JP5283673B2 - 半導体装置の製造方法、成膜方法および基板処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置の製造方法、成膜方法および基板処理装置に係り、特に成膜に寄与する複数種類のガスを交互に流して、積層された基板上に成膜する工程を備える半導体装置の製造方法、成膜方法および当該方法に好適に使用される基板処理装置に関するものである。
図７は、成膜に寄与する複数種類のガスを交互に流して成膜を行なう半導体装置製造装置の従来例である原子層成膜装置（以下、単にＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）装置という）を示す。これは、例えば成膜に寄与する２種のプロセスガスａ、ｂを反応室１内に交互に供給しつつ排気して、反応室１内の基板上に吸着、反応させることにより成膜するものである。この場合、プロセスガスａ、ｂのガス供給量はガス供給配管７、８に設けたマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２、３による流量制御によって行なっている。また、反応室１内の圧力は排気配管９に設けた排気バルブ６の開度調整により排気量を制御することで行なっている。
しかしながら、上述した従来のＡＬＤ装置では、特に、反応室にプロセスガスを供給する場合、反応室からの排気量を制御しつつ供給されているため、短時間でガスの圧力を上昇させることが出来ず、このガス圧上昇の遅れのため、吸着、反応速度が遅くなるという欠点があった。この欠点は１〜２枚程度の基板を同時処理する枚葉式のＡＬＤ装置では反応室の容積が小さいので余り問題にはならないが、特に、積層された多数の基板を同時処理するバッチ式の縦型ＡＬＤ装置にあっては、反応室の容積が大きいため、吸着、反応速度の遅延が顕著になり、スループットが大幅に低下するという問題があった。
なお、従来の技術としては、枚葉式であって、反応室内に酸素（Ｏ）ラジカルを流し続け、ＴＥＯＳガスを間欠的に約２秒づつ供給し、凝集膜を形成する成膜装置がある。この装置には、ＴＥＯＳボンベから反応室へ供給されるガス供給系にガス溜り３０３、３０４が設けられ、ガス溜りに溜めたＴＥＯＳガスを反応室へ供給させるようになっている。また、ガス溜りを２つ設けることで、一方のガス溜りの使用中に他方のガス溜りにガスを溜めることが可能となり、スループットを向上している。しかし、このガス溜りを設けた装置は反応室容積の小さい枚葉装置についてのものであり、反応室容積の大きな縦型装置についてのものではない。また、反応室内にプロセスガスａ、ｂを交互に供給するＡＬＤ装置についてのものでもない。
なお、従来の技術としては、枚葉式であって、反応室内に酸素（Ｏ）ラジカルを流し続け、ＴＥＯＳガスを間欠的に約２秒づつ供給し、凝集膜を形成する成膜装置がある。この装置には、ＴＥＯＳボンベから反応室へ供給されるガス供給系にガス溜り３０３、３０４が設けられ、ガス溜りに溜めたＴＥＯＳガスを反応室へ供給させるようになっている。また、ガス溜りを２つ設けることで、一方のガス溜りの使用中に他方のガス溜りにガスを溜めることが可能となり、スループットを向上している。しかし、このガス溜りを設けた装置は反応室容積の小さい枚葉装置についてのものであり、反応室容積の大きな縦型装置についてのものではない。また、反応室内にプロセスガスａ、ｂを交互に供給するＡＬＤ装置についてのものでもない。
本発明の主な目的は、成膜に寄与する複数種類のガスを交互に流して成膜する工程を備える半導体装置の製造方法において、上述した従来技術の問題点を解消して、スループットを向上することが可能な半導体装置の製造方法、成膜方法および基板処理装置を提供することにある。
本発明によれば、
基板を収容した反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容した反応室に、少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容した反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する成膜方法が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容した反応室に、少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する成膜方法が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容する反応室と、
前記反応室を、排気バルブを介して排気する排気路と、
前記反応室に第１供給バルブを介して第１のプロセスガスを供給する第１の供給路と、
前記反応室に第２供給バルブを介して第２のプロセスガスを供給する第２の供給路と、
前記第２のプロセスガスをプラズマ励起するプラズマ励起手段と、
