(57)【要約】【課題】成膜工程におけるスループットを改善すると同時に良質な薄膜を低コストで生産する。【解決手段】成膜室８と、前記成膜室８へ原料ガスを供給する原料ガス供給配管２と、前記成膜室８へ反応性ガスを供給する反応性ガス供給配管１と、前記原料ガス及び前記反応性ガスをパージするパージガスを供給するパージガス供給配管３とを備え、前記原料ガスの供給又は反応性ガスの供給とパージとを交互に行うことにより、前記成膜室８内で基板８２上に薄膜を成膜する成膜装置であって、前記原料ガス供給配管２の一部又は全部に設定され、前記原料ガスの非供給時に前記原料ガスを封入し得る、一定容積を有した中間配管２２、及び／又は前記反応性ガス供給配管１の一部又は全部に設定され、前記反応性ガスの非供給時に前記反応性ガスを封入し得る、一定容積を有した中間配管１２を備えていることを特徴とする成膜装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室と、
前記成膜室へ原料ガスを供給する原料ガス供給配管と、
前記成膜室へ反応性ガスを供給する反応性ガス供給配管と、
前記原料ガス及び前記反応性ガスをパージするパージガスを供給するパージガス供給配管とを備え、
前記原料ガスの供給又は反応性ガスの供給とパージとを交互に行うことにより、前記成膜室内で基板上に薄膜を成膜する成膜装置であって、
前記原料ガス供給配管の一部又は全部に設定され、前記原料ガスの非供給時に前記原料ガスを封入し得る、一定容積を有した中間配管、及び／又は
前記反応性ガス供給配管の一部又は全部に設定され、前記反応性ガスの非供給時に前記反応性ガスを封入し得る、一定容積を有した中間配管を備えていることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記中間配管の入口及び出口に開閉バルブを設け、前記中間配管を構成する管体の断面積及び前記各バルブ間の距離により前記中間配管の容積を規定する請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記開閉バルブが三方バルブである請求項２記載の成膜装置。
【請求項４】
前記パージガス供給配管を、前記中間配管が設定されている前記原料ガス供給配管及び／又は反応性ガス供給配管に接続し、前記中間配管に封入された原料ガス及び／又は反応性ガスをパージガスにより押し出すことで前記成膜室へ供給するように構成した請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
前記原料ガス及び／又は反応性ガスの前記成膜室への供給を０．１〜２秒で行う請求項１乃至４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記原料ガス供給配管及び前記反応性ガス供給配管にガスの濃度を調整するための濃度調整手段を接続し、その各濃度調整手段が各々のガスの濃度を成膜する基板面積に対し０．１５×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２以上で供給するように調整した請求項１乃至５のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項７】
前記原料ガス供給配管及び反応性ガス供給配管を前記成膜室に対して各々独立に接続した請求項１乃至６のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項８】
前記成膜室内を２秒以下で、原料ガス及び／又は反応性ガスの濃度が１／１０００以下となるようにパージするようにした請求項１乃至７記載のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項９】
成膜室と、
前記成膜室へ原料ガスを供給する原料ガス供給配管と、
前記成膜室へ反応性ガスを供給する反応性ガス供給配管と、
前記原料ガス及び前記反応性ガスをパージするパージガスを供給するパージガス供給配管とを利用し、
前記原料ガスの供給又は反応性ガスの供給とパージとを交互に行うことにより、前記成膜室内で基板上に薄膜を成膜する成膜方法であって、
前記原料ガス供給配管の一部又は全部に、一定容積を有する中間配管を設定し、前記原料ガスの非供給時に前記中間配管へ前記原料ガスを封入し、及び／又は、
