JPWO2020059093A1 - 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

Abstract

基板処理装置に積層される複数の基板４１において、各基板の面間の膜厚バランスを調整することを可能とする。複数の基板を収納する処理室と、処理室内の基板に処理ガスを供給するガス供給部と、処理室から処理ガスを排出するガス排気部と複数の基板の間であって、基板の裏面寄りに設けられる円板と、を有する。

Description

本開示は、基板処理装置、基板保持具、半導体装置の製造方法、プログラム、及び記録媒体などの基板処理技術に関する。

縦型成膜装置などの基板処理装置では、多孔ノズルを用いてガス供給し成膜した場合、ボート上部側に装填された被処理基板上の膜厚と、ボート下部側に装填された基板上の膜厚に差が生じ、基板間均一性が悪化することがある。例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されている。

特許第３８１９６６０号 特開２００３−３０３７８２号公報 国際公開番号ＷＯ２０１７／１３８１８５

従来の基板処理装置において基板品質の低下を防止するため、種々の構成が提案されているが、基板表面へのガスの均一供給が不十分であった。

本開示においては、複数の基板を収納する処理室と、処理室内の基板に処理ガスを供給するガス供給部と、処理室から処理ガスを排出するガス排気部と複数の基板の間であって、基板の裏面寄りに設けられる円板と、を有する技術を提供する。

本開示によれば、処理室内に積層された複数の基板において、各基板の面間の膜厚バランスを調整することが可能である。

基板処理装置の基本構成を示す縦断面図である。 基板処理装置のコントローラの一構成例を示す図である。 基板処理装置の処理動作の一例を説明するためのフロー図である。 実施例１に係る、基板処理装置の一構成例を示す断面図である。 実施例１に係る、処理室内の構成要素間の距離を説明するための図である。 実施例１に係る、基板処理装置の他の構成を示す断面図である。 実施例１に係る、ジェットフローを説明するための斜視図である。 実施例１に係る、ジェットフローを説明するための平面図である。 実施例２に係る、基板処理装置の一構成例を示す斜視図である。 実施例２に係る、基板処理装置の一構成例を示す断面図である。

以下実施形態を図面に従い説明する。まず、図１−図３を用いて、基板処理装置の一構成・動例作を、縦型熱処理装置を使って説明する。

（１）基板処理装置の基本構成
図１に示す基板処理装置１である縦型熱処理装置２は、処理室６を均一に加熱するために、複数のヒータユニットからなるヒータ３を有する。ヒータ３は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース（不図示）に支持されることにより、縦型熱処理装置の設置床に対して垂直に据え付けられている。ヒータ３は、処理ガスを熱で活性化（励起）させる活性化機構（励起部）としても機能する。

ヒータ３の内側に、反応管４が配設されている。反応管４は、例えば石英（ＳｉＯ２）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管４は、下端のフランジ部４Ｃにおいて互いに結合した外管４Ａと内管４Ｂとを有する２重管構造を有する。外管４Ａと内管４Ｂの上端は閉じられ、破線で囲んだ処理室６を形成する内管４Ｂの下端は開口している。フランジ部４Ｃは、外管４Ａよりも大きな外径を有し、外側へ突出している。反応管４の下端寄りには、外管４Ａ内と連通する排気ポート４Ｄが設けられる。これらを含む反応管４全体は単一の材料で一体に形成される。外管４Ａは、内側を真空にしたときの圧力差に耐えうるように、比較的肉厚に構成されている。

マニホールド５は、円筒又は円錐台形状で金属製又は石英製であり、反応管４の下端を支えるように設けられる。マニホールド５の内径は、反応管４の内径（フランジ部４Ｃの内径）よりも大きく形成されている。これにより、反応管４の下端（フランジ部４Ｃ）と後述するシールキャップ１９との間に円環状の空間が形成される。

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

内管４Ｂは更に、排気ポート４Ｄよりも反応管４の奥側で且つ主排気口４Ｅよりも開口側の位置に、処理室６と排気空間Ｓ（外管４Ａと内管４Ｂの間の空間を排気空間Ｓと呼ぶ）とを連通させる複数の副排気口４Ｇが設けられる。また、フランジ部４Ｃにも、処理室６と排気空間Ｓ下端とを連通させる複数の底排気口４Ｈが形成される。言い換えれば、排気空間Ｓの下端は、フランジ部４Ｃによって底排気口４Ｈやノズル導入孔を除き閉塞されている。副排気口４Ｇ、底排気口４Ｈは、後述する軸パージガスを排気するように機能する。

