【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、放電管で生成した
活性種を反応管内の基板上に運ぶことにより基板を処理
する基板処理装置に係り、特にその放電管に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a substrate processing apparatus for processing a substrate by carrying active species generated in the discharge tube onto a substrate in a reaction tube, and more particularly to the discharge tube.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体製造工程で用いられる反応ガスを
励起または分解させて、反応に寄与する形にする手段の
一つとして、プラズマ励起方式がある。このプラズマ励
起方式のなかで、特にプラズマを発生させる場所を基板
領域からガス供給側へ引き離すことにより、基板へのプ
ラズマが与えるダメージをなくしたものをリモートプラ
ズマという。2. Description of the Related Art A plasma excitation method is one of means for exciting or decomposing a reaction gas used in a semiconductor manufacturing process to contribute to a reaction. Among these plasma excitation methods, a remote plasma is one that eliminates the damage to the substrate caused by the plasma by particularly separating the place where the plasma is generated from the substrate region to the gas supply side.
【０００３】このリモートプラズマを利用して半導体基
板に成膜する方法として、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposi
tion)と呼ばれる方法がある。これはＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposition)とは異なり気相反応は用いず、表面
反応のみを用いて成膜を行う手法である。As a method of forming a film on a semiconductor substrate using this remote plasma, ALD (Atomic Layer Deposi
method). This is CVD (Chemical
Unlike Vapor Deposition, this is a method of forming a film using only the surface reaction without using the gas phase reaction.
【０００４】ＡＬＤは、所定の成膜条件（温度、時間
等）の下で、成膜に用いる２種（またはそれ以上）の原
料ガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単
位で吸着させ、表面反応のみ（気相反応は用いない）を
利用して成膜を行う手法である。Under the prescribed film forming conditions (temperature, time, etc.), ALD supplies two kinds (or more) of raw material gases used for film formation alternately one by one onto a substrate to form one atomic layer. It is a method of adsorbing in units and performing film formation by utilizing only surface reaction (not using gas phase reaction).
【０００５】すなわち、ＡＬＤの化学反応は表面反応で
あり、例えば、ＳｉＨ2Ｃｌ2とＮＨ3を用いてＳｉ3Ｎ4
膜を形成する場合の成膜温度は３７０〜６００℃と比較
的低温であるのに対し、ＣＶＤは表面反応＋気相反応で
あり、成膜温度は６００〜８００℃と比較的高温であ
る。また、ガス供給は、ＡＬＤでは複数種類のガスを1
種類ずつ交互に供給する(同時に供給しない）のに対
し、ＣＶＤでは複数種類のガスを同時に供給する。そし
て、膜厚制御は、ＡＬＤではサイクル数で制御するのに
対して、ＣＶＤでは時間で制御する点で異なる。That is, the chemical reaction of ALD is a surface reaction.
Yes, for example, SiH2Cl2And NH3Using Si3NFour
When forming a film, compare the film forming temperature with 370-600 ℃
Although the temperature is extremely low, CVD is a surface reaction + gas phase reaction.
The film forming temperature is relatively high at 600 to 800 ° C.
It In addition, the gas supply is one for multiple types of gas in ALD.
To supply alternately by type (do not supply at the same time)
However, in CVD, plural kinds of gases are simultaneously supplied. That
Therefore, the film thickness control is controlled by the number of cycles in ALD.
In contrast, CVD is different in that it is controlled by time.
【０００６】このようにＡＬＤ成膜は、比較的低温で、
基板上に処理ガスを１種類ずつ供給することにより、気
相反応は用いず、表面反応のみを用いて１原子層ずつ膜
を形成するというものである。As described above, the ALD film formation is performed at a relatively low temperature.
By supplying the processing gases one by one onto the substrate, the film is formed atomic layer by atomic layer only by using the surface reaction without using the gas phase reaction.
【０００７】ＡＬＤ方式による成膜で、２種の原料ガス
を用いるものを例にとると、２種の原料ガスのうち、１
つはガス供給中に気相分解が生じてしまうので、所定の
温度以下にする必要があるが、他の１つは、その温度で
は分解しないか、または、反応に寄与する形にならない
という場合がある。その際、後者をリモートプラズマで
励起してから供給するという方式をとると、成膜できる
場合がある。具体的なガス名を挙げると、ＤＣＳ（ジク
ロロシラン：ＳｉＨ2Ｃｌ2）とＮＨ3の組合わせで窒化
膜（Ｓｉ3Ｎ4膜）を成膜するケースであり、ＤＣＳが励
起を必要とせず、ＮＨ3がリモートプラズマによる励起
を必要とするガスである。[0007] Taking the example of using two kinds of source gases in the film formation by the ALD method, one of two kinds of source gases is used.
In the case where the gas phase decomposition occurs during gas supply, it is necessary to keep the temperature below a specified temperature, but the other one does not decompose at that temperature or does not contribute to the reaction. There is. At that time, if the latter is excited by remote plasma and then supplied, a film may be formed in some cases. A specific gas name is a case where a nitride film (Si3 N4 film) is formed by a combination of DCS (dichlorosilane: SiH2 Cl2 ) and NH3 , and DCS does not require excitation. , NH3 is a gas that requires excitation by remote plasma.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかし、プラズマによ
って励起される活性種にはライフタイム(寿命)があり、
ある程度の時間が経過したり、障害物と衝突すること
で、励起状態でなくなってしまう。励起が必要なガス種
は、励起されたまま基板領域に輸送しないと、吸着や反
応ができないので、その点についての工夫が必要であ
る。However, active species excited by plasma have a lifetime (lifetime),
After a certain amount of time has passed or when the vehicle collides with an obstacle, the excited state is lost. A gas species that needs to be excited cannot be adsorbed or reacted unless it is transported to the substrate region while being excited.
【０００９】本発明の課題は、プラズマで活性化したガ
スを、基板上に活性な状態のまま運び、基板面内を均一
に処理することが可能な基板処理装置を提供することに
ある。An object of the present invention is to provide a substrate processing apparatus capable of carrying a plasma-activated gas in an active state on a substrate and uniformly processing the surface of the substrate.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】第１の発明は、基板を処
理する反応管と、前記反応管にガスを供給するガス供給
系と、前記反応管を排気する排気系と、前記反応管と前
記ガス供給系との間に設けられ、前記ガスをプラズマに
より励起することにより活性種を生成する放電管とを備
え、前記放電管で生成した活性種が、活性な状態のまま
前記反応管内の基板の全体に行き届く程度のライフタイ
ムを有することとなるように、前記放電管の管内圧力が
調整されていることを特徴とする基板処理装置である。According to a first aspect of the present invention, there is provided a reaction tube for processing a substrate, a gas supply system for supplying gas to the reaction tube, an exhaust system for exhausting the reaction tube, and the reaction tube. A discharge tube that is provided between the gas supply system and that generates active species by exciting the gas with plasma, and the active species generated in the discharge tube remain in the active state in the reaction tube. In the substrate processing apparatus, the internal pressure of the discharge tube is adjusted so that the lifetime of the entire substrate is reached.
【００１１】放電管の管内圧力の違いにより、生成され
る活性種が異なり、活性種の励起レベルが異なる。また
生成される活性種の数も異なる。したがって、放電管の
管内圧力を調整することにより、放電管で生成した活性
種を、活性な状態のまま基板の全体に行き届く程度のラ
イフタイムを持たせることができるようになる。Due to the difference in the internal pressure of the discharge tube, the generated active species are different, and the excitation level of the active species is also different. The number of active species produced is also different. Therefore, by adjusting the internal pressure of the discharge tube, it becomes possible to give the active species generated in the discharge tube a lifetime enough to reach the entire substrate in the active state.
【００１２】ここで、放電管の構造によって管内圧力が
調整されるようにしても、あるいはガス供給系又は排気
系などの系の制御によって管内圧力を調整するようにし
てもよい。Here, the internal pressure of the tube may be adjusted by the structure of the discharge tube, or the internal pressure of the tube may be adjusted by controlling a system such as a gas supply system or an exhaust system.
【００１３】放電管構造による場合は、例えば、他の条
件が同じなら、放電管のコンダクタンスを調整する方法
がもっとも簡便である。例えば放電管の管内圧力を小さ
くするには、コンダクタンスを大きくすればよい。基板
処理が放電管から直接基板に活性種を供給できる枚葉式
ではなく、放電管からさらにノズル経由で複数の基板に
活性種を供給するバッチ式のように、放電管のコンダク
タンスを直接調整することができない場合には、放電管
から反応管に活性種を供給するノズルの構造によって間
接的に調整する方法もある。例えば放電管の管内圧力を
小さくするには、ノズルの内部空間を大きくすればよ
い。In the case of the discharge tube structure, the method of adjusting the conductance of the discharge tube is the simplest if the other conditions are the same. For example, in order to reduce the pressure inside the discharge tube, the conductance may be increased. Directly adjust the conductance of the discharge tube like the batch type that the substrate processing supplies the active species directly to the substrate from the discharge tube instead of the single-wafer type that supplies the active species to multiple substrates via the nozzle. If this is not possible, there is also a method of indirectly adjusting by the structure of the nozzle that supplies the active species from the discharge tube to the reaction tube. For example, in order to reduce the internal pressure of the discharge tube, the internal space of the nozzle may be increased.
