JP2006339461A - 半導体装置製造用成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、特に大気圧に近い圧力雰囲気で半導体基板上に薄膜を形成する装置におけるパーティクル発生の問題を回避して生産性を向上するのに好適な成膜装置および成膜方法を提供する。
【解決手段】
本発明における成膜装置は、少なくとも、半導体基板上に薄膜を形成するための反応室と、ガス供給系と、ガス排気系を有しており、前記ガス排気系は、反応室に接続する第一の排気管と、第一の排気管を分岐した第二および第三の排気管とで構成される。第二の排気管は第一のバルブと第一の圧力制御弁を有し、第三の排気管は第二のバルブと第二の圧力制御弁を備え、第一のバルブと第二のバルブとは、同時に開状態にはならないようにし、また、第一の圧力制御弁と第二の圧力制御弁とは、各々独立して機能する構成とした。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置を製造するための成膜装置および成膜方法に係り、特に大気圧に近い圧力雰囲気で半導体基板上に薄膜を形成する装置におけるパーティクル発生の問題を回避して生産性を向上するのに好適な半導体装置製造用成膜装置および成膜方法に関する。

近年、半導体装置の大容量化の進展に伴い素子の微細化が進んでいる。このような情況にあって、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory)では、ワード線となるゲート電極配線の間隔が極めて狭くなってきた。その結果、通常の低圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法で形成する絶縁膜では、カバレージ不足が顕在化し、電極配線間を埋め込むことが困難となり、ボイド（空洞）が発生するようになってきた。ボイドの存在は、後の工程で形成される導電物質がボイド内を充填してしまい、意図しない配線間のショートをもたらす問題があった。

上記、ボイド発生を回避するため、カバレージのよい絶縁膜を形成する方法としてＳＡＣＶＤ（Semi Atomospheric Chemical Vapor Deposition)法が用いられるようになってきた。ＳＡＣＶＤは、大気圧近くの、ＣＶＤとしては高圧力となるガス雰囲気中で成膜する方法である。ＳＡＣＶＤ法を用いれば、ボイドの発生を回避して意図しない配線間のショートを防止できる利点があるが、一方で、高圧力で成膜せざるを得ないために、通常の低圧ＣＶＤに比べてパーティクルが著しく発生しやすく、また、成膜された膜中の不純物濃度が不均一になるという問題があった。

以下、ＳＡＣＶＤ法におけるパーティクル発生の問題、および成膜された膜中の不純物濃度が不均一になる問題について説明する。
最初に、図１ａを用いて従来のＳＡＣＶＤ装置の構成について説明する。なお、図中のＶは、配管開閉用バルブを表し、黒塗りの場合が開状態を白抜きの場合が閉状態を表している。ＭＦＣはガス流量を制御するためのマスフローコントローラーを、ＬＭＦＣは液化ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラーを表している。ＶＰはＬＭＦＣを通過した液化ガスを気化するための気化器を表している。また、各配管において太線で示されている部分はガスが供給されるか、配管が開状態になっていることを示している。また、矢印はガスの流れ方向を示している。

半導体基板が設置される反応室１０１には、ガス供給系およびガス排気系が接続されている。
ガス供給系は、クリーニングガス源１０４、パージガス源１０５、原料ガス源１０６および原料ガスを輸送するためのキャリヤガス源１０７を備えている。また、クリーニングガス供給系は、バルブＶ３、マスフローコントローラーＭＦＣ１を経て分岐され、分岐された配管には各々バルブＶ４およびＶ５が設けられている。また、パージガス供給系は、マスフローコントローラーＭＦＣ２およびバルブＶ６を備えている。さらに、原料ガス供給系は、３系統備え、各々バルブＶ７、Ｖ１０、Ｖ１３の二次側に液体原料用マスフローコントローラーＬＭＦＣ１、ＬＭＦＣ２、ＬＭＦＣ３を備え、さらにその二次側に備えられたＶＰ１、ＶＰ２、ＶＰ３を経て各々分岐されている。ＶＰ１の二次側分岐配管には各々Ｖ８およびＶ９が、ＶＰ２の二次側分岐配管には各々Ｖ１１およびＶ１２が、ＶＰ３の二次側分岐配管には各々Ｖ１４およびＶ１５が設けられている。また、キャリヤガス供給系は、ＭＦＣ３およびＶ１６を介して分岐され、各々ＶＰ１、ＶＰ２、ＶＰ３に接続されている。

一方、ガス排気系は、圧力計１０２、バルブＶ１、圧力制御弁ＡＰＣを備えたガス排気管１０８を介して真空ポンプ１０３に接続されている。また、前述のＶ５、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５のバルブを備えた分岐配管が、圧力制御弁ＡＰＣと真空ポンプ１０３の間の排気管に接続されている。

