(57)【要約】【課題】本発明は原料となるガスを交互に供給することにより成膜を行なう薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置に関し、高品質の薄膜を迅速に形成することを課題とする。【解決手段】原料ガスであるＴｉＣｌ４と反応ガスであるＮＨ３とを反応させてＴｉＮ薄膜を基板上に形成する薄膜の形成方法において、前記ＮＨ３に対して前期解離を起こす波長の光を照射し、ＮＨ３を励起した上で原料ガスと反応させる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスとＮＨ３とを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成方法において、
前記ＮＨ３が前期解離を起こす波長の光を該ＮＨ３に照射し、該ＮＨ３を励起することを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜の形成方法において、
前記ＮＨ３に照射する光の波長が１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の範囲であることを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の薄膜の形成方法において、
前記原料ガスと前記ＮＨ３とを処理容器内に交互に供給することを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薄膜の形成方法において、
前記原料ガスがＴｉＣｌ４であることを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項５】
原料ガスとＮＨ３とを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成装置において、
前記ＮＨ３が前期解離を起こす波長の光を該ＮＨ３に照射する光照射手段を設けたことを特徴とする薄膜の形成装置。
【請求項６】
請求項５記載の薄膜の形成装置において、
前期光照射手段は、１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の波長の光をＮＨ３に照射する構成であることを特徴とする薄膜の形成装置。
【請求項７】
ＴｉＣｌ４と反応ガスとを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成方法において、
前記ＴｉＣｌ４が解離を起こす波長の光を該ＴｉＣｌ４に照射し、該前記ＴｉＣｌ４を励起することを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項８】
請求項７記載の薄膜の形成方法において、
前記ＴｉＣｌ４に照射する光の波長が、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、及び４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲から選択される少なくとも一つの範囲を含むことを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項９】
請求項７または８記載の薄膜の形成方法において、
前記ＴｉＣｌ４と前記反応ガスを前記処理容器に交互に供給することを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれか１項に記載の薄膜の形成方法において、
前記反応ガスがＮＨ３であることを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項１１】
ＴｉＣｌ４と反応ガスとを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成装置において、
前記ＴｉＣｌ４が解離を起こす波長の光を該ＴｉＣｌ４に照射する光照射手段を設けたことを特徴とする薄膜の形成装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の薄膜の形成装置において、
前期光照射手段は、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、及び４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲から選択される少なくとも一つの範囲の波長の光をＴｉＣｌ４に照射する構成であることを特徴とする薄膜の形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置に係り、特に原料となるガスを交互に供給することにより成膜を行なう薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体集積回路の微細化，高集積化に伴い，基板（例えば半導体基板）上に形成する絶縁膜および金属配線膜等に対しては，薄膜化、不純物が存在しない高品質な成膜、ウェハ全体に対し巨視的に均一な成膜、ナノメートルレベルの微視的に平滑な成膜等が望まれている。しかしながら、従来の化学的気相成長法（ＣＶＤ法）では，上記した要求の内、一部の要望を満たし切れない状況にある。
【０００３】