前記反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を第１のプロセスガスに晒し、前記反応室内の雰囲気を排気し、前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒し、前記反応室の雰囲気を排気するよう、前記排気バルブ、前記第１供給バルブ、前記第２供給バルブおよび前記プラズマ励起手段を制御する制御手段と、を備えた基板処理装置が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容する反応室と、
前記反応室を、排気バルブを介して排気する排気路と、
前記反応室に第１供給バルブを介して第１のプロセスガスを供給する第１の供給路と、
前記反応室に第２供給バルブを介して第２のプロセスガスを供給する第２の供給路と、
前記第１の供給路に設けられ、前記第１のプロセスガスを溜めるガス溜りと、
前記第２のプロセスガスをプラズマ励起するプラズマ励起手段と、
前記反応室に少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を第１のプロセスガスに晒し、前記反応室内の雰囲気を排気し、前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒し、前記反応室の雰囲気を排気するよう、前記排気バルブ、前記第１供給バルブ、前記第２供給バルブおよび前記プラズマ励起手段を制御する制御手段と、を備えた基板処理装置が提供される。
基板を収容した反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容した反応室に、少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容した反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する成膜方法が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容した反応室に、少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する成膜方法が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容する反応室と、
前記反応室を、排気バルブを介して排気する排気路と、
前記反応室に第１供給バルブを介して第１のプロセスガスを供給する第１の供給路と、
前記反応室に第２供給バルブを介して第２のプロセスガスを供給する第２の供給路と、
前記第２のプロセスガスをプラズマ励起するプラズマ励起手段と、
前記反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を第１のプロセスガスに晒し、前記反応室内の雰囲気を排気し、前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒し、前記反応室の雰囲気を排気するよう、前記排気バルブ、前記第１供給バルブ、前記第２供給バルブおよび前記プラズマ励起手段を制御する制御手段と、を備えた基板処理装置が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容する反応室と、
前記反応室を、排気バルブを介して排気する排気路と、
前記反応室に第１供給バルブを介して第１のプロセスガスを供給する第１の供給路と、
前記反応室に第２供給バルブを介して第２のプロセスガスを供給する第２の供給路と、
前記第１の供給路に設けられ、前記第１のプロセスガスを溜めるガス溜りと、
前記第２のプロセスガスをプラズマ励起するプラズマ励起手段と、
前記反応室に少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を第１のプロセスガスに晒し、前記反応室内の雰囲気を排気し、前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒し、前記反応室の雰囲気を排気するよう、前記排気バルブ、前記第１供給バルブ、前記第２供給バルブおよび前記プラズマ励起手段を制御する制御手段と、を備えた基板処理装置が提供される。
排気を止めた状態で第１の種類のガスを反応室に供給することにより、反応室を昇圧状態とする。したがって、排気量を制御しつつ反応室を昇圧させるものと比べて、反応室容積の大きな装置であっても、短時間に反応室を昇圧させることができ、また高い昇圧状態を容易に得ることができる。昇圧時間が短く、昇圧させる圧力が高いほど、基板への吸着、成膜速度を上げることが可能となり、スループットの向上が図れる。
好ましくは、前記第２の種類のガスはアンモニアである。この場合に、好ましくは、前記アンモニアガスを供給した場合の前記反応室の圧力を１０〜１００Ｐａとする。さらに好ましくは、前記アンモニアガスを供給した場合の前記反応室の圧力を３０〜６０Ｐａとする。好ましくは、前記第１の種類のガスはジクロルシランである。
好ましくは、前記第１供給路には、前記第１の種類のガスを溜めるガス溜りを有し、前記制御手段は、前記第１の種類のガスを反応室に供給する際には前記第１の種類のガスを前記第１供給路に流して前記ガス溜りに溜め、前記反応室の排気を止めた状態で前記ガス溜りから該ガス溜りに溜めた前記第１の種類のガスを前記反応室に供給することにより、該反応室内の前記複数の基板を前記第１の種類のガスに晒す。
