JP2018142686A

JP2018142686A - 成膜装置

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Publication number: JP2018142686A
Application number: JP2017093978A
Authority: JP
Inventors: 小川　淳; Atsushi Ogawa; 淳小川; 紀明吹上; Noriaki Fukiage; 志門大槻; Shimon Otsuki; 宗之尾谷; Muneyuki Otani; 孝行辛川; Takayuki KARAKAWA; 峻史小山; Takeshi Oyama; 征英岩崎; Masahide Iwasaki
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: KR102324965B1; JP6816634B2; KR20180099477A

Abstract

【課題】回転テーブルに載置され公転する基板に、基板の径方向に亘ってガスを供給して成膜する成膜装置において、膜厚のばらつきを抑えることができる技術を提供すること。【解決手段】ウエハＷの移動領域を回転テーブル１２の径方向に跨ぐようにガスを供給し、ガス吐出領域２４の周囲を囲むように排気口２２を設けたガス給排気ユニット２において、ガス吐出領域２４を回転テーブル１２の径方向に沿って３つ以上に区画している。そしてガス吐出領域２４のうち、内側区域２４Ａにおいては、ウエハＷの通過領域の内側の周縁に対向する領域にガス吐出孔２１を設け、外側区域２４Ｃにおいては、ウエハＷの通過領域の外側の周縁にガス吐出孔２１を設けている。このため、ウエハＷの通過領域の縁部に供給するガスの供給量を多くすることができるので、ウエハＷの周縁における膜厚の低下を抑えることができる。【選択図】図４

Description

本発明は、基板の表面に膜を成膜する技術に関する。

半導体製造工程において、基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）膜などの膜を形成する成膜処理が行われる場合が有る。このＳｉＮ膜は、ウエハの各部で均一性高い膜厚となるように形成されることが求められている。ＳｉＮ膜を成膜する成膜装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、複数枚のウエハを周方向に並べて公転させるための回転テーブルを処理容器内に設けた構成が挙げられる。

このような成膜装置においては、公転するウエハの通過領域に対応する領域に原料ガスを供給する領域と、反応ガスのプラズマを生成する領域とが離間して設けられている。そして回転テーブルの下方に設けられた加熱部によりウエハを加熱しながら回転テーブルを回転させ、原料ガス及び反応ガスの各々をウエハの全面に供給している。

原料ガスを供給するガス供給部としては、特許文献２に記載されているような、回転テーブル上の扇形の領域に向けて原料ガスを供給するガス供給部が知られている。このガス供給部は、ガス供給部における回転テーブルと対向する多数のガス吐出孔から原料ガスを吐出し、回転テーブルの中心側から外周側までのウエハが通過する範囲にガスを供給している。また原料ガスの吐出領域の周囲を囲むようにガス排気口を設け、更にガス排気口の周囲を囲むようにパージガス吐出部を設けている。そして原料ガスとパージガスを吐出し、排気口から排気することにより、回転テーブルの上方にパージガスに囲まれた原料ガスが供給される領域が形成され、ウエハを当該領域を横切らせることにより、ウエハの全面に原料ガスを供給して吸着させている。

しかしながらこのようなガス供給部においては、ウエハに形成されたベベル及びウエハを載置する凹部のウエハとの隙間の部分にてガスが消費されてしまいウエハの周縁部のガスの濃度が下がる。そのためウエハの周縁では、ガスの吸着量が少なくなり、膜厚が薄くなる問題があった。

国際公開第２０１３／１３７１１５号特開２０１６−９２０２６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、回転テーブルに載置され公転する基板に、基板の径方向に亘ってガスを供給して成膜する成膜装置において、膜厚のばらつきを抑えることができる技術を提供することである。

本発明は、真空容器内にて第１の処理ガス及び第２の処理ガスを順番に供給するサイクルを複数回行って基板に成膜処理を行う成膜装置において、
基板を載置する基板載置領域がその一面側に形成され、前記真空容器内にて前記基板載置領域を公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブルに対向する対向面に、互いに孔径が揃っている第１のガスの吐出孔が複数形成されたガス吐出部及び当該ガス吐出部を囲む排気口並びに当該排気口を囲むパージガスの吐出口を備えた第１のガス供給部と、
前記第１のガス供給部に対して前記回転テーブルの周方向に離れて設けられた領域に第２のガスを供給するための第２のガス供給部と、
前記真空容器内を真空排気するための排気口と、を備え、
前記ガス吐出部は、回転テーブルの径方向に分割され、各々独立して第１のガスが供給される３つ以上のガス吐出領域を備え、
前記回転テーブルの中心側を内側、外周側を外側と定義すると、
最も外側に位置するガス吐出領域において、基板の通過領域の外縁部に対向する領域のガス吐出孔の配列密度ＤＯ_１は、前記外縁部に対向する領域から内寄りに外れた領域のガス吐出孔の配列密度ＤＯ_２よりも大きく設定され、
最も内側に位置するガス吐出領域において、基板の通過領域の内縁部に対向する領域のガス吐出孔の配列密度ＤＩ_１は、前記内縁部に対向する領域から外寄りに外れた領域のガス吐出孔の配列密度ＤＩ_２よりも大きく設定されていることを特徴とする。

本発明は、基板の移動領域を回転テーブルの径方向に跨ぐようにガスを供給し、ガス吐出領域の周囲を囲むように排気口を設けた第１のガス供給部において、ガス吐出領域を回転テーブルの径方向に沿って３つ以上に区画している。そしてガス吐出領域のうち、回転テーブルの中心側及び外周側に夫々位置する内側区域及び外側区域においては、基板の通過領域の縁部に対向する領域（縁部領域）のガス吐出孔の配列密度を、当該縁部領域から外れたガス吐出孔の配列密度よりも大きく（当該縁部領域にだけガス吐出孔を設ける場合も含む）している。このため、基板の通過領域の縁部に供給するガスの供給量を多くすることができるので、基板の周縁における膜厚の低下を抑えることができる。

