JP2016171244A

JP2016171244A - 成膜方法、成膜装置及び記憶媒体

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Publication number: JP2016171244A
Application number: JP2015051141A
Authority: JP
Inventors: 好太梅澤; Kota Umezawa; 要介渡邉; Yosuke Watanabe
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-23

Abstract

【課題】縦型の処理容器内に複数の基板を棚状に配置して真空雰囲気中で成膜を行うにあたり、各基板の面内において均一性高く成膜を行うことができる技術を提供すること。【解決手段】前記処理容器内へ反応ガスを供給する第１の工程と、次いで、前記処理容器内を真空排気した状態で前記反応ガスの供給を停止する第２の工程と、その後、前記処理容器内の圧力が前記反応ガスの供給の停止により低下して設定値以下になったとき、または反応ガスの供給停止時から設定時間が経過したときに、前記処理容器内へ前記原料ガスを供給する第３の工程と、を行う。それによって、反応ガスが処理容器内に均一性高く供給され、且つ処理容器内における反応ガスの分圧が低下した状態で、処理容器内に原料ガスを供給することができるので、基板表面に均一性高く原料ガスを供給し、成膜を行うことができる。【選択図】図４

Description

本発明は、縦型の処理容器内に複数の基板を棚状に配置して真空雰囲気中で成膜を行う成膜方法、成膜装置及び当該装置を運転するためのプログラムを記憶した記憶媒体に関する。

ＧａＮ（窒化ガリウム）は、絶縁破壊電圧が高いことや低導通抵抗であることから、パワーデバイスとしての活用が期待され、また青色発光素子としても注目されている。ＧａＮは、サファイア基板上では良質な結晶が成長できる技術が開発されているが、サファイア基板は高価であることから単結晶Ｓｉ（シリコン）からなる基板上においても良質な結晶を成長させる技術が望まれている。

このような事情から、処理容器内に搬入したＳｉ基板に原料ガスと反応ガスとを供給し、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により中間層としてＡｌＮのエピタキシャル成長膜（ＡｌＮ膜）を形成して、その中間層の上にＧａＮのエピタキシャル成長膜（ＧａＮ膜）を形成することが検討されている。また、このような各膜の成膜は、例えば縦型の処理容器に複数のＳｉ基板を棚状に配置し、各基板に側方から各ガスを流して、一括で行うことが検討されている。なお、特許文献１には、複数の基板に窒化シリコン膜を一括で成膜する成膜装置が記載されている。

特開平１−１９５２７７号公報

上記のように複数のＳｉ基板に一括で成膜を行う場合、当該Ｓｉ基板を処理するための処理容器は比較的大きい。そのため供給する反応ガスの流量が不十分であると、処理容器内の各部における反応ガスの濃度差が大きくなる。具体的には、例えば処理容器内に設けられる反応ガスのガス供給部の近傍と、処理容器内に設けられる排気口の近傍と、で当該反応ガスの濃度差が大きくなることが考えられる。そのように処理容器内における反応ガスの濃度差が大きいと、Ｓｉ基板間及びＳｉ基板の面内におけるＡｌＮ膜の膜質及び膜厚の均一性が低くなることが懸念されるため、上記のＣＶＤは比較的多くの量の反応ガスを処理容器内に供給しながら原料ガスを処理容器内に供給するように行うことが考えられる。

しかし、高い結晶性を有するようにＡｌＮ膜を形成するために、処理容器内は例えば１０００℃程度の比較的高い温度雰囲気とすることが必要であり、処理容器内をそのような温度雰囲気として、上記のように原料ガス及び反応ガスを共に処理容器内に供給すると、これらのガスはＳｉ基板の中心部に到達する前に互いに反応してしまう。その結果として、後述の評価試験で示すようにＳｉ基板の中心部には殆どＡｌＮ膜が形成されず、Ｓｉ基板におけるＡｌＮ膜の面内均一性が低くなってしまう。

原料ガスは、例えば処理容器に接続される恒温槽に貯留された固体のＡｌＣｌ_３を昇華させて発生させるＡｌＣｌ_３の蒸気により生成するため、当該固体のＡｌＣｌ_３の加熱温度を上昇させることで、当該蒸気の生成量を増加させて、処理空間への供給量を多くして対処することが考えられる。しかし、そのようにして増加する蒸気の量は小さく、現実的な対処ではない。その他に、処理容器に接続する恒温槽の数を増やすことも考えられるが、装置の大型化と高コスト化とを招いてしまう。また、比較的少量の反応ガスを処理容器内の各部に均一性高く供給できるようなガス供給部を設けて対処することも考えられるが、そのようなガス供給部をデザインすることは困難であった。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、縦型の処理容器内に複数の基板を棚状に配置して真空雰囲気中で成膜を行うにあたり、各基板の面内において均一性高く成膜を行うことができる技術を提供することにある。

本発明は、縦型の処理容器内に複数の基板を棚状に配置し、真空雰囲気中で当該基板に、原料ガスと当該原料ガスと反応する反応ガスとを供給して、反応生成物を前記基板に堆積させる成膜方法において、
前記処理容器内へ前記反応ガスを供給する第１の工程と、
次いで、前記処理容器内を真空排気した状態で前記反応ガスの供給を停止する第２の工程と、
その後、前記処理容器内の圧力が前記反応ガスの供給の停止により低下して設定値以下になったとき、または反応ガスの供給停止時から設定時間が経過したときに、前記処理容器内へ前記原料ガスを供給する第３の工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の記憶媒体は、内部に複数の基板が棚状に保持される縦型の処理容器を備えた成膜装置に用いられるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、本発明の成膜方法を実行するようにステップが組まれていることを特徴とする。

