JP6413293B2 - 成膜方法及び記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、反応容器内に収納された基板に対して、真空雰囲気にて成膜用の原料ガスを供給して薄膜の成膜を行う成膜装置、成膜方法及びこの成膜方法が記録された記憶媒体に関する。

例えば窒化シリコン（Ｓｉ−Ｎ）膜などの薄膜を成膜する装置として、半導体ウエハ（以下「ウエハ」と言う）などの基板を棚状に積載したウエハボート（基板保持具）を縦型の反応管内に下方側から気密に搬入して成膜処理を行う成膜装置が知られている。反応管内には、シリコン系の原料ガス（例えばジクロロシラン（ＤＣＳ）ガス）と窒素系の反応ガス（例えばアンモニア（ＮＨ_３）ガス）とを各ウエハに夫々供給するためのガスインジェクタが設けられている。また、反応管の外側には、アンモニアガスをプラズマ化するための一対の平行電極が設けられている。

このような成膜装置において既述の窒化シリコン膜を成膜する時には、原料ガスと反応ガスのプラズマとを交互に各ウエハに供給する成膜サイクルを複数回行う手法である、いわゆるＡＬＤ法が用いられる。従って、各ウエハ上には、原料ガスと反応ガスのプラズマとが反応して生成する反応生成物が前記成膜サイクルの回数分だけ積層されて薄膜が形成される。そのため、ＡＬＤ法では、成膜サイクルの繰り返し回数と薄膜の膜厚寸法とが互いに相関しており、このような原理からすると前記膜厚寸法をコントロールしやすいという特徴がある。

しかしながら、各成膜サイクルにおいて、ウエハの表面に原料ガスが吸着し終えるまで待機時間を設けようとすると、言い換えると原料ガスの吸着量が飽和するまで吸着反応を進行させて理想的なＡＬＤ反応を行おうとすると、処理時間が嵩んでスループットの低下に繋がってしまう。即ち、机上の反応機構はともかくとして、実際の装置を用いて現実的に薄膜を成膜する時には、生産性、プロセスの成膜温度及び使用する原料ガスの種別を考慮すると、原料ガスの吸着反応がいわばセルフリミット的に停止するまでの長い吸着時間を取りにくい。

従って、原料ガスの吸着が飽和しないプロセス条件にて薄膜を成膜する時には、薄膜の膜厚寸法の制御が極めて難しい。そこで、ウエハに成膜処理を行うにあたって、製品ウエハと共に膜厚測定用のダミーウエハ（ベアウエハ）についても同じバッチ内で薄膜の成膜テストを行い、薄膜の膜厚寸法を確認している。

ところで、表面にパターンが形成されている製品ウエハでは、パターンが形成されていないダミーウエハと比べて表面積が大きいので、原料ガスの消費量が多くなってしまう。そのため、ダミーウエハを用いて膜厚寸法を確認しても、実際の製品ウエハでは、ダミーウエハと比べて薄膜の膜厚寸法が薄くなりやすい。また、ウエハボートにおける製品ウエハの積載枚数が増える程、原料ガスの消費量が増えるので、１バッチあたりの製品ウエハの投入枚数によっても、薄膜の膜厚寸法がコントロールしにくくなる。
特許文献１には、アルミナ膜を成膜するにあたって、バッファータンク内の圧力を一定に保つ技術について記載されているが、既述の課題については記載されていない。

特開２００４−６３９０２

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応容器内に収納された基板に対して、真空雰囲気にて成膜用の原料ガスを供給して薄膜の成膜を行うにあたり、当該薄膜の膜厚寸法を容易に調整できる技術を提供することにある。

本発明の成膜方法は、
真空雰囲気とされた反応容器内にて、基板に原料ガスを吸着させ、次いで反応ガスと基板に吸着された原料ガスとを反応させて反応生成物を生成するサイクルを複数回繰り返して基板上に薄膜を成膜する方法において、
前記反応容器内の圧力をＰ１に規制するために真空排気路に設けられた圧力規制用のバルブと、原料ガス供給部と、を用い、
前記原料ガス供給部に向かう原料ガスの供給路の途中に設けたタンク内に原料ガスを昇圧した状態で貯留する工程と、
次いで前記タンクの下流側に設けられた流量調整用のバルブによりガス流量を調整しながら、前記タンクから前記原料ガス供給部を介して前記原料ガスを反応容器内に時間Δｔ供給すると共に、前記圧力規制用のバルブの作用により、原料ガスの供給開始時点ｔ１からΔｔ×（１／３）経過する前の時点と、原料ガスの供給開始時点ｔ１からΔｔ×（２／３）経過した後の時点との間に亘って、前記反応容器内の圧力をＰ１に規制する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明は、反応容器内を真空排気するための真空排気路（バイパス路）に圧力規制用のバルブを設けると共に、原料ガスを昇圧した状態で貯留するためのタンクの下流側に流量調整用のバルブを配置している。そのため、原料ガスを反応容器内に供給する時は、圧力規制用のバルブによって当該反応容器内の圧力を処理圧力に維持できると共に、反応容器内に原料ガスを大流量で且つ均一な流量で供給できる。従って、表面積が互いに異なる基板に対して成膜処理を行う場合であっても、薄膜の膜厚寸法を各基板間で揃えることができる。また、複数枚の基板に対して一括して成膜処理を行う場合には、反応容器内に収納される基板の枚数に依らずに薄膜の膜厚寸法を揃えることができる。

