JP4242733B2

JP4242733B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4242733B2
Application number: JP2003294015A
Authority: JP
Inventors: 正憲境; 信人嶋
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-08-15
Filing date: 2003-08-15
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-08-15
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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、Ｓｉ半導体デバイスを製造する際に用いられる、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法の中の１つであるＡＬＤ（Atomic layer Deposition）法により成膜を行う工程を備える半導体装置の製造方法に関する。

一般的に、ＡＬＤ法等を行う減圧ＣＶＤ装置では、処理炉１つに対し、真空排気手段が１つ対応し、処理炉から真空排気手段につながる主な配管は１系統であり、真空排気手段から成膜用のガスの除害装置へつながる配管も１系統である。

そのために、成膜に用いる２種類のガスが混合すると副生成物を生じる場合には、２種類のガスが排気系で混合、反応して副生成物を生じ、その副生成物が堆積してしまうものであれば排気配管を閉塞またはそれに近い状態にさせるおそれがあり、その副生成物が腐食性のものであれば、金属製の排気配管を腐食させる原因となり、問題となっていた。

従って、本発明の主な目的は、混合すると副生成物を生じる２種のガスが排気系で混合することを抑えることができ、副生成物の発生を低減することができる成膜工程を備える半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、
少なくとも第１の処理ガスと第２の処理ガスとをそれぞれ別々に処理室へ供給する供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段であって、第１の排気経路および第２の排気経路と各排気経路にそれぞれ設けられた第１および第２のバルブとを有する前記排気手段と、を備える基板処理装置を使用して、基板に所望の膜を形成する工程を備える半導体装置の製造方法であって、
前記処理室内に前記第１の処理ガスを供給する第１のガス供給工程と、
前記第１のバルブを開いて前記第１の排気経路を単独で用いて、前記処理室内に供給された前記第１の処理ガスを前記処理室内から除去する第１のガス除去工程と、
前記第１のガス除去工程後、前記第１のバルブおよび前記第２のバルブを開いた状態で、前記第１の排気経路および前記第２の排気経路を共に用いて、前記処理室内に供給された前記第１の処理ガスを前記処理室内から除去する第２のガス除去工程と、
前記処理室内に前記第２の処理ガスを供給する第２のガス供給工程と、
前記第２のバルブを開いて前記第２の排気経路を単独で用いて、前記処理室内に供給された前記第２の処理ガスを前記処理室内から除去する第３のガス除去工程と、
前記第３のガス除去工程後、前記第２のバルブおよび前記第１のバルブを開いた状態で、前記第１の排気経路および前記第２の排気経路を共に用いて、前記処理室内に供給された前記第２の処理ガスを前記処理室内から除去する第４のガス除去工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、第１および第２のガスが混合する機会を激減することができ、排気系の副生成物の付着を抑えることができる。また、第１および第２のガスが混合すると腐食性の強い副生成物ができる場合でも、排気系の腐食防止対策になる。

まず、本発明の好適な実施例にて行った、ウエハ等の基板へのプロセス処理例としてＣＶＤ法の中の１つであるＡＬＤ法を用いた成膜処理について、簡単に説明する。

ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。

この原料ガスを交互に流すという成膜方法に、以下にのべる処理炉以降の排気システムを組み合わせると、排気配管に反応副生成物が生成しにくくなることが期待される。

例えば、ＡＬＤ法によりＳｉＮ（窒化珪素）膜を形成する場合、ＤＣＳ（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ジクロルシラン）とＮＨ_３（アンモニア）を交互に供給することにより、３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。このように、ＡＬＤ法では、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給することによって成膜を行う。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。

