JP2019165078A - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、処理室内の基板を交換して成膜装置の運転を開始する際、プラズマ着火遅れを防止し、安定的にプラズマ着火を行いつつ、各運転間のプラズマの着火時間を略一定とすることができる成膜方法及び成膜装置を提供することを目的とする。【解決手段】処理室内の所定のプラズマ処理領域でプラズマ源により生成された酸素ラジカルを用いて基板上に成膜された酸化膜を改質する改質工程と、前記基板上への酸化膜の成膜が終了したら、前記プラズマ処理領域内をプラズマが着火し易い状態にする着火準備工程と、を有する。【選択図】図１３

Description

本発明は、成膜方法及び成膜装置に関する。
従来から、半導体ウェハ等の基板上に、シリコン酸化膜等の薄膜を成膜する方法の１つとして、互いに反応する複数種類の処理ガスを基板の表面に順番に供給して反応生成物の原子層を堆積させるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）が知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１には、基板を載置する回転テーブルを回転させてＡＬＤにより成膜を行う回転テーブル式のＡＬＤ成膜装置が記載されている。具体的には、特許文献１に記載の成膜装置では、回転テーブル上に５枚又は６枚のウェハを周方向に沿って載置し、回転テーブルの回転により移動（公転）するウェハの軌道に対向するように、原料ガス供給部やガスをプラズマ化するためのアンテナを配置している。
かかる特許文献１に記載されたＡＬＤ成膜装置を用いて高品質なシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を成膜する場合、回転テーブルの回転方向に沿って原料ガス吸着領域、酸化領域、プラズマ処理領域を設ける。そして、原料ガス吸着領域では３ＤＭＡ（トリス・ジメチルアミノ・シラン、tris(dimethylamino)silane）、有機アミノシランガス等のシリコン含有ガス、酸化領域ではオゾン等の酸化ガス、プラズマ処理領域ではアルゴン、酸素、水素等の混合ガスプラズマを供給し、回転テーブルの回転により、ウェハが原料ガス吸着領域、酸化領域、プラズマ処理領域を高速で順に通過するようにし、高品質のシリコン酸化膜を成膜している。かかる成膜方法では、原料ガス吸着領域でウェハに吸着したＳｉソースは、酸化領域で１層分酸化されてＳｉＯ２分子層が堆積し、堆積したＳｉＯ２分子層がプラズマ処理領域でプラズマにより改質される。そして、回転テーブルの継続的な回転により再び同じサイクルが繰り返され、シリコン酸化膜が成膜される。特許文献１に記載の成膜装置では、例えば、１分間に１００〜３００回程度の１層毎のプラズマ改質を行う高速ＡＬＤ成膜が可能である。
特開２０１３−４５９０３号公報
しかしながら、特許文献１に記載されたＡＬＤ成膜装置では、上述の原料ガス吸着領域、酸化領域、プラズマ処理領域を、完全に壁等で分離している訳ではなく、分離ガスの圧力壁で各領域を分離している。具体的には、原料ガス吸着領域と酸化領域との間、及びプラズマ処理領域と原料ガス吸着領域との間に、処理室の天井面から下方に突出して天井面と回転テーブルの上面との間を狭くした分離領域を形成するとともに、分離領域の中央付近から分離ガスを回転テーブルに向かって供給し、分離ガスによる高圧の圧力壁を形成して各領域を分離している。よって、１つの処理室内に、複数の処理領域が圧力壁を隔てて形成されている構成であるので、原料ガス吸着領域を吸着に有利な数Ｔｏｒｒレベルの高圧帯に設定し、プラズマ処理領域をプラズマ放電及び改質に有利な数１０ｍｍＴｏｒｒレベルの低圧帯に設定するような圧力の制御は困難である。実際には、プラズマ処理領域も１Ｔｏｒｒ以上の高圧帯で使用されている場合が多い。１Ｔｏｒｒ以上の高圧帯では、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ、Inductively-Coupled Plasma）のような高密度プラズマの場合、放電に不利に働く場合が多い。また、プラズマによるデバイスウェハへのチャージアップダメージ対策として、特許文献１に記載されているようなファラデーシールドを設置し、電界成分をカットして磁界成分主体の誘導結合プラズマを利用する場合には、更に高圧放電が困難となる。
このため、処理室内でウェハを処理して搬出し、次のウェハを処理室内に搬入して処理を開始する際に、プラズマの着火時間が長くなる場合があった。このような着火遅れは、スループットを低下させ、生産性を悪化させてしまう。また、特許文献１に記載した回転テーブル式のＡＬＤ成膜装置以外の成膜装置の場合でも、プラズマ処理領域の放電環境が良好でない場合には、同様の現象が発生し得る。
そこで、本発明は、処理室内の基板を交換して成膜装置の運転を開始する際、プラズマ着火遅れを防止し、安定的にプラズマ着火を行いつつ、各運転間のプラズマの着火時間を略一定とすることができる成膜方法及び成膜装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る成膜方法は、処理室内の所定のプラズマ処理領域でプラズマ源により生成された酸素ラジカルを用いて基板上に成膜された酸化膜を改質する改質工程と、
前記基板上への酸化膜の成膜が終了したら、前記プラズマ処理領域内をプラズマが着火し易い状態にする着火準備工程と、を有する。
本発明によれば、成膜装置を連続運転する際に、各運転におけるプラズマ着火遅れを防止することができる。
本発明の実施形態に係る成膜装置の一例の概略縦断面図を示した図である。 本実施形態に係る成膜装置の一例の概略平面図を示した図である。 分離領域から第１の処理領域を経て分離領域までの断面図である。 本実施形態におけるプラズマ源の一例の縦断面図である。 本実施形態におけるプラズマ源の一例の分解斜視図である。 本実施形態におけるプラズマ源に設けられる筐体の一例の斜視図を示す。 回転テーブルの回転方向に沿って真空容器を切断した縦断面図を示した図である。 プラズマ処理領域に設けられたプラズマ処理ガスノズルを拡大して示した斜視図である。 プラズマ源の一例の平面図である。 プラズマ源に設けられるファラデーシールドの一部を示す斜視図を示す。 アルゴンガスのイオン化電子エネルギーを示した図である。 酸素ガスのイオン化電子エネルギーを示した図である。 本実施形態に係る成膜方法の処理フロー図である。 本実施形態に係る成膜方法を実施した実施例１〜４についての実施条件と結果を示した図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
［成膜装置］
図１は、本発明の実施形態に係る成膜装置の一例の概略縦断面図を示す。また、図２に、本実施形態に係る成膜装置の一例の概略平面図を示す。なお、図２では、説明の便宜上、天板１１の描画を省略している。
図１に示すように、本実施形態に係る成膜装置は、平面形状が概ね円形である真空容器１と、この真空容器１内に設けられ、真空容器１の中心に回転中心を有すると共にウェハＷを公転させるための回転テーブル２と、を備えている。
真空容器１は、ウェハＷを収容してウェハＷの表面上に成膜処理を施し、薄膜を堆積させるための処理室である。真空容器１は、回転テーブル２の後述する凹部２４に対向する位置に設けられた天板（天井部）１１と、容器本体１２とを備えている。また、容器本体１２の上面の周縁部には、リング状に設けられたシール部材１３が設けられている。そして、天板１１は、容器本体１２から着脱可能に構成されている。平面視における真空容器１の直径寸法（内径寸法）は、限定されないが、例えば１１００ｍｍ程度とすることができる。
真空容器１内の上面側における中央部には、真空容器１内の中心部領域Ｃにおいて互いに異なる処理ガス同士が混ざり合うことを抑制するために分離ガスを供給する、分離ガス供給管５１が接続されている。