本発明の成膜装置は、縦型の処理容器を備え、当該処理容器内に棚状に配置される複数の基板に原料ガスと当該原料ガスと反応する反応ガスとを供給して当該基板に反応生成物を堆積させて成膜する成膜装置において、
前記原料ガスを前記処理容器内に供給するための原料ガス供給部と、
前記反応ガスを前記処理容器内に供給するための反応ガス供給部と、
前記処理容器内を排気して真空雰囲気を形成するための排気機構と、
前記処理容器内へ前記反応ガスを供給する第１のステップと、次いで、前記処理容器内を真空排気した状態で前記反応ガスの供給を停止する第２の工程と、その後、前記処理容器内の圧力が前記反応ガスの供給の停止により低下して設定値以下になったとき、または反応ガスの供給停止時から設定時間が経過したときに、前記処理容器内へ前記原料ガスを供給する第３のステップと、が実施されるように制御信号を出力する制御部と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、処理容器内に均一性高く反応ガスを供給した後、処理容器内における当該反応ガスの分圧が低下した状態で原料ガスを供給することができる。従って、原料ガスを処理容器内に配置される各基板の面内に均一性高く供給することができ、各基板の面内で均一性高く成膜を行うことができる。

本発明に係る成膜装置の縦断側面図である。前記成膜装置により各ガスをウエハに供給するタイミングを示すタイミングチャートである。ウエハの縦断側面図である。処理空間における各ガスの分圧の変化を示すタイミングチャートである。処理空間における各ガスの分圧の変化を示すタイミングチャートである。処理空間における各ガスの分圧の変化を示すタイミングチャートである。処理空間における各ガスの分圧の変化を示すタイミングチャートである。評価試験により得られたウエハの画像を示す模式図である。

本発明の実施形態に係る成膜装置１について、図１の概略縦断側面図を参照しながら説明する。この成膜装置１は、真空雰囲気中で単結晶シリコンからなる基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）Ｗの表面を窒化してＳｉＮ（窒化シリコン）膜を形成し、このＳｉＮ膜上にエピタキシャル成長によってＡｌＮ膜を成膜した後、当該ＡｌＮ膜上にエピタキシャル成長によってＧａＮ膜を成膜することができるように構成されている。このウエハＷとしては、例えばその表面がミラー指数により（１１１）として表されるＳｉの結晶面（以下、Ｓｉ（１１１）面と表記する）であるものが用いられる。

この成膜装置１では、上記のＡｌＮ膜を成膜するためにＡｌＣｌ_３（三塩化アルミニウム）を含むガスが用いられる。ＡｌＣｌ_３は高温雰囲気でＳｉであるウエハＷをエッチングしてしまうため、このＡｌＣｌ_３に対する保護膜として上記のＳｉＮ膜を形成し、ＡｌＣｌ_３とウエハＷ表面のＳｉとの接触を防ぐ。ＳｉＮ膜は、ＡｌＮ膜のエピタキシャル成長が妨げられないような膜厚となるように形成される。

成膜装置１は、多数枚のウエハＷに対して、上記の各膜を成膜する縦型のバッチ式の処理装置である。図中１１、１２は、夫々外管、内管であり、石英により構成されると共に有天井の起立した円筒型に形成されている。外管１１の内側に処理容器を構成する内管１２が設けられており、内管１２の内側は、ウエハＷに処理を行うための処理空間１３として構成されている。図中１４は、開口部を備えるベース部材であり、外管１１及び内管１２は当該開口部に挿入されて設けられる。図中１５は加熱部であり、ベース部材１４上で外管１１を囲むように設けられ、処理空間１３におけるウエハＷを加熱する。

図中１６は処理空間１３の下方に設けられる開口部であり、当該開口部１６を介して基板載置治具であるボート２１が処理空間１３内に対して搬入出される。ボート２１は石英により構成され、図示しない溝を備えた複数本の支柱２２を有し、当該溝によりボート２１は、ウエハＷを縦方向に多数枚例えば、５０〜１５０枚、棚状に支持することができる。ボート２１は、断熱部材２３を介して載置台をなすテーブル２４上に載置されている。テーブル２４は、蓋部２５を貫通する回転軸２６上に支持されており、回転軸２６の下端はアーム２７により支持される回転機構２８に接続されている。成膜処理中においては、回転機構２８により回転軸２６が回転することでボート２１が回転する。また、アーム２７は昇降自在に構成されており、当該アーム２７の昇降によって、ボート２１及び蓋部２５が昇降し、当該ボート２１が処理空間１３に対して搬入出されると共に、蓋部２５による開口部１６の開閉が行われる。

図中３１は、内管１２の側壁の一方側を構成するガス導入部であり、内管１２の高さ方向に沿って形成されたガス拡散空間３２及び拡散板３３により構成されている。ガス拡散空間３２に供給された処理ガスは、拡散板３３の高さ方向に沿って多数形成されたガス吐出口３４を介して処理空間１３に供給される。

ガス導入部３１にはバルブＶ１〜Ｖ１１とＮ_２（窒素）ガス供給源４１とを含む配管系４０が接続されている。Ｎ２ガス供給源４１は、バルブＶ１、流量制御器（ＭＦＣ）４２Ａをこの順に介して、バルブＶ２の一端及びバルブＶ３の一端に夫々接続されていると共に、バルブＶ４、ＭＦＣ４２Ｂをこの順に介して、バルブＶ５の一端及びバルブＶ６の一端に夫々接続されている。バルブＶ２の他端は、固体の三塩化ガリウム（ＧａＣｌ_３）が貯留された恒温槽４３に接続されている。バルブＶ３の他端はバルブＶ７、Ｖ８の一端に夫々接続されており、バルブＶ７の他端は恒温槽４３に接続されている。

バルブＶ５の他端は、固体の塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）が貯留された恒温槽４４に接続されている。バルブＶ６の他端はバルブＶ９、Ｖ１０の一端に夫々接続されており、バルブＶ９の他端は恒温槽４４に接続されている。バルブＶ８及びＶ１０の他端はバルブＶ１１の一端に接続され、バルブＶ１１の他端はガス供給管４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃの一端に接続されている。ガス供給管４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃの他端は、ガス拡散空間３２の互いに異なる高さに開口している。

