JP6964473B2 - ガス供給装置及び成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガス供給装置及び成膜装置に関する。
ＬＳＩを製造する際には、ＭＯＳＦＥＴゲート電極、ソース・ドレインとのコンタクト、メモリのワード線等にタングステン膜が広く用いられている。
タングステン膜は、例えば六塩化タングステン（ＷＣｌ６）ガス及びＨ２ガスを用いた原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法により成膜される（例えば、特許文献１参照）。ＡＬＤ法では、短時間で必要なＷＣｌ６ガスの供給が可能なように、成膜原料タンク内に収容されたＷＣｌ６を昇華させて生成したＷＣｌ６ガスをバッファタンク内に一旦貯留させた後、処理容器内に供給している。
特開２０１６−１４５４０９号公報
ところで、上記の方法では、プロセス開始時に成膜原料タンク内とバッファタンク内との間の圧力の差が大きい場合、処理容器内にＷＣｌ６ガスを供給する際、ＷＣｌ６ガスの流量が安定化するまでに時間を要するという課題があった。
そこで、本発明の一態様では、プロセス開始時の原料ガスの流量を短時間で安定化させることが可能なガス供給装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るガス供給装置は、原料ガスをバッファタンク及び第１の高速開閉弁を介して処理容器内へ間欠的に供給可能なガス供給装置であって、前記バッファタンクの２次側に接続され、前記バッファタンク内を排気可能なエバックラインと、前記エバックラインに設けられた第２の高速開閉弁と、を有し、前記第２の高速開閉弁の２次側には、オリフィスが設けられている。
開示のガス供給装置によれば、プロセス開始時の原料ガスの流量を短時間で安定化させることができる。
第１実施形態のガス供給装置を備える成膜装置の概略断面図 タングステン膜の成膜方法の一例を示すフローチャート 成膜工程におけるガス供給シーケンスを示す図 第２実施形態のガス供給装置を備える成膜装置の概略断面図 タングステン膜の成膜方法の一例を示すフローチャート
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
〔第１実施形態〕
第１実施形態のガス供給装置を備える成膜装置について説明する。図１は、第１実施形態のガス供給装置を備える成膜装置の概略断面図である。第１実施形態の成膜装置は、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法による成膜、及び化学的気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法による成膜が実施可能な装置として構成されている。
成膜装置は、処理容器１と、処理容器１内で基板である半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を水平に支持するためのサセプタ２と、処理容器１内に処理ガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッド３と、処理容器１の内部を排気する排気部４と、シャワーヘッド３に処理ガスを供給する処理ガス供給機構５と、制御部６とを有している。
処理容器１は、アルミニウム等の金属により構成され、略円筒状を有している。処理容器１の側壁にはウエハＷを搬入又は搬出するための搬入出口１１が形成され、搬入出口１１はゲートバルブ１２で開閉可能となっている。処理容器１の本体の上には、断面が矩形状をなす円環状の排気ダクト１３が設けられている。排気ダクト１３には、内周面に沿ってスリット１３ａが形成されている。また、排気ダクト１３の外壁には排気口１３ｂが形成されている。排気ダクト１３の上面には処理容器１の上部開口を塞ぐように天壁１４が設けられている。天壁１４と排気ダクト１３の間はシールリング１５で気密に封止されている。
サセプタ２は、ウエハＷに対応した大きさの円板状をなし、支持部材２３に支持されている。サセプタ２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス材料や、アルミニウムやニッケル基合金等の金属材料で構成されており、内部にウエハＷを加熱するためのヒータ２１が埋め込まれている。ヒータ２１はヒータ電源（図示せず）から給電されて発熱するようになっている。そして、サセプタ２の上面のウエハ載置面近傍に設けられた熱電対（図示せず）の温度信号によりヒータ２１の出力を制御することにより、ウエハＷを所定の温度に制御するようになっている。
サセプタ２には、ウエハ載置面の外周領域、及びサセプタ２の側面を覆うようにアルミナ等のセラミックスからなるカバー部材２２が設けられている。
サセプタ２を支持する支持部材２３は、サセプタ２の底面中央から処理容器１の底壁に形成された孔部を貫通して処理容器１の下方に延び、その下端が昇降機構２４に接続されている。昇降機構２４によりサセプタ２が支持部材２３を介して、図１で示す処理位置と、その下方の一点鎖線で示すウエハの搬送が可能な搬送位置との間で昇降可能となっている。また、支持部材２３の処理容器１の下方には、鍔部２５が取り付けられており、処理容器１の底面と鍔部２５の間には、処理容器１内の雰囲気を外気と区画し、サセプタ２の昇降動作にともなって伸縮するベローズ２６が設けられている。
処理容器１の底面近傍には、昇降板２７ａから上方に突出するように３本（２本のみ図示）のウエハ支持ピン２７が設けられている。ウエハ支持ピン２７は、処理容器１の下方に設けられた昇降機構２８により昇降板２７ａを介して昇降可能になっており、搬送位置にあるサセプタ２に設けられた貫通孔２ａに挿通されてサセプタ２の上面に対して突没可能となっている。このようにウエハ支持ピン２７を昇降させることにより、ウエハ搬送機構（図示せず）とサセプタ２との間でウエハＷの受け渡しが行われる。