回転テーブル２は、中心部にて概略円筒形状のコア部２１に固定されており、このコア部２１の下面に接続されると共に鉛直方向に伸びる回転軸２２に対して、鉛直軸周り、図２に示す例では時計回りに、駆動部２３によって回転自在に構成されている。回転テーブル２の直径寸法は、限定されないが、例えば１０００ｍｍ程度とすることができる。
回転軸２２及び駆動部２３は、ケース体２０に収納されており、このケース体２０は、上面側のフランジ部分が真空容器１の底面部１４の下面に気密に取り付けられている。また、このケース体２０には、回転テーブル２の下方領域にＡｒガス等をパージガス（分離ガス）として供給するためのパージガス供給管７２が接続されている。
真空容器１の底面部１４におけるコア部２１の外周側は、回転テーブル２に下方側から近接するようにリング状に形成されて突出部１２ａをなしている。
回転テーブル２の表面部には、直径寸法が例えば３００ｍｍのウェハＷを載置するための円形状の凹部２４が基板載置領域として形成されている。この凹部２４は、回転テーブル２の回転方向に沿って、複数個所、例えば５箇所に設けられている。凹部２４は、ウェハＷの直径よりも僅かに、具体的には１ｍｍ乃至４ｍｍ程度大きい内径を有する。また、凹部２４の深さは、ウェハＷの厚さにほぼ等しいか、又はウェハＷの厚さよりも大きく構成される。したがって、ウェハＷが凹部２４に収容されると、ウェハＷの表面と、回転テーブル２のウェハＷが載置されない平坦領域の表面とが同じ高さになるか、ウェハＷの表面が回転テーブル２の表面よりも低くなる。また、凹部２４の底面には、ウェハＷを下方側から突き上げて昇降させるための例えば後述する３本の昇降ピンが貫通する、図示しない貫通孔が形成されている。
図２に示すように、回転テーブル２の回転方向に沿って、第１の処理領域Ｐ１と、第２の処理領域Ｐ２と、第３の処理領域Ｐ３とが互いに離間して設けられる。また、回転テーブル２における凹部２４の通過領域と対向する位置には、例えば石英からなる複数本、例えば７本のガスノズル３１、３２、３３、３４、３５、４１、４２が真空容器１の周方向に互いに間隔をおいて放射状に配置されている。これら各々のガスノズル３１〜３５、４１、４２は、回転テーブル２と天板１１との間に配置される。また、これら各々のガスノズル３１〜３４、４１、４２は、例えば真空容器１の外周壁から中心部領域Ｃに向かって回転テーブル２に対向して水平に伸びるように取り付けられている。一方、ガスノズル３５は、真空容器１の外周壁から中心領域Ｃに向かって延びた後、屈曲して直線的に中心部領域Ｃに沿うように反時計回り（回転テーブル２の回転方向の反対方向）に延びている。図２に示す例では、後述する搬送口１５から時計回り（回転テーブル２の回転方向）に、プラズマ処理ガスノズル３３、３４、プラズマ処理ガスノズル３５、分離ガスノズル４１、第１の処理ガスノズル３１、分離ガスノズル４２、第２の処理ガスノズル３２がこの順番で配列されている。なお、第２の処理ガスノズル３２で供給されるガスは、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５で供給されるガスと同質のガスが供給される場合が多いが、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５で当該ガスの供給が十分な場合には、必ずしも設けられなくてもよい。
また、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５は、１本のプラズマ処理ガスノズルで代用してもよい。この場合、例えば、第２の処理ガスノズル３２と同様に、真空容器１の外周壁から中心領域Ｃに向かって延びたプラズマ処理ガスノズルを設けるようにしてもよい。
第１の処理ガスノズル３１は、第１の処理ガス供給部をなしている。また、第２の処理ガスノズル３２は、第２の処理ガス供給部をなしている。更に、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５は、各々プラズマ処理用ガス供給部をなしている。また、分離ガスノズル４１、４２は、各々分離ガス供給部をなしている。
各ガスノズル３１〜３５、４１、４２は、流量調整バルブを介して、図示しない各々のガス供給源に接続されている。
これらのガスノズル３１〜３５、４１、４２の下面側（回転テーブル２に対向する側）には、前述の各ガスを吐出するためのガス吐出孔３６が回転テーブル２の半径方向に沿って複数箇所に例えば等間隔に形成されている。各ガスノズル３１〜３５、４１、４２の各々の下端縁と回転テーブル２の上面との離間距離が例えば１〜５ｍｍ程度となるように配置されている。
第１の処理ガスノズル３１の下方領域は、原料ガスをウェハＷに吸着させるための第１の処理領域Ｐ１であり、第２の処理ガスノズル３２の下方領域は、原料ガスを酸化して酸化物を生成可能な酸化ガスをウェハＷに供給する第２の処理領域Ｐ２である。また、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５の下方領域は、ウェハＷ上の膜の改質処理を行うための第３の処理領域Ｐ３となる。
なお、第１の処理ガスノズル３１は、シリコン酸化膜を成膜する場合にはシリコン含有ガス、金属酸化膜を成膜する場合には金属含有ガス、というように、薄膜の主成分となる原料を含んだ原料ガス（プリカーサ）を供給するノズルである。よって、第１の処理ガスノズル３１を、原料ガスノズル３１と呼んでもよいこととする。また、第１の処理領域Ｐ１は、原料ガスをウェハＷ上に吸着させる領域であるから、原料ガス吸着領域Ｐ１と呼んでもよいこととする。
同様に、第２の処理ガスノズル３２は、酸化膜を成膜する場合に、酸素、オゾン、水、過酸化水素といった酸化ガスをウェハＷに供給するので、酸化ガスノズル３２と呼んでもよいこととする。また、第２の処理領域Ｐ２は、第１の処理領域Ｐ１で原料ガスが吸着したウェハＷに酸化ガスを供給してウェハＷに吸着した原料ガスを酸化する領域であるので、酸化領域Ｐ２と呼んでもよいこととする。酸化領域Ｐ２において、酸化膜の分子層がウェハＷ上に堆積する。
また、第３の処理領域Ｐ３は、第２の処理領域Ｐ２で形成された酸化膜の分子層をプラズマ処理し、酸化膜を改質する領域であるので、プラズマ処理領域Ｐ３と呼んでもよいこととする。なお、本実施形態では、酸化膜を成膜するので、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５から供給されるプラズマ処理ガスは、少なくとも酸素ガスを含んだガスである。
分離ガスノズル４１、４２は、第１の処理領域Ｐ１と第２の処理領域Ｐ２及び第３の処理領域Ｐ３と第１の処理領域Ｐ１とを分離する分離領域Ｄを形成するために設けられる。分離ガスノズル４１、４２から供給される分離ガスは、窒素等の不活性ガス、ヘリウム、アルゴン等の希ガスである。分離ガスは、パージガスとしても機能するので、分離ガスのことをパージガスと呼んでもよく、分離ガスノズル４１、４２をパージガスノズル４１、４２と呼んでもよいこととする。なお、第２の処理領域Ｐ２と第３の処理領域Ｐ３との間には分離領域Ｄは設けられていない。第２の処理領域Ｐ２で供給する酸化ガスと、第３処理領域Ｐ３で供給する混合ガスは、混合ガスに含まれている酸素ガスが共通に酸素原子を含んでおり、双方とも酸化剤として機能しているので、分離ガスを用いて第２の処理領域Ｐ２と第３の処理領域Ｐ３とを分離する必要が無いからである。
なお、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５は、回転テーブル２上の異なる領域にガスを供給する構造となっているので、領域毎に、混合ガスの各成分の流量比を異ならせ、改質処理が全体で均一に行われるように供給してもよい。
図３に、本実施形態に係る成膜装置の回転テーブルの同心円に沿った断面図を示す。なお、図３は、分離領域Ｄから第１の処理領域Ｐ１を経て分離領域Ｄまでの断面図である。
分離領域Ｄにおける真空容器１の天板１１には、概略扇形の凸状部４が設けられている。凸状部４は、天板１１の裏面に取り付けられており、真空容器１内には、凸状部４の下面である平坦な低い天井面４４（第１の天井面）と、この天井面４４の周方向両側に位置する、天井面４４よりも高い天井面４５（第２の天井面）とが形成される。
