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JP6560767B2 - 基板処理装置、基板保持具及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

基板処理装置、基板保持具及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基板処理装置、基板保持具及び半導体装置の製造方法に関する。
基板処理装置の一種である半導体製造装置では、加熱手段としてのヒータにより所定温度に加熱された炉内に、基板としてのウエハが装填されたボートが炉内に装入され、炉内が真空引きされ、反応ガス導入管より反応ガスが導入されてウエハ表面に処理が行われ、排気ガスは排気管より排気される。また、ボートは、複数本の支柱を有し、該支柱に刻設された溝で複数のウエハを水平に保持する。
例えば、先行技術文献１には、ウエハを保持して縦型炉内に装入されるボートを全体に亘り開放する構造が開示されている。更に、このような構成により、断熱板が装填される部分(断熱領域)は完全に開放されているので、処理後、ガスパージした場合に反応ガスが炉内に滞留することがないという効果が記載されている。
上述のような縦型炉を備えた半導体製造装置は、ボートとウエハとの距離が近く、成膜時にボート表面にも成膜されてしまう。それ故、ボート周辺のガス濃度が低下する傾向がある。近年のパターン微細化に伴い、このようなボートによるガス消費の影響が、基板品質の低下に及ぶ恐れがある。
特開平０７−０３７９７３号
本発明の目的は、ボートによるガス消費の影響を無視できる構成を提供することにある。
本発明の一態様によれば、基板を載置する載置部が取り付けられた支柱と載置部が取り付けられていない補助支柱を備えた基板保持具が設けられ、基板保持具は、補助支柱の径が支柱の径より小さく設けられ、基板を載置部で保持する際、基板の端部と支柱の間が所定長さ離間するよう設けられている構成が提供される。
本発明によれば、ボートによるガス消費の影響を受けず、基板品質の低下を抑制できる。
本発明の実施形態に好適に用いられる基板処理装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ線における垂直断面図である。 本発明の実施形態に好適に用いられるコントローラ構成の図示例である。 本発明の実施形態に好適に用いられる基板処理工程を示すフロー図である。 本発明の実施形態に好適に用いられる基板保持具の比較例を示す図である。 本発明の実施形態に好適に用いられる基板保持具の一実施例を示す概観図及びＡ−Ａ断面を示す断面図である。 従来の基板保持具とウエハ端部との距離と本発明の基板保持具とウエハ端部との距離の違いを説明するための図である。 (Ａ)本発明の実施形態に好適に用いられる基板保持具の支柱に取り付けられる載置部の一実施例を示す概観図である。(Ｂ) 本発明の実施形態に好適に用いられる基板保持具の支柱に取り付けられる載置部の一実施例を示す断面図である。 本発明の実施形態に好適に用いられる支柱と補助支柱との位置関係を示す断面図である。 本発明の実施形態に好適に用いられる基板保持具とウエハ端部との距離の関係を説明するための図である。 ウエハに形成された膜の膜厚測定結果を示す図である。 本発明の実施形態に好適に用いられる基板保持具の支柱とウエハ端部との距離の関係を説明するための図示例である。 本発明の実施形態に好適に用いられる基板保持具の他の実施例を示す側面図及びＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
（１）基板処理装置の構成 以下、実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１および図２には、本発明の実施形態で好適に使用される基板処理装置１０が示されている。基板処理装置１０は、半導体装置（デバイス）の製造に使用される半導体製造装置の一例として構成されているものである。
＜処理炉の構成＞図１および図２に示す通り、処理炉２０２にはウエハ（基板）２００を加熱するための加熱部であるヒータ２０７が設けられている。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は例えば石英（ＳｉＯ２）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２０３の下端には、例えばステンレス等から製作されたマニホールド２０９が取り付けられる。マニホールド２０９は筒状に形成され、その下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密に閉塞される。反応管２０３とマニホールド２０９とシールキャップ２１９の間には、それぞれＯリング２２０が設けられる。これら反応管２０３、マニホールド２０９およびシールキャップ２１９により、処理室２０１が形成される。シールキャップ２１９にはボート支持台２１８を介して基板保持部であるボート２１７が立設される。
ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で縦方向に多段に積載される。そして、ボート２１７は、ボートエレベータ１１５により反応管２０３に対し昇降することができるようになっている。ボート支持台２１８の下端部には、処理の均一性を向上するためにボート２１７を回転させるボート回転機構２６７が設けられている。ヒータ２０７は処理室２０１に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。
