JP5344663B2

JP5344663B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法および基板処理方法

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Publication number: JP5344663B2
Application number: JP2007154063A
Authority: JP
Inventors: 剛一本田; 尚樹松本; 昌幸経田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Kokusai Denki Electric Inc
Current assignee: Kokusai Denki Electric Inc
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2027-06-11
Also published as: JP2008303452A

Description

本発明は基板処理装置、半導体装置の製造方法および基板処理方法に関し、特に基板の低温処理に好適な基板処理装置、半導体装置の製造方法および基板処理方法に関する。

この種の基板処理装置では、例えば基板の処理原料の１つとしてアミン類を選択し、その処理ガスを処理容器に供給してその内部で流通させることにより、当該処理容器内に収容された基板に対し低温での成膜を実現することができるようになっており、近年特に注目を集めている。例えば、当該アミン類として、ＴＤＭＡＴ（テトラキスジメチルアミノチタン）やＴＥＭＡＨ（テトラキスエチルメチルアミノハフニウム）等を使用することができ、ＴｉＮ（窒化チタン）やＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）といった窒化膜や酸化膜等の膜を形成することができる。

この場合に、低温で基板に膜を形成するという所期の目的は達成することはできるものの、低温で成膜処理を実行しているため、処理容器内における処理ガスの下流領域（の部材）やその下流領域から処理容器内の雰囲気を排気する排気ライン（の部材）にも膜が付着し、それが原因となってパーティクルが発生したり排気ラインで目詰まりが発生したりする。そこで、当該基板処理装置では、処理容器への処理ガスの供給の後に、クリーニング用のガスを処理容器に供給しながら排気ラインから排気する場合があり、これにより処理容器の下流領域や排気ラインに付着した膜を除去するようにしている。

しかしながら、いくらクリーニング用のガスを供給したとしても、パーティクルが発生したり排気ラインで目詰まりが発生したりするという問題は十分に解決しないことがあり、結果的に処理容器や排気ラインのメンテナンスを頻繁におこなう必要があった。したがって、本発明の主な目的は、パーティクルの発生や排気ラインの目詰まりの発生を抑制してメンテナンスの回数を低減することができる基板処理装置、半導体装置の製造方法および基板処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者がパーティクルの発生や排気ラインの目詰まりの発生の原因について検討したところ、クリーニング用のガスの供給を処理ガスの供給時と同じ温度でおこなっており、それに起因して、処理容器の下流領域や排気ラインに付着した膜を十分に除去しきれなかったり、処理ガスやクリーニング用のガスに起因する副生成物が新たに処理容器の下流領域や排気ラインに付着したりする場合があり、結果的にパーティクルの発生や排気ラインの目詰まりの発生を生じさせ、メンテナンスの回数が低減しないことを見出した。

そこで本発明の一態様によれば、
基板を収容するとともに、前記基板に所望の薄膜を形成するための処理ガスが流通して前記基板を処理する処理容器と、
前記処理ガスまたは前記処理容器内のクリーニング用のガスを前記処理容器内に供給するガス供給手段を有するガス供給ラインと、
前記処理容器の雰囲気を前記処理容器の下流領域から排気する排気手段を有する排気ラインと、
前記処理容器の下流領域の温度を調節する第１の温調手段と、
前記排気ラインの温度を調節する第２の温調手段と、
前記第１の温調手段と前記第２の温調手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記処理容器内に前記処理ガスが供給される時の前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度を、前記クリーニング用のガスが供給される時の前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度より低くするよう少なくとも前記第１の温調手段、前記第２の温調手段を制御し、さらに、前記処理容器内に前記クリーニング用のガスを供給して前記排気ラインに付着した付着物を除去した後、前記処理ガスもしくは前記クリーニング用のガスに起因する副生成物を排気するよう、前記排気ラインの内部の圧力を複数回変動させるよう少なくとも前記ガス供給手段および前記排気手段を制御することを特徴とする基板処理装置が提供される。
また、他の態様によれば、処理容器の下流領域および排気ラインの温度を薄膜の形成が抑制されるような第１の温度にした状態で、前記処理容器に収容された基板に処理ガスを供給して薄膜を形成する第１の工程と、
基板が収容されない状態で、かつ前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度を前記第１の温度より高い第２の温度にした状態で、前記処理容器にクリーニングガスを供給して、前記処理容器内をクリーニングする第２の工程と、
基板が収容されない状態で、前記処理容器に接続して前記処理容器内の雰囲気を排気する排気管の内部の圧力を複数回変動させて前記処理ガスもしくは前記クリーニング用のガスに起因する副生成物を排気する第３の工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
さらに、他の態様によれば、処理容器の下流領域および排気ラインの温度を薄膜の形成が抑制されるような第１の温度にした状態で、前記処理容器に収容された基板に処理ガスを供給して薄膜を形成する第１の工程と、
基板が収容されない状態で、かつ前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度を前記第１の温度より高い第２の温度にした状態で、前記処理容器にクリーニングガスを供給して、前記処理容器内をクリーニングする第２の工程と、
基板が収容されない状態で、前記処理容器に接続して前記処理容器内の雰囲気を排気する排気管の内部の圧力を複数回変動させて前記処理ガスもしくは前記クリーニング用のガスに起因する副生成物を排気する第３の工程と、
を有することを特徴とする基板処理方法が提供される。

本発明によれば、処理ガスの供給時とクリーニング用のガスの供給時とで処理容器の下流領域および排気ラインの温度を異ならせるから、クリーニング用のガスの供給時において、処理容器の下流領域および排気ラインの温度を、その部位に付着した膜を容易に除去したり、処理ガスやクリーニング用のガスに起因する副生成物の発生を抑えたりするような温度とすることができ、結果的にパーティクルの発生や排気ラインの目詰まりの発生を抑制してメンテナンスの回数を低減することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