シャワーヘッド３は、金属により形成され、サセプタ２に対向するように設けられており、サセプタ２とほぼ同じ直径を有している。シャワーヘッド３は、処理容器１の天壁１４に固定された本体部３１と、本体部３１の下に接続されたシャワープレート３２とを有している。本体部３１とシャワープレート３２との間にはガス拡散空間３３が形成されており、ガス拡散空間３３には、本体部３１及び処理容器１の天壁１４の中央を貫通するようにガス導入孔３６が設けられている。シャワープレート３２の周縁部には下方に突出する環状突起部３４が形成され、シャワープレート３２の環状突起部３４の内側の平坦面にはガス吐出孔３５が形成されている。
サセプタ２が処理位置に存在した状態では、シャワープレート３２とサセプタ２との間に処理空間３７が形成され、環状突起部３４とサセプタ２のカバー部材２２の上面が近接して環状隙間３８が形成される。
排気部４は、排気ダクト１３の排気口１３ｂに接続された排気配管４１と、排気配管４１に接続された、真空ポンプや圧力制御バルブ等を有する排気機構４２とを備えている。処理に際しては、処理容器１内のガスはスリット１３ａを介して排気ダクト１３に至り、排気ダクト１３から排気部４の排気機構４２により排気配管４１を通って排気される。
処理ガス供給機構５は、ＷＣｌ６ガス供給機構５１、第１のＨ２ガス供給源５２、第２のＨ２ガス供給源５３、第１のＮ２ガス供給源５４、第２のＮ２ガス供給源５５、及びＳｉＨ４ガス供給源５６を有する。ＷＣｌ６ガス供給機構５１は、原料ガスである金属塩化物ガスとしてのＷＣｌ６ガスを供給する。第１のＨ２ガス供給源５２は、還元ガスとしてのＨ２ガスを供給する。第２のＨ２ガス供給源５３は、添加還元ガスとしてのＨ２ガスを供給する。第１のＮ２ガス供給源５４及び第２のＮ２ガス供給源５５は、パージガスであるＮ２ガスを供給する。ＳｉＨ４ガス供給源５６は、ＳｉＨ４ガスを供給する。
また、処理ガス供給機構５は、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１、第１のＨ２ガス供給ライン６２、第２のＨ２ガス供給ライン６３、第１のＮ２ガス供給ライン６４、第２のＮ２ガス供給ライン６５、及びＳｉＨ４ガス供給ライン６３ａを有する。ＷＣｌ６ガス供給ライン６１は、ＷＣｌ６ガス供給機構５１から延びるラインである。第１のＨ２ガス供給ライン６２は、第１のＨ２ガス供給源５２から延びるラインである。第２のＨ２ガス供給ライン６３は、第２のＨ２ガス供給源５３から延びるラインである。第１のＮ２ガス供給ライン６４は、第１のＮ２ガス供給源５４から延び、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１側にＮ２ガスを供給するラインである。第２のＮ２ガス供給ライン６５は、第２のＮ２ガス供給源５５から延び、第１のＨ２ガス供給ライン６２側にＮ２ガスを供給するラインである。ＳｉＨ４ガス供給ライン６３ａは、ＳｉＨ４ガス供給源５６から延び、第２のＨ２ガス供給ライン６３に接続されるように設けられたラインである。
第１のＮ２ガス供給ライン６４は、ＡＬＤ法による成膜中に常にＮ２ガスを供給する第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６と、パージステップのときのみＮ２ガスを供給する第１のフラッシュパージライン６７とに分岐している。また、第２のＮ２ガス供給ライン６５は、ＡＬＤ法による成膜中に常にＮ２ガスを供給する第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８と、パージステップのときのみＮ２ガスを供給する第２のフラッシュパージライン６９とに分岐している。第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６及び第１のフラッシュパージライン６７は、第１の接続ライン７０に接続され、第１の接続ライン７０はＷＣｌ６ガス供給ライン６１に接続されている。また、第２のＨ２ガス供給ライン６３、第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８、及び第２のフラッシュパージライン６９は、第２の接続ライン７１に接続され、第２の接続ライン７１は第１のＨ２ガス供給ライン６２に接続されている。ＷＣｌ６ガス供給ライン６１及び第１のＨ２ガス供給ライン６２とは、合流配管７２に合流しており、合流配管７２は、前述したガス導入孔３６に接続されている。
ＷＣｌ６ガス供給ライン６１、第１のＨ２ガス供給ライン６２、第２のＨ２ガス供給ライン６３、第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６、第１のフラッシュパージライン６７、第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８、及び第２のフラッシュパージライン６９の最も下流側には、それぞれＡＬＤの際にガスを切り替えるための開閉バルブ７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９が設けられている。開閉バルブ７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９は、高速で開閉可能なＡＬＤバルブである。ＡＬＤバルブは、０．５秒以下の間隔で開閉可能であることが好ましく、０．０１秒以下の間隔で開閉可能であることがより好ましい。