本発明の好適な実施例では、排気系に、ＤＣＳ用の排気経路とアンモニア用の排気経路をそれぞれ設け、各排気配管にそれぞれバルブを設ける。そして、これらのバルブを制御することにより、ＤＣＳガス供給工程後にＤＣＳガスを処理室内から除去するＤＣＳガス除去工程の初期時においては、ＤＣＳ用の排気経路を単独で使用する。そして、ＤＣＳガス除去工程の所定時間経過後には、ＤＣＳ用の排気経路とアンモニア用の排気経路を共に用いるようにする。その後、ＤＣＳ用の排気経路のバルブを閉じ、アンモニアガスを処理室内へ供給するアンモニアガス供給工程時と、アンモニアガス供給工程後にアンオニアガスを処理室内から除去するアンモニアガス除去工程の初期時とにおいては、アンモニア用の排気経路を単独で使用する。そして、アンモニアガス除去工程の所定時間経過後には、アンモニア用の排気経路とＤＣＳ用の排気経路を共に用いるようにする。その後、アンモニア用の排気経路のバルブを閉じ、ＤＣＳ用の排気経路を単独で用いてＤＣＳガスを処理室内へ供給するＤＣＳガス供給工程を行い、以降上記工程を繰り返す。また、好ましくは、ＤＣＳガス除去工程およびアンモニアガス除去工程においては、不活性ガスを処理室内に供給し、ＤＣＳ用の排気経路やアンモニア用の排気経路から排気する。

次に、本発明の実施例を図面を参照してさらに詳細に説明する。

図１は、本実施例１にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図２は本実施例にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。加熱手段であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器として反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、このヒータ２０７、反応管２０３、およびシールキャップ２１９により処理炉（処理室）２０２を形成している。シールキャップ２１９には石英キャップ２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、前記石英キャップ２１８はボート２１７を保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理炉２０２に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。ヒータ２０７は処理炉２０２に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。

そして、処理炉２０２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給管としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが設けられる。ここでは第１のガス供給管２３２ａからは流量制御手段である第１のマスフローコントローラ２４１ａおよび開閉弁であるバルブ２４３ａを介し、更に後述する処理炉２０２内に形成されたバッファ室２３７を介して処理炉２０２に第１の反応ガス（ＮＨ_３）が供給され、第２のガス供給管２３２ｂからは流量制御手段である第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁であるバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、および開閉弁であるバルブ２４３ｃを介し、更に後述するガス供給部２４９を介して処理炉２０２に第２の反応ガス（ＤＣＳ）が供給される。

第１のガス供給管２３２ａには、第１の不活性ガス供給管２３２ｃが開閉バルブ２４３ｅを介してバルブ２４３ａの下流側に接続されている。第２のガス供給管２３２ｂには、第２の不活性ガス供給管２３２ｄが開閉バルブ２４３ｆを介してバルブ２４３ｃの下流側に接続されている。

処理炉２０２はガスを排気する排気管であるガス排気管２３１によりバルブ２４３ｄを介して排気手段である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。このバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理炉２０２の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。また、真空ポンプ２４６と除害装置３３３との間には、排気経路としての第１の排気配管３４１および第２の排気配管３４２が並列に接続されている。第１の排気配管３４１には、開閉弁であるバルブ３３１が設けられ、第２の排気配管３４２には、開閉弁であるバルブ３３２が設けられている。

処理炉２０２を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間には、反応管２０３の下部より上部の内壁にウエハ２００の積載方向に沿って、ガス分散空間であるバッファ室２３７が設けられており、そのバッファ室２３７のウエハ２００と隣接する壁の端部にはガスを供給する供給孔である第１のガス供給孔２４８ａが設けられている。この第１のガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心へ向けて開口している。この第１のガス供給孔２４８ａは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

そしてバッファ室２３７の第１のガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部には、ノズル２３３が、やはり反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル２３３には複数のガスを供給する供給孔である第２のガス供給孔２４８ｂが設けられている。この第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。

本実施例において、第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節することで、まず、第２の各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこの各第２のガス供給孔２４８ｂから噴出するガスをバッファ室２３７に噴出させて一旦導入し、前記ガスの流速差の均一化を行うこととした。

すなわち、バッファ室２３７において、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスはバッファ室２３７で各ガスの速度が緩和された後、第１のガス供給孔２４８ａより処理炉２０２に噴出する。この間に、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各第１のガス供給孔２４８ａより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができた。

さらに、バッファ室２３７に、細長い構造を有する第１の電極である第１の棒状電極２６９および第２の電極である第２の棒状電極２７０が上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管２７５に保護されて配設され、この第１の棒状電極２６９または第２の棒状電極２７０のいずれか一方は整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、第１の棒状電極２６９および第２の棒状電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。

