JP2015078418A - 成膜方法および成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】原子層堆積法による成膜の際に、処理空間のガスの置換効率を良好にして良好な膜厚制御性を確保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】処理空間に、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、被処理基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法により所定の膜を成膜するにあたり、処理空間にパージガスを常時供給しつつ、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、処理空間内に供給するパージガスの流量を、処理容器内の圧力にかかわらず、薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードにより成膜する。【選択図】 図１

Description

本発明は、成膜装置における処理容器内の被処理基板が配置された処理空間に、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜方法および成膜装置に関する。
半導体デバイスの製造においては、基板である半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）に所定の膜を形成する操作として原子層堆積法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；以下ＡＬＤ法と記す）が注目されている。ＡＬＤ法は、処理容器内の被処理基板が配置された処理空間に、成膜しようとする膜を形成するための複数の処理ガス（プリカーサ）を順次供給し、各処理ガスの供給後に余剰の処理ガスをパージガス（置換ガス）によりパージ（置換）して、ウエハ上でこれら複数の処理ガスを反応させてほぼ単分子層である薄い単位膜を形成する操作を、複数回行って所定厚さの膜を形成するものである（例えば特許文献１）。一例として、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＮＨ３ガスを用い、これらのガスの供給を、パージを挟んで複数回繰り返すことにより、ＴｉＮ膜を形成する方法が用いられている。
ＡＬＤ法は、繰り返しのサイクル数に応じて膜厚を高精度にコントロールすることができ、かつ良好な膜質の膜を低温でかつ極めて良好なステップカバレッジで形成することができるという利点がある。
このようなＡＬＤ法において、各処理ガスの供給後に行われる処理ガスのパージは、余分な処理ガスを処理空間から排除して、ウエハの表面のみで反応を生じさせて膜厚の制御性を良好に維持するとともに、複数の処理ガスが処理空間で反応してパーティクルの原因となる反応生成物が形成されることを防止するために行われる。
また、ＡＬＤ法において膜厚の制御性を良好にするためには、パージ効率を上げて、パージの際における処理空間のガスの置換性を良好にする必要があり、そのために処理空間を極力狭くすることも指向されている（例えば特許文献２）。また、処理空間への処理ガスの供給およびパージを効率良く行い、かつ処理空間のガスの置換性を良好にして膜厚の制御性を確保するためには、処理空間の圧力を極力低くし、かつ、パージガス流量を多くする必要があると考えられていた。
特開２００４−９１８７４号公報 特開２００９−２２４７７５号公報
しかし、成膜装置には、通常、排気ラインに流れる反応生成物を捕捉するためのトラップが設けられており、処理空間の圧力が低い場合には、このトラップがガスの置換性を律速し、ガスの置換効率を十分に上げることが困難である。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、原子層堆積法による成膜の際に、処理空間のガスの置換効率を良好にして良好な膜厚制御性を確保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を課題とする。
ＡＬＤ法により成膜する際には、基板上に処理ガスを供給し、次いで余分な処理ガスをパージすることによって、表面反応のみを生じさせて自己制御性の膜厚制御により、ほぼ単分子層の単位膜を形成する（ＡＬＤモード）。従来は、処理空間の圧力が高くなると、ガスの置換効率が低下し、表面反応のみではなくＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と同様のモードの堆積が生じ（ＣＶＤモード）、膜厚制御性が悪くなると考えられていた。そこで、処理空間のガスの置換性を良好にするために、従来は、処理空間の圧力を低くしてパージガス流量を多くしていた。しかし、処理空間の圧力を低くすると、排気ラインに流れる反応生成物を捕捉するためのトラップがガスの置換性を律速し、やはりガスの置換効率が低下してしまうというジレンマが生じていた。
この状況において本発明者らが検討を重ねた結果、ＡＬＤ法による成膜の際に、処理空間に常時パージガスを流しつつ複数の処理ガスを順次間欠的に供給するという手法をとったうえで、パージガス流量を増加させることにより、処理空間内の圧力を増加させてもＡＬＤモードが得られることを見出した。つまり、パージガス流量が所定量以上となることにより、処理空間の圧力にかかわらず、ＡＬＤモードにより良好な膜厚制御性が得られることを見出した。
本発明はこのような知見に基づいて完成されたものであり、第１の態様においては、成膜装置における処理容器内の被処理基板が配置された処理空間に、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、被処理基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜方法であって、前記処理空間に前記パージガスを常時供給しつつ、前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、前記処理空間内に供給するパージガスの流量を、前記処理容器内の圧力にかかわらず、前記薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードにより成膜することができる流量にして成膜を行うことを特徴とする成膜方法を提供する。
