WO2021187029A1 - 基板処理装置、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、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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Definitions

  • This disclosure relates to a substrate processing apparatus, a manufacturing method and a program of a semiconductor apparatus.
  • International Publication No. 2018/154823 and International Publication No. 2016/157401 include a process of supplying a processing gas to a substrate (wafer) in a processing chamber to form a film on the substrate as one step of a semiconductor device. Will be done.
  • An object of the present disclosure is to enable processing of large surface area wafers without increasing gas supply and exhaust.
  • the first inert gas is supplied to the peripheral edge of the substrate in the processing chamber, and a mixed gas of the second inert gas different from the first inert gas and the processing gas is supplied to the surface of the substrate in the processing chamber.
  • a technique comprising a step of supplying to and processing the substrate.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA of the processing furnace of FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram which shows the structure of the controller which the substrate processing apparatus shown in FIG. 1 has. It is a figure which shows typically the distribution of the gas on the wafer when the 2nd inert gas which is easy to diffuse is used. It is a figure which shows typically the distribution of the gas on the wafer when the 2nd inert gas which is hard to diffuse is used. It is a diagram which shows the raw material gas concentration between the center and the end side of a wafer.
  • the substrate processing apparatus is configured as an example of an apparatus used in the substrate processing process, which is one step of the manufacturing process of the semiconductor device (device).
  • the substrate processing device 10 includes a first inert gas supply system 20, a processing gas supply system 30, and a controller 121 as an example of a control unit.
  • the processing furnace 202 has a heater 207 as a heating means (heating mechanism).
  • the heater 207 has a cylindrical shape and is vertically installed by being supported by a heater base (not shown) as a holding plate.
  • a reaction tube 203 forming a reaction vessel is arranged concentrically with the heater 207.
  • the reaction tube 203 is made of a heat-resistant material (for example, quartz (SiO 2 ) or silicon carbide (SiC)), and is formed in a cylindrical shape with the upper end closed and the lower end open.
  • the processing chamber 201 is configured to accommodate the wafer 200 as a substrate in a state of being arranged in multiple stages in the vertical direction in a horizontal posture by a boat 217 described later.
  • Nozzles 400a and 400b are provided in the processing chamber 201 so as to penetrate the side wall of the manifold 209.
  • Gas supply pipes 410a and 410b as gas supply lines are connected to the nozzles 400a and 400b, respectively.
  • the reaction tube 203 is provided with two types of nozzles 400a and 400b and two gas supply tubes 410a and 410b so that a plurality of types of gas can be supplied into the processing chamber 201.
  • a mixed gas of a processing gas and an inert gas hereinafter referred to as a second inert gas
  • a second inert gas as a carrier gas supplied in an inert state (under conditions of non-reaction) to the processing gas through the nozzle 400a.
  • the nozzle 400b Can be supplied, and an inert gas different from the second inert gas (hereinafter referred to as the first inert gas) can be supplied through the nozzle 400b. That is, it is configured to be able to supply three types of gases, a processing gas, a first inert gas, and a second inert gas.
  • the nozzles 400b are arranged so as to sandwich the nozzles 400a in the circumferential direction of the processing chamber 201. In addition, it may be configured so that four or more kinds of gases can be supplied.
  • the processing furnace 202 of the present embodiment is not limited to the above-described embodiment.
  • a metal manifold that supports the reaction tube 203 may be provided below the reaction tube 203, and each nozzle may be provided so as to penetrate the side wall of the manifold.
  • the manifold may be further provided with an exhaust pipe 231 described later.
  • the exhaust pipe 231 may be provided in the lower part of the reaction pipe 203 instead of the manifold.
  • the furnace opening portion of the processing furnace 202 may be made of metal, and a nozzle or the like may be attached to the metal furnace opening portion.
  • the nozzles 400a and 400b are configured as L-shaped long nozzles, and their horizontal portions are provided so as to penetrate the side wall of the manifold 209.
  • the vertical portions of the nozzles 400a and 400b are formed in an annular space formed between the inner wall of the reaction tube 203 and the wafer 200, and are directed upward (upper in the loading direction of the wafer 200) along the inner wall of the reaction tube 203. It is provided so as to stand up (that is, to stand up from one end side to the other end side of the wafer arrangement region). That is, the nozzles 400a and 400b are provided along the wafer arrangement region in the region horizontally surrounding the wafer arrangement region on the side of the wafer arrangement region in which the wafer 200 is arranged.
  • the vertical portion may be an ascending portion and a descending portion of the U-shaped pipe, or may be independent pipes.
  • the vertical portions of the nozzle 400a are independent pipes, the vertical portions are branched and connected from the gas supply pipe 410a.
  • the vertical portions of the nozzle 400b are independent pipes, the vertical portions are branched and connected from the gas supply pipe 410b.
  • one of the two nozzles 400a may be used for supplying the processing gas, and the other may be used for supplying the second inert gas. Further, the nozzle 400a may have one vertical portion. Further, in FIG. 2, the arrangement of the nozzles 400a and 400b in a plan view is symmetrical, but the arrangement does not have to be symmetrical.
  • a gas supply hole 401a for supplying (spouting) the mixed gas is provided on the side surface of the nozzle 400a.
  • the gas supply hole 401a is opened so as to face, for example, the central portion (center side of the reaction tube 203) on the surface of the wafer 200 in the processing chamber 201.
  • a plurality of the gas supply holes 401a are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, each having the same opening area, and further provided with the same opening pitch.
  • the gas supply hole 401a is not limited to the above-mentioned form.
  • the opening area may be gradually increased from the lower part to the upper part of the reaction tube 203. This makes it possible to make the flow rate of the gas supplied from the gas supply hole 401a uniform.
  • a gas supply hole 401b for supplying (spouting) gas is provided on the side surface of the nozzle 400b. Specifically, the gas supply hole 401b is opened so as to face the peripheral edge of the wafer 200 in the processing chamber 201.
  • a plurality of the gas supply holes 401b are provided from the lower part to the upper part of the reaction tube 203, each having the same opening area, and further provided with the same opening pitch.
  • the gas supply hole 401b is not limited to the above-mentioned form.
  • the opening area may be gradually increased from the lower part to the upper part of the reaction tube 203. This makes it possible to make the flow rate of the gas supplied from the gas supply hole 401b uniform.
  • the gas supply method in the present embodiment is arranged in the annular vertically long space defined by the inner wall of the reaction tube 203 and the ends of the plurality of wafers 200, that is, in the cylindrical space.
  • the gas is conveyed through the nozzles 400a and 400b.
  • gas is ejected into the reaction tube 203 for the first time in the vicinity of the wafer 200 from the gas supply holes 401a and 401b opened in the nozzles 400a and 400b, respectively, and the main flow of gas in the reaction tube 203 is directed to the surface of the wafer 200.
  • the gas can be uniformly supplied to each wafer 200, and there is an effect that the film thickness of the thin film formed on each wafer 200 can be made uniform.
  • the gas that has flowed on the surface of each wafer 200 that is, the gas that remains after the reaction (residual gas), flows toward the exhaust port, that is, the exhaust pipe 231 that will be described later.
  • the direction is appropriately specified by the position of the exhaust port, and is not limited to the vertical direction.
  • the first inert gas supply system 20 is provided in the processing chamber 201 for processing the substrate, and is, for example, a nozzle 400b that supplies the first inert gas to the peripheral edge of the wafer 200 in the processing chamber 201.
  • a gas supply pipe 410b or the like as the first inert gas supply line is connected to the nozzle 400b.
  • the gas supply pipe 410b is provided with, for example, a mass flow controller (MFC) 412b as a flow rate control device and a valve 413b which is an on-off valve, in order from the upstream side.
  • MFC mass flow controller
  • nitrogen (N 2 ) gas as the first inert gas is supplied into the processing chamber 201 via the MFC 412b, the valve 413b, and the nozzle 400b.
