成膜方法および成膜装置
【課題】所望の膜厚分布を有する薄膜を堆積可能な成膜方法を提供する。
【解決手段】少なくとも第１の原料ガスおよび第２の原料ガスを基板に対して交互に供給することにより、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの反応により生じる反応生成物質の薄膜を基板に堆積する成膜方法が開示される。この方法は、基板が収容される処理容器内にガスを供給することなく処理容器内を真空排気するステップと、処理容器内に不活性ガスを所定の圧力まで供給するステップと、処理容器内の真空排気を停止した状態で、不活性ガスが所定の圧力に満たされた処理容器内に第１の原料ガスを供給するステップと、第１の原料ガスの供給を停止するとともに処理容器内を真空排気するステップと、処理容器内に第２の原料ガスを供給するステップと、第２の原料ガスの供給を停止するとともに処理容器内を真空排気するステップとを含む。
【解決手段】少なくとも第１の原料ガスおよび第２の原料ガスを基板に対して交互に供給することにより、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの反応により生じる反応生成物質の薄膜を基板に堆積する成膜方法が開示される。この方法は、基板が収容される処理容器内にガスを供給することなく処理容器内を真空排気するステップと、処理容器内に不活性ガスを所定の圧力まで供給するステップと、処理容器内の真空排気を停止した状態で、不活性ガスが所定の圧力に満たされた処理容器内に第１の原料ガスを供給するステップと、第１の原料ガスの供給を停止するとともに処理容器内を真空排気するステップと、処理容器内に第２の原料ガスを供給するステップと、第２の原料ガスの供給を停止するとともに処理容器内を真空排気するステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも第１の原料ガスおよび第２の原料ガスを基板に対して交互に供給することにより、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの反応により生じる反応生成物質の薄膜を基板に堆積する成膜方法および成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の製造プロセスにおいて、例えば絶縁膜を堆積するため、その絶縁膜を生成するための２種類の原料ガスを半導体ウエハなどの基板に対して交互に供給する原子層堆積（ＡＬＤ）法が用いられる場合がある。ＡＬＤ法は、原料ガスが基板に対して自己制限的に吸着する性質を利用し得るため膜厚均一性に優れ、また、交互供給のサイクル数により膜厚が決まるため膜厚制御性に優れるという利点を有している（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、薄膜を堆積する場合、優れた膜厚均一性を有していることが必ずしも好ましいとは限らない。例えば従来の減圧化学堆積（ＬＰＣＶＤ）法により窒化シリコン膜を堆積し、次にその窒化シリコン膜をエッチングする場合には、その窒化シリコン膜は、基板の中央付近で厚く、基板周縁に向かって薄くなるような膜厚分布を有していることが好ましい場合がある。これは、パターンの微細化に伴うマイクロローディング効果を抑制するため、上記のような膜厚分布を有する薄膜を堆積し、これに合わせてエッチングプロファイルを決定しているという事情による。
【０００５】
このため、例えば膜厚制御性の観点からＡＬＤ法を用いて薄膜を堆積する場合にも、ＡＬＤ法が膜厚均一性に優れた堆積法であるとしても、後続のプロセスに好ましい膜厚分布を有する薄膜を堆積することが求められる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑み、所望の膜厚分布を有する薄膜を堆積可能な成膜方法および成膜装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも第１の原料ガスおよび第２の原料ガスを基板に対して交互に供給することにより、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの反応により生じる反応生成物質の薄膜を基板に堆積する成膜方法が開示される。この方法は、基板が収容される処理容器内にガスを供給することなく処理容器内を真空排気するステップと、処理容器内に不活性ガスを所定の圧力まで供給するステップと、処理容器内の真空排気を停止した状態で、不活性ガスが所定の圧力に満たされた処理容器内に第１の原料ガスを供給するステップと、第１の原料ガスの供給を停止するとともに処理容器内を真空排気するステップと、処理容器内に第２の原料ガスを供給するステップと、第２の原料ガスの供給を停止するとともに処理容器内を真空排気するステップとを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、所望の膜厚分布を有する薄膜を堆積可能な成膜方法および成膜装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態による成膜装置の概略図である。
【図２】図１の成膜装置の断面図である。
【図３】本発明の実施形態による成膜方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態による成膜方法を図１および図２に示す成膜装置において実施する際の処理容器内の圧力変化の一例を示す圧力チャートである。
【図５】本発明の実施形態による成膜方法により堆積された窒化シリコン膜の膜厚分布を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態による成膜方法により堆積された窒化シリコン膜の膜厚均一性を示すグラフである。
【図７】膜厚分布が生じる理由を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一または対応する部材または部品については、同一または対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、部材もしくは部品間の相対比を示すことを目的とせず、したがって、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定されるべきものである。また、図面および以下の説明において、圧力の単位としてTorrを用いる場合がある（1Torr＝133.3Pa）。
図１は、本実施形態によるＡＬＤ装置を模式的に示す縦断面図であり、図２は、図１のＡＬＤ装置の横断面図である。
図１に示すように、ＡＬＤ装置８０は、下端が開口された有天井の円筒体状を有する、たとえば石英により形成される処理容器１を有している。処理容器１内の上方には、石英製の天井板２が設けられている。また、処理容器１の下端開口部には、例えばステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド３がＯリング等のシール部材４を介して連結されている。
【００１１】
マニホールド３は処理容器１の下端を支持する支持部材として働くとともに、側面に設けられた複数の貫通孔にそれぞれ接続される配管から所定のガスを処理容器１内へ供給する。マニホールド３の下部には、マニホールド３の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部９が例えばＯリングよりなるシール部材１２を介して連結されている。蓋部９は中央に開口を有しており、この開口を回転シャフト１０が気密に貫通している。回転シャフト１０の上端部にはテーブル８が取り付けられ、テーブル８の上には石英製の保温筒７を介してウエハボート５が設けられている。ウエハボート５は３本の支柱６を有し（図２参照）、支柱６に形成された溝により多数枚のウエハＷが支持される。回転シャフト１０が図示しない回転機構により中心軸の周りに回転することにより、ウエハボート５もまた回転することができる。
【００１２】
回転シャフト１０の下端部は、図示しない昇降機構により上下動可能に支持されるアーム１３に取り付けられている。アーム１３の上下動により、ウエハボート５が処理容器１内へ搬入され、搬出される。なお、回転シャフト１０と蓋部９の開口との間には磁性流体シール１１が設けられ、これにより処理容器１が密閉される。
【００１３】
また、ＡＬＤ装置８０は、処理容器１内へ窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給機構１４と、処理容器１内へＳｉ含有ガスを供給するＳｉ含有ガス供給機構１５と、処理容器１内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構１６とを有している。
【００１４】
