JP5082595B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に薄膜を形成する成膜装置に関する。

一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処理、自然酸化膜の除去処理等の各種の処理が行なわれる。これらの処理を特許文献１、２等に開示されている縦型の、いわゆるバッチ式の熱処理装置にて行う場合には、まず、半導体ウエハを複数枚、例えば２５枚程度収容できるカセットから、半導体ウエハを縦型のウエハボートへ移載してこれに多段に支持させる。このウエハボートは、例えばウエハサイズにもよるが３０〜１５０枚程度のウエハを載置できる。このウエハボートは、排気可能な処理容器内にその下方より搬入（ロード）された後、処理容器内が気密に維持される。そして、処理ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等の各種のプロセス条件を制御しつつ所定の熱処理が施される。

ここで半導体製造工程における絶縁膜等について注目すると、一般的には、この絶縁膜に関してはＳｉＯ_２ 膜が主として用いられていた。しかし、最近にあっては、半導体集積回路の更なる高集積化、高微細化の要請が強くなっている。このような状況下において、耐酸化膜、不純物の拡散防止膜、ゲート素子のサイドウォール膜等の絶縁膜としてシリコン窒化膜（Ｓｉ_３ Ｎ_４ 膜）やこれに不純物、例えばボロン等をドープしたシリコン窒化膜が用いられている。このシリコン窒化膜は、不純物の拡散係数が低く、且つ酸化バリヤ性が高いことから、上述したような絶縁膜として非常に適している。

そして、上記シリコン窒化膜の膜質をより高めるために、処理容器内を真空引きした状態で２種類以上の原料ガスを異なるタイミングで互いに交互に流して厚さが原子レベルの薄膜を繰り返し形成する方法、いわゆるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が採用され、更には低温での成膜を可能とするためにプラズマを用いることも行われている（例えば特許文献２）。

このような従来の成膜装置の一例について図７及び図８を参照して説明する。図７は従来のバッチ式の成膜装置の一例を示す概略構成図、図８は図７に示す成膜装置を示す概略横断断面図である。図７及び図８に示すようにこの成膜装置は、例えば石英よりなる縦型の円筒体状の処理容器２を有しており、この中にはウエハボート４に多段に支持された半導体ウエハＷが、その下方より挿脱可能に収容されている。ここで処理容器２の中心軸とウエハＷの中心とが一致するように設定されている。また処理容器２の外周には、これと同心状に加熱手段５が配置され、上記ウエハＷを加熱するようになっている。

そして、処理容器２の一側には、容器の半径方向外方へ突状に形成されたプラズマボックス６が処理容器２の高さ方向に沿って形成されている。そして、このプラズマボックス６の両側には、電極８が設けられると共に、この電極８にはプラズマ発生用の例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源１０からの高周波電力が印加されている。

このプラズマボックス６内の奥には、窒化ガスとして例えばＮＨ_３ ガスを供給する分散ノズル１２が、その高さ方向に沿って設けられると共に、この分散ノズル１２にはその長さ方向に沿って多数のガス噴出孔１２Ａが形成されており、水平方向に向けて上記ＮＨ_３ ガスが噴出される。これにより、ＮＨ_３ はプラズマで活性化されるようになっている。尚、このＮＨ_３ 中には必要に応じて希ガス、例えばＡｒガス等が混合される。

また、このプラズマボックス６の取付部近傍の処理容器２内には、原料ガスであるシラン系ガスとして例えばＤＣＳ（ジクロロシラン）を供給する分散ノズル１４が、その高さ方向に沿って設けられると共に、この分散ノズル１４にはその長さ方向に沿って多数のガス噴出孔１４Ａが形成されており、水平方向に向けて上記ＤＣＳガスが噴出される。

一方、処理容器２の中心軸を対称軸としてプラズマボックス６の反対側の容器側壁には、その高さ方向に沿って幅広の排気口１６が形成されると共に、この排気口１６を覆うようにして例えば石英製のカバー部材１８が接合されて排気路２０を形成しており、上記処理容器２内の雰囲気を横方向へ吸引した後に、上記排気路２０を介して上方から真空排気するようになっている。

このような成膜装置においては、処理容器２内へはＤＣＳガスとＮＨ_３ ガスとが交互に供給され、そしてＮＨ_３ ガスの供給時には上記プラズマボックス６内でプラズマを立てることによってＮＨ_３ ガスを活性化させるようにしているので、比較的低温で、膜質が良好なシリコン窒化膜を効率的に形成することができる。尚、例えば上記ＤＣＳガスの供給と共に一緒にドーピングガスを供給することによりシリコン窒化膜中に不純物元素をドープすることも行われている。

特開平６−２７５６０８号公報 特開２００６−２７００１６号公報

ところで、上述したような成膜装置にあっては、膜厚の面内及び面間均一性を維持しつつ使用ガスを効率的に用いてスループットを向上させるためには、ＤＣＳガスやプラズマボックス６内では活性化されたＮＨ_３ ガスをできるだけ多くウエハ間に流す必要がある。