処理室２０１内には、ノズル４１０（第１のノズル４１０）、ノズル４２０（第２のノズル４２０）、ノズル４３０（第３のノズル４３０）が反応管２０３の下部を貫通するように設けられている。ノズル４１０、ノズル４２０、ノズル４３０には、ガス供給ラインとしてのガス供給管３１０（第１のガス供給管３１０）、ガス供給管３２０（第２のガス供給管３２０）、ガス供給管３３０（第３のガス供給管３３０）が、それぞれ接続されている。このように、反応管２０３には３本のノズル４１０、４２０、４３０と、３本のガス供給管３１０、３２０、３３０とが設けられており、処理室２０１内へ複数種類、ここでは３種類のガス（処理ガス）を供給することができるように構成されている。
ガス供給管３１０には上流側から順に流量制御装置（流量制御部）であるマスフローコントローラ（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、略称：ＭＦＣ）３１２および開閉弁であるバルブ３１４が設けられている。ガス供給管３１０の先端部にはノズル４１０が連結されている。ノズル４１０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４１０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弧状の空間に、反応管２０３の内壁に沿って上方（ウエハ２００の積載方向）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４１０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４１０の側面にはガスを供給するガス供給孔４１０ａが設けられている。ガス供給孔４１０ａは反応管２０３の中心を向くように開口している。このガス供給孔４１０ａは、反応管２０３の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一または、大きさに傾斜をつけた開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。主に、ガス供給管３１０、ＭＦＣ３１２、バルブ３１４、ノズル４１０により第１のガス供給系が構成される。
また、ガス供給管３１０にはキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管５１０が接続されている。主に、キャリアガス供給管５１０、ＭＦＣ５１２、バルブ５１４により第１のキャリアガス供給系が構成される。
ガス供給管３２０には上流側から順に流量制御装置（流量制御部）としてのＭＦＣ３２２および開閉弁であるバルブ３２４が設けられている。ガス供給管３２０の先端部にはノズル４２０が連結されている。ノズル４２０は、ノズル４１０と同様のＬ字型ロングノズルとして構成されている。ノズル４２０の水平部及び垂直部の構成も、ノズル４１０と同様の構成である。
ノズル４２０の側面にはガスを供給するガス供給孔４２０ａが設けられている。ガス供給孔４２０ａは、ガス供給孔４１０ａと同様な構成で設けられている。主に、ガス供給管３２０、ＭＦＣ３２２、バルブ３２４、ノズル４２０により第２のガス供給系が構成される。
更にガス供給管３２０にはキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管５２０が連結されている。主に、キャリアガス供給管５２０、ＭＦＣ５２２、バルブ５２４により第２のキャリアガス供給系が構成される。
ガス供給管３３０には上流側から順に流量制御装置（流量制御部）としてのＭＦＣ３３２および開閉弁であるバルブ３３４が設けられている。ガス供給管３３０の先端部にはノズル４３０が連結されている。ノズル４３０は、ノズル４１０と同様に、Ｌ字型のロングノズルとして構成されている。ノズル４３０の水平部及び垂直部の構成も、ノズル４１０，４２０と同様の構成である。
ノズル４３０の側面にはガスを供給するガス供給孔４３０ａが設けられている。ガス供給孔４３０ａは、ガス供給孔４１０ａ、４２０ａと同様な構成で設けられている。主に、ガス供給管３３０、ＭＦＣ３３２、バルブ３３４、ノズル４３０により第３のガス供給系が構成される。
更にガス供給管３３０にはキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管５３０が連結されている。主に、キャリアガス供給管５３０、ＭＦＣ５３２、バルブ５３４により第３のキャリアガス供給系が構成される。
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、積載された複数枚のウエハ２００の端部とで定義される円弧状の縦長の空間内に配置したノズル４１０、４２０、４３０を経由してガスを搬送し、ノズル４１０、４２０、４３０にそれぞれ開口されたガス供給孔４１０ａ、４２０ｂ、４３０ｃ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、反応後の残ガスは、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。
上記構成に係る一例として、ガス供給管３１０からは、第１の金属元素を含む原料ガスとして、例えば少なくともチタン（Ｔｉ）元素を含むＴｉ含有原料である四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）がＭＦＣ３１２、バルブ３１４、ノズル４１０を介して処理室２０１内に供給される。なお、ＴｉＣｌ４のように常温常圧下で液体状態である液体材料を用いる場合は、液体原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、Ｔｉ含有ガスであるＴｉＣｌ４ガスとして供給することとなる。
ガス供給管３２０からは、炭素、および、第２の金属元素を含む原料ガスとして、例えば少なくとも炭素（Ｃ）元素とアルミニウム（Ａｌ）元素とを含むＴＭＡ（トリメチルアルミニウム。（ＣＨ３）３Ａｌ）がＭＦＣ３２２、バルブ３２４、ノズル４２０を介して処理室２０１内に供給可能に構成される。なお、ＴＭＡのように液体状態である液体材料を用いる場合は、液体原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、ＣおよびＡｌ含有ガスとして供給することとなる。