第２の態様においては、成膜装置における処理容器内の被処理基板が配置された処理空間に、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、被処理基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜方法であって、前記成膜装置は、その排気部に前記複数の処理ガスの反応により生じた副生成物を捕捉するトラップを有し、前記処理空間に前記パージガスを常時供給しつつ、前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、前記処理空間の圧力を、前記トラップが前記処理空間内に供給するパージガスの置換性を律速しない程度に高くし、前記パージガスの流量を、その圧力において、前記薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードとなる流量にして成膜を行うことを特徴とする成膜方法を提供する。
第１および第２の態様において、前記処理空間は、前記処理容器内で前記被処理基板が載置される載置台と、前記載置台の上部に設けられた凹部を有するキャップ部材の前記凹部により形成されるようにすることができる。
また、前記処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＮＨ３ガスを用い、被処理基板上にＴｉＮ膜を成膜することができる。この場合に、前記処理空間の容積を６５０〜１７００ｍＬとすることができる。また、前記処理空間の容積が１３００〜１７００ｍＬであり、前記パージガスの流量が８５００ｍＬ／ｍｉｎ以上であるようにすることができる。あるいは、前記処理空間の容積が６５０〜８５０ｍＬであり、前記パージガスの流量が５０００ｍＬ／ｍｉｎ以上であるようにすることができる。
本発明の第３の態様においては、基板を収容し、その中で基板の成膜処理が行われる処理容器と、前記処理容器内で基板を載置する載置台と、前記処理容器内に形成される、基板に成膜処理を行う処理空間と、前記処理空間に、複数の処理ガスと、パージガスとを供給するガス供給部と、前記処理空間を排気する排気部と、前記処理空間に前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜を行うように制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記処理空間に前記パージガスを常時供給しつつ、前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、前記処理空間内に供給するパージガスの流量を、前記処理容器内の圧力にかかわらず、前記薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードにより成膜することができる流量にして成膜を行うように制御することを特徴とする成膜装置を提供する。
本発明の第４の態様においては、基板を収容し、その中で基板の成膜処理が行われる処理容器と、前記処理容器内で基板を載置する載置台と、前記処理容器内に形成される、基板に成膜処理を行う処理空間と、前記処理空間に、複数の処理ガスと、パージガスとを供給するガス供給部と、前記処理ガスの反応により生じた副生成物を捕捉するトラップを有し、前記処理空間を排気する排気部と、前記処理空間に前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜を行うように制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記処理空間に前記パージガスを常時供給しつつ、前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、前記処理空間の圧力を、前記トラップが前記処理空間内に供給するパージガスの置換性を律速しない程度に高くし、前記パージガスの流量を、その圧力において、前記薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードとなる流量にして成膜を行うように制御することを特徴とする成膜装置を提供する。
第３および第４の態様において、前記載置台の上部に設けられ、前記載置台との間で前記処理空間を形成するための凹部を有するキャップ部材をさらに有する構成とすることができる。
また、前記ガス供給部は、前記処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＮＨ３ガスを供給し、被処理基板上にＴｉＮ膜を成膜する構成とすることができる。この場合に、前記処理空間の容積を６５０〜１７００ｍＬとすることができる。また、前記処理空間の容積が１３００〜１７００ｍＬであり、前記パージガスの流量が８５００ｍＬ／ｍｉｎ以上であるように構成することができる。あるいは、前記処理空間の容積が６５０〜８５０ｍＬであり、前記パージガスの流量が５０００ｍＬ／ｍｉｎ以上であるように構成することができる。
本発明の第５の態様においては、コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第１の態様または第２の態様の成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。
本発明によれば、処理空間にパージガスを常時供給しつつ、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、処理空間内に供給するパージガスの流量を、処理容器内の圧力にかかわらず、薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードにより成膜することができる流量にして成膜を行うので、処理空間のガスの置換効率を良好にして良好な膜厚制御性を確保することができる。