しかしながら、図８にも示すように、処理容器２の内壁とウエハＷのエッジ部との間には、少なくとも分散ノズル１４が余裕をもって収容できるだけのスペース（距離）は必ず確保しなければならないので、処理容器２の内壁とウエハＷのエッジ部との間の距離Ｈがある程度以上に大きくしなければならず、このため、この隙間部分にガスがかなり流れてガスの使用効率が低下する、といった問題があった。

この場合、処理容器２の側壁に上記分散ノズル１４を収容できる大きさの凹部状の溝部を設けて、この溝部内に上記分散ノズル１４を収容して、その分、処理容器２の内径寸法を小さくすることも考えられるが、この場合には、上記溝部の部分の容器肉厚が薄くなってしまい、処理容器２の耐圧性が大幅に劣化してしまう恐れがあり、好ましくない。

また上記成膜装置では、排気口１６を形成するために処理容器２の側壁に幅広の開口を形成しなければならないばかりか、この排気口１６を覆うようにして石英製のカバー部材１８を溶接等により接合しなければならないので、製造が煩雑になって全体として大掛かりな作業となってしまい、コスト高を招来するのみならず、処理容器２自体の生産性が非常に低くなってしまう、といった問題もあった。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、被処理体に対して処理容器を偏芯させて配置することにより、処理容器の構造を複雑化させることなくガスの使用効率及び製品のスループットを高く維持し、装置全体のコストを低下させることができる成膜装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、被処理体に対して所定の薄膜を形成するための成膜装置において、真空引き可能になされて断面が円形リング状になされた縦型筒体状の処理容器と、前記被処理体を複数段に保持して前記処理容器内へ挿脱される保持手段と、前記処理容器の一側に、前記処理容器の半径方向の外側に向けて突出され且つ高さ方向に沿って設けられたプラズマ用ボックス部と、前記プラズマ用ボックス部内に活性化されるガスである活性化対象ガスを供給する活性化対象ガス供給手段と、前記活性化対象ガスを活性化する活性化手段と、前記処理容器内へ活性化の対象でない活性化非対象ガスを供給する活性化非対象ガス供給手段とを備え、前記処理容器を、前記プラズマ用ボックス部を設けた部分における容器内壁と前記被処理体のエッジ部との間の間隔が他の部分における容器内壁と前記被処理体のエッジ部との間の間隔よりも狭くなるように偏芯させて設けるように構成したことを特徴とする成膜装置である。

このように、断面が円形リング状になされた縦型筒体状の処理容器を、プラズマを発生するプラズマボックス部を設けた部分における容器内壁と被処理体のエッジ部との間の間隔が他の部分における容器内壁と被処理体のエッジ部との間の間隔よりも狭くなるように偏芯させて設けるようにしたので、処理容器の構造を複雑化させることなくガスの使用効率及び製品のスループットを高く維持し、装置全体のコストを低下させることができる。

この場合、例えば請求項２に記載したように、前記活性化非活性化ガス供給手段は、前記プラズマ用ボックス部を設けた部分に対して前記処理容器の中心軸を対称軸として反対側に位置する前記処理容器内の空間部に、その高さ方向に沿って延びるガス分散ノズルを有している。
また例えば請求項３に記載したように、前記活性化対象ガス供給手段は、前記プラズマ用ボックス内に、その高さ方向に沿って延びるように設けられたガス分散ノズルを有している。
また例えば請求項４に記載したように、前記処理容器の上端側、或いは下端側に前記処理容器内の雰囲気を排気する排気口が設けられている。

また例えば請求項５に記載したように、前記処理容器の内壁には、前記プラズマ用ボックス部から前記処理容器の水平方向の反対側へ流れるガス流を前記被処理体側へ案内するためのルーバ部材が設けられている。
このように、処理容器の内壁にルーバ部材を設けることにより、処理容器の内壁と被処理体のエッジ部との間に流れるガス流を被処理体側へ案内することができるので、活性化対象ガスを更に効率的に使用することが可能となる。

また例えば請求項６に記載したように、前記活性化対象ガスは窒化ガスであり、前記活性化非対象ガスはシラン系ガスである。
また例えば請求項７に記載したように、前記シラン系ガスは、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、モノシラン［ＳｉＨ_４ ］、ジシラン［Ｓｉ_２ Ｈ_６ ］、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）よりなる群より選択される１以上のガスであり、前記窒化ガスは、アンモニア［ＮＨ_３ ］、窒素［Ｎ_２ ］、一酸化二窒素［Ｎ_２ Ｏ］、一酸化窒素［ＮＯ］よりなる群より選択される１以上のガスである。

