(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス雰囲気の変更がプロセスの結果物におよぼす影響を最小限に抑えながら、効果的に反応チャンバ内でガスを排出し、ガス雰囲気を変更する方法を提供する。【解決手段】反応チャンバ内の基板を、第１パージガスからなる第１雰囲気、プロセスガスからなる第２雰囲気及び第２パージガスからなる第３雰囲気の、少なくとも３種類のガス雰囲気に順次露出する。これらのガスを反応チャンバの一方の端部から反応チャンバに導入し、他方の端部から排出する。反応チャンバに導入する一連のガスは、直前に入れたガスとの界面が安定して維持されるように選択する。例えば、反応チャンバの上端部から反応チャンバ内にガスを導入して下端部から排出する場合、分子量が順に減少するようにガスを選択する。その結果、それぞれのガス雰囲気は、先に導入したガス雰囲気の上方にとどまり、そのガスを上部から下部へ押しやって反応チャンバ外へ排出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応チャンバ内に基板を供給するステップと、
前記反応チャンバ内に第１パージガスを導入するステップと、
プロセスガスで前記反応チャンバ内の前記第１パージガスを実質的に置き換えるステップと、
第２パージガスで前記反応チャンバ内の前記プロセスガスを実質的に置き換えるステップとを含み、
前記第１パージガスと前記第２パージガスとは異なる半導体処理方法。
【請求項２】
前記第１パージガス及び前記第２パージガスが、前記基板に対して不活性又は実質的に非反応性である請求項１に記載の半導体処理方法。
【請求項３】
前記第１パージガス、前記プロセスガス、及び前記第２パージガスが、前記反応チャンバに導入された後、垂直方向に流れて前記反応チャンバから排出される請求項１に記載の半導体処理方法。
【請求項４】
先に導入したガスを、後続のガスの導入前に重力又は浮力によって前記反応チャンバから排出させる加重平均分子量又は密度を有する前記第１パージガス、前記プロセスガス、又は前記第２パージガスを選択するステップをさらに含む請求項３に記載の半導体処理方法。
【請求項５】
前記第１パージガスを導入するステップ、前記第１パージガスを実質的に置き換えるステップ、及び前記プロセスガスを実質的に置き換えるステップが、前記反応チャンバの上部にあるガス導入口から前記反応チャンバ内にガスを導入し、前記反応チャンバの下部にあるガス排出口から前記反応チャンバ外へガスを排出するステップを含む請求項３に記載の半導体処理方法。
【請求項６】
前記第１パージガス、前記プロセスガス、及び前記第２パージガスの前記加重平均分子量又は密度が、少なくとも３種類の各ガスの導入順に徐々に減少する請求項５に記載の半導体処理方法。
【請求項７】
前記第１パージガスを導入するステップ、前記第１パージガスを実質的に置き換えるステップ、及び前記プロセスガスを実質的に置き換えるステップが、前記反応チャンバの下部にあるガス導入口から前記反応チャンバ内にガスを導入し、前記反応チャンバの上部にあるガス排出口から前記反応チャンバ外へガスを排出するステップを含む請求項１に記載の半導体処理方法。
【請求項８】
前記第１パージガス、前記プロセスガス、及び前記第２パージガスの前記加重平均分子量又は密度が、少なくとも３種類の各ガスの導入順に徐々に増大する請求項７に記載の半導体処理方法。
【請求項９】
前記プロセスガスが、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２とＨ２Ｏとの混合ガスからなる群から選択される請求項１に記載の半導体処理方法。
【請求項１０】
前記第１パージガスを実質的に置き換える前記ステップが、前記反応チャンバ内の前記第１パージガスを前記プロセスガスと能動的に混合するステップを含み、能動的に混合する該ステップが、前記プロセスガスのガス導入口の近傍で行われ、該ガス導入口が前記反応チャンバの上部近傍にある場合は、前記プロセスガスの分子量が前記第１パージガスの分子量より大きく、該ガス導入口が前記反応チャンバの下部近傍にある場合は、前記プロセスガスの前記分子量が前記第１パージガスの前記分子量より小さい請求項１に記載の半導体処理方法。
【請求項１１】
前記反応チャンバ内の前記第１パージガスを前記プロセスガスと能動的に混合する前記ステップが、前記プロセスガスと前記反応チャンバ内の前記第１パージガスの一部とを静止型混合器又はベンチュリ装置を介して前記反応チャンバに導入するステップを含む請求項１０に記載の半導体処理方法。
【請求項１２】
前記プロセスガスを実質的に置き換える前記ステップが、前記第２パージガスを前記反応チャンバ内の前記プロセスガスと能動的に混合するステップを含み、能動的に混合する該ステップが、前記第２パージガスのガス導入口の近傍で行われ、該ガス導入口が前記反応チャンバの上部近傍にある場合は、前記第２パージガスの分子量が前記プロセスガスの前記分子量より大きく、該ガス導入口が前記反応チャンバの下部近傍にある場合は、前記第２パージガスの前記分子量が前記プロセスガスの前記分子量より小さい請求項１０に記載の半導体処理方法。
【請求項１３】
前記第２パージガスを前記反応チャンバ内の前記プロセスガスと能動的に混合する前記ステップが、前記第２パージガスと前記反応チャンバ内の前記プロセスガスの一部とを静止型混合器又はベンチュリ装置を介して前記反応チャンバに導入するステップを含む請求項１２に記載の半導体処理方法。
【請求項１４】
半導体処理システムであって、
少なくとも３種類のガス源への接続部を有し垂直方向に延びる反応チャンバ
を備え、
該反応チャンバが、
前記反応チャンバの一方の垂直方向端部の近傍にあるガス導入口と、
前記反応チャンバの他方の垂直方向端部の近傍にある前記反応チャンバ外へガスを排出するガス排出口と、
前記少なくとも３種類のガス源のそれぞれから別々にガスを前記反応チャンバに導入するように構成されたガスフロー制御器とを備え、
