JP2004288899A - 成膜方法および基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板処理装置の処理ガスの利用効率を向上させる
【解決手段】被処理基板に成膜する成膜方法であって、前記被処理基板表面に処理ガスを吸着させる吸着工程を含み、前記吸着工程において前記処理ガスは前記被処理基板表面に沿って流れるように供給され、前記処理ガスが前記被処理基板に沿って流れる流速が５０ｍ／ｓｅｃ以上で音速程度以下であることを特徴とする成膜方法。
【選択図】 図７
【解決手段】被処理基板に成膜する成膜方法であって、前記被処理基板表面に処理ガスを吸着させる吸着工程を含み、前記吸着工程において前記処理ガスは前記被処理基板表面に沿って流れるように供給され、前記処理ガスが前記被処理基板に沿って流れる流速が５０ｍ／ｓｅｃ以上で音速程度以下であることを特徴とする成膜方法。
【選択図】 図７
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜方法および基板処理装置に係り、特には被処理基板上に金属酸化膜を成膜する成膜方法および基板処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学気相堆積（ＣＶＤ法）は、基本的な半導体装置の製造プロセスであり、アスペクト比の大きい複雑な構造上においても良好なカバレッジで成膜できるため、半導体装置や液晶表示装置などの表示装置の製造工程において、絶縁膜や半導体膜、あるいは金属膜の堆積に広く使われている。
【０００３】
前記ＣＶＤ法は、今日の超高速高速半導体装置では、例えばゲート電極の材料で、比誘電率がＳｉＯ２膜のものよりもはるかに大きい、いわゆる高誘電体材料であるＴａ２Ｏ５，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，ＺｒＳｉＯ４，ＨｆＳｉＯ４などの成膜に用いられる場合がある。
【０００４】
図１は、従来のＣＶＤ法による基板処理装置５００の概略図を示したものである。図１を参照するに、被処理基板Ｗｆを保持する、ヒータ５１１ａを内臓する保持台５１１Ａを内部に有する処理容器５１１は、前記処理容器５１１内を排気する手段であるターボ分子ポンプ５１２およびドランポンプ５１３が排気口５１１Ｃに接続され、前記処理容器５１１内を減圧・排気することが可能な構造となっている。
【０００５】
前記処理容器５１１上には、シャワーヘッド５１１ｂを有するガス供給構造５１１Ｂが設けられており、前記ガス供給構造５１１Ｂには、バルブ５１４Ａを介してガス供給源Ａが、またバルブ５１４Ｂを介してガス供給源Ｂが接続されている。
【０００６】
被処理基板上に成膜を行う際は、前記バルブ５１４Ａを開放することで、前記ガス供給部５１１Ｂから前記シャワーヘッド５１１ｂを介して前記被処理基板Ｗｆ上にガスＡを供給し、また前記バルブ５１４Ｂを開放することで、前記ガス供給部５１１Ｂから前記被処理基板Ｗｆ上にガスＢを供給する。
【０００７】
薄膜形成方法としては、従来のＣＶＤ方式に加えて、原子層成膜（ＡＬＤ： Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が極薄膜形成方法として有望である。この場合には、図１のガスＡとＢを同時に処理容器５１１内に流入させることはなく、別々に流入させる。つまり、ガスＡを基板表面に吸着させる工程と、ガスＢを吸着したガスＡと反応させる工程からなる。しかしながら、このＣＶＤとＡＬＤとの技術の境界は必ずしも明確でなく、原料ガスＡ，Ｂの性質によっては、ガスＡとＢを同時に流す工程と、別々に流す工程とを含む場合もある。つまり、ガスＡとＢを同時に流す場合、別々に流す場合、部分的に同時に流す工程も含んでいる場合がある。ただし、ガスＡとガスＢの反応が起こりやすく、気相で混合しただけで反応して、粉末上の生成物を発生させるような場合には、処理容器５１１同時に導入することはできず、別々に導入することが必要になる。
【０００８】
前述した高誘電体材料の成膜の場合、例えばガスＡにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガスＢに酸素またはＯ３を用いる場合には、反応性が強いので、ＡＬＤ方式によって交互にガスを導入することにより、前記被処理基板Ｗｆ上にＡｌ２Ｏ３膜を成膜することができる。
【０００９】
【特許文献１】
ＵＳ ６３０６２１６
【００１０】
【特許文献２】
ＵＳ ６０１５５９０
【００１１】
【特許文献３】
特開２０００−３１９７７２号公報
【００１２】
【特許文献４】
特開２００１−６８４２３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、吸着工程を含むような成膜プロセス装置において、原料をより効率的に吸着させることが必要である。
【００１４】
前記基板処理装置５００では、ガスＡおよびガスＢを供給する際、前記シャワーヘッド５１１ｂから前記被処理基板Ｗｆまでは、距離Ｈだけ離れていてガスの拡散領域があるため、当該ガスＡおよびガスＢは、前記シャワーヘッド５１１ｂから前記被処理基板Ｗｆまで到達するまでの間に前記処理容器内を拡散し、供給されたガスＡおよびガスＢの大半は、前記被処理基板Ｗｆに到達する事無く、前記排気口５１１Ｃより排出されてしまう。そのために、高価なガスであるＴＭＡの大半が成膜に利用されること無く消費され、成膜のためのコストがかかる要因となっていた。
【００１５】
そこで、本発明では上記の課題を解決した成膜方法および基板処理装置を提供することを目的としている。
【００１６】
本発明の具体的な課題は、被処理基板上に成膜する場合に、成膜に用いるガスの利用効率を向上させて、生産性が良好となる成膜方法および基板処理装置を供給することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記の課題を解決するために、
請求項１に記載したように、
被処理基板に成膜する成膜方法であって、
前記被処理基板表面に処理ガスを吸着させる吸着工程を含み、前記吸着工程において前記処理ガスは前記被処理基板表面に供給され、前記処理ガスが前記被処理基板に沿って流れる流速が５０ｍ／ｓｅｃ以上で音速程度以下であることを特徴とし、原料の基板への供給方法としては、基板面に対向するシャワーヘッド面から基板面に垂直に供給してもよいし、基板面に平行な位置より平行に供給してもよいが、いずれも原料ガスは基板表面で境界層を形成し、基板面上を平行に流れて排出される成膜方法により、また、
請求項２に記載したように、
前記被処理基板に成膜する基板処理装置は、前記被処理基板を保持する保持台を内部に有する処理容器を有し、前記処理容器には前記処理ガスを前記処理容器内に供給する処理ガス供給口と、前記処理ガスを前記処理容器内から排気する排気口が設けられ、前記処理ガス供給口から供給される前記処理ガスは前記被処理基板に沿って流れ、前記排気口より排気されることを特徴とする請求項１記載の成膜方法により、また、
請求項３に記載したように、
前記処理容器内の、前記被処理基板表面に対向する側には前記被処理基板と略平行に天井面が形成され、前記処理ガスは前記被処理基板と前記天井面の間に形成される処理空間を流れることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法により、また、
請求項４に記載したように、
前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項３記載の成膜方法により、また、
請求項５に記載したように、
前記被処理基板から前記天井面までの高さが、前記処理ガスの流れ方向に向かって減少し、前記高さが最も小さくなった部分が０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項４項記載の成膜方法により解決する。
【００１８】
前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さがガスの流れ方向に従い、狭くなっていくことにより、境界層の厚みは次第に減少していく。従って、流れ方向で原料濃度が減少していったとしても、境界層を連続的に薄くすることにより、原料の使用効率を増大させて基板への吸着効率を上げ、結果的に一定な吸着率を得ることができる。
【００１９】
また、本発明は上記の課題を解決するために、
請求項６に記載したように、
さらに、前記被処理基板表面に別の処理ガスを吸着させる別の吸着工程を含み、前記別の吸着工程において前記別の処理ガスは前記被処理基板表面に供給され、前記別の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って流れる流速が５０ｍ／ｓｅｃ以上で音速程度以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項７に記載したように、
前記処理ガスは金属を含むガスで、前記別の処理ガスは前記処理ガスを酸化する酸化ガスであり、前記吸着工程で前記被処理基板表面に吸着した前記処理ガスは、前記別の吸着工程で前記酸化ガスによって酸化されることを特徴とする請求項６記載の成膜方法により、また、
請求項８に記載したように、
前記処理ガスは金属を含むガスで、前記別の処理ガスは前記処理ガスを窒化する窒化ガスであり、前記吸着工程で前記被処理基板表面に吸着した前記処理ガスは、前記別の吸着工程で前記窒化ガスによって窒化されることを特徴とする請求項６記載の成膜方法により、また、
請求項９に記載したように、
前記吸着工程と、前記別の吸着工程が、交互に繰り返されることを特徴とする請求項６〜８のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１０に記載したように、
前記処理ガス供給口は前記天井面に形成されていることを特徴とする請求項３〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１１に記載したように、
前記処理ガス供給口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法により、また、
請求項１２に記載したように、
前記排気口は、前記処理容器内の、前記天井面に対向する下面に設けられ、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項１０または１１記載の成膜方法により、また、
請求項１３に記載したように、
前記処理ガス供給口は、前記被処理基板を囲むように複数形成されることを特徴とする請求項３〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１４に記載したように、
前記排気口は、前記天井面に形成されることを特徴とする請求項１３記載の成膜方法により、また、
請求項１５に記載したように、
前記排気口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１４記載の成膜方法により、また、
請求項１６に記載したように、
前記処理容器中、前記処理ガス供給口は前記保持台の第１の側に形成され、前記排気口は前記第１の側に対向する前記保持台の第２の側に形成され、前記処理ガスは前記処理ガス供給口より前記被処理基板表面を流れるように供給されて、前記排気口より排気され、
さらに前記第２の側には別の処理ガス供給口が形成され、当該別の処理ガス供給口からは前記別の処理ガスが前記被処理基板表面を流れるように供給されて、前記第１の側に形成された別の排気口から排気されることを特徴とする請求項６〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１７に記載したように、
前記排気口および前記別の排気口は、それぞれ前記処理ガスおよび別の処理ガスの流れ方向に略直行する方向に延在するスリット状の開口部よりなることを特徴とする請求項１４記載の成膜方法により、また、
請求項１８に記載したように、
処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記天井面に形成され、前記処理容器中に処理ガスを、前記保持台に保持された被処理基板の略中心から周縁部に向かって前記被処理基板表面に沿って流れるように供給する処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記天井面と対向する下面に形成された、前記処理容器を排気する排気口とを有し、
前記被処理基板と前記天井面の間には前記処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置により、また、
請求項１９に記載したように、
前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項１８記載の基板処理装置により、また、
請求項２０に記載したように、
前記処理ガス供給口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１８または１９記載の基板処理装置により、また、
請求項２１に記載したように、
前記排気口は、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項１８〜２０のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項２２に記載したように、
前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項１８〜２１のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項２３に記載したように、
処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記処理容器の側壁面に形成され、前記処理容器中に処理ガスを、前記保持台に保持された前記被処理基板の周縁部からに略中心向かって前記被処理基板表面に沿って流れるように供給する処理ガス供給口と、
前記天井面に形成された、前記処理容器を排気する排気口とを有し、
前記被処理基板と前記天井面の間には前記処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置により、また、
請求項２４に記載したように、
前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項２３記載の基板処理装置により、また、
請求項２５に記載したように、
前記排気口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項２３または２４記載の基板処理装置により、また、
請求項２６に記載したように、
前記処理ガス供給口は、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項２３〜２５のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項２７に記載したように、
前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項２３〜２６のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項２８に記載したように、
処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記処理容器中、前記保持台の第１の側に形成され、前記保持台上の前記被処理基板表面に第１の処理ガスを、前記第１の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って、前記第１の側から前記第１の側に対向する第２の側に向かって流れるように供給する第１の処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記保持台の第２の側に形成された第１の排気口と、
前記処理容器中、前記保持台の前記第２の側に形成され、前記保持台上の前記被処理基板表面に第２の処理ガスを、前記第２の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って、前記第２の側から前記第１の側に向かって流れるように供給する第２の処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記保持台の前記第１の側に形成された第２の排気口とを備え、
前記被処理基板と前記天井面の間に前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置により、また、
請求項２９に記載したように、
前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項２８記載の基板処理装置により、また、
請求項３０に記載したように、
前記第１の排気口および第２の排気口は、それぞれ前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流れ方向に略直行する方向に延在するスリット状の開口部よりなることを特徴とする請求項２８または２９のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項３１に記載したように、
前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項２８〜３０のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、解決する。
［作用］
本発明によれば、被処理基板に成膜を行う際に、被処理基板表面に原料ガスを供給し、基板表面に形成された原料ガスの流れを増大させるようにする。これにより、原料ガスの流れと基板表面の間の境界層が薄くなる結果として、より容易に原料ガスが基板表面に到達するようになる。このため、原料の使用効率が改善されるので、原料流量が一定である場合には、処理時間の短縮を達成することができる。原料の流速を増大させる方法としては、原料流量を増加する、真空レベルを高真空化する、ギャップを小さくして滞在時間を縮小することにより結果的に流速を増加することにより、生産性を高めることができるという効果が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［原理］
まず、本発明によって、基板処理装置による成膜処理において、処理ガスの利用効率を最適化し、もって生産性を良好とする基板処理方法の概略を説明する。
【００２１】
図２（Ａ），（Ｂ）は、従来の成膜方法と、本発明による成膜方法を模擬的に比較したものである。図２（Ａ），（Ｂ）に示した基板処理装置は、被処理基板Ｗを保持する保持台Ｅ３を有し、成膜処理に用いる成膜ガスＦ１を、天井面Ｅ２に形成されたガス供給部Ｅ１から供給して、被処理基板上に成膜処理を行う構造になっている。
【００２２】
まず、従来の成膜方法を示した、図２（Ａ）を参照するに、基板処理装置の天井面Ｅ２に形成されたガス供給部Ｅ１から供給される処理ガスＦ１は、保持台Ｅ３に保持された被処理基板Ｗに到達するまで、前記天井面Ｅ２と前記被処理基板Ｗの間を拡散する。その際に、処理ガスＦ１が被処理基板Ｗに到達して成膜に用いられる量に比べて、前記保持台Ｅ３の側部を通って、図示しない排気口より排気されてしまう割合が多い。
【００２３】
これは、前記天井面Ｅ２と被処理基板ＷがギャップＧａだけ離れているために供給されるガスＦ１の拡散量が多く、効率的にガスＦ１を成膜に利用することが困難になっているためである。
【００２４】
次に、本発明による成膜方法を示した図２（Ｂ）を参照するに、前記天井面Ｅ２と前記被処理基板ＷのギャップＧｂが前記ギャップＧａにくらべて小さく、ガス供給部Ｅ１から供給された処理ガスＦ１が拡散する空間が狭いため、前記ガス供給部Ｅ１から供給される処理ガスＦ１が効率的に前記被処理基板Ｗに到達し、成膜に利用される。
【００２５】
