JP2015124421A - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

基板処理装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】サセプタとシャワーヘッドの間の温度差を抑制する。
【解決手段】基板を処理する処理室と、処理室内に配置され基板を載置する基板載置面を表面に有すると共に第１のヒータを有する基板載置部と、第２のヒータを有するとともに基板載置面と対向する位置に設けられ基板載置面と対向する対向面を有するシャワーヘッドと、シャワーヘッドを介して基板載置面に載置された基板を処理する処理ガスを供給する処理ガス供給系と、処理室内の雰囲気を排出する排気系と、基板載置面に基板を載置した後、処理ガス供給系から処理ガスが供給されるときに、基板載置部の温度を所定の温度とし、対向面と基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、第１のヒータの出力及び第２のヒータの出力を制御する制御部と、を有するように基板処理装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板を処理する工程を有する半導体装置の製造方法や、該半導体装置の製造方法に係る工程を実施する基板処理装置に関する。
近年、フラッシュメモリ等の半導体装置は、高集積化の傾向にある。それに伴い、パターンサイズが著しく微細化されている。これらのパターンを形成する際、半導体装置の製造工程の一工程として、基板に酸化処理や窒化処理等の所定の処理を行う工程が実施される場合がある。これらの処理を行う基板処理装置は、基板に処理ガスを供給することにより、基板への成膜や基板の表面処理などを実施する。
従来の基板処理装置として、例えば、シャワーヘッドを用いてガスを基板上方から供給するタイプの枚葉式基板処理装置が知られている。この枚葉式基板処理装置においては、処理室内で基板をサセプタの加熱機構により加熱し、処理室に接続したガス供給ラインから、シャワーヘッドを介して処理室内の基板表面に、例えば成膜ガスを供給する。この基板上を流れる成膜ガスが熱エネルギーにより化学反応を起こして、基板上に薄膜が成膜される。このとき、２種類以上の反応ガスを交互に流し一層ずつ膜を生成する場合もある。
基板がサセプタの加熱機構により加熱されると、サセプタとシャワーヘッドの間には温度差が生じる。サセプタとシャワーヘッドの間に温度差があると、基板の温度を均一に保持することが難しくなる。また、シャワーヘッドの温度がサセプタに比べて低い場合、処理ガスが十分に加熱されずに基板に供給されてしまい、プロセス性能に影響を与える可能性がある。
また、サセプタの温度は、モニタすることにより基板処理温度に保持されているが、基板処理を重ねていくと、シャワーヘッドに膜が付着し、シャワーヘッド表面の放射率が変化する。このため、シャワーヘッドの温度が変化し、その結果、基板の温度が変わってしまう場合がある。
本発明の目的は、シャワーヘッドを用いた基板処理装置において、基板載置部としてのサセプタとシャワーヘッドの間の温度差を所定の範囲内にすることのできる技術を提供することにある。
前記課題を解決するための、本発明に係る基板処理装置の代表的な構成は、次のとおりである。すなわち、
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に配置され、基板を載置する基板載置面を表面に有するとともに、第１のヒータを有する基板載置部と、
第２のヒータを有するとともに、前記基板載置面と対向する位置に設けられ、前記基板載置面と対向する対向面を有するシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドを介して前記処理室に、前記基板載置面に載置された基板を処理する処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排気系と、
前記基板載置面に基板を載置した後、前記処理ガス供給系から前記処理ガスが供給されるときに、前記基板載置部の温度を所定の温度とし、前記対向面と前記基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力を制御する制御部と、
を有する基板処理装置。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の代表的な構成は、次のとおりである。すなわち、
第１のヒータを有する基板載置部の基板載置面に基板を載置する載置工程と、
前記基板載置面と対向する対向面を有し、第２のヒータを有するシャワーヘッドから、前記基板載置面に載置された基板に、該基板を処理する処理ガスを供給する処理ガス供給工程と、
前記処理ガス供給工程において、前記基板載置部の温度を所定の温度とするよう、前記第１のヒータの出力を制御するとともに、前記対向面と前記基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、前記第２のヒータの出力を制御する温度制御工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
上記の構成によれば、シャワーヘッドを用いた基板処理装置において、基板載置部としてのサセプタとシャワーヘッドの間の温度差を所定の範囲内にすることができる。
本発明の実施形態に係る基板処理装置の縦断面概略図である。 本発明の実施形態に係る基板処理工程を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態に係る成膜工程のシーケンス図である。
（１）基板処理装置の構成
まず、本発明の実施形態に係る基板処理装置１００（以下、単に装置とも称する。）の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る基板処理装置の縦断面（垂直断面）概略図である。基板処理装置１００は、薄膜を形成する装置であり、図１に示されているように、１枚又は数枚ずつ基板を処理する枚葉式基板処理装置として構成されている。
図１に示すとおり、基板処理装置１００は、処理容器２０２を備えている。処理容器２０２は、例えば、横断面（水平断面）が円形であり、円筒形の扁平な密閉容器として構成されている。また、処理容器２０２の側壁や底壁は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス（ＳＵＳ）などの金属材料により構成されている。
処理容器２０２内には、基板としてのシリコンウエハ等のウエハ２００を処理する処理室２０１が形成されている。処理室２０１は、ウエハ２００を処理する処理空間２０１ａと、ウエハ２００を搬送する搬送空間２０１ｂとを含む。処理容器２０２は、上部容器２０２ａと、下部容器２０２ｂと、天井部であるシャワーヘッド２３０とで、その外殻が構成される。上部容器２０２ａと下部容器２０２ｂの間には、処理空間２０１ａと搬送空間２０１ｂとを仕切る仕切り板２０４が設けられる。
処理空間２０１ａは、上部処理容器２０２ａと、シャワーヘッド２３０と、後述する基板載置部２１０とに囲まれた空間であって、仕切り板２０４よりも上方の空間である。搬送空間２０１ｂは、下部容器２０２ｂと基板載置部２１０とに囲まれた空間であって、仕切り板よりも下方の空間である。上部処理容器２０２ａと仕切り板２０４との間（接触部）や、仕切り板２０４と下部容器２０２ｂとの間（接触部）等には、処理容器２０２内を気密に維持するためのＯリング２０８が設けられている。
下部容器２０２ｂの側面には、ゲートバルブ２０５に隣接して基板搬入出口２０６が設けられている。ウエハ２００は、基板搬入出口２０６を介して、隣接する基板搬送室（不図示）との間を移動する。下部容器２０２ｂの底部には、リフトピン２０７が垂直方向に複数設けられている。更に、下部容器２０２ｂは電気的に接地されている。
処理空間２０１ａと搬送空間２０１ｂの間には、ウエハ２００を支持する基板載置部２１０が配置されている。基板載置部２１０は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、セラミックス、石英等の非金属材料で形成されている。基板載置部２１０は、ウエハ２００を載置する基板載置面２１１と、基板載置部２１０に内包された加熱源であって基板載置部２１０を加熱する加熱部である基板載置部ヒータ２１３と、基板載置部２１０の温度を検知する温度検知器である基板載置部温度センサ２１０ｓとを含む。基板載置部ヒータ２１３は、例えば抵抗ヒータで構成される。温度センサ２１０ｓで検知した温度に基づき、後述するコントローラ２６０が、基板載置部２１０を所定の温度に制御するようになっている。
