JP2006278800A - 成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】連続成膜時と間隔を空けた際の成膜時とで、成膜レートの変動を抑制することができ、安定して一定膜厚の膜を成膜することができる成膜方法および成膜装置を提供する。
【解決手段】まず、被処理基板１０が搬入された反応室２内の圧力を、成膜圧力よりも低い圧力にする。次に、反応室２内に不活性ガスを供給して、反応室２内を成膜圧力と略同じ圧力にする。次に、反応室２に供給される不活性ガスの流量を減少させつつ、反応室２内に流量を増加させながら原料ガスを供給して、反応室２内の圧力を成膜圧力に維持しつつ被処理基板１０に膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜方法および成膜装置に関し、特に半導体デバイスの製造の際にポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を形成する成膜方法および成膜装置に関する。

近年の半導体デバイスの微細化に伴い、ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜の成膜方法およびその成膜装置に種々の工夫が導入されている。従来半導体デバイスのゲート電極などに使用されているポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜は、生産性の観点からバッチ式縦型減圧ＣＶＤ装置により成膜されている（例えば、特許文献１参照）。

バッチ式縦型減圧ＣＶＤ装置を用いた成膜処理において、デバイスの歩留まりを低下させる原因となる微小なゴミ（パーティクルと呼ぶ）の発生を抑制するために、成膜処理直前に反応室内の圧力を一旦超低圧にしてから、原料ガス（一般的にはＳｉＨ_４）を反応室内へ導入することが行われている。
特開２００２−１３４４９６号公報

しかしながら、バッチ式縦型減圧ＣＶＤ装置によってポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜等の膜を成膜する場合に、これらの膜を連続的に成膜する場合と、間隔をおいて成膜する場合とで、膜の成膜レートが異なり、同じ成膜時間で形成しようとした場合に出来上がりの膜厚が変動する結果がみられた。具体的には連続成膜の方が、間隔をあけて成膜する場合よりも出来上がりの膜厚が薄くなる現象がみられた。

ポリシリコン膜およびアモルファスシリコン膜を一定の膜厚で成膜する必要がある工場での生産などに従来の成膜方法を適用する場合に、上記の現象は品質の低下となり問題となる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、連続成膜時と間隔を空けた際の成膜時とで、成膜レートの変動を抑制することができ、安定して一定膜厚の膜を成膜することができる成膜方法および成膜装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の成膜方法は、被処理基板が搬入された反応室内の圧力を、成膜圧力よりも低い圧力にする工程と、前記反応室内に不活性ガスを供給して、前記反応室内を成膜圧力と略同じ圧力にする工程と、前記反応室に供給される前記不活性ガスの流量を減少させつつ、前記反応室内に流量を増加させながら原料ガスを供給して、前記反応室内の圧力を成膜圧力に維持しつつ前記被処理基板に膜を形成する工程とを有する。

上記の本発明の成膜方法では、反応室内への原料ガスの供給時において、反応室内は不活性ガスの供給により成膜圧力に維持されている。連続成膜時と間隔を空けた成膜時とでは、反応室内の状態、例えば被処理基板を搭載するボートの表面状態が異なる。圧力が低いとそれだけ被処理基板の周囲の状態に影響されて成膜レートが変動しやすいが、本発明では、原料ガスの供給時は成膜圧力に維持されているため、成膜レートは、被処理基板の周囲の状態の影響を受けにくくなる。

上記の目的を達成するため、本発明の成膜装置は、被処理基板に成膜処理を行う反応室と、前記反応室内に成膜のための原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記反応室内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記反応室内を排気する排気手段と、前記原料ガス供給手段および前記不活性ガス供給手段による原料ガスおよび不活性ガスの流量、並びに前記排気手段による排気量を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記被処理基板が搬入された反応室内の圧力を成膜圧力よりも低い圧力に設定し、前記反応室内に不活性ガスを供給して前記反応室内を成膜圧力と略同じ圧力に設定し、前記反応室に供給される前記不活性ガスの流量を減少させつつ、前記反応室内に流量を増加させながら前記原料ガスを供給して、前記反応室内の圧力を成膜圧力に設定するように、前記原料ガス供給手段、前記不活性ガス供給手段および前記排気手段の動作を制御する。