導入された前記ガスが、前記ガス導入口が前記反応チャンバの下端部の近傍にある場合は、徐々に増大する加重平均分子量又は密度を有し、前記ガス導入口が前記反応チャンバの上端部の近傍にある場合は、徐々に減少する加重平均分子量又は密度を有するシステム。
【請求項１５】
前記ガス導入口及び前記ガス排出口が、ガスフローが上向きになるように構成され、前記反応チャンバ内に順に導入される前記ガスが、徐々に増大する加重平均分子量又は密度を有する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ガス導入口及び前記ガス排出口が、ガスフローが下向きになるように構成され、前記反応チャンバ内に順に導入される前記ガスが、徐々に減少する加重平均分子量又は密度を有する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも３種類のガス源のうちの１つ又は複数が、異なるガスの混合ガスである請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも３種類のガス源のうちの第１ガスが、前記反応チャンバ内に支持された基板に対して不活性である請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも３種類のガス源のうちの第２ガスが、前記反応チャンバ内に支持された前記基板に対して反応性である請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第２ガスがＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２とＨ２Ｏとの混合ガスからなる群から選択される請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記少なくとも３種類のガス源のうちの第３ガスが、前記反応チャンバ内に支持された前記基板に対して不活性である請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１ガス又は前記第３ガスのうちの一方が、Ｎ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＣｌ４、Ａｒ、及びＮ２中に少なくとも３３１／３％のＡｒを含む混合ガスからなる群から選択される請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１ガス又は前記第３ガスのうちの他方が、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｈ２、ＣＨ４、及びＮＨ３からなる群から選択される請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
複数のウェーハを収納するためのウェーハボートをさらに含む請求項１４に記載のシステム。
【請求項２５】
半導体反応炉の反応チャンバにガスを供給する方法であって、
第１ガスを前記反応チャンバ内に導入するステップと、
第２ガスを前記反応チャンバ内に導入するステップと
を含み、
前記第２ガスを導入する該ステップが、
単位時間毎に設定の変化量ずつ変化する加重平均分子量に基づいて、前記反応チャンバ内に導入する前記第２ガスと前記第１ガスの相対量を選択することにより、前記反応チャンバ内に前記第２ガス及び前記第１ガスを同時に導入するステップと、
前記反応チャンバに導入する前記第１ガスの量を次第に減少させるステップと、
前記第１ガスの量を次第に減少させた後に前記反応チャンバに前記第２ガスのみを導入するステップとを含む反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項２６】
前記反応チャンバが、その一方の端部近傍にガス導入口を、またその他方の端部近傍にガス排出口を備え、前記ガス導入口が前記反応チャンバの上端部近傍にある場合は、前記第２ガスの分子量が前記第１ガスの分子量より大きく、前記ガス導入口が前記反応チャンバの下端部近傍にある場合は、前記第２ガスの前記分子量が前記第１ガスの前記分子量より小さい請求項２５に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項２７】
前記ガス導入口が前記反応チャンバの上端部近傍にあり、前記ガス排出口が前記反応チャンバの下端部近傍にある請求項２６に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項２８】
前記第１ガスがＮ２である請求項２７に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項２９】
前記第２ガスがＯ２である請求項２８に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３０】
前記第２ガスを前記反応チャンバ内に導入する前記ステップが、前記第２ガス及び前記第１ガスを同じ前記ガス導入口から前記反応チャンバ内に導入する請求項２５に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３１】
前記単位時間が、前記反応チャンバ内のガス雰囲気を実質的に完全に置き換えるのに必要な継続時間である請求項２５に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３２】
前記変化量が約１．６以下である請求項２５に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３３】
前記変化量が約０．８以下である請求項３２に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３４】
前記変化量が約０．４以下である請求項３３に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３５】
前記単位時間が約３０秒以上である請求項３１に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３６】