本発明の成膜装置の一例を模式的に示す模式図である。 前記成膜装置にて原料ガスを供給する時の反応管内の圧力の推移を示す概略図である。 前記成膜装置を示す縦断面図である。 前記成膜処理を示す横断平面図である。 前記成膜装置にて原料ガスを供給する時の排気側の動作を示すシーケンス図である。 前記成膜装置における排気側の動作を示す模式図である。 前記成膜装置における排気側の動作を示す模式図である。 前記成膜装置にて原料ガスを供給する時の供給側の動作を示すシーケンス図である。 本発明の実施例にて得られた実験結果を示す特性図である。 一般的なＡＬＤ法におけるガス圧力の推移を示す特性図である。

本発明の成膜装置に係る実施の形態の一例について、図１〜図４を参照して説明する。この成膜装置は、互いに反応する原料ガスと反応ガスとをウエハＷに対して交互に供給して反応生成物を積層するＡＬＤ法により薄膜を成膜するように構成されており、縦型の反応管（反応容器）１２内にて複数枚のウエハＷに対して一括して成膜処理を行うバッチ式の縦型熱処理装置となっている。そして、この装置では、図１に示すように、反応管１２の排気側に後述のバイパスライン８１を設けることにより、図２に模式的に示すように、各ウエハＷに対して原料ガスを供給している時刻ｔ１〜ｔ２までに亘って、当該反応管１２内が概略一定の処理圧力Ｐ１となるようにしている。続いて、装置の各部の詳細について説明する。尚、図１では、成膜装置を簡略化して描画しており、また図２では従来において原料ガスを供給した時の反応管１２内の圧力についても併せて描画している。

反応管１２は、図３及び図４に示すように、下端側が開口する概略円筒型に形成されており、多数枚例えば１５０枚のウエハＷを棚状に積載するウエハボート１１を内部に収納自在に構成されると共に、この例では石英製となっている。反応管１２の下端側開口部には、当該開口部を気密に開閉する蓋体２５が設けられており、この蓋体２５はウエハボート１１と共に、図示しないボートエレベータにより昇降自在に構成されている。反応管１２の外側には、概略円筒型の加熱炉本体１４が設けられており、加熱炉本体１４の内壁面には、周方向に亘って加熱機構であるヒータ１３が配置されている。図３中１６はベースプレート、２６は断熱体、２７は回転軸、２８はモータなどの駆動部である。尚、図３では加熱炉本体１４、ヒータ１３及びベースプレート６を一部切り欠いて描画している。

図３及び図４に示すように、反応管１２は、外管１２ａと当該外管１２ａの内部に収納された内管１２ｂとの二重管構造となっており、上下面が開口する概略円筒形状のマニホールド１８によって下方側から気密に支持されている。図４にも示すように、平面で見た時における内管１２ｂの一端側（手前側）の部位は、当該内管１２ｂの長さ方向に亘って外側に向かって膨らんでプラズマ発生領域１２ｃをなしており、このプラズマ発生領域１２ｃにおける外周側の部位は、外管１２ａよりも外側に飛び出している。言い換えると、このプラズマ発生領域１２ｃは、外管１２ａ及び内管１２ｂにおける壁面の一部を上下方向に亘ってスリット状に開口させ、ウエハボート１１側が開口する概略箱型の石英部材の開口端及び外壁面を内管１２ｂ及び外管１２ａの側面側の開口部に夫々溶接することにより構成されている。

前記プラズマ発生領域１２ｃには、ウエハボート１１の長さ方向に沿って伸びる処理ガス供給部（ガスインジェクタ）であるアンモニアガスノズル５１ａが収納されている。このアンモニアガスノズル５１ａの下端部は、当該プラズマ発生領域１２ｃを構成する反応管１２の内壁面を気密に貫通して、アンモニアガスの供給源５５ａに接続されている。このアンモニアガスノズル５１ａにおける前記供給源５５ａ側の端部は、図３に示すように、途中部位にて分岐して、窒素（Ｎ_２）ガスなどのパージガスの供給源５５ｃに接続されている。尚、図４では、各ガスを反応管１２内に供給する構成について、一部省略している。