一方、これらの要望を満たす成膜方法として成膜時に複数種の原料ガスを１種類ずつ交互に供給することで、原料ガスの反応表面への吸着を経由して原子層・分子層レベルで成膜を行ない、これらの工程を繰り返して所定の厚さの薄膜を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
具体的には，第１の原料ガスを基板上に供給し、その吸着層を基板上に形成する。その後に、第２の原料ガスを基板上に供給し反応させる。この方法によれば、第１の原料ガスが基板に吸着した後第２の原料ガスと反応するため、成膜温度の低温化を図ることができる。また、ホールに成膜するにあたっては、従来のＣＶＤ法で問題となっていたような、原料ガスがホール上部で反応消費されることによる被覆性の低下を避けることもできる。
【０００５】
また、吸着層の厚さは、一般に原子・分子の単層或いは多くても２〜３層であるが、その温度と圧力で決定され、吸着層を作るのに必要以上の原料ガスが供給されると排出されるという自己整合性を持っているので、極薄膜の厚さを制御するのに良い。また、１回の成膜が、原子層・分子層レベルで行われるため反応が完全に進行し易く、膜中に不純物が残留しにくくなり好適である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−８９８７３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記した手法を用いて基板上に窒化チタン（ＴｉＮ）を成膜する場合を想定する。ＴｉＮ膜を成膜する場合、原料ガスとして四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）を用い、反応ガスとしてはアンモニア（ＮＨ３）を用いる。そして、このＴｉＣｌ４とＮＨ３を、例えば基板温度１００〜２５０℃，反応時の処理容器内の全圧を１５〜２００Ｐａで処理することにより基板上にＴｉＮ膜を形成することができる。
【０００８】
しかしながらＴｉＣｌ４は熱的に安定した物質であるため、基板表面に吸着しにくい。このように、熱に対して非常に安定していて分解しにくい原料ガスを用いる場合、基板表面への吸着量が低下し、よって成膜速度が低下してしまうという問題点があった。
【０００９】
また、基板の全面に均一にＴｉＣｌ４が吸着されない場合が発生し、これに起因して成膜される薄膜の品質が低下してしまうという問題点があった。更に、安定状態（励起していない状態）のＮＨ３を処理容器内に供給するだけでは、十分な反応速度を得ることができず、これによっても成膜速度が低下してしまう。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、高品質の薄膜を迅速に形成しうる薄膜の形成方法及び薄膜の形成装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１記載の発明は、原料ガスとＮＨ３とを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成方法において、前記ＮＨ３が前期解離を起こす波長の光を該ＮＨ３に照射し、該ＮＨ３を励起することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の薄膜の形成方法において、前記ＮＨ３に照射する光の波長が１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の範囲であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の薄膜の形成方法において、前記原料ガスと前記ＮＨ３とを処理容器内に交互に供給することを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薄膜の形成方法において、前記原料ガスがＴｉＣｌ４であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、原料ガスとＮＨ３とを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成装置において、前記ＮＨ３が前期解離を起こす波長の光を該ＮＨ３に照射する光照射手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の薄膜の形成装置において、前期光照射手段は、１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の波長の光をＮＨ３に照射する構成であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、請求項７記載の発明は、ＴｉＣｌ４と反応ガスとを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成方法において、前記ＴｉＣｌ４が解離を起こす波長の光を該ＴｉＣｌ４に照射し、該前記ＴｉＣｌ４を励起することを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の薄膜の形成方法において、前記ＴｉＣｌ４に照射する光の波長が、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、及び４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲から選択される少なくとも一つの範囲を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
