JP2018093150A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

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和愛 松崎
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Abstract

【課題】基板であるウエハ面内における膜厚プロファイルを制御する技術を提供すること。【解決手段】原料ガス及び反応ガスであるＯ２ガスを供給して単分子層を形成するサイクルを複数繰り返してウエハＷに所定膜厚のＳｉＯ２膜を形成するにあたり、ウエハＷの径方向に同心円状に複数に区画され、かつ互いに独立してガスを吐出できる第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３が形成されたガス吐出部４からガスを吐出する。原料ガスとＯ２ガスとの反応によりＳｉＯ２膜が形成され、原料ガスの供給量及びＯ２ガスの供給量を変えることにより、ＳｉＯ２膜の膜厚が変化する。このため、原料ガスの供給量、及びＯ２ガスの供給量が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で互いに異なるように制御することにより、ウエハＷの径方向の膜厚を調整し、膜厚プロファイルを制御できる。【選択図】図２

Description

本発明は、原料ガス及び反応ガスを供給して基板に薄膜を形成する技術に関する。
半導体装置の製造ステップにおいては、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）に対して、熱エネルギーにより、或いはプラズマを形成してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）による成膜処理が行われている。この成膜処理は、例えば処理容器内に設けられ、上部電極を兼用するガスシャワープレートから、下部電極を兼用するステージに載置されたウエハに処理ガスを供給し、ガスシャワープレートとステージとの間に処理ガスのプラズマを形成する成膜装置を用いて行われる場合がある。
この装置では、先ず、処理容器内に原料ガスを供給してウエハに原料ガスを吸着させ、次いで、処理容器内に反応ガスを供給すると共に、プラズマを形成して反応ガスを活性化し、反応ガスの活性種とウエハに吸着した原料ガスとを反応させる。この原料ガス及び反応ガスを交互に供給するサイクルを複数繰り返すことにより、所望の膜厚の薄膜が形成されるが、このようなＡＬＤプロセスにおいて、ウエハ面内における膜厚プロファイルの制御を求められる場合がある。
特許文献１には、プラズマパワーやプラズマの照射時間を制御することで、膜厚プロファイルをウエハの中央部の膜厚が周縁部に比べて大きくなる凸型形状や、ウエハの中央部の膜厚が周縁部に比べて小さくなる凹型形状に制御する技術が記載されている。この手法では、プラズマ密度が高い領域において、プラズマパワーが大きく、プラズマの照射時間が長くなると、膜質に影響を与え、ウエハ面内において局所的に膜質が変化する部分が発生するおそれがある。また、下地膜への影響がウエハ面内においてばらつき、下地膜のダメージや酸化の度合いがウエハ面内において不均一になる懸念もある。
特許文献２には、成膜ガスと酸化性ガスとを交互に複数回供給して成膜するにあたり、ガスシャワープレートの中央領域から成膜ガス、酸化性ガス及びパージガスを供給し、ガスシャワープレートの周縁領域から酸化性ガス及びパージガスを供給する技術が記載されている。この手法では、成膜ガスはガスシャワープレートの中央領域からのみ供給されるので、膜厚プロファイルを制御することは困難である。
特許文献３は、化学気相成長リアクタ用のガス供給インジェクタに関するものであり、ガス供給インジェクタを同心区画領域に分割し、中央側の区画領域と周縁側の区画領域に、夫々濃度の異なる第１の前駆物質ガス及び第２の前駆物質ガスを供給する技術が記載されている。この手法は、化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）に関するものであって、ＡＬＤにおいて膜厚プロファイルを制御するものではない。
特許文献４は、基板上面にガスを供給するシャワープレートにおいて、基板上面を均一に処理するために、シャワープレートにガスを流すための複数の個別セクタを設けること、及びＡＬＤに適用できることが記載されている。しかしながら、ガスを独立して吐出できる領域を同心円状に複数に区画し、ＡＬＤにおいて原料ガスの供給量及び反応ガスの供給量の少なくとも一方を区画領域の間で変えるという手法は記載されていない。
ＵＳ２０１４／０３６７３５９ 特開２００８−２４４１４０号公報（図３、図１１等） 特表２００８−５０８７４４号公報（図１０、段落００６８等） 特開２０１６−１０５４６６号公報
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、基板面内における膜厚プロファイルを制御する技術を提供することである。
本発明の成膜装置は、
真空雰囲気にて、原料ガス及び原料ガスと反応する反応ガスを供給して単分子層を形成するサイクルを複数繰り返して基板に所定膜厚の薄膜を形成する成膜装置において、
内部に基板を載置するための載置部が配置され、真空雰囲気を形成するための処理容器と、
前記載置部と対向するように複数のガス吐出孔が形成されたシャワープレートを備えると共に、前記複数のガス吐出孔の配列領域を基板の径方向に同心円状に複数に区画しかつ互に独立してガスを吐出できる複数の区画領域が形成されたガス吐出部と、
前記ガス吐出部に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記ガス吐出部に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量、及び前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスと反応ガスとの反応時間帯における反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量のうちの少なくとも一方が複数の区画領域のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異な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。
本発明の成膜方法は、
真空雰囲気にて、原料ガス及び原料ガスと反応する反応ガスを供給して単分子層を形成するサイクルを複数繰り返して基板に所定膜厚の薄膜を形成する成膜方法において、
基板の載置部と対向するように複数のガス吐出孔が形成されたシャワープレートを備えると共に、前記複数のガス吐出孔の配列領域を基板の径方向に同心円状に複数に区画しかつ互に独立してガスを吐出できる複数の区画領域が形成されたガス吐出部を用い、
前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量、及び前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスと反応ガスとの反応時間帯における反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量のうちの少なくとも一方が複数の区画領域のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なるようにして基板に薄膜を形成することを特徴とする。
本発明は、原料ガス及び反応ガスを供給して基板に薄膜を形成するにあたり、基板の径方向に同心円状に複数に区画され、かつ互いに独立してガスを吐出できる複数の区画領域が形成されたガス吐出部からガスを吐出している。そして、原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量、及び原料ガスと反応ガスとの反応時間帯における反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量のうちの少なくとも一方を複数の区画領域のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なるように制御している。このため、基板の径方向の膜厚を調整して膜厚プロファイルを制御することができる。
本発明に係る成膜装置の縦断側面図である。 成膜装置に設けられるガス吐出部の一例を示す縦断側面図である。 成膜装置にて実施される成膜方法のチャート図である 成膜装置にて実施される成膜方法を示す説明図である。 成膜装置にて実施される成膜方法を示す説明図である。 成膜装置にて成膜される薄膜を示す側面図である。 成膜装置にて実施される成膜方法の他の例のチャート図である。 成膜装置にて実施される成膜方法のさらに他の例のチャート図である。 成膜装置におけるガスの供給状態を示す説明図である。 成膜装置におけるガスの供給状態を示す説明図である。 成膜装置にて実施される成膜方法の他の例を示す説明図である。 本発明の他の成膜装置の一部を示す縦断側面図である。 成膜装置にて実施される成膜方法のさらに他の例のチャート図である。 評価試験の結果を示す特性図である。 評価試験の結果を示す特性図である。 評価試験の結果を示す特性図である。 評価試験の結果を示す特性図である。 評価試験の結果を示す特性図である。
