基板処理装置
【課題】低温での酸化膜形成において、ウエハ面内の膜厚均一性を向上させた基板処理装置を提供する。
【解決手段】複数枚の基板を収容して処理する反応管と、前記反応管内を加熱するヒータと、前記反応管内で前記複数枚の基板を所定の間隔で積層し配列させて保持する基板保持具と、前記反応管内の前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の基板配列方向における複数箇所から前記反応管内に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給するガス供給ノズルと、前記反応管内を排気する排気口と、前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い所定の圧力となるように制御する圧力制御部と、を有することを特徴とする基板処理装置を提供する。
【解決手段】複数枚の基板を収容して処理する反応管と、前記反応管内を加熱するヒータと、前記反応管内で前記複数枚の基板を所定の間隔で積層し配列させて保持する基板保持具と、前記反応管内の前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の基板配列方向における複数箇所から前記反応管内に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給するガス供給ノズルと、前記反応管内を排気する排気口と、前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い所定の圧力となるように制御する圧力制御部と、を有することを特徴とする基板処理装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の基板を処理する基板処理装置、及び該基板処理装置を用いて基板を処理する工程を有する半導体装置の製造方法に関し、特に、基板の表面を酸化処理する酸化装置、及び該酸化装置を用いて基板を酸化処理する工程を有するＩＣ等の半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１に、基板処理装置としての、半導体装置の製造装置（半導体製造装置）の斜視図を示す。図１に示す基板処理装置は、ウエハカセットを搭載するカセットストッカ１と、ウエハを積層するように搭載するボート３と、カセットストッカ１に搭載されたウエハカセットとボート３との間でウエハの移載を行うウエハ移載機２と、ボート３を熱処理炉５内に搬入、及び搬出するボートエレベータ７と、加熱手段（ヒータ）を備えた熱処理炉５と、を備えている。
【０００３】
特許文献１には、図１に示す基板処理装置の熱処理炉の反応管内に、ウエハを積層したボートを挿入した後、大気圧未満の状態で、該ボートの上方、及び側方から、水素含有ガスと酸素含有ガスとを独立に供給して、ウエハ表面を酸化し、シリコン酸化膜を形成する技術が開示されている。この酸化方法により、従来の水蒸気を用いたＰＹＲＯ酸化等に比較し、良質の酸化膜が得られ、また、面方位の異なる基板表面の酸化速度差を大幅に縮小することができる。しかし、特許文献１に示す熱処理炉の反応管は、上部にガス供給機構を有するため、製作が容易でなく、また、製作コストやメンテナンスコストも高くなる。
特許文献１に示す熱処理炉を改良するため、本件出願人は、図６に示すように、反応管内にウエハを積層したボートを挿入した後、該ボートの側方から、水素含有ガスと酸素含有ガスとを独立に供給する方式を提案した。これにより、従来に比べ優れたウエハ面内の酸化膜厚均一性やウエハ間の酸化膜厚均一性を得ることが可能となった。この方式は、８００〜１０００℃の比較的高い温度で酸化処理する工程で使用することができる。
【０００４】
しかし、最近のデバイス構造の３次元化やメタル化等により、より低温での酸化膜形成に対する要求が高まっている。高温において優れた膜厚均一性を実現した図６の方式を使用して、低温酸化、例えば７５０℃で成膜した結果を図７、図８に示す。図７は、図６に示す熱処理炉において、図６に示す水素供給ノズル４１〜４４及び酸素供給ノズル４５を用いた場合の、酸化膜厚を示す実験結果データである。図７において、横軸は、垂直方向のウエハ位置を示しており、＃２０など番号の小さい方が下部（ボトム付近）、＃１２０など番号の大きい方が上部（トップ付近）である。また、縦軸は、酸化膜厚（単位：オングストローム）を示しており、成膜速度により左右される。白丸印（○）は、水素ガス（Ｈ２）を１２５０ｓｃｃｍ（standard cc/min）、酸素ガス（Ｏ２）を５０００ｓｃｃｍ供給した場合である。黒丸印（●）は、水素ガス（Ｈ２）を１０００ｓｃｃｍ、酸素ガス（Ｏ２）を４０００ｓｃｃｍ供給した場合である。四角印（□）は、水素ガス（Ｈ２）を７５０ｓｃｃｍ、酸素ガス（Ｏ２）を３０００ｓｃｃｍ供給した場合である。三角印（△）は、水素ガス（Ｈ２）を５００ｓｃｃｍ、酸素ガス（Ｏ２）を２０００ｓｃｃｍ供給した場合である。バツ印（×）は、水素ガス（Ｈ２）を２５０ｓｃｃｍ、酸素ガス（Ｏ２）を１０００ｓｃｃｍ供給した場合である。
【０００５】
図８は、図６に示す熱処理炉において水素供給ノズル４１〜４４及び酸素供給ノズル４５を用いた場合の、酸化膜厚の面内均一性を示す実験結果データ（面内レンジデータ）である。図８において、横軸は、図７と同様の垂直方向のウエハ位置を示している。また、縦軸は、面内レンジ（ウエハエッジ部の膜厚平均値−ウエハ中心の膜厚値）（単位：オングストローム）を示しており、プラス側は成膜状態（膜厚ウエハ面内マップ）が凹型（すり鉢形状）、マイナス側は成膜状態が凸型（砲台形状）であることを意味する。つまり、縦軸は、ウエハの面内膜厚のバラツキ、すなわち、膜厚面内均一性を示す。白丸印（○）、黒丸印（●）、四角印（□）、三角印（△）、バツ印（×）は、図７と同様の意味である。
【０００６】
図８の面内レンジデータから、８００〜１０００℃の高温酸化処理と同様のガス流量条件、例えば白丸印（○）のＨ２／Ｏ２＝１２５０／５０００ｓｃｃｍでは、膜厚ウエハ面内マップが砲台形状となる傾向が強く、ウエハ面内の膜厚差が大きくなることが分かる。これは、水素含有ガスと酸素含有ガスとを独立に供給した場合、低温では反応速度が遅く、ウエハ表面上をガスが水平方向に拡散する過程で、徐々に反応が進むためである。これを回避するために、ガス流量を少なくしてガス流速を遅くすれば、図８のガス流量依存データから分かるように、膜厚ウエハ面内マップが砲台形状となる傾向は緩和されていく。しかし、ガス流量を少なくすると、図７から分かるように、酸化速度が落ち、スループットが低下するというデメリットがあるため、ガス流量を少なくすることは良い策ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２００９−１３８５７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、図６に示すような水素供給ノズル及び酸素供給ノズルを備えた熱処理炉を用いても、低温での酸化膜形成において、ウエハ面内の膜厚均一性が不十分であるといった課題があった。
本発明の目的は、低温での酸化膜形成において、ウエハ面内の膜厚均一性を向上させた基板処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明では、酸素含有ガスと水素含有ガスとを、ガス供給ノズル内で混合して加熱した後、反応管内へ供給し、低温においても基板面内の酸化膜厚均一性を向上させるようにした。
本発明の代表的な構成は、次のとおりである。
複数枚の基板を収容して処理する反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内で前記複数枚の基板を所定の間隔で積層し配列させて保持する基板保持具と、
前記反応管内の前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の基板配列方向における複数箇所から前記反応管内に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給するガス供給ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い所定の圧力となるように制御する圧力制御部と、を有することを特徴とする基板処理装置。
