特許 6952595 縦型熱処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6952595

(24)【登録日】2021年9月30日

(45)【発行日】2021年10月20日

(54)【発明の名称】縦型熱処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/31 20060101AFI20211011BHJP

   H01L 21/318 20060101ALI20211011BHJP

   H01L 21/316 20060101ALI20211011BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20211011BHJP

   C23C 16/42 20060101ALI20211011BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/31 B

   H01L21/318 B

   H01L21/316 X

   C23C16/455

   C23C16/42

【請求項の数】10

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-244120(P2017-244120)

(22)【出願日】2017年12月20日

(65)【公開番号】特開2019-110269(P2019-110269A)

(43)【公開日】2019年7月4日

【審査請求日】2020年9月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】木鎌 英司

(72)【発明者】

【氏名】島 裕巳

(72)【発明者】

【氏名】高 京碩

(72)【発明者】

【氏名】菱屋 晋吾

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 啓介

(72)【発明者】

【氏名】城 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】板橋 賢

(72)【発明者】

【氏名】小川 悟

【審査官】 加藤 芳健

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−６３９５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２８２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１５７４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８６０１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３１８

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

Ｃ２３Ｃ １６／４５５

Ｃ２３Ｃ １６／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板保持具に複数の基板を上下方向に所定間隔を有して略水平に保持した状態で、前記複数の基板に原料ガスを供給して膜を形成する縦型熱処理装置であって、
前記基板保持具を収容する内管と、前記内管の外側に配置される外管と、を含む処理容器と、
前記内管の内周面に沿って上下に延びて設けられ、先端が前記内管の内部から外部に貫通するガスノズルと、
を有し、
前記ガスノズルには、前記内管の内部に前記原料ガスを供給する第１のガス孔と、前記内管の外部に前記原料ガスを供給する第２のガス孔と、が形成されている、
縦型熱処理装置。

【請求項2】

前記第１のガス孔は、前記内管の内部の位置に形成され、
前記第２のガス孔は、前記内管の外部の位置に形成されている、
請求項１に記載の縦型熱処理装置。

【請求項3】

前記ガスノズルの前記先端は、前記内管の天井部において前記内管の内部から外部に貫通する、
請求項１又は２に記載の縦型熱処理装置。

【請求項4】

前記ガスノズルの前記先端は、Ｌ字状に屈曲し、前記内管の側壁部において前記内管の内部から外部に貫通する、
請求項１又は２に記載の縦型熱処理装置。

【請求項5】

ノズル単位長さあたりの前記第２のガス孔の開口面積は、ノズル単位長さあたりの前記第１のガス孔の開口面積よりも大きい、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の縦型熱処理装置。

【請求項6】

前記内管と前記外管との間の空間部と連通する排気口を有し、
前記第２のガス孔は、前記ガスノズルの管壁における前記排気口の側に形成される、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の縦型熱処理装置。

【請求項7】

前記原料ガスは、シリコン含有ガス又は金属含有ガスを含む、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の縦型熱処理装置。

【請求項8】

基板保持具に複数の基板を上下方向に所定間隔を有して略水平に保持した状態で、前記複数の基板に処理ガスを供給して膜を形成する縦型熱処理装置であって、
前記基板保持具を収容する内管と、前記内管の外側に配置される外管と、を含む処理容器と、
前記内管の内周面に沿って上下に延びて設けられ、先端が前記内管の内部から外部に貫通する複数のガスノズルと、
を有し、
前記複数のガスノズルの各々には、前記内管の内部に処理ガスを供給する第１のガス孔と、前記内管の外部に前記処理ガスを供給する第２のガス孔と、が形成されている、
縦型熱処理装置。

【請求項9】

前記複数のガスノズルは、原料ガスを供給する第１のガスノズルと、前記原料ガスと反応する反応ガスを供給する第２のガスノズルと、を含む、
請求項８に記載の縦型熱処理装置。

【請求項10】

前記原料ガスは、シリコン含有ガス又は金属含有ガスを含み、
前記反応ガスは、窒化ガス又は酸化ガスを含む、
請求項９に記載の縦型熱処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、縦型熱処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造においては、基板に処理を施すために各種の処理装置が用いられる。処理装置の一つとして、一度に複数の基板の熱処理が可能なバッチ式の縦型熱処理装置が知られている。縦型熱処理装置では、例えば基板を収容する処理容器の内周面に沿って上下に延びて設けられるガスノズルから基板に向けて水平方向に原料ガスを供給することで、基板の表面に膜を形成する。

【0003】

縦型熱処理装置では、熱処理の温度を原料ガスの熱分解温度以上に高くすると、ガスノズル内で原料ガスが熱分解されてガスノズルの内壁に分解物が付着する場合がある。ガスノズルの内壁に付着する分解物の量が多くなると、熱処理の途中で分解物がガスノズルの内壁から剥離してパーティクルの原因となる。

