(57)【要約】【課題】処理ガスを使用して基板を加熱処理する基板処理装置であって、基板処理の均一性を向上させることのできる基板処理装置を提供する。【解決手段】水蒸気と酸素の混合気体により、基板２００を酸化処理する場合に、ヘリウムとアルゴンとを水蒸気分子と酸素分子と共に処理室１１内にガス導入口１３より水平方向に供給する。処理室１１内に導入されたこれらのガスの混合気体は処理室１１内を流れる間に次第に分離して、最上方の軽いヘリウムの領域２５と、その下の水蒸気の領域２６と、その下の酸素の領域２７と、最下方のアルゴンの領域２８とに分離する。酸化反応に寄与する酸素と水蒸気はヘリウムやアルゴンが無いときに比べてガスの上下への拡散が抑えられる。これにより基板２００が保持されている処理室１１の中心付近の水蒸気、酸素濃度のばらつきが抑えられ、基板２００間の酸化膜のばらつきが抑制される。【選択図】        図２
2004214287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に所望の処理ガスを導入し、基板を加熱処理する基板処理装置であって、
前記処理ガスが２種類以上の分子から構成されるか、または前記処理ガスが前記基板を加熱処理中に２種類以上のガス種に分解される処理ガスであり、
前記処理ガスが前記２種類以上の分子から構成される場合には、前記処理ガスと共に、前記２種類以上の分子のいずれよりも質量が大きいガスと、前記２種類以上の分子のいずれよりも質量が小さいガスとを前記反応室内に導入し、前記処理ガスが前記基板を加熱処理中に２種類以上のガス種に分解される処理ガスである場合には、前記処理ガスと共に、前記分解で生じる前記２種類以上のガス種のいずれよりも質量が大きいガスと、前記分解で生じる前記２種類以上のガス種のいずれよりも質量が小さいガスとを前記反応室内に導入して、前記基板を処理することを特徴とする基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板処理装置に関し、特に、基板処理室へのガス導入方法に特徴を備える半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置では基板処理のために各種の反応ガスやキャリアガスを基板処理中に処理室に流している。図１に示されるような水平方向にガスを流す形式の処理室１１では、処理に必要な各種のガスは処理室１１の一端から混合、あるいは必要によって個別に導入され、被処理基板２００に到達し、処理に寄与する。寄与しなかったガスは反応室１１のもう一方の端から排気配管１４を介して排出される。このようなガス供給方法には以下のような問題点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
２種類以上の質量の異なるガスを処理室１１に導入した場合のガス成分の模式図を図５に示す。ガスの質量の違いから軽いガスは上方へ、重いガスは下方へ徐々に分離する。ガスは上流から下流に向かって流れているため、ガスの流速が比較的遅い場合や処理室１１の長さが比較的長い場合、処理室鉛直方向のガス組成は反応ガスが基板に到達するまでに、上方の軽いガスの領域２２と下方の軽いガスの領域２３とに分離し、不均衡となる。ここで図１に示したように複数の被処理基板２００が鉛直方向に置かれている場合はそれぞれの基板の処理特性、たとえば膜質や膜厚分布の均一性にばらつきが生じる。
【０００４】
また、１種類のガスを流す場合であっても、熱などでガスが処理室１１内で複数の成分に分解する場合は上記と同じ問題が発生する。
【０００５】
本発明の主な目的は、上述した従来の半導体製造装置等の基板処理装置のガス供給方法に伴う問題点を抑制し、生成される膜の基板間における均一性等の基板処理の均一性を向上させることのできる基板処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
処理室内に所望の処理ガスを導入し、基板を加熱処理する基板処理装置であって、
