JP6737139B2 - ガスインジェクタ、及び縦型熱処理装置 - Google Patents

ガスインジェクタ、及び縦型熱処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、基板への成膜を行う縦型熱処理装置に成膜ガスを供給する技術に関する。
半導体装置の製造工程において、基板である半導体ウエハ（以下、「ウエハ」という）の表面に成膜を行う手法として、金属原料などを含む原料ガスと、この原料ガスと反応する反応ガスとを交互に供給し、ウエハの表面に金属膜を形成する原子層堆積（Atomic Layer Deposition、ＡＬＤ）法や、前記金属を含む化合物の膜を形成する分子層堆積（Molecular Layer Deposition、ＭＬＤ）法が知られている。以下の説明では、これらＡＬＤ法及びＭＬＤ法を総称して「ＡＬＤ法」と呼ぶ。
また、上述のＡＬＤ法を実施する装置の一種として、縦型の反応容器内で複数枚のウエハに対して一括して成膜を行うバッチ式の縦型熱処理装置が知られている。縦型熱処理装置においては、複数のウエハを上下方向に棚状に並べて保持した基板保持具を反応容器内に搬入して成膜が行われる。
このため、縦型熱処理装置を用いる場合には、ウエハの面間で均一な膜厚分布を有する膜を成膜する観点で、基板保持具に保持された各ウエハに対して、できるだけ均一に原料ガスや反応ガス（以下、これらを総称して「成膜ガス」と呼ぶ場合がある）を供給することが好ましい。
ここで特許文献１には、処理容器内の下部側から上部側まで伸びた後、Ｕ字状に折り返し、その先端部が処理容器内の下部側まで伸びたノズルを備える縦型熱処理が記載されている。ノズル内では、上流側ほどガスの圧力が高いので、上流側に設けられたガス噴射孔の方が、噴射されるガスの流量が多くなる。そこで、ノズルをＵ字に折り返すことにより、折り返し前のノズル部分に設けられたガス噴射孔の列から供給されるガスの流量の分布と、折り返し後のノズル部分に設けられたガス噴射孔の列から供給されるガスの流量の分布とを組み合わせ、ノズル全体として上下方向に均等なガスの供給を図っている。
一方で、Ｕ字状に折り返されたノズルは大型化しやすく、予め決まった大きさの処理容器内に配置することができないおそれもある。このとき、ノズルを配置する目的だけで、処理容器を含む縦型熱処理装置全体を大型化することは現実的ではない。
なお特許文献２には、パージガスが供給される中心管と処理ガスが供給される外周管とを備えた二重管構造のノズルが記載されているが、基板保持具に保持された各ウエハに均一に処理ガスを供給する技術ではない。
特開２００８−７８４５２号公報：請求項５、段落００３０〜００３１、図１ 特開２００８−２０５１５１号公報：請求項１、段落００３３〜００３７、図４
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、ノズルの大型化を抑えつつ、縦型熱処理装置に適した成膜ガスの供給を行うことが可能なガスインジェクタ、及びこのインジェクタを備えた縦型熱処理装置を提供することにある。
本発明のガスインジェクタは、上下方向に複数の基板を棚状に並べて保持した基板保持具を、周囲に加熱部が配置された縦型の反応容器内に搬入して熱処理を行う縦型熱処理装置に設けられ、前記反応容器内に、基板への成膜用の成膜ガスを供給するためのガスインジェクタにおいて、
前記反応容器内に上下方向に伸びるように配置され、前記上下方向に沿って、複数のガス供給孔が形成されたガス供給孔の形成面を備えた筒状のインジェクタ本体と、
前記上下方向に沿って前記インジェクタ本体と一体となるように設けられ、前記成膜ガスを受け入れる下部側のガス受入口と、前記インジェクタ本体の内部空間に連通し、当該内部空間に成膜ガスを導入するガス導入口とを備えた筒状のガス導入管と、を備え、
前記筒状のインジェクタ本体の内部空間の中心軸に対し、前記筒状のガス導入管の中心軸が、前記ガス供給孔の形成面から遠ざかる方向にずれた位置に配置されていることを特徴とする。
本発明は、反応容器内に上下方向に伸びるように配置されるインジェクタ本体の内部空間に、当該インジェクタ本体と一体に設けられたガス導入管を介して成膜ガスを導入するので、インジェクタの大型化を抑えつつ、縦型熱処理装置に適した成膜ガスの供給を行うことができる。
実施の形態に係るガスインジェクタを備えた縦型熱処理装置の縦断側面図である。 前記ガスインジェクタの縦断側面図である。 従来型のガスインジェクタの説明図である。 Ｕ字状の折り返しガスインジェクタの説明図である。 前記インジェクタ本体内の内圧を変化させる手法に係る説明図である。 前記ガスインジェクタの変形例を示す説明図である。 前記ガスインジェクタの他の変形例を示す説明図である。 実施例及び比較例に係る実験結果を示す説明図である。
