JP2012079919A - 基板処理装置及び半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜装置において稼働率の低下とメンテナンス費用アップの原因となる処理室や排気経路への反応副生成物の堆積を防止する。
【解決手段】処理室２内に設けられ複数の基板４が載置されて回転する支持部より上方に設けられ、第一のガスを供給する第一ガス供給部１０と、前記支持部より上方に設けられ、第二のガスを供給する第二ガス供給部１１と、前記支持部と第一および第二ガス供給部１０，１１との間の空間に、前記第一および第二のガスを分離する不活性ガスを供給する不活性ガス供給部１６，１７，１８と、前記支持部の下方の処理室２の底壁との間に設けられ、仕切り板１９ａ，１９ｂによって気密に区画された少なくとも二つの排気空間２１と、該排気空間のそれぞれに設けられた排気孔２２，２３と、を有する基板処理装置とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板上に薄膜を形成、或いは形成されている薄膜を改質する基板処理装置及び半導体製造方法に関する。

この種の基板処理装置として、例えば基板を複数枚一括で処理する所謂バッチ装置として、複数枚の基板を縦に積み上げ、一括で処理をする縦型の半導体製造装置が開示されている（特許文献１）。

また、回転型基板支持部に複数基板を載置し、支持部を回転させながら処理室内にガスを供給し、所望の膜を形成する半導体製造装置が開示されている（特許文献２）。

特開２００６−１５６６９５号公報 特開２００２−２８０３１３号公報

薄膜を形成する技術として、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法が用いられている。ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ順次に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う方法である。

例えば、シリコン窒化（ＳｉＮ_x）膜を形成する場合のＡＬＤ法においては、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）ガス（以下、ＤＣＳガスとする）とアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いて、３００〜６００℃の低温で、高品質の成膜が可能である。

複数種類の反応性ガスは１種類ずつ順次基板上に供給される。また、膜厚の制御は反応性ガス供給のサイクル数によって実行することができる。例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合には、複数種類のガスの供給は２０サイクル行う。

この際、供給された複数種類の反応性ガスが、処理室及び排気経路、特に処理室の内壁の排気管の近くで気相反応して、反応副生成物が生成される虞がある。生成された反応副生成物が処理室や排気経路に付着し、やがては異物発生の原因となってしまう。これを回避するために、頻繁にメンテナンスが必要になる。メンテナンスは、例えばクリーニングや装置のオーバーホールである。これらメンテナンスを行なうためには、装置を頻繁に停止する必要があり、その結果稼働率の低下、メンテナンス費用アップという問題がある。

本発明は上述の問題点を解決し、稼働率の低下、メンテナンス費用アップを抑制するために、処理室や排気経路に反応副生成物を発生させない基板処理装置及び半導体製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一の態様によれば、処理室内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、基板支持部回転機構と、前記基板支持部より上に設けられ、第一のガスを第一ガス供給孔から供給する第一ガス供給部と、前記基板支持部より上に設けられ、第二のガスを第二ガス供給孔から供給する第二ガス供給部と、前記基板支持部と前記ガス供給部の間の空間に不活性ガスを供給する第一の不活性ガス供給部と、前記基板支持部の基板支持面と前記処理室の底壁の間に設けられ、気密に区画された少なくとも二つの排気空間と、前記それぞれの排気空間に設けられたそれぞれの排気孔とを有する基板処理装置を提供する。

本発明の他の態様によれば、処理室内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、基板支持部回転機構と、前記基板支持部より上に設けられ、第一のガスを第一ガス供給孔から供給する第一ガス供給部と、前記基板支持部より上に設けられ、第二のガスを第二ガス供給孔から供給する第二ガス供給部と、前記基板支持部と前記ガス供給部の間の空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、前記基板支持部の基板支持面と前記処理室の底壁の間に設けられ、気密に区画された少なくとも二つの排気空間と、前記それぞれの排気空間に設けられたそれぞれの排気部とを有する基板処理装置を用いた半導体製造方法であって、前記第一ガス供給部から前記第一のガスを供給し、前記第二ガス供給部から前記第二のガスを供給し、前記不活性ガス供給部から前記不活性ガスを供給し、前記それぞれの排気孔は、前記それぞれの排気空間から雰囲気を排気する半導体製造方法を提供する。

本発明によれば、稼働率の低下、メンテナンス費用アップを抑制するために、処理室や排気経路に反応副生成物を発生させない基板処理装置及び半導体製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体製造装置の側面断面図である。 図１のａ−ａ’矢視図である。 本発明の実施形態に係る上部処理室壁、上部ヒータ、シャワーヘッド、回転トレー、下部ヒータ及び下部処理室壁の構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るシャワーヘッドの拡大詳細図である。 本発明の実施形態に係るガス排気部の構成を概念的に表してなる概略構成図である。 本発明の実施形態に係る半導体製造装置内のガス流れを説明する半導体製造装置の側面断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体製造装置内のガス流れを説明する図６のｃ−ｃ’矢視図である。 本発明の比較例に係る半導体製造装置の側面断面図である。 図８のｅ−ｅ’矢視図である。 本発明の比較例に係る基板載置状態を示す斜視図である。 本発明の比較例に係るガス排気部の概略構成図である。