【0004】

ガスノズルの内壁に付着する分解物の量を低減する装置として、ダミー基板領域に対向する領域のガス孔の開口面積が製品基板領域に対応する領域のガス孔の開口面積よりも大きく設定されたガスノズルを備える装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４−６３９５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記の装置では、製品基板領域に対応する領域とダミー基板領域に対応する領域のガス孔の開口面積が異なるため、ダミー基板領域に近接する製品基板領域において原料ガスの流れに偏りが生じやすく、面間均一性が低下する懸念がある。

【0007】

そこで、本発明の一態様では、基板処理領域のガスの流れの偏りを低減しつつ、ガスノズルの内壁への分解物の付着量を低減することが可能な縦型熱処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る縦型熱処理装置は、基板保持具に複数の基板を上下方向に所定間隔を有して略水平に保持した状態で、前記複数の基板に原料ガスを供給して膜を形成する縦型熱処理装置であって、前記基板保持具を収容する内管と、前記内管の外側に配置される外管と、を含む処理容器と、前記内管の内周面に沿って上下に延びて設けられ、先端が前記内管の内部から外部に貫通するガスノズルと、を有し、前記ガスノズルには、前記内管の内部に前記原料ガスを供給する第１のガス孔と、前記内管の外部に前記原料ガスを供給する第２のガス孔と、が形成されている。

【発明の効果】

【0009】

開示の縦型熱処理装置によれば、基板処理領域のガスの流れの偏りを低減しつつ、ガスノズルの内壁への分解物の付着量を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係る縦型熱処理装置の一例を示す断面図

【図2】図１における一点鎖線Ａ−Ａにおいて切断した断面図

【図3】図１の縦型熱処理装置のガスノズルの第１構成例を示す斜視図

【図4】図１における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面図

【図5】図１の縦型熱処理装置のガスノズルの第２構成例を示す斜視図

【図6】図１の縦型熱処理装置のガスノズルの第３構成例を示す斜視図

【図7】図１の縦型熱処理装置のガスノズルの第４構成例を示す斜視図

【図8】シリコン窒化膜の形成方法の一例を示すタイムチャート

【図9】実施例のガスノズルを説明する図

【図10】ウエハ処理位置とウエハに形成された膜の膜厚との関係を示す図

【図11】ガスノズルの内壁に付着する分解物のシミュレーション結果を示す図

【図12】ガス孔の位置とガス流速との関係のシミュレーション結果を示す図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

【0012】

〔縦型熱処理装置〕
本発明の実施形態に係る縦型熱処理装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る縦型熱処理装置の一例を示す断面図である。図２は、図１における一点鎖線Ａ−Ａにおいて切断した断面図である。

【0013】

図１に示されるように、縦型熱処理装置１は、処理容器３４と、蓋部３６と、基板保持具３８と、ガス供給手段４０と、排気手段４１と、加熱手段４２とを有する。

【0014】

処理容器３４は、基板である半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を収容する。処理容器３４は、下端が開放された有天井の円筒形状の内管４４と、下端が開放されて内管４４の外側を覆う有天井の円筒形状の外管４６とが同軸状に配置された二重管構造である。内管４４及び外管４６は、石英、炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱性材料により形成されている。

【0015】

内管４４の天井部４４Ａは、例えば平坦に形成されている。内管４４の一側には、その長手方向（上下方向）に沿ってガスノズル７６，７８，８０を収容するノズル収容部４８が形成されている。本発明の実施形態では、図２に示されるように、内管４４の側壁部４４Ｂの一部を外側へ向けて突出させて凸部５０を形成し、凸部５０内をノズル収容部４８として形成している。ノズル収容部４８に対向させて内管４４の反対側の側壁部４４Ｂには、その長手方向（上下方向）に沿って幅Ｌ１の矩形状のスリット５２が形成されている。スリット５２の幅Ｌ１は１０ｍｍ〜４００ｍｍの範囲内の大きさに設定されている。

【0016】

スリット５２は、内管４４の内部のガスを排気できるように形成されたガス排気口である。スリット５２の長さは、基板保持具３８の長さと同じであるか、又は基板保持具３８の長さよりも長く上下方向へそれぞれ延びるよう形成されている。即ち、スリット５２の上端は基板保持具３８の上端に対応する位置以上の高さに延びて位置され、スリット５２の下端は基板保持具３８の下端に対応する位置以下の高さに延びて位置されている。具体的には、図１に示されるように、基板保持具３８の上端とスリット５２の上端との間の高さ方向の距離Ｌ２は０ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲内である。また、基板保持具３８の下端とスリット５２の下端との間の高さ方向の距離Ｌ３は０ｍｍ〜３５０ｍｍ程度の範囲内である。基板保持具３８は、処理容器３４内に収容可能であり、複数（例えば１５０枚）のウエハＷを上下方向に所定間隔を有して略水平に保持する。

【0017】

処理容器３４の下端は、例えばステンレス鋼により形成される円筒形状のマニホールド５４によって支持されている。マニホールド５４の上端には、フランジ部５６が形成されている。フランジ部５６上に外管４６の下端が設置されることで、外管４６が支持されている。フランジ部５６と外管４６の下端との間には、Ｏリング等のシール部材５８が設けられている。シール部材５８により、外管４６内が気密状態に維持される。