排気空間Ｓには、供給スリット４Ｆの位置に対応させて、原料ガス等の複数種類の処理ガスを供給する１本以上のノズル８が設けられている。１本以上のノズル８各々には、ＴｉＣｌ４ガスやＮＨ３などの処理ガスを供給するガス供給管９がマニホールド５を貫通してそれぞれ接続されている。それぞれのガス供給管９の流路上には、上流方向から順に、流量制御器であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０および開閉弁であるバルブ１１が設けられている。また、バルブ１１よりも下流側では、Ｎ２ガス等の不活性ガスを供給するガス供給管１２がガス供給管９に接続されている。ガス供給管１２には、上流方向から順に、ＭＦＣ１３およびバルブ１４が設けられている。主に、ガス供給管９、ＭＦＣ１０、バルブ１１により、処理ガス供給系である処理ガス供給部が構成される。

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

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

マニホールド５の下方には、マニホールド５の下端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１９が設けられている。シールキャップ１９は、例えばステンレスやニッケル合金等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ１９の上面には、マニホールド５の下端と当接するシール部材としてのＯリング１９Ａが設けられている。

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

基板保持具としてのボート２１は、複数枚、例えば２５〜２００枚のウエハ７を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持する。そこではウエハ７は、一定の間隔を空けて配列させる。ボート２１は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる。反応管４は、ボート２１を安全に搬入出可能な最小限の内径を有することが望ましい。

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

シールキャップ１９の反応管４と反対側には、ボート２１を回転させる回転機構２３が設置されている。回転機構２３には、軸パージガスのガス供給管２４が接続されている。ガス供給管２４には、上流方向から順に、ＭＦＣ２５およびバルブ２６が設けられている。このパージガスの１つの目的は、回転機構２３の内部（例えば軸受け）を、反応管４内で用いられる腐食性ガスなどから守ることである。パージガスは、回転機構２３から軸に沿って排出され、断熱アセンブリ２２内に導かれる。

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

外管４Ａの外壁には、温度検出器２８が設置されている。温度検出器２８は、上下に並んで配列された複数の熱電対によって構成されうる。温度検出器２８により検出された温度情報に基づきヒータ３への通電具合を調整することで、反応管４内の温度が所望の温度分布となる。

コントローラ２９は、基板処理装置１全体を制御するコンピュータであり、ＭＦＣ１０，１３、バルブ１１，１４、圧力センサ１６、ＡＰＣバルブ１７、真空ポンプ１８、ヒータ３、温度検出器２８、回転機構２３、ボートエレベータ２７等と電気的に接続され、それらから信号を受け取ったり、それらを制御したりする。

図２に示すように、図１に示したコントローラ２９は、ＭＦＣ１０，１３，２５、バルブ１１，１４，２６、圧力センサ１６、ＡＰＣバルブ１７、真空ポンプ１８、ヒータ３、温度検出器２８、回転機構２３、ボートエレベータ２７等の各構成と電気的に接続され、それらを自動制御する。コントローラ２９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８を備えたコンピュータとして構成される。ＲＡＭ２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８は、内部バス２２０を介して、ＣＰＵ２１２とデータ交換可能なように構成される。Ｉ／Ｏポート２１８は、上述の各構成に接続されている。コントローラ２９には、例えばタッチパネル等との入出力装置２２２が接続されている。

記憶装置２１６は、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成されている。記憶装置２１６内には、基板処理装置１００の動作を制御する制御プログラムや、処理条件に応じて基板処理装置１００の各構成に成膜処理等を実行させるためのプログラム（プロセスレシピやクリーニングレシピ等のレシピ）が読み出し可能に格納されている。ＲＡＭ２１４は、ＣＰＵ２１２によって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。ＣＰＵ２１２は、記憶装置２１６から制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置２２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２１６からレシピを読み出し、レシピに沿うように各構成を制御する。

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

（２）基板処理工程（成膜工程）
図３を用いて、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、ウエハ７上に、金属膜を形成する工程の一例としてＴｉＮ層を形成する工程について説明する。ＴｉＮ層などの金属膜を形成する工程は、上述した基板処理装置の反応管４の処理室６を用いて実行される。上述した通り、図３の製造工程の実行は、コントローラ２９のＣＰＵ２１２のプログラム実行によってなされる。

