成膜装置
【課題】基板保持具に棚状に積載された複数枚の基板に対して、互いに反応する複数種類の処理ガスを順番に供給して成膜処理を行うにあたり、処理ガスを切り替える時の雰囲気を容易に置換すること。
【解決手段】Ｚｒ系ガスやＯ３ガスなどの処理ガスを反応管１２内に供給するためのガス吐出口５２の各々形成された第１のガスインジェクター５１ａ、５１ｂとは別に、反応管１２の長さ方向に沿うようにスリット５０の形成された第３のガスインジェクター５１ｃを設けて、処理ガスを切り替える時には、このスリット５０から反応管１２内にパージガスを供給して当該反応管１２内の雰囲気を置換する。
【解決手段】Ｚｒ系ガスやＯ３ガスなどの処理ガスを反応管１２内に供給するためのガス吐出口５２の各々形成された第１のガスインジェクター５１ａ、５１ｂとは別に、反応管１２の長さ方向に沿うようにスリット５０の形成された第３のガスインジェクター５１ｃを設けて、処理ガスを切り替える時には、このスリット５０から反応管１２内にパージガスを供給して当該反応管１２内の雰囲気を置換する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、その周囲に加熱部が配置された縦型の反応管内に搬入して、基板に対して成膜処理を行う成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」と言う）に対して、互いに反応する複数例えば２種類の処理ガスを順番に（交互に）供給して、反応生成物を積層するＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて薄膜を形成する手法が知られている。このＡＬＤ法を縦型熱処理装置にて実施する場合、第１の処理ガスを供給するインジェクターと、第２の処理ガスを供給するインジェクターとが用いられ、これらインジェクターは、各ウエハに対応した位置にガス吐出孔を有するいわゆる分散インジェクターとして反応管内に設けられる。そして、処理ガスを切り替える時には、例えばこれら２本のインジェクターからパージガスを供給している。
【０００３】
一方、３次元構造の半導体デバイスが検討されており、具体的には例えば深さ寸法及び開口径が夫々３０ｎｍ及び２０００ｎｍ程度もの大きなアスペクト比を持つ開口部が表面に多数箇所に形成されたウエハに対して、既述のＡＬＤ法により成膜処理を行う場合がある。このようなウエハでは、平滑なウエハに比べて表面積が例えば４０倍から８０倍もの大きさになることがある。そのため、既述のインジェクターから供給されるパージガスの流量では、ウエハの表面に物理的に吸着した処理ガスを排気（置換）しにくくなってしまうおそれがある。従って、例えば処理雰囲気中（反応管内）において処理ガス同士が互いに混ざり合っていわばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）的に反応してしまい、既述の開口部の下端側よりも上端側において薄膜の膜厚が厚くなり、例えば開口部の上端部が閉塞してしまうなど、良好なカバレッジ性（被覆性）の得られない場合がある。
【０００４】
特許文献１には、成膜処理中において処理ガスの流れを制限するために、不活性ガスノズル２２ｃ、２２ｄの不活性ガス噴出口２４ｃ、２４ｄから不活性ガスをウエハ１０に供給する技術が記載されており、また特許文献２には縦型の熱処理装置においてＡＬＤ法を用いて薄膜を形成する方法について記載されているが、既述の課題については検討されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１８４６２号公報（段落００４８、００５１）
【特許文献２】特開２００５−２５９８４１号公報（段落００１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板保持具に棚状に積載された複数枚の基板に対して、互いに反応する複数種類の処理ガスを順番に供給して成膜処理を行うにあたり、処理ガスを切り替える時の雰囲気を容易に置換できる成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の成膜装置は、
複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、その周囲に加熱部が配置された縦型の反応管内に搬入して、基板に対して成膜処理を行う成膜装置において、
第１の処理ガスを基板に供給するための複数のガス吐出口が各基板間の高さ位置毎に各々形成された第１のガスインジェクターと、
第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを基板に供給するために、前記第１のガスインジェクターに対して前記反応管の周方向に離間して設けられ、前記反応管の長さ方向に沿って伸びると共に基板側にガス吐出口が形成された第２のガスインジェクターと、
前記第１のガスインジェクターに対して前記反応管の周方向に離間した位置にて前記反応管の長さ方向に沿って伸びるように設けられ、前記基板保持具に保持される基板の保持領域の上端から下端に亘ってパージガス供給用のスリットが形成された第３のガスインジェクターと、
前記保持領域を介して前記第１のガスインジェクターとは反対側に形成され、前記反応管内の雰囲気を排気するための排気口と、
前記反応管内に第１の処理ガス及び第２の処理ガスを順番に供給すると共に、これら処理ガスの切り替え時には前記反応管内にパージガスを供給して当該反応管内の雰囲気を置換するように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
処理ガスの切り替え時に前記第３のガスインジェクターから供給されるパージガスの総流量は、基板の保持枚数をＮとすると、０．０５×Ｎ〜２．０×Ｎリットル／分であっても良い。
また、前記第３のガスインジェクターは、前記第２のガスインジェクターを兼用していても良い。
前記スリットは、前記第３のガスインジェクターの長さ方向に複数に分割され、
分割されたスリットは、ｋ（ｋ：整数）段目の基板の下面から（ｋ＋２）段目の基板の上面までの高さ寸法よりも長く設定されていても良い。
また、前記スリットは、前記第３のガスインジェクターの長さ方向に複数に分割され、
分割されたスリットの長さ寸法は、前記第３のガスインジェクターの上方側及び下方側の一方側から他方側に向かって徐々に長くなるように設定されていても良い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、基板保持具に棚状に積載された複数枚の基板に対して、互いに反応する複数種類の処理ガスを順番に供給して成膜処理を行うにあたり、処理ガスを供給する第１のガスインジェクターとは別に、パージガスを供給するための第３のガスインジェクターを反応管の長さ方向に沿うように設けている。そして、前記長さ方向に伸びるスリットを前記第３のガスインジェクターに形成して、処理ガスを切り替える時にこのスリットからパージガスを供給しているので、成膜処理の行われる雰囲気を容易に置換できる。そのため、雰囲気中における処理ガス同士の反応を抑えることができ、基板の面内に亘って被覆性が良好で且つ均一性の高い成膜処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の縦型熱処理装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】前記縦型熱処理装置を示す横断平面図である。
【図３】前記縦型熱処理装置の各ガスインジェクターを側方側から見た模式図である。
【図４】前記ガスインジェクターを上方側から見た横断面図である。
【図５】前記縦型熱処理装置における作用を示す横断平面図である。
【図６】前記縦型熱処理装置における作用を示す横断平面図である。
【図７】前記縦型熱処理装置における作用を示す横断平面図である。
【図８】本発明の他の例を示すガスインジェクターの模式図である。
【図９】本発明の更に別の例を示すガスインジェクターの模式図である。
【図１０】本発明の他の例を示すガスインジェクターの模式図である。
【図１１】本発明の他の例を示す横断平面図である。
