JP2015206105A - 基板処理装置及び半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】副生成物の影響を低減し、膜質の低下や歩留まり低下を抑制する基板処理装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板２００を処理する処理室２０１と、処理室２０１内に設けられた基板載置台２１２と、基板載置台２１２の基板載置面２１１に対向する位置に設けられ、第一のガスを供給する第一ガス供給孔２６２を含む第一の供給経路２５２と、第一のガスと反応する第二ガスを供給する第二ガス供給孔２６１を含む第二の供給経路２５１と、排気孔２６０を含む排気経路２５０とを有し、第一の供給経路２５２と第二の供給経路２５１と第三の供給経路がそれぞれ独立して設けられているシャワーヘッド２４０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板を処理し半導体を製造する基板処理蔵置及び半導体製造方法に関する。

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、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。

上記パターンを形成する方法の一つとして、回路間に溝を形成し、そこにシード膜やライナー膜、配線等を形成する工程が存在する。この溝は、近年の微細化に伴い高いアスペクト比となるよう構成されている。

ライナー膜等を形成するに際しては、溝の上部側面、中部側面、下部側面、底部においても膜厚にばらつきが無い良好なステップカバレッジの膜を形成することが求められている。良好なステップカバレッジの膜とすることで、半導体デバイスの特性を溝間で均一とすることができ、それにより半導体デバイスの特性ばらつきを抑制することができるためである。

この高いアスペクト比の溝を処理するために、ガスを加熱して処理することや、ガスをプラズマ状態として処理することが試みられたが、良好なステップカバレッジを有する膜を形成することは困難であった。

上記膜を形成する方法として、原料ガスと、その原料ガスと反応する反応ガスの少なくとも二種類の処理ガスを交互に基板に供給し、それらのガスを反応させ膜を形成する交互供給方法がある。交互供給方法は、原料ガスと反応ガスを基板表面で反応させて一層ずつ膜を形成し、その一層ずつの膜を積層させて所望の膜厚を形成する方法である。この方法では原料ガスと反応ガスを基板表面以外で反応させないために、各ガスを供給する間に残ガスを除去するためのパージ工程を有することが望ましい。

一方、半導体デバイスの特性を均一とする必要があることから、薄膜を形成する際、基板面内に対してガスを均一に供給する必要がある。それを実現するために、基板の処理面に均一にガスを供給することが可能な枚葉装置が開発されている。この枚葉装置では、ガスをより均一に供給するために、例えば基板上にバッファ空間を有するシャワーヘッドを設けている。

前述の交互供給方法では、各ガスが基板表面以外で反応することを抑制するために、各ガスを供給する間に残ガスをパージガスでパージすることが知られているが、そのような工程を有するために成膜時間が遅いという問題がある。そこで処理時間を短縮するために、大量のパージガスを流し、残ガスを排出している。

前述の交互供給法を実現する装置として、例えば図１０に記載の一般的な枚葉装置がある。図１０は一般的な基板処理装置における、サセプタの上に基板１を載置し、基板上にガスを供給することで膜を形成する装置の反応室の縦断面図である。

図１０における装置では、シャワーヘッド２を介して基板１上にガスを供給し、膜を形成するものである。この枚葉式基板処理装置においては、処理室内で基板１を加熱機構３により加熱し、反応室上部に接続したガス供給ライン４からシャワーヘッド２を介して処理室内の基板１表面にシャワー状に成膜ガスを供給する。

この装置を用いて交互供給法を実施する際に、次のような処理を行う。第一工程として、シャワーヘッド２を介して処理室に原料ガスを供給する原料ガス供給工程を行う。原料ガス供給工程では基板１上に原料ガスを含有する膜を形成する。第二工程として原料ガスを処理室から排気する排気工程を行う。第三工程として処理室に反応ガスを供給し、原料ガスの膜と反応させた膜を形成する。第四工程として原料ガスを処理室から排気する排気工程を行う。以上説明した第一から第四の工程を繰り返すことで、所望の膜厚の膜を形成する。

前述した一般的な装置にて交互供給法を実施する場合、シャワーヘッド２を介して、原料ガスと、その原料ガスと反応する反応ガスの少なくとも二種類の処理ガスを交互に基板１に供給し、それらのガスを反応させ膜を形成する。

シャワーヘッド２から処理ガスを供給する際は、基板１の中央部と対向するシャワーヘッド２の中央部６、および基板１の周縁部と対向するシャワーヘッドの周縁部７からそれぞれ処理ガスが供給される。シャワーヘッド中央部６から供給されたガスは基板１の中央部に供給され、シャワーヘッド周縁部７から供給されたガスは基板の周縁部に供給される。供給されたガスによって膜を形成する。ガスを供給する際は、バルブ等を制御して供給孔４からガスを供給すると共に、排気ポンプ作動させ基板の側方から排気孔を介して囲気を排気し、所定の圧力を維持している。

反応ガスを供給する際、基板１上で原料ガスと反応ガスが反応するが、その際に基板上では副生成物が発生することが知られている。副生成物は、気体状態の物質、固体状態の物質が考えられる。

発明者の鋭意研究により、発生した副生成物には次の問題があることがわかった。一つ目として、固体状の副生成物が基板上に付着してしまうことである。二つ目として、原料ガスを供給した際、副生成物が原料ガスと膜との間に介在してしまい、副生成物と原料ガスとの反応を阻害する可能性があることである。

特に前述したように、シャワーヘッドを介して基板上面からガスを供給し、基板の側面から排気する形態の装置においては、基板中央部で生成された固体状副生成物の排気が基板周縁部で生成された副生成物の排気に比べて遅いため、基板中央で固体状副生成物が残留し、基板上に付着してしまう。

