CN104947081A - 成膜装置和成膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成膜装置和成膜方法。该成膜装置向形成为真空气氛的反应容器内交替地供给原料气体和与该原料气体发生反应而生成反应生成物的反应气体，而在该反应容器内的基板上形成薄膜，其特征在于，包括：原料气体供给部，设于原料气体的供给路径的端部，向反应容器内供给原料气体；压力调整用阀，设置在用于对反应容器内进行真空排气的真空排气路径上；分别设置在绕过压力调整用阀的旁路上、将反应容器内的压力限制为预先设定的压力的压力限制用阀和开闭阀；罐，设置在原料气体的供给路径的中途，用于将原料气体以升压后的状态储存；流量调整用阀，设于原料气体的供给路径上的靠罐的下游侧的部分；以及控制部。

Description

成膜装置和成膜方法
技术领域
本发明涉及在真空气氛下对被收纳在反应容器内的基板供给成膜用的原料气体而进行薄膜的成膜的成膜装置和成膜方法。
背景技术
作为进行例如氮化硅(Si－N)膜等薄膜的成膜的装置，公知有一种将以搁板状装载有半导体晶圆(以下称作“晶圆”)等基板的晶圆舟皿(基板保持件)自下方侧气密地输入到立式的反应管内而进行成膜处理的成膜装置。在反应管内设有用于向各晶圆分别供给硅系的原料气体(例如二氯甲硅烷(DCS)气体)和氮系的反应气体(例如氨气(NH3))的气体喷射器。另外，在反应管的外侧设有用于使氨气等离子体化的一对平行电极。
在这样的成膜装置中进行所述氮化硅膜的成膜时，使用一种多次进行向各晶圆交替地供给原料气体和反应气体的等离子体的成膜循环的方法、即所谓的ALD法。因而，与所述成膜循环的次数相对应地原料气体和反应气体的等离子体发生反应而生成的反应生成物在各晶圆上层叠而形成薄膜。因此，在ALD法中，具有如下特征：成膜循环的重复次数和薄膜的膜厚尺寸彼此相关，根据这样的原理易于控制所述膜厚尺寸。
然而，在各成膜循环中，在欲设置待机时间直到原料气体结束吸附于晶圆的表面时、换言之在欲进行吸附反应直到原料气体的吸附量达到饱和而进行理想的ALD反应时，会使处理时间攀升而导致生产率降低。即，理论上的反应机构另当别论，在使用实际的装置来现实性地进行薄膜的成膜时，考虑到生产率、工艺的成膜温度以及所使用的原料气体的类型，难以保持较长的吸附时间直到原料气体的吸附反应以所谓自限制性(self-limit)的方式停止。
因而，在以原料气体的吸附未饱和的工艺条件来进行薄膜的成膜时，极难控制薄膜的膜厚尺寸。因此，在对晶圆进行成膜处理时，在相同的批次内对产品晶圆和膜厚测量用的仿真晶圆(裸晶圆)进行薄膜的成膜试验，确认了薄膜的膜厚尺寸。
然而，在表面上形成有图案的产品晶圆的表面积大于没有形成图案的仿真晶圆的表面积，因此，产品晶圆的原料气体的消耗量较多。因此，即使使用仿真晶圆来确认膜厚尺寸，实际的产品晶圆的薄膜的膜厚尺寸也容易薄于仿真晶圆的薄膜的膜厚尺寸。另外，晶圆舟皿中的产品晶圆的装载张数越多，原料气体的消耗量越多，因此，根据每一批次的产品晶圆的投入张数的不同，也难以控制薄膜的膜厚尺寸。
以往，公知有在进行氧化铝膜的成膜时将缓冲罐内的压力保持为恒定的技术，但所述问题尚不为人所知。
发明内容
发明要解决的问题
本发明提供一种在真空气氛下对被收纳在反应容器内的基板供给成膜用的原料气体而进行薄膜的成膜时能够易于对该薄膜的膜厚尺寸进行调整的技术。
用于解决问题的方案
本发明提供一种成膜装置，其用于向形成为真空气氛的反应容器内交替地供给原料气体和与该原料气体发生反应而生成反应生成物的反应气体，从而在该反应容器内的基板上进行薄膜的成膜，其特征在于，该成膜装置包括：原料气体供给部，其设于所述原料气体的供给路径的端部，用于向所述反应容器内供给所述原料气体；压力调整用阀，其设置在用于对所述反应容器内进行真空排气的真空排气路径上；压力限制用阀和开闭阀，该压力限制用阀和开闭阀分别设置在绕过所述压力调整用阀的旁路上，用于将所述反应容器内的压力限制为预先设定的压力；罐，其设置在所述原料气体的供给路径的中途，用于将所述原料气体以升压后的状态储存；流量调整用阀，其设于所述原料气体的供给路径上的靠所述罐的下游侧的部分；以及控制部，其进行控制，以便在将被储存于所述罐内的所述原料气体向所述反应容器内供给时使所述开闭阀打开。