はじめに、図１を参照しながら本発明の実施の形態に係るガス供給孔３１を備えた縦型熱処理装置の構成例について説明する。本例では、原料ガスであるＨＣＤ（Hexachlorodisilane）ガスと、反応ガスであるＯラジカル及びＯＨラジカルを含む活性種とを反応させて、ウエハＷに対してＡＬＤ法によりＳｉＯ２膜を形成する縦型熱処理装置について説明する。
縦型熱処理装置は、上端側が塞がれ、下端側が開口した石英製の円筒状の反応管１１を備えている。反応管１１の下方には、当該反応管１１の開口部と気密に接続されたステンレス製の筒状部材からなるマニホールド５が設けられ、マニホールド５の下端には、フランジが形成されている。これら反応管１１及びマニホールド５は、本例の反応容器１を構成する。
反応管１１の周囲には、当該反応管１１の側面を全周に亘って外方側から囲むように、抵抗発熱体からなる加熱部１２が設けられている。加熱部１２は、反応管１１の周囲の空間を上方側から覆う不図示の断熱体に保持されている。
マニホールド５の下面側の開口は、石英製の円板形状の蓋体５６によって塞がれる。蓋体５６は、ボートエレベータ５１上に設けられ、このボートエレベータ５１を昇降させることによって、蓋体５６が前記マニホールド５の開口を塞いだ状態と、開放した状態とを切り替えることができる。さらに蓋体５６及びボートエレベータ５１には、これらを貫通する回転軸５３が設けられ、回転軸５３は蓋体５６の上面から上方側へ向けて伸び出している。回転軸５３は、ボートエレベータ５１の下方に設けられた駆動部５２により鉛直軸周りに回転することができる。
回転軸５３の上端には、反応管１１の側周壁によって囲まれる位置に、基板保持具であるウエハボート２が設けられている。ウエハボート２は、ウエハＷの直径（３００ｍｍ）よりも大きな直径を有する円形の石英板で構成された天板２１と、リング状の底板２２と、を備えている。天板２１と底板２２とは、上下に対向するように配置され、その周縁部における半周の領域に亘って等間隔に配置された複数本の支柱２３によって互いに連結されている。天板２１と底板２２との間には、ウエハＷが１枚ずつ載置される複数の載置部（不図示）が上下方向に間隔を開けて棚状に設けられている。
また、蓋体５６とウエハボート２との間には、断熱ユニット５０が設けられている。断熱ユニット５０は、例えば石英板からなる円環状の複数の断熱フィン５４を備え、これら断熱フィン５４は、蓋体５６の上面に周方向に間隔を開けて設けられた複数の支柱５５によって棚状に支持されている。円環状の断熱フィン５４の内側には、既述の回転軸５３が挿入され、当該回転軸５３の側周面を外方側から囲むように断熱ユニット５０が配置される。
ウエハボート２及び断熱ユニット５０は、既述のボートエレベータ５１によって蓋体５６と共に昇降し、ウエハボート２を反応管１１の内側に位置させた処理位置（図１に示す位置）と、反応容器１内からウエハボート２を抜き出し、不図示の受け渡し機構とウエハボート２との間でウエハＷの受け渡しを行う受け渡し位置との間を移動する。
処理位置に配置されたウエハボート２と、反応管１１の側周壁との間には、反応管１１内に、ＨＣＤガスを供給するためのガスインジェクタ３と、各々、酸素ガスまたは水素ガスを供給するためのガスインジェクタ４（酸素ガスインジェクタ４ａ、水素ガスインジェクタ４ｂ）とが配置されている。
これらのガスインジェクタ３、４のうち、ＨＣＤガス用のガスインジェクタ３は、本発明の実施の形態に係る構成を備える点については、図２を参照しながら後段で詳細に説明する。
一方、図１、３に示すように、酸素ガス用及び水素ガス用のガスインジェクタ４（４ａ、４ｂ）は、末端が塞がれた細長い筒状の石英管の側面に、長手向に沿って複数のガス供給孔４１を互いに間隔を開けて形成した、従来構造のものが採用されている。ガスインジェクタ４は、ガス供給孔４１の形成面をウエハボート２側に向けて、上下方向に伸びるように反応管１１内に配置される。反応管１１内にガスインジェクタ４を配置した状態において、複数のガス供給孔４１はウエハボート２における最下段のウエハＷの載置位置から、最上段の載置位置までの領域に亘って、ほぼ等間隔で形成されている。
なお図１においては、図示の便宜上、ガスインジェクタ４ａ、４ｂは、反応管１１の横断面を見たとき、径方向にずれた位置に配置されているように示してある。但し、実際にはこれらのガスインジェクタ４ａ、４ｂは、ウエハボート２側から見て、反応管１１の内壁面に沿うように、並べて配置してよい。
