JP5887962B2

JP5887962B2 - 成膜装置

Info

Publication number: JP5887962B2
Application number: JP2012017528A
Authority: JP
Inventors: 大和戸根川; 鈴木　啓介; 鈴木　　啓介; 徹志尾崎; 両角　友一朗; 友一朗両角; 徳清張
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013157491A

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。

ここで上記半導体集積回路の特性を向上させる要因の１つとして、集積回路中の絶縁膜の特性を向上させることは重要である。上記集積回路中の絶縁膜としては、一般的にはＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４（シリコン窒化膜）等が用いられる。そして、特にシリコン窒化膜は、絶縁特性がシリコン酸化膜より比較的良好なこと、及びエッチングストッパ膜や層間絶縁膜としても十分に機能することから多用される傾向にある。

半導体ウエハの表面に上述したようなシリコン窒化膜を形成するには、成膜ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４）等のシリコン含有ガスを用いて熱ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により成膜する方法が知られている（例えば特許文献１、２参照）。

ところで、最近にあっては半導体集積回路の更なる高集積化及び高微細化の要求が強くなされており、回路素子の特性の向上を目的として半導体集積回路の製造工程における熱履歴も低減化することが望まれている。このような状況下において、縦型の、いわゆるバッチ式の縦型の処理装置においても、ウエハをそれ程の高温に晒さなくても目的とする処理が可能なことから、原料ガス等を間欠的に供給しながら原子レベルで１層〜数層ずつ、或いは分子レベルで１層〜数層ずつ繰り返し成膜する方法が知られている（特許文献３〜７等）。このような成膜方法は一般的にはＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と称されている。

ここで従来の成膜方法としては、原料ガスとして用いるシリコン含有ガスであるジクロロシラン（以下、「ＤＣＳ」とも称す）と窒化ガスであるＮＨ_３ガスとを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成している。具体的には、処理容器内に、ＤＣＳとＮＨ_３ガスとをそれぞれ別々の分散ノズルからウエハに対して交互に間欠的に供給し、ＮＨ_３ガスを供給する時にＲＦ（高周波）を印加してプラズマを立て、シリコンの窒化反応を促進するようにしている。この場合、ＤＣＳを処理容器内へ供給することにより、ウエハ表面上にＤＣＳが分子レベルで一層、或いは複数層吸着し、そして余分なＤＣＳを不活性ガスパージ、或いは真空引きで排除した後、ＮＨ_３を供給してプラズマを立てることによって低温での窒化を促進して窒化膜を形成し、この一連の工程を繰り返し行っている。

特開平１１−１７２４３９号公報特開平２−９３０７１号公報特開平６−４５２５６号公報特開平１１−８７３４１号公報特開２００６−２８７１９４号公報特開２００７−２９９７７６号公報特開２０１１−０５４５９０号公報

ところで、原料ガスを処理容器内に導入するには、処理容器の長手方向に沿って石英製の分散ノズルを設け、この分散ノズルに所定のピッチで形成された複数のガス噴射孔より水平方向に向けて原料ガスを供給するようにしており、ＡＬＤ成膜中の原料ガスを供給しない間欠期間には、窒化ガスであるＮＨ_３ガスが原料ガス用の分散ノズル内に逆流しないように窒素ガス等を流すようにしている。

しかしながら、上述のように原料ガスを供給しない間欠期間に逆流防止用の窒素ガスを流すようにしているが、窒化ガスが原料ガス用の分散ノズル内へ僅かではあるが逆拡散して浸入してこの分散ノズル内で上記窒化ガスが原料ガスと反応して、シリコン窒化膜よりなる薄膜が分散ノズル内で形成される場合があった。この結果、このシリコン窒化膜は、この薄膜自体が有する応力が大きいことから、この大きな応力により石英製の分散ノズルに細かなクラック、すなわちチッピングが生じ、この時に発生する微小な石英粉よりなるパーティクルが半導体ウエハの表面に付着する、といった問題があった。

また、上記原料ガスの供給圧力は、処理容器内の圧力に対して比較的高く、例えば１００〜５００Ｔｏｒｒ程度の圧力で供給されているが、原料ガスの一部が分散ノズル内で僅かに反応して発生するシリコン窒化膜等のシリコン副生成物がパーティクルとなって飛散し、半導体ウエハに付着する、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。本発明は、分散ノズル内等でパーティクルが発生しても、このパーティクルが被処理体に付着するのを阻止することが可能な成膜装置である。

本発明者等は、半導体ウエハ上に付着するパーティクルの原因について鋭意研究した結果、分散ノズル内のパーティクルは、原料ガス等により分散ノズルの上端部まで運ばれてここに滞留し、分散ノズルの上端部に位置するガス噴射孔から特に多量に放出されている、という知見を得ることにより本発明に至ったものである。