本发明提供一种成膜方法，在该成膜方法中，向形成为真空气氛的反应容器内交替地供给原料气体和与该原料气体发生反应而生成反应生成物的反应气体，从而在该反应容器内的基板上进行薄膜的成膜，该成膜方法包括以下工序：使用原料气体供给部和为了将所述反应容器内的压力限制为P1而设置在真空排气路径上的压力限制用阀，将原料气体以升压后的状态储存于设置在朝向所述原料气体供给部去的、所述原料气体的供给路径的中途的罐内；接着，在利用设于所述罐的下游侧的流量调整用阀将气体流量调整为设定流量的状态下，自所述罐经由所述原料气体供给部向所述反应容器内供给时间Δt的所述原料气体，并且，在所述压力限制用阀的作用下，在自所述原料气体的供给开始时刻t1起经过Δt×(1/3)的时刻与自所述原料气体的供给开始时刻t1起经过Δt×(2/3)的时刻之间的这段时间内，将所述反应容器内的压力限制为P1。
附图是作为本说明书的一部分而引入的，其表示本发明的实施方式，该附图连同所述通常的说明和后述的实施方式的详细内容一起来说明本发明的概念。
附图说明
图1是示意性表示本发明的成膜装置的一个例子的示意图。
图2是表示在利用所述成膜装置供给原料气体时的反应管内的压力的变化的概略图。
图3是表示所述成膜装置的纵剖视图。
图4是表示所述成膜处理的横剖视图。
图5是表示在利用所述成膜装置供给原料气体时的排气侧的动作的时序图。
图6是表示所述成膜装置中的排气侧的动作的示意图。
图7是表示所述成膜装置中的排气侧的动作的示意图。
图8是表示在利用所述成膜装置供给原料气体时的供给侧的动作的时序图。
图9是表示利用本发明的实施例获得的实验结果的特性图。
图10是表示通常的ALD法中的气体压力的变化的特性图。
具体实施方式
以下，参照附图详细叙述本发明的各种实施方式。在下述详细的说明中，为了能够充分地理解本发明而记载很多具体的详细内容。然而，不言自明，在没有这样的详细说明的情况下本领域的技术人员也能够获得本发明。在其他例子中，为了避免难以理解各种实施方式，没有详细地示出公知的方法、步骤、***、构成要件。
参照图1～图4说明本发明的成膜装置的实施方式的一个例子。该成膜装置为批量式的立式热处理装置，在该立式热处理装置中，通过向晶圆W交替地供给互相反应的原料气体和反应气体而层叠反应生成物的ALD法来进行薄膜的成膜，并在立式的反应管(反应容器)12内对多张晶圆W一并进行成膜处理。并且，在该装置中，如图1所示那样在反应管12的排气侧设置后述的旁路81，由此，如图2示意性地表示那样，在对各晶圆W供给原料气体的时刻t1～时刻t2这段时间内，该反应管12内成为大致恒定的处理压力P1。接着，说明装置的各部分的详细结构。另外，在图1中，以简化的方式描绘了成膜装置，另外，在图2中，还一并描绘了在以往供给原料气体时的反应管12内的压力。
如图3和图4所示，反应管12形成为下端侧开口的大致圆筒型并构成为能够在内部收纳用于将多张例如150张晶圆W呈搁板状装载的晶圆舟皿11，在该例子中，反应管12由石英制成。在反应管12的下端侧开口部设有用于对该开口部气密地进行开闭的盖体25，该盖体25能够连同晶圆舟皿11一起利用未图示的舟皿升降机进行升降。在反应管12的外侧设有大致圆筒型的加热炉主体14，在加热炉主体14的内壁面，沿着整个周向配置有作为加热机构的加热器13。在图3中，附图标记16是底板，附图标记26是隔热体，附图标记27是旋转轴，附图标记28是马达等驱动部。另外，在图3中，以局部剖的方式描绘了加热炉主体14、加热器13以及底板16。
如图3和图4所示，反应管12成为由外管12a和收纳于该外管12a的内部的内管12b构成的二重管构造，并被上下表面开口的大致圆筒形状的歧管18自下方侧气密地支承。也如图4所示那样，在俯视时，内管12b的一端侧(近前侧)的部位在该内管12b的整个长度方向上朝向外侧鼓出而构成等离子体产生区域12c，该等离子体产生区域12c中的靠外周侧的部位突出到比外管12a靠外侧的位置。换言之，该等离子体产生区域12c通过如下方式构成：使外管12a的壁面的一部分和内管12b的壁面的一部分沿整个上下方向呈狭缝状开口，并将靠晶圆舟皿11侧开口的大致箱型的石英构件的开口端和外壁面分别焊接于内管12b的侧面侧的开口部和外管12a的侧面侧的开口部。