その結果、基板面内において膜密度や膜厚にばらつきが起き、膜質の低下や歩留まり低下につながる恐れがある。

そこで、本発明の目的は、副生成物の影響を低減し、膜質の低下や歩留まり低下を抑制する基板処理装置及び半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の一形態によれば、
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられた基板載置台と、
前記基板載置台の基板載置面に対向する位置に設けられ、第一のガスを供給する第一ガス供給孔を含む第一の供給経路と、前記第一のガスと反応する第二ガスを供給する第二ガス供給孔を含む第二の供給経路と、排気孔を含む排気経路とを有し、前記第一の供給経路と前記第二の供給経路と前記第三の供給経路がそれぞれ独立して設けられているシャワーヘッド
とを有する基板処理装置が提供される。

さらに本発明の他の態様によれば、
基板を処理室に搬入し、前記処理室内に設けられた基板載置台に載置する工程と、
前記基板載置台の基板載置面に対向する位置に設けられ、第一のガスを供給する第一ガス供給孔を含む第一の供給経路と、前記第一のガスと反応する第二ガスを供給する第二ガス供給孔を含む第二の供給経路と、排気孔を含む排気経路とを有し、前記第一の供給経路と前記第二の供給経路と前記第三の供給経路がそれぞれ独立して設けられているシャワーヘッドから前記処理室に前記第一ガスと前記第二ガスとを交互に供給すると共に、前記第一ガスまたは前記第二ガスを供給する間、前記排気孔から前記処理室の雰囲気を排気する基板処理工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、固体状副生成物の影響を低減し、膜質の低下や歩留まり低下を抑制する基板処理装置及び半導体装置の製造方法が提供される。

本発明にかかる基板処理装置の縦断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる基板処理装置の縦断面図であり、ガス供給ステップ時を示している。 本発明の第１実施形態にかかる基板処理装置の縦断面図であり、ガス排気ステップ時を示している。 本発明の第２実施形態にかかる基板処理装置の縦断面図であり、第一ガス供給ステップ時を示している。 本発明の第２実施形態にかかる基板処理装置の縦断面図であり、ガス排気ステップ時を示している。 本発明の第２実施形態にかかる基板処理装置の縦断面図であり、第二ガス供給ステップ時を示している。 本発明にかかる基板処理工程のフローである。 本発明にかかる基板処理工程の成膜工程のフローである。 本発明の実施形態にかかる排気孔、供給孔の配置例を示す図である。 一般的な基板処理装置の反応室の縦断面図である。

（１）基板処理装置の構成
図１は本発明に用いられる所謂ポストミックス構造の基板処理装置であり、第１実施形態を示している。
まず、本実施形態にかかる基板処理装置の各構成を順に説明する。

＜処理室＞
図１に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置は、処理容器２０２を備えている。処理容器２０２は、例えば横断面が円形であり扁平な密閉容器として構成されている。また、処理容器２０２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス（ＳＵＳ）など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内には、ウエハ２００を支持する支持台２１２が設けられている。ウエハ２００が直接触れる支持台２１２の上面には、例えば、石英（ＳｉＯ２ ）、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２ Ｏ３）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などから構成された基板載置面２１１が設けられている。

また、支持台２１２には、ウエハ２００を加熱する加熱手段としてのヒータ２１３が内蔵されている。支持台２１２は、シャフトによって支持され、シャフトは、処理容器２０２の底部を貫通している。

基板載置面やヒータを有する基板載置台２１２とシャフトをまとめて基板載置部、もしくは基板支持部と呼ぶ。

処理室２０１の外部には、シャフトを介して支持台２１２を昇降させる図示しない昇降機構が設けられている。この昇降機構を作動させて支持台２１２を昇降させることにより、基板載置面２１１上に支持されるウエハ２００を昇降させることが可能となっている。支持台２１２は、ウエハ２００の搬送時には、最下位置（ウエハ搬送位置）まで下降し、ウエハ２００の処理時には図１で示される位置（ウエハ処理位置）まで上昇する。なお、支持台２１２を支持するシャフトの周囲は、ベローズ２０３により覆われており、処理室２０１内は気密に保持されている。

また、処理室２０１の底面（床面）には、例えば複数本のリフトピン２０７が鉛直方向に立ち上がるように設けられている。また、支持台２１２（基板載置面２１１も含む）には、かかるリフトピン２０７を貫通させるための貫通孔２１４が、リフトピン２０７に対応する位置にそれぞれ設けられている。そして、支持台２１２をウエハ搬送位置まで下降させた時には、リフトピン２０７の上端部がサセプタ２１７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、支持台２１２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の上面から埋没して、支持台２１２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と直接触れるため、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。

＜ウエハ搬送口＞
処理室２０１（処理容器２０２）の内壁側面には、処理室２０１の内外にウエハ２００を搬送するためのウエハ搬送口２０５が設けられている。ウエハ搬送口２０５にはゲートバルブが設けられており、ゲートバルブを開くことにより、処理室２０１内と搬送室（予備室）内とが連通するようになっている。搬送室は搬送容器（密閉容器）内に形成されており、搬送室内にはウエハ２００を搬送する搬送ロボットが設けられている。搬送ロボットには、ウエハ２００を搬送する際にウエハ２００を支持する搬送アームが備えられている。支持台２１２をウエハ搬送位置まで下降させた状態で、ゲートバルブを開くことにより、搬送ロボットにより処理室２０１内と搬送室内との間でウエハ２００を搬送することが可能となっている。処理室２０１内に搬送されたウエハ２００は、上述したようにリフトピン２０７上に一時的に載置される。なお、搬送室のウエハ搬送口２０５が設けられた側と反対側には、図示しないロードロック室（ロードロックモジュール）が設けられており、搬送ロボットによりロードロック室内と搬送室内との間でウエハ２００を搬送することが可能となっている。ちなみに、ロードロック室は、未処理もしくは処理済ウエハ２００を一時的に収容する予備室として機能する。

