JP4399452B2 - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

基板処理装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基板の周囲にプレートを設けて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ものである。
近年、半導体の微細化に伴い、高品質な半導体膜の要求が高まりつつあるなか、二種類の反応ガスを交互に供給して原子層レベルの堆積膜を形成する成膜方法が注目されている。反応ガスの材料としては、金属含有原料と酸素又は窒素を含有するガスとが用いられる。成膜方法としては、反応の形態から見て二種類ある。一つはＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）であり、他の一つはサイクル手法を適用したＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）である。これらの方法は基本的なガス供給方法が共通するので、図１４を共通に用いて説明する。図１４（ａ）はフローチャート、図１４（ｂ）はガス供給のタイミング図である。図示例では、ガス化した金属含有原料を原料Ａ、酸素又は窒素を含有するガスを原料Ｂとしている。
ＡＬＤは、原料Ａを基板へ供給して吸着させ（工程１）、吸着後残留原料Ａを排気し（工程２）、排気後原料Ｂを基板へ供給して原料Ａと反応させて成膜し（工程３）、成膜後残留原料Ｂを排気する（工程４）という４つの工程を１サイクルとして、これを複数回繰り返す方法である。ガス供給タイミングは、図１４（ｂ）に示すように、原料Ａと原料Ｂとを交互に供給する間に、パージガスによる排気を挟むようになっている。
サイクル手法を適用したＭＯＣＶＤは、原料Ａを基板へ供給し熱分解させて基板に成膜し（工程１）、成膜後残留原料Ａを排気し（工程２）、排気後原料Ｂを基板へ供給して堆積膜の改質処理を行い（工程３）、改質後残留原料Ｂを排気する（工程４）という４つの工程を１サイクルとして、これを複数回繰り返す方法である。ガス供給タイミングは、図１４（ｂ）に示すように、原料Ａと原料Ｂとを交互に供給する間に、パージガスによる排気を挟むようになっている。
一般に、原料Ａと原料Ｂは反応性が極めて高い場合が多く、これらの原料を同時に供給した場合、気相反応による異物の発生や膜質の劣る膜の堆積が生じ、歩留まりの低下を招くことになる。そのために、上述した工程２、４では、前の工程で供給した原料が残留しないように、真空引きや不活性ガスによるパージ（排気）を実施している。特に、基板上流部での原料の残留は、直接基板の成膜条件に影響を与えるので、充分なパージが必要であるが、パージに要する時間が長いと、スループットが低下する。
他方、上述した工程１、３においては、ＡＬＤ、サイクル手法を適用したＭＯＣＶＤの双方において、原料Ａ、Ｂの基板上への供給量を均一にすることにより、基板上に形成された膜厚、膜質の均一性向上を図っている。ここで、原料の供給量は、一般に、原料の分圧（全圧×原料モル分率）の関数と考えられる。したがって、基板上を流れるガス流の上流側と下流側とで原料の分圧が異なると、吸着量は均一とはならず、均一性が得られない。
上記成膜方法を実施するための半導体製造装置については、枚葉式装置が主流となっている。枚葉式装置を用いて、膜厚の高精度な制御や、高品質な膜を形成するには、上述した膜厚均一性及びスループットの観点から、ガス供給及び排気方法が重要となる。枚葉装置の基板へのガス供給・排気形態は、構成上から、次の二つに大別することができる。
一つの形態（径方向流しタイプ）は、図１５（ａ）に示すように、処理室５０内の基板が保持されている基板保持領域４１の上方のガス供給口４２から基板面４３の中心部に対してガスを垂直方向に供給し、基板面４３上を径方向に流して、基板外周から排気口４４に向けてガスを排気する方法である。
他の形態（片側流しタイプ）は、図１５（ｂ）に示すように、基板保持領域外４５の片方の側に設けたガス供給口４６から、基板面４３に対してガスを平行な方向に供給し、基板面４３上を一方向に流して、ガス供給口４６と反対側に設けた排気口４７から排気する方法である。
図１５（ａ）の径方向流しタイプの場合、ガスが当たる基板中心部に膜厚が異常に厚く成膜される異常点が発生し膜厚均一性が悪化する。これを回避するために、この形態のものでは、図１５（ｃ）に示すように、ガス供給口４２と基板面４３との間に多孔板４８を設置し、各孔からガスをシャワー状に流すように改良している。しかし、排気口４４からの距離の違いにより、ウェハ上においてガス流に偏りができるため、基板面４３内に対するガスの供給を均一にできず、膜厚の均一性を確保するのが難しい。
そこで、径方向流しタイプでは、従来、ガス排気路のコンダクタンスを調整することにより、膜厚の均一性を改善しようとするものが種々考えられている。例えば、反応ガスの流れを基板全面にわたって均一化するために、バッフル板の排気孔に近い側の排気コンダクタンス調整孔の流路断面積を反対側よりも小さくしたもの（例えば、特許文献１参照）、バッフル板を備え、バッフル孔の間隔、バッフル孔径、バッフル板肉厚、スリット幅等を変化させるなどして、排ガスをウェハの全円周角にわたり偏りがない均等な流量で半径方向に流出させるようにしたもの（例えば、特許文献２参照）、バッフル板を移動させて排気路の開口分布を変化させることにより、排気口とこれと反対側の排気コンダクタンスを変化させ、これにより処理空間内の圧力分布を調整したもの（例えば特許文献３参照）等が提案されている。
特開平８−８２３９号公報 特開２００１−１７９０７８号公報 特開２００３−６８７１１号公報
上述した特許文献１〜３に記載された装置では、バッフル板により処理空間内の圧力分布を調整しているので、基板上の圧力を等しくして膜厚の均一性を改善することは可能である。
しかし、いずれも多孔板により処理ガスを供給する径方向流しタイプのものであるから、多孔板上流の領域は高圧となり、パージ工程において残留ガスの排気に時間を要することとなる。また、排気口と反対側のコンダクタンス調整用開口に対しては、排気口と反対の方向に向かってガスを流す必要があり、残留ガスを効率的に除去することができず、ガスがバッフル板よりも下方の空間に滞留したり、その空間の内壁に吸着したりして、それがパーティクル発生の原因となることが考えられる。すなわち、特許文献１〜３に記載された装置は、素早い排気ができず、パージ効率が悪くなるものと考えられる。
パージ効率が悪いと、高いパージ効率が要求される処理、例えば頻繁にパージを行うＡＬＤやサイクル手法を適用したＭＯＣＶＤ等のサイクル処理では、上述した成膜方法の工程２、４における残留ガスの排気に時間を要するため、スループットが低下する要因となる。なお、排気時間の短縮のために多孔板とウェハとの間隔を狭くして、反応容積を縮小することも考えられているが、反応容積を縮小した場合、ウェハ上に多孔板の孔の跡が転写され、膜厚均一性を確保することが困難になる。
したがって、この径方向流しタイプは、サイクル処理への適用が困難であった。
そこで、枚葉式装置のサイクル処理への適用については、径方向流しタイプよりもパージ効率のよい片側流しタイプが選択される場合が多い。
しかしながら、片側流しタイプの場合であっても、基板上を一方向にガスが流れるとき、ガス流れの上流側が高圧となり、下流側が低圧となってしまい、基板処理の均一性が得られないという欠点があった。また、排気口がウェハより上方の空間に連通された場合、排気口からのパーティクルがウェハ上に逆流拡散する問題もあった。
本発明の課題は、基板側方からガスを供給しつつ基板を挟んでガス供給側と反対側より排気するタイプの基板処理装置において、上述した従来技術の問題点を解消して、基板処理の均一性を確保しつつ、処理室内の残留ガスのパージを行う際は、残留ガスを効率的に除去することが可能な基板処理装置を提供することにある。
基板側方からガスを供給しつつ基板を挟んでガス供給側と反対側より排気するタイプの基板処理装置において、パーティクルの発生を抑制するために、反応ガスは、本来、基板上にのみ流すことが好ましい。しかし、基板上に一方向にガスを流すと、ガス流れの上流側が高圧となり、下流側が低圧となってしまい、基板処理の均一性が得られない。
そこで、本発明者は、基板の周囲にプレートを設け、基板上に流れるガスの一部を、プレートよりも下方の空間に排出するようにし、その排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくすると、基板上の上流側が高圧となり下流側が低圧となるのを緩和でき、しかも、残留ガスパージを行う際、プレートよりも下方の空間のパージ効率が大きくなるという知見を得て、本発明を創作するに至ったものである。