＜実施形態＞
始めに、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態に係る半導体製造装置１の構成について説明する。ここに、図１は、本発明の実施形態に係る半導体製造装置１の側面断面図であり、図２は、図１のａ−ａ’矢視図であり、図３は、本発明の実施形態に係る上部処理室壁３ａ、上部ヒータ６、第一シャワーヘッド１０、第二シャワーヘッド１１、回転トレー５、下部ヒータ７及び下部処理室壁３ｂの構成を示す分解斜視図である。なお、説明の便宜上、図１は処理室２の中央部を通る面の側面断面図で、左半分は仕切板１９ａを含む面、右半分は第二シャワーヘッド１１を含む面の断面図（即ち図２のｂ−ｂ’矢視図）である。図２には、ウェハ４、仕切板１９、第一排気孔２２及び第二排気孔２３などを含めて図示していると共に、回転トレー５が不図示とされている。

本発明の実施形態に係る基板処理装置としての半導体製造装置１は、基板としてのウェハ４を収容する処理室２を有する。処理室２は、円状の処理室壁３に囲まれて気密に構成されている。処理室壁３は、図３に示すように、上部処理室壁３ａ及び下部処理室壁３ｂを有し、上部処理室壁３ａは、円盤及び円盤の円周面から下方に延長された円筒状の側板を含む（即ち側面断面形状が逆凹型となる）ように形成されている。下部処理室壁３ｂは、円盤及び円盤の円周面から上方に延長された円筒状の側板を含む（即ち側面断面形状が凹型となる）ように形成されている。

処理室２には、ウェハ４を支持する基板支持部としての回転トレー５と、ウェハ４を加熱するため、回転トレー５を挟み込むように設けられている上部ヒータ６、下部ヒータ７とが配置されている。このような上下で挟み込む構成によれば、ホットウォールのような構造になり、高温でも効率良く、またウェハ４を均一に加熱することができる。

回転トレー５は、回転軸８を経由して図示しない回転駆動部に連結されている。回転駆動部が回転軸８を回転させることで回転トレー５が回転する。回転軸８は、磁気シール９で回転可能に気密が保持され、ウェハ４の処理中に所定の速度で回転させることが可能な構造となっている。回転軸８、回転駆動部及び磁気シール９を基板支持部回転機構と呼ぶ。

ウェハ４は基板処理時、図３に示すように、回転トレー５の載置面（即ち図示上面）に、回転軸８を中心として複数枚（例えば、図示４枚）のウェハ４を並べて載置し、回転トレー５を回転させることで、処理室２に設けた複数の処理位置に連続的に搬送しながら、ウェハ４を処理する。ウェハ４の処理方法に関しては後述する。

上部ヒータ６を回転軸８を中心として水平方向に対称に切り欠いた箇所であって、外周の一部が開放されている空間には、反応性ガスを供給するための一対のシャワーヘッド、即ち第一シャワーヘッド１０、第二シャワーヘッド１１が設けられている。図１に示すように、第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１の下底と上部ヒータ６の下底は同じ高さとなるよう構成されていることによって、供給されたガスが上部ヒータ６の端部などにぶつからないので、ガスの乱流を抑制することができる。

第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１は、図１及び図２に示すように、そのガス供給面（即ち図１の下面）に複数の供給孔（符号省略）を有する。各シャワーヘッドのガス供給面は、回転トレー５の回転軸８から遠い下底が、回転軸８に近い上底より長い状態であって、台形状に形成されている。ガス供給面に設けられたガス供給孔は、この台形の上底から下底にいくほど多く設けられている。この構成によれば、ウェハ４における、回転軸に近い点と回転軸に遠い点でガス供給量を同じとすることができ、ウェハ４面に対して、ガス分子の均一な吸着が可能となる。また、上底と下底の距離、即ち台形の高さに相当する距離は、ウェハ４の径に相当、もしくはウェハ４の径より大きくする。このため、回転トレー５上のウェハ４表面に、確実にガスを供給することが可能となる。

図３に示すように、第一シャワーヘッド１０の上側には、第一のガスを導入する為の第一ガス導入ポート１２（第一ガス供給孔）が設けられている。第一シャワーヘッド１０、第一ガス導入ポート１２、バルブやマスフローコントローラなどの図示しないガス供給量調整機構は、本発明に係る第一のガス、例えばジクロロシランを供給する「第一ガス供給部」を構成している。

同様に、第二シャワーヘッド１１の上側には、第二のガスを導入する為の第二ガス導入ポート１３（第二ガス供給孔）が設けられている。第二シャワーヘッド１１、第二ガス導入ポート１３、バルブやマスフローコントローラなどの図示しないガス供給量調整機構は、本発明に係る第二のガス、例えばリモートプラズマ機構によって活性化されたアンモニアラジカルを供給する「第二ガス供給部」を構成している。