  • the first inert gas supplied from the gas supply pipe 410b acts as a purge gas or a dilution gas in the substrate processing step described later.
  • the first inert gas supply system 20 is mainly composed of the gas supply pipe 410b, the MFC 412b, and the valve 413b.
  • the nozzle 400b may be included in the first inert gas supply system 20. Since the first inert gas also acts as a purge gas, the first inert gas supply system 20 can also be referred to as a purge gas supply system.
  • the processing gas supply system 30 is provided in the processing chamber 201 at a predetermined distance from the first inert gas supply system 20 in the circumferential direction of the substrate, and the processing gas and the first inert gas are different from each other through the nozzle 400a.
  • the nozzles 400a are arranged so as to be separated from the two nozzles 400b by a predetermined distance in the circumferential direction of the processing chamber 201 and to be sandwiched between the nozzles 400b.
  • a gas supply pipe 410a or the like is connected to the nozzle 400a.
  • the second inert gas supply line in the gas supply pipe 410a is provided with, for example, a mass flow controller (MFC) 412a as a flow rate control device and valves 413a and 416a as on-off valves in order from the upstream side.
  • MFC mass flow controller
  • the second inert gas for example, hydrogen gas, helium gas, nitrogen gas (N 2 ), and argon gas can be used in the order of small molecular weight and easy diffusion.
  • the second inert gas may be a noble gas.
  • the second inert gas may be selected from the group consisting of He gas, Ne gas, Ar gas, Kr gas, and Xe gas. Further, the second inert gas may be selected according to the surface area of the wafer 200.
  • the second inert gas may be composed of a gas having a diffusion coefficient different from that of the first inert gas.
  • the second inert gas may be composed of a gas having a diffusion coefficient larger than that of the first inert gas.
  • the processing gas supply system 30 may be configured so that the second inert gas can be selected according to the processing conditions. Further, the processing gas supply system 30 may be configured so that the concentration of the processing gas on the surface of the wafer 200 can be adjusted according to the type of the second inert gas.
  • the molecular weight of the second inert gas and the molecular weight of the first inert gas may be different from each other.
  • a gas having a molecular weight smaller than that of the first inert gas may be selected.
  • the flow rate of the second inert gas may be set larger than the flow rate of the processing gas. Further, the flow rate of the second inert gas may be set to be larger than the flow rate of the processing gas and the flow rate of the first inert gas.
  • a downstream end of the gas supply pipe 410c as a processing gas supply line is connected between the valve 413a and the valve 416a in the gas supply pipe 410a. At this portion, the processing gas and the second inert gas merge.
  • the gas supply pipe 410c is provided with an MFC 412c, a valve 413c as an on-off valve, a vaporizer 414c, and a valve 415a in this order from the upstream side.
  • a metal-containing gas containing a metal element is supplied into the processing chamber 201 via the MFC 412c, the valve 413c, the vaporizer 414c, the valve 415a, and the nozzle 400a.
  • the metal-containing gas is, for example, a raw material gas containing a metal element such as Al, Ti, Hf, Zr, Ta, Mo, and W.
  • raw material when used in the present specification, it may mean “liquid raw material in a liquid state”, “raw material gas in a gaseous state”, or both. be.
  • the processing gas supply system 30 is mainly composed of gas supply pipes 410a, 410c, MFC412a, 412c, valves 413a, 413c, 415a, 416a, and a vaporizer 414c.
  • the nozzle 400a may be included in the processing gas supply system 30.
  • the treated gas supply system 30 can also be simply referred to as a gas supply system.
  • the metal-containing gas as the raw material gas as described above flows from the gas supply pipe 410c
  • the metal-containing gas as the raw material gas supply system is mainly supplied by the gas supply pipe 410c, the MFC 412c, the valve 413c, the vaporizer 414c, and the valve 415a.
  • the system is constructed.
  • the nozzle 400a may be included in the raw material gas supply system.
  • the reaction pipe 203 is provided with an exhaust pipe 231 for exhausting the atmosphere in the processing chamber 201.
  • the exhaust pipe 231 is provided via a pressure sensor 245 as a pressure detector (pressure detector) for detecting the pressure in the processing chamber 201 and an APC (Auto Pressure Controller) valve 243 as a pressure regulator (pressure regulator).
  • a vacuum pump 246 as a vacuum exhaust device is connected.
  • the APC valve 244 can perform vacuum exhaust and vacuum exhaust stop in the processing chamber 201 by opening and closing the valve with the vacuum pump 246 operating, and further, with the vacuum pump 246 operating, the APC valve 244 can perform vacuum exhaust and vacuum exhaust stop.
  • the valve is configured so that the pressure in the processing chamber 201 can be adjusted by adjusting the valve opening degree based on the pressure information detected by the pressure sensor 245.
  • the exhaust system is mainly composed of an exhaust pipe 231, an APC valve 243, and a pressure sensor 245.
  • the vacuum pump 246 may be included in the exhaust system.
  • a seal cap 219 is provided as a furnace palate body that can airtightly close the lower end opening of the reaction tube 203.
  • the seal cap 219 is configured to come into contact with the lower end of the reaction tube 203 from the lower side in the vertical direction.
  • the seal cap 219 is made of a metal such as SUS and is formed in a disk shape.
  • An O-ring 220 as a sealing member that comes into contact with the lower end of the reaction tube 203 is provided on the upper surface of the seal cap 219.
  • a rotation mechanism 267 for rotating the boat 217 which will be described later, is installed.
  • the rotation shaft 255 of the rotation mechanism 267 penetrates the seal cap 219 and is connected to the boat 217.
  • the rotation mechanism 267 is configured to rotate the wafer 200 by rotating the boat 217.
  • the seal cap 219 is configured to be vertically lifted and lowered by a boat elevator 115 as a lifting mechanism vertically installed outside the reaction tube 203.
  • the boat elevator 115 is configured so that the boat 217 can be carried in and out of the processing chamber 201 by raising and lowering the seal cap 219. That is, the boat elevator 115 is configured as a transport device (convey mechanism) for transporting the boat 217, that is, the wafer 200, into and out of the processing chamber 201.
  • the boat 217 as a substrate support supports a plurality of wafers, for example 25 to 200 wafers, in a horizontal position and vertically aligned with each other, that is, in a multi-stage manner. It is configured to be arranged at intervals.
  • the boat 217 is made of a heat resistant material such as quartz or SiC.
  • a heat insulating plate 218 made of a heat-resistant material such as quartz or SiC is supported in a horizontal posture in multiple stages. With this configuration, the heat from the heater 207 is less likely to be transferred to the seal cap 219 side.
  • this embodiment is not limited to the above-described embodiment.
  • a heat insulating cylinder configured as a tubular member made of a heat-resistant material such as quartz or SiC may be provided.
  • a temperature sensor 263 as a temperature detector is installed in the reaction tube 203, and the temperature in the processing chamber 201 can be adjusted by adjusting the amount of electricity supplied to the heater 207 based on the temperature information detected by the temperature sensor 263. It is configured to have a desired temperature distribution.
  • the temperature sensor 263 is L-shaped like the nozzles 400a and 400b, and is provided along the inner wall of the reaction tube 203.
  • the controller 121 is configured as a computer including a CPU (Central Processing Unit) 121a, a RAM (Random Access Memory) 121b, a storage device 121c, and an I / O port 121d.
  • the RAM 121b, the storage device 121c, and the I / O port 121d are configured so that data can be exchanged with the CPU 121a via the internal bus.
  • An input / output device 122 configured as, for example, a touch panel is connected to the controller 121.
  • the storage device 121c is composed of, for example, a flash memory, an HDD (Hard Disk Drive), or the like.
  • a control program for controlling the operation of the substrate processing device, a process recipe in which the procedures and conditions for substrate processing described later are described, and the like are readablely stored.
