(57)【要約】【課題】原料ガスの切り換えを短時間に可能とする基板処理装置を提供する【解決手段】積層した半導体ウエハ２００を収容する反応管２０３と、反応管２０３の外部に設置された加熱源２０７と、反応管２０３内へガスを導入するガス供給管３０２と、反応管２０３内からガスを排出する２つのガス排気管３０３、３１１とを備え、ガス供給管３０２にはガス噴出口３０８を積層したウエハ２００に対向するように設け、ガス排気管３０３にはガス排気口３０９を積層したウエハ２００に対向するように設け、ガス排気管３１１には、ガス排気口を積層したウエハ２００には対向しない位置に設ける。【選択図】図１
2005259841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層した基板を収容する容器と、該容器の外部に設置された加熱源と、外部から前記容器の内部へガスを導入するための少なくとも一つのガス供給管と、前記容器の内部から外部へガスを排出するための少なくとも２つのガス排気管とを備える基板処理装置であって、  
前記ガス供給管には、一つ以上のガス噴出口が前記積層した基板に対向するように設置され、
前記少なくとも２つのガス排気管の一方には、一つ以上のガス排気口が前記積層した基板に対向するように設置され、
前記少なくとも２つのガス排気管の他方には、ガス排気口が前記積層した半導体基板には対向しない位置に設置されていることを特徴とする基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板処理装置に関し、特に、複数の半導体基板に薄膜を同時に形成する縦型気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスを製造するために基板表面に薄膜を形成する技術としてはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長）法が一般に用いられてきた。しかし、半導体デバイスの微細化に伴い、デバイスに利用される各種材料の薄膜を高精度に形成する要求が高まり、これを実現するためにＡＬＤ（Atomic Layer Deposition；原子層堆積）法と呼ばれる技術の適用が進められている。ＡＬＤ法は、薄膜の原料となる複数の原料ガスを交互に切り換え、かつ、繰り返して基板表面に供給することで薄膜を形成する技術である。しかし、デバイス適用に必要な厚みの薄膜を形成するにはガスの切り換えを数百〜数千回行うことが必要とされるため、プロセス制御性などの点から、従来は基板を一枚ずつ処理する枚葉方式の装置が利用されてきた。しかし枚葉方式ではスループットが低いという問題があり、この問題を解決するために、数十枚の基板を一括処理することが可能なバッチ方式装置の開発が求められている。このとき、複数設置された基板に薄膜を同時に、かつ均一に形成するためには、基板に供給される原料ガスを装置内部で均一に供給することが必要である。これに対して例えば特開平５−２１１１２２号公報に開示されている縦型ＣＶＤ装置によれば、装置内部のガス濃度を均一化できることが示されている。
【特許文献１】特開平５−２１１１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の従来の構造では、排気管が装置に比較して小さいために、原料ガスの供給によって上昇した装置内部の圧力を所定の圧力まで低下させるためには比較的長い時間が必要となる。ＡＬＤ法においては、一つの原料ガスを供給した後に装置内部を排気して所定の圧力まで低下させてから次の原料ガスを供給する、という手順を数百〜数千回繰り返すため、従来構造をＡＬＤ法に適用した場合には、特に基板の枚数増加や大口径化により装置が大型化した場合に、排気に要する時間が著しく増大してスループットを低下させるという問題がある。
【０００４】
本発明の主な目的は、原料ガスの切り換えを短時間に可能とする基板処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、
積層した基板を収容する容器と、該容器の外部に設置された加熱源と、外部から前記容器の内部へガスを導入するための少なくとも一つのガス供給管と、前記容器の内部から外部へガスを排出するための少なくとも２つのガス排気管とを備える基板処理装置であって、  
前記ガス供給管には、一つ以上のガス噴出口が前記積層した基板に対向するように設置され、
前記少なくとも２つのガス排気管の一方には、一つ以上のガス排気口が前記積層した基板に対向するように設置され、