第１の発明は、基板を処理する処理室と、前記処理室内で前記基板を保持する保持具と、前記基板の周囲に設けられたプレートと、前記基板の側方であって前記プレートよりも上方の空間に連通するよう設けられて前記基板に対してガスを供給する供給口と、前記プレートの少なくとも前記基板よりも上流側と下流側とに設けられて、前記ガスを前記プレートよりも下方の空間に排出する排出口と、前記基板を挟んで前記供給口と反対側に設けられて前記プレートよりも下方の空間に連通して前記処理室を排気する排気口とを有し、前記排出口のコンダクタンスは上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成されていることを特徴とする基板処理装置である。
基板の側方であってプレートよりも上方の空間に連通するよう設けられた供給口から、ガスが基板に対して供給される。排気口は基板を挟んで供給口と反対側であって、プレートよりも下方の空間に連通して設けられているので、プレートよりも上方の空間に供給されたガスは、プレートに沿って基板上を一方向に流れる。また、プレートの基板よりも上流側と下流側とに排出口が設けられているので、供給されたガスの一部は、基板上を流れないで上流側の排出口から、プレートよりも下方の空間に排出される。ガスの残部は、基板上を流れた後に下流側の排出口から、プレートよりも下方の空間に排出される。これらの排出されたガスは、プレートよりも下方の空間に連通する排気口より排気される。このように処理室にガスを供給しつつ排気することより基板が処理される。
第１の発明では、排出口のコンダクタンスは、上流側の排出口の方が下流側の排出口よりも大きくなるよう構成されている。そのため、上流側の方が下流側よりも流路抵抗が小さくなり、上流側の排出口の方が下流側の排出口よりもガスが排出されやすくなる。これにより、上流側が高圧となり下流側が低圧となるのが緩和され、基板上の圧力分布が均一化されて、基板処理の均一性が向上する。
また、上流側の排出口の方が下流側の排出口よりもコンダクタンスが大きくなるよう構成したので、処理室内の残留ガスのパージを行う際には、下流側の排出口よりも大量のパージガスが上流側の排出口から、プレートよりも下方の空間へ排出される。したがって、パージガスがプレートよりも下方の空間全体に上流側から供給されるため、パージ効率が向上する。その結果、プレートよりも下方の空間に滞留したり、その空間の内壁に吸着したりする残留ガスを効率的に除去できる。
基板としては、シリコン基板が挙げられる。基板を処理する方法としては、二種類以上のガスを交互に供給して膜を堆積させるＡＬＤ又はサイクル手法を適用したＭＯＣＶＤや、二種類以上のガスを同時に供給して膜を堆積させる通常のＭＯＣＶＤなどが挙げられる。基板の処理内容としては金属酸化膜の成膜などが挙げられる。処理室としては、枚葉式が挙げられる。保持具としては、保持される基板を加熱するサセプタなどが挙げられる。基板の周囲に設けられたプレートとしては、排出口のコンダクタンスを調整するコンダクタンスプレートが挙げられる。ガスとしては、金属含有原料と酸素又は窒素を含有するガスが挙げられる。ガスを供給する供給口に多孔板を設ける必要はない。排出口は、プレートと処理室壁との間、プレートと基板との間、又はプレートの領域内のいずれかに設けるか、又はこれらを任意に組み合わせて設けることもできる。基板処理装置としては、枚葉式の処理室を有する半導体製造装置が挙げられる。
第２の発明は、第１の発明において、前記基板よりも上流側の前記排出口は、前記供給口と前記基板との間に設けられることを特徴とする基板処理装置である。
基板よりも上流側の排出口が、供給口と基板との間、すなわち供給口よりも下流側であって、基板よりも上流側に設けられると、排気口と反対に向かってガスを流す部分がなくなり、プレートよりも下方の空間全体へスムーズに、より大量のパージガスを排出口から排出でき、パージ効率がより向上する。
第３の発明は、第１の発明において、前記供給口は前記排気口とは反対側の前記プレートの外側に設けられることを特徴とする基板処理装置である。
供給口がプレートの外側に設けられると、上流側の排出口からプレートよりも下方の空間に排出されるガスを、その空間の最上流から流入させることができるので、パージ効率がより向上し、その空間に滞留したり、その空間の内壁に吸着したりする反応ガスをより効率的に除去できる。
第４の発明は、第１の発明において、前記排出口は前記プレートに設けられた開口により構成されることを特徴とする基板処理装置である。
排出口をプレートに設けられた開口により構成すると、上流側の開口と下流側の開口面積を調整するだけで容易に排出口のコンダクタンスを調整することができる。すなわち、上流側の開口面積の方が下流側よりも大きくなるようにするだけで、排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるように構成することができる。
第５の発明は、第１の発明において、前記排出口は前記プレートと前記処理室壁との間に形成される隙間により構成されることを特徴とする基板処理装置である。
排出口をプレートと処理室壁との間に形成される隙間により構成すると、上流側の隙間が大きく下流側の隙間が小さくなるように、プレートの位置を偏椅させるだけで、排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成することができる。
第６の発明は、第１の発明において、前記排出口の開口面積は上流側の方が下流側よりも大きいことを特徴とする基板処理装置である。
排出口の開口面積を上流側の方が下流側よりも大きくすることによって、排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成することができる。
第７の発明は、第１の発明において、前記排出口の流路長さは上流側の方が下流側よりも短いことを特徴とする基板処理装置である。
排出口の流路長さを上流側の方が下流側よりも短くすることによって、排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成することができる。
第８の発明は、第１の発明において、前記供給口より二種類以上の反応ガスを交互に複数回供給し、二種類以上の反応ガスを交互に供給する間にパージガスの供給を挟むよう制御する制御手段を有することを特徴とする基板処理装置である。
制御手段によって、供給口より二種類以上の反応ガスを交互に供給し、その間にパージガスの供給を挟んで、交互に複数回供給するよう制御するような高いパージ効率が要求される処理であっても、プレートよりも下方の空間に滞留したり、その空間の内壁に吸着したりする反応ガスを効率的に除去できる。
第９の発明は、第１の発明において、前記プレートの少なくとも前記基板よりも下流側には前記排出口が少なくとも２つ以上設けられ、これら排出口はガス流方向に向かって間隔を空けて配列されていることを特徴とする基板処理装置である。
プレートの基板よりも下流側に排出口が少なくとも２つ以上設けられ、これら排出口がガス流方向に向かって間隔を空けて配列されていると、ガスの淀みが生じる部分に積極的にガス流を形成することができるので、プレート上のガス流速が小さくなる部分を解消することができる。
第１０の発明は、基板を処理する処理室と、前記処理室内で前記基板を保持する保持具と、前記基板の周囲に設けられたプレートと、前記基板の側方であって前記プレートよりも上方の空間に連通するよう設けられて前記基板に対してガスを供給する供給口と、前記プレートの少なくとも前記基板よりも上流側と下流側とに設けられて、前記ガスを前記プレートよりも下方の空間に排出する排出口と、前記基板を挟んで前記供給口と反対側に設けられて、前記プレートよりも下方の空間に連通して前記処理室を排気する排気口とを有し、前記プレートの少なくとも前記基板よりも下流側に設けられた前記排出口は少なくとも第１の排出口と、それよりも下流に設けられた第２の排出口とを有することを特徴とする基板処理装置である。
基板の側方であってプレートよりも上方の空間に連通するよう設けられた供給口から、ガスが基板に対して供給される。排気口は基板を挟んで供給口と反対側であって、プレートよりも下方の空間に連通して設けられているので、プレートよりも上方の空間に供給されたガスは、プレートに沿って基板上を一方向に流れる。また、プレートの少なくとも基板よりも上流側と下流側とに排出口が設けられ、少なくとも基板よりも下流側の排出口は、第１の排出口と、それよりも下流に設けられた第２の排出口とを有するので、供給されたガスの一部は、基板上を流れないで上流側に設けられた排出口から、プレートよりも下方の空間に排出される。ガスの残部は、基板上を流れた後に下流側に設けられた第１の排出口と、第２の排出口から、プレートよりも下方の空間に排出される。これらの排出されたガスは、プレートよりも下方の空間に連通する排気口より排気される。このように処理室にガスを供給しつつ排気することにより基板が処理される。
プレートの少なくとも基板よりも下流側に設けられた排出口は少なくとも第１の排出口と、それよりも下流に設けられた第２の排出口とを有するので、処理室内のプレートよりも上方の空間及びプレートよりも下方の空間の両方におけるガスの流れの範囲が広くなり、それぞれの空間における淀みがなくなるため、それぞれの空間のパージ効率が向上する。その結果、反応ガスが、それぞれの空間に滞留したり、その空間の内壁に吸着したりするのを効率的に除去できる。