このとき、前記ガス供給ノズルの内部に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させるバッファエリアが設けられ、該バッファエリアの容積は、前記ガス供給ノズル内部の他のエリアの容積よりも大きくなるように構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記の基板処理装置によれば、酸素含有ガスと水素含有ガスとを、ガス供給ノズル内で混合して加熱した後、反応管内へ供給するので、低温においても基板面内の酸化膜厚均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る基板処理装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る基板処理装置の熱処理炉の垂直断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る基板処理装置のガス供給ノズルの拡大図である。
【図４】本発明の実施形態に係るガス供給ノズルから流出するガスの様子を示す図である。
【図５】参考例に係るガス供給ノズルから流出するガスの様子を示す図である。
【図６】参考例に係る基板処理装置の熱処理炉の垂直断面図である。
【図７】参考例に係るウエハの成膜速度を示す図である。
【図８】参考例に係るウエハの膜厚面内均一性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図２を参照して、本発明の実施形態における基板処理装置としてのバッチ式縦型半導体製造装置（酸化装置）を説明する。図２は、実施形態にかかる熱処理炉（酸化炉）の構成を例示する断面概略図である。図２には、ウエハの最大積載数が例えば１２０枚の場合の基板処理装置の熱処理炉５の装置構成例を示している。
【００１３】
図２に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置の熱処理炉５は、加熱源としての抵抗加熱ヒータ９を有している。ヒータ９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）に支持されることで垂直に据え付けられている。ヒータ９の内側には、ヒータ９と同心円状に、円筒形状の反応管１０が配設されている。反応管１０内には、基板を処理する処理室（反応室）４が形成され、基板保持具としてのボート３が搬入されるように構成されている。ボート３は、複数枚の基板としてのシリコンウエハ等のウエハ６を、略水平状態で隙間をもって鉛直方向に複数段に保持するように構成されている。以下の説明では、ボート３内の最上段のウエハ支持位置を＃１２０とし、最下段のウエハ支持位置を＃１と表す。また、ボート３内の最下段からｎ段目の支持位置に保持されるウエハ６をウエハ＃ｎと表す。なお、本明細書では、処理対象である製品基板としての製品ウエハを便宜上、単にウエハ、または処理ウエハと呼ぶ。
【００１４】
反応管１０の上部は、密閉構造となっており、前記特許文献１の反応管に設けられていた、水素含有ガスや酸素含有ガスの供給機構は、設けられていない。
反応管１０の下方は、ボート３を挿入するために開放されている。反応管１０の開放部分は、シールキャップ１３により密閉されるように構成されている。シールキャップ１３上には、ボート３を下方から支持する断熱キャップ１２が設けられている。断熱キャップ１２は、シールキャップ１３を貫通するように設けられた回転軸１５を介して、回転機構１４に取り付けられている。回転機構１４は、回転軸１５を介して、断熱キャップ１２、ボート３を回転させることで、ボート３に支持されたウエハ６を回転させるように構成されている。
【００１５】
反応管１０の側方下部には、水素含有ガスとしての水素（Ｈ２）ガスと、酸素含有ガスとしての酸素（Ｏ２）ガスとを混合して、処理室４内の側方からウエハ６に対して供給するガス供給ノズル８が、反応管１０の側壁を貫通するように接続されている。ガス供給ノズル８は、複数枚のウエハが配列されるウエハ配列領域に対応する領域、すなわち反応管１０内においてウエハ配列領域と対向しウエハ配列領域を取り囲む円筒状の領域に配置されている。ガス供給ノズル８は、本実施形態では長さの異なる複数本（図２では４本）のＬ字型のノズルにより構成されており、それぞれが反応管１０内において反応管１０の側壁の内壁に沿って立ち上がっている。ガス供給ノズル８を構成する複数本のノズルは、ウエハ配列方向に対して長さがそれぞれ異なっていることで、Ｈ２ガスとＯ２ガスの混合ガスは、ウエハ配列領域に対応する領域の複数箇所（本実施形態では１２箇所）から反応管１０内に供給され、ウエハ配列方向（垂直方向）の反応室４内の混合ガスの濃度を調節することが可能となっている。なお、ガス供給ノズル８は、ウエハ６よりも、反応管１０の側壁の内壁に近い側に内壁に沿って設けられている。
【００１６】
ガス供給ノズル８を構成する複数本のノズルの先端の上面は、それぞれ閉塞しており、それぞれのノズル側面に少なくとも１つのガス噴出孔が設けられている。図２において、ガス供給ノズル８からウエハ６側に伸びる矢印が、各ガス噴出孔からのＨ２ガスとＯ２ガスの混合ガスの噴出方向を示しており、各矢印の根元部分が各ガス噴出孔を示している。すなわち、ガス噴出孔はウエハ側を向いており、処理室４内の側方から水平方向に（ウエハの主面に沿う方向に）、ウエハ６に向けてＨ２ガスとＯ２ガスの混合ガスを噴出するように構成されている。
本実施形態の場合、各ノズルには、それぞれ３つのガス噴出孔が設けられ、これら複数（本実施形態では１２個）のガス噴出孔は、それぞれ等間隔に設けられている。ガス噴出孔をこのように設けることで、ウエハ配列方向においてきめ細かく制御されたＨ２ガスとＯ２ガスの混合ガスを供給することが可能となっている。
【００１７】
図２に示すように、本実施形態の場合、ガス供給ノズル８は、最も長さの長いガス供給ノズル８１を含め、４本のガス供給ノズル８１、８２、８３、８４より構成されている。図３に、例えばガス供給ノズル８２の拡大図を模式的に示す。他のガス供給ノズル８１、８３、８４も略同様の形状である。図３に示すように、ガス供給ノズル８２は、複数のガス噴出孔８２ｆを有するバッファエリア８２ｇと、バッファエリア８２ｇ以外の運搬エリア８２ｈとを有する。図３の例では、ガス噴出孔８２ｆは、７箇所設けられている。他のガス供給ノズル８１、８３、８４のそれぞれにも同数のガス噴出孔が設けられる場合、ガス噴出孔は合計２８個、それぞれ等間隔に設けられることとなる。バッファエリア８２ｇの容積は、ガス供給ノズル８２内部の他のエリア８２ｈの容積よりも大きいことが好ましい。
また、バッファエリア８２ｇの基板配列方向における単位長さあたりの容積は、ガス供給ノズル８２の他のエリアである運搬エリア８２ｈの前記基板配列方向における単位長さあたりの容積よりも大きいことが好ましい。また、バッファエリア８２ｇの内径は、運搬エリア８２ｈの内径よりも大きいことが好ましい。また、バッファエリア８２ｇは、運搬エリア８２ｈよりも太いことが好ましい。また、バッファエリア８２ｇは、バッファエリア８２ｇ内で酸素含有ガスと水素含有ガスとを反応させて、原子状酸素を含む酸化種を生成するように構成されることが好ましい。
【００１８】
図４に模式的に示すように、本実施形態では、ボート３の最上部に対応するガス供給ノズル８１、すなわち、最も長さの長いガス供給ノズル８１のガス噴出孔の大きさ、つまり開口面積（孔径）を、最上部のガス噴出孔の大きさを最大にし、最下部のガス噴出孔の大きさを最小にし、最上部と最下部の間のガス噴出孔の大きさを、それらの中間の大きさとしている。また、他のノズル８２、８３、８４のガス噴出孔の大きさは、すべて同じ大きさとしている。なお、図４の例では、ガス噴出孔は４つ設けられている。他のガス供給ノズル８２、８３、８４のそれぞれにも同数のガス噴出孔が設けられる場合、ガス噴出孔は、合計１６個、それぞれ等間隔に設けられることとなる。
図４においては、ガス供給ノズル８１の複数のガス噴出孔のうち、最上部のガス噴出孔８１ａの大きさ（孔径）が最大であり、下方のガス噴出孔８１ｂ、８１ｃ、８１ｄの大きさ（孔径）は、次第に小さくなっており、最下部のガス噴出孔８１ｄの大きさが最小となっている。このため、図４に模式的に示すように、最上部のガス噴出孔８１ａからの混合ガスの噴出流量が最大となり、下方のガス噴出孔８１ｂ、８１ｃ、８１ｄからの混合ガスの噴出流量は、次第に小さくなっており、最下部のガス噴出孔８１ｄからの混合ガスの噴出流量が最小となっている。
