以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
先ず、図1、図2に於いて、本発明の第1の実施例に係る基板処理装置の処理炉について説明する。
本実施例に係る処理炉1は、例えばバッチ式縦型ホットウォール形の処理炉として構成されている。図1に示す様に、前記処理炉1は反応管2と該反応管2を縦方向に支持するマニホールド3とを備えている。前記反応管2は、例えば石英(SiO2 )や炭化シリコン(SiC)等の耐熱性を有する非金属材料から構成され、上端が閉塞され、下端が開放された円筒形状となっている。
前記マニホールド3は、例えばSUS等の金属材料から構成され、上端部及び下端が開放された円筒形状となっている。前記反応管2の下端部及び前記マニホールド3の上端部及び下端部の開口部にはそれぞれ環状のフランジが形成されている。又、前記反応管2の下端部のフランジと前記マニホールド3の上端部のフランジとの間には、Oリング等の封止部材4が介設され、前記反応管2と前記マニホールド3との間が気密に封止される。
前記反応管2及び前記マニホールド3の内部には、基板であるウェーハ5を複数枚保持する基板保持具としてのボート6が収容される処理室7が画成され、前記ボート6は、基板保持具昇降機構としてのボートエレベータ8により下方から前記処理室7内に装入される様になっている。
又、前記ボート6は、保持体としてのボート支持台9を介してシールキャップ11上に搭載され、複数枚(例えば、50枚〜150枚程度)のウェーハ5を、略水平状態で所定のピッチ間隔をもって多段に保持する様に構成されている。ウェーハ5を装填した前記ボート6の最大外径は、前記反応管2及び前記マニホールド3の内径よりも小さくなる様になっている。
前記シールキャップ11は、例えばSUS等の金属からなる円盤状の部材であり、マニホールド3の下端に垂直方向下側から当接される様に構成されており、前記ボートエレベータ8が上昇した際には、前記マニホールド3の下端部のフランジと前記シールキャップ11との間に介設された封止部材12により前記処理室7内が気密に閉塞される。又、前記ボートエレベータ8により前記シールキャップ11を垂直方向に昇降させることで、前記ボート6を前記処理室7内外に搬送可能となっている。
又、前記シールキャップ11の下方には回転機構13が設けられ、該回転機構13の回転軸14は前記シールキャップ11を貫通して前記ボート6に接続されており、前記処理室7内の気密性を保持した状態でウェーハ5が保持された前記ボート6を回転できる様になっている。該ボート6を回転させることで、ウェーハ5の処理均一性を向上させることができる。
前記反応管2の外周には、円筒形状の加熱部としてのヒータ15が前記反応管2と同心円状に設けられており、前記処理室7内に装入されたウェーハ5を所定の温度に加熱する様に構成されている。前記ヒータ15は、保持板としてのヒータベース16に垂直に支持されており、該ヒータベース16は前記マニホールド3に固定されている。
又、前記反応管2内には、後述する多孔ノズル17,18,19と同様、前記反応管2の内壁に沿ってL字状に形成された温度検出器としての温度センサ21が設けられている。該温度センサ21により検出された温度情報に基づき前記ヒータ15への通電具合を調整する事で、前記処理室7内の温度が所望の温度分布となる。
前記マニホールド3には、垂直部と水平部とを有するL字形状の前記多孔ノズル17,18,19が設けられている。該多孔ノズル17,18,19の垂直部は、前記処理室7の内壁に沿う様、ウェーハ5の積層方向に沿って鉛直方向にそれぞれ配設されている。前記多孔ノズル17,18,19の水平部は、前記マニホールド3の側壁をそれぞれ貫通している。
前記多孔ノズル17,18,19の垂直部の側面には、複数のガス供給口22,23,24が鉛直方向に所定間隔でそれぞれ設けられている。該ガス供給口22,23,24は、前記処理室7の略中心、即ち該処理室7内に搬入されたウェーハ5の略中心を向く様、積層されたウェーハ5の間にそれぞれ開口しており、前記ガス供給口22,23,24から供給されるガスはそれぞれ前記処理室7内の略中心に向って噴射される様になっている。尚、前記ガス供給口22,23,24の開口径は、それぞれ下部から上部に亘って同一であってもよく、下部から上部に向って徐々に大きくなっていてもよい。
尚、前記多孔ノズル17は、図2に示す様に前記多孔ノズル18,19と近接する位置に設けられているが、図1中では便宜上、前記多孔ノズル17を前記多孔ノズル18,19と対向する紙面右側の位置に図示している。
前記多孔ノズル17の上流端(水平部端)には、アンモニア(NH3 )ガス、窒素(N2 )ガス、亜酸化窒素(N2 O)ガス、モノメチルヒドラジン(CH6 N2 )ガス等の窒素含有ガス(窒化剤)として、例えばアンモニアガスを供給する窒素含有ガス供給管25が接続されている。該窒素含有ガス供給管25には、上流側から順に、アンモニアガス供給源(図示せず)、流量制御機構である第1マスフローコントローラ26、開閉弁である第1バルブ27が設けられている。
該第1バルブ27の下流側には、キャリアガス及びパージガス、例えばヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガスを供給する第1不活性ガス供給管28が接続されている。該第1不活性ガス供給管28には、上流側から順に、不活性ガス供給源(図示せず)、不活性ガスマスフローコントローラ(図示せず)、第2バルブ29が設けられており、前記第1バルブ27を開放し、又前記第2バルブ29を開放することで、前記第1マスフローコントローラ26により流量制御されたアンモニアガスが不活性ガスと共に前記処理室7内に供給される様になっている。
