CN101647104A - 成膜装置、成膜方法和存储介质 - Google Patents

成膜装置、成膜方法和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供成膜装置、成膜方法和存储介质。该成膜装置包括：处理容器(31)；和配置在处理容器(31)内、用于载置基板W的载置台(71)。该成膜装置还包括：气体喷淋头(51)，其具有多个气体供给孔(61a、62a、63a)，被划分为与该基板(W)的中央部相对的中央区域(53)和与该基板(W)的周边部相对的周边区域(54)；向中央区域(53)供给第一处理气体的第一处理气体供给单元；向中央区域(53)供给第二处理气体的第二处理气体供给单元；能量供给单元，其供给用于使第一处理气体和第二处理气体在基板(W)上反应的能量；和吹扫气体供给单元，其用于在切换第一处理气体的供给和第二处理气体的供给时，向气体喷淋头(51)的中央区域(53)和周边区域(54)供给吹扫气体。

Description

成膜装置、成膜方法和存储介质
优先权主张
本申请对2007年3月27日提出的日本专利申请2007-082533主张优先权，并在此引入该日本专利申请2007-082533的全部内容作为参照。
技术领域
本发明涉及通过多次交替切换地供给第一处理气体和第二处理气体，在基板上形成这些处理气体的反应生成物的膜的技术。
背景技术
已知存在下述半导体制造工艺中的成膜方法：使第一处理气体吸附在基板的表面，接着从第一处理气体切换为第二处理气体，通过两气体的反应形成一层或者少数层的原子层、分子层，进行多次该循环，从而对这些层进行叠层，在基板上进行成膜。该方法例如被称为ALD(Atomic Layer Deposition：原子层沉积)、MLD(Molecular LayerDeposition：分子层沉积)等，根据循环数能够高精度地控制膜厚，并且膜质的面内均匀性良好，能够有效地应对半导体器件的薄膜化。为了实施该方法，使用例如图15所示的成膜装置100(参照日本特开2004-6733([0056]和图8))。
在该成膜装置100中，例如，从设置在基板101的侧方(图15中右侧)的处理气体供给口102供给包含例如金属化合物的气体即第一处理气体，并且，从以与该处理气体供给口102相对的方式设置的排气口104排出第一处理气体，由此，使该处理气体吸附在基板101上。接着，从处理气体供给口102的相反侧(图15中左侧)的臭氧气体供给口103供给臭氧气体作为第二处理气体，并且从排气口105对该臭氧气体进行排气，对吸附在基板101上的第一处理气体进行氧化，形成氧化物的膜。以将由该第一处理气体的吸附和氧化构成的处理的循环反复进行多次例如100次的方式，多次切换第一处理气体和臭氧气体的供给，从而能够得到所希望的膜厚的氧化物。
例如每数秒即进行交替供给该第一处理气体和臭氧气体的循环，因此需要高速切换排气口104、105。于是，在该排气口104、105设置有高速旋转阀106，配合上述循环使该高速旋转阀106旋转，从而进行排气口104、105的开关，高速地切换排气方。
如上所述，该成膜按照使气体从基板101的一侧向另一侧(图中横向)流通的侧流(side flow)方式进行，因此，为了抑制横向的膜厚、膜质的偏析，在例如200～240℃左右的低温的稳定气氛下进行。
另一方面，在对氧化锆(ZrO2)等高电介质材料进行成膜的情况下，作为第一处理气体，使用例如TEMAZ(四乙基甲基氨基锆)气体等。这样的气体在低温下几乎不分解，所以如果在该状态下进行成膜，则杂质会进入膜中，造成膜质劣化。因此，这种材料在例如280℃左右的高温下进行成膜，但是，在这样的高温中，反应进行得快，具有在一次的循环中形成的膜厚会变厚的倾向，在侧流方式的情况下，基板101的表面的气体的移动距离较长，因此例如可能在气体的供给侧膜厚较厚，在排气侧膜厚较薄等，导致面内的膜厚的均匀性恶化。
另外，由于高电介质材料的气体价格很高，所以如果为了抑制其消耗量而减少流量，则如图16(a)所示，第一处理气体的供给侧的膜厚变厚。而且，在为了提高生产率(throughput)，例如使供给臭氧气体的时间变短的情况下，如图16(b)所示，随着远离臭氧气体的供给源，臭氧气体的氧化能力变弱(臭氧气体被消耗)，因此有可能出现基板101上的吸附膜没有被充分氧化的情况，在该情况下漏电流的面内均匀性恶化。
另外，如图16(c)所示，流过基板101附近的处理气体用于进行反应，另一方面，流过远离基板101的区域的处理气体则被直接排出，因此成膜效率(成膜比例)低，浪费了昂贵的处理气体，而且为了得到所希望的膜厚需要花费很长的时间。另外，上述的高速旋转阀106等也很昂贵，所以上述的成膜装置100的制造费用也很高，要求改善该情况。
于是，正在探讨例如使用在通常的CVD装置中运用的气体喷淋头(参照日本特开2006-299294([0021]～[0026]和图1))，从基板101的上方供给气体的方法。根据这样的气体的供给方法，因为气体从基板的中央朝向周边去，所以气体的移动距离与侧流方式相比更短，因此，对于成膜后的膜厚、膜质也能够期望得到高面内均匀性。但是，这样的气体喷淋头都是大型的，如上所述，为了将处理气体切换多次进行供给，在每次切换处理气体时都需要置换气体喷淋头内的气氛，会浪费大量的处理气体。此外，置换气体的容积(气体喷淋头内的容积)较大，在气体的置换中需要很长的时间，因此生产率也会降低。
进一步，作为上述高电介质材料的原料的TEMAZ气体的成膜物，在其除去作业中，还没有确立干式清洁的方法，而是进行手动操作的湿式清洁，因此，希望尽量减少这样的处理气体所接触的面积，希望使清扫时间变短。
但是，在使用气体喷淋头方式时，为了抑制在气体喷淋头内产生颗粒，在切换第一处理气体和第二处理气体时，需要向该气体喷淋头内供给吹扫气体，置换气体喷淋头内的气氛，但是，为了抑制生产率的降低，该气体置换需要增大吹扫气体的流量而快速地进行。
