(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の載置台が設けられた処理容器と、前記載置台に載置された基板を加熱するための加熱部とを備え、前記処理容器内に基板を一枚ずつ搬入し、基板を加熱しながら活性種により当該基板に対して処理を行う熱処理装置において、
前記処理容器の近傍に設けられ、原料ガスを活性化して活性種を発生させるための活性種発生手段と、
前記活性種を前記基板の表面に向けて側方側から供給するためのガス供給口と、
このガス供給口から活性種が流入する向きを、当該ガス供給口から基板を見て左右に振るための風向調節手段と、
前記載置台に載置された基板の表面と対向するように設けられると共に多数の孔部を備え、これら孔部を介して基板に成膜ガスを供給する成膜ガス供給部と、
この成膜ガス供給部から基板に成膜ガスを供給して薄膜を形成し、次いでガス供給口から基板に活性種を供給して前記薄膜に対して処理を行うように装置を制御する制御部と、を備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
薄膜は金属酸化膜、活性種は酸素ラジカルであり、薄膜に対する処理は金属酸化膜の改質処理であることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
処理容器内に配置された基板を加熱して処理ガスにより当該基板に対して処理を行う熱処理装置において、
処理ガスを基板の表面に向けて側方側から供給するためのガス供給口と、
このガス供給口の左側に設けられ、ガス供給口の前方右側に向けてキャリアガスを吹き出すことにより当該ガス供給口から処理容器内に流入する処理ガスの流れの向きを右側に寄せるための第１のガス噴射手段と、
このガス供給口の右側に設けられ、ガス供給口の前方左側に向けてキャリアガスを吹き出すことにより当該ガス供給口から処理容器内に流入する処理ガスの流れの向きを左側に寄せるための第２のガス噴射手段と、
これら第１のガス噴射手段及び第２のガス噴射手段のガス噴射流量を調整して処理ガスの流れの向きを左右に振るための調整部と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項４】
基板を処理容器内に搬入する工程と、
次いで、基板の表面と対向するように設けられた多数のガス供給孔から当該基板に成膜ガスを供給して薄膜を形成する工程と、
その後、活性種を基板の表面に向けて側方側から左右に流入方向を変えながら供給して、前記薄膜に対して処理を行う工程と、を含むことを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ウエハ等の基板に対して熱処理を行う熱処理装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスの一つとして、半導体ウエハ（以下ウエハという）に例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）により成膜処理を施し、この成膜処理により形成された薄膜の膜質を改善するためにアニール処理を行う場合がある。このような処理の一例としては、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）膜を形成し、この膜に酸素ラジカルを供給して膜質を改善する処理が挙げられる。
【０００３】
図７の装置について説明すると、図中１１は処理容器であり、この処理容器１１内部には被処理基板であるウエハＷを載置する載置台１２と、この載置台１２の上方側から成膜ガスを供給するためのシャワーヘッド１３とが設けられており、載置台１２の下方側開口部は例えば石英からなる透過窓１４により気密に塞がれている。また処理容器１１の下方側にはウエハＷを裏面側から加熱するための加熱ランプ１５が設けられている。処理容器１１の近傍には活性種発生手段１６が設けられており、アニール処理は例えば前記加熱ランプ１５にてウエハＷを加熱すると共に、この活性種発生手段１６にて原料ガスを活性化して酸素ラジカルを発生させ、この酸素ラジカルを含む活性化されたガスを処理容器１１の側壁に開口するガス供給口１７を介し該ウエハＷの表面へ側方側から供給して行われる。