前記単位時間が約６０秒以上である請求項３５に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３７】
前記単位時間毎の前記変化量が１分毎に約１．６以下である請求項２５に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３８】
前記単位時間毎の前記変化量が１分毎に約０．８以下である請求項３７に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【請求項３９】
前記単位時間毎の前記変化量が１分毎に約０．４以下である請求項３８に記載の反応チャンバにガスを供給する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね、半導体処理の分野に関し、より詳細には、熱処理に使用される熱反応炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、米国特許法第１１９条の（ｅ）に基づき、２００４年２月２日出願の米国仮出願第６０／５４１，３５７号の優先権の利益を主張する。また、本願は、その開示の全体を参照により本明細書に組み込む、２００４年１月２１日出願の「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＰＵＲＧＩＮＧ  ＳＥＡＬＳ  ＩＮ  Ａ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＲＥＡＣＴＯＲ」という名称の米国仮出願第６０／５３８，３５１号（整理番号ＡＳＭＩＮＴ．０６４ＰＲＦ）にも関連する。また、本願は、番号未付与の、２００４年１月１８日出願の「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＰＵＲＧＩＮＧ  ＳＥＡＬＳ  ＩＮ  Ａ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＲＥＡＣＴＯＲ」という名称の米国特許出願（整理番号ＡＳＭＩＮＴ．０６４ＡＵＳ）にも関連する。
【０００３】
一般に、熱反応炉内での半導体処理は、熱反応炉の反応チャンバ内で行われる。反応チャンバ内に挿入された半導体基板は、通常、一般に基板と化学反応を起こすプロセスガスに露出される。例えば、熱酸化プロセスでは、酸化させるために、基板はＯ２ガスもしくは水蒸気、又はＯ２と水蒸気の混合物などのプロセスガスに常に露出される。
【０００４】
また、一般に、基板をプロセスガスに露出する前後に、反応チャンバ内は基板と反応しない不活性なパージガスでパージされる。このパージは、通常、活性なプロセスガスが反応チャンバ内に導入される処理工程の前後に起こる望ましくない反応を回避するために行われる。一般に、パージは、処理工程前に反応チャンバから反応物質を除去し、また処理工程後に反応チャンバからプロセスガス及び副産物を除去する。すなわち、反応チャンバ内をパージし、その内部にプロセスガスを導入することによって、反応チャンバ内のガス雰囲気をプロセスサイクル中に何度も変更することができる。
【０００５】
このガス雰囲気の変更が、望ましくない効果をもたらし得ることが観察されてきた。このことは、２００１年１１月１３日に発行され、ＡＳＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｎ．Ｖ．に譲渡された「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ  ＯＦ  Ａ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」という名称の米国特許第６３１６３７１号に記載されており、その開示の全体を参照により本明細書に組み込む。この特許は、実質的に大気圧で動作する縦型熱酸化炉について記載している。このような炉では、ガスは、通常、炉の最上部から導入され、底部から排出されるので、反応チャンバ内のガスは、総じて下方向へ流れる。
【０００６】
プロセスの結果物は、１つのウェーハ全体にわたって、また個々のウェーハ同士の間で、均一であることが好ましいが、反応チャンバ内で１つのガスから別のガスへの変更があると、プロセスの結果物の均一性に有害に作用し得ることが観察されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、ガス雰囲気の変更がプロセスの結果物におよぼす影響を最小限に抑えながら、効果的に反応チャンバ内でガスを排出し、ガス雰囲気を変更する方法が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によると、半導体処理方法が提供される。この方法は、縦型反応炉内に反応チャンバを提供するステップを含む。ガスは、反応チャンバの一方の垂直方向端部の近傍から反応チャンバ内に導入され、反応チャンバの他方の垂直方向端部の近傍から排出される。ガスを導入し、排出することによって、少なくとも、炉内のガス雰囲気を、第１ガスを含む第１雰囲気から第２ガスを含む第２雰囲気に変更し、次いで第３ガスを含む第３雰囲気に変更する。第１、第２及び第３ガスの１種類の加重平均分子量を決定し、この加重平均分子量に基づいて第１、第２及び第３ガスの他の２種類の加重平均分子量を決定する。ガスが反応チャンバの下端部近傍から反応チャンバに導入される場合、第２及び第３雰囲気を構成するガスは、それぞれ第１及び第２雰囲気に比べ、ほぼ等しい又はより高い加重平均分子量を有する。一方、ガスが反応チャンバの上端部近傍から反応チャンバに導入される場合、第２及び第３雰囲気を構成するガスは、それぞれ第１及び第２雰囲気に比べ、ほぼ等しい又はより低い加重平均分子量を有する。
【０００９】
本発明の別の態様によると、半導体処理方法が提供される。この方法は、垂直方向に延びる反応チャンバ内に半導体基板を提供するステップを含む。半導体基板は、それぞれ分子量を有する３種類以上の種類のガスに順に露出される。これらのガスは、ほぼ等しい、あるいは露出順序が進むにつれて次第に高く又は低くなる分子量を有する。