基板載置面２１１は、処理空間２０１ａ内に位置している。基板載置部２１０には、リフトピン２０７が貫通する基板載置部貫通孔２１４が、リフトピン２０７と対応する位置にそれぞれ設けられている。
基板載置部２１０は、シャフト２１７によって支持される。シャフト２１７は、処理容器２０２の底部を垂直方向に貫通しており、更には処理容器２０２の外部で、昇降機構２１８に接続されている。昇降機構２１８を作動させてシャフト２１７及び基板載置部２１０を昇降させることにより、基板載置面２１１上に載置されるウエハ２００を昇降させることが可能となっている。なお、シャフト２１７下端部の周囲は、ベローズ２１９により覆われており、処理容器２０２内は気密に維持されている。
基板載置部２１０は、ウエハ２００の搬送時には、基板載置面２１１が基板搬入出口２０６の位置（ウエハ搬送位置）となるよう下降し、ウエハ２００の処理時には、図１で示されるように、ウエハ２００が処理位置（ウエハ処理位置）となるよう上昇する。
具体的には、基板載置部２１０をウエハ搬送位置まで下降させた時には、リフトピン２０７の上端部が基板載置面２１１の上面から突出して、リフトピン２０７がウエハ２００を下方から支持するようになっている。また、基板載置部２１０をウエハ処理位置まで上昇させたときには、リフトピン２０７は基板載置面２１１の上面より下方に埋没して、基板載置面２１１がウエハ２００を下方から支持するようになっている。なお、リフトピン２０７は、ウエハ２００と直接接触するため、例えば、石英やアルミナなどの材質で形成することが望ましい。
（ガス導入口）
後述のシャワーヘッド２３０の上面（天井壁）には、処理室２０１内に各種ガスを供給するためのガス導入口２４１が設けられている。ガス導入口２４１に接続されるガス供給系の構成については後述する。
（シャワーヘッド）
処理室２０１の上には、処理室２０１の天井部であるシャワーヘッド２３０が設けられている。ガス導入口２４１は、シャワーヘッド２３０の蓋２３１に接続されている。シャワーヘッド２３０は、処理室２０１にガスを分散させるためのガス分散機構である。シャワーヘッド２３０は、ガス導入口２４１と処理室２０１との間に配置され、ガス導入口２４１及び処理室２０１と連通する。
シャワーヘッド２３０は、ガス導入口２４１から導入されるガスを分散させるための分散板２３４を、ガス導入口２４１と処理空間２０１ａとの間に備えている。分散板２３４には、複数の貫通孔２３４ａが設けられている。貫通孔２３４ａは、基板載置面２１１と対向するように配置されている。分散板２３４は、貫通孔２３４ａが設けられた凸状部２３４ｂと、凸状部の周囲に設けられたフランジ部２３４ｃとを有する。フランジ部２３４ｃは、電気的に絶縁性の構造体である絶縁ブロック２３３で支持されている。
また、分散板２３４は、分散板２３４を加熱（つまりシャワーヘッド２３０を加熱）する加熱部である分散板ヒータ２３４ｈと、分散板２３４の温度を検知する温度検知器である温度センサ２３４ｓとを有する。図１の例では、分散板ヒータ２３４ｈは、分散板２３４の外周部に位置するフランジ部２３４ｃに、上面視が円形のドーナツ状に設けられているが、この形状に限られるものではない。例えば、分散板ヒータ２３４ｈは、貫通孔２３４ａと貫通孔２３４ａとの間に設けることもできる。分散板ヒータ２３４ｈは、例えば抵抗ヒータで構成される。温度センサ２３４ｓで検知した温度に基づき、後述するコントローラ２６０が、分散板２３４を所定の温度に制御するようになっている。
また、分散板２３４は、基板載置面２１１と対向する位置に設けられており、基板載置面２１１と対向、つまり、ウエハ２００と対向する対向面２３４ｄを有する。
シャワーヘッド２３０内において、蓋２３１と分散板２３４との間には、ガス導入口２４１から導入されたガスを分散板２３４表面の全域に拡散させるためのバッファ空間であるバッファ室２３２が設けられている。
バッファ室２３２内には、バッファ室２３２内に供給されたガスの流れを形成するガスガイド２３５が設けられる。ガスガイド２３５は、ガス導入口２４１と連通し蓋２３１に設けられた蓋穴２３１ａを頂点とし、分散板２３４方向（つまり下方向）に向かうにつれ径が広がる円錐形状である。ガスガイド２３５の下端の水平方向の径は、貫通孔２３４ａ群の最外周の径よりも大きい。ガスガイド２３５により、バッファ室２３２内に供給されたガスは、より均一となるように分散される。
こうして、ガス導入口２４１から導入されたガスは、蓋２３１に設けられた蓋穴２３１ａを介して、シャワーヘッド２３０内に設けられたバッファ室２３２内に供給される。そして、分散板２３４とガスガイド２３５により、均一となるように分散され、分散板２３４の貫通孔２３４ａから処理室２０１内へ供給される。
シャワーヘッドの蓋２３１は、導電性のある金属で形成され、バッファ室２３２内又は処理室２０１内でプラズマを生成するための電極として用いられる。蓋２３１と上部容器２０２ａとの間には、絶縁ブロック２３３が設けられ、蓋２３１と上部容器２０２ａの間を電気的に絶縁している。更には、蓋２３１には、蓋２３１を加熱する蓋加熱部２３１ｂと、蓋２３１の温度を検知する温度検知器である温度センサ２３１ｓとが設けられている。蓋加熱部２３１ｂは、例えば抵抗ヒータで構成される。温度センサ２３１ｓで検知した温度に基づき、後述するコントローラ２６０が、蓋２３１を所定の温度に制御するようになっている。
バッファ室２３２の上方の蓋２３１には、バッファ室２３２内の雰囲気を排出するための第２の排気系（シャワーヘッド排気ライン）２７０が設けられている。第２の排気系２７０については、後述する。
（ガス供給系）
シャワーヘッド２３０の蓋２３１に接続されたガス導入口２４１には、共通ガス供給管２４２が接続されている。共通ガス供給管２４２には、第１ガス供給管２４３ａと、第２ガス供給管２４４ａと、第３ガス供給管２４５ａとが接続されている。第２ガス供給管２４４ａは、リモートプラズマユニット２４４ｅを介して、共通ガス供給管２４２に接続される。
ガス供給系は、以下に述べるように、第１ガス供給系２４３と、第２ガス供給系２４４と、第３ガス供給系２４５とを含む。第１ガス供給系２４３と第２ガス供給系２４４は、基板を処理する処理ガスを供給する処理ガス供給系を含む。第３ガス供給系２４５は、不活性ガス供給系とクリーニングガス供給系２４８とを含む。
第１ガス供給管２４３ａを含む第１ガス供給系２４３からは、第１元素含有ガスが主に供給され、第２ガス供給管２４４ａを含む第２ガス供給系２４４からは、主に第２元素含有ガスが供給される。第３ガス供給管２４５ａを含む第３ガス供給系２４５からは、ウエハ２００を処理する際には主に不活性ガスが供給され、シャワーヘッド２３０や処理室２０１をクリーニングする際には主にクリーニングガスが供給される。
（第１ガス供給系）
第１ガス供給管２４３ａには、ガス流れの上流方向から順に、第１ガス供給源２４３ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４３ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４３ｄが設けられている。
第１ガス供給管２４３ａから、第１元素を含有するガス（以下、「第１元素含有ガス」）が、マスフローコントローラ２４３ｃ、バルブ２４３ｄ、共通ガス供給管２４２を介して、シャワーヘッド２３０に供給される。
第１元素含有ガスは、原料ガス、すなわち、処理ガスの一つである。
ここで、第１元素は、例えばチタン（Ｔｉ）である。すなわち、第１元素含有ガスは、例えばチタン含有ガスである。チタン含有ガスとしては、例えばＴｉＣｌ４（四塩化チタン）ガスを用いることができる。なお、第１元素含有ガスは、常温常圧で固体、液体、及び気体のいずれであっても良い。第１元素含有ガスが常温常圧で液体の場合は、第１ガス供給源２３２ｂとマスフローコントローラ２４３ｃとの間に、図示しない気化器を設ければよい。ここでは気体として説明する。
なお、第１元素含有ガスとしては、シリコン含有ガスでもよく、例えば有機シリコン材料であるＢＴＢＡＳ（ビス ターシャル ブチル アミノ シラン：ＳｉＨ２（ＮＨ（Ｃ４Ｈ９））２）や、ヘキサメチルジシラザン（Ｃ６Ｈ１９ＮＳｉ２、略称：ＨＭＤＳ）や、トリシリルアミン（（ＳｉＨ３）３Ｎ、略称：ＴＳＡ）等を用いることができる。これらのガスは、プリカーサーとして働く。
第１ガス供給管２４３ａのバルブ２４３ｄよりも下流側には、第１不活性ガス供給管２４６ａの下流端が接続されている。第１不活性ガス供給管２４６ａには、上流方向から順に、不活性ガス供給源２４６ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４６ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４６ｄが設けられている。
