基板処理装置
【課題】処理ガスを基板面内に十分拡散させて、面内均一性、面間均一性を向上させることのできる基板処理装置を提供する。
【解決手段】複数の基板２００を積層して収容する処理室２０１と、該処理室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給部２４０ｃと、前記処理室内へ改質ガスを供給する改質ガス供給部２４０ｂと、前記処理室内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給部２４０ａ、２４０ｄと、前記処理室内を排気する排気部２４６と、を備えた基板処理装置において、前記原料ガスと前記改質ガスを互いに混合しないように交互に複数回供給して基板上に膜を形成する際に、前記排気を停止した状態で前記原料ガスを供給する原料ガス供給工程を行い、その後、前記処理室内を調圧しつつ前記排気を再開し、かつ、前記原料ガスの供給を停止した状態で前記不活性ガスを供給する膜厚分布制御工程を行い、さらにその後、前記改質ガスを供給する改質ガス供給工程を行う。
【解決手段】複数の基板２００を積層して収容する処理室２０１と、該処理室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給部２４０ｃと、前記処理室内へ改質ガスを供給する改質ガス供給部２４０ｂと、前記処理室内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給部２４０ａ、２４０ｄと、前記処理室内を排気する排気部２４６と、を備えた基板処理装置において、前記原料ガスと前記改質ガスを互いに混合しないように交互に複数回供給して基板上に膜を形成する際に、前記排気を停止した状態で前記原料ガスを供給する原料ガス供給工程を行い、その後、前記処理室内を調圧しつつ前記排気を再開し、かつ、前記原料ガスの供給を停止した状態で前記不活性ガスを供給する膜厚分布制御工程を行い、さらにその後、前記改質ガスを供給する改質ガス供給工程を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）等の半導体装置（半導体デバイス）の製造において、ＩＣ等が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）等の基板に所望の膜を形成するための、基板処理装置及びＩＣ等の半導体装置の製造方法に関し、特に、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)法を用いた薄膜形成プロセス工程に有用な基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ等の製造工程の１つに、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法やＡＬＤ法を用いて、基板上に所定の薄膜を堆積する成膜工程がある。ＣＶＤ法とは、ガス状の成膜原料の気相及び表面での反応を利用して、成膜原料中の分子に含まれる元素を構成要素とする薄膜を、基板上へ堆積する方法である。ＣＶＤ法の中で、薄膜の堆積が原子層レベルで制御されるものはＡＬＤ法と呼ばれ、従来のＣＶＤ法に比べて、基板温度を低くできることが特徴であり、デバイスパターンの微細化に伴って、ＡＬＤ法の利用が広がってきている。
【０００３】
ＡＬＤ法においては、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）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原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う。
例えば特許文献１には、ＡＬＤ法により、Ｏ３（オゾン）ガスを処理室に供給する工程と、処理室に残留するＯ３ガスを排出する工程と、ＴＤＭＡＳ（ （（ＨＳｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］３）、トリスジメチルアミノシラン）ガスを処理室に供給する工程と、処理室に残留するＴＤＭＡＳガスを排出する工程とを順次、所定回数実行し、ウエハ表面にＳｉＯ２膜を形成する成膜方法が開示されている。
【０００４】
ＴＤＭＡＳガスとＯ３ガスを用いてバッチ式縦型成膜装置によりＳｉＯ２膜を形成する従来のプロセスシーケンスを、図面を用いて説明する。図２に、従来のプロセスシーケンスを実施するバッチ式縦型成膜装置の処理炉の垂直断面図を示す。図１４に、従来のプロセスシーケンスを示す。
図２において、処理炉２０２は、抵抗ヒータ２０７の内側に石英製の反応管２０３を備え、反応管２０３内には、複数のウエハ２００がそれぞれ水平姿勢で垂直方向に多段に積載されたボート２１７が挿入されている。ボート２１７は、シールキャップ２１９の上に、石英キャップ２１８を介して立設されている。処理の均一性を向上するために、ボート２１７はボート回転機構２２７によって回転される。反応管２０３、及びシールキャップ２１９により、基板処理室２０１が形成されている。
【０００５】
また、反応管２０３内には、Ｏ３ガスを供給するノズル２３２とＴＤＭＡＳガスを供給するノズル２３３が立設され、それぞれのノズルは、反応管２０３外のＯ３ガス供給管２３４とＴＤＭＡＳガス供給管２３５に接続されている。Ｏ３ガス供給管２３４とＴＤＭＡＳガス供給管２３５には、それぞれ、不活性ガス供給管２３４ａと不活性ガス供給管２３５ｄが接続されている。
また、反応管２０３下部にはガス排気管２３１が接続され、反応管２０３内のガスは真空ポンプ２４６によって排気される。また、反応管２０３内の圧力は、ＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ２５５により調整される。
【０００６】
図１４の従来のプロセスシーケンスを説明する。
図１４のステップ１において、ＴＤＭＡＳガスの供給が開始される。ＴＤＭＡＳの流量が所定の流量、例えば１(ｇ／ｍｉｎ)に安定するまでの間、ＴＤＭＡＳは処理室２０１内へは供給されず、ガス排気管２３５ｇを経て真空ポンプ２４６により、基板処理装置１０外に排出される。また、処理室２０１内が、ガス供給管２３４ａとガス供給管２３４ｄから供給されるＮ２ガスによってパージされる。ステップ１は６秒間行われる。
ＴＤＭＡＳの流量が所定の流量に達すると、次のステップ２において、ＡＰＣバルブ２５５が閉じられる。ステップ２は１秒間行われる。
【０００７】
次のステップ３において、ＡＰＣバルブ２５５を閉じたままの状態で、処理室２０１内に所定の流量、例えば１(ｇ／ｍｉｎ)のＴＤＭＡＳガスが供給される。このとき、Ｏ３供給ノズル２３２内へＴＤＭＡＳガスが逆流しないように、ガス供給管２３４ａからＮ２ガスが供給される。ステップ３は８秒間行われる。
次のステップ４において、処理室２０１内へのＴＤＭＡＳガスの供給が停止され、また、ＡＰＣバルブ２５５が全開され、処理室２０１内とＴＤＭＡＳガス供給管２３５内とに残留したＴＤＭＡＳガスが、ガス供給管２３４ａやガス供給管２３５ｄから供給されるＮ２ガスによってパージされる。ステップ４は７秒間行われる。
【０００８】
次のステップ５において、処理室２０１内に６．５ｓｌｍ（standard liter／min）の流量でＯ３ガスが供給される。このとき、ＴＤＭＡＳ供給ノズル２３３内へＯ３ガスが逆流しないように、ガス供給管２３５ｄからＮ２ガスを供給する。ステップ５は３０秒間行われる。
次のステップ６において、Ｏ３ガスの供給が停止され、処理室２０１内やガス供給管２３４内に残留したＯ３ガスが、ガス供給管２３４ａとガス供給管２３５ｄから供給されるＮ２ガスによってパージされる。ステップ６は３秒間行われる。
以上のステップ１〜６を１サイクル（５５秒）とし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＯ２膜を成膜する。
【０００９】
従来のプロセスシーケンスを、処理室２０１内温度５５０℃で、ウエハを回転させながら２００サイクル実施したときの膜厚分布データを図１５に示す。また、同条件で、ウエハを回転させないで実施したときの膜厚分布データを図１６に示す。
図１５において、地図における等高線状の線は、ウエハ上において膜厚が等しい点を結んだ等厚線である。図中の矢印は、膜厚の薄い所から厚い所へ向けて記載している。図１５（ａ）は、ボート２１７の上部（ＴＯＰ）に位置するウエハのデータ、図１５（ｂ）は、ボート２１７の上下方向における中央部（ＣＥＮＴＥＲ）に位置するウエハのデータ、図１５（ｃ）は、ボート２１７の下部（ＢＯＴＴＯＭ）に位置するウエハのデータである。また、図１５（ｄ）は、ウエハに対するＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３やＯ３ガス供給ノズル２３２の水平方向における位置を示す。
【００１０】
図１５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ボート２１７のＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲ、ＢＯＴＴＯＭのいずれにおいても、ウエハの外周部の膜厚が厚くなり、また、ＢＯＴＴＯＭの面内均一性が、ＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲよりも悪くなっている。
また、図１５（ｄ）に示されるＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３の近傍で膜厚が厚いことから、ＴＤＭＡＳガスがウエハ内に十分拡散されていないことが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２４６３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、従来のプロセスシーケンスでは、処理ガスを基板内に十分拡散させることができず、面内均一性や面間均一性が十分でないという課題がある。
本発明の目的は、処理ガスを基板内に十分拡散させることができ、面内均一性、又は面間均一性を向上させることのできる基板処理方法や半導体装置の製造方法、あるいは、該基板処理方法や半導体装置の製造方法を実施することのできる基板処理装置や半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の代表的な構成は、次のとおりである。
複数の基板を積層して収容する処理室と、
前記処理室内に設けられた原料ガスノズルから前記処理室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内に設けられた改質ガスノズルから前記処理室内へ改質ガスを供給する改質ガス供給部と、
前記原料ガスノズルに接続され、前記原料ガスノズルから前記処理室内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気部と、
前記原料ガス供給部、改質ガス供給部、不活性ガス供給部、排気部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原料ガスと改質ガスを互いに混合しないように交互に複数回供給して基板上に膜を形成する際に、前記排気部による排気を停止した状態で前記原料ガスノズルから原料ガスを前記処理室内へ供給する原料ガス供給工程を行い、その後、前記原料ガスの供給を停止した状態で前記原料ガスノズルから不活性ガスを前記処理室内へ供給する膜厚分布制御工程を行い、その後、前記改質ガスノズルから前記改質ガスを前記処理室内へ供給する改質ガス供給工程を行うよう制御する制御部である基板処理装置。
【発明の効果】
【００１４】
上記の構成によれば、処理ガスを基板内に拡散させることができ、面内均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置の処理炉の垂直断面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係るプロセスシーケンスを示す図である。
【図４】本発明の第１実施例に係る膜厚分布を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図６】本発明の第１実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図７】本発明の第１実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図８】本発明の第１実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図９】本発明の第１実施例に係るノズル内のガス濃度分布の模式図である。