【0018】

マニホールド５４の上部の内壁には、円環状の支持部６０が設けられている。支持部６０上に内管４４の下端が設置させることで、内管４４が支持されている。マニホールド５４の下端の開口には、蓋部３６がＯリング等のシール部材６２を介して気密に取り付けられている。蓋部３６により、処理容器３４の下端の開口、即ち、マニホールド５４の開口が気密に塞がれている。蓋部３６は、例えばステンレス鋼により形成されている。

【0019】

蓋部３６の中央部には、磁性流体シール部６４を介して回転軸６６が貫通させて設けられている。回転軸６６の下部は、ボートエレベータ等の昇降手段６８のアーム６８Ａに回転自在に支持されている。

【0020】

回転軸６６の上端には回転プレート７０が設けられており、回転プレート７０上に石英製の保温台７２を介してウエハＷを保持する基板保持具３８が載置される。従って、昇降手段６８を昇降させることによって蓋部３６と基板保持具３８とは一体として上下動し、基板保持具３８を処理容器３４内に対して挿脱できる。

【0021】

ガス供給手段４０は、マニホールド５４に設けられており、内管４４内へ原料ガス、反応ガス、パージガス等の各種のガスを導入する。ガス供給手段４０は、複数（例えば３本）の石英製のガスノズル７６，７８，８０を有する。各ガスノズル７６，７８，８０は、内管４４の内部にその長手方向に沿って設けられると共に、その基端（下端）がＬ字状に屈曲されてマニホールド５４を貫通するようにして支持されている。ガスノズル７６，７８，８０は、図２に示されるように、内管４４のノズル収容部４８内に周方向に沿って一列で設置されている。

【0022】

ガスノズル７６は、処理容器３４内に原料ガスを供給する。ガスノズル７６には、その長手方向に沿って所定間隔で複数の第１のガス孔であるガス孔７６Ａが形成されている。ガス孔７６Ａは、内管４４の内部に形成されており、水平方向に向けて内管４４の内部に原料ガスを吐出する。所定間隔は、例えば基板保持具３８に支持されるウエハＷの間隔と同じ間隔に設定される。また、高さ方向の位置は、ガス孔７６Ａが上下方向に隣り合うウエハＷ間の中間に位置するように設定されており、原料ガスをウエハＷ間に効率的に供給できる。また、ガスノズル７６は、先端（上端）が天井部４４Ａにおいて内管４４の内部から外部に貫通している。ガスノズル７６の先端には、図１に示されるように、第２のガス孔であるガス孔７６Ｂが形成されている。ガス孔７６Ｂは、内管４４の外部に形成されており、内管４４の外部に原料ガスを吐出する。原料ガスとしては、例えばシリコン含有ガス、金属含有ガスを用いることができる。シリコン含有ガスとしては、例えばジクロロシラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ：Ｓｉ_２Ｃｌ_６）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）、トリクロロシラン(ＳｉＨＣｌ_３)が挙げられる。金属含有ガスとしては、例えば四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウムＨｆ［Ｎ（ＣＨ_３）_２］_４（ＴＤＭＡＨ）、テトラキス（Ｎ−エチルメチルアミノ）ジルコニウム（ＴＥＭＡＺ）、トリ(ジメチルアミノ)シクロペンタジエニルジルコニウム（Ｃ_５Ｈ_５）Ｚｒ［Ｎ（ＣＨ_３）_２］_３が挙げられる。なお、ガスノズル７６の詳細については後述する。

【0023】

ガスノズル７８は、処理容器３４内に原料ガスと反応する反応ガスを供給する。ガスノズル７８には、その長手方向に沿って所定間隔で複数のガス孔７８Ａが形成されている。ガス孔７８Ａは、内管４４の内部に形成されており、水平方向に向けて内管４４の内部に反応ガスを吐出する。所定間隔は、例えば基板保持具３８に支持されるウエハＷの間隔と同じ間隔に設定される。また、高さ方向の位置は、ガス孔７８Ａが上下方向に隣り合うウエハＷ間の中間に位置するように設定されており、反応ガスをウエハＷ間に効率的に供給できる。反応ガスとしては、例えば窒化ガス、酸化ガスを用いることができる。窒化ガスとしては、例えばアンモニア（ＮＨ_３）、有機アミンガス、ジアゼン（Ｎ_２Ｈ_２）、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）、ヒドラジン化合物（例えばモノメチルヒドラジン（ＭＭＨ））が挙げられる。酸化ガスとしては、例えばオゾン（Ｏ_３）、酸素（Ｏ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、水素＋酸素（Ｈ_２＋Ｏ_２）、水素＋オゾン（Ｈ_２＋Ｏ_３）、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）が挙げられる。

【0024】

ガスノズル８０は、処理容器３４内にパージガスを供給する。ガスノズル８０には、その長手方向に沿って所定間隔で複数のガス孔８０Ａが形成されている。ガス孔８０Ａは、内管４４の内部に形成されており、水平方向に向けて内管４４の内部にパージガスを吐出する。所定間隔は、例えば基板保持具３８に支持されるウエハＷの間隔と同じ間隔に設定される。また、高さ方向の位置は、ガス孔８０Ａが上下方向に隣り合うウエハＷ間の中間に位置するように設定されており、パージガスをウエハＷ間に効率的に供給できる。パージガスとしては、例えば窒素（Ｎ_２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いることができる。