本発明に係る成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
断面が円形リング状になされた縦型筒体状の処理容器を、プラズマを発生するプラズマボックス部を設けた部分における容器内壁と被処理体のエッジ部との間の間隔が他の部分における容器内壁と被処理体のエッジ部との間の間隔よりも狭くなるように偏芯させて設けるようにしたので、処理容器の構造を複雑化させることなくガスの使用効率及び製品のスループットを高く維持し、装置全体のコストを低下させることができる。

特に、請求項５に係る発明によれば、処理容器の内壁にルーバ部材を設けることにより、処理容器の内壁と被処理体のエッジ部との間に流れるガス流を被処理体側へ案内することができるので、活性化対象ガスを更に効率的に使用することが可能となる。

以下に、本発明に係る成膜装置の好適な一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の係る成膜装置の一例を示す縦断面構成図、図２は成膜装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図、図３は処理容器に設けたルーバ部材を示す拡大斜視図、図４は成膜方法の一例における各種のガスの供給のタイミングとＲＦ（高周波）の印加のタイミングを示すタイミングチャートである。尚、ここではシラン系ガスとしてジクロロシラン（ＤＣＳ）を用い、窒化ガスとしてアンモニアガス（ＮＨ_３ ）を用い、上記ＮＨ_３ ガスをプラズマにより活性化してシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜する場合を例にとって説明する。

図示するように、プラズマを形成することができるこの成膜装置２２は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器２４を有している。この処理容器２４の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器２４内の天井には、石英製の天井板２６が設けられて封止されている。尚、この天井板２６を設けない場合もある。また、この処理容器２４の下端開口部には、例えばステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド２８がＯリング等のシール部材３０を介して連結されている。尚、このマニホールド２８を石英により形成し、これを上記処理容器２４と一体成形するようにした構造としてもよい。

上記処理容器２４の下端は、上記マニホールド２８によって支持されており、このマニホールド２８の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを多段に載置した保持手段としての石英製のウエハボート３２が昇降可能に挿脱自在になされている。本実施例の場合において、このウエハボート３２の支柱３２Ａには、例えば５０〜１００枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。

このウエハボート３２は、石英製の保温筒３４を介してテーブル３６上に載置されており、このテーブル３６は、マニホールド２８の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部３８を貫通する回転軸４０上に支持される。そして、この回転軸４０の貫通部には、例えば磁性流体シール４２が介設され、この回転軸４０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部３８の周辺部とマニホールド２８の下端部には、例えばＯリング等よりなるシール部材４４が介設されており、処理容器２４内のシール性を保持している。

上記した回転軸４０は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム４６の先端に取り付けられており、ウエハボート３２及び蓋部３８等を一体的に昇降して処理容器２４内へ挿脱できるようになされている。尚、上記テーブル３６を上記蓋部３８側へ固定して設け、ウエハボート３２を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。

そして、上記処理容器４の側壁の一部には、処理容器２４の半径方向の外方に向けて突出され、且つその高さ方向に沿ってプラズマ用ボックス部５０が形成されている。具体的には、上記プラズマ用ボックス部５０は、上記処理容器２４の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削り取ることによって上下に細長い開口５２を形成し、この開口５２をその外側より覆うようにして断面凹部状になされた上下に細長い例えば石英製のプラズマ区画壁５４を容器外壁に気密に溶接接合することにより形成されている。

これにより、この処理容器２４の側壁の一部を凹部状に外側へ窪ませることにより一側が処理容器２４内へ開口されて連通されたプラズマ用ボックス部５０が一体的に形成されることになる。すなわちプラズマ区画壁５４の内部空間は、上記処理容器２４内に一体的に連通された状態となっている。上記開口５２は、ウエハボート３２に保持されている全てのウエハＷを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。

そして、このプラズマ用ボックス部５０には、ここに導入される後述の活性化対象ガスを活性化するための活性化手段５６が設けられる。具体的には、この活性化手段５６は、上記プラズマ区画壁５４の両側壁の外側面に、その長さ方向（上下方向）に沿って互いに対向するようにして設けられた細長い一対のプラズマ電極５８を有しており、このプラズマ電極５８にはプラズマ発生用の高周波電源６０が給電ライン６２を介して接続されており、上記プラズマ電極５８に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することによりプラズマを発生し得るようになっている。この高周波電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚに限定されず、他の周波数、例えば４００ｋＨｚ等を用いてもよい。

そして上記プラズマ区画壁５４の外側には、これを覆うようにして例えば石英よりなる絶縁保護カバー６４が取り付けられている。また、この絶縁保護カバー６４の内側部分には、図示しない冷媒通路が設けられており、冷却された窒素ガスを流すことにより上記プラズマ電極５８を冷却し得るようになっている。