本実施例に係る基板処理装置は、半導体装置集積回路（ＩＣ（Integrated Circuits））の製造に使用される半導体製造装置の一例として構成されているものである。
下記の説明では、基板処理装置の一例として、基板に対し熱処理等をおこなう縦型の装置を使用した場合について述べる。

図１に示す通り、基板処理装置１０１では、基板の一例となるウエハ２００を収納したカセット１１０が使用されており、ウエハ２００はシリコン等の材料から構成されている。基板処理装置１０１は筐体１１１を備えており、筐体１１１の内部にはカセットステージ１１４が設置されている。カセット１１０はカセットステージ１１４上に工場内搬送装置（図示略）によって搬入されたり、カセットステージ１１４上から搬出されるようになっている。

カセットステージ１１４は、工場内搬送装置によって、カセット１１０内のウエハ２００が垂直姿勢を保持しかつカセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。カセットステージ１１４は、カセット１１０を筐体１１１の後方に右回り縦方向９０°回転し、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体１１１の後方を向くように動作可能となるよう構成されている。

筐体１１１内の前後方向の略中央部にはカセット棚１０５が設置されており、カセット棚１０５は複数段複数列にて複数個のカセット１１０を保管するように構成されている。カセット棚１０５にはウエハ移載機構１２５の搬送対象となるカセット１１０が収納される移載棚１２３が設けられている。

カセットステージ１１４の上方には予備カセット棚１０７が設けられ、予備的にカセット１１０を保管するように構成されている。

カセットステージ１１４とカセット棚１０５との間には、カセット搬送装置１１８が設置されている。カセット搬送装置１１８は、カセット１１０を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ１１８ａと、搬送機構としてのカセット搬送機構１１８ｂとで構成されている。カセット搬送装置１１８はカセットエレベータ１１８ａとカセット搬送機構１１８ｂとの連続動作により、カセットステージ１１４とカセット棚１０５と予備カセット棚１０７との間で、カセット１１０を搬送するように構成されている。

カセット棚１０５の後方には、ウエハ移載機構１２５が設置されている。ウエハ移載機構１２５は、ウエハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置１２５ａと、ウエハ移載装置１２５ａを昇降させるためのウエハ移載装置エレベータ１２５ｂとで構成されている。ウエハ移載装置１２５ａにはウエハ２００をピックアップするためのツイーザ１２５ｃが設けられている。ウエハ移載装置１２５はウエハ移載装置１２５ａとウエハ移載装置エレベータ１２５ｂとの連続動作により、ツイーザ１２５ｃをウエハ２００の載置部として、ウエハ２００をボート２１７に対して装填（チャージング）したり、ボート２１７から脱装（ディスチャージング）するように構成されている。

筐体１１１の後部上方には、ウエハ２００を熱処理する処理炉２０２が設けられており、処理炉２０２の下端部が炉口シャッタ１４７により開閉されるように構成されている。

処理炉２０２の下方には処理炉２０２に対しボート２１７を昇降させるボートエレベータ１１５が設けられている。ボートエレベータ１１５の昇降台にはアーム１２８が連結されており、アーム１２８にはシールキャップ２１９が水平に据え付けられている。シールキャップ２１９はボート２１７を垂直に支持するとともに、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。

ボート２１７は複数の保持部材を備えており、複数枚（例えば５０〜１５０枚程度）のウエハ２００をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。

カセット棚１０５の上方には、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを供給するクリーンユニット１３４ａが設置されている。クリーンユニット１３４ａは供給ファン及び防塵フィルタで構成されており、クリーンエアを筐体１１１の内部に流通させるように構成されている。

筐体１１１の左側端部には、クリーンエアを供給するクリーンユニット１３４ｂが設置されている。クリーンユニット１３４ｂも供給ファン及び防塵フィルタで構成されており、クリーンエアをウエハ移載装置１２５ａやボート２１７等の近傍を流通させるように構成されている。当該クリーンエアは、ウエハ移載装置１２５ａやボート２１７等の近傍を流通した後に、筐体１１１の外部に排気されるようになっている。

続いて、基板処理装置１０１の主な動作について説明する。

工場内搬送装置（図示略）によってカセット１１０がカセットステージ１１４上に搬入されると、カセット１１０は、ウエハ２００がカセットステージ１１４の上で垂直姿勢を保持し、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。その後、カセット１１０は、カセットステージ１１４によって、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体１１１の後方を向くように、筐体１１１の後方に右周り縦方向９０°回転させられる。

その後、カセット１１０は、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７の指定された棚位置へカセット搬送装置１１８によって自動的に搬送され受け渡され、一時的に保管された後、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７からカセット搬送装置１１８によって移載棚１２３に移載されるか、もしくは直接移載棚１２３に搬送される。

カセット１１０が移載棚１２３に移載されると、ウエハ２００はカセット１１０からウエハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃによってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされ、ボート２１７に装填（チャージング）される。ボート２１７にウエハ２００を受け渡したウエハ移載装置１２５ａはカセット１１０に戻り、後続のウエハ１１０をボート２１７に装填する。

予め指定された枚数のウエハ２００がボート２１７に装填されると、処理炉２０２の下端部を閉じていた炉口シャッタが開き、処理炉２０２の下端部が開放される。その後、ウエハ２００群を保持したボート２１７がボートエレベータ１１５の上昇動作により処理炉２０２内に搬入（ローディング）され、処理炉２０２の下部がシールキャップ２１９により閉塞される。

ローディング後は、処理炉２０２にてウエハ２００に対し任意の熱処理が実施される。その熱処理後は、上述の逆の手順で、ウエハ２００およびカセット１１０が筐体１１１の外部に搬出される。