  • the process recipes are combined so that the controller 121 can execute each procedure in the substrate processing step described later and obtain a predetermined result, and functions as a program.
  • this process recipe, control program, etc. are collectively referred to as a program.
  • the term program is used in the present specification, it may include only a process recipe alone, a control program alone, or both.
  • the RAM 121b is configured as a memory area (work area) in which programs, data, and the like read by the CPU 121a are temporarily held.
  • the I / O port 121d includes the above-mentioned MFC 412a, 412b, valves 413a to 413c, 415a, 416a, vaporizer 414c, APC valve 243, pressure sensor 245, vacuum pump 246, heater 207, temperature sensor 263, rotation mechanism 267, and boat. It is connected to an elevator 115 or the like.
  • the CPU 121a is configured to read and execute a control program from the storage device 121c and read a process recipe from the storage device 121c in response to an input of an operation command from the input / output device 122 or the like. According to the read process recipe, the CPU 121a uses the flow adjustment operation of various gases of the MFCs 412a and 412b, the opening and closing operations of the valves 413a to 413c, 415a and 416a, the vaporization operation of the vaporizer 414c, the opening and closing operation of the APC valve 243 and the APC valve 243.
  • Pressure adjustment operation based on pressure sensor 245, temperature adjustment operation of heater 207 based on temperature sensor 263, start and stop of vacuum pump 246, rotation and rotation speed adjustment operation of boat 217 by rotation mechanism 267, boat 217 by boat elevator 115 It is configured to control the ascending / descending motion and the like.
  • the controller 121 is stored in an external storage device (for example, magnetic tape, magnetic disk such as flexible disk or hard disk, optical disk such as CD or DVD, magneto-optical disk such as MO, semiconductor memory such as USB memory or memory card) 123.
  • the above-mentioned program can be configured by installing it on a computer.
  • the storage device 121c and the external storage device 123 are configured as a computer-readable recording medium. Hereinafter, these are collectively referred to simply as a recording medium.
  • recording medium When the term recording medium is used in the present specification, it may include only the storage device 121c alone, it may include only the external storage device 123 alone, or it may include both of them.
  • the program may be provided to the computer by using a communication means such as the Internet or a dedicated line without using the external storage device 123.
  • the program according to the present embodiment is provided in the processing chamber 201 for processing the wafer 200, and the first inert gas supply system 20 for supplying the first inert gas to the peripheral edge of the wafer 200 in the processing chamber 201, and the processing chamber.
  • a mixed gas of a second inert gas which is provided in the circumferential direction of the wafer 200 at a predetermined distance from the first inert gas supply system 20 and is different from the first inert gas, and a processing gas is applied to the wafer 200.
  • This is a program to be executed by the substrate processing apparatus 10 provided with the above, wherein the wafer 200 is carried into the processing chamber 201, and the first inert gas is supplied to the peripheral portion of the peripheral portion of the wafer 200 in the processing chamber 201. It is a procedure of supplying the mixed gas to the surface of the wafer 200 in the processing chamber 201 to process the wafer 200, and a program of causing the substrate processing apparatus 10 to execute the mixed gas by a computer.
  • the method for manufacturing the semiconductor device includes a step of bringing the wafer 200 into the processing chamber 201 for processing the wafer 200 as an example of the substrate, and a peripheral portion of the wafer 200 in the processing chamber 201 for the first inert gas.
  • the wafer 200 is processed by supplying a mixed gas of a second inert gas different from the first inert gas and the processing gas to the surface of the wafer 200 in the processing chamber 201.
  • performing a process means performing this process, etc. once or a plurality of times. That is, it means that the process is performed once or more.
  • FIG. 4 shows an example in which each process (cycle) is repeated n cycles at a time. The value of n is appropriately selected according to the film thickness required for the film to be finally formed. That is, the number of times each of the above-mentioned treatments is performed is determined according to the target film thickness.
  • wafer When the word “wafer” is used in the present specification, it means “wafer itself” or “a laminate (aggregate) of a wafer and a predetermined layer or film formed on the surface thereof). “(That is, a wafer including a predetermined layer, film, etc. formed on the surface) may be used.
  • wafer surface when the term “wafer surface” is used in the present specification, it means “the surface of the wafer itself (exposed surface)” or “the surface of a predetermined layer or film formed on the wafer”. That is, it may mean “the outermost surface of the wafer as a laminated body”.
  • supplying a predetermined gas to a wafer in the present specification means “directly supplying a predetermined gas to the surface (exposed surface) of the wafer itself” or , "A predetermined gas is supplied to a layer, a film, or the like formed on the wafer, that is, to the outermost surface of the wafer as a laminated body.”
  • a predetermined layer (or film) is formed on a wafer
  • a predetermined layer (or film) is directly formed on the surface (exposed surface) of the wafer itself. This means that, or “a predetermined layer (or film) is formed on a layer, a film, or the like formed on the wafer, that is, on the outermost surface of the wafer as a laminated body". In some cases.
  • wafer is also used in the present specification in the same manner as when the term “wafer” is used. In that case, if the term “wafer” is replaced with “wafer” in the above description. good.
  • metal film means a film composed of a conductive substance containing a metal atom, which includes a conductive metal nitride film (metal nitride film) and a conductive metal.
  • Oxide film metal oxide film
  • conductive metal oxynitride film metal oxynitride film
  • conductive metal composite film conductive metal alloy film
  • conductive metal alloy film metal VDD film
  • conductivity includes a conductive metal carbide film (metal carbide film), a conductive metal carbonitride film (metal carbonite ride film), and the like.
  • the inside of the processing chamber 201 that is, the space where the wafer 200 exists is evacuated by the vacuum pump 246 so as to have a desired pressure (vacuum degree).
  • the pressure in the processing chamber 201 is measured by the pressure sensor 245, and the APC valve 243 is feedback-controlled based on the measured pressure information (pressure adjustment).
  • the vacuum pump 246 is always kept in operation until at least the processing on the wafer 200 is completed. Further, the inside of the processing chamber 201 is heated by the heater 207 so as to have a desired temperature.
  • the amount of electricity supplied to the heater 207 is feedback-controlled based on the temperature information detected by the temperature sensor 263 so that the inside of the processing chamber 201 has a desired temperature distribution (temperature adjustment).
  • the heating in the processing chamber 201 by the heater 207 is continuously performed at least until the processing on the wafer 200 is completed.
  • the rotation mechanism 267 starts the rotation of the boat 217 and the wafer 200.
  • the rotation of the boat 217 and the wafer 200 by the rotation mechanism 267 is continuously performed at least until the processing on the wafer 200 is completed.
  • FIGS. 4 and 5 a step of supplying the first inert gas to the peripheral edge of the wafer 200 and supplying the mixed gas to the surface of the substrate to process the wafer 200 will be described.
  • FIG. 4 schematically shows the distribution of gas on the wafer 200 when the processing gas (gas A), the second inert gas (gas B), and the first inert gas (gas C) are supplied. It is a figure.
  • the second inert gas (gas B) in the mixed gas diffuses. Then, it mixes with the first inert gas (gas C). As a result, the concentration of the second inert gas (gas B) in the central portion of the wafer 200 decreases.
  • the processing gas and the first inert gas have slow diffusion rates, the processing gas (gas A) remains in the central portion of the wafer 200. Therefore, the concentration of the processing gas (gas A) in the central portion of the wafer 200 can be increased. In particular, when hydrogen gas having the smallest molecular weight is used as the second inert gas, the concentration of the processing gas in the central portion of the wafer 200 can be increased.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the distribution of the gas on the wafer 200 when the processing gas, the second inert gas, and the first inert gas are supplied.
