管２４２に分岐される。ガス配管２４１内の処理ガスは、ＭＦＣ２４６ａで流量調整され、バルブ２４７ａを介し、ガス配管２５１から供給されるキャリアガスと合流する。そして、ガス配管２５１からのキャリアガスと合流した第１の処理ガスは、ガス配管２４１ａを通り、ノズル２３１に形成されたガス出口２３１ａからバッファ室２０４へ供給され、バッファ室２０４に形成されたガス出口２０５ａから処理室２０１へ供給される。
また、ガス配管２４２内の処理ガスは、ＭＦＣ２４６ｂで流量調整され、バルブ２４７ｂ２を介し、ガス配管２５２から供給されるキャリアガスと合流する。そして、ガス配管２５２からのキャリアガスと合流した第１の処理ガスは、ガス配管２４２ａを通り、ノズル２３２に形成されたガス出口２３２ａからバッファ室２０４へ供給され、バッファ室２０４に形成されたガス出口２０５ａから処理室２０１へ供給される。
（第２のガス供給系） 次に、図２〜図４を用いて、第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを、処理室２０１へ供給する第２のガス供給系について詳述する。第２のガス供給系は、第２のガス供給ラインと第２のキャリアガス供給ラインとで構成される。
図２に示すように、第２のガス供給ラインは、第２の処理ガスを供給するガス配管２４３に対し、上流方向から順に、第２ガス源２４５ｃ、ＭＦＣ２４６ｃ、バルブ２４７ｃを含むように構成される。
第２のキャリアガス供給ラインは、キャリアガスを供給するガス配管２５３に対し、上流方向から順に、ＭＦＣ２４６ｅ、バルブ２４７ｅを含むように構成される。第２のガス供給ラインのガス配管２４３と第２のキャリアガス供給ラインのガス配管２５３は、バルブ２４７ｃとバルブ２４７ｅの下流側で合流し、ガス配管２４３ａとなる。ガス配管２４３ａの下流側の先端部には、ノズル２３３が取り付けられている。
図３及び図４に示すように、ノズル２３３は、処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間に、反応管２０３の下部より上部の内壁に沿って、ウエハ２００の積載方向（縦方向）に設けられている。このように、ノズル２３３は、ボート２１７上の複数のウエハ２００の積載方向に沿って配置されている。
ノズル２３３の側面には、ガスを処理室２０１へ供給する供給孔であるガス出口２３３ａが、ボート２１７上の複数のウエハ２００が存在する領域において、ウエハ２００に対向するように、複数個設けられている。このガス出口２３３ａは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。ガス出口２３３ａは、例えば、０．１〜５ｍｍの孔径であり、ウエハ２００に対して１対１で対応するように設けることが好ましい。これにより、ボート２１７上の複数のウエハ２００に対して均一な流量の処理ガスを供給することが容易となる。
こうして、第２の処理ガスは、第２ガス源２４５ｃからガス配管２４３を通り、ＭＦＣ２４６ｃで流量調整され、バルブ２４７ｃを介し、ガス配管２５３から供給されるキャリアガスと合流する。そして、ガス配管２４３ａを通り、第３のノズル２３３に形成されたガス出口２３３ａから処理室２０１に供給される。
次に、本実施形態のガス供給部の特徴について、図５と図６及び図８と図９を用いて詳しく説明する。尚、図５と図６及び図８と図９では、ボート２１７の図示を省略している。
なお、図５と図６及び図８と図９では、バッファ室２０４を反応管２０３の外側に設けているが、前述したように、反応管２０３の内側に設けてもよい。また、バッファ室２０４をボート支持台２１８の下部まで設けているが、図２で示すように、バッファ室２０４をボート支持台２１８の上部までとしてもよい。
（第１実施例） 図５に示すように、ウエハ２００の側方に配置されたバッファ室２０４内に、長さと直径の異なる２本の先端（上端）開放型のガス供給ノズル２３１，２３２が設置されている。バッファ室２０４は、処理室２０１と、ガス出口２０５ａで連通されている。図５の例では、ガス出口２０５ａは、ウエハ２００と１対１で設けられ、横方向に細長い横長のスリットであるが、円形の孔としてもよい。長いノズル２３１の内径Ｄａは、短いノズル２３２の内径Ｄｂよりも細い。例えば、Ｄａは１０〜１５ｍｍ、Ｄｂは２０〜２５ｍｍである。
バッファ室２０４のガス出口２０５ａを通過するガスの質量流量が上下方向で異なると、ウエハ２００上を通過するガスの流速が、上下のウエハ２００において異なることになり、上のウエハ２００と下のウエハ２００の面間の膜厚分布が異なってしまう（面間膜厚分布が上下で異なってしまう）ことがある。そのため、ノズル２３１とノズル２３２には、同一種類の原料ガスについて同一の質量流量を与えるのが望ましい（Ｑａ＝Ｑｂ）。Ｑａは、ノズル２３１を流れる第１のガスの質量流量であり、Ｑｂは、ノズル２３２を流れる第１のガスの質量流量である。Ｑａ＝Ｑｂは、ＭＦＣ２４６ａとＭＦＣ２４６ｂを流れる質量流量を同一とすることで実現される。なお、本明細書で同一の質量流量とは、厳密に同一である場合のほか、ウエハ２００の面間の処理の度合い（例えば膜厚分布）が異なることを抑制できる程度にＱａとＱｂの値が近いことを含む。
ノズル２３１はノズル２３２よりも長いため、もしノズル２３１とノズル２３２が同一の断面積の場合には、ノズル２３１内を通過するガスの滞在時間は、ノズル２３２内を通過するガスの滞在時間よりも長くなる。したがって、ノズル２３１内のガスはノズル２３２内のガスよりも長い時間、ヒータ２０７から加熱されるので、ノズル２３１のガス出口２３１ａにおける原料ガスの気相分解は、ノズル２３２のガス出口２３２ａにおける原料ガスの気相分解よりも進んでしまう。