天井面４４を形成する凸状部４は、図２に示すように、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有している。また、凸状部４には、周方向中央において、半径方向に伸びるように形成された溝部４３が形成され、分離ガスノズル４１、４２がこの溝部４３内に収容されている。なお、凸状部４の周縁部（真空容器１の外縁側の部位）は、各処理ガス同士の混合を阻止するために、回転テーブル２の外端面に対向すると共に容器本体１２に対して僅かに離間するように、Ｌ字型に屈曲している。
第１の処理ガスノズル３１の上方側には、第１の処理ガスをウェハＷに沿って通流させるために、且つ分離ガスがウェハＷの近傍を避けて真空容器１の天板１１側を通流するように、ノズルカバー２３０が設けられている。ノズルカバー２３０は、図３に示すように、第１の処理ガスノズル３１を収納するために下面側が開口する概略箱形のカバー体２３１と、このカバー体２３１の下面側開口端における回転テーブル２の回転方向上流側及び下流側に各々接続された板状体である整流板２３２とを備えている。なお、回転テーブル２の回転中心側におけるカバー体２３１の側壁面は、第１の処理ガスノズル３１の先端部に対向するように回転テーブル２に向かって伸び出している。また、回転テーブル２の外縁側におけるカバー体２３１の側壁面は、第１の処理ガスノズル３１に干渉しないように切り欠かれている。なお、ノズルカバー２３０は、必須ではなく、必要に応じて設けられてよい。
図２に示されるように、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５の上方側には、真空容器１内に吐出されるプラズマ処理用ガスをプラズマ化するために、プラズマ源８０が設けられている。
図４に、本実施形態に係るプラズマ源８０の一例の縦断面図を示す。また、図５に、本実施形態に係るプラズマ源８０の一例の分解斜視図を示す。さらに、図６に、本実施形態に係るプラズマ源８０に設けられる筐体の一例の斜視図を示す。
プラズマ源８０は、金属線等から形成されるアンテナ８３をコイル状に例えば鉛直軸回りに３重に巻回して構成されている。また、プラズマ源８０は、平面視で回転テーブル２の径方向に伸びる帯状体領域を囲むように、且つ回転テーブル２上のウェハＷの直径部分を跨ぐように配置されている。
アンテナ８３は、整合器８４を介して周波数が例えば１３．５６ＭＨｚ及び出力電力が例えば５０００Ｗの高周波電源８５に接続されている。そして、アンテナ８３は、真空容器１の内部領域から気密に区画されるように設けられている。なお、図４及び図５において、アンテナ８３と整合器８４及び高周波電源８５とを電気的に接続するための接続電極８６が設けられている。
なお、アンテナ８３は、上下に折り曲げ可能な構成、アンテナ８３を自動的に上下に折り曲げ可能な上下動機構、回転テーブル２の中心側の箇所を上下動可能な機構を必要に応じて備えてよい。図４においてはそれらの構成は省略されている。
図４及び図５に示すように、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５の上方側における天板１１には、平面視で概略扇形に開口する開口部１１ａが形成されている。
開口部１１ａには、図４に示すように、開口部１１ａの開口縁部に沿って、この開口部１１ａに気密に設けられる環状部材８２を有する。後述する筐体９０は、この環状部材８２の内周面側に気密に設けられる。即ち、環状部材８２は、外周側が天板１１の開口部１１ａの内周面１１ｂと接触すると共に、内周側が後述する筐体９０のフランジ部９０ａに接触して気密に設けられる。そして、この環状部材８２を介して、開口部１１ａには、アンテナ８３を天板１１よりも下方側に位置させるために、例えば石英等の誘導体により構成された筐体９０が設けられる。筐体９０の底面は、プラズマ処理領域Ｐ３の天井面４６を構成する。
筐体９０は、図６に示されるように、上方側の周縁部が周方向に亘ってフランジ状に水平に伸び出してフランジ部９０ａをなすと共に、平面視において、中央部が下方側の真空容器１の内部領域に向かって窪むように形成されている。
筐体９０は、この筐体９０の下方にウェハＷが位置した場合に、回転テーブル２の径方向におけるウェハＷの直径部分を跨ぐように配置されている。なお、環状部材８２と天板１１との間には、Ｏ−リング等のシール部材１１ｃが設けられる（図４参照）。
真空容器１の内部雰囲気は、環状部材８２及び筐体９０を介して気密に設定されている。具体的には、環状部材８２及び筐体９０を開口部１１ａ内に嵌め込み、次いで環状部材８２及び筐体９０の上面であって、環状部材８２及び筐体９０の接触部に沿うように枠状に形成された押圧部材９１によって筐体９０を下方側に向かって周方向に亘って押圧する。さらに、この押圧部材９１を図示しないボルト等により天板１１に固定する。これにより、真空容器１の内部雰囲気は気密に設定される。なお、図５においては、図示の簡素化のため、環状部材８２を省略して示している。
図６に示されるように、筐体９０の下面には、当該筐体９０の下方側のプラズマ処理領域Ｐ３を周方向に沿って囲むように、回転テーブル２に向かって垂直に伸び出す突起部９２が形成されている。そして、この突起部９２の内周面、筐体９０の下面及び回転テーブル２の上面により囲まれた領域には、前述したプラズマ処理ガスノズル３３〜３５が収納されている。なお、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５の基端部（真空容器１の内壁側）における突起部９２は、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５の外形に沿うように概略円弧状に切り欠かれている。
筐体９０の下方（プラズマ処理領域Ｐ３）側には、図４に示されるように、突起部９２が周方向に亘って形成されている。シール部材１１ｃは、この突起部９２によって、プラズマに直接曝されず、即ち、プラズマ処理領域Ｐ３から隔離されている。そのため、プラズマ処理領域Ｐ３からプラズマが例えばシール部材１１ｃ側に拡散しようとしても、突起部９２の下方を経由して行くことになるので、シール部材１１ｃに到達する前にプラズマが失活することとなる。
また、図４に示すように、筐体９０の下方の第３の処理領域Ｐ３内には、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５が設けられ、アルゴンガス供給源１４０、水素ガス供給源１４１、酸素ガス供給源１４２及びアンモニアガス供給源１４３に接続されている。ここで、水素ガス供給源１４１とアンモニア供給源１４３は、いずれか一方が設けられていればよく、必ずしも両方とも設けられていなくてもよい。
また、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５とアルゴンガス供給源１４０、水素ガス供給源１４１、酸素ガス供給源１４２及びアンモニアガス供給源１４３との間には、各々に対応する流量制御器１３０、１３１、１３２、１３３が設けられている。アルゴンガス供給源１４０、水素ガス供給源１４１及び酸素ガス供給源１４２から各々流量制御器１３０、１３１、１３２、１３３を介してＡｒガス、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス及びＮＨ３ガスが所定の流量比（混合比）で各プラズマ処理ガスノズル３３〜３５に供給され、供給される領域に応じてＡｒガス、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス及びＮＨ３ガスが定められる。但し、上述のように、水素ガス供給源１４１及びアンモニアガス供給源１４３のうち、いずれか一方のみが設けられる場合には、流量制御器１３１、１３３も、設けられる方の一方に合わせて設けられれば十分である。なお、流量制御器１３０〜１３４には、例えばマスフローコントローラが用いられてもよい。
なお、プラズマ処理ガスノズルが１本の場合には、例えば、上述のＡｒガス、Ｈ２ガス又はＮＨ３ガス、及びＯ２ガスの混合ガスを１本のプラズマ処理ガスノズルに供給するようにする。