また、請求項９記載の発明は、請求項７または８記載の薄膜の形成方法において、前記ＴｉＣｌ４と前記反応ガスを前記処理容器に交互に供給することを特徴とするものである。
【００２１】
また、請求項１０記載の発明は、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の薄膜の形成方法において、前記反応ガスがＮＨ３であることを特徴とするものである。
【００２２】
また、請求項１１記載の発明は、ＴｉＣｌ４と反応ガスとを反応させて薄膜を基板上に形成する薄膜の形成装置において、前記ＴｉＣｌ４が解離を起こす波長の光を該ＴｉＣｌ４に照射する光照射手段を設けたことを特徴とするものである。
【００２３】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の薄膜の形成装置において、前期光照射手段は、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、及び４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲から選択される少なくとも一つの範囲の波長の光をＴｉＣｌ４に照射する構成であることを特徴とするものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１は、本発明の第１実施例である薄膜形成装置を示している。本実施例では、薄膜形成装置としてＣＶＤ装置を例に挙げている。
【００２５】
また、本実施例では窒化チタン（ＴｉＮ）を化学気相成長法によりウェハＷ上に成膜する処理を例に挙げて説明するものとする。具体的には、本実施例では原料ガスとして四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを用い、反応ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスを用い、このＴｉＣｌ４ガスとＮＨ３ガスを反応させることによりＴｉＮ膜を成膜する。尚、本実施例では、ＴｉＣｌ４ガス及びＮＨ３ガスを処理容器３０に搬送するキャリアガスとして窒素（Ｎ２）ガスを用いている。
【００２６】
同図に示す薄膜形成装置は、大略するとガス供給源１０Ａ〜１０Ｃ、光照射装置２０Ａ、処理容器３０、サセプタ３３、及び制御装置６０等により構成されている。
【００２７】
ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃは、ガス供給通路１１〜１４を介して処理容器３０内に後述する原料ガス等を供給する。即ち、ガス供給源１０Ａ〜１０Ｃは、処理容器３０内でウェハＷに所定の成膜処理を施すためのガスをそれぞれ供給する。
【００２８】
ガス供給源１０Ａは、ガス供給通路１１を介して原料ガスとなるＴｉＣｌ４ガスを処理容器３０に向け供給する。ガス供給通路１１にはバルブＶ１が設けられており、ＴｉＣｌ４ガスの流量はバルブＶ１の開閉により制御される。尚、このバルブＶ１の駆動は、後述する制御装置６０により制御される。
【００２９】
ガス供給源１０Ｂは、ガス供給通路１２を介して反応ガスとなるＮＨ３ガスを処理容器３０に向け供給する。ガス供給通路１１にはバルブＶ２が設けられており、ＮＨ３ガスの流量はバルブＶ２の開閉により制御される。尚、このバルブＶ２の駆動も、後述する制御装置６０により制御される。
【００３０】
更に、ガス供給源１０Ｃは、ガス供給通路１３，１４を介してキャリアガスであるＮ２ガスを処理容器３０に向け供給する。ガス供給通路１３はガス供給源１０Ａに接続されたガス供給通路１１に連通しており、またガス供給通路１３にはバルブＶ３が設けられている。
【００３１】
一方、ガス供給通路１４はガス供給源１０Ｂに接続されたガス供給通路１２に連通しており、またガス供給通路１４にはバルブＶ４が設けられている。Ｎ２ガスの流量は、各バルブＶ３，Ｖ４の開閉により制御される。このバルブＶ３，Ｖ４の駆動も、後述する制御装置６０により制御される。尚、図示しないが、ガス供給通路１１，１２には、上記した各種のガスの流量制御を行なうマスフローコントローラー等が設けられている。
【００３２】
処理容器３０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス等の金属よりなり、Ａｌを用いる場合は容器内部にアルマイト処理等の表面処理が施されている。この処理容器３０は、被処理基板であるウェハＷを保持する、例えばＡｌＮやＡｌ２Ｏ３のセラミック材料からなり、内部にヒータ３３Ａを埋設するサセプタ３３を有する。サセプタ３３は、サセプタ支持部３１，３２により処理容器３０の底部に固定される。
【００３３】
処理容器３０の底部には、排気ライン３５に接続する排気口３４が設けられている。また、排気ライン３５には、排気手段であるターボ分子ポンプ３７が接続されており、処理容器３０内を真空排気することが可能な構成となっている。更に、排気ライン３５には、コンタクタンスを変化させて処理容器３０内の圧力を調整することが可能であるＡＰＣ３６が設置されている。
【００３４】
一方、処理容器３０の側部には、処理容器内の圧力を測定する圧力計３８が取り付けられている。この圧力計３８が測定する圧力値は、制御装置６０に送られる構成となっている。このように、圧力計３８が測定する圧力値が制御装置６０にフィードバックされることにより、制御装置６０にはＡＰＣ３６のコンダクタンスを調整して処理容器３０内の圧力を所望の値に制御しうる構成となっている。