恒温槽４３、４４では槽内が加熱されることで昇華が起こり、固体のＧａＣｌ_３からＧａＣｌ_３ガスが、固体のＡｌＣｌ_３からＡｌＣｌ_３ガスが夫々発生する。ＧａＣｌ_３ガス、ＡｌＣｌ_３ガスは、Ｎ_２ガス供給源４１からキャリアガスとして恒温槽４３、４４に供給されるＮ_２ガスと共に、夫々処理空間１３に供給される。また、Ｎ_２ガス供給源４１のＮ_２ガスは、このようにキャリアガスとして処理空間１３に供給される他に、処理空間１３に残留するガスをパージするパージガスとしても処理空間１３に供給される。ＡｌＣｌ_３ガスを処理空間１３に導入するときには、配管系４０におけるバルブＶ１〜Ｖ１１のうちバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ１１が開かれ、他のバルブは閉じられる。ＧａＣｌ_３ガスを処理空間１３に導入するときには、配管系４０におけるバルブＶ１〜Ｖ１１のうちバルブＶ４、Ｖ５、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１１が開かれ、他のバルブは閉じられる。処理空間１３をパージするときには、バルブＶ１、Ｖ３、Ｖ８、Ｖ１１及びバルブＶ４、Ｖ６、Ｖ１０、Ｖ１１のうち少なくとも一方が開かれ、バルブＶ２、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ９は閉じられる。

また、図中３５は内管１２の側壁の一方側付近に、内管１２の下端部から上端部へ向けて延出されるように設けられたガス導入管であり、ボート２１に向けてガスを吐出するガス吐出孔（図示は省略している）が、高さ方向に沿って多数形成されている。ガス導入管３５には配管系５０が接続されており、配管系５０は、ＮＨ_３（アンモニア）ガス供給源５１とＨ_２（水素）ガス供給源５２とを含み、ＮＨ３ガス、Ｈ_２ガスを夫々ガス導入管３５に供給することができる。ＮＨ_３ガス供給源５１は、ＭＦＣ５３Ａ、バルブＶ２１をこの順に介してガス導入管３５に接続されており、Ｈ_２ガス供給源５２はＭＦＣ５３Ｂ、バルブＶ２２をこの順に介してガス導入管３５に接続されている。

図中３６は内管１２の側壁の他方側に設けられる排気口であり、処理空間１３の上段、中段、下段に夫々開口すると共に、外管１１と内管１２とによって区画される排気空間３７に連通している。図中３８は、その一端が排気空間３７に開口する排気管である。排気管３８の他端は、真空ポンプなどにより構成される排気機構３９に接続されており、処理空間１３を排気し、処理に必要とされる真空度にすることができる。また、このように排気口３６、ガス導入管３５及びガス導入部３１が構成されていることで、各ガスをボート２１に載置された各ウエハＷの表面に沿って供給することができる。

成膜装置１にはコンピュータからなる制御部１００が接続されている。前記制御部１００にはプログラムが格納され、当該プログラムにより成膜装置１の各部に制御信号が出力される。この制御信号によって各バルブＶの開閉及びＭＦＣによるガスの供給量、排気機構３９による排気量、回転機構２８によるボート２１の回転動作、アーム２７の昇降及び加熱機構１５によるウエハＷの温度などが制御される。そのように各部の動作が制御されることで、後述のように各ステップが実施され、ウエハＷに成膜処理が行われる。上記のプログラムは例えばハードディスク、フレキシブルディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク（ＭＯ）、メモリーカード等の記憶媒体に格納された状態で制御部１００に格納される

続いて、処理空間１３への各ガスの給断のタイミングを示すタイミングチャートである図２と、ウエハＷの縦断側面図である図３とを参照しながら、成膜装置１による処理フローについて説明する。チャートでは各ガスについてラインを示し、このラインのレベルの高低によって処理空間１３へのガスの供給状態を表しており、レベルが高いときには供給が行われ、レベルが低いときには供給が停止していることを示す。なお、チャート中のＮ_２とは、パージガスとして供給されるＮ_２を示しており、チャート中、ＡｌＣｌ_３ガス及びＧａＣｌ_３ガスのキャリアガスとして処理空間１３に供給されるＮ_２の表示は行っていない。

先ず内管１２の外側において、多数の既述のウエハＷをボート２１に搭載した後、蓋部２５を上昇させてボート２１を処理空間１３に搬入すると共に、当該蓋部２５により内管１２の開口部１６を閉鎖して、処理空間１３を気密にする。然る後、回転機構２８によりウエハＷが回転し、さらに処理空間１３が排気されて所定の圧力の真空雰囲気にされると共に、例えば９００℃〜１０５０℃にウエハＷが加熱される。以下の各ステップ１〜４では、このような温度にウエハＷが加熱された状態で処理が行われる。

（ステップ１：自然酸化膜の除去）
処理空間１３にＨ_２ガスが供給され、当該Ｈ_２ガスにより、ウエハＷの表面部に形成された自然酸化膜が還元されて除去される。図３（ａ）は、この自然酸化膜除去後のウエハＷを示しており、当該ウエハＷのＳｉである表面部を６０として示している。

（ステップ２：ＳｉＮ膜の形成）
Ｈ_２ガスの供給開始から例えば３０分後において、Ｈ_２ガスの供給が停止されると共に、所定の流量でＮＨ_３ガスの供給が開始され（時刻ｔ１）、処理空間１３が１０００Ｐａ以下の圧力となるように排気される。このように処理空間１３の圧力が比較的低い圧力にされた状態で、ＮＨ_３ガスによりウエハＷの極表面が窒化され、ＳｉＮ膜６１が形成される（図３（ｂ））。既述したように、このＳｉＮ膜６１は、後のステップで形成されるＡｌＮ膜がＳｉ表面部６０の結晶軸に沿ってエピタキシャル成長により成膜可能である膜厚、例えば４ｎｍ以下の膜厚になるように形成される。

