JP2016040402A

JP2016040402A - 原料ガス供給装置

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Publication number: JP2016040402A
Application number: JP2014164481A
Authority: JP
Inventors: 政幸諸井; Masayuki Moroi
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-03-24
Also published as: US20160047047A1; CN106191813B; US9725808B2; KR101754479B1; KR20160021717A; CN106191813A; TW201623675A

Abstract

【課題】固体または液体である原料を気化したガスを含む原料ガスを成膜処理部に供給するにあたり、原料ガスに含まれる原料の気化流量を正確に調節すること。【解決手段】原料を収容した原料容器３にキャリアガスを供給し、気化した原料を含む原料ガスを希釈ガスと共に、原料の成膜処理部２に断続的に供給する。原料ガスの流量Ｍ１をマスフローメータ７に測定し、この流量測定値を原料ガスの供給期間にて積分した積分値から、マスフローメータ７を流れるキャリアガスの流量測定値Ｃ１を前記供給期間にて積分した積分値を差し引いて原料の気化量Ａを求める。取得した気化量Ａと、原料の気化量Ａの設定値との偏差分を求め、原料の気化量Ａを設定値に維持するために、キャリアガスの流量設定値Ｃ１に前記偏差分を補正値として加算する。またキャリアガスと希釈ガスとの総流量の一定化を図るために希釈ガスの流量設定値Ｃ２から前記偏差分を差し引く。【選択図】図２

Description

本発明は、キャリアガス中に原料を気化させて成膜処理部に供給される原料ガス中の原料の気化流量を調節する技術に関する。

半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）などの基板に対して成膜を行う手法の一つとして、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法が知られている。この手法は、ウエハの表面に原料ガスの原子層や分子層を吸着させた後、この原料ガスを酸化、還元する反応ガスを供給して反応生成物を生成し、この反応生成物の層を堆積させるものである。この処理は、真空雰囲気が形成される処理容器にウエハを収容し、バルブを開閉制御して原料ガスと反応ガスとを処理容器に交互に断続的に供給することにより行われる。

原料としては固体や液体のものが用いられ、この原料を収容した原料容器を加熱し、原料を気化させて原料の気体を得る。そして前記原料容器内にキャリアガスを供給して、このキャリアガスにより原料が処理容器に供給される。このように原料ガスは、キャリアガスと気体の原料とが混合したものであり、ウエハに成膜された膜の厚さや膜質などを制御するにあたっては、原料の気化量（原料ガス中に含まれる原料の流量）を正確に調節する必要がある。

しかしながら原料容器内における原料の気化量は、原料の充填量により変化し、原料が固体である場合には原料容器内における原料の偏りやグレインサイズの変化等によっても変化する。また原料が固体である場合には、原料が昇華（本願明細書では「気化」として取り扱う）するときに熱が奪われて原料容器内の温度が低下するが、固体原料では原料容器内において対流が起こらないため、原料容器内に温度分布の偏りが生じやすい。このため原料の気化量が不安定となりやすい。

特許文献１には、気化した原料とキャリアガスとの混合気体である混合ガス（特許文献１中では、気化した原料を「原料ガス」としている）中の原料濃度を濃度計により測定し、原料ガスとキャリアガスと希釈ガス（キャリアガスと希釈ガスとは同一成分）の合計流量を一定化する技術が記載されている。また特許文献２には、キャリアガスを液体原料蒸発部に対して送入すると共に、系内にバッファガスを導入するにあたり、前記系内における非蒸発ガスの全質量流量を検出して、前記全質量流量が一定値になるように制御する技術が記載されている。

しかしながらＡＬＤ法では気化した原料を含むガスが断続的に供給され、その供給時間が極めて短いため、特許文献１のような濃度計では原料濃度を正確に検出することができない。また原料を含むガスの供給のタイミングは供給路のバルブの開閉により制御されるが、特許文献２のように質量流量を測定する場合には、ガスの供給時間が短時間であることから、流量値が不安定となる。このため結果として原料の気化量を設定値にコントロールすることが困難である。

特開２００６−２２２１３３号公報：段落００３６特開平５−３０５２２８号公報：段落００１５〜段落００１８

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、固体または液体である原料を気化したガスを含む原料ガスを成膜処理部に供給するにあたり、原料ガスに含まれる原料の気化流量を正確に調節することが可能な技術を提供することにある。