次に、図１ａから図１ｅ、および図２ａから図２ｄを用いて装置の動作状態を説明する。ここで、図１ａから図１ｅは、成膜シーケンスにおける各ステップに対応する装置の動作状態を示しており、図２ａから図２ｄはクリーニングシーケンスにおける各ステップに対応する装置の動作状態を示している。
最初に、図１ａは、半導体基板を反応室１０１に設置した後、反応室を真空排気するステップにおける装置の動作状態を示している。ガス供給系のバルブを全て閉としガス供給がない状態で、ガス排気系のＶ１を開としＡＰＣを介して真空ポンプ１０３で反応室が真空排気される。

次に、図１ｂは、反応室の圧力を上昇させると共に原料ガスの流量を安定化させるステップにおける装置の動作状態を示している。パージガス供給系のＶ６を開としＭＦＣ２を介して反応室が所定の高い圧力に達するように窒素を供給する。反応室の圧力は、圧力計１０２でモニターされ、所定の高い圧力になるようにＡＰＣを自動的に制御する。それと同時に、原料ガスの流量安定化のため、原料ガス系およびキャリヤガス系の各バルブを開とし、さらに分岐バルブＶ９、Ｖ１２、Ｖ１５を開として、配管１０９、１１０、１１１を通して排気配管１０８に排気する。この時、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５が開いた瞬間、排気配管１０８内の圧力バランスが崩れ、全てが真空ポンプ１０３に排気されず、一部がＡＰＣおよびＶ１を介して反応室へ逆流してしまう。反応室へ逆流した原料ガスは、分解してパーティクルとなり半導体基板表面に付着し、歩留まり低下の原因となる。

次に、図１ｃは、成膜ステップにおける装置の動作状態を示している。反応室１０１が所定の圧力に維持され、原料ガスの流量が安定した状態で、パージガス供給系のＶ６を閉とし、排気管１０８に排気していた原料ガスをバルブを切り替えて（Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５を閉、Ｖ８、Ｖ１１、Ｖ１４を開）、配管１１２、１１３、１１４を通して反応室へ導入し、半導体基板上に所望の成膜を行なう。この時、半導体基板以外の装置内壁、排気管１０８、ＡＰＣなどにも反応生成物が付着する。付着しなかった反応生成物および未反応ガスは真空ポンプ１０３で排気される。

次に、図１ｄは、反応室および原料ガス供給配管内の真空引きステップにおける装置の動作状態を示している。所望の成膜が終了した後、原料ガス供給系のＶ７、Ｖ８、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１３、Ｖ１４を閉じてガス供給を停止し、反応室１０１を真空排気すると同時に、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５を開けてガス供給配管内に残留しているガスを真空排気する。この時、ＡＰＣは反応室が低い圧力になるように自動的に制御される。

次に、図１ｅは、反応室およびガス供給系の配管内を不活性ガスによりパージするステップの装置の動作状態を示している。パージガス供給系のＶ６を開けて不活性ガスを反応室に供給すると同時に、キャリヤガス供給系から原料ガス供給系に不活性ガスを供給し、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５を介して真空ポンプ１０３に排気する。この後、図１ａの状態に戻し、半導体基板を取り出し、次の半導体基板の処理を行なう。

上述した従来装置における成膜シーケンスでは、図１ｂに示した原料ガス流量安定化ステップにおいて、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５が開いた瞬間、排気配管１０８内の圧力バランスが崩れる。そのため、原料ガスは、全てが真空ポンプ１０３に排気されず、一部がＡＰＣおよびＶ１を介して反応室へ逆流してしまう。その結果、逆流した原料ガスの一部はパーティクルを発生させて、半導体基板表面に付着し、製造歩留まりを低下させる問題がある。また、他の一部は予期せぬ膜として半導体基板表面に成膜されるが、膜中の不純物濃度が制御できない問題がある。

図３は、上記原料ガスの逆流により、予期せぬ膜が成膜された場合の膜中不純物濃度の分布を調べた結果の一例を示している。評価試料は、(ａ）図に示したように、上記従来技術によって半導体基板３０１上に、厚さが約１μｍのＢＰＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass)を成膜した構造になっている。ＢＰＳＧはボロンとリンを不純物として含有する酸化シリコンである。不純物を含有した酸化シリコンは、熱処理することにより流動させることが可能であり、実際の製造工程で半導体基板表面に形成されるギャップを埋め込み平坦化するのに有用な利点がある。ＢＰＳＧの形成には、母体となる酸化シリコンの原料としてテトラエトキシシラン（Si(OC2H5)4）、不純物となるボロンの原料としてテトラメトキシボレート（B(OCH3)4）、同じく不純物となるリンの原料としてテトラエトキシフォスフェート（P(OC2H5)4)を用いた。
（ｂ）図は、成膜されたＢＰＳＧの表面からエッチングしながら膜中のボロンとリンの深さ方向濃度分布を調べた結果で、横軸が膜表面からの深さを、縦軸が不純物濃度を示している。図中のＡはボロンの濃度分布、Ｂはリンの濃度分布を各々示している。いずれの不純物も表面から０．６μｍ程度までは、ほぼ一様に分布しているが、０．６μｍから半導体基板表面に至る０．９μｍの領域では、いずれの不純物も大幅に変動していることが示されている。これは、半導体基板表面の成膜初期の膜が、排気系から逆流した原料ガスにより不純物濃度が制御されない状態で成膜されたことに起因している。