本発明に係る成膜装置の断面図である。本発明に係る成膜装置の平面図である。ガス給排気ユニットの側断面図である。ガス給排気ユニットの下面側の平面図である。従来の成膜装置により成膜される膜の膜厚分布を示す説明図である。本発明の成膜装置により成膜される膜の膜厚分布を示す説明図である。検証試験１−２におけるガス吐出孔の分布を示す説明図である。検証試験１−３におけるガス吐出孔の分布を示す説明図である。検証試験１における膜厚分布を示す特性図である。検証試験１における膜厚分布を示す特性図である。検証試験１における膜厚分布を示す特性図である。検証試験１におけるガスの流量と膜厚の差とを示す特性図である。検証試験２−２におけるガス吐出孔の分布を示す説明図である。検証試験２−３におけるガス吐出孔の分布を示す説明図である。検証試験２−１における膜厚分布を示す特性図である。検証試験２−２における膜厚分布を示す特性図である。検証試験２−３における膜厚分布を示す特性図である。

本発明の実施の形態に係る成膜装置について、図１の縦断側面図、図２の平面図を夫々参照しながら説明する。この成膜装置は、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）Ｗの表面に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によってＳｉＮ膜を形成するように構成されている。明細書では、窒化シリコンについてＳｉ及びＮの化学量論比に関わらずＳｉＮと記載する。従ってＳｉＮという記載には、例えばＳｉ_３Ｎ_４が含まれる。

図１に示すように成膜装置は、扁平な概ね円形の真空容器１１を備え、真空容器１１は、側壁及び底部を構成する容器本体１１Ａと、天板１１Ｂとにより構成されている。真空容器１１内には、直径３００ｍｍのウエハＷを水平に載置する円形の回転テーブル１２が設けられている。図中１２Ａは、回転テーブル１２の裏面中央部を支持する支持部である。支持部１２Ａの下方には、回転機構１３が設けられ、回転テーブル１２は、成膜処理中において支持部１２Ａを介して鉛直軸周りに上方から見て時計回り方向に回転する。図中Ｘは、回転テーブル１２の回転軸を示す。

図２に示すように回転テーブル１２の上面には、回転テーブル１２の周方向（回転方向）に沿ってウエハＷの載置部である６つの円形の凹部１４が設けられており、各凹部１４にウエハＷが収納される。つまり各ウエハＷは、回転テーブル１２の回転によって公転するように回転テーブル１２に載置される。図１に戻って真空容器１１の底部における回転テーブル１２の下方には同心円状に複数のヒータ１５が設けられ、回転テーブル１２に載置されたウエハＷが加熱されるように構成されている。また図２に示すように真空容器１１の側壁には、ウエハＷの搬送口１６が開口しており、図示しないゲートバルブによって開閉自在に構成されている。真空容器１１内における搬送口１６に臨む位置は、ウエハＷの受け渡し位置となっており、当該受け渡し位置に対応する部位には、回転テーブル１２の下方側に凹部１４を貫通してウエハＷを裏面から持ち上げるための受け渡し用の昇降ピン及びその昇降機構（いずれも図示せず）が設けられている。そしてウエハＷは搬送口１６を介して、真空容器１１の外部に設けられた図示しない基板搬送機構により、受け渡し位置に搬送され、基板搬送機構と昇降ピンとの協働作用により、凹部１４に受け渡される。

回転テーブル１２の上方には、図２に示すように第１のガス供給部であるガス給排気ユニット２と、第１〜第３のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃとが、回転テーブル１２の回転方向、この例では、時計回り方向に、この順に設けられている。第１〜第３のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃは、第２のガス供給部に相当する。また真空容器１１における回転テーブル１２の外側の下方であって、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂの外側には排気口５１が開口しており、この排気口５１は真空排気部５０に接続されている。

ガス給排気ユニット２について、縦断面図である図３及び下面側平面図である図４も参照しながら説明する。ガス給排気ユニット２は、図２に示すように平面視、回転テーブル１２の中心側から外周側に向かうにつれて回転テーブル１２の周方向に広がる扇状に形成されており、図３に示すようにガス給排気ユニット２の下面が回転テーブル１２の上面と近接し、対向するように配置されている。

ガス給排気ユニット２の下面（回転テーブルと対向する対向面）には、ガス吐出孔２１、排気口２２及びパージガス吐出口２３が開口している。なお図４は、発明者が作成した実際のガス給排気ユニット２に対して、ガス吐出孔２１のレイアウトや開口径を模式化して示している。また排気口２２及びパージガス吐出口２３を夫々グレーで示している。図４に示すようにガス給排気ユニット２の下面の中心寄りの領域は概略扇状のガス吐出領域２４が形成されており、ガス吐出領域２４には、ガス吐出孔２１が分散して配設されている。そして回転テーブル１２を回転させたときに、凹部１４に載置されたウエハＷがガス吐出領域２４の下方の図４中破線で示す領域に位置するように設けられている。

ガス吐出領域２４は、回転テーブル１２の中心側から回転テーブル１２の外周側に向けて並ぶ内側区域２４Ａ、中央区域２４Ｂ、外側区域２４Ｃに分割されており、各区域は、ガス吐出領域２４における回転テーブル１２の回転方向の上流側の端部を通る回転テーブル１２の直径と直交する線Ｌ１に対して、回転テーブル１２の回転方向の下流側に向かって回転テーブル１２の内周方向に１０°傾斜した線Ｌ２に沿って、各々区域されている。なお明細書中においては、回転テーブル１２の中心側を内側、周縁側を外側と定義して説明する。

