(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバに接続され、前記チャンバ内に複数種のガスを交互に供給するガス供給手段と、
前記チャンバに接続され、前記チャンバ内を所定の真空圧力まで排気する第１排気手段と、
前記第１排気手段の排気側に接続され、前記チャンバ内を前記第１排気手段が動作可能な圧力まで排気する第２排気手段と、
前記チャンバから排気され、前記第１排気手段と前記第２排気手段との間に流れる前記ガスの量を測定する測定手段と、
前記測定手段に接続され、前記排気ガス中の前記複数のガスのうちの一種のガスの量に基づいて、前記ガス供給手段による前記複数のガスのうちの他種のガスの供給を制御する制御手段と、
を備える、ことを特徴とする処理装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記排気ガス中の前記複数のガスのうちの一種のガスの量が、所定量まで減少したときに、前記チャンバ内への前記複数のガスのうちの他種のガスの供給を開始する、ことを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
【請求項３】
前記第１排気手段は、前記チャンバに第１排気管を介して接続され、
前記第２排気手段は、前記第１排気手段の排気側に、前記第１排気管よりも小径の第２排気管を介して接続される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の処理装置。
【請求項４】
さらに、前記第２排気管に接続され、前記第２排気管を流れる前記排気ガスが流れる測定管を備え、前記測定手段は前記測定管を流れる前記ガスの量を測定する、ことを特徴とする請求項３に記載の処理装置。
【請求項５】
内部で被処理体に所定の処理を行うチャンバと、前記チャンバに接続され前記チャンバ内に複数種のガスを交互に供給するガス供給手段と、前記チャンバに接続され、前記チャンバ内を所定の真空圧力まで排気する第１排気手段と、前記第１排気手段の排気側に接続され、前記チャンバ内を前記第１排気手段が動作可能な圧力まで排気する第２排気手段と、を備えた処理装置の処理方法であって、
前記チャンバから排気され、前記第１排気手段と前記第２排気手段との間に流れる排気ガス中の前記複数のガスのうちの一種のガスの量に関する情報を取得する情報取得工程と、
前記情報に基づいて前記ガス供給手段によって前記複数のガスのうちの他種のガスの供給を制御するガス供給制御工程と、
を備えることを特徴とする処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ等の被処理体に、成膜処理などの所定の処理を施す処理装置および処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体集積回路の微細化、高集積化が進行した結果、基板等の基板表面に形成される配線溝等のパターンの微細化が進行している。これにより、配線金属の下地膜として薄膜を形成する場合など、微細な配線溝内に極めて薄い膜を均一に、良好なカバレッジで形成することが求められる。このため、近年、微細な溝内にも、良好な膜質で、原子層レベルの膜を形成可能な方法として、原子層堆積法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）と呼ばれる方法が開発されている。
【０００３】
ＡＬＤは、例えば、以下のような工程から構成される。以下に示す例では、配線パターン（配線溝）が形成された基板の表面に、四塩化チタンガスおよびアンモニアガスを用いて、窒化チタンからなる下地膜を形成する場合について説明する。
【０００４】
まず、チャンバ内に基板を収容し、チャンバ内を真空引きする。続いて、チャンバ内に四塩化チタンガスを所定時間導入する。これにより、基板の表面に四塩化チタン分子が多層に吸着する。その後、チャンバ内を不活性ガスでパージし、これにより、基板表面に吸着したほぼ１層分の四塩化チタン分子を除いて、チャンバ内から四塩化チタンを除去する。
【０００５】
パージ後、チャンバ内にアンモニアガスを所定時間導入する。これにより、基板の表面に吸着した四塩化チタン分子とアンモニア分子とが反応して、基板の表面にほぼ１原子層分の窒化チタン層が形成される。このとき、形成された窒化チタン層の上には、アンモニア分子が多層に吸着している。その後、チャンバ内を不活性ガスでパージし、窒化チタン層上に吸着したほぼ１層分のアンモニア分子を除いて、チャンバ内からアンモニア分子を除去する。
【０００６】
続いて、再び、四塩化チタンガスをチャンバ内に所定時間導入する。これにより、吸着したアンモニア分子と四塩化チタンとが反応して新たな窒化チタン層が形成される。すなわち、この状態ではほぼ２原子層の窒化チタン層が形成されていることになる。
【０００７】
また、このとき、窒化チタン層上には四塩化チタン分子が多層に吸着している。その後、チャンバ内を不活性ガスでパージすることにより、窒化チタン層上にほぼ１層分の四塩化チタンが吸着した状態となる。その後、上記のように、アンモニアガスの導入、パージ、四塩化チタンガスの導入、パージ、…、というように、チャンバ内の雰囲気を切り替え、所定原子層分、すなわち、所定厚さの窒化チタン層を形成する。例えば、チャンバ内のガス雰囲気を数十〜数百回切り替えることにより、数ｎｍ〜数十ｎｍの窒化チタン膜を形成することができる。なお、不活性ガスによるパージの代わりに、真空排気を行っても良い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＡＬＤにおいて、チャンバ内へのガスの供給および停止の切り換えは、チャンバ内の実際の状態にかかわらず、実験等により求めた所定時間毎に行われる。このため、種々の条件の違いから、この所定時間内にチャンバ内のガスが実際に十分に切り換えられない場合、気相中で四塩化チタンとアンモニアとが反応してしまう。このような気相反応は、ウェハ上に形成される膜の品質を低下させる。従って、チャンバ内の実際の状態を示す情報に基づいてガス供給を制御することが望ましい。