次に、クリーニングシーケンスにおける装置の動作状態について図２ａから図２ｂを用いて説明する。
前述の成膜シーケンスにおける成膜ステップでは、半導体基板のみならず、装置内壁や排気管、ＡＰＣなどにも反応生成物が付着する。付着した反応生成物は、累積膜厚が厚くなると、剥がれてパーティクルとして半導体基板に付着し、歩留まりを低下させる原因となる。そのため、定期的にクリーニングガスにより反応生成物を除去する処理が必要である。

図２ａは、反応室を真空引きするステップにおける装置の動作状態を示している。反応室には、半導体基板は設置されていない。ガス供給系のバルブは全て閉状態となっている。
次に、図２ｂは、クリーニングステップにおける装置の動作状態を示している。Ｖ３およびＶ４を開け、ＭＦＣ１を介して配管１１５から三弗化塩素（ClF3）を導入する。
次に、図２ｃは、クリーニングガス供給配管を真空引きするステップにおける装置の動作状態を示している。所定のクリーニングが終了した後、Ｖ３およびＶ４を閉じ、Ｖ５を開けて配管１１６を通して残留ガスを真空排気する。
次に、図２ｄは、反応室をパージするステップにおける装置の動作状態を示している。パージガス供給系のＶ６を開け、ＭＦＣ２を介して反応室を不活性ガスによりパージして一連のシーケンスを終了する。

上述したクリーニングシーケンスでは、反応室をクリーニングした後のクリーニングガスが排気配管１０８を通過することによって、排気配管１０８およびＡＰＣがクリーニングされる。ＡＰＣは、圧力制御の機能上、排気配管１０８上に設置せざるを得ず、反応室から離れた状態にある。そのため、ＡＰＣのクリーニングは効率が悪く、反応室のクリーニングが完了した後も、３倍程度の時間をかけてクリーニングを継続せざるを得ない状況にあった。

特表２００２-５１４００３号公報

上記のように、従来装置における成膜シーケンスでは原料ガスの逆流によるパーティクルの発生による歩留まり低下の問題や成膜初期の不純物濃度が変動する問題があり、また、クリーニングシーケンスでは排気配管の、特にＡＰＣのクリーニングに時間を要し、生産効率を低下させる問題があった。
上記問題に鑑み、本発明の目的は、成膜シーケンスにおける原料ガスの逆流を完全に抑えて歩留まり低下を回避し、また、クリーニング効率の向上により生産効率拡大に寄与できる半導体装置製造用成膜装置および成膜方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明における成膜装置は、少なくとも、半導体基板上に薄膜を形成するための反応室と、前記反応室にガスを供給するためのガス供給系と、前記反応室を所定のガス圧力に保持するためのガス排気系を備えており、前記ガス排気系は、反応室に接続する第一の排気管と、前記第一の排気管を分岐して設けられる第二および第三の排気管で構成され、前記第二の排気管は、排気管を開閉するための第一のバルブと、第一の圧力制御弁と、第一の真空ポンプとを少なくとも備え、前記第三の排気管は、排気管を開閉するための第二のバルブと、第二の圧力制御弁と、第二の真空ポンプとを少なくとも備えていることを特徴としている。

また、本発明における成膜装置では、前記第二の排気管が反応室を高圧力に保持するために設けられ、前記第三の排気管が前記第二の排気管が保持する前記高圧力よりも低い圧力に保持するために設けられており、さらに、前記第一のバルブと前記第二のバルブとは、同時に開状態にはならないことを特徴としている。また、前記第二の排気管に備えられた前記第一の圧力制御弁と前記第三の排気管に備えられた前記第二の圧力制御弁とは、各々独立して機能することを特徴としている。

また、本発明における成膜装置では、前記反応室にガスを供給するためのガス供給系は、前記薄膜を形成するための原料ガス供給系を備え、前記原料ガス供給系は、原料ガスを前記反応室に導入する配管と、原料ガスを前記反応室を通さずに排気する配管とに各々開閉バルブを介して分岐され、前記反応室を通さずに排気する配管は、前記第三の排気管に備えられた前記第二の圧力制御弁と前記第二の真空ポンプとの間に接続されていることを特徴としている。