請求項１に係る発明は、被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、真空引き可能になされた処理容器と、天板と底板との間で複数枚の前記被処理体を前記処理容器内で保持する保持手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、原料ガスを供給するために前記処理容器の長手方向に沿って延びると共に複数のガス噴射孔が形成された分散ノズルを有する原料ガス供給手段と、反応ガスを供給するために前記処理容器の長手方向に沿って延びると共に複数のガス噴射孔が形成された分散ノズルを有する反応ガス供給手段と、装置全体の動作を制御する装置制御部とを備え、前記分散ノズルの内の少なくともいずれか一方の分散ノズルであって前記保持手段の被処理体保持領域よりも上方に位置するノズル上部は前記保持手段の天板よりも上方へ延びる延長部を有すると共に前記延長部にパーティクル放出孔を設けるように構成したことを特徴とする成膜装置成膜装置である。

このように、原料ガスと反応ガスを処理容器内へ供給する分散ノズルの内の少なくともいずれか一方の分散ノズルであって、保持手段の被処理体保持領域よりも上方に位置するノズル上部は保持手段の天板よりも上方へ延びる延長部を有すると共に延長部にパーティクル放出孔を設けて、分散ノズル内等で発生したパーティクルをこのパーティクル放出孔より主に排出させるようにしたので、被処理体保持領域に支持されている被処理体にパーティクルが付着することを大幅に抑制することが可能となる。

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。
原料ガスと反応ガスを処理容器内へ供給する分散ノズルの内の少なくともいずれか一方の分散ノズルであって、保持手段の被処理体保持領域よりも上方に位置するノズル上部は保持手段の天板よりも上方へ延びる延長部を有すると共に延長部にパーティクル放出孔を設けて、分散ノズル内等で発生したパーティクルをこのパーティクル放出孔より主に排出させるようにしたので、被処理体保持領域に支持されている被処理体にパーティクルが付着することを大幅に抑制することができる。

本発明の係る成膜装置の実施例を示す縦断面構成図である。成膜装置を示す横断面構成図である。分散ノズルの上部の状態の一例を示す部分拡大図である。本発明の成膜装置を用いて行なわれる成膜方法における各ガスの供給態様の一例を示すタイミングチャートである。多数のガス噴射孔を有する分散ノズルから放出されるパーティクルの分布量を示すグラフである。分散ノズルの第１変形実施例を示す部分拡大図である。分散ノズルの第２変形実施例を示す部分拡大図である。

以下に、本発明に係る成膜装置の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実施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は分散ノズルの上部の状態の一例を示す部分拡大図である。尚、ここでは原料ガスとしてシリコン含有ガスであるジクロロシラン（ＤＣＳ）を用い、反応ガスとして窒化ガスであるアンモニアガス（ＮＨ_３）を用い、パージガスとしてＮ_２ガスを用い、上記ＮＨ_３ガスをプラズマにより活性化して薄膜としてシリコン窒化膜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２は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器４を有している。この処理容器４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４内の天井には、石英製の天井板６が設けられて封止されている。また、この処理容器４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８がＯリング等のシール部材１０を介して連結されている。尚、ステンレス製のマニホールド８を設けないで、全体を円筒体状の石英製の処理容器で構成した装置もある。

上記処理容器４の下端は、上記マニホールド８によって支持されており、このマニホールド８の下方より複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１２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１２は、天板１３Ａと底板１３Ｂとの間を複数本、例えば３本の支柱１２Ａで接続し、この支柱１２Ａの内側に所定のピッチで支持溝１２Ｂ（図３参照）を形成して構成されており、この支持溝１２ＢにウエハＷの周辺部を支持させるようになっている。

ここでは、例えば５０〜１５０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。また、このウエハボート１２の上端部及び下端部には、モニター用のダミー被処理体、すなわちダミーウエハＤＷが複数枚、図示例ではそれぞれ２枚支持されている。このダミーウエハＤＷの数は特に限定されない。そして、上記ダミーウエハＤＷ及び製品用のウエハＷを支持する部分が被処理体保持領域１５として形成されている（図３参照）。

このウエハボート１２は、石英製の保温筒１４を介してテーブル１６上に載置されており、このテーブル１６は、マニホールド８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１８を貫通する回転軸２０の上端に支持される。そして、この回転軸２０の貫通部には、例えば磁性流体シール２２が介設され、この回転軸２０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１８の周辺部とマニホールド８の下端部には、例えばＯリング等よりなるシール部材２４が介設されており、処理容器４内のシール性を保持している。

上記した回転軸２０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２６の先端に取り付けられており、ウエハボート１２及び蓋部１８等を一体的に昇降して処理容器４内へ挿脱できるようになされている。尚、上記テーブル１６を上記蓋部１８側へ固定して設け、ウエハボート１２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。

このマニホールド８には、処理容器４内に反応ガスとして例えば窒化ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）ガスを供給する反応ガス供給手段２８と、原料ガスとして例えばシリコン含有ガスであるＤＣＳ（ジクロロシラン）ガスを供給する原料ガス供給手段３０と、パージガスとして不活性ガス、例えばＮ_２ガスを供給するパージガス供給手段３４とが設けられる。

具体的には、上記反応ガス供給手段２８は、上記マニホールド８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなる分散ノズル３８を有している。この分散ノズル３８には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔３８Ａが所定のピッチで形成されており、各ガス噴射孔３８Ａから水平方向に向けて略均一にアンモニアガスを噴射できるようになっている。

