(57)【要約】【課題】膜ストレスを制御することができる基板処理方法および基板処理装置を提供する。【解決手段】ウエハ200を処理する空間を成す処理室201に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、ウエハ200に所望の薄膜を形成する基板処理方法であって、アンモニアガスの供給時間を、塩素を含むガスを供給する時間の2倍より長く供給するように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、前記基板に所望の薄膜を形成する基板処理方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間の２倍より長く供給するように制御する基板処理方法。
【請求項２】
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、前記基板に所望の薄膜を形成する基板処理方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間より長く、かつ６秒より長く供給するように制御する基板処理方法。
【請求項３】
前記アンモニアガスは、励起されたアンモニアガスである請求項１又は２記載の基板処理方法。
【請求項４】
前記塩素を含むガスは、Ｓｉと塩素を含むガスである請求項１又は２記載の基板処理方法。
【請求項５】
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、Atomic Layer Deposition法で前記基板に窒化シリコン膜を形成する基板処理方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間の２倍より長く供給するように制御する基板処理方法。
【請求項６】
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、Atomic Layer Deposition法で前記基板に窒化シリコン膜を形成する基板処理方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間より長く、かつ６秒より長く供給するように制御する基板処理方法。
【請求項７】
前記アンモニアガスの供給時間を制御することによって、前記窒化シリコン膜中のＣｌ濃度又はＨ濃度の少なくとも一方を制御する請求項５又は６記載の基板処理方法。
【請求項８】
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出することによって前記基板に形成される薄膜の膜ストレスを制御する膜ストレス制御方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間の２倍より長く供給するように制御する膜ストレス制御方法。
【請求項９】
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出することによって前記基板に形成される薄膜の膜ストレスを制御する膜ストレス制御方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間より長く、かつ６秒より長く供給するように制御する膜ストレス制御方法。
【請求項１０】
基板を処理する空間を成す処理室と、
前記処理室内に塩素を含むガス及びアンモニアガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出部と、
前記塩素を含むガス及び前記アンモニアガスの供給時間を任意に設定可能な制御部と、を有し、
前記処理室に対し前記塩素を含むガスと、前記アンモニアガスとを交互に供給、排出させて、前記基板に所望の薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記制御部は、前記アンモニアガスを供給する時間を前記塩素を含むガスを供給する時間の２倍より長く供給するように制御することによって、前記薄膜中に存在し前記薄膜の膜ストレスがその存在量に依存する化学種の量を制御し、これにより前記薄膜の膜ストレスを制御する基板処理装置。
【請求項１１】
基板を処理する空間を成す処理室と、
前記処理室内に塩素を含むガス及びアンモニアガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出部と、
前記塩素を含むガス及び前記アンモニアガスの供給時間を任意に設定可能な制御部と、を有し、
前記処理室に対し前記塩素を含むガスと、前記アンモニアガスとを交互に供給、排出させて、前記基板に所望の薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記制御部は、前記アンモニアガスを供給する時間を前記塩素を含むガスを供給する時間より長く、かつ６秒より長く供給するように制御することによって、前記薄膜中に存在し前記薄膜の膜ストレスがその存在量に依存する化学種の量を制御し、これにより前記薄膜の膜ストレスを制御する基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板処理方法および基板処理装置に関し、特に、Ｓｉ半導体デバイスを製造する際に用いられるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition：原子層成膜）法による成膜を行う基板処理方法および基板処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、ＡＬＤ法を用いた成膜処理について、簡単に説明する。
ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
【０００３】
即ち、利用する化学反応は、例えばＳｉＮ（窒化珪素）膜形成の場合ＡＬＤ法ではＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２、ジクロルシラン）とＮＨ３（アンモニア）を用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。）
【０００４】
縦型ＡＬＤリモートプラズマ装置を例としてさらに詳細に説明する。
【０００５】
Ｓｉウエハ上にＡＬＤ法により窒化シリコン膜を成膜するには、その原料にＮＨ３とＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を用いる。
【０００６】
窒化シリコン膜の成膜手順を以下に示す。
（１）石英ボートにウエハを移載する。この時ウエハは石英製の支持部によって支えられている。
（２）石英ボートを３００℃度の処理室内へ挿入する。
（３）石英ボートの挿入が終わると処理室内を真空引きし、窒化プロセスの４５０℃程度まで昇温する。
（４）ＤＣＳを照射（３秒）→Ｎ２パージ（５秒）→プラズマ励起ＮＨ３照射（６秒）→Ｎ２パージ（３秒）を１サイクルとして所定の膜厚を得るまでサイクルを繰り返す。
（５）処理室内の反応ガスのガス引きを行なうと同時に、処理室温度を３００℃程度まで降温する。
（６）処理室内を大気圧に復帰し、石英ボートを処理室より引き出す。
【０００７】
ここで、従来条件のＮＨ３照射時間６秒の理由を説明する。図７に示すように成膜速度のみを考慮すると、ＮＨ３照射時間をむやみに長くすることはスループットにおいて利点ではない。これは、図７よりＮＨ３照射時間が７秒以上では膜厚は大きく変動しないからである。従って，スループットを考慮して、膜厚が飽和する手前のＮＨ３照射時間を標準条件とした。これは従来条件では膜ストレスという点において考慮していなかったためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年の半導体デバイス構造では、歪緩和の目的で１．５Ｇｐａ程度の膜ストレスが要求されているが、上記工程を経て成膜された膜ストレスは約１．２Ｇｐａ程度と目標値より低い。
【０００９】