本実施形態による基板処理工程（半導体装置の製造工程）では、
（ａ）処理室６内に収容されたウエハ７に対して、ＴｉＣｌ４ガスを供給する工程と、
（ｂ）処理室６内の残留ガスを除去する工程と、
（ｃ）処理室６内に収容されたウエハ７に対して、ＮＨ３を供給する工程と、
（ｄ）処理室６内の残留ガスを除去する工程と、
を有し、前記（ａ）〜（ｄ）を複数回繰り返して、ＴｉＮ層を形成する工程と、
を有し、ＴｉＮ層をウエハ７上に形成する。

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。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義である。

（ウエハ搬入）
複数枚のウエハ７がボート２１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７を支持したボート２１は、ボートエレベータ２７によって持ち上げられて反応管４の処理室６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１９はＯリング１９Ａを介して反応管４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６内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ１８によって真空排気される。この際、処理室６内の圧力は、圧力センサ１６で測定され、この測定された圧力情報に基づき、ＡＰＣバルブ１７がフィードバック制御される（圧力調整）。真空ポンプ１８は、少なくともウエハ７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６内が所望の温度となるようにヒータ３によって加熱される。この際、処理室６内が所望の温度分布となるように、温度検出器２８が検出した温度情報に基づきヒータ３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３による処理室６内の加熱は、少なくともウエハ７に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。

［ＴｉＮ層形成工程］
続いて、第１の金属層として例えば金属窒化層であるＴｉＮ層を形成するステップを実行する。

（ＴｉＣｌ４ガス供給（ステップＳ１０））
バルブ１１を開き、ガス供給管９内に原料ガスであるＴｉＣｌ４ガスを流す。ＴｉＣｌ４ガスは、ＭＦＣ１０により流量調整され、ノズル８のガス供給孔８Ｈから処理室６内に供給され、排気管１５から排気される。このとき、ウエハ７に対してＴｉＣｌ４ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ１４を開き、ガス供給管１２内にＮ２ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管１２内を流れたＮ２ガスは、ＭＦＣ１３により流量調整され、ＴｉＣｌ４ガスと一緒に処理室６内に供給され、排気管１５から排気される。Ｎ２ガスは、ガス供給管１２、ノズル８を介して処理室６内に供給され、排気管１５から排気される。このときヒータ３の温度は、ウエハ７の温度が、例えば２５０〜５５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。

処理室６内に流しているガスはＴｉＣｌ４ガスとＮ２ガスのみであり、ＴｉＣｌ４ガスの供給により、ウエハ７（表面の下地膜）上に、例えば１原子層未満から数原子層程度の厚さのＴｉ含有層が形成される。

（残留ガス除去（ステップＳ１１））
Ｔｉ含有層が形成された後、バルブ１１を閉じ、ＴｉＣｌ４ガスの供給を停止する。このとき、排気管１５のＡＰＣバルブ１７は開いたままとして、真空ポンプ１８により処理室６内を真空排気し、処理室６内に残留する未反応もしくはＴｉ含有層形成に寄与した後のＴｉＣｌ４ガスを処理室６内から排除する。このときバルブ１４は開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室６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、処理室６内に残留する未反応もしくはＴｉ含有層形成に寄与した後のＴｉＣｌ４ガスを処理室６内から排除する効果を高めることができる。

（ＮＨ３ガス供給（ステップＳ１２））
処理室６内の残留ガスを除去した後、ＮＨ３ガス供給用のバルブ１１を開き、ＮＨ３ガス供給用のガス供給管９内に、反応ガスとしてＮ含有ガスであるＮＨ３ガスを流す。ＮＨ３ガスは、ＮＨ３ガス供給用のＭＦＣ１０により流量調整され、ＮＨ３ガス供給用のノズル８のガス供給孔８Ｈから処理室６内に供給され、排気管１５から排気される。このときウエハ７に対して、ＮＨ３ガスが供給されることとなる。 このとき、ＮＨ３ガス供給用のバルブ１４は閉じた状態として、Ｎ２ガスがＮＨ３ガスと一緒に処理室６内に供給されないようにする。すなわち、ＮＨ３ガスはＮ２ガスで希釈されることなく、処理室６内に供給され、排気管１５から排気される。このとき、ＴｉＣｌ４ガス供給用のノズル８内へのＮＨ３ガスの侵入を防止するために、バルブ１４を開き、ガス供給管１２内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ＮＨ３ガス供給用のガス供給管１２、ノズル８を介して処理室６内に供給され、排気管１５から排気される。この場合、反応ガスであるＮＨ３ガスを、Ｎ２ガスで希釈することなく、処理室６内へ供給するので、ＴｉＮ層の成膜レートを向上させることが可能である。なお、ウエハ７近傍におけるＮ２ガスの雰囲気濃度も調整可能である。このときのヒータ３の温度は、ＴｉＣｌ４ガス供給ステップと同様の温度に設定する。