各ガスインジェクタ３、４の下部側（基端部側）はマニホールド５側まで伸び出し、マニホールド５の側周壁面に向けて折れ曲がった後、ＨＣＤガスや酸素ガス及び水素ガスの供給ラインを構成する配管と接続されている。ガスインジェクタ３、４における、ガスの供給配管との接続部に形成された開口は、ガス受入口に相当する。
これらガスの供給ラインは、マニホールド５を貫通し、各々、開閉バルブＶ１１、Ｖ１２、Ｖ１３や流量調節部Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３を介してＨＣＤガス供給源７１、酸素ガス供給源７２及び水素ガス供給源７３に接続されている。ＨＣＤガス供給源７１、開閉バルブＶ１１、流量調節部Ｍ１１、及びＨＣＤガスの供給ラインは、本実施の形態の成膜ガス供給部に相当する。
さらにこれらガスの供給ラインに対しては、反応管１１内からＨＣＤガスや酸素ガス、水素ガスを排出するために、窒素ガスなどの不活性ガスをパージガスとして供給する不図示のパージガス供給源を設けてもよい。
さらにマニホールド５には排気管６１が接続され、当該排気管６１の下流側には、排気流量調節用の圧力調整部（例えばバタフライバルブ）６２を介して真空排気部６３が接続されている。排気管６１がマニホールド５に接続されていることにより、ガスインジェクタ３、４から反応管１１内に供給された成膜ガス（ＨＣＤガス、酸素ガス、水素ガス）は、反応管１１内を下方側へ向けて流れた後、外部へ排気されることになる。排気管６１、圧力調整部６２、及び真空排気部６３は、本例の排気部に相当する。
この他、縦型熱処理装置には制御部８が設けられている。制御部８は例えば図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部には縦型熱処理装置により実施される成膜処理（熱処理）、即ち、処理対象のウエハＷを保持したウエハボート２を処理位置に移動させて反応管１１内に搬入した後、予め決められた順番や流量で原料ガスや反応ガスを切り替えながら供給し、成膜処理を実行する制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカードなどの記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
以上に説明した構成を備えた縦型熱処理装置において、ＨＣＤガスの供給を行うガスインジェクタ３は、上下方向に伸びるように反応管１１内に配置され、縦型熱処理装置に適した特別な構造を備えている。
以下、図２を参照しながら当該ガスインジェクタ３の具体的な構成について説明する。
ガスインジェクタ４の構成を詳細に説明する前に、図３に示す従来型のガスインジェクタ４を用いてＨＣＤガスの供給を行った場合の問題点について説明する。
細長い筒状のガスインジェクタ４内を流れるガスの圧力は、流れ方向の下流側（ガスインジェクタ４の先端側）よりも上流側（ガスインジェクタ４の基端側）の方が高くなる。この結果、各ガス供給孔４１から供給されるガスは、基端側に位置するガス供給孔４１ほど流量が大きく、先端側に位置するガス供給孔４１へ向けて次第に流量が小さくなる流量分布が形成される。
なお、図２〜図８に示す各種のガスインジェクタ３、３ａ〜３ｅ、４（４ａ、４ｂ）、４ｃの図には、ガス供給孔３１、４１から供給されるガスの流量に応じて、ガスの流れを示す矢印の長さを変化させている。これらの図では、破線の矢印が長いほど、ガスの流量が大きいことを示しているが、各矢印の長さは、ガスの流量を厳密に示すものではない。
上述の流量分布を有するガスインジェクタ４を用いてＨＣＤガスの供給を行うと、ウエハボート２の下部側に保持されたウエハＷに対しては、高濃度のＨＣＤガスが供給され、上部側に保持されたウエハＷに対しては、下部側と比較して低濃度のＨＣＤガスが供給されることなる。この結果、下部側に保持されたウエハＷに対して比較的多くのＨＣＤが吸着し、上部側に保持されたウエハＷにおいてはＨＣＤの吸着量が少なくなり、ウエハＷの面間でＨＣＤの吸着量が相違する分布が形成される。
よって、ウエハＷの表面に吸着したＨＣＤをＯラジカル及びＯＨラジカルと反応させて得られたＳｉＯ２の各層においてもウエハＷの面間で厚さが相違するので、異なる厚さのＳｉＯ２層が積層され、面間で異なる膜厚分布を有するＳｉＯ２膜が成膜されてしまう（後述の図８（ｂ）に示す比較例参照）。
特に、反応管１１内の成膜ガスを下方側に向けて排気する構成の縦型熱処理装置は、ウエハボート２の下部領域に供給された比較的高い濃度のＨＣＤガスが反応管１１内の上部側の空間へ向けて十分に拡散しないうちに排気されてしまう。このため、ウエハＷの面間の膜厚分布のばらつきが、より顕著になるおそれもある。