前記反応性ガス供給配管の一部又は全部に、一定容積を有する中間配管を設定し、前記反応性ガスの非供給時に前記中間配管へ前記反応性ガスを封入することを特徴とする成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置などを構成する、金属酸化膜、金属窒化膜、および金属酸窒化膜を成膜するために用いる原子層制御成膜装置
【背景技術】
【０００２】
ALD（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｓｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、絶え間なく物質を流し込むことで連続的に膜を堆積させるCVDに対して、単層をなす物質からなる膜を逐次個別に堆積させる方法であり、厳密に管理された層を堆積させることに優れている。基板の堆積を行う表面を、原料ガスと、原料ガスと反応する反応性ガスとに交互にさらすことにより成膜するが、このステップの間の、異なるガスを導入する前には一旦不活性ガスなどのパージガスによって成膜室内部をガス置換する手順等を要する。
【特許文献１】特開２００１−１５２３３９
【特許文献２】特開２００３−２２６９７０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなガス置換操作により、成膜に要する時間が長くなりスループットが悪化する問題がある。また、パージガスによる成膜室内部のガス置換が不充分である場合、原料ガスの残ガスと反応性ガスの残ガスとが成膜室内部で反応し、パーティクル（気相中での核生成）が発生する。これにより膜質が悪化する問題がある。
【０００４】
そこで本発明は、成膜工程におけるスループットを改善すると同時にパーティクルの発生による膜質の悪化を防ぎ、更にガス量を厳密に管理することにより膜質を向上させ、良質な薄膜を低コストで生産することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
成膜室と、前記成膜室へ原料ガスを供給する原料ガス供給配管と、前記成膜室へ反応性ガスを供給する反応性ガス供給配管と、前記原料ガス及び／又は前記反応性ガスをパージするパージガスを供給するパージガス供給配管とを備え、前記原料ガスの供給又は反応性ガスの供給とパージとを交互に行うことにより、前記成膜室内で基板上に薄膜を成膜する成膜装置であって、前記原料ガス供給配管の一部又は全部に設定され、前記原料ガスの非供給時に前記原料ガスを封入し得る、一定容積を有した中間配管、及び／又は前記反応性ガス供給配管の一部又は全部に設定され、前記反応性ガスの非供給時に前記反応性ガスを封入し得る、一定容積を有した中間配管を備えていることで、原料ガス又は反応性ガスの非供給時に当該ガスの封入を予め行い、成膜に必要なガスの供給に要する時間を短くすることが可能となり、成膜のスループットを大幅に改善させることができる。
【０００６】
具体的には、中間配管は、その入口及び出口に開閉バルブを設けることにより原料ガス又は反応性ガスを封入可能に設定することが好ましく、また、既知である一定容積の中間配管により、配管内のガス量を管理することで膜質の向上が可能となる。
【０００７】
更に中間配管の入口及び出口に設けた開閉バルブが３つのポートを有し、電磁力で高速に駆動する電磁バルブである３方電磁バルブ等の３方バルブであれば、成膜に要する時間を短縮し、成膜のスループットを改善させることができ、また配管内のガスの淀みをなくし、パーティクルの発生を抑えることができる。
【０００８】
パージガス供給配管を、前記中間配管を設定した前記原料ガス供給配管及び／又は反応性ガス供給配管に接続し、前記中間配管に封入された原料ガス及び／又は反応性ガスをパージガスにより押し出すことで前記成膜室へ供給するように構成することで、原料ガス又は反応性ガスのパージ時に中間配管内の原料ガスを成膜室へ残らず導くことが可能であることから、成膜室へ供給される原料ガス又は反応性ガスの量を厳密に管理でき、中間配管の出口からより成膜室側に位置する原料ガス又は反応性ガス供給配管をパージすることで供給配管内でのパーティクルの発生を防ぐことが出来る。また、パージガスの供給開始までに要する時間と、当該中間配管へ封入されたガスの供給に要する時間とを重ねることで見かけの原料ガス又は反応性ガス供給に要する時間を無くし、成膜のスループットを大幅に改善させることができる。
【０００９】