このため本発明の原料ガス供給装置は、固体または液体である原料を収容した原料容器にキャリアガス供給路を介して不活性ガスであるキャリアガスを供給し、気化した原料を含む原料ガスを原料の成膜処理部に供給期間、休止期間を交互に繰り返して断続的に供給する原料ガス供給装置において、
前記キャリアガス供給路に設けられ、キャリアガス流量設定値に基づいてキャリアガスの流量を調節するキャリアガス用のマスフローコントローラと、
前記原料容器の出口側の原料ガス供給路に設けられ、原料ガスの流量を測定する流量測定部と、
不活性ガスである希釈ガスを前記原料ガスに混合するために前記原料容器の出口側よりも下流側に接続され、希釈ガス流量設定値に基づいて希釈ガスの流量を調節する希釈ガス用のマスフローコントローラが設けられた希釈ガス供給路と、
前記流量測定部における流量測定値を原料ガスの供給期間にて積分した積分値から、前記流量測定部を流れる不活性ガスの流量測定値を前記供給期間にて積分した積分値を差し引いて求めた原料の気化量と、原料の気化量の設定値と、の偏差分を求め、原料の気化量を設定値に維持するために前記キャリアガス流量設定値に前記偏差分を補正値として加算すると共に、キャリアガスと希釈ガスとの総流量の一定化を図るために前記希釈ガス流量設定値から前記偏差分を差し引く演算処理部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、キャリアガスと気体の原料よりなる原料ガスに希釈ガスを混合させて成膜処理部に供給するにあたり、原料ガスの流量からキャリアガスの流量を差し引いて求めた原料の気化量に基づいて、キャリアガスの流量をコントロールしている。原料の気化量は、流量測定部における流量測定値を原料ガスの供給期間にて積分した積分値から、流量測定部を流れるキャリアガスの流量の流量測定値を前記供給期間にて積分した積分値を差し引いて求めているので、原料の気化量を高い精度で取得することができる。また取得した原料の気化量に基づいて、原料の気化量を設定値に維持するために、キャリアガスの流量を制御すると共に、キャリアガスと希釈ガスとの総流量の一定化を図るために希釈ガスの流量を制御している。このため、原料の気化量が安定すると共に、不活性ガスの総流量の変動を抑えることができ、原料ガスに含まれる原料の気化流量を正確に調節することができる。

本発明の原料ガス供給装置を適用した成膜装置の第１の実施の形態を示す全体構成図である。成膜装置に設けられている制御部の構成図である。バルブの開閉、原料ガスの流量、キャリアガスの流量及び補正値の時間変化を示すタイムチャートである。原料ガス、キャリアガス及び希釈ガスの流量制御を説明するための模式図である。本発明の原料ガス供給装置を適用した成膜装置の他の例を示す全体構成図である。本発明の原料ガス供給装置を適用した成膜装置の第２の実施の形態を示す全体構成図である。成膜装置に設けられている制御部の構成図である。原料ガス、キャリアガス及び希釈ガスの流量制御を説明するための模式図である。

以下、図１を参照しながら、本発明の原料ガス供給装置を成膜装置に適用した構成例について説明する。この実施の形態の成膜装置１は、基板であるウエハＷに対してＡＬＤ法による成膜処理を行なうための成膜処理部２と、この成膜処理部２に原料ガスを供給するための原料供給部と、を備えている。
成膜処理部２は、例えば真空容器を成すチャンバ（処理容器）２１内に、ウエハＷを水平保持すると共に、不図示のヒータを備えた載置台２２と、原料ガス等をチャンバ２１内に導入するガス導入部２３と、を備えている。チャンバ２１内は真空ポンプなどからなる真空排気部２４により真空排気され、この内部に原料供給部から原料ガスが導入されることにより、加熱されたウエハＷの表面にて成膜が進行するように構成されている。

Ｗ（タングステン）膜を成膜する場合の一例を挙げると、原料としては常温で固体であるＷＣｌ_６が用いられ、原料と反応する反応ガス（還元ガス）としては水素（Ｈ_２）ガスが用いられる。このためガス導入部２３にはガス供給路２５が接続され、このガス供給路２５には、後述するＷＣＬ_６を含む原料ガスを供給する原料ガス供給路４２、原料ガスと反応する反応ガスを供給する反応ガス供給路２６及び置換ガスを供給する置換ガス供給路２７が、夫々バルブＶ１、Ｖ２６、Ｖ２７を介して合流されている。反応ガス供給路２６の他端側は、反応ガスの供給源２６１に接続されると共に、ガス供給路２６２を介して不活性ガス例えば窒素（Ｎ_２）ガスの供給源２６３に接続され、置換ガス供給路２７の他端側は置換ガス例えばＮ_２ガスの供給源２７１に接続されている。