また、処理空間にパージガスを常時供給しつつ、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、処理空間の圧力を、副生成物を捕捉するトラップが処理空間内に供給するパージガスの置換性を律速しない程度に高くし、パージガスの流量を、その圧力において、薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードとなる流量にして成膜を行うので、トラップの存在にかかわらず、処理空間のガスの置換効率を良好にして良好な膜厚制御性を確保することができる。
本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。 図１の成膜装置の要部を拡大して示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る成膜方法を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る成膜方法を行う際の処理空間におけるガスの流れを説明するための図である。 （ａ）は実験例１における各圧力におけるＮ２ガス流量と膜厚との関係を示す図であり、（ｂ）は各圧力におけるＮ２ガス流量と膜厚のばらつきとの関係を示す図である。 （ａ）は実験例１における各圧力におけるＮ２ガス流量と膜の比抵抗との関係を示す図であり、（ｂ）は各圧力におけるＮ２ガス流量と膜のシート抵抗のばらつきとの関係を示す図である。 パージガスであるＮ２ガスの流量が６０００ｓｃｃｍのときと１００００ｓｃｃｍのときのステップカバレッジを比較して示すＳＥＭ写真である。 実験例２における各圧力におけるＮ２ガス流量と膜厚との関係を示す図である。 実験例２における各圧力におけるＮ２ガス流量と膜の比抵抗との関係を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。ここでは、処理ガスとして、Ｔｉ原料ガスである四塩化チタン（ＴＣｌ４）ガスと窒化ガスであるアンモニア（ＮＨ３）ガスとを用いてＡＬＤ法によりＴｉＮ膜を成膜する場合を例にとって説明する。
＜成膜装置の構成＞
図１は本発明の成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図、図２は図１の成膜装置の要部を拡大して示す断面図である。
この図に示すように、成膜装置１００は、アルミニウム等の金属により構成され、その中が真空に保持される処理容器１と、この処理容器１内に設けられ、ウエハＷが載置される載置台２と、載置台２と対向するように設けられ、載置台２との間に処理空間Ｓを形成するためのキャップ部材３と、処理空間Ｓに処理ガスおよびパージガスを供給するガス供給部４と、処理空間Ｓの排気を行う排気部５と、制御部６とを備えている。
処理容器１の側面には、ウエハＷを搬入および搬出を行うための搬入出口１１が設けられており、搬入出口１１はゲートバルブ１２により開閉可能となっている。
処理容器１の側壁の搬入出口１１よりも上部側は、環状をなす排気ダクト５１となっている。後述するように、排気ダクト５１は排気部５の一構成要素として機能する。処理容器１の上面（つまり排気ダクト５１の上面）は円形の開口を有する開口面となっており、この開口を塞ぐように天板１３が設けられている。排気ダクト５１と天板１３との間には、処理容器１内を気密に保つためのＯリング１４が設けられている。
載置台２は、環状をなす排気ダクト５１の内側の領域に配置されるようになっており、ウエハＷよりも一回り大きい円板状をなしており、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスやニッケル基合金等の金属で構成されている。載置台２の内部には、ウエハＷを例えば３５０〜５５０℃の成膜温度に加熱するためのヒーター２１が埋設されている。また必要に応じて、載置台２の上面にウエハＷを固定するための静電チャックを設けてもよい。
この載置台２には、その上面のウエハＷの載置領域よりも外周側の領域および載置台２の側周面を周方向に亘って覆うようにカバー部材２２が設けられている。カバー部材２２は例えばアルミナなどからなっている。
載置台２の下面中央部には、処理容器１の底面に形成された開口１５を貫通し、載置台２の下面から下方に延びる支持部材２３が接続されている。この支持部材２３の下端部には、昇降機構２４が接続されている。昇降機構２４は、載置台２を二点鎖線で示す搬送位置と、その上方の処理位置との間で昇降させる。
支持部材２３の処理容器１底部よりも下方位置には、鍔状をなす支持板２５が水平に取り付けられており、処理容器１の底面と支持板２５の間には、処理容器１内の雰囲気を外部と区画し、支持板２５の昇降動作に伴って伸び縮みするベローズ２６が設けられている。
載置台２の下方側には、外部のウエハ搬送機構とのウエハＷの受け渡し時に、ウエハＷを下面側から支持して持ち上げる例えば３本（図１では２本のみ図示）の支持ピン２７が設けられている。支持ピン２７は、昇降機構２８に接続されて昇降自在となっており、載置台２を上下方向に貫通する貫通孔２ａを介して載置台２の上面から支持ピン２７を突没することにより、処理容器１内に侵入したウエハ搬送機構（図示せず）との間でのウエハＷの受け渡しを行う。
キャップ部材３は、天板１３の下面に、載置台２に対向するように設けられている。キャップ部材３と天板１３とはボルト（図示せず）により固定されている。
キャップ部材３の下面には中央から外周に向けて末広がりの傾斜面を有する逆すり鉢状の凹部３１が形成されている。傾斜面の外側には、平坦なリム３２が形成されている。