図７は、回転テーブル２の回転方向に沿って真空容器１を切断した縦断面図を示した図である。図７に示されるように、プラズマ処理中には回転テーブル２が時計周りに回転するので、Ａｒガスがこの回転テーブル２の回転に連れられて回転テーブル２と突起部９２との間の隙間から筐体９０の下方側に侵入しようとする。そのため、隙間を介して筐体９０の下方側へのＡｒガスの侵入を阻止するために、隙間に対して筐体９０の下方側からガスを吐出させている。具体的には、プラズマ処理ガスノズル３３のガス吐出孔３６について、図４及び図７に示すように、この隙間を向くように、即ち回転テーブル２の回転方向上流側且つ下方を向くように配置している。鉛直軸に対するプラズマ処理ガスノズル３３のガス吐出孔３６の向く角度θは、図７に示すように例えば４５°程度であってもよいし、突起部９２の内側面に対向するように、９０°程度であってもよい。つまり、ガス吐出孔３６の向く角度θは、Ａｒガスの侵入を適切に防ぐことができる４５°〜９０°程度の範囲内で用途に応じて設定することができる。
図８は、プラズマ処理領域Ｐ３に設けられたプラズマ処理ガスノズル３３〜３５を拡大して示した斜視図である。図８に示されるように、プラズマ処理ガスノズル３３は、ウェハＷが配置される凹部２４の全体をカバーでき、ウェハＷの全面にプラズマ処理用ガスを供給可能なノズルである。一方、プラズマ処理ガスノズル３４は、プラズマ処理ガスノズル３３よりもやや上方に、プラズマ処理ガスノズル３３と略重なるように設けられた、プラズマ処理ガスノズル３３の半分程度の長さを有するノズルである。また、プラズマ処理ガスノズル３５は、真空容器１の外周壁から扇型のプラズマ処理領域Ｐ３の回転テーブル２の回転方向下流側の半径に沿うように延び、中心領域Ｃ付近に到達したら中心領域Ｃに沿うように直線的に屈曲した形状を有している。以後、区別の容易のため、全体をカバーするプラズマ処理ガスノズル３３をベースノズル３３、外側のみカバーするプラズマ処理ガスノズル３４を外側ノズル３４、内側まで延びたプラズマ処理ガスノズル３５を軸側ノズル３５と呼んでもよいこととする。
ベースノズル３３は、プラズマ処理用ガスをウェハＷの全面に供給するためのガスノズルであり、図７で説明したように、プラズマ処理領域Ｐ３を区画する側面を構成する突起部９２の方に向かってプラズマ処理用ガスを吐出する。
一方、外側ノズル３４は、ウェハＷの外側領域に重点的にプラズマ処理用ガスを供給するためのノズルである。
軸側ノズル３５は、ウェハＷの回転テーブル２の軸側に近い中心領域にプラズマ処理用ガスを重点的に供給するためのノズルである。
なお、プラズマ処理ガスノズルを１本とする場合には、ベースノズル３３のみを設けるようにすればよい。
次に、プラズマ源８０のファラデーシールド９５について、より詳細に説明する。図４及び図５に示すように、筐体９０の上方側には、当該筐体９０の内部形状に概略沿うように形成された導電性の板状体である金属板例えば銅などからなる、接地されたファラデーシールド９５が収納されている。このファラデーシールド９５は、筐体９０の底面に沿うように水平に係止された水平面９５ａと、この水平面９５ａの外終端から周方向に亘って上方側に伸びる垂直面９５ｂと、を備えており、平面視で例えば概略六角形となるように構成されていても良い。
図９は、アンテナ８３の構造の詳細及び上下動機構を省略したプラズマ源８０の一例の平面図である。図１０は、プラズマ源８０に設けられるファラデーシールド９５の一部を示す斜視図を示す。
回転テーブル２の回転中心からファラデーシールド９５を見た場合の右側及び左側におけるファラデーシールド９５の上端縁は、各々、右側及び左側に水平に伸び出して支持部９６を為している。そして、ファラデーシールド９５と筐体９０との間には、支持部９６を下方側から支持すると共に筐体９０の中心部領域Ｃ側及び回転テーブル２の外縁部側のフランジ部９０ａに各々支持される枠状体９９が設けられている（図５参照）。
電界がウェハＷに到達する場合、ウェハＷの内部に形成されている電気配線等が電気的にダメージを受けてしまう場合がある。そのため、図１０に示すように、水平面９５ａには、アンテナ８３において発生する電界及び磁界（電磁界）のうち電界成分が下方のウェハＷに向かうことを阻止すると共に、磁界をウェハＷに到達させるために、多数のスリット９７が形成されている。
スリット９７は、図９及び図１０に示すように、アンテナ８３の巻回方向に対して直交する方向に伸びるように、周方向に亘ってアンテナ８３の下方位置に形成されている。ここで、スリット９７は、アンテナ８３に供給される高周波に対応する波長の１／１００００以下程度の幅寸法となるように形成されている。また、各々のスリット９７の長さ方向における一端側及び他端側には、これらスリット９７の開口端を塞ぐように、接地された導電体等から形成される導電路９７ａが周方向に亘って配置されている。ファラデーシールド９５においてこれらスリット９７の形成領域から外れた領域、即ち、アンテナ８３の巻回された領域の中央側には、当該領域を介してプラズマの発光状態を確認するための開口部９８が形成されている。なお、図７においては、簡単のために、スリット９７を省略しており、スリット９７の形成領域例を、一点鎖線で示している。
図５に示すように、ファラデーシールド９５の水平面９５ａ上には、ファラデーシールド９５の上方に載置されるプラズマ源８０との間の絶縁性を確保するために、厚み寸法が例えば２ｍｍ程度の石英等から形成される絶縁板９４が積層されている。即ち、プラズマ源８０は、筐体９０、ファラデーシールド９５及び絶縁板９４を介して真空容器１の内部（回転テーブル２上のウェハＷ）を覆うように配置されている。
再び、本実施形態に係る成膜装置の他の構成要素について、説明する。
図１及び図２に示されるように、回転テーブル２の外周側において、回転テーブル２よりも下方の位置には、カバー体であるサイドリング１００が配置されている。サイドリング１００の上面には、互いに周方向に離間するように例えば２箇所に排気口６１、６２が形成されている。図２に示されるように、排気口６１、６２は、互いに周方向に離間するように、例えば２箇所に設けられる。別の言い方をすると、真空容器１の底面には、２つの排気口が形成され、これら排気口に対応する位置におけるサイドリング１００には、排気口６１、６２が形成されている。
本実施形態においては、排気口６１、６２のうち一方及び他方を、各々、第１の排気口６１、第２の排気口６２と呼ぶ。ここでは、第１の排気口６１は、第１の処理ガスノズル３１と、この第１の処理ガスノズル３１に対して、回転テーブル２の回転方向下流側に位置する分離領域Ｄとの間において、分離領域Ｄ側に寄った位置に形成されている。また、第２の排気口６２は、プラズマ源８０と、このプラズマ源８０よりも回転テーブル２の回転方向下流側の分離領域Ｄとの間において、分離領域Ｄ側に寄った位置に形成されている。
第１の排気口６１は、第１の処理ガスや分離ガスを排気するためのものであり、第２の排気口６２は、プラズマ処理用ガスや分離ガスを排気するためのものである。図１に示されるように、これら第１の排気口６１及び第２の排気口６２は、各々、バタフライバルブ等の圧力調整部６５が介設された排気管６３により、真空排気機構である例えば真空ポンプ６４に接続されている。
前述したように、中心部領域Ｃ側から外縁側に亘って筐体９０を配置しているため、処理領域Ｐ２に対して回転テーブル２の回転方向上流側から通流してくるガスは、この筐体９０によって排気口６２に向かおうとするガス流が規制されてしまうことがある。そのため、筐体９０よりも外周側におけるサイドリング１００の上面には、ガスが流れるための溝状のガス流路１０１が形成されている。
天板１１の下面における中央部には、図１に示すように、凸状部４における中心部領域Ｃ側の部位と連続して周方向に亘って概略リング状に形成されると共に、その下面が凸状部４の下面（天井面４４）と同じ高さに形成された突出部５が設けられている。この突出部５よりも回転テーブル２の回転中心側におけるコア部２１の上方側には、中心部領域Ｃにおいて各種ガスが互いに混ざり合うことを抑制するためのラビリンス構造部１１０が配置されている。