【図１０】本発明の第２実施例に係る膜厚分布を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図１２】本発明の第２実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図１３】本発明の第２実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図１４】従来のプロセスシーケンスを示す図である。
【図１５】従来のプロセスシーケンスに係る膜厚分布を示す図である。
【図１６】従来のプロセスシーケンスに係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の１実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の１実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置を示す斜視図である。図２は、本発明の１実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置の処理炉の垂直断面図である。
［基板処理装置の概略］
まず、図１、図２を参照して、本実施形態に係る基板処理装置１０を概略的に説明する。図１に示すように、基板処理装置１０の筐体１０１内部の前面側には、カセットステージ１０５が設けられている。カセットステージ１０５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。カセットステージ１０５の後方には、カセット搬送機１１５が設けられている。カセット搬送機１１５の後方には、カセット１００を保管するためのカセット棚１０９が設けられる。また、カセットステージ１０５の上方には、カセット１００を保管するための予備カセット棚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が設けられている。クリーンユニット１１８は、クリーンエアを筐体１０１の内部を流通させる。
【００１７】
筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下方には、ボートエレベータ１２１が設けられている。ボートエレベータ１２１は、ウエハ２００を搭載したボート２１７を、処理炉２０２の内と外の間で昇降させる。ボート２１７は、ウエハ２００を水平姿勢で多段に積層して保持する基板保持具である。ボートエレベータ１２１には、処理炉２０２の下端を塞ぐための蓋体としてのシールキャップ２１９が取り付けられている。シールキャップ２１９は、ボート２１７を垂直に支持する。
ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には、ウエハ２００を搬送するウエハ移載機１１２が設けられている。ボートエレベータ１２１の横には、処理炉２０２の下端を気密に閉塞するための炉口シャッタ１１６が設けられている。炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が処理炉２０２の外にあるときに、処理炉２０２の下端を閉塞することができる。
【００１８】
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に搬入される。さらに、カセット１００は、カセット搬送機１１５により、カセットステージ１０５からカセット棚１０９または予備カセット棚１１０に搬送される。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がある。ボート２１７に対してウエハ２００が移載されるカセット１００は、カセット搬送機１１５により移載棚１２３に移載される。カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２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。
【００１９】
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内に挿入され、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に加熱等の処理がなされる。
ウエハ２００の処理が完了すると、上記した動作の逆の手順により、ウエハ２００は、ウエハ移載機１１２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、カセット搬送機１１５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。
ボート２１７が降下状態において、炉口シャッタ１１６は、処理炉２０２の下端を気密に閉塞し、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。
【００２０】
［処理炉］
図２に示されているように、本実施形態に係る基板処理装置１０は、処理炉２０２を備えており、処理炉２０２は、石英製の反応管２０３を備えている。反応管２０３は、基板（本例ではウエハ２００）を収容し、加熱処理する反応容器である。反応管２０３は、加熱部（本例では抵抗ヒータ２０７）の内側に設けられている。反応管２０３は、その下端開口をシールキャップ２１９により、気密部材（本例ではＯリング２２０）を介して気密に閉塞される。
ヒータ２０７、反応管２０３およびシールキャップ２１９により、処理炉２０２が形成されている。また、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により、基板処理室２０１が形成されている。シールキャップ２１９の上には、基板保持部材（ボート２１７）が、石英キャップ２１８を介して立設されている。石英キャップ２１８は、ボート２１７を保持する保持体である。ボート２１７は、処理炉２０２内に、処理炉２０２の下端開口から挿入される。ボート２１７には、バッチ処理される複数のウエハ２００が、それぞれ水平姿勢で管軸方向（垂直方向）に多段に積載される。ヒータ２０７は、処理炉２０２に挿入されたウエハ２００を、所定の温度に加熱する。
【００２１】
［ガス供給系］
図２に示すように、本実施形態においては、処理室２０１へは複数種類、ここでは２種類の処理ガスが供給される。処理室２０１へ供給される２種類の処理ガスは、Ｏ（酸素）を含む第１の処理ガスであるＯ３（オゾンガス）と、Ｓｉ（珪素）を含む第２の処理ガスとして用いられるＴＤＭＡＳガスである。
ＴＤＭＡＳガスは、シリコン酸化膜の原料となるＳｉの他、炭素（Ｃ）や水素（Ｈ）等の不純物を含む原料ガスであり、Ｏ３ガスは後述するように、ウエハ上に吸着したＴＤＭＡＳガス分子を改質して、すなわち、ＴＤＭＡＳガス分子中のＣやＨを除去して、不純物の少ないシリコン酸化膜を形成するための改質ガスである。
Ｏ３は、反応管２０３内に設けられた第１のノズル２３２によって処理室２０１内に供給され、ＴＤＭＡＳは、反応管２０３内に設けられた第２のノズル２３３によって処理室２０１内に供給される。第１のノズル２３２は、改質ガスを処理室２０１内に供給する改質ガスノズルであり、第２のノズル２３３は、原料ガスを処理室２０１内に供給する原料ガスノズルである。
【００２２】
第１のノズル２３２は、反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向にそって配置されており、第１の処理ガスを供給する複数の供給孔、あるいは縦長のスリット（不図示）が形成されている。また、第１のノズル２３２には、反応管２０３の下部において、第１の処理ガス供給管２３４が接続されている。
第２のノズル２３３は、例えば第１のノズル２３２と隣接するように、反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００に積載方向にそって配置されており、第２の処理ガスを供給する複数の供給孔、あるいは縦長のスリット（不図示）が形成されている。第２のノズル２３３には、反応管２０３の下部において、第２の処理ガス供給管２３５が接続されている。
【００２３】
第１の処理ガス供給管２３４は、ガス供給管２３４ａとガス供給管２３４ｂに分岐している。ガス供給管２３４ｂには、上流側から順に、第１の処理ガス供給源としてのオゾン発生装置（オゾナイザ）２４０ｂと、流量制御装置として用いられるマスフローコントローラ２４１ｂと、開閉装置として用いられる開閉バルブ２４２ｂとが設けられていて、オゾナイザ２４０ｂで発生したＯ３が、マスフローコントローラ２４１ｂ、及びバルブ２４２ｂを介して、第１のノズル２３２に供給される。
【００２４】
また、ガス供給管２３４ｂの、オゾン発生装置２４０ｂとマスフローコントローラ２４１ｂとの間の位置には、ガス排気管２３４ｃが接続されている。ガス排気管２３４ｃには、上流側から順に、バルブ２４２ｅとオゾンキラー２４３が設けられている。オゾンキラー２４３の触媒作用によりＯ３が酸素（Ｏ２）になって無害化され、処理装置１０外へ排気されるようになっている。
第１のノズル２３２、第１の処理ガス供給管２３４、ガス供給管２３４ｂ、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４２ｂ、オゾン発生装置２４０ｂ等から、改質ガス供給部である第１の処理ガス供給部が構成される。
【００２５】
また、第１の処理ガス供給管２３４の、バルブ２４２ｂと処理室２０１との間の位置には、ガス供給管２３４ａが接続されている。ガス供給管２３４ａには、上流側から順に、不活性ガス供給源２４０ａと、マスフローコントローラ２４１ａと、バルブ２４２ａとが設けられていて、マスフローコントローラ２４１ａとバルブ２４２ａとを介して、処理室２０１内に、例えば、処理ガスを希釈、あるいは運ぶためのキャリアガスや、処理室２０１内に残留した処理ガス等を排出するためのパージガスとして用いられる不活性ガスであるＮ２（窒素）ガスが供給される。
第１のノズル２３２、第１の処理ガス供給管２３４、ガス供給管２３４ａ、バルブ２４２ａ、マスフローコントローラ２４１ａ、不活性ガス供給源２４０ａ等から、第１の不活性ガス供給部が構成される。
【００２６】
第２の処理ガス供給管２３５は、ガス供給管２３５ｃとガス供給管２３５ｄに分岐している。ガス供給管２３５ｃには、上流側から順に、第２の処理ガス供給源２４０ｃと、バルブ２４２ｆと、気化器２４４と、マスフローコントローラ２４１ｃと、バルブ２４２ｃとが設けられている。気化器２４４は、液体を気化させるもので、液体のＴＤＭＡＳが、バルブ２４２ｆを介して気化器２４４に供給され、気化器２４４で気化され、マスフローコントローラ２４１ｃとバルブ２４２ｃを介して第２のノズル２３３に供給される。
【００２７】
また、ガス供給管２３５ｃのマスフローコントローラ２４１ｃとバルブ２４２ｃとの間の位置には、ガス排気管２３５ｇが接続されている。ガス排気管２３５ｇは、バルブ２４２ｇを介して、後述するガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２５５と真空ポンプ２４６との間の位置に接続されている。したがって、バルブ２４２ｃを閉じて、バルブ２４２ｆとバルブ２４２ｇを開けた状態では、ＴＤＭＡＳガスは、第２のノズル２３３に流れずに、真空ポンプ２４６から排気される。
第２のノズル２３３、第２の処理ガス供給管２３５、ガス供給管２３５ｃ、マスフローコントローラ２４１ｃ、バルブ２４２ｃ、気化器２４４、バルブ２４２ｆ、第２の処理ガス供給源２４０ｃ等から、原料ガス供給部である第２の処理ガス供給部が構成される。
【００２８】
また、ガス供給管２３５ｃのバルブ２４２ｃと処理室２０１との間の位置には、ガス供給管２３５ｄが接続されている。ガス供給管２３５ｄには、上流側から順に、不活性ガス供給源２４０ｄと、マスフローコントローラ２４１ｄと、バルブ２４２ｄとが設けられていて、不活性ガスであるＮ２ガスが、マスフローコントローラ２４１ｄとバルブ２４２ｄとを介して第２の処理ガス供給管２３５に供給される。
なお、上記の例では、不活性ガス供給源２４０ｄを不活性ガス供給源２４０ａと別に設けているが、不活性ガス供給源２４０ａと共用してもかまわない。
第２のノズル２３３、第２の処理ガス供給管２３５、ガス供給管２３５ｄ、マスフローコントローラ２４１ｄ、バルブ２４２ｄ、不活性ガス供給源２４０ｄ等から、第２の不活性ガス供給部が構成される。
第１の不活性ガス供給部と第２の不活性ガス供給部から、不活性ガス供給部が構成される。
【００２９】
［ボート］
