JP6772886B2

JP6772886B2 - 成膜装置

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Publication number: JP6772886B2
Application number: JP2017029366A
Authority: JP
Inventors: 小川　淳; 淳小川; 紀明吹上; 志門大槻; 宗之尾谷; 大下　健太郎; 健太郎大下; 秀臣羽根
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: KR102341628B1; US20180237914A1; JP2018137293A; KR20180096516A

Description

本発明は、原料成分を含む原料ガス及びアンモニアガスを用いて基板に原料成分の窒化膜を成膜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。また、パターンの構造やパターン密度により、基板面内における成膜速度が変化し、形成されるＳｉＮ膜の膜厚が基板面内において変化するローディング効果と呼ばれる現象が生じており、このローディング効果の改善が求められている。

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ジクロロシラン（ＤＣＳ）ガスが供給されて基板にＳｉが吸着され、不要なＤＣＳ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の領域には、回転方向に沿って４個のプラズマ生成部が設けられている。そして、これらプラズマ生成部では夫々反応ガスである窒素（Ｎ_２）ガスまたはアンモニア（ＮＨ_３）ガスが供給されると共にガスが励起され、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。

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と共に、膜厚の高い均一性が要求される。このため、ローディング効果を改善しつつ、緻密性の高い良質なＳｉＮ膜を形成することができる成膜手法が要請されている。

特許第５８８２７７７号公報

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、原料成分を含む原料ガス及びアンモニアガスを用いて原料成分の窒化膜を成膜するにあたり、ローディング効果を改善しつつ（抑えしつつ）、良質な窒化膜を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原料成分を含む原料ガス及び反応ガスであるアンモニアガスを供給して基板に原料成分の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並びに当該排気口を囲むパージガスの吐出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前記回転テーブルの周方向に離れて配置された、膜の窒化を行うための反応領域と、
前記反応領域に対して前記回転テーブルの周方向に離れて配置された、水素ガスにより前記窒化膜を改質するための改質領域と、
前記改質領域及び前記反応領域に夫々存在するガスを活性化するための改質用のプラズマ発生部及び反応ガス用のプラズマ発生部と、
前記反応領域にアンモニアガスを供給する反応ガス供給部と、
前記真空容器内を真空排気するための排気口と、を備え、
前記排気口は、前記改質領域の雰囲気と前記反応領域の雰囲気とを共通に排気する位置に設けられ、
前記改質領域に供給される水素ガスの流量は、０よりも多く、０．１リットル／分以下であり、
前記改質領域に供給される水素ガスは、前記反応領域に供給されたアンモニアガスが反応ガス用のプラズマ発生部により励起されて生成されることを特徴とする。

本発明によれば、原料成分を含む原料ガス及びアンモニアガスを用いて原料成分の窒化膜を成膜するにあたり、第１の改質領域及び第２の改質領域に供給される水素ガスが微量となるように構成されている。このため、反応領域ではアンモニアガスによる窒化処理が、水素ガスによって阻害されることが抑制されるので、窒化効率が向上し、ローディング効果が改善される。この結果、ローディング効果を改善しつつ、エッチングレートが低い良質な窒化膜を形成することができる。

本発明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下面図である。エッチングレートを示す特性図である。ＳｉＮ膜中の水素濃度と塩素濃度とを示す特性図である。ＳｉＮ膜の膜厚とローディング効果とを示す特性図である。ローディング効果を示す特性図である。

本発明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Ｓｉ_３Ｎ_４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に例えば１２インチウエハ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。ウエハＷは、図示しない基板搬送機構により、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、反応領域Ｒ３と、第２の改質領域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並びにパージガスの吐出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、下面図である図３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３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図示しないガス流路が設けられている。互いに区画されたガス流路の各上流側は、各々、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を備えた配管を介してＤＣＳガスの供給源に接続されている。なお、ガス供給機器、配管及びＤＣＳガスの供給源は図示を省略する。

