JP6680190B2 - 成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコンを含む原料ガス及び窒素含有ガスを用いて基板にシリコン窒化膜を形成する成膜装置に関する。
半導体製造工程において、例えばエッチング処理のハードマスク、スペーサ絶縁膜や封止膜等として、基板にシリコン窒化膜(以下「ＳｉＮ膜」と略記する場合がある)を形成する成膜処理が行われている。この用途のＳｉＮ膜は、例えばフッ酸溶液に対する低エッチングレートや耐プラズマ性が求められており、このため高い緻密性が要求されている。特許文献１には、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によって、ＳｉＮ膜の成膜を行う成膜装置について記載されている。
この成膜装置では、処理室内において、載置台に設けられた基板載置領域が処理室内の第１の領域と第２の領域とを順に通過するように、載置台を軸線中心に回転（公転）させることによって成膜処理が行われる。第１の領域では、第１のガス供給部の噴射部から原料ガスとしてシリコン含有ガスが供給されて基板にシリコン（Ｓｉ）が吸着され、不要な原料ガスは噴射部を囲むように設けられた排気口から排気される。第２の領域では、第３のガス供給部から窒素（Ｎ２）ガスまたはアンモニア（ＮＨ３）ガスなどの反応ガスが供給されると共に、これらガスが励起され、反応ガスの活性種により基板に吸着したＳｉが窒化されて、ＳｉＮ膜が形成される。第２の領域には排気口が設けられ、不要な反応ガスが排気される。
このＡＬＤにより緻密なＳｉＮ膜が形成されるが、用途によっては、例えばハードマスクとして用いる場合には、より一層、膜の緻密性を高めることが要求され、エッチングレートが低い高品質なＳｉＮ膜を、早い成膜速度で形成する手法が求められている。
特許第５８８２７７７号公報（図１、図３、段落００４８等）
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、シリコンを含む原料ガス及び窒素含有ガスを用いてシリコン窒化膜を成膜するにあたり、エッチングレートが低い高品質なシリコン窒化膜を早い成膜速度で形成することができる技術を提供することである。
このため、本発明の成膜装置は、
真空容器内にて回転テーブルに配置された基板を当該回転テーブルにより公転させ、互に回転テーブルの周方向に離れた領域の各々にシリコンを含む原料ガス及び窒素含有ガスを供給して基板にシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、
前記回転テーブルに対向し、原料ガスを吐出する吐出部及び当該吐出部を囲む排気口を備えた原料ガス供給部と、
前記原料ガス供給部に対して回転テーブルの回転方向に各々離れて設けられると共に、互いに回転テーブルの回転方向に離れて設けられた反応領域及び改質領域と、
前記反応領域の上流側及び下流側の一方側の端部に設けられ、当該上流側及び下流側の他方側に向けて窒素含有ガスを含む反応ガスを吐出する反応ガス吐出部と、
前記改質領域の上流側及び下流側の一方側の端部に設けられ、当該上流側及び下流側の他方側に向けて水素ガスを含む改質ガスを吐出する改質ガス吐出部と、
前記回転テーブルの外側であって、前記反応領域の上流側及び下流側の他方側の端部に臨む位置に設けられた反応ガス用の排気口と、
前記回転テーブルの外側であって、前記改質領域の上流側及び下流側の他方側の端部に臨む位置に設けられた改質ガス用の排気口と、
前記反応領域及び改質領域に夫々供給されたガスを活性化するための反応ガス用のプラズマ発生部及び改質ガス用のプラズマ発生部と、
前記反応ガス吐出部及び改質ガス吐出部の各々は、その長さ方向に沿って吐出口が形成され、回転テーブル上の基板の通過領域と交差するように配置されたガスインジェクターにより構成されたことを特徴とする。
本発明によれば、改質領域に供給された水素を含む改質ガスは改質領域に設けられた排気口から排気され、反応領域に供給された窒素含有ガスを含む反応ガスは当該領域に設けられた排気口から排気される。このため、各領域において、いわば専用の排気性能が高いので、改質領域と反応領域との間で、改質ガス及び反応ガスが混合されることが抑制される。従って、反応領域への反応ガスの供給流量を大きくしても、改質領域では高い改質効率を確保できる。また、反応領域では反応ガスの流量増加に伴い、成膜速度が増大する。この結果、エッチングレートが低い高品質なシリコン窒化膜を早い成膜速度で形成することができる。
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の概略縦断側面図である。 成膜装置の横断平面図である。 成膜装置に設けられるガス給排気ユニットの縦断側面図である。 ガス給排気ユニットの下面図である。 成膜装置の一部を模式的に示す縦断側面図である。 成膜装置に設けられる反応ガスインジェクターの一例を示す側面図である。 反応ガスインジェクターの横断面図である。 成膜装置を示す縦断側面図である。 成膜装置の状態を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る成膜装置を示す横断平面図である。 成膜装置の一部を模式的に示す縦断側面図である。 成膜装置の状態を示す平面図である。 成膜装置の他の例を示す縦断側面図である。 成膜装置のさらに他の例を示す縦断側面図である。 成膜装置のさらに他の例を示す縦断側面図である。 評価試験の比較装置を示す横断平面図である。 エッチングレートを示す特性図である。 成膜速度を示す特性図である。 膜厚分布を示す特性図である。 膜厚分布を示す特性図である。 膜厚分布を示す特性図である。 膜厚分布を示す特性図である。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置１について、図１の縦断側面図、図２の横断平面図を夫々参照しながら説明する。この成膜装置１は、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）Ｗの表面に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によってＳｉＮ膜を形成するものである。このＳｉＮ膜は、例えばエッチング処理のハードマスクとなる。本明細書では、シリコン窒化膜についてＳｉ及びＮの化学量論比に関わらずＳｉＮと記載する。従ってＳｉＮという記載には、例えばＳｉ３Ｎ４が含まれる。
図中１１は扁平な概ね円形の真空容器（処理容器）であり、側壁及び底部を構成する容器本体１１Ａと、天板１１Ｂとにより構成されている。図中１２は、真空容器１１内に水平に設けられる円形の回転テーブルである。図中１２Ａは、回転テーブル１２の裏面中央部を支持する支持部である。図中１３は回転機構であり、成膜処理中において支持部１２Ａを介して回転テーブル１２を、その周方向に平面視時計回りに回転させる。図１中Ｘは、回転テーブル１２の回転軸を表している。
回転テーブル１２の上面には、回転テーブル１２の周方向（回転方向）に沿って６つの円形の凹部１４が設けられており、各凹部１４にウエハＷが収納される。つまり、回転テーブル１２の回転によって公転するように、各ウエハＷは回転テーブル１２に載置される。図１中１５はヒーターであり、真空容器１１の底部において同心円状に複数設けられ、回転テーブル１２に載置されたウエハＷを加熱する。図２中１６は真空容器１１の側壁に開口したウエハＷの搬送口であり、図示しないゲートバルブによって開閉自在に構成される。図示しない基板搬送機構により、ウエハＷは搬送口１６を介して、真空容器１１の外部と凹部１４内との間で受け渡される。
