JP2006190788A

JP2006190788A - 基板処理装置

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Publication number: JP2006190788A
Application number: JP2005000980A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Sato; 武敏佐藤; Masanori Sakai; 正憲境; Hirohisa Yamazaki; 裕久山崎; Takashi Yokogawa; 貴史横川
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2005-01-05
Filing date: 2005-01-05
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-01-05
Also published as: JP4716737B2

Abstract

【課題】基板中央部等への原料ガス供給不足を解消し、成膜時間の短縮及び原料ガスの有効利用を図る。
【解決手段】基板を収容した処理室に、第１の原料ガスＡと第２の原料ガスＢとを互いに混合させることなく交互に供給して、基板上に所望の薄膜を形成させる。第１の原料ガスＡ又は第２の原料ガスＢの一方の原料ガスを処理室内に供給する際、処理室内の圧力を上下に変動させつつ供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の原料ガスを交互に処理室内に供給して基板処理を行なう基板処理装置に関する。

この種の基板処理装置は、一の原料ガスを処理室内の基板上に供給して一の原料を吸着させ、この一の原料の吸着した基板上に他の原料ガスを供給して一の原料と他の原料とを表面反応させて薄膜を形成し、これを繰り返すことにより、所定膜厚の成膜を行うものである。このような吸着と成膜とを交互に行って原子層レベルの膜を形成する成膜法は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法と呼ばれている。
このＡＬＤ法は、特に段差被覆性に優れているので、トレンチ型やシリンダ型の容量電極形状をもつキャパシタ絶縁膜の形成に使用されている。シリンダ型を例に挙げると、図６に示すようなＤＲＡＭデバイスの基板５０の表面にあるシリンダ型をした下部電極５２に、その外部表面から内部表面にわたってキャパシタ絶縁膜としてＳｉＮ膜５３を形成したりしている。なお、同図において５１は層間絶縁膜である。

上述した成膜法を採用する基板処理装置では、一の原料ガスを処理室内に供給する際、基板上に滞留層ある場合には、この滞留層を通して、原料ガス分子が拡散により基板周辺部から中央部表面に供給されることになる。したがって、基板周辺部と比べて基板中央部には原料ガス分子が少量しか供給されないという事態が発生することになる。
特に、基板表面にパターン回路用の凹部が形成されている場合においては、凹部内に滞留層が形成されやすいため、その凹部内まで原料ガスを十分に供給することが困難であった。例えば、ＤＲＡＭデバイスの基板表面にあるキャパシタ用トレンチ、またはキャパシタ用シリンダ内部表面へ原料ガスを十分に供給して飽和吸着させることが困難になる。
したがって、基板の中央部や凹部などの特定部位にも原料ガスを十分に供給するために、原料ガスを長時間連続供給する必要があり、成膜時間の短縮及び原料ガスの有効利用が図れなかった。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、基板上への原料ガス供給不足を解消し、成膜時間の短縮及び原料ガスの有効利用を図ることが可能な基板処理装置を提供することにある。

本発明は、基板を収容した処理室に、少なくとも第１の原料ガスと第２の原料ガスとを互いに混合させることなく交互に供給して、前記基板上に所望の薄膜を形成させる基板処理装置であって、前記第１の原料ガス又は第２の原料ガスの少なくとも一方の原料ガスを処理室内に供給する際、前記処理室内の圧力を上下に変動させつつ供給することを特徴とする基板処理装置である。
処理室内の圧力を上下に変動させつつ供給すると、拡散ではなく、圧力差に起因した原料ガス流れが形成されるため、基板上の特定部位に滞留層があっても、特定部位へ原料ガスを十分供給することができ、基板特定部位への原料ガスの供給不足が解消される。本発明は、複数の基板を隙間を開けて積層して処理する場合に、基板間の隙間に滞留層が形成されやすいので、特に有用となる。

本発明において、圧力上下変動は、原料ガス供給時に継続的に上下動させることが好ましい。また、原料ガス供給時の圧力上下変動を、第１の原料ガスと第２の原料ガスとを交互に供給するサイクルを１サイクルとした場合、１サイクル当り２回以上実施することが好ましい。また、圧力上下変動は、原料置換効率及び気相反応抑制の双方を考慮すると、原料ガス供給時の最高圧力が最低圧力の１．５〜３倍となるよう制御することが好ましい。

