薄膜堆積装置及び方法
【課題】 低いサーマルバジェットで良好な膜質を有する薄膜堆積を行う装置及び方法を提供する。
【解決手段】 目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含む第１ガスの反応室１１への導入及び停止を行う第１ガス導入系１７と、酸化剤又は還元剤を含む第２ガスの反応室１１への導入及び停止を行う第２ガス導入系２７と、０．１〜１００ミリ秒の投入時間で反応室１１に配置した基板１０の表面に加熱エネルギーを逐次、繰り返し投入する加熱手段１６と、反応室１１を排気する排気系１８と、第１ガスの導入、第１ガスの停止、未反応の第１ガスの排気、第２ガスの導入、加熱エネルギーの投入、第２ガスの停止、及び未反応の第２ガスの排気とからなる一連の手順を１サイクルとし、このサイクルを逐次繰り返し実行する制御手段３０とから薄膜堆積装置を構成する。
【解決手段】 目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含む第１ガスの反応室１１への導入及び停止を行う第１ガス導入系１７と、酸化剤又は還元剤を含む第２ガスの反応室１１への導入及び停止を行う第２ガス導入系２７と、０．１〜１００ミリ秒の投入時間で反応室１１に配置した基板１０の表面に加熱エネルギーを逐次、繰り返し投入する加熱手段１６と、反応室１１を排気する排気系１８と、第１ガスの導入、第１ガスの停止、未反応の第１ガスの排気、第２ガスの導入、加熱エネルギーの投入、第２ガスの停止、及び未反応の第２ガスの排気とからなる一連の手順を１サイクルとし、このサイクルを逐次繰り返し実行する制御手段３０とから薄膜堆積装置を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化膜又は窒化膜の薄膜堆積装置、及び薄膜堆積方法に関する。例えば本発明は、不純物拡散層を有する半導体基板の表面に絶縁膜を堆積して半導体装置を製造するための薄膜堆積装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＬＳＩ）は、性能向上のため、ますます大規模化し、素子の微細化もさらに勢いを増して進んできている。そのようなＬＳＩの製造工程においては、プロセスの低サーマルバジェット(Thermal Budget)化がますます必要とされるようになってきている。
【０００３】
低サーマルバジェット化の一つの方法がプロセス温度の低温化である。低温化の必要な工程はさまざまにあるが、例えばトランジスタ構成部分のソース及びドレイン領域として基板表面から浅い不純物拡散層を形成した後の工程すべてについては、プロセス温度を６００℃程度以下にしなければならないという、特に低温化が必要とされている。これは、拡散層を浅くする一方、低いシート抵抗を実現するために、拡散層について、過飽和の高活性化状態を実現し、それを維持する必要があるからである。
【０００４】
例えば、過飽和状態は、イオン注入等によって不純物イオンを導入した後の熱処理をフラッシュランプアニールと称される方法など、高温短時間の熱処理で行なうことで実現される。しかし、この過飽和状態を維持するためには、以降の工程の温度を概略６００℃以下で行う必要がある。これが実現できない場合には、ドーパントの不活性化が起こり、シート抵抗が高くなる結果として、例えばトランジスタの寄生抵抗が増大する等の問題が生じる。
【０００５】
拡散層形成後に行われる工程として、例えば、熱化学気相堆積法（熱ＣＶＤ）によるシリコン酸化膜、あるいはシリコン窒化膜の堆積工程が挙げられるが、サーマルバジェットを低く抑えて実行されることが必須である。
【０００６】
低いサーマルバジェットでの酸化膜或いは窒化膜の成膜方法の一つが、プロセス温度の低温化である。従来からシリコン酸化膜は、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と酸素とを流す熱ＣＶＤ法で堆積が行われてきた。しかし６００℃程度がプロセス温度の下限であり、これよりも低い温度での堆積は困難である。シリコン窒化膜はヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）とアンモニア（ＮＨ３）とを供給することで４５０℃程度でも成膜できる。しかし、この場合には、得られたシリコン窒化膜は水素を高濃度に含むなど膜質の点で問題があった。
【０００７】
低いサーマルバジェットで酸化膜や窒化膜を成膜する方法としては、低温化による方法以外に、高温短時間プロセスによる方法がある。例えば、数ミリ秒程度のごく短いパルス幅を有するフラッシュランプの光を照射することによって基板表面を短時間のうちに昇温及び降温し、基板表面において成膜反応を実現する方法である。このような高温短時間プロセスに関して、例えば、反応室に原料ガスとしてゲルマンガス（ＧｅＨ４）を導入して基板表面に吸着させ、これにフラッシュランプのパルス光を照射することによって吸着ガス分子を分解、ゲルマニウム薄膜を堆積した例を示し、光をパルス的に照射することによって１原子層ずつ薄膜を成膜することが可能であることが明らかであるとした報告がある（特許文献１）。
【０００８】
特許文献１ではさらに、2種以上の原料ガスを同時に流入させ、混晶物質を原子層状に成長させることが可能であることが容易に類推できることが示唆されている。さらに2種以上の原料ガスを交互に入れ替え、その度毎にパルス光を照射して、１原子層毎或いは複数原子層毎に異種物質のある多層原子層状の薄膜を形成できることが示唆されている。
【０００９】
この技術は、単一ガスを用いた形態では、単に水素化物などの分解によって単一元素の共有結合物を堆積する技術である。示唆されている複数原料ガスを交互に用いる形態では、それぞれの原料ガスから別個の独立した原子層を各々形成していくものであって、複数原料から単一物質を合成、堆積するものではない。さらに複数の原料ガスを同時に流入させて混晶物質を原子層状に成長させる、示唆されている形態では、単一の混晶物質を生成することができる。しかし、同時流入によって成膜が連続的に進行してしまう、化学量論的に組成が定まらず反応比不定のまま成膜が進行する、それにより単一原子層毎の成膜が困難、成膜の不均一性を生じやすい、好ましくない副反応が起こりやすいなど、膜生成過程及び膜質の制御性は低い。さらに、フラッシュランプ光源を用いた実用的な薄膜形成技術としていかなる生産性向上手段を有するのか、何らの開示も示唆もない。
【００１０】
要するに、従来提案されてきた方法及び装置によっては、良好な膜質を有する酸化膜や窒化膜を低いサーマルバジェットで製造することが困難であった。また実用レベルの生産性も望めなかった。
【特許文献１】特開平１０−７２２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、低いサーマルバジェットで良好な膜質を有する薄膜堆積を行う装置及び方法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】
【００１２】
本発明の第１の特徴は、目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含む第１ガスの反応室への導入及び停止を行う第１ガス導入系と、酸化剤又は還元剤を含む第２ガスの反応室への導入及び停止を行う第２ガス導入系と、０．１〜１００ミリ秒の投入時間で反応室に配置した基板の表面に加熱エネルギーを逐次、繰り返し投入する加熱手段と、反応室を排気する排気系と、第１ガスの導入、第１ガスの停止、未反応の第１ガスの排気、第２ガスの導入、加熱エネルギーの投入、第２ガスの停止、及び未反応の第２ガスの排気とからなる一連の手順を１サイクルとし、このサイクルを逐次繰り返し実行する制御手段とを有することを特徴とする薄膜堆積装置である。
【００１３】
本発明の第２の特徴は、目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含むガスを導入して、基板の表面に化合物の分子又は化合物の分解した分子からなる吸着種を吸着させる工程と、酸化剤又は還元剤を反応種として吸着種上に導入する工程と、基板の表面に０．１〜１００ミリ秒の照射時間を有する加熱エネルギーをパルス的に照射し、吸着種と反応種との間の反応を進行させる工程とからなる一連の手順を１サイクルとし、該サイクルを繰り返すことにより、薄膜を基板の表面に堆積させることを特徴とする薄膜堆積方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、低いサーマルバジェットで良好な膜質を有する薄膜を堆積する装置及び方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。各図において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。また特に断りのない限り、「パルス幅」はパルス波形におけるエネルギー強度の半値幅である。
【００１６】
（薄膜堆積装置）
本発明の実施の形態に係る装置の概略を図１に示す。この装置は、原料ガスすなわち目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含む第１ガスの高温での分解及び化学的酸化還元によって基板１０上に薄膜を堆積する薄膜堆積装置である。
【００１７】
この薄膜堆積装置は、薄膜堆積処理を実施する反応室１１と、反応室１１内で基板１０を載置する試料台１２と、反応室１１内へ原料ガスを供給する配管や弁等からなる第１ガス導入系１７と、酸化剤又は還元剤を含む第２ガスを供給する配管や弁等からなる第２ガス導入系２７と、キャリアガスを供給する配管や弁等からなるキャリアガス導入系２９と、反応室１１を排気する配管や弁、真空ポンプ（図示せず）等からなる排気系１８と、基板１０の表面に対して加熱エネルギーをパルス状に投入する加熱手段１６とを備えている。加熱手段１６としては例えばフラッシュランプ光源が望ましい。以下の説明でも、特に断らない限り、フラッシュランプ光源を使用しているものとする。
【００１８】
反応室１１は、例えばステンレススチール等の金属製である。反応室１１の上部には試料台１２に対向して透明窓１４と、加熱手段１６を格納するランプハウス１５が配置されている。透明窓１４は、例えば石英ガラス製であって、基板１０を照射する加熱手段１６の出射光を透過させると共に、反応室１１をランプハウス１５から隔離して気密保持の働きをする。
【００１９】
試料台１２には、例えばセラミックスあるいは石英あるいはシリコンカーバイト等が用いられる。セラミックスとしてはアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）が好ましい。薄膜堆積の際、基板１０は一定の高温に予備的に保っておく。このための加熱源が加熱手段１６以外に必要であるが、図示の例では、予備加熱源２０が試料台１２の内部に備えられている。試料台１２としては、ＡｌＮ等のセラミックスあるいはステンレススチール等の表面を石英で保護したものでもよい。
【００２０】
予備加熱源２０としては、ニクロム線等の埋め込み金属ヒータや加熱ランプ等が用いられ、例えば反応室１１外部に設置されている制御システム（図示せず）により温度制御が行われる。
【００２１】
基板１０を載置する試料台１２は、反応室１１の底部に垂直に設置された複数の支持軸１３の上に載置されている。支持軸１３は、紙面に対して垂直の方向に複数本、平行に並び、それらの円筒外面において試料台１２を支持している。これらが制御システム（図示せず）からの指示によって軸の周りに一定方向に回転して反応室１１内で試料台１２を移動させる。
【００２２】
加熱手段１６は、少なくとも数センチ四方程度の面積を一度に照射するパルス光を逐次的に発することができる光源であって、典型的にはフラッシュランプ光源、特にキセノンフラッシュランプ光源である。パルス幅は０．１ミリ秒〜２００ミリ秒、単一パルスの照射面でのエネルギー密度は５Ｊ／ｃｍ２〜１００Ｊ／ｃｍ２に設定されることが望ましい。
【００２３】
加熱手段１６によるパルス光照射を複数回行うときの照射の間隔は、成膜時間全体を短くするためと、ガスの消費効率を上げるためには、短ければ短いほど望ましい。しかし、フラッシュランプ光源は、コンデンサに電荷を蓄え、これがある十分な値に達するまでは光照射ができない。このため従来は、照射の間隔を短くすることができず、実用的なプロセス時間の短縮が不可能であった。
【００２４】
本発明の実施の形態においては、フラッシュランプ加熱手段１６が実用的な時間間隔でパルス光を発することを可能にするために、ランプハウス１５に隣接して、スイッチング手段２２、複数のコンデンサ（図示せず）を有する蓄電手段２４、及び各々のコンデンサに電気エネルギーを供給して充電するためのＤＣ電源１９が配設されている。
【００２５】
スイッチング手段２２は、加熱手段１６と蓄電手段２４との間に電気的に接続され、蓄電手段２４が有する複数のコンデンサの間で、加熱手段１６に対するコンデンサの接続の切り換えを行う。複数のコンデンサは、加熱手段１６と接続されて、各々独立に加熱手段１６に対して発光電荷を供給できる。スイッチング手段２２は、典型的には電気的なスイッチング手段を採用し、パワートランジスタ、サイリスタ等の既知の大電力素子、制御回路を用いて構成される。スイッチング手段２２は、充電されたコンデンサを加熱手段１６と接続し、他のコンデンサは加熱手段１６から切り離され、ＤＣ電源から充電を受ける。接続されたコンデンサにより加熱手段１６が発光を終えると、加熱手段１６との接続は他の充電済みのコンデンサに切換えられ、再び発光に供せられる。複数のコンデンサを切換えて使用することによって効率的な発光が実現できる。