又、前記第1バルブ27を閉塞し、前記第2バルブ29を開放することで、パージガスとしての不活性ガスが図示しない不活性ガスマスフローコントローラにより流量制御されて前記処理室7内に供給される。該処理室7内に不活性ガスを供給することで、例えばNH3 ガスの供給終了後、前記処理室7内に残留したアンモニアガス等を排除し、又該処理室7内に供給された他のガスが前記窒素含有ガス供給管25内へと流入するのを防止することができる。尚、パージガスを供給するパージガス供給管と、キャリアガスを供給するキャリアガス供給管とを別に設けてもよい。
尚、前記窒素含有ガス供給管25、アンモニアガス供給源(図示せず)、前記第1マスフローコントローラ26、前記第1バルブ27、前記第1不活性ガス供給管28、不活性ガスマスフローコントローラ(図示せず)、前記第2バルブ29、前記多孔ノズル17、前記ガス供給口22により前記処理室7内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系が構成される。又、前記第1不活性ガス供給管28、前記不活性ガスマスフローコントローラ(図示せず)、前記窒素含有ガス供給管25、前記多孔ノズル17、前記ガス供給口22により前記処理室7内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系が構成される。
又、前記多孔ノズル18の上流端(水平部端)には、トリメチルアルミニウム(TMA:(CH3 )3 Al)、三塩化アルミニウム(AlCl3 )等のアルミニウム含有ガスとして、TMAガスを供給するアルミニウム含有ガス供給管31が接続されている。尚、本実施例では、液体のTMA中にヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガスを供給することで得られたTMAガスを、キャリアガスと共に前記処理室7内へと供給するバブリング方式を用いている。
前記アルミニウム含有ガス供給管31の上流側には、TMA容器32を介してキャリアガスを供給する第1キャリアガス供給管33が設けられている。該第1キャリアガス供給管33には、上流側から順に、キャリアガス供給源(図示せず)、第2マスフローコントローラ34、第3バルブ35、前記TMA容器32が設けられている。該TMA容器32内にはTMAの液体が貯溜され、前記第1キャリアガス供給管33の下流端はTMAの液体中に浸漬されている。
前記アルミニウム含有ガス供給管31の上流端は、前記TMA容器32のTMA液面上方に配置され、前記アルミニウム含有ガス供給管31の下流側には第4バルブ36が設けられている。又、前記アルミニウム含有ガス供給管31には第1配管ヒータ37が設けられ、該第1配管ヒータ37は前記アルミニウム含有ガス供給管31を、例えば50℃〜60℃程度に保つことが可能となっている。前記第3バルブ35を開放することで、前記第2マスフローコントローラ34によって流量制御されたキャリアガスが前記TMA容器32内に供給され、TMAガスが発生し、更に前記第4バルブ36を開放することで、TMAガスをキャリアガスと共に前記処理室7内へと供給できる様になっている。
尚、前記TMA容器32内は、図示しないヒータにより加熱可能に構成してもよい。該ヒータにより加熱温度を調節することで、TMAガスの生成を促進し、或は抑制し、前記処理室7内へのTMAガスの供給流量を制御することができる。
又、前記アルミニウム含有ガス供給管31の前記第4バルブ36の上流側には、第1ガス排気管38の上流端が接続され、該第1ガス排気管38の中途部には第5バルブ39が設けられている。前記第1ガス排気管38の下流端は後述する排気管41のAPC(Auto Pressure Controller)バルブ42より下流側に接続され、前記第5バルブ39を開放することで、前記処理室7を介さずにTMAガスを排気できる様になっている。
又、前記アルミニウム含有ガス供給管31の前記第4バルブ36の下流側には、不活性ガスを供給する第2不活性ガス供給管43の下流端が接続されている。該第2不活性ガス供給管43には、上流側から順に、不活性ガス供給源(図示せず)、不活性ガスマスフローコントローラ(図示せず)、第6バルブ44が設けられている。該第6バルブ44を開放することで、不活性ガスマスフローコントローラにより流量制御されたパージガスとしての不活性ガスが前記処理室7内に供給可能となっている。該処理室7内に不活性ガスを供給することで、例えばTMAガスの供給終了後、前記処理室7内に残留したTMAガス等を排除し、又該処理室7内に供給された他のガスが前記アルミニウム含有ガス供給管31内に流入するのを防止することができる。
尚、前記第1キャリアガス供給管33、キャリアガス供給源(図示せず)、前記第2マスフローコントローラ34、前記第3バルブ35、前記TMA容器32、前記アルミニウム含有ガス供給管31、前記第4バルブ36、前記多孔ノズル18、前記ガス供給口23により、前記処理室7内にTMAガスを供給するアルミニウム含有ガス供給系が構成されている。又、前記第2不活性ガス供給管43、不活性ガス供給源(図示せず)、不活性ガスマスフローコントローラ(図示せず)、前記第6バルブ44、前記アルミニウム含有ガス供給管31、前記多孔ノズル18、前記ガス供給口23により、前記処理室7内にパージガスとして不活性ガスを供給する不活性ガス供給系が構成される。