前記処理ガスが２種類以上の分子から構成されるか、または前記処理ガスが前記基板を加熱処理中に２種類以上のガス種に分解される処理ガスであり、
前記処理ガスが前記２種類以上の分子から構成される場合には、前記処理ガスと共に、前記２種類以上の分子のいずれよりも質量が大きいガスと、前記２種類以上の分子のいずれよりも質量が小さいガスとを前記反応室内に導入し、前記処理ガスが前記基板を加熱処理中に２種類以上のガス種に分解される処理ガスである場合には、前記処理ガスと共に、前記分解で生じる前記２種類以上のガス種のいずれよりも質量が大きいガスと、前記分解で生じる前記２種類以上のガス種のいずれよりも質量が小さいガスとを前記反応室内に導入して、前記基板を処理することを特徴とする基板処理装置が提供される。
【０００７】
好ましくは、基板処理室内に水平方向に前記処理ガスを流す。
【０００８】
また、好ましくは、基板が処理室内で複数段に積み上げられて処理される。
【０００９】
また、好ましくは、前記２種類以上の分子のいずれよりも質量が大きいガスと、前記２種類以上の分子のいずれよりも質量が小さいガスは不活性ガスであり、前記分解で生じる前記２種類以上のガス種のいずれよりも質量が大きいガスと、前記分解で生じる前記２種類以上のガス種のいずれよりも質量が小さいガスは不活性ガスである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態の基板処理装置の反応炉を説明するための概略縦断面図であり、図２は、本発明の一実施の形態の基板処理装置の反応炉におけるガスの流れを説明するための概略縦断面図である。
【００１１】
本発明の一実施の形態の基板処理装置の反応炉２０２においては、処理室１１の上側に上側加熱源１５が配置され、処理室１１の下側に下側加熱源１６が配置され、処理室１１の上下から加熱される。処理室１１内には、基板保持治具１２が設けられている。基板保持治具１２は２枚の基板２００を上下に保持する。
処理ガスは、ガス導入口１３から水平方向に導入され、反対側に設けられた排気配管１４を介して排気される。
【００１２】
酸素および水素を反応させて水蒸気を生成し、その水蒸気をガス導入口１３から処理室１１に導入しシリコン基板２００の表面を酸化する工程に本発明を適用した場合について説明する。通常このような燃焼による水蒸気発生を利用する酸化の場合、水素と酸素の爆発的反応を抑えるため、酸素と水素の流量比をＨ２／Ｏ２＜２とし、処理室内に導入する前に外部燃焼装置等で水蒸気を発生させる。その際の化学反応式の例（酸素と水素の流量比が１：１の場合）を次式（１）に示す。
【化１】
２Ｈ２＋２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２            （１）
【００１３】
この場合、化学量論的組成より酸素が多いため、処理室１１に導入するときは必ず水蒸気と酸素の混合気体となる。酸素分子の分子量は約３２、水蒸気分子の分子量は約１８であるから、処理室内を流れる間に水蒸気は上方に、酸素は下方に次第に分離し、従来技術で模式的に示した図５と同一のガス組成分布となる。すなわち、ガス導入口１３から水平方向に導入された時には、水蒸気と酸素が混合された混合ガス領域２１となっているが、その後分離して、上方の軽いガスの領域２２の水蒸気と、下方の重いガスの領域２３の酸素とに分離する。ここで水蒸気のシリコン基板酸化能力は酸素より高いため、上段のシリコン基板２００ほど酸化膜厚が増加し、基板２００間に膜厚のばらつきが生ずる。
【００１４】