【0025】

また、マニホールド５４の上部の側壁であって、支持部６０の上方には、排気口８２が形成されている。排気口８２は、内管４４と外管４６との間の空間部８４と連通する。空間部８４を介してスリット５２から排出される内管４４の内部のガス及びガスノズル７６のガス孔７６Ｂから空間部８４に吐出されるガスは、排気口８２を介して処理容器３４の外部に排気される。排気口８２には、処理容器３４内のガスを排気する排気手段４１が設けられている。排気手段４１は、排気口８２に接続された排気通路８６を有しており、排気通路８６には圧力調整弁８８及び真空ポンプ９０が順次介設されて、処理容器３４内を真空排気する。

【0026】

外管４６の外周側には、外管４６を覆うように円筒形状の加熱手段４２が設けられている。加熱手段４２は、処理容器３４内に収容されたウエハＷを加熱する。

【0027】

このように構成された縦型熱処理装置１の各部の動作は、例えばコンピュータ等の制御手段１１０により制御される。また、縦型熱処理装置１の各部の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体１１２に記憶されている。記憶媒体１１２は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。

【0028】

〔ガスノズル〕
次に、前述した縦型熱処理装置１に用いられるガスノズル７６，７８，８０の構成について、ガスノズル７６を例に挙げて説明する。但し、ガスノズル７８及びガスノズル８０についてもガスノズル７６と同様の構成としてもよい。例えば、反応ガスを供給するガスノズル７８について原料ガスを供給するガスノズル７６と同様の構成を採用することで、成膜処理の際、内管４４の外面や外管４６の内面には、内管４４の内面に成膜される膜と同一組成の膜が成膜される。そのため、処理容器３４内のドライクリーニング時に内管４４の外面や外管４６の内面に膜残りが発生することを防止できる。また、内管４４の外面や外管４６の内面に成膜される膜と内管４４の内面に成膜される膜との間の応力（ストレス）の差が小さくなるので、膜剥がれが生じることを抑制できる。

【0029】

（第１構成例）
図３は、図１の縦型熱処理装置１のガスノズル７６の第１構成例を示す斜視図である。図４は、図１における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面図である。なお、図３においては、ガスノズル７８及びガスノズル８０の図示を省略している。

【0030】

図３に示されるように、第１構成例のガスノズル７６は、内管４４の内周面に沿って上下に延びて設けられ、先端が内管４４の天井部４４Ａにおいて内管４４の内部から外部に貫通する。ガスノズル７６には、複数のガス孔７６Ａと、複数のガス孔７６Ｂとが形成されている。

【0031】

各ガス孔７６Ａは、内管４４の内部に形成されており、水平方向に向けて内管４４の内部に原料ガスを吐出する。各ガス孔７６Ａは、ガスノズル７６の管壁におけるスリット５２と対向する位置に形成されている。

【0032】

各ガス孔７６Ｂは、内管４４の外部に形成されており、内管４４の外部の空間部８４に原料ガスを吐出する。各ガス孔７６Ｂは、例えば図４に示されるように、ガスノズル７６の管壁における排気口８２側の位置に形成されている。各ガス孔７６Ｂの開口面積は、例えば各ガス孔７６Ａの開口面積よりも大きくなるように形成されている。

【0033】

なお、図３の例では、ガス孔７６Ｂが複数の場合を例に挙げて説明したが、ガス孔７６Ｂの数は１個以上であればよく、特に限定されるものではない。

【0034】

（第２構成例）
図５は、図１の縦型熱処理装置１のガスノズル７６の第２構成例を示す斜視図である。なお、図５においては、ガスノズル７８及びガスノズル８０の図示を省略している。

【0035】

図５に示されるように、第２構成例のガスノズル７６は、内管４４の内周面に沿って上下に延びて設けられ、先端が内管４４の天井部４４Ａにおいて内管４４の内部から外部に貫通する。ガスノズル７６には、複数のガス孔７６Ａと、複数のガス孔７６Ｂと、１つのガス孔７６Ｃとが形成されている。

【0036】

各ガス孔７６Ａは、内管４４の内部に形成されており、水平方向に向けて内管４４の内部に原料ガスを吐出する。各ガス孔７６Ａは、ガスノズル７６の管壁におけるスリット５２と対向する位置に形成されている。

【0037】

各ガス孔７６Ｂは、内管４４の外部に形成されており、内管４４の外部の空間部８４に原料ガスを吐出する。各ガス孔７６Ｂは、ガスノズル７６の管壁の周方向に沿って所定間隔を有して形成されている。各ガス孔７６Ｂの開口面積は、例えば各ガス孔７６Ａの開口面積よりも大きくなるように形成されている。