＜ガス導入口＞
処理容器２０２の内壁側面には、処理室２０１内に各種ガスを供給するための第一ガス供給管２４３ａ及び第二ガス供給管２４４ａが接続されている。この第一ガス供給管２４３ａより導入されたガスは、後述するシャワーヘッド２４０の第一ガス供給孔２６２を通り、基板２００上に晒され膜を処理する。また、第二ガス供給管２４４ａより導入されたガスは、後述するシャワーヘッド２４０の第二ガス供給孔２６１を通り、基板２００上に晒され膜を処理する。なお、第一ガス供給管２４３ａ及び第二ガス供給管２４４ａに接続される各ガス供給系の構成については後述する。

＜第一ガス供給部＞
第一ガス供給管２４３ａには、上流から第一ガス供給源２４３ｂ、マスフローコントローラ２４３ｃ、バルブ２４３ｄが設けられている。第一ガス供給源２４３ｂは第一ガスの供給源であり、例えばタンクである。マスフローコントローラ２４３ｃ、バルブ２４３ｄを制御することで、処理室２０１への第一ガス供給を制御する。

バルブ２４３ｄの下流には第一不活性ガス供給管２４６ａが接続されている。第一不活性ガス供給管２４６ａには、上流から不活性ガス供給源２４６ｂ、マスフローコントローラ２４６ｃ、バルブ２４６ｄが設けられている。第一不活性ガス供給源２４６ｂは不活性ガスの供給源であり、例えばタンクである。マスフローコントローラ２４６ｃ、バルブ２４３ｄを制御することで、処理室２０１への第一ガス供給を制御する。

ここで、第一ガス供給管２４３ａ、マスフローコントローラ２４３ｂ、バルブ２４３ｄをまとめて第一ガス供給部と呼ぶ。なお、第一ガス供給部に第一不活性ガス供給管２４６ａ、マスフローコントローラ２４６ｃ、バルブ２４６ｄを含めても良い。

更には、第一ガス供給部に第一ガス供給源２４３ｂや不活性ガス供給源２４６ｂを含めても良い。

＜第二ガス供給部＞
第二ガス供給管２４４ａには、上流から第二ガス供給源２４４ｂ、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が設けられている。第二ガス供給源２４４ｂは第二ガスの供給源であり、例えばタンクである。マスフローコントローラ２４４ｃ、バルブ２４４ｄを制御することで、処理室２０１への第二ガス供給を制御する。リモートプラズマユニット２４４ｅは、通過する第二ガスをプラズマ状態とする。

バルブ２４４ｄの下流には第二不活性ガス供給管２４７ａが接続されている。第二不活性ガス供給管２４７ａには、上流から不活性ガス供給源２４７ｂ、マスフローコントローラ２４７ｃ、バルブ２４７ｄが設けられている。第二不活性ガス供給源２４７ｂは不活性ガスの供給源であり、例えばタンクである。マスフローコントローラ２４７ｃ、バルブ２４７ｄを制御することで、処理室２０１への第二ガス供給を制御する。

ここで、第二ガス供給管２４４ａ、マスフローコントローラ２４４ｂ、バルブ２４４ｄをまとめて第二ガス供給部と呼ぶ。なお、第二ガス供給部に第一不活性ガス供給管２４７ａ、マスフローコントローラ２４７ｃ、バルブ２４７ｄを含めても良い。

更には、第二ガス供給部にリモートプラズマユニット２４４ｅを含めても良い。更には、第二ガス供給部に第一ガス供給源２４４ｂや不活性ガス供給源２４７ｂを含めても良い。

尚、リモートプラズマユニット２４４ｅ単独でプラズマ生成部と呼んでも良い。

＜排気系（排気部）＞
処理室２０１の上部に設けられる後述するシャワーヘッド２４０の上面の天井壁２４１には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２４８ａが設けられている。なお、排気管２４８ａ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２４８ｂ、排気バルブ２４８ｃ及び真空ポンプ２４８ｄが順に直列に接続されている。主に、排気管２４８ａ、圧力調整器２４８ｂ、排気バルブ２４８ｃ、真空ポンプ２４８ｄにより排気系（排気ライン) が構成される。なお、排気系を排気部と呼んでも良い。

＜シャワーヘッド＞
排気管２４８ａと、ウエハ処理位置におけるウエハ２００との間には、シャワーヘッド２４０が設けられている。シャワーヘッド２４０は、第一ガス供給管２４３ａから供給した第一ガスを均一に分散させて基板載置台２１２上のウエハ２００の表面に供給するための第一の分散板２３０と、第二ガス供給管２４４ａから供給した第二ガスを均一に分散させて基板載置台２１２上のウエハ２００の表面に供給するための第二の分散板２３１と、排気管２４８ａから排気されるガスを基板２００上から均一に排気するための第三の分散板２３２と、を備えている。第一の分散板２３０には、複数の第一ガス供給孔２６２が設けられている。第二の分散板２３１には、複数の第二ガス供給孔２６１が設けられている。第三の分散板２３２には、複数のガス排気孔２６０が設けられている。第一の分散板２３０は、基板載置台２１２上のウエハ２００と対向するように配置されている。第二の分散板２３１は、第一の分散板２３２と第三の分散板２３０との間に配置されている。第三の分散板２３２は、シャワーヘッド２４０の天井壁２４１の下面と対向するように配置されている。なお、第一ガス供給孔２６２と、第一の分散板２３０と第二の分散板２３１との間の空間とまとめて第１ガス供給孔の供給経路２５２と呼び、第二ガス供給孔２６１と第二の分散板２３１と第三の分散板２３２との間の空間とを第２ガス供給孔の供給経路２５１と呼び、排気孔２６０と、シャワーヘッド２４０の天井壁２４１と第三の分散板２３２との間の空間とをまとめて排気経路２５０と呼ぶ。第１ガス供給孔の供給経路２５２は、第一ガス供給孔２６２を介して処理室２０１と連通している。また、第２ガス供給孔の供給経路２５１は、第二ガス供給孔２６１を介して、処理室２０１と連通している。さらに、排気経路２５０は、ガス排気孔２６０を介して処理室２０１と連通している。第１ガス供給孔の供給経路２５２と第２ガス供給孔の供給経路２５１と排気経路２５０はそれぞれ空間的に独立しており、各径路を通過するガスが混合されないよう構成されている。なお、供給経路２５２に連続する第一ガス供給孔２６２、第二ガス供給孔２６１、排気孔２６０もシャワーヘッド内で空間的に独立しており、各供給孔を通過するガスが混合しないよう構成される。