【図１２】前記縦型熱処理装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１３】前記縦型熱処理装置の他の例を示す反応管の斜視図である。
【図１４】本発明の実施例にて得られる特性を示す特性図である。
【図１５】前記実施例に用いたウエハの概略を模式的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の成膜装置の実施の形態の一例について、図１〜図４を参照して説明する。始めにこの成膜装置の概略について簡単に説明すると、この成膜装置は、互いに反応する複数種類この例では２種類の処理ガスをウエハＷに対して順番に（交互に）供給して反応生成物を積層するＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により薄膜を成膜する縦型熱処理装置として構成されている。そして、処理ガスを切り替える時には、これら処理ガスよりも大流量で不活性ガスをパージガスとして供給し、成膜処理が行われる処理雰囲気を速やかに置換できるように構成されている。以下に、この成膜装置の具体的構成について詳述する。
【００１２】
成膜装置は、直径寸法が例えば３００ｍｍのウエハＷを棚状に積載するための例えば石英からなる基板保持具であるウエハボート１１と、このウエハボート１１を内部に気密に収納して成膜処理を行うための例えば石英からなる反応管１２と、を備えている。反応管１２の外側には、内壁面に周方向に亘って加熱部であるヒータ１３の配置された加熱炉本体１４が設けられており、反応管１２及び加熱炉本体１４は、水平方向に伸びるベースプレート１５によって下端部が周方向に亘って支持されている。ウエハボート１１には、上下方向に伸びる複数本例えば３本の支柱３２が設けられており、各々の支柱３２には、ウエハＷを下方側から支持する溝部３２ａが各々のウエハＷの保持位置毎に内周側に形成されている。尚、図１中３７はウエハボート１１の天板、３８はウエハボート１１の底板である。
【００１３】
反応管１２は、この例では外管１２ａと当該外管１２ａの内部に収納された内管１２ｂとの二重管構造となっており、これら外管１２ａ及び内管１２ｂの各々は、下面側が開口するように形成されている。内管１２ｂの天井面は水平に形成され、外管１２ａの天井面は外側に膨らむように概略円筒形状に形成されている。これら外管１２ａ及び内管１２ｂは、下端面がフランジ状に形成されると共に上下面が開口する概略円筒形状のフランジ部１７により、下方側から各々気密に支持されている。即ち、フランジ部１７の上端面により外管１２ａが気密に支持され、フランジ部１７の内壁面から内側に向かって水平に突出する突出部１７ａにより内管１２ｂが気密に支持されている。この内管１２ｂは、側面の一端側が当該内管１２ｂの長さ方向に沿って外側に膨らむように形成されており、この外側に膨らんだ部分にガスインジェクター５１が収納されるように構成されている。
【００１４】
この例では、ガスインジェクター５１は３本配置されており、各々ウエハボート１１の長さ方向に沿って配置されると共に、反応管１２の周方向に沿って互いに離間するように並んでいる。これらガスインジェクター５１は、例えば石英から各々構成されている。これら３本のガスインジェクター５１について、図２に示すように、反応管１２を上方側から見て時計回り（右回り）に「第１のガスインジェクター５１ａ」、「第２のガスインジェクター５１ｂ」及び「第３のガスインジェクター５１ｃ」と呼ぶと、第１のガスインジェクター５１ａにはジルコニウム（Ｚｒ）を含むＺｒ系ガス（原料ガス）例えばテトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺｒ）ガスの貯留源５５ａが接続されている。また、第２のガスインジェクター５１ｂにはＯ３（オゾン）ガスの貯留源５５ｂが接続され、第３のガスインジェクター５１ｃにはＮ２（窒素）ガスの貯留源５５ｃが接続されている。図２において、５３はバルブ、５４は流量調整部である。
【００１５】
ガスインジェクター５１ａ、５１ｂにおけるウエハＷの保持領域(処理領域)側の管壁には、図３に示すように、複数のガス吐出口５２が上下方向に亘って等間隔に各々形成されており、各々のガス吐出口５２の開口径は例えば０．５ｍｍとなっている。また、各々のガス吐出口５２は、ウエハボート１１における各々のウエハＷの保持位置に対応するように、即ち一のウエハＷの上面と当該一のウエハＷの上方側に対向する他のウエハＷの下面との間の領域を臨むように形成されている。尚、図３は、各々のガスインジェクター５１をウエハＷ側から見た様子を示しており、各々のウエハＷについてはガスインジェクター５１よりも側方側にずらして描画している。また、図３においてウエハボート１１や反応管１２については省略している。
【００１６】
また、第３のガスインジェクター５１ｃにおける前記保持領域側の管壁には、当該保持領域の上端から下端に亘って上下方向に伸びるように、概略矩形のスリット５０が形成されている。即ち、ウエハボート１１に保持されるウエハＷの枚数をＮ枚とすると、スリット５０は、前記保持領域における上端（１枚目）のウエハＷの表面よりも上方の位置から、保持領域における下端（Ｎ枚目）のウエハＷの下面よりも下方の位置までに亘って伸びている。このスリット５０の幅寸法（詳しくは第３のガスインジェクター５１ｃの外周面の周方向に沿った幅寸法）ｔは、図４に示すように、０．０１〜１ｍｍこの例では０．３ｍｍとなっている。また、第３のガスインジェクター５１ｃを平面的に見た時のパージガスの流路の内径寸法（管本体の内径）Ｒは、例えば１１．４ｍｍとなっている。この時、互いに隣接するウエハＷ間の離間距離ｈは、図３に示すように、例えば１１ｍｍとなっている。
【００１７】
各々のガスインジェクター５１に対向するように、既述の内管１２ｂの側面には、図２にも示すように、当該内管１２ｂの長さ方向に沿うようにスリット状の排気口１６が形成されている。即ち、排気口１６は、ウエハボート１１においてウエハＷが収納される保持領域を介して各々のガスインジェクター５１の反対側、この例では各ガスインジェクター５１に対向するように形成されている。この排気口１６は、上端位置及び下端位置が第３のガスインジェクター５１ｃのスリット５０の上端位置及び下端位置と同じ高さ位置となるように形成されている。そのため、各々のガスインジェクター５１から内管１２ｂに供給される処理ガス及びパージガスは、この排気口１６を介して内管１２ｂと外管１２ａとの間の領域に排気される。この時、前記「反対側」とは、図２に示すように、反応管１２を上方側から見た時に、ガスインジェクター５１ａ、５１ｃの並びに平行で且つ反応管１２の中心を通る直線に「Ｌ」の符号を付すと、この直線Ｌにより区画される反応管１２内の２つの領域のうちガスインジェクター５１の設けられていない領域を言う。
【００１８】
そして、これら内管１２ｂと外管１２ａとの間の領域に連通するように、既述のフランジ部１７の側壁には排気口２１が形成されており、この排気口２１から伸びる排気路２２には、バタフライバルブなどの圧力調整部２３を介して真空ポンプ２４が接続されている。フランジ部１７の下方側には、当該フランジ部１７の下端部であるフランジ面に外縁部が周方向に亘って気密に接触するように概略円板状に形成された蓋体２５が設けられており、この蓋体２５は、図示しないボートエレベータなどの昇降機構により、ウエハボート１１と共に昇降自在に構成されている。図１中２６はウエハボート１１と蓋体２５との間に円筒状に形成された断熱体、２７はウエハボート１１及び断熱体２６を鉛直軸周りに回転させるためのモータなどの回転機構である。また、図１中２８は、蓋体２５を気密に貫通してモータ２７とウエハボート１１及び断熱体２６とを接続する回転軸であり、２１ａは排気ポートである。
【００１９】
この縦型熱処理装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１００が設けられており、この制御部１００のメモリ内には後述の成膜処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部１０１から制御部１００内にインストールされる。
【００２０】