反応管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が設けられており、このボート２１７はボートエレベータ１２１（図１参照）により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート２１７を回転するための回転装置（回転手段）であるボート回転機構２２７が設けてあり、このボート回転機構２２７によって石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。
【００３０】
［排気部］
基板処理室２０１には、基板処理室２０１内のガスを排気するガス排気管２３１の一端が接続されている。ガス排気管２３１の他端は、真空ポンプ２４６（排気装置）にＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ２５５を介して接続されている。基板処理室２０１内は、真空ポンプ２４６によって排気される。
なお、ＡＰＣバルブ２５５は、弁の開閉により基板処理室２０１の排気および排気停止を行なうことができる開閉弁であり、かつまた、弁開度の調節により基板処理室２０１内の圧力を調整することができる圧力調整弁である。
ガス排気管２３１、真空ポンプ２４６、ＡＰＣバルブ２５５等により、基板処理室２０１内の雰囲気を排気する排気部が構成される。
【００３１】
［制御部］
コントローラ２８０（制御部）は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄ、開閉バルブ２４２ａ、２４２ｂ、２４２ｃ、２４２ｄ、２４２ｅ、２４２ｆ、２４２ｇ、ＡＰＣバルブ２５５、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２２７、ボートエレベータ１２１等、基板処理装置１０の各構成部に電気的に接続されている。
コントローラ２８０は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄの流量調整、開閉バルブ２４２ａ、２４２ｂ、２４２ｃ、２４２ｄ、２４２ｅ、２４２ｆ、２４２ｇの開閉動作、ＡＰＣバルブ２５５の開閉および圧力調整動作、ヒータ２０７の温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２２７の回転速度調節、ボートエレベータ１２１の昇降動作制御等、基板処理装置１０の各構成部の制御を行い、また、基板処理装置１０のプロセスシーケンスの制御を行う。
【００３２】
以上のように構成された基板処理装置１０において、ボート２１７に積載したウエハ２００の表面上つまり基板表面上に、半導体デバイスの製造工程の一つである、ＡＬＤ法による成膜がなされる。ＡＬＤ法によれば、例えばシリコン酸化膜であるＳｉＯ２（二酸化珪素）膜形成の場合、ＴＤＭＡＳとＯ３を用いて、３００℃〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。（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、処理を２０サイクル行う。）
【００３３】
［第１実施例］
ＡＬＤ法により、ＴＤＭＡＳ及びＯ３ガスを用いてＳｉＯ２膜を成膜する第１実施例を、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第１実施例に係るプロセスシーケンスを示す図である。図１４の従来のプロセスシーケンスと異なる点は、ステップ３Ａを追加したことであり、他の点は従来のプロセスシーケンスと同じである。図３において、３１は、マスフローコントローラ２４１ｃによって制御されてガス供給管２３５ｃ又はガス排気管２３５ｇへ供給されるＴＤＭＡＳの流量を示し、３２は、マスフローコントローラ２４１ｄによって制御されて第２の処理ガス供給管２３５へ供給されるＮ２ガスの流量を示し、３３は、マスフローコントローラ２４１ｂによって制御されて第１の処理ガス供給管２３４へ供給されるＯ３ガスの流量を示し、３４は、マスフローコントローラ２４１ａによって制御されて第１の処理ガス供給管２３４へ供給されるＮ２ガスの流量を示し、３５は、処理室２０１内の圧力を示し、３６は、ＡＰＣバルブ２５５の開閉状態を示している。
【００３４】
まず、成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理室２０１に搬入する。搬入後、ヒータ２０７により、ウエハ２００を所定の温度、例えば５５０℃に昇温した後、次の７つのステップを順次実行する。
【００３５】
［ステップ１］
ステップ１において、バルブ２４２ｆ、２４２ｇが開放され、液体のＴＤＭＡＳが気化器２４４で気化され、ＴＤＭＡＳガスの供給が開始される。ＴＤＭＡＳの流量が所定の流量、例えば１(ｇ／ｍｉｎ)に安定するまでの間、ＴＤＭＡＳは処理室２０１内へは供給されず、ガス排気管２３５ｇを経て真空ポンプ２４６により、基板処理装置１０外に排出される。
また、第１の処理ガス供給源（オゾナイザ）２４０ｂで生成されたＯ３は、ガス排気管２３４ｃからオゾンキラー２４３により無害化され、処理装置１０外へ排出される。
また、処理室２０１内が、ガス供給管２３４ａから供給されるＮ２ガスと、ガス供給管２３４ｄから供給されるＮ２ガスとによってパージされる。ガス供給管２３４ａ、２３４ｄを介して供給されるＮ２ガスの流量は、本例では、それぞれ０．３ｓｌｍである。
ステップ１では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇ、及びＡＰＣバルブ２５５を開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御し、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｃ、２４１ｄを所定の流量に設定している。ステップ１は、本例では６秒間行われる。
【００３６】
［ステップ２］
ＴＤＭＡＳの流量が所定の流量に達すると、次のステップ２において、コントローラ２８０によってＡＰＣバルブ２５５が閉じられる。このとき、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇは、開かれた状態が保たれる。ステップ２は、本例では１秒間行われる。
【００３７】
［ステップ３］
次のステップ３において、ＡＰＣバルブ２５５を閉じたままの状態で、バルブ２４２ｇが閉じられるとともにバルブ２４２ｃが開かれ、処理室２０１内に所定の流量、例えば１(ｇ／ｍｉｎ)のＴＤＭＡＳガスが第２の処理ガス供給管２３５から供給される。このとき、キャリアガスとして、ガス供給管２３５ｄからＮ２ガスが供給される。また、第１のノズル２３２内へＴＤＭＡＳガスが逆流しないように、ガス供給管２３４ａからＮ２ガスが供給される。ステップ３では、処理室２０１内の圧力は約１２００Ｐａに、温度は５５０℃に制御される。このようにして、ウエハ２００の表面上に、シリコンを含む原料ガスであるＴＤＭＡＳガス分子が吸着される。
ステップ３では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｃ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆを開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ３は、原料ガス供給工程であり、本例では８秒間行われる。
【００３８】
［ステップ３Ａ］
次のステップ３Ａにおいて、バルブ２４２ｃが閉じられるとともにバルブ２４２ｇが開かれ、第２の処理ガス供給管２３５から処理室２０１内へのＴＤＭＡＳガスの供給が停止され、ＴＤＭＡＳガスはガス排気管２３５ｇから排気される。このとき、ガス供給管２３５ｄからＮ２ガスを流し続け、ノズル２３３内に残留しているＴＤＭＡＳガスを処理室２０１内へ押し出す。また、ステップ３Ａでは、ＡＰＣバルブ２５５は閉じられている状態に近いが、ＡＰＣバルブ２５５の開度調整により、処理室２０１内のガスは真空ポンプ２４６によって少しずつ排気され、処理室２０１内の圧力は、ステップ３と同程度か、又はステップ３より少し高い約１２００Ｐａに制御される。
このように、Ｎ２ガスにより、ノズル２３３内に残留しているＴＤＭＡＳガスを処理室２０１内へ押し出すことで、より多くのＴＤＭＡＳガスをノズル２３３から遠いウエハ２００上へ供給することができ、ウエハ２００上におけるノズル２３３に近い位置の膜厚とノズル２３３から遠い位置の膜厚の差を抑制することができ、ウエハ２００の面内均一性を向上することができる。
また、処理室２０１内のガスを真空ポンプ２４６によって少しずつ排気することで、より多くのＴＤＭＡＳガスをノズル２３３から遠いウエハ２００上へ供給することができ、ウエハ２００上におけるノズル２３３に近い位置の膜厚とノズル２３３から遠い位置の膜厚の差を抑制することができ、ウエハ２００面内均一性を向上することができる。
ステップ３Ａにおいては、処理室２０１内の圧力は、ステップ３と略同程度に維持されるので、処理ガスを基板内にうまく拡散させることができる。仮に、処理室２０１内の圧力を、次のステップ４と同様に低圧にした場合は、ＴＤＭＡＳガスがウエハ表面に十分吸着することなく通過してしまうので、ノズル２３３から遠い位置の膜厚を増加させることができない。
ステップ３Ａでは、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４３ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇを開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ３Ａは、膜厚分布制御工程であり、本例では４０秒間行われる。
【００３９】
［ステップ４］
次のステップ４において、ＡＰＣバルブ２５５が全開され、処理室２０１内と第２の処理ガス供給管２３５内とに残留したＴＤＭＡＳガスが、ガス供給管２３４ａから供給されるＮ２ガスと、ガス供給管２３５ｄによって供給されるＮ２ガスとによって、ガス排気管２３１から処理室２０１外へ排出（パージ）される。このとき、処理室２０１内の圧力は、少なくとも３０Ｐａ以下となる。
ステップ４では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇ、及びＡＰＣバルブ２５５を開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ４は、本例では７秒間行われる。
【００４０】
［ステップ５］
次のステップ５において、バルブ２４２ｅが閉じられるとともにバルブ２４２ｂが開かれ、第１の処理ガス供給管２３４から処理室２０１内に６．５ｓｌｍ（standard liter／min）の流量でＯ３ガスが供給される。このとき、バルブ２４２ａが閉じられて、ガス供給管２３４ａからのＮ２ガスの供給は停止する。ガス供給管２３４ａからのＮ２ガスを停止する理由は、Ｏ３ガスの濃度を低下させないためである。また、第２のノズル２３３内へＯ３ガスが逆流しないように、ガス供給管２３５ｄからＮ２ガスを供給する。ステップ５では、処理室２０１内の圧力は約７０Ｐａに、温度は５５０℃に制御される。このようにして、改質ガスであるＯ３ガスにより、ステップ３でウエハ上に吸着したＴＤＭＡＳガス分子が改質、すなわち、ＴＤＭＡＳガス分子中の炭素（Ｃ）や水素（Ｈ）が除去され、シリコン酸化膜が形成される。
ステップ５では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ｂ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇ、及びＡＰＣバルブ２５５を開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ５は、改質ガス供給工程であり、本例では３０秒間行われる。
【００４１】
［ステップ６］
次のステップ６において、バルブ２４２ｂが閉じられるとともにバルブ２４２ａとバルブ２４２ｅが開かれ、第１の処理ガス供給管２３４からのＯ３ガスの供給が停止され、処理室２０１内に残留したＯ３ガスと、第１の処理ガス供給管２３４内に残留したＯ３ガスとが、ガス供給管２３４ａとガス供給管２３５ｄから供給されるＮ２ガスによって、ガス排気管２３１から処理室２０１外へ排出（パージ）される。
ステップ６では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇ、及びＡＰＣバルブ２５５を開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ６は、本例では３秒間行われる。