前記多孔ノズル19の上流端(水平部端)には、四塩化チタン(TiCl4 )やテトラキスジメチルアミノチタン(TDMAT:Ti[N(CH3 )2 ]4 )、テトラキスジエチルアミノチタン(TDEAT:Ti[N(CH2 CH3 )2 ]4 )等のチタン含有ガス、例えば四塩化チタンガスを供給するチタン含有ガス供給管45が接続されている。尚、本実施例では、TMAガスと同様、液体の四塩化チタン中に不活性ガスを供給することで得られた四塩化チタンガスを、キャリアガスと共に前記処理室7内へと供給するバブリング方式を用いている。
前記チタン含有ガス供給管45の上流側には、四塩化チタン容器46を介してキャリアガスを供給する第2キャリアガス供給管47が設けられている。該第2キャリアガス供給管47には、上流側から順に、キャリアガス供給源(図示せず)、第3マスフローコントローラ48、第7バルブ49、前記四塩化チタン容器46が設けられている。該四塩化チタン容器46内には四塩化チタンの液体が貯溜され、前記第2キャリアガス供給管47の下流端は四塩化チタンの液体中に浸漬されている。
前記チタン含有ガス供給管45の上流端は、前記四塩化チタン容器46の四塩化チタン液面上方に配置され、前記チタン含有ガス供給管45の下流側には第8バルブ51が設けられている。又、前記チタン含有ガス供給管45には第2配管ヒータ52が設けられ、該第2配管ヒータ52は前記チタン含有ガス供給管45を、例えば40℃程度に保つことが可能となっている。前記第7バルブ49を開放することで、前記第3マスフローコントローラ48に流量制御されたキャリアガスが前記四塩化チタン容器46内に供給され、四塩化チタンガスが発生し、更に前記第8バルブ51を開放することで、四塩化チタンガスをキャリアガスと共に前記処理室7内へと供給できる様になっている。
尚、前記四塩化チタン容器46内は、図示しないヒータにより加熱可能に構成してもよい。該ヒータにより加熱温度を調節することで、四塩化チタンガスの生成を促進させ、或は抑制させ、前記処理室7内への四塩化チタンガスの供給流量を制御することができる。
又、前記チタン含有ガス供給管45の前記第8バルブ51の上流側には、第2ガス排気管53の上流端が接続され、該第2ガス排気管53の中途部には第9バルブ54が設けられている。前記第2ガス排気管53の下流端は前記排気管41の前記APCバルブ42より下流側に接続され、前記第9バルブ54を開放することで、前記処理室7を介さずに四塩化チタンガスを排気できる様になっている。
又、前記チタン含有ガス供給管45の前記第8バルブの下流側には、不活性ガスを供給する第3不活性ガス供給管55の下流端が接続されている。該第3不活性ガス供給管55には、上流側から順に、不活性ガス供給源(図示せず)、不活性ガスマスフローコントローラ(図示せず)、第10バルブ56が設けられている。該第10バルブ56を開放することで、不活性ガスマスフローコントローラにより流量制御されたパージガスとしての不活性ガスが前記処理室7内に供給可能となっている。該処理室7内に不活性ガスを供給することで、例えば四塩化チタンガスの供給終了後、前記処理室7内に残留した四塩化チタンガス等を排除し、又前記処理室7内に供給された他のガスが前記チタン含有ガス供給管45内に流入するのを防止することができる。
尚、前記第2キャリアガス供給管47、キャリアガス供給源(図示せず)、前記第3マスフローコントローラ48、前記第7バルブ49、前記四塩化チタン容器46、前記チタン含有ガス供給管45、前記第8バルブ51、前記多孔ノズル19、前記ガス供給口24により、前記処理室7内に四塩化チタンガスを供給するチタン含有ガス供給系が構成されている。又、前記第3不活性ガス供給管55、不活性ガス供給源(図示せず)、不活性ガスマスフローコントローラ(図示せず)、前記第10バルブ56、前記チタン含有ガス供給管45、前記多孔ノズル19、前記ガス供給口24により、前記処理室7内にパージガスとして不活性ガスを供給する不活性ガス供給系が構成される。
前記マニホールド3の側壁には、前記排気管41が接続されている。該排気管41には、上流側から順に、前記処理室7内の圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ57、圧力調整器としての前記APCバルブ42、真空排気装置としての真空ポンプ58が設けられている。
前記APCバルブ42は、弁の開閉を行うことで真空排気及び排気停止ができ、更に弁の開度の調節が可能な開閉弁である。前記真空ポンプ58を作動させつつ、前記圧力センサ57により検出された圧力情報に基づき、前記APCバルブ42の開度を調節することにより、前記処理室7内を所望の圧力とすることが可能となっている。
尚、前記排気管41、前記圧力センサ57、前記APCバルブ42、前記真空ポンプ58により、前記処理室7内の雰囲気を排気する排気系が構成される。
又、制御系としてのコントローラ59は、前記第1〜第3のマスフローコントローラ26,34,48、前記APCバルブ42、前記第1〜第10バルブ27,29,35,36,39,44,49,51,54,56、前記温度センサ21、前記ヒータ15、前記圧力センサ57、前記真空ポンプ58、前記回転機構13、前記ボートエレベータ8等に接続され、前記コントローラ59により前記第1〜第3のマスフローコントローラ26,34,48の流量調整動作、前記第1〜第10バルブ27,29,35,36,39,44,49,51,54,56の開閉動作、前記APCバルブ42の開閉動作及び圧力調整動作、前記温度センサ21の温度検出動作、前記ヒータ15の温度調節動作、前記圧力センサ57の圧力検出動作、前記真空ポンプ58の起動及び停止、前記回転機構13の回転速度調節、前記ボートエレベータ8の昇降動作の制御が行われる。