【００１９】
しかしながら、図４に模式的に示すように、ウエハ６間に流入する混合ガスの流量は、均等となっている。（図４では、ボート最上部にはダミーウエハが搭載されている。）ウエハ６間に流入する混合ガスの流量が均等となる理由は、上部のガス噴出孔から噴出した混合ガスは、その一部が、ボート上部の空間にも拡散するためである。この傾向は、上部にあるガス噴出孔、すなわち、ボート上部の空間に近いガス噴出孔ほど、強くなる。この現象は、水素ガスのような軽く拡散しやすいガスで特に強く生じると考えられ、アンモニア（ＮＨ３）ガスやメタン（ＣＨ４）ガス等では、あまり強くは認められないものである。
したがって、ボート３の最上部に対応するガス供給ノズル８１のガス噴出孔の大きさ（孔径）を、最上部のガス噴出孔の大きさを最大にするように構成しない場合（後述する図５の場合）は、上部のガス噴出孔から噴出した混合ガスの一部が、ボート上部の空間に拡散し、その結果、ウエハ６間に流入する混合ガスの流量が上方の位置ほど少なくなり、膜厚の面内均一性が悪化する。
【００２０】
図５は、ボート３の最上部に対応するガス供給ノズル８１、すなわち、最も長さの長いガス供給ノズル８１の複数のガス噴出孔の大きさ（孔径）を、すべて同じ大きさにした場合の模式図である。この場合、複数のガス噴出孔８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄからの混合ガスの噴出流量は、均等になる。しかし、図５に模式的に示すように、ウエハ６間に流入する混合ガスの流量は、上方の位置ほど、少なくなる。したがって、膜厚の面内均一性が悪化することになる。
ガス供給ノズル８１、８２、８３、８４のガス噴出孔の孔径は、各ガス供給ノズルにそれぞれ５つのガス噴出孔が設けられる場合、例えば、ガス供給ノズル８１のガス噴出孔の孔径を、上から順に、Φ０．８ｍｍ、Φ０．７５ｍｍ、Φ０．７ｍｍ、Φ０．６５ｍｍ、Φ０．６ｍｍとし、ガス供給ノズル８２、８３、８４のガス噴出孔の孔径を、すべて一定値のΦ０．７ｍｍとすることができる。なお、この場合、ガス噴出孔は、合計２０個、それぞれ等間隔に設けられることとなる。
【００２１】
図２に示すように、ガス供給ノズル８には、水素ガス供給ラインとしての水素供給管８０ｂと、酸素ガス供給ラインとしての酸素供給管８０ａとが、並列に接続されている。図２の例では、水素供給管８０ｂに、酸素供給管８０ａが合流するように接続されている。
水素供給管８０ｂは、複数本（本実施形態では４本）の配管により構成されており、複数本のガス供給ノズル８のそれぞれに接続されている。水素供給管８０ｂには、上流側から順に、水素ガス供給源（図示せず）、開閉バルブ９６ｂ、流量制御手段（流量制御器）としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９５ｂ、及び開閉バルブ９４ｂが設けられている。なお、開閉バルブ９６ｂ、マスフローコントローラ９５ｂ、及び開閉バルブ９４ｂは、水素供給管８０ｂを構成する複数本の配管のそれぞれに設けられており、ガス供給ノズル８を構成する複数本のノズル毎に独立してＨ２ガスの流量を制御できるようになっている。主に、水素供給管８０ｂ、開閉バルブ９６ｂ、開閉バルブ９４ｂ、マスフローコントローラ９５ｂにより、水素含有ガス供給系（還元性ガス供給系）としての水素ガス供給系が構成される。
【００２２】
酸素供給管８０ａは、複数本（本実施形態では４本）の配管により構成されており、複数本のガス供給ノズル８のそれぞれに接続されている。酸素供給管８０ａには、上流側から順に、酸素ガス供給源（図示せず）、開閉バルブ９６ａ、流量制御手段（流量制御器）としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９５ａ、及び開閉バルブ９４ａが設けられている。なお、開閉バルブ９６ａ、マスフローコントローラ９５ａ、及び開閉バルブ９４ａは、酸素供給管８０ａを構成する複数本の配管のそれぞれに設けられており、ガス供給ノズル８を構成する複数本のノズル毎に独立してＯ２ガスの流量を制御できるようになっている。主に、酸素供給管８０ａ、開閉バルブ９６ａ、開閉バルブ９４ａ、マスフローコントローラ９５ａにより、酸素含有ガス供給系（酸化性ガス供給系）としての酸素ガス供給系が構成される。
【００２３】
なお、酸素ガス供給系、水素ガス供給系には、それぞれ、不活性ガス供給系としての窒素ガス供給系（図示せず）が接続されており、窒素ガス供給系は、不活性ガスとしての窒素（Ｎ２）ガスを、酸素供給管８０ａ、水素供給管８０ｂを介して処理室４内に供給できるように構成されている。窒素ガス供給系は、主に窒素供給管（図示せず）、開閉バルブ（図示せず）、マスフローコントローラ（図示せず）により構成される。
【００２４】
反応管１０の側方下部には、処理室内を排気するガス排気口１１が設けられている。ガス排気口１１には、ガス排気ラインとしてのガス排気管５０が接続されている。ガス排気管５０には、上流側から順に、圧力調整手段（圧力制御器）としてのＡＰＣ（Auto Pressure Controller）５１と、排気手段（排気装置）としての真空ポンプ５２とが設けられている。主に、ガス排気口１１、ガス排気管５０、ＡＰＣ５１、真空ポンプ５２により排気系が構成される。
【００２５】
抵抗加熱ヒータ９、マスフローコントローラ９５ａ，９５ｂ、開閉バルブ９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ、ＡＰＣ５１、真空ポンプ５２、及び回転機構１４などの基板処理装置の各部は、制御手段（制御部）としてのコントローラ１００に接続されており、コントローラ１００は基板処理装置の各部の動作を制御するように構成されている。コントローラ１００は、ＣＰＵ、メモリ、ＨＤＤ等の記憶装置、ＦＰＤ等の表示装置、キーボードやマウス等の入力装置を備えたコンピュータとして構成されている。
【００２６】
次に、上述の酸化装置の酸化炉を使用して、半導体装置の製造工程の１工程として、基板としてのウエハに酸化処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、酸化装置を構成する各部の動作はコントローラ１００により制御される。
基板移載機２により、１バッチ分（例えば１２０枚）のウエハ６を、ボート３に移載（ウエハチャージ）した後、ヒータ９により加熱状態を維持された熱処理炉５の処理室４内に、複数枚のウエハ６を装填したボート３を搬入（ボートロード）し、シールキャップ１３により反応管１０内を密閉する。次に、真空ポンプ５２により反応管１０内を真空引きし、ＡＰＣ５１により反応管１０内圧力（炉内圧力）が大気圧よりも低い所定の処理圧力となるよう制御する。回転機構１４により、ボート３が所定の回転速度で回転するようにする。また、処理室４内温度（炉内温度）を昇温させ、炉内温度が所定の処理温度となるよう制御する。
【００２７】
その後、ガス供給ノズル８から、混合されたＯ２ガスとＨ２ガスを、処理室４内に供給する。すなわち、開閉バルブ９４ａ，９６ａを開くことで、マスフローコントローラ９５ａで流量制御されたＯ２ガスを、酸素供給管８０ａを介してガス供給ノズル８内に供給する。また、開閉バルブ９４ｂ，９６ｂを開くことで、マスフローコントローラ９５ｂで流量制御されたＨ２ガスを、水素供給管８０ｂを介してガス供給ノズル８内に供給する。ガス供給ノズル８内に供給されたＯ２ガスとＨ２ガスは、ガス供給ノズル８内、特にバッファエリア内で混合され、また、ヒータ９の熱により加熱されて、Ｏ２ガスとＨ２ガスが予備反応を起こし、酸化種である原子状酸素が生成された状態になる。その後、前記バッファエリア内で混合され加熱されたＯ２ガスとＨ２ガスは、ウエハ配列領域に対応する領域の複数箇所から、処理室４内に供給される。したがって、ガス噴出孔からガスが出たときに、酸化種である原子状酸素が、ある程度生成されている。このとき、ガス供給ノズル８の上部のガス噴出孔から噴出するＯ２ガスとＨ２ガスの混合ガスの流量を多くするのが好ましい。このようにすると、ウエハ６間に流入する混合ガスの流量を均等にすることができる。
