JP6715975B2 - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置（デバイス）の製造工程における基板（ウエハ）の熱処理では、例えば縦型基板処理装置が使用されている。縦型基板処理装置では、基板保持具によって複数の基板を垂直方向に配列して保持し、基板保持具を処理室内に搬入する。その後、処理室を加熱した状態で処理室内に処理ガスを導入し、基板に対して薄膜形成処理が行われる。

下記特許文献１には、高パターン密度を持つ基板上にコンフォーマルな成膜を行うために、基板上に形成される副生成物の前記基板面内における濃度分布に応じた供給時間でそれぞれ原料ガスおよび／または反応ガスを時分割して供給する技術が開示されている。

特開２０１４−２０８８８３号公報

しかし、上記特許文献１では、処理表面積の極めて大きな基板（ウエハ）を処理する際に、パターンダミーに近い上下端の位置に配置された基板の膜厚が、他の基板の膜厚と異なることで、ウエハ間の膜厚均一性が悪くなる可能性があり、改善の余地がある。特に、基板領域の上下端部で急激に膜厚均一性が悪化することを（反応管スケールでの）ローディングエフェクトと称する。これが発生することによって、製品として取り出せる基板の枚数が減り、生産性が低下する。

本開示は上記課題を考慮し、基板保持具の上下方向に複数配列された基板に形成される膜の膜厚が、基板間で不均一となるのを抑制する技術を提供することを得ることを目的とする。

本開示の一態様では、基板処理装置は、複数の基板が所定の間隔で配列されて保持されると共に保持可能な全ての位置に、パターンが形成された複数の製品基板が保持される基板保持具と、下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口と、内面が平坦な天井とを備え、前記基板保持具を収容する円筒状の反応管と、前記反応管の上方及び側方を取り囲む炉体と、前記炉体に設けられ、前記反応管の側部を加熱するメインヒータと、前記炉体に設けられ、前記天井を前記メインヒータとは独立に制御可能な様態で加熱する天井ヒータと、前記開口を塞ぐ蓋と、前記反応管の内部であって前記基板保持具の下方に配置され、前記メインヒータ及び前記天井ヒータとは独立に制御可能な様態で加熱するキャップヒータと、前記基板保持具と前記蓋の間に配置される断熱構造体と、前記反応管内で前記基板保持具に保持された複数の前記製品基板のそれぞれの表側に対して別個にガスを供給するガス供給機構と、を有する。

本開示によれば、基板保持具の上下方向に複数配列された基板に形成される膜の膜厚が、基板間で不均一となるのを抑制することができる。

第１実施形態に係る基板処理装置の模式図である。 第１実施形態の基板処理装置における断熱アセンブリの縦断面図である。 第１実施形態の基板処理装置における反応管の断面を含む斜視図である。 第１実施形態の基板処理装置における反応管の断面図である。 第１実施形態の基板処理装置における反応管の底面図である。 第１実施形態の基板処理装置におけるコントローラの構成図である。 第１実施形態の基板処理装置において、ボートの保持位置の全てにプロダクトウエハを保持したときと、比較例の基板処理装置において、ボートの保持位置のプロダクトウエハの上方と下方にダミーウエハを保持したときの、保持位置に対するラジカル分布の解析結果を示す図である。 第１実施形態の基板処理装置において、ボートの保持位置の全てにプロダクトウエハを保持したときの反応管の内部におけるラジカル分布の解析結果を示す図である。 第２実施形態に係る基板処理装置の模式図である。 比較例の基板処理装置において、ボートの保持位置に保持されたプロダクトウエハの上方と下方にダミーウエハを保持したときのウエハの保持位置に対するラジカル分布の解析結果を示す図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図中に示すＵＰは、装置上下方向の上方を示す。

〔第１実施形態〕
図１〜図８を用いて、第１実施形態の基板処理装置及び半導体装置の製造方法について説明する。

＜基板処理装置の全体構成＞
図１に示すように、基板処理装置１は、半導体集積回路の製造における熱処理工程を実施する縦型熱処理装置として構成され、炉体としての処理炉２を備えている。処理炉２は、後述する反応管４の筒部を加熱するために、上下方向に沿って配置されたメインヒータとしてのヒータ３を有する。ヒータ３は円筒形状であり、後述する反応管４の筒部（本実施形態では側部）の周囲に上下方向に沿って配置されている。ヒータ３は、上下方向に複数に分割された複数のヒータユニットで構成されている。本実施形態では、ヒータ３は、上方から下方に向かって順にアッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅと、を備えている。ヒータ３は、保持板としてのヒータベース（図示せず）に支持されることにより、基板処理装置１の設置床に対して垂直に据え付けられている。

アッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅは、電力調整器７０にそれぞれ電気的に接続されている。電力調整器７０は、コントローラ２９に電気的に接続されている。コントローラ２９は、電力調整器７０によって各ヒータへの通電量を制御する温度コントローラとしての機能を有する。コントローラ２９によって、電力調整器７０の通電量が制御されることで、アッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅの温度がそれぞれ制御されるようになっている。ヒータ３は、後述するようにガスを熱で活性化（励起）させる活性化機構（励起部）としても機能する。

ヒータ３の内側に、反応容器（処理容器）を構成する反応管４が配設されている。反応管４は、例えば石英（ＳｉＯ₂）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管４は、下端のフランジ部４Ｃにおいて互いに結合した外管４Ａと内管４Ｂとを有する２重管構造とされている。言い換えると、外管４Ａと内管４Ｂは、それぞれ円筒状に形成されており、外管４Ａの内部に内管４Ｂが配置されている。外管４Ａには、上端が閉じられた天井部７２が設けられている。また、内管４Ｂには、上端が閉じられた天井７４が設けられており、内管４Ｂの下端は開口している。天井７４は、内面が平坦な形状とされている。外管４Ａは、内管４Ｂの上方及び側方を取り囲むように配置されている。

外管４Ａの下部には、フランジ部４Ｃが設けられている。フランジ部４Ｃは、外管４Ａよりも大きな外径を有し、外側へ突出している。反応管４の下端寄りには、外管４Ａ内と連通する排気ポート４Ｄが設けられる。これらを含む反応管４全体は単一の材料で一体に形成される。外管４Ａは、内側を真空にしたときの圧力差に耐えうるように、比較的肉厚に構成されている。

処理炉２は、ヒータ３の上部側に、外管４Ａの天井部７２の斜め上方側及び上方側を覆うように配置された側部断熱体７６及び上部断熱体７８を有している。一例として、円筒状の側部断熱体７６がヒータ３の上部に設けられており、上部断熱体７８が側部断熱体７６に架け渡された状態で側部断熱体７６に固定されている。これにより、処理炉２は、反応管４の上方及び側方を取り囲む構成とされている。

外管４Ａの天井部７２の上方側であって、上部断熱体７８の下壁部には、反応管４の外管４Ａの天井部７２及び内管４Ｂの天井７４を加熱する天井ヒータ８０が設けられている。本実施形態では、天井ヒータ８０は、外管４Ａの外側に設けられている。天井ヒータ８０は、電力調整器７０に電気的に接続されている。コントローラ２９は、電力調整器７０によって天井ヒータ８０への通電量を制御する。これにより、天井ヒータ８０の温度は、アッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅの温度とは独立して制御されるようになっている。

マニホールド５は、円筒又は円錐台形状で金属製又は石英製であり、反応管４の下端を支えるように設けられている。マニホールド５の内径は、反応管４の内径（フランジ部４Ｃの内径）よりも大きく形成されている。これにより、反応管４の下端（フランジ部４Ｃ）と後述するシールキャップ１９との間に後述する円環状の空間を形成される。この空間もしくはその周辺の部材を炉口部と総称する。