【0038】

ガス孔７６Ｃは、ガスノズル７６の上端面に形成され、内管４４の外部の空間部８４に原料ガスを吐出する。ガス孔７６Ｃの開口面積は、例えば各ガス孔７６Ａの開口面積よりも大きくなるように形成されている。

【0039】

なお、図５の例では、ガス孔７６Ｂが複数の場合を例に挙げて説明したが、ガス孔７６Ｂの数は１個以上であればよく、特に限定されるものではない。また、図５の例では、ガス孔７６Ｃが１個の場合を例に挙げて説明したが、ガス孔７６Ｃの数は２個以上であってもよい。

【0040】

（第３構成例）
図６は、図１の縦型熱処理装置１のガスノズル７６の第３構成例を示す斜視図である。なお、図６においては、ガスノズル７８及びガスノズル８０の図示を省略している。

【0041】

図６に示されるように、第３構成例のガスノズル７６は、内管４４の内周面に沿って上下に延びて設けられ、先端がＬ字状に屈曲し、内管４４の側壁部４４Ｂにおいて内管４４の内部から外部に貫通する。ガスノズル７６には、複数のガス孔７６Ａと、複数のガス孔７６Ｂとが形成されている。

【0042】

各ガス孔７６Ａは、内管４４の内部に形成されており、水平方向に向けて内管４４の内部に原料ガスを吐出する。各ガス孔７６Ａは、ガスノズル７６の管壁におけるスリット５２と対向する位置に形成されている。

【0043】

各ガス孔７６Ｂは、内管４４の外部に形成されており、内管４４の外部の空間部８４に原料ガスを吐出する。各ガス孔７６Ｂは、ガスノズル７６の管壁における排気口８２側の位置に形成されている。各ガス孔７６Ｂの開口面積は、例えば各ガス孔７６Ａの開口面積よりも大きくなるように形成されている。

【0044】

なお、図６の例では、ガス孔７６Ｂが複数の場合を例に挙げて説明したが、ガス孔７６Ｂの数は１個以上であればよく、特に限定されるものではない。

【0045】

（第４構成例）
図７は、図１の縦型熱処理装置１のガスノズル７６の第４構成例を示す斜視図である。なお、図７においては、ガスノズル７８及びガスノズル８０の図示を省略している。

【0046】

図７に示されるように、第４構成例のガスノズル７６は、内管４４の内周面に沿って上下に延びて設けられ、先端が内管４４の天井部４４Ａにおいて内管４４の内部から外部に貫通する。ガスノズル７６には、複数のガス孔７６Ａと、複数のガス孔７６Ｂとが形成されている。

【0047】

各ガス孔７６Ａは、内管４４の内部に形成されており、水平方向に向けて内管４４の内部に原料ガスを吐出する。各ガス孔７６Ａは、ガスノズル７６の管壁におけるスリット５２と対向する位置に形成されている。

【0048】

各ガス孔７６Ｂは、内管４４の外部に形成されており、内管４４の外部の空間部８４に原料ガスを吐出する。各ガス孔７６Ｂは、ガスノズル７６の管壁における排気口８２側の位置に形成されている。各ガス孔７６Ｂの開口面積は、例えば各ガス孔７６Ａの開口面積よりも大きくなるように形成されている。

【0049】

また、図７に示されるように、ガスノズル７６の先端は、内管４４を加工して形成された保護部４４Ｃに覆われている。保護部４４Ｃのガス孔７６Ｂに対応する領域には、開口４４Ｄが形成されており、ガス孔７６Ｂから吐出されるガスは保護部４４Ｃの開口４４Ｄから内管４４の外部の空間部８４に供給される。

【0050】

なお、図７の例では、ガス孔７６Ｂが複数の場合を例に挙げて説明したが、ガス孔７６Ｂの数は１個以上であればよく、特に限定されるものではない。

【0051】

以上、第１構成例から第４構成例のガスノズル７６について説明したが、ガスノズル７６の形態はこれに限定されない。

【0052】

例えば、ガス孔７６Ｂはガスノズル７６の管壁における排気口８２側とは異なる位置に形成されていてもよい。但し、ガス孔７６Ｂは、内管４４の外部の排気口８２側の位置に形成されていることが好ましい。ガス孔７６Ｂが内管４４の外部の排気口８２側の位置に形成されていることにより、ガス孔７６Ｂから吐出されるＨＣＤガスは、排気口８２に向かう流れを形成する。その結果、ガス孔７６Ａから内管４４の内部に吐出されてスリット５２を介して排気口８２に到達するＨＣＤガスが排気口８２に向かう流れに乗って排気口８２に排出されるので、ＨＣＤガスが内管４４の外部から内部へ逆流することを抑制できる。