【０００９】
チャンバ内の状態に関する情報に基づいてプロセスを制御する方法として、チャンバを真空引きする排気ラインに、排気ガスから所定の情報、例えば、所定物質の濃度に関する情報を取得する測定装置を設ける方法がある。例えば、特開平9-134912号公報には、排気ガス中の所定物質の濃度を検出し、チャンバ内の所定物質の濃度が一定となるように制御する半導体製造装置が開示されている。
【００１０】
ここで、排気ラインは、チャンバに接続されたターボ分子ポンプ等の主ポンプと、主ポンプに接続されたドライポンプ等の副ポンプ（あらびきポンプ）と、を備える。副ポンプはチャンバ内を主ポンプが動作可能な中程度の真空状態まで減圧し、その後、主ポンプが高真空状態まで減圧する。上記した排気ガスから所定情報を取得する構成では、測定装置は排気ラインのＴＭＰの給気側に設けられる。
【００１１】
しかし、ＴＭＰの給気側は、チャンバとほぼ同様の低圧状態にあり、排気ガス中の物質濃度は低い。また、ＴＭＰの排気容量から、チャンバとＴＭＰとを接続する管は比較的大径であり、管内における濃度のばらつきが比較的大きい。このため、例えば、物質濃度を測定する場合には、十分に高い測定感度が得られず、また、検出位置によっては測定値がばらつき、信頼性の高い情報が得られないおそれがある。このような場合、特に、原子層レベルの緻密な膜を形成するＡＬＤでは、膜質が低下するなど、処理の信頼性が低下する。
【００１２】
また、ＡＬＤに限らず、成膜、エッチング等の他の処理を行う処理装置についても同様のことがいえる。すなわち、特開平6-120149号公報等に記載されているような、排気ラインにパーティクルを検出するパーティクルモニタ装置を配置し、排気中のパーティクル量をモニタする構成において、管が比較的大径であることから、排気ガス中のパーティクル分布のばらつきが大きく、信頼性の高いパーティクル量の検出ができず、処理の高い信頼性が得られないおそれがある。
【００１３】
このように、従来の排気ガスから所定の情報を取得し、取得した情報に基づいてプロセスを制御する処理装置は、低圧であり配管径の大きい、主ポンプの給気側で情報を取得するため、十分に信頼性の高い情報が得られず、精度の高いプロセス制御が行われないおそれがあった。
【００１４】
上記事情を鑑みて、本発明は、チャンバの排気ガスから所定の情報を取得し、取得した情報に基づいて、精度の高いプロセス制御を行うことができる処理装置および処理方法を提供することを目的とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る処理装置は、
チャンバと、
前記チャンバに接続され、前記チャンバ内に複数種のガスを交互に供給するガス供給手段と、
前記チャンバに接続され、前記チャンバ内を所定の真空圧力まで排気する第１排気手段と、
前記第１排気手段の排気側に接続され、前記チャンバ内を前記第１排気手段が動作可能な圧力まで排気する第２排気手段と、
前記チャンバから排気され、前記第１排気手段と前記第２排気手段との間に流れる前記ガスの量を測定する測定手段と、
前記測定手段に接続され、前記排気ガス中の前記複数のガスのうちの一種のガスの量に基づいて、前記ガス供給手段による前記複数のガスのうちの他種のガスの供給を制御する制御手段と、
を備える、ことを特徴とする。
【００１６】
前記制御手段は、前記排気ガス中の前記複数のガスのうちの一種のガスの量が、所定量まで減少したときに、前記チャンバ内への前記複数のガスのうちの他種のガスの供給を開始してもよい。
【００１７】
前記第１排気手段は、前記チャンバに第１排気管を介して接続され、
前記第２排気手段は、前記第１排気手段の排気側に、前記第１排気管よりも小径の第２排気管を介して接続されてもよい。
【００２０】
上記処理装置は、さらに、前記第２排気管に接続され、前記第２排気管を流れる前記排気ガスが流れる測定管を備えてもよく、前記測定手段は前記測定管を流れる前記ガスの量を測定してもよい。
【００２８】
上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る処理方法は、
内部で被処理体に所定の処理を行うチャンバと、前記チャンバに接続され前記チャンバ内に複数種のガスを交互に供給するガス供給手段と、前記チャンバに接続され、前記チャンバ内を所定の真空圧力まで排気する第１排気手段と、前記第１排気手段の排気側に接続され、前記チャンバ内を前記第１排気手段が動作可能な圧力まで排気する第２排気手段と、を備えた処理装置の処理方法であって、
前記チャンバから排気され、前記第１排気手段と前記第２排気手段との間に流れる排気ガス中の前記複数のガスのうちの一種のガスの量に関する情報を取得する情報取得工程と、
前記情報に基づいて前記ガス供給手段によって前記複数のガスのうちの他種のガスの供給を制御するガス供給制御工程と、