【００２６】
図２は、加熱手段１６、スイッチング手段２２、及び複数のコンデンサを含む蓄電手段２４の構成例を示したものである。なお、説明の簡略化のためコンデンサの数は３つとし、またＤＣ電源１９の記載は省略している。実際にはコンデンサの数は３つに限られず、加熱手段１６の要求される発光間隔や１回の発光に必要とされる電荷量によって適切に選択される。
【００２７】
図２（ａ）は、加熱手段１６が複数のフラッシュランプL１，L２，L3 を含み、それぞれに対してコンデンサC1、C2、C3 が一つずつ割り当てられた例である。１回の発光では、例えば最も左側に図示したようにフラッシュランプL１ に対してコンデンサC1 が接続され、加熱手段１６の発光に寄与する。この時他のコンデンサＣ２、Ｃ３は、加熱手段１６から電気的に切り離され、ＤＣ電源（図示せず）から充電を受ける。発光が終了するたびにこのような接続状態が他の組、すなわちフラッシュランプＬ２とコンデンサＣ２との組、フラッシュランプＬ３とコンデンサＣ３との組に切り換えられ、発光が繰り返される。このようにして発光とその他のコンデンサの充電を効率的に行い、単一のコンデンサとフラッシュランプ光源との接続では実現できない、実用的なプロセス時間の短縮を図る。
【００２８】
図２（ｂ）に示した例は、例えば一個のコンデンサＣｉ（ｉは１，２又は３）で１パルス当たりの発光エネルギーは十分であるが、パルス幅をより小さくし、その分１パルス内において単位時間当たりの光強度をより大きくし、より短時間で急峻な昇／降温過程を実現する改良例である。
【００２９】
このために図示した例では、コンデンサC1、C2、C3 及びフラッシュランプL１，L２，L3 の使用数はそれぞれ３つで、図２（ａ）の例と変わらないが、フラッシュランプＬ１、Ｌ２、Ｌ３は常時並列に接続して加熱手段１６を構成し、これに対してコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の接続を順次切り換える。加熱手段１６と接続された１個のコンデンサＣｉ（ｉは１，２、３のいずれか）のみ加熱手段１６の発光に寄与し、他のコンデンサＣｊ（ｊはｉを除く１〜３）は加熱手段１６から電気的に切り離され、ＤＣ電源（図示せず）から充電を受けることができる点は図２（ａ）の例の場合と同様である。並列に接続されたフラッシュランプＬ１、Ｌ２、Ｌ３に同時に通電するので、より短時間の高強度発光が可能となる。図２（ａ）の場合に対してパルス光のパルス幅及びピーク強度を変更することができるので、堆積する薄膜及び基板１０の性質に応じたより適切な薄膜堆積条件を選択できる。
【００３０】
このように本発明の実施の形態では、コンデンサを複数系統、例えば３系統準備し、同時にそれらに充電し、それらからの加熱手段１６への電荷の供給を交互に行う。このため、従来の１／３程度の間隔でのランプ照射が可能となる。照射パルス間の時間間隔は、薄膜の生産性の観点から、３０秒に１回以上の頻度で行えることが望ましい。以下でも具体的に例示するが、単一パルス照射毎に実質的に単原子層堆積を維持し、なおかつ実用的な成膜速度を考えるならば、少なくとも５ｎｍ／分程度、半導体装置の実用的な生産性を考えると、少なくとも１ｎｍ／分程度の成膜速度は確保されることが望ましく、１０秒に１回、５秒に１回、或いはさらに１秒に１回の照射間隔が望ましい。使用するコンデンサの個数及び容量はこのような要求に応じて適宜選択する。
【００３１】
図１に示したように、スイッチング手段２２によるこのような動作は、第１ガス導入系１７及び第２ガス導入系２７の動作とともに制御手段３０によって統合的に実行される。
【００３２】
既に述べたようにこの薄膜堆積装置は、第１ガス導入系１７から供給される原料ガスと第２ガス導入系２７から供給される酸化剤又は還元剤を含む第２ガスとの化学反応を基板１０表面でパルス光照射によるエネルギーによって押し進め、薄膜堆積を実現するものである。以下でも本発明の実施の形態に係る薄膜堆積の方法上の特徴については詳細に説明するが、堆積方法の特徴を最大限に生かすため、薄膜堆積装置の主要な動作を統合する制御手段３０は、第１ガス導入系１７による第１ガスの導入、第１ガス導入系１７による第１ガスの停止、排気系１８による未反応の第１ガスの排気、第２ガス導入系２７による第２ガスの導入、フラッシュランプ加熱手段１６による光照射、第２ガス導入系による第２ガスの停止、及び排気系１８による未反応の第２ガスの排気、を１サイクルとし、このサイクルを逐次繰り返し実行することによって基板１０上への薄膜堆積を実現する。本発明の実施の形態によれば、フラッシュランプ加熱手段１６の発光動作は、既に例示したようなスイッチング手段２２による加熱手段１６と充電済みコンデンサＣｉ（ｉは１，２又は３）との電気的接続、及び発光後の他の充電済みコンデンサＣｉ（ｉは１，２又は３）への接続の切り換えによって実現される。
【００３３】
このような薄膜堆積装置の構成によって、膜生成反応は基板１０の表面及びその近傍に限定され、しかも一回のパルス光照射において基板１０表面に吸着した吸着種のみ膜生成反応に寄与するので、膜生成過程及び膜質の制御性を高く維持したまま、フラッシュランプ光の利点を生かした低いサーマルバジェットでの薄膜堆積を実現することができる。しかも発光間隔の問題は複数コンデンサ間の切り換え及び待機時充電で対処し、現実的な成膜速度でフラッシュランプ光による高温短時間プロセスを実現することができる。
【００３４】
（薄膜堆積方法）
以下、本発明の実施の形態に係る薄膜堆積方法について説明する。この方法は、目的とする薄膜の成分元素を含む化合物の酸化剤又は還元剤を用いた酸化還元反応によって薄膜を堆積する方法であって、好適には図１に示した薄膜堆積装置を用いて実行される。
【００３５】
図３に概括したように、この方法は、基板の表面処理、反応室への第１ガスの導入、第１ガスの排気、酸化剤又は還元剤ガスの導入、フラッシュランプ光等の加熱エネルギーの照射、及び酸化剤又は還元剤ガスの排気、を繰り返し実行することによって行われる。
【００３６】
目的とする薄膜の成分元素を含む化合物及び酸化剤又は還元剤としては、従来からCVD法による薄膜堆積のために用いられてきたものが基本的に使用可能である。成分元素を含む化合物は、典型的には成分元素の塩化物、水素化物、或いは炭化水素化物などの有機系物質、或いはこれらの組み合わせである。また、酸化剤又は還元剤は、第１ガスに含まれる目的とする薄膜の成分元素を含む化合物と高温下で反応して薄膜を生成することができる化学物質であって、好適にはガス状のものである。
【００３７】
薄膜の堆積例として、ジクロロシラン（ＤＣＳ）とアンモニア（ＮＨ３）とによるシリコン窒化膜の堆積、ＤＣＳと酸化窒素（Ｎ２Ｏ）によるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の堆積、シラン（ＳｉＨ４）と酸化窒素（Ｎ２Ｏ）とによるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の堆積、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）とオゾン（Ｏ３）或いは酸素（Ｏ２）とによるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜の堆積、トリメチルアルミニウムと水（Ｈ２Ｏ）とによるアルミナ膜の堆積、ジメチルエチルアミン−アラン（ＤＭＥＡＡ：（ＡｌＨ３）・Ｎ（ＣＨ３）２Ｃ２Ｈ５）とオゾン或いは酸素とによるアルミナ膜の堆積が例示される。また、テトラキスジメチルアミノハフニウム（ＴＤＭＡＨ：Ｈｆ（Ｎ（ＣＨ３）２）４）、テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム（ＴＥＭＡＨ：Ｈｆ（ＮＣＨ３Ｃ２Ｈ５）４）、テトラキス（ジエチルアミノ）ハフニウム（ＴＤＥＡＨ：Ｈｆ（Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２）４）、塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）のいずれかとオゾンとによる酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜の堆積が例示できる。これらの中で特に好適に実施できるのが、ジクロロシランとアンモニアとを用いたシリコン窒化膜の堆積反応である。シリコン窒化膜の堆積のためには、成分元素を含む化合物として他に、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）や、トリクロロシラン（ＴＣＳ）、あるいはビス（ターシャリ−ブチルアミノ）シラン（ＢＴＢＡＳ）を用いることもできる。
【００３８】
本発明の実施の形態に係る薄膜堆積方法は、低圧（〜１０−３ａｔｍ（約〜１．０×１０２Ｐａ））、減圧下或いは大気圧下（０．１〜１ａｔｍ（約１．０×１０４〜１．０×１０５Ｐａ））いずれでも基本的に実行可能である。図１を参照すると、低圧や減圧状態で行う場合には、キャリアガス導入系２９は、第１ガス導入系１７或いは第２ガス導入系２７とともに稼働してキャリアガスを含む混合ガスを反応室１１に供給する場合を除き、基本的に閉じたままにしておく。他方、排気系１８は常時稼働し、反応室１１を排気し続ける。大気圧状態で行う場合には、キャリアガス導入系２９は基本的に常時開いてキャリアガスを反応室１１内に供給し続け、排気系１８によって反応室１１を排気し続ける。
【００３９】
（イ）本発明の実施の形態に係る薄膜堆積方法を実行するために、まず支持軸１３に載せた試料台１２及び基板１０をあらかじめ光源１０の真下の所定位置に移動しておき、基板１０の表面処理を行う。図３に示した第一番目の工程である。具体的には例えば、反応室１１内を排気、キャリアガス導入系２９を通して窒素（Ｎ２）或いはアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを反応室１１内に供給しながら、予備加熱源２０を用いて試料台１２及び基板１０の予備加熱を行う。このようにして基板１０に付着した水分や空気成分等を除去する。
【００４０】
（ロ）基板１０の表面処理の後、低圧、減圧下或いは常圧下で、反応室１１内に第１ガス導入系１７に設けられたバルブＶ１を開けて第１ガスを導入する。第１ガスの導入は、典型的には窒素やアルゴンなど不活性ガスをキャリアガスとし、キャリアガスとの混合状態で導入する。この際、基板１０の温度は予備加熱源２０を用いて適当な温度に調節しておく。通常は基板表面の温度で、処理を通じて１００℃から７００℃までの温度にする。
【００４１】
（ハ）一定のガス滞在時間をおいた後、図３に示した第１ガスの排気の工程を実行する。このためには、第１ガス導入系１７に設けられたバルブＶ１を閉鎖して第１ガスの導入を止める。第１ガスの導入を止めた後、反応室１１内に溜まった第１ガスを迅速に排気するため、キャリアガスの流量を増加させて、反応室１１内を積極的にパージしてもよい。
【００４２】
なお、第１ガス導入時の基板１０の温度、成分元素を含む化合物の反応室１１内でのガス分圧、及びその基板１０上での滞在時間は、吸着種の吸着反応の進行及びその程度に影響を与える。例えば、反応室１１内において成分元素を含む化合物のガス圧力が低いほど化合物分子の基板１０表面への被着速度は低下する。このためガス圧力を低めに設定した場合にはその分一般に滞在時間を長くとらなければならない。逆にガス圧力をラングミュア吸着に必要な圧力よりも高くしすぎれば、望ましい単原子層毎の成膜は阻害され、多原子層毎の堆積となる。また、堆積する薄膜及びその原料とする化合物によっては、導入した化合物分子からより反応活性な活性種が生じ、新たに発生した活性種が膜生成反応の前駆体として寄与する場合がある。ジクロロシランから吸着種としてジクロロシリコン(SiCl2)が基板１０上に生じ、膜生成反応が経由される場合がその代表例である。このような場合、基板１０表面を一定以上の温度に予め加熱しておかないとその発生が阻害される場合があり、好ましくない。しかし、昇温し過ぎると基板１０からの吸着種の再脱離が顕著になり、また好ましくない。いずれにしろこれらの条件についてはあらかじめ検討を繰り返して、適正な経験値を得ておき、適切な条件で薄膜堆積が行えるようにする。
【００４３】
（ニ）反応室１１から実質的に第１ガスが排除された後、第２ガス導入系２７に設けられたバルブＶ２を開け、ガス状の酸化剤又は還元剤を反応室１１内に導入する。酸化剤又は還元剤の導入後、基板１０表面に対してフラッシュランプ光源のパルス光等の加熱エネルギーを照射する（第４番目及び５番目の工程）。
【００４４】