次に、前記処理炉1によるウェーハ5の処理について説明する。
先ず、複数枚のウェーハ5を前記ボート6に装填(ウェーハチャージ)し、該ボート6を前記ボートエレベータ8により上昇させて前記処理室7内に搬入(ボートロード)する。この時、該処理室7内は、前記シールキャップ11が前記封止部材12を介して前記マニホールド3の下端を封止することで気密に閉塞される。尚、この状態では、前記第2バルブ29、前記第6バルブ44、前記第10バルブ56を開放し、前記処理室7内にヘリウムガス等の不活性ガスを供給し続けることが望ましい。
続いて、前記第2バルブ29、前記第6バルブ44、前記第10バルブ56を閉塞し、前記真空ポンプ58を起動させて前記処理室7内を排気する。又、ウェーハ5が300℃〜450℃、例えば350℃となる様、前記温度センサ21による温度情報に基づき前記ヒータ15への通電具合をフィードバック制御し、前記処理室7内の温度を調節する。次いで、前記回転機構13により前記ボート6、即ちウェーハ5を回転させる。
尚、上記工程と並行し、前記第4バルブ36を閉塞した状態で前記第3バルブ35を開放し、前記第2マスフローコントローラ34にて流量制御しつつ前記TMA容器32内にキャリアガスを供給することで、アルミニウムを含有する液体原料、例えばTMAを気化させたTMAガスを予め生成しておく。この時、前記真空ポンプ58を作動させ、前記第4バルブ36を閉塞しつつ前記第5バルブ39を開放することで、TMAガスを前記処理室7内に供給することなく該処理室7をバイパスして排気しておく。
又この時、前記第8バルブ51を閉塞した状態で前記第7バルブ49を開放し、前記第3マスフローコントローラ48で流量制御しつつ前記四塩化チタン容器46にキャリアガスを供給することで、チタンを含有する液体原料、例えば四塩化チタンを気化させた四塩化チタンガスを予め生成しておく。この時、前記真空ポンプ58を作動させ、前記第8バルブ51を閉塞しつつ前記第9バルブ54を開放することで、四塩化チタンガスを前記処理室7内に供給することなく該処理室7をバイパスして排気しておく。
バブリングによる供給方式では、TMAガスや四塩化チタンガスが安定して生成される状態となるには所定の時間を要する為、生成初期の段階でTMAガスや四塩化チタンガスの供給が開始されると供給が不安定となってしまう。そこで本実施例では、TMAガスや四塩化チタンガスを予め生成することで安定供給可能な状態としておき、前記第4バルブ36、前記第5バルブ39、前記第8バルブ51、前記第9バルブ54の開閉を切替えることで、TMAガス及び四塩化チタンガスの流路を切替える。これにより、TMAガス及び四塩化チタンガスの前記処理室7内への供給開始及び供給停止を安定的且つ迅速に行うことができる。
次に、前記処理室7内にてウェーハ5上に薄膜を生成する成膜工程が実施される。図3は第1の実施例に於ける成膜工程に於けるシーケンス図を示しており、本実施例では、例えば72秒を1サイクルとしている。
先ず前記第1バルブ27と前記第2バルブ29を開放し、キャリアガスとしての不活性ガスと共に、前記第1マスフローコントローラ26により一定の流量、例えば0.5SLMとなる様に流量制御された、窒素含有ガス、例えばアンモニアガスを前記処理室7内に連続的に供給する。
続いて、アルミニウム含有ガス、例えばTMAガスと、チタン含有ガス、例えば四塩化チタンガスを、1サイクル毎に同時且つ間欠的(パルス的)に前記処理室7内に供給する工程が所定回数実施される。尚、アンモニアガスはサイクルが開始される前に供給が開始され、所定のサイクルが終了する迄前記処理室7内に供給され続けている。
具体的には、前記第1バルブ27が開放され、前記窒素含有ガス供給管25よりアンモニアガスが供給された状態で、前記第5バルブ39を閉塞し、前記第4バルブ36を開放することで、前記TMA容器32内で気化させたTMAガスがキャリアガスと共に前記ガス供給口23より前記処理室7内に供給される。この時、TMAガスの前記処理室7内への供給がパルス的となる様、前記第4バルブ36が1サイクルにつき1回パルス的に開閉される。
又、TMAガスの供給と並行して、前記第9バルブ54を閉塞し、前記第8バルブ51を開放することで、前記四塩化チタン容器46内で気化させた四塩化チタンガスがキャリアガスと共に前記ガス供給口24より前記処理室7内に供給される。この時、四塩化チタンガスの前記処理室7内への供給が、パルス的且つ前記TMAガスの供給と同時となる様、前記第8バルブ51が1サイクルにつき1回パルス的に開閉される。
尚、TMAガスと四塩化チタンガスの供給工程に於いて、同時に供給するとは、各ガスを供給している時間が少しでも重なっている場合を言う。即ち、各ガスの供給開始と停止の何れか一方又は両方のタイミングが一致している場合を含む他、各ガスの供給開始と停止のタイミングが共にずれている場合も含む。
又この時、前記処理室7内が所定の圧力、例えば20Pa〜50Paとなる様、前記APCバルブ42の開度が調整される。
一定の流量にて前記ガス供給口22を介して前記処理室7内にアンモニアガスが供給されている状態で、上記の様に前記ガス供給口23,24を介してTMAガスと四塩化チタンガスとを同時且つパルス的に前記処理室7内に所定サイクル分供給することで、CVD反応によりウェーハ5上にチタン、アルミニウム、窒素を含有するアルミニウム含有窒化チタン(TiAlN)の薄膜が生成される。
