(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ガスを基板上或いは基板に吸着しているＴｉＣｌ４の分子上に吸着させる第１の工程と、反応ガスであるＮＨ３ガスを処理容器３０内に供給し、このＮＨ３とＴｉＣｌ４とを反応させてＴｉＮを成膜する第２の工程とを有し、前記第１の工程と第２の工程を繰り返し実施することによりＴｉＮ薄膜を形成する薄膜の形成方法において、ＴｉＣｌ４ガスが基板上に吸着する前に、還元性を有するＨ２ガスを処理容器３０内に供給し、ＴｉＣｌ４を基板に吸着し易い状態（例えば、ＴｉＣｌ３）に変化させる第３の工程を設ける。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜する薄膜の原料となる元素を含む原料ガスを処理容器内に供給し、基板上または該基板上に既に吸着している原料ガスの分子上に前記原料ガスを吸着させる第１の工程と、
前記原料ガスと反応して薄膜を生成する一種或いは複数種の反応ガスを前記処理容器内に供給し、前記原料ガスと前記反応ガスを反応させて薄膜層を形成する第２の工程とを有し、
前記第１の工程と前記第２の工程を繰り返し実施することにより薄膜を形成する薄膜の形成方法において、
前記原料ガスが、前記基板上に吸着する前に、前記原料ガスを前記基板に吸着し易い状態に変化させる第３の工程を設けた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、
前記第３の工程では、前記原料ガスを活性化することにより、前記原料ガスを前記基板に吸着し易い状態に変化させることを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１記載の薄膜の形成方法において、
前記第３の工程では、還元ガスを用いて前記原料ガスを還元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、
前記原料ガスは、ハロゲン化金属または金属アルコキシドであることを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項５】
請求項３または４記載の薄膜の形成方法において、
前記原料ガスは四塩化チタンであり、前記反応ガスはアンモニアであり、前記還元ガスは水素であることを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項６】
成膜する薄膜の原料となる元素を含む原料ガスを処理容器内に供給する第１の供給手段と、
前記原料ガスと反応して薄膜を生成する一種或いは複数種の反応ガスを前記処理容器内に供給する第２の供給手段とを有し、
前記第１の工程と前記第２の工程を繰り返し実施することにより薄膜を形成する薄膜の形成装置において、
還元ガスを前記処理容器内に供給する第３の供給手段を設け、前記原料ガスが処理容器内に供給される前、または前記原料ガスと共に、該還元ガスが前記処理容器内に供給される構成としたことを特徴とする薄膜の形成装置。
【請求項７】
請求項６に記載の薄膜の形成装置において、
前記原料ガスは、ハロゲン化金属または金属アルコキシドであることを特徴とする薄膜の形成装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の薄膜の形成装置において、
前記原料ガスは四塩化チタンであり、前記反応ガスはアンモニアであり、還元ガスは水素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。
【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、吸着の自己停止機能により基板に吸着した分子以外は排気され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】
【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、原料ガスとしては四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）とアンモニア（ＮＨ３）を用いる。
そして、このＴｉＣｌ４とＮＨ３を、例えば基板温度２５０〜５５０℃，反応時のチャンバ（処理容器）内の全圧を１５〜４００Ｐａ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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【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。
【００１０】
請求項１記載の発明は、
成膜する薄膜の原料となる元素を含む原料ガスを処理容器内に供給し、基板上または該基板上に既に吸着している原料ガスの分子上に前記原料ガスを吸着させる第１の工程と、