  • the concentration of the processing gas (gas A) in the central portion of the wafer 200 can be increased or decreased by selecting the second inert gas (gas B). Therefore, the processing gas supply system 30 may be provided with a plurality of second inert gas supply pipes so that the second inert gas can be appropriately selected.
  • the second inert gas is, for example, hydrogen gas or helium gas. , Or argon gas is used.
  • FIG. 6 is a diagram showing the raw material gas concentration between the center and the end side of the wafer 200. This shows how the concentration of the raw material gas, which is the processing gas, depends on the type of the second inert gas.
  • the gas a has the smallest molecular weight
  • the gas b and the gas c have gradually larger molecular weights
  • the gas e has the largest molecular weight.
  • the concentration of the raw material gas at the center of the wafer 200 tends to increase as the molecular weight of the second inert gas decreases.
  • the raw material gas concentration on the end side of the wafer 200 is low regardless of the gas type. Therefore, in the present embodiment, by adjusting the first inert gas, for example, thickness uniformity on the wafer 200 while suppressing the diffusion of the supplies to the end source gas of N 2 wafer 200.
  • the amount of gas required has increased with the increase in the number of layers of wafers.
  • the partial pressure of gas on the wafer decreases as the number of layers increases from the bare wafer.
  • the difference in gas partial pressure between the center of the wafer and the edge (called Wafer In Wafer: WiW) also tends to decrease, and it is considered that the gas supply to the center of the wafer is reduced.
  • the decrease in partial pressure can be controlled by extending the processing time, but WiW cannot be easily controlled because it is determined by the wafer and gas flow. According to this embodiment, the WiW can also be easily controlled. This also makes it possible to control the decrease in WiW in the multilayer wafer.
  • the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made without departing from the gist thereof.
  • the first inert gas may be supplied not only to the end portion of the wafer 200 but also between the wafer 200 and the reaction tube 203, and for example, the first inert gas may be supplied.
  • a plurality of pipes may be provided.
  • the metal elements hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), cobalt (Co), ittrium (Y), ruthenium (Ru), aluminum (Al), titanium (Ti), It is also suitable for forming a nitride film containing elements such as zirconium (Zr), molybdenum (Mo), silicon (Si), an oxide film, a carbonized film, a boring film, or a composite film thereof. Applicable.
  • hafnium (Hf) -containing gas, tantalum (Ta) -containing gas, tungsten (W) -containing gas, cobalt (Co) -containing gas, yttrium (Y) -containing gas, and ruthenium are used as raw material gases.
  • (Ru) -containing gas, aluminum (Al) -containing gas, tantalum (Ti) -containing gas, zirconium (Zr) -containing gas, molybdenum (Mo) -containing gas, silicon (Si) -containing gas and the like can be used.
  • the first inert gas has been described an example of using N 2 gas, not limited to this, Ar gas, He gas, Ne gas, a rare gas such as Xe gas used You may.
  • processing conditions at this time can be, for example, the same processing conditions as those in the above-described embodiment.
  • the process recipe (program that describes the treatment procedure, treatment conditions, etc.) used for forming these various thin films is the content of the substrate treatment (film type, composition ratio, film quality, film thickness, treatment procedure, treatment of the thin film to be formed). It is preferable to prepare each individually (multiple preparations are made) according to the conditions, etc.). Then, when starting the substrate processing, it is preferable to appropriately select an appropriate process recipe from a plurality of process recipes according to the content of the substrate processing. Specifically, a plurality of process recipes individually prepared according to the content of the board processing are stored in the board processing device via a telecommunication line or a recording medium (external storage device) in which the process recipe is recorded. It is preferable to store (install) it in the device in advance.
  • the CPU included in the substrate processing apparatus may appropriately select an appropriate process recipe from a plurality of process recipes stored in the storage device according to the content of the substrate processing. preferable.
  • thin films of various film types, composition ratios, film qualities, and film thicknesses can be formed with a single substrate processing device in a versatile and reproducible manner. Further, the operation load of the operator (input load of processing procedure, processing condition, etc.) can be reduced, and the board processing can be started quickly while avoiding operation mistakes.
  • the above-mentioned process recipe can be realized not only when newly created but also by changing the process recipe of the existing substrate processing apparatus, for example.
  • the process recipe according to the present disclosure may be installed on an existing board processing device via a telecommunications line or a recording medium on which the process recipe is recorded, or input / output of the existing board processing device. It is also possible to operate the device and change the process recipe itself to the process recipe according to the present disclosure.
  • a substrate processing apparatus which is a batch type vertical apparatus for processing a plurality of substrates at a time, and a nozzle for supplying a processing gas is erected in one reaction tube, and the reaction tube is provided.
  • a processing furnace having a structure having an exhaust port at the bottom has been described
  • the present disclosure can also be applied to the case of forming a film using a processing furnace having another structure.
  • it has two reaction tubes having concentric cross sections (the outer reaction tube is called an outer tube and the inner reaction tube is called an inner tube), and from a nozzle erected in the inner tube, a side wall of the outer tube is used.
  • the present disclosure can also be applied to the case where the film is formed using a processing furnace having a structure in which the processing gas flows to the exhaust port that opens at a position facing the nozzle (a position symmetrical with respect to the line) across the substrate.
  • the processing gas may be supplied not from a nozzle erected in the inner tube but from a gas supply port opened in the side wall of the inner tube.
  • the exhaust port that opens in the outer tube may be opened according to the height at which a plurality of substrates accommodated in a laminated manner in the processing chamber exist.
  • the shape of the exhaust port may be a hole shape or a slit shape.
  • the present disclosure is not limited to this, and the present disclosure is not limited to this, and all at once. It can also be suitably applied to the case of forming a film using a single-wafer type substrate processing apparatus that processes one or several substrates. Further, in the above-described embodiment, an example of forming a thin film by using a substrate processing apparatus having a hot wall type processing furnace has been described, but the present disclosure is not limited to this, and the present disclosure includes a cold wall type processing furnace. It can also be suitably applied to the case of forming a thin film using a substrate processing apparatus. Even in these cases, the processing conditions can be, for example, the same processing conditions as those in the above-described embodiment.
  • This embodiment can be applied not only to semiconductor manufacturing equipment but also to equipment for processing glass substrates such as LCD equipment.
  • the film type is not particularly limited.
  • metal compounds W, Ti, Hf, etc.
  • silicon compounds SiN, Si, etc.
  • the film forming process includes, for example, a process of forming a CVD, PVD, oxide film, and a nitride film, a process of forming a film containing a metal, and the like.