また、第１のＨ２ガス供給ライン６２、第２のＨ２ガス供給ライン６３、第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６、第１のフラッシュパージライン６７、第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８、及び第２のフラッシュパージライン６９の開閉バルブの上流側には、それぞれ流量制御器としてのマスフローコントローラ８２，８３，８４，８５，８６，８７が設けられている。マスフローコントローラ８３は、第２のＨ２ガス供給ライン６３におけるＳｉＨ４ガス供給ライン６３ａの合流点の上流側に設けられており、マスフローコントローラ８３と合流点との間には開閉バルブ８８が設けられている。また、ＳｉＨ４ガス供給ライン６３ａには、上流側から順に、マスフローコントローラ８３ａ及び開閉バルブ８８ａが設けられている。したがって、第２のＨ２ガス供給ライン６３を介してＨ２ガス及びＳｉＨ４ガスのいずれか又は両方が供給可能となっている。ＷＣｌ６ガス供給ライン６１及び第１のＨ２ガス供給ライン６２には、短時間で必要なガスの供給が可能なように、それぞれバッファタンク８０，８１が設けられている。
ＷＣｌ６ガス供給機構５１は、ＷＣｌ６を収容する原料容器である成膜原料タンク９１を有している。ＷＣｌ６は常温で固体の固体原料である。成膜原料タンク９１の周囲にはヒータ９１ａが設けられており、成膜原料タンク９１内の成膜原料を適宜の温度に加熱して、ＷＣｌ６を昇華させるようになっている。成膜原料タンク９１内には前述したＷＣｌ６ガス供給ライン６１が上方から挿入されている。
また、ＷＣｌ６ガス供給機構５１は、成膜原料タンク９１内に上方から挿入されたキャリアガス配管９２と、キャリアガス配管９２にキャリアガスであるＮ２ガスを供給するためのキャリアＮ２ガス供給源９３と、キャリアガス配管９２に接続された、流量制御器としてのマスフローコントローラ９４、及びマスフローコントローラ９４の下流側の開閉バルブ９５ａ及び９５ｂと、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１の成膜原料タンク９１の近傍に設けられた、開閉バルブ９６ａ及び９６ｂ、ならびに流量計９７とを有している。キャリアガス配管９２において、開閉バルブ９５ａはマスフローコントローラ９４の直下位置に設けられ、開閉バルブ９５ｂはキャリアガス配管９２の挿入端の側に設けられている。また、開閉バルブ９６ａ及び９６ｂ、ならびに流量計９７は、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１の挿入端から開閉バルブ９６ａ、開閉バルブ９６ｂ、流量計９７の順に配置されている。
キャリアガス配管９２の開閉バルブ９５ａと開閉バルブ９５ｂの間の位置、及びＷＣｌ６ガス供給ライン６１の開閉バルブ９６ａと開閉バルブ９６ｂの間の位置を繋ぐように、バイパス配管９８が設けられ、バイパス配管９８には開閉バルブ９９が介設されている。開閉バルブ９５ｂ，９６ａを閉じて開閉バルブ９９，９５ａ，９６ｂを開くことにより、キャリアＮ２ガス供給源９３から供給されるＮ２ガスがキャリアガス配管９２、バイパス配管９８を経て、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１に供給される。これにより、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１をパージすることが可能となっている。
また、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１における流量計９７の上流側には、希釈ガスであるＮ２ガスを供給する希釈Ｎ２ガス供給ライン１００の下流側の端部が合流している。希釈Ｎ２ガス供給ライン１００の上流側の端部には、Ｎ２ガスの供給源である希釈Ｎ２ガス供給源１０１が設けられている。希釈Ｎ２ガス供給ライン１００には、上流側からマスフローコントローラ１０２と、開閉バルブ１０３とが介設されている。
ＷＣｌ６ガス供給ライン６１におけるバッファタンク８０と開閉バルブ７３との間には、エバックライン（Evacuation Line）１０４の一端が接続され、エバックライン１０４の他端は排気配管４１に接続されている。これにより、エバックライン１０４を介してバッファタンク８０内を排気機構４２により排気可能となっている。
エバックライン１０４には、上流側から開閉バルブ１０５と、オリフィス１０７と、開閉バルブ１０６とが介設されている。
開閉バルブ１０５は、高速で開閉可能なＡＬＤバルブである。ＡＬＤバルブは、０．５秒以下の間隔で開閉可能であることが好ましく、０．０１秒以下の間隔で開閉可能であることがより好ましい。開閉バルブ１０５の開閉動作により、成膜原料タンク９１から供給されるＷＣｌ６ガスをエバックライン１０４に間欠的に供給できる。開閉バルブ１０５は、開閉バルブ７３と同一又は略同一の速度で開閉可能なバルブであることが好ましい。これにより、成膜原料タンク９１から開閉バルブ７３を介して処理空間３７に供給されるＷＣｌ６ガスと同様の周期で、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガスを供給・排気できる。
オリフィス１０７は、開閉バルブ１０５と開閉バルブ１０６との間に設けられている。オリフィス１０７は、エバックライン１０４内の圧力を、プロセス時の処理容器１内の圧力に近づけるために設けられている。
開閉バルブ１０６は、オリフィス１０７の下流側に設けられている。開閉バルブ１０６を開くことで、エバックライン１０４内が排気機構４２により排気される。