＜第1実施形態＞
ここで、ウエハ処理時における処理室２０１内のガスの流れについて、第1実施形態として、ガス供給系が１つの場合を例にして図２、図３を用いて説明する。
図２において、まず、（第一）ガス供給管２４３ａから（第一の）分散板２３０の上部の（第一）ガス供給孔の供給経路２５２へと供給された（第一）ガスは、（第一）ガス供給孔の供給経路２５２を経て（第一の）分散板２３０の多数の孔２６２を通過して処理室２０１内に供給され、ウエハ２００上に均一に供給される。そして、ウエハ２００上に供給された（第一）ガスは、ウエハ２００の径方向外側に向かって放射状に流れる。そして、ウエハ２００に接触した後の余剰な（第一）ガスは、図３に示すように、多数の排気孔２６０を通過して、排気経路２５０を経て、ウエハ２００の上部に位置する排気管２４８ａから、処理室２０１外へと排出される。

ところで、（第一の）分散板２３０の多数の孔から処理室２０１内に均一に流出したガスは、シャワー板２４０ｂ直下からウエハ２００の表面上をウエハ２００周縁方向へ向かって流れる。このため、（第一の）分散板２３０中心部の孔からウエハ２００表面の中心部に流出した処理ガスは、ウエハ２００表面の中心部付近で膜と反応することで固体状の副生成物を発生させ、それがウエハ表面の中心で反応を阻害させて所望の膜厚の膜を形成できない。更には、排気が促進されているウエハ２００の周縁側では、反応を阻害する副生成物が排気されやすく、更には中心からガスが流れ込むことから、中心に比べて膜と反応するガスの量が多くなり、ウエハ２００の周縁部における膜厚が中心部に比べ厚くなってしまうことが考えられる。発生した副生成物が中心部に付着し、その結果膜の特性に悪影響を及ぼすことが考えられる。

そこで、本実施形態においては、残留ガスや副生成物がウエハ上から早期に除去されるように、ウエハ２００の直上方向からガス排気を行うものとした。
ところで、（第一の）分散板２３０から処理室２０１内に噴出するガスの流量は、（第一の）分散板２３０の各供給孔２６２からそれぞれの地点での（第一）ガス供給孔２６２の供給経路２５２内と処理室２０１内との圧力差に依存する。従って、（第一）ガス供給孔２６２の供給経路２５２内において周縁ほど低い圧力分布を形成することで、（第一の）分散板２３０から処理室２０１内に噴出するガスの流量を中心部ほど多く周縁ほど少ない分布とすることができる。このようにして、（第一の）分散板２３０によってウエハ２００の周縁部に供給される処理ガスの流量を予め減少させることができるため、ウエハ２００上の処理ガス濃度を一定にすることができる。これにより、ウエハ２００に面内膜厚分布が全体にわたって均一になるように、成膜することができる。

若しくは、（第一の）分散板２３０から処理室２０１内に噴出するガスの流量を、（第一の）分散板２３０に設けられた各供給孔２６２をウエハ２００の周縁部より中心部の方が大きくなるよう制御することにより、（第一の）分散板２３０から処理室２０１内に噴出するガスの流量を中心部ほど多く周縁ほど少ない分布とすることができる。このようにして、（第一の）分散板２３０によってウエハ２００の周縁部に供給される処理ガスの流量を予め減少させることができるため、ウエハ２００上の処理ガス濃度を一定にすることができる。これにより、ウエハ２００に面内膜厚分布が全体にわたって均一になるように、成膜することができる。

（制御部）
制御部（制御手段）である制御部２８０は、以上説明した各構成の制御を行うものである。

以上の構成はガス供給系が１つの場合を例にして説明したが、２種類のガスを用いた場合のように、ガス供給系が複数（２口）使用される場合についても同様の動作が実施される。この場合の第２実施形態を図３に示す。この構成では、第一のガスＡを複数層に構成（複数の分散板により構成）される下側の層より導入し、第二のガスＢを複数層に構成される上層側より導入する。どちらのガスを上側から導入するかについては、複数種のガスの組み合わせの特性により適宜決定する。

＜第２実施形態＞
次に、半導体装置の製造方法の一工程として、基板処理装置１００を使用して、ウエハ２００上に薄膜を形成する工程について説明する。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はコントローラ２８０により制御される。

ここでは、原料ガス（第一の処理ガス）として塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスを用い、反応ガス（第二の処理ガス）としてアンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いて、ウエハ２００上にチタン含有膜としてＴｉＮ（窒化チタン）膜を交互供給法により形成する例について説明する。

