(57)【要約】      （修正有）【課題】ウエハに形成された回路パターンの形状によらずにローディング効果の発生を抑制でき、ウエハ面内における膜厚の均一性を向上できる基板処理装置を提供する。【解決手段】基板配列領域１９に沿うように反応管２０内に設けられ複数種類のガスを混合させるミキシング空間１５Ｌ（１５Ｒ）と、反応管２０の内壁にその一端が取り付けられミキシング空間１５Ｌ（１５Ｒ）と処理空間２２とを仕切るウイング状部材１６Ｌ（１６Ｒ）と、ミキシング空間１５Ｌ（１５Ｒ）内のウイング状部材１６Ｌ（１６Ｒ）の一端側にガスを供給するノズル１７，１８と、ミキシング空間１５Ｌ（１５Ｒ）内に設けられガスの流れを調整するガス流調整部材と、基板配列領域１９に対向するようウイング状部材１６Ｌ（１６Ｒ）の他端側に設けられミキシング空間１５Ｌ（１５Ｒ）内に供給されたガスを処理空間２２に吐出する吐出口２３とを有する。【選択図】図４１
2010147432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する処理空間を形成する反応管と、
前記反応管内で複数枚の基板を配列して支持する支持具と、
前記支持具を回転させる回転機構と、
前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に沿うように前記反応管内に設けられ複数種類のガスを混合させるミキシング空間と、
前記反応管の内壁にその一端が取り付けられ前記ミキシング空間と前記処理空間とを仕切るウイング状部材と、
前記ミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第１ガスを供給する第１ノズルと、
前記ミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第２ガスを供給する第２ノズルと、
前記ミキシング空間内に設けられ前記ミキシング空間内におけるガスの流れを調整するガス流調整部材と、
前記基板配列領域に対向するよう前記ウイング状部材の他端側に設けられ前記ミキシング空間内に供給されたガスを前記処理空間に吐出する吐出口と、
前記複数枚の基板を挟んで前記吐出口と対向する位置に設けられ前記反応管内を排気する排気口と、
前記排気口を介して前記反応管内を真空排気する真空ポンプと、
を有することを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】
前記各ノズルは、前記ミキシング空間内の複数箇所に各ガスを供給するように構成される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３】
前記反応管内には、前記基板配列領域よりも上方および／または下方へのガスの流れを制御するガス流制御部材が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の基板処理装置。
【請求項４】
前記第１ガスが酸素含有ガスであり、前記第２ガスが水素含有ガスであり、前記処理が酸化処理であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板処理装置。
【請求項５】
反応管内の処理空間に複数枚の基板を搬入する工程と、
前記反応管内で前記複数枚の基板を回転させつつ、前記反応管内の圧力を大気圧よりも低くした状態で、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沿うように前記反応管内に設けられ、前記反応管の内壁にその一端が取り付けられたウイング状部材により前記処理空間と仕切られるミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第１ガスと第２ガスを供給して、この第１ガスと第２ガスを前記ミキシング空間内に設けられたガス流調整部材によりガスの流れを調整しつつ、前記基板配列領域に対向するよう前記ウイング状部材の他端側に設けられた吐出口より前記処理空間に吐出し、前記処理空間に吐出されたガスを前記複数枚の基板を挟んで前記吐出口と対向する位置に設けられた排気口より排気して、前記複数枚の基板を処理する工程と、
処理後の前記複数枚の基板を前記反応管内より搬出する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に、従来の基板処理装置としての半導体デバイスの製造装置（半導体製造装置）の全体図を示す。従来の装置は、ウエハカセットを搭載するカセットストッカ１と、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６の移載を行うウエハ移載手段（移載機）２と、ボート３を熱処理炉５内に挿入及び引き出すボート昇降手段（ボートエレベータ）４と、加熱手段（ヒータ）を備えた熱処理炉５と、から構成されている。
【０００３】
従来技術を説明するために、図２のような構造を持つ半導体製造装置の熱処理炉５を例に挙げる。図２に示す装置は、１００〜１５０枚程度の積層されたウエハ６を支えるボート３、上部のメインノズル７、多段に配置されたサブノズル８（サブノズル８ａ〜８ｄ）、ヒータ９、反応管１０、及びガス排気口１１からなる。この装置では、例えば８５０〜９５０℃程度の温度、０．５Ｔｏｒｒ（６７Ｐａ）程度の低圧環境下において、メインノズル７から数千ｓｃｃｍの酸素ガス（Ｏ２）と数百ｓｃｃｍの水素ガス（Ｈ２）とを供給し、また同時に、積層されたウエハ６全体に亘り均一に成膜する目的でサブノズル８（８ｂ〜８ｄ）から比較的小流量のＨ２を補助的に供給することにより、ウエハ６上に酸化膜を形成する。酸化膜の成長にはＯ２を必要とするが、０．５Ｔｏｒｒ程度の低圧環境下においてＯ２単体の原料ガスでは酸化膜の成長速度が極端に遅いことが判っており、これにＨ２を添加することで酸化膜の成長速度が速くなる（例えば特許文献１参照）。また、Ｈ２単体では酸化膜は形成されないため、即ち、酸化膜成長は、総括的に捉えれば、Ｏ２とＨ２との両方の濃度（或いは流量、或いは分圧）に依存する。
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５／０２０３０９パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の基板処理装置において、原料ガスをメインノズル７からのみ供給すると、ウエハ６に形成される酸化膜の膜厚がウエハ６の積層方向に亘り不均一となるローディング効果が発生してしまう場合があった。図４に、従来の装置における最も特徴的な膜厚分布を示す。図４の横軸は膜厚を示し、縦軸はウエハ位置を示している。図４では、先述の圧力・温度帯において、メインノズル７からのみ原料ガスとして数千ｓｃｃｍのＯ２と数百ｓｃｃｍのＨ２とを供給している。図４によると、上段から下段にかけて膜厚が薄くなっていることが分かる。
【０００５】
サブノズル８ａ〜８ｄからＨ２を補助的に供給することでローディング効果を打ち消すことも可能であるが、この場合、サブノズル８ａ〜８ｄからのガス流量をそれぞれ調整する必要が生じてしまう。また、ローディング効果の強度はウエハ６表面に形成された回路パターンに依存するため、ウエハ６の回路パターンが変更となる度にサブノズル８ａ〜８ｄからのガス流量をそれぞれ調整する必要がある。
【０００６】
また、特に彫りの深い回路パターンが形成されたウエハ６を処理しようとすると、ローディング効果が非常に大きくなってしまう場合があった。この場合、サブノズル８ａ〜８ｄからＨ２を補助的に供給したとしても、サブノズル８ａ〜８ｄの噴出孔の存在しない領域において膜厚が相対的に薄くなり、ウエハ６の積層方向の膜厚均一性が悪化してしまうことがあった。
【０００７】
また、サブノズル８ａ〜８ｄからＨ２ガスを補助的に供給すると、サブノズル８ａ〜８ｄの噴出孔が存在しない領域におけるウエハ６面内の膜厚均一性が、サブノズル８ａ〜８ｄの噴出孔が存在する領域におけるウエハ６面内の膜厚均一性よりも悪化してしまうことがあった。
【０００８】
本発明は、ウエハに形成された回路パターンの形状によらずにローディング効果の発生を抑制でき、ウエハ面内における膜厚の均一性を向上できる基板処理装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、基板を処理する処理空間を形成する反応管と、前記反応管内で複数枚の基板を配列して支持する支持具と、前記支持具を回転させる回転機構と、前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に沿うように前記反応管内に設けられ複数種類のガスを混合させるミキシング空間と、前記反応管の内壁にその一端が取り付けられ前記ミキシング空間と前記処理空間とを仕切るウイング状部材と、前記ミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第１ガスを供給する第１ノズルと、前記ミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第２ガスを供給する第２ノズルと、前記ミキシング空間内に設けられ前記ミキシング空間内におけるガスの流れを調整するガス流調整部材と、前記基板配列領域に対向するよう前記ウイング状部材の他端側に設けられ前記ミキシング空間内に供給されたガスを前記処理空間に吐出する吐出口と、前記複数枚の基板を挟んで前記吐出口と対向する位置に設けられ前記反応管内を排気する排気口と、前記排気口を介して前記反応管内を真空排気する真空ポンプと、を有する基板処理装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、反応管内の処理空間に複数枚の基板を搬入する工程と、前記反応管内で前記複数枚の基板を回転させつつ、前記反応管内の圧力を大気圧よりも低くした状態で、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沿うように前記反応管内に設けられ、前記反応管の内壁にその一端が取り付けられたウイング状部材により前記処理空間と仕切られるミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第１ガスと第２ガスを供給して、この第１ガスと第２ガスを前記ミキシング空間内に設けられたガス流調整部材によりガスの流れを調整しつつ、前記基板配列領域に対向するよう前記ウイング状部材の他端側に設けられた吐出口より前記処理空間に吐出し、前記処理空間に吐出されたガスを前記複数枚の基板を挟んで前記吐出口と対向する位置に設けられた排気口より排気して、前記複数枚の基板を処理する工程と、処理後の前記複数枚の基板を前記反応管内より搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる基板処理装置及び半導体装置の製造方法によれば、ウエハに形成された回路パターンの形状によらずにローディング効果の発生を抑制でき、ウエハ面内における膜厚の均一性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明の実施形態の説明に先立ち、発明者等が検討した従来装置の各課題についてそれぞれ説明する。
【００１３】
＜課題１：ローディング効果の発生＞
「ローディング効果」とは、反応管１０内（反応室）の長手方向（垂直方向）にウエハ６を多段に積層して成膜処理すると、ウエハ６に形成される薄膜の膜厚分布が均一とはならず、積層方向に不均一となってしまうことを言う。図２に示す熱処理炉５を備える従来の基板処理装置では、このローディング効果が大きくなってしまう場合があった。なお、
ローディング効果は、反応管１０内におけるメインノズル７のガス噴射口を、図３に示すシャワー板１２のような構造とした場合でも同様に発生する。理由を以下に説明する。
【００１４】
従来の基板処理装置では、反応室上部に位置するメインノズル７から上述のような比較的大流量の原料ガス（例えば数千ｓｃｃｍのＯ２ガスと数百ｓｃｃｍのＨ２ガス）を流す場合、メインノズル７から供給されたＯ２とＨ２は、上段の領域で、一時的に化学平衡に近い状態に達し、それより下段の領域で、各中間生成物のモル分率をそれぞれ一定に保ったまま、積層されたウエハ６周縁部と反応管１０内壁との間を流れ落ちる。この時、原料ガスと中間生成物の混合ガスは流動抵抗を受けるので、上段の領域での混合ガスの密度は高く、下段の領域での混合ガスの密度は低くなり、それに伴い原子状酸素Ｏのモル密度が上下で変化し、上下段において薄膜の膜厚に差が生じることとなる。特に、メインノズル７からの原料ガス流量が数ｓｌｍと比較的大きい場合には、混合ガスの圧力差・密度差が拡大され、ローディング効果が強くなってしまう。
【００１５】
