(57)【要約】【課題】成膜レートを高く維持しつつ膜厚の面内均一性も改善することが可能な成膜方法を提供する。【解決手段】原料ガスと反応ガスとを用いて真空引き可能になされた処理容器４内で被処理体Ｗの表面に薄膜を形成する成膜方法において、原料ガスと不活性ガスとをガス溜め部３３で混合して混合ガスを形成すると共に混合ガスと反応ガスとを処理容器内へ供給して薄膜を形成するようにする。これにより、成膜レートを高く維持しつつ膜厚の面内均一性も改善する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスと反応ガスとを用いて真空引き可能になされた処理容器内で被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、
前記原料ガスと不活性ガスとをガス溜め部で混合して混合ガスを形成すると共に前記混合ガスと前記反応ガスとを前記処理容器内へ供給して前記薄膜を形成するようにしたことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記混合ガスと前記反応ガスとは共に間欠的に供給されることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記混合ガスと前記反応ガスとは交互に繰り返し供給されることを特徴とする請求項２記載の成膜方法。
【請求項４】
前記混合ガスと前記反応ガスは同時に供給されることを特徴とする請求項２記載の成膜方法。
【請求項５】
前記処理容器内へは、パージガスが連続的に供給されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項６】
前記混合ガスを供給する直前と前記反応ガスを供給する直前の内の少なくともいずれか一方において前記処理容器内の残留ガスを排除するパージ工程を行うことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項７】
前記パージ工程では、不活性ガスをパルス状に複数回供給することを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
【請求項８】
前記混合ガスは間欠的に供給され、前記反応ガスは連続的に供給されることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項９】
前記ガス溜め部内における前記混合ガス中の前記原料ガスの体積比率は、１／２〜１／８の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項１０】
前記ガス溜め部へは、前記原料ガスと前記反応ガスは互いに時間的にずらして導入されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項１１】
前記ガス溜め部へは、前記原料ガスと前記反応ガスは同時に導入されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項１２】
前記反応ガスは、窒化ガスと酸化ガスと還元ガスとよりなる群から選択される１のガスであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項１３】
前記反応ガスは、熱により活性化されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項１４】
前記反応ガスは、プラズマにより活性化されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項１５】
前記処理容器内へは、不純物元素を含む不純物ガスが供給されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項１６】
前記ガス溜め部には、前記不純物ガスが導入されることを特徴とする請求項１５記載の成膜方法。
【請求項１７】
原料ガスと反応ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、
真空引き可能になされた処理容器と、
前記被処理体を前記処理容器内で保持する保持手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記原料ガスを流すガス通路の途中に介設されると共に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系に接続されて前記原料ガスと前記不活性ガスとの混合ガスを形成するガス溜め部を有して前記処理容器内へ前記混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、
前記処理容器内へ前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように装置全体を制御する装置制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
【請求項１８】
前記反応ガスを活性化させるための活性化手段を有することを特徴とする請求項１７記載の成膜装置。
【請求項１９】
不純物元素を含む不純物ガスを供給する不純物ガス供給手段を有することを特徴とする請求項１７又は１８記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処理、自然酸化膜の除去処理等の各種の処理が行なわれる。これらの処理は、ウエハを１枚ずつ処理する枚葉式の処理装置や複数枚のウエハを一度に処理するバッチ式の処理装置で行われる。例えばこれらの処理を縦型の、いわゆるバッチ式の処理装置にて行う場合には、まず、半導体ウエハを複数枚、例えば２５枚程度収容できるカセットから、半導体ウエハを縦型のウエハボートへ移載してこれに多段に支持させる。
【０００３】