を備える、ことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態にかかる処理装置について、以下図面を参照して説明する。第１の実施の形態では、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスとを真空排気を挟んでチャンバ内に交互に供給して、半導体ウェハ（以下、ウェハ）の表面に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を、いわゆる原子層成膜法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）を用いて成膜する処理装置を例として説明する。
【００３１】
図１に、本実施の形態にかかる処理装置１１の構成を示す。
図１に示すように、処理装置１１は、制御装置１２と、チャンバ１３と、ガス供給ライン１４と、排気ライン１５と、を備える。
【００３２】
制御装置１２は、後述する、成膜処理に関する処理装置１１全体の動作を制御する。なお、理解を容易にするため、制御装置１２の動作の詳細については省略する。
【００３３】
チャンバ１３は、真空引き可能に構成され、その内部に被処理体であるウェハが収容される。チャンバ１３の内部において、ウェハに後述するＡＬＤ処理が施され、ＴｉＮ膜が形成される。
【００３４】
ガス供給ライン１４は、ＴｉＣｌ４源１６と、ＮＨ３源１７と、２つのアルゴン（Ａｒ）源１８，１９と、を備え、各ガス源１６，１７，１８，１９は、チャンバ１３にＭＦＣ（Mass Flow Controller）等の流量制御装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄと、バルブ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと、を介してそれぞれ接続されている。ガス供給ライン１４から、チャンバ１３内にＴｉＣｌ４ガスおよびＮＨ３ガスが、Ａｒガスにより希釈されて供給される。
【００３５】
排気ライン１５は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）２２と、ドライポンプ（ＤＰ）２３と、測定部２４と、を備える。排気ライン１５はチャンバ１３に接続され、排気ライン１５を介してチャンバ１３は排気され、所定の圧力状態まで減圧される。
【００３６】
ＴＭＰ２２は、チャンバ１３と第１の排気管２５を介して接続されている。第１の排気管２５には、可変流量バルブ２６と、バルブ２７と、がチャンバ１３側から順に設けられている。ＴＭＰ２２は、チャンバ１３内を高真空状態に減圧する。また、可変流量バルブ２６は、チャンバ１３内を所定の高真空状態に保持する。第１の排気管２５は、ＴＭＰ２２の排気速度、長さ等から、例えば、５０ｍｍ程度の内径とされている。なお、ＴＭＰ２２の代わりにメカニカルドラッグポンプ等の他の高真空形成用のポンプを用いてもよい。
【００３７】
ドライポンプ２３は、ＴＭＰ２２の排気側に第２の排気管２８によって接続されている。ＴＭＰ２２とドライポンプ２３との間には、バルブ２９が設けられている。ドライポンプ２３は、あらびきポンプとして機能し、チャンバ１３内をＴＭＰ２２が作動可能な圧力とする。ドライポンプ２３の排気側は、図示しない除害装置に接続されており、排気ライン１５を通過した排気ガスは無害化されて大気に放出される。
【００３８】
第２の排気管２８は、ドライポンプ２３の排気速度、長さ等から、例えば、４０ｍｍ程度の内径とされている。ここで、ドライポンプ２３はＴＭＰ２２よりも排気容量が小さく、従って、第２の排気管２８は第１の排気管２５よりも小径となる。
【００３９】
測定部２４は、その両端が第２の排気管２８に接続されたバイパス管３０の途中に設けられている。バイパス管３０の両端は、バルブの給気側に接続されている。バイパス管３０は、第２の排気管２８とほぼ同一の内径を有する。なお、バイパス管３０の両端にバルブを設けてもよい。
【００４０】
測定部２４は、バイパス管３０を通る排気ガス中のＴｉＣｌ４ガスの分圧と、ＮＨ３ガスの分圧と、を測定し、モニタしている。測定部２４の構成を図２に示す。測定部２４は、いわゆるＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光装置）の構成を有し、図２に示すように、本体部３１と、検出部３２と、から構成されている。
【００４１】
本体部３１は、赤外光を出射する光源３３と、出射された光の光路上に配置されて所定方向に反射する反射鏡３４と、反射鏡３４によって反射された光の光路上に配置された干渉計３５と、制御装置１２に接続された演算部３６と、から構成されている。
【００４２】
干渉計３５は、反射鏡３４で反射された光が導かれ、この光を複数の光に分岐するビームスプリッタ３７と、ビームスプリッタ３７で分岐された光のそれぞれの光路上に配置されている固定鏡３８および移動鏡３９と、移動鏡３９を駆動する駆動機構４０と、から構成される。また、駆動機構４０は演算部３６に接続されている。
【００４３】
検出部３２は、バイパス管３０を介した本体部３１の反対側に配置されている。バイパス管３０の管壁には、石英等からなる窓部３０ａが設けられ、本体部３１から出射された光が窓部３０ａを介してバイパス管３０を通過する構成となっている。検出部３２は、バイパス管３０を通過した光の光路上に配置され、この光を所定方向に反射する反射鏡４１と、反射鏡４１から反射された光を受光する検出器４２と、から構成されている。検出器４２は、本体部３１の演算部３６に接続されている。
【００４４】