また、前記原料ガス及び／又は反応性ガスの前記成膜室への供給を０．１〜２秒で行うようにしている。すなわち、原料ガス又は反応性ガスを中間配管から、成膜室にパージガスで送り出す場合、中間配管入口と成膜室までのつなぎ部分の配管径および長さ等から求められる容積を、パージガス流量によって、０．１秒〜２秒で置換できるよう調整する。これによって、原料ガス及び／又は反応性ガスを中間配管から短時間でパージすることが可能となり、パーティクルの発生を抑えながら、成膜のスループットを大幅に改善させることができる。
【００１０】
中間配管を設定した前記原料ガス供給配管及び／又は前記反応性ガス供給配管にガスの濃度を調整するための濃度調整手段を接続し、その各濃度調整手段がそれぞれのガスの濃度を成膜する基板面積に対し０．１５×１０−６ｍｏｌ／ｃｍ２以上で供給するように調整することで、高品位な薄膜を短時間で堆積することが出来る。
【００１１】
原料ガス供給配管及び反応性ガス供給配管を成膜室に対して独立に接続することで、配管内部に付着したガス分子の反応を防ぎ、パーティクルの発生を抑えることが出来る。
【００１２】
成膜室内部をパージガスによって置換する場合、２秒以下で原料ガス及び／又は反応性ガスの濃度が１／１０００以下になるように成膜室内部の体積又はパージガスの流量等を調整することによって成膜室内をパージガスで短い時間で完全に置換させることができる。これによって、パーティクルを発生させることなく、成膜のスループットを改善することができるようになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によって、パーティクルの発生しない良質な薄膜を、短時間で成膜することが可能となる。これによって成膜のスループットを改善することができ、成膜による製品群のコストを下げることが可能となる。特に半導体装置において、本発明の成膜装置および方法を用いることで良質なゲート絶縁膜、ゲ−ト電極膜および、キャパシタ絶縁膜を、スループットも非常によく成膜することが可能となり、製品にコストを下げることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本実施形態に係る成膜装置は、成膜室と、前記成膜室へ原料ガスを供給する原料ガス供給配管と、前記成膜室へ反応性ガスを供給する反応性ガス供給配管と、前記原料ガス又は前記反応性ガスをパージするパージガスを供給するパージガス供給配管とを備え、前記原料ガスの供給又は反応性ガスの供給とパージとを交互に行うことにより、前記成膜室内で半導体基板上に薄膜を成膜するものである。
【００１５】
前記原料ガス供給配管の一部に、一定容積を有する中間配管として原料ガス中間配管２２を、前記反応性ガス供給配管の一部に、一定容積を有する中間配管として反応性ガス中間配管１２を設けてある。
【００１６】
ここでは、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）：Ａｌ（ＣＨ３）３を用い、反応性ガス原料にはＨ２Ｏを用い、Ｓｉ基板８２上に薄膜としてＡｌ２Ｏ３膜を堆積し成膜を行う例を示す。またパージガスおよびキャリアガスとしてＡｒガスを用いている。
【００１７】
図１に装置の概略を示す。
【００１８】
本成膜装置はキャリアガスおよびパージガスとしてＡｒガスを送出する３つのマスフローコントローラ（ＭＦＣと略す）ｍ１，ｍ２，ｍ３と、反応性ガス原料６２であるＨ２Ｏを貯えた反応性ガスタンク６と、原料ガス原料７２であるＴＭＡを貯えた原料ガスタンク７と、薄膜を成膜する成膜室８と、各ガスを吸引するため、および成膜室内を減圧に保つためのポンプ９とを備えている。
【００１９】
以下に各部を詳細に示す。
【００２０】
ＭＦＣｍ１，ｍ２，ｍ３はキャリアガス又はパージガスの流量を制御しており、ＭＦＣｍ１は約１８０ｍｌ／ｍｉｎ、ＭＦＣｍ２は約６０ｍｌ／ｍｉｎ、ＭＦＣｍ３は約２００ｍｌ／ｍｉｎで送出するように設定している。
【００２１】
反応性ガスタンク６は、反応性ガス用恒温水槽６１を用いることでＨ２Ｏを約２５度に保温しており、キャリアガスを受け付けて、反応性ガス（Ｈ２Ｏ）を出力するように構成してある。
【００２２】
原料ガスタンク７は、原料ガス用恒温水槽７１を用いることでＴＭＡを約２０度に保温しており、キャリアガスを受け付けて、原料ガス（ＴＭＡ）を出力するように構成してある。
【００２３】
成膜室８は約１０〜０．１Ｔｏｒｒの減圧状態に保たれており、抵抗加熱を行うヒータ８１を備えている。ヒータ８１は、ヒータ８１上に設置されたＳｉ基板８２の表面温度が２５０〜３００度となるように設定してある。
【００２４】
ポンプ９は各ガスの吸引を行うものであり、且つ、成膜室内を減圧に保つためのものである。
【００２５】
各部間の配管について以下に説明する
