(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の被処理基板の表面上に化合物膜を原子層レベルで一括して成膜する成膜方法であって、
前記成膜処理が行われる反応容器内に前記各被処理基板を互いに離間させて厚さ方向に沿って平行に配置する第１の工程と、
隣接する前記各被処理基板間に向けて、前記反応容器内に所定のガスを供給する複数本のガス供給治具のうち、成膜反応を活性化させる活性化ガスを供給する活性化ガス供給治具から前記活性化ガスを供給するとともに、他のガス供給治具からパージガスを供給する第２の工程と、
前記活性化ガス供給治具から供給するガスを前記活性化ガスから前記パージガスに切り替えるとともに、他のガス供給治具から前記パージガスを供給する第３の工程と、
隣接する前記各被処理基板間に向けて、成膜すべき化合物膜の主な原料となる原料ガスを供給する原料ガス供給治具から前記原料ガスを供給するとともに、他のガス供給治具から前記パージガスを供給する第４の工程と、
前記原料ガス供給治具から供給するガスを前記原料ガスから前記パージガスに切り替えるとともに、他のガス供給治具から前記パージガスを供給する第５の工程と、
を含み、かつ、前記第２の工程から前記第５の工程を複数回繰り返すことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
複数枚の被処理基板の表面上に化合物膜を一括して形成する成膜方法であって、
前記各被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように前記各被処理基板を互いに所定の間隔ずつ離間させて厚さ方向に沿って並べて配置し、
成膜反応を活性化させるための活性化ガスおよび成膜すべき化合物膜の主な原料となる原料ガスのうち少なくとも前記原料ガスの前記各被処理基板に対する供給圧力を前記各被処理基板が配置されている雰囲気の圧力の１０倍以上に設定するとともに、前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から、パージガスを連続的に供給しつつ前記活性化ガスと前記原料ガスとを交互に切り替えて供給することを特徴とする成膜方法。
【請求項３】
複数枚の被処理基板の表面上に化合物膜を一括して成膜する成膜処理が行われる処理室内に、前記各被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように前記各被処理基板をそれらの表面を互いに所定の間隔ずつ離間させて厚さ方向に沿って並べて配置し、
前記各被処理基板が配置された前記処理室内にパージガスを供給して前記処理室内をパージした後、
パージされた前記処理室内に配置されている前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から、前記パージガスを供給し続けるとともに成膜反応を活性化させる活性化ガスを前記各被処理基板の表面上に供給し、
前記各被処理基板に向けて前記パージガスを供給しつつ、前記活性化ガスの供給を断つとともに、前記化合物膜の主な原料となる原料ガスの前記各被処理基板に対する供給圧力を前記処理室内の圧力の１０倍以上に設定して、前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から前記原料ガスを前記各被処理基板の表面上に供給することにより、前記各被処理基板の表面上に前記化合物膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
【請求項４】
成膜処理に供される処理室と、
この処理室内において、成膜処理が施される複数枚の被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように、前記各被処理基板を互いに所定の間隔ずつ離間させつつ厚さ方向に沿って並べて支持可能な基板支持具と、
前記各被処理基板の表面上に一括して成膜される化合物膜の主な原料となる原料ガス、および前記処理室内をパージするためのパージガスを、前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から供給する原料ガス供給治具と、
前記原料ガスを前記原料ガス供給治具に供給する原料ガス供給系と、
前記化合物膜が成膜される際の成膜反応を活性化させる活性化ガス、および前記パージガスを、前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から供給する活性化ガス供給治具と、
前記活性化ガスを前記活性化ガス供給治具に供給する活性化ガス供給系と、
前記パージガスを、前記原料ガスおよび前記活性化ガスと選択的に切り替えて前記原料ガス供給治具および前記活性化ガス供給治具に供給するパージガス供給系と、
を具備してなり、
前記原料ガスの前記各被処理基板に対する供給圧力は前記処理室内の圧力の１０倍以上に設定されることを特徴とする成膜装置。
【請求項５】
前記原料ガス供給治具および前記原料ガス供給系は、前記原料ガスの種類ごとに独立して設けられているとともに、前記原料ガス供給系は、前記原料ガスをその種類ごとに独立に前記原料ガス供給治具に供給可能に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
【請求項６】
請求項１〜３のうちのいずれかの成膜方法により成膜された化合物膜を用いて半導体素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物薄膜の成膜方法および成膜装置に係り、特にＢＳＴ，ＳＴＯ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，Ｔａ−Ｔｉ−Ｏなどの化合物の薄膜をAtomic Layer Deposition（ＡＬＤ）法を用いてバッチ式で成膜可能な成膜方法および成膜装置、ならびにこれらを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子デバイスのダウンサイジング化に伴い、電子デバイスを構成する各素子の投影面積を縮小しつつ、各素子の特性を低下させないために、各素子の配置を平面的な配置から立体的な配置に変更する必要が増している。特に、キャパシタ素子は、集積回路の最小加工寸法が小さくなっても、そのＳ／Ｎ比を低下させないために、所定のキャパシタ容量を確保する必要がある。４ＭＤＲＡＭ以降の世代では、いわゆるスタックセルまたはトレンチセルなどの立体型のキャパシタ素子が採用されている。そして、集積度の向上に従って、さらに複雑な立体形状を有するキャパシタ素子の採用が不可避になりつつある。
【０００３】
また、素子の立体化が進むということは、実質的に、多層構造からなる複数本の配線の各レイヤー間を接続するコンタクトホールのアスペクト比が増大することを意味する。この場合、プラグ電極膜やバリアメタル膜などを高アスペクト比のコンタクトホール内に均一に形成することが求められる。
【０００４】
他方、素子の投影面積が小さくなるにつれて、素子に採用される各種の膜の薄膜化も当然厳しく要求される。例えば、複数の構成元素からなり、しかも多くの場合、複数の金属元素を構成元素として含む化合物膜の薄膜化が求められている。具体的には、キャパシタ誘電体膜としては、一般的なＮＯ膜より酸化膜換算膜厚を大幅に薄膜化可能なＴａ2Ｏ5膜，Ｔａ−Ｔｉ−Ｏ膜，Ｂａ−Ｓｒ−Ｔｉ−Ｏ（ＢＳＴ）膜，Ｓｒ−Ｔｉ−Ｏ（ＳＴＯ）膜，あるいはＰｂ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｏ（ＰＺＴ）膜などの高誘電率薄膜である。また、バリアメタル膜としては、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、あるいはＷＮ膜などよりも強靭な耐酸化性を示す（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜および（Ｔａ，Ｓｉ）Ｎ膜などである。さらに、高誘電率を発現するゲート絶縁膜としては、Ａｌ2Ｏ3膜、Ｈｆ−Ｓｉ−Ｏ膜、あるいはＺｒ−Ｓｉ−Ｏ膜などである。
【０００５】
しかも、前述したように、素子の立体化が進行する中で、これらの膜は段差被覆性を良好に保持して形成することが求められている。また、素子のシステムＬＳＩ等への混載を考慮すると、ＬＳＩのマスクパターンや素子の被覆率に依存しない成膜方法が求められている。
【０００６】
前述したような多元系の化合物膜を段差被覆性良く形成するために、一般に用いられている熱ＣＶＤ法を用いる場合、以下に述べるような問題がある。
【０００７】
熱ＣＶＤ法により多元系の化合物膜を段差被覆性良く成膜するためには、表面反応律速条件で成膜を行う必要がある。ところが、このような条件下では、得られる膜組成は膜表面での化学反応で決まるため、必ずしも所望の膜質や膜組成が得られるとは限らない。特に、深いコンタクトホールの内部などでは、原料によって拡散係数、化学反応速度係数、あるいは表面マイグレーションの速度などが異なるために、穴の上部と底部とで組成が異なってしまうことがある。また、表面反応律速条件では、成膜が成膜温度に強く依存するために、膜の下地の状態、例えば配線や電極、あるいはコンタクトホールの被覆率などによって基板温度が異なってしまう。特に、システムＬＳＩ等のように、マスクパターンや素子の被覆率が頻繁に変わる場合、それらの変化に合わせた頻繁な成膜条件出しを余儀なくされるなどの問題もある。
【０００８】
このような熱ＣＶＤ法の問題点を解決する手法として、近年、いわゆるAtomic Layer Deposition（ＡＬＤ）法が注目されている。前述したような複数種類の金属元素を含む化合物膜を成膜する場合でも、ＡＬＤ法では一元素ごとに成膜を行うために組成制御が容易である。また、通常、熱分解ではないが、ＡＬＤ法は略完全に表面反応律速条件下で原子層成膜を行うために、段差被覆性も極めて良好である。しかし、ＡＬＤ法は一般に成膜時間が長いという問題がある。ＡＬＤ法は、通例、Ｈ2Ｏ，ＮＨ3，Ｏ3等の活性ガスの供給、真空排気によるパージ、ＡｌＣｌ3等の金属原料ガスの供給、真空排気によるパージ、再度Ｈ2Ｏ，ＮＨ3，Ｏ3等の活性ガスの供給、というシーケンスを複数回繰り返すことにより原子層単位で成膜するため、元来成膜時間が長くなる傾向がある。特に、複数種類の金属原料ガスを用いる場合、各金属原料ガス間の相互反応を抑止するために多元系で組成制御する必要が生じる。この場合、真空排気によるパージ時間が長大になる。
【０００９】
そこで、ＡＬＤ法においても、ウェーハ１枚あたりの正味のプロセス時間（ＲＰＴ：raw process time）を短縮するために、バッチ処理により成膜可能な装置が検討されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に、ＡＬＤ法を用いてバッチ処理でＡｌ2Ｏ3膜を成膜する装置の一例を示す。この成膜装置１０１は、通常のＡＬＤ装置を大型化し、複数枚のウェーハ（基板）１０２に対して同時に成膜処理を施すことができるようにしたものである。Ａｌ2Ｏ3膜の各種原料ガスは、それらの処理室（反応容器）１０３内への供給状態をガス供給系１０４において制御される。各原料ガスは、チャンバー１０５の一端側（入口側）に設けられている整流板１０６を通過させられて層流状に処理室１０３内へ供給される。整流板１０６は、チャンバー１０５を大型化したため必須である。処理室１０３内へ供給された各原料ガスは、各ウェーハ１０２上を通過した後、チャンバー１０５の他端側（出口側）から排気系１０７により排気される。
【００１１】
図１１に、成膜装置１０１を用いて行われる成膜工程のシーケンスの一例を示す。
【００１２】