これを抑制するため、本実施の形態では、水蒸気分子と酸素分子の混合気体に、これらの分子よりも質量数が小さい不活性気体および大きい不活性気体を混合する。水蒸気と酸素の混合気体による酸化の場合は、分子量約４のヘリウムと分子量約４０のアルゴンが最適である。処理室１１内に導入されたヘリウム、アルゴン、水蒸気、酸素の混合気体は処理室１１内を流れる間に次第に分離するが、基板２００のない上方には軽いヘリウムが集合し、下方には重いアルゴンが集合する。このときのガス成分の模式図を図２に示す。図２に示すように、ガス導入口１３から水平方向に導入された時には、水蒸気と酸素とヘリウムとアルゴンとが混合された混合ガス２４領域となっているが、その後分離して、最上方の軽いヘリウムの領域２５と、その下の水蒸気の領域２６と、その下の酸素の領域２７と、最下方のアルゴンの領域２８とに分離する。酸化反応に寄与する酸素と水蒸気はヘリウムやアルゴンが無いときに比べてガスの上下への拡散が抑えられる。このことにより基板２００が保持されている処理室１１の中心付近の水蒸気、酸素濃度のばらつきが抑えられ、基板２００間の酸化膜のばらつきが抑制される。
【００１５】
なお、不活性ガスは例を挙げた希ガスのみに限定されるわけではなく、質量が要求を満足し、処理ガスや基板との反応せず、処理室１１内の温度で分解されにくいガスであればよい。
【００１６】
本実施の形態では、水平方向にガスを流す半導体製造装置において、質量数の異なる複数の処理ガスによって基板を処理する場合、目的とする処理ガスの拡散を抑制し、特に複数枚の基板を一度に処理する場合に各基板の処理特性の均一化を向上できる。
【００１７】
なお、上記実施の形態では、処理ガスが２種類以上の分子から構成される場合について説明したが、処理ガスが基板を加熱処理中に２種類以上のガス種に分解される処理ガスである場合も、処理ガスと共に、分解で生じる２種類以上のガス種のいずれよりも質量が大きいガスと、分解で生じる２種類以上のガス種のいずれよりも質量が小さいガスとを反応室内に導入して、基板を処理すれば同様の効果が得られる。
【００１８】
なお、次に、図３、４を参照して、本発明が適用される基板処理装置の概要を説明する。
【００１９】
なお、本発明が適用される基板処理装置においてはウエハなどの基板を搬送するキャリヤとしては、ＦＯＵＰ（ｆｒｏｎｔ  ｏｐｅｎｉｎｇ  ｕｎｉｆｉｅｄｐｏｄ。以下、ポッドという。）が使用されている。また、以下の説明において、前後左右は図３を基準とする。すなわち、図３が示されている紙面に対して、前は紙面の下、後は紙面の上、左右は紙面の左右とする。
【００２０】
図３および図４に示されているように、基板処理装置は真空状態などの大気圧未満の圧力（負圧）に耐えるロードロックチャンバ構造に構成された第１の搬送室１０３を備えており、第１の搬送室１０３の筐体１０１は平面視が六角形で上下両端が閉塞した箱形状に形成されている。第１の搬送室１０３には負圧下で２枚のウエハ２００を同時に移載する第１のウエハ移載機１１２が設置されている。前記第１のウエハ移載機１１２は、エレベータ１１５によって、第１の搬送室１０３の気密性を維持しつつ昇降できるように構成されている。
【００２１】
筐体１０１の六枚の側壁のうち前側に位置する２枚の側壁には、搬入用の予備室１２２と搬出用の予備室１２３とがそれぞれゲートバルブ２４４、１２７を介して連結されており、それぞれ負圧に耐え得るロードロックチャンバ構造に構成されている。さらに、予備室１２２には搬入室用の基板置き台１４０が設置され、予備室１２３には搬出室用の基板置き台１４１が設置されている。
【００２２】
予備室１２２および予備室１２３の前側には、略大気圧下で用いられる第２の搬送室１２１がゲートバルブ１２８、１２９を介して連結されている。第２の搬送室１２１には２枚のウエハ２００を同時に移載する第２のウエハ移載機１２４が設置されている。第２のウエハ移載機１２４は第２の搬送室１２１に設置されたエレベータ１２６によって昇降されるように構成されているとともに、リニアアクチュエータ１３２によって左右方向に往復移動されるように構成されている。
【００２３】
図３に示されているように、第２の搬送室１２１の左側にはオリフラ合わせ装置１０６が設置されている。また、図４に示されているように、第２の搬送室１２１の上部にはクリーンエアを供給するクリーンユニット１１８が設置されている。
【００２４】