回転テーブル１２上には、原料ガス供給部をなすガス給排気ユニット２と、第１の改質領域Ｒ２と、第２の改質領域Ｒ３と、反応領域Ｒ４と、が、回転テーブル１２の回転方向下流側に向かい、当該回転方向に沿ってこの順に設けられている。ガス給排気ユニット２は、原料ガスを供給する吐出部及び排気口を備えた原料ガス供給部に相当するものである。以下、ガス給排気ユニット２について、縦断側面図である図３及び下面図である図４も参照しながら説明する。ガス給排気ユニット２は、平面視、回転テーブル１２の中央側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル１２の周方向に広がる扇状に形成されており、ガス給排気ユニット２の下面は、回転テーブル１２の上面に近接すると共に対向している。
ガス給排気ユニット２の下面には、吐出部をなすガス吐出口２１、排気口２２及びパージガス吐出口２３が開口している。図中での識別を容易にするために、図４では、排気口２２及びパージガス吐出口２３に多数のドットを付して示している。ガス吐出口２１は、ガス給排気ユニット２の下面の周縁部よりも内側の扇状領域２４に多数配列されている。このガス吐出口２１は、成膜処理時における回転テーブル１２の回転中に、ＳｉＮ膜を形成するためのＳｉ（シリコン）を含む原料ガスであるＤＣＳガスを下方にシャワー状に吐出して、ウエハＷの表面全体に供給する。なお、シリコンを含む原料ガスとしてはＤＣＳに限られず、例えばヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）などを用いてもよい。
この扇状領域２４においては、回転テーブル１２の中央側から回転テーブル１２の周縁側に向けて、３つの区域２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃが設定されている。夫々の区域２４Ａ、区域２４Ｂ、区域２４Ｃに設けられるガス吐出口２１の夫々に独立してＤＣＳガスを供給できるように、ガス給排気ユニット２には互いに区画されたガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが設けられている。各ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの下流端は、各々ガス吐出口２１として構成されている。
そして、ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの各上流側は、各々配管を介してＤＣＳガスの供給源２６に接続されており、各配管にはバルブ及びマスフローコントローラにより構成されるガス供給機器２７が介設されている。ガス供給機器２７によって、ＤＣＳガス供給源２６から供給されるＤＣＳガスの各ガス流路２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃへの給断及び流量が制御される。なお、後述するガス供給機器２７以外の各ガス供給機器も、ガス供給機器２７と同様に構成され、下流側へのガスの給断及び流量を制御する。
続いて、上記の排気口２２、パージガス吐出口２３について各々説明する。排気口２２及びパージガス吐出口２３は、扇状領域２４を囲むと共に回転テーブル１２の上面に向かうように、ガス給排気ユニット２の下面の周縁部に環状に開口しており、パージガス吐出口２３が排気口２２の外側に位置している。回転テーブル１２上における排気口２２の内側の領域は、ウエハＷの表面へのＤＣＳの吸着が行われる吸着領域Ｒ１を構成する。パージガス吐出口２３は、回転テーブル１２上にパージガスとして例えばＡｒ（アルゴン）ガスを吐出する。
成膜処理中において、ガス吐出口２１からの原料ガスの吐出、排気口２２からの排気及びパージガス吐出口２３からのパージガスの吐出が共に行われる。それによって、図３中に矢印で示すように回転テーブル１２へ向けて吐出された原料ガス及びパージガスは、回転テーブル１２の上面を排気口２２へと向かい、当該排気口２２から排気される。このようにパージガスの吐出及び排気が行われることにより、吸着領域Ｒ１の雰囲気は外部の雰囲気から分離され、当該吸着領域Ｒ１に限定的に原料ガスを供給することができる。即ち、吸着領域Ｒ１に供給されるＤＣＳガスと、後述するようにプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃによって吸着領域Ｒ１の外部に供給される各ガス及びガスの活性種と、が混合されることを抑えることができるので、後述するようにウエハＷにＡＬＤによる成膜処理を行うことができる。また、このパージガスはそのように雰囲気を分離する役割の他にも、ウエハＷに過剰に吸着したＤＣＳガスを当該ウエハＷから除去する役割も有する。
図３中２３Ａ、２３Ｂは、各々ガス給排気ユニット２に設けられる互いに区画されたガス流路であり、上記の原料ガスの流路２５Ａ〜２５Ｃに対しても各々区画されて設けられている。ガス流路２３Ａの上流端は排気口２２、ガス流路２３Ａの下流端は排気装置２８に夫々接続されており、この排気装置２８によって、排気口２２から排気を行うことができる。また、ガス流路２３Ｂの下流端はパージガス吐出口２３、ガス流路２３Ｂの上流端はＡｒガスの供給源２９に夫々接続されている。ガス流路２３ＢとＡｒガス供給源２９とを接続する配管には、ガス供給機器２０が介設されている。
第１の改質領域Ｒ２、第２の改質領域Ｒ３、反応領域Ｒ４には、夫々の領域に供給されたガスを活性化するための第１のプラズマ形成ユニット３Ａ、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂ、第３のプラズマ形成ユニット３Ｃが設けられている。第１のプラズマ形成ユニット３Ａ及び第２のプラズマ形成ユニット３Ｂは、夫々改質ガス用のプラズマ発生部、第３のプラズマ形成ユニット３Ｃは反応ガス用のプラズマ発生部を夫々なすものである。第１〜第３のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃは各々同様に構成されており、ここでは代表して図１に示した第３のプラズマ形成ユニット３Ｃについて説明する。プラズマ形成ユニット３Ｃは、プラズマ形成用のガスを回転テーブル１２上に供給すると共に、このガスにマイクロ波を供給して、回転テーブル１２上にプラズマを発生させる。プラズマ形成ユニット３Ｃは、上記のマイクロ波を供給するためのアンテナ３１を備えており、当該アンテナ３１は、誘電体板３２と金属製の導波管３３とを含む。
誘電体板３２は、平面視回転テーブル１２の中央側から周縁側に向かうにつれて広がる概ね扇状に形成されている。真空容器１１の天板１１Ｂには上記の誘電体板３２の形状に対応するように、概ね扇状の貫通口が設けられており、当該貫通口の下端部の内周面は貫通口の中心部側へと若干突出して、支持部３４を形成している。上記の誘電体板３２はこの貫通口を上側から塞ぎ、回転テーブル１２に対向するように設けられており、誘電体板３２の周縁部は支持部３４に支持されている。
導波管３３は誘電体板３２上に設けられており、天板１１Ｂ上に延在する内部空間３５を備える。図中３６は、導波管３３の下部側を構成するスロット板であり、誘電体板３２に接するように設けられ、複数のスロット孔３６Ａを有している。導波管３３の回転テーブル１２の中央側の端部は塞がれており、回転テーブル１２の周縁部側の端部には、マイクロ波発生器３７が接続されている。マイクロ波発生器３７は、例えば、約２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管３３に供給する。
図２及び図５に示すように、第１の改質領域Ｒ２の下流側端部には、上流側に向けて水素（Ｈ２）ガスを含む改質ガスを吐出する第１の改質ガス吐出部をなす第１のガスインジェクター４１が設けられている。また、第２の改質領域Ｒ３の上流側端部には、下流側に向けてＨ２ガスを含む改質ガスを吐出する第２の改質ガス吐出部をなす第２のガスインジェクター４２が設けられている。そして、反応領域Ｒ４の下流側端部には、上流側に向けて窒素含有ガスであるＮＨ３ガスを含む反応ガスを吐出する反応ガス吐出部をなす反応ガスインジェクター４３が設けられている。第１及び第２のガスインジェクター４１、４２、反応ガスインジェクター４３は同様に構成されており、以下では、ガスインジェクター４１、４２、４３という場合もある。以下、改質ガスとしてＨ２ガス、反応ガスとしてＮＨ３ガスを夫々用いる例について説明する。