このウエハボートは、例えばウエハサイズにもよるが３０〜１５０枚程度のウエハを載置できる。このウエハボートは、排気可能な処理容器内にその下方より搬入（ロード）された後、処理容器内が気密に維持される。そして、処理ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等の各種のプロセス条件を制御しつつ所定の熱処理が施される。
【０００４】
ここで上記半導体集積回路の特性を向上させる要因の１つとして、集積回路中の絶縁膜の特性を向上させることは重要である。上記集積回路中の絶縁膜としては、一般的にはＳｉＯ２ 、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、Ｐ（プラズマ）−ＳｉＯ、Ｐ（プラズマ）−ＳｉＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）、Ｓｉ３ Ｎ４ （シリコン窒化膜）等が用いられる。そして、特にシリコン窒化膜は、絶縁特性がシリコン酸化膜より比較的良好なこと、及びエッチングストッパ膜や層間絶縁膜としても十分に機能することから多用される傾向にある。
【０００５】
そして、最近にあっては回路素子の特性の向上を目的として更なる低誘電率化（Ｌｏｗ−ｋ化）及びエッチングに対する更なる耐性の向上の要求が強く望まれている。このような状況下において、縦型の、いわゆるバッチ式の縦型の処理装置においても、ウエハをそれ程の高温に晒さなくても目的とする処理が可能なことから、原料ガス等を間欠的に供給しながら原子レベルで１層〜数層ずつ、或いは分子レベルで１層〜数層ずつ繰り返し成膜する方法が提案さている（特許文献１〜３）。このような成膜方法は一般的にはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と称されている。
【０００６】
ここで従来の成膜方法としては、原料ガスとして用いるシリコン含有ガスであるジクロロシラン（以下、「ＤＣＳ」とも称す）と窒化ガスであるＮＨ３ ガスとを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成している。具体的には、処理容器内に、ＤＣＳとＮＨ３ ガスとを交互に間欠的に供給し、ＮＨ３ ガスを供給する時にＲＦ（高周波）を印加してプラズマを立て、窒化反応を促進するようにしている。
【０００７】
尚、プラズマを立てないで熱によりＮＨ３ ガスを活性化させる方法もある。上述のように、ＤＣＳを処理容器内へ供給することにより、ウエハ表面上にＤＣＳが分子レベルで一層、或いは複数層吸着し、そして余分なＤＣＳを不活性ガスパージ、或いは真空引きで排除した後、ＮＨ３ を供給して低温での窒化を促進して窒化膜を形成し、この一連の工程を繰り返し行っている。
【０００８】
そして、最近にあっては、成膜レートや膜中のシリコン元素の濃度を上げる必要から、原料ガスの供給通路に一定容量のバッファタンクを設け、ここに多量の原料ガスを一時的に貯留して、ガス供給時にこのバッファタンク内の原料ガスを放出して処理容器に間欠的に多量の原料ガスを供給するようにした方法も知られている（特許文献４、５等）。また特許文献６のように原料ガス通路の下流側に原料ガスを充填する第１タンクを設け、上流側に加圧されたＮ２ ガスを充填する第２タンクを設けて加圧Ｎ２ ガスにより原料ガスの移動速度を高めて処理室内の原料ガスのガス分圧を高めるようにした方法も知られている。
【０００９】
【特許文献１】特開平０６−０４５２５６号公報
【特許文献２】特開平１１−０８７３４１号公報
【特許文献３】特開２００６−２８７１９４号公報
【特許文献４】特開２００４−００６８０１号公報
【特許文献５】特開２０１０−０９０４１３号公報
【特許文献６】特開２０１２−０６７３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、原料ガスの供給通路にバッファタンクを設けることによって短時間で多量の原料ガスをパルス状に供給することができ、この結果、成膜レート等を向上させることが可能となった。しかしながら、上述のように多量の原料ガスを供給することができる結果、今度は逆に、ウエハ表面におけるシリコン窒化膜の面内均一性が低下する、といった新たな問題が発生した。また特許文献６の場合には、処理室中の原料ガスの分圧が高まるだけであり、上記問題点を解決するものではない。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明は、成膜レートを高く維持しつつ膜厚の面内均一性も改善することが可能な成膜方法及び成膜装置である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に係る発明は、原料ガスと反応ガスとを用いて真空引き可能になされた処理容器内で被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、前記原料ガスと不活性ガスとをガス溜め部で混合して混合ガスを形成すると共に前記混合ガスと前記反応ガスとを前記処理容器内へ供給して前記薄膜を形成するようにしたことを特徴とする成膜方法である。
【００１３】
このように、原料ガスと反応ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する方法において、原料ガスと不活性ガスとをガス溜め部で混合して混合ガスを形成すると共に混合ガスと反応ガスとを処理容器内へ供給して薄膜を形成することにより、成膜レートを高く維持しつつ膜厚の面内均一性も改善することができる。
【００１４】