このように、第一、第二ガス供給部はそれぞれ一組ずつ設けられることで、それぞれの異なるガスを供給することできる。また、第一シャワーヘッド１０又は第二シャワーヘッド１１を通過して処理室２に供給される反応性ガスが、ヒータの温度とは別の温度に設定されることが可能になる。

なお、本実施形態では、本発明に係る「第一ガス供給部」及び「第二ガス供給部」の一例たる第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１が、上部ヒータ６を回転軸８を中心として水平方向に対称な切り欠いた箇所であって、外周の一部が開放されている空間に設けられている。それに限るものではなく、本発明に係る「第一ガス供給部」及び「第二ガス供給部」は、回転トレー５のウェハ載置面より上の空間、即ちガス供給空間に設けられることが可能である限りにおいて、特に限定されず各種の態様を有してよい。

図４を参照しながら、第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１の詳細を説明する。図４は、本発明の実施形態に係る第二シャワーヘッド１１の拡大詳細図である。第二シャワーヘッド１１には、冷却水流路１４及びシースヒータ１５が設けられている。冷却水路１４に冷却水を流すことで、第二シャワーヘッド１１を冷却し、またシースヒータ１５によって第二シャワーヘッド１１を加熱する。この構成によれば、供給するガスに応じた第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１の温度を制御することが可能となる。よって、異なる温度帯の反応性ガスでも対応することが可能となる。

再び図１及び図２に戻り、第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１から供給された反応性ガスが混合しないように、回転トレー５の上下及び下部ヒータ７の下側それぞれには、例えば窒素などである不活性ガスを導入する為の不活性ガス導入ポート１６、１７、１８が設けられている。不活性ガス導入ポート１６、１７、１８及びバルブなどの図示しないガス供給量調整機構は、本発明に係る「不活性ガス供給部」を構成している。

なお、本実施形態では、回転トレー５の上部には、不活性ガス導入ポート１６が設けられている。また、回転トレー５の下部及び下部ヒータ７の下側には、不活性ガス導入ポート１７、１８が設けられている。それに限らず本発明に係る「不活性ガス供給部」は、それぞれ第一シャワーヘッド１０、第二シャワーヘッド１１から供給される第一のガスと第二のガスが処理室２内で混合しないように、複数のウェハ４を載置した回転板５の上下の隙間に第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１以外の部分から不活性ガスを導入することが可能である限りにおいて、特に限定されず各種の態様を有してよい。

不活性ガス導入ポート１６、１７、１８は、図２に示すように（説明の便宜上、図３には不活性ガス導入ポート１６のみを示している）、回転軸８の近くに配置されている。このように、不活性ガスは、回転軸８の近く（即ち処理室２の中央部）に吹き溜まらないよう、各不活性ガス導入ポート１６、１７、１８から処理室２の外周に向かって流れる。なお、図２に示すように、不活性ガス導入ポート１６、１７、１８それぞれが一対のみ設けられているが、不活性ガス導入ポート１６、１７、１８の数は特に限定されず各種の態様を有してよい。

また、図２及び図３に示すように、下部ヒータ７と下部処理室壁３ｂの底壁（即ち内壁）との間には、排気空間が形成されている。この排気空間には、下部処理室壁３ｂに設けられている仕切板１９によって、図５に示すように第一排気空間２０及び第二排気空間２１気密に区分けされている。仕切板１９は、下部処理室壁３ｂの中心部（即ち回転軸８）から外周に向かっている仕切板をそれぞれ仕切板１９ａ、仕切板１９ｂを有するように形成されている。

なお、本実施形態では、２種類の混合させていけないガスを例に説明しているので、二つの排気空間に仕切っているが、本発明に係る「排気空間」及び仕切板１９は、混合させてはいけないガスの種類数だけ排気空間を仕切ることが可能である限りにおいて、特に限定されず各種の態様を有してよい。

第一排気空間２０には、上流側に第一シャワーヘッド１０から供給される第一のガスを排気する第一排気孔２２が設けられ、第二排気空間２１には、上流側に第二シャワーヘッド１１から供給される第二のガスを排気する第二排気孔２３が設けられている。図２に示すように、上面から見た場合に、第一シャワーヘッド１０は、仕切板１９ａと第一排気孔２２の間に設けられ、第二シャワーヘッド１１は、仕切板１９ｂと第二排気孔２３の間に設けられている。

なお、図２に示すように、第一排気孔２２及び第二排気孔２３は、回転軸８から遠く且つ回転軸８に点対称の位置に形成されているが、本発明に係る第一排気孔２２及び第二排気孔２３の態様は、ここに例示されるものに限定されず、例えば、回転軸８に近くで形成されてもよい。

次に、図５を参照しながら、半導体製造装置１のガス排気部の構成を説明する。図５は、本発明の実施形態に係るガス排気部の構成を概念的に表してなる概略構成図である。なお、説明の便宜上、図５には、仕切板１９を上部ヒータ６の上（即ち図１の上側）に図示している。