この構成によれば、ガス溜りに第１の種類のガスを溜め、排気を止めた状態でガス溜りに溜めた第１の種類のガスを反応室に供給することにより、反応室を昇圧状態とする。したがって、排気量を制御しつつ反応室を昇圧させるものと比べて、反応室容積の大きな装置であっても、瞬間的に反応室を昇圧させることができ、また、高い昇圧状態をより容易に得ることができる。基板への吸着、成膜速度をより上げることが可能となり、スループットの大幅な向上が図れる。
好ましくは、前記ガス溜りの圧力を２０，０００Ｐａ以上とする。
また、好ましくは、前記ガス溜りの容積を前記反応室の容積の１／１０００〜３／１０００とする。
また、好ましくは、前記ガス溜りの容積を前記反応室の容積の１／１０００〜３／１０００とする。
本発明によれば、スループットを向上できる。
（発明の実施の形態）
以下に本発明の実施の形態を説明する。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図６は、実施の形態による縦型ＡＬＤ装置の基本構成図を示し、（ａ）は縦断面が示された概略図、（ｂ）は横断面が示された概略図である。ヒータ３１の内側に、基板を処理する反応室を構成する反応管３２が設けられる。反応管３２の下端開口はシールキャップ３５により気密に閉塞され、シールキャップ３５にボート３９が立設されて反応管３２内に挿入される。ボート３９にはバッチ処理される複数の基板Ｗが水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。前記ヒータ３１は反応管３２内の基板Ｗを所定の温度に加熱する。
反応管３２内に複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給路としての２本のガス供給配管が設けられる。ここでは第１のガス供給配管４１はリモートプラズマユニットを介さないで、また第２のガス供給配管３８はリモートプラズマユニット３７を介して反応管３２の一側にそれぞれ接続されている。したがって反応管３２内の複数の基板Ｗに供給されるガスには、プラズマにより励起しないで供給するガスと、プラズマ励起することにより活性種として供給するガスとの２種類がある。なお、反応管３２の他側に反応室を排気する排気路としての排気配管４０が設けられ、排気配管４０には図示しない真空排気手段としての真空ポンプが接続されている。
リモートプラズマユニット３７は、反応管３２内にボート３９に沿って立設されたノズル３０に接続される。このノズル３０には、多段に積載された多数枚の各基板と対向するように多数の出口穴３４がノズル軸方向に沿って設けられる。
出口穴３４は、ガス上流の基板Ｗからガス下流の基板Ｗまで励起されたガス、または励起されないガスを均一に供給するために、ガス上流の出口穴径を小さくし、ガス下流の出口穴径を大きくすることによりコンダクタンスを変化させて、上流でも下流でも均等にガスが吹き出す構造とする。
また、２種類のガスの流し方、及び基板Ｗの成膜温度を制御する制御手段が設けられる。制御手段は、２種類のガスを一種類ずつ交互に繰り返し流すように制御するガス供給制御手段４３と、ヒータ加熱による成膜温度を制御する温度制御手段４２とを有している。
次に上述した基本構成の縦型ＡＬＤ装置を用いて成膜する方法を説明する。膜はＳｉ３Ｎ４膜を形成する。反応ガスはＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２：ジクロルシラン）とプラズマ処理したＮＨ３である。
まず成膜しようとする基板Ｗをボート３９に装填し、反応管３２内（以下、単に炉内ともいう）に搬入する。次に基板上にＳｉ３Ｎ４膜の成膜を行なう。このときの炉内温度は、下地膜と密着性がよく界面の欠陥の少ない膜が形成される温度、例えば３５０〜６００℃である。この成膜には、ＮＨ３とＤＣＳとを交互に流して１原子層づつ膜を形成するＡＬＤ法を用いる。
まず第２ガス供給配管３８からＮＨ３を供給する。ＮＨ３はＤＣＳよりも反応温度が高いため、上記炉内温度では反応しない。そこで、ＮＨ３をリモートプラズマユニット３７で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、上記炉内温度でも反応するようにする。このとき、炉内圧力は比較的低い圧力３０〜６０Ｐａに維持しつつ、プラズマ励起することにより活性種としたＮＨ３を５〜１２０秒間供給する。炉内に流しているのはプラズマ励起することにより活性種としたＮＨ３だけで、ＤＣＳは存在しない。したがって、プラズマ励起することにより活性種としたＮＨ３は、気相反応を起こすことなく、基板Ｗ上の下地膜と表面反応する。
つぎに第１ガス供給配管４１からＤＣＳを供給する。この時には炉内からの排気は止めておく。ＤＣＳは上記炉内温度で反応するので、リモートプラズマ３７によるプラズマ励起の必要はない。このときの炉内圧力はＮＨ３のときよりも高い圧力２６６〜９３１Ｐａに昇圧する。ＤＣＳの供給により下地膜上のＮＨ３とＤＣＳが表面反応して、Ｓｉ３Ｎ４膜が成膜される。