图17中表示了成膜装置200的一个例子，该成膜装置200具有大致蘑菇型的处理容器201和例如在内部埋设有加热器203的工作台202。在处理容器201的顶壁设置有用于向工作台202上的基板210供给处理气体的气体喷淋头205，处理气体在从气体喷淋头205供给到基板210之后，从设置在该处理容器201的下侧的侧壁的排气口208被排出。
但是，在上述的成膜装置200中，因为从处理容器201的下方侧的一端侧排出处理气体，所以处理容器201内的处理气体的流动产生偏差，其结果，基板210的表面的处理气体的流动变得不均匀，产生膜厚的参差不齐。另外，当气体流量增加时，膜厚的参差不齐会进一步变大，所以在该成膜装置200中，也存在不能够加大吹扫气体的流量的问题。进一步，在工作台202的下方侧连接未图示的升降部、通过处理容器201的外部的未图示的升降机构进行工作台202的升降的情况下，为了保持处理容器201内的气密性，需要在该升降部的周围和处理容器201的底面之间设置例如未图示的波纹管(bellows)，并使得该波纹管随着工作台202的升降而一同伸缩，但是，在该情况下，在该波纹管处堆积处理气体、反应生成物等，波纹管有可能在收缩时破损，成为处理容器201的泄漏的原因。
另外，图18所示的成膜装置220采用下述结构：为了使基板210的表面的处理气体的流动均匀，以将从工作台202的侧方位置到形成有排气口208的处理容器201的下表面为止的环状空间与处理容器201内的空间分隔开的方式，设置环状的挡板209，并在该挡板209的上表面设置多处小径的孔211，由此，使朝向挡板209的内部流动的处理气体的流路变窄。通过缩小该孔211的面积，处理容器201内的压力均匀提高，因此，处理气体向着多个孔211均匀流动，从基板210的表面各向同性地进行排气。
但是，在这样的成膜装置220中，因为设置在挡板209的孔211为小径，所以不能够大幅度地增加吹扫气体的流量，上述成膜气体和氧化性气体切换时的气体置换需要花费较长的时间，因此导致生产率降低。
发明内容
本发明涉及一种成膜装置，其包括：
处理容器；
配置在上述处理容器内、用于载置基板的载置台；
气体喷淋头，其与载置在上述载置台上的基板相对地设置，并且具有多个气体供给孔，被划分为与该基板的中央部相对的中央区域和与该基板的周边部相对的周边区域；
第一处理气体供给单元，其具有用于向上述气体喷淋头的上述中央区域供给第一处理气体的第一处理气体供给通路；
第二处理气体供给单元，其具有用于向上述气体喷淋头的上述中央区域供给第二处理气体的第二处理气体供给通路；
能量供给单元，其供给用于使第一处理气体和第二处理气体在上述基板上反应的能量；和
吹扫气体供给单元，其用于在切换上述第一处理气体的供给和上述第二处理气体的供给时，向上述气体喷淋头的上述中央区域和上述周边区域供给吹扫气体。
在本发明涉及的成膜装置中，优选，上述气体喷淋头的上述中央区域的面积为上述周边区域的面积的50％以下。
在本发明涉及的成膜装置中，优选，上述第一处理气体供给通路和上述第二处理气体供给通路相互独立。
在本发明涉及的成膜装置中，优选，上述第一处理气体供给通路和上述第二处理气体供给通路，至少一部分被共用。
在本发明涉及的成膜装置中，优选，上述能量供给单元由对载置在上述载置台上的基板进行加热的加热单元构成。
在本发明涉及的成膜装置中，优选，上述第一处理气体由用于使选自Zr、Hf、Si、Sr、Ti、Y和La中的一种以上的化合物进行成膜的成膜气体构成，
上述第二处理气体由对上述化合物进行氧化，用于得到高电介质材料的氧化性气体构成。
本发明涉及一种成膜方法，该成膜方法使用的成膜装置包括：处理容器；配置在上述处理容器内的载置台；气体喷淋头，其与载置在上述载置台上的基板相对地设置，并且具有多个气体供给孔，被划分为与该基板的中央部相对的中央区域和与该基板的周边部相对的周边区域；以及供给能量的能量供给单元，该成膜方法包括：
将基板载置在处理容器内的载置台上的载置工序(a)；
向上述气体喷淋头的上述中央区域供给第一处理气体，从该中央区域向上述基板供给第一处理气体的第一处理气体供给工序(b)；
向上述气体喷淋头的上述中央区域和上述周边区域供给吹扫气体，将上述处理容器内的第一处理气体置换为吹扫气体的第一置换工序(c)；
向上述气体喷淋头的上述中央区域供给第二处理气体，从该中央区域向上述基板供给第二处理气体的第二处理气体供给工序(d)；
利用上述能量供给单元，供给用于使第一处理气体和第二处理气体在上述基板上反应的能量的能量供给工序(e)；和
向上述气体喷淋头的上述中央区域和上述周边区域供给吹扫气体，将上述处理容器内的第二处理气体置换为吹扫气体的第二置换工序(f)，
反复多次地依次进行上述第一处理气体供给工序(b)、上述第一置换工序(c)、上述第二处理气体供给工序(d)和上述第二置换工序(f)。
在本发明涉及的成膜方法中，优选，上述气体喷淋头的上述中央区域的面积为上述周边区域的面积的50％以下。
在本发明涉及的成膜方法中，优选，供给到上述气体喷淋头的上述中央区域的第一处理气体和供给到上述气体喷淋头的上述中央区域的第二处理气体，通过相互不同的流路。
在本发明涉及的成膜方法中，优选，供给到上述气体喷淋头的上述中央区域的第一处理气体和供给到上述气体喷淋头的上述中央区域的第二处理气体，通过至少一部分共用的流路。
在本发明涉及的成膜方法中，优选，上述能量供给工序(e)利用上述能量供给单元对载置在上述载置台上的基板进行加热。
本发明涉及一种存储介质，其存储有用于使计算机执行成膜方法的计算机程序，
其中，该成膜方法使用一种成膜装置，该成膜装置包括：处理容器；配置在上述处理容器内的载置台；气体喷淋头，其与载置在上述载置台上的基板相对地设置，并且具有多个气体供给孔，被划分为与该基板的中央部相对的中央区域和与该基板的周边部相对的周边区域；和供给能量的能量供给单元，
该成膜方法包括：
将基板载置在处理容器内的载置台上的载置工序(a)；