窒素含有ガス供給機構１４は、窒素含有ガス供給源１７と、窒素含有ガス供給源１７からの窒素含有ガスを導く窒素含有ガス配管１７Ｌと、窒素含有ガス配管１７Ｌに接続され、マニホールド３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる石英管よりなる窒素含有ガス分散ノズル１９とを有している。窒素含有ガス分散ノズル１９の垂直部分には、複数のガス吐出孔１９ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス吐出孔１９ａから水平方向に処理容器１に向けてほぼ均一に窒素含有ガスを吐出することができる。
【００１５】
また、窒素含有ガス配管１７Ｌには、開閉バルブ１７ａと、窒素含有ガスの流量を制御する流量制御器１７ｂとが設けられている。これらにより、窒素含有ガスの供給の開始／停止、および流量が制御される。
【００１６】
Ｓｉ含有ガス供給機構１５は、Ｓｉ含有ガス供給源２０と、Ｓｉ含有ガス供給源２０からのＳｉ含有ガスを導くＳｉ含有ガス配管２０Ｌと、Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌに接続され、マニホールド３の側壁を内側へと貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる石英管よりなるＳｉ含有ガス分散ノズル２２とを有している。図示の例では、２本のＳｉ含有ガス分散ノズル２２が設けられており（図２参照）、各Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２には、その長さ方向に沿って複数のガス吐出孔２２ａが所定の間隔を隔てて形成されている。これにより、各ガス吐出孔２２ａから水平方向に処理容器１内にほぼ均一にＳｉ含有ガスを吐出することができる。なお、Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２は１本のみであってもよい。
【００１７】
また、Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌには、開閉バルブ２０ａ、流量制御器２０ｂ、バッファータンク１８０、および開閉バルブ２０ｃが設けられている。例えば開閉バルブ２０ｃを閉じたまま開閉バルブ２０ａを開け、Ｓｉ含有ガス源２０からＳｉ含有ガスを所定の流量で流すことにより、バッファータンク１８０内にＳｉ含有ガスを一時的に溜めることができる。その後、開閉バルブ２０ａを閉じて開閉バルブ２０ｃを開けば、所定の量のＳｉ含有ガスを処理容器１内へ供給することが可能となる。
【００１８】
不活性ガス供給機構１６は、不活性ガス供給源４１と、不活性ガス供給源４１と接続され、Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌに合流する不活性ガス配管４１Ｌとを有している。不活性ガス配管４１ＬがＳｉ含有ガス配管２０Ｌに合流しているため、不活性ガスは、Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２から処理容器１内へ吐出される。また、不活性ガス配管４１Ｌには、開閉バルブ４１ａと、不活性ガスの流量を制御する流量制御器４１ｂとが設けられている。これらにより、不活性ガスの供給の開始／停止、および流量が制御される。
【００１９】
処理容器１の側壁の一部には、窒素含有ガスのプラズマを形成するプラズマ生成機構３０が形成されている。このプラズマ生成機構３０は、処理容器１の側壁に上下に細長く形成された開口３１と、開口３１を外側から覆うように処理容器１の外壁に気密に溶接されたプラズマ区画壁３２とを有している。プラズマ区画壁３２は、断面凹部状をなし上下に細長く形成され、例えば石英で形成されている。プラズマ区画壁３２により、処理容器１の側壁の一部が凹部状に外側へ窪んでおり、プラズマ区画壁３２の内部空間は処理容器１の内部空間に連通する。また、開口３１は、ウエハボート５に保持されている全てのウエハＷを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。
【００２０】
また、プラズマ生成機構３０は、このプラズマ区画壁３２の両側壁の外面に上下方向に沿って互いに対向するようにして配置された細長い一対のプラズマ電極３３、３３と、プラズマ電極３３、３３に給電ライン３４を介して接続されプラズマ電極３３、３３へ高周波電力を供給する高周波電源３５とを有している。そして、高周波電源３５からプラズマ電極３３、３３に対し例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することにより窒素含有ガスのプラズマを発生させることができる。なお、この高周波電圧の周波数は、１３．５６ＭＨｚに限定されず、他の周波数、例えば４００ｋＨｚ等であってもよい。
【００２１】
窒素含有ガス分散ノズル１９は、処理容器１内を上方向に延びる途中で処理容器１の半径方向外方へ屈曲されて、プラズマ区画壁３２の直立面に沿って上方に向けて伸びている。このため、高周波電源３５からプラズマ電極３３、３３間に高周波電圧が印加され、両電極３３、３３間に高周波電界が形成されると、窒素含有ガス分散ノズル１９のガス吐出孔１９ａから吐出された窒素含有ガスがプラズマ化されて処理容器１の中心に向かって流れる。
【００２２】
プラズマ区画壁３２の外側には、これを覆うようにして例えば石英よりなる絶縁保護カバー３６が取付けられている。また、この絶縁保護カバー３６の内側には、図示しない冷媒通路が設けられており、例えば冷却された窒素ガスを流すことによりプラズマ電極３３、３３を冷却することができる。
【００２３】
２本のＳｉ含有ガス分散ノズル２２は、処理容器１の側壁の開口３１を挟む位置に起立して設けられており、Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２に形成された複数のガス吐出孔２２ａから処理容器１の中心方向に向けてＳｉ含有ガスを吐出することができる。
【００２４】
なお、Ｓｉ含有ガスとしては、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）ガス、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）等を用いることができる。また、窒素含有ガスとしては、アンモニア（ＮＨ３）ガス、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ２）等を用いることができる。
【００２５】
一方、処理容器１の開口３１に対向する部分には、処理容器１内を排気するための排気口３７が設けられている。この排気口３７は処理容器１の側壁を上下に細長く削り取ることによって形成されている。処理容器１の外側には、図２に示すように、排気口３７を覆うように断面凹部状に成形された排気口カバー部材３８が溶接により取り付けられている。排気口カバー部材３８は、処理容器１の側壁に沿って上方に延びており、処理容器１の上方にガス出口３９を画定している。そして、ガス出口３９は、処理容器１の主弁ＭＶおよび圧力調整器ＰＣを介して真空ポンプＶＰに接続され、これにより処理容器１内が排気される。真空ポンプＶＰは、例えばメカニカルブースタポンプとターボ分子ポンプを含んで良い。
【００２６】
また、処理容器１の外周を囲むように、処理容器１およびその内部のウエハＷを加熱する筐体状の加熱ユニット４０が設けられている（図２においては、加熱ユニット４０を省略している）。
【００２７】
ＡＬＤ装置８０の各構成部の制御、例えば開閉バルブ１７ａ、２０ａ〜２０ｃ、４１ａの開閉による各ガスの供給／停止、流量制御器１７ｂ、２０ｂ、４１ｂによるガス流量の制御、および高周波電源３５のオン／オフ制御、加熱ユニット４０の制御等は例えばマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるコントローラ５０により行われる。コントローラ５０には、工程管理者がＡＬＤ装置８０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、ＡＬＤ装置８０の稼働状況を表示するディスプレイ等からなるユーザインターフェース５１が接続されている。
【００２８】
また、コントローラ５０には、ＡＬＤ装置８０で実行される各種処理をコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてＡＬＤ装置８０の各構成部に処理を実行させるための各種のプログラム（またはレシピ）が格納された記憶部５２が接続されている。プログラムには、後述する成膜方法をＡＬＤ装置８０に実行させる堆積プログラムが含まれる。また、各種のプログラムは記憶媒体５２ａに記憶され、記憶部５２に格納され得る。記憶媒体５２ａは、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを記憶部５２へ適宜伝送させるようにしてもよい。