請求項１７に係る発明は、原料ガスと反応ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する成膜装置において、真空引き可能になされた処理容器と、前記被処理体を前記処理容器内で保持する保持手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記原料ガスを流すガス通路の途中に介設されると共に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系に接続されて前記原料ガスと前記不活性ガスとの混合ガスを形成するガス溜め部を有して前記処理容器内へ前記混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、前記処理容器内へ前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の成膜方法を実施するように装置全体を制御する装置制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る成膜方法及び成膜装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
原料ガスと反応ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する方法において、原料ガスと不活性ガスとをガス溜め部で混合して混合ガスを形成すると共に混合ガスと反応ガスとを処理容器内へ供給して薄膜を形成することにより、成膜レートを高く維持しつつ膜厚の面内均一性も改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の係る成膜装置の一例を示す縦断面構成図である。
【図２】成膜装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図である。
【図３】本発明の成膜方法の第１実施例における各ガスの供給態様とガス溜め部へのチャージの態様を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の成膜方法を実施した時の評価結果を示すグラフである。
【図５】本発明の成膜方法の第２実施例及び第３実施例における各ガスの処理容器への供給態様を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の成膜方法の第４実施例における各ガスの処理容器への供給態様を示すタイミングチャートである。
【図７】不純物ガス供給手段の一例を示す図である。
【図８】活性化手段を用いた成膜装置の一例を示す部分構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る成膜方法及び成膜装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の係る成膜装置の一例を示す縦断面構成図、図２は成膜装置（加熱手段は省略）を示す横断面構成図である。尚、ここでは原料ガスとしてシリコン含有ガスであるジクロロシラン（ＤＣＳ）を用い、反応ガスとして窒化ガスであるアンモニアガス（ＮＨ３ ）を用い、不活性ガスとしてＮ２ ガスを用い、パージガスとしてＮ２ ガスを用いて薄膜としてシリコン窒化膜を成膜する場合を例にとって説明する。
【００１８】
図示するように、この成膜装置２は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器４を有している。この処理容器４の全体は、例えば石英により形成されており、この処理容器４内の天井には、石英製の天井板６が設けられて封止されている。また、この処理容器４の下端開口部には、例えばステンレススチールにより円筒体状に成形されたマニホールド８がＯリング等のシール部材１０を介して連結されている。尚、ステンレス製のマニホールド８を設けないで、全体を円筒体状の石英製の処理容器で構成した装置もある。
【００１９】
上記処理容器４の下端は、上記マニホールド８によって支持されており、このマニホールド８の下方より複数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを多段に載置した保持手段としての石英製のウエハボート１２が昇降可能に挿脱自在になされている。本実施例の場合において、このウエハボート１２の支柱１２Ａには、例えば５０〜１５０枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。
【００２０】
このウエハボート１２は、石英製の保温筒１４を介してテーブル１６上に載置されており、このテーブル１６は、マニホールド８の下端開口部を開閉する例えばステンレススチール製の蓋部１８を貫通する回転軸２０の上端に支持される。そして、この回転軸２０の貫通部には、例えば磁性流体シール２２が介設され、この回転軸２０を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部１８の周辺部とマニホールド８の下端部には、例えばＯリング等よりなるシール部材２４が介設されており、処理容器４内のシール性を保持している。
【００２１】
上記した回転軸２０は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム２６の先端に取り付けられており、ウエハボート１２及び蓋部１８等を一体的に昇降して処理容器４内へ挿脱できるようになされている。
【００２２】
このマニホールド８には、処理容器４内に反応ガスとして例えば窒化ガスであるアンモニア（ＮＨ３ ）ガスを供給する反応ガス供給手段２８と、原料ガスとして例えばシリコン含有ガスであるＤＣＳ（ジクロロシラン）ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給手段３０と、パージガスとして不活性ガスの一種である、例えばＮ２ ガスを供給するパージガス供給手段３４とが設けられる。そして、上記混合ガス供給手段３０は、上記混合ガスを形成するために不活性ガス供給系３２に接続されたガス溜め部３３を有している。この不活性ガスとして上述のようにＮ２ ガスを用いる。
【００２３】