図３および図４に示されているように、第２の搬送室１２１の筐体１２５には、シリコン基板（ウエハ）２００を第２の搬送室１２１に対して搬入搬出するためのウエハ搬入搬出口１３４と、前記ウエハ搬入搬出口を閉塞する蓋１４２と、ポッドオープナ１０８がそれぞれ設置されている。ポッドオープナ１０８は、ＩＯステージ１０５に載置されたポッド１００のキャップ及びウエハ搬入搬出口１３４を閉塞する蓋１４２を開閉するキャップ開閉機構１３６とを備えており、ＩＯステージ１０５に載置されたポッド１００のキャップ及びウエハ搬入搬出口１３４を閉塞する蓋１４２をキャップ開閉機構１３６によって開閉することにより、ポッド１００のウエハ出し入れを可能にする。また、ポッド１００は図示しない工程内搬送装置（ＲＧＶ）によって、前記ＩＯステージ１０５に、供給および排出されるようになっている。
【００２５】
図３に示されているように、筐体１０１の六枚の側壁のうち背面側に位置する２枚の側壁には、ウエハに所望の処理を行う第１の処理炉２０２と、第２の処理炉１３７とがそれぞれ隣接して連結されている。第１の処理炉２０２および第２の処理炉１３７はいずれもコールドウォール式の処理炉によってそれぞれ構成されている。また、筐体１０１における六枚の側壁のうちの残りの互いに対向する２枚の側壁には、第３の処理炉としての第１のクーリングユニット１３８と、第４の処理炉としての第２のクーリングユニット１３９とがそれぞれ連結されており、第１のクーリングユニット１３８および第２のクーリングユニット１３９はいずれも処理済みのウエハ２００を冷却するように構成されている。
【００２６】
以下、前記構成をもつ基板処理装置を使用した処理工程を説明する。
【００２７】
未処理のウエハ２００は２５枚がポッド１００に収納された状態で、処理工程を実施する基板処理装置へ工程内搬送装置によって搬送されて来る。図３および図４に示されているように、搬送されて来たポッド１００はＩＯステージ１０５の上に工程内搬送装置から受け渡されて載置される。ポッド１００のキャップ及びウエハ搬入搬出口１３４を開閉する蓋１４２がキャップ開閉機構１３６によって取り外され、ポッド１００のウエハ出し入れ口が開放される。
【００２８】
ポッド１００がポッドオープナ１０８により開放されると、第２の搬送室１２１に設置された第２のウエハ移載機１２４はポッド１００からウエハ２００を２枚ずつピックアップし、予備室１２２に搬入し、２枚のウエハ２００を基板置き台１４０に移載する。この移載作業中には、第１の搬送室１０３側のゲートバルブ２４４は閉じられており、第１の搬送室１０３の負圧は維持されている。ウエハ２００の基板置き台１４０への移載が完了すると、ゲートバルブ１２８が閉じられ、予備室１２２が排気装置（図示せず）によって負圧に排気される。
【００２９】
予備室１２２が予め設定された圧力値に減圧されると、ゲートバルブ２４４、１３０が開かれ、予備室１２２、第１の搬送室１０３、第１の処理炉２０２が連通される。続いて、第１の搬送室１０３の第１のウエハ移載機１１２は基板置き台１４０からウエハ２００を２枚ずつピックアップして第１の処理炉２０２に搬入する。そして、第１の処理炉２０２内に処理ガスが供給され、所望の処理がウエハ２００に行われる。
【００３０】
第１の処理炉２０２で前記処理が完了すると、処理済みの２枚のウエハ２００は第１の搬送室１０３の第１のウエハ移載機１１２によって第１の搬送室１０３に搬出される。
【００３１】
そして、第１のウエハ移載機１１２は第１の処理炉２０２から搬出したウエハ２００を第１のクーリングユニット１３８へ搬入し、処理済みのウエハを冷却する。
【００３２】
第１のクーリングユニット１３８に２枚のウエハ２００を移載すると、第１のウエハ移載機１１２は予備室１２２の基板置き台１４０に予め準備された２枚のウエハ２００を第１の処理炉２０２に前述した作動によって移載し、第１の処理炉２０２内に処理ガスが供給され、所望の処理がウエハ２００に行われる。
【００３３】
第１のクーリングユニット１３８において予め設定された冷却時間が経過すると、冷却済みのウエハ２００は第１のウエハ移載機１１２によって第１のクーリングユニット１３８から第１の搬送室１０３に搬出される。
【００３４】