第１ガス供給管２４３ａから供給される不活性ガスは、例えば、窒素（Ｎ２）ガスである。なお、不活性ガスとして、Ｎ２ガスのほか、例えばヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガスを用いることができる。
第１不活性ガス供給管２４６ａからは、不活性ガスが、マスフローコントローラ２４６ｃ、バルブ２４６ｄ、第１ガス供給管２４３ａを介して、シャワーヘッド２３０内に供給される。不活性ガスは、後述する成膜工程（Ｓ１０４）ではキャリアガス或いは希釈ガスとして作用する。
主に、第１ガス供給管２４３ａ、マスフローコントローラ２４３ｃ、バルブ２４３ｄにより、第１ガス供給系である第１元素含有ガス供給系２４３（チタン含有ガス供給系ともいう）が構成される。
また、主に、第１不活性ガス供給管２４６ａ、マスフローコントローラ２４６ｃ及びバルブ２４６ｄにより第１不活性ガス供給系２４６が構成される。なお、不活性ガス供給源２４６ｂ、第１ガス供給管２４３ａを、第１不活性ガス供給系２４６に含めて考えてもよい。
更には、第１ガス供給源２４３ｂ、第１不活性ガス供給系を、第１元素含有ガス供給系２４３に含めて考えてもよい。
（第２ガス供給系）
第２ガス供給管２４４ａの下流には、リモートプラズマユニット２４４ｅが設けられている。第２ガス供給管２４４ａには、上流方向から順に、第２ガス供給源２４４ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４４ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４４ｄが設けられている。
第２ガス供給管２４４ａからは、第２元素を含有するガス（以下、「第２元素含有ガス」）が、マスフローコントローラ２４４ｃ、バルブ２４４ｄ、リモートプラズマユニット２４４ｅ、共通ガス供給管２４２を介して、シャワーヘッド２３０内に供給される。第２元素含有ガスは、リモートプラズマユニット２４４ｅによりプラズマ状態とされ、ウエハ２００上に照射される。
第２元素含有ガスは、処理ガスの一つである。なお、第２元素含有ガスは、反応ガスまたは改質ガスとして考えてもよい。
ここで、第２元素含有ガスは、第１元素と異なる第２元素を含有する。第２元素としては、例えば、窒素（Ｎ）があげられる。本実施形態では、第２元素含有ガスは、例えば窒素含有ガスであるとする。具体的には、窒素含有ガスとしては、ＮＨ３ガスが用いられる。
主に、第２ガス供給管２４４ａ、マスフローコントローラ２４４ｃ、バルブ２４４ｄにより、第２ガス供給系である第２元素含有ガス供給系２４４（窒素含有ガス供給系ともいう）が構成される。
また、第２ガス供給管２４４ａのバルブ２４４ｄよりも下流側であってリモートプラズマユニット２４４ｅの上流側には、第２不活性ガス供給管２４７ａの下流端が接続されている。第２不活性ガス供給管２４７ａには、上流方向から順に、不活性ガス供給源２４７ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４７ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４７ｄが設けられている。
第２ガス供給管２４４ａから供給される不活性ガスは、例えば、窒素（Ｎ２）ガスである。なお、不活性ガスとして、Ｎ２ガスのほか、例えばヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガスを用いることができる。
第２不活性ガス供給管２４７ａからは、不活性ガスが、マスフローコントローラ２４７ｃ、バルブ２４７ｄ、第２ガス供給管２４４ａ、リモートプラズマユニット２４４ｅを介して、シャワーヘッド２３０内に供給される。不活性ガスは、後述する成膜工程（Ｓ１０４）ではキャリアガス或いは希釈ガスとして作用する。
主に、第２不活性ガス供給管２４７ａ、マスフローコントローラ２４７ｃ及びバルブ２４７ｄにより第２不活性ガス供給系２４７が構成される。なお、不活性ガス供給源２４７ｂ、第２ガス供給管２４４ａ、リモートプラズマユニット２４４ｅを第２不活性ガス供給系２４７に含めて考えてもよい。
更には、第２ガス供給源２４４ｂ、リモートプラズマユニット２４４ｅ、第２不活性ガス供給系２４７を、第２元素含有ガス供給系２４４に含めて考えてもよい。
（第３ガス供給系）
第３ガス供給管２４５ａには、上流方向から順に、第３ガス供給源２４５ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４５ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４５ｄが設けられている。
第３ガス供給源２４５ｂから、例えばパージガスとしての不活性ガスが、マスフローコントローラ２４５ｃ、バルブ２４５ｄ、共通ガス供給管２４２を介してシャワーヘッド２３０に供給される。パージガスとは、処理室２０１又はバッファ室２３２内の雰囲気（ガス）を排出するために、処理室２０１又はバッファ室２３２内に導入されるガスのことである。
第３ガス供給源２４５ｂから供給される不活性ガスは、例えば、窒素（Ｎ２）ガスである。なお、不活性ガスとして、Ｎ２ガスのほか、例えばヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガスを用いることができる。
第３ガス供給管２４５ａのバルブ２４５ｄよりも下流側には、クリーニングガス供給管２４８ａの下流端が接続されている。クリーニングガス供給管２４８ａには、上流方向から順に、クリーニングガス供給源２４８ｂ、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４８ｃ、及び開閉弁であるバルブ２４８ｄが設けられている。
主に、第３ガス供給管２４５ａ、マスフローコントローラ２４５ｃ、バルブ２４５ｄにより、第３ガス供給系２４５が構成される。
また、主に、クリーニングガス供給管２４８ａ、マスフローコントローラ２４８ｃ及びバルブ２４８ｄによりクリーニングガス供給系２４８が構成される。なお、クリーニングガス源２４８ｂ、第３ガス供給管２４５ａを、クリーニングガス供給系２４８に含めて考えてもよい。
更には、第３ガス供給源２４５ｂ、クリーニングガス供給系を、第３ガス供給系２４５に含めて考えてもよい。
第３ガス供給管２４５ａからは、基板処理工程では不活性ガスが、マスフローコントローラ２４５ｃ、バルブ２４５ｄ、共通ガス供給管２４２を介して、シャワーヘッド２３０内に供給される。また、クリーニング工程では、クリーニングガスが、マスフローコントローラ２４８ｃ、バルブ２４８ｄ、共通ガス供給管２４２を介して、シャワーヘッド２３０内に供給される。
不活性ガス供給源２４５ｂから供給される不活性ガスは、後述する成膜工程（Ｓ１０４）では、処理室２０１内やシャワーヘッド２３０内に留まった残ガスをパージするパージガスとして作用する。また、クリーニング工程では、クリーニングガスのキャリアガス或いは希釈ガスとして作用するように用いても良い。
クリーニングガス供給源２４８ｂから供給されるクリーニングガスは、クリーニング工程ではシャワーヘッド２３０内や処理室２０１内に付着した副生成物等を除去するクリーニングガスとして作用する。
ここで、クリーニングガスは、例えば三フッ化窒素（ＮＦ３）ガスがあげられる。なお、クリーニングガスとして、例えば、フッ化水素（ＨＦ）ガス、三フッ化塩素ガス（ＣｌＦ３）ガス、フッ素（Ｆ２）ガス等を用いても良く、またこれらを組合せて用いても良い。
（第１の排気系）
処理室２０１（上部容器２０２ａ）の内壁側面には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気口２２１が設けられている。排気口２２１には排気管２２２が接続されており、排気管２２２には、処理室２０１内を所定の圧力に制御するＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等の圧力調整器２２３と、真空ポンプ２２４とが、ガス流れの順に直列に接続されている。排気口２２１と、排気管２２２と、圧力調整器２２３とを含むように、第１の排気系（処理室排気ライン）２２０が構成される。なお、真空ポンプ２２４を、第１の排気系２２０に含めるように考えてもよい。
（第２の排気系）
バッファ室２３２の上方の蓋２３１には、バッファ室２３２内の雰囲気を排出するためのシャワーヘッド排気穴２３１ｃが、垂直方向に貫通して設けられている。シャワーヘッド排気口２３１ｃには、排気管２７１が接続されている。排気管２７１には、排気のオン/オフを切り替えるバルブ２７２、バッファ室２３２内を所定の圧力に制御するＡＰＣ等の圧力調整器２７３、真空ポンプ２７４が、ガス流れの順に直列に接続されている。排気管２７１と、バルブ２７２と、圧力調整器２７３とを含むように、第２の排気系（シャワーヘッド排気ライン）２７０が構成される。なお、真空ポンプ２７４を、第２の排気系２７０に含めるように考えてもよい。