このように、Ｏ２ガスとＨ２ガスの混合ガスは、処理室４内におけるウエハ配列領域に対応する領域の複数箇所から供給される。処理室４内に供給されたＯ２ガスとＨ２ガスの混合ガスは、処理室４内を流下してウエハ配列領域の一端（上端）側とは反対側の他端（下端）側に設けられたガス排気口１１より排気される。
【００２８】
このとき、Ｏ２ガスとＨ２ガスとがヒータ９により加熱された減圧の処理室４内で反応することによりＨ，Ｏ，ＯＨ等の中間生成物が生じる。これら中間生成物のうち、酸化膜形成に直接寄与する代表的な中間生成物は原子状酸素Ｏであり、Ｈ，ＯＨ等の中間生成物は、酸化膜成長に関する表面反応には直接関与しない。すなわち、Ｏ２ガスとＨ２ガスとが反応することにより生じた中間生成物のうち、原子状酸素Ｏが反応種（酸化種）として作用することでウエハ６に酸化処理が施され、ウエハ６表面に酸化膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）が形成される。
【００２９】
このときの処理条件（酸化処理条件）例としては、
処理温度（処理室内温度）：３００〜７５０℃、好ましくは、５００〜７００℃
処理圧力（処理室内圧力）：１〜１０００Ｐａ、
酸素ガス供給流量：２０００〜５０００ｓｃｃｍ、
水素ガス供給流量：２００〜２０００ｓｃｃｍ、
であり、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ６に酸化処理がなされる。酸素ガスと水素ガスの供給流量比（酸素ガス流量／水素ガス流量）は、０．６以上２０以下であり、好ましくは０．６５〜１０である。
【００３０】
ウエハ６の酸化処理が終了すると、開閉バルブ９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂを閉じ、処理室４内へのＯ２ガス、Ｈ２ガスの供給を停止して、反応管１０内に対し真空引きや不活性ガスによるパージ等を行うことにより、反応管１０内の残留ガスを除去する。その後、炉内圧力を大気圧に戻し、炉内温度を所定の温度まで降温した後、処理済ウエハ６を支持したボート３を処理室４内から搬出（ボートアンロード）し、ボート６に支持された全ての処理済ウエハ６が冷えるまで、ボート３を所定位置で待機させる。待機させたボート３に保持された処理済ウエハ６が所定温度まで冷却されると、基板移載機２により処理済ウエハ６を回収（ウエハディスチャージ）する。このようにして、ウエハ６に対して酸化処理を施す一連の処理が終了する。
【００３１】
なお、本発明は、前記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に変更が可能であることはいうまでもない。
また、上述した実施形態では、ボートの上部に対応するガス供給ノズル８のガス噴出孔の開口面積を変えるようにしたが、ボートの上部に限らず、センター領域やボトム領域においても、ボート上のウエハ積層ピッチが変化するところなど、ウエハの周囲の空間領域が他の領域と比べて変化している箇所において、ガス供給ノズル８のガス噴出孔の開口面積を変えるようにしてもよい。
【００３２】
上述したように、本発明の一態様によれば、第１の発明として、
複数枚の基板を収容して処理する反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内で前記複数枚の基板を所定の間隔で積層し配列させて保持する基板保持具と、
前記反応管内の前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の基板配列方向における複数箇所から前記反応管内に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給するガス供給ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い所定の圧力となるように制御する圧力制御部と、を有することを特徴とする基板処理装置が提供される。
このように、ガス供給ノズル内で酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給する場合は、ガス噴出孔からガスが出てウエハ表面上をガスが水平方向に拡散する際、既にある程度、予備反応（酸化種である原子状酸素が生成されること）が進んでいるので、水素含有ガスと酸素含有ガスとを独立に供給する場合に比べて、ウエハ周辺部における、酸化種である原子状酸素の濃度を高くすることができ、また、成膜速度も向上する。
【００３３】
好ましくは第２の発明として、前記第１の発明の基板処理装置であって、
前記ガス供給ノズルの内部に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させるバッファエリアが設けられ、該バッファエリアの容積は、前記ガス供給ノズル内部の他のエリアの容積よりも大きいことを特徴とする基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第２の発明において、前記バッファエリアの前記基板配列方向における単位長さあたりの容積が、前記ノズルの内部の他のエリアの前記基板配列方向における単位長さあたりの容積よりも大きい基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第２の発明において、前記ノズルの前記バッファエリアに対応する部分の内径は、前記ノズルの前記他のエリアに対応する部分の内径よりも大きい基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第２の発明において、前記ノズルの前記バッファエリアに対応する部分は、前記ノズルの前記他のエリアに対応する部分よりも太い基板処理装置が提供される。
以上のようにすると、酸素含有ガスと水素含有ガスを、より確実に混合し加熱することができる。
【００３４】
また好ましくは、第２の発明において、前記バッファエリアは、前記バッファエリア内で酸素含有ガスと水素含有ガスとを反応させて、原子状酸素を含む酸化種を生成するように構成される基板処理装置が提供される。
【００３５】
また好ましくは、第１の発明又は第２の発明において、前記ガス供給ノズルは複数本設けられる基板処理装置が提供される。
また好ましくは、前記ガス供給ノズルは複数本設けられ、それぞれの長さが異なる基板処理装置が提供される。
このようにすると、複数の基板間における膜厚均一性を向上することができる。
【００３６】
また好ましくは、第１の発明又は第２の発明において、前記反応管内の温度が３００〜７５０℃の温度となるように制御する温度制御部をさらに有する基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第１の発明又は第２の発明において、前記反応管内の温度が５００〜７００℃の温度となるように制御する温度制御部をさらに有する基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第１の発明又は第２の発明において、前記圧力制御部は、前記反応管内の圧力が１〜１０００Ｐａの圧力となるように制御するよう構成される基板処理装置が提供される。
【符号の説明】
【００３７】
１…カセットストッカ、２…ウエハ移載機、３…ボート、４…処理室、５…熱処理炉、６…ウエハ、７…ボートエレベータ、８…ガス供給ノズル、９…ヒータ、１０…反応管、１１…ガス排気口、１２…断熱キャップ、１３…シールキャップ、１４…回転機構、５０…ガス排気管、５１…ＡＰＣ、５２…真空ポンプ、８０ａ…酸素供給管、８０ｂ…水素供給管、８２ｇ…バッファエリア、８２ｈ…運搬エリア、９４ａ…開閉バルブ、９５ａ…ＭＦＣ、９６ａ…開閉バルブ、９４ｂ…開閉バルブ、９５ｂ…ＭＦＣ、９６ｂ…開閉バルブ、１００…コントローラ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の基板を処理する基板処理装置、及び該基板処理装置を用いて基板を処理する工程を有する半導体装置の製造方法に関し、特に、基板の表面を酸化処理する酸化装置、及び該酸化装置を用いて基板を酸化処理する工程を有するＩＣ等の半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１に、基板処理装置としての、半導体装置の製造装置（半導体製造装置）の斜視図を示す。図１に示す基板処理装置は、ウエハカセットを搭載するカセットストッカ１と、ウエハを積層するように搭載するボート３と、カセットストッカ１に搭載されたウエハカセットとボート３との間でウエハの移載を行うウエハ移載機２と、ボート３を熱処理炉５内に搬入、及び搬出するボートエレベータ７と、加熱手段（ヒータ）を備えた熱処理炉５と、を備えている。