本発明によれば、基板上への原料ガスの供給不足が解消され、成膜時間の短縮、及び原料ガスの有効利用を図ることができる。

以下に本発明の実施の形態についてい説明する。

図２、図３において本発明が適用される基板処理装置の一例である半導体製造装置についての概略を説明する。

筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、該カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、該カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、前記カセットエレベータ１１５の後側には、前記カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共に前記カセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。前記予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを前記筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。

前記筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、該処理炉２０２の下方には基板としてのウェハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を該処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１ａが設けられ、該ボートエレベータ１２１ａに取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられ該ボート２１７を垂直に支持している。前記ボートエレベータ１２１ａと前記カセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、該移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウェハ移載機１１２が取りつけられている。又、前記ボートエレベータ１２１ａの横には、開閉機構を持ち前記処理炉２０２の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

前記ウェハ２００が装填された前記カセット１００は、図示しない外部搬送装置から前記カセットステージ１０５に該ウェハ２００が上向き姿勢で搬入され、該ウェハ２００が水平姿勢となるよう該カセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、前記カセット１００は、前記カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及び前記カセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働により前記カセットステージ１０５から前記カセット棚１０９又は前記予備カセット棚１１０に搬送される。

前記カセット棚１０９には前記ウェハ移載機１１２の搬送対象となる前記カセット１００が収納される移載棚１２３があり、前記ウェハ２００が移載に供される該カセット１００は前記カセットエレベータ１１５、前記カセット移載機１１４により該移載棚１２３に移載される。

前記カセット１００が前記移載棚１２３に移載されると、前記ウェハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び前記移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により該移載棚１２３から降下状態の前記ボート２１７に前記ウェハ２００を移載する。

前記ボート２１７に所定枚数の前記ウェハ２００が移載されると前記ボートエレベータ１２１ａにより該ボート２１７が前記処理炉２０２に挿入され、前記シールキャップ２１９により前記処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された前記処理炉２０２内では前記ウェハ２００が加熱されると共に処理ガスが該処理炉２０２内に供給され、前記ウェハ２００に処理がなされる。

前記ウェハ２００への処理が完了すると、該ウェハ２００は上記した作動の逆の手順により、前記ボート２１７から前記移載棚１２３の前記カセット１００に移載され、該カセット１００は前記カセット移載機１１４により該移載棚１２３から前記カセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により前記筐体１０１の外部に搬出される。尚、前記炉口シャッタ１１６は、前記ボート２１７が降下状態の際に前記処理炉２０２の下面を塞ぎ、外気が該処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。

前記カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

まず、本発明の実施の形態にて行った、ウェハ等の基板へのプロセス処理例としてＡＬＤ法を用いた成膜処理について、簡単に説明する。

ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。

即ち、利用する化学反応は、例えばＳｉＮ（窒化珪素）膜形成の場合ＡＬＤ法ではＤＣＳ（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ジクロルシラン）とＮＨ₃（アンモニア）を用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。）

以下に本発明の実施の形態を説明する。

図３は、本実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図４は本実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。加熱手段であるヒータ２０７の内側に、基板であるウェハ２００を処理する反応容器として反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、このヒータ２０７、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理炉２０２を形成している。シールキャップ２１９には石英キャップ２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、前記石英キャップ２１８はボートを保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理炉２０２に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウェハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。前記ヒータ２０７は処理炉２０２に挿入されたウェハ２００を所定の温度に加熱する。

そして、処理炉２０２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給管としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが設けられる。ここでは第１のガス供給管２３２ａからは流量制御手段である第１のマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁である第１のバルブ２４３ａを介し、更に後述する処理炉２０２内に形成されたバッファ室２３７を介して処理炉２０２に反応ガスが供給され、第２のガス供給管２３２ｂからは流量制御手段である第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁である第２のバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、及び開閉弁である第３のバルブ２４３ｃを介し、更に後述するガス供給部２４９を介して処理炉２０２に反応ガスが供給されている。

処理炉２０２はガスを排気する排気管であるガス排気管２３１により第４のバルブ２４３ｄを介して排気手段である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。尚、この第４のバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理炉２０２の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。