そして、載置台２を処理位置まで上昇させることにより、載置台２に設けられたカバー部材２２の上面と、キャップ部材３のリム３２の下面とが互いに対向するようになり、キャップ部材３の凹部３１と載置台２の上面とによって囲まれた空間が、ウエハＷに対して成膜が行われる処理空間Ｓとなる。その際の載置台２の高さ位置は、キャップ部材３のリム３２の下面と、カバー部材２２の上面との間に隙間３３が形成されるように設定される。凹部３１は、処理空間Ｓの容積が極力小さくなり、処理ガスをパージガスで置換する際のガス置換性が良好になるように、形成されることが好ましい。
キャップ部材３の中央部には、処理空間Ｓ内へ処理ガスやパージガスを供給するためのガス供給路３４が形成されている。ガス供給路３４は、キャップ部材３の中央部を貫通し、その下端は吐出口３５となっている。吐出口３５は、載置台２上のウエハＷの中央部に対応する位置に位置されている。
一方、キャップ部材３の中央上部には流路形成部材３ａが嵌め込まれており、この流路形成部材３ａにより、ガス供給路３４の上流側が、ＴｉＣｌ４ガスおよびパージ用のＮ２ガスを供給するためのＴｉＣｌ４ガス供給路３６およびＮＨ３ガスおよびパージ用のＮ２ガスを供給するためのＮＨ３ガス供給路３７に分岐している。ＴｉＣｌ４ガス供給路３６およびＮＨ３ガス供給路３７は、さらに天板１３を貫通して天板１３の上面に開口している。また、吐出口３５の下方位置には、ガス供給路３４を通って吐出口３５から吐出されたガスを処理空間Ｓ内に分散させるための分散板３８が設けられている。分散板３８は、支持棒３８ａに支持されており、支持棒３８ａは流路形成部材３ａに固定されている。分散板３８は吐出口３５から吐出されたガスが衝突されることにより、ガスの流れ方向を変えて均一に分散させ、処理ガスがより均一な濃度でウエハＷの表面に到達させる役割を果たす。
ガス供給部４は、第１の処理ガスであるＴｉＣｌ４ガスを供給するＴｉＣｌ４ガス供給源４１、第２の処理ガスであるＮＨ３ガスを供給するＮＨ３ガス供給源４２、パージガスであるＮ２ガスを供給する第１のＮ２ガス供給源４３および第２のＮ２ガス供給源４４を有している。ＴｉＣｌ４ガス供給源４１にはＴｉＣｌ４ガス供給ライン４５が接続されており、ＮＨ３ガス供給源４２にはＮＨ３ガス供給ライン４６が接続されている。また、第１および第２のＮ２ガス供給源４３，４４には、それぞれ第１のＮ２ガス供給ライン４７および第２のＮ２ガス供給ライン４８が接続されている。そして、ＴｉＣｌ４ガス供給ライン４５はＴｉＣｌ４ガス供給路３６に接続されており、ＮＨ３ガス供給ライン４６はＮＨ３ガス供給路３７に接続されていて、第１および第２のＮ２ガス供給ライン４７，４８は、それぞれＴｉＣｌ４ガス供給ライン４５およびＮＨ３ガス供給ライン４６に接続されている。そして、各ガスラインにはマスフローコントローラ等の流量制御器４ａおよび開閉バルブ４ｂが設けられている。なお便宜上、図１においては２つのＮ２ガス供給源４３，４４を設けた例を示したが、共通のＮ２ガス供給源を用いてもよい。また、パージガスとしてはＮ２ガスに限らず、希ガス等の他のガスを用いてもよい。
排気部５は、上述した排気ダクト５１と、排気ダクト５１に接続された排気ライン５５と、排気ライン５５の排気量を調整して処理空間Ｓの圧力を制御する自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）５６と、排気ライン５５に流れる反応生成物を捕捉するためのトラップ５７と、真空ポンプ５８とを有している。自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）５６、トラップ５７、および真空ポンプ５８は、排気ライン５５に上流側からその順に設けられている。
排気ダクト５１は、断面形状が角型を有し内部にガス通流路５２が形成されている。排気ダクト５１の内周面には、全周に亘ってスリット状の開口部５３が形成されている。一方、排気ダクト５１の外壁には、排気口５４が設けられており、排気ライン５５は、排気口５４に接続されている。スリット状の開口部５３は、載置台２が処理位置まで上昇した際に形成される隙間３３と対応するように形成されている。したがって、処理空間Ｓ内のガスは、真空ポンプ５８を作動させることにより、隙間３３および開口部５３を介して排気ダクト５１のガス通流路５２に至り、排気ライン５５を経て排気される。
制御部６は、成膜装置１００の各構成部、例えば流量制御器４ａ、開閉バルブ４ｂ、真空ポンプ５８、昇降機構２４等を制御するマイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ６１を有している。プロセスコントローラ６１には、オペレータが成膜装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、成膜装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有するユーザーインターフェース６２が接続されている。また、プロセスコントローラ６１には、成膜装置１００で実行される各種処理、例えば処理ガスの供給や処理容器内の排気などをプロセスコントローラの制御にて実現するための制御プログラムや処理条件に応じて成膜装置１００の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラムである処理レシピ、あるいは各種データベース等が格納された記憶部６３が接続されている。レシピは記憶部６３の中の適宜の記憶媒体（図示せず）に記憶されている。そして、必要に応じて、任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、成膜装置１００での所望の処理が行われる。
＜成膜方法＞
次に、このように構成された成膜装置１００による成膜方法について説明する。
まず、載置台２を搬送位置に下降させた状態で、ゲートバルブ１２を開け、搬入出口１１から搬送アーム（図示せず）に載せられたウエハＷを搬入し、支持ピン２７の操作によりウエハＷを載置台２の上に載置する。次いで、処理容器１内を所定の圧力に調整した後、載置台２を処理位置に上昇させ、処理空間Ｓを形成する。