また同様に上記原料ガス供給手段３０も、上記マニホールド８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなる分散ノズル４０を有している。この分散ノズル４０には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４０Ａが所定のピッチで形成されており、各ガス噴射孔４０Ａから水平方向に向けて略均一に原料ガスであるＤＣＳガスを噴射できるようになっている。

また同様にパージガス供給手段３４も、上記マニホールド８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなる分散ノズル４４を有している。この分散ノズル４４には、上記原料ガスの分散ノズル４０と同様にその長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４４Ａ（図２参照）が所定のピッチで形成されており、各ガス噴射孔４４Ａから水平方向に向けて略均一にＮ_２ガスを噴射できるようになっている。

そして、上記各ガス噴射孔３８Ａ、４０Ａ、４４Ａは、ウエハボート１２に保持された各ウエハＷに対応させて略同一の水平レベルに位置するように設けられている。ここで、本実施例においては、上記各分散ノズル３８、４０の内の少なくともいずれか一方の分散ノズルであって上記保持手段であるウエハボート１２の被処理体保持領域１５よりも上方に位置するノズル上部にパーティクル放出孔を設けるようにしている。ここでは上記各分散ノズル３８、４０に加え、パージガス用の分散ノズル４４も上記パーティクル放出孔が形成されている。尚、上記パーティクル放出孔は、少なくとも原料ガス用の分散ノズル４０に設けるのが好ましい。上記３本の分散ノズル３８、４０、４４の上端部はそれぞれ同様に構成されているので、ここでは原料ガス用の分散ノズル４０を例にとって説明する。

すなわち、図３にも示すように、この原料ガス用の分散ノズル４０であってウエハボート１２の被処理体保持領域１５よりも上方に位置するノズル上部５８には、パーティクル放出孔６０が形成されている。ここでは、石英製の分散ノズル４０の長さは従来の分散ノズルよりもその長さが少し長く形成されてウエハボート１２の天板１３Ａよりも上方へ延びる延長部５８Ａを有しており、この延長部５８Ａが上記ノズル上部５８に含まれている。

そして、上記パーティクル放出孔６０としては、分散ノズル４０の上端に１つの上端側のパーティクル放出孔６０Ａが形成されていると共に、ノズル上部５８の側壁、すなわち延長部５８Ａの側壁に複数、ここでは３つの側壁側のパーティクル放出孔６０Ｂが上下方向に並べて形成されている。これらのパーティクル放出孔６０の数は特に限定されない。上記上端側のパーティクル放出孔６０Ａからは上方に向けてガスが噴射され、側壁側のパーティクル放出孔６０Ｂからは水平方向に向けて、すなわちウエハボート１２の中心軸方向に向けてガス噴射されることになり、そのガス噴射方向にはウエハＷ（ダミー被処理体ＤＷを含む）が保持されていない状態となっている。

従って、被処理体保持領域１５内の最上段に位置するガス噴射孔４０Ａと側壁側のパーティクル放出孔６０Ｂとの間には、ガス噴射孔４０Ａのピッチよりも長くなされた所定の長さの盲部分６２（孔がない部分）が形成されており、パーティクル放出孔６０Ｂより放出されたパーティクルが被処理体保持領域１５側へは接近しないようになっている。

ここで、分散ノズル４０の内径は、ガス種にもよって異なるが例えば８〜１４ｍｍ程度であり、パーティクル放出孔６０及びガス噴射孔４０Ａの直径は例えば０．８〜２．０ｍｍ程度であり、ガス噴射孔４０Ａのピッチは例えば８〜１０ｍｍ程度である。前述したように、ノズル上部５８にパーティクル放出孔６０を形成した分散ノズル構造は、原料ガス用の分散ノズル４０にみならず、反応ガス用の分散ノズル３８及びパージガス用の分散ノズル４４に対してもそれぞれ同様に形成されており、ウエハＷに対するパーティクルの付着を防止するようになっている。尚、ここでは上端側のパーティクル放出孔６０Ａと側壁側のパーティクル放出孔６０Ｂの双方を設けたが、これに限定されず、いずれか一方のみ設けるようにしてもよい。

図１に戻って、上記各ノズル３８、４０、４４には、それぞれのガス通路４８、５０、５４が接続されている。そして、各ガス通路４８、５０、５４には、それぞれマスフローコントローラのような流量制御器４８Ａ、５０Ａ、５４Ａ及び開閉弁４８Ｂ、５０Ｂ、５４Ｂが介設されており、ＮＨ_３ガス、ＤＣＳガス及びＮ_２ガスをそれぞれ流量制御しつつ供給できるようになっている。

また、上記原料ガスのガス通路５０の途中であって、上記流量制御器５０Ａと開閉弁５０Ｂとの間には、原料ガスを一時的に貯留するバッファタンク５６が介設されており、このバッファタンク５６の下流側に上記開閉弁５０Ｂを設け、上流側に開閉弁５６Ｂを設けている。従って、上流側の開閉弁５６Ｂを開くことにより原料ガスをバッファタンク５６内へ貯留できるようになっており、下流側の開閉弁５０Ｂを開くことによりバッファタンク５６内に貯留されている原料ガスを下流側へ放出できるようになっている。