この電極保護管２７５は、第１の棒状電極２６９および第２の棒状電極２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管２７５の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された第１の棒状電極２６９および第２の棒状電極２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて第１の棒状電極２６９または第２の棒状電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。

さらに、第１のガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を１２０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。このガス供給部２４９は、ＡＬＤ法による成膜においてウエハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。

このガス供給部２４９もバッファ室２３７と同様にウエハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔である第３のガス供給孔２４８ｃを有し、下部では第２のガス供給管２３２ｂが接続されている。

第３のガス供給孔２４８ｃの開口面積はバッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。

反応管２０３内の中央部には複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上するためにボート２１７を回転するための回転手段であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。

制御手段であるコントローラ３２１は、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、２４３ｅ、２４３ｆ、３３１、３３２、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図中省略のボート昇降機構、高周波電源２７３、整合器２７２、除害装置３３３に接続されており、コントローラ３２１によって、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｅ、２４３ｆ、３３１、３３２の開閉動作、バルブ２４３ｄの開閉および圧力調整動作、ヒータ２０７温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御、高周波電極２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御および除害装置３３３によるガスの除害操作が行われる。

次にＡＬＤ法による成膜例について、ＤＣＳおよびＮＨ_３ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。

まず、成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。

［ステップ１］
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ_３ガスとプラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して第１のガス供給管２３２ａと第２のガス供給管２３２ｂとに流すが、処理炉２０２にはＮＨ_３ガスのみを供給する。まず第１のガス供給管２３２ａに設けたバルブ２４３ａ、ガス排気管２３１に設けたバルブ２４３ｄおよび第１の排気配管３４１に設けたバルブ３３１を開けて、第１のガス供給管２３２ａから第１のマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ_３ガスをノズル２３３の第２のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、第１の棒状電極２６９および第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ_３をプラズマ励起し、活性種として第１のガス供給孔２４８ａから処理炉２０２に供給しつつガス排気管２３１および第１の排気配管３４１から排気し、除害装置３３３まで送出する。このとき、第２の排気配管３４１に設けたバルブ３３２は閉じておく。

なお、このステップ１では、バルブ２４３ｆを開けて、第２の不活性ガス供給管２３２ｄから第２のガス供給管２３２ｂ、ガス供給部２４９および第３のガス供給孔２４８ｃを介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給する。

ＮＨ_３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、バルブ２４３ｄを適正に調整して処理炉２０２内の圧力を１０〜１００Ｐａとする。第１のマスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ_３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ_３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７の温度はウエハ２００の温度が３００〜６００℃になるよう設定してある。ＮＨ_３は反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないが、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで成膜を行える。

このＮＨ_３をプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、第２のガス供給管２３２ｂの上流側のバルブ２４３ｂを開け、下流側のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳも第２のガス供給管２３２ｂに流すようにする。これによりバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。このとき、処理炉２０２内に流しているガスはＮＨ_３をプラズマ励起することにより得られた活性種と第２のガス供給管２３２ｂから流した不活性ガスのみであり、ＤＣＳは存在しない。したがって、ＮＨ_３は気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ_３はウエハ２００上の下地膜と表面反応する。

［ステップ２］
ステップ２では、第１のガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ_３の供給を止める。この時、同時に、バルブ２４３ｅを開けて、第１の不活性ガス供給管２３２ｃから第１のガス供給管２３２ａ、ノズル２３３の第２のガス供給孔２４８ｂ、バッファ室２３７、第１のガス供給孔２４８ａを介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給する。但し、第１の棒状電極２６９および第２の棒状電極２７０間には高周波電力は印加しない。なお、このステップ２でも、バルブ２４３ｆを開けて、第２の不活性ガス供給管２３２ｄから第２のガス供給管２３２ｂ、ガス供給部２４９および第３のガス供給孔２４８ｃを介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給し続ける。