図２及び図３に示す通り、処理炉２０２には加熱手段として機能するヒータ２０７が設けられている。ヒータ２０７の内側には、基板の一例となるウエハ２００を収容する処理管２０３が設けられている。処理管２０３の下部は開口しており、その開口端（下端）には、気密部材であるＯリング２２０を介してステンレス等で構成されたフランジ２０９が設けられている。フランジ２０９の下端開口は、Ｏリング２２０を介して蓋体としてのシールキャップ２１９により気密に閉塞されている。処理炉２０２では、少なくとも、処理管２０３、フランジ２０９、Ｏリング２２０及びシールキャップ２１９でウエハ２００を処理する処理容器が構成されており、その内部に処理室２０１が形成されている。

シールキャップ２１９にはボート支持台２１８を介して複数枚のウエハ２００を保持可能なボート２１７が立設されている。ボート支持台２１８はボート２１７を支持する支持体であり、ボート２１７はボート支持体２１８により支持されながら処理室２０１に挿入されるようになっている。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で図２中上下方向に多段に積載されている。

処理室２０１には、複数種類（本実施例１では２種類）の処理ガスを供給する２本のガス供給管２３２ａ，２３２ｂが接続されている。

ガス供給管２３２ａには上流方向（基端部）から順に液体用のマスフローコントローラ２４０、気化器２４２及びバルブ２４３ａが設けられている。

ガス供給管２３２ａの先端部はノズル２３３ａに接続されている。ノズル２３３ａは、処理室２０１を構成している処理管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間で、処理管２０３の内壁に沿った上下方向に延在している。ノズル２３３ａの側面には処理ガスを供給する多数のガス供給孔２４８ａが設けられている。ガス供給孔２４８ａは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

ガス供給管２３２ａにはキャリアガスを供給するキャリアガス供給管２３４ａが連結している。キャリアガス供給管２３４ａには、上流方向から順にマスフローコントローラ２４１ｂとバルブ２４３ｃとが設けられている。

更に、ガス供給管２３２ａにはクリーニング用のガスを供給するガス供給管２５０が連結されている。ガス供給管２５０には、上流方向から順にマスフローコントローラ２５１とバルブ２５２とが設けられている。

他方、ガス供給管２３２ｂには上流方向から順にマスフローコントローラ２４１ａとバルブ２４３ｂとが設けられている。

ガス供給管２３２ｂの先端部はノズル２３３ｂに接続されている。ノズル２３３ｂも、ノズル２３３ａと同様に、処理室２０１を構成している処理管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間で、処理管２０３の内壁に沿って上下方向に延在している。ノズル２３３ｂの側面には、処理ガスを供給する多数のガス供給孔２４８ｂが設けられている。ガス供給孔２４８ｂも、ガス供給孔２４８ａと同様に、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

ガス供給管２３２ｂにはキャリアガスを供給するキャリアガス供給管２３４ｂが連結されている。キャリアガス供給管２３４ｂには上流方向から順にマスフローコントローラ２４１ｃとバルブ２４３ｄとが設けられている。

更に、ガス供給管２３２ｂにはクリーニング用のガスを供給するガス供給管２５５が連結されている。ガス供給管２５５には、上流方向から順にマスフローコントローラ２５６とバルブ２５７とが設けられている。

上記構成に係る一例として、ガス供給管２３２ａには液体原料が導入されるようになっており、バルブ２４３ａが開いた状態で液体原料がガス供給管２３２ａに流入すると、当該液体原料は液体用のマスフローコントローラ２４０に流量制御されながら気化器２４２に至り、気化器２４２で気化され、その気化ガスが処理ガスとしてノズル２３３ａを介して処理室２０１内に供給されるようになっている。

他方、ガス供給管２３２ｂには気体原料が処理ガスとして導入されるようになっており、バルブ２４３ｂが開いた状態で気体原料がガス供給管２３２ｂに流入すると、当該気体原料はマスフローコントローラ２４１ａに流量調整されながらガス供給管２３２ｂを流通し、最終的にノズル２３３ｂを介して処理室２０１に供給されるようになっている。

処理室２０１にはバルブ２４３ｅを介して処理室２０１内の雰囲気を排気するガス排気管２３１が接続されている。ガス排気管２３１には真空ポンプ２４６が接続されており、真空ポンプ２４６の作動で処理室２０１内を真空排気することができるようになっている。バルブ２４３ｅは開閉動作により処理室２０１の真空排気の起動とその停止とをすることができるのに加えて、その弁開度が調節可能であって処理室２０１の内部の圧力調整をも可能とする開閉弁である。

処理管２０３の下方に配置されたフランジ２０９の内部には、冷媒が流通する冷媒流路２９０が形成されている。冷媒流路２９０は冷媒ポンプユニット２９５に接続されている。冷媒ポンプユニット２９５は媒体の熱交換（冷却）と媒体の吸込み・送出しとをおこなうもので、冷媒ポンプユニット２９５の作動により、冷媒流路２７０で冷媒が流通（循環）して処理室２０１の下部の領域Ｃや、フランジ２０９とガス排気管２３１との接続部付近の領域Ｄを冷却することができるようになっている。

フランジ２０９の外周にはヒータ２６０が設けられており、領域Ｃや領域Ｄを加熱することができるようになっている。本実施例１では、冷媒ポンプユニット２９５の作動とヒータ２６０の作動とで、領域Ｃや領域Ｄの温度を調節することができるようになっている。