処理炉２０２を構成している反応管２０３の内壁とウェハ２００との間における円弧状の空間には、反応管２０３の下部より上部の内壁にウェハ２００の積載方向に沿って、ガス分散空間であるバッファ室２３７が設けられており、そのバッファ室２３７のウェハ２００と隣接する壁の端部にはガスを供給する供給孔である第１のガス供給孔２４８ａが設けられている。この第１のガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心へ向けて開口している。この第１のガス供給孔２４８ａは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

このようにウェハ２００の積載方向に沿って設けられたバッファ室２３７に第１のガス供給孔２４８ａを設け、このガス供給口２４８ａからガスをウェハ２００間に供給しているのは、ウェハ２００間に発生する滞留層にもかかわらず、ウェハ中央部表面へのガス供給量を向上して、処理室２０１内へ供給した原料の総量に対し、小流量しかウェハ中央部に供給されないという問題を解消するためである。

そしてバッファ室２３７の第１のガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部には、ノズル２３３が、やはり反応管２０３の下部より上部にわたりウェハ２００の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル２３３には複数のガスを供給する供給孔である第２のガス供給孔２４８ｂが設けられている。この第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。

本実施の形態において、第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節することで、まず、第２の各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこの各第２のガス供給孔２４８ｂから噴出するガスをバッファ室２３７に噴出させて一旦導入し、前記ガスの流速差の均一化を行うこととした。

すなわち、バッファ室２３７において、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスはバッファ室２３７で各ガスの粒子速度が緩和された後、第１のガス供給孔２４８ａより処理炉２０２に噴出する。この間に、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各第１のガス供給孔２４８ａより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができた。

さらに、バッファ室２３７に、細長い構造を有する第１の電極である第１の棒状電極２６９及び第２の電極である第２の棒状電極２７０が上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管２７５に保護されて配設され、この第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０のいずれか一方は整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。

この電極保護管２７５は、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管２７５の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。

さらに、第１のガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を１２０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。このガス供給部２４９は、ＡＬＤ法による成膜においてウェハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。

このガス供給部２４９もバッファ室２３７と同様にウェハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔である第３のガス供給孔２４８ｃを有し、下部では第２のガス供給管２３２ｂが接続されている。

第３のガス供給孔２４８ｃの開口面積はバッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。

反応管２０３内の中央部には複数枚のウェハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート２１７を回転するための回転手段であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。

制御手段であるコントローラ１２１は、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、第１〜第４のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図中省略のボート昇降機構、高周波電源２７３、整合器２７２に接続されており、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、第１〜第３のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃの開閉動作、第４のバルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。

次にＡＬＤ法による成膜例について、ＤＣＳ及びＮＨ₃ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。

まず成膜しようとするウェハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。

［ステップ１］
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ₃ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して流す。まず第１のガス供給管２３２ａに設けた第１のバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けた第４のバルブ２４３ｄを共に開けて、第１のガス供給管２３２ａから第１のマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ₃ガスをノズル２３３の第２のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ₃をプラズマ：励起し、活性種として処理炉２０２に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＮＨ₃ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、第４のバルブ２４３ｄを適正に調整して処理炉２０２内圧力を１０〜１００Ｐａとする。第１のマスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ₃の供給流量は１，０００〜１０，０００ｓｃｃｍである。ＮＨ₃をプラズマ励起することにより得られた活性種にウェハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７温度はウェハが３００〜６００℃になるよう設定してある。ＮＨ₃は反応温度が高いため、上記ウェハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウェハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。

このＮＨ₃をプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、第２のガス供給管２３２ｂの上流側の第２のバルブ２４３ｂを開け、下流側の第３のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳも流すようにする。これにより第２、第３のバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。このとき、処理炉２０２内に流しているガスはＮＨ₃をプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳは存在しない。したがって、ＮＨ₃は気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ₃はウェハ２００上の下地膜と表面反応する。

［ステップ２］
ステップ２では、第１のガス供給管２３２ａの第１のバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ₃の供給を止めるが、引続きガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側の第２のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄは開いたままにし真空ポンプ２４６により、処理炉２０２を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ₃を処理炉２０２から排除する。また、この時にはＮ_２等の不活性ガスを処理炉２０２に供給すると、更に残留ＮＨ₃を排除する効果が高まる。ガス溜め２４７内には、圧力が２０，０００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜め２４７と処理炉２０２との間のコンダクタンスが１．５×１０^-3ｍ³／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３容積１００ｌ（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は処理室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。