次に、上述実施の形態の作用について説明する。先ず、反応管１２の下方側において、図示しない搬送アームによりウエハボート１１に例えば１５０枚の１２インチ（３００ｍｍ）サイズのウエハＷを載置する。各々のウエハＷの表面には、例えば高誘電体を埋め込むためのホールが形成されている。ウエハボート１１における最上段（１枚目）から５枚目まで及び最下段（Ｎ枚目）から（Ｎ−４）枚目までにはダミーウエハが搭載され、これらダミーウエハ間（６枚目〜（Ｎ−５）枚目）に製品用のウエハＷが保持されている。
【００２１】
そして、ウエハボート１１を反応管１２内に気密に挿入して、真空ポンプ２４により反応管１２内の雰囲気を真空排気すると共に、ウエハボート１１を鉛直軸周りに回転させながら、ヒータ１３によりこのウエハボート１１上のウエハＷが例えば２５０℃程度となるように加熱する。続いて、圧力調整部２３により反応管１２内の圧力を処理圧力例えば１．０Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）に調整しながら、図５に示すように、当該反応管１２内に第１のガスインジェクター５１ａのガス吐出口５２から第１の処理ガスである既述のＺｒ系ガスを例えば０．４ｍｌ／ｍｉｎ（液体流量）で供給する。ウエハＷの表面にＺｒ系ガスが接触すると、当該ウエハＷの表面にはこのＺｒ系ガスの原子層あるいは分子層が吸着する。未反応のＺｒ系ガスやウエハＷへの吸着により生成した有機ガスなどは、排気口１６に排気される。
【００２２】
次いで、Ｚｒ系ガスの供給を停止すると共に、例えば１２インチサイズのウエハＷがウエハボート１１に１５０枚保持されている場合には、図６に示すように、第３のガスインジェクター５１ｃから反応管１２内にパージガスであるＮ２ガスを２０ｓｌｍ（リットル／分）〜１００ｓｌｍで供給することが好ましく、この例では６０ｓｌｍで例えば２０秒間に亘って供給する。このように、Ｚｒ系ガスの流量よりも大流量のパージガスを反応管１２内に供給しているので、当該反応管１２内の雰囲気は極めて速やかに置換される。
【００２３】
続いて、パージガスの供給を停止して、図７に示すように、反応管１２内に第２の処理ガスであるＯ３ガスを例えば３００ｇ／Ｎｍ３（Ｏ２を２０ｓｌｍで流して得られるＯ３濃度）で供給する。このＯ３ガスは、同様にガス吐出口５２の各々からウエハＷに向かって通流し、各々のウエハＷに吸着したＺｒ系ガスの成分を酸化してジルコニウムオキサイド（Ｚｒ−Ｏ）からなる反応生成物を生成する。そして、Ｏ３ガスの供給を停止した後、パージガスにより反応管１２の雰囲気を既述のように置換する。こうしてＺｒ系ガス、パージガス、Ｏ３ガス及びパージガスをこの順番で供給する供給サイクルを複数回行って、前記反応生成物の層を積層する。
【００２４】
上述の実施の形態によれば、互いに反応する２種類の処理ガスを交互にウエハＷに供給してＡＬＤ法により反応生成物を積層するにあたり、処理ガス供給用の第１のガスインジェクター５１ａとは別に第３のガスインジェクター５１ｃを設けて、処理ガスを切り替える時には第３のガスインジェクター５１ｃの長さ方向に形成されたスリット５０からパージガスを供給している。そして、このパージガスの流量について、例えば従来の装置（ガス吐出口５２の形成されたガスインジェクター５１を用いてパージガスを供給していた場合）と比べて、例えば４０倍程度もの大流量に設定している。そのため、処理ガスの切り替え時には、処理ガスの流量よりも極めて大きな流量のパージガスを反応管１２内に安定的に（例えば第３のガスインジェクター５１ｃの破損などを起こすことなく）供給できるので、当該反応管１２内の雰囲気を速やかに置換できる。従って、処理雰囲気中における処理ガス同士の例えばＣＶＤ的な反応を抑えることができるので、３次元構造の（表面積の大きい）ウエハＷであっても、後述の実施例にも示すように、ウエハＷの面内に亘って被覆（カバレッジ）性が良好で膜厚及び膜質の均一性の高い成膜処理を行うことができる。
【００２５】
また、パージガス用の第３のガスインジェクター５１ｃについて、スリット５０を当該第３のガスインジェクター５１ｃの上方側から下方側に亘って形成しているので、各ウエハＷに対して例えば乱気流の発生を抑えて層流の状態でパージガスを供給できる。そのため、ウエハＷの保持領域に対して、ムラのない状態であるいはムラの抑えられた状態でパージガスを供給できるし、また例えば第３のガスインジェクター５１ｃの管壁（スリット５０の周縁部）に堆積したＣＶＤ膜の剥離などに由来するパーティクルの発生を抑えることができる。更に、スリット５０の幅寸法ｔを既述の範囲内に設定しているので、当該スリット５０の長さ方向に亘って流量を揃えた状態でパージガスを供給できる。
【００２６】
更に、処理ガスの切り替え時において処理ガス同士が互いに混ざり合うことを抑えるにあたって、パージガスの流量を既述のように各処理ガスの流量よりも大流量に設定しているので、後述の実施例に示すように、反応管１２内を高真空に設定する必要がない。即ち、反応管１２内の圧力を成膜処理に適した処理圧力に設定できるので、成膜レートの低下を抑えて成膜処理を行うことができる。
【００２７】
ここで、処理ガスを供給するための第１のガスインジェクター５１ａについてはガス吐出口５２を形成し、当該処理ガスの流量を最小限に留めている。即ち、各ウエハＷ間の領域に均一に処理ガスをスリット５０から供給しようとすると、当該処理ガスの流量が必要以上に大きくなるので、処理ガス（原料ガス）のコストが高いことから得策ではない。しかし、本発明では原料ガスであるＺｒ系ガスについては第１のガスインジェクター５１ａにガス吐出口５２を形成してガス流量の少量化を図り、一方パージガスについては大流量で供給できるように第３のガスインジェクター５１ｃにスリット５０を形成して、いわば各ガスの供給流量に対応させてガスの吐出面積（ガス吐出口５２及びスリット５０）を調整している。また、Ｏ３ガスについても、大流量用の第３のガスインジェクター５１ｃとは別に専用の第２のガスインジェクター５１ｂを設けて、当該Ｏ３ガスの流量の少量化（最適化）を図っている。そのため、処理ガス（原料ガスやＯ３ガス）のコストを抑えつつ、ＡＬＤ法による成膜を速やかに行うことが出来る。
【００２８】
既述のスリット５０としては、上下方向にテーパー状に形成しても良く、具体的には当該スリット５０の上端側の幅寸法ｔ及び下端側の幅寸法ｔを夫々４ｍｍ及び１ｍｍに設定し、スリット５０の４つの外縁のうち上下方向に伸びる２つの外縁と鉛直軸とのなす角度が各々１°となるようにしても良い。
【００２９】
また、スリット５０について、長さ方向に複数に区画しても良い。図８は、スリット５０を長さ方向に３つに等間隔に区画した例を示している。この例において、３つのスリット５０の各々について「５０ａ」の符号を付すと、互いに隣接するスリット５０ａ、５０ａ間の離間距離ｄは、例えば０．０５ｃｍ〜１．０ｃｍ（ウエハＷの厚み寸法と同じ寸法）程度に設定される。
【００３０】
更に、図９は、スリット５０ａの長さ寸法を最も短くした例、即ちスリット５０の区画数を最も多くした例を示している。具体的には、各々のスリット５０ａは、互いに隣接する２枚のウエハＷに対して共通化されており、ｋ（ｋ：自然数）枚目のウエハＷの下端位置から、当該ウエハＷの下方側における（ｋ＋２）枚目のウエハＷの上端位置までに亘って形成されている。図９においても、前記離間距離ｄは同様の寸法に設定される。尚、図９においては、第３のガスインジェクター５１ｃの一部を拡大して描画している。
【００３１】
また、第３のガスインジェクター５１ｃの他の例を図１０に示す。図１０では、図８及び図９と同様に、第３のガスインジェクター５１ｃの長さ方向に沿って複数のスリット５０ａを形成している。そして、この例では、スリット５０ａの長さ寸法ｊは、第３のガスインジェクター５１ｃの上方側から下方側に向かって徐々に長くなっている。具体的には、第３のガスインジェクター５１ｃの最上段におけるスリット５０ａ及び最下段における長さ寸法ｊは、夫々例えば１．６ｃｍ及び１２ｃｍとなっており、当該最上段から下方側に向かうにつれて例えば０．８ｃｍずつ長くなっている。
【００３２】