前記少なくとも２つのガス排気管の他方には、ガス排気口が前記積層した半導体基板には対向しない位置に設置されていることを特徴とする基板処理装置が提供される。
【０００６】
好ましくは、前記積層した基板に対向するように設置された前記ガス排気口の断面積が、前記積層した基板には対向しないように設置された前記ガス排気口の断面積よりも小さい。
【０００７】
また、好ましくは、前記積層した基板に対向するように設置された前記ガス排気口の断面積の総和が、前記積層した基板には対向しないように設置された前記排気口の断面積の総和よりも小さい。
【０００８】
また、本発明によれば、上記基板処理装置を用いて半導体装置を製造する半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、
積層した半導体基板を収容する容器と、該容器の外部に設置された加熱源と、外部から前記容器の内部へガスを導入するための一つ以上のガス供給管と、前記容器の内部から外部へガスを排出するための複数のガス排気管とを備え、
前記ガス供給管には、一つ以上のガス噴出口が前記積層した半導体基板に対向するように設置され、
前記複数のガス排気管のうちの少なくとも一つには、一つ以上のガス排気口が前記積層した半導体基板に対向するように設置され、
前記複数のガス排気管のうちの他の少なくとも一つには、ガス排気口が前記積層した半導体基板には対向しない位置に設置されている半導体基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記ガス供給管から前記容器内部に第１番目の原料ガスを供給し、かつ、前記複数のガス排気管のうち前記ガス排気口が前記積層した半導体基板に対向するように設置された前記ガス排気管より第１番目の原料ガスを排気する工程と、
前記ガス供給管から前記容器内部への第１番目の原料ガスの供給を停止し、かつ、前記複数のガス排気管のうち前記ガス排気口が前記積層した半導体基板に対向しない位置に設置されている前記ガス排気管より第１番目の原料ガスを排気する工程とを、第ｎ番目（ｎは整数）の原料ガスまで繰り返すことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、原料ガスの切り換えを短時間に可能とする基板処理装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施例の基板処理装置である縦型気相成長装置１０の処理炉２０２を説明するための概略縦断面図であり、図２は、図１のＡＡ線横断面図である。
縦型気相成長装置１０の処理炉２０２は、石英製の反応管２０３と、反応管２０３の内部に設置された石英製のガス供給管３０２、第一ガス排気管３０３、ボート２１７、及びボート２１７を回転する回転軸３０５を備えている。反応管２０３の外側を取り囲む形でヒータ等の加熱源２０７が設置されている。ボート２１７の所定の位置には基板としての半導体ウエハ２００が複数枚鉛直方向に積載されている。ガス供給管３０２には、ボート２１７に積層して搭載されたウエハ２００に対向する位置に複数のガス噴出口１０８が設けられている。第一ガス排気管３０３には、ボート２１７に積層して搭載されたウエハ２００に対向する位置に複数のガス排気口１０９が設けられている。これらのガス噴出口３０８及びガス排気口３０９は、ボート２１７に隣接して搭載された二枚のウエハ２００の中間にそれぞれ位置するように設置されている。さらに反応管２０３の下部にはキャップ２１９が設けられ、さらにキャップ２１９に接続する形で第二ガス排気管３１１が設けられている。第二ガス排気管３１１の排気口３１２は、キャップ２１９に開口して設けられ、ボート２１７に積層して搭載されたウエハ２００に対向しない位置に設けられている。ここで、第二ガス排気管３１１は第一ガス排気管３０３と比べて高い排気能力を有するようにコンダクタンス等の調整をしており、ここでは第一ガス排気管３０３に設けられたガス排気口１０８の断面積の総和と比べて第二ガス排気管３１１の断面積の方が大きくなるようにしている。
【００１３】
なお、図には示していないが、ガス供給管３０２は外部から原料ガスを輸送するためのガス供給系へと接続されており、また第一ガス排気管３０３及び第二ガス排気管３１１はそれぞれ排気したガスを外部へ排出するためのガス排気系へと接続されている。
【００１４】
この縦型気相成長装置１０の処理炉２０２を用いた場合の、二種類の原料ガスを用いたＡＬＤ法による薄膜形成方法について説明する。
【００１５】