【００１０】
本発明の別の態様によると、半導体処理方法が提供される。この方法は、反応チャンバ内に半導体基板を提供するステップを含む。第１パージガスを反応チャンバに導入する。反応チャンバ内の第１パージガスを実質的にプロセスガスで置き換える。反応チャンバ内のプロセスガスを実質的に第２パージガスで置き換える。第１パージガスと第２パージガスとは異なる。
【００１１】
本発明の別の態様によると、半導体処理システムが提供される。このシステムは、垂直方向に延び、少なくとも３種類のガス源への接続部を有する反応チャンバを備える。反応チャンバは、その一方の垂直方向端部の近傍にガス導入口を有し、他方の垂直方向端部の近傍に反応チャンバからガスを排出するためのガス排出口を有する。このシステムは、少なくとも３種類のガス源のそれぞれから別々に反応チャンバにガスを導入するように構成されたガスフロー制御器をも備える。導入された幾種類のガスは、ガス導入口が反応チャンバの下端部近傍にある場合は、順次、次第に高くなる密度又は加重平均分子量を有し、ガス導入口が反応チャンバの上端部近傍にある場合は、順次、次第に低くなる密度又は加重平均分子量を有する。
【００１２】
本発明の別の態様によると、半導体反応炉の反応チャンバにガスを供給する方法が提供される。この方法は、第１ガスを反応チャンバに導入するステップを含む。第２ガスも反応チャンバに導入する。第２ガスを導入するステップは、第２ガス及び第１ガスを反応チャンバに同時に導入するステップを含む。第２ガス及び第１ガスを導入するステップは、反応チャンバに導入する第２ガスと第１ガスとの相対量を、その加重平均分子量が単位時間当たりに設定の変化量ずつ変化するように、反応チャンバに導入するガスの加重平均分子量に基づいて選択するステップを含む。第２ガスを導入するステップは、反応チャンバに導入する第１ガスの量を徐々に減らし、その後に第２ガスのみを導入するステップも含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
反応チャンバ内のガス雰囲気を変更するプロセスで観察されるプロセスの結果物の不均一性は、重力又は浮力によって誘発される効果に起因し得るものであることが分かった。例えば、ガス雰囲気を「変更」した後であっても、雰囲気を構成するガスの分子量又は密度が異なると、重力又は浮力によって誘発される、望ましくないガスフローパターンが生じることがあり、また、幾種類かのガスの相対的な分子量によっては、これらのガスが反応チャンバ内の数箇所に残留することがある。こうした効果が、反応チャンバ内のガス雰囲気制御したように変更させることを難しくしている。
【００１４】
例えば、反応チャンバ内が分子量２８のＮ２で充填され、次いで分子量３２のＯ２が反応チャンバの上部から導入される場合、Ｏ２は、より軽いＮ２を通り抜けて「沈下」する傾向がある。「より軽い」とは、Ｎ２がＯ２より小さい分子量を有するという意味である。その結果、Ｏ２は反応チャンバの底部まで移動する。こうした傾向があるため、反応チャンバ内の上部に存在するＮ２をＯ２で置き換えることが難しくなる。従って、反応チャンバ内に残留するＮ２は、Ｏ２導入後であっても反応チャンバ内の上部付近に、おそらくその後も長く残留し続ける可能性がある。加えて、特に大気圧又はそれに近い気圧では、重力又は浮力によって誘発されるガスフローパターンが定着し、反応チャンバ内に強い反応性ガスの濃度勾配をもたらすことがあり得る。こうした現象の結果、プロセスガス及び／又はパージガスは、その存在が望まれないにも関わらず、反応チャンバ内の数箇所に残留することがある。このために、プロセスガスの望ましくない反応又は希薄化が生じ、プロセスの結果物の均一性に有害な作用をもたらす。
【００１５】
ガスが反応チャンバの上端部から導入され下端部から排出される場合、こうした現象は反応炉内で頻繁に起こり得る。ガスは、このような反応炉の端部に残留することがあり、また、重力又は浮力によって誘発されるガスフローパターンが反応チャンバの垂直方向に沿って定着することがある。こうしたガスフローパターンによって、長時間にわたり望ましくない反応が生じ、あるいは流路に沿ってプロセスガスが変化するために、プロセスの結果物に偏りが生じることがある。
【００１６】
有利なことに、後述する、反応チャンバに導入するガスを適切に選択して導入順序を適切に定めることによって、こうした現象を最小限に抑え、反応チャンバ内のガス雰囲気を効率よく変更することができることが分かった。一連の異なるガスそれぞれの望ましくない移動を最小限に抑えるために、反応チャンバに導入するガスを分子量に基づいて選択することが好ましい。例えば、一部の好ましい実施の形態では、ガスが下方向へ移動して反応チャンバから排出される所与のプロセスサイクルで、次々に反応チャンバに導入する少なくとも幾種類かのガスの分子量を次第に小さくしており、これらのガスが先に反応チャンバ内に存在するガスの上部にとどまり、それらのガスを下部へ押しやり反応チャンバ外へ排出する。ガスが上方向へ移動して反応チャンバから排出される場合は、逆の構成を使用して、先に反応チャンバ内に存在するガスを上部へ押しやり排出することができる。つまり、所与のプロセスサイクルで次々に反応チャンバに導入する少なくとも幾種類かのガスの分子量を次第に大きくする。他の好ましい実施の形態では、反応チャンバに導入する前に幾種類かのパージガス及びプロセスガスを混合することができ、また、所与のプロセスサイクルで反応チャンバに次々に導入するガスのうち、少なくとも幾種類かを、先に導入したガスの分子量に近い分子量を有するものから選択することもできる。本発明は特定の理論によって制限されるものではないが、幾種類かのガスを混合、又は分子量を適切に選択することによって、いくつかのガス層の界面を安定して維持し、ガスの望ましくない残留又は移動を最小限に抑えることができる。
【００１７】
ここで図を参照する。
【００１８】