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Abstract

本開示によれば、基板を処理する処理室内に前記基板を搬入する工程と、第１不活性ガスを前記処理室における前記基板の周縁部に供給すると共に、前記第１不活性ガスとは異なる第２不活性ガスと処理ガスとの混合ガスを前記処理室における前記基板の表面に供給し、前記基板を処理する工程と、技術が提供される。

Description

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム
　本開示は、基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
　国際公開第２０１８／１５４８２３号及び国際公開第２０１６／１５７４０１号には、半導体デバイスの一工程として、処理室内の基板（ウエハ）に対して処理ガスを供給し、基板上に膜を形成する処理が行われる。
　半導体デバイスの高微細化、高深層化に伴い、ウエハの中心付近において処理ガスの供給量が不足し、ウエハ上に形成される膜の面内膜厚均一性が悪化することがある。上記した公知文献では、これに対応するために、カウンターガスを供給し、処理ガスをウエハ中心に供給して面内膜厚均一性を改善することが行われている。
　本開示の目的は、ガスの供給量と排気量を増加させることなく大表面積ウエハの処理を可能にすることにある。
　本開示の一態様によれば、基板を処理する処理室内に前記基板を搬入する工程と、
　第１不活性ガスを前記処理室における前記基板の周縁部に供給すると共に、前記第１不活性ガスとは異なる第２不活性ガスと処理ガスとの混合ガスを前記処理室における前記基板の表面に供給し、前記基板を処理する工程と、を有する技術が提供される。
　本開示によれば、ガスの供給量と排気量を増加させることなく大表面積ウエハの処理を可能にすることができる。
本実施形態に係る基板処理装置の概略構成図であって、特に処理炉部分を縦断面で示す図である。 図１の処理炉のＡ－Ａ線断面図である。 図１に示す基板処理装置が有するコントローラの構成を示すブロック図である。 拡散し易い第２不活性ガスを用いた場合におけるウエハ上でのガスの分布を模式的に示す図である。 拡散し難い第２不活性ガスを用いた場合におけるウエハ上でのガスの分布を模式的に示す図である。 ウエハの中心と端側との間での原料ガス濃度を示す線図である。
＜本開示の第１の実施形態＞
　以下、本開示の実施形態について図１～３を用いて説明する。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。
　基板処理装置は、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程である基板処理工程において使用される装置の一例として構成されている。この基板処理装置１０は、第１不活性ガス供給系２０と、処理ガス供給系３０と、制御部の一例としてのコントローラ１２１とを備えている。
（処理室）
　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は耐熱性材料（例えば石英（ＳｉＯ２）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等）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。処理室２０１は、基板としてのウエハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。
　処理室２０１内には、ノズル４００ａ，４００ｂがマニホールド２０９の側壁を貫通するように設けられている。ノズル４００ａ，４００ｂには、ガス供給ラインとしてのガス供給管４１０ａ，４１０ｂが、それぞれ接続されている。このように、反応管２０３には２種類のノズル４００ａ，４００ｂと、２本のガス供給管４１０ａ，４１０ｂとが設けられており、処理室２０１内へ複数種類のガスを供給できるように構成されている。ここでは、ノズル４００ａを通じて処理ガスと該処理ガスに対して不活性な状態(反応しない条件で)供給されるキャリアガスとしての不活性ガス(以後、第２不活性ガスと称する)との混合ガスを供給でき、ノズル４００ｂを通じて第２不活性ガスとは異なる不活性ガス(以後、第１不活性ガスと称する)を供給できる。つまり、処理ガス、第１不活性ガス、第２不活性ガスの３種類のガスを供給できるように構成されている。ノズル４００ｂは、処理室２０１の周方向において、ノズル４００ａを挟むように配置されている。なお、４種類以上のガスを供給できるように構成してもよい。
　ただし、本実施形態の処理炉２０２は上述の形態に限定されない。例えば、反応管２０３の下方に、反応管２０３を支持する金属製のマニホールドを設け、各ノズルを、マニホールドの側壁を貫通するように設けてもよい。この場合、マニホールドに、後述する排気管２３１をさらに設けてもよい。この場合であっても、排気管２３１を、マニホールドではなく、反応管２０３の下部に設けてもよい。このように、処理炉２０２の炉口部を金属製とし、この金属製の炉口部にノズル等を取り付けてもよい。
　ノズル４００ａ，４００ｂは、Ｌ字型のロングノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド２０９の側壁を貫通するように設けられている。ノズル４００ａ，４００ｂの垂直部は、反応管２０３の内壁とウエハ２００との間に形成される円環状の空間に、反応管２０３の内壁に沿って上方（ウエハ２００の積載方向上方）に向かって立ち上がるように（つまりウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように）設けられている。すなわち、ノズル４００ａ，４００ｂは、ウエハ２００が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。
　ノズル４００ａ，４００ｂの垂直部は、例えばそれぞれ２本設けられている。この垂直部は、Ｕ字管の上り部と下り部であってもよいし、各々独立した管であってもよい。ノズル４００ａの垂直部が各々独立した管である場合には、該垂直部はガス供給管４１０ａから分岐して接続される。同様に、ノズル４００ｂの垂直部が各々独立した管である場合には、該垂直部はガス供給管４１０ｂから分岐して接続される。
　なお、２つのノズル４００ａの一方を処理ガスの供給に用い、他方を第２不活性ガスの供給に用いてもよい。また、ノズル４００ａの垂直部は１本であってもよい。また、図２では、平面視した場合のノズル４００ａ，４００ｂの配置が対称であるが、配置が対称でなくてもよい。
　ノズル４００ａの側面には混合ガスを供給する（噴出させる）ガス供給孔４０１ａが設けられている。ガス供給孔４０１ａは、処理室２０１におけるウエハ２００の表面における例えば中央部（反応管２０３の中心側）を向くように開口している。このガス供給孔４０１ａは、反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同じ開口ピッチで設けられている。ただし、ガス供給孔４０１ａは上述の形態に限定されない。例えば、反応管２０３の下部から上部に向かって開口面積を徐々に大きくしてもよい。これにより、ガス供給孔４０１ａから供給されるガスの流量を均一化することが可能となる。
　また、ノズル４００ｂの側面にはガスを供給する（噴出させる）ガス供給孔４０１ｂが設けられている。ガス供給孔４０１ｂは、具体的には処理室２０１におけるウエハ２００の周縁部を向くように開口している。このガス供給孔４０１ｂは、反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同じ開口ピッチで設けられている。ただし、ガス供給孔４０１ｂは上述の形態に限定されない。例えば、反応管２０３の下部から上部に向かって開口面積を徐々に大きくしてもよい。これにより、ガス供給孔４０１ｂから供給されるガスの流量を均一化することが可能となる。
　このように、本実施形態におけるガス供給の方法は、反応管２０３の内壁と複数枚のウエハ２００の端部とで定義される円環状の縦長の空間内、すなわち、円筒状の空間内に配置したノズル４００ａ，４００ｂを経由してガスを搬送している。そして、ノズル４００ａ，４００ｂにそれぞれ開口されたガス供給孔４０１ａ，４０１ｂからウエハ２００の近傍で初めて反応管２０３内にガスを噴出させており、反応管２０３内におけるガスの主たる流れをウエハ２００の表面と平行な方向、すなわち水平方向としている。このような構成とすることで、各ウエハ２００に均一にガスを供給でき、各ウエハ２００に形成される薄膜の膜厚を均一にできる効果がある。なお、各ウエハ２００の表面上を流れたガス、すなわち、反応後に残留するガス（残ガス）は、排気口、すなわち、後述する排気管２３１の方向に向かって流れるが、この残ガスの流れの方向は、排気口の位置によって適宜特定され、垂直方向に限ったものではない。
（第１不活性ガス供給系）
　第１不活性ガス供給系２０は、基板を処理する処理室２０１に設けられ、処理室２０１におけるウエハ２００の周縁部に第１不活性ガスを供給する例えばノズル４００ｂである。ノズル４００ｂには、第１不活性ガス供給ラインとしてのガス供給管４１０ｂ等が接続されている。ガス供給管４１０ｂには、上流側から順に、例えば流量制御装置としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）４１２ｂと、開閉弁であるバルブ４１３ｂが設けられている。
　ガス供給管４１０ｂからは、第１不活性ガスとして、例えば窒素（Ｎ２）ガスが、ＭＦＣ４１２ｂ、バルブ４１３ｂ、ノズル４００ｂを介して処理室２０１内に供給される。ガス供給管４１０ｂから供給される第１不活性ガスは、後述する基板処理工程において、パージガス、あるいは希釈ガスとして作用する。
　主に、ガス供給管４１０ｂ、ＭＦＣ４１２ｂ、バルブ４１３ｂにより第１不活性ガス供給系２０が構成される。ノズル４００ｂを第１不活性ガス供給系２０に含めて考えてもよい。第１不活性ガスはパージガスとしても作用することから、第１不活性ガス供給系２０をパージガス供給系と称することもできる。
（処理ガス供給系）