ガス供給管３３０からは、窒素元素を含む原料ガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ３）がＭＦＣ３３２、バルブ３３４、ノズル４３０を介して処理室２０１内に供給される。
キャリアガス供給管５１０、５２０および５３０からは、例えば窒素（Ｎ２）ガスが、それぞれＭＦＣ５１２、５２２および５３２、バルブ５１４、５２４および５３４、ノズル４１０、４２０および４３０を介して処理室２０１内に供給される。
なお、例えば各ガス供給管から上述のようなガスをそれぞれ流す場合、第１のガス供給系により金属含有原料供給系が構成される。また、第２のガス供給系により炭素含有原料供給系が構成される。また、第３のガス供給系により窒素含有原料供給系が構成される。尚、第２のガス供給系は、第１のガス供給系と同様に金属含有原料供給系を構成してもよく、また、第３のガス供給系と同様に窒素含有原料供給系を構成してもよい。
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は、マニホールド２０９においてノズル４１０，４２０，４３０と対抗する位置に、マニホールド２０９の側壁を貫通するように設けられる。この構成により、ガス供給孔４１０ａ、４２０ａ、４３０ａから処理室２０１内のウエハ２００の近傍に供給されたガスは、水平方向、すなわちウエハ２００の表面と平行な方向に向かって流れた後、下方に向かって流れ、排気管２３１より排気されることとなる。
排気管２３１には、上流側から順に、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、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２４３、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２４３は、排気バルブであり、圧力調整部として機能する。主に、排気管２３１、ＡＰＣバルブ２４３、圧力センサ２４５により、排気系すなわち排気ラインが構成される。なお、真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。
なお、ＡＰＣバルブ２４３は、真空ポンプ２４６を作動させた状態で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。
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４１０、４２０および４３０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。
図３に示されているように、コントローラ１２１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ 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 ＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）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。なお、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ＭＦＣ３１２，３２２，３３２，５１２，５２２，５３２、バルブ３１４，３２４，３３４，５１４，５２４，５３４、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。そして、ＣＰＵ１２１ａは、読み出したプロセスレシピに従って、ＭＦＣ３１２、３２２、３３２、５１２、５２２、５３２による各種ガスの流量調整動作、バルブ３１４、３２４、３３４、５１４、５２４、５３４の開閉動作、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。
なお、コントローラ１２１は、専用のコンピュータとして構成されている場合に限らず、汎用のコンピュータとして構成されていてもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置（例えば、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ等）１２３を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすることにより、本実施形態に係るコントローラ１２１を構成することができる。なお、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置１２３を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶装置１２３を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。なお、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る。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。なお、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。
（２）基板処理工程 ＜金属膜の成膜工程＞次に、金属膜の成膜工程について説明する。金属膜の成膜工程は、上述した基板処理装置１０の処理炉２０２を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として実行される。