これを解消するため、図５に示すように、長いノズル２３１の内径Ｄａを、短いノズル２３２の内径Ｄｂよりも小さくし、ノズル２３１内のガスの通過流速を速める。これにより、ヒータ２０７で加熱されるノズル２３１内のガス滞在時間を、ヒータ２０７で加熱されるノズル２３２内のガス滞在時間と同一となるように調整する。つまり、ウエハ２００が配置されるウエハ配置領域に対向するノズル２３１内のガス滞在時間を、ウエハ配置領域に対向するノズル２３２内のガス滞在時間と同一となるように調整する。
すなわち、ウエハ２００が配置されるウエハ配置領域に対向するノズル２３１の長さをＬ１、流路断面積をＳ１とし、ウエハ配置領域に対向するノズル２３２の長さをＬ２、流路断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも小さいよう設定する。
こうすることで、ノズル２３１及びノズル２３２の内部の原料ガスが、ヒータ２０７からの熱により分解されてウエハ処理に寄与する処理ガスとして生成されるときに、ノズル２３１及びノズル２３２の各ノズル出口に於ける原料ガスの分解度が揃うため、原料ガスの濃度が、ノズル２３１の出口２３１ａとノズル２３２の出口２３２ａとで同一となる。したがって、複数のガス出口２０５ａから処理室２０１内へ供給されるときの原料ガスの濃度が、ウエハ２００が配置されるウエハ配置領域において同じになる。なお、本明細書において、原料ガスの濃度が同一とは、厳密に同一である場合のほか、ウエハ２００の面間の膜厚分布が異なることを抑制できる程度に成膜ガスの濃度の値が近いことを含む。
こうして、ウエハ２００の縦方向における原料ガスの濃度分布の偏りが小さくなり、平坦な面間膜厚分布を得ることができる。図５の例は、各ノズル内の圧力損失が比較的小さく、チョーク流れに達しないような処理室２０１の圧力の場合、つまり、処理室２０１の圧力が第１所定圧力としての１００Ｐａ以上の環境（例えば１００Ｐａ〜１００００Ｐａの環境）に適している。
（第２実施例） 次に、第２実施例のガス供給部の特徴について、図６を用いて説明する。 処理室２０１内の圧力が１００Ｐａ未満の環境（例えば１Ｐａ〜５０Ｐａの環境）では、先端開放型のガス供給ノズル内はチョーク流れとなり、ノズル内を通過するガス流速は、ノズル断面積に依らず、環境温度で定まる音速となる。この場合、図５のように断面積を異ならせても、ノズル内流速は一定（音速）となってしまうので、ガスの滞在時間は、ノズル２３２よりもノズル２３１のほうが長くなってしまい、ノズル２３１内の原料ガスの分解が、より促進されてしまう。
そこで図６のように、ノズル２３１の断面積をノズル２３２の断面積よりも大きくする。図６の例では、長いノズル２３１の内径Ｄａ（例えば２３ｍｍ）は、短いノズル２３２の内径Ｄｂ（例えば１３ｍｍ）よりも太い。この点だけが、図５の例と異なり、他の点は、図５の例と同じである。
すなわち、ウエハ２００が配置されるウエハ配置領域に対向するノズル２３１の長さをＬ１、流路断面積をＳ１とし、ウエハ配置領域に対向するノズル２３２の長さをＬ２、流路断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも大きいように設定する。
こうすることで、ノズル２３１とノズル２３２の流路がチョーク流れにより音速であることには変わりないが、ノズル２３１とノズル２３２が同一の質量流量（Ｑａ＝Ｑｂ）を維持するため、断面積の大きいノズル２３１の内圧は低くなる。質量流量（ｋｇ/ｓ）＝(ノズル断面積（ｍ２）)×(ガス密度（ｋｇ/ｍ３）)×(流速(音速)（ｍ/ｓ）)であるので、質量流量が同一であれば、ノズル断面積が大きいとガス密度（つまり内圧）は小さくなるからである。
原料ガスの分解は、温度と滞在時間のほかに、環境圧力により影響される。具体的には、高圧場では、分子同士の衝突頻度が高いために、分解反応は促進され、低圧場では、その逆となる。上述したように、断面積を大きくしたノズル２３１の内圧は低くなるため、原料ガスの分解は抑制される。このようにして、１００Ｐａ未満(特に、第２所定圧力としての５０Ｐａ未満)の極低圧環境では、第１実施例とは逆の設定（Ｄａ＞Ｄｂ）とすることにより、各ノズル出口の原料ガス分解状態を揃えることができ、ウエハ２００の膜厚分布を、ボート２１７の上下間で平坦化することができる。
なお、処理室２０１の圧力が、第１所定圧力と第２所定圧力の間の遷移領域の圧力（例えば５０Ｐａ〜１００Ｐａの環境）の場合は、Ｄａ＝Ｄｂとすることにより、各ノズル出口の原料ガス分解状態を同一とすることが可能である。尚、わずかにＤａ＞Ｄｂとしてもよい。
（第３実施例と第４実施例） 図８に第１実施例を改良した構成としての第３実施例、図９に第２実施例を改良した構成としての第４実施例をそれぞれ示す。尚、第１実施例と第３実施例及び第２実施例と第４実施例を比較すると、それぞれのノズルの長さを変更しただけであり、他の構成は同じであるので詳細説明は省略する。また、それぞれのノズルの長さの違いに関しては後述する。
近年、半導体デバイスは集積度を増すため、集積回路パターンの微細化及び３Ｄ構造化が進み、これにともないウエハ２００の表面積は増大の一途を辿っている。以後、このようなウエハ２００を処理ウエハ(パターン付きウエハ)と言う場合がある。ウエハの表面積が増えると、単位時間当たりの原料ガス消費速度が増大するため、処理ウエハ２００表面上の原料ガス濃度は下がる傾向となる。よって、原料ガス濃度が下がると処理ウエハ２００の膜厚は薄くなるため、基板配置領域における原料ガスの濃度均一性を良好に保つのが困難である。