上述したＮＨ３とＤＣＳとを交互に流す工程を１サイクルとする。このサイクルを繰り返すことにより、所定厚のＳｉ３Ｎ４膜が形成される。ＡＬＤ法では、成膜に寄与する２種のガスが同時に気相中に存在しないため、ガスは下地表面に吸着し、下地膜と反応する。このため下地膜との密着性が良い膜が得られ、２種のガスを同時に流すＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で成膜するよりも界面の欠陥が減少する。また、複数種類のガスのうちプラズマ励起の必要なＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すようにしたので、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスによる反応温度で成膜できるので、３５０〜６００℃という低温で成膜できる。
さて、一般的な縦型ＣＶＤ装置では、例えば成膜ガスであるＤＣＳガスを供給する場合、反応室からの排気量を制御しつつ供給するが、もしここで反応室内からの排気を止めてしまうと、ＤＣＳガス供給の上流側の基板では膜厚が厚くなり、ＤＣＳガス供給の下流側に行くに従って基板への成膜される膜厚が薄くなり、複数のウェーハ間での膜厚均一性が大幅に低減してしまう恐れがある。また成膜ガスを排気せずに供給するとパーティクルの発生の原因にもなりかねなく、成膜ガスを排気せずに供給することは実施されていなかったので、従来の縦型ＡＬＤ装置でも、反応室にプロセスガスを供給する場合、反応室内からの排気量を制御しつつ供給していた。
しかし、鋭意研究し実験を重ねた結果、上述した本発明のバッチ式の縦型ＡＬＤ装置では反応室内からの排気を止めても複数のウェーハ間での均一性が良好であり、パーティクル発生の問題も生じないことが判明した。また更に本発明のバッチ式の縦型ＡＬＤ装置では、一度に多数の基板（１００枚〜１５０枚）を処理するために、１〜３枚を処理する枚葉式に比べて反応室の容積が極端に大きいために、反応室を排気した減圧状態から昇圧する際、排気配管４０からの排気を止めているので、短時間でガスの圧力を上昇させることが出来、このガス圧上昇のため、吸着、反応速度が早くなり、基板の処理効率が格段に向上した。
また更に、本実施の形態の縦型ＡＬＤ装置では、図６の基本構成に加えて、図１に示すように、第１供給配管４１にガス溜り２１を設けて、ガス溜り２１からＤＣＳガスを供給するようにしている。
以下、図１の構成を詳述する。縦型ＡＬＤ装置は、積層された多数の基板Ｗを処理する縦型の反応炉２０を有する。反応炉２０には、真空ポンプ２６に連通して反応炉２０を排気する排気配管４０と、ＤＣＳを反応炉２０に供給する第１供給配管４１と、ＮＨ３をプラズマ励起することにより活性種として反応炉２０に供給する第２供給配管３８とを備える。
また、ＤＣＳを流す第１供給配管４１の途中にＤＣＳを溜めるガス溜り２１を設ける。このガス溜り２１は、例えば通常の配管よりもガス容量の大きなガスタンク又は螺旋配管などで構成する。
ガス溜り２１の上流側の第１供給配管４１に管路を開閉する第１ガス供給バルブ２２を、下流側の第１供給配管４１に管路を開閉する第２ガス供給バルブ２３をそれぞれ設ける。第１ガス供給バルブ２２または第２ガス供給バルブ２３を開閉することにより、第１供給配管４１を介して第１の種類のガスとしてのＤＣＳガスをガス溜り２１に溜めたり、溜めたＤＣＳガスを反応炉２０に供給できるようになっている。また、第２供給配管３８には管路を開閉するＮＨ３ガス供給バルブ２４をリモートプラズマユニット３７の上流側に設け、ガス供給バルブ２４を開閉することにより、第２の種類のガスとしてのＮＨ３ガスを反応炉２０に供給したり、供給を止めたりできるようになっている。排気配管４０には管路を開閉及び開度を調整する排気バルブ２５を設け、排気バルブ２５を開閉することにより反応炉２０を排気したり、排気を止めたりできるようになっている。また排気バルブ２５の開度を調整することにより反応炉２０を所定圧に維持しつつ排気できるようになっている。第１供給配管４１及び第２供給配管３８には、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）２７、２８がそれぞれ設けられ、第１供給配管４１及び第２供給配管３８に流れるガス流量を制御するようになっている。なお、排気バルブ２５は、開閉及び開度調整する機能を有する単体のバルブで構成しても、あるいは開閉機能を有するバルブと開度調整機能を有するバルブとの複数のバルブで構成してもよい。
また、ポンプ２６、バルブ２２〜２５、及び図示しないヒータ等を制御する制御手段２９が設けられる。制御手段２９は、排気バルブ２５及びガス供給バルブ２２〜２４を制御して、ＤＣＳガスを第１供給配管４１に流してガス溜り２１に溜め、反応炉２０の排気を止めた状態でガス溜り２１に溜めたＤＣＳガスを反応炉２０に供給することにより、反応炉２０を昇圧状態として基板ＷをＤＣＳガスに晒す。また、真空ポンプ２６により反応炉２０を排気しつつＮＨ３ガスをリモートプラズマユニット３７を介して第２供給配管３８より反応炉２０に供給することにより、ＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより得られた活性種に基板Ｗを晒すようになっている。