【００２９】
そして、必要に応じて、ユーザインターフェース５１からの指示等にて任意のプログラムを記憶部５２から呼び出してコントローラ５０に実行させることで、コントローラ５０の制御下で、ＡＬＤ装置８０での所望の処理が行われる。すなわち、堆積プログラムが実行される場合、コントローラ５０は、ＡＬＤ装置８０の各構成部を制御して、成膜方法を実行する制御部として機能する。
【００３０】
次に、これまで参照した図１および図２に加えて図３および図４を参照しながら、本発明の実施形態による成膜方法について、ＡＬＤ装置８０において行われる場合を例に説明する。また、以下の説明では、Ｓｉ含有ガスとしてＤＣＳガスを使用し、窒素含有ガスとしてアンモニアガスを使用することとする。
まず、ウエハボート５にウエハＷを搭載し、アーム１３によりウエハボート５を処理容器１内に収容する。その後、処理容器１内にいずれのガスも供給しないで（開閉バルブ１７ａ、２０ｃ、および４１ａを閉じて）、処理容器１の主弁１を開き、圧力制御器ＰＣの圧力調整弁を全開にして、真空ポンプＶＰにより、処理容器１内を到達真空度まで排気する（図３のステップＳ３１）。
【００３１】
処理容器１内を所定の期間排気した後、ステップＳ３２（図３）において、主弁ＭＶを閉じ、窒素ガス供給源４１からの窒素ガスを流量制御器４１ｂで流量制御しつつ、不活性ガス配管４１Ｌ、Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌ、およびＳｉ含有ガス分散ノズル２２を通して処理容器１内に供給する。これにより、処理容器１内の圧力は、窒素ガスの流量に応じて増加し、例えば0.05Torr以上とすることができる。
【００３２】
また、この間、Ｓｉ含有ガス供給源２０と処理容器１とを繋ぐＳｉ含有ガス配管２０Ｌの開閉バルブ２０ｃを閉じたまま開閉バルブ２０ａを開けて、Ｓｉ含有ガス供給源２０からのＤＣＳガスを流量制御器２０ｂで流量制御しつつ流し、バッファータンク１８０内にＤＣＳガスを溜めておく。このとき、バッファータンク１８０内に溜められるＤＣＳガスの量（ＤＣＳガス分子数）は、ウエハボート５に支持されるウエハＷの表面をＤＣＳガス分子で覆うことができるように設定され、具体的には予備実験から決定して良い。
【００３３】
次に、ステップＳ３３（図３）において、主弁ＭＶを閉じたまま、不活性ガス配管４１Ｌの開閉バルブ４１ａを閉じて窒素ガスの供給を停止すると共に、開閉バルブ２０ｃを開けることにより、バッファータンク１８０内に溜められていたＤＣＳガスを処理容器１内に供給する。これにより、図４に示すように、供給されるＤＣＳガスの量に応じて処理容器１内の圧力が上昇するとともに、処理容器１内が窒素ガスおよびＤＣＳガスの混合ガス雰囲気となり、ウエハＷの表面にＤＣＳガスが吸着する。
【００３４】
ＤＣＳガスの供給後、開閉バルブ２０ｃを閉じるとともに主弁ＭＶを開き、処理容器１内を到達真空度まで排気する（図３のステップＳ３４）。これにより、図４に示すように、処理容器１内の圧力が低下し、処理容器１内の気相中のＤＣＳガスが排気される。
【００３５】
次いで、ステップＳ３５において、高周波電源３５からプラズマ電極３３、３３に対し例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加するとともに、開閉バルブ１７ａを開いて窒素含有ガス供給源１７からのＮＨ３ガスを流量制御しつつ処理容器１内へ供給する。この供給により、処理容器１内の圧力は、図４に示すように、ＮＨ３ガスの流量に応じた圧力に維持される。また、プラズマ電極３３、３３間にプラズマが生成され、ＮＨ３ガスが活性化されてイオンやラジカルなどの活性種が生成される。活性種は、ウエハボート５に支持されるウエハＷに向かって流れ、ウエハＷの表面に吸着したＤＣＳガスと反応し、ウエハＷの表面に窒化シリコンが生成される。
【００３６】
ＮＨ３ガスに由来する活性種とＤＣＳガスとが反応するのに十分な時間が経過した後、ＮＨ３ガスの供給を停止するとともに、処理容器１の主弁ＭＶを開いて、処理容器１内を到達真空度まで排気する（図３のステップＳ３６）。
以下、上述のステップを所定の回数（所望の膜厚が得られる回数）だけ繰り返し（図３のステップＳ３７およびステップＳ３７：ＮＯ）、所定の回数に達した時点で（ステップＳ３７：ＹＥＳ）、窒化シリコン膜の堆積が終了する。具体的には、主弁ＭＶを開いて処理容器１内を到達真空度まで排気した後、主弁ＭＶを閉じて処理容器１内に窒素ガスを供給し、処理容器１内の圧力を大気圧に戻す。次いで、アーム１３によりウエハボート５を処理容器１から下げてウエハＷを所定のローダ／アンローダにより取り出すことにより窒化シリコン膜の堆積が終了する。
【００３７】
次に、上記の成膜方法により窒化シリコン膜を堆積した実験およびその結果について、図５および図６を参照しながら説明する。この実験においては、ＤＣＳガスを供給する前に、ＡＬＤ装置８０の主弁ＭＶを閉じて処理容器１内に窒素ガスを供給するステップ（図３のステップＳ３２）における処理容器１内の圧力＝0.08、2.67、3.24、および3.91Torrとして、それぞれ窒化シリコン膜をウエハ上に堆積し、処理容器内の圧力に対する膜厚分布の変化を調べた。
【００３８】
図５は、この実験で得られた窒化シリコン膜の膜厚分布を示すグラフであり、横軸はウエハの直径方向の位置（ｍｍ）を示し、縦軸は膜厚（ｎｍ）を示している。図示のとおり、処理容器１内の圧力が0.08Torrである場合には、窒化シリコン膜は、ウエハのほぼ中央部での膜厚が薄く、ウエハ外周部領域での膜厚が厚くなる凹状の膜厚分布を有する。一方、処理容器１内の圧力が2.67、3.24、および3.91Torrの場合には、窒化シリコン膜は、ウエハのほぼ中央部での膜厚が厚く、ウエハ外周部領域での膜厚が薄くなる凹状の膜厚分布を有する。すなわち、処理容器１内の圧力を0.08Torrから高くしていくと、凹状の膜厚分布から凸状の膜厚分布に変化することが分かる。したがって、ＤＣＳガスを供給する前の処理容器１内の圧力を調整することにより、窒化シリコン膜の膜厚分形状を制御できることが示された。
【００３９】
また、図６は、この実験で得られた窒化シリコン膜の膜厚均一性を示すグラフである。図示のとおり、処理容器１内の圧力を2.67Torrから、3.24Torr、3.91Torrへと高くするに従って、膜厚均一性が悪くなるが、図５に示す結果と併せて考えると、圧力が高くなるに従って膜厚分形状がより凸状になることが分かる。また、処理容器１内の圧力を0.08Torrから高くしていくと、凹状の膜厚分布から凸状の膜厚分布へ変換するが、その変換点は約0.5Torrと考えられる。すなわち、ＡＬＤ装置８０において、窒化シリコン膜の膜厚分布は、約0.08Torrから約0.5Torrまでの圧力範囲において凹状となり、約0.5Torr以上の圧力範囲において凸状となることが分かった。
【００４０】
上述のようにＤＣＳガスを供給する前の処理容器１内の圧力により膜厚分布を制御できる理由としては、以下のように考えることができる。
まず、ＤＣＳガスを供給する前の処理容器１内の圧力が比較的低い場合には、処理容器１内に供給されたＤＣＳガスは、図７（ａ）の上段に矢印Ａで示すように、ＤＣＳガスは、Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２のガス吐出孔２２ａから遠い位置まで到達することができる。処理容器１内の圧力が低ければ、ガス分子の平均自由行程が長くなるためである。この場合において、仮にウエハボート５を回転せずにＤＣＳガスとＮＨ３ガスとを交互に供給すると、ウエハボート５（支柱６）に支持されるウエハＷの面内の膜厚は、図７（ａ）の中段に示すように、ガス吐出孔２２ａに近い端部（近端部）から遠い端部（遠端部）にかけて一様に薄くなる。このような状況において、ウエハＷ上の膜厚を均一化するためにウエハボート５を回転して窒化シリコン膜を堆積すれば、近端部と遠端部での膜厚が相殺されて膜厚が均一化されるが、図７（ａ）の下段に示すように、その膜厚分布は凹状になる。
一方、ＤＣＳガスを供給する前の処理容器１内の圧力が比較的高い場合には、処理容器１内の窒素ガス分子によりＤＣＳガスの流れが妨げられ、図７（ｂ）の上段に矢印Ｂで示すように、ウエハＷの中央部程度までしか到達できない。この場合において、仮にウエハボート５を回転せずにＤＣＳガスとＮＨ３ガスとを交互に供給すると、図７（ｂ）の中段に示すように、ウエハＷ上の薄膜の膜厚は、近端部から中央部までは、徐々に薄くなるものの比較的厚く、中央部から遠端部にかけてはかなり薄くなる。このような状況の下でウエハボート５を回転して窒化シリコン膜を堆積すれば、遠端部の比較的厚い膜厚が、近端部における極めて薄い膜厚により相殺されるため、ウエハＷ面内の外縁に近い外周部領域での膜厚が薄くなり、ウエハＷのほぼ中央部での膜厚が厚くなる。この結果、図７（ｂ）の下段に示すように、ウエハＷ面内の膜厚分布は凸状になる。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、ＡＬＤ法による窒化シリコン膜の堆積においても所望の膜厚分布を有する薄膜を実現することが可能となる。