第１及び第２のガスインジェクター４１、４２、反応ガスインジェクター４３は、例えば図１、図２、図６及び図７に示すように、先端側が閉じられた細長い管状体より構成されている。これらガスインジェクター４１、４２、４３は、真空容器１１の側壁から中央部領域に向かって水平に伸びるように、真空容器１１の側壁に各々設けられ、回転テーブル１２上のウエハＷの通過領域と交差するように夫々配置されている。水平とは目視で見て概ね水平である場合を含む意味である。
ガスインジェクター４１、４２、４３には、その長さ方向に沿ってガスの吐出口４０が夫々形成されている。これら吐出口４０の向き（ガスを吐出させた時の吐出方向）は、図７に反応ガスインジェクター４３を例にして示すように、水平方向である回転テーブル１２の上面と平行な向き（図７に点線Ｌにて示す向き）に対して一点鎖線Ｌ１で示す上側に４５度傾いた向きと、一点鎖線Ｌ２で示す下側に４５度傾いた向きとの間、この例では水平方向に向けてガスを吐出するように形成されている。例えば吐出口４０は、各ガスインジェクター４１、４２、４３において、回転テーブル１２上のウエハＷの通過領域をカバーする領域に形成されている。
図２に示すように、例えば第１のガスインジェクター４１及び第２のガスインジェクター４２はガス供給機器４４２を備えた配管系４４１を介してＨ２ガス供給源４４に夫々接続されている。ガス供給機器４４２は、ガス供給源４４から第１のガスインジェクター４１及び第２のガスインジェクター４２へのＨ２ガスの給断及び流量を各々制御できるように構成されている。
この例の反応ガスインジェクター４３は、例えば図６に示すように、吐出口４０が設けられたガス吐出領域がガスインジェクター４３の長さ方向に複数例えば２つに分割されている。ガスインジェクター４３の先端側の第１のガス吐出領域４３１と、ガスインジェクター４３の基端側の第２のガス吐出領域４３２とは、ガスインジェクター４３内部においてガスの通流空間が区画されている。そして、第１のガス吐出領域４３１は、ガス供給機器４５３を備えた配管系４５１を介してＮＨ３ガス供給源４５に接続され、第２のガス吐出領域４３２は、ガス供給機器４５４を備えた配管系４５２を介してＮＨ３ガス供給源４５に接続されている。ガス供給機器４５３、４５４は、ガス供給源４５から反応ガスインジェクター４３へのＮＨ３ガスの給断及び流量を各々制御でき、こうして、第１のガス吐出領域４３１と第２のガス吐出領域４３２とから、互いに異なる流量でＮＨ３ガスを吐出できるようになっている。なお、ガスインジェクター４３のガス吐出領域を長さ方向に分割しない場合もある。
この例では、第１及び第２のガスインジェクター４１、４２、反応ガスインジェクター４３は、夫々第１〜第３のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃの下方側に設けられているが、例えば第１のガスインジェクター４１は、第１のプラズマ形成ユニット３Ａの回転方向下流側に隣接する領域の下方側に設けるようにしてもよい。同様に、第２のガスインジェクター４２は、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂの回転方向上流側に隣接する領域の下方側、反応ガスインジェクター４３は、第３のプラズマ形成ユニット３Ｃの回転方向下流側に隣接する領域の下方側に夫々設けるようにしてもよい。
第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３では、上記の導波管３３に供給されたマイクロ波は、スロット板３６のスロット孔３６Ａを通過して誘電体板３２に至り、この誘電体板３２の下方に吐出されたＨ２ガスに供給されて、誘電体板３２の下方の第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３に限定的にプラズマが形成される。また、反応領域Ｒ４では、同様に、誘電体板３２の下方の反応領域Ｒ４に限定的にＮＨ３ガスのプラズマが形成される。
第２の改質領域Ｒ３と反応領域Ｒ４との間には、図２、図５及び図８に示すように、分離領域６１が設けられている。この分離領域６１の天井面は、第２の改質領域Ｒ３及び反応領域Ｒ４の各々の天井面よりも低く設定されている。分離領域６１は、図２に示すように、平面的に見て、回転テーブル１２の中央側から周縁側に向かうにつれて回転テーブル１２の周方向に広がる扇状に形成されており、その下面は、回転テーブル１２の上面に近接すると共に対向している。分離領域６１の下面と回転テーブル１２の上面との間は、分離領域６１の下方側へのガスの侵入を抑えるために、例えば３ｍｍに設定されている。なお、分離領域６１の下面を天板１１Ｂの下面と同一の高さに設定してもよい。
また、図２に示すように、回転テーブル１２の外側であって、第１の改質領域Ｒ２の上流側端部、第２の改質領域Ｒ３の下流側端部及び反応領域Ｒ４の上流側端部の各々に臨む位置には、第１の排気口５１、第２の排気口５２及び第３の排気口５３が夫々開口している。第１の排気口５１は、第１のガスインジェクター４１から吐出された第１の改質領域Ｒ２のＨ２ガスを排気するものである。第２の排気口５２は、第２のガスインジェクター４２から吐出された第２の改質領域Ｒ３のＨ２ガスを排気するものであり、分離領域６１の回転方向上流側近傍に設けられている。また、第３の排気口５３は、反応ガスインジェクター４３から吐出された反応ガス領域Ｒ４のＮＨ３ガスを排気するものであり、分離領域６１の回転方向下流側近傍に設けられている。
図１に第３の排気口５３を代表して示すように、第１〜第３の排気口５１〜５３は、真空容器１１の容器本体１１Ａにおける回転テーブル１２の外側の領域に、上を向いて開口するように形成され、第１〜第３の排気口５１〜５３の開口部は、回転テーブル１２の下方側に位置している。なお、図１には、周方向の位置がずれているが、反応領域Ｒ４の反応ガスインジェクター４３と、第３の排気口５３とを併記している。これら第１の排気口５１、第２の排気口５２及び第３の排気口５３は、夫々排気路５１１、５２１、５３１を介して例えば共通の排気装置５４に接続されている。
各排気路５１１、５２１、５３１には、夫々図示しない排気量調整部が設けられ、排気装置５４による第１〜第３の排気口５１〜５３からの排気量は例えば個別に調整自在に構成されている。なお、第１〜第３の排気口５１〜５３からの排気量は、共通化された排気量調整部により調整するようにしてもよい。こうして、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３、反応領域Ｒ４において、夫々のガスインジェクター４１〜４３から吐出された各ガスは、第１〜第３の排気口５１〜５３から排気されて除去され、これら排気量に応じた圧力の真空雰囲気が真空容器１１内に形成される。
図１に示すように成膜装置１には、コンピュータからなる制御部１０が設けられており、制御部１０にはプログラムが格納されている。このプログラムについては、成膜装置１の各部に制御信号を送信して各部の動作を制御し、後述の成膜処理が実行されるようにステップ群が組まれている。具体的には、回転機構１３による回転テーブル１２の回転数、各ガス供給機器による各ガスの流量及び給断、各排気装置２８、５４による排気量、マイクロ波発生器３７からのアンテナ３１へのマイクロ波の給断、ヒーター１５への給電などが、プログラムによって制御される。ヒーター１５への給電の制御は、即ちウエハＷの温度の制御であり、排気装置５４による排気量の制御は、即ち真空容器１１内の圧力の制御である。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカードなどの記憶媒体から制御部１０にインストールされる。