【００１４】系の制御による場合は、放電管の内部に導
入されるガス流量を調整することにより、放電管の管内
圧力を調整する方法がある。例えば管内圧力を小さくす
るにはガス流量を小さくすればよい。In the case of controlling the system, there is a method of adjusting the internal pressure of the discharge tube by adjusting the flow rate of the gas introduced into the discharge tube. For example, in order to reduce the pressure inside the pipe, the gas flow rate may be reduced.
【００１５】上記基板処理装置を用いて基板を処理する
には、反応管内に基板を挿入する。ガス供給系を通して
放電管にガスを流すとともに、反応管を排気系で排気す
る。放電管でプラズマ放電を起こすことによりガスを励
起する。ガスを励起した結果として活性種が発生する。
放電管の管内圧力は前述したように構造的または制御的
に調整される。この放電管の管内圧力の調整により、放
電管の内部で発生した活性種は活性な状態のまま反応管
の内部の基板の全体に行き届く程度のライフタイムを有
することとなる。その結果、基板処理に寄与する活性種
が活性な状態のまま基板に運ばれるので、基板が面内で
均一に処理される。To process a substrate using the above substrate processing apparatus, the substrate is inserted into the reaction tube. Gas is supplied to the discharge tube through the gas supply system, and the reaction tube is exhausted by the exhaust system. The gas is excited by causing a plasma discharge in the discharge tube. Active species are generated as a result of exciting the gas.
The internal pressure of the discharge tube is structurally or controllably adjusted as described above. By adjusting the internal pressure of the discharge tube, the active species generated inside the discharge tube have a lifetime enough to reach the entire substrate inside the reaction tube in an active state. As a result, the active species that contribute to the substrate processing are carried to the substrate in an active state, so that the substrate is uniformly processed in the plane.
【００１６】基板処理には、ＣＶＤ、ＡＬＤに限らず、
酸化膜の形成、拡散処理、エッチング処理などガス流を
扱う処理であればいずれでも良い。特に、基板処理が半
導体薄膜形成の場合には、基板面内に膜厚均一性の良好
な薄膜が得られる。The substrate processing is not limited to CVD and ALD,
Any treatment that handles a gas flow such as oxide film formation, diffusion treatment, or etching treatment may be used. In particular, when the substrate processing is semiconductor thin film formation, a thin film having good film thickness uniformity can be obtained within the substrate surface.
【００１７】第１の発明において、基板処理時の放電管
の管内圧力が２００Ｐａ以下となるように調整されてい
ることが好ましい。２００Ｐａよりも高いと、活性種の
ライフタイムが短くなるため好ましくない。放電管管内
圧力は２００Ｐａ以下の範囲で活性種の寿命の長いもの
が多く発生するので好ましい。In the first invention, it is preferable that the internal pressure of the discharge tube during the substrate processing is adjusted to 200 Pa or less. When it is higher than 200 Pa, the lifetime of the active species becomes short, which is not preferable. Discharge tube In the tube pressure of 200 Pa or less, many active species having a long life are generated, which is preferable.
【００１８】また、第２の発明は、基板を処理する反応
管と、前記反応管にガスを供給するガス供給系と、前記
反応管を排気する排気系と、前記反応管と前記ガス供給
系との間に設けられ、前記ガスをプラズマにより励起す
ることにより活性種を生成する放電管とを備え、前記放
電管は、基板処理時に前記放電管の管内圧力が前記反応
管の管内圧力とほぼ同等の圧力となるような構造を有し
てる基板処理装置である。A second aspect of the present invention is a reaction tube for processing a substrate, a gas supply system for supplying gas to the reaction tube, an exhaust system for exhausting the reaction tube, the reaction tube and the gas supply system. And a discharge tube for generating active species by exciting the gas with plasma, wherein the discharge tube has an internal pressure of the discharge tube substantially equal to an internal pressure of the reaction tube during substrate processing. It is a substrate processing apparatus having a structure that provides an equivalent pressure.
【００１９】放電管の構造が、放電管の管内圧力が反応
管の管内圧力にしたがって、反応管の管内圧力とほぼ同
等の圧力になるように構成されていると、反応管の管内
圧力が放電管の管内圧力と異なる圧力になるものと比べ
て、反応管の管内圧力によって放電管の管内圧力を容易
に調整できるため、放電管の管内圧力を独自に調整する
必要がなくなる。従って、反応管内の圧力を適切な値に
設定するだけで、放電管で生成した活性種に、活性な状
態のまま反応管の基板の全体に行き届く程度のライフタ
イムを持たせることができる。When the structure of the discharge tube is configured so that the internal pressure of the discharge tube is substantially equal to the internal pressure of the reaction tube according to the internal pressure of the reaction tube, the internal pressure of the reaction tube is discharged. Compared with a pressure that is different from the pressure inside the tube, the pressure inside the discharge tube can be adjusted more easily by the pressure inside the reaction tube, so there is no need to adjust the pressure inside the discharge tube independently. Therefore, by simply setting the pressure in the reaction tube to an appropriate value, the active species generated in the discharge tube can have a lifetime enough to reach the entire substrate of the reaction tube in the active state.
【００２０】そのような構造の放電管としては、出口穴
径の小さい放電管ではなく、管軸方向全長に亘って同径
で出口穴径の大きなストレート放電管がよい。ストレー
ト放電管の管内圧力は、その放電管が接続されている反
応管の管内圧力に従属し、その結果として反応管の管内
圧力とほぼ同等の圧力となる。As a discharge tube having such a structure, a straight discharge tube having the same diameter and a large outlet hole diameter over the entire length in the axial direction of the tube is preferable, instead of a discharge tube having a small outlet hole diameter. The internal pressure of the straight discharge tube depends on the internal pressure of the reaction tube to which the discharge tube is connected, and as a result, the internal pressure of the reaction tube becomes substantially equal to the internal pressure of the reaction tube.
【００２１】なお、第３の発明として、基板を処理する
反応管と、前記反応管にガスを供給するガス供給系と、
前記反応管を排気する排気系と、前記反応管と前記ガス
供給系との間に設けられ、前記ガスをプラズマにより励
起することにより活性種を生成する放電管とを備え、前
記放電管で発生した活性種の活性レベルが落ちる前に、
前記基板の全体に行き届く程度のガス流速となるよう
に、前記基板上における励起したガスの流速が調整され
ている基板処理装置としてもよい。As a third invention, a reaction tube for processing a substrate, a gas supply system for supplying a gas to the reaction tube,
An exhaust system for exhausting the reaction tube, and a discharge tube provided between the reaction tube and the gas supply system for generating active species by exciting the gas with plasma are generated in the discharge tube. Before the activity level of the
The substrate processing apparatus may be such that the flow rate of the excited gas on the substrate is adjusted so that the flow rate of the gas reaches the entire substrate.
【００２２】基板の全体に行き届く程度のガス流速とな
るように、基板上における励起したガスの流速が調整さ
れていると、放電管で発生した活性種の活性レベルが落
ちる前に、活性種を基板上に輸送することができるの
で、基板が面内で均一に処理される。If the flow rate of the excited gas on the substrate is adjusted so that the flow rate of the gas reaches the entire substrate, the active species are generated before the activity level of the active species generated in the discharge tube drops. Since it can be transported onto the substrate, the substrate is uniformly processed in the plane.
【００２３】ここで、制御的な要素によってガス流速を
調整するようにしても、あるいは構造的な要素によって
ガス流速を調整するようにしてもよい。Here, the gas flow rate may be adjusted by a control element, or the gas flow rate may be adjusted by a structural element.
【００２４】制御的な要素による場合は、例えば、他の
条件を同じとするのであれば、反応管内部の圧力を調整
するか、ガス供給量を調整するかすればよい。例えば、
ガス流速を速くするには、反応管内を低圧にするか、ガ
ス流量を増やすかすればよい。構造的な要素による場合
は、ガスの流路径を調整すればよい。例えば流速を速く
するには、流路を狭くすればよい。In the case of using a control element, for example, if the other conditions are the same, the pressure inside the reaction tube may be adjusted or the gas supply amount may be adjusted. For example,
In order to increase the gas flow rate, the pressure inside the reaction tube may be reduced or the gas flow rate may be increased. When using a structural element, the gas passage diameter may be adjusted. For example, to increase the flow velocity, the flow path may be narrowed.