本発明の成膜装置の一実施形態である成膜装置１について、図１の縦断側面図を参照して説明する。この成膜装置１は、ウエハＷを格納して処理を行う真空容器である処理容器１１を備えており、シリコン（Ｓｉ）を含有する原料ガスと、反応ガスである酸化ガスとを交互に繰り返し複数回、処理容器１１内に供給して、ＡＬＤによりウエハＷにシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）膜を形成するように構成されている。原料ガスとしては、例えばＳｉ２Ｃｌ６、Ｓｉ２Ｈ６、ＨＣＤＳ（ヘキサクロロジシラン）、ＴＤＭＡＳ（トリジメチルアミノシラン）、ＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）等が用いられる。反応ガスである酸化ガスとしては、酸素（Ｏ２）ガスやオゾン（Ｏ３）ガス等を用いることができる。反応ガス例えばＯ２ガスは、プラズマ化されてウエハＷに供給され、成膜装置１はプラズマＡＬＤ装置として構成されている。
処理容器１１は概ね扁平な円形に構成されており、その側壁には、ウエハの搬入出口１２と、この搬入出口１２を開閉するゲートバルブ１３とが設けられている。搬入出口１２よりも上部側には、処理容器１１の側壁の一部をなす、縦断面の形状が角型のダクトを円環状に湾曲させて構成した排気ダクト１４が設けられている。排気ダクト１４の内周面には、周方向に沿って伸びるスリット状の開口部１５が形成されており、処理容器１１の排気口をなす。また、この排気ダクト１４には、排気管１６の一端が接続されている。排気管１６の他端は圧力調整機構１７１及びバルブ１７２を介して真空ポンプにより構成される排気機構１７に接続されている。
処理容器１１内にはウエハＷを水平に載置する円形の載置部３１が設けられている。載置部３１の内部には、ウエハＷを加熱するためのヒーターと、接地された電極板とが埋設されている。ヒーター及び電極板は図示を省略している。
載置部３１の下面側中央部には処理容器１１の底部を貫通し、上下方向に伸びる支持部材３４の上端が接続されており、この支持部材３４の下端は昇降機構３５に接続されている。この昇降機構３５によって載置部３１は、図１に鎖線で示す下方側の位置と、図１に実線で示す上方側の位置との間を昇降することができる。下方側の位置は、上記の搬入出口１２から処理容器１１内に進入するウエハＷの搬送機構との間で当該ウエハＷの受け渡しを行うための受け渡し位置であり、上方側の位置は、ウエハＷに処理が行われる処理位置である。
図中３６はフランジ、３７は伸縮自在なベローズである。図中３８は３本（図では２本のみ表示している）の支持ピンであり、図中３９は支持ピン３８を昇降させる昇降機構である。載置部３１が受け渡し位置に位置したときに、載置部３１に設けられる貫通孔１９を介して支持ピン３８が昇降して、載置部３１の上面を突没し、載置部３１と上記の搬送機構との間でウエハＷの受け渡しが行われる。
上記の排気ダクト１４の上側には、載置部３１に載置されたウエハＷと対向するようにガス吐出部４が設けられている。この例におけるガス吐出部４は、処理容器１１内を上側から塞ぐように設けられた天板部材４１と、天板部材４１の下方に、載置部３１に対向するように設けられた、水平な円板状のシャワープレート４２と、を備えている。天板部材４１とシャワープレート４２との間には、扁平な円形のガス拡散空間４３が形成されている。
この例では、シャワープレート４２の周縁は、天板部材４１の下面から下方に突出する環状突起４４にて支持されており、この環状突起４４は、処理位置における載置部３１に近接するように構成されている。シャワープレート４２において、この環状突起４４の内側領域には、ガス拡散空間４３に開口する多数のガス吐出孔４５が分散して配設されている。
図２に示すように、ガス拡散空間４３は、ウエハＷの径方向に同心円状に複数例えば３つに隔壁４６により区画されており、このためシャワープレート４２における多数のガス吐出孔４５の配列領域には、前記径方向に複数例えば３つの区画領域（第１の区画領域Ｚ１、第２の区画領域Ｚ２及び第３の区画領域Ｚ３）が形成される。ここでは、ガス吐出部４におけるガス拡散空間４３の区画された領域も第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３と呼ぶことにする。これら第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３は、平面的に見て円形のシャワープレート４２を同心円状に分割しており、第１の区画領域Ｚ１は円形状、第２及び第３の区画領域Ｚ２、Ｚ３は環状に夫々形成されている。なお、既述の同心円状とは、完全な同心円に限られず、第２及び第３の区画領域Ｚ２、Ｚ３が環状体である場合も含まれ、当業者が実質的に同心円であると判断する場合も含む意味である。
ガス吐出部４には、原料ガスを供給する原料ガス供給部５０と、Ｏ２ガスを供給する反応ガス供給部６０とが設けられており、ガス拡散空間４３の各区画領域Ｚ１〜Ｚ３には、夫々互いに独立して原料ガス及びＯ２ガスが供給されるようになっている。この例では、ガス拡散空間４３の各区画領域Ｚ１〜Ｚ３毎に、ガス吐出部４の天板部材４１に、原料ガス及びＯ２ガスを供給するための処理ガス供給路５（５１、５２、５３）と、パージガスを供給するためのパージガス供給路６（６１、６２、６３）とが夫々形成されている。
図１及び図２において、第１の区画領域Ｚ１には処理ガス供給路５１及びパージガス供給路６１は１本であるのに対して、第２及び第３の区画領域Ｚ２、Ｚ３には夫々２本の処理ガス供給路５２、５３、夫々２本のパージガス供給路６２、６３を描いているが、実際には第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３には、適宜所定本数の処理ガス供給路及びパージガス供給路が設けられる。
これら処理ガス供給路５（５１〜５３）には、供給制御機器７を介して原料ガス、Ｏ２ガス及びキャリアガスであるＡｒガスが夫々供給される。供給制御機器７は図２に示すように、原料ガス、Ｏ２ガス及びＡｒガスの供給路や、バルブ、マスフローコントローラよりなる流量調整部等を備えている。
処理ガス供給路５（５１、５２、５３）は、夫々原料ガス供給路５４（５４１、５４２、５４３）により、バルブＶ１（Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３）、流量調整部Ｍ１（Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３）を介して原料ガスの供給源５４に接続されている。また、処理ガス供給路５（５１、５２、５３）は、夫々原料ガス供給路５４（５４１、５４２、５４３）、キャリアガス供給路５５１により、夫々バルブＶ２（Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２３）、流量調整部Ｍ２（Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３）を介して、キャリアガスであるＡｒガスの供給源５５に接続されている。
さらに、処理ガス供給路５（５１、５２、５３）は、夫々反応ガス供給路５６（５６１、５６２、５６３）により、バルブＶ３（Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ３３）、流量調整部Ｍ３（Ｍ３１、Ｍ３２、Ｎ３３）を介してＯ２ガスの供給源５６に接続される。また、処理ガス供給路５（５１、５２、５３）は、夫々反応ガス供給路５６（５６１、５６２、５６３）、キャリアガス供給路５５２により、バルブＶ４（Ｖ４１、Ｖ４２、Ｖ４３）、流量調整部Ｍ４（Ｍ４１、Ｍ４２、Ｎ４３）を介して、キャリアガスであるＡｒガスの供給源５５に接続されている。
この例では、処理ガス供給路５（５１、５２、５３）、原料ガス供給路５４（５４１、５４２、５４３）、バルブＶ１（Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３）、流量調整部Ｍ１（Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３）及び原料ガスの供給源５４により原料ガス供給部５０が構成される。また、処理ガス供給路５（５１、５２、５３）、反応ガス供給路５６（５６１、５６２、５６３）、バルブＶ３（Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ３３）、流量調整部Ｍ３（Ｍ３１、Ｍ３２、Ｎ３３）、Ｏ２ガスの供給源５６により反応ガス供給部６０が構成される。
パージガス供給路６（６１、６２、６３）は、例えば途中で合流して供給路５５３により、バルブＶ５、マスフローコントローラＭ５を介してＡｒガスの供給源５５に夫々接続されている。各バルブ及び流量調整部は、後述する制御部１０により動作が制御される。