図５において、第一排気孔２２は、第一の排気経路としての第一の排気管２４に接続され、第一排気管２４は、例えばポンプなどである第一排気装置２６に接続されている。処理室２の第一排気空間２０（破線参照）側に供給された反応性ガスと不活性ガスは、第一排気孔２２及び第一排気管２４を経由して、第一排気装置２６で排気される。即ち、第一排気孔２２、第一排気管２４、第一排気装置２６及び図示しない第一ＡＰＣバルブは、本発明に係る第一排気部を構成している。

同様に、排気孔２３は、第一の排気経路と異なる、第二の排気経路としての第二排気管２５に接続され、排気管２５は、例えばポンプなどである第二排気装置２７に接続されている。処理室２の第二排気空間２１（破線参照）側に供給された反応性ガスと不活性ガスは、第二排気孔２３及び第二排気管２５を経由して、第二排気装置２７で排気される。即ち、第二排気孔２３、第二排気管２５、第二排気装置２７及び図示しない第二のＡＰＣバルブは、本発明に係る第二排気部を構成している。

このように、処理室２から供給されるそれぞれの反応性ガスは、区画された第一排気空間２０及び第二排気空間２１それぞれを経由して、第一排気部及び第二排気部それぞれによって排気されることで、互いに混合することなく、副生成物が発生せず、効率の良い排気が可能となる。

なお、前述した回転軸駆動部、第一ガス供給部、第二ガス供給部、不活性ガス供給部、第一排気部、第二排気部等は、図示しないコントローラに電気的に接続されている。コントローラは、半導体製造装置１の動作全体を制御可能に構成された電子制御ユニットであり、例えばＲＯＭに格納された制御用のプログラムに従って、後述する基板処理工程などを実行可能に構成されている。

ここで、図６及び図７を参照し、半導体製造装置１内のガス流れについて説明する。ここに、図６は、本発明の実施形態に係る半導体製造装置１内のガス流れを説明する半導体製造装置１の側面断面図（即ち図７のｄ−ｄ’矢視図）であり、図７は、本発明の実施形態に係る半導体製造装置１内のガス流れを説明する図６のｃ−ｃ’矢視図である。なお、図６及び図７において、図１及び図２と重複する箇所には同一の符合を付してその説明を適宜省略することとする。

図６及び図７においては、ガス流れＡは第一のガス、ガス流れＢは第二のガス、ガス流れＣは不活性ガスの流れを示している。第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１から基板上の空間（即ち回転トレー５と上部ヒータ６の間）に供給された第一又は第二のガスは基板を処理した後、不活性ガス導入ポート１６から供給された不活性ガスと共に、外周を経由して第一排気空間２０又は第二排気空間２１に移動し、第一排気孔２２又は第二排気孔２３から排気される。回転トレー５と下部ヒータ７との間に回りこんだ反応性ガスは、不活性ガス導入ポート１７から供給された不活性ガスによって、同様に外周を経由して第一排気空間２０又は第二排気空間２１に移動し、第一排気孔２２又は第二排気孔２３から排気される。更に、第一排気空間２０又は第二排気空間２１の中央部（即ち回転軸８の近くところ）に回りこんだ反応性ガスは、不活性ガス導入ポート１８から供給された不活性ガスによって、第一排気孔２２又は第二排気孔２３に移動して排気される。

このように、不活性ガス導入ポート１６、１７、１８は回転軸近くに配置されることで、第一のガス、第二のガス及び不活性ガスは、回転軸８の近く（即ち処理室２の中央部）に溜まらないことになる。

また、第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１と上部ヒータ６の間には空間が設けられている。回転方向（即ち反時計方向）側の第一空間２８は、回転方向と逆側の第二空間２９より広い幅としている。このため、反応性ガスの排気コンダクタンスを大きくすることが可能となり、次の反応性ガスと混合する領域に基板が移動する前に、反応性ガスを排気することが可能となる。特に、ガス供給部と基板の間を非常に狭くする場合に非常に有利である。

上部ヒータ６の中央と第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１との間には第三空間３０が設けられている。このように、不活性ガスを中央部から流す際、第一空間２８に抜けて行く通路を確保することができる。

補足すると、図２及び図７に示すように、上面から見た場合に、第一シャワーヘッド１０は、仕切板１９ａと第一排気孔２２の間に設けられ、第二シャワーヘッド１１は、仕切板１９ｂと第二排気孔２３の間に設けられている。この状態で回転トレー５は反時計方向に回ることを前提としており、シャワーヘッドから吹き出たガス（ガス流れＡ、Ｂ参照）は回転トレー５の回転に引っ張られるのでシャワーヘッドの位置を仕切板１９ｂから少し反時計方向にずらして、反応性ガスが仕切板１９ｂの図７の下側の領域に入り込むのを抑制している。