第１１の発明は、基板を処理室内に搬入する工程と、前記処理室に搬入された前記基板の側方から前記基板の周囲に設けられたプレートに沿って前記基板に対してガスを供給しつつ、前記プレートの少なくとも前記基板よりも上流側と下流側とに設けられた排出口から前記プレートよりも下方の空間にガスを排出して、前記プレートよりも下方の空間の前記基板を挟んで供給側と反対側より排気することにより前記基板を処理する工程と、処理後の前記基板を前記処理室より搬出する工程とを有し、前記基板処理工程では、前記排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
ガスは、基板の側方からプレートに沿って基板上を一方向に流れる。また、プレートの基板よりも上流側と下流側とに排出口が設けられているので、供給されたガスの一部は、基板上を流れないで上流側の排出口から、プレートよりも下方の空間に排出される。ガスの残部は、基板上を流れた後に下流側の排出口から、プレートよりも下方の空間に排出される。これらの排出されたガスは、プレートよりも下方の空間の基板を挟んで供給側と反対側より排気される。このように処理室にガスを供給しつつ排気することにより基板が処理される。
排出口のコンダクタンスは、上流側の排出口の方が下流側の排出口よりも大きくなるよう構成されている。そのため、上流側の方が下流側よりも流路抵抗が小さくなり、上流側の排出口の方が下流側の排出口よりもガスが排出されやすくなる。これにより、上流側が高圧となり下流側が低圧となるのが緩和され、基板上の圧力分布が均一化されて、基板処理の均一性が向上する。
また、上流側の排出口の方が下流側の排出口よりもコンダクタンスが大きくなるよう構成したので、処理室内の残留ガスのパージを行う際には、下流側の排出口よりも大量のパージガスが上流側の排出口から、プレートよりも下方の空間へ排出される。したがって、パージガスがプレートよりも下方の空間全体に上流側から供給されるため、パージ効率が向上する。その結果、プレートよりも下方の空間に滞留したり、その空間の内壁に吸着したりする残留ガスを効率的に除去できる。
第１２の発明は、第１１の発明において、前記基板処理工程では、前記基板に対して二種類以上の反応ガスを交互に複数回供給し、二種類以上の反応ガスを交互に供給する間にパージガスの供給を挟むようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
二種類以上の反応ガスを、間にパージガスの供給を挟んで、交互に複数回供給するような高いパージ効率が要求される処理であっても、プレートよりも下方の空間に滞留したり、その空間の内壁に吸着したりする反応ガスを効率的に除去できる。
第１３の発明は、第１１の発明において、前記基板処理工程は、少なくとも１種類の反応ガスを前記基板上に吸着させる工程と、吸着させた前記反応ガスに対してそれとは異なる反応ガスを供給して成膜反応を生じさせる工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
吸着工程で用いる反応ガスと成膜反応を生じさせる工程で用いる反応ガスとを、間にパージガスの供給を扶んで、交互に複数回供給するような高いパージ効率が要求される処理であっても、吸着工程で用いる反応ガス、及び成膜反応を生じさせる工程で用いた反応ガスを効率的に除去できる。
第１４の発明は、第１１の発明において、前記基板処理工程は、前記基板に対して第１の反応ガスを供給して前記基板上に吸着させる工程と、その後パージを行う工程と、その後前記基板上に吸着させた第１の反応ガスに対して第２の反応ガスを供給して成膜反応を生じさせる工程と、その後パージを行う工程と、を複数回繰り返すことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
ＡＬＤのように頻繁にパージを行う処理であっても、吸着工程で用いた第１の反応ガス及び成膜工程で用いた第２の反応ガスを効率的に除去できる。
第１５の発明は、第１１の発明において、前記基板処理工程は、少なくとも１種類の反応ガスを分解させて前記基板上に薄膜を堆積させる工程と、堆積させた前記薄膜に対して前記反応ガスとは異なる反応ガスを供給して前記薄膜の改質を行う工程と、を含むことを
特徴とする半導体装置の製造方法である。
堆積工程で用いる反応ガスと改質工程で用いる反応ガスとを、間にパージガスの供給を挟んで、交互に複数回供給するような高いパージ効率が要求される処理であっても、堆積工程と改質工程とで用いた反応ガスを効率的に除去できる。
第１６の発明は、第１１の発明において、前記基板処理工程は、前記基板に対して第１の反応ガスを供給して前記基板上に薄膜を堆積させる工程と、その後パージを行う工程と、その後前記基板上に堆積させた前記薄膜に対して第２の反応ガスを供給して前記薄膜の改質を行う工程と、その後パージを行う工程と、を複数回繰り返すことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
サイクル手法を適用したＭＯＣＶＤのように頻繁にパージを行う処理であっても、堆積工程で用いた第１の反応ガス及び改質工程で用いた第２の反応ガスを効率的に除去できる。
第１７の発明は、第１１の発明において、前記プレートの少なくとも基板よりも下流側には前記排出口が複数設けられ、これら複数の排出口はガス流方向に向かって間隔を空けて配列され、前記基板処理工程では、この複数の排出口よりガスを排出することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
プレートの基板よりも下流側に排出口が複数設けられ、これら複数の排出口がガス流方向に向かって間隔を空けて配列されていると、ガスの淀みが生じる部分に積極的にガス流を形成することができるので、プレート上のガス流速が小さくなる部分を解消することができる。
本発明によれば、基板処理の均一性を確保しつつ、処理室内の残留ガスのパージを行う際は、残留ガスがプレートよりも下方の空間に滞留せず、その空間の内壁に吸着しないので、残留ガスを効率的に除去できる。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は実施の形態による枚葉式の基板処理装置の縦断面図、図２は同じく基板処理装置を構成する処理室内を上から見た平断面図である。
図１に示すように基板処理装置は、例えば１枚のシリコン基板８を内部で略水平姿勢で処理する偏平な処理室１と、処理室１内の基板８に対してガスを供給するガス供給口１９、２０と、処理室１内を排気する排気口１６と、基板８を略水平に保持する保持具としてのサセプタ３と、サセプタ３上に保持された基板８の周囲に略水平に支持されるコンダクタンスプレート２（以下、単にプレート２ということもある）と、コンダクタンスプレート２よりも下方の空間３３にガスを排出する排出口１１とを主に備える。ここでプレート２よりも下方の空間３３には、基板下の空間、すなわちサセプタ３の裏側の空間も含まれる。
処理室１は、上容器２６と下容器２７とにより構成されて、密閉された内部空間で基板８を処理するように構成されている。
上容器２６には、基板８に対してガスを供給する複数の供給口、例えば二つのガス供給口１９、２０が設けられる。ガス供給口１９、２０は、基板８が保持されている基板保持領域の上方ではなく、基板８が保持されている基板保持領域からはずれた基板８の側方であって、しかも基板８の周囲に設けられたプレート２の外側であって、プレート２の表面レベルよりも上方に設けられる。
ガス供給口１９、２０は、処理室１のプレート２よりも上方の空間３４に連通している。ガス供給口１９は処理室１内に第１の反応ガス又はパージガスを選択的に供給するように構成される。ガス供給口２０は、ガス供給口１９に隣接して設けられ処理室１内に第２の反応ガス又はパージガスを選択的に供給するように構成される。ガス供給口１９、２０には、ガスを供給するための２系統のラインがそれぞれ連結される。一方の系統は金属酸化膜、例えばアルミニウム酸化膜の有機液体原料であるＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ3）3：トリメチルアルミニウム）を供給するＴＭＡ供給ライン４であり、他方の系統は例えば原料と反応性の高いガスである水を供給する水供給ライン５である。
ＴＭＡ供給ライン４には、ＴＭＡ液体を流量制御する液体流量制御手段２２、流量制御されたＴＭＡ液体を気化する気化手段２３、及びライン４を開閉するバルブ９が設けられる。このＴＭＡ供給ライン４の気化手段２３とバルブ９との間には、Ａｒ供給ライン１７が接続されて、流量制御手段２１で流量制御されたＡｒガスを、バルブ１２を介してＴＭＡ供給ライン４に供給できるように構成されている。