シャワーヘッド排気穴２３１ｃは、ガスガイド２３５の上方にあるため、後述する第１のパージ工程（Ｓ２０４）の前半及び第２のパージ工程（Ｓ２０８）の前半では、次のようにガスが流れるよう構成されている。すなわち、蓋穴２３１ａから供給された不活性ガスは、ガスガイド２３５によって分散され、バッファ室２３２内の空間中央及び下方に流れる。その後、ガスガイド２３５の端部で折り返して、シャワーヘッド排気穴２３１ｃから排気される。
第１の排気系と第２の排気系とを含むように、排気系が構成される。なお、後述するように、第２の排気系は、基板処理に応じて省略することが可能である。
（プラズマ生成部）
シャワーヘッドの蓋２３１には、整合器２５１を介して、高周波電源２５２が接続されている。整合器２５１でインピーダンスを調整し、高周波電源２５２から蓋２３１に高周波電力を印加することで、シャワーヘッド２３０内（詳しくはバッファ室２３２内）や、処理室２０１内（詳しくは処理空間２０１ａ内）にプラズマが生成される。
（コントローラ）
基板処理装置１００は、基板処理装置１００の各部の動作を制御する制御部であるコントローラ２６０を有している。コントローラ２６０は、演算部２６１及び記憶部２６２を少なくとも有する。演算部２６１は、上位コントローラや使用者の指示に応じて、記憶部２６２から基板処理装置１００のプログラムや制御レシピを呼び出し、その内容に応じて基板処理装置１００の各構成を制御する。
（２）基板処理工程
次に、半導体製造装置としての基板処理装置１００を使用して、基板を処理する基板処理工程の概略について説明する。この基板処理工程は、例えば、半導体装置を製造するための一工程である。なお、以下の説明において、基板処理装置１００を構成する各部の動作や処理は、コントローラ２６０により制御される。図２は、本発明の実施形態に係る基板処理工程を説明するフローチャートである。
ここでは、第１元素含有ガスとしてＴｉＣｌ４ガス（四塩化チタンガス）を用い、第２元素含有ガスとしてＮＨ３ガス（アンモニアガス）を用い、ウエハ２００上に薄膜としてＴｉＮ膜（窒化チタン膜）を形成する例について説明する。なお、例えば、ウエハ２００上には、予め所定の膜が形成されていてもよい。また、ウエハ２００または所定の膜には予め所定のパターンが形成されていてもよい。
（基板搬入・載置工程Ｓ１０２）
まず、図２に示すように、ウエハ２００を処理室２０１内へ搬入し、基板載置部２１０上に載置する基板搬入・載置工程Ｓ１０２を行う。
詳しくは、基板載置部２１０をウエハ２００の搬送位置まで下降させることにより、基板載置部２１０の貫通孔２１４にリフトピン２０７を貫通させる。その結果、リフトピン２０７が、基板載置部２１０表面よりも所定の高さ分だけ突出した状態となる。続いて、ゲートバルブ２０５を開き、図示しないウエハ搬送機を用いて、処理室２０１内にウエハ２００（処理基板）を搬入し、リフトピン２０７上にウエハ２００を移載する。これにより、ウエハ２００は、基板載置部２１０の表面から突出したリフトピン２０７上に水平姿勢で支持される。
処理容器２０２内にウエハ２００を搬入した後、ウエハ搬送機を処理容器２０２の外へ退避させ、ゲートバルブ２０５を閉じて処理容器２０２内を密閉する。その後、基板載置部２１０を上昇させることにより、基板載置部２１０に設けられた基板載置面２１１上にウエハ２００を載置する。
なお、ウエハ２００を処理容器２０２内に搬入する際、又はウエハ２００を処理容器２０２内から搬出する際には、第１の排気系２２０により処理容器２０２内を排気しつつ、不活性ガス供給系から処理容器２０２内に、不活性ガス（例えばＮ２ガス）を供給することが好ましい。例えば、真空ポンプ２２４を作動させＡＰＣバルブ２２３を開けることにより、第１の排気系２２０から処理容器２０２内を排気している状態で、少なくとも第３ガス供給系２４５のバルブ２４５ｄを開けることにより、処理容器２０２内にＮ２ガスを供給することが好ましい。これにより、基板搬入出口２０６から処理容器２０２内へのパーティクルの侵入や、ウエハ２００上へのパーティクルの付着を抑制することが可能となる。
なお、第１の排気系２２０の真空ポンプ２２４は、少なくとも基板搬入・載置工程（Ｓ１０２）から後述する基板搬出工程（Ｓ１０６）が終了するまでの間は、常に作動させた状態とする。その間、第１の排気系２２０からの処理容器２０２内の排気と、第３ガス供給系２４５からの処理容器２０２内への不活性ガス供給とを続けた状態とする。
また、ウエハ２００を基板載置部２１０の上に載置する際は、基板載置部２１０の温度と、分散板２３４の温度と、シャワーヘッド２３０の蓋２３１の温度とを、それぞれ所定の温度にしておく。すなわち、ウエハ２００を基板載置部２１０の上に載置する際に、基板載置部２１０の温度は、基板載置部温度センサ２１０ｓにより検出された温度情報に基づいて、コントローラ２６０が基板載置部ヒータ２１３への通電具合を制御することによって調整される。また、分散板２３４の温度は、分散板温度センサ２３４ｓにより検出された温度情報に基づいて、コントローラ２６０が分散板ヒータ２３４ｈへの通電具合を制御することによって調整される。また、シャワーヘッド蓋２３１の温度は、シャワーヘッド蓋温度センサ２３１ｓにより検出された温度情報に基づいて、コントローラ２６０が蓋加熱部２３１ｂへの通電具合を制御することによって調整される。
具体的には、ウエハ２００を基板載置部２１０の上に載置する際に、基板載置部２１０の内部に埋め込まれたヒータ２１３に電力を供給し、ウエハ２００の表面が所定の温度となるよう制御する。ウエハ２００の温度は、例えば、室温以上５００℃以下であり、好ましくは、３００℃以上であって４００℃以下である。室温とは２０℃である。
また、分散板２３４の内部に埋め込まれたヒータ２３４ｈに電力を供給し、分散板２３４の温度（詳しくは対向面２３４ｄの温度）が所定の温度となるよう制御する。分散板２３４の温度は、例えば、３００℃以上かつ４００℃以下であって、副生成物の付着温度よりも高い温度に制御される。本実施形態の場合は、副生成物は塩化アンモニウムが主となるので、分散板２３４の温度が、１５０℃以上になるよう制御される。
また、蓋２３１の内部に埋め込まれた蓋加熱部２３１ｂに電力を供給し、蓋２３１の表面が所定の温度となるよう制御する。蓋２３１の表面とは、ガスガイド２３５に対向する面である。蓋２３１の表面温度は、例えば、１５０℃以上かつ４００℃以下であって、好ましくは、副生成物の付着温度よりも高い温度に制御される。
このとき、分散板２３４の温度（つまりシャワーヘッド２３０の温度）を、成膜処理時における分散板２３４の温度よりも、後述する熱の吸収を補う程度に温度を高くするのが好ましい。このようにすると、温度の低いウエハ２００に分散板２３４の熱が吸収されても、分散板２３４が、副生成物の付着温度（つまり固化温度）以下になることを防止することができる。
なお、成膜工程Ｓ１０４において、分散板２３４が副生成物の付着温度以下になると、副生成物が分散板２３４に付着する。そして、付着した副生成物がガス流れにより剥がれると、パーティクルの原因となる。本実施形態の場合は、副生成物は塩化アンモニウムであり、固化温度は約１５０℃である。
（成膜工程Ｓ１０４）
次に、ウエハ２００の表面上に薄膜を形成する成膜工程Ｓ１０４を行う。ここでは、成膜工程Ｓ１０４の基本的な流れについて説明し、成膜工程Ｓ１０４の詳細については、図３を用いて後述する。
まず、成膜工程Ｓ１０４では、シャワーヘッド２３０のバッファ室２３２を介して、第１ガス供給系２４３から処理室２０１内にＴｉＣｌ４ガスを供給する。このとき、第３ガス供給系２４５からの不活性ガスの供給と、第１の排気系２２０からの排気とを、基板搬入・載置工程Ｓ１０２に引き続いて行う。
ＴｉＣｌ４ガスを供給開始し、所定の時間経過後、ＴｉＣｌ４ガスの供給を停止する。そして、第３ガス供給系２４５からのパージガスにより、処理室２０１内から、少なくとも第１の排気系２２０を介して、ＴｉＣｌ４ガスを排出する。
ＴｉＣｌ４ガスを排出後、第２ガス供給系２４４から処理室２０１内にプラズマ状態のＮＨ３ガスを供給する。ＮＨ３ガスは、ウエハ２００上に形成されたチタン含有膜と反応し、窒化チタン膜を形成する。
所定の時間経過後、ＮＨ３ガスの供給を停止する。そして、第３ガス供給系２４５からのパージガスにより、処理室２０１内から、少なくとも第１の排気系２２０を介して、ＮＨ３ガスを排出する。