このような処理において酸素ラジカルはウエハＷ表面の薄膜内に入り込んで酸素イオンとなり、タンタルと酸素イオンとが当該膜内で化学的に安定した構造を形成するため、結果として膜質が向上する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら酸素ラジカルを含む活性化されたガスを処理容器１１の側壁からウエハＷ表面に向けて供給すると、図８に示すようにガスが供給口１７から離れるにつれて左右に拡散しながら前に進み、またガス供給口１７から吹き出すときには中央部の方が流速が速いことから、ガスの流れをモデル化して考えてみると、図８に円弧状の点線で示すようにして広がっていく。図８に示す円弧状の点線はある時点で吹き出したガスが拡散していく様子であり、活性種の濃度はガス供給口１７から見て手前側の方が高く、ここから離れるにつれて低くなる。従って中央ライン上のあるポイントから真横を見ると、当該ポイントにおける活性種の濃度よりも左右の領域の濃度は低いため、この濃度分布に対応して改質処理の面内均一性が低くなるという問題がある。
【０００５】
ここでウエハＷを回転させるようにすれば活性種の濃度分布の均一性を高めることができるが、処理容器１１の下方側には加熱ランプ１４を配置しているため、複雑な回転機構を設ける必要がある。
【０００６】
一方、シャワーヘッド１３から活性種を供給することも考えられるが、シャワーヘッドは成膜ガスを均一に拡散するための複数の拡散板を積み重ねた構成とされているため、その内部に形成される流路は距離が長く、活性種を流せばその途中で寿命が尽きて、処理容器１１内に供給される活性種の濃度が所定値よりも低くなってしまうおそれが高く、実用的でない。
【０００７】
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、処理容器の外で生成した活性種を処理容器内に導いて基板を処理するにあたり、均一性の高い処理を行うことのできる技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱処理装置は、基板の載置台が設けられた処理容器と、前記載置台に載置された基板を加熱するための加熱部とを備え、前記処理容器内に基板を一枚ずつ搬入し、基板を加熱しながら活性種により当該基板に対して処理を行う熱処理装置において、
前記処理容器の近傍に設けられ、原料ガスを活性化して活性種を発生させるための活性種発生手段と、
前記活性種を前記基板の表面に向けて側方側から供給するためのガス供給口と、
このガス供給口から活性種が流入する向きを、当該ガス供給口から基板を見て左右に振るための風向調節手段と、
前記載置台に載置された基板の表面と対向するように設けられると共に多数の孔部を備え、これら孔部を介して基板に成膜ガスを供給する成膜ガス供給部と、
この成膜ガス供給部から基板に成膜ガスを供給して薄膜を形成し、次いでガス供給口から基板に活性種を供給して前記薄膜に対して処理を行うように装置を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、面内均一性の高い熱処理が行え、更に活性種を基板表面に向けてむらなく供給できる構成としているため、例えば成膜後の基板に対して行う薄膜の改質のためのアニール処理において処理むらの発生が生じにくいという効果がある。
【００１０】
そして、基板を回転させなくても均一性の高い処理を行うことができることから、成膜処理と成膜後に行う上述のアニール処理とで装置を共用するときに効果的である。
【００１１】
このような構成において形成される薄膜は例えば酸化タンタルのような金属酸化膜であり、例えば活性種に酸素ラジカルを用いることで酸素ラジカルが薄膜中に入り込んで安定化し、結果として膜質が改善される。
【００１２】
また他の発明に係る熱処理装置は、処理容器内に配置された基板を加熱して処理ガスにより当該基板に対して処理を行う熱処理装置において、
処理ガスを基板の表面に向けて側方側から供給するためのガス供給口と、
このガス供給口の左側に設けられ、ガス供給口の前方右側に向けてキャリアガスを吹き出すことにより当該ガス供給口から処理容器内に流入する処理ガスの流れの向きを右側に寄せるための第１のガス噴射手段と、