なお、導入した酸化剤又は還元剤をいったん排気した後パルス光の照射を行ってもよいが、典型的には、排気せず残したまま、例えば反応室１１内への酸化剤又は還元剤ガスの導入流量、及び分圧を一定に維持したまま加熱エネルギーの照射を行う。このようにすることによって、基板１０表面においては、酸化剤又は還元剤が吸着種の上面に導入され、かつ未反応の酸化剤又は還元剤が吸着種上面に残留しているタイミングでパルス光が照射される。
【００４５】
例えば以下でさらに詳細に説明するシリコン窒化膜の例では、ジクロロシラン（ＤＣＳ）から生じる吸着種に比較し、酸化剤又は還元剤として使用するアンモニア分子は吸着反応が起こりにくい。このため、反応室１１内でアンモニアガスを流し続けたままフラッシュランプ光等の加熱エネルギーの照射を行えば、照射されたエネルギーが、基板１０表面において、DCSの化学的酸化還元以外にアンモニアガス分子の吸着を助ける働きをもち、最終的な薄膜堆積のために非常に好都合である。酸化剤又は還元剤ガスも一定の時間経過後、その供給を止め、反応室１１内から排気させた後にフラッシュランプ光等の加熱エネルギーの照射を行う場合には、第１ガスの導入の場合と同様、その滞在時間はあらかじめ十分検討を行う必要がある。
【００４６】
（ホ）加熱手段１６として用いるフラッシュランプ光源は、典型的には一回発光させ、そのパルス光を基板１０の表面に照射する。照射後は、第２ガス導入系２７を閉じて酸化剤又は還元剤ガスの反応室１１への供給を止める。キャリアガス導入系２９と排気系１８の稼働によって反応室１１内はパージされる。基板１０の上面においては、この工程の実行によって、未反応の酸化剤又は還元剤が基板１０上面から離脱する。
【００４７】
図３に示したように、以上の第１ガスの導入から反応室パージまでの操作を繰り返すことによって、望ましくは原子層単位で薄膜の堆積が繰り返され、所望の膜厚を有する成分元素を含む薄膜が基板１０上に堆積される。
【００４８】
本発明の実施の形態に係る方法によれば、フラッシュランプ光等の加熱エネルギーの基板１０への照射によって成膜反応に必要なエネルギーが供給され、膜生成反応は基板１０の表面及びその近傍に限定される。しかも一回のパルス状照射において、基板１０から離脱しなかった吸着種のみが膜生成反応に寄与する。このため、膜生成過程及び膜質の制御性を高く維持したまま、フラッシュランプ光等の加熱手段１６の利点を生かした低いサーマルバジェットでの薄膜堆積が実現される。
【００４９】
（光照射及び膜生成過程の考察）
図４は、一例として、予備加熱温度４５０℃のもとでシリコン半導体基板１０の表面にフラッシュランプ光源からのパルス光を一回照射したとき、時間の経過とともに基板１０の表面温度が変化していく様子を示した図である。
【００５０】
フラッシュランプ加熱手段１６による加熱の温度プロファイルは、典型的には図４に例示したような波形をとり、ハロゲンランプ等の赤外線ランプに比べて温度の上昇及び降下が急峻である。光束パイロメータやシミュレーションによってシリコン半導体基板１０の表面温度を分析すると、ハロゲンランプ光では、例えば５００℃と１０５０℃との温度間の昇降温時間（５００℃から１０５０℃まで昇温した後、再び５００℃に戻るまでに要する時間）は１０秒以上、例えば約１５秒が典型的である。その上、９５０℃と１０５０℃との間の１００℃の昇／降温時間は、典型的には２〜３秒必要である。これに対して、フラッシュランプ加熱手段１６を用いると、例えば４５０℃から１２００℃程度の間の昇降温時間は０．１ミリ秒〜２００ミリ秒、より好ましくは０．５ミリ秒〜５０ミリ秒程度に調整可能である。
【００５１】
ただし、フラッシュランプ光源はその発光原理に基づき、通電電荷量を小さくするなどしてパルス幅を極端に小さくしようとすると、ピーク値も低下し、基板に対するエネルギー投入量も十分に確保できなくなる。図４に示した基板１０の表面温度の変化で換言すれば、急激に昇／降温しようとして加熱手段１６のパルス幅を極端に小さくしても、パルスのピーク強度も低下し、十分なピーク温度が達成できない。またトータルでのエネルギー投入量（図示した波形の面積におおよそ比例）も不十分となる。図２（ｂ）に示した構成例はこの問題に対する解決策を提供する。典型的には昇温／降温時間を０．１ミリ秒以下にしようとすると、基板１０にシリコン半導体を用いた場合基板１０の最高到達温度は高くても９５０℃程度、或いはそれ以下となる。
【００５２】
昇／降温時間を２００ミリ秒以上にすると、例えばシリコン半導体基板１０が絶縁型電界効果トランジスタを含む半導体装置の場合、ソース・ドレイン領域の不純物拡散層において既に活性化させた不純物が再び不活性化されてしまう恐れがある。このため、このような薄膜堆積の場合には、２００ミリ秒以上の昇／降温時間は好ましくない。
【００５３】
本発明の実施の形態に係る方法によれば、目的とする薄膜の成分元素を含む化合物から生じた吸着種が吸着し、さらにその吸着種上に酸化剤又は還元剤が導入された基板１０の表面にフラッシュランプ光のパルス波を照射することによって、基板１０の表面及びその下の浅い層は短時間内に昇温される。この熱エネルギー及び酸化剤又は還元剤の存在によって、吸着種の分解、化学的な酸化還元反応が進行し、反応物が薄膜として基板１０の表面に堆積する。基板１０表面へ吸着し加熱される吸着種及び吸着種上に導入された酸化剤又は還元剤のみ、或いはさらにその上面に残留させた酸化剤又は還元剤が反応に関与し、反応の進行が吸着種に限定、律速される。気相中で副次的な化学反応も進行せず、数原子層単位好ましくは単原子層単位で、高純度の薄膜が得られる。
【００５４】
さらに、極めて短時間内の加熱処理であるので、熱エネルギーの投入によって特性変化を受け易い不純物拡散層等を含む半導体装置であっても、不活性化等これらに対して悪影響を与えない。フラッシュランプは可視域に主たるエネルギーを有し、基板１０が半導体材料等の場合、レーザ等の小面積の紫外光と比較し、相対的にその吸収が緩慢であり、基板１０に対する応力発生も小さく抑えることができる。
【００５５】
通常のＣＶＤ法においては、第１ガスと酸化剤又は還元剤の双方のガスが同時に供給されるため、本来は表面のみで生じることが望ましい反応が気相中においても起こり、この気相中での反応物も薄膜の形成に寄与する。しかも双方のガスの供給とともに膜物質の生成反応が連続的に進行し易い。これらの理由によって、薄膜を堆積しようとする基板表面の微細な性状によっては、薄膜堆積が生じやすい所と生じにくい所、妨げられ易い所など、薄膜の堆積に不均一が生じる。このため従来法では、例えば微細構造を有する半導体装置の製造においてステップカバレージを劣化させる問題があった。
【００５６】
これに対して実施の形態の方法では、膜物質の生成反応は、パルス光の照射によってエネルギーを投じられる基板１０の表面ないしその近傍に限定される。膜の原料物質も、1回の双方のガスの導入及びパルス光照射毎に、先に供給し基板１０表面に吸着し得た吸着種の分子数分に限られる。このため、基板１０表面全面にわたって数原子層分ずつ、吸着条件の精密化次第で１原子層分ずつ、成膜過程が基板１０の露出面全面にわたって平等に繰り返されることができ、ステップカバレッジの向上など膜堆積の均一性に大いに寄与することができる。
【００５７】
以上のように、本発明の実施の形態は、ハロゲンランプ等によっては到底期待できない数ミリ秒オーダでの短時間昇温及び降温過程、紫外光などではかえって困難なフラッシュランプ光の適度に緩慢な吸収及びその熱エネルギーへの変換過程、基板への分子吸着を利用した反応及び膜形成部位の限定化、酸化還元剤ガスを別途、吸着層形成後に導入することによる反応進行の制御性、といった種々顕著な特徴を同時に有する。このため、本発明に実施の形態によれば、良好な膜質を有する薄膜を低いサーマルバジェットで形成することが初めて可能となっている。
【００５８】
なお、表面反応のみを起こすようにガスを交互供給する方法としては、従来から原子堆積法（ＡＬＤ）等の方法が提案されており、この方法によっても良好なステップカバレージを期待できる。しかしながら、ＡＬＤでは熱反応のみを利用しながらも、また気相中での反応を抑えるため、比較的低温で成膜されるのが一般的となっていて、成膜された膜中にたとえば炭素（Ｃ）などの不純物が残りやすいというデメリットがある。これに対して実施の形態の方法では、表面での分解がフラッシュランプによって促進されるため、不純物が残るというデメリットは解消される。
【００５９】
（シリコン窒化膜の堆積）
本発明の実施の形態に従って、ＤＣＳとアンモニアとを用いてシリコン基板１０上にシリコン窒化膜を堆積することができる。全体としての反応は次式のようになる。
【００６０】
３SiH２Cl２＋４NH3 →Si3N4＋６HCｌ＋６H２
工程の実行は、減圧、低圧、或いは大気圧下でも行うことができるが、低圧下が望ましい。ここではキャリアガス導入系２９から常にキャリアガスを導入しつつ、なおかつ排気系１８を常時駆動して反応室１１を排気し続けて、低圧（LPCVD）にて、工程を実行する。
【００６１】
まずウェット処理により自然酸化膜を除去したシリコン半導体基板１０を図１に示したように試料台１２に装着する。基板１０に、キャリアガス導入系２９から、例えば窒素（Ｎ２）ガスあるいはアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを供給しながら、試料台１２に埋め込まれた予備加熱源２０により基板１０を予備加熱し、基板１０に付着した水分や空気成分をパージする。
【００６２】
第１ガス導入系１７を駆動して、成分元素を含む化合物であるＤＣＳを反応室１１内に導入する。DCSの流量は典型的には１〜５００ｓｃｃｍである。キャリアガスとDCSとの混合気体の全圧力は０．１〜２０Ｔｏｒｒ、この混合状態の中でDCSのガス分圧は０．０１〜１Ｔｏｒｒが好ましい。このようなガス分圧で基板１０の表面に流し続ける時間、すなわち滞在時間は１〜２０秒が好ましい。全圧力、分圧、滞在時間が、このような範囲であることが好ましいのは、それぞれ、圧力に関しては、高圧すぎることによる気相反応を抑止するとともに、適度な圧力とすることでガスの付着を起こしやすくするため、分圧に関しては均一なガスの付着を促進するため、滞在時間に関しては、必要十分な付着を短時間で実現できるのがこの範囲にあるため、といった理由による。
【００６３】
なお、直接反応室１１に導入するのはＤＣＳガスであるが、ＤＣＳ分子に比較し高い反応性を有するジクロロシリコン（ＳｉＣｌ２）の分子が吸着種として生成し、これが基板１０表面において、ＤＣＳ分子とともにシリコン窒化膜の生成に寄与する。この吸着種の生成を促進するために特に重要なパラメータが基板１０の予備加熱温度であり、吸着分子の再脱離を実質的に招かない範囲で、基板１０の予備加熱温度は高めに設定する。この観点から望ましい予備加熱温度（基板の表面温度）の範囲は、３５０〜６００℃である。
【００６４】
基板１０にシリコン基板を用い、半導体装置の製造工程の一部としてシリコン窒化膜を堆積する場合には、フラッシュランプ光を照射した際の基板１０に対する欠陥発生や不純物拡散層の不活性化の問題も考慮しなければならない。この点から望ましい基板１０の予備加熱温度はおおよそ２００℃から５５０℃程度までである。２００℃未満の予備加熱温度だと、成分元素を含む化合物を分解、アンモニアガスを用いた還元反応を進行させて薄膜を堆積させるためにフラッシュランプ光の照射エネルギーを著しく大きくしなければならず、半導体基板１０に結晶欠陥を発生させる恐れがある。５５０℃を超えて予備加熱を行うと、基板１０に既に形成されている不純物拡散層中の不純物原子の不活性化を招いてしまう恐れがある。したがって総合的に考えると、この場合には、３５０〜５５０℃が全工程を通じた望ましい予備加熱温度である。
【００６５】
DCSの滞在時間経過後、第１ガス導入系１７を閉じ、ＤＣＳの供給を止める。さらに基板１０を予備加熱したまま、第２ガス導入系２７から、希釈されていないアンモニアガスを反応室１１内に導入する。流量は典型的には１０〜１０００ｓｃｃｍである。アンモニアガスによる反応室１１内の圧力は、１〜２００Ｔｏｒｒが好適である。その理由は前のステップで付着したガスに対し、さらに窒素原子が付着するのに必要十分な、最適な条件であることによる。
【００６６】
フラッシュランプ光源からのパルス光の照射は、アンモニアガスの一定の滞在時間、好ましくは０．５〜２０秒の時間が経過した後、アンモニアガス分圧を維持したまま行うことが望ましい。これは、ＤＣＳからの吸着種に関しては、ガスをシリコン半導体基板１０の表面に流すだけで吸着が起きるのに対して、アンモニアガスの場合はＤＣＳの場合ほど吸着が進行しないため、フラッシュランプ光の照射がこの吸着の困難さを補い、基板１０の表面近傍における窒化膜の生成反応を容易にするためである。アンモニアガスを反応室１１に残したまま、加熱手段１６によりピーク温度で１０５０℃程度の加熱を行い、Ｓｉ半導体基板１０の表面にシリコン窒化膜が形成される。
【００６７】
この際、典型的な基板１０表面の昇／降温時間は、４５０℃〜１０５０℃間の昇降温時間で、約５ミリ秒、９５０℃〜１０５０℃の１００℃間の昇／降温時間で例えば約１ミリ秒である。またこの際基板１０の単位面積あたりに投入されるパルス光のエネルギーは、結果的に２０Ｊ／ｃｍ２〜３０Ｊ／ｃｍ２程度が望ましい。
【００６８】