そして、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄおよび第１の排気配管３４１のバルブ３３１は開いたままにし、第２の排気配管３４１のバルブ３３２は閉じておき、真空ポンプ２４６により、処理炉２０２を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ_３をガス排気管２３１および第１の排気配管３４１を介して処理炉２０２から排除し始める。このように、第１のガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めてＮＨ_３の供給を止め、同時に、第１の不活性ガス供給管２３２ｃから第１のガス供給管２３２ａ等を介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給し、残留ＮＨ_３をガス排気管２３１および第１の排気配管３４１を介して処理炉２０２から排除し始めてから、しばらくすると、好ましくは、２秒以上経過すると、第１の排気配管３４１のバルブ３３１は開いたままで、第２の排気配管３４２のバルブ３３２も開け、第１の排気配管３４１および第２の排気配管３４２を介して排気し、その後、第１の排気配管３４１のバルブ３３１を閉じる。

なお、ここで、ＮＨ_３の供給を止め、残留ＮＨ_３をガス排気管２３１および第１の排気配管３４１を介して処理炉２０２から排除し始めてから、第２の排気配管３４２のバルブ３３２も開けるまでに、しばらく、好ましくは、２秒以上経過させるのは、先に流したガス（ＮＨ_３）の濃度を下げ、次のガス（ＤＣＳ）との混合による副生成物の生成がほとんどなくなるようにするためである。

一方では、引続き第２のガス供給管２３２ｂのガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜め２４７と処理炉２０２との間のコンダクタンスが１．５×１０^−３ｍ^３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３容積１００ｌ（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。

［ステップ３］
ステップ３では、第１の排気配管３４１のバルブ３３１を閉じ、ガス排気管２３１および第２の排気配管３４２を介して処理炉２０２の排気を行った後、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｃを閉じて排気を止め、第２のガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃを開く。なお、バルブ２４３ｃを開く直前にバルブ２４３ｆを閉じ、第２の不活性ガス供給管２３２ｄからの窒素等の不活性ガスの供給を停止する。

これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理炉２０２に一気に供給される。このときガス排気管２３１のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理炉２０２内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。ＤＣＳを供給するための時間は２〜４秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。このときのウエハ温度はＮＨ_３の供給時と同じく、３００〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ_３とＤＣＳとが表面反応して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。

成膜後、バルブ２４３ｃを閉じ、バルブ２４３ｄを開けて、ガス排気管２３１および第２の排気配管３４２を介して、処理炉２０２を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを除害装置３３３まで送出する。このとき、バルブ２４３ｃを閉じるのと同時に、バルブ２４３ｆを開けて、第２の不活性ガス供給管２３２ｄから第２のガス供給管２３２ｂ、ガス供給部２４９および第３のガス供給孔２４８ｃを介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給する。また、このとき、第１の排気配管３４１に設けたバルブ３３１は閉じておく。

なお、このステップ３では、バルブ２４３ｅを開けて、第１の不活性ガス供給管２３２ｃから第１のガス供給管２３２ａ、ノズル２３３の第２のガス供給孔２４８ｂ、バッファ室２３７、第１のガス供給孔２４８ａを介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給し続ける。但し、第１の棒状電極２６９および第２の棒状電極２７０間には高周波電力は印加しない。

このように、第２のガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｃを閉めてＤＣＳの供給を止め、同時に、第２の不活性ガス供給管２３２ｄから第２のガス供給管２３２ｂ等を介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給し、残留ＤＣＳをガス排気管２３１および第２の排気配管３４２を介して処理炉２０２から排除し始めてから、しばらくすると、好ましくは、２秒以上経過すると、第２の排気配管３４２のバルブ３３２は開いたままで、第１の排気配管３４１のバルブ３３１も開け、第２の排気配管３４２および第１の排気配管３４１を介して排気し、その後、第２の排気配管３４２のバルブ３３２を閉じる。

なお、ここで、ＤＣＳの供給を止め、残留ＤＣＳをガス排気管２３１および第２の排気配管３４２を介して処理炉２０２から排除し始めてから、第１の排気配管３４１のバルブ３３１も開けるまでに、しばらく、好ましくは、２秒以上経過させるのは、先に流したガス（ＤＣＳ）の濃度を下げ、次のガス（ＮＨ_３）との混合による副生成物の生成がほとんどなくなるようにするためである。