図３に薄膜形成方法の手順を示す。最初に、反応管２０３の内部に存在する不要なガスを第二ガス排気管３１１により排気して、反応管２０３内部の圧力を薄膜形成に必要な所定の圧力になるように調整する。次に、第一の原料ガスの供給工程として、まず第二ガス排気管３１１による排気を停止し、第一ガス排気管３０３による排気を開始した後、ガス供給管３０２に第一の原料ガスを供給開始すると、第一の原料ガスはガス供給管３０２に設けられたガス噴出口３０８よりボート２１７に積載されて搭載されたウエハ２００へと供給され、第一の原料ガスがウエハ２００表面に化学吸着することにより所定の薄膜が形成される。その後、第一の原料ガスはウエハ２００で挟まれた空間を通過してガス排気口３０９へと到達し、第一ガス排気管３０３を通して外部へと排気される。
【００１６】
この第一の原料ガス供給工程で、第一ガス排気管３０３ではなく第二ガス排気管３１１による排気を行った場合には次の問題が発生する。図４及び図５には第一ガス排気管３０３による排気を停止して第二ガス排気管３１１による排気を行った場合の反応管２０３内部のガス流状態の模式図を示す。このときボート２１７周辺は図４に示したようなガス噴出口３０８から第二ガス排気管３１１へと向かうような下向きのガス流れの分布が生じるために、ガス噴出口３０８から基ウエハ２００へと供給された第一の原料ガスは、図５に示すようにボート２１７周辺のガスの流れに引き込まれてウエハ２００の外周側より排出されてしまう。つまり、ウエハ２００への原料ガスの供給が不十分になるという問題を引き起こし、ウエハ２００の表面全体に薄膜を形成するのに要する時間が長時間化してしまう。よって、原料ガス供給時にはガス供給管３０２及び第一ガス排気管３０３を組み合わせて利用して、ウエハ２００の表面の一端より導入された原料ガスが概ねウエハ２００の中心に対して反対側の一端から排出されるようなガスの流れを形成することが工程時間の短縮に有効である。
【００１７】
次に、第二の原料ガスを供給する前に行う、反応管２０３内部に残留する第一の原料ガスの排気工程について述べる。これは反応管２０３内部において第一及び第二の原料ガスが混合、反応して発生した反応生成物が基板表面に異物として付着したりすることを防止するためである。まず、ガス供給管３０２への第一の原料ガスの供給を停止し、次に第一ガス排気管３０３による排気を停止し、次に第二ガス排気管３１１による排気を開始する。
【００１８】
このとき第一ガス排気管３０３だけをそのまま反応管２０３内部の残留ガス排気に利用した場合、その形状は細長い管形状であるため排気能力が不十分となり排気時間が長くなってしまう。また排気能力を向上させるために第一ガス排気管３０３の断面積を大きくしてガスのコンダクタンスを大きくすることが考えられるが、これは排気管形状、さらには半導体成長装置の大型化を引き起こすことになるため好ましくない。また、ウエハ２００の周辺に大きな構造物を配置することになるので、反応管２０３外部に設置された加熱源２０７とウエハ２００との距離が遠ざかってしまい、ウエハ２００を所定の温度に加熱するためにはより大きなエネルギーが必要となる、等の問題が発生してしまう。一方、第一の原料ガスの排気に第二ガス排気管３１１を用いた場合、ボート２１７周辺には下向きのガスの流れが生じてウエハ２００で挟まれた空間に存在する原料ガスはウエハ２００の外周側全体より速やかに排出されるため、排気時間の短縮に有効である。
【００１９】
なお、この第一の原料ガス排気工程では、第一の原料ガスの供給停止直後にはガス供給管３０２内部に第一の原料ガスが多量に残留しているため、この残留ガスが全て排出されるまで排気を継続することが好ましい。また、ガス供給管３０２への第一の原料ガスを供給停止した場合に、原料ガスを替えて薄膜形成には関与しない種類のガスを供給することも、ガス供給管３０２内部に残留する原料ガスを速やかに排出するのに有効である。
【００２０】
次に、第一の原料ガスの排気が完了したら、第二の原料ガスについても同様の手順で供給及び排気を行う。まず、第二ガス排気管３１１による排気を停止し、第一ガス排気管３０３による排気を開始し、ガスを供給管３０２より第二の原料ガスを所定の時間供給することで、第二の原料ガスをウエハ２００表面に化学吸着させて所定の薄膜を形成する。その後、ガス供給管３０２への第二の原料ガスの供給を停止し、第一ガス排気管３０３による排気を停止し、第二ガス排気管３１１による排気を行って反応管３０２内部の第二の原料ガスを排出する。
【００２１】
以上のような工程を所定の回数だけ繰り返して行うことにより、所定の厚みを有する薄膜を高スループットで基板表面に形成することが可能となる。
【実施例２】
【００２２】
本実施例では別な縦型気相成長装置の構造、及び薄膜形成方法について述べる。