ハロゲンランプなど赤外線ランプを用いたＲＴＰ（Rapid Thermal Process）の場合、これらの昇／降温に要する時間は数秒から数十秒程度である。また、シリコン基板中にボロン（Ｂ）や燐（Ｐ）等の不純物原子が存在する場合、その際の基板の温度にも依存するが、例えば１０００℃程度の場合、それらが数原子層分、例えば１ｎｍ程度拡散するために必要な時間はおおよそ１０−１秒程度のオーダであるとの試算ができる。
【００６９】
従って、フラッシュランプを用いたミリ秒単位の昇／降温時間を有する高温プロセス、すなわち本発明の実施の形態によるシリコン窒化膜の堆積方法によれば、窒化膜堆積工程において有意に不純物の非活性化の問題が抑えられる、すなわち有意に低減されたサーマルバジェットを実現することが可能と理解される。以下でも不純物拡散層を形成した後にシリコン窒化膜を堆積してその堆積工程の不純物拡散層への影響を抵抗値の変化によって検討した結果を示しているが、この結果も以上の考察の正当性を裏付けている。
【００７０】
（堆積例１−シリコン窒化膜）
シリコン窒化膜の堆積を以下のような条件で行った。DCSとアンモニアの反応室１１内での分圧変化、及び光照射のタイミングに注目して工程の進行を時系列的に把握すると図５のようになる。
【００７１】
キャリアガスとして窒素を使用し、流量３ｓｃｃｍでＤＣＳガスを反応室１１内に導入した。キャリアガスとＤＣＳの混合気体による反応室１１内の全圧力は３Ｔｏｒｒ、ＤＣＳのガス分圧は１Ｔｏｒｒ、基板１０表面との接触時間すなわちＤＣＳの供給時間は２秒とした。その後、ＤＣＳの供給を止め、直ちに１００％のアンモニアガスの供給を開始した。その際の流量は１０ｓｃｃｍ、全圧であるアンモニアガスのガス分圧は２０Ｔｏｒｒとした。アンモニアガスの供給を開始した後１．５秒経過後、アンモニアガスの供給を続けたまま、パルス幅約１ミリ秒、エネルギー密度２０〜３０Ｊ／ｃｍ２（基板表面での値）のフラッシュランプ光源によるパルス光を基板１０の表面に１ショット照射した。
【００７２】
照射後、いったんアンモニアガスの供給を止め、排気系１８による反応室１１内の排気完了を待った後、以上の工程を繰り返し行った。フラッシュランプ光源の繰り返し発光のためには、容量が６００μＦ（ファラッド）のコンデンサを３個使用し、これらを交互に使用して各回の発光に供した。なお、パルス光の照射が全くない状態で基板１０の表面温度が４００〜５５０℃となるよう、作業中は予備加熱手段を一定出力で常時稼働した。
【００７３】
作業終了後、得られた試料を反応室１１から取り出し、オージェ分光法を用いて基板１０表面の堆積物質の同定を行った。その結果、シリコンと窒素が３．１：４の比率で検出されたことから、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）薄膜の生成が確認された。
【００７４】
図６は、工程の繰り返しに従い、窒化珪素の薄膜が徐々に堆積されている様子を示したグラフである。横軸に、ＤＣＳの導入からアンモニアガスの供給制止までの一サイクルの繰り返し回数、縦軸に堆積された薄膜の膜厚をとったものである。発光間隔は６秒であって、例えば５０回工程を繰り返すのに約５分の時間を要し、その間に約７．０ｎｍの薄膜が堆積された。従って、成膜速度は約１．４ｎｍ／分、或いは約０．１４ｎｍ／パルスであり、ほぼ単一のパルス光照射毎に１原子層単位で薄膜生成が進行したと理解される。
【００７５】
成膜したシリコン窒化膜の膜質評価として、さらに二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により膜中の水素濃度を測定した。その結果、１×１０１９個／ｃｍ３ 以下の水素原子濃度が確認された。これは、従来の熱ＣＶＤ法（７８０℃程度）によって成膜されたシリコン窒化膜の場合と比較して、一桁程度低い値である。本発明の実施の形態によれば高純度のシリコン窒化膜を低いサーマルバジェットでシリコン基板上に堆積することができる。
【００７６】
比較のため、ＤＣＳとアンモニアガスとを同時に反応室１１に導入し、それぞれの流量を保ったまま、フラッシュランプ光源のパルス光を複数回、シリコン基板の表面に連続的に照射し、基板上へのシリコン窒化膜の堆積を試みた。
【００７７】
ＤＣＳとアンモニアガスの流量は、それぞれ３ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ、パルス光照射中の反応室内の全圧力は０．１３Ｔｏｒｒ、分圧はそれぞれ０．０３Ｔｏｒｒ、０．１Ｔｏｒｒとした。パルス幅、エネルギー密度、基板の予備加熱温度などは、既に述べた値と同一とした。
【００７８】
生成物質の同定を同様に行い、シリコン窒化膜の生成が確認された。パルス光の５０回照射で４０ｎｍの膜厚を有するシリコン窒化膜が得られ、１回のパルス光照射当たり平均０．８ｎｍの窒化膜堆積が確認された。また、ＳＩＭＳによる分析を行い、膜中の水素原子含有量は１×１０２０個／ｃｍ３ 以下であった。
【００７９】
したがって、ＤＣＳとアンモニアを同時に反応室に供給しながらフラッシュランプ光源のパルス光の連続照射を行っても薄膜が堆積できることがわかる。しかし、この場合は明らかに多原子層毎の堆積となり、膜の均一性など成膜過程の制御性に問題がでてくる。また膜中の水素含有量も一桁程度大きい値となるなど膜質の点でも劣る。但し従来の熱ＣＶＤ法によって成膜されたシリコン窒化膜と比較すると水素含有量に大きな差異は見られず、したがってこの点では明らかな問題はないようである。
【００８０】
（堆積例２−アルミナ膜）
成分元素を含む化合物としてトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）、酸化剤ガスとして酸素（Ｏ２）を用い、シリコンからなる基板１０の表面へ酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の堆積を試みた。堆積方法は、シリコン窒化膜の堆積例と同様であって、トリメチルアルミニウムを含む第１ガスと酸化剤ガスとは交互供給し、酸化剤ガスの流量を保持したままランプ光照射した。
【００８１】
キャリアガスとしては窒素を用い、トリメチルアルミニウムの導入流量は１０ｓｃｃｍ、キャリアガスを含む反応室１１内の全圧力は０．６Ｔｏｒｒ、トリメチルアルミニウムの分圧は０．２Ｔｏｒｒ、基板１０表面に対するトリメチルアルミニウム分子の供給時間は１秒とした。
【００８２】
酸素ガスの導入流量は１００ｓｃｃｍ、反応室１１内の全酸素圧力は２０Ｔｏｒｒとした。酸素ガスの供給を開始して１．５秒経過後、パルス幅約３ミリ秒、エネルギー密度１０Ｊ／ｃｍ２（基板表面での値）のフラッシュランプ光源によるパルス光を基板１０の表面に１ショット照射した。反応室１１の排気の後、以上の工程を繰り返した。
【００８３】
フラッシュランプ光源の繰り返し発光のためには、容量が２００μＦ（ファラッド）のコンデンサを３個並列に接続したものを準備して実効的に６００μＦとし、これを３セット準備して、これらを交互に使用して各回の発光に供した。発光間隔は約６秒であった。結果的に８０回の工程の繰り返しに８分の時間を要し、生成膜厚は９．６ｎｍであった。従って、成膜速度は約１．２ｎｍ／分、或いは０．１２ｎｍ／パルスであった。なお、基板１０表面の予備加熱温度は常時６００℃とした。
【００８４】
ＲＢＳ法を用いた膜物質の同定を行い、酸化アルミニウムの膜生成を確認した後、ＳＩＭＳによって膜中の炭素（Ｃ）濃度分析を行い、１×１０１９個／ｃｍ３ 以下との結果を得た。
【００８５】
（堆積例３−半導体装置）
シリコン半導体基板１０に浅い拡散層を形成した後にゲート絶縁膜などの目的でシリコン窒化膜を形成する場合において、本発明の実施の形態に係るシリコン窒化膜の堆積方法を実施するメリットを検証した。
【００８６】
近年のＭＩＳ構造を多用した高密度集積回路の不純物注入の典型例として、イオン種：ボロンイオン（Ｂ＋）、加速エネルギー：１．５ｋｅＶ、ドーズ量：１．０×１０１５ｃｍ−２を採用し、この条件であらかじめイオン注入を行ったシリコン基板１０を用意した。この基板１０をさらに、その注入表面から、パルス幅８ミリ秒、照射エネルギー密度３Ｊ／ｃｍ２、ショット数３回の条件で、フラッシュランプアニール法を用いて熱処理を行い、ＭＩＳ構造のソース・ドレイン領域における不純物拡散層等に見立てた不純物層を形成した。この不純物層の深さは基板１０の表面から約１５ｎｍ程度であった。
【００８７】
この基板１０を用いて、既に説明したシリコン窒化膜の堆積例１にしたがって、イオン注入面の上にさらにシリコン窒化膜を形成した。その膜厚は約２０ｎｍであり、成膜に要した時間は３０分であった。他方比較のため、同一原料ガスを用いたバッチ装置を用いたＣＶＤ法によって、７８０℃、３０分の成膜によりシリコン窒化膜を形成した比較用の基板試料も作成した。
【００８８】
それぞれの基板試料において、シリコン窒化膜堆積後、不純物層のシート抵抗を測定した。その結果、実施の形態に従って作成された基板においては８２０Ω／□、従来の熱ＣＶＤ法に従って作成された比較用の基板試料においては１２００Ω／□であった。なお、シリコン窒化膜を形成する前の不純物層のシート抵抗は８００Ω／□であった。
【００８９】
この結果から、シリコン基板に不純物拡散層を形成後、本発明の実施の形態に従ってシリコン窒化膜を形成すれば、フラッシュランプ光による低いサーマルバジェットでの膜形成は担保したまま、既に形成している下地の不純物拡散層に対しては活性化等の悪影響の発生を著しく抑制できることがわかる。
【００９０】
以上、特定の実施の形態を取り上げて本発明を説明したが、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。例えば、サーマルバジェットの低減は、パルス光の基板表面及びその近傍での吸収効率、熱エネルギーへの転換速度に大きく依存する。例えば、パルス光の波長が変わり吸収がより急激になれば短時間高温過程はより実現しやすくなるが、著しく局部的なエネルギー投入を招くなど、基板に生じるストレス、それによる劣化の問題もでてくる。逆に考えれば、与えられたフラッシュランプ光を用いれば、発明者らが目指す高温短時間プロセスを実現するため、おおよそ適度な吸収過程を発揮できる波長領域、パルス幅、及びエネルギー強度を得ることができるということであって、投入したエネルギーの吸収速度、効率は、積極的に、技術者の立場でさらに最適化、精密化が可能ということである。このような観点から、成膜種、或いは基板の種類に応じて、本発明の範囲内でさらなる光源の改良、改善の余地は考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施の形態に係る装置を示す概略図である。
【図２】光源に対するコンデンサの接続及び切換えの様子を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る薄膜堆積方法を示したプロセスフローである。
【図４】シリコン半導体基板にフラッシュランプ光源からのパルス光を照射したときの基板表面の温度変化を示した図である。
【図５】DCSとアンモニアガスとを交互に供給してシリコン窒化膜を堆積する際の工程の時系列を示した図である。
【図６】プロセスフローの実行回数と堆積したシリコン窒化膜の膜厚との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０ 基板
１１ 反応室
１２ 試料台
１３ 支持軸
１４ 透明窓
１５ ランプハウス
１６ 加熱手段
１７ 第1ガス導入系
１８ 排気系
１９ ＤＣ電源
２０ 予備加熱源
２２ スイッチング手段
２４ 蓄電手段
２６ ガス供給源
２７ 第２ガス導入系
２９ キャリアガス導入系
３０ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化膜又は窒化膜の薄膜堆積装置、及び薄膜堆積方法に関する。例えば本発明は、不純物拡散層を有する半導体基板の表面に絶縁膜を堆積して半導体装置を製造するための薄膜堆積装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＬＳＩ）は、性能向上のため、ますます大規模化し、素子の微細化もさらに勢いを増して進んできている。そのようなＬＳＩの製造工程においては、プロセスの低サーマルバジェット(Thermal Budget)化がますます必要とされるようになってきている。
【０００３】
低サーマルバジェット化の一つの方法がプロセス温度の低温化である。低温化の必要な工程はさまざまにあるが、例えばトランジスタ構成部分のソース及びドレイン領域として基板表面から浅い不純物拡散層を形成した後の工程すべてについては、プロセス温度を６００℃程度以下にしなければならないという、特に低温化が必要とされている。これは、拡散層を浅くする一方、低いシート抵抗を実現するために、拡散層について、過飽和の高活性化状態を実現し、それを維持する必要があるからである。
【０００４】
例えば、過飽和状態は、イオン注入等によって不純物イオンを導入した後の熱処理をフラッシュランプアニールと称される方法など、高温短時間の熱処理で行なうことで実現される。しかし、この過飽和状態を維持するためには、以降の工程の温度を概略６００℃以下で行う必要がある。これが実現できない場合には、ドーパントの不活性化が起こり、シート抵抗が高くなる結果として、例えばトランジスタの寄生抵抗が増大する等の問題が生じる。
【０００５】