そして上記プラズマ用ボックス部５０内へ活性化されるガスである活性化対象ガスを供給する活性化対象ガス供給手段６６が設けられる。具体的には、上記活性化対象ガス供給手段６６は、上記プラズマ区画壁５４の底部側を気密に貫通して上記プラズマ用ボックス部５０内の高さ方向に沿って起立したように延びるガス分散ノズル６８を有している。このガス分散ノズル６８は、例えば石英管よりなり、上記プラズマ用ボックス部５０の一番奥（処理容器２４の中心軸より一番離れた部分）に位置されると共に、その長手方向に沿って所定の間隔で複数のガス噴出孔６８Ａが設けられ、各ガス噴出孔６８Ａから上記活性化対象ガスを均一に噴出して供給できるようになっている。

そして、上記ガス分散ノズル６８にはガス通路７０が接続され、このガス通路７０には、開閉弁７０Ａ及びマスフローコントローラのような流量制御器７０Ｂがそれぞれ順次介設されており、活性化対象ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。従って、上記各ガス噴出孔６８Ａよりプラズマ用ボックス部５０内へ噴出された活性化対象ガスは、上記活性化手段５６により発生されたプラズマにより活性化された状態で処理容器２４内の中心側へ水平方向に向けて流れて行くことになる。ここで上記活性化対象ガスとしては窒化ガス、例えばＮＨ_３ ガスが用いられている。

また、本発明の特徴として、この処理容器２４は、上記プラズマ用ボックス部５０を設けた部分における容器内壁と半導体ウエハＷのエッジ部との間の間隔が他の部分における容器内壁とウエハＷのエッジ部との間の間隔よりも狭くなるように偏芯させて設けられている。換言すれば、相対的にはウエハＷの中心Ｗ０が上記プラズマ用ボックス部５０側へ近づいて偏芯したような配置となっている。この結果、プラズマ用ボックス部５０における容器内壁とウエハＷのエッジ部との間の間隔Ｈ１は、処理容器２４の中心軸２４Ａに対してその反対側の間隔Ｈ２よりもかなり狭くなされており、この間隔Ｈ１の部分にガス分散ノズルを配置するのが困難になる程度まで上記処理容器２４が偏芯させて配置されている。

具体的には、この処理容器２４が例えば直径３００ｍｍのウエハ対応の場合には、上記処理容器２４の内径が３７２ｍｍ程度、処理容器２４の偏芯量が１５ｍｍ程度、間隔Ｈ１が１６ｍｍ程度、間隔Ｈ２が４６ｍｍ程度である。

そして、この処理容器２４には、この中へ活性化非対象ガスを供給する活性化非対象ガス供給手段７４が設けられている。具体的には、上記活性化非対象ガス供給手段７４は、上記プラズマ用ボックス部５０を設けた部分に対して上記処理容器２４の中心軸２４Ａを対称軸として反対側に位置する上記処理容器２４内の空間部７２、すなわち上記間隔Ｈ２を形成する空間部７２に、その高さ方向に沿って延びて起立したように設けられたガス分散ノズル７６を有している。このガス分散ノズル７６は、例えば石英管よりなり、その長手方向に沿って所定の間隔で複数のガス噴出孔７６Ａが形成されており、各ガス噴出孔７６Ａから水平方向に向けて活性化非対象ガスを均一に噴出して供給できるようになっている。

そして、このガス分散ノズル７６の下端部は、上記マニホールド２８を気密に貫通されており、このガス分散ノズル７６の全体を支持するようになっている。そして、このガス分散ノズル７６にはガス通路７８が接続され、このガス通路７８には、開閉弁７８Ａ及びマスフローコントローラのような流量制御器７８Ｂがそれぞれ順次介設されており、活性化非対象ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。ここで上記活性化非対象ガスとしては、例えばシラン系ガスとしてＤＣＳ（ジクロロシラン）が用いられる。

また上記間隔Ｈ２を形成する空間部７２の下方に対応するマニホールド２８には、大口径の排気口８０が形成されている。この排気口８０には、圧力調整弁や真空ポンプ等を含む排気系８２が接続されており、この処理容器２４内の雰囲気を圧力制御しつつ真空排気できるようになっている。尚、この排気口８０は、上記マニホールド２８の周方向のどの位置に設けてもよいが、上記ＮＨ_３ ガスをウエハＷ間に層流状態を維持させたまま流すためには上述したように空間部７２の下方に設けるのがよい。

尚、図示されないが、この処理容器２４には、不活性ガスとして例えばＮ_２ ガスを供給するＮ_２ ガス供給手段が設けられており、このＮ_２ ガスをパージガスとして用いるなど、必要に応じて処理容器２４内へ供給される。

また処理容器２４の内壁には、上記プラズマ用ボックス部５０から処理容器２４の水平方向の反対側へ流れるガス流を、上記ウエハＷ側へ案内するためのルーバ部材８４が設けられている。このルーバ部材８４は、上記プラズマ用ボックス部５０と、これに対向する空間部７２との間の略中間部に対応する容器側壁に対向するようにして一対配置されている。