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、導電性の金属酸化膜、導電性の金属酸窒化膜、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、導電性の金属炭化膜（金属カーバイド膜）、導電性の金属炭窒化膜（金属カーボナイトライド膜）等が含まれる。
図４は、金属膜（ＴｉＮ膜）の形成工程例を示す処理フロー図である。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。
（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）。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）。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。
なお、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間、真空ポンプ２４６は常時作動させた状態が維持され、ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱及び回転機構２６７によるボート２１７およびウエハ２００の回転は継続して行われる。
続いて、ＴｉＮ層を形成する工程（ステップ１１からステップ１４）を実行する。 ＜ステップ１１＞（ＴｉＣｌ４ガス供給）ガス供給管３１０のバルブ３１４を開き、ガス供給管３１０内に第１の原料としてのＴｉＣｌ４ガスを流す。ガス供給管３１０内を流れたＴｉＣｌ４ガスは、ＭＦＣ３１２により流量調整される。流量調整されたＴｉＣｌ４ガスは、ノズル４１０のガス供給孔４１０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ウエハ２００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５１４を開き、キャリアガス供給管５１０内にＮ２ガス等の不活性ガスを流す。キャリアガス供給管５１０内を流れたＮ２ガスは、ＭＦＣ５１２により流量調整される。流量調整されたＮ２ガスはＴｉＣｌ４ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ノズル４２０、ノズル４３０内へのＴｉＣｌ４ガスの侵入を防止するために、バルブ５２４、５３４を開き、キャリアガス供給管５２０、キャリアガス供給管５３０内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ガス供給管３２０、ガス供給管３３０、ノズル４２０、ノズル４３０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
このときＡＰＣバルブ２４３を適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば１〜１００００Ｐａの範囲内の圧力とする。ＭＦＣ３１２で制御するＴｉＣｌ４ガスの供給流量は、例えば１０〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＭＦＣ５１２、５２２、５３２で制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１０〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＴｉＣｌ４ガスをウエハ２００に対して供給する時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば０．１〜１２０秒の範囲内の時間とする。このときヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば２００〜５００℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。ＴｉＣｌ４ガスの供給により、ウエハ２００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。
＜ステップ１２＞（残留ガス除去） Ｔｉ含有層が形成された後、ガス供給管３１０のバルブ３１４を閉じ、ＴｉＣｌ４ガスの供給を停止する。このとき、排気管２３１のＡＰＣバルブ２４３は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１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２０１内から排除する。なお、このときバルブ５１４、５２４、５３４は開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１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、これにより、処理室２０１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２０１内から排除する効果を高めることができる。
＜ステップ１３＞（ＮＨ３ガス供給）処理室２０１内の残留ガスを除去した後、ガス供給管３３０のバルブ３３４を開き、ガス供給管３３０内にＮＨ３ガスを流す。ガス供給管３３０内を流れたＮＨ３ガスは、ＭＦＣ３３２により流量調整される。流量調整されたＮＨ３ガスは、ノズル４３０のガス供給孔４３０ａから処理室２０１内に供給される。処理室２０１内に供給されたＮＨ３ガスは熱で活性化された後、排気管２３１から排気される。このときウエハ２００に対して、熱で活性化されたＮＨ３ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ５３４を開き、キャリアガス供給管５３０内にＮ２ガスを流す。キャリアガス供給管５３０内を流れたＮ２ガスは、ＭＦＣ５３２により流量調整される。Ｎ２ガスはＮＨ３ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。なお、このとき、ノズル４１０、４２０内へのＮＨ３ガスの侵入を防止するために、バルブ５１４、５２４を開き、キャリアガス供給管５１０、５２０内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ガス供給管３１０、３２０、ノズル４１０、ノズル４２０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