つまり、天井面Ｅ２と被処理基板との間に形成される空間の容積が縮小された結果、処理ガスＦ１はより早い流速で排出される。従って、基板表面に形成される境界層の厚さは薄くなり、処理ガスは効率良く基板に到達する。
【００２６】
このため、処理ガスを効率的に成膜に利用することができ、排気される処理ガスＦ１の量を減らして、効率のよい成膜を行う事が可能となる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態について、図面に基づき以下に説明する。
［第１実施例］
図３は、本発明による基板処理装置３００の概略を示した断面図である。
【００２８】
図３を参照するに、被処理基板Ｗを保持する保持台３０２を内部に有する処理容器３０１は、天井部３０４および中間容器３０３および下部容器３０５より形成されている。前記基板保持台３０２中には、図示を省略する加熱機構が設けられている。
【００２９】
前記被処理基板Ｗと前記天井部３０４の間には、成膜のための処理ガスが供給されるプロセス空間３０１Ａが形成される。
【００３０】
前記天井部３０４は、前記被処理基板Ｗに対向する面の前記被処理基板Ｗの略中心に対応する部分に処理ガス供給口３０４Ａが設けられ、成膜処理の際に前記プロセス空間３０１Ａに処理ガスを供給する。前記処理ガス供給口は、バルブ３１９を介して処理ガスライン３２０に接続されている。前記処理ガスライン３２０は、バルブ３０８を介して、第１の処理ガスライン３１１に接続され、さらに第１の処理ガスであるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ３）３）の供給源であるＴＭＡ供給源３２１、および第１のパージガスであるＡｒ供給源３２２に接続され、前記プロセス空間３０１ＡにＴＭＡおよびＡｒを供給する構造になっている。
【００３１】
さらに前記処理ガスライン３２０には、バルブ３０９を介して、第２の処理ガスライン３１２が接続され、第２の処理ガスであるＯ３／Ｏ２供給源３２３と、第２のパージガスであるＡｒ供給源３２４に接続され、前記プロセス空間３０１ＡにＯ３／Ｏ２および、Ａｒが供給される構造となっている。
【００３２】
また、前記処理ガスライン３２０には、バルブ３１０を介して排気ライン３１３が接続され、前記処理ガスライン３２０を減圧・排気が可能となっており、前記処理ガスライン３２０をパージすることが可能な構造となっている。
【００３３】
例えば、前記バルブ３０８を開放して前記処理ガスライン３２０にＴＭＡを供給した後、前記処理ガスライン３２０から残留ＴＭＡを排除するために、前記バルブ３０８を閉じて前記バルブ３１０を開放して処理ガスライン３２０を排気し、さらに前記バルブ３０８を開放して今度は前記第１のパージガスであるＡｒを供給し、前記処理ガスライン３２０を排気する作業を行い、残留ＴＭＡを排除することが可能な構造になっている。
【００３４】
同様に、前記バルブ３０９を開放して前記処理ガスライン３２０にＯ３／Ｏ２を供給した後、前記処理ガスライン３２０から残留Ｏ３／Ｏ２を排除するために、前記バルブ３０８を閉じて前記バルブ３１０を開放して処理ガスライン３２０を排気し、さらに前記バルブ３０８を開放して今度は前記第２のパージガスであるＡｒを供給し、前記処理ガスライン３２０を排気する作業を行い、残留Ｏ３／Ｏ２を排除することが可能な構造になっている。
【００３５】
また、前記処理ガス供給口３０４Ａは、前記天井部に複数設けても良い。
【００３６】
前記中間容器３０３は、前記保持台３０２を囲むように、排気空間３０３Ａを画成し、前記排気空間３０３Ａ上には、略ドーナツ状の排気プレート３０６が設置されている。前記プロセス空間３０１Ａは、前記排気プレート３０６に形成された複数の排気穴３０６Ａから前記排気空間３０３Ａを介して排気される。
【００３７】
前記排気空間３０３Ａには複数の排気管３１４が接続され、前記排気空間３０３Ａは当該排気管３１４に接続された真空ポンプによって排気・減圧される構造になっている。この構造については後述する。
【００３８】
前記保持台３０２は前記下部容器３０５により回動自在に、また同時に上下動自在に保持されている。前記保持台３０２は最上位のプロセス位置と最下位の基板出入位置との間を上下動可能に保持されている。また、前記保持台が最下位の基板搬入出入位置で、図示しない搬入出開口部より、被処理基板の搬入・搬出を行う構造になっている。
【００３９】
被処理基板Ｗを保持した基板保持台３０２は、軸受部３１７中に磁気シール３１８により保持された回動軸３１６により回動自在に、また上下動自在に保持されており、前記回動軸３１６が上下動する空間は、ベローズ３１５等の隔壁により密閉されている。
【００４０】
前記基板処理装置３００により、プロセス空間３０１Ａに第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを供給することで、被処理基板Ｗ上に成膜を行う事が可能となる。例えば、第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ３／Ｏ２を供給することで被処理基板Ｗ上にＡｌ２Ｏ３膜を形成することが可能となる。
【００４１】
また、その際に、前記被処理基板Ｗ上に形成される前記プロセス空間３０１Ａの高さであるギャップＧが狭いため、すなわち被処理基板Ｗから前記天井部３０４までの距離が短いために、前記ギャップＧが広い場合に比べて、供給される第１の処理ガス、第２の処理ガスが一定流量と仮定した場合には、第１の処理ガス、第２の処理ガスの流速が増大する。そのとき、被処理基板Ｗ上に形成される境界層厚さをδ、処理ガスの流速をｕとした場合、以下の関係が成り立つ。
【００４２】
【数１】
すなわち、流速を増加させることで境界層厚さδは小さくなるので、処理ガスが拡散しやすくなり、処理ガスが被処理基板Ｗに到達する割合を増大させることができ、成膜の原料となるガスの利用効率を向上させることが可能となる。
【００４３】
また、成膜を行う際に処理容器内を排気する方法に関して、次に、図４を用いて説明する。図４は、前記排気プレート３０６および排気管３１４を示した斜視図であり、前記基板処理装置３００に設置されている場合の位置関係を示してある。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４４】
図４を参照するに、前記基板処理装置３００の前記プロセス空間３０１Ａは、前記排気プレート上に、前記保持台３０２を囲むように形成された複数の前記排気穴３０６Ａから排気される。その際に、前記排気穴３０６は、前記被処理基板Ｗを中心とした同心円状に、等間隔で配置されているため、前記被処理基板Ｗを中心として均等に排気することが可能である。
【００４５】
また、処理ガスは被処理基板の中心に対応する位置に形成された前記処理ガス供給口３０４Ａから供給されるが、処理ガスは基板表面に吸着するので、吸着が飽和すれば均一な吸着層を形成することができる。
【００４６】
さらに、処理ガスの排気経路は、前記排気穴３０６Ａから前記排気空間３０６Ａ、さらに当該排気空間３０６Ａに接続される前記排気管３１４につながる構造となっている。前記排気管３１４も、前記排気穴３０６Ａと同様に、前記被処理基板Ｗを中心とした同心円状に、等間隔で配置されているため、前記被処理基板Ｗを中心として均等に排気することが可能であり、被処理基板の面内で均一な成膜が可能になる。
また、その場合、被処理基板Ｗの中心部分から周縁部に向かって、前記ギャップＧを狭くするような形状にすることで、処理ガスを均一に被処理基板に吸着させることができる。このような例を図５に示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
図５を参照するに、図５においては、前記天井部３０４の形状が変更されており、前記被処理基板Ｗから天井面までの高さが、前記被処理基板の中心部から周縁部にかけて、すなわち処理ガスの流れる方向に従って狭くなる形状をしている。
【００４８】
この場合、前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さがガスの流れ方向に狭くなっていくことにより、被処理基板上に形成される境界層の厚みは次第に減少していく。従って、流れ方向で原料濃度が減少していったとしても、境界層を連続的に薄くすることにより、原料の使用効率を増大させて基板への吸着効率を上げ、結果的に一定な吸着率を得ることができる。
【００４９】
また、成膜する場合には前記保持台３０２を回動させることにより、処理ガスの流れに不均一があった場合の成膜の不均一への影響を小さくして、さらに被処理基板面内での均一性を向上させることができる。
【００５０】
このように、前記処理ガス供給口３０４Ａから供給される第１の処理ガスおよび第２の処理ガスは、前記天井部３０４と前記被処理基板Ｗによって形成される前記プロセス空間３０１Ａを、前記被処理基板Ｗの表面を沿って流れるように供給され、前記被処理基板Ｗの中心部から周縁部を通ってさらに前記排気穴３０６Ａにて排気される。
【００５１】
その際に、第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを気相中で反応させること無く、おもに前記被処理基板Ｗでの表面反応を用いた方法で、分子層・原子層レベルの高品質の成膜を行う事が可能であり、その概略を、図６を用いて以下に説明する。
［第２実施例］
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、分子層・原子層レベルの成膜を行う方法の概略図を示したものである。前記した分子層・原子層レベルの成膜を行うには、被処理基板上に第１の処理ガスと第２の処理ガスとを交互に、被処理基板表面に沿って流れる形で供給し、第１の処理ガス中の処理ガス分子を被処理基板表面に吸着させ、これを第２の処理ガス中の処理ガス分子と反応させることにより、略１分子層分の厚さの膜を形成する。このプロセスを繰り返すことにより、被処理基板上に、高品質な膜を形成することが可能になる。
【００５２】
具体的には、まず図６（Ａ）を参照するに、被処理基板Ｗ上に、第１の処理ガスＦａを、前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給し、第１の処理ガスＦａの分子を前記被処理基板Ｗ上に吸着させ、図６（Ｂ）においては、前記吸着が完了した後の余剰な第１の処理ガスＦａの分子を被処理基板上から除去する。
【００５３】
次に、図６（Ｃ）において、第１の処理ガスＦａの分子が吸着した前記被処理基板Ｗ上に、第２の処理ガスＦｂを、前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給し、第１の処理ガスＦａの分子と第２の処理ガスＦｂの分子を反応させる。
【００５４】
次に図６（Ｄ）において、未反応の第２の処理ガスＦｂの分子と、副生成物Ｆａｂ’を被処理基板表面より除去して、成膜の１工程が完了し、略１分子層〜数分子層程度の厚さの膜Ｆａｂを形成する。この図６（Ａ）〜（Ｄ）を１サイクルとして、このプロセスを繰り返し行うことにより、被処理基板表面に、所望の厚さの、高品質の膜、例えば半導体装置のゲート絶縁膜として使用可能な高品質な誘電体膜、特に高誘電体膜を形成することが可能となる。形このような成膜をＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、原子層堆積）と呼ぶことがある。
【００５５】
このようにして形成された膜は膜中の欠陥や不純物が少なく、また膜厚の均一性が良好であるという特徴を有する。例えば、前記基板処理装置３００では、第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ３／Ｏ２を用いることにより、被処理基板上に高品質のＡｌ２Ｏ３膜を形成することができる。
【００５６】
次に、前記基板処理装置３００を用いて、前記した分子層・原子層レベルの成膜を行う方法を、図７に基づき、具体的に示す。
［第３実施例］
図７は、図３に示した前記基板処理装置３００を用いて、第２実施例に前記した分子層・原子層レベルの成膜を行う方法を示したフローチャートである。図７を参照するに、まず、工程１００（図中Ｓ１００と表記、以下同様）で前記バルブ３０８を開放して第１の処理ガスであるＴＭＡを前記プロセス空間３０１Ａに導入する。その際、キャリアガスとしてＡｒを同時に導入する。そこで、ＴＭＡは、キャリアガスと共に前記被処理基板Ｗの表面を沿うように流れ、ＴＭＡ分子が前記被処理基板Ｗ表面に吸着する。
【００５７】
次に、工程２００において、バルブ３０８を閉じてＴＭＡおよびＡｒの前記プロセス空間３０１Ａへの導入を停止する。前記プロセス空間３０１Ａは真空排気され、余剰なＴＭＡ分子が前記プロセス空間３０１Ａより排気される。
【００５８】
また、その際に、前記バルブ３１０を開放して前記処理ガスライン３２０の中に残留したＴＭＡを排気する。さらに必要に応じてバルブ３０８を開放して第１のパージガスであるＡｒを供給し、またバルブ３０８を閉じ、バルブ３１０を開放して前記処理ガスライン３２０から、残留ＴＭＡを完全に除去するようにする。
【００５９】
また、必要に応じて前記プロセス空間３０１ＡにＡｒを導入して、前記プロセス空間３０１Ａに残留したＴＭＡを排出するようにしてもよい。
【００６０】
次に、工程３００において、前記バルブ３０９を開放して、第２の処理ガスであるＯ３／Ｏ２を前記プロセス空間３０１Ａに導入する。その際、キャリアガスとしてＡｒを同時に導入する。そこで、Ｏ３／Ｏ２は、キャリアガスと共にＴＭＡ分子が吸着した前記被処理基板Ｗの表面を沿うように流れ、前記被処理基板Ｗ表面でＴＭＡ分子と反応して、前記被処理基板Ｗ上に略１〜数分子層のＡｌ２Ｏ３膜が形成される。
【００６１】
次に、工程４００において、バルブ３０９を閉じてＴＭＡおよびＡｒの前記プロセス空間３０１Ａへの導入を停止する。前記プロセス空間３０１Ａは真空排気され、未反応の余剰なＯ３／Ｏ２が前記プロセス空間３０１Ａより排気される。
【００６２】
また、その際に、前記バルブ３１０を開放して前記処理ガスライン３２０の中に残留したＯ３／Ｏ２を排気する。さらに必要に応じてバルブ３０９を開放して第２のパージガスであるＡｒを供給し、またバルブ３０９を閉じてバルブ３１０を開放して前記処理ガスライン３２０から、Ｏ３／Ｏ２を完全に除去するようにする。
【００６３】
また、必要に応じて前記プロセス空間３０１ＡにＡｒを導入して、前記プロセス空間３０１Ａに残留したＯ３／Ｏ２を排出するようにしてもよい。
【００６４】
このように、工程１００〜４００の工程を繰り返すことにより、所望の膜厚の、高品質なＡｌ２Ｏ３膜を形成することが可能になる。
【００６５】
また、本実施例では第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ３／Ｏ２を用いてＡｌ２Ｏ３を形成する例、すなわち金属酸化膜を形成する例を示したが、同様の方法で金属窒化膜を形成することも可能である。例えば第１の処理ガスにＴｉＣｌ４、第２の処理ガスにＮＨ３を用いることにより、ＴｉＮ膜を形成することも可能である。また他に、ＴａＮ、ＡｌＮなども形成することが可能である。
【００６６】
ここで、以下に示すように、被処理基板表面を流れる処理ガスの流速を上げることで、処理ガスの吸着の効率を向上させて、さらに処理ガスの利用効率を向上させることができる。
【００６７】
そのためには、図３の基板処理装置３００において前記被処理基板Ｗと前記天井部３０４までの距離である前記ギャップＧを最適化する必要がある。次に、前記ギャップＧと処理ガスの吸着の関係について、図８に基づき、説明する。図８は、図３の基板処理装置３００のうち、前記天井部３０４と前記被処理基板Ｗを含む部分を拡大して示したものである。前記被処理基板の中心側を方向Ｃで、端部側を方向Ｅで示す。
【００６８】
図８を参照するに、このような構造において前記被処理基板Ｗと前記天井部３０４との間の狭い空間を、前記処理ガス供給口３０４から供給されるＴＭＡやＯ３／Ｏ２などの処理ガス流Ｆを通過させた場合、前記被処理基板Ｗの表面および前記天井部３０４の表面には境界層Ｂが形成され、処理ガス流Ｆ中をキャリアガスに乗って輸送されているＴＭＡ分子やＯ３／Ｏ２分子などの処理ガス分子は、かかる境界層Ｂ中を拡散することで前記被処理基板Ｗの表面に到達する。
【００６９】
このような境界層Ｂの厚さδは前記処理ガス流Ｆの流速によって変化し、厚さδは流速が減少すると増大し、流速が増大すると減少する。前記境界層Ｂの厚さδが減少すると、前記処理ガス流Ｆから放出された処理ガス分子が前記境界層Ｂ中を拡散して前記被処理基板Ｗの表面に到達するまでの時間が短縮され、所定時間により多くの処理ガス分子が被処理基板の表面に到達することになる。その結果、原料の利用効率が向上する。
【００７０】
このような処理ガス流Ｆの流速は、前記プロセス空間３０１Ａの高さ、すなわち前記ギャップＧを減少させることにより増大させることができる。
【００７１】
図９は、このようなギャップＧと、前記被処理基板Ｗの表面がＴＭＡ分子で飽和するまでのＴＭＡガス供給時間との関係を示す。ただし図９中、横軸は前記処理容器３０１内の前記プロセス空間３０１Ａの容積を示しているが、前記プロセス空間３０１Ａの径は同一に維持されるので、前記プロセス空間３０１Ａの容積は前記キャップＧに対応する。一方図９中、縦軸は被処理基板表面が吸着したＴＭＡ分子で飽和するまでのＴＭＡガスの供給時間を示しており、この値が小さい程、短時間で飽和吸着が実現され、また供給したＴＭＡガスのうち基板表面に吸着したものの割合を示す吸着率が増大する。
【００７２】
図９を参照するに、ギャップＧが４０ｍｍの場合にＴＭＡ分子の吸着率は１３％であるのに対し、ギャップＧが２０ｍｍの場合には吸着率は１４％に向上するのがわかる。さらに前記ギャップＧが８ｍｍまで減少した場合、吸着率は３０％にまで向上する。図９中、▲１▼は被処理基板Ｗに吸着されるＴＭＡ分子の割合を、▲２▼は被処理基板Ｗに吸着されずに排出されるＴＭＡ分子の割合を示している。
【００７３】
このように、前記ギャップＧを減少させることにより前記プロセス空間において被処理基板Ｗの表面に形成される境界層Ｂの厚さδが減少し、吸着率が向上することで成膜工程の際の処理ガスの利用効率が向上することが確認される。
【００７４】
例えば、前記被処理基板Ｗ上にＴＭＡが飽和吸着する時間は、ギャップＧが４０ｍｍの場合、０．５秒であったのに対して、ギャップＧを２．５ｍｍとすると０．０５秒に短縮することが可能になっており、処理ガスの利用効率を向上させると共に、成膜時間を短縮して効率のよい成膜を行う事が可能となる。
【００７５】
一方、前記ギャップＧをさらに減少させ、プロセス空間の容積を約０．５リットル以下に設定した場合には、前記したようなギャップＧを小さくすることによってガス流速を増大させる効果はなくなる。このような傾向に関して、以下に詳細を説明する。
【００７６】
前記したようなギャップＧに対して処理ガス流Ｆの流速が変化する状態を、図１０に示す。図１０を参照するに、曲線ｌ１は処理ガスの流量が０．５Ｌの場合を示し、曲線ｌ２は処理ガスの流量が５Ｌの場合を示すが、それぞれの場合において、すなわち処理ガス流量が０．５〜５Ｌの範囲において同様の傾向を示しており、例えば、前記したようにギャップＧを小さくするに従い、流速が増大していくことがわかる。
【００７７】
また、前記したようなギャップＧを小さくすることにより流速が増大し、処理ガスの利用効率を上昇させる効果が大きくなるのはギャップＧを８ｍｍ程度とした場合からであり、さらに処理ガスの利用効率を向上させる効果が顕著となる流速５０ｍ／ｓｅｃでは、ギャップを３．５ｍｍ程度とする必要がある。
【００７８】
しかし、さらに流速を増大させようとして、さらにギャップを小さくした場合、ギャップが０．５ｍｍ程度とした場合に、流速が図中領域Ｍで示す、略音速領域となり、ギャップを狭めることにより流速を増大させる効果が収束すると考えられる。
【００７９】