本発明は、当技術分野では周知の様々な反応炉に適用できるが、縦型炉等の垂直方向のガスフローパターンを有する反応炉に適用すると特に有利である。このような例示的な反応炉は、商品名Ａ４１０（商標）及びＡ４１２（商標）でオランダのＡＳＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｎ．Ｖ．から販売されている。
【００１９】
このような反応炉１０を図１に示す。反応チャンバ１２は、垂直方向に延びる実質的に円筒形のプロセスチューブ１４によって囲まれている。プロセスチューブ１４の下側は開放されており、ドアプレート１６で密封することができる。ドアプレート１６は、ウェーハ（図示せず）などの複数の基板を垂直に積み重ねて収納するウェーハボート１８を支持している。ガス排出口２４は、プロセスチューブ１４の一方の垂直方向端部の近傍に配置されていることが好ましい。ガス排出口２４はプロセスチューブ１４の下端部に示されている。ガス導入口２３はプロセスチューブ１４の反対側の垂直方向端部の近傍に配置されている。ガス導入口２３から入った後、ガスは下方向へ流れ、反応チャンバ１２を通り、下部のガス排出口２４まで流れ、そこを通って反応チャンバ１２から排出される。反応チャンバ１２へのガスの導入は、マイクロプロセッサ又はコンピュータで制御されることが好ましい。
【００２０】
好ましい実施の形態では、反応チャンバ１２に導入するガスは、後述するガスの望ましくない残留又は移動を最小限に抑えるために、特定の順序で推移する分子量又は密度を有する。例えば、反応チャンバ１２が、第１密度を有する第１ガス、例えばパージガスで充填されており、第１ガスを、第２密度を有する第２ガス、例えばプロセスガスで置き換える場合、第２密度が第１密度より低いならば、置き換えが効率的に進むことが分かった。このような構成を使用すると、より軽いプロセスガスは、より重いパージガスの上に浮かび、比較的安定した界面領域を形成しやすくなる。反応チャンバ１２にさらにプロセスガスを導入することによって、パージガスは下方向へゆっくりと押しやられてガス排出口２４に達し、パージガス環境の効率的な置き換えが起こる。同様に、プロセスガスを使用するプロセスの終了時に、そのプロセスガスを別のガス、好ましくは第２パージガスで置き換えることが好ましい。この第２パージガスは、プロセスガスの密度よりも低い第３密度を有することが好ましい。結果として、より軽い第２パージガスは、より重いプロセスガスの上に浮かび、比較的安定した界面領域を形成しやすくなる。第２パージガスを反応チャンバにさらに導入することによって、プロセスガスは下方向へゆっくりと押しやられてガス排出口２４に達し、プロセスガス環境の効率的な置き換えが起こる。
【００２１】
本発明に係るガス導入順序の例を図２に示す。これらの導入順序は、ガスが下方向へ流れる実施の形態に適用できる。例えば、ガス導入口がガス排出口よりも垂直方向に高い位置にある実施の形態で反応チャンバ１２内のガスを置き換える場合、反応チャンバ１２に導入する一連のガスである、プロセスガスの直前に入れるガス、そのプロセスガス、及びプロセスガスの直後に入れるガスは、それぞれ先に導入したガスよりも低い密度又は小さい分子量を有することが好ましい。
【００２２】
ガスが反応チャンバ内を上方向へ流れる場合、例えば、反応チャンバの下端部からガスが導入され、ガス排出口が反応チャンバの上端部にある場合、プロセスガスの直前に入れるガス、そのプロセスガス、及びプロセスガスの直後に入れるガスの導入順序は、密度又は分子量が徐々に増大するように選択することが好ましい。このようなガス導入順序の例を図３に示す。ガスが上方向へ流れる例示的な反応炉は、２００３年３月１３日出願の「ＰＲＯＣＥＳＳ  ＴＵＢＥ  ＳＵＰＰＯＲＴ  ＳＬＥＥＶＥ  ＷＩＴＨ  ＣＩＲＣＵＭＦＥＲＥＮＴＩＡＬ  ＣＨＡＮＮＥＬＳ」という名称の米国特許出願第１０／３９０，５０９号に開示されており、その開示の全体を参照により本明細書に組み込む。
【００２３】
上述のガス導入は１つのプロセスサイクルの一部を形成し、多数の半導体基板を処理する際には、本明細書に記載するガス導入順序をそれぞれ有する複数のプロセスサイクルが実施される。例えば、プロセスサイクルは、好ましくは反応チャンバ１２内に複数のウェーハを挿入することから始まる。ウェーハを、好ましくはウェーハボート１８に収納し、ウェーハボート１８を持ち上げてプロセスチューブ１４内に挿入し、ドアプレート１６を密封する。そして、反応チャンバ１２を第１パージガスで充填し、その後にプロセスガスで置き換える。さらにその後にプロセスガスを第２パージガスで置き換える。ドアプレート１６を開封し、ウェーハボート１８を引き下げることによってウェーハボート１８を反応チャンバ１２から取り出すことができ、プロセスサイクルを終了する。その後、新しいウェーハボート１８を、新しいプロセスサイクルのための第１パージガスが充填された反応チャンバ１２内に挿入し、別のプロセスサイクルを開始する。
【００２４】
プロセスサイクル間の移行は、反応チャンバ１２内に新しいウェーハボート１８を挿入前に反応チャンバ１２に適切な第１パージガスをパージし充填することによって、又は反応チャンバ１２内に新しいウェーハボート１８を挿入後に反応チャンバ１２に第１パージガスを充填することによって好ましく行われる。新しいウェーハボート１８の挿入前に第１パージガスをパージ及び充填する場合、パージ及び充填は、前のプロセスサイクルからのウェーハボートが取り出される前又は後に行うことができる。例えば、第２又は処理後のパージガスがＡｒで、第１又は処理前のパージガスがＮ２の場合、Ａｒガスでプロセスガスを反応チャンバ１２から強制排出させた後に、反応チャンバ１２をＮ２ガスでパージし充填することができる。その後、ウェーハボート１８を反応チャンバ１２から取り出すことができる。あるいは、最初にウェーハボート１８を反応チャンバ１２から取り出し、次いで、新しいウェーハボート１８の挿入前に、適切な第１パージガスでパージすることもできる。いずれにせよ、新しいウェーハボート１８を挿入後、反応チャンバ１２を適切な第１パージガスでさらにパージして反応チャンバ１２内の均一なガス環境を確保することが好ましい。
【００２５】