エバックライン１０４における開閉バルブ１０５の下流側、且つオリフィス１０７の上流側には、エバックライン１０４に圧力調整用ガスを供給する圧力調整用ガス供給ライン１１０の下流側の端部が合流している。圧力調整用ガス供給ライン１１０の上流側の端部には、圧力調整用ガスの供給源である圧力調整用ガス供給源１１１が設けられている。圧力調整用ガス供給ライン１１０には、上流側からマスフローコントローラ１１２と、開閉バルブ１１３とが介設されている。圧力調整用ガス供給源１１１から供給され、マスフローコントローラ１１２で流量が調整された圧力調整用ガスは、圧力調整用ガス供給ライン１１０を通ってエバックライン１０４に供給される。圧力調整用ガスは、例えばＮ２ガスであってよい。
制御部６は、各構成部、具体的にはバルブ、電源、ヒータ、ポンプ等を制御するマイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラと、ユーザーインターフェースと、記憶部とを有している。プロセスコントローラには成膜装置の各構成部が電気的に接続されて制御される構成となっている。ユーザーインターフェースは、プロセスコントローラに接続されており、オペレータが成膜装置の各構成部を管理するためにコマンドの入力操作などを行うキーボードや、成膜装置の各構成部の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなっている。記憶部もプロセスコントローラに接続されている。記憶部には、成膜装置で実行される各種処理をプロセスコントローラの制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じて成膜装置の各構成部に所定の処理を実行させるための制御プログラム、即ち処理レシピや、各種データベース等が格納されている。処理レシピは記憶部の中の記憶媒体（図示せず）に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスク等の固定的に設けられているものであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、半導体メモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。必要に応じて、ユーザーインターフェースからの指示等にて所定の処理レシピを記憶部から呼び出してプロセスコントローラに実行させることで、プロセスコントローラの制御の下、成膜装置での所望の処理が行われる。
次に、図１に示される第１実施形態の成膜装置を用いて、ＡＬＤ法によりタングステン膜を成膜する場合を例に挙げて、ＷＣｌ６ガスの供給方法について説明する。第１実施形態のガス供給方法は、処理容器１内にＷＣｌ６ガスを供給してウエハＷにタングステン膜を成膜する前に、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガスを間欠的に供給することを特徴とする。これにより、処理容器１内に供給するＷＣｌ６ガスの初期流量を短時間で安定化させることができる。以下、図２を参照して説明する。図２は、タングステン膜の成膜方法の一例を示すフローチャートである。
図２に示されるように、タングステン膜の成膜方法は、搬入工程Ｓ１０と、初期流量安定化工程Ｓ２０と、成膜工程Ｓ３０とを含む。
搬入工程Ｓ１０は、処理容器１内にウエハＷを搬入する工程である。搬入工程Ｓ１０では、サセプタ２を搬送位置に下降させた状態でゲートバルブ１２を開き、搬送装置（図示せず）によりウエハＷを、搬入出口１１を介して処理容器１内に搬入し、ヒータ２１により所定温度に加熱されたサセプタ２上に載置する。続いて、サセプタ２を処理位置まで上昇させ、処理容器１内を所定圧力まで減圧する。その後、開閉バルブ７６，７８を開き、開閉バルブ７３，７４，７５，７７，７９を閉じる。これにより、第１のＮ２ガス供給源５４及び第２のＮ２ガス供給源５５から、第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６及び第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８を経てＮ２ガスを処理容器１内に供給して圧力を上昇させ、サセプタ２上のウエハＷの温度を安定させる。ウエハＷとしては、トレンチやホール等の凹部を有するシリコン膜の表面に下地膜が形成されたものを用いることができる。下地膜としては、ＴｉＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜、Ｔｉシリサイド膜、Ｔｉ膜、ＴｉＯ膜、ＴｉＡｌＮ膜等のチタン系材料膜を挙げることができる。また、下地膜としては、ＷＮ膜、ＷＳｉｘ膜、ＷＳｉＮ膜等のタングステン系化合物膜を挙げることもできる。下地膜をシリコン膜の表面に設けることにより、タングステン膜を良好な密着性で成膜することができる。また、インキュベーション時間を短くすることができる。
初期流量安定化工程Ｓ２０は、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガスを間欠的に供給する工程であり、搬入工程Ｓ１０が開始された後に実行される。初期流量安定化工程Ｓ２０では、まず、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１にＷＣｌ６ガスを供給し、バッファタンク８０内にＷＣｌ６ガスを充填させる。具体的には、開閉バルブ７３，１０５を閉じた状態で、開閉バルブ９５ａ，９５ｂ，９６ａ，９６ｂを開くことにより、キャリアＮ２ガス供給源９３及び成膜原料タンク９１からＷＣｌ６ガス供給ライン６１にそれぞれＮ２ガス及びＷＣｌ６ガスを供給する。また、開閉バルブ１０３を開くことにより、希釈Ｎ２ガス供給ライン１００からＷＣｌ６ガス供給ライン６１にＮ２ガスを供給する。ＷＣｌ６ガス供給ライン６１に供給されたＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスは、バッファタンク８０内に充填される。