即ち、第３のガスインジェクター５１ｃの下方側からパージガスが導入されるので、当該第３のガスインジェクター５１ｃ内を通流するパージガスの流量は、下方側から上方側に向かうにつれて少なくなる。そのため、この例では、第３のガスインジェクター５１ｃ内を通流するパージガス流量に応じて、パージガス流量の多い下方側の領域ではスリット５０ａの長さ寸法ｊを長く設定し、パージガス流量の少なくなる上方側に向かうにつれて、スリット５０ａの長さ寸法ｊを徐々に短く設定している。従って、第３のガスインジェクター５１ｃの長さ方向に亘って各々のスリット５０ａからウエハＷに対して供給されるパージガス圧力を揃えることができる。この例においても、互いに隣接するスリット５０ａ、５０ａ間の離間距離ｄは既述と同じ寸法に設定される。
【００３３】
ここで、既述のように第３のガスインジェクター５１ｃに下方側からパージガスが供給されるので、当該第３のガスインジェクター５１ｃの下方側ではウエハＷに対してパージガスが過剰に供給され、一方上方側ではウエハＷへのパージガスの流量が不足する場合もある。この場合には、スリット５０ａについて、下方側では長さ寸法ｊを短く設定し、第３のガスインジェクター５１ｃの上方側に向かうにつれて長さ寸法ｊが徐々に長くなるように、つまり既述の図１０の各々のスリット５０ａの配置を上下逆となるようにしても良い。
【００３４】
ここで、既述のようにＯ３ガスの流量がＺｒ系ガスの流量よりも多いので、Ｏ３ガスをＮ２ガスの第３のガスインジェクター５１ｃから反応管１２内に供給しても良い。即ち、図１１に示すように、Ｏ３ガス用の第２のガスインジェクター５１ｂとＮ２ガス用の第３のガスインジェクター５１ｃとを共通化しても良い。図１１において、Ｏ３ガスの貯留源５５から伸びるガス供給路５６は、反応管１２の外側領域においてＮ２ガスの貯留源５５と第３のガスインジェクター５１ｃとの間のガス供給路５７に接続されている。
【００３５】
また、反応管１２を二重管構造としたが、一重管構造の反応管１２を用いると共に、ウエハボート１１の長さ方向に夫々伸びるダクト状のガス供給部（ガスインジェクター）及び排気部を反応管１２の外側に夫々気密に配置すると共に、これらガス供給部及び排気部と夫々連通するように反応管１２の側面にガス吐出口５２、スリット５０及び排気口１６を形成しても良い。図１２及び図１３は、このような構成例の要部を示している。図１２及び図１３において８０は排気ダクト、８１はガス供給部であり、ガス供給部８１はＺｒ系ガス、Ｏ３ガス及びＮ２ガス毎に個別に設けられている。尚、図１４では排気ダクト８０について一部を切り欠いて内部の排気口１６を示している。
【００３６】
既述の例では、第３のガスインジェクター５１ｃから反応管１２内に供給するＮ２ガスの流量について、２０ｓｌｍ〜１００ｓｌｍに設定したが、ウエハボート１１に保持されているウェハＷの枚数をＮ枚とすると、Ｎ２ガス流量を０．０５Ｎ〜２．０Ｎｓｌｍに設定しても良く、具体的には７．５〜３００ｓｌｍ（ウエハＷの保持枚数：１５０枚）としても良い。
【実施例】
【００３７】
続いて、既述のようにパージガスの流量を各処理ガスの流量よりも多く設定した場合に得られる薄膜の特性を評価した実験について説明する。この実験には、ウエハＷの収納枚数が３３枚（製品ウエハＷ：２５枚、ダミーウエハ：上下４枚ずつ）に設定された小型の実験用装置を用いた。また、図１５に示すように、開口部（ホール）２００が多数箇所に形成された３次元構造のウエハＷを用いた。そして、既述のようにＺｒ系ガス及びＯ３ガスを用いると共にこれらガスの切り替え時にパージガスを供給して、以下に示す各実験条件に基づいて、目標膜厚が５ｎｍ（５０Å）となるようにジルコニウムオキサイド膜を成膜した。尚、以下の表において「共通」とは、他の実験例と揃えた条件であることを意味している。
（実験条件）
【００３８】
そして、開口部２００の上側から下側にかけて、ホールトップ、トップ、センター、センターボトム間及びボトムにおいて薄膜の膜厚を測定すると共に、各々の実験条件毎に、ホールトップの膜厚を１００％とした時の下方側の薄膜の膜厚比（ステップカバレッジ）を計算した。この結果を以下の表及び図１４に示す。
【００３９】
【００４０】
その結果、各実験例では、センターにおける膜厚がほぼ揃っていた。センターではガス流量の影響を受けにくいことから、各実験例ではほぼ同程度の膜厚の薄膜が得られる実験条件となっていることが分かる。一方、比較例と本発明とを比べると、ＣＶＤ膜が特に付着しやすい傾向のあるホールトップにおける膜厚は、本発明（５．５ｎｍ）では比較例（６．４ｎｍ）よりも０．９ｎｍも薄くなっており、センターにおける膜厚（４．６ｎｍ）に近い値となっていた。即ち、本発明では、目標膜厚に対するホールトップにおける膜厚増加分が０．５ｎｍ（５Å）で抑えられている。そのため、比較例では処理ガスの置換が不十分となり、処理雰囲気中（開口部２００の上方側）において処理ガス同士が互いに混ざり合ってＣＶＤ的に反応生成物が生成していることが分かる。しかし、本発明では、１６ｓｌｍもの大流量でパージガスを供給しているので、処理ガスの置換が良好に行われて処理雰囲気における反応ガス同士の反応が抑えられ、開口部２００の上方側から下方側に亘って揃った膜厚の薄膜が得られることが分かった。ステップカバレッジの計算結果からも、本発明では開口部２００の深さ方向に亘って均一な膜厚となっていることが分かる。
【００４１】
尚、参考例１において、Ｏ３ガスの流量を増やすことによって、比較例よりも被覆性（カバレッジ性）が若干改善されていた。また、参考例２では、本発明と同レベルの特性となっていた。従って、参考例２及び本発明の結果から、反応管１２内を高真空に設定することによって処理ガス同士の反応が抑えられるが、本発明では反応管１２内を高真空に設定することに代えてパージガスの流量を多くしていると言える。そのため、本発明では、反応管１２内を高真空に設定したことによる成膜レートの低下を抑えて、処理ガス同士の反応を抑制できることが分かった。
【符号の説明】
【００４２】
Ｗ ウエハ
１２ 反応管
２１ 排気口
５２ ガス吐出口
５０ スリット
５１ａ〜５１ｃ ガスインジェクター
５５ 貯留源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、その周囲に加熱部が配置された縦型の反応管内に搬入して、基板に対して成膜処理を行う成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」と言う）に対して、互いに反応する複数例えば２種類の処理ガスを順番に（交互に）供給して、反応生成物を積層するＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて薄膜を形成する手法が知られている。このＡＬＤ法を縦型熱処理装置にて実施する場合、第１の処理ガスを供給するインジェクターと、第２の処理ガスを供給するインジェクターとが用いられ、これらインジェクターは、各ウエハに対応した位置にガス吐出孔を有するいわゆる分散インジェクターとして反応管内に設けられる。そして、処理ガスを切り替える時には、例えばこれら２本のインジェクターからパージガスを供給している。
【０００３】
一方、３次元構造の半導体デバイスが検討されており、具体的には例えば深さ寸法及び開口径が夫々３０ｎｍ及び２０００ｎｍ程度もの大きなアスペクト比を持つ開口部が表面に多数箇所に形成されたウエハに対して、既述のＡＬＤ法により成膜処理を行う場合がある。このようなウエハでは、平滑なウエハに比べて表面積が例えば４０倍から８０倍もの大きさになることがある。そのため、既述のインジェクターから供給されるパージガスの流量では、ウエハの表面に物理的に吸着した処理ガスを排気（置換）しにくくなってしまうおそれがある。従って、例えば処理雰囲気中（反応管内）において処理ガス同士が互いに混ざり合っていわばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）的に反応してしまい、既述の開口部の下端側よりも上端側において薄膜の膜厚が厚くなり、例えば開口部の上端部が閉塞してしまうなど、良好なカバレッジ性（被覆性）の得られない場合がある。
【０００４】
特許文献１には、成膜処理中において処理ガスの流れを制限するために、不活性ガスノズル２２ｃ、２２ｄの不活性ガス噴出口２４ｃ、２４ｄから不活性ガスをウエハ１０に供給する技術が記載されており、また特許文献２には縦型の熱処理装置においてＡＬＤ法を用いて薄膜を形成する方法について記載されているが、既述の課題については検討されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１８４６２号公報（段落００４８、００５１）