向上述气体喷淋头的上述中央区域供给第一处理气体，从该中央区域向上述基板供给第一处理气体的第一处理气体供给工序(b)；
向上述气体喷淋头的上述中央区域和上述周边区域供给吹扫气体，将上述处理容器内的第一处理气体置换为吹扫气体的第一置换工序(c)；
向上述气体喷淋头的上述中央区域供给第二处理气体，从该中央区域向上述基板供给第二处理气体的第二处理气体供给工序(d)；
利用上述能量供给单元，供给用于使第一处理气体和第二处理气体在上述基板上反应的能量的能量供给工序(e)；和
向上述气体喷淋头的上述中央区域和上述周边区域供给吹扫气体，将上述处理容器内的第二处理气体置换为吹扫气体的第二置换工序(f)，
反复多次地依次进行上述第一处理气体供给工序(b)、上述第一置换工序(c)、上述第二处理气体供给工序(d)和上述第二置换工序(f)。
本发明中，在交替切换第一处理气体和第二处理气体，在基板上形成这些气体的反应生成物的膜时，从与基板相对的气体喷淋头供给第一处理气体和第二处理气体，因此与侧流方式相比，能够得到薄膜的膜厚、膜质的高面内均匀性。而且，将气体喷淋头划分为中央区域和周边区域，从中央区域交替供给第一处理气体和第二处理气体，因此能够缩小被处理气体充满的气体喷淋头内的容积，能够缩短气体喷淋头内的处理气体的置换所需要的时间。而且，在处理容器内的处理气体的置换时，从气体喷淋头的周边区域也供给吹扫气体，因此能够缩短处理气体的置换时间，能够提高生产率。进一步，气体喷淋头内的被处理气体充满的容积小，因此也能够减少在置换处理气体时被排出而浪费的处理气体的量。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的成膜装置的一例的纵截面图。
图2是上述成膜装置的处理容器的放大图的截面。
图3是表示设置在上述成膜装置的气体喷淋头的一个例子的纵截面图。
图4是上述气体喷淋头的分解立体图。
图5是上述气体喷淋头的仰视平面图。
图6是表示本发明的成膜方法的一例的流程图。
图7是表示上述成膜的过程的示意图。
图8是表示上述成膜的过程中的处理容器内的状态的示意图。
图9是表示上述成膜的过程的示意图。
图10是表示处理区域的容积(V1)和排气空间的容积(V2)的比(V2/V1)、与膜厚的面内均匀性的相互关系的特性图。
图11是表示本发明的第二实施方式的成膜装置中设置的气体喷淋头的一个例子的纵截面图。
图12是上述气体喷淋头的分解立体图。
图13是表示本发明的实施例的结果的特性图。
图14是表示本发明的实施例的结果的特性图。
图15是表示现有的成膜装置的一例的纵截面图。
图16是表示使用上述成膜装置进行的成膜的状态的示意图。
图17是表示现有的成膜装置的一个例子的纵截面图。
图18是表示现有的成膜装置的一个例子的纵截面图。
具体实施方式
参照图1～图5对本发明的第一实施方式的成膜装置20的一个例子进行说明。该成膜装置20包括：处理容器31；构成气体供给部的气体喷淋头51；和用于载置作为基板的例如半导体晶片(下面，称为“晶片W”)的载置台，即扁平的圆柱状的工作台71。
气体喷淋头51以与载置在工作台71上的晶片W相对的方式设置在处理容器31的顶壁。该气体喷淋头51与晶片W之间的空间成为处理区域(处理空间)11。在该气体喷淋头51的外侧，以成为比气体喷淋头51的下端面更低的高度(成为接近晶片W的高度)的方式，设置有气流限制用的环状体52。该环状体52通过其平坦的下表面限制从处理区域11的处理气氛朝向外方的气流，从而使得处理气体在晶片W的外周部的流速的分布变得均匀，也可以使其下端面的高度与气体喷淋头51的下端面在相同的高度。
在工作台71设置有用于对晶片W进行静电吸附的静电吸盘72，该静电吸盘72与电源72a连接。另外，在工作台71设置有与电源73a连接的加热器(加热单元)73，能够将晶片W加热至例如600℃左右。该加热器73相当于供给用于使作为第一处理气体的成膜气体和作为第二处理气体的臭氧气体在晶片W上反应的能量的能量供给单元。
工作台71构成为，被作为升降部的柱状的支承部件71a从下表面侧支承，通过未图示的升降机构在用于进行晶片W的处理的处理位置、和用于通过处理容器31的壁面的搬送口35在其与外部之间进行晶片W的交接的搬送位置之间，能够升降规定的距离例如60mm左右。处理位置的气体喷淋头51和晶片W的距离h例如为8mm。此外，由于在搬送口35附近，有可能处理气体滞留，导致不能够均匀地进行成膜处理，因此，为了抑制该搬送口35附近的气体流动的影响地进行成膜处理，使工作台71的位置在处理位置和搬送位置之间改变。该支承部件71a在下表面侧与升降板71b连接。该升降板71b与处理容器31的下表面侧通过作为密封部的波纹管74气密地接合。波纹管74构成为能够伸缩，即使工作台71升降也能够保持处理容器31内的气密性。
另外，在工作台71，例如在三个位置的开口部设置有用于晶片W的升降的销75。该销75由针状的下部和比该下部的直径粗的上端部构成，利用设置在处理容器31的下表面的环状的升降部件75a进行升降，当升降部件75a向下方侧离开时，其上端的扩径部阻塞工作台71的开口部，将作为工作台71的下方侧的区域的下部区域(下部空间)12与处理区域11分开。此外，利用上述的结构，能够任意调整晶片W和气体喷淋头51的距离(处理区域11的高度)而进行处理。
在工作台71的下侧的处理容器31的底面上，设置有与该工作台71同轴、且与工作台71同径的环状的支承体76以作为第一环状壁，在该支承体76的周围，为了抑制反应生成物的堆积，设置有例如铝制的支承体罩76b。在工作台71的侧面和工作台71上的露出面(晶片W的外周侧)，为了抑制反应生成物向工作台71的表面堆积，设置有例如石英制的工作台罩78以作为第二环状壁。该工作台罩78的侧壁伸长至工作台71的下侧，与上述支承体罩76b的外周面接近，而且位于与支承体76在高度方向上重合的位置，从而抑制处理气体向下部区域12蔓延。该工作台罩78构成为，即使上述工作台71上升到处理位置，也与支承体76在高度方向上重合，能够将下部区域12与放置晶片W的处理区域11的气氛划分开。
