JP2020200496A - 基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】プラズマを用いるＡＬＤ処理等の基板処理における、処理容器内に処理ガスを供給し当該処理ガスのプラズマを形成する工程で、当該処理容器内を所望の圧力に迅速に到達させる。【解決手段】基板に対し予め定められた処理を行う基板処理方法であって、（ａ）排気管が接続され基板を収容した処理容器内に、第１の処理ガスを供給する工程と、（ｂ）前記処理容器内に、第２の処理ガスを供給する工程と、を含むサイクルを複数回行い、前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の少なくともいずれか一方は、（ｃ）前記排気管へバラストガスを導入すると共に、前記処理容器内に供給された処理ガスのプラズマを形成する工程を有する。【選択図】図４

Description

本開示は、基板処理方法及び基板処理装置に関する。
特許文献１は、ＡＬＤ（Atomic Layer
Deposition）法、特に、ＰＥＡＬＤ（Plasma Enhanced ALD）により、膜を形成する薄膜形成方法を開示している。この薄膜形成方法では、減圧可能な処理容器と真空ポンプとを結ぶ排気路に設けられたコンダクタンスバルブの開度が、ＡＬＤ成膜処理中、基準値に維持される。この基準値は、ＡＬＤ成膜処理の開始に先立つ準備期間中に、同定される。
特開２００６−４５４６０号公報
本開示にかかる技術は、プラズマを用いるＡＬＤ処理等の基板処理における、処理容器内に処理ガスを供給し当該処理ガスのプラズマを形成する工程で、当該処理容器内を所望の圧力に迅速に到達させる。
本開示の一態様は、基板に対し予め定められた処理を行う基板処理方法であって、（ａ）排気管が接続され基板を収容した処理容器内に、第１の処理ガスを供給する工程と、（ｂ）前記処理容器内に、第２の処理ガスを供給する工程と、を含むサイクルを複数回行い、前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の少なくともいずれか一方は、（ｃ）前記排気管へバラストガスを導入すると共に、前記処理容器内に供給された処理ガスのプラズマを形成する工程を有する。
本開示によれば、プラズマを用いるＡＬＤ処理等の基板処理における、処理容器内に処理ガスを供給し当該処理ガスのプラズマを形成する工程で、当該処理容器内を所望の圧力に迅速に到達させることができる。
処理対象のウェハの一例を示す図である。 図１のウェハに異方的な成膜が行われた例を示す図である。 図１のウェハに等方的な成膜が行われた例を示す図である。 本実施形態にかかる成膜装置の縦断側面図である。 図１の成膜装置によって行われる処理を説明するための模式図である。 図１の成膜装置によって行われる処理を説明するための模式図である。 図１の成膜装置によって行われる処理を説明するための模式図である。 図１の成膜装置によって行われる処理を説明するための模式図である。 図１の成膜装置による処理で供給されるガスの量の変化を示すタイミングチャートである。 高アスペクト比の凹凸を有するウェハに成膜が行われた例を示す図である。
例えば半導体デバイス等の製造プロセスにおいては、半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という。）に対して成膜処理、エッチング処理等の各種処理が行われる。また、ウェハ上に成膜する手法としては、ＡＬＤが用いられることがある。このＡＬＤでは、真空雰囲気とされた処理容器内に、ウェハの表面に吸着される原料ガスを供給する吸着工程と、上記処理容器内に原料ガスと反応する反応ガス（還元ガスとも言う）を供給する反応工程と、を含むサイクルが複数回行われる。これにより、ウェハの表面に反応生成物の原子層が堆積され成膜される。ＡＬＤ法の一種であるＰＥＡＬＤでは、ＡＬＤにより成膜する際に、上記反応工程で、反応ガスのプラズマが形成される。
ところで、ＰＥＡＬＤにおける吸着工程と反応工程ではそれぞれ、処理容器内の圧力として好適な圧力がある。例えば、反応ガスのプラズマが形成される反応工程では、以下の理由等から、処理容器内の圧力帯として好適な圧力帯がある。
すなわち、処理容器内の圧力によって、当該処理容器内のガスのプラズマ中の荷電粒子と中性粒子の割合が異なり、また、上記荷電粒子中の各イオンの割合や、中性粒子中の各ラジカルの割合も異なる。ここでの「割合」とは、密度の割合やウェハ表面におけるフラックスの割合である。さらに、反応工程におけるプラズマ中の荷電粒子と中性粒子の割合が異なると、ＰＥＡＬＤでの成膜の態様が異なる。例えば、図１に示すように、表面に凹凸を有するウェハＷに成膜する場合において、荷電粒子としてのイオンの割合が多いと、イオンは、ウェハＷが載置されたステージに印加されたバイアス電圧により、ウェハＷに引き込まれるため、図２に示すように、膜Ｆが異方的に成膜される。具体的には、ウェハＷの凹凸を成す頂面と底面に厚い膜Ｆが形成され、上記凹凸の側面には薄い膜Ｆが形成される。一方、中性粒子の割合が多いと、バイアス電圧が印加されていても、イオンの場合のようなウェハ方向に引き込む力が中性粒子には働かないため、図３に示すように、膜Ｆが等方的に成膜される。具体的には、ウェハＷの凹凸を成す頂面、底面及び側面全てに、略同じ厚さの膜Ｆが形成される。そして、等方的な成膜と異方的な成膜のいずれが必要かは、処理対象のウェハの形状等によって異なる。さらにまた、プラズマにおける荷電粒子中の各イオンの割合や中性粒子中の各ラジカルの割合として好適な割合も、成膜する膜種等によって異なる。そのため、反応ガスのプラズマが形成される反応工程では、処理容器内の圧力帯として好適な圧力帯がある。