【０００３】
特許文献１には、図１に示す基板処理装置の熱処理炉の反応管内に、ウエハを積層したボートを挿入した後、大気圧未満の状態で、該ボートの上方、及び側方から、水素含有ガスと酸素含有ガスとを独立に供給して、ウエハ表面を酸化し、シリコン酸化膜を形成する技術が開示されている。この酸化方法により、従来の水蒸気を用いたＰＹＲＯ酸化等に比較し、良質の酸化膜が得られ、また、面方位の異なる基板表面の酸化速度差を大幅に縮小することができる。しかし、特許文献１に示す熱処理炉の反応管は、上部にガス供給機構を有するため、製作が容易でなく、また、製作コストやメンテナンスコストも高くなる。
特許文献１に示す熱処理炉を改良するため、本件出願人は、図６に示すように、反応管内にウエハを積層したボートを挿入した後、該ボートの側方から、水素含有ガスと酸素含有ガスとを独立に供給する方式を提案した。これにより、従来に比べ優れたウエハ面内の酸化膜厚均一性やウエハ間の酸化膜厚均一性を得ることが可能となった。この方式は、８００〜１０００℃の比較的高い温度で酸化処理する工程で使用することができる。
【０００４】
しかし、最近のデバイス構造の３次元化やメタル化等により、より低温での酸化膜形成に対する要求が高まっている。高温において優れた膜厚均一性を実現した図６の方式を使用して、低温酸化、例えば７５０℃で成膜した結果を図７、図８に示す。図７は、図６に示す熱処理炉において、図６に示す水素供給ノズル４１〜４４及び酸素供給ノズル４５を用いた場合の、酸化膜厚を示す実験結果データである。図７において、横軸は、垂直方向のウエハ位置を示しており、＃２０など番号の小さい方が下部（ボトム付近）、＃１２０など番号の大きい方が上部（トップ付近）である。また、縦軸は、酸化膜厚（単位：オングストローム）を示しており、成膜速度により左右される。白丸印（○）は、水素ガス（Ｈ２）を１２５０ｓｃｃｍ（standard cc/min）、酸素ガス（Ｏ２）を５０００ｓｃｃｍ供給した場合である。黒丸印（●）は、水素ガス（Ｈ２）を１０００ｓｃｃｍ、酸素ガス（Ｏ２）を４０００ｓｃｃｍ供給した場合である。四角印（□）は、水素ガス（Ｈ２）を７５０ｓｃｃｍ、酸素ガス（Ｏ２）を３０００ｓｃｃｍ供給した場合である。三角印（△）は、水素ガス（Ｈ２）を５００ｓｃｃｍ、酸素ガス（Ｏ２）を２０００ｓｃｃｍ供給した場合である。バツ印（×）は、水素ガス（Ｈ２）を２５０ｓｃｃｍ、酸素ガス（Ｏ２）を１０００ｓｃｃｍ供給した場合である。
【０００５】
図８は、図６に示す熱処理炉において水素供給ノズル４１〜４４及び酸素供給ノズル４５を用いた場合の、酸化膜厚の面内均一性を示す実験結果データ（面内レンジデータ）である。図８において、横軸は、図７と同様の垂直方向のウエハ位置を示している。また、縦軸は、面内レンジ（ウエハエッジ部の膜厚平均値−ウエハ中心の膜厚値）（単位：オングストローム）を示しており、プラス側は成膜状態（膜厚ウエハ面内マップ）が凹型（すり鉢形状）、マイナス側は成膜状態が凸型（砲台形状）であることを意味する。つまり、縦軸は、ウエハの面内膜厚のバラツキ、すなわち、膜厚面内均一性を示す。白丸印（○）、黒丸印（●）、四角印（□）、三角印（△）、バツ印（×）は、図７と同様の意味である。
【０００６】
図８の面内レンジデータから、８００〜１０００℃の高温酸化処理と同様のガス流量条件、例えば白丸印（○）のＨ２／Ｏ２＝１２５０／５０００ｓｃｃｍでは、膜厚ウエハ面内マップが砲台形状となる傾向が強く、ウエハ面内の膜厚差が大きくなることが分かる。これは、水素含有ガスと酸素含有ガスとを独立に供給した場合、低温では反応速度が遅く、ウエハ表面上をガスが水平方向に拡散する過程で、徐々に反応が進むためである。これを回避するために、ガス流量を少なくしてガス流速を遅くすれば、図８のガス流量依存データから分かるように、膜厚ウエハ面内マップが砲台形状となる傾向は緩和されていく。しかし、ガス流量を少なくすると、図７から分かるように、酸化速度が落ち、スループットが低下するというデメリットがあるため、ガス流量を少なくすることは良い策ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２００９−１３８５７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、図６に示すような水素供給ノズル及び酸素供給ノズルを備えた熱処理炉を用いても、低温での酸化膜形成において、ウエハ面内の膜厚均一性が不十分であるといった課題があった。
本発明の目的は、低温での酸化膜形成において、ウエハ面内の膜厚均一性を向上させた基板処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明では、酸素含有ガスと水素含有ガスとを、ガス供給ノズル内で混合して加熱した後、反応管内へ供給し、低温においても基板面内の酸化膜厚均一性を向上させるようにした。
本発明の代表的な構成は、次のとおりである。
複数枚の基板を収容して処理する反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内で前記複数枚の基板を所定の間隔で積層し配列させて保持する基板保持具と、
前記反応管内の前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の基板配列方向における複数箇所から前記反応管内に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給するガス供給ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い所定の圧力となるように制御する圧力制御部と、を有することを特徴とする基板処理装置。
このとき、前記ガス供給ノズルの内部に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させるバッファエリアが設けられ、該バッファエリアの容積は、前記ガス供給ノズル内部の他のエリアの容積よりも大きくなるように構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記の基板処理装置によれば、酸素含有ガスと水素含有ガスとを、ガス供給ノズル内で混合して加熱した後、反応管内へ供給するので、低温においても基板面内の酸化膜厚均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る基板処理装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る基板処理装置の熱処理炉の垂直断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る基板処理装置のガス供給ノズルの拡大図である。
【図４】本発明の実施形態に係るガス供給ノズルから流出するガスの様子を示す図である。
【図５】参考例に係るガス供給ノズルから流出するガスの様子を示す図である。
【図６】参考例に係る基板処理装置の熱処理炉の垂直断面図である。
【図７】参考例に係るウエハの成膜速度を示す図である。
【図８】参考例に係るウエハの膜厚面内均一性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図２を参照して、本発明の実施形態における基板処理装置としてのバッチ式縦型半導体製造装置（酸化装置）を説明する。図２は、実施形態にかかる熱処理炉（酸化炉）の構成を例示する断面概略図である。図２には、ウエハの最大積載数が例えば１２０枚の場合の基板処理装置の熱処理炉５の装置構成例を示している。
【００１３】