このガス供給口の右側に設けられ、ガス供給口の前方左側に向けてキャリアガスを吹き出すことにより当該ガス供給口から処理容器内に流入する処理ガスの流れの向きを左側に寄せるための第２のガス噴射手段と、
これら第１のガス噴射手段及び第２のガス噴射手段のガス噴射流量を調整して処理ガスの流れの向きを左右に振るための調整部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
このような構成によれば、第１及び第２のガス噴射手段を用いることで基板に対して側方側から供給される処理ガスの向きを、該処理ガスの供給側から見て左右方向に振ることができるので、基板表面の部分ごとに処理むらが生じにくく、面内均一性の高い熱処理を行うことができる。
【００１４】
また本発明に係る熱処理方法は、基板を処理容器内に搬入する工程と、
次いで、基板の表面と対向するように設けられた多数のガス供給孔から当該基板に成膜ガスを供給して薄膜を形成する工程と、
その後、活性種を基板の表面に向けて側方側から左右に流入方向を変えながら供給して、前記薄膜に対して処理を行う工程と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る熱処理装置の実施の形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。２１は例えばアルミニウムよりなる処理容器であり、この処理容器２１内には被処理基板であるウエハＷより僅かに大きな円板状をなす例えばＳｉＣによってコーティングされたカーボン製のウエハ載置台２２が設けられている。また処理容器２１の側壁の一方にはウエハＷを処理容器２１内に搬入するためのゲートバルブ２３が設けられており、他方側にはガス供給口である開口部２４が形成され、処理容器２１と活性種発生手段３とを連通させるガス供給路３１が気密に接続されている。
【００１６】
活性種発生手段３は、後述する成膜処理にてウエハＷ表面に形成される薄膜の膜質を改善するため、ウエハＷ表面に向けて供給する活性種例えば酸素ラジカルを生成するものであり、例えば原料ガスに高周波電圧を印可して当該ガスを活性化させるように構成されている。活性種発生手段３は活性種の寿命が短いことを考慮して例えば処理容器２１側方の近い位置に設けられており、また開口部２４はウエハＷ表面に近く且つウエハＷを臨む位置、例えばウエハＷの表面と概ね同レベルの処理容器２１側壁に形成される。一方、活性種発生手段３における酸素ラジカル生成用の原料ガス例えば窒素と酸素の混合ガスは、供給路３２及びバルブＶ０を介して原料ガス供給源３３から供給されるように構成されている。
【００１７】
また処理容器２１の側壁には、ガス供給路３１及び開口部２４を介して処理容器２１内に活性種が流入される向きを左右に振るための、風向調節手段である一対のガス噴射手段４ａ，４ｂ（図１では図示せず）が設けられている。
【００１８】
ここで活性種発生手段３の中心とウエハＷの中心とを直線で結ぶガス供給路３１の中心線をＬ１とすると、ガス噴射手段４ａ，４ｂは例えば図２の平面図に示すように開口部２４を挟み、且つ中心線Ｌ１に対して線対称となるように左右に設けられる。これらガス噴射手段４ａ，４ｂ先端の吐出孔４１が臨む方向は、開口部２４からウエハＷを臨む方向を前方とすると、右手に設けられるガス噴射口４ａは左前方を、左手に設けられるガス噴射口４ｂは右前方を向くように夫々位置決めされ、活性種に対し後述するキャリアガスによる推進力を斜め後方側から与えられるようになっている。
【００１９】
一方、ガス噴射手段４ａの基端側はバルブＶ１を介して、またガス噴射手段４ｂの基端側はバルブＶ２を介して、夫々例えば窒素ガス等の不活性ガスからなるキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給源４２へと接続されている。バルブＶ１及びＶ２はキャリアガスの吐出流量を調節するために設けられるものであり、制御部４３にてこれらバルブＶ１及びＶ２の開度を調節するように構成されている。この制御部４３における開度調節はバルブＶ１とバルブＶ２とで別々に行うことができるため、そのバランスを変えることで開口部２４から活性種が流入する向きを当該開口部２４から基板を見て左右に振ることができるようになっている。
【００２０】