【0053】

また、例えば、各ガス孔７６Ｂの開口面積は、各ガス孔７６Ａの開口面積よりも小さくなるように形成されていてもよく、各ガス孔７６Ａの開口面積と同一であってもよい。但し、ノズル単位長さあたりのガス孔７６Ｂの開口面積は、ノズル単位長さあたりのガス孔７６Ａの開口面積よりも大きくなるように形成されていることが好ましい。例えば、各ガス孔７６Ｂの開口面積が各ガス孔７６Ａの開口面積よりも小さい場合や各ガス孔７６Ｂの開口面積が各ガス孔７６Ａの開口面積と同一である場合、ノズル単位長さあたりのガス孔７６Ｂの数がノズル単位長さあたりのガス孔７６Ａの数よりも大きくなるようにすればよい。なお、ノズル単位長さとしては、例えばガスノズル７６のうちの内管４４の外部に突出する部分の長さとすることができる。ガスノズル７６のうちの内管４４の外部に突出する部分の長さは、ガスノズル７６が外管４６に接触しない長さであればよく、例えば２０ｍｍ〜５０ｍｍとすることができる。このように、ノズル単位長さあたりのガス孔７６Ｂの開口面積が、ノズル単位長さあたりのガス孔７６Ａの開口面積よりも大きくなるように形成されていることにより、ガスノズル７６内のガス圧力を効率的に低下させることができる。そのため、ガスノズル７６内でＨＣＤガスの滞留が生じにくい。その結果、処理容器３４内の高温雰囲気にＨＣＤガスが曝される時間が短くなるので、ガスノズル７６内でのＨＣＤガスの熱分解が抑制され、ガスノズル７６の内壁への分解物の付着量が少なくなる。

【0054】

〔成膜方法〕
次に、本発明の実施形態に係る縦型熱処理装置１を用いた成膜方法について、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法によりウエハＷ上にシリコン窒化膜を形成する場合を例に挙げて説明する。なお、以下の説明において、縦型熱処理装置１の各部の動作は、制御手段１１０により制御される。

【0055】

図８は、シリコン窒化膜の形成方法の一例を示すタイムチャートである。図８に示されるように、シリコン窒化膜の形成方法は、吸着ステップ、パージステップ、窒化ステップ及びパージステップをこの順番で複数サイクル繰り返して実行することで、ウエハＷ上に所望の膜厚のシリコン窒化膜を形成するものである。吸着ステップは、ウエハＷ上に原料ガスを吸着させるステップである。パージステップは、処理容器３４内をパージするステップである。窒化ステップは、ウエハＷ上に吸着した原料ガスを窒化させるステップである。

【0056】

最初に、加熱手段４２により処理容器３４内を所定温度に維持する。続いて、ウエハＷを保持した基板保持具３８を蓋部３６上に載置し、昇降手段６８により蓋部３６を上昇させてウエハＷ（基板保持具３８）を処理容器３４内に搬入する。

【0057】

続いて、ウエハＷに原料ガスであるＨＣＤガスを吸着させる吸着ステップを実行する。具体的には、加熱手段４２により処理容器３４内を所定温度に設定する。ガスノズル８０から処理容器３４内に所定流量のＮ_２ガスを供給しつつ、処理容器３４内のガスを排出することで処理容器３４を所定圧力に設定する。処理容器３４内の温度及び圧力が安定した後、ガス孔７６ＡからＨＣＤガスを内管４４の内部に吐出させ、ガス孔７６ＢからＨＣＤガスを内管４４の外部に吐出させる。内管４４の内部に吐出されたＨＣＤガスは、内管４４の内部で加熱されて熱分解し、熱分解により生じたシリコン（Ｓｉ）がウエハＷ上に吸着する。内管４４の外部に供給されたＨＣＤガスは、内管４４と外管４６との間の空間部８４を通って排気口８２から排出される。所定時間の経過後、ガスノズル７６（ガス孔７６Ａ，７６Ｂ）からのＨＣＤガスの供給を停止させる。

【0058】

このとき、ガスノズル７６には、内管４４の内部にＨＣＤガスを吐出するガス孔７６Ａとは別に配置されて、内管４４の外部にＨＣＤガスを吐出するガス孔７６Ｂが設けられている。ガスノズル７６にガス孔７６Ｂが形成されていることにより、ガス孔７６Ｂが形成されていない場合よりもガスノズル７６内のガス圧力が低下するので、ガスノズル７６内でＨＣＤガスの滞留が生じにくい。その結果、処理容器３４内の高温雰囲気にＨＣＤガスが曝される時間が短くなるので、ガスノズル７６内でのＨＣＤガスの熱分解が抑制され、ガスノズル７６の内壁への分解物の付着量が少なくなる。

【0059】

また、ガス孔７６Ｂから吐出されるＨＣＤガスは内管４４の内部に供給されないので、内管４４の内部のガスの流れの偏りを低減できる。その結果、面間均一性が向上する。

【0060】

また、ガス孔７６Ｂは、内管４４の外部の排気口８２側の位置に形成されているので、ガス孔７６Ｂから吐出されるＨＣＤガスは、排気口８２に向かう流れを形成する。その結果、ガス孔７６Ａから内管４４の内部に吐出されてスリット５２を介して排気口８２に到達するＨＣＤガスが排気口８２に向かう流れに乗って排気口８２に排出されるので、ＨＣＤガスが内管４４の外部から内部へ逆流することを抑制できる。