本実施の形態における基板処理装置１において、パターン付きウエハ２００を処理する際、基板配置領域の上段と下段の数枚をベアウエハ(ダミーウエハ)として処理する。このとき、処理ウエハ２００の領域(基板処理領域)では原料ガスの消費が多いため、原料ガス濃度が低下する。一方、ダミーウエハが配置されるベアウエハ領域では原料ガスは余剰するため高濃度となる。つまり、ウエハエッジ部(端部)と反応管内壁の隙間を通じて濃度拡散が起こるため、ウエハ積層方向に原料ガスの濃淡が付き、この場合、処理ウエハ２００領域の高さ方向の濃度分布が均等にならず、基板配置領域における処理ガスの濃度均一性が悪化する。膜厚は原料ガス濃度の濃淡に応じて増減するため、処理ウエハ２００領域の高さ方向の膜厚均一性(面間均一性)が悪化する。
図８に示す第３実施例(若しくは、図９に示す第４実施例)において、ノズル２３１の出口２３１ａ、ノズル２３２の出口２３２ａをベアウエハ領域に対向する位置になるようにノズル２３１とノズル２３２が設置される。これにより、パターン付きウエハ２００を処理する際に、原料ガスの基板配置領域の上下方向で濃度均一性を良好にすることができる。
図１０に、第３実施例(若しくは、第４実施例)に示すノズル２３１の出口２３１ａ、ノズル２３２の出口２３２ａがベアウエハの領域に対向する位置になるように、ノズル２３１とノズル２３２をそれぞれ設置した時の原料ガス濃度の分布及び膜厚の分布をそれぞれ示す。これにより、パターン付きウエハ２００を処理する際に、原料ガスの基板処理領域内の濃度均一性を良好にすることができるので、膜厚の面間均一性も良好にすることができる。
図１１または図１２は、図１０に示す原料ガスの濃度分布及び膜厚分布を説明するための図である。尚、図１０〜図１２では、説明を分かり易くするため、反応管２０３内に原料ガス供給ノズルを設け、バッファ室２０４を削除している。
図１１に、原料ガス供給ノズル２３１(２３２)を短くした場合の原料ガスの濃度分布の状態を示す。例えば、原料ガスとしてヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６、略称：ＨＣＤＳ）ガスをＳｉソースガスとして用いた場合、ＨＣＤＳガスは熱分解し，ＳｉＣｌ２等のＳｉラジカルガスが生成する。一般的にＳｉラジカルガスはウエハ２００表面への付着確率が高いため、このガスの濃淡が膜厚の増減と相関があると考えられる。原料ガス供給ノズル２３１(２３２)が短い場合には、ウエハ２００の下段側には、未分解のガスが多く供給されるためにＳｉラジカルガスの濃度は低く、膜厚は薄くなる。一方、基板配置領域上段側は、原料ガスの熱分解が進むため、Ｓｉラジカルガスが豊富に存在し、膜厚は厚くなる。
図１２に、同様にして原料ガス供給ノズル２３１(２３２)を長くした場合のＨＣＤＳガスの濃度分布の状態を示す。この場合、図１１に示す膜厚分布の状態と逆の膜厚分布となる。
つまり、図１０に示す原料ガス供給ノズル２３１、２３２は、図１１と図１２で説明した挙動を相殺させた膜厚分布となる。ノズル２３１の出口２３１ａ、ノズル２３２の出口２３２ａがベアウエハの領域に対向する位置になるようにすることで、基板配置領域(または基板処理領域)の上段と下段に於けるＳｉラジカル濃度を下げることができ、基板配置領域(または基板処理領域)の高さ方向で原料ガス濃度分布を揃えることができる。これにより、基板処理領域における膜厚分布が揃い、膜厚分布の面間均一性が向上する。
また、ノズル２３１の出口２３１ａ、ノズル２３２の出口２３２ａは、基板処理領域とベアウエハ領域の境界に設けられてもよい。また、基板処理領域に対向する位置に配置してもよい。但し、この場合、上段及び下段のベアウエハ領域から処理ウエハ２００で数枚程度の位置で、且つ、基板処理領域の中心から同じ距離の位置にノズル２３１の出口２３１ａ、ノズル２３２の出口２３２ａが配置されるようにするのが好ましい。
また、特に説明していないが、第３実施例と第４実施例において、第１実施例と第２実施例と同様に、原料ガスの分解は、温度と滞在時間のほかに、環境圧力により影響される。要するに、高圧場では、分子同士の衝突頻度が高いために、分解反応は促進され、低圧場では、その逆となる。
また、特に説明していないが、第３実施例と第４実施例において、断面積を大きくしたノズル２３１の内圧は低くなるため、原料ガスの分解は抑制される。１００Ｐａ未満(特に、第２所定圧力としての５０Ｐａ未満)の極低圧環境では、第４実施例に示すように、第３実施例とは逆の設定（Ｄａ＞Ｄｂ）とすることにより、各ノズル出口の原料ガス分解状態を揃えることができ、ウエハ２００の膜厚分布を、ボート２１７の上下間で平坦化することができる。
なお、特に説明していないが、第３実施例と第４実施例において、第１実施例と第２実施例と同様に、処理室２０１の圧力が、遷移領域の圧力（例えば５０Ｐａ〜１００Ｐａの環境）の場合は、Ｄａ＝Ｄｂとすることにより、各ノズル出口の原料ガス分解状態を同一とすることが可能である。また同様に、わずかにＤａ＞Ｄｂとしてもよい。
（１−３）排気系 図２に示すように、処理室２０１は、ガスを排出する排気管である排気管２６１により、ＡＰＣバルブ２６３を介して排気装置（排気手段）である真空ポンプ２６４に接続され、真空排気されるようになっている。排気管２６１には、処理室２０１内の圧力を測定するための圧力センサ２６２が設けられている。ＡＰＣバルブ２６３は、弁を開閉して処理室２０１の真空排気及び真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能となっている開閉弁である。ＡＰＣバルブ２６３の弁開度は、圧力センサ２６２の値に基づき、後述のコントローラ２８１により制御される。