しかし、ＰＥＡＬＤ処理中に、特許文献１のように処理容器と真空ポンプとを結ぶ排気路に設けられたコンダクタンスバルブの開度を基準値で維持すると、例えば反応工程を開始してから処理容器内を当該工程に好適な圧力にするまでに時間を要する。したがって、スループットの面で改善の余地がある。また、いわゆるＡＰＣ（Auto Pressure Control）バルブを用いたり、処理容器内でウェハＷが載置されるステージを上下動させ処理空間の容積を増減させたりすることで、上記好適な圧力にするまでの時間の短縮化を図ることができる。しかし、これらの方法では、ＡＰＣバルブの弁体の回転やステージの移動を伴うため、上記好適な圧力にするまでの時間を十分に短縮することはできない。
以上の点は、プラズマを用いるＡＬＥ（Atomic Layer Etching）処理にも共通する。
そこで、本開示にかかる技術は、プラズマを用いるＡＬＤ処理やＡＬＥ処理における、処理容器内に処理ガスを供給し当該処理ガスのプラズマを形成する工程で、処理容器内を所望の圧力帯に迅速に到達させる。
以下、本実施形態にかかる基板処理方法及び基板処理装置を、図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図４は、本実施形態にかかる基板処理装置としての成膜装置を概略的に示した縦断面図である。
図の成膜装置１は、枚葉式の装置である。また、成膜装置１は、基板としてのウェハＷにＰＥＡＬＤによりＳｉＯ２膜を形成する。
具体的には、成膜装置１は、ウェハＷが収容された後述の処理容器１０内に、第１の処理ガスとしての原料ガスを供給する吸着工程と、上記処理容器１０内に、第２の処理ガスとしての反応ガスを供給し反応ガスのプラズマを形成する反応工程とを含むサイクルを複数回行い、ウェハＷ上にＳｉＯ２膜を形成する。より具体的には、成膜装置１は、上記吸着工程と、処理容器内１０に置換ガスとしてのパージガスを供給し処理容器１０内の原料ガスを排出する工程と、上記反応工程と、処理容器１０にパージガスを供給し処理容器１０内の還元ガスを排出する工程とをこの順で含むサイクルを複数回行う。これにより、ウェハＷ上にＳｉＯ２膜が形成される。なお、ＰＥＡＬＤによる成膜処理中は、原料ガス及び反応ガスを処理容器１０内に導入するためのキャリアガスが連続して処理容器１０内に供給される。
成膜装置１は、減圧可能に構成され、ウェハＷを収容する処理容器１０を備える。
処理容器１０は、有底の円筒形状に形成された容器本体１１を有する。
容器本体１１の側壁には、ウェハＷの搬入出口である開口１１ａと、該開口１１ａを開閉するゲートバルブ１２が設けられている。また、容器本体１１上には、処理容器１０の側壁の一部をなす、後述の排気ダクト１７が設けられている。
また、処理容器１０内には、ウェハＷを載置する載置台２０が設けられている。この載置台２０は下部電極を構成する。載置台２０には、ヒータ（図示せず）が内蔵されており、載置台２０に載置されたウェハＷを所定の温度に加熱することができる。
載置台２０に対しては、処理容器１０の外部に設けられている高周波電源３０から、整合器３０ａを介して、バイアス用の高周波電力が供給される。
また、載置台２０には、当該載置台２０を囲むように筒状のカバー部材２１が設けられており、その下面中央部には、上下方向に延在する支柱２２の上端が接続されている。支柱２２の下端は、処理容器１０の底部に設けられた開口部１１ｂを貫通して処理容器１０の外部へと伸び、昇降機構２３に接続されている。昇降機構２３の駆動によって、載置台２０は、一点鎖線で示す搬送位置と、その上方の処理位置とを、上下に移動することができる。搬送位置とは、処理容器１０の開口１１ａから処理容器１０内に進入するウェハＷの搬送機構（図示せず）と後述の支持ピン２６ａとの間で、ウェハＷを受け渡している時に、載置台２０が待機する位置である。また、処理位置とは、ウェハＷに処理が行われる位置である。
支柱２２における処理容器１０の外側には、フランジ２４が設けられている。フランジ２４と処理容器１０の底壁における支柱２２の貫通部との間には、支柱２２の外周部を囲むようにベローズ２５が設けられている。これによって、処理容器１０の気密が保たれる。
処理容器１０内における載置台２０の下方には、複数、例えば３本の支持ピン２６ａを有するウェハ昇降部材２６が設けられている。ウェハ昇降部材２６は、昇降機構２８により上下動自在である。また、上下動することにより、支持ピン２６ａが、ウェハＷの受け渡しのために、載置台２０に形成された貫通孔２０ａを介して、当該載置台２０の上面から突没する。
処理容器１０における排気ダクト１７の上側には、円環状の絶縁支持部材１３が設けられている。絶縁支持部材１３の下面側には、石英からなるシャワーヘッド支持部材１４が設けられている。シャワーヘッド支持部材１４には、処理容器１０内に処理ガスを導入するガス導入部であり上部電極を構成するシャワーヘッド１５が支持されている。
シャワーヘッド１５は、円板状のヘッド本体部１５ａと、ヘッド本体部１５ａに接続されたシャワープレート１５ｂとを有しており、ヘッド本体部１５ａとシャワープレート１５ｂとの間には、ガス拡散空間Ｓ１が形成されている。ヘッド本体部１５ａとシャワープレート１５ｂとは金属製である。ヘッド本体部１５ａには、ガス拡散空間Ｓ１に通ずる２つのガス供給路１５ｃ、１５ｄが形成され、シャワープレート１５ｂには、ガス拡散空間Ｓから通ずる多数のガス吐出孔１５ｅが形成されている。