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。排気口２２には図示しない排気装置が接続され、パージガス吐出口２３には図示しないパージガス例えばＡｒ（アルゴン）ガスの供給源が接続されている。

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、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３Ｂによって吸着領域Ｒ１の外部に供給される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、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。

第１の改質領域Ｒ２、反応領域Ｒ３及び第２の改質領域Ｒ４には、夫々の領域に存在する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は第１のプラズマ発生部、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂは反応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は第２のプラズマ発生部を夫々なすものである。

第２のプラズマ形成ユニット３Ｂについて説明する。プラズマ形成ユニット３Ｂは、反応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３Ｂ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、回転テーブル１２の径方向に沿って延在する内部空間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。なお、図２において、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂでは、スロット３６Ａを省略している。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１及び図２に示すように、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂの下方側には、反応ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）ガスを各々供給する反応ガスインジェクター４１１、４１２が設けられている。例えば反応ガスインジェクター４１１、４１２の一方は、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂの回転方向下流側近傍に設けられ、他方は第２のプラズマ形成ユニット３Ｂの回転方向上流側近傍に設けられている。これら反応ガスインジェクター４１１、４１２は、例えば先端側が閉じられた細長い管状体より構成され、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、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、真空容器１１の側壁に各々設けられている。また、反応ガスインジェクター４１１、４１２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。

さらに、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂは、誘電体板３２の下面側に反応ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）ガスを各々供給するガス吐出口４２を備えている。ガス吐出口４２は、上記の誘電体板３２の支持部３４に、例えば真空容器１１の周方向に沿って複数設けられており、回転テーブルの周縁側から中央側に向かって各々反応ガスを吐出するように構成されている。反応ガスインジェクター４１１、４１２、ガス吐出口４２は、反応ガス供給部を構成している。

図１及び図２に示すように、例えば反応ガスインジェクター４１１、４１２は、ガス供給機器４３を備えた配管系を介してＮＨ_３ガス供給源４５に各々接続され、ガス吐出口４２は、ガス供給機器４４を備えた配管系を介してＮＨ_３ガス供給源４５に各々接続されている。これらガス供給機器４３、４４は、ガス供給源４５から反応ガスインジェクター４１１、４１２及びガス吐出口４２へのＮＨ_３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。なお、反応ガスインジェクター４１１、４１２、ガス吐出口４２は図示しないＡｒガスの供給源にも夫々接続されている。

反応領域Ｒ３に供給されるＮＨ_３ガスの流量が少なくなり過ぎると、後述する窒化処理の進行が遅くなり、成膜速度が小さくなる。またＮＨ_３ガスの供給量を多くし過ぎても、その量に見合う成膜速度が得られなくなり、コストの観点から得策ではない。更にまたこの実施形態ではＮＨ_３ガスの供給量を多くし過ぎると、改質領域Ｒ２、第２の改質領域Ｒ４に拡散するＮＨ_３ガスの量が多くなり、膜の改質効果が低くなってしまう。このため、例えば反応領域Ｒ３に供給されるＮＨ_３ガスの流量は、０．０５リットル／分〜４．０リットル／分が好ましい。
第１のプラズマ形成ユニット３Ａ及び第３のプラズマ形成ユニット３Ｃについては、ガス吐出口４２が設けられていないこと以外は、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂと同様に構成されている。

真空容器１１内には、反応領域Ｒ３に臨む、回転テーブル１２の外側に排気口が設けられている。この例では、図２に示すように、例えば反応領域Ｒ３における回転テーブル１２の外側の周方向のほぼ中央であって、真空容器１１の底部に排気口５１が開口している。この排気口５１には排気装置５２が接続されている。この排気口５１は、例えば真空容器１１の容器本体１１Ａに上を向いて開口するように形成され、排気口５１の開口部は、回転テーブル１２の下方側に位置している。排気装置５２による排気口５１からの排気量は調整自在であり、この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。