（１−４）ボート 図２に示すように、反応管２０３内の中央部には、複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で保持するボート２１７が設けられている。ボート２１７は、ボートエレベータ１２１（図１参照）により、反応管２０３内に出入りできるようになっている。また、処理の均一性を向上するために、ボート２１７を回転するためのボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を駆動することにより、ボート支持台２１８に支持されたボート２１７を回転するようになっている。
（１−５）コントローラ 次に、制御部（制御手段）であるコントローラについて図７を用いて説明する。
図７に示されているように、コントローラ２８１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２８１ａ、ＲＡＭ（Random Access Memory）２８１ｂ、記憶装置２８１ｃ、Ｉ／Ｏポート２８１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ２８１ｂ、記憶装置２８１ｃ、Ｉ／Ｏポート２８１ｄは、内部バス２８１ｅを介して、ＣＰＵ２８１ａ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２８１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２８２が接続されている。
記憶装置２８１ｃ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２８１ｃ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など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。なお、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２８１に実行させ、所定の結果を得ることができるように組み合わされたものである。また、ＲＡＭ２８１ｂは、ＣＰＵ２８１ａ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２８１ｄは、ＭＦＣ２４６ａ〜２４６ｅ、バルブ２４７ａ〜２４７ｅ、圧力センサ２６２、ＡＰＣバルブ２６３、真空ポンプ２６４、ヒータ２０７、回転機構２６７、ボートエレベータ１２１等に接続されている。
ＣＰＵ２８１ａは、記憶装置２８１ｃ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２８２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２８１ｃからプロセスレシピを読み出すように構成されている。そして、ＣＰＵ２８１ａは、読み出したプロセスレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ２４６ａ〜２４６ｅによる各種ガスの流量調整動作、バルブ２４７ａ〜２４７ｅの開閉動作、ＡＰＣバルブ２６３の開閉動作及び圧力センサ２６２に基づくＡＰＣバルブ２６３の圧力調整動作、温度センサ２６５に基づくヒータ２０７の温度調整動作、真空ポンプ２６４の起動および停止、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１２１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。
なお、コントローラ２８１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２８３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、本実施例に係るコントローラ２８１を構成することができる。
記憶装置２８１ｃや外部記憶装置２８３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ている。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２８１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置２８３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。
なお、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２８３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２８３を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。
（２）基板処理工程 次に、上述の基板処理装置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、基板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説明する。ここでは、基板としてのウエハ２００に対して、原料ガスである第１の処理ガスと、ウエハ２００上に堆積された原料ガス成分と化学反応する反応ガスである第２の処理ガスとを交互に供給することで、ウエハ２００上に膜を形成する例について説明する。
以下、原料ガスとしてＨＣＤＳガスを用い、反応ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスを用い、ウエハ２００上にシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜、以下、ＳｉＮ膜ともいう）を形成する例について説明する。なお、以下の説明において、基板処理装置１を構成する各部の動作はコントローラ２８１により制御される。