＜基板処理工程＞
次に、上述の半導体製造装置１により実施される本実施形態に係る半導体装置（デバイス）の製造工程としての一工程として、基板上に絶縁膜を成膜する基板処理工程について説明する。なお、以下の説明において、上述の半導体製造装置１の各部の動作は、前述した図示しないコントローラにより制御される。

ここでは第１の元素をシリコン（Ｓｉ）、第２の元素を窒素（Ｎ）とし、第１の元素を含む種類の第一のガスとしてシリコン含有ガスであるＤＣＳガスを、第２の元素を含む第二のガスとして窒素含有ガスであるＮＨ₃ガスを用い、基板上に絶縁膜としてＳｉＮ膜を形成する例について説明する。

（ウェハ搬入工程（Ｓ１０））
まず、図示しないゲート弁を開け、図示しない減圧状態のロードロック室を介して、図示しない搬送装置により減圧状態の処理室２内に複数のウェハ４（ここでは４枚）を搬入して、回転軸８を中心として回転トレー５上に載置する。そして、ゲート弁を閉じる。

（真空引き工程（Ｓ２０））
次に、排気経路の途中に設けた図示しないＡＰＣバルブの開度を調整し、処理室２内が所望の圧力（成膜圧力）になるように制御する（即ち排気を行う）。また、上部ヒータ６及び下部ヒータ７に電力を投入し、回転トレー５と共にウェハ４の温度（成膜温度）を所望の温度（例えば３５０℃）に維持するように制御する。第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１も図示しない加熱機構によって３５０℃に設定される。また、加熱しつつ回転トレー５を１〔回転／秒〕で回転させると共に、不活性ガス導入ポート１６、１７、１８から不活性ガス（ここでは窒素）を供給する。

（成膜工程（Ｓ３０））
回転トレー５が回転された状態で、第一ガス導入ポート１２から第一シャワーヘッド１０には、第一のガスであるＤＣＳガスを供給する。

ＤＣＳガスの供給により、第一シャワーヘッド１０の下を通過するウェハ４表面の下地膜上に、第１の元素としてのシリコンを含む第１の層が形成される（化学吸着する）。すなわち、ウェハ４上（下地膜上）に１原子層未満から数原子層のシリコン含有層としてのシリコン層（Ｓｉ層）が形成される。シリコン含有層はＤＣＳの化学吸着（表面吸着）層であってもよい。なお、シリコンは、それ単独で固体となる元素である。ここでシリコンを含む層とはシリコンにより構成される連続的な層の他、不連続な層やこれらが重なってできる薄膜をも含む。なお、シリコンにより構成される連続的な層を薄膜という場合もある。また、ＤＣＳの化学吸着層とはＤＣＳ分子の連続的な化学吸着層の他、不連続な化学吸着層をも含む。なお、ウェハ４上に形成されるシリコン含有層の厚さが数原子層を超えると、窒化の作用がシリコン含有層の全体に届かなくなる場合がある。また、ウェハ４上に形成可能なシリコン含有層の最小値は１原子層未満である。よって、シリコン含有層の厚さは１原子層未満から数原子層とするのが好ましい。なお、ウェハ温度及び処理室２内の圧力等の条件を調整することにより、ＤＣＳガスが自己分解する条件下では、ウェハ４上にシリコンが堆積することでシリコン層が形成され、ＤＣＳガスが自己分解しない条件下では、ウェハ４上にＤＣＳが化学吸着することでＤＣＳの化学吸着層が形成されるよう、形成される層を調整することができる。

また、回転トレー５が回転された状態で、第二ガス導入ポート１３から第二シャワーヘッド１１には、第二のガスであるリモートプラズマで励起したアンモニア（ＮＨ₃）ガスを供給する。アンモニアガスは、マスフローコントローラによって流量調整される。

ＮＨ₃ガスは反応温度が高く、上記のようなウェハ温度、処理室内圧力では反応しづらいので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウェハ４の温度は上述のように設定した低い温度範囲のままでよい。なお、ＮＨ₃ガスを供給する際にプラズマ励起せず、上部ヒータ６及び下部ヒータ７の温度を適正に調整してウェハ４の温度を例えば６００℃以上の温度とし、さらに図示しないＡＰＣバルブを適正に調整して処理室２内の圧力を例えば５０〜３０００Ｐａの範囲内の圧力とすることで、ＮＨ₃ガスをノンプラズマで熱的に活性化することも可能である。なお、ＮＨ₃ガスは熱で活性化させて供給すると、ソフトな反応を生じさせることができるが高温にする必要がある。

このように、回転トレー５が１回転する毎に回転トレー５上のウェハ４は第一シャワーヘッド１０の下を通過する際、ＤＣＳの供給を受け、その後上部ヒータ６と下部ヒータ７との間を通過する際に窒素でパージされ、その後第二シャワーヘッド１１の下を通過する際、アンモニアの活性種の供給を受け、その後再び上部ヒータ６及び下部ヒータ７を通過する際窒素でパージされる。この一連の処理が回転トレー５の１回転毎に１回行われ、１層ずつ窒化膜が成膜される。このような処理を繰り返すことで、ウェハ４上へのシリコン窒化膜形成処理を繰り返すことで、所望の膜厚のシリコン窒化膜を形成する。