第１の改質領域Ｒ２、第２の改質領域Ｒ４では、第１のプラズマ形成ユニット３Ａ、第３のプラズマ形成ユニット３Ｃにより、夫々の改質領域Ｒ２、Ｒ４に存在する微量なＨ_２ガスが活性化される。この例では、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４に供給される微量なＨ_２ガスは、反応領域Ｒ３に供給されたＮＨ_３ガスが第２のプラズマ形成ユニット３Ｂにより励起されて生成されるものである。

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、排気装置５２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５２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、排気口５１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設定すると共に、回転テーブル１２を例えば１０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍで回転する。まずあるウエハＷに対して着目すると、吸着領域Ｒ１にて供給されたＤＣＳガスが当該ウエハＷに吸着される。

一方、反応領域Ｒ３では、第２のプラズマ形成ユニット３Ｂにおいて、反応ガスインジェクター４１１、４１２、ガス吐出口４２から、ＮＨ_３ガスを例えば合計１．０リットル／分の流量で吐出すると共に、Ａｒガスを合計１．０リットル／分の流量で吐出し、マイクロ波発生器３７からマイクロ波を供給する。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ＮＨ_３ガスに供給されて、誘電体板３２の下方にＮＨ_３ガスが活性化（励起）される。こうして、ＮＨ_３ガスが活性化されることにより、Ｎ（窒素）を含むラジカル等の活性種が生成する。

反応領域Ｒ３では、ＮＨ_３ガスは、反応ガスインジェクター４１１、４１２及びガス吐出口４２から吐出されるので、ＮＨ_３ガスは反応領域Ｒ３内に満遍なく供給される。そして、反応領域Ｒ３にてＮＨ_３ガスのプラズマ化により生成したＮを含む活性種や、ＮＨ_３イオンの大部分は、反応領域Ｒ３において、回転テーブル１２の外側に設けられた排気口５１に向けて流れていく。この例では、処理容器１１内において、吸着領域Ｒ１の外側の、第１の改質領域Ｒ２、反応領域Ｒ３及び第２の改質領域Ｒ４からなる広い領域の雰囲気は、反応領域Ｒ３の外方に設けられた共通の排気口５１から排気される。

回転テーブル１２の回転によって、各ウエハＷが反応領域Ｒ３を通過し、プラズマを構成する、Ｎを含むラジカル等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の表面に吸着されているＤＣＳが分解されてシリコン窒化物が生成され、窒化層（窒化膜）が形成される。また、第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ４では、マイクロ波発生器３７からマイクロ波を供給することにより、微量なＨ_２ガスがプラズマ化される。

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、反応領域Ｒ３、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４においては、引き続きＮＨ_３ガス又はＨ_２ガスのプラズマが形成される。

このように各ガスの供給及びプラズマ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）に維持されるように、排気口５１に接続された図示しない排気管に設けられた圧力調整部により圧力制御が行わる。この圧力制御を行うために用いられる圧力計は例えば前記排気管に設けられる。

全体の装置の作用についてまとめて述べると、回転テーブル１２の回転によって、ウエハＷが吸着領域Ｒ１に位置し、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Ｒ３に至るとプラズマに含まれるＮＨ_３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。