【００２５】上記流速の最適範囲に加え、さらに放電管
の管内圧力が３３〜１３３０Ｐａの範囲にあることが好
ましい。流速により活性種の活性レベルが落ちてしまう
前に、活性種を基板領域へ運ぶようにするとともに、放
電管の管内圧力を３３〜１３３０Ｐａという比較的低い
圧力に設定することにより、活性種の寿命の長いものを
多く生成できるので、流速と圧力との相乗的効果が得ら
れ、基板処理の面内均一性が一層向上する。In addition to the above-mentioned optimum range of flow velocity, it is preferable that the internal pressure of the discharge tube is in the range of 33 to 1330 Pa. Before the active level of the active species drops due to the flow velocity, the active species are transported to the substrate region, and the pressure inside the discharge tube is set to a relatively low pressure of 33 to 1330 Pa, so that the life of the active species is reduced. Since a large number of long particles can be generated, a synergistic effect of the flow rate and the pressure can be obtained, and the in-plane uniformity of the substrate processing is further improved.
【００２６】また、第３の発明において、基板処理時の
反応管の管内圧力（以下、反応管の炉内圧力、または単
に炉内圧力という）を６７Ｐａ以下とすることが好まし
い。出口穴径の大きなストレート放電管ではなく、出口
穴径の小さい放電管を用いる場合、反応管の炉内圧力を
３３Ｐａ、６７Ｐａ、２００Ｐａと変えても、放電管の
管内圧力にはあまり変化がなく、いずれの場合も１３３
０Ｐａ程度の比較的高い圧力となり、ライフタイムの長
い活性種が生成されにくくなる。ところが、膜厚均一性
は炉内圧力が３３Ｐａ、６７Ｐａの場合は良好である
が、２００Ｐａの場合は不良となる。すなわち、生成さ
れた活性種のライフタイムが短くても、炉内圧力を６７
Ｐａ程度以下とすれば、活性種の活性レベルが落ちる前
に基板全体に行き届く程度のガス流速が得られる。In the third invention, it is preferable that the pressure inside the reaction tube during the substrate processing (hereinafter referred to as the pressure inside the reaction tube or simply the pressure inside the furnace) is 67 Pa or less. When a discharge tube with a small outlet hole diameter is used instead of a straight discharge tube with a large outlet hole diameter, even if the reactor internal pressure of the reaction tube is changed to 33 Pa, 67 Pa, or 200 Pa, the internal pressure of the discharge tube does not change much. , In either case 133
The pressure becomes relatively high, about 0 Pa, and it becomes difficult to generate active species having a long lifetime. However, the film thickness uniformity is good when the furnace pressure is 33 Pa and 67 Pa, but is poor when the furnace pressure is 200 Pa. That is, even if the lifetime of the generated active species is short,
When the pressure is about Pa or less, a gas flow velocity that reaches the entire substrate before the active level of the active species drops can be obtained.
【００２７】また、上述した発明の基板処理装置の原理
を用いて、基板を処理する基板処理方法を実施したり、
基板上に薄膜を形成する半導体装置の製造方法を実施す
ることができる。また、上述した基板処理装置におい
て、基板上に励起する必要のあるガスと、励起する必要
のないガスを１種類ずつ順番に繰り返し流し、表面反応
により基板を処理する基板処理装置としたり、あるいは
この基板処理装置の原理を用いて、基板を処理する基板
処理方法を実施したり、基板上に薄膜を形成する半導体
装置の製造方法を実施することができる。この場合にお
いて、励起する必要のあるガスはＮＨ3であり、励起す
る必要のないガスはＤＣＳであり、基板上に形成する薄
膜はＳｉ3Ｎ4膜である基板処理装置や基板処理方法、ま
たは半導体装置の製造方法である。Further, by using the principle of the substrate processing apparatus of the invention described above, a substrate processing method for processing a substrate is carried out,
A method of manufacturing a semiconductor device in which a thin film is formed on a substrate can be implemented. Further, in the above-described substrate processing apparatus, a gas that needs to be excited on the substrate and a gas that does not need to be excited are repeatedly flowed in sequence one by one, and a substrate processing apparatus that processes the substrate by surface reaction, or By using the principle of the substrate processing apparatus, it is possible to carry out a substrate processing method for processing a substrate or a semiconductor device manufacturing method for forming a thin film on a substrate. In this case, the gas that needs to be excited is NH3 , the gas that does not need to be excited is DCS, and the thin film to be formed on the substrate is a Si3 N4 film. It is a method of manufacturing a semiconductor device.
【００２８】[0028]
【発明の実施の形態】以下に本発明の基板処理装置の実
施の形態を説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the substrate processing apparatus of the present invention will be described below.
【００２９】図１を用いて第１の実施の形態を説明す
る。図１は、ＡＬＤを利用した枚葉式薄膜形成装置（以
下、単に枚葉式ＡＬＤ装置という）の概略構成図を示
す。枚葉式ＡＬＤ装置は、シリコンウェハなどの基板Ｗ
を処理する石英製の反応管１と、反応管１内にガスを供
給する２系統のガス供給系２，３と、反応管１内を排気
する排気系５と、反応管１と２系統のガス供給系２，３
のうちの１つのガス供給系３との間に設けられ、ガスを
プラズマにより励起することにより活性種を生成する石
英製の放電管４とを備えている。The first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a single-wafer type thin film forming apparatus using ALD (hereinafter, simply referred to as a single-wafer type ALD apparatus). The single-wafer ALD device is a substrate W such as a silicon wafer.
Reaction tube 1 made of quartz for treating the gas, two gas supply systems 2 and 3 for supplying gas into the reaction tube 1, an exhaust system 5 for exhausting the inside of the reaction tube 1, and a reaction tube 1 and two systems. Gas supply system 2, 3
And a discharge tube 4 made of quartz for generating active species by exciting the gas with plasma.
【００３０】前記２系統のうちの１つのガス供給系３に
は励起する必要のあるガス、例えばＮＨ3ガスを流す。
他のガス供給系２には励起する必要のないガス、例えば
ＤＣＳを流す。したがって、他のガス供給系２は放電管
４を介することなく反応管１に直結されている。A gas which needs to be excited, for example, an NH3 gas is flown into one of the gas supply systems 3 of the two systems.
A gas that does not need to be excited, for example, DCS, is supplied to the other gas supply system 2. Therefore, the other gas supply system 2 is directly connected to the reaction tube 1 without the discharge tube 4.
【００３１】放電管４には、図示しないが、その外周に
誘導コイルが巻回されて、その誘導コイルに高周波電力
を印加する。この印加により放電管４内を通過するガス
に高周波エネルギーを加えると、ガスはプラズマ化して
活性種が発生する。この活性種は放電管４から反応管１
内に運ばれる。前記排気系５は、反応管１のガス供給系
２，３とは反対側のガス下流側に設けられる。この排気
系５は排気ポンプ６に接続されて、反応管１内を真空排
気できるようになっている。Although not shown, the induction tube is wound around the discharge tube 4, and high frequency power is applied to the induction coil. When high frequency energy is applied to the gas passing through the discharge tube 4 by this application, the gas is turned into plasma and active species are generated. This active species is discharged from the discharge tube 4 to the reaction tube 1
Carried inside. The exhaust system 5 is provided on the gas downstream side of the reaction tube 1 opposite to the gas supply systems 2 and 3. The exhaust system 5 is connected to an exhaust pump 6 so that the inside of the reaction tube 1 can be evacuated.
【００３２】放電管４内のプラズマが生成される領域を
プラズマ生成領域８という。また反応管１内の基板Ｗが
載置される領域を基板領域７という。また、前記した放
電管４、誘導コイル、高周波電源などから、基板領域外
で反応性ガスをプラズマ励起して基板領域７内に供給す
るリモートプラズマユニットが構成される。A region in the discharge tube 4 where plasma is generated is called a plasma generation region 8. A region of the reaction tube 1 on which the substrate W is placed is referred to as a substrate region 7. Further, the above-mentioned discharge tube 4, induction coil, high-frequency power source, and the like constitute a remote plasma unit that plasma-excites the reactive gas outside the substrate region and supplies it into the substrate region 7.
【００３３】前記放電管４は、放電管４で生成した活性
種が、活性な状態のまま反応管１の基板領域にある基板
Ｗの全体に行き届く程度のライフタイムを有することと
なるように、放電管４の管内圧力が調整されているよう
な構造になっている。The discharge tube 4 has such a lifetime that the active species generated in the discharge tube 4 reach the entire substrate W in the substrate region of the reaction tube 1 in an active state. The structure is such that the internal pressure of the discharge tube 4 is adjusted.
【００３４】ここで、上記したような管内圧力に調整さ
れる放電管の構造について検討する。Here, the structure of the discharge tube adjusted to the above-mentioned tube internal pressure will be examined.