従来の基板処理装置では、この強いローディング効果を打ち消すために、Ｈ２供給用のサブノズル８を多段に配置し（図２や図３の場合ではサブノズル８ａ〜８ｄの４段）、それぞれのサブノズル８に対し独立に制御されたマスフローコントローラを介してそれぞれ適量のＨ２を供給する事が必須となっていた。しかしながら、均一成膜のための流量条件（各サブノズル８の流量条件）を実験的に求めるには、例えば５〜１０回のテスト成膜を行う必要があり、多大な時間と労力とを要する場合があった。また、強い流れ落ちは、後述するようにウエハ６面内の膜厚均一性の悪化を引き起してしまう場合があった。
【００１６】
以下に、「メインノズルからの供給と膜厚分布との関係」に関する検討結果について、さらに詳細に説明する。
【００１７】
図７に、１２０枚のベアウエハをフルに装填し、温度８５０〜９５０℃程度、圧力０．５Ｔｏｒｒ程度とし、サブノズル８からのＨ２ガスの供給を止め、メインノズル７からのＯ２ガス及びＨ２ガスの供給を流量比Ｏ２：Ｈ２＝１５：１として行った場合の成膜実験結果を示す。図７の横軸はウエハ位置を示し、縦軸はウエハに形成された酸化膜の膜厚［Å］を示している。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をウエハ＃ｎと表す。図７に示す実験結果は、＃１２０から＃１２までのウエハに対し、３枚ごとにウエハを抜き出してそれぞれのウエハに形成された酸化膜の膜厚を計測したものである。これによると、ウエハ＃１２０に形成された酸化膜の膜厚は比較的薄く、＃１１０近傍のウエハに形成された酸化膜の膜厚は最も厚くなり、ウエハ＃１１０からウエハ＃１にかけて膜厚が薄くなる傾向にある。
【００１８】
ウエハ＃１２０からウエハ＃１１０にかけて膜厚が厚くなる理由の一つには、膜の成長に寄与する物質が、Ｈ２やＯ２の分解したＨやＯなどの中間生成種であると推測されることが挙げられる。この、成膜に寄与する物質が中間生成種であるという推測が確かであることを証明するため、水素・酸素の素反応解析を行ったので説明する。
【００１９】
図１４に、化学反応解析ソフトウェアを用いた素反応解析の計算モデルを示す。この計算モデルは、例えばＩｎｌｅｔ（ガス入口）からＯｕｔｌｅｔ（ガス出口）までの距離が１００ｃｍであり、内径がφ３５ｃｍ〜４０ｃｍである円筒状のガス流路内にＨ２ガスとＯ２ガスとを同時に流した場合に、Ｉｎｌｅｔからの距離、即ちガスの滞留時間に応じ、ガスの組成がどう変化するのかについてシミュレートすることを目的としている。図１４の計算領域においては、ＩｎｌｅｔからＯｕｔｌｅｔまでガスが到達するまでの滞留時間は約０．１３６秒であって非常に短く、ガスは一瞬で計算領域内を通り抜ける状態である。
【００２０】
図１５に、解析に用いた水素・酸素の代表的な素反応式セットを示す。この式は、水素・酸素の燃焼を表現する反応式であり、Ｈ２とＯ２とが反応してＨ２Ｏになる過程では２３段の素反応が存在することを示している。例えば、大気圧程度の圧力の下ではＨ２とＯ２との燃焼反応は短時間で終了し、最終的にはＨ２Ｏになるが、その過程ではＯ・Ｈ・ＯＨ・Ｈ２Ｏ２・ＨＯ２等の多数の中間生成種が存在し、相互に反応し合う事を示している。
【００２１】
さて、この素反応式セットを用い、図１４の計算モデルに対してＩｎｌｅｔからＨ２ガス及びＯ２ガスの供給を流量比Ｏ２：Ｈ２＝１０：１として行うと、図１６のような結果となる。
【００２２】
図１６の横軸はＩｎｌｅｔからの距離（滞留時間と同義）、縦軸は各ガスのモル分率を示している。先述の通り、Ｏ２の酸化力は小さく、酸化膜形成に支配的ではないと考え、図１６には表示していない。これによると、Ｉｎｌｅｔ近傍ではＯ・Ｈ・ＯＨ等の化学種は殆ど存在していないが、Ｉｎｌｅｔから２０ｃｍの場所から急に反応が進み、Ｏ・Ｈ・ＯＨ・Ｈ２Ｏのモル分率が上昇している。
【００２３】
これに関連して、図１７に、滞留時間とガス組成との関係についての計算結果を示す。図１７の横軸は滞留時間（対数表示）、縦軸は各ガスのモル分率を示している。これを見ると、中間生成物のガスは、Ｈ２Ｏを除けば滞留時間０．１〜１秒の間にモル分率が極大となり、１０００秒の滞留時間となると殆どＨ２Ｏとなることが示されている。図１７の計算結果から判断すると、図１６において、Ｉｎｌｅｔから４０ｃｍ以降ではガスの組成が変化せず、一見平衡状態に達しているように見える理由は、図１４の計算領域におけるガスの滞留時間に対し、ガス組成変化速度（反応速度）が遅いことであると云える。
【００２４】
ここまでの議論で、Ｈ２ガスとＯ２ガスとを混合し、ある滞留時間を設けると、Ｈ２とＯ２とが完全に反応してＨ２Ｏとなる過程で、Ｈ，Ｏ，ＯＨ等の中間生成種が発生することを示した。
【００２５】
次に、この多数のガスのうち実質的に成膜に寄与するガス種を特定することを目的に行った汎用熱流体解析ツールを用いた反応流解析について説明する。汎用熱流体解析ツールでは、化学反応解析ソフトウェアによる素反応解析で用いた反応式を考慮可能な上、実際の処理室と同形状の計算領域を考慮することができ、形状・流れ・反応を同時に解くので、より実際に近い挙動を得られる。
【００２６】
汎用熱流体解析ツールで先述の２３段全ての素反応を考慮する事は計算負荷が高く現実的ではないことから、まず、化学反応解析ソフトウェアにて支配的な化学反応を抽出するための感度解析を行った。図１８に、感度解析によって得られた５段の素反応式の計算結果を示す。図１８の横軸はＩｎｌｅｔからの距離（ｃｍ）、縦軸は各ガスのモル分率を示している。これによると、図１６の２３段気相素反応の計算結果と比較して、図１８の５段の気相素反応計算結果は、Ｈ・Ｏ・ＯＨ・Ｈ２Ｏの挙動に殆ど変化がない。従って、汎用熱流体解析ツールで考慮すべき素反応式は、図１８に示す５段の素反応式で良いと判断できる。
【００２７】
図１９に、汎用熱流体解析ツールで考慮した計算領域を示す。かかる計算領域は二次元軸対称系であり、実際に成膜を行う成膜装置（基板処理装置）の熱処理炉５と同一の寸法としており、上段から下段にかけて（図１９の左から右にかけて）Ｈ２ガスとＯ２ガスとの混合ガスが反応しながら流れ落ち、反応種はウエハとウエハとの間に主に濃度拡散で入り込む形状となっている。また、汎用熱流体解析ツールで考慮する気相の反応式は図１８
に示す５段の素反応式であるが、ウエハの表面では、
【００２８】
【化１】
2010147432.tif 000003
【数１】
2010147432.tif 000004
【００２９】
【化２】
2010147432.tif 000005
【数２】
2010147432.tif 000006
【００３０】
という、２段（化学式（１），（２）、数式（１），（２））の表面総括反応を考慮した。数式（１），（２）において、［Ｏ］はＯのモル密度（濃度、すなわち単位体積あたりの分子量）（単位：ｋｍｏｌ／ｍ３）を、［Ｈ］はＨのモル密度（単位：ｋｍｏｌ／ｍ３）を、［ＯＨ］はＯＨのモル密度（単位：ｋｍｏｌ／ｍ３）をそれぞれ表している。
【００３１】
化学式（１）のＯ＜ｄ＞↓は、気相とウエハ（固相）との境界を原子状酸素Ｏが気相側から固相側に移動することを表しており、単位は［ｋｇ／（ｍ２・ｓ）］である。酸化膜ＳｉＯ２の膜密度［ｋｇ／ｍ３］が判れば、Ｏ＜ｄ＞↓は膜成長速度［ｍ／ｓ  ｏｒ  Å／ｍｉｎ］に変換可能であり、成膜実験結果と比較ができるようになる。
【００３２】
化学式（２）の表面反応は、ウエハ表面におけるＨ及びＯＨの消費を表している。例えば数式（２）の反応速度定数ｋｓ２を大きくすれば、Ｈ及びＯＨはウエハ表面で消費され、気相におけるＨ及びＯＨが少なくなる。すると、５段の気相素反応によりＯの濃度もそれに引きつられて小さくなる。この現象が上段から下段にかけて積算されるので、下段にかけてＯの濃度が低くなり、数式（１）によって膜成長速度が小さくなる。これにより、後述する「ローディング効果の回路パターン依存性」を表現可能である。
【００３３】
図２０に、Ｏ２ガスとＨ２ガスとの流量比をＯ２：Ｈ２＝２５：１、１５：１、１０：１、５：１の４種類とし、排気圧力０．５Ｔｏｒｒ程度、温度９００℃程度とした場合の１２０枚のベアウエハに対する成膜実験結果（実線）と、５段の気相素反応及び２段の表面総括反応を考慮した計算結果（破線）とをそれぞれ示す。図２０の横軸はウエハ位置を示し、縦軸はウエハに形成される酸化膜の膜厚［Å］（成膜速度と同義）を示している。この計算結果を得るために、数式（１）及び数式（２）のｋｓ１、α、ｋｓ２、β、γの値を、Ｈ２ガスの流量を変化させた場合のベアウエハに対する成膜実験結果と一致するように試行錯誤してそれぞれ決定した。また、ｋｓ１、α、ｋｓ２、β、γの値は、一度決定すれば排気圧力およびＯ２：Ｈ２流量比に対して不変であり、再設定する必要はない。
【００３４】
図２０によると、実験結果（実線）と計算結果（破線）とが良好に対応していることが判る。例えば、Ｏ２ガスの量が豊富な状態でＨ２ガスの流量が増加すれば、気相素反応においてＯ濃度が増加するように気相反応が進行するため、図２０のようにＨ２ガスの流量に依存して全体的に膜厚が増加する。また、膜厚のＨ２ガスの流量に対する全体的な増減のほか、Ｈ２ガスの流量が増加するに従い膜厚のピーク位置が上段側に移動する現象も良く捉えている。
【００３５】
２段の総括表面反応はシンプルな形をしているが、これ以外に巧く成膜分布を再現する表面反応式は今のところ見つかっていない。例えば、化学式（１）について、
【化３】
2010147432.tif 000007
などと式を立てるなどして、化学式（１）以外の式を仮定しても、実際の成膜分布と一致させることはできなかった。従って、化学式（１）より、酸化膜形成に直接寄与する代表的な中間生成種は、原子状酸素Ｏであると推定した。なお、Ｈ，ＯＨ，Ｈ２Ｏは酸化膜成長に関する表面反応には直接関与しないものと推定した。
【００３６】
以上の素反応を基とした数値解析により、図７に示す成膜実験結果は以下の現象によるものと考えられる。
【００３７】
＃１２０から＃１１０にかけて膜厚が厚くなるのは、メインノズル７からＨ２ガスとＯ２ガスとが供給されるのに対し、最上段のウエハ＃１２０周辺ではＨ２及びＯ２の分解が不十分なため、原子状酸素Ｏの濃度が低くなり、成膜速度が遅くなることによるものと考えられる。Ｈ２ガスとＯ２ガスとはウエハ＃１２０周辺では分解が不十分であるが、ウエハ＃１１０近傍では充分に分解が進み、原子状酸素Ｏの濃度分布が高くなり、それに伴いウエハ＃１１０周辺で膜厚が最大になるものと考えられる。
【００３８】
＃１１０から＃１にかけて膜厚が薄くなるのは、一時的に平衡に近い反応状態に達した混合ガスが、反応状態を保ったまま（各ガスのモル分率が一定のまま）、積層ウエハと反応管１０内壁との間の空間を流れ落ちる際に流動抵抗を受け、上段と下段とで圧力が変化することによるものと考えられる。圧力が変化するのに伴いガス密度は変化するので、＃１１０近傍では原子状酸素のモル密度が高くなり、＃１近傍では原子状酸素のモル密度が低くなり、それに応じて成膜速度に差が生じる（これを上述のように“ローディング効果”と言う）ものと考えられる。
【００３９】
＜課題２：ローディング効果の回路パターン依存性＞
ＩＣを製造する工程ではウエハ６上に集積回路パターンを形成するが、本発明者等の検討によれば、回路パターンの形状等に応じ、酸化膜を同じ膜厚に成長させるためのガス流量が異なることが分かった。
【００４０】
ベアウエハ上に酸化膜を形成する場合を基準に考えると、特に、図５に示すようなＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）などの彫りの深いパターン付きウエハ６を処理する場合には、Ｓｉの露出する表面積がベアウエハに比べ何十倍もあるため、膜成長により多くの原料ガスを消費することとなる。逆に、図６に示すような、部分的にＳｉＯ２等の酸化膜で覆われたウエハ６の場合には、膜成長に必要なガス流量はベアウエハに比べて少なくなる。このように、ウエハ６に施された回路パターンに依存して、同じ膜厚にするために必要な原料ガスの消費量が異なり、ウエハ積層方向で膜厚を均一にするためのサブノズルからのＨ２流量が変化する（これを「ローディング効果の回路パターン依存性」と云う）。つまり、異なる回路パターンのウエハ６が装填されると、サブノズル８からのＨ２の流量を調整しない限り平坦な膜厚分布とならない。
【００４１】
従って、平坦な膜厚分布を実現するには、ウエハ６の回路パターンが変更される度に、サブノズル８からの流量条件を実験的に求める必要がある。しかしながら、均一成膜のための流量条件（各サブノズル８の流量条件）を実験的に求めるには、例えば５〜１０回のテスト成膜を行う必要があり、多大な時間と労力とを要する。そして、かかる作業を回路パターンの変更が変更される度に行うこととすれば、その時間と労力は膨大なものとなる。また、回路パターン付きウエハ６は多くの工程を経て製造されるため非常に高価であり
、テスト成膜には多大なコストを要する。
【００４２】
