JP2020188280A - 基板処理装置、半導体装置の製造方法、プログラムおよび反応管 - Google Patents
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Abstract
Description
前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角であり、
前記反応管は、前記処理ガスノズルを収納するように外側に突出した第1突出部と前記不活性ガスノズルを収納するように外側に突出した第2突出部とが形成されている技術が提供される。
図1に示すように、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は、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。
上述の基板処理装置を用い、半導体装置の製造工程の一工程として、基板としてのウエハ200上にシリコン窒化膜(SiN膜)を形成するシーケンス例について、図4を用いて説明する。以下の説明において、基板処理装置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。
ウエハ200対してノズル249aよりHCDSガスを供給することで第1層としてのSi含有層を形成するステップAと、
ウエハ200に対してノズル249bよりNH3ガスを供給することで第2層としてのシリコン窒化層(SiN層)を形成するステップBと、
を非同時に行うサイクルをn回(nは所定数)行うことで、ウエハ200上に、SiおよびNを含む膜、すなわち、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「基板」は「ウエハ」の意味を含む。
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、シャッタ開閉機構222によりシャッタ221が移動させられて、マニホールド209の下端開口が開放される(シャッタオープン)。その後、図1に示すように、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内へ搬入(ボートロード)される。搬入の完了後、シールキャップ219は、Oリング220bを介してマニホールド209の下端をシールした状態となる。
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によって処理室201内が真空排気(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244がフィードバック制御される。また、処理室201内のウエハ200が所望の成膜温度となるように、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への通電具合がフィードバック制御される。また、回転機構267によるウエハ200の回転を開始する。処理室201内の排気、ウエハ200の加熱および回転は、いずれも、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。
その後、次のステップA,Bを順次実行する。
このステップでは、処理室201内のウエハ200に対してHCDSガスを供給する。
ステップA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層に対してNH3ガスを供給する。
ステップA,B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1回以上(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。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。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層の厚さを所望の膜厚よりも薄くし、第2層を積層することで形成されるSiN膜の膜厚が所望の膜厚になるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すのが好ましい。
ウエハ200上に所望組成、所望膜厚の膜が形成されたら、ノズル249a〜249cのそれぞれからパージガスとしてのN2ガスを処理室201内へ供給し、排気口233から排気する。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(アフターパージ)。その後、処理室201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201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降され、マニホールド209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マニホールド209の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)される。ボートアンロードの後は、シャッタ221が移動させられ、マニホールド209の下端開口がOリング220cを介してシャッタ221によりシールされる(シャッタクローズ)。処理済のウエハ200は、反応管203の外部に搬出された後、ボート217より取り出される(ウエハディスチャージ)。
本実施形態における不活性ガスノズルの位置や反応管形状は、以下の図5から図7に代表的に示される変形例のようにさまざまに変更することができる。
不活性ガスのみを供給する不活性ガスノズルとしての第4ガスノズルを追加した例を図5に示す。処理ガスノズル(第1ガスノズル249a,第2ガスノズル249b)の中心と基板200との中心を結ぶ線を境界線300として区画される領域のうち、第3ガスノズル249cが設置される領域の反対側の領域に、不活性ガスを処理室201内に供給する第4ガスノズル249dを設置する。第3ガスノズル249cと第4ガスノズル249dは、境界線300に対して対称に設置されうる。