［ステップ３］
ステップ３では、処理炉２０２の排気が終わったらガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄを閉じて排気を止める。第２のガス供給管２３２ｂの下流側の第３のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理炉２０２に一気に供給される。このときガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理炉２０２内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。ＤＣＳを供給するための時間は２〜４秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。このときのウェハ温度はＮＨ₃の供給時と同じく、３００〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ₃とＤＣＳとが表面反応して、ウェハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。成膜後、第３のバルブ２４３ｃを閉じ、第４のバルブ２４３ｄを開けて処理炉２０２を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理炉２０２に供給すると、更に残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを処理炉２０２から排除する効果が高まる。また第２のバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。

上記ステップ１〜３を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウェハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。

ＡＬＤ装置では、ガスは下地膜表面に吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施の形態では、第４のバルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理炉２０２内のＤＣＳの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。

また、本実施の形態では、ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ₃ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理炉２０２の排気をしているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。また、処理炉２０２内を排気してＮＨ₃ガスを除去しているからＤＣＳを流すので、両者はウェハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウェハ２００に吸着しているＮＨ₃とのみ有効に反応させることができる。

ところで、上述した縦型の基板処理炉では、処理室２０１内へ供給した原料ガスの総量に対し、小流量しかウェハ中央部に供給されないという問題を解決するために、ウェハ２００の積載方向に沿って設けられたバッファ室２３７に第１のガス供給孔２４８ａを多数設け、このガス供給口２４８ａからガスをウェハ２００間に向けてガスを供給して、ウェハ中央部への供給量の向上をはかっている。
しかし、このようにウェハ間に対応して多数のガス供給孔を設けても、ウェハピッチの縮小化により、その供給量向上の効果は低減する。したがって、ウェハ周辺部から中央部に原料ガスを十分に供給することが困難になる。また、例えばウェハ全面、特にＤＲＡＭデバイスのウェハ表面にあるキャパシタ用トレンチまたはシリンダ内部表面へ、原料ガス分子を十分に供給し飽和吸着させることも困難になる。このため、ウェハピッチの縮小化に応じて、原料ガスを長時間連続供給する必要があり、原料資源の有効利用を図ることが困難であった。
そこで、次に述べるように本実施の形態では、原料ガス供給時に処理室内の圧力を継続的に上下動させることにより、そのような問題を解決している。

図１に示すように、ＡＬＤ法の成膜シーケンスでは、１サイクルの中で、原料ガスＡおよび原料ガスＢをそれぞれ１回ずつ交互に供給し、互いに混合することがないように、それらの原料ガスＡ、Ｂ供給の間に処理室内のパージを行っているが、特に上記原料Ａガスを処理室内に供給する際、処理室内の圧力を上下に変動させつつ供給するようにしている。

１回の原料ガスＡを供給する際に、処理室内全圧の上下変動を実施することにより、原料ガスＡは、圧力上昇時に、拡散ではなく圧力差に起因した流れにより、ウェハ周辺部から中央部に入りこむ。これにより原料ガスＡ中の未反応原料分子がウェハ中央部に十分供給される。また、続く圧力低下時に、圧力差に起因した流れにより反応生成分子がウェハ上から有効に排出される。また、１回の原料ガスＡを供給する際に、圧力上下変動を複数回繰り返すことにより、原料ガスＡ中の未反応原料分子を効率良くウェハ中央部に供給できる。したがって、原料ガス供給時、処理室内の圧力は、継続的に上下動させることが好ましい。また、原料供給時の圧力上下変動の回数は１サイクル当り２回以上が好ましい。

また圧力の変動のパターンは、処理室内の圧力を上下に変動させるものであれば、いずれの方式でも良く、図示するように圧力を鋸歯状に変動させる他に、パルス状に変動させたり、サインカーブ状に変動させたり、さらには階段状に上がった後下がるように変動させたりしてもよい。