内管４Ｂは、排気ポート４Ｄよりも反応管の奥側で、その側面において内側と外側を連通させる主排気口４Ｅを有し、また、主排気口４Ｅと反対の位置において供給スリット４Ｆを有する。主排気口４Ｅ及び供給スリット４Ｆは、円周方向に伸びたスリット状の開口であり、各ウエハ７に対応するように垂直方向に複数等間隔に並んで設けられている。主排気口４Ｅ及び供給スリット４Ｆは、基板としてのウエハ７が配置されている領域を実質的に臨むように開口していれば、単一の縦長の開口としてもよいし、任意の形状や配置の複数の開口としてもよい。例えば、ある開口の面を、その面に垂直方向に或いは期待されるガスの流れの方向に押し出して得られる立体と、ウエハ又はウエハ上の空間とが交差するとき、その開口はウエハ又はウエハ上の空間に臨んでいるといえる。開口とウエハ又はウエハ上の空間との間に、障害物は設けないように構成されうる。主排気口４Ｅや供給スリット４Ｆは更に、最下段のウエハ７の下方の空間（下端空間）に対応するスリット状開口を有しうる。

内管４Ｂは更に、排気ポート４Ｄよりも反応管４の奥側で且つ主排気口４Ｅよりも開口側の位置に、処理室６と排気空間Ｓ（以降、外管４Ａと内管４Ｂの間の空間を排気空間Ｓという）とを連通させる複数の副排気口４Ｇが設けられる。また、フランジ部４Ｃにも、処理室６と排気空間Ｓ下端とを連通させる複数の底排気口４Ｈ、４Ｊ（図５参照）が形成されている。また、フランジ部４Ｃには、ノズル導入孔４Ｋ（図５参照）が形成されている。言い換えれば、排気空間Ｓの下端は、フランジ部４Ｃによって底排気口４Ｈ、４Ｊ等を除き閉塞されている。副排気口４Ｇ、及び底排気口４Ｈ、４Ｊは、主に後述の軸パージガスを排気するように機能する。

外管４Ａと内管４Ｂの間の排気空間Ｓには、供給スリット４Ｆの位置に対応させて、原料ガス等の処理ガスを供給する1本以上のノズル８が設けられている。ノズル８には、処理ガス（原料ガス）を供給するガス供給管９がマニホールド５を貫通してそれぞれ接続されている。

それぞれのガス供給管９の流路上には、上流方向から順に、流量制御器であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０および開閉弁であるバルブ１１が設けられている。バルブ１１よりも下流側では、不活性ガスを供給するガス供給管１２がガス供給管９に接続されている。ガス供給管１２には、上流方向から順に、ＭＦＣ１３およびバルブ１４が設けられている。主に、ガス供給管９、ＭＦＣ１０、バルブ１１により、処理ガス供給系が構成される。

ノズル８は、ガス供給空間Ｓ１内に、反応管４の下部から立ち上がるように設けられている。ノズル８の側面や上端には、ガスを供給する１ないし複数のノズル孔８Ｈが設けられている。複数のノズル孔８Ｈは、供給スリット４Ｆのそれぞれの開口に対応させて、反応管４の中心を向くように開口させることで、内管４Ｂを通り抜けてウエハ７に向けてガスを噴射（吐出）することができる。ガス供給機構は、ノズル８、ノズル室４２（後述）および供給スリット４Ｆを含む概念であり、処理ガス供給系を含みうる。ガス供給機構は、ボート２１上のウエハ７の側方直近からその表側面に対して別個に処理ガスを供給し、各供給量は、ノズル８や供給スリット４Ｆの開口の量によって調整されうる。

排気ポート４Ｄには、処理室６内の雰囲気を排気する排気管１５が接続されている。排気管１５には、処理室６内の圧力を検出する圧力検出器（圧力計）としての圧力センサ１６および圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ１７を介して、真空排気装置としての真空ポンプ１８が接続されている。ＡＰＣバルブ１７は、真空ポンプ１８を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室６内の真空排気および真空排気停止を行うことができる。更に、ＡＰＣバルブ１７は、真空ポンプ１８を作動させた状態で、圧力センサ１６により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室６内の圧力を調整することができるように構成される。主に、排気管１５、ＡＰＣバルブ１７、圧力センサ１６により、排気系が構成される。真空ポンプ１８を排気系に含めて考えてもよい。

マニホールド５の下方には、マニホールド５の下端の開口９０を気密に閉塞可能な蓋としてのシールキャップ１９が設けられている。すなわち、シールキャップ１９は、反応管４の外管４Ａを塞ぐ蓋としての機能を有する。シールキャップ１９は、例えばステンレスやニッケル基合金等の金属からなり、円板状に形成されている。シールキャップ１９の上面には、マニホールド５の下端と当接するシール部材としてのＯリング１９Ａが設けられている。

また、シールキャップ１９の上面には、マニホールド５の下端内周より内側の部分に対し、シールキャップ１９を保護するカバープレート２０が設置されている。カバープレート２０は、例えば、石英、サファイヤ、またはＳｉＣ等の耐熱耐蝕性材料からなり、円板状に形成されている。カバープレート２０は、機械的強度が要求されないため、薄い肉厚で形成されうる。カバープレート２０は、シールキャップ１９と独立して用意される部品に限らず、シールキャップ１９の内面にコーティングされた或いは内面が改質された、窒化物等の薄膜或いは層であってもよい。カバープレート２０はまた、円周の縁からマニホールド５の内面に沿って立ち上がる壁を有しても良い。

反応管４の内管４Ｂの内部には、基板保持具としてのボート２１が収容されている。ボート２１は、直立した複数の支柱２１Ａと、複数の支柱２１Ａの上端を互いに固定する円板状のボート天板２１Ｂと、複数の支柱２１Ａの下端部を互いに固定する円環状の底板８６（図２参照）と、を備え、それらは例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で形成されている。本実施形態の底板８６は、円環状に形成されるが、円板状でもよい。

ボート２１は、例えば２５〜２００枚のウエハ７を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持する。そこではウエハ７は、一定の間隔を空けて配列させる。本実施形態では、ボート２１に保持された全てのウエハ７は、集積回路パターンが形成された複数のプロダクトウエハ（製品基板）とされている。言い換えると、ボート２１は、ウエハ７を保持可能な全ての位置に、パターンが形成された複数のプロダクトウエハが載置されて使用される。この文脈において、プロダクトウエハは、それと同等の表面積を有するモニターウエハやフィルダミーウエハを含みうる。ウエハ７を保持可能な位置の数は、ＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）等のウエハ容器の収容可能数（例えば２５枚）の整数倍にモニターウエハの数（例えば３枚）を加算した数とすると、ウエハ容器からボート２１への移載を含む基板処理の効率を最大化することができる。プロダクトウエハは、例えば、パターンが無い基板（ダミーウエハ）に対して表側に５０倍超の所定の比表面積のパターンを有する。

反応管４の内管４Ｂは、ボート２１を安全に搬入出可能な最小限の内径を有することが望ましい。本実施形態では、例えば、ボート天板２１Ｂの直径は、内管４Ｂの内径の９０％以上９８％以下に設定されるか、又は、ボート２１に保持されたウエハ７間のピッチは、例えば、６ｍｍ以上１６ｍｍ以下に設定されている。ここで、ボート天板２１Ｂの直径は、内管４Ｂの内径の９０％以上９８％以下が好ましく、９２％以上９７％以下がより好ましく、９４％以上９６％以下がさらに好ましい。ボート天板２１Ｂの直径が、内管４Ｂの内径の９０％未満であると、ボート天板２１Ｂの縁と内管４Ｂとの隙間において、拡散によるガス移動（特にボート天板２１Ｂ上からウエハ７側へ後述する余剰ＳｉＣｌ_２が流入すること）が容易となり、ガス余りの影響が周囲に波及しやすくなる。ボート天板２１Ｂの直径が、内管４Ｂの内径の９８％を超えるとボートと内管の接触に関する所定の安全率を確保できない。ボート天板２１Ｂの直径を、内管４Ｂの内径の９２％以上にすると拡散をより抑制でき、９４％以上にするとさらに抑制できる。ボート天板２１Ｂの直径を、内管４Ｂの内径の９７％以下にすると安全率をより高められ、９６％以下にするとさらに高められる。また、ウエハ７間のピッチは、６ｍｍ以上１６ｍｍ以下が好ましく、７ｍｍ以上１４ｍｍ以下がより好ましく、８ｍｍ以上１２ｍｍ以下がさらに好ましい。ウエハ７間のピッチが、６ｍｍ未満であると、隣り合うウエハ７の間をガスがスムーズに流れにくくなり面内均一性が悪化しうる。また、ウエハ７間のピッチが１８ｍｍを超えると、面内均一性の向上は僅かである一方で生産性が低下する。ピッチは、７ｍｍ以上であると面内均一性がより良くなり、８ｍｍ以上であると更に良くなる。またピッチは、１４ｍｍ以下とすると生産性を高められ、１２ｍｍ以下とすると更に高められる。