另外，在支承体76的上端面，以与该下部区域12连通的方式，例如在周方向等间隔地开有四个位置的气体供给口76a，经由例如气体供给通路76c与氮气等气体源77连接。该气体源77向下部区域12供给气体，通过使其成为比上述的处理区域11的压力稍高的压力，能够进一步抑制处理气体向下部区域12的蔓延。例如，在下部区域12设置未图示的压力计，将下部区域12的压力设定得比处理区域11的压力稍高。
被由工作台罩78的侧面构成的面和处理容器31的内壁包围的高度Hmm、外径Rmm、内径rmm的环状的空间，成为排气空间13。在该例子中，各尺寸H、R、r为152mm、250mm、206mm。此外，这里，处理区域11和排气空间13的容积V1、V2分别为1.07升、9.61升，两者的比(V2÷V1)为9.0。另外，外径R、内径r分别表示半径，处理区域11的容积V1在图2中是指(πr2h)。
在处理容器31的下表面，以包围支承体76的外侧的方式，例如沿着周方向等间隔地开有四个位置的例如半径25mm的排气口32，经由排气通路33与例如真空泵等真空排气单元34连接。此外，在该排气通路33，为了不堆积在处理区域11内生成的生成物，埋设有未图示的加热器，但是在此予以省略。该排气口32也可以设置在四个位置以上，例如设置在八个位置。这里，上述的排气空间13的下表面(处理容器31的下表面)的面积和排气口32的合计的面积的比(排气空间13的下表面的面积÷排气口32的合计面积)为8.0。
此外，在该处理容器31的内壁和排气通路33等的与处理气体接触的部位，贴设有例如铝制的未图示的防沉积罩(deposition shield)，但是此处予以省略。
接着，对气体喷淋头51进行说明。如图3和图4所示，气体喷淋头51被划分为与晶片W的中央部相对的中央区域53、和与晶片W的周边部相对的周边区域54，中央区域53和周边区域54的底面的半径例如分别为85mm、160mm。该气体喷淋头51构成为能够从中央区域53供给后述的成膜气体、臭氧气体和吹扫气体，能够从周边区域54供给臭氧气体和吹扫气体。此外，作为第一处理气体的成膜气体和作为第二处理气体的臭氧气体，在该中央区域53内并不混合，而是相互独立地供给到处理区域11。即，向气体喷淋头51的中央区域53供给成膜气体用的第一气体供给通路(第一处理气体供给通路)81和向气体喷淋头51的中央区域53供给臭氧气体用的第二气体供给通路(第二处理气体供给通路)82相互独立。下面对该气体喷淋头51进行详细叙述。
中央区域53由上表面开口的扁平的圆筒体53a构成。该圆筒体53a的内部空间成为后述的臭氧气体进行扩散的第二扩散空间62。在圆筒体53a的底面，开有多个第二喷出孔62a，使得能够从第二扩散空间62向处理区域11供给臭氧气体。另外，在该圆筒体53a，设置有多个以其上端面的高度位置与圆筒体53a的周围壁的高度相等的方式形成的环状的柱部61b。该柱部61b内的开口部成为成膜气体的流路的一部分，下表面作为第一喷出孔(气体供给孔)61a与处理区域11连通。该第一喷出孔61a与第二喷出孔(气体供给孔)62a，如图5所示，呈多个直径不同的同心圆状，从内周侧向外周侧交替配置。此外，该图5是表示从下侧(晶片W侧)观察气体喷淋头51的状态的图。
周边区域54在内周边和外周边分别具有立起壁54b、54c，并且利用与圆筒体53a同心且高度相同的环状体54a而构成。该环状体54a的内部空间构成后述的吹扫气体、臭氧气体进行扩散的第三扩散空间63。在环状体54a的底面，沿周方向等间隔地在例如八个位置、在半径部分沿径向等间隔地在例如四个位置开有第三喷出孔(气体供给孔)63a。
中央区域53和周边区域54与处理容器31的顶壁气密地接合，成为气体喷淋头51。此外，在圆筒体53a的周围壁和环状体54a的立起壁54b、54c，在其上表面设置有槽和嵌入该槽的密封体，其上表面被研磨，以保持与处理容器31的顶壁的气密性，但在这里予以省略。
优选该中央区域53的下表面的面积(α)为周边区域54的下表面的面积(β)的50％以下，更优选为30％～40％。这里，α是圆筒体53a的下表面的面积，β是环状体54a的下表面的面积。此外，在该例子中，虽然将第一喷出孔61a和第二喷出孔62a配置为同心圆状，但这是为了方便而采用的布局，例如也可以配置为格子状。
在处理容器31的顶壁，第三气体供给口38沿着周方向等间隔地形成在例如四个位置，使得与上述的周边区域54的第三扩散空间63连通。另外，在处理容器31的顶壁，第二气体供给口37沿着周方向等间隔地形成在例如四个位置，使得与中央区域53的第二扩散空间62连通。在该处理容器31的顶壁的上端面(外侧)的中央部形成有圆柱状的凹部作为第一扩散空间61，在其底面形成有多个第一气体供给口36。该第一气体供给口36被配置在与上述的中央区域53的柱部61b相同的位置，经由柱部61b内的开口部使第一扩散空间61内和处理区域11气密地连通。
在处理容器31的上表面设置有盖体39，该盖体39气密地构成上述第一扩散空间61，并且形成有向该第一扩散空间61供给成膜气体用的第一气体供给口36a、和与第二气体供给口37连通的第二气体供给口37a。此外，在处理容器31的上表面的和第二气体供给口37a与盖体39的端面之间对应的位置，设置有槽和收纳在该槽内的密封体，但是在此处予以省略。另外，在处理容器31的顶壁和盖体39，在与上述的圆筒体53a的周围壁的上端面和环状体54a的立起壁54b对应的位置，分别沿周方向等间隔地设置有例如四个位置的孔部40，经由该孔部40，将螺钉41、42从盖体39的上表面插入在圆筒体53a的周围壁的上端面和环状体54a的立起壁54b中开出的螺纹孔55，从而，盖体39、处理容器31、圆筒体53a和环状体54a被紧密连接。同样，在处理容器31的顶壁，在与环状体54a的立起壁54c对应的位置，沿周方向等间隔地在例如四个位置开设有孔部40，螺钉43被插入立起壁54c的螺纹孔55。