【００３５】
また、処理容器３０の上部には、拡散室４０Ａを有するシャワーヘッド４０が設置されている。このシャワーヘッド４０には、ガスライン１１，１２が接続されている。
【００３６】
光照射装置２０Ａは、処理容器３０のウェハＷと対向する位置に配置されている。この光照射装置２０Ａは、複数の光源２５Ａを有している。この光源２５Ａは、処理容器３０に供給されるガスに対し光を照射する構成とされている。
【００３７】
本実施例では、光源２５Ａは１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下の波長の光を照射し得る構成とされている。この波長範囲の光は、例えばキセノン（Ｘｅ）ランプ、キセノン（Ｘｅ）エキシマランプ、或いはアルゴン（Ａｒ）−フッ素（Ｆ）エキシマランプを用いることにより生成することができる。
【００３８】
本実施例で用いている光の波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）は、反応ガスであるＮＨ３が前期解離を起こす波長範囲である。この前期解離とは、分子が光により励起した際、当該分子が光を放射する以前に分解する現象をいう。よって本実施例では、光源２５Ａから上記の波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）の光が、処理容器３０に供給されたＮＨ３ガスに照射されることにより、ＮＨ３ガスは前期解離されてＮＨ２が発生する（ＮＨ３→ＮＨ２＋Ｈ）。
【００３９】
尚、ＮＨ３が上記の波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）の光を照射されることにより前期解離を起こす現象の詳細については、下記の３件の文献を参照されたい。
・Ａ．Ｅ．  Ｄｏｕｇｌａｓ，  Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ  Ｆａｒａｄａｙ  Ｓｏｃ．  ３５（１９６３）  １５８
・Ｇ．Ｄｉ  Ｓｔｅｎｆａｎｏ  ｅｔ．Ａｌ        Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ６７，  Ｎｏ．８  （１９７７）３８３２
・Ｖ．Ｍ．  ＤＯＮＮＥＬＬＹ  ｓｔ．ａｌ．      Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ４３  （１９７９）  ２７１
一方、制御装置６０はコンピュータにより構成されており、前記した光照射装置２０Ａ及びバルブＶ１〜Ｖ４等が接続されている。この制御装置６０は、後述する成膜処理プログラムに従い接続された各機器の駆動制御を行ない、これにより良質なＴｉＮ膜を生成する。
【００４０】
尚、制御装置６０は、上記した機器の他にも薄膜形成装置を構成する各種装置の制御を実施する。しかしながら以下の説明においては、本発明の要部となる光照射装置２０Ａ及びバルブＶ１〜Ｖ４の制御処理を主に説明するものとする。
【００４１】
続いて、図１に示される薄膜形成装置を用いて実施されるＴｉＮ膜の成膜方法について説明する。図２は本発明の第１実施例であるＴｉＮ膜を形成する薄膜形成方法を示すフローチャートであり、図３は各バルブＶ１〜Ｖ４及び光源２５Ａの駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【００４２】
ＴｉＮ膜を形成するには、先ずステップ１００（図では、ステップをＳと略称している）において、ウェハＷをサセプタ３３に載置する。サセプタ３３は、前記したステージヒーター３５により加熱されている。このため、サセプタ３３に載置されたウェハＷは加熱が行なわれる。本実施例では、ウェハＷは１００〜２５０℃まで昇温される（ステップ１０２）。
【００４３】
続いて、制御装置６０はバルブＶ３，Ｖ４を開弁する。これにより、ガス供給源１０Ｃからは、キャリアガスであるＮ２ガスが処理容器３０に向け供給される。また、制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することにより、処理容器３０内の圧力は例えば全圧力で２００Ｐａとされる（ステップ１０４）。
【００４４】
上記したサセプタ３３の温度及び処理容器３０内の圧力は、図示しないセンサにより検出され、制御装置６０に送信される構成とされている。そして、ウェハＷの温度及び処理容器３０内圧力が所定値に達したと判断すると、ステップ１０６において、制御装置６０はバルブＶ１を開弁する。これにより、ＴｉＣｌ４ガスは、キャリアガスであるＮ２ガスと共にガス供給源１０Ａからガス供給通路１１を介して処理容器３０に供給される。
【００４５】
この処理容器３０へのＴｉＣｌ４ガスの供給は、所定時間（図３に矢印Ｔ１で示す時間。例えば、１０秒）実施される。そして時間Ｔ１が経過すると、制御装置６０はバルブＶ１を閉弁する（ステップ１０８）。これにより、処理容器３０に対するガス供給源１０ＡからのＴｉＣｌ４ガスの供給は停止される。この時間Ｔ１において、ＴｉＣｌ４はウェハＷの表面に吸着する。
【００４６】
尚、前記したようにＴｉＣｌ４ガスは熱的に安定した物質であるため、熱的処理のみでは分解しにくい特性を有している。このため、単に安定状態にあるＴｉＣｌ４ガスを処理容器３０に供給してもウェハＷへの吸着量は少なく、よってＴｉＮ膜の成膜速度が遅くなってしまうことも前述した通りである。