こうして、ガス吐出部４の第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３には、夫々原料ガス、Ｏ２ガス、キャリアガスであるＡｒガス、パージガスであるＡｒガスが夫々供給され、これらの各種ガスは第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の夫々の同じガス吐出孔４５からウエハＷに向けて吐出される。
図１に戻って説明を続ける。シャワープレート４２の下面及び環状突起４４と、載置部３１の上面とによって囲まれた空間は、上記の成膜処理が行われる処理空間４０をなす。また、シャワープレート４２は載置部３１の電極板(図示せず)と対になり、処理空間４０に容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を形成するための電極板として構成されている。シャワープレート４２には図示しない整合器を介して高周波電源４７が接続されており、高周波電源４７からシャワープレート４２を介して処理空間４０に供給されたガスに高周波電力が供給されることで、上記のＣＣＰが形成される。シャワープレート４２、電極板及び高周波電源４７はプラズマ生成機構を構成する。なお、高周波電源４７は、シャワープレート４２に接続される代わりに載置部３１の電極板に接続され、シャワープレート４２が接地されるようにしてもよい。
また、成膜装置１には、コンピュータからなる制御部１０が設けられている。制御部１０は、プログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えている。プログラムには、制御部１０から成膜装置１の各部に制御信号を送り、後述する成膜処理を実行することができるように命令が組み込まれている。具体的には、各バルブの開閉のタイミング、高周波電源４７のオンオフのタイミング、ヒーター３２によるウエハＷの温度などが、上記のプログラムによって制御される。これらプログラムは、例えば、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などの記憶媒体に格納されて制御部１０にインストールされる。
また、制御部１０は、原料ガスの供給時間帯における原料ガスの供給量、及びＯ２ガスの供給時間帯におけるＯ２ガスの供給量が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で互いに異なる制御信号を出力するように構成されている。さらに、制御部１０は第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間における原料ガスの供給量の大小関係の組み合わせパターンと、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間におけるＯ２ガスの供給量の大小関係の組み合わせパターンとが同じになる制御信号を出力するように構成されている。なお、ここでいう原料ガスの供給量、Ｏ２ガスの供給量とは、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のガス吐出孔４５からウエハＷに向けて吐出される原料ガスやＯ２ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量である。以降、原料ガスの供給量とは、単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量、Ｏ２ガスの供給量とは、単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量を意味する。
この例では、後述するように、成膜処理のレシピは、ウエハＷに目標の膜厚の薄膜を形成するために、第１のステップと第２のステップとを備えている。このため、制御部１０は、第１のステップと第２のステップとの間で、３つの区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間の原料ガスの供給量の比率を変えること、３つの区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間でＯ２ガスの供給量の比率を変えることを実行するように制御信号を出力するように構成されている。また、制御部１０は、３つの区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間における原料ガスの供給量の大小関係の組み合わせパターンと、３つの区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間におけるＯ２ガスの供給量の大小関係の組み合わせパターンとが、第１のステップと第２のステップとの間で異なるように制御信号を出力するように構成されている。
続いて、成膜装置１において実施される本発明の成膜方法の一例について、図３〜図６を参照して説明する。この実施形態の成膜方法は、ウエハＷに目標の膜厚のＳｉＯ２膜を形成するステップとして、互いに成膜条件の異なる第１のステップと第２のステップとを実施している。この例では、第１のステップは、ウエハ面内における膜厚を均一にして、平坦な膜厚プロファイルを形成する成膜条件（条件「平坦」）で処理を行うものである。また、第２のステップは、ウエハの中央部の膜厚が周縁部よりも大きい膜厚プロファイルを形成する成膜条件（条件「中央高」）で処理を行うものである。図３のチャート図は、処理容器１１内への各種ガス供給の開始及び停止のタイミングと、高周波電源４７（プラズマ）のオンオフのタイミングと、示している。
原料ガスをウエハＷに供給するときには、原料ガス供給用のバルブＶ１（１１、１２、１３）を開く。これにより、原料ガス供給源５４から、原料ガスを、第１〜第３の原料ガス供給路５４（５４１、５４２、５４３）、第１〜第３の処理ガス供給路５（５１〜５３）を介してガス拡散空間４３の第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３に夫々供給する。そして、シャワープレート４２の第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３に夫々形成されたガス吐出孔４５から夫々原料ガスを処理空間４０に吐出する。
Ｏ２ガスをウエハＷに供給するときには、Ｏ２ガス供給用のバルブＶ３（３１、３２、３３）を開く。これにより、Ｏ２ガス供給源５６から、Ｏ２ガスを、第１〜第３の反応ガス供給路５６（５６１、５６２、５６３）、第１〜第３の処理ガス供給路５（５１〜５３）、ガス拡散空間４３の第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のガス吐出孔４５を介して処理空間４０に供給する。
キャリアガスであるＡｒガスをウエハＷに供給するときには、Ａｒガス供給用のバルブＶ２（２１、２２、２３）及びバルブＶ４（４１、４２、４３）を開く。これにより、Ａｒガス供給源５５から、Ａｒガスを、キャリアガス供給路５５１、５５２、第１〜第３の原料ガス供給路５４（５４１、５４２、５４３）、第１〜第３の反応ガス供給路５６（５６１、５６２、５６３）、第１〜第３の処理ガス供給路５（５１〜５３）、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のガス吐出孔４５を介して処理空間４０に供給する。
先ず、第１のステップを実施する。処理容器１１内を所定の真空雰囲気とした状態でゲートバルブ１３を開き、処理容器１１に隣接する真空雰囲気の搬送室から搬送機構によってウエハＷを受け渡し位置に位置する載置部３１上に搬送する。支持ピン３８の昇降による載置部３１へのウエハＷの受け渡し、及び搬送機構の処理容器１１からの退出を行うと、ゲートバルブ１３を閉じ、載置部３１を処理位置へと上昇して処理空間４０を形成する。また、載置部３１のヒーターによってウエハＷを所定の温度に加熱する。
次いで、Ａｒガス供給用のバルブＶ２、Ｖ４を開き、既述のように、Ａｒガス供給源５５から、Ａｒガスを処理空間４０に供給する。続いて、原料ガス供給用のバルブＶ１を開き、既述のように、原料ガス供給源５４から、原料ガスを、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のガス吐出孔４５を介して処理空間４０に吐出し、ウエハＷに原料ガス分子（シリコンプリカーサであるシリコン原子を含む材料）を吸着させる（ステップＳ１１）。このときの原料ガスの供給量は、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で同じであり、図３中には、各区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間の原料ガスの供給量の比率を、Ｚ１＝１、Ｚ２＝１、Ｚ３＝１として示している。
続いて、バルブＶ１を閉じ、ウエハＷへの原料ガスの供給を停止する。引き続きＡｒガスの供給を続けることにより、処理空間４０に残留し、ウエハＷに吸着されていない原料ガスをＡｒガスによりパージする（ステップＳ１２）。