ガス排気管２３１の外周やバルブ２４３ｅの近傍にもヒータ２６２，２６４が設けられており、ガス排気管２３１やバルブ２４３ｅを加熱することができるようになっている。

ヒータ２６２，２６４の外周には断熱カバー２７０が設けられており、ヒータ２６２，２６４から発される熱を断熱することができるようになっている。断熱カバー２７０には排熱ダクト２７５が設けられており、断熱カバー２７０で保持された熱を断熱カバー２７０の内側から外側に放熱する（ガス排気管２３１やバルブ２４３ｅを冷却する）ことができるようになっている。断熱カバー２７０と排熱ダクト２７５との間には開閉自在な開閉式断熱板２７７が設けられており、開閉式断熱板２７７の開閉により、断熱カバー２７０で保持された熱の断熱と放熱とを切り替えることができるようになっている。本実施例１では、ヒータ２６２，２６４の作動と開閉式断熱板２７７の開閉動作とで、ガス排気管２３１やバルブ２４３ｅの温度を調節することができるようになっている。

処理管２０３内の中央部には、複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられている。ボート２１７は、ボートエレベータ１１５（図１参照）により処理管２０３に対し昇降（出入り）することができるようになっている。ボート２１７の下端部には、処理の均一性を向上するために当該ボート２１７を回転させるボート回転機構２６７が設けられている。ボート回転機構２６７を駆動させることにより、ボート支持台２１８に支持されたボート２１７を回転させることができるようになっている。

以上の液体用のマスフローコントローラ２４０、マスフローコントローラ２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２５１，２５６、バルブ２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｅ，２５２，２５７、冷媒ポンプユニット２９５、ヒータ２０７，２６０，２６２，２６４、開閉式断熱板２７７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、ボートエレベータ１１５等の部材はコントローラ２８０に接続されている。

コントローラ２８０は、液体マスフローコントローラ２４０の流量調整、マスフローコントローラ２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃ，２５１，２５６の流量調整、バルブ２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃ，２４３ｄ，２５２，２５７の開閉動作、バルブ２４３ｅの開閉及び圧力調整動作、冷媒ポンプユニット２９５の作動・停止、ヒータ２０７，２６０，２６２，２６４の温度調整、開閉式断熱板２７７の開閉動作、真空ポンプ２４６の作動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボートエレベータ１１５の昇降動作等を制御するようになっている。

続いて、本実施例１に係る成膜方法（基板処理装置の洗浄方法を含む。）について説明する。

図４に示す通り、本実施例１に係る成膜方法は主には、成膜ステップＸ、クリーニングステップＹ及びＡＴＭ（ATMosphere：大気圧）サイクルパージステップＺの３つのステップから構成されている。当該成膜方法では、成膜ステップＸの処理を所定回数繰り返すごとに定期的にクリーニングステップＹの処理を実行し、更にそのクリーニングステップＹの処理を所定回数実行した後に定期的にＡＴＭサイクルパージステップＺの処理を実行するようになっている。

以下、成膜ステップＸ、クリーニングステップＹ及びＡＴＭサイクルパージステップＺの各処理をステップごとに順に説明する。

［成膜ステップＸ］
ＡＬＤ法を用いた成膜処理例について、半導体装置（半導体デバイス）の製造工程の一つである、ＴＤＭＡＴ（テトラキスジメチルアミノチタン）とＮＨ_３（アンモニア）とを用いたＴｉＮ膜を形成する例を基に説明する。

ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法の一つであるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる少なくとも２種類の原料となる処理ガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子単位で基板上に吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。このとき、膜厚の制御は、処理ガスを供給するサイクル数で行う（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、２０サイクル行う）。

ＡＬＤ法では、例えばＴｉＮ膜を形成する場合、ＴＤＭＡＴとＮＨ_３とを用いて１５０℃という低温で高品質の成膜が可能である。

始めに、上述したようにウエハ２００をボート２１７に装填して処理室２０１に搬入する。ボート２１７を処理室２０１に搬入したら、ボート回転機構２６７によりボート２１７とそれに保持されたウエハ２００とを回転させ、後述する４つのステップを順次実行する。

（ステップ１）
真空ポンプ２４６を作動させた状態において、ガス供給管２３２ａにＴＤＭＡＴを流入させかつキャリアガス供給管２３４ａとキャリアガス供給管２３４ｂとにそれぞれキャリアガスを流入させる。キャリアガスとしてはＮ_２（窒素）やＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスを使用することができ、本実施例１ではキャリアガスとしてＮ_２を使用している。

この状態で、ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａと、キャリアガス供給管２３４ａのバルブ２４３ｃと、キャリアガス供給管２３４ｂのバルブ２４３ｄと、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｅとを、開ける。

ガス供給管２３２ａから流入した液体のＴＤＭＡＴは、マスフローコントローラ２４０に流量調整されながら気化器２４２で気化され、ガス供給管２３２ａとキャリアガス供給管２３４ａとの連結部に至る。

キャリアガス供給管２３４ａから流入したキャリアガスは、マスフローコントローラ２４１ｂに流量調整されながらキャリアガス供給管２３４ａを流通し、ガス供給管２３２ａとキャリアガス供給管２３４ａとの連結部に至る。

ＴＤＭＡＴの気化ガスとキャリアガスとは、ガス供給管２３２ａとキャリアガス供給管２３４ａとの連結部で合流し、その後は混合された状態でノズル２３３ａから処理室２０１に供給され、最終的にガス排気管２３１から排気される。

キャリアガス供給管２３４ｂから流入したキャリアガスは、マスフローコントローラ２４１ｃに流量調整されながらキャリアガス供給管２３４ｂとガス供給管２３２ｂとを流通し、ノズル２３３ｂから処理室２０１に供給され、最終的にガス排気管２３１から排気される。

ステップ１では、コントローラ２８０により、ヒータ２０７、マスフローコントローラ２４０、バルブ２４３ａ等の動作やバルブ２４３ｅの開度等を制御して、処理室２０１内の圧力を一定範囲内の最適な値に維持し、ＴＤＭＡＴの供給量を０．１〜１ｇ／ｍｉｎとし、ＴＤＭＡＴの気化ガスをウエハ２００に晒す時間を５〜２０秒間とし、処理室２０１のウエハ２００の温度を１５０℃とする。