ウエハＷの通過領域の内縁と、内縁から外側（回転テーブル１２の外縁に向かう方向）に１５ｍｍだけ寄った位置と、の間の帯状の領域を「ウエハＷの通過領域の内縁部」とすると、最も回転テーブル１２の中心寄りの位置の内側区域２４Ａにおいては、ガス吐出孔２１は、当該ウエハＷの通過領域の内縁部に対向する領域（内縁部領域Ｉ）に回転テーブル１２の回転方向に９個並べて設けられている。なお内側区域２４Ａにおいて、内縁部領域Ｉにおけるガス吐出孔２１の配列密度をＤＩ_１、内縁部領域Ｉから外れた領域におけるガス吐出孔２１の配列密度をＤＩ_２と呼ぶものとする。なお配列密度とは、単位面積当たりのガス吐出孔２１の数（配列密度＝当該領域におけるガス吐出孔２１の数／当該領域の面積）とする。

内側区域２４Ａと隣り合う中央区域２４Ｂにおいては、６３２個のガス吐出孔２１が均一に分散して配置されている。またウエハＷの通過領域の外縁と、外縁から内側（回転テーブル１２の中心部に向かう方向）に例えば１０ｍｍ寄った位置と、の間の帯状の領域を「ウエハＷの通過領域の外縁部」とすると、最も回転テーブル１２の外周寄りの位置の外側区域２４Ｃにおいては、ガス吐出孔２１は、当該ウエハＷの通過領域の外縁部に対向する領域（外縁部領域Ｏ）に２１個のガス吐出孔２１が２列に並んで、回転テーブル１２の回転方向に配置されている。なお外側区域２４Ｃにおいて、外縁部領域Ｏにおけるガス吐出孔２１の配列密度をＤＯ_１、外縁部領域Ｏから外れた領域におけるガス吐出孔２１の配列密度をＤＯ_２と呼ぶものとする。

内側区域２４Ａ、中央区域２４Ｂ及び外側区域２４Ｃの各々に設けられたガス吐出孔２１の孔径は揃っており、例えばすべてのガス吐出孔２１は、上流側の内径が０．３ｍｍに形成されると共に、下流側の開口部の孔径が１．０ｍｍに形成されている。なおガス吐出孔２１の孔径が揃っているとは、開口部における孔径にばらつきがあった場合には、最も小さいガス吐出孔２１の開口部における孔径に対して最も大きいガス吐出孔２１の開口部における孔径が、例えば１．５倍以下であることを指す。

なおこの例では、内縁部領域Ｉにおける隣り合う各ガス吐出孔２１の間隔と、外縁部領域Ｏにおける隣り合う各ガス吐出孔２１の間隔と、中央区域２４Ｂにおける隣り合う各ガス吐出孔２１の間隔と、は同じ距離に設定されている。また各ガス吐出孔２１は、回転テーブル１２の中心の位置からガス吐出孔２１の中心部の位置までの距離が、互いに異なるように配置されている。従って各ガス吐出孔２１から吐出されるガスは、ガス給排気ユニット２の下方を公転するウエハＷにおける回転テーブル１２の径方向に異なる位置に向けて吐出される。従って、ウエハＷに供給されるガスが同じ個所に一極化することを防ぐことができ、均一に成膜される。なお図４については、記載が繁雑になることを避けるため内縁部領域Ｉ、外縁部領域Ｏ及び中央区域２４Ｂの各々におけるガス吐出孔２１の配列については、正確に記載していない。

図３に示すようにガス給排気ユニット２の内部には、内側区域２４Ａに設けられるガス吐出孔２１、中央区域２４Ｂに設けられるガス吐出孔２１、外側区域２４Ｃに設けられるガス吐出孔２１の夫々に独立してＤＣＳガスを供給できるように、互いに区画されたガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが形成されている。各ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの下流端は、各々上記のガス吐出孔２１に接続されている。

そして、ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの各々の上流側端部には、夫々配管２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃを介してＤＣＳガス供給源２６が接続されており、各配管２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃには、ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ側から、各々バルブＶ１〜Ｖ３及び流量調整部Ｍ１〜Ｍ３が介設されている。ＤＣＳガス供給源２６に接続された各ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、バルブＶ１〜Ｖ３及び流量調整部Ｍ１〜Ｍ３はガス供給部に相当する。従って内側区域２４Ａ、中央区域２４Ｂ及び外側区域２４Ｃにおけるガスの吐出流量は、各々独立に調整することができる。

続いて、上記の排気口２２、パージガス吐出口２３について説明する。図３、図４に示すように排気口２２は、ガス吐出領域２４を囲む環状に形成され、回転テーブル１２の上面に向かって開口している。またパージガス吐出口２３は、排気口２２の外側を囲む環状に形成され、回転テーブル１２の上面に向かって開口している。

パージガス吐出口２３は、回転テーブル１２上にパージガスとしてＡｒ（アルゴン）ガスを吐出する気流のカーテンを形成し、パージガス吐出部から吐出されたＡｒガス及びガス吐出孔２１から吐出されるＤＣＳガスは、ガス吐出領域２４とパージガス吐出口２３との間に設けられた排気口２２を介して排気部５５により排気される。このようにパージガスの吐出及び排気が行われることにより、ガス吐出領域２４の下方の雰囲気は外部の雰囲気から分離され、当該ガス吐出領域２４の下方に限定的にＤＣＳガスを供給することができる。

図３に示すようにガス給排気ユニット２の内部には、既述の原料ガスの流路２５Ａ〜２５Ｃに対して各々区画されると共に、互いに区画された排気流路５２、ガス流路５３が形成されている。排気流路５２は、その上流側端部が、排気口２２に接続されている。排気流路５２の下流側端部には、排気管５４を介して排気部５５に接続されている。またガス流路５３の下流側端部は、パージガス吐出口２３に接続されており、ガス流路５３の上流側端部には、配管２９の一端が接続されている。配管２９の他端側には、Ａｒガス供給源２８に接続され、配管２９には、ガス給排気ユニット２側からバルブＶ４及び流量調整部Ｍ４がこの順で設けられている。

続いて図２に示すプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃについて説明する。プラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃは各々同様に構成されており、ここではプラズマ形成ユニット３Ａについて説明する。プラズマ形成ユニット３Ａは、回転テーブル１２の中心側から外周側に向かうにつれて広がる概ね扇状に形成されている。図１に示すようにプラズマ形成ユニット３Ａは、マイクロ波を供給するためのアンテナ３１を備えており、当該アンテナ３１は、誘電体板３２と金属製の導波管３３とを備えている。