具体的には、このルーバ部材８４は、例えば断面が略円弧状になされた石英製のガス案内プレート８６を有しており、このガス案内プレート８６の一側、すなわちプラズマ用ボックス部５０側の一側の全体が石英製の取付板８６Ａによって容器内壁に溶接により接合されている。この取付板８６Ａ及びガス案内プレート８６の上下方向の長さは、例えばその上下端がウエハボート３２の上下端よりも僅かに上下及び下方にそれぞれ出るような長さに設定されている。また、このガス案内プレート８６の水平方向における長さ、すなわちガス流れ方向における長さは１０ｃｍ程度である。また、このガス案内プレート８６の断面円弧形状はウエハＷのエッジ部の円弧形状と略円芯円状になるように設定されている。

これにより、上記ガス案内プレート８６とウエハエッジ部との間の間隔がここの部分で狭められるので、上記プラズマ用ボックス部５０から処理容器２４内を水平方向に向けて拡散しつつ流れてくるガス流をウエハＷ側へ向けて案内するようになっている。尚、このガス案内プレート８６のガス流れ方向における長さは１０ｃｍ程度に限定されず、更に長く設定するようにしてもよい。

そして、この処理容器２４の外周には、これを取り囲むようにして円筒リング状の加熱手段８８が設けられており、上記処理容器２４内のウエハＷを加熱するようになっている。この場合、上記ウエハＷを均一に加熱するために、上記円筒リング状の加熱手段８８は、この中心軸がウエハＷの中心Ｗ０と一致するように配置される。

そして、この成膜装置全体の制御動作、例えば各ガスの供給、供給停止、ガス流量の制御及び高周波のオン・オフ制御等は例えばコンピュータ等よりなる制御手段９０により行われる。またこの制御手段９０は、上記各種ガスの供給や供給停止の制御、高周波のオン・オフ制御及び装置全体の動作を制御するためのプログラムを記憶する例えばフロッピディスク、フラッシュメモリ、ハードディスク等の記憶媒体９２を有している。

次に、以上のように構成された成膜装置２２を用いて行なわれるプラズマによる成膜方法（いわゆるＡＬＤ成膜）について説明する。図４はＡＬＤ法による成膜方法の一例における各種ガスの供給のタイミングとＲＦ（高周波）の印加のタイミングを示すタイミングチャートである。ここでは成膜処理として、ウエハ表面に低温で間欠的にプラズマを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する場合を例にとって説明する。すなわち、この成膜方法では、上記シラン系ガスであるＤＣＳガスと上記窒化ガスであるアンモニアガスとを交互に供給すると共に、上記窒化ガスはプラズマにより活性化させるようにしている。

まず、常温の多数枚、例えば５０〜１００枚の３００ｍｍサイズのウエハＷが載置された状態のウエハボート３２を予め所定の温度になされた処理容器２４内にその下方より上昇させてロードし、蓋部３８でマニホールド２８の下端開口部を閉じることにより容器内を密閉する。

そして処理容器２４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段８８への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度を維持し、上記ＤＣＳガスとＮＨ_３ ガスとを活性化非対象ガス供給手段７４及び活性化対象ガス供給手段６６からそれぞれ交互に間欠的に供給し、回転しているウエハボート３２に支持されているウエハＷの表面にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する。この際、ＮＨ_３ ガスを単独でパルス状に供給する時に、１パルス中の全供給時間に亘って、或いは全供給時間の一部において活性化手段５６の高周波電源（ＲＦ電源）６０をオンしてプラズマを立てるようにする。

具体的には、ＮＨ_３ ガスはプラズマ用ボックス部５０内に設けたガス分散ノズル６８の各ガス噴出孔６８Ａから水平方向へ噴射され、また、ＤＣＳガスは空間部７２に設けたガス分散ノズル７６の各ガス噴出孔７６Ａから水平方向へ噴射され、各ガスが反応してシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が形成される。この場合、上記各ガスは、連続的に供給されるのではなく、図４に示すように互いにタイミングを同じにして、或いはタイミングをずらして供給する。

そして、タイミングをずらしたガス同士は、間に間欠期間（パージ期間）９６を挟んで交互に間欠的にパルス状に繰り返し供給され、シリコン窒化膜の薄膜を一層ずつ繰り返し積層する。すなわち、図４（Ａ）に示すように、ＤＣＳはあるタイミングで間欠的に供給される。

これに対して、図４（Ｂ）に示すようにＮＨ_３ は上記ＤＣＳガスの供給休止期間の略中央にてパルス状に供給される。また間欠期間９６においては真空引きが継続されて容器内に残留するガスを排除している。そして、ＮＨ_３ ガスを流す時には、図４（Ｃ）に示すようにＲＦ電源がオンされてプラズマが立てられて、供給されるＮＨ_３ ガスを活性化して活性種等が作られ、反応（分解）が促進される。この時のプロセス圧力の変化は、図４（Ｄ）に示されている。