このように構成することによって、供給口１９へのガス導入は次の３通りの選択が可能となる。（１）ＴＭＡ供給ライン４のバルブ９を開け、Ａｒ供給ライン１７のバルブ１２を閉じることによって、気化手段２３で気化したＴＭＡガスのみを、ＴＭＡ供給ライン４から単独で供給口１９に導入する。（２）さらにＡｒ供給ライン１７のバルブ１２を開けることによって、ＴＭＡガスとＡｒガスとの混合ガスを、ＴＭＡ供給ライン４から供給口１９に導入する。（３）気化手段２３からのＴＭＡガスを止めて、ＴＭＡ供給ライン４からＡｒガスのみを単独で供給口１９に導入する。
水供給ライン５には、水を流量制御する液体流量制御手段２４、流量制御された水を気化する気化手段２５、及びライン５を開閉するバルブ１０が設けられる。この水供給ライン５の気化手段２５とバルブ１０との間には、前述したＡｒ供給ライン１７が分岐ライン１７ａにより分岐接続されて、流量制御手段２１で流量制御されたＡｒガスをバルブ１３を介して水供給ライン５に供給できるように構成されている。
このように構成することによって、供給口２０へのガス導入は次の３通りの選択が可能となる。（１）水供給ライン５のバルブ１０を開け、分岐ラインのバルブ１３を閉じることによって、気化手段２５で気化した水蒸気のみを、水供給ライン５から単独で供給口２０に導入する。（２）さらに、分岐ラインのバルブ１３を開けることによって、水蒸気とＡｒガスとの混合ガスを、水供給ライン５から供給口２０に導入する。（３）気化手段２５からの水蒸気を止めて、水供給ライン５からＡｒガスのみを単独で供給口２０に導入する。
下容器２７の一側壁には排気口１６が設けられている。排気口１６は、略水平に保持された基板８を略水平方向から挟んでガス供給口１９、２０と反対側であって、プレート２よりも下方の空間３３に開口している。これにより、排気口１６はプレート２よりも下方の空間３３を介して排出口１１と連通する。この排気口１６は、圧力制御手段１５及び真空ポンプ３７を介設した排気配管としてのガス排気ライン６に接続されて、処理室１内の雰囲気を排出するようになっている。処理室１内は、圧力制御手段１５によって所定の圧力に制御できるようになっている。なお、この圧力制御手段１５は使用しなくても構わない。
また、下容器２７の一側壁と対向する他側壁には、基板搬入出口３０が設けられている。この基板搬入出口３０から外側に延出された延出部の開口にゲートバルブ７が設けられ、搬送手段としての搬送ロボット３８により、ゲートバルブ７を介して基板搬入出口３０から基板８を処理室１内外に搬送できるようになっている。
上容器２６と下容器２７とは、例えばアルミニウム、ステンレスなどの金属で構成される。
サセプタ３は、処理室１内に設けられ、円板状をしており、その上に基板８を保持するように構成されている。サセプタ３は、セラミックスヒータなどのヒータ５５を内蔵して基板８を所定温度に加熱するとともに、保持された基板８の外周にプレート２を支持するように構成される。サセプタ３は支持軸２９を備えている。支持軸２９は、処理室１の下容器２７の底部中央に設けられた貫通孔２８より鉛直方向に挿入されて、サセプタ３を昇降機構５６により上下動させるようになっている。サセプタ３が上方にある成膜位置（図示位置）で成膜処理がなされ、下方の待機位置で基板８の搬送が行われる。プレート２を支持したサセプタ３が前述した成膜位置にあるとき、処理室１内を上下に仕切るプレート２、基板８及びサセプタ３によって、プレート２よりも上方の空間３４と、プレート２よりも下方の空間３３とが処理室１内の上下に形成される。
サセプタは、例えば、石英、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで構成される。
コンダクタンスプレート２は、基板８の周囲に設けられ、基板上に流れるガス流を制御するように構成される。ここでは、コンダクタンスプレート２は、サセプタ３から処理室内壁３２に向かって張り出すように、サセプタ３の外周上に支持される。また、プレート２は、その表面と基板８の表面とが面一になるように設けられる。もしくは、プレート２は、上容器２６に固定され、基板８がサセプタ３と共に上昇して、プレート２と基板８が面一になるように設けられる。これにより、反応ガス又はパージガス（以下、単にガスという場合もある）を基板面上に平行にまた均一に供給することができるようになっている。
また、コンダクタンスプレート２の外周に、コンダクタンスプレート２よりも下方の空間３３にガスを排出する排出口１１が設けられる。この排出口１１の排気コンダクタンスは、プレート２の位置を偏椅させたり、プレート２の形状を変えたりすることによって調整できるようになっている。なお、プレート２の厚さは、図示例では基板８よりも若干厚くなっているが、基板８の厚さと同じか、又は基板８よりも薄くてもよい。プレート２は例えばセラミックスで構成される。
排出口１１は、コンダクタンス調整用開口であって、プレート２よりも上方の空間３４から、この排出口１１を介してプレート２よりも下方の空間３３に排出されるガスの量を制御して、基板８上に供給されるガスのガス圧力を制御する。
排出口１１は、プレート２の基板８よりも少なくともガス流れの上流側と下流側とに設けられ、プレート２よりも上方の空間３４からプレート２よりも下方の空間３３に上流側の排出口１１Ａ及び下流側の排出口１１Ｂを介してガスを排出するようになっている。
排出口１１を、プレート２の上流側と下流側に設ける理由は、上流側、下流側それぞれの排出口のコンダクタンスを調整することによりガス流を制御し、基板８上の圧力分布を均一化するのに有効な手段だからである。
また、排出口１１を、プレート２よりも下方の空間３３にガスを排出するように設ける理由は、ガス供給口１９、２０から供給されるガスのうち、プレート２よりも上方の空間３４に流れるガスに対して、プレート２よりも下方の空間３３へ流れるガス量を変えることにより、基板上の圧力分布を制御することが可能で、プレート２よりも下方の空間３３のパージ効率を向上させることが可能となるからである。
本実施の形態による排出口１１は、プレート２の外周に連続して設けられる構成である。すなわち、排出口１１は、処理室内壁３２とプレート２の外周部との間にリング状の隙間として形成される。リング状の隙間を形成する処理室内壁３２、プレート２、及び基板８の配置関係を図２に示す。
図２に示すように、処理室１を構成する処理室壁は断面円形をしている。その処理室壁の一側壁に基板搬入出口３０が設けられ、外部に延出した基板搬入出口３０の側部開口にゲートバルブ７が設けられる。基板搬入出口３０が設けられた処理室１と反対側の処理室１の他側壁に排気口１６が設けられ、この排気口１６にガス排気ライン６が接続されている。前述した供給口１９、２０は、基板搬入出口３０の略中央位置に対応する処理室上壁に互いに隣接して設けられている。
処理室１内に設けられるプレート２はリング状となっており、そのリング状穴の中にサセプタ３に保持される基板８がちょうど納まるようになっている。プレート２がリング状となっているため、排出口１１は、上述したように、プレート２の外周部と処理室内壁３２との間に形成されるリング状の隙間Ｇとして構成される。したがって、リング状の隙間Ｇにより構成される排出口１１は、プレート２の基板８よりもガス流れの上流側と下流側とに止まらず、プレート２の全周にわたって設けられることになる。
ここで、基板８よりもガス流れの上流側とは、ガス流れと直交し且つ基板８の外周と供給口１９、２０側で接する仮想線ａよりも上流側をいい、基板８よりもガス流れの下流側とは、ガス流れと直交し且つ基板８の外周と排気口１６側で接する仮想線ｂよりも下流側をいう。したがって、プレート２の基板８よりも上流側とは、仮想線ａよりも上流側に存在するプレート部２ａをいう。また、プレート２の基板８よりも下流側とは、仮想線ｂよりも下流側に存在するプレート部２ｂをいう。また、プレート２の少なくとも基板８よりも上流側と下流側とは、二つの仮想線ａ、ｂの間を中流側と称すれば、上流側と下流側のみならず中流側のプレート部２ｃも含まれる。
図示例では、基板８は、処理室１内に処理室内壁３２と同心円状に配置されているが、プレート２はその同心円状の配置から外してある。プレート２の中心は、処理室内壁３２の円の中心に対して、排気口１６寄りに偏椅させている。これにより、リング状の排出口１１の隙間の開口面積は、排気口１６側からガス供給口１９、２０側に向かって漸次大きくなるように構成される。隙間Ｇの開口面積によって、排出口１１のコンダクタンスが決まるから、プレート２よりも下方の空間３３に通じる排出口１１のコンダクタンスは、上流側の方が下流側よりも漸次大きくなるよう構成されることになる。
ここで図１に戻って、処理室１内のガス流れについて説明する。図示するように、処理室内壁３２のうち、ガス供給口１９、２０の直下部分の内壁３２では、プレート面と面一となる箇所に内方に突出した突出内壁３２ａを設け、この突出内壁３２ａとこの突出内壁に対向するプレート２の外周部との間に上流側の排出口１１Ａを設けるようにしている。ガス供給口１９、２０から、処理室１内のプレート２よりも上方の空間３４に流れ込んだガスは、この突出内壁３２ａにぶつかり、進路を変えられ、一部は上流側の排出口１１Ａから矢印で示すようにプレート２よりも下方の空間３３に流れ込み、基板下を排気口１６に向かって一方向に流れる。残りは上流側のプレート２に沿って矢印で示すように基板８上を排気口１６に向かって一方向に流れる。