【００４７】
ステップ１０６及びステップ１０８の処理によりウェハＷ上にＴｉＣｌ４が吸着されると、続いて制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することにより、ＴＭＰ３７による真空吸引力を増大させる。これにより、処理容器３０内に残存している未吸着のＴｉＣｌ４ガスは処理容器３０から排出される（ステップ１１０）。この排気処理は、例えば２秒間（図３に矢印で示す時間Ｔｐ１）実施される。この所定時間が経過すると、制御装置６０は再びＡＰＣ３６を元の状態に戻す。
【００４８】
ステップ１１０の排気処理が終了すると、続いて制御装置６０は光照射装置２０Ａの光源２５Ａを点灯させる。これにより、ＮＨ３ガスを前期解離しうる波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）の光が、光源２５Ａから処理容器３０に向け照射される。
【００４９】
次に、制御装置６０はバルブＶ２を開弁する。これにより、反応ガスであるＮＨ３ガスはガス供給源１０Ｂからガス供給通路１２を介して処理容器３０に供給される（ステップ１１４）。
【００５０】
この際、ステップ１０６，１０８の処理により、ウェハＷ上にはＴｉＣｌ４が吸着している。また、ステップ１１０の処理により、処理容器３０内には余剰なＴｉＣｌ４は存在していない。更に、ステップ１１２の処理により、光源２５から処理容器３０内にはＮＨ３ガスを前期解離しうる波長範囲（１７０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下）の光が照射されている。
【００５１】
このため、処理容器３０に供給されたＮＨ３ガスは、光源２５から上記所定波長の光が照射されることにより励起して前期解離が発生する。これにより、処理容器３０内にはＮＨ２が発生する。このＮＨ２は活性の高い、換言すれば反応性の高い分子である。このため、ウェハＷに吸着されたＴｉＣｌ４は、ＮＨ２と速やかに反応（窒化）してＴｉＮが成膜される。
【００５２】
このように、温度安定性が高いＴｉＣｌ４であっても、これと反応するのはＮＨ３が前期解離することにより生成された活性の高いＮＨ２であるため反応速度は速い。このため、ＴｉＮ膜の成膜処理は、高いスループットで実施される。また、単に所定波長の光を反応ガスに照射するだけでスループットの向上を図れるため、装置構成の簡単化を図ることができる。
【００５３】
ところで、ＮＨ３からのＮＨ２の生成は、プラズマ処理を行なうことにより可能であるが、プラズマ処理では設備コストが上昇してしまうと共に、原料ガスの電子温度の増加とＮＨ２の生成にムラが発生する可能性があり望ましくない。よって、プラズマ処理に比べ、本実施例のように所定波長の光を照射することによりＮＨ２の生成する方法の方が、コスト面及び成膜される膜の品質からも効果が大である。
【００５４】
上記の処理容器３０へのＮＨ３ガスの供給及び光照射装置２０Ａによる所定波長光の照射は、所定時間（図３に矢印Ｔ２で示す時間。例えば、１０秒）実施される。そして、この所定時間が経過すると、制御装置６０はバルブＶ２を閉弁する（ステップ１１６）。これにより、ガス供給源１０Ｂから処理容器３０へのＮＨ３ガス（反応ガス）の供給は停止される。
【００５５】
また、バルブＶ２の閉弁と同時に、制御装置６０は光照射装置２０Ａの光源２５Ａを消灯する。このように本実施例では、光源２５の点灯時間はバルブＶ２が開弁している時間（即ち、反応ガスが処理容器３０に供給されている時間）と等しくなるよう構成されている。これにより、光源２５から照射される所定波長の光は、処理容器３０に供給されるＮＨ３ガスのみに照射されることとなる（図３（Ｂ），（Ｃ）参照）。これにより、ＮＨ３の前期解離処理を円滑かつ確実に行なうことができる。
【００５６】
この所定時間Ｔ２内において、前記したようにウェハＷの表面に吸着しているＴｉＣｌ４は、前記のように生成されたＮＨ２と反応し、これによりＴｉＮ膜が生成される。この際に成膜されるＴｉＮ膜は、ウェハＷ上に単層或いは複数層吸着したＴｉＣｌ４が窒化されることにより生成される膜であるため、原子・分子レベルの薄膜となる。
【００５７】
続いて、制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することにより、ＴＭＰ３７による真空吸引力を再び増大させる。これにより、処理容器３０内に残存している未反応のＮＨ３ガス及びＮＨ２は、処理容器３０から排出される（ステップ１２０）。この排気処理は、例えば２秒間（図３に矢印で示す時間Ｔｐ２）実施される。この所定時間が経過すると、制御装置６０は再びＡＰＣ３６を元の状態に戻す。
【００５８】
続いて、制御装置６０はステップ１２２により再び処理をステップ１０６に戻し、以後ステップ１０６〜ステップ１２０の処理を所定回数（例えば、２００回）、繰り返し実施する。２回目以降のステップ１０６，１０８の処理では、下層となるＴｉＮ膜上にＴｉＣｌ４が吸着される。尚、前記したウェハＷにＴｉＣｌ４が吸着される１回目の吸着は化学吸着となるが、２回目以降のＴｉＮ膜上へのＴｉＣｌ４の吸着は物理吸着となる。
【００５９】
また、２回目以降のステップ１１２〜１２０の処理においても、反応ガスとなるＮＨ３は光源２５により光照射されて前期解離するため、２回目以降の吸着時においても、ＴｉＣｌ４は反応速度の速いＮＨ２により反応（窒化）処理がされるため、高いスループットでＴｉＮ膜を成膜することができる。