本例の原料供給部は、原料のＷＣｌ_６を収容した原料容器３と、この原料容器３にキャリアガスを供給するキャリアガス供給源３１とを備えている。原料容器３は、常温では固体のＷＣｌ_６を収容した容器であり、抵抗発熱体を備えたジャケット状の加熱部３２により覆われている。この原料容器３は、図示しない温度検出部にて検出した原料容器３内の気相部の温度に基づいて、図示しない給電部から供給される給電量を増減することにより、原料容器３内の温度を調節できるように構成されている。加熱部３２の設定温度は、固体原料３００が昇華し、且つＷＣｌ_６が分解しない範囲の温度、例えば１５０℃に設定される。

原料容器３内における固体原料の上方側の気相部には、キャリアガス供給路４１の下流端部に相当するキャリアガスノズル５１と、原料ガス供給路４２の上流端部に相当する抜き出しノズル５２と、が挿入されている。キャリアガス供給路４１には、上流側からキャリアガス用のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６１、バルブＶ３、バルブＶ２がこの順序で介設されると共に、上流側にはこの例ではＮ_２ガス供給源であるキャリアガス供給源３１が設けられている。
マスフローコントローラ６１は、例えば図２に示すように、流量測定部６１１と、ＰＩＤ演算部６１２と、流量調節バルブ６１３と、を備えており、設定値と測定値との差分に相当する信号に基づいて、流量調節バルブ６１３が調節されて流量が設定値にコントロールされるように構成されている。

一方、原料ガス供給路４２には、上流側からバルブＶ４、バルブＶ５、流量測定部であるマスフローメータ（ＭＦＭ）７、圧力計１０及びバルブＶ６が設けられている。マスフローメータ７とバルブＶ６との間からは、バルブＶ４３が介設された分岐路４３が分岐され、分岐路４３の下流端は既述の真空排気部２４に接続されている。キャリアガス供給路４１のバルブＶ２とバルブＶ３との間と、原料ガス供給路４２のバルブＶ４とバルブＶ５との間は、バルブＶ４０を備えたバイパス流路４０にて接続されている。
後述のように、キャリアガス供給路４１から原料容器３内にキャリアガスが供給されることにより、固体原料が気化（昇華）し、原料ガス供給路４２を介して成膜処理部２に供給される。マスフローメータ７は、気化した原料とキャリアガスとの混合ガスである原料ガスの流量を測定するためのものである。

また原料ガス供給路４２のバルブＶ６の下流側には、原料ガスと混合される希釈ガスを供給する希釈ガス供給路４４が合流している。希釈ガス供給路４４にはバルブＶ７と、希釈ガス用のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６２とが介設され、その上流側には、希釈ガスであるＮ_２ガスを供給するための希釈ガスの供給源が設けられている。希釈ガスはキャリアガスと同じであるので、この例では、希釈ガスとキャリアガスは共通の供給源３１から供給される。マスフローコントローラ６２は、図２に示すように、流量測定部６２１と、ＰＩＤ演算部６２２と、流量調節バルブ６２３と、を備えている。キャリアガス及び希釈ガスとしては不活性ガスであるＮ_２ガスが用いられているが、本願明細書では、原料と反応することなく、成膜処理に影響を与えないガスであれば「不活性ガス」に含まれるものとする。

後述するように、成膜処理部２にて行なわれるＷ膜の成膜では、ＷＣｌ_６を含む原料ガスと、反応ガスであるＨ_２ガスとが交互に繰り返して供給されると共に、これら原料ガス及び反応ガスの供給の間には、チャンバ２１内の雰囲気を置換するために置換ガスが供給される。このように原料ガスは、成膜処理部２に供給期間、休止期間を交互に繰り返して断続的に供給され、この原料ガスの供給制御はバルブＶ１をオン、オフ制御することにより実行される。このバルブＶ１は、後述する制御部８のオン、オフ指令出力部８３により開閉制御されるように構成されおり、「オン」とは、バルブＶ１を開いた状態、「オフ」とはバルブＶ１を閉じた状態である。また同様に、反応ガスの供給制御はバルブＶ２６をオン、オフ制御することにより実行され、置換ガスの供給制御はバルブＶ２７をオン、オフ制御することにより実行される。