図４、５、６を用いて基板処理工程を説明する。図４は、第一ガスを処理室に供給する工程を説明する図であり、図５は、処理室内のガスを排気する工程を説明する図であり、図６は、第二ガスを処理室に供給する工程を説明する図である。本実施形態に係る基板処理工程及びクリーニング工程を示すフロー図である。図７、図８は、図４、図５、図６の成膜工程の詳細を示すフロー図である。

（基板搬入・載置工程：Ｓ１０２）
基板処理装置１００では、先ず、基板載置台２１２をウエハ２００の搬送位置まで下降させることにより、基板載置台２１２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、基板載置台２１２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を開いて搬送空間を移載室（図示せず）と連通させる。そして、この移載室からウエハ移載機（図示せず）を用いてウエハ２００を搬送空間に搬入し、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、基板載置台２１２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を搬入したら、ウエハ移載機を処理容器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、基板載置台２１２を上昇させることにより、基板載置台２１２に設けられた基板載置面２１１上にウエハ２００を載置させ、さらに基板載置台２１２を上昇させることにより、前述した処理空間２０１内の処理位置までウエハ２００を上昇させる。

なお、この工程において、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内に不活性ガスとしてのＮ_２ガスを供給してもよい。すなわち、ＴＭＰあるいはＤＰで処理容器２０２内を排気しつつ、少なくとも第三ガス供給系のバルブ２４６ｄを開けることにより、処理容器２０２内にＮ_２ガスを供給してもよい。これにより、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。

また、ウエハ２００を基板載置台２１２の上に載置する際は、基板載置台２１２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の表面が所定の処理温度となるよう制御される。この際、ヒータ２１３の温度は、図示しない温度センサにより検出された温度情報に基づいてヒータ２１３への通電具合を制御することによって調整される。

このようにして、基板搬入・載置工程（Ｓ１０２）では、処理空間２０１内を所定の処理圧力となるように制御するとともに、ウエハ２００の表面温度が所定の処理温度となるように制御する。ここで、所定の処理温度、処理圧力とは、後述する成膜工程（Ｓ１０４）において、交互供給法によりＴｉＮ膜を形成可能な処理温度、処理圧力である。すなわち、第一の処理ガス（原料ガス）供給工程（Ｓ２０２）で供給する原料ガスが自己分解しない程度の処理温度、処理圧力である。具体的には、処理温度は室温以上５００℃以下、好ましくは室温以上４００℃以下、処理圧力は５０〜５０００Ｐａとすることが考えられる。この処理温度、処理圧力は、後述する成膜工程（Ｓ１０４）においても維持されることになる。

（成膜工程：Ｓ１０４）
基板搬入・載置工程（Ｓ１０２）の後は、次に、成膜工程（Ｓ１０４）を行う。以下、図８を参照し、成膜工程（Ｓ１０４）について詳細に説明する。なお、成膜工程（Ｓ１０４）は、異なる処理ガスを交互に供給する工程を繰り返すサイクリック処理である。

（第一のガス処理工程：Ｓ２０２）
成膜工程（Ｓ１０４）では、先ず、第一のガス処理（原料ガス）工程（Ｓ２０２）を行う。なお、第一の処理ガスが例えばＴｉＣｌ_４等の液体原料である場合、原料を気化させて原料ガス（すなわちＴｉＣｌ_４ガス）を生成（予備気化）させておく。原料ガスの予備気化は、上述した基板搬入・載置工程（Ｓ１０２）と並行して行ってもよい。原料ガスを安定して生成させるには、所定の時間を要するからである。

第一の処理ガスを供給する際は、バルブ２４３ｄを開くとともに、原料ガスの流量が所定流量となるようにマスフローコントローラ２４３ｃを調整することで、処理空間２０１内への原料ガス（ＴｉＣｌ_４ガス）の供給を開始する。原料ガスの供給流量は、例えば１００〜５００ｓｃｃｍである。第一の処理ガスである原料ガスは、第一の分散板２３０の第一ガス供給孔２６２により分散されて処理空間２０１内のウエハ２００上に均一に供給される。

このとき、第一不活性ガス供給系のバルブ２４６ｄを開き、第一不活性ガス供給管２４６ａから不活性ガス（Ｎ_２ガス）を供給する。不活性ガスの供給流量は、例えば５００〜５０００ｓｃｃｍである。

処理空間２０１の余剰な原料ガスは、複数の排気孔２６０から排気空間である排気経路２５０へ均一に流入し、ガス排気系の排気管２４８ａ内を流れて排気される。具体的には、ガス排気系におけるバルブ２４８ｃが開状態とされ、ＡＰＣ２４８ｄによって処理空間２０１の圧力が所定の圧力となるように制御される。

このときの処理空間２０１内の処理温度、処理圧力は、原料ガスが自己分解しない程度の処理温度、処理圧力とされる。そのため、ウエハ２００上には、原料ガスの成分を含む原料ガス成分含有膜が形成される。本実施例においては、例えばＴｉＣｌ４の一成分であるチタン（Ｔｉ）を含むチタン含有膜が形成される。

原料ガスの供給を開始してから所定時間経過後、バルブ２４３ｄを閉じ、原料ガスの供給を停止する。原料ガス及びキャリアガスの供給時間は、例えば２〜２０秒である。

（第一のガス排気工程：Ｓ２０４）
次いで、第三ガス供給管２４６ａから不活性ガス（Ｎ_２ガス）を供給し、処理空間２０１のパージを行う。このとき、ガス排気系におけるバルブ２４８ｃは開状態とされてＡＰＣによって処理空間２０１の圧力が所定の圧力となるように制御される。これにより、第一の処理ガス供給工程（Ｓ２０２）でウエハ２００に吸着できなかった原料ガスは、ガス排気系における真空ポンプ２４８ｄにより、排気孔２６０、排気経路２５０及び排気管２４８ａを介して処理空間２０１から除去される。