図６は、本発明の第２の実施例の基板処理装置である縦型気相成長装置の処理炉を説明するための概略横断面図であり、図７は、図６のＣＣ線縦断面図である。
【００２３】
縦型気相成長装置２０の処理炉２０２は石英製の反応管２０３と、反応管２０３の内部に設置された石英製の第一ガス供給管３５１、第二ガス供給管３５２，第一ガス排気管３０３、第二ガス排気管３１１、ボート２１７およびボート２１７を回転する回転軸１０５を備えている。反応管２０３の外側を取り囲む形でヒータ等の加熱源２０７が設置されている。ボート２１７の所定の位置には基板としての半導体ウエハ２００が複数枚鉛直方向に積載されている。第一ガス供給管２０１及び第二ガス供給管２０２にはボート２１７に積層して搭載されたウエハ２００に対向する位置に複数のガス噴出口３５３及びガス噴出口３５４がそれぞれ設けられている。また、第一ガス排気管３０３には、ボート２１７に積層して搭載されたウエハ２００に複数のガス排気口３０９が設けられている。これらのガス噴出口３５３，３５４及びガス排気口３０９は、ボート２１７に隣接して搭載された二枚のウエハ２００の中間にそれぞれ位置するように設置されている。さらに反応管２０３の下部にはキャップ２１９が設けられている。また、反応管２０３の下部側壁面には第二ガス排気管３１１が設けられている。第二ガス排気管３１１の排気口３１２は、反応管２０３の下部側壁面に開口して設けられ、ボート２１７に積層して搭載されたウエハ２００に対向しない位置に設けられている。この場合も、第二ガス排気管３１１は第一ガス排気管３０３と比べて高い排気能力を有するようにコンダクタンス等の調整をしており、ここでは第一ガス排気管３０３に設けられたガス排気口３０９の断面積の総和と比べて第二ガス排気管３１１１の断面積の方が大きくなるようにした。本実施例が前述の実施例１と異なるのは、複数のガス供給管３５１、３５２を設けたこと、及び、第二ガス排気口３１１を反応管２０３の側面下部に設けたことにある。
【００２４】
次に縦型気相成長装置２０を用いた場合の、二種類の原料ガスを用いたＡＬＤ法による薄膜形成方法について説明する。
【００２５】
図８に薄膜形成方法の手順を示す。最初に、反応管２０３の内部に存在する不要なガスを第二ガス排気管３１１により排気して、反応管２０３内部の圧力を薄膜形成に必要な所定の圧力になるよう調整する。次に、第一の原料ガスの供給工程として、まず第二ガス排気管３１１による排気を停止し、第一ガス排気管３０３による排気を開始した後、第一ガス供給管３５１に第一の原料ガスを供給開始すると、第一の原料ガスは第一ガス供給管３５１に設けられたガス噴出口３５３よりボート２１７に積載されたウエハ２００へと供給され、第一の原料ガスがウエハ２００表面に化学吸着して薄膜が形成される。その後、第一の原料ガスはウエハ２００で挟まれた空間を通過してガス排気口３０９へと到達し、第一ガス排気管３０３を通して外部へと排気される。
【００２６】
次に、第一の原料ガスを反応管２０３内部から排気するため、第一ガス供給管３５１への第一の原料ガスの供給を停止し、第一ガス排気管３０３による排気した後、第二ガス排気管３１１による排気を開始する。
【００２７】
次に、第二の原料ガスについても同様の手順で供給及び排気を行う。まず第二ガス排気管３１１による排気を停止し、第一ガス排気管３０３による排気を開始した後、第二ガス供給管３５２に第二の原料ガスを供給開始することでウエハ２００表面に化学吸着させて所定の薄膜が形成する。その後、ガス供給管３５２への第二の原料ガスの供給を停止するとともに、第一のガス排気管３０３による排気を停止して第二ガス排気管３１１により所定の時間だけ排気することで、反応管２０３内部の第二の原料ガスを排出して所定の圧力とすることができる。
【００２８】
以上のような工程を所定の回数だけ繰り返して行うことにより、所定の厚みを有する薄膜を高スループットで基板表面に形成することが可能となる。
【００２９】
以上のように供給する原料ガスの種類により使用するガス供給管を替えた場合、ガス供給管内部で原料ガス同士が混合することが無くなるため、不要な反応生成物の発生を防止でき、品質に優れた基板を得られるという利点がある。また、本実施例の第一ガス排気管３０３と同様のガス排気管を複数設けて、供給された原料ガスに応じて使用する排気管を使い分けることも、排気管内部での原料ガス同士の反応生成物の発生を防止してガス排気系の配管内部に詰まることを防止できるという点で有効である。
【００３０】
以上説明した本発明の実施例１、２では、縦型気相成長装置において、反応管内よりガスを排気するためのガス排気管を複数設けることにより、基板への原料ガス供給を十分に行うとともに、不要となった原料ガスの排出を速やかに行うことを可能とする効果が得られる。