この例では、チャンバー１０５が大型化されており、また整流板１０６の上流側での反応を抑制するために、パージ時間が長くなるという問題がある。また、チャンバー１０５が大型化したために、各原料ガスの消費速度が大きくなるという問題がある。これは、基板１０２表面に到達しない各原料ガスは成膜に寄与することなく排気され、また基板１０２表面で必要とされる各原料ガスの分圧を確保するためには反応容器１０３内全体で各原料ガスの分圧を高めなければならないためである。原料ガスの消費速度が大きくなると、成膜効率が低下して成膜コストが上昇し、ひいては半導体装置の製造コストも上昇する。また、通例、ＡＬＤ法では、各シーケンス間のパージ時間を短くするために、チャンバー１０５内のデッドスペースをできる限り無くそうとする。すると、バッチ処理を行い難くなり、バッチ処理とパージ時間の短縮化との両立が困難になる。さらに、ＡＬＤ法は、通例、ガスの流れの均一性等はあまり重視されない。ところが、バッチ処理では、各ウェーハ１０２の表面にできる限り均一にＡＬＤ反応を起こさせる必要があるために、例えば整流板１０６のようなガスの流れを均一化させる装備が必要になる。これにより、パージ時間の短縮化がさらに困難になる。
【００１３】
図１２に、成膜装置１０１と同様に、ＡＬＤ法を用いてバッチ処理でＡｌ2Ｏ3膜を成膜する装置の他の例を示す。この成膜装置２０１では、バッチ処理に伴うパージ時間の増大を抑制するために、時間の掛かる真空パージではなく、短時間化の容易なガスパージが採用されている。それとともに、成膜装置２０１では、複数本のガスインジェクター２０２が、複数枚のウェーハ１０２が搭載されているサセプター２０３上を回転する設定となっている。これらにより、成膜装置２０１は、ＲＰＴの短縮化が図られている。成膜装置２０１の場合、４本のガスインジェクター２０２はそれぞれ、金属原料ガスとしてのＡｌＣｌ3ガス、パージガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガス、反応ガスとしてのＨ2Ｏガス、そしてパージガスとしてのＡｒガスの供給に１本ずつ割り当てられている。そして、各ガスインジェクター２０２からは、ガスの種類を切り替えること無く、各ウェーハ１０２の表面に向けて各ガスが順番に常時供給される。すなわち、成膜装置２０１では、４本のガスインジェクター２０２を回転させて、各ウェーハ１０２に向けて供給されるガスの種類を、例えばＡｌＣｌ3，Ａｒ，Ｈ2Ｏ，Ａｒ，再びＡｌＣｌ3という順番で切り替えることにより、ＡＬＤ成膜を行う。
【００１４】
しかし、この例では次に述べるような問題がある。成膜装置２０１では、チャンバー２０４内に複数種類のガスが常時、同時供給されているために、チャンバー２０４内における各ガスの分離が困難である。したがって、チャンバー２０４内における各ガス同士の気相反応や、あるいはＨ2Ｏガス用インジェクター２０２ａへのＡｌの堆積等、ガス系における好ましくない反応を適正な許容範囲内に抑制することが困難である。特に、ＢＳＴ膜やＰＺＴ膜等の多くの構成元素からなる化合物膜を成膜する場合、原料ガスの種類も多くなるので、各原料ガス間の反応抑制が極めて困難になる。それとともに、装置構成が複雑化するという問題もある。また、このような成膜装置２０１および成膜方法によれば、化合物膜の膜質が劣化し易く、ひいては半導体装置全体の品質の劣化を招くおそれがある。すると、半導体装置の製造歩留まりが低下して半導体装置の製造効率が低下するとともに、半導体装置の製造コストが上昇するおそれがある。
【００１５】
本発明は、以上説明したような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ＡＬＤ法を用いてバッチ式処理により成膜作業を行う際に、パージを短時間で容易に行うことにより成膜作業の長時間化を容易に抑制でき、またガスの使用効率を容易に向上でき、さらには複数種類のガス同士の相互反応を容易に抑制して、良質な化合物膜を効率よく、かつ容易に成膜できる成膜方法および成膜装置を提供することにある。それとともに、良質な化合物膜を有する良質な半導体装置を効率よく、かつ容易に製造できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係る成膜方法は、複数枚の被処理基板の表面上に化合物膜を原子層レベルで一括して成膜する成膜方法であって、前記成膜処理が行われる反応容器内に前記各被処理基板を互いに離間させて厚さ方向に沿って平行に配置する第１の工程と、隣接する前記各被処理基板間に向けて、前記反応容器内に所定のガスを供給する複数本のガス供給治具のうち、成膜反応を活性化させる活性化ガスを供給する活性化ガス供給治具から前記活性化ガスを供給するとともに、他のガス供給治具からパージガスを供給する第２の工程と、前記活性化ガス供給治具から供給するガスを前記活性化ガスから前記パージガスに切り替えるとともに、他のガス供給治具から前記パージガスを供給する第３の工程と、隣接する前記各被処理基板間に向けて、成膜すべき化合物膜の主な原料となる原料ガスを供給する原料ガス供給治具から前記原料ガスを供給するとともに、他のガス供給治具から前記パージガスを供給する第４の工程と、前記原料ガス供給治具から供給するガスを前記原料ガスから前記パージガスに切り替えるとともに、他のガス供給治具から前記パージガスを供給する第５の工程と、を含み、かつ、前記第２の工程から前記第５の工程を複数回繰り返すことを特徴とするものである。
【００１７】
この成膜方法においては、成膜処理が行われる反応容器内に複数枚の被処理基板を互いに離間させて厚さ方向に沿って平行に配置した後、隣接する各被処理基板間に向けて、パージガスを供給しつつ、活性化ガスと原料ガスとを交互に切り替えて供給する工程を複数回繰り返す。これにより、複数枚の被処理基板の表面上に化合物膜を原子層レベルで一括して成膜する。この成膜方法によれば、反応容器内をパージする際にパージガスを用いるので、パージを短時間で容易に行うことができ、成膜作業の長時間化を容易に抑制できる。また、複数枚の被処理基板を、互いに離間させて厚さ方向に沿って並べて反応容器内に配置し、隣接する各被処理基板間に向けて活性化ガスおよび原料ガスを供給するので、ガスの使用効率を容易に向上できる。さらに、活性化ガスの供給と原料ガスの供給とを排他的に行うとともに、活性化ガスおよび原料ガスを供給する際にも、パージガスを隣接する各被処理基板間に向けて供給するので、複数種類のガス同士の相互反応を容易に抑制できる。
【００１８】
また、前記課題を解決するために、本発明に係る成膜方法は、複数枚の被処理基板の表面上に化合物膜を一括して形成する成膜方法であって、前記各被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように前記各被処理基板を互いに所定の間隔ずつ離間させて厚さ方向に沿って並べて配置し、成膜反応を活性化させるための活性化ガスおよび成膜すべき化合物膜の主な原料となる原料ガスのうち少なくとも前記原料ガスの前記各被処理基板に対する供給圧力を前記各被処理基板が配置されている雰囲気の圧力の１０倍以上に設定するとともに、前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から、パージガスを連続的に供給しつつ前記活性化ガスと前記原料ガスとを交互に切り替えて供給することを特徴とするものである。
【００１９】
この成膜方法においては、複数枚の被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように、各被処理基板を互いに所定の間隔ずつ離間させて厚さ方向に沿って並べて配置する。そして、パージを行う際にパージガスを用いるとともに、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向からパージガスを供給する。これにより、パージを効率よく短時間で容易に行うことができるので、成膜作業の長時間化を容易に抑制できる。同様に、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から活性化ガスおよび原料ガスを供給するので、ガスの使用効率を容易に向上できる。また、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から、パージガスを連続的に供給しつつ活性化ガスと原料ガスとを交互に切り替えて供給するので、複数種類のガス同士の相互反応を容易に抑制できる。さらに、活性化ガスおよび原料ガスのうち少なくとも原料ガスの各被処理基板に対する供給圧力を各被処理基板が配置されている雰囲気の圧力の１０倍以上に設定して、原料ガスを各被処理基板に向けて供給する。このような設定によれば、例えば成膜処理に酸化性のガスを用いる場合でも、原料ガスが雰囲気中の残留ガス等と不要な気相反応を起こすおそれを殆どなくすことができる。それとともに、成膜される化合物中からの配位子等の不要な有機物の脱離を効率的に行うことができる。また、各被処理基板に対する、より均等な原料ガス供給を行うことができるので、より均一な膜厚および膜組成分布を実現することができる。それとともに、ＡＬＤ反応により各被処理基板の表面が被覆されるまでの時間が各被処理基板間で均一化されるため、原料ガス供給時間の短縮、ひいてはプロセス時間の短縮を実現することができる。
【００２０】
また、前記課題を解決するために、本発明に係る成膜方法は、複数枚の被処理基板の表面上に化合物膜を一括して成膜する成膜処理が行われる処理室内に、前記各被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように前記各被処理基板をそれらの表面を互いに所定の間隔ずつ離間させて厚さ方向に沿って並べて配置し、前記各被処理基板が配置された前記処理室内にパージガスを供給して前記処理室内をパージした後、パージされた前記処理室内に配置されている前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から、前記パージガスを供給し続けるとともに成膜反応を活性化させる活性化ガスを前記各被処理基板の表面上に供給し、前記各被処理基板に向けて前記パージガスを供給しつつ、前記活性化ガスの供給を断つとともに、前記化合物膜の主な原料となる原料ガスの前記各被処理基板に対する供給圧力を前記処理室内の圧力の１０倍以上に設定して、前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から前記原料ガスを前記各被処理基板の表面上に供給することにより、前記各被処理基板の表面上に前記化合物膜を成膜することを特徴とするものである。
【００２１】
この成膜方法においては、複数枚の被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように、各被処理基板を互いに所定の間隔ずつ離間させて厚さ方向に沿って並べて、成膜処理が行われる処理室内に配置する。そして、処理室内をパージする際にパージガスを用いるとともに、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向からパージガスを供給する。これにより、パージを効率よく短時間で容易に行うことができるので、成膜作業の長時間化を容易に抑制できる。同様に、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から活性化ガスおよび原料ガスを供給するので、ガスの使用効率を容易に向上できる。また、活性化ガスの供給と原料ガスの供給とを排他的に行うとともに、活性化ガスおよび原料ガスを供給する際にも、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向からパージガスを供給するので、複数種類のガス同士の相互反応を容易に抑制できる。さらに、原料ガスの各被処理基板に対する供給圧力を処理室内の圧力の１０倍以上に設定して原料ガスを各被処理基板に向けて供給する。このような設定によれば、例えば成膜処理に酸化性のガスを用いる場合でも、原料ガスが処理室内の残留ガス等と不要な気相反応を起こすおそれを殆どなくすことができる。それとともに、成膜される化合物中からの配位子等の不要な有機物の脱離を効率的に行うことができる。また、各被処理基板に対する、より均等な原料ガス供給を行うことができるので、より均一な膜厚および膜組成分布を実現することができる。それとともに、ＡＬＤ反応により各被処理基板の表面が被覆されるまでの時間が各被処理基板間で均一化されるため、原料ガス供給時間の短縮、ひいてはプロセス時間の短縮を実現することができる。