また、バルブ２４３ｃを閉めた後に、バルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。なお、バルブ２４３ｂを開く直前にバルブ２４３ｅを閉じ、第１の不活性ガス供給管２３２ｃからの窒素等の不活性ガスの供給を停止する。

上記ステップ１〜３を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。

図３は、本実施例２にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図２は本実施例にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。

実施例１では、処理炉２０２はガス排気管２３１によりバルブ２４３ｄを介して排気手段である真空ポンプ２４６に接続され、真空ポンプ２４６と除害装置３３３との間には、排気経路としての第１の排気配管３４１および第２の排気配管３４２が並列に接続されており、第１の排気配管３４１には、開閉弁であるバルブ３３１が設けられ、第２の排気配管３４２には、開閉弁であるバルブ３３２が設けられており、バルブ３３１、３３２、真空ポンプ２４６はコントローラ３２１に接続され、コントローラ３２１によって、バルブ３３１、３３２の開閉動作、真空ポンプ２４６の起動・停止の制御が行われていたが、本実施例２では、処理炉２０２は、ガス排気管２３１によりバルブ２４３ｄを介して第１の排気配管３４３および第２の排気配管３４４に並列に接続されており、第１の排気配管３４３には開閉弁であるバルブ３３４が設けられ、第２の排気配管３４４には開閉弁であるバルブ３３５が設けられ、第１の排気配管３４３のバルブ３３４と除害装置３３３との間には排気手段である真空ポンプ３３６が設けられ、第２の排気配管３４４のバルブ３３５と除害装置３３３との間には排気手段である真空ポンプ３３７が設けられ、バルブ３３４、３３５、真空ポンプ３３６、３３７はコントローラ３２１に接続され、コントローラ３２１によって、バルブ３３４、３３５の開閉動作、真空ポンプ３３６、３３７の起動・停止の制御が行われている点が実施例１と異なるが、他の点は同じである。

まず、成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。なお、真空ポンプ３３６および３３７は排気動作を続けておく。

［ステップ１］
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ_３ガスとプラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して第１のガス供給管２３２ａと第２のガス供給管２３２ｂとに流すが、処理炉２０２にはＮＨ_３ガスのみを供給する。まず第１のガス供給管２３２ａに設けたバルブ２４３ａ、ガス排気管２３１に設けたバルブ２４３ｄおよび第１の排気配管３４１に設けたバルブ３３１を開けて、第１のガス供給管２３２ａから第１のマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ_３ガスをノズル２３３の第２のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、第１の棒状電極２６９および第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ_３をプラズマ励起し、活性種として第１のガス供給孔２４８ａから処理炉２０２に供給しつつガス排気管２３１および第１の排気配管３４３から排気し、除害装置３３３まで送出する。このとき、第２の排気配管３４４に設けたバルブ３３５は閉じておく。

［ステップ２］
ステップ２では、第１のガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ_３の供給を止める。この時、同時に、バルブ２４３ｅを開けて、第１の不活性ガス供給管２３２ｃから第１のガス供給管２３２ａ、ノズル２３３の第２のガス供給孔２４８ｂ、バッファ室２３７、第１のガス供給孔２４８ａを介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給する。但し、第１の棒状電極２６９および第２の棒状電極２７０間には高周波電力は印加しない。なお、このステップ２でも、バルブ２４３ｆを開けて、第２の不活性ガス供給管２３２ｄから第２のガス供給管２３２ｂ、ガス供給部２４９および第３のガス供給孔２４８ｃを介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給し続ける。そして、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄおよび第１の排気配管３４３のバルブ３３４は開いたままにし、第２の排気配管３４４のバルブ３３５は閉じておき、真空ポンプ３３６により、処理炉２０２を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ_３をガス排気管２３１および第１の排気配管３４３を介して処理炉２０２から排除し始める。

このように、第１のガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めてＮＨ_３の供給を止め、同時に、第１の不活性ガス供給管２３２ｃから第１のガス供給管２３２ａ等を介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給し、残留ＮＨ_３をガス排気管２３１および第１の排気配管３４３を介して処理炉２０２から排除し始めてから、しばらくすると、好ましくは、２秒以上経過すると、第１の排気配管３４３のバルブ３３４は開いたままで、第２の排気配管３４４のバルブ３３５も開け、第１の排気配管３４３および第２の排気配管３４４を介して排気し、その後、第１の排気配管３４３のバルブ３３４を閉じる。