導波管３３は誘電体板３２上に設けられており、回転テーブル１２の径方向に沿って延在する内部空間３５を備える。導波管３３の下部側には、誘電体板３２に接するように複数のスロット孔３６Ａを備えたスロット板が設けられている。導波管３３には、マイクロ波発生器３７が接続されており、例えば、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管３３に供給する。

また、プラズマ形成ユニット３Ａは、誘電体板３２の下面側にプラズマ形成用ガスを各々供給するガス吐出孔４１と、ガス吐出孔４２と、を備えている。ガス吐出孔４１は、回転テーブル１２の中心部側から外周部側に向かってプラズマ形成用ガスを吐出し、ガス吐出孔４２は、回転テーブル１２の外周部側から中心側に向かって、例えばＨ_２（水素）ガス及びＮＨ_３（アンモニア）ガスの混合ガスが吐出される。図中４３はＨ_２ガスの供給源であり、図中４４はＮＨ_３ガスの供給源である。ガス吐出孔４１及びガス吐出孔４２は、ガス供給機器４５を備えた配管系４０を介してＨ_２ガス供給源４３及びＮＨ_３ガス供給源４４に各々接続されている。
このプラズマ形成ユニット３Ａは、導波管３３に供給されたマイクロ波がスロット板３６のスロット孔３６Ａを通過し、この誘電体板３２の下方に吐出されたプラズマ形成用ガスであるＮＨ_３及びＨ_２の混合ガスをプラズマ化する。

図１に示すように成膜装置には、コンピュータからなる制御部１０が設けられており、制御部１０にはプログラムが格納されている。このプログラムについては、成膜装置の各部に制御信号を送信して各部の動作を制御し、後述の成膜処理が実行されるようにステップ群が組まれている。具体的には、回転機構１３による回転テーブル１２の回転数、ヒータ１５への給電などが、プログラムによって制御される。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカードなどの記憶媒体から制御部１０にインストールされる。

本発明の実施の形態に係る成膜装置の作用について説明する。まず６枚のウエハＷを基板搬送機構によって回転テーブル１２の各凹部１４に載置し、ゲートバルブを閉じる。凹部１４に載置されたウエハＷは、ヒータ１５によって所定の温度、例えば４００℃に加熱される。次いで真空排気部５０により排気口５１を介して排気を行い、真空容器１１内を、例えば６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）〜６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）に設定し、回転テーブル１２を例えば１０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍで回転させる。
さらにガス給排気ユニット２における内側区域２４Ａに７０ｓｃｃｍ、中央区域２４Ｂに２６０ｓｃｃｍ、外側区域２４Ｃに９５０ｓｃｃｍの流量で夫々ＤＣＳガスを供給する。さらに排気口２２から排気を開始すると共に、パージガス吐出口２３からパージガスを吐出する。

また第１〜第３のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃにおいて、ガス吐出孔４１、ガス吐出孔４２から各々所定の流量でＨ_２ガスとＮＨ_３ガスとの混合ガスを吐出する。これにより第１〜第３のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃの下方にＨ_２ガスとＮＨ_３ガスとの混合ガスが供給されると共に、マイクロ波発生器３７からマイクロ波が供給され、マイクロ波によってＨ_２ガス及びＮＨ_３ガスがプラズマ化する。そして回転テーブル１２を回転させて、各ウエハＷをガス給排気ユニット２の下方、第１〜第３のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃの下方を順番に通過させる。なお第１及び第３のプラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｃは、ガスとしてＨ_２ガスを供給してプラズマ化し、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂにおいては、ＮＨ_３ガスを供給してプラズマ化する構成でもよい。

あるウエハＷに着目すると、回転テーブル１２が回転し、ウエハＷがガス給排気ユニット２の下方に移動する。この時ガス給排気ユニット２の下方におけるパージガスの気流で囲まれた領域には、ＤＣＳガスが供給され、ウエハＷの表面に吸着する。
ここで図４に示すガス給排気ユニット２において、実施形態の構成に対応する原料ガスの流れに関して説明する前に比較態様における原料ガスの流れについて説明する。比較態様においては、内側区域２４Ａの下面全体に１１５個のガス吐出孔２１を全面に均一に分散して設け、更に外側区域２４Ｃの下面全体に２５６個のガス吐出孔２１を全面に均一に分散して設けている。比較態様における成膜処理のＤＣＳガスの供給流量については、実施の形態における流量と同じとする。ガス給排気ユニット２は、ガス吐出領域２４の周囲に設けられた排気口２２からの排気を行っている。そのため回転テーブル１２の中心側と、外周側と、において図５（ａ）に示すようにＤＣＳガスは、内側（ウエハＷの回転テーブル１２の中心側の周縁）から外側（ウエハＷの回転テーブル１２の外周側の周縁）に亘る領域に供給され、ウエハＷの中心側から周縁側に向かい、ＤＣＳガスの一部はウエハＷの内側の周縁を介して、あるいは外側の周縁を介して排気口２２から排気される気流となる。

そのためウエハＷの中心部においては、上方から供給されるＤＣＳガスが吸着するが、ウエハＷの中心部よりも周縁側の部位では、当該部位の上方から供給されるＤＣＳガスに加えて、ウエハＷの中心部側から流れてくるＤＣＳガスにより膜厚が厚くなる。一方ウエハＷの周縁付近においては、ウエハＷに形成されたベベルとウエハＷと凹部２４とのわずかな隙間とによりＤＣＳガスの消費量が多くなると共に、ＤＣＳガスが排気口２２に引き込まれるため、周囲のＤＣＳガスの濃度が低くなる。そのためこれらの作用が相俟って、図５（ｂ）に示すように、ウエハＷにおける内側の周縁部からおよそ５０ｍｍ付近の部位及びウエハＷにおける外側の周縁部からおよそ５０ｍｍ付近の部位において膜厚が厚くなり、ウエハＷにおける内側の周縁部及び外側の周縁部に向かって徐々に膜厚が薄くなる。そしてウエハＷの内側の周縁部と、外側の周縁部と、において成膜される膜厚が極端に低くなる傾向にある。