【００２２】
また、本発明に係る成膜方法を実施するにあたり、その工程などの一部を以下に述べるような設定としても構わない。
【００２３】
前記活性化ガスの供給と前記原料ガスの供給とを交互に複数回ずつ繰り返す。
【００２４】
前記各被処理基板に向けて、前記活性化ガスを供給している状態と、前記原料ガスとを供給している状態との間に、前記各被処理基板に向けて、それらの基板面と平行な方向から、前記パージガスのみを供給する。
【００２５】
前記原料ガスを複数種類用いるとともに、前記活性化ガスの供給と前記原料ガスの供給とを、前記原料ガスの種類ごとに所定の順番で複数回ずつ繰り返す。
【００２６】
前記各ガスを、前記各被処理基板に向けて、それらの基板面と平行な方向から供給する際に、互いに隣接する前記各被処理基板同士の間および前記各被処理基板のそれぞれの表面に向けて前記各ガスを供給する。
【００２７】
前記パージガス、前記活性化ガス、および前記原料ガスのうち、少なくとも前記原料ガスを前記処理室内に供給する際の圧力の大きさを、前記処理室内の圧力の大きさの１０倍以上に設定する。
【００２８】
前記パージガス、前記活性化ガス、および前記原料ガスを、前記各被処理基板を間に挟んで、前記各ガスが供給される側の反対側から前記処理室の外へ排気する。
【００２９】
前記活性化ガスに、Ｈ2Ｏ，Ｏ3，ＮＨ3のうちの少なくとも１種類を含ませる。
【００３０】
前記原料ガスに、アルカリ土類金属のシクロペンタジエニル化合物とチタンのアルコキシド化合物、または組成式がＣ11Ｈ19Ｏ2で表されるアルコキシル基を含むジピバロイルメタナート錯体を含ませる。
【００３１】
前記シクロペンタジエニル化合物として、シクロペンタジエニル環に結合する水素の一部が、アルキル基またはアルコキシル基に置換された物質も含ませる。
【００３２】
前記パージガスに、Ｏ2およびＮ2Ｏの少なくとも一方を含ませる。
【００３３】
本発明に係る成膜方法を実施するにあたり、その工程などの一部を以上述べたような各種設定とすることにより、成膜作業の長時間化および複数種類のガス同士の相互反応をより容易に抑制できるとともに、ガスの使用効率をより容易に向上できる。したがって、良質な化合物膜をより効率よく、かつ、より容易に成膜できる。
【００３４】
また、前記課題を解決するために、本発明に係る成膜装置は、成膜処理に供される処理室と、この処理室内において、成膜処理が施される複数枚の被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように、前記各被処理基板を互いに所定の間隔ずつ離間させつつ厚さ方向に沿って並べて支持可能な基板支持具と、前記各被処理基板の表面上に一括して成膜される化合物膜の主な原料となる原料ガス、および前記処理室内をパージするためのパージガスを、前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から供給する原料ガス供給治具と、前記原料ガスを前記原料ガス供給治具に供給する原料ガス供給系と、前記化合物膜が成膜される際の成膜反応を活性化させる活性化ガス、および前記パージガスを、前記各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から供給する活性化ガス供給治具と、前記活性化ガスを前記活性化ガス供給治具に供給する活性化ガス供給系と、前記パージガスを、前記原料ガスおよび前記活性化ガスと選択的に切り替えて前記原料ガス供給治具および前記活性化ガス供給治具に供給するパージガス供給系と、を具備してなり、前記原料ガスの前記各被処理基板に対する供給圧力は前記処理室内の圧力の１０倍以上に設定されることを特徴とするものである。
【００３５】
この成膜装置においては、成膜処理に供される処理室内において、成膜処理が施される複数枚の被処理基板の周りを流れるガスの流れを整えることができるように、基板支持具を用いて各被処理基板を互いに所定の間隔ずつ離間させつつ、厚さ方向に沿って並べて支持する。そして、原料ガス供給治具および活性化ガス供給治具を用いて、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向からパージガスを供給して、処理室内をパージする。これにより、パージを効率よく短時間で容易に行うことができるので、成膜作業の長時間化を容易に抑制できる。同様に、原料ガス供給治具および活性化ガス供給治具を用いて、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向から原料ガスおよび活性化ガスを供給するので、ガスの使用効率を容易に向上できる。また、パージガス供給系を用いてパージガスと原料ガスおよび活性化ガスとを選択的に切り替えて、原料ガス供給治具および活性化ガス供給治具に供給する。これにより、パージガスと原料ガスおよび活性化ガスとを選択的に切り替えて、各被処理基板に向けてそれらの基板面と略平行な方向からパージガスを供給できるので、複数種類のガス同士の相互反応を容易に抑制できる。さらに、原料ガスの各被処理基板に対する供給圧力は処理室内の圧力の１０倍以上に設定される。このような設定によれば、例えば成膜処理に酸化性のガスを用いる場合でも、原料ガスが処理室内の残留ガス等と不要な気相反応を起こすおそれを殆どなくすことができる。それとともに、成膜される化合物中からの配位子等の不要な有機物の脱離を効率的に行うことができる。また、各被処理基板に対する、より均等な原料ガス供給を行うことができるので、より均一な膜厚および膜組成分布を実現することができる。それとともに、ＡＬＤ反応により各被処理基板の表面が被覆されるまでの時間が各被処理基板間で均一化されるため、原料ガス供給時間の短縮、ひいてはプロセス時間の短縮を実現することができる。
【００３６】
また、本発明に係る成膜装置を実施するにあたり、その構成などの一部を以下に述べるような設定としても構わない。
【００３７】
前記活性化ガス供給治具および前記活性化ガス供給系は、前記活性化ガスの種類ごとに独立して設けられているとともに、前記活性化ガス供給系は、前記活性化ガスをその種類ごとに独立に前記活性化ガス供給治具に供給可能に設定されている。
【００３８】
前記パージガスを、前記各被処理基板に向けて、それらの基板面と略平行な方向から供給するパージガス供給治具を具備するとともに、前記パージガス供給系は、前記パージガス供給治具に前記パージガスを供給可能に設定されている。
【００３９】
前記原料ガス供給治具および前記活性化ガス供給治具には、前記各被処理基板が並べられている方向に沿って、隣接する前記各被処理基板同士の間および前記各被処理基板の基板面の少なくとも一方と略対向する位置に、前記各ガスを前記各被処理基板に向けて供給する吹き出し孔が複数個設けられている。
【００４０】
前記処理室には、前記基板支持具に支持されて前記処理室内に配置された前記各被処理基板を間に挟んで、前記原料ガス供給治具および前記活性化ガス供給治具が設けられている側と対向する側に、前記各被処理基板が並べられている方向に沿って、隣接する前記各被処理基板同士の間および前記各被処理基板の基板面の少なくとも一方と略対向する位置に、前記原料ガス、前記活性化ガス、および前記パージガスを前記処理室の外に排気する排気孔が複数個設けられているとともに、前記基板支持具には、前記原料ガス供給治具および前記活性化ガス供給治具付近から前記各排気孔付近にかけて、前記各被処理基板をそれらの側方から囲む整流部材が設けられている。
【００４１】
本発明に係る成膜装置を実施するにあたり、その構成などの一部を以上述べたような各種設定とすることにより、成膜作業の長時間化および複数種類のガス同士の相互反応をより容易に抑制できるとともに、ガスの使用効率をより容易に向上できる。したがって、良質な化合物膜をより効率よく、かつ、より容易に成膜できる。
【００４２】
また、前記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、本発明に係る成膜方法により成膜された化合物膜を用いて半導体素子を形成することを特徴とするものである。
【００４３】
この半導体装置の製造方法においては、本発明に係る成膜方法により成膜された化合物膜を用いて半導体素子を形成する。これにより、半導体装置の内部に組み込まれる各種の微細な半導体素子などを高い品質で効率よく形成して、半導体装置の品質および歩留まりを向上させることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００４５】
（第１の実施の形態）
先ず、本発明に係る第１実施形態を図１〜図４を参照しつつ説明する。図１は、第１実施形態に係る成膜装置を簡略化して示す図である。図２は、第１実施形態に係る成膜方法のシーケンスを示す図である。図３は、基板上にＴａ2Ｏ5膜が成膜される仕組みを模式的に示す工程断面図である。図４は、Ｔａ2Ｏ5膜を成膜する際に発生するパーティクルの成膜サイクルに対する依存性をグラフにして示す図である。
【００４６】
本実施形態では、具体的には、Atomic Layer Deposition（ＡＬＤ）法をバッチ処理で実施することにより、化合物膜としてのＴａ2Ｏ5膜を成膜する際の成膜方法および成膜装置、Ｔａ2Ｏ5膜の成膜条件、そして得られたＴａ2Ｏ5膜の特性について説明する。また、本実施形態の成膜方法および成膜装置を利用する半導体装置の製造方法について説明する。
【００４７】
本実施形態の成膜プロセスでは、化合物膜の主な原料を含む原料ガスとしてペンタエトキシタンタル（ＰＥＴ）ガスを用いる。また、成膜反応を活性化させる活性化ガスとしてＨ2Ｏガスを用いる。さらに、パージガスとして酸素（Ｏ2）ガスおよびアルゴン（Ａｒ）ガスを用いる。
【００４８】
先ず、図１（ａ），（ｂ）を参照しつつ、本実施形態の成膜装置１について説明する。
【００４９】
図１（ａ）は、成膜装置１の概略構成を正面もしくは側面から臨んで示す図である。図１（ｂ）は、成膜装置１を図１（ａ）中実線矢印の向きから臨んで示す平面図である。この成膜装置１は、主に原料ガス供給系２および反応系３からなる。原料ガス供給系２は、ＰＥＴガス供給系４、およびＨ2Ｏガスを供給する活性化ガス供給系（Ｈ2Ｏガス供給系）５などからなる。本実施形態においては、活性化ガス供給系５を原料ガス供給系２の一部として構成したが、それらを互いに独立した個別の系として構成しても構わないのはもちろんである。
【００５０】
ＰＥＴガス供給系４は、主にＰＥＴ原料容器６、ＰＥＴの液体流量制御装置７、およびＰＥＴ気化器８などからなる。気化温度は約１８０℃である。ＰＥＴ気化器８で気化されたＰＥＴガスは、約２００℃に加熱されたＰＥＴガス配管９を通り、原料ガス供給治具としての石英製のＰＥＴガスインジェクター１０に送られる。ＰＥＴガスインジェクター１０は、成膜処理が行われる処理室（反応容器）１１内に設けられており、ＰＥＴガスはＰＥＴガスインジェクター１０を経て反応容器１１内に供給（導入）される。ＰＥＴガス配管９とＰＥＴガスインジェクター１０との接続部分付近、すなわちＰＥＴガスインジェクター１０の根元の部分には、ＰＥＴガスインジェクター１０に通すガスを、ＰＥＴガスまたはＡｒガスに選択的に切り替えることができるように、原料ガス供給系切り替えバルブ１２が設けられている。
【００５１】