このようにガス供給口１９、２０の直下に、ガスを受け流す突出内壁３２ａを設けることによって、ガス供給口１９、２０が処理室１の上容器２６の上部に設けられているにもかかわらず、プレート２よりも上方の空間３４に供給されたガスが、プレート２に沿って基板８上に平行に流れることを可能にしている。
そして、基板８上を流れて下流側のプレート２を経て下流側の排出口１１Ｂからプレート２よりも下方の空間３３内に排出されてきたガスと、上流側の排出口１１Ａから下方の空間３３内に排出されてサセプタ３の下側を流れてきたガスとが、排気口１６で合流して、ガス排気ライン６から排気される。
以上述べたように実施の形態の基板処理装置が構成される。
次に上述した基板処理装置を用いて半導体装置を製造する工程の一工程として基板を処理する方法を説明する。ここでは、シリコン基板にアルミニウム酸化膜の成膜を行うプロセスを例にとって説明する。成膜方法には、金属原料と酸素又は窒素を含有するガスとを交互に供給して、膜を堆積させるＡＬＤを用いる。また、金属原料には常温で液体のＴＭＡを用い、酸素又は窒素を含有するガスには水を用いる。
基板処理では先ず、サセプタ３を待機位置に下降させた上で、ゲートバルブ７を開放する。搬送ロボット３８により、１枚のシリコン基板８を基板搬入出口３０を介して処理室１内に搬入して、サセプタ３上に移載して保持する。ゲートバルブ７を閉じた後、昇降機構５６により、サセプタ３を所定の成膜位置まで上昇させる。温度制御手段１４によりヒータ５５を制御しながらサセプタ３を加熱して、シリコン基板８を一定時間加熱する。処理室１内を真空ポンプ３７で真空引きし、圧力制御手段１５によって処理室１内を所定の圧力に制御する。基板が所定温度に加熱され、圧力が安定した後、基板上への成膜を開始する。成膜は次の４つの工程からなり、４つの工程を１サイクルとして、所望厚さの膜が形成されるまで複数サイクル繰り返される。
工程１では、バルブ９が開かれて、液体流量制御手段２２で流量制御された液体原料ＴＭＡが気化手段２３へ供給されて、気化手段２３により気化された第１の反応ガスとしてのＴＭＡガスが、ＴＭＡ供給ライン４から供給口１９を介して処理室１内に供給される。ＴＭＡガスを希釈する場合は、さらにバルブ１２を開いて、流量制御手段２１で流量制御されたＡｒガスを、Ａｒ供給ライン１７からＴＭＡ供給ライン４に流し、Ａｒガスと混合されたＴＭＡガスが、ＴＭＡ供給ライン４から供給口１９を介して処理室１内に供給される。ＴＭＡガスはシリコン基板８上に供給されて、その表面に吸着する。余剰ガスはプレート２の外周に設けた排出口１１からプレート２よりも下方の空間３３に排出され、この空間３３を図中の矢印の方向に流れて排気口１６から排気される。
工程２では、バルブ９を開に保ったまま、気化手段２３からのＴＭＡガスの供給を停止する。このときバルブ１２が閉のときはこれを開にする。流量制御手段２１により流量制御されたＡｒガスをＡｒ供給ライン１７からＴＭＡ供給ライン４に流し、供給口１９を介して処理室１内に供給し、ＴＭＡ供給ライン４及び、処理室１内に残留しているＴＭＡガスをＡｒガスで置換し、排気口１６から排気する。
工程３では、バルブ９、１２をともに閉じ、代わりにバルブ１０を開いて、液体流量制御手段２４で流量制御された水が気化手段２５へ供給されて、気化手段２５により気化された水蒸気が水供給ライン５から供給口２０を介して処理室１内に供給される。又は、バルブ１３を開いて、流量制御手段２１で流量制御されたキャリアガスＡｒをＡｒ供給ライン１７から水供給ライン５に流して、Ａｒガスと混合した水蒸気が、水供給ライン５から供給口２０を介して処理室１内に供給される。シリコン基板８上には、工程１で吸着したＴＭＡと水蒸気とが反応し、アルミニウム酸化膜が形成される。余剰ガスは、プレート２の外周に設けた排出口１１からプレート２よりも下方の空間３３に排出され、この空間３３を図中の矢印の方向に流れて排気口１６から排気される。
工程４では、バルブ１０を開に保ったまま、気化手段２５からの水蒸気の供給を停止する。バルブ１３が閉のときはこれを開にする。流量制御手段２１により流量制御されたＡｒガスをＡｒ供給ライン１７から水供給ライン５に流し、供給口２０を介して処理室１内に供給し、水供給ライン５、及び処理室１内に残留している水蒸気をＡｒガスで置換し、排気口１６から排気する。
上述した工程１〜４に要する時間は、スループット向上のために、各工程で１秒以下が望ましい。この４つの工程を１サイクルとして、これを複数回繰り返して、所望の膜厚を有するアルミニウム酸化膜を基板８上に成膜する。成膜終了後、サセプタ３は昇降機構５６により待機位置まで降下する。成膜処理後のシリコン基板８は、搬送ロボット３８によりゲートバルブ７を介して処理室１外に搬出される。
上記処理条件の範囲として、基板温度：１００〜５００℃、処理室内圧力：１３．３〜１３３Ｐａ（０．１〜１Ｔｏｒｒ）、キャリアガスと反応ガスを加えた総流量：０．１〜２ｓｌｍ、膜厚：１〜５０ｎｍが好ましい。
なお、各工程における基板温度、処理室内圧力はそれぞれ、温度制御手段１４、圧力制御手段１５で制御される。また、この温度制御手段１４、圧力制御手段１５及び各バルブ９、１０、１２、１３や気化手段２３、２５、流量制御手段２１、２２、２４は、制御手段４０により統合制御される。
以下に、上述した実施の形態の作用について述べる。
工程１〜４において、ガス供給口１９、２０から供給されるガスは、プレート２よりも上方の空間３４に流れる。流れたガスの一部は、基板８よりも上流側の排出口１１Ａ及び中流側の排出口１１Ｃ（以下、単に上流側の排出口１１Ａ等という）からプレート２よりも下方の空間３３へ排出され、サセプタ３の下を排気口１６へ向かって流れて、排気口１６から排気される。ガスの残りは、基板８の側方からプレート２に沿って基板８上を一方向に流れ、中流側の排出口１１Ｃ及び基板８よりも下流側の排出口１１Ｂ（以下、単に下流側の排出口１１Ｂ等という）に向かって流れる。そして、下流側の排出口１１Ｂ等からプレート２よりも下方の空間３３へ排出され、排気口１６から排気される。このように処理室１内の空間３４、３３にガスを供給しつつ排出することより基板８上に薄膜が成膜される。
工程１、３では、上流側の排出口１１Ａ等の方が下流側の排出口１１Ｂ等よりもコンダクタンスが大きくなるよう構成されているため、基板上に膜厚均一性の良好な膜を成膜できる。
すなわち、上流側の排出口１１Ａを介してプレート２よりも下方の空間３３へ排出されるガスの流路抵抗が、下流側の排出口１１Ｂを介して排出されるガスの流路抵抗よりも小さくなる。したがって、下流側よりも上流側の排出口１１Ａからのガスの方が、プレート２よりも下方の空間３３へ排出されやすくなり、大量に排出される。その結果、上流側が高圧となり下流側が低圧となるのが緩和されて、基板８上に供給されるＴＭＡガス及び水蒸気の圧力分布が均一になる。この均一化された圧力分布下の基板８上にＴＭＡガス及び水蒸気が吸着する。
この吸着に関しては実験的及び理論的考察から、ある表面と気体分子との間において、温度が一定のとき、吸着量は気相の圧力によって表されることが分かっている。したがって、工程１、３において、基板上の圧力分布が均一化されるので、基板上へのガスの吸着量が均一化され、基板上に膜厚均一性の良好な膜を成膜できる。また、半導体装置の歩留まりを向上できる。
他方、工程２、４では、上流側の排出口１１Ａ等の方が下流側の排出口１１Ｂ等よりもコンダクタンスが大きくなるよう構成されているため、素早い排気ができ、パージ効率を向上できる。
すなわち、処理室１内のパージを行う際、ガス供給口１９、２０から処理室１内にパージガスを供給すると、下流側の排出口１１Ｂ等よりも大量のパージガスが上流側の排出口１１Ａ等から、プレート２よりも下方の空間３３へ排出され、排気口１６へ向かって流れる。したがって、パージガスがプレート２よりも下方の空間３３全体に素早く行き渡るため、パージ効率が飛躍的に向上する。その結果、工程１、３において、プレート２よりも下方の空間３３に滞留したり、その空間３３の内壁である処理室内壁３２に吸着したりしたＴＭＡガスや水蒸気等の残留ガスや副生成物を効率的に除去できる。このように工程１、３で生じた残留ガス及び副生成物を効率よく、且つ短時間で処理室１から排気することができるので、スループットを向上することができる。
上述した圧力分布の均一化の効果は、特に、基板８に対してガスを一方向に流すＡＬＤにより基板８上に薄膜を形成する場合に、有効に発揮される。基板８に供給する反応ガスの流量を多くすると基板８上に必然的に圧力差が生じるが、この圧力差を解消できるからである。
また、上流側の排出口１１Ａが、供給口１９、２０よりも下流側であって、基板８よりも上流側に設けられているので、プレート２よりも下方の空間３３全体へスムーズに、より大量のパージガスを排出口１１Ａから排出でき、パージ効率がより向上する。
また、供給口はプレートの外側に設けられているので、上流側の排出口１１Ａからプレート２よりも下方の空間３３に排出されるガスを、その空間３３の最上流から流入させることができるので、パージ効率がより向上する。