反応チャンバ１２内にウェーハボート１８を挿入後に反応チャンバ１２を適切なパージガスで充填する場合は、反応チャンバ１２を別のパージガス（例えば、第１パージガスがＡｒ又はＮ２とは異なる別のガスである場合はＮ２）でパージし充填することが好ましい。新しいウェーハボート１８を反応チャンバ１２内に挿入後、そのパージガスを、プロセスサイクルでプロセスガスの前に導入するのに適したパージガスで置き換える。
【００２６】
他の実施の形態では、ウェーハボート１８の基板を複数のプロセスガスに露出することができる。例えば、ウェーハボート１８を、プロセスガスがパージされ第２パージガスで置き換えられた後も反応チャンバ１２内に残留させることができる。また、反応チャンバ１２内のガスフローの方向に応じて、本明細書に記載するより重い又はより軽い第２プロセスガスを反応チャンバ１２内に導入し、基板と反応させることができる。加えて、前述の通り、第２パージガスを、第２プロセスガスの分子量に適した別のパージガスで置き換えることもできる。
【００２７】
重力又は浮力によって誘発される望ましくない対流性のガスフローパターンは、ほぼ大気圧での処理中に特に顕著であり問題となることが分かった。従って、本明細書に開示する方法及び装置は他の圧力での処理にも適用できるが、こうしたガスフローパターンを最小限に抑え、プロセスの結果物の均一性を向上させるためにほぼ大気圧で行われる処理に特に有利に適用される。
【００２８】
図４を参照すると、例示的なプロセスガス及びパージガスの分子量又は原子量が示されている。図２及び図３に示す以外のプロセスガス及びパージガスを使用できる。図４から分かるように、他の使用可能な軽いガスには、それらに限定されないが、ＮＨ３及びＣＨ４が含まれ、他の重いガスには、それらに限定されないが、Ｎ２Ｏ、ＣＯ２及びＣＣｌ４などのフレオンが含まれる。従って、例えば、プロセスガスがＯ２でガスが反応チャンバ内を下方向に流れる場合、第１パージガスとして、Ｎ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＣｌ４、Ａｒ、又はＮ２中に少なくとも３３１／３％のＡｒを含む混合ガス（つまり、Ａｒが総体積又は総分子数の３３１／３％を占め、その他がＮ２である混合ガス）を用いることができ、第２パージガスとしてＮ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｈ２、ＣＨ４、又はＮＨ３を用いることができる。別の例では、プロセスガスがＨ２Ｏでガスが反応チャンバ内を下方向に流れる場合、第１パージガスとしてＮ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＣｌ４、Ａｒ、又はＮ２を用いることができ、第２パージガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｈ２、ＣＨ４、又はＮＨ３を用いることができる。状況と使用するプロセス温度によるが、リストした以外の非反応性ガス又はプロセスガスも用いることができる。しかし、利便性、基板に対する非反応性又は低反応性、及び入手の容易性から、リストした不活性ガス（例えば、温度など反応炉の状態に応じ、希ガス、Ｎ２、及びＣＯ２）を特にパージガスとして用いることが好ましい。
【００２９】
さらに、図２〜４を参照すると、反応チャンバに導入するそれぞれのパージガス及びプロセスガスは、純粋なガス、つまり単一のガス種からなるガス、又は混合ガスであってよい。加えて、純粋なガス及び混合ガスを含むパージガス及び／又はプロセスガスを順序を決めて使用することもできる。ガスが混合ガスの場合、好ましくは、前述の分子量及び密度の関係を、例えば各混合ガスの加重平均分子量を参照して維持する。ガスの分子量に割り当てられる重みは、そのガスの分子によって構成される混合割合であり、それは混合ガス中での各ガスの体積百分率に等しい。
【００３０】
ガスが下方向へ流れるように意図されている場合、先に導入したガスに続く純粋なガス又は混合ガスの加重平均分子量は、先に導入した純粋なガス又は混合ガスの分子量又は加重平均分子量より小さいことが好ましい。それにより、先に導入した純粋なガス又は混合ガスは、後続の混合ガスを導入後、重力又は浮力の作用により下方向へ流れやすくなる。例えば、５０％Ｎ２と５０％Ａｒの混合ガスは、加重平均分子量が（２８×０．５）＋（４０×０．５）＝３４であるため、分子量３２のＯ２をプロセスガスとして用いる前に、パージガスとしてダウンフロー型の反応チャンバで用いることができる。有利なことに、ＡｒとＮ２の混合ガスを用いることで、より高価なＡｒガスの使用を削減することができる。
【００３１】
ガスフローが上方向の場合、先に導入したガスに続く純粋なガス又は混合ガスの加重平均分子量は、先に導入したガスの分子量又は加重平均分子量より大きいことが好ましいことが分かる。上述の通り、パージガスはまた、プロセスガスとほぼ等しい密度又は加重平均分子量を有することができる。
【００３２】
他の実施の形態では、新しく導入したガスと反応チャンバに先に導入したガスとの分子量差を最小にすることによって重力又は浮力によって誘発されるガスフローパターンは最小限に抑えられる。例えば、Ｎ２中に約３３１／３％のＡｒを含む混合ガスの加重平均分子量は（２８×２／３）＋（４０×１／３）＝３２である。分子量がＯ２の分子量とほぼ等しいため、このような混合ガスを、Ｏ２をプロセスガスとして用いる前後にパージガスとして用いることができる。これにより、重力によって誘発されるガスフローパターンが生じる危険性を最小限に抑えることができる。
【００３３】