【００６０】
上記のステップ１０６〜ステップ１２０の処理が所定回数繰り返し実施され、所望の膜厚のＴｉＮ膜が形成されると、処理はステップ１２４に進む。制御装置６０は、このステップ１２４においてバルブＶ３，Ｖ４を閉弁し、ガス供給源１０Ｃから処理容器３０へのＮ２ガス（キャリアガス）の供給を停止する。
【００６１】
その後、処理容器３０内を大気圧とした上で、ＴｉＮ膜が形成されウェハＷを取り出す。以上説明した一連の処理を実施することにより、良好なＴｉＮ膜を迅速に形成することができる。
【００６２】
ところで上記した実施例では、本願発明を原料ガスとしてＴｉＣｌ４ガスを用い、これに光照射により反応ガスであるＮＨ３を前期解離した上でＴｉＣｌ４と反応させＴｉＮ膜を形成する例について説明したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、種々の原料ガスについて適用できるものである。
例えば、原料ガスとしてＴａＦ５を用いると共にこれにＮＨ３を反応させてＴａＮ膜を形成する場合、原料ガスとしてＴａＣｌ５を用いると共にこれにＮＨ３を反応させてＴａＮ膜を形成する場合、原料ガスとしてＷＦ６を用いると共にこれにＮＨ３を反応させてＷＮ膜を形成する場合、及び原料ガスとしてＳｉＨ４を用いると共にこれにＮＨ３を反応させてＳｉＮ膜を形成する場合等にも適用することができる。更に、上記した各原料ガスにＳｉＨ４等も含めた３（多）成分系の反応による、ＴｉＳｉＮ，ＴａＳｉＮ，ＷＳｉＮ等の各薄膜の形成にも適用することができる。
【００６３】
次に、図４を参照して、本発明の第２実施例である薄膜形成装置について説明する。本実施例に係る薄膜形成装置は、図１に示した薄膜形成装置に対して光照射装置２０Ｂが異なるのみで他の構成は同一である。そこで、尚、図４において、図１に示した薄膜形成装置と同一構成については同一符号を付してその説明を省略するものとする。
【００６４】
図１に示した薄膜形成装置では、光照射装置２０Ａを処理容器３０に組み込んだ構成としたが、本変形例では光照射装置２０Ｂをガス供給通路１１に設けた構成としたことを特徴としている。即ち、本実施例では、原料ガスであるＴｉＣｌ４に光を照射する構成とされている。
【００６５】
光照射装置２０Ｂは、大略すると光源２５Ｂ，透明配管２７、及びリフレクタ２８等により構成されている。光源２５Ｂは、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、或いは４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の内、いずれかの波長の光を照射し得る構成とされている。
【００６６】
尚、本実施例では、１個の光源２５Ｂを設けているため、光源２５Ｂは上記した３つの波長範囲から選択的に一の波長範囲を設定しているが、光源２５Ｂを複数個設ける場合には、上記した各波長範囲を同時に設定する構成とすることも可能である。具体的には、２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の波長の光を照射する第１の光源と、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長の光を照射する第２の光源と、４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の光を照射する第３の光源を同時に光照射装置２０Ｂ内に配置することも可能である。
【００６７】
また、上記した各波長範囲の光は、例えばキセノン（Ｘｅ）ランプ、キセノン（Ｘｅ）エキシマランプ、或いはアルゴン（Ａｒ）−フッ素（Ｆ）エキシマランプを用いることにより生成することができる。
【００６８】
上記構成の光源２５Ｂは、ガス供給通路１１と対向するよう配置されている。また、ガス供給通路１１の光源２５Ｂと対向する所定範囲には、透明配管２７が設けられている。よって、光源２５Ｂから照射された上記の所定波長範囲の光は、透明配管２７を透過して透明配管２７内を流れるＴｉＣｌ４に照射される。尚、リフレクタ２８は光源２５Ｂからの光を効率的に透明配管２７に反射されるものである。
【００６９】
本実施例で用いている光の波長範囲（２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、或いは４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下）は、原料ガスであるＴｉＣｌ４が解離を起こす波長範囲である。よって、光源２５Ｂから上記の波長範囲の光が、透明配管２７を介してＴｉＣｌ４ガスに照射されることにより、ＴｉＣｌ４ガスは解離されてＴｉＣｌ３或いはＴｉＣｌ２が発生する。
尚、ＴｉＣｌ４が上記の波長範囲（２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、或いは４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下）の光を照射されることにより解離を起こす現象の詳細については、Ｐ．Ｋｕｂａｔ  Ｊ．  Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍ．Ｐｈｏｔｏｂｉｏｌ．  Ａ：  Ｃｈｅｍ．，  ６３  （１９９２）  ２５７を参照されたい。
【００７０】