なお、本発明に係る「第一のガス」及び「第二のガス」の態様は、ここに例示されるものに限定されず、各種の態様を有してよい。例えば、ＴｉＮ膜を成膜する場合は、ＴｉＣｌ₄とＮＨ₃を用いる。このとき、反応空間温度を２５０℃程度とする。また、ＺｒＯ膜を成膜する場合は、ＴＥＭＡＺ（Tetrakis(ethylmethylamino)zirconium、Ｚｒ［Ｎ（ＣＨ₃）ＣＨ₂ＣＨ₃］₄）とＯ₃（オゾン）を用いる。オゾンの場合、温度が高いとＯ₂などになり、失活してしまう。そこで、ある程度温度を低くする必要がある。この場合、図４に示すような構造を用いて、温度調整を行なう。温度は２００〜２５０℃程度とする。

図７に示すように、不活性ガス導入ポート１６、１７、１８から供給された窒素は、図７のガス流れＣの矢印で示すように、処理室２内部を回転トレー５の上下と下部ヒータ７のそれぞれ中央部から放射状に流れる。

第一シャワーヘッド１０から供給されたＤＣＳガスは、ウェハ４上に晒された後、不活性ガス導入ポート１６、１７、１８から供給される不活性ガスと共に、図７のガス流れＡに示すように第一シャワーヘッド１０と回転トレー５の間及び、第一シャワーヘッド１０の周囲の隙間（即ち上部ヒータ６との間の空間）を処理室２の外壁方向へ流れて第一排気空間２０に流入し、第一排気孔２２から第一排気管２４を経由して第一排気装置２６で排気される。

また、第二シャワーヘッド１１から供給されたＮＨ₃ガスは、ウェハ４上に晒された後、不活性ガス導入ポート１６、１７、１８から供給される不活性ガスと共に、図７のガス流れＢに示すように第二シャワーヘッド１１と回転トレー５の間及び、第二シャワーヘッド１１の周囲の隙間（即ち上部ヒータ７との間の空間）を処理室２の外壁方向へ流れて第二排気空間２１に流入し、第二排気孔２３から第二排気管２５を経由して第二排気装置２７で排気される。

このように、第一のガスであるＤＣＳガスの排気経路と第二のガスであるＮＨ₃ガスの排気経路とは、互いに混合しないように分離されることで、ＤＣＳガスとリモートプラズマで励起したＮＨ₃ガスは処理室２から排気されるまで混合しないことが可能となる。よって、処理室や排気経路に反応副生成物を発生させないことになり、メンテナンス頻度が少なくなり、装置の稼働率が向上することが可能となる。

続いて、所定時間が経過して所望の膜厚のシリコン窒化膜が形成されたら、開閉バルブを閉め、ＤＣＳガス及びＮＨ₃ガスの供給を停止する。

（真空引き工程（Ｓ４０））
不活性ガス導入ポート１６、１７、１８の開閉バルブを引き続き開として、マスフローコントローラにより流量調整された、キャリアガスである窒素（Ｎ２）を処理室２内に供給する。このとき第一排気管２４及び第二排気管２５の排気バルブは開状態を維持し、真空ポンプである第一排気装置２６及び第二排気装置２７により処理室２内が２０Ｐａ以下となるよう、残ガスを排気する。これにより、処理室２を窒素（Ｎ２）に置換する。

（ウェハ搬出工程（Ｓ５０））
第一排気管２４及び第二排気管２５の排気バルブは開状態を維持し、図示しないロードロック室を介して上述の工程の逆工程により処理済みのウェハ４を処理室２内から搬出する。

本実施形態によれば、処理室２内を移動するウェハ４に処理室２内の複数の処理位置で、ウェハ４を処理する為に供給した反応性ガスが他の処理位置に流入しないように反応性ガスを供給するシャワーヘッド以外の箇所から不活性ガスを供給すると共に、異なる２つの排気空間、即ち第一排気空間２０及び第二排気空間２１を設けて、２種類の反応性ガスをそれぞれ混合しないように排気することにより、処理室２及び排気経路内での気相反応が抑制され、処理室２及び排気経路内部の部材表面における反応生成物の付着量を著しく低減できる。この結果、従来技術に比べて半導体製造装置１の稼働率が向上し、またメンテナンス費用が低減できる。

また、２枚のヒータ、即ち上部ヒータ６及び下部ヒータ７をウェハ４を載置した回転トレー５を挟み込むように配置することで、ウェハ４の温度を効率良く均一に加熱することができる。

また、第一シャワーヘッド１０及び第二シャワーヘッド１１を上部ヒータ６と分離して設置し、温度を独立に設定可能としたことにより高温で分解してしまう原料ガスをヒータの設定温度より低い温度でウェハ４に供給することができる。