上記の本発明の成膜装置では、まず、排気手段により反応室内が排気されることで、被処理基板が搬入された反応室内の圧力が成膜圧力よりも低い圧力に設定される。そして、不活性ガス供給手段により、反応室内に不活性ガスが供給されて反応室内が成膜圧力と略同じ圧力に設定される。その後、原料ガス供給手段により反応室内に原料ガスが供給される。原料ガスの供給時において、不活性ガスの流量を減少させつつ原料ガスの流量を増加させることで、反応室内が成膜圧力に設定される。上記の排気手段、不活性ガス供給手段および原料ガス供給手段の動作は、制御手段により制御される。
上記の反応室内への原料ガスの供給時において、反応室内は不活性ガスの供給により成膜圧力に設定されている。連続成膜時と間隔を空けた成膜時とでは、反応室内の状態、例えば被処理基板を搭載するボートの表面状態が異なる。圧力が低いとそれだけ被処理基板の周囲の状態に影響されて成膜レートが変動しやすいが、本発明では、原料ガスの供給時は成膜圧力に維持されているため、成膜レートは、被処理基板の周囲の状態の影響を受けにくくなる。

本発明によれば、連続成膜時と間隔を空けた際の成膜時とで、成膜レートの変動を抑制することができ、安定して一定膜厚の膜を成膜することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る成膜装置の構成の一例を示す図である。図１に示す成膜装置は、バッチ式縦型減圧ＣＶＤ装置である。成膜装置１は、例えばポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、窒化シリコン膜、または酸化シリコン膜の成膜に用いられる。

成膜装置１は、反応室２と、ヒータ３と、反応室２の下部に設置されたロードロック室４と、反応室２内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段５と、反応室２内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段６と、反応室２内を減圧する排気手段７と、装置全体の動作を制御する制御手段８とを有する。

反応室２は、アウターチューブ２１とインナーチューブ２２の二重円筒式の反応管により構成されている。アウターチューブ２１およびインナーチューブ２２は、例えば石英やＳｉＣからなる。

ヒータ３は、反応室２の周囲を取り巻くように設けられている。ヒータ３は、反応室２を加熱することにより、反応室２の内部に収容されたウェーハなどからなる被処理基板１０を加熱する。ヒータ３は、被処理基板１０に膜を成膜するのに必要な温度に設定される。例えばポリシリコン膜を成膜する場合には、ヒータ３は６００℃〜６２０℃に設定される。また、アモルファスシリコン膜を成膜する場合には、ヒータ３は５００℃〜５３０℃に設定される。

ロードロック室４は、被処理基板１０を収容したボート１１を反応室２のインナーチューブ２２の内側に搬出入する搬送装置９を備えている。ロードロック室４内は、不活性ガスの供給および排出が可能なように構成されている。

被処理基板１０は、主面を水平にして多段で間隔を空けてボート１１に収容されて、搬送装置９によりインナーチューブ２２の内側に搬入および搬出される。ボート１１は、例えば数１０枚の被処理基板１０を収容する。ボート１１は、例えば石英やＳｉＣからなる。

原料ガス供給手段５は、反応室２のアウターチューブ２１およびインナーチューブ２２を貫通して設けられた原料ガス供給管１５を通じて、反応室２内に原料ガスを供給する。原料ガス供給手段５は、図示はしないが、ガス供給源と、バルブと、ガス供給源からの原料ガスの流量を調整するマスフローコントローラとを備える。

原料ガスとは、成膜するのに必要な反応ガスである。例えば、ポリシリコン膜あるいはアモルファスシリコン膜を成膜する場合には、原料ガスとしてＳｉＨ_４が用いられる。酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を成膜する場合には、原料ガスとしてＳｉＨ_４とＮ_２Ｏの混合ガスが用いられる。窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜する場合には、原料ガスとしてＳｉＨ_４とＮＨ_３の混合ガスが用いられる。

図１では、原料ガス供給管１５が１本の場合を例示しているが、複数本あってもよい。成膜に複数種類の原料ガスを用いる場合には、原料ガス供給管１５の手前で各原料ガスを混合するようにしてもよいし、複数の原料ガス供給管１５から各原料ガスを独立に反応室２内に供給してもよい。

不活性ガス供給手段６は、反応室２のアウターチューブ２１およびインナーチューブ２２を貫通して設けられた不活性ガス供給管１６を通じて、反応室２内に不活性ガスを供給する。不活性ガス供給手段６は、図示はしないが、ガス供給源と、バルブと、ガス供給源からの不活性ガスの流量を調整するマスフローコントローラとを備える。

不活性ガスとは、膜形成のための反応に寄与しない熱的に安定なガスである。不活性ガスとしては、例えば窒素（Ｎ_２）ガスが用いられる。なお、不活性ガスとして、窒素ガス以外にもアルゴン（Ａｒ）ガスや、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを用いても良い。ロードロック室４に供給される不活性ガスについても同様である。