在所述等离子体产生区域12c中收纳有沿着晶圆舟皿11的长度方向延伸的、作为处理气体供给部(气体喷射器)的氨气喷嘴51a。该氨气喷嘴51a的下端部气密地贯穿反应管12的构成该等离子体产生区域12c的内壁面并与氨气的供给源55a相连接。如图3所示，该氨气喷嘴51a的靠所述氨气的供给源55a侧的端部在中途部位分支而与氮气(N2)等吹扫气体的供给源55c相连接。另外，在图4中，省略了用于将各气体供给到反应管12内的一部分结构。
如图4所示，在等离子体产生区域12c的外侧(反应管12的外侧)，以自左右夹持该等离子体产生区域12c的方式设有一对等离子体产生用电极61、61，该一对等离子体产生用电极61、61用于使自氨气喷嘴51a供给过来的氨气等离子体化。等离子体产生用电极61、61分别以沿着晶圆舟皿11的整个长度方向延伸的方式形成并被配置在接近等离子体产生区域12c的位置。等离子体产生用电极61经由开关部62和匹配器63而与频率和输出功率分别例如为13.56MHz和1kW的高频电源64相连接。即，一对等离子体产生用电极61、61中的一个等离子体产生用电极61与高频电源64相连接，另一个等离子体产生用电极61被接地。
并且，如图4所示，在从等离子体产生区域12c中的接近晶圆舟皿11的位置的部分观看的左右两侧，配置有作为原料气体供给部的两根原料气体喷嘴51b、51b，该两根原料气体喷嘴51b、51b用于供给含硅的原料气体、在该例子中供给二氯甲硅烷(DCS)气体。这些原料气体喷嘴51b、51b沿着晶圆舟皿11的整个长度方向延伸且在下端位置互相汇合，并经由反应管12的内壁面朝向原料气体的供给源55b伸出。
如图1、图3和图4所示，在供给路径70的位于原料气体喷嘴51b、51b与原料气体的供给源55b之间的部分上，自原料气体喷嘴51b侧起依次配置有流量调整部(调节阀)71、开闭阀72、构成气体的储存部的缓冲罐73、流量调整部(质量流量控制器)74以及开闭阀75。缓冲罐73以能够储存3×10－7Nm3(0.3L)～3×10－6Nm3(3L)体积的原料气体的方式构成，当利用反应管12内的容积来进行规定时，所述体积是该容积的0.15％～1.5％。在供给路径70的位于缓冲罐73与流量调整部74之间的部分上，设有用于测量该供给路径70内的气体压力的压力计76。
即，在该例子中，构成为，将原料气体的供给源55b中的原料气体以升压状态预先暂时积存于缓冲罐73，自该缓冲罐73以大流量(0.5m/s以上)向各晶圆W供给原料气体。因而，位于原料气体的供给源55b与缓冲罐73之间的流量调整部74和开闭阀75用于分别对自该原料气体的供给源55b向缓冲罐73供给的原料气体进行流量调整和对原料气体进行供给、切断供给。
另外，所述压力计76用于对储存在缓冲罐73内的原料气体的压力进行测量(检测)。并且，比缓冲罐73靠下游侧的流量调整部71和开闭阀72用于分别对向各晶圆W供给的原料气体的流量进行调整和对原料气体进行供给、切断供给，如后所述那样，利用控制部100来对流量调整部71和开闭阀72进行控制，以便能够对各晶圆W尽量以恒定的流量供给大流量的原料气体。供给路径70上的比流量调整部71靠原料气体喷嘴51b侧的部位与自吹扫气体的供给源55c延伸出的供给路径70a的下游侧的端部相连接。在图3中，附图标记52是气体喷出口，其形成于与各晶圆W的载置位置相对应的位置。另外，在图4中，省略了所述供给路径70a。
如图3所示，在反应管12的内壁面上的、气体喷嘴51a、51b的贯穿位置的附近位置，气密地***有自氟化氢气体(HF)、氟气(F2)等清洁气体的供给源55d延伸的清洁气体喷嘴51c。该清洁气体喷嘴51c的顶端部在晶圆舟皿11的下方位置开口。在图3中，附图标记53是阀，附图标记54是流量调整部。另外，在图4中，省略了清洁气体喷嘴51c的记载。