次に成膜装置１に含まれる制御部に関して、図２を参照しながら説明する。制御部８は例えば図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部には成膜装置１の作用に係わる制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記憶されている。前記成膜装置の作用とは、載置台２２上にウエハＷを載置し、チャンバ２１内を真空排気後、原料ガスと反応ガスとを交互に供給してＡＬＤ法にて成膜を行い、しかる後ウエハＷを搬出するまでの動作である。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
図２において点線で囲んだ制御部８は、実際には例えばコントローラとコントローラに信号を送る上位コンピュータとを含んでいるが、図２では上位コンピュータについては図示せずに、コントローラの部分の回路ブロックを主に記載している。

制御部８は、キャリアガス供給路４１に設けられたマスフローコントローラ６１の流量設定値を求めて、マスフローコントローラ６１のＰＩＤ演算部６１２の正入力端に送る回路部と、希釈ガス供給路４４に設けられたマスフローコントローラ６２の流量設定値を求めて、マスフローコントローラ６２のＰＩＤ演算部６２２の正入力端に送る回路部と、を備えている。なお以下の説明では便宜上、キャリアガス供給路４１を流れるキャリアガスの流量をＣ１、希釈ガス供給路４４を流れる希釈ガスの流量をＣ２と呼び場合もあることとする。これら回路部は夫々キャリアガスの流量Ｃ１の設定値に補正値を加算する加算部８１と、希釈ガスの流量Ｃ２の設定値から補正値を差し引く（補正値を負の値にして加算する）加算部８２とからなる。流量Ｃ１の設定値及び流量Ｃ２の設定値は、例えば上位コンピュータからプロセスレシピに書き込まれた値が読み出されて夫々加算部８１、８２に送られる。

次にキャリアガスの流量Ｃ１の設定値及び希釈ガスの流量Ｃ２の設定値を算出（補正）する回路部について説明する。本発明の実施形態の成膜装置１はＡＬＤを行うためのものであることから、バルブＶ１を断続的（間欠的）にオンにして原料ガスをチャンバ２１に供給するものである。このため上位コンピュータがプロセスレシピに応じて、原料ガスの供給開始のタイミングであるバルブＶ１のオン信号と、原料ガスの供給終了のタイミングであるバルブＶ１のオフ信号と、を出力する。図２では、このオン信号、オフ信号を出力する部分として便宜的にオン、オフ指令出力部８３として記載している。

既述のようにＡＬＤは、原料ガス、置換ガス、反応ガス、置換ガスをこの順番で供給するサイクルを複数回実行するものであることから、このサイクルを規定したレシピにより、上記のオン信号、オフ信号のタイミングが決定される。例えばオン信号からオフ信号までの時間、つまり原料ガスの供給時間は１秒であり、原料ガスの休止期間は１０秒である。前段側のＰＩＤ演算部８４は、原料ガスの供給時間において、原料ガス（キャリアガスと気化した原料との混合ガス）の流量Ｍ１からキャリアガスの流量Ｃ１を差し引いた量、即ち原料の気化量Ａを求める役割を担っている。

原料の気化量Ａは、マスフローメータ７の流量測定値から、マスフローコントローラ６１（詳しくは流量測定部６１１）から出力される流量測定値を差し引くことにより決まる。しかし原料ガスの供給時間が短いので、流量測定値が立ち上がって安定する前に立ち下がり、このため不安定になるおそれがある。従ってマスフローメータ７及びマスフローコントローラ６１の各流量測定出力を夫々積分回路部８５、８６により供給時間の間積分し、その積分値を供給期間の流量値として取り扱って、ＰＩＤ演算部８４にて演算している。積分回路部８５、８６はオン、オフ指令出力部８３からのオン信号により積分を開始し、オフ信号により積分を終了するように構成されている。具体例としては、例えば積分回路部８５、８６は時定数回路により構成され、オン信号により充電が開始され、オフ信号により放電されるようにスイッチ等を組み合わせて構成される。

前段側のＰＩＤ演算部８４の後段には、後段側のＰＩＤ演算部８７が設けられ、このＰＩＤ演算部８７では、ＰＩＤ演算部８４にて求められた原料ガスの気化量Ａが設定値に対してどれくらいずれているかが算出される。後段側のＰＩＤ演算部８７は、前段側のＰＩＤ演算部８４の出力（原料の気化量Ａの測定値）と原料の気化量Ａの設定値とが夫々正入力端及び負入力端に入力され、それらの差分に相当する偏差量が取り出される。