【0061】

続いて、内管４４内をパージするパージステップを実行する。具体的には、ガスノズル８０から内管４４内に所定流量のＮ_２ガスを供給しつつ、内管４４内のガスを排出し、内管４４内のＨＣＤガスをＮ_２ガスに置換する。所定時間の経過後、ガスノズル８０からのＮ_２ガスの供給を停止する。

【0062】

このとき、吸着ステップにおいてガス孔７６Ｂから吐出されるＨＣＤガスは、内管４４内に吐出されることなく、排気口８２と直結する内管４４と外管４６との間の空間部８４に吐出されて直ちに排気口８２から排出される。そのため、パージステップでは内管４４の内部に吐出されるＨＣＤガスのみをパージすればよいので、内管４４内をパージするのに要する時間を短縮できる。

【0063】

続いて、吸着ステップでウエハＷに吸着したＳｉを窒化する窒化ステップを実行する。窒化ステップでは、加熱手段４２により処理容器３４内を所定温度に設定する。また、ガスノズル７８のガス孔７８Ａから内管４４内に所定流量の窒化ガスであるＮＨ_３ガスを供給しつつ、処理容器３４内のガスを排出し、処理容器３４を所定圧力に設定する。内管４４の内部に供給されたＮＨ_３ガスは、吸着ステップでウエハＷ上に吸着したＳｉと反応し、Ｓｉが窒化される。所定時間の経過後、ガスノズル７８からのＮＨ_３ガスの供給を停止する。

【0064】

続いて、内管４４内をパージするパージステップを実行する。具体的には、ガスノズル８０から内管４４内に所定流量のＮ_２ガスを供給しつつ、内管４４内のガスを排出し、内管４４内のＮＨ_３ガスをＮ_２ガスに置換する。所定時間の経過後、ガスノズル８０からのＮ_２ガスの供給を停止する。

【0065】

以上により、吸着ステップ、パージステップ、窒化ステップ及びパージステップからなるＡＬＤ法の１サイクルが終了する。続いて、再び、吸着ステップから始まるＡＬＤ法の１サイクルを開始する。そして、このサイクルを所定サイクル（例えば１００サイクル）繰り返すことで、ウエハＷ上に所望の膜厚のシリコン窒化膜が形成される。

【0066】

ウエハＷ上に所望の膜厚のシリコン窒化膜が形成されると、加熱手段４２により処理容器３４内を所定温度に維持しつつ、ガスノズル８０から処理容器３４内に所定流量のＮ_２ガスを供給して処理容器３４内をＮ_２ガスでサイクルパージして常圧へと戻す。続いて、昇降手段６８により蓋部３６を下降させることにより、ウエハＷ（基板保持具３８）を処理容器３４内から搬出する。

【0067】

以上に説明したように、本発明の実施形態では、ガスノズル７６に、内管４４の内部にＨＣＤガスを吐出するガス孔７６Ａとは別に配置されて、内管４４の外部にＨＣＤガスを吐出するガス孔７６Ｂが設けられている。ガスノズル７６にガス孔７６Ｂが形成されていることにより、ガス孔７６Ｂが形成されていない場合よりもガスノズル７６内のガス圧力が低下するので、ガスノズル７６内でＨＣＤガスの滞留が生じにくい。その結果、処理容器３４内の高温雰囲気にＨＣＤガスが曝される時間が短くなるので、ガスノズル７６内でのＨＣＤガスの熱分解が抑制され、ガスノズル７６の内壁への分解物の付着量が少なくなる。

【0068】

また、ガス孔７６Ｂから吐出されるＨＣＤガスは内管４４の内部に供給されないので、内管４４の内部のガスの流れの偏りを低減できる。その結果、面間均一性が向上する。

【0069】

また、吸着ステップにおいてガス孔７６Ｂから吐出されるＨＣＤガスは、内管４４内に吐出されることなく、排気口８２と直結する内管４４と外管４６との間の空間部８４に吐出されて直ちに排気口８２から排出される。そのため、パージステップでは内管４４の内部に吐出されるＨＣＤガスのみをパージすればよいので、内管４４内をパージするのに要する時間を短縮できる。

【0070】

また、ガス孔７６Ｂは、内管４４の外部の排気口８２側の位置に形成されているので、ガス孔７６Ｂから吐出されるＨＣＤガスは、排気口８２に向かう流れを形成する。その結果、ガス孔７６Ａから内管４４の内部に吐出されてスリット５２を介して排気口８２に到達するＨＣＤガスが排気口８２に向かう流れに乗って排気口８２に排出されるので、ＨＣＤガスが内管４４の外部から内部へ逆流することを抑制できる。

【0071】

〔実施例〕
次に、本発明の実施形態に係る縦型熱処理装置１を用いて原料ガスを供給する場合の効果について説明する。

【0072】

最初に、実施例で用いたガスノズル７６について説明する。図９は、実施例のガスノズルを説明する図である。

【0073】

ガスノズルＡは、図９（ａ）に示されるように、先端が天井部４４Ａにおいて内管４４の内部から外部に貫通しており、内管４４の内部に原料ガスを吐出するガス孔７６Ａと、内管４４の外部に原料ガスを吐出するガス孔７６Ｂとが形成されているノズルである。