次いで、反応ガス供給用のバルブＶ３を開き、反応ガス供給源５６から、既述のように、反応ガスを、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のガス吐出孔４５から処理空間４０に吐出すると共に、高周波電源４７をオンにする。このときのＯ２ガスの供給量は、各区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で互いに同じであり、図３中には、区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間のＯ２ガスの供給量の比率を、Ｚ１＝１、Ｚ２＝１、Ｚ３＝１として示している。こうして、当該処理空間４０のＯ２ガスをプラズマ化し、このプラズマにより、ウエハＷに吸着された原料ガスが酸化されて、シリコン酸化物の層が反応生成物として形成される（ステップＳ１３）。プラズマにより、原料ガスと反応ガスとが反応するため、プラズマの生成時間帯が原料ガスと反応ガスの反応時間帯になるが、この例では、反応ガスを供給するタイミングでプラズマを生成しているので、反応ガスの供給時間帯が反応時間帯となる。
然る後、高周波電源４７をオフにすると共に、バルブＶ３を閉じ、処理空間４０におけるプラズマの形成及びＯ２ガスの供給を停止する。引き続きＡｒガスの供給を続けることにより、処理空間４０に残留しているＯ２ガス及び失活したプラズマの活性種をＡｒガスによりパージして、当該処理空間４０から除去する（ステップＳ１４）。
次いで、原料ガス供給用のバルブＶ１を開き、既述のように、ウエハＷに原料ガスを供給し、上記のステップＳ１１を行う。以降、ステップＳ１２〜Ｓ１４を行い、こうして、ステップＳ１１〜Ｓ１４よりなる成膜サイクルを設定回数繰り返して行うことで、条件「平坦」の成膜条件にてシリコン酸化膜の層をウエハＷの表面に積層して、所定の膜厚のＳｉＯ２膜を形成する。
この第１のステップでは、１サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯における原料ガスの供給量、及び１サイクルの中で割り当てられたＯ２ガスの供給時間帯におけるＯ２ガスの供給量が３つの区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で互いに同じになるように設定されている。これにより、図４に示すように、原料ガスとＯ２ガスとは、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３から同じ供給量で吐出されるので、ウエハ面内において、ほぼ均一にシリコン酸化層の層が積層されていき、膜厚プロファイルが平坦なＳｉＯ２膜が形成される。なお、本件における供給量が同じとは、原料ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量が同じということであり、供給量が完全に同じである必要はなく、当業者が実質的に同じであると判断する場合も含む意味である。
続いて、第２のステップを実施する。先ず、原料ガス供給用のバルブＶ１を開き、既述のように、原料ガス供給源５４から原料ガスを、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のガス吐出孔４５から処理空間４０に吐出し、ウエハＷにＳｉを吸着させる（ステップＳ２１）。このときの原料ガスの供給量は、ウエハＷの中央部の第１の区画領域Ｚ１が最も多く、周縁部の第３の区画領域Ｚ３に向かうほど少なくなるように設定される。
この例では、原料ガスの供給量の変化を、分圧を変えることにより行っている。図１及び図２に示す成膜装置において、分圧を変えるとは、原料ガスの濃度及びキャリアガスの流量が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で同じである場合において、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３に夫々供給する原料ガスの流量を変えることにより、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のガス吐出孔４５から吐出される原料ガスの流量を変えることである。図３中には、区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間の原料ガスの供給量の比率を、Ｚ１＝１、Ｚ２＝０．８、Ｚ３＝０．６として示している。
次に、バルブＶ１を閉じて、原料ガスの供給を停止する。引き続き、Ａｒガスの供給を続け、処理空間４０に残留する原料ガスをパージする（ステップＳ２２）。このように原料ガス供給部５０は、原料ガスの供給時間帯には、キャリアガスであるＡｒガスと原料ガスの混合ガスを供給し、原料ガス供給時間帯以外にはＡｒガスの供給を継続するように構成されている。これにより、第１〜第３の処理ガス供給路５、第１〜第３の原料ガス供給路５４、第１〜第３の反応ガス供給路５６への原料ガスやＯ２ガスの逆流が防止される。
次いで、反応ガス供給用のバルブＶ２を開き、既述のように、反応ガス供給源５６から反応ガスを、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のガス吐出孔４５から処理空間４０に吐出すると共に高周波電源４７をオンにする。このときのＯ２ガスの供給量は、原料ガスと同様に、ウエハＷの中央部が最も多く、周縁部に向かうほど少なくなるように設定され、原料ガスと同様に、Ｏ２ガスの分圧を変えることにより、供給量を調整している。図３中には、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間のＯ２ガスの供給量の比率を、Ｚ１＝１、Ｚ２＝０．８、Ｚ３＝０．６として示している。それによって、当該処理空間４０のＯ２ガスがプラズマ化し、ウエハＷに吸着された原料ガスが酸化されて、シリコン酸化膜の層が反応生成物として形成される（ステップＳ２３）。
然る後、高周波電源４７をオフにすると共に、バルブＶ２を閉じ、処理空間４０におけるプラズマの形成及びＯ２ガスの供給を停止する。引き続きＡｒガスの供給を続け、処理空間４０に残留しているＯ２ガス及び失活したプラズマの活性種をパージして、処理空間４０から除去する（ステップＳ２４）。このように、反応ガス供給部６０は、Ｏ２ガスの反応時間帯（供給時間帯）には、キャリアガスであるＡｒガスとＯ２ガスの混合ガスを供給し、Ｏ２ガスの反応時間帯以外にはＡｒガスの供給を継続するように構成されている。これにより、第１〜第３の処理ガス供給路５、第１〜第３の原料ガス供給路５４、第１〜第３の反応ガス供給路５６への原料ガスやＯ２ガスの逆流が防止される。
次いで、原料ガス供給用のバルブＶ１を開き、既述のように、ウエハＷに原料ガスを供給し、上記のステップＳ２１を行う。以降、ステップＳ２２〜Ｓ２４を行い、こうして、ステップＳ２１〜Ｓ２４よりなる成膜サイクルを設定回数繰り返して行うことで、条件「中央高」の成膜条件にてシリコン酸化膜の層をウエハＷの表面に積層して、所定の膜厚のＳｉＯ２膜を形成する。
ステップＳ２１〜Ｓ２４が所定の回数、繰り返し行われると、載置部３１が下降し、処理容器１１への搬入時とは逆の手順で、ウエハＷの処理容器１１からの搬出が行われて、成膜処理が終了する。
第２のステップでは、１サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯における原料ガスの供給量、及び１サイクルの中で割り当てられたＯ２ガスの供給時間帯におけるＯ２ガスの供給量が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で互いに異なるように設定されている。こうして、図５に示すように、原料ガスとＯ２ガスは、ウエハＷの中央部が最も多く、周縁部に向かうほど少なくなるように、つまり中央部の第１の区画領域Ｚ１→中央部と周縁部との径方向の中間部位の第２の区画領域Ｚ２→周縁部の第３の区画領域Ｚ３の順番に少なくなる供給量で供給される。これにより、ウエハ面内において、中央部では周縁部に比べてＳｉＯ２の膜厚が大きくなり、膜厚プロファイルが中央高なＳｉＯ２膜が形成される。
こうして成膜されたＳｉＯ２膜は、図６に示すように、ウエハＷの上に膜厚プロファイルが平坦なＳｉＯ２膜Ｓ１が第１のステップにより形成され、その上に膜厚プロファイルが中央高なＳｉＯ２膜Ｓ２が第２のステップにより形成されたものになる。
原料ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量、及びＯ２ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量を変える手法は、図７のチャート図に示すように、原料ガス及びＯ２ガスの流量、原料ガス及びＯ２ガスの濃度が同じ場合に、原料ガス及びＯ２ガスの供給時間を調整して行うことであってもよい。第１のステップでは、原料ガスを供給するステップＳ１１、Ｏ２ガスを供給するステップＳ１３において、３つの区画領域Ｚ１〜Ｚ３における原料ガス及びＯ２ガスの供給時間を夫々例えば０．０５秒に揃えている。