拡散層形成後に行われる工程として、例えば、熱化学気相堆積法（熱ＣＶＤ）によるシリコン酸化膜、あるいはシリコン窒化膜の堆積工程が挙げられるが、サーマルバジェットを低く抑えて実行されることが必須である。
【０００６】
低いサーマルバジェットでの酸化膜或いは窒化膜の成膜方法の一つが、プロセス温度の低温化である。従来からシリコン酸化膜は、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と酸素とを流す熱ＣＶＤ法で堆積が行われてきた。しかし６００℃程度がプロセス温度の下限であり、これよりも低い温度での堆積は困難である。シリコン窒化膜はヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）とアンモニア（ＮＨ３）とを供給することで４５０℃程度でも成膜できる。しかし、この場合には、得られたシリコン窒化膜は水素を高濃度に含むなど膜質の点で問題があった。
【０００７】
低いサーマルバジェットで酸化膜や窒化膜を成膜する方法としては、低温化による方法以外に、高温短時間プロセスによる方法がある。例えば、数ミリ秒程度のごく短いパルス幅を有するフラッシュランプの光を照射することによって基板表面を短時間のうちに昇温及び降温し、基板表面において成膜反応を実現する方法である。このような高温短時間プロセスに関して、例えば、反応室に原料ガスとしてゲルマンガス（ＧｅＨ４）を導入して基板表面に吸着させ、これにフラッシュランプのパルス光を照射することによって吸着ガス分子を分解、ゲルマニウム薄膜を堆積した例を示し、光をパルス的に照射することによって１原子層ずつ薄膜を成膜することが可能であることが明らかであるとした報告がある（特許文献１）。
【０００８】
特許文献１ではさらに、2種以上の原料ガスを同時に流入させ、混晶物質を原子層状に成長させることが可能であることが容易に類推できることが示唆されている。さらに2種以上の原料ガスを交互に入れ替え、その度毎にパルス光を照射して、１原子層毎或いは複数原子層毎に異種物質のある多層原子層状の薄膜を形成できることが示唆されている。
【０００９】
この技術は、単一ガスを用いた形態では、単に水素化物などの分解によって単一元素の共有結合物を堆積する技術である。示唆されている複数原料ガスを交互に用いる形態では、それぞれの原料ガスから別個の独立した原子層を各々形成していくものであって、複数原料から単一物質を合成、堆積するものではない。さらに複数の原料ガスを同時に流入させて混晶物質を原子層状に成長させる、示唆されている形態では、単一の混晶物質を生成することができる。しかし、同時流入によって成膜が連続的に進行してしまう、化学量論的に組成が定まらず反応比不定のまま成膜が進行する、それにより単一原子層毎の成膜が困難、成膜の不均一性を生じやすい、好ましくない副反応が起こりやすいなど、膜生成過程及び膜質の制御性は低い。さらに、フラッシュランプ光源を用いた実用的な薄膜形成技術としていかなる生産性向上手段を有するのか、何らの開示も示唆もない。
【００１０】
要するに、従来提案されてきた方法及び装置によっては、良好な膜質を有する酸化膜や窒化膜を低いサーマルバジェットで製造することが困難であった。また実用レベルの生産性も望めなかった。
【特許文献１】特開平１０−７２２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、低いサーマルバジェットで良好な膜質を有する薄膜堆積を行う装置及び方法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】
【００１２】
本発明の第１の特徴は、目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含む第１ガスの反応室への導入及び停止を行う第１ガス導入系と、酸化剤又は還元剤を含む第２ガスの反応室への導入及び停止を行う第２ガス導入系と、０．１〜１００ミリ秒の投入時間で反応室に配置した基板の表面に加熱エネルギーを逐次、繰り返し投入する加熱手段と、反応室を排気する排気系と、第１ガスの導入、第１ガスの停止、未反応の第１ガスの排気、第２ガスの導入、加熱エネルギーの投入、第２ガスの停止、及び未反応の第２ガスの排気とからなる一連の手順を１サイクルとし、このサイクルを逐次繰り返し実行する制御手段とを有することを特徴とする薄膜堆積装置である。
【００１３】
本発明の第２の特徴は、目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含むガスを導入して、基板の表面に化合物の分子又は化合物の分解した分子からなる吸着種を吸着させる工程と、酸化剤又は還元剤を反応種として吸着種上に導入する工程と、基板の表面に０．１〜１００ミリ秒の照射時間を有する加熱エネルギーをパルス的に照射し、吸着種と反応種との間の反応を進行させる工程とからなる一連の手順を１サイクルとし、該サイクルを繰り返すことにより、薄膜を基板の表面に堆積させることを特徴とする薄膜堆積方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、低いサーマルバジェットで良好な膜質を有する薄膜を堆積する装置及び方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。各図において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。また特に断りのない限り、「パルス幅」はパルス波形におけるエネルギー強度の半値幅である。
【００１６】
（薄膜堆積装置）
本発明の実施の形態に係る装置の概略を図１に示す。この装置は、原料ガスすなわち目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含む第１ガスの高温での分解及び化学的酸化還元によって基板１０上に薄膜を堆積する薄膜堆積装置である。
【００１７】
この薄膜堆積装置は、薄膜堆積処理を実施する反応室１１と、反応室１１内で基板１０を載置する試料台１２と、反応室１１内へ原料ガスを供給する配管や弁等からなる第１ガス導入系１７と、酸化剤又は還元剤を含む第２ガスを供給する配管や弁等からなる第２ガス導入系２７と、キャリアガスを供給する配管や弁等からなるキャリアガス導入系２９と、反応室１１を排気する配管や弁、真空ポンプ（図示せず）等からなる排気系１８と、基板１０の表面に対して加熱エネルギーをパルス状に投入する加熱手段１６とを備えている。加熱手段１６としては例えばフラッシュランプ光源が望ましい。以下の説明でも、特に断らない限り、フラッシュランプ光源を使用しているものとする。
【００１８】
反応室１１は、例えばステンレススチール等の金属製である。反応室１１の上部には試料台１２に対向して透明窓１４と、加熱手段１６を格納するランプハウス１５が配置されている。透明窓１４は、例えば石英ガラス製であって、基板１０を照射する加熱手段１６の出射光を透過させると共に、反応室１１をランプハウス１５から隔離して気密保持の働きをする。
【００１９】
試料台１２には、例えばセラミックスあるいは石英あるいはシリコンカーバイト等が用いられる。セラミックスとしてはアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）が好ましい。薄膜堆積の際、基板１０は一定の高温に予備的に保っておく。このための加熱源が加熱手段１６以外に必要であるが、図示の例では、予備加熱源２０が試料台１２の内部に備えられている。試料台１２としては、ＡｌＮ等のセラミックスあるいはステンレススチール等の表面を石英で保護したものでもよい。
【００２０】
予備加熱源２０としては、ニクロム線等の埋め込み金属ヒータや加熱ランプ等が用いられ、例えば反応室１１外部に設置されている制御システム（図示せず）により温度制御が行われる。
【００２１】
基板１０を載置する試料台１２は、反応室１１の底部に垂直に設置された複数の支持軸１３の上に載置されている。支持軸１３は、紙面に対して垂直の方向に複数本、平行に並び、それらの円筒外面において試料台１２を支持している。これらが制御システム（図示せず）からの指示によって軸の周りに一定方向に回転して反応室１１内で試料台１２を移動させる。
【００２２】
加熱手段１６は、少なくとも数センチ四方程度の面積を一度に照射するパルス光を逐次的に発することができる光源であって、典型的にはフラッシュランプ光源、特にキセノンフラッシュランプ光源である。パルス幅は０．１ミリ秒〜２００ミリ秒、単一パルスの照射面でのエネルギー密度は５Ｊ／ｃｍ２〜１００Ｊ／ｃｍ２に設定されることが望ましい。
【００２３】
加熱手段１６によるパルス光照射を複数回行うときの照射の間隔は、成膜時間全体を短くするためと、ガスの消費効率を上げるためには、短ければ短いほど望ましい。しかし、フラッシュランプ光源は、コンデンサに電荷を蓄え、これがある十分な値に達するまでは光照射ができない。このため従来は、照射の間隔を短くすることができず、実用的なプロセス時間の短縮が不可能であった。
【００２４】
本発明の実施の形態においては、フラッシュランプ加熱手段１６が実用的な時間間隔でパルス光を発することを可能にするために、ランプハウス１５に隣接して、スイッチング手段２２、複数のコンデンサ（図示せず）を有する蓄電手段２４、及び各々のコンデンサに電気エネルギーを供給して充電するためのＤＣ電源１９が配設されている。
【００２５】
スイッチング手段２２は、加熱手段１６と蓄電手段２４との間に電気的に接続され、蓄電手段２４が有する複数のコンデンサの間で、加熱手段１６に対するコンデンサの接続の切り換えを行う。複数のコンデンサは、加熱手段１６と接続されて、各々独立に加熱手段１６に対して発光電荷を供給できる。スイッチング手段２２は、典型的には電気的なスイッチング手段を採用し、パワートランジスタ、サイリスタ等の既知の大電力素子、制御回路を用いて構成される。スイッチング手段２２は、充電されたコンデンサを加熱手段１６と接続し、他のコンデンサは加熱手段１６から切り離され、ＤＣ電源から充電を受ける。接続されたコンデンサにより加熱手段１６が発光を終えると、加熱手段１６との接続は他の充電済みのコンデンサに切換えられ、再び発光に供せられる。複数のコンデンサを切換えて使用することによって効率的な発光が実現できる。
【００２６】
図２は、加熱手段１６、スイッチング手段２２、及び複数のコンデンサを含む蓄電手段２４の構成例を示したものである。なお、説明の簡略化のためコンデンサの数は３つとし、またＤＣ電源１９の記載は省略している。実際にはコンデンサの数は３つに限られず、加熱手段１６の要求される発光間隔や１回の発光に必要とされる電荷量によって適切に選択される。
【００２７】
図２（ａ）は、加熱手段１６が複数のフラッシュランプL１，L２，L3 を含み、それぞれに対してコンデンサC1、C2、C3 が一つずつ割り当てられた例である。１回の発光では、例えば最も左側に図示したようにフラッシュランプL１ に対してコンデンサC1 が接続され、加熱手段１６の発光に寄与する。この時他のコンデンサＣ２、Ｃ３は、加熱手段１６から電気的に切り離され、ＤＣ電源（図示せず）から充電を受ける。発光が終了するたびにこのような接続状態が他の組、すなわちフラッシュランプＬ２とコンデンサＣ２との組、フラッシュランプＬ３とコンデンサＣ３との組に切り換えられ、発光が繰り返される。このようにして発光とその他のコンデンサの充電を効率的に行い、単一のコンデンサとフラッシュランプ光源との接続では実現できない、実用的なプロセス時間の短縮を図る。
【００２８】
図２（ｂ）に示した例は、例えば一個のコンデンサＣｉ（ｉは１，２又は３）で１パルス当たりの発光エネルギーは十分であるが、パルス幅をより小さくし、その分１パルス内において単位時間当たりの光強度をより大きくし、より短時間で急峻な昇／降温過程を実現する改良例である。
【００２９】
このために図示した例では、コンデンサC1、C2、C3 及びフラッシュランプL１，L２，L3 の使用数はそれぞれ３つで、図２（ａ）の例と変わらないが、フラッシュランプＬ１、Ｌ２、Ｌ３は常時並列に接続して加熱手段１６を構成し、これに対してコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の接続を順次切り換える。加熱手段１６と接続された１個のコンデンサＣｉ（ｉは１，２、３のいずれか）のみ加熱手段１６の発光に寄与し、他のコンデンサＣｊ（ｊはｉを除く１〜３）は加熱手段１６から電気的に切り離され、ＤＣ電源（図示せず）から充電を受けることができる点は図２（ａ）の例の場合と同様である。並列に接続されたフラッシュランプＬ１、Ｌ２、Ｌ３に同時に通電するので、より短時間の高強度発光が可能となる。図２（ａ）の場合に対してパルス光のパルス幅及びピーク強度を変更することができるので、堆積する薄膜及び基板１０の性質に応じたより適切な薄膜堆積条件を選択できる。
【００３０】
このように本発明の実施の形態では、コンデンサを複数系統、例えば３系統準備し、同時にそれらに充電し、それらからの加熱手段１６への電荷の供給を交互に行う。このため、従来の１／３程度の間隔でのランプ照射が可能となる。照射パルス間の時間間隔は、薄膜の生産性の観点から、３０秒に１回以上の頻度で行えることが望ましい。以下でも具体的に例示するが、単一パルス照射毎に実質的に単原子層堆積を維持し、なおかつ実用的な成膜速度を考えるならば、少なくとも５ｎｍ／分程度、半導体装置の実用的な生産性を考えると、少なくとも１ｎｍ／分程度の成膜速度は確保されることが望ましく、１０秒に１回、５秒に１回、或いはさらに１秒に１回の照射間隔が望ましい。使用するコンデンサの個数及び容量はこのような要求に応じて適宜選択する。