如图3和图4所示，在内管12b中的与等离子体产生区域12c相对的部位上形成有大致圆形状的排气口17，该排气口17沿着整个上下方向以例如等间隔排列在多处。另外，如图3所示，在外管12a中的、自等离子体产生区域12c看时向侧方侧分开的位置处形成有顶端部呈凸缘状伸出的排气端口21，该排气端口21与真空排气路径22的基端侧气密地连接。在真空排气路径22上设有用于检测该真空排气路径22内的压力的压力计22a。
如图1、图3和图4所示，该真空排气路径22的另一端侧经由蝶阀等压力调整部(APC：自动压力控制器)23与作为真空排气机构的真空泵24相连接，能够利用该压力调整部23的开度来自由调整反应管12内的压力。即，压力调整部23构成为根据来自控制部100的控制信号来调整真空排气路径22上的气体流路的开度，以便将反应管12内的压力(压力计22a所检测的检测值)维持在设定压力。
该真空排气路径22上的位于排气端口21与压力调整部23之间的部分与自该真空排气路径22分支而延伸的旁路81的一端侧相连接，该旁路81的另一端侧与真空排气路径22上的位于压力调整部23与真空泵24之间的部分相连接。在该旁路81上，自反应管12侧起朝向真空泵24侧去依次设有开闭阀82和作为压力限制用阀的溢流阀83。
溢流阀83构成为，根据自该溢流阀83看时靠真空泵24侧(下游侧)的压力与靠反应管12侧(上游侧)的压力之间的压差来使旁路81上的气体流路自动地开闭。具体而言，在所述压差上升到某一程度以上(详细而言所述处理压力P1以上)时，溢流阀83将旁路81上的气体流路打开，而在所述压差低于处理压力P1时，溢流阀83将所述气体流路关闭(隔断)。
因而，由于比溢流阀83靠真空泵24的一侧始终被该真空泵24设定为真空气氛，因此，可以说在反应管12内的压力上升到某一程度以上时，溢流阀83被打开。旁路81上的所述开闭阀82构成用于决定是否使用该旁路81的选择部。对于设置旁路81的理由，与后述的作用的说明一起进行详细叙述。
如图3所示，在该成膜装置中设有由计算机构成的控制部100，该控制部100用于对整个装置的动作进行控制，在该控制部100的存储器内存储有用于进行后述的成膜处理的程序。该程序被从硬盘、光盘、光磁盘、存储卡、软盘等作为存储介质的存储部101安装到控制部100内。
接下来，参照图2、图5～图8来说明所述实施方式的作用。首先，将装载有仿真晶圆(裸晶圆)和表面形成了图案的产品晶圆的晶圆舟皿11气密地输入到被加热到成膜温度的反应管12内(t0)。接着，对压力调整部23(蝶阀的开度)进行设定而使反应管12内成为进行成膜处理时的处理压力P1，并打开开闭阀82(使得气体在旁路81中流通)。裸晶圆用于确认薄膜的膜厚尺寸。
另外，预先向缓冲罐73导入3×10－7Nm3(0.3L)～3×10－6Nm3(3L)的原料气体，接着，在时刻t1，打开开闭阀72，并一边利用流量调整部71对原料气体的供给流量进行调整一边开始向反应管12内供给原料气体。具体而言，以利用吹扫气体将原料气体挤出的方式将吹扫气体连同原料气体一起供给到反应管12内。当如此打开开闭阀72时，即使利用流量调整部71来调整原料气体的供给流量(具体而言，使流量调整部71的开度尽量减小)，储存在缓冲罐73内的大流量的原料气体也欲瞬间朝向反应管12内流动。另一方面，由于压力调整部23的响应速度并不太快，因此，该反应管12内的压力欲上升。
即，如图5的(a)所示，自开始供给原料气体的时刻t1起到停止供给该原料气体的时刻t2为止的吸附时间Δt是比使原料气体的吸附饱和的饱和时间短的时间。该吸附时间Δt具体为2秒～10秒(在该例子中为3秒)，短于压力调整部23的能够响应(开度的调整)的时间。因此，在供给原料气体的时刻t1～时刻t2的期间，压力调整部23成为所谓恒定的开度。因而，在没有设置旁路81的情况下，如在所述图2中以虚线示出的以往情况那样，反应管12内的压力为大致山型的曲线。
然而，在本发明中，设置了设有溢流阀83的旁路81，并将该溢流阀83被打开的压力设定为所述处理压力P1。因此，如图5的(b)和图6所示，溢流阀83在自时刻t11到时刻t21的整个期间被打开，时刻t11是反应管12内的压力欲超过处理压力P1的时刻，时刻t21是在时刻t11之后随着缓冲罐73内的原料气体的储存量的减少而导致反应管12内的压力欲低于处理压力P1的时刻。