新しいガスと反応チャンバ内に先に存在するガスとを能動的に混合することによって同様の状況にすることができる。好ましくは、新しいガスを反応チャンバ内に導入する前に、新しいガス（例えば、パージガス）を既に存在するガス（例えば、プロセスガス）と混合する。例えば、一部のプロセスガスを反応チャンバから排出し、新しいガスと混合し、その混合ガスを反応チャンバ内に導入することができる。あるいは、反応チャンバに導入後すぐに、基板に占められた反応領域から離れたところで混合することもできる。ガスを混合することにより、反応チャンバに導入するガス（古いガスと新しいガスとの混合ガス）と反応チャンバ内に既に存在するガスとの加重平均分子量の差が小さくなる。その結果、新しく導入したガスが、既に存在するガスを通じて重力によって誘発されるフローパターンを増長させる傾向を最小限に抑えられる。混合は、例えば、反応チャンバ１２（図１）の内部に設けられた混合装置によって行うことができる。この装置は、反応チャンバ１２の反応領域に導入する新しいガスと反応チャンバ１２内に既に存在するガスとを混合するためにガス導入口２３の近くに配置される。好ましくは、反応チャンバ１２内に既に存在するガスをほんのわずかだけ、新しいガスと混合する。これにより、好ましいことに、新しく導入した混合ガスは、反応チャンバ内に既に存在する混合されていないガスと安定した界面を形成する。
【００３４】
混合装置には、当技術分野で公知の様々なものが適している。例えば、混合装置は、反応チャンバ１２の内部に配置される静止型混合器でよい。別の例示的な混合装置にはベンチュリ装置があり、これはガス導入路に接続される注入口、ならびに反応チャンバ１２と通じる吸入口及び排出口を有する。ガス導入路からのガスは、反応チャンバの反応領域へ放出される前に、ベンチュリ装置内部で反応チャンバに既に存在するガスと混合される。静止型混合器やベンチュリ装置などの混合装置は、高耐熱性の石英製とし、プロセスチューブ１４と一体化させることができる。ベンチュリ装置の場合、吸入フローを供給フローの数倍にすることができ、これは約１ミリから数ミリ程度のチャネル直径で達成可能である。
【００３５】
反応チャンバ１２内に元からあるガス（例えば、プロセスガス）は、時間が経過し、新しく導入したガス（例えば、パージガス）が反応チャンバ１２内に導入されるにつれて減少していくことが分かる。よく混合された混合ガスのガス成分は、好ましいことに、通常の工程条件と時間枠の下では分離しないことも分かる。
【００３６】
他の実施の形態で、同様の分子量を有するガスを用いて重力又は浮力によって誘発されるフローパターンを最小限に抑える別の方法は、第１ガスから第２ガスへ急激に変更するのではなく、第１ガスから第２ガスへ徐々に変更する方法である。例えば、第２ガスを、その混合量を時間とともに少しずつ増大させて第１ガスと混合することができる。
【００３７】
反応チャンバにガスが導入される際、先に導入されたガスは、ガス界面が不安定になる前に、「逆」方向のガス密度のわずかな差を許容することができる。つまり、ガス密度の差が小さい場合、ガス界面の不安定さを最小限に抑えることができる。ガスが下方向へ移動して反応チャンバから排出される場合に、より大きい分子量のガスがより小さい分子量のガスの上部に導入される場合、「逆」方向の状況が発生する。これらのガスは、その分子量の関係が、上述の好ましい実施の形態とは反対である点で「逆」となっている。従って、ガスが上方向へ移動して反応チャンバから排出される場合には、反応チャンバに導入するガスが反応チャンバに先に導入されたガスよりも小さい分子量の場合、「逆」の状況が発生する。
【００３８】
逆方向の状況でのガスの加重平均分子量の差が約１．６、より好ましくは約０．８、最も好ましくは約０．４以下である場合、先及び後に導入された反応チャンバを通るガスフローは安定する。従って、ガスが下方向へ移動して反応チャンバから排出される場合は、先に導入されたガスを、より大きい分子量を有する後続のガスで有利に置き換えることができる。また、ガスが上方向へ移動して反応チャンバから排出される場合は、先に導入されたガスを、より小さい分子量を有する後続のガスで有利に置き換えることができる。
【００３９】
例えば、分子量が２８のＮ２及び分子量が３２のＯ２の場合、分子量の差は４である。Ｎ２からＯ２又はその逆に変化させる場合、逆の密度状況（例えば、ガス導入口２３がガス排出口２４よりも高い位置にあり、Ｏ２をＮ２の後に導入する場合、又はガス導入口２３がガス排出口２４よりも低い位置にあり、Ｎ２をＯ２の後に導入する場合）となる。従って、Ｎ２とＯ２の混合ガスを導入する場合、ガス組成の変化量は分子量の差の約４０％（つまり、４の４０％）以下が好ましく、各段階での加重平均分子量の変化量を、約１．６にする。より好ましくは、Ｎ２とＯ２の場合、各段階でのガス組成を約２０％ずつ変化させ、各段階での加重平均分子量の変化量を約０．８にする。最も好ましくは、Ｎ２とＯ２の場合、各段階でのガス組成を約１０％ずつ変化させ、各段階での加重平均分子量の変化を約０．４にする。
【００４０】
好ましくは、こうした各段階は、反応チャンバ内の容積全体が少なくとも１回置き換えられて、１つの平均分子量のガスによって反応チャンバが完全に占有される程度に十分長くあるべきである。通常の条件下では、反応チャンバの内容は毎分約１又は２回置き換わる。従って、各段階の継続時間は、好ましくは約３０秒以上、より好ましくは約１分以上である。通常、この時間内に、より古いガスは、より新しいガスによって押し出されるため、反応チャンバ内のガスの置き換えに要する継続時間は、通常、ガスの残留時間でもある。置き換えに要する継続時間の上限は変化するが、一般に、所望のスループットなどプロセスの考慮事項に応じて変わる。置き換えに要する継続時間は、好ましくは約５分以下、より好ましくは約２分以下である。このように、ガスの加重平均分子量は、単位時間当たりに設定の変化量ずつ変わること、例えば、加重平均分子量は、反応チャンバ内のガス雰囲気を実質的に完全に置き換えるのに要する継続時間毎に所望の差ずつ変わることが分かる。例えば、変化率は継続時間毎に例えば約１．６以下、より好ましくは約０．８以下、最も好ましくは約０．４以下とすることができる。継続時間は、ガスの加重平均分子量が例えば３０秒毎に約１．６以下で変化するように、約３０秒以上であることが好ましい。
【００４１】
他の実施の形態では、単位時間を、例えば約１分以下又は約３０秒以下と、より短くすることができる。このような場合は、変化量も小さいことが好ましい。従って、変化率は、例えば１分以下毎に約１．６以下、より好ましくは１分以下毎に約０．８以下、最も好ましくは１分以下毎に約０．４以下とすることができる。