また、本発明における成膜装置では、前記反応室にガスを供給するためのガス供給系は、前記半導体基板上以外の部分に形成される前記薄膜を除去するためのクリーニングガス供給系を備え、前記クリーニングガス供給系は、クリーニングガスを前記反応室に導入する配管と、クリーニングガスを前記反応室を通さずに排気する配管とに各々開閉バルブを介して分岐され、前記反応室を通さずに排気する配管は、前記第二の排気管に備えられた前記第一の圧力制御弁と前記第一のバルブとの間に接続されていることを特徴としている。

また、本発明における成膜方法は、
（１）半導体基板を反応室に搬送した後、反応室を低圧力に保持するための低圧力排気管を通じて真空排気するステップと、
（２）前記真空排気の後、前記低圧力排気管による排気から、反応室を高圧力に保持するための高圧力排気管による排気に切り替えると同時に、前記ガス供給系のパージガス導入配管から反応室に不活性ガスを導入して、反応室を高圧力状態にする反応室圧力上昇ステップと、
（３）前記反応室圧力が所定の圧力で安定した後、原料ガス供給系の、前記低圧力排気管に接続される配管を通して原料ガスを排気し、原料ガスの流量を安定化させるステップと、
（４）前記原料ガスの流量が安定した後、高圧力状態に保持されている反応室への不活性ガスの導入を停止すると同時に、前記低圧力排気管を介して排気され流量が安定している前記原料ガスを反応室へ導入する配管に切り替えて反応室へ導入し、半導体基板上に成膜するステップと、
（５）前記半導体基板上への成膜の後、前記高圧力排気管による排気から前記低圧力排気管による排気に切り替えると同時に、前記原料ガスの供給を停止し、反応室および原料ガス供給配管を真空排気するステップと、
（６）前記反応室および原料ガス供給配管を真空排気した後、パージガス供給配管から反応室に不活性ガスを導入すると共に、キャリアガス供給配管から原料ガス供給配管に不活性ガスを供給して、反応室および原料ガス供給配管を不活性ガスでパージするステップと、
から成ることを特徴としている。

さらに、本発明における成膜方法は、半導体基板上への成膜の後、半導体基板を反応室から取り出し、反応室および高圧力排気管をクリーニングするステップを含み、
（１）前記半導体基板を反応室から取り出した後、低圧力排気管を通じて反応室を真空排気するステップと、
（２）前記反応室を真空排気した後、クリーニングガス供給配管から反応室へクリーニングガスを供給して、反応室内に付着している反応生成物をクリーニングするステップと、
（３）前記反応室のクリーニングの後、反応室へのクリーニングガスの供給を停止して、低圧力排気管により反応室を真空排気すると同時に、クリーニングガス供給系の、高圧力排気管に接続される配管を通してクリーニングガスを排気し、前記高圧力排気管内に付着している反応生成物をクリーニングするステップと、
（４）前記高圧力排気管のクリーニングの後、クリーニングガスの供給を停止し、クリーニングガス供給配管を真空排気すると同時に、反応室にパージガス供給配管から不活性ガスを供給して、反応室をパージするステップと、から成ることを特徴としている。

本発明における成膜装置では、ガス排気系が、反応室を高圧力に保持するための高圧排気系統と反応室を低圧力に保持するための低圧排気系統の２系統からなり、各々独立動作が可能な、排気管を開閉するためのバルブと、圧力制御弁と、真空ポンプとを備えている。
そして、原料ガス供給系のうち、原料ガスを反応室を通さずに排気する配管を、低圧排気系統に接続させているので、原料ガスの流量安定化ステップでは、高圧排気系統が反応室を排気すると同時に、低圧排気系統は反応室と遮断された状態で原料ガスの流量を安定化させることができる。その結果、原料ガスの流量安定化ステップでは、原料ガスを排気する低圧排気系統を開閉バルブによって反応室と遮断することが可能となり、原料ガスが反応室へ逆流することを完全に防止することができる。

また、クリーニングガス供給系のうち、クリーニングガスを前記反応室を通さずに排気する配管は、高圧排気系統に備えられた圧力制御弁とバルブとの間に接続させている。したがって、低圧排気系統で反応室をパージするステップにおいて、反応室とはバルブによって遮断された高圧排気系統の圧力制御弁にクリーニングガスを直接供給することができるのでクリーニング効率を向上させることができる効果がある。