また、第２のステップでは、「中央高」の膜厚プロファイルを得るために、原料ガスを供給するステップＳ２１、Ｏ２ガスを供給するステップＳ２３において、原料ガス及びＯ２ガスは、中央部の第１の区画領域Ｚ１の供給時間が最も長く、周縁部の第３の区画領域Ｚ３に向かうにつれて、供給時間を短くしている。ステップＳ２１及びステップＳ２３における具体的な供給時間は、原料ガス及びＯ２ガス共に、例えば第１の区画領域Ｚ１は０．０５秒、第２の区画領域２は０．０４秒、第３の区画領域Ｚ３は０．０３秒であり、この例では各区画領域Ｚ１〜Ｚ３における原料ガス及びＯ２ガスの吐出停止のタイミングを揃えるように、吐出開始のタイミングを変えている。
このように、原料ガスの供給時間及びＯ２ガスの供給時間を変えることにより、ウエハＷに供給される原料ガス及びＯ２ガスの量が変化するため、供給時間が長い領域は膜厚が大きく、供給時間が短い領域は膜厚が小さくなり、膜厚プロファイルの制御を行うことができる。
さらに、原料ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量、及び反応ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量を変える手法は、例えば流量を同じにして、ガス濃度（原料ガス流量とキャリアガス流量との合計に対する原料ガス流量の比あるいは、キャリアガス流量に対する原料ガスの流量の比）を変えることであってもよい。また、供給量を変えるために、分圧を調整する場合には、既述のようにキャリアガスの流量を一定にして原料ガス（Ｏ２ガス）の流量を変えてもよいし、原料ガス（Ｏ２ガス）の流量及びキャリアガスの流量の両方を変えてもよい。
以上において、制御部１０は、原料ガスの供給時間帯における原料ガスの供給量、及びＯ２ガスの供給時間帯におけるＯ２ガスの供給量のうちの少なくとも一方が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のうちの少なくとも２つの区画領域で互いに異なるように制御信号を出力するものであればよい。従って、例えば条件「中央高」にて成膜処理を行う場合において、原料ガスの供給量、例えば分圧または供給時間を図３あるいは図７のように変え、Ｏ２ガスについては分圧または供給時間を各区画領域Ｚ１〜Ｚ３において同じになるように、ガス吐出部４の全面から均一に吐出してもよい。この場合には、流量分布の影響を受けやすいＯ２ガスの供給量を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３において同じにすることにより、膜厚を均一に調整したい領域については膜厚の均一性を高めながら、膜厚を調整することができる。
また、原料ガスの供給量を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３において同じにし、Ｏ２ガスの供給量が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のうちの少なくとも２つの区画領域で互いに異なるように制御してもよい。ＳｉＯ２膜は原料ガスとＯ２ガスの反応により成膜されるので、Ｏ２ガスの供給量を変えることにより、膜厚を調整して、所望の膜厚プロファイルを得ることができる。
また、原料ガス及び反応ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量は、ゼロの場合も含まれる。この例について、例えばウエハ周縁部の膜厚が中央部よりも大きい、「周縁高」の膜厚プロファイルを得る場合を例にして、図８のチャート図を参照して説明する。
この例は、原料ガスの供給量、及び反応ガスの供給量を分圧を変えることにより調整しており、第１のステップは、上述の実施形態と同様であるので、説明を省略する。第２のステップは、条件「周縁高」の成膜条件で実施され、原料ガスを供給するステップＳ２１において、「周縁高」の膜厚プロファイルを得るために、第１の区画領域Ｚ１、第２の区画領域Ｚ２は原料ガスの供給量をゼロとし、第３の区画領域Ｚ３の第３の処理ガス供給路５３のみに原料ガスを供給している。これにより、図９に示すように、ガス吐出部４からは周縁部の第３の区画領域Ｚ３のガス吐出孔４５からのみ原料ガスが吐出される。こうして、ウエハＷの周縁部に原料ガスが供給されて、原料ガス分子が吸着される。
Ｏ２ガスを供給するステップＳ２３では、全ての区画領域Ｚ１〜Ｚ３の第１〜第３の処理ガス供給路５１〜５３に、同じ供給量でＯ２ガスを供給する。これにより、図１０に示すように、ガス吐出部４からは全ての区画領域Ｚ１〜Ｚ３からＯ２ガスが吐出され、ウエハＷの全面にＯ２のプラズマが照射される。こうして、ウエハＷの周縁部に吸着された原料ガス分子が酸化され、ウエハ周縁部にＳｉＯ２膜が形成されるので、結果として、「周縁高」の膜厚プロファイルを備えたＳｉＯ２膜を形成することができる。
また、上述の成膜装置１では、例えば製品ウエハの成膜処理を行う前に、事前に検査用ウエハにて予め設定された条件で成膜処理を行って、成膜状態をモニタリングし、目標とする膜厚プロファイルの許容範囲から外れた場合に、成膜条件を補正するようにしてもよい。例えば均一な膜厚プロファイルを目標とする場合について、図１１を参照して説明する。図１１は、図中左側に、成膜開始の成膜条件と、測定された膜厚プロファイルの模式図、図中右側に、補正後の成膜条件と、膜厚プロファイルの補正イメージを示すものである。
先ず、検査用ウエハを用い、成膜開始時には、均一な膜厚プロファイルを得るために、原料ガスの供給比及びＯ２ガスの供給比を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で同じにして（Ｚ１＝１、Ｚ２＝１、Ｚ３＝１）、上述のＡＬＤサイクルを実施する。そして、例えばＡＬＤサイクルの総サイクル数の１／２以下のサイクル、例えば総サイクル数が１５０サイクルである場合には、例えば５０サイクルを終了したときに、処理容器１１から検査用ウエハを搬出し、図示しない膜厚検出装置にて、成膜されたＳｉＯ２膜の膜厚プロファイルを測定する。
そして、この膜厚プロファイルと目標の膜厚プロファイルとを比較して、測定された膜厚プロファイルが目標とするプロファイルの許容範囲内にある場合には、成膜条件を補正せずに、残りのサイクルの成膜処理を行う。一方、測定された膜厚プロファイルが目標とするプロファイルの許容範囲から外れているときには、成膜条件を補正し、残りのサイクルは補正された成膜条件にて成膜処理を行う。
図１１の左側に示すように、測定値が周縁部の膜厚が小さいプロファイルの場合には、原料ガスの供給比及びＯ２ガスの供給比を、周縁部の第３の区画領域Ｚ３が最も供給量が多く、中央部の第１の区画領域Ｚ１が最も供給量が少なくなるように、例えばＺ１＝０．５、Ｚ２＝０．７５、Ｚ３＝１となるように補正する。また、仮に、測定値が中央部の膜厚が小さいプロファイルの場合には、原料ガスの供給比及びＯ２ガスの供給比を、中央部の第１の区画領域Ｚ１が最も供給量が多くなるように補正する。こうして、残りの１００サイクルを補正された成膜条件にて処理することにより、周縁部におけるＳｉＯ２膜の成膜量を増加する。こうして予定したサイクル数を終了したときに、例えば処理容器１１から検査用ウエハを搬出し、図示しない膜厚検出装置にて、成膜されたＳｉＯ２膜の膜厚プロファイルを測定する。
そして、この膜厚プロファイルと目標の膜厚プロファイルとを比較して、測定された膜厚プロファイルが目標とするプロファイルの許容範囲内であるときには、製品ウエハについては、最適化された成膜条件で成膜処理を行う。この例では、５０サイクルまでは、原料ガスの供給比及びＯ２ガスの供給比を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で揃えてＡＬＤサイクルを実施し（第１のステップ）、残りのサイクルについては、補正された成膜条件で上述のＡＬＤサイクルを実施する（第２のステップ）。一方、測定された膜厚プロファイルが目標とするプロファイルの許容範囲から外れているときには、再度成膜条件の補正を行う。
この実施の形態によれば、原料ガス及び反応ガス（Ｏ２ガス）を交互に供給するサイクルを複数繰り返してウエハＷにＳｉＯ２膜を形成するにあたり、ウエハＷの径方向に同心円状に分割され、互いに独立してガスを吐出できる第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３が形成されたガス吐出部４からガスを吐出している。そして、原料ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量、及びＯ２ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量のうちの少なくとも一方を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なるように制御している。このため、ウエハＷの径方向の膜厚を調整し、膜厚プロファイルを制御できる。