Ｈ2Ｏガス供給系５は、主にＨ2Ｏ容器１３、このＨ2Ｏ容器１３を約８０℃に加熱するＨ2Ｏ加熱装置１４、およびＨ2Ｏガスのガス流量制御装置１５などからなる。Ｈ2Ｏガスは約１５０℃に加熱されたＨ2Ｏガス配管１６を通り、活性化ガス供給治具としての石英製のＨ2Ｏガスインジェクター１７に送られる。Ｈ2Ｏガスインジェクター１７は、反応容器１１内に設けられており、Ｈ2ＯガスはＨ2Ｏガスインジェクター１７を経て反応容器１１内に供給される。Ｈ2Ｏガス配管１６とＨ2Ｏガスインジェクター１７との接続部分付近、すなわちＨ2Ｏガスインジェクター１７の根元の部分には、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７に通すガスを、Ｈ2Ｏガス、Ａｒガス、またはＯ2ガスに選択的に切り替えることができるように、活性化ガス供給系切り替えバルブ１８が設けられている。
【００５２】
また、成膜装置１には、以上説明した２本のガスインジェクター１０，１７とは別に、反応容器１１内にＡｒガスおよびＯ2ガスを選択的に供給可能なパージガス供給治具としてのＯ2ガスインジェクター１９が反応容器１１内に設けられている。すなわち、成膜装置１は、合計３系統のガスインジェクター１０，１７，１９を備えている。また、成膜装置１には、３本のガスインジェクター１０，１７，１９にＡｒガスまたはＯ2ガスを供給するパージガス供給系２０が設けられている。ＡｒガスおよびＯ2ガスは、パージガス供給系２０が有するパージガス配管２１を通り、各ガスインジェクター１０，１７，１９に送られる。
【００５３】
また、パージガス供給系２０のうち、Ｏ2ガスインジェクター１９に接続されているＯ2ガス系統は、その一部がオゾナイザー２２に接続されている。これにより、パージガス供給系２０は、オゾナイザー２２を通してＯ3／Ｏ2混合ガスをＯ2ガスインジェクター１９および反応容器１１内に供給することが可能である。
【００５４】
他方、反応系３は、成膜処理が施される被処理基板（ウェーハ）２３を複数枚同時に収容可能である反応容器１１、この反応容器１１内において各ウェーハ２３を一括して支持可能な基板支持具としてのボート２４、反応容器１１内に供給された原料ガス、活性化ガス、およびパージガスを反応容器１１の外に排気する排気系２５などからなる。本実施形態の反応容器１１には、その内部の雰囲気および反応容器１１内に収容された複数枚のウェーハ２３を略均一に加熱できる容器加熱装置２６が設けられた、いわゆるホットウォール式の反応容器１１が採用されている。また、ボート２４は、各ウェーハ２３をそれらの表面（基板面）を互いに所定の間隔ずつ離間させつつ、互いに平行に、かつ、厚さ方向に沿って積層するように並べた状態で支持可能な構造となっている。さらに、ボート２４は、ウェーハ２３の枚数や、あるいは成膜される膜の種類やその膜厚などに応じて、成膜処理が適正な状態で効率よく行われるように、その形状を選択的できることが好ましい。
【００５５】
また、前述したＰＥＴガスインジェクター１０、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７、およびＯ2ガスインジェクター１９には、反応容器１１内に収容された複数枚のウェーハ２３に向けて、それらの基板面と略平行な方向からＰＥＴガス、Ｈ2Ｏガス、Ｏ2ガス、およびＡｒガスを供給できるように、複数個の吹き出し孔２７がそれぞれ設けられている。具体的には、ＰＥＴガスインジェクター１０、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７、およびＯ2ガスインジェクター１９には、各ウェーハ２３が互いに離間されて積層されている方向に沿って、隣接する各ウェーハ２３同士の間および各ウェーハ２３の基板面の少なくとも一方と略対向する位置に、前記各ガスを各ウェーハ２３に向けて供給する吹き出し孔２７が複数個設けられている。すなわち、３本のガスインジェクター１０，１７，１９は、それぞれ多孔ガスインジェクターとして形成されている。これにより、各ガスインジェクター１０，１７，１９は、複数枚のウェーハ２３の表面、もしくは各ウェーハ２３同士の間に向けて、各ガスを集中的に効率よく供給できる。それとともに、各ウェーハ２３の表面、もしくは各ウェーハ２３同士の間に向けて、Ｏ2ガスまたはＡｒガスを供給することにより、各ウェーハ２３の表面付近、もしくは各ウェーハ２３同士の間から、不要なガスを迅速かつ容易に排除できる。
【００５６】
次に、図２および図３を参照しつつ、本実施形態の成膜方法について説明する。本実施形態の成膜方法は、具体的には、成膜装置１を用いて、以下に述べるシーケンスで化合物膜としてのＴａ2Ｏ5膜２８を成膜するものである。
【００５７】
複数枚のウェーハ２３を反応容器１１内に導入し、反応容器１１内に配置されているボート２４に支持させる。続けて、容器加熱装置２６を用いて、反応容器１１内の雰囲気および各ウェーハ２３の温度が約２８０℃になるように略均一に加熱する。それとともに、ＰＥＴガスインジェクター１０、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７、およびＯ2ガスインジェクター１９からそれぞれ約１ＳＬＭずつＡｒガスを反応容器１１内に供給して、反応容器１１内の圧力を約０．６Torrに保つ。ヒートリカバリー時間は約１０分間とする。反応容器１１内の温度（炉内温度）が２８０℃±１０℃程度で安定していることを確認した後、容器内圧力を約０．６Torrに保ちつつ、図２に示すシーケンスに基づいて以下に述べる成膜処理を実行する。
【００５８】
先ず、反応容器１１内に、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７からＨ2Ｏガスを約４５秒間、約５００ｓｃｃｍ導入するとともに、ＰＥＴガスインジェクター１０およびＯ2ガスインジェクター１９からＡｒガスをそれぞれ約４５秒間、約５００ｓｃｃｍずつ供給する。反応容器１１内に導入されたＨ2Ｏガスは、図３（ａ）に示すように、各ウェーハ２３の表面に吸着する。
【００５９】
次に、反応容器１１内に、ＰＥＴガスインジェクター１０およびＯ2ガスインジェクター１９からＡｒガスを供給しつつ、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７から供給するガスをＡｒガスに切り替える。そして、反応容器１１内に、ＰＥＴガスインジェクター１０、Ｏ2ガスインジェクター１９、およびＨ2Ｏガスインジェクター１７からＡｒガスをそれぞれ約２０秒間、約１ＳＬＭずつ供給する。これにより、隣接する各ウェーハ２３間を約２０秒間パージする。
【００６０】
次に、ＰＥＴ原料流量が約３ｓｃｃｍとなる条件で、ＰＥＴガスを反応容器１１内にＰＥＴガスインジェクター１０より約２０秒間導入する。この際、ＰＥＴガスインジェクター１０の内圧は、約２３Torrである。また、Ｏ2ガスインジェクター１９およびＨ2Ｏガスインジェクター１７からは、Ａｒガスをそれぞれ約２０秒間、約５００ｓｃｃｍずつ反応容器１１内に供給する。
【００６１】
通常、２８０℃前後ではＰＥＴの分解反応は殆ど起こらないが、各ウェーハ２３の表面にはＨ2Ｏが吸着しているので、図３（ｂ）に示すように、各ウェーハ２３の表面に到達したＰＥＴガスは吸着しているＨ2Ｏとの間で加水分解反応を起こす。これにより、各ウェーハ２３の表面上に、膜厚が約０．３ｎｍのＴａの酸化物の膜が成膜される。なお、図３（ａ），（ｂ）においては、ウェーハ２３の表面にＴａ2Ｏ5膜２８が形成される仕組みを理解し易くするために、Ｈ２Ｏ分子やＰＥＴ分子などを模式的に描いた。
【００６２】
次に、Ｏ2ガスインジェクター１９およびＨ2Ｏガスインジェクター１７からＡｒガスを反応容器１１内に供給しつつ、ＰＥＴガスインジェクター１０から供給するガスをＡｒガスに切り替える。そして、反応容器１１内に、ＰＥＴガスインジェクター１０、Ｏ2ガスインジェクター１９、およびＨ2Ｏガスインジェクター１７からＡｒガスをそれぞれ約１０秒間、約１ＳＬＭずつ供給する。これにより、隣接する各ウェーハ２３間を約１０秒間パージする。
【００６３】
次に、反応容器１１内に、ＰＥＴガスインジェクター１０からＡｒガスを供給しつつ、Ｏ2ガスインジェクター１９およびＨ2Ｏガスインジェクター１７から供給するガスをＯ2ガスに切り替える。そして、反応容器１１内に、ＰＥＴガスインジェクター１０からＡｒガスを供給するとともに、Ｏ2ガスインジェクター１９およびＨ2Ｏガスインジェクター１７からはＯ2ガスをそれぞれ約２０秒間、約１ＳＬＭずつ供給する。これにより、隣接する各ウェーハ２３間を、ＡｒガスおよびＯ2ガスを用いてさらに約２０秒間パージする。
【００６４】
次に、反応容器１１内に、ＰＥＴガスインジェクター１０からＡｒガスを供給しつつ、Ｏ2ガスインジェクター１９およびＨ2Ｏガスインジェクター１７から供給するガスをＡｒガスに切り替える。そして、反応容器１１内に、ＰＥＴガスインジェクター１０、Ｏ2ガスインジェクター１９、およびＨ2Ｏガスインジェクター１７からＡｒガスをそれぞれ約５秒間、約１ＳＬＭずつ供給する。これにより、隣接する各ウェーハ２３間を約５秒間パージする。
【００６５】
以上説明した一連のシーケンス（手順）により、約１２０秒で各ウェーハ２３の表面上に約０．３ｎｍの膜厚を有するＴａＯ膜２８を略均一に成膜することができる。この約１２０秒のシーケンスを１サイクルとし、これを３０回繰り返すことにより、各ウェーハ２３の表面上にＴａ2Ｏ5膜２８を約９ｎｍ堆積させる。その後、Ｏ2ガスインジェクター１９からＯ3／Ｏ2混合ガスを反応容器１１内に導入して、Ｔａ2Ｏ5膜２８に所定の処理を施すことにより、本実施形態の成膜プロセスを終了とする。なお、この成膜プロセスが実施されている間、反応容器１１に供給され、不要となった各ガスは、反応容器１１内の圧力、温度、および雰囲気の成分などが適正な状態に保持されるように適宜、排気系２５から反応容器１１の外へ排気される。
【００６６】
図４に、ＰＥＴガスインジェクター１０に設けられている各吹き出し孔２７の断面積（開口面積）を試験的に変えて、成膜回数とＴａ2Ｏ5膜２８のパーティクルとの相関関係をモニタリングした結果を示す。図４中の表に示すように、各吹き出し孔２７断面積を変えることにより、Ｔａ2Ｏ5膜２８の成膜時におけるＰＥＴガスインジェクター１０の内部圧力が変化することが分かる。それとともに、ＰＥＴガスインジェクター１０の内圧が役５Torr以下になると、成膜回数の増加とともにパーティクルが増大することが分かる。
【００６７】
本発明者らが行った調査によれば、パーティクルが増大した場合のＰＥＴガスインジェクター１０の内部をＨＦ洗浄してＩＣＰ分光分析を行ったところ、ＰＥＴガスインジェクター１０の内部にＴａ2Ｏ5膜２８が堆積していたことが判明した。これは、ＰＥＴガスインジェクター１０の内圧が低下すると、インジェクター１０の内部に侵入したＨ2Ｏガスがインジェクター１０の内部表面に吸着し、インジェクター１０の内部でもＡＬＤ反応が起こることを意味する。この結果によれば、ＡＬＤ法に基づく成膜処理を適正な状態で実施するためには、多孔ガスインジェクターとしてのＰＥＴガスインジェクター１０、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７、およびＯ2ガスインジェクター１９のうち、少なくとも原料ガスインジェクターとしてのＰＥＴガスインジェクター１０は、成膜時におけるインジェクターの内部圧力が反応容器１１の内部圧力の約１０倍以上となる形状に形成されることが好ましいことが分かる。
【００６８】
以上説明したように、この第１実施形態においては、ＡＬＤ成膜を採用することにより、複雑な立体形状からなる化合物膜２８を成膜する場合においても、成膜時における膜組成の精密な制御が可能である。また、ＡＬＤ成膜を採用することにより、化合物膜２８による良好な段差被覆性の実現が可能である。また、原料ガスおよび活性化ガスを各ウェーハ２３の表面もしくは各ウェーハ２３の間に集中的に供給できるので、原料ガスおよび活性化ガスの濃度を、各ウェーハ２３の間のみ選択的に高めることが可能である。これにより、原料ガスおよび活性化ガスの量が少ない場合でも、適正な状態で十分なＡＬＤ成膜反応を実現できるので、各ガスの使用（利用）効率を向上できる。また、原料ガスの消費速度が増大することに伴う成膜コストの上昇、ひいては半導体装置の製造コストの上昇を抑制することができる。