従って、本発明の主な目的は、膜ストレスを制御することができる基板処理方法および基板処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、前記基板に所望の薄膜を形成する基板処理方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間の２倍より長く供給するように制御する基板処理方法が提供される。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、前記基板に所望の薄膜を形成する基板処理方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間より長く、かつ６秒より長く供給するように制御する基板処理方法が提供される。
【００１２】
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、Atomic Layer Deposition法で前記基板に窒化シリコン膜を形成する基板処理方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間の２倍より長く供給するように制御する基板処理方法が提供される。
【００１３】
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出して、Atomic Layer Deposition法で前記基板に窒化シリコン膜を形成する基板処理方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間より長く、かつ６秒より長く供給するように制御する基板処理方法が提供される。
【００１４】
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出することによって前記基板に形成される薄膜の膜ストレスを制御する膜ストレス制御方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間の２倍より長く供給するように制御する膜ストレス制御方法が提供される。
【００１５】
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスと、アンモニアガスとを交互に供給、排出することによって前記基板に形成される薄膜の膜ストレスを制御する膜ストレス制御方法であって、
前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスを供給する時間より長く、かつ６秒より長く供給するように制御する膜ストレス制御方法が提供される。
【００１６】
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室と、
前記処理室内に塩素を含むガス及びアンモニアガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出部と、
前記塩素を含むガス及び前記アンモニアガスの供給時間を任意に設定可能な制御部と、を有し、
前記処理室に対し前記塩素を含むガスと、前記アンモニアガスとを交互に供給、排出させて、前記基板に所望の薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記制御部は、前記アンモニアガスを供給する時間を前記塩素を含むガスを供給する時間の２倍より長く供給するように制御することによって、前記薄膜中に存在し前記薄膜の膜ストレスがその存在量に依存する化学種の量を制御し、これにより前記薄膜の膜ストレスを制御する基板処理装置が提供される。
【００１７】
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室と、
前記処理室内に塩素を含むガス及びアンモニアガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出部と、
前記塩素を含むガス及び前記アンモニアガスの供給時間を任意に設定可能な制御部と、を有し、
前記処理室に対し前記塩素を含むガスと、前記アンモニアガスとを交互に供給、排出させて、前記基板に所望の薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記制御部は、前記アンモニアガスを供給する時間を前記塩素を含むガスを供給する時間より長く、かつ６秒より長く供給するように制御することによって、前記薄膜中に存在し前記薄膜の膜ストレスがその存在量に依存する化学種の量を制御し、これにより前記薄膜の膜ストレスを制御する基板処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＡＬＤの反応メカニズムを説明するための図である。
【図２】本発明の好ましい実施例のＡＬＤ成長サイクルを説明するための図である。
【図３】ＮＨ３照射時間とＨ濃度およびＣｌ濃度との関係を示す図である。
【図４】ＮＨ３照射時間と膜ストレスとの関係を示す図である。
【図５】ＤＣＳ照射時間と膜ストレスとの関係を示す図である。
【図６】膜ストレスの温度依存性を示す図である。
【図７】ＮＨ３照射時間と成膜膜厚との関係を示す図である。
【図８】本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明するための概略縦断面図である。
【図９】本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明するための概略横断面図である。
【図１０】本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置を説明するための概略斜視図である。
【図１１】本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置を説明するための概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明の好ましい実施例を説明する。
本発明の好ましい実施例では、ＡＬＤ法による窒化シリコン膜（ＡＬＤ窒化膜）形成プロセスにおいてＮＨ３供給時間を制御することで形成される窒化膜の膜ストレスを制御する。
また、本発明の好ましい実施例では、ＡＬＤ法によって形成される窒化シリコン膜の膜中のＣｌ、Ｈ濃度を制御することで膜ストレスを制御する。
【００２０】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施例をさらに詳細に説明する。
【００２１】
まずＡＬＤの反応メカニズムについて図１を参照して説明する。
（１）まず、ＤＣＳ照射（供給）によって、表面にＳｉとＣｌが吸着する（ＤＣＳ）。
（２）次に、ＤＣＳとＮＨ３の混合を防ぐため、Ｎ２パージを行う（ＰＲＧ）。
（３）次に、励起したＮＨ３を照射（供給）することによって、（１）で吸着したＣｌがＨＣｌとして脱離し、ＮとＨが吸着する（ＮＨ３）。
（４）次に、ＮＨ３とＤＣＳの混合を防ぐため、Ｎ２パージを行う（ＰＲＧ）。
所定の膜厚に達するまで、上記（１）〜（４）のサイクルを繰り返す。
【００２２】
上記のように反応が進むので、膜中にはＡＬＤ窒化膜の主成分であるＳｉ、ＮのほかにＨ、Ｃｌの不純物が取り込まれていく。
【００２３】
膜ストレス制御のためにまず、励起したＮＨ３の照射時間を変更する実験を行った。図２に従来のサイクルと改善サイクルを示す。ＮＨ３照射時間を６秒、９秒、１４秒と変更した。このときの膜ストレスの結果を図４に示すが、励起したＮＨ３照射時間を延ばすことによって、膜ストレスが増加していくことが判明した。
【００２４】
また、膜中のＨ（水素）、Ｃｌ（塩素）濃度をＳＩＭＳを用いて測定した結果を図３に示すが、ＮＨ３照射時間を延ばすことによってＨとＣlは共に低減していく。Ｃｌはその原料であるＤＣＳから表面に取り込まれるが、ＮＨ３を照射する過程で表面から脱離していく。従って、ＮＨ３照射時間が長いほどＣｌの脱離効果は高く、膜中のＣｌ濃度は低減していく。
【００２５】
従って、膜ストレスは膜中のＨ、Ｃｌなる不純物濃度に依存していることがわかる。
つまりＨ，Ｃｌ濃度を制御すること、すなわち、ＮＨ３照射時間を制御することで膜ストレスを制御が可能となる。
【００２６】
なお、一方のガスであるＤＣＳの照射時間に対する膜ストレスの依存についても調査した。図５に結果を示すがＤＣＳ照射時間ではストレスが変化しないことがわかる。よって膜ストレスはＮＨ３照射時間に大きく影響を受けている。