【0074】

ガスノズルＢは、図９（ｂ）に示されるように、先端が天井部４４Ａを貫通することなく、内管４４の内部に原料ガスを吐出するガス孔７６Ａが形成されているが、内管４４の外部に原料ガスを吐出するガス孔７６Ｂは形成されていないノズルである。

【0075】

ガスノズルＣは、図９（ｃ）に示されるように、内管４４の内部に原料ガスを吐出するガス孔７６Ａ、ガス孔７６Ｄ及びガス孔７６Ｅが形成されているが、内管４４の外部に原料ガスを吐出するガス孔７６Ｂは形成されていないノズルである。

【0076】

（実施例１）
実施例１では、ガスノズルＢ，Ｃを用いてウエハＷ上にシリコン窒化膜を形成したときの基板保持具３８に保持されたウエハＷの位置（以下「ウエハ処理位置」という。）とウエハＷに形成されたシリコン窒化膜の膜厚との関係を評価した。図１０は、ウエハ処理位置とウエハに形成された膜の膜厚との関係を示す図である。図１０中、横軸はウエハ処理位置を示し、左側の縦軸（第１軸）はウエハＷの面内における平均膜厚を示し、右側の縦軸（第２軸）はウエハＷの面内における膜厚均一性を示す。なお、図１０の第２軸では、中央値がウエハＷの面内における膜厚均一性が最も良好（膜厚の面内分布が０％）であることを示し、中央値から大きく又は小さくなるほどウエハＷの面内における膜厚均一性が悪化することを示す。より具体的には、中央値から大きくなるほどウエハＷの中央部の膜厚が周縁部の膜厚よりも厚い凸型の分布であることを示し、中央値から小さくなるほどウエハＷの中央部の膜厚が周縁部の膜厚よりも薄い凹型の分布であることを示す。

【0077】

図１０に示されるように、ガスノズルＢを用いた場合、ウエハ処理位置によらずにウエハＷに形成されたシリコン窒化膜の面内平均膜厚及び面内均一性が略同一であることが分かる。一方、ガスノズルＣを用いた場合、上部側のウエハ処理位置においてウエハＷ上に形成されたシリコン窒化膜の面内平均膜厚が大きくなり、膜厚の面内分布が凹型の分布となって面内均一性が悪化している。

【0078】

従って、内管４４の内部においてガス孔の開口面積を変更すると、原料ガスの流れに偏りが生じると考えられる。

【0079】

（実施例２）
実施例２では、ガスノズルＡ，Ｂ，Ｃを用いてウエハＷ上に厚さが３μｍのシリコン窒化膜を形成したときのガスノズルＡ，Ｂ，Ｃの内壁に付着した分解物（生成物）の厚さをシミュレーションにより算出した。図１１は、ガスノズルの内壁に付着する分解物のシミュレーション結果を示す図である。

【0080】

図１１に示されるように、ガスノズルＡ，Ｂ，Ｃを用いてウエハＷ上に厚さが３μｍのシリコン窒化膜を形成したときのガスノズルＡ，Ｂ，Ｃの内壁に付着した分解物の厚さの最大値は、それぞれ６．３μｍ，７２μｍ，９．３μｍであった。即ち、ガスノズルＡを用いることで、ガスノズルＢ，Ｃを用いるよりもガスノズルの内壁への分解物の付着量を低減できる。

【0081】

（実施例３）
実施例３では、ガスノズルＡ，Ｂ，Ｃを用いて処理容器３４内に原料ガスであるＨＣＤガスを供給したときの各ガス孔でのガス流速をシミュレーションにより算出した。図１２は、ガス孔の位置とガス流速との関係のシミュレーション結果を示す図である。図１２中、横軸はガス孔の位置を示し、縦軸はガス流速（ｓｃｃｍ）を示す。なお、シミュレーションの条件は以下の通りである。

【0082】

＜シミュレーション条件＞
温度：６３０℃
ＨＣＤガスの流速：３００ｓｃｃｍ
内管４４内の圧力：１３３Ｐａ

【0083】

図１２に示されるように、ガスノズルＢを用いた場合、内管４４の内部においてガス流速が大きく変化する領域は認められない。一方、ガスノズルＣを用いた場合、内管４４の内部の上部側においてガス流速が非常に大きい領域が認められる。また、ガスノズルＡを用いた場合、内管４４の外部においてガス流速が非常に大きい領域が認められるが、内管４４の内部においてはガス流速が大きく変化する領域は認められない。

【0084】

従って、ガスノズルＡを用いることで、内管４４の内部におけるガスの流れの偏りを低減できる。

【0085】

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

【0086】

上記の実施形態では、基板が半導体ウエハである場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、基板はガラス基板、ＬＣＤ基板等であってもよい。

【符号の説明】

【0087】

１ 縦型熱処理装置
３４ 処理容器
３８ 基板保持具
４４ 内管
４４Ａ 天井部
４４Ｂ 側壁部
４６ 外管
７６ ガスノズル
７６Ａ ガス孔
７６Ｂ ガス孔
８２ 排気口
８４ 空間部
Ｗ ウエハ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】