【００６９】
また、複数枚のウェーハ２３をバッチ処理により一括して処理することができるので、成膜処理に掛かる正味のプロセス時間（ＲＰＴ：raw process time）を短縮することができる。さらに、一般に時間の掛かる真空パージではなく、パージが短時間で済むガスパージを採用することにより、ＲＰＴの短縮が可能である。特に、隣接するウェーハ２３同士が互いに整流板の働きをするので、ガスパージを効果的に行うことができる。この各ウェーハ２３の整流板としての働きは、各ウェーハ２３に原料ガスおよび活性化ガス供給する際にも、それら各ガスの使用効率を高める上で効果的であるのはもちろんである。
【００７０】
また、成膜中は、各ウェーハ２３間およびそれらの周囲に常時パージガスを供給しつつ、原料ガスまたは活性化ガスを選択的に切り替えて供給する。これにより、好ましくない雰囲気下において成膜プロセスが進行して、成膜される化合物膜２８の膜質が劣化するおそれを殆どなくすことができる。
【００７１】
また、各ウェーハ２３に原料ガスを供給するのに先立って、各ウェーハ２３の表面に活性化ガスを付着させておくので、通常では不可能な低温でＡＬＤ反応を起こさせることができる。それとともに、成膜時における原料ガスインジェクター１０の内部圧力を、反応容器１１内の圧力に比べて１０倍以上高く設定することで、成膜処理に酸化性のガスを用いても反応容器１１内の残留原料ガスとの間で気相反応が起こるおそれが殆ど無い。しかも、成膜される化合物膜２８中の配位子等の有機物の効率的な脱離が可能となる。
【００７２】
さらに、ホットウォール式の加熱方式を採用することで、複数枚のウェーハ２３を略均一に一括して加熱することが容易である。ホットウォール式を採用することにより、薄膜を形成する場合、ウェーハ２３の下地構造やマスクパターンに依存することなく、成膜温度を略一定に保持することができる。通常、ホットウォール型の加熱方式では、ヒートリカバリー時間を長くとる必要があるが、ＡＬＤ法では精密な温度制御は要求されない。したがって、本実施形態の成膜プロセスでは、長大なヒートリカバリー時間は不要であり、これはＲＰＴの短縮する上で極めて効果的である。また、本実施形態の成膜装置１の装置構成は比較的簡素であるため、成膜する化合物膜の種類などに応じた装置構成の変更が容易である。
【００７３】
このように、この第１実施形態によれば、ＡＬＤ法を用いてバッチ式処理により成膜作業を行って、良質な化合物膜を効率よく、かつ容易に成膜できる。
【００７４】
次に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法について簡潔に説明する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、前述した本実施形態に係る成膜方法および成膜装置１により成膜された化合物膜（Ｔａ2Ｏ5膜）２８を用いて、半導体装置の内部に組み込まれる各種の微細な半導体素子などを形成する工程を含むものである。前述した成膜方法および成膜装置１によれば、良質な化合物膜を効率よく、かつ容易に成膜できる。したがって、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の内部に組み込まれる各種の微細な半導体素子などを高い品質で効率よく、かつ容易に形成して、半導体装置の品質および歩留まりを容易に向上させることができる。したがって、この第１実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、良質な化合物膜を有する良質な半導体装置を効率よく、かつ容易に製造できる。
【００７５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る第２実施形態を図５〜図７を参照しつつ説明する。図５は、第２実施形態に係る成膜装置を簡略化して示す図である。図６は、第２実施形態に係る成膜方法のシーケンスを示す図である。図７は、第２実施形態に係る成膜方法により穴の内部および周囲に成膜されたＳＴＯ膜を簡略化して示す断面図である。なお、図１と同一部分は同一符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００７６】
本実施形態では、具体的には、Atomic Layer Deposition（ＡＬＤ）法をバッチ処理で実施することにより、化合物膜としてのＳＴＯ膜およびＢＳＴ膜を成膜する際の成膜方法および成膜装置、ＳＴＯ膜およびＢＳＴ膜の成膜条件、そして得られたＳＴＯ膜およびＢＳＴ膜の特性について説明する。
【００７７】
本実施形態の成膜プロセスでは、原料ガスとして、ストロンチウムビストリイソプロピルシクロペンタジエニル（Ｓｒ（Ｃ5−ｉ−Ｐｒ3Ｈ2）2）、バリウムビスペンタメチルシクロペンタジエニル（Ｂａ（Ｃ5Ｍｅ5）2）のテトラヒドロフラン（ＴＨＦ：Ｃ4Ｈ8Ｏ）溶液（溶液濃度は０．１５モル／リットル）、およびテトライソプロポキシドチタン（ＴＴＩＰ）のそれぞれのガスを用いる。また、活性化ガスとしてＨ2Ｏガスを用いる。さらに、パージガスとして酸素（Ｏ2）ガスおよびアルゴン（Ａｒ）ガスを用いる。
【００７８】
先ず、図５（ａ），（ｂ）を参照しつつ、本実施形態の成膜装置３１について説明する。
【００７９】
図５（ａ）は、成膜装置３１の概略構成を正面もしくは側面から臨んで示す図である。図５（ｂ）は、成膜装置３１を図５（ａ）中実線矢印の向きから臨んで示す平面図である。この成膜装置３１は、前述した第１実施形態と同様に、主に原料ガス供給系３２および反応系３３からなる。原料ガス供給系２は、Ｂａガス供給系３４、Ｓｒガス供給系３５、ＴＴＩＰガス供給系３６、およびＨ2Ｏガス供給系５などからなる。なお、ＢａガスおよびＳｒガスの成膜条件は略等しいので、以下の説明においては、煩雑を避けるためにＳｒガスおよびその供給系３５のみ、すなわちＳＴＯ膜を成膜する場合についてのみ説明する。また、前述したＳｒを含む原料には適当な略名が存在せず、正式名称を用いると記述が煩雑になるので、これを避けるために以下の説明では単にＳｒ原料またはＳｒガスと略称することとする。
【００８０】
Ｓｒガス供給系３５は、主にＳｒ原料容器３７、Ｓｒの液体流量制御装置３８、およびＳｒ気化器３９などからなる。気化温度は約２００℃である。Ｓｒ気化器３９で気化されたＳｒガスは、キャリアガスとしてのＡｒガスと混合されて約２５０℃に加熱されたＳｒガス配管４０を通り、原料ガス供給治具としての石英製のＳｒガスインジェクター（Ｓｒ−Ｍｏガスインジェクター）４１に送られる。Ｓｒガスインジェクター４１は反応容器１１内に設けられており、ＳｒガスはＳｒガスインジェクター４１を経て反応容器１１内に供給される。Ｓｒガス配管４０とＳｒガスインジェクター４１との接続部分付近、すなわちＳｒガスインジェクター４１の根元の部分には、Ｓｒガスインジェクター４１に通すガスを、Ｓｒガスと、ＡｒガスまたはＯ2ガスとに選択的に切り替えることができるように、原料ガス供給系切り替えバルブ１２ａが設けられている。
【００８１】
また、ＴＴＩＰガス供給系３６は、主にＴＴＩＰ容器４２、このＴＴＩＰ容器４２を約６０℃に加熱するＴＴＩＰ加熱装置４３、およびＴＴＩＰのガス流量制御装置４４などからなる。ＴＴＩＰガスは、約１００℃に加熱されたＴＴＩＰガス配管４５を通り、原料ガス供給治具としての石英製のＴＴＩＰガスインジェクター４６に送られる。ＴＴＩＰガスインジェクター４６は反応容器１１内に設けられており、ＴＴＩＰガスはＴＴＩＰガスインジェクター４６を経て反応容器１１内に供給される。ＴＴＩＰガス配管４５とＴＴＩＰガスインジェクター４６との接続部分付近、すなわちＴＴＩＰガスインジェクター４６の根元の部分には、ＴＴＩＰガスインジェクター４６に通すガスを、ＴＴＩＰガスと、ＡｒガスまたはＯ2ガスとに選択的に切り替えることができるように、原料ガス供給系切り替えバルブ１２ｂが設けられている。
【００８２】
Ｈ2Ｏガス供給系５は、主にＨ2Ｏ容器１３、このＨ2Ｏ容器１３を約８０℃に加熱するＨ2Ｏ加熱装置１４、およびＨ2Ｏガスのガス流量制御装置１５などからなる。Ｈ2Ｏガスは約１５０℃に加熱されたＨ2Ｏガス配管１６を通り、活性化ガス供給治具としての石英製のＨ2Ｏガスインジェクター１７に送られる。Ｈ2Ｏガスインジェクター１７は、反応容器１１内に設けられており、Ｈ2ＯガスはＨ2Ｏガスインジェクター１７を経て反応容器１１内に供給される。Ｈ2Ｏガス配管１６とＨ2Ｏガスインジェクター１７との接続部分付近、すなわちＨ2Ｏガスインジェクター１７の根元の部分には、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７に通すガスを、Ｈ2Ｏガス、Ａｒガス、またはＯ2ガスに選択的に切り替えることができるように、活性化ガス供給系切り替えバルブ１８が設けられている。
【００８３】
また、成膜装置３１には、以上説明した３本（実際には、図示しないＢａガスインジェクターも含めて４本）のガスインジェクター４１，４６，１７とは別に、反応容器１１内にＡｒガスおよびＯ2ガスを選択的に供給可能なパージガス供給治具としてのＯ2ガスインジェクター１９が反応容器１１内に設けられている。すなわち、成膜装置３１は、合計４系統（実際には、図示しないＢａガスインジェクターも含めて５系統）のガスインジェクター４１，４６，１７，１９を備えている。また、成膜装置３１には、３本のガスインジェクター４１，４６，１７，１９にＡｒガスおよびＯ2ガスの少なくとも一方を供給するパージガス供給系２０が設けられている。ＡｒガスまたはＯ2ガスは、パージガス供給系２０が有するパージガス配管２１を通り、各ガスインジェクター４１，４６，１７，１９に送られる。
【００８４】
また、Ｓｒガスインジェクター４１、ＴＴＩＰガスインジェクター４６、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７、およびＯ2ガスインジェクター１９は、それぞれ第１実施形態と同様に、多孔ガスインジェクターとして形成されている。
【００８５】
他方、反応系３３は、第１実施形態と同様に、成膜処理が施される被処理基板（ウェーハ）２３を複数枚同時に収容可能であるとともに、それら各ウェーハ２３を略均一に加熱できるように容器加熱装置２６が設けられたホットウォール式の反応容器１１、この反応容器１１内において各ウェーハ２３をそれらの表面を互いに所定の間隔離間させて支持可能な基板支持具としてのボート２４、反応容器１１内に供給された原料ガス、活性化ガス、およびパージガスを反応容器１１の外に排気する排気系２５などからなる。
【００８６】
次に、図６を参照しつつ、本実施形態の成膜方法について説明する。本実施形態の成膜方法は、具体的には、成膜装置３１を用いて、以下に述べるシーケンスで化合物膜としてのＳＴＯ膜４７を成膜するものである。
【００８７】
複数枚のウェーハ２３を反応容器１１内に導入し、反応容器１１内に配置されているボート２４に支持させる。続けて、容器加熱装置２６を用いて、反応容器１１内の雰囲気および各ウェーハ２３の温度が約３００℃になるように略均一に加熱する。それとともに、Ｓｒガスインジェクター４１、ＴＴＩＰガスインジェクター４６、Ｏ2ガスインジェクター１９、およびＨ2Ｏガスインジェクター１７からそれぞれ約１ＳＬＭずつＡｒガスを反応容器１１内に供給して、反応容器１１内の圧力を約１．５Torrに保つ。反応容器１１内の温度（炉内温度）が３００℃±１０℃程度で安定していることを確認した後、容器内圧力を約１．５Torrに保ちつつ、図６に示すシーケンスに基づいて以下に述べる成膜処理を実行する。
【００８８】
先ず、反応容器１１内に、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７からＨ2Ｏガスを約２０秒間、約５００ｓｃｃｍ導入するとともに、Ｓｒガスインジェクター４１、ＴＴＩＰガスインジェクター４６、およびＯ2ガスインジェクター１９からはＯ2ガスをそれぞれ約２０秒間、約５００ｓｃｃｍずつ供給する。反応容器１１内に導入されたＨ2Ｏガスは、各ウェーハ２３の表面に吸着する。