【００４２】
以上、幾つかの実施形態及び実施例を参照しながら本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態及び実施例に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に照らし、種々に変形又は変更が可能である。
【００４３】
例えば、ステップＳ３５においてＮＨ３ガスを供給する場合に、ＡＬＤ装置８０のプラズマ電極３３、３３に高周波電力を供給してＮＨ３ガスをプラズマ化したが、プラズマ化することなく、ＮＨ３ガスを供給してウエハＷの熱によりＮＨ３を分解し、ウエハＷ上に吸着するＤＣＳガスを窒化することにより、窒化シリコン膜を堆積しても良い。
【００４４】
ステップＳ３２において、主弁ＭＶを閉じた後に窒素ガスを供給したが、主弁ＭＶを開いたまま窒素ガスを供給し、所定の圧力となった時点で、主弁ＭＶを閉じるとともに窒素ガスの供給を停止し、ステップＳ３３においてＤＣＳガスを処理容器１内に供給しても良い。すなわち、主弁ＭＶは、ＤＣＳガスを処理容器１内に供給する際に閉じていれば良い。また、主弁ＭＶを開いたまま窒素ガスを供給する際には、圧力調整器ＰＣにより処理容器１内の圧力を調整しても良い。
【００４５】
また、ステップＳ３２において処理容器１内に窒素ガスを供給する場合、Ｓｉ含有ガスについてバッファータンク１８０を使用したのと同様に、バッファータンクを使用しても良い。すなわち、ステップＳ３２の前までにバッファータンク内に窒素ガスを溜めておき、ステップＳ３２において、バッファータンクから処理容器１内へ窒素ガスを一気に供給しても良い。これにより、短時間でガス置換が行われ、処理時間を短縮することが可能となる。
【００４６】
また、ステップＳ３３において、バッファータンク１８０内に溜められたＤＣＳガスを処理容器１内へ供給したが、バッファータンク１８０を用いずに、窒素含有ガス供給源１７からの窒素ガスを流量制御器１７ｂで流量制御しつつ処理容器１内へ供給しても良い。
【００４７】
また、ステップＳ３２において処理容器１内に窒素ガスを供給したが、窒素ガスの代わりにヘリウム（Ｈｅ）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスなどの希ガスを用いても良い。
【００４８】
また、Ｓｉ含有ガスと酸素含有ガスとを原料ガスとして用いる酸化シリコン膜を成膜する場合においても、同様な効果が得られる。酸素含有ガスとしては、例えばオゾン（Ｏ３）ガスを用いることができる。また、酸素ガスを用いてプラズマにより活性化し、Ｓｉ含有ガスが吸着したウエハＷに供給しても良い。
【００４９】
Ｓｉ含有ガスを供給する前に処理容器１内に不活性ガスを供給し、処理容器１内を所定の圧力としたが、この圧力は、処理容器１のサイズや、不活性ガスの種類、使用する原料ガスなどに応じて異なる。また、後続のプロセスにおいて好ましい膜厚分布に応じて所定の圧力を決定して良い。例えば予備実験やシミュレーションを行うことにより、その圧力を決定することが好ましい。
【００５０】
また、ＡＬＤ装置８０にパージガス供給源と、パージガス供給源からのパージガスを処理容器１内に供給するためマニホールド３を貫通して処理容器１内に至るパージガス供給管とを設け、これにより、処理容器１内にパージガス（不活性ガス）を供給しても良い。これによれば、ウエハボート５を処理容器１内に収容した際に、処理容器１内にパージガスを供給することにより、処理容器１内の空気をパージガスで容易に置換することができる。また、ＤＣＳガス（またはＮＨ３ガス）の供給後、パージガスで処理容器１内をパージした後にＮＨ３ガス（またはＤＣＳガス）を供給しても良い。これにより、ＤＣＳガスとＮＨ３ガスとが気相中で反応するのを抑制でき、窒化シリコン膜のＡＬＤを確実に行うことが可能となる。
【００５１】
なお、図３のステップＳ３２における（ＤＣＳガス供給前の）不活性ガスは、上述のようにＳｉ含有ガス配管２０ＬおよびＳｉ含有ガス分散ノズル２２を通して処理容器１内へ供給することが好ましい。このようにすれば、処理容器１内における不活性ガスの流れのパターンが後に供給されるＤＣＳガスの流れのパターンとほぼ同様となるため、ＤＣＳガスの流れを阻害することは殆どなく、ウエハに対してＤＣＳガスを均一に供給することが可能となる。仮に、上述のバージガス供給管から不活性ガスを供給すると、不活性ガスがＤＣＳガスの流れを過剰に阻害することになる結果、膜厚分布が悪化するおそれがある。もっとも、バージガス供給管から不活性ガスを供給し、処理容器１内での不活性ガスの流れが落ち着いた後にＤＣＳガスを供給すれば、ＤＣＳガスの流れが過剰に阻害されるのを抑制できる。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・処理容器、２・・・天井板、３・・・マニホールド、５・・・ウエハボート、６・・・支柱、８・・・テーブル、１０・・・回転シャフト、１３・・・アーム、１７・・・窒素含有ガス供給源、１７Ｌ・・・窒素含有ガス配管、１７ａ・・・開閉バルブ、１７ｂ・・・流量制御器、１９・・・窒素含有ガス分散ノズル、１９ａ・・・ガス吐出孔、２０・・・Ｓｉ含有ガス供給源２０、２０Ｌ・・・Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌ、２２・・・Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２、２２ａ・・・ガス吐出孔、２０ａ・・・開閉バルブ、２０ｂ・・・流量制御器、２０ｃ・・・開閉バルブ、３０・・・プラズマ生成機構、３１・・・開口、４１・・・不活性ガス供給源、４１Ｌ・・・不活性ガス配管、４１ａ・・・開閉バルブ、４１ｂ・・・流量制御器、３２・・・プラズマ区画壁、３３・・・プラズマ電極、３５・・・高周波電源、３７・・・排気口、８０・・・ＡＬＤ装置、１８０・・・バッファータンク、ＭＶ・・・主弁、ＰＣ・・・圧力調整器ＰＣ、ＶＰ・・・真空ポンプＶＰ、Ｗ・・・ウエハ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも第１の原料ガスおよび第２の原料ガスを基板に対して交互に供給することにより、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの反応により生じる反応生成物質の薄膜を基板に堆積する成膜方法および成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の製造プロセスにおいて、例えば絶縁膜を堆積するため、その絶縁膜を生成するための２種類の原料ガスを半導体ウエハなどの基板に対して交互に供給する原子層堆積（ＡＬＤ）法が用いられる場合がある。ＡＬＤ法は、原料ガスが基板に対して自己制限的に吸着する性質を利用し得るため膜厚均一性に優れ、また、交互供給のサイクル数により膜厚が決まるため膜厚制御性に優れるという利点を有している（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、薄膜を堆積する場合、優れた膜厚均一性を有していることが必ずしも好ましいとは限らない。例えば従来の減圧化学堆積（ＬＰＣＶＤ）法により窒化シリコン膜を堆積し、次にその窒化シリコン膜をエッチングする場合には、その窒化シリコン膜は、基板の中央付近で厚く、基板周縁に向かって薄くなるような膜厚分布を有していることが好ましい場合がある。これは、パターンの微細化に伴うマイクロローディング効果を抑制するため、上記のような膜厚分布を有する薄膜を堆積し、これに合わせてエッチングプロファイルを決定しているという事情による。
【０００５】
このため、例えば膜厚制御性の観点からＡＬＤ法を用いて薄膜を堆積する場合にも、ＡＬＤ法が膜厚均一性に優れた堆積法であるとしても、後続のプロセスに好ましい膜厚分布を有する薄膜を堆積することが求められる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑み、所望の膜厚分布を有する薄膜を堆積可能な成膜方法および成膜装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも第１の原料ガスおよび第２の原料ガスを基板に対して交互に供給することにより、第１の原料ガスと第２の原料ガスとの反応により生じる反応生成物質の薄膜を基板に堆積する成膜方法が開示される。この方法は、基板が収容される処理容器内にガスを供給することなく処理容器内を真空排気するステップと、処理容器内に不活性ガスを所定の圧力まで供給するステップと、処理容器内の真空排気を停止した状態で、不活性ガスが所定の圧力に満たされた処理容器内に第１の原料ガスを供給するステップと、第１の原料ガスの供給を停止するとともに処理容器内を真空排気するステップと、処理容器内に第２の原料ガスを供給するステップと、第２の原料ガスの供給を停止するとともに処理容器内を真空排気するステップとを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、所望の膜厚分布を有する薄膜を堆積可能な成膜方法および成膜装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態による成膜装置の概略図である。