このバッファタンク５６の容量（体積）は装置全体の大きさにもよるが、例えば１〜２リットル程度である。尚、原料ガス供給手段３０のガス通路５０には、バッファタンク５６、流量制御器５０Ａ、開閉弁５０Ｂ、５６Ｂを含めてテープヒータ等の加熱ヒータ（図示せず）が設けられており、加熱して流れる原料ガスが液化するのを防止している。

そして、上記パージガス用のガス通路５４と上記反応ガス及び原料ガス用の各ガス通路４８、５０との間には、それぞれ途中に開閉弁４８Ｃ、５０Ｃが介設されたパージガス分岐通路５５が接続されており、原料ガスや反応ガスを供給しない間欠期間に容器内雰囲気の逆流防止のためにパージガスを各分散ノズル３８、４０から噴射するようになっている。

一方、上記処理容器４の側壁の一部には、その高さ方向に沿ってプラズマを発生させて窒化ガスであるＮＨ_３ガスを活性化させる活性化手段６６が形成されると共に、この活性化手段６６に対向する処理容器４の反対側には、この内部雰囲気を真空排気するために処理容器４の側壁を、例えば上下方向へ削りとることによって形成した細長い排気口６８が設けられている。具体的には、上記活性化手段６６は、上記処理容器４の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削りとることによって上下に細長い開口７０を形成し、この開口７０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７２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４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４内へ開口されて連通されたプラズマ室７３が形成されることになる。すなわちプラズマ区画壁７２の内部空間は、上記処理容器４内に一体的に連通された状態となっている。上記開口７０は、ウエハボート１２の長さよりも上下方向に十分に長く形成されている。尚、この開口７０に、処理容器４内とプラズマ室７３とを連通する多数のスリットを有するスリット板を設ける場合もある。

そして、上記プラズマ区画壁７２の両側壁の外側面には、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細長い一対のプラズマ電極７４が設けられると共に、このプラズマ電極７４にはプラズマ発生用の高周波電源７６が給電ライン７８を介して接続されており、上記プラズマ電極７４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。尚、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、上記処理容器４内を上方向に延びて行く反応ガス用の分散ノズル３８は途中で処理容器４の半径方向外方へ屈曲されて、上記プラズマ室７３内の一番奥（処理容器４の中心より一番離れた部分）に位置され、この一番奥の部分に沿って上方に向けて起立させて設けられている。従って、高周波電源７６がオンされている時に上記分散ノズル３８のガス噴射孔３８Ａから噴射されたアンモニアガスはここで活性化されて処理容器４の中心に向けて拡散しつつ流れるようになっている。

そして上記プラズマ区画壁７２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８０が取り付けられている。また、この絶縁保護カバー８０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や冷却水を流すことにより上記プラズマ電極７４を冷却し得るようになっている。

そして上記プラズマ室７３の開口７０の外側近傍、すなわち開口７０の外側（処理容器４内）には、上記原料ガス用の分散ノズル４０とパージガス用の分散ノズル４４とがそれぞれ起立させて設けられており、各ノズル４０、４４に設けた各ガス噴射孔４０Ａ、４４Ａより処理容器４の中心方向に向けて原料ガスであるＤＣＳガスとパージガスであるＮ_２ガスとをそれぞれ噴射し得るようになっている。

一方、上記開口７０に対向させて設けた排気口６８には、これを覆うようにして石英よりなる断面コ字状に成形された排気口カバー部材８２が溶接により取り付けられている。この排気口カバー部材８２は、上記処理容器４の側壁に沿って上方に延びており、処理容器４の上方のガス出口８４に連通されている。そして、このガス出口８４には、排気系８６が接続されている。この排気系８６は、上記ガス出口８４に接続される排気通路８８を有しており、この排気通路８８には、処理容器４内の圧力を調整する圧力調整弁９０、真空ポンプ９２及び排気ガス中の有害成分を除去する除去装置９３が順次介設されて、処理容器４内を所定の圧力に維持しつつ真空引きできるようになっている。

上記除害装置９３としては、排気ガス中の除去すべきガス成分に対応させて乾式、燃焼式或いは湿式のいずれの除害装置を用いてもよい。そして、この処理容器４の外周を囲むようにしてこの処理容器４及びこの内部のウエハＷを加熱する筒体状の加熱手段９４が設けられている。

そして、このように構成された成膜装置２の全体の動作、例えばプロセス圧力、プロセス温度、各開閉弁の開閉によるガスの供給、供給停止、バッファタンク５６への原料ガスの貯留（チャージ）、ガス流量の制御及び後述する高周波のオン・オフ制御等は例えばコンピュータ等よりなる装置制御部９６により行われる。そして、この装置制御部９６は、上記制御を行うためのプログラムが記憶されている記憶媒体９８を有している。この記憶媒体９８としては、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはＤＶＤ等を用いることができる。

次に、以上のように構成された成膜装置２を用いて行なわれる成膜方法（いわゆるＡＬＤ成膜）について図４も参照して説明する。図４は本発明の成膜装置を用いて行なわれる成膜方法における各ガスの供給態様の一例を示すタイミングチャートである。