【特許文献２】特開２００５−２５９８４１号公報（段落００１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板保持具に棚状に積載された複数枚の基板に対して、互いに反応する複数種類の処理ガスを順番に供給して成膜処理を行うにあたり、処理ガスを切り替える時の雰囲気を容易に置換できる成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の成膜装置は、
複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、その周囲に加熱部が配置された縦型の反応管内に搬入して、基板に対して成膜処理を行う成膜装置において、
第１の処理ガスを基板に供給するための複数のガス吐出口が各基板間の高さ位置毎に各々形成された第１のガスインジェクターと、
第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを基板に供給するために、前記第１のガスインジェクターに対して前記反応管の周方向に離間して設けられ、前記反応管の長さ方向に沿って伸びると共に基板側にガス吐出口が形成された第２のガスインジェクターと、
前記第１のガスインジェクターに対して前記反応管の周方向に離間した位置にて前記反応管の長さ方向に沿って伸びるように設けられ、前記基板保持具に保持される基板の保持領域の上端から下端に亘ってパージガス供給用のスリットが形成された第３のガスインジェクターと、
前記保持領域を介して前記第１のガスインジェクターとは反対側に形成され、前記反応管内の雰囲気を排気するための排気口と、
前記反応管内に第１の処理ガス及び第２の処理ガスを順番に供給すると共に、これら処理ガスの切り替え時には前記反応管内にパージガスを供給して当該反応管内の雰囲気を置換するように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
処理ガスの切り替え時に前記第３のガスインジェクターから供給されるパージガスの総流量は、基板の保持枚数をＮとすると、０．０５×Ｎ〜２．０×Ｎリットル／分であっても良い。
また、前記第３のガスインジェクターは、前記第２のガスインジェクターを兼用していても良い。
前記スリットは、前記第３のガスインジェクターの長さ方向に複数に分割され、
分割されたスリットは、ｋ（ｋ：整数）段目の基板の下面から（ｋ＋２）段目の基板の上面までの高さ寸法よりも長く設定されていても良い。
また、前記スリットは、前記第３のガスインジェクターの長さ方向に複数に分割され、
分割されたスリットの長さ寸法は、前記第３のガスインジェクターの上方側及び下方側の一方側から他方側に向かって徐々に長くなるように設定されていても良い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、基板保持具に棚状に積載された複数枚の基板に対して、互いに反応する複数種類の処理ガスを順番に供給して成膜処理を行うにあたり、処理ガスを供給する第１のガスインジェクターとは別に、パージガスを供給するための第３のガスインジェクターを反応管の長さ方向に沿うように設けている。そして、前記長さ方向に伸びるスリットを前記第３のガスインジェクターに形成して、処理ガスを切り替える時にこのスリットからパージガスを供給しているので、成膜処理の行われる雰囲気を容易に置換できる。そのため、雰囲気中における処理ガス同士の反応を抑えることができ、基板の面内に亘って被覆性が良好で且つ均一性の高い成膜処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の縦型熱処理装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】前記縦型熱処理装置を示す横断平面図である。
【図３】前記縦型熱処理装置の各ガスインジェクターを側方側から見た模式図である。
【図４】前記ガスインジェクターを上方側から見た横断面図である。
【図５】前記縦型熱処理装置における作用を示す横断平面図である。
【図６】前記縦型熱処理装置における作用を示す横断平面図である。
【図７】前記縦型熱処理装置における作用を示す横断平面図である。
【図８】本発明の他の例を示すガスインジェクターの模式図である。
【図９】本発明の更に別の例を示すガスインジェクターの模式図である。
【図１０】本発明の他の例を示すガスインジェクターの模式図である。
【図１１】本発明の他の例を示す横断平面図である。
【図１２】前記縦型熱処理装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１３】前記縦型熱処理装置の他の例を示す反応管の斜視図である。
【図１４】本発明の実施例にて得られる特性を示す特性図である。
【図１５】前記実施例に用いたウエハの概略を模式的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の成膜装置の実施の形態の一例について、図１〜図４を参照して説明する。始めにこの成膜装置の概略について簡単に説明すると、この成膜装置は、互いに反応する複数種類この例では２種類の処理ガスをウエハＷに対して順番に（交互に）供給して反応生成物を積層するＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により薄膜を成膜する縦型熱処理装置として構成されている。そして、処理ガスを切り替える時には、これら処理ガスよりも大流量で不活性ガスをパージガスとして供給し、成膜処理が行われる処理雰囲気を速やかに置換できるように構成されている。以下に、この成膜装置の具体的構成について詳述する。
【００１２】
成膜装置は、直径寸法が例えば３００ｍｍのウエハＷを棚状に積載するための例えば石英からなる基板保持具であるウエハボート１１と、このウエハボート１１を内部に気密に収納して成膜処理を行うための例えば石英からなる反応管１２と、を備えている。反応管１２の外側には、内壁面に周方向に亘って加熱部であるヒータ１３の配置された加熱炉本体１４が設けられており、反応管１２及び加熱炉本体１４は、水平方向に伸びるベースプレート１５によって下端部が周方向に亘って支持されている。ウエハボート１１には、上下方向に伸びる複数本例えば３本の支柱３２が設けられており、各々の支柱３２には、ウエハＷを下方側から支持する溝部３２ａが各々のウエハＷの保持位置毎に内周側に形成されている。尚、図１中３７はウエハボート１１の天板、３８はウエハボート１１の底板である。
【００１３】
反応管１２は、この例では外管１２ａと当該外管１２ａの内部に収納された内管１２ｂとの二重管構造となっており、これら外管１２ａ及び内管１２ｂの各々は、下面側が開口するように形成されている。内管１２ｂの天井面は水平に形成され、外管１２ａの天井面は外側に膨らむように概略円筒形状に形成されている。これら外管１２ａ及び内管１２ｂは、下端面がフランジ状に形成されると共に上下面が開口する概略円筒形状のフランジ部１７により、下方側から各々気密に支持されている。即ち、フランジ部１７の上端面により外管１２ａが気密に支持され、フランジ部１７の内壁面から内側に向かって水平に突出する突出部１７ａにより内管１２ｂが気密に支持されている。この内管１２ｂは、側面の一端側が当該内管１２ｂの長さ方向に沿って外側に膨らむように形成されており、この外側に膨らんだ部分にガスインジェクター５１が収納されるように構成されている。
【００１４】
この例では、ガスインジェクター５１は３本配置されており、各々ウエハボート１１の長さ方向に沿って配置されると共に、反応管１２の周方向に沿って互いに離間するように並んでいる。これらガスインジェクター５１は、例えば石英から各々構成されている。これら３本のガスインジェクター５１について、図２に示すように、反応管１２を上方側から見て時計回り（右回り）に「第１のガスインジェクター５１ａ」、「第２のガスインジェクター５１ｂ」及び「第３のガスインジェクター５１ｃ」と呼ぶと、第１のガスインジェクター５１ａにはジルコニウム（Ｚｒ）を含むＺｒ系ガス（原料ガス）例えばテトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺｒ）ガスの貯留源５５ａが接続されている。また、第２のガスインジェクター５１ｂにはＯ３（オゾン）ガスの貯留源５５ｂが接続され、第３のガスインジェクター５１ｃにはＮ２（窒素）ガスの貯留源５５ｃが接続されている。図２において、５３はバルブ、５４は流量調整部である。