続いて、図４に示される薄膜形成装置を用いて実施されるＴｉＮ膜の成膜方法について説明する。図５は本発明の第２実施例であるＴｉＮ膜を形成する薄膜形成方法を示すフローチャートであり、図６は各バルブＶ１〜Ｖ４及び光源２５Ａの駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【００７１】
ＴｉＮ膜を形成するには、先ずステップ２００においてウェハＷをサセプタ３３に載置し、ステップ２０２においてステージヒーター３５によりウェハＷの加熱が行なわれる。続いて、制御装置６０はバルブＶ３，Ｖ４を開弁し、ガス供給源１０ＣからキャリアガスであるＮ２ガスを処理容器３０に向け供給する。この際、制御装置６０はＡＰＣ３６を制御しており、これにより処理容器３０内の圧力は例えば全圧力で２００Ｐａとしている（ステップ２０４）。
【００７２】
そして、ウェハＷの温度及び処理容器３０内圧力が所定値に達したと判断すると、制御装置６０は光照射装置２０Ｂの光源２５Ｂを点灯させる（ステップ２０６）。これにより、ＴｉＣｌ４ガスを解離しうる波長範囲（２６０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、或いは４８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下）の光が、光源２５Ｂから透明配管２７を介してガス供給通路１１内に照射される。
【００７３】
次に、制御装置６０はバルブＶ１を開弁する。これにより、原料ガスであるＴｉＣｌ４ガスはガス供給源１０Ａからガス供給通路１１を介して処理容器３０に供給される（ステップ２０８）。
【００７４】
この際、前記したように本実施例では、光源２５ＢからＴｉＣｌ４を解離する波長範囲の光が、透明配管２７を介してガス供給通路１１を流れてくるＴｉＣｌ４ガスに照射され、これによりＴｉＣｌ４ガスは励起される。このように、ＴｉＣｌ４ガスが励起されると解離現象が発生し、ＴｉＣｌ４はＴｉＣｌ３或いはＴｉＣｌ２に解離する。このようにして発生したＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２は、キャリアガスに搬送されて処理容器３０に供給される。
【００７５】
ところで、前記したようにＴｉＣｌ４ガスは熱的に安定した物質であるため、熱的処理のみでは分解しにくい特性を有している。このため、単に安定状態にあるＴｉＣｌ４ガスを処理容器３０に供給してもウェハＷへの吸着量は少なく、よってＴｉＮ膜の成膜速度が遅くなってしまうことも前述した通りである。
【００７６】
しかしながら本実施例では、上記のようにＴｉＣｌ４が励起し解離されることにより生成されたＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２が処理容器３０に供給される。このＴｉＣｌ３，ＴｉＣｌ２は、活性の高い、換言すれば吸着力の強い分子である。このため、ＴｉＣｌ３，ＴｉＣｌ２はウェハＷに速やかに吸着される。また、ＴｉＣｌ３，ＴｉＣｌ２は吸着力が強いため、短時間でウェハＷの全面に均一に吸着される。
【００７７】
この処理容器３０へのＴｉＣｌ４ガスの供給は、所定時間（図６に矢印Ｔ１で示す時間。例えば、１０秒）実施される。そして時間Ｔ１が経過すると、制御装置６０はバルブＶ１を閉弁する（ステップ２１０）。これにより、処理容器３０に対するガス供給源１０ＡからのＴｉＣｌ４ガスの供給は停止される。この時間Ｔ１において、ＴｉＣｌ４はウェハＷの表面に吸着する。
【００７８】
また、ＴｉＣｌ４ガスの供給は停止されると、制御装置６０は光源２５を消灯する（ステップ２１２）。このように本実施例では、光源２５の点灯時間は、バルブＶ１が開弁している時間（即ち、原料ガスが処理容器３０に供給されている時間）と等しくなるよう構成されている（図６（Ｂ），（Ｃ）参照）。
【００７９】
ステップ２０６及びステップ２１２の処理によりウェハＷ上にＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２が吸着されると、続いて制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することによりＴＭＰ３７による真空吸引力を増大させる。これにより、処理容器３０内に残存している未吸着のＴｉＣｌ３，ＴｉＣｌ２，ＴｉＣｌ４は処理容器３０から排出される（ステップ２１４）。この排気処理は、例えば２秒間（図６に矢印で示す時間Ｔｐ１）実施される。この所定時間が経過すると、制御装置６０は再びＡＰＣ３６を元の状態に戻す。
【００８０】
ステップ２１４の排気処理が終了すると、制御装置６０はバルブＶ２を開弁する。これにより、反応ガスであるＮＨ３ガスはガス供給源１０Ｂからガス供給通路１２を介して処理容器３０に供給される（ステップ２１６）。
【００８１】
この際、ステップ２０６〜２１２の処理により、ウェハＷ上にはＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２が均一に吸着している。また、ステップ２１４の処理により、処理容器３０内には余剰なＴｉＣｌ３，ＴｉＣｌ２，ＴｉＣｌ４は存在していない。このため、ウェハＷに吸着されたＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２は、ＮＨ２と速やかに反応（窒化）してＴｉＮが成膜される。
【００８２】