また、シャワーヘッド１５に対しては、処理容器１０の外部に設けられている高周波電源３１から、整合器３１ａを介して、プラズマ形成用の高周波電力が供給される。
さらに、処理容器１０の内部には、開口１１ａの上方において処理容器１０の内壁が突出するように形成された環状部材１６が設けられている。該環状部材１６は、上記処理位置における載置台２０のカバー部材２１の外側に近接し当該カバー部材２１を囲むように配置されている。また、処理容器１０の側壁における上部には、円環状に湾曲させて構成された排気ダクト１７が設けられている。この排気ダクト１７の内周面側は、環状部材１６上において周方向に亘って開口しており、カバー部材２１とシャワープレート１５ｂの下側周縁部との間に形成された隙間１８を介して、処理空間Ｓ２を排気することができる。
排気ダクト１７には、排気管３２の一端が接続されており、排気管３２の他端は、排気装置としての真空排気ポンプ３３に接続されている。排気管３２における排気ダクト１７と真空排気ポンプ３３との間には、ＡＰＣバルブ３４と、開閉バルブ３５とが、上流側から順に設けられている。
さらに、前述のガス供給路１５ｃ、１５ｄには、ガス流路４１、６１の下流端がそれぞれ接続されている。
ガス流路４１の上流端は、バルブＶ１、ガス貯留タンク４２、流量調整部４３を下流側からこの順に介して、原料ガスであるＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）ガスの供給源４４に接続されている。流量調整部４３は、マスフローコントローラにより構成され、供給源４４から供給されるＢＤＥＡＳガスについて下流側へ供給される流量を調整する。なお、後述する他の各流量調整部４７、５２、６３、６７、７２、８２についても、この流量調整部４３と同様に構成されており、流路の下流側へ供給されるガスの流量を調整する。
ガス貯留タンク４２は、供給源４４から供給されたＢＤＥＡＳガスを処理容器１０内に供給する前に一旦貯留する。このようにＢＤＥＡＳガスを貯留させ、ガス貯留タンク４２内が所望の圧力に昇圧した後で、ガス貯留タンク４２から処理容器１０へＢＤＥＡＳガスが供給される。このガス貯留タンク４２から処理容器１０へのＢＤＥＡＳガスの給断が、上記のバルブＶ１の開閉により行われる。このようにガス貯留タンク４２へＢＤＥＡＳガスを一旦貯留することで、比較的高い流量で安定的に当該ＢＤＥＡＳガスを処理容器１０に供給することができる。
なお、後述する各ガス貯留タンク４６、６２、６６、８１も、ガス貯留タンク４２と同様に、ガス流路の上流側のガスの供給源から供給される各ガスを一旦貯留することで、処理容器１０または排気管３２に供給される各ガスの流量を安定化させる役割を有するガス貯留部である。そして、各ガス貯留タンク４６、６２、６６、８１の下流側に設けられるバルブＶ２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ１０の開閉によって、各ガス貯留タンク４６、６２、６６、８１から処理容器１０または排気管３２へのガスの給断がそれぞれ行われる。
また、ガス流路４１におけるバルブＶ１の下流側には、ガス流路４５の下流端が接続されている。ガス流路４５の上流端は、バルブＶ２、ガス貯留タンク４６、流量調整部４７を下流側からこの順に介して、Ａｒガスの供給源４８に接続されている。
さらに、ガス流路４５におけるバルブＶ２の下流側には、ガス流路５１の下流端が接続されている。ガス流路５１の上流端は、バルブＶ３、流量調整部５２を下流側からこの順に介して、Ａｒガスの供給源５３に接続されている。このガス流路５１におけるバルブＶ３の下流側には、オリフィス５４が形成されている。つまり、ガス流路５１におけるバルブＶ３の下流側の径は、ガス流路５１におけるバルブＶ３の上流側及びガス流路４１、４５の径よりも小さい。ガス貯留タンク４２、４６によって、ガス流路４１、４５には比較的大きい流量でガスが供給されるが、オリフィス５４によってこれらガス流路４１、４５に供給されたガスが、ガス流路５１を逆流するのを抑制することができる。
ところで、Ａｒガスの供給源４８からガス流路４５に供給されるＡｒガスは、パージを行うために処理容器１０内に供給される。一方、Ａｒガスの供給源５３からガス流路５１に供給されるＡｒガスは、ＢＤＥＡＳガスに対するキャリアガスである。このキャリアガスは、前述のようにウェハＷの処理中は連続して処理容器１０内に供給され、パージを行う際にも処理容器１０内に供給される。したがって、当該キャリアガスが処理容器１０内に供給される時間帯は、パージを行うために供給源４８からのＡｒガスが処理容器１０内に供給される時間帯に重なり、キャリアガスはパージにも用いられることになる。しかし、説明の便宜上、供給源４８からガス流路４５に供給されるガスをパージガスとして記載し、供給源５３からガス流路５１に供給されるガスはキャリアガスとして記載する。なお、このキャリアガスは、ＢＤＥＡＳガスがガス流路５１を逆流することを防止するための逆流防止用のガスでもある。
続いて、処理容器１０のガス供給路１５ｄに接続されるガス流路６１について説明する。
ガス流路６１の上流端は、バルブＶ４、ガス貯留タンク６２、流量調整部６３を下流側からこの順に介して、反応ガスであるＯ２ガスの供給源６４に接続されている。このガス流路６１は反応ガス流路であり、原料ガス流路であるガス流路４１に対して独立して形成されている。