上述の問題を改善するため、図４に示すように、Ｕ字状に折り返された形状のガスインジェクタ４ｃを用いる手法も考えられる。当該ガスインジェクタ４ｃは、反応管１１の上部側の空間に、より高い濃度のＨＣＤガスを供給することができる。このとき、反応管１１内のＨＣＤガスが下方排気されると、上部側に供給された高濃度のＨＣＤガスが下部側の空間内を拡散しながら排気されるので、ウエハボート２の下部側に保持されたウエハＷにも高濃度のＨＣＤガスが供給され、面間の膜厚分布のばらつきを改善できる可能性もある。
しかしながら、Ｕ字状に折り返されたガスインジェクタ４ｃは、大型化しやすいため、反応管１１内に配置することが難しい場合もある。また、ＨＣＤガスの圧力が比較的高く、且つ、流れの向きが変化するガスインジェクタ４ｃの折り返し部分の内壁面には、熱分解などに伴ってＳｉ膜などが形成されやすくなる。このＳｉ膜がガスインジェクタ４ｃの内壁面から剥がれると、パーティクルとなって反応管１１内に流れ込み、ウエハＷの汚染源となってしまうおそれもある。
図２は実施の形態に係るガスインジェクタ３を示している。図３を用いて説明した従来のガスインジェクタ４と同様に、本例のガスインジェクタ３は、末端が塞がれた細長い筒状の石英管（例えば従来のガスインジェクタ４と共通の管径を有する）の側面に、複数のガス供給孔３１が互いに間隔を開けて形成されている。以下、当該ガスインジェクタ３において、ガス供給孔３１が形成された上部側の領域をインジェクタ本体３２と呼ぶ。本例のガスインジェクタ３は、前記インジェクタ本体３２内に、インジェクタ本体３２よりも管径が細い、石英製のガス導入管３３を挿入した構造となっている。
ガス導入管３３の上端面には、ガス導入口３３１が形成され、ガス導入管３３内の空間はインジェクタ本体３２の内部空間３２１と連通している。一方、ガス導入管３３の下端部においては、インジェクタ本体３２の側周壁とガス導入管３３の外周面との間の隙間が、円環形状の仕切り部材３３２によって塞がれ、且つ、ガス導入管３３の下端面は開口している。
この結果、ガスインジェクタ３における仕切り部材３３２の配置位置よりも下方側の部分（ＨＣＤガスの流れ方向に見て上流側部分）は、ガス導入管３３の基端側管部３３ｂを構成しているといえる。これに対して、インジェクタ本体３２に挿入された領域は、ガス導入管３３の縮径管部３３ａを構成している。
このように、インジェクタ本体３２とガス導入管３３とは、仕切り部材３３２を介して、上下方向に沿って一体となってガスインジェクタ３を構成している。このガスインジェクタ３内には、ＨＣＤガス供給源７１側から供給されたＨＣＤガスが、ガス導入管３３内を通過してインジェクタ本体３２の内部空間３２１に流入する流路が形成されていると言える。
また前記内部空間３２１内においてガス導入管３３は、インジェクタ本体３２の中心軸に対して、ガス導入管３３の中心軸がガス供給孔３１の形成面から遠ざかる方向にずれた位置に配置されている。この結果、ガス供給孔３１が形成されている向きのインジェクタ本体３２の内周面とガス導入管３３の外周面との間の隙間が広がり、内部空間３２１内に流入したＨＣＤガスが各ガス供給孔３１に到達しやすくなっている。
以下、上述のガスインジェクタ３を備えた縦型熱処理装置の作用について説明する。
はじめに、受け渡し位置までウエハボート２を降下させ、図示しない外部の基板搬送機構によりウエハボート２のすべての載置部にウエハＷを載置する。また、加熱部１２により、反応管１内にウエハＷを搬入したとき、各ウエハＷが予め設定した温度になるように加熱を開始する。
しかる後、ボートエレベータ５２を上昇させ、ウエハボート２を反応容器１内の処理位置に配置すると共に、マニホールド５の開口を蓋体５６によって密閉する。続いて反応容器１の内圧が予め設定された真空度になるように、真空排気部６３によって真空引きを行うと共に、回転軸５３によりウエハボート２を予め設定された回転速度で回転させる。
こうして、ＡＬＤ法による成膜を行う準備ができたら、予め設定された流量にてＨＣＤガス供給源７１よりＨＣＤガスの供給を開始する。図２に破線で示すように、供給ラインからガスインジェクタ３の基端部（ガス受入口）に供給されたＨＣＤガスは、上方側へ向けて流れた後、管径の細いガス導入管３３内に流れ込む。そして、当該ガス導入管３３内を通過したＨＣＤガスはガス導入口３３１よりインジェクタ本体３２の内部空間３２１に導入され、さらに当該内部空間３２１に広がった後、各ガス供給孔３１から反応管１１へ供給される。