この状態で、ガス供給部４から処理空間Ｓに、パージガスであるＮ２ガスを供給しつつＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを交互にかつ間欠的に供給して、ＡＬＤ法によりウエハＷ上にＴｉＮ膜を成膜する。
具体的には、図３に示すように、パージガスとして、第１のＮ２ガス供給源４３からの第１のＮ２ガスおよび第２のＮ２ガス供給源４４からの第２のＮ２ガスを所定流量で常時供給しつつ、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを交互にかつ間欠的に供給することにより、ＴｉＣｌ４ガス供給ステップＳ１と、ＮＨ３ガス供給ステップＳ２とが、これらの間でパージガスであるＮ２ガスのみが供給されるパージステップＳ３、Ｓ４を挟んで交互に繰り返されることとなる。これにより、最初のＴｉＣｌ４ガス供給ステップＳ１でウエハＷ上にＴｉＣｌ４ガスが吸着され、次のパージステップＳ３で余分なＴｉＣｌ４ガスがパージされ、次のＮＨ３ガス供給ステップＳ２で供給されたＮＨ３ガスをＴｉＣｌ４と反応させ、次のパージステップＳ４により余分なＮＨ３ガスがパージされ、ほぼ単分子層である薄い単位膜が形成される。この一連の操作を複数回行って、所定の膜厚のＴｉＮ膜を形成する。
ＡＬＤ法により成膜する際には、基板上に処理ガスを供給し、次いで余分な処理ガスをパージすることによって、表面反応のみを生じさせて自己制御性の膜厚制御を行うＡＬＤモードにより、ほぼ単分子膜の単位膜を形成する。
このとき、パージガスによるパージは、良好なガス置換性を得るために、高流量で行われるが、従来は、処理空間の圧力が高くなると、パージガスを高流量にしてもガスの置換効率が低下し、表面反応のみではなくＣＶＤと同様のモードの堆積が生じ、膜厚制御性が悪くなると考えられていた。しかし、処理空間の圧力を低くすると、排気ラインに設けられたトラップがガスの置換性を律速し、やはりガスの置換効率が低下してしまう。
これに対し、本実施形態では、成膜処理中、パージガスであるＮ２ガスを常時供給し、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを交互にかつ間欠的に供給するという手法をとることにより、パージガスによるガスの置換効率を極めて高くする。すなわち、図４に示すように、処理空間Ｓに供給されるガスは、吐出口３５から吐出され、分散板３８により外方に分散されて、ウエハＷの表面上を外方に向けて流れ隙間３３から排出されるため、常時供給されるパージガスとしてのＮ２ガスのガス流がウエハＷ表面に形成されており、ＴｉＣｌ４ガスまたはＮＨ３ガスが供給された際に、表面反応に寄与しない余分なガスは、このＮ２ガスのガス流により速やかに排出される。そして、このようなガス供給態様を用いることにより、パージガスの流量を所定値以上にすれば、処理空間の圧力にかかわらず、ほぼＡＬＤモードにより成膜できることが新たに見出された。
つまり、パージガスであるＮ２ガスを常時供給し、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを交互にかつ間欠的に供給するという手法を採用しても、パージガスであるＮ２ガスの流量が所定値よりも低い領域では、処理空間Ｓ内の圧力が低ければＡＬＤモード（つまりＡＬＤ法による膜厚制御性を維持した成膜モード）で成膜可能であるものの、圧力が高いとＣＶＤモード（つまり表面反応のみではなくＣＶＤ成膜が生じるモード）となって膜厚が厚くなるのに対し、Ｎ２ガスの流量が所定値以上になると、処理空間の圧力が高くなってもほぼＡＬＤモードにより成膜できるのである。
そこで、本実施形態では、パージガスであるＮ２ガスを常時供給し、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを交互にかつ間欠的に供給するという手法を採用した上で、パージガスであるＮ２ガス流量を、処理空間の圧力にかかわらずＡＬＤモードを主体とする成膜モードにより成膜できるような流量とする。
これにより、処理空間Ｓの圧力を、トラップ５７がガスの置換性を律速しない程度に高くしても（例えば５Ｔｏｒｒ（６６６．５Ｐａ）以上）、処理空間Ｓのガスの置換効率を良好にして良好な膜厚制御性を確保することができる。
一方、処理空間Ｓの圧力に着目すると、従来、トラップ５７がガスの置換性を律速しない程度に高い圧力、例えば５Ｔｏｒｒ（６６６．５Ｐａ）以上では、ＣＶＤモードが生じると考えられていたが、上述のように、パージガスであるＮ２ガスを常時供給し、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを交互にかつ間欠的に供給するという手法を採用することにより、処理空間Ｓの圧力を、トラップ５７が処理空間Ｓにおけるパージガスの置換性を律速しない程度に高くしても、ほぼＡＬＤモードで成膜できるＮ２ガス流量が存在する。
したがって、パージガスであるＮ２ガスを常時供給し、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを交互にかつ間欠的に供給するという手法を採用した上で、処理空間Ｓの圧力を、トラップ５７が処理空間Ｓにおけるパージガスの置換性を律速しない程度に高くし、パージガスであるＮ２ガス流量を、その圧力においてＡＬＤモードを主体とする成膜モードとなる流量としてもよい。この場合には、必ずしもＮ２ガス流量を、処理空間の圧力にかかわらずＡＬＤモードにより成膜できるような流量にする必要はない。
本実施形態では、さらに以下のような効果も得ることができる。すなわち、パージガスであるＮ２ガスを常時供給するので、処理ガスであるＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスのオン・オフのみでガスを切り替えることができ、極めて短時間でガスの切り替えを行うことができる。