以下、図面を参照して本発明の最良の実施形態について説明する。

本第１の実施例では、本発明の成膜装置の構成について図４を用いて説明する。反応室１０１に接続されるガス供給系は、従来装置と同じであるので説明は省略する。
反応室を排気するためのガス排気系は、反応室に接続する第一の排気管１１７が、圧力計１０２を経た後で、第二の排気管１１８と第三の排気管１１９とに分岐された２系統で構成した。第二の排気管１１８は、排気管を開閉するための第一のバルブＶ１と、第一の圧力制御弁ＡＰＣ１と、第一の真空ポンプ１０３ａとを備えている。一方、第三の排気管１１９は、排気管を開閉するための第二のバルブＶ２と、第二の圧力制御弁ＡＰＣ２と、第二の真空ポンプ１０３ｂとを備えている。第二の排気管１１８は、反応室を高圧力状態に維持する場合に用い、第三の排気管１１９は、反応室を低圧力状態に維持する場合に用いる。また、第一のバルブＶ１と第二のバルブＶ２とは、同時に開状態にならないように制御し、排気系相互の干渉を防止した。

原料ガスの流量安定化のために、原料ガスが排気される配管１０９、１１０、１１１は、低圧力状態を維持するための第三の排気管１１９のＡＰＣ２と真空ポンプ１０３ｂの間に接続した。また、クリーニングガスを排気するための配管１１６は、高圧力状態を維持するための第三の排気管１１８の第一のバルブＶ１と第一の圧力制御弁ＡＰＣ１の間に接続する構成とした。

本実施例１における本発明の装置構成によれば、成膜に用いる高圧力排気管と、真空排気やパージに用いる低圧力排気管とに排気管を分岐し、各々の排気管が相互に影響しない構成としている。原料ガスの流量安定化のために配管１０９、１１０、１１１は、低圧力排気管に接続した構成にしているので、反応室の昇圧と原料ガスの流量安定化とは、それぞれ独立して達成することが可能であり、原料ガスの反応室への逆流を防止できる効果がある。

本第２の実施例では、本発明の成膜装置を用いた成膜シーケンスにおける各ステップの装置の動作状態について図５ａ〜図５ｆを用いて説明する。

まず、成膜シーケンスにおける各ステップの装置の動作状態について図５ａ〜図５ｆを用いて説明する。
最初に、図５ａは、反応室１０１を真空排気するステップにおける装置の動作状態を示している。半導体基板を反応室１０１に搬送した後、第一の排気管１１７および第一の排気管１１７を分岐した第三の排気管１１９を介して真空ポンプ１０３ｂにより反応室１０１内を真空排気する。この時、Ｖ２は開、Ｖ１は閉状態となっている。
次に、図５ｂは、反応室を成膜圧力となる高圧まで昇圧するステップにおける装置の動作状態を示している。この時、Ｖ２は閉、Ｖ１は開状態となり、Ｖ１、ＡＰＣ１を備えた第二の排気管を通して真空ポンプ１０３ａにより反応室は真空排気される。それと同時に、パージガス供給系のＶ６が開となり、ＭＦＣ２を介して反応室に窒素が供給される。反応室の圧力は、圧力計１０２でモニターされており、反応室の圧力が７００torrになるようにＡＰＣ１を自動制御する。ＡＰＣは、バタフライバルブで構成されており、設定された圧力に対して圧力計で計測される圧力が低い場合には、バタフライバルブが閉まる方向に動き、排気断面積を縮小させることにより圧力を上昇させる。一方、逆の場合には、バタフライバルブが開く方向に動き、排気断面積を拡大させることにより圧力を低下させる。ここでは、７００torrに設定しているので、ＡＰＣ１は閉まる方向に動作する。

次に、図５ｃは、原料ガスの流量を安定化させるステップにおける装置の動作状態を示している。反応室が７００torrになっている状態を維持したまま、ガス供給系のＶ７、Ｖ１０、Ｖ１３を開け、Ｖ７からは酸化シリコンの原料としてテトラエトキシシランを、Ｖ１０からは不純物となるボロンの原料としてテトラメトキシボレートを、Ｖ１３から同じく不純物となるリンの原料としてテトラエトキシフォスフェートを、各々液化ガス用のＬＭＦＣ１、ＬＭＦＣ２、ＬＭＦＣ３に供給する。ＬＭＦＣで流量を制御された各液化ガスは気化器ＶＰ１、ＶＰ２、ＶＰ３で気化される。各々の気化器にはキャリヤガス供給系からＶ１６、ＭＦＣ３を介して不活性ガスが供給されており、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５および配管１０９、１１０、１１１を通して第三の排気管１１９に輸送され、真空ポンプ１０３ｂにより排気される。Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５が開いた瞬間に排気管１１９内の圧力バランスが崩れても、Ｖ２が閉じているので、原料ガスが反応室へ逆流することがない。なお、この原料ガス流量安定化ステップは、前ステップの反応室昇圧ステップと同時に行なっても良い。