【００２７】
また、温度依存を図６に示すが温度が高いほど膜ストレスが高く、かつＣｌ濃度も低いことがわかる。膜ストレスだけを考慮すれば、温度の高いプロセス条件が有利であるが、多くの場合、プロセス温度を変更できない。なぜならば温度をあげることによってＮｉＳｉ（ニッケルシリサイド）の変質、不純物の再拡散といったデメリットが生じるからである。したがって低温でＮＨ３照射時間を長くすることは、膜ストレスを上げ、かつ、ＮｉＳｉの変質、不純物再拡散を抑制できるメリットがある。なお、ここで、ＮｉＳｉは、ロジック用途半導体の電極に使われる材料である。従来電極の材料としてはＣｏＳｉ（コバルトシリサイド）が一般的であったが、電極の低抵抗化の要求があり、より 抵抗が低いＮｉＳｉが近年採用されている。低抵抗化することでスイッチング速度が速くなり、すなわち微細化、高集積化が可能となり、重要な要素となっている。
【００２８】
次に、図面を参照して、本発明の好ましい実施例で使用される基板処理装置の一例を説明する。
【００２９】
図８は、本実施例にかかる縦型の基板処理炉を説明するための概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図９は本実施例にかかる縦型の基板処理炉を説明するための概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。
【００３０】
加熱手段であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器として石英製の反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞されている。反応管２０３およびヒータ２０７の外側には断熱部材２０８が設けられている。断熱部材２０８はヒータ２０７の上方端を覆うように設けられている。少なくとも、ヒータ２０７、断熱部材２０８、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理炉２０２を形成している。また、反応管２０３、シールキャップ２１９および後述する反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７により処理室２０１を形成している。シールキャップ２１９には石英キャップ２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、石英キャップ２１８はボート２１７を保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理炉２０２に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に垂直方向に積載される。ヒータ２０７は処理炉２０２に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。
【００３１】
そして、処理炉２０２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給管としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが設けられる。ここではガス供給管２３２ａからは流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁であるバルブ２４３ａを介し、更に後述する反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７を介して処理室２０１に反応ガスが供給され、ガス供給管２３２ｂからは流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁であるバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、及び開閉弁であるバルブ２４３ｃを介し、更に後述するガス供給部２４９を介して処理室２０１に反応ガスが供給される。
【００３２】
２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂには、反応副生成物であるＮＨ４Ｃｌの付着を防ぐために、１２０℃程度まで加熱できる配管ヒータ（図示せず。）を装着している。
【００３３】
処理室２０１は、ガスを排気する排気管であるガス排気管２３１によりバルブ２４３ｄを介して排気手段である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。尚、このバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理室２０１の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。
【００３４】
処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間には、反応管２０３の下部より上部の内壁にウエハ２００の積載方向に沿って、ガス分散空間であるバッファ室２３７が設けられている。バッファ室２３７のウエハ２００と隣接する内側の壁の端部近傍にはガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ａが設けられている。このガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心へ向けて開口している。このガス供給孔２４８ａは、ウエハ２００の積載方向に沿って下部から上部に所定の長さにわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。
【００３５】
そしてバッファ室２３７のガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部近傍には、ノズル２３３が、やはり反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル２３３にはガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ｂが複数設けられている。複数のガス供給孔２４８ｂは、ガス供給孔２４８ａの場合と同じ所定の長さにわたってウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そして、複数のガス供給孔２４８ｂと複数のガス供給孔２４８ａとをそれぞれ１対１で対応させて配置している。
【００３６】
また、ガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。
【００３７】
ガス供給孔２４８ｂの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節することで、まず、各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこの各ガス供給孔２４８ｂから噴出するガスをバッファ室２３７に噴出させて一旦導入し、ガスの流速差の均一化を行うことができる。
【００３８】
すなわち、バッファ室２３７において、各ガス供給孔２４８ｂより噴出したガスはバッファ室２３７で各ガスの粒子速度が緩和された後、ガス供給孔２４８ａより処理室２０１に噴出する。この間に、各ガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各ガス供給孔２４８ａより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができる。
【００３９】
さらに、バッファ室２３７に、細長い構造を有する棒状電極２６９及び棒状電極２７０が上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管２７５に保護されて配設され、この棒状電極２６９又は棒状電極２７０のいずれか一方は整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、棒状電極２６９及び棒状電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。