　処理ガス供給系３０は、処理室２０１に、基板の周方向において第１不活性ガス供給系２０から所定距離離れて設けられ、ノズル４００ａを通じて、処理ガスと、第１不活性ガスとは異なる第２不活性ガスとの混合ガスを処理室２０１におけるウエハ２００の表面に供給するための例えばノズル４００ａである。ノズル４００ａは、処理室２０１の周方向において、２つのノズル４００ｂから所定距離離れると共に、該ノズル４００ｂに挟まれるように配置されている。
　ノズル４００ａには、ガス供給管４１０ａ等が接続されている。ガス供給管４１０ａにおける第２不活性ガス供給ラインには、上流側から順に、例えば流量制御装置としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）４１２ａと、開閉弁であるバルブ４１３ａ，４１６ａが設けられている。
　第２不活性ガスとしては、分子量が小さく拡散し易い順に、例えば水素ガス、ヘリウムガス、窒素ガス（Ｎ２）、アルゴンガスを用いることができる。また、第２不活性ガスは希ガスであってもよい。例えば、第２不活性ガスは、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガスよりなる群から選択されてもよい。更に、第２不活性ガスは、ウエハ２００の表面積に応じて選択されてもよい。
　第２不活性ガスは、第１不活性ガスと比べて拡散係数の異なるガスで構成されてもよい。例えば、第２不活性ガスは、第１不活性ガスと比べて拡散係数の大きいガスで構成されてもよい。
　処理ガス供給系３０は、処理条件に応じて第２不活性ガスを選択することが可能に構成されてもよい。また、処理ガス供給系３０は、第２不活性ガスの種類に応じてウエハ２００の表面の処理ガスの濃度を調整することが可能に構成されてもよい。
　第２不活性ガスの分子量と、前記第１不活性ガスの分子量を異ならせることが可能に構成されてもよい。例えば、第２不活性ガスは、第１不活性ガスの分子量よりも分子量が小さいガスが選択されてもよい。
　第２不活性ガスの流量は、処理ガスの流量よりも大きく設定されてもよい。また、第２不活性ガスの流量は、処理ガスの流量および第１不活性ガスの流量よりも大きく設定されてもよい。
　ガス供給管４１０ａにおけるバルブ４１３ａとバルブ４１６ａとの間には、処理ガス供給ラインとしてのガス供給管４１０ｃの下流端が接続されている。この部分で、処理ガスと第２不活性ガスが合流するようになっている。ガス供給管４１０ｃには、上流側から順に、ＭＦＣ４１２ｃ、開閉弁としてのバルブ４１３ｃ、気化器４１４ｃ、バルブ４１５ａが設けられている。
　ガス供給管４１０ｃからは、処理ガスである原料ガス（原料）として、金属元素を含む金属含有ガスが、ＭＦＣ４１２ｃ、バルブ４１３ｃ、気化器４１４ｃ、バルブ４１５ａ、ノズル４００ａを介して処理室２０１内に供給される。金属含有ガスとしては、例えば、Ａｌ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ等の金属元素を含む原料ガスである。原料ガスとして液体原料や固体原料を用いず、常温常圧下で気体状態の原料を用いる場合は気化器４１４ｃ等の気化もしくは昇華するシステムは不要である。
　本明細書において「原料」という言葉を用いた場合は、「液体状態である液体原料」を意味する場合、「気体状態である原料ガス」を意味する場合、または、その両方を意味する場合がある。
　主に、ガス供給管４１０ａ，４１０ｃ、ＭＦＣ４１２ａ，４１２ｃ、バルブ４１３ａ，４１３ｃ，４１５ａ，４１６ａ、気化器４１４ｃにより処理ガス供給系３０が構成される。ノズル４００ａを処理ガス供給系３０に含めて考えてもよい。処理ガス供給系３０を、単にガス供給系と称することもできる。
　ガス供給管４１０ｃから上述のような原料ガスとしての金属含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管４１０ｃ，ＭＦＣ４１２ｃ、バルブ４１３ｃ、気化器４１４ｃ、バルブ４１５ａにより原料ガス供給系としての金属含有ガス供給系が構成される。ノズル４００ａを原料ガス供給系に含めて考えてもよい。
（排気系）
　反応管２０３には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。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２４３を介して、真空排気装置としての真空ポンプ２４６が接続されている。ＡＰＣバルブ２４４は、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室２０１内の真空排気および真空排気停止を行うことができ、さらに、真空ポンプ２４６を作動させた状態で、圧力センサ２４５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２０１内の圧力を調整することができるように構成されているバルブである。主に、排気管２３１、ＡＰＣバルブ２４３、圧力センサ２４５により、排気系が構成される。真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。
　反応管２０３の下方には、反応管２０３の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９は、反応管２０３の下端に垂直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ２１９は、例えばＳＵＳ等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、反応管２０３の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０が設けられている。シールキャップ２１９の処理室２０１と反対側には、後述するボート２１７を回転させる回転機構２６７が設置されている。回転機構２６７の回転軸２５５は、シールキャップ２１９を貫通してボート２１７に接続されている。回転機構２６７は、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９は、反応管２０３の外部に垂直に設置さ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るように構成されている。ボートエレベータ１１５は、シールキャップ２１９を昇降させることで、ボート２１７を処理室２０１内外に搬入および搬出することが可能なように構成されている。すなわち、ボートエレベータ１１５は、ボート２１７すなわちウエハ２００を、処理室２０１内外に搬送する搬送装置（搬送機構）として構成されている。
　基板支持具としてのボート２１７は、複数枚、例えば２５～２００枚のウエハ２００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ように、すなわち、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート２１７は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる。ボート２１７の下部には、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる断熱板２１８が水平姿勢で多段に支持されている。この構成により、ヒータ２０７からの熱がシールキャップ２１９側に伝わりにくくなっている。ただし、本実施形態は上述の形態に限定されない。例えば、ボート２１７の下部に断熱板２１８を設けずに、石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。
　反応管２０３内には温度検出器としての温度センサ２６３が設置されており、温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータ２０７への通電量を調整することで、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。温度センサ２６３は、ノズル４００ａ，４００ｂと同様にＬ字型に構成されており、反応管２０３の内壁に沿って設けられている。
（コントローラ）
　図３に示すように、コントローラ１２１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１２１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。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１２１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り、プログラムとして機能する。以下、この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、その両方を含む場合がある。また、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ＭＦＣ４１２ａ，４１２ｂ、バルブ４１３ａ～４１３ｃ，４１５ａ，４１６ａ、気化器４１４ｃ，ＡＰＣバルブ２４３、圧力センサ２４５、真空ポンプ２４６、ヒータ２０７、温度センサ２６３、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に従って、ＭＦＣ４１２ａ，４１２ｂの各種ガスの流量調整動作、バルブ４１３ａ～４１３ｃ，４１５ａ，４１６ａの開閉動作、気化器４１４ｃの気化動作、ＡＰＣバルブ２４３の開閉動作およびＡＰＣバルブ２４３による圧力センサ２４５に基づく圧力調整動作、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、真空ポンプ２４６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１２１は、外部記憶装置（例えば、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気ディスク、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）１２３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、その両方を含む場合がある。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１２３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。