本実施形態における成膜処理では、処理室２０１内のウエハ２００に対してＨＣＤＳガスを供給する工程と、処理室２０１内からＨＣＤＳガス（残留ガス）を除去する工程と、処理室２０１内のウエハ２００に対してＮＨ３ガスを供給する工程と、処理室２０１内からＮＨ３ガス（残留ガス）を除去する工程と、を非同時に行うサイクルを所定回数（１回以上）行うことで、ウエハ２００上にＳｉＮ膜を形成する。
本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、ウエハそのものを意味する場合や、ウエハとその表面に形成された所定の層や膜との積層体を意味する場合がある。本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、ウエハそのものの表面を意味する場合や、ウエハ上に形成された所定の層等の表面を意味する場合がある。本明細書において「ウエハ上に所定の層を形成する」と記載した場合は、ウエハそのものの表面上に所定の層を直接形成することを意味する場合や、ウエハ上に形成されている層等の上に所定の層を形成することを意味する場合がある。本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
（ウエハチャージおよびボートロード） 複数枚のウエハ２００がボート２１７に装填されると、ボート２１７は、ボートエレベータ１２１によって処理室２０１内に搬入される。このとき、シールキャップ２１９は、Ｏリング２２０を介して反応管２０３の下端を気密に閉塞した状態となる。
（圧力調整および温度調整） 処理室２０１内、すなわち、ウエハ２００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２６４によって真空排気（減圧排気）される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２６２で測定され、この測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ２６３が、フィードバック制御される。真空ポンプ２６４は、少なくともウエハ２００に対する処理が終了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。
また、処理室２０１内のウエハ２００が所定の温度となるように、ヒータ２０７によって加熱される。この際、処理室２０１が所定の温度分布となるように、温度センサ２６５が検出した温度情報に基づきヒータ２０７への通電具合がフィードバック制御される。ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱は、少なくともウエハ２００に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
また、回転機構２６７によるボート２１７およびウエハ２００の回転を開始する。回転機構２６７により、ボート２１７が回転されることで、ウエハ２００が回転される。回転機構２６７によるボート２１７およびウエハ２００の回転は、少なくとも、ウエハ２００に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
（成膜処理） 処理室２０１内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、次の２つのステップ、すなわち、ステップ１〜２を順次実行する。
（ステップ１） このステップでは、処理室２０１内のウエハ２００に対し、ＨＣＤＳガスを供給する。バルブ２４７ｂ１とバルブ２４７ａとバルブ２４７ｂ２とを開き、ガス配管２４０内へＨＣＤＳガスを流す。ＨＣＤＳガスは、ガス配管２４１とガス配管２４２に分岐される。ガス配管２４１内のＨＣＤＳガスは、ＭＦＣ２４６ａにより流量調整され、ガス配管２４１ａからノズル２３１とバッファ室２０４を介して処理室２０１内へ供給され、排気管２６１から排気される。また、ガス配管２４２内のＨＣＤＳガスは、ＭＦＣ２４６ｂにより流量調整され、ガス配管２４２ａからノズル２３２とバッファ室２０４を介して処理室２０１内へ供給され、排気管２６１から排気される。
こうして、処理室２０１内のウエハ２００に対して、ノズル２３１とノズル２３２からバッファ室２０４を介して、ＨＣＤＳガスが供給されることとなる。このとき、ノズル２３１とノズル２３２から供給されるＨＣＤＳガスの質量流量は、ＭＦＣ２４６ａとＭＦＣ２４６ｂにより、同一になるよう制御される。
ＨＣＤＳガスを供給するとき、バルブ２４７ｄを開き、ガス配管２５１内とガス配管２５２内へＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ＭＦＣ２４６ｄにより流量調整され、ＨＣＤＳガスと一緒に処理室２０１内へ供給され、排気管２６１から排気される。ウエハ２００に対してＨＣＤＳガスを供給することにより、ウエハ２００の最表面上に、第１の層としてＳｉ含有層が形成される。
第１の層が形成された後、バルブ２４７ｂ１とバルブ２４７ａとバルブ２４７ｂ２とを閉じ、ＨＣＤＳガスの供給を停止する。このとき、ＡＰＣバルブ２６３は開いたままとして、真空ポンプ２６４により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１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２０１内から排出する。このとき、バルブ２４７ｄを開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１内への供給を維持する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室２０１内に残留するガスを処理室２０１内から排出する効果を高めることができる。