成膜工程Ｓ１０４では、以上の工程を繰り返すことで、所望の膜厚の窒化チタン膜を形成する。なお、成膜工程Ｓ１０４の間、バッファ室２３２の内壁に副生成物が付着し堆積するのを抑制するため、蓋加熱部２３１ｂや分散板ヒータ２３４ｈにより、バッファ室２３２や分散板２３４を、副生成物が付着する温度よりも高く加熱する。
なお、成膜工程Ｓ１０４のＴｉＣｌ４ガス供給時やＮＨ３ガス供給時において、上述したように、第３ガス供給系２４５から不活性ガスを供給する理由は、処理室２０１内へのＴｉＣｌ４ガスやＮＨ３ガスの供給を促進するためである。しかし、基板処理の内容に応じて、第３ガス供給系２４５からの不活性ガスの供給を行わないように構成することもできる。
（基板搬出工程Ｓ１０６）
次に、窒化チタン膜が形成されたウエハ２００を、処理容器２０３から搬出する。
詳しくは、基板載置部２１０を下降させ、基板載置部２１０の表面から突出させたリフトピン２０７上にウエハ２００を支持させる。その後、第３ガス供給系２４５から処理容器２０２内へ不活性ガスを供給しつつ、ゲートバルブ２０５を開き、ウエハ搬送機を用いて、ウエハ２００を処理容器２０２の外へ搬出する。その後、基板処理工程を終了する場合は、第３ガス供給系２４５から処理容器２０２内への不活性ガス供給を停止する。
（処理回数判定工程Ｓ１０８）
ウエハ２００を搬出後、成膜工程Ｓ１０４の実施回数が所定の回数に到達したか否かを判定する。所定の回数に到達した場合は、クリーニング工程Ｓ１１０に移行する。所定の回数に到達していない場合は、待機している新たなウエハ２００の処理を開始するため、基板搬入・載置工程Ｓ１０２に移行する。
（クリーニング工程Ｓ１１０）
処理回数判定工程Ｓ１０８において成膜工程Ｓ１０４の実施回数が所定の回数に到達したと判定された場合は、クリーニング工程Ｓ１１０を行う。クリーニング工程Ｓ１１０では、基板載置部２１０がウエハ処理位置にある状態であって、基板載置部２１０上にウエハ２００がない状態で、クリーニングガス供給系２４８のバルブ２４８ｄを開け、シャワーヘッド２３０を介して、クリーニングガスを処理室２０１内へ供給する。
クリーニングガスがシャワーヘッド２３０内と処理室２０１内を満たした後、高周波電源２５２からシャワーヘッド２３０へ電力を印加すると共に整合器２５１によりインピーダンスを整合させ、シャワーヘッド２３０内（詳しくはバッファ室２３２内）と処理室２０１内（詳しくは処理空間２０１ａ内）にクリーニングガスのプラズマを生成する。生成されたクリーニングガスプラズマは、シャワーヘッド２３０内と処理室２０１内の壁に付着した副生成物を除去する。
次に、成膜工程Ｓ１０４の詳細について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態に係る成膜工程のシーケンス図である。図３に示すように、成膜工程Ｓ１０４は、第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２と、第１のパージ工程Ｓ２０４と、第２の処理ガス供給工程Ｓ２０６と、第２のパージ工程Ｓ２０８とを含むように構成される。
本実施形態の成膜工程Ｓ１０４においては、上述したように、ＴｉＣｌ４ガス供給時やＮＨ３ガス供給時においても、第３ガス供給系２４５から処理室２０１内へ不活性ガスを供給している。つまり、図３に示すように、成膜工程Ｓ１０４において、常時、第３ガス供給系２４５から処理室２０１内へ不活性ガスを供給している。
そして、成膜工程Ｓ１０４において、基板載置部２１０の温度と、分散板２３４の温度と、シャワーヘッド蓋２３１の温度とを、それぞれ所定の温度に設定し、この温度を維持する。
基板載置部２１０の温度は、基板載置部２１０上のウエハ２００の温度が、例えば、室温以上５００℃以下であり、好ましくは、３００℃以上であって４００℃以下である所定の温度（つまり成膜工程Ｓ１０４におけるウエハ２００の温度）となるように、基板載置部温度センサ２１０ｓにより検出された温度情報に基づいて、コントローラ２６０が基板載置部ヒータ２１３への通電具合を制御、つまり基板載置部ヒータ２１３の出力を制御する。
分散板２３４の温度は、分散板２３４の対向面２３４ｄの温度が、例えば、１５０℃以上かつ４００℃以下の温度であって、副生成物の付着温度よりも高い温度である所定の温度となるように、分散板温度センサ２３４ｓにより検出された温度情報に基づいて、コントローラ２６０が分散板ヒータ２３４ｈへの通電具合を制御、つまり分散板ヒータ２３４ｈの出力を制御する。なお、分散板２３４の温度は、成膜工程Ｓ１０４におけるウエハ２００の温度に近い値であり、後述するように、ウエハ２００の温度より高い場合と低い場合と同じ場合とがある。
シャワーヘッド蓋２３１の温度は、蓋２３１の表面温度が、例えば、１５０℃以上かつ４００℃以下の温度であって、副生成物の付着温度よりも高い温度である所定の温度となるように、シャワーヘッド蓋温度センサ２３１ｓにより検出された温度情報に基づいて、コントローラ２６０が蓋加熱部２３１ｂへの通電具合を制御、つまり蓋加熱部２３１ｂの出力を制御する
こうして、第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２では、例えば、基板載置部２１０の温度と、分散板２３４の温度と、シャワーヘッド蓋２３１の温度とを、それぞれ、４００℃と、４００℃と、２００℃に設定する。
このとき、コントローラ２６０は、基板載置部２１０の温度と分散板２３４の温度（詳しくは対向面２３４ｄの温度）との温度差が所定の範囲内（例えば２０℃以内）になるように制御する。こうすると、ウエハ２００の面内において、ウエハ２００の温度が略均一になり、その結果、ウエハ２００の処理を略均一に行うことができる。成膜処理の場合は、ウエハ２００の面内において、略均一な膜厚とすることができる。
好ましくは、コントローラ２６０は、基板載置部２１０の温度と分散板２３４の温度（詳しくは対向面２３４ｄの温度）とが同じ温度になるように制御する。こうすると、ウエハ２００の面内において、ウエハ２００の温度がより均一になり、ウエハ２００の処理をより均一に行うことができる。なお、同じ温度とは、ウエハ２００を均一に処理できる範囲内の温度を含む。
好ましくは、このとき、コントローラ２６０は、基板載置部２１０の温度を所定の設定温度に制御した後、分散板２３４の温度（詳しくは対向面２３４ｄの温度）を所定の設定温度に制御する。このようにすると、ウエハ２００の温度をより早く安定させることができる。その理由は、ウエハ２００の温度は、分散板２３４の温度よりも基板載置部２１０の温度に、より追従し、かつ、より大きく影響されるからである。
好ましくは、このとき、コントローラ２６０は、分散板２３４の温度（詳しくは対向面２３４ｄの温度）を、処理ガスにより対向面２３４ｄに副生成物が付着する温度よりも高くするよう制御する。このようにすると、対向面２３４ｄに副生成物が付着することを抑制することができる。
（第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２）
上記温度設定終了後、第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２では、第１ガス供給系２４３のバルブ２４３ｄを開け、ガス導入口２４１、バッファ室２３２、分散板２３４の複数の貫通孔２３４ａを介して、処理室２０１内に第１の処理ガスとしてのＴｉＣｌ４ガスを供給開始する。このとき、第３ガス供給系２４５から不活性ガスを供給しつつ、第１の排気系２２０からの排気を行っている。
バッファ室２３２内では、ガスガイド２３５によってＴｉＣｌ４ガスが均一に分散される。均一に分散されたガスは、複数の貫通孔２３４ａを介して、処理室２０１内のウエハ２００上に均一に供給される。
第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２において、ＴｉＣｌ４ガスの流量が所定の流量となるように、マスフローコントローラ２４３ｃを調整する。ＴｉＣｌ４ガスの供給流量は、例えば１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下である。なお、ＴｉＣｌ４ガスとともに、第１不活性ガス供給系２４６からキャリアガスとしてＮ２ガスを、処理室２０１内に流してもよい。また、第１の排気系２２０のＡＰＣバルブ２２３の弁開度を適正に調整することにより、処理容器２０２内の圧力を、所定の圧力（例えば４００Ｐａ）とする。
処理室２０１内において、ＴｉＣｌ４ガスは、所定の時間、例えば０．０５〜１秒間、ウエハ２００上に供給される。ウエハ２００表面上には、ＴｉＣｌ４ガスがウエハ２００の表面に接触することによって「第１元素含有層」としてのチタン含有層が形成される。
チタン含有層は、例えば、処理容器２０２内の圧力、ＴｉＣｌ４ガスの流量、基板載置部（サセプタ）２１０の温度、処理室２０１での処理時間等に応じて、所定の厚さ及び所定の分布で形成される。