【００２６】
ＭＦＣｍ１は反応性ガス用キャリアガス供給配管ａを介して反応性ガスタンク６へ接続されており、反応性ガスタンク６は更に反応性ガス供給配管１を介して成膜室８へ接続されている。
【００２７】
ＭＦＣｍ２は原料ガス用キャリアガス供給配管ｂを介して原料ガスタンク７へ接続されており、原料ガスタンク７は更に原料ガス供給配管２を介して成膜室８へ接続されている。
【００２８】
反応性ガス供給配管１と原料ガス供給配管２とは互いに独立に設けた配管であり、各ガスの流路は独立しており、これらの配管内で、各配管１，２内を流通するガスが互いに混ざることはない。
【００２９】
そして成膜室８は排気配管５によりポンプ９と接続されている。
【００３０】
ＭＦＣｍ３にはパージガス供給配管３の入口が取り付けてあり、ポンプ９にはバイパス配管４（バイパスライン）の出口が取り付けられてあり、パージガス供給配管３の出口とバイパスライン４の入口とは開閉動作が可能な開閉バルブ３ｂを介して接続されている。
【００３１】
次に、各配管間の接続について説明つつ、各配管を詳細に説明する。
【００３２】
反応性ガス供給配管１の流路上には２つの、３方へ分岐した分岐バルブである３方バルブ１ｂ１，１ｂ２が設けてあり、反応性ガス供給配管１には一対の開閉可能な前記３方バルブ１ｂ１，１ｂ２で仕切ることによりそれら前記３方バルブ１ｂ１，１ｂ２間に反応性ガス中間配管１２を形成している。反応性ガス中間配管１２の容積は約１５ｍｌである。
【００３３】
反応性ガス供給配管１は、反応性ガス中間配管１２へ反応性ガスを入力する反応性ガス中間配管入力部１１と、反応性ガスを封入可能な反応性ガス中間配管１２と、反応性ガスを成膜室８へ出力する反応性ガス中間配管出力部１３とからなる。
【００３４】
３方バルブはその３つのポートの内の任意の１つのポートを閉止することでガスの送出方向を定めることが可能なものであり、ここでは電磁力で駆動する３方電磁バルブを用いているが、エア駆動タイプのものでもよい。
【００３５】
反応性ガス中間配管１２の入口にある反応性ガス中間配管入口バルブ１ｂ１は反応性ガス中間配管入力部１１と、反応性ガス中間配管１２と、配管間接続を行う反応性ガス用パージガス供給枝配管３ｐ１とに接続されており、反応性ガス用パージガス供給枝配管３ｐ１はパージガス供給配管３へ接続されている。
【００３６】
また、反応性ガス中間配管１２の出口にある反応性ガス中間配管出口バルブ１ｂ２は反応性ガス中間配管１２と、反応性ガス中間配管出力部１３と、配管間接続を行う反応性ガス用バイパス枝配管４ｐ１とに接続されており、反応性ガス用バイパス枝配管４ｐ１はバイパス配管４へ接続されている。
【００３７】
原料ガス供給配管２の流路上には２つの、３方へ分岐した分岐バルブである３方バルブ２ｂ１，２ｂ２が設けてあり、原料ガス供給配管２には一対の開閉可能な前記３方バルブ２ｂ１，２ｂ２で仕切ることによりそれら前記３方バルブ２ｂ１，２ｂ２間に原料ガス中間配管２２を形成している。原料ガス中間配管２２の容積は約５ｍｌである。
【００３８】
原料ガス供給配管２は、原料ガス中間配管２２へ原料ガスを入力する反応性ガス中間配管入力部２１と、原料ガスを封入可能な原料ガス中間配管２２と、原料ガスを成膜室へ出力する原料ガス中間配管出力部２３とからなる。
【００３９】
原料ガス中間配管２２の入口にある原料ガス中間配管入口バルブ２ｂ１は原料ガス中間配管入力部２１と、原料ガス中間配管２２と、配管間接続を行う原料ガス用パージガス供給枝配管３ｐ２とに接続されており、原料ガス用パージガス供給枝配管３ｐ２はパージガス供給配管３へ接続されている。
【００４０】
また、原料ガス中間配管２２の出口にある原料ガス中間配管出口バルブ２ｂ２は原料ガス中間配管２２と、原料ガス中間配管出力部２３と、配管間接続を行う原料ガス用バイパス枝配管４ｐ２とに接続されており、原料ガス用バイパス枝配管４ｐ２はバイパス配管４へ接続されている。
【００４１】
以下に本成膜装置の成膜動作の概略を示す。
【００４２】
原料ガス（ＴＭＡ）及び反応性ガス（Ｈ２Ｏ）はバブリング法などの方法によって気化されてキャリアガスによってそれぞれ原料ガス供給配管２及び反応性ガス供給配管１を経由し成膜室８に供給される。
【００４３】
ガスの供給手段に関して、バルブの動作方法を含めて説明する。
【００４４】
図２にバルブの拡大図を示す。成膜前準備段階では、バルブ１ｂ１，１ｂ２，２ｂ１，２ｂ２，３ｂの各々は以下に示す向きに各ガスを送出している。
【００４５】