如图1所示，在盖体39的第一气体供给口36a和第二气体供给口37a上，分别连接有第一气体供给通路81和第二气体供给通路82，在处理容器31的顶壁的第三气体供给口38上，连接有作为吹扫气体供给通路的第三气体供给通路83。在这些气体供给通路81、82、83的上游侧，分别经由阀87A、87B、87F和流量控制部88A、88B、88F，连接有储存有作为第一处理气体的例如TEMAZ(四乙基甲基氨基锆)气体的成膜气体源84、储存有作为第二处理气体的例如臭氧气体的氧化性气体源85以及储存有作为吹扫气体的例如氩气体的吹扫气体源86。另外，这些气体供给通路81、82分别分支出吹扫气体供给通路81a和吹扫气体供给通路82a，经由阀87D、87E和流量控制部88D、88E进而与上述的吹扫气体源86连接。在第三气体供给通路83进行分支而经由阀87C和流量控制部88C连接有氧化性气体源85。这些阀87A～87F和流量控制部88A～88F成为流量调整部89。
此外，在本实施方式中，通过成膜气体源84、阀87A、流量控制部88A和气体供给通路81构成第一处理气体供给单元。另外，通过氧化性气体源85、阀87B、流量控制部88B和气体供给通路82构成第二处理气体供给单元。进而，通过吹扫气体源86、阀87D、87E、87F、流量控制部88D、88E、88F、气体供给通路81、82、83，构成吹扫气体供给单元。
在成膜装置20设置有例如由计算机构成的控制部20A，该控制部20A具有程序、存储器、CPU构成的数据处理部等。在该程序中编入有命令，使得从控制部20A向成膜装置20的各部输送控制信号，执行后述的各步骤，从而进行晶片W的处理、搬送。另外，例如在存储器中，具有写入处理压力、处理温度、处理时间、气体流量或者功率值等处理参数的值的区域，CPU在执行程序的各命令时，读出这些处理的参数，依据该参数值的控制信号被送至该成膜装置20的各部位。该程序(也包含与处理参数的输入操作、显示相关的程序)被存储在计算机存储介质例如软盘、光盘、MO(光磁盘)、硬盘等存储部20B中，被安装于控制部20A。
此外，该控制部20A构成为对第一处理气体供给单元、第二处理气体供给单元和吹扫气体供给单元进行控制，使得多次地依次进行下述供给：从中央区域53向晶片W的TEMAZ气体(第一处理气体)的供给、从中央区域53和周边区域54向晶片W的Ar气体(吹扫气体)的供给、从中央区域53向晶片W的臭氧气体(第二处理气体)的供给、以及从中央区域53和周边区域54向晶片W的Ar气体(吹扫气体)的供给。
接着，参照图6～图9，对上述成膜装置20的作用进行说明。首先，使工作台71下降到搬送位置，通过未图示的搬送机构，经由搬送口35将晶片W搬入处理容器31内，载置在工作台71上，关闭未图示的闸阀(载置工序)。接着，利用静电吸盘72对晶片W进行静电吸附，并且使工作台71上升到处理位置(步骤S51)。然后，利用加热器73将晶片W加热至例如280℃(能量供给工序)(步骤S52)，并且通过真空排气单元34对处理容器31内进行真空排气。接着，从成膜气体源84经由第一喷出孔61a按照规定的流量例如10mg/min将TEMAZ气体(第一处理气体)向晶片W供给例如1.5秒的时间(第一处理气体供给工序)(步骤S53)。另外，从上述的气体供给通路76b向下部区域12供给例如氮气。通过该处理，如图7(a)所示，TEMAZ气体吸附在晶片W的表面，均匀地形成TEMAZ膜90的例如0.1nm的薄膜。在该成膜过程中，为了防止TEMAZ气体侵入第三扩散空间63内，也可以从第三喷出孔63a流入300sccm左右的吹扫气体。此时，通过工作台罩78、支承体76和处理容器31的内壁形成环状的排气空间13，流路的中途的扩张缩小被抑制，因此TEMAZ气体能够以流动不发生紊乱的方式流向下方的排气通路33，气体向下部区域12的蔓延得到抑制。
另外，TEMAZ气体经由排气空间13从处理容器31的底面的排气口32进行排气，因此，从晶片W的表面朝向周边均匀地被排气。即，排气口32等间隔地配置在处理容器31的底面的四个位置，因此排气空间13的气氛在周方向上从四个方向进行排气。此时，在接近排气口32的部分，气体被强力吸引，因此在处理容器31的底面的附近，在周方向存在气体流速的参差不齐。但是，为了缓和该气体流速的差，在排气口32与晶片W之间形成环状的铅直方向长的排气空间13、使处理区域11的容积V1变小，因此，处理区域11的气氛从晶片W的中心呈放射状地进行排气。
另外，如图8所示，向下部区域12例如供给氮气，使得下部区域12的压力比处理区域11的压力稍大，因此，能够进一步抑制TEMAZ气体向下部区域12的蔓延。因此，能够抑制TEMAZ气体附着在销75、波纹管74上。供给到该下部区域12的氮气，有少量从工作台罩78与支承体罩76b之间的间隙流到排气空间13，与TEMAZ气体一同被排出。
接着，从第一喷出孔61a和第三喷出孔63a，向处理容器31内供给作为吹扫气体的Ar气体，按照比上述TEMAZ气体的流量还多的例如3slm的流量供给5秒钟(第一置换工序)(步骤S54)。另外，从上述的气体供给通路76c向下部区域12供给例如氮气。
通过该处理，如图7(b)所示，第一气体供给通路81中的与吹扫气体供给通路81a的分支点的下游侧以及与第一喷出孔61a连通的中央区域53内的空间的TEMAZ气体被赶出至处理容器31内。进而，该TEMAZ气体，由于来自中央区域53的吹扫气体和来自周边区域54的吹扫气体，被推到晶片W的周边侧，并经由排气口32和排气通路33被排气，这样，中央区域53内以及处理容器31内成为吹扫气体气氛。这时的吹扫气体的流量比步骤S53的TEMAZ气体的流量多很多，但是，由于在处理容器31的底面等间隔地开设有四个位置的排气口32，而且以包围工作台71的方式形成有环状的排气空间13，所以在晶片W的附近不会生成沉淀，能够迅速地进行排气。为了缩短处理气体的切换时间而提高生产率，优选这时的吹扫气体的流量例如为3slm～5slm，利用这样的大流量的吹扫气体，能够在例如5秒钟的短时间内置换处理容器31内的气氛。