さらに、本実施形態では、ボート天板２１Ｂによって他と仕切られた、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積は、例えば、ボート２１に保持された互いに隣接する（隣り合う）ウエハ７に挟まれた空間の容積の、１倍以上３倍以下となるように設定されている。ここで、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積は、互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の１倍以上３倍以下が好ましく、１倍以上２．５倍以下がより好ましく、１倍以上２倍以下がさらに好ましい。すなわち、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積は小さいほど好ましい。ただし、ガスが主排気口４Ｅにスムーズに流れることが求められる。天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積が、ボート２１に保持された互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の３倍以下とされることで、ガス余りの絶対量が少なくなる。また、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積が、ボート２１に保持された互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の１倍以上とされることで、ガスが主排気口４Ｅにスムーズに流れる。

主排気口４Ｅは、ボート２１に保持された前記プロダクトウエハの端若しくはその上方の空間（つまり、互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間や、最上段のウエハ７とボート天板２１Ｂとの間の空間）を臨むように開口し、反応管内の雰囲気を排気する。この結果、反応管４内で、ガス供給機構（供給スリット４Ｆ）から主排気口４Ｅへと、前記プロダクトウエハに平行に流れるガスの流れ（クロスフロー）が形成される。このとき、上下方向の物質移動は、主にウェハ７と内管４Ｂの間のギャップにおける拡散が支配的となるように抑制されている。

ボート２１の下部には後述する断熱アセンブリ（断熱構造体）２２が配設されている。断熱アセンブリ２２は、上下方向の熱の伝導或いは伝達が小さくなるような構造を有し、通常、内部に空洞を有する。断熱アセンブリ２２の長さ（高さ）は、ウエハの直径よりも大きくなりうる。内部は軸パージガスによってパージされうる。反応管４において、ボート２１が配置されている上部分をウエハ７の処理領域Ａ、断熱アセンブリ２２が配置されている下部分を断熱領域Ｂと呼ぶ。

シールキャップ１９の処理室６と反対側には、ボート２１を回転させる回転機構２３が設置されている。回転機構２３には、軸パージガスのガス供給管２４が接続されている。ガス供給管２４には、上流方向から順に、ＭＦＣ２５およびバルブ２６が設けられている。このパージガスの１つの目的は、回転機構２３の内部（例えば軸受け）を、処理室６内で用いられる腐食性ガスなどから守ることである。パージガスは、回転機構２３から回転軸６６に沿って供給され、断熱アセンブリ２２内に導かれる。

ボートエレベータ２７は、反応管４の外部下方に垂直に備えられ、シールキャップ１９を昇降させる昇降機構（搬送機構）として動作する。これにより、シールキャップ１９に支えられたボート２１およびウエハ７が、処理室６内外に搬入出される。なお、シールキャップ１９が最下位置に降りている間、シールキャップ１９の代わりに反応管４の下端開口を塞ぐシャッタ（不図示）が設けられうる。

外管４Ａの側部の外壁若しくは内管４Ｂの内側には、反応管４の内部の温度を検出する処理空間温度センサとしての温度センサ（温度検出器）２８が設置されている。温度センサ２８は、例えば、上下に並んで配列された複数の熱電対によって構成される。図示を省略するが、温度センサ２８は、コントローラ２９に電気的に接続されている。温度センサ２８により検出された温度情報に基づき、コントローラ２９は、電力調整器７０によってアッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅへの通電量をそれぞれ調整することで、処理室６内の温度が所望の温度分布となる。

また、外管４Ａの天井部７２の外壁には、反応管４内の上部の温度を検出する上端空間温度センサとしての温度センサ（温度検出器）８２が設置されている。温度センサ８２は、例えば、水平方向に並んで配列された複数の熱電対によって構成される。図示を省略するが、温度センサ８２は、コントローラ２９に電気的に接続されている。温度センサ８２により検出された温度情報に基づき、コントローラ２９は、電力調整器７０によって天井ヒータ８０への通電量を調整することで、処理室６内の上部の温度が所望の温度分布となる。

コントローラ２９は、基板処理装置１全体を制御するコンピュータであり、ＭＦＣ１０， １３、バルブ１１，１４、圧力センサ１６、ＡＰＣバルブ１７、真空ポンプ１８、回転機構２３、ボートエレベータ２７等と電気的に接続され、それらから信号を受け取ったり、それらを制御したりする。

図２に、断熱アセンブリ２２及び回転機構２３の断面図が示される。図２に示すように、回転機構２３は、上端が開口し下端が閉塞した略円筒形状に形成されたケーシング（ボディ）２３Ａを備えており、ケーシング２３Ａはシールキャップ１９の下面にボルトで固定される。ケーシング２３Ａの内部では、内側から順に、円筒形状の内軸２３Ｂと、内軸２３Ｂの直径よりも大きな直径の円筒形状に形成された外軸２３Ｃが、同軸に設けられる。そして、外軸２３Ｃは、内軸２３Ｂとの間に介設された上下で一対の内側ベアリング２３Ｄ、２３Ｅと、ケーシング２３Ａとの間に介設された上下で一対の外側ベアリング２３Ｆ、２３Ｇとによって回転自在に支承されている。一方、内軸２３Ｂは、ケーシング２３Ａと固定され、回転不能になっている。

内側ベアリング２３Ｄおよび外側ベアリング２３Ｆの上、つまり処理室６側には、真空と大気圧の空気とを隔てる磁性流体シール２３Ｈ、２３Ｉが設置されている。外軸２３Ｃは、電動モータ（不図示）等によって駆動される、ウオームホイール或いはプーリ２３Ｋが装着される。

内軸２３Ｂの内側には、処理室６内にてウエハ７を下方から加熱する補助加熱機構としてのサブヒータ支柱３３が、垂直に挿通されている。サブヒータ支柱３３は、石英製のパイプであり、その上端においてキャップヒータ３４を同心に保持する。サブヒータ支柱３３は、内軸２３Ｂの上端位置において耐熱樹脂で形成された支持部２３Ｎによって支持される。更に下方において、サブヒータ支柱３３は、真空用継手２３Ｐによって内軸２３Ｂとの間が密封される。

キャップヒータ３４は、電力調整器７０に電気的に接続されている（図１参照）。コントローラ２９は、電力調整器７０によってキャップヒータ３４への通電量を制御する（図１参照）。これにより、キャップヒータ３４の温度は、アッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅと、天井ヒータ８０の温度とは独立して制御されるようになっている。

フランジ状に形成された外軸２３Ｃの上面には、下端にフランジを有する円筒形状の回転軸３６が固定されている。回転軸３６の空洞を、サブヒータ支柱３３が貫いている。回転軸３６の上端部には、サブヒータ支柱３３を貫通させる貫通穴が中心に形成された円板形状の回転台３７が、カバープレート２０と所定の間隔ｈ1を空けて固定されている。

回転台３７の上面には、断熱体４０を保持する断熱体保持具３８と、円筒部３９が同心に載置され、ネジ等によって固定されている。円筒部３９は、上端部を塞ぐ円板状の上面としての天板３９Ａを備えている。天板３９Ａは、ボート２１の下方側に配置されており、処理領域Ａの底を構成している（図１参照）。また、ボート２１の下端部を固定する円環状の底板８６は、天板３９Ａの周囲で天板３９Ａに嵌合されている。断熱アセンブリ２２は、回転台３７、断熱体保持具３８、円筒部３９および断熱体４０により構成されており、回転台３７は底板（受け台）を構成する。回転台３７には、直径（幅）ｈ２の排気孔３７Ａが、縁寄りに回転対称に複数形成されている。