TMAガスと四塩化チタンガスとを前記処理室7内に一度パルス供給することで、ウェーハ5上には例えば0.5nm(450℃)のアルミニウム含有窒化チタン膜が形成される。即ち、アルミニウム含有窒化チタン膜の成膜速度が0.5nm/サイクル(450℃)となる為、TMAガスと四塩化チタンガスのパルス供給を所定サイクル実施することで、ウェーハ5上に所定の膜厚のアルミニウム含有窒化チタン膜を形成することができる。
尚、ウェーハ5の成膜工程中、ウェーハ5に対してプラズマ印加、光照射、マイクロウェーブ照射等を行うことで、各ガスの反応を促進させてもよい。
TMAガスと四塩化チタンガスの供給を所定サイクル実施し、ウェーハ5上に所定膜厚のアルミニウム含有窒化チタン膜が形成された後、前記処理室7内の排気が行われる。前記第1バルブ27、前記第4バルブ36、前記第8バルブ51を閉塞することで各ガスの供給を停止し、前記APCバルブ42を開放して前記処理室7内の圧力が例えば20Pa以下となる様排気し、該処理室7内に残留している各ガスや反応生成物等を前記排気管41を介して排除する。
この時、前記第2バルブ29、前記第6バルブ44、前記第10バルブ56を開放し、前記第1不活性ガス供給管28、前記第2不活性ガス供給管43、前記第3不活性ガス供給管55を介して前記処理室7内に不活性ガスを供給して該処理室7内をパージすることで、該処理室7内から残留ガス等を排除する効果を更に高めることができる。
その後、前記ヒータ15への電力供給を停止し、前記ボート6及びウェーハ5を所定の温度迄降下させる。前記ボート6及びウェーハ5の温度を降下させている間、前記第2バルブ29、前記第6バルブ44、前記第10バルブ56を開放したまま維持し、前記処理室7内への不活性ガスの供給を継続する。これにより、該処理室7内が不活性ガスで置換されると共に、該処理室7内の圧力が常圧に復帰される。
前記ボート6及びウェーハ5が所定の温度迄降下し、前記処理室7内の圧力が常圧に復帰した後、前記ボートエレベータ8により前記シールキャップ11を降下させ、前記マニホールド3の下端を開口させると共に、処理済のウェーハ5を保持した前記ボート6を前記マニホールド3の下端から前記反応管2の外部へ搬出(ボートアンロード)する。
その後、処理済のウェーハ5が前記ボート6より取出される(ウェーハディスチャージ)。尚、該ボート6を搬出する際には、前記第2バルブ29、前記第6バルブ44、前記第10バルブ56を開放したまま維持し、前記処理室7内に不活性ガスを供給し続けることが望ましい。以上により、本実施例に係る前記処理炉1を用いたウェーハ5の処理が終了する。
上述の様に、本実施例では、前記処理室7内にアンモニアガスを流しつつ、TMAガスと四塩化チタンガスを所定時間毎にパルス的に供給するのを1サイクルとし、該サイクルが所定回数実施されることにより、ウェーハ5上に所定の膜厚のアルミニウム含有窒化チタン膜が形成される。従って、アンモニアガス、TMAガス、四塩化チタンガスをそれぞれ別途供給する必要がなく、更に各ガスの切替え時に前記処理室7内の排気を必要としないので、ガス供給及びガス排気の工数を削減でき、アルミニウム含有窒化チタン膜の成膜速度を向上させ、ウェーハ5の生産性の向上及び低サーマルバジェット化を図ることができる。
又、本実施例では、成膜処理中、前記処理室7内に常にアンモニアガスを流しているので、アルミニウムの窒化及びチタンの窒化を確実に行うことができる。
又、本実施例では、前記処理室7内に常にアンモニアガスを供給することでアンモニアガスの流れが常に形成されているので、該処理室7内に於けるTMAガスと四塩化チタンガスの拡散を促進できると共に、TMAガスと四塩化チタンガスの流れを安定させることができる。
又、本実施例では、前記処理室7内にアンモニアガスが常に供給されるので、該処理室7内の圧力変動を抑制することができ、ウェーハ5の処理特性を安定させることができると共に、前記処理室7内でのパーティクル等の異物の飛散を抑制することができる。
又、本実施例では、前記処理室7内にアンモニアガスが常に供給されるので、窒素供給系に於けるバルブの開閉動作を低減でき、バルブの消耗を抑制できると共に、基板処理装置の制御を簡素化することができる。
又、四塩化チタンガス、TMAガスの供給圧力、供給流量を適宜調節することで、形成されるアルミニウム含有窒化チタン膜を所望の元素組成比とし、膜質を向上させると共に、所望の成膜レートとすることができる。
更に、本実施例では、バッチ式の縦型処理炉を用いているので、高品質且つ高い生産性にてウェーハ5上に薄膜を形成することができる。
次に、図1、図2、図4に於いて、本発明の第2の実施例について説明する。図4は、本発明の第2の実施例に於ける成膜処理のシーケンス図である。尚、第2の実施例に於ける処理炉の構成は第1の実施例の処理炉1と同様であるので、説明には図1、図2を用い、処理炉1についての説明は省略している。
第2の実施例の成膜工程では、先ず第8バルブ51を開放し、四塩化チタン容器46内で予めバブリングにて生成された四塩化チタンガスを、ガス供給口24を介して処理室7内に間欠的(パルス的)に供給する。該処理室7内に四塩化チタンガスが供給されることで、四塩化チタンガスがウェーハ5に接触し、1原子層未満から数原子層程度のチタンを含有する第1の層が形成される。
又、チタン含有ガスとしては、四塩化チタンガスの他に、例えばテトラキスジメチルアミノチタン(TDMAT)ガスやテトラキスジエチルアミノチタン(TDEAT)ガスを用いてもよい。この場合、ウェーハ5上にはTDMAT、TDEATの化学吸着層及びチタン層が形成される。