第一のガス排気工程（Ｓ２０４）における不活性ガス（Ｎ_２ガス）の供給流量は、例えば１０００〜１００００ｓｃｃｍである。また、不活性ガスの供給時間は、例えば２〜１０秒である。

（第二の処理ガス供給工程：Ｓ２０６）
処理空間２０１のパージが完了したら、続いて、第二の処理ガス（反応ガス）供給工程（Ｓ２０６）を行う。第二の処理ガス供給工程（Ｓ２０６）では、バルブ２４４ｄを開けて、リモートプラズマユニット２４４ｅ、第二の分散板２３１の第二ガス供給孔２６１を介して、処理空間２０１内への反応ガス（ＮＨ_３ガス）の供給を開始する。このとき、反応ガスの流量が所定流量となるように、ＭＦＣ２４４ｃを調整する。反応ガスの供給流量は、例えば１０００〜１００００ｓｃｃｍである。

プラズマ状態の反応ガスは、シャワーヘッド２３０により分散されて処理空間２０１内のウエハ２００上に均一に供給され、ウエハ２００上に形成しているＴｉ膜と反応して、ウエハ２００上に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を生成する。このとき、反応副生成物である塩化アンモニア（ＮＨ_４Ｃｌ）が生成される。

このとき、第二不活性ガス供給系のバルブ２４７ｄを開き、第二不活性ガス供給管２４７ａから不活性ガス（Ｎ_２ガス）を供給する。不活性ガスの供給流量は、例えば５００〜５０００ｓｃｃｍである。

余剰な反応ガスや反応副生成物は、処理空間２０１内から排気経路２５０へ流入し、ガス排気系の排気管２４８ａ内を流れて排気される。具体的には、ガス排気系におけるバルブ２４８ｃが開状態とされ、ＡＰＣ２４８ｄによって処理空間２０１の圧力が所定の圧力となるように制御される。

反応ガスの供給を開始してから所定時間経過後、バルブ２４４ｄを閉じ、反応ガスの供給を停止する。反応ガス及びキャリアガスの供給時間は、例えば２〜２０秒である。

ところで、第一の分散板２３０の多数のガス供給孔２６２から処理室２０１内に均一に流出したガスは、分散板２３１直下からウエハ２００の表面上をウエハ２００周縁方向へ向かって流れる。供給された第二のガスである反応ガスは、ウエハ２００表面の中心部付近に第一の処理ガス供給工程Ｓ２０２にて形成された第一元素含有膜と反応することで副生成物を発生させる。発生した副生成物はウエハ表面の中心において、膜と第二ガスとの反応を阻害させてしまうため、ウエハの中心では所望の膜厚の膜を形成できない。また、排気が促進されているウエハ２００の周縁側では、反応を阻害する副生成物が排気されやすく、更には中心からガスが流れ込むことから、中心に比べて膜と反応するガスの量が多くなり、ウエハ２００の周縁部における膜厚が中心部に比べ厚くなってしまうことが考えられる。即ち、基板面内において膜厚や膜質の均一性を得ることができない。更には、発生した副生成物が中心部に付着し、その結果膜の特性に悪影響を及ぼすことが考えられる。

そこで、本実施形態においては、残留ガスや副生成物がウエハ上から早期に除去されるように、ウエハ２００の直上方向からガス排気を行うものとした。
ところで、分散板２３１から処理室２０１内に噴出するガスの流量は、分散板２３１の各ガス供給孔２６１からそれぞれの地点での第二ガス供給孔の供給経路２５１内と処理室２０１内との圧力差に依存する。そのため、第二ガス供給孔の供給経路２５１内において周縁ほど低い圧力分布を形成することにより、分散板２３１から処理室２０１内に噴出するガスの流量を中心部ほど多く周縁ほど少ない分布とすることができる。このようにして、分散板２３１によってウエハ２００の周縁部に供給される処理ガスの流量を予め減少させることができるため、ウエハ２００上の処理ガス濃度を一定にすることができる。これにより、ウエハ２００に面内膜厚分布が全体にわたって均一になるように、成膜することができる。

若しくは、分散板２３１から処理室２０１内に噴出するガスの流量は、分散板２３１に設けられた各ガス供給孔２６１をウエハ２００の周縁部より中心部の方が大きくなるように形成することにより、分散板２３１から処理室２０１内に噴出するガスの流量を中心部ほど多く周縁ほど少ない分布とすることができる。このようにして、分散板２３１によってウエハ２００の周縁部に供給される処理ガスの流量を予め減少させることができるため、ウエハ２００上の処理ガス濃度を一定にすることができる。これにより、ウエハ２００に面内膜厚分布が全体にわたって均一になるように、成膜することができる。

（第二の処理ガス排気工程：Ｓ２０８）
次いで、第二の処理ガス排気工程（Ｓ２０８）を行って、処理空間２０１に残留している反応ガスや反応副生成物を除去する。この第二の処理ガス排気工程（Ｓ２０８）についても、既に説明した第一の処理ガス排気工程（Ｓ２０４）と同様に行えばよいため、ここでの説明は省略する。

（判定工程：Ｓ２１０）
以上の第一の処理ガス供給工程（Ｓ２０２）、第一の処理ガス排気工程（Ｓ２０４）、第二の処理ガス供給工程（Ｓ２０６）、第二の処理ガス排気工程（Ｓ２０８）を１サイクルとして、コントローラ２８０は、このサイクルを所定回数（ｎサイクル）実施したか否かを判定する（Ｓ２１４）。サイクルを所定回数実施すると、ウエハ２００上には、所望膜厚のシリコン窒化（ＴｉＮ）膜が形成される。