具体的には、上記反応ガス供給手段２８は、上記マニホールド８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなるガスノズル３８を有している。このガスノズル３８には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔３８Ａが所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔３８Ａから水平方向に向けて略均一にアンモニアガスを噴射できるようになっている。このようなタイプのガスノズルを分散形のガスノズルと称す。
【００２４】
また同様に上記混合ガス供給手段３０も、上記マニホールド８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなるガスノズル４０を有している。このガスノズル４０には、その長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４０Ａ（図２参照）が所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４０Ａから水平方向に向けて略均一に原料ガスであるＤＣＳガスと不活性ガスであるＮ２ ガスとの混合ガスを噴射できるようになっている。
【００２５】
また同様にパージガス供給手段３４も、上記マニホールド８の側壁を内側へ貫通して上方向へ屈曲されて延びる石英管よりなるガスノズル４４を有している。このガスノズル４４には、上記原料ガスのガスノズル４０と同様にその長さ方向に沿って複数（多数）のガス噴射孔４４Ａ（図２参照）が所定の間隔を隔てて形成されており、各ガス噴射孔４４Ａから水平方向に向けて略均一にＮ２ ガスを噴射できるようになっている。
【００２６】
上記各ガスノズル３８、４０、４４には、それぞれのガス通路４８、５０、５４が接続されている。そして、各ガス通路４８、５０、５４には、マスフローコントローラのような流量制御器４８Ａ、５０Ａ、５４Ａ及びこれらの流量制御器４８Ａ、５０Ａ、５４Ａの直ぐ下流側に位置された開閉弁４８Ｂ、５０Ｂ、５４Ｂがそれぞれ介設されており、ＮＨ３ ガス、ＤＣＳガス及びＮ２ ガスをそれぞれ流量制御しつつ流すことができるようになっている。
【００２７】
ここで、上記混合ガス供給手段３０は、上記ガス溜め部３３を有している。具体的には、このガス溜め部３３は、一定の容量（体積）を有して、上記原料ガスのガス通路５０の途中であって上記開閉弁５０Ｂの下流側に介設されている。また上記不活性ガス供給系３２は、上記パージガス供給手段３４のガス通路５４の途中に介設した流量制御器５４Ａの上流側から分岐させるようにして設けたガス通路５８を有している。すなわち、このガス通路５８は、上記ガス通路５４と上記ガス溜め部３３とを接続して連通するようになっている。
【００２８】
そして、この分岐されたガス通路５８の途中には、その上流側から下流側に向けてマスフローコントローラのような流量制御器５８Ａ及び開閉弁５８Ｂが順次介設されており、必要に応じて不活性ガスであるＮ２ ガス（パージガスでもある）を流量制御しつつ上記ガス溜め部３３へ導入して一時貯留し、原料ガスと不活性ガスとの混合ガスを形成できるようになっている。尚、上記分岐されたガス通路５８の下流側を上記ガス溜め部３３ではなく、このガス溜め部３３とこの上流側の開閉弁５０Ｂとの間の原料ガス用のガス通路５０の途中に接続するようにしてもよい。
【００２９】
そして、このガス溜め部３３の下流側のガス通路５０の途中には、混合ガス用の開閉弁６０が介設されており、この開閉弁６０を開閉制御することにより、上記処理容器４内への混合ガスの供給を制御できるようになっている。上記ガス溜め部３３の容量（体積）は処理容器４の大きさにもよるが、例えば１〜２リットル程度である。
【００３０】
一方、上記処理容器４の側壁の一部には、この処理容器４の側壁を上下方向に沿って所定の幅で削りとることによって上下に細長い開口７０が形成されており、この開口７０をその外側より覆うようにして断面凹部状になされた上下に細長い例えば石英製の区画壁７２を容器外壁に気密に溶接接合することによりノズル収容凹部７４が形成されている。そして、このノズル収容凹部７４内に上記３本のガスノズル３８、４０、４４が収容されている。
【００３１】
上記開口７０は、ウエハボート１２に保持されている全てのウエハＷを高さ方向においてカバーできるように上下方向に十分に長く形成されている。このノズル収容凹部７４に対向する処理容器４の反対側には、この内部雰囲気を真空排気するために処理容器４の側壁を、例えば上下方向へ削りとることによって形成した細長い排気口７６が設けられている。
【００３２】
そして、この排気口７６には、これを覆うようにして石英よりなる断面コ字状に成形された排気口カバー部材８２が溶接により取り付けられている。この排気口カバー部材８２は、上記処理容器４の側壁に沿って上方に延びており、処理容器４の上方のガス出口８４に連通されている。そして、このガス出口８４には、排気系８６が接続されている。この排気系８６は、上記ガス出口８４に接続される排気通路８８を有しており、この排気通路８８には、処理容器４内の圧力を調整する圧力調整弁９０、真空ポンプ９２及び排気ガス中の有害成分を除去する除去装置９３が順次介設されて、処理容器４内を所定の圧力に維持しつつ真空引きできるようになっている。そして、この処理容器４の外周を囲むようにしてこの処理容器４及びこの内部のウエハＷを加熱する筒体状の加熱手段９４が設けられている。
【００３３】
そして、このように構成された成膜装置２の全体の動作、例えばプロセス圧力、プロセス温度、各開閉弁の開閉によるガスの供給、供給停止、ガス溜め部３３への原料ガスや不活性ガスの導入、ガス流量の制御等は例えばコンピュータ等よりなる装置制御部９６により行われる。そして、この装置制御部９６は、上記制御を行うためのプログラムが記憶されている記憶媒体９８を有している。この記憶媒体９８としては、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはＤＶＤ等を用いることができる。