【００１５】
ガスインジェクター５１ａ、５１ｂにおけるウエハＷの保持領域(処理領域)側の管壁には、図３に示すように、複数のガス吐出口５２が上下方向に亘って等間隔に各々形成されており、各々のガス吐出口５２の開口径は例えば０．５ｍｍとなっている。また、各々のガス吐出口５２は、ウエハボート１１における各々のウエハＷの保持位置に対応するように、即ち一のウエハＷの上面と当該一のウエハＷの上方側に対向する他のウエハＷの下面との間の領域を臨むように形成されている。尚、図３は、各々のガスインジェクター５１をウエハＷ側から見た様子を示しており、各々のウエハＷについてはガスインジェクター５１よりも側方側にずらして描画している。また、図３においてウエハボート１１や反応管１２については省略している。
【００１６】
また、第３のガスインジェクター５１ｃにおける前記保持領域側の管壁には、当該保持領域の上端から下端に亘って上下方向に伸びるように、概略矩形のスリット５０が形成されている。即ち、ウエハボート１１に保持されるウエハＷの枚数をＮ枚とすると、スリット５０は、前記保持領域における上端（１枚目）のウエハＷの表面よりも上方の位置から、保持領域における下端（Ｎ枚目）のウエハＷの下面よりも下方の位置までに亘って伸びている。このスリット５０の幅寸法（詳しくは第３のガスインジェクター５１ｃの外周面の周方向に沿った幅寸法）ｔは、図４に示すように、０．０１〜１ｍｍこの例では０．３ｍｍとなっている。また、第３のガスインジェクター５１ｃを平面的に見た時のパージガスの流路の内径寸法（管本体の内径）Ｒは、例えば１１．４ｍｍとなっている。この時、互いに隣接するウエハＷ間の離間距離ｈは、図３に示すように、例えば１１ｍｍとなっている。
【００１７】
各々のガスインジェクター５１に対向するように、既述の内管１２ｂの側面には、図２にも示すように、当該内管１２ｂの長さ方向に沿うようにスリット状の排気口１６が形成されている。即ち、排気口１６は、ウエハボート１１においてウエハＷが収納される保持領域を介して各々のガスインジェクター５１の反対側、この例では各ガスインジェクター５１に対向するように形成されている。この排気口１６は、上端位置及び下端位置が第３のガスインジェクター５１ｃのスリット５０の上端位置及び下端位置と同じ高さ位置となるように形成されている。そのため、各々のガスインジェクター５１から内管１２ｂに供給される処理ガス及びパージガスは、この排気口１６を介して内管１２ｂと外管１２ａとの間の領域に排気される。この時、前記「反対側」とは、図２に示すように、反応管１２を上方側から見た時に、ガスインジェクター５１ａ、５１ｃの並びに平行で且つ反応管１２の中心を通る直線に「Ｌ」の符号を付すと、この直線Ｌにより区画される反応管１２内の２つの領域のうちガスインジェクター５１の設けられていない領域を言う。
【００１８】
そして、これら内管１２ｂと外管１２ａとの間の領域に連通するように、既述のフランジ部１７の側壁には排気口２１が形成されており、この排気口２１から伸びる排気路２２には、バタフライバルブなどの圧力調整部２３を介して真空ポンプ２４が接続されている。フランジ部１７の下方側には、当該フランジ部１７の下端部であるフランジ面に外縁部が周方向に亘って気密に接触するように概略円板状に形成された蓋体２５が設けられており、この蓋体２５は、図示しないボートエレベータなどの昇降機構により、ウエハボート１１と共に昇降自在に構成されている。図１中２６はウエハボート１１と蓋体２５との間に円筒状に形成された断熱体、２７はウエハボート１１及び断熱体２６を鉛直軸周りに回転させるためのモータなどの回転機構である。また、図１中２８は、蓋体２５を気密に貫通してモータ２７とウエハボート１１及び断熱体２６とを接続する回転軸であり、２１ａは排気ポートである。
【００１９】
この縦型熱処理装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１００が設けられており、この制御部１００のメモリ内には後述の成膜処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部１０１から制御部１００内にインストールされる。
【００２０】
次に、上述実施の形態の作用について説明する。先ず、反応管１２の下方側において、図示しない搬送アームによりウエハボート１１に例えば１５０枚の１２インチ（３００ｍｍ）サイズのウエハＷを載置する。各々のウエハＷの表面には、例えば高誘電体を埋め込むためのホールが形成されている。ウエハボート１１における最上段（１枚目）から５枚目まで及び最下段（Ｎ枚目）から（Ｎ−４）枚目までにはダミーウエハが搭載され、これらダミーウエハ間（６枚目〜（Ｎ−５）枚目）に製品用のウエハＷが保持されている。
【００２１】
そして、ウエハボート１１を反応管１２内に気密に挿入して、真空ポンプ２４により反応管１２内の雰囲気を真空排気すると共に、ウエハボート１１を鉛直軸周りに回転させながら、ヒータ１３によりこのウエハボート１１上のウエハＷが例えば２５０℃程度となるように加熱する。続いて、圧力調整部２３により反応管１２内の圧力を処理圧力例えば１．０Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）に調整しながら、図５に示すように、当該反応管１２内に第１のガスインジェクター５１ａのガス吐出口５２から第１の処理ガスである既述のＺｒ系ガスを例えば０．４ｍｌ／ｍｉｎ（液体流量）で供給する。ウエハＷの表面にＺｒ系ガスが接触すると、当該ウエハＷの表面にはこのＺｒ系ガスの原子層あるいは分子層が吸着する。未反応のＺｒ系ガスやウエハＷへの吸着により生成した有機ガスなどは、排気口１６に排気される。
【００２２】
次いで、Ｚｒ系ガスの供給を停止すると共に、例えば１２インチサイズのウエハＷがウエハボート１１に１５０枚保持されている場合には、図６に示すように、第３のガスインジェクター５１ｃから反応管１２内にパージガスであるＮ２ガスを２０ｓｌｍ（リットル／分）〜１００ｓｌｍで供給することが好ましく、この例では６０ｓｌｍで例えば２０秒間に亘って供給する。このように、Ｚｒ系ガスの流量よりも大流量のパージガスを反応管１２内に供給しているので、当該反応管１２内の雰囲気は極めて速やかに置換される。
【００２３】
続いて、パージガスの供給を停止して、図７に示すように、反応管１２内に第２の処理ガスであるＯ３ガスを例えば３００ｇ／Ｎｍ３（Ｏ２を２０ｓｌｍで流して得られるＯ３濃度）で供給する。このＯ３ガスは、同様にガス吐出口５２の各々からウエハＷに向かって通流し、各々のウエハＷに吸着したＺｒ系ガスの成分を酸化してジルコニウムオキサイド（Ｚｒ−Ｏ）からなる反応生成物を生成する。そして、Ｏ３ガスの供給を停止した後、パージガスにより反応管１２の雰囲気を既述のように置換する。こうしてＺｒ系ガス、パージガス、Ｏ３ガス及びパージガスをこの順番で供給する供給サイクルを複数回行って、前記反応生成物の層を積層する。
【００２４】
上述の実施の形態によれば、互いに反応する２種類の処理ガスを交互にウエハＷに供給してＡＬＤ法により反応生成物を積層するにあたり、処理ガス供給用の第１のガスインジェクター５１ａとは別に第３のガスインジェクター５１ｃを設けて、処理ガスを切り替える時には第３のガスインジェクター５１ｃの長さ方向に形成されたスリット５０からパージガスを供給している。そして、このパージガスの流量について、例えば従来の装置（ガス吐出口５２の形成されたガスインジェクター５１を用いてパージガスを供給していた場合）と比べて、例えば４０倍程度もの大流量に設定している。そのため、処理ガスの切り替え時には、処理ガスの流量よりも極めて大きな流量のパージガスを反応管１２内に安定的に（例えば第３のガスインジェクター５１ｃの破損などを起こすことなく）供給できるので、当該反応管１２内の雰囲気を速やかに置換できる。従って、処理雰囲気中における処理ガス同士の例えばＣＶＤ的な反応を抑えることができるので、３次元構造の（表面積の大きい）ウエハＷであっても、後述の実施例にも示すように、ウエハＷの面内に亘って被覆（カバレッジ）性が良好で膜厚及び膜質の均一性の高い成膜処理を行うことができる。