【００３５】（１）放電管の構造（図２）後述する実験結果から、長いライフタイムを有する活性
種を生成するためには、放電管の内部及び出口穴はなる
べく大きい面積を持ち、必要な量の原料ガスを流したと
きに、放電管の管内圧力が低い圧力のままで保たれるこ
とが好ましいと言える。そして、この放電管形状に関し
ては、P1=Q/C+P0<266Pa (1)ここでＰ1：放電管の管内圧力Ｃ：放電管のコンダクタンスＱ：ガス流量Ｐ0：反応管の炉内圧力となるコンダクタンスＣをもつ放電管であることが好ま
しいと言える。(1) Structure of discharge tube (FIG. 2) From the experimental results described later, in order to generate active species having a long lifetime, the inside and outlet holes of the discharge tube have as large an area as possible and are necessary. It can be said that it is preferable that the internal pressure of the discharge tube is maintained at a low pressure when a large amount of raw material gas is flowed. Regarding the shape of the discharge tube, P1 = Q / C + P0 <266Pa (1) where P1: discharge tube inner pressure C: discharge tube conductance Q: gas flow rate P0: reaction tube furnace pressure It can be said that the discharge tube having the conductance C is preferable.
【００３６】上記形状は次に述べる放電管の出口穴形状
を変えた実験の結果から得られた。実験に用いた放電管
４の構造は、図２に示すように２種類である。１つは図
２（ａ）に示すガス出口穴径の大きな放電管（以下、ス
トレート放電管という）Ａである。出口穴径約５０ｍｍ
の石英製の円筒４１で構成され、ガス入口穴４３もガス
出口穴４２も同じ直径で構成される。他の１つは図２
（ｂ）に示すようにガス出口穴径が小さい放電管（以
下、穴径小放電管という）Ｂである。直径約５０ｍｍの
石英製の第１の円筒部４４の先端に、直径２０ｍｍの石
英製の第２の円筒部４５が直交するようにＴ字形に接続
されている。第１の円筒部４４の基端は、ガスを供給す
るための供給口４７が開いている。第２の円筒部４５に
はガスの出口穴として直径２ｍｍ程度の穴４６が１１
個、軸方向に適宜間隔を開けて１列に設けられている。The above shape was obtained from the result of an experiment in which the outlet hole shape of the discharge tube was changed as described below. The structure of the discharge tube 4 used in the experiment is of two types as shown in FIG. One is a discharge tube A having a large gas outlet hole diameter (hereinafter referred to as a straight discharge tube) A shown in FIG. Outlet hole diameter about 50mm
And a gas inlet hole 43 and a gas outlet hole 42 have the same diameter. The other one is Figure 2
As shown in (b), this is a discharge tube B having a small gas outlet hole diameter (hereinafter referred to as small hole diameter discharge tube). A second cylindrical portion 45 made of quartz and having a diameter of 20 mm is connected in a T-shape so as to be orthogonal to the tip of the first cylindrical portion 44 made of quartz and having a diameter of about 50 mm. A supply port 47 for supplying gas is open at the base end of the first cylindrical portion 44. A hole 46 having a diameter of about 2 mm is formed in the second cylindrical portion 45 as a gas outlet hole.
Individually, they are provided in one row at appropriate intervals in the axial direction.
【００３７】上記ストレート放電管Ａ及び穴径小放電管
Ｂは共に、円筒４１ないし円筒部４４の周りに誘導コイ
ル４９が巻かれ、その巻かれた箇所に対応する円筒内部
がプラズマ生成領域８になる。In both the straight discharge tube A and the small hole diameter discharge tube B, an induction coil 49 is wound around the cylinder 41 or the cylindrical portion 44, and the inside of the cylinder corresponding to the wound portion is the plasma generation region 8. Become.
【００３８】このように出口穴径の異なる２種類の放電
管４を用いて、ＡＬＤ方式によりＤＣＳとＮＨ3（リモ
ートプラズマで励起する）を使用して、窒化膜（Ｓｉ3
Ｎ4膜）をシリコン基板上に成膜して評価した。評価で
用いた装置等の具体的な寸法は、例えば、次の通りであ
る。反応管内側の寸法縦：５４０ｍｍ横：２８０ｍｍ高さ：４０ｍｍ容積：１００４８ｃｃ基板の寸法：φ２００ｍｍ基板からプラズマ領域までの距離：５２０ｍｍ成膜工程は次のように行った。すなわち、図３に示すよ
うに、まず反応管１の炉内圧力を２００Ｐａに維持し
て、ＤＣＳを０．５ｓｌｍで３０秒間、反応管１内の基
板Ｗ上に供給する（ステップ３０１）。次に、反応管１
の雰囲気中のＤＣＳを取り除くために、Ｎ2パージ（５
秒）、真空引き（５秒）を行う（ステップ３０２）。こ
こで供給するガスをＤＣＳから、リモートプラズマによ
り励起したＮＨ3に切換える（ステップ３０３）。この
とき放電管の誘導コイルに高周波電力ＲＦ１．２ＫＷを
加えることにより２．０ｓｌｍ、３０秒間流すＮＨ3を
活性化して、反応管１内の基板Ｗに供給する。炉内圧力
は３３Ｐａ、６７Ｐａ、および２００Ｐａと３つのポイ
ントをとる。次に、雰囲気中のＮＨ3を取り除くため
に、Ｎ2パージ（５秒）、真空引き（５秒）等を行う
（ステップ３０４）。Thus, by using the two types of discharge tubes 4 having different outlet hole diameters, DCS and NH3 (excited by remote plasma) are used by the ALD method to form a nitride film (Si3
An N4 film) was formed on a silicon substrate and evaluated. Specific dimensions of the device and the like used in the evaluation are as follows, for example. Inner dimension of reaction tube Length: 540 mm Width: 280 mm Height: 40 mm Volume: 10048 cc Substrate size: φ200 mm Distance from substrate to plasma region: 520 mm The film forming process was performed as follows. That is, as shown in FIG. 3, first, the pressure in the reactor of the reaction tube 1 is maintained at 200 Pa, and DCS is supplied onto the substrate W in the reaction tube 1 for 30 seconds at 0.5 slm (step 301). Next, the reaction tube 1
N2 purge (5
Second) and vacuuming (5 seconds) is performed (step 302). The gas supplied here is switched from DCS to NH3 excited by remote plasma (step 303). At this time, high frequency power RF1.2KW is applied to the induction coil of the discharge tube to activate NH3 flowing for 2.0 seconds at 30 slm and supply it to the substrate W in the reaction tube 1. The furnace pressure has three points of 33 Pa, 67 Pa, and 200 Pa. Next, in order to remove NH3 in the atmosphere, N2 purge (5 seconds), evacuation (5 seconds), etc. are performed (step 304).
【００３９】ステップ３０１〜３０４を繰り返すことに
より、ＤＣＳとＮＨ3とを交互に基板Ｗ上に供給し、こ
れを数十サイクル（例えば、２０サイクル）行った。な
お、ＤＣＳ、ＮＨ3のいずれを先に供給してもよい。By repeating steps 301 to 304, DCS and NH3 were alternately supplied onto the substrate W, and this was performed for several tens of cycles (for example, 20 cycles). Either DCS or NH3 may be supplied first.
【００４０】（２）放電管形状による成膜結果の違い
（図４）図４は、２種類の放電管における炉内圧力に対する膜
厚、面内均一性を示す特性図である。上述したように炉
内圧力は、ＤＣＳ供給時は２００Ｐａとし、ＮＨ3供給
時は３３Ｐａ、６７Ｐａ、２００Ｐａと変化させてい
る。(2) Difference in film formation results depending on the shape of the discharge tube
(Figure 4)Figure 4 shows the film for the pressure in the furnace in two types of discharge tubes.
It is a characteristic view which shows thickness and in-plane uniformity. Furnace as described above
The internal pressure is 200 Pa when DCS is supplied, and NH3Supply
Time is changed to 33Pa, 67Pa, 200Pa
It
【００４１】図４から言えることは、平均膜厚について
は、ＮＨ3供給時の炉内圧力３３Ｐａ、６７Ｐａ、２０
０Ｐａのいずれにおいても、両放電管にあまり差はな
く、ともに２８オングストローム前後の膜厚を保持して
いる。It can be said from FIG. 4 that the average film thickness is 33 Pa, 67 Pa, 20 in the furnace pressure when NH3 is supplied.
At both 0 Pa, there is not much difference between the two discharge tubes, and both have a film thickness of about 28 Å.