ガス流路６１におけるバルブＶ４の下流側にはガス流路６５の下流端が接続されている。ガス流路６５の上流端はバルブＶ５、ガス貯留タンク６６、流量調整部６７を下流側からこの順に介して、Ａｒガスの供給源６８に接続されている。さらに、ガス流路６５においてバルブＶ５の下流側には、ガス流路７１の下流端が接続されている。ガス流路７１の上流端は、バルブＶ６、流量調整部７２を下流側からこの順に介して、Ａｒガスの供給源７３に接続されている。このガス流路７１におけるバルブＶ６の下流側には、オリフィス７４が形成されている。つまり、ガス流路７１におけるバルブＶ６の下流側の径は、ガス流路７１におけるバルブＶ６の上流側及びガス流路６１、６５の径よりも小さい。このオリフィス７４は、オリフィス５４と同様に、ガス流路６１、６５に比較的大きな流量で供給されたガスが、ガス流路７１を逆流することを抑制するために形成されている。
上記の供給源６８からガス流路６５に供給されるＡｒガスは、パージを行うために処理容器１０内に供給される。供給源７３からガス流路７１に供給されるＡｒガスは、Ｏ２ガスに対するキャリアガスであり、ＢＤＥＡＳに対するキャリアガスと同様にパージにも用いられることになる。しかし、説明の便宜上、供給源６８からガス流路６５に供給されるガスをパージガスとして記載し、供給源７３からガス流路７１に供給されるガスはキャリアガスとして記載する。なお、当該キャリアガスは、Ｏ２ガスがガス流路７１を逆流することを防止するための逆流防止用のガスでもある。
以上のように各ガス流路が形成されていることで、ガス流路５１は、キャリアガスの供給制御機器としてバルブＶ３及び流量調整部５２を備えており、ガス流路４５には、キャリアガスの供給制御機器とは別個なパージガスの供給制御機器として、バルブＶ２及び流量調整部４７が設けられていることになる。また、ガス流路７１は、他のキャリアガスの供給制御機器として、バルブＶ６及び流量調整部７２を備えており、他のキャリアガスの供給制御機器とは別個な他のパージガスの供給制御機器として、バルブＶ５及び流量調整部６７が設けられていることになる。
ところで、前述のようにパージガスはガス流路４５、６５の両方から処理容器１０に供給されるように構成されている。これは、処理容器１０内に残留するＢＤＥＡＳガス及びＯ２ガスだけではなく、ガス流路４１においてバルブＶ１の下流側に残留するＢＤＥＡＳガス及びガス流路６１においてバルブＶ４の下流側に残留するＯ２ガスについてもパージするためである。つまり、より確実にこれらＢＤＥＡＳガス及びＯ２ガスをパージするために、パージガスの流路が２つ形成されている。
また、排気管３２におけるＡＰＣバルブ３４の上流側には、ガス流路８０の下流端が接続されている。ガス流路８０の上流端は、バルブＶ１０、ガス貯留タンク８１、流量調整部８２を下流側からこの順に介して、バラストガスである不活性ガスとしてのＡｒガスの供給源８３に接続されている。ガス流路８０から排気管３２に供給するバラストガスの量等によって、処理空間Ｓ２の圧力を調整することができる。
バルブＶ１０には、バルブＶ１〜Ｖ６に用いられる、応答性が非常に高い高速バルブが用いられる。上記高速バルブでは、当該バルブを開状態とするよう制御信号が入力されてから実際に当該バルブが開状態となるまでの時間が非常に短い。また、上記高速バルブでは、上記制御信号が入力されてから実際に開状態となるまでの時間は例えば約１０ｍｓｅｃである。
なお、上述のガス流路８０、バルブＶ１０、ガス貯留タンク８１、流量調整部８２が、排気管３２にバラストガスを導入するバラストガス導入機構８を構成する。
以上のように構成される成膜装置１には、制御部１００が設けられている。制御部１００は、例えばＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータにより構成され、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、載置台２０内のヒータ（図示せず）やバルブＶ１〜Ｖ６、Ｖ１０、３４、流量調整部４３、４７、５２、６３、６７、７２、８２等の各機器を制御して、成膜装置１における後述のウェハ処理を実現するためのプログラム等が格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御部１００にインストールされたものであってもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェア（回路基板）で実現してもよい
続いて、成膜装置１における成膜処理について、各バルブの開閉状態及び各ガス流路におけるガスの流通状態を示す図５〜図８を用いて説明する。これらの図５〜図８では、開状態のバルブを白塗りで、閉状態のバルブを黒塗りで示し、ガスが下流側へ流通しているガス流路を太線で示す。なお、図５〜図８では、図４に比べて処理容器１０及び処理容器１０内の各部を簡略化して示している。さらに、以下の成膜処理の説明では図９のタイミングチャートも適宜参照する。このタイミングチャートにおいては、ＢＤＥＡＳガス、Ｏ２ガス、キャリアガス、パージガスがそれぞれ流れる時間帯を、互いに濃度が異なるグレースケールを付した矩形領域で示している。各矩形領域の高さは処理容器１０内に供給されるガスの量に対応しており、当該矩形領域の高さが大きいほど供給されるガスの量が多い。
（ステップＳ１：ウェハ搬入）
まず、バルブＶ１〜Ｖ６、Ｖ１０が閉じられた状態で、ゲートバルブ１２が開かれ、処理容器１０に隣接する真空雰囲気の搬送室（図示せず）から、開口１１ａを介して、ウェハＷを保持した搬送機構（図示せず）が処理容器１０内に挿入される。このウェハＷの表面には、例えば、図１に示すような凹凸が形成されている。次に、ウェハＷが前述の搬送位置に位置する載置台２０の上方に搬送される。そして、上昇した支持ピン２６ａの上にウェハＷが受け渡され、その後、上記搬送機構は処理容器１０から抜き出され、ゲートバルブ１２が閉じられる。それと共に、支持ピン２６ａの下降、載置台２０の上昇が行われ、載置台２０上にウェハＷが載置される。