以下、成膜装置１による処理について、真空容器１１内の各部でガスが供給される様子を模式的に示した図９を参照しながら説明する。先ず、ウエハＷを６枚、基板搬送機構によって回転テーブル１２の各凹部１４に搬送し、ウエハＷの搬送口１６に設けられるゲートバルブを閉鎖して、真空容器１１内を気密にする。凹部１４に載置されたウエハＷは、ヒーター１５によって所定の温度に加熱される。そして、第１〜第３の排気口５１、５２、５３からの排気によって、真空容器１１内を所定の圧力の真空雰囲気にすると共に、回転テーブル１２を例えば１０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍで回転する。
そして、第１〜第３のプラズマ形成ユニット３Ａ〜３Ｃにおいて、第１のガスインジェクター４１、第２のガスインジェクター４２から夫々例えば４リットル／分の流量でＨ２ガスを吐出すると共に、反応ガスインジェクター４３からは、例えば第１のガス吐出領域４３１及び第２のガス吐出領域４３２（図６参照）からトータルで１０００ｍｌ／分（ｓｃｃｍ）〜４０００ｍｌ／分、例えば２０００ｍｌ／分の流量でＮＨ３ガスを吐出する。
第１の改質領域Ｒ２では、下流側端部の第１のガスインジェクター４１から、上流側に向けて水平方向にＨ２ガスを吐出し、このＨ２ガスは上流側端部の第１の排気口５１に向けて通流するので、Ｈ２ガスは第１の改質領域Ｒ２全体に行き渡るように流れていく。また、第２の改質領域Ｒ３では、上流側端部の第２のガスインジェクター４２から、下流側に向けて水平方向にＨ２ガスを吐出し、このＨ２ガスは下流側端部の第２の排気口５２に向けて通流するので、Ｈ２ガスは第２の改質領域Ｒ３全体に行き渡るように流れていく。そして、例えばＨ２ガスの一部は、分離領域６１内に流入するが、分離領域６１の天井が低くてコンダクタンスが小さいので、第２の排気口５２の吸引力により引き戻され、当該第２の排気口５２内に排気される。
反応領域Ｒ４では、下流側端部の反応ガスインジェクター４３から、上流側に向けて水平方向にＮＨ３ガスを吐出し、このＮＨ３ガスは上流側端部の第３の排気口５３に向けて通流するので、ＮＨ３ガスは反応領域Ｒ４全体に行き渡るように流れていく。そして、例えばＮＨ３ガスの一部は、分離領域６１内に流入するが、分離領域６１のコンダクタンスが小さいので、第３の排気口５３の吸引力により引き戻され、当該第３の排気口５３内に排気される。従って、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３と、反応領域Ｒ４との間では、ＮＨ３ガスとＨ２ガスの通流領域が互いに分離された状態となり、ＮＨ３ガスとＨ２ガスの混合が抑制される。
一方、マイクロ波発生器３７からマイクロ波が供給され、このマイクロ波によって、Ｈ２ガス又はＮＨ３ガスがプラズマ化し、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３にＨ２ガスのプラズマＰ１、反応領域Ｒ４にＮＨ３ガスのプラズマＰ２が夫々形成される。回転テーブル１２の回転によって各ウエハＷが反応領域Ｒ４を通過すると、プラズマＰ２を構成する、ＮＨ３ガスから生じたＮ（窒素）を含むラジカルなどの活性種が各ウエハＷの表面に供給される。それによってウエハＷの表層が窒化され、窒化膜が形成される。
ガス給排気ユニット２においてはガス吐出口２１からＤＣＳガス、パージガス吐出口２３からＡｒガスが夫々所定の流量で吐出されると共に、排気口２２から排気が行われる。また、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３、反応領域Ｒ４においては、引き続きＨ２ガス又はＮＨ３ガスのプラズマＰ１、Ｐ２が形成される。
このように各ガスの供給及びプラズマＰ１、Ｐ２の形成が行われる一方で、真空容器１１内の圧力が所定の圧力例えば６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）〜６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）になる。回転テーブル１２の回転によって、ウエハＷが吸着領域Ｒ１に位置すると、シリコンを含む原料ガスとしてＤＣＳガスが窒化膜の表面に供給されて吸着される。引き続き回転テーブル１２が回転して、ウエハＷが吸着領域Ｒ１の外側へ向けて移動し、ウエハＷの表面にパージガスが供給され、吸着された余剰のＤＣＳガスが除去される。
さらに、回転テーブル１２の回転により、反応領域Ｒ４に至るとプラズマに含まれるＮＨ３ガスの活性種がウエハＷに供給されてＤＣＳガスと反応し、窒化膜上にＳｉＮの層が島状に形成される。また、ウエハＷが回転テーブル１２の回転により、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３に至ると、プラズマに含まれるＨ２ガスの活性種により、ＳｉＮ膜中の未結合手にＨが結合され、緻密な膜へ改質される。ＤＣＳガスには塩素（Ｃｌ）が含まれているため、ＤＣＳガスを原料ガスに用いると、成膜されるＳｉＮ膜に塩素成分が不純物として取り込まれてしまう可能性がある。このため、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３においてＨ２ガスのプラズマを照射することにより、薄膜中に含まれる塩素成分をＨ２ガスの活性種の働きによって脱離させ、より純粋な（緻密な）窒化膜に改質している。
こうして、ウエハＷは、吸着領域Ｒ１、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３、反応領域Ｒ４を順に繰り返し移動し、ＤＣＳガスの供給、Ｈ２ガスの活性種の供給、ＮＨ３ガスの活性種の供給を順に繰り返して受け、各島状のＳｉＮの層が改質されながら、広がるように成長する。その後も、回転テーブル１２の回転が続けられてウエハＷ表面にＳｉＮが堆積し、薄層が成長してＳｉＮ膜となる。即ち、ＳｉＮ膜の膜厚が上昇し、所望の膜厚のＳｉＮ膜が形成されると、例えばガス給排気ユニット２における各ガスの吐出及び排気が停止する。また、第１及び第２のプラズマ形成ユニット３Ａ、３ＢにおけるＨ２ガスの供給及び電力の供給と、第３のプラズマ形成ユニット３ＣにおけるＮＨ３ガスの供給及び電力の供給と、が各々停止して成膜処理が終了する。成膜処理後のウエハＷは、搬送機構によって成膜装置１から搬出される。
上記の成膜装置１によれば、第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ３に供給されたＨ２ガスは夫々の領域に設けられた第１の排気口５１及び第２の排気口５２から夫々排気され、反応領域Ｒ４に供給されたＮＨ３ガスは当該領域に設けられた第３の排気口５３から排気される。このため、各領域Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４において、いわば専用の排気性能が高いので、第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ３と、反応領域Ｒ４との間で、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスが混合されることが抑制される。従って、反応領域Ｒ４へのＮＨ３ガスの供給流量を大きくしても、第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ３では、ＮＨ３ガスの拡散が抑えられることから、Ｈ２ガスの活性種による改質処理が高い効率で行われるので、ＳｉＮ膜の緻密性が向上し、低エッチングレートが確保できる。また、反応領域Ｒ４ではＮＨ３ガスの流量増加に伴い、成膜速度が増大する。この結果、エッチングレートが低い高品質なＳｉＮ膜を早い成膜速度で形成することができる。