図２に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置の熱処理炉５は、加熱源としての抵抗加熱ヒータ９を有している。ヒータ９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）に支持されることで垂直に据え付けられている。ヒータ９の内側には、ヒータ９と同心円状に、円筒形状の反応管１０が配設されている。反応管１０内には、基板を処理する処理室（反応室）４が形成され、基板保持具としてのボート３が搬入されるように構成されている。ボート３は、複数枚の基板としてのシリコンウエハ等のウエハ６を、略水平状態で隙間をもって鉛直方向に複数段に保持するように構成されている。以下の説明では、ボート３内の最上段のウエハ支持位置を＃１２０とし、最下段のウエハ支持位置を＃１と表す。また、ボート３内の最下段からｎ段目の支持位置に保持されるウエハ６をウエハ＃ｎと表す。なお、本明細書では、処理対象である製品基板としての製品ウエハを便宜上、単にウエハ、または処理ウエハと呼ぶ。
【００１４】
反応管１０の上部は、密閉構造となっており、前記特許文献１の反応管に設けられていた、水素含有ガスや酸素含有ガスの供給機構は、設けられていない。
反応管１０の下方は、ボート３を挿入するために開放されている。反応管１０の開放部分は、シールキャップ１３により密閉されるように構成されている。シールキャップ１３上には、ボート３を下方から支持する断熱キャップ１２が設けられている。断熱キャップ１２は、シールキャップ１３を貫通するように設けられた回転軸１５を介して、回転機構１４に取り付けられている。回転機構１４は、回転軸１５を介して、断熱キャップ１２、ボート３を回転させることで、ボート３に支持されたウエハ６を回転させるように構成されている。
【００１５】
反応管１０の側方下部には、水素含有ガスとしての水素（Ｈ２）ガスと、酸素含有ガスとしての酸素（Ｏ２）ガスとを混合して、処理室４内の側方からウエハ６に対して供給するガス供給ノズル８が、反応管１０の側壁を貫通するように接続されている。ガス供給ノズル８は、複数枚のウエハが配列されるウエハ配列領域に対応する領域、すなわち反応管１０内においてウエハ配列領域と対向しウエハ配列領域を取り囲む円筒状の領域に配置されている。ガス供給ノズル８は、本実施形態では長さの異なる複数本（図２では４本）のＬ字型のノズルにより構成されており、それぞれが反応管１０内において反応管１０の側壁の内壁に沿って立ち上がっている。ガス供給ノズル８を構成する複数本のノズルは、ウエハ配列方向に対して長さがそれぞれ異なっていることで、Ｈ２ガスとＯ２ガスの混合ガスは、ウエハ配列領域に対応する領域の複数箇所（本実施形態では１２箇所）から反応管１０内に供給され、ウエハ配列方向（垂直方向）の反応室４内の混合ガスの濃度を調節することが可能となっている。なお、ガス供給ノズル８は、ウエハ６よりも、反応管１０の側壁の内壁に近い側に内壁に沿って設けられている。
【００１６】
ガス供給ノズル８を構成する複数本のノズルの先端の上面は、それぞれ閉塞しており、それぞれのノズル側面に少なくとも１つのガス噴出孔が設けられている。図２において、ガス供給ノズル８からウエハ６側に伸びる矢印が、各ガス噴出孔からのＨ２ガスとＯ２ガスの混合ガスの噴出方向を示しており、各矢印の根元部分が各ガス噴出孔を示している。すなわち、ガス噴出孔はウエハ側を向いており、処理室４内の側方から水平方向に（ウエハの主面に沿う方向に）、ウエハ６に向けてＨ２ガスとＯ２ガスの混合ガスを噴出するように構成されている。
本実施形態の場合、各ノズルには、それぞれ３つのガス噴出孔が設けられ、これら複数（本実施形態では１２個）のガス噴出孔は、それぞれ等間隔に設けられている。ガス噴出孔をこのように設けることで、ウエハ配列方向においてきめ細かく制御されたＨ２ガスとＯ２ガスの混合ガスを供給することが可能となっている。
【００１７】
図２に示すように、本実施形態の場合、ガス供給ノズル８は、最も長さの長いガス供給ノズル８１を含め、４本のガス供給ノズル８１、８２、８３、８４より構成されている。図３に、例えばガス供給ノズル８２の拡大図を模式的に示す。他のガス供給ノズル８１、８３、８４も略同様の形状である。図３に示すように、ガス供給ノズル８２は、複数のガス噴出孔８２ｆを有するバッファエリア８２ｇと、バッファエリア８２ｇ以外の運搬エリア８２ｈとを有する。図３の例では、ガス噴出孔８２ｆは、７箇所設けられている。他のガス供給ノズル８１、８３、８４のそれぞれにも同数のガス噴出孔が設けられる場合、ガス噴出孔は合計２８個、それぞれ等間隔に設けられることとなる。バッファエリア８２ｇの容積は、ガス供給ノズル８２内部の他のエリア８２ｈの容積よりも大きいことが好ましい。
また、バッファエリア８２ｇの基板配列方向における単位長さあたりの容積は、ガス供給ノズル８２の他のエリアである運搬エリア８２ｈの前記基板配列方向における単位長さあたりの容積よりも大きいことが好ましい。また、バッファエリア８２ｇの内径は、運搬エリア８２ｈの内径よりも大きいことが好ましい。また、バッファエリア８２ｇは、運搬エリア８２ｈよりも太いことが好ましい。また、バッファエリア８２ｇは、バッファエリア８２ｇ内で酸素含有ガスと水素含有ガスとを反応させて、原子状酸素を含む酸化種を生成するように構成されることが好ましい。
【００１８】
図４に模式的に示すように、本実施形態では、ボート３の最上部に対応するガス供給ノズル８１、すなわち、最も長さの長いガス供給ノズル８１のガス噴出孔の大きさ、つまり開口面積（孔径）を、最上部のガス噴出孔の大きさを最大にし、最下部のガス噴出孔の大きさを最小にし、最上部と最下部の間のガス噴出孔の大きさを、それらの中間の大きさとしている。また、他のノズル８２、８３、８４のガス噴出孔の大きさは、すべて同じ大きさとしている。なお、図４の例では、ガス噴出孔は４つ設けられている。他のガス供給ノズル８２、８３、８４のそれぞれにも同数のガス噴出孔が設けられる場合、ガス噴出孔は、合計１６個、それぞれ等間隔に設けられることとなる。
図４においては、ガス供給ノズル８１の複数のガス噴出孔のうち、最上部のガス噴出孔８１ａの大きさ（孔径）が最大であり、下方のガス噴出孔８１ｂ、８１ｃ、８１ｄの大きさ（孔径）は、次第に小さくなっており、最下部のガス噴出孔８１ｄの大きさが最小となっている。このため、図４に模式的に示すように、最上部のガス噴出孔８１ａからの混合ガスの噴出流量が最大となり、下方のガス噴出孔８１ｂ、８１ｃ、８１ｄからの混合ガスの噴出流量は、次第に小さくなっており、最下部のガス噴出孔８１ｄからの混合ガスの噴出流量が最小となっている。
【００１９】
しかしながら、図４に模式的に示すように、ウエハ６間に流入する混合ガスの流量は、均等となっている。（図４では、ボート最上部にはダミーウエハが搭載されている。）ウエハ６間に流入する混合ガスの流量が均等となる理由は、上部のガス噴出孔から噴出した混合ガスは、その一部が、ボート上部の空間にも拡散するためである。この傾向は、上部にあるガス噴出孔、すなわち、ボート上部の空間に近いガス噴出孔ほど、強くなる。この現象は、水素ガスのような軽く拡散しやすいガスで特に強く生じると考えられ、アンモニア（ＮＨ３）ガスやメタン（ＣＨ４）ガス等では、あまり強くは認められないものである。
したがって、ボート３の最上部に対応するガス供給ノズル８１のガス噴出孔の大きさ（孔径）を、最上部のガス噴出孔の大きさを最大にするように構成しない場合（後述する図５の場合）は、上部のガス噴出孔から噴出した混合ガスの一部が、ボート上部の空間に拡散し、その結果、ウエハ６間に流入する混合ガスの流量が上方の位置ほど少なくなり、膜厚の面内均一性が悪化する。
【００２０】
図５は、ボート３の最上部に対応するガス供給ノズル８１、すなわち、最も長さの長いガス供給ノズル８１の複数のガス噴出孔の大きさ（孔径）を、すべて同じ大きさにした場合の模式図である。この場合、複数のガス噴出孔８５ａ、８５ｂ、８５ｃ、８５ｄからの混合ガスの噴出流量は、均等になる。しかし、図５に模式的に示すように、ウエハ６間に流入する混合ガスの流量は、上方の位置ほど、少なくなる。したがって、膜厚の面内均一性が悪化することになる。
ガス供給ノズル８１、８２、８３、８４のガス噴出孔の孔径は、各ガス供給ノズルにそれぞれ５つのガス噴出孔が設けられる場合、例えば、ガス供給ノズル８１のガス噴出孔の孔径を、上から順に、Φ０．８ｍｍ、Φ０．７５ｍｍ、Φ０．７ｍｍ、Φ０．６５ｍｍ、Φ０．６ｍｍとし、ガス供給ノズル８２、８３、８４のガス噴出孔の孔径を、すべて一定値のΦ０．７ｍｍとすることができる。なお、この場合、ガス噴出孔は、合計２０個、それぞれ等間隔に設けられることとなる。
【００２１】