【００３４】
次に、以上のように構成された成膜装置２を用いて行なわれる本発明の成膜方法（いわゆるＡＬＤ成膜）について図３も参照して説明する。図３は本発明の成膜方法の第１実施例における各ガスの供給態様とガス溜め部へのチャージの態様を示すタイミングチャートである。
【００３５】
本発明方法は、原料ガス（ＤＣＳガス）と不活性ガス（ＮＨ３ ）とをガス溜め部３３で混合して混合ガスを形成すると共に混合ガスと反応ガスとを処理容器４内へ供給して薄膜（シリコン窒化膜）を形成するようにしたものである。
【００３６】
まず、常温の多数枚、例えば５０〜１５０枚の３００ｍｍサイズのウエハＷが載置された状態のウエハボート１２を予め所定の温度になされた処理容器４内にその下方より上昇させてロードし、蓋部１８でマニホールド８の下端開口部を閉じることにより処理容器４内を密閉する。
【００３７】
そして処理容器４内を真空引きして所定のプロセス圧力に維持すると共に、加熱手段９４への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させてプロセス温度を維持する。そして、上記ＤＣＳガスと不活性ガスであるＮ２ ガスとをガス溜め部３３にて混合させることにより混合ガスを形成してこの混合ガスを混合ガス供給手段３０から処理容器４内に対して供給し、ＮＨ３ ガスは反応ガス供給手段２８から処理容器４内に対して供給し、パージガスであるＮ２ ガスはパージガス供給手段３４から処理容器４内に対して供給する。
【００３８】
具体的には、上記ＮＨ３ ガスに関しては、反応ガス供給手段２８のガス通路４８に介設した開閉弁４８Ｂを開閉することにより処理容器４に対する供給開始と供給停止が行われる。またパージガスに関しては、パージガス供給手段３４のガス通路５４に介設した開閉弁５４Ｂを開閉することにより処理容器４に対する供給開始と供給停止が行われる。
【００３９】
また原料ガスに関しては、混合ガス供給手段３０のガス通路５０の上流側に設けた原料ガス用の開閉弁５０Ｂを開閉することによりガス溜め部３３に対する導入開始と導入停止が行われる。また、このガス溜め部３３に対する不活性ガスの導入開始と導入停止は、不活性ガス供給系３２のガス通路５８に設けた開閉弁５８Ｂを開閉制御することにより行われる。また、ガス溜め部３３内にて形成された混合ガスの処理容器４内への供給開始と供給停止は、混合ガス供給手段３０のガス通路５０の下流側に設けた混合ガス用の開閉弁６０を開閉制御することにより行われる。
【００４０】
上記各ガスは、対応する各ガスノズル３８、４０、４４の各ガス噴射孔３８Ａ、４０Ａ、４４Ａから水平方向へ向けて処理容器４内へ放出され、ウエハボート１２により回転支持されている各ウエハＷ間を通過しつつウエハ表面に薄膜であるシリコン窒化膜を形成し、各ガスノズルの対向側に位置する排気口７６を介して流出する。
【００４１】
上述のように、成膜処理が開始すると、排気系８６が駆動して真空ポンプ９２は連続的に回転駆動されて処理容器４内の雰囲気を真空引きしている。そして、上記処理容器４内で反応によって発生した反応副生成物や未反応のガス成分は排気ガスと共に排気系８６内を流れて排出される。この際、上記排気ガス中に含まれる有害成分は、除害装置９３にて除去されるようになっている。
【００４２】
＜成膜方法の第１実施例＞
ここで、図３に示す第１実施例について説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は処理容器４内へのガスの供給態様を示し、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）はガス溜め部３３内へのガスの供給態様を示す。ここでは上記混合ガスと反応ガスとは共に間欠的に処理容器４内へ供給され、具体的には、両ガスは交互に繰り返し供給される。
【００４３】
すなわち、処理容器４内へ混合ガス（ＤＣＳガス＋Ｎ２ ガス）を供給して混合ガスを半導体ウエハＷの表面に吸着させる吸着工程（図３（Ａ）参照）と、この処理容器４内へ反応ガス（ＮＨ３ ）を供給して上記ウエハＷの上面に吸着している混合ガスと反応（窒化）させて薄膜であるシリコン窒化膜を形成する反応工程（図３（Ｂ）参照）とを交互に複数回繰り返し行うようにしている。ここで上記反応ガスは加熱手段９４からの熱により活性化されて反応が促進されている。尚、上記混合ガスの供給時には、処理容器４内での混合ガスのウエハへの吸着を促進させるために圧力調整弁９０の弁開度を小さくするように変化させている。
【００４４】
上記混合ガスと反応ガスとはパルス状に供給されており、ある吸着工程の先頭と次の吸着工程の先頭との間が１サイクルとなり、１回の成膜処理で、例えば必要とする膜厚にもよるが数１０サイクル〜数１００サイクルの処理が行われる。尚、全体としての膜厚は、例えば５〜５０ｎｍ程度である。
【００４５】
また、ここでは処理の開始からパージガスであるＮ２ ガスは連続的に供給されており、各ガスの流れを促進させ、間欠期間では処理容器４内に残留している残留ガスの排出を促進させるようにしている。このパージガスは上述のように流してもよいし、或いは流さないようにしてもよい。
【００４６】
さて、このような成膜処理が行われている間に、本発明方法の特徴として上記ガス溜め部３３においては原料ガスと不活性ガス（Ｎ２ ガス）との混合ガスが形成されている。具体的には、混合ガスの処理容器４内への供給を休止している間、すなわち、ガス通路５０に介設した混合ガス用の開閉弁６０を閉じている時に、各サイクルにおいて上記ガス溜め部３３にＤＣＳガスとＮ２ ガスとをそれぞれパルス状に導入して一時的に貯留すると共にこの時に上記混合ガスを形成している（図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）参照）。
【００４７】