上記構成の測定部２４は、以下のように排気ガス中の所定物質、すなわち、ＴｉＣｌ４およびＮＨ３の分圧を測定する。演算部３６は、光源３３から赤外光が出射された状態で、駆動機構４０により移動鏡３９を動かす。これにより、移動鏡３９に入反射する光と、固定鏡３８に入反射する光と、の光路差が変化し、２つの鏡３９，４０で反射されてビームスプリッタ３７で再び合成された合成光は互いに干渉しあい、時間的に強度が変化する。この合成光が窓部３０ａを介してバイパス管３０内を通過する。バイパス管３０を通過した光は反射鏡４１で集光され、検出器４２に導かれる。
【００４５】
検出器４２は、受光した光の光強度データを演算部３６に送出する。演算部３６は、検出器４２が検出した光強度の時間変化（インターフェログラム）をフーリエ変換し、赤外吸収スペクトルを得る。演算部３６は、得られた赤外吸収スペクトルから、バイパス管３０を通過する排気ガス中の所定物質の分圧を算出する。演算部３６は、この分圧の時間変化をモニタしており、分圧が所定値に達すると、制御装置１２にその旨を示す信号を送出する。制御装置１２は、受け取った信号に基づいて、ガス供給ライン１４からのチャンバ１３内へのガス供給の制御を行う。
【００４６】
上記のように、測定部２４はＴＭＰ２２の排気側に配置されており、排気ガス中のＴｉＣｌ４およびＮＨ３の分圧の測定は、ＴＭＰ２２の排気側で行われる。ここで、ＴＭＰ２２の排気側は給気側よりも高圧であり、排気ガス中の物質濃度（分圧）は比較的高い。このため、ＴＭＰ２２の給気側で測定する場合よりも高い測定感度が得られ、信頼性の高い情報（分圧データ）が得られる。
【００４７】
また、バイパス管３０は第２の排気管２８と同径であり、第１の排気管２５よりも小径である。このため、バイパス管３０内での物質分布のばらつきは、ＴＭＰ２２の給気側で測定する場合よりも小さく、光学的な測定によっても測定値のばらつきの小さい、信頼性の高い情報が取得される。
【００４８】
このように、ＴＭＰ２２の排気側に設けられた測定部２４から得られる、信頼性の高い情報に基づいて、制御装置１２は、チャンバ１３内のガスの切り換え等のプロセスを高い精度で制御することができる。また、排気時間を最適化して、スループットの向上を図ることができる。
【００４９】
以下、第１の実施の形態の処理装置１１の動作について、図３を参照して説明する。なお、図３に示すフローは一例であり、同様の結果物が得られるものであれば、いかなる構成であってもよい。
【００５０】
まず、制御装置１２は、チャンバ１３内にウェハを搬入する（ステップＳ１１）。その後、ドライポンプ２３により、チャンバ１３内を所定の圧力まで減圧し、さらに、ＴＭＰ２２により高真空状態、例えば、４×１０２Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）まで減圧し、維持する（ステップＳ１２）。
【００５１】
次いで、処理装置１１は、バルブ２１ａ，２１ｃを開放してＴｉＣｌ４ガスおよびＡｒガスの供給を開始する（ステップＳ１３）。ここで、ＴｉＣｌ４ガスおよびＡｒガスは、例えば、ＴｉＣｌ４／Ａｒ＝３０ｓｃｃｍ／１０００ｓｃｃｍの流量で供給される。チャンバ１３内へのガスの供給は、所定時間、例えば、０．５秒間行う。ＴｉＣｌ４ガスの供給により、ウェハの表面には、ＴｉＣｌ４分子が多層に吸着する。
【００５２】
制御装置１２は、その後、バルブ２１ａ，２１ｃを閉鎖し、ＴｉＣｌ４ガスおよびＡｒガスの供給を停止する。ガス供給の停止後、チャンバ１３内は排気され、チャンバ１３内のＴｉＣｌ４ガスは除去される（ステップＳ１４）。このとき、排気は、チャンバ１３内のＴｉＣｌ４分圧が十分に低くなるまで行われ、例えば、排気ガス中のＴｉＣｌ４の分圧が、例えば、１０−１Ｐａ（１０−３Ｔｏｒｒ）未満となるまで行われる。チャンバ１３内の排気は、ウェハの表面に吸着したほぼ１層分のＴｉＣｌ４分子を除いてチャンバ１３内からＴｉＣｌ４分子が除去され、ＴｉＣｌ４が、後に供給されるＮＨ３と気相中で反応しない濃度となるまで行われる（ステップＳ１５）。
【００５３】
ここで、測定部２４は、処理の開始時点から常に排気中の物質分圧をモニタしている。測定部２４がモニタしている排気中のＴｉＣｌ４分圧およびＮＨ３分圧の変化プロファイルを、図４に概略的に示す。
【００５４】
図４に示すように、チャンバ１３内にＴｉＣｌ４ガスが所定時間（τ１）供給された後、排気ガス中のＴｉＣｌ４分圧は、次第に減少する。測定部２４は、例えば、排気ガス中のＴｉＣｌ４分圧が、所定の分圧（Ｄ１）まで減少した時点（ガスの供給停止からτ２時間後）で、制御装置１２にチャンバ１３内の排気が終了したことを示す信号を送出する。
【００５５】
測定部２４から上記信号を受け取ると、制御装置１２は、バルブ２１ｂ，２１ｄを開放してＮＨ３ガスおよびＡｒガスの供給を開始する（図３、ステップＳ１６）。ここで、ＮＨ３ガスおよびＡｒガスは、例えば、ＮＨ３／Ａｒ＝１０００ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍの流量で供給される。チャンバ１３内へのガスの供給は、所定時間、例えば、０．５秒間行う。このとき、ＮＨ３分子はウェハ上に吸着したＴｉＣｌ４分子と反応してほぼ１原子層分のＴｉＮ層が形成される。また、ＴｉＮ層の上には、ＮＨ３分子が多層に吸着している。
【００５６】