このとき処理室６内に流しているガスは、ＮＨ３ガスとＮ２ガスのみである。ＮＨ３ガスは、ＴｉＣｌ４ガス供給ステップでウエハ７上に形成されたＴｉ含有層の少なくとも一部と置換反応する。置換反応の際には、Ｔｉ含有層に含まれるＴｉとＮＨ３ガスに含まれるＮとが結合して、ウエハ７上にＴｉとＮとを含むＴｉＮ層が形成される。
（残留ガス除去（ステップＳ１３））
ＴｉＮ層を形成した後、ＮＨ３ガス供給用のバルブ１１を閉じて、ＮＨ３ガスの供給を停止する。そして、ステップＳ１１と同様の処理手順により、処理室６内に残留する未反応もしくはＴｉＮ層の形成に寄与した後のＮＨ３ガスや反応副生成物を処理室６内から排除する。

（所定回数実施）
上記したステップＳ１０〜ステップＳ１３を順に行うサイクルを１回以上（所定回数（ｎ回））行うことにより、ウエハ７上に、所定の厚さ（例えば０．１〜２ｎｍ）のＴｉＮ層を形成する。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましく、例えば１０〜８０回ほど行うことが好ましく、より好ましくは１０〜１５回ほど行う。

（アフターパージおよび大気圧復帰）
ガス供給管１２のそれぞれからＮ２ガスを処理室６内へ供給し、排気管１５から排気する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、これにより処理室６内が不活性ガスでパージされ、処理室６内に残留するガスや副生成物が処理室６内から除去される（アフターパージ）。その後、処理室６内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、処理室６内の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。

（ウエハ搬出）
その後、ボートエレベータ２７によりシールキャップ１９が下降されて、反応管４の下端が開口される。そして、処理済ウエハ７がボート２１に支持された状態で反応管４の下端からその外部に搬出（ボートアンロード）される。その後、処理済のウエハ７は、ボート２１より取り出される（ウエハディスチャージ）。

実施例１は、チャージする複数の基板の枚数による膜厚変動を抑制することが可能な基板処理装置の実施例である。すなわち、実施例１は、複数の基板を収納する処理室と、処理室内の基板に処理ガスを供給するガス供給部と、処理室から処理ガスを排出するガス排気部と、を備え、隣接する基板の間であって、基板の裏面寄りに円板を設置した構成の基板処理装置の実施例である。

図４は実施例１の基板処理装置の一構成例の断面図である。同図に示すように、一重管である第１反応管３４内に設置された基板保持具であるボート３１には、石英プレートなどの複数の円板３９が垂直方向に設けられ、ダミーレス運用が可能な処理領域を形成している。複数の円板３９は、ボート３１の複数の支柱４２に固定される。すなわち、ボートは基板を支持する基板支持部を有する複数の支柱を備え、複数の円板は支柱に固定されている。好適には、ボート３１の複数の支柱４２と複数の円板３９は一体型で構成する。処理領域の下部には断熱領域３７が設置されている。断熱領域３７を処理領域と隔離し、処理（プロセス）ガスが流れる空間を限定し、ガスの供給・排気効率を高めることができる。すなわち、第一反応管３４のポート３１が設置された処理領域の下部に、処理領域から隔離された断熱部材からなる断熱領域を備えることにより、処理ガスが流れる空間を限定し、ガスの供給・排気効率を高めている。なお、ボート３１の周囲は、加熱用のヒータ３３で覆っており、ボート３１のクリーニングはボート交換で実現しても良いまた、第１反応管３４内に、クリーニングガスを供給することで、ボート３１をクリーニングしても良い。

また、図４の構成にあっては、第１反応管３４には２つの排気口３５が設けられているが、図６に示すように少なくとも１つの排気口３５を備えていれば良い。第１反応管３４には少なくとも１本のノズル３８を挿入し、処理領域に処理ガスを導入する。ボート３１の複数の支柱４２の各々に、複数の基板支持部３２が設置される。ボートの支柱を３本とし、１２０°均等配置にすることにより、形成される膜厚の偏芯を回避することができる。