この成膜方法は、上記処理容器４内へ原料ガス（ＤＣＳガス）を供給して上記原料ガスを上記被処理体である半導体ウエハＷの表面に吸着させる吸着工程と、上記処理容器４内へ反応ガス（ＮＨ_３）を供給して上記被処理体の表面に吸着している上記原料ガスと反応させて上記薄膜（シリコン窒化膜）を形成する反応工程とを交互に複数回繰り返し行うようにしたものである。

まず、常温の多数枚、例えば５０〜１５０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１２を予め所定の温度になされた処理容器４内にその下方より上昇させてロードし、蓋部１８でマニホールド８の下端開口部を閉じることにより処理容器４内を密閉する。

そして処理容器４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９４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する。そして、上記ＤＣＳガスは原料ガス供給手段３０から供給し、ＮＨ_３ガスは反応ガス供給手段２８から供給し、パージガスであるＮ_２ガスはパージガス供給手段３４から供給する。

具体的には、まず図４（Ａ）に示すように、吸着工程においては、処理容器４内へ上記ＤＣＳガスを供給してＤＣＳガスをウエハＷの表面に吸着させる。また、これに続く反応工程においては、図４（Ｂ）に示すように上記吸着工程の後に、間欠期間１０２を挟んでＮＨ_３ガスは１回パルス状に供給され、これにより、このＮＨ_３ガスが先にウエハＷの表面に吸着しているＤＣＳガスと反応し、ここでは窒化して薄膜としてシリコン窒化膜が形成される。

そして、更に、次のサイクルでは、上記反応工程の後に間欠期間１０４を挟んで再度、上記したような吸着工程が行われ、以下同様に上記吸着工程と反応工程とが順次繰り返されて行く。ここで、ある吸着工程の先頭と次の吸着工程の先頭との間が１サイクルとなる。そして、上記ＮＨ_３ガスを供給する時には、図４（Ｃ）に示すように高周波電源（ＲＦ）をオンにしてプラズマ室７３内にプラズマを立て、この時に分散ノズル３８のガス噴射孔３８Ａから供給されるＮＨ_３ガスを上記プラズマにより活性化させる。

このアンモニアの活性種（活性化された窒化ガス）が、上述のように先にウエハＷの表面に吸着していたＤＣＳガスを窒化し、ここに原子レベル或いは分子レベルの非常に薄いシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成することになる。尚、バッファタンク５６内へは、例えば反応工程の時にＤＣＳガスの貯留（チャージ）が行われている。

また、ここでは処理の開始からパージガスであるＮ_２ガスは連続的に供給されており、各ガスの流れを促進させ、間欠期間では処理容器４内に残留している残留ガスの排出を促進させるようにしている。このパージガスは上述のように流してもよいし、或いは流さないようにしてもよい。また、原料ガスを流さない間欠期間には、原料ガス用の分散ノズル４０からＮ_２ガスが流され、反応ガスを流さない間欠期間には反応ガス用の分散ノズル３８からＮ_２ガスを流して処理容器４内の雰囲気が分散ノズル４０、３８内へ逆流することを防止している。

上述のように、成膜処理が開始すると、排気系８６が駆動して真空ポンプ９２は連続的に回転駆動されて処理容器４内の雰囲気を真空引きしている。そして、上記処理容器４内で反応によって発生した反応副生成物や未反応のガス成分は排気ガスと共に排気系８６内を流れて排出される。この際、上記排気ガス中に含まれる有害成分は、除害装置９３にて除去されるようになっている。

ここで、上記成膜処理におけるプロセス条件について説明すると、プロセス温度は４５０〜６５０℃程度、プロセス圧力は０．１３３〜１３３０Ｐａの範囲内で変化させ、吸着工程の時には上記圧力範囲内でプロセス圧力が高くなるように設定されている。また、吸着工程におけるＤＣＳガスの１回の供給期間Ｔ１は３ｓｅｃ程度、吸着工程と反応工程との間の間欠期間Ｔ３、Ｔ５は、それぞれ１１ｓｅｃと３ｓｅｃ程度であり、反応工程におけるＮＨ_３ガスの供給期間Ｔ４は２０ｓｅｃ程度である。

またＤＣＳガスの流量は１〜２ｓｌｍ程度、ＮＨ_３ガスの流量は１〜１０ｓｌｍ程度、パージガスであるＮ_２ガスの流量は０．１〜１．０ｓｌｍ程度である。

さて、上述のように原料ガスであるＤＣＳガスと反応ガスであるＮＨ_３ガスとをそれぞれ分散ノズル４０、３８から間欠的に供給していると、前述したように間欠期間中は各分散ノズル４０、３８からパージガスを流すようにしているとはいえ、処理容器４内の雰囲気が各分散ノズル４０、３８内へ逆拡散してくることは避けられない。この結果、分散ノズル４０、３８内の壁面にシリコン窒化膜が形成され、このシリコン窒化膜自体の高いストレス（応力）により石英製の分散ノズル４０、３８にクラック（チッピング）が生じて微小なパーティクルが発生する傾向となる。