本発明の実施の形態に係る成膜装置は、図６（ａ）に示すようにガス給排気ユニット２に設定した内側区域２４Ａにおいて、回転テーブル１２の中心側の内縁部領域Ｉからのみガスを吐出するように構成している。また外側区域２４Ｃにおいて、回転テーブル１２の外周側の外縁部領域Ｏからのみガスを吐出するように構成している。そのためウエハＷにおける回転テーブル１２の内側の周縁部よりもウエハＷの中心寄りの部位と、外側の周縁部よりもウエハＷの中心寄りの部位において、上方にガス吐出孔２１が設けられていないためガスの供給量が少なくなる。従って図６（ｂ）に示すようにウエハＷにおける回転テーブル１２の内側の周縁部と、外側の周縁部の膜厚が厚くなることが抑制され、ウエハＷの膜厚の面内均一性が良好になる。

また中央区域２４Ｂに供給するＤＣＳガスの流量を２６０ｓｃｃｍに設定しているのに対し、内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量を５０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ、例えば７０ｓｃｃｍとしている。中央区域２４Ｂに設けたガス吐出孔２１の数を６３２個としているのに対し、内側区域２４Ａは、ガス吐出孔２１が９個と少ない。そのため内側区域２４Ａから吐出されるガスの流速は、中央区域２４Ｂから吐出されるＤＣＳガスの流速よりも２倍以上の速さになる。また外側区域２４Ｃから供給するＤＣＳガスの流量を９００ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍ、例えば９５０ｓｃｃｍとしている。外側区域２４Ｃも、ガス吐出孔２１の数を２１個と少なくしている。そのため外側区域２４Ｃから吐出されるガスの流速は、中央区域２４Ｂから吐出されるＤＣＳガスの流速よりも２倍以上の速さになる。そのためウエハＷにおける回転テーブル１２の内側の周縁部と、外側の周縁部とにおいて供給されるガスの流速が速くなるためウエハＷに吸着するＤＣＳガスの量が増加し、成膜される膜厚の低下が抑制される。

その後ＤＣＳガスが吸着したウエハＷは、回転テーブル１２の回転によってプラズマ形成領域Ｐ１〜Ｐ３を順番に通過し、ＮＨ_３ガスから生じたＮ（窒素）を含むラジカルなどの活性種が各ウエハＷの表面に供給される。これによりウエハＷの表面にシリコン窒化膜のシード層で形成される。さらにその後回転テーブル１２の回転を続けることで、ウエハＷは、ガス給排気ユニット２の下方、プラズマ形成領域Ｐ１〜Ｐ３を順番に繰り返し通過する。これによりＳｉＮが徐々に積層され、ＳｉＮ膜の膜厚が所定の膜厚に達する。

上述の実施の形態によればウエハＷの移動領域を回転テーブル１２の径方向に跨ぐようにガスを供給し、ガス吐出領域２４の周囲を囲むように排気口２２を設けたガス給排気ユニット２において、ガス吐出領域２４を回転テーブル１２の径方向に沿って３つ以上に区画している。そしてガス吐出領域２４のうち、内側区域２４Ａにおいては、ウエハＷの通過領域の内側の周縁（縁部から回転テーブル１２の外周方向に１５ｍｍの領域）に対向する領域にガス吐出孔２１を設け、外側区域２４Ｃにおいては、ウエハＷの通過領域の外側の周縁（縁部から回転テーブル１２の中心方向に１０ｍｍの領域）にガス吐出孔２１を設けている。このため、ウエハＷの通過領域の縁部に供給するガスの供給量を多くすることができるので、ウエハＷの周縁における膜厚の低下を抑えることができる。

また外側区域２４Ｃから吐出するＤＣＳガスの流速を中央区域２４Ｂから吐出するＤＣＳガスの流速よりも大きく設定し、内側区域２４Ａから吐出するＤＣＳガスの流速を中央区域２４Ｂから吐出するＤＣＳガスの流速よりも大きく設定している。これによりウエハＷの内側の周縁の部位及び外側の周縁の部位においてＤＣＳガスが速い流速で供給されるため、ウエハＷの内側の周縁及び外側の周縁における膜厚の落ち込みを抑制することができる。
この時の外側区域２４Ｃから吐出するＤＣＳガスの流速は、中央区域２４Ｂから吐出するＤＣＳガスの流速の２倍以上の流速であることが好ましい。また内側区域２４Ａから吐出するＤＣＳガスの流速は、中央区域２４Ｂから吐出するＤＣＳガスの流速の２倍以上の流速であることが好ましい。

さらに外側区域２４Ｃにおけるガス吐出孔２１の平均配列密度が中央区域２４Ｂにおけるガス吐出孔２１の平均配列密度よりも小さく設定され、内側区域２４Ａからにおけるガス吐出孔２１の平均配列密度が中央区域２４Ｂにおけるガス吐出孔２１の平均配列密度よりも小さく設定されている。これにより外側区域２４Ｃ及び内側区域２４Ａの各々から吐出するＤＣＳガスの流速を中央区域２４Ｂから吐出するＤＣＳガスの流速よりも大きく設定した場合と同様にウエハＷの内側の周縁寄りの部位及び外側の周縁寄りの部位においてＤＣＳガスの吐出量が多くなり過ぎず、膜厚が厚くなることが抑制される。この時外側区域２４Ｃにおけるガス吐出孔２１の配列密度は、中央区域２４Ｂにおけるガス吐出孔２１の配列密度の５分の１以下となるように設定することが好ましい。また内側区域２４Ａにおけるガス吐出孔２１の配列密度は、中央区域２４Ｂにおけるガス吐出孔２１の配列密度よりの５分の１以下となるように設定することが好ましい。