こうして、ウエハＷは、吸着領域Ｒ１、第１の改質領域Ｒ２、反応領域Ｒ３、第２の改質領域Ｒ４を順に繰り返し移動し、当該ウエハＷから見ると、ＤＣＳガスの供給、微量なＨ_２ガスの活性種の供給、ＮＨ_３ガスの活性種、微量なＨ_２ガスの活性種の供給が順に繰り返される。この結果、ウエハＷの表面に各島状の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２のプラズマ形成ユニット３ＢにおけるＮＨ_３ガスの供給及び電力の供給と、第１及び第２のプラズマ形成ユニット３Ａ、３Ｃにおける電力の供給と、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、基板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、原料成分を含む原料ガス及びアンモニアガスを用いて原料成分の窒化膜を成膜するにあたり、第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ４に供給されるＨ_２ガスは微量な供給量となるように構成されている。後述の評価試験から、Ｈ_２ガスが微量な供給量である場合には、Ｈ_２ガスの供給量が多い場合に比べて、ＳｉＮ膜中の水素濃度が低くなり、塩素濃度が高くなることが認められている。このことから、微量なＨ_２ガスにマイクロ波が供給されることにより、ＳｉＮ膜中の未結合手にＨが結合する作用、ＳｉＮ膜中のＣｌを除去する作用が効率よく進行し、膜が緻密化してエッチングレートが低下すると推察される。また反応領域Ｒ３ではＮＨ_３ガスがＨ_２ガスにより希釈されることが抑えられるので、Ｎの活性種（Ｎラジカル）の窒化阻害が抑制され、窒化処理が効率よく進行する。このように窒化阻害が抑制されることに起因して、後述の評価試験からも分かるように、ローディング効果が改善される。

本発明のメカニズムについては、次のように推察される。仮に第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ４にＨ_２ガスを供給するシステムでは、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４では、Ｈ_２ガスの活性化によりＨ_２ラジカルが生成し、反応領域Ｒ３へ向けて流出していく。一方、反応領域Ｒ３には、ＮＨ_３イオンと、ＮＨ_３ガスの活性化により得られた高エネルギーかつ低寿命なＮＨ_３ラジカルが存在するが、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４からのＨ_２ラジカルが、ＮＨ_３ラジカルやＮＨ_３イオンと衝突し、低エネルギーかつ長寿命なＮＨ_３ラジカルの割合が増加する。この低エネルギーかつ長寿命なＮＨ_３ラジカルは、ＮＨ_３イオンや高エネルギーかつ低寿命なＮＨ_３ラジカルに比べて反応性（窒化力）が弱いため、エッチングレートやローディング効果が低下してしまう。

これに対して、本発明では、第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ４に供給されるＨ_２ガスは微量な供給量であるので、生成したＨ_２ラジカルは改質処理に消費される。従って、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４では改質作用が進行し、反応領域Ｒ３では、ＮＨ_３イオンと、ＮＨ_３ガスの活性化により得られた高エネルギーかつ低寿命なＮＨ_３ラジカルが効率的に活用される。そして、例えばＮＨ_３イオンと、高エネルギーかつ低寿命なＮＨ_３ラジカルと、低エネルギーかつ長寿命なＮＨ_３ラジカルとにより反応が進行する。これにより、膜が緻密化してエッチングレートが低下すると共に、窒化処理が効率よく進行して、ローディング効果が改善される。

ここでいうローディング効果とは、パターンが形成されたウエハにＳｉＮ膜を成膜したときの膜厚の面内均一性の指標であり、ローディング効果が改善するということは、膜厚の面内均一性、例えばウエハの中央部の膜厚の落ち込みが改善されるということである。この例では、ローディング効果を、次の（１）式の値の中で最も大きい値を指標値として用いて評価している。
{{（ベア膜厚）−（パターン膜厚）}／（ベア膜厚）}×１００・・（１）

ベア膜厚とは、パターンが形成されていないベアウエハにＳｉＮ膜を成膜したときの膜厚、パターン膜厚とは、表面積がベアウエハの３倍のパターンを形成したパターンウエハに対して、ベアウエハと同様の成膜条件でＳｉＮ膜を成膜したときの膜厚である。夫々の膜厚を、回転テーブル１２の周方向（Ｘ方向）のウエハＷの直径上の多数位置において測定し、膜厚の各測定位置において、（１）式により求める。ローディング効果の指標値が小さいほど、ベアウエハとの膜厚の差が小さく、ローディング効果が改善されることになる。