なお、図４では一重管構成の基板処理装置を例示したが、本実施例の構成は、図６に示すような二重管構成の基板処理装置にも適用可能である。二重管構成の場合、ヒータ３３の内側にアウターチューブとしての第１反応管３４が配設され、その内部にインナーチューブである第２反応管３６が設置される。そして、第２反応管３６の内側に処理領域を構成するボート３１が設置される他、図４に示した一重管構成と同様の構成を備える。

以下、一重管構成の基板処理装置を例にして、基板保持具の好適な一構成を説明するが二重管構成にも同様に適用できる。本実施例にあっては、基板支持部３２で支持される基板の上面側の空間が基板の下面側の空間よりも大きくなるような位置に基板支持部３２が設けられ、これにより基板表面にガスを均一に供給することができる。すなわち、基板の表面側の空間が、基板の裏面側の空間よりも大きくなるように、基板支持部３２が複数の支柱に設置されている。

図５は、本実施例の構成の基板保持具であるボート３１の支柱４２に設置した複数の基板支持部３２に、それぞれ基板４１を配置した状態を示す。図中のＡ〜Ｇは反応管３４内の構成要素間の距離を示している。Ａは基板４１の縁と第１反応管３４の壁間の距離を、Ａ’は円板３９の縁と第１反応管の壁間の距離を、Ｂは基板間距離すなわちウエハピッチを、Ｃは基板４１の縁と第１反応管の他の壁間の距離を、Ｃ’は円板３９の縁と第１反応管の他の壁間の距離を、Ｄは複数の円板間の距離を示している。また、Ｅ、Ｅ’は隣接するそれぞれの円板３９と基板４１との距離を示しており、Ｄ＝Ｅ＋Ｅ’である。好ましくは、Ｄ＝Ｅ＋Ｅ‘＋基板４１の厚み＋プレート厚みとなる。さらに、基板の裏面と円板との距離Ｅ’が、円板の縁と処理室の壁との間の距離Ａ’に対し広い。

更に、Ｆ、Ｆ’は隣接する円板３９の裏面からノズル３８の孔までの距離を示している。図５の構成にあっては、Ｆ＝Ｅ‘＋（Ｅ／２）、あるいはＦ‘＝Ｅ／２である。穴の位置は一個しか示してないが、複数の孔の各々が上記の位置に設けられる。すなわち、ノズル３８の複数の孔の各々が、基板と円板の間のほぼ中間に位置するように、円板３９、基板支持部３２を構成する。これにより、基板表面に反応ガスを均一に供給することができる。Ｇ、Ｇ’はそれぞれノズル３８と基板４１の縁、円板３９の縁との間の距離を示す。なお、図６に示した二重管構成の場合構成要素間の距離Ａ、Ａ‘、Ｃ、Ｃ’はインナーチューブである第２反応管３６の壁からの距離である。

本実施例の基板処理装置の共通の構成として、ノズル３８からの導入される処理ガスの種類に係わらず、Ｂ＞Ｃ’、Ａ＞Ｃ‘、Ａ≒Ｃ、Ａ’≒Ｃ’とする。基板間距離Ｂの値は処理ガスの反応メカニズム、すなわち分解性によって変化させる。

反応管内に導入した処理ガスを分解しないで基板４１に供給する場合など、処理ガスの分解量が少ない反応がメインの反応の成膜の場合、Ｂ＞Ａ、Ｂ＞Ｃとする。すなわち、処理ガスの分解量が少ない反応の成膜の場合、隣接する基板の間の距離Ｂを、基板の縁と処理室の壁との間の距離Ａ、Ｃに対し広くする。例えば、先に説明したＴｉＮ層の成膜プロセスで、ＴｉＣｌ４ガスを供給する場合である。

一方、処理ガスを分解して基板に供給する場合など、処理ガスの分解量が多い反応がメインの反応の成膜の場合、Ａ≧Ｂ、Ｂ≦Ｃ、Ｂ＞Ｃ’とする。すなわち、隣接する基板間の距離Ｂを、基板の縁と処理室の壁との間の距離に対し狭いか等しくする。例えば、ＳｉＯの成膜プロセスでＳｉ２Ｃｌ６ガスを供給する場合である。