【００４０】
この電極保護管２７５は、棒状電極２６９及び棒状電極２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管２７５の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された棒状電極２６９及び棒状電極２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて棒状電極２６９又は棒状電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。
【００４１】
さらに、ガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を１２０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。このガス供給部２４９は、ＡＬＤ法による成膜においてウエハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。
【００４２】
このガス供給部２４９もバッファ室２３７と同様にウエハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ｃを有し、下部ではガス供給管２３２ｂが接続されている。
【００４３】
ガス供給孔２４８ｃの開口面積はバッファ室２３７と処理室２０１の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。
【００４４】
反応管２０３内の中央部には複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で鉛直方向に載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上するためにボート２１７を回転するための回転手段であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。
【００４５】
制御手段であるコントローラ３２１は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、ボートエレベータ１２１、高周波電源２７３、整合器２７２に接続されており、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃの開閉動作、バルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７の温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボートエレベータ１２１の昇降動作制御、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。コントローラ３２１によってバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、バルブ２４３ｄの開閉動作を制御することにより、２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂからそれぞれ供給される処理ガスの供給時間は任意に設定される。
【００４６】
次にＡＬＤ法による成膜例について、ＤＣＳ及びＮＨ３ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。
【００４７】
まず成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次のステップ４〜７を順次繰り返し実行する。
【００４８】
［ステップ１］
まず、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄを開いて真空ポンプ２４６により、処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気する。
一方では、ガス供給管２３２ｂの上流側のバルブ２４３ｂを開け、下流側のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳを流すようにする。これによりバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。ガス溜め２４７に所定圧（例えば、２００００Ｐａ以上）、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側のバルブ２４３ｂを閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込める。ガス溜め２４７と処理室２０１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、反応管２０３の容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３の容積１００１（リットル）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め２４７は反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。
【００４９】
［ステップ２］
ステップ２では、処理室２０１の排気が終わったらガス排気管２３１のバルブ２４３ｃを閉じて排気を止める。ガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理室２０１に一気に供給される。このときガス排気管２３１のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理室２０１内の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。このときのウエハ温度は、４５０℃である。
【００５０】
［ステップ３］
その後、バルブ２４３ｃを閉じ、バルブ２４３ｄを開けて処理室２０１を真空排気し、残留するＤＣＳガスを排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１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処理室２０１から排除する効果が高まる。またバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。
【００５１】
［ステップ４］
ステップ３では、ガス供給管２３２ａに設けたバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けたバルブ２４３ｄを共に開けて、ガス供給管２３２ａからマスフローコントローラ２４１ａにより流量調整されたＮＨ３ガスをノズル２３３のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、棒状電極２６９及び棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ３をプラズマ励起し、活性種として処理室２０１に供給しつつガス排気管２３１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、バルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内圧力を１０〜１００Ｐａとする。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間は従来の６秒よりも多く、９秒または１４秒である。このときのヒータ２０７の温度はウエハが４５０℃になるよう設定してある。ＮＨ３は反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、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おり、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。
【００５２】