図４に示すように、プラズマ発生領域１２ｃの外側（反応管１２の外側）には、当該プラズマ発生領域１２ｃを左右から挟むように、アンモニアガスノズル５１ａから供給されるアンモニアガスをプラズマ化するための一対のプラズマ発生用電極６１、６１が設けられている。プラズマ発生用電極６１、６１の各々は、ウエハボート１１の長さ方向に亘って伸びるように形成されると共に、プラズマ発生領域１２ｃに近接する位置に配置されている。プラズマ発生用電極６１には、スイッチ部６２及び整合器６３を介して、周波数及び出力電力が夫々例えば１３．５６ＭＨｚ及び１ｋＷの高周波電源６４が接続されている。即ち、一対のプラズマ発生用電極６１、６１のうち一方のプラズマ発生用電極６１には高周波電源６４が接続され、他方のプラズマ発生用電極６１はアースされている。

そして、図４に示すように、ウエハボート１１に近接する位置におけるプラズマ発生領域１２ｃから見て左右両側には、シリコンを含む原料ガスこの例ではジクロロシラン（ＤＣＳ）ガスを供給するための２本の原料ガスノズル５１ｂ、５１ｂが原料ガス供給部として配置されている。これら原料ガスノズル５１ｂ、５１ｂは、ウエハボート１１の長さ方向に亘って伸びると共に、下端位置にて互いに合流して、反応管１２の内壁面を介して原料ガスの供給源５５ｂに向かって伸び出している。

原料ガスノズル５１ｂ、５１ｂと供給源５５ｂとの間における供給路７０には、図１、図３及び図４に示すように、流量調整部（レギュレーションバルブ）７１、開閉バルブ７２、ガスの貯留部をなすバッファータンク７３、流量調整部（マスフローコントローラ）７４及び開閉バルブ７５が原料ガスノズル５１ｂ側からこの順番で配置されている。バッファータンク７３は、３×１０^−７Ｎｍ^３（０．３Ｌ）〜３×１０^−６Ｎｍ^３（３Ｌ）の体積の原料ガスを貯留できるように構成されており、前記体積は反応管１２内の容積で規定すると当該容積の０．１５％〜１．５％である。バッファータンク７３と流量調整部７４との間における供給路７０には、当該供給路７０内のガス圧力を測定するための圧力計７６が設けられている。

即ち、この例では、供給源５５ｂにおける原料ガスをバッファータンク７３に昇圧状態で一度溜めておき、当該バッファータンク７３から各ウエハＷに原料ガスを大流量（０．５ｍ／ｓ以上）で供給するように構成されている。従って、供給源５５ｂとバッファータンク７３との間における流量調整部７４及び開閉バルブ７５は、当該供給源５５ｂからバッファータンク７３に供給する原料ガスの流量調整及び原料ガスの給断を夫々行うためのものである。

また、既述の圧力計７６は、バッファータンク７３に貯留される原料ガスの圧力を測定（検出）するためのものである。そして、バッファータンク７３よりも下流側の流量調整部７１及び開閉バルブ７２は、各ウエハＷに供給される原料ガスの流量の調整及び給断を行うためのものであり、後述するように、各ウエハＷに対して大流量の原料ガスをできるだけ一定の流量で供給するように、制御部１００により制御されている。供給路７０における流量調整部７１よりも原料ガスノズル５１ｂ側の部位には、パージガスの供給源５５ｃから伸びる供給路７０ａの下流側の端部が接続されている。図３中５２はガス吐出口であり、各ウエハＷの載置位置毎に形成されている。尚、図４では前記供給路７０ａを省略している。

反応管１２の内壁面におけるガスノズル５１ａ、５１ｂの貫通位置の近傍位置には、図３に示すように、フッ化水素（ＨＦ）ガスやフッ素（Ｆ_２）ガスなどのクリーニングガスの供給源５５ｄから伸びるクリーニングガスノズル５１ｃが気密に挿入されている。このクリーニングガスノズル５１ｃの先端部は、ウエハボート１１の下方位置にて開口している。図３中５３はバルブ、５４は流量調整部である。尚、図４ではクリーニングガスノズル５１ｃの記載を省略している。