本実施形態では、ボート２１に保持可能な最も下の位置に保持されたウエハ７と底板８６又は断熱体４０の上面の天板３９Ａとで挟まれた下端空間の容積は、例えば、ボート２１に保持された互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の、０．５倍以上１．５倍以下となるように設定されている。ここで、下端空間の容積は、互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の０．５倍以上１．５倍以下が好ましく、０．６倍以上１．３倍以下の間がより好ましく、０．７倍以上１．０倍以下がさらに好ましい。下端空間の容積が、互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の１．５倍を超えると、ガス余りの絶対量が多くなって周囲に漏れたときの影響も大きくなり、０．５倍を下回ると、ガスの置換性が悪化する。下端空間の容積が、互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の０．６倍以上とされることでガスが対向する主排気口４Ｅに向かって水平にスムーズに流れ、０．７倍以上とすると更にスムーズに流れる。また、下端空間の容積が、互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の１．３倍以下とすることでガス余りを抑えられ、１倍以下とすると更にガス余りを抑えられる。

キャップヒータ３４には、キャップヒータ３４の温度若しくは最下段のウエハ７の温度を検出する下端空間温度センサとしての温度センサ８４が設置されている。温度センサ８４は、例えば、キャップヒータ３４と同じ高さに、水平方向に並んで配列された複数の熱電対によって構成される。図示を省略するが、温度センサ８４は、コントローラ２９（図１参照）に電気的に接続されている。温度センサ８４により検出された温度情報に基づき、コントローラ２９は、電力調整器７０（図１参照）によってキャップヒータ３４への通電量を調整することで、処理室６内の下部の温度が所望の温度分布となる。

コントローラ２９は、上端空間の温度センサ８２と処理空間の温度センサ２８と下端空間の温度センサ８４の検出温度に基づいて、全ての位置に保持された複数のウエハ７の温度が等しくなるように、電力調整器７０によってアッパヒータ３Ａと、センタアッパヒータ３Ｂと、センタヒータ３Ｃと、センタロアヒータ３Ｄと、ロアヒータ３Ｅと、天井ヒータ８０と、キャップヒータ３４へ与える電力（すなわち、通電量）を調整する。つまり、処理領域Ａ全体を均熱化することができる。

断熱体保持具３８は、中心にサブヒータ支柱３３を貫通させる空洞を有する円筒形状に構成される。断熱体保持具３８の下端には、回転台３７よりも小さな外径の外向きフランジ形状の足３８Ｃを有する。一方、断熱体保持具３８の上端は、そこからサブヒータ支柱３３が突き出させるように開口し、パージガスの供給口３８Ｂを構成している。

断熱体保持具３８とサブヒータ支柱３３との間に、断熱アセンブリ２２内の上部に軸パージガスを供給する、円環状の断面を有する流路が形成される。供給口３８Ｂから供給されたパージガスは、断熱体保持具３８と円筒部３９の内壁との間の空間を下向きに流れて、排気孔３７Ａから円筒部３９外へ排気される。排気孔３７Ａを出た軸パージガスは、回転台３７とカバープレート２０の間の隙間を半径方向に流れて炉口部に放出され、そこで炉口部をパージする。

断熱体保持具３８の柱には、断熱体４０として複数の反射板４０Ａと断熱板４０Ｂが、同軸に設置されている。

円筒部３９は、内管４Ｂとの間隙ｈ６が所定の値となるような外径を有する。間隙ｈ６は、処理ガスや軸パージガスの通り抜けを抑制するために、狭く設定することが望ましく、例えば、７．５ｍｍ〜１５ｍｍとするのが好ましい。

図３に、水平に切断された反応管４の斜視図が示される。なお、図３では、フランジ部４Ｃは省略されている。図３に示すように、内管４Ｂには、処理室６内に処理ガスを供給するための供給スリット４Ｆが縦方向にウエハ７（図１参照）と同数、横方向に３個、格子状に並んで形成されている。供給スリット４Ｆの横方向の並びの間や両端の位置において、外管４Ａと内管４Ｂの間の排気空間Ｓを区画するように縦方向に伸びた仕切り板４１が、それぞれ設けられる。複数の仕切り板４１によって、主たる排気空間Ｓから分離された区画は、ノズル室（ノズルバッファ）４２を形成する。結果的に排気空間Ｓは、断面においてＣ字型に形成されることになる。ノズル室４２と内管４Ｂ内を直接つなぐ開口は、供給スリット４Ｆだけである。なおノズル室４２の上端は、内管４Ｂの上端と略同じ高さで塞がれうる。

仕切り板４１は、内管４Ｂとは連結されるものの、外管４Ａと内管４Ｂの温度差に起因する応力を避けるために外管４Ａとは連結させず、わずかな隙間を有するように構成することができる。ノズル室４２は、排気空間Ｓから完全に隔離される必要はなく、特に上端や下端において排気空間Ｓと通じた開口もしくは隙間を有しうる。ノズル室４２は、その外周側が外管４Ａによって区画されるものに限らず、外管４Ａの内面に沿った仕切り版を別途設けても良い。

内管４Ｂには、断熱アセンブリ２２の側面に向かって開口する位置に、３個の副排気口４Ｇが設けられている。副排気口４Ｇの１つは、排気ポート４Ｄと同じ向きに設けられ、その開口の少なくとも１部が、排気ポート４Ｄの管と重なるような高さに配置されている。また、残りの２つの副排気口４Ｇは、ノズル室４２の両側部付近に配置されている。或いは、３個の副排気口４Ｇが、内管４Ｂの円周上で１８０度間隔となるような位置に配置されうる。

図４に示すように、３つのノズル室４２には、ノズル８ａ〜８ｃがそれぞれ設置されている。ノズル８ａ〜８ｄの側面には、反応管４の中心方向を向いて開口したノズル孔８Ｈがそれぞれ設けられている。ノズル孔８Ｈから噴出されたガスは、供給スリット４Ｆから内管４Ｂ内に流れるように意図されているが、一部のガスは直接流入しない。仕切り板４１により、各ノズル８ａ〜８ｃはそれぞれ独立した空間内に設置されるため、各ノズル８ａ〜８ｃから供給される処理ガスがノズル室４２内で混ざり合うことを抑制することができる。またノズル室４２に滞留するガスは、ノズル室４２の上端や下端から排気空間Ｓへ排出されうる。このような構成により、ノズル室４２内で処理ガスが混ざり合って薄膜が形成されたり、副生成物が生成されたりすることを抑制することができる。なお図４においてのみ、ノズル室４２の隣の排気空間Ｓには、反応管の軸方向（上下方向）に沿って任意で設置されうるパージノズル８ｄが設けられている。以降、パージノズル８ｄは存在しないものとして説明する。

図５に、反応管４の底面図が示される。図５に示すように、フランジ部４Ｃには、排気空間Ｓ（図４参照）とフランジ下方とを接続する開口として、底排気口４Ｈ、４Ｊ及びノズル導入孔４Ｋが設けられている。底排気口４Ｈは、排気ポート４Ｄに最も近い場所に設けられた長穴であり、底排気口４Ｊは、Ｃ字型の排気空間Ｓに沿って６箇所に設けられた小穴である。ノズル導入孔４Ｋは、その開口からノズル８ａ〜８ｃ（図４参照）が挿入される。底排気口４Ｊは、後述するように開口が大きすぎると、そこを通過する軸パージガスの流速が低下し、排気空間Ｓから原料ガス等が拡散によって炉口部に侵入してしまう。そのため、中央部の径を小さくした（くびれさせた）穴として形成する場合がある。

図６に示すように、コントローラ２９は、ＭＦＣ１０、１３、２５、バルブ１１、１４、２６、圧力センサ１６、ＡＰＣバルブ１７、真空ポンプ１８、回転機構２３、ボートエレベータ２７等の各構成と電気的に接続され、それらを自動制御する。また、コントローラ２９は、ヒータ３（アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ）、天井ヒータ８０、キャップヒータ３４、温度センサ２８、温度センサ８２、温度センサ８４等の各構成と電気的に接続され、それらを自動制御する。図示を省略するが、コントローラ２９は、電力調整器７０を介してヒータ３（アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ）、天井ヒータ８０、キャップヒータ３４とそれぞれ電気的に接続されている。

コントローラ２９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１２、ＲＡＭ（Random Ac cess Memory）２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８を備えたコンピュータとして構成される。ＲＡＭ２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８は、内部バス２２０を介して、ＣＰＵ２１２とデータ交換可能なように構成される。Ｉ／Ｏポート２１８は、上述の各構成に接続されている。コントローラ２９には、例えばタッチパネル等との入出力装置２２２が接続されている。