（ステップ３：ＣＶＤによるＡｌＮ膜の形成）
上記の時刻ｔ２において、処理空間１３の圧力が下降し、例えば３０Ｐａ〜１３３Ｐａとなるように処理空間１３の圧力が調整されると共に、ＮＨ_３ガスの供給が続けられる。この時刻ｔ２以降におけるＮＨ_３ガスの流量は、例えば１．０ｓｌｍ（Ｌ／分）〜１５．０ｓｌｍ（Ｌ／分）とされ、具体的には例えば１０ｓｌｍとされる。このように比較的大きい流量でＮＨ_３ガスが供給されることで、処理空間１３内の各部におけるＮＨ_３ガスの濃度の均一性が高い状態とされる。時刻ｔ２から例えば３０秒経過すると、ＮＨ_３ガスの供給が停止すると共に、パージガスであるＮ_２ガスの供給が開始される（時刻ｔ３）。

処理空間１３では排気が引き続き行われることに加えて、パージガスが供給されることにより、ＮＨ_３ガスの分圧が低下する。そして、例えば時刻ｔ３から例えば１０秒経過すると、パージガスの供給が停止すると共に、例えば槽内が１３０℃に加熱された恒温槽４４にＮ_２ガスがキャリアガスとして２０ｓｃｃｍ（ｍＬ／分）〜２００ｓｃｃｍ（ｍＬ／分）、具体的には例えば１００ｓｃｃｍで供給され、それによってＡｌＣｌ_３ガスが処理空間１３に供給される（時刻ｔ４）。

ガス導入部３１から回転する各ウエハＷの中心部へ向かって供給されたＡｌＣｌ_３ガスは、ＮＨ_３ガスが供給されていた時刻ｔ２−ｔ３間に比べて処理空間１３における当該ＮＨ_３ガスの分圧が低下していることにより、ウエハＷの外側においてＮＨ_３ガスと反応することが抑えられ、ウエハＷの周縁部上、更にはウエハＷの中心部上へと到達することができる。また、上記の時刻ｔ２−ｔ３間で処理空間１３におけるＮＨ_３ガスの濃度の均一性が高い状態とされているため、このようにＡｌＣｌ_３ガスが供給されるときにおいても処理空間１３におけるＮＨ_３ガスの濃度の均一性については比較的高い状態となっており、従って上記のようにウエハＷの中心部、周縁部に夫々供給されたＡｌＣｌ_３ガスは、ＮＨ３ガスと均一性高く反応して、反応生成物であるＡｌＮがウエハＷの周縁部、中心部に夫々堆積する。そして、このようにＣＶＤによって生成したＡｌＮがエピタキシャル成長して、ウエハＷの面内にＡｌＮ膜６２が均一性高く成膜される。また、上記のように処理空間１３の各部におけるＮＨ_３ガスの濃度の均一性が比較的高いことから、このＡｌＮ膜６２は各ウエハＷ間においても均一性高く形成される。

時刻ｔ４から例えば２０秒経過した時刻ｔ５において、恒温槽４４へのキャリアガスの供給が停止してＡｌＣｌ_３ガスの処理空間１３への供給が停止すると共に、処理空間１３にパージガスであるＮ_２ガスが供給され、処理空間１３に残留するＮＨ_３ガス及びＡｌＣｌ_３がパージされて除去される。時刻ｔ５から例えば１０秒経過した時刻ｔ６においてパージガスの供給が停止される。

このような時刻ｔ２−ｔ６間におけるＮＨ_３ガス、ＡｌＣｌ_３ガス及びパージガスの供給と供給停止とを１回目のサイクルとすると、以降、この１回目のサイクルと同様のサイクルが繰り返し行われる。ｍ＝整数として、ｍ回目のサイクルが終了するタイミングと、ｍ＋１回目のサイクルが開始されるタイミングとは同時である。つまり、ｍ回目のサイクルでパージガスの供給が停止するタイミングと同時に、ＮＨ_３ガスの供給が開始されてｍ＋１回目のサイクルが開始される。

以下、２回目のサイクルを説明する。また図４は、この２回目のサイクルと次の３回目のサイクルとにおいて、処理空間１３におけるＮＨ_３ガスの分圧、ＡｌＣｌ_３ガスの分圧が夫々変化する様子を示すグラフであり、このグラフも適宜参照して説明する。グラフの横軸は時間を示し、１０秒間隔で目盛を表示している。グラフの縦軸はガスの分圧を示し、この縦軸において横軸と接触する点は分圧が概ね０Ｐａであり、縦軸の上側に向かうほど大きい分圧であることを示す。グラフではＮＨ_３ガスの分圧の変化を実線で、ＡｌＣｌ_３ガスの分圧の変化を一点鎖線で夫々示している。

上記の時刻ｔ６にて１回目のサイクルの時刻ｔ２と同様にＮＨ_３ガスが供給されて処理空間１３のＮＨ_３ガスの分圧が上昇し、その後ＮＨ_３ガスの分圧は比較的高い値に維持され、処理空間１３の各部におけるＮＨ３ガスの濃度の均一性が高くなる。そして、時刻ｔ６から３０秒経過した時刻ｔ７にて、１回目のサイクルの時刻ｔ３と同様にＮＨ_３ガスの供給が停止すると共にパージガスの供給が開始され、処理空間１３のＮＨ３ガスの分圧が低下する。そして、時刻ｔ７から１０秒経過した時刻ｔ８において、１回目のサイクルの時刻ｔ４と同様にパージガスの供給が停止すると共に恒温槽４４にキャリアガスが供給され、ＡｌＣｌ_３ガスが処理空間１３に供給される。そして、当該処理空間１３におけるＡｌＣｌ_３ガスの分圧が上昇して、所定の分圧に維持される。ウエハＷにおいては１回目のサイクルで成膜されたＡｌＮ膜６２上にＡｌＮが堆積して積層され、ＣＶＤによるエピタキシャル成長が進行し、ＡｌＮ膜６２の膜厚が増加する。１回目のサイクルの時刻ｔ４−ｔ５間と同様に、処理空間１３の各部におけるＮＨ３ガスの濃度は比較的均一性が高いため、このＡｌＮ膜６２の膜厚の増加は、ウエハＷの面内及び各ウエハＷ間で均一性高く進行する。