ＮＨ３ガスを熱で活性化させて流すときは、ＡＰＣバルブ２４３を適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば１〜１００００Ｐａの範囲内の圧力とする。ＭＦＣ３３２で制御するＮＨ３ガスの供給流量は、例えば１０〜５００００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＭＦＣ５１２、５２２、５３２で制御するＮ２ガスの供給流量は、それぞれ例えば１０〜１００００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。熱で活性化させたＮＨ３ガスをウエハ２００に対して供給する時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば０．１〜１２０秒の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ステップ１１と同様、ウエハ２００の温度が、例えば２００〜５００℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。
このとき処理室２０１内に流しているガスは、処理室２０１内圧力を高くすることで熱的に活性化されたＮＨ３ガスであり、この活性化されたＮＨ３ガスは、ステップ１１でウエハ２００上に形成されたＴｉ含有層の少なくとも一部と反応する。これによりＴｉ含有層は窒化されて、窒化チタン層（ＴｉＮ層）へと改質される。
＜ステップ１４＞（残留ガス除去）ＴｉＮ層を形成した後、ガス供給管３３０のバルブ３３４を閉じて、ＮＨ３ガスの供給を停止する。このとき、排気管２３１のＡＰＣバルブ２４３は開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくはＴｉＮ層形成に寄与した後のＮＨ３ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する。なお、このときバルブ５１４、５２４、５３４は開いたままとして、Ｎ２ガスの処理室２０１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、これにより、処理室２０１内に残留する未反応もしくはＴｉＮ層形成に寄与した後のＮＨ３ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する効果を高めることができる。
上記したステップ１１からステップ１４の処理を、予め設定されたＸ回（第１の所定回数）だけ実行する。すなわち、ステップ１１からステップ１４の処理を１セットとして、これらの処理をＸセットだけ実行する。このように、ＴｉＣｌ４ガス供給とＮＨ３ガス供給とを交互にＸ回行うことにより、所定の厚さ（例えば０．０３〜２０ｎｍ）のＴｉＮ層（第１の層）が形成される。
（パージおよび大気圧復帰）所定の膜厚のＴｉＮ膜を形成する成膜処理がなされると、Ｎ２等の不活性ガスが処理室２０１内へ供給され、排気管２３１から排気されることで、処理室２０１内が不活性ガスでパージされる（ガスパージ）。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）。
（ボートアンロードおよびウエハディスチャージ）その後、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降されて、反応管２０３の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ２００がボート２１７に支持された状態で反応管２０３の下端から反応管２０３の外部に搬出される。その後、処理済のウエハ２００は、ボート２１７より取り出される。
図５に示すように従来のボートの支柱１００に刻設された溝に設けられた載置部１１１では、ウエハ２００の端部と支柱１００との距離が不十分で、支柱１００によるガス消費の影響を受け、ウエハ２００表面の膜厚の均一性が確保できなくなってきている。特に、近年の薄膜化に伴い、この支柱１００による膜厚均一性の低下への影響を無視できなくなっている。
図６に示す本実施の形態におけるボート２１７は、天板３と底板４のそれぞれの外周に設けられ、ウエハ２００を保持する支柱１と、天板３と底板４のそれぞれの外周に設けられ、支柱１よりも径が小さい補助支柱２と、を備えた構成である。また、支柱１には、ウエハ２００を載置する載置部としての支持ピン(以後、載置具ともいう)１１が設けられている。この載置部１１にウエハ２００が載置されると、ウエハ２００の端部と支柱１の間が所定長さ離間されるように構成されている。
また、本実施の形態によれば、支柱１及び補助支柱２が、天板３と底板４の外周にそれぞれ設けられているため、それぞれ支柱１及び補助支柱２の径を小さくすることにより、ウエハ２００の端部と支柱１及び補助支柱２のそれぞれの距離を離間させることができる。具体的には、支柱１の径は、取り付けられた載置部１１にウエハ２００を載置可能な強度を保持しつつ、取り付けられた載置部１１でウエハ２００を支持させる際、ウエハ２００の端部との距離が所定長さ設けられるよう構成される。