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、ガス供給管２３２ｂの上流側のバルブ２４３ｂを開け、下流側のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳも流すようにする。これによりバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。このとき、処理室２０１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はウエハ２００上に吸着しているＤＣＳと表面反応して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。
【００５３】
そして、ＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間を従来の６秒よりも多く、９秒または１４秒としているので、ＮＨ３を流すことによって形成される膜の膜厚が飽和した後もＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種を流し続けることになる。また、形成される膜の膜ストレスも増加する。
【００５４】
［ステップ５］
ステップ５では、ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ３の供給を止めるが、引続きガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄは開いたままにし真空ポンプ２４６により、処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ３を処理室２０１から排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留ＮＨ３を排除する効果が高まる。ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。
【００５５】
［ステップ６］
ステップ６では、処理室２０１の排気が終わったらガス排気管２３１のバルブ２４３ｃを閉じて排気を止める。ガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理室２０１に一気に供給される。このときガス排気管２３１のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理室２０１内の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。このときのウエハ温度はＮＨ３の供給時と同じく、４５０℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上にＤＣＳが吸着する。
【００５６】
［ステップ７］
ステップ７では、バルブ２４３ｃを閉じ、バルブ２４３ｄを開けて処理室２０１を真空排気し、残留するＤＣＳガスを排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１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処理室２０１から排除する効果が高まる。またバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。
【００５７】
上記ステップ４〜７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ウエハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。
【００５８】
なお、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、本実施例では、バルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理室２０１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。
【００５９】
また、本実施例では、ガス溜め２４７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、及び処理室２０１の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、処理室２０１内を排気してＮＨ３ガスを除去しているからＤＣＳを流すので、両者はウエハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウエハ２００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。
【００６０】
次に、図１０、図１１を参照して本実施例の基板処理装置の概略を説明する。
【００６１】
筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。
【００６２】
筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下側を気密に閉塞する閉塞手段としての炉口シャッタ１１６が設けられている。
【００６３】
ウエハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ２００が上向き姿勢で搬入され、ウエハ２００が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。
【００６４】
カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ２００が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。
【００６５】
カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウエハ２００を移載する。
【００６６】
ボート２１７に所定枚数のウエハ２００が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウエハ２００が加熱されると共に処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウエハ２００に処理がなされる。
【００６７】
ウエハ２００への処理が完了すると、ウエハ２００は上記した作動の逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を気密に閉塞し、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。
なお、カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。
【００６８】
明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を含む２００５年２月１７日提出の日本国特許出願２００５−４０４７１号の開示内容全体は、本国際出願で指定した指定国、又は選択した選択国の国内法令の許す限り、そのまま引用してここに組み込まれる。
【００６９】
種々の典型的な実施の形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上説明したように、本発明の一形態によれば、膜ストレスを制御することができる。
その結果、本発明は、Ｓｉ半導体デバイスを製造する際に用いられるＡＬＤ法による成膜を行う基板処理方法および基板処理装置に特に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
２００  ウエハ（基板）
２０１  処理室
２３１  ガス排気管
２３２ａ  ガス供給管
２３２ｂ  ガス供給管
２４６  真空ポンプ
２４８ａ  ガス供給孔
２４８ｂ  ガス供給孔
２４８ｃ  ガス供給孔
２４９  ガス供給部
３２１  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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