ここで図２に示すように、本例のガスインジェクタ３においてガス導入口３３１は、最も上方側に形成されたガス供給孔３１よりもさらに高い位置に開口しているので、ガス導入口３３１から導入されて内部空間３２１内を広がるＨＣＤガスは、ガスインジェクタ３の先端側にて圧力が高く、基端側にて圧力が低くなる。この結果、図４に示すガスインジェクタ４ｃの場合と同様に、反応管１１の上部側の空間に、より高い濃度のＨＣＤガスを供給し、下部側の空間には上部側よりも低い濃度のＨＣＤガスを供給することが可能となる。
またガス導入管３３（縮径管部３３ａ）は、インジェクタ本体３２よりも管径が細いので、流路の狭い絞り部を構成し、当該ガス導入管３３内を流れる際にＨＣＤガスの圧力が低下する。さらに、ガス導入口３３１は、塞がれた状態のインジェクタ本体３２の末端面に向けて開口しているので、内部空間３２１内に導入された後のＨＣＤガスは大きく向きを変えた後、内部空間３２１内を広がっていく。この流れ変化方向の変化に際してもＨＣＤガスの圧力が低下する。この観点で、インジェクタ本体３２の内部空間３２１は、ＨＣＤガスが流れる勢いを穏やかにする、緩衝空間の役割を果たしていると言える。
流れる勢いが弱まったＨＣＤガスが内部空間３２１内を広がる際には、拡散の影響が大きくなる。このため、ガス導入口３３１に近い、ガスインジェクタ３の先端側のＨＣＤガスの圧力と、ガス導入口３３１から遠い、基端側のＨＣＤガスの圧力との圧力差が小さくなる。この結果、図３に示す従来のガスインジェクタ４と比較して、インジェクタ本体３２の上下方向に沿って形成された複数のガス供給孔３１から、より均一にＨＣＤガスを供給することができる。
以上に説明したように、本例のガスインジェクタ３は、図４に示すＵ字状のガスインジェクタ４ｃと同様に、反応管１１の上部側の空間と下部側の空間とを比較したとき、上部側の空間に高濃度のＨＣＤガスを供給することができる。また、当該ガスインジェクタ３は、インジェクタ本体３２の内部空間３２１が緩衝空間の役割を果たすことにより、Ｕ字状のガスインジェクタ４ｃと比較して、各ガス供給孔３１からより均一にＨＣＤガスを供給することができる。
さらに本例のガスインジェクタ３は、内部空間３２１のＨＣＤガスの圧力を低くして、ＨＣＤの分子間距離を大きくすることにより、ＨＣＤガスの熱分解が発生しにくくなるので、インジェクタ本体３２内におけるＳｉ膜の形成を抑え、パーティクルの発生を抑制する効果もある。
ガスインジェクタ３の各ガス供給孔３１から供給されたＨＣＤガスは、反応管１１内に広がり、回転軸５３回りに回転するウエハボート２に保持された各ウエハＷに到達してその表面に吸着する。このとき、反応管１１（反応容器１）内は下方側へ向けて排気されているので、上部側の比較的、高濃度のＨＣＤガスが下部側の空間内を拡散しながら排気さていく。この結果、反応管１１の下部側に保持されたウエハＷに対しても、上部側から流れ込んだＨＣＤガスが供給され、ウエハＷに吸着するＨＣＤガスの量をウエハボート２の高さ方向に沿って均一化することができる。
こうして、各ウエハＷに所定量のＨＣＤガスを吸着させるのに必要な時間が経過したら、ＨＣＤガス供給源７１からのＨＣＤガスの供給を停止すると共に、必要に応じてパージガスを供給し、反応管１１内に残存しているＨＣＤガスを排出する。
しかる後、酸素ガス供給源７２及び水素ガス供給源７３から反応管１１内に予め設定された流量の酸素ガス及び水素ガスを供給する。低圧高温雰囲気となっている反応管１１内に供給された酸素ガス及び水素ガスからはＯラジカル及びＯＨラジカルを含む活性種を生成する。これらＯラジカル及びＯＨラジカルが、ウエハＷに吸着したＨＣＤと反応することにより、ＳｉＯ２が形成される。
上述の反応において、例えばウエハボート２の各段に保持されたウエハＷに供給されるＯラジカル及びＯＨラジカルの濃度の分布がウエハＷの面間の膜厚分布のばらつきに及ぼす影響が小さい場合は、図３に示した単管構造のガスインジェクタ４を用いてＯラジカル及びＯＨラジカルの供給を行ってよい。言い換えると、仮にウエハＷの面間で均一にＨＣＤを吸着させたとき、各ウエハＷに供給されるＯラジカル及びＯＨラジカルの濃度が異なっていても、ＨＣＤを反応させるのに十分な量のＯラジカル及びＯＨラジカルを供給すれば、面間で均一な膜厚分布のＳｉＯ２膜を形成することが可能な場合には、単管構造のガスインジェクタ４を採用すれば十分であるといえる。
