JP2016183391A - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】基板面内に均一な膜を形成する技術を提供する。【解決手段】基板を載置する基板載置部と、基板載置部の少なくとも一部と対向すると共に、中央にガス供給経路を有するチャンバ蓋と、ガス供給経路と連通するガス供給構造と、ガス供給構造に接続され、プラズマ生成部を有する反応ガス供給部と、ガス供給構造内及びガス供給経路内に設けられ、反応ガス供給部に連通するチューブと、ガス供給構造に接続され、チューブの外周側であって、ガス供給構造内側にガスを供給するガス供給部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
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。これらの処理では、プラズマ状態としたガスを使用している。
微細化に伴い、上記パターンは基板面内で均一に形成することがより求められているが、プラズマが基板面内に均一に供給されない場合がある。そのような場合、基板面内に均一な膜を形成することが困難であった。
本発明は上記した課題に鑑み、基板面内に均一な膜を形成する技術を提供することを目的とする。
本発明の一態様にあっては、
基板を載置する基板載置部と、
前記基板載置部の少なくとも一部と対向すると共に、中央にガス供給経路を有するチャンバ蓋と、
前記ガス供給経路と連通するガス供給構造と、
前記ガス供給構造に接続され、プラズマ生成部を有する反応ガス供給部と、
前記ガス供給構造内及び前記ガス供給経路内に設けられ、
前記反応ガス供給部に連通するチューブと、
前記ガス供給構造に接続され、前記チューブの外周側であって、前記ガス供給構造内側にガスを供給するガス供給部と、
を有する技術が提供される。
本発明によれば、基板面内に均一な膜を形成する技術を提供可能とする。
本発明の第１実施形態に係る基板処理装置を示す図である。 図１のＡ−Ａ’線の断面図である。 本実施形態に係る基板処理工程を示すフロー図である。 図３の成膜工程の詳細を示すフロー図である。 成膜工程におけるバルブ動作等を示した図である。 （ａ）はガス分散チャネル２３１ｂ内の、チャンバリッドアッセンブリ構造の壁及びチューブ２６１に沿ったガスの流速を示す図である。（ｂ）は、図６（ａ）のａ−ａ´断面図である。（ｃ）は、図６（ａ）のｂ−ｂ´断面図である。 チューブの下端の上限位置を示すための図である。 チューブの下端の下限位置を示すための図である。 チューブの先端の形状の別形態を説明するための図である。 チューブの先端の形状の更に別形態を説明するための図である。 図５の成膜工程の変形例を説明するための図である。 チューブの先端の形状の比較例を説明するための図である。
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を説明する。
＜装置構成＞
本実施形態に係る基板処理装置１００の構成を図１に示す。基板処理装置１００は、図１に示されているように、枚葉式の基板処理装置として構成されている。
（処理容器）
図１に示すように、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を処理する反応ゾーン２０１（反応室）と、ウエハ２００を反応ゾーン２０１に搬送する際にウエハ２００が通過する搬送空間２０３とが形成されている。処理容器２０２は、上部容器２０２ａと下部容器２０２ｂで構成される。
下部容器２０２ｂの側面には、ゲートバルブ２０５に隣接した基板搬入出口２０６が設けられており、ウエハ２００は基板搬入出口２０６を介して図示しない搬送室との間を移動する。下部容器２０２ｂの底部には、リフトピン２０７が複数設けられている。
反応ゾーン２０１内には、ウエハ２００を載置する基板載置部としてのサセプタ２１２が設けられている。サセプタ２１２は、ウエハ２００を載置する載置面２１１と、サセプタ２１２に内包された加熱源としてのヒータ２１３を主に有する。サセプタ２１２には、リフトピン２０７が貫通する貫通孔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。
サセプタ２１２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及びサセプタ２１２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内は気密に保持されている。
サセプタ２１２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に対向する位置（ウエハ搬送位置またはウエハ搬送ポジションと呼ぶ。）まで下降し、ウエハ２００の処理時には、図１で示されるように、ウエハ２００が反応ゾーン２０１内の処理位置（ウエハ処理位置またはウエハポジションと呼ぶ。）となるまで上昇する。
具体的には、サセプタ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、サセプタ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、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。