記憶装置２１６は、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成されている。記憶装置２１６内には、基板処理装置１の動作を制御する制御プログラムや、処理条件に応じて基板処理装置１の各構成に成膜処理等を実行させるためのプログラム（プロセスレシピやクリーニングレシピ等のレシピ）が読み出し可能に格納されている。ＲＡＭ２１４は、ＣＰＵ２１２によって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。

ＣＰＵ２１２は、記憶装置２１６から制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置２２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２１６からレシピを読み出し、レシピに沿うように各構成を制御する。

コントローラ２９は、外部記憶装置（例えば、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＨＤＤ）２２４に持続的に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置２１６や外部記憶装置２２４は、コンピュータ読み取り可能な有体の媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置２２４を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、上記の基板処理装置１を用い、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、ウエハ７上に膜を形成する処理（以下、成膜処理ともいう）のシーケンス例について説明する。

ここでは、ノズル８を２本以上設け、例えば、ノズル８ａから第１の処理ガス（原料ガス）としてヘキサクロロジシラン（Ｓｉ_２Ｃｌ_６、すなわち略称はＨＣＤＳ）ガスを、ノズル８ｂから第２の処理ガス（原料ガス）としてアンモニア（ＮＨ_３）ガスをそれぞれ供給し、ウエハ７上にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を形成する例について説明する。第２の処理ガス（原料ガス）は、反応ガスという場合もある。なお、以下の説明において、基板処理装置１の各構成の動作はコントローラ２９により制御される。

本実施形態における成膜処理では、処理室６内のウエハ７に対してＨＣＤＳガスを供給する工程と、処理室６内からＨＣＤＳガス（残留ガス）を除去する工程と、処理室６内のウエハ７に対してＮＨ_３ガスを供給する工程と、処理室６内からＮＨ_３ガス（残留ガス）を除去する工程と、を所定回数（１回以上）繰り返すことで、ウエハ７上にＳｉＮ膜を形成する。本明細書では、この成膜シーケンスを、便宜上、以下のように表記する。

（ＨＣＤＳ→ＮＨ_３）×ｎ ⇒ＳｉＮ

本実施形態では、結晶中にＳｉを提供するＳｉＣｌ_２（活性種)が表面に吸着（化学吸着）することで、成膜が進行する。ＨＣＤＳからＳｉＣｌ_２が生じる化学反応には以下の（１）、（２）を含むさまざまなルートがあり、経験的に少なからず（２）のルートが存在すると考えられる。
（１）Ｓｉ_２Ｃｌ_６の解離吸着。
（２）気相中で所定の平衡条件 Ｓｉ_２Ｃｌ_６ ⇔ ＳｉＣｌ_２＋ＳｉＣｌ_４へ向かって分解したＳｉＣｌ_２が吸着。

いずれにしても、ＳｉＣｌ_２の前駆体の濃度（分圧）が、ＳｉＣｌ_２の大量消費に伴ってウエハ７の表面付近で低下する。

（ウエハチャージおよびボートロード）
ボート２１には、ウエハ７を保持可能な全ての位置に、パターンが形成された複数のプロダクトウエハが保持されている。複数枚のウエハ７がボート２１に装填（ウエハチャージ）されると、ボート２１は、ボートエレベータ２７によって処理室６内に搬入（ボートロード）される。このとき、シールキャップ１９は、Ｏリング１９Ａを介してマニホールド５の下端を気密に閉塞（シール）した状態となる。ウエハチャージする前のスタンバイの状態から、バルブ２６を開き、円筒部３９内へ少量のパージガスが供給されうる。

（圧力調整）
処理室６内、すなわち、ウエハ７が存在する空間が所定の圧力（真空度）となるように、真空ポンプ１８によって真空排気（減圧排気）される。この際、処理室６内の圧力は、圧力センサ５２で測定され、この測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ１７が、フィードバック制御される。円筒部３９内へのパージガス供給及び真空ポンプ１８の作動は、少なくともウエハ７に対する処理が終了するまでの間は維持する。

（昇温）
処理室６内から酸素等が十分排気された後、処理室６内の昇温が開始される。処理室６が成膜に好適な所定の温度分布となるように、温度センサ２８が検出した温度情報に基づきヒータ３（アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ）への通電量がフィードバック制御される。また、温度センサ８２が検出した温度情報に基づき天井ヒータ８０への通電量がフィードバック制御される。さらに、温度センサ８４が検出した温度情報に基づきキャップヒータ３４への通電量がフィードバック制御される。ヒータ３（アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ）、天井ヒータ８０及びキャップヒータ３４による処理室６内の加熱は、少なくともウエハ７に対する処理（成膜）が終了するまでの間は継続して行われる。キャップヒータ３４への通電期間は、ヒータ３による加熱期間と一致させる必要はない。成膜が開始される直前において、キャップヒータ３４の温度は、成膜温度と同温度に到達し、マニホールド５の内面温度は１８０℃以上（例えば２６０℃）に到達していることが望ましい。

また、回転機構２３によるボート２１およびウエハ７の回転を開始する。回転機構２３により、回転軸６６、回転台３７、円筒部３９を介してボート２１が回転されることで、キャップヒータ３４は回転させずにウエハ７を回転させる。これにより加熱のむらが低減される。回転機構２３によるボート２１およびウエハ７の回転は、少なくとも、ウエハ７に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。

（成膜）
処理室６内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、ステップ１〜４を繰り返し実行する。なお、ステップ１を開始する前に、バルブ２６を開き、パージガス（Ｎ_２）の供給を増加させてもよい。

［ステップ１：原料ガス供給工程］
ステップ１では、処理室６内のウエハ７に対し、ＨＣＤＳガスを供給する。バルブ１１を開くと同時にバルブ１４を開き、ガス供給管９内へＨＣＤＳガスを、ガス供給管１２内へＮ_２ガスを流す。ＨＣＤＳガスおよびＮ_２ガスは、それぞれＭＦＣ１０、１３により流量調整され、ノズル室４２を介して処理室６内へ供給され、排気管１５から排気される。ウエハ７に対してＨＣＤＳガスを供給することにより、ウエハ７の最表面上に、第１の層として、例えば、１原子層未満から数原子層の厚さのシリコン（Ｓｉ）含有膜が形成される。

［ステップ２：原料ガス排気工程］
第１の層が形成された後、バルブ１１を閉じ、ＨＣＤＳガスの供給を停止する。このとき、ＡＰＣバルブ１７は開いたままとして、真空ポンプ１８により処理室６内を真空排気し、処理室６内に残留する未反応もしくは第１の層の形成に寄与した後のＨＣＤＳガスを処理室６内から排出する。また、バルブ１４やバルブ２６を開いたままとして、供給されたＮ２ガスは、ガス供給管９や反応管４内、炉口部をパージする。

［ステップ３：反応ガス供給工程］
ステップ３では、処理室６内のウエハ７に対してＮＨ_３ガスを供給する。バルブ１１、１４の開閉制御を、ステップ１におけるバルブ１１、１４の開閉制御と同様の手順で行う。ＮＨ_３ガスおよびＮ_２ガスは、それぞれＭＦＣ１０、１３により流量調整され、ノズル室４２を介して処理室６内へ供給され、排気管１５から排気される。ウエハ７に対して供給されたＮＨ_３ガスは、ステップ１でウエハ７上に形成された第１の層、すなわちＳｉ含有層の少なくとも一部と反応する。これにより第１の層は窒化され、ＳｉおよびＮを含む第２の層、すなわち、シリコン窒化層（ＳｉＮ層）へと変化（改質）される。

［ステップ４：反応ガス排気工程］
第２の層が形成された後、バルブ１１を閉じ、ＮＨ_３ガスの供給を停止する。そして、ステップ１と同様の処理手順により、処理室６内に残留する未反応もしくは第２の層の形成に寄与した後のＮＨ３ガスや反応副生成物を処理室６内から排出する。

以上の４つのステップを非同時に、すなわち、オーバーラップさせることなく行うサイクルを所定回数（ｎ回）行うことにより、ウエハ７上に、所定組成および所定膜厚のＳｉＮ膜を形成することができる。