以上で説明をしたステップ１〜３、３Ａ、４〜６の７つのステップを１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＯ２膜を成膜する。
【００４２】
第１実施例のプロセスシーケンスを、ウエハを回転させながら５４サイクル実施したときの膜厚分布データを図４に示す。また、ウエハを回転させないで実施したときの膜厚分布参考データを図５〜７に示す。図５〜７は、ウエハを回転させないで、ステップ３Ａの時間を、それぞれ５秒、２０秒、４０秒としたときのデータで、他の条件は図４と同条件である。図４〜７の矢印や等厚線等の見方は、前述の図１５の見方と同様である。また、ウエハに対するＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３やＯ３ガス供給ノズル２３２の水平方向における位置は、図１５（ｄ）と同様である。
図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ボート２１７のＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲ、ＢＯＴＴＯＭのいずれにおいても、従来のプロセスシーケンスのデータである図１５（ａ）〜（ｃ）よりも、膜厚の面内均一性が向上しているが、ＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲ、ＢＯＴＴＯＭ間の膜厚の面間均一性が悪化している。
【００４３】
ここで、図５〜７を参照すると、ステップ３Ａの時間が長くなるにつれて、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３と反対側の位置の膜厚が厚くなっている。このことから、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３内のＴＤＭＡＳガスは、ステップ３Ａの時間が長くなるほど、処理室２０１内へ押し出され、その結果、膜厚の面内均一性が向上したものと考えられる。
また、図５〜７を参照すると、ステップ３Ａの時間が長くなるにつれて、ＴＯＰとＢＯＴＴＯＭの膜厚平均値の差が大きくなっている。この様子を図８に示す。図８において、８１はステップ３Ａの時間が５秒の場合（図５）、８２はステップ３Ａの時間が２０秒の場合（図６）、８３はステップ３Ａの時間が４０秒の場合（図７）の膜厚平均値である。
ステップ３Ａの時間が長くなるにつれて、ＴＯＰとＢＯＴＴＯＭの膜厚平均値の差が大きくなる理由は、次のように考えられる。図９は、本発明の第１実施例に係るノズル内のガス濃度分布の模式図であり、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）は、それぞれ、ステップ３Ａの時間を５秒、２０秒、４０秒としたときの、ＴＤＭＡＳガスとＮ２ガスのガス濃度分布の模式図である。時間経過とともに、ノズル内に残留するＴＤＭＡＳガスがＮ２ガスに押し出されて置換されていくが、ＴＯＰ位置に近いほど置換されるまでの時間がかかるため、ＴＯＰ位置に近いウエハ上へのＴＤＭＡＳガスの照射量が多くなると考えられる。そこで、ノズル内におけるＮ２ガスへの置換時間を短くするため、ステップ３Ａにおいて、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させる第２実施例を考えた。
【００４４】
［第２実施例］
第２実施例は、ステップ３Ａにおいて、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させ、１．３ｓｌｍとしたものである。その他の条件は、第１実施例と同様なので、説明を省略する。
第２実施例のプロセスシーケンスを、ウエハを回転させながら５４サイクル実施したときの膜厚分布データを図１０に示す。また、ウエハを回転させないで実施したときの膜厚分布参考データを図１１〜１３に示す。図１１〜１３は、ウエハを回転させないで、ステップ３Ａの時間を、それぞれ５秒、２０秒、４０秒としたときのデータで、他の条件は図１０と同条件である。図１０〜１３の矢印や等厚線等の見方は、前述の図１５の見方と同様である。また、ウエハに対するＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３やＯ３ガス供給ノズル２３２の水平方向における位置は、図１５（ｄ）と同様である。
【００４５】
図１１〜１３と図５〜７の面間均一性を比べると、例えば図５の０．８１％から図１１の０．１０％といったように、図１１〜１３の面間均一性が改善されている。これは、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させ、Ｎ２ガスへの置換を早くすることにより、ボート２１７のＴＯＰとＢＯＴＴＯＭへのＴＤＭＡＳガスの照射量の差が小さくなったためと考えられる。
また、ウエハを回転させた図１０と図４を比較すると、図１０の方が、ウエハ中心の膜厚が周辺より厚くなる凸分布になることが分かる。これは、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させることにより、図４に比べて、ウエハ表面上においてＴＤＭＡＳガスがＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３からより下流へ押し流され、ウエハ中心付近まで流されたものと考えられる。このときのＮ２ガス総体積（Ｎ２ガス流量×押し出し時間×温度×圧力）は、１４４Ｌ（リットル）であり、反応管容積２００Ｌの約５０％以上を占めている。ここで反応管容積とは、基板処理室２０１の容積つまり反応管２０３とシールキャップ２１９とで囲まれた空間から、ボート２１７、石英キャップ２１８、ノズル２３２やノズル２３３の容積を差し引いたものである。
このように、ウエハ面内の膜厚分布を、ウエハ中心が周辺より薄い凹分布からウエハ中心が厚い凸分布に変えるには、Ｎ２ガス総体積が反応管容積の５０％以上必要である。
【００４６】
以上の第１実施例、第２実施例の結果をまとめると、ステップ３Ａの時間を長くすると、ウエハ面内の膜厚はより凸分布となり、ウエハ面間では、ボート２１７のＴＯＰに近いほど、膜厚が厚くなる。また、ステップ３Ａにおいて、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させると、ウエハ面内の膜厚はより凸分布となり、ウエハ面間の膜厚均一性が向上する。
したがって、ステップ３Ａの時間とＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を調整することにより、ウエハ上に形成される膜厚の面内均一性と面間均一性を制御することができる。
【００４７】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。例えば、縦型装置だけでなく横型装置にも適用できる。
また、前記実施例においては、ウエハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
【００４８】
本明細書には、次の発明が含まれる。すなわち、第１の発明は、
複数の基板を積層して収容する処理室と、
前記処理室内に設けられた原料ガスノズルから前記処理室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内に設けられた改質ガスノズルから前記処理室内へ改質ガスを供給する改質ガス供給部と、
前記原料ガスノズルに接続され、前記原料ガスノズルから前記処理室内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気部と、
前記原料ガス供給部、改質ガス供給部、不活性ガス供給部、排気部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原料ガスと改質ガスを互いに混合しないように交互に複数回供給して基板上に膜を形成する際に、前記排気部による排気を停止した状態で前記原料ガスノズルから原料ガスを前記処理室内へ供給する原料ガス供給工程を行い、その後、前記原料ガスの供給を停止した状態で前記原料ガスノズルから不活性ガスを前記処理室内へ供給する膜厚分布制御工程を行い、その後、前記改質ガスノズルから前記改質ガスを前記処理室内へ供給する改質ガス供給工程を行うよう制御する制御部である基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、処理ガスを基板内に拡散させることができ、面内均一性を向上させることができる。
【００４９】
第２の発明は、前記第１の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程における前記処理室内の圧力が、前記原料ガス供給工程における前記処理室内の圧力と略同等となるよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、処理ガスを基板内に拡散させることが容易となり、面内均一性を向上させることが容易となる。
【００５０】
第３の発明は、前記第２の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程において、前記排気部が前記処理室内の雰囲気を排気するよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、処理ガスを基板内に拡散させることがさらに容易となる。
【００５１】
第４の発明は、前記第１の発明ないし第３の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程と前記改質ガス供給工程の間において、前記原料ガスノズルから不活性ガスを供給する不活性ガス供給工程を行い、前記膜厚分布制御工程における前記処理室内の圧力が、不活性ガス供給工程における前記処理室内の圧力よりも高くなるよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、膜厚分布制御工程において処理ガスを基板内に拡散させることが容易となる。
【００５２】
第５の発明は、前記第１の発明ないし第４の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程における不活性ガス流量と前記膜厚分布制御工程の処理時間を制御することにより、基板上に形成される膜の面内均一性、又は面間均一性、あるいはその両者を制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、基板上に形成される膜の面内均一性、又は面間均一性を向上することが容易になる。
【００５３】
第６の発明は、前記第１の発明ないし第５の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程において、不活性ガス総体積（不活性ガス流量×押し出し時間）を基板処理室容積の５０％以上とすることにより、基板面内の膜厚分布を、基板中心が周辺より薄い凹分布から基板中心が周辺より厚い凸分布に変えるよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、基板面内の膜厚分布を凸分布とすることが容易になる。
【符号の説明】
【００５４】
１０…基板処理装置、２００…ウエハ、２０１…基板処理室、２０２…処理炉、２０３…反応管、２０７…ヒータ、２１７…ボート、２１８…石英キャップ、２１９…シールキャップ、２２０…Ｏリング、２２７…ボート回転機構、２３１…ガス排気管、２３２…第１のノズル、２３３…第２のノズル、２３４…第１の処理ガス供給管、２３４ａ…ガス供給管、２３４ｂ…ガス供給管、２３４ｃ…ガス排気管、２３５…第２の処理ガス供給管、２３５ｃ…ガス供給管、２３５ｄ…ガス供給管、２３５ｇ…ガス排気管、２４０ａ…不活性ガス供給源、２４０ｂ…第１の処理ガス供給源、２４０ｃ…第２の処理ガス供給源、２４０ｄ…不活性ガス供給源、２４１ａ〜ｄ…マスフローコントローラ、２４２ａ〜ｇ…開閉バルブ、２４３…オゾンキラー、２４４…気化器、２４６…真空ポンプ、２５５…ＡＰＣバルブ、２８０…コントローラ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）等の半導体装置（半導体デバイス）の製造において、ＩＣ等が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）等の基板に所望の膜を形成するための、基板処理装置及びＩＣ等の半導体装置の製造方法に関し、特に、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)法を用いた薄膜形成プロセス工程に有用な基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ等の製造工程の１つに、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法やＡＬＤ法を用いて、基板上に所定の薄膜を堆積する成膜工程がある。ＣＶＤ法とは、ガス状の成膜原料の気相及び表面での反応を利用して、成膜原料中の分子に含まれる元素を構成要素とする薄膜を、基板上へ堆積する方法である。ＣＶＤ法の中で、薄膜の堆積が原子層レベルで制御されるものはＡＬＤ法と呼ばれ、従来のＣＶＤ法に比べて、基板温度を低くできることが特徴であり、デバイスパターンの微細化に伴って、ＡＬＤ法の利用が広がってきている。