【００４２】面内均一性については、ＮＨ3供給時の炉
内圧力が６７Ｐａ以下と低圧の場合は、両放電管とも膜
厚均一性は±３％以下と良好である。しかし、炉内圧力
が２００Ｐａのときは、コンダクタンスの大きいストレ
ート放電管Ａに対して、コンダクタンスの小さいＴ字形
の穴径小放電管Ｂを用いた場合、膜厚均一性が大きく悪
化している。Regarding the in-plane uniformity, when the pressure in the furnace at the time of NH3 supply is as low as 67 Pa or less, both discharge tubes have good film thickness uniformity of ± 3% or less. However, when the furnace pressure is 200 Pa, when the T-shaped small hole diameter discharge tube B having a small conductance is used in contrast to the straight discharge tube A having a large conductance, the film thickness uniformity is significantly deteriorated.
【００４３】以下、図４の特性を放電管の管内圧力の面
から考察する。The characteristics of FIG. 4 will be considered below in terms of the pressure inside the discharge tube.
【００４４】（放電管の管内圧力)（図５）ここで、ストレート放電管Ａと穴径小放電管Ｂでの、放
電管の管内圧力を比較する。コンダクタンスは、ストレ
ート放電管Ａの方は、図５に示す長い円筒の計算式C(20℃空気)＝1349*d4/L*(P0+P1)/2 (2)から求めることができる。穴径小放電管Ｂの方は、まず
短い円筒の計算式C(20℃空気)＝1349*d4/(L+0.029＊Q)*(P0+P1)/2 (3)から各穴のコンダクタンスを求め、つぎに（１）その短
円筒が並んでいること、（２）ストレート放電管Ａがそ
れらに直列に接続されていること、から求めることがで
きる。(Internal Pressure of Discharge Tube) (FIG. 5) Here, the internal pressures of the discharge tube of the straight discharge tube A and the discharge tube of small hole diameter B are compared. For the straight discharge tube A, the conductance can be obtained from the long cylinder calculation formula C (20 ° C. air) = 1349 * d4 / L * (P0 + P1) / 2 (2) shown in FIG. For the small-diameter discharge tube B, first use the calculation formula C (20 ℃ air) = 1349 * d4 /(L+0.029*Q)*(P0+P1)/2 (3) for a short cylinder for each hole. The conductance can be determined from (1) that the short cylinders are lined up, and (2) that the straight discharge tubes A are connected in series to them.
【００４５】流量と圧力とコンダクタンスの関係式Q=C*(P1-P0) (4)から放電管の管内圧力が求まる。Relational expression of flow rate, pressure and conductanceQ = C * (P1-P0) (4)The internal pressure of the discharge tube can be obtained from
【００４６】放電管の管内圧力がプラズマに与える影響
を、ＮＨ3をリモートプラズマで励起する場合を例に取
って調べてみた。リモートプラズマの放電の様子を、圧
力を上げながら放電管内を観察すると、低圧のときは明
るく光るが、ある圧力以上になると明るさが低下し、ぼ
んやりした光になる。これは放電管の管内圧力の違いに
より、生成される活性種が異なり、活性種の励起レベル
が異なること、生成される活性種の数が異なること、な
どが原因と推測される。このように目視でも、放電管の
管内圧力が変化すれば、プラズマの何らかの状態が変化
していることがわかっている。The influence of the pressure inside the discharge tube on the plasma was examined by taking the case of exciting NH3 by remote plasma as an example. When observing the inside of the discharge tube while increasing the pressure of the remote plasma discharge, it glows brightly when the pressure is low, but when the pressure exceeds a certain level, the brightness decreases and the light becomes dull. It is presumed that this is because the generated active species are different depending on the pressure inside the discharge tube, the excitation level of the active species is different, the number of generated active species is different, and the like. In this way, even visually, it is known that if the pressure inside the discharge tube changes, some state of the plasma changes.
【００４７】（穴径小放電管Ｂのケース）（図６〜図
９）穴径小放電管Ｂの管内圧力を計算すると、ＮＨ3２ｓｌ
ｍ、炉内圧力２００Ｐａの時は、管内圧力は１３３９Ｐ
ａとなる。一方、炉内圧力３３Ｐａの時は、管内圧力は
１３２５Ｐａとなり、管内圧力は炉内圧力にあまリ依存
しない（図６参照）。よって、穴径小放電管Ｂでは、炉
内圧力が３３Ｐａと２００Ｐａのどちらの場合でも、プ
ラズマ生成領域８では同程度の圧力条件になっていると
推測される。(Case of Small Hole Diameter Discharge Tube B) (FIGS. 6 to 9) The internal pressure of the small hole diameter discharge tube B is calculated as NH3 2sl.
m, when the furnace pressure is 200 Pa, the pipe pressure is 1339 P
a. On the other hand, when the furnace pressure is 33 Pa, the tube pressure is 1325 Pa, and the tube pressure does not depend on the furnace pressure (see FIG. 6). Therefore, in the small hole diameter discharge tube B, it is assumed that the plasma generation region 8 has the same pressure condition regardless of whether the furnace pressure is 33 Pa or 200 Pa.
【００４８】プラズマ生成領域８の圧力にほとんど違い
がないにも関わらず、つまりプラズマ生成領域の条件が
ほぼ同じにも関わらず、成膜結果が大きく異なるのは、
放電管の小さい出口穴４６からガスが反応管１内に入っ
た後の条件が異なるからであると考えられる。Although there is almost no difference in the pressure of the plasma generation region 8, that is, the conditions of the plasma generation region are almost the same, the film formation results are greatly different.
It is considered that this is because the conditions after the gas enters the reaction tube 1 through the small outlet hole 46 of the discharge tube are different.
【００４９】炉内圧力３３Ｐａと２００Ｐａの時の、ガ
ス流れ方向の反応管内位置に対する膜厚分布を図７と図
８とを比較すればわかるように、炉内圧力３３Ｐａでの
面内均一性が良いのは（図７参照）、反応管１内のガス
上流から下流に向かって膜厚が薄くなる率が小さいから
である。これに対して炉内圧力２００Ｐａでの面内均一
性が悪いのは（図８参照）、反応管１内のガス下流で急
激に薄くなる膜厚が原因である。As can be seen by comparing FIGS. 7 and 8 with the film thickness distribution with respect to the position in the reaction tube in the gas flow direction at the furnace pressures of 33 Pa and 200 Pa, the in-plane uniformity at the furnace pressure of 33 Pa is shown. What is good (see FIG. 7) is that the rate at which the film thickness decreases from the upstream side to the downstream side of the gas in the reaction tube 1 is small. On the other hand, the poor in-plane uniformity at the furnace pressure of 200 Pa (see FIG. 8) is due to the film thickness that rapidly becomes thinner downstream of the gas in the reaction tube 1.
【００５０】炉内圧力が３３Ｐａと２００Ｐａとではガ
ス流量が同じなら、ガス流速は３３Ｐａの方が速い。つ
まり、活性種は炉内圧力３３Ｐａの方が速く基板領域７
に到達できる。炉内圧力２００Ｐａでは流速が遅く、活
性種のライフタイムが下流領域まで到達できる時間ほど
には十分長くないため、膜が薄くなっていると考えられ
る。If the gas flow rate is the same when the furnace pressure is 33 Pa and 200 Pa, the gas flow rate is higher at 33 Pa. That is, the activated species are faster when the furnace pressure is 33 Pa,
Can be reached. At the furnace pressure of 200 Pa, the flow velocity is slow, and the lifetime of the active species is not long enough to reach the downstream region. Therefore, it is considered that the film is thin.
【００５１】穴径小放電管Ｂを用いた場合の、反応管の
炉内圧力３３Ｐａ、６７Ｐａ、２００Ｐａのときの基板
領域におけるガス流速と膜厚均一性の関係を示せば、図
９のようになる。膜厚均一性を±３％以下とするために
は、例えば、ＮＨ3：２ｓｌｍ、６７Ｐａのとき、基板
領域のガス流速を１０．８ｍ／ｓｅｃ以上とする必要が
ある。FIG. 9 shows the relationship between the gas flow velocity and the film thickness uniformity in the substrate region when the reactor internal pressure is 33 Pa, 67 Pa, and 200 Pa when the small hole diameter discharge tube B is used. Become. In order to make the film thickness uniformity ± 3% or less, for example, when NH3 : 2 slm and 67 Pa, the gas flow rate in the substrate region needs to be 10.8 m / sec or more.