時刻ｔ８から２０秒経過した時刻ｔ９において、１回目のサイクルの時刻ｔ５と同様に、ＡｌＣｌ_３ガスの処理空間１３への供給が停止すると共に、処理空間１３にパージガスが供給される。処理空間１３に残留するＮＨ_３ガス及びＡｌＣｌ_３ガスがパージされて除去され、処理空間１３におけるＮＨ_３ガス及びＡｌＣｌ_３ガスの分圧が低下して概ね０Ｐａになる。そして時刻ｔ９から１０秒経過した時刻ｔ１０になると、１回目のサイクルの時刻ｔ６と同様にパージガスの供給が停止し、２回目のサイクルが終了する。上記したように、この２回目のサイクルが終了する時刻ｔ１０ではＮＨ_３ガスの供給が開始され、３回目のサイクルが開始される。

３回目以降のサイクルの詳細な説明は省略するが、１回目及び２回目のサイクルと同様に各ガスが供給され、２回目のサイクルと同様に処理空間１３のＮＨ_３ガスの分圧及びＡｌＣｌ_３ガスの分圧が変化して成膜が行われ、ウエハＷの面内及び各ウエハＷ間において均一性高くＡｌＮ膜６２の膜厚が増加する。なお、図４には示していないが、１回目のサイクルについても２回目のサイクルと同様に処理空間１３のＮＨ_３ガスの分圧及びＡｌＣｌ_３ガスの分圧が変化する。サイクルが所定の回数行われ、例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍの膜厚を有するＡｌＮ膜６２が形成されると、このサイクルの繰り返しが終了する。図３（ｃ）は、当該サイクルの繰り返しが終了した状態のウエハＷを示している。

（ステップ４：ＧａＮ膜の形成）
ステップ３の最後のサイクルが終了してパージガスの供給が停止すると共に、処理空間１３へのＧａＣｌ_３ガス及びＮＨ_３ガスの供給が開始される（時刻ｔ１１）。ＧａＣｌ_３ガスとＮＨ_３ガスとによるＣＶＤによって、ＡｌＮ膜６２上にＧａＮが堆積し、エピタキシャル成長して、図３（ｄ）に示すようにＧａＮ膜６３が形成される。例えば３μｍ〜５μｍの膜厚を有するＧａＮ膜６３が形成されると、ＧａＣｌ_３ガス及びＮＨ_３ガスの供給が停止する。然る後、蓋部２５が下降して処理空間１３が開放されると共に、ボート２１が処理空間１３から搬出される。

この成膜装置１によれば、排気機構３９により排気された状態の処理空間１３に反応ガスであるＮＨ_３ガスが供給され、ＮＨ_３ガスの供給停止後、予め設定された時間が経過すると原料ガスであるＡｌＣｌ_３ガスが供給されて、ＣＶＤによりウエハＷにＡｌＮ膜６２が成膜される。これによってＮＨ_３ガスの濃度の均一性を担保し、且つＮＨ_３ガスの分圧が過大になることが防がれた状態で、ウエハＷの周縁部のみならず中心部にもＡｌＣｌ_３ガスを供給することができる。従って、ボート２１に支持される各ウエハＷの面内において、ＡｌＮ膜６２の膜厚のばらつきを抑えることができる。また各ウエハＷ間でもＡｌＮ膜６２の膜厚のばらつきを抑えることができる。

また、上記の成膜工程においては、一のサイクルにおいてＡｌＣｌ_３ガス及びＮＨ３ガスを除去するために処理空間１３のパージが行われてから、次のサイクルが開始される。従って、ＡｌＣｌ_３ガスが供給されたときの処理空間１３のＮＨ_３ガスの分圧及びＡｌＣｌ_３ガスの分圧を、各サイクルで同様にすることができる。つまり、各サイクルにおいて、ＡｌＣｌ_３ガスが処理空間１３に供給されたときのＮＨ_３ガスの分圧及びＡｌＣｌ_３ガスの分圧を、ＣＶＤを行うための好ましい範囲とすることができるので、膜質の向上が図られる。上記の成膜処理中の時刻ｔ４−ｔ５間及び時刻ｔ８−ｔ９間のようにＡｌＣｌ_３ガスの供給が行われる期間において、処理空間１３におけるＮＨ３ガスの好ましい分圧は、例えば３０Ｐａ〜９７Ｐａである。上記の処理フローでは、ＮＨ_３ガスの供給停止後、ＡｌＣｌ３ガスの供給を開始するまでの間にパージガスを供給することで、ＮＨ３ガスの分圧を、速やかにこの範囲内の分圧とすることができる。従って、成膜装置１のスループットを向上させることができる。

ところで上記の処理フローのステップ３の各サイクルにおいて、ＮＨ_３ガスの供給停止時からＡｌＣｌ_３ガスの供給開始時までの間、上記のようにパージガスの供給を行わず、処理空間１３の排気のみによって、当該処理空間１３におけるＮＨ_３ガスの分圧を低下させてもよい。また、既述のステップ３においてはＮＨ_３ガスの供給停止後、予め設定された時間が経過するとＡｌＣｌ_３ガスの供給が開始されるようにしているが、処理空間１３の圧力を検出するための検出機構を成膜装置１に設け、検出される処理空間１３の圧力が所定の値になると、ＡｌＣｌ_３ガスの供給が開始されるようにしてもよい。さらに、各サイクルにおいてＮＨ３ガスの供給は完全に停止させることに限られず、成膜処理に影響を与えない程度の僅かな流量で処理空間１３に供給されていてもよい。即ち、そのように僅かな流量で処理空間１３に供給されることも、反応ガスの供給を停止させることに含まれる。