内管１２ｂにおいてプラズマ発生領域１２ｃに対向する部位には、図３及び図４に示すように、概略円形状の排気口１７が形成されており、この排気口１７は、上下方向に亘って複数箇所に例えば等間隔に並んでいる。また、外管１２ａにおいてプラズマ発生領域１２ｃから見て側方側に離間した位置には、図３に示すように、先端部がフランジ状に伸び出す排気ポート２１が形成されており、この排気ポート２１には、真空排気路２２の基端側が気密に接続されている。真空排気路２２には、当該真空排気路２２内の圧力を検出するための圧力計２２ａが設けられている。

図１、図３及び図４に示すように、この真空排気路２２の他端側には、バラフライバルブなどの圧力調整部（ＡＰＣ：オートプレッシャーコントローラ）２３を介して、真空排気機構である真空ポンプ２４が接続されており、当該圧力調整部２３の開度によって反応管１２内の圧力が調整自在となっている。即ち、圧力調整部２３は、制御部１００からの制御信号によって、反応管１２内の圧力（圧力計２２ａによる検出値）が設定圧力に維持されるように、真空排気路２２におけるガス流路の開度を調整するように構成されている。

この真空排気路２２における排気ポート２１と圧力調整部２３との間には、当該真空排気路２２から分岐して伸びるバイパスライン８１の一端側が接続されており、このバイパスライン８１の他端側は、真空排気路２２における圧力調整部２３と真空ポンプ２４との間に接続されている。このバイパスライン８１には、開閉バルブ８２と、圧力規制用のバルブであるリリーフバルブ８３とが反応管１２側から真空ポンプ２４側に向かってこの順番で設けられている。

リリーフバルブ８３は、当該リリーフバルブ８３から見て真空ポンプ２４側（下流側）の圧力と、反応管１２側（上流側）の圧力との差圧に応じて、バイパスライン８１におけるガス流路を自動で開閉するように構成されている。具体的には、リリーフバルブ８３は、前記差圧がある程度以上（詳しくは既述の処理圧力Ｐ１以上）に高くなった時にはバイパスライン８１におけるガス流路を開放し、一方前記差圧が処理圧力Ｐ１よりも低い時には前記ガス流路を閉止（遮断）する。

従って、リリーフバルブ８３よりも真空ポンプ２４側では、当該真空ポンプ２４により常時真空雰囲気に設定されていることから、リリーフバルブ８３は、反応管１２内の圧力がある程度以上高くなった時に開放されると言える。バイパスライン８１における既述の開閉バルブ８２は、当該バイパスライン８１を使用するか否かを決めるための選択部をなしている。バイパスライン８１を設けた理由については、後述の作用の説明と併せて詳述する。

この成膜装置には、図３に示すように、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１００が設けられており、この制御部１００のメモリ内には後述の成膜処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部１０１から制御部１００内にインストールされる。

次に、上述実施の形態の作用について、図２、図５〜図８を参照して説明する。先ず、成膜温度となるように加熱された反応管１２内に、表面にパターンが形成された製品ウエハと、ダミーウエハ（ベアウエハ）とを積載したウエハボート１１を気密に搬入する（ｔ０）。次いで、反応管１２内が成膜処理を行う時の処理圧力Ｐ１となるように圧力調整部２３（バタフライバルブの開度）を設定すると共に、開閉バルブ８２を開放する（ガスがバイパスライン８１を通流できるようにする）。ベアウエハは、薄膜の膜厚寸法を確認するためのものである。

また、バッファータンク７３に３×１０^−７Ｎｍ^３（０．３Ｌ）〜３×１０^−６Ｎｍ^３（３Ｌ）の原料ガスを予め導入しておき、次いで時刻ｔ１において、開閉バルブ７２を開放すると共に、流量調整部７１により原料ガスの供給量を調整しながら反応管１２内への原料ガスの供給を開始する。具体的には、パージガスにより原料ガスを押し出すように、原料ガスと共にパージガスを反応管１２内に供給する。このように開閉バルブ７２を開放すると、流量調整部７１によって原料ガスの供給量を調整して（具体的には流量調整部７１の開度をできるだけ絞って）いても、バッファータンク７３に貯留された大流量の原料ガスが反応管１２内に向かって瞬時に流れて行こうとする。一方、圧力調整部２３の応答速度はそれ程速くないので、当該反応管１２内の圧力は昇圧しようとする。

即ち、図５（ａ）に示すように、原料ガスの供給を開始した時刻ｔ１から当該原料ガスの供給を停止する時刻ｔ２までの吸着時間Δｔは、原料ガスの吸着が飽和する飽和時間よりも短い時間となっている。この吸着時間Δｔは、具体的には２秒〜１０秒（この例では３秒）であり、圧力調整部２３の応答（開度の調整）が可能な時間よりも短い。そのため、原料ガスを供給している時刻ｔ１〜ｔ２までの間では、圧力調整部２３は、いわば一定の開度となっている。従って、バイパスライン８１を設けていない場合には、既述の図２に従来として破線で示したように、反応管１２内の圧力は概略山型の曲線となる。