この点、酸素ガスインジェクタ４ａ、水素ガスインジェクタ４ｂの各ガス供給孔４１からの酸素ガスまたは水素ガスの流量の分布がウエハＷの面間の膜厚分布のばらつきに及ぼす影響が大きい場合には、酸素ガスや水素ガス（反応ガス）の供給においても図２に示す緩衝空間型のガスインジェクタ３を利用してもよい。この場合には、酸素ガス供給源７２、水素ガス供給源７３や開閉バルブＶ１２、Ｖ１３、流量調節部Ｍ１２、Ｍ１３、酸素ガスや水素ガスの供給ラインは、本実施の形態の成膜ガス供給部に相当することとなる。
そして、各ウエハＷに吸着したＨＣＤガスを反応させるのに必要な所定の時間が経過したら、酸素ガス供給源７２、水素ガス供給源７３からの酸素ガス及び水素ガスの供給を停止し、必要に応じてパージガスを供給し、反応管１１内に残存している酸素ガス及び水素ガスを排出する。しかる後、ＨＣＤガス供給源７１からのＨＣＤガスの供給を再開してウエハＷへのＨＣＤの吸着を行う。
こうして、ＨＣＤガスの供給と酸素ガス及び水素ガスの供給とを含むサイクルを繰り返し実施し、当該サイクルを予め設定された回数だけ実施したら、最終サイクルにおける酸素ガス及び水素ガスの供給停止後、反応管１１内をパージする。そして反応容器１内の圧力を大気圧に戻してからウエハボート２を降下させて成膜が行われたウエハＷを搬出し、一連の動作を終了する。
本実施の形態に係る縦型熱処理装置によれば以下の効果がある。反応容器１内に上下方向に伸びるようにインジェクタ３を配置し、当該インジェクタ３を構成するインジェクタ本体３２の内部空間３２１に、当該インジェクタ本体３２と一体にガス導入管３３を設け、このガス導入管３３を介してＨＣＤガスの導入を行う。この結果、ガスインジェクタ３の大型化を抑えつつ、（１）ガスインジェクタ３の先端側と基端側とに形成されたガス供給孔３１からのＨＣＤガス（成膜ガス：原料ガスや反応ガス）の供給流量を比較したとき、基端側のガス供給孔３１からの供給流量が相対的に小さくなる流量分布を形成し、且つ、（２）これら先端側と基端側との間の供給流量の差を小さく抑えることができる。
ここで、インジェクタ本体３２内にガス導入管３３を挿入したガスインジェクタ３において、ＨＣＤガス供給源７１側から供給される成膜ガスの流量が一定である場合、内部空間３２１の容積が小さくなるほど、内部空間３２１内の平均の圧力は高くなる。そして、内部空間３２１の容積を大きくすれば、前記平均の圧力（以下、図５の説明において「内圧」ともいう）を低くすることができる。
そこで、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、インジェクタ本体３２内に挿入されたガス導入管３３の長さを変えると、内部空間３２１の容積が変化し、内部空間３２１内の内圧を変化させることができる。図５に示す例では、インジェクタ本体３２内に挿入されたガス導入管３３の長さが最長であるガスインジェクタ３において内部空間３２１内の内圧が最も高くなり（図５（ａ））、ガス導入管３３の長さが最短であるガスインジェクタ３ｂにおいて前記内圧が最も低くなる（図（ｃ））。
縦型熱処理装置において、図５（ａ）〜（ｃ）のいずれのガスインジェクタ３、３ａ、３ｂを採用するかについては、反応管１１側で要求される成膜ガスの供給流用の分布や、インジェクタ本体３２内にＳｉ膜が形成されにくくなる内圧条件などを事前に把握し、適切なものを選択すればよい。
ここで図５（ｂ）、（ｃ）に示すガスインジェクタ３ａ、３ｂのように、ガス導入管３３を短くすると、ガス導入口３３１の開口位置は、最も上方側に形成されたガス供給孔３１よりも下方側に位置することとなる。この場合においても、ガス導入管３３の上端面にガス導入口３３１を形成すると、内部空間３２１内に導入された成膜ガスは、ガス導入管３３からの導入方向に沿ってインジェクタ本体３２内を上方側へ向けて流れた後、インジェクタ本体３２の上端面に到達して流れ方向を変える流れを形成する。この結果、ガス導入口３３１よりも上方側に配置されているガス供給孔３１側の領域に対しても、比較的高い圧力の成膜ガスを供給し、先端側に形成されたガス供給孔３１からの成膜ガスの供給流量が相対的に大きくなる流量分布を形成することができる。
このようにガス導入管３３の長さによって内部空間３２１の容積を変化させる手法を採用する場合は、ガス導入管３３の先端のガス導入口３３１の高さ位置は、インジェクタ本体３２に形成された複数のガス供給孔３１のうち、最も下方側に形成されたガス供給孔３１よりも高い位置に設定する。より好ましくは、ガス供給孔３１の形成範囲の２分の１の高さ位置よりも上方側にガス導入口３３１が配置されるように、ガス導入管３３の長さを決定するとよい。