また上述のように内側区域２４Ａにおいては、ウエハＷの通過領域における内側の縁部（内縁と当該内縁から回転テーブル１２の外側に１５ｍｍ離れた位置との間の領域）に対向する内縁部領域Ｉにガス吐出孔２１を設けて、当該内縁部領域Ｉから外れた領域には、ガス吐出孔２１を設けていない。しかしながら内側区域２４Ａにおいて、内縁部領域Ｉのガス吐出孔２１の配列密度ＤＩ_１が、当該内縁部領域Ｉから外れた（外側に外れた）領域のガス吐出孔２１の配列密度ＤＩ_２よりも大きければ、前記内縁部領域Ｉから外れた領域にガス吐出孔２１を設けてもよい。ガス吐出孔２１をこのように設けることで、ウエハＷにおけるウエハＷの通過領域の内周寄りの領域において膜厚が厚くなり過ぎることを抑制できる。このとき内側区域２４Ａにおいて縁部領域から外れたガス吐出孔２１の配列密度ＤＩ_２は、内縁部領域Ｉのガス吐出孔２１の配列密度ＤＩ_１の５分の１以下であることが好ましい。

さらに外側区域２４Ｃにおいても、ウエハＷの通過領域における外側の縁部（外縁部と当該外縁から回転テーブル１２の中心側に１０ｍｍ離れた位置との間の領域）に対向する外縁部領域Ｏのガス吐出孔２１の配列密度ＤＯ_１を、当該外縁部領域Ｏから外れた領域（内側に外れた領域）のガス吐出孔２１の配列密度ＤＯ_２よりも大きくすれば、前記外縁部領域Ｏから外れた領域にガス吐出孔２１を設けてもよい。ガス吐出孔２１をこのように設けることで、ウエハＷにおけるウエハＷの通過領域の外周寄りの領域において膜厚が厚くなり過ぎることを抑制できる。この時外側区域２４Ｃにおいて、外縁部領域Ｏから外れた領域のガス吐出孔２１の配列密度ＤＯ_２が外縁部領域Ｏのガス吐出孔２１の配列密度ＤＯ_１の５分の１以下であることが好ましい。

またガス吐出領域２４を区画したときに各区域の境目に隙間ができてしまい、当該隙間部分はガスを吐出できないため隙間部分の下方を通過するウエハＷの部位の膜厚が低くなることがある。そして回転テーブル１２の径方向に区画したガス吐出領域２４の下方をウエハが通過したときに、ウエハＷの移動する方向と、各々の区域を区画する隙間との方向が近い場合には、ウエハＷがガス吐出領域２４の下方を移動したときにウエハＷの同じ場所が隙間の下方に繰り返し位置することになり、部分的に膜厚が低くなる。

上述の実施の形態においては、ガス吐出領域２４は、内側区域２４Ａ、中央区域２４及び外側区域２４Ｃがガス吐出領域２４における回転テーブル１２の回転方向の上流側の端部を通る回転テーブル１２の直径と直交する線Ｌ１に対して、回転テーブル１２の回転方向の下流側に向かって回転テーブル１２の内周方向に１０°傾斜した線に沿って、各々区画されている。そのためウエハＷの移動する方向と、各々の区域を区画する隙間との方向が離れるため、ウエハＷにおける部分的な膜厚の低下を抑制することができる。
さらにガス吐出領域２４を回転テーブル１２の径方向に区画するにあたっては、３つ以上の区域に区画されていてもよい。

＜検証試験１＞
本発明の効果を検証するために以下の試験を行った。先ず内側区域２４Ａにおけるガス吐出孔２１の数及び分布領域と、内側区域２４Ａに供給するガスの流量によるウエハＷに成膜される膜の膜厚分布について調べた。
［検証試験１−１］
図３、図４に示すガス給排気ユニット２において外側区域２４Ｃのガス吐出孔２１の数を「２５６」個に設定し、外側区域２４Ｃの下面全体に分布させた。また内側区域２４Ａのガス吐出孔２１の数を「１２４」個に設定し、下面全体に分布させると共に、中央区域２４Ｂのガス吐出孔２１の数を「６３２」個に設定し下面全体に分布させた。このガス給排気ユニット２を実施の形態に示す成膜装置に用い、実施の形態に示した成膜方法に従いウエハＷにＳｉＮ膜を成膜した。なおＳｉＮ膜を成膜するにあたって、ガス給排気ユニット２におけるガスの供給量は、外側区域２４Ｃに供給するＤＣＳガスの流量を９５０ｓｃｃｍ、中央区域２４Ｂに供給するＤＣＳガスの流量を２６０ｓｃｃｍに設定した。そして内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量を５０ｓｃｃｍ、９０ｓｃｃｍ及び１５０ｓｃｃｍの３通りに設定して、実施の形態の成膜方法に沿ってウエハＷにＳｉＮ膜を成膜し、内側区域２４Ａの各流量毎に、ウエハＷの中心を通り回転テーブル１２の径方向に伸びる軸（Ｙ軸）に沿ったＳｉＮ膜の膜厚分布を測定した。
［検証試験１−２］
内側区域２４Ａのガス吐出孔２１の数を「３５」個に設定し、ガス吐出孔２１を内側区域２４Ａの底面における回転テーブル１２の中心側の領域に設けたことを除いて、検証試験１と同様に設定してウエハＷにＳｉＮ膜を成膜した例を検証試験１−２とした。図７中の斜線領域は、検証試験１−２における下方側から見たガス吐出領域２４におけるガス吐出孔２１の配列領域を示す。即ち検証試験１−２においては、内縁部領域Ｉの配列密度ＤＩ_１が内縁部領域Ｉから外れた領域の配列密度ＤＩ_２よりも大きくなっている。
［検証試験１−３］
内側区域２４Ａのガス吐出孔２１の数を９個に設定し、ガス吐出孔２１を内側区域２４Ａの底面における回転テーブル１２の中心側の領域に設けたことを除いて、検証試験１と同様に設定してウエハＷにＳｉＮ膜を成膜した例を検証試験１−３とした。図８中の斜線領域は、検証試験１−３における下方側から見たガス吐出領域２４におけるガス吐出孔２１の配列領域を示す。即ち検証試験１−３においては、内縁部領域Ｉのみにガス吐出孔２１をもうけ、内縁部領域Ｉから外れた領域の配列密度ＤＩ_２を０に設定している。