このため、前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを前記プロセス空間に前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給する場合、ギャップＧを０．５〜８ｍｍの範囲とするのが好ましく、処理ガスの利用効率が向上する。さらに、より好ましくは、処理ガスの利用効率がさらに向上する効果が得られる第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流速が５０ｍ／ｓｅｃ〜略音速とするために、前記ギャップＧを０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲に設定するのがよい。
［第４実施例］
また、前記した基板処理装置３００は、次に示すように変更して実施することも可能であり、以下に示す場合も前記基板処理装置３００の場合と同様の効果を奏する。図１１は、本発明の第４実施例による基板処理装置４００の概略を示す断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
図１１を参照するに、前記保持台３０２を内部に有する処理容器４０１は、前記保持台３０２が挿入された下部容器４０３、および前記保持台３０２に載置される前記被処理基板Ｗと略平行に設置される天井部４０４および前記下部容器４０３と前記天井部４０４との間に挿入される処理ガス導入リング４０５からなる。
【００８１】
前記被処理基板Ｗと前記天井部４０４に挟まれた空間にはプロセス空間４０１Ａが画成され、前記プロセス空間４０１Ａには、成膜処理の際に前記処理ガス導入リング４０５に形成されたガス穴４０５Ａより、前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスが供給される構造になっている。
【００８２】
前記処理ガス導入リング４０５は、図１２に示すように略環状をしており、前記プロセス空間４０１Ａに面する側には、前記保持台３０２を囲むように、前記被処理基板Ｗを中心とする略同心円上に前記ガス穴４０５Ａが形成されている。
【００８３】
前記ガス導入リング４０５の内部には、前記ガス穴４０５Ａに連通し、処理ガスやパージガスの流路である略環状の図示しないガス溝が形成されている。前記ガス溝にはガスライン４０６より処理ガスやパージガスが供給され、排気ライン４０７より前記ガス溝を排気する構造になっている。
【００８４】
前記ガスライン４０６は、バルブ４０９を介して前記第１の処理ガスライン３１１に接続され、第１の処理ガスであるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）供給源３２１、および第１のパージガスであるＡｒ供給源３２２に接続され、前記プロセス空間４０１ＡにＴＭＡおよびＡｒを供給する構造になっている。
【００８５】
さらに前記ガスライン４０６には、バルブ４１０を介して、前記第２の処理ガスライン３１２が接続され、第２の処理ガスであるＯ３／Ｏ２供給源３２３と、第２のパージガスであるＡｒ供給源３２４に接続され、前記プロセス空間４０１ＡにＯ３／Ｏ２および、Ａｒが供給される構造となっている。
【００８６】
また、前記排気ライン４０７にはバルブ４１１が接続され、前記バルブ４１１を開放することで、前記ガス導入リング４０５内部、すなわち前記ガス溝の減圧・排気が可能となっており、前記ガス溝をパージすることが可能な構造となっている。
【００８７】
例えば、前記バルブ４０９を開放して前記ガスライン４０６および前記ガス溝にＴＭＡを供給した後、残留ＴＭＡを排除するために、前記バルブ４０９を閉じて前記バルブ４１１を開放して前記ガス溝を排気し、さらに前記バルブ４０９を開放して今度は前記第１のパージガスであるＡｒを供給し、前記ガス溝を排気する作業を行い、残留ＴＭＡを排除することが可能な構造になっている。
【００８８】
同様に、前記バルブ４１０を開放して前記ガスライン４０６および前記ガス溝にＯ３／Ｏ２を供給した後、残留Ｏ３／Ｏ２を排除するために、前記バルブ４１０を閉じて前記バルブ４１１を開放して前記ガス溝を排気し、さらに前記バルブ４１０を開放して今度は前記第２のパージガスであるＡｒを供給し、前記ガス溝を排気する作業を行い、残留Ｏ３／Ｏ２を排除することが可能な構造になっている。
【００８９】
前記プロセス空間４０１Ａは、前記天井部４０４に形成され排気管４０８に接続された排気口４０４Ａより排気される構造になっており、前記プロセス空間４０１Ａに供給された処理ガス、パージガスなどは前記排気口４０４Ａから、図示しない真空ポンプなどの排気手段が接続された排気管４０８を介して排気される構造になっている。前記排気口４０４Ａは、その中心が、前記被処理基板Ｗの略中心と対応する位置に設けられている。
【００９０】
そのため、前記ガス穴４０５Ａから供給される処理ガスは、被処理基板Ｗに対して当該被処理基板の端部から中心部に向かって均等に排気され、成膜を行う場合の膜厚の均一性が良好となる。さらにその場合には前記保持台３０２を回動させることにより、さらに被処理基板面内での均一性を向上させることができる。前記保持台の上下動自在、回動自由な機構については前記基板処理装置３００の場合と同一である。
【００９１】
前記基板処理装置４００により、プロセス空間４０１Ａに第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを供給することで、被処理基板Ｗ上に成膜を行う事が可能となる。例えば、第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ２／Ｏ３を供給することで被処理基板Ｗ上にＡｌ２Ｏ３膜を形成することが可能となる。
【００９２】
また、その際に、前記被処理基板Ｗ上に形成される前記プロセス空間４０１Ａの高さであるギャップＧが狭いため、すなわち被処理基板Ｗから前記天井部４０４までの距離が短いために、前記ギャップＧが広い場合に比べて供給される第１の処理ガス、第２の処理ガスが被処理基板Ｗに到達する割合を増大させることができ、成膜の原料となるガスの利用効率を向上させることが可能となる。
【００９３】
また前記基板処理装置３００の場合と同様に、前記ガス穴４０５Ａから供給される第１の処理ガスおよび第２の処理ガスは、前記被処理基板Ｗの表面を沿って流れるように供給され、前記被処理基板Ｗの周縁部から中心部を通ってさらに前記排気口４０４Ａにて排気される。
【００９４】
そのため、前記基板処理装置３００の場合と同様に、前記図７に示したフローチャートに従って分子層・原子層レベルの成膜を行う事ができる。
【００９５】
まず、図７に示すフローチャートに従い、工程１００において、前記バルブ４０９を開放して第１の処理ガスであるＴＭＡを前記プロセス空間４０１Ａに導入する。その際、キャリアガスとしてＡｒを同時に導入する。そこで、ＴＭＡは、キャリアガスと共に前記被処理基板Ｗの表面を沿うように流れ、ＴＭＡ分子が前記被処理基板Ｗ表面に吸着する。
【００９６】
次に、工程２００において、バルブ４０９を閉じてＴＭＡおよびＡｒの前記プロセス空間４０１Ａへの導入を停止する。前記プロセス空間４０１Ａは真空排気され、余剰なＴＭＡ分子が前記プロセス空間４０１Ａより排気される。
【００９７】
また、その際に、前記バルブ４１１を開放して前記処理ガス導入リング４０５の中に残留したＴＭＡを排気する。さらに必要に応じてバルブ４０９を開放して第１のパージガスであるＡｒを供給し、またバルブ４０９を閉じてバルブ４１１を開放し、前記処理ガス導入リング４０５から、残留ＴＭＡを完全に除去するようにする。
【００９８】
また、必要に応じて前記プロセス空間４０１ＡにＡｒを導入して、前記プロセス空間４０１Ａに残留したＴＭＡを排出するようにしてもよい。
【００９９】
次に、工程３００において、前記バルブ４１０を開放して、第２の処理ガスであるＯ３／Ｏ２を前記プロセス空間４０１Ａに導入する。その際、キャリアガスとしてＡｒを同時に導入する。そこで、Ｏ３／Ｏ２は、キャリアガスと共にＴＭＡ分子が吸着した前記被処理基板Ｗの表面を沿うように流れ、前記被処理基板Ｗ表面でＴＭＡ分子と反応して、前記被処理基板Ｗ上に略１〜数分子層のＡｌ２Ｏ３膜が形成される。
【０１００】
次に、工程４００において、バルブ４１０を閉じてＴＭＡおよびＡｒの前記プロセス空間４０１Ａへの導入を停止する。前記プロセス空間３０１Ａは真空排気され、未反応の余剰なＯ２／Ｏ３が前記プロセス空間３０１Ａより排気される。
【０１０１】
また、その際に、前記バルブ４１１を開放して前記処理ガス導入リング４０５の中に残留したＯ２／Ｏ３を排気する。さらに必要に応じてバルブ４１０を開放して第２のパージガスであるＡｒを供給し、またバルブ４１０を閉じてバルブ４１１を開放し、前記処理ガス導入リング４０５から、Ｏ２／Ｏ３を完全に除去するようにする。
【０１０２】
また、必要に応じて前記プロセス空間４０１ＡにＡｒを導入して、前記プロセス空間４０１Ａに残留したＯ２／Ｏ３を排出するようにしてもよい。
【０１０３】
このように、工程１００〜４００を繰り返すことにより、所望の膜厚の、高品質なＡｌ２Ｏ３膜を形成することが可能になる。
【０１０４】
また、本実施例においても、前記基板処理装置３００の場合において図８〜１０に示した場合と同様に、供給される処理ガスの流速が増大すると、処理ガスが前記被処理基板Ｗの表面に到達するまでの時間が短縮され、所定時間により多くの処理ガス分子が被処理基板の表面に到達することになる。その結果、原料の利用効率が向上し、このような処理ガスの流速は、前記プロセス空間４０１Ａの高さ、すなわち前記ギャップＧを減少させることにより増大させることができる。
【０１０５】
このため、前記図９および図１０の結果を基板処理装置４００においても適用することが可能となり、前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを前記プロセス空間に前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給する場合、ギャップＧを０．５〜８ｍｍの範囲とするのが好ましく、処理ガスの利用効率が向上する。さらに、より好ましくは、処理ガスの利用効率がさらに向上する効果が得られる第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流速が５０ｍ／ｓｅｃ〜略音速とするために、前記ギャップＧを０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲に設定するのがよい。
［第５実施例］
また、前記したような分子層・原子層レベルの成膜方法は、以下に示す基板処理装置においても実施することが可能である。
【０１０６】
図１３は、前記した分子層・原子層レベルの成膜（ＡＬＤ成膜）を行う基板処理装置（ＡＬＤ成膜装置）１０の構成を示す。
【０１０７】
図１３を参照するに、前記基板処理装置１０は被処理基板Ｗを隔てて互いに対向する処理ガス導入口１３Ａおよび１３Ｂと、前記被処理基板Ｗを隔てて前記処理ガス導入口１３Ａおよび１３Ｂにそれぞれ対向する細長いスリット状の排気口１４Ａ，１４Ｂとを備えた処理容器１１を含み、前記排気口１４Ａおよび１４Ｂはそれぞれコンダクタンスバルブ１５Ａおよび１５Ｂを介してトラップ１００に接続され、前記処理容器１１は前記トラップ１００を介して排気される。
【０１０８】
さらに、前記処理容器１１には、前記処理ガス導入口１３Ａに隣接して、別の処理ガス導入口１３Ｃが、前記排気口１４Ａに対向するように形成されている。
【０１０９】
前記処理ガス導入口１３Ａは切替バルブ１６Ａの第１の出口に接続され、前記切替バルブ１６Ａはバルブ１７Ａ，質量流量コントローラ１８Ａ，および別のバルブ１９Ａを含む第１の原料供給ライン１６ａを介してＴＭＡを保持する原料容器２０Ａに接続される。さらに、前記第１の原料供給ライン１６ａに隣接して、バルブ２１Ａ，２２Ａを含み、Ａｒ等の不活性ガスを供給するパージライン２１ａが設けられる。
【０１１０】
さらに、前記切替バルブ１６Ａには、Ａｒ等の不活性ガス源に接続され、質量流量コントローラ２３Ａおよび２４Ａを含むバルブパージライン２３ａが接続され、前記切替バルブ１６Ａの第２の出口はパージライン１００ａを介して前記トラップ１００に接続される。
【０１１１】
同様に、前記処理ガス導入口１３Ｂは切替バルブ１６Ｂの第１の出口に接続され、前記切替バルブ１６Ｂはバルブ１７Ｂ，質量流量コントローラ１８Ｂ，および別のバルブ１９Ｂを含む第１の原料供給ライン１６ｂを介してＯ３／Ｏ２を保持する原料容器２０Ｂに接続される。さらに、前記第１の原料供給ライン１６ｂに隣接して、バルブ２１Ｂ，２２Ｂを含み、Ａｒ等の不活性ガスを供給するパージライン２１ｂが設けられる。
【０１１２】
さらに、前記切替バルブ１６Ｂには、Ａｒ等の不活性ガス源に接続され、質量流量コントローラ２３Ｂおよび２４Ｂを含むバルブパージライン２３ｂが接続され、前記切替バルブ１６Ｂの第２の出口はパージライン１００ｂを介して前記トラップ１００に接続される。
【０１１３】
さらに前記処理ガス導入口１３Ｃは切替バルブ１６Ｃの第１の出口に接続され、前記切替バルブ１６Ｃはバルブ１７Ｃ，質量流量コントローラ１８Ｃ，および別のバルブ１９Ｃを含む第１の原料供給ライン１６ｃを介してＳｉＣｌ４を保持する原料容器２０Ｃに接続される。さらに、前記第１の原料供給ライン１６ｃに隣接して、バルブ２１Ｃ，２２Ｃを含み、Ａｒ等の不活性ガスを供給するパージライン２１ｃが設けられる。
【０１１４】
さらに、前記切替バルブ１６Ｃには、Ａｒ等の不活性ガス源に接続され、質量流量コントローラ２３Ｃおよび２４Ｃを含むバルブパージライン２３ｃが接続され、前記切替バルブ１６Ｃの第２の出口はパージライン１００ｃを介して前記トラップ１００に接続される。
【０１１５】
また、図１３の基板処理装置１０には成膜プロセスを制御する制御装置１０Ａが設けられ、前記制御装置１０Ａは後ほど説明するように、前記切替バルブ１６Ａ〜１６Ｃおよびコンダクタンスバルブ１５Ａおよび１５Ｂを制御する。
【０１１６】
図１４は、図１３の処理容器１１を含む部分の詳細を示す。ただし図１４中、図１３に対応する部分は同一の参照符号で示されている。
【０１１７】
図１４を参照するに、前記処理容器１１はＡｌ等よりなる外側容器２０１と石英ガラスよりなる内側反応容器２０２とを有し、前記内側反応容器２０２は、前記外側容器２０１中に画成され、前記外側容器２０１の一部を構成するカバープレート２０１Ａにより覆われる凹部中に収められる。
【０１１８】
前記内側反応容器２０２は、前記凹部内において前記外側容器２０１の底面を覆う石英底板２０２Ａと、前記凹部内において前記石英底板２０２Ａを覆う石英カバー２０２Ｂとよりなり、さらに前記外側容器の底部には、被処理基板Ｗを保持したディスク状の基板保持台２０３が収められる円形の開口部２０１Ｄが形成されている。前記基板保持台２０３中には、図示を省略する加熱機構が設けられている。
【０１１９】
前記被処理基板Ｗ上には、前記石英カバー２０２Ｂとの間にプロセス空間１１Ａが画成され、前記プロセス空間１１Ａの高さ、すなわち前記被処理基板Ｗと、前記石英カバー２０２Ｂの前記被処理基板Ｗに面する側との距離はギャップＧ１である。
【０１２０】
前記基板保持台２０３は前記外側処理容器２０１の下部に設けられた基板搬送部２０４により回動自在に、また同時に上下動自在に保持されている。
【０１２１】
前記基板処理装置１０により成膜を行う場合は、前記基板保持台２０３を回動することにより、被処理基板の面内での均一性が良好となる。
【０１２２】
前記基板保持台２０３は最上位のプロセス位置と最下位の基板出入位置との間を上下動可能に保持されており、前記プロセス位置は、前記保持台２０３上の被処理基板Ｗの表面が前記石英底板２０２Ａの表面と略一致するように決定されている。
【０１２３】
一方、前記基板出入位置は、前記基板搬送部２０４の側壁面に形成された基板搬入出開口部２０４Ａに対応して設定されており、前記基板保持台２０３が前記基板出入位置まで下降した場合、前記基板搬入出口２０４Ａから搬送アーム２０４Ｂが挿入され、リフタピン（図示せず）により基板保持台２０３表面から持ち上げられた被処理基板Ｗを保持して取り出し、次の工程に送る。また、前記搬送アーム２０４Ｂは、新たな被処理基板Ｗを、前記基板搬入出開口部２０４Ａを介して前記基板搬送部２０４中に導入し、これを前記基板保持台２０３上に載置する。
【０１２４】
前記新たな被処理基板Ｗを保持した基板保持台２０３は、軸受部２０５中に磁気シール２０５Ａにより保持された回動軸２０５Ｂにより回動自在に、また上下動自在に保持されており、前記回動軸２０５Ｂが上下動する空間は、ベローズ２０６等の隔壁により密閉されている。その際、前記空間は図示を省略した排気口を介して前記内側容器２０２内部よりも高真空状態に排気され、前記内側容器２０２内で行われる基板処理プロセスへの汚染が回避される。
【０１２５】
かかる差動排気を確実に行うため、前記基板保持台２０３には被処理基板Ｗを囲むように石英ガラスよりなるガードリング２０３Ａが設けられている。かかるガードリング２０３Ａは、前記基板保持台２０３と前記外側容器２０１中に前記基板保持台を収容するように形成された前記開口部２０１Ｄの側壁面との間のコンダクタンスを抑制し、これにより前記ベローズ２０６で画成された空間内を高真空に排気した場合に前記内側反応容器２０２との間に差圧が確実に形成される。
【０１２６】
前記外側容器２０１の底部に形成された前記開口部２０１Ｄは、側壁面が石英ライナー２０１ｄにより覆われており、前記石英ライナー２０１ｄはさらに下方に延在して前記基板搬送部２０４の内壁を覆う。
【０１２７】
前記外側容器２０１の底部には、前記開口部２０１Ｄの両側にそれぞれ排気装置に接続された排気溝部２０１ａおよび２０１ｂが形成されており、前記排気溝部２０１ａは導管２０７ａおよびコンダクタンスバルブ１５Ａを介して、また前記排気溝部２０１ｂは導管２０７ｂおよびコンダクタンスバルブ１５Ｂを介して排気される。図１４の状態では、前記コンダクタンスバルブ１５Ａが略閉状態に、また前記コンダクタンスバルブ１５Ｂが開状態に設定されている。前記コンダクタンスバルブ１５Ａ，１５Ｂは、信頼性の高い開閉状態を実現するために、閉状態といえども完全に閉鎖するのではなく３％程度の弁開度を残しておく。
【０１２８】
前記排気溝部２０１ａおよび２０１ｂは石英ガラスよりなるライナー２０８により覆われており、前記排気溝部２０１ａ，２０１ｂに対応してスリット状の開口部２０９Ａ，２０９Ｂが前記石英底板２０２Ａに形成される。図１４の実施例では、かかるスリット状の開口部２０９Ａ，２０９Ｂに、図１３で説明した排気口１４Ａあるいは１４Ｂが形成された整流板２０９が、前記内側反応容器２０２内部の排気を促進する目的で形成されている。
【０１２９】
さらに前記内側反応容器２０２内には、石英ガスノズル１３Ａおよび１３Ｂが、それぞれ前記排気溝部２０１ａおよび２０１ｂに、前記ウェハ１２を隔てて対向するように設けられている。そこで前記ガスノズル１３Ａから導入された第１の処理ガスは、前記内側反応容器２０２内を前記被処理基板１２の表面に沿って流れ、対向する排気口１４Ａから前記コンダクタンスバルブ１５Ａを介して排気される。同様に前記ガスノズル１５Ｂから導入された第２の処理ガスは、前記内側反応容器２０２内を前記被処理基板Ｗの表面に沿って流れ、対抗する排気口１４Ｂから前記コンダクタンスバルブ１５Ｂを介して排気される。このように第１および第２の処理ガスを交互に前記ガスノズル１３Ａから排気口１４Ａへと、あるいは前記ガスノズル１３Ｂから排気口１４Ｂへと流すことにより、先に説明した分子層を基本単位とする膜形成が可能になる。
【０１３０】
図１５は、前記内側反応容器２０２を構成する石英底板２０２Ａの構成を詳細に示す。
【０１３１】
図１５を参照するに、前記石英底板２０２Ａには前記被処理基板Ｗに対応した円形の開口部２０２ａが形成されており、前記開口部２０２ａの両側には、前記排気溝部２０１ａ，２０１ｂに対応した開口部２０９Ａおよび２０９Ｂが形成されている。さらに図１５の例では、前記開口部２０９Ａ，２０９Ｂに対応して前記排気口１４Ａあるいは１４Ｂを構成するスリットを有する整流板２０９が設けられている。また前記石英底板２０２Ａには、前記ガスノズル１３Ａに対応して開口部２１０ａが、また前記ガスノズル１３Ｂに対応して開口部２１０ｂが形成されている。前記石英底板２０２Ａに前記開口部２１０ａあるいは２１０ｂを複数個形成することにより、前記内側処理容器２０２内に前記ガスノズル１３Ａあるいは１３Ｂを複数個設けることが可能になる。