このとき、処理室２０１内に残留するガスを完全に排出しなくてもよく、処理室２０１内を完全にパージしなくてもよい。処理室２０１内に残留するガスが微量であれば、その後に行われるステップ２において悪影響が生じることはない。処理室２０１内へ供給するＮ２ガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、反応管２０３（処理室２０１）の容積と同程度の量のＮ２ガスを供給することで、ステップ２において悪影響が生じない程度のパージを行うことができる。このように、処理室２０１内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。Ｎ２ガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。
（ステップ２） ステップ１が終了した後、処理室２０１内のウエハ２００、すなわち、ウエハ２００上に形成された第１の層に対してＮＨ３ガスを供給する。ＮＨ３ガスは熱で活性化されてウエハ２００に対して供給されることとなる。
このステップでは、ＮＨ３ガスは、ＭＦＣ２４６ｃにより流量調整され、ガス配管２４３からガス配管２４３ａとノズル２３３を介して、処理室２０１内へ供給され、排気管２６１から排気される。このとき、ウエハ２００に対してＮＨ３ガスが供給されることとなる。なお、ＮＨ３ガスを供給するとき、同時にバルブ２４７ｅを開き、ガス配管２５３内へＮ２ガスを流すようにしてもよい。このＮ２ガスは、ＭＦＣ２４６ｅにより流量調整され、ＮＨ３ガスと一緒に処理室２０１内へ供給される。
ウエハ２００に対して供給されたＮＨ３ガスは、ステップ１でウエハ２００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、ノンプラズマで熱的に窒化され、ＳｉおよびＮを含む第２の層、すなわち、ＳｉＮ層へと変化させられる（改質される）。なお、このとき、プラズマ励起させたＮＨ３ガスをウエハ２００に対して供給し、第１の層をプラズマ窒化することで、第１の層を第２の層へ変化させるようにしてもよい。
第２の層が形成された後、バルブ２４７ｃを閉じ、ＮＨ３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、バルブ２４７ｄとバルブ２４７ｅを開け、ノズル２３１〜２３３のそれぞれへ、Ｎ２ガスを供給し、処理室２０１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２０１内から排出する。このとき、処理室２０１内に残留するガス等を完全に排出しなくてもよい点は、ステップ１と同様である。
（所定回数実施） 上述した２つのステップを非同時に、すなわち、同期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、ウエハ２００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。すなわち、上述のサイクルを１回行う際に形成される第２の層の厚さを所定の膜厚よりも小さくし、第２の層を積層することで形成されるＳｉＮ膜の膜厚が所定の膜厚になるまで、上述のサイクルを複数回繰り返す。
成膜処理を行う際の処理条件としては、例えば、 処理温度（ウエハ温度）：２５０〜８００℃、 処理圧力（処理室内圧力）：１〜４０００Ｐａ、 ＨＣＤＳガス供給流量：１〜２０００ｓｃｃｍ、 ＮＨ３ガス供給流量：１００〜１００００ｓｃｃｍ、 Ｎ２ガス供給流量（ＨＣＤＳガス供給時）：１００〜１００００ｓｃｃｍ、 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。
例えば、処理圧力が１００〜１５０Ｐａの場合は、処理温度を５００〜６３０℃とし、ノズル２３１とノズル２３２として、図５（第１実施例）で示すノズルを用い、処理圧力が５〜２０Ｐａの場合は、処理温度を５００〜６３０℃とし、ノズル２３１とノズル２３２として、図６（第２実施例）で示すノズルを用いる。また、パターン付きウエハ２００の場合、処理圧力に応じて、ノズル２３１とノズル２３２として図８（第３実施例）で示すノズルか、図９（第４実施例）で示すノズルを用いる。
そして、いずれの場合も、ＨＣＤＳガスを供給するときは、ノズル２３１とノズル２３２に、それぞれ、１００ｓｃｃｍのＨＣＤＳガスを供給する。このとき同時に、ノズル２３１とノズル２３２に、それぞれ、０〜５００ｓｃｃｍの間の流量のＮ２ガスを供給し、ノズル２３３には、１００ｓｃｃｍのＮ２ガスを供給する。ノズル２３３にＮ２ガスを供給する理由は、ＨＣＤＳガスの侵入を防ぐためである。
また、ＨＣＤＳガスの供給を終了した後、ＮＨ３ガスを供給するときは、ノズル２３３には、５０００ｓｃｃｍのＮＨ３ガスを供給する。このとき同時に、ノズル２３３に、０〜１００００ｓｃｃｍの間の流量のＮ２ガスを供給し、ノズル２３１とノズル２３２に、それぞれ、５００ｓｃｃｍのＮ２ガスを供給する。ノズル２３１とノズル２３２にＮ２ガスを供給する理由は、ＮＨ３ガスの侵入を防ぐためである。
（パージおよび大気圧復帰） 成膜処理が完了した後、バルブ２４７ｄを開き、ガス配管２５１とガス配管２５２からバッファ室２０４を介して、Ｎ２ガスを処理室２０１内へ供給し、排気管２６１から排気する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用する。これにより、処理室２０１内がパージされ、処理室２０１内に残留するガスや反応副生成物が処理室２０１内から除去される。なお、パージ時に、バルブ２４７ｅを開き、ガス配管２５３からガス配管２４３ａとノズル２３３を介して、Ｎ２ガスを処理室２０１内へ供給するようにしてもよい。その後、処理室２０１内の雰囲気が不活性ガス（Ｎ２ガス）に置換され（不活性ガス置換）、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。