この場合、ＮＨ_３ ガスのパルス状の供給期間の全期間に亘ってＲＦ電源をオンしてもよいし、図４（Ｃ）に示すようにＮＨ_３ ガスの供給開始から所定の時間Δｔが経過した後に、ＲＦ電源をオンするようにしてもよい。この所定の時間ΔｔとはＮＨ_３ ガスの流量が安定するまでの時間であり、例えば５秒程度である。このように、ＮＨ_３ ガスの流量が安定化した後にＲＦ電源をオンすることにより、ウエハＷの面間方向（高さ方向）における活性種の濃度均一性を向上できる。

また間欠期間９６では、不活性ガスであるＮ_２ ガスを処理容器２４内へ供給して残留ガスを排除するようにしてもよいし（不活性ガスパージ）、或いは、全てのガスの供給を停止したまま真空引きを継続して行うことにより（バキュームとも称す）、処理容器２４内の残留ガスを排除するようにしてもよい。更には、間欠期間９６の前半はバキュームを行い、後半は不活性ガスパージを行うようにしてもよい。

この場合、吸着工程であるＤＣＳガスの供給期間Ｔ１は２〜５秒程度、反応工程（窒化工程）であるＮＨ_３ ガスの供給期間Ｔ２は５〜３０秒程度、パージ期間である間欠期間９６の長さＴ３は１〜１０秒程度、ＲＦ電源のオン時間Ｔ４は５秒程度であるが、これらの各時間は単に一例を示したに過ぎず、この数値に限定されない。通常、１サイクルによって形成される膜厚は１．１〜１．３Å／サイクル程度であるので、目標膜厚が例えば７００Åであるならば、６００サイクル程度繰り返し行うことになる。上記のように成膜処理を行うことにより、形成される窒化膜の誘電率を非常に低くでき、且つそのドライエッチング時のエッチング耐性を大幅に向上させることができる。

ここで上記成膜処理のプロセス条件について説明すると、ＤＣＳガスの流量は５０〜３０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば１０００ｓｃｃｍ（１ｓｌｍ）であり、ＮＨ_３ ガスの流量は５００〜５０００ｓｃｃｍの範囲内、例えば１０００ｓｃｃｍである。またプロセス温度はＣＶＤ成膜処理よりも低い温度であり、具体的には３００〜７００℃の範囲内、好ましくは５５０〜６３０℃の範囲内である。このプロセス温度が３００℃よりも低いと、反応が生ぜずにほとんど膜が堆積せず、また７００℃よりも高い場合には、膜質の劣るＣＶＤによる堆積膜が形成されてしまうのみならず、前工程ですでに形成されている金属膜等に熱的ダメージを与えてしまう。

またプロセス圧力は図４（Ｄ）に示すように変動するが、最低値が０．２〜２Ｔｏｒｒの範囲内、最高値が２〜１０Ｔｏｒｒ）の範囲内である。プロセス圧力が０．２Ｔｏｒｒ（１３Ｐａ）よりも小さい場合には、成膜レートが実用レベル以下になり、また１０Ｔｏｒｒ（１３３０Ｐａ）よりも大きい場合には、プラズマが十分に立たなくなってしまう。

さて、上述したようなＡＬＤ法により成膜処理を行う際の各ガスの流れについて詳しく説明する。
まず活性化非対象ガス供給手段７４のガス噴出ノズル７６は、容器内壁とウエハエッジ部との間の間隔Ｈ２が広くなされた空間部７２に設置されて、しかも、その下方には排気口８０が形成されているので、各ガス噴出孔７６Ａから噴出されたＤＣＳガスは直ちに排気口８０側へ排気される恐れが生ずるが、この時のプロセス圧力は図４（Ｄ）に示すように２〜１０Ｔｏｒｒであってウエハ表面側へＤＣＳガスを拡散させるためにはプロセス圧力は十分に高く、且つＤＣＳガスの供給量も十分に多いので、空間部７２の下方に排気口８０を設けてあるにもかかわらずに、各ガス噴出孔７６Ａから噴出したＤＣＳガスを水平方向に向けて十分に拡散させることができる。従って、各ガス噴出孔７６ＡからＤＣＳガスは上下に隣り合う各ウエハＷ間の隙間に入り込んでウエハＷの表面に十分に吸着されることになる。

この吸着工程の後は、処理容器２４内に残留するＤＣＳガスは排気され、その後、活性化対象ガス供給手段６６のガス噴出ノズル６８の各ガス噴出孔６８Ａから噴出されたＮＨ_３ ガスで、ウエハ表面に吸着していたＤＣＳガスを窒化し、これにより分子或いは原子レベルの厚さの薄いシリコン窒化膜が形成される。