（プログラム）
　本実施形態に係るプログラムは、ウエハ２００を処理する処理室２０１に設けられ、処理室２０１におけるウエハ２００の周縁部に第１不活性ガスを供給する第１不活性ガス供給系２０と、処理室２０１に、ウエハ２００の周方向において第１不活性ガス供給系２０から所定距離離れて設けられ、第１不活性ガスとは異なる第２不活性ガスと、処理ガスとの混合ガスをウエハ２００の表面に供給する処理ガス供給系と、混合ガスと第１不活性ガスを供給して、ウエハ２００を処理するように処理ガス供給系および第１不活性ガス供給系２０を制御するコントローラ１２１と、を備えた基板処理装置１０に実行させるプログラムであって、処理室２０１にウエハ２００を搬入する手順と、第１不活性ガスを処理室２０１におけるウエハ２００の周縁部の周縁部に供給すると共に、混合ガスを処理室２０１におけるウエハ２００の表面に供給し、ウエハ２００を処理する手順と、コンピュータによって基板処理装置１０に実行させるプログラムである。
（２）基板処理工程（成膜工程）
　続いて、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程である基板処理工程について説明する。本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、基板の一例としてのウエハ２００を処理する処理室２０１に該ウエハ２００を搬入する工程と、第１不活性ガスを処理室２０１におけるウエハ２００の周縁部に供給すると共に、第１不活性ガスとは異なる第２不活性ガスと、処理ガスとの混合ガスを処理室２０１におけるウエハ２００の表面に供給し、ウエハ２００を処理する工程と、を有する。
　これらの工程は、上述した基板処理装置１０の処理炉２０２を用いて実行される。以下の説明において、基板処理装置１０を構成する各部の動作はコントローラ１２１により制御される。
　本明細書において、「処理（もしくは工程、サイクル、ステップ等と称する）を所定回数行う」とは、この処理等を１回もしくは複数回行うことを意味する。すなわち、処理を１回以上行うことを意味する。図４は、各処理（サイクル）をｎサイクルずつ繰り返す例を示している。ｎの値は、最終的に形成される膜において必要とされる膜厚に応じて適宜選択される。すなわち、上述の各処理を行う回数は、目標とする膜厚に応じて決定される。
　なお、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等との積層体（集合体）」を意味する場合（すなわち、表面に形成された所定の層や膜等を含めてウエハと称する場合）がある。また、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（露出面）」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。
　従って、本明細書において「ウエハに対して所定のガスを供給する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面（露出面）に対して所定のガスを直接供給する」ことを意味する場合や、「ウエハ上に形成されている層や膜等に対して、すなわち、積層体としてのウエハの最表面に対して所定のガスを供給する」ことを意味する場合がある。また、本明細書において「ウエハ上に所定の層（又は膜）を形成する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面（露出面）上に所定の層（又は膜）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や膜等の上、すなわち、積層体としてのウエハの最表面の上に所定の層（又は膜）を形成する」ことを意味する場合がある。
　なお、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様であり、その場合、上記説明において、「ウエハ」を「基板」に置き換えて考えればよい。
　また、本明細書において金属膜という用語は、金属原子を含む導電性の物質で構成される膜を意味し、これには、導電性の金属窒化膜（メタルナイトライド膜）、導電性の金属酸化膜（メタルオキサイド膜）、導電性の金属酸窒化膜（メタルオキシナイトライド膜）、導電性の金属複合膜、導電性の金属合金膜、導電性の金属シリサイド膜（メタルシリサイド膜）、導電性の金属炭化膜（メタルカーバイド膜）、導電性の金属炭窒化膜（メタルカーボナイトライド膜）等が含まれる。
（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（ウエハチャージ）されると、図１に示されているように、複数枚のウエハ２００を支持したボート２１７は、ボートエレベータ１１５によって持ち上げられて処理室２０１内に搬入（ボートロード）される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０を介して反応管２０３の下端開口を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望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力情報に基づき、ＡＰＣバルブ２４３がフィードバック制御される（圧力調整）。真空ポンプ２４６は、少なくともウエハ２００に対する処理が完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内が所望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内が所望の温度分布となるように、温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０７への通電量がフィードバック制御される（温度調整）。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に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。続いて、回転機構２６７によりボート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に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
（成膜工程）
　続いて、図４、図５において、ウエハ２００の周縁部に第１不活性ガスを供給すると共に混合ガスを基板の表面に供給し、ウエハ２００を処理する工程について説明する。図４は、処理ガス(ガスＡ)と、第２不活性ガス(ガスＢ)と、第１不活性ガス(ガスＣ)を供給した場合におけるウエハ２００上でのガスの分布を模式的に示した図である。
　図４では、第２不活性ガス(ガスＢ)の分子量が小さく拡散し易いため、混合ガスがウエハ２００の表面に供給された場合、混合ガス中の第２不活性ガス(ガスＢ)が拡散して第１不活性ガス(ガスＣ)に混ざって行く。これにより、ウエハ２００の中央部における第２不活性ガス（ガスＢ）の濃度が低下する。一方、処理ガスと第１不活性ガスは拡散速度が遅いため、ウエハ２００の中央部に処理ガス(ガスＡ)が残る。このため、ウエハ２００の中央部における処理ガス(ガスＡ)の濃度を高めることができる。特に、第２不活性ガスして分子量が最も小さい水素ガスを用いた場合には、ウエハ２００の中央部における処理ガスの濃度を高めることができる。
　図５は、処理ガスと、第２不活性ガスと、第１不活性ガスを供給した場合におけるウエハ２００上でのガスの分布を模式的に示した図である。
　図５では、第２不活性ガス(ガスＢ)の分子量が大きく拡散し難いため、混合ガスがウエハ２００の表面に供給された場合、混合ガス中の第２不活性ガス(ガスＢ)はあまり拡散せず、ウエハ２００の中央部に残る。上記したように、処理ガス(ガスＡ)もウエハ２００の中央部に残るため、ウエハ２００の中央部における処理ガス(ガスＡ)の濃度の変化は少なくなる。
　このように、第２不活性ガス(ガスＢ)の選択により、ウエハ２００の中央部における処理ガス(ガスＡ)の濃度を増減させることが可能である。従い、処理ガス供給系３０に、複数の第２不活性ガスの供給管を設け、第２不活性ガスを適宜選択できるようにしてもよい。
　なお、第２不活性ガスには第１不活性ガスとは異なるガスが用いられるため、第１不活性ガスが窒素ガスである場合には、第２不活性ガスとして、例えば水素ガス、ヘリウムガス、又はアルゴンガスが用いられる。
　ここで、図６は、ウエハ２００の中心と端側との間での原料ガス濃度を示す線図である。これは、処理ガスである原料ガスの濃度が、第２不活性ガスの種類にどのように依存するかを示している。なお、ガスａが最も分子量が小さく、ガスｂ、ガスｃと段々分子量が大きくなり、ガスｅが最も分子量が大きい。図６に示すように、ウエハ２００の中心での原料ガス濃度は、第２不活性ガスの分子量が少ないほど高くなる傾向がわかる。一方、ウエハ２００の端側での原料ガス濃度は、ガス種に関係なく低くなる。このため、本実施形態では、第１不活性ガス、例えばＮ２をウエハ２００の端部に供給して原料ガスの拡散を抑制しつつウエハ２００上の膜厚均一性を調整している。
（４）本実施形態に係る効果
　近年ウエハの多層化に伴い必要なガス量が増加している。ウエハの横からガスを供給した場合、ベアウエハから多層化が進むにつれウエハ上のガス分圧の低下することが考えられる。その際ウエハ中央とエッジのガス分圧の差（Ｗａｆｅｒ　Ｉｎ　Ｗａｆｅｒ：ＷｉＷと呼ぶ）についても低下する傾向にあり、ウエハ中央へのガス供給が少なくなると考えられる。分圧の低下に関しては、処理時間を延ばすことで制御は可能であるがＷｉＷについてはウエハとガス流れによって決まってしまうため容易に制御できない。本実施形態によれば、このＷｉＷについても容易に制御可能である。またこれにより、多層化ウエハでのＷｉＷの低下を制御することもできる。
　処理ガスの流量を増加させなくても、ウエハ２００の面内での分圧を制御できるため、ガスの消費量の増加を抑制できる。
＜他の実施形態＞
　本開示は上述の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変更可能である。例えば、第１不活性ガスは、ウエハ２００の端部に供給するだけでなく、ウエハ２００と反応管２０３との間に供給するようにしてもよく、また、例えば、第１不活性ガスを供給する管を複数設けてもよい。