また、実施の形態のものは、基板８の側方から基板８に対して多孔板を用いずにガスを供給して供給側と反対側から排気するとともに、ガス供給口１９、２０よりも下流側であって基板８よりも上流側に、下流側の排出口１１Ｂよりもコンダクタンスを大きくした排出口１１Ａを設け、基板を挟んでガス供給側と反対側より排気しているので、従来のように、基板の上方に設けた多孔板から基板に対してガスをシャワー状に供給するものに比べて、ガス供給口の上流側が高圧とならず、残留ガスを速やかに排気できる。また、片側流しにおいて、排気口からパーティクルの逆流拡散を防止し、ウェハ上の圧力分布を均一化することができる。
また、実施の形態によれば、排出口１１はプレート２と処理室内壁３２との間に形成される隙間Ｇにより構成されているので、プレート２の位置を、上流側の隙間Ｇuが大きく下流側の隙間Ｇdが小さくなるように偏椅させることにより、上流側の方が下流側よりもコンダクタンスが大きい排出口１１を容易に設けることができる。これにより基板上の圧力分布を均一化するとともに、プレート２よりも下方の空間３３内の残留ガスを効率的に除去できる。
なお、実施の形態では、ＡＬＤについて説明したが、本発明は、サイクル手法を適用したＭＯＣＶＤや二種類以上のガスを同時に供給して膜を堆積させる通常のＭＯＣＶＤおいても利用できることはいうまでもない。
次に、プレート形状ないしプレートの偏椅が基板上の圧力分布の均一化に与える影響を解析し、上述したように排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成することで、基板上の分圧分布の均一性が向上することを検証する。
本発明者らが行った基板上の圧力分布の解析方法を図３〜６を参照して説明をする。図３、４は本解析で用いたコンダクタンスプレートの形状を示した図である。図３に示すものは後述する上流側隙間と下流側隙間が等間隔となっている。図４に示すものは上流側隙間が広く下流側隙間が狭くなっている。
図５に示す４種類のサンプルのコンダクタンスプレート形状について、フルーエント社製３次元熱流体解析ソフトを使用して、それぞれの基板上の圧力分布を求めた。４種類のコンダクタンスプレート形状Ｎｏ.１〜Ｎｏ.４は、上流側の排出口１１Ａの隙間（以下、単に上流側隙間という）Ｇuを５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍと大きくなるように変化させ、下流側の排出口１１Ｂの隙間（以下、単に下流側隙間という）Ｇdは逆に５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍと小さくなるように変化させたものである。形状Ｎｏ.１の場合は、図３に示す様に上流側隙間Ｇu、下流側隙間Ｇdがともに５ｍｍと等間隔となっている。形状Ｎｏ.２〜Ｎｏ.４の場合は、図４に示す様に、上流側隙間Ｇuが広く下流側隙間dが狭くなっている。
解析の条件としては、基板径：３００ｍｍ、基板温度：３００℃、処理室内圧力：１３Ｐａ、Ａｒガス流量：１ｓｌｍ、水蒸気モル分率：０．０２７、処理室内壁温度：１００℃、コンダクタンスプレート温度：１５０℃とした。
図６は、本解析で求めた基板上の圧力分布を示す図である。基板上での圧力分布は、図３中に示す実線上での圧力値で代表できる。図６から、サンプルの全てにおいて、上流側が高く、下流側にかけて低くなる傾向となり、上流側隙間Ｇuを広くし下流側隙間Ｇdを狭くするにしたがって、基板上の圧力均一性が向上しており、サンプル形状Ｎｏ.４が最も圧力均一性がよいことが分かる。つまり、コンダクタンスプレートと処理室内壁との隙間、すなわち排出口の開口面積を変えて、上流側に流れるガス量を増やすことにより、ガス上流側の圧力が高くなる傾向を緩和することが可能となる。
このことは、流れのコンダクタンスに注目すれば、次の様に換言できる。図４において、ガス供給口中心Ａと排気口中心Ｂとを結ぶ直線３５に、基板８の表面と平行な面内で直交しかつ基板８の中心を通る直線３６を境界とする。ここでは、この境界よりもガス供給口側をガス上流側とし、その境界よりも排気口側をガス下流側とする。そのとき、ガス上流側の排出口１１ＡＡに流れる空間のコンダクタンスが、その境界よりもガス下流側の排出口１１ＢＢのそれより大きくすることにより、基板面内の圧力分布を向上させることができる。
排出口１１は、前記境界よりも上流側の領域内のいずれかに、また境界よりも下流側の領域内のいずれかに、それぞれ設けられていればよく、プレート２の少なくとも基板８よりも上流側と下流側とに排出口１１を設けるだけでも、基板面内の圧力分布を向上させることができる。
排出口１１のコンダクタンスの値は、ガスが流れ込むプレート２の高さが上流側と下流側とで同じ場合、隙間の面積（開口面積）が大きい方がコンダクタンスが大きくなる。したがって、排出口の開口面積を上流側の方が下流側よりも大きくなるようにすることによって、排出口１１のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成することができる。
解析結果より、プレート２の位置を排気側に偏椅させて、排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成することで、基板上の分圧分布の均一性が向上することが、検証できた。
ところで、図７は、上流側と下流側のコンダクタンスが等しいサンプル形状Ｎｏ.１において、上記解析の条件のうち、処理室内圧力のみを１３Ｐａから１３３Ｐａに変更した場合の、基板上の圧力分布を示す図である。同図から分かる様に、圧力が１３３Ｐａと高い場合、上流側と下流側のコンダクタンスを等しくしても、圧力均一性は良好となる。このことから、上流側を下流側のコンダクタンスよりも大きくするという本発明は、図６の基板上の圧力分布を求めたときのように、特に１０Ｐａ付近もしくはそれ以下の処理室内圧力において有効な手段であるといえる。
また、サンプル形状Ｎｏ.１において、排気圧力を１３Ｐａとした場合において、排出口１１のコンダクタンスを極力小さくすれば、すなわち、プレート２と処理室内壁３２との間に形成される隙間Ｇを極力小さくすれば、基板上の圧力が上昇し、排気圧力が１３３Ｐａの場合と同様に、基板上の圧力分布特性の改善効果を充分に期待できる。しかし、そうすると工程２、４において残留ガス及び副生成物を排気する時間が長くなり、スループット低下を招くので、有効な手段とはいえない。
なお、上述した実施の形態では、排出口をプレートと処理室内壁との間に形成するようにしたが、これに限定されず、例えば排出口をプレート自体に形成してもよい。また、排出口のコンダクタンスの大きさを、隙間の面積（開口面積）を変えることによって変えるようにしたが、これに限定されず、例えば排出口の流路長を変えることによって変えるようにしてもよい。また、上流側と下流側とにそれぞれ形成される排出口を、ガス流れに対して一つ排出口で構成したが、これに限定されず、例えばガス流れに対して複数の排出口で構成してもよい。以下に、これらの変形例について、それぞれ説明する。
図８は、排出口をプレート自体に設けた実施の形態の一例を示したものである。プレート２よりも下方の空間３３（図１参照）は、プレート２外径を処理室内壁３２の内径と合致させてプレート２により塞いでいる。このプレート２の基板８の上流側と下流側とにそれぞれ開口５１Ａ、５１Ｂを設け、これを上流側と下流側の排出口１１Ａ、１１Ｂとする。開口５１（５１Ａ、５１Ｂ）は例えば、リング状のプレート形状に沿うように弧状に設けて、その弧状の開口面積を上流側の方が下流側よりも大きくなるよにすることによって、排出口１１のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成している。開口５１は、図示例のように、プレート面内に納まるように開口がクローズするように形成してもよいが、プレート外周部を切り欠いて開口がオープンとなるように形成してもよい。
この実施の形態は、コンダクタンスプレート２の排出口１１が上流側と下流側とで連続していない構成であるが、ガス上流側の開口５１Ａのコンダクタンスをガス下流側の開口５１Ｂより大きくすることにより、基板８上の圧力分布を向上させつつ、残留ガスを効率的に除去することができる。
また、図９は、排出口１１の流路長を変えることによって、排出口１１のコンダクタンスの大きさを変更するようにしたものである。
プレート２の外周にプレートの厚さよりも長いスカート（側板）１８を垂下して、そのスカート１８の丈を上流側から下流側に向かって漸次長くするように構成する（図９（ｃ））。プレート２と処理室内壁３２との間に形成される隙間Ｇはプレート２全周において等間隔になっているが（図９（ａ））、コンダクタンスプレート２のスカート１８の長さは、上流側で短く下流側で長くなるように構成されている（図９（ｂ）、（ｃ））。
ガスが流れる排出口１１の流路長の短い方がコンダクタンスは大きくなるので、図示例では、ガス上流側のコンダクタンスがガス下流側のそれより大きくなる。したがって、基板面内の圧力分布を向上させつつ、残留ガスを効率的に除去することができる。