（ステップＳ２：ウェハ加熱）
続いて、載置台２０が前述の処理位置へ移動され処理空間Ｓ２が形成されると共に、ウェハＷが、載置台２０に設けられたヒータ（図示せず）により所望の温度になるよう加熱される。加熱中、処理容器１０内の圧力は、ＡＰＣバルブ３４により、所望の真空圧力になるように調整される。
（ステップＳ３：ＡＰＣバルブ全開固定）
所望の温度への加熱終了後、ＡＰＣバルブ３４は全開状態とされ、以後、ＡＰＣバルブ３４は、成膜が完了するまで全開状態が維持される。
（ステップＳ４：キャリアガス単独供給）
また、バルブＶ３、Ｖ６が開かれ、Ａｒガスの供給源５３、７３からそれぞれガス流路５１、７１に例えば５００ｓｃｃｍのキャリアガス（Ａｒガス）が供給される。つまり、合計１０００ｓｃｃｍのキャリアガスが、処理容器１０内に供給される。
その一方で、バルブＶ１、Ｖ４、Ｖ１０が閉じられた状態で、供給源４４、６４、８３からＢＤＥＡＳガス、Ｏ２ガス、Ａｒガスがそれぞれガス流路４１、６１、８０にそれぞれのタイミングで供給される。これにより、ＢＤＥＡＳガス、Ｏ２ガス、Ａｒガスが、ガス貯留タンク４２、６２、８１にそれぞれ貯留され、ガス貯留タンク４２、６２、８１内が昇圧する。
（ステップＳ５：吸着）
キャリアガスの供給開始から予め定められた時間経過後である図９の時刻ｔ１において、図５に示すように、バルブＶ１、Ｖ１０が開かれる。これにより、ガス貯留タンク８１に貯留されたＡｒガスが排気管３２内に供給されると共に、ガス貯留タンク４２に貯留されたＢＤＥＡＳガスが処理容器１０内に供給され、ウェハＷの表面にＢＤＥＡＳガスが吸着される。このように、ＢＤＥＡＳガスの処理容器１０への供給の際に、排気管３２へバラストガスとしてのＡｒガスを導入しているため、処理空間Ｓ２からの排気量を所望の値に迅速変更することができる。したがって、処理容器１０内の圧力（具体的には処理空間Ｓ２内のＢＤＥＡＳガスの分圧）を、ＡＰＣバルブ３４により調整する場合に比べ迅速に、所望の範囲内にすることができる。なお、バラストガス導入による圧力の変動は、音速で排気管３２等に伝わるため、処理空間Ｓ２からの排気量を所望の値に迅速変更することができる。
また、処理容器１０内へのＢＤＥＡＳガスの供給等に並行して、供給源４８、６８からバルブＶ２、Ｖ５が閉じられた状態でガス流路４５、６５にそれぞれパージガス（Ａｒガス）が供給される。これにより、パージガスはガス貯留タンク４６、６６に貯留され、当該ガス貯留タンク４６、６６内が昇圧する。
（ステップＳ６：吸着ガスの排出）
時刻ｔ１から例えば０．０５秒経過後である図９の時刻ｔ２において、図６に示すように、バルブＶ１、Ｖ１０が閉じられると共にバルブＶ２、Ｖ５が開かれる。これにより、処理容器１０内へのＢＤＥＡＳガスの供給及び排気管３２内へのＡｒガスの供給が停止されると共に、ガス貯留タンク４６、６６に各々貯留されたパージガスが処理容器１０内に供給され、当該処理容器１０内からＢＤＥＡＳガスが排出される。すなわち、処理容器１０内がＢＤＥＡＳガス雰囲気からＡｒガス雰囲気に置換される。
上述のようにして処理容器１０内のパージが行われる一方で、バルブＶ１が閉じられたことにより、供給源４４からガス流路４１に供給されたＢＤＥＡＳガスがガス貯留タンク４２に貯留され、該ガス貯留タンク４２内が昇圧する。また、バルブＶ１０が閉じられたことにより、供給源８３からガス流路８０に供給されたＡｒガスがガス貯留タンク８１に貯留され、該ガス貯留タンク８１内が昇圧する。
（ステップＳ７：反応）
時刻ｔ２から例えば０．２秒経過後である図９の時刻ｔ３において、図７に示すように、バルブＶ２、Ｖ５が閉じられると共にバルブＶ４、Ｖ１０が開かれる。これにより、処理容器１０内へのパージガスの供給が停止されると共に、ガス貯留タンク８１に貯留されたＡｒガスが排気管３２内に供給され、ガス貯留タンク６２に貯留されたＯ２ガスが処理容器１０内に供給される。さらに、高周波電源３１からシャワーヘッド１５に、高周波電源３０から載置台２０に、それぞれ高周波電力が供給される。その結果、Ｏ２ガスのプラズマＰが形成され、当該プラズマＰ中のイオンやラジカル等の活性種が、ウェハＷの表面に吸着されているＢＤＥＡＳガスと反応し、反応生成物であるＳｉＯ２の原子層が形成される。この工程において、上述のように、Ｏ２ガスの処理容器１０への供給の際に、排気管３２へバラストガスとしてのＡｒガスを導入しているため、処理空間Ｓ２からの排気量を所望の値に迅速に変更することができる。したがって、処理容器１０内の圧力（具体的には処理空間Ｓ２内のＢＤＥＡＳガスの分圧）を、ＡＰＣバルブ３４により調整する場合に比べ迅速に、所望の範囲内にすることができる。
その一方で、バルブＶ２、Ｖ５が閉じられたことにより、供給源４８、６８からガス流路４５、６５にそれぞれ供給されたパージガスがガス貯留タンク４６、６６に貯留され、該ガス貯留タンク４６、６６内が昇圧する。
（ステップＳ８：反応ガスの排出）
時刻ｔ３から例えば０．３秒経過後である図９の時刻ｔ４において、高周波電力の供給が停止され、また、図８に示すように、バルブＶ４、Ｖ１０が閉じられると共にバルブＶ２、Ｖ５が開かれる。これにより、処理容器１０内のプラズマＰが消滅する。また、処理容器１０内へのＯ２ガスの供給及び排気管３２内へのＡｒガスの供給が停止されると共に、ガス貯留タンク４６、６６に各々貯留されたパージガスが処理容器１０内に供給され、当該処理容器１０内からＯ２ガスが排出される。すなわち、処理容器１０内がＯ２ガス雰囲気からＡｒガス雰囲気に置換される。