反応ゾーン２０１の上方には、チャンバリッドアッセンブリ（チャンバ蓋部）２３１が配置されている。チャンバリッドアッセンブリ２３１の凸部２３１ａは、上部容器２０２ａの一部を構成する天板２０４の中央に設けられた孔２０４ａを貫通し、後述するガス供給構造に接続される。更には、低熱伝導部材とすることで、ヒータ２１３で発生する熱が後述する天板２０４やガス供給管に伝達しにくいようにしている。
チャンバリッドアッセンブリ（チャンバ蓋）２３１の中央には、凸部２３１ａからチャンバリッドアッセンブリ２３１下方に向けてガス供給経路としてのガス分散チャネル２３１ｂが設けられている。ガス分散チャネル２３１ｂは、ガス供給構造と反応ゾーン２０１を連通させる。ガス分散チャネル２３１ｂの側壁２３１ｃは、ガス分散チャネル２３１ｂが基板載置面２１１に近づくほど径が広がるよう構成され、ウエハ２００上に均一にガスが供給される。即ち、チャンバリッドアッセンブリ２３１は、後述するガス供給構造としての上部２４１との接続部分から下方にかけて徐々に径が広がる構成となっている。
ガス分散チャネル２３１ｂは、基板載置面２１１の方向に垂直に延在し、また、チャンバリッドアッセンブリ２３１を貫通して底壁２３１ｅまで延びている。ガス分散チャネル２３１ｂの一部分は、上部２４１内では中心軸２５０に沿って円筒状である。ガス分散チャネル２３１ｂの他の部分は、ガス分散チャネル２３１ｂの側壁２３１ｃで中心軸２５０から離れるようにテーパ状で構成されている。更に、下部２３１ｄ内では中心軸２５０から、側壁２３１ｃに比べて更に離れるような構造となっている。ガス分散チャネル２３１ｂは下部２３１ｄを超えて反応ゾーン２０１まで延び、チョーク２５１まで延在している。
チョーク２５１は、反応ゾーン２０１と処理容器２０２間のガスの流れを調節する。
ひとつの実施例として、サセプタ２１２が反応ゾーン２０１内のプロセスポジションの位置にある場合、底壁２３１ｅとサセプタ２１２上の基板載置面２１１との間の最小の空間は、０．０２インチから２．０インチの間である。好ましくは０．０２インチから０．２インチの間である。この空間は、供給されるガスや、底壁２３１ｅとサセプタ２１２間の熱の伝導を考慮したプロセス条件に依存して変化する。
チャンバリッドアッセンブリ２３１の内、天板２０４と接触する面には、天板２０４の面に沿って、空隙で構成される熱減衰部２３５が設けられている。熱減衰部２３５は、ヒータ２１３で発生する熱が、チャンバリッドアッセンブリ２３１、天板２０４を介してガス供給部のバルブに高熱が伝わらないよう、熱エネルギーを減衰させている。仮にバルブが高温に曝された場合、バルブの耐久性が著しく低くなってしまう。熱減衰部を設けることで、バルブの寿命を延ばしている。
（供給系）
凸部２３１aに設けられたガス分散チャネル２３１ｂには、上部２４１が接続されている。上部２４１は筒形状に構成される。上部２４１のフランジと凸部２３１ａの上面は、図示しないねじ等で固定されている。上部２４１の側壁には、少なくとも二つのガス供給管が接続されている。
上部２４１には、第一ガス供給管２４３ａ、第二ガス供給管２４４ａ、第三ガス供給管２４５ａが接続されている。第二ガス供給管２４４ａは、プラズマ生成部としてのリモートプラズマユニット２４４ｅを介して上部２４１に接続される。
より詳細には、第一ガス供給管２４３ａはバッファ室２４１ａに接続される。第二ガス供給管２４４ａは上部２４１の天井に設けられた孔２４１ｂに接続される。第三ガス供給管２４５ａはバッファ室２４１ｃに接続される。
上部２４１の側面に接続されるガス供給管としては、不活性ガスが供給される第三ガス供給管２４５ａを最も上方に設ける。このようにすることで、第一ガス供給管２４３ａやチューブ２６１から供給される処理ガスを、上部２４１の上方空間に回り込むことを防いでいる。処理ガスの回りこみを防ぐことで、各ガスに起因する上方空間を構成する上部２４１の内壁等への成膜を抑制し、パーティクルの発生を低減している。
第一ガス供給管２４３ａを含む第一ガス供給系２４３からは第一元素含有ガスが主に供給され、第二ガス供給管２４４ａを含む第二ガス供給系２４４からは主に第二元素含有ガスが供給される。第三ガス供給管２４５ａを含む不活性ガス供給部としての第三ガス供給系２４５からは、ウエハを処理する際には主に不活性ガスが供給される。
続いて、バッファ室２４１ａ、バッファ室２４１ｃとチューブ２６１の関係について図２を用いて説明する。バッファ室２４１ａとバッファ室２４１ｃは同様の構成であるため、ここではバッファ室２４１ｃを中心に説明し、バッファ室２４１ａの説明は省略する。図２は図１のＡ−Ａ’線の断面図である。
２４１ｄは上部２４１の外壁、２４１ｅは上部２４１の内壁を示す。外壁２４１ｄと内壁２４１ｅの間にバッファ室２４１ｃが設けられる。内壁２４１ｅには、空間２４１ｇとの連通孔２４１ｆが複数設けられている。バッファ室２４１ｃは、複数の連通孔２４１ｆを介して上部２４１の内側の空間２４１ｇに連通される。連通孔２４１ｆはバッファ空間２４１ｃのガスをスムーズに空間２４１ｇに供給できるよう、ガスの流れ方向と順方向の向きに形成されている。
尚、内側空間２４１ｇと向かい合う内壁２４１ｅの壁やチューブ２６１の壁に、ガス流れの順方向にらせん状の溝を設けても良い。溝を設けることで、渦形状の流れを再現性良く形成することが可能となる。このようにすると、供給されるガスがウエハ２００のエッジ部分まで供給されるので、より均一な膜形成が可能となる。