開閉バルブ３ｂは開いており、パージガスをバイパス配管４へ送出している。反応性ガス中間配管入口バルブ１ｂ１は反応性ガス用パージガス供給枝配管３ｐ１側ポートを閉じ、反応性ガスを反応性ガス中間配管１２へ送出している。反応性ガス中間配管出口バルブ１ｂ２は反応性ガス中間配管出力部１３側ポートを閉じ、反応性ガスを反応性ガスバイパス枝配管４ｐ１を経てバイパス配管４へ送出している。原料ガス中間配管入口バルブ２ｂ１は原料ガス用パージガス供給枝配管３ｐ２側ポートを閉じ、原料ガスを原料ガス中間配管２２へ送出している。原料ガス中間配管出口バルブ２ｂ２は原料ガス中間配管出力部２３側ポートを閉じ、原料ガスを原料ガス用バイパス枝配管４ｐ２を経てバイパス配管４へ送出している。図２にバルブ１ｂ１，１ｂ２，２ｂ１，２ｂ２，３ｂのガス送出の向きを矢印の方向で示す。
【００４６】
まず、成膜開始において、原料ガス（ＴＭＡ）の供給を行う。
【００４７】
原料ガス中間配管出口バルブ２ｂ２の原料ガス用バイパス枝配管４ｐ２側ポートを閉じ、原料ガスを原料ガス中間配管出力部２３へ送出させ、図３の状態とし、成膜室８へ原料ガス（ＴＭＡ）を供給する。図３の状態は、約０．５秒程度であり、この時間はバルブの動作時間に支配されており、より短くても良い。
【００４８】
そして、原料ガスの基板上への堆積と、原料ガスのパージとを行う。
【００４９】
開閉バルブ３ｂを閉じ、原料ガス中間配管入口バルブ２ｂ１の原料ガス中間配管入力部２１側ポートを閉じ、パージガスを原料ガス中間配管２２へ送出させ、図４の状態のとし、原料ガス中間配管２２内の容積（５ｍｌ）にある、原料ガス（ＴＭＡ）を成膜室８に押し出し、原料ガスを基板上に堆積させ、原料ガス中間配管２２内、原料ガス中間配管出力部２３内および成膜室８内のパージを行う。図４の状態は約５秒程度である。
【００５０】
この、原料ガス（ＴＭＡ）供給開始から成膜室８内のパージ完了までの期間に反応性ガス中間配管１２へ反応性ガスが封入されている。
【００５１】
次に、反応性ガス（Ｈ２Ｏ）の供給を行う。
【００５２】
開閉バルブ３ｂを開き、パージガスをバイパス配管４へ送出し、原料ガス中間配管入口バルブ２ｂ１の原料ガス用パージガス供給枝配管３ｐ２側ポートを閉じ、原料ガスを原料ガス中間配管２２へ送出し、原料ガス中間配管出口バルブ２ｂ２の原料ガス中間配管出力部２３側ポートを閉じ、原料ガスを原料ガス用バイパス枝配管４ｐ２へ送出し、反応性ガス中間配管出口バルブ１ｂ２の反応性ガス用バイパス枝配管４ｐ１側ポートを閉じ、反応性ガス中間配管出力部１３へ反応性ガスを送出することで図５の状態とし、成膜前準備段階時と同様に原料ガスをバイパス配管４へ送出し、成膜室８へ反応性ガス（Ｈ２Ｏ）を供給する。図５の状態は、約０．５秒程度であり、この時間はバルブの動作時間に支配されており、より短くても良い。
【００５３】
そして、反応性ガスによる薄膜の成膜と、反応性ガスのパージとを行う。
【００５４】
開閉バルブ３ｂを閉じ、反応性ガス中間配管入口バルブ１ｂ１の反応性ガス中間配管入力部１１側ポートを閉じ、パージガスを反応性ガス中間配管１２へ送出することで図６の状態とし、反応性ガス中間配管１２内の容積（１５ｍｌ）にある、反応性ガス（Ｈ２Ｏ）を成膜室８に押し出し、基板上に薄膜を成膜し、さらに反応性ガス中間配管１２内、反応性ガス中間配管出力部１３内および成膜室８内のパージを行う。図６の状態は約５秒程度である。
【００５５】
この、反応性ガス（Ｈ２Ｏ）供給開始から成膜室８内のパージ完了までの期間に原料ガス中間配管２２への原料ガスの封入を行う。
【００５６】
これで原料ガス（ＴＭＡ）と反応性ガス（Ｈ２Ｏ）の供給が１サイクル行われたわけであるが、引き続き、図３の状態に戻って繰り返し、原料ガスと反応性ガスを交互に供給して、目的の膜厚まで成膜を行う。
【００５７】
成膜室８に供給されるガスの経時変化のイメージを図７に示す。原料ガス及び反応性ガスの供給時間を極めて短い時間（バルブの開閉速度に律速）にすることが可能となり、これによって成膜速度を非常に速くすることができるようになる。
【００５８】
なお、本実施形態を示す図１では、各中間配管入口バルブ１ｂ１，２ｂ１及び各中間配管出口バルブ１ｂ２，２ｂ２のバルブのタイプが３方バルブである場合を示したが、図８に示す２ポートを有するタイプのバルブを用いても良い。但し、分岐バルブである３方バルブを用いた方が、バルブの接続部分にデットスペースなく、ガスの置換がスムースに行われる。ガスの置換が確実且つスムースに行われることで、パーティクルの発生原因になにくい。また電磁バルブである３方電磁バルブであれば高速駆動が可能であるため、より好ましい。