またウエハ載置台２２の周囲には、図示するように例えば開口部２４からみて手前に排気口１０１，１０２が、奥側には排気口１０３，１０４が夫々設けられており、各々が図示しない真空ポンプと接続されている。これら排気口１０１〜１０４は例えば制御部４３にて図示しない開閉手段の制御を行うことで、排気を行う箇所の切り替えができるように構成されており、例えば成膜処理時と成膜後に行う薄膜の改質処理（アニール処理）とで開閉箇所を切り替えることにより、処理容器２１内に各処理ごとに適したガスの流れを形成することができる。
【００２１】
ここで再び図１に戻って説明を続けると、処理容器２１の天井部には、ウエハ載置台２２に対向するように成膜ガス供給部であるシャワーヘッド５１が設けられており、このシャワーヘッド５１はウエハＷの表面全体に成膜ガスの供給を行うことができるように、底面に下方側を向いた多数の孔部５２が形成されている。シャワーヘッド５１の内部には多数の孔部５３が形成された拡散板５４が複数段設けられている。なお上述のように拡散板５４は実際には複数設けられているが、ここでは作図の都合上一枚だけ図示している。またシャワーヘッド５１の上端には、ガス供給管５５及びバルブＶ３を介して成膜ガス供給源５６が接続されている。この成膜ガス供給源５６には例えば酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）膜の成膜成分としてＴａ（ＯＣ2Ｈ5）5の液体ソースが貯留されており、成膜処理時にはキャリアガスを用いてこの液体ソースを気化させて蒸気とし、この蒸気を図示しないキャリアガス供給源から供給されるキャリアガスと共に成膜ガスとしてシャワーヘッド５１へ送り出すことができるように構成されている。
【００２２】
ウエハ載置台２２の周囲にはウエハリフト２５が設けられており、このウエハリフト２５はウエハＷの搬入出を行う図示しない搬送アームとの間でウエハＷの受け渡しができるように、昇降自在に構成されている。また、ウエハ載置台２２の下方側には不活性ガスが通流するように孔部が形成されたガス整流板２６が設けられ、その更に下方側には処理容器２１の下方開口部を塞ぐ透過窓２７が気密に設けられている。
【００２３】
一方、透過窓２７の下方側には加熱部６が設けられており、この加熱部６は複数のすり鉢状の凹み６０を有する反射板６１と、これら凹み６０に収まるように例えば同心円に沿って配列される例えばハロゲンランプやアークランプなどからなる複数の加熱ランプ６２と、ウエハＷを全面に亘って均等に昇温させるため、反射板６１を裏面側から鉛直軸周りに回転させる回転テーブル６３とで構成されている。
【００２４】
次に上述実施の形態における作用について説明する。先ずゲートバルブ２３を開くと図示しない搬送アームが処理容器２１内へと進入し、ウエハＷは搬送アームからウエハリフト２５へ受け渡される。しかる後ウエハリフト２５を降下させてウエハＷをウエハ載置台２２の中央に載置し、加熱ランプ６２によりウエハＷの表面温度を所定のプロセス温度例えば４８０℃となるまで昇温させる。そしてバルブＶ３を開き、シャワーヘッド５１からウエハＷ表面に向けて成膜ガスを供給するときに排気口１０１〜１０４を介して図示しない真空ポンプにより処理容器２１内を所定の真空度に維持する。この結果、成膜ガスはウエハＷ上で熱エネルギーを受けて分解し、化学的気相反応によりウエハＷの表面全体に例えば酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）の薄膜が形成され、所定時間経過後バルブＶ３を閉じて成膜ガスの供給を停止し、更に加熱部６による加熱を停止してウエハＷの温度を次行程のアニール処理のプロセス温度まで降温する。
【００２５】