図２に示すように、ガス供給ノズル８には、水素ガス供給ラインとしての水素供給管８０ｂと、酸素ガス供給ラインとしての酸素供給管８０ａとが、並列に接続されている。図２の例では、水素供給管８０ｂに、酸素供給管８０ａが合流するように接続されている。
水素供給管８０ｂは、複数本（本実施形態では４本）の配管により構成されており、複数本のガス供給ノズル８のそれぞれに接続されている。水素供給管８０ｂには、上流側から順に、水素ガス供給源（図示せず）、開閉バルブ９６ｂ、流量制御手段（流量制御器）としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９５ｂ、及び開閉バルブ９４ｂが設けられている。なお、開閉バルブ９６ｂ、マスフローコントローラ９５ｂ、及び開閉バルブ９４ｂは、水素供給管８０ｂを構成する複数本の配管のそれぞれに設けられており、ガス供給ノズル８を構成する複数本のノズル毎に独立してＨ２ガスの流量を制御できるようになっている。主に、水素供給管８０ｂ、開閉バルブ９６ｂ、開閉バルブ９４ｂ、マスフローコントローラ９５ｂにより、水素含有ガス供給系（還元性ガス供給系）としての水素ガス供給系が構成される。
【００２２】
酸素供給管８０ａは、複数本（本実施形態では４本）の配管により構成されており、複数本のガス供給ノズル８のそれぞれに接続されている。酸素供給管８０ａには、上流側から順に、酸素ガス供給源（図示せず）、開閉バルブ９６ａ、流量制御手段（流量制御器）としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）９５ａ、及び開閉バルブ９４ａが設けられている。なお、開閉バルブ９６ａ、マスフローコントローラ９５ａ、及び開閉バルブ９４ａは、酸素供給管８０ａを構成する複数本の配管のそれぞれに設けられており、ガス供給ノズル８を構成する複数本のノズル毎に独立してＯ２ガスの流量を制御できるようになっている。主に、酸素供給管８０ａ、開閉バルブ９６ａ、開閉バルブ９４ａ、マスフローコントローラ９５ａにより、酸素含有ガス供給系（酸化性ガス供給系）としての酸素ガス供給系が構成される。
【００２３】
なお、酸素ガス供給系、水素ガス供給系には、それぞれ、不活性ガス供給系としての窒素ガス供給系（図示せず）が接続されており、窒素ガス供給系は、不活性ガスとしての窒素（Ｎ２）ガスを、酸素供給管８０ａ、水素供給管８０ｂを介して処理室４内に供給できるように構成されている。窒素ガス供給系は、主に窒素供給管（図示せず）、開閉バルブ（図示せず）、マスフローコントローラ（図示せず）により構成される。
【００２４】
反応管１０の側方下部には、処理室内を排気するガス排気口１１が設けられている。ガス排気口１１には、ガス排気ラインとしてのガス排気管５０が接続されている。ガス排気管５０には、上流側から順に、圧力調整手段（圧力制御器）としてのＡＰＣ（Auto Pressure Controller）５１と、排気手段（排気装置）としての真空ポンプ５２とが設けられている。主に、ガス排気口１１、ガス排気管５０、ＡＰＣ５１、真空ポンプ５２により排気系が構成される。
【００２５】
抵抗加熱ヒータ９、マスフローコントローラ９５ａ，９５ｂ、開閉バルブ９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ、ＡＰＣ５１、真空ポンプ５２、及び回転機構１４などの基板処理装置の各部は、制御手段（制御部）としてのコントローラ１００に接続されており、コントローラ１００は基板処理装置の各部の動作を制御するように構成されている。コントローラ１００は、ＣＰＵ、メモリ、ＨＤＤ等の記憶装置、ＦＰＤ等の表示装置、キーボードやマウス等の入力装置を備えたコンピュータとして構成されている。
【００２６】
次に、上述の酸化装置の酸化炉を使用して、半導体装置の製造工程の１工程として、基板としてのウエハに酸化処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、酸化装置を構成する各部の動作はコントローラ１００により制御される。
基板移載機２により、１バッチ分（例えば１２０枚）のウエハ６を、ボート３に移載（ウエハチャージ）した後、ヒータ９により加熱状態を維持された熱処理炉５の処理室４内に、複数枚のウエハ６を装填したボート３を搬入（ボートロード）し、シールキャップ１３により反応管１０内を密閉する。次に、真空ポンプ５２により反応管１０内を真空引きし、ＡＰＣ５１により反応管１０内圧力（炉内圧力）が大気圧よりも低い所定の処理圧力となるよう制御する。回転機構１４により、ボート３が所定の回転速度で回転するようにする。また、処理室４内温度（炉内温度）を昇温させ、炉内温度が所定の処理温度となるよう制御する。
【００２７】
その後、ガス供給ノズル８から、混合されたＯ２ガスとＨ２ガスを、処理室４内に供給する。すなわち、開閉バルブ９４ａ，９６ａを開くことで、マスフローコントローラ９５ａで流量制御されたＯ２ガスを、酸素供給管８０ａを介してガス供給ノズル８内に供給する。また、開閉バルブ９４ｂ，９６ｂを開くことで、マスフローコントローラ９５ｂで流量制御されたＨ２ガスを、水素供給管８０ｂを介してガス供給ノズル８内に供給する。ガス供給ノズル８内に供給されたＯ２ガスとＨ２ガスは、ガス供給ノズル８内、特にバッファエリア内で混合され、また、ヒータ９の熱により加熱されて、Ｏ２ガスとＨ２ガスが予備反応を起こし、酸化種である原子状酸素が生成された状態になる。その後、前記バッファエリア内で混合され加熱されたＯ２ガスとＨ２ガスは、ウエハ配列領域に対応する領域の複数箇所から、処理室４内に供給される。したがって、ガス噴出孔からガスが出たときに、酸化種である原子状酸素が、ある程度生成されている。このとき、ガス供給ノズル８の上部のガス噴出孔から噴出するＯ２ガスとＨ２ガスの混合ガスの流量を多くするのが好ましい。このようにすると、ウエハ６間に流入する混合ガスの流量を均等にすることができる。
このように、Ｏ２ガスとＨ２ガスの混合ガスは、処理室４内におけるウエハ配列領域に対応する領域の複数箇所から供給される。処理室４内に供給されたＯ２ガスとＨ２ガスの混合ガスは、処理室４内を流下してウエハ配列領域の一端（上端）側とは反対側の他端（下端）側に設けられたガス排気口１１より排気される。
【００２８】
このとき、Ｏ２ガスとＨ２ガスとがヒータ９により加熱された減圧の処理室４内で反応することによりＨ，Ｏ，ＯＨ等の中間生成物が生じる。これら中間生成物のうち、酸化膜形成に直接寄与する代表的な中間生成物は原子状酸素Ｏであり、Ｈ，ＯＨ等の中間生成物は、酸化膜成長に関する表面反応には直接関与しない。すなわち、Ｏ２ガスとＨ２ガスとが反応することにより生じた中間生成物のうち、原子状酸素Ｏが反応種（酸化種）として作用することでウエハ６に酸化処理が施され、ウエハ６表面に酸化膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）が形成される。
【００２９】
このときの処理条件（酸化処理条件）例としては、
処理温度（処理室内温度）：３００〜７５０℃、好ましくは、５００〜７００℃
処理圧力（処理室内圧力）：１〜１０００Ｐａ、
酸素ガス供給流量：２０００〜５０００ｓｃｃｍ、
水素ガス供給流量：２００〜２０００ｓｃｃｍ、
であり、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ６に酸化処理がなされる。酸素ガスと水素ガスの供給流量比（酸素ガス流量／水素ガス流量）は、０．６以上２０以下であり、好ましくは０．６５〜１０である。
【００３０】
ウエハ６の酸化処理が終了すると、開閉バルブ９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂを閉じ、処理室４内へのＯ２ガス、Ｈ２ガスの供給を停止して、反応管１０内に対し真空引きや不活性ガスによるパージ等を行うことにより、反応管１０内の残留ガスを除去する。その後、炉内圧力を大気圧に戻し、炉内温度を所定の温度まで降温した後、処理済ウエハ６を支持したボート３を処理室４内から搬出（ボートアンロード）し、ボート６に支持された全ての処理済ウエハ６が冷えるまで、ボート３を所定位置で待機させる。待機させたボート３に保持された処理済ウエハ６が所定温度まで冷却されると、基板移載機２により処理済ウエハ６を回収（ウエハディスチャージ）する。このようにして、ウエハ６に対して酸化処理を施す一連の処理が終了する。
【００３１】