前述したように筐体９０は中心部領域Ｃ側に寄った位置まで形成されているので、回転テーブル２の中央部を支持するコア部２１は、回転テーブル２の上方側の部位が筐体９０を避けるように回転中心側に形成されている。そのため、中心部領域Ｃ側では、外縁部側よりも、各種ガス同士が混ざりやすい状態となっている。そのため、コア部２１の上方側にラビリンス構造部１１０を形成することにより、ガスの流路を稼ぎ、ガス同士が混ざり合うことを防止することができる。
回転テーブル２と真空容器１の底面部１４との間の空間には、図１に示すように、加熱機構であるヒータユニット７が設けられている。ヒータユニット７は、回転テーブル２を介して回転テーブル２上のウェハＷを例えば室温〜７００℃程度に加熱することができる構成となっている。なお、図１に、ヒータユニット７の側方側にカバー部材７１ａが設けられるとともに、ヒータユニット７の上方側を覆う覆い部材７ａが設けられる。また、真空容器１の底面部１４には、ヒータユニット７の下方側において、ヒータユニット７の配置空間をパージするためのパージガス供給管７３が、周方向に亘って複数個所に設けられている。
真空容器１の側壁には、図２に示すように、搬送アーム１０と回転テーブル２との間においてウェハＷの受け渡しを行うための搬送口１５が形成されている。この搬送口１５は、ゲートバルブＧより気密に開閉自在に構成されている。
回転テーブル２の凹部２４は、この搬送口１５に対向する位置にて搬送アーム１０との間でウェハＷの受け渡しが行われる。そのため、回転テーブル２の下方側の受け渡し位置に対応する箇所には、凹部２４を貫通してウェハＷを裏面から持ち上げるための図示しない昇降ピン及び昇降機構が設けられている。
また、本実施形態に係る成膜装置には、装置全体の動作を制御するためのコンピュータからなる制御部１２０が設けられている。この制御部１２０のメモリ内には、後述の基板処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、装置の各種動作を実行するようにステップ群が組まれており、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、フレキシブルディスク等の記憶媒体である記憶部１２１から制御部１２０内にインストールされる。
制御部１２０は、成膜装置が実施する本発明の実施形態に係る成膜方法の制御を行う。具体的には、プラズマ処理領域Ｐ３が次の運転でプラズマの着火が容易となる状態を作り出すようなガス供給シーケンスを実施する。制御部１２０は、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５に接続されているバルブ、流量制御器１３０〜１３３を制御するとともに、原料ガスノズル３１、酸化ガスノズル３２に接続されている流量制御器（図示せず）も制御し、そのようなプラズマ着火準備工程を実施する制御を行う。なお、本実施形態に係る成膜方法の詳細については後述する。
［成膜方法］
以下、このような本発明の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法について説明する。なお、本実施形態に係る成膜方法で成膜可能な薄膜は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の他、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２等の金属酸化膜も含まれるが、本実施形態では、説明の容易のため、原料ガスとしてシリコン含有ガスを用いた例を挙げて説明する。酸化ガスは、上述のように、酸素、オゾン、水、過酸化水素等を用いることができるが、本実施形態では、オゾンを用いた例について説明する。また、プラズマ処理ガスとしては、改質のときには酸素を含有するガス、改質を終了する際には水素原子を含有するガスであれば、種々のガスを用いることができるが、本実施形態においては、アルゴン、酸素、水素の混合ガスをプラズマ処理ガスとして用いた例について説明する。また、分離ガスは、窒素等の不活性ガス、又はヘリウム、アルゴン等の希ガスを用いることができるが、本実施形態では、アルゴンを用いた例について説明する。
まず、ウェハＷを真空容器１内に搬入する。ウェハＷ等の基板の搬入に際しては、先ず、ゲートバルブＧを開放する。そして、回転テーブル２を間欠的に回転させながら、搬送アーム１０により搬送口１５を介して回転テーブル２上に載置する。
次いで、ゲートバルブＧを閉じて、真空ポンプ６４及び圧力調整部６５により真空容器１内を所定の圧力にした状態で、回転テーブル２を回転させながら、ヒータユニット７によりウェハＷを所定の温度に加熱する。この時、分離ガスノズル４１、４２からは、分離ガスとしてＡｒガスが供給される。このような一連の制御は、制御部１２０が行う。
続いて、第１の処理ガスノズル３１からはシリコン含有ガスを供給し、第２の処理ガスノズル３２からはオゾンガスを供給する。また、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５からも、所定の流量でアルゴン、酸素、水素の混合ガスからなるプラズマ処理ガスを供給する。また、プラズマ処理ガスノズル３３〜３５からプラズマ処理ガスを供給するとともに、高周波電源８５からアンテナ８３に高周波電力を供給し、プラズマを生成する。
ウェハＷの表面では、回転テーブル２の回転によって第１の処理領域Ｐ１においてシリコン含有ガスが吸着し、次いで、第２の処理領域Ｐ２においてウェハＷ上に吸着したシリコン含有ガスが、オゾンガスによって酸化される。これにより、薄膜成分であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の分子層が１層又は複数層形成されてウェハＷ上に堆積する。
更に回転テーブル２が回転すると、ウェハＷはプラズマ処理領域Ｐ３に到達し、プラズマ処理によるシリコン酸化膜の改質処理が行われる。プラズマ処理領域Ｐ３においては、ベースノズル３３、外側ノズル３４、軸側ノズル３５からＡｒ／Ｏ２／Ｈ２の混合ガスをプラズマ処理ガスとして供給する。なお、必要に応じて、ベースノズル３３からの供給を基準とし、角速度が遅くプラズマ処理量が多くなり易い中心軸側の領域では、ベースノズル３３から供給される混合ガスよりも改質力の弱くなるように酸素の流量を低くし、角速度が速く、プラズマ処理量が不足する傾向がある害種側の領域では、ベースノズル３３から供給される混合ガスよりも改質力の強くなるように酸素の流量を高くしてもよい。これにより、回転テーブル２の角速度の影響を適宜調整することができる。
このような状態で、回転テーブル２の回転を継続することにより、ウェハＷ表面へのシリコン含有ガスの吸着、ウェハＷ表面に吸着したシリコン含有ガス成分の酸化、及び反応生成物であるシリコン酸化膜のプラズマ改質が、この順番で多数回に亘って行われる。即ち、ＡＬＤ法による成膜処理と、形成された膜の改質処理とが、回転テーブル２の回転よって、多数回に亘って行われる。
また、本実施形態に係る成膜装置における第１及び第２の処理領域Ｐ１、Ｐ２の間と、第３及び第１の処理領域Ｐ３、Ｐ１の間には、回転テーブル２の周方向に沿って分離領域Ｄを配置している。そのため、分離領域Ｄにおいて、処理ガスとプラズマ処理用ガスとの混合が阻止されながら、各ガスが排気口６１、６２に向かって排気されていく。
このような成膜処理及び改質処理を繰り返し、シリコン酸化膜が所定の膜厚に到達したら、シリコン含有ガス、オゾンガス及びプラズマ処理ガスの供給を停止する。または、シリコン含有ガス及びオゾンガスの供給を停止し、プラズマ処理ガスの供給のみを継続する。これは、シリコン酸化膜の改質処理のみを継続し、高品質なシリコン酸化膜を成膜するためである。
この後、一般的な成膜方法では、プラズマ処理ガスの供給も停止し、回転テーブル２の回転を停止してから、処理済みのウェハＷを真空容器１から搬出する。
しかしながら、本実施形態に係る成膜方法では、プラズマ源８０を運転した状態で、成膜処理及び改質処理が終了した後、プラズマ処理ガスの酸素ガスの供給のみを停止し、アルゴンガス及び水素ガスのみを供給した状態で、プラズマ処理を行う。これにより、プラズマ処理領域Ｐ３内の表面に付着した酸素が還元され、プラズマ処理領域Ｐ３内を電荷的ニュートラルな状態に戻すことができる。