【０００３】
ＡＬＤ法においては、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）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原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う。
例えば特許文献１には、ＡＬＤ法により、Ｏ３（オゾン）ガスを処理室に供給する工程と、処理室に残留するＯ３ガスを排出する工程と、ＴＤＭＡＳ（ （（ＨＳｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］３）、トリスジメチルアミノシラン）ガスを処理室に供給する工程と、処理室に残留するＴＤＭＡＳガスを排出する工程とを順次、所定回数実行し、ウエハ表面にＳｉＯ２膜を形成する成膜方法が開示されている。
【０００４】
ＴＤＭＡＳガスとＯ３ガスを用いてバッチ式縦型成膜装置によりＳｉＯ２膜を形成する従来のプロセスシーケンスを、図面を用いて説明する。図２に、従来のプロセスシーケンスを実施するバッチ式縦型成膜装置の処理炉の垂直断面図を示す。図１４に、従来のプロセスシーケンスを示す。
図２において、処理炉２０２は、抵抗ヒータ２０７の内側に石英製の反応管２０３を備え、反応管２０３内には、複数のウエハ２００がそれぞれ水平姿勢で垂直方向に多段に積載されたボート２１７が挿入されている。ボート２１７は、シールキャップ２１９の上に、石英キャップ２１８を介して立設されている。処理の均一性を向上するために、ボート２１７はボート回転機構２２７によって回転される。反応管２０３、及びシールキャップ２１９により、基板処理室２０１が形成されている。
【０００５】
また、反応管２０３内には、Ｏ３ガスを供給するノズル２３２とＴＤＭＡＳガスを供給するノズル２３３が立設され、それぞれのノズルは、反応管２０３外のＯ３ガス供給管２３４とＴＤＭＡＳガス供給管２３５に接続されている。Ｏ３ガス供給管２３４とＴＤＭＡＳガス供給管２３５には、それぞれ、不活性ガス供給管２３４ａと不活性ガス供給管２３５ｄが接続されている。
また、反応管２０３下部にはガス排気管２３１が接続され、反応管２０３内のガスは真空ポンプ２４６によって排気される。また、反応管２０３内の圧力は、ＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ２５５により調整される。
【０００６】
図１４の従来のプロセスシーケンスを説明する。
図１４のステップ１において、ＴＤＭＡＳガスの供給が開始される。ＴＤＭＡＳの流量が所定の流量、例えば１(ｇ／ｍｉｎ)に安定するまでの間、ＴＤＭＡＳは処理室２０１内へは供給されず、ガス排気管２３５ｇを経て真空ポンプ２４６により、基板処理装置１０外に排出される。また、処理室２０１内が、ガス供給管２３４ａとガス供給管２３４ｄから供給されるＮ２ガスによってパージされる。ステップ１は６秒間行われる。
ＴＤＭＡＳの流量が所定の流量に達すると、次のステップ２において、ＡＰＣバルブ２５５が閉じられる。ステップ２は１秒間行われる。
【０００７】
次のステップ３において、ＡＰＣバルブ２５５を閉じたままの状態で、処理室２０１内に所定の流量、例えば１(ｇ／ｍｉｎ)のＴＤＭＡＳガスが供給される。このとき、Ｏ３供給ノズル２３２内へＴＤＭＡＳガスが逆流しないように、ガス供給管２３４ａからＮ２ガスが供給される。ステップ３は８秒間行われる。
次のステップ４において、処理室２０１内へのＴＤＭＡＳガスの供給が停止され、また、ＡＰＣバルブ２５５が全開され、処理室２０１内とＴＤＭＡＳガス供給管２３５内とに残留したＴＤＭＡＳガスが、ガス供給管２３４ａやガス供給管２３５ｄから供給されるＮ２ガスによってパージされる。ステップ４は７秒間行われる。
【０００８】
次のステップ５において、処理室２０１内に６．５ｓｌｍ（standard liter／min）の流量でＯ３ガスが供給される。このとき、ＴＤＭＡＳ供給ノズル２３３内へＯ３ガスが逆流しないように、ガス供給管２３５ｄからＮ２ガスを供給する。ステップ５は３０秒間行われる。
次のステップ６において、Ｏ３ガスの供給が停止され、処理室２０１内やガス供給管２３４内に残留したＯ３ガスが、ガス供給管２３４ａとガス供給管２３５ｄから供給されるＮ２ガスによってパージされる。ステップ６は３秒間行われる。
以上のステップ１〜６を１サイクル（５５秒）とし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＯ２膜を成膜する。
【０００９】
従来のプロセスシーケンスを、処理室２０１内温度５５０℃で、ウエハを回転させながら２００サイクル実施したときの膜厚分布データを図１５に示す。また、同条件で、ウエハを回転させないで実施したときの膜厚分布データを図１６に示す。
図１５において、地図における等高線状の線は、ウエハ上において膜厚が等しい点を結んだ等厚線である。図中の矢印は、膜厚の薄い所から厚い所へ向けて記載している。図１５（ａ）は、ボート２１７の上部（ＴＯＰ）に位置するウエハのデータ、図１５（ｂ）は、ボート２１７の上下方向における中央部（ＣＥＮＴＥＲ）に位置するウエハのデータ、図１５（ｃ）は、ボート２１７の下部（ＢＯＴＴＯＭ）に位置するウエハのデータである。また、図１５（ｄ）は、ウエハに対するＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３やＯ３ガス供給ノズル２３２の水平方向における位置を示す。
【００１０】
図１５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ボート２１７のＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲ、ＢＯＴＴＯＭのいずれにおいても、ウエハの外周部の膜厚が厚くなり、また、ＢＯＴＴＯＭの面内均一性が、ＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲよりも悪くなっている。
また、図１５（ｄ）に示されるＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３の近傍で膜厚が厚いことから、ＴＤＭＡＳガスがウエハ内に十分拡散されていないことが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２４６３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、従来のプロセスシーケンスでは、処理ガスを基板内に十分拡散させることができず、面内均一性や面間均一性が十分でないという課題がある。
本発明の目的は、処理ガスを基板内に十分拡散させることができ、面内均一性、又は面間均一性を向上させることのできる基板処理方法や半導体装置の製造方法、あるいは、該基板処理方法や半導体装置の製造方法を実施することのできる基板処理装置や半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の代表的な構成は、次のとおりである。
複数の基板を積層して収容する処理室と、
前記処理室内に設けられた原料ガスノズルから前記処理室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内に設けられた改質ガスノズルから前記処理室内へ改質ガスを供給する改質ガス供給部と、
前記原料ガスノズルに接続され、前記原料ガスノズルから前記処理室内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気部と、
前記原料ガス供給部、改質ガス供給部、不活性ガス供給部、排気部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原料ガスと改質ガスを互いに混合しないように交互に複数回供給して基板上に膜を形成する際に、前記排気部による排気を停止した状態で前記原料ガスノズルから原料ガスを前記処理室内へ供給する原料ガス供給工程を行い、その後、前記原料ガスの供給を停止した状態で前記原料ガスノズルから不活性ガスを前記処理室内へ供給する膜厚分布制御工程を行い、その後、前記改質ガスノズルから前記改質ガスを前記処理室内へ供給する改質ガス供給工程を行うよう制御する制御部である基板処理装置。
【発明の効果】
【００１４】
上記の構成によれば、処理ガスを基板内に拡散させることができ、面内均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置の処理炉の垂直断面図である。
【図３】本発明の第１実施例に係るプロセスシーケンスを示す図である。
【図４】本発明の第１実施例に係る膜厚分布を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図６】本発明の第１実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図７】本発明の第１実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図８】本発明の第１実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図９】本発明の第１実施例に係るノズル内のガス濃度分布の模式図である。
【図１０】本発明の第２実施例に係る膜厚分布を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図１２】本発明の第２実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図１３】本発明の第２実施例に係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【図１４】従来のプロセスシーケンスを示す図である。
【図１５】従来のプロセスシーケンスに係る膜厚分布を示す図である。
【図１６】従来のプロセスシーケンスに係る膜厚分布の参考データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の１実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の１実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置を示す斜視図である。図２は、本発明の１実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置の処理炉の垂直断面図である。
［基板処理装置の概略］
まず、図１、図２を参照して、本実施形態に係る基板処理装置１０を概略的に説明する。図１に示すように、基板処理装置１０の筐体１０１内部の前面側には、カセットステージ１０５が設けられている。カセットステージ１０５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。カセットステージ１０５の後方には、カセット搬送機１１５が設けられている。カセット搬送機１１５の後方には、カセット１００を保管するためのカセット棚１０９が設けられる。また、カセットステージ１０５の上方には、カセット１００を保管するための予備カセット棚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が設けられている。クリーンユニット１１８は、クリーンエアを筐体１０１の内部を流通させる。
【００１７】
筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下方には、ボートエレベータ１２１が設けられている。ボートエレベータ１２１は、ウエハ２００を搭載したボート２１７を、処理炉２０２の内と外の間で昇降させる。ボート２１７は、ウエハ２００を水平姿勢で多段に積層して保持する基板保持具である。ボートエレベータ１２１には、処理炉２０２の下端を塞ぐための蓋体としてのシールキャップ２１９が取り付けられている。シールキャップ２１９は、ボート２１７を垂直に支持する。
ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には、ウエハ２００を搬送するウエハ移載機１１２が設けられている。ボートエレベータ１２１の横には、処理炉２０２の下端を気密に閉塞するための炉口シャッタ１１６が設けられている。炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が処理炉２０２の外にあるときに、処理炉２０２の下端を閉塞することができる。
【００１８】
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に搬入される。さらに、カセット１００は、カセット搬送機１１５により、カセットステージ１０５からカセット棚１０９または予備カセット棚１１０に搬送される。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がある。ボート２１７に対してウエハ２００が移載されるカセット１００は、カセット搬送機１１５により移載棚１２３に移載される。カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２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。
【００１９】
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内に挿入され、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に加熱等の処理がなされる。
ウエハ２００の処理が完了すると、上記した動作の逆の手順により、ウエハ２００は、ウエハ移載機１１２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、カセット搬送機１１５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。
ボート２１７が降下状態において、炉口シャッタ１１６は、処理炉２０２の下端を気密に閉塞し、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。
【００２０】
［処理炉］
図２に示されているように、本実施形態に係る基板処理装置１０は、処理炉２０２を備えており、処理炉２０２は、石英製の反応管２０３を備えている。反応管２０３は、基板（本例ではウエハ２００）を収容し、加熱処理する反応容器である。反応管２０３は、加熱部（本例では抵抗ヒータ２０７）の内側に設けられている。反応管２０３は、その下端開口をシールキャップ２１９により、気密部材（本例ではＯリング２２０）を介して気密に閉塞される。
ヒータ２０７、反応管２０３およびシールキャップ２１９により、処理炉２０２が形成されている。また、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により、基板処理室２０１が形成されている。シールキャップ２１９の上には、基板保持部材（ボート２１７）が、石英キャップ２１８を介して立設されている。石英キャップ２１８は、ボート２１７を保持する保持体である。ボート２１７は、処理炉２０２内に、処理炉２０２の下端開口から挿入される。ボート２１７には、バッチ処理される複数のウエハ２００が、それぞれ水平姿勢で管軸方向（垂直方向）に多段に積載される。ヒータ２０７は、処理炉２０２に挿入されたウエハ２００を、所定の温度に加熱する。
【００２１】
［ガス供給系］
図２に示すように、本実施形態においては、処理室２０１へは複数種類、ここでは２種類の処理ガスが供給される。処理室２０１へ供給される２種類の処理ガスは、Ｏ（酸素）を含む第１の処理ガスであるＯ３（オゾンガス）と、Ｓｉ（珪素）を含む第２の処理ガスとして用いられるＴＤＭＡＳガスである。
ＴＤＭＡＳガスは、シリコン酸化膜の原料となるＳｉの他、炭素（Ｃ）や水素（Ｈ）等の不純物を含む原料ガスであり、Ｏ３ガスは後述するように、ウエハ上に吸着したＴＤＭＡＳガス分子を改質して、すなわち、ＴＤＭＡＳガス分子中のＣやＨを除去して、不純物の少ないシリコン酸化膜を形成するための改質ガスである。
Ｏ３は、反応管２０３内に設けられた第１のノズル２３２によって処理室２０１内に供給され、ＴＤＭＡＳは、反応管２０３内に設けられた第２のノズル２３３によって処理室２０１内に供給される。第１のノズル２３２は、改質ガスを処理室２０１内に供給する改質ガスノズルであり、第２のノズル２３３は、原料ガスを処理室２０１内に供給する原料ガスノズルである。
【００２２】
第１のノズル２３２は、反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向にそって配置されており、第１の処理ガスを供給する複数の供給孔、あるいは縦長のスリット（不図示）が形成されている。また、第１のノズル２３２には、反応管２０３の下部において、第１の処理ガス供給管２３４が接続されている。
第２のノズル２３３は、例えば第１のノズル２３２と隣接するように、反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００に積載方向にそって配置されており、第２の処理ガスを供給する複数の供給孔、あるいは縦長のスリット（不図示）が形成されている。第２のノズル２３３には、反応管２０３の下部において、第２の処理ガス供給管２３５が接続されている。
【００２３】
第１の処理ガス供給管２３４は、ガス供給管２３４ａとガス供給管２３４ｂに分岐している。ガス供給管２３４ｂには、上流側から順に、第１の処理ガス供給源としてのオゾン発生装置（オゾナイザ）２４０ｂと、流量制御装置として用いられるマスフローコントローラ２４１ｂと、開閉装置として用いられる開閉バルブ２４２ｂとが設けられていて、オゾナイザ２４０ｂで発生したＯ３が、マスフローコントローラ２４１ｂ、及びバルブ２４２ｂを介して、第１のノズル２３２に供給される。
【００２４】
また、ガス供給管２３４ｂの、オゾン発生装置２４０ｂとマスフローコントローラ２４１ｂとの間の位置には、ガス排気管２３４ｃが接続されている。ガス排気管２３４ｃには、上流側から順に、バルブ２４２ｅとオゾンキラー２４３が設けられている。オゾンキラー２４３の触媒作用によりＯ３が酸素（Ｏ２）になって無害化され、処理装置１０外へ排気されるようになっている。
第１のノズル２３２、第１の処理ガス供給管２３４、ガス供給管２３４ｂ、マスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４２ｂ、オゾン発生装置２４０ｂ等から、改質ガス供給部である第１の処理ガス供給部が構成される。
【００２５】
また、第１の処理ガス供給管２３４の、バルブ２４２ｂと処理室２０１との間の位置には、ガス供給管２３４ａが接続されている。ガス供給管２３４ａには、上流側から順に、不活性ガス供給源２４０ａと、マスフローコントローラ２４１ａと、バルブ２４２ａとが設けられていて、マスフローコントローラ２４１ａとバルブ２４２ａとを介して、処理室２０１内に、例えば、処理ガスを希釈、あるいは運ぶためのキャリアガスや、処理室２０１内に残留した処理ガス等を排出するためのパージガスとして用いられる不活性ガスであるＮ２（窒素）ガスが供給される。
第１のノズル２３２、第１の処理ガス供給管２３４、ガス供給管２３４ａ、バルブ２４２ａ、マスフローコントローラ２４１ａ、不活性ガス供給源２４０ａ等から、第１の不活性ガス供給部が構成される。
【００２６】
第２の処理ガス供給管２３５は、ガス供給管２３５ｃとガス供給管２３５ｄに分岐している。ガス供給管２３５ｃには、上流側から順に、第２の処理ガス供給源２４０ｃと、バルブ２４２ｆと、気化器２４４と、マスフローコントローラ２４１ｃと、バルブ２４２ｃとが設けられている。気化器２４４は、液体を気化させるもので、液体のＴＤＭＡＳが、バルブ２４２ｆを介して気化器２４４に供給され、気化器２４４で気化され、マスフローコントローラ２４１ｃとバルブ２４２ｃを介して第２のノズル２３３に供給される。
【００２７】
また、ガス供給管２３５ｃのマスフローコントローラ２４１ｃとバルブ２４２ｃとの間の位置には、ガス排気管２３５ｇが接続されている。ガス排気管２３５ｇは、バルブ２４２ｇを介して、後述するガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２５５と真空ポンプ２４６との間の位置に接続されている。したがって、バルブ２４２ｃを閉じて、バルブ２４２ｆとバルブ２４２ｇを開けた状態では、ＴＤＭＡＳガスは、第２のノズル２３３に流れずに、真空ポンプ２４６から排気される。
第２のノズル２３３、第２の処理ガス供給管２３５、ガス供給管２３５ｃ、マスフローコントローラ２４１ｃ、バルブ２４２ｃ、気化器２４４、バルブ２４２ｆ、第２の処理ガス供給源２４０ｃ等から、原料ガス供給部である第２の処理ガス供給部が構成される。
【００２８】
また、ガス供給管２３５ｃのバルブ２４２ｃと処理室２０１との間の位置には、ガス供給管２３５ｄが接続されている。ガス供給管２３５ｄには、上流側から順に、不活性ガス供給源２４０ｄと、マスフローコントローラ２４１ｄと、バルブ２４２ｄとが設けられていて、不活性ガスであるＮ２ガスが、マスフローコントローラ２４１ｄとバルブ２４２ｄとを介して第２の処理ガス供給管２３５に供給される。
なお、上記の例では、不活性ガス供給源２４０ｄを不活性ガス供給源２４０ａと別に設けているが、不活性ガス供給源２４０ａと共用してもかまわない。
第２のノズル２３３、第２の処理ガス供給管２３５、ガス供給管２３５ｄ、マスフローコントローラ２４１ｄ、バルブ２４２ｄ、不活性ガス供給源２４０ｄ等から、第２の不活性ガス供給部が構成される。
第１の不活性ガス供給部と第２の不活性ガス供給部から、不活性ガス供給部が構成される。
【００２９】
［ボート］
反応管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が設けられており、このボート２１７はボートエレベータ１２１（図１参照）により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート２１７を回転するための回転装置（回転手段）であるボート回転機構２２７が設けてあり、このボート回転機構２２７によって石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。
【００３０】
［排気部］
基板処理室２０１には、基板処理室２０１内のガスを排気するガス排気管２３１の一端が接続されている。ガス排気管２３１の他端は、真空ポンプ２４６（排気装置）にＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ２５５を介して接続されている。基板処理室２０１内は、真空ポンプ２４６によって排気される。
なお、ＡＰＣバルブ２５５は、弁の開閉により基板処理室２０１の排気および排気停止を行なうことができる開閉弁であり、かつまた、弁開度の調節により基板処理室２０１内の圧力を調整することができる圧力調整弁である。
ガス排気管２３１、真空ポンプ２４６、ＡＰＣバルブ２５５等により、基板処理室２０１内の雰囲気を排気する排気部が構成される。
【００３１】
［制御部］
コントローラ２８０（制御部）は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄ、開閉バルブ２４２ａ、２４２ｂ、２４２ｃ、２４２ｄ、２４２ｅ、２４２ｆ、２４２ｇ、ＡＰＣバルブ２５５、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２２７、ボートエレベータ１２１等、基板処理装置１０の各構成部に電気的に接続されている。
コントローラ２８０は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、２４１ｄの流量調整、開閉バルブ２４２ａ、２４２ｂ、２４２ｃ、２４２ｄ、２４２ｅ、２４２ｆ、２４２ｇの開閉動作、ＡＰＣバルブ２５５の開閉および圧力調整動作、ヒータ２０７の温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２２７の回転速度調節、ボートエレベータ１２１の昇降動作制御等、基板処理装置１０の各構成部の制御を行い、また、基板処理装置１０のプロセスシーケンスの制御を行う。
【００３２】