ガスの置換効率を良好にして処理空間の圧力にかかわらずＡＬＤモードにより成膜できるような流量を存在させるためには、処理空間Ｓの容積は小さいほうが好ましく、１７００ｍＬ以下が好ましい。ただし、現実的には処理空間Ｓを小さくするのには自ずと限界があるため、６５０〜１７００ｍＬが好ましい。本実施形態では、パージガスであるＮ２ガスを常時供給してガスの置換性が良好であるから、処理空間Ｓの容積を１７００ｍＬ程度と比較的大きくても処理空間の圧力にかかわらずＡＬＤモードにより成膜できるような流量が存在する。また、パージガスであるＮ２ガスの、処理空間の圧力にかかわらずＡＬＤモードにより成膜できるような流量は、処理空間Ｓの容積により異なり、処理空間Ｓの容積が好ましい範囲の上限付近である１３００〜１７００ｍＬの場合には、パージガスである第１のＮ２ガスおよび第２のＮ２ガスの流量の合計が８５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上であることが好ましい。また、処理空間の容積が１３００〜１７００ｍＬの場合には、パージガスであるＮ２ガス流量を８５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上とすることにより、処理空間Ｓの圧力を、トラップ５７がガスの置換性を律速しない程度に高い５Ｔｏｒｒ（６６６．５Ｐａ）以上にしても、ＡＬＤモードが主体となる成膜モードとすることができる。
また、処理空間Ｓの容積を６５０〜８５０ｍＬと小さくすることによって、パージガスであるＮ２ガスの流量を５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上とすることにより、処理空間Ｓの圧力にかかわらず、ＣＶＤモードを生じさせずにＡＬＤモードで成膜することができる。また、処理空間Ｓの容積が６５０〜８５０ｍＬの場合には、パージガスであるＮ２ガス流量を５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上とすることにより、処理空間Ｓの圧力を、トラップ５７がガスの置換性を律速しない程度に高い５Ｔｏｒｒ（６６６．５Ｐａ）以上にしても、ＡＬＤモードが主体となる成膜モードとすることができる。
また、このようにＡＬＤモードにより良好な膜厚制御性で成膜されたＴｉＮ膜は、膜厚のばらつき（不均一性）も小さく、膜の比抵抗およびそのばらつきも小さくすることができる。
なお、ＡＬＤ法によりＴｉＮ膜を成膜する際の他の条件としては、基板温度（載置台温度）：３５０〜５５０℃、ＴｉＣｌ４ガス流量：３０〜２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、ＮＨ３ガス流量：１０００〜４０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）が好ましい。
このようにして、ＡＬＤ法によるＴｉＮ膜の成膜が終了後、載置台２を搬送位置に下降させる。次いで、支持ピン２７によりウエハＷを上昇させ、ゲートバルブ１２を開けて搬入出口１１から搬送アーム（図示せず）を処理容器１内に挿入し、搬送アーム上にウエハＷを受け渡して処理容器１外へ搬出する。
＜実験例＞
次に、実際に本発明の成膜方法を実施した際の実験例について説明する。
（実験例１）
最初に、図１の構成を有し、処理空間の容積を１７００ｍＬとした装置を用い、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＮＨ３ガス、パージガスとしてＮ２ガスを用いて、ＡＬＤ法によりＴｉＮ膜を成膜した。
ここでは、載置台温度（基板温度）：４４０℃、１回のＴｉＣｌ４ガス流量：５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、１回のＮＨ３ガス流量：２７００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、図３に示すステップＳ１の時間（ＴｉＣｌ４ガス供給時間）：０．０５ｓｅｃ、ステップＳ２の時間（ＮＨ３ガス供給時間）：０．３ｓｅｃ、ステップ３，４のパージ時間：０．３ｓｅｃとし、処理空間の圧力（処理容器の圧力）を３〜７Ｔｏｒｒ（４００〜９３３Ｐａ）、パージガスであるＮ２ガスの流量を６０００〜１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）と変化させて、上記ステップＳ１〜Ｓ４を３１５サイクル繰り返した。
その際の、各圧力におけるＮ２ガス流量と膜厚との関係を図５（ａ）に示し、各圧力におけるＮ２ガス流量と膜厚のばらつきとの関係を図５（ｂ）に示す。また、各圧力におけるＮ２ガス流量と膜の比抵抗との関係を図６（ａ）に示し、各圧力におけるＮ２ガス流量と膜のシート抵抗のばらつきとの関係を図６（ｂ）に示す。
図５（ａ），（ｂ）に示すように、Ｎ２ガスの流量が６０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）では、処理空間の圧力が５Ｔｏｒｒまでは、膜厚が安定しており、ＡＬＤモードで膜厚制御ができているが、５Ｔｏｒｒを超えると急激に膜厚が厚くなり、ＣＶＤモードが生じていることがわかる。圧力が高くなると膜厚のばらつきも大きくなる傾向にある。図６（ａ），（ｂ）に示すように、比抵抗およびシート抵抗のばらつきも同様である。
これに対し、Ｎ２ガス流量を増加させていくと、処理空間の圧力が高い領域での膜厚が低下する傾向にあり、ＣＶＤモードが低下する傾向があることがわかる。そして、Ｎ２ガス流量が８５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上になると、圧力による膜厚差が小さくなり、比抵抗の値およびシート抵抗のばらつきも小さくなって、処理空間の圧力にかかわらず、ＡＬＤモードを主体とする成膜モードで所望の膜を成膜できることが確認された。
Ｎ２ガス流量を６０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）（圧力：５Ｔｏｒｒ）にした場合と、１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）（圧力：１０Ｔｏｒｒ）にした場合とで、φ５０ｎｍ、深さ１２５０ｎｍのホールに対する成膜を行ったところ、図７のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真に示すように、Ｎ２ガス流量にかかわらず良好なステップカバレッジが得られることが確認された。