（ボートアンロードおよびウエハディスチャージ） ボートエレベータ１２１によりシールキャップ２１９が下降され、反応管２０３の下端が開口される。そして、処理済のウエハ２００が、ボート２１７に支持された状態で、反応管２０３の下端から反応管２０３の外部に搬出される。処理済のウエハ２００は、ボート２１７より取出される。
なお、前記実施形態では、ＨＣＤＳガスを供給するステップとＮ２ガスを供給するステップとを、非同時に行ったが、本発明はこれに限られるものではなく、この２つのステップを同時に行うようなプロセスにも適用可能である。
以上説明したように、本実施形態によれば、以下に示す（１）〜（６）の効果のうち１つ又は複数の効果を得ることができる。
（１）同一種類であって同一質量流量の処理ガスを、それぞれの上端から供給する第１のガス供給管と第２のガス供給管とを備えるガス供給部において、基板配置領域に対向する第１のガス供給管の長さをＬ１、流路断面積をＳ１とし、基板配置領域に対向する第２のガス供給管の長さをＬ２、流路断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも小さく構成できるので、基板配置領域に配置される複数の基板に対し供給される処理ガスの濃度均一性を向上させることができる。
（２）第１のガス供給管及び第２のガス供給管を収容し、処理室と連通する複数の開口を有するバッファ室を備え、第１のガス供給管及び第２のガス供給管から供給された処理ガスを、バッファ室の複数の開口からそれぞれ同じ流速で処理室内へ供給するように構成したので、基板に対し供給される処理ガスの濃度均一性をより向上させることができる。
（３）バッファ室の複数の開口が、基板配置領域に対向する位置に設けられるように構成したので、基板に対し供給される処理ガスの濃度均一性をさらに向上させることができる。
（４）バッファ室の複数の開口のそれぞれが、複数の基板のそれぞれに対応するように構成できるので、基板に対し供給される処理ガスの濃度均一性をさらに向上させることができる。
（５）同一種類であって同一質量流量の処理ガスを、それぞれの上端から供給する第１のガス供給管と第２のガス供給管とを備えるガス供給部において、処理室内圧力に応じて、基板配置領域に対向する第１のガス供給管の長さをＬ１、流路内部断面積をＳ１とし、基板配置領域に対向する第２のガス供給管の長さをＬ２、流路内部断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも小さく構成したり、又は、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも大きく構成したり、又は、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１とＳ２と等しく構成したりできるので、基板配置領域に配置される複数の基板に対し供給される処理ガスの濃度均一性を向上させることができる。
（６）同一種類であって同一質量流量の処理ガスを、それぞれの上端から供給する第１のガス供給管と第２のガス供給管とを備えるガス供給部において、第１のガス供給管と第２のガス供給管のそれぞれの上端部をベアウエハ領域に対向する位置に配置することにより、処理室内に配置されるパターン付き基板間の処理ガスの濃度均一性を向上させることができる。
上述の効果は、原料ガスとしてＨＣＤＳガス以外のガスを用いる場合や、Ｎ含有ガスとしてＮＨ３ガス以外のガスを用いる場合や、パージガスとしてＮ２ガス以外の不活性ガスを用いる場合にも、同様に得ることができる。
本発明は、前記実施形態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に変更が可能であることはいうまでもない。
前記実施形態では、第１のガス供給系からＨＣＤＳガスを供給するように構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、第１のガス供給系からモノシランガス（ＳｉＨ４ガス）を供給するように構成することもできる。例えば、１００〜１５０Ｐａ、７００℃前後の処理室内へ、図５のノズル２３１とノズル２３２から、それぞれ、５０〜２５０ｓｃｃｍのモノシランガスを供給する。
また、前記実施形態では、処理室へ処理ガスを供給するガス供給系が、第１のガス供給系と第２のガス供給系とを含むように構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、ガス供給系が第１のガス供給系のみで構成される場合にも適用可能である。
また、前記実施形態では、バッファ室２０４を設け、ノズル２３１とノズル２３２をバッファ室２０４内に配置したが、プロセス条件（処理ガス種、圧力、温度、膜厚均一性の要求度等）によっては、バッファ室２０４を設けず、ノズル２３１とノズル２３２を反応管２０３内に配置する構成とすることも可能である。
本発明は、半導体製造装置だけでなく、ＬＣＤ製造装置のようなガラス基板を処理する装置や、他の基板処理装置にも適用できる。また、前記実施形態では、窒化膜の成膜を例に説明したが、膜種は特に限定されず、例えば、酸化膜（ＳｉＯ等）、金属酸化膜等、種々の膜種に適用可能である。また、成膜処理以外の基板処理にも適用可能である。
この出願は、２０１５年９月１７日に出願された日本出願特願２０１５−１８４１３１を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。