这样，如所述图2所示，在时刻t11～时刻t21的整个期间，在反应管12内被维持(限制)在处理压力P1。如在以下进行的说明那样，该处理压力P1被设定为使反应管12内的产品晶圆与裸晶圆之间原料气体的吸附量尽量一致且不导致生产率降低的程度，具体而言为1Torr(133Pa)～5Torr(666Pa)。在反应管12内的压力不超过处理压力P1时，如图7所示，溢流阀83保持关闭的状态，因此，反应管12内的原料气体被经由真空排气路径22排出。另外，在图2中，示意性地示出了反应管12内的压力。
在此，所述“被维持(限制)在处理压力P1”指的是，反应管12内的压力在例如开始供给原料气体的初期过高之后大致收敛于处理压力P1的状态，并不是在时刻t1～时刻t2的整个期间均为处理压力P1的状态。即，时刻t1与时刻t11之间的差值和时刻t2与时刻t21之间的差值分别为吸附时间Δt的1/3以下，具体而言分别为0.2秒～1秒，因此，表示反应管12内的压力变动的曲线(直线)如所述图2所示那样成为大致矩形或梯形。
即，如在所述背景技术中说明地那样，裸晶圆的表面积小于表面形成有图案的晶圆W(产品晶圆)的表面积，因此原料气体吸附于裸晶圆的吸附量较少。并且，在本发明中，欲使用该裸晶圆对产品晶圆上的膜厚尺寸进行确认，并且采用在原料气体的吸附量达到饱和之前停止供给该原料气体这样的工艺。因而，在吸附时间Δt中，不管是裸晶圆还是产品晶圆，原料气体的吸附均持续进行(不饱和)。因此，在整个吸附时间Δt内在反应管12内充满充分量的原料气体的情况下，换言之，在反应管12内的处理压力P1高达某一程度的情况下，裸晶圆的薄膜的膜厚尺寸厚于产品晶圆的薄膜的膜厚尺寸。
另一方面，在反应管12内的处理压力P1不太高的情况下，对于裸晶圆和产品晶圆而言，均容易成为原料气体不足的状态、即所谓供给瓶颈(日文：律速)的状态。即，与处理压力P1较高的情况相比，裸晶圆的薄膜的膜厚尺寸与产品晶圆的薄膜的膜厚尺寸之差较小。并且，反应管12内的处理压力P1越低，所述差变得越小。因此，在本发明中，如所述那样设定了反应管12内的处理压力P1，使得裸晶圆和产品晶圆之间薄膜的膜厚尺寸尽量一致且抑制生产率降低(使所述吸附时间Δt不太长)。
但是，如以上说明那样，在将反应管12内的压力维持在处理压力P1的情况下，原料气体在与裸晶圆、产品晶圆的表面相接触时迅速地吸附而被消耗。因此，即使反应管12内的处理压力P1为恒定，若滞留于该反应管12内的原料气体的浓度随着时间而发生变化时，在各个成膜循环中或在多次进行的批量处理中的一个批量处理与后续的其他处理之间，薄膜的膜厚尺寸有可能产生偏差。因此，在本发明中，对反应管12内的压力进行调整，并且，如以下说明那样使原料气体的浓度也在整个吸附时间Δt内一致。
具体而言，所述缓冲罐73用于暂时积存原料气体的供给源55b中的原料气体，因此，如图8的(a)所示，该缓冲罐73的压力在经过时刻t1后(当开始向反应管12内供给原料气体之后)逐渐降低。因此，在本发明中，如图8的(b)所示，使流量调整部71的开度逐渐变大。因而，如图8的(c)所示，供给到反应管12内的原料气体的供给流量V1在时刻t1～时刻t2的期间均一致。另外，在图8的(b)中，示意性地示出了流量调整部71的开度。
并且，在如此对原料气体的供给流量V1进行调整时，如已经详细叙述那样，使用缓冲罐73。即，原料气体的供给流量V1是2000sccm～40000sccm这样的大流量。在载置在晶圆舟皿11上的晶圆W(裸晶圆或产品晶圆)与在上方侧同该晶圆W相对的另一晶圆W之间流通的原料气体的流速为0.5m/s以上。因而，在反应管12内，虽然原料气体因吸附反应而被消耗，但原料气体以大流量且恒定的供给流量V1流通，该原料气体的流量是这样的流量：该原料气体的消耗不会使各晶圆W之间薄膜的膜厚尺寸的差显著化，或者即使所述差变得显著化也不致成为问题。即，原料气体的供给流量V1为，在所述处理压力P1下使裸晶圆的吸附量和产品晶圆的吸附量均达到饱和的条件以上的速度。因此，不管晶圆W的类型(裸晶圆或产品晶圆)如何，并且，不管反应管12内的晶圆W的收纳张数如何，吸附于该晶圆W的原料气体的吸附量均为恒定。