冷却済みの２枚のウエハ２００が第１のクーリングユニット１３８から第１の搬送室１０３に搬出されたのち、ゲートバルブ１２７が開かれる。そして、第１のウエハ移載機１１２は第１のクーリングユニット１３８から搬出した２枚のウエハ２００を予備室１２３へ搬送し、基板置き台１４１に移載した後、予備室１２３はゲートバルブ１２７によって閉じられる。
【００３５】
予備室１２３がゲートバルブ１２７によって閉じられると、前記排出用予備室１２３内が不活性ガスにより略大気圧に戻される。前記予備室１２３内が略大気圧に戻されると、ゲートバルブ１２９が開かれ、第２の搬送室１２１の予備室１２３に対応したウエハ搬入搬出口１３４を閉塞する蓋１４２と、ＩＯステージ１０５に載置された空のポッド１００のキャップがポッドオープナ１０８によって開かれる。続いて、第２の搬送室１２１の第２のウエハ移載機１２４は基板置き台１４１から２枚のウエハ２００をピックアップして第２の搬送室１２１に搬出し、第２の搬送室１２１のウエハ搬入搬出口１３４を通じてポッド１００に収納して行く。処理済みの２５枚のウエハ２００のポッド１００への収納が完了すると、ポッド１００のキャップとウエハ搬入搬出口１３４を閉塞する蓋１４２がポッドオープナ１０８によって閉じられる。閉じられたポッド１００はＩＯステージ１０５の上から次の工程へ工程内搬送装置によって搬送されて行く。
【００３６】
以上の作動が繰り返されることにより、ウエハが、２枚ずつ順次、処理されて行く。以上の作動は第１の処理炉２０２および第１のクーリングユニット１３８が使用される場合を例にして説明したが、第２の処理炉１３７および第２のクーリングユニット１３９が使用される場合についても同様の作動が実施される。
【００３７】
なお、上述の基板処理装置では、予備室１２２を搬入用、予備室１２３を搬出用としたが、予備室１２３を搬入用、予備室１２２を搬出用としてもよい。また、第１の処理炉２０２と第２の処理炉１３７は、それぞれ同じ処理を行ってもよいし、別の処理を行ってもよい。第１の処理炉２０２と第２の処理炉１３７で別の処理を行う場合、例えば第１の処理炉２０２でウエハ２００にある処理を行った後、続けて第２の処理炉１３７で別の処理を行わせてもよい。また、第１の処理炉２０２でウエハ２００にある処理を行った後、第２の処理炉１３７で別の処理を行わせる場合、第１のクーリングユニット１３８（又は第２のクーリングユニット１３９）を経由するようにしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、処理ガスを使用して基板を加熱処理する基板処理装置であって、基板処理の均一性を向上させることのできる基板処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の基板処理装置の反応炉を説明するための概略縦断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態の基板処理装置の反応炉におけるガスの流れを説明するための概略縦断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態の基板処理装置を説明するための概略横断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態の基板処理装置を説明するための概略横断面図である。
【図５】従来の基板処理装置の反応炉におけるガスの流れを説明するための概略縦断面図である。
【符号の説明】
１１…処理室
１２…基板保持治具
１３…ガス導入口
１４…排気配管
１５…上側加熱源
１６…下側加熱源
２１…混合ガス領域または未分解ガス領域
２２…軽いガスの領域
２３…重いガスの領域
２４…混合ガス領域
２５…Ｈｅの領域
２６…Ｈ２Ｏの領域
２７…Ｏ２の領域
２８…Ａｒの領域
２００…基板（シリコン基板）
２０２…処理炉
【図１】
2004214287.tif 000003
【図２】
2004214287.tif 000004
【図３】
2004214287.tif 000005
【図４】
2004214287.tif 000006
【図５】
2004214287.tif 000007