次に、３つのステップを説明した図２〜図４を用いてＤＣＳ、及びＮＨ３のガス供給例を説明する。なお、黒で塗り潰されているバルブは閉、塗り潰されていないバルブは開である。まず成膜しようとする基板Ｗをボート３９に装填し、炉内に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。
図２に示すステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ３ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して流す。まずガス供給配管３８に設けたバルブ２４、及び排気配管４０に設けた排気バルブ２５を共に開けて、ガス供給配管３８からＮＨ３をリモートプラズマユニット３７でプラズマ励起することにより活性種として炉２０内に供給しつつ排気配管４０から排気する。ＮＨ３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、排気バルブ２５を適正に調整して炉内圧力を１０〜１００Ｐａとし、より好ましくは、３０〜６０Ｐａとする。ＭＦＣ２７で制御するＮＨ３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ３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に、もし、排気配管４０に設けた排気バルブ２５を閉めて真空排気を止めた状態とすると、ＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性化された活性種が基板Ｗに到達する前に失活してしまい、その結果基板Ｗの表面と反応が起きなくなるという問題があるので、ＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流す場合には、排気バルブ２５を開けて、反応炉２０を排気する必要がある。ＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性化された活性種を大流量流すと共に、真空排気を行って、炉内圧力を１０〜１００Ｐａ、より好ましくは、３０〜６０Ｐａとすると、均一性良く効率的に成膜できる。基板ＷをＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種に晒す時間は２〜１２０秒間である。このときの炉内温度は３５０〜６００℃に設定してある。ＮＨ３は反応温度が高いため、上記炉内温度では反応せず、バルブ２４下流側にリモートプラズマユニット３７で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いるので、炉内温度は設定した低い温度範囲のままで行なえる。
このＮＨ３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、ガス供給配管４１の上流側バルブ２２を開け、下流側バルブ２３を閉めて、ＤＣＳも流すようにする。これによりバルブ２２、２３間に設けたガス溜り２１にＤＣＳを溜める。このとき、炉内に流しているガスはＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳは存在しない。したがって、ＮＨ３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ＮＨ３は基板Ｗ上の下地膜と表面反応する。
図３に示すステップ２では、ガス供給配管３８のバルブ２４を閉めて、ＮＨ３の供給を止めるが、引続きガス溜り２１への供給を継続する。ガス溜り２１に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側バルブ２２も閉めて、ガス溜り２１にＤＣＳを閉じ込めておく。また、排気配管４０の排気バルブ２５は開いたままにして炉内を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ３を炉内から排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを炉内に供給すると、更に残留ＮＨ３を炉内から排除する効果が高まる。ガス溜り２１内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜り２１と反応炉２０との間のコンダクタンスが１．５×１０−３ｍ３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応室容積とこれに対する必要なガス溜りの容積との比として考えると、反応室容積１００ｌ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りは反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。