以上のように構成された基板処理装置１０において、ボート２１７に積載したウエハ２００の表面上つまり基板表面上に、半導体デバイスの製造工程の一つである、ＡＬＤ法による成膜がなされる。ＡＬＤ法によれば、例えばシリコン酸化膜であるＳｉＯ２（二酸化珪素）膜形成の場合、ＴＤＭＡＳとＯ３を用いて、３００℃〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。（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、処理を２０サイクル行う。）
【００３３】
［第１実施例］
ＡＬＤ法により、ＴＤＭＡＳ及びＯ３ガスを用いてＳｉＯ２膜を成膜する第１実施例を、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第１実施例に係るプロセスシーケンスを示す図である。図１４の従来のプロセスシーケンスと異なる点は、ステップ３Ａを追加したことであり、他の点は従来のプロセスシーケンスと同じである。図３において、３１は、マスフローコントローラ２４１ｃによって制御されてガス供給管２３５ｃ又はガス排気管２３５ｇへ供給されるＴＤＭＡＳの流量を示し、３２は、マスフローコントローラ２４１ｄによって制御されて第２の処理ガス供給管２３５へ供給されるＮ２ガスの流量を示し、３３は、マスフローコントローラ２４１ｂによって制御されて第１の処理ガス供給管２３４へ供給されるＯ３ガスの流量を示し、３４は、マスフローコントローラ２４１ａによって制御されて第１の処理ガス供給管２３４へ供給されるＮ２ガスの流量を示し、３５は、処理室２０１内の圧力を示し、３６は、ＡＰＣバルブ２５５の開閉状態を示している。
【００３４】
まず、成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理室２０１に搬入する。搬入後、ヒータ２０７により、ウエハ２００を所定の温度、例えば５５０℃に昇温した後、次の７つのステップを順次実行する。
【００３５】
［ステップ１］
ステップ１において、バルブ２４２ｆ、２４２ｇが開放され、液体のＴＤＭＡＳが気化器２４４で気化され、ＴＤＭＡＳガスの供給が開始される。ＴＤＭＡＳの流量が所定の流量、例えば１(ｇ／ｍｉｎ)に安定するまでの間、ＴＤＭＡＳは処理室２０１内へは供給されず、ガス排気管２３５ｇを経て真空ポンプ２４６により、基板処理装置１０外に排出される。
また、第１の処理ガス供給源（オゾナイザ）２４０ｂで生成されたＯ３は、ガス排気管２３４ｃからオゾンキラー２４３により無害化され、処理装置１０外へ排出される。
また、処理室２０１内が、ガス供給管２３４ａから供給されるＮ２ガスと、ガス供給管２３４ｄから供給されるＮ２ガスとによってパージされる。ガス供給管２３４ａ、２３４ｄを介して供給されるＮ２ガスの流量は、本例では、それぞれ０．３ｓｌｍである。
ステップ１では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇ、及びＡＰＣバルブ２５５を開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御し、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｃ、２４１ｄを所定の流量に設定している。ステップ１は、本例では６秒間行われる。
【００３６】
［ステップ２］
ＴＤＭＡＳの流量が所定の流量に達すると、次のステップ２において、コントローラ２８０によってＡＰＣバルブ２５５が閉じられる。このとき、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇは、開かれた状態が保たれる。ステップ２は、本例では１秒間行われる。
【００３７】
［ステップ３］
次のステップ３において、ＡＰＣバルブ２５５を閉じたままの状態で、バルブ２４２ｇが閉じられるとともにバルブ２４２ｃが開かれ、処理室２０１内に所定の流量、例えば１(ｇ／ｍｉｎ)のＴＤＭＡＳガスが第２の処理ガス供給管２３５から供給される。このとき、キャリアガスとして、ガス供給管２３５ｄからＮ２ガスが供給される。また、第１のノズル２３２内へＴＤＭＡＳガスが逆流しないように、ガス供給管２３４ａからＮ２ガスが供給される。ステップ３では、処理室２０１内の圧力は約１２００Ｐａに、温度は５５０℃に制御される。このようにして、ウエハ２００の表面上に、シリコンを含む原料ガスであるＴＤＭＡＳガス分子が吸着される。
ステップ３では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｃ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆを開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ３は、原料ガス供給工程であり、本例では８秒間行われる。
【００３８】
［ステップ３Ａ］
次のステップ３Ａにおいて、バルブ２４２ｃが閉じられるとともにバルブ２４２ｇが開かれ、第２の処理ガス供給管２３５から処理室２０１内へのＴＤＭＡＳガスの供給が停止され、ＴＤＭＡＳガスはガス排気管２３５ｇから排気される。このとき、ガス供給管２３５ｄからＮ２ガスを流し続け、ノズル２３３内に残留しているＴＤＭＡＳガスを処理室２０１内へ押し出す。また、ステップ３Ａでは、ＡＰＣバルブ２５５は閉じられている状態に近いが、ＡＰＣバルブ２５５の開度調整により、処理室２０１内のガスは真空ポンプ２４６によって少しずつ排気され、処理室２０１内の圧力は、ステップ３と同程度か、又はステップ３より少し高い約１２００Ｐａに制御される。
このように、Ｎ２ガスにより、ノズル２３３内に残留しているＴＤＭＡＳガスを処理室２０１内へ押し出すことで、より多くのＴＤＭＡＳガスをノズル２３３から遠いウエハ２００上へ供給することができ、ウエハ２００上におけるノズル２３３に近い位置の膜厚とノズル２３３から遠い位置の膜厚の差を抑制することができ、ウエハ２００の面内均一性を向上することができる。
また、処理室２０１内のガスを真空ポンプ２４６によって少しずつ排気することで、より多くのＴＤＭＡＳガスをノズル２３３から遠いウエハ２００上へ供給することができ、ウエハ２００上におけるノズル２３３に近い位置の膜厚とノズル２３３から遠い位置の膜厚の差を抑制することができ、ウエハ２００面内均一性を向上することができる。
ステップ３Ａにおいては、処理室２０１内の圧力は、ステップ３と略同程度に維持されるので、処理ガスを基板内にうまく拡散させることができる。仮に、処理室２０１内の圧力を、次のステップ４と同様に低圧にした場合は、ＴＤＭＡＳガスがウエハ表面に十分吸着することなく通過してしまうので、ノズル２３３から遠い位置の膜厚を増加させることができない。
ステップ３Ａでは、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４３ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇを開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ３Ａは、膜厚分布制御工程であり、本例では４０秒間行われる。
【００３９】
［ステップ４］
次のステップ４において、ＡＰＣバルブ２５５が全開され、処理室２０１内と第２の処理ガス供給管２３５内とに残留したＴＤＭＡＳガスが、ガス供給管２３４ａから供給されるＮ２ガスと、ガス供給管２３５ｄによって供給されるＮ２ガスとによって、ガス排気管２３１から処理室２０１外へ排出（パージ）される。このとき、処理室２０１内の圧力は、少なくとも３０Ｐａ以下となる。
ステップ４では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇ、及びＡＰＣバルブ２５５を開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ４は、本例では７秒間行われる。
【００４０】
［ステップ５］
次のステップ５において、バルブ２４２ｅが閉じられるとともにバルブ２４２ｂが開かれ、第１の処理ガス供給管２３４から処理室２０１内に６．５ｓｌｍ（standard liter／min）の流量でＯ３ガスが供給される。このとき、バルブ２４２ａが閉じられて、ガス供給管２３４ａからのＮ２ガスの供給は停止する。ガス供給管２３４ａからのＮ２ガスを停止する理由は、Ｏ３ガスの濃度を低下させないためである。また、第２のノズル２３３内へＯ３ガスが逆流しないように、ガス供給管２３５ｄからＮ２ガスを供給する。ステップ５では、処理室２０１内の圧力は約７０Ｐａに、温度は５５０℃に制御される。このようにして、改質ガスであるＯ３ガスにより、ステップ３でウエハ上に吸着したＴＤＭＡＳガス分子が改質、すなわち、ＴＤＭＡＳガス分子中の炭素（Ｃ）や水素（Ｈ）が除去され、シリコン酸化膜が形成される。
ステップ５では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ｂ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇ、及びＡＰＣバルブ２５５を開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ５は、改質ガス供給工程であり、本例では３０秒間行われる。
【００４１】
［ステップ６］
次のステップ６において、バルブ２４２ｂが閉じられるとともにバルブ２４２ａとバルブ２４２ｅが開かれ、第１の処理ガス供給管２３４からのＯ３ガスの供給が停止され、処理室２０１内に残留したＯ３ガスと、第１の処理ガス供給管２３４内に残留したＯ３ガスとが、ガス供給管２３４ａとガス供給管２３５ｄから供給されるＮ２ガスによって、ガス排気管２３１から処理室２０１外へ排出（パージ）される。
ステップ６では、コントローラ２８０は、バルブ２４２ａ、バルブ２４２ｄ、バルブ２４２ｅ、バルブ２４２ｆ、バルブ２４２ｇ、及びＡＰＣバルブ２５５を開いた状態となるように制御し、その他の開閉バルブは閉じた状態となるように制御する。ステップ６は、本例では３秒間行われる。
以上で説明をしたステップ１〜３、３Ａ、４〜６の７つのステップを１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＯ２膜を成膜する。
【００４２】
第１実施例のプロセスシーケンスを、ウエハを回転させながら５４サイクル実施したときの膜厚分布データを図４に示す。また、ウエハを回転させないで実施したときの膜厚分布参考データを図５〜７に示す。図５〜７は、ウエハを回転させないで、ステップ３Ａの時間を、それぞれ５秒、２０秒、４０秒としたときのデータで、他の条件は図４と同条件である。図４〜７の矢印や等厚線等の見方は、前述の図１５の見方と同様である。また、ウエハに対するＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３やＯ３ガス供給ノズル２３２の水平方向における位置は、図１５（ｄ）と同様である。
図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ボート２１７のＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲ、ＢＯＴＴＯＭのいずれにおいても、従来のプロセスシーケンスのデータである図１５（ａ）〜（ｃ）よりも、膜厚の面内均一性が向上しているが、ＴＯＰ、ＣＥＮＴＥＲ、ＢＯＴＴＯＭ間の膜厚の面間均一性が悪化している。
【００４３】
ここで、図５〜７を参照すると、ステップ３Ａの時間が長くなるにつれて、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３と反対側の位置の膜厚が厚くなっている。このことから、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３内のＴＤＭＡＳガスは、ステップ３Ａの時間が長くなるほど、処理室２０１内へ押し出され、その結果、膜厚の面内均一性が向上したものと考えられる。
また、図５〜７を参照すると、ステップ３Ａの時間が長くなるにつれて、ＴＯＰとＢＯＴＴＯＭの膜厚平均値の差が大きくなっている。この様子を図８に示す。図８において、８１はステップ３Ａの時間が５秒の場合（図５）、８２はステップ３Ａの時間が２０秒の場合（図６）、８３はステップ３Ａの時間が４０秒の場合（図７）の膜厚平均値である。