続いてガスの流れを説明する。
供給管２４５ａから供給されたガスはバッファ空間２４１ｃに供給される。この際、供給管２４５ａは、内壁２４１ｅに対する接線方向にガスを供給するようにしている。バッファ空間２４１ｃに供給されたガスは、矢印の方向にガスが流れ、連通孔２４１ｆを介して内側空間２４１ｇに供給される。このような構造とすることでチューブ２６１の外側である空間２４１ｇに、矢印方向の渦を形成することが可能となる。バッファ空間２４１ｃ、内壁２４１ｅ、連通孔２４１ｆにより構成される渦流形成部と称する。
図６は図２の構造を用いた場合のガスの流れを示すシミュレーション結果を表した図である。図６（ａ）はガス分散チャネル２３１ｂ内の、チャンバリッドアッセンブリ構造の壁及びチューブ２６１に沿ったガスの流速を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のａ−ａ´断面図である。具体的には、上部２４１内のガス分散チャネルの断面図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）のｂ−ｂ´断面図である。
いずれも矢印の太さが太いほど流速が大きいことを表している。この結果から、ガス流れは、中心軸２５０に近いほど（チューブ２６１に近いほど）流速が小さいことがわかる。即ち、側壁２３１ｃに沿ったガスの流速は、チューブ２６１に沿ったガスの流速よりも大きい。更に、ガスが基板２００に近づくほど流速は遅くなることが分かる。即ち、ガス分散チャネル２３１ｂの径が大きいほど流速が小さい。このように、図２に示す構造でガスを供給することで、ガス分散チャネル２３１ｂ内にガス流れが形成されることがわかる。底壁２３１ｅの下方ではガス分散チャネル２３１ｂの径が更に広がることから、ガス流れは辺２３１ｅの下方で更に広がっていく。従って、第一ガス供給管２４３ａ、第三ガス供給管２４５ａから供給されるガスをウエハ面内に均一に搬送することが可能となる。ここで、辺２３１ｅとは、側壁２３１ｃから下部２３１ｄとの間であって、ガス分散チャネル２３１ｂの径が変わる辺を言う。
ところで、仮にプラズマ状態のガスを図２に示す、第一ガス供給管２４３ａや第三ガス供給管２４５ａから供給した場合、プラズマがウエハ２００に到達する前に失活してしまうことが考えられる。
例えば図２の構造にプラズマを供給した場合、ガスが連通孔２４１ｆやバッファ空間２４１ｃを構成する壁に衝突してしまうため、内側空間２４１ｇに供給される前に失活する恐れがある。
図６に戻ると、内側空間２４１ｇに供給されたガスは、矢印の流れのように、渦巻き状にガスが流れるため、ガスの流速が速いと、分解されたガスの成分が壁面等に衝突してしまうことが考えられる。そのため、内側空間２４１ｇに供給されたプラズマは、ウエハ２００に供給される前に失活してしまう。
そこで、本実施形態では、ガス分散チャネル２３１ｂの略中央部に、後述するチューブ２６１を設けた。このチューブ２６１内にプラズマが流れるようにし、ガスの流速が遅くなる箇所までプラズマを搬送する。このようにすることで、プラズマが失活することを抑制し、ウエハ２００上にプラズマを搬送することができる。
（チューブ）
ガス供給管２４４ａは、上部２４１の孔２４１ｂを介してチューブ２６１に接続される。チューブ２６１の下端２６１ａは反応ゾーン２０１に向かって延伸される。チューブ２６１は例えば石英で構成される。
チューブ２６１の下端２６１ａは、ガス分散チャネル２５１の径が広がり始める領域から（図７参照）、ガス流れの主方向がチャネル２５１に変化する領域の間（図８参照）に設定される。言い換えると、下端２６１ａの下限は、下部２３１ｄの中心軸２５０方向への延長線２５２上に設定される。
ここで、「ガス分散チャネル２５１の径が広がり始める領域」とは、内側空間２４１ｇの径よりも大きくなる領域を示し、例えば上部２４１と凸部２３１ａが接続される部分を含む領域を言う。また、「ガス流れの主方向がチャネル２５１に変化する領域」とは、ガス分散チャネル２３１ｂの径が更に広くなる領域を言い、例えば点２３１ｅ近傍の領域を呼ぶ。従って、定量的には、高さ方向において、凸部２３１ａの上端から点２３１ｅの間に先端２６１ａが維持されるよう設定する。このような位置にすることで、プラズマの失活を抑制すると共に、先に説明した渦巻き状の不活性ガス流にプラズマを乗せることによって、ウエハ外周へのプラズマ搬送を可能とする。
（第一ガス供給系）
第一ガス供給管２４３ａには、上流方向から順に、第一ガス供給源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。
第一ガス供給管２４３ａから、第一元素を含有するガス（以下、「第一元素含有ガス」）が、マスフローコントローラ２４３ｃ、バルブ２４３ｄ、上部２４１を介して反応ゾーン２０１に供給される。
第一元素含有ガスは、原料ガス、すなわち、処理ガスの一つである。ここで、第一元素は、例えばチタン（Ｔｉ）である。すなわち、第一元素含有ガスは、例えばチタン含有ガスである。なお、第一元素含有ガスは、常温常圧で固体、液体、及び気体のいずれであっても良い。第一元素含有ガスが常温常圧で液体の場合は、第一ガス供給源２４３ｂ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。