図８は、ローディング効果のパターン依存性を例示する膜厚分布図である。図８の横軸はウエハ位置を示し、縦軸はウエハに形成される酸化膜の膜厚［Å］を示している。図８の曲線（ａ）は図６のような原料ガスの消費の少ないウエハ６を装填した場合の膜厚分布を示し、図７の曲線（ｂ）はベアウエハを装填した場合の膜厚分布を示し、図７の曲線（ｃ）は図５のような原料ガスの消費の多いウエハ６を装填した場合の膜厚分布を示す。図８の曲線（ｃ）の場合におけるウエハ６の表面での中間生成種（ＯやＨやＯＨ）の消費量は、図８の曲線（ａ）の場合における中間生成種（ＯやＨやＯＨ）の消費量と比較して多い。そのため、図８の曲線（ｃ）では、ボート３内の下段において原子状酸素Ｏが不足し、その結果、下段における膜厚が図８の曲線（ａ）に比べ薄くなる（この現象を上述のように“ローディング効果の回路パターン依存性”と言う）。図８によれば、回路パターンが変更される度に、ローディング効果の強度が変化し、平坦な膜厚分布を実現するためのサブノズル８からの最適な流量配分が変化することが分かる。
【００４３】
以上のように本発明者等は、上述の素反応を基にした数値解析を行うことで、以下の現象［１］〜［４］のそれぞれに対するメカニズムを解明した。
［現象１］  成膜に寄与するガスは、原料ガスそのものではなく、中間生成物である。
［現象２］  ローディング効果の発生の一要因は、積層されたウエハ６周縁部と反応管１０内壁との間の流動抵抗にある。
［現象３］  ローディング効果の回路パターン依存性の発生の一要因は、ウエハ６の表面におけるガス消費度合いが回路パターンに依存して変化することにある。
［現象４］  膜厚のＨ２ガスの流量依存の一要因は、Ｈ２ガスの流量に応じ原子状酸素Ｏが増減することにある。
【００４４】
＜課題３：積層方向の膜厚均一性＞
図５のような特に彫りの深いパターン付きウエハ６が装填された場合、ウエハ６表面での原料ガスの消費量が増加し、ローディング効果は非常に大きくなる。この場合、図２のような構成の装置を用い、サブノズル８からＨ２ガスを補助的に供給したとしても、例えば図１１に示すように、ウエハ積層方向の膜厚均一性（ウエハ間の均一性）が悪化してしまうことがあった。図１１の横軸はウエハ位置を示し、縦軸はウエハに形成される酸化膜の膜厚（面内の平均値）［Å］を示している。図１１によれば、サブノズル８の噴出孔の存在しない領域（例えば、図２のサブノズル８ａの噴出孔とサブノズル８ｂの噴出孔との間の領域）における膜厚が、サブノズル８の噴出孔の存在する領域における膜厚よりも薄くなってしまい。ウエハ６の積層方向の膜厚均一性が悪化してしまっていることが分かる。
【００４５】
本発明者等は、サブノズル８からのＨ２ガスの供給の影響について数多く数値解析するため、素反応モデルよりも計算負荷の小さい総括反応モデルを構築して解析を進めた。以下に、その総括反応式を記述する。
【００４６】
＜気相反応式（反応１）＞
【化４】
2010147432.tif 000008
【数３】
2010147432.tif 000009
【００４７】
＜表面反応式（反応２）＞
【化５】
2010147432.tif 000010
【数４】
2010147432.tif 000011
【００４８】
＜表面反応式（反応３）＞
【化６】
2010147432.tif 000012
【数５】
2010147432.tif 000013
【００４９】
この３段（化学式（４）〜（６）、数式（３）〜（５））の総括反応モデルは、上記の［現象１］〜［現象４］と同様の特徴を再現可能である。即ち、素反応モデルと同等の解析結果を得ることが可能である。
【００５０】
数式（３）〜（５）のアレニウス型の反応速度定数ｋ１〜ｋ３に関して、一般的には、
【数６】
2010147432.tif 000014
のように温度Ｔの関数で表されるが、計算では温度を一定と仮定したためｋ＝一定値とした。
【００５１】
反応１（化学式（４））は、供給したＨ２及びＯ２が気相中でＨ及びＯに分解する（Ｈ及びＯが生成する）反応である（［現象１］に相当）。
【００５２】
反応２（化学式（５））は、ウエハ表面において、反応１（化学式（４））で生成したＨ及びＯの濃度に応じて、Ｈは消費されずにＯのみ消費される反応である（［現象４］に相当）。反応２（化学式（５））の反応速度を表す数式（４）の［Ｏ］や［Ｈ］は、それぞれモル濃度（ｋｍｏｌ／ｍ３）を表している。上述のように原料ガス（Ｏ，Ｈ）が積層されたウエハ６と反応管１０内壁との間の空間に流れ落ちる際、流動抵抗を受け、上段と下段とで圧力差が生じる。そうすると、上段と下段とではガス密度に差が生じるため、数式（４）の反応速度が上段と下段とにおいて変わる（［現象２］に相当）。
【００５３】
化学式（５）において、Ｏ＜ｄ＞は、図９のようにシリコンと気相との界面を通過したＯ原子がＳｉと反応してＳｉＯ２になることを意味し、
【化７】
2010147432.tif 000015
の反応は省略してある。図９に示すように、Ｓｉウエハと気相との界面をＳｉウエハの方向（図９の下方）に向かって通過するＯ原子は、全てＳｉと反応してＳｉＯ２に変化すると考えれば、単位時間・単位面積当たりに界面を通過するＯの質量［ｋｇ／（ｍ２・ｓ）］のみを考慮すれば良く、ＳｉＯ２膜の密度［ｋｇ／ｍ３］が与えられれば膜の成長速度［ｍ／ｓ  ｏｒ  Å／ｍｉｎ］を算出可能である。
【００５４】
反応３（化学式（６））は、“ローディング効果のウエハ回路パターン依存性”を表現するための反応式であり、回路パターンに依存してウエハ表面での原料ガス消費量が異な
る現象を、ｋ３の値を増減させることで表現可能である（［現象３］に相当）。
【００５５】
例えば、ウエハ表面における原料ガスの消費量が非常に大きい場合を想定する。このとき、反応速度定数ｋ３の値を大きくすると、Ｏ＋２Ｈ→Ｈ２Ｏの反応が進み、左辺のＨやＯが多量に消費されＨ２Ｏに変化するようになる。ここで、反応２（化学式（５））の膜成長に関する式を見ると、左辺のＨ及びＯの濃度に応じＯ＜ｄ＞（ＳｉＯ２膜）となる形の反応式となっており、反応速度はＲ２＝ｋ２＊［Ｏ］η２［Ｈ］η２（数式（４））で表されるため、反応３（化学式（６））でＯやＨが消費された場合には反応２（化学式（５））のＯ＜ｄ＞の生成速度が遅くなることが判る。即ち、上段のウエハで反応３（化学式（６））の反応が多く起これば、下段のウエハでは原料ガスの不足により膜厚が薄くなることになる。
【００５６】
このように、総括反応式３段（化学式（４）〜（６）、数式（３）〜（５））の記述とした場合においても、現象［１］〜［４］を充分表現可能である。従って、以後この総括反応モデルを用いて説明を進める。
【００５７】
次に、実際に成膜を行う成膜装置（基板処理装置）の熱処理炉５と同寸法の、ウエハ積層方向を回転軸とする２次元軸対象計算モデルを用い、図７に示す１２０枚のベアウエハに対する成膜条件と同条件の温度、すなわち８５０〜９５０℃程度の温度、Ｏ２ガスとＨ２ガスとの流量比をＯ２：Ｈ２＝１５：１、ガス排気口１１での圧力＝約０．５Ｔｏｒｒとして、上記総括反応を伴う流動計算を行ったので図１０を用いて説明する。図１０は、１２０枚のベアウエハを装填した時のシミュレーション結果と成膜実験結果とを例示する膜厚分布図である。図１０の横軸はウエハ位置を示し、縦軸はウエハに形成される酸化膜の膜厚［Å］を示している。
【００５８】
図１０の曲線（ｂ）の破線は膜厚分布の計算結果を示し、曲線（ｂ）の実線は実験結果を示している。図１０の曲線（ｂ）によれば計算結果と実験結果とは良く一致している。この総括反応式の記述による数値シミュレーションの結果を考察すると、＃１２０〜＃１１０にかけては反応１（化学式（４））のＨとＯとの生成反応が進み、膜成長に寄与するガス濃度が高くなるため、＃１２０から＃１１０近傍にかけて膜厚が厚くなる。一方＃１１０から＃１については、＃１１０近傍で一時的な平衡状態（滞留時間に対して反応の進行が遅い状態）に達した混合ガスが、積層ウエハと反応管との隙間を流れ落ちる際に生じる圧力差と、反応３（化学式（６））の原料ガスの消費との２つの影響により、下段にかけて膜厚が薄くなる。これらの現象は、メインノズル７からのＯ２ガスとＨ２ガスとの流量比をＯ２：Ｈ２＝１０：１としても同様となる（図１０の曲線（ａ））。
【００５９】
次に、Ｈ２ガスをサブノズル８ａ〜８ｄから追加供給した場合に、膜厚分布がどのように影響を受けるかについて詳細に調べるため、先述の総括反応モデルを用いて数値シミュレーションを行ったので説明する。この数値計算は、ウエハ積層方向を回転軸とする二次元軸対称系であるため、ウエハとウエハとの間を横切るガス流動を解くことが出来ないが、サブノズル８から供給されたＨ２ガスが濃度拡散でウエハ中央部に進む現象を解くことが可能である。場の圧力が０．５Ｔｏｒｒ程度と低く、流動よりも拡散による物質移動のほうが遥かに大きいため、この二次元軸対称モデルでも処理室全体の挙動を把握可能である。
【００６０】
図１２（ａ）はサブノズルからＨ２ガスを途中供給した場合のシミュレーション結果を示す膜厚分布図であり、図１２（ｂ）はシミュレーション条件であるサブノズルからのＨ２ガスの流量条件を示す表図である。図１２（ａ）の横軸はウエハ位置を示し、縦軸はウエハに形成される酸化膜の膜厚［Å］を示している。図１２（ａ）の曲線（Ａ）〜曲線（Ｅ）は、図１２（ｂ）の（Ａ）〜（Ｅ）の各流量条件を用いてそれぞれ算出した膜厚分布
曲線である。図１２（ａ）の曲線（Ａ）と曲線（Ｂ）とを比較すると、曲線（Ｂ）では、サブノズル８ａ（＃９７に相当する位置）からＨ２ガスを０．１５供給したのに伴い、＃９７近傍のウエハでは図１５（ａ）のＴｕｐ９７の分だけ膜厚が厚くなり、＃９７より下段の全てのウエハでは曲線（Ａ）に比べてＴｕｐ９７だけ膜厚が厚くなることが判る。また、＃９７より下段において、曲線（Ｂ）の勾配（膜厚降下の度合い）と曲線（Ａ）の勾配とがほぼ等しくなることが判る。ここで、Ｔｕｐ９７＝“サブノズル８ａ（＃９７に相当する位置）からＨ２ガスを供給したことによるウエハ＃９７に形成される酸化膜の膜厚上昇幅”と定義し、Ｔｕｐ６５、Ｔｕｐ３３、Ｔｕｐ０１についても同様に定義する。
【００６１】
次に、図１２（ａ）の曲線（Ｂ）と曲線（Ｃ）とを比較すると、曲線（Ｃ）では、曲線（Ｂ）の流量条件に加えてサブノズル８ｂ（＃６５に相当する位置）からＨ２ガスを０．３追加供給したのに伴い、＃６５近傍のウエハでは図１２（ａ）のＴｕｐ６５の分だけ膜厚が厚くなり、＃６５より下段の全てのウエハでは曲線（Ａ）に比べてＴｕｐ９７＋Ｔｕｐ６５の分だけ膜厚が厚くなる（曲線（Ｂ）に比べＴｕｐ６５の分だけ膜厚が厚くなる）ことが判る。また、＃６５より下段において、曲線（Ｃ）の勾配と曲線（Ａ）の勾配とがほぼ等しくなることが判る。
【００６２】
このようにサブノズル８ｂからのＨ２ガスの供給位置（＃６５に相当する位置）より下段において、曲線（Ａ）〜（Ｃ）の勾配が互いに等しくなる理由は、Ｏ２ガスとＨ２ガスとの混合ガスが、積層ウエハと反応管１０内壁との間を流れ落ちる際に受ける流動抵抗による圧力低下の度合いが、図１２（ａ）の曲線（Ａ）〜曲線（Ｃ）で互いに等しくなるからである。
【００６３】
これらの事は、図１２（ａ）の曲線（Ｄ）と曲線（Ｅ）とについても同様であり、サブノズル８ａ〜８ｄのいずれかから追加で供給されたＨ２ガスは、供給位置近傍のウエハに形成される酸化膜の膜厚を厚くするのと同時に、供給位置より下段のウエハ全てに対し膜厚を厚くする働きがある。すなわち、それぞれのサブノズル８ａ〜８ｄの影響は重ね合わせて考えることができる。
【００６４】
そして、図１２の曲線（Ｅ）によれば、サブノズル８ａ〜８ｄからＨ２ガスを補助的に供給したとしても、サブノズル８ａ〜８ｄの噴出孔の存在しない領域における膜厚が薄くなってしまい、ウエハ積層方向の膜厚均一性（面間均一性）が非常に悪くなってしまう場合があることが分かる。
【００６５】
＜課題４：面内の膜厚均一性＞
従来の基板処理装置では、ウエハ６を横切るガス流れは殆ど存在せず、ウエハ６の周縁部からウエハ６の中央部に向かう濃度拡散のみで成膜寄与ガスが侵入する構造なので、膜厚の面内均一性に限界がある。
【００６６】
図１３に、サブノズル８の噴出孔の位置とウエハ６面内の膜厚分布との関係を示す対応図（実験結果）を示す。これによると、サブノズル８の噴出孔の存在する場所以外では一様に中央凹型（すり鉢状）の膜厚分布となっており、この領域（＃３９〜＃５７）では、ウエハ６の周縁部から中央部への濃度拡散が支配的になっていると考えられる。図９の膜厚マップによると、サブノズル８の噴出孔の存在する領域における面内均一性は中央凸型分布ながら比較的良く、サブノズル８の噴出孔の存在しない領域における面内均一性が問題となっている。
【００６７】
ガスの拡散速度の速い０．５Ｔｏｒｒ程度の低圧場においても、ウエハ６の表面において原料ガスが消費される場合では、気相中のガスの濃度に分布が残ったまま定常状態となるため、この濃度分布に依存してウエハ６の面内の膜厚に分布が生じる。これについて、
図１９に示す二次元軸対称計算領域を用い、Ｏ２：Ｈ２＝１５：１とした場合の素反応を基にした解析を行ったので説明する。なお、解析のシミュレーション条件は、上述した「メインノズルからの供給と膜厚分布との関係」に関する検討で用いた条件と同様である。
【００６８】