所定の時間経過後、バルブ２４３ｄを閉じ、ＴｉＣｌ４ガスの供給を停止する。ただし、第３ガス供給系２４５からの不活性ガス供給と、第１の排気系２２０からの排気は続行する。
（第１のパージ工程Ｓ２０４）
第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２が終了後、引き続き第１の排気系２２０からの排気と、第３ガス供給系２４５からのパージガス（不活性ガス）の供給とを行い、処理室２０１内の雰囲気、つまり処理室２０１内に残留したＴｉＣｌ４ガスを排出する。また、バルブ２７２を開けて、ＡＰＣバルブ２７３の弁開度又はＡＰＣバルブ２２３の弁開度を制御することにより、シャワーヘッド２３０内（詳しくはバッファ室２３２内）に残留したＴｉＣｌ４ガスを、第２の排気系２７０から除去する。第２の排気系２７０を用いることにより、バッファ室２３２内の残留ガスが効率よく排出される。
第１のパージ工程Ｓ２０４において供給された不活性ガスは、第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２でウエハ２００に結合できなかったチタン成分を、ウエハ２００上から除去する。
そして、第１のパージ工程Ｓ２０４開始から所定の時間経過後、バルブ２７２を閉じて第２の排気系２７０からの排気を停止する。このように、第１のパージ工程Ｓ２０４の開始から所定の時間経過後、第１の排気系２２０からの排気を行いつつ、バルブ２７２を閉じ第２の排気系２７０からの排気を停止することが望ましい。このようにすると、シャワーヘッド２３０から処理室２０１を経由し第１の排気系２２０に向けた不活性ガスの流れが第２の排気系２７０の影響を受けないので、より確実に不活性ガスをウエハ２００上に供給することが可能となり、ウエハ２００上の残留ガスの除去効率が更に高くなる。
なお、第１のパージ工程Ｓ２０４の開始時点から、第２の排気系２７０からの排気を停止する（つまり、第２の排気系２７０を不要とする）ことも可能である。このようにしても、処理室２０１内とバッファ室２３２内に残留したＴｉＣｌ４ガスを排出することは可能であり、このようにすると、シャワーヘッド２３０から処理室２０１内を経由し第１の排気系２２０に向けた不活性ガスの流れを形成することが容易になる。
所定の時間、第１のパージ工程Ｓ２０４を行った後、第１のパージ工程Ｓ２０４を終了し、第２の処理ガス供給工程Ｓ２０６へ移る。ただし、バルブ２４５ｄは開けた状態を続け、第３ガス供給系２４５からのパージガスの供給を続行する。
（第２の処理ガス供給工程Ｓ２０６）
第１のパージ工程Ｓ２０４の後、第２の処理ガス供給工程Ｓ２０６において、第１の排気系２２０からの排気を行いつつ、第２ガス供給系２４４のバルブ２４４ｄを開け、リモートプラズマユニット２４４ｅ、ガス導入口２４１、バッファ室２３２、分散板２３４の複数の貫通孔２３４ａを介して、処理室２０１内に第２の処理ガスとしてのＮＨ３ガスを供給開始する。処理室２０１内に供給されるＮＨ３ガスは、リモートプラズマユニット２４４ｅにより、プラズマ状態にされている。プラズマ状態にされたＮＨ３ガスを、バッファ室２３２と貫通孔２３４ａを介して、処理室２０１内に供給するので、ウエハ２００上に均一にＮＨ３ガスを供給することができる。そのため、ウエハ２００上に形成される膜厚を均一にすることができる。
このとき、ＮＨ３ガスの流量が所定の流量となるように、マスフローコントローラ２４４ｃを調整する。なお、ＮＨ３ガスの供給流量は、例えば１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下である。なお、ＮＨ３ガスとともに、第２不活性ガス供給系２４７からキャリアガスとしてＮ２ガスを、処理室２０１内に流してもよい。また、第１の排気系２２０のＡＰＣバルブ２２３の弁開度を適正に調整することにより、処理容器２０２内の圧力を、所定の圧力（例えば９３０Ｐａ）とする。
処理室２０１内において、プラズマ状態のＮＨ３ガスが、所定の時間、例えば０．３秒間、ウエハ２００上に供給される。ウエハ２００上に既に形成されているチタン含有層が、ＮＨ３ガスのプラズマによって改質されることにより、ウエハ２００の上には、チタン元素及び窒素元素を含有する層が形成される。
チタン元素及び窒素元素を含有する改質層（チタン及び窒素含有層）は、例えば、処理容器２０３内の圧力、ＮＨ３ガスの流量、基板載置部２１０の温度、プラズマ生成部２５０の電力供給具合等に応じて、所定の厚さ、所定の分布、チタン含有層に対する所定の窒素成分等の侵入深さで形成される。
ウエハ２００表面上にチタン及び窒素含有層が形成される際に、同時に、分散板２３４にもチタン及び窒素含有層が形成される。分散板２３４の対向面２３４ｄに、チタン及び窒素含有層が形成されると、分散板２３４から熱放射されるときの放射率が小さくなる。コントローラ２６０は、この放射率の低下に応じて、分散板ヒータ２３４ｈの出力を大きくし、分散板２３４から放射される熱量を一定に維持する。具体的には、コントローラ２６０は、クリーニング工程実施後における成膜工程の実施回数をカウントし、該成膜工程の実施回数に応じて、分散板ヒータ２３４ｈの出力を大きくする。つまり、成膜工程の実施回数が多くなるにつれて、分散板ヒータ２３４ｈの出力を大きくする。
なお、分散板２３４のウエハ２００と対向する対向面２３４ｄに形成される膜が、放射率を大きくする性質を有する場合は、コントローラ２６０は、成膜工程の実施回数が多くなるにつれて、分散板ヒータ２３４ｈの出力を小さくする。このような膜としては、例えば、窒化膜、酸化膜などがある。
このように、コントローラ２６０は、処理室２０１に処理ガスが供給されるときに、シャワーヘッド２３０から放射される熱の放射率を大きくする膜が対向面２３４ｄに付着している場合は、前記膜が対向面２３４ｄに付着していない場合よりも、分散板ヒータ２３４ｈの出力を小さくするよう制御し、シャワーヘッド２３０から放射される熱の放射率を小さくする膜が対向面２３４ｄに付着している場合は、前記膜が対向面２３４ｄに付着していない場合よりも、分散板ヒータ２３４ｈの出力を大きくするよう制御する。
基板載置部２１０から分散板２３４に移動する熱量ｑ（Ｗ/ｍ２）は、近似的に（式１）のように表すことができる。ここで、σは、ステファン・ボルツマン定数（≒５．６７ｘ１０-８）（Ｗ/ｍ２Ｋ４）である。Ｔ１は、基板載置部２１０の温度（Ｋ）である。Ｔ２は、分散板２３４の温度（Ｋ）である。ε1は、基板載置部２１０の放射率、ε2は、分散板２３４の放射率である。
Figure 2015124421
（式１）に示すように、分散板２３４の温度が基板載置部２１０より低い場合は、常に基板載置部２１０から分散板２３４の方に熱が移動している。このような状態でウエハ２００の面内温度を均一に制御するのは容易ではない。また、成膜処理を重ねていくと、ウエハ２００とともに分散板２３４の表面（対向面２３４ｄ）にも膜が付着していく。これによって分散板２３４表面の放射率ε2が変化するだけでなく、膜厚に応じても放射率ε2は経時的に変化する。その場合、（式１）より明らかなように、移動する熱量ｑも変化する。すなわち、ウエハ２００の温度を常に一定に保つためには、放射率ε2が変わるたびに、基板載置部ヒータ２１３の出力を調整しなければならない。
本実施形態において、分散板２３４と基板載置部２１０の温度を同じにした場合は、（式１）において見かけ上、熱の移動はゼロとなる。したがって、分散板２３４の表面（対向面２３４ｄ）に膜が付着し、分散板２３４表面の放射率ε2がいくら変化しても、分散板２３４の温度が影響されることはない。
またウエハ２００の上方の温度（分散板２３４の温度）と下方の温度（基板載置部２１０の温度）とが同じであるため、ウエハ２００の面内温度を均一に制御することも容易となり、成膜処理において処理の均一性を向上させることができる。
所定の時間経過後、バルブ２４４ｄを閉じ、処理室２０１内へのＮＨ３ガスの供給を停止する。ただし、第３ガス供給系２４５からの不活性ガス供給と、第１の排気系２２０からの排気は続行する。
（第２のパージ工程Ｓ２０８）
第２の処理ガス供給工程Ｓ２０６が終了後、引き続き第１の排気系２２０からの排気と、第３ガス供給系２４５からのパージガス（不活性ガス）の供給とを行い、処理室２０１内の雰囲気、つまり処理室２０１内に残留したＮＨ３ガスを排出する。また、バルブ２７２を開けて、ＡＰＣバルブ２７３の弁開度又はＡＰＣバルブ２２３の弁開度を制御することにより、シャワーヘッド２３０内（詳しくはバッファ室２３２内）に残留したＮＨ３ガスを、第２の排気系２７０から除去する。
第２のパージ工程Ｓ２０８において供給された不活性ガスは、第２の処理ガス供給工程Ｓ２０６でウエハ２００に結合できなかった窒素成分を、ウエハ２００上から除去する。