【００３１】
次に、図９、図１０を参照して本発明が好適に適用される基板処理装置の一例である半導体製造装置についての概略を説明する。
【００３２】
筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。
【００３３】
筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ１１６が設けられている。
【００３４】
ウエハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ２００が上向き姿勢で搬入され、ウエハ２００が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。
【００３５】
カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ２００が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。
【００３６】
カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウエハ２００を移載する。
【００３７】
ボート２１７に所定枚数のウエハ２００が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウエハ２００が加熱されると共に処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウエハ２００に処理がなされる。
【００３８】
ウエハ２００への処理が完了すると、ウエハ２００は上記した作動の逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。尚、炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を塞ぎ、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。
【００３９】
カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施例の基板処理装置である縦型気相成長装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。
【図２】図１のＡＡ線横断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例の縦型気相成長装置による薄膜形成手順を説明するための手順図である。
【図４】本発明の第１の実施例の縦型気相成長装置の処理炉において、排気口位置を変えた場合の反応炉内部のガス流れ状態を説明するための概略縦断面図である。
【図５】図４のＢＢ線横断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例の基板処理装置である縦型気相成長装置の処理炉を説明するための概略横断面図である。
【図７】図６のＣＣ線縦断面図である。
【図８】本発明の第２の実施例の縦型気相成長装置による薄膜形成手順を説明するための手順図である。
【図９】本発明の実施例１および２の基板処理装置を説明するための概略斜視図である。
【図１０】本発明の実施例１および２の基板処理装置を説明するための概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、２０…縦型気相成長装置
２００…基板（ウエハ）
２０２…処理炉
２０３…反応管
２０７…加熱源
２１７…ボート
２１９…キャップ
３０２…ガス供給管
３０３…第一ガス排気管
３０５…回転軸
３０８…ガス噴出口
３０９…ガス排気口
３１１…第二ガス排気管
３５１…第一ガス供給管
３５２…第二ガス供給管
３５３、３５４…ガス噴出口
【図１】
2005259841.tif 000003
【図２】
2005259841.tif 000004
【図３】
2005259841.tif 000005
【図４】
2005259841.tif 000006
【図５】
2005259841.tif 000007
【図６】
2005259841.tif 000008
【図７】
2005259841.tif 000009
【図８】
2005259841.tif 000010
【図９】
2005259841.tif 000011
【図１０】
2005259841.tif 000012