（基板搬出入工程：Ｓ１０６）
基板搬出入工程（Ｓ１０６）では、基板載置台２１２を下降させ、基板載置台２１２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。これにより、ウエハ２００は、処理位置から搬送位置となる。その後、ゲートバルブ２０５を開き、ウエハ移載機を用いてウエハ２００を処理容器２０２の外へ搬出する。このとき、バルブ２４６ｄを閉じ、第三ガス供給系から処理容器２０２内に不活性ガスを供給することを停止する。

その後、基板搬出入工程（Ｓ１０６）では、前述した基板搬入・載置工程（Ｓ１０２）の場合と同様の手順で、次に待機している新たなウエハ２００を処理容器２０２へ搬入して、そのウエハ２００を処理空間２０１内の処理位置まで上昇させるとともに、処理空間２０１内を所定の処理温度、処理圧力として、次の成膜工程（Ｓ１０４）を開始可能な状態にする。そして、処理空間２０１内の新たなウエハ２００に対して、成膜工程（Ｓ１０４）及び処理枚数判定工程を行う。

基板搬出工程では、前述した基板搬出入工程（Ｓ１０６）の場合と同様の手順で、処理済のウエハ２００を処理容器２０２内から取り出して移載室へと搬出する。ただし、基板搬出入工程（Ｓ１０６）の場合とは異なり、基板搬出工程では、次に待機している新たなウエハ２００の処理容器２０２内への搬入は行わずに、処理容器２０２内にウエハ２００が存在しない状態のままとする。以上のような工程により、ウエハ２００上にＴｉＮ膜が成膜される。

なお、第二の処理ガス供給工程Ｓ２０６、第二の処理ガス排気工程の後に行う第一の処理ガス供給工程においても、第二の処理ガス供給工程Ｓ２０６と同様に固体状の副生成物が発生する。その発生メカニズムについて以下に説明する。

第一の分散板２３０の多数のガス供給孔２６２から処理室２０１内に均一に流出したガスは、分散板２３０直下からウエハ２００の表面上をウエハ２００周縁方向へ向かって流れる。供給された第一のガスは、ウエハ２００表面の中心部付近で、第二の処理ガス（反応ガス）と反応して形成された膜（本実施例においてはＴｉＮ膜）上に原料ガス成分含有膜を形成する。このとき、第二の処理ガス供給工程で形成された膜と第一の処理ガスが反応することで、固体状の副生成物である塩化アンモニアが発生する。発生した塩化アンモニアがウエハ表面の中心で反応を阻害させて所望の膜厚の膜を形成できない。更には、排気が促進されているウエハ２００の周縁側では、反応を阻害する副生成物が排気されやすく、更には中心からガスが流れ込むことから、中心に比べて膜と反応するガスの量が多くなり、ウエハ２００の周縁部における膜厚が中心部に比べ厚くなってしまうことが考えられる。発生した副生成物が中心部に付着し、その結果膜の特性に悪影響を及ぼすことが考えられる。

そこで、本実施形態においては、残留ガスや副生成物がウエハ上から早期に除去されるように、ウエハ２００の直上方向からガス排気を行うものとした。
ところで、分散板２３０から処理室２０１内に噴出するガスの流量は、分散板２３０の各ガス供給孔２６２からそれぞれの地点での第一ガス供給孔の供給経路２５２内と処理室２０１内との圧力差に依存するため、第一ガス供給孔の供給経路２５２内において周縁ほど低い圧力分布を形成することにより、分散板２３０から処理室２０１内に噴出するガスの流量を中心部ほど多く周縁ほど少ない分布とすることができる。このようにして、分散板２３０によってウエハ２００の周縁部に供給される処理ガスの流量を予め減少させることができるため、ウエハ２００上の処理ガス濃度を一定にすることができる。これにより、ウエハ２００に面内膜厚分布が全体にわたって均一になるように、成膜することができる。

若しくは、分散板２３０から処理室２０１内に噴出するガスの流量は、分散板２３０に設けられた各ガス供給孔２６２をウエハ２００の周縁部より中心部の方が大きくなるように形成することにより、分散板２３０から処理室２０１内に噴出するガスの流量を中心部ほど多く周縁ほど少ない分布とすることができる。このようにして、分散板２３０によってウエハ２００の周縁部に供給される処理ガスの流量を予め減少させることができるため、ウエハ２００上の処理ガス濃度を一定にすることができる。これにより、ウエハ２００に面内膜厚分布が全体にわたって均一になるように、成膜することができる。

次に、図９を用いて、排気孔２６０、第一ガス供給孔２６２、第二ガス供給孔２６１の配置例を示す。図９は、処理室２０１の基板２００から基板２００に対向する面である、第一の分散板２３０を見た様子を示している。例えば黒丸が排気孔２６０であり、点線の丸が第一ガス供給孔２６２であり、実線丸が第二ガス供給孔２６１を示している。図に示すように、排気孔２６０、第一ガス供給孔２６２、第二ガス供給孔２６１が縦方向あるいは横方向に順番に並ぶように配置されている。即ち、第一ガス供給孔２６２と第二ガス供給孔２６１と排気孔２６０は一つの組として構成され、複数ある組の内、それぞれの組が隣り合うよう配置されている。ここでは全面に各孔を配置したが、反応阻害物が滞留しやすい基板の中央と対向する部分に少なくともこの組み合わせがあればよい。

本発明においては、例示した配置に限らず、処理空間２０１のウエハ２００上にガスが均一に供給されるよう、あるいは処理空間２０１内のガスが均一に排気されるような配置になっていれば良い。