バッファタンク８０内にＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスが充填された後、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを間欠的に供給する。具体的には、開閉バルブ７３を閉止した状態で開閉バルブ１０５を高速で開閉動作させることにより、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを間欠的に供給する。また、開閉バルブ１０６を開き、エバックライン１０４に供給されるＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを、オリフィス１０７を介して排気機構４２により排気する。これにより、成膜工程Ｓ３０に先立って、処理容器１内にＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを供給することなく、成膜工程Ｓ３０と略同等のガス供給環境を実現できるので、成膜工程Ｓ３０の開始時におけるＷＣｌ６ガスの流量を短時間で安定化させることができる。開閉バルブ１０５の開閉タイミングは、成膜工程Ｓ３０における開閉バルブ７３の開閉タイミングと同一又は略同一であることが好ましい。これにより、成膜工程Ｓ３０におけるガス供給環境を高い精度で実現できる。
また、初期流量安定化工程Ｓ２０では、エバックライン１０４内の圧力を成膜中の処理空間３７の圧力により近づけるために、開閉バルブ１１３を開いて圧力調整用ガス供給源１１１からエバックライン１０４に圧力調整用ガスを供給することが好ましい。このとき、マスフローコントローラ１１２により、エバックライン１０４内の圧力が成膜中の処理空間３７の圧力と略同一となるように、エバックライン１０４に供給する圧力調整用ガスの流量を調整することが好ましい。
成膜工程Ｓ３０は、ウエハＷにタングステン膜を成膜する工程であり、初期流量安定化工程Ｓ２０が終了した後に実行される。成膜工程Ｓ３０では、処理容器１内のサセプタ２上に載置されたウエハＷの上に、ＡＬＤ法によりタングステン膜を成膜する。図３は、成膜工程Ｓ３０におけるガス供給シーケンスを示す図である。
図３に示されるように、成膜工程Ｓ３０では、原料ガス供給ステップＳ３１と、パージステップＳ３２と、還元ガス供給ステップＳ３３と、パージステップＳ３４とを含む一連の動作を１サイクルとし、サイクル数を制御することで所望の膜厚のタングステン膜を成膜する。
原料ガス供給ステップＳ３１は、原料ガスであるＷＣｌ６ガスを処理空間３７に供給するステップである。原料ガス供給ステップＳ３１では、まず、開閉バルブ７６，７８を開いた状態で、第１のＮ２ガス供給源５４及び第２のＮ２ガス供給源５５から、第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６及び第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８を経てＮ２ガスを供給し続ける。また、開閉バルブ７３を開くことにより、ＷＣｌ６ガス供給機構５１からＷＣｌ６ガス供給ライン６１を経てＷＣｌ６ガスを処理空間３７に供給する。このとき、バッファタンク８０に一旦貯留され、初期流量安定化工程Ｓ２０により安定化された流量のＷＣｌ６ガスが供給される。また、原料ガス供給ステップＳ３１では、第２のＨ２ガス供給源５３から延びる第２のＨ２ガス供給ライン６３を経て添加還元ガスとしてＨ２ガスを処理容器１内に供給してもよい。原料ガス供給ステップＳ３１においてＷＣｌ６ガスと同時に還元ガスを供給することにより、供給されたＷＣｌ６ガスが活性化され、その後の還元ガス供給ステップＳ３３の際の成膜反応が生じやすくなる。そのため、高いステップカバレッジを維持し、且つ１サイクルあたりの堆積膜厚を厚くして成膜速度を大きくすることができる。添加還元ガスの流量としては、原料ガス供給ステップＳ３１においてＣＶＤ反応が生じない程度の流量とすることができる。
パージステップＳ３２は、処理空間３７の余剰のＷＣｌ６ガス等をパージするステップである。パージステップＳ３２では、第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６及び第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８を介してのＮ２ガスの供給を継続した状態で、開閉バルブ７３を閉じてＷＣｌ６ガスの供給を停止する。また、開閉バルブ７７，７９を開くことにより、第１のフラッシュパージライン６７及び第２のフラッシュパージライン６９からもＮ２ガス（フラッシュパージＮ２ガス）を供給し、大流量のＮ２ガスにより、処理空間３７の余剰のＷＣｌ６ガス等をパージする。
還元ガス供給ステップＳ３３は、還元ガスであるＨ２ガスを処理空間３７に供給するステップである。還元ガス供給ステップＳ３３では、開閉バルブ７７，７９を閉じて第１のフラッシュパージライン６７及び第２のフラッシュパージライン６９からのＮ２ガスの供給を停止する。また、第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６及び第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８を介してのＮ２ガスの供給を継続した状態で、開閉バルブ７４を開く。これにより、第１のＨ２ガス供給源５２から第１のＨ２ガス供給ライン６２を経て還元ガスとしてのＨ２ガスを処理空間３７に供給する。このとき、Ｈ２ガスは、バッファタンク８１に一旦貯留された後に処理容器１内に供給される。還元ガス供給ステップＳ３３により、ウエハＷ上に吸着したＷＣｌ６ガスが還元される。このときのＨ２ガスの流量は、十分に還元反応が生じる量とすることができる。