＜比較例＞
次に、図８乃至図１１を参照しながら、本発明の実施形態の比較例について説明する。図８は、本発明の比較例に係る半導体製造装置１０１の側面断面図（即ち図９のｆ−ｆ’矢視図）であり、図９は、図８のｅ−ｅ’矢視図であり、回転トレー１０５から処理室１０２の上側の構造を見た図である。図１０は、本発明の比較例に係る基板載置状態を示す斜視図であり、図１１は、本発明の比較例に係るガス排気部の概略構成図である。

（１）比較例における半導体製造装置１０１の構成
処理室１０２は処理室壁１０３で気密に構成され、処理室１０２の下部には回転トレー１０５上の被処理ウェハ１０４を加熱するためのヒータ１０６が設けてある。

ヒータ１０６の上部には回転トレー１０５が回転可能に設けてあり、回転駆動部１０７が回転トレー１２０と連結された回転軸１０８を回転する構造となっている。

図１０に示すように、回転トレー１０５の上には、複数の被処理ウェハ１０４を載置できるようになっている。

処理室１０２の上部には反応性ガスを供給するためのシャワーヘッド１０９と１１０が設けてあり、それぞれ別のガスを複数のガス吹き出し口１１２からシャワー状に供給することが可能で、また不活性ガスを供給するための一対のシャワーヘッド１１１が設けてある。

さらにそれぞれのシャワーヘッドを仕切るように仕切ブロック１１３が設けて有り、仕切ブロック１１３に設けたガス噴出し口１１２から不活性ガスを供給して、反応性ガスが処理室１０２のトレー１０５上で混合するのを抑制する構造となっている。

各シャワーヘッドにはガス供給ポート１１４が設けてあり、必要なガスをシャワーヘッドを経由して処理室２内に供給する構造となっている。

処理室壁１０３の側面には排気管１１５が設けてあり、処理室１０１内のガスを図１１に示した排気装置１１６で排気する構造となっている。

（２）比較例における基板処理工程
次に比較例の半導体製造装置１０１による基板処理のシーケンス例を説明する。

ここでは一例としてジクロロシラン(ＤＣＳ)とリモートプラズマで励起したアンモニア(ＮＨ₃)の活性種を交互に供給して窒化膜を一層ずつ形成するＡＬＤ法について説明する。

処理室２内を排気装置１１６で所定の圧力まで排気する。

ウェハ１０４を図示しない搬送ロボットで回転トレー１０５上に載置する。またヒータ１０６に電力を投入して回転トレー１０５と共にウェハ１０４を３５０℃に加熱する。

ウェハ１０４を４枚載置した回転トレー１０５を１〔回転／秒〕で回転させると共に仕切ブロック１１３から窒素を供給する。

この状態で二つのシャワーヘッド１１１からは窒素を供給し、別のシャワーヘッド１０９からＤＣＳガスを供給し、もう一つのシャワーヘッド１１０からはリモートプラズマで励起したＮＨ₃ガスを供給する。

回転トレー１０５上の一枚のウェハ１０４に着目すると、回転トレー１０５の回転に伴って順次ジクロロシラン、窒素、アンモニアの活性種、窒素の供給を受ける。

最初にジクロロシランの供給によりウェハ１０４にジクロロシラン分子が吸着し、その後窒素の供給で余分なジクロロシランが除去される。

この状態でアンモニアの活性種が供給され化学反応により窒化膜が一層分形成され、次のシャワーヘッドで余分な反応性生物はパージされる。

回転トレー１０５の回転により上記一連のガス供給が繰り返され、窒化膜が一層ずつ形成されて行く。

ジクロロシランとアンモニアの活性種は仕切ブロック１１３から供給される窒素によって回転トレー１０５上で混合することが抑制されるため気相反応せず薄膜の堆積は一層ずつ進行する。

しかし処理室１０２に供給されたジクロロシランとアンモニアは処理室壁１０３の側面付近出混合し排気管１１５を経由して排気装置１１６で排気される。

処理室１０２に供給されたジクロロシランとアンモニアは混合すると気相反応し反応生成物が生じる。本比較例の構造では仕切ブロック１３から供給される窒素によってウェハ１０４の周辺でのジクロロシランとアンモニアの混合が抑制されているが、処理室壁１０３付近で混合してから排気管１１５で排気される。

このため処理室１０２内部の処理室壁１０３の特に排気管１１５の近くでジクロロシランとアンモニアが気相反応して塩化アンモニウム等の反応副生成物が生成され、処理室壁１０３や排気経路に付着する。この塩化アンモニウムはやがて異物発生の原因となるためこれを除去する為に頻繁にメンテナンスが必要になる。

また排気装置１１６の中でも混合したガスは塩化アンモニウム等の副生成物を生じポンプの性能劣化の原因となる。

排気管及び排気装置にも反応性生物が付着するため、これを除去したり或いは排気装置をオーバーホールする為に頻繁に装置を停止する必要が有る為稼働率が低下し、またメンテナンス費用もかかる。