前記原料ガスと反応して薄膜を生成する一種或いは複数種の反応ガスを前記処理容器内に供給し、前記原料ガスと前記反応ガスを反応させて薄膜層を形成する第２の工程とを有し、
前記第１の工程と前記第２の工程を繰り返し実施することにより薄膜を形成する薄膜の形成方法において、
前記原料ガスが、前記基板上に吸着する前に、前記原料ガスを前記基板に吸着し易い状態に変化させる第３の工程を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
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、
前記第３の工程では、前記原料ガスを活性化することにより、前記原料ガスを前記基板に吸着し易い状態に変化させることを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１記載の薄膜の形成方法において、
前記第３の工程では、還元ガスを用いて前記原料ガスを還元することを特徴とするものである。
【００１３】
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、
前記原料ガスは、ハロゲン化金属または金属アルコキシドであることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、
請求項４記載の薄膜の形成方法において、
前記原料ガスは四塩化チタンであり、前記反応ガスはアンモニアであり、前記還元ガスは水素であることを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、
成膜する薄膜の原料となる元素を含む原料ガスを処理容器内に供給する第１の供給手段と、
前記原料ガスと反応して薄膜を生成する一種或いは複数種の反応ガスを前記処理容器内に供給する第２の供給手段とを有し、
前記第１の工程と前記第２の工程を繰り返し実施することにより薄膜を形成する薄膜の形成装置において、
還元ガスを前記処理容器内に供給する第３の供給手段を設け、前記原料ガスが処理容器内に供給される前、または前記原料ガスと共に、該還元ガスが前記処理容器内に供給される構成としたことを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、
請求項６に記載の薄膜の形成装置において、
前記原料ガスは、ハロゲン化金属または金属アルコキシドであることを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項８記載の発明は、
請求項７記載の薄膜の形成装置において、
前記原料ガスは四塩化チタンであり、前記反応ガスはアンモニアであり、前記還元ガスは水素であることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の状態】
次に、本発明の実施の状態について図面と共に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一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。同図に示す薄膜形成装置は、大略するとガス供給源１０Ａ〜１０Ｅ、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。
【００２０】
ガス供給源１０Ａ〜１０Ｅは、ガス供給通路１１〜１５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〜１０Ｅは、処理容器３０内で半導体ウェハ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。
【００２１】
本実施例に係る薄膜形成装置は、窒化チタン（ＴｉＮ）を化学気相堆積により成膜するするものである。具体的には、本実施例では原料ガスとなる四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスに、反応ガスとなるアンモニア（ＮＨ３）ガスを反応させることによりＴｉＮ膜を成膜する。また本実施例では、後に詳述するように、還元ガスとして水素（Ｈ２）ガスも処理容器３０に供給する構成としている。
【００２２】
ガス供給源１０Ａは、ガス供給通路１１を介して前記した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。また、ガス供給通路１１は、温度制御が行なわれ、例えば１２０℃に加熱されている。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。
【００２３】
ガス供給源１０Ｂは、ガス供給通路１２を介して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。
【００２４】