制御装置１２は、その後、バルブ２１ｂ，２１ｄを閉鎖し、ＮＨ３ガスおよびＡｒガスの供給を停止する。ガス供給の停止後、チャンバ１３内は排気され、チャンバ１３内のＮＨ３ガスは除去される（ステップＳ１７）。このとき、排気は、チャンバ１３内のＮＨ３分圧が十分に低くなるまで行われ、例えば、排気ガス中のＮＨ３の分圧が、例えば、１０−２Ｐａ（１０−４Ｔｏｒｒ）未満となるまで行われる。チャンバ１３内の排気は、ＴｉＮ層上に吸着したほぼ１層分のＮＨ３分子を除いてチャンバ１３内からＮＨ３分子が除去され、ＮＨ３が、後に供給されるＴｉＣｌ４と気相中で反応しない濃度となるまで行われる（ステップＳ１８）。
【００５７】
図４に示すように、チャンバ１３内にＮＨ３ガスが所定時間（τ３）供給された後、排気ガス中のＮＨ３分圧は次第に減少する。測定部２４は、例えば、排気ガス中のＮＨ３分圧が、基準値分圧（Ｄ２）まで減少した時点（ガスの供給停止からτ４時間後）で、制御装置１２にチャンバ１３内の排気が終了したことを示す信号を送出する。
【００５８】
このようにして、ステップＳ１３からステップＳ１８にわたるＴｉＣｌ４ガスの供給、排気、ＮＨ３ガスの供給、排気からなる１サイクル分の工程が行われる。制御装置１２は、測定部２４から上記信号を受け取ると、図３のステップＳ１３に戻り、ＴｉＣｌ４ガスおよびＡｒガスの供給を行い、新たなサイクルを開始する。
【００５９】
制御装置１２は、ステップＳ１３において、ＴｉＣｌ４ガスをチャンバ１３内に所定時間供給する。これにより、ＴｉＮ層上に吸着したＮＨ３分子とＴｉＣｌ４分子とが反応して、ほぼ１原子層のＴｉＮ層が新たに形成される。また、このＴｉＮ層上には、ＴｉＣｌ４分子が多層に吸着している。
【００６０】
続いて、制御装置１２は、ステップＳ１４において、ＴｉＣｌ４ガスおよびＡｒガスの供給を停止し、これにより、チャンバ１３内のＴｉＣｌ４は排気、除去される。排気は、図４に示すように、ＴｉＣｌ４分圧が所定分圧（Ｄ１）に減少するまで（ガスの供給停止からτ２’時間）行われる。
【００６１】
続いて、測定部２４から排気中のＴｉＣｌ４分圧が所定分圧以下に達したことを示す信号を受け取ると（ステップＳ１５）、制御装置１２は、ＮＨ３ガスおよびＡｒガスの供給を所定時間行う（ステップＳ１６）。これにより、ＴｉＮ層上に吸着したＴｉＣｌ４分子とＮＨ３分子とが反応して新たなＴｉＮ層（３層目）が形成される。また、このＴｉＮ層上にはＮＨ３分子が多層に吸着している。
【００６２】
ＮＨ３ガスおよびＡｒガスの供給停止後、制御装置１２は、チャンバ１３内を排気し、ＮＨ３を除去する（ステップＳ１７）。このとき、排気は、図４に示すように、ＴｉＣｌ４分圧が所定の分圧（Ｄ２）に減少するまで（ガスの供給停止からτ４’時間）行われる。これにより、２サイクル目の工程が終了する。
【００６３】
以下、上記サイクルを繰り返すことにより、ＴｉＮ層をほぼ１原子層ごとに形成され、積層される。上記サイクルは、ウェハ上に所定厚さのＴｉＮ層が形成されるまで繰り返される。ステップＳ１９において、所定サイクル数繰り返されたと判別すると、制御装置１２は、チャンバ１３内にＡｒガスを供給するとともに、チャンバ１３内を所定圧力、例えば、チャンバ１３外部のウェハの搬送領域とほぼ同様の圧力とする（ステップＳ２０）。その後、チャンバ１３内からウェハが搬出され（ステップＳ２１）、処理は終了する。
【００６４】
以上説明したように、第１の実施の形態によれば、ＴＭＰ２２の排気側において、排気ガスからチャンバ１３内の情報（濃度分圧）を取得して、取得した情報に基づいてチャンバ１３内のプロセス（ＡＬＤ）を制御している。ＴＭＰ２２の排気側は、比較的圧力が高く、また、配管径の比較的小さいことから、高い測定感度が得られ、また、測定値のばらつき等は避けられる。よって、信頼性の高い情報に基づいた、精度の高いプロセス制御が行われ、膜の品質を高く維持できるなど、信頼性の高い処理が可能となる。
【００６５】
上記第１の実施の形態では、ＦＴ−ＩＲの構成を有する測定部２４を用い、所定物質の排気ガス中の量（分圧）を求めるものとした。しかし、所定物質の量を測定する手段は、ＦＴ−ＩＲに限らず、他の光学的測定手段、濃度計、四重極型質量分析計等の質量分析器などの、他の測定手段であってもよい。
【００６６】
上記第１の実施の形態では、測定部２４がＴｉＣｌ４およびＮＨ３の濃度分圧をモニタし、所定分圧に達したときにその旨を制御装置１２に送るものとした。しかし、測定部２４は、制御装置１２に検出した分圧データを送り、制御装置１２が分圧をモニタし、所定分圧に達したかを判別するようにしてもよい。
【００６７】
上記第１の実施の形態では、ＴｉＣｌ４とＮＨ３とを用いて、ウェハの表面にＴｉＮ膜を形成するものとした。しかし、用いる物質、および、成膜する膜の種類は、これに限られない。ＴｉＮ膜の他に、ＡｌＯ２、ＺｒＯ２、ＴａＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＷＮ、ＷＳｉ、ＲｕＯ２等、他の金属膜であってもよい。また、この場合、使用するガス種は、ＴｉＣｌ４の代わりに、ＴａＢｒ５、Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＷＦ６等のいずれか１種を用い、ＮＨ３の代わりに、Ｎ２、Ｏ２、Ｏ３、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、Ｎ２Ｏ３、Ｎ２Ｏ５等のいずれか１種を用いることができる。
また、パージガスは、不活性なガスであればよく、Ａｒに限らず、窒素、ネオン等を用いてもよい。
【００６８】
また、第１の実施の形態に係る処理装置１１は、アニール等の他の処理を行う処理装置と、インラインで接続され、または、クラスタリングされてもよい。