【００５２】（ストレート放電管Ａのケース）（図１０
〜図１２）ストレート放電管Ａを使用した場合の管内圧力は、炉内
圧力２００Ｐａ時には２００．３Ｐａであり、炉内圧力
３３Ｐａ時には３５Ｐａである。ストレート放電管Ａは
内径５２ｍｍとコンダクタンスが大きいため、管内圧力
は炉内圧力に従い、炉内圧力と管内圧力とはほとんど同
じになり、穴径小放電管Ｂに比べて、プラズマ生成領域
８の圧力が低い。ストレート放電管Ａを用いた時は、穴
径小放電管Ｂを用いたときと比べて管内圧力は６分の１
以下である。(Case of straight discharge tube A) (FIG. 10)
(FIG. 12) The internal pressure when using the straight discharge tube A is 200.3 Pa when the internal pressure is 200 Pa, and is 35 Pa when the internal pressure is 33 Pa. Since the straight discharge tube A has a large inner diameter of 52 mm and a large conductance, the tube internal pressure follows the furnace internal pressure, and the furnace internal pressure and the tube internal pressure are almost the same, and the pressure in the plasma generation region 8 is smaller than that of the small hole diameter discharge tube B. Is low. When using the straight discharge tube A, the internal pressure is 1/6 of that when using the small discharge tube B.
It is the following.
【００５３】ストレート放電管Ａの場合、炉内圧力２０
０Ｐａは３３Ｐａに比べ、流速が遅いことは穴径小放電
管Ｂの場合と同様であるが、炉内圧力２００Ｐａも３３
Ｐａも膜厚、均一性に大きな違いはない。このことは、
２００Ｐａの条件でも活性種は成膜に寄与できる活性な
状態で基板に到達していることを意味する。ストレート
放電管Ａのケースが、穴径小放電管Ｂのケースと大きく
違う点は、プラズマ生成領域８の圧力が低いという点で
ある。両ケースを合わせて考えると、低圧条件で発生さ
せた活性種の方が、ライフタイムが長いと言える。In the case of the straight discharge tube A, the pressure inside the furnace is 20
The flow velocity of 0 Pa is slower than that of 33 Pa, which is the same as in the case of the discharge tube B with a small hole diameter.
Pa also has no significant difference in film thickness and uniformity. This is
It means that the active species reach the substrate in an active state that can contribute to film formation even under the condition of 200 Pa. The case of the straight discharge tube A is greatly different from the case of the small hole discharge tube B in that the pressure in the plasma generation region 8 is low. Considering both cases together, it can be said that the active species generated under low pressure conditions have a longer lifetime.
【００５４】このようにコンダクタンスの大きいストレ
ート放電管Ａを用いると、容易に低圧条件で活性種を発
生できることがわかる。それではストレート放電管Ａを
用いて高圧条件で活性種を発生させるとどうなるか。こ
の点も実験したので次に説明する。It can be seen that the use of the straight discharge tube A having a large conductance makes it possible to easily generate active species under a low pressure condition. Then, what happens when an active species is generated under a high pressure condition using a straight discharge tube A? Since this point was also tested, it will be described below.
【００５５】（ストレート放電管で高圧の実験結果）
（図１１〜図１２）ＡＬＤ方式での成膜におけるＮＨ3の圧力依存データを
見ると、炉内圧力が高圧の２６６Ｐａ以上では膜厚均一
性の低下が見られる。図１１は、その２６６Ｐａ以上の
圧力範囲における一例で、９３１Ｐａ時におけるガス流
れ方向の反応管内位置に対する膜厚分布特性を示す。膜
厚は上流が厚く、下流になるに従い、急激に薄くなって
いる。これは成膜に寄与する成分が、上流では、まだあ
る程度存在しているが、下流にまで行き渡っていないこ
とを示している。コンダクタンスの大きいストレート放
電管Ａでも管内圧力を上げれば膜厚面内均一性が保てな
いことがわかる。(Experimental results of high voltage with straight discharge tube)
(FIGS. 11 to 12) When looking at the pressure dependent data of NH3 in the film formation by the ALD method, when the pressure inside the furnace is high pressure of 266 Pa or higher, the film thickness uniformity is deteriorated. FIG. 11 is an example in the pressure range of 266 Pa or more, and shows the film thickness distribution characteristics with respect to the position in the reaction tube in the gas flow direction at 931 Pa. The film thickness is thicker in the upstream and becomes thinner rapidly in the downstream. This indicates that the components that contribute to film formation still exist to some extent upstream, but do not reach downstream. It can be seen that even in the straight discharge tube A having a large conductance, the in-plane uniformity of the film thickness cannot be maintained if the tube pressure is increased.
【００５６】ストレート放電管Ａの場合、ガス吹出口穴
のコンダクタンスが大きいので、プラズマ生成領域８の
圧力も炉内圧力と同じほぼ９３１Ｐａである。この結果
からも、高圧条件下のプラズマでは、成膜に適した活性
種ができていない（ライフタイムの長い活性種が少な
い）ことに加え、ガス流速が遅いため、活性なまま基板
領域に届かないことが推測される。すなわち、ガス流速
が遅いので基板領域到達まで時間がかかり、途中で活性
でなくなってしまう。In the case of the straight discharge tube A, since the conductance of the gas outlet hole is large, the pressure in the plasma generation region 8 is approximately 931 Pa, which is the same as the pressure in the furnace. These results also indicate that plasma under high-pressure conditions does not produce active species suitable for film formation (there are few active species with a long lifetime), and since the gas flow rate is slow, it can reach the substrate area while remaining active. It is speculated that it is not. That is, since the gas flow velocity is slow, it takes a long time to reach the substrate region and becomes inactive halfway.
【００５７】ストレート放電管Ａを用いた場合の、反応
管の炉内圧力３３Ｐａ、６７Ｐａ、２００Ｐａ，２６６
Ｐａのときの放電管の管内圧力と膜厚均一性の関係を示
せば、図１２のようになる。炉内圧力が３３Ｐａ、６７
Ｐａ、２００Ｐａ、２６６Ｐａのとき、膜厚均一性は、
それぞれ０．４％、２．０％、１．４％、５７．８％と
なった。従って、膜厚均一性を±３％以下とするために
は、放電管の管内圧力を少なくとも２００Ｐａ以下とす
る必要がある。Furnace pressure of the reaction tube in the case of using the straight discharge tube A 33 Pa, 67 Pa, 200 Pa, 266
The relationship between the internal pressure of the discharge tube and the film thickness uniformity when Pa is shown in FIG. Furnace pressure is 33 Pa, 67
When Pa, 200 Pa, 266 Pa, the film thickness uniformity is
It became 0.4%, 2.0%, 1.4%, and 57.8%, respectively. Therefore, in order to make the film thickness uniformity ± 3% or less, the internal pressure of the discharge tube needs to be at least 200 Pa or less.
【００５８】（まとめ）図４の特性を上述したように考
察することよって、次のような結論を得ることができ
る。すなわち、ＮＨ3の活性種をプラズマを利用して発
生させ、その活性種を活性な状態のまま、プラズマ発生
領域８から、これとは離れた基板領域７に運ぶには、次
の放電管特性を満たすことが有効である。(Summary) By considering the characteristics of FIG. 4 as described above, the following conclusion can be obtained. That is, in order to generate active species of NH3 using plasma and to carry the active species in the active state from the plasma generation region 8 to the substrate region 7 apart from this, the following discharge tube characteristics are used. It is effective to satisfy.
【００５９】（１）放電管の管内圧力を低圧にしてプラ
ズマを発生させること活性種の寿命の長いものが多く生成されるためである。
そのためには、放電管のコンダクタンスが大きいと有利
である（式（４）から、Ｑ一定ならＣが大きい方がＰ1
とＰ0の差が小さくなるからである）。(1) The plasma pressure is generated by lowering the internal pressure of the discharge tube so that many active species having a long life are generated.
For that purpose, it is advantageous if the conductance of the discharge tube is large (from equation (4), if Q is constant, the larger C is P1.
(Because the difference between P0 and P0 is small).
【００６０】（２）コンダクタンスが小さい放電管を用
いる場合でも、基板領域でのガス流速を速くすると良い
こと基板領域でのガス流速を速くすることにより、活性種の
活性レベルが落ちてしまう前に活性種を基板領域へ運ぶ
ことができるからである。ガス流速を速くするには、他
の条件が同じなら、反応管の炉内圧力を低圧にする、ガ
ス流量を増やす、あるいは流路を狭くする、といった方
法がある。(2) Even if a discharge tube having a small conductance is used, it is preferable to increase the gas flow velocity in the substrate region. By increasing the gas flow velocity in the substrate region, the active level of the active species is reduced before it drops. This is because the active species can be carried to the substrate area. In order to increase the gas flow rate, if the other conditions are the same, there is a method of lowering the pressure inside the reactor of the reactor, increasing the gas flow rate, or narrowing the flow path.
【００６１】以上述べたように、放電管のコンダクタン
スが大きい方がライフタイムの長い活性種生成に有効で
あることがわかり、それを枚葉式ＡＬＤ装置では容易に
実現できることがわかった。As described above, it has been found that the larger the conductance of the discharge tube is, the more effective the generation of active species having a long life time, and that it can be easily realized by the single-wafer ALD apparatus.