【図２】図１の成膜装置の断面図である。
【図３】本発明の実施形態による成膜方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態による成膜方法を図１および図２に示す成膜装置において実施する際の処理容器内の圧力変化の一例を示す圧力チャートである。
【図５】本発明の実施形態による成膜方法により堆積された窒化シリコン膜の膜厚分布を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態による成膜方法により堆積された窒化シリコン膜の膜厚均一性を示すグラフである。
【図７】膜厚分布が生じる理由を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一または対応する部材または部品については、同一または対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、部材もしくは部品間の相対比を示すことを目的とせず、したがって、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定されるべきものである。また、図面および以下の説明において、圧力の単位としてTorrを用いる場合がある（1Torr＝133.3Pa）。
図１は、本実施形態によるＡＬＤ装置を模式的に示す縦断面図であり、図２は、図１のＡＬＤ装置の横断面図である。
図１に示すように、ＡＬＤ装置８０は、下端が開口された有天井の円筒体状を有する、たとえば石英により形成される処理容器１を有している。処理容器１内の上方には、石英製の天井板２が設けられている。また、処理容器１の下端開口部には、例えばステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド３がＯリング等のシール部材４を介して連結されている。
【００１１】
マニホールド３は処理容器１の下端を支持する支持部材として働くとともに、側面に設けられた複数の貫通孔にそれぞれ接続される配管から所定のガスを処理容器１内へ供給する。マニホールド３の下部には、マニホールド３の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部９が例えばＯリングよりなるシール部材１２を介して連結されている。蓋部９は中央に開口を有しており、この開口を回転シャフト１０が気密に貫通している。回転シャフト１０の上端部にはテーブル８が取り付けられ、テーブル８の上には石英製の保温筒７を介してウエハボート５が設けられている。ウエハボート５は３本の支柱６を有し（図２参照）、支柱６に形成された溝により多数枚のウエハＷが支持される。回転シャフト１０が図示しない回転機構により中心軸の周りに回転することにより、ウエハボート５もまた回転することができる。
【００１２】
回転シャフト１０の下端部は、図示しない昇降機構により上下動可能に支持されるアーム１３に取り付けられている。アーム１３の上下動により、ウエハボート５が処理容器１内へ搬入され、搬出される。なお、回転シャフト１０と蓋部９の開口との間には磁性流体シール１１が設けられ、これにより処理容器１が密閉される。
【００１３】
また、ＡＬＤ装置８０は、処理容器１内へ窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給機構１４と、処理容器１内へＳｉ含有ガスを供給するＳｉ含有ガス供給機構１５と、処理容器１内へ不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構１６とを有している。
【００１４】
窒素含有ガス供給機構１４は、窒素含有ガス供給源１７と、窒素含有ガス供給源１７からの窒素含有ガスを導く窒素含有ガス配管１７Ｌと、窒素含有ガス配管１７Ｌに接続され、マニホールド３の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる石英管よりなる窒素含有ガス分散ノズル１９とを有している。窒素含有ガス分散ノズル１９の垂直部分には、複数のガス吐出孔１９ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス吐出孔１９ａから水平方向に処理容器１に向けてほぼ均一に窒素含有ガスを吐出することができる。
【００１５】
また、窒素含有ガス配管１７Ｌには、開閉バルブ１７ａと、窒素含有ガスの流量を制御する流量制御器１７ｂとが設けられている。これらにより、窒素含有ガスの供給の開始／停止、および流量が制御される。
【００１６】
Ｓｉ含有ガス供給機構１５は、Ｓｉ含有ガス供給源２０と、Ｓｉ含有ガス供給源２０からのＳｉ含有ガスを導くＳｉ含有ガス配管２０Ｌと、Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌに接続され、マニホールド３の側壁を内側へと貫通して上方向へ屈曲されて垂直に延びる石英管よりなるＳｉ含有ガス分散ノズル２２とを有している。図示の例では、２本のＳｉ含有ガス分散ノズル２２が設けられており（図２参照）、各Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２には、その長さ方向に沿って複数のガス吐出孔２２ａが所定の間隔を隔てて形成されている。これにより、各ガス吐出孔２２ａから水平方向に処理容器１内にほぼ均一にＳｉ含有ガスを吐出することができる。なお、Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２は１本のみであってもよい。
【００１７】
また、Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌには、開閉バルブ２０ａ、流量制御器２０ｂ、バッファータンク１８０、および開閉バルブ２０ｃが設けられている。例えば開閉バルブ２０ｃを閉じたまま開閉バルブ２０ａを開け、Ｓｉ含有ガス源２０からＳｉ含有ガスを所定の流量で流すことにより、バッファータンク１８０内にＳｉ含有ガスを一時的に溜めることができる。その後、開閉バルブ２０ａを閉じて開閉バルブ２０ｃを開けば、所定の量のＳｉ含有ガスを処理容器１内へ供給することが可能となる。
【００１８】
不活性ガス供給機構１６は、不活性ガス供給源４１と、不活性ガス供給源４１と接続され、Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌに合流する不活性ガス配管４１Ｌとを有している。不活性ガス配管４１ＬがＳｉ含有ガス配管２０Ｌに合流しているため、不活性ガスは、Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２から処理容器１内へ吐出される。また、不活性ガス配管４１Ｌには、開閉バルブ４１ａと、不活性ガスの流量を制御する流量制御器４１ｂとが設けられている。これらにより、不活性ガスの供給の開始／停止、および流量が制御される。
【００１９】
処理容器１の側壁の一部には、窒素含有ガスのプラズマを形成するプラズマ生成機構３０が形成されている。このプラズマ生成機構３０は、処理容器１の側壁に上下に細長く形成された開口３１と、開口３１を外側から覆うように処理容器１の外壁に気密に溶接されたプラズマ区画壁３２とを有している。プラズマ区画壁３２は、断面凹部状をなし上下に細長く形成され、例えば石英で形成されている。プラズマ区画壁３２により、処理容器１の側壁の一部が凹部状に外側へ窪んでおり、プラズマ区画壁３２の内部空間は処理容器１の内部空間に連通する。また、開口３１は、ウエハボート５に保持されている全てのウエハＷを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。
【００２０】
また、プラズマ生成機構３０は、このプラズマ区画壁３２の両側壁の外面に上下方向に沿って互いに対向するようにして配置された細長い一対のプラズマ電極３３、３３と、プラズマ電極３３、３３に給電ライン３４を介して接続されプラズマ電極３３、３３へ高周波電力を供給する高周波電源３５とを有している。そして、高周波電源３５からプラズマ電極３３、３３に対し例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することにより窒素含有ガスのプラズマを発生させることができる。なお、この高周波電圧の周波数は、１３．５６ＭＨｚに限定されず、他の周波数、例えば４００ｋＨｚ等であってもよい。