このように、温度安定性が高いＴｉＣｌ４であっても、これに解離を行なわせる所定波長を有した光を照射することにより、ウェハＷとの吸着速度を速めることができる。このため、ＴｉＮ膜の成膜処理は、高いスループットで実施される。また、単に所定波長の光を原料ガスに照射するだけでスループットの向上を図れるため、本実施例においても装置構成の簡単化を図ることができる。
【００８３】
上記の処理容器３０へのＮＨ３ガスの供給は、所定時間（図６に矢印Ｔ２で示す時間。例えば、１０秒）実施される。そして、この所定時間が経過すると、制御装置６０はバルブＶ２を閉弁する（ステップ２１８）。これにより、ガス供給源１０Ｂから処理容器３０へのＮＨ３ガス（反応ガス）の供給は停止される。
【００８４】
この所定時間Ｔ２内において、前記したようにウェハＷの表面に吸着しているＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２はＮＨ３と反応し、これによりＴｉＮ膜が生成される。この際に成膜されるＴｉＮ膜は、ウェハＷ上に単層或いは複数層吸着したＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２が窒化されることにより生成される膜であるため、原子・分子レベルの薄膜となる。
【００８５】
続いて、制御装置６０はＡＰＣ３６を制御することにより、ＴＭＰ３７による真空吸引力を再び増大させる。これにより、処理容器３０内に残存している未反応のＮＨ３ガスは、処理容器３０から排出される（ステップ２２０）。この排気処理は、例えば２秒間（図６に矢印で示す時間Ｔｐ２）実施される。この所定時間が経過すると、制御装置６０は再びＡＰＣ３６を元の状態に戻す。
【００８６】
続いて、制御装置６０はステップ２２２により再び処理をステップ２０６に戻し、以後ステップ２０６〜ステップ２２０の処理を所定回数（例えば、２００回）、繰り返し実施する。この際、２回目以降のステップ２０６〜２１２の処理においても、原料ガスとなるＴｉＣｌ４は光源２５により光照射されて解離するため、２回目以降の吸着時においても、ＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２は強い吸着力により速やかにウェハＷに吸着し、よって高いスループットでＴｉＮ膜を成膜することができる。
【００８７】
上記のステップ２０６〜ステップ２２０の処理が所定回数繰り返し実施され、所望の膜厚のＴｉＮ膜が形成されると、処理はステップ２２４に進む。制御装置６０は、このステップ２２４においてバルブＶ３，Ｖ４を閉弁し、ガス供給源１０Ｃから処理容器３０へのＮ２ガス（キャリアガス）の供給を停止する。
【００８８】
その後、処理容器３０内を大気圧とした上で、ＴｉＮ膜が形成されウェハＷを取り出す。以上説明した一連の処理を実施することにより、良好なＴｉＮ膜を迅速に形成することができる。
【００８９】
ところで上記した実施例では、本願発明を原料ガスであるＴｉＣｌ４ガスを光照射により解離し、これにより生成されたＴｉＣｌ３及び／或いはＴｉＣｌ２をウェハＷに吸着させ、これに反応ガスであるＮＨ３を反応させてＴｉＮ膜を形成する例について説明したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、種々の反応ガスについて適用できるものである。
例えば、ＴｉＣｌ４に反応ガスとしてＳｉＨ４を反応させてＴｉ膜またはチタンシリサイド膜を形成する場合、ＴｉＣｌ４に反応ガスとしてＨ２Ｏを反応させてＴｉＯ２膜を形成する場合、ＴｉＣｌ４に反応ガスとしてＯ２を反応させてＴｉＯ２膜を形成する場合等にも適用することができる。
【００９０】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、原料ガス或いは反応ガスに光を照射して励起を行なうため、基板への原料ガスの吸着速度及び原料ガスと反応ガスとの反応速度が速くなり、成膜のスループットを高めることができる。また、原料ガスを基板上に均一に吸着させることができるため、成膜される薄膜の品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である薄膜形成装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例である薄膜形成方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施例である薄膜形成方法を実施した場合のバルブ及び光源の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２実施例である薄膜形成装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例である薄膜形成方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施例である薄膜形成方法を実施した場合のバルブ及び光源の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｃ  ガス供給源
１１〜１４  ガス供給通路
２０Ａ，２０Ｂ  光照射装置
２５Ａ，２５Ｂ  光源
２７  透明配管
３０  処理容器
３３  サセプタ
６０  制御装置
Ｗ  ウェハ
Ｖ１〜Ｖ４  バルブ
【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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