（実験例２）
次に、図１の構成を有し、処理空間の容積を６５０ｍＬとした装置を用い、処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＮＨ３ガス、パージガスとしてＮ２ガスを用いて、ＡＬＤ法によりＴｉＮ膜を成膜した。
ここでは、実験例１と同様、載置台温度（基板温度）：４４０℃、１回のＴｉＣｌ４ガス流量：５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、１回のＮＨ３ガス流量：２７００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、図３に示すステップＳ１の時間（ＴｉＣｌ４ガス供給時間）：０．０５ｓｅｃ、ステップＳ２の時間（ＮＨ３ガス供給時間）：０．３ｓｅｃ、ステップ３，４のパージ時間：０．３ｓｅｃとし、処理空間の圧力（処理容器の圧力）を３〜７Ｔｏｒｒ（４００〜９３３Ｐａ）と変化させ、パージガスであるＮ２ガスの流量を、実験例１とは異なり、５０００〜９０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）と変化させて、上記ステップＳ１〜Ｓ４を３１５サイクル繰り返した。
その際の、各圧力におけるＮ２ガス流量と膜厚との関係を図８に示し、各圧力におけるＮ２ガス流量と膜の比抵抗との関係を図９に示す。
これらの図に示すように、処理空間の容積を６５０ｍＬと小さくしたことにより、パージガスであるＮ２ガスの流量が５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）であっても、圧力によらず膜厚がほぼ同じであり、より少ないパージガス流量で、処理空間の圧力にかかわらず、ほぼＡＬＤモードにより成膜できることが確認された。また、膜の比抵抗もＮ２ガスの流量が５０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）以上において、処理空間の圧力にかかわらずほぼ一定であることが確認された。
＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、ＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを用いてＴｉＮ膜をＡＬＤ法により成膜する場合について説明したが、本発明の原理上、処理ガスの種類、膜の材料は何ら限定されず、種々の処理ガスを用いてＡＬＤ法により成膜する場合に適用することができる。パージガスも処理ガスに応じて適宜選択すればよく、特に限定されるものではない。また、処理ガスは２種類に限らず、３種類以上の処理ガスを用いてＡＬＤ法により成膜する場合にも適用できることは言うまでもない。
また、上記実施形態では、成膜装置として処理空間を逆すり鉢状に形成したものを用いた例を示したが、処理空間の形状は限定されるものではなく、また、処理空間にガスを吐出する吐出口の下方に分散板を設けた例を示したが、これに限らずシャワー構造等の他の構造を用いてもよい。さらに、上記実施形態では、パージガスを供給するガスラインを、処理ガス供給ラインに接続する例を示したが、パージガスを供給するガスラインを処理ガス供給ラインとは別個に設けてもよい。成膜装置の他の部分についても単に例示にすぎず、本発明の成膜方法が実現できればどのような構成であってもよい。
また、上記実施形態では、被処理基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハに限定されず、液晶表示装置等のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）に用いるガラス基板や、セラミック基板等にも本発明を適用することができることはもちろんである。
１；処理容器
２；載置台
３；キャップ部材
４；ガス供給部
５；排気部
６；制御部
１３；天板
２１；ヒーター
２２；カバー部材
２３；支持部材
２４；昇降機構
３１；凹部
３３；隙間
３４；ガス供給路
３５；ガス吐出口
３６；ＴｉＣｌ４ガス供給路
３７；ＮＨ３ガス供給路
３８；分散板
４１；ＴｉＣｌ４ガス供給源
４２；ＮＨ３ガス供給源
４３，４４；Ｎ２ガス供給源
４５；ＴｉＣｌ４ガス供給ライン
４６；ＮＨ３ガス供給ライン
４７，４８；Ｎ２ガス供給ライン
５１；排気ダクト
５２；ガス通流路
５３；開口部
５７；トラップ
５８；真空ポンプ
Ｓ；処理空間
Ｗ；半導体ウエハ（基板）

Claims (15)

  1. 成膜装置における処理容器内の被処理基板が配置された処理空間に、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、被処理基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜方法であって、
    前記処理空間に前記パージガスを常時供給しつつ、前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、
    前記処理空間内に供給するパージガスの流量を、前記処理容器内の圧力にかかわらず、前記薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードにより成膜することができる流量にして成膜を行うことを特徴とする成膜方法。
  2. 成膜装置における処理容器内の被処理基板が配置された処理空間に、複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、被処理基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜方法であって、
    前記成膜装置は、その排気部に前記複数の処理ガスの反応により生じた副生成物を捕捉するトラップを有し、