【００８９】
次に、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７、ＴＴＩＰガスインジェクター４６、およびＯ2ガスインジェクター１９から供給するガスをＡｒガスに切り替える。それとともに、Ｓｒガスインジェクター４１から供給するガスをＳｒガスに切り替えて、Ｓｒ原料ガスをそのＴＨＦ溶液流量が約３ｓｃｃｍとなる条件でＳｒガスインジェクター４１から約１０秒間、反応容器１１内に導入する。キャリアガスとしてのＡｒガスの流量は、約２５０ｓｃｃｍである。この際、Ｓｒガスインジェクター４１の内圧は約３５Torrであった。また、ＴＴＩＰガスインジェクター４６、Ｏ2ガスインジェクター１９、およびＨ2Ｏガスインジェクター１７からは、Ａｒガスをそれぞれ約１０秒間、約５００ｓｃｃｍずつ反応容器１１内に供給する。
【００９０】
通常、２８０℃前後ではＳｒ原料の分解反応は殆ど起こらないが、各ウェーハ２３の表面にはＨ2Ｏが吸着しているので、各ウェーハ２３の表面に到達したＳｒ原料は吸着しているＨ2Ｏとの間で加水分解反応を起こす。これにより、各ウェーハ２３の表面上に、図示しないＳｒの酸化物の膜が成膜される。
【００９１】
次に、反応容器１１内に、再びＨ2Ｏガスインジェクター１７からＨ2Ｏガスを約２０秒間、約５００ｓｃｃｍ導入するとともに、Ｓｒガスインジェクター４１、ＴＴＩＰガスインジェクター４６、およびＯ2ガスインジェクター１９からはＯ2ガスをそれぞれ約２０秒間、約５００ｓｃｃｍずつ供給する。これにより、各ウェーハ２３の表面上に成膜されたＳｒ酸化物膜中の炭素不純物が減少するとともに、導入されたＨ2ＯガスがＳｒ酸化物膜の表面に吸着する。
【００９２】
以上説明したＨ2Ｏガスの供給およびＳｒガスの供給を交互に４回ずつ繰り返すことにより、約１２０秒で各ウェーハ２３の表面上に約０．３ｎｍの膜厚を有するＳｒ酸化物膜を略均一に成膜することができる。
【００９３】
次に、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７から供給するガスをＨ2Ｏガスに切り替えて、反応容器１１内にＨ2Ｏガスを約２０秒間、約５００ｓｃｃｍ導入する。それとともに、Ｓｒガスインジェクター４１、ＴＴＩＰガスインジェクター４６、およびＯ2ガスインジェクター１９から供給するガスをＯ2ガスに切り替え、Ｏ2ガスをそれぞれ約２０秒間、約５００ｓｃｃｍずつ反応容器１１内に供給する。
【００９４】
次に、ＴＴＩＰガスインジェクター４６から供給するガスをＴＴＩＰガスに切り替えて、反応容器１１内にＴＴＩＰガスを約１０秒間、約１５０ｓｃｃｍ導入する。それとともに、Ｈ2Ｏガスインジェクター１７、Ｓｒガスインジェクター４１、およびＯ2ガスインジェクター１９から供給するガスをＡｒガスに切り替え、Ａｒガスをそれぞれ約１０秒間、約５００ｓｃｃｍずつ反応容器１１内に供給する。
【００９５】
通常、２８０℃前後で酸素が存在しない条件下では、ＴＴＩＰの分解反応は殆ど起こらないが、各ウェーハ２３の表面に成膜されたＳｒ酸化物膜の表面にはＨ2Ｏが吸着しているので、Ｓｒ酸化物膜の表面に到達したＴＴＩＰガスのエトキシ基は吸着しているＨ2Ｏとの間で加水分解反応を起こす。これにより、各ウェーハ２３の表面上に、図示しないＴｉの酸化物の膜が成膜され、さらにＳｒ酸化物膜と反応する。
【００９６】
次に、反応容器１１内に、再びＨ2Ｏガスインジェクター１７からＨ2Ｏガスを約２０秒間、約５００ｓｃｃｍ導入するとともに、Ｓｒガスインジェクター４１、ＴＴＩＰガスインジェクター４６、およびＯ2ガスインジェクター１９からはＯ2ガスをそれぞれ約２０秒間、約５００ｓｃｃｍずつ供給する。すると、Ｏ2により、Ｔｉ酸化物膜中の炭素不純物が減少するとともに、導入されたＨ2ＯガスがＴｉ−Ｓｒ酸化物膜の表面に吸着する。
【００９７】
以上説明したＨ2Ｏガスの供給およびＴＴＩＰガスの供給を交互に３回ずつ繰り返す。これにより、各ウェーハ２３の表面上に堆積したＴｉ−Ｓｒ酸化物膜に含まれるＴｉとＳｒとのモル比が略等しくなり、ペロブスカイト型結晶構造（ＳｒＴｉＯ3）を有するＳＴＯ膜４７を、各ウェーハ２３の表面上に約９０秒で、約０．４ｎｍの略均一な膜厚で成膜することができる。
【００９８】
すなわち、前述したように、Ｈ2Ｏガスの供給およびＳｒガスの供給を交互に４回ずつ繰り返す一連のシーケンスを行った後、Ｈ2Ｏガスの供給およびＴＴＩＰガスの供給を交互に３回ずつ繰り返す一連のシーケンスを行うことにより、合計約２１０秒で各ウェーハ２３の表面上に約０．４ｎｍの膜厚を有するＳＴＯ膜４７を略均一に成膜することができる。これら２種類のシーケンスからなる合計約２１０秒のシーケンスを１サイクルとし、これを３０回繰り返すことにより、各ウェーハ２３の表面上にＳＴＯ膜４７を約１２ｎｍ堆積させる。その後、Ｎ2ガスを反応容器１１内に導入して、ＳＴＯ膜４７に約４００℃で加熱処理を施すことにより、本実施形態の成膜プロセスを終了とする。
【００９９】
次に、図７に示すように、開口径Ｗが約７０ｎｍ、深さＤが約４２０ｎｍで、アスペクト比が約６の穴４８の内側および周辺にＳＴＯ膜を成膜する。この際、本実施形態の成膜方法および通常の熱ＣＶＤ法のそれぞれに基づいてＳＴＯ膜を成膜する。そして、本実施形態によるＳＴＯ膜４７、および通常の熱ＣＶＤ法による図示しないＳＴＯ膜のそれぞれの膜厚および膜組成の均一性を、図７中▲１▼〜▲５▼の５箇所において評価する。この評価の結果を表１に示す。なお、膜厚は断面ＴＥＭにより、また膜組成はＴＥＭ−ＥＤＸにより評価を行った。
【０１００】
熱ＣＶＤ法の実施条件を次に示す。
【０１０１】
成膜温度を約４００℃に、成膜圧力を約１Torrに設定する。それとともに、原料としてのＳｒ（ＭＥＴＨＤ）2、およびＴｉ（ＭＰＤ）（ＴＨＤ）2のｎブチル酢酸溶液（約０．１５モル／リットル）を総原料流量が約０．３ｓｃｃｍとなるように設定する。併せて約５０％／５０％のＯ2とＮ2Ｏとの混合ガスを用いる。このような実施条件下において、熱ＣＶＤ法により非晶質のＳＴＯ膜を成膜した後、ＳＴＯ膜にＮ2を用いて約６５０℃でＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）を施して結晶化させる。この熱ＣＶＤ法の実施条件は、通常、図示しない約１５０ｎｍ径のコンタクトホール内で略一様な膜厚と組成比とが得られるとされているものである。
【０１０２】
【表１】
0003670628.tif 000002
【０１０３】
表１より、従来の熱ＣＶＤ法では、ＳＴＯ膜の膜厚の均一性を保持することはできても、穴４８のようなアスペクト比が大きい、細くて深い穴内での膜組成の均一性までは保持でき無いことが分かる。この表１によれば、穴４８の底では、殆どＴｉの酸化物膜しか成膜されないことを示す。すなわち、従来の熱ＣＶＤ法では、現在そして将来に向けたＬＳＩの微細化への追随が非常に困難であることが容易に予想される。
【０１０４】
また、図示しないキャパシタが有する平面形状のＲｕ電極上に、本実施形態に基づいて成膜したＳＴＯ膜４７、および従来の熱ＣＶＤ法に基づいて成膜したＳＴＯ膜の、それぞれの電気的特性を評価した結果を表２に示す。この表２によれば、従来の熱ＣＶＤ法に基づいて成膜したＳＴＯ膜に比べて、本実施形態に基づいて成膜したＳＴＯ膜４７の方が、より高い比誘電率およびより低いリーク電流値を示している。これは従来の熱ＣＶＤ法よりも、本実施形態のＡＬＤ成膜法の方が、より良好な結晶性を有する化合物膜を成膜するのにより適しているためと考えられる。
【０１０５】
【表２】
0003670628.tif 000003
【０１０６】
また、本実施形態の成膜プロセスにおける成膜温度の最高値は約４００℃であるが、これは本プロセスを用いて形成したキャパシタを、例えば熱に弱い図示しないアルミニウム多層配線上に形成することが十分可能であることを示している。これにより、キャパシタ、ひいてはこのキャパシタを備える半導体装置を製造する際に、汚染管理が容易になることを意味する。また、例えば多層配線構造を有するＬＳＩ内の任意の層にキャパシタを混載しても、キャパシタよりも下層の配線、ひいてはＬＳＩ内の殆ど全ての層の配線間におけるコンタクトホールのアスペクト比増大等の問題を招かない等の利点を有することを意味する。
【０１０７】
以上説明したように、この第２実施形態においては、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、Ｓｒ原料としてシクロペンタジエニル系の化合物を用い、Ｔｉ原料としてアルコキシド、またはアルコキシドを含むＤＰＭ錯体を用いることで、Ｈ2Ｏとの加水分解反応による配位子の一括除去が可能になり、低温での結晶化が容易になる。例えば、ＳＴＯ膜の場合、３００℃程度での結晶化が可能である。さらに、Ｓｒ原料ガスやＴｉ原料ガスは、約４００℃以下においてそれぞれ単独では酸素（Ｏ2）や亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）と殆ど反応しないので、パージガスとしてＯ2やＮ2Ｏの使用が可能である。これは、配位子等に起因するＳＴＯ膜中の有機不純物の効率的な除去できる点で有効である。
【０１０８】
なお、前述したように、これら本実施形態に基づいて成膜したＳＴＯ膜４７についての特性は、本実施形態に基づいて成膜するＢＳＴ膜についても略同様に当てはまる。
【０１０９】
（第３の実施の形態）
次に、本発明に係る第３実施形態を図８および図９を参照しつつ説明する。図８は、第３実施形態に係る成膜装置を簡略化して示す図である。図９は、第３実施形態に係る成膜方法のシーケンスを示す図である。なお、図１と同一部分は同一符号を付してその詳しい説明を省略する。
【０１１０】
本実施形態では、具体的には、Atomic Layer Deposition（ＡＬＤ）法をバッチ処理で実施することにより、化合物膜としてのＴｉ−Ａｌ−Ｎ膜を成膜する際の成膜方法および成膜装置、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ膜の成膜条件、そして得られたＴｉ−Ａｌ−Ｎ膜の特性について説明する。
【０１１１】
本実施形態の成膜プロセスでは、原料ガスとして、チタンクロライド（ＴｉＣｌ4）、およびアルミニウムクロライド（ＡｌＣｌ3）のそれぞれのガスを用いる。また、活性化ガスとしてＮＨ3ガスを用いる。さらに、パージガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを用いる。
【０１１２】
先ず、図８（ａ），（ｂ）を参照しつつ、本実施形態の成膜装置５１について説明する。
【０１１３】
図８（ａ）は、成膜装置５１の概略構成を正面もしくは側面から臨んで示す図である。図８（ｂ）は、成膜装置５１を図５（ａ）中実線矢印の向きから臨んで示す平面図である。この成膜装置５１は、前述した第１実施形態および第２実施形態と同様に、主に原料ガス供給系５２および反応系５３からなる。原料ガス供給系５２は、ＴｉＣｌ4ガス供給系５４、ＡｌＣｌ3ガス供給系５５、およびＮＨ3ガス供給系５６などからなる。
【０１１４】
ＴｉＣｌ4ガス供給系５４は、主にＴｉＣｌ4ガスボンベ５６、このボンベ５６を加熱するＴｉＣｌ4加熱装置５７、および高温仕様ＴｉＣｌ4ガス流量制御装置５８などからなる。同様に、ＡｌＣｌ3ガス供給系５５は、主にＡｌＣｌ3ガスボンベ５９、このボンベ５９を加熱するＡｌＣｌ3加熱装置６０、および高温仕様ＡｌＣｌ3ガス流量制御装置６１などからなる。ＴｉＣｌ4ガスボンベ５６およびＡｌＣｌ3ガスボンベ５９の温度は、それぞれ約６０℃である。ＴｉＣｌ4ガスよびＡｌＣｌ3ガスは、それぞれ約８０℃に加熱されたＴｉＣｌ4ガス配管６２およびＡｌＣｌ3ガス配管６３を通り、原料ガス供給治具としての石英製のＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４およびＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５に互いに独立に送られる。ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４およびＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５は互いに独立に反応容器１１内に設けられており、ＴｉＣｌ4ガスよびＡｌＣｌ3ガスはそれぞれＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４およびＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５を経て反応容器１１内に供給される。