従来のように、Ｈ２ガスの供給領域とＮＨ３ガスの供給領域とに共通の排気口が設けられている場合には、ＮＨ３ガスの供給流量を多くすると、Ｈ２ガスの供給領域にもＮＨ３ガスが拡散していき、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスが混合されやすくなる。従って、成膜速度の増大を図るためにＮＨ３ガスの供給流量を増加すると、後述の評価試験からも明らかなように、改質領域における改質効率が低下し、エッチングレートが高い膜が形成されてしまう。このように、従来の装置では、低いエッチングレートを確保するためには、ＮＨ３ガスの流量は１００ｍｌ／分程度に設定せざるを得ず、ＳｉＮ膜の成膜にあたり、成膜速度の増大とエッチングレートの低下の両立を図ることはできなかった。
これに対して、上述の実施の形態では、後述の評価試験からＮＨ３ガスの流量を３００ｍｌ／分以上にすると、従来に比べてエッチングレートが低いＳｉＮ膜を早い成膜速度で形成することができることが確認されている。このことから、上述の実施形態は、ＮＨ３ガスの流量が３００ｍｌ／分以上である場合に有効な技術であるといえる。
また、反応ガスインジェクター４３は反応領域Ｒ４の回転方向下流側端部に設けられると共に、ガスの吐出口４０は反応領域Ｒ４の上流側に向けてガスを吐出するように形成され、回転方向上流側端部には第３の排気口５３が設けられている。このため、反応ガスインジェクター４３から吐出されたＮＨ３ガスは、反応領域Ｒ４の回転方向下流側に配置されたＳｉの吸着領域Ｒ１とは反対側へ引き寄せられるように流れていくので、吸着領域Ｒ１へのＮＨ３ガスの拡散が抑えられる。
さらに、第１の改質領域Ｒ２と第２の改質領域Ｒ３は、回転方向において互いに隣接すると共に、第１の改質領域Ｒ２では、第２の改質領域Ｒ３側に寄った位置に設けられた第１のガスインジェクター４１から、第２の改質領域Ｒ３側とは反対側に設けられた第１の排気口５１に向けてＨ２ガスが吐出される。一方、第２の改質領域Ｒ３では、第１の改質領域Ｒ２側に寄った位置に設けられた第２のガスインジェクター４２から、第１の改質領域Ｒ２側とは反対側に設けられた第２の排気口５２に向けてＨ２ガスが吐出される。従って、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３を合わせた広い改質領域では、回転方向の中央部から上流側及び下流側に向けて夫々ガスが吐出されるので、広い範囲に満遍なくＨ２ガスを行き渡らせることができる。これにより、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３において、十分に改質処理を進行させ、高い改質効果を得ることができる。
さらに、第２の改質領域Ｒ３と反応領域Ｒ４とは、互いに回転方向に隣接しているが、第２の改質領域Ｒ３では、反応領域Ｒ４側に寄った位置に第２の排気口５２が形成され、反応領域Ｒ４では第２の改質領域Ｒ３側に寄った位置に第３の排気口５３が形成されている。このように、隣接する領域Ｒ３、Ｒ４同士の間に、夫々専用の排気口５２、５３が形成されている。これにより、仮にＨ２ガス又はＮＨ３ガスが夫々隣接する領域Ｒ３、Ｒ４側へ移動しようとしても、隣接する領域Ｒ３、Ｒ４に至るまでに排気口が２つあり、夫々の排気口に引き込まれるように排気されるので、第２の改質領域Ｒ３又は反応領域Ｒ４では、異なるガスの拡散が抑えられる。
さらに、第２の改質領域Ｒ３と反応領域Ｒ４の間に分離領域６１を形成することにより、ガスが隣接する領域Ｒ３、Ｒ４に移動しようとすると、既述のように分離領域６１はコンダクタンスが小さいので、第２の排気口５２及び第３の排気口５３の吸引力によりこれら排気口５２、５３に引き戻される。これにより、第２の改質領域Ｒ３又は反応領域Ｒ４では、より一層異なるガスの拡散が抑えられる。
また、第１及び第２のガスインジェクター４１、４２、反応ガスインジェクター４３のガス吐出口４０は水平方向にガスを吐出するように形成されている。このため、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３、反応領域Ｒ４の夫々において、ガスは第１〜第３の排気口５１〜５３に向けて速やかに通流していき、夫々の領域Ｒ２〜Ｒ４において、ガスが満遍なく行き渡り、排気される。
さらにまた、既述のように、Ｈ２ガスとＮＨ３ガスとの混合が抑制されるので、後述の評価試験から明らかなように、膜厚の制御を行うことができる。つまり、反応領域Ｒ４では、反応ガスインジェクター４３の第１のガス吐出領域４３１と、第２のガス吐出領域４３２のガス流量を変えると、この流量の変化がそのまま膜厚に反映される。従って、反応ガスインジェクター４３の長さ方向のガス流量を調整することにより、ウエハＷの径方向の膜厚を制御することができる。
さらに、第１のガスインジェクター４１と第１の排気口５１とは、第１の改質領域Ｒ２における回転方向の下流側端部と上流側端部に夫々設けられ、第２のガスインジェクター４２と第２の排気口５２とは、第２の改質領域Ｒ３における回転方向の上流側端部と下流側端部に夫々設けられている。このように、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３では、回転方向においていわば互いに対向するようにガスインジェクター４１、４２と排気口５１、５２とが夫々設けられているので、改質領域Ｒ２、Ｒ３のプラズマ空間におけるＨ２ガスの滞在時間が長くなる。このため、ＡｒガスやＮＨ３ガスの混入が抑制され、Ｈ２ガスの分圧が高いことも合わせて、小流量のＨ２ガスであっても、十分に改質処理を進行させることができる。このように、本発明装置では、従来に比べて、ＮＨ３ガスの流量増加や、Ｈ２ガスの流量減少を図ることができて、これらＮＨ３ガス、Ｈ２ガス流量の自由度が高く、プロセス条件の拡大に繋がる。
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施の形態の成膜装置７について、図１０〜図１２を参照して、第１の実施形態の成膜装置１との差異点を中心に説明する。この例の成膜装置７には、回転テーブル１２の回転方向におけるガス給排気ユニット２の下流側から、第１の改質領域Ｒ２、反応領域Ｒ４、第２の改質領域Ｒ３が、回転方向に沿って順番に配置されている。
第１の改質領域Ｒ２の上流側端部には、下流側に向けてＨ２ガスを吐出する第１のガスインジェクター４１よりなる第１の改質ガス吐出部、第２の改質領域Ｒ３の下流側端部には、上流側に向けてＨ２ガスを吐出する第２のガスインジェクター４２よりなる第２の改質ガス吐出部が夫々設けられている。さらに、反応領域Ｒ４の下流側端部には、上流側に向けてＮＨ３ガスを吐出する反応ガスインジェクター４３よりなる反応ガス吐出部が設けられている。
回転テーブル１２の外側であって、第１の改質領域Ｒ２の下流側端部、反応領域Ｒ４の上流側端部及び第２の改質領域Ｒ３の上流側端部の各々に臨む位置には、夫々第１の排気口５１、第３の排気口５３、第２の排気口５２が形成されている。これら第１〜第３の排気口５１〜５３は、第１の実施の形態と同様に、回転テーブル１２よりも下方側において、上側に開口するように形成されている。さらに、第１の改質領域Ｒ２と反応領域Ｒ４との間には第１の分離領域６２が設けられ、反応領域Ｒ４と第２の改質領域Ｒ３との間には第２の分離領域６３が設けられている。これら第１及び第２の分割領域６２、６３は第１の実施の形態の分離領域６１と同様に構成されている。第１〜第３プラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｂ、３Ｃや、第１及び第２のガスインジェクター４１、４２、反応ガスインジェクター４３等、その他については第１の実施形態と同様であり、同じ構成部位については同符号を付し、説明を省略する。
この実施形態においても、例えば第１及び第２のガスインジェクター４１、４２から夫々例えば４リットル／分の流量でＨ２ガスを吐出すると共に、反応ガスインジェクター４３から例えばトータルで１０００ｍｌ／分〜４０００ｍｌ／分例えば２０００ｍｌ／分の流量でＮＨ３ガスを吐出する。そして、上述の第１の実施の形態の成膜装置１と同様にＳｉＮ膜の成膜処理を行う。