次に、前記第8バルブ51を閉塞し、第10バルブ56を開放することで前記処理室7内を不活性ガスにてパージし、又APCバルブ42を開放することで前記処理室7内から四塩化チタンガスを排気する。
四塩化チタンガスの排気後、前記第10バルブ56を閉塞し、第4バルブ36を開放してTMA容器32内で予めバブリングにて生成されたアルミニウム含有ガスであるTMAガスを、ガス供給口23より前記処理室7内にパルス的に供給する。該処理室7内にTMAガスが供給されることで、ウェーハ5上に形成された第1の層にアルミニウムを含有する第2の層が形成されるか、或はチタンとアルミニウムとが混じり合った層が形成される。
尚、アルミニウム含有ガスとしては、TMAガスの他に、例えば三塩化アルミニウム(AlCl3 )を用いてもよい。この場合、第1の層上にはアルミニウム層、三塩化アルミニウムガスの化学吸着層が形成される。
第2の層が形成された後には、前記第1の層が形成された後と同様、前記処理室7内の排気が行われる。
該処理室7内の排気が完了すると、第1バルブ27が開放され、ウェーハ5上に形成された第1の層及び第2の層を改質する窒素含有ガスとして、例えばアンモニアガスがガス供給口22を介して前記処理室7内にパルス的に供給される。該処理室7内にアンモニアガスが供給されることで、アンモニアガスと第1の層及び第2の層が表面反応し、第1の層及び第2の層が窒化してアルミニウム含有窒化チタン膜が形成され、その後前記処理室7内の雰囲気が再度排気される。
上記した四塩化チタンガスの供給からアンモニアガスの排気迄を1サイクル、即ち、四塩化チタンガスをパルス供給し、四塩化チタンガスを排気し、四塩化チタンガスの排気後にTMAガスをパルス供給し、TMAガスを排気し、TMAガスの排気後にアンモニアガスをパルス供給し、アンモニアガスを排気する迄を1サイクルとしており、このサイクルを所定回数行うことで、所定の膜厚のアルミニウム含有窒化チタン膜を形成できる。従って、四塩化チタンガス供給と、TMAガス供給と、アンモニアガス供給とがそれぞれ重なることなく前記処理室7内に供給される。
尚、第2の実施例に於いては、四塩化チタンガス、TMAガス、アンモニアガスの順番で前記処理室7内にパルス供給することで、第1の層としてチタン含有層を形成し、第2の層としてアルミニウム含有層を形成しているが、図5に示す変形例の様に、TMAガス、四塩化チタンガス、アンモニアガスの順で前記処理室7内にパルス供給することで、第1の層としてアルミニウム含有層を形成し、第2の層としてチタン含有層を形成してもよいのは言う迄もない。
第2の実施例では、第1の層としてチタン含有層とアルミニウム含有層のいずれか一方を形成し、第2の層としてチタン含有層とアルミニウム含有層の何れか他方を形成し、第1の層と第2の層とを同時に窒化する様になっているので、第1の層と第2の層を別途窒化させる必要がなく、工数の低減が図れ、生産性を向上させることができる。
又、四塩化チタンガス及びTMAガスの供給流量、供給回数及び供給圧力を適宜調節することで、形成されるアルミニウム含有窒化チタン膜を所望の元素組成比とし、膜質を向上させると共に、所望の成膜レートとすることができる。
次に、図1、図2、図6に於いて、本発明の第3の実施例について説明する。図6は、本発明の第3の実施例に於ける成膜処理のシーケンス図である。尚、第3の実施例に於ける処理炉の構成は第1の実施例の処理炉1と同様であるので、説明には図1、図2を用い、処理炉1についての説明は省略している。
第3の実施例では、先ず四塩化チタン容器46内で予めバブリングにて生成したチタン含有ガス、例えば四塩化チタンガスと、TMA容器32内で予めバブリングにて生成したアルミニウム含有ガス、例えばTMAガスとを、ガス供給口23,24を介して同時且つ間欠的(パルス的)に処理室7内に供給する。その後、窒素含有ガス、例えばアンモニアガスをガス供給口22を介して前記処理室7内に供給し、ウェーハ5上にアルミニウム含有窒化チタン膜を形成する様になっている。
具体的には、先ず第8バルブ51と第4バルブ36とを同時且つパルス的に開放し、四塩化チタンガスとTMAガスとを同時且つパルス的に前記処理室7内に供給する。
四塩化チタンガスとTMAガスとが前記ガス供給口23,24を介して前記処理室7内に供給されることで、ウェーハ5上にガスが吸着され、或はチタン及びアルミニウムが積層され、1原子層未満から数原子層程度のチタン及びアルミニウムが混じり合った層が形成される。
次に、前記第8バルブ51及び前記第4バルブ36を閉塞し、第10バルブ56及び第6バルブ44を開放することで、前記処理室7内を不活性ガスにてパージし、又APCバルブ42を開放することで前記処理室7内から四塩化チタンガス及びTMAガスを排気する。
四塩化チタンガス及びTMAガスの排気が完了すると、前記処理室7内が所定の圧力となる様前記APCバルブ42の開度を調整し、次いで第1バルブ27が開放され、前記ガス供給口22を介して前記処理室7内にアンモニアガスがパルス供給される。該処理室7内にアンモニアガスが供給されることで、アンモニアガスと、チタン及びアルミニウムが混じり合った層が表面反応し、該層が窒化してアルミニウム含有窒化チタン膜が形成され、その後排気管41を介して前記処理室7内の雰囲気が再度排気される。