【０１３２】
図１６は、図１２，１３の基板処理装置１０において被処理基板Ｗ上にＡｌ２Ｏ３膜を略１分子層ずつ形成する際に、前記制御装置１０Ａの制御の下に実行される成膜プロセスを示すフローチャートである。
【０１３３】
図１６を参照するに、最初の工程１において、前記コンダクタンスバルブ１５Ａ，１５Ｂは開放され、前記切替バルブ１６Ａおよび１６Ｂは、いずれも処理ガス供給ライン１６ａ，１６ｂ中の処理ガスをそれぞれパージライン１００ａおよび１００ｂを介してトラップ１００に供給するように第１の状態、すなわちパージ状態に制御される。その結果前記石英反応容器２０２中には前記パージライン２３ａ中のＡｒガスが、また前記パージライン２３ｂ中のＡｒガスが、それぞれ処理ガス導入口１３Ａおよび１３Ｂを介して供給される。このようにして供給されたＡｒパージガスは、それぞれ前記排気口１４Ａおよび１４Ｂからトラップ１００に排出される。
【０１３４】
次に工程２において、前記コンダクタンバルブ１５Ａの開度が増大され、コンダクタンスバルブ１５Ｂの開度が減少される。その結果、前記石英反応容器２０２中には、前記ガス導入口１３Ａから排気口１４Ａに流れるガス流が生じる。
【０１３５】
次に工程３において前記切替バルブ１６Ａが前記第１の状態から第２の状態に切り替えられ、前記処理ガス供給ライン１６ａ中のＴＭＡガスが前記第１の処理ガス導入口１３Ａから前記石英反応容器２０２中に、図１７に示すようにガス流ＬＦ１として導入される。このようにして導入されたＴＭＡガス流ＬＦ１は先に説明したように、前記被処理基板Ｗの表面を流れ、前記排気口１４Ａより排出される。かかる工程により、前記被処理基板Ｗの表面にはＴＭＡが１分子層程度吸着される。前記工程３においては、前記第２の切替バルブ１６Ｂは前記第１の状態にあり、ライン２３ａ中のＡｒパージガスが前記第２の処理ガス導入口１３Ｂから前記石英反応容器２０２中に導入される。その結果、前記第１の処理ガス導入口１３Ａから導入されたＴＭＡが前記第２の処理ガス導入口１３Ｂに侵入し、析出物を生じる問題は生じない。
【０１３６】
次に工程４において前記切替バルブ１６Ａが元の第１の状態に戻され、前記反応容器２０２中がＡｒガスによりパージされる。
【０１３７】
さらに工程５において、前記コンダクタンバルブ１５Ａの開度が減少され、コンダクタンスバルブ１５Ｂの開度が増大される。その結果、前記石英反応容器２０２中には、前記ガス導入口１３Ｂから排気口１４Ｂに流れるガス流が生じる。
【０１３８】
次に工程６において前記切替バルブ１６Ｂが前記第１の状態から第２の状態に切り替えられ、前記処理ガス供給ライン１６ｂ中のＯ３／Ｏ２ガスが前記第２の処理ガス導入口１３Ｂから前記石英反応容器２０２中に、図１８に示すようにガス流ＬＦ２として導入される。このようにして導入されたＯ３／Ｏ２ガス流ＬＦ２は先に説明したように、前記被処理基板Ｗの表面を流れ、前記排気口１４Ｂより排出される。かかる工程により、前記被処理基板Ｗの表面において、先に吸着していたＴＭＡが加水分解され、約１分子層厚さのＡｌ２Ｏ３膜が形成される。前記工程６においては、前記第１の切替バルブ１６Ａは前記第１の状態にあり、ライン２３ａ中のＡｒパージガスが前記第２の処理ガス導入口１３Ａから前記石英反応容器２０２中に導入される。その結果、前記第２の処理ガス導入口１３Ｂから導入されたＯ３／Ｏ２ガスが前記第１の処理ガス導入口１３Ａに侵入し、析出物を生じる問題は生じない。
【０１３９】
また、成膜の際は、前記基板保持台２０３を回動させることにより、前記ガス流ＬＦ１、ＬＦ２の不均一性が成膜に与える影響を小さくすることができ、形成される膜の均一性を向上させることができる。
【０１４０】
また、本実施例では第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ３／Ｏ２を用いてＡｌ２Ｏ３を形成する例、すなわち金属酸化膜を形成する例を示したが、同様の方法で金属窒化膜を形成することも可能である。例えば第１の処理ガスにＴｉＣｌ４、第２の処理ガスにＮＨ３を用いることにより、ＴｉＮ膜を形成することも可能である。また他に、ＴａＮ、ＡｌＮなども形成することが可能である。
【０１４１】
本実施例においても、前記成膜装置３００および前記成膜装置４００の場合と同様に、処理ガスを被処理基板に吸着させることによって成膜を行う、表面反応を用いた成膜を行う場合は、被処理基板表面を流れる処理ガスの流速が早い場合に、処理ガスの吸着の効率がよく、さらに処理ガスの利用効率を向上させることができる。
【０１４２】
すなわち、前記ガス流ＬＦ１をおよび前記ガス流ＬＦ２のなど処理ガスの流れを処理ガス流Ｆ１２とすると、図８に前記した場合と同様に、被処理基板Ｗ上に形成される境界層の厚さδ１２は、前記処理ガス流Ｆ１２の流速に依存し、流速が増大すると減少する。前記境界層の厚さδ１２が減少すると、前記処理ガス流Ｆ１から放出された処理ガス分子であるＴＭＡ分子やＯ３／Ｏ２分子が境界層中を拡散して前記被処理基板Ｗの表面に到達するまでの時間が短縮され、所定時間により多くの処理ガス分子、すなわちＴＭＡ分子およびスＯ３／Ｏ２分子が被処理基板の表面に到達することになる。その結果、原料の利用効率が向上する。
【０１４３】
このような処理ガス流Ｆ１２の流速は、前記プロセス空間１１Ａの高さ、すなわち前記ギャップＧ１を減少させることにより増大させることができる。
【０１４４】
図１９は、このようなギャップＧ１と、前記被処理基板Ｗの表面がＴＭＡ分子で飽和するまでのＴＭＡガス供給時間との関係を示す。ただし図１９中、横軸は前記処理容器１１内の前記プロセス空間１１Ａの容積を示しているが、前記プロセス空間１１Ａの径は同一に維持されるので、前記プロセス空間１１Ａの容積は前記キャップＧ１に対応する。一方図１９中、縦軸は被処理基板表面が吸着したＴＭＡ分子で飽和するまでのＴＭＡガスの供給時間を示しており、この値が小さい程、短時間で飽和吸着が実現され、また供給したＴＭＡガスのうち基板表面に吸着したものの割合を示す吸着率が増大する。
【０１４５】
図１９を参照するに、ギャップＧ１が４０ｍｍの場合にＴＭＡ分子の吸着率は１３％であるのに対し、ギャップＧ１が２０ｍｍの場合には吸着率は１４％に向上するのがわかる。さらに前記ギャップＧ１が８ｍｍまで減少した場合、吸着率は３０％にまで向上する。図１９中、▲３▼は被処理基板Ｗに吸着されるＴＭＡ分子の割合を、▲４▼は被処理基板Ｗに吸着されずに排出されるＴＭＡ分子の割合を示している。
【０１４６】
このように、前記ギャップＧ１を減少させることにより前記プロセス空間において被処理基板Ｗの表面に形成される前記境界層の厚さδ１２が減少し、吸着率が向上することで成膜工程の際の処理ガスの利用効率が向上することが確認される。
【０１４７】
また、処理ガスの利用効率が向上することで、処理時間を短縮することが可能となり、例えば、前記被処理基板Ｗ上にＴＭＡが飽和吸着する時間は、ギャップＧが４０ｍｍの場合、０．５秒であったのに対して、ギャップＧを８ｍｍとすると０．１秒に短縮することが可能になっており、処理ガスの利用効率を向上させると共に、成膜時間を短縮して効率のよい成膜を行う事が可能となる。
【０１４８】
一方、前記ギャップＧ１をさらに減少させ、プロセス空間の容積を約０．５リットル以下に設定した場合には、前記したようなギャップＧ１を小さくすることによってガス流速を増大させる効果はなくなる。このような傾向に関して、以下に詳細を説明する。
【０１４９】
前記したようなギャップＧ１に対して処理ガス流Ｆ１２の流速が変化する状態を、図２０に示す。図２０を参照するに、曲線ｌ３は処理ガスの流量が０．５Ｌの場合を示し、曲線ｌ４は処理ガスの流量が５Ｌの場合を示すが、それぞれの場合において、すなわち処理ガス流量が０．５〜５Ｌの範囲において同様の傾向を示しており、例えば、前記したようにギャップＧ１を小さくするに従い、流速が増大していくことがわかる。
【０１５０】
また、前記したようなギャップＧ１を小さくすることにより流速が増大し、処理ガスの利用効率を上昇させる効果が大きくなるのはギャップＧ１を８ｍｍ程度とした場合からであり、さらに処理ガスの利用効率を向上させる効果が顕著となる流速５０ｍ／ｓｅｃでは、ギャップを３．５ｍｍ程度とする必要がある。
【０１５１】
しかし、さらに流速を増大させようとして、さらにギャップを小さくした場合、ギャップが０．５ｍｍ程度とした場合に、流速が図中領域Ｍ示す、略音速領域となり、ギャップを狭めることにより流速を増大させる効果が収束すると考えられる。
【０１５２】
このため、前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを前記プロセス空間に前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給する場合、ギャップを０．５〜８ｍｍの範囲とするのが好ましく、処理ガスの利用効率が向上する。さらに、より好ましくは、処理ガスの利用効率がより向上する効果が得られる第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流速が５０ｍ／ｓｅｃ〜略音速とするために、前記ギャップＧ１を０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲に設定するのがよい。
【０１５３】
また、この場合、例えば図２１に示すように、処理ガスが流れる空間を、処理ガスが流れる方向に向かって狭くするような形状にして、処理ガスの吸着を均一にすることも可能である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１５４】
図２１を参照するに、前記プロセス空間１１Ａの高さが、処理ガスが流れる方向に従い、狭くなる形状となっている。このため、前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さがガスの流れ方向に従い、狭くなっていくことにより、被処理基板上に形成される境界層の厚みは次第に減少していく。従って、流れ方向で原料濃度が減少していったとしても、境界層を連続的に薄くすることにより、原料の使用効率を増大させて基板への吸着効率を上げ、結果的に一定な吸着率を得ることができる。
【０１５５】
以上の説明では本発明をＡｌ２Ｏ３膜の形成を例に説明したが、本発明はかかる特定の系の成膜に限定されるものではなく、ＺｒＯ２膜、ＨｆＳｉＯ４膜、ＺｒＳｉＯ４膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＴａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＴｉＮ膜等、様々な膜の形成に適用が可能である。
【０１５６】
また、以上に説明した本発明の基板処理装置および処理方法は、被処理基板表面に膜を１分子層ずつ積層するいわゆるＡＬＤプロセスにおいて非常に有用であるが、ＭＯＣＶＤ法などの原子層成長に限定されない成膜プロセスに対しても、吸着工程を利用するような工程を含む場合は有効である。
【０１５７】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【０１５８】
【発明の効果】
本発明によれば、被処理基板上に成膜を行う際に、被処理基板上に形成される処理ガスが供給される処理空間を小さくし、成膜に利用される処理ガスの利用効率を向上させて、生産性の良好な成膜を行う事が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の基板処理装置の概略図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、従来の成膜方法と本発明による成膜方法を示した図である。
【図３】本発明による基板処理装置の概略を示した図（その１）である。
【図４】図３の基板処理装置の排気方法を示した図である。
【図５】図３の基板処理装置の変更例を示した図である。
【図６】表面反応を用いた成膜方法を模擬的に示した図である。
【図７】本発明による成膜方法のフローチャートを示した図（その１）である。
【図８】図３の基板処理装置の動作を説明する図である。
【図９】図３の基板処理装置の処理ガスの流速と、処理ガスが飽和吸着するための供給時間の関係を示す図である。
【図１０】図３の基板処理装置のギャップと処理ガスの流速の関係を示す図である。
【図１１】本発明による基板処理装置の概略を示す図（その２）である。
【図１２】図１１の装置で用いる処理ガス導入リングの斜視図である。
【図１３】本発明による基板処理装置のガス・排気の系統図である。
【図１４】本発明による基板処理装置の概略図（その３）である。
【図１５】図１４の基板処理装置で用いられる処理容器内部の部品を示す図である。
【図１６】本発明による成膜方法のフローチャートを示した図（その２）である。
【図１７】図１４の基板処理装置の処理ガスの流れを示した図（その１）である。
【図１８】図１４の基板処理装置の処理ガスの流れを示した図（その２）である。
【図１９】図１４の基板処理装置の処理ガスの流速と、処理ガスが飽和吸着するための供給時間の関係を示す図である。
【図２０】図１４の基板処理装置のギャップと処理ガスの流速の関係を示す図である。
【図２１】図１４の基板処理装置の変更例である。
【符号の説明】
１０，３００，４００，５００ 基板処理装置
Ｗｆ，Ｗ 被処理基板
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 処理ガス導入口
１４Ａ，１４Ｂ 排気口
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ 切替バルブ
１５Ａ，１５Ｂ コンダクタンスバルブ
１０Ａ 制御装置
１１ 処理容器
１６ａ 第１の処理ガス供給ライン
１６ｂ 第２の処理ガス供給ライン
１６ｃ 第３の処理ガス供給ライン
３１１，３１２，３２０ ガスライン
３１３，４０７ 排気ライン
３１４，４０８ 排気管
３０４Ａ 処理ガス供給口
１１Ａ，３０１Ａ，４０１Ａ プロセス空間
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，２１Ａ，２２Ａ，２１Ｂ，２２Ｂ，２１Ｃ，２２Ｃ，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，５１４Ａ，５１４Ｂ，３０８，３０９，３１０，３１９，４０９，４１０，４１１ バルブ
１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ 質量流量コントローラ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ パージライン
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 原料容器
３２１，３２２，３２３，３２４ ガス供給源
１００ トラップ
１１，５１１，３０１，４０１ 処理容器
３０４，４０４ 天井部
４０４Ａ 排気口
３０３ 中間容器
３０３Ａ 排気空間
３０５，４０３ 下部容器
４０５ 処理ガス導入リング
４０５Ａ ガス穴
３０６ 排気プレート
３０６Ａ 排気穴
２０１ 外側容器
２０１Ａ カバープレート
２０１Ｄ 開口部
２０１ａ，２０１ｂ 排気溝部
２０１ｄ 石英ライナー
２０２ 石英反応容器
２０２Ａ 石英底板
２０２Ｂ 石英カバー
２０３，３０２，５１１Ａ，Ｅ３ 保持台
５１１ａ ヒータ
２０３Ａ ガードリング
２０４ 基板搬送部
２０４Ａ 基板搬送口
２０４Ｂ 搬送アーム
２０５，３１７ 軸受部
２０５Ａ，３１８ 磁気シール
２０５Ｂ，３１６ 回動軸
２０６，３１５ ベローズ
５１１Ｂ，Ｅ１ 処理ガス供給部
５１１ｂ シャワーヘッド
５１１Ｃ 排気口
５１２ ターボ分子ポンプ
５１３ ドライポンプ
Ｇａ，Ｇｂ，Ｇ，Ｇ１ ギャップ
Ｆ１，Ｆａ，Ｆｂ ガス流
Ｅ２ 天井面
δ 境界層厚さ
Ｂ 境界層
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜方法および基板処理装置に係り、特には被処理基板上に金属酸化膜を成膜する成膜方法および基板処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学気相堆積（ＣＶＤ法）は、基本的な半導体装置の製造プロセスであり、アスペクト比の大きい複雑な構造上においても良好なカバレッジで成膜できるため、半導体装置や液晶表示装置などの表示装置の製造工程において、絶縁膜や半導体膜、あるいは金属膜の堆積に広く使われている。
【０００３】
前記ＣＶＤ法は、今日の超高速高速半導体装置では、例えばゲート電極の材料で、比誘電率がＳｉＯ２膜のものよりもはるかに大きい、いわゆる高誘電体材料であるＴａ２Ｏ５，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，ＺｒＳｉＯ４，ＨｆＳｉＯ４などの成膜に用いられる場合がある。
【０００４】
図１は、従来のＣＶＤ法による基板処理装置５００の概略図を示したものである。図１を参照するに、被処理基板Ｗｆを保持する、ヒータ５１１ａを内臓する保持台５１１Ａを内部に有する処理容器５１１は、前記処理容器５１１内を排気する手段であるターボ分子ポンプ５１２およびドランポンプ５１３が排気口５１１Ｃに接続され、前記処理容器５１１内を減圧・排気することが可能な構造となっている。
【０００５】
前記処理容器５１１上には、シャワーヘッド５１１ｂを有するガス供給構造５１１Ｂが設けられており、前記ガス供給構造５１１Ｂには、バルブ５１４Ａを介してガス供給源Ａが、またバルブ５１４Ｂを介してガス供給源Ｂが接続されている。
【０００６】
被処理基板上に成膜を行う際は、前記バルブ５１４Ａを開放することで、前記ガス供給部５１１Ｂから前記シャワーヘッド５１１ｂを介して前記被処理基板Ｗｆ上にガスＡを供給し、また前記バルブ５１４Ｂを開放することで、前記ガス供給部５１１Ｂから前記被処理基板Ｗｆ上にガスＢを供給する。
【０００７】
薄膜形成方法としては、従来のＣＶＤ方式に加えて、原子層成膜（ＡＬＤ： Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が極薄膜形成方法として有望である。この場合には、図１のガスＡとＢを同時に処理容器５１１内に流入させることはなく、別々に流入させる。つまり、ガスＡを基板表面に吸着させる工程と、ガスＢを吸着したガスＡと反応させる工程からなる。しかしながら、このＣＶＤとＡＬＤとの技術の境界は必ずしも明確でなく、原料ガスＡ，Ｂの性質によっては、ガスＡとＢを同時に流す工程と、別々に流す工程とを含む場合もある。つまり、ガスＡとＢを同時に流す場合、別々に流す場合、部分的に同時に流す工程も含んでいる場合がある。ただし、ガスＡとガスＢの反応が起こりやすく、気相で混合しただけで反応して、粉末上の生成物を発生させるような場合には、処理容器５１１同時に導入することはできず、別々に導入することが必要になる。
【０００８】
前述した高誘電体材料の成膜の場合、例えばガスＡにトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガスＢに酸素またはＯ３を用いる場合には、反応性が強いので、ＡＬＤ方式によって交互にガスを導入することにより、前記被処理基板Ｗｆ上にＡｌ２Ｏ３膜を成膜することができる。
【０００９】
【特許文献１】
ＵＳ ６３０６２１６
【００１０】
【特許文献２】
ＵＳ ６０１５５９０
【００１１】
【特許文献３】
特開２０００−３１９７７２号公報
【００１２】
【特許文献４】
特開２００１−６８４２３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、吸着工程を含むような成膜プロセス装置において、原料をより効率的に吸着させることが必要である。
【００１４】