載置部１１は、ウエハ２００と接触する接触部１２と、支柱１と接触部１２の間を構成する本体部１３とを含む構成である。例えば、接触部１２と本体部１３の境界に段差を設けることが好ましい。このような構成であるため、ウエハ２００が載置部１１(あるいは接触部１２)に保持されると、ウエハ２００の端部と支柱１の表面との間が本体部１３と略同じ長さ離間される。従い、所定長さが最適値となるように本体部１３の長さが決定されるよう構成される。また、載置部１１(接触部１２、本体部１３)は、円筒形状であり、断面は円である。
従来のボート２１７では、支柱１の表面からウエハ２００の端部までの距離が２ｍｍと短い為、支柱１００の影響が懸念されていたが、例えば、図７に示すように、本発明のボート２１７では、支柱１の表面からウエハ２００の端部までの距離を２ｍｍの１０倍以上(例えば、２５ｍｍ)にすることを可能としているため、ウエハ２００への処理の際、支柱１の影響を受けないようにすることができる。また、例えば、図８に示すように、本発明におけるボート２１７に取り付けられる載置部１１は、ボート２１７の溝に取り付けられている本体部１３とウエハ２００を載置する接触部１２を少なくとも有する構成である。接触部１２と本体部１３は段差が設けられており、ウエハ２００の位置決めが可能となっている。また、このような構成であるため、本体部１３の長さを変更することにより、支柱１からウエハ２００の端部までの所定長さを変更することができる。つまり、本体部は、支柱１の径の大きさやウエハ２００の径の大きさ等に応じて適宜選択されるよう構成されている。このように、接触部１２と本体部１３より支持ピン(載置具)１１が構成されている。
また、図６に示すように、補助支柱２は、支柱１間を均等に分ける位置に設けられる。具体的には、ボート２１７は、支柱１と補助支柱２の間、又は、補助支柱２の間を周方向に等間隔になるよう構成されている。また、図６に示すように、ボート２１７は、複数の支柱１を有し、ウエハ２００の載置される方向に基準支柱１ａが設けられ、基準支柱１ａを中心にして支柱１をウエハ２００の載置される方向に対して左右対称となる位置に設けられるよう構成されている。また、補助支柱２が設けられる場合においても、ボート２１７における支柱１及び補助支柱２は、基準支柱１ａを中心にして、支柱１及び補助支柱２をウエハ２００の載置される方向に対して左右対称となる位置に設けられる。
また、補助支柱２の径は、支柱１の径より小さく、載置部１１を有しないよう構成されている。これは、補助支柱２は、補助的な支柱であるためである。その本数も４本でなくてもよく、さらに、支柱１がある程度の強度を確保できれば、補助支柱２を取り付ける必要はない。本実施の形態では、３本の支柱１と４本の補助支柱２が、支柱１と補助支柱２との間、または、補助支柱２間でウエハ２００の円周方向に均等に設けられるが、この形態に限定されることは無く、図９に示すように、種々の構成が考えられる。
本発明のボート２１７の支柱１が従来のボート２１７の支柱１よりも細く構成されているため、強度確保の目的で数本が取り付けられている。例えば、図５に示す従来のボート２１７の支柱１の径φ１９ｍｍであり、図６に示す本発明のボート２１７の支柱１の径φ１３ｍｍ、及び補助支柱２の径φ１０ｍｍである。このように、図５に示す従来のボート２１７の支柱１００の径(φ１９ｍｍ）と比較して、図６に示す本発明のボート２１７の支柱１の径(φ１３ｍｍ)は、６ｍｍ細く構造とされており、支柱１からウエハ２００の端部までの距離を２倍以上（５ｍｍ以上）に保つことができる。更に、支柱１の径は、載置部１１にウエハ２００を載置可能な強度を有するように予め設定されている。よって、本実施形態における支柱１の径（φ１３ｍｍ）は一例であり、支柱１の径の材質によりウエハ２００を載置可能な強度を有する径が１０ｍｍ以下になるような場合も、本実施形態に含まれる。
例えば、支柱１の径が小さくなれば、成膜ガスの流れを妨げにくいので滞留が起きにくいのは明確である。更に、支柱１の表面積が小さくなるため、成膜ガスの消費が減少することが容易に見当つく。よって、支柱１からウエハ２００の端部までの最適な距離は、支柱１の径が小さい程短くなると考えられる。一方、補助支柱２の径は、載置部１１を設けウエハ２００で支持可能な強度は不要なので、その径は小さい程好ましい。但し、径が小さすぎると、熱による変形等が顕著になるため、φ８ｍｍ以上が好ましい。
また、図６に示す本発明のボート２１７は、基板を保持する領域である基板処理領域と断熱板を保持する領域である断熱領域を区分けする隔離板５を備えた構成である。支柱１は、基板処理領域から断熱領域まで全体に溝が刻設されており、基板処理領域における支柱１の溝には、載置部１１が取り付けられている。また、支柱１の溝であっても断熱領域には、断熱板を載置するための溝が刻設されている。尚、補助支柱２には、全体に亘って溝が刻設されておらず、寧ろウエハ２００や断熱板を載置できない構成となっている。
本実施形態において、基板処理領域におけるウエハ２００と支柱１の距離やウエハ２００と載置部１１との載置状態に特徴づけられるため、ボート２１７の下部に断熱領域を設けることは必要ない。例えば、図１３に示すボート２１７は、本実施の形態におけるボート２１７の断熱領域を除く構成となっており、他の構成は同じである。つまり、このボート２１７に関しても図６に示す本実施形態におけるボート２１７と同様の効果を奏する。
従い、図１３に示すボート２１７に関しても、補助支柱２の径が支柱１の径より小さく構成され、ウエハ２００を載置部１１で保持する際、ウエハ２００の端部と支柱１の表面の間が所定長さ離間するよう構成されている。また、載置部１１でウエハ２００を保持可能な程度に、ボート２０７の支柱１を細く構成されており、この載置部１１の本体部１３の長さを適宜選択することにより、ウエハ２００の端部と支柱１との間の所定長さを自在に決定することができる。また、図９に示すように種々の補助支柱２のパターン構成が考えられる。
また、図示しないが支柱を４本設けるよう構成してもよい。要するに、支柱１とウエハ２００の端部が所定長さ以上あればよく、例えば、ウエハ２００がボート２１７に保持される際に、支柱１とウエハ２００の端部の間の距離が十分長ければ、支柱１を大きくする構成としてもよい。