この成膜装置１において、使用されるＡｌＮ膜の原料としてはＡｌＣｌ_３に限られず、例えばトリメチルアルミニウムであってもよい。しかし成膜装置１によれば、ＡｌＣｌ_３のように蒸気圧が比較的低く、蒸気の発生量を多くすることが難しい原料を用いる場合であっても、処理空間１３に供給される反応ガスの流量の影響が抑えられ、既述のようにウエハＷの面内に均一性高い成膜を行えるので、そのような原料を用いる場合に特に成膜装置１は有利である。また、見方を変えると、この成膜装置１によれば少量の原料ガスであってもウエハＷに成膜を行うことができるので、原料の消費を抑え、成膜処理に要するコストを削減することができる。

なお、上記の処理フローのステップ３では、ＮＨ_３ガスの供給停止後、処理空間１３のＮＨ_３ガスの分圧が変化中に、当該処理空間１３にＡｌＣｌ_３ガスが供給されているが、このように分圧が変化中にＡｌＣｌ_３ガスが供給されても良好な膜質のＡｌＮ膜６２が得られることが、実験により確認されている。具体的な一例を示すと、上記のようにＮＨ_３ガスを１０ｓｌｍで供給し、ＮＨ３ガスの供給停止後、パージガスの供給を行わず、１分程度経過後にＡｌＣｌ_３ガスの供給が開始されるようにサイクルを行うことで、ウエハＷにおける面内均一性及び結晶性が良好なＡｌＮ膜６２が形成されることが実験により確認された。ただし、ＡｌＣｌ_３ガスの供給時間が長すぎると、ＡｌＮ膜６２の組成についてＡｌが過剰になると共に、過剰なＡｌが表面に析出し、膜質が低下してしまう。そこで、ＡｌＣｌ_３ガスの供給時間としては上記の例に限られないが、例えば９０秒以下、より好ましくは６０秒以下であることが有効である。

上記の処理フローのステップ３について、各ガスを給断するタイミングは図２、図４で説明した例に限られない。上記の図２、図４で説明した給断例を以下、第１の給断例と記載することにすると、図５〜図７は、上記のステップ３について第１の給断例とは異なる第２〜第４の給断例で各ガスを給断したときの処理空間１３における各ガスの分圧の変化を、図４と同様に示している。この第２〜第４の給断例においても、第１の給断例で説明したサイクルと略同様のサイクルが繰り返し行われてウエハＷにＡｌＮ膜が形成され、一のサイクルが終了すると同時に次のサイクルが開始される。そして、各サイクル間におけるガスの給断は、互いに同様に行われることで、処理空間１３における各ガスの分圧はサイクル毎に同様に変化する。図５〜図７ではｎ（ｎは整数）回目のサイクルと、次のｎ＋１回目のサイクルで処理空間１３のＮＨ_３ガスの分圧及びＡｌＣｌ_３ガスの分圧が変化する様子を示している。この第２〜第４の給断例では、ＮＨ_３ガスの供給停止時からＡｌＣｌ_３ガスの供給開始時までの期間のパージガスの供給は行われない。

以下、第２〜第４の給断例の夫々について、第１の給断例との差異点を中心に説明する。図５に示す第２の給断例のｎ回目のサイクルについて具体的に説明すると、当該ｎ回目のサイクルが開始される時刻ｔ２１でＮＨ_３ガスの供給が開始され、ＮＨ_３ガスの分圧が概ね０Ｐａから上昇して所定の値に維持される。そして、時刻ｔ２１から３０秒経過後の時刻ｔ２２でＮＨ_３ガスの供給が停止し、ＮＨ_３ガスの分圧が低下する。ＮＨ_３ガスの供給停止から若干遅れた時刻ｔ２３で、ＡｌＣｌ_３ガスの供給が開始され、ＡｌＣｌ_３ガスの分圧が０から上昇して所定の値に維持される。

そして、時刻ｔ２３から概ね３０秒後の時刻ｔ２４で、ＡｌＣｌ_３ガスの供給が停止すると共にパージガスの供給が開始され、ＡｌＣｌ_３ガスの分圧及びＮＨ_３ガスの分圧が概ね０Ｐａになり、時刻ｔ２４から１０秒経過後の時刻ｔ２５でパージガスの供給が停止して、ｎ回目のサイクルが終了すると同時にｎ＋１回目のサイクルが開始される。このように時刻ｔ２１、ｔ２２、ｔ２３、ｔ２４、ｔ２５における各動作は、第１の給断例の時刻ｔ６、ｔ７、ｔ８、ｔ９、ｔ１０における各動作に対応する。

図６に示す第３の給断例のｎ回目のサイクルについては、ＡｌＣｌ_３ガスの供給が開始される時刻ｔ２３からＡｌＣｌ_３ガスの供給が停止されると共にパージガスの供給が開始される時刻ｔ２４までの時間が概ね１０秒である他は、第２の給断例のｎ回目のサイクルと同様である。図７に示す第４の給断例のｎ回目のサイクルについては、ＡｌＣｌ_３ガスの供給が開始される時刻ｔ２３からＡｌＣｌ_３ガスの供給が停止されると共にパージガスの供給が開始される時刻ｔ２４までの時間が概ね２０秒である他は、第２の給断例のｎ回目のサイクルと同様である。このように第２〜第４の給断例については、処理空間１３にＡｌＣｌ_３ガスを供給する時間が互いに異なり、それによってＣＶＤが行われる際にウエハＷに供給されるＡｌＣｌ_３の量及びＮＨ_３の量についての比が互いに異なる。また、第１の給断例と第４の給断例については、ＡｌＣｌ３ガスを供給する時間が略同じであるが、パージガスの供給の有無によって、上記のＡｌＣｌ_３の量及びＮＨ_３の量についての比が、互いに異なる。