上述のようにして処理容器１０内のパージが行われる一方で、バルブＶ４が閉じられたことにより、供給源６４からガス流路４１に供給されたＯ２ガスがガス貯留タンク６２に貯留され、当該ガス貯留タンク６２内が昇圧する。また、バルブＶ１０が閉じられたことにより、供給源８３からガス流路８０に供給されたＡｒガスがガス貯留タンク８１に貯留され、該ガス貯留タンク８１内が昇圧する。
時刻ｔ４から例えば０．３秒経過後である図９の時刻ｔ５において、バルブＶ２、Ｖ５が閉じられると共にバルブＶ１、Ｖ１０が開かれる。これにより、処理容器１０内へのパージガスの供給が停止されると共に、ガス貯留タンク８１に貯留されたＡｒガスが排気管３２内に供給され、ガス貯留タンク４２に貯留されたＢＤＥＡＳガスが処理容器１０内に供給される。つまり上記のステップＳ１が再度行われる。したがって、上記の反応ガスの排出が終了する時刻ｔ５は、上記のＢＤＥＡＳガスの吸着工程が開始される時刻ｔ１でもある。このステップＳ５が行われた後は上記のステップＳ６〜Ｓ８が行われ、その後は、さらにステップＳ５〜Ｓ８が行われる。つまり上記のステップＳ５〜Ｓ８を一つのサイクルとすると、このサイクルが繰り返し行われ、ＳｉＯ２の原子層がウェハＷの表面に堆積され、ＳｉＯ２膜が形成される。なお、ステップＳ５の吸着工程でのバラストガスの流量はサイクル間で共通であり、また、ステップＳ７の反応工程でのバラストガスの流量はサイクル間で共通である。
（ステップＳ９：搬出）
そして、予め定められた回数の上記サイクルが実行され、成膜が完了すると、処理容器１０内への搬入時とは逆の手順でウェハＷが処理容器１０から搬出される。
以上のように、本実施形態に係る成膜方法では、排気管３２が接続されウェハＷを収容した処理容器１０内に、ＢＤＥＡＳガスを供給する吸着工程と、上記処理容器１０内に、Ｏ２ガスを供給する反応工程と、を含むサイクルが複数回行われる。そして、上記反応工程で、排気管３２へバラストガスが導入されると共に、上記処理容器１０内に供給されたＯ２ガスのプラズマが形成される。つまり、上記プラズマが形成される上記反応工程で、排気管３２へバラストガスが導入される。そのため、上記反応工程において、処理容器１０内を迅速に所望の圧力にすることができる。したがって、ＰＥＡＬＤ処理の各サイクルを短時間化することができるため、ＰＥＡＬＤ処理による成膜を行う際のスループットを向上させることができる。
さらに、Ｏ２ガスのプラズマが形成される上記反応工程で処理容器１０内が所望の圧力帯になるため、上記プラズマ中の荷電粒子と中性粒子の割合を所望の割合にすることができる。したがって、等方的な成膜や異方的な成膜を適切に行うことができ、所望の形状のＳｉＯ２膜を形成することができる。
さらにまた、Ｏ２ガスのプラズマが形成される上記反応工程で処理容器１０内が所望の圧力になるため、上記プラズマ内の荷電粒子中の各イオンの割合や、上記プラズマ内の中性粒子中の各ラジカルの割合を、ＳｉＯ２膜の成膜に適した割合にすることができる。したがって、高品質なＳｉＯ２膜を形成することができる。
また、本実施形態によれば、プラズマを用いているため、処理中のウェハＷを高温にする必要がないので、膜質の良い成膜が可能となる。
なお、Ｏ２ガス等の反応ガスのプラズマを形成するための高周波電力の条件（パワー等）を調整しても、当該プラズマ中の荷電粒子と中性粒子の割合や、当該荷電粒子中の各イオンの割合や、当該中性粒子中の各ラジカルの割合を、圧力を調整するときのように、変化させることはできない。
ところで、反応工程における処理容器１０内の所望の圧力が、吸着工程における処理容器１０内の所望の圧力の１／２倍以下である場合がある。例えば、処理容器１０内を、吸着工程では５〜１０Ｔｏｒｒ程度と比較的高圧とし、反応工程では２．５〜５．０Ｔｏｒｒ程度の低圧とすることがある。吸着工程で上述の例のように比較的高圧とするのは、例えば、ウェハ表面に凹凸を有するウェハＷの凹部の奥の部分まで吸着ガスを吸着させるためである。また、反応工程で上述の例のように低圧とするのは、例えば、Ｏ２ガスのプラズマ中のラジカルに対するイオンの割合が低圧の方が大きいことを鑑み、上記イオンを用いて異方的な成膜を行うためである。
処理容器１０内の所望の圧力が、上述のように吸着工程に比べ反応工程が１／２以下の場合であっても、本実施形態によれば、反応工程において、処理容器１０内を迅速に所望の圧力にすることができる。
以上の例では、Ｏ２ガスのプラズマを用いる反応工程でのバラストガスの流量はサイクル間で共通とした。この場合、例えば、図１０に示すように、ウェハ表面に高アスペクト比の凹凸を有するウェハＷに、ＳｉＯ２膜Ｆ１の等方的な成膜が連続してなされ、ボイドＶが生じることがある。
そこで、Ｏ２ガスのプラズマを用いる反応工程でのバラストガスの流量をサイクル間で異ならせ、一部のサイクルでは、バラストガスの流量を大きくし処理容器１０内の圧力を高くし、他のサイクルでは、バラストガスの流量を小さくし処理容器１０内の圧力を低くしてもよい。Ｏ２ガスのプラズマは、高圧ではラジカルの割合が大きくなり低圧ではイオンの割合が大きくなる。そのため、上記一部のサイクルでは、上記プラズマ中のイオンによりＳｉＯ２膜の異方的な成膜がなされ、上記他のサイクルでは、上記プラズマ中のラジカルによりＳｉＯ２膜の等方的な成膜がなされる。その結果、ボイドＶの発生を防ぐことができる。
本実施形態では、さらに、吸着工程においても、排気管３２へバラストガスを導入している。そのため、吸着工程における処理容器１０内を迅速に所望の圧力にすることができる。したがって、ＰＥＡＬＤ処理の各サイクルをさらに短時間化させることができるため、ＰＥＡＬＤ処理による成膜を行う際のスループットをさらに向上させることができる。