【００３１】
図１に示したように、スイッチング手段２２によるこのような動作は、第１ガス導入系１７及び第２ガス導入系２７の動作とともに制御手段３０によって統合的に実行される。
【００３２】
既に述べたようにこの薄膜堆積装置は、第１ガス導入系１７から供給される原料ガスと第２ガス導入系２７から供給される酸化剤又は還元剤を含む第２ガスとの化学反応を基板１０表面でパルス光照射によるエネルギーによって押し進め、薄膜堆積を実現するものである。以下でも本発明の実施の形態に係る薄膜堆積の方法上の特徴については詳細に説明するが、堆積方法の特徴を最大限に生かすため、薄膜堆積装置の主要な動作を統合する制御手段３０は、第１ガス導入系１７による第１ガスの導入、第１ガス導入系１７による第１ガスの停止、排気系１８による未反応の第１ガスの排気、第２ガス導入系２７による第２ガスの導入、フラッシュランプ加熱手段１６による光照射、第２ガス導入系による第２ガスの停止、及び排気系１８による未反応の第２ガスの排気、を１サイクルとし、このサイクルを逐次繰り返し実行することによって基板１０上への薄膜堆積を実現する。本発明の実施の形態によれば、フラッシュランプ加熱手段１６の発光動作は、既に例示したようなスイッチング手段２２による加熱手段１６と充電済みコンデンサＣｉ（ｉは１，２又は３）との電気的接続、及び発光後の他の充電済みコンデンサＣｉ（ｉは１，２又は３）への接続の切り換えによって実現される。
【００３３】
このような薄膜堆積装置の構成によって、膜生成反応は基板１０の表面及びその近傍に限定され、しかも一回のパルス光照射において基板１０表面に吸着した吸着種のみ膜生成反応に寄与するので、膜生成過程及び膜質の制御性を高く維持したまま、フラッシュランプ光の利点を生かした低いサーマルバジェットでの薄膜堆積を実現することができる。しかも発光間隔の問題は複数コンデンサ間の切り換え及び待機時充電で対処し、現実的な成膜速度でフラッシュランプ光による高温短時間プロセスを実現することができる。
【００３４】
（薄膜堆積方法）
以下、本発明の実施の形態に係る薄膜堆積方法について説明する。この方法は、目的とする薄膜の成分元素を含む化合物の酸化剤又は還元剤を用いた酸化還元反応によって薄膜を堆積する方法であって、好適には図１に示した薄膜堆積装置を用いて実行される。
【００３５】
図３に概括したように、この方法は、基板の表面処理、反応室への第１ガスの導入、第１ガスの排気、酸化剤又は還元剤ガスの導入、フラッシュランプ光等の加熱エネルギーの照射、及び酸化剤又は還元剤ガスの排気、を繰り返し実行することによって行われる。
【００３６】
目的とする薄膜の成分元素を含む化合物及び酸化剤又は還元剤としては、従来からCVD法による薄膜堆積のために用いられてきたものが基本的に使用可能である。成分元素を含む化合物は、典型的には成分元素の塩化物、水素化物、或いは炭化水素化物などの有機系物質、或いはこれらの組み合わせである。また、酸化剤又は還元剤は、第１ガスに含まれる目的とする薄膜の成分元素を含む化合物と高温下で反応して薄膜を生成することができる化学物質であって、好適にはガス状のものである。
【００３７】
薄膜の堆積例として、ジクロロシラン（ＤＣＳ）とアンモニア（ＮＨ３）とによるシリコン窒化膜の堆積、ＤＣＳと酸化窒素（Ｎ２Ｏ）によるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の堆積、シラン（ＳｉＨ４）と酸化窒素（Ｎ２Ｏ）とによるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の堆積、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）とオゾン（Ｏ３）或いは酸素（Ｏ２）とによるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜の堆積、トリメチルアルミニウムと水（Ｈ２Ｏ）とによるアルミナ膜の堆積、ジメチルエチルアミン−アラン（ＤＭＥＡＡ：（ＡｌＨ３）・Ｎ（ＣＨ３）２Ｃ２Ｈ５）とオゾン或いは酸素とによるアルミナ膜の堆積が例示される。また、テトラキスジメチルアミノハフニウム（ＴＤＭＡＨ：Ｈｆ（Ｎ（ＣＨ３）２）４）、テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム（ＴＥＭＡＨ：Ｈｆ（ＮＣＨ３Ｃ２Ｈ５）４）、テトラキス（ジエチルアミノ）ハフニウム（ＴＤＥＡＨ：Ｈｆ（Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２）４）、塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）のいずれかとオゾンとによる酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜の堆積が例示できる。これらの中で特に好適に実施できるのが、ジクロロシランとアンモニアとを用いたシリコン窒化膜の堆積反応である。シリコン窒化膜の堆積のためには、成分元素を含む化合物として他に、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）や、トリクロロシラン（ＴＣＳ）、あるいはビス（ターシャリ−ブチルアミノ）シラン（ＢＴＢＡＳ）を用いることもできる。
【００３８】
本発明の実施の形態に係る薄膜堆積方法は、低圧（〜１０−３ａｔｍ（約〜１．０×１０２Ｐａ））、減圧下或いは大気圧下（０．１〜１ａｔｍ（約１．０×１０４〜１．０×１０５Ｐａ））いずれでも基本的に実行可能である。図１を参照すると、低圧や減圧状態で行う場合には、キャリアガス導入系２９は、第１ガス導入系１７或いは第２ガス導入系２７とともに稼働してキャリアガスを含む混合ガスを反応室１１に供給する場合を除き、基本的に閉じたままにしておく。他方、排気系１８は常時稼働し、反応室１１を排気し続ける。大気圧状態で行う場合には、キャリアガス導入系２９は基本的に常時開いてキャリアガスを反応室１１内に供給し続け、排気系１８によって反応室１１を排気し続ける。
【００３９】
（イ）本発明の実施の形態に係る薄膜堆積方法を実行するために、まず支持軸１３に載せた試料台１２及び基板１０をあらかじめ光源１０の真下の所定位置に移動しておき、基板１０の表面処理を行う。図３に示した第一番目の工程である。具体的には例えば、反応室１１内を排気、キャリアガス導入系２９を通して窒素（Ｎ２）或いはアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを反応室１１内に供給しながら、予備加熱源２０を用いて試料台１２及び基板１０の予備加熱を行う。このようにして基板１０に付着した水分や空気成分等を除去する。
【００４０】
（ロ）基板１０の表面処理の後、低圧、減圧下或いは常圧下で、反応室１１内に第１ガス導入系１７に設けられたバルブＶ１を開けて第１ガスを導入する。第１ガスの導入は、典型的には窒素やアルゴンなど不活性ガスをキャリアガスとし、キャリアガスとの混合状態で導入する。この際、基板１０の温度は予備加熱源２０を用いて適当な温度に調節しておく。通常は基板表面の温度で、処理を通じて１００℃から７００℃までの温度にする。
【００４１】
（ハ）一定のガス滞在時間をおいた後、図３に示した第１ガスの排気の工程を実行する。このためには、第１ガス導入系１７に設けられたバルブＶ１を閉鎖して第１ガスの導入を止める。第１ガスの導入を止めた後、反応室１１内に溜まった第１ガスを迅速に排気するため、キャリアガスの流量を増加させて、反応室１１内を積極的にパージしてもよい。
【００４２】
なお、第１ガス導入時の基板１０の温度、成分元素を含む化合物の反応室１１内でのガス分圧、及びその基板１０上での滞在時間は、吸着種の吸着反応の進行及びその程度に影響を与える。例えば、反応室１１内において成分元素を含む化合物のガス圧力が低いほど化合物分子の基板１０表面への被着速度は低下する。このためガス圧力を低めに設定した場合にはその分一般に滞在時間を長くとらなければならない。逆にガス圧力をラングミュア吸着に必要な圧力よりも高くしすぎれば、望ましい単原子層毎の成膜は阻害され、多原子層毎の堆積となる。また、堆積する薄膜及びその原料とする化合物によっては、導入した化合物分子からより反応活性な活性種が生じ、新たに発生した活性種が膜生成反応の前駆体として寄与する場合がある。ジクロロシランから吸着種としてジクロロシリコン(SiCl2)が基板１０上に生じ、膜生成反応が経由される場合がその代表例である。このような場合、基板１０表面を一定以上の温度に予め加熱しておかないとその発生が阻害される場合があり、好ましくない。しかし、昇温し過ぎると基板１０からの吸着種の再脱離が顕著になり、また好ましくない。いずれにしろこれらの条件についてはあらかじめ検討を繰り返して、適正な経験値を得ておき、適切な条件で薄膜堆積が行えるようにする。
【００４３】
（ニ）反応室１１から実質的に第１ガスが排除された後、第２ガス導入系２７に設けられたバルブＶ２を開け、ガス状の酸化剤又は還元剤を反応室１１内に導入する。酸化剤又は還元剤の導入後、基板１０表面に対してフラッシュランプ光源のパルス光等の加熱エネルギーを照射する（第４番目及び５番目の工程）。
【００４４】
なお、導入した酸化剤又は還元剤をいったん排気した後パルス光の照射を行ってもよいが、典型的には、排気せず残したまま、例えば反応室１１内への酸化剤又は還元剤ガスの導入流量、及び分圧を一定に維持したまま加熱エネルギーの照射を行う。このようにすることによって、基板１０表面においては、酸化剤又は還元剤が吸着種の上面に導入され、かつ未反応の酸化剤又は還元剤が吸着種上面に残留しているタイミングでパルス光が照射される。
【００４５】
例えば以下でさらに詳細に説明するシリコン窒化膜の例では、ジクロロシラン（ＤＣＳ）から生じる吸着種に比較し、酸化剤又は還元剤として使用するアンモニア分子は吸着反応が起こりにくい。このため、反応室１１内でアンモニアガスを流し続けたままフラッシュランプ光等の加熱エネルギーの照射を行えば、照射されたエネルギーが、基板１０表面において、DCSの化学的酸化還元以外にアンモニアガス分子の吸着を助ける働きをもち、最終的な薄膜堆積のために非常に好都合である。酸化剤又は還元剤ガスも一定の時間経過後、その供給を止め、反応室１１内から排気させた後にフラッシュランプ光等の加熱エネルギーの照射を行う場合には、第１ガスの導入の場合と同様、その滞在時間はあらかじめ十分検討を行う必要がある。
【００４６】
（ホ）加熱手段１６として用いるフラッシュランプ光源は、典型的には一回発光させ、そのパルス光を基板１０の表面に照射する。照射後は、第２ガス導入系２７を閉じて酸化剤又は還元剤ガスの反応室１１への供給を止める。キャリアガス導入系２９と排気系１８の稼働によって反応室１１内はパージされる。基板１０の上面においては、この工程の実行によって、未反応の酸化剤又は還元剤が基板１０上面から離脱する。
【００４７】
図３に示したように、以上の第１ガスの導入から反応室パージまでの操作を繰り返すことによって、望ましくは原子層単位で薄膜の堆積が繰り返され、所望の膜厚を有する成分元素を含む薄膜が基板１０上に堆積される。
【００４８】
本発明の実施の形態に係る方法によれば、フラッシュランプ光等の加熱エネルギーの基板１０への照射によって成膜反応に必要なエネルギーが供給され、膜生成反応は基板１０の表面及びその近傍に限定される。しかも一回のパルス状照射において、基板１０から離脱しなかった吸着種のみが膜生成反応に寄与する。このため、膜生成過程及び膜質の制御性を高く維持したまま、フラッシュランプ光等の加熱手段１６の利点を生かした低いサーマルバジェットでの薄膜堆積が実現される。
【００４９】
（光照射及び膜生成過程の考察）
図４は、一例として、予備加熱温度４５０℃のもとでシリコン半導体基板１０の表面にフラッシュランプ光源からのパルス光を一回照射したとき、時間の経過とともに基板１０の表面温度が変化していく様子を示した図である。
【００５０】
フラッシュランプ加熱手段１６による加熱の温度プロファイルは、典型的には図４に例示したような波形をとり、ハロゲンランプ等の赤外線ランプに比べて温度の上昇及び降下が急峻である。光束パイロメータやシミュレーションによってシリコン半導体基板１０の表面温度を分析すると、ハロゲンランプ光では、例えば５００℃と１０５０℃との温度間の昇降温時間（５００℃から１０５０℃まで昇温した後、再び５００℃に戻るまでに要する時間）は１０秒以上、例えば約１５秒が典型的である。その上、９５０℃と１０５０℃との間の１００℃の昇／降温時間は、典型的には２〜３秒必要である。これに対して、フラッシュランプ加熱手段１６を用いると、例えば４５０℃から１２００℃程度の間の昇降温時間は０．１ミリ秒〜２００ミリ秒、より好ましくは０．５ミリ秒〜５０ミリ秒程度に調整可能である。
【００５１】