前記基板処理装置５００では、ガスＡおよびガスＢを供給する際、前記シャワーヘッド５１１ｂから前記被処理基板Ｗｆまでは、距離Ｈだけ離れていてガスの拡散領域があるため、当該ガスＡおよびガスＢは、前記シャワーヘッド５１１ｂから前記被処理基板Ｗｆまで到達するまでの間に前記処理容器内を拡散し、供給されたガスＡおよびガスＢの大半は、前記被処理基板Ｗｆに到達する事無く、前記排気口５１１Ｃより排出されてしまう。そのために、高価なガスであるＴＭＡの大半が成膜に利用されること無く消費され、成膜のためのコストがかかる要因となっていた。
【００１５】
そこで、本発明では上記の課題を解決した成膜方法および基板処理装置を提供することを目的としている。
【００１６】
本発明の具体的な課題は、被処理基板上に成膜する場合に、成膜に用いるガスの利用効率を向上させて、生産性が良好となる成膜方法および基板処理装置を供給することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記の課題を解決するために、
請求項１に記載したように、
被処理基板に成膜する成膜方法であって、
前記被処理基板表面に処理ガスを吸着させる吸着工程を含み、前記吸着工程において前記処理ガスは前記被処理基板表面に供給され、前記処理ガスが前記被処理基板に沿って流れる流速が５０ｍ／ｓｅｃ以上で音速程度以下であることを特徴とし、原料の基板への供給方法としては、基板面に対向するシャワーヘッド面から基板面に垂直に供給してもよいし、基板面に平行な位置より平行に供給してもよいが、いずれも原料ガスは基板表面で境界層を形成し、基板面上を平行に流れて排出される成膜方法により、また、
請求項２に記載したように、
前記被処理基板に成膜する基板処理装置は、前記被処理基板を保持する保持台を内部に有する処理容器を有し、前記処理容器には前記処理ガスを前記処理容器内に供給する処理ガス供給口と、前記処理ガスを前記処理容器内から排気する排気口が設けられ、前記処理ガス供給口から供給される前記処理ガスは前記被処理基板に沿って流れ、前記排気口より排気されることを特徴とする請求項１記載の成膜方法により、また、
請求項３に記載したように、
前記処理容器内の、前記被処理基板表面に対向する側には前記被処理基板と略平行に天井面が形成され、前記処理ガスは前記被処理基板と前記天井面の間に形成される処理空間を流れることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法により、また、
請求項４に記載したように、
前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項３記載の成膜方法により、また、
請求項５に記載したように、
前記被処理基板から前記天井面までの高さが、前記処理ガスの流れ方向に向かって減少し、前記高さが最も小さくなった部分が０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項４項記載の成膜方法により解決する。
【００１８】
前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さがガスの流れ方向に従い、狭くなっていくことにより、境界層の厚みは次第に減少していく。従って、流れ方向で原料濃度が減少していったとしても、境界層を連続的に薄くすることにより、原料の使用効率を増大させて基板への吸着効率を上げ、結果的に一定な吸着率を得ることができる。
【００１９】
また、本発明は上記の課題を解決するために、
請求項６に記載したように、
さらに、前記被処理基板表面に別の処理ガスを吸着させる別の吸着工程を含み、前記別の吸着工程において前記別の処理ガスは前記被処理基板表面に供給され、前記別の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って流れる流速が５０ｍ／ｓｅｃ以上で音速程度以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項７に記載したように、
前記処理ガスは金属を含むガスで、前記別の処理ガスは前記処理ガスを酸化する酸化ガスであり、前記吸着工程で前記被処理基板表面に吸着した前記処理ガスは、前記別の吸着工程で前記酸化ガスによって酸化されることを特徴とする請求項６記載の成膜方法により、また、
請求項８に記載したように、
前記処理ガスは金属を含むガスで、前記別の処理ガスは前記処理ガスを窒化する窒化ガスであり、前記吸着工程で前記被処理基板表面に吸着した前記処理ガスは、前記別の吸着工程で前記窒化ガスによって窒化されることを特徴とする請求項６記載の成膜方法により、また、
請求項９に記載したように、
前記吸着工程と、前記別の吸着工程が、交互に繰り返されることを特徴とする請求項６〜８のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１０に記載したように、
前記処理ガス供給口は前記天井面に形成されていることを特徴とする請求項３〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１１に記載したように、
前記処理ガス供給口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法により、また、
請求項１２に記載したように、
前記排気口は、前記処理容器内の、前記天井面に対向する下面に設けられ、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項１０または１１記載の成膜方法により、また、
請求項１３に記載したように、
前記処理ガス供給口は、前記被処理基板を囲むように複数形成されることを特徴とする請求項３〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１４に記載したように、
前記排気口は、前記天井面に形成されることを特徴とする請求項１３記載の成膜方法により、また、
請求項１５に記載したように、
前記排気口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１４記載の成膜方法により、また、
請求項１６に記載したように、
前記処理容器中、前記処理ガス供給口は前記保持台の第１の側に形成され、前記排気口は前記第１の側に対向する前記保持台の第２の側に形成され、前記処理ガスは前記処理ガス供給口より前記被処理基板表面を流れるように供給されて、前記排気口より排気され、
さらに前記第２の側には別の処理ガス供給口が形成され、当該別の処理ガス供給口からは前記別の処理ガスが前記被処理基板表面を流れるように供給されて、前記第１の側に形成された別の排気口から排気されることを特徴とする請求項６〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法により、また、
請求項１７に記載したように、
前記排気口および前記別の排気口は、それぞれ前記処理ガスおよび別の処理ガスの流れ方向に略直行する方向に延在するスリット状の開口部よりなることを特徴とする請求項１４記載の成膜方法により、また、
請求項１８に記載したように、
処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記天井面に形成され、前記処理容器中に処理ガスを、前記保持台に保持された被処理基板の略中心から周縁部に向かって前記被処理基板表面に沿って流れるように供給する処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記天井面と対向する下面に形成された、前記処理容器を排気する排気口とを有し、
前記被処理基板と前記天井面の間には前記処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置により、また、
請求項１９に記載したように、
前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項１８記載の基板処理装置により、また、
請求項２０に記載したように、
前記処理ガス供給口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１８または１９記載の基板処理装置により、また、
請求項２１に記載したように、
前記排気口は、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項１８〜２０のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項２２に記載したように、
前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項１８〜２１のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項２３に記載したように、
処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記処理容器の側壁面に形成され、前記処理容器中に処理ガスを、前記保持台に保持された前記被処理基板の周縁部からに略中心向かって前記被処理基板表面に沿って流れるように供給する処理ガス供給口と、
前記天井面に形成された、前記処理容器を排気する排気口とを有し、
前記被処理基板と前記天井面の間には前記処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置により、また、
請求項２４に記載したように、
前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項２３記載の基板処理装置により、また、
請求項２５に記載したように、
前記排気口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項２３または２４記載の基板処理装置により、また、
請求項２６に記載したように、
前記処理ガス供給口は、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項２３〜２５のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項２７に記載したように、
前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項２３〜２６のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項２８に記載したように、
処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記処理容器中、前記保持台の第１の側に形成され、前記保持台上の前記被処理基板表面に第１の処理ガスを、前記第１の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って、前記第１の側から前記第１の側に対向する第２の側に向かって流れるように供給する第１の処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記保持台の第２の側に形成された第１の排気口と、
前記処理容器中、前記保持台の前記第２の側に形成され、前記保持台上の前記被処理基板表面に第２の処理ガスを、前記第２の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って、前記第２の側から前記第１の側に向かって流れるように供給する第２の処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記保持台の前記第１の側に形成された第２の排気口とを備え、
前記被処理基板と前記天井面の間に前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置により、また、
請求項２９に記載したように、
前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項２８記載の基板処理装置により、また、
請求項３０に記載したように、
前記第１の排気口および第２の排気口は、それぞれ前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流れ方向に略直行する方向に延在するスリット状の開口部よりなることを特徴とする請求項２８または２９のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、また、
請求項３１に記載したように、
前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項２８〜３０のうち、いずれか１項記載の基板処理装置により、解決する。
［作用］
本発明によれば、被処理基板に成膜を行う際に、被処理基板表面に原料ガスを供給し、基板表面に形成された原料ガスの流れを増大させるようにする。これにより、原料ガスの流れと基板表面の間の境界層が薄くなる結果として、より容易に原料ガスが基板表面に到達するようになる。このため、原料の使用効率が改善されるので、原料流量が一定である場合には、処理時間の短縮を達成することができる。原料の流速を増大させる方法としては、原料流量を増加する、真空レベルを高真空化する、ギャップを小さくして滞在時間を縮小することにより結果的に流速を増加することにより、生産性を高めることができるという効果が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［原理］
まず、本発明によって、基板処理装置による成膜処理において、処理ガスの利用効率を最適化し、もって生産性を良好とする基板処理方法の概略を説明する。
【００２１】
図２（Ａ），（Ｂ）は、従来の成膜方法と、本発明による成膜方法を模擬的に比較したものである。図２（Ａ），（Ｂ）に示した基板処理装置は、被処理基板Ｗを保持する保持台Ｅ３を有し、成膜処理に用いる成膜ガスＦ１を、天井面Ｅ２に形成されたガス供給部Ｅ１から供給して、被処理基板上に成膜処理を行う構造になっている。
【００２２】
まず、従来の成膜方法を示した、図２（Ａ）を参照するに、基板処理装置の天井面Ｅ２に形成されたガス供給部Ｅ１から供給される処理ガスＦ１は、保持台Ｅ３に保持された被処理基板Ｗに到達するまで、前記天井面Ｅ２と前記被処理基板Ｗの間を拡散する。その際に、処理ガスＦ１が被処理基板Ｗに到達して成膜に用いられる量に比べて、前記保持台Ｅ３の側部を通って、図示しない排気口より排気されてしまう割合が多い。
【００２３】
これは、前記天井面Ｅ２と被処理基板ＷがギャップＧａだけ離れているために供給されるガスＦ１の拡散量が多く、効率的にガスＦ１を成膜に利用することが困難になっているためである。
【００２４】
次に、本発明による成膜方法を示した図２（Ｂ）を参照するに、前記天井面Ｅ２と前記被処理基板ＷのギャップＧｂが前記ギャップＧａにくらべて小さく、ガス供給部Ｅ１から供給された処理ガスＦ１が拡散する空間が狭いため、前記ガス供給部Ｅ１から供給される処理ガスＦ１が効率的に前記被処理基板Ｗに到達し、成膜に利用される。
【００２５】
つまり、天井面Ｅ２と被処理基板との間に形成される空間の容積が縮小された結果、処理ガスＦ１はより早い流速で排出される。従って、基板表面に形成される境界層の厚さは薄くなり、処理ガスは効率良く基板に到達する。
【００２６】
このため、処理ガスを効率的に成膜に利用することができ、排気される処理ガスＦ１の量を減らして、効率のよい成膜を行う事が可能となる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態について、図面に基づき以下に説明する。
［第１実施例］
図３は、本発明による基板処理装置３００の概略を示した断面図である。
【００２８】
図３を参照するに、被処理基板Ｗを保持する保持台３０２を内部に有する処理容器３０１は、天井部３０４および中間容器３０３および下部容器３０５より形成されている。前記基板保持台３０２中には、図示を省略する加熱機構が設けられている。
【００２９】
前記被処理基板Ｗと前記天井部３０４の間には、成膜のための処理ガスが供給されるプロセス空間３０１Ａが形成される。
【００３０】
前記天井部３０４は、前記被処理基板Ｗに対向する面の前記被処理基板Ｗの略中心に対応する部分に処理ガス供給口３０４Ａが設けられ、成膜処理の際に前記プロセス空間３０１Ａに処理ガスを供給する。前記処理ガス供給口は、バルブ３１９を介して処理ガスライン３２０に接続されている。前記処理ガスライン３２０は、バルブ３０８を介して、第１の処理ガスライン３１１に接続され、さらに第１の処理ガスであるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、Ａｌ（ＣＨ３）３）の供給源であるＴＭＡ供給源３２１、および第１のパージガスであるＡｒ供給源３２２に接続され、前記プロセス空間３０１ＡにＴＭＡおよびＡｒを供給する構造になっている。
【００３１】
さらに前記処理ガスライン３２０には、バルブ３０９を介して、第２の処理ガスライン３１２が接続され、第２の処理ガスであるＯ３／Ｏ２供給源３２３と、第２のパージガスであるＡｒ供給源３２４に接続され、前記プロセス空間３０１ＡにＯ３／Ｏ２および、Ａｒが供給される構造となっている。
【００３２】
また、前記処理ガスライン３２０には、バルブ３１０を介して排気ライン３１３が接続され、前記処理ガスライン３２０を減圧・排気が可能となっており、前記処理ガスライン３２０をパージすることが可能な構造となっている。
【００３３】
例えば、前記バルブ３０８を開放して前記処理ガスライン３２０にＴＭＡを供給した後、前記処理ガスライン３２０から残留ＴＭＡを排除するために、前記バルブ３０８を閉じて前記バルブ３１０を開放して処理ガスライン３２０を排気し、さらに前記バルブ３０８を開放して今度は前記第１のパージガスであるＡｒを供給し、前記処理ガスライン３２０を排気する作業を行い、残留ＴＭＡを排除することが可能な構造になっている。
【００３４】
同様に、前記バルブ３０９を開放して前記処理ガスライン３２０にＯ３／Ｏ２を供給した後、前記処理ガスライン３２０から残留Ｏ３／Ｏ２を排除するために、前記バルブ３０８を閉じて前記バルブ３１０を開放して処理ガスライン３２０を排気し、さらに前記バルブ３０８を開放して今度は前記第２のパージガスであるＡｒを供給し、前記処理ガスライン３２０を排気する作業を行い、残留Ｏ３／Ｏ２を排除することが可能な構造になっている。
【００３５】
また、前記処理ガス供給口３０４Ａは、前記天井部に複数設けても良い。
【００３６】
前記中間容器３０３は、前記保持台３０２を囲むように、排気空間３０３Ａを画成し、前記排気空間３０３Ａ上には、略ドーナツ状の排気プレート３０６が設置されている。前記プロセス空間３０１Ａは、前記排気プレート３０６に形成された複数の排気穴３０６Ａから前記排気空間３０３Ａを介して排気される。
【００３７】
前記排気空間３０３Ａには複数の排気管３１４が接続され、前記排気空間３０３Ａは当該排気管３１４に接続された真空ポンプによって排気・減圧される構造になっている。この構造については後述する。
【００３８】
前記保持台３０２は前記下部容器３０５により回動自在に、また同時に上下動自在に保持されている。前記保持台３０２は最上位のプロセス位置と最下位の基板出入位置との間を上下動可能に保持されている。また、前記保持台が最下位の基板搬入出入位置で、図示しない搬入出開口部より、被処理基板の搬入・搬出を行う構造になっている。
【００３９】
被処理基板Ｗを保持した基板保持台３０２は、軸受部３１７中に磁気シール３１８により保持された回動軸３１６により回動自在に、また上下動自在に保持されており、前記回動軸３１６が上下動する空間は、ベローズ３１５等の隔壁により密閉されている。
【００４０】
前記基板処理装置３００により、プロセス空間３０１Ａに第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを供給することで、被処理基板Ｗ上に成膜を行う事が可能となる。例えば、第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ３／Ｏ２を供給することで被処理基板Ｗ上にＡｌ２Ｏ３膜を形成することが可能となる。