しかしながら、本発明では、リリーフバルブ８３が介設されたバイパスライン８１を設けており、このリリーフバルブ８３が開放される圧力を既述の処理圧力Ｐ１に設定している。そのため、図５（ｂ）及び図６に示すように、リリーフバルブ８３は、反応管１２内の圧力が処理圧力Ｐ１を越えようとした時刻ｔ１１から、その後バッファータンク７３における原料ガスの貯留量が減少することに伴って反応管１２内の圧力が処理圧力Ｐ１を下回ろうとする時刻ｔ２１までに亘って開放される。

こうして反応管１２内では、既述の図２に示したように、時刻ｔ１１〜ｔ２１までに亘って処理圧力Ｐ１に維持される（規制される）。この処理圧力Ｐ１は、以下に説明するように、反応管１２内における製品ウエハとベアウエハとの間で原料ガスの吸着量ができるだけ揃うように、且つスループットの低下に繋がらない程度に設定されており、具体的には１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）〜５Ｔｏｒｒ（６６６Ｐａ）である。反応管１２内の圧力が処理圧力Ｐ１を越えない時には、図７に示すように、リリーフバルブ８３は閉止したままとなり、従って反応管１２内の原料ガスは真空排気路２２を介して排気される。尚、図２では、反応管１２内の圧力を模式的に示している。

ここで、前記「処理圧力Ｐ１に（維持される）規制される」とは、反応管１２内の圧力が例えば原料ガスの供給開始初期にオーバーシュートした後、処理圧力Ｐ１に概ね収束する状態を意味しており、時刻ｔ１〜ｔ２に亘って処理圧力Ｐ１となる状態ではない。即ち、時刻ｔ１と時刻ｔ１１との差分、及び時刻ｔ２と時刻ｔ２１との差分は、吸着時間Δｔの各々１／３以下であり、具体的には各々０．２秒〜１秒となっているため、反応管１２内の圧力変動を示す曲線（直線）は、既述の図２に示したように、概略矩形あるいは台形となる。

即ち、既述の背景の項目にて説明したように、ベアウエハは、表面にパターンが形成されたウエハＷ（製品ウエハ）と比べて、表面積が小さいため原料ガスの吸着量が少ない。そして、本発明では、このベアウエハを用いて製品ウエハにおける膜厚寸法の確認を行おうとしており、しかも原料ガスの吸着量が飽和する前に、当該原料ガスの供給を停止するプロセスを採用している。従って、吸着時間Δｔでは、ベアウエハであっても製品ウエハであっても、原料ガスの吸着が進行し続ける（飽和しない）。そのため、吸着時間Δｔに亘って反応管１２内に十分な量の原料ガスを満たした場合には、言い換えると反応管１２内の処理圧力Ｐ１がある程度高い場合には、ベアウエハでは製品ウエハよりも薄膜の膜厚寸法が厚くなる。

一方、反応管１２内の処理圧力Ｐ１がそれ程高くない場合には、ベアウエハ及び製品ウエハのいずれについても原料ガスが不足しがちな状態となり、いわば供給律速の状態となる。即ち、ベアウエハ及び製品ウエハでは、処理圧力Ｐ１が高い場合と比べて、薄膜の膜厚寸法の差が小さくなる。そして、反応管１２内の処理圧力Ｐ１が低い程、前記差がより小さくなる。そこで、本発明では、ベアウエハと製品ウエハとの間において薄膜の膜厚寸法ができるだけ揃うように、且つスループットの低下が抑えられるように（前記吸着時間Δｔがあまり長くならないように）、反応管１２内の処理圧力Ｐ１を既述のように設定している。

ところで、以上説明したように反応管１２内の圧力を処理圧力Ｐ１に維持するにあたって、原料ガスは、ベアウエハや製品ウエハの表面に接触すると速やかに吸着して消費される。そのため、反応管１２内の処理圧力Ｐ１が一定であっても、当該反応管１２内に滞留する原料ガスの濃度が経時的に変化すると、成膜サイクル毎に、あるいは複数回に亘って行うバッチ処理のうち一のバッチ処理と後続の他の処理との間において、薄膜の膜厚寸法がばらついてしまうおそれがある。そこで、本発明では、反応管１２内の圧力の調整と共に、以下に説明するように原料ガスの濃度についても吸着時間Δｔに亘って揃うようにしている。