即ち、酸素プラズマをプラズマ処理領域Ｐ３に供給した状態で全体の処理を終了すると、プラズマ処理領域Ｐ３の表面に酸素（酸素ラジカルも含む）が付着した状態で処理が終了することになる。この状態で、処理済みのウェハＷを搬出し、次に成膜処理を施す新たなウェハＷを真空容器１内に搬入し、プラズマを着火させようとすると、プラズマ着火の時間遅れが発生する場合がある。つまり、１回目の成膜処理の際には、プラズマの着火はスムーズであるが、２回目以降の成膜処理の際には、プラズマの着火が上手くいかない場合がある。
これは、酸素の電気陰性度が非常に高く、電子を捕獲する能力が非常に高いことに起因すると考えられる。プラズマの着火し易い状態は、電子、陽イオン等の電荷が空間中に発生し易い状態であると考えられる。プラズマとは、気体を構成する分子が電離し、陽イオンと電子に分かれて運動している状態であり、電離によって生じた荷電粒子を含む気体のことであるから、荷電粒子が発生し易い環境は、当然にプラズマが発生し易い。つまり、荷電粒子が発生し易い環境は、着火し易い環境であると考えられる。
プラズマ処理領域Ｐ３、具体的には、筐体９０の天井面、突起部９２の内周面（図５参照）等の表面に酸素が付着した状態であると、プラズマ処理ガスを供給し、アンテナ８３に高周波電力を供給してプラズマ放電を発生させようとしても、電離した電子がすぐに表面の酸素に捕獲されてしまい、プラズマ処理領域Ｐ３に十分な荷電粒子が蓄積され難くなると考えられる。
このようなメカニズムについて、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、アルゴンガスのイオン化電子エネルギーを示した図である。図１１において、横軸はアルゴンガスのイオン化において消費される電子のエネルギーを示しているが、１０ｅＶ未満の低エネルギー領域では、イオン化のために電子は消費されない。よって、放電初期なでの低電子エネルギー状態での放電に関しては、放電が阻害されず、放電が発生し易い状態となっている。
図１２は、酸素ガスのイオン化電子エネルギーを示した図である。図１２において、横軸は酸素ガスのイオン化において消費される電子のエネルギーを示しているが、１０ｅＶ未満の低エネルギー領域において、電子を消費（捕獲）する反応が多数見られる。具体的な反応としては、酸素のローテーション（Ｑｒｏｔとして表示）、バイブレーション（Ｑｖ１〜Ｑｖ４として表示）、Ｏ２と電子衝突によるＯ−の生成（Ｑａｔｔとして表示）がイオン化前の低エネルギー領域（１０ｅＶ未満、０．０８〜３ｅＶ付近）で確認される。つまり、プラズマ着火初期のような低電子エネルギー領域では、電子が酸素に捕獲され易い状態であり、酸素が存在すると非常に効率が悪いことが分かる。
かかる観点から、本実施形態に係る成膜方法では、成膜工程及び改質工程が終了したら、プラズマが生成している状態で、水素原子含有ガスをプラズマ化し、Ｈプラズマ及びＨラジカルで酸素及び酸素ラジカルを還元する。これにより、プラズマ処理領域Ｐ３の表面に付着した酸素及び酸素ラジカルを除去することができ、電子が捕獲され易い状態からニュートラルな通常の状態に戻すことができ、プラズマ着火遅れを防止することができる。
なお、プラズマ着火遅れとは、高周波電源８５からアンテナ８３に高周波電力供給後（プラズマ引火後）に０．１秒以上のプラズマ未着火状態が継続することをいう。
このような状態にしてから成膜処理全体を終了し、ウェハＷを搬出すれば、プラズマ処理領域Ｐ３は電荷的にニュートラルな状態となっているので、次に新たなウェハＷを真空容器１内に搬入し、成膜処理を行えば、着火遅れを生じさせること無くプラズマ着火を行うことができる。
図１３は、本実施形態に係る成膜方法の処理フロー図である。本実施形態に係る成膜方法の処理の詳細については、上で説明した通りであるが、プラズマ着火を含めた全体の処理フローについて図１３を用いて説明する。また、供給するガス等についても一般化して説明する。
ステップＳ１００では、基板搬入工程が実施される。具体的には、搬送口１５から、複数枚又は１枚のウェハＷが真空容器１内に搬入され、回転テーブル２の凹部２４上に載置される。この後、真空容器１内で加熱、回転テーブル２の回転、分離ガスの供給等が行われる。
ステップＳ１１０では、プラズマ着火が行われる。具体的には、プラズマ処理ガスがプラズマ処理ガスノズル３３〜３５からプラズマ処理ガスが供給され、プラズマ源８０のアンテナ８３に高周波電源８５から高周波電力が供給される。同時、又はその前後に、原料ガス及び酸化ガスが原料ガスノズル３１及び酸化ガスノズル３２からそれぞれ供給される。
ステップＳ１２０では、原料ガス、酸化ガス、プラズマ処理ガスが供給された状態で回転テーブル２が回転し続け、成膜工程及び改質工程が繰り返し行われる。なお、原料ガス吸着領域Ｐ１及び酸化領域Ｐ２で成膜工程が実施され、プラズマ処理領域Ｐ３で改質工程が実施される。改質工程では、酸素プラズマ又は酸素ラジカルが酸化膜に供給され、酸化膜を緻密化して高密度にする。よって、プラズマ処理ガスは、少なくとも酸素ガスを含む。かかる成膜工程及び改質工程の繰り返しにより、酸化膜が改質されながらウェハＷ上に堆積する。
酸化膜が所定の膜厚に到達したら、原料ガス及び酸化ガスの供給を停止する。必要に応じて、改質工程のみ継続して実施する。改質工程のみを継続する場合には、原料ガス及び酸化ガスの供給を停止し、アンテナ８３への高周波電力の供給を継続した状態でプラズマ処理ガスの供給を継続する。分離ガスの供給は、引き続き継続する。
ステップＳ１３０では、プラズマ着火準備工程が行われる。プラズマ着火準備工程では、プラズマ処理領域Ｐ３の表面（筐体９０の天井面及び内側面）に付着した酸素及び酸素ラジカルを還元して除去すべく、酸素ガスの供給を停止するとともに、水素原子含有ガスをプラズマ化及び／又はラジカル化して供給する。水素原子含有ガスとしては、例えば、水素ガス、アンモニアガス等が挙げられる。なお、水素原子含有ガスは、水素原子を含有している物質のガス単体の他、混合ガスも含むことを意図しており、水素ガス、アンモニアガスに加えて、アルゴンガス等、還元を妨げないガスであれば、水素原子を含有しないガスを含んでいてもよい。また、水素、アンモニア等の水素原子を含む物質の単体のガスを指す場合には、水素原子含有物質、又は水素原子含有物質ガスと区別して呼ぶこととする。
改質工程で用いたプラズマ処理ガスに、水素、アンモニア等の水素原子含有ガスが含まれていない場合には、プラズマ着火工程で水素原子含有ガスを新たにプラズマ処理領域Ｐ３内に供給することになる。例えば、水素及びアンモニアの少なくとも一方を含むプラズマ処理ガスを供給する。この場合、上述のように、必要に応じて、アルゴンガスを同時に供給してもよい。
一方、水素ガス及び／又はアンモニアガスが、改質工程におけるプラズマ処理ガスに含まれている場合には、酸素ガスの供給のみを停止してもよい。水素ガスとアンモニアガスは、少なくともいずれか一方を供給すれば十分であるが、短時間に還元を行いたい場合には、両方を供給してもよい。両方を供給する場合であって、成膜時のプラズマ処理ガスに水素又はアンモニアの一方しか含まれていない場合には、新たに水素又はアンモニアの処理ガスに含まれてない方を追加供給してもよい。このように、プラズマ処理領域Ｐ３におけるプラズマ着火準備工程は、改質工程で供給したプラズマ処理ガスの成分を考慮して、適切な組み合わせとすることができる。
プラズマ着火工程は、０．１秒〜１０秒程度の数秒であってよい。水素原子含有物質ガスの流量を１００ｓｃｃｍ程度に設定すると、水素原子含有物質ガスを０．５秒程度供給すれば、次のプラズマ着火で着火遅れが発生しないことが実験で確認されている。即ち、プラズマ未着火状態が０．１秒未満となることが確認されている。一方、水素原子含有物質ガスの流量を４５ｓｃｃｍ程度の設定とすると、２秒程度の時間を要することも確認されている。これらの実験結果の詳細については後述する。
このように、プラズマ処理領域Ｐ３の表面に付着した酸素及び酸素ラジカルを水素ラジカル及び／又は水素プラズマで還元することにより、次の新たなウェハＷの成膜処理の際、プラズマ着火遅れの発生を防止し、プラズマ着火時間を各運転間で一定とすることができる。