更に、ガス供給源１０Ｃは、ガス供給通路１３を介して還元剤としてのＨ２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。Ｈ２ガスの流量は、このバルブＶ３の開閉により制御される。尚、このバルブＶ３の駆動も、後述する制御装置６０により制御される。
【００２５】
ガス供給源１０Ｅ，１０Ｄは、不活性ガスであるヘリウムガス（Ｈｅガス）をキャリアガスとして供給するものである。ガス供給源１０Ｅは、ガス供給通路１５を介してガス供給通路１１に接続されている。
【００２６】
このガス供給通路１５には、制御装置６０により制御されるバルブＶ５が配設されている。また、ガス供給源１０Ｄは、ガス供給通路１４を介してガス供給通路１２に接続されている。このガス供給通路１４には、制御装置６０により制御されるバルブＶ４が配設されている。
【００２７】
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。
【００２８】
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、コンダ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ＡＰＣ（Ａｕｔｏ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）３６が設置されている。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
制御装置６０はコンピュータにより構成されており、前記した各バルブＶ１〜Ｖ５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各バルブＶ１〜Ｖ５を開閉制御し、これにより良質なＴｉＮ膜を生成する。
【００３２】
尚、制御装置６０は、バルブＶ１〜Ｖ５の他にも薄膜形成装置を構成する各種装置（例えば、バルブ３６，真空ポンプ３７等）の制御も実施する。しかしながら以下の説明においては、本願発明の要部となるバルブＶ１〜Ｖ５の制御処理を主に説明するものとする。
【００３３】
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、また図３は本実施例に係る薄膜形成方法を実施した場合の各バルブＶ１〜Ｖ５の開閉タイミングを示すタイミングチャートである。
【００３４】
ＴｉＮ膜を形成するには、先ずステップ１０（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２５０〜５５０℃まで昇温される（ステップ１２）。
【００３５】
続いて、制御装置６０はバルブＶ４，Ｖ５を開弁する。これにより、ガス供給源１０Ｄ，１０Ｅからは、キャリアガスであるＨｅガスが処理容器３０に向け供給される。また、制御装置６０は、真空ポンプ３７の真空排気をバルブ３６で制御しており、これにより処理容器３０内の圧力は例えば全圧力で２００Ｐａとされる（ステップ１４）。
【００３６】
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１６において、制御装置６０はバルブＶ１及びバルブＶ３を開弁する。
【００３７】
これにより、ＴｉＣｌ４ガスは、キャリアガスであるＨｅ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。また、上記のようにバルブＶ１と共にバルブＶ３が開弁するため、還元ガスであるＨ２ガスは、原料ガスであるＴｉＣｌ４ガスと共に処理容器３０に供給される。
【００３８】
この処理容器３０へのＴｉＣｌ４ガス及びＨ２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，Ｖ３を閉弁する（ステップ１８）。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、及びガス供給源１０ＣからＨ２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。尚、上記の処理において、ＴｉＣｌ４の供給量は例えば３０ｓｃｃｍ、Ｈｅの供給量は例えば２００ｓｃｃｍ、Ｈ２の供給量は例えば１００ｓｃｃｍである。
【００３９】
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。
【００４０】
しかしながら本実施例では、原料ガスであるＴｉＣｌ４ガスは、還元ガスであるＨ２ガスと共に処理容器３０に供給される。このため、ＴｉＣｌ４とＨ２は反応し、ＴｉＣｌ４は還元されて下記のように状態を変化させる。
【００４１】
２ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→（ＴｉＣｌ３）＋＋２ＨＣｌ  ……（１）
ＴｉＣｌ４＋Ｈ２→（ＴｉＣｌ２）＋＋＋２ＨＣｌ  ……（２）