ただし、フラッシュランプ光源はその発光原理に基づき、通電電荷量を小さくするなどしてパルス幅を極端に小さくしようとすると、ピーク値も低下し、基板に対するエネルギー投入量も十分に確保できなくなる。図４に示した基板１０の表面温度の変化で換言すれば、急激に昇／降温しようとして加熱手段１６のパルス幅を極端に小さくしても、パルスのピーク強度も低下し、十分なピーク温度が達成できない。またトータルでのエネルギー投入量（図示した波形の面積におおよそ比例）も不十分となる。図２（ｂ）に示した構成例はこの問題に対する解決策を提供する。典型的には昇温／降温時間を０．１ミリ秒以下にしようとすると、基板１０にシリコン半導体を用いた場合基板１０の最高到達温度は高くても９５０℃程度、或いはそれ以下となる。
【００５２】
昇／降温時間を２００ミリ秒以上にすると、例えばシリコン半導体基板１０が絶縁型電界効果トランジスタを含む半導体装置の場合、ソース・ドレイン領域の不純物拡散層において既に活性化させた不純物が再び不活性化されてしまう恐れがある。このため、このような薄膜堆積の場合には、２００ミリ秒以上の昇／降温時間は好ましくない。
【００５３】
本発明の実施の形態に係る方法によれば、目的とする薄膜の成分元素を含む化合物から生じた吸着種が吸着し、さらにその吸着種上に酸化剤又は還元剤が導入された基板１０の表面にフラッシュランプ光のパルス波を照射することによって、基板１０の表面及びその下の浅い層は短時間内に昇温される。この熱エネルギー及び酸化剤又は還元剤の存在によって、吸着種の分解、化学的な酸化還元反応が進行し、反応物が薄膜として基板１０の表面に堆積する。基板１０表面へ吸着し加熱される吸着種及び吸着種上に導入された酸化剤又は還元剤のみ、或いはさらにその上面に残留させた酸化剤又は還元剤が反応に関与し、反応の進行が吸着種に限定、律速される。気相中で副次的な化学反応も進行せず、数原子層単位好ましくは単原子層単位で、高純度の薄膜が得られる。
【００５４】
さらに、極めて短時間内の加熱処理であるので、熱エネルギーの投入によって特性変化を受け易い不純物拡散層等を含む半導体装置であっても、不活性化等これらに対して悪影響を与えない。フラッシュランプは可視域に主たるエネルギーを有し、基板１０が半導体材料等の場合、レーザ等の小面積の紫外光と比較し、相対的にその吸収が緩慢であり、基板１０に対する応力発生も小さく抑えることができる。
【００５５】
通常のＣＶＤ法においては、第１ガスと酸化剤又は還元剤の双方のガスが同時に供給されるため、本来は表面のみで生じることが望ましい反応が気相中においても起こり、この気相中での反応物も薄膜の形成に寄与する。しかも双方のガスの供給とともに膜物質の生成反応が連続的に進行し易い。これらの理由によって、薄膜を堆積しようとする基板表面の微細な性状によっては、薄膜堆積が生じやすい所と生じにくい所、妨げられ易い所など、薄膜の堆積に不均一が生じる。このため従来法では、例えば微細構造を有する半導体装置の製造においてステップカバレージを劣化させる問題があった。
【００５６】
これに対して実施の形態の方法では、膜物質の生成反応は、パルス光の照射によってエネルギーを投じられる基板１０の表面ないしその近傍に限定される。膜の原料物質も、1回の双方のガスの導入及びパルス光照射毎に、先に供給し基板１０表面に吸着し得た吸着種の分子数分に限られる。このため、基板１０表面全面にわたって数原子層分ずつ、吸着条件の精密化次第で１原子層分ずつ、成膜過程が基板１０の露出面全面にわたって平等に繰り返されることができ、ステップカバレッジの向上など膜堆積の均一性に大いに寄与することができる。
【００５７】
以上のように、本発明の実施の形態は、ハロゲンランプ等によっては到底期待できない数ミリ秒オーダでの短時間昇温及び降温過程、紫外光などではかえって困難なフラッシュランプ光の適度に緩慢な吸収及びその熱エネルギーへの変換過程、基板への分子吸着を利用した反応及び膜形成部位の限定化、酸化還元剤ガスを別途、吸着層形成後に導入することによる反応進行の制御性、といった種々顕著な特徴を同時に有する。このため、本発明に実施の形態によれば、良好な膜質を有する薄膜を低いサーマルバジェットで形成することが初めて可能となっている。
【００５８】
なお、表面反応のみを起こすようにガスを交互供給する方法としては、従来から原子堆積法（ＡＬＤ）等の方法が提案されており、この方法によっても良好なステップカバレージを期待できる。しかしながら、ＡＬＤでは熱反応のみを利用しながらも、また気相中での反応を抑えるため、比較的低温で成膜されるのが一般的となっていて、成膜された膜中にたとえば炭素（Ｃ）などの不純物が残りやすいというデメリットがある。これに対して実施の形態の方法では、表面での分解がフラッシュランプによって促進されるため、不純物が残るというデメリットは解消される。
【００５９】
（シリコン窒化膜の堆積）
本発明の実施の形態に従って、ＤＣＳとアンモニアとを用いてシリコン基板１０上にシリコン窒化膜を堆積することができる。全体としての反応は次式のようになる。
【００６０】
３SiH２Cl２＋４NH3 →Si3N4＋６HCｌ＋６H２
工程の実行は、減圧、低圧、或いは大気圧下でも行うことができるが、低圧下が望ましい。ここではキャリアガス導入系２９から常にキャリアガスを導入しつつ、なおかつ排気系１８を常時駆動して反応室１１を排気し続けて、低圧（LPCVD）にて、工程を実行する。
【００６１】
まずウェット処理により自然酸化膜を除去したシリコン半導体基板１０を図１に示したように試料台１２に装着する。基板１０に、キャリアガス導入系２９から、例えば窒素（Ｎ２）ガスあるいはアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを供給しながら、試料台１２に埋め込まれた予備加熱源２０により基板１０を予備加熱し、基板１０に付着した水分や空気成分をパージする。
【００６２】
第１ガス導入系１７を駆動して、成分元素を含む化合物であるＤＣＳを反応室１１内に導入する。DCSの流量は典型的には１〜５００ｓｃｃｍである。キャリアガスとDCSとの混合気体の全圧力は０．１〜２０Ｔｏｒｒ、この混合状態の中でDCSのガス分圧は０．０１〜１Ｔｏｒｒが好ましい。このようなガス分圧で基板１０の表面に流し続ける時間、すなわち滞在時間は１〜２０秒が好ましい。全圧力、分圧、滞在時間が、このような範囲であることが好ましいのは、それぞれ、圧力に関しては、高圧すぎることによる気相反応を抑止するとともに、適度な圧力とすることでガスの付着を起こしやすくするため、分圧に関しては均一なガスの付着を促進するため、滞在時間に関しては、必要十分な付着を短時間で実現できるのがこの範囲にあるため、といった理由による。
【００６３】
なお、直接反応室１１に導入するのはＤＣＳガスであるが、ＤＣＳ分子に比較し高い反応性を有するジクロロシリコン（ＳｉＣｌ２）の分子が吸着種として生成し、これが基板１０表面において、ＤＣＳ分子とともにシリコン窒化膜の生成に寄与する。この吸着種の生成を促進するために特に重要なパラメータが基板１０の予備加熱温度であり、吸着分子の再脱離を実質的に招かない範囲で、基板１０の予備加熱温度は高めに設定する。この観点から望ましい予備加熱温度（基板の表面温度）の範囲は、３５０〜６００℃である。
【００６４】
基板１０にシリコン基板を用い、半導体装置の製造工程の一部としてシリコン窒化膜を堆積する場合には、フラッシュランプ光を照射した際の基板１０に対する欠陥発生や不純物拡散層の不活性化の問題も考慮しなければならない。この点から望ましい基板１０の予備加熱温度はおおよそ２００℃から５５０℃程度までである。２００℃未満の予備加熱温度だと、成分元素を含む化合物を分解、アンモニアガスを用いた還元反応を進行させて薄膜を堆積させるためにフラッシュランプ光の照射エネルギーを著しく大きくしなければならず、半導体基板１０に結晶欠陥を発生させる恐れがある。５５０℃を超えて予備加熱を行うと、基板１０に既に形成されている不純物拡散層中の不純物原子の不活性化を招いてしまう恐れがある。したがって総合的に考えると、この場合には、３５０〜５５０℃が全工程を通じた望ましい予備加熱温度である。
【００６５】
DCSの滞在時間経過後、第１ガス導入系１７を閉じ、ＤＣＳの供給を止める。さらに基板１０を予備加熱したまま、第２ガス導入系２７から、希釈されていないアンモニアガスを反応室１１内に導入する。流量は典型的には１０〜１０００ｓｃｃｍである。アンモニアガスによる反応室１１内の圧力は、１〜２００Ｔｏｒｒが好適である。その理由は前のステップで付着したガスに対し、さらに窒素原子が付着するのに必要十分な、最適な条件であることによる。
【００６６】
フラッシュランプ光源からのパルス光の照射は、アンモニアガスの一定の滞在時間、好ましくは０．５〜２０秒の時間が経過した後、アンモニアガス分圧を維持したまま行うことが望ましい。これは、ＤＣＳからの吸着種に関しては、ガスをシリコン半導体基板１０の表面に流すだけで吸着が起きるのに対して、アンモニアガスの場合はＤＣＳの場合ほど吸着が進行しないため、フラッシュランプ光の照射がこの吸着の困難さを補い、基板１０の表面近傍における窒化膜の生成反応を容易にするためである。アンモニアガスを反応室１１に残したまま、加熱手段１６によりピーク温度で１０５０℃程度の加熱を行い、Ｓｉ半導体基板１０の表面にシリコン窒化膜が形成される。
【００６７】
この際、典型的な基板１０表面の昇／降温時間は、４５０℃〜１０５０℃間の昇降温時間で、約５ミリ秒、９５０℃〜１０５０℃の１００℃間の昇／降温時間で例えば約１ミリ秒である。またこの際基板１０の単位面積あたりに投入されるパルス光のエネルギーは、結果的に２０Ｊ／ｃｍ２〜３０Ｊ／ｃｍ２程度が望ましい。
【００６８】
ハロゲンランプなど赤外線ランプを用いたＲＴＰ（Rapid Thermal Process）の場合、これらの昇／降温に要する時間は数秒から数十秒程度である。また、シリコン基板中にボロン（Ｂ）や燐（Ｐ）等の不純物原子が存在する場合、その際の基板の温度にも依存するが、例えば１０００℃程度の場合、それらが数原子層分、例えば１ｎｍ程度拡散するために必要な時間はおおよそ１０−１秒程度のオーダであるとの試算ができる。
【００６９】
従って、フラッシュランプを用いたミリ秒単位の昇／降温時間を有する高温プロセス、すなわち本発明の実施の形態によるシリコン窒化膜の堆積方法によれば、窒化膜堆積工程において有意に不純物の非活性化の問題が抑えられる、すなわち有意に低減されたサーマルバジェットを実現することが可能と理解される。以下でも不純物拡散層を形成した後にシリコン窒化膜を堆積してその堆積工程の不純物拡散層への影響を抵抗値の変化によって検討した結果を示しているが、この結果も以上の考察の正当性を裏付けている。
【００７０】
（堆積例１−シリコン窒化膜）
シリコン窒化膜の堆積を以下のような条件で行った。DCSとアンモニアの反応室１１内での分圧変化、及び光照射のタイミングに注目して工程の進行を時系列的に把握すると図５のようになる。
【００７１】
キャリアガスとして窒素を使用し、流量３ｓｃｃｍでＤＣＳガスを反応室１１内に導入した。キャリアガスとＤＣＳの混合気体による反応室１１内の全圧力は３Ｔｏｒｒ、ＤＣＳのガス分圧は１Ｔｏｒｒ、基板１０表面との接触時間すなわちＤＣＳの供給時間は２秒とした。その後、ＤＣＳの供給を止め、直ちに１００％のアンモニアガスの供給を開始した。その際の流量は１０ｓｃｃｍ、全圧であるアンモニアガスのガス分圧は２０Ｔｏｒｒとした。アンモニアガスの供給を開始した後１．５秒経過後、アンモニアガスの供給を続けたまま、パルス幅約１ミリ秒、エネルギー密度２０〜３０Ｊ／ｃｍ２（基板表面での値）のフラッシュランプ光源によるパルス光を基板１０の表面に１ショット照射した。
【００７２】
照射後、いったんアンモニアガスの供給を止め、排気系１８による反応室１１内の排気完了を待った後、以上の工程を繰り返し行った。フラッシュランプ光源の繰り返し発光のためには、容量が６００μＦ（ファラッド）のコンデンサを３個使用し、これらを交互に使用して各回の発光に供した。なお、パルス光の照射が全くない状態で基板１０の表面温度が４００〜５５０℃となるよう、作業中は予備加熱手段を一定出力で常時稼働した。
【００７３】
作業終了後、得られた試料を反応室１１から取り出し、オージェ分光法を用いて基板１０表面の堆積物質の同定を行った。その結果、シリコンと窒素が３．１：４の比率で検出されたことから、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）薄膜の生成が確認された。
【００７４】
図６は、工程の繰り返しに従い、窒化珪素の薄膜が徐々に堆積されている様子を示したグラフである。横軸に、ＤＣＳの導入からアンモニアガスの供給制止までの一サイクルの繰り返し回数、縦軸に堆積された薄膜の膜厚をとったものである。発光間隔は６秒であって、例えば５０回工程を繰り返すのに約５分の時間を要し、その間に約７．０ｎｍの薄膜が堆積された。従って、成膜速度は約１．４ｎｍ／分、或いは約０．１４ｎｍ／パルスであり、ほぼ単一のパルス光照射毎に１原子層単位で薄膜生成が進行したと理解される。
【００７５】