図４に示すステップ３では、炉内排気が終わったら排気配管４０のバルブ２５を閉じて排気を止める。第１ガス供給配管４１の下流側のバルブ２３を開く。これによりガス溜り２１に溜められたＤＣＳが炉２０内に一気に供給される。このとき排気配管４０のバルブ２５が閉じられているので、炉内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。このときの炉内温度は、ＮＨ３の供給時と同じく、３５０〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ３とＤＣＳとが表面反応して、基板上にＳｉ３Ｎ４膜が成膜される。成膜後、バルブ２３を閉じ、バルブ２５を開けて、反応炉２０内を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを炉内から排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを炉内に供給すると、更に残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを炉内から排除する効果が高まる。またバルブ２２を開いてガス溜り２１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基板上に所定膜厚のＳｉ３Ｎ４膜を成膜する。
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、及びガス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、本実施の形態では、排気バルブ２５を閉めたうえで、ガス溜り２１内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、炉内の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、本実施の形態では、ガス溜り２１にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び炉内排気をしているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。また、炉内を排気してＮＨ３ガスを除去してからＤＣＳを流すので、両者は基板に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、基板Ｗに吸着しているＮＨ３とのみ有効に反応させることができる。
図５は、吸着量と成膜速度の関係を示す図であって、ガス溜りを使ってＤＣＳを昇圧供給する発明を適用した装置構成と、排気を制御しつつＤＣＳを供給する従来の装置構成との比較図である。横軸にガス分子吸着量Ｌ（ラングミュア：ガス圧力とガス暴露時間の積）をとり、縦軸に１サイクル当たりの成膜膜厚（オングストローム／サイクル）をとっている。１サイクルあたりの成膜速度を比較すると、ガス分子吸着量Ｌ（ラングミュア）を同じにしても、発明装置の方が従来装置よりも、１サイクル当たりの成膜膜厚を上げることができる。また、同一膜厚に対するガス暴露時間を比較してみると、例えば、本発明の装置構成で実施した場合のデータＡは、Ｌが０．３８、厚さが１．００９オングストローム／サイクルである。これに対応する従来の装置構成で実施した場合のデータＢは、Ｌが１．８６、厚さが１．００３オングストローム／サイクルである。データＡとデータＢでの厚さはほぼ等しく、また圧力は同じなので、データＡはデータＢに対してガス暴露時間が約１／５倍となり、本発明のスループットも大きく向上していることがわかる。
従って、圧力を上昇すると成膜速度が上がり、かつＡＬＤのように反応室内を一旦排気してからプロセスガス供給することを繰り返すプロセスにおいては、実施の形態のように、ガス溜りを使って昇圧する方が、そうしないものに比べて、スループットを大幅に上げることができる。特に炉容積が大きく、反応室内を一旦排気してからプロセスガス供給することを繰り返して成膜を行う縦型ＡＬＤ装置にあっては、そのスループットを上げるには、ガス溜りを設けて瞬時に昇圧することが必須となる。
なお、上述した実施の形態では、ガス溜りとしてガスタンクや螺旋配管を１個設けた場合について説明した。しかし、これに限定されることなく、並列に複数個設けるようにてもよい。また、本発明のガス溜りはガスタンクや螺旋配管に限定されず、ガスを溜めて一気に放出できるものであればいずれの手段であってもよい。例えば、ＤＣＳの供給配管を通常よりも太くし、それに応じてＭＦＣの容量を大きくするようにしてもよい。また、ＤＣＳの供給配管を複数本にしてもよい。この場合、ＤＣＳ供給源となるボンベの数を供給配管の本数に応じて増やしても良い。また、ＤＣＳは蒸気圧が低いので、ボンベを加熱してＤＣＳの気化量を多くするようにしてもよい。さらに、ポンプで強制的にＤＣＳを炉内に送り込むようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、本発明を縦型半導体製造装置について適用しているが、半導体装置の製造方法にも適用することが可能である。この半導体装置の製造方法は、例えば、反応室内の真空排気と反応室へのプロセスガス供給とを繰り返し、反応室内に積層された基板を処理する半導体装置の製造方法において、第１の種類のガスを流す供給路の途中に第１の種類のガスを溜めておき、反応室からの排気を止めた状態で、供給路の途中に溜めた第１の種類のガスを反応室に供給して昇圧状態として基板上に成膜するようにしたものとすることができる。これによれば、排気を止めた状態でガス溜りに溜めた第１の種類のガスを反応室に供給するようにしたので、第１の種類のガスを瞬間的に供給して、反応室内を昇圧させることができる。したがって容積の大きな縦型反応室であっても、反応室内の真空排気から反応室へのプロセスガス供給に切り替える際に、遅れを伴わずに反応室内を昇圧させることができ、基板への吸着、成膜速度を上げることが可能となり、スループットの大幅な向上が図れる。