後段側のＰＩＤ演算部８７の後段には、信号を一定期間保持するホールド回路部（保持回路）８８が設けられている。このホールド回路部８８は、原料ガスの供給期間の終了時点、つまりバルブＶ１のオフ信号が出力されるまで、それまで入力された電圧値が保持され、当該オフ信号の入力により、保持されていた電圧値がリセットされてゼロになるように構成されている。ホールド回路部８８の一例としては、アナログ／ディジタル変換部とレジスタとディジタル／アナログ変換部とを用い、ＰＩＤ演算部８７からのアナログ信号をディジタル信号に変換してレジスタに保持させ、オフ信号によりレジスタがリセットされるように構成することができる。この場合、後述するように、ｎ回目の供給期間における原料ガスの設定値からのずれ分が（ｎ＋１）回目の供給期間におけるＣ１及びＣ２の設定値の補正値として保持回路部８８から既述の加算部８１、８２に出力されることになる。
この実施の形態においては、加算部８１、８２、積分回路部８５、８６、前段側のＰＩＤ演算部８４及び後段側のＰＩＤ演算部８７により、演算処理部が構成されている。

次に上述実施の形態の作用について説明する。先ず原料供給部及び成膜処理部２の概要について簡単に説明する。原料容器３側においては加熱部３２に電力を供給して常温で固体のＷＣｌ_６を例えば１５０℃に加熱して昇華させる。原料ガスの流量Ｍ１をマスフローメータ７により測定することから、蒸気圧をある程度高くする必要があり、原料としては、気化温度時の蒸気圧が６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以上のものが用いられ、ＷＣｌ_６の場合は１５０℃時の蒸気圧は９３．１Ｐａ（０．７Ｔｏｒｒ）以上である。

一方、成膜処理部２においては載置台２２上にウエハＷを載置し、チャンバ２１内を真空排気してウエハＷの加熱を行う。こうして成膜を行う準備が整ったら、例えば原料容器３のバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を開いてキャリアガスを原料容器３に供給し、原料ガスを発生させる。また希釈ガス供給路４４のバルブＶ７を開き、希釈ガスを原料ガスに混合する。

このように成膜処理部２には、ＷＣｌ_６を含む原料ガス（気体原料とキャリアガスとの混合ガス）と希釈ガスとがガス供給路２５によりガス導入部２３を介して供給されることになる。そしてＡＬＤ法によりＷ（タングステン）膜を成膜する場合は、バルブＶ１を開いて、前記原料ガス及び希釈ガスをチャンバ２１に例えば１秒間供給してバルブＶ１を閉じ、ウエハＷ表面にＷＣＬ_６を吸着させる。次いで置換ガス（Ｎ_２ガス）をチャンバ２１に供給して、チャンバ２１内を置換する。続いてバルブＶ２６を開いて反応ガス（Ｈ_２ガス）をチャンバ２１に供給してバルブＶ２６を閉じ、ウエハＷに吸着されているＷＣｌ_６をＨ_２により還元して、１原子層のＷ膜を成膜する。この後、置換ガスをチャンバ２１に供給して、チャンバ２１内を置換する。こうしてチャンバ２１内に、バルブＶ１、Ｖ２６、Ｖ２７のオン、オフ制御によって、ＷＣｌ_６を含む原料ガス→置換ガス→反応ガス→置換ガスを供給するサイクルを複数回繰り返すことにより、所定の厚さのＷ膜の成膜を行う。

続いて本実施の形態において行われる原料、キャリアガス及び希釈ガスの流量制御の概要について説明する。以下の説明では、既述のようにキャリアガスの流量をＣ１、希釈ガスの流量をＣ２、原料ガス供給路４２を流れる原料ガスの流量をＭ１としている。
既述のように上位コンピュータから指示されたキャリアガスの流量Ｃ１の設定値に対して後述のように補正された設定値となるように、マスフローコントローラ６１が動作してキャリアガスの流量が調節される。一方、希釈ガスの流量Ｃ２の設定値に対して後述のように補正された設定値となるように、マスフローコントローラ６２が動作して希釈ガスの流量が調節される。