【００２５】
また、パージガス用の第３のガスインジェクター５１ｃについて、スリット５０を当該第３のガスインジェクター５１ｃの上方側から下方側に亘って形成しているので、各ウエハＷに対して例えば乱気流の発生を抑えて層流の状態でパージガスを供給できる。そのため、ウエハＷの保持領域に対して、ムラのない状態であるいはムラの抑えられた状態でパージガスを供給できるし、また例えば第３のガスインジェクター５１ｃの管壁（スリット５０の周縁部）に堆積したＣＶＤ膜の剥離などに由来するパーティクルの発生を抑えることができる。更に、スリット５０の幅寸法ｔを既述の範囲内に設定しているので、当該スリット５０の長さ方向に亘って流量を揃えた状態でパージガスを供給できる。
【００２６】
更に、処理ガスの切り替え時において処理ガス同士が互いに混ざり合うことを抑えるにあたって、パージガスの流量を既述のように各処理ガスの流量よりも大流量に設定しているので、後述の実施例に示すように、反応管１２内を高真空に設定する必要がない。即ち、反応管１２内の圧力を成膜処理に適した処理圧力に設定できるので、成膜レートの低下を抑えて成膜処理を行うことができる。
【００２７】
ここで、処理ガスを供給するための第１のガスインジェクター５１ａについてはガス吐出口５２を形成し、当該処理ガスの流量を最小限に留めている。即ち、各ウエハＷ間の領域に均一に処理ガスをスリット５０から供給しようとすると、当該処理ガスの流量が必要以上に大きくなるので、処理ガス（原料ガス）のコストが高いことから得策ではない。しかし、本発明では原料ガスであるＺｒ系ガスについては第１のガスインジェクター５１ａにガス吐出口５２を形成してガス流量の少量化を図り、一方パージガスについては大流量で供給できるように第３のガスインジェクター５１ｃにスリット５０を形成して、いわば各ガスの供給流量に対応させてガスの吐出面積（ガス吐出口５２及びスリット５０）を調整している。また、Ｏ３ガスについても、大流量用の第３のガスインジェクター５１ｃとは別に専用の第２のガスインジェクター５１ｂを設けて、当該Ｏ３ガスの流量の少量化（最適化）を図っている。そのため、処理ガス（原料ガスやＯ３ガス）のコストを抑えつつ、ＡＬＤ法による成膜を速やかに行うことが出来る。
【００２８】
既述のスリット５０としては、上下方向にテーパー状に形成しても良く、具体的には当該スリット５０の上端側の幅寸法ｔ及び下端側の幅寸法ｔを夫々４ｍｍ及び１ｍｍに設定し、スリット５０の４つの外縁のうち上下方向に伸びる２つの外縁と鉛直軸とのなす角度が各々１°となるようにしても良い。
【００２９】
また、スリット５０について、長さ方向に複数に区画しても良い。図８は、スリット５０を長さ方向に３つに等間隔に区画した例を示している。この例において、３つのスリット５０の各々について「５０ａ」の符号を付すと、互いに隣接するスリット５０ａ、５０ａ間の離間距離ｄは、例えば０．０５ｃｍ〜１．０ｃｍ（ウエハＷの厚み寸法と同じ寸法）程度に設定される。
【００３０】
更に、図９は、スリット５０ａの長さ寸法を最も短くした例、即ちスリット５０の区画数を最も多くした例を示している。具体的には、各々のスリット５０ａは、互いに隣接する２枚のウエハＷに対して共通化されており、ｋ（ｋ：自然数）枚目のウエハＷの下端位置から、当該ウエハＷの下方側における（ｋ＋２）枚目のウエハＷの上端位置までに亘って形成されている。図９においても、前記離間距離ｄは同様の寸法に設定される。尚、図９においては、第３のガスインジェクター５１ｃの一部を拡大して描画している。
【００３１】
また、第３のガスインジェクター５１ｃの他の例を図１０に示す。図１０では、図８及び図９と同様に、第３のガスインジェクター５１ｃの長さ方向に沿って複数のスリット５０ａを形成している。そして、この例では、スリット５０ａの長さ寸法ｊは、第３のガスインジェクター５１ｃの上方側から下方側に向かって徐々に長くなっている。具体的には、第３のガスインジェクター５１ｃの最上段におけるスリット５０ａ及び最下段における長さ寸法ｊは、夫々例えば１．６ｃｍ及び１２ｃｍとなっており、当該最上段から下方側に向かうにつれて例えば０．８ｃｍずつ長くなっている。
【００３２】
即ち、第３のガスインジェクター５１ｃの下方側からパージガスが導入されるので、当該第３のガスインジェクター５１ｃ内を通流するパージガスの流量は、下方側から上方側に向かうにつれて少なくなる。そのため、この例では、第３のガスインジェクター５１ｃ内を通流するパージガス流量に応じて、パージガス流量の多い下方側の領域ではスリット５０ａの長さ寸法ｊを長く設定し、パージガス流量の少なくなる上方側に向かうにつれて、スリット５０ａの長さ寸法ｊを徐々に短く設定している。従って、第３のガスインジェクター５１ｃの長さ方向に亘って各々のスリット５０ａからウエハＷに対して供給されるパージガス圧力を揃えることができる。この例においても、互いに隣接するスリット５０ａ、５０ａ間の離間距離ｄは既述と同じ寸法に設定される。
【００３３】
ここで、既述のように第３のガスインジェクター５１ｃに下方側からパージガスが供給されるので、当該第３のガスインジェクター５１ｃの下方側ではウエハＷに対してパージガスが過剰に供給され、一方上方側ではウエハＷへのパージガスの流量が不足する場合もある。この場合には、スリット５０ａについて、下方側では長さ寸法ｊを短く設定し、第３のガスインジェクター５１ｃの上方側に向かうにつれて長さ寸法ｊが徐々に長くなるように、つまり既述の図１０の各々のスリット５０ａの配置を上下逆となるようにしても良い。
【００３４】
ここで、既述のようにＯ３ガスの流量がＺｒ系ガスの流量よりも多いので、Ｏ３ガスをＮ２ガスの第３のガスインジェクター５１ｃから反応管１２内に供給しても良い。即ち、図１１に示すように、Ｏ３ガス用の第２のガスインジェクター５１ｂとＮ２ガス用の第３のガスインジェクター５１ｃとを共通化しても良い。図１１において、Ｏ３ガスの貯留源５５から伸びるガス供給路５６は、反応管１２の外側領域においてＮ２ガスの貯留源５５と第３のガスインジェクター５１ｃとの間のガス供給路５７に接続されている。
【００３５】
また、反応管１２を二重管構造としたが、一重管構造の反応管１２を用いると共に、ウエハボート１１の長さ方向に夫々伸びるダクト状のガス供給部（ガスインジェクター）及び排気部を反応管１２の外側に夫々気密に配置すると共に、これらガス供給部及び排気部と夫々連通するように反応管１２の側面にガス吐出口５２、スリット５０及び排気口１６を形成しても良い。図１２及び図１３は、このような構成例の要部を示している。図１２及び図１３において８０は排気ダクト、８１はガス供給部であり、ガス供給部８１はＺｒ系ガス、Ｏ３ガス及びＮ２ガス毎に個別に設けられている。尚、図１４では排気ダクト８０について一部を切り欠いて内部の排気口１６を示している。
【００３６】
既述の例では、第３のガスインジェクター５１ｃから反応管１２内に供給するＮ２ガスの流量について、２０ｓｌｍ〜１００ｓｌｍに設定したが、ウエハボート１１に保持されているウェハＷの枚数をＮ枚とすると、Ｎ２ガス流量を０．０５Ｎ〜２．０Ｎｓｌｍに設定しても良く、具体的には７．５〜３００ｓｌｍ（ウエハＷの保持枚数：１５０枚）としても良い。
【実施例】
【００３７】
続いて、既述のようにパージガスの流量を各処理ガスの流量よりも多く設定した場合に得られる薄膜の特性を評価した実験について説明する。この実験には、ウエハＷの収納枚数が３３枚（製品ウエハＷ：２５枚、ダミーウエハ：上下４枚ずつ）に設定された小型の実験用装置を用いた。また、図１５に示すように、開口部（ホール）２００が多数箇所に形成された３次元構造のウエハＷを用いた。そして、既述のようにＺｒ系ガス及びＯ３ガスを用いると共にこれらガスの切り替え時にパージガスを供給して、以下に示す各実験条件に基づいて、目標膜厚が５ｎｍ（５０Å）となるようにジルコニウムオキサイド膜を成膜した。尚、以下の表において「共通」とは、他の実験例と揃えた条件であることを意味している。