上述の実施形態では、反応領域Ｒ３にてＮＨ_３ガスが分解して得られた微量なＨ_２ガスを改質に利用しているため、既述のように改質効果が高く、ローディング効果が改善でき、有利な構成であるということができる。反応領域Ｒ３にてＮＨ_３ガスが分解して第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ４に流出したＨ_２ガスの流量は微量であると推測されるが、Ｈラジカルの生成効率が高く、その結果高い改質効果を得るためには、０．１リットル／分以下であればよいと捉えている。

上述の例では、改質領域として第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４を配置しているが、改質領域は、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４のいずれか一方であってもよい。また上述の例では、第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４は、回転テーブル１２の回転方向において、反応領域Ｒ３の上流側及び下流側に夫々配置されているが、反応領域Ｒ３の上流側に配置してもよいし（周方向に領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ３の配置となる）、反応領域Ｒ３の下流側に配置してもよい（周方向に領域Ｒ１、Ｒ３、Ｒ２、Ｒ４の配置となる）。また、本発明の成膜装置は、例えば原料成分がタングステンである窒化膜の成膜に適用することができる。

（評価試験１）
図１に示す成膜装置１において、原料ガスとしてＤＣＳガスを用い、反応ガスインジェクター４１１、４１２及びガス吐出口４２からＮＨ_３ガス及びＡｒガスを吐出し、Ｈ_２ガスは供給しないでＳｉＮ膜を成膜した（実施例）。反応ガスインジェクター４１１、４１２からの合計のＮＨ_３ガス流量は０．６リットル／分、合計のＡｒガス流量は０．７５リットル／分、ガス吐出口４２からのＮＨ_３ガスの供給量は０．４リットル／分、Ａｒガス流量は０．２５リットル／分である。この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：２６６Ｐａとした。また、第１の改質領域Ｒ２及び第２の改質領域Ｒ４に、夫々Ｈ_２ガスを４．２５リットル／分の流量で供給し、その他は実施例と同様の条件にてＳｉＮ膜を成膜した場合（比較例）についても、同様にエッチングレートを評価した。

この結果を図４に示す。縦軸はウェットエッチングレート（ＷＥＲ）であり、実施例のＳｉＮ膜及び比較例のＳｉＮ膜と共に、熱酸化膜についても示している。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。

図４により、熱酸化膜に比べて実施例のＳｉＮ膜、比較例のＳｉＮ膜はエッチングレートが各段に低く、特に実施例のＳｉＮ膜はエッチングレートが極めて低いことが認められた。これにより、Ｈ_２ガスを供給する比較例に比べてＨ_２ガスを供給しない実施例では、ＳｉＮ膜の改質反応が効率よく進行し、緻密性が向上することが理解される。

（評価試験２）
実施例のＳｉＮ膜及び比較例のＳｉＮ膜について、二次イオン質量分析法（ＳＩＮＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）により、膜中の水素濃度と、塩素濃度を分析した。この結果を図５に示す。図５（ａ）は水素濃度、図５（ｂ）は塩素濃度である。図５中横軸は膜の深さ、縦軸は水素濃度（atoms/cc）又は塩素濃度（atoms/cc）であり、図５（ａ）、図５（ｂ）共に、実施例（Ｈ_２無）のデータを実線にて、比較例（Ｈ_２有）のデータを点線にて夫々示す。

この結果、図５（ａ）より、膜中の水素濃度は、実施例のＳｉＮ膜の方が比較例に比べて大きく、図５（ｂ）より、膜中の塩素濃度は、実施例のＳｉＮ膜の方が比較例に比べて小さくなることが認められた。

（評価試験３）
実施例のＳｉＮ膜及び比較例のＳｉＮ膜について、既述の手法にて（１）式を用いローディング効果を求めた。実施例のＳｉＮ膜の結果を図６（ａ）に、比較例のＳｉＮ膜の結果を図６（ｂ）に夫々示す。図６（ａ）、図６（ｂ）中左縦軸はＳｉＮ膜の膜厚、右縦軸はローディング効果、横軸はウエハＷのＸ方向の直径上の位置を夫々示す。０はウエハＷの中心、−１５０、１５０は夫々ウエハＷのＸ方向の外縁である。図６（ａ）、図６（ｂ）には、〇によりパターンウエハの膜厚、□によりベアウエハの膜厚、△によりローディング効果を夫々プロットしている。