次いでウエハＷ表面に形成された酸化タンタル膜の膜質を改善するためのアニール処理の説明を行う。先ずシャワーヘッド５１から不活性ガスを供給して処理容器２１内を不活性ガス雰囲気とすると共に、２つの排気口１０１，１０２を閉じて残りの２つの排気口１０３，１０４を介して真空排気し、所定の真空度に維持する。一方、加熱ランプ６２によりウエハＷを所定のプロセス温度例えば５８０℃に維持し、この状態で活性種発生手段３に例えば窒素と酸素とを混合した原料ガスを供給して活性種である酸素ラジカルを含む、活性化されたガス（プラズマ）を開口部２４から処理容器２１内に供給する。このガスはウエハＷ表面へと向かい、酸素ラジカルはウエハＷ表面の薄膜内に入り込んで酸素イオンとなり、タンタルと酸素イオンとが当該膜内で化学的に安定した構造を形成していくが、このとき処理容器２１内では制御部４３によるガス噴射手段４ａ，４ｂのガスの吐出制御が行われており、これによりガス流は左へ右へと向きを変えて供給される。ここでガス流の向きとガス噴射手段４ａ，４ｂの働きの関係について図３を参照しながら説明する。ここで目的としていることは、活性種発生手段３からガス供給路３１に沿って直進してくるガス流を開口部２４からウエハＷを臨んだときにおける左右方向へ振り分け、酸素ラジカルがウエハＷの表面全体に均等に供給されるようにすることである。左右方向への振り分けは本実施の形態ではガス噴射手段４ａとガス噴射手段４ｂとのキャリアガスの吐出流量のバランスを変化させることで実現される。
【００２６】
即ち、先ず制御部４３はガス噴射手段４ａに係るバルブＶ１を閉じ、ガス噴射手段４ｂに係るバルブＶ２を全開にする。これによりガス流はガス噴射手段４ｂの先端よりも前方に進んだあたりで、左斜め後方からキャリアガスの噴出圧力を受けることとなり、図３（ａ）に実線で示すように右方向へ進路を変えることとなる。
【００２７】
そして徐々にバルブＶ１を開いてガス噴射手段４ａの吐出流量を大きくすると共にバルブＶ２を閉じてガス噴射手段４ｂの吐出流量を低下させていくことによりガス流の向きは、図３（ｂ）に点線で示すウエハＷの右側から左側へと徐々に振られていく。図３（ｂ）中に実線で示す矢印は例えばガス噴射手段４ａの吐出流量がガス噴射手段４ｂの吐出流量よりも少し多いときのガス流の進行方向を示したものである。そして図３（ｃ）は、ガス噴射手段４ｂに係るバルブＶ２を閉じガス噴射手段４（ａ）に係るバルブＶ１を全開にした状態を示したものであり、このようにガス流の方向がウエハＷ左端まで達すると、こんどは逆にガス流の向きを図３（ｃ）から図３（ｂ），図３（ａ）へと順に戻し、一連の動作を繰り返す。
【００２８】
ところでガス流は既述の図８のように拡散するため、ガス流がウエハＷの中心に向いたままだと酸素ラジカル濃度はウエハＷ中心と開口部２４とを結ぶ線上から横に離れていく程小さくなるが、ガス流の向きを右に振ったときにはウエハＷの右側領域の酸素ラジカル濃度が大きく、ウエハＷの中央部領域の酸素ラジカル濃度が小さくなり、またガス流の向きを左に振ったときにはウエハＷの左側領域の酸素ラジカル濃度が大きく、ウエハＷの中央部領域の酸素ラジカル濃度が小さくなるため、結局酸素ラジカル濃度がならされ、ウエハＷに対して面内均一性の高い改質処理を行うことができる。
【００２９】
このように本実施の形態によれば、成膜後のウエハに対して行う膜質改善のためのアニール処理において、面内均一性が向上する。そして前記活性種をウエハＷの各部位に振り分けるために一対のガス噴射手段４ａ，４ｂを用いるようにしているため、成膜処理と薄膜を改質するためのアニール処理とを共通の装置で行い、且つウエハＷの回転機構を用いることなく上述効果を上げることができ、更にはアニール処理において移動の途中に活性種の寿命が尽きるおそれがない。また、活性種の進行方向を気体の噴出力で変えるようにしているため、処理容器内における可動パーツを減らせるという利点もある。
【００３０】
なお上述実施の形態におけるガス噴射手段４ａ，４ｂを左右方向に回動できるように構成し、両ガス噴射手段４ａ，４ｂにおけるガスの吐出流量の比に加えてガス噴射の向きも変えることにより、ガス流の進行方向を細かに調節するようにしてもよい。
【００３１】
また、本実施の形態における風向調節手段はガス噴射手段に限られるものではなく、同様の効果を奏する他の手段によることも可能である。例えば図４に示す実施の形態は、風向調節手段として上述のガス噴射手段４ａ，４ｂに代えてガス供給路３１の先端近傍に風向調節板７１を設けるようにしたものである。この風向調節手段は例えば図５に示すように横断面流線型をなす風向調節板７１と、ガス供給路３１を鉛直方向に気密に貫通して風向調節板７１を軸支する軸部７２と、この軸部７２の例えば上端におけるガス供給路３１の外に設けられた被作動部７３とを備え、この被作動部７３が例えば図示しない作動部からの磁力によって風向調節板７１が鉛直軸周りに回転する。そしてウエハＷに対して活性種を供給する際には、図４に示すように風向調節板７１の先端の向きを徐々に変えていくことで、上述実施の形態と同様にガス流が左右に振られてウエハＷ全体に酸素ラジカルが高い均一性で行き渡る。この風向調節板７１の位置はガス流の向きを左右に振ることができれば任意の位置に設定できる。