このパーティクル発生の傾向は、処理容器４内に配置されている原料ガス用の分散ノズル４０において顕著となる。また高い圧力で供給されるＤＣＳガスの供給途中においても原料ガスの一部が反応してシリコン窒化膜等のシリコン副生成物がパーティクルとなって流れてくる。これらのパーティクルは分散ノズル４０、３８の先端部に滞留し易くなっている。そして、このようなパーティクルは、分散ノズル４０、３８の各ガス噴射孔４０Ａ、３８Ａからガスと共に処理容器４内へ放出されてウエハＷに付着する危惧が生ずることになる。

しかしながら、本実施例においては、各分散ノズル４０、３８のノズル上部５８（図３参照）にパーティクル放出孔６０（６０Ａ、６０Ｂ）を設けているので、パーティクル放出孔６０（６０Ａ、６０Ｂ）からガスが放出される分だけ分散ノズル４０、３８内の圧力が低下し、また原料ガスや反応ガスに随伴されてきた大部分のパーティクルは上記パーティクル放出孔６０から処理容器４内側へ噴射されることになる。このパーティクル放出孔６０が形成されている部分及びこのパーティクル放出孔６０からのガス噴射方向には半導体ウエハＷ（ダミー被処理体ＤＷを含む）が保持されていないので、処理容器４内へ放出されたパーティクルはウエハ表面に付着することなく、そのまま反対側に位置する排気口６８より処理容器４の外へ排出されることになる。

本実施例の場合には、特に、各分散ノズル４０、３８の長さを長くしてウエハボート１２の天板１３Ａよりも上方に位置する延長部５８Ａに上記各パーティクル放出孔６０Ａ、６０Ｂを設けるようにして、パーティクル放出孔６０Ａ、６０Ｂの形成位置をウエハＷ（ダミー被処理体ＤＷを含む）からより遠く離れた場所に設定しているので、パーティクル付着抑制効果を一層高めることができる。

上述したようなパーティクル付着抑制効果は、原料ガス用の分散ノズル４０において特に顕著に発揮されるが、同じような構造になされた他の分散ノズル３８、４４においても同様に発揮されることになる。

＜パーティクル分布量のシミュレーション＞
ここで多数のガス噴射孔を有する分散ノズルから放出されるパーティクルの分布量についてシミュレーションを行ったので、そのシミュレーション結果について説明する。図５は多数のガス噴射孔を有する分散ノズルから放出されるパーティクルの分布量を示すグラフである。分散ノズル１１０には多数、例えば１００〜１５０個程度のガス噴射孔１１２が７〜１０ｍｍのピッチの間隔で形成されている。この分散ノズル１１０に原料ガス（ＤＣＳガス）を１００〜１５０Ｔｏｒｒ程度の圧力範囲内で供給し、各ガス噴射孔１１２からガスを放出している。分散ノズル１１０の内径は８〜１４ｍｍ、ガス噴射孔１１２の直径は０．８〜２．０ｍｍである。パーティクル分布量のグラフから明らかなように、ガス流の最下流である分散ノズル１１０の上端部に設けたガス噴射孔１１２Ａ（１１２）からのパーティクル量が、他の部分に形成したガス噴射孔１１２から排出されるパーティクル量よりも遥かに多いことが判る。

従って、本発明のように、分散ノズル３８、４０であって、ウエハボート１２の被処理体保持領域１５よりも上方に位置するノズル上部５８にパーティクル放出孔６０を設けているので、このパーティクル放出孔６０から大部分のパーティクルを放出させることができ、これによりウエハ表面にパーティクルが付着することを阻止できることが判る。

このように、原料ガスと反応ガスを処理容器４内へ供給する分散ノズル３８、４０の内の少なくともいずれか一方の分散ノズルであって、保持手段１２の被処理体保持領域１５よりも上方に位置するノズル上部５８にパーティクル放出孔６０を設けて、分散ノズル内等で発生したパーティクルをこのパーティクル放出孔６０より主に排出させるようにしたので、被処理体保持領域１５に支持されている被処理体Ｗにパーティクルが付着することを大幅に抑制することができる。

＜実験結果＞
ここで上記した成膜装置を用いて実際にシリコン窒化膜の成膜処理を行った時のパーティクルについて測定したので、その測定結果について説明する。従来の成膜装置のウエハボートの最上段の近傍の半導体ウエハのパーティクル数は、０．１μｍ以上のものが１００個程度であったが、原料ガス用の分散ノズル４０に図３に示すようなパーティクル放出孔６０を設けた本発明の成膜装置の場合には、パーティクル数は０．１μｍ以上のものが１０個程度であり、パーティクルを大幅に減少させることができることを確認することができた。

＜第１変形実施例＞
次に、本発明の第１変形実施例について説明する。先の実施例にあっては、分散ノズル３８、４０、４４の長さを通常よりも長くしてノズル上部５８に延長部５８Ａを設け、この延長部５８Ａにパーティクル放出孔６０を形成したが、これに限定されず、分散ノズル３８、４０、４４の長さを延ばすことなく通常の長さに設定した状態で、ノズル上部５８にパーティクル放出孔６０を形成するようにしてもよい。図６はこのような分散ノズルの第１変形実施例を示す部分拡大図である。図６中において図１乃至図３に示した構成と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。ここでも原料ガス用の分散ノズル４０を例にとって説明するが、この第１変形実施例を他の分散ノズル３８、４４にも適用できるのは勿論である。