尚、成膜処理の最初の第１サイクルを実行する時には、その直前にガス溜め部３３内にＤＣＳガスとＮ２ ガスとを導入して予め第１サイクル用の混合ガスを形成しておく。また、ＤＣＳガスの供給期間とＮ２ ガスの供給期間とは、両者間のガスの逆流を防止するために僅かな時間ΔＴだけずらしている。この場合、上記ＤＣＳガスの供給圧力とＮ２ ガスの供給圧力とが同じ場合には、上記ガスの逆流が生じないので、上記両ガスを同時にガス溜め部３３内へ導入するようにしてもよい。また、上記混合ガスのＤＣＳガスの濃度（体積比率）を調整するには、ＤＣＳガスの供給期間（パルス幅）やＮ２ ガスの供給期間（パルス幅）を適宜コントロールすればよい。
【００４８】
ここで、上記成膜処理におけるプロセス条件について説明すると、プロセス温度は４５０〜７００℃程度、プロセス圧力は０．１３３〜１３３０Ｐａの範囲内で変化させ、吸着工程の時には上記圧力範囲内で前述したようにプロセス圧力が高くなるように設定されている。また、１サイクルの長さは１０数秒〜数１０秒程度、吸着工程におけるＤＣＳガスの１回の供給期間Ｔ１は１秒から数秒程度、反応工程におけるＮＨ３ ガスの供給期間Ｔ２は１秒から数秒程度である。
【００４９】
また、ガス溜め部３３に対するＤＣＳガスの供給期間Ｔ３及びＮ２ ガスの供給期間Ｔ４はそれぞれ１秒から数秒程度である。このＤＣＳガスの流量は、例えば２ｓｌｍ程度、Ｎ２ ガスの流量は、例えば０．２ｓｌｍ程度である。ここで説明した上記各期間の長さＴ１〜Ｔ４は単に一例を示したに過ぎず、上記した数値例に限定されないのは勿論である。またガス溜め部３３内の圧力は、３５０〜４５０Ｔｏｒｒ程度である。
【００５０】
上述のように原料ガス（ＤＣＳ）ガスを不活性ガス（Ｎ２ ）と混合させて原料ガスを希釈するように形成した混合ガスと反応ガスとを用いて薄膜を形成するようにしたので、成膜レートを高く維持しつつ膜厚の面内均一性も改善することができる。この場合、上記ガス溜め部３３内の混合ガス中の原料ガスの体積比率は、１／２（５０％）〜１／８（１２．５％）の範囲内である。
【００５１】
上記原料ガスの体積比率が１／２よりも大きい場合には、原料ガスの濃度が高くなり過ぎ、この結果、回転しているウエハＷの中央部における原料ガスの吸着量が周辺部よりも多くなり、膜厚の断面はウエハ中心部にて盛り上がる断面凸部状の成膜状態となって膜厚の面内均一性が低下してしまう。これに対して、原料ガスの体積比率が１／８よりも小さい場合には、原料ガスの濃度が低くなり過ぎ、この結果、回転しているウエハＷの周辺部における吸着量が中央部と比較して多くなり、膜厚の断面はウエハ中心部が下に窪んだ断面凹部状の成膜状態となって膜厚の面内均一性が低下してしまう。
【００５２】
このように、本発明によれば、原料ガスと反応ガスとを用いて被処理体の表面に薄膜を形成する方法において、原料ガスと不活性ガスとをガス溜め部で混合して混合ガスを形成すると共に混合ガスと反応ガスとを処理容器内へ供給して薄膜を形成することにより、成膜レートを高く維持しつつ膜厚の面内均一性も改善することができる。
【００５３】
＜本発明の成膜方法の評価＞
次に、本発明の成膜方法の評価実験を行ったので、その評価結果について図４も参照して説明する。ここでは、図１及び図２に示す成膜装置を用いて図３に示すような本発明方法により薄膜を形成した。原料ガスとしてＤＣＳガスを用い、反応ガスとして窒化ガスであるＮＨ３ ガスを用い、不活性ガスとしてＮ２ ガスを用いて薄膜としてシリコン窒化膜を形成した。
【００５４】
この時の膜厚及び膜厚の面内均一性を図４に示す。図４は本発明の成膜方法を実施した時の評価結果を示すグラフである。ここでは、混合ガス中のＤＣＳガスの比率を５０％（体積比率：１／２）、２５％（体積比率：１／４）、１２．５％（体積比率：１／８）にそれぞれ変化させて成膜した時の膜厚を測定し、膜厚の面内均一性を求めた。また、従来用いられていた成膜方法を比較例として行い、ＤＣＳガスを何ら希釈しないで１００％濃度のＤＣＳガスを用いて成膜した時の値も併記した。
【００５５】
成膜時のサイクル数は、全て１００〜１４０サイクルで行った。グラフの左側の縦軸に膜厚をとり、右側の縦軸に膜厚の面内均一性をとっている。また、処理容器内へはウエハボートに支持された１２５枚の半導体ウエハＷを収容しており、これを高さ方向へ５つの領域に５段に区分して、その上方から下方に向けてトップ”Ｔ”、トップセンタ”ＴＣ”、センタ”Ｃ”、センタボトム”ＣＢ”及びボトム”Ｂ”としてそれぞれの領域における膜厚の値を測定した。
【００５６】
図４から明らかなように、比較例の場合には膜厚は７０〜７３Å程度であって比較的成膜レートは高いが、膜厚の面内均一性は”Ｔ”、”ＴＣ”、”Ｃ”、”ＣＢ”及び”Ｂ”の全ての領域において±１．５％前後であり、あまり良好ではなかった。これに対して、本発明の成膜方法の５０％ＤＣＳ（体積比率：１／２）の場合には、膜厚は８０Å程度であって比較例も少し良く、また、膜厚の面内均一性は”Ｔ”、”ＴＣ”、”Ｃ”、”ＣＢ”及び”Ｂ”の全ての領域において±１．０％前後であり、良好な値を示している。
【００５７】
更に、本発明方法の２５％ＤＣＳ（体積比率：１／４）の場合には、膜厚は６０Å程度であって比較例よりも少し低下しているが、膜厚の面内均一性は”Ｔ”、”ＴＣ”、”Ｃ”、”ＣＢ”及び”Ｂ”の全ての領域において±０．５％前後であって更に良好な値を示している。更に、本発明方法の１２．５％ＤＣＳ（体積比率：１／８）の場合には、膜厚は６８Å程度であって比較例よりも僅かに低下しているが、膜厚の面内均一性は”Ｔ”、”ＴＣ”、”Ｃ”、”ＣＢ”及び”Ｂ”の全ての領域において±０．８％前後であって良好な値を示している。この結果、混合ガス中の原料ガスの体積比率は、１／２（５０％）〜１／８（１２．５％）の範囲内が良好であることが判った。尚、混合ガス中の原料ガスの体積比率が、１／８（１２．５％）を越えて小さくなった場合には、膜となる原料ガスの濃度が低す過ぎるためにウエハ全体に原料ガスを供給することができず、好ましくなかった。
【００５８】
＜第１及び第２実施例＞