【００６２】ところで、放電管のコンダクタンスが大き
い方がライフタイムの長い活性種生成に有効であるにも
かかわらず、放電管と連通する最終的なガス出口穴のコ
ンダクタンスを小さくしなければならない状況が考えら
れる。By the way, there is a situation in which the conductance of the final gas outlet hole communicating with the discharge tube must be made small, although the larger conductance of the discharge tube is more effective for the generation of active species having a longer lifetime. Conceivable.
【００６３】例えば、数十枚以上の基板を一度に処理す
るバッチ式縦型薄膜形成装置で、ガスを上流の基板から
下流の基板まで均一に供給したい時は、途中のガスの出
口穴を小さくして、途中で圧力低下が少なく、上流でも
下流でも同様にガスが吹き出してくれる構造を用いざる
を得なくなる。この場合はガス出口穴のコンダクタンス
が小さくなってしまう。しかし、この場合でも、ガス流
速を速めることで対応できる。For example, in a batch type vertical thin film forming apparatus for processing several tens or more substrates at a time, when it is desired to uniformly supply gas from an upstream substrate to a downstream substrate, the gas outlet hole in the middle should be small. Then, there is no choice but to use a structure in which the pressure drop is small on the way and the gas is similarly blown out at both the upstream side and the downstream side. In this case, the conductance of the gas outlet hole becomes small. However, even in this case, it can be dealt with by increasing the gas flow rate.
【００６４】次に、この対応策を施した第２の実施の形
態を説明する。Next, a second embodiment having this countermeasure will be described.
【００６５】図１３にＡＬＤを利用したバッチ式縦型薄
膜形成装置（以下、単に縦型ＡＬＤ装置という）の概略
構成図を示す。ヒータ１１の内側に反応管１２が設けら
れる。反応管２は炉口フランジ１３上に立設される。炉
口フランジ１３の下端はシールキャップ１４により気密
に閉塞され、シールキャップ１４にボート１５が立設さ
れて反応管１２内に挿入される。ボート１５にはバッチ
処理される基板Ｗが水平姿勢で管軸方向に多段に多数枚
積載される。FIG. 13 is a schematic block diagram of a batch type vertical thin film forming apparatus utilizing ALD (hereinafter, simply referred to as vertical type ALD apparatus). A reaction tube 12 is provided inside the heater 11. The reaction tube 2 is erected on the furnace port flange 13. The lower end of the furnace port flange 13 is hermetically closed by a seal cap 14, and a boat 15 is erected on the seal cap 14 and inserted into the reaction tube 12. A large number of substrates W to be batch processed are stacked on the boat 15 in a horizontal posture in multiple stages in the tube axis direction.
【００６６】前記炉口フランジ１３の一側に、ガス供給
系１８がリモートプラズマユニット１７を介して接続さ
れており、他側に排気系２０が設けられる。図には明記
していないが、ガス供給系１８を通して反応管１２内の
複数の基板Ｗに供給されるガスには、プラズマ励起する
ことにより活性種として供給するガスと、プラズマによ
り励起しないで供給するガスとの２種類がある。A gas supply system 18 is connected to one side of the furnace port flange 13 via a remote plasma unit 17, and an exhaust system 20 is provided on the other side. Although not shown in the drawing, the gas supplied to the plurality of substrates W in the reaction tube 12 through the gas supply system 18 is supplied as an active species by plasma excitation and is supplied without being excited by plasma. There are two types of gas.
【００６７】リモートプラズマユニット１７は、反応管
１２内にボート１５に沿って立設されたノズル２１に接
続される。このノズル２１には、多段に積載された多数
枚の各基板と対向するように多数の出口穴２４がノズル
軸方向に沿って設けられる。出口穴２４はガス上流の基
板Ｗからガス下流の基板Ｗまで励起されたガスを均一に
供給するために、出口穴径を小さくすることにより圧力
低下を少なくし、上流でも下流でも均等にガスが吹き出
す構造とする。The remote plasma unit 17 is connected to a nozzle 21 provided upright along the boat 15 in the reaction tube 12. The nozzle 21 is provided with a large number of outlet holes 24 along the nozzle axial direction so as to face the large number of substrates stacked in multiple stages. In order to uniformly supply the excited gas from the substrate W on the gas upstream side to the substrate W on the gas downstream side, the outlet hole 24 reduces the pressure drop by reducing the diameter of the outlet hole, and the gas is evenly distributed upstream and downstream. The structure is to blow out.
【００６８】ここで用いた装置等の具体的な寸法は、例
えば、次の通りである。反応管内側の寸法内径：φ２４０〜３００ｍｍ高さ：１３００ｍｍ容積：５８８００〜９２０００ｃｃ基板の寸法：φ２００ｍｍノズルから基板までの距離：１０〜３０ｍｍ成膜は次のように行う。ボートエレベータ１６でシール
キャップ１４を介してボート１５を下降させ、ボート１
５に基板Ｗを積載し、ボートエレベータ１６よりボート
１５を反応管１２内に挿入する。シールキャップ１４が
炉口フランジ１３下端を完全に密閉した後、反応管１２
内を排気する。Specific dimensions of the device and the like used here are as follows, for example. Inner dimensions of reaction tube Inner diameter: φ240 to 300 mm Height: 1300 mm Volume: 58800 to 92000 cc Substrate dimension: φ200 mm Distance from nozzle to substrate: 10 to 30 mm Film formation is performed as follows. The boat 15 is lowered by the boat elevator 16 via the seal cap 14,
The substrate W is loaded on the board 5, and the boat 15 is inserted into the reaction tube 12 from the boat elevator 16. After the seal cap 14 completely seals the lower end of the furnace port flange 13, the reaction tube 12
Exhaust the inside.
【００６９】反応管１２内を所定温度に加熱し、リモー
トプラズマユニット１７を介してプラズマにより励起し
たガスと、プラズマにより励起しないでガスとを交互に
ノズル２１から供給して、基板Ｗ表面に成膜する。リモ
ートプラズマユニット１７を介して励起したガスの基板
領域におけるガス流速は例えば反応管内の圧力を低圧に
することで速めると、ノズルの出口穴２４でのコンダク
タンスが小さくても、基板領域でのガス流速が速くな
り、活性種の活性レベルが落ちてしまう前に活性種を基
板領域へ運ぶことができる。成膜完了後前記ガス供給系
１８から不活性ガスを導入し、反応管１２内を不活性ガ
スに置換して常圧に復帰させ、ボート１５を下降させ、
ボート１５から成膜完了後の基板Ｗを払い出す。The inside of the reaction tube 12 is heated to a predetermined temperature, and the gas excited by the plasma through the remote plasma unit 17 and the gas not excited by the plasma are alternately supplied from the nozzle 21 to form on the surface of the substrate W. To film. If the gas flow velocity of the gas excited through the remote plasma unit 17 in the substrate region is increased by lowering the pressure in the reaction tube, for example, even if the conductance at the outlet hole 24 of the nozzle is small, the gas flow velocity in the substrate region is small. The active species can be transported to the substrate area before the active species are depleted. After the film formation is completed, an inert gas is introduced from the gas supply system 18, the inside of the reaction tube 12 is replaced with the inert gas to return to normal pressure, and the boat 15 is lowered.
The substrate W after the film formation is completed is discharged from the boat 15.
【００７０】上述したように第２の実施の形態によれ
ば、プラズマによって励起される活性種を反応管１２内
に供給するときは、ガス流速を速めて活性種を基板領域
に輸送するようにしている。従って、励起が必要なガス
種が、励起されたまま基板領域に輸送され、基板上の吸
着や反応を有効に行うことができる。その結果、出口穴
のコンダクタンスを小さくせざるをえない縦型ＡＬＤ装
置であっても、基板上の膜厚面内均一性を良好にするこ
とができる。As described above, according to the second embodiment, when the active species excited by the plasma are supplied into the reaction tube 12, the gas flow velocity is increased to transport the active species to the substrate region. ing. Therefore, the gas species that need to be excited can be transported to the substrate region while being excited, and adsorption and reaction on the substrate can be effectively performed. As a result, even in the vertical ALD device in which the conductance of the exit hole must be reduced, the in-plane uniformity of the film thickness on the substrate can be improved.
【００７１】なお、第２の実施例では、ノズルを通常の
ノズル配管で構成したが、ノズルを偏平にして反応管内
壁に沿わせることで、比較的広いノズル空間を有する配
管として構成してもよい。ノズル２１内部に比較的広い
ノズル空間を持たせると、リモートプラズマユニット１
７を構成する放電管によりガスを励起した際に発生する
活性種が、壁にぶつかる率が低下し、また、放電管内の
プラズマ生成領域付近の圧力を低く保てる。これによ
り、発生した活性種のライフタイムを十分に確保して、
より多くの活性種を励起されたまま基板領域に輸送でき
るようになる。In the second embodiment, the nozzle is constituted by a normal nozzle pipe, but it may be constituted by a pipe having a relatively wide nozzle space by flattening the nozzle along the inner wall of the reaction tube. Good. If a relatively wide nozzle space is provided inside the nozzle 21, the remote plasma unit 1
The active species generated when the gas is excited by the discharge tube constituting No. 7 collides with the wall at a lower rate, and the pressure near the plasma generation region in the discharge tube can be kept low. This ensures a sufficient lifetime of the generated active species,
It becomes possible to transport more active species to the substrate region while being excited.