【００６９】
また、一枚ずつウェハに処理を施す枚葉式の処理装置１１に限らず、バッチ式の処理装置に適用してもよい。
【００７０】
また、第１の実施の形態に係る発明は、ＡＬＤに限らず、他の成膜処理、酸化処理、エッチング処理等、複数種のガスを用い、プロセス雰囲気を高速に切り替える必要のあるすべての処理に適用することができる。また、本発明は、半導体ウェハに限らず、液晶表示装置用の基板にも適用することができる。
【００７１】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る処理装置について、図面を参照して説明する。第２の実施の形態では、半導体ウェハ（以下、ウェハ）等の被処理体の表面に、チャンバ内でのプラズマ処理によりフッ化酸化シリコン等のシリコン系膜を成膜する処理装置のドライクリーニングを例として説明する。処理装置のドライクリーニングは、フッ素系ガス（三フッ化窒素（ＮＦ３））のプラズマをチャンバ内に通すことにより行う。
【００７２】
図５に第２の実施の形態に係る処理装置１１の構成を示す。図５に示すように、処理装置１１は、制御装置１２と、チャンバ１３と、クリーニングガス供給ライン５０と、排気ライン１５と、を備える。
【００７３】
制御装置１２は、後述する、成膜処理、クリーニング処理等の処理装置１１全体の動作を制御する。なお、理解を容易にするため、制御装置１２の動作の詳細については省略する。
【００７４】
チャンバ１３は、真空引き可能に構成され、その内部に被処理体であるウェハが収容される。チャンバ１３は、高周波電源等を備える図示しないプラズマ発生機構を備え、内部にプラズマを発生可能に構成されている。プラズマ発生機構によりチャンバ１３の内部においてウェハ表面にプラズマ処理が施され、フッ化酸化シリコン等のシリコン系膜が形成される。
【００７５】
クリーニングガス供給ライン５０は、クリーニングガスとしてのＮＦ３ガスを供給するＮＦ３源５１と、希釈ガスとしてのＡｒガスを供給するＡｒ源５２と、を備える。また、クリーニングガス供給ライン５０は、その内部を通過するガスを活性化するアクチベータ５３が設けられている。ＮＦ３源５１およびＡｒ源５２は、バルブ５４ａ，５４ｂおよびＭＦＣ５５ａ，５５ｂを介してアクチベータ５３に接続されている。
【００７６】
アクチベータ５３は、図示しないプラズマ発生機構を備え、内部を通過するガスの、例えば、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマ、誘導結合型プラズマ（Inductive Coupled Plasma：ＩＣＰ）等の高密度プラズマを発生させる。アクチベータ５３は、その内部を通過するクリーニングガス（ＮＦ３）をプラズマ状態とし、発生したフッ素ラジカルを選択的に排気する。
【００７７】
上記構成により、クリーニング時には、クリーニングガス供給ライン５０から、フッ素ラジカルを主成分とするクリーニングガスがチャンバ１３内に供給される。フッ素はシリコンと結合性が高く、チャンバ１３内に付着、堆積したシリコン系膜は、クリーニングガスにより高速かつ効果的に除去（エッチング）される。
【００７８】
排気ライン１５は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）２２と、ドライポンプ２３（ＤＰ）と、測定部５６と、を備える。排気ライン１５はチャンバ１３に接続され、排気ライン１５を介してチャンバ１３は排気され、所定の圧力状態まで減圧される。
【００７９】
ＴＭＰ２２は、チャンバ１３と第１の排気管２５を介して接続されている。第１の排気管２５には、可変流量バルブ２６と、バルブと、がチャンバ１３側から順に設けられている。ＴＭＰ２２は、チャンバ１３内を高真空状態に減圧する。また、可変流量バルブ２６は、チャンバ１３内を所定の高真空状態に保持する。第１の排気管２５は、ＴＭＰ２２の排気速度、長さ等から、例えば、５０ｍｍ程度の内径とされている。
【００８０】
ドライポンプ２３は、ＴＭＰ２２の排気側に第２の排気管２８によって接続されている。ＴＭＰ２２とドライポンプ２３との間には、バルブが設けられている。ドライポンプ２３は、あらびきポンプとして機能し、チャンバ１３内をＴＭＰ２２が作動可能な圧力とする。ドライポンプ２３の排気側は、図示しない除害装置に接続されており、排気ライン１５を通過した排気ガスは無害化されて大気に放出される。
【００８１】
第２の排気管２８は、ドライポンプ２３の排気速度、長さ等から、例えば、４０ｍｍ程度の内径とされている。ここで、ドライポンプ２３はＴＭＰ２２よりも排気容量が小さく、従って、第２の排気管２８は第１の排気管２５よりも小径となる。
【００８２】
測定部５６は、ＴＭＰ２２の排気側に接続された第２の排気管２８に取り付けられている。測定部５６は、処理の間、第２の排気管２８内を流れるガス中のパーティクル量を測定している。パーティクルは、チャンバ１３内に付着、堆積した膜がある程度大きくなって剥離することなどによって発生し、歩留まり低下の原因となる。従って、排気ガス中のパーティクル量をモニタすることにより、チャンバ１３の汚染状態を知ることができる。
【００８３】
排気ガスをモニタしている測定部５６は、パーティクル量が所定量に達すると、制御装置１２にその旨を示す信号を送出する。制御装置１２は、この信号に基づいて、成膜処理を一旦終了し、クリーニング処理を開始する。なお、測定部５６は、バルブの給気側と排気側とのどちらに設けられていてもよい。
【００８４】