図３（ａ）は、原料ガスの給断を行うバルブＶ１の状態を示しており、オンの時間帯が原料ガスの供給期間に相当し、オフの時間帯が原料ガスの休止期間に相当する。ｎ（ｎは２以上の整数）回目の供給期間に着目すると、積分回路部８５及び積分回路部８６にて、バルブＶ１のオン指令に基づいて、夫々原料ガスの流量Ｍ１、キャリアガスの流量Ｃ１に対する積分動作が開始され、バルブＶ１のオフ指令に基づいて当該積分動作が終了する。図３（ｂ）、図３（ｃ）は、夫々原料ガスの流量Ｍ１、キャリアガスの流量Ｃ１の流量測定値の推移を示しており、このように原料ガスの供給期間が短いため、原料ガスの流量Ｍ１、キャリアガスの流量Ｃ１はバルブＶ１のオン指令の後、急激に立ち上がり、直ぐに立ち下がるパターンとなる。なお図３における供給期間と休止期間との比率は便宜上のものである。

そしてバルブＶ１のオフ指令の後においては、ＰＩＤ演算部８４にて原料ガスの流量Ｍ１の積分値（∫Ｍ１ｄｔ）からキャリアガスの流量Ｃ１の積分値（∫Ｃ１ｄｔ）を差し引いた差分ＡがＰＩＤ演算結果として求められる。この差分Ａは原料ガス中の原料の気化量（流量）に相当し、この気化量Ａと予め設定されたＡの設定値との差分に対応する値がＰＩＤ演算部８７にてＰＩＤ演算結果として求められる。そしてバルブＶ１のオフ指令に続いてホールド回路部８８が、それまで保持していた保持値をリセットし、その時点でＰＩＤ演算部８７から出力されている出力値を新たに保持する。なおホールド回路部８８におけるこの動作のタイミングは、当該供給期間におけるキャリアガスの流量Ｃ１、原料ガスの流量Ｍ１の積分値が確定した後の時点となり、例えばバルブＶ１のオフ指令に遅延して、ホールド回路部８８のリセット処理がされる。ホールド回路部８８にて補正値が保持される状態とバルブＶ１のオンの時間帯（供給期間）とを関連付けて、図３（ｄ）に示しておく。

こうして得られた原料の気化量Ａと予め設定されたＡの設定値との差分が、次の供給期間におけるキャリアガスの流量Ｃ１及び希釈ガスの流量Ｃ２の各設定値の補正値となり、当該差分に応じた値（例えば当該差分に係数を掛けた値）がキャリアガスの流量Ｃ１に対して加算され、希釈ガスの流量Ｃ２に対しては減算されることになる。なお、第１回目の供給期間においては、補正値として例えばゼロが設定される。

図４に、原料、キャリアガス及び希釈ガスの流量制御について模式的に示す。今、ある供給期間において原料ガス中の原料の気化量Ａが設定値になっているとすると、ホールド回路部８８にて保持されている補正値はゼロである。この状態は図４（ａ）の左端に示されている。ここで同図の中央に示されているように例えば原料容器３内の固体原料が少なくなったことにより、原料の気化量Ａが設定値に対して減少したとする。なお、その要因としては、キャリアガスノズル５１の流出口と固体原料の表面との距離が大きくなって、固体原料の表面に当たるキャリアガスの流速が小さくなること、また固体原料のグレインサイズが小さくなって表面積が小さくなること、などが挙げられる。即ち、例えばｎ回目の供給期間において求められた気化量Ａが設定値よりも少なくなったとすると、その差分に応じた値が（ｎ＋１）回目の供給期間においてホールド回路部８８から出力される。このため気化量Ａが減少した分に応じてキャリアガスの流量Ｃ１の設定値が増加し、流量Ｃ１が増加する。例えば原料の気化量Ａの減少量と、その減少量だけ気化量Ａを増加させるための流量Ｃ１の増加量との関係を予め把握しておき、この関係から求めた係数を気化量Ａの減少量に掛け算し、その掛け算値がキャリアガスの流量Ｃ１の設定値の補正値となる。