次に、図５ｄは、成膜ステップにおける装置の動作状態を示している。半導体基板の温度を４５０℃とし、反応室の圧力および原料ガスの流量が安定した後、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５を閉め、Ｖ８、Ｖ１１、Ｖ１４を開け、配管１１２、１１３、１１４を通して第三の排気管１１９に排気していた各原料ガスを反応室に供給する。この時、パージガス供給系からはオゾンガスを供給する。窒素ガスで希釈したオゾンガスでもよい。また、オゾンガス供給系を独立して設けることもできる。反応室に供給された原料ガスはオゾンと反応し、半導体基板表面にＢＰＳＧ膜を形成する。ＢＰＳＧ膜中のボロン、リンの濃度は各々の原料ガスの流量比率を制御することにより変化させることができる。未反応ガスは、第一の排気管１１７、Ｖ１、ＡＰＣ１を通して真空ポンプ１０３ａにより排気される。成膜ステップは、大気圧に近い高圧力雰囲気で行なうために、ほとんど閉まった状態のＡＰＣ１には多量の反応生成物が付着する。

次に、図５ｅは、反応室の真空引きステップにおける装置の動作状態を示している。半導体基板上への所定の成膜が終了した時点で、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ１１、Ｖ１４を閉めて反応室１０１へのガスの供給を停止すると同時に、Ｖ９、Ｖ１２、Ｖ１５を開け、原料ガス供給配管内に残留している原料ガスを真空ポンプ１０３ｂにより排気する。また、Ｖ１を閉めＶ２を開けて第三の排気管１１９を通して反応室１０１を真空排気する。

次に、図５ｆは、反応室をパージするステップにおける装置の動作状態を示している。Ｖ６を開けて不活性ガスを供給し反応室をパージすると同時に、キャリヤガス供給系から不活性ガスを供給し原料ガス供給系もパージする。

第２の実施例における本発明の成膜装置を用いた成膜シーケンスによれば、第二の排気配管を用いて反応室を昇圧する間に、反応室および第二の排気管とはＶ２によって隔離された第三の排気管を通して原料ガスが排気され流量の安定化を図っているので第三の排気管内の圧力が瞬間的に上昇しても、反応室への原料ガスの逆流を完全に抑えることができる。

本第３の実施例では、本発明の成膜装置を用いたクリーニングシーケンスにおける各ステップの装置の動作状態について図６ａ〜図６ｄを用いて説明する。
最初に、図６ａは、反応室の真空排気ステップにおける装置の動作状態を示している。成膜シーケンスにおける一連のステップが終了し、半導体基板を反応室１０１から取り出した後、低圧用の第三の排気管１１９に接続されている真空ポンプ１０３ｂにより反応室１０１を真空排気する。Ｖ２が開でＶ１は閉となっている。

次に、図６ｂは、反応室のクリーニングステップにおける装置の動作状態を示している。クリーニングガス供給系のＶ３およびＶ４を開とし、ＭＦＣ１を介して配管１１５から三弗化塩素を供給した。反応室内の半導体基板を設置するステージの温度は４５０℃とし、圧力計１０２でモニターされる圧力が１Torrになるように、ＡＰＣ２を制御した。反応室内のクリーニングに消費されたクリーニングガスは、第一の排気管１１７およびＶ２、ＡＰＣ２を備えた第三の排気管１１９を通して真空ポンプ１０３ｂにより排気される。

次に、図６ｃは、反応室を真空排気するステップの装置の動作状態を示している。反応室１０１のクリーニングが終了した後、Ｖ４を閉めて反応室へのクリーニングガスの供給を停止すると同時にＶ５を開けて、第二の排気管に接続された配管１１６を通してＡＰＣ１とＶ１の間にクリーニングガスを供給する。反応室を真空排気すると同時に、成膜ステップでＡＰＣ１および排気管内に付着した反応生成物をクリーニングすることができる。

次に、図６ｄは、反応室をパージするステップにおける装置の動作状態を示している。Ｖ３を閉めてクリーニングガスの供給を停止し、クリーニングガス供給配管内の残留ガスを真空排気すると同時に、パージガス供給系のＶ６を開とし、ＭＦＣ２を介して不活性ガスを反応室１０１に供給し、反応室内をパージする。以下、図６ａの状態に戻る。

第３の実施例における本発明の成膜装置を用いたクリーニングシーケンスによれば、クリーニングガスの排気管１１６を通して、反応室を介さずに、反応生成物の付着が著しい第二の排気管のＡＰＣ１と第一のバルブの間に直接供給している。また、反応室を真空排気すると同時に、ＡＰＣ１に対してクリーニングガスを直接供給することができるので、クリーニング効率を向上させることができる。