先の第１実施例では、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、混合ガスと反応ガスとは交互に処理容器４内へパルス状に供給するようにしたが、これに限定されず、図５に示すように供給するようにしてもよい。図５は本発明の成膜方法の第２実施例及び第３実施例における各ガスの処理容器への供給態様を示すタイミングチャートである。
【００５９】
図５（Ａ）は第２実施例を示し、この第２実施例では、混合ガスと反応ガスとは間欠的にパルス状に供給され、しかも両ガスを同時に処理容器４内へ供給するようにしている。この場合も、両ガスを供給しない休止時間は、パージ期間となっている。図５（Ｂ）は第３実施例を示し、混合ガスは間欠的にパルス状に供給される一方、反応ガスは連続的に供給するようにしている。これらの第２及び第３実施例の場合にも、先の第１実施例と同様な作用効果を発揮することができる。
【００６０】
＜第４実施例＞
先の第１実施例にあっては、成膜処理中にパージガス供給手段３４を用いてパージガスを処理容器４内へ主に連続的に供給している場合を例にとって説明したが、これに限定されず、以下の第４実施例に示すようにこのパージガスを間欠的に供給するようにしてもよい。
【００６１】
図６は本発明の成膜方法の第４実施例における各ガスの処理容器への供給態様を示すタイミングチャートである。尚、図６ではガス溜め部へのガスのチャージを示すタイミングチャートは図３に示す場合と同じなので、その記載は省略している。図６中の（Ａ）及び（Ｂ）は、図３中の（Ａ）及び（Ｂ）とそれぞれ同じである。
【００６２】
この第４実施例では、上記混合ガスを供給する直前と上記反応ガスを供給する直前の内の少なくともいずれか一方において上記処理容器内の残留ガスを排除するパージ工程を行うようにしている。この場合、混合ガスを供給する工程、すなわち吸着工程の直前と反応ガスを供給する工程、すなわち反応工程の直前の内の双方においてパージ工程を行うようにしてもよいし、吸着工程の直前又は反応工程の直前のみにパージ工程を行うようにしてもよい。
【００６３】
図６に示す場合には、各吸着工程の直前と各反応工程の直前の双方においてパージ工程を行うようになっている。換言すれば、ここでは混合ガスを供給する吸着工程と反応ガスを供給する反応工程との間の各間欠期間において、パージガス供給手段３４（図１参照）を用いて処理容器４内に不活性ガスである例えばＮ２ ガスを供給してパージ工程を行っている（図６（Ｃ）参照）。尚、図６の場合には、最初の吸着工程の直前にも処理容器４内の残留ガスの排除を確実にするためにパージ工程を行っている。
【００６４】
上記パージ工程では、パージ期間の全期間に亘って不活性ガスを流すようにしてもよいし、パージ期間内でパージガスをパルス状に流すようにしてもよい。この場合、パルス数は１パルス、或いは複数パルスでもよく、特にパージ効果を発揮するためにはパージガスを複数パルスだけ流すことにより処理容器４内にガス流の供給の開始と停止の衝撃を複数回与えるようにし、これにより、残留ガスの排出を促進させるようにしてもよい。
【００６５】
図６（Ｃ）においては、１回のパージ期間中に２パルスのパージガスを供給するようにしているが、このパルス数に制限はなく、更に多くのパルス数でパージガスを供給するようにしてもよい。ここでパージ期間のＴ５、Ｔ６は、それぞれ１秒〜３０秒程度であり、１パルスの供給期間Ｔ７は１秒〜５秒程度である。
【００６６】
このように、パージ工程を行うことにより、処理容器４内に残る残留ガスを効率的に処理容器４外へ排除することができる。この結果、例えばデバイスパターン上でのパージ効果が改善されて、パターン底に発生する継ぎ目状の欠陥の発生を抑制することができる。特に、１回のパージ工程においてパルス状に複数回パージガスを供給するようにした場合には、上記したパージ効果を一層向上させることができる。尚、上記パージ工程については、図５（Ａ）に示す第２実施例にも適用することができる。
【００６７】
＜膜種の変形例＞
上記各実施例においては、不純物を含まないシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を成膜する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、処理容器内へ不純物元素を含む不純物ガスを導入して不純物元素を含むシリコン窒化膜を形成するようにしてもよい。この不純物元素としては、例えばボロン（Ｂ）や炭素（Ｃ）等が挙げられ、不純物含有のシリコン窒化膜としてＳｉＢＮ膜やＳｉＣＮ膜等も形成することができる。この場合、不純物ガスとしては、ＢＣｌ３ ガスや炭化水素ガス、例えばエチレン等を用いることができる。
【００６８】
この不純物ガスを供給する時の装置例は、図７に示す。図７は不純物ガス供給手段の一例を示す図である。尚、他の部分の構成は、図１及び図２に示す場合と同じである。図７（Ａ）に示す不純物ガス供給手段１００は、処理容器４内に設けられるガスノズル１０２を有し、このガスノズル１０２に不純物ガスを流すガス通路１０６を接続している。そして、このガス通路１０６に、マスフローコントローラのような流量制御器１０６Ａ及び開閉弁１０６Ｂを介設し、多数のガス噴射孔１０２Ａから不純物ガスを処理容器４内へ不純物ガスを直接的に供給できるようになっている。
【００６９】
また図７（Ｂ）に示す不純物ガス供給手段１００は、不純物ガスを流すガス通路１０６の先端をガス溜め部３３に直接的に接続しており、このガス通路１０６に流量制御器１０６Ａ及び開閉弁１０６Ｂを介設している。これにより、ガス溜め部３３内にて混合ガスを形成する時に、このガス溜め部３３内へ不純物ガスを導入するようにしている。これにより、ＤＣＳガスとＮ２ ガスと不純物ガスとが混合された混合ガスを形成し、この不純物ガスの含有された混合ガスを処理容器４内へ供給できるようになっている。以上の構成により、不純物元素を含むシリコン窒化膜を形成することができる。