パージステップＳ３４は、処理空間３７の余剰のＨ２ガスをパージするステップである。パージステップＳ３４では、第１の連続Ｎ２ガス供給ライン６６及び第２の連続Ｎ２ガス供給ライン６８を介してのＮ２ガスの供給を継続した状態で、開閉バルブ７４を閉じて第１のＨ２ガス供給ライン６２からのＨ２ガスの供給を停止する。また、開閉バルブ７７，７９を開き、第１のフラッシュパージライン６７及び第２のフラッシュパージライン６９からもＮ２ガス（フラッシュパージＮ２ガス）を供給し、大流量のＮ２ガスにより、処理空間３７の余剰のＨ２ガスをパージする。
以上に説明した原料ガス供給ステップＳ３１と、パージステップＳ３２と、還元ガス供給ステップＳ３３と、パージステップＳ３４とを含む一連の動作を１サイクルとし、サイクル数を制御することで、所望の膜厚のタングステン膜を成膜できる。
以上に説明したように、第１実施形態のガス供給装置は、バッファタンク８０の２次側に接続され、バッファタンク８０内を排気可能なエバックライン１０４と、エバックライン１０４に設けられた開閉バルブ１０５と、を有する。これにより、処理容器１内にＷＣｌ６ガスを供給してウエハＷにタングステン膜を成膜する前に、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガスを間欠的に供給できる。その結果、バッファタンク８０内と成膜原料タンク９１内の圧力を成膜時と同等の圧力にすることができるため、成膜開始時に処理容器１内に供給するＷＣｌ６ガスの初期流量を短時間で安定化させることができる。
なお、上記の例では、搬入工程Ｓ１０が開始された後、初期流量安定化工程Ｓ２０を開始する場合を例に挙げて説明したが、初期流量安定化工程Ｓ２０を開始するタイミングは、成膜工程Ｓ３０の前であれば特に限定されない。例えば、搬入工程Ｓ１０の開始と同時に、初期流量安定化工程Ｓ２０を開始してもよい。搬入工程Ｓ１０の開始と同時に初期流量安定化工程Ｓ２０を開始することで、搬入工程Ｓ１０と初期流量安定化工程Ｓ２０とを同時進行させることができるので、成膜工程Ｓ３０を開始するまでの時間を短縮でき、生産性が向上する。
〔第２実施形態〕
第２実施形態のガス供給装置を備える成膜装置について説明する。図４は、第２実施形態のガス供給装置を備える成膜装置の概略断面図である。第２実施形態の成膜装置は、開閉バルブ１０５の２次側に、図１に示されるオリフィス１０７に代えて、バッファタンク１０９、圧力計１０９ａ、及び自動圧力制御（ＡＰＣ：Auto Pressure Control）バルブ１０８が設けられている。なお、その他の構成については、第１実施形態と同様の構成とすることができるので、以下では第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
エバックライン１０４には、上流側から開閉バルブ１０５と、バッファタンク１０９と、ＡＰＣバルブ１０８と、開閉バルブ１０６とが介設されている。
開閉バルブ１０５は、高速で開閉可能なＡＬＤバルブである。ＡＬＤバルブは、０．５秒以下の間隔で開閉可能であることが好ましく、０．０１秒以下の間隔で開閉可能であることがより好ましい。開閉バルブ１０５の開閉動作により、成膜原料タンク９１から供給されるＷＣｌ６ガスをエバックライン１０４に間欠的に供給できる。開閉バルブ１０５は、開閉バルブ７３と同一又は略同一の速度で開閉可能なバルブであることが好ましい。これにより、成膜原料タンク９１から開閉バルブ７３を介して処理空間３７に供給されるＷＣｌ６ガスと同様の周期で、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガスを供給できる。
バッファタンク１０９は、エバックライン１０４に供給されるＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを貯留する。バッファタンク１０９を設けることで、エバックライン１０４の容積を、処理空間３７の容積に近づけることができる。バッファタンク１０９には、バッファタンク１０９内の圧力を検出する圧力計１０９ａが設けられている。圧力計１０９ａは、例えばキャパシタンスマノメータであってよい。
ＡＰＣバルブ１０８は、圧力計１０９ａにより検出される圧力に基づいて、自動的に開度を調節するバルブである。例えば、圧力計１０９ａにより検出される圧力が予め定められる所定圧力よりも低い場合、ＡＰＣバルブ１０８はその開度が小さくなるように調節される。一方、圧力計１０９ａにより検出される圧力が予め定められる所定圧力よりも高い場合、ＡＰＣバルブ１０８はその開度が大きくなるように調節される。所定圧力は、例えば成膜中の処理空間３７の圧力であってよい。
開閉バルブ１０６は、ＡＰＣバルブ１０８の下流側に設けられている。開閉バルブ１０６を開くことで、エバックライン１０４内が排気機構４２により排気される。
エバックライン１０４における開閉バルブ１０５の下流側、且つバッファタンク１０９の上流側には、エバックライン１０４に圧力調整用ガスを供給する圧力調整用ガス供給ライン１１０の下流側の端部が合流している。圧力調整用ガス供給ライン１１０の上流側の端部には、圧力調整用ガスの供給源である圧力調整用ガス供給源１１１が設けられている。圧力調整用ガス供給ライン１１０には、上流側からマスフローコントローラ１１２と、開閉バルブ１１３とが介設されている。圧力調整用ガス供給源１１１から供給され、マスフローコントローラ１１２で流量が調整された圧力調整用ガスは、圧力調整用ガス供給ライン１１０を通ってエバックライン１０４に供給される。圧力調整用ガスは、例えばＮ２ガスであってよい。