ステップ３Ａの時間が長くなるにつれて、ＴＯＰとＢＯＴＴＯＭの膜厚平均値の差が大きくなる理由は、次のように考えられる。図９は、本発明の第１実施例に係るノズル内のガス濃度分布の模式図であり、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）は、それぞれ、ステップ３Ａの時間を５秒、２０秒、４０秒としたときの、ＴＤＭＡＳガスとＮ２ガスのガス濃度分布の模式図である。時間経過とともに、ノズル内に残留するＴＤＭＡＳガスがＮ２ガスに押し出されて置換されていくが、ＴＯＰ位置に近いほど置換されるまでの時間がかかるため、ＴＯＰ位置に近いウエハ上へのＴＤＭＡＳガスの照射量が多くなると考えられる。そこで、ノズル内におけるＮ２ガスへの置換時間を短くするため、ステップ３Ａにおいて、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させる第２実施例を考えた。
【００４４】
［第２実施例］
第２実施例は、ステップ３Ａにおいて、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させ、１．３ｓｌｍとしたものである。その他の条件は、第１実施例と同様なので、説明を省略する。
第２実施例のプロセスシーケンスを、ウエハを回転させながら５４サイクル実施したときの膜厚分布データを図１０に示す。また、ウエハを回転させないで実施したときの膜厚分布参考データを図１１〜１３に示す。図１１〜１３は、ウエハを回転させないで、ステップ３Ａの時間を、それぞれ５秒、２０秒、４０秒としたときのデータで、他の条件は図１０と同条件である。図１０〜１３の矢印や等厚線等の見方は、前述の図１５の見方と同様である。また、ウエハに対するＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３やＯ３ガス供給ノズル２３２の水平方向における位置は、図１５（ｄ）と同様である。
【００４５】
図１１〜１３と図５〜７の面間均一性を比べると、例えば図５の０．８１％から図１１の０．１０％といったように、図１１〜１３の面間均一性が改善されている。これは、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させ、Ｎ２ガスへの置換を早くすることにより、ボート２１７のＴＯＰとＢＯＴＴＯＭへのＴＤＭＡＳガスの照射量の差が小さくなったためと考えられる。
また、ウエハを回転させた図１０と図４を比較すると、図１０の方が、ウエハ中心の膜厚が周辺より厚くなる凸分布になることが分かる。これは、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させることにより、図４に比べて、ウエハ表面上においてＴＤＭＡＳガスがＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３からより下流へ押し流され、ウエハ中心付近まで流されたものと考えられる。このときのＮ２ガス総体積（Ｎ２ガス流量×押し出し時間×温度×圧力）は、１４４Ｌ（リットル）であり、反応管容積２００Ｌの約５０％以上を占めている。ここで反応管容積とは、基板処理室２０１の容積つまり反応管２０３とシールキャップ２１９とで囲まれた空間から、ボート２１７、石英キャップ２１８、ノズル２３２やノズル２３３の容積を差し引いたものである。
このように、ウエハ面内の膜厚分布を、ウエハ中心が周辺より薄い凹分布からウエハ中心が厚い凸分布に変えるには、Ｎ２ガス総体積が反応管容積の５０％以上必要である。
【００４６】
以上の第１実施例、第２実施例の結果をまとめると、ステップ３Ａの時間を長くすると、ウエハ面内の膜厚はより凸分布となり、ウエハ面間では、ボート２１７のＴＯＰに近いほど、膜厚が厚くなる。また、ステップ３Ａにおいて、ＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を増加させると、ウエハ面内の膜厚はより凸分布となり、ウエハ面間の膜厚均一性が向上する。
したがって、ステップ３Ａの時間とＴＤＭＡＳガス供給ノズル２３３に流すＮ２ガス流量を調整することにより、ウエハ上に形成される膜厚の面内均一性と面間均一性を制御することができる。
【００４７】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。例えば、縦型装置だけでなく横型装置にも適用できる。
また、前記実施例においては、ウエハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
【００４８】
本明細書には、次の発明が含まれる。すなわち、第１の発明は、
複数の基板を積層して収容する処理室と、
前記処理室内に設けられた原料ガスノズルから前記処理室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内に設けられた改質ガスノズルから前記処理室内へ改質ガスを供給する改質ガス供給部と、
前記原料ガスノズルに接続され、前記原料ガスノズルから前記処理室内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気部と、
前記原料ガス供給部、改質ガス供給部、不活性ガス供給部、排気部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原料ガスと改質ガスを互いに混合しないように交互に複数回供給して基板上に膜を形成する際に、前記排気部による排気を停止した状態で前記原料ガスノズルから原料ガスを前記処理室内へ供給する原料ガス供給工程を行い、その後、前記原料ガスの供給を停止した状態で前記原料ガスノズルから不活性ガスを前記処理室内へ供給する膜厚分布制御工程を行い、その後、前記改質ガスノズルから前記改質ガスを前記処理室内へ供給する改質ガス供給工程を行うよう制御する制御部である基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、処理ガスを基板内に拡散させることができ、面内均一性を向上させることができる。
【００４９】
第２の発明は、前記第１の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程における前記処理室内の圧力が、前記原料ガス供給工程における前記処理室内の圧力と略同等となるよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、処理ガスを基板内に拡散させることが容易となり、面内均一性を向上させることが容易となる。
【００５０】
第３の発明は、前記第２の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程において、前記排気部が前記処理室内の雰囲気を排気するよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、処理ガスを基板内に拡散させることがさらに容易となる。
【００５１】
第４の発明は、前記第１の発明ないし第３の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程と前記改質ガス供給工程の間において、前記原料ガスノズルから不活性ガスを供給する不活性ガス供給工程を行い、前記膜厚分布制御工程における前記処理室内の圧力が、不活性ガス供給工程における前記処理室内の圧力よりも高くなるよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、膜厚分布制御工程において処理ガスを基板内に拡散させることが容易となる。
【００５２】
第５の発明は、前記第１の発明ないし第４の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程における不活性ガス流量と前記膜厚分布制御工程の処理時間を制御することにより、基板上に形成される膜の面内均一性、又は面間均一性、あるいはその両者を制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、基板上に形成される膜の面内均一性、又は面間均一性を向上することが容易になる。
【００５３】
第６の発明は、前記第１の発明ないし第５の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記膜厚分布制御工程において、不活性ガス総体積（不活性ガス流量×押し出し時間）を基板処理室容積の５０％以上とすることにより、基板面内の膜厚分布を、基板中心が周辺より薄い凹分布から基板中心が周辺より厚い凸分布に変えるよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、基板面内の膜厚分布を凸分布とすることが容易になる。
【符号の説明】
【００５４】
１０…基板処理装置、２００…ウエハ、２０１…基板処理室、２０２…処理炉、２０３…反応管、２０７…ヒータ、２１７…ボート、２１８…石英キャップ、２１９…シールキャップ、２２０…Ｏリング、２２７…ボート回転機構、２３１…ガス排気管、２３２…第１のノズル、２３３…第２のノズル、２３４…第１の処理ガス供給管、２３４ａ…ガス供給管、２３４ｂ…ガス供給管、２３４ｃ…ガス排気管、２３５…第２の処理ガス供給管、２３５ｃ…ガス供給管、２３５ｄ…ガス供給管、２３５ｇ…ガス排気管、２４０ａ…不活性ガス供給源、２４０ｂ…第１の処理ガス供給源、２４０ｃ…第２の処理ガス供給源、２４０ｄ…不活性ガス供給源、２４１ａ〜ｄ…マスフローコントローラ、２４２ａ〜ｇ…開閉バルブ、２４３…オゾンキラー、２４４…気化器、２４６…真空ポンプ、２５５…ＡＰＣバルブ、２８０…コントローラ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の基板を積層して収容する処理室と、
前記処理室内に設けられた原料ガスノズルから前記処理室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内に設けられた改質ガスノズルから前記処理室内へ改質ガスを供給する改質ガス供給部と、
前記原料ガスノズルに接続され、前記原料ガスノズルから前記処理室内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気部と、
前記原料ガス供給部、改質ガス供給部、不活性ガス供給部、排気部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原料ガスと改質ガスを互いに混合しないように交互に複数回供給して基板上に膜を形成する際に、前記排気部による排気を停止した状態で前記原料ガスノズルから原料ガスを前記処理室内へ供給する原料ガス供給工程を行い、その後、前記原料ガスの供給を停止した状態で前記原料ガスノズルから不活性ガスを前記処理室内へ供給する膜厚分布制御工程を行い、その後、前記改質ガスノズルから前記改質ガスを前記処理室内へ供給する改質ガス供給工程を行うよう制御する制御部である基板処理装置。
【請求項１】
複数の基板を積層して収容する処理室と、
前記処理室内に設けられた原料ガスノズルから前記処理室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記処理室内に設けられた改質ガスノズルから前記処理室内へ改質ガスを供給する改質ガス供給部と、
前記原料ガスノズルに接続され、前記原料ガスノズルから前記処理室内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気部と、
前記原料ガス供給部、改質ガス供給部、不活性ガス供給部、排気部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原料ガスと改質ガスを互いに混合しないように交互に複数回供給して基板上に膜を形成する際に、前記排気部による排気を停止した状態で前記原料ガスノズルから原料ガスを前記処理室内へ供給する原料ガス供給工程を行い、その後、前記原料ガスの供給を停止した状態で前記原料ガスノズルから不活性ガスを前記処理室内へ供給する膜厚分布制御工程を行い、その後、前記改質ガスノズルから前記改質ガスを前記処理室内へ供給する改質ガス供給工程を行うよう制御する制御部である基板処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１４２４８２（Ｐ２０１２−１４２４８２Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５９（Ｐ２０１１−４５９）
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月５日（２０１１．１．５）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
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