このようにするとキャリアガスの流量Ｃ１が増加したことにより流量Ｃ１、原料の気化量Ａ、希釈ガスの流量Ｃ２の総流量が、気化量Ａが設定値であるときの総流量よりも多くなってしまう。このため希釈ガスの流量Ｃ２の設定値を上記の補正値分だけ少なくし、これによりキャリアガスの流量Ｃ１の増加分に相当する量だけ、希釈ガスの流量Ｃ２を減少させる。このような制御を行うことにより、キャリアガスの流量Ｃ１、原料の気化量Ａ、希釈ガスの流量Ｃ２の総流量はほとんど変動しない。上記の図４（ａ）の右端はこの様子を示している。原料の気化量Ａはキャリアガスの流量Ｃ１に比べて少ないことから、一例として、希釈ガスの流量Ｃ２の設定値をキャリアガスの流量Ｃ１の変動量に見合う分だけ補正するという設計を採用しても総流量はほとんど変動しないということができる。

また図４（ｂ）の中央に示されているように、原料容器３内の温度分布などの要因により原料の気化量Ａが設定値に対して増加したとする。つまり例えばｎ回目の供給期間において求められた気化量Ａが設定値よりも多くなったとすると、気化量Ａが増加した分に応じてキャリアガスの流量Ｃ１の設定値が減少し、流量Ｃ１が減少する。そしてキャリアガスの流量Ｃ１が減少したことにより流量Ｃ１、原料の気化量Ａ、希釈ガスの流量Ｃ２の総流量が、気化量Ａが設定値であるときの総流量よりも少なくなってしまう。このため、希釈ガスの流量Ｃ２の設定値が上記の補正値分だけ多くなるように制御される。これによりキャリアガスの流量Ｃ１の減少分に相当する量だけ希釈ガスの流量Ｃ２が増加するので、この場合においても上記の総流量はほとんど変動しない。なお、図４は原料の気化量Ａの変動量、キャリアガスの流量Ｃ１及び希釈ガスの流量Ｃ２の変動量を模式的に示したイメージ図である。

上述の実施の形態によれば、キャリアガスと気体の原料よりなる原料ガスに希釈ガスを混合させて成膜処理部２に供給するにあたり、原料ガスの流量からキャリアガスの流量を差し引いて求めた原料の気化量に基づいて、キャリアガスの流量をコントロールしている。原料の気化量Ａは、マスフローメータ７における流量測定値Ｍ１を原料ガスの供給期間にて積分した積分値から、マスフローメータ７を流れるキャリアガスの流量の流量測定値（マスフローコントローラ６１の流量測定値Ｃ１）を前記供給期間にて積分した積分値を差し引いて求めている。従って、原料ガスが、供給期間と休止期間を交互に繰り返して断続的に成膜処理部２に供給される場合であって、原料ガスの供給期間の原料ガスの流量が不安定であっても、原料の気化量を高い精度で取得することができる。

そして取得した原料の気化量Ａの変動分に応じてキャリアガスの流量Ｃ１を補正すると共に、キャリアガスの流量Ｃ１の変動を補償するように希釈ガスの流量Ｃ２を制御している。このため、原料の気化量Ａの調節を高精度に行うことができ、原料の気化量Ａが安定した原料ガスを成膜処理部２に供給することができると共に、原料の気化量Ａ、キャリアガスの流量Ｃ１及び希釈ガスの流量Ｃ２を加えた総流量の変動を抑えることができる。これにより成膜処理部２にて実施される成膜処理が安定し、ウエハに成膜された膜の厚さや膜質などの制御が容易となる。
背景技術の欄にて記載したように、原料が固体であるときは、原料容器３内における原料の偏りやグレインサイズの変化等によって気化状態が変動し、また原料容器３内に温度分布の偏りが生じやすいため、原料ガス中の原料の濃度（流量）が不安定となりやすい。従って本発明の手法で原料の気化量を安定させることは有効である。

以上において、この実施の形態では、図１に示すように２つの部品であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ６１、ＭＦＣ６２）をキャリアガス供給路４１、希釈ガス供給路４４の夫々に設けることに代えて、図５に示すように、２つのマスフローコントローラが一体となった部品であるスプリッタ６３を用いるようにしてもよい。この例では、キャリアガス供給路４１及び希釈ガス供給路４４の合流部にスプリッタ６３を設け、このスプリッタ６３において、Ｎ_２ガスをキャリアガス供給路４１側に通流させる流量Ｃ１と、希釈ガス供給路４４側に通流させる流量Ｃ２とに分配している。この場合も配管路図としては、第１の実施の形態と同じになり、同様の効果が得られる。なお図５中、マスフローコントローラ６４は、キャリアガスの流量Ｃ１や希釈ガスの流量Ｃ２を調節する役割を果たすものではない。