図２１に、メインノズル７からＯ２とＨ２とを供給し、サブノズル８からはＨ２を供給しない場合の定常状態における原子状酸素Ｏの濃度分布（モル密度）に関する計算結果を示す。図２１に示すように、中段・下段のウエハ６において、ウエハ６の半径方向に濃度差（濃度分布）が生じており、この状態で定常状態となっていることが判る。上述した通り、形成される薄膜の膜厚は、原子状酸素Ｏの濃度に直接依存するため、中段・下段のウエハ６においては、ウエハ６の半径方向に膜厚差が生じることとなる。図２１の計算結果によれば、上段のウエハ６を除く全てのウエハ６で、形成される薄膜の膜厚分布が中央凹（すり鉢）型の分布となっている。
【００６９】
図２２に、メインノズル７からＯ２とＨ２とを供給し、サブノズル８からＨ２を供給した場合の定常状態における原子状酸素Ｏの濃度分布（モル密度）に関する計算結果を示す。二次元軸対称系であるため、三次元的なノズルの形状を正しく再現していないが、０．５Ｔｏｒｒ程度の濃度拡散が支配的な低圧場であるから、ノズルから噴射されるガスの流動はある程度無視した定性的な結果を得ることが得られる。これによると、サブノズル８を追加した場所では、ウエハ６面内の原子状酸素Ｏの濃度分布が中央凸型になることが分かる。原子状酸素Ｏの濃度分布が中央凸型になる現象は、サブノズル８の形状を三次元的に考慮した素反応流解析においても再現することが判っており、これらの計算結果は、図１３に示すサブノズル８の噴出孔の位置とウエハ面内の膜厚分布との関係と良く対応していることが分かる。
【００７０】
以上のＣＦＤ解析（熱流体解析：Ｃｏｍｐｕｔａｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により、濃度拡散による侵入が支配的な低圧場においても、ガスを消費する性質を持つウエハ６を積層した場合には、ウエハ６の半径方向における原子状酸素Ｏの濃度分布に差が生じたまま定常状態となってしまい、ウエハ６面内の膜厚均一性が悪化してしまう場合があることが分かる。ウエハ６面内の膜厚均一性を改善するには、ウエハ６の積層ピッチを広くしたり、反応室内の圧力を下げたり、サブノズル８の本数を増やす方法が考えられる。しかしながら、ウエハ６の積層ピッチを広くすると、一括で処理できるウエハ６の枚数が減少してしまい、基板処理のスループットが低下してしまう。また、反応室内の圧力を下げると、酸化レートが落ちてしまう。また、サブノズル８の本数を増やすと、基板処理装置の構造が複雑になると共に、均一成膜のための流量条件（サブノズル８の流量条件）を求めるための工数が増えてしまう。
【００７１】
＜本実施形態に係る反応管の構成＞
次に、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置が備える反応管２０の構成について図２３〜図２５を参照しながら説明する。図２３は、本発明の一実施形態にかかる反応管２０内部の概略構成図である。図２４は、図２３に示す反応管２０を基板の積層方向に垂直な断面で切り出した概略図である。図２５は、図２４に示す反応管２０のＡ−Ａ線断面図である。
【００７２】
図２３及び図２４に示すとおり、本実施形態に係る反応管２０内には、複数枚の基板としてのウエハ６が水平姿勢で垂直方向に配列（積層）された状態で支持される基板配列領域（プロダクト領域）１９が設けられている。また、反応管２０の内壁と基板配列領域１９の外周との間には、基板配列領域１９に沿うように設けられ、複数種類のガスを混合させるミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒがそれぞれ構成されている。そして、反応管２０の内壁と基板配列領域１９の外周との間であって、基板配列領域１９を挟んでミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒと対向する領域には、低圧側空間２２が構成されている。基板配列領域１
９及び低圧側空間２２により処理空間が形成される。
【００７３】
ミキシング空間１５Ｌと処理空間（基板配列領域１９及び低圧側空間２２）とは、反応管２０の内壁にその一端が取り付けられたウイング状部材１６Ｌにより仕切られるように構成されている。また、ミキシング空間１５Ｒと処理空間とは、反応管２０の内壁にその一端が取り付けられたウイング状部材１６Ｒにより仕切られるように構成されている。
【００７４】
ミキシング空間１５Ｌ内のウイング状部材１６Ｌの一端側、及びミキシング空間１５Ｒ内のウイング状部材１６Ｒの一端側には、第１ガス（酸素含有ガス）としてのＯ２を供給する第１ノズル１７と、第２ガス（水素含有ガス）としてのＨ２を供給する第２ノズル１８とがそれぞれ設けられている。第１ノズル１７及び第２ノズル１８は、反応管２０の内壁に沿って反応管２０内の下方から上方に向けてそれぞれ配設されている。第１ノズル１７及び第２ノズル１８の下流側端部（上端部）には、ガスを上方に向けて噴出する噴出孔１７ａ及び噴出孔１８ａがそれぞれ設けられている。噴出孔１７ａ及び噴出孔１８ａの高さ位置は、基板配列領域１９の中央部（ミキシング空間１５Ｌ及びミキシング空間１５Ｒの高さの半分程度）に一致するように構成されている。
【００７５】
ウイング状部材１６Ｌの他端側には、第１ノズル１７及び第２ノズル１８によりミキシング空間１５Ｌ内に供給されたガスを処理空間に吐出する吐出口としてのスリット２３Ｌが、基板配列領域１９に対向するように設けられている。また、同様に、ウイング状部材１６Ｒの他端側には、第１ノズル１７及び第２ノズル１８によりミキシング空間１５Ｒ内に供給されたガスを処理空間に吐出する吐出口としてのスリット２３Ｒが、基板配列領域１９に対向するように設けられている。
【００７６】
スリット２３Ｌとスリット２３Ｒとは、隣接するように配列されて一体となり、ウエハ６の積層方向に沿って垂直方向に開設されたスリット２３を構成している。ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内と基板配列領域１９内とは、スリット２３を介して連通している。また、ウイング状部材１６Ｌの一端側に設けられた第１ノズル１７及び第２ノズル１８と、ウイング状部材１６Ｒの一端側に設けられた第１ノズル１７及び第２ノズル１８とは、スリット２３を挟んで対象に配列するように構成されている。
【００７７】
反応管２０の側壁下部であって、基板配列領域１９（複数枚のウエハ６）を挟んでスリット２３と対向する位置には、反応管１０内を排気する排気口２１ａが開設されている。排気口２１ａには、図２４に示すように排気管２１が接続されている。
【００７８】
第１ノズル１７から供給されたＯ２と第２ノズル１８から供給されたＨ２とは、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内でそれぞれ充分に混合され、予備分解される。予備分解されたＨ２とＯ２との混合ガスは、スリット２３を通り、基板配列領域１９内に導入される。排気管２１により反応管２０内を排気し、低圧側空間２２内を基板配列領域１９よりも低圧に保つことにより、スリット２３を通った混合ガスが、積層されたウエハ６の隙間を横切り、低圧側空間２２に流れる。低圧側空間２２に流れた混合ガスは、図２５に示すように低圧側空間２２内を排気口２１ａに向かって下方側に流れ落ち、排気管２１により排気される。
【００７９】
以下に、上述の反応管２０の構成について、本発明者等が得た知見を交えて詳しく説明する。
【００８０】
〔ミキシング空間内の原子状酸素Ｏの濃度分布〕
本発明者等の知見によれば、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内に供給された原料ガス（Ｏ２とＨ２との混合ガス）は、スリット２３を通過して基板配列領域１９に到達する迄に
、一時的な平衡状態となるまで充分に分解させるのが望ましい。本発明者等は、図２３〜２５に示すミキシング空間１５Ｌ内の原子状酸素Ｏの濃度分布について、部分的にＣＦＤ解析を行ったので説明する。なお、以下ではミキシング空間１５Ｌを解析対象としているが、ミキシング空間１５Ｒはミキシング空間１５Ｌと同一形状であるため、ミキシング空間１５Ｒ内においても同様の現象が発生する。
【００８１】
図２６（ａ）は反応管２０内に形成された解析対象としてのミキシング空間１５Ｌを示し、（ｂ）はミキシング空間１５Ｌを直方体状に変形した計算領域２５ａを示す。実際のミキシング空間１５Ｌの形状は、図２６（ａ）に示すように反応管２０の形状に沿って湾曲しているが、便宜上、計算領域２５ａは図２６（ｂ）に示すように直方体の形状とした。計算領域２５ａの寸法は、厚さｔ＝２５ｍｍ、幅Ｄ＝２８０ｍｍ、高さＨ＝９００ｍｍとした。また、第１ノズル１７、第２ノズル１８の噴出孔１７ａ，１８ａ（Ｉｎｌｅｔ）から供給されるガス流は、実際にはそれぞれ上向きであるが、計算に際しては、便宜上、図２６（ｂ）の符号２４に示すようにそれぞれ横向きとした。Ｉｎｌｅｔの高さ位置は、計算領域２５ａの高さＨの半分程度の高さ（４５０ｍｍ）とした。また、Ｏｕｔｌｅｔの圧力を０．５Ｔｏｒｒ程度とし、計算領域２５ａ内の温度を９００℃程度とした。また、低圧における酸化膜成長には原子状酸素Ｏが直接寄与していることから、本発明者等は、原子状酸素Ｏの濃度分布に着目して解析を行った。なお、計算では図３１の（ｉ）に示す５段の気相素反応式のみを考慮した。
【００８２】
図２７（ａ）に、計算領域２５ａ内の原子状酸素Ｏの濃度分布に関する計算結果を示す。濃度分布に重ねて表示されている線は、計算領域２５ａ内のガス流の流線を示している。図２７（ａ）によれば、Ｉｎｌｅｔ近傍ではＯ２及びＨ２の分解が進んでおらず、原子状酸素Ｏのモル濃度（ｋｍｏｌ／ｍ３）は相対的に薄くなっており、Ｉｎｌｅｔから距離が離れるに従って原子状酸素Ｏのモル濃度が高くなることが分かる。
【００８３】
スリット２３に相当する場所、つまり図２７（ａ）の点線２６における原子状酸素Ｏの濃度をプロットすると、図２７（ｂ）に示すグラフとなる。図２７（ｂ）の横軸は原子状酸素Ｏのモル濃度（ｋｍｏｌ／ｍ３）を、縦軸は計算領域２５ａ内の高さ位置（ｍ）を示している。図２７（ｂ）によれば、Ｉｎｌｅｔ周辺の高さ位置における原子状酸素Ｏのモル濃度は、他の高さ位置における原子状酸素Ｏのモル濃度よりも２０％程度低くなっている。すなわち、基板配列領域１９内に供給される原子状酸素Ｏのモル濃度が、高さ方向に亘り不均一となってしまうことが分かる。
【００８４】
そこで、計算領域２５ａ内に、ガスの流れを調整するガス流調整部材としての邪魔板３８を複数枚設け、計算領域２５ａ内の原子状酸素Ｏの濃度分布について再度計算を行った。図２８は、邪魔板３８が設けられた計算領域２５ａの上面図である。各邪魔板３８は、計算領域２５ａの高さ方向に沿って設けることとし、計算領域２５ａの幅Ｄを略４等分配する位置にそれぞれ配置することとした（すなわち、ｐ１，ｐ２，ｐ３の位置に略等間隔で３枚配置することとした）。反応管１０の内壁に接続された邪魔板３８と、ウイング状部材１６Ｌに接続された邪魔板３８と、を交互に配列することとした。各邪魔板３８を通過する際のガス流の流路幅（邪魔板３８と反応管２０の内壁との幅、あるいは邪魔板３８とウイング状部材１６Ｌ内壁との幅）をそれぞれ５ｍｍとした。なお、計算に際し、邪魔板３８の厚さについては考慮していない。
【００８５】
図２９（ａ）に、邪魔板３８を設けた計算領域２５ａ内の原子状酸素Ｏの濃度分布に関する計算結果を示す。濃度分布に重ねて表示されている線は、計算領域２５ａ内のガス流の流線を示している。図２９（ａ）によると、計算領域２５ａ内の高さ方向の原子状酸素Ｏの濃度分布が、邪魔板３８を通り抜ける度に平坦化（均等化）されていることが分かり、邪魔板３８を設けることによる整流効果が確認できる。図２９（ａ）のｐ１〜ｐ３の位
置における原子状酸素Ｏの濃度を計算領域２５ａの高さ方向にそれぞれプロットすると、図２９（ｂ）のグラフのようになる。図２９（ｂ）の横軸は原子状酸素Ｏの濃度（ｋｍｏｌ／ｍ３）を、縦軸は計算領域２５ａ内の高さ位置（ｍ）を示している。図２９（ｂ）によれば、邪魔板３８による原子状酸素Ｏの濃度分布に関する平坦化効果を確認できる。また、ｔ＝２５ｍｍ、Ｄ＝２８０ｍｍ、Ｈ＝９００ｍｍの寸法のミキシング空間１５Ｌ内に少なくとも３枚以上の邪魔板３８を設けることにより、十分な平坦化効果を得られることが分かる。
【００８６】