上述のシーケンスの処理条件としては、例えば、
処理温度（ウエハ温度）：２５０〜７００℃、
処理圧力（処理室内圧力）：１〜４０００Ｐａ、
ＨＣＤＳガス供給流量：１〜２０００ｓｃｃｍ、
ＮＨ_３ガス供給流量：１００〜１００００ｓｃｃｍ、
Ｎ_２ガス供給流量（ノズル）：１００〜１００００ｓｃｃｍ、
Ｎ_２ガス供給流量（回転軸）：１００〜５００ｓｃｃｍ、
が例示される。それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値に設定することで、成膜処理を適正に進行させることが可能となる。

ＨＣＤＳ等の熱分解性ガスは、石英よりも金属の表面において副生成物の膜を形成しやすい場合がある。ＨＣＤＳ（及びアンモニア）に晒された表面は、特に２６０℃以下のときにＳｉＯ、ＳｉＯＮなどが付着しやすい。

（パージおよび大気圧復帰）
成膜処理が完了した後、バルブ１４を開き、ガス供給管１２からＮ_２ガスを処理室６内へ供給し、排気管１５から排気する。これにより、処理室６内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、残留する原料や副生成物が処理室６内から除去（パージ）される。その後、ＡＰＣバルブ１７が閉じられ、処理室６内の圧力が常圧になるまでＮ_２ガスが充填される（大気圧復帰）。

（ボートアンロードおよびウエハディスチャージ）
ボートエレベータ２７によりシールキャップ１９が下降され、マニホールド５の下端が開口される。そして、処理済のウエハ７が、ボート２１に支持された状態で、マニホールド５の下端から反応管４の外部に搬出される（ボートアンロード）。処理済のウエハ７は、ボート２１より取出される。

上述の成膜処理を行うと、加熱されていた反応管４内の部材の表面、例えば、外管４Ａの内壁、ノズル８ａの表面、内管４Ｂの表面、ボート２１の表面等に、窒素を含むＳｉＮ膜等が堆積し、薄膜を形成しうる。そこで、これらの堆積物の量、すなわち、累積膜厚が、堆積物に剥離や落下が生じる前の所定の量（厚さ）に達したところで、クリーニング処理が行われる。クリーニング処理は、反応管４内へフッ素系ガスとして例えばＦ_２ガスを供給することで行われる。

＜作用及び効果＞
上記の基板処理装置１では、アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ、キャップヒータ３４、及び天井ヒータ８０の温度をそれぞれ制御することで、処理室６の上下方向の温度をほぼ均一に制御することができる。このため、ボート２１におけるウエハ７を保持可能な全ての位置にプロダクトウエハを保持し、ダミーウエハを無くすことができる。

また、ボート２１におけるウエハ７を保持可能な全ての位置にプロダクトウエハが保持された状態で、ガス供給管９から気相中で分解する原料ガスを供給したときに、分解により生成した生成ガスの１種（例えば、ＳｉＣｌ_２）の分圧が、ボート２１に保持されるウエハ７の全ての位置においてほぼ均一になる。これにより、ボート２１の上下方向に複数配列されたプロダクトウエハに形成される膜の膜厚が、プロダクトウエハ間で不均一となるのを抑制することができる。

また、基板処理装置１では、例えば、プロダクトウエハの上端側と下端側に配置されるダミーウエハを無くすことによって、プロダクトウエハの枚数が増やすことができ、生産性を向上させることができる。あるいはプロダクトウエハ枚数を増やす代わりに、ダミーウエハをなくした分だけ、プロダクトウエハのピッチを拡げることもできる。

また、基板処理装置１では、例えば、ボート天板２１Ｂの直径は、内管４Ｂの内径の９０％以上９８％以下に設定されるか、又は、ボート２１に保持されたウエハ７間のピッチは、例えば、６ｍｍ以上１６ｍｍ以下となるように設定されている。ボート天板２１Ｂの直径が、内管４Ｂの内径の９０％以上とされることで、拡散によるガス移動（特にボート天板２１Ｂ上からウエハ７側へ余剰ＳｉＣｌ_２が流入すること）を抑制することができる。また、ボート天板２１Ｂの直径が、内管４Ｂの内径の９８％以下とされることで、ボート２１を内管４Ｂから安全に搬入出させることができる。

また、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積は、例えば、ボート２１に保持された互いに隣接する（隣り合う）ウエハ７に挟まれた空間の容積の、１倍以上３倍以下となるように設定されている。天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積が、ボート２１に保持された互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の３倍以下とされることで、ガス余りの絶対量が少なくなる。また、天井７４とボート天板２１Ｂとで挟まれた上端空間の容積が、ボート２１に保持された互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の１倍以上とされることで、ガスが主排気口４Ｅにスムーズに流れる。

また、基板処理装置１では、ボート２１に保持可能な最も下の位置に保持されたウエハ７と底板８６又は断熱体４０の上面の天板３９Ａとで挟まれた下端空間の容積は、例えば、ボート２１に保持された互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の、０．５倍以上１．５倍以下となるように設定されている。ウエハ７と底板８６又は天板３９Ａとで挟まれた下端空間の容積が、互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の１．５倍以下とされることで、ガス余りの絶対量が少なくなる。また、ウエハ７と底板８６又は天板３９Ａとで挟まれた下端空間の容積が、互いに隣接するウエハ７に挟まれた空間の容積の１倍以上とされることで、ガスが主排気口４Ｅにスムーズに流れる。

図７には、第１実施形態の基板処理装置１として、ボート２１の保持位置の全てにパターンウエハ（プロダクトウエハ）を保持したときの、保持位置に対するラジカル分布の解析結果が示されている。また、図１０には、比較例の基板処理装置として、ボート２１の保持位置のパターンウエハの上端側と下端側にダミーウエハを保持したときの、保持位置に対するラジカル分布の解析結果が示されている（図７参照）。ここで、ラジカルは、ＨＣＤＳが反応するときに生成する不対電子をもつ原子又は分子をいう。

図１０に示すように、比較例の基板処理装置では、パターンウエハ（プロダクトウエハ）の上端側と下端側に、製品として使用しないダミーウエハを数枚保持している。比較例の基板処理装置では、反応菅の周囲に上下方向に沿って配置されたヒータを備えるものの第１実施形態のような温度センサ８２、８４を備えておらず、キャップヒータや天井ヒータを独立に温度制御して均熱領域を拡大するようには構成されていない。ここで、パターンウエハは、パターンが形成されていることでパターンが無い場合と比べて表面積が大きくなり、表面積に比例してラジカルの消費が激しい。ダミーウエハは、パターンが形成されておらず（パターンウエハに比べて表面積が小さく）、ラジカルの消費がほとんどない。比較例の基板処理装置において、パターンウエハの上端側と下端側にダミーウエハを配置するのは、それらに挟まれたパターンウエハを、規則的に無限の長さに配列されたパターンウエハの一部と看做せるようにする（その部分には端部効果は及ばず、温度やガス濃度は均一化されている）ためである。

図１０に示すように、比較例の基板処理装置では、パターンウエハの上端部と下端部においてラジカル分布の均一性が悪化していることが分かる。この原因は、ラジカルの消費がほとんどないダミーウエハと、ラジカルの消費が激しいパターンウエハ（表面積に比例する）の差によってローディングエフェクトが発生するためである。すなわちパターンウエハ上は表面積が大きくラジカルの消費が激しいために気相中のラジカル濃度は低くなる一方で、ダミーウエハ上では消費が少ないため気相中のラジカル濃度は高い。このように極端な濃度差がついているパターンウエハとダミーウエハが隣り合う領域では、気相中の濃度拡散が発生しラジカル濃度差を緩和する方向に働く。そのためパターンウエハの上端部と下端部では必然的に濃度が高く（膜厚が厚く）なり、膜厚の均一性を悪化させてしまう。

これに対し、第１実施形態の基板処理装置１では、ボート２１のウエハ７の保持位置の全てにパターンウエハ（プロダクトウエハ）が保持されている。また、基板処理装置１では、アッパヒータ３Ａ、センタアッパヒータ３Ｂ、センタヒータ３Ｃ、センタロアヒータ３Ｄ、ロアヒータ３Ｅ、キャップヒータ３４、及び天井ヒータ８０の温度をそれぞれ制御することで、パターンウエハの上端部と下端部の領域の温度をほぼ均一に制御することができるため、ダミーウエハをなくすことが可能である。