基板保持具に装填される基板に対し、処理ガスを供給して基板を処理する基板処理装置に適用される。
１…基板処理装置、２００…基板（ウエハ）、２０１…処理室、２０７…ヒータ、２１７…ボート（基板保持具）、２３１…ノズル、２３１ａ…ガス出口、２３２…ノズル、２３２ａ…ガス出口、２８１…制御部（コントローラ）。

Claims (12)

  1. 同一種類であって同一質量流量の処理ガスを、それぞれの上端から供給する第１のガス供給管と第２のガス供給管とを備え、 前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管を介して、縦方向に配列された複数の基板を収容する処理室へ、前記複数の基板を処理するための処理ガスを供給するガス供給部であって、 前記複数の基板が配置される基板配置領域に対向する前記第１のガス供給管の長さをＬ１、前記第１のガス供給管の流路断面積をＳ１とし、前記基板配置領域に対向する前記第２のガス供給管の長さをＬ２、前記第２のガス供給管の流路断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも小さく構成されるガス供給部。
  2. 前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管を収容し、前記処理室と連通する複数の開口を有するバッファ室を備え、 前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管から供給された処理ガスを、前記複数の開口から前記処理室内へ供給するよう構成される請求項１記載のガス供給部。
  3. 前記複数の開口が、前記基板配置領域に対向する位置に設けられ、 前記複数の開口から前記処理室に供給されるガスの流速が、同一になるよう構成される請求項２記載のガス供給部。
  4. 前記基板に対向する前記第１のガス供給管の内部をガスが流れる第１の時間と前記基板に対向する前記第２のガス供給管の内部をガスが流れる第２の時間が、同一になるよう構成される請求項３記載のガス供給部。
  5. 縦方向に配列された複数の基板を収容する処理室と、前記複数の基板を処理するための処理ガスをそれぞれの上端から前記処理室へ供給するための第１のガス供給管と第２のガス供給管とを備えるガス供給部と、前記ガス供給部を介して前記処理室に供給される前記処理ガスの流量を制御する制御部と、を含む基板処理装置であって、 前記ガス供給部は、前記複数の基板が配置される基板配置領域に対向する前記第１のガス供給管の長さをＬ１、前記第１のガス供給管の流路断面積をＳ１とし、前記基板配置領域に対向する前記第２のガス供給管の長さをＬ２、前記第２のガス供給管の流路断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも小さく構成され、 前記制御部は、前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管へ供給する処理ガスを同一種類であって同一質量流量とするよう制御する基板処理装置。
  6. 前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管を収容し、前記処理室と連通する複数の開口を有するバッファ室を備え、 前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管から供給された処理ガスを、前記複数の開口から前記処理室内へ供給するよう構成される請求項５記載の基板処理装置。
  7. 前記処理室内の圧力が、第２所定圧力以上で第１所定圧力未満であれば、 前記第１のガス供給管の流路断面積と前記第２のガス供給管の流路断面積は同じに構成される請求項５記載の基板処理装置。
  8. 前記処理室内の圧力が、第１所定圧力以上であれば、 前記ガス供給部は、前記第１のガス供給管の流路断面積を前記第２のガス供給管の流路断面積よりも小さく構成される請求項５記載の基板処理装置。
  9. 前記処理室内の圧力が、第２所定圧力未満であれば、 前記ガス供給部は、前記第１のガス供給管の流路断面積を前記第２のガス供給管の流路断面積よりも大きく構成される請求項５記載の基板処理装置。
  10. 前記基板配置領域を加熱する加熱部を有し、 前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管の内部の原料ガスが、前記加熱部により分解されて基板処理に寄与する処理ガスとして生成され、 前記複数の開口から前記処理室内へ供給されるときの前記処理ガスの濃度が、前記基板配置領域の上下方向において同じになるよう構成される請求項５記載の基板処理装置。
  11. 前記基板配置領域がパターン付きの基板が配置される基板処理領域とベアウエハ領域とに区分され、
    前記第１のガス供給管及び前記第２のガス供給管の上端が前記ベアウエハ領域に対向する位置に配置されるよう構成されている請求項５記載の基板処理装置。
  12. 縦方向に配列された複数の基板を処理するために同一種類であって同一質量流量の処理ガスを、前記複数の基板が配置される基板配置領域に対向する第１のガス供給管の長さをＬ１、流路断面積をＳ１とし、前記基板配置領域に対向する第２のガス供給管の長さをＬ２、流路断面積をＳ２としたとき、Ｌ１がＬ２よりも長く、かつＳ１がＳ２よりも小さくした前記第１のガス供給管と前記第２のガス供給管のそれぞれの上端から、前記基板配置領域に供給して前記複数の基板を処理する半導体装置の製造方法。
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