    前記処理空間に前記パージガスを常時供給しつつ、前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、
    前記処理空間の圧力を、前記トラップが前記処理空間内に供給するパージガスの置換性を律速しない程度に高くし、
    前記パージガスの流量を、その圧力において、前記薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードとなる流量にして成膜を行うことを特徴とする成膜方法。
  3. 前記処理空間は、前記処理容器内で前記被処理基板が載置される載置台と、前記載置台の上部に設けられた凹部を有するキャップ部材の前記凹部により形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜方法。
  4. 前記処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＮＨ３ガスを用い、被処理基板上にＴｉＮ膜を成膜することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の成膜方法。
  5. 前記処理空間の容積が６５０〜１７００ｍＬであることを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
  6. 前記処理空間の容積が１３００〜１７００ｍＬであり、前記パージガスの流量が８５００ｍＬ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項５に記載の成膜方法。
  7. 前記処理空間の容積が６５０〜８５０ｍＬであり、前記パージガスの流量が５０００ｍＬ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項５に記載の成膜方法。
  8. 基板を収容し、その中で基板の成膜処理が行われる処理容器と、
    前記処理容器内で基板を載置する載置台と、
    前記処理容器内に形成される、基板に成膜処理を行う処理空間と、
    前記処理空間に、複数の処理ガスと、パージガスとを供給するガス供給部と、
    前記処理空間を排気する排気部と、
    前記処理空間に前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜を行うように制御する制御部とを有し、
    前記制御部は、
    前記処理空間に前記パージガスを常時供給しつつ、前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、
    前記処理空間内に供給するパージガスの流量を、前記処理容器内の圧力にかかわらず、前記薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードにより成膜することができる流量にして成膜を行うように制御することを特徴とする成膜装置。
  9. 基板を収容し、その中で基板の成膜処理が行われる処理容器と、
    前記処理容器内で基板を載置する載置台と、
    前記処理容器内に形成される、基板に成膜処理を行う処理空間と、
    前記処理空間に、複数の処理ガスと、パージガスとを供給するガス供給部と、
    前記処理ガスの反応により生じた副生成物を捕捉するトラップを有し、前記処理空間を排気する排気部と、
    前記処理空間に前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するとともに、各処理ガスの供給後に処理ガスをパージガスによりパージして、基板上でこれら複数の処理ガスを反応させて薄い単位膜を形成する操作を、複数回繰り返して所定厚さの膜を形成する原子層堆積法による成膜を行うように制御する制御部とを有し、
    前記制御部は、
    前記処理空間に前記パージガスを常時供給しつつ、前記複数の処理ガスを順次間欠的に供給するようにし、
    前記処理空間の圧力を、前記トラップが前記処理空間内に供給するパージガスの置換性を律速しない程度に高くし、
    前記パージガスの流量を、その圧力において、前記薄い単位膜が成膜されるモードを主体とする成膜モードとなる流量にして成膜を行うように制御することを特徴とする成膜装置。
  10. 前記載置台の上部に設けられ、前記載置台との間で前記処理空間を形成するための凹部を有するキャップ部材をさらに有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の成膜装置。
  11. 前記ガス供給部は、前記処理ガスとしてＴｉＣｌ４ガスおよびＮＨ３ガスを供給し、被処理基板上にＴｉＮ膜を成膜することを特徴とすることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の成膜装置。
  12. 前記処理空間の容積が６５０〜１７００ｍＬであることを特徴とする請求項１１に記載の成膜装置。
  13. 前記処理空間の容積が１３００〜１７００ｍＬであり、前記パージガスの流量が８５００ｍＬ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の成膜装置。
  14. 前記処理空間の容積が６５０〜８５０ｍＬであり、前記パージガスの流量が５０００ｍＬ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の成膜装置。
  15. コンピュータ上で動作し、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項１から請求項７のいずれかの成膜方法が行われるように、コンピュータに前記成膜装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
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