第２のパージ工程Ｓ２０８開始から所定の時間経過後、バルブ２７２を閉じて第２の排気系２７０からの排気を停止する。このように、第２のパージ工程Ｓ２０８の開始から所定の時間経過後、第１の排気系２２０からの排気を行いつつ、バルブ２７２を閉じ第２の排気系２７０からの排気を停止することが望ましい。このようにすると、シャワーヘッド２３０から処理室２０１を経由し第１の排気系２２０に向けた不活性ガスの流れが第２の排気系２７０の影響を受けないので、より確実に不活性ガスをウエハ２００上に供給することが可能となり、ウエハ２００上の残留ガスの除去効率が更に高くなる。
なお、第２のパージ工程Ｓ２０８の開始時点から、第２の排気系２７０からの排気を停止する（つまり、第２の排気系２７０を不要とする）ことも可能である。このようにしても、処理室２０１内とバッファ室２３２内に残留したＮＨ３ガスを排出することは可能であり、このようにすると、シャワーヘッド２３０から処理室２０１内を経由し第１の排気系２２０に向けた不活性ガスの流れを形成することが容易になる。
所定の時間、第２のパージ工程Ｓ２０８を行った後、第２のパージ工程Ｓ２０８を終了し、コントローラ２６０は、第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２から第２のパージ工程Ｓ２０８までを１サイクルとする処理サイクルを、所定回数実施したか否かを判定する。
所定回数実施していない場合、第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２へ移行し、第１の処理ガス供給工程Ｓ２０２、第１のパージ工程Ｓ２０４、第２の処理ガス供給工程Ｓ２０６、第２のパージ工程Ｓ２０８を１サイクルとする処理を行う。所定回数実施した場合、成膜工程Ｓ１０４を終了する。
（４）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す効果のうち、少なくとも１つ以上の効果を奏する。
（Ａ１）処理ガスが供給されるときに、基板載置台の温度を所定の温度とし、シャワーヘッドと基板載置台の温度差を所定の範囲内とするように構成したので、基板の面内温度均一性を向上することが容易になる。また、処理ガスが大流量であっても、基板に到達する前に処理ガスを十分に加熱することができる。
（Ａ２）基板載置面に基板を載置する際には、シャワーヘッドの温度を、処理ガスが供給されるとき（つまり成膜時）よりも高くするように構成したので、基板を所定温度にすることが容易になる。
（Ａ３）処理ガスが供給されるときに、シャワーヘッドから放射される熱の放射率を大きくする膜が、基板載置台に対向するシャワーヘッドの対向面に付着している場合は、前記膜が前記対向面に付着していない場合よりも、シャワーヘッドヒータの出力を小さくするように構成したので、シャワーヘッドと基板載置台の温度差を所定の範囲内とすることが容易になる。
（Ａ４）処理ガスが供給されるときに、シャワーヘッドから放射される熱の放射率を小さくする膜が、基板載置台に対向するシャワーヘッドの対向面に付着している場合は、前記膜が前記対向面に付着していない場合よりも、シャワーヘッドヒータの出力を大きくするように構成したので、シャワーヘッドと基板載置台の温度差を所定の範囲内とすることが容易になる。
（Ａ５）基板載置台を所定の温度にするようヒータ制御した後、シャワーヘッドを所定の温度にするようヒータ制御するように構成したので、基板の温度をより早く安定させることができる。
（Ａ６）処理ガスが供給されるときに、基板載置台の温度を所定の温度とし、シャワーヘッドと基板載置台の温度とを同じ温度とするように構成したので、基板の面内温度均一性を向上することがより容易になる。
（Ａ７）処理ガスが供給されるときに、基板載置台の温度を所定の温度とし、シャワーヘッドの温度を、処理ガスによりシャワーヘッドの対向面に副生成物が付着する温度よりも高くするように構成したので、シャワーヘッドの対向面に副生成物が付着することを抑制することができる。
＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の各実施形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
上述の実施形態では、第一元素含有ガスとしてチタン含有ガスを用い、第二元素含有ガスとして窒素含有ガスを用い、基板上に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を形成するＴｉＮ形成処理について説明したが、本発明は、ＴｉＮ膜形成処理に限られるものではない。第一元素含有ガスとして、例えばハフニウム（Ｈｆ）含有ガス、ジルコニウム（Ｚｒ）含有ガス、チタン（Ｔｉ）含有ガス、シリコン（Ｓｉ）含有ガスを用い、第二元素含有ガスとして酸素含有ガスを用いることも可能である。また、窒素含有ガスは、窒素（Ｎ２）ガス等を用いてもよい。
そして、本発明を適用することにより、酸化ハフニウム膜（ＨｆＯ膜）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ膜）、酸化チタン膜（ＴｉＯ膜）、酸化シリコン膜（ＳｉＯ膜）等のＨｉｇｈ−ｋ膜等を基板上に形成ことも可能である。
また、上述の実施形態では、２種類の処理ガスを交互に基板上に供給する成膜処理について説明したが、本発明は、複数種類の処理ガスを交互に基板上に供給する成膜処理に限られるものではなく、複数種類の処理ガスを同時に基板上に供給する成膜処理にも適用可能である。また、成膜処理以外の基板処理にも適用可能である。
また、上述の実施形態では、シャワーヘッド２３０は、シャワーヘッド加熱部として、シャワーヘッド蓋加熱部２３１ｂと、分散板ヒータ２３４ｈとを備えるように構成した。しかしながら、シャワーヘッド蓋２３１と分散板２３４のうちいずれか一方にのみ加熱部を設けるよう構成することも可能である。この場合、基板の温度を均一化するためには、ウエハ２００（つまり、基板載置部２１０）により近い分散板２３４に加熱部を設けることが好ましい。また、基板の温度をより均一化するためには、シャワーヘッド蓋２３１と分散板２３４の両方に加熱部を設けることが好ましい。
また、上述の実施形態では、基板２００を円形のウエハとしたが、矩形の基板であってもよい。
以下に、付記として本発明の態様を記す。
(付記１)
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に配置され、基板を載置する基板載置面を表面に有するとともに、第１のヒータを有する基板載置部と、
第２のヒータを有するとともに、前記基板載置面と対向する位置に設けられ、前記基板載置面と対向する対向面を有するシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドを介して前記処理室に、前記基板載置面に載置された基板を処理する処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排気系と、
前記基板載置面に基板を載置した後、前記処理ガス供給系から前記処理ガスが供給されるときに、前記基板載置部の温度を所定の温度とし、前記対向面と前記基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力を制御する制御部と、
を有する基板処理装置。
(付記２)
付記１に記載された基板処理装置であって、
前記制御部は、前記処理室に前記処理ガスを供給する前であって、前記基板載置面に基板を載置する際には、前記シャワーヘッドの温度を、前記処理ガス供給系から前記処理ガスが供給されるときよりも高くするよう、前記第２のヒータの出力を制御する基板処理装置。
(付記３)
付記１又は付記２に記載された基板処理装置であって、
前記制御部は、前記処理室に前記処理ガスが供給されるときに、前記シャワーヘッドから放射される熱の放射率を大きくする膜が前記対向面に付着している場合は、前記膜が前記対向面に付着していない場合よりも、前記第２のヒータの出力を小さくするよう制御する基板処理装置。
(付記４)
付記１ないし付記３のいずれかに記載された基板処理装置であって、
前記制御部は、前記処理室に前記処理ガスが供給されるときに、前記シャワーヘッドから放射される熱の放射率を小さくする膜が前記対向面に付着している場合は、前記膜が前記対向面に付着していない場合よりも、前記第２のヒータの出力を大きくするよう制御する基板処理装置。
(付記５)
付記１ないし付記４のいずれかに記載された基板処理装置であって、
前記制御部は、前記第２のヒータの出力を制御する際、前記基板載置部を所定の温度にするよう前記第１のヒータの出力を制御した後、前記シャワーヘッドを所定の温度にするよう前記第２のヒータの出力を制御する基板処理装置。
(付記６)