次に、図４に示される第２実施形態の成膜装置を用いて、ＡＬＤ法によりタングステン膜を成膜する場合を例に挙げて、ＷＣｌ６ガスの供給方法について説明する。第２実施形態のガス供給方法は、処理容器１内にＷＣｌ６ガスを供給してウエハＷにタングステン膜を成膜する前に、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガスを間欠的に供給することを特徴とする。これにより、処理容器１内に供給するＷＣｌ６ガスの初期流量を短時間で安定化させることができる。以下、図５を参照して説明する。図５は、タングステン膜の成膜方法の一例を示すフローチャートである。
図５に示されるように、タングステン膜の成膜方法は、搬入工程Ｓ１１０と、初期流量安定化工程Ｓ１２０と、成膜工程Ｓ１３０とを含む。
搬入工程Ｓ１１０は、処理容器１内にウエハＷを搬入する工程である。搬入工程Ｓ１１０は、第１実施形態のタングステン膜の成膜方法における搬入工程Ｓ１０と同様とすることができる。
初期流量安定化工程Ｓ１２０は、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガスを間欠的に供給する工程であり、搬入工程Ｓ１１０が開始された後に実行される。初期流量安定化工程Ｓ１２０では、まず、ＷＣｌ６ガス供給ライン６１にＷＣｌ６ガスを供給し、バッファタンク８０内にＷＣｌ６ガスを充填させる。具体的には、開閉バルブ７３，１０５を閉じた状態で、開閉バルブ９５ａ，９５ｂ，９６ａ，９６ｂを開くことにより、キャリアＮ２ガス供給源９３及び成膜原料タンク９１からＷＣｌ６ガス供給ライン６１にそれぞれＮ２ガス及びＷＣｌ６ガスを供給する。また、開閉バルブ１０３を開くことにより、希釈Ｎ２ガス供給ライン１００からＷＣｌ６ガス供給ライン６１にＮ２ガスを供給する。ＷＣｌ６ガス供給ライン６１に供給されたＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスは、バッファタンク８０内に充填される。バッファタンク８０内にＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスが充填された後、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを間欠的に供給する。具体的には、開閉バルブ７３を閉止した状態で開閉バルブ１０５を高速で開閉動作させることにより、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを間欠的に供給する。また、開閉バルブ１０６を開き、エバックライン１０４に供給されるＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを、バッファタンク１０９及びＡＰＣバルブ１０８を介して排気機構４２により排気する。このとき、ＡＰＣバルブ１０８の開度は、圧力計１０９ａにより検出される圧力に基づいて、自動的に調節される。具体的には、ＡＰＣバルブ１０８の開度は、圧力計１０９ａにより検出される圧力が予め定められた所定圧力、例えば成膜中の処理空間３７の圧力となるように自動的に制御される。これにより、成膜工程Ｓ１３０に先立って、処理容器１内にＷＣｌ６ガス及びＮ２ガスを供給することなく、成膜工程Ｓ１３０と略同等のガス供給環境を実現できるので、成膜工程Ｓ１３０の開始時におけるＷＣｌ６ガスの流量を短時間で安定化させることができる。開閉バルブ１０５の開閉タイミングは、成膜工程Ｓ１３０における開閉バルブ７３の開閉タイミングと同一又は略同一であることが好ましい。これにより、成膜工程Ｓ１３０におけるガス供給環境を高い精度で実現できる。
また、初期流量安定化工程Ｓ１２０では、エバックライン１０４内の圧力を成膜中の処理空間３７の圧力により近づけるために、開閉バルブ１１３を開いて圧力調整用ガス供給源１１１からエバックライン１０４に圧力調整用ガスを供給することが好ましい。このとき、マスフローコントローラ１１２により、エバックライン１０４内の圧力やバッファタンク１０９内の圧力が成膜中の処理空間３７の圧力と略同一となるように、エバックライン１０４に供給する圧力調整用ガスの流量を調整することが好ましい。
成膜工程Ｓ１３０は、ウエハＷにタングステン膜を成膜する工程であり、初期流量安定化工程Ｓ１２０が終了した後に実行される。成膜工程Ｓ１３０は、第１実施形態のタングステン膜の成膜方法における成膜工程Ｓ３０と同様とすることができる。
以上に説明したように、第２実施形態のガス供給装置は、バッファタンク８０の２次側に接続され、バッファタンク８０内を排気可能なエバックライン１０４と、エバックライン１０４に設けられた開閉バルブ１０５と、を有する。これにより、処理容器１内にＷＣｌ６ガスを供給してウエハＷにタングステン膜を成膜する前に、エバックライン１０４にＷＣｌ６ガスを間欠的に供給できる。その結果、バッファタンク８０内と成膜原料タンク９１内の圧力を成膜時と同等の圧力にすることができるため、成膜開始時に処理容器１内に供給するＷＣｌ６ガスの初期流量を短時間で安定化させることができる。
特に、第２実施形態では、ＡＰＣバルブ１０８により、エバックライン１０４に介設されたバッファタンク１０９内の圧力が成膜中の処理空間３７の圧力となるように調節される。これにより、成膜工程Ｓ１３０に先立って、成膜工程Ｓ１３０における処理空間３７のガス供給環境を高い精度で実現できる。そのため、成膜工程Ｓ１３０の開始時におけるＷＣｌ６ガスの流量を、第１実施形態よりも短時間で安定化させることができる。
なお、上記の例では、搬入工程Ｓ１１０を開始してから初期流量安定化工程Ｓ１２０を開始する場合を例に挙げて説明したが、初期流量安定化工程Ｓ１２０を開始するタイミングは、成膜工程Ｓ１３０の前であれば特に限定されない。例えば、搬入工程Ｓ１１０の開始と同時に、初期流量安定化工程Ｓ１２０を開始してもよい。搬入工程Ｓ１１０の開始と同時に初期流量安定化工程Ｓ１２０を開始することで、搬入工程Ｓ１１０と初期流量安定化工程Ｓ１２０とを同時進行させることができるので、成膜工程Ｓ１３０を開始するまでの時間を短縮でき、生産性が向上する。