なお、図示例では、原料ガスＡのみを圧力上下変動させるようにしているが、原料ガスＡよりも原料ガスＢの方が拡散しにくい場合には、原料ガスＢのみを変動させるようにしてもよい。また原料ガスＡ及びＢともに拡散しにくい場合には、原料ガスＡ及びＢをともに変動させるようにしてもよい。

処理室内の圧力を上下に変動させる手段としては、例えば、図４に示すガス排気管２３１に設けた第４のバルブ２４３ｄを用いることができる。この場合、コントローラ１２１により、第４のバルブ２４３ｄの弁を開閉して、処理炉２０２の真空排気・真空排気停止をさせたり、弁開度を調節して処理室２０１内の圧力を上下に変動させたりする。又は、処理室２０１内の圧力を上下に変動させる手段としてガス溜め２４７を用いることができる。この場合、コントローラ１２１により、第２のバルブ２４３ｂ及び第３のバルブ２４３ｃを開閉動作させるタイミングを選択することにより、ガス溜め２４７に溜めるガスの圧力を調整して、処理室２０１内の圧力を上下に変動させる。

このように、原料ガス供給時に処理室内の圧力を上下に変動させることによって、ウェハ中央部への原料分子供給不足を解消し、ウェハ中央部への供給を効率良く実現できる。また、キャパシタ用シリンダ、トレンチ内への原料分子供給を有効に実施できる。さら、ウェハピッチの縮小化によっても、ウェハ間への原料分子を十分に供給することができる。実施の形態によれば、圧力変動させない従来例と比べて３０％以上の成膜時間の短縮化が図れ、高速成膜ＡＬＤ装置を実現できる。

図１において、圧力を固定する原料ガスＢをＮＨ₃とし、圧力を変動させる原料ガスＡをＤＣＳとしてＳｉＮ膜を形成する場合の具体例を示せば、ＮＨ₃圧力は３０〜１００Ｐａの範囲で固定し、ＤＣＳ圧力は例えば１０〜１３３３Ｐａの範囲で上下に変動させる。なお、ＤＣＳの最低圧力は１０Ｐａ未満でもよく、その場合、完全真空引きの０．５Ｐａとしてもよい。また、成膜ガス流量はＤＣＳ０．１ｓｌｍ〜１．０ｓｌｍ、ＮＨ₃１ｓｌｍ〜１０ｓｌｍ、炉内温度は３００℃〜６００℃、Ｎ₂パージガス流量は１００ｃｃ〜４ｌである。

上述したように実施の形態によれば、処理室内の圧力を上下に変動させることにより、原料ガスのウェハの中央部や凹部などの特定部位、あるいは狭ピッチのウェハ間への供給を効率良く実現できる。しかし、その反面、原料ガスの処理室内での分圧が過度に上昇することにより、気相反応が発生しＡＬＤ反応ではなくＣＶＤ反応になって、気相反応により原料が分解しＡＬＤ反応が進行しなくなることが考えられる。このような場合には、処理室内の圧力を上下に変動させる際、原料ガスの分圧を気相反応が発生しない圧力に保持することが必要になる。そのためには、成膜シーケンス中の処理室内全圧を一定圧力以下に保持すればよく、原料ガス供給時の最高圧力が最低圧力の１．５〜３倍となるよう設定することが好ましい。１．５倍より小さければウェハ上の原料ガスの置換効率が不十分となりウェハ上に十分な原料ガスを供給できず、３倍より大きければ気相反応が促進されてＡＬＤ反応が進行しなくなるからである。

本発明の実施形態にかかるＡＬＤ法の成膜シーケンス例を示す図である。本発明の実施の形態にかかる基板処理装置を示す斜示図である。本発明の実施の形態にかかる基板処理装置を示す断面図である。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示した図である。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示した図である。ＡＬＤ法の成膜例としてのシリンダ型の容量電極形状をもつキャパシタ絶縁膜の説明図である。

符号の説明

２００ウェハ（基板）
２０１処理室

Claims

基板を収容した処理室に、少なくとも第１の原料ガスと第２の原料ガスとを互いに混合させることなく交互に供給して、前記基板上に所望の薄膜を形成させる基板処理装置であって、
前記第１の原料ガス又は第２の原料ガスの少なくとも一方の原料ガスを処理室内に供給する際、前記処理室内の圧力を上下に変動させつつ供給することを特徴とする基板処理装置。