図７に示されるように、ボート２１のウエハ７の保持位置の全てにパターンウエハ（プロダクトウエハ）を保持したときは、全体的にラジカル分布の均一性が改善していることが分かる（図７中の破線のグラフ参照）。これは、ボート２１のウエハ７の保持位置の全てにパターンウエハを保持しているため、比較例のようにダミーウエハとパターンウエハの消費差がないためである。

ただし、図７では、まだパターンウエハ（プロダクトウエハ）の上端部と下端部とで濃度高の領域が少し見られる。これは、パターンウエハ領域の外、すなわちボート天板２１Ｂと反応管４の内管４Ｂの間の空間の影響によるものと考えられる。この部分は内管４Ｂを構成する石英で囲まれており、積極的なガスの流れはないものの拡散によってラジカルがウエハ７付近へ拡散する。そして石英表面のラジカルの消費がベアウエハ（表面にシリコン平坦面のみが露出しているもの）と同等だとすれば、この空間の濃度はパターンウエハ上と比較するとやはり濃く、ここで濃度差が生じる。

図８には、ボート２１のウエハ７の保持位置の全てにパターンウエハ（プロダクトウエハ）を保持したときの、ボート２１の上下方向のウエハ７の保持位置に対するラジカル分布の解析結果が示されている。この例では、下端空間を臨むスリット開口を有する主排気口４Ｅが用いられた。図８に示すように、下端空間付近でのラジカル濃度は安定しているものの、ボート２１の上端部側にラジカル濃度が僅かに高い空間があることが分かる。これを改善するための第２実施形態、第３実施形態の基板処理装置を以下に示す。

〔第２実施形態〕
図９を用いて、第２実施形態の基板処理装置１００について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図９に示されるように、基板処理装置１００には、ボート天板２１Ｂと内管４Ｂの天井７４との間の上端空間にパージガス（不活性ガス）を供給するパージガス供給機構としての供給装置１０１が設けられている。供給装置１０１は、パージガスを供給する供給管１０２と、供給管１０２の先端に設けられると共にボート天板２１Ｂと内管４Ｂの天井７４との間の上端空間にパージガスを導入するノズル１０４と、を備えている。ノズル１０４は、内管４Ｂの上端側部に設けられている。供給管１０２には、ＭＦＣ１０６とバルブ１０８とが設けられている。パージガスとしては、例えば、Ｎ_２が用いられている。

基板処理装置１００では、上端空間に供給されるパージガスによって、滞留する１種の生成ガス（例えば、ＳｉＣｌ_２）を希釈し、その分圧を低下させる。この結果、ボート２１の上下方向におけるラジカル濃度がほぼ均一となる。これにより、ボート２１にウエハ７を保持可能な全ての位置にプロダクトウエハを保持したときに、ウエハ７に形成される膜の膜厚が、ウエハ７間で不均一となるのをより効果的に抑制することができる。基板処理装置１００の主排気口４Ｅは、上端空間に対応するスリット状開口を追加的に有しうる。この追加のスリット状開口は、上端空間のパージガスや生成ガスを局所的に排気し、希釈を局在化させる。

なお、供給装置１０１は、パージガスとしてＨ_２を添加したＮ_２ガスを使用してもよい。水素はＳｉＣｌ_２と結合してこれを消費するので、平衡条件をＳｉＣｌ_２濃度を下げる方向に移動させることが期待できる。或いは基板処理装置１００は、供給装置１０１に代えて、不活性ガスを供給するガス供給管１２からマニホールド５を介して、ボート天板２１Ｂと内管４Ｂの天井７４との間の上端空間に不活性ガスを供給する供給管及びノズルを設ける構成でもよい。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態の基板処理装置について説明する。なお、前述した第１及び第２実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図示を省略するが、第３実施形態の基板処理装置では、ボート天板２１Ｂと内管４Ｂの天井７４との間の上端空間に、パターンが形成されたプロダクトウエハと同等に、１種の生成ガス（例えば、ＳｉＣｌ_２）を吸着しかつ消費してその分圧を低下させる多孔質又は焼結体で構成された固形物を配置する。固形物は、例えば、プロダクトウエハのパターンのスケールより大きいスケールで加工された凹凸表面を有する板材が用いられ、この加工及び素材自体の細孔（マイクロポア）によって、大きな吸着可能表面積を有する。細孔では、クヌーセン拡散や毛管凝縮等のガス分子量に依存する特異な現象が起こるため、少なくとも一部の細孔の内径は、ウエハのパターンにあわせて例えば１０〜１００ｎｍに選ぶことができる。更には穴の径の分布が、数１０ｎｍから数１００ｎｍに亘って一定となるようにすると、堆積による細孔の閉塞があっても、固形物を比較的長期間交換せずに使用することができる。第３実施形態では、例えば、凹凸表面を有する複数の板材を、均熱領域である上端空間に、例えば天井７４の内側面に沿って並べて配置する。配置間隔は狭くてよく、例えば２〜３ｍｍに選ぶことができる。

固形物の実質的な表面積は、例えば、プロダクトウエハの表側の表面積の０．１倍以上１．０倍以下とされている。固形物の実質的な表面積は、プロダクトウエハの表側の表面積の０．１倍以上１．０倍以下が好ましく、０．２倍以上０．７倍以下がより好ましく、０．３倍以上０．６倍以下がさらに好ましい。ボート天板２１Ｂと内管４Ｂの天井７４との間の上端空間には、積極的に原料ガスを供給しておらず、ボート天板２１Ｂと内管４Ｂの内面との隙間から流入するだけであるので、固形物の実質的な表面積は、プロダクトウエハの表側の表面積の１．０倍以下でよい。固形物の実質的な表面積が、プロダクトウエハの表側の表面積の０．１倍以上とされることで、上端空間で生成ガス（例えば、ＳｉＣｌ_２）をより効果的に吸着しかつ消費することができる。

これにより、内管４Ｂの天井７４の内側の空間とプロダクトウエハ上との１種の生成ガス（例えば、ＳｉＣｌ_２）の濃度差を低減することができる。このため、ボート２１にウエハ７を保持可能な全ての位置にプロダクトウエハが保持をしたときに、ウエハ７に形成される膜の膜厚が、ウエハ７間で不均一となるのをより効果的に抑制することができる。

なお、ボート天板２１Ｂと対向する内管４Ｂの天井７４の内側面に固形物を備えた構成に代えて、内管４Ｂの天井７４の内側の表面（石英表面）に、凹凸（細孔）状の加工を施してもよい。

なお、本開示を特定の実施形態について詳細に説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されるものではなく、本開示の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、ノズル８は、着脱可能となるように反応管４と分離して設けられるものに限らず、内管４Ｂに連結し内管４Ｂに直接開口するものも含みうる。第１の原料ガスとしてはＨＣＤＳのように水素を含まないシリコンハライドの他、水素を含むシリコンハライドや有機シリコンが利用可能である。

１ 基板処理装置、 ２ 処理炉、 ３ ヒータ、 ４ 反応管、 ４Ａ 外管、 ４Ｂ 内管、
７ ウエハ、 ９ ガス供給管、 １９ シールキャップ、 ２１ ボート、 ２１Ａ 支柱、 ２１Ｂ ボート天板、
３４ キャップヒータ、 ３９Ａ 天板、 ７４ 天井、 ８０ 天井ヒータ、 ８６ 底板、 ９０ 開口、 １００ 基板処理装置

Claims (11)