之后，从氧化性气体源85经由第二喷出孔62a对晶片W供给臭氧气体(第二处理气体)，按照规定的流量例如200g/Normalm3(下面记为Nm3)的流量供给3秒钟(第二处理气体供给工序)(步骤S55)。另外，与步骤S53同样，从气体供给通路76c向下部区域12供给氮气。如图9(a)所示，通过该处理，已经吸附在晶片W的表面上的TEMAZ膜90和臭氧利用加热器73的热能进行反应，生成作为ZrO2的分子层的ZrO2膜91。
在该成膜中，为了使得臭氧气体不侵入第三扩散空间63内，也可以从第三喷出孔63a流入300sccm左右的吹扫气体。在上述的步骤S53中，吸附在晶片W的表面上的TEMAZ膜90非常薄，因此即使在这样短的氧化时间下也能够均匀地被氧化，成为ZrO2膜91。在该工序中，同样，臭氧气体向下部区域12的蔓延受到抑制，并且能够均匀地被排气。此外，这时，也可以从第三喷出孔63a供给臭氧气体。在该情况下，能够更加迅速地进行氧化处理。
然后，与上述步骤S54同样，再次，以3slm～5slm的流量向处理容器31内供给吹扫气体(第二置换工序)(步骤S56)，而且，向下部区域12供给氮气。此时，吹扫气体从第二喷出孔62a和第三喷出孔63a这两者被供给。由此，如图9(b)所示，第二气体供给通路82中的与吹扫气体供给通路82a的分支点的下游侧以及中央区域53内的臭氧气体被排出到处理容器31内，处理容器31内的臭氧气体从晶片W的中心呈放射状地各向同性且快速地被排出到处理容器31的外部。
通过反复进行例如100次步骤S53～步骤S56的处理(步骤S57)，ZrO2的分子层被多层化，形成规定的膜厚例如10nm的ZrO2膜91。这样的成膜处理结束后，将该晶片W从处理容器31内搬出(步骤S58)。
根据上述的实施方式，从气体喷淋头51供给处理气体，因此如上所述，与侧流方式相比，能够提高膜厚、膜质的面内均匀性。而且，将气体喷淋头51划分为中央区域53和周边区域54，从中央区域53交替地供给成膜气体(第一处理气体)和臭氧气体(第二处理气体)，因此能够缩小被处理气体充满的气体喷淋头51内的容积，气体喷淋头51内的处理气体的置换所需要的时间变短。而且，在处理气氛中的处理气体的置换时，从气体喷淋头51的周边区域54也供给吹扫气体，结果能够缩短处理气体的置换时间，能够提高生产率。而且，因为气体喷淋头51内的被处理气体充满的容积小，所以能够减少在每次置换处理气体时被排出而浪费的处理气体的量。
另外，成膜气体分解而得的生成物所堆积的面积(中央区域53的内面积)小，因此手动操作的清洁所需要的时间变短，于是生产率提高，并且容易维护。这样，即使从相对于晶片W的直径，面积较小的中央区域53供给气体，因为会调整处理区域11的高度(晶片W与气体喷淋头51之间的距离)、处理条件等，所以也能够得到充分的面内均匀性。
此外，与成膜气体相比，臭氧气体更为价廉，因此通过在进行TEMAZ膜90的氧化时，也从周边区域54供给臭氧气体，能够迅速地生成ZrO2膜91，从而能够提高生产率。
这样，对晶片W通过气体喷淋头51从上方供给气体，因此，如后述的实验例所明确的那样，能够迅速地向晶片W的整个表面供给气体，结果能够降低气体的使用量，进而提高面内的膜厚、膜质的均匀性。另外，通过从上方供给气体，气体与晶片W的冲撞(接触)概率变高，因此成膜气体的反应率(利用率)提高，能够价廉地进行成膜。特别是，在为了使得处理气体分解而采用例如250℃以上的高温的情况下，反应进行得快，因此在侧流方式下，膜厚、膜质的面内均匀性较差，但是在本实施方式下，因为晶片W表面上的气体的移动距离短，所以在实现膜质、膜厚的面内均匀性的同时，能够实现成膜时间的缩短。
进一步，在通过上述的ALD法从气体喷淋头51供给处理气体而进行成膜时，经由以包围工作台71的方式形成的环状的排气空间13，从沿着周方向等间隔形成的四个位置的排气口32对处理气体进行排气。因此，能够各向同性且快速地对处理区域11的气氛进行排气。因此，在切换成膜气体和氧化性气体时，即使供给例如3slm～5slm的大流量的吹扫气体，也能够抑制气体的沉淀，快速地例如在5秒以内进行排气，因此能够缩短处理容器31内的气体的置换时间，能够提高生产率。另外，在从处理区域11各向同性地进行排气之外，还从气体喷淋头51向晶片W均匀地供给气体，因此，即使是在例如280℃的高温下形成ZrO2膜91的情况下，也能够在面内进行膜质、膜厚均匀的成膜处理，于是能够进一步提高生产率，是用于实现所谓的被称作ALD法的成膜方法的极为有效的方法。
使处理区域11的容积(V1)较少(1.07升)，相比于该处理区域11的容积(V1)使排气空间13的容积(V2)较大(9.61升)，使得两者的比(V2÷V1)为9.0，因此，在置换气体时，能够快速地将处理区域11的气氛输送到排气空间13，于是能够缩短气体的置换时间。此外，也可以例如使处理容器31的铅直方向的尺寸延长，或者使气体喷淋头51与晶片W的距离h缩短，使得该比成为9.0以上。图10是表示将图2中的高度h变化为8mm、13.5mm、25mm，改变V2/V1的值而进行ZrO2膜91的成膜时的膜厚均匀性的数据，据此可知，为了使均匀性达到3％以下，须要使V2/V1的值为9以上。
另外，在工作台71的下方，以形成与排气空间13区分开的下部区域12的方式设置有工作台罩78和支承体76，因此即使工作台71升降，成膜气体等向下部区域12的蔓延也能够受到抑制，能够抑制成膜种等附着在该下部区域12，能够抑制波纹管74的破损。通过设置工作台罩78和支承体76，具有即使不特别另外设置其它的部件也能够形成上述的排气空间13的效果。
进一步，向下部区域12供给例如氮气，使得该下部区域12的压力比处理容器31内(处理区域11)的压力大，因此能够进一步抑制成膜气体等向下部区域12的蔓延。
