JP7329133B2 - 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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Description

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 (27)

  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、
    を有し、
    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半導体装置の製造方法。
  2. 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、を有し、
    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半導体装置の製造方法。
  3. 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。
  4. 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、を有し、
    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半導体装置の製造方法。
  5. 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。
  6. 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、を有し、
    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半導体装置の製造方法。
  7. 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、を有し、
    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。
  9. 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、を有し、
    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半導体装置の製造方法。
  10. 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、を有し、
    前記第２不活性ガスは希ガスである半導体装置の製造方法。
  11. 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１０に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 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、
    前記制御部は、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基板処理装置。
  13. 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１２に記載の基板処理装置。
  14. 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１２に記載の基板処理装置。
  15. 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、
    処理条件に応じて前記第２不活性ガスを選択する手順と、
    を実行させるプログラム。
  16. 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、
    前記制御部は、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基板処理装置。
  17. 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、
    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手順と、
    を実行させるプログラム。
  18. 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、
    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基板処理装置。
  19. 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において、
    前記基板を処理する手順では、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、プログラム。
  20. 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、
    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ように構成されている基板処理装置。
  21. 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において、
    前記基板を処理する手順では、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ように構成されている、プログラム。
  22. 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、
    前記制御部は、前記第２不活性ガスの流量を、前記処理ガスの流量よりも大きく設定されることが可能に構成されている基板処理装置。
  23. 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、
    前記第２不活性ガスの流量を、前記処理ガスの流量よりも大きく設定する手順と、
    を実行させるプログラム。
  24. 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、
    前記制御部は、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ことが可能に構成されている基板処理装置。
  25. 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、
    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手順と、
    を実行させるプログラム。
  26. 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、
    前記第２不活性ガスは希ガスで構成されている基板処理装置。
  27. 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において、
    前記第２不活性ガスは希ガスで構成されている、プログラム。
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