この結果、実施例のＳｉＮ膜は、比較例のＳｉＮ膜に比べて、パターンウエハの膜厚の面内均一性が良好であること、比較例のパターンウエハは、ウエハの中央側の膜厚が周縁側よりも小さくなることが認められた。また、実施例のＳｉＮ膜のローディング効果の最大値は３．８％、比較例のＳｉＮ膜のローディング効果の最大値は１０．３％であり、実施例のＳｉＮ膜はローディング効果の数値が小さく、ローディング効果が改善されることが確認された。

（評価試験４）
第１及び第２の改質領域Ｒ２、Ｒ４に供給されるＨ_２ガスの供給量を変えてＳｉＮ膜を成膜し、夫々のＳｉＮ膜のローディング効果を評価した。Ｈ_２ガスは、トータルの供給量を、０、０．５リットル／分、２．１４リットル/分、４．２４リットル／分と変えてＳｉＮ膜を成膜した。その他の成膜条件は実施例と同様である。ローディング効果は既述の手法にて（１）式を用いて評価し、その最大値を求めた。この結果を図７に示す。図７中縦軸はローディング効果、横軸はＨ_２ガスの供給量である。

この結果、Ｈ_２ガスの供給量が０のときには、ローディング効果の最大値は３．８％であるが、Ｈ_２ガスの供給量が０．５リットル／分になるとローディング効果が９％となり、Ｈ_２ガスの供給量が０．５リットル／分以上ではローディング効果は１０％以上であってほぼ横ばいになることが認められた。また、第１及び第２の改質領域にＲ２、Ｒ４に供給されるＨ_２ガスの流量の各々は、０よりも多く、０．１リットル／分以下であれば、Ｈ_２ガスを供給しない条件で得られる膜のローディング効果の最大値の１．５倍以下のローディング効果が得られると推測される。

Ｗウエハ
Ｒ１吸着領域
Ｒ２第１の改質領域
Ｒ３反応領域
Ｒ４第２の改質領域
１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
４１１、４１２反応ガスインジェクター
４２ガス吐出口
５１排気口

Claims

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原料成分を含む原料ガス及び反応ガスであるアンモニアガスを供給して基板に原料成分の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並びに当該排気口を囲むパージガスの吐出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前記回転テーブルの周方向に離れて配置された、膜の窒化を行うための反応領域と、
前記反応領域に対して前記回転テーブルの周方向に離れて配置された、水素ガスにより前記窒化膜を改質するための改質領域と、
前記改質領域及び前記反応領域に夫々存在するガスを活性化するための改質用のプラズマ発生部及び反応ガス用のプラズマ発生部と、
前記反応領域にアンモニアガスを供給する反応ガス供給部と、
前記真空容器内を真空排気するための排気口と、を備え、
前記排気口は、前記改質領域の雰囲気と前記反応領域の雰囲気とを共通に排気する位置に設けられ、
前記改質領域に供給される水素ガスの流量は、０よりも多く、０．１リットル／分以下であり、
前記改質領域に供給される水素ガスは、前記反応領域に供給されたアンモニアガスが反応ガス用のプラズマ発生部により励起されて生成されることを特徴とする成膜装置。
前記排気口は、平面で見て前記反応領域に臨む前記回転テーブルの外側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記反応領域に供給されるアンモニアガスの流量は、０．０５リットル／分〜４．０リットル／分であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
前記改質領域は、前記回転テーブルの周方向に互いに離れて配置された第１の改質領域及び第２の改質領域を含み、
前記改質用のプラズマ発生部は、前記第１の改質領域及び第２の改質領域に夫々対応して設けられ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。