【００４２】
上述の通り、ガス組成を急激に変化させる代わりに、例えば最初のガスを徐々に減少させ、新しく導入するガスを徐々に増大させ、それによって両方のガスを配管内で混合し、反応チャンバ内にしばらく同時に導入することによって段階的な変化を適用することもできる。その場合、プロセスチューブに導入されるガスフローの組成の変化率は、加重平均分子量の変化率が毎分約１．６以下、より好ましくは毎分約０．８以下、最も好ましくは毎分約０．４以下となるようにすることが好ましい。上述のＮ２からＯ２へ変更する密度が逆になった状況の例の場合、１００％Ｏ２から１００％Ｎ２へ完全に変更するには約２．５分以上、より好ましくは約５分以上、最も好ましくは約１０分以上の時間がかかる。分子量をより細かい段階で変化させるには、より長い時間をかけることが好ましく、それによりガスフローパターンによるガス界面の不安定さを回避することができる。
【００４３】
例えば、分子量がそれぞれ２８と１８であるＮ２とＨ２Ｏなど、他の組み合わせの場合も、分子量又は加重平均分子量の変化率の差として同じ値を適用することが好ましい。それに対応して、Ｎ２とＨ２Ｏの場合、分子量の段階的な変化が０．８の場合は８％以下の組成変化を意味し、加重平均分子量の変化率が１分以下毎に１．６の場合は、１分以下毎に１６％の組成変化を意味する。状況によっては、その結果、ガス雰囲気を置き換えるのに比較的長時間を要することは明らかである。従って、ガスの組み合わせによっては、反応チャンバ内に逆の密度状況を生じさせないようにすることが好ましい。
【００４４】
ガスは全て、反応チャンバの同じ端部から導入され、反応チャンバの反対側の端部へ同じ方向へ流れるのが好ましいが、第１パージガスは、他のガスのように反応チャンバの同じ端部から導入される必要はないことが分かる。例えば、反応チャンバ内に既に存在するガスの分子量又は密度が、第１パージガスの分子量又は密度より大きい（下方向へ流れる場合）又は小さい（上方向へ流れる場合）場合に限り、第１パージガスを任意の位置から反応チャンバに導入することができる。
【００４５】
加えて、ガスを導入し排出させるガス導入口とガス排出口を変更することができる。例えば、第１パージガス、プロセスガス及び第２パージガスからなる１組のガスを、反応チャンバの上部近傍のガス導入口から下方向へ導入し、反応チャンバの下部近傍のガス排出口から排出させることができ、一方、第１パージガス、プロセスガス及び第２パージガスからなる別の１組のガスを反応チャンバの下部近傍のガス導入口から上方向へ導入し、反応チャンバの上部近傍のガス排出口から排出させることができる。ガス導入口及びガス排出口をこのような構成とすることによって、逆の密度状況を発生させずに、分子量が徐々に増大又は減少するという、ガス導入の好ましい順序を維持することができる。さらに、パージガス、プロセスガス及びパージガスを連続して反応チャンバに導入する際に、別のガスの導入手順を開始するのに、その時に反応チャンバ内にあるパージガスを適切なパージガスで置き換える必要はない。有利なことに、ガスフローの方向を下方向と上方向へ交互に変更するこのような構成によって、特に、基板がプロセスガスに露出される工程の間に、パージの工程をはさんでプロセスガスに複数回露出される場合は、不必要なパージの工程が省略されるため、スループットを増大させることができる。
【００４６】
例えば、ガスが下方向へ流れて反応チャンバから排出される場合、重いパージガスに続いてより軽いプロセスガスを入れ、続いて３種類のガスのうちで最も軽いパージガスを入れることができる。最も軽いパージガスを反応チャンバ内に維持し、次に、ガスが上方向へ流れて排出されるようにする。次に、最も軽いパージガスほど軽くなく、先に反応チャンバに導入したプロセスガスと同じ又は異なる第２プロセスガスを反応チャンバに上方向へ導入する。続いて、重いパージガスを導入してプロセスガスを反応チャンバからパージする。有利なことに、反応チャンバでガスフローの方向を所望通りに変更することができるため、反応チャンバ内のガス雰囲気を最も軽いパージガスでパージする必要がなく、第２プロセスガスを導入する前に、より重いパージガスで置き換える必要がない。
【００４７】
さらに、単一のプロセスガス工程の前後両方に単一の工程で単一のパージガスを導入する方法を説明したが、各ウェーハバッチ又はプロセスサイクルで、プロセスガス工程の前及び／又は後に、パージ工程を複数回行うことや順序通りのプロセスガスの導入を複数回行うこともできる。それぞれのガスの変更毎に、幾種類かのガスのうち少なくとも１種類がプロセスガスである一連のガスの間での分子量及び密度の関係が上述のように維持されることが好ましい。
【００４８】
従って、本発明の範囲を逸脱しないで、上記した内容に対し他の様々な省略、追加及び修正ができることが当業者には理解されるであろう。このような修正及び変更は全て添付の特許請求の範囲で定義する本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の好ましい実施の形態で使用される例示的な反応炉の垂直断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るガスが下方向へ流れて排出される反応チャンバのガス導入順序の例を示す表である。
【図３】本発明の実施の形態に係るガスが上方向へ流れて排出される反応チャンバのガス導入順序の例を示す表である。
【図４】本発明の好ましい実施の形態で使用される例示的なプロセスガス及びパージガスの分子量又は原子量の一覧である。
【図１】
2005252241.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005252241.tif 000005
【図４】
2005252241.tif 000006
【外国語明細書】
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