(ボートの支柱の影響について)ここで、図１０〜図１２を用いて、ボート２１７の支柱１がウエハ２００に与える影響について詳細に検証した結果を説明する。
先ず、図１０は、ボート２１７とウエハ２００の端部(以後、ウエハエッジともいう)との距離(所定長さ)の算出方法を簡単に説明する図である。ここでは、ウエハエッジから１５ｍｍでボート２１７の影響が無くなることが分かっているときに、ボート２１７とウエハエッジとの間の距離(所定長さ)の算出について説明する。
この場合、現在のボート２１７とウエハエッジとの距離(２ｍｍ)と１５ｍｍの和から３ｍｍの差である１４ｍｍとなる。尚、ウエハの膜厚測定の際に除外される範囲を示すＥ／Ｅ(Ｅｄｇｅ Ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ)を３ｍｍとしている。このように、予めボート２１７の影響を無視できる距離が分かっている場合は簡単である。しかしながら、実際には、ボート２１７の影響は、色々な要素が絡むため、予めプロセス条件を決定し、プロセスデータを取得して検証する必要がある。
ＴｉＮ膜を例に検証した結果を図１１以降で説明する。図１１は、ＴｉＮ膜をウエハ２００に形成し、膜厚を測定した膜厚測定結果である。尚、温度３８０℃、ＴｉＣｌ４ガスの流量０．４５ｓｌｍ(キャリアＮ２ガス流量１．５ｓｌｍ)、ＮＨ３ガス流量７．５ｓｌｍ(キャリアＮ２ガス流量３．４ｓｌｍ)を所定圧力及び所定時間、交互に繰返し所定回数供給し、ＴｉＮ膜をおよそ５０ｎｍの厚さ形成した。また、ボート２１７の支柱の径φは、１９ｍｍであり、ピッチは、７．７ｍｍである。
本実施の形態において、右側のウエハ２００の全体図（Ａ拡大図）で、ボート２１７の支柱１付近(四角で囲まれている部分)の膜厚で、ボート２１７の支柱１の影響を検証した。検証方法は他の部分も変わらないので、ここでは、Ａ部分についてのみ説明を行う。具体的には、左側の拡大図を用いて、ボート２１７の支柱１による膜厚への影響を検証する。データ点数は、１１点×１１点＝１２１点である。原点(Ｘ＝０、Ｙ＝０)は、左下の測定点である。尚、図１１に示す黒点は、膜厚の測定点であり、膜厚が同じ部分は実線で示されている。
左側の拡大図で小さい四角で囲まれた部分は、測定点のうち、Ｘ＝０をＸ軸に持つ一番膜厚が小さい３点(点(Ｘ＝０、Ｙ＝５) 、点(Ｘ＝０、Ｙ＝１０)、 点(Ｘ＝０、Ｙ＝１５)を示し、この小さい四角で囲まれた部分(３点)の平均値を、Ｍｉｎ値と定義する。次に、左側の拡大図で、Ｘ＝０の点を全ての測定点である１１点を囲った部分の平均値を、Ａｖｅ値と定義する。そして、Ｍｉｎ値をＡｖｅ値で除して、１００の積を取った値を減衰率と定義する。そして、各Ｘ座標(Ｘ＝０、Ｘ＝５・・・Ｘ＝５０)で計算したときの減衰率の値を図１２に示す。
図１２は、縦軸に減衰率を、横軸にウエハエッジからの距離を示す。このように、減衰率が１００％に到達した時点を支柱１の影響を無視できる限界点と定義すると、Ａ部分の限界点は、２５ｍｍとなる。従い、この条件では、支柱１とウエハ２００端部との距離を２５ｍｍ以上であれば、支柱１の影響を無視できることが分かる。
また、減衰率が９９％に到達した時点を支柱１の影響を無視できる限界点と定義すると、５ｍｍ以上であれば、支柱１の影響を無視できることが分かる。図５に示す従来のボート２１７の載置状態(２ｍｍ)と比較すると、大幅に改善されていることが分かる。
本実施の形態によれば、以下の(ａ)〜(ｆ)に記載の効果のうち少なくとも一つ以上の効果を奏する。
(ａ)基板が基板保持具に保持されたときに、基板の端部と基板保持具との距離が所定長さ以上となるように保持されるので、基板保持具によるガス消費の影響を受けることなく、膜厚の均一性の低下を抑制することができる。また、所定長さは５ｍｍ以上であればよく、１０ｍｍ以上が好ましく、２５ｍｍ以上が更に好ましい。
(ｂ)基板保持具の支柱には基板を保持するための載置部が設けられており、この載置部に基板が載置されることにより、支柱と基板の端部が所定長さ(５ｍｍ)以上にすることができる。このような構成であるため、支柱によるガス消費の影響を受けることなく、膜厚の均一性の低下を抑制することができる。
(ｃ)載置部は、基板を支持する接触部と、支柱と接触部との間を構成する本体部とを有し、接触部に基板が載置されると、支柱と基板の端部が本体部の長さになるよう構成されている。よって、本体部の長さを調整することにより、支柱と基板の端部の長さを調整することができるように構成されている。
(ｄ)載置部は、接触部と本体部との間に段差が設けられ、接触部に基板が載置されるように構成されている。従い、本体部の長さを調整することにより、支柱と基板の端部の長さを調整することができるように構成されている。また、接触部の長さは、Ｅ/Ｅの長さとほぼ同じにすることが好ましい。
(ｅ)本実施形態によれば、基板を載置する載置部が取り付けられた支柱を備えた基板保持具が設けられ、支柱の径は、取り付けられた載置部に基板を載置可能な強度を保持しつつ、取り付けられた載置部で基板を支持させる際、基板の端部との距離が所定長さ(５ｍｍ以上)設けられるよう構成されている。従い、基板保持具によるガス消費の影響を受けることなく、膜厚の均一性の低下を抑制することができる。
(ｆ)本実施形態によれば、基板を載置する載置部が取り付けられた支柱と載置部が取り付けられていない補助支柱を備えた基板保持具が設けられ、補助支柱の径が支柱の径より小さく構成され、基板を載置部で保持する際、基板の端部と支柱の間が所定長さ(５ｍｍ以上)離間するよう構成されている。従い、基板保持具によるガス消費の影響を受けることなく、膜厚の均一性の低下を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態及び実施例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。