【００５９】
また、原料ガス中間配管出口バルブ２ｂ２から成膜室８までの間の原料ガス中間配管出力部２３の長さを１００ｍｍとして、内径が３．１ｍｍ、６．３ｍｍ、９．４ｍｍである３つの場合について本実施形態の動作の比較を行った。
【００６０】
このとき、原料ガス中間配管出力部２３の内容積は各々７５４ｍｍ３、３１１６ｍｍ３、６９３６ｍｍ３である。パージガス流量は２００ｍｌ／ｍｉｎであるから原料ガス中間配管出力部２３内部を置換するには、各々０．２秒、０．９３秒、２．１秒間必要と算出できる。この時間は本実施形態で定めた５秒間のパージ時間に対して短いものである。もし反応性ガスが成膜室８に供給されたとき原料ガス中間配管出力部２３の内部はガス置換が不十分であれば、反応性ガス（Ｈ２Ｏ）にさらされるので、原料ガス中間配管出力部２３内部でパーティクル（酸化アルミの粉体）が発生し、基板表面が汚染されてしまう。
【００６１】
図１６に上記の原料ガス供給配管２内径としたときのウエハに付着したパーティクル数を示した。内径が９．４ｍｍである場合には、内径がより小さい３．１ｍｍ又は６．３ｍｍである場合と比較して各径のパーティクルが非常に多く発生していることがわかる。この結果から、本実施形態で定めた約５秒間のパージ時間に対して２．１秒で置換できる原料ガス中間配管出力部２３を用いた場合にも、ガスの温度、粘性などによって、置換が不十分な場合が発生することがわかる。
【００６２】
この問題を避けるため、一般的にはパージガスを流す時間を長くして対応するが、それでは成膜時間が長くなりスループットの向上が期待できない。
【００６３】
そこで、原料ガス中間配管出力部２３内部がパージガスで素早く確実にパージできるようにするため原料ガス中間配管出力部２３の内容積の調整をおこない、パージガスを流す時間を約５秒としたまま、２秒以下の時間でパージガスにより原料ガス中間配管２２及び原料ガス中間配管出力部２３を置換可能とすることで解決した。
【００６４】
また、成膜室８の気圧が０．１Ｔｏｒｒ、１Ｔｏｒｒ、１０Ｔｏｒｒ、２０Ｔｏｒｒである４つの場合について本実施形態の動作の比較を行った。
【００６５】
成膜室８の圧力は先に示したとおり、通常０．１〜１０Ｔｏｒｒで制御される。この圧力の時、成膜室８内はパージガスによって置換される。原料ガス（ＴＭＡ）の濃度の減衰に関して調べた結果を図１０に示す。この結果より成膜室８内のガスパージ時間は２秒以下で原料ガス濃度は１／１０００以下になった。
【００６６】
ガス濃度が１／１０００にならない条件、つまり成膜室８内の圧力が２０Ｔｏｒｒの場合、２秒間でガスの切り替えを行うと、パーティクルが発生し、その量は約８００以上となった。この原因はガスの置換が不十分な状態で反応性ガス（Ｈ２Ｏ）が成膜室８内に供給されるので、成膜室８の気相中で反応してパーティクル（酸化アルミの粉末）が発生することである。
【００６７】
この場合、一般的にはパージガスを流す時間を長くして対応するが、それでは成膜時間が長くなりスループットの向上が期待できない。
【００６８】
そこで、成膜室８内をパージガスで素早く、確実にパージできるようにすることため、パージガスを流す時間を約５秒としたまま、成膜室８内を２秒以下でパージガスによって置換でき、更に、原料ガスのガス濃度が１／１０００以下になるようにすることで解決できることがわかった。
【００６９】
成膜室８のパージに関する具体的な問題の解決には、パージガスの供給を行う必要のある成膜室８内の体積や、成膜室８からの排気を速やかに行うために成膜室８を減圧するポンプ９の能力などが影響するため、ハードを適切に選ぶことが必要となるが、これらのハードを適切に選択し、パージガスによって成膜室８の置換に要する時間が２秒以下とし、原料ガスのガス濃度が１／１０００以下とすると共に、原料ガス中間配管出力部２３のパージ時間を２秒以下とすることで、従来に比べ、成膜工程におけるスループットを大幅に改善すると同時に良質な薄膜を低コストで生産することができる。
【００７０】
なお、本実施形態では、成膜室８の体積を約２Ｌ（２．２Ｌ）、ポンプ９の吸気能力を約２８０ｍ３／ｈｒと設定している。
【００７１】
以上のことは原料ガス供給配管２に関して、記述をしたが、反応性ガス供給配管１においても同じことが言える。
【００７２】