【００２１】
窒素含有ガス分散ノズル１９は、処理容器１内を上方向に延びる途中で処理容器１の半径方向外方へ屈曲されて、プラズマ区画壁３２の直立面に沿って上方に向けて伸びている。このため、高周波電源３５からプラズマ電極３３、３３間に高周波電圧が印加され、両電極３３、３３間に高周波電界が形成されると、窒素含有ガス分散ノズル１９のガス吐出孔１９ａから吐出された窒素含有ガスがプラズマ化されて処理容器１の中心に向かって流れる。
【００２２】
プラズマ区画壁３２の外側には、これを覆うようにして例えば石英よりなる絶縁保護カバー３６が取付けられている。また、この絶縁保護カバー３６の内側には、図示しない冷媒通路が設けられており、例えば冷却された窒素ガスを流すことによりプラズマ電極３３、３３を冷却することができる。
【００２３】
２本のＳｉ含有ガス分散ノズル２２は、処理容器１の側壁の開口３１を挟む位置に起立して設けられており、Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２に形成された複数のガス吐出孔２２ａから処理容器１の中心方向に向けてＳｉ含有ガスを吐出することができる。
【００２４】
なお、Ｓｉ含有ガスとしては、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）ガス、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）等を用いることができる。また、窒素含有ガスとしては、アンモニア（ＮＨ３）ガス、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ２）等を用いることができる。
【００２５】
一方、処理容器１の開口３１に対向する部分には、処理容器１内を排気するための排気口３７が設けられている。この排気口３７は処理容器１の側壁を上下に細長く削り取ることによって形成されている。処理容器１の外側には、図２に示すように、排気口３７を覆うように断面凹部状に成形された排気口カバー部材３８が溶接により取り付けられている。排気口カバー部材３８は、処理容器１の側壁に沿って上方に延びており、処理容器１の上方にガス出口３９を画定している。そして、ガス出口３９は、処理容器１の主弁ＭＶおよび圧力調整器ＰＣを介して真空ポンプＶＰに接続され、これにより処理容器１内が排気される。真空ポンプＶＰは、例えばメカニカルブースタポンプとターボ分子ポンプを含んで良い。
【００２６】
また、処理容器１の外周を囲むように、処理容器１およびその内部のウエハＷを加熱する筐体状の加熱ユニット４０が設けられている（図２においては、加熱ユニット４０を省略している）。
【００２７】
ＡＬＤ装置８０の各構成部の制御、例えば開閉バルブ１７ａ、２０ａ〜２０ｃ、４１ａの開閉による各ガスの供給／停止、流量制御器１７ｂ、２０ｂ、４１ｂによるガス流量の制御、および高周波電源３５のオン／オフ制御、加熱ユニット４０の制御等は例えばマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるコントローラ５０により行われる。コントローラ５０には、工程管理者がＡＬＤ装置８０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、ＡＬＤ装置８０の稼働状況を表示するディスプレイ等からなるユーザインターフェース５１が接続されている。
【００２８】
また、コントローラ５０には、ＡＬＤ装置８０で実行される各種処理をコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてＡＬＤ装置８０の各構成部に処理を実行させるための各種のプログラム（またはレシピ）が格納された記憶部５２が接続されている。プログラムには、後述する成膜方法をＡＬＤ装置８０に実行させる堆積プログラムが含まれる。また、各種のプログラムは記憶媒体５２ａに記憶され、記憶部５２に格納され得る。記憶媒体５２ａは、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを記憶部５２へ適宜伝送させるようにしてもよい。
【００２９】
そして、必要に応じて、ユーザインターフェース５１からの指示等にて任意のプログラムを記憶部５２から呼び出してコントローラ５０に実行させることで、コントローラ５０の制御下で、ＡＬＤ装置８０での所望の処理が行われる。すなわち、堆積プログラムが実行される場合、コントローラ５０は、ＡＬＤ装置８０の各構成部を制御して、成膜方法を実行する制御部として機能する。
【００３０】
次に、これまで参照した図１および図２に加えて図３および図４を参照しながら、本発明の実施形態による成膜方法について、ＡＬＤ装置８０において行われる場合を例に説明する。また、以下の説明では、Ｓｉ含有ガスとしてＤＣＳガスを使用し、窒素含有ガスとしてアンモニアガスを使用することとする。
まず、ウエハボート５にウエハＷを搭載し、アーム１３によりウエハボート５を処理容器１内に収容する。その後、処理容器１内にいずれのガスも供給しないで（開閉バルブ１７ａ、２０ｃ、および４１ａを閉じて）、処理容器１の主弁１を開き、圧力制御器ＰＣの圧力調整弁を全開にして、真空ポンプＶＰにより、処理容器１内を到達真空度まで排気する（図３のステップＳ３１）。
【００３１】
処理容器１内を所定の期間排気した後、ステップＳ３２（図３）において、主弁ＭＶを閉じ、窒素ガス供給源４１からの窒素ガスを流量制御器４１ｂで流量制御しつつ、不活性ガス配管４１Ｌ、Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌ、およびＳｉ含有ガス分散ノズル２２を通して処理容器１内に供給する。これにより、処理容器１内の圧力は、窒素ガスの流量に応じて増加し、例えば0.05Torr以上とすることができる。
【００３２】
また、この間、Ｓｉ含有ガス供給源２０と処理容器１とを繋ぐＳｉ含有ガス配管２０Ｌの開閉バルブ２０ｃを閉じたまま開閉バルブ２０ａを開けて、Ｓｉ含有ガス供給源２０からのＤＣＳガスを流量制御器２０ｂで流量制御しつつ流し、バッファータンク１８０内にＤＣＳガスを溜めておく。このとき、バッファータンク１８０内に溜められるＤＣＳガスの量（ＤＣＳガス分子数）は、ウエハボート５に支持されるウエハＷの表面をＤＣＳガス分子で覆うことができるように設定され、具体的には予備実験から決定して良い。
【００３３】
次に、ステップＳ３３（図３）において、主弁ＭＶを閉じたまま、不活性ガス配管４１Ｌの開閉バルブ４１ａを閉じて窒素ガスの供給を停止すると共に、開閉バルブ２０ｃを開けることにより、バッファータンク１８０内に溜められていたＤＣＳガスを処理容器１内に供給する。これにより、図４に示すように、供給されるＤＣＳガスの量に応じて処理容器１内の圧力が上昇するとともに、処理容器１内が窒素ガスおよびＤＣＳガスの混合ガス雰囲気となり、ウエハＷの表面にＤＣＳガスが吸着する。
【００３４】
ＤＣＳガスの供給後、開閉バルブ２０ｃを閉じるとともに主弁ＭＶを開き、処理容器１内を到達真空度まで排気する（図３のステップＳ３４）。これにより、図４に示すように、処理容器１内の圧力が低下し、処理容器１内の気相中のＤＣＳガスが排気される。
【００３５】
次いで、ステップＳ３５において、高周波電源３５からプラズマ電極３３、３３に対し例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加するとともに、開閉バルブ１７ａを開いて窒素含有ガス供給源１７からのＮＨ３ガスを流量制御しつつ処理容器１内へ供給する。この供給により、処理容器１内の圧力は、図４に示すように、ＮＨ３ガスの流量に応じた圧力に維持される。また、プラズマ電極３３、３３間にプラズマが生成され、ＮＨ３ガスが活性化されてイオンやラジカルなどの活性種が生成される。活性種は、ウエハボート５に支持されるウエハＷに向かって流れ、ウエハＷの表面に吸着したＤＣＳガスと反応し、ウエハＷの表面に窒化シリコンが生成される。
【００３６】
ＮＨ３ガスに由来する活性種とＤＣＳガスとが反応するのに十分な時間が経過した後、ＮＨ３ガスの供給を停止するとともに、処理容器１の主弁ＭＶを開いて、処理容器１内を到達真空度まで排気する（図３のステップＳ３６）。
以下、上述のステップを所定の回数（所望の膜厚が得られる回数）だけ繰り返し（図３のステップＳ３７およびステップＳ３７：ＮＯ）、所定の回数に達した時点で（ステップＳ３７：ＹＥＳ）、窒化シリコン膜の堆積が終了する。具体的には、主弁ＭＶを開いて処理容器１内を到達真空度まで排気した後、主弁ＭＶを閉じて処理容器１内に窒素ガスを供給し、処理容器１内の圧力を大気圧に戻す。次いで、アーム１３によりウエハボート５を処理容器１から下げてウエハＷを所定のローダ／アンローダにより取り出すことにより窒化シリコン膜の堆積が終了する。