このような膜厚プロファイルの制御は、例えば後のエッチング処理における面内均一性を向上させるために有効である。例えば、エッチング処理において、ウエハ中央部のエッチングレートが周縁部に比べて大きいことがあり、このようなときに、成膜処理において、ウエハ中央部の膜厚が大きい膜厚プロファイルでＳｉＯ２膜を成膜することによって、結果としてエッチング処理の面内均一性を向上させることができる。このようにエッチング処理のレシピの補正の代わりに、成膜処理で対応することができるため、半導体製造プロセス全体の自由度を高めることができて有効である。
また、上述の実施形態では、原料ガス及びＯ２ガスは、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３において、シャワープレート４２の同じガス吐出孔４５から吐出される。このため、ウエハＷ面内における原料ガス及びＯ２ガスの供給パターンが互いに揃うため、膜厚プロファイルの制御を行いやすい。
さらに、上述の実施形態では、均一な膜厚プロファイルを得る第１のステップと、ウエハＷの面内において膜厚の変化をつける第２のステップと、を行っているので、膜質や下地への影響を抑えた状態で膜厚プロファイルの制御を行うことができる。例えばターゲットの膜厚が薄い場合には、成膜開始から終了まで一貫して同条件で成膜を行うと、例えば中央高の膜厚プロファイルを得る成膜処理では、膜厚が小さい周縁部においてプラズマの影響を受けやすく、膜質や下地が局所的に変化する懸念がある。従って、先ず、面内において均一な膜厚の薄膜を形成し、次いで膜厚の制御を行う成膜処理を行うことにより、均一な膜質と任意形状の膜厚プロファイルとの両立を図ることができる。このため、ターゲットの膜厚が薄く、中央部と周縁部との膜厚差が数サイクル分程度であって高いプロセス制御性が必要なプロセスで特に有効である。
さらにまた、上述の第２のステップでは、原料ガスの供給量及びＯ２ガスの供給量を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３において制御し、原料ガスの供給量における第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間の大小関係の組み合わせと、Ｏ２ガスの供給量における第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間の大小関係の組み合わせとが同じである。このため、成膜したい部分にのみ原料ガスを十分に吸着させると共に、その部分にのみＯ２ガスを十分に供給することができるので、所望の場所のみに成膜することができる。また、成膜したい部分以外の所での下地膜の酸化を抑制することができる。
また、成膜装置では、構成部材の寸法精度や、組み付け精度のばらつきにより、同じ成膜条件にて成膜を行う場合であっても膜厚プロファイルに機差が生じることがある。従って、装置の立ち上げ時やメンテナンス後の成膜処理を行う際に、事前に検査用ウエハにて予め設定された成膜条件にて成膜処理を行い、得られたＳｉＯ２膜の膜厚プロファイルが、目標とする膜厚プロファイルの許容範囲から外れた場合に、成膜条件を補正するようにしてもよい。これにより、製品ウエハについては補正された成膜条件にて成膜処理を行うため、目標とする膜厚プロファイルを確保することができる。このように、成膜装置において、構成部材の寸法精度や、組み付け精度のばらつきにより膜厚プロファイルの機差が発生する場合であっても、成膜装置本体の調整に比べて、工数や時間等を削減して、容易に機差を補正することができる。
続いて、ガス吐出部の他の例について、図１２を参照して説明する。この例のガス吐出部８は、上述の実施の形態と同様に、載置部３１と対向するように複数のガス吐出孔４５が形成されたシャワープレート４２を備えると共に、複数のガス吐出孔４５の配列領域をウエハＷの径方向に同心円状に複数例えば３つに区画し、かつ互いに独立してガスを吐出できる第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３を備えている。上述のガス吐出部４と異なる点について説明すると、図１に示す排気ダクト１４及び開口部１５の代わりに、天板部材４１に処理空間４０と連通する排気路８１〜８３が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３毎に設けられ、処理空間４０内の排気をこれら排気路８１〜８３を介して行うことである。
排気路８１〜８３には、夫々排気管８４が接続され、この排気管８４の他端は圧力調整機構８５１及びバルブ８５２を介して真空ポンプにより構成される排気機構８５に接続されている。このため、処理空間４０内は上方から排気される。第１〜第３の処理ガス供給路５（５１〜５３）、第１〜第３のパージガス供給路６１〜６３等、図１に示すガス吐出部４と同様の構成部材については同符号を付し、説明を省略する。
このガス吐出部８では、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３に原料ガス、Ｏ２ガス及びＡｒガスが夫々供給されると共に、処理空間４０が上方側から排気され、上述と同様の成膜プロセスが実施される。原料ガス及びＯ２ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量を変えるときには、分圧により調整してもよいし、供給時間により調整してもよい。また、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３毎に排気量を調整できるように構成し、原料ガス及びＯ２ガスの分圧又は供給時間を全ての区画領域Ｚ１〜Ｚ３において揃え、区画領域Ｚ１〜Ｚ３毎に排気量を調整することにより、原料ガス及びＯ２ガスの供給量を変えるようにしてもよい。
以上において、本発明は、原料ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量、及びＯ２ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量のうちの少なくとも一方が３つの区画領域Ｚ１〜Ｚ３のうちの少なくとも２つの区画領域で互いに異なるように構成されればよい。また、目的とする膜厚プロファイルは、ウエハＷの中央部の膜厚が最も大きい「中央高」形状、ウエハＷの中央部と周縁部との中間位置の膜厚が最も大きい「中間高」形状、ウエハＷの周縁部の膜厚が最も大きい「周縁高」など、任意の形状を設定できる。さらに、目的の膜厚プロファイルを得るためには、第１のステップと第２のステップに次いで、第３のステップを行うようにしてもよい。例えば第１のステップにて均一な膜厚で成膜し、第２のステップにて「中央高」のプロファイルで成膜し、第３のステップにて均一な膜厚で成膜するようにしてもよい。
さらに、本発明は、上述の成膜装置において、反応ガス（Ｏ２ガス）をＡｒガスと共に常時供給しておき、原料ガスと反応ガスとを反応させるときにプラズマを生成する場合にも適用可能である。例えば図１に示す成膜装置において、ガス吐出部４から単分子層が形成されるサイクルが行われる間中反応ガスが吐出され、原料ガスの供給時間帯における原料ガスの供給量が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なるように制御信号を出力するように制御部１０を構成する。
この例について、「中央高」の膜厚プロファイルを得る場合を例にして、原料ガスの供給量を分圧を変えることにより調整する場合について、図１３のチャート図を参照して説明する。この例は第１のステップ及び第２のステップの間、Ｏ２ガスとＡｒガスとが常時供給され、原料ガスとＯ２ガスとの反応は、プラズマ生成機構によりプラズマを生成することにより行う。従って、ステップＳ１３及びステップＳ２３が、原料ガスとＯ２ガスとが反応する反応時間帯となる。
制御部は、第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間における原料ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量の大小関係の組み合わせパターンが、第1のステップと第２のステップとの間で異なるように制御信号を出力するように構成されている。このため、第２のステップでは、原料ガスを供給するステップＳ２１において、「中央高」の膜厚プロファイルを得るために、第１の区画領域Ｚ１の原料ガスの供給量は、第１の区画領域Ｚ１が最も多く、周縁に向かうにつれて供給量が少なくなるように設定されている。
原料ガス供給部５０は、原料ガスの供給時間帯にはキャリアガスであるＡｒガス及び原料ガスの混合ガスを供給し、原料ガスの供給時間帯以外にはＡｒの供給を継続するように構成されている点は、上述の実施の形態と同様である。この例では、Ｏ２ガスは、第１のステップ及び第２のステップにおいてウエハＷの全面に均一に供給されているが、第２のステップにおいて、原料ガスの供給量が第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で調整されているので、「中央高」の膜厚プロファイルを備えたＳｉＯ２膜を形成することができる。