【０１１５】
ＴｉＣｌ4ガス配管６２とＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４との接続部分付近、すなわちＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４の根元の部分には、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４に通すガスを、ＴｉＣｌ4ガスまたはＡｒガスに選択的に切り替えることができるように、原料ガス供給系切り替えバルブ１２ｃが設けられている。同様に、ＡｌＣｌ3ガス配管６３とＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５との接続部分付近、すなわちＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５の根元の部分には、ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５に通すガスを、ＡｌＣｌ3ガスまたはＡｒガスに選択的に切り替えることができるように、原料ガス供給系切り替えバルブ１２ｄが設けられている。
【０１１６】
Ｈ2Ｏガス供給系５６は、主にＮＨ3ガスボンベ６６およびＮＨ3ガスのガス流量制御装置６７などからなる。ＮＨ3ガスは約６０℃に加熱されたＮＨ3ガス配管６８を通り、活性化ガス供給治具としての石英製のＮＨ3ガスインジェクター６９に送られる。ＮＨ3ガスインジェクター６９は、反応容器１１内に設けられており、ＮＨ3ガスはＮＨ3ガスインジェクター６９を経て反応容器１１内に供給される。ＮＨ3ガス配管６８とＮＨ3ガスインジェクター６９との接続部分付近、すなわちＮＨ3ガスインジェクター６９の根元の部分には、ＮＨ3ガスインジェクター６９に通すガスを、ＮＨ3ガスまたはＡｒガスに選択的に切り替えることができるように、活性化ガス供給系切り替えバルブ１８ａが設けられている。
【０１１７】
このように、成膜装置３１は、３系統のガスインジェクター６４，６５，６９を備えている。また、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４、ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５、およびＮＨ3ガスインジェクター６９は、それぞれ第１実施形態および第２実施形態と同様に、多孔ガスインジェクターとして形成されている。
【０１１８】
他方、反応系５３は、第１実施形態および第２実施形態と同様に、成膜処理が施される被処理基板（ウェーハ）２３を複数枚同時に収容可能であるとともに、それら各ウェーハ２３を略均一に加熱できるように容器加熱装置２６が設けられたホットウォール式の反応容器１１、この反応容器１１内において各ウェーハ２３をそれらの表面を互いに所定の間隔離間させて支持可能な基板支持具としてのボート２４、反応容器１１内に供給された原料ガス、活性化ガス、およびパージガスを反応容器１１の外に排気する排気系２５などからなる。それとともに、反応容器（チャンバー）１１の内部をクリーニングするためのＣｌＦ3ガスを反応容器１１内に供給する、ＣｌＦ3ガス供給系７０を備えている。
【０１１９】
また、図８（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の反応容器１１には、その内部に収容される各ウェーハ２３を間に挟んで、３本のガスインジェクター６４，６５，６９と対向する側（位置）に、反応容器１１内の不要なガスを反応容器１１の外に排気するためのスリット状の排気孔７１が、各ウェーハ２３の枚数に応じて複数個設けられている。それとともに、ボート２４には、各排気孔７１付近から３本のガスインジェクター６４，６５，６９付近にかけて、各ウェーハ２３をそれらの両側方から囲む整流部材としての遮蔽板（整流板）７２が設けられている。これにより、３本のガスインジェクター６４，６５，６９を通して反応容器１１に供給された各ガスは、遮蔽板７２の外側に殆ど流れ出すこと無く、ボート２４に支持された各ウェーハ２３を集中的に包むように、各ガスインジェクター６４，６５，６９の吹き出し孔２７から各排気孔７１に向けて流れる。
【０１２０】
このような構造を採用することにより、第１に、反応容器１１の内壁自体に金属膜が堆積（付着）することを抑制して、各ウェーハ２３の温度を精密に制御することが可能になる。一般に、反応容器１１の内壁を覆う金属膜が多くなる程、例えば容器加熱装置２６などの外部熱源からの輻射熱が各ウェーハ２３に到達し難くなるためである。ところが、本実施形態の反応容器１１では、前述した構造により反応容器１１の内壁に金属膜が堆積することを抑制できるので、容器加熱装置２６により、反応容器１１内に収容された各ウェーハ２３の温度を精密に制御することができる。第２に、前述した構造により、原料ガス、活性化ガス、およびパージガスを、各ウェーハ２３の表面付近や、各ウェーハ２３同士の間など、各ウェーハ２３の周りに実質的にガスを閉じ込めつつ流すことができる。これにより、成膜反応の反応速度を高めることができるとともに、各ガスの利用効率をより向上させることができる。さらに、反応容器１１内、特に各ウェーハ２３の周りのパージを容易かつ迅速に行うことができるという利点も生まれる。
【０１２１】
さらに、際膜プロセスを複数回繰り返す場合には、各プロセス間に反応容器１１内にＣｌＦ3ガスを供給することにより、反応容器１１内をＣｌＦ3クリーニングすることができる。これにより、成膜処理を行うのに先立って、反応容器１１の内壁に堆積した金属膜を略完全に除去することが可能である。このように、本実施形態の成膜装置５１によれば、より適正な状態で化合物膜を成膜できる。
【０１２２】
次に、図９を参照しつつ、本実施形態の成膜方法について説明する。本実施形態の成膜方法は、具体的には、成膜装置５１を用いて、以下に述べるシーケンスで化合物膜としての図示しないＴｉ0.7Ａｌ0.3Ｎ膜を成膜するものである。
【０１２３】
成膜処理が施される複数枚のウェーハ２３には、Ｔｉ0.7Ａｌ0.3Ｎ膜が埋め込まれる開口径約１３０ｎｍの図示しないコンタクトホールが予め形成されている。そして、各ウェーハ２３の表面には、コンタクト抵抗を低減するために、予めロングスロースパッタ（ＬＴＳ）により図示しないＴｉ膜を約１０ｎｍ形成しておく。それとともに、各ウェーハ２３に対して、約６００℃のＲＴＡによりシリサイデーションを完了させておく。
【０１２４】
以上説明した処理が予め施された複数枚のウェーハ２３を反応容器１１内に導入し、反応容器１１内に配置されているボート２４に支持させる。続けて、容器加熱装置２６を用いて、反応容器１１内の雰囲気および各ウェーハ２３の温度が約５００℃になるように略均一に加熱する。それとともに、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４、ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５、およびＮＨ3ガスインジェクター６９からそれぞれ約１ＳＬＭずつＡｒガスを反応容器１１内に供給して、反応容器１１内の圧力を約１．０Torrに保つ。反応容器１１内の温度（炉内温度）が５００℃±２０℃程度で安定していることを確認した後、容器内圧力を約１．０Torrに保ちつつ、図６に示すシーケンスに基づいて以下に述べる成膜処理を実行する。
【０１２５】
先ず、反応容器１１内に、ＮＨ3ガスインジェクター６９からＮＨ3ガスを約１０秒間、約１ＳＬＭ導入するとともに、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４およびＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５からはＡｒガスをそれぞれ約１０秒間、約５００ｓｃｃｍずつ供給する。反応容器１１内に導入されたＮＨ3ガスは、各ウェーハ２３の表面に吸着する。
【０１２６】
次に、ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５から反応容器１１内にＡｒガスを供給しつつ、ＮＨ3ガスインジェクター６９から供給するガスをＡｒガスに切り替える。それとともに、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４から供給するガスをＴｉＣｌ4ガスに切り替えて、反応容器１１内にＴｉＣｌ4ガスを約５秒間、約１ＳＬＭ導入する。ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５およびＮＨ3ガスインジェクター６９から、Ａｒガスをそれぞれ約５秒間、約５００ｓｃｃｍずつ反応容器１１内に供給する。
【０１２７】
通常、５００℃前後ではＴｉＣｌ4の分解反応は殆ど起こらないが、各ウェーハ２３の表面にはＮＨ3が吸着しているので、各ウェーハ２３の表面に到達したＴｉＣｌ4ガスは吸着しているＮＨ3との間で分解反応を起こす。これにより、各ウェーハ２３の表面上に、図示しないＴｉの窒化物の膜が成膜される。
【０１２８】
次に、反応容器１１内に、再びＮＨ3ガスインジェクター６９からＮＨ3ガスを約１０秒間、約１ＳＬＭ導入するとともに、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４およびＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５からはＡｒガスをそれぞれ約１０秒間、約１ＳＬＭずつ供給する。これにより、各ウェーハ２３の表面上に堆積されたＴｉが略完全に窒化されるとともに、このＴｉの窒化物の膜中に残留していたＴｉ原料中の塩素が塩化アンモニウムとなって離脱する。さらには、導入されたＮＨ3ガスがＴｉ窒化物膜の表面に吸着する。
【０１２９】
以上説明したＮＨ3ガスの供給およびＴｉＣｌ4ガスの供給を交互に５回ずつ、約７５秒間かけて繰り返す。
【０１３０】
次に、ＮＨ3ガスインジェクター６９からから供給するガスをＮＨ3ガスに切り替えて、反応容器１１内にＮＨ3ガスを約１０秒間、約１ＳＬＭ導入する。また、ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５からＡｒガスを反応容器１１内に供給しつつ、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４から供給するガスをＡｒガスに切り替える。ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５およびＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４からは、Ａｒガスをそれぞれ約１０秒間、約１ＳＬＭずつ反応容器１１内に供給する。
【０１３１】