【００４１】
また、その際に、前記被処理基板Ｗ上に形成される前記プロセス空間３０１Ａの高さであるギャップＧが狭いため、すなわち被処理基板Ｗから前記天井部３０４までの距離が短いために、前記ギャップＧが広い場合に比べて、供給される第１の処理ガス、第２の処理ガスが一定流量と仮定した場合には、第１の処理ガス、第２の処理ガスの流速が増大する。そのとき、被処理基板Ｗ上に形成される境界層厚さをδ、処理ガスの流速をｕとした場合、以下の関係が成り立つ。
【００４２】
【数１】
【００４３】
また、成膜を行う際に処理容器内を排気する方法に関して、次に、図４を用いて説明する。図４は、前記排気プレート３０６および排気管３１４を示した斜視図であり、前記基板処理装置３００に設置されている場合の位置関係を示してある。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４４】
図４を参照するに、前記基板処理装置３００の前記プロセス空間３０１Ａは、前記排気プレート上に、前記保持台３０２を囲むように形成された複数の前記排気穴３０６Ａから排気される。その際に、前記排気穴３０６は、前記被処理基板Ｗを中心とした同心円状に、等間隔で配置されているため、前記被処理基板Ｗを中心として均等に排気することが可能である。
【００４５】
また、処理ガスは被処理基板の中心に対応する位置に形成された前記処理ガス供給口３０４Ａから供給されるが、処理ガスは基板表面に吸着するので、吸着が飽和すれば均一な吸着層を形成することができる。
【００４６】
さらに、処理ガスの排気経路は、前記排気穴３０６Ａから前記排気空間３０６Ａ、さらに当該排気空間３０６Ａに接続される前記排気管３１４につながる構造となっている。前記排気管３１４も、前記排気穴３０６Ａと同様に、前記被処理基板Ｗを中心とした同心円状に、等間隔で配置されているため、前記被処理基板Ｗを中心として均等に排気することが可能であり、被処理基板の面内で均一な成膜が可能になる。
また、その場合、被処理基板Ｗの中心部分から周縁部に向かって、前記ギャップＧを狭くするような形状にすることで、処理ガスを均一に被処理基板に吸着させることができる。このような例を図５に示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
図５を参照するに、図５においては、前記天井部３０４の形状が変更されており、前記被処理基板Ｗから天井面までの高さが、前記被処理基板の中心部から周縁部にかけて、すなわち処理ガスの流れる方向に従って狭くなる形状をしている。
【００４８】
この場合、前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さがガスの流れ方向に狭くなっていくことにより、被処理基板上に形成される境界層の厚みは次第に減少していく。従って、流れ方向で原料濃度が減少していったとしても、境界層を連続的に薄くすることにより、原料の使用効率を増大させて基板への吸着効率を上げ、結果的に一定な吸着率を得ることができる。
【００４９】
また、成膜する場合には前記保持台３０２を回動させることにより、処理ガスの流れに不均一があった場合の成膜の不均一への影響を小さくして、さらに被処理基板面内での均一性を向上させることができる。
【００５０】
このように、前記処理ガス供給口３０４Ａから供給される第１の処理ガスおよび第２の処理ガスは、前記天井部３０４と前記被処理基板Ｗによって形成される前記プロセス空間３０１Ａを、前記被処理基板Ｗの表面を沿って流れるように供給され、前記被処理基板Ｗの中心部から周縁部を通ってさらに前記排気穴３０６Ａにて排気される。
【００５１】
その際に、第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを気相中で反応させること無く、おもに前記被処理基板Ｗでの表面反応を用いた方法で、分子層・原子層レベルの高品質の成膜を行う事が可能であり、その概略を、図６を用いて以下に説明する。
［第２実施例］
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、分子層・原子層レベルの成膜を行う方法の概略図を示したものである。前記した分子層・原子層レベルの成膜を行うには、被処理基板上に第１の処理ガスと第２の処理ガスとを交互に、被処理基板表面に沿って流れる形で供給し、第１の処理ガス中の処理ガス分子を被処理基板表面に吸着させ、これを第２の処理ガス中の処理ガス分子と反応させることにより、略１分子層分の厚さの膜を形成する。このプロセスを繰り返すことにより、被処理基板上に、高品質な膜を形成することが可能になる。
【００５２】
具体的には、まず図６（Ａ）を参照するに、被処理基板Ｗ上に、第１の処理ガスＦａを、前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給し、第１の処理ガスＦａの分子を前記被処理基板Ｗ上に吸着させ、図６（Ｂ）においては、前記吸着が完了した後の余剰な第１の処理ガスＦａの分子を被処理基板上から除去する。
【００５３】
次に、図６（Ｃ）において、第１の処理ガスＦａの分子が吸着した前記被処理基板Ｗ上に、第２の処理ガスＦｂを、前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給し、第１の処理ガスＦａの分子と第２の処理ガスＦｂの分子を反応させる。
【００５４】
次に図６（Ｄ）において、未反応の第２の処理ガスＦｂの分子と、副生成物Ｆａｂ’を被処理基板表面より除去して、成膜の１工程が完了し、略１分子層〜数分子層程度の厚さの膜Ｆａｂを形成する。この図６（Ａ）〜（Ｄ）を１サイクルとして、このプロセスを繰り返し行うことにより、被処理基板表面に、所望の厚さの、高品質の膜、例えば半導体装置のゲート絶縁膜として使用可能な高品質な誘電体膜、特に高誘電体膜を形成することが可能となる。形このような成膜をＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、原子層堆積）と呼ぶことがある。
【００５５】
このようにして形成された膜は膜中の欠陥や不純物が少なく、また膜厚の均一性が良好であるという特徴を有する。例えば、前記基板処理装置３００では、第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ３／Ｏ２を用いることにより、被処理基板上に高品質のＡｌ２Ｏ３膜を形成することができる。
【００５６】
次に、前記基板処理装置３００を用いて、前記した分子層・原子層レベルの成膜を行う方法を、図７に基づき、具体的に示す。
［第３実施例］
図７は、図３に示した前記基板処理装置３００を用いて、第２実施例に前記した分子層・原子層レベルの成膜を行う方法を示したフローチャートである。図７を参照するに、まず、工程１００（図中Ｓ１００と表記、以下同様）で前記バルブ３０８を開放して第１の処理ガスであるＴＭＡを前記プロセス空間３０１Ａに導入する。その際、キャリアガスとしてＡｒを同時に導入する。そこで、ＴＭＡは、キャリアガスと共に前記被処理基板Ｗの表面を沿うように流れ、ＴＭＡ分子が前記被処理基板Ｗ表面に吸着する。
【００５７】
次に、工程２００において、バルブ３０８を閉じてＴＭＡおよびＡｒの前記プロセス空間３０１Ａへの導入を停止する。前記プロセス空間３０１Ａは真空排気され、余剰なＴＭＡ分子が前記プロセス空間３０１Ａより排気される。
【００５８】
また、その際に、前記バルブ３１０を開放して前記処理ガスライン３２０の中に残留したＴＭＡを排気する。さらに必要に応じてバルブ３０８を開放して第１のパージガスであるＡｒを供給し、またバルブ３０８を閉じ、バルブ３１０を開放して前記処理ガスライン３２０から、残留ＴＭＡを完全に除去するようにする。
【００５９】
また、必要に応じて前記プロセス空間３０１ＡにＡｒを導入して、前記プロセス空間３０１Ａに残留したＴＭＡを排出するようにしてもよい。
【００６０】
次に、工程３００において、前記バルブ３０９を開放して、第２の処理ガスであるＯ３／Ｏ２を前記プロセス空間３０１Ａに導入する。その際、キャリアガスとしてＡｒを同時に導入する。そこで、Ｏ３／Ｏ２は、キャリアガスと共にＴＭＡ分子が吸着した前記被処理基板Ｗの表面を沿うように流れ、前記被処理基板Ｗ表面でＴＭＡ分子と反応して、前記被処理基板Ｗ上に略１〜数分子層のＡｌ２Ｏ３膜が形成される。
【００６１】
次に、工程４００において、バルブ３０９を閉じてＴＭＡおよびＡｒの前記プロセス空間３０１Ａへの導入を停止する。前記プロセス空間３０１Ａは真空排気され、未反応の余剰なＯ３／Ｏ２が前記プロセス空間３０１Ａより排気される。
【００６２】
また、その際に、前記バルブ３１０を開放して前記処理ガスライン３２０の中に残留したＯ３／Ｏ２を排気する。さらに必要に応じてバルブ３０９を開放して第２のパージガスであるＡｒを供給し、またバルブ３０９を閉じてバルブ３１０を開放して前記処理ガスライン３２０から、Ｏ３／Ｏ２を完全に除去するようにする。
【００６３】
また、必要に応じて前記プロセス空間３０１ＡにＡｒを導入して、前記プロセス空間３０１Ａに残留したＯ３／Ｏ２を排出するようにしてもよい。
【００６４】
このように、工程１００〜４００の工程を繰り返すことにより、所望の膜厚の、高品質なＡｌ２Ｏ３膜を形成することが可能になる。
【００６５】
また、本実施例では第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ３／Ｏ２を用いてＡｌ２Ｏ３を形成する例、すなわち金属酸化膜を形成する例を示したが、同様の方法で金属窒化膜を形成することも可能である。例えば第１の処理ガスにＴｉＣｌ４、第２の処理ガスにＮＨ３を用いることにより、ＴｉＮ膜を形成することも可能である。また他に、ＴａＮ、ＡｌＮなども形成することが可能である。
【００６６】
ここで、以下に示すように、被処理基板表面を流れる処理ガスの流速を上げることで、処理ガスの吸着の効率を向上させて、さらに処理ガスの利用効率を向上させることができる。
【００６７】
そのためには、図３の基板処理装置３００において前記被処理基板Ｗと前記天井部３０４までの距離である前記ギャップＧを最適化する必要がある。次に、前記ギャップＧと処理ガスの吸着の関係について、図８に基づき、説明する。図８は、図３の基板処理装置３００のうち、前記天井部３０４と前記被処理基板Ｗを含む部分を拡大して示したものである。前記被処理基板の中心側を方向Ｃで、端部側を方向Ｅで示す。
【００６８】
図８を参照するに、このような構造において前記被処理基板Ｗと前記天井部３０４との間の狭い空間を、前記処理ガス供給口３０４から供給されるＴＭＡやＯ３／Ｏ２などの処理ガス流Ｆを通過させた場合、前記被処理基板Ｗの表面および前記天井部３０４の表面には境界層Ｂが形成され、処理ガス流Ｆ中をキャリアガスに乗って輸送されているＴＭＡ分子やＯ３／Ｏ２分子などの処理ガス分子は、かかる境界層Ｂ中を拡散することで前記被処理基板Ｗの表面に到達する。
【００６９】
このような境界層Ｂの厚さδは前記処理ガス流Ｆの流速によって変化し、厚さδは流速が減少すると増大し、流速が増大すると減少する。前記境界層Ｂの厚さδが減少すると、前記処理ガス流Ｆから放出された処理ガス分子が前記境界層Ｂ中を拡散して前記被処理基板Ｗの表面に到達するまでの時間が短縮され、所定時間により多くの処理ガス分子が被処理基板の表面に到達することになる。その結果、原料の利用効率が向上する。
【００７０】
このような処理ガス流Ｆの流速は、前記プロセス空間３０１Ａの高さ、すなわち前記ギャップＧを減少させることにより増大させることができる。
【００７１】
図９は、このようなギャップＧと、前記被処理基板Ｗの表面がＴＭＡ分子で飽和するまでのＴＭＡガス供給時間との関係を示す。ただし図９中、横軸は前記処理容器３０１内の前記プロセス空間３０１Ａの容積を示しているが、前記プロセス空間３０１Ａの径は同一に維持されるので、前記プロセス空間３０１Ａの容積は前記キャップＧに対応する。一方図９中、縦軸は被処理基板表面が吸着したＴＭＡ分子で飽和するまでのＴＭＡガスの供給時間を示しており、この値が小さい程、短時間で飽和吸着が実現され、また供給したＴＭＡガスのうち基板表面に吸着したものの割合を示す吸着率が増大する。
【００７２】
図９を参照するに、ギャップＧが４０ｍｍの場合にＴＭＡ分子の吸着率は１３％であるのに対し、ギャップＧが２０ｍｍの場合には吸着率は１４％に向上するのがわかる。さらに前記ギャップＧが８ｍｍまで減少した場合、吸着率は３０％にまで向上する。図９中、▲１▼は被処理基板Ｗに吸着されるＴＭＡ分子の割合を、▲２▼は被処理基板Ｗに吸着されずに排出されるＴＭＡ分子の割合を示している。
【００７３】
このように、前記ギャップＧを減少させることにより前記プロセス空間において被処理基板Ｗの表面に形成される境界層Ｂの厚さδが減少し、吸着率が向上することで成膜工程の際の処理ガスの利用効率が向上することが確認される。
【００７４】
例えば、前記被処理基板Ｗ上にＴＭＡが飽和吸着する時間は、ギャップＧが４０ｍｍの場合、０．５秒であったのに対して、ギャップＧを２．５ｍｍとすると０．０５秒に短縮することが可能になっており、処理ガスの利用効率を向上させると共に、成膜時間を短縮して効率のよい成膜を行う事が可能となる。
【００７５】
一方、前記ギャップＧをさらに減少させ、プロセス空間の容積を約０．５リットル以下に設定した場合には、前記したようなギャップＧを小さくすることによってガス流速を増大させる効果はなくなる。このような傾向に関して、以下に詳細を説明する。
【００７６】
前記したようなギャップＧに対して処理ガス流Ｆの流速が変化する状態を、図１０に示す。図１０を参照するに、曲線ｌ１は処理ガスの流量が０．５Ｌの場合を示し、曲線ｌ２は処理ガスの流量が５Ｌの場合を示すが、それぞれの場合において、すなわち処理ガス流量が０．５〜５Ｌの範囲において同様の傾向を示しており、例えば、前記したようにギャップＧを小さくするに従い、流速が増大していくことがわかる。
【００７７】
また、前記したようなギャップＧを小さくすることにより流速が増大し、処理ガスの利用効率を上昇させる効果が大きくなるのはギャップＧを８ｍｍ程度とした場合からであり、さらに処理ガスの利用効率を向上させる効果が顕著となる流速５０ｍ／ｓｅｃでは、ギャップを３．５ｍｍ程度とする必要がある。
【００７８】
しかし、さらに流速を増大させようとして、さらにギャップを小さくした場合、ギャップが０．５ｍｍ程度とした場合に、流速が図中領域Ｍで示す、略音速領域となり、ギャップを狭めることにより流速を増大させる効果が収束すると考えられる。
【００７９】
このため、前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを前記プロセス空間に前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給する場合、ギャップＧを０．５〜８ｍｍの範囲とするのが好ましく、処理ガスの利用効率が向上する。さらに、より好ましくは、処理ガスの利用効率がさらに向上する効果が得られる第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流速が５０ｍ／ｓｅｃ〜略音速とするために、前記ギャップＧを０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲に設定するのがよい。
［第４実施例］
また、前記した基板処理装置３００は、次に示すように変更して実施することも可能であり、以下に示す場合も前記基板処理装置３００の場合と同様の効果を奏する。図１１は、本発明の第４実施例による基板処理装置４００の概略を示す断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
図１１を参照するに、前記保持台３０２を内部に有する処理容器４０１は、前記保持台３０２が挿入された下部容器４０３、および前記保持台３０２に載置される前記被処理基板Ｗと略平行に設置される天井部４０４および前記下部容器４０３と前記天井部４０４との間に挿入される処理ガス導入リング４０５からなる。
【００８１】
前記被処理基板Ｗと前記天井部４０４に挟まれた空間にはプロセス空間４０１Ａが画成され、前記プロセス空間４０１Ａには、成膜処理の際に前記処理ガス導入リング４０５に形成されたガス穴４０５Ａより、前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスが供給される構造になっている。
【００８２】
前記処理ガス導入リング４０５は、図１２に示すように略環状をしており、前記プロセス空間４０１Ａに面する側には、前記保持台３０２を囲むように、前記被処理基板Ｗを中心とする略同心円上に前記ガス穴４０５Ａが形成されている。
【００８３】
前記ガス導入リング４０５の内部には、前記ガス穴４０５Ａに連通し、処理ガスやパージガスの流路である略環状の図示しないガス溝が形成されている。前記ガス溝にはガスライン４０６より処理ガスやパージガスが供給され、排気ライン４０７より前記ガス溝を排気する構造になっている。
【００８４】
前記ガスライン４０６は、バルブ４０９を介して前記第１の処理ガスライン３１１に接続され、第１の処理ガスであるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）供給源３２１、および第１のパージガスであるＡｒ供給源３２２に接続され、前記プロセス空間４０１ＡにＴＭＡおよびＡｒを供給する構造になっている。
【００８５】
さらに前記ガスライン４０６には、バルブ４１０を介して、前記第２の処理ガスライン３１２が接続され、第２の処理ガスであるＯ３／Ｏ２供給源３２３と、第２のパージガスであるＡｒ供給源３２４に接続され、前記プロセス空間４０１ＡにＯ３／Ｏ２および、Ａｒが供給される構造となっている。
【００８６】
また、前記排気ライン４０７にはバルブ４１１が接続され、前記バルブ４１１を開放することで、前記ガス導入リング４０５内部、すなわち前記ガス溝の減圧・排気が可能となっており、前記ガス溝をパージすることが可能な構造となっている。
【００８７】
例えば、前記バルブ４０９を開放して前記ガスライン４０６および前記ガス溝にＴＭＡを供給した後、残留ＴＭＡを排除するために、前記バルブ４０９を閉じて前記バルブ４１１を開放して前記ガス溝を排気し、さらに前記バルブ４０９を開放して今度は前記第１のパージガスであるＡｒを供給し、前記ガス溝を排気する作業を行い、残留ＴＭＡを排除することが可能な構造になっている。
【００８８】
同様に、前記バルブ４１０を開放して前記ガスライン４０６および前記ガス溝にＯ３／Ｏ２を供給した後、残留Ｏ３／Ｏ２を排除するために、前記バルブ４１０を閉じて前記バルブ４１１を開放して前記ガス溝を排気し、さらに前記バルブ４１０を開放して今度は前記第２のパージガスであるＡｒを供給し、前記ガス溝を排気する作業を行い、残留Ｏ３／Ｏ２を排除することが可能な構造になっている。
【００８９】
前記プロセス空間４０１Ａは、前記天井部４０４に形成され排気管４０８に接続された排気口４０４Ａより排気される構造になっており、前記プロセス空間４０１Ａに供給された処理ガス、パージガスなどは前記排気口４０４Ａから、図示しない真空ポンプなどの排気手段が接続された排気管４０８を介して排気される構造になっている。前記排気口４０４Ａは、その中心が、前記被処理基板Ｗの略中心と対応する位置に設けられている。
【００９０】
そのため、前記ガス穴４０５Ａから供給される処理ガスは、被処理基板Ｗに対して当該被処理基板の端部から中心部に向かって均等に排気され、成膜を行う場合の膜厚の均一性が良好となる。さらにその場合には前記保持台３０２を回動させることにより、さらに被処理基板面内での均一性を向上させることができる。前記保持台の上下動自在、回動自由な機構については前記基板処理装置３００の場合と同一である。
【００９１】
前記基板処理装置４００により、プロセス空間４０１Ａに第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを供給することで、被処理基板Ｗ上に成膜を行う事が可能となる。例えば、第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ２／Ｏ３を供給することで被処理基板Ｗ上にＡｌ２Ｏ３膜を形成することが可能となる。