この様に、各寸法を変化させることにより、基板上に供給されるガスの状態を変化させることが可能となる。

以下、図５に示した距離Ａ〜Ｆの具体的な数値例を示す。まず処理ガスの種類に係わらず、共通の構成として、ＣはＡと同等の距離、Ａ’、Ｃ’は５〜７．５ｍｍ、ＤはＢと同等の距離、Ｅは２０ｍｍ〜５０ｍｍ、Ｅ’は最低限ツイーザが入る隙間として、１０ｍｍを下限とする。よって、Ｅは最大（Ｂ−１０）ｍｍとなり、Ｅ’＞Ａ’となる。Ｂは３０ｍｍ〜８０ｍｍ、Ａは２０ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ〜４０ｍｍとする。

ＴｉＮ成膜でＴｉＣｌ４を用いる場合、Ｂは約６０ｍｍ、Ａは約３０〜４０ｍｍとする。成膜条件は、処理室である反応管内圧力を１０〜２０Ｐａ、ガス供給流量が３００〜５００ｃｃｍとする。

ＳｉＯ成膜でＳｉ２Ｃｌ６ガスを用いる場合、Ｂは約３０ｍｍ、Ａは約３０〜４０ｍｍとする。成膜条件は、反応管内圧力が３０Ｐａ、ガス供給流量を１００〜３００ｃｃｍ程度とする。

なお、図５に示す基板処理装置の構成において、基板４１の表面（上面）と円板３９間の距離Ｅが小さい場合、基板の表面側の空間が狭く、基板上のコンダクタンスが小さくなり、ジェットフロー（噴流）の効果が得られ難くなる。ここで、ジェットフローとは、ある一定の広がり幅を持ちながら、次第に平坦な流速分布になる流れであり、本実施例の場合、ノズル３８から噴射された反応ガスの流れが基板の縁（ウエハエッジ）にかからずに、基板中心まで維持するものをジェットフローと呼ぶ。このジェットフローにより、ガス供給改善、すなわち基板中心へのガスの高濃度供給を図ることができ、ダミーレス運用が可能になる。このようなジェットフローを得て、ダミーレス運用を図るためには、上述した構成要素間の距離において、Ｂ＞Ａ＞Ａ’とすると良い。Ｄ＞Ａ＞Ａ’としても良い。いずれにおいても、隣接する基板の間の距離Ｂが、基板の縁と処理室の壁との間の距離Ａに対し広く、更に基板の縁と処理室の壁と間の距離Ａが、円板の縁と処理室の壁との間の距離Ａ’に対し広い。

更に、それぞれ基板４１の表面と円板３９との間の距離Ｅ、基板４１の裏面と円板３９との間の距離Ｅ’において、Ｅ＞Ｅ‘の関係にすると、ジェットフローを形成し易くなり、基板表面に反応ガスを均一に供給することができ、ダミーレス運用をより実現し易くなる。また基板への裏面成膜を抑制でき、更に、基板を均一に加熱し易くすることができる。本発明者の検討によれば、図５の構成において、基板中心部でガス濃度最大とするには、基板間距離Ｂを５０〜６０ｍｍ以上にするのが好適であった。このように、実施例１の基板処理装置にあっては、基板間距離Ｂを従来に比べ広くし、基板と第１反応管の内壁の距離Ａに対し充分広い構成とすることにより、基板中心まで十分な反応ガスを供給できる。

図７Ａ、図７Ｂは、本実施例に係る基板処理装置の円板３９上に設置された基板４１の表面上のジェットフローを説明するための斜視図と平面図である。なお、図７Ｂの下段は、ジェットフロー４０の縦断面図を示している。同図に示すように、本実施例の構成によれば、ジェットフロー４０は、基板中心まで一定の広がり幅Ｈを持ちながら、次第に平坦な流速分布とすることができる。

以上詳述した実施例１の構成によれば、複数の基板間に円板３９を設置することができ、チャージ枚数による膜厚変動を抑制し、ダミーレス運用で１枚処理でも５枚処理でも同じ成膜結果を得ることができる。

実施例２は、チャージする複数の基板の枚数による膜厚変動を抑制することが可能な基板処理装置の他の実施例である。実施例１と実施例２の違いは、基板保持具であるポートの構成にあり、本実施例のポートにあっては、複数の円板がボートの支柱の外側に飛び出していない構成を有する。円柱の縁がポートの支柱よりも反応管の壁側に突出していると、ダミーレス運用がし易いが、突出していない構成であっても、複数の基板表面へのガスの均一供給の改善が図れる。