1. 複数の基板が所定の間隔で配列されて保持されると共に保持可能な全ての位置に、複数の製品基板が保持される基板保持具と、
   下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口と、内面が平坦な天井とを備え、前記基板保持具を収容する円筒状の反応管と、
   前記反応管の上方及び側方を取り囲む炉体と、
   前記炉体に設けられ、前記反応管の側部を加熱するメインヒータと、
   前記炉体に設けられ、前記天井を加熱する天井ヒータと、
   前記開口を塞ぐ蓋と、
   前記反応管の内部であって前記基板保持具の下方に配置されたキャップヒータと、
   前記反応管内で前記基板保持具に保持された複数の前記製品基板のそれぞれの表側に対して別個にガスを供給するガス供給機構と、を備え、
   前記基板保持具に基板を保持可能な全ての位置に前記製品基板を保持した状態で、前記ガス供給機構から気相中で分解する原料ガスを供給したときに、前記分解により生成した生成ガスの１種の分圧が、前記全ての位置において均一になる基板処理装置。
2. 前記キャップヒータと前記蓋の間に配置される断熱構造体と、を更に備え、
   前記メインヒータ、前記天井ヒータ及び前記キャップヒータは、独立に制御可能に構成される請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記基板保持具に保持された全ての前記製品基板の端若しくはその上方の空間を臨むように開口し、反応管内の雰囲気を排気する主排気口と、を更に備え、
   前記ガス供給機構、前記反応管及び前記主排気口は、反応管内で、前記製品基板に平行に流れるガスの流れを形成するように構成される請求項１に記載の基板処理装置。
4. 前記基板保持具は、直立した複数の支柱と、前記複数の支柱の上端を互いに固定する円板状の天板と、を有し、
   前記天板によって他と仕切られた、前記天井と前記天板とで挟まれた上端空間の容積が、前記基板保持具に保持された隣り合う前記製品基板に挟まれた空間の容積の、１倍以上３倍以下となるように設定された請求項１乃至３のいずれかに記載の基板処理装置。
5. 前記基板保持具は、直立した複数の支柱と、前記複数の支柱の上端を互いに固定する円板状の天板と、を備え、
   前記天板の直径は、前記反応管の内径の９０％以上９８％以下に設定されるか、又は、前記基板保持具の前記製品基板間のピッチが６ｍｍ以上１６ｍｍ以下に設定された請求項１乃至３のいずれかに記載の基板処理装置。
6. 複数の基板が所定の間隔で配列されて保持されると共に保持可能な全ての位置に、複数の製品基板が保持される基板保持具と、
   下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口と、内面が平坦な天井とを備え、前記基板保持具を収容する円筒状の反応管と、
   前記反応管の上方及び側方を取り囲む炉体と、
   前記炉体に設けられ、前記反応管の側部を加熱するメインヒータと、
   前記炉体に設けられ、前記天井を加熱する天井ヒータと、
   前記開口を塞ぐ蓋と、
   前記反応管の内部であって前記基板保持具の下方に配置されたキャップヒータと、
   前記反応管内で前記基板保持具に保持された複数の前記製品基板のそれぞれの表側に対して別個にガスを供給するガス供給機構と、を備え、
   前記基板保持具は、直立した複数の支柱と、前記複数の支柱の下端を互いに固定する、円板状又は前記基板保持具の下に配置される断熱構造体の上面に嵌合する円環状の底板を有し、
   前記基板保持具に保持可能な最も下の位置に保持された前記製品基板と、前記底板又は前記断熱構造体の前記上面とで挟まれた下端空間の容積が、前記基板保持具に保持された互いに隣接する前記製品基板に挟まれた空間の容積の、０．５倍以上１．５倍以下となるように設定され、
   前記ガス供給機構は、前記下端空間に対して個別に原料ガスを供給する基板処理装置。
7. 前記基板保持具に保持された全ての前記製品基板の端若しくはその上方の空間を臨むとともに、前記下端空間を臨むように開口し、反応管内の雰囲気を排気する主排気口を更に備える請求項６に記載の基板処理装置。
8. 前記ガス供給機構は、前記複数の基板の配列の側方に配置され、流量制御され単一の管から供給されたガスを分配し、前記基板保持具に保持された全ての前記製品基板の端若しくはその上方の空間に向けて、複数の開口から前記ガスを吐出するノズルを備える請求項６に記載の基板処理装置。
9. 複数の基板を所定の間隔で配列して保持する基板保持具の保持可能な全ての位置に、複数の製品基板を装填する工程と、
   下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口と内面が平坦な天井とを有して前記基板保持具を収容する円筒状の反応管内に、前記基板保持具を搬入し、蓋で前記開口を塞ぐ工程と、
   前記反応管の上方及び側方を取り囲む炉体に設けられる、前記反応管の側部を加熱するメインヒータと、前記天井を加熱する天井ヒータと、前記反応管の内部であって前記基板保持具の下方に配置されて加熱するキャップヒータとを、独立に制御して、前記反応管を所定の温度に加熱する工程と、
   ガス供給機構が、前記反応管内で前記基板保持具に保持された複数の前記製品基板のそれぞれの表側に対して別個にガスを供給する工程と、を備え、
   前記装填する工程では、基板保持具は、直立した複数の支柱と、前記複数の支柱の上端を互いに固定する円板状の天板と、を備え、前記天板の直径は、前記反応管の内径の９０％以上９８％以下に設定されるか、又は、前記基板保持具の前記製品基板間のピッチが６ｍｍ以上１６ｍｍ以下に設定され、
   前記塞ぐ工程では、天板によって他と仕切られた、前記天井と前記天板とで挟まれた上端空間の容積が、前記基板保持具に保持された隣り合う前記製品基板に挟まれた空間の容積の、１倍以上３倍以下となるように前記基板保持具を搬入し、
   前記供給する工程では、基板保持具に保持された前記製品基板の端若しくはその上方の空間を臨むように開口する主排気口によって、反応管内の雰囲気が排気され、反応管内で前記製品基板に平行に流れるガスの流れを形成し、前記ガス供給機構から気相中で分解する原料ガスを供給したとき前記分解により生成した生成ガスの１種の分圧が、前記全ての位置において均一になる半導体装置の製造方法。
10. 複数の基板を所定の間隔で配列して保持する基板保持具の保持可能な全ての位置に、複数の製品基板を装填する工程と、
    下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口と内面が平坦な天井とを有して前記基板保持具を収容する円筒状の反応管内に、前記基板保持具を搬入し、蓋で前記開口を塞ぐ工程と、
    前記反応管の上方及び側方を取り囲む炉体に設けられる、前記反応管の側部を加熱するメインヒータと、前記天井を加熱する天井ヒータと、前記反応管の内部であって前記基板保持具の下方に配置されて加熱するキャップヒータとを、独立に制御して、前記反応管を所定の温度に加熱する工程と、
    ガス供給機構が、前記反応管内で前記基板保持具に保持された複数の前記製品基板のそれぞれの表側に対して別個にガスを供給する工程と、を備え、
    前記装填する工程では、基板保持具は、直立した複数の支柱の下端を互いに固定する、円板状又は前記基板保持具の下に配置される断熱構造体の上面に嵌合する円環状の底板を有し、前記基板保持具に保持可能な最も下の位置に保持された前記製品基板と、前記底板又は前記断熱構造体の前記上面とで挟まれた下端空間の容積が、前記基板保持具に保持された互いに隣接する前記製品基板に挟まれた空間の容積の、０．５倍以上１．５倍以下となるように設定され、
    前記供給する工程では、前記ガス供給機構は、前記下端空間に対して個別に原料ガスを供給する半導体装置の製造方法。
11. 複数の基板を所定の間隔で配列して保持する基板保持具の保持可能な全ての位置に、複数の製品基板を装填する手順と、
    下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口と内面が平坦な天井とを有して前記基板保持具を収容する円筒状の反応管内に、前記基板保持具を搬入し、蓋で前記開口を塞ぐ手順と、
    前記反応管の上方及び側方を取り囲む炉体に設けられる、前記反応管の側部を加熱するメインヒータと、前記天井を加熱する天井ヒータと、前記反応管の内部であって前記基板保持具の下方に配置されて加熱するキャップヒータとを、独立に制御して、前記反応管を所定の温度に昇温する手順と、
    ガス供給機構が、前記反応管内で前記基板保持具に保持された複数の前記製品基板のそれぞれの表側に対して別個にガスを供給する手順と、を基板処理装置に備えられたコンピュータに実行させるプログラムであって、
    前記供給する手順では、基板保持具に保持された前記製品基板の端若しくはその上方の空間を臨むように開口する主排気口によって、反応管内の雰囲気が排気され、反応管内で前記製品基板に平行に流れるガスの流れを形成し、前記ガス供給機構から気相中で分解する原料ガスを供給したとき前記分解により生成した生成ガスの１種の分圧が、前記全ての位置において均一になるプログラム。