真空容器１１内の各部でガスが供給される様子を図１１及び図１２に模式的に示す。第１の改質領域Ｒ２では、上流側端部の第１のガスインジェクター４１から、下流側に向けて水平方向にＨ２ガスを吐出し、このＨ２ガスは下流側端部の第１の排気口５１に向けて通流するので、Ｈ２ガスは第１の改質領域Ｒ２全体に行き渡る。そして、例えばＨ２ガスの一部は、第１の分離領域６２内に流入するが、分離領域６２のコンダクタンスが小さいので、第１の排気口５１の吸引力により引き戻され、当該第１の排気口５１内に排気される。
反応領域Ｒ４では、下流側端部の反応ガスインジェクター４３から、上流側に向けて水平方向にＮＨ３ガスを吐出し、このＮＨ３ガスは上流側端部の第３の排気口５３に向けて通流するので、ＮＨ３ガスは反応領域Ｒ４全体に行き渡るように流れていく。そして、例えばＮＨ３ガスの一部は、第１の分離領域６２内に流入するが、分離領域６２のコンダクタンスが小さいので、第３の排気口５３の吸引力により引き戻され、当該第３の排気口５３内に排気される。
また、第２の改質領域Ｒ３では、下流側端部の第２のガスインジェクター４２から、上流側に向けて水平方向にＨ２ガスを吐出し、このＨ２ガスは上流側端部の第２の排気口５２に向けて通流するので、Ｈ２ガスは第２の改質領域Ｒ３全体に行き渡るように流れていく。
こうして、互いに隣接する第１の改質領域Ｒ２と、反応領域Ｒ４との間では、第１のガスインジェクター４１と反応ガスインジェクター４３とから、夫々第１の分離領域６２に向けてガスが吐出されるが、第１の排気口５１及び第３の排気口５３と、第１の分離領域６２とにより、ＮＨ３ガスとＨ２ガスの混合が抑制される。つまり、既述のように、第１の改質領域Ｒ２のＨ２ガスは第１の排気口５１、反応領域Ｒ４のＮＨ３ガスは第３の排気口５３により夫々排気されるが、仮にＨ２ガスが反応領域Ｒ４側に移動しようとしても、反応領域Ｒ４の入口にある第３の排気口５３に引き込まれるため、反応領域Ｒ４への拡散が防止される。同様に、反応領域Ｒ４のＮＨ３ガスが第１の改質領域Ｒ２側に移動しようとしても、第１の改質領域Ｒ２の入口にある第１の排気口５１に引き込まれるため、第１の改質領域Ｒ２への拡散が防止される。
また、互いに隣接する反応領域Ｒ４と第２の改質領域Ｒ３との間では、第２の分離領域６３が設けられているので、ＮＨ３ガスとＨ２ガスの混合が抑制される。つまり、反応領域Ｒ４のＮＨ３ガスは第３の排気口５３により引き込まれるため、第２の改質領域Ｒ３側に向かうＮＨ３ガスはほとんどなく、仮に第２の改質領域Ｒ３側に移動しようとしても、第２の分離領域６２により侵入が阻まれ、第２の改質領域Ｒ３へのＮＨ３ガスの拡散が防止される。同様に、第２の改質領域Ｒ３のＨ２ガスは第２の排気口５２により引き込まれるため、反応領域Ｒ４側に向かうＨ２ガスはほとんどなく、仮に反応領域Ｒ４側に移動しようとしても、第２の分離領域６２により侵入が阻まれ、反応領域Ｒ４へのＨ２ガスの拡散が防止される。
このように、この例の成膜装置７においても、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスが混合されることが抑えられるので、第１の実施形態と同様に、早い成膜速度で膜質の良好なＳｉＮ膜を形成することができ、ウエハＷの径方向の膜厚の制御ができると共に、プロセス条件が拡大できる。
以上において、第１の実施形態の成膜装置及び第２の実施の形態の成膜装置では、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３と、反応領域Ｒ４の各領域において、専用の排気性能が高く、Ｈ２ガス及びＮＨ３が混合されることが抑制される。このため、分離領域６１、第１の分離領域６２及び第２の分離領域６３は補助的に設けられるものであり、必ずしもこれらを設ける必要はない。但し、例えばＮＨ３ガスの流量が１０００ｍｌ／分以上と多くなる場合には、より確実にＨ２ガスとＮＨ３ガスとの混合を抑制するために、分離領域６１、第１の分離領域６２及び第２の分離領域６３を設けることが好ましい。また、ガスインジェクターは、その長さ方向に沿って吐出口が形成され、回転テーブル１２上のウエハＷの通過領域と交差するように配置される構成であればよく、長い管状体に限らず、ガスの吐出口が形成されたガス供給室であってもよい。
本発明の成膜装置は上述の例に限らず、反応ガス吐出部を、反応領域の上流側及び下流側の一方側の端部に設け、当該上流側及び下流側の他方側に向けて反応ガスを吐出するように構成すると共に、反応ガス用の排気口を、反応領域の上流側及び下流側の他方側の端部に臨む位置に設けるように構成する。そして、改質ガス吐出部を、改質領域の上流側及び下流側の一方側の端部に設け、当該上流側及び下流側の他方側に向けて改質ガスを吐出するように構成すると共に、改質ガス用の排気口を改質領域の上流側及び下流側の他方側の端部に臨む位置に設けるように構成してもよい。
図１３は、反応領域Ｒ４が改質領域Ｒ２の下流側に位置し、反応ガス吐出部をなす反応ガスインジェクター４３を、反応領域Ｒ４の下流側の端部に設け、上流側に向けて反応ガスを吐出するように構成すると共に、反応ガス用の第３の排気口５３を、反応領域Ｒ４の上流側の端部に臨む位置に設けるように構成する。そして、改質ガス吐出部をなす第１のガスインジェクター４１を、第１の改質領域Ｒ２の上流側の端部に設け、下流側に向けて改質ガスを吐出するように構成すると共に、改質ガス用の第１の排気口５１を第１の改質領域Ｒ２の下流側の端部に臨む位置に設けるように構成した例である。
また、図１４は、反応領域Ｒ４が改質領域Ｒ３の上流側に位置し、反応ガスインジェクター４３を、反応領域Ｒ４の下流側の端部に設け、上流側に向けて反応ガスを吐出するように構成すると共に、反応ガス用の第３の排気口５３を、反応領域Ｒ４の上流側の端部に臨む位置に設けるように構成する。そして、改質ガス吐出部をなす第２のガスインジェクター４２を、第２の改質領域Ｒ３の下流側の端部に設け、上流側に向けて改質ガスを吐出するように構成すると共に、改質ガス用の第２の排気口５２を第２の改質領域Ｒ３の上流側の端部に臨む位置に設けるように構成した例である。
さらに、図１５は、反応領域Ｒ４が改質領域Ｒ３の下流側に位置し、反応ガスインジェクター４３を、反応領域Ｒ４の上流側の端部に設け、下流側に向けて反応ガスを吐出するように構成すると共に、反応ガス用の第３の排気口５３を、反応領域Ｒ４の下流側の端部に臨む位置に設けるように構成する。そして、改質ガス吐出部をなす第２のガスインジェクター４２を、第２の改質領域Ｒ３の上流側の端部に設け、下流側に向けて改質ガスを吐出するように構成すると共に、改質ガス用の第２の排気口５２を第２の改質領域Ｒ３の下流側の端部に臨む位置に設けるように構成した例である。
また、第２の実施形態の成膜装置のように、反応領域Ｒ４が第２の改質領域Ｒ３の上流側に位置する場合において、反応ガスインジェクター４３を反応領域Ｒ４の上流側の端部に設け、下流側に向けて反応ガスを吐出するように構成すると共に、反応ガス用の第３の排気口５３を、反応領域Ｒ４の下流側の端部に臨む位置に設ける。そして、第２のインジェクター４２を改質領域Ｒ３の下流側の端部に設け、改質ガス用の第２の排気口５２を第２の改質領域Ｒ３の上流側の端部に臨む位置に設けるように構成してもよい。この例や図１３〜図１５に示す例においては、改質領域Ｒ１、Ｒ２のプラズマ空間における改質ガスの滞在時間や、反応領域Ｒ４のプラズマ空間における反応ガスの滞在時間が長くなるため、改質処理や窒化処理が十分に進行するという効果がある。このように、反応ガスインジェクター４３、第１及び第２のガスインジェクター４１、４２の配置位置は、プロセス条件に応じて適宜変更可能である。