なお、本発明は、前記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に変更が可能であることはいうまでもない。
また、上述した実施形態では、ボートの上部に対応するガス供給ノズル８のガス噴出孔の開口面積を変えるようにしたが、ボートの上部に限らず、センター領域やボトム領域においても、ボート上のウエハ積層ピッチが変化するところなど、ウエハの周囲の空間領域が他の領域と比べて変化している箇所において、ガス供給ノズル８のガス噴出孔の開口面積を変えるようにしてもよい。
【００３２】
上述したように、本発明の一態様によれば、第１の発明として、
複数枚の基板を収容して処理する反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内で前記複数枚の基板を所定の間隔で積層し配列させて保持する基板保持具と、
前記反応管内の前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の基板配列方向における複数箇所から前記反応管内に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給するガス供給ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い所定の圧力となるように制御する圧力制御部と、を有することを特徴とする基板処理装置が提供される。
このように、ガス供給ノズル内で酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給する場合は、ガス噴出孔からガスが出てウエハ表面上をガスが水平方向に拡散する際、既にある程度、予備反応（酸化種である原子状酸素が生成されること）が進んでいるので、水素含有ガスと酸素含有ガスとを独立に供給する場合に比べて、ウエハ周辺部における、酸化種である原子状酸素の濃度を高くすることができ、また、成膜速度も向上する。
【００３３】
好ましくは第２の発明として、前記第１の発明の基板処理装置であって、
前記ガス供給ノズルの内部に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させるバッファエリアが設けられ、該バッファエリアの容積は、前記ガス供給ノズル内部の他のエリアの容積よりも大きいことを特徴とする基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第２の発明において、前記バッファエリアの前記基板配列方向における単位長さあたりの容積が、前記ノズルの内部の他のエリアの前記基板配列方向における単位長さあたりの容積よりも大きい基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第２の発明において、前記ノズルの前記バッファエリアに対応する部分の内径は、前記ノズルの前記他のエリアに対応する部分の内径よりも大きい基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第２の発明において、前記ノズルの前記バッファエリアに対応する部分は、前記ノズルの前記他のエリアに対応する部分よりも太い基板処理装置が提供される。
以上のようにすると、酸素含有ガスと水素含有ガスを、より確実に混合し加熱することができる。
【００３４】
また好ましくは、第２の発明において、前記バッファエリアは、前記バッファエリア内で酸素含有ガスと水素含有ガスとを反応させて、原子状酸素を含む酸化種を生成するように構成される基板処理装置が提供される。
【００３５】
また好ましくは、第１の発明又は第２の発明において、前記ガス供給ノズルは複数本設けられる基板処理装置が提供される。
また好ましくは、前記ガス供給ノズルは複数本設けられ、それぞれの長さが異なる基板処理装置が提供される。
このようにすると、複数の基板間における膜厚均一性を向上することができる。
【００３６】
また好ましくは、第１の発明又は第２の発明において、前記反応管内の温度が３００〜７５０℃の温度となるように制御する温度制御部をさらに有する基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第１の発明又は第２の発明において、前記反応管内の温度が５００〜７００℃の温度となるように制御する温度制御部をさらに有する基板処理装置が提供される。
また好ましくは、第１の発明又は第２の発明において、前記圧力制御部は、前記反応管内の圧力が１〜１０００Ｐａの圧力となるように制御するよう構成される基板処理装置が提供される。
【符号の説明】
【００３７】
１…カセットストッカ、２…ウエハ移載機、３…ボート、４…処理室、５…熱処理炉、６…ウエハ、７…ボートエレベータ、８…ガス供給ノズル、９…ヒータ、１０…反応管、１１…ガス排気口、１２…断熱キャップ、１３…シールキャップ、１４…回転機構、５０…ガス排気管、５１…ＡＰＣ、５２…真空ポンプ、８０ａ…酸素供給管、８０ｂ…水素供給管、８２ｇ…バッファエリア、８２ｈ…運搬エリア、９４ａ…開閉バルブ、９５ａ…ＭＦＣ、９６ａ…開閉バルブ、９４ｂ…開閉バルブ、９５ｂ…ＭＦＣ、９６ｂ…開閉バルブ、１００…コントローラ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の基板を収容して処理する反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内で前記複数枚の基板を所定の間隔で積層し配列させて保持する基板保持具と、
前記反応管内の前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の基板配列方向における複数箇所から前記反応管内に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給するガス供給ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い所定の圧力となるように制御する圧力制御部と、を有することを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】
前記ガス供給ノズルの内部に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させるバッファエリアが設けられ、該バッファエリアの容積は、前記ガス供給ノズル内部の他のエリアの容積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。
【請求項１】
複数枚の基板を収容して処理する反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内で前記複数枚の基板を所定の間隔で積層し配列させて保持する基板保持具と、
前記反応管内の前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に対応する領域に配置され、該領域の基板配列方向における複数箇所から前記反応管内に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させて供給するガス供給ノズルと、
前記反応管内を排気する排気口と、
前記反応管内の圧力が大気圧よりも低い所定の圧力となるように制御する圧力制御部と、を有することを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】
前記ガス供給ノズルの内部に、酸素含有ガスと水素含有ガスとを混合させるバッファエリアが設けられ、該バッファエリアの容積は、前記ガス供給ノズル内部の他のエリアの容積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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１８７８８４（Ｐ２０１１−１８７８８４Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５４４４１（Ｐ２０１０−５４４４１）
【出願日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
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