他の変形例として、図6に示されるような反応管203を用いてもよい。この反応管203は、処理ガスノズル(第1ガスノズル249a、第2ガスノズル249b)を収納するように外側に突出した第1突出部302と、第3ガスノズル249cを収納するように外側に突出した第2突出部303とが形成されている。第1突出部302は、第1ガスノズル249a、第2ガスノズル249bをそれぞれ収納するように複数に分割されていてもよい。また、処理ガスノズルと向かいあう位置に、外側に突出した排気バッファ234が設けられ、排気バッファ234が基板に面する部分が大きく開口して排気口233を形成している。このように内壁とウエハとの間の空間を狭くした反応管は、ウエハの周囲を迂回するような処理ガスの流れが抑制されるので、ウエハ上の処理ガスの分圧を均一にしやすいが、中央部への供給不足の傾向を是正しにくかった。本変形例では、第3ガスノズル249cから供給される不活性ガスもまた、ウエハの周囲を流れにくいため、処理ガスを扇状に堰き止める作用が強まり、凸傾向へ矯正することができる。。
更に他の変形例として、図7に示されるような反応管203を用いてもよい。この反応管203は、その内部に内壁(内管、ライナーとも呼ばれる)304が設けられている。内壁304は、第1ガスノズル249a,第2ガスノズル249bに対向する部分に部分的な開口となる排気口233を有し、また、第1ガスノズル249a,第2ガスノズル249bを避けるように部分的に外側に突出した形状の第1の内壁突出部305と、第3ガスノズル249cが内壁304と干渉しないように、設置部分が部分的に外側に突出した形状の第2の内壁突出部306が形成されている。第1の内壁突出部305は、第1ガスノズル249a、第2ガスノズル249bをそれぞれ収納するように複数に分割されていてもよい。このような形状の反応管を用いることにより、変形例2と同様の効果を得つつ、反応管203全体の排気性(ガス置換性)を改善することができる。
図8に、不活性ガスの総流量と反応中間体ガスの分圧の関係のシミュレーション結果が示される。ここでは、パターンウエハモデルを使用し、角θ=40°で不活性ガスノズルを対称に2本(第3ガスノズル及び第4ガスノズル)配置し、処理ガスノズルから400sccmのHCDSを供給した場合を想定している。縦軸は、HCDSの分解により生じる代表的な反応中間体(プリカーサ、ラジカル)であるSiCl2 *(シリレン)の分圧を示しており、これはHCDSの分解量を表しているとも言える。つまりシミュレーションは、パターンウエハにおけるHCDSの消費を考慮して行われた。グラフは中間体の分圧について、2本の不活性ガスノズルからのN2ガスの総流量が増すほど、中央と端部の比は大きく(つまり凸傾向)なったように示しているが、実際には膜厚の凸傾向はさほど促進されいない。また原料の希釈により分圧がウェハの全体で低下している。これはガスの使用効率が悪く、成膜速度も遅くなることを意味する。
本実施形態によれば、以下に示す1つ又は複数の効果が得られる。
Claims (18)
- 基板を処理する処理室を内部に有する反応管と、
前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガスノズルと、
前記処理室内に不活性ガスを供給する不活性ガスノズルと、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気管と、を備え、
前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角であり、
前記反応管は、前記処理ガスノズルを収納するように外側に突出した第1突出部と前記不活性ガスノズルを収納するように外側に突出した第2突出部とが形成されている基板処理装置。 - 反応管と、
その内側に基板を処理する処理室を有し、前記反応管の内部に設置される内壁と、
前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガスノズルと、
前記処理室内に不活性ガスを供給する不活性ガスノズルと、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気管と、を備え、
前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角であり、
前記内壁は、前記処理ガスノズルに対向する部分に部分的な開口が形成され、前記処理ガスノズルおよび前記不活性ガスノズルが前記内壁と干渉しないように、前記処理ガスノズルおよび前記不活性ガスノズルの設置部分が部分的に外側に突出した形状を有する基板処理装置。 - 前記不活性ガスノズルは、前記第1直線を境界線として区画されるそれぞれの領域に1本ずつ設置される請求項1または2に記載の基板処理装置。
- 前記第1直線と前記第2直線とのなす角をθとするとき、前記θが前記基板の表面積に応じて決定されている請求項1または2に記載の基板処理装置。
- 前記基板の表面積が第1の大きさであるときの前記θの値に比べ、前記基板の表面積が前記第1の大きさよりも小さい第2の大きさであるときの前記θの値は小さい請求項4に記載の基板処理装置。
- 前記処理ガスノズルは、前記基板の中心方向に向けて前記処理ガスを供給し、前記不活性ガスノズルは、前記基板の中心方向に前記不活性ガスを供給する請求項1乃至5のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記不活性ガスノズルは、前記処理ガスノズルが前記処理ガスを供給した状態で、前記基板の中心部の不活性ガス濃度が前記基板の端部の不活性ガス濃度よりも低くなるように前記不活性ガスを供給する請求項1乃至6のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記不活性ガスノズルは、前記処理ガスノズルが前記処理ガスを供給している状態で、前記基板の中心部の前記処理ガスもしくは前記処理ガスから生じる反応中間体の分圧が、前記不活性ガスが供給されない場合と比べて低下しないような前記角度及び流量で、前記不活性ガスを供給する請求項1乃至6のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記不活性ガスノズルは、前記処理ガスノズルが前記処理ガスを供給している状態で前記不活性ガスを供給し、前記基板の中心部の前記処理ガスもしくは前記処理ガスから生じる反応中間体の分圧が、前記排気管における排気圧にかかわらず、前記基板の端部全周の平均の分圧よりも高くなる請求項1乃至6のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記不活性ガスノズルが供給する前記不活性ガスは、前記不活性ガスが供給されない場合と比較して、前記基板全面での平均的な処理ガス濃度を上昇させる請求項1乃至9のいずれかに記載の基板処理装置。