付記１ないし付記５のいずれかに記載された基板処理装置であって、
前記制御部は、前記基板載置面に基板を載置した後、前記処理ガス供給系から前記処理ガスが供給されるときに、前記基板載置部の温度を所定の温度とし、前記対向面の温度と前記基板載置部の温度とを同じ温度とするよう、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力を制御する基板処理装置。
(付記７)
付記１ないし付記５のいずれかに記載された基板処理装置であって、
前記制御部は、前記基板載置面に基板を載置した後、前記処理ガス供給系から前記処理ガスが供給されるときに、前記基板載置部の温度を所定の温度とし、前記対向面の温度を、前記処理ガスにより前記対向面に副生成物が付着する温度よりも高くするよう、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力を制御する基板処理装置。
(付記８)
第１のヒータを有する基板載置部の基板載置面に基板を載置する載置工程と、
前記基板載置面と対向する対向面を有し、第２のヒータを有するシャワーヘッドから、前記基板載置面に載置された基板に、該基板を処理する処理ガスを供給する処理ガス供給工程と、
前記処理ガス供給工程において、前記基板載置部の温度を所定の温度とするよう、前記第１のヒータの出力を制御するとともに、前記対向面と前記基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、前記第２のヒータの出力を制御する温度制御工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(付記９)
第１のヒータを有する基板載置部の基板載置面に基板を載置する載置工程と、
前記基板載置面と対向する対向面を有し、第２のヒータを有するシャワーヘッドから、前記基板載置面に載置された基板に、第１元素含有ガスを供給するとともに、前記基板載置部の温度を所定の温度とし、前記対向面と前記基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力を制御する第１元素含有ガス供給工程と、
前記第１元素含有ガス供給工程後に、前記基板載置面に載置された基板上から、前記第１元素含有ガスの残留物を除去する第１のパージ工程と、
前記第１のパージ工程後に、前記シャワーヘッドから前記基板載置面に載置された基板に、第２元素含有ガスを供給するとともに、前記基板載置部の温度を所定の温度とし、前記対向面と前記基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力を制御する第２元素含有ガス供給工程と、
前記第２元素含有ガス供給工程後に、前記基板載置面に載置された基板上から、前記第２元素含有ガスの残留物を除去する第２のパージ工程とを有し、
前記第１元素含有ガス供給工程と、前記第１のパージ工程と、前記第２元素含有ガス供給工程と、前記第２のパージ工程とを繰り返し行う半導体装置の製造方法。
１００…半導体製造装置（基板処理装置）、２００…ウェハ、２０１…処理室、２０１ａ…処理空間、２０１ｂ…搬送空間、２０２…処理容器、２０２ａ…上部容器、２０２ｂ…下部容器、２０４…仕切り板、２０５…ゲートバルブ、２０６…基板搬入出口、２０７…リフトピン、２０８…Ｏリング、２１０…基板載置部、２１０ｓ…基板載置部温度センサ（温度検知器）、２１１…基板載置面、２１３…基板載置部ヒータ（第１のヒータ）、２１４…基板載置部貫通孔、２１７…シャフト、２１８…昇降機構、２１９…ベローズ、２２０…第１の排気系（処理室排気ライン）、２２１…排気口、２２２…排気管、２２３…圧力調整器（ＡＰＣバルブ）、２２４…真空ポンプ、２３０…シャワーヘッド、２３１…蓋、２３１ａ…蓋穴、２３１ｂ…シャワーヘッド蓋加熱部、２３１ｃ…シャワーヘッド排気穴、２３１ｓ…蓋温度センサ（温度検知器）、２３２…バッファ室、２３３…絶縁ブロック、２３４…分散板、２３４ａ…貫通孔、２３４ｂ…凸状部、２３４ｃ…フランジ部、２３４ｄ…対向面、２３４ｈ…分散板ヒータ（第２のヒータ）、２３４ｓ…分散板温度センサ（温度検知器）、２３５…ガスガイド、２４１…ガス導入口、２４２…共通ガス供給管、２４３…第１ガス供給系、２４３ａ…第１ガス供給管、２４３ｂ…第１ガス供給源、２４３ｃ…流量制御器（マスフローコントローラ）、２４３ｄ…開閉弁（バルブ）、２４４…第２ガス供給系、２４４ａ…第２ガス供給管、２４４ｂ…第２ガス供給源、２４４ｃ…流量制御器（マスフローコントローラ）、２４４ｄ…開閉弁（バルブ）、２４４ｅ…リモートプラズマユニット、２４５…第３ガス供給系、２４５ａ…第３ガス供給管、２４５ｂ…第３ガス供給源、２４５ｃ…流量制御器（マスフローコントローラ）、２４５ｄ…開閉弁（バルブ）、２４６…第１不活性ガス供給系、２４６ａ…第１不活性ガス供給管、２４６ｂ…第１不活性ガス供給源、２４６ｃ…流量制御器（マスフローコントローラ）、２４６ｄ…開閉弁（バルブ）、２４７…第２不活性ガス供給系、２４７ａ…第２不活性ガス供給管、２４７ｂ…第２不活性ガス供給源、２４７ｃ…流量制御器（マスフローコントローラ）、２４７ｄ…開閉弁（バルブ）、２４８…クリーニングガス供給系、２４８ａ…クリーニングガス供給管、２４８ｂ…クリーニングガス供給源、２４８ｃ…流量制御器（マスフローコントローラ）、２４８ｄ…開閉弁（バルブ）、２５０…プラズマ生成部、２５１…整合器、２５２…高周波電源、２６０…コントローラ（制御部）、２６１…演算部、２６２…記憶部、２７０…第２の排気系（シャワーヘッド排気ライン）、２７１…排気管、２７２…開閉弁（バルブ）、２７３…圧力調整器（ＡＰＣバルブ）、２７４…真空ポンプ。

Claims (5)

  1. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室内に配置され、基板を載置する基板載置面を表面に有するとともに、第１のヒータを有する基板載置部と、
    第２のヒータを有するとともに、前記基板載置面と対向する位置に設けられ、前記基板載置面と対向する対向面を有するシャワーヘッドと、
    前記シャワーヘッドを介して前記処理室に、前記基板載置面に載置された基板を処理する処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
    前記処理室内の雰囲気を排出する排気系と、
    前記基板載置面に基板を載置した後、前記処理ガス供給系から前記処理ガスが供給されるときに、前記基板載置部の温度を所定の温度とし、前記対向面と前記基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力を制御する制御部と、
    を有する基板処理装置。
  2. 請求項１に記載された基板処理装置であって、
    前記制御部は、前記処理室に前記処理ガスを供給する前であって、前記基板載置面に基板を載置する際には、前記シャワーヘッドの温度を、前記処理ガス供給系から前記処理ガスが供給されるときよりも高くするよう、前記第２のヒータの出力を制御する基板処理装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載された基板処理装置であって、
    前記制御部は、前記第２のヒータの出力を制御する際、前記基板載置部を所定の温度にするよう前記第１のヒータの出力を制御した後、前記シャワーヘッドを所定の温度にするよう前記第２のヒータの出力を制御する基板処理装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載された基板処理装置であって、
    前記制御部は、前記基板載置面に基板を載置した後、前記処理ガス供給系から前記処理ガスが供給されるときに、前記基板載置部の温度を所定の温度とし、前記対向面の温度と前記基板載置部の温度とを同じ温度とするよう、前記第１のヒータの出力及び前記第２のヒータの出力を制御する基板処理装置。
  5. 第１のヒータを有する基板載置部の基板載置面に基板を載置する載置工程と、
    前記基板載置面と対向する対向面を有し、第２のヒータを有するシャワーヘッドから、前記基板載置面に載置された基板に、該基板を処理する処理ガスを供給する処理ガス供給工程と、
    前記処理ガス供給工程において、前記基板載置部の温度を所定の温度とするよう、前記第１のヒータの出力を制御するとともに、前記対向面と前記基板載置部の温度差を所定の範囲内とするよう、前記第２のヒータの出力を制御する温度制御工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
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