上記した四塩化チタンガス及びTMAガスの供給からアンモニアガスの排気迄を1サイクル、即ち四塩化チタンガスとTMAガスを同時にパルス供給し、四塩化チタンガスとTMAガスを排気し、排気後にアンモニアガスをパルス供給し、アンモニアガスを排気する迄を1サイクルとし、このサイクルを所定回数行うことで、所定の膜厚のアルミニウム含有窒化チタン膜を形成できる。尚、四塩化チタンガスとTMAガスの供給後に前記処理室7内が排気されるので、四塩化チタンガス及びTMAガス供給と、アンモニアガス供給とが重なることなく前記処理室7内に供給される。
第3の実施例では、四塩化チタンガスとTMAガスとを同時且つパルス的に前記処理室7内に供給し、チタンとアルミニウムが混ざり合った層をアンモニアガスにより一気に窒化する様になっているので、チタン含有層とアルミニウム含有層を別途窒化させる必要がなく、又ガス供給の工数の低減を図ることができ、生産性を向上させることができる。
又、チタン及びアルミニウムが混じり合った層を形成する際の、四塩化チタンガス及びTMAガスの供給流量、供給回数及び供給圧力を適宜調節することで、形成されるアルミニウム含有窒化チタン膜を所望の元素組成比とし、膜質を向上させると共に、所望の成膜レートとすることができる。
次に、図1、図2、図7に於いて、本発明の第4の実施例について説明する。図7は、本発明の第4の実施例に於ける成膜処理のシーケンス図である。尚、第4の実施例に於ける処理炉の構成は第1の実施例の処理炉1と同様であるので、説明には図1、図2を用い、処理炉1についての説明は省略している。
第4の実施例では、先ずTMA容器32内で予めバブリングにて生成したアルミニウム含有ガス、例えばTMAガスをガス供給口23を介して処理室7内にパルス供給し、ウェーハ上に第1の層を形成する。その後、四塩化チタン容器46内で予めバブリングにて生成したチタン含有ガス、例えば四塩化チタンガスと、窒素含有ガス、例えばアンモニアガスとをガス供給口22,24を介して前記処理室7内に同時且つパルス的に供給し、ウェーハ5上にアルミニウム含有窒化チタン膜を形成する様になっている。
具体的には、先ず第4バルブ36を開放し、TMAガスを前記ガス供給口23を介してパルス的に前記処理室7内に供給する。TMAガスが該処理室7内に供給されることで、ウェーハ5上にはTMAの化学吸着層又はアルミニウム層からなる第1の層が形成される。
次に、前記第4バルブ36を閉塞し、第6バルブ44を開放することで、前記処理室7内を不活性ガスにてパージし、又APCバルブ42を開放することで排気管41を介して前記処理室7内からTMAガスを排気する。
TMAガスの排気が完了すると、前記処理室7内が所定の圧力となる様前記APCバルブ42の開度を調整し、次いで第8バルブ51及び第1バルブ27が開放され、前記処理室7内に四塩化チタンガスとアンモニアガスとが前記ガス供給口22,24を介して同時且つパルス的に供給される。該処理室7内に四塩化チタンガスとアンモニアガスとが供給されることで、アルミニウムを含有する第1の層がアンモニアガスにより窒化されると共に、第1の層上にCVD反応により生成された窒化チタンからなる第2の層が形成される。これにより、ウェーハ5上にアルミニウム含有窒化チタン膜が形成され、その後前記処理室7内の雰囲気が再度排気される。
上記したTMAガスの供給から四塩化チタンガス及びアンモニアガスの排気迄を1サイクル、即ちTMAガスを供給し、TMAガスを排気し、TMAガス排気後に四塩化チタンガス及びアンモニアガスを同時にパルス供給し、四塩化チタンガスとアンモニアガスを排気する迄を1サイクルとしており、このサイクルを所定回数行うことで、所定の膜厚のアルミニウム含有窒化チタン膜を形成できる。従って、TMAガス供給と、四塩化チタンガス及びアンモニアガス供給とが重なることなく前記処理室7内に供給される。
尚、第4の実施例に於いては、先ずTMAガスをパルス供給し、次に四塩化チタンガス及びアンモニアガスを同時に前記処理室7内にパルス供給することで、第1の層としてアルミニウム含有層を形成し、第2の層として窒化チタン層を形成しているが、図8に示す変形例の様に、先ず四塩化チタンガスをパルス供給し、次にTMAガス及びアンモニアガスを同時に前記処理室7内にパルス供給することで、第1の層としてチタン含有層を形成し、第2の層として窒化アルミニウム層を形成してもよいのは言う迄もない。
第4の実施例では、第1の層としてチタン含有層とアルミニウム含有層のいずれか一方を形成した後、四塩化チタンガスとTMAガスのいずれか他方とアンモニアガスとを同時且つパルス的に前記処理室7内に供給することで、ウェーハ5上にアルミニウム含有窒化チタン膜を形成する様になっているので、チタン含有層とアルミニウム含有層とを別途窒化させる必要がなく、又ガス供給の工数の低減を図ることができ、生産性を向上させることができる。
又、第1の層を形成する際の四塩化チタンガス及びTMAガスの供給流量、供給回数及び供給圧力、或はアンモニアガスと同時にパルス供給される四塩化チタンガス及びTMAガスの供給流量、供給回数及び供給圧力を適宜調節することで、形成されるアルミニウム含有窒化チタン膜を所望の元素組成比とし、膜質を向上させると共に、所望の成膜レートとすることができる。
次に、図1、図2、図9に於いて、本発明の第5の実施例について説明する。図9は、本発明の第5の実施例に於ける成膜処理のシーケンス図である。尚、第5の実施例に於ける処理炉の構成は第1の実施例の処理炉1と同様であるので、説明には図1、図2を用い、処理炉1についての説明は省略している。
第5の実施例では、四塩化チタン容器46内で予めバブリングにて生成したチタン含有ガス、例えば四塩化チタンガスと、TMA容器32内で予めバブリングにて生成したアルミニウム含有ガス、例えばTMAガスと、窒素含有ガス、例えばアンモニアガスとを、所定時間同時にガス供給口22,23,24を介して処理室7内に供給し続けることで、ウェーハ5上にアルミニウム含有窒化チタン膜を形成する様になっている。