図９〜１１は夫々内側区域２４ＡのＤＣＳガスの流量を５０ｓｃｃｍ、９０ｓｃｃｍ及び１５０ｓｃｃｍに設定したときの各ウエハＷ上のＳｉＮ膜のＹ軸上の膜厚分布を示す特性図である。図９〜図１１中の横軸は、回転テーブル１２の径方向に沿ったウエハＷ上の位置を示し、ウエハＷの中心部を原点０、回転テーブル１２の中心側を＋の値、回転テーブル１２の外周側を−の値で示している。また縦軸は、標準膜厚である。なお標準膜厚とは、ウエハＷの中心部における膜厚を１とし、各地点の膜厚を百分率で示した値である。
また図１２は、検証試験１−１〜１−３における内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量と当該流量に設定した時の成膜後のウエハＷにおける最も膜厚が厚い部位における膜厚と、最も膜厚が薄い部位における膜厚と、の差分値を示す。なお検証試験１−３においては、内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量を７０ｓｃｃｍに設定した場合の成膜後のウエハＷにおける差分値の値も追加した。

図９に示すように検証試験１−１のウエハＷは、回転テーブル１２の中心寄りの周縁の部位の膜厚が薄くなる傾向にある。また内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量が少なくなるに従い、回転テーブル１２の中心寄りの周縁の膜厚が薄くなることが分かる。また図１０、図１１に示すように検証試験１−２、検証試験１−３の順にウエハＷの回転テーブル１２の中心寄りの周縁部の膜厚が厚くなっていることが分かる。また図９〜図１１に示すように内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量により、ウエハＷの中心からウエハＷの回転テーブル１２の中心側に１００ｍｍ〜１５０ｍｍの領域の膜厚は、大きく変化する。さらにウエハＷの中心から回転テーブル１２の中心側に１５０ｍｍの地点の膜厚は、検量試験１−１、検証試験１−２、検証試験１−３の順に厚くなることが分かる。そして内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量が９０ｓｃｃｍ以上の場合には、ウエハＷの中心からウエハＷの回転テーブル１２の中心側に１００ｍｍ〜１５０ｍｍの領域の膜厚が厚くなり過ぎることが分かる。そして図１２に示すように検証試験１−３における、内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量を５０ｓｃｃｍにした場合において最も膜厚の面内均一性が良好になっていることが分かる

この結果によれば、内側区域２４ＡにおけるウエハＷの回転テーブル１２の中心側の周縁に吐出するガス吐出孔２１を除いたガス吐出孔２１を塞ぐことによりウエハＷの回転テーブル１２の中心側の周縁の膜厚を厚くすることができると言える。また内側区域２４Ａにおける回転テーブル１２の中心側のみにガス吐出孔２１を設け、内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量を９０ｓｃｃｍ以下に設定することで、ウエハＷの回転テーブル１２の中心寄りの領域の膜厚の均一性が良好になると言える。

＜検証試験２＞
続いて外側区域２４Ｃにおけるガス吐出孔２１の数及び分布領域と、外側区域２４Ｃに供給するガスの流量によるウエハＷに成膜される膜の膜厚分布との関連について調べた。
［検証試験２−１］
内側区域２４Ａに供給するＤＣＳガスの流量を７０ｓｃｃｍに設定したことを除いて検証試験１−３と同様に処理した例（内側区域２４Ａのガス吐出孔２１の数：９個、中央区域２４Ｂのガス吐出孔２１の数：６３２個、外側区域２４Ｃのガス吐出孔２１の数：２５６個）を検証試験２−１とした。なお検証試験２−１では、外側区域２４Ｃに供給するＤＣＳガスの流量を９５０ｓｃｃｍ、９００ｓｃｃｍ、８４０ｓｃｃｍの３通りの流量に設定し、各々の条件下でウエハＷに成膜した。
［検証試験２−２］
外側区域２４Ｃのガス吐出孔２１の数を「２０４」個に設定し、ガス吐出孔２１を、外側区域２４Ｃの回転テーブル１２の外周寄りの領域に設けたことを除いて検証試験２−１と同様に設定した例を検証試験２−２とした。図１３中の斜線領域は、検証試験２−２における下方側から見たガス吐出領域２４におけるガス吐出孔２１の配列領域を示す。即ち検証試験２−２においては、外縁部領域Ｏの配列密度ＤＯ_１が外縁部領域Ｏから外れた領域の配列密度ＤＯ_２よりも大きくなっている。検証試験２−２では、外側区域２４Ｃに供給するＤＣＳガスの流量を９５０ｓｃｃｍ、８４０ｓｃｃｍの２通りの流量に設定し、各々ウエハＷに成膜した。
［検証試験２−３］
外側区域２４Ｃの吐出孔２１の数を「２１」個に設定し、外側区域２４Ｃの底面における成膜装置の周縁寄りの部位に設けたことを除いて検証試験２−１と同様に設定した例を検証試験２−３とした。図１４中の斜線領域は、検証試験２−３における下方側から見たガス吐出領域２４におけるガス吐出孔２１の配列領域を示す。即ち検証試験２−３においては、外縁部領域Ｏのみにガス吐出孔２１を設け、外縁部領域Ｏから外れた領域の配列密度ＤＯ_２を０に設定している。検証試験２−３では、外側区域２４Ｃに供給するＤＣＳガスの流量をＤＣＳガスの流量を９５０ｓｃｃｍ、９２０ｓｃｃｍ、９００ｓｃｃｍ、８７０ｓｃｃｍ、８４０ｓｃｃｍの５通りに設定し、各々ウエハＷに成膜した。