このようにＡｌＣｌ_３の量及びＮＨ_３の量の比が異なると、ウエハＷに形成されるＡｌＮ膜６２におけるＡｌとＮとの組成比が異なる結果、当該ＡｌＮ膜６２の結晶性及び表面平坦性が異なる。つまり、ＡｌＮ膜６２の膜質が異なる。実験により、第１の給断例で成膜されたＡｌＮ膜６２の屈折率（Ｒ．Ｉ．）を測定したところ2.12であった。また、第２、第３、第４の給断例と、略同様にガス供給を行った実験で夫々形成されたＡｌＮ膜６２のＲ．Ｉは2.24、2.04、2.29であり、互いに異なる膜質となっていた。この実験では、ＮＨ３ガスの供給停止と同時にＡｌＣｌ３ガスの供給を行ったことを除いて第２〜第４の給断例と同様に各ガスの給断を行っており、従って、第２、第３、第４の給断例で各ガスを供給して形成されるＡｌＮ膜６２についても、互いに異なる膜質になると考えられる。そこで、例えば、制御部１００には、成膜装置１のユーザーが第１〜第４の給断例のいずれかを選択するタッチパネルなどの選択機構が設けられ、選択された給断例に従って各ガスの給断が行われるように制御部１００が制御信号を出力し、処理毎に異なる膜質のＡｌＮ膜６２が形成されるように成膜装置１を構成してもよい。なお、上記の各実験ではＳｉ（１１１）面を表面として持つウエハＷに成膜を行っている。

上記の各給断例では、既述の各ガスを給断するサイクルを複数回繰り返すことでＣＶＤによるサイクルを行っているが、サイクルは複数回行うことに限られず、１回のみ行いＡｌＮ膜６２を成膜してもよい。また、ＣＶＤによってウエハＷに形成する膜としてはＡｌＮに限られない。例えば、原料ガス、反応ガスとして夫々ＴｉＣｌ_４（四塩化チタン）、ＮＨ_３を用いてＴｉＮ（窒化チタン）膜を形成してもよいし、原料ガス、反応ガスとして夫々トリメチルアルミニウム、オゾンを用いてＡｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）膜を形成してもよい。

以下、本発明に関連して行われた評価試験について説明する。
（評価試験１）
評価試験１−１として、上記の成膜装置１において処理空間１３の圧力を０．５torr（６６．７Ｐａ）とし、恒温槽４４内を１００℃にして当該恒温槽４４内のＡｌＣｌ_３を昇華させた。そして、ＮＨ_３ガスを処理空間１３に２ｓｌｍ（Ｌ／分）で供給すると共に、恒温槽４４に１００ｓｃｃｍ（ｍＬ／分）でキャリアガスであるＮ_２ガスを供給することで処理空間１３にＡｌＣｌ_３ガスを供給し、ウエハＷに成膜処理を行った。この評価試験１−１では、処理空間１３へのＡｌＣｌ_３ガスとＮＨ_３ガスとの供給は同時に開始し、６０秒間これらのガスの供給を続けた。また、評価試験１−２として、恒温槽４４内の温度を１３０℃にして、処理空間１３に供給されるＡｌＣｌ_３ガスの量を増加させた他は、評価試験１−１と同様の成膜処理を行った。

また、評価試験１−３として恒温槽４４内を１００℃にし、上記の図２、図４で説明した第１の給断例と略同様に各ガスを供給し、成膜処理を行った。ただし、各サイクルにおいて、ＮＨ３ガスを供給する期間、ＮＨ３ガスの供給停止時からＡｌＣｌ３ガスの開始時までにパージガスを供給する期間、ＡｌＣｌ_３ガスを供給する期間、ＡｌＣｌ_３ガスの供給停止時からパージガスを供給する期間は、夫々６０秒に設定した。処理空間１３に供給するＮＨ_３ガスの流量は１０ｓｌｍとし、恒温槽４４にキャリアガスとして供給するＮ_２ガスの流量は１００ｓｃｃｍとした。そして、サイクルは３０回繰り返し行い、成膜処理中の処理空間１３の圧力は０．５Ｔｏｒｒ程度とした。また、評価試験１−４として、恒温槽４４内の温度を１３０℃にしたことを除いて、評価試験１−３と同様に成膜処理を行った。

評価試験１−１〜１−４のウエハＷについて、中心部の複数箇所のＡｌＮ膜の膜厚、周縁部の複数箇所のＡｌＮ膜の膜厚を夫々測定し、中心部の膜厚の平均、周縁部の膜厚の平均を夫々算出した。さらに、各ウエハＷについて測定された各部の膜厚から、標準偏差である１σ（単位：％）を算出した。下記の表１は、評価試験１の結果を示している。評価試験１−１ではウエハＷの中心部及び周縁部においてＡｌＮ膜が形成されておらず、表面部６０のＳｉが窒化されることで０．３ｎｍのＳｉＮ膜が形成されていた。評価試験１−２では、ウエハＷの周縁部においてＡｌＮ膜が形成されていたが、中心部にはＡｌＮ膜が形成されておらず、評価試験１−１と同様に０．３ｎｍのＳｉＮ膜が形成されていた。図８（ａ）は、測定結果から得られた評価試験１−２のウエハＷの表面における膜厚分布を表しており、実際にはコンピュータグラフィクスの画像として得られたものを模式図として簡略化して示している。この模式図においては、形成されたＡｌＮ膜の膜厚の範囲ごとに、ウエハＷの表面を等高線で区画して示し、区画された領域に膜厚の範囲に応じて模様を付して示している。