なお、図示例のものでは、流路が単純であるから、上流側の流路長を下流側よりも短くすることによって、排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きく構成することができる。流路が複雑な場合にも、このような構成とするには、流路のコンダクタンスを合成し、その合成コンダクタンスの大小を判定することによって、上流側の合成コンダクタンスが下流側の合成コンダクタンスよりも大きくなるようにすればよい。
図１０は、他の実施の形態を示すコンダタタンスプレートの平面図であって、（ｂ）は上流側と下流側とに形成される排出口のそれぞれを、ガス流れに対して複数の排出口で構成した実施の形態を示し、（ａ）はガス流れに対して単数の排出口で構成した比較例を示す。この形態では、排出口のコンダクタンスは上流側と下流側とで等しく構成されている。
図１０（ｂ）に示すように、この実施の形態では、処理室内壁３２、プレート２０１及び基板８を全て同心円状に配置する。そして、リング状のプレート２０１の外径を処理室内壁３２の内径よりも小さく、プレート２０１の内径を基板８の外径よりも大きく形成して、プレート２０１の外側と内側とのそれぞれに第１の排出口１１１、第２の排出口２１１を設ける。すなわち、処理室内壁３２とプレート２０１の外周との間と、プレート２０１の内周と基板８外周との間にリング状の隙間Ｇ１（外側の隙間）、隙間Ｇ２（内側の隙間）を設ける。このようなプレート形状とすることにより、ガス流れの上流側に形成される排出口１１Ａを、上流側の第１の排出口１１１Ａとそれよりも下流側に設けられた第２の排出口２１１Ａとから構成している。また、下流側に形成される排出口１１Ｂを、上流側の第２の排出口２１１Ｂと、それよりも下流側に設けられた第１の排出口１１１Ｂとから構成している。
ここで、複数の排出口がパージに与える影響を解析し、内側と外側の両方に隙間を有するプレートの方が、パージ効率が高いことを検証する。サンプルとして内側７ｍｍ且つ外側２ｍｍの隙間を有するプレート２０１（図１０（ｂ））と、比較のために内側７ｍｍの隙間だけを有するプレート２０２（図１０（ａ））とを用意した。
図１１は、解析で求めた基板８上の原料ガスモル分率のパージ時間依存を示す特性図である。これより、図１０（ｂ）の内側の排出口２１１に加えて、外側にも排出口１１１を持つ方が、原料ガスモル分率の減少が顕著であることがわかる。つまり、内側と外側との両方に排出口１１１、２１１を持つために、パージ効果が向上して、ガス置換が促進されたと考えられる。これは、内側の排出口２１１だけでは、処理室内壁３２近傍のガスが滞留するのに対し、外側にも排出口１１１を設置することにより、これらの滞留ガスが、速やかに排気されたことによるものである。この解析結果から、内側と外側の両方に隙間を有するプレートの方が、パージ効率が向上することが検証できた。
したがって、内側の排出口２１１に加えて、外側にも排出口１１１を有すると、処理室１内のプレート２よりも上方の空間３４及びプレート２よりも下方の空間３３の両方におけるガスの流れの範囲が広くなり、それぞれの空間３３、３４における淀みがなくなるため、それぞれの空間３３、３４のパージ効率を向上させることができる。
ところで、上述したプレートの内側にのみ排出口を持つタイプ（図１０（ａ））と、外側にも排出口を持つタイプ（図１０（ｂ））とで、プレート上のガス流速分布を測定したところ、いずれのタイプにもガス流速が小さくなる部分（ガスの淀みが生じる部分）があり、ガスの淀みはプレートの基板よりも下流側に発生していることがわかった。ガスの淀みが発生すると、ガスの淀みの近傍のプレート、及び処理室内壁に吸着する原料ガスの吸着量が増加し、パージ時間の増大、つまりスループットの低下を招く。また、ガスの淀みが生じる部分においてはパージが十分行われず、これがパーティクル発生の原因となり、歩留まりが低下する。
そこで、プレート上のガスの淀みの発生を防止することが好ましいが、いずれのタイプにおいてもプレート上のガスの淀み部に対応する位置に、更に排出口を設けることで、プレート上のガスの淀みを解消できることがわかった。
図１２は、そのようなガスの淀み防止用の排出口を設けたプレートの変形例を示すものであって、（ａ）、（ｂ）は前述した内側にのみ排出口２１１をもつタイプのプレートの変形例を示し、（ｃ）は前述した外側にも排出口１１１をもつタイプのプレートの変形例を示す。図１２（ａ）の変形例は、ガスの淀み防止用の排出口１１２を１つ設けるようにしたものであり、図１２（ｂ）の変形例は、ガスの淀み防止用の排出口を複数設け、これら複数の排出口１１２、１１３をプレート２０２の径方向に、すなわちガス流方向に向かって間隔を空けて配列するようにしたものである。これらの排出口１１２、１１３を設ける位置は、プレート２０２の基板８よりも下流側であって、処理室内壁３２と排出口２１１との間のガスの淀みが生じる部分とする。すなわち、図１２（ａ）の変形例の場合、基板８よりも上流側には１つの排出口２１１Ａが設けられ、基板８よりも下流側には２つの排出口２１１Ｂ、１１２が設けられ、これら排出口はガス流方向に向かってこの順に配列されることとなる。また、図１２（ｂ）の変形例の場合、基板８よりも上流側には１つの排出口２１１Ａが設けられ、基板８よりも下流側には３つの排出口２１１Ｂ、１１３、１１２が設けられ、これら排出口はガス流方向に向かってこの順に配列されることとなる。
図１２（ｃ）の変形例は、ガスの淀み防止用の排出口２１２を１つ設けるようにしたものであり、排出口２１２を設ける位置は、プレート２０１の基板８よりも下流側であって、第１の排出口１１１と第２の排出口２１１との間のガスの淀みが生じる部分とする。すなわち、図１２（ｃ）の変形例の場合、基板８よりも上流側には２つの排出口１１１Ａ、２１１Ａが設けられ、基板８よりも下流側には３つの排出口２１１Ｂ、２１２、１１１Ｂが設けられ、これら排出口はガス流方向に向かって、この順に配列されることとなる。
すなわち、これらの変形例では、プレートの少なくとも基板８よりも下流側に少なくとも２つ以上、すなわち、複数の排出口を設け、これら排出口をガス流方向に向かって一方向に配列するようにしている。また、基板８よりも下流側の排出口の数の方が、基板８よりも上流側の排出口の数よりも多くなるようにしている。これらのガスの淀み防止用の排出口１１２、１１３、２１２の形状はいずれも、リング状のプレート２０２、２０１の形状に沿うような弧状とし、その弧の大きさ、すなわち、排出口１１２、１１３、２１２の開口面積は、ガスの淀みを解消できる程度の大きさであればよく、いずれも排出口２１１または排出口１１１の開口面積よりも小さくなるように形成されている。
このようにプレート上のガスの淀みが生じる部分に排出口２１１や排出口１１１とは異なる排出口を設けることにより、すなわちプレートの少なくとも基板よりも下流側に少なくとも２つ以上の排出口を設け、これら排出口をガス流方向に向かって配列することにより、ガスの淀みが生じていた部分に積極的にガス流を形成することができるので、プレート上のガスの淀みの発生を防止できる。したがって、ガスの淀みが発生していた部分のプレート、及び処理室内壁への原料ガスの吸着量を減少することができ、パージ時間の増大を抑え、スループットが低下するのを有効に防止できる。また、ガスの淀みが生じていた部分においても十分なパージ効果が得られるので、パーティクル発生に起因した歩留まりの低下も防止できる。
なお、これら変形例におけるガスの淀み防止の思想を例えば、図８のようなタイプのプレートに適用し、図１３のようにしてもよい。図１３の変形例の場合、基板８よりも上流側のプレート２の外側に弧状の排出口１１Ａを、基板８よりも下流側のプレート２の外側に弧状の排出口１１Ｂ及び１１Ｃをそれぞれ設け、さらにプレート２の内側にもリング状の排出口２１１を設けるようにしている。なお、排出口１１Ｂ、１１Ｃのそれぞれの開口面積は、排出口１１Ａの開口面積よりも小さくなるように形成されている。すなわち、基板８よりも上流側には２つの排出口１１Ａ、２１１Ａが設けられ、基板８よりも下流側には３つの排出口２１１Ｂ、１１Ｂ、１１Ｃが設けられ、これらの排出口はガス流方向に向かってこの順に配列されることとなる。これによって、上流側、下流側それぞれの排出口のコンダクタンスを調整することができ、それにより基板上の圧力分布を向上させることができ、また残留ガスを効率的に除去できるという効果に加え、さらにガスの淀みを防止でき、パージ効率を向上させることができるという効果を奏する。
なお、上述した実施の形態において、「反応ガス」は、第１原料としての金属含有原料と、これに反応することが可能な第２原料としての化合物及び要素である。具体的な金属含有原料（第１原料）としては、例示したＡｌを含むＴＭＡガスの他に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｐｂ、Ｂｉのいずれかの金属を含むガスがある。