高さ方向の濃度分布をより平坦化したい場合には、図３７に示すように、高さ方向に複数個の噴出孔を備えた多孔ノズル３４，３５をミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内にそれぞれ設け、多孔ノズル３４，３５によりＯ２及びＨ２をそれぞれ供給することにより、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内へのガス噴出箇所を分散させることが好ましい。なお、多孔ノズル３４，３５の備える各噴出孔の孔径は、原料ガス（Ｏ２、Ｈ２）の流量を高さ方向に亘り均等化することが可能なように、それぞれ最適化することが好ましい。但し、係る場合、多孔ノズル３４，３５に供給するガス流量を所定の範囲を超えて変化させると、各噴出孔から噴出する質量流量が変化し、原料ガスの流量が高さ方向に不均一となってしまう場合がある。この問題を回避するには、内部にバッファ空間が形成されたバッファ管を多孔ノズル３４，３５に近接するようにそれぞれ設け、多孔ノズル３４内とバッファ管内のバッファ空間とを複数本の中空の連結管によって連結すると共に、多孔ノズル３５とバッファ管内のバッファ空間とを複数本の中空の連結管によって連結するとよい。そして、各バッファ空間を介して多孔ノズル３４，３５内にＯ２及びＨ２をそれぞれ供給し、多孔ノズル３４，３５の備える各噴出孔からミキシング空間１５Ｌ内にＯ２及びＨ２をそれぞれ供給するとよい。
【００８７】
〔積層方向の膜厚均一性〕
前節で、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内（計算領域２５ａ内）における原子状酸素Ｏの濃度分布を、ウエハ６の積層方向（高さ方向）に亘り平坦化にするための構造について検討した。次に、原子状酸素Ｏの濃度分布が高さ方向に亘り平坦化された状態で、ウエハ６に形成される薄膜の積層方向における膜厚均一性について解析を行ったので説明する。このＣＦＤ解析には、図１８に示す５段の素反応式（気相素反応）と、２段（化学式（１），（２）、数式（１），（２））の表面総括反応式とを考慮した。
【００８８】
図３０（ａ）に反応管２０内における計算領域２５ｂを示す。図３０（ｂ）は図３０（ａ）に示す計算領域２５ｂの拡大図である。計算領域２５ｂは二次元無限遠座標系であり、実際の三次元的な形状とは異なるが、ウエハ６の積層方向の膜厚均一性について定性的に検討を行う目的で簡易的な形状にしている。図３０（ｃ）は基板配列領域１９の下方に積層された断熱板３０群の概略図である。
【００８９】
図３０（ｂ）に示すように、計算領域２５ｂ内には、基板配列領域１９が設けられ、基板配列領域１９の上方には上部空間２８（反応管２０と最上段のウエハ６のとの間の空間に相当）が設けられ、基板配列領域１９の下方には断熱板３０が積層されている。また、計算領域２５ｂ内には、断熱板３０が積層された領域の外周を囲うガス流制御部材としての蓋２９を設けることが可能なこととした。また、計算領域２５ｂの左側にはＩｎｌｅｔ（スリット２３に相当）が鉛直方向全域に設けられ、計算領域２５ｂの右側下方にはＯｕｔｌｅｔ（排気口２１ａに相当）が設けられている。
【００９０】
計算に際し、Ｉｎｌｅｔから供給されるガスの組成として、図２９の符号ｐ４の位置における原料ガスと中間生成物との混合ガスの組成平均値を、高さ方向一様に与えることとした。また、質量流量については、図２９の計算に与えた質量流量の２倍の流量（ミキシング空間１５Ｌ及びミキシング空間１５Ｒ内から処理空間内に供給される混合ガスの合計
流量に相当）を与えることとした。また、計算領域２５ｂ内の温度は９００℃程度とし、Ｏｕｔｌｅｔの圧力を０．５Ｔｏｒｒ程度とした。また、断熱板３０の表面では表面反応は起こらない（即ち、原子状酸素Ｏ、Ｈ、ＯＨが消費されず、Ｈ２Ｏが発生しない）こととした。一方、ウエハ６の表面では、表面反応が発生し、原子状酸素Ｏ、Ｈ、ＯＨが消費され、Ｈ２Ｏが発生されることした。図３１に、計算において考慮した気相素反応式および表面総括反応式をそれぞれ示す。
【００９１】
そして、断熱板３０が積層された領域の外周を囲う蓋２９の有無や、基板配列領域１９の上方の上部空間２８の有無により、ウエハ６に形成される薄膜の積層方向における膜厚均一性がどのように変化するかについて検討を行った
【００９２】
図３２に、原子状酸素Ｏの濃度分布に関する計算結果を示す。図３２の（ｉ）は上部空間２８ありで蓋２９なしの場合を、図３２の（ｉｉ）は上部空間２８及び蓋２９が共になしの場合を、図３２の（iii）は上部空間２８なしで蓋２９ありの場合をそれぞれ示して
いる。
【００９３】
図３２の（ｉ）によれば、基板配列領域１９内の上段領域３１と下段領域３３とで原子状酸素Ｏの濃度が共に高くなっていることが判る。上段領域３１において原子状酸素Ｏの濃度が高くなる現象については、以下の（１）〜（３）の理由が考えられる。
【００９４】
（１）基板配列領域１９内の上段領域３１、中段領域３２、下段領域３３におけるウエハ６表面では表面反応が発生するため、原子状酸素Ｏ、Ｈ、ＯＨが消費され、Ｈ２Ｏが発生する。そのため、上段領域３１、中段領域３２、下段領域３３ではそれぞれ一様に原子状酸素Ｏの濃度が低下する。
（２）上部空間２８では原子状酸素Ｏ、Ｈ、ＯＨが消費されず、Ｈ２Ｏが発生しないため、原子状酸素Ｏの濃度が低下しない。
（３）上部空間２８の高濃度の原子状酸素Ｏが上段領域３１に向かって拡散し、上段領域３１内に侵入する。
【００９５】
また、下段領域３３の領域において原子状酸素Ｏの濃度が高くなるのは、以下の（４）、（５）の理由が考えられる。
【００９６】
（４）断熱板３０が積層された領域では、図３１の（ｉｉ）に示す表面反応式を与えておらず、断熱板３０の表面では表面反応が起こらないこととしており、原子状酸素Ｏ、Ｈ、ＯＨが消費されず、Ｈ２Ｏが発生しないため、原子状酸素Ｏの濃度が低下しない。
（５）断熱板３０が積層された領域の高濃度の原子状酸素Ｏが下段領域３３に向かって拡散し、下段領域３３内に侵入する。
【００９７】
上述したように、ウエハ６に形成される薄膜の膜厚は、原子状酸素Ｏの濃度に直接依存する。そのため、基板配列領域１９内の上段領域３１、中段領域３２、下段領域３３にて原子状酸素Ｏの濃度に偏差が生じた場合には、膜厚分布にも偏差が生じることとなる。図３３に、図３２の計算結果（原子状酸素Ｏの濃度分布）に基づいた膜厚分布の計算結果を示す。図３３の横軸はウエハ位置を示し、縦軸はウエハに形成される酸化膜の膜厚（面内の平均値）［Å］を示している。図３３において、曲線（ｉ）は図３２の計算結果（ｉ）に基づく膜厚分布を示し、曲線（ｉｉ）は図３２の計算結果（ｉｉ）に基づく膜厚分布を示し、曲線（iii）は図３２の計算結果（iii）に基づく膜厚分布を示している。図３３によれば、曲線（ｉ）及び曲線（ｉｉ）の膜厚均一性は順に±６．７９％，±４．５２％であり、曲線（iii）の膜厚均一性は±０．４３％であるから、上段領域３１および下段領
域３３における高濃度の原子状酸素Ｏの拡散による膜厚分布への影響は明らかである。
【００９８】
すなわち、上記の理由（１）〜（３）の影響を抑制するには、上部空間２８を取り去る（最上段におけるウエハ６と反応管２０天井の距離は極力狭くする）のが有効であることが分かる。図３２の計算結果（ｉｉ）によれば、上部空間２８が無い場合には上段領域３１の原子状酸素Ｏの濃度分布が均一になっていることが分かる。また、図３３によれば、曲線（ｉｉ）に示される上段領域３１の膜厚均一性が、曲線（ｉ）に示される上段領域３１の膜厚均一性よりも良好であることが分かる。
【００９９】
また、上記の理由（５）、（６）の影響を抑制するには、断熱板３０が積層された領域の外周を囲う蓋２９を設けることが有効であることが分かる。図３２の計算結果（iii）
によれば、蓋２９を設けた場合には下段領域３３の原子状酸素Ｏの濃度分布が均一になっていることが分かる。また、図３３によれば、曲線（iii）に示される下段領域３３の膜
厚均一性が、曲線（ｉ）や曲線（ｉｉ）に示される下段領域３３の膜厚均一性よりも良好であることが分かる。
【０１００】
〔ウエハ面内膜厚均一性〕
次に、ウエハ６の面内の膜厚均一性に関するＣＦＤ解析について説明する。この解析についても、図３１に示す反応式（気相素反応式＋表面総括反応式）を考慮している。
【０１０１】
図３４（ａ）及び（ｂ）に、ウエハ６の面内の膜厚均一性に関する計算領域２５ｃを示す。図３４（ａ）は計算領域２５ｃの上面図及び側面図であり、図３４（ｂ）は計算領域２５ｃの斜視図である。計算領域２５ｃは、積層されたウエハ６の１層分を切り出した三次元モデルであり、計算領域２５ｃを挟んで上下に隣接するウエハ６を境界としている。計算領域２５ｃの高さは、ウエハ６の積層ピッチ（７．５ｍｍ）に相当する。
【０１０２】
スリット２３を模擬したＩｎｌｅｔに与える質量流量［ｋｇ／ｓ］は、図２９の試算に与えた質量流量（ミキシング空間１５Ｌ及びミキシング空間１５Ｒ内から処理空間内に供給される混合ガスの合計流量に相当）の約１００分の１（ウエハ６を１００枚積層した時の１層分の質量流量に相当）としている。また、積層されたウエハ６の隙間を横切って低圧側空間２２内に流れ込んだガス流は、実際には低圧側空間２２内を排気口２１ａに向かって下方側に流れ落ちるが、便宜上、積層されたウエハ６の隙間を横切ったガス流が低圧側空間２２内を水平方向に流れて計算領域２５ｃ外に排気されるものとして計算した。すなわち、Ｏｕｔｌｅｔの位置及び形状を、積層されたウエハ６の隙間を横切ったガス流が低圧側空間２２内をそのまま水平方向に流れて計算領域２５ｃ外に排気されるような位置及び形状とした。
【０１０３】
ここでは、スリット２３を模擬したＩｎｌｅｔから、図２９（ａ）の符号ｐ４の位置におけるガス組成と同一の組成の混合ガスを供給する場合（条件１）と、Ｈ２とＯ２とを混合せずに未分解のまま直接供給する場合（条件２）と、の二通りについてそれぞれ解析を行った。
【０１０４】
図３５（ａ）に、条件１の場合のウエハ６面内の原子状酸素Ｏの濃度分布を、図３５（ｂ）に、条件２の場合のウエハ６面内の原子状酸素Ｏの濃度分布をそれぞれ示す。いずれも、計算領域２５ｃの高さ（ウエハ６の積層ピッチである７．５ｍｍ）の半分の高さの位置である３．７５ｍｍにおける平面での原子状酸素Ｏの濃度分布を示している。
【０１０５】
図３５（ａ）に示すように、条件１の状態で計算領域２５ｃ内にガスを流すと、Ｉｎｌｅｔ側からＯｕｔｌｅｔ側にかけて原子状酸素Ｏの濃度が徐々に低下する分布となる。条件１においては、Ｉｎｌｅｔから供給される混合ガスは一時的に平衡に近い状態となっているため（十分に予備分解されているため）、計算領域２５ｃ内に供給された後のモル分率の変化は小さく、原子状酸素Ｏの濃度は場の圧力分布に直接依存するようになる。従っ
て、圧力の高いＩｎｌｅｔ近傍において原子状酸素Ｏの濃度は高くなり、逆に圧力の低いＯｕｔｌｅｔ近傍では原子状酸素Ｏの濃度が低くなるのである。なお、原子状酸素Ｏの濃度分布の模様に注目すると、Ｉｎｌｅｔ近傍ではＩｎｌｅｔを中心とする扇形分布となっているが、それ以外の場所では図２４に示すように横縞分布となっていることが分かる。なお、図２４に示すような横縞の濃度分布となるのは、排気口２１ａが基板を挟んでスリット２３と対向する（スリット２３の反対側の）位置に設けられていることによるものであり、排気口２１ａが基板を挟んでスリット２３と対向しない位置に設けられている場合には、このような横縞の濃度分布とはなり難いと考えられる。
【０１０６】
一方、図３５（ｂ）に示すように、条件２の状態で計算領域２５ｃ内にガスを流すと、図３５（ａ）に示す濃度分布とは逆の濃度分布となる。すなわち、圧力の高いＩｎｌｅｔ近傍において原子状酸素Ｏの濃度は最も低くなり、逆に圧力の低いＯｕｔｌｅｔ近傍において原子状酸素Ｏの濃度が最も高くなり、Ｉｎｌｅｔ側からＯｕｔｌｅｔ側にかけて原子状酸素Ｏの濃度が徐々に上昇する分布となる。条件２においては、Ｉｎｌｅｔから供給される混合ガスは予備分解されておらず、計算領域２５ｃ内に供給された後に分解を始めるため、計算領域２５ｃ内に供給された後のモル分率の変化が大きく、原子状酸素Ｏの濃度は場の圧力分布には直接依存しないのである。
【０１０７】
これら図３５（ａ）及び（ｂ）の計算結果に基づいて、ウエハ６を水平姿勢で回転させながら成膜した場合の膜厚分布について考察する。
【０１０８】
図３５（ａ）及び（ｂ）の計算結果を用いれば、ウエハ６表面における同心円上の膜厚平均値をウエハ６の半径方向にプロットすることにより、ウエハ６を回転させながら成膜した場合の膜厚分布を得ることが可能である。図３６に、ウエハ６を回転させながら成膜した場合の膜厚分布の計算結果を示す。図３６の横軸はウエハ６の中心からの距離（ｍ）を示し、縦軸はウエハ６表面における同心円上の膜厚平均値を示している。図３６の曲線（ａ）は、図３５（ａ）を基に算出した膜厚分布（すなわち条件１で成膜した場合の膜厚分布）を示しており、図３６の曲線（ｂ）は、図３５（ｂ）を基に算出した膜厚分布（すなわち条件２で成膜した場合の膜厚分布）をそれぞれ示している。
【０１０９】
図３６によると、条件１で成膜すると膜厚分布が±０．５５％のすり鉢分布（中央凹分布）となり、条件２で成膜すると膜厚分布が±１．３３％の中央凸分布となることが分かる。すなわち、Ｏ２とＨ２とを混合せずに未分解のまま直接供給する（条件２）よりも、基板配列領域１９に対してミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内で充分に混合し、予備分解させてから供給する（条件１）ほうが、ウエハ６面内の均一性を向上できることが分かる。なお、ウエハ６面内における膜厚の凹凸形状は、条件１と条件２とで逆転していることが分かる。