以上述べたように、本発明によれば、反応室に接続する排気管を、成膜用と真空引きパージ用の２系統に分岐し、各々相互干渉しないようにバルブで隔離している。したがって、原料ガス安定化の際に、原料ガスが反応室に逆流してパーティクルを発生させ、成膜初期の膜中不純物濃度をばらつかせる問題を回避できる。また、クリーニングシーケンスにおいては、反応室を介さずに、他のステップと同時にクリーニングガスを排気管に直接供給できるので、反応性生物の付着が著しいＡＰＣのクリーニングを効率よく実施できるので生産効率を向上できる効果がある。

従来の装置における成膜シーケンスの問題を説明するための装置の初期状態図。 従来の装置における成膜シーケンスの問題を説明するための、図１ａに続く装置動作状態図。 従来の装置における成膜シーケンスの問題を説明するための、図１ｂに続く装置動作状態図。 従来の装置における成膜シーケンスの問題を説明するための、図１ｃに続く装置動作状態図。 従来の装置における成膜シーケンスの問題を説明するための、図１ｄに続く装置動作状態図。 従来の装置におけるクリーニングシーケンスの問題を説明するための装置初期状態図。 従来の装置におけるクリーニングシーケンスの問題を説明するための、図２ａに続く装置動作状態図。 従来の装置におけるクリーニングシーケンスの問題を説明するための、図２ｂに続く装置動作状態図。 従来の装置におけるクリーニングシーケンスの問題を説明するための、図２ｃに続く装置動作状態図。 従来の装置で成膜した膜中の不純物濃度がばらつく問題を説明するための図。 本発明の第１の実施例を説明するための装置構成図。 本発明の第２の実施例における成膜シーケンスを説明するための、装置初期状態図。 本発明の第２の実施例における成膜シーケンスを説明するための、図５ａに続く装置動作状態図。 本発明の第２の実施例における成膜シーケンスを説明するための、図５ｂに続く装置動作状態図。 本発明の第２の実施例における成膜シーケンスを説明するための、図５ｃに続く装置動作状態図。 本発明の第２の実施例における成膜シーケンスを説明するための、図５ｄに続く装置動作状態図。 本発明の第２の実施例における成膜シーケンスを説明するための、図５ｅに続く装置動作状態図。 本発明の第３の実施例におけるクリーニングシーケンスを説明するための、装置初期状態図。 本発明の第３の実施例におけるクリーニングシーケンスを説明するための、図６ａに続く装置動作状態図。 本発明の第３の実施例におけるクリーニングシーケンスを説明するための、図６ｂに続く装置動作状態図。 本発明の第３の実施例におけるクリーニングシーケンスを説明するための、図６ｃに続く装置動作状態図。

符号の説明

１０１ 反応室
１０２ 圧力計
１０３、１０３ａ、１０３ｂ 真空ポンプ
１０４ クリーニングガス供給源
１０５ パージガス供給源
１０６ 原料ガス供給源
１０７ キャリヤガス供給源
１０８、１１７、１１８、１１９−排気管
１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５１１６ 配管
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０ バルブ
Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ１４、Ｖ１５、Ｖ１６ バルブ
ＭＦＣ１、ＭＦＣ２、ＭＦＣ３ マスフローコントローラー
ＬＭＦＣ１、ＬＭＦＣ２、ＬＭＦＣ３ 液体用マスフローコントローラー
ＶＰ１、ＶＰ２、ＶＰ３ 気化器
ＡＰＣ、ＡＰＣ１、ＡＰＣ２ 圧力制御弁
３０１ 半導体基板
３０２ ＢＰＳＧ膜

Claims (13)