（実験条件）
【００３８】
そして、開口部２００の上側から下側にかけて、ホールトップ、トップ、センター、センターボトム間及びボトムにおいて薄膜の膜厚を測定すると共に、各々の実験条件毎に、ホールトップの膜厚を１００％とした時の下方側の薄膜の膜厚比（ステップカバレッジ）を計算した。この結果を以下の表及び図１４に示す。
【００３９】
【００４０】
その結果、各実験例では、センターにおける膜厚がほぼ揃っていた。センターではガス流量の影響を受けにくいことから、各実験例ではほぼ同程度の膜厚の薄膜が得られる実験条件となっていることが分かる。一方、比較例と本発明とを比べると、ＣＶＤ膜が特に付着しやすい傾向のあるホールトップにおける膜厚は、本発明（５．５ｎｍ）では比較例（６．４ｎｍ）よりも０．９ｎｍも薄くなっており、センターにおける膜厚（４．６ｎｍ）に近い値となっていた。即ち、本発明では、目標膜厚に対するホールトップにおける膜厚増加分が０．５ｎｍ（５Å）で抑えられている。そのため、比較例では処理ガスの置換が不十分となり、処理雰囲気中（開口部２００の上方側）において処理ガス同士が互いに混ざり合ってＣＶＤ的に反応生成物が生成していることが分かる。しかし、本発明では、１６ｓｌｍもの大流量でパージガスを供給しているので、処理ガスの置換が良好に行われて処理雰囲気における反応ガス同士の反応が抑えられ、開口部２００の上方側から下方側に亘って揃った膜厚の薄膜が得られることが分かった。ステップカバレッジの計算結果からも、本発明では開口部２００の深さ方向に亘って均一な膜厚となっていることが分かる。
【００４１】
尚、参考例１において、Ｏ３ガスの流量を増やすことによって、比較例よりも被覆性（カバレッジ性）が若干改善されていた。また、参考例２では、本発明と同レベルの特性となっていた。従って、参考例２及び本発明の結果から、反応管１２内を高真空に設定することによって処理ガス同士の反応が抑えられるが、本発明では反応管１２内を高真空に設定することに代えてパージガスの流量を多くしていると言える。そのため、本発明では、反応管１２内を高真空に設定したことによる成膜レートの低下を抑えて、処理ガス同士の反応を抑制できることが分かった。
【符号の説明】
【００４２】
Ｗ ウエハ
１２ 反応管
２１ 排気口
５２ ガス吐出口
５０ スリット
５１ａ〜５１ｃ ガスインジェクター
５５ 貯留源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、その周囲に加熱部が配置された縦型の反応管内に搬入して、基板に対して成膜処理を行う成膜装置において、
第１の処理ガスを基板に供給するための複数のガス吐出口が各基板間の高さ位置毎に各々形成された第１のガスインジェクターと、
第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを基板に供給するために、前記第１のガスインジェクターに対して前記反応管の周方向に離間して設けられ、前記反応管の長さ方向に沿って伸びると共に基板側にガス吐出口が形成された第２のガスインジェクターと、
前記第１のガスインジェクターに対して前記反応管の周方向に離間した位置にて前記反応管の長さ方向に沿って伸びるように設けられ、前記基板保持具に保持される基板の保持領域の上端から下端に亘ってパージガス供給用のスリットが形成された第３のガスインジェクターと、
前記保持領域を介して前記第１のガスインジェクターとは反対側に形成され、前記反応管内の雰囲気を排気するための排気口と、
前記反応管内に第１の処理ガス及び第２の処理ガスを順番に供給すると共に、これら処理ガスの切り替え時には前記反応管内にパージガスを供給して当該反応管内の雰囲気を置換するように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
処理ガスの切り替え時に前記第３のガスインジェクターから供給されるパージガスの総流量は、基板の保持枚数をＮとすると、０．０５×Ｎ〜２．０×Ｎリットル／分であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記第３のガスインジェクターは、前記第２のガスインジェクターを兼用していることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記スリットは、前記第３のガスインジェクターの長さ方向に複数に分割され、
分割されたスリットは、ｋ（ｋ：整数）段目の基板の下面から（ｋ＋２）段目の基板の上面までの高さ寸法よりも長く設定されてい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成膜装置。
【請求項５】
前記スリットは、前記第３のガスインジェクターの長さ方向に複数に分割され、
分割されたスリットの長さ寸法は、前記第３のガスインジェクターの上方側及び下方側の一方側から他方側に向かって徐々に長くなるように設定されてい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成膜装置。
【請求項１】
複数の基板を棚状に保持した基板保持具を、その周囲に加熱部が配置された縦型の反応管内に搬入して、基板に対して成膜処理を行う成膜装置において、
第１の処理ガスを基板に供給するための複数のガス吐出口が各基板間の高さ位置毎に各々形成された第１のガスインジェクターと、
第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを基板に供給するために、前記第１のガスインジェクターに対して前記反応管の周方向に離間して設けられ、前記反応管の長さ方向に沿って伸びると共に基板側にガス吐出口が形成された第２のガスインジェクターと、
前記第１のガスインジェクターに対して前記反応管の周方向に離間した位置にて前記反応管の長さ方向に沿って伸びるように設けられ、前記基板保持具に保持される基板の保持領域の上端から下端に亘ってパージガス供給用のスリットが形成された第３のガスインジェクターと、
前記保持領域を介して前記第１のガスインジェクターとは反対側に形成され、前記反応管内の雰囲気を排気するための排気口と、
前記反応管内に第１の処理ガス及び第２の処理ガスを順番に供給すると共に、これら処理ガスの切り替え時には前記反応管内にパージガスを供給して当該反応管内の雰囲気を置換するように制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
処理ガスの切り替え時に前記第３のガスインジェクターから供給されるパージガスの総流量は、基板の保持枚数をＮとすると、０．０５×Ｎ〜２．０×Ｎリットル／分であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記第３のガスインジェクターは、前記第２のガスインジェクターを兼用していることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記スリットは、前記第３のガスインジェクターの長さ方向に複数に分割され、
分割されたスリットは、ｋ（ｋ：整数）段目の基板の下面から（ｋ＋２）段目の基板の上面までの高さ寸法よりも長く設定されてい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成膜装置。
【請求項５】
前記スリットは、前記第３のガスインジェクターの長さ方向に複数に分割され、
分割されたスリットの長さ寸法は、前記第３のガスインジェクターの上方側及び下方側の一方側から他方側に向かって徐々に長くなるように設定されてい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成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１６９３０７（Ｐ２０１２−１６９３０７Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６４００（Ｐ２０１１−２６４００）
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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