前述のように、Ｏ２ガスのプラズマを用いる反応工程でのバラストガスの流量をサイクル間で異ならせる場合は、当然、排気管３２へ供給するバラストガスの流量を可変とする必要がある。また、吸着工程と反応工程とで排気管３２へ供給するバラストガスの流量を共通としたときに、両工程で処理容器１０内を所望の速さで所望の圧力にすることができない場合も、上記バラストガスの流量を可変とする必要がある。このように排気管３２へ供給するバラストガスの流量を可変とする手法としては、バラストガスの供給系統を複数設ける方法がある。
また、排気管３２へのバラストガスの導入は、吸着工程では行わず、反応工程でのみ行うようにしてもよい。これにより、バラストガスの供給系統の数を抑えることができ、成膜装置１の高コスト化や大型化を防ぐことができる。なお、吸着工程では、反応工程ほどには厳密な圧力調整が求められないこともあるため、この点からも、吸着工程での上記バラストガスの導入は省略してもよい。
なお、排気管３２へ供給するバラストガスの流量を可変とするために、マスフローコントローラを、例えば、ガス流路８０におけるバルブＶ１０の下流側に設けてもよい。
また、反応ガスのプラズマから発生した光のうちの特定の波長の光を受光する光学センサを設け、光学センサでの検出結果に基づいて、反応工程で排気管３２へ供給するバラストガスの流量を（例えば上述のバルブＶ１０の下流側に設けたマスフローコントローラを用いて）調整するようにしてもよい。反応ガスのプラズマ中の各イオンの割合や各ラジカルの割合に応じて当該プラズマから発生した光の状態が異なるため、上述のようにバラストガスの流量を調整することで、上記各イオンの割合等を所望の割合にすることができる。
また、以上の説明では、吸着ガスや反応ガスの排出のために処理容器１０内にパージガスを供給するようにしていたが、パージガスを供給せずに、単に真空排気ポンプ３３を用いて吸着ガスや反応ガスを排出するようにしてもよい。
さらに、以上の説明では、排気管３２におけるＡＰＣバルブ３４の上流にバラストガスを導入するようにしていたが、排気管３２におけるＡＰＣバルブ３４の下流に導入するようにしてもよい。
なお、排気管３２へのバラストガスの導入開始タイミングとＢＤＥＡＳガスやＯ２ガスの供給開始タイミングは同時であってもよいし異なってもよい。具体的には、バラストガスに対するバルブＶ１０を開状態とするタイミングと、ＢＤＥＡＳガスやＯ２ガスのバルブＶ１、Ｖ４を開状態とするタイミングは同一であってもよいし異なってもよい。例えば、吸着ガスや反応ガスにパージガスを用いない場合、バルブＶ１０を開状態とするタイミングを、バルブＶ１、Ｖ４を開状態とするタイミングより速くしてもよい
また、キャリアガスとパージガスとバラストガスのガス供給源は共通としてもよい。
なお、以上の説明では、Ｏ２ガスのプラズマ、つまりは、酸化プラズマを用いたＡＬＤ処理により成膜を行っていた。しかし、本開示に係る技術は、窒化プラズマ等の他のプラズマを用いたＡＬＤ処理による成膜にも適用することができる。さらに、本開示にかかる技術は、プラズマを用いたＡＬＥ処理にも適用することができる。さらにまた、本開示にかかる技術は、プラズマを用いたＡＬＥ処理において、第２の処理ガスを供給する工程での処理容器内の所望の圧力が、第１の処理ガスを供給する工程での処理容器内の所望の圧力の１／２倍以下の場合だけでなく、２倍以上の場合にも適用することができる。これらの場合でも、第２の処理ガスを供給する工程において、処理容器内を陣族に所望の圧力することができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）基板に対し予め定められた処理を行う基板処理方法であって、
（ａ）排気管が接続され基板を収容した処理容器内に、第１の処理ガスを供給する工程と、（ｂ）前記処理容器内に、第２の処理ガスを供給する工程と、を含むサイクルを複数回行い、
前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の少なくともいずれか一方は、（ｃ）前記排気管へバラストガスを導入すると共に、前記処理容器内に供給された処理ガスのプラズマを形成する工程を有する、基板処理方法。
前記（１）によれば、プラズマを用いるＡＬＤ処理やＡＬＥ処理における、処理容器内に処理ガスを供給し当該処理ガスのプラズマを形成する工程において、処理容器内を所望の圧力帯に迅速に到達させることができる。
（２）前記サイクルは、前記（ａ）工程後、前記（ｂ）工程前に前記処理容器内に置換ガスを供給し前記第１の処理ガスを排出する工程と、前記（ｂ）工程後、前記処理容器内に置換ガスを供給し前記第２の処理ガスを排出する工程とを含む、前記（１）に記載の基板処理方法。
（３）前記予め定められた処理は、ＡＬＤ処理であり、
前記第１の処理ガスは、原料ガスであり、
前記第２の処理ガスは、反応ガスである、前記（２）に記載の基板処理方法。
（４）前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程のうち、前記第２の処理ガスとして還元ガスを供給する前記（ｂ）工程のみが、前記（ｃ）工程を有する、前記（３）に記載の基板処理方法。
（５）前記（ｂ）工程における前記処理容器内の圧力は、前記（ａ）工程における前記処理容器内の圧力の１／２倍以下または２倍以上である、前記（１）〜（４）のいずれか１に記載の基板処理方法。