具体的には、第8バルブ51、第4バルブ36、第1バルブ27を開放し、前記ガス供給口22,23,24を介して前記処理室7内に四塩化チタンガスとTMAガスとアンモニアガスとを同時に供給することで、CVD反応によりウェーハ5上にアルミニウム含有窒化チタン膜が形成される。
第5の実施例では、前記ガス供給口22を介してアンモニアガスを前記処理室7内に供給し続けるので、四塩化チタンガス及びTMAガスとのCVD反応をより確実に行うことができる。
又、四塩化チタンガス、TMAガス、アンモニアガスを前記処理室7内に連続的に供給するので、バルブの開閉動作数を減らすことができ、基板処理装置の制御を簡素化することができる。
又、四塩化チタンガス及びTMAガスの供給時間、供給流量及び供給圧力を適宜調節することで、形成されるアルミニウム含有窒化チタン膜を所望の元素組成比とし、膜質を向上させると共に、所望の成膜レートとすることができる。
尚、第5の実施例では、四塩化チタンガス、TMAガス、アンモニアガスをそれぞれ同時且つ連続的に供給しているが、ウェーハ5上に生成されるアルミニウム含有窒化チタン膜が所望の元素組成比となる様、各ガスの供給時間を異ならせてもよいのは言う迄もない。
(付記)
又、本発明は以下の実施の態様を含む。
(付記1)チタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料とを基板を処理する処理室内に供給して基板上で反応させ、基板上にアルミニウム含有窒化チタン膜を形成する基板処理装置であって、チタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料の少なくともいずれかをパルス的に供給することを特徴とする基板処理装置。
(付記2)前記処理室内にチタン含有原料とアルミニウム含有原料とを同時且つパルス的に供給し、窒素含有原料を単独でパルス的に供給する付記1の基板処理装置。
(付記3)前記処理室内にチタン含有原料と窒素含有原料とを同時且つパルス的に供給し、アルミニウム含有原料を単独でパルス的に供給する付記1の基板処理装置。
(付記4)前記処理室内にアルミニウム含有原料と窒素含有原料とを同時且つパルス的に供給し、チタン含有原料を単独でパルス的に供給する付記1の基板処理装置。
(付記5)チタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料とを基板を処理する処理室内に収容された基板上で反応させ、基板上にアルミニウム含有窒化チタン膜を形成する基板処理装置であって、チタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料を同時且つ連続的に前記処理室内に供給することを特徴とする基板処理装置。
(付記6)前記処理室内へのチタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料の供給時間をそれぞれ異ならせる付記5の基板処理装置。
(付記7)チタン含有原料が四塩化チタンである付記1〜付記6の基板処理装置。
(付記8)アルミニウム含有原料がトリメチルアルミニウムである付記1〜付記6の基板処理装置。
(付記9)窒素含有原料がアンモニアである付記1〜付記6の基板処理装置。
(付記10)前記処理室内にチタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料とを供給する際に、基板に対してプラズマ印加と光照射とマイクロウェーブ照射のいずれかを行う付記1〜付記6の基板処理装置。
(付記11)複数の基板が基板保持具によって鉛直方向に多段に保持され、前記処理室内で複数の基板を同時に処理可能なバッチ式装置である付記1〜付記10の基板処理装置。
(付記12)チタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料は、基板の側方より各基板間に供給され、排気される付記11の基板処理装置。
(付記13)前記処理室内で基板を1枚ずつ処理可能な枚葉式装置である付記1〜付記10の基板処理装置。
(付記14)基板を処理する処理室に基板を収容する工程と、前記処理室にチタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料の少なくともいずれかをパルス的に供給する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記15)チタン含有原料とアルミニウム含有原料とを同時且つパルス的に前記処理室内に供給し、窒素含有原料を単独でパルス的に前記処理室内に供給する付記14の半導体装置の製造方法。
(付記16)チタン含有原料と窒素含有原料とを同時且つパルス的に前記処理室内に供給し、アルミニウム含有原料を単独でパルス的に前記処理室内に供給する付記14の半導体装置の製造方法。
(付記17)アルミニウム含有原料と窒素含有原料とを同時且つパルス的に前記処理室内に供給し、チタン含有原料を単独でパルス的に前記処理室内に供給する付記14の半導体装置の製造方法。
(付記18)基板を処理する処理室に基板を収容する工程と、前記処理室内にチタン含有原料とアルミニウム含有原料と窒素含有原料とを同時且つ連続的に供給する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。