使成膜气体与臭氧气体不在中央区域53内接触，因此能够抑制中央区域53内的ZrO2的生成，于是能够减少处理气体的使用量，并且能够抑制颗粒的产生。此外，也可以使中央区域53中的各流路共通，使得在中央区域53内，成膜气体与臭氧气体相互混合。关于该例子，在下面进行说明。
图11和图12表示本发明的第二实施方式的气体喷淋头51a的一个例子。气体喷淋头51a以外的结构与上述的成膜装置20相同，因此予以省略。在该气体喷淋头51a中，周边区域54是与上述的气体喷淋头51相同的结构，但是，中央区域56没有划分第一处理气体和第二处理气体的流路，以从形成在圆筒体53a的下表面的整个面的喷出孔64喷出气体的方式构成。该圆筒体53a的内部空间成为第一处理气体和第二处理气体分别进行扩散的扩散空间65。
另外，在处理容器31的顶壁未设置盖体39，直接与第一气体供给通路81和第二气体供给通路82连接。此外，在该例子中，中央区域56和周边区域54与处理容器31的顶壁，通过收纳在未图示的槽内的密封体紧密接合。另外，与上述图4同样，中央区域56、周边区域54和处理容器31通过螺钉和螺纹孔紧密接合，此处省略其说明。
在该实施方式中，也与第一实施方式同样地进行成膜处理，能够得到与上述效果相同的效果。
另外，在以上的实施方式中，构成为在第一气体供给通路81和第二气体供给通路82上连接吹扫气体供给通路81a、82a，经由第一气体供给通路81和第二气体供给通路82向中央区域53内供给吹扫气体，但是，也可以与第一气体供给通路81和第二气体供给通路82独立地供给吹扫气体。在这种情况下，在第一气体供给通路81上连接成膜气体源84，并且通过未图示的吹扫气体流路连接吹扫气体源86和盖体39。在该结构中，在已述的步骤S54、S56，中央区域53内的处理气体通过吹扫气体被排出，但是第一气体供给通路81和第二气体供给通路82内的处理气体并没有被排出，因此优选上述第一和第二实施方式的结构。
此外，在上述的例子中，说明了使用TEMAZ气体作为第一处理气体而形成ZrO2膜的例子，但是也可以使用例如TEMAH(四乙基甲基氨基铪)气体、3DMAS(三(二甲基氨基)硅烷)气体、Sr(METHD)2(二(甲氧基乙氧基四甲基庚二酮)锶)气体、TDMAT(四(二甲基氨基)钛)气体、La(dpm)3(三(二新戊酰)甲烷)镧气体或者Y(iPr2amd)气体作为成膜气体，使得各成膜气体吸附在晶片W上，之后进行氧化，从而分别形成HfO2、HfSiO、SrTiO、SrTiO、LaO2或者Y doped HfO等的高电介质材料的膜。在这种情况下，能够适当设定处理条件(处理时间、处理温度)、排气通路33的温度等。另外，在上述的例子中，作为供给用于使TEMAZ气体和臭氧气体在晶片W上反应的能量的能量供给单元，使用加热器73，但是该能量也可以是例如紫外线等光能。
实施例
(实施例1)
接着，说明为了确认本发明的效果而进行的实验。
该实验按照以下的处理条件进行成膜，之后测定膜厚等特性。
(处理条件)
气体种类(成膜气体/氧化气体)：TEMAZ气体/臭氧气体＝10、25、50、100(mg/min)/200(g/Nm3)
处理时间(成膜/氧化)：1.5/3sec
处理温度：250℃
气体置换时间(成膜/氧化)：5/5sec
成膜/氧化的反复次数：100次
(实验例1)
在具有上述的气体喷淋头51的成膜装置20中进行实验。
(比较例1)
在上述的图15所示的成膜装置100中进行实验。
(实验结果)
如图13(a)、(b)所示，在实验例1中，即使在TEMAZ气体的流量较少的状态下，膜厚和膜厚的均匀性也是良好的。认为这表示了，如上所述，从晶片W的上方侧各向同性地供给成膜气体，而且从上方对晶片W供给气体，从而气体和晶片W的冲撞(接触)概率变高，成膜效率变高。即，即使流量较少也能够充分地进行反应。另外，如图13(b)所示，膜厚的面内均匀性提高，于是可知，通过各向同性地进行原料气体的供给，并各向同性地进行排气，能够均匀地进行成膜处理。
另一方面，在比较例1中，在流量少的状态下，膜厚和均匀性变差。这是因为，如上所述，从横方向对晶片W供给气体，因此晶片W与气体的冲撞概率降低，而且从晶片W的一端侧向另一端侧形成膜厚的梯度。随着增加流量，比较例1中的膜厚和均匀性得到改善，这表示在流量少时，无端浪费的气体的量很多。根据该图13能够得知，在实验例1中，为了得到充分的膜厚及其均匀性，比较例1的大约20％左右的流量即足够。
(实验例2)
接着，与上述同样地在以下的条件下进行实验。
(处理条件)
处理时间(成膜/氧化)：1.5/3sec
气体置换时间(成膜/氧化)：5/5sec
成膜/氧化的反复次数：100次
(实验例2)
气体种类(成膜气体/氧化气体)：TEMAZ气体/臭氧气体＝10(mg/min)/200(g/Nm3)
处理温度：从240℃到270℃以5℃为间隔，从270℃到300℃以10℃为间隔。
此外，在具有上述的气体喷淋头51的成膜装置20中进行实验。
(比较例2)
气体种类(成膜气体/氧化气体)：TEMAZ气体/臭氧气体＝100(mg/min)/200(g/Nm3)
处理温度：从235℃到270℃以5℃为间隔。
此外，在上述图15所示的成膜装置100中进行实验。
根据实施例1的结果可知，在成膜装置100中，在TEMAZ气体的流量少的状态下不能够得到良好的结果，因此在比较例2中，使TEMAZ气体的流量为100mg/min。另外，在270℃以上，实验例2与比较例2之间的差很明显，因此中止比较例2的实验。
(实验结果)
如图14(a)、(b)所示，在实验例2中，与比较例2对照可知，即使提高处理温度，膜厚、膜质的均匀性也不变化，是稳定的。由此可知，在实验例2中，即使在低温下也充分地进行了反应。即，因为随着提高处理温度，成膜气体进行分解，能够得到杂质较少的ZrO2膜91，所以可知，在实验例2中，能够在保持面内的膜厚的均匀性的同时得到高纯度的ZrO2膜91。即，因为均等地供给气体并且均等地进行排气，所以即使提高温度也不会产生膜厚的偏差，能够得到纯度更高的膜。