【０１１０】
さらに、以上の結果から、条件１と条件２の中間の状態の混合ガスを供給することにより、極めて均一な膜厚分布を得ることが可能であると推測できる。但し、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内におけるガスの分解状態を厳密に把握したり制御したりすることは困難である場合が多い。少なくとも、Ｏ２とＨ２とを予備分解させることなく基板配列領域１９内に直接供給する（条件２）よりも、基板配列領域１９に対してミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内で充分に予備分解させてから供給する（条件１）方が、ウエハ６面内の均一性を向上できるため好ましい。
【０１１１】
〔反応管天井の形状〕
先述までの数値解析により、最上段におけるウエハ６と反応管２０天井との距離は、極力狭くしたほうが良いことが判った。本発明者等の知見によれば、最上段のウエハ６と反応管２０天井との距離（上部空間２８の高さ）は、例えばウエハ６の積層ピッチ（例えば
７．５ｍｍ）と同程度とするのが好ましい。ただし、最上段のウエハ６と反応管２０天井との距離をこのような距離（７．５ｍｍ程度）とすることは基板処理装置の製造上（精度上）困難であり、１０〜１５ｍｍ程度とするのが実用的と言える。
【０１１２】
しかしながら、通常の反応管２０天井は、大気圧に耐えるために図３８に示すようなドーム型をしている事から、最上段のウエハ６と反応管２０天井との間には隙間３６が生じてしまい、最上段のウエハ６と反応管２０天井との距離を縮めるのは困難である。なお、反応管２０上部をドーム型ではなく角型（天井が平らな型）とすることも考えられる。しかしながら、反応管２０の内部は真空排気され、反応管２０には外部から大気圧が直接加わるため、角型とすると強度的に不足しがちである。反応管２０上部を角型としつつ必要な強度を確保するには、反応管２０の天井壁を１５ｍｍ以上の厚さとする必要があり、反応管２０の天井部の熱容量が大きくなってしまい、上段に支持されるウエハ６が冷えやすくなってしまう場合がある。
【０１１３】
以上により、上部空間２８を取り去るには（上記の理由（１）〜（３）の影響を抑制するには）、図３９に示すように、反応管２０内の天井部付近にガス流制御部材としての平板３７を設け、基板配列領域１９と隙間３６との間のガスの流通を遮断することが好ましいと考えられる。
【０１１４】
＜本実施形態に係る熱処理炉の構成＞
続いて、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置（バッチ式縦型酸化装置）が備える熱処理炉（反応炉）５０の構成について、図４１を参照しながら説明する。図４１（ａ）は本実施形態にかかる熱処理炉５０の水平断面図であり、図４１（ｂ）は図４１（ａ）に示す熱処理炉５０の垂直断面図である。
【０１１５】
（反応管）
図４１に示すように、本実施形態にかかる熱処理炉５０は、基板としてのウエハ６を処理する処理空間を形成する反応管２０を有している。反応管２０の構成は、上述した構成と同じである。
【０１１６】
なお、第１ノズル１７及び第２ノズル１８を、図３７に示す多孔ノズル３４，３５のように構成しない場合には、基板配列領域１９の垂直方向における中央部からガスを供給するように構成することが好ましい。すなわち、噴出孔１７ａ及び噴出孔１８ａの高さ位置を、基板配列領域１９の高さの半分程度とすることが好ましい。このように構成することで、ミキシング空間１５Ｌ及びミキシング空間１５Ｒ内でガスを均一に混合させ易くなり、また、ガスの濃度分布を上下方向に亘り対称とさせ易くできる。
【０１１７】
また、スリット２３の幅は例えば２０ｍｍ程度とすることが好ましい。スリット２３の幅が広すぎると、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの周方向幅が短くなり、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内のガス流路が不足して、ガスの分解が進まない状態（原子状酸素Ｏの濃度が増加していない状態）で、基板配列領域１９内に混合ガスが導入されてしまう場合がある。また、スリット２３の幅が狭すぎると、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内の圧力が大きくなり過ぎて、ガスの分解ピークを過ぎた状態（原子状酸素Ｏの濃度が低下した状態）で、基板配列領域１９内に混合ガスが導入されてしまう場合がある。
【０１１８】
また、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの周方向側壁とウエハ６外縁との間の隙間は、極力狭いほうが好ましい。この隙間を狭くする理由は、スリット２３を通過したガスがこの隙間を通って下方へ流れ落ちる量を少なくするためである。本実施形態では、かかる隙間を例えば１７ｍｍ程度としている。この隙間が大きすぎると、この隙間を通って下方へ流れる混合ガスの量が多くなってローディング効果を発生させてしまうと共に、積層された
ウエハ６の隙間を横切る混合ガスの流量が不足して成膜速度が低下してしまう場合がある。また、この隙間は狭ければ狭いほどよいが、狭くし過ぎるとウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの周方向側壁とウエハ６やボート３９の外縁とが接触してしまう場合がある。
【０１１９】
また、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒと反対側の反応管２０の内壁とウエハ６外縁との間の隙間（低圧側空間２２における反応管２０の径方向の幅）は、極力広いほうが好ましく、例えば６０ｍｍ程度とするのが好ましい。この隙間を広くする理由は、混合ガスが流れ落ちる際の流動抵抗を極力最小限にするためである。かかる隙間は広ければ広いほどよいが、広くし過ぎると反応管２０が大型化してしまう場合がある。また、かかる隙間を狭くし過ぎると、混合ガスが上から下へ向かって流れ落ちる時の流動抵抗が大きくなり、低圧側空間２２内における上下方向の圧力差及び混合ガスの密度差が大きくなり、ローディング効果が発生してしまう場合がある。
【０１２０】
また、図４０に示すウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの周方向の中心角θは、例えば９０°以上１２０°以下程度とすることが好ましい。中心角θを９０°未満とすると、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内におけるガスの滞留時間が短くなり、混合及び予備分解が不十分となり、処理空間内でのモル分率の変化が大きくなり、ウエハ６面内における膜厚均一性が悪化してしまう場合がある。また、ウエハ６の積層方向における原子状酸素Ｏの濃度分布が不均一になり、ウエハ６の積層方向における膜厚均一性が悪化してしまう場合がある。一方、中心角θを１２０°を超える角度とすると、低圧側空間２２におけるガスの流路が狭くなり、流動抵抗が増加してローディング効果が大きくなる場合がある。
【０１２１】
また、反応管２０内には、基板配列領域１９よりも上方および／または下方へのガスの流れを制御するガス流制御部材を設けることが好ましい。すなわち、反応管２０内の天井部付近には、ガス流制御部材としての平板３７を設けることが好ましい。平板３７を設けることにより、上部空間２８（基板配列領域１９より上方の領域）の高濃度の原子状酸素Ｏが、拡散により上段領域３１内に侵入してしまうことを抑制できる。
また、基板配列領域１９の下方に、断熱板３０のようにウエハ６とは異なるガス消費の性質を持つ構造物が存在する場合には、断熱板３０が積層された領域の外周を囲うガス流制御部材としての蓋２９を設けることが好ましい。このように構成することにより、断熱板３０が積層された領域（基板配列領域１９より下方の領域）の高濃度の原子状酸素Ｏが、拡散により下段領域３３内に侵入してしまうことを抑制できる。また、積層された断熱板３０の代わりに、断熱作用を持つと共に、内外への原料ガス流通が発生しないように構成された断熱ブロックを設けることとしても良い。
【０１２２】
また、反応管２０、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒ、第１ノズル１７、第２ノズル１８、平板３７、蓋２９、及び断熱ブロックは、原料ガスを消費することのないように、例えば石英（ＳｉＯ２）により構成することが好ましい。
【０１２３】
また、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内には、図４１（ａ）に示すように邪魔板３８を設けることが好ましい。このように構成することにより、邪魔板３８は、原子状酸素Ｏの濃度分布とガス流の速度分布をウエハ６の積層方向に亘り均等化することが可能となる。
【０１２４】
なお、邪魔板３８は複数枚（例えば３枚）設けることが好ましい。なお、邪魔板３８を１枚だけ設け、邪魔板３８が設けられた箇所のガス流路幅を狭くすることにより、邪魔板３８を複数枚設けた場合と同様の効果が得られるようにも思われるが、この場合、邪魔板３８よりも上流側のミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内の空間の圧力が高くなり過ぎ、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内におけるガスの分解がピークを過ぎてしまう場合がある。従って、ガスの濃度と速度とを均一化し、邪魔板３８よりも上流側のミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内の空間の圧力上昇を抑制し、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内におけるガスの
分解がピークを過ぎてしまうことを回避するには、間隔をおいて邪魔板３８を複数枚設けるのが良い。これにより、ガスの分解がピークに達した状態（原子状酸素Ｏの濃度が最大となった状態）で、その反応管２０内においてＱｕｅｎｃｈさせることができるようになる。なお、Ｑｕｅｎｃｈとは、ここでは反応をそれ以上進まなくする（止める）ことを意味している。但し、邪魔板３８の枚数が多すぎると、ウエハ６の積層方向の原子状酸素Ｏの濃度均一性が向上する反面、第１ノズル１７及び第２ノズル１８近傍における圧力が上昇し、ガスの分解が進みすぎ、スリット２３から導入される原子状酸素Ｏの濃度が低下してしまう可能性がある。邪魔板３８の枚数を最小にするには、第１ノズル１７及び第２ノズル１８を、図３７に示す多孔ノズル３４，３５のように構成してガス供給箇所を分散させると良い。
【０１２５】
（ボート・回転機構）
反応管２０内には、複数枚（例えば１００〜１５０枚）のウエハ６を配列（積層）して支持する支持具としてのボート３９が搬入されるように構成されている。反応管２０の下方は、ボート３９を搬入するために開放されており、反応管２０の下方の開放部分は、シールキャップ４２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４２は、ボート昇降手段（ボートエレベータ）４により昇降自在に構成されている。シールキャップ４２には、回転軸４４が垂直方向に貫通するように設けられている。回転軸４４の上端は、積層された複数枚の断熱板３０，蓋２９を介して、ボート３９を下方から支持している。回転軸４４は、シールキャップ４２下方に設けられた回転機構４３により回転自在に構成されている。ボート昇降手段４及び回転機構４３には、これらの動作を制御するコントローラ１００が接続されている。
【０１２６】
（ガス供給ライン）
ミキシング空間１５Ｌ及びミキシング空間１５Ｒ内に配設された第１ノズル１７、第２ノズル１８の上流側は水平方向にそれぞれ屈曲しており、これらの上流端は反応管２０の側壁下方外側にそれぞれ突出している。第１ノズル１７の上流端には、酸素含有ガスとしての酸素（Ｏ２）ガスを供給する酸素供給ライン１７Ｌが接続されている。酸素供給ライン１７Ｌには、酸素ガス供給源１７ｅ、開閉バルブ１７ｄ、マスフローコントローラ１７ｃ、開閉バルブ１７ｂが上流から順に接続されている。また、第２ノズル１８の上流端には、水素含有ガスとしての水素（Ｈ２）ガスを供給する水素供給ライン１８Ｌが接続されている。水素供給ライン１８Ｌには、水素ガス供給源１８ｅ、開閉バルブ１８ｄ、マスフローコントローラ１８ｃ、開閉バルブ１８ｂが上流から順に接続されている。開閉バルブ１７ｄ、マスフローコントローラ１７ｃ、開閉バルブ１７ｂ、開閉バルブ１８ｄ、マスフローコントローラ１８ｃ、開閉バルブ１８ｂには、コントローラ１００が接続されている。
【０１２７】
（排気ライン）