【００３７】
次に、上記の成膜方法により窒化シリコン膜を堆積した実験およびその結果について、図５および図６を参照しながら説明する。この実験においては、ＤＣＳガスを供給する前に、ＡＬＤ装置８０の主弁ＭＶを閉じて処理容器１内に窒素ガスを供給するステップ（図３のステップＳ３２）における処理容器１内の圧力＝0.08、2.67、3.24、および3.91Torrとして、それぞれ窒化シリコン膜をウエハ上に堆積し、処理容器内の圧力に対する膜厚分布の変化を調べた。
【００３８】
図５は、この実験で得られた窒化シリコン膜の膜厚分布を示すグラフであり、横軸はウエハの直径方向の位置（ｍｍ）を示し、縦軸は膜厚（ｎｍ）を示している。図示のとおり、処理容器１内の圧力が0.08Torrである場合には、窒化シリコン膜は、ウエハのほぼ中央部での膜厚が薄く、ウエハ外周部領域での膜厚が厚くなる凹状の膜厚分布を有する。一方、処理容器１内の圧力が2.67、3.24、および3.91Torrの場合には、窒化シリコン膜は、ウエハのほぼ中央部での膜厚が厚く、ウエハ外周部領域での膜厚が薄くなる凹状の膜厚分布を有する。すなわち、処理容器１内の圧力を0.08Torrから高くしていくと、凹状の膜厚分布から凸状の膜厚分布に変化することが分かる。したがって、ＤＣＳガスを供給する前の処理容器１内の圧力を調整することにより、窒化シリコン膜の膜厚分形状を制御できることが示された。
【００３９】
また、図６は、この実験で得られた窒化シリコン膜の膜厚均一性を示すグラフである。図示のとおり、処理容器１内の圧力を2.67Torrから、3.24Torr、3.91Torrへと高くするに従って、膜厚均一性が悪くなるが、図５に示す結果と併せて考えると、圧力が高くなるに従って膜厚分形状がより凸状になることが分かる。また、処理容器１内の圧力を0.08Torrから高くしていくと、凹状の膜厚分布から凸状の膜厚分布へ変換するが、その変換点は約0.5Torrと考えられる。すなわち、ＡＬＤ装置８０において、窒化シリコン膜の膜厚分布は、約0.08Torrから約0.5Torrまでの圧力範囲において凹状となり、約0.5Torr以上の圧力範囲において凸状となることが分かった。
【００４０】
上述のようにＤＣＳガスを供給する前の処理容器１内の圧力により膜厚分布を制御できる理由としては、以下のように考えることができる。
まず、ＤＣＳガスを供給する前の処理容器１内の圧力が比較的低い場合には、処理容器１内に供給されたＤＣＳガスは、図７（ａ）の上段に矢印Ａで示すように、ＤＣＳガスは、Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２のガス吐出孔２２ａから遠い位置まで到達することができる。処理容器１内の圧力が低ければ、ガス分子の平均自由行程が長くなるためである。この場合において、仮にウエハボート５を回転せずにＤＣＳガスとＮＨ３ガスとを交互に供給すると、ウエハボート５（支柱６）に支持されるウエハＷの面内の膜厚は、図７（ａ）の中段に示すように、ガス吐出孔２２ａに近い端部（近端部）から遠い端部（遠端部）にかけて一様に薄くなる。このような状況において、ウエハＷ上の膜厚を均一化するためにウエハボート５を回転して窒化シリコン膜を堆積すれば、近端部と遠端部での膜厚が相殺されて膜厚が均一化されるが、図７（ａ）の下段に示すように、その膜厚分布は凹状になる。
一方、ＤＣＳガスを供給する前の処理容器１内の圧力が比較的高い場合には、処理容器１内の窒素ガス分子によりＤＣＳガスの流れが妨げられ、図７（ｂ）の上段に矢印Ｂで示すように、ウエハＷの中央部程度までしか到達できない。この場合において、仮にウエハボート５を回転せずにＤＣＳガスとＮＨ３ガスとを交互に供給すると、図７（ｂ）の中段に示すように、ウエハＷ上の薄膜の膜厚は、近端部から中央部までは、徐々に薄くなるものの比較的厚く、中央部から遠端部にかけてはかなり薄くなる。このような状況の下でウエハボート５を回転して窒化シリコン膜を堆積すれば、遠端部の比較的厚い膜厚が、近端部における極めて薄い膜厚により相殺されるため、ウエハＷ面内の外縁に近い外周部領域での膜厚が薄くなり、ウエハＷのほぼ中央部での膜厚が厚くなる。この結果、図７（ｂ）の下段に示すように、ウエハＷ面内の膜厚分布は凸状になる。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、ＡＬＤ法による窒化シリコン膜の堆積においても所望の膜厚分布を有する薄膜を実現することが可能となる。
【００４２】
以上、幾つかの実施形態及び実施例を参照しながら本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態及び実施例に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に照らし、種々に変形又は変更が可能である。
【００４３】
例えば、ステップＳ３５においてＮＨ３ガスを供給する場合に、ＡＬＤ装置８０のプラズマ電極３３、３３に高周波電力を供給してＮＨ３ガスをプラズマ化したが、プラズマ化することなく、ＮＨ３ガスを供給してウエハＷの熱によりＮＨ３を分解し、ウエハＷ上に吸着するＤＣＳガスを窒化することにより、窒化シリコン膜を堆積しても良い。
【００４４】
ステップＳ３２において、主弁ＭＶを閉じた後に窒素ガスを供給したが、主弁ＭＶを開いたまま窒素ガスを供給し、所定の圧力となった時点で、主弁ＭＶを閉じるとともに窒素ガスの供給を停止し、ステップＳ３３においてＤＣＳガスを処理容器１内に供給しても良い。すなわち、主弁ＭＶは、ＤＣＳガスを処理容器１内に供給する際に閉じていれば良い。また、主弁ＭＶを開いたまま窒素ガスを供給する際には、圧力調整器ＰＣにより処理容器１内の圧力を調整しても良い。
【００４５】
また、ステップＳ３２において処理容器１内に窒素ガスを供給する場合、Ｓｉ含有ガスについてバッファータンク１８０を使用したのと同様に、バッファータンクを使用しても良い。すなわち、ステップＳ３２の前までにバッファータンク内に窒素ガスを溜めておき、ステップＳ３２において、バッファータンクから処理容器１内へ窒素ガスを一気に供給しても良い。これにより、短時間でガス置換が行われ、処理時間を短縮することが可能となる。
【００４６】
また、ステップＳ３３において、バッファータンク１８０内に溜められたＤＣＳガスを処理容器１内へ供給したが、バッファータンク１８０を用いずに、窒素含有ガス供給源１７からの窒素ガスを流量制御器１７ｂで流量制御しつつ処理容器１内へ供給しても良い。
【００４７】
また、ステップＳ３２において処理容器１内に窒素ガスを供給したが、窒素ガスの代わりにヘリウム（Ｈｅ）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスなどの希ガスを用いても良い。
【００４８】
また、Ｓｉ含有ガスと酸素含有ガスとを原料ガスとして用いる酸化シリコン膜を成膜する場合においても、同様な効果が得られる。酸素含有ガスとしては、例えばオゾン（Ｏ３）ガスを用いることができる。また、酸素ガスを用いてプラズマにより活性化し、Ｓｉ含有ガスが吸着したウエハＷに供給しても良い。
【００４９】
Ｓｉ含有ガスを供給する前に処理容器１内に不活性ガスを供給し、処理容器１内を所定の圧力としたが、この圧力は、処理容器１のサイズや、不活性ガスの種類、使用する原料ガスなどに応じて異なる。また、後続のプロセスにおいて好ましい膜厚分布に応じて所定の圧力を決定して良い。例えば予備実験やシミュレーションを行うことにより、その圧力を決定することが好ましい。
【００５０】
また、ＡＬＤ装置８０にパージガス供給源と、パージガス供給源からのパージガスを処理容器１内に供給するためマニホールド３を貫通して処理容器１内に至るパージガス供給管とを設け、これにより、処理容器１内にパージガス（不活性ガス）を供給しても良い。これによれば、ウエハボート５を処理容器１内に収容した際に、処理容器１内にパージガスを供給することにより、処理容器１内の空気をパージガスで容易に置換することができる。また、ＤＣＳガス（またはＮＨ３ガス）の供給後、パージガスで処理容器１内をパージした後にＮＨ３ガス（またはＤＣＳガス）を供給しても良い。これにより、ＤＣＳガスとＮＨ３ガスとが気相中で反応するのを抑制でき、窒化シリコン膜のＡＬＤを確実に行うことが可能となる。
【００５１】