さらに、ガス給排気ユニット２においては、必ずしもパージガス吐出口２３を備える必要はない。例えば排気口２２の外側にさらなる排気口を設け、この排気口により吸着領域Ｒ１以外の領域からの反応ガスや改質ガスを排気して、吸着領域Ｒ１の雰囲気を外部の雰囲気から分離するようにしてもよい。
（評価試験１）
第１の実施の形態の成膜装置１において、第１及び第２のガスインジェクター４１、４２から夫々４リットル／分でＨ２ガスを吐出し、反応ガスインジェクター４３から１０００ｍｌ／分の流量でＮＨ３ガスを吐出したときのＨ２とＮＨ３の面内分布についてシミュレーションを行った。シミュレーション条件は、回転テーブル１２の温度：４５０℃、回転テーブル１２の回転数：３０ｒｐｍとした。
評価試験１と同様の条件において、図１６に示す比較モデルの成膜装置８についても同様のシミュレーションを行った、図１６の成膜装置８について、第１の実施の形態の成膜装置１と異なる点について簡単に説明する。この例では、ガス給排気ユニット２と、第１の改質領域Ｒ２と、反応領域Ｒ４と、第２の改質領域Ｒ３とが、回転テーブル２の回転方向の上流側からこの順序で配設されている。第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ３には、回転テーブル２の中央側と周縁側に、夫々Ｈ２ガスの吐出部８１、８２が設けられている。
反応領域Ｒ４では、回転方向の上流側端部と下流側端部に夫々第１の実施形態と同様に構成された反応ガスインジェクター８３、８３が設けられると共に、回転テーブルの周縁側に、ＮＨ３ガスの吐出部８４が配置されている。そして、反応ガスインジェクター８３、８３同士の間に、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを排気するための共通の排気口８５が形成されている。この成膜装置８においても、Ｈ２ガスの吐出部８１、８２からのＨ２ガスの総流量と、反応ガスインジェクター８３、８３及びＮＨ３ガスの吐出部８４からのＮＨ３ガスの総流量は評価試験１と同じに設定した。
ＮＨ３濃度のシミュレーションにより、本発明装置では、比較例装置に比べて、反応領域Ｒ４におけるＮＨ３濃度が高いことが認められ、成膜速度の増大に有効であることが理解される。また、Ｈ２濃度のシミュレーションにより、本発明装置では、比較例装置に比べて、反応領域Ｒ４におけるＨ２濃度が極めて低く、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３と反応領域Ｒ４との間においてＨ２ガスとＮＨ３ガスとが分離できることが認められた。さらに、本発明装置では、比較例装置に比べて、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ３におけるＮＨ３濃度が極めて低く、エッチングレートの低下に有効であることが理解される。
（評価試験２）
本発明装置において、第１及び第２のガスインジェクター４１、４２から夫々４リットル／分でＨ２ガスを吐出し、反応ガスインジェクター４３から、ＮＨ３ガスを吐出してＳｉＮ膜を成膜し、このときの成膜速度を評価した。また、得られたＳｉＮ膜について、フッ酸溶液を用いてウェットエッチングを行い、このときのエッチングレートについても評価した。ＳｉＮ膜の成膜条件は、回転テーブル１２の温度：４５０℃、回転テーブル１２の回転数：３０ｒｐｍ、プロセス圧力：２６７Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）とし、ＮＨ３ガスは、０ｍｌ／分〜１６００ｍｌ／分の間で流量を変えて供給した。また、比較例装置を用いて、同様に評価試験２を行った。
エッチングレートについては図１７に、成膜速度については図１８に夫々示す。図１７中、縦軸はエッチングレート、横軸はＮＨ３ガスの流量であり、□にて本発明装置のデータ、◇にて比較例装置のデータを夫々プロットしている。また、図１８中、縦軸は成膜速度、横軸はＮＨ３ガスの流量であり、□にて本発明装置のデータ、◇にて比較例装置のデータを夫々プロットしている。なお、エッチングレートは、熱酸化膜を同じ条件にてフッ酸溶液を用いてウェットエッチングしたときのエッチングレートを１とし、これに対する相対値で示している。
膜質の指標となるエッチングレートについては、図１７から、本発明装置では、ＮＨ３ガスの流量を増加しても、低いエッチングレートを確保できること、特にＮＨ３ガスの流量が５００ｍｌ／分以上では、エッチングレートが０．１７以下とより低くなることが認められた。一方、比較例装置では、ＮＨ３ガスの流量が１００ｍｌ／分以下のときは、エッチングレートが０．１７以下となるが、ＮＨ３ガスの流量の増加に伴い、エッチングレートが急激に高くなることが確認された。これは、比較例装置では、ＮＨ３ガスの流量が増加すると、改質領域において、ＮＨ３ガスとＨ２ガスとが混合し、Ｈ２ガスによる改質処理よりもＮＨ３ガスの反応が優先して、改質処理が効率よく進行しないためと推察される。
成膜速度については、図１８から、本発明装置ではＮＨ３ガスの流量増加に伴って成膜速度が急激に向上することが認められたが、比較例装置ではＮＨ３ガスの流量が５００ｍｌ／分以上になると、成膜速度がほぼ変化しないことが確認された。これは、比較例装置では、ガス供給部と排気口の位置関係により、ＮＨ３ガスがそのまま排気口へ向かって速やかに流れ、ＮＨ３ガスの流量が増加しても排気される量が多くなるためと推察される。
以上のように、本発明の成膜装置１では、ＮＨ３ガスの流量が３００ｍｌ／分のときには、比較例装置よりも低エッチングレートであって、成膜速度もほぼ同じであることが認められた。また、ＮＨ３ガスの流量が３００ｍｌ／分以上であれば、比較例装置に比べて成膜速度が大きく、エッチングレートが低くなることが確認された。このように、本発明によれば、ＮＨ３ガスの流量を増加することによって早い成膜速度を確保しながら、低いエッチングレートを達成できることが理解され、本発明の成膜装置１は、ＮＨ３ガスの流量が３００ｍｌ／分以上のプロセスに有効であることが確認された。
また、比較例装置のように、ＮＨ３ガスとＨ２ガスを共通の排気口８５から排気する装置であっても、ＮＨ３ガスの流量が２００ｍｌ／分のときには、０．１８以下のエッチングレートを確保している。このことから、本発明装置のように、ＮＨ３ガスとＨ２ガスとを夫々専用の排気口から排気する装置であれば、ＮＨ３ガスの供給領域とＨ２ガスの供給領域との間に分離領域を設けない構成であっても、ＮＨ３ガスとＨ２ガスの混合が十分に抑制されることが理解される。従って、分離領域を設けない構成であっても、ＮＨ３ガスの流量が３００ｍｌ／分以上であれば、比較例装置に比べて早い成膜速度と、低エッチングレートを確保できると言える。
（評価試験３）
本発明装置において、第１及び第２のガスインジェクター４１、４２から夫々４リットル／分でＨ２ガスを吐出し、反応ガスインジェクター４３から、ＮＨ３ガスを吐出してＳｉＮ膜を成膜し、このときの膜厚分布を評価した。ＳｉＮ膜の成膜条件は、回転テーブル１２の温度：４５０℃、回転テーブル１２の回転数：３０ｒｐｍ、プロセス圧力：２６７Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）とし、ＮＨ３ガスは、第１の吐出領域４３１と第２の吐出領域４３２の流量を変えて供給した。
この結果を図１９に示す。図中縦軸は膜厚であり、横軸はウエハＷの径方向の位置である。ウエハＷの径方向の位置は、ウエハ中心が０、＋１５０ｍｍが回転テーブル１２の回転中心側、−１５０ｍｍが回転テーブル１２の周縁側である。第１の吐出領域４３１の流量をＦ１、第２の吐出領域４３２の流量をＦ２とすると、Ｆ１／Ｆ２＝２５０ｓｃｃｍ／２５０ｓｃｃｍの場合を△、Ｆ１／Ｆ２＝２５０ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍの場合を□、Ｆ１／Ｆ２＝０ｓｃｃｍ／２５０ｓｃｃｍの場合を◇で夫々プロットしている。膜厚は、ウエハ中心の膜厚が１となるように、規格化した任意定数である。