図８Ａ、図８Ｂに本実施例の基板処理装置のポートの一構成例の斜視図と断面図を示す。基板処理装置としてのその他の構成要素は実施例１と同様であるので説明は省略する。ポート３１の３本の支柱４２を１２０°均等配置とすることにより、形成される膜厚の偏芯を回避することができる。１２０°均等配置された３本の支柱４２には、複数の円板３９が一体化されている。

図８Ａ、図８Ｂに示す通り、複数の円板３９の縁がボート３１の支柱４２の位置にある。そのため、本実施例の構成においては、図５で説明した構成要素間の距離のうち、円板３９の縁と第１反応管３４の２つの壁の間の距離Ａ’、Ｃ’、及び円板３９の縁とノズル３８の間の距離Ｇ’は、ボート３１の支柱４２と第１反応管３４の２つの壁の間の距離、及びボート３１の支柱４２とノズル３８の間の距離になる。ボート３１の支柱４２の厚みを５ｍｍとした場合、Ａ、Ｃが３０〜４０ｍｍ、Ａ’Ｃ’が５〜７．５ｍｍとすると、本実施例の構成によれば、支柱４２を基板４１の縁から１７．５ｍｍ〜３０ｍｍ程度離すことが可能となり、ボート３１の支柱４２による部分減膜の抑制を図ることができる。より好適にはほぼ２６ｍｍ〜３０ｍｍ離す、すなわち、複数の支柱は、基板の縁からほぼ２６ｍｍ〜３０ｍｍ離れていると、高い減膜抑制効果を得ることができる。

以上、本開示の各種の実施形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施形態及び実施例に限定されず、適宜組み合わせて用いることもできる。また、本発明は基板処理装置で形成ないし使用されるすべての膜種、ガス種に適用可能であり、更に、本明細書は基板処理装置の発明を主に説明してきたが、そのボート、半導体装置の製造方法、プログラム、及び記録媒体の発明も開示した。

なお、上述では、５枚の基板を処理可能な基板処理装置構成について記したが、これに限るものではない。ジェットフローが形成される構成であれば良い。具体的には、例えば、１枚〜１５枚程度で変更可能である。

また、上述では、成膜処理が行われる基板処理装置について記したが、基板処理装置は、他の処理にも適用可能である。例えば、プラズマを用いた拡散処理、酸化処理、窒化処理、酸窒化処理、還元処理、酸化還元処理、エッチング処理、加熱処理などが有る。また、例えば、反応ガスのみを用いて、基板表面や基板に形成された膜をプラズマ酸化処理や、プラズマ窒化処理する際にも本発明を適用することができる。また、反応ガスのみを用いたプラズマアニール処理にも適用することができる。

また、上述では、原料ガスとしてチタニウム含有ガス、反応ガスとして窒素含有ガスを用いて、窒化膜としての窒化チタニウム膜を形成する例を示したが、他のガスを用いた成膜にも適用可能である。例えば、酸化膜、酸素含有膜、窒素含有膜、炭素含有膜、ホウ素含有膜、金属含有膜とこれらの元素が複数含有した膜等が有る。なお、これらの膜としては、例えば、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜、ＡｌＯ膜、ＺｒＯ膜、ＨｆＯ膜、ＨｆＡｌＯ膜、ＺｒＡｌＯ膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＢＮ膜、ＴｉＣ膜、ＴｉＡｌＣ膜などが有る。

１・・・基板処理装置、２・・・縦型熱処理装置、３，３３・・・ヒータ、４・・・反応管、５・・・マニホールド、６・・・処理室、７、４１・・・基板（ウエハ）、８、３８・・・ノズル、９，１２，２４・・・ガス供給管、１０，１３，２５・・・マスフローコントローラ、１１，１４，２６・・・バルブ、１５・・・排気管、１６・・・圧力センサ、１７・・・ＡＰＣバルブ、１８・・・真空ポンプ、１９・・・シールキャップ、２０・・・カバープレート、２１、３１・・・ボート、２２・・・断熱アセンブリ、２３・・・回転機構、２７・・・ボートエレベータ、２８・・・温度検出器、２９・・・コントローラ、３２・・・基板支持部、３４・・・第１反応管、３５・・・排気口、３６・・・第２反応管、３７・・・断熱領域、３９・・・円板、４０・・・ジェットフロー、４２・・・ポートの支柱。