【００３２】
更にまた、図６に示す実施の形態によっても上述した２つの実施の形態と同様の効果を上げることが可能である。本実施の形態はガス供給路３１の先端部８１の形状を、活性種発生手段３側から処理容器２１側に左右に向けて広がるラッパ形とし、その後端と活性種発生手段３とを屈曲自在な部材例えばベローズ８２にて気密に接続すると共に、活性種発生手段３の下方側に駆動部及びレールからなる移動手段８３を設け、該活性種発生手段３自体がウエハＷの左右方向にスライドするように構成したものである。
【００３３】
即ち本実施の形態は、活性種発生手段３自体を動かすことにより活性種の進行方向を定めようとするものであり、ガス供給路３１について言えばベローズ８２は活性種発生手段３の移動に伴い屈曲且つ伸縮し、また先端部８１は活性種発生手段３の移動する角度に合わせて先端が広がった形状とされているため、ガス流は開口部２４の左右端に当たって方向を変えてしまうおそれが少なく、活性種発生手段３の位置に応じてウエハＷ表面の左右方向に向かって直進する。従って本実施の形態においても、既述の実施の形態と同様にガス流を左右に振り分けることができ、面内均一性の高い改質処理が行える。。
【００３４】
なおこれまで述べてきた３つの実施の形態は、夫々組み合わせて使用してもよく、例えば図４に示した実施の形態においてガス供給路３１の先端を図６にて示した先端部８１のようなラッパ状のものとすると共に板状体７の位置を例えば開口部２４よりも後方側に配置すれば、開口部２４近傍の処理容器２１内壁にぶつかる活性種の量を減らすことができるため、活性種を意図した部位に向かわせる精度を高めることができる。
【００３５】
また上述実施の形態にて用いてきた各風向調節手段は、酸素ラジカルによるアニール処理でのみ用いられるものではなく、例えばＣＶＤにやエッチングにおける処理ガスの供給時に用いるようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る熱処理装置及びその方法によれば、基板に対して面内均一性の高い熱処理を行うことができる。特に、成膜処理後の薄膜に対する改質処理については、処理むらの発生が起こりにくく効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱処理装置の実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る熱処理装置の実施の形態を示す平面図である。
【図３】本実施の形態の作用を説明するための作用説明図である。
【図４】本発明に係る熱処理装置の他の実施の形態を示す概略平面図である。
【図５】前記他の実施の形態における要部を説明するための概略斜視図である。
【図６】本発明に係る熱処理装置の更に他の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図７】従来発明に係る熱処理装置を示す概略平面図である。
【図８】発明が解決しようとする課題を説明するための説明図である。
【符号の説明】
Ｗ        ウエハ
２１      処理容器
２２      ウエハ載置台
２４      開口部
３        活性種発生手段
３１      ガス供給路
４ａ，４ｂ  ガス噴射手段
４１      吐出孔
４２      キャリアガス供給源
４３      制御部
５１      シャワーヘッド
５６      成膜ガス供給源
６        加熱部
【図１】
0004655395.tif 000002
【図２】
0004655395.tif 000003
【図３】
0004655395.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004655395.tif 000008
【図８】
0004655395.tif 000009