なお、プラズマ着火遅れとは、高周波電源８５からアンテナ８３に高周波電力供給開始後（プラズマ引火後）に０．１秒以上のプラズマ未着火状態が継続することをいうのは上述の通りである。
ステップＳ１４０では、プラズマを停止し、プラズマ着火準備工程を終了する。具体的には、プラズマ着火準備工程のプラズマ処理ガスの供給を停止するとともに、アンテナ８３への高周波電力の供給を停止する。
ステップＳ１５０では、プラズマ着火準備工程を含む成膜処理全体が終了したウェハＷを、真空容器１から搬出する。ウェハＷの搬出は、回転テーブル２を間欠的に回転させ、搬送口１５の対向したウェハＷを昇降ピンで押し上げ、搬送アーム１０を用いて搬出する。これにより、成膜処理の一運転が終了する。このように、一運転とは、基板（ウェハＷ）の処理室（真空容器１）への搬入から、プラズマ着火準備工程を含めた成膜処理全体を終了して基板（ウェハＷ）を処理室（真空容器１）から搬出するまでを意味する。なお、一運転のことを、１ランと呼んでもよいこととする。
なお、ウェハＷの搬出は、複数枚（例えば、５枚又は６枚）のウェハＷを総て搬出してもよいし、１枚のウェハＷを搬出する毎に、空いた凹部２４上に新たなウェハＷを交換して搬入するような、搬入・搬出を同時に行うような搬送処理でもよい。この場合には、前の一運転の終了と次の一運転の開始が重なる状態となる。
次のウェハＷを総て真空容器１内に搬入した後は、ステップＳ１００〜Ｓ１５０を繰り返せばよい。このような処理を行うことにより、一定のプラズマ着火時間で、成膜処理の一運転を継続的に安定して実施することができる。
このように、本実施形態に係る成膜方法によれば、各運転において、プラズマ着火遅れを無くすとともに、プラズマ着火時間を一定とすることができる。
なお、本実施形態において、原料ガスは、シリコン酸化膜を成膜する場合には、種々のシリコン含有ガスを用いることができ、例えば、ＤＩＰＡＳ［ジイソプロピルアミノシラン］、３ＤＭＡＳ［トリスジメチルアミノシラン］ガス、ＢＴＢＡＳ［ビスターシャルブチルアミノシラン］、ＤＣＳ［ジクロロシラン］、ＨＣＤ［ヘキサクロロジシラン］等を用いてもよい。
また、金属酸化膜を成膜する場合には、ＴｉＣｌ４［四塩化チタン］、Ｔｉ(ＭＰＤ)(ＴＨＤ)[チタニウムメチルペンタンジオナトビステトラメチルヘプタンジオナト]、ＴＭＡ［トリメチルアルミニウム］、ＴＥＭＡＺ［テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム］、ＴＥＭＨＦ［テトラキスエチルメチルアミノハフニウム］、Ｓｒ(ＴＨＤ)２［ストロンチウムビステトラメチルヘプタンジオナト］等の金属含有ガスを使用しても良い。
酸化ガスは、上述の通り、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２等を用いることができる。改質用のプラズマ処理ガスとしては、酸素を含んでいれば種々のガスを用いてよいが、例えば、Ａｒ／Ｏ２／Ｈ２、Ａｒ／Ｏ２／ＮＨ３、Ａｒ／Ｏ２／Ｈ２／ＮＨ３等の混合ガスを用いることができる。また、プラズマ着火準備工程の還元用のプラズマ処理ガスとしては、水素ガス、アンモニアガス等の水素原子含有物質ガスを含んでおり、酸素を含んでいなければ、種々のガスを用いることができるが、例えば、Ａｒ／Ｈ２、Ａｒ／ＮＨ３、Ａｒ／Ｈ２／ＮＨ３等の混合ガスを用いることができる。
また、本実施形態では、酸化工程における酸化ガスと、改質工程における酸素が各々別の処理領域Ｐ２、Ｐ３で供給されている例を挙げて説明したが、改質工程で行っているプラズマ処理で酸化と改質を兼用するプロセスにも適用可能である。この場合には、第２の処理領域Ｐ２が無くなり、第３の処理領域Ｐ３で酸化と改質の双方を行う装置構成及び成膜方法となる。このような場合でも、プラズマ処理領域Ｐ３で行う処理は同じであるから、図１３で説明した処理フローをそのまま適用することができる。
［実施例］
次に、本実施形態に係る成膜方法を実施した実施例について説明する。
図１４は、本実施形態に係る成膜方法を実施した実施例１〜４についての実施条件と結果を示した図である。実施例１に係る成膜方法は、図１乃至１０で説明した本実施形態に係るＡＬＤ成膜装置を用いて実施した。
図１４（ａ）は、実施例１〜５に係る成膜方法の条件を示した図である。図１４（ａ）において、ステップ番号、時間、プロセス状態、プラズマ処理領域Ｐ３における水素、アンモニア、酸素の流量、酸化領域Ｐ２におけるオゾンの流量が示されている。ステップ番号は、図１３で示した処理フローのステップ番号と対応させている。
図１４（ａ）に示されるように、ステップＳ１２０の成膜・改質工程においては、酸化領域Ｐ２におけるオゾンの流量は６０００ｓｃｃｍに設定し、プラズマ処理領域Ｐ３における水素の流量は４５ｓｃｃｍ、酸素の流量は７５ｓｃｃｍに設定した。アンモニアは、成膜・改質工程では供給しなかった。高周波電源８５は、４０００Ｗの出力とした。なお、影響のない要素であるので、プラズマ処理領域Ｐ３に供給されているアルゴンガスは特に示していないが、一定の流量でアルゴンも供給した。
ステップＳ１３０Ａ、１３０Ｂがプラズマ着火準備工程に相当する。プラズマ着火工程において、水素及びアンモニアの流量を種々変更して実験を行った。ステップＳ１３０Ａでは、酸化領域Ｐ２のオゾンガスの供給バルブを閉に切り替え、オゾンガスの供給を停止した。また、プラズマ処理領域Ｐ３における酸素ガスの供給を停止した。ステップＳ１３０Ａは、固定で０．５秒の時間を確保した。高周波電源８５の出力は、４０００Ｗを維持した。
ステップＳ１３０Ｂでは、酸化領域Ｐ２におけるオゾンの供給を停止した後、アルゴンガスを６０００ｓｃｃｍで供給した。水素及びアンモニアは、ステップＳ１３０Ａ、Ｓ１３０Ｂで共通の流量とした。酸素ガスの供給はゼロを継続した。
ステップＳ１４０では、プラズマを停止した。即ち、高周波電源８５からアンテナ８３への高周波電力の供給を停止するとともに、プラズマ処理領域Ｐ３への総てのガスの供給を停止した。そして、ウェハＷの搬出及び搬入を行い、次の運転を実施する、ということを、３０運転（ラン）について行った。
図１４（ｂ）は、具体的なプラズマ着火準備工程の条件と結果を示した図である。まず、従来のプラズマ着火工程を設けない場合を基準となる比較条件とし、これを比較例とした。比較例においては、プラズマ着火準備工程は存在しないので、ステップＳ１３０Ａ、Ｓ１３０Ｂの時間はゼロであり、プラズマ源８０も停止させている。但し、水素及びアンモニアについては、流量制御器１３１、１３３（図４）の目盛を最大にしてガスの供給は継続した。
その結果、比較例においては、３０ラン（運転）中、２８ランでプラズマ着火の遅れが観察された。
実施例１では、水素を４５ｓｃｃｍ、アンモニアを１００ｓｓｓｍ、ステップＳ１３０Ａの０．５秒間だけ供給した。ステップＳ１３０Ｂは０秒とし、設けなかった。この場合、３０ラン中、１１ランでプラズマ着火遅れが観察された。０．５秒という短時間ではあるが、プラズマ着火準備工程を設けたことにより、比較例よりもプラズマ着火遅れを減少させることができた。
実施例２では、水素を流量４５ｓｃｃｍで継続供給するとともに、アンモニアを追加的に１００ｓｃｃｍ供給した。ステップＳ１３０Ｂは６秒設けた。Ｓ１３０ＡとＳ１３０Ｂとの合計６．５秒間、水素を４５ｓｃｃｍの流量、アンモニアを１００ｓｃｃｍの流量で供給した。その結果、３０ラン中、１ランもプラズマ着火遅れは発生しなかった。
実施例３では、水素のみを４５ｓｃｃｍの流量で継続供給し、アンモニアは追加供給しなかった。ステップＳ１３０Ｂの時間は６秒間とした。よって、プラズマ着火準備工程の合計時間は６．５秒とした。この場合も、３０ランで１ランもプラズマ着火遅れは発生せず、良好な結果が得られた。
実施例４では、実施例３と同様に水素のみを４５ｓｃｃｍの流量で継続供給し、アンモニアは追加供給しなかった。ステップＳ１３０Ｂの時間は２秒間に短縮した。よって、プラズマ着火準備工程の合計時間は２．５秒とした。この場合も、３０ランで１ランもプラズマ着火遅れは発生せず、良好な結果が得られた。このように、実施例４では、水素のみの供給を成膜・改質工程から２．５秒継続しただけで、プラズマ着火遅れを効果的に防止できること示された。