また、化合物及び要素（第２原料）としては、適切な非金属反応物、すなわち通常、水、酸素、アンモニア等の酸素又は窒素を含有するガスでよいが、ときには何らかの方法で活性化されたラジカルやイオンの場合もある。また、実際には金属含有原料と反応を起こさないが、金属含有原料の自己分解反応にエネルギーを与えるものでもよい。例えば、プラズマなどで活性化された希ガスや不活性ガスの場合もある。酸素又は窒素を含有するガスとして、具体的には、例示したＨ2Ｏの他に、Ｏ2、Ｏ3、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、Ｈ2Ｏ2、Ｎ2、ＮＨ3、Ｎ2Ｈ6のいずれかと、いずれかを活性化手段により活性化させることにより生成した、これらのラジカル種、又はイオン種がある。
また、「パージガス」は、処理室１に供給されて、基板８に吸着した反応物以外の不要な反応物を取り除く場合や、二つの異なった基の反応ガスが基板８の面内以外の場所で混ざり合い、反応するのを防ぐために用いられる。このパージガスには、例示したＡｒの他に、それ以外の希ガスや、窒素ガスなどの不活性ガスが用いられる。
実施の形態による基板処理装置の処理室の縦断面図である。 実施の形態による基板処理装置の処理室内の平断面図である。 実施の形態によるコンダクタンスプレートの形状を示す平面図である。 実施の形態によるコンダクタンスプレートの形状を示す平面図である。 基板上の圧力分布の解析に用いた４種類のコンダクタンスプレート形状の説明図である。 プレート形状による基板上の解析で求めた圧力分布を示す特性図である。 サンプル形状Ｎｏ.１において、排気圧力のみを１３３Ｐａに変更した場合の圧力分布を示す特性図である。 実施の形態の変形例によるコンダクタンスプレートの形状を示す平面図である。 実施の形態の変形例によるコンダクタンスプレートの形状を示す説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は斜視図である。 実施の形態を示すコンダクタンスプレートの平面図であって、（ａ）は単数の排出口で構成した比較例、（ｂ）は複数の排出口で構成した実施の形態を示す。 解析で求めた基板上の原料ガスモル分率のパージ時間依存を示すための特性図である。 他の実施の形態の変形例によるコンダクタンスプレートの平面図であって、（ａ）、（ｂ）は内側にのみ排出口をもつタイプのプレートの変形例を示し、（ｃ）は外側にも排出口を持つタイプのプレートの変形例を示す。 他の実施の形態の変形例による他のコンダクタンスプレートの平面図である。 ＡＬＤとサイクル手法を適用したＭＯＣＶＤとの共通したガス供給方法の説明図であって、（ａ）はフローチャート、（ｂ）はガス供給のタイミング図である。 一般的な枚葉装置の基板へのガス供給形態を示す説明図であって、（ａ）は径方向流しタイプ、（ｂ）は片側流しタイプ、（ｃ）は径方向流しタイプの改良例を示す。
符号の説明
１ 処理室
２ コンダクタンスプレート
３ サセプタ（保持具）
８ 基板
１１ 排出口
１６ 排気口
１８ スカート（側板）
１９、２０ 供給口
３３ プレートよりも下方の空間
３４ プレートよりも上方の空間
３８ 搬送ロボット

Claims (17)

  1. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室内で前記基板を保持する保持具と、
    前記基板の周囲に設けられたプレートと、
    前記基板の側方であって前記プレートよりも上方の空間に連通するよう設けられて、前記基板に対してガスを供給する供給口と、
    前記プレートの少なくとも前記基板よりも上流側と下流側とに設けられて、前記ガスを前記プレートよりも下方の空間に排出する排出口と、
    前記基板を挟んで前記供給口と反対側に設けられて前記プレートよりも下方の空間に連通して前記処理室を排気する排気口とを有し、
    前記排出口のコンダクタンスは上流側の方が下流側よりも大きくなるよう構成されていることを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記基板よりも上流側の前記排出口は、前記供給口と前記基板との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記供給口は前記排気口とは反対側の前記プレートの外側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  4. 前記排出口は前記プレートに設けられた開口により構成されることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  5. 前記排出口は前記プレートと前記処理室壁との間に形成される隙間により構成されることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  6. 前記排出口の開口面積は上流側の方が下流側よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  7. 前記排出口の流路長さは上流側の方が下流側よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  8. 前記供給口より二種類以上の反応ガスを交互に複数回供給し、二種類以上の反応ガスを交互に供給する間にパージガスの供給を挟むよう制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  9. 前記プレートの少なくとも前記基板よりも下流側には前記排出口が少なくとも２つ以上設けられ、これら排出口はガス流方向に向かって間隔を空けて配列されていることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  10. 前記プレートの少なくとも前記基板よりも下流側に設けられた前記排出口は少なくとも第１の排出口と、それよりも下流に設けられた第２の排出口とを有することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  11. 基板を処理室内に搬入する工程と、
    前記処理室に搬入された前記基板の側方から前記基板の周囲に設けられたプレートに沿って前記基板に対してガスを供給しつつ、前記プレートの少なくとも前記基板よりも上流側と下流側とに設けられた排出口から前記プレートよりも下方の空間にガスを排出して、前記プレートよりも下方の空間の前記基板を挟んで供給側と反対側より排気することにより前記基板を処理する工程と、
    処理後の前記基板を前記処理室より搬出する工程とを有し、
    前記基板処理工程では、前記排出口のコンダクタンスを上流側の方が下流側よりも大きくなるようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 前記基板処理工程では、前記基板に対して二種類以上の反応ガスを交互に複数回供給し、二種類以上の反応ガスを交互に供給する間にパージガスの供給を挟むようにすることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記基板処理工程は、少なくとも１種類の反応ガスを前記基板上に吸着させる工程と、吸着させた反応ガスに対してそれとは異なる反応ガスを供給して成膜反応を生じさせる工程と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記基板処理工程は、前記基板に対して第１の反応ガスを供給して前記基板上に吸着させる工程と、その後パージを行う工程と、その後前記基板上に吸着させた前記第１の反応ガスに対して第２の反応ガスを供給して成膜反応を生じさせる工程と、その後パージを行う工程と、を複数回繰り返すことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記基板処理工程は、少なくとも１種類の反応ガスを分解させて前記基板上に薄膜を堆積させる工程と、堆積させた前記薄膜に対して前記反応ガスとは異なる反応ガスを供給して前記薄膜の改質を行う工程と、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記基板処理工程は、前記基板に対して第１の反応ガスを供給して前記基板上に薄膜を堆積させる工程と、その後パージを行う工程と、その後前記基板上に堆積させた前記薄膜に対して第２の反応ガスを供給して前記薄膜の改質を行う工程と、その後パージを行う工程と、を複数回繰り返すことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記プレートの少なくとも基板よりも下流側には前記排出口が複数設けられ、これら複数の排出口はガス流方向に向かって間隔を空けて配列され、前記基板処理工程では、この複数の排出口よりガスを排出することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
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