排気手段７は、反応室２のアウターチューブ２１を貫通して設けられた排気管１７を通じて、反応室２内のガスを排気して、反応室２内を減圧する。排気手段７は、図示はしないが、バルブと、真空ポンプとを備える。

制御手段８は、ヒータ３、原料ガス供給手段５、不活性ガス供給手段６、排気手段７、搬送装置９の動作を制御する。より詳細には、制御手段８はヒータ３の温度の制御、原料ガス供給手段５により供給される原料ガスの流量制御、不活性ガス供給手段６により供給される不活性ガスの流量制御、排気手段７による排気量の制御、搬送装置９の昇降動作の制御を行う。

次に、上記の成膜装置１を用いた成膜方法について、図２〜図６を参照して説明する。図２〜図６は、成膜の各ステップにおける成膜装置１の動作を示す図である。

なお、図２〜図６では、原料ガス供給手段５、不活性ガス供給手段６、排気手段７、制御手段８は省略している。以降の説明においては、各ステップにおけるガス流量の制御や、反応室２内の圧力制御は、制御手段８による制御信号に基づいて原料ガス供給手段５、不活性ガス供給手段６、排気手段７により行われる。

まず、図２に示すように、ロードロック室４内にあるボート１１に被処理基板１０を数十枚載せて、ロードロック室４内を不活性ガス雰囲気にする。ロードロック室４内の圧力は、大気圧（１．０１３×１０^５Ｐａ程度）に制御される。このとき、反応室２内は、不活性ガス供給管１６および排気管１７を通じて不活性ガスの供給および排気が行われ、反応室２内の圧力も大気圧に制御される。また、反応室２内は、ヒータ３により所定の温度に加熱されている。

次に、図３に示すように、搬送装置９によりボート１１を上昇させて、反応室２のインナーチューブ２２内にボート１１を搬入する。ボート１１の搬入時において、反応室２およびロードロック室４内に不活性ガスが常時供給されていることにより、ボート１１を反応室２内へ搬入する際にヒータ３の熱の影響による被処理基板１０の微小な酸化(いわゆる巻き込み酸化)が抑制される。

続いて、反応室２内を成膜圧力よりも低い超低圧雰囲気にする。例えば、反応室２内の圧力を０．１〜数Ｐａ程度にまで減圧する。このように成膜直前（原料ガスの供給直前）に反応室２内を超低圧にするのは、デバイスの歩留まりを低下させる原因となる微小なゴミ(パーティクル)を反応室２から除去するためである。

次に、図４に示すように、不活性ガス供給管１６を通じて不活性ガスを反応室２内に供給する。この不活性ガスの流量を制御して、膜形成時の圧力（成膜圧力）と同等になるように、反応室２内の圧力を制御する。成膜圧力は数十Ｐａ、例えば２０〜３０Ｐａである。

次に、図５に示すように、原料ガス供給管１５を通じて原料ガスを反応室２内に供給する。その際に、原料ガスの流量を増加させつつ、不活性ガスの流量を減少させていき、反応室２内の圧力を成膜圧力に維持するように制御する。最終的には、不活性ガスの供給は停止し、原料ガスのみが供給される。反応室２を成膜圧力に維持するため排気管１７からは一定量の排気が行われ、ヒータ３は成膜温度に設定される。これにより、被処理基板１０上にポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜などの膜が成膜される。

成膜完了後、原料ガスの供給を停止し、ヒータ３を切り、不活性ガス供給管１６を通じて不活性ガスを反応室２に供給することにより、反応室２内を大気圧にする。そして、図６に示すように、被処理基板１０を搭載したボート１１を反応室２からロードロック室４へと移動させる。ロードロック室４にボート１１が移動した後に、ボート１１に搭載された被処理基板１０が取り出される。

被処理基板１０がボート１１から取り出された後、直ぐに未処理の被処理基板１０をボート１１に搭載して、連続的に次の成膜処理を開始する場合もあれば、所定時間だけ経過した後に次の成膜処理を開始する場合もある。

次に、上記の本実施形態に係る成膜方法および成膜装置の効果について説明する。

従来、超低圧雰囲気下にある反応室２内に原料ガスを供給していた。すなわち、図４に示す工程は経ていなかった。このようにして膜を成膜する場合に、膜を連続的に成膜する場合と、間隔をおいて成膜する場合とで、膜の成膜レートが異なり、同じ成膜時間で形成した場合に出来上がりの膜厚が変動する結果がみられた。具体的には連続成膜の方が、間隔をあけて成膜する場合よりも出来上がりの膜厚が薄くなる現象がみられた。