1. 少なくとも、半導体基板上に薄膜を形成するための反応室と、前記反応室にガスを供給するためのガス供給系と、前記反応室を所定のガス圧力に保持するためのガス排気系を備えた半導体装置製造用成膜装置において、
   前記ガス排気系は、反応室に接続する第一の排気管と、前記第一の排気管を分岐して設けられる第二および第三の排気管で構成され、前記第二の排気管は、排気管を開閉するための第一のバルブと、第一の圧力制御弁と、第一の真空ポンプとを少なくとも備え、前記第三の排気管は、排気管を開閉するための第二のバルブと、第二の圧力制御弁と、第二の真空ポンプとを少なくとも備えていることを特徴とする半導体装置製造用成膜装置。
2. 前記第二の排気管は、反応室を高圧力に保持するために設けられ、前記第三の排気管は、前記第二の排気管が保持する前記高圧力よりも低い圧力に保持するために設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置製造用成膜装置。
3. 前記第一のバルブと前記第二のバルブとは、同時に開状態にはならないことを特徴とする請求項１および２記載の半導体装置製造用成膜装置。
4. 前記第二の排気管に備えられた前記第一の圧力制御弁と前記第三の排気管に備えられた前記第二の圧力制御弁とは、各々独立して機能することを特徴とする請求項１乃至３記載の半導体装置製造用成膜装置。
5. 前記反応室にガスを供給するためのガス供給系は、前記薄膜を形成するための原料ガス供給系を備え、前記原料ガス供給系は、原料ガスを前記反応室に導入する配管と、原料ガスを前記反応室を通さずに排気する配管とに各々開閉バルブを介して分岐され、前記反応室を通さずに排気する配管は、前記第三の排気管に備えられた前記第二の圧力制御弁と前記第二の真空ポンプとの間に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４記載の半導体装置製造用成膜装置。
6. 前記原料ガスは、液化ガスを含むことを特徴とする請求項５記載の半導体装置製造用成膜装置。
7. 前記反応室にガスを供給するためのガス供給系は、前記半導体基板上以外の部分に形成される前記薄膜を除去するためのクリーニングガス供給系を備え、前記クリーニングガス供給系は、クリーニングガスを前記反応室に導入する配管と、クリーニングガスを前記反応室を通さずに排気する配管とに各々開閉バルブを介して分岐され、前記反応室を通さずに排気する配管は、前記第二の排気管に備えられた前記第一の圧力制御弁と前記第一のバルブとの間に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４記載の半導体装置製造用成膜装置。
8. 前記クリーニングガスは、三弗化窒素（NF3）あるいは三弗化塩素（ClF3)であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置製造用成膜装置。
9. 反応室にガス供給系から原料ガスを供給し、ガス排気系から余剰の原料ガスを排気して、反応室内の半導体基板上に薄膜を形成する成膜方法において、
   （１）半導体基板を反応室に搬送した後、反応室を低圧力に保持するための低圧力排気管を通じて真空排気するステップと、
   （２）前記真空排気の後、前記低圧力排気管による排気から、反応室を高圧力に保持するための高圧力排気管による排気に切り替えると同時に、前記ガス供給系のパージガス導入配管から反応室に不活性ガスを導入して、反応室を高圧力状態にする反応室圧力上昇ステップと、
   （３）前記反応室圧力が所定の圧力で安定した後、原料ガス供給系の、前記低圧力排気管に接続される配管を通して原料ガスを排気し、原料ガスの流量を安定化させるステップと、
   （４）前記原料ガスの流量が安定した後、高圧力状態に保持されている反応室への不活性ガスの導入を停止すると同時に、前記低圧力排気管を介して排気され流量が安定している前記原料ガスを反応室へ導入する配管に切り替えて反応室へ導入し、半導体基板上に成膜するステップと、
   （５）前記半導体基板上への成膜の後、前記高圧力排気管による排気から前記低圧力排気管による排気に切り替えると同時に、前記原料ガスの供給を停止し、反応室および原料ガス供給配管を真空排気するステップと、
   （６）前記反応室および原料ガス供給配管を真空排気した後、パージガス供給配管から反応室に不活性ガスを導入すると共に、キャリアガス供給配管から原料ガス供給配管に不活性ガスを供給して、反応室および原料ガス供給配管を不活性ガスでパージするステップと、
   から成ることを特徴とする成膜方法。
10. 反応室にガス供給系から原料ガスを供給し、ガス排気系から余剰の原料ガスを排気して、反応室内の半導体基板上に薄膜を形成する成膜方法において、
    半導体基板上への成膜の後、半導体基板を反応室から取り出し、反応室および高圧力排気管をクリーニングするステップを含み、
    （１）前記半導体基板を反応室から取り出した後、低圧力排気管を通じて反応室を真空排気するステップと、
    （２）前記反応室を真空排気した後、クリーニングガス供給配管から反応室へクリーニングガスを供給して、反応室内に付着している反応生成物をクリーニングするステップと、
    （３）前記反応室のクリーニングの後、反応室へのクリーニングガスの供給を停止して、低圧力排気管により反応室を真空排気すると同時に、クリーニングガス供給系の、高圧力排気管に接続される配管を通してクリーニングガスを排気し、前記高圧力排気管内に付着している反応生成物をクリーニングするステップと、
    （４）前記高圧力排気管のクリーニングの後、クリーニングガスの供給を停止し、クリーニングガス供給配管を真空排気すると同時に、反応室にパージガス供給配管から不活性ガスを供給して、反応室をパージするステップと、から成ることを特徴とする成膜方法。
11. 前記低圧力排気管が開状態の場合は、前記高圧力排気管は閉状態となり、前記高圧力排気管が開状態の場合は、前記低圧力排気管は閉状態となることを特徴とする請求項９および１０記載の成膜方法。
12. 前記原料ガスは、液化ガスを含むことを特徴とする請求項９乃至１１記載の成膜方法。
13. 前記クリーニングガスは、三弗化窒素（NF3）あるいは三弗化塩素（ClF3)であることを特徴とする請求項９乃至１１記載の成膜方法。

Images