（６）前記（ｃ）工程での前記バラストガスの流量を前記サイクル間で異ならせ、一部の前記サイクルでは、当該（ｃ）工程における前記処理容器内の圧力を高くし、他の前記サイクルでは、当該（ｃ）工程における前記処理容器内の圧力を低くする、前記（１）〜（５）のいずれか１に記載の基板処理方法。
前記（６）によれば、異方的な成膜と等方的な成膜とを組み合わせたり、異方的なエッチングと等方的なエッチングとを組み合わせたりすることができる。
（７）基板に対し予め定められた処理を行う基板処理装置であって、
減圧可能に構成され、基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、基板が載置される載置台と
前記処理容器内に処理ガスを導入するガス導入部と、
前記ガス導入部を介して前記処理容器内に第１の処理ガス及び第２の処理ガスを供給するガス供給機構と、
前記処理容器内を排気する排気装置と当該処理容器とを接続する排気管と、
前記排気管にバラストガスを導入するバラストガス導入機構と、
制御部と、を有し、
前記載置台及び前記ガス導入部の少なくともいずれか一方は、前記処理容器内において処理ガスのプラズマを形成するための高周波電源に接続され、
前記制御部は、（ａ）基板を収容した前記処理容器内に、前記第１の処理ガスを供給する工程と、（ｂ）前記処理容器内に、前記第２の処理ガスを供給する工程と、を含むサイクルが複数回行われ、前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の少なくともいずれか一方において、（ｃ）前記排気管へバラストガスを導入すると共に、前記処理容器内に供給された処理ガスのプラズマを形成する工程が実行されるよう、前記ガス供給機構、前記バラストガス導入機構及び前記高周波電源を制御するように構成されている、基板処理装置。
１ 成膜装置
１０ 処理容器
１５ シャワーヘッド
２０ 載置台
３０ 高周波電源
３１ 高周波電源
３２ 排気管
３３ 真空排気ポンプ
１００ 制御部
Ｐ プラズマ
Ｗ ウェハ

Claims (7)

  1. 基板に対し予め定められた処理を行う基板処理方法であって、
    （ａ）排気管が接続され基板を収容した処理容器内に、第１の処理ガスを供給する工程と、（ｂ）前記処理容器内に、第２の処理ガスを供給する工程と、を含むサイクルを複数回行い、
    前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の少なくともいずれか一方は、（ｃ）前記排気管へバラストガスを導入すると共に、前記処理容器内に供給された処理ガスのプラズマを形成する工程を有する、基板処理方法。
  2. 前記サイクルは、前記（ａ）工程後、前記（ｂ）工程前に前記処理容器内に置換ガスを供給し前記第１の処理ガスを排出する工程と、前記（ｂ）工程後、前記処理容器内に置換ガスを供給し前記第２の処理ガスを排出する工程とを含む、請求項１に記載の基板処理方法。
  3. 前記予め定められた処理は、ＡＬＤ処理であり、
    前記第１の処理ガスは、原料ガスであり、
    前記第２の処理ガスは、反応ガスである、請求項２に記載の基板処理方法。
  4. 前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程のうち、前記第２の処理ガスとして還元ガスを供給する前記（ｂ）工程のみが、前記（ｃ）工程を有する、請求項３に記載の基板処理方法。
  5. 前記（ｂ）工程における前記処理容器内の圧力は、前記（ａ）工程における前記処理容器内の圧力の１／２倍以下または２倍以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の基板処理方法。
  6. 前記（ｃ）工程での前記バラストガスの流量を前記サイクル間で異ならせ、一部の前記サイクルでは、当該（ｃ）工程における前記処理容器内の圧力を高くし、他の前記サイクルでは、当該（ｃ）工程における前記処理容器内の圧力を低くする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の基板処理方法。
  7. 基板に対し予め定められた処理を行う基板処理装置であって、
    減圧可能に構成され、基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内に設けられ、基板が載置される載置台と
    前記処理容器内に処理ガスを導入するガス導入部と、
    前記ガス導入部を介して前記処理容器内に第１の処理ガス及び第２の処理ガスを供給するガス供給機構と、
    前記処理容器内を排気する排気装置と当該処理容器とを接続する排気管と、
    前記排気管にバラストガスを導入するバラストガス導入機構と、
    制御部と、を有し、
    前記載置台及び前記ガス導入部の少なくともいずれか一方は、前記処理容器内において処理ガスのプラズマを形成するための高周波電源に接続され、
    前記制御部は、（ａ）基板を収容した前記処理容器内に、前記第１の処理ガスを供給する工程と、（ｂ）前記処理容器内に、前記第２の処理ガスを供給する工程と、を含むサイクルが複数回行われ、前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の少なくともいずれか一方において、（ｃ）前記排気管へバラストガスを導入すると共に、前記処理容器内に供給された処理ガスのプラズマを形成する工程が実行されるよう、前記ガス供給機構、前記バラストガス導入機構及び前記高周波電源を制御するように構成されている、基板処理装置。
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