具体的には、既述のバッファータンク７３では、供給源５５ｂにおける原料ガスを一時的に溜めるためのものであり、従って当該バッファータンク７３の圧力は、図８（ａ）に示すように、時刻ｔ１を過ぎると（反応管１２内に原料ガスの供給を開始すると）次第に低下していく。そのため、本発明では、図８（ｂ）に示すように、流量調整部７１の開度について、徐々に大きくなるようにしている。従って、図８（ｃ）に示すように、反応管１２内に供給される原料ガスの供給量Ｖ１が時刻ｔ１〜ｔ２までに亘って揃う。尚、図８（ｂ）は、流量調整部７１の開度を模式的に示したものである。

そして、このように原料ガスの供給量Ｖ１を調整するにあたって、既に詳述したように、バッファータンク７３を使用している。即ち、原料ガスの供給量Ｖ１は、２，０００ｓｃｃｍ〜４０，０００ｓｃｃｍもの大流量である。ウエハボート１１に載置されたウエハＷ（ベアウエハあるいは製品ウエハ）と、当該ウエハＷの上方側に対向する別のウエハＷとの間を通流する原料ガスの流速は、０．５ｍ／ｓ以上となる。従って、反応管１２内では、吸着反応によって原料ガスが消費されるが、この原料ガスの消費が各ウエハＷ間において薄膜の膜厚寸法の差として顕在化しないように、あるいは前記差が顕在化しても問題とならない流量で、原料ガスが大流量でしかも一定の供給量Ｖ１で通流する。即ち、原料ガスの供給量Ｖ１について、既述の処理圧力Ｐ１においてベアウエハであっても製品ウエハであっても吸着量が飽和する条件以上の速度としている。そのため、ウエハＷの種別（ベアウエハあるいは製品ウエハ）に依らずに、更には反応管１２内におけるウエハＷの収納枚数に依らずに、当該ウエハＷに吸着する原料ガスの吸着量が一定となる。

続いて、原料ガスの供給を停止すると共に、圧力調整部２３の開度を全開にして、原料ガスを反応管１２内から速やかに排出する。即ち、原料ガスの吸着工程が完了した後、反応管１２内の圧力を速やかに低くすることより、その後反応管１２内に残る原料ガスによって余分な吸着層が形成されないようにしている。次いで、開閉バルブ８２を閉止した後、反応管１２内の雰囲気の置換を行う。具体的には、反応管１２を真空引きした後、パージガスを反応管１２内に供給する。次いで、パージガスの供給を停止して、反応管１２内を処理圧力に設定する。そして、プラズマ発生用電極６１に高周波電力を供給すると共に、アンモニアガスノズル５１ａからプラズマ発生領域１２ｃにアンモニアガスを供給する。

アンモニアガスは、プラズマ発生用電極６１、６１間に供給される高周波電力によってプラズマ化されて、イオンやラジカルなどの活性種となる。この活性種がウエハＷの表面における既述の吸着層に接触すると、当該吸着層が窒化されて、窒化シリコンからなる反応層が形成される。

しかる後、プラズマ発生用電極６１、６１への給電及びアンモニアガスの供給を停止すると共に、反応管１２内の真空排気とパージガスの供給とをこの順番で行って、反応管１２内の雰囲気を置換する。こうして以上説明した原料ガスの供給工程と、アンモニアガスのプラズマの供給工程とを、反応管１２内の雰囲気を置換しながら多数回に亘って繰り返すと、原料ガスとアンモニアガスとの反応生成物が積層されて、窒化シリコンからなる薄膜が形成される。

その後、反応管１２内を大気雰囲気に戻した後、ウエハボート１１を反応管１２内の下位置に下降させて、処理済みのウエハＷと未処理のウエハＷとを入れ替える。この時、開閉バルブ８２を既に閉止していることから、バイパスライン８１には大気雰囲気は入り込まない。

上述の実施の形態によれば、反応管１２内を真空排気する真空排気路２２にバイパスライン８１を設けると共に、このバイパスライン８１にリリーフバルブ８３を配置している。そのため、原料ガスを反応管１２内に供給する時、当該反応管１２内の圧力を処理圧力Ｐ１に維持できる。また、原料ガスを昇圧した状態で貯留するバッファータンク７３の下流側に流量調整部７１を設けているので、原料ガスを大流量で供給するにあたって当該原料ガスの供給量Ｖ１を吸着時間Δｔに亘って揃えることができる。従って、反応管１２内では、原料ガスが希薄な状態となり、しかもこの状態で新たな原料ガスが大流量で供給されているので、薄膜の膜厚寸法を各ウエハＷ間において揃えることができる。また、反応管１２内におけるウエハＷの積載枚数が多い場合であっても少ない場合であっても、雰囲気中に滞留する原料ガスの濃度が揃うので、前記積載枚数に依らずに均一な膜厚寸法の薄膜を形成できる。