このように、ＴｉＣｌ４が還元されることにより、１価のイオンである（ＴｉＣｌ３）＋或いは２価のイオンである（ＴｉＣｌ２）＋＋が形成される。この（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋は、イオン化することにより活性化しているため、ＴｉＣｌ４に比べてウェハＷに対する吸着力は高くなる。
【００４２】
ここで、処理容器３０内におけるＴｉＣｌ４、（ＴｉＣｌ３）＋、及び（ＴｉＣｌ２）＋＋のそれぞれの含有割合に注目する。
従来のように、還元剤（Ｈ２ガス）を供給しない薄膜の形成方法では、熱的な安定性の高くウェハＷに吸着しにくいＴｉＣｌ４が最も多く存在し、これに対してウェハＷに吸着しやすい（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋の含有割合は低い。具体的には、ＴｉＣｌ４、（ＴｉＣｌ３）＋、及び（ＴｉＣｌ２）＋＋のそれぞれの含有割合は［ＴｉＣｌ４］＞［（ＴｉＣｌ３）＋］＞［（ＴｉＣｌ２）＋＋］の順となる。
【００４３】
これに対して本実施例では、ＴｉＣｌ４ガスを還元剤であるＨ２ガスと共に処理容器３０に供給するため、上記の（１）式，（２）式の還元反応が生じ、処理容器３０内にはＴｉＣｌ４に比べてウェハＷへの吸着力の大きい（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋が多量に発生する。具体的には、ＴｉＣｌ４、（ＴｉＣｌ３）＋、及び（ＴｉＣｌ２）＋＋のそれぞれの含有割合は［（ＴｉＣｌ３）＋］＞［（ＴｉＣｌ２）＋＋］＞［ＴｉＣｌ４］の順となる。
【００４４】
このように、本実施例では原料ガスであるＴｉＣｌ４ガスを還元剤であるＨ２ガスと共に処理容器３０に供給したことにより、処理容器３０内にはウェハＷとの吸着力が高い（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋が多量に存在した状態となる。このため、（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋は、ウェハＷの上面全面に短時間で吸着する。
【００４５】
またここで、ＴｉＣｌ４、（ＴｉＣｌ３）＋、及び（ＴｉＣｌ２）＋＋のそれぞれの１分子あたりの体積に注目する。ＴｉＣｌ４はＴｉ原子の回りに４個のＣｌ原子が付いた構成であり、これに対して（ＴｉＣｌ３）＋はＴｉＣｌ４から塩素原子１個が離脱し、また（ＴｉＣｌ２）＋＋はＴｉＣｌ４から塩素原子２個が離脱した構成である。このため、各分子の体積は、ＴｉＣｌ４が最も大きく、（ＴｉＣｌ３）＋，（ＴｉＣｌ２）＋＋の順で小さくなる。
【００４６】
従来では、ウェハＷへ吸着する大部分が体積の大きいＴｉＣｌ４であったため、ウェハＷに吸着するＴｉＣｌ４の数（即ち、Ｔｉ原子の数）が少なくなる。これに対し、本願発明では、ＴｉＣｌ４に対して体積の小さい（ＴｉＣｌ３）＋或いは（ＴｉＣｌ２）＋＋が多量にウェハＷに吸着するため分子の吸着密度が高くなり、従来に比べてウェハＷに吸着する（ＴｉＣｌ３）＋，（ＴｉＣｌ２）＋＋の数（即ち、Ｔｉ原子の数）が多くなる。
【００４７】
図４は、本実施例におけるＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｎｅｒ，Ｅｍｍｅｔｔ，Ｔｅｌｌｅｒ）の吸着等温線を示している。同図において、横軸は処理容器３０内の圧力であり、縦軸はウェハＷに吸着された被吸着物（ＴｉＣｌ４、（ＴｉＣｌ３）＋、及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）の吸着量を示している。また同図において、実線で示す特性は本実施例であるＴｉＣｌ４ガスと共にＨ２ガスを処理容器３０に供給したときの特性であり、一点鎖線で示す特性は従来のＴｉＣｌ４ガスのみを処理容器３０に供給したときの特性である。更に、同図に示す吸着量αは、ウェハＷの全面に被吸着物が吸着されるときの吸着量である。
【００４８】
同図より、本実施例における吸着量αの範囲（図中矢印Ａで示す範囲）は、従来における吸着量αの範囲（図中矢印Ｂに示す範囲）に比べて広くなっている（Ａ＞Ｂ）ことが判る。これは、本実施例ではＴｉＣｌ４に対してウェハＷへの吸着力の大きい（ＴｉＣｌ３）＋，（ＴｉＣｌ２）＋＋が多量にウェハＷに吸着するため、処理容器３０内の圧力が変動しても、広い範囲の圧力で良好に吸着が行なわれることによる。
【００４９】
このように、本実施例では広い範囲の圧力で良好な吸着処理が行なえるため、均一な成膜処理を行なうことが可能となる。以下、この理由について説明する。
図１に示したように処理容器３０内には種々の構成物が存在している。また、シャワーヘッド２０から処理容器３０に供給される各種ガスの流速は、均一となるよう調整はされているものの、実際はウェハＷ上で分布が発生してしまう。これらの理由等により、ウェハＷ上で均一とすることは困難で、必然的に圧力分布が発生してしまう。
【００５０】