図１５〜図１７は夫々検証試験２−１〜２−３において各ウエハＷに成膜されたＳｉＮ膜のＹ軸上の膜厚分布を示す特性図である。図１５〜図１７中の横軸は、回転テーブル１２の径方向に沿ったウエハＷ上の位置を示し、ウエハＷの中心部を原点０、回転テーブル１２の中心側を＋の値、回転テーブル１２の外周側を−の値で示している。また縦軸は、膜厚（Å）を示す。

図１５、図１６に示すように検証試験２−１、検証試験２−２のウエハＷは、ウエハＷの中心から回転テーブル１２の外周に向かって１００〜１５０ｍｍの位置の領域の膜厚が薄くなっていることが分かる。またＤＣＳガスの供給量が変わっても膜厚分布は、ほとんど変わらないことが分かる。
また図１７に示すように検証試験２−３においては、外側区域２４Ｃに供給するＤＣＳガスの流量を９５０ｓｃｃｍに設定したときには、検証試験２−１、検証試験２−２と比べてウエハＷの中心から回転テーブル１２の外周に向かって１００〜１５０ｍｍの位置の領域の膜厚が厚くなっていることが分かる。

この結果によれば、外側区域２４Ｃのガス吐出孔２１の数を少なくし、ガス吐出孔２１を回転テーブル１２の外周寄りの位置に設けることで、ウエハＷの回転テーブル１２の外周寄り周縁の膜厚を厚くすることができると言える。
またＤＣＳガスの供給量を８４０ｓｃｃｍに設定したときは、検証試験２−１、検証試験２−２と比べてウエハＷの中心から回転テーブル１２の外周に向かって１００〜１５０ｍｍの位置の領域の膜厚が薄くなっている。これは、外側区域２４Ｃにおける回転テーブル１２の中心側の領域にはガス吐出孔２１がないため、ウエハＷの回転テーブル１２の外周寄り周縁にウエハＷの中心側から流れてくるガスの流量が少なくなるためと推測される。

２ガス給排気ユニット
１１真空容器
１２回転テーブル
２１ガス吐出孔
２２排気口
２３パージガス吐出口
２４ガス吐出領域
２４Ａ内側区域
２４Ｂ中央区域
２４Ｃ外側区域
４１、４２ガス供給部
５１排気口
Ｉ内縁部領域
Ｏ外縁部領域

Claims

真空容器内にて第１の処理ガス及び第２の処理ガスを順番に供給するサイクルを複数回行って基板に成膜処理を行う成膜装置において、
基板を載置する基板載置領域がその一面側に形成され、前記真空容器内にて前記基板載置領域を公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブルに対向する対向面に、互いに孔径が揃っている第１のガスの吐出孔が複数形成されたガス吐出部及び当該ガス吐出部を囲む排気口並びに当該排気口を囲むパージガスの吐出口を備えた第１のガス供給部と、
前記第１のガス供給部に対して前記回転テーブルの周方向に離れて設けられた領域に第２のガスを供給するための第２のガス供給部と、
前記真空容器内を真空排気するための排気口と、を備え、
前記ガス吐出部は、回転テーブルの径方向に分割され、各々独立して第１のガスが供給される３つ以上のガス吐出領域を備え、
前記回転テーブルの中心側を内側、外周側を外側と定義すると、
最も外側に位置するガス吐出領域において、基板の通過領域の外縁部に対向する領域のガス吐出孔の配列密度ＤＯ_１は、前記外縁部に対向する領域から内寄りに外れた領域のガス吐出孔の配列密度ＤＯ_２よりも大きく設定され、
最も内側に位置するガス吐出領域において、基板の通過領域の内縁部に対向する領域のガス吐出孔の配列密度ＤＩ_１は、前記内縁部に対向する領域から外寄りに外れた領域のガス吐出孔の配列密度ＤＩ_２よりも大きく設定されていることを特徴とする成膜装置。
最も外側に位置するガス吐出領域から吐出される原料ガスの流速は、前記最も外側に位置するガス吐出領域に隣接するガス吐出領域から吐出される原料ガスの流速よりも大きく設定され、
最も内側に位置するガス吐出領域から吐出される原料ガスの流速は、前記最も内側に位置するガス吐出領域に隣接するガス吐出領域から吐出される原料ガスの流速よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
最も外側に位置するガス吐出領域から吐出される原料ガスの流速は、前記最も外側に位置するガス吐出領域に隣接するガス吐出領域から吐出される原料ガスの流速の２倍以上であり、
最も内側に位置するガス吐出領域から吐出される原料ガスの流速は、前記最も内側に位置するガス吐出領域に隣接するガス吐出領域から吐出される原料ガスの流速の２倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
前記最も外側に位置するガス吐出領域のガス吐出孔の配列密度は、前記最も外側に位置するガス吐出領域に隣接するガス吐出領域のガス吐出孔の配列密度よりも小さく、
前記最も内側に位置するガス吐出領域のガス吐出孔の配列密度は、前記最も内側に位置するガス吐出領域に隣接するガス吐出領域のガス吐出孔の配列密度よりも小さい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。
前記最も外側に位置するガス吐出領域のガス吐出孔の配列密度は、前記最も外側に位置するガス吐出領域に隣接するガス吐出領域のガス吐出孔の配列密度の５分の１以下であり、
前記最も内側に位置するガス吐出領域のガス吐出孔の配列密度は、前記最も内側に位置するガス吐出領域に隣接するガス吐出領域のガス吐出孔の配列密度の５分の１以下であることを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
前記基板の通過領域の外縁部に対向する領域から内寄りに外れた領域のガス吐出孔の配列密度ＤＯ_２は、基板の通過領域の外縁部に対向する領域のガス吐出孔の配列密度ＤＯ_１の５分の１以下であり、
前記基板の通過領域の内縁部に対向する領域から外寄りに外れた領域のガス吐出孔の配列密度ＤＩ_２は、基板の通過領域の内縁部に対向する領域のガス吐出孔の配列密度ＤＩ_１の５分の１以下であ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。