２１ ガス溜り
２０ 反応室（炉）
２２〜２５ バルブ
２６ ポンプ
３８ 第２供給配管
４０ 排気配管
４１ 第１供給配管
Ｗ 基板
２０ 反応室（炉）
２２〜２５ バルブ
２６ ポンプ
３８ 第２供給配管
４０ 排気配管
４１ 第１供給配管
Ｗ 基板
Claims (12)
- 基板を収容した反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 基板を収容した反応室に、少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す際には、前記反応室内の雰囲気の排気を実質的に止めた状態で行う請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す際には、前記反応室内の圧力を２６６Pa以上にする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記反応室内の所定圧力は、１０〜１００Paである請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記反応室内の所定圧力は、３０〜６０Paである請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す際に、前記ガス溜りに前記第１のプロセスガスを溜める請求項２の半導体装置の製造方法。
- 前記ガス溜りの容積は前記反応室の容積の１／１０００〜３／１０００である請求項２または請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
- 基板を収容した反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する成膜方法。 - 基板を収容した反応室に、少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を前記第１のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室内の雰囲気を排気する第１の排気工程と、
前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒す工程と、
その後、前記反応室の雰囲気を排気する第２の排気工程と、
を有する成膜方法。 - 基板を収容する反応室と、
前記反応室を、排気バルブを介して排気する排気路と、
前記反応室に第１供給バルブを介して第１のプロセスガスを供給する第１の供給路と、
前記反応室に第２供給バルブを介して第２のプロセスガスを供給する第２の供給路と、
前記第２のプロセスガスをプラズマ励起するプラズマ励起手段と、
前記反応室にプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を第１のプロセスガスに晒し、前記反応室内の雰囲気を排気し、前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒し、前記反応室の雰囲気を排気するよう、前記排気バルブ、前記第１供給バルブ、前記第２供給バルブおよび前記プラズマ励起手段を制御する制御手段と、を備えた基板処理装置。 - 基板を収容する反応室と、
前記反応室を、排気バルブを介して排気する排気路と、
前記反応室に第１供給バルブを介して第１のプロセスガスを供給する第１の供給路と、
前記反応室に第２供給バルブを介して第２のプロセスガスを供給する第２の供給路と、
前記第１の供給路に設けられ、前記第１のプロセスガスを溜めるガス溜りと、
前記第２のプロセスガスをプラズマ励起するプラズマ励起手段と、
前記反応室に少なくとも予めガス溜りに溜めたプラズマ励起されていない第１のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を昇圧しつつ前記基板を第１のプロセスガスに晒し、前記反応室内の雰囲気を排気し、前記反応室にプラズマ励起された第２のプロセスガスを供給し前記反応室の圧力を所定圧に維持しつつ前記基板を前記第２のプロセスガスに晒し前記反応室の雰囲気を排気するよう、前記排気バルブ、前記第１供給バルブ、前記第２供給バルブおよび前記プラズマ励起手段を制御する制御手段と、を備えた基板処理装置。
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