測定部５６の構成を、図６に示す。図６に示すように、測定部５６は、光源５７と、光ストッパ５８と、光センサ５９と、演算部６０と、から構成される。
【００８５】
光源５７は、レーザダイオード等から構成され、レーザ光を出射する。光源５７は、第２の排気管２８の外壁の近傍に配置されている。第２の排気管２８には、石英あるいは水晶からなる窓部２８ａが設けられている。光源５７から出射したレーザ光は、窓部２８ａを介して第２の排気管２８の内部に照射される。光源５７は、第２の排気管２８のほぼ直径上を通過するようにレーザ光を照射する。なお、レーザ光は、管内に流れるガス中のパーティクル量を定量的に観測可能であれば、直径上以外でも、管内をどのように通過する構成であってもよい。
【００８６】
光ストッパ５８は、第２の排気管２８の内壁の、レーザ光の光路上に配置されている。光ストッパ５８は、レーザ光を吸収して反射を防止する部材、例えば、無反射コーティングを施したサファイヤ板から構成されている。なお、光ストッパ５８を第２の排気管２８の外壁の近傍に設け、前述したと同様にレーザ光が通過可能な透過窓をを介してレーザ光を吸収するようにしてもよい。
【００８７】
光センサ５９は、フォトダイオード等の受光素子から構成されている。光センサ５９は、第２の排気管２８の外壁の近傍に設けられている。光センサ５９近傍の第２の排気管２８の管壁には、石英あるいは水晶からなる窓部２８ｂが設けられている。窓部２８ｂは、第２の排気管２８の延伸方向を法線とする略同一平面上に、窓部２８ａと約９０°の角度をなすように形成されている。
【００８８】
光センサ５９は、第２の排気管２８の内部を通過する排気ガス中のパーティクルによって散乱される光を受光する。光センサ５９は演算部６０に接続され、演算部６０に電気パルスを出力する。これにより、演算部６０は光センサ５９が受光した光の量に関する情報を取得する。
【００８９】
演算部６０は、光センサ５９が受光した光の量から、パーティクル量を算出する。制御装置１２に接続された演算部６０は、算出したパーティクル量が所定量に達すると、制御装置１２にその旨を示す信号を送る。制御装置１２は、受け取った信号に基づき、成膜処理を終了させた後にクリーニング処理を開始する。
【００９０】
ここで、上述したように、測定部５６は、ＴＭＰ２２の排気側に設けられている。ＴＭＰ２２の排気側（第２の排気管２８）は給気側（第１の排気管２５）と比べて径が小さく、このため、管内を通過する気体中のパーティクル密度は比較的大きく、高い検出感度が得られる。
【００９１】
また、管径が比較的小さいことから、パーティクルの管内における分布のばらつきは比較的小さい。従って、レーザ光の光路上にあるパーティクルの分布は比較的均一であり、ばらつき等の少ない信頼性の高いパーティクル量の検出が可能となる。
【００９２】
以下、図５に示す第２の実施の形態の処理装置１１の動作について、図７を参照して説明する。なお、以下に示す動作は、一例であり、同様の結果が得られるものであれば、どのような構成であってもよい。
【００９３】
処理装置１１は、チャンバ１３内で、ウェハに一枚ずつプラズマ処理を施し、ウェハの表面にシリコン系膜（フッ化酸化シリコン膜）を成膜する。処理装置１１は、多数枚のウェハに連続的に成膜処理を施す。処理装置１１が作動している間、測定部５６は、排気ガス中のパーティクル量をモニタしている。
【００９４】
連続的な成膜処理に伴い、チャンバ１３内に発生するパーティクルの量は次第に増加してゆく。排気ガス中のパーティクル量が、図７に示すように、所定量（Ｐ１）に達すると、測定部５６は制御装置１２にその旨を示す信号を送る。
【００９５】
制御装置１２は、この信号を受け取ると、この時点で処理を施しているウェハを最後として、成膜処理を一旦終了する。最後のウェハをチャンバ１３内から搬出した後、制御装置１２は、クリーニング処理を開始する。なお、信号受信後、所定枚数の、または、このウェハが含まれるロットすべてのウェハの処理が終了した後に、クリーニング処理を開始するようにしてもよい。
【００９６】
クリーニング処理の開始後、まず、制御装置１２は、チャンバ１３内にダミーウェハを搬入する。次いで、チャンバ１３内を所定の真空度、例えば、１０２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）まで減圧し、クリーニングガス供給ライン５０からのクリーニングガスのチャンバ１３への供給を開始する。クリーニングガスは、例えば、ＮＦ３／Ａｒ＝５００ｓｃｃｍ／１０００ｓｃｃｍで供給される。
【００９７】
クリーニングガスの供給により、パーティクルの原因となるチャンバ１３内に付着、堆積したシリコン系膜等は、四フッ化シラン等に分解され、除去される。従って、図７に示すように、チャンバ１３からの排気ガス中に含まれるパーティクル量は次第に減少してゆく。
【００９８】
測定部５６は、パーティクル量が所定量（Ｐ２）まで減少すると、クリーニングが終了したことを示す信号を制御装置１２に送る。制御装置１２は、この信号を受け取ると、クリーニングガスの供給を停止する。チャンバ１３内からクリーニングガスが排出されるのに十分な時間が経過した後、ダミーウェハをチャンバ１３から搬出する。以上でクリーニング処理を終了し、制御装置１２は再び成膜処理を開始する。
【００９９】
以上説明したように、第２の実施の形態によれば、ＴＭＰ２２の排気側において、排気ガスからチャンバ１３内の情報（パーティクル量）を取得して、取得した情報に基づいてチャンバ１３内プロセス（クリーニング）を制御している。ＴＭＰ２２の排気側は、配管径の比較的小さいことから、測定値のばらつき等は避けられる。よって、信頼性の高い情報に基づいた、精度の高いプロセス制御が行われ、過度のクリーニングを防ぐことができ、また、クリーニング時間の短縮が可能となる。