另一方面，可知在比较例2中，当提高处理温度时膜厚的面内均匀性降低，因此不能够进行高温成膜。此外，测定膜中的杂质的浓度和表面的粗糙度可知，在实验例2中，能够得到比较例2的大约两倍左右的良好的结果。
另外，关于折射率，在实验例2中也能够得到优于比较例2的结果。

Claims (12)

1.一种成膜装置，其特征在于，包括：
处理容器；
配置在所述处理容器内，用于载置基板的载置台；
气体喷淋头，其与载置在所述载置台上的基板相对地设置，并且具有多个气体供给孔，被划分为与该基板的中央部相对的中央区域和与该基板的周边部相对的周边区域；
第一处理气体供给单元，其具有用于向所述气体喷淋头的所述中央区域供给第一处理气体的第一处理气体供给通路；
第二处理气体供给单元，其具有用于向所述气体喷淋头的所述中央区域供给第二处理气体的第二处理气体供给通路；
能量供给单元，其供给用于使第一处理气体和第二处理气体在所述基板上反应的能量；和
吹扫气体供给单元，其用于在切换所述第一处理气体的供给和所述第二处理气体的供给时，向所述气体喷淋头的所述中央区域和所述周边区域供给吹扫气体。
2.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：
所述气体喷淋头的所述中央区域的面积为所述周边区域的面积的50％以下。
3.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：
所述第一处理气体供给通路和所述第二处理气体供给通路相互独立。
4.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：
所述第一处理气体供给通路和所述第二处理气体供给通路，至少在一部分被共用。
5.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：
所述能量供给单元由对载置在所述载置台上的基板进行加热的加热单元构成。
6.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：
所述第一处理气体由用于使选自Zr、Hf、Si、Sr、Ti、Y和La中的一种以上的化合物进行成膜的成膜气体构成，
所述第二处理气体由对所述化合物进行氧化、用于得到高电介质材料的氧化性气体构成。
7.一种成膜方法，该成膜方法使用的成膜装置包括：处理容器；配置在所述处理容器内的载置台；气体喷淋头，其与载置在所述载置台上的基板相对地设置，并且具有多个气体供给孔，被划分为与该基板的中央部相对的中央区域和与该基板的周边部相对的周边区域；和供给能量的能量供给单元，该成膜方法的特征在于，包括：
将基板载置在处理容器内的载置台上的载置工序(a)；
向所述气体喷淋头的所述中央区域供给第一处理气体，从该中央区域向所述基板供给第一处理气体的第一处理气体供给工序(b)；
向所述气体喷淋头的所述中央区域和所述周边区域供给吹扫气体，将所述处理容器内的第一处理气体置换为吹扫气体的第一置换工序(c)；
向所述气体喷淋头的所述中央区域供给第二处理气体，从该中央区域向所述基板供给第二处理气体的第二处理气体供给工序(d)；
利用所述能量供给单元，供给用于使第一处理气体和第二处理气体在所述基板上反应的能量的能量供给工序(e)；和
向所述气体喷淋头的所述中央区域和所述周边区域供给吹扫气体，将所述处理容器内的第二处理气体置换为吹扫气体的第二置换工序(f)，
反复多次地依次进行所述第一处理气体供给工序(b)、所述第一置换工序(c)、所述第二处理气体供给工序(d)和所述第二置换工序(f)。
8.根据权利要求7所述的成膜方法，其特征在于：
所述气体喷淋头的所述中央区域的面积为所述周边区域的面积的50％以下。
9.根据权利要求7所述的成膜方法，其特征在于：
供给到所述气体喷淋头的所述中央区域的第一处理气体和供给到所述气体喷淋头的所述中央区域的第二处理气体，通过相互不同的流路。
10.根据权利要求7所述的成膜方法，其特征在于：
供给到所述气体喷淋头的所述中央区域的第一处理气体和供给到所述气体喷淋头的所述中央区域的第二处理气体，通过至少在一部分共用的流路。
11.根据权利要求7所述的成膜方法，其特征在于：
所述能量供给工序(e)利用所述能量供给单元对载置在所述载置台上的基板进行加热。
12.一种存储介质，其存储有用于使计算机执行成膜方法的计算机程序，该存储介质的特征在于：
该成膜方法使用一种成膜装置，该成膜装置包括：处理容器；配置在所述处理容器内的载置台；气体喷淋头，其与载置在所述载置台上的基板相对地设置，并且具有多个气体供给孔，被划分为与该基板的中央部相对的中央区域和与该基板的周边部相对的周边区域；和供给能量的能量供给单元，该成膜方法包括：
将基板载置在处理容器内的载置台上的载置工序(a)；
向所述气体喷淋头的所述中央区域供给第一处理气体，从该中央区域向所述基板供给第一处理气体的第一处理气体供给工序(b)；
向所述气体喷淋头的所述中央区域和所述周边区域供给吹扫气体，将所述处理容器内的第一处理气体置换为吹扫气体的第一置换工序(c)；
向所述气体喷淋头的所述中央区域供给第二处理气体，从该中央区域向所述基板供给第二处理气体的第二处理气体供给工序(d)；
利用所述能量供给单元，供给用于使第一处理气体和第二处理气体在所述基板上反应的能量的能量供给工序(e)；和
向所述气体喷淋头的所述中央区域和所述周边区域供给吹扫气体，将所述处理容器内的第二处理气体置换为吹扫气体的第二置换工序(f)，
反复多次地依次进行所述第一处理气体供给工序(b)、所述第一置换工序(c)、所述第二处理气体供给工序(d)和所述第二置换工序(f)。
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