〔付記〕
以下に、本実施形態に係る好ましい態様を付記する。

〔付記１〕
処理室内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、基板支持部回転機構と、前記基板支持部より上に設けられ、第一のガスを第一ガス供給孔から供給する第一ガス供給部と、前記基板支持部より上に設けられ、第二のガスを第二ガス供給孔から供給する第二ガス供給部と、前記基板支持部と前記ガス供給部の間の空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、前記基板支持部の基板支持面と前記処理室の底壁の間に設けられ、気密に区画された少なくとも二つの排気空間と、前記それぞれの排気空間に設けられたそれぞれの排気孔とを有する基板処理装置。

〔付記２〕
付記１において、前記第一ガス供給部及び／又は前記第二ガス供給部は、温度制御手段を有する基板処理装置。

〔付記３〕
付記１又は２において、前記基板支持部と向かい合う面であって、前記第一ガス供給部及び第二ガス供給部と空間を介して隣り合うように第一のヒータを設け、前記空間は、回転方向下流の空間は回転方向上流の空間よりも広い基板処理装置。

〔付記４〕
処理室内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、基板支持部回転機構と、前記基板支持部より上に設けられ、第一のガスを第一ガス供給孔から供給する第一ガス供給部と、前記基板支持部より上に設けられ、第二のガスを第二ガス供給孔から供給する第二ガス供給部と、前記基板支持部と前記ガス供給部の間の空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、前記基板支持部の基板支持面と前記処理室の底壁の間に設けられ、気密に区画された少なくとも二つの排気空間と、前記それぞれの排気空間に設けられたそれぞれの排気部とを有する基板処理装置を用いた半導体製造方法であって、前記第一ガス供給部から前記第一のガスを供給し、前記第二ガス供給部から前記第二のガスを供給し、前記不活性ガス供給部から前記不活性ガスを供給し、前記それぞれの排気孔は、前記それぞれの排気空間から雰囲気を排気する半導体製造方法。

本発明に係る基板処理装置及び半導体製造方法は、基板上に薄膜を形成、或いは形成されている薄膜を改質するに関する基板処理装置及び半導体製造方法に利用可能である。

１ 半導体製造装置
２ 処理室
３ａ 上部処理室壁
３ｂ 下部処理室壁
４ ウェハ
５ 回転トレー
６ 上部ヒータ
７ 下部ヒータ
８ 回転軸
９ 磁気シール
１０ 第一シャワーヘッド
１１ 第二シャワーヘッド
１２ 第一ガス導入ポート
１３ 第二ガス導入ポート
１４ 冷却水流路
１５ シースヒータ
１６、１７、１８ 不活性ガス導入ポート
１９ 仕切板
２０ 第一排気空間
２１ 第二排気空間
２２ 第一排気孔
２３ 第二排気孔
２４ 第一排気管
２５ 第二排気管
２６ 第二排気装置
２７ 第二排気装置
２８ 第一空間
２９ 第二空間
３０ 第三空間
１０１ 半導体製造装置
１０２ 処理室
１０３ 処理室壁
１０４ ウェハ
１０５ 回転トレー
１０６ ヒータ
１０７ 回転駆動部
１０８ 回転軸
１０９、１１０、１１１ シャワーヘッド
１１２ ガス吹き出し口
１１３ 仕切ブロック
１１４ ガス供給ポート
１１５ 排気管
１１６ 排気装置
Ａ、Ｂ、Ｃ ガス流れ

Claims (2)

1. 処理室内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、
   基板支持部回転機構と、
   前記基板支持部より上に設けられ、第一のガスを第一ガス供給孔から供給する第一ガス供給部と、
   前記基板支持部より上に設けられ、第二のガスを第二ガス供給孔から供給する第二ガス供給部と、
   前記基板支持部と前記ガス供給部の間の空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
   前記基板支持部の基板支持面と前記処理室の底壁の間に設けられ、気密に区画された少なくとも二つの排気空間と、
   前記それぞれの排気空間に設けられたそれぞれの排気孔と
   を有する基板処理装置。
2. 処理室内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、基板支持部回転機構と、前記基板支持部より上に設けられ、第一のガスを第一ガス供給孔から供給する第一ガス供給部と、前記基板支持部より上に設けられ、第二のガスを第二ガス供給孔から供給する第二ガス供給部と、前記基板支持部と前記ガス供給部の間の空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、前記基板支持部の基板支持面と前記処理室の底壁の間に設けられ、気密に区画された少なくとも二つの排気空間と、前記それぞれの排気空間に設けられたそれぞれの排気部とを有する基板処理装置を用いた半導体製造方法であって、
   前記第一ガス供給部から前記第一のガスを供給し、
   前記第二ガス供給部から前記第二のガスを供給し、
   前記不活性ガス供給部から前記不活性ガスを供給し、
   前記それぞれの排気孔は、前記それぞれの排気空間から雰囲気を排気する
   半導体製造方法。