- 前記基板を挟んで前記処理ガスノズルと対向する位置に設けられ、前記排気管に接続する排気口と、
前記基板を回転させる回転機構と、をさらに備え、
前記処理室は、垂直方向に配列させた複数の前記基板を同時に処理し、
前記処理ガスノズルと前記不活性ガスノズルは、前記処理室の下部から上部にわたって複数の前記基板のそれぞれの中心へ向いて開口する複数のガス供給孔を有する請求項1乃至10のいずれかに記載の基板処理装置。 - 前記処理ガスもしくは反応中間体の分圧が、前記基板の中心付近を含む扇状の範囲で比較的高く分布するように、前記不活性ガスノズルが設置される請求項1乃至11のいずれかに記載の基板処理装置。
- 反応管の内部に設けられ、基板を処理する処理室内に前記基板を搬入する工程と、
処理ガスノズルから前記処理室内に処理ガスを供給し、不活性ガスノズルから前記処理室内に不活性ガスを供給して前記基板を処理する工程と、を有し、
前記基板を処理する工程では、前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角であり、前記反応管は、前記処理ガスノズルを収納するように外側に突出した第1突出部と前記不活性ガスノズルを収納するように外側に突出した第2突出部とが形成された状態で、前記処理ガスノズルから前記処理ガスを供給し、前記不活性ガスノズルから前記不活性ガスを供給する半導体装置の製造方法。 - 反応管の内部に設置された内壁の内側に設けられ、基板を処理する処理室内に前記基板を搬入する工程と、
処理ガスノズルから前記処理室内に処理ガスを供給し、不活性ガスノズルから前記処理室内に不活性ガスを供給して前記基板を処理する工程と、を有し、
前記基板を処理する工程では、前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角であり、前記内壁は、前記処理ガスノズルに対向する部分に部分的な開口が形成され、前記処理ガスノズルおよび前記不活性ガスノズルが前記内壁と干渉しないように、前記処理ガスノズルおよび前記不活性ガスノズルの設置部分が部分的に外側に突出した形状を有した状態で、前記処理ガスノズルから前記処理ガスを供給し、前記不活性ガスノズルから前記不活性ガスを供給する半導体装置の製造方法。 - 基板処理装置の反応管の内部に設けられた処理室内に基板を搬入する手順と、
処理ガスノズルから前記処理室内に処理ガスを供給し、不活性ガスノズルから前記処理室内に不活性ガスを供給して前記基板を処理する手順と、を有し、
前記基板を処理する手順では、前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角であり、前記反応管は、前記処理ガスノズルを収納するように外側に突出した第1突出部と前記不活性ガスノズルを収納するように外側に突出した第2突出部とが形成された状態で、前記処理ガスノズルから前記処理ガスを供給し、前記不活性ガスノズルから前記不活性ガスを供給するよう、
コンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。 - 基板処理装置の反応管の内部に設置された内壁の内側に設けられた処理室内に基板を搬入する手順と、
処理ガスノズルから前記処理室内に処理ガスを供給し、不活性ガスノズルから前記処理室内に不活性ガスを供給して、前記基板を処理する手順と、を有し、
前記基板を処理する手順では、前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角であり、前記内壁は、前記処理ガスノズルに対向する部分に部分的な開口が形成され、前記処理ガスノズルおよび前記不活性ガスノズルが前記内壁と干渉しないように、前記処理ガスノズルおよび前記不活性ガスノズルの設置部分が部分的に外側に突出した形状を有した状態で、前記処理ガスノズルから前記処理ガスを供給し、前記不活性ガスノズルから前記不活性ガスを供給するよう、
コンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。 - 筒形状に形成され、内部に基板を処理する処理室を有する反応管であって、
前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガスノズルを収納するように外側に突出した第1突出部と、
前記処理室内に不活性ガスを供給する不活性ガスノズルを収納するように外側に突出した第2突出部と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気口と、を備え、
前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角である反応管。 - 筒形状に形成された反応管であって、
その内側に基板を処理する処理室を有する内壁と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気口と、を備え、
前記内壁は、処理ガスノズルに対向する部分に部分的な開口が形成され、前記処理ガスノズルおよび不活性ガスノズルが前記内壁と干渉しないように、前記処理ガスノズルおよび前記不活性ガスノズルの設置部分が部分的に外側に突出した形状を有し、
前記処理ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第1直線と、前記不活性ガスノズルと前記基板の中心部とを結ぶ第2直線とがなす角度が鈍角または直角である反応管。
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