また、インジェクタ本体３２とガス導入管３３とを一体に設ける構成は、管径の細いガス導入管３３をインジェクタ本体３２内に挿入する場合に限られない。例えば図６に示すガス導入管３３のように、基端側から先端側までの管径が変化しない直管状のガス導入管３３に対し、当該ガス導入管３３の上部側の領域を、管径の大きなインジェクタ本体３２によって覆ってもよい。
また、図６に示したガス導入管３３は、ガス導入管３３の側面に、当該ガス導入管３３の管径よりも小さな開口面積のガス導入口３３１ａを設けた例を示している。この例では縮径管部３３ａに替わってガス導入口３３１ａが絞り部として機能し、内部空間３２１に成膜ガスが導入される際の圧力を下げている。
なお、ガス導入管３３の側面にガス導入口３３１ａを設ける場合には、ガス導入口３３１ａからガス供給孔３１への成膜ガスの吹き抜けを防止する必要がある。そこで図６に示すように、ガス導入口３３１ａは、最も上方側に形成されたガス供給孔３１よりも高い位置に配置するか、ガス供給孔３１の形成面とは異なる方向へ向けて成膜ガスが導入される向きに配置することが好ましい。
さらには、インジェクタ本体３２とガス導入管３３とを一体に設ける構成は、インジェクタ本体３２内にガス導入管３３を挿入する場合に限らず、例えば図７（ａ）、（ｂ）に示すガスインジェクタ３ｄ、３ｅのように、インジェクタ本体３２とガス導入管３３とを隣り合わせに並べて一体とする構成としてもよい。
図７（ａ）のガスインジェクタ３ｄは、インジェクタ本体３２とガス導入管３３の側壁面同士を接続し、この接続面の上方側の位置に絞り部であるガス導入口３３１ａを設けた例である。
また、図７（ｂ）のガスインジェクタ３ｅは、インジェクタ本体３２に、ガス導入管３３の側面の一部及び上面の一部を挿入する切り欠きを設け、当該切り欠き内にガス導入管３３を挿入して前記ガス導入管３３の側面の一部及び上面の一部を覆い、インジェクタ本体３２によって覆われたガス導入管３３の上面に、絞り部であるガス導入口３３１を設けた例である。
これらの例においてもインジェクタ本体３２とガス導入管３３とが一体に設けられているので、図４に示したＵ字型のガスインジェクタ４ｃと比較して、ガスインジェクタ３ｄ、３ｅのサイズをコンパクトにすることができる。
さらにまた本例のガスインジェクタ３、３ａ〜３ｅを備えた縦型熱処理装置にて使用する成膜ガスの種類や成膜される膜の種類は、上述の例（原料ガスであるＨＣＤガスと反応ガスである酸素ガス及び水素ガスとを用いたＳｉＯ２膜（金属酸化膜）の成膜に限られない。
例えば、金属原料を含む原料ガスと、窒素を含む反応ガスとの反応による金属窒化物の成膜、金属原料を含む原料ガスと、当該原料ガスを分解、還元させるガスとの反応による金属膜の成膜などを、ＡＬＤ法により実施してもよい。
（実験）
図１を用いて示したものと同等の下方排気方式の縦型熱処理装置を用い、ウエハボート２に保持されたウエハＷに対してＡＬＤ法によりＳｉＯ２膜の成膜を行い、各ウエハＷの膜厚分布を測定した。
Ａ．実験条件
（実施例）図２に示す実施の形態に係るガスインジェクタ３を用いてＨＣＤガスの供給を行う一方、図３に示す従来型のガスインジェクタ４を用いて酸素ガスの供給を行い、ＡＬＤ法によりＳｉＯ２膜を成膜した。ＨＣＤガスの供給時には、ＨＣＤガス供給源７１より流量２００ｓｃｃｍのＨＣＤガスを６秒間供給し、酸素ガス及び水素ガスの供給時には、酸素ガス供給源７２、水素ガス供給源７３より流量３，０００ｓｃｃｍの酸素ガスと１，０００ｓｃｃｍの水素ガスとを１０秒間供給した。これらのガス供給を含むサイクルを１００回実施して成膜を行った。反応容器１内の圧力は４０Ｐａ、加熱部１２によるウエハＷの加熱温度は６００℃、回転軸５３まわりのウエハボート２の回転速度は２．０ｒｐｍである。ウエハＷを保持するウエハボート２の最下段から数えて２０段目、６０段目、９０段目、１３０段目、１６０段目の載置位置に載置された５枚のウエハＷの膜厚分布を膜厚計により測定した。
（比較例）図３に示す従来型のガスインジェクタ４を用いてＨＣＤガスの供給を行った点を除いて実施例と同様の条件で成膜、膜厚分布測定を行った。
Ｂ．実験結果
実施例、比較例の結果を各々図８（ａ）、（ｂ）に示す。各図中に示した実線は、ウエハＷの中心を通る横断面を見たときのＳｉＯ２膜の膜厚分布を模式的に示している。各図においては、膜厚測定を行ったウエハＷのうち、最下段のウエハＷの膜厚分布を右端に表示し、順次、上段側のウエハＷの膜厚分布が左側に表示されるように、膜厚分布の測定結果を並べてある。