実施例５では、水素及びアンモニアの両方を流量制御器１３１、１３３の最大目盛、つまり上限で供給した。その代わり、ステップＳ１３０Ｂは０秒として設けず、ステップＳ１３０Ａの０．５秒のみの短時間の供給とした。この場合も、３０ランで１ランもプラズマ着火遅れは発生せず、良好な結果が得られた。このように、実施例５では、プラズマ着火準備工程が短時間であっても、水素原子含有物質ガスの流量を非常に大きくすれば、プラズマ着火遅れを確実に防止できることが示された。
実施例４及び５の結果から、プラズマ処理領域Ｐ３の表面に付着した酸素を還元するためには、ある程度の量の水素プラズマ又は水素ラジカルを供給することが必要であり、用途に応じて、時間で調整するか、流量で調整するかを選択できることが示された。
なお、プラズマ着火工程における水素の流量は、３０ｓｃｃｍ〜無限大に設定することができ、好ましくは４５ｓｃｃｍ〜無限大に設定することができ、更に好ましくは、４５ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍに設定することができる。同様に、プラズマ着火工程におけるアンモニアの流量は、５０ｓｃｃｍ〜無限大に設定することができ、好ましくは１００ｓｃｃｍ〜無限大に設定することができ、更に好ましくは、１００ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍに設定することができる。また、プラズマ着火工程の時間は、０．３〜１０秒に設定することができ、好ましくは０．５〜８秒に設定することができ、更に好ましくは０．５〜６．５秒に設定することができ、最適には２．５〜６．５秒に設定することができる。
このように、本実施形態に係る成膜装置及び成膜方法によれば、プラズマ処理領域に付着した酸素ラジカルを含む酸素をプラズマ着火準備工程で簡単かつ確実に除去することができ、プラズマ着火遅れを防止できる。
なお、本実施形態では、回転テーブル式のＡＬＤ成膜装置を例に挙げて説明したが、プラズマ処理領域を有し、酸化膜を成膜するプロセスを実施する成膜装置であれば、本実施形態に係る成膜装置及び成膜方法を好適に適用することができる。例えば、プラズマを用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を実施する装置にも好適に適用することができ、回転テーブル以外の態様のサセプタや、ウェハを縦に積載するウェハボートを用いて成膜処理を行う装置及び方法にも好適に本実施形態に係る成膜装置及び成膜方法を適用することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
１ 真空容器
２ 回転テーブル
２４ 凹部
３１、３２ 処理ガスノズル
３３〜３５ プラズマ処理ガスノズル
３６ ガス吐出孔
４１、４２ 分離ガスノズル
８０ プラズマ源
８３ アンテナ
８５ 高周波電源
９５ ファラデーシールド
１２０ 制御部
１３０〜１３３ 流量制御器
１４０〜１４３ ガス供給源
Ｐ１ 第１の処理領域（原料ガス吸着領域）
Ｐ２ 第２の処理領域（酸化領域）
Ｐ３ 第３の処理領域（プラズマ処理領域）

Claims (12)

  1. 処理室内の所定のプラズマ処理領域でプラズマ源により生成された酸素ラジカルを用いて基板上に成膜された酸化膜を改質する改質工程と、
    前記基板上への酸化膜の成膜が終了したら、前記プラズマ処理領域内をプラズマが着火し易い状態にする着火準備工程と、を有する成膜方法。
  2. 前記着火準備工程は、プラズマが生成した状態で、前記プラズマ処理領域内に酸素ガスの供給を停止して水素原子含有ガスを供給する工程である請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記水素原子含有ガスは、水素ガス及びアンモニアガスの少なくとも１つを含む請求項２に記載の成膜方法。
  4. 前記水素原子含有ガスは、アルゴンガスを更に含む混合ガスである請求項３に記載の成膜方法。
  5. 前記改質工程は、前記プラズマ処理領域内に供給されたアルゴンガス、水素ガス、酸素ガスを含むプラズマ処理ガスを前記プラズマ源により活性化することにより行われ、
    前記着火準備工程は、前記プラズマ処理ガスのうち、前記酸素ガスの前記プラズマ処理領域内への供給を停止し、前記アルゴンガス及び前記水素ガスの供給を継続することにより行われる請求項４に記載の成膜方法。
  6. 前記改質工程の前に、
    前記基板上に原料ガスを吸着させる吸着工程と、
    前記基板上に吸着した前記原料ガスを酸化して前記酸化膜の分子層を堆積させる酸化工程と、を含む成膜工程を更に有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の成膜方法。
  7. 前記基板は回転テーブル上に周方向に沿って載置され、
    前記回転テーブルの上方に、前記回転テーブルの回転方向に沿って原料ガス吸着領域、酸化領域、前記プラズマ処理領域が互いに離間して配置され、前記回転テーブルを前記回転方向に複数回回転させ、前記回転テーブル上の前記基板に前記原料ガス吸着領域、前記酸化領域、前記プラズマ処理領域を順に通過させることにより前記成膜工程及び前記改質工程を繰り返し、前記酸化膜の膜厚が所定の膜厚となったときに前記酸化膜の成膜を終了し、前記着火準備工程を行う請求項６に記載の成膜方法。
  8. 前記原料ガス吸着領域と前記酸化領域との間、及び前記プラズマ処理領域と前記原料ガス吸着領域との間に、前記基板上にパージガスを供給するパージガス供給領域が設けられ、前記吸着工程と前記酸化工程との間、及び前記改質工程と前記吸着工程との間に、パージ工程を更に有する請求項７に記載の成膜方法。
  9. 前記プラズマ処理領域は、天井面及び側壁に囲まれた領域であり、
    前記プラズマ源は、前記天井面の上方の前記処理室外に設けられた誘導結合型プラズマ源である請求項１乃至８のいずれか一項に記載の成膜方法。
  10. 前記酸化膜は、シリコン酸化膜又は金属酸化膜である請求項１乃至９のいずれか一項に記載の成膜方法。
  11. 前記着火準備工程の後、前記酸化膜の成膜が終了した前記基板を前記処理室から搬出する基板搬出工程と、
    新たな基板を前記処理室内に搬入する搬入工程と、
    前記プラズマ処理領域でプラズマを着火させるプラズマ着火工程と、を更に有する請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の成膜方法。
  12. 処理室と、
    処理室内に設けられ、周方向に沿って上面に基板を載置可能な回転テーブルと、
    該回転テーブルに原料ガスを供給可能な原料ガス供給手段と、
    前記回転テーブルの回転方向下流側に設けられ、前記回転テーブルに酸化ガスを供給可能な酸化ガス供給手段と、
    前記回転テーブルの回転方向下流側に設けられ、前記回転テーブルにプラズマ処理ガスを供給可能なプラズマ処理ガス供給手段と、
    該プラズマ処理ガス供給手段を上方及び側方から囲むプラズマ処理領域と、
    該プラズマ処理領域内でプラズマを発生させるプラズマ源と、
    前記回転テーブルを回転させながら前記原料ガス供給手段から原料ガス、前記酸化ガス供給手段から酸化ガスを供給して前記基板上に酸化膜を成膜する成膜工程と、前記プラズマ源を駆動して前記プラズマ処理ガス供給手段から酸素ガスを含むプラズマ処理ガスを供給して前記酸化膜を改質する改質工程とを交互に実施し、
    前記成膜工程及び前記改質工程終了後に、前記原料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止させるとともに、前記プラズマ源を駆動したまま前記プラズマ処理ガス供給手段から酸素ガスの供給を停止させ、水素原子含有ガスを供給させるプラズマ着火準備工程を実施する制御を行う制御手段と、を有する成膜装置。
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