第一ガス供給管２４３ａのバルブ２４３ｄよりも下流側には、第一不活性ガス供給管２４６ａの下流端が接続されている。第一不活性ガス供給管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。
ここで、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。
主に、第一ガス供給管２４３ａ、マスフローコントローラ２４３ｃ、バルブ２４３ｄにより、第一元素含有ガス供給系２４３（チタン含有ガス供給系、もしくは原料ガス供給部ともいう）が構成される。
また、主に、第一不活性ガス供給管２４６ａ、マスフローコントローラ２４６ｃ及びバルブ２４６ｄにより第一不活性ガス供給系が構成される。なお、不活性ガス供給源２４６ｂ、第一ガス供給管２４３ａを、第一不活性ガス供給系に含めて考えてもよい。
更には、第一ガス供給源２４３ｂ、第一不活性ガス供給系を、第一元素含有ガス供給系２４３に含めて考えてもよい。
（第二ガス供給系）
第二ガス供給管２４４ａには、下流にリモートプラズマユニット２４４ｅが設けられている。上流には、上流方向から順に、第二ガス供給源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。
第二ガス供給管２４４ａからは、第二元素を含有するガス（以下、「第二元素含有ガス」）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、上部２４１、チューブ２６１を介して、反応ゾーン２０１内に供給される。リモートプラズマユニット２４４ｅを通過した第二ガスはプラズマ状態に変化し、ウエハ２００上に供給される。
第二元素含有ガスは、処理ガスの一つである。なお、第二元素含有ガスは、反応ガスまたは改質ガスとして考えてもよい。
ここで、第二元素含有ガスは、第一元素と異なる第二元素を含有する。第二元素は、例えば、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）のいずれか一つである。本実施形態では、第二元素含有ガスは、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、アンモニア（ＮＨ３）ガスが用いられる。
主に、第二ガス供給管２４４ａ、マスフローコントローラ２４４ｃ、バルブ２４４ｄにより、第二元素含有ガス供給系２４４（窒素含有ガス供給系、もしくは反応ガス供給部ともいう）が構成される。
また、第二ガス供給管２４４ａのバルブ２４４ｄよりも下流側には、第二不活性ガス供給管２４７ａの下流端が接続されている。第二不活性ガス供給管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。
第二不活性ガス供給管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、第二ガス供給管２４４ａ、リモートプラズマユニット２４４ｅ、チューブ２６１を介して、反応ゾーン２０１内に供給される。不活性ガスは、薄膜形成工程（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、第二不活性ガス供給管２４７ａ、マスフローコントローラ２４７ｃ及びバルブ２４７ｄにより第二不活性ガス供給系が構成される。なお、不活性ガス供給源２４７ｂ、第二ガス供給管２４４ａ、リモートプラズマユニット２４４ｅを第二不活性ガス供給系に含めて考えてもよい。
更には、第二ガス供給源２４４ｂ、リモートプラズマユニット２４４ｅ、第二不活性ガス供給系を、第二元素含有ガス供給系２４４に含めて考えてもよい。
（第三ガス供給系）
第三ガス供給管２４５ａには、上流方向から順に、第三ガス供給源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。
第三ガス供給管２４５ａから、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、バッファ室２４１ｃを介して、渦巻き状のガス流れとなって、反応ゾーン２０１に供給される。
ここで、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。
主に、第三ガス供給管２４５ａ、マスフローコントローラ２４５ｃ、バルブ２４５ｄにより、第三ガス供給系２４５（ガス供給部、もしくは不活性ガス供給部とも呼ぶ）が構成される。
第三ガス供給管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、を介して、反応ゾーン２０１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、基板処理工程では、処理容器２０２、ガス分散チャネル２３１ｂ、上部２４１の上方空間をパージするパージガスとして作用する。更には、チューブ２６１から供給されるプラズマ状態の第二元素含有ガスをウエハ外周２００ｂまで搬送するガスとして作用する。
（排気系）