本発明は、原料ガス及び反応ガスを交互に供給するサイクルを複数繰り返して基板に薄膜を形成するにあたり、原料ガスと反応ガスとを熱エネルギーにより反応させる熱ＡＬＤを実施する成膜装置にも適用可能である。熱ＡＬＤを実施する成膜装置としては、例えば反応ガスをプラズマ化するためのプラズマ生成機構が設けられていない以外は、上述の図１に示す成膜装置１と同様の構成のものを用いることができる。プラズマ生成機構が設けられていないとは、例えばシャワープレート４２に高周波電源が接続されておらず、載置部３１に電極板が設けられていないということである。
熱ＡＬＤを行う場合には、基板を例えば載置部３１に設けられた図示しない加熱機構により、常時、原料ガスと反応ガスとが反応する温度に加熱し、ガス吐出部４から原料ガスと反応ガスとを交互に吐出するサイクルを繰り返して薄膜を形成する。そして、制御部１０にて、既述のように、原料ガス及び反応ガスの単位時間、シャワープレート４２の単位面積当たりの供給量の少なくとも一方を複数の区画領域Ｚ１〜Ｚ３のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なるように制御信号を出力することにより、所望の膜厚プロファイルを備えた薄膜を形成する。
また、本発明において、原料ガスはシリコン、チタン、アルミニウム、ハフニウムなど、半導体装置に用いられる金属、非金属のあらゆる元素を含むガスを用いることができる。反応ガスは、基板に吸着した原料ガスとの間で酸化、還元、窒化、炭化、硫化などの反応を起こし得るあらゆるガスを用いることができる。酸化ガスとしては、Ｏ２、Ｏ３、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、還元ガスとしては水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒化ガスとしてはアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、炭化ガスとしては二酸化炭素（ＣＯ２）、ＣＯ、硫化ガスとしては硫化水素（Ｈ２Ｓ）、二酸化硫黄（ＳＯ２）などを用いることができる。
（評価試験１）
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として、上記の図１に示すガス吐出部４を備えた成膜装置１において、目的とする膜厚プロファイルに応じて第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３における原料ガスの供給比を変えた場合について、圧力２Ｔｏｒｒの下、原料ガスを０．０５秒供給したときの、原料ガスの吸着量をシミュレーションした。
目的とする膜厚プロファイルが「中央高」のときの原料ガス供給比は、Ｚ１＝１、Ｚ２＝０．８、Ｚ３＝０．６とし、ウエハ中央部に対応する第１の区画領域Ｚ１の供給量を最も多くした。
目的とする膜厚プロファイルが「中間高」のときの原料ガス供給比は、Ｚ１＝０．６、Ｚ２＝１、Ｚ３＝０．４とし、ウエハ中間部位に対応する第２の区画領域Ｚ２の供給量を最も多くした。
目的とする膜厚プロファイルが「周縁高」のときの原料ガス供給比は、Ｚ１＝０．５、Ｚ２＝０．７５、Ｚ３＝１とし、ウエハ周縁部に対応する第３の区画領域Ｚ３の供給量を最も多くした。
この結果を図１４に、「中央高」を実線、「中間高」を一点鎖線、「周縁高」を点線にて夫々示すに示す。図１４中、縦軸は原料ガスの吸着量、横軸はウエハＷの径方向の位置であり、０はウエハ中心、１５０ｍｍはウエハの外縁である。この結果、原料ガスの供給量を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で変えると、区画領域Ｚ１〜Ｚ３に対応するウエハＷの領域の原料ガスの吸着量が変化し、供給量が多い区画領域に対応するウエハＷの領域は吸着量が多くなることが認められた。原料ガスの吸着量は膜厚に反映されるため、原料ガスの供給量（供給比）の調整により、膜厚プロファイルが制御できることが確認された。
（評価試験２）
評価試験２として、上記の図１２に示すガス吐出部８を備えた成膜装置において、評価試験１と同様の条件で第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３における原料ガスの供給比を変えたときの原料ガスの吸着量のシミュレーションを行った。この結果を図１５に、「中央高」を実線、「中間高」を一点鎖線、「周縁高」を点線にて夫々示す。図１５中、縦軸はウエハ表面に供給される原料ガス濃度（単位は任意）
横軸はウエハＷの径方向の位置であり、０はウエハ中心、１５０ｍｍはウエハの外縁である。この結果、原料ガスの供給量を変えると、ウエハ表面に供給される原料ガス濃度が変化することが認められ、このガス吐出部８を備えた成膜装置においても、原料ガスの供給量（供給比）を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で調整することにより、膜厚プロファイルが制御できることが確認された。
（評価試験３）
評価試験３として、上記の図１に示すガス吐出部４を備えた成膜装置１において、目的とする膜厚プロファイルに応じて第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３における原料ガスの供給時間を変えた場合について、圧力２Ｔｏｒｒの下、原料ガスを０．０５秒供給したときの、原料ガスの吸着量をシミュレーションした。
目的とする膜厚プロファイルが「中央高」のときの原料ガスの供給時間は、Ｚ１＝０．０５秒、Ｚ２＝０．０４秒、Ｚ３＝０．０３秒とし、ウエハ中央部に対応する第１の区画領域Ｚ１の供給時間を最も長くした。
目的とする膜厚プロファイルが「中間高」のときの原料ガス供給時間は、Ｚ１＝０．０３秒、Ｚ２＝０．０５秒、Ｚ３＝０．０１秒とし、ウエハ中間部位に対応する第２の区画領域Ｚ２の供給時間を最も長くした。
目的とする膜厚プロファイルが「周縁高」のときの原料ガスの供給時間は、Ｚ１＝０．０３秒、Ｚ２＝０．０４秒、Ｚ３＝０．０５秒とし、ウエハ周縁部に対応する第３の区画領域Ｚ３の供給時間を最も長くした。
この結果を「中央高」は図１６、「中間高」は図１７、「周縁高」は図１８に夫々示すに示す。図１６〜図１８中、縦軸は原料ガスの吸着量、横軸はウエハＷの径方向の位置であり、０はウエハ中心、１５０ｍｍはウエハの外縁である。これらの図は吸着量の時間経過を示しており、最も下方のラインから最も上方のラインに向けて時間が経過し、最も上方のラインが膜表面に相当するものである。
図１６〜図１８により、原料ガスの供給時間を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で変えると、各区画領域Ｚ１〜Ｚ３に対応するウエハＷの領域において原料ガスの吸着量が変化し、供給量が多い区画領域では、それに対応するウエハＷの領域は吸着量が多くなることが認められた。従って、原料ガスの供給時間を第１〜第３の区画領域Ｚ１〜Ｚ３の間で変えることにより、膜厚プロファイルが制御できることが確認された。
Ｗ ウエハ
１ 成膜装置
１０ 制御部
３１ 載置部
４、８ ガス吐出部
４２ シャワープレート
４５ ガス吐出孔
４７ 高周波電源
５（５１〜５３）処理ガス供給路
６（６１〜６４）パージガス供給路
７ ガス供給機構

Claims (18)

  1. 真空雰囲気にて、原料ガス及び原料ガスと反応する反応ガスを供給して単分子層を形成するサイクルを複数繰り返して基板に所定膜厚の薄膜を形成する成膜装置において、
    内部に基板を載置するための載置部が配置され、真空雰囲気を形成するための処理容器と、
    前記載置部と対向するように複数のガス吐出孔が形成されたシャワープレートを備えると共に、前記複数のガス吐出孔の配列領域を基板の径方向に同心円状に複数に区画しかつ互に独立してガスを吐出できる複数の区画領域が形成されたガス吐出部と、
    前記ガス吐出部に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
    前記ガス吐出部に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
    前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量、及び前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスと反応ガスとの反応時間帯における反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量のうちの少なくとも一方が複数の区画領域のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異な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。
  2. 前記原料ガス及び反応ガスは、同じガス吐出孔から吐出することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