接着，停止供给原料气体并使压力调整部23的开度为全开，将原料气体自反应管12内迅速地排出。即，在完成原料气体的吸附工序之后，使反应管12内的压力迅速降低，由此，不会因之后残留于反应管12内的原料气体而形成多余的吸附层。接着，将开闭阀82关闭，之后对反应管12内的气氛进行置换。具体而言，在对反应管12进行抽真空之后，向反应管12内供给吹扫气体。接着，停止供给吹扫气体并将反应管12内设定为处理压力。然后，对等离子体产生用电极61供给高频电力，并自氨气喷嘴51a向等离子体产生区域12c供给氨气。
在被供给到等离子体产生用电极61、61之间的高频电力的作用下，氨气被等离子体化而成为离子、自由基等活性种。当该活性种与晶圆W的表面上的所述吸附层相接触时，该吸附层被氮化而形成由氮化硅构成的反应层。
然后，停止向等离子体产生用电极61、61供电和停止供给氨气，并且依次对反应管12内进行真空排气和供给吹扫气体，从而对反应管12内的气氛进行置换。这样，当一边对反应管12内的气氛进行置换一边多次重复进行以上说明的原料气体的供给工序和氨气的等离子体的供给工序，层叠原料气体和氨气的反应生成物，从而形成由氮化硅构成的薄膜。
之后，在使反应管12内返回到大气气氛之后，使晶圆舟皿11下降到反应管12内的下方位置，调换处理完成后的晶圆W和未处理的晶圆W。此时，由于已经将开闭阀82关闭，因此，大气气氛不会进入到旁路81内。
采用所述实施方式，在用于对反应管12内进行真空排气的真空排气路径22上设置了旁路81，并在该旁路81上配置了溢流阀83。因此，在向反应管12内供给原料气体时，能够将该反应管12内的压力维持在处理压力P1。另外，由于在将原料气体以升压后的状态储存的缓冲罐73的下游侧设置了流量调整部71，因此，在以大流量供给原料气体时，能够使该原料气体的供给流量V1在整个吸附时间Δt内一致。因而，在反应管12内，当原料气体成为稀薄的状态时，而在该状态下，以大流量供给新的原料气体，因此，能够使各晶圆W之间薄膜的膜厚尺寸一致。另外，在反应管12内的晶圆W的装载张数不管是较多的情况下还是较少的情况下，滞留于气氛中的原料气体的浓度均一致，因此，不管所述装载张数如何，均能够形成均匀的膜厚尺寸的薄膜。
另外，原料气体以自一侧(原料气体喷嘴51b侧)向另一侧(排气口17侧)的方式在多个层叠于反应管12内的晶圆W的各个晶圆W上流通，但如所述那样以比与处理压力P1下的饱和条件相应的流量大的供给流量V1供给原料气体。因此，在所述一侧和所述另一侧，不易因原料气体的消耗而产生浓度差，因此，对于各个晶圆W，能够使面内的薄膜的膜厚尺寸均匀化。因而，可以不必严谨地对例如成膜温度等处理条件进行设定，因此，能够提高处理的自由度，另外，针对薄膜，能够获得较高的成品率。
在此，对在不采用本发明的方法的情况下下在整个吸附时间Δt内欲维持在处理压力P1的情况进行研究。即，例如，在供给原料气体时使压力调整部23为全开的情况下，有可能获得与所述图2接近的压力变动。然而，在不利用流量调整部71来对原料气体的流量进行调整的情况下，在裸晶圆和产品晶圆之间，原料气体的消耗量会产生差异，因此，薄膜的膜厚尺寸也会产生差异。另外，在将原料气体导入到反应管12内之后将原料气体的供给侧关闭(密闭)的情况下，同样地，在裸晶圆与产品晶圆之间，原料气体的消耗量会产生差异。并且，在不使用缓冲罐73的情况下，由于不能以大流量供给原料气体，因此，虽然可能能够将反应管12内的压力维持在处理压力P1，但会导致生产率降低。因而，本发明的方法是能够在以大流量供给原料气体的前提下对薄膜的膜厚尺寸进行控制的有效的方法。
并且，在设置溢流阀83时，将开闭阀82连同该溢流阀83一起设置在了旁路81上。因而，即使在向反应管12内供给原料气体以外的气体(氨气、吹扫气体)的工序中、在使反应管12内返回到大气气氛时，也能够防止未预料的气体进入到旁路81内。
在此，说明用于使原料气体的供给流量V1在整个吸附时间内一致的具体的方法。即，使用氮气等预先进行实验，对位于流量调整部71的前后的压力梯度的经时变化、气体流量的经时变化进行确认，并根据该实验结果来调整所述流量调整部71的开度。另外，供给流量V1和处理压力P1的具体值会因气体种类、成膜温度的不同而不同，要针对各工艺预先进行实验来设定。