処理容器２０２の雰囲気を排気する排気系は反応ゾーン２０１の側壁に設けられた排気孔２２１に接続される排気管２２２を有する。排気管２２２には、反応ゾーン２０１内を所定の圧力に制御する圧力制御器であるＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２２３が設けられる。ＡＰＣ２２３は開度調整可能な弁体（図示せず）を有し、後述するコントローラ２８０からの指示に応じて排気管２２２のコンダクタンスを調整する。排気管２２２においてＡＰＣ２２３の下流側にはバルブ２２４が設けられる。バルブ２２４の下流側にはポンプ２２５が接続されている。排気管２２２、ＡＰＣ２２３、バルブ２２４をまとめて排気系と呼ぶ。なお、ポンプ２２５を含めて排気系と呼んでも良い。
（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コントローラ２８０を有している。コントローラ２８０は、演算部２８１及び記憶部２８２を少なくとも有する。コントローラ２８０は、上記した各構成に接続され、上位コントローラや使用者の指示に応じて記憶部２８２からプログラムやレシピを呼び出し、その内容に応じて各構成の動作を制御する。
なお、コントローラ２８０は、専用のコンピュータとして構成してもよいし、汎用のコンピュータとして構成してもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリ（ＵＳＢ Ｆｌａｓｈ Ｄｒｉｖｅ）やメモリカード等の半導体メモリ）２８３を用意し、外部記憶装置２８３を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすることにより、本実施形態に係るコントローラ２８０を構成することができる。また、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置２８３を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶装置２８３を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。
なお、記憶部２８２や外部記憶装置２８３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成される。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。なお、本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶部２８２単体のみを含む場合、外部記憶装置２８３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。
＜基板処理工程＞
次に、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。
図３は、本実施形態に係る基板処理工程を示すフロー図である。図４は、図３の成膜工程の詳細を示すフロー図である。図５は、成膜工程におけるバルブ動作等を示した図である。
以下、第一元素含有ガスとして、Ｔｉ含有ガス（例えばＴｉＣｌ４）を用い、第二元素含有ガスとして窒素含有ガス（例えばＮＨ３）を用いて、ウエハ２００上に薄膜として窒化チタン膜を形成する例について説明する。
（基板搬入・載置工程Ｓ１０２）
処理装置１００ではサセプタ２１２をウエハ２００の搬送位置まで下降させることにより、サセプタ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、サセプタ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２０３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２０３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、サセプタ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、サセプタ２１２を上昇させることにより、サセプタ２１２に設けられた基板載置面２１１上にウエハ２００を載置させ、さらにサセプタ２１２を上昇させることにより、前述した反応ゾーン２０１内の処理位置までウエハ２００を上昇させる。
また、ウエハ２００をサセプタ２１２の上に載置する際は、サセプタ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の表面が所定の温度となるよう制御される。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、室温以上であって４００℃以下である。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。ヒータ２１３は、基板搬入・載置工程Ｓ１０２から後述する基板搬出工程Ｓ１０６まで継続して制御される。
（成膜工程Ｓ１０４）
次に、薄膜形成工程Ｓ１０４を行う。以下、図４を参照し、成膜工程Ｓ１０４について詳説する。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。
（第一の処理ガス供給工程Ｓ２０２）