また、反応管１２内に多数積層されているウエハＷの各々では、原料ガスは、一方側（原料ガスノズル５１ｂ側）から他方側（排気口１７側）に通流しているが、既述のように処理圧力Ｐ１における飽和条件よりも大流量の供給量Ｖ１で供給されている。そのため、前記一方側と前記他方側とでは、原料ガスの消費に伴う濃度差が生じにくいので、各々のウエハＷでは、面内における薄膜の膜厚寸法を均一化できる。従って、例えば成膜温度などの処理条件をそれ程厳密に設定せずに済むので、処理の自由度を高めることができ、また薄膜について高い歩留まりを得ることができる。

ここで、本発明の手法を採らずに吸着時間Δｔに亘って処理圧力Ｐ１に維持しようとした場合について検討する。即ち、例えば原料ガスを供給する時、圧力調整部２３を全開にした場合には、既述の図２と近い圧力変動が得られるかもしれない。しかしながら、流量調整部７１にて原料ガスの流量調整を行わない場合には、ベアウエハと製品ウエハとでは原料ガスの消費量に差異が生じてしまうので、薄膜の膜厚寸法についても差異が生じる。また、原料ガスを反応管１２内に導入した後、原料ガスの供給側を閉止（密閉）した場合には、同様にベアウエハと製品ウエハとの間において原料ガスの消費量に差異が生じる。更に、バッファータンク７３を使用しない場合には、原料ガスが大流量で供給されないため、反応管１２内の圧力については処理圧力Ｐ１に維持できるかもしれないが、スループットの低下に繋がってしまう。従って、本発明の手法は、原料ガスを大流量で供給することを前提とした上で、薄膜の膜厚寸法をコントロールできる有効な手法である。

そして、リリーフバルブ８３を設けるにあたって、バイパスライン８１にはこのリリーフバルブ８３と共に開閉バルブ８２を設けている。従って、原料ガス以外のガス（アンモニアガスやパージガス）を反応管１２内に供給する工程や反応管１２内を大気雰囲気に戻す時であっても、バイパスライン８１に予期しないガスが入り込むことを防止できる。

ここで、原料ガスの供給量Ｖ１を吸着時間に亘って揃えるための具体的な手法について説明する。即ち、窒素ガスなどを用いて予め実験を行って、流量調整部７１の前後における圧力勾配の経時変化やガス流量の経時変化を確認して、この実験結果に基づいて既述の流量調整部７１の開度が調整される。また、供給量Ｖ１及び処理圧力Ｐ１の具体的な値については、ガス種や成膜温度によって異なるため、各プロセス毎に予め実験を行って設定される。

以上説明した流量調整部７１については、既述のレギュレーションバルブに代えて、高速応答可能なマスフローコントローラを用いても良い。また、流量調整部７１としては、オリフィスを用いても良い。即ち、流量調整部７１よりも下流側の反応管１２の内容積に基づいて、バッファータンク７３の内容積を設計して、一義的に大流量の原料ガスが一定流量で供給されるようにしても良い。更に、リリーフバルブ８３については、高速応答（制御）可能なオートプレッシャーコントローラを用いても良い。更にまた、リリーフバルブ８３を設けずに、開閉バルブ８２について、圧力計２２ａによる圧力の検出結果と連動して高速で開閉するように構成しても良い。この場合には、開閉バルブ８２は、特許請求の範囲における圧力規制用のバルブをなす。

また、本発明は、バッチ式の縦型熱処理装置に代えて、１枚ずつ成膜処理を行う枚葉式の成膜装置に適用しても良い。このような枚葉式の成膜装置では、ベアウエハについて予め薄膜の膜厚寸法を確認するテストを行った後、このテスト結果に基づいて、続く製品ウエハに対する成膜処理において処理条件が設定（調整）される。

また、バイパスライン８１における反応管１２側の上流端を真空排気路２２に接続したが、当該上流端を反応管１２に接続しても良い。即ち、反応管１２に２本の真空排気路２２を接続し、一方の真空排気路２２をメインの（圧力調整部２３が介設された）流路として使用すると共に、他方の真空排気路２２をサブの（リリーフバルブ８３が設けられた）流路として利用しても良い。この場合には、これら一方の真空排気路２２及び他方の真空排気路２２の下流端は、夫々共通の真空ポンプ２４に接続しても良いし、互いに別の真空ポンプ２４に接続しても良い。