また、図１のように、反応性ガス（Ｈ２Ｏ）および原料ガス（ＴＭＡ）の各供給配管１、２は成膜室８に独立につながっている。図１１のように、例えば原料ガス中間配管出力部２３と反応性ガス中間配管出力部１３とが、接続部を含む成膜室８側の一部分を共有し、各供給配管１，２を途中から共通とした場合には、図１７に示すように、各供給配管１，２を独立とする場合に比べ、多くのパーティクルが発生してしまうことがわかった。その原因は共通になっている配管内部に原料ガス分子が吸着した後、次に反応性ガスが配管内を流れることによって、原料ガス分子と反応性ガスが反応して、金属酸化物など（この場は酸化アルミ粉末、あるいはその中間生成物）が発生して、パーティクルになったためである。また、図１７に示すように、各供給配管１，２を独立とする場合に比べ、膜厚の均一性も悪くなることがわかった。その原因は金属酸化物などの中間生成物が膜中に吸着、堆積し酸化膜などになるためである。
【００７３】
このように、パーティクルが含まれたり膜厚の均一性の悪い金属酸化膜などは膜密度が不十分で欠陥も多く、膜質が悪化してしまう。
【００７４】
よって、反応性ガス及び原料ガスの供給配管１，２は独立に成膜室８につながっている構造がより優れていることがわかった。
【００７５】
原料ガスと反応性ガスは途中で共通した配管を用いることは良くないことはわかったが、異なる種類の原料ガス配管どうしも共通配管を用いない方がよいことがわかっている。
【００７６】
複合酸化膜としてＨｆＡｌＯｘ膜を成膜する時の例として、原料ガスとしてＴＭＡとＴＤＭＡＨ（テトラキスジメチルアミノハフニウム：Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４）とを用い、反応性ガスとしてＨ２Ｏを用いた場合の装置の概略図を図１２（各原料ガス供給配管を独立とした場合）と図１３（各原料ガス供給配管を共通にした場合）に示す。
【００７７】
ＴＭＡとＴＤＭＡＨの原料は互いに反応するので、原料ガス配管を共通にした場合は、パーティクルの発生などが懸念される。原料ガスの化合物の組み合わせを考慮しなくても自由に選択することが出来る、各供給配管が独立して、成膜室につながっている構造の成膜装置の方が良いことがわかった。
【００７８】
先に示した実施形態のもと、１度に供給する反応性ガス（Ｈ２Ｏ）の供給量を変化させてＡｌ２Ｏ３（酸化アルミ）薄膜の成膜を行った。このときの結果を示す。図１４に反応性ガス（Ｈ２Ｏ）の供給量とＡｌ２Ｏ３膜の析出速度の関係を示す。反応性ガス（Ｈ２Ｏ）の供給量の上昇に伴い、析出速度は増加する。約０．１５μｍｏｌ／ｃｍ２以上の供給量では成膜速度は一定になり、飽和した。これよりＨ２Ｏ供給量は０．１５μｍｏｌ／ｃｍ２以上供給することが必要であることがわかった。この反応性ガスの供給量が不足した場合、反応が完全に終了しないことが推測でき、膜中に原料起因の不純物、この場合はＴＭＡの加水分解反応が不十分で膜中にＣＨ３基（メチル基）の主にカーボンが残ってしまい、膜質を劣化させてしまうことが懸念される。
【００７９】
反応性ガスの供給量を変化させた場合を示したが、原料ガスの場合も示す。原料ガスにＴＤＭＡＨを用い、反応性ガスにＨ２Ｏを用いてＨｆＯ２膜（酸化ハフニウム）を成膜する場合で、一度に供給するＴＤＭＡＨのガスの供給量を変化させてＨｆＯ２薄膜の成膜を行った。図１５にその結果を示す。ＴＤＭＡＨのガスの供給量の上昇にともない、析出速度は増加する。約０．２μｍｏｌ／ｃｍ２以上の供給量では成膜速度は一定になり、飽和した。これよりＴＤＭＡＨ供給量は０．２μｍｏｌ／ｃｍ２以上供給することが必要であることがわかった。原料ガスの供給量が不足した場合、原料ガスの供給むらによって膜厚分布が悪くなることが懸念される。
【００８０】
以上のように原料ガス及び反応性ガスの供給量を制御する必要がある。供給量を制御する手段として例えば、各中間配管１２，２２にガスを充填する際に個別のポンプ９１、９２を用いて中間配管１２，２２内部の圧力を調整して供給を行うガスの濃度を制御する方法がある。
【００８１】
その濃度調整手段を備えた成膜装置の具体的な構成を以下に示す。
【００８２】
濃度調整手段としては、図９に示すように、新たに原料ガス用調圧ポンプ９２と反応性ガス用調圧ポンプ９１とを設けたものであり、その各部へ接続する配管として、反応性ガス用調圧ポンプ９１へ接続する反応性ガス用バイパス配管４１と、原料ガス用調圧ポンプ９２へ接続する原料ガス用バイパス配管４２とを設け、その各配管へ接続する配管として、反応性ガス用バイパス配管４１へ接続する反応性ガス用調圧配管４１ｃと、原料ガス用バイパス配管４２へ接続する原料ガス用調圧配管４２ｃとを設けている。
【００８３】