図６に示すように、ここでは分散ノズル４０の長さは従来の成膜装置の場合と同様であり、その先端はウエハボート１２の天板１３Ａと略同一の水平レベルになされている。そして、この分散ノズル４０であって、上記ウエハボート１２の被処理体保持領域１５よりも上方に位置するノズル上部５８にパーティクル放出孔６０を形成している。図示例でも図３の場合と同様に、上端側のパーティクル放出孔６０Ａと側壁側のパーティクル放出孔６０Ｂの双方を設けた場合について記載しているが、上記パーティクル放出孔６０Ａ、６０Ｂ内のいずれか一方のみを設けるようにしてもよいし、これらの孔数は特に限定されないのも図３において説明した場合と同じである。

また、ここでは３個の側壁側のパーティクル放出孔６０Ｂは、その下方に形成されている通常のガス噴射孔４０Ａに連続してこれらと同じピッチの間隔で形成されているが、この３個のパーティクル放出孔６０Ｂの内の最下部の１つ或いは２つのパーティクル放出孔６０Ｂを設けないようにして、この部分を盲部分６２（図３参照）としてもよい。

この第１変形実施例の場合には、パーティクル放出孔６０Ｂより噴射されたガスは、天板１３Ａと最上段のダミー被処理体ＤＷとの間の空間部１２０を水平方向に流れることになり、このガスに含まれるパーティクルはダミー被処理体ＤＷやウエハＷの表面に付着することが抑制される。そして、各パーティクル放出孔６０は、図３に示す実施例よりも盲部分６２がなくなった分だけガス噴射孔４０Ａに接近した状態で形成されることになるため、ウエハＷに対するパーティクル付着抑制効果は少し劣化するが、それでも、図３に示す場合と同様にパーティクル付着抑制効果を十分に発揮することができる。

＜第２変形実施例＞
次に本発明の第２変形実施例について説明する。先の各実施例では側壁側のパーティクル放出孔６０のガス噴射方向は、ウエハボート１２の中心軸方向に向けられていたが、これに限定されず、中心軸方向よりも外側へそれた方向に向けるようにしてもよい。図７はこのような分散ノズルの第２変形実施例を示す部分拡大図であり、図７（Ａ）は側断面図、図７（Ｂ）は平面図である。図７中において図１乃至図３及び図６に示した構成と同一構成部分については同一参照符号を付してその説明を省略する。ここでも原料ガス用の分散ノズル４０を例にとって説明するが、この第２変形実施例を他の分散ノズル３８、４４にも適用できるのは勿論である。

図７に示すように、ここでも図６に示す場合と同様に分散ノズル４０の長さは従来の成膜装置の場合と同様であり、その先端はウエハボート１２の天板１３Ａと略同一の水平レベルになされている。そして、この分散ノズル４０であって、上記ウエハボート１２の被処理体保持領域１５よりも上方に位置するノズル上部５８にパーティクル放出孔６０を形成している。

この場合、このパーティクル放出孔６０として、２つの側壁側のパーティクル放出孔６０Ｂが横方向に並んで設けられており、そのガス噴射方向がウエハボート１２の中心軸Ｃ１の方向、すなわちウエハＷ（ダミー被処理体ＤＷを含む）の中心軸方向よりも外側へそれた方向に向けられている。ここでは、ウエハＷの上方向への投影輪郭に対する接線方向よりも外側へそれた方向に向けられている。これによりパーティクル放出孔６０Ｂから原料ガスと共に噴射されるパーティクルがウエハＷの表面に付着することを抑制することができる。

またこのパーティクル放出孔６０Ｂと最上段のガス噴射孔４０Ａとの間には孔が形成されていない盲部分６２が設けられている。上記パーティクル放出孔６０Ｂのガス噴射方向は、好ましくは上述のようにウエハＷの上方向への投影輪郭に対する接線方向よりも外側へそれた方向に向けるのが好ましい。また、このパーティクル放出孔６０ＢをウエハＷの中心軸Ｃ１の方向とは反対側、すなわちガス噴射孔４０Ａの形成位置とは反対側の背面（裏面）に形成するようにしてもよい。

また、このウエハボート１２の中心軸方向よりも外側へそれたガス噴射孔を有するパーティクル放出孔６０Ｂの数は、１個又は２個以上設けることができ、複数のパーティクル放出孔６０Ｂを図７（Ｂ）に示すように横方向に並設してもよく、或いは上下方向において位置ずれさせて設けるようにしてもよい。この第２変形実施例の場合にも、先の各実施例と同様なウエハＷに対するパーティクル付着抑制効果を発揮することができる。そして、この図７に示す第２変形実施例と図６に示す第１変形実施例とを組み合わせるようにしてもよい。