図８（ａ）に示した実施例の結果によれば、いずれの載置位置にて成膜されたＳｉＯ２膜についても、ウエハＷの中央側で膜厚が厚く、周縁側で薄くなる上に凸の膜厚分布が確認された。さらに、膜厚が最大となるウエハＷの中央位置に着目して、各ウエハＷの膜厚の変化を確認すると、ウエハボート２の上段側に保持されたウエハＷの方が、下段側に保持されたウエハＷよりも厚いＳｉＯ２膜が形成されることが確認できた。この膜厚の変化は、ガスインジェクタ３からのＨＣＤガスの吐出流量の分布に対応している。一方で、膜厚分布の測定を行った５枚のウエハＷ間で、膜厚の最大値のばらつきは、最大でも２倍以内の範囲に収まった。
これに対して図８（ｂ）に示した比較例の結果においても、すべてのウエハＷにおいて、中央側で膜厚が厚く、周縁側で薄くなる上に凸の膜厚分布を有するＳｉＯ２膜が成膜された。そして、ウエハＷの膜厚（ウエハＷの中央位置における膜厚の最大値）は、ウエハボート２の下段側に保持されたウエハＷの方が、上段側に保持されたウエハＷよりも厚いＳｉＯ２膜が形成されていることが確認された。この膜厚の変化は、従来型のガスインジェクタ４からのＨＣＤガスの吐出流量の分布に対応している。さらには、膜厚分布の測定を行った５枚のウエハＷ間で、膜厚の最大値のばらつきは、２倍以上に広がっていた。
以上の実験結果を踏まえると、実施の形態に係るガスインジェクタ３を利用してＨＣＤガスを供給することにより、従来のガスインジェクタ４を用いる場合と比較して、ウエハボート２に保持されたウエハＷに成膜される膜の膜厚分布を面間で揃えることができると評価できる。
Ｗ ウエハ
１ 反応容器
１２ 加熱部
２ ウエハボート
３、３ａ〜３ｅ
ガスインジェクタ
３１ ガス供給孔
３２ インジェクタ本体
３２１ 内部空間
３３ ガス導入管
ガス導入口
４、４ａ、４ｂ
ガスインジェクタ
６３ 真空排気部
７１ ＨＣＤガス供給源
７２ 酸素ガス供給源
７３ 水素ガス供給源
８ 制御部

Claims (8)

  1. 上下方向に複数の基板を棚状に並べて保持した基板保持具を、周囲に加熱部が配置された縦型の反応容器内に搬入して熱処理を行う縦型熱処理装置に設けられ、前記反応容器内に、基板への成膜用の成膜ガスを供給するためのガスインジェクタにおいて、
    前記反応容器内に上下方向に伸びるように配置され、前記上下方向に沿って、複数のガス供給孔が形成されたガス供給孔の形成面を備えた筒状のインジェクタ本体と、
    前記上下方向に沿って前記インジェクタ本体と一体となるように設けられ、前記成膜ガスを受け入れる下部側のガス受入口と、前記インジェクタ本体の内部空間に連通し、当該内部空間に成膜ガスを導入するガス導入口とを備えた筒状のガス導入管と、を備え、
    前記筒状のインジェクタ本体の内部空間の中心軸に対し、前記筒状のガス導入管の中心軸が、前記ガス供給孔の形成面から遠ざかる方向にずれた位置に配置されていることを特徴とするガスインジェクタ。
  2. 前記ガス導入管は、前記内部空間に挿入された状態となっていることにより、前記インジェクタ本体と一体となっていることを特徴とする請求項１に記載のガスインジェクタ。
  3. 前記ガス導入口は、前記内部空間に挿入されたガス導入管の上端面に開口していることを特徴とする請求項２に記載のガスインジェクタ。
  4. 前記ガス導入口が設けられている高さ位置は、前記複数のガス供給孔のうち、最も下方側に形成された前記ガス供給孔よりも高い位置であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載のガスインジェクタ。
  5. 前記ガス導入管内の成膜ガスの圧力よりも、前記内部空間に導入された成膜ガスの圧力を低下させるために、前記ガス導入管には、成膜ガスが流れる流路を狭くする絞り部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載のガスインジェクタ。
  6. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載のガスインジェクタを備えたことを特徴とする縦型熱処理装置。
  7. 前記反応容器には、前記ガスインジェクタから反応容器内に供給された成膜ガスが、当該反応容器内を下方側へ向けて流れた後、外部へ排気される位置に排気部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の縦型熱処理装置。
  8. 前記ガス導入管のガス受入口へ向けて、成膜ガスを供給する成膜ガス供給部を備え、前記成膜ガスは、熱により分解してインジェクタ本体またはガス導入管の内面に膜を形成する成分を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の縦型熱処理装置。
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