続いて本発明の第２の実施の形態の成膜装置について、図６〜図８を参照して説明する。この例が上述の図１の成膜装置と異なる点は、希釈ガス供給路４４の下流側が原料ガス供給路４１におけるマスフローメータ７の上流側に接続されていることである。例えば希釈ガス供給路４４の下流側は、原料ガス供給路４２におけるバルブＶ５とマスフローメータ７との間に接続されている。またこの例の制御部８０について図７に示すが、上述の図２に示す制御部８と異なる点は、積分回路部８６の前段側に、マスフローコントローラ６１にて測定されたキャリアガスの流量Ｃ１の測定値と、マスフローコントローラ６２にて測定された希釈ガスの流量Ｃ２の測定値を加算する加算部８９を設けたことである。

これにより積分回路部８６では、キャリアガスの流量測定値と希釈ガスの流量測定値の合計流量の積分値（∫（Ｃ１＋Ｃ２）ｄｔ）が求められる。従ってこの例では、原料ガス中の原料の気化量Ａは、ＰＩＤ演算部８４にて、マスフローメータ７にて測定される原料ガスの流量測定値の積分値（∫Ｍ１ｄｔ）から、キャリアガスの流量測定値及び希釈ガスの流量測定値の合計流量の積分値（∫（Ｃ１＋Ｃ２）ｄｔ）を差し引いて求められる。それ以外の構成については、図１の成膜装置と同様であり、同じ構成部材については同符号を付し、説明を省略する。

この例においても、ＡＬＤ法にて成膜処理を行うときのバルブの開閉制御については、上述の図１の成膜装置と同様である。また原料、キャリアガス及び希釈ガスの流量制御の概要について、図８の模式図を参照して説明すると、図８（ａ）の左端は、ある供給期間において原料ガス中の原料の気化量Ａが設定値であり、ホールド回路部８８にて保持されている補正値がゼロの状態を示している。ここで同図の中央に示されているように、例えばｎ回目の供給期間において求められた気化量Ａが設定値よりも少なくなったとすると、その差分に応じた値が（ｎ＋１）回目の供給期間においてホールド回路部８８から出力される。このため気化量Ａが減少した分に応じてキャリアガスの流量Ｃ１の設定値が増加し、流量Ｃ１が増加するように制御される。

キャリアガスの流量Ｃ１が増加したことにより流量Ｃ１、原料の気化量Ａ、希釈ガスの流量Ｃ２の総流量が、気化量Ａが設定値であるときの総流量よりも多くなってしまう。このため希釈ガスの流量Ｃ２の設定値が上記の補正値分だけ少なくなり、これによりキャリアガスの流量Ｃ１の増加分に相当する量だけ、希釈ガスの流量Ｃ２が減少するように制御される。これによりキャリアガスの流量Ｃ１、原料の気化量Ａ、希釈ガスの流量Ｃ２の総流量はほとんど変動しない。上記の図８（ａ）の右端はこの様子を示している。

また図８（ｂ）の中央に示されているように、例えばｎ回目の供給期間において求められた気化量Ａが設定値よりも多くなったとすると、気化量Ａが増加した分に応じてキャリアガスの流量Ｃ１の設定値が減少し、流量Ｃ１が減少するように制御される。そしてキャリアガスの流量Ｃ１が減少したことにより流量Ｃ１、原料の気化量Ａ、希釈ガスの流量Ｃ２の総流量が、気化量Ａが設定値であるときの総流量よりも少なくなってしまう。このため希釈ガスの流量Ｃ２の設定値が上記の補正値分だけ多くなり、これによりキャリアガスの流量Ｃ１の減少分に相当する量だけ希釈ガスの流量Ｃ２が増加するように制御される。この場合においても上記の総流量はほとんど変動しない。こうして、原料の気化量が安定し、またキャリアガスと希釈ガスの総流量の変動が抑えられ、原料ガスに含まれる原料の気化流量を正確に調節することができる。

以上において、ホールド回路部８８では、補正値のホールドを、連続する２つの供給期間でおこなってもよい。つまり２つあるいは３つの供給期間で同じ補正値を用いるようにしてもよい。またキャリアガス用のマスフローコントローラ６１、希釈ガス用のマスフローコントローラ６２の代わりに、流量測定部（マスフローメータ）と、ＰＩＤ演算部と、流量調節バルブとを別個に設け、これらを組み合わせて使用するようにしてもよい。

上述の実施形態では、原料ガスの供給期間のうちの一つの供給期間において原料ガスの