なお、ここで、ＮＨ_３の供給を止め、残留ＮＨ_３をガス排気管２３１および第１の排気配管３４３を介して処理炉２０２から排除し始めてから、第２の排気配管３４４のバルブ３３５も開けるまでに、しばらく、好ましくは、２秒以上経過させるのは、先に流したガス（ＮＨ_３）の濃度を下げ、次のガス（ＤＣＳ）との混合による副生成物の生成がほとんどなくなるようにするためである。

［ステップ３］
ステップ３では、第１の排気配管３４３のバルブ３３４を閉じ、ガス排気管２３１および第２の排気配管３４４を介して処理炉２０２の排気を行った後、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｃを閉じて排気を止め、第２のガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃを開く。なお、バルブ２４３ｃを開く直前にバルブ２４３ｆを閉じ、第２の不活性ガス供給管２３２ｄからの窒素等の不活性ガスの供給を停止する。

成膜後、バルブ２４３ｃを閉じ、バルブ２４３ｄを開けて、ガス排気管２３１および第２の排気配管３４４を介して、処理炉２０２を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを除害装置３３３まで送出する。このとき、バルブ２４３ｃを閉じるのと同時に、バルブ２４３ｆを開けて、第２の不活性ガス供給管２３２ｄから第２のガス供給管２３２ｂ、ガス供給部２４９および第３のガス供給孔２４８ｃを介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給する。また、このとき、第１の排気配管３４３に設けたバルブ３３４は閉じておく。

このように、第２のガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｃを閉めてＤＣＳの供給を止め、同時に、第２の不活性ガス供給管２３２ｄから第２のガス供給管２３２ｂ等を介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給し、残留ＤＣＳをガス排気管２３１および第２の排気配管３４４を介して処理炉２０２から排除し始めてから、しばらくすると、好ましくは、２秒以上経過すると、第２の排気配管３４４のバルブ３３５は開いたままで、第１の排気配管３４３のバルブ３３４も開け、第２の排気配管３４４および第１の排気配管３４３を介して排気し、その後、第２の排気配管３４４のバルブ３３５を閉じる。

なお、ここで、ＤＣＳの供給を止め、残留ＤＣＳをガス排気管２３１および第２の排気配管３４４を介して処理炉２０２から排除し始めてから、第１の排気配管３４３のバルブ３３４も開けるまでに、しばらく、好ましくは、２秒以上経過させるのは、先に流したガス（ＤＣＳ）の濃度が下がり、次のガス（ＮＨ_３）との混合による副生成物の生成がほとんどなくなるようにするためである。

また、バルブ２４３ｃを閉めた後に、バルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。

上記ステップ１〜３を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。なお、バルブ２４３ｂを開く直前にバルブ２４３ｅを閉じ、第１の不活性ガス供給管２３２ｃからの窒素等の不活性ガスの供給を停止する。

以上のように、処理炉以降の真空排気手段以降の配管を２系統とすることで、２種のガスの混合する機会が激減し、常圧部である排気配管への副生成物の付着を抑えることができるとともに、真空排気手段内部での副生成物の生成も抑制できる。

また、２つの原料が混ざると腐食性の強い副生成物ができる場合も、本発明を用いれば排気系での原料の混合が抑えられることから、排気配管の腐食防止対策になることが期待される。

特に、実施例１および実施例２では、ＮＨ_３を流すときには、第１の排気配管３４１（実施例１）や第１の排気配管３４３（実施例２）のみから排気し、ＮＨ_３の供給を止めてからしばらくの間も第１の排気配管３４１（実施例１）や第１の排気配管３４３（実施例２）のみから排気し、その後は、実施例１では、第１の排気配管３４１および第２の排気配管３４２の両方から排気し、実施例２では、第１の排気配管３４３および第２の排気配管３４４の両方から排気しているので、先に流したガス（ＮＨ_３）の濃度が下がり、次のガス（ＤＣＳ）との混合による副生成物の生成がほとんどなくなるようになる。