ウエハ２００を加熱して所望とする温度に達すると、バルブ２４３ｄを開くと共に、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。なお、ＴｉＣｌ４ガスの供給流量は、例えば１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下である。
このとき、バルブ２２４が開とされ、ＡＰＣ２２３によって反応ゾーン２０１の圧力が所定の圧力となるように制御される。
更には、第三ガス供給系のバルブ２４５ｄを開き、第三ガス供給管２４５ａからＮ２ガスを供給する。また、第一不活性ガス供給系からＮ２ガスを流してもよい。また、この工程に先立ち、第三ガス供給管２４５ａからＮ２ガスの供給を開始していてもよい。
処理容器２０２に供給されたＴｉＣｌ４ガスはウエハ２００上に供給される。ウエハ２００の表面には、ＴｉＣｌ４ガスがウエハ２００の上に接触することによって「第一元素含有層」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、反応ゾーン２０１内の圧力、ＴｉＣｌ４ガスの流量、サセプタ２１７の温度等に応じて、所定の厚さ及び所定の分布で形成される。なお、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。
ＴｉＣｌ４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、ＴｉＣｌ４ガスの供給を停止する。
（パージ工程Ｓ２０４）
次いで、第三ガス供給管２４５ａからＮ２ガスを供給し、反応ゾーン２０１のパージを行う。このときも、バルブ２２４は開とされてＡＰＣ２２３によって反応ゾーン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に結合できなかったＴｉＣｌ４ガスは、排気管２２２を介して反応ゾーン２０１から除去される。
反応ゾーン２０１のパージが終了すると、バルブ２２４を開としてＡＰＣ２２３による圧力制御を再開する。
（第二の処理ガス供給工程Ｓ２０６）
パージ工程Ｓ２０４の後、バルブ２４４ｄを開けて反応ゾーン２０１にプラズマ状態の窒素含有ガスの供給を開始する。本実施例では、窒素含有ガスとして、アンモニア（ＮＨ３）を用いる。
このとき、窒素含有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、窒素含有ガスの供給流量は、例えば１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍ以下である。なお、窒素含有ガスとともに、第二不活性ガス供給系からキャリアガスとしてＮ２ガスを流してもよい。また、この工程においても、第三ガス供給系のバルブ２４５ｄは開とされ、第三ガス供給管２４５ａからＮ２ガスが供給される。第三ガス供給管２４５から供給されたＮ２ガスは、チューブ２６１を中心として、チューブ２６１の外周側であって、上部２４１の内側に構成された内部空間２４１ｇ、ガス分散チャネル２３１ｂに渦状の流れが形成される。
チューブ先端２６１ａから排出されたプラズマ状の窒素含有ガスは、ウエハ中心２００ａに供給される。更に、チューブ先端２６１ａの周囲に形成される不活性ガスの渦の流れに乗ってウエハ２００の外周２００ｂまで運ばれる。
窒素含有ガスはウエハ中心２００ａ、ウエハ外周２００ｂ上に供給される。既に形成されているチタン含有層が窒素含有ガスによって改質されることにより、ウエハ２００の上には、例えばチタン元素および窒素元素を含有する層が形成される。
このようにしてウエハ面内に均一に膜を形成することが可能となる。
改質層は、例えば、反応ゾーン２０１内の圧力、窒素ガスの流量、サセプタ２１２の温度等に応じて、所定の厚さ、所定の分布、チタン含有層に対する所定の酸素成分等の侵入深さで形成される。
所定の時間経過後、バルブ２４４ｄを閉じ、窒素含有ガスの供給を停止する。
Ｓ２０６においても、上記したＳ２０２と同様に、バルブ２２４が開とされ、ＡＰＣ２２３によって反応ゾーン２０１の圧力が所定の圧力となるように制御される。
（パージ工程Ｓ２０８）
次いで、Ｓ２０４と同様のパージ工程を実行する。各部の動作はＳ２０４で説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
（判定Ｓ２１０）
コントローラ２８０は、上記１サイクルを所定回数（ｎ ｃｙｃｌｅ）実施したか否かを判定する。
所定回数実施していないとき（Ｓ２１０でＮｏの場合）、第一の処理ガス供給工程Ｓ２０２、パージ工程Ｓ２０４、第二の処理ガス供給工程Ｓ２０６、パージ工程Ｓ２０８のサイクルを繰り返す。所定回数実施したとき（Ｓ２１０でＹｅｓの場合）、図４に示す処理を終了する。
図３の説明に戻ると、次いで、基板搬出工程Ｓ１０６を実行する。
（基板搬出工程Ｓ１０６）
基板搬出工程Ｓ１０６では、サセプタ２１２を下降させ、サセプタ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２４５ｄ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。
（処理回数判定工程Ｓ１０８）
ウエハ２００を搬出後、薄膜形成工程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と判断されたら、処理を終了する。
（第２実施形態）