以上のステップ１では、上記の通りにＴＤＭＡＴの気化ガスを処理ガスとして処理室２０１内に供給することで、ＴＤＭＡＴがウエハ２００上の下地膜等の表面部分と表面反応（化学吸着）する。

（ステップ２）
ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めてＴＤＭＡＴの気化ガスの供給を停止するとともに、キャリアガス供給管２３４ａのバルブ２４１ｃとキャリアガス供給管２３４ｂのバルブ２４３ｄとを閉じてキャリアガスの供給も停止する。
このとき、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｅは開いたままとし、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を２０Ｐａ以下となるまで排気し、処理室２０１等に残留したＴＤＭＡＴの気化ガスを処理室２０１内から排除する。

ステップ２では、キャリアガス供給管２３４ａのバルブ２４３ｃとキャリアガス供給管２３４ｂのバルブ２４３ｄとの両方又は片方を開けたままとしてキャリアガスを処理室２０１に供給し続けてもよく、この場合、処理室２０１等に残留したＴＤＭＡＴの気化ガスを処理室２０１から排除する効果が更に高まる。

（ステップ３）
ガス供給管２３２ｂにＮＨ_３を流入させかつキャリアガス供給管２３４ａとキャリアガス供給管２３４ｂとにそれぞれキャリアガスを流入させる。この状態で、ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂと、キャリアガス供給管２３４ａのバルブ２４３ｃと、キャリアガス供給管２３４ｂのバルブ２４３ｄとを、開ける。

ガス供給管２３２ｂから流入したＮＨ_３は、マスフローコントローラ２４１ａに流量調整されながらガス供給管２３２ｂを流通し、ガス供給管２３２ｂとキャリアガス供給管２３４ｂとの連結部に至る。

キャリアガス供給管２３４ｂから流入したキャリアガスは、マスフローコントローラ２４１ｃに流量調整されながらキャリアガス供給管２３４ｂを流通し、ガス供給管２３２ｂとキャリアガス供給管２３４ｂとの連結部に至る。

ＮＨ_３とキャリアガスとは、ガス供給管２３２ｂとキャリアガス供給管２３４ｂとの連結部で合流し、その後は混合された状態でノズル２３３ｂから処理室２０１に供給され、最終的にガス排気管２３１から排気される。

キャリアガス供給管２３４ａから流入したキャリアガスは、マスフローコントローラ２４１ｂに流量調整されながらキャリアガス供給管２３４ａとガス供給管２３２ａとを流通し、ノズル２３３ａから処理室２０１に供給され、最終的にガス排気管２３１から排気される。

ステップ３では、コントローラ２８０により、ヒータ２０７、バルブ２４３ｂ等の動作やバルブ２４３ｅの開度等を制御して、処理室２０１内の圧力を一定範囲内の最適な値に維持し、ＮＨ_３をウエハ２００に晒す時間を１０〜２０秒間とし、処理室２０１のウエハ２００の温度をステップ１と同様に８０℃とする。

以上のステップ３では、上記の通りにＮＨ_３を処理ガスとして処理室２０１に供給することで、ウエハ２００の表面に化学吸着したＴＤＭＡＴとＮＨ_３とを反応させ、ウエハ２００上にＴｉＮ膜を形成する。

（ステップ４）
成膜後、ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂを閉めてＮＨ_３の供給を停止するとともに、キャリアガス供給管２３４ａのバルブ２４３ｃとキャリアガス供給管２３４ｂのバルブ２４３ｄとを閉じてキャリアガスの供給も停止する。このとき、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｅは開いたままとし、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１等に残留したＮＨ_３であって成膜に寄与した後のガスを排除する。

ステップ４でも、ステップ２と同様、キャリアガス供給管２３４ａのバルブ２４３ｃとキャリアガス供給管２３４ｂのバルブ２４３ｄとの両方又は片方を開けたままとしてキャリアガスを処理室２０１に供給し続けてもよく、この場合、処理室２０１等に残留したＮＨ_３であって成膜に寄与した後のガスを処理室２０１から排除する効果が更に高まる。

以後、上述したステップ１〜４を１サイクル（成膜ステップＸ）としてこの成膜ステップＸの処理を複数回繰り返すことにより、ウエハ２００上に所定膜厚のＴｉＮ膜を形成することができる。

ここで、成膜ステップＸでは、コントローラ２８０により冷媒ポンプユニット２９５を制御して、フランジ２０９の内部で冷媒を流通させて領域Ｃや領域Ｄの温度を室温（３０℃程度）とする。更に、コントローラ２８０によりヒータ２６２，２６４を制御して（ヒータ２６２，２６４を作動させずに）ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度も室温とする。その結果、フランジ２０９、シールキャップ２１９、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅ等にＴｉＮ膜が形成されるのを抑制することができる。この温度制御は基本的にはステップ１〜４の全体にわたりおこなう。

［クリーニングステップＹ］
真空ポンプ２４６を作動させた状態において、ガス供給管２５０とガス供給管２５５とにクリーニング用のガスを流入させ、かつ、キャリアガス供給管２３４ａとキャリアガス供給管２３４ｂとにそれぞれキャリアガスを流入させる。クリーニング用のガスとしてはＮＦ_３（三フッ化窒素）やＣｌＦ_３（三フッ化塩素）等を使用することができ、本実施例１ではクリーニング用のガスとしてＮＦ_３を使用している。