なお、上記の各実施形態において、開閉バルブ７３及び開閉バルブ１０５は、それぞれ第１の高速開閉弁及び第２の高速開閉弁の一例である。
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
上記の実施形態では、金属塩化物ガスとしてＷＣｌ６ガスを用いてタングステン膜を成膜する場合を例に挙げて説明したが、金属塩化物ガスと還元ガスとを交互に供給して金属膜を成膜する場合であれば本発明を適用することができる。金属塩化物ガスとしては、ＷＣｌ５ガス等の他の塩化タングステンガスを用いることができ、ＷＣｌ５ガスを用いてもＷＣｌ６ガスとほぼ同じ挙動を示す。ＷＣｌ５ガスを用いる場合、成膜原料としては常温で固体のＷＣｌ５を使用することができる。また、例えば塩化モリブデンガスと還元ガスを用いてモリブデン膜を成膜する場合や、塩化タンタルガスと還元ガスを用いてタンタル膜を成膜する場合にも本発明を適用することができる。これらの場合、成膜原料としては常温で固体の塩化モリブデンや塩化タンタルを使用することができる。また、上記の実施形態では、固体原料を昇華させ原料ガスとしていたが、液体原料を気化させて原料ガスとすることもできる。
また、上記の実施形態では、還元ガスとしてＨ２ガスを用いる場合を例に挙げて説明したが、水素を含む還元性のガスであればよく、Ｈ２ガスの他に、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＮＨ３ガス等を用いることもできる。Ｈ２ガス、ＳｉＨ４ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、及びＮＨ３ガスのうち２つ以上を供給できるようにしてもよい。また、これら以外の他の還元ガス、例えばＰＨ３ガス、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガスを用いてもよい。膜中の不純物をより低減して低抵抗値を得る観点からは、Ｈ２ガスを用いることが好ましい。さらに、パージガス及びキャリアガスとしてＮ２ガスの代わりにＡｒガス等の他の不活性ガスを用いることもできる。
また、上記の実施形態では、基板として半導体ウエハを例に挙げて説明したが、半導体ウエハはシリコンウエハであってもよく、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の化合物半導体ウエハであってもよい。さらに、基板は半導体ウエハに限定されず、液晶表示装置等のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）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。
１ 処理容器
５ 処理ガス供給機構
５１ ＷＣｌ６ガス供給機構
７３ 開閉バルブ
８０ バッファタンク
１０４ エバックライン
１０５ 開閉バルブ
１０７ オリフィス
１０８ ＡＰＣバルブ
１０９ バッファタンク
１０９ａ 圧力計
１１０ 圧力調整用ガス供給ライン
１１１ 圧力調整用ガス供給源
１１２ マスフローコントローラ
１１３ 開閉バルブ
Ｗ ウエハ

Claims (6)

  1. 原料ガスをバッファタンク及び第１の高速開閉弁を介して処理容器内へ間欠的に供給可能なガス供給装置であって、
    前記バッファタンクの２次側に接続され、前記バッファタンク内を排気可能なエバックラインと、
    前記エバックラインに設けられた第２の高速開閉弁と、
    を有し、
    前記第２の高速開閉弁の２次側には、オリフィスが設けられている、
    ガス供給装置。
  2. 原料ガスをバッファタンク及び第１の高速開閉弁を介して処理容器内へ間欠的に供給可能なガス供給装置であって、
    前記バッファタンクの２次側に接続され、前記バッファタンク内を排気可能なエバックラインと、
    前記エバックラインに設けられた第２の高速開閉弁と、
    を有し、
    前記第２の高速開閉弁の２次側には、前記エバックラインの圧力を検出する圧力計と、前記圧力計により検出される圧力に基づいて開度が調整される圧力制御バルブと、が設けられている、
    ガス供給装置。
  3. 原料ガスをバッファタンク及び第１の高速開閉弁を介して処理容器内へ間欠的に供給可能なガス供給装置であって、
    前記バッファタンクの２次側に接続され、前記バッファタンク内を排気可能なエバックラインと、
    前記エバックラインに設けられた第２の高速開閉弁と、
    を有し、
    前記第２の高速開閉弁の２次側には、前記エバックラインに圧力調整用ガスを供給する圧力調整用ガス供給ラインが接続されている、
    ガス供給装置。
  4. 前記第２の高速開閉弁の２次側には、前記エバックラインに供給される前記原料ガスを貯留するバッファタンクが設けられている、
    請求項２に記載のガス供給装置。
  5. 前記第２の高速開閉弁は、前記第１の高速開閉弁と同一又は略同一の速度で開閉可能である、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス供給装置。
  6. 処理容器と、
    請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス供給装置と、
    を備えた、
    成膜装置。
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