对于以上说明的流量调整部71，其既可以使用所述调节阀，也可以使用能够高速响应的质量流量控制器。另外，作为流量调整部71，也可以使用节流构件。即，也可以是，根据比流量调整部71靠下游侧的反应管12的内容积来设计缓冲罐73的内容积，从而某种程度上以恒定流量供给大流量的原料气体。并且，对于溢流阀83，其也可以使用能够高速响应(控制)的自动压力控制器。另外，也可以是，不设置溢流阀83，而是使开闭阀82与压力计22a所检测的压力的检测结果连动地进行高速开闭。在该情况下，开闭阀82构成权利要求书中的压力限制用阀。
另外，也可以是，不将本发明应用于批量式的立式热处理装置，而是将本发明应用于用于1张张地进行成膜处理的单片式的成膜装置。在这样的单片式的成膜装置中，在预先对裸晶圆进行用于确认薄膜的膜厚尺寸的试验之后，根据该试验结果来对后续的产品晶圆的成膜处理中的处理条件进行设定(调整)。
另外，将旁路81上的靠反应管12侧的上游端连接在了真空排气路径22上，但也可以将该上游端连接于反应管12。即，将两根真空排气路径22连接于反应管12，将一个真空排气路径22用作主(设有压力调整部23的)流路，并将另一个真空排气路径22用作副(设有溢流阀83的)流路。在该情况下，一个真空排气路径22和另一个真空排气路径22这两者的下游端既可以分别与共用的真空泵24相连接，也可以分别与彼此独立的真空泵24相连接。
本发明所应用的工艺是交替地供给原料气体和反应气体的ALD工艺，具体的成膜种类除了是所述氮化硅膜之外，还可以是氧化硅(Si－O)膜、high－k膜。作为在进行high－k膜的成膜时使用的原料气体，其例如为TEMAZ(四(乙基甲基氨基)锆)气体、TEMHF(四(乙基甲基氨基)铪(Tetrakis(ethylmethylamino)hafnium))气体、Sr(THD)2(双(四甲基庚二酮酸)锶)气体、TMA(三甲基铝)气体、Ti(MPD)(THD)((甲基戊二酮酸)双(四甲基庚二酮酸)钛)气体。
实施例
接着，说明在本发明中进行的实施例。
具体而言，在没有设置旁路81、溢流阀83的情况下，对在增加原料气体的供给时间时、薄膜的膜厚尺寸会如何变化进行了确认。即，利用相同的处理条件(原料气体的吸附量未饱和的条件)分别对表面平滑的裸晶圆和表面形成有图案的产品晶圆进行了成膜处理。其结果，如图9所示，裸晶圆的膜厚尺寸厚于产品晶圆的膜厚尺寸。
并且，对于这些裸晶圆和产品晶圆，在原料气体的吸附量未饱和的范围内增加了该原料气体的供给流量，其结果，裸晶圆和产品晶圆这两者的膜厚尺寸均增加，在裸晶圆和产品晶圆中，膜厚尺寸的增加量是相同的程度。即，如所述那样，在原料气体的吸附量未饱和的条件下，原料气体吸附于裸晶圆和产品晶圆这两者的吸附量均持续增加。因而，可知：在仅增加原料气体的供给时间时，不能消除这些晶圆之间的膜厚尺寸的差值。在图9中，对于原料气体的供给流量较少的情况和较多的情况，分别示出了将自裸晶圆的膜厚尺寸减去产品晶圆的膜厚尺寸而得到的值除以该裸晶圆的膜厚尺寸后的值作为“膜厚减少率”。即使对该膜厚减少率进行比较，也可以说，即使仅增加原料气体的供给时间，也难以改善晶圆之间的膜厚尺寸的差。
图10示出了：在不设置旁路81、溢流阀83的情况下供给各气体(原料气体、吹扫气体和氨气)的一系列的成膜循环中、对反应管12内的压力进行测量的结果。由图10可知，由于能够将原料气体经由缓冲罐73以大流量且在短时间内供给，因此，在仅利用压力调整部23不能完全维持在处理压力P1，反应管12内的压力成为山型的曲线。因而，可以说，本发明的方法是对如上所述那样将原料气体以大流量且在短时间内供给的情况极为有效的方法。
在本发明中，在用于对反应容器内进行真空排气的真空排气路径(旁路)上设置了压力限制用阀，并在用于将原料气体以升压后的状态储存的罐的下游侧配置了流量调整用阀。因此，在向反应容器内供给原料气体时，能够利用压力限制用阀来将该反应容器内的压力维持在处理压力，并能够将原料气体以大流量且均匀的流量供给到反应容器内。因而，即使在对表面积互不相同的基板进行成膜处理的情况下，也能够使薄膜的膜厚尺寸在各基板之间一致。另外，在对多张基板一并进行成膜处理的情况下，不管收纳于反应容器内的基板的张数如何，均能够使薄膜的膜厚尺寸一致。