なお、図３のステップＳ３２における（ＤＣＳガス供給前の）不活性ガスは、上述のようにＳｉ含有ガス配管２０ＬおよびＳｉ含有ガス分散ノズル２２を通して処理容器１内へ供給することが好ましい。このようにすれば、処理容器１内における不活性ガスの流れのパターンが後に供給されるＤＣＳガスの流れのパターンとほぼ同様となるため、ＤＣＳガスの流れを阻害することは殆どなく、ウエハに対してＤＣＳガスを均一に供給することが可能となる。仮に、上述のバージガス供給管から不活性ガスを供給すると、不活性ガスがＤＣＳガスの流れを過剰に阻害することになる結果、膜厚分布が悪化するおそれがある。もっとも、バージガス供給管から不活性ガスを供給し、処理容器１内での不活性ガスの流れが落ち着いた後にＤＣＳガスを供給すれば、ＤＣＳガスの流れが過剰に阻害されるのを抑制できる。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・処理容器、２・・・天井板、３・・・マニホールド、５・・・ウエハボート、６・・・支柱、８・・・テーブル、１０・・・回転シャフト、１３・・・アーム、１７・・・窒素含有ガス供給源、１７Ｌ・・・窒素含有ガス配管、１７ａ・・・開閉バルブ、１７ｂ・・・流量制御器、１９・・・窒素含有ガス分散ノズル、１９ａ・・・ガス吐出孔、２０・・・Ｓｉ含有ガス供給源２０、２０Ｌ・・・Ｓｉ含有ガス配管２０Ｌ、２２・・・Ｓｉ含有ガス分散ノズル２２、２２ａ・・・ガス吐出孔、２０ａ・・・開閉バルブ、２０ｂ・・・流量制御器、２０ｃ・・・開閉バルブ、３０・・・プラズマ生成機構、３１・・・開口、４１・・・不活性ガス供給源、４１Ｌ・・・不活性ガス配管、４１ａ・・・開閉バルブ、４１ｂ・・・流量制御器、３２・・・プラズマ区画壁、３３・・・プラズマ電極、３５・・・高周波電源、３７・・・排気口、８０・・・ＡＬＤ装置、１８０・・・バッファータンク、ＭＶ・・・主弁、ＰＣ・・・圧力調整器ＰＣ、ＶＰ・・・真空ポンプＶＰ、Ｗ・・・ウエハ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の原料ガスおよび第２の原料ガスを基板に対して交互に供給することにより、前記第１の原料ガスと前記第２の原料ガスとの反応により生じる反応生成物質の薄膜を前記基板に堆積する成膜方法であって、
前記基板が収容される処理容器内にガスを供給することなく前記処理容器内を真空排気するステップと、
前記処理容器内に不活性ガスを所定の圧力まで供給するステップと、
前記処理容器内の真空排気を停止した状態で、前記不活性ガスが前記所定の圧力に満たされた前記処理容器内に前記第１の原料ガスを供給するステップと、
前記第１の原料ガスの供給を停止するとともに前記処理容器内を真空排気するステップと、
前記処理容器内に前記第２の原料ガスを供給するステップと、
前記第２の原料ガスの供給を停止するとともに前記処理容器内を真空排気するステップと
を含む成膜方法。
【請求項２】
前記不活性ガスが、窒素ガスおよび希ガスのうちのいずれか一つである、請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記不活性ガスが、前記処理容器内に前記第１の原料ガスを供給する配管から前記処理容器内に供給される、請求項１または２に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記第１の原料ガスの供給源と前記処理容器とを繋ぐ配管に設けられたバッファータンクに前記第１の原料を溜めるステップを更に含み、
前記第１の原料ガスを供給するステップにおいて、前記バッファータンクから前記第１の原料ガスが供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項５】
基板を収容可能な処理容器と、
前記処理容器内に第１の原料ガスを供給する第１の原料ガス供給部と、
前記処理容器内に第２の原料ガスを供給する第２の原料ガス供給部と、
前記処理容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記処理容器内を真空排気する排気部と、
前記処理容器内にガスを供給することなく前記処理容器内を真空排気し、前記処理容器内に不活性ガスを所定の圧力まで供給し、前記処理容器内の真空排気を停止した状態で、前記不活性ガスが前記所定の圧力に満たされた前記処理容器内に前記第１の原料ガスを供給し、前記第１の原料ガスの供給を停止するとともに前記処理容器内を真空排気し、前記処理容器内に前記第２の原料ガスを供給し、前記第２の原料ガスの供給を停止するとともに前記処理容器内を真空排気するよう前記第１の原料ガス供給部、前記第２の原料ガス供給部、前記不活性ガス供給部、および前記排気部を制御する制御部と
を備える成膜装置。
【請求項６】
前記不活性ガスが、窒素ガスおよび希ガスのうちのいずれか一つである、請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
前記第１の原料ガス供給部は、前記処理容器内に配置されるガス供給管を含み、
当該ガス供給管が、前記処理容器内への前記不活性ガスの供給に利用される、請求項５または６に記載の成膜装置。
【請求項８】
前記第１の原料ガスの供給源と前記処理容器とを繋ぐ配管に設けられ、前記第１の原料を溜めるバッファータンクを更に備え、
前記第１の原料ガスを供給する際に、前記バッファータンクから前記第１の原料ガスが供給される、請求項５から７のいずれか一項に記載の成膜装置。
【請求項１】
少なくとも第１の原料ガスおよび第２の原料ガスを基板に対して交互に供給することにより、前記第１の原料ガスと前記第２の原料ガスとの反応により生じる反応生成物質の薄膜を前記基板に堆積する成膜方法であって、
前記基板が収容される処理容器内にガスを供給することなく前記処理容器内を真空排気するステップと、
前記処理容器内に不活性ガスを所定の圧力まで供給するステップと、
前記処理容器内の真空排気を停止した状態で、前記不活性ガスが前記所定の圧力に満たされた前記処理容器内に前記第１の原料ガスを供給するステップと、
前記第１の原料ガスの供給を停止するとともに前記処理容器内を真空排気するステップと、
前記処理容器内に前記第２の原料ガスを供給するステップと、
前記第２の原料ガスの供給を停止するとともに前記処理容器内を真空排気するステップと
を含む成膜方法。
【請求項２】
前記不活性ガスが、窒素ガスおよび希ガスのうちのいずれか一つである、請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記不活性ガスが、前記処理容器内に前記第１の原料ガスを供給する配管から前記処理容器内に供給される、請求項１または２に記載の成膜方法。
【請求項４】
前記第１の原料ガスの供給源と前記処理容器とを繋ぐ配管に設けられたバッファータンクに前記第１の原料を溜めるステップを更に含み、
前記第１の原料ガスを供給するステップにおいて、前記バッファータンクから前記第１の原料ガスが供給される、請求項１から３のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項５】
基板を収容可能な処理容器と、
前記処理容器内に第１の原料ガスを供給する第１の原料ガス供給部と、
前記処理容器内に第２の原料ガスを供給する第２の原料ガス供給部と、
前記処理容器内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
前記処理容器内を真空排気する排気部と、
前記処理容器内にガスを供給することなく前記処理容器内を真空排気し、前記処理容器内に不活性ガスを所定の圧力まで供給し、前記処理容器内の真空排気を停止した状態で、前記不活性ガスが前記所定の圧力に満たされた前記処理容器内に前記第１の原料ガスを供給し、前記第１の原料ガスの供給を停止するとともに前記処理容器内を真空排気し、前記処理容器内に前記第２の原料ガスを供給し、前記第２の原料ガスの供給を停止するとともに前記処理容器内を真空排気するよう前記第１の原料ガス供給部、前記第２の原料ガス供給部、前記不活性ガス供給部、および前記排気部を制御する制御部と
を備える成膜装置。
【請求項６】
前記不活性ガスが、窒素ガスおよび希ガスのうちのいずれか一つである、請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
前記第１の原料ガス供給部は、前記処理容器内に配置されるガス供給管を含み、
当該ガス供給管が、前記処理容器内への前記不活性ガスの供給に利用される、請求項５または６に記載の成膜装置。
【請求項８】
前記第１の原料ガスの供給源と前記処理容器とを繋ぐ配管に設けられ、前記第１の原料を溜めるバッファータンクを更に備え、
前記第１の原料ガスを供給する際に、前記バッファータンクから前記第１の原料ガスが供給される、請求項５から７のいずれか一項に記載の成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１７５０５７（Ｐ２０１２−１７５０５７Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８５０９（Ｐ２０１１−３８５０９）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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