【０１００】
上記第２の実施の形態では、第２の排気管２８に直接測定部５６を設けるものとした。しかし、第２の排気管２８に両端が接続された管を設け、管の途中に測定部５６を設ける構成としてもよい。
【０１０１】
上記第２の実施の形態では、パーティクル量に基づいてクリーニング処理を制御する構成とした。しかし、パーティクル量に限らず、チャンバ１３内に発生する金属コンタミ等の他の汚染物質に関する情報を取得し、この情報に基づいてクリーニングを開始するようにしてもよい。
【０１０２】
また、図８に示すように、さらに質量分析器、ＦＴ−ＩＲ等を設け、クリーニング時に堆積膜が分解して発生するクリーニング副生成物ガス（例えば、四フッ化シラン、酸素等）の量をモニタする構成としてもよい。
【０１０３】
図８に示す構成では、パーティクル量を測定する測定部５６の排気側に、クリーニング副生成物の量を測定する、四重極型質量分析器等の質量分析器６０が配置されている。なお、質量分析器６０は測定部５６の給気側に配置してもよい。
【０１０４】
図８に示す構成では、パーティクル量が所定量以上となった後にクリーニングが開始される。クリーニング時、排気中のクリーニング副生成物の量は、質量分析器６０によってモニタされている。
【０１０５】
図９に、クリーニングガス副生成物（例えば、四フッ化シラン（ＳｉＦ４））の変化プロファイルを概略的に示す。図９に示すように、排気中のＳｉＦ４の量は、クリーニングの進行と共にＳｉＦ４は増大し、やがて、減少に転じる。制御装置１２は、ＳｉＦ４の量が所定量まで減少した時点で、クリーニングガスの供給を停止する。
【０１０６】
上記第２の実施の形態では、測定部５６がパーティクル量をモニタし、所定量に達したときにその旨を制御装置１２に送るものとした。しかし、測定部５６は、制御装置１２に検出したパーティクル量データを送り、制御装置１２がパーティクル量をモニタし、所定量に達したかを判別するようにしてもよい。
【０１０７】
また、一枚ずつウェハに処理を施す枚葉式の処理装置に限らず、バッチ式の処理装置に適用してもよい。
【０１０８】
上記第２の実施の形態では、シリコン系膜、特にフッ化酸化シリコン膜を成膜する場合を例として説明した。しかし、成膜する膜の種類は、シリコン酸化膜等の他のシリコン系膜、又は、他のいかなる種類の膜であってもよい。
【０１０９】
上記第２の実施の形態では、クリーニングガスとして、フッ素系ガス、特に、ＮＦ３を用いるものとした。しかし、クリーニングに用いるガスは、これに限られない。例えば、ＮＦ３の代わりに、Ｆ２、ＳＦ６、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６等のフッ素系ガス、または、Ｃｌ２、ＢＣｌ４等の塩素系ガスを使用することができる。また、Ａｒで希釈する代わりに、他の不活性ガス、例えば、窒素、ネオン等で希釈してもよい。
【０１１０】
上記第２の実施の形態では、クリーニングガスのプラズマをチャンバ１３チャンバ１３内に導入するものとした。しかし、クリーニングガスであるＮＦ３をチャンバ１３内に供給して、チャンバ１３内でプラズマを発生させる構成としてもよい。
【０１１１】
さらに、第２の実施の形態に係る発明は、プラズマ処理装置に限らず、エッチング装置、スパッタ装置、熱処理装置等の他の装置にも適用可能である。また、半導体ウェハに限らず、液晶表示装置用の基板にも適用することができる。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明によれば、チャンバの排気ガスから所定の情報を取得し、取得した情報に基づいて、精度の高いプロセス制御を行うことができる処理装置および処理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る処理装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す測定部の構成を示す図である。
【図３】図１に示す処理装置の成膜処理時の動作を示すフローである。
【図４】排気ガス中の物質分圧の変化プロファイルを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る処理装置の構成を示す図である。
【図６】図５に示す測定部の構成を示す図である。
【図７】排気ガス中のパーティクル量の変化プロファイルを示す図である。
【図８】第２の実施の形態の処理装置の変形例を示す図である。
【図９】排気ガス中のＳｉＦ４量の変化プロファイルを示す図である。
【符号の説明】
１１  処理装置
１２  制御装置
１３  チャンバ
１４  ガス供給ライン
１５  排気ライン
２２  ＴＭＰ
２３  ドライポンプ
２４、５６  測定部
２５  第１の排気管
２８  第２の排気管
５０  クリーニングガス供給ライン
【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】
0003891848.tif 000006
【図６】
0003891848.tif 000007
【図７】
0003891848.tif 000008
【図８】
0003891848.tif 000009
【図９】
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