本発明が適用されるプロセスとしては、原料ガスと反応ガスとを交互に供給するＡＬＤプロセスであり、具体的な成膜種は既述の窒化シリコン膜の他、酸化シリコン（Ｓｉ−Ｏ）膜やｈｉｇｈ−ｋ膜である。ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜する時に使用される原料ガスは、例えばＴＥＭＡＺ（テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム）ガス、ＴＥＭＨＦ（テトラキスエチルメチルアミノハフニウム）ガス、Ｓｒ(ＴＨＤ)_２（ストロンチウムビステトラメチルヘプタンジオナト）ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、Ｔｉ(ＭＰＤ)(ＴＨＤ)（チタニウムメチルペンタンジオナトビステトラメチルヘプタンジオナト）ガスである。

続いて、本発明において行った実施例について説明する。
具体的には、バイパスライン８１やリリーフバルブ８３を設けなかった場合に、原料ガスの供給時間を増やした場合に薄膜の膜厚寸法がどのように変化するか確認を行った。即ち、表面が平滑なベアウエハと、表面にパターンが形成された製品ウエハに対して共通の処理条件（原料ガスの吸着量が飽和しない条件）にて成膜処理を行った。その結果、図９に示すように、ベアウエハでは製品ウエハよりも膜厚寸法が厚くなっていた。

そして、これらベアウエハ及び製品ウエハについて、原料ガスの吸着量が飽和しない範囲内にて当該原料ガスの供給量を増やしたところ、いずれのウエハについても膜厚寸法が増加しており、ベアウエハ及び製品ウエハでは、膜厚寸法の増加量が同程度となっていた。即ち、既述のように、原料ガスの吸着量が飽和しない条件では、ベアウエハ及び製品ウエハのいずれについても原料ガスの吸着量が増加し続ける。従って、原料ガスの供給時間を単に増やすだけでは、これらウエハ間で膜厚寸法の差分を解消できないことがわかった。図９には、原料ガスの供給量が少ない場合及び多い場合について、ベアウエハの膜厚寸法から製品ウエハの膜厚寸法を差し引いた値を当該ベアウエハの膜厚寸法で除した値を「膜厚減少率」として夫々示している。この膜厚減少率を比べてみても、原料ガスの供給時間を単に増やしても、ウエハ間における膜厚寸法の差を改善することは難しいと言える。

図１０は、バイパスライン８１やリリーフバルブ８３を設けない場合について、各ガス（原料ガス、パージガス及びアンモニアガス）を供給する一連の成膜サイクルにおいて、反応管１２内の圧力を測定した結果を示している。図１０から分かるように、原料ガスがバッファータンク７３を介して大流量で且つ短時間で供給されるので、圧力調整部２３だけでは処理圧力Ｐ１に維持しきれずに、反応管１２内の圧力は山型のカーブとなっている。従って、本発明の手法は、このように原料ガスを大流量で且つ短時間で供給する場合に極めて有効な手法であると言える。

Ｗ ウエハ
１１ ウエハボート
１２ 反応管
７１ 流量調整部
７３ バッファータンク
８２ 開閉バルブ
８３ リリーフバルブ

Claims (6)

1. 真空雰囲気とされた反応容器内にて、基板に原料ガスを吸着させ、次いで反応ガスと基板に吸着された原料ガスとを反応させて反応生成物を生成するサイクルを複数回繰り返して基板上に薄膜を成膜する方法において、
   前記反応容器内の圧力をＰ１に規制するために真空排気路に設けられた圧力規制用のバルブと、原料ガス供給部と、を用い、
   前記原料ガス供給部に向かう原料ガスの供給路の途中に設けたタンク内に原料ガスを昇圧した状態で貯留する工程と、
   次いで前記タンクの下流側に設けられた流量調整用のバルブによりガス流量を調整しながら、前記タンクから前記原料ガス供給部を介して前記原料ガスを反応容器内に時間Δｔ供給すると共に、前記圧力規制用のバルブの作用により、原料ガスの供給開始時点ｔ１からΔｔ×（１／３）経過する前の時点と、原料ガスの供給開始時点ｔ１からΔｔ×（２／３）経過した後の時点との間に亘って、前記反応容器内の圧力をＰ１に規制する工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
2. 前記時間Δｔは、２秒〜１０秒の間で設定される時間であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
3. 前記原料ガスを供給する時の前記反応容器内の圧力は、１３３Ｐａ〜６６６Ｐａであることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜方法。
4. 前記反応容器内にて基板の表面を通過するときの原料ガスの流速は、０．５ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の成膜方法。
5. 前記真空排気路には、圧力調整用のバルブが設けられ、
   前記圧力規制用のバルブは、前記圧力調整用のバルブを迂回するバイパス路に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の成膜方法。
6. コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
   前記コンピュータプログラムは、請求項１ないし５のいずれか一つに記載の成膜方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。

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