この状態で、ガス供給管２５０のバルブ２５２と、ガス供給管２５５のバルブ２５７と、キャリアガス供給管２３４ａのバルブ２４３ｃと、キャリアガス供給管２３４ｂのバルブ２４３ｄと、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｅとを、開ける。

ガス供給管２５０から流入したＮＦ_３は、マスフローコントローラ２５１に流量調整されながらガス供給管２５０を流通し、ガス供給管２５０とキャリアガス供給管２３４ａとの連結部に至る。その後、そのＮＦ_３は、ＴＤＭＡＴの気化ガスと同様に（成膜ステップＸのステップ１参照）、キャリアガスと合流して混合された状態でノズル２３３ａから処理室２０１に供給され、最終的にガス排気管２３１から排気される。

他方、ガス供給管２５５から流入したＮＦ_３は、マスフローコントローラ２５６に流量調整されながらガス供給管２５５を流通し、ガス供給管２５５とキャリアガス供給管２３４ｂとの連結部に至る。その後、そのＮＦ_３は、ＮＨ_３と同様に（成膜ステップＸのステップ３参照）、キャリアガスと合流して混合された状態でノズル２３３ｂから処理室２０１に供給され、最終的にガス排気管２３１から排気される。

このとき、コントローラ２８０によりヒータ２６０，２６２，２６４を制御して、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１の温度を１５０℃と、バルブ２４３ｅの温度を１９０℃とし、成膜ステップＸの温度とは異なる温度とする。

すなわち、成膜ステップＸでは、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度を室温としてＴｉＮ膜の形成を抑制するような温度としている。これに対し、クリーニングステップＹでは、ＴｉＮ膜の形成を考慮する必要がなくなるから、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度を１５０℃や１９０℃としてＴｉＮ膜を除去し易い温度としている。

なお、成膜ステップＸ及びクリーニングステップＹの処理中は、原則として開閉式断熱板２７７を閉じておき（断熱カバー２７０の内部の熱を放熱したい場合には開閉式断熱板２７７を開けてもよい。）、クリーニングステップＹから成膜ステップＸへの移行の際に、コントローラ２８０により、開閉式断熱板２７７を開けて断熱カバー２７０の内部に保持された熱を排熱ダクト２７５から放熱し、ガス排気管２３１やバルブ２４３ｅを冷却する。

その結果、成膜ステップＸ及びクリーニングステップＹの処理中においては、ガス排気管２３１やバルブ２４３ｅの熱の損失を抑えることができ、他方、クリーニングステップＹから成膜ステップＸへの移行の際には、ガス排気管２３１やバルブ２４３ｅの温度の切替え（１５０℃又は１９０℃から室温への温度の切替え）を迅速におこなうことができる。

［ＡＴＭサイクルパージステップＺ］
コントローラ２８０により、バルブ２４３ｅと真空ポンプ２４６とを制御して、ガス排気管２３１やバルブ２４３ｅの内部の圧力を、「大気圧」と「低真空圧」とに交互に変動させ、ガス排気管２３１やバルブ２４３ｅの内部の圧力を急激に変動させる。すなわち、大気圧から低真空圧へと移行して再度大気圧に戻るまでを１サイクルとして、このサイクルを複数回繰り返す。例えば、大気圧と低真空圧との圧力変動率を１５Ｔｏｒｒ／秒と設定し、１サイクル当たり６分間と時間設定し、これを１２０サイクルにわたり実行する。

以上の本実施例１では、成膜ステップＸにおいて、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度を室温という低温に制御するから、フランジ２０９、シールキャップ２１９、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅ等の部材にＴｉＮ膜が付着するのを抑制することができる。すなわち、図５に示す通り、ＴｉＮ膜を形成する場合においては、室温付近から１００℃付近までは温度の上昇に伴い膜厚（図５は成膜ステップＸの処理を約１００回程度実行した後の膜厚を示している。）が増大し、１００℃付近を上回るとその膜厚は温度の上昇に関わらずほぼ一定の値を維持する。そのため、成膜ステップＸのように、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度を室温という低温に維持すれば、フランジ２０９、シールキャップ２１９、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅ等の部材にＴｉＮ膜が付着するのを抑制することができる。

これに対し、クリーニングステップＹにおいては、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１の温度を１５０℃と、バルブ２４３ｅの温度を１９０℃と高温に制御するから、フランジ２０９、シールキャップ２１９、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅ等の部材に付着して残ったＴｉＮ膜を迅速かつ容易に除去することができる。すなわち、図６に示す通り、ＴｉＮ膜をＮＦ_３で除去（エッチング）する場合においては、温度の上昇に伴いエッチング速度が増大する。そのため、クリーニングステップＹのように、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度を１５０℃や１９０℃という高温に維持すれば、フランジ２０９、シールキャップ２１９、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅ等の部材に付着して残ったＴｉＮ膜を迅速かつ容易に除去することができる（クリーニングステップＹにおける領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度は１５０℃や１９０℃より高い温度であるのがクリーニング作用を高める上では好ましいが、本実施例１においてこのような温度に抑えているのは、Ｏリング２２０等の部材の耐熱性を考慮しているからである。）。

更にクリーニングステップＹでは、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１の温度を１５０℃と、バルブ２４３ｅの温度を１９０℃と高温に制御するから、処理ガス（ＴＤＭＡＴ，ＮＨ_３）やクリーニング用のガス（ＮＦ_３）に起因する副生成物（ＮＨ_４Ｆ等）が新たに発生してもその副生成物を昇華させることができ、当該副生成物がフランジ２０９、シールキャップ２１９、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅ等の部材に付着するのを抑制することができる。