また、実施例１および実施例２では、成膜後、バルブ２４３ｃを閉じてＤＣＳの供給を止め、バルブ２４３ｄを開けて、ガス排気管２３１および第２の排気配管３４２（実施例１）や第２の排気配管３４４（実施例２）を介して、処理炉２０２を真空排気し始めてからしばらくの間も第２の排気配管３４２（実施例１）や第１の排気配管３４４（実施例２）のみから排気し、その後は、実施例１では、第１の排気配管３４１および第２の排気配管３４２の両方から排気し、実施例２では、第１の排気配管３４３および第２の排気配管３４４の両方から排気しているので、先に流したガス（ＤＣＳ）の濃度が下がり、次のガス（ＮＨ_３）との混合による副生成物の生成がほとんどなくなるようになる。

なお、実施例１および実施例２では、ガス溜め２４７を設けて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておき、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｃを閉じて排気を止め、ガス溜め２４７の下流側のバルブ２４３ｃを開くことによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳを処理炉２０２に一気に供給しているが、ガス溜め２４７を設けない場合には、ＤＣＳを流すときには、第２の排気配管３４２（実施例１）や第２の排気配管３４４（実施例２）のみから排気し、ＤＣＳの供給を止めてからしばらくの間も第２の排気配管３４２（実施例１）や第２の排気配管３４２（実施例２）のみから排気し、その後は、実施例１では、第１の排気配管３４１および第２の排気配管３４２の両方から排気し、実施例２では、第１の排気配管３４３および第２の排気配管３４４の両方から排気するようにすれば、先に流したガス（ＤＣＳ）の濃度が下がり、次のガス（ＮＨ_３）との混合による副生成物の生成がほとんどなくなるようになる。

また、第１のガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ａを閉めてＮＨ_３ガスの供給を止めるのと同時に、第１の不活性ガス供給管２３２ｃから第１のガス供給管２３２ａ等を介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給して残留ＮＨ_３ガスを処理炉２０２から排気しているので、残留ＮＨ_３ガスを排気する効果が高められている。そして、第２のガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｃを閉めてＤＣＳの供給を止めるのと同時に、第２の不活性ガス供給管２３２ｄから第２のガス供給管２３２ｂ等を介して窒素等の不活性ガスを処理炉２０２内に供給し始めて残留ＤＣＳを処理炉２０２から排気しているので、残留ＤＣＳを排気する効果が高められている。

また、実施例１および実施例２においては、第２のガス供給管２３２ｂからＤＣＳを処理炉２０２に供給する前から第１のガス供給管２３２ａからＮＨ_３ガスを供給する直前まで、第１のガス供給管２３２ａに第１の不活性ガス供給管２３２ｃから窒素等の不活性ガスを処理炉２０２に供給し続けているので、第１のガス供給管２３２ａ等の処理炉２０２への第１のガス供給系にＤＣＳが回り込むのを防止でき、また、第１のガス供給管２３２ａからＮＨ_３ガスを処理炉２０２に供給する前から第２のガス供給管２３２ｂからＤＣＳを供給する直前まで、第２のガス供給管２３２ｂに第２の不活性ガス供給管２３２ｄから窒素等の不活性ガスを処理炉２０２に供給し続けているので、第２のガス供給管２３２ｂ等の処理炉２０２への第２のガス供給系にＮＨ_３ガスが回り込むのを防止できる。

ＡＬＤ装置では、ガスは下地膜表面に吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、およびガスへの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、実施例１、２では、バルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理炉２０２内のＤＣＳの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。

また、実施例１、２では、ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ_３ガスをプラズマ励起することによる活性種としての供給、および処理炉２０２の排気を行っているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。また、処理炉２０２内を排気してＮＨ_３ガスを除去してからＤＣＳを流すので、両者はウエハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウエハ２００に吸着しているＮＨ_３とのみ有効に反応させることができる。

次に、図４を参照して、本発明が好適に適用される基板処理装置の一例である半導体製造装置についての概略を説明する。

筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、前記カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設られると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。

筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

ウエハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ２００が上向き姿勢で搬入され、ウエハ２００が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作およびカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９または予備カセット棚１１０に搬送される。

カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ２００が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。

カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作および移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウエハ２００を移載する。

ボート２１７に所定枚数のウエハ２００が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウエハ２００が加熱されると共に処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウエハ２００に処理がなされる。

ウエハ２００への処理が完了すると、ウエハ２００は上記した作動の逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。尚、炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を塞ぎ、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。

カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

本発明の実施例１の基板処理装置における縦型基板処理炉の概略縦断面図である。本発明の実施例１および実施例２の基板処理装置における縦型基板処理炉の概略横断面図である。本発明の実施例２の基板処理装置における縦型基板処理炉の概略縦断面図である。本発明の実施例１および実施例２の基板処理装置を説明するための概略斜視図である。

符号の説明

２００…ウエハ
２０２…処理炉
２０３…反応管
２０７…ヒータ
２１７…ボート
２１８…石英キャップ
２１９…シールキャップ
２２０…Ｏリング
２２４…プラズマ生成領域
２３１…ガス排気管
２３２ａ…第１のガス供給管
２３２ｂ…第２のガス供給管
２３２ｃ…第１の不活性ガス供給管
２３２ｄ…第２の不活性ガス供給管
２３３…ノズル
２３７…バッファ室
２４１ａ…第１のマスフローコントローラ
２４１ｂ…第２のマスフローコントローラ
２４３ａ…バルブ
２４３ｂ…バルブ
２４３ｃ…バルブ
２４３ｄ…バルブ
２４３ｅ…バルブ
２４３ｆ…バルブ
２４６…真空ポンプ
２４７…ガス溜め
２４８ａ…第１のガス供給孔
２４８ｂ…第２のガス供給孔
２４８ｃ…第３のガス供給孔
２４９…ガス供給部
２６７…ボート回転機構
２６９…第１の棒状電極
２７０…第２の棒状電極
２７１…アース
２７２…整合器
２７３…高周波電源
２７５…電極保護管
３２１…コントローラ
３３１…バルブ
３３２…バルブ
３３３…除害装置
３３４…バルブ
３３５…バルブ
３３６…真空ポンプ
３３７…真空ポンプ
３４１…第１の排気配管
３４２…第２の排気配管
３４３…第１の排気配管
３４４…第２の排気配管

Claims

少なくとも第１の処理ガスと第２の処理ガスとをそれぞれ別々に処理室へ供給する供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段であって、第１の排気経路および第２の排気経路と各排気経路にそれぞれ設けられた第１および第２のバルブとを有する前記排気手段と、を備える基板処理装置を使用して、基板に所望の膜を形成する工程を備える半導体装置の製造方法であって、
前記処理室内に前記第１の処理ガスを供給する第１のガス供給工程と、
前記第１のバルブを開いて前記第１の排気経路を単独で用いて、前記処理室内に供給された前記第１の処理ガスを前記処理室内から除去する第１のガス除去工程と、
前記第１のガス除去工程後、前記第１のバルブおよび前記第２のバルブを開いた状態で、前記第１の排気経路および前記第２の排気経路を共に用いて、前記処理室内に供給された前記第１の処理ガスを前記処理室内から除去する第２のガス除去工程と、
前記処理室内に前記第２の処理ガスを供給する第２のガス供給工程と、
前記第２のバルブを開いて前記第２の排気経路を単独で用いて、前記処理室内に供給された前記第２の処理ガスを前記処理室内から除去する第３のガス除去工程と、
前記第３のガス除去工程後、前記第２のバルブおよび前記第１のバルブを開いた状態で、前記第１の排気経路および前記第２の排気経路を共に用いて、前記処理室内に供給された前記第２の処理ガスを前記処理室内から除去する第４のガス除去工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
前記第１のガス供給工程から前記第４のガス除去工程を順に繰り返し、前記第１および第３のガス除去工程は、前記第１の処理ガスもしくは前記第２の処理ガスの濃度が次の処理ガスとの混合による副生成物の生成がほとんどなくなる濃度となるまで行う請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記第１および第２の排気経路にそれぞれポンプを設ける請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。