尚、本発明を上記のように説明したがそれに限るものではなく、例えば４５０ｍｍ基板のような現在主流である３００ｍｍ基板よりも大型の基板に対して特に有効である。従来のように基板を外周から排気する装置で大型基板を処理した場合、基板表面中心で固体状の反応阻害物が発生したとしても、外周までの距離が長いため、例えば３００ｍｍ基板よりも基板表面に反応阻害物が残留する時間と量が多くなる。従って、基板が大型化になるほど反応阻害物の影響を受け、基板を均一に処理することが困難となる。

一方、本実施形態のように、残留ガスや副生成物がウエハ上から早期に除去されるよう、ウエハ２００の直上方向からガス排気を行うことで、大型の基板であっても基板を均一に処理することができる。なお大型基板とする場合、基板載置面の径を大型基板が載置可能な大きさとする。例えば、４５０ｍｍ以上の大きさとする。

ここでは大型基板と４５０ｍｍ基板を例にして説明したが、それに限らず、それ以上の大きさであっても良い。

以下に、付記として本発明を記す。
＜付記１＞
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられた基板載置台と、
前記基板載置台の基板載置面に対向する位置に設けられ、第一のガスを供給する第一ガス供給孔を含む第一の供給経路と、前記第一のガスと反応する第二ガスを供給する第二ガス供給孔を含む第二の供給経路と、排気孔を含む排気経路とを有し、前記第一の供給経路と前記第二の供給経路と前記第三の供給経路がそれぞれ独立して設けられているシャワーヘッド
とを有する基板処理装置。

＜付記２＞
前記基板載置面には基板が載置され、前記第一ガス供給孔と、前記第二ガス供給孔と、前記排気孔とは、前記基板が前記基板載置面に載置された際、前記基板の処理面と対向する位置に設けられている請求項１記載の基板処理装置。

＜付記３＞
前記第一ガス供給孔と前記第二ガス供給孔は、前記基板載置面と対向する面の中央部において隣接するよう構成される請求項１または２に記載の基板処理装置。

＜付記４＞
前記第一ガス供給孔と前記第二ガス供給孔と前記排気孔は一つの組として構成されており、複数ある前記組のそれぞれが隣り合うよう配置されている請求項１から３の内、いずれか一項に記載の基板処理装置。

＜付記５＞
前記載置部の載置面の径は、少なくとも４５０ｍｍ以上である請求項１から４の内、いずれか一項に記載の基板処理装置。

＜付記６＞
基板を処理室に搬入し、前記処理室内に設けられた基板載置台に載置する工程と、
前記基板載置台の基板載置面に対向する位置に設けられ、第一のガスを供給する第一ガス供給孔を含む第一の供給経路と、前記第一のガスと反応する第二ガスを供給する第二ガス供給孔を含む第二の供給経路と、排気孔を含む排気経路とを有し、前記第一の供給経路と前記第二の供給経路と前記第三の供給経路がそれぞれ独立して設けられているシャワーヘッドから前記処理室に前記第一ガスと前記第二ガスとを交互に供給すると共に、前記第一ガスまたは前記第二ガスを供給する間、前記排気孔から前記処理室の雰囲気を排気する基板処理工程と
を有する半導体装置の製造方法。

２００ ウエハ
２０１ 処理室
２３０ 第一の分散板
２３１ 第二の分散板
２３２ 第三の分散板
２４０ シャワーヘッド
２４８ａ ガス排気管
２６０ 排気孔
２６１ 第二のガス供給孔
２６２ 第一のガス供給孔
２８０ 制御部

Claims (6)

1. 基板を処理する処理室と、
   前記処理室内に設けられた基板載置台と、
   前記基板載置台の基板載置面に対向する位置に設けられ、第一のガスを供給する第一ガス供給孔を含む第一の供給経路と、前記第一のガスと反応する第二ガスを供給する第二ガス供給孔を含む第二の供給経路と、排気孔を含む排気経路とを有し、前記第一の供給経路と前記第二の供給経路と前記第三の供給経路がそれぞれ独立して設けられているシャワーヘッド
   とを有する基板処理装置。
2. 前記基板載置面には基板が載置され、前記第一ガス供給孔と、前記第二ガス供給孔と、前記排気孔とは、前記基板が前記基板載置面に載置された際、前記基板の処理面と対向する位置に設けられている請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記第一ガス供給孔と前記第二ガス供給孔は、前記基板載置面と対向する面の中央部において隣接するよう構成される請求項１または２に記載の基板処理装置。
4. 前記第一ガス供給孔と前記第二ガス供給孔と前記排気孔は一つの組として構成されており、複数ある前記組のそれぞれが隣り合うよう配置されている請求項１から３の内、いずれか一項に記載の基板処理装置。
5. 前記載置部の載置面の径は、少なくとも４５０ｍｍ以上である請求項１から４の内、いずれか一項に記載の基板処理装置。
6. 基板を処理室に搬入し、前記処理室内に設けられた基板載置台に載置する工程と、
   前記基板載置台の基板載置面に対向する位置に設けられ、第一のガスを供給する第一ガス供給孔を含む第一の供給経路と、前記第一のガスと反応する第二ガスを供給する第二ガス供給孔を含む第二の供給経路と、排気孔を含む排気経路とを有し、前記第一の供給経路と前記第二の供給経路と前記第三の供給経路がそれぞれ独立して設けられているシャワーヘッドから前記処理室に前記第一ガスと前記第二ガスとを交互に供給すると共に、前記第一ガスまたは前記第二ガスを供給する間、前記排気孔から前記処理室の雰囲気を排気する基板処理工程と
   を有する半導体装置の製造方法。