【００７２】上述した第１及び第２の実施の形態では、
主に放電管の管内圧力を構造面から調整する場合につい
て説明した。ここでは、ガス供給系又は排気系の制御に
よって放電管の管内圧力を調整する場合の第３の実施の
形態について説明する図１４は、そのような枚葉式ＡＬ
Ｄ装置の概略構成図を示す。枚葉式ＡＬＤ装置は、基板
Ｗを処理する反応管１と、反応管１の内部にガスを供給
する２系統のガス供給系２、３と、反応管１の内部を排
気する排気系５と、排気系５に設けられた排気ポンプ６
と、反応管１と２系統のうちの一方のガス供給系３との
間に設けられ、プラズマによりガスを励起することによ
り活性種を生成する放電管４とを備える。ここで放電管
４は任意の形状または構造のものでよい。また、ここま
での構造は図１と同じである。In the first and second embodiments described above,
The case of adjusting the internal pressure of the discharge tube from the structural aspect has been mainly described. Here, FIG. 14 for explaining the third embodiment in which the pressure inside the discharge tube is adjusted by controlling the gas supply system or the exhaust system is shown in FIG.
The schematic block diagram of a D apparatus is shown. The single-wafer ALD apparatus includes a reaction tube 1 for processing a substrate W, two gas supply systems 2 and 3 for supplying gas into the reaction tube 1, and an exhaust system 5 for exhausting the inside of the reaction tube 1. , An exhaust pump 6 provided in the exhaust system 5
And a discharge tube 4 that is provided between the reaction tube 1 and one of the two gas supply systems 3 and that generates active species by exciting the gas with plasma. Here, the discharge tube 4 may have any shape or structure. The structure up to this point is the same as in FIG.
【００７３】さらに放電管４の管内圧力を調整する圧力
制御弁５３と、放電管４の管内圧力を検出する圧力検出
器５２と、反応管１の圧力を検出する圧力センサ５１
と、圧力制御弁５３及び排気ポンプ６を制御する制御手
段５０とを備える。制御手段５０は、基板Ｗを処理する
時、圧力検出器５２で検出された放電管４の圧力、又は
圧力センサ５１で検出された反応管１の圧力を、放電管
４で生成した活性種が活性な状態のまま反応管１の基板
の全体に行き届く程度のライフタイムを有することとな
る圧力となるように、圧力制御手段５０を制御する。Further, a pressure control valve 53 for adjusting the internal pressure of the discharge tube 4, a pressure detector 52 for detecting the internal pressure of the discharge tube 4, and a pressure sensor 51 for detecting the pressure of the reaction tube 1.
And a control means 50 for controlling the pressure control valve 53 and the exhaust pump 6. When the substrate W is processed, the control unit 50 changes the pressure of the discharge tube 4 detected by the pressure detector 52 or the pressure of the reaction tube 1 detected by the pressure sensor 51 to the active species generated in the discharge tube 4. The pressure control means 50 is controlled so that the pressure is such that the lifetime of the reaction tube 1 reaches the entire substrate in the active state.
【００７４】このように第３の実施の形態によれば、放
電管の構造に依拠することなく、放電管４の管内圧力は
圧力制御手段５０により調整されて、放電管４の内部で
発生した活性種は活性な状態のまま反応管１の内部の基
板Ｗの全体に行き届く程度のライフタイムを有すること
となる。その結果、放電管を選ばなくても、活性種が活
性な状態のまま基板に運ばれるので、基板が面内で均一
に処理される。As described above, according to the third embodiment, the internal pressure of the discharge tube 4 is adjusted by the pressure control means 50 and generated inside the discharge tube 4 without depending on the structure of the discharge tube. The active species has a lifetime enough to reach the entire substrate W inside the reaction tube 1 in the active state. As a result, even if the discharge tube is not selected, the active species are carried to the substrate in an active state, so that the substrate is uniformly processed in the plane.
【００７５】[0075]
【発明の効果】本発明によれば、基板処理に寄与する活
性種を、活性状態を失う前に基板に到達させることがで
きるので、基板面内を均一に処理できる。According to the present invention, the active species that contribute to the substrate processing can reach the substrate before the active state is lost, so that the surface of the substrate can be uniformly processed.
【図１】第１の実施の形態による枚葉式ＡＬＤ装置の概
略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a single-wafer ALD apparatus according to a first embodiment.
【図２】第１の実施の形態に関連する実験に用いた２種
類の放電管の構造を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the structure of two types of discharge tubes used in an experiment related to the first embodiment.
【図３】第１の実施の形態によるＡＬＤを利用した成膜
工程の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a film forming process using ALD according to the first embodiment.
【図４】第１の実施の形態による放電管形状の種類によ
る成膜結果の違いを示す膜特性図である。FIG. 4 is a film characteristic diagram showing a difference in film formation result depending on types of discharge tube shapes according to the first embodiment.
【図５】第１の実施の形態に関連する円筒のコンダクタ
ンスの計算例を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a calculation example of the conductance of a cylinder related to the first embodiment.
【図６】第１の実施の形態による穴径小放電管の場合の
データを示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing data in the case of a small hole diameter discharge tube according to the first embodiment.
【図７】第１の実施の形態による穴径小放電管の場合の
反応管位置に対する膜厚分布特性図である。FIG. 7 is a film thickness distribution characteristic diagram with respect to a reaction tube position in the case of the small hole discharge tube according to the first embodiment.
【図８】第１の実施の形態による穴径小放電管の場合の
反応管位置に対する膜厚分布特性図である。FIG. 8 is a film thickness distribution characteristic diagram with respect to a reaction tube position in the case of the small hole diameter discharge tube according to the first embodiment.
【図９】第１の実施の形態による穴径小放電管の場合の
基板領域のガス流速に対する膜厚均一性を示す特性図で
ある。FIG. 9 is a characteristic diagram showing the film thickness uniformity with respect to the gas flow velocity in the substrate region in the case of the small hole discharge tube according to the first embodiment.
【図１０】第１の実施の形態によるストレート放電管の
場合のデータを示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing data in the case of a straight discharge tube according to the first embodiment.
【図１１】第１の実施の形態によるストレート放電管の
場合の反応管位置に対する膜厚分布特性図である。FIG. 11 is a film thickness distribution characteristic diagram with respect to a reaction tube position in the case of the straight discharge tube according to the first embodiment.
【図１２】第１の実施の形態によるストレート放電管の
場合の放電管の管内圧力に対する膜厚均一性を示す特性
図である。FIG. 12 is a characteristic diagram showing the film thickness uniformity with respect to the internal pressure of the discharge tube in the case of the straight discharge tube according to the first embodiment.
【図１３】第２の実施の形態による縦型ＡＬＤ装置の概
略構成図である。FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a vertical ALD device according to a second embodiment.
【図１４】第３の実施の形態による枚葉式ＡＬＤ装置の
概略構成図である。FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a single-wafer ALD device according to a third embodiment.
１ 反応管３ ガス供給系４ 放電管５ 排気系Ｗ 基板1 reaction tube3 gas supply system4 discharge tubes5 exhaust systemW board
─────────────────────────────────────────────────────フロントページの続き (72)発明者 嶋 信人 東京都中野区東中野三丁目14番20号 株式 会社日立国際電気内(72)発明者 孟 暘 東京都中野区東中野三丁目14番20号 株式 会社日立国際電気内Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA13 BA40 CA04 EA01 FA01 JA09 KA04 LA15 5F045 AA15 AB33 AC05 AC12 AF03 BB02 DP04 DP19 DQ05 DQ06 EE19 EH18 GB06 ─────────────────────────────────────────────────── ───Continued front page (72) Inventor Nobuto Shima 3-14-20 Higashi-Nakano, Nakano-ku, Tokyo Stocks Hitachi Kokusai Electric Co., Ltd.(72) Inventor Meng Xiao 3-14-20 Higashi-Nakano, Nakano-ku, Tokyo Stocks Hitachi Kokusai Electric Co., Ltd.F-term (reference) 4K030 AA06 AA13 BA40 CA04 EA01 FA01 JA09 KA04 LA15 5F045 AA15 AB33 AC05 AC12 AF03 BB02 DP04 DP19 DQ05 DQ06 EE19 EH18 GB06
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