【００９２】
また、その際に、前記被処理基板Ｗ上に形成される前記プロセス空間４０１Ａの高さであるギャップＧが狭いため、すなわち被処理基板Ｗから前記天井部４０４までの距離が短いために、前記ギャップＧが広い場合に比べて供給される第１の処理ガス、第２の処理ガスが被処理基板Ｗに到達する割合を増大させることができ、成膜の原料となるガスの利用効率を向上させることが可能となる。
【００９３】
また前記基板処理装置３００の場合と同様に、前記ガス穴４０５Ａから供給される第１の処理ガスおよび第２の処理ガスは、前記被処理基板Ｗの表面を沿って流れるように供給され、前記被処理基板Ｗの周縁部から中心部を通ってさらに前記排気口４０４Ａにて排気される。
【００９４】
そのため、前記基板処理装置３００の場合と同様に、前記図７に示したフローチャートに従って分子層・原子層レベルの成膜を行う事ができる。
【００９５】
まず、図７に示すフローチャートに従い、工程１００において、前記バルブ４０９を開放して第１の処理ガスであるＴＭＡを前記プロセス空間４０１Ａに導入する。その際、キャリアガスとしてＡｒを同時に導入する。そこで、ＴＭＡは、キャリアガスと共に前記被処理基板Ｗの表面を沿うように流れ、ＴＭＡ分子が前記被処理基板Ｗ表面に吸着する。
【００９６】
次に、工程２００において、バルブ４０９を閉じてＴＭＡおよびＡｒの前記プロセス空間４０１Ａへの導入を停止する。前記プロセス空間４０１Ａは真空排気され、余剰なＴＭＡ分子が前記プロセス空間４０１Ａより排気される。
【００９７】
また、その際に、前記バルブ４１１を開放して前記処理ガス導入リング４０５の中に残留したＴＭＡを排気する。さらに必要に応じてバルブ４０９を開放して第１のパージガスであるＡｒを供給し、またバルブ４０９を閉じてバルブ４１１を開放し、前記処理ガス導入リング４０５から、残留ＴＭＡを完全に除去するようにする。
【００９８】
また、必要に応じて前記プロセス空間４０１ＡにＡｒを導入して、前記プロセス空間４０１Ａに残留したＴＭＡを排出するようにしてもよい。
【００９９】
次に、工程３００において、前記バルブ４１０を開放して、第２の処理ガスであるＯ３／Ｏ２を前記プロセス空間４０１Ａに導入する。その際、キャリアガスとしてＡｒを同時に導入する。そこで、Ｏ３／Ｏ２は、キャリアガスと共にＴＭＡ分子が吸着した前記被処理基板Ｗの表面を沿うように流れ、前記被処理基板Ｗ表面でＴＭＡ分子と反応して、前記被処理基板Ｗ上に略１〜数分子層のＡｌ２Ｏ３膜が形成される。
【０１００】
次に、工程４００において、バルブ４１０を閉じてＴＭＡおよびＡｒの前記プロセス空間４０１Ａへの導入を停止する。前記プロセス空間３０１Ａは真空排気され、未反応の余剰なＯ２／Ｏ３が前記プロセス空間３０１Ａより排気される。
【０１０１】
また、その際に、前記バルブ４１１を開放して前記処理ガス導入リング４０５の中に残留したＯ２／Ｏ３を排気する。さらに必要に応じてバルブ４１０を開放して第２のパージガスであるＡｒを供給し、またバルブ４１０を閉じてバルブ４１１を開放し、前記処理ガス導入リング４０５から、Ｏ２／Ｏ３を完全に除去するようにする。
【０１０２】
また、必要に応じて前記プロセス空間４０１ＡにＡｒを導入して、前記プロセス空間４０１Ａに残留したＯ２／Ｏ３を排出するようにしてもよい。
【０１０３】
このように、工程１００〜４００を繰り返すことにより、所望の膜厚の、高品質なＡｌ２Ｏ３膜を形成することが可能になる。
【０１０４】
また、本実施例においても、前記基板処理装置３００の場合において図８〜１０に示した場合と同様に、供給される処理ガスの流速が増大すると、処理ガスが前記被処理基板Ｗの表面に到達するまでの時間が短縮され、所定時間により多くの処理ガス分子が被処理基板の表面に到達することになる。その結果、原料の利用効率が向上し、このような処理ガスの流速は、前記プロセス空間４０１Ａの高さ、すなわち前記ギャップＧを減少させることにより増大させることができる。
【０１０５】
このため、前記図９および図１０の結果を基板処理装置４００においても適用することが可能となり、前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを前記プロセス空間に前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給する場合、ギャップＧを０．５〜８ｍｍの範囲とするのが好ましく、処理ガスの利用効率が向上する。さらに、より好ましくは、処理ガスの利用効率がさらに向上する効果が得られる第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流速が５０ｍ／ｓｅｃ〜略音速とするために、前記ギャップＧを０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲に設定するのがよい。
［第５実施例］
また、前記したような分子層・原子層レベルの成膜方法は、以下に示す基板処理装置においても実施することが可能である。
【０１０６】
図１３は、前記した分子層・原子層レベルの成膜（ＡＬＤ成膜）を行う基板処理装置（ＡＬＤ成膜装置）１０の構成を示す。
【０１０７】
図１３を参照するに、前記基板処理装置１０は被処理基板Ｗを隔てて互いに対向する処理ガス導入口１３Ａおよび１３Ｂと、前記被処理基板Ｗを隔てて前記処理ガス導入口１３Ａおよび１３Ｂにそれぞれ対向する細長いスリット状の排気口１４Ａ，１４Ｂとを備えた処理容器１１を含み、前記排気口１４Ａおよび１４Ｂはそれぞれコンダクタンスバルブ１５Ａおよび１５Ｂを介してトラップ１００に接続され、前記処理容器１１は前記トラップ１００を介して排気される。
【０１０８】
さらに、前記処理容器１１には、前記処理ガス導入口１３Ａに隣接して、別の処理ガス導入口１３Ｃが、前記排気口１４Ａに対向するように形成されている。
【０１０９】
前記処理ガス導入口１３Ａは切替バルブ１６Ａの第１の出口に接続され、前記切替バルブ１６Ａはバルブ１７Ａ，質量流量コントローラ１８Ａ，および別のバルブ１９Ａを含む第１の原料供給ライン１６ａを介してＴＭＡを保持する原料容器２０Ａに接続される。さらに、前記第１の原料供給ライン１６ａに隣接して、バルブ２１Ａ，２２Ａを含み、Ａｒ等の不活性ガスを供給するパージライン２１ａが設けられる。
【０１１０】
さらに、前記切替バルブ１６Ａには、Ａｒ等の不活性ガス源に接続され、質量流量コントローラ２３Ａおよび２４Ａを含むバルブパージライン２３ａが接続され、前記切替バルブ１６Ａの第２の出口はパージライン１００ａを介して前記トラップ１００に接続される。
【０１１１】
同様に、前記処理ガス導入口１３Ｂは切替バルブ１６Ｂの第１の出口に接続され、前記切替バルブ１６Ｂはバルブ１７Ｂ，質量流量コントローラ１８Ｂ，および別のバルブ１９Ｂを含む第１の原料供給ライン１６ｂを介してＯ３／Ｏ２を保持する原料容器２０Ｂに接続される。さらに、前記第１の原料供給ライン１６ｂに隣接して、バルブ２１Ｂ，２２Ｂを含み、Ａｒ等の不活性ガスを供給するパージライン２１ｂが設けられる。
【０１１２】
さらに、前記切替バルブ１６Ｂには、Ａｒ等の不活性ガス源に接続され、質量流量コントローラ２３Ｂおよび２４Ｂを含むバルブパージライン２３ｂが接続され、前記切替バルブ１６Ｂの第２の出口はパージライン１００ｂを介して前記トラップ１００に接続される。
【０１１３】
さらに前記処理ガス導入口１３Ｃは切替バルブ１６Ｃの第１の出口に接続され、前記切替バルブ１６Ｃはバルブ１７Ｃ，質量流量コントローラ１８Ｃ，および別のバルブ１９Ｃを含む第１の原料供給ライン１６ｃを介してＳｉＣｌ４を保持する原料容器２０Ｃに接続される。さらに、前記第１の原料供給ライン１６ｃに隣接して、バルブ２１Ｃ，２２Ｃを含み、Ａｒ等の不活性ガスを供給するパージライン２１ｃが設けられる。
【０１１４】
さらに、前記切替バルブ１６Ｃには、Ａｒ等の不活性ガス源に接続され、質量流量コントローラ２３Ｃおよび２４Ｃを含むバルブパージライン２３ｃが接続され、前記切替バルブ１６Ｃの第２の出口はパージライン１００ｃを介して前記トラップ１００に接続される。
【０１１５】
また、図１３の基板処理装置１０には成膜プロセスを制御する制御装置１０Ａが設けられ、前記制御装置１０Ａは後ほど説明するように、前記切替バルブ１６Ａ〜１６Ｃおよびコンダクタンスバルブ１５Ａおよび１５Ｂを制御する。
【０１１６】
図１４は、図１３の処理容器１１を含む部分の詳細を示す。ただし図１４中、図１３に対応する部分は同一の参照符号で示されている。
【０１１７】
図１４を参照するに、前記処理容器１１はＡｌ等よりなる外側容器２０１と石英ガラスよりなる内側反応容器２０２とを有し、前記内側反応容器２０２は、前記外側容器２０１中に画成され、前記外側容器２０１の一部を構成するカバープレート２０１Ａにより覆われる凹部中に収められる。
【０１１８】
前記内側反応容器２０２は、前記凹部内において前記外側容器２０１の底面を覆う石英底板２０２Ａと、前記凹部内において前記石英底板２０２Ａを覆う石英カバー２０２Ｂとよりなり、さらに前記外側容器の底部には、被処理基板Ｗを保持したディスク状の基板保持台２０３が収められる円形の開口部２０１Ｄが形成されている。前記基板保持台２０３中には、図示を省略する加熱機構が設けられている。
【０１１９】
前記被処理基板Ｗ上には、前記石英カバー２０２Ｂとの間にプロセス空間１１Ａが画成され、前記プロセス空間１１Ａの高さ、すなわち前記被処理基板Ｗと、前記石英カバー２０２Ｂの前記被処理基板Ｗに面する側との距離はギャップＧ１である。
【０１２０】
前記基板保持台２０３は前記外側処理容器２０１の下部に設けられた基板搬送部２０４により回動自在に、また同時に上下動自在に保持されている。
【０１２１】
前記基板処理装置１０により成膜を行う場合は、前記基板保持台２０３を回動することにより、被処理基板の面内での均一性が良好となる。
【０１２２】
前記基板保持台２０３は最上位のプロセス位置と最下位の基板出入位置との間を上下動可能に保持されており、前記プロセス位置は、前記保持台２０３上の被処理基板Ｗの表面が前記石英底板２０２Ａの表面と略一致するように決定されている。
【０１２３】
一方、前記基板出入位置は、前記基板搬送部２０４の側壁面に形成された基板搬入出開口部２０４Ａに対応して設定されており、前記基板保持台２０３が前記基板出入位置まで下降した場合、前記基板搬入出口２０４Ａから搬送アーム２０４Ｂが挿入され、リフタピン（図示せず）により基板保持台２０３表面から持ち上げられた被処理基板Ｗを保持して取り出し、次の工程に送る。また、前記搬送アーム２０４Ｂは、新たな被処理基板Ｗを、前記基板搬入出開口部２０４Ａを介して前記基板搬送部２０４中に導入し、これを前記基板保持台２０３上に載置する。
【０１２４】
前記新たな被処理基板Ｗを保持した基板保持台２０３は、軸受部２０５中に磁気シール２０５Ａにより保持された回動軸２０５Ｂにより回動自在に、また上下動自在に保持されており、前記回動軸２０５Ｂが上下動する空間は、ベローズ２０６等の隔壁により密閉されている。その際、前記空間は図示を省略した排気口を介して前記内側容器２０２内部よりも高真空状態に排気され、前記内側容器２０２内で行われる基板処理プロセスへの汚染が回避される。
【０１２５】
かかる差動排気を確実に行うため、前記基板保持台２０３には被処理基板Ｗを囲むように石英ガラスよりなるガードリング２０３Ａが設けられている。かかるガードリング２０３Ａは、前記基板保持台２０３と前記外側容器２０１中に前記基板保持台を収容するように形成された前記開口部２０１Ｄの側壁面との間のコンダクタンスを抑制し、これにより前記ベローズ２０６で画成された空間内を高真空に排気した場合に前記内側反応容器２０２との間に差圧が確実に形成される。
【０１２６】
前記外側容器２０１の底部に形成された前記開口部２０１Ｄは、側壁面が石英ライナー２０１ｄにより覆われており、前記石英ライナー２０１ｄはさらに下方に延在して前記基板搬送部２０４の内壁を覆う。
【０１２７】
前記外側容器２０１の底部には、前記開口部２０１Ｄの両側にそれぞれ排気装置に接続された排気溝部２０１ａおよび２０１ｂが形成されており、前記排気溝部２０１ａは導管２０７ａおよびコンダクタンスバルブ１５Ａを介して、また前記排気溝部２０１ｂは導管２０７ｂおよびコンダクタンスバルブ１５Ｂを介して排気される。図１４の状態では、前記コンダクタンスバルブ１５Ａが略閉状態に、また前記コンダクタンスバルブ１５Ｂが開状態に設定されている。前記コンダクタンスバルブ１５Ａ，１５Ｂは、信頼性の高い開閉状態を実現するために、閉状態といえども完全に閉鎖するのではなく３％程度の弁開度を残しておく。
【０１２８】
前記排気溝部２０１ａおよび２０１ｂは石英ガラスよりなるライナー２０８により覆われており、前記排気溝部２０１ａ，２０１ｂに対応してスリット状の開口部２０９Ａ，２０９Ｂが前記石英底板２０２Ａに形成される。図１４の実施例では、かかるスリット状の開口部２０９Ａ，２０９Ｂに、図１３で説明した排気口１４Ａあるいは１４Ｂが形成された整流板２０９が、前記内側反応容器２０２内部の排気を促進する目的で形成されている。
【０１２９】
さらに前記内側反応容器２０２内には、石英ガスノズル１３Ａおよび１３Ｂが、それぞれ前記排気溝部２０１ａおよび２０１ｂに、前記ウェハ１２を隔てて対向するように設けられている。そこで前記ガスノズル１３Ａから導入された第１の処理ガスは、前記内側反応容器２０２内を前記被処理基板１２の表面に沿って流れ、対向する排気口１４Ａから前記コンダクタンスバルブ１５Ａを介して排気される。同様に前記ガスノズル１５Ｂから導入された第２の処理ガスは、前記内側反応容器２０２内を前記被処理基板Ｗの表面に沿って流れ、対抗する排気口１４Ｂから前記コンダクタンスバルブ１５Ｂを介して排気される。このように第１および第２の処理ガスを交互に前記ガスノズル１３Ａから排気口１４Ａへと、あるいは前記ガスノズル１３Ｂから排気口１４Ｂへと流すことにより、先に説明した分子層を基本単位とする膜形成が可能になる。
【０１３０】
図１５は、前記内側反応容器２０２を構成する石英底板２０２Ａの構成を詳細に示す。
【０１３１】
図１５を参照するに、前記石英底板２０２Ａには前記被処理基板Ｗに対応した円形の開口部２０２ａが形成されており、前記開口部２０２ａの両側には、前記排気溝部２０１ａ，２０１ｂに対応した開口部２０９Ａおよび２０９Ｂが形成されている。さらに図１５の例では、前記開口部２０９Ａ，２０９Ｂに対応して前記排気口１４Ａあるいは１４Ｂを構成するスリットを有する整流板２０９が設けられている。また前記石英底板２０２Ａには、前記ガスノズル１３Ａに対応して開口部２１０ａが、また前記ガスノズル１３Ｂに対応して開口部２１０ｂが形成されている。前記石英底板２０２Ａに前記開口部２１０ａあるいは２１０ｂを複数個形成することにより、前記内側処理容器２０２内に前記ガスノズル１３Ａあるいは１３Ｂを複数個設けることが可能になる。
【０１３２】
図１６は、図１２，１３の基板処理装置１０において被処理基板Ｗ上にＡｌ２Ｏ３膜を略１分子層ずつ形成する際に、前記制御装置１０Ａの制御の下に実行される成膜プロセスを示すフローチャートである。
【０１３３】
図１６を参照するに、最初の工程１において、前記コンダクタンスバルブ１５Ａ，１５Ｂは開放され、前記切替バルブ１６Ａおよび１６Ｂは、いずれも処理ガス供給ライン１６ａ，１６ｂ中の処理ガスをそれぞれパージライン１００ａおよび１００ｂを介してトラップ１００に供給するように第１の状態、すなわちパージ状態に制御される。その結果前記石英反応容器２０２中には前記パージライン２３ａ中のＡｒガスが、また前記パージライン２３ｂ中のＡｒガスが、それぞれ処理ガス導入口１３Ａおよび１３Ｂを介して供給される。このようにして供給されたＡｒパージガスは、それぞれ前記排気口１４Ａおよび１４Ｂからトラップ１００に排出される。
【０１３４】
次に工程２において、前記コンダクタンバルブ１５Ａの開度が増大され、コンダクタンスバルブ１５Ｂの開度が減少される。その結果、前記石英反応容器２０２中には、前記ガス導入口１３Ａから排気口１４Ａに流れるガス流が生じる。
【０１３５】
次に工程３において前記切替バルブ１６Ａが前記第１の状態から第２の状態に切り替えられ、前記処理ガス供給ライン１６ａ中のＴＭＡガスが前記第１の処理ガス導入口１３Ａから前記石英反応容器２０２中に、図１７に示すようにガス流ＬＦ１として導入される。このようにして導入されたＴＭＡガス流ＬＦ１は先に説明したように、前記被処理基板Ｗの表面を流れ、前記排気口１４Ａより排出される。かかる工程により、前記被処理基板Ｗの表面にはＴＭＡが１分子層程度吸着される。前記工程３においては、前記第２の切替バルブ１６Ｂは前記第１の状態にあり、ライン２３ａ中のＡｒパージガスが前記第２の処理ガス導入口１３Ｂから前記石英反応容器２０２中に導入される。その結果、前記第１の処理ガス導入口１３Ａから導入されたＴＭＡが前記第２の処理ガス導入口１３Ｂに侵入し、析出物を生じる問題は生じない。
【０１３６】
次に工程４において前記切替バルブ１６Ａが元の第１の状態に戻され、前記反応容器２０２中がＡｒガスによりパージされる。
【０１３７】
さらに工程５において、前記コンダクタンバルブ１５Ａの開度が減少され、コンダクタンスバルブ１５Ｂの開度が増大される。その結果、前記石英反応容器２０２中には、前記ガス導入口１３Ｂから排気口１４Ｂに流れるガス流が生じる。
【０１３８】
次に工程６において前記切替バルブ１６Ｂが前記第１の状態から第２の状態に切り替えられ、前記処理ガス供給ライン１６ｂ中のＯ３／Ｏ２ガスが前記第２の処理ガス導入口１３Ｂから前記石英反応容器２０２中に、図１８に示すようにガス流ＬＦ２として導入される。このようにして導入されたＯ３／Ｏ２ガス流ＬＦ２は先に説明したように、前記被処理基板Ｗの表面を流れ、前記排気口１４Ｂより排出される。かかる工程により、前記被処理基板Ｗの表面において、先に吸着していたＴＭＡが加水分解され、約１分子層厚さのＡｌ２Ｏ３膜が形成される。前記工程６においては、前記第１の切替バルブ１６Ａは前記第１の状態にあり、ライン２３ａ中のＡｒパージガスが前記第２の処理ガス導入口１３Ａから前記石英反応容器２０２中に導入される。その結果、前記第２の処理ガス導入口１３Ｂから導入されたＯ３／Ｏ２ガスが前記第１の処理ガス導入口１３Ａに侵入し、析出物を生じる問題は生じない。
【０１３９】
また、成膜の際は、前記基板保持台２０３を回動させることにより、前記ガス流ＬＦ１、ＬＦ２の不均一性が成膜に与える影響を小さくすることができ、形成される膜の均一性を向上させることができる。
【０１４０】
また、本実施例では第１の処理ガスにＴＭＡ、第２の処理ガスにＯ３／Ｏ２を用いてＡｌ２Ｏ３を形成する例、すなわち金属酸化膜を形成する例を示したが、同様の方法で金属窒化膜を形成することも可能である。例えば第１の処理ガスにＴｉＣｌ４、第２の処理ガスにＮＨ３を用いることにより、ＴｉＮ膜を形成することも可能である。また他に、ＴａＮ、ＡｌＮなども形成することが可能である。
【０１４１】
本実施例においても、前記成膜装置３００および前記成膜装置４００の場合と同様に、処理ガスを被処理基板に吸着させることによって成膜を行う、表面反応を用いた成膜を行う場合は、被処理基板表面を流れる処理ガスの流速が早い場合に、処理ガスの吸着の効率がよく、さらに処理ガスの利用効率を向上させることができる。
【０１４２】
すなわち、前記ガス流ＬＦ１をおよび前記ガス流ＬＦ２のなど処理ガスの流れを処理ガス流Ｆ１２とすると、図８に前記した場合と同様に、被処理基板Ｗ上に形成される境界層の厚さδ１２は、前記処理ガス流Ｆ１２の流速に依存し、流速が増大すると減少する。前記境界層の厚さδ１２が減少すると、前記処理ガス流Ｆ１から放出された処理ガス分子であるＴＭＡ分子やＯ３／Ｏ２分子が境界層中を拡散して前記被処理基板Ｗの表面に到達するまでの時間が短縮され、所定時間により多くの処理ガス分子、すなわちＴＭＡ分子およびスＯ３／Ｏ２分子が被処理基板の表面に到達することになる。その結果、原料の利用効率が向上する。
【０１４３】