図４は実施例１の基板処理装置の一構成例の断面図である。同図に示すように、一重管である第１反応管３４内に設置された基板保持具であるボート３１には、石英プレートなどの複数の円板３９が垂直方向に設けられ、ダミーレス運用が可能な処理領域を形成している。複数の円板３９は、ボート３１の複数の支柱４２に固定される。すなわち、ボートは基板を支持する基板支持部を有する複数の支柱を備え、複数の円板は支柱に固定されている。好適には、ボート３１の複数の支柱４２と複数の円板３９は一体型で構成する。処理領域の下部には断熱領域３７が設置されている。断熱領域３７を処理領域と隔離し、処理（プロセス）ガスが流れる空間を限定し、ガスの供給・排気効率を高めることができる。すなわち、第一反応管３４のボート３１が設置された処理領域の下部に、処理領域から隔離された断熱部材からなる断熱領域を備えることにより、処理ガスが流れる空間を限定し、ガスの供給・排気効率を高めている。なお、ボート３１の周囲は、加熱用のヒータ３３で覆っており、ボート３１のクリーニングはボート交換で実現しても良いまた、第１反応管３４内に、クリーニングガスを供給することで、ボート３１をクリーニングしても良い。

図８Ａ、図８Ｂに本実施例の基板処理装置のポートの一構成例の斜視図と断面図を示す。基板処理装置としてのその他の構成要素は実施例１と同様であるので説明は省略する。ボート３１の３本の支柱４２を１２０°均等配置とすることにより、形成される膜厚の偏芯を回避することができる。１２０°均等配置された３本の支柱４２には、複数の円板３９が一体化されている。

Claims (12)

1. 複数の基板を収納する処理室と、
   前記処理室内の前記基板に処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記処理室から前記処理ガスを排出するガス排気部と
   前記複数の基板の間であって、前記基板の裏面寄りに設けられる円板と、
   を有する基板処理装置。
2. 複数の前記基板が載置される基板保持具と、
   前記基板保持具は前記基板を支持する基板支持部を有する複数の支柱を備え、
   複数の前記円板は前記支柱に固定されている、
   請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記基板の表面側の空間が、前記基板の裏面側の空間よりも大きくなるように、前記基板支持部が複数の前記支柱に設置されている、
   請求項２に記載の基板処理装置。
4. 複数の前記支柱は、前記基板の縁からほぼ２６ｍｍ〜３０ｍｍ離れている、
   請求項２又は３に記載の基板処理装置。
5. 隣接する前記基板の間の距離が、前記円板の縁と前記処理室の壁との間の距離に対し広い、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の基板処理装置。
6. 隣接する前記基板の間の距離が、ほぼ５０〜６０ｍｍ以上である
   請求項５に記載の基板処理装置。
7. 前記処理ガスの分解量が少ない反応の成膜の場合、前記基板保持具と前記処理室は、隣接する前記基板の間の距離を、前記基板の縁と前記処理室の壁との間の距離に対し広く構成される
   請求項２乃至４のいずれか一項に記載の基板処理装置。
8. 前記処理ガスの分解量が多い反応の成膜の場合、前記基板保持具と前記処理室は、隣接する前記基板の間の距離を、前記基板の縁と前記処理室の壁と間の距離に対し狭く構成される請求項２乃至４のいずれか一項に記載の基板処理装置。
9. 前記ガス供給部は、前記基板に反応ガスを供給する複数の孔が設けられたノズルを含み、
   前記ガス供給部と前記基板保持具は、複数の前記孔の各々が、前記基板の前記円板の間のほぼ中間に位置するように構成される
   請求項２乃至８のいずれか一項に記載の基板処理装置。
10. 前記処理室は、
    前記基板保持具が設置された処理領域の下部に、前記処理領域から隔離された断熱部材を有する断熱領域を備える、
    請求項２乃至９のいずれか一項に記載の基板処理装置。
11. 前記基板保持具と前記処理室は、隣接する前記円板間の距離が、前記円板の縁と前記処理室の壁との間の距離に対し広くなるよう構成されている請求項２乃至４のいずれか一項に記載の基板処理装置。
12. 前記基板保持具は、前記基板の裏面と前記円板との距離が、前記円板の縁と前記処理室の壁との間の距離に対し広くなるよう構成されている請求項２乃至４のいずれか一項に記載の基板処理装置。

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