また、上述の実施形態では、ウエハ２００上に膜を堆積させる例について説明した。しかしながら、本発明は、このような態様に限定されない。例えば、ウエハ２００上に形成された膜等に対して、酸化処理、拡散処理、アニール処理、エッチング処理等の処理を行う場合にも、好適に適用可能である。
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、本発明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。
また、本実施例に係る基板処理装置のような半導体ウエハを処理する半導体製造装置などに限らず、ガラス基板を処理するＬＣＤ（Liquid Crystal Display）製造装置にも適用することができる。
この出願は、２０１６年２月１０日に出願された日本出願特願２０１６−０２３６２５を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。
基板が装填されたボートを炉内に装入し、炉内を所定の圧力に減圧しつつ所定の温度に設定した状態で、反応ガス導入管より反応ガスが導入して基板に処理を行う基板処理装置に適用される。
１…支柱２…補助支柱１０…基板処理装置１１…載置部(載置具)１２…接触部１３…本体部２００…ウエハ(基板)２１７…ボート(基板保持具)

Claims (12)

  1. 基板を載置する載置部が取り付けられた支柱と前記載置部が取り付けられていない補助支柱を天板と底板の間に備えた基板保持具が設けられ、前記基板保持具は、前記支柱と前記補助支柱が前記天板と前記底板の外周にそれぞれ取り付けられ、前記支柱の径は、取り付けられた前記載置部に前記基板を載置可能な強度を保持する程度に小さく構成すると共に、前記補助支柱の径が前記支柱の径より小さく構成され、前記載置部は、前記基板を支持する接触部と、前記接触部と前記支柱との間を構成する本体部がそれぞれ設けられ、前記基板を前記載置部で保持する際、前記基板保持具は、前記基板の端部と前記支柱の間を前記本体部の長さ離間させて、前記基板を前記接触部で保持するよう構成されており、前記基板の端部と前記支柱の間の距離は、前記本体部の長さに応じて変更可能に構成されている基板処理装置。
  2. 前記支柱から前記基板の端部までの所定長さは、５ｍｍ以上である請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記支柱の径は、１３ｍｍ以下で、前記補助支柱の径は、８ｍｍ以上である請求項１記載の基板処理装置。
  4. 前記基板の端部と前記支柱の距離が、前記支柱の径または前記支柱の材質に応じて設定されるよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  5. 前記載置部は、前記接触部と前記本体部との間に段差が設けられるよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  6. 前記基板保持具は、複数の前記支柱及び前記補助支柱を有し、前記支柱の内、前記基板の載置される方向に基準支柱が設けられ、前記基準支柱を中心にして前記支柱及び補助支柱を前記基板の載置される方向に対して左右対称となる位置に設けられるよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
  7. 前記支柱と前記補助支柱は、前記支柱と前記補助支柱の間、及び前記補助支柱間を周方向に等間隔になるよう設けられている請求項６記載の基板処理装置。
  8. 基板を載置する載置部が取り付けられた支柱と前記載置部が取り付けられていない補助支柱を天板と底板の間に備えた基板保持具であって、前記支柱と前記補助支柱が前記天板と前記底板の外周にそれぞれ取り付けられ、前記支柱の径は、取り付けられた前記載置部に前記基板を載置可能な強度を保持する程度に小さく構成すると共に、前記補助支柱の径が前記支柱の径より小さく構成され、前記載置部は、前記基板を支持する接触部と、前記接触部と前記支柱との間を構成する本体部がそれぞれ設けられ、前記基板を前記載置部で保持する際、前記基板の端部と前記支柱の間を前記本体部の長さ離間させて、前記基板を前記接触部で保持するよう構成されており、前記基板の端部と前記支柱の間の距離は、前記本体部の長さに応じて変更可能に構成されている基板保持具。
  9. 前記載置部は、前記接触部と前記本体部との間に段差が設けられるよう構成されている請求項８記載の基板保持具。
  10. 更に、前記載置部が取り付けられていない補助支柱を有し、前記補助支柱の径は、前記の支柱の径より小さく構成されている請求項８記載の基板保持具。
  11. 更に、複数の前記支柱及び補助支柱を有し、複数の前記支柱のうち、前記基板の載置される方向に基準支柱が設けられ、前記基準支柱を中心にして前記支柱及び前記補助支柱を前記基板の載置される方向に対して左右対称となる位置に設けられるよう構成されている請求項８記載の基板保持具。
  12. 基板を載置する載置部が取り付けられた支柱と前記載置部が取り付けられていない補助支柱を天板と底板の間に備えた基板保持具であって、前記支柱と前記補助支柱が前記天板と前記底板の外周にそれぞれ取り付けられ、前記支柱の径は、取り付けられた前記載置部に前記基板を載置可能な強度を保持する程度に小さく構成すると共に、前記補助支柱の径が前記支柱の径より小さく構成され、前記載置部は、前記基板を支持する接触部と、前記接触部と前記支柱との間を構成する本体部がそれぞれ設けられ、前記基板を前記載置部で保持する際、前記基板の端部と前記支柱の間を前記本体部の長さ離間させて、前記基板を前記接触部で保持するよう構成されており、前記基板の端部と前記支柱の間の距離は、前記本体部の長さに応じて変更可能に構成されている基板保持具に保持された前記基板を処理する工程を有する半導体装置の製造方法。


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