以上の通り、本実施例１では、成膜ステップＸとクリーニングステップＹとで、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度を異ならせるから、フランジ２０９、シールキャップ２１９、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅ等の部材へのＴｉＮ膜の付着を抑制しながらもその付着物を迅速かつ容易に除去することができ、かつ、処理ガスやクリーニング用のガスに起因する新たな副生成物の発生も抑えることができる。その結果、パーティクルの発生や排気ラインの目詰まりの発生を抑制してメンテナンスの回数を低減することができ、ひいては基板処理装置１０１の安定的な稼動とスループット（単位時間当たりの処理量）の向上とを実現することができる。

更に本実施例１では、ＡＴＭサイクルパージステップＺの処理を実行してガス排気管２３１やバルブ２４３ｅ等に対し急激な圧力変動を付与するから、仮に、クリーニングステップＹの処理後において、図７に示す通り、処理ガス（ＴＤＭＡＴ，ＮＨ_３）やクリーニング用のガス（ＮＦ_３）に起因する副生成物３００（ＮＨ_４Ｆ等）がガス排気管２３１やバルブ２４３ｅ等に付着して残っていても、副生成物３００をガス排気管２３１やバルブ２４３ｅ等から剥離・排出することができる。その結果、パーティクルの発生や排気ラインの目詰まりの発生を確実に抑制することができる。

なお、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温度については、成膜ステップＸの温度をクリーニングステップＹの温度より低く（クリーニングステップＹの温度を成膜ステップＸの温度より高く）する必要はなく、その逆であってもよい。もちろん、成膜ステップＸにおける温度そのものの値やクリーニングステップＹにおける温度そのものの値等も、処理ガスやクリーニング用のガスの種類等に応じて適宜変更してよい。

例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を形成する場合には、成膜ステップＸの温度をクリーニングステップＹの温度より高くし、成膜ステップＸやクリーニングステップＹの各温度の値も変更する。この場合、好ましくは、成膜ステップＸにおいて、領域Ｃを１５０℃と、領域Ｄを１２０℃と、ガス排気管２５１を１５０℃と、バルブ２４３ｅを１９０℃とする。他方、クリーニングステップＹにおいては、領域Ｃを１００℃と、領域Ｄを１２０℃と、ガス排気管２５１を１００℃と、バルブ２４３ｅを８０℃とする。

本実施例２は主には下記の点で実施例１と異なっており、それ以外は実施例１と同様となっている。

本実施例２では、処理ガスの原料となるＴＤＭＡＴとＮＨ_３とに代えて、ＴＥＭＡＨ（テトラキスエチルメチルアミノハフニウム）とＯ_３（オゾン）とを用い、ＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）膜を形成する例を示す。

ＴＥＭＡＨとＯ_３とを用いてＨｆＯ_２膜を形成する場合、例えば、１８０〜２５０℃の低温で高品質の成膜が可能となっている。

成膜ステップＸのステップ１では、ガス供給管２３２ａにはＴＥＭＡＨを流入させ、ＴＥＭＡＨの気化ガスを処理ガスとして処理室２０１内に供給し、ＴＥＭＡＨをウエハ２００上の下地膜等の表面部分と表面反応（化学吸着）させる。

このとき、処理室２０１内の圧力を一定範囲内の最適な値に維持し、ＴＥＭＡＨの供給量を０．０１〜０．１ｇ／ｍｉｎとし、ＴＥＭＡＨの気化ガスをウエハ２００に晒す時間を３０〜１８０秒間とし、処理室２０１のウエハ２００の温度を１８０〜２５０℃の範囲内の最適な値とする。

他方、成膜ステップＸのステップ３では、ガス供給管２３２ｂにはＯ_３を流入させ、Ｏ_３を処理ガスとして処理室２０１に供給し、ウエハ２００の表面に化学吸着したＴＥＭＡＨとＯ_３とを反応させ、ウエハ２００上にＨｆＯ_２膜を形成する。

このとき、処理室２０１内の圧力を一定範囲内の最適な値に維持し、Ｏ_３をウエハ２００に晒す時間を１０〜１２０秒間とし、処理室２０１のウエハ２００の温度をステップ１のＴＥＭＡＨの気化ガスの供給時と同じく１８０〜２５０℃の範囲内の最適な値とする。

そしてこのような成膜ステップＸの処理を複数回繰り返すことにより、ウエハ２００上に所定膜厚のＨｆＯ_２膜を形成する。

成膜ステップＸとクリーニングステップＹとにおいて、領域Ｃや領域Ｄ、ガス排気管２３１、バルブ２４３ｅの温あ度については、成膜ステップＸの温度はＨｆＯ_２膜が付着するのを抑制することができる程度の温度（例えば室温）とし、クリーニングステップＹの温度は成膜ステップＸの温度とは異なる温度であってＨｆＯ_２膜を迅速かつ容易に除去することができる程度の温度（例えば１５０℃）とする。その結果、実施例１と同様に、パーティクルの発生や排気ラインの目詰まりの発生を抑制してメンテナンスの回数を低減することができる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の好ましい実施の形態によれば、基板を収容するとともに、前記基板に所望の薄膜を形成するための処理ガスが流通して前記基板を処理する処理容器と、前記処理ガスまたは前記処理容器内のクリーニング用のガスを前記処理容器内に供給するガス供給ラインと、前記処理容器の雰囲気を前記処理容器の下流領域から排気する排気ラインと、前記処理容器の下流領域の温度を調節する第１の温調手段と、前記排気ラインの温度を調節する第２の温調手段と、前記第１の温調手段と前記第２の温調手段を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、少なくとも第１の温調手段と第２の温調手段を制御することにより、前記処理容器内に前記処理ガスが供給される時と前記クリーニング用のガスが供給される時において、前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度を異ならせることを特徴とする基板処理装置が提供される。