本发明的实施方式的所有的方面均为例示，而不应认为限定本发明。实际上，所述实施方式能够以多种形态来实施。另外，所述实施方式也可以在不脱离权利要求和其主旨的范围内以各种形态进行省略、置换以及变更。本发明的范围包括权利要求书和在与权利要求书均等的含义和范围内的所有变更。
本发明基于2014年3月27日提出申请的日本特许出愿第2014－066669号的优先权的权利并将该日本申请的全部内容作为参照文献而引入到本申请中。

Claims (12)

1.一种成膜装置，其用于向形成为真空气氛的反应容器内交替地供给原料气体和与该原料气体发生反应而生成反应生成物的反应气体，从而在该反应容器内的基板上进行薄膜的成膜，其特征在于，
该成膜装置包括：
原料气体供给部，其设于所述原料气体的供给路径的端部，用于向所述反应容器内供给所述原料气体；
压力调整用阀，其设置在用于对所述反应容器内进行真空排气的真空排气路径上；
压力限制用阀和开闭阀，该压力限制用阀和开闭阀分别设置在绕过所述压力调整用阀的旁路上，用于将所述反应容器内的压力限制为预先设定的压力；
罐，其设置在所述原料气体的供给路径的中途，用于将所述原料气体以升压后的状态储存；
流量调整用阀，其设于所述原料气体的供给路径上的靠所述罐的下游侧的部分；以及
控制部，其进行控制，以便在将被储存于所述罐内的所述原料气体向所述反应容器内供给时使所述开闭阀打开。
2.根据权利要求1所述的成膜装置，其中，
所述控制部进行控制，以便在使所述反应容器内恢复到常压时使所述开闭阀关闭。
3.根据权利要求1所述的成膜装置，其中，
所述原料气体的供给时间为2秒～10秒。
4.根据权利要求1所述的成膜装置，其中，
供给所述原料气体时的所述反应容器内的压力为133Pa～666Pa。
5.根据权利要求1所述的成膜装置，其中，
在所述反应容器内通过所述基板的表面时的所述原料气体的流速为0.5m/s以上。
6.根据权利要求1所述的成膜装置，其中，
该成膜装置包括用于将基板呈搁板状装载的基板保持件，
所述反应容器以能将该基板保持件气密地收纳的方式构成为立式，
所述原料气体供给部是原料气体喷嘴，该原料气体喷嘴以沿着所述基板保持件中的所述基板的排列方向延伸的方式设置，在该原料气体喷嘴上沿着其长度方向形成有多个气体喷出孔。
7.根据权利要求1所述的成膜装置，其中，
所述压力限制用阀是溢流阀。
8.一种成膜方法，在该成膜方法中，向形成为真空气氛的反应容器内交替地供给原料气体和与该原料气体发生反应而生成反应生成物的反应气体，从而在该反应容器内的基板上进行薄膜的成膜，
该成膜方法包括以下工序：
使用原料气体供给部和为了将所述反应容器内的压力限制为P1而设置在真空排气路径上的压力限制用阀，将原料气体以升压后的状态储存于设置在朝向所述原料气体供给部去的、所述原料气体的供给路径的中途的罐内；以及
在利用设于所述罐的下游侧的流量调整用阀将气体流量调整为设定流量的状态下，自所述罐经由所述原料气体供给部向所述反应容器内供给时间Δt的所述原料气体，并且，在所述压力限制用阀的作用下，在自所述原料气体的供给开始时刻t1起经过Δt×(1/3)的时刻与自所述原料气体的供给开始时刻t1起经过Δt×(2/3)的时刻之间的这段时间内，将所述反应容器内的压力限制为P1。
9.根据权利要求8所述的成膜方法，其中，
所述时间Δt是被设定在2秒与10秒之间的时间。
10.根据权利要求8所述的成膜方法，其中，
供给所述原料气体时的所述反应容器内的压力为133Pa～666Pa。
11.根据权利要求8所述的成膜方法，其中，
在所述反应容器内通过所述基板的表面时的所述原料气体的流速为0.5m/s以上。
12.根据权利要求8所述的成膜方法，其中，
在所述真空排气路径上设有压力调整用阀，
所述压力限制用阀设置在绕过所述压力调整用阀的旁路上。
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