　上述の実施形態では、金属元素であるハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、イットリウム（Ｙ）、ルテニウム（Ｒｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タイタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）等の元素を含む窒化膜、酸化膜、炭化膜、ホウ化膜のいずれかの膜、もしくはこれらの複合膜を形成する場合にも好適に適用可能である。
　上述の元素を含む膜を形成する場合、原料ガスとしてハフニウム（Ｈｆ）含有ガス、タンタル（Ｔａ）含有ガス、タングステン（Ｗ）含有ガス、コバルト（Ｃｏ）含有ガス、イットリウム（Ｙ）含有ガス、ルテニウム（Ｒｕ）含有ガス、アルミニウム（Ａｌ）含有ガス、タイタニウム（Ｔｉ）含有ガス、ジルコニウム（Ｚｒ）含有ガス、モリブデン（Ｍｏ）含有ガス、シリコン（Ｓｉ）含有ガス等を用いることが可能である。
　また、上述の実施形態では、第１不活性ガスとして、Ｎ２ガスを用いる例について説明しているが、これに限らず、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の希ガスを用いてもよい。
　上述の実施形態や各変形例や各応用例等は、適宜組み合わせて用いることができる。また、このときの処理条件は、例えば上述の実施形態と同様の処理条件とすることができる。
　これらの各種薄膜の形成に用いられるプロセスレシピ（処理手順や処理条件等が記載されたプログラム）は、基板処理の内容（形成する薄膜の膜種、組成比、膜質、膜厚、処理手順、処理条件等）に応じて、それぞれ個別に用意する（複数用意する）ことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理の内容に応じて、複数のプロセスレシピの中から、適正なプロセスレシピを適宜選択することが好ましい。具体的には、基板処理の内容に応じて個別に用意された複数のプロセスレシピを、電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体（外部記憶装置）を介して、基板処理装置が備える記憶装置内に予め格納（インストール）しておくことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理装置が備えるＣＰＵが、記憶装置内に格納された複数のプロセスレシピの中から、基板処理の内容に応じて、適正なプロセスレシピを適宜選択することが好ましい。このように構成することで、１台の基板処理装置で様々な膜種、組成比、膜質、膜厚の薄膜を汎用的に、かつ、再現性よく形成できるようになる。また、オペレータの操作負担（処理手順や処理条件等の入力負担等）を低減でき、操作ミスを回避しつつ、基板処理を迅速に開始できるようになる。
　上述のプロセスレシピは、新たに作成する場合に限らず、例えば、既存の基板処理装置のプロセスレシピを変更することでも実現できる。プロセスレシピを変更する場合は、本開示に係るプロセスレシピを電気通信回線や当該プロセスレシピを記録した記録媒体を介して既存の基板処理装置にインストールしたり、また、既存の基板処理装置の入出力装置を操作し、そのプロセスレシピ自体を本開示に係るプロセスレシピに変更したりすることも可能である。
　上述の実施の形態では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置である基板処理装置であって、１つの反応管内に処理ガスを供給するノズルが立設され、反応管の下部に排気口が設けられた構造を有する処理炉を用いて成膜する例について説明したが、他の構造を有する処理炉を用いて成膜する場合にも本開示を適用可能である。例えば、同心円状の断面を有する２つの反応管（外側の反応管をアウタチューブ、内側の反応管をインナチューブと称する）を有し、インナチューブ内に立設されたノズルから、アウタチューブの側壁であって基板を挟んでノズルと対向する位置（線対称の位置）に開口する排気口へ処理ガスが流れる構造を有する処理炉を用いて成膜する場合にも本開示を適用可能である。また、処理ガスはインナチューブ内に立設されたノズルから供給されるのではなく、インナチューブの側壁に開口するガス供給口から供給されるようにしてもよい。このとき、アウタチューブに開口する排気口は、処理室内に積層して収容された複数枚の基板が存在する高さに応じて開口していてもよい。また、排気口の形状は穴形状であってもよいし、スリット形状であってもよい。
　上述の実施の形態では、一度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型装置である基板処理装置を用いて成膜する例について説明したが、本開示はこれに限定されず、一度に１枚または数枚の基板を処理する枚葉式の基板処理装置を用いて成膜する場合にも、好適に適用できる。また、上述の実施形態では、ホットウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて薄膜を成膜する例について説明したが、本開示はこれに限定されず、コールドウォール型の処理炉を有する基板処理装置を用いて薄膜を成膜する場合にも、好適に適用できる。これらの場合においても、処理条件は、例えば上述の実施形態と同様な処理条件とすることができる。
　本実施形態は、半導体製造装置だけでなくＬＣＤ装置のようなガラス基板を処理する装置にも適用できる。また、膜種は特に限定されない。例えば、金属化合物（Ｗ，Ｔｉ，Ｈｆ等）、シリコン化合物（ＳｉＮ、Ｓｉ等）等でも適用可能である。また、成膜処理には、例えば、ＣＶＤ、ＰＶＤ、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等を含む。
　２０２０年３月１７日に出願された日本国特許出願２０２０－４７０３７号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載されたすべての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (16)

  1. 　基板を処理する処理室内に前記基板を搬入する工程と、
    　第１不活性ガスを前記処理室における前記基板の周縁部に供給すると共に、前記第１不活性ガスとは異なる第２不活性ガスと処理ガスとの混合ガスを前記処理室における前記基板の表面に供給し、前記基板を処理する工程と、
    　を有する半導体装置の製造方法。
  2. 　処理条件に応じて前記第２不活性ガスを選択することが可能に構成される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 　前記第２不活性ガスの種類に応じて前記基板表面の前記処理ガスの濃度を調整することが可能に構成される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 　前記第２不活性ガスは、前記第１不活性ガスと比べて拡散係数の異なるガスで構成される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 　前記第２不活性ガスは、前記第１不活性ガスと比べて拡散係数の大きいガスで構成される請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 　前記第２不活性ガスの分子量と、前記第１不活性ガスの分子量を異ならせることが可能に構成される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 　前記第２不活性ガスは、前記第１不活性ガスの分子量よりも分子量が小さいガスが選択される請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 　前記第２不活性ガスの流量は、前記処理ガスの流量よりも大きく設定される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 　前記第２不活性ガスの流量は、前記処理ガスの流量および前記第１不活性ガスの流量よりも大きく設定される請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 　前記基板の表面積に応じて前記第２不活性ガスを選択する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 　前記第２不活性ガスは希ガスである請求項１～請求項１０の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 　前記第２不活性ガスは、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガスよりなる群から選択される請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 　基板を処理する処理室に設けられ、前記処理室における前記基板に複数の不活性ガスを供給する不活性ガス供給系と、
    　前記処理室における前記基板に処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
    　前記複数の不活性ガスのうち第１不活性ガスを前記基板の周縁部に供給すると共に、前記第１不活性ガスとは異なる第２不活性ガスと前記処理ガスとの混合ガスを前記基板の表面に供給して、前記基板を処理するように前記処理ガス供給系および前記不活性ガス供給系を制御することが可能な制御部と、
    　を備えた基板処理装置。
  14. 　前記不活性ガス供給系と前記処理ガス供給系は、前記基板の周方向においてから所定距離離れて前記処理室に設けられる請求項１３に記載の基板処理装置。
  15. 　前記不活性ガス供給系は、前記処理ガス供給系の両側に配置されるよう構成される請求項１３に記載の基板処理装置。
  16. 　コンピュータに、
    　処理室に基板を搬入する手順と、
    　第１不活性ガスを前記処理室における前記基板の周縁部に供給すると共に、前記第１不活性ガスとは異なる第２不活性ガスと処理ガスとの混合ガスを前記処理室における前記基板の表面に供給し、前記基板を処理する手順と、
    　を実行させるプログラム。
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