反応管２０の排気口２１ａには排気管２１が接続されている。排気管２１には、上流側から順に、圧力センサ２１ｂ、圧力調整器としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２１ｃ、真空ポンプ２１ｄが接続されている。真空ポンプ２１ｄは、排気口２１ａを介して反応管２０内を真空排気可能なように構成されている。圧力センサ２１ｂ、ＡＰＣバルブ２１ｃ、真空ポンプ２１ｄには、コントローラ１００が接続されている。ウエハ６の処理中、反応管２０内は真空ポンプ２１ｄにより大気圧よりも低い所定の圧力（減圧）とされるが、この圧力制御はコントローラ１００により行われる。
【０１２８】
（抵抗加熱ヒータ）
反応管２０の周囲には、加熱源としての抵抗加熱ヒータ４０が配置されている。また、反応管２０の内部には温度センサ４１が設けられている。温度センサ４１、抵抗加熱ヒー
タ４０には、コントローラ１００が接続されている。ウエハ６の処理中、反応管２０内は抵抗加熱ヒータ４０により所望の温度に加熱されるが、この加熱制御はコントローラ１００により行われる。
【０１２９】
＜基板処理工程＞
次に、上述の熱処理炉５０を備える基板処理装置を使用して、半導体装置の製造工程の一工程として、ウエハ６表面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、基板処理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。
【０１３０】
１バッチ分（例えば１００枚）のウエハ６をボート３９に移載（装填）する。そして、抵抗加熱ヒータ４０により加熱状態を維持された反応管２０内に、複数枚のウエハ６を装填したボート３９を搬入（ロード）し、シールキャップ４２により反応管２０内を密閉する。次に、真空ポンプ２１ｄにより反応管２０内を排気し、反応管２０内の圧力が大気圧よりも低い所定の処理圧力となるよう、また、低圧側空間２２内を基板配列領域１９よりも低圧に保つように制御する。回転機構４３によりボート３９が所定の回転速度で回転するようにする。また、反応管２０内の温度を昇温させ、反応管２０内の温度が所定の処理温度となるよう制御する。
【０１３１】
その後、開閉バルブ１７ｄ及び開閉バルブ１７ｂを開け、マスフローコントローラ１７ｃにより流量制御しながら、酸素供給ライン１７Ｌより第１ノズル１７を介してミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内に第１ガスとしてのＯ２をそれぞれ供給する。同時に、開閉バルブ１８ｄ及び開閉バルブ１８ｂを開け、マスフローコントローラ１８ｃにより流量制御しながら、水素供給ライン１８Ｌより第２ノズル１８を介してミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内に第２ガスとしてのＨ２をそれぞれ供給する。
【０１３２】
第１ノズル１７から供給されたＯ２と第２ノズル１８から供給されたＨ２とは、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内でそれぞれ充分に混合され、Ｈ２やＯ２が予備分解され、ＨやＯなどの中間生成種が生成される。予備分解されたＨ２とＯ２との混合ガス（ＨやＯなどの中間生成種を含むガス）は、スリット２３を通り、基板配列領域１９内に導入される。排気管２１により反応管２０内が排気され、低圧側空間２２内が基板配列領域１９よりも低圧に保たれることにより、スリット２３を通った混合ガスが、積層されたウエハ６の隙間を横切り、低圧側空間２２に流れる。低圧側空間２２に流れた混合ガスは、図２５に示すように低圧側空間２２内を排気口２１ａに向かって下方側に流れ落ち、排気管２１により排気される。
【０１３３】
混合ガスが積層されたウエハ６の隙間を横切ることにより、混合ガスに含まれるＨやＯなどの中間生成種がウエハ６表面に供給され、ウエハ６に酸化処理が施される。処理温度としては５００〜１０００℃、処理圧力としては１〜１０００Ｐａ、Ｏ２供給流量としては１〜２０Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ２供給流量としては０．５〜１０Ｌ／ｍｉｎが例示される。
【０１３４】
ウエハ６の酸化処理が終了したら、開閉バルブ１７ｂ、開閉バルブ１８ｂを閉めて反応管２０内へのＯ２やＨ２の供給を停止し、反応管２０内にＮ２等の不活性ガスを供給しながら反応管２０内の残留ガスを除去し、反応管２０内の温度を所定の温度まで降温させる。その後、反応管２０内を大気圧に復帰させ、ボート３９を反応管２０内から搬出（アンロード）し、ボート３９を所定位置で待機させ、ボート３９に支持された全ての処理済ウエハ６を冷却させる。処理済ウエハ６が所定温度まで冷却されたら、ウエハ移載手段（移載機）２等によりウエハ６を回収する。
【０１３５】
＜本実施形態にかかる効果＞
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。
【０１３６】
（ａ）本実施形態によれば、反応管２０内にミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒが設けられ、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内に複数枚の邪魔板３８が設けられている。その結果、高さ方向の原子状酸素Ｏの濃度分布が邪魔板３８を通り抜ける度に平坦化（均等化）される整流効果を得ることができる。これにより、ウエハ６の積層方向における基板処理の均一性を向上させ、ローディング効果の発生を抑制させることが可能となる。
【０１３７】
（ｂ）本実施形態によれば、反応管２０内の天井部付近には、ガス流制御部材としての平板３７が設けられる。平板３７が設けられることにより、上部空間２８（基板配列領域１９より上方の領域）の高濃度の原子状酸素Ｏが、基板配列領域１９内の上段領域３１に向かって拡散し、上段領域３１内に侵入することが抑制される。
また、本実施形態によれば、断熱板３０が積層された領域の外周を囲うガス流制御部材としての蓋２９（あるいは断熱ブロック）が設けられる。このように構成することにより、断熱板３０が積層された領域（基板配列領域１９より下方の領域）の高濃度の原子状酸素Ｏが、下段領域３３に向かって拡散し、下段領域３３内に侵入することが抑制される。そして、ウエハ６の積層方向における基板処理の均一性を向上させ、ローディング効果の発生を抑制させることが可能となる。
【０１３８】
（ｃ）本実施形態によれば、基板配列領域１９に対応する領域の垂直方向における中央部からガスを供給する。すなわち、噴出孔１７ａ及び噴出孔１８ａの高さ位置を、基板配列領域１９の高さの半分程度とする。このように構成することで、ミキシング空間１５Ｌ及びミキシング空間１５Ｒ内でガスを均一に混合させ易くなり、また、ガスの濃度分布を上下方向に亘り対称にさせ易くなる。なお、第１ノズル１７及び第２ノズル１８を図３７に示す多孔ノズル３４，３５のように構成することとしても、同様の効果を得ることができる。
【０１３９】
（ｄ）本実施形態によれば、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの周方向側壁とウエハ６外縁との間の隙間を、例えば１７ｍｍ程度としている。これにより、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの周方向側壁とウエハ６外縁との間の隙間を通って混合ガスが下方へ流れてしまうことが抑制され、ローディング効果の発生が回避されると共に、積層されたウエハ６の隙間を横切る混合ガスの流量を増加させて成膜速度の低下を回避させることが可能となる。また、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの周方向側壁とウエハ６やボート３９の外縁との接触を回避できる。
【０１４０】
（ｅ）本実施形態によれば、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒと反対側の反応管２０の内壁とウエハ６外縁との間の隙間（低圧側空間２２における反応管２０の径方向の幅）を、例えば６０ｍｍ程度としている。これにより、反応管２０の大型化を抑制しつつ、低圧側空間２２内を混合ガスが上から下へ向かって流れ落ちる時の圧力差を減少させ、混合ガスの上下方向における密度差を減少させ、ウエハ６の積層方向に亘る基板処理の均一性を向上させ、ローディング効果の発生を抑制させることが可能となる。
【０１４１】
（ｆ）本実施形態によれば、反応管２０内にミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒが設けられ、第１ノズル１７から供給されたＯ２及び第２ノズル１８から供給されたＨ２が、ミキシング空間１５Ｌ及び１５Ｒ内で充分に混合され、予備分解される。その結果、成膜に寄与する中間生成種が、図２４に示すような横縞の濃度分布となる。そして、この濃度分布の状態において、ウエハ６を水平姿勢で回転させることにより、ウエハ６面内において極めて均一な膜厚分布を得ることが出来る。
【０１４２】
（ｇ）本実施形態によれば、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内に設ける邪魔板３８を、１枚とせずに複数枚（例えば３枚）としている。これにより、ガスの濃度と速度とを均一化
しつつ、邪魔板３８よりも上流側のミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内の空間の圧力が高くなり過ぎてしまうことを抑制し、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内におけるガスの分解がピークを過ぎてしまうことを回避することができる。また、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内における第１ノズル１７及び第２ノズル１８近傍における圧力の上昇を抑制し、ガスの分解が進みすぎてしまうことを回避し、スリット２３から導入される原子状酸素Ｏの濃度が低下してしまうことを抑制できる。なお、邪魔板３８の枚数を最小にするには、第１ノズル１７及び第２ノズル１８を、図３７に示す多孔ノズル３４，３５のように構成してガス供給箇所を分散させるのがよい。
【０１４３】
（ｈ）本実施形態によれば、スリット２３の幅を例えば２０ｍｍ程度としている。これにより、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内のガス流路を長く確保でき、ガスを十分に混合させ、予備分解させた状態（原子状酸素Ｏの濃度が増加しない状態）で、基板配列領域１９内に導入することができる。また、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内の圧力が大きくなり過ぎることを抑制でき、ガスの分解ピークを過ぎた状態（原子状酸素Ｏの濃度が低下した状態）で、基板配列領域１９内に混合ガスが導入されてしまうことを抑制できる。
【０１４４】
（ｉ）本実施形態によれば、図４０に示すウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの周方向の中心角θを、例えば９０°以上１２０°以下程度としている。そのため、ミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒ内におけるガスの滞留時間を十分に確保し、混合及び予備分解を十分に行い、処理空間内でのモル分率の変化を小さくさせ、ウエハ６面内における膜厚均一性を向上させることができる。また、ウエハ６の積層方向における原子状酸素Ｏの濃度分布を均一化させ、ウエハ６の積層方向における膜厚均一性を向上させることができる。また、低圧側空間２２におけるガスの流路を広く確保し、流動抵抗を低下させ、ローディング効果を減少させることができる。
【０１４５】
（ｊ）本実施形態によれば、いかなるガス消費度を持つウエハ６が装填されたとしても、スリット２３からはウエハ６の積層方向において原子状酸素Ｏが均等の濃度で供給され、また、基板配列領域（プロダクト領域）１９ではウエハ６の積層方向おいてガスの消費度合いが一定であり、低圧側空間２２が広く確保されることにより流れ落ちによる圧力損失が非常に小さく抑えられるので、ローディング効果の発生を抑制できる。そのため、従来の基板処理装置のように、反応管２０内にＨ２を補助的に供給するサブノズル８を設ける必要がなくなり、均一成膜のための流量条件（サブノズル８の流量条件）を実験的に求める必要がなくなる。また、ウエハ６の回路パターンが変更される度にサブノズル８からの流量条件を実験的に求める必要がなくなる。以上により、基板処理コストを大幅に低減させることが可能となる。
【０１４６】
＜本発明の他の実施形態＞