続いて、図９を用いて第２実施形態を説明する。図９はチューブ先端２６１ａを拡大したものである。
まず、図１２を用いて比較例を説明する。矢印３０１はチューブ２６１の外側のガス（第一元素含有ガス）の流れであり、矢印３０２はチューブ２６１の内側から供給されるガス（第二元素含有ガス）の流れを表す図である。
先端３０３は角状であるため、第一処理ガス供給工程Ｓ２０２で供給された第一元素含有ガスは、チューブ２６１を構成する筒の外周側先端３０３に衝突してしまう。更には付着してしまう。また、チューブ２６１の先端３０３は角状であるため、チューブ２６１の内周側先端３０４に回り込んだガスは衝突し、そこに付着してしまう。
そのため、第二ガス供給工程Ｓ２０６では第二元素含有ガスを供給すると、第二元素含有ガスが先端３０３、３０４に付着した第一元素含有ガスと接触して反応し、外周側先端３０３上に意図しない膜を形成してしまう。形成された膜は膜密度や強度が制御されたものではないため、基板処理中に剥がれてしまい、それが膜質に悪影響を及ぼすことが考えられる。
本実施形態は上記の課題を解決するものである。以下に図９を用いて具体的な内容を説明する。
図９は、チューブ２６１の外周側先端、内周側先端をＲ形状としている。このような構造とすることによって、ガスの流れを阻害することが無いので、意図せぬ膜の形成を抑制することが可能となる。
（実施形態３）
続いて図１０を用いて実施形態３を説明する。
本実施形態では、チューブ２６１の先端を処理ゾーン２０１に向かって広がるよう構成する。このような構成とすると、第二元素含有ガスが先端にそって流れるので、チューブ２６１の外周を流れる渦流に合流容易としている。
（実施形態４）
続いて本実施形態を、図１１を用いて説明する。
図１１は実施形態１のガスフロー（図５）の変形例である。第二処理ガス供給工程Ｓ２０６における不活性ガスの供給量が異なる。
具体的には、不活性ガスの供給量を第一処理ガス供給工程Ｓ２０２よりも少なくしている。
このようにすることで、プラズマに曝され活性化した第一処理ガスと、不活性ガスとの衝突確率を低くすることができ、結果プラズマの失活をより抑制することができる。
以上、本発明の種々の典型的な実施の形態として成膜技術について説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。例えば、上記で例示した薄膜以外の成膜処理や、拡散処理、酸化処理、窒化処理等の他の基板処理を行う場合にも適用できる。また、本発明は、膜形成装置、エッチング装置、酸化処理装置、窒化処理装置、塗布装置、加熱装置等の他の基板処理装置にも適用できる。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
（本発明の好ましい態様）
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
〔付記１〕
本発明の一態様によれば、
基板を載置する基板載置部と、
前記基板載置部の少なくとも一部と対向すると共に、中央にガス供給経路を有するチャンバ蓋と、
前記ガス供給経路と連通するガス供給構造と、
前記ガス供給構造に接続され、プラズマ生成部を有する反応ガス供給部と、
前記ガス供給構造内及び前記ガス供給経路内に設けられ、
前記反応ガス供給部に連通するチューブと、
前記ガス供給構造に接続され、前記チューブの外周側であって、前記ガス供給構造内側にガスを供給するガス供給部と、
を有する基板処理装置が提供される。
〔付記２〕
好ましくは、
前記ガス供給経路を構成する前記チャンバ蓋の内壁は、前記ガス供給構造の下面と接続する接続部から基板載置部に向かうほど広がるように構成されており、
前記チューブの先端は、前記内壁内に配置される付記１に記載の基板処理装置が提供される。
〔付記３〕
好ましくは、
前記ガス供給構造は筒形状であり、
前記反応ガス供給部は、前記筒形状の一端に接続され、
前記ガス供給部の供給管は筒形状の側面に接続される付記１または付記２に記載の基板処理装置が提供される
〔付記４〕
好ましくは、
前記筒形状には、内部に渦流を形成する渦流形成部が設けられ、前記ガス供給管は前記渦流形成部に接続される付記３記載の基板処理装置が提供される
〔付記５〕
好ましくは、
前記ガス供給構造には原料ガスを供給する原料ガス供給部が接続される付記１から付記４のうち、いずれか一つに記載の基板処理装置が提供される
〔付記６〕
好ましくは、
前記ガス供給部の供給管は、不活性ガスを供給するように構成されており、該供給管が接続される接続孔の位置は、前記原料ガス供給部の供給管が接続される接続孔の位置よりも高い位置である付記１から付記５のうち、いずれか一つに記載の基板処理装置が提供される
〔付記７〕
好ましくは、
前記原料ガスを前記ガス供給経路に供給する際は、前記原料ガス供給部のバルブを開、前記不活性ガス供給部のバルブを開、前記反応ガス供給部のバルブを閉とし、
前記反応ガスを前記ガス供給経路に供給する際は、前記原料ガス供給部のバルブを閉、前記不活性ガス供給部のバルブを開、前記反応ガス供給部のバルブを開とするよう制御する付記６に記載の基板処理装置が提供される。
〔付記８〕
好ましくは、
前記原料ガスの供給と前記反応ガスの供給は交互に行われるよう制御する付記７に記載の基板処理装置が提供される
〔付記９〕
別の形態によれば、
基板を基板載置部に載置する工程と、