【００７０】
＜活性化手段を用いた装置例＞
上記各実施例では、反応ガスを熱によって活性する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、図８に示すようにプラズマを形成する活性化手段を用いた成膜装置にも本発明を適用することができる。図８は活性化手段を用いた成膜装置の一例を示す部分構成図である。図８において、他の構成部分は図１及び図２に示した場合を同じである。この成膜装置では活性化手段によりプラズマを形成し、このプラズマにより反応ガスを活性化して成膜反応を促進させるようにしている。
【００７１】
この成膜装置では、図８に示す処理容器４の側壁に設けたノズル収容凹部７４を区画する区画壁７２の外壁面に沿って活性化手段であるプラズマ電極１１０を設け、このプラズマ電極１１０に高周波電源１１２からの高周波電力が印加されている。これによってノズル収容凹部７４内にプラズマを形成する。この場合には、ノズル収容凹部７４内がプラズマ室としても機能することになる。
【００７２】
また、反応ガス以外の他のガスを活性化させないためには、このノズル収容凹部７４内には反応ガス用のガスノズル３８のみ収容し、他のガスノズル４０、４４は円筒状の処理容器４の内壁とウエハＷ（ウエハボート１２）との間の隙間に位置させるようにする。この場合には、プラズマにより成膜レートを大幅に向上させることができ、また成膜処理の低温下も達成することができる。
【００７３】
尚、上記各実施例では、ノズル収容凹部７４を設けた処理容器を例にとって説明したが、これを設けない処理容器についても本発明を適用することができる。この場合には、各ガスノズル３８、４０、４４を円筒状の処理容器４の内壁とウエハボート１２との間の隙間に位置させるようにする。
【００７４】
また、上記各実施例では、一度に複数枚の半導体ウエハに成膜処理することができる、いわゆるバッチ式の成膜装置を例にとって説明したが、これに限定されず、本発明は、半導体ウエハを１枚ずつ成膜処理する、いわゆる枚葉式の成膜装置にも適用することができる。
【００７５】
また、ここでは不活性ガスとしてＮ２ ガスを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、Ａｒ、Ｈｅ等の希ガスを用いることができる。また、ここでは原料ガスとしてシリコン含有ガスであるＤＣＳガスを用いたが、このシリコン含有ガスとしてはＤＣＳガスに限定されず、上記シリコン含有ガスとしては、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、モノシラン［ＳｉＨ４ ］、ジシラン［Ｓｉ２ Ｈ６ ］、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラクロロシラン（ＴＣＳ）、ジシリルアミン（ＤＳＡ）、トリシリルアミン（ＴＳＡ）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）、ビスジエチルアミノシラン（ＢＤＥＡＳ）、ジイソプロピルアミノシラン（ＤＩＰＡＳ）、トリスジメチルアミノシラン（３ＤＭＡＳ）よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができる。
【００７６】
また、上記反応ガスとして窒化ガスを用い、この窒化ガスとしてＮＨ３ ガスを用いたが、これに限定されず、一酸化二窒素（Ｎ２ Ｏ）や一酸化窒素（ＮＯ）等を用いてもよい。また、ここでは原料ガスとしてシリコン（Ｓｉ）を含む原料ガスを用いてシリコン窒化膜を形成する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、原料ガスとして金属を含む金属化合物ガスを用いて薄膜として金属窒化膜や金属酸化膜等を形成するようにしてもよい。
【００７７】
この金属化合物ガスとしては、有機金属化合物ガスを用いることができるが、この有機金属化合物ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、テトラキスジメチルアミノハフニウム（ＴＤＭＡＨ）、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム（ＴＥＭＡＨ）、テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺ）、テトラキスジメチルアミノチタン（ＴＤＭＡＴ）よりなる群より選択される１以上のガスを用いることができる。この場合には、上記反応ガスとしては、窒化ガスと酸化ガスと還元ガスとよりなる群から選択される１のガスを用いることができる。
【００７８】
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置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。
【符号の説明】
【００７９】
２  成膜装置
４  処理容器
１２  ウエハボート（保持手段）
１８  蓋部
２８  反応ガス供給手段
３０  混合ガス供給手段
３３  ガス溜め部
３４  パージガス供給手段
８６  排気系
９４  加熱手段
９６  装置制御部
９８  記憶媒体
１００  不純物ガス供給手段
１１０  プラズマ電極（活性化手段）
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【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】
2014007378.tif 000007
【図６】
2014007378.tif 000008
【図７】
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【図８】
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