本発明の一手法である評価試験１−３、１−４では、ウエハＷの中心部、周縁部共にＡｌＮ膜が形成されており、評価試験１−４では、評価試験１−３に比べてウエハＷの中心部、周縁部共にＡｌＮ膜の膜厚が大きかった。これは、評価試験１−４の方が恒温槽４４の温度が高く、処理空間１３へのＡｌＣｌ_３ガスの供給量が多いためであると考えられる。また、評価試験１−３、１−４の１σは、評価試験１−２の１σよりも小さい。１σが小さいほど、膜厚の均一性が高いため、評価試験１−２よりも評価試験１−３、１−４の方がウエハＷの面内におけるＡｌＮ膜の均一性が高く、従って、本発明によればウエハＷの面内で均一性高くＡｌＮ膜を形成することができることが確認された。なお、評価試験１−３、１−４の１σを比較すると、評価試験１−４の方が小さかった。

また、各サイクルにおいてＮＨ３ガスの供給時間を３０秒、ＡｌＣｌ３ガス供給停止時からＮＨ３ガスの供給開始時までのパージガスを供給する時間を１０秒とし、ガスの給断のタイミングを適切化した他は評価試験１−４と同様に処理を行い、ウエハＷにＡｌＮ膜を形成した。このＡｌＮ膜の形成を評価試験１−５として、この評価試験１−５でＡｌＮ膜を形成したウエハＷについて、評価試験１−１〜１−４と同様に中心部の膜厚、周縁部の膜厚及び１σについて測定した。その結果、ウエハＷの中心部のＡｌＮ膜の膜厚は２１．６ｎｍ、周縁部のＡｌＮ膜の膜厚は、１８．９ｎｍ、１σは５．７であった。このように評価試験１−５では、評価試験１−３、１−４よりもさらに１σを小さく、つまりウエハＷの面内のＡｌＮ膜の膜厚の均一性をさらに高くすることができた。

また、図８（ｂ）には、評価試験１−５のウエハＷについて、図８（ａ）と同様に取得されたＡｌＮ膜の膜厚分布を示す模式図を表示している。図８（ａ）、図８（ｂ）を互いに比較することによって、本発明によればウエハＷの周縁部側のＡｌＮ膜の膜厚に対して、中心部側の膜厚を大きくすることが可能であり、さらにウエハＷの面内でＡｌＮ膜の膜厚の均一性を高くできることが分かる。なお、評価試験１−３、１−４についても、評価試験１−５と同様にウエハＷの面内の膜厚分布の画像を取得しているが、ここでは中心部の膜厚を大きくすることが可能であることがより明確に示される評価試験１−５の画像についての模式図を代表して示している。

Ｗウエハ
１成膜装置
１３処理空間
３１ガス導入部
３５ガス導入管
３７排気空間
４０、５０配管系
６０シリコン表面部
６１ＳｉＮ膜
６２ＡｌＮ膜
１００制御部

Claims

縦型の処理容器内に複数の基板を棚状に配置し、真空雰囲気中で当該基板に、原料ガスと当該原料ガスと反応する反応ガスとを供給して、反応生成物を前記基板に堆積させる成膜方法において、
前記処理容器内へ前記反応ガスを供給する第１の工程と、
次いで、前記処理容器内を真空排気した状態で前記反応ガスの供給を停止する第２の工程と、
その後、前記処理容器内の圧力が前記反応ガスの供給の停止により低下して設定値以下になったとき、または反応ガスの供給停止時から設定時間が経過したときに、前記処理容器内へ前記原料ガスを供給する第３の工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
前記第３の工程を行った後、前記処理容器内にパージガスを供給して、当該処理容器内に残留する前記原料ガス及び反応ガスをパージする第４の工程を含み、前記基板に前記反応生成物の層を積層して成膜するために、前記第１の工程、前記第２の工程、前記第３の工程及び前記第４の工程からなるサイクルを複数回繰り返し行う工程を含むことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
前記第２の工程を行った後、前記第３の工程を行う前において、前記処理容器内における前記反応ガスの分圧を低下させるために、前記処理容器内にパージガスを供給する工程が行われることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
内部に複数の基板が棚状に保持される縦型の処理容器を備えた成膜装置に用いられるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、請求項１ないし３のいずれか一項の成膜方法を実行するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。
縦型の処理容器を備え、当該処理容器内に棚状に配置される複数の基板に原料ガスと当該原料ガスと反応する反応ガスとを供給して当該基板に反応生成物を堆積させて成膜する成膜装置において、
前記原料ガスを前記処理容器内に供給するための原料ガス供給部と、
前記反応ガスを前記処理容器内に供給するための反応ガス供給部と、
前記処理容器内を排気して真空雰囲気を形成するための排気機構と、
前記処理容器内へ前記反応ガスを供給する第１のステップと、次いで、前記処理容器内を真空排気した状態で前記反応ガスの供給を停止する第２の工程と、その後、前記処理容器内の圧力が前記反応ガスの供給の停止により低下して設定値以下になったとき、または反応ガスの供給停止時から設定時間が経過したときに、前記処理容器内へ前記原料ガスを供給する第３のステップと、が実施されるように制御信号を出力する制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
前記処理容器内の前記反応ガス及び前記原料ガスをパージするためのパージガスを当該処理容器内に供給するパージガス供給部が設けられ、
前記制御部は、前記第３のステップが行われた後、前記処理容器内にパージガスを供給して当該処理容器内に残留する前記原料ガス及び前記反応ガスをパージする第４のステップが実施され、且つ前記基板に前記反応生成物の層を積層させて成膜するために、前記第１のステップ、前記第２のステップ、前記第３のステップ及び前記第４のステップからなるサイクルを複数回繰り返し行うように前記制御信号を出力することを特徴とする請求項５記載の成膜装置。