次に、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４から反応容器１１内にＡｒガスを供給しつつ、ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５から供給するガスをＡｌＣｌ3ガスに切り替える。それとともに、ＮＨ3ガスインジェクター６９から供給するガスをＡｒガスに切り替える。ＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５から、反応容器１１内にＡｌＣｌ3ガスを約５秒間、約１ＳＬＭ供給する。また、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４およびＮＨ3ガスインジェクター６９から、反応容器１１内にＡｒガスを約５秒間、それぞれ約１ＳＬＭずつ供給する。
【０１３２】
通常、５００℃前後では、ＡｌＣｌ3の分解反応は殆ど起こらないが、各ウェーハ２３の表面に成膜されたＴｉ窒化物膜の表面にはＮＨ3が吸着しているので、Ｔｉ窒化物膜の表面に到達したＡｌＣｌ3ガスは吸着しているＮＨ3との間で加水分解反応を起こす。これにより、各ウェーハ２３の表面上に、図示しないＡｌの窒化物の膜が成膜される。
【０１３３】
次に、反応容器１１内に、再びＮＨ3ガスインジェクター６９からＮＨ3ガスを約１０秒間、約１ＳＬＭ導入するとともに、ＴｉＣｌ4ガスインジェクター６４およびＡｌＣｌ3ガスインジェクター６５からはＡｒガスをそれぞれ約１０秒間、約１ＳＬＭずつ供給する。これにより、各ウェーハ２３の表面上に堆積されたＡｌが略完全に窒化されるとともに、このＡｌの窒化物の膜中に残留していたＡｌ原料中の塩素が塩化アンモニウムとなって離脱する。さらには、導入されたＮＨ3ガスがＡｌ窒化物膜の表面に吸着する。
【０１３４】
以上説明したＮＨ3ガスの供給およびＡｌＣｌ3ガスの供給を交互に２回ずつ繰り返す。これにより、各ウェーハ２３の表面上に約３０秒で、Ｔｉ0.7Ａｌ0.3Ｎの組成を有する化合物膜を約２．５ｎｍの略均一な膜厚で成膜することができる。
【０１３５】
すなわち、前述したように、ＮＨ3ガスの供給およびＴｉＣｌ4ガスの供給を交互に５回ずつ繰り返す一連のシーケンスを行った後、ＮＨ3ガスの供給およびＡｌＣｌ3ガスの供給を交互に２回ずつ繰り返す一連のシーケンスを行うことにより、合計約１０５秒で各ウェーハ２３の表面上に約２．５ｎｍの膜厚を有するＴｉ0.7Ａｌ0.3Ｎ膜を略均一に成膜することができる。これら２種類のシーケンスからなる合計約１０５秒のシーケンスを１サイクルとし、これを３０回繰り返すことにより、各ウェーハ２３の表面上にＴｉ−Ａｌ−Ｎ膜を約７５ｎｍ堆積させる。これにより、本実施形態の成膜プロセスを終了とする。
【０１３６】
本発明者らによれば、以上説明した成膜プロセスにより、各ウェーハ２３に予め形成されていたコンタクトホールを、ボイド等が殆ど生じない状態で略完全に埋め込むことができることが確認された。また、これらのコンタクトホールを用いて形成された図示しないコンタクトプラグの表面は、約５４０℃の酸化性雰囲気下における熱処理でも殆ど酸化されず、コンタクト抵抗が十分に低いことが確認された。
【０１３７】
以上説明したように、この第３実施形態においては、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、前述したように、各ウェーハ２３を間に挟んで、反応容器１１の各ガスインジェクター６４，６５，６９が設けられている側と対向する側に複数個の排気孔１１を設ける。これにより、原料ガス、活性化ガス、およびパージガスを、それらの流れを略一定の向きに制御して流すことができる。この結果、各ガスの利用効率および排気効率をより高めることができるとともに、パージ時間をより短縮することが可能である。このような効果は、各ガスインジェクター６４，６５，６９から各排気孔１１にかけてボート２４に取り付けられた遮蔽板７２の遮蔽効果および整流効果、ならびに互いに離間されてボート２４に支持された各ウェーハ２３自体の整流効果と相乗効果を及ぼし合うことにより、一層高められる。各ガスインジェクター６４，６５，６９に設けられた複数個の吹き出し孔２７から各ウェーハ２３に向けて供給された原料ガス、活性化ガス、およびパージガスは、各ウェーハ２３および遮蔽板７２に案内されて各排気孔１１に向けて各ウェーハ２３を包むように流れる。したがって、この第３実施形態によれば、良質な化合物膜を極めて効率よく、かつ極めて容易に成膜できる。
【０１３８】
なお、本発明に係る成膜方法、成膜装置、および半導体装置の製造方法は、前述した第１〜第３の各実施形態には制約されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、それらの構成、あるいは工程などの一部を種々様々な設定に変更したり、あるいは各種設定を適宜、適当に組み合わせて用いたりして実施することができる。
【０１３９】
例えば、第１実施形態の成膜装置１を、その装置構成を変更することなく、原料としてテトライソプロポキシドチタン（ＴＴＩＰ）を用いることにより、ＴｉＯ2膜やＴａ−Ｔｉ−Ｏ膜を成膜することも可能である。同様に、原料としてＡｌＣｌ3を用いることで、Ａｌ2Ｏ3膜を成膜することも可能である。
【０１４０】
また、第１〜第３の各実施形態においては、各ウェーハ２３を、それらの表面（基板面）を互いに離間させた状態で、上下（縦）方向に積層するように反応容器１１内に配置したが、各ウェーハ２３の配置状態はこれに限るものではない。例えば、各ウェーハ２３を、それらの表面（基板面）を互いに離間させた状態で、左右（横）方向に並べるように反応容器１１内に配置しても構わない。また、各ウェーハ２３は、全て互いに平行となる姿勢で配置される必要は無い。それとともに、各ウェーハ２３は、隣接する各ウェーハ２３の間隔を全て均等な大きさに設定されて配置される必要は無い。各ウェーハ２３の配置方向、姿勢、間隔などは、反応容器１１内に導入されるガスの種類、重さ、性質、流れの方向、および各ガスが供給される順番などに応じて、各ウェーハ２３の表面上に化合物膜が略均一に適正な状態で成膜されるように適宜、適正な状態に設定して構わない。この場合、ボート２４を、各ウェーハ２３の配置方向、姿勢、間隔などを適宜、適正な状態に設定できる構成とするとよい。
【０１４１】
また、原料ガスインジェクター、活性化ガスインジェクター、およびパージガスインジェクターから供給される各ガスの供給圧力や吹き出し量などは、一律に等しい大きさに設定する必要は無い。各ガスのガスの種類、重さ、性質、流れの方向、および各ガスが供給される順番などに応じて、各ウェーハ２３の表面上に化合物膜が略均一に適正な状態で成膜されるように、各ガスインジェクターごとに適宜、適正な状態に設定して構わない。また、各ガスインジェクターに設けられた複数個の吹き出し孔２７からのガス供給圧力や吹き出し量などは、各孔２７の位置、すなわち各ウェーハ２３の配置位置に応じて適宜、適正な大きさに設定して構わない。例えば、各ウェーハ２３を、第１〜第３実施形態のように上下方向に積層するように配置した場合、各吹き出し孔２７からのガス供給圧力や吹き出し量などを、最上層のウェーハ２３から最下層のウェーハ２３にかけて、各ガスが略均等に供給されるように、各孔２７の高さごとに適正な大きさに設定するとよい。これにより、各ウェーハ２３の表面上に、化合物膜をより均一に、より適正な状態で成膜できる。
【０１４２】
また、第３実施形態においては、遮蔽板（整流板）７２を各ウェーハ２３の両側方に設けたが、これに限るものではない。例えば、遮蔽板７２を、各ガスインジェクターから各排気孔７１にかけて、各ウェーハ２３を支持しているボート２４の上方に設けても構わない。これにより、各ウェーハ２３に向けて供給される各ガスの遮蔽効果、整流効果をより向上させて、各ガスの利用効率、ひいては成膜効率を大幅に向上できる。あるいは、各ウェーハ２３を支持しているボート２４の上下両端部を、遮蔽効果および整流効果を発揮できる形状に形成するとよい。これにより、第１および第２実施形態のように、ボート２４に遮蔽板７２を、設けない場合でも、各ガスの利用効率および成膜効率を向上できる。また、そのような形状からなるボート２４を遮蔽板７２と併用すれば、各ガスの利用効率および成膜効率を極めて向上できるのはもちろんである。
【０１４３】
また、各ガスインジェクターから各ガスを供給している間は、反応容器１１内の不要なガスを排気系２５により反応容器１１の外へ積極的に排気する設定とするとよい。これにより、複数種類のガスを用いる場合でも、不要な気相間反応を大幅に低減させて、より良質な化合物膜を成膜できる。
【０１４４】
さらに、本発明に係る成膜方法、成膜装置、および半導体装置の製造方法を用いて製造可能な半導体装置は、ＤＲＡＭ等、現在、一般に普及している半導体装置には限られない。本発明に係る半導体装置の製造方法は、例えばＦｅＲＡＭなど、将来において発展が期待される各種の微細な半導体装置を製造する際にも十分適用可能なのはもちろんである。
【０１４５】
【発明の効果】
本発明に係る成膜方法および成膜装置によれば、処理室内のパージを短時間で容易に行うことができるので成膜作業の長時間化を容易に抑制できるとともに、ガスの使用効率を容易に向上でき、かつ、複数種類のガス同士の相互反応を容易に抑制できる。したがって、本発明に係る成膜方法によれば、ＡＬＤ法を用いてバッチ式処理により成膜作業を行う際に、良質な化合物膜を効率よく、かつ容易に成膜できる。
【０１４６】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、本発明に係る成膜方法により成膜された化合物膜を用いることにより、半導体装置の内部に組み込まれる各種の微細な半導体素子などを高い品質で効率よく、かつ容易に形成して、半導体装置の品質および歩留まりを容易に向上させることができる。したがって、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、良質な化合物膜を有する良質な半導体装置を効率よく、かつ容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る成膜装置を簡略化して示す図。
【図２】第１実施形態に係る成膜方法のシーケンスを示す図。
【図３】基板上にＴａ2Ｏ5膜が成膜される仕組みを模式的に示す工程断面図。
【図４】Ｔａ2Ｏ5膜を成膜する際に発生するパーティクルの成膜サイクルに対する依存性をグラフにして示す図。
【図５】第２実施形態に係る成膜装置を簡略化して示す図。
【図６】第２実施形態に係る成膜方法のシーケンスを示す図。
【図７】第２実施形態に係る成膜方法により穴の内部および周囲に成膜されたＳＴＯ膜を簡略化して示す断面図。
【図８】第３実施形態に係る成膜装置を簡略化して示す図。
【図９】第３実施形態に係る成膜方法のシーケンスを示す図。
【図１０】従来の技術に係る成膜装置を簡略化して示す斜視図。
【図１１】従来の技術に係る成膜方法のシーケンスを示す図。
【図１２】従来の技術に係る他の成膜装置を簡略化して示す斜視図。
【符号の説明】
１，３１，５１…成膜装置
２，３２，５２…原料ガス供給系
５，５６…活性化ガス供給系
１０…ＰＥＴガスインジェクター（原料ガス供給治具）
１１…反応容器（処理室）
１７…Ｈ2Ｏガスインジェクター（活性化ガス供給治具）
１９…Ｏ2ガスインジェクター（パージガス供給治具）
２０…パージガス供給系
２３…ウェーハ（被処理基板）
２４…ボート（基板支持具）
２７…吹き出し孔
２８…Ｔａ2Ｏ2膜（化合物膜）
４１…Ｓｒガスインジェクター（原料ガス供給治具）
４６…ＴＴＩＰガスインジェクター（原料ガス供給治具）
４７…ＳｒＴｉＯ3膜（化合物膜）
６４…ＴｉＣｌ4ガスインジェクター（原料ガス供給治具）
６５…ＡｌＣｌ3ガスインジェクター（原料ガス供給治具）
６９…ＮＨ3ガスインジェクター（活性化ガス供給治具）
７１…排気孔
７２…遮蔽板（整流板、整流部材）
【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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【図１２】
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