  3. 前記制御部は、前記複数の区画領域の間における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の大小関係の組み合わせパターンと、前記複数の区画領域の間における反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の大小関係の組み合わせパターンとが同じになるように制御信号を出力することを特徴とする請求項１または２記載の成膜装置。
  4. 前記制御部は、
    前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯において、原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量が複数の区画領域のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なり、かつ
    前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスと反応ガスとの反応時間帯において、反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量が複数の領域のうちの少なくとも２つの領域の間で互いに異なるように制御信号を出力することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の成膜装置。
  5. 前記制御部は、
    前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯、及び原料ガスと反応ガスとの反応時間帯の一方において、原料ガスまたは反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量が前記複数の区画領域のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なり、かつ
    前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯、及び原料ガスと反応ガスとの反応時間帯の他方において、原料ガスまたは反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量が前記複数の区画領域の間で同じになるように制御信号を出力することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の成膜装置。
  6. 前記反応ガスをプラズマ化するためのプラズマ生成機構を備え、
    前記制御部は、
    前記ガス吐出部から原料ガス及び反応ガスが交互に吐出され、前記反応ガスが吐出されたときに前記プラズマ発生機構により反応ガスがプラズマ化されるように制御信号を出力することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の成膜装置。
  7. 前記反応ガスをプラズマ化するためのプラズマ生成機構を備え、
    前記制御部は、
    前記ガス吐出部から前記単分子層が形成されるサイクルが行われる間中反応ガスが吐出され、
    前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量が複数の区画領域のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なるように制御信号を出力することを特徴とする請求項１または２記載の成膜装置。
  8. 前記原料ガスと反応ガスとを反応させるために基板を加熱する加熱機構を備え、
    前記ガス吐出部からは、原料ガス及び反応ガスが交互に吐出されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の成膜装置。
  9. 前記原料ガスはシリコン、チタン、アルミニウム、ハフニウムのいずれかを含み、前記反応ガスは酸化ガスまたは窒化ガスであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の成膜装置。
  10. 前記原料ガス供給部は、原料ガスの供給時間帯にはキャリアガス及び原料ガスの混合ガスを供給し、原料ガスの供給時間帯以外にはキャリアガスの供給を継続するように構成され、
    前記反応ガス供給部は、原料ガスと反応ガスとの反応時間帯にはキャリアガス及び反応ガスの混合ガスを供給し、前記反応時間帯以外にはキャリアガスの供給を継続するように構成されていることを特徴とする請求項６または８に記載の成膜装置。
  11. 前記原料ガス供給部は、原料ガスの供給時間帯にはキャリアガス及び原料ガスの混合ガスを供給し、原料ガスの供給時間帯以外にはキャリアガスの供給を継続するように構成されていることを特徴とする請求項７記載の成膜装置。
  12. 基板に目標の膜厚の前記薄膜を形成するステップは、第1のステップと第２のステップとを含み、
    前記制御部は、第1のステップと第２のステップとの間で、
    原料ガスの供給時間帯における前記複数の区画領域の間の原料ガスについて単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の比率を変えること、原料ガスと反応ガスとの反応時間帯における前記複数の区画領域の間の反応ガスについて単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の比率を変えること、
    の少なくとも一方を実行するように制御信号を出力することを特徴とする請求項６または８に記載の成膜装置。
  13. 基板に目標の膜厚の前記薄膜を形成するステップは、第1のステップと第２のステップとを含み、
    前記制御部は、第１のステップと第２のステップとの間で、
    原料ガスの供給時間帯における前記複数の区画領域の間の原料ガスについて単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の比率を変えるように制御信号を出力することを特徴とする請求項７記載の成膜装置。
  14. 基板に目標の膜厚の前記薄膜を形成するステップは、第1のステップと第２のステップとを含み、
    前記制御部は、前記複数の区画領域の間における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の大小関係の組み合わせパターンと前記複数の区画領域の間における反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の大小関係の組み合わせパターンとの少なくとも一方が、前記第１のステップと第２のステップとの間で異なるように制御信号を出力することを特徴とする請求項６または８に記載の成膜装置。
  15. 基板に目標の膜厚の前記薄膜を形成するステップは、第1のステップと第２のステップとを含み、
    前記制御部は、前記複数の区画領域の間における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の大小関係の組み合わせパターンが、前記第1のステップと第２のステップとの間で異なるように制御信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の成膜装置。
  16. 真空雰囲気にて、原料ガス及び原料ガスと反応する反応ガスを供給して単分子層を形成するサイクルを複数繰り返して基板に所定膜厚の薄膜を形成する成膜方法において、
    基板の載置部と対向するように複数のガス吐出孔が形成されたシャワープレートを備えると共に、前記複数のガス吐出孔の配列領域を基板の径方向に同心円状に複数に区画しかつ互に独立してガスを吐出できる複数の区画領域が形成されたガス吐出部を用い、
    前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスの供給時間帯における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量、及び前記サイクルの中で割り当てられた原料ガスと反応ガスとの反応時間帯における反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量のうちの少なくとも一方が複数の区画領域のうちの少なくとも２つの区画領域の間で互いに異なるようにして基板に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。
  17. 前記原料ガス及び反応ガスは、同じガス吐出孔から吐出することを特徴とする請求項１６記載の成膜方法。
  18. 前記複数の領域の間における原料ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の大小関係の組み合わせパターンと、前記複数の領域の間における反応ガスの単位時間、シャワープレートの単位面積当たりの供給量の大小関係の組み合わせパターンとが同じであることを特徴とする請求項１６または１７記載の成膜方法。
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