好ましくは、前記反応容器が、前記基板を処理する空間を形成し、一端に開口を有する処理管を備え、前記第１の温調手段が前記処理管の開口側の温度を調節し、前記制御部が、少なくとも第１の温調手段と第２の温調手段を制御することにより、前記処理管内に前記処理ガスが供給される時と前記クリーニング用のガスが供給される時において、前記処理管の開口側および前記排気ラインの温度を異ならせる。

好ましくは、前記第１の温調手段が、前記処理容器の下流領域を加熱する加熱手段と、前記処理容器の下流領域を冷却する冷却手段とを有する。

好ましくは、前記第２の温調手段が前記排気ラインを加熱する加熱手段を有し、より好ましくは、前記第２の温調手段が前記加熱手段と前記加熱手段による熱を断熱する断熱手段とを有し、更に好ましくは、前記第２の温調手段が前記加熱手段と前記断熱手段と前記断熱手段で保持された熱を放熱する放熱手段とを有する。

本発明の好ましい実施例（実施例１）に係る基板処理装置の概略的な構成を示す斜透視図である。本発明の好ましい実施例で使用される縦型の処理炉とそれに付随する部材との概略構成図であり、特に処理炉部分を縦断面で示している。図２のＡ−Ａ線断面図である。本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置を用いた成膜方法を概略的に示すフローチャートである。本発明の好ましい実施例に係る成膜物の膜厚と温度との概略的な関係を示す図面である。本発明の好ましい実施例に係る成膜物の除去速度と温度との概略的な関係を示す図面である。本発明の好ましい実施例に係るＡＴＭサイクルパージステップの処理を実行した場合に、副生成物の排気ラインからの除去を概略的に説明するための図面である。

符号の説明

１０１基板処理装置
１０５カセット棚
１０７予備カセット棚
１１０カセット
１１１筐体
１１４カセットステージ
１１５ボートエレベータ
１１８カセット搬送装置
１１８ａカセットエレベータ
１１８ｂカセット搬送機構
１２３移載棚
１２５ウエハ移載機構
１２５ａウエハ移載装置
１２５ｂウエハ移載装置エレベータ
１２５ｃツイーザ
１２８アーム
１３４ａ，１３４ｂクリーンユニット
１４７炉口シャッタ
２００ウエハ
２０２処理炉
２０３処理管
２０７ヒータ
２０９フランジ
２１７ボート
２１８ボート支持台
２１９シールキャップ
２２０Ｏリング
２３１ガス排気管
２３２ａ，２３２ｂガス供給管
２３３ａ，２３３ｂノズル
２３４ａ，２３４ｂキャリアガス供給管
２４０液体用のマスフローコントローラ
２４１ａ，２４１ｂ，２４１ｃマスフローコントローラ
２４２気化器
２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃ，２４３ｄ，２４３ｅバルブ
２４６真空ポンプ
２４８ａ，２４８ｂガス供給孔
２６７ボート回転機構
２５０，２５５ガス供給管
２５１，２５６マスフローコントローラ
２５２，２５７バルブ
２６０，２６２，２６４ヒータ
２７０断熱カバー
２７５排熱ダクト
２７７開閉式断熱板
２８０コントローラ
２９０冷媒流路
２９５冷媒ポンプユニット

Claims

基板を収容するとともに、前記基板に所望の薄膜を形成するための処理ガスが流通して前記基板を処理する処理容器と、
前記処理ガスまたは前記処理容器内のクリーニング用のガスを前記処理容器内に供給するガス供給手段を有するガス供給ラインと、
前記処理容器の雰囲気を前記処理容器の下流領域から排気する排気手段を有する排気ラインと、
前記処理容器の下流領域の温度を調節する第１の温調手段と、
前記排気ラインの温度を調節する第２の温調手段と、
前記ガス供給手段、前記排気手段、前記第１の温調手段及び前記第２の温調手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記処理容器内に前記処理ガスが供給される時の前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度を、前記クリーニング用のガスが供給される時の前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度より低くするよう少なくとも前記第１の温調手段、前記第２の温調手段を制御しつつ、前記処理容器内に前記クリーニング用のガスを供給して前記排気ラインに付着した付着物を除去した後、前記処理ガスもしくは前記クリーニング用のガスに起因する副生成物を排気するよう、大気圧と真空圧とに交互に変動させ、前記排気ラインの内部の圧力を複数回変動させるよう少なくとも前記ガス供給手段および前記排気手段を制御することを特徴とする基板処理装置。
処理容器の下流領域および排気ラインの温度を薄膜の形成が抑制されるような第１の温度にした状態で、前記処理容器に収容された基板に処理ガスを供給して薄膜を形成する第１の工程と、
基板が収容されない状態で、かつ前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度を前記第１の温度より高い第２の温度にした状態で、前記処理容器にクリーニングガスを供給して、前記処理容器内をクリーニングする第２の工程と、
基板が収容されない状態で、大気圧と真空圧とに交互に変動させ、前記処理容器に接続して前記処理容器内の雰囲気を排気する排気管の内部の圧力を複数回変動させて前記処理ガスもしくは前記クリーニング用のガスに起因する副生成物を排気する第３の工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
処理容器の下流領域および排気ラインの温度を薄膜の形成が抑制されるような第１の温度にした状態で、前記処理容器に収容された基板に処理ガスを供給して薄膜を形成する第１の工程と、
基板が収容されない状態で、かつ前記処理容器の下流領域および前記排気ラインの温度を前記第１の温度より高い第２の温度にした状態で、前記処理容器にクリーニングガスを供給して、前記処理容器内をクリーニングする第２の工程と、
基板が収容されない状態で、大気圧と真空圧とに交互に変動させ、前記処理容器に接続して前記処理容器内の雰囲気を排気する排気管の内部の圧力を複数回変動させて前記処理ガスもしくは前記クリーニング用のガスに起因する副生成物を排気する第３の工程と、
を有することを特徴とする基板処理方法。