従来のように、良好な吸着を行ないうる範囲Ｂが狭い場合、ウェハＷ上の各所で圧力差に起因して吸着量に差が発生してしまう。具体的には、ウェハＷ上で吸着ムラが発生し、ウェハＷ上のある部位では被吸着物（ＴｉＣｌ４、（ＴｉＣｌ３）＋、及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）が良好に吸着されているが、他の部位では被吸着物が良好に吸着されていないという現象が発生してしまう。このような吸着ムラか発生すると、所望するＴｉＮ膜が良好に成膜されないことは明白である。
【００５１】
これに対し、本実施例では良好な吸着を行ないうる範囲Ａが広いため、ウェハＷ上において圧力差が発生していたとしても吸着量に差が生じることを抑制することができる。このため、被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋、及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）は、多少の圧力差（範囲Ａ内の圧力差）が存在しても、これに拘わることなく均一にウェハＷ上に吸着する。よって、本実施例によれば、ウェハＷ上に均一な成膜処理を行なうことが可能となる。
【００５２】
ここで、再び図２に戻り説明を続ける。ステップ１６及びステップ１８の処理によりウェハＷ上に被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）が短時間でかつ均一に吸着されると、続いて制御装置６０はバルブ３６の開弁度を増大し、真空ポンプ４２による真空吸引力を増大させる。
【００５３】
これにより、処理容器３０内に残存している未吸着のＴｉＣｌ４ガス及び還元剤であるＨ２ガスは処理容器３０から排出される（ステップ２０）。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は再びバルブ３６を元の開弁度に戻す。
【００５４】
ステップ２０の排気処理が終了すると、続いて制御装置６０はバルブＶ２を開弁する。これにより、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２２）。
【００５５】
この際、ステップ１６，１８の処理により、ウェハＷ上に均一な被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）が吸着している。また、ステップ２０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。このため、ウェハＷに吸着された被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）は、ＮＨ３ガスと速やかに反応（窒化）する。
【００５６】
この処理容器３０へのＮＨ３ガスの供給は、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。この際、ＮＨ３の供給量は例えば８００ｓｃｃｍで、Ｈｅの供給量は２００ｓｃｃｍである。
この時間において、ウェハＷの表面に吸着している被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）は、供給されたＮＨ３ガスと反応してＴｉＮ膜が生成される。この際、成膜されるＴｉＮ膜は、ステップ１６，１８で吸着した被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）が窒化されることにより形成される薄膜であるため、原子／分子レベルの薄膜となる。
【００５７】
続いて、制御装置６０はバルブ３６の開弁度を増大し、真空ポンプ４２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２６）。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は再びバルブ３６を元の開弁度に戻す。
【００５８】
続いて、制御装置６０はステップ２８により再び処理をステップ１６に戻し、以後ステップ１６〜ステップ２６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１６，１８の処理では、下層となるＴｉＮ膜上に被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）が吸着される。
【００５９】
この２回目以降のステップ１６，１８の処理においても、原料ガスとなるＴｉＣｌ４は還元剤であるＨ２と共に処理容器３０に供給されるため、２回目以降の吸着時においても、ＴｉＣｌ４に比べて吸着力が大きいと共に体積が小さい（ＴｉＣｌ３）＋と（ＴｉＣｌ２）＋＋が主な被吸着物となる。
【００６０】