この際、上記プラズマ用ボックス部５０内へ導入されたＮＨ_３ ガスは、活性化手段５６により発生されているプラズマにより活性化され、この活性化されているＮＨ_３ ガスがプラズマ用ボックス部５０の開口５２から処理容器２４内に水平方向へ向けて拡散して行くことになる。この場合、前述したように処理容器２４はウエハＷに対して偏芯させて設けられてプラズマ用ボックス部５０の開口５２とウエハエッジ部との間隔Ｈ１（図２参照）は非常に小さくなされているので、このＮＨ_３ ガスの活性種は上下に隣り合うように配置されたウエハ間へ効率的に入り込んで行き、ウエハ表面に吸着していたＤＣＳガスと反応してシリコン窒化膜が効率的に形成されることになる。

換言すれば、図７及び図８に示す従来の成膜装置と比較した場合、処理容器の内壁とウエハのエッジ部との間の間隔は、本発明の成膜装置の方が遥かに小さいので、上下に配置されたウエハ間の間隙を通ることなく上記間隔を成膜に寄与することなく通って排気されるＮＨ_３ ガスの活性種は非常に少なくなり、ガスの使用効率を大幅に向上させることができると共に、スループットも高く維持することができる。

また、本発明装置の処理容器は、図７及び図８に示す従来装置で必要とされた排気口１６の削り取り加工や排気側のカバー部材１８（図８参照）の接続加工等が不要になって構造が簡単化でき、しかも、処理容器２４の内径も小さくすることができ、結果的に、装置コストを大幅に削除することができる。

更に、本発明装置では、処理容器２４の内壁に一対のルーバ部材８４を設けて、容器内壁とウエハのエッジ部との間の間隔が広がりつつある部分において、この間隔に流れ込んでくるＮＨ_３ ガスの活性種の流れを再びウエハＷ側へ向けて案内するようにしているので、ＮＨ_３ ガスを更に効率的に使用してガスの使用効率を一層向上させることができる。

以上のように、断面が円形リング状になされた縦型筒体状の処理容器２４を、プラズマを発生するプラズマボックス部５０を設けた部分における容器内壁と被処理体である半導体ウエハＷのエッジ部との間の間隔が他の部分における容器内壁と被処理体のエッジ部との間の間隔よりも狭くなるように偏芯させて設けるようにしたので、処理容器２４の構造を複雑化させることなくガスの使用効率及び製品のスループットを高く維持し、装置全体のコストを低下させることができる。

＜本発明装置の評価＞
次に、本発明の成膜装置に関してシミュレーションによってルーバ部８４の機能を評価したので、その評価結果について説明する。
図５は本発明の成膜装置におけるウエハ上の流速分布のシミュレーション結果を示す図面代用写真である。ここではプロセス圧力は８０Ｐａ、使用ガスはＮ_２ を用いており、これを５ｓｌｍの流量で流した。図中、”ＴＯＰ”はウエハボート３２中の上段のウエハを示し、”ＣＴＲ”は中段のウエハを示し、”ＢＴＭ”は下段のウエハを示す。そして、Ｎ_２ ガスは各図中の中央部の下方の凸部より上方に向けて噴出している。

図５（Ａ）はルーバ部８４を設けていない場合”無し”を示し、図５（Ｂ）はルーバ部８４を設けた場合”有り”を示している。図５（Ａ）に示すように、ルーバ部８４を設けていない場合には、ガス流の分布密度が”密”になっており、ガス流れ方向におけるガス流の速度変化が大きいのに対して、図５（Ｂ）に示すようにルーバ部８４を設けた場合にはガス流の分布密度が”粗”になっており、ガス流れ方向におけるガス流の速度変化が少なくて活性化ガスが失活することなく遠い位置まで届いていることが理解できる。これにより、ルーバ部８４を設けた方が、これを設けない場合よりもガス流の速度変化が少なく、その分、ガスの失活が少なくなって効率的に使用できることが判る。

尚、ここでは、上記プラズマ用ボックス部５０の開口５２は、開放状態になされていたが、これに限定されず、例えば図６に示すプラズマ用ボックス部５０の変形例の断面図に示すように、この開口５２に、長溝状のスリットや断面円形状の貫通孔等よりなる複数、或いは単数のガス流通孔１００を形成した例えば石英製のガス整流プレート１０２を溶接接続するようにしてもよい。この場合には、プラズマ用ボックス部５０内で発生したプラズマが処理容器２４内へ流出することを抑制することができる。

また、本実施例では、処理容器２４の下流側に位置するマニホールド２８に排気口８０を設けたが、これに限定されず、処理容器２４の上端側、すなわち処理容器２４の天井部や上端側の容器側壁に排気口８０を設けるようにしてもよい。尚、この場合には、処理容器２４内の上部に設けた天井板２６は不要となる。