尚、以上の説明では、原料ガス用、反応ガス用及びパージガス用の各分散ノズルについてパーティクル放出孔６０を設ける場合について説明したが、これに限定されず、薄膜中にドープされる不純物を含む不純物ガスを導入する不純物ガス供給手段を設ける場合もあり、このような場合には、この不純物ガス供給手段の分散ノズルに対しても、先に説明した各実施例を適用することができる。上記不純物としては、例えばボロン、炭素等が挙げられる。

また、ここでは薄膜として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、シリコン窒化膜（ＳｉＯＮ）や不純物、例えばボロン等を含むシリコン窒化膜等を成膜する場合にも本発明を適用することができる。

また、ここでは原料ガスの一例であるシリコン含有ガスとしてＤＣＳガスを用いたが、これに限定されず、上記シリコン含有ガスは、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_２Ｈ_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）、アミノシラン系ガス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。

また、上記アミノシラン系ガスとしては、ＢＡＳ（ブチルアミノシラン）、ＢＴＢＡＳ（ビスターシャリブチルアミノシラン）、ＤＭＡＳ（ジメチルアミノシラン）、ＢＤＭＡＳ（ビスジメチルアミノシラン）、ＴＤＭＡＳ（トリジメチルアミノシラン）、ＤＥＡＳ（ジエチルアミノシラン）、ＢＤＥＡＳ（ビスジエチルアミノシラン）、ＤＰＡＳ（ジプロピルアミノシラン）、ＤＩＰＡＳ（ジイソプロピルアミノシラン）よりなる群から選択される１以上のガスを用いることができる。

更には、原料ガスとしてシリコン含有ガスに限定されず、有機金属化合物ガスを用いることができる。この有機金属化合物ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、テトラキスジメチルアミノハフニウム（ＴＤＭＡＨ）、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム（ＴＥＭＡＨ）、テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺ）、テトラキスジメチルアミノチタン（ＴＤＭＡＴ）よりなる群より選択される１以上のガス用いることができる。また、ここでは反応ガスとして窒化ガス（ＮＨ_３ガス）を用いたが、処理態様によっては、Ｏ_２等の酸化ガス、或いは水素等の還元ガスを用いることもできる。また、上記反応ガスを、窒素ガス又は酸化ガス（酸素やオゾン）等により必要に応じて活性化するようにしてもよい。

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、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。

２成膜装置
４処理容器
１２ウエハボート（保持手段）
１３Ａ天板
１３Ｂ底板
１５被処理体保持領域
１８蓋部
２８反応ガス供給手段
３０原料ガス供給手段
３４パージガス供給手段
５６バッファタンク
５８ノズル上部
５８Ａ延長部
６０、６０Ａ、６０Ｂパーティクル放出孔
６６活性化手段
７４プラズマ電極
７６高周波電源
８６排気系
９４加熱手段
９６装置制御部
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、
真空引き可能になされた処理容器と、
天板と底板との間で複数枚の前記被処理体を前記処理容器内で保持する保持手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
原料ガスを供給するために前記処理容器の長手方向に沿って延びると共に複数のガス噴射孔が形成された分散ノズルを有する原料ガス供給手段と、
反応ガスを供給するために前記処理容器の長手方向に沿って延びると共に複数のガス噴射孔が形成された分散ノズルを有する反応ガス供給手段と、
装置全体の動作を制御する装置制御部とを備え、
前記分散ノズルの内の少なくともいずれか一方の分散ノズルであって前記保持手段の被処理体保持領域よりも上方に位置するノズル上部は前記保持手段の天板よりも上方へ延びる延長部を有すると共に前記延長部にパーティクル放出孔を設けるように構成したことを特徴とする成膜装置。
前記パーティクル放出孔は、前記ノズル上部の側壁に設けられることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記パーティクル放出孔のガス噴射方向は、前記保持手段の中心軸方向に向けられていることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。
前記パーティクル放出孔のガス噴射方向は、前記保持手段の中心軸方向よりも外側へそれた方向に向けられていることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。
前記パーティクル放出孔のガス噴射方向は、前記保持手段に保持された前記被処理体の上方向への投影輪郭に対する接線方向よりも外側へそれた方向に向けられていることを特徴とする請求項４記載の成膜装置。
前記パーティクル放出孔は、前記分散ノズルの上端に設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記原料ガス用の分散ノズルは、前記処理容器内に設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記反応ガス用の分散ノズルは、前記処理容器の長手方向に沿って設けられたプラズマ室内に設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記原料ガス供給手段は、前記原料ガスを一時的に貯留するバッファタンクを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記薄膜中にドープされる不純物を含む不純物ガスを導入する不純物ガス供給手段を更に有し、前記不純物ガス供給手段は、前記処理容器の長手方向に沿って延びると共に複数のガス噴射孔が形成された分散ノズルを有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記不純物ガス供給手段の分散ノズルであって前記保持手段の被処理体保持領域よりも上方に位置するノズル上部にパーティクル放出孔を設けるように構成したことを特徴とする請求項１０記載の成膜装置。
前記原料ガスは、シリコン含有ガスを含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の成膜装置。
前記反応ガスは、窒化ガス、酸化ガス、還元ガスよりなる群から選択される１つのガスよりなることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の成膜装置。