また、比較例装置を用いて、同様に評価試験３を行った。この結果を図２０に示す。図１９と同様に、図中縦軸は膜厚であり、図中横軸はウエハＷの径方向の位置である。このとき、反応ガスインジェクター８３、８３の総流量をＦ３、吐出部８４の総流量をＦ４とすると、Ｆ３／Ｆ４＝１０００ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍの場合を△、Ｆ３／Ｆ４＝５００ｓｃｃｍ／５００ｓｃｃｍの場合を□、Ｆ３／Ｆ４＝２５０ｓｃｃｍ／７５０ｓｃｃｍの場合を◇で夫々プロットしている。
本発明装置の結果を示す図１９から、反応ガスインジェクター４３の先端側の第１の吐出領域４３１からの流量を多くすれば、回転テーブル１２の回転中心側の膜厚が大きくなり、反応ガスインジェクター４３の基端側の第２の吐出領域４３２からの流量を多くすれば、回転テーブル１２の周縁側の膜厚が大きくなることが認められた。これにより、第１の吐出領域４３１と第２の吐出領域４３２の流量を変えることによって、ウエハＷの径方向の膜厚分布が変化し、ウエハＷの径方向の膜厚制御性が良好であることが理解される。これに対して、比較例装置の結果を示す図２０では、反応ガスインジェクター８３と吐出部８４の流量を変えても、ウエハＷの径方向の膜厚分布はほぼ同様であり、膜厚の制御は困難であることが確認された。
また、本発明装置において、ＮＨ３ガスの総流量を変えてＳｉＮ膜を成膜し、その膜厚を評価した。この結果を図２１に示す。図中縦軸は膜厚、横軸はウエハＷの径方向の位置である。第１の吐出領域４３１の流量をＦ１、第２の吐出領域４３２の流量をＦ２とすると、Ｆ１／Ｆ２＝４０ｓｃｃｍ／４０ｓｃｃｍの場合を□、Ｆ１／Ｆ２＝１００ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍの場合を◇、Ｆ１／Ｆ２＝２５０ｓｃｃｍ／２５０ｓｃｃｍの場合を△、Ｆ１／Ｆ２＝５００ｓｃｃｍ／５００ｓｃｃｍの場合を×で夫々プロットしている。
また、比較例装置を用いて、ＮＨ３ガスの総流量を変えた場合についても、ＳｉＮ膜の膜厚を評価した。この結果を図２２に示す。図中縦軸は膜厚、横軸はウエハＷの径方向の位置である。このとき、反応ガスインジェクター８３、８３の総流量をＦ３、吐出部８４の総流量をＦ４とすると、Ｆ３／Ｆ４＝８０ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍの場合を□、Ｆ３／Ｆ４＝１４０ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍの場合を△、Ｆ３／Ｆ４＝５００ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍの場合を◇、Ｆ３／Ｆ４＝１０００ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍの場合を×で夫々プロットしている。
本発明装置の結果を示す図２１から、ＮＨ３ガスの流量を増加することによって、ウエハＷの径方向の位置−１００ｍｍから＋１００ｍｍの範囲において、膜厚をほぼ均一な分布に制御できることが認められた。これは膜厚の面内均一性が改善することを示しており、低いエッチングレートを保持しつつ、早い成膜速度で膜厚の面内均一性が良好なＳｉＮ膜が成膜できることが理解される。これに対して、比較例装置の結果を示す図２２では、ＮＨ３ガスの流量を増加しても、膜厚の分布はほぼ同様であり、膜厚の面内均一性の改善は困難であることが確認された。
Ｗ ウエハ
Ｒ１ 吸着領域
Ｒ２ 第１の改質領域
Ｒ３ 第２の改質領域
Ｒ４ 反応領域
１、７ 成膜装置
１１ 真空容器
１２ 回転テーブル
２ 給排気ユニット
３Ａ 第１のプラズマ形成ユニット
３Ｂ 第２のプラズマ形成ユニット
３Ｃ 第３のプラズマ形成ユニット
４１ 第１のガスインジェクター
４２ 第２のガスインジェクター
４３ 反応ガスインジェクター
６１ 分離領域
６２ 第１の分離領域
６３ 第２の分離領域

Claims (7)

  1. 真空容器内にて回転テーブルに配置された基板を当該回転テーブルにより公転させ、互に回転テーブルの周方向に離れた領域の各々にシリコンを含む原料ガス及び窒素含有ガスを供給して基板にシリコン窒化膜を成膜する成膜装置において、
    前記回転テーブルに対向し、原料ガスを吐出する吐出部及び当該吐出部を囲む排気口を備えた原料ガス供給部と、
    前記原料ガス供給部に対して回転テーブルの回転方向に各々離れて設けられると共に、互いに回転テーブルの回転方向に離れて設けられた反応領域及び改質領域と、
    前記反応領域の上流側及び下流側の一方側の端部に設けられ、当該上流側及び下流側の他方側に向けて窒素含有ガスを含む反応ガスを吐出する反応ガス吐出部と、
    前記改質領域の上流側及び下流側の一方側の端部に設けられ、当該上流側及び下流側の他方側に向けて水素ガスを含む改質ガスを吐出する改質ガス吐出部と、
    前記回転テーブルの外側であって、前記反応領域の上流側及び下流側の他方側の端部に臨む位置に設けられた反応ガス用の排気口と、
    前記回転テーブルの外側であって、前記改質領域の上流側及び下流側の他方側の端部に臨む位置に設けられた改質ガス用の排気口と、
    前記反応領域及び改質領域に夫々供給されたガスを活性化するための反応ガス用のプラズマ発生部及び改質ガス用のプラズマ発生部と、
    前記反応ガス吐出部及び改質ガス吐出部の各々は、その長さ方向に沿って吐出口が形成され、回転テーブル上の基板の通過領域と交差するように配置されたガスインジェクターにより構成されたことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記反応ガス吐出部が反応領域の上流側の端部に設けられかつ改質ガス吐出部が改質領域の上流側の端部に設けられる構成、及び
    前記反応ガス吐出部が反応領域の下流側の端部に設けられかつ改質ガス吐出部が改質領域の下流側の端部に設けられる構成、
    のいずれか一方の構成を備えていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
  3. 前記反応領域が改質領域の下流側に位置し、前記反応ガス吐出部が反応領域の下流側の端部に設けられ、改質ガス吐出部が改質領域の上流側の端部に設けられる構成、及び
    前記反応領域が改質領域の上流側に位置し、前記反応ガス吐出部が反応領域の上流側の端部に設けられ、改質ガス吐出部が改質領域の下流側の端部に設けられる構成、
    のいずれか一方の構成を備えていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
  4. 前記改質領域は、第１の改質領域と、当該第１の改質領域に対して回転テーブルの下流側に設けられた第２の改質領域と、を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の成膜装置。
  5. 前記第２の改質領域は第１の改質領域に隣接して設けられ、
    前記第１の改質領域は、当該第１の改質領域の下流側に改質ガス吐出部が設けられ、
    前記第２の改質領域は、当該第２の改質領域の上流側に改質ガス吐出部が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
  6. 前記反応領域に供給される窒素含有ガスの流量は、３００ｍｌ／分以上であることを特徴とする請求項１または２記載の成膜装置。
  7. 前記ガスインジェクターのガス吐出方向は、回転テーブルの上面と平行な向きに対して上側に４５度傾いた向きと下側に４５度傾いた向きとの間に設定されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の成膜装置。
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