このため、ＴｉＣｌ４の吸着に比べ、被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）の吸着密度が高くなると共に吸着速度が速くなる。よって、２回目以降においても被吸着物（主に（ＴｉＣｌ３）＋及び（ＴｉＣｌ２）＋＋）は、ウェハＷ上（具体的には、下層となるＴｉＮ膜上）に速やかにかつ均一に吸着される。
【００６１】
上記のステップ１６〜ステップ２６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３０に進む。制御装置６０は、このステップ３０においてバルブＶ４，Ｖ５を閉弁し、ガス供給源１０Ｄ，１０Ｅから処理容器３０へのＨｅガス（キャリアガス）の供給を停止する。
【００６２】
その後、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。
【００６３】
ここで、上記のように形成されたＴｉＮ膜の成長速度、及びＴｉＮ膜の表面均一性１σを測定した結果を図５に示す。ＴｉＮ膜の成長速度は、上記したステップ１６〜ステップ２６の処理１サイクル（ｃｙｃｌｅ）とした場合、この１サイクルで成膜されるＴｉＮ膜の膜厚で示している。よって、ＴｉＮ膜の成長速度の単位は、［ｎｍ／ｃｙｃｌｅ］となる。
【００６４】
また、ＴｉＮ膜の膜厚均一性は、標準偏差（単位；パーセント）で示している。具体的には、成膜された直径２００ｍｍのウェハＷ上のＴｉＮ膜を複数の点で膜厚を測定し、平均膜厚からの偏差の平方を各測定点において求め、この各点の値の加算値を測定数で除算し、その平方根を取った値である。よって、膜厚均一性１σは、その値が小さいほど均一性が良好となる。
【００６５】
尚、図５では比較例として、本実施例の特徴となる還元剤（Ｈ２ガス）に代えて、Ｎ２ガス，Ａｒガス，Ｈｅガスの各ガスを供給したときのＴｉＮ膜の成長速度及び膜厚均一性１σも合わせて示している。
【００６６】
先ず、ＴｉＮ膜の成長速度に注目すると、本実施例に係る還元剤（Ｈ２ガス）をＴｉＣｌ４と共に処理容器３０に供給する方法が、最も成長速度がはやいことが判る。また、ＴｉＮ膜の膜厚均一性１σに注目すると、本実施例に係る還元剤（Ｈ２ガス）をＴｉＣｌ４と共に処理容器３０に供給する方法が最も値が小さく、よって均一な厚さを有する膜であることが判る。図５に示す結果より、本実施例に係る薄膜の形成方法によれば、均一な膜厚の薄膜を迅速に形成できることが証明された。
【００６７】
ところで上記した実施例では、本願発明をＴｉＣｌ４（原料ガス）とＮＨ３（反応ガス）とを反応させてＴｉＮ膜を形成する方法に適用した例について説明した。しかしながら、本願発明の適用はこれに限定されるものではなく、種々の薄膜形成に適用可能なものである。また、本実施例ではキャリアガスとしてＨｅを使用したが、Ａｒ，Ｎ２を用いることもできる。更に、本実施例では図２のステップ２０及びステップ２６の排気処理では、Ｈｅの供給を停止して真空引きを行なう構成としてもよい。
【００６８】
図６は、本願発明が適用可能な原料ガス，反応ガス，還元剤の組み合わせを示している。同図に示されるように、原料ガスとしてはハロゲン化金属．金属アルコキシド等を用いることができる。また、成膜される膜種としては、ＴｉＮ膜、ＴａＮ膜、ＷＮ膜、Ｔｉ膜、Ｔａ膜、ＴａＣＮ膜、Ｗ膜、ＳｉＮ膜、及びＢＮ膜等の多種の成膜に広く適用できるものである。
【００６９】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、原料ガスが基板上に吸着する前に、この原料ガスを基板に吸着し易い状態に変化させるため、基板への原料ガスの吸着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と共に、原料ガスの吸着密度が高くなることにより均一な成膜を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である薄膜形成装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一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】本発明の一実施例である薄膜形成方法を実施した場合のバルブの開閉タイミングを示すタイミングチャートである。
【図４】処理容器内の圧力と、基板へのＴｉＣｌ４の吸着量との関係を示す図である。
【図５】本発明の効果を説明するための図である。
【図６】本発明の適用例を示す図である。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｅ  ガス供給源
１１〜１５  ガス供給通路
３０  処理容器
３３  サセプタ
３６  ＡＰＣ
３７  ターボ分子ポンプ
３５  ステージヒーター
６０  制御装置
Ｗ  ウェハ
Ｖ１〜Ｖ５  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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