本発明は、上述の実施形態のようにミキシング空間１５Ｌ，１５Ｒがスリット２３を挟んで両側に設けられる場合に限定されず、図４２に示すようにいずれか片側にのみ設けられることとしてもよい。すなわち、ウイング状部材１６Ｌ，１６Ｒの両方が設けられる場合に限定されず、いずれか一方のみが設けられることとしてもよい。
【０１４７】
本発明は、上述の実施形態のように、第１ガスとしての酸素含有ガスが酸素ガス（Ｏ２）であり、第２ガスとしての水素含有ガスが水素ガス（Ｈ２）である場合に限定されない。すなわち、第１ガスとの酸素含有ガスが、酸素ガスおよび亜酸化窒素ガスよりなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、第２ガスとしての水素含有ガスが、水素ガス、アンモニアガスおよびメタンガスよりなる群から選択される少なくとも一つのガスであってもよい。
【０１４８】
明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約書を含む２００８年５月２２日提出の日本国
特許出願２００８−１３３７２号の開示内容全体は、そのまま引用してここに組み込まれる。
【０１４９】
＜本発明の好ましい態様＞
本発明の一態様によれば、基板を処理する処理空間を形成する反応管と、前記反応管内で複数枚の基板を配列して支持する支持具と、前記支持具を回転させる回転機構と、前記複数枚の基板が配列される基板配列領域に沿うように前記反応管内に設けられ複数種類のガスを混合させるミキシング空間と、前記反応管の内壁にその一端が取り付けられ前記ミキシング空間と前記処理空間とを仕切るウイング状部材と、前記ミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第１ガスを供給する第１ノズルと、前記ミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第２ガスを供給する第２ノズルと、前記ミキシング空間内に設けられ前記ミキシング空間内におけるガスの流れを調整するガス流調整部材（邪魔板）と、前記基板配列領域に対向するよう前記ウイング状部材の他端側に設けられ前記ミキシング空間内に供給されたガスを前記処理空間に吐出する吐出口（スリット）と、前記複数枚の基板を挟んで前記吐出口と対向する位置に設けられ前記反応管内を排気する排気口と、前記排気口を介して前記反応管内を真空排気する真空ポンプと、を有する基板処理装置が提供される。
【０１５０】
好ましくは、前記各ノズルは、前記ミキシング空間内の複数箇所に各ガスを供給するように構成される。
【０１５１】
また好ましくは、前記反応管内には、前記基板配列領域よりも上方および／または下方へのガスの流れを制御するガス流制御部材が設けられる。
【０１５２】
また好ましくは、前記第１ガスが酸素含有ガスであり、前記第２ガスが水素含有ガスであり、前記処理が酸化処理である。
【０１５３】
また好ましくは、前記各ノズルには、一つのガス噴出口が設けられ、該ガス噴出口は、前記基板配列領域の中央部に対応する位置に設けられる。
【０１５４】
また好ましくは、前記各ノズルには、前記ミキシング空間内の複数箇所に各ガスを供給する複数のガス噴出口（孔）が設けられる。
【０１５５】
また好ましくは、前記反応管内の天井部には、前記複数枚の基板のうち最上段の基板の表面と平行に天板が設けられ、この天板は前記最上段の基板の近くに配置される。
【０１５６】
また好ましくは、前記反応管内の底部には、前記基板配列領域よりも下方へのガスの流入を遮断する遮断部材が設けられる。
【０１５７】
また好ましくは、前記ガス流調整部材は、前記各ノズルと前記吐出口との間に設けられ前記ミキシング空間内におけるガスの流れを妨げる部材（邪魔板）により構成される。
【０１５８】
また好ましくは、前記ガス流調整部材は、前記各ノズルと前記吐出口との間に設けられ前記ミキシング空間内におけるガスの流れを妨げる複数の邪魔板により構成される。
【０１５９】
また好ましくは、前記反応管の内壁と前記複数枚の基板との隙間は、前記ウイング状部材と前記複数枚の基板との隙間よりも大きくなるよう構成される。
【０１６０】
また好ましくは、前記酸素含有ガスが、酸素ガスおよび亜酸化窒素ガスよりなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、前記水素含有ガスが、水素ガス、アンモニアガ
スおよびメタンガスよりなる群から選択される少なくとも一つのガスである。
【０１６１】
また好ましくは、前記酸素含有ガスが酸素ガスであり、前記水素含有ガスが水素ガスである。
【０１６２】
本発明の他の態様によれば、反応管内の処理空間に複数枚の基板を搬入する工程と、前記反応管内で前記複数枚の基板を回転させつつ、前記反応管内の圧力を大気圧よりも低くした状態で、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沿うように前記反応管内に設けられ、前記反応管の内壁にその一端が取り付けられたウイング状部材により前記処理空間と仕切られるミキシング空間内の前記ウイング状部材の前記一端側に第１ガスと第２ガスを供給して、この第１ガスと第２ガスを前記ミキシング空間内に設けられたガス流調整部材によりガスの流れを調整しつつ、前記基板配列領域に対向するよう前記ウイング状部材の他端側に設けられた吐出口より前記処理空間に吐出し、前記処理空間に吐出されたガスを前記複数枚の基板を挟んで前記吐出口と対向する位置に設けられた排気口より排気して、前記複数枚の基板を処理する工程と、処理後の前記複数枚の基板を前記反応管内より搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【０１６３】
好ましくは、前記第１ガスが酸素含有ガスであり、前記第２ガスが水素含有ガスであり、前記ミキシング空間内に前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスを供給することで、前記ミキシング空間内で両ガスが反応して原子状酸素が生成され、この原子状酸素が前記吐出口より前記処理空間に吐出され、この原子状酸素により前記複数枚の基板に対して酸化処理が行われる。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】半導体デバイスの製造装置（半導体製造装置）の全体図を示す斜視透視図である。
【図２】半導体製造装置の熱処理炉の構成を示す断面概略図である。
【図３】半導体製造装置の熱処理炉の他の構成を示す断面概略図である。
【図４】ローディング効果が発生した時の膜厚分布を示すグラフ図である。
【図５】ＳＴＩ等のパターンが形成されたウエハの断面概略図である。
【図６】表面が部分的に酸化膜で覆われたウエハの断面概略図である。
【図７】１２０枚のベアウエハを装填した時の成膜実験結果を示す膜厚分布図である。
【図８】ローディング効果のパターン依存性を示す膜厚分布図である。
【図９】Ｓｉウエハと気相の界面における酸化反応を示す概略図である。
【図１０】１２０枚のベアウエハを装填した時のシミュレーション結果と成膜実験結果とを示す膜厚分布図である。
【図１１】サブノズルからＨ２を途中供給した場合のシミュレーション結果を示す膜厚分布図である。
【図１２】（ａ）はサブノズルからＨ２を途中供給した場合のシミュレーション結果を示す膜厚分布図であり、（ｂ）はシミュレーション条件であるサブノズルからのＨ２の流量条件を示す表図である。
【図１３】サブノズルの噴出孔の位置とウエハ面内の膜厚分布との関係を示す対応図である。
【図１４】化学反応解析ソフトウェアを用いた素反応解析の計算モデルを示す概略図である。
【図１５】素反応解析に用いた水素・酸素の代表的な素反応式セットを示す表図である。
【図１６】Ｉｎｌｅｔからの距離とモル分率との関係を示す汎用熱流体解析ツールによる計算結果である（２３段気相素反応）。
【図１７】Ｉｎｌｅｔからの滞在時間とモル分率との関係を示す汎用熱流体解析ツールによる計算結果である（５段気相素反応）。
【図１８】Ｉｎｌｅｔからの距離とモル分率との関係を示す汎用熱流体解析ツールによる計算結果（５段気相素反応）、及び計算に用いた５段気相素反応を示す表図である。
【図１９】汎用熱流体解析ツールで考慮した計算領域である。
【図２０】成膜実験結果と汎用熱流体解析ツールによる計算結果とを対比するグラフ図である。
【図２１】メインノズルからＯ２とＨ２とを供給し、サブノズルからはＨ２を供給しない場合の定常状態における原子状酸素Ｏの濃度分布（モル密度）に関する計算結果を示す。
【図２２】メインノズルからＯ２とＨ２とを供給し、サブノズルからＨ２を供給した場合の定常状態における原子状酸素Ｏの濃度分布（モル密度）に関する計算結果を示す。
【図２３】本発明の一実施形態にかかる反応管内部の概略構成図である。
【図２４】図２３に示す反応管を基板の積層方向に垂直な断面で切り出した概略図である。
【図２５】図２４に示す反応管のＡ−Ａ線断面図である。
【図２６】（ａ）は反応管内に形成された解析対象としてのミキシング空間を示し、（ｂ）はミキシング空間を直方体状に変形した計算領域を示す。
【図２７】（ａ）は計算領域内の原子状酸素の濃度分布に関する計算結果を示し、（ｂ）は図２７（ａ）の点線２６における原子状酸素Ｏの濃度分布を示すグラフ図である。
【図２８】邪魔板が設けられた計算領域の上面図である。
【図２９】（ａ）は邪魔板を設けた計算領域内の原子状酸素の濃度分布に関する計算結果を示し、（ｂ）は図２９（ａ）のｐ１〜ｐ４の位置における原子状酸素Ｏの濃度分布を示すグラフ図である。
【図３０】（ａ）は反応管内における計算領域を、（ｂ）は図３０（ａ）に示す計算領域の拡大図を、（ｃ）は基板配列領域の下方に積層された断熱板群の概略図をそれぞれ示す。
【図３１】ウエハ面内の膜厚均一性に関するＣＦＤ解析で考慮した反応式を示す図であり、（ｉ）は気相素反応式を、（ｉｉ）は表面総括反応式をそれぞれ示す。
【図３２】原子状酸素Ｏの濃度分布に関する計算結果を示す図であり、（ｉ）は上部空間ありで蓋なしの場合を、（ｉｉ）は上部空間及び蓋が共になしの場合を、（iii）は上部空間なしで蓋ありの場合をそれぞれ示している。
【図３３】図３２の計算結果（原子状酸素Ｏの濃度分布）に基づいた膜厚分布の計算結果を示すグラフ図である。
【図３４】ウエハ面内膜厚均一性に関する計算領域を示し、（ａ）は計算領域の上面図及び側面図であり、（ｂ）は計算領域の斜視図である。
【図３５】（ａ）は、図２９（ａ）の符号ｐ４の位置におけるガス組成と同一の組成の混合ガスを供給する場合のウエハ面内の原子状酸素Ｏの濃度分布を、（ｂ）は、Ｈ２とＯ２とを混合せずに未分解のまま直接供給する場合のウエハ面内の原子状酸素Ｏの濃度分布をそれぞれ示す。
【図３６】ウエハを回転させながら成膜した場合の膜厚分布の計算結果を示す。
【図３７】高さ方向に複数個の噴出孔を備えた多孔ノズルを示す概略図である。
【図３８】ドーム型に形成された反応管の天井部の断面概略図である。
【図３９】ガス流制御部材としての平板が設けられた反応管の天井部の断面概略図である。
【図４０】本発明の一実施形態にかかる反応管を示す模式図である。
【図４１】（ａ）は本実施形態にかかる熱処理炉の水平断面図であり、（ｂ）は図４１（ａ）に示す熱処理炉の垂直断面図である。
【図４２】本発明の他の実施形態にかかる熱処理炉の水平断面図である。
【符号の説明】
【０１６５】
６      ウエハ（基板）
１５Ｌ  ミキシング空間
１５Ｒ  ミキシング空間
１６Ｌ  ウイング状部材
１６Ｒ  ウイング状部材
１７    第１ノズル
１８    第２ノズル
１９    基板配列領域
２０    反応管
２１ａ  排気口
２１ｄ  真空ポンプ
２３    スリット（吐出口）
２３Ｌ  スリット（吐出口）
２３Ｒ  スリット（吐出口）
２９    蓋（ガス流制御部材）
３７    平板（ガス流制御部材）
３８    邪魔板（ガス流調整部材）
３９    ボート（支持具）
４３    回転機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010147432.tif 000024
【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
2010147432.tif 000028
【図１９】
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【図２０】
2010147432.tif 000030
【図３１】
2010147432.tif 000031
【図３３】
2010147432.tif 000032
【図１１】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３２】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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