連続成膜処理の場合と、次の成膜処理までに間隔を空けた場合とでは、ボート１１の表面状態に違いが生じる。例えば、間隔を空けた場合にはボート１１の表面には自然酸化膜が存在し、連続処理の場合にはボート１１の表面には自然酸化膜はほとんどない。自然酸化膜以外にも、連続処理の場合と間隔を空けた場合とでは、被処理基板１０を搭載するボート１１の表面状態が異なる。

ここで、圧力が低いほど、被処理基板１０の下地や周囲の状態（ボート１１の表面状態）の影響により、成膜レートが変動しやすい。これは、圧力が低いほど、ボート１１の表面状態の影響を受けて、原料ガスを供給してから実際に反応が開始するまでに要する時間（インキュベーションタイム）が変動しやすいからである。

したがって、超低圧雰囲気下にある反応室２に原料ガスを供給した場合には、ボート１１の表面状態の影響を受けてインキュベーションタイムが変動することにより、被処理基板１０への成膜レートに違いが生じたと考えられる。

これに対して、本実施形態では、超低圧雰囲気下にある反応室２内に一旦不活性ガスを供給して成膜圧力と同程度の圧力にした後に、原料ガスを供給している。また、原料ガスの供給時において、反応室２に供給される不活性ガスの流量を減少させつつ、原料ガスの流量を増加させることで、原料ガスの供給時における反応室２の圧力は、常に成膜圧力に維持している。

これにより、連続処理の場合と間隔を空けた処理の場合とでボート１１の表面状態に違いがあった場合であっても、インキュベーションタイムの変動が抑制される。この結果、連続処理の場合と間隔を空けた処理の場合とで成膜レートの変動を抑制することができ、安定して一定膜厚の膜を成膜することができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本実施形態では、バッチ式縦型減圧ＣＶＤ装置からなる成膜装置を例に説明したが、本発明はミニバッチ式の減圧ＣＶＤ装置にも適用可能である。また、ヒータ３の温度制御については、種々の変更が可能である。また、ロードロック室４内を不活性ガス雰囲気にする例について説明したが、真空雰囲気に制御してもよい。また、本発明は、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜以外の成膜にも適用可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本実施形態に係る成膜装置の構成の一例を示す図である。 成膜時における成膜装置の動作を示す図である。 成膜時における成膜装置の動作を示す図である。 成膜時における成膜装置の動作を示す図である。 成膜時における成膜装置の動作を示す図である。 成膜時における成膜装置の動作を示す図である。

符号の説明

１…成膜装置、２…反応室、３…ヒータ、４…ロードロック室、５…原料ガス供給手段、６…不活性ガス供給手段、７…排気手段、８…制御手段、９…搬送装置、１０…被処理基板、１１…ボート、１５…原料ガス供給管、１６…不活性ガス供給管、１７…排気管、２１…アウターチューブ、２２…インナーチューブ

Claims (5)

1. 被処理基板が搬入された反応室内の圧力を、成膜圧力よりも低い圧力にする工程と、
   前記反応室内に不活性ガスを供給して、前記反応室内を成膜圧力と略同じ圧力にする工程と、
   前記反応室に供給される前記不活性ガスの流量を減少させつつ、前記反応室内に流量を増加させながら原料ガスを供給して、前記反応室内の圧力を成膜圧力に維持しつつ前記被処理基板に膜を形成する工程と
   を有する成膜方法。
2. 前記被処理基板にポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜のいずれかを形成する
   請求項１記載の成膜方法。
3. 前記被処理基板を前記反応室内に搬入する前に、前記反応室内の雰囲気を不活性ガス雰囲気にする工程をさらに有し、不活性ガス雰囲気下の前記反応室内に前記被処理基板を搬入する
   請求項１記載の成膜方法。
4. 複数の前記被処理基板が搭載されたボートが前記反応室内に搬入される
   請求項１記載の成膜方法。
5. 被処理基板に成膜処理を行う反応室と、
   前記反応室内に成膜のための原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、
   前記反応室内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、
   前記反応室内を排気する排気手段と、
   前記原料ガス供給手段および前記不活性ガス供給手段による原料ガスおよび不活性ガスの流量、並びに前記排気手段による排気量を制御する制御手段と
   を有し、
   前記制御手段は、前記被処理基板が搬入された反応室内の圧力を成膜圧力よりも低い圧力に設定し、前記反応室内に不活性ガスを供給して前記反応室内を成膜圧力と略同じ圧力に設定し、前記反応室に供給される前記不活性ガスの流量を減少させつつ、前記反応室内に流量を増加させながら前記原料ガスを供給して、前記反応室内の圧力を成膜圧力に設定するように、前記原料ガス供給手段、前記不活性ガス供給手段および前記排気手段の動作を制御する
   成膜装置。
   

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