このような処理ガス流Ｆ１２の流速は、前記プロセス空間１１Ａの高さ、すなわち前記ギャップＧ１を減少させることにより増大させることができる。
【０１４４】
図１９は、このようなギャップＧ１と、前記被処理基板Ｗの表面がＴＭＡ分子で飽和するまでのＴＭＡガス供給時間との関係を示す。ただし図１９中、横軸は前記処理容器１１内の前記プロセス空間１１Ａの容積を示しているが、前記プロセス空間１１Ａの径は同一に維持されるので、前記プロセス空間１１Ａの容積は前記キャップＧ１に対応する。一方図１９中、縦軸は被処理基板表面が吸着したＴＭＡ分子で飽和するまでのＴＭＡガスの供給時間を示しており、この値が小さい程、短時間で飽和吸着が実現され、また供給したＴＭＡガスのうち基板表面に吸着したものの割合を示す吸着率が増大する。
【０１４５】
図１９を参照するに、ギャップＧ１が４０ｍｍの場合にＴＭＡ分子の吸着率は１３％であるのに対し、ギャップＧ１が２０ｍｍの場合には吸着率は１４％に向上するのがわかる。さらに前記ギャップＧ１が８ｍｍまで減少した場合、吸着率は３０％にまで向上する。図１９中、▲３▼は被処理基板Ｗに吸着されるＴＭＡ分子の割合を、▲４▼は被処理基板Ｗに吸着されずに排出されるＴＭＡ分子の割合を示している。
【０１４６】
このように、前記ギャップＧ１を減少させることにより前記プロセス空間において被処理基板Ｗの表面に形成される前記境界層の厚さδ１２が減少し、吸着率が向上することで成膜工程の際の処理ガスの利用効率が向上することが確認される。
【０１４７】
また、処理ガスの利用効率が向上することで、処理時間を短縮することが可能となり、例えば、前記被処理基板Ｗ上にＴＭＡが飽和吸着する時間は、ギャップＧが４０ｍｍの場合、０．５秒であったのに対して、ギャップＧを８ｍｍとすると０．１秒に短縮することが可能になっており、処理ガスの利用効率を向上させると共に、成膜時間を短縮して効率のよい成膜を行う事が可能となる。
【０１４８】
一方、前記ギャップＧ１をさらに減少させ、プロセス空間の容積を約０．５リットル以下に設定した場合には、前記したようなギャップＧ１を小さくすることによってガス流速を増大させる効果はなくなる。このような傾向に関して、以下に詳細を説明する。
【０１４９】
前記したようなギャップＧ１に対して処理ガス流Ｆ１２の流速が変化する状態を、図２０に示す。図２０を参照するに、曲線ｌ３は処理ガスの流量が０．５Ｌの場合を示し、曲線ｌ４は処理ガスの流量が５Ｌの場合を示すが、それぞれの場合において、すなわち処理ガス流量が０．５〜５Ｌの範囲において同様の傾向を示しており、例えば、前記したようにギャップＧ１を小さくするに従い、流速が増大していくことがわかる。
【０１５０】
また、前記したようなギャップＧ１を小さくすることにより流速が増大し、処理ガスの利用効率を上昇させる効果が大きくなるのはギャップＧ１を８ｍｍ程度とした場合からであり、さらに処理ガスの利用効率を向上させる効果が顕著となる流速５０ｍ／ｓｅｃでは、ギャップを３．５ｍｍ程度とする必要がある。
【０１５１】
しかし、さらに流速を増大させようとして、さらにギャップを小さくした場合、ギャップが０．５ｍｍ程度とした場合に、流速が図中領域Ｍ示す、略音速領域となり、ギャップを狭めることにより流速を増大させる効果が収束すると考えられる。
【０１５２】
このため、前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスを前記プロセス空間に前記被処理基板Ｗ上を流れるように供給する場合、ギャップを０．５〜８ｍｍの範囲とするのが好ましく、処理ガスの利用効率が向上する。さらに、より好ましくは、処理ガスの利用効率がより向上する効果が得られる第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流速が５０ｍ／ｓｅｃ〜略音速とするために、前記ギャップＧ１を０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲に設定するのがよい。
【０１５３】
また、この場合、例えば図２１に示すように、処理ガスが流れる空間を、処理ガスが流れる方向に向かって狭くするような形状にして、処理ガスの吸着を均一にすることも可能である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１５４】
図２１を参照するに、前記プロセス空間１１Ａの高さが、処理ガスが流れる方向に従い、狭くなる形状となっている。このため、前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さがガスの流れ方向に従い、狭くなっていくことにより、被処理基板上に形成される境界層の厚みは次第に減少していく。従って、流れ方向で原料濃度が減少していったとしても、境界層を連続的に薄くすることにより、原料の使用効率を増大させて基板への吸着効率を上げ、結果的に一定な吸着率を得ることができる。
【０１５５】
以上の説明では本発明をＡｌ２Ｏ３膜の形成を例に説明したが、本発明はかかる特定の系の成膜に限定されるものではなく、ＺｒＯ２膜、ＨｆＳｉＯ４膜、ＺｒＳｉＯ４膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＴａＮ膜、ＡｌＮ膜、ＴｉＮ膜等、様々な膜の形成に適用が可能である。
【０１５６】
また、以上に説明した本発明の基板処理装置および処理方法は、被処理基板表面に膜を１分子層ずつ積層するいわゆるＡＬＤプロセスにおいて非常に有用であるが、ＭＯＣＶＤ法などの原子層成長に限定されない成膜プロセスに対しても、吸着工程を利用するような工程を含む場合は有効である。
【０１５７】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【０１５８】
【発明の効果】
本発明によれば、被処理基板上に成膜を行う際に、被処理基板上に形成される処理ガスが供給される処理空間を小さくし、成膜に利用される処理ガスの利用効率を向上させて、生産性の良好な成膜を行う事が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の基板処理装置の概略図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、従来の成膜方法と本発明による成膜方法を示した図である。
【図３】本発明による基板処理装置の概略を示した図（その１）である。
【図４】図３の基板処理装置の排気方法を示した図である。
【図５】図３の基板処理装置の変更例を示した図である。
【図６】表面反応を用いた成膜方法を模擬的に示した図である。
【図７】本発明による成膜方法のフローチャートを示した図（その１）である。
【図８】図３の基板処理装置の動作を説明する図である。
【図９】図３の基板処理装置の処理ガスの流速と、処理ガスが飽和吸着するための供給時間の関係を示す図である。
【図１０】図３の基板処理装置のギャップと処理ガスの流速の関係を示す図である。
【図１１】本発明による基板処理装置の概略を示す図（その２）である。
【図１２】図１１の装置で用いる処理ガス導入リングの斜視図である。
【図１３】本発明による基板処理装置のガス・排気の系統図である。
【図１４】本発明による基板処理装置の概略図（その３）である。
【図１５】図１４の基板処理装置で用いられる処理容器内部の部品を示す図である。
【図１６】本発明による成膜方法のフローチャートを示した図（その２）である。
【図１７】図１４の基板処理装置の処理ガスの流れを示した図（その１）である。
【図１８】図１４の基板処理装置の処理ガスの流れを示した図（その２）である。
【図１９】図１４の基板処理装置の処理ガスの流速と、処理ガスが飽和吸着するための供給時間の関係を示す図である。
【図２０】図１４の基板処理装置のギャップと処理ガスの流速の関係を示す図である。
【図２１】図１４の基板処理装置の変更例である。
【符号の説明】
１０，３００，４００，５００ 基板処理装置
Ｗｆ，Ｗ 被処理基板
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 処理ガス導入口
１４Ａ，１４Ｂ 排気口
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ 切替バルブ
１５Ａ，１５Ｂ コンダクタンスバルブ
１０Ａ 制御装置
１１ 処理容器
１６ａ 第１の処理ガス供給ライン
１６ｂ 第２の処理ガス供給ライン
１６ｃ 第３の処理ガス供給ライン
３１１，３１２，３２０ ガスライン
３１３，４０７ 排気ライン
３１４，４０８ 排気管
３０４Ａ 処理ガス供給口
１１Ａ，３０１Ａ，４０１Ａ プロセス空間
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，２１Ａ，２２Ａ，２１Ｂ，２２Ｂ，２１Ｃ，２２Ｃ，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，５１４Ａ，５１４Ｂ，３０８，３０９，３１０，３１９，４０９，４１０，４１１ バルブ
１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ 質量流量コントローラ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ パージライン
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 原料容器
３２１，３２２，３２３，３２４ ガス供給源
１００ トラップ
１１，５１１，３０１，４０１ 処理容器
３０４，４０４ 天井部
４０４Ａ 排気口
３０３ 中間容器
３０３Ａ 排気空間
３０５，４０３ 下部容器
４０５ 処理ガス導入リング
４０５Ａ ガス穴
３０６ 排気プレート
３０６Ａ 排気穴
２０１ 外側容器
２０１Ａ カバープレート
２０１Ｄ 開口部
２０１ａ，２０１ｂ 排気溝部
２０１ｄ 石英ライナー
２０２ 石英反応容器
２０２Ａ 石英底板
２０２Ｂ 石英カバー
２０３，３０２，５１１Ａ，Ｅ３ 保持台
５１１ａ ヒータ
２０３Ａ ガードリング
２０４ 基板搬送部
２０４Ａ 基板搬送口
２０４Ｂ 搬送アーム
２０５，３１７ 軸受部
２０５Ａ，３１８ 磁気シール
２０５Ｂ，３１６ 回動軸
２０６，３１５ ベローズ
５１１Ｂ，Ｅ１ 処理ガス供給部
５１１ｂ シャワーヘッド
５１１Ｃ 排気口
５１２ ターボ分子ポンプ
５１３ ドライポンプ
Ｇａ，Ｇｂ，Ｇ，Ｇ１ ギャップ
Ｆ１，Ｆａ，Ｆｂ ガス流
Ｅ２ 天井面
δ 境界層厚さ
Ｂ 境界層
Claims (31)
- 被処理基板に成膜する成膜方法であって、
前記被処理基板表面に処理ガスを吸着させる吸着工程を含み、前記吸着工程において前記処理ガスは前記被処理基板表面に沿って供給され、前記処理ガスが前記被処理基板に沿って流れる流速が５０ｍ／ｓｅｃ以上で音速程度以下であることを特徴とする成膜方法。 - 前記被処理基板に成膜する基板処理装置は、前記被処理基板を保持する保持台を内部に有する処理容器を有し、前記処理容器には前記処理ガスを前記処理容器内に供給する処理ガス供給口と、前記処理ガスを前記処理容器内から排気する排気口が設けられ、前記処理ガス供給口から供給される前記処理ガスは前記被処理基板に沿って流れ、前記排気口より排気されることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
- 前記処理容器内の、前記被処理基板表面に対向する側には前記被処理基板と略平行に天井面が形成され、前記処理ガスは前記被処理基板と前記天井面の間に形成される処理空間を流れることを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。
- 前記処理空間の、前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項３記載の成膜方法。
- 前記被処理基板から前記天井面までの高さが、前記処理ガスの流れ方向に向かって減少し、前記高さが最も小さくなった部分が０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項４項記載の成膜方法。
- さらに、前記被処理基板表面に別の処理ガスを吸着させる別の吸着工程を含み、前記別の吸着工程において前記別の処理ガスは前記被処理基板表面に供給され、前記別の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って流れる流速が５０ｍ／ｓｅｃ以上で音速程度以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
- 前記処理ガスは金属を含むガスで、前記別の処理ガスは前記処理ガスを酸化する酸化ガスであり、前記吸着工程で前記被処理基板表面に吸着した前記処理ガスは、前記別の吸着工程で前記酸化ガスによって酸化されることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
- 前記処理ガスは金属を含むガスで、前記別の処理ガスは前記処理ガスを窒化する窒化ガスであり、前記吸着工程で前記被処理基板表面に吸着した前記処理ガスは、前記別の吸着工程で前記窒化ガスによって窒化されることを特徴とする請求項６記載の成膜方法。
- 前記吸着工程と、前記別の吸着工程が、交互に繰り返されることを特徴とする請求項６〜８のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
- 前記処理ガス供給口は前記天井面に形成されていることを特徴とする請求項３〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
- 前記処理ガス供給口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１０記載の成膜方法。
- 前記排気口は、前記処理容器内の、前記天井面に対向する下面に設けられ、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項１０または１１記載の成膜方法。
- 前記処理ガス供給口は、前記被処理基板を囲むように複数形成されることを特徴とする請求項３〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法。
- 前記排気口は、前記天井面に形成されることを特徴とする請求項１３記載の成膜方法。
- 前記排気口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１４記載の成膜方法。
- 前記処理容器中、前記処理ガス供給口は前記保持台の第１の側に形成され、前記排気口は前記第１の側に対向する前記保持台の第２の側に形成され、前記処理ガスは前記処理ガス供給口より前記被処理基板表面を流れるように供給されて、前記排気口より排気され、
さらに前記第２の側には別の処理ガス供給口が形成され、当該別の処理ガス供給口からは前記別の処理ガスが前記被処理基板表面を流れるように供給されて、前記第１の側に形成された別の排気口から排気されることを特徴とする請求項６〜９のうち、いずれか１項記載の成膜方法。 - 前記排気口および前記別の排気口は、それぞれ前記処理ガスおよび別の処理ガスの流れ方向に略直行する方向に延在するスリット状の開口部よりなることを特徴とする請求項１６記載の成膜方法。
- 処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記天井面に形成され、前記処理容器中に処理ガスを、前記保持台に保持された被処理基板の略中心から周縁部に向かって前記被処理基板表面に沿って流れるように供給する処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記天井面と対向する下面に形成された、前記処理容器を排気する排気口とを有し、
前記被処理基板と前記天井面の間には前記処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置。 - 前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項１８記載の基板処理装置。
- 前記処理ガス供給口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１８または１９記載の基板処理装置。
- 前記排気口は、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項１８〜２０のうち、いずれか１項記載の基板処理装置。
- 前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項１８〜２１のうち、いずれか１項記載の基板処理装置。
- 処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記処理容器の側壁面に形成され、前記処理容器中に処理ガスを、前記保持台に保持された前記被処理基板の周縁部からに略中心向かって前記被処理基板表面に沿って流れるように供給する処理ガス供給口と、
前記天井面に形成された、前記処理容器を排気する排気口とを有し、
前記被処理基板と前記天井面の間には前記処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置。 - 前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項２３記載の基板処理装置。
- 前記排気口の中心は、前記天井面の、前記被処理基板の略中心に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項２３または２４記載の基板処理装置。
- 前記処理ガス供給口は、前記保持台を囲むように複数形成されていることを特徴とする請求項２３〜２５のうち、いずれか１項記載の基板処理装置。
- 前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項２３〜２６のうち、いずれか１項記載の基板処理装置。
- 処理容器と、
前記処理容器中に、被処理基板を保持可能に設けられた保持台と、
前記処理容器中、前記被処理基板と略平行に設けられた天井面と、
前記処理容器中、前記保持台の第１の側に形成され、前記保持台上の前記被処理基板表面に第１の処理ガスを、前記第１の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って、前記第１の側から前記第１の側に対向する第２の側に向かって流れるように供給する第１の処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記保持台の第２の側に形成された第１の排気口と、
前記処理容器中、前記保持台の前記第２の側に形成され、前記保持台上の前記被処理基板表面に第２の処理ガスを、前記第２の処理ガスが前記被処理基板表面に沿って、前記第２の側から前記第１の側に向かって流れるように供給する第２の処理ガス供給口と、
前記処理容器中、前記保持台の前記第１の側に形成された第２の排気口とを備え、
前記被処理基板と前記天井面の間に前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスが供給される処理空間が画成され、前記処理空間の前記被処理基板から前記天井面までの高さが０．５〜８ｍｍであることを特徴とする基板処理装置。 - 前記高さが０．５〜３．５ｍｍであることを特徴とする請求項２８記載の基板処理装置。
- 前記第１の排気口および第２の排気口は、それぞれ前記第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの流れ方向に略直行する方向に延在するスリット状の開口部よりなることを特徴とする請求項２８または２９記載の基板処理装置。
- 前記保持台は回動自在の構造であることを特徴とする請求項２８〜３０のうち、いずれか１項記載の基板処理装置。
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