前記基板載置部の少なくとも一部と対向するチャンバ蓋構造の中央に設けられたガス供給経路に挿入された反応ガス供給チューブを介して反応ガス供給部からプラズマ状の反応ガスを供給すると共に、前記チューブの外周側であって、前記ガス供給構造に接続されたガス供給部から不活性ガスを供給し、基板を処理する工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
〔付記１０〕
更に別の形態によれば、
基板を基板載置部に載置する手順と、
前記基板載置部の少なくとも一部と対向するチャンバ蓋構造の中央に設けられたガス供給経路に挿入された反応ガス供給チューブを介して反応ガス供給部からプラズマ状の反応ガスを供給すると共に、前記チューブの外周側であって、前記ガス供給構造に接続されたガス供給部から不活性ガスを供給し、基板を処理する手順と、
をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。
〔付記１１〕
更に別の形態によれば、
基板を基板載置部に載置する工程と、
前記基板載置部の少なくとも一部と対向するチャンバ蓋構造の中央に設けられたガス供給経路に挿入された反応ガス供給チューブを介して反応ガス供給部からプラズマ状の反応ガスを供給すると共に、前記ガス供給経路から前記供給チューブを中心とした渦状の不活性ガスを供給し、基板を処理する工程と、
を実行させるプログラムが格納されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体が提供される。
１００・・・基板処理装置
２００・・・ウエハ（基板）
２０１・・・反応ゾーン
２０２・・・反応容器
２０３・・・搬送空間
２１２・・・サセプタ
２３１・・・チャンバリッドアッセンブリ（チャンバ蓋部）
２６１・・・チューブ

Claims (10)

  1. 基板を載置する基板載置部と、
    前記基板載置部の少なくとも一部と対向すると共に、中央にガス供給経路を有するチャンバ蓋と、
    前記ガス供給経路と連通するガス供給構造と、
    前記ガス供給構造に接続され、プラズマ生成部を有する反応ガス供給部と、
    前記ガス供給構造内及び前記ガス供給経路内に設けられ、
    前記反応ガス供給部に連通するチューブと、
    前記ガス供給構造に接続され、前記チューブの外周側であって、前記ガス供給構造内側にガスを供給するガス供給部と、
    を有する基板処理装置。
  2. 前記ガス供給経路を構成する前記チャンバ蓋の側壁は、前記ガス供給構造の下面と接続する接続部から基板載置部に向かうほど広がるように構成されており、
    前記チューブの先端は、前記側壁内に配置される請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記ガス供給構造は筒形状であり、
    前記反応ガス供給部は、前記筒形状の一端に接続され、
    前記ガス供給部の供給管は筒形状の側面に接続される請求項１または請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記筒形状には、内部に渦流を形成する渦流形成部が設けられ、前記ガス供給管は前記渦流形成部に接続される請求項３記載の基板処理装置。
  5. 前記ガス供給構造には原料ガスを供給する原料ガス供給部が接続される請求項１から請求項４のうち、いずれか一項に記載の基板処理装置。
  6. 前記ガス供給部の供給管は、不活性ガスを供給するように構成されており、該供給管が接続される接続孔の位置は、前記原料ガス供給部の供給管が接続される接続孔の位置よりも高い位置である請求項１から請求項５のうち、いずれか一項に記載の基板処理装置。
  7. 前記原料ガスを前記ガス供給経路に供給する際は、前記原料ガス供給部のバルブを開、前記不活性ガス供給部のバルブを開、前記反応ガス供給部のバルブを閉とし、
    前記反応ガスを前記ガス供給経路に供給する際は、前記原料ガス供給部のバルブを閉、前記不活性ガス供給部のバルブを開、前記反応ガス供給部のバルブを開とするよう制御する請求項６に記載の基板処理装置。
  8. 前記原料ガスの供給と前記反応ガスの供給は交互に行われるよう制御する請求項７に記載の基板処理装置。
  9. 基板を基板載置部に載置する工程と、
    前記基板載置部の少なくとも一部と対向するチャンバ蓋構造の中央に設けられたガス供給経路に挿入された反応ガス供給チューブを介して反応ガス供給部からプラズマ状の反応ガスを供給すると共に、前記チューブの外周側であって、前記ガス供給構造に接続されたガス供給部から不活性ガスを供給し、基板を処理する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  10. 基板を基板載置部に載置する手順と、
    前記基板載置部の少なくとも一部と対向するチャンバ蓋構造の中央に設けられたガス供給経路に挿入された反応ガス供給チューブを介して反応ガス供給部からプラズマ状の反応ガスを供給すると共に、前記チューブの外周側であって、前記ガス供給構造に接続されたガス供給部から不活性ガスを供給し、基板を処理する手順と、
    をコンピュータに実行させるプログラム。



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