そして、成膜装置へ前記濃度調整手段の接続を行うため、先の実施形態からはバイパス配管４を取り除き、パージガス供給配管３を、反応性ガス用パージガス供給配管３１及び原料ガス用パージガス供給配管３２に分けている。
【００８４】
また、その配管間接続の変更として、まず、反応性ガス用パージガス供給配管３１と、反応性ガス用バイパス配管４１とを開閉バルブ３１ｂを介して接続しており、原料ガス用パージガス供給配管３２と原料ガス用バイパス配管４２配管とを開閉バルブ３２ｂを介して接続しており、次に、各枝配管３１ｐ１，４１ｐ１，３２ｐ２，４２ｐ２の接続の変更として、反応性ガス用パージガス供給枝配管３１ｐ１は、反応性ガス用パージガス供給配管３１と反応性ガス中間配管入口バルブ１ｂ１とに接続し、反応性ガス用バイパス枝配管４１ｐ１は、反応性ガス用バイパス配管４１と反応性ガス中間配管出口バルブ１ｂ２とに接続してあり、原料ガス用パージガス供給枝配管３２ｐ２は、原料ガス用パージガス供給配管３２と原料ガス中間配管入口バルブ２ｂ１とに接続し、原料ガス用バイパス枝配管４２ｐ２は、原料ガス用バイパス配管４２と原料ガス中間配管出口バルブ２ｂ２とに接続してある。
【００８５】
本濃度調整手段を備えた成膜装置を用いて濃度調整を行うには、反応性ガス用調圧配管４１ｃへ反応性ガスを、原料ガス用調圧配管４２ｃへ原料ガスを送出し続けることで、反応性ガス中間配管１２及び原料ガス中間配管２２内の反応性ガス及び原料ガスの封入時に所望の一定の濃度とすることが可能となり、その供給時には成膜室へ至る反応性ガス及び原料ガスの濃度を０．１５μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることが可能となる。
【００８６】
図１８は本発明のスループットと、従来例のスループットとの比較結果を示す表である。表は３種類の薄膜について成膜に要する時間を示しており、Ａｌ２Ｏ３を４０ｃｙｃｌｅ、ＨｆＯ２を４０ｃｙｃｌｅ、ＨｆＡｌＯｘを４０ｃｙｃｌｅ行うのに要する時間を表している。（ｃｙｃｌｅについては図７参照）
【００８７】
表より、従来の技術を用いた成膜装置に比べ、本発明を用いた成膜装置のスループットは大幅に改善されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施形態における成膜装置の概略を示す構成図
【図２】同実施形態における成膜装置の動作状態の一例を表す図
【図３】同実施形態における成膜装置の動作状態の一例を表す図
【図４】同実施形態における成膜装置の動作状態の一例を表す図
【図５】同実施形態における成膜装置の動作状態の一例を表す図
【図６】同実施形態における成膜装置の動作状態の一例を表す図
【図７】成膜室に供給されるガスの経時変化のイメージ図
【図８】２ポートバルブを用いて構成した本発明の別の実施形態の概略を表す構成図
【図９】原料ガス中間配管内及び反応性ガス中間配管内のガス濃度を制御可能とした本発明の別の実施形態の概略を表す構成図
【図１０】成膜室内圧力が０．１〜２０Ｔｏｒｒであるときのパージ時間と残存する原料ガスの濃度の減衰との関係を示すグラフ
【図１１】原料ガス及び反応性ガスの各中間配管出力部の一部を共通とした本発明の別の実施形態の概略を示す構成図
【図１２】複数の原料ガスを用いて成膜を行う場合での、本発明の別の実施形態の概略を示す構成図
【図１３】複数の原料ガスを用いて成膜を行う場合に供給配管の一部を共有する、本発明の別の実施形態の概略を示す構成図
【図１４】反応性ガス（Ｈ２Ｏ）供給量と成膜速度の関係を表すグラフ
【図１５】ＴＤＭＡＨガス供給量と成膜速度の関係を表すグラフ
【図１６】配管長を１００ｍｍとした場合に供給ガス配管の内径とパーティクルの量の関係を示す表
【図１７】供給配管を独立にした場合と共通にした場合の、パーティクルの量及び膜圧の均一性に関する比較結果を示す表
【図１８】本発明を用いた成膜装置のスループットと従来技術を用いた成膜装置のスループットとの比較結果を示す表
【符号の説明】
【００８９】
１…反応性ガス供給配管
１２…中間配管（反応性ガス中間配管）
１ｂ１…反応性ガス中間配管入口バルブ
１ｂ２…反応性ガス中間配管出口バルブ
２…原料ガス供給配管
２２…中間配管（原料ガス中間配管）
２ｂ１…原料ガス中間配管入口バルブ
２ｂ２…原料ガス中間配管出口バルブ
３…パージガス供給配管
８…成膜室
８２…基板
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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