また、本実施例では、シラン系ガスとしてはＤＣＳガスを用い、窒化ガスとしてはＮＨ_３ ガスを用いた場合を例にとって説明したが、上記シラン系ガスとしては、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、モノシラン［ＳｉＨ_４ ］、ジシラン［Ｓｉ_２ Ｈ_６ ］、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができ、上記窒化ガスとしては、アンモニア［ＮＨ_３ ］、窒素［Ｎ_２ ］、一酸化二窒素［Ｎ_２ Ｏ］、一酸化窒素［ＮＯ］よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができる。

更に、本実施例は、不純物元素を含まないシリコン窒化膜を成膜する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、Ｂ（ボロン）やＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）等の不純物元素を添加させるようにしてもよい。この場合、この不純物元素を含むドープガスを供給するガス分散ノズルは、例えば上記プラズマ用ボックス部５０内に、ＮＨ_３ ガス用のガス分散ノズル６８と併設させればよく、また、ドープガスの供給タイミングはＮＨ_３ ガスの供給タイミングと同期させるようにし、ＮＨ_３ ガスと同時に供給すればよい。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明の係る成膜装置の一例を示す縦断面構成図である。 成膜装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図である。 処理容器に設けたルーバ部材を示す拡大斜視図である。 成膜方法の一例における各種のガスの供給のタイミングとＲＦ（高周波）の印加のタイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の成膜装置におけるウエハ上の流速分布のシミュレーション結果を示す図面代用写真である。 プラズマ用ボックス部の変形例を示す断面図である。 従来のバッチ式の成膜装置の一例を示す概略構成図である。 図７に示す成膜装置を示す概略横断断面図である。

符号の説明

２２ 成膜装置
２４ 処理容器
３２ ウエハボート（保持手段）
３８ 蓋部
５０ プラズマ用ボックス部
５４ プラズマ用区画壁
５６ 活性化手段
５８ プラズマ電極
６０ プラズマ発生用の高周波電源
６６ 活性化対象ガス供給手段
６８ ガス分散ノズル
６８Ａ ガス噴出孔
７４ 活性化非対象ガス供給手段
７６ ガス分散ノズル
７６Ａ ガス噴出孔
８４ ルーバ部材
８６ ガス案内プレート
８８ 加熱手段
９０ 制御手段
９２ 記憶媒体
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (7)

1. 被処理体に対して所定の薄膜を形成するための成膜装置において、
   真空引き可能になされて断面が円形リング状になされた縦型筒体状の処理容器と、
   前記被処理体を複数段に保持して前記処理容器内へ挿脱される保持手段と、
   前記処理容器の一側に、前記処理容器の半径方向の外側に向けて突出され且つ高さ方向に沿って設けられたプラズマ用ボックス部と、
   前記プラズマ用ボックス部内に活性化されるガスである活性化対象ガスを供給する活性化対象ガス供給手段と、
   前記活性化対象ガスを活性化する活性化手段と、
   前記処理容器内へ活性化の対象でない活性化非対象ガスを供給する活性化非対象ガス供給手段とを備え、
   前記処理容器を、前記プラズマ用ボックス部を設けた部分における容器内壁と前記被処理体のエッジ部との間の間隔が他の部分における容器内壁と前記被処理体のエッジ部との間の間隔よりも狭くなるように偏芯させて設けるように構成したことを特徴とする成膜装置。
2. 前記活性化非活性化ガス供給手段は、前記プラズマ用ボックス部を設けた部分に対して前記処理容器の中心軸を対称軸として反対側に位置する前記処理容器内の空間部に、その高さ方向に沿って延びるガス分散ノズルを有していることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記活性化対象ガス供給手段は、前記プラズマ用ボックス内に、その高さ方向に沿って延びるように設けられたガス分散ノズルを有していることを特徴とする請求項１又は２記載の成膜装置。
4. 前記処理容器の上端側、或いは下端側に前記処理容器内の雰囲気を排気する排気口が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記処理容器の内壁には、前記プラズマ用ボックス部から前記処理容器の水平方向の反対側へ流れるガス流を前記被処理体側へ案内するためのルーバ部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の成膜装置。
6. 前記活性化対象ガスは窒化ガスであり、前記活性化非対象ガスはシラン系ガスであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の成膜装置。
7. 前記シラン系ガスは、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、モノシラン［ＳｉＨ_４ ］、ジシラン［Ｓｉ_２ Ｈ_６ ］、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）よりなる群より選択される１以上のガスであり、前記窒化ガスは、アンモニア［ＮＨ_３ ］、窒素［Ｎ_２ ］、一酸化二窒素［Ｎ_２ Ｏ］、一酸化窒素［ＮＯ］よりなる群より選択される１以上のガスであることを特徴とする請求項６記載の成膜装置。

Images