成膜したシリコン窒化膜の膜質評価として、さらに二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により膜中の水素濃度を測定した。その結果、１×１０１９個／ｃｍ３ 以下の水素原子濃度が確認された。これは、従来の熱ＣＶＤ法（７８０℃程度）によって成膜されたシリコン窒化膜の場合と比較して、一桁程度低い値である。本発明の実施の形態によれば高純度のシリコン窒化膜を低いサーマルバジェットでシリコン基板上に堆積することができる。
【００７６】
比較のため、ＤＣＳとアンモニアガスとを同時に反応室１１に導入し、それぞれの流量を保ったまま、フラッシュランプ光源のパルス光を複数回、シリコン基板の表面に連続的に照射し、基板上へのシリコン窒化膜の堆積を試みた。
【００７７】
ＤＣＳとアンモニアガスの流量は、それぞれ３ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ、パルス光照射中の反応室内の全圧力は０．１３Ｔｏｒｒ、分圧はそれぞれ０．０３Ｔｏｒｒ、０．１Ｔｏｒｒとした。パルス幅、エネルギー密度、基板の予備加熱温度などは、既に述べた値と同一とした。
【００７８】
生成物質の同定を同様に行い、シリコン窒化膜の生成が確認された。パルス光の５０回照射で４０ｎｍの膜厚を有するシリコン窒化膜が得られ、１回のパルス光照射当たり平均０．８ｎｍの窒化膜堆積が確認された。また、ＳＩＭＳによる分析を行い、膜中の水素原子含有量は１×１０２０個／ｃｍ３ 以下であった。
【００７９】
したがって、ＤＣＳとアンモニアを同時に反応室に供給しながらフラッシュランプ光源のパルス光の連続照射を行っても薄膜が堆積できることがわかる。しかし、この場合は明らかに多原子層毎の堆積となり、膜の均一性など成膜過程の制御性に問題がでてくる。また膜中の水素含有量も一桁程度大きい値となるなど膜質の点でも劣る。但し従来の熱ＣＶＤ法によって成膜されたシリコン窒化膜と比較すると水素含有量に大きな差異は見られず、したがってこの点では明らかな問題はないようである。
【００８０】
（堆積例２−アルミナ膜）
成分元素を含む化合物としてトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）、酸化剤ガスとして酸素（Ｏ２）を用い、シリコンからなる基板１０の表面へ酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の堆積を試みた。堆積方法は、シリコン窒化膜の堆積例と同様であって、トリメチルアルミニウムを含む第１ガスと酸化剤ガスとは交互供給し、酸化剤ガスの流量を保持したままランプ光照射した。
【００８１】
キャリアガスとしては窒素を用い、トリメチルアルミニウムの導入流量は１０ｓｃｃｍ、キャリアガスを含む反応室１１内の全圧力は０．６Ｔｏｒｒ、トリメチルアルミニウムの分圧は０．２Ｔｏｒｒ、基板１０表面に対するトリメチルアルミニウム分子の供給時間は１秒とした。
【００８２】
酸素ガスの導入流量は１００ｓｃｃｍ、反応室１１内の全酸素圧力は２０Ｔｏｒｒとした。酸素ガスの供給を開始して１．５秒経過後、パルス幅約３ミリ秒、エネルギー密度１０Ｊ／ｃｍ２（基板表面での値）のフラッシュランプ光源によるパルス光を基板１０の表面に１ショット照射した。反応室１１の排気の後、以上の工程を繰り返した。
【００８３】
フラッシュランプ光源の繰り返し発光のためには、容量が２００μＦ（ファラッド）のコンデンサを３個並列に接続したものを準備して実効的に６００μＦとし、これを３セット準備して、これらを交互に使用して各回の発光に供した。発光間隔は約６秒であった。結果的に８０回の工程の繰り返しに８分の時間を要し、生成膜厚は９．６ｎｍであった。従って、成膜速度は約１．２ｎｍ／分、或いは０．１２ｎｍ／パルスであった。なお、基板１０表面の予備加熱温度は常時６００℃とした。
【００８４】
ＲＢＳ法を用いた膜物質の同定を行い、酸化アルミニウムの膜生成を確認した後、ＳＩＭＳによって膜中の炭素（Ｃ）濃度分析を行い、１×１０１９個／ｃｍ３ 以下との結果を得た。
【００８５】
（堆積例３−半導体装置）
シリコン半導体基板１０に浅い拡散層を形成した後にゲート絶縁膜などの目的でシリコン窒化膜を形成する場合において、本発明の実施の形態に係るシリコン窒化膜の堆積方法を実施するメリットを検証した。
【００８６】
近年のＭＩＳ構造を多用した高密度集積回路の不純物注入の典型例として、イオン種：ボロンイオン（Ｂ＋）、加速エネルギー：１．５ｋｅＶ、ドーズ量：１．０×１０１５ｃｍ−２を採用し、この条件であらかじめイオン注入を行ったシリコン基板１０を用意した。この基板１０をさらに、その注入表面から、パルス幅８ミリ秒、照射エネルギー密度３Ｊ／ｃｍ２、ショット数３回の条件で、フラッシュランプアニール法を用いて熱処理を行い、ＭＩＳ構造のソース・ドレイン領域における不純物拡散層等に見立てた不純物層を形成した。この不純物層の深さは基板１０の表面から約１５ｎｍ程度であった。
【００８７】
この基板１０を用いて、既に説明したシリコン窒化膜の堆積例１にしたがって、イオン注入面の上にさらにシリコン窒化膜を形成した。その膜厚は約２０ｎｍであり、成膜に要した時間は３０分であった。他方比較のため、同一原料ガスを用いたバッチ装置を用いたＣＶＤ法によって、７８０℃、３０分の成膜によりシリコン窒化膜を形成した比較用の基板試料も作成した。
【００８８】
それぞれの基板試料において、シリコン窒化膜堆積後、不純物層のシート抵抗を測定した。その結果、実施の形態に従って作成された基板においては８２０Ω／□、従来の熱ＣＶＤ法に従って作成された比較用の基板試料においては１２００Ω／□であった。なお、シリコン窒化膜を形成する前の不純物層のシート抵抗は８００Ω／□であった。
【００８９】
この結果から、シリコン基板に不純物拡散層を形成後、本発明の実施の形態に従ってシリコン窒化膜を形成すれば、フラッシュランプ光による低いサーマルバジェットでの膜形成は担保したまま、既に形成している下地の不純物拡散層に対しては活性化等の悪影響の発生を著しく抑制できることがわかる。
【００９０】
以上、特定の実施の形態を取り上げて本発明を説明したが、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。例えば、サーマルバジェットの低減は、パルス光の基板表面及びその近傍での吸収効率、熱エネルギーへの転換速度に大きく依存する。例えば、パルス光の波長が変わり吸収がより急激になれば短時間高温過程はより実現しやすくなるが、著しく局部的なエネルギー投入を招くなど、基板に生じるストレス、それによる劣化の問題もでてくる。逆に考えれば、与えられたフラッシュランプ光を用いれば、発明者らが目指す高温短時間プロセスを実現するため、おおよそ適度な吸収過程を発揮できる波長領域、パルス幅、及びエネルギー強度を得ることができるということであって、投入したエネルギーの吸収速度、効率は、積極的に、技術者の立場でさらに最適化、精密化が可能ということである。このような観点から、成膜種、或いは基板の種類に応じて、本発明の範囲内でさらなる光源の改良、改善の余地は考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施の形態に係る装置を示す概略図である。
【図２】光源に対するコンデンサの接続及び切換えの様子を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る薄膜堆積方法を示したプロセスフローである。
【図４】シリコン半導体基板にフラッシュランプ光源からのパルス光を照射したときの基板表面の温度変化を示した図である。
【図５】DCSとアンモニアガスとを交互に供給してシリコン窒化膜を堆積する際の工程の時系列を示した図である。
【図６】プロセスフローの実行回数と堆積したシリコン窒化膜の膜厚との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０ 基板
１１ 反応室
１２ 試料台
１３ 支持軸
１４ 透明窓
１５ ランプハウス
１６ 加熱手段
１７ 第1ガス導入系
１８ 排気系
１９ ＤＣ電源
２０ 予備加熱源
２２ スイッチング手段
２４ 蓄電手段
２６ ガス供給源
２７ 第２ガス導入系
２９ キャリアガス導入系
３０ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含む第１ガスの反応室への導入及び停止を行う第１ガス導入系と、
酸化剤又は還元剤を含む第２ガスの前記反応室への導入及び停止を行う第２ガス導入系と、
０．１〜１００ミリ秒の投入時間で前記反応室に配置した基板の表面に加熱エネルギーを逐次、繰り返し投入する加熱手段と、
前記反応室を排気する排気系と、
前記第１ガスの導入、前記第１ガスの停止、未反応の前記第１ガスの排気、前記第２ガスの導入、前記加熱エネルギーの投入、前記第２ガスの停止、及び未反応の前記第２ガスの排気とからなる一連の手順を１サイクルとし、このサイクルを逐次繰り返し実行する制御手段と、
を有することを特徴とする薄膜堆積装置。
【請求項２】
目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含むガスを導入して、基板の表面に前記化合物の分子又は前記化合物の分解した分子からなる吸着種を吸着させる工程と、
酸化剤又は還元剤を反応種として前記吸着種上に導入する工程と、
前記表面に０．１〜１００ミリ秒の照射時間を有する加熱エネルギーをパルス的に照射し、前記吸着種と前記反応種との間の反応を進行させる工程
とからなる一連の手順を１サイクルとし、該サイクルを繰り返すことにより、前記薄膜を前記表面に堆積させることを特徴とする薄膜堆積方法。
【請求項３】
前記加熱エネルギーがフラッシュランプ光であって、前記サイクルに同期して、並列配置された複数のコンデンサを順次、且つ独立に充電と放電とを繰り返し、前記放電により前記フラッシュランプ光の１パルス分のエネルギーを供給することを特徴とする、請求項２に記載の薄膜堆積方法。
【請求項４】
前記反応種を前記吸着種の上面に導入し、未反応の前記反応種が前記上面に残留しているタイミングで前記加熱エネルギーを照射し、その後未反応の前記反応種を離脱させることを特徴とする、請求項２又は３に記載の薄膜堆積方法。
【請求項５】
前記加熱エネルギーがフラッシュランプ光であって、前記加熱手段がフラッシュランプ光源であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜堆積装置。
【請求項１】
目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含む第１ガスの反応室への導入及び停止を行う第１ガス導入系と、
酸化剤又は還元剤を含む第２ガスの前記反応室への導入及び停止を行う第２ガス導入系と、
０．１〜１００ミリ秒の投入時間で前記反応室に配置した基板の表面に加熱エネルギーを逐次、繰り返し投入する加熱手段と、
前記反応室を排気する排気系と、
前記第１ガスの導入、前記第１ガスの停止、未反応の前記第１ガスの排気、前記第２ガスの導入、前記加熱エネルギーの投入、前記第２ガスの停止、及び未反応の前記第２ガスの排気とからなる一連の手順を１サイクルとし、このサイクルを逐次繰り返し実行する制御手段と、
を有することを特徴とする薄膜堆積装置。
【請求項２】
目的とする薄膜の成分元素を含む化合物を含むガスを導入して、基板の表面に前記化合物の分子又は前記化合物の分解した分子からなる吸着種を吸着させる工程と、
酸化剤又は還元剤を反応種として前記吸着種上に導入する工程と、
前記表面に０．１〜１００ミリ秒の照射時間を有する加熱エネルギーをパルス的に照射し、前記吸着種と前記反応種との間の反応を進行させる工程
とからなる一連の手順を１サイクルとし、該サイクルを繰り返すことにより、前記薄膜を前記表面に堆積させることを特徴とする薄膜堆積方法。
【請求項３】
前記加熱エネルギーがフラッシュランプ光であって、前記サイクルに同期して、並列配置された複数のコンデンサを順次、且つ独立に充電と放電とを繰り返し、前記放電により前記フラッシュランプ光の１パルス分のエネルギーを供給することを特徴とする、請求項２に記載の薄膜堆積方法。
【請求項４】
前記反応種を前記吸着種の上面に導入し、未反応の前記反応種が前記上面に残留しているタイミングで前記加熱エネルギーを照射し、その後未反応の前記反応種を離脱させることを特徴とする、請求項２又は３に記載の薄膜堆積方法。
【請求項５】
前記加熱エネルギーがフラッシュランプ光であって、前記加熱手段がフラッシュランプ光源であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜堆積装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２９４７５０（Ｐ２００６−２９４７５０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１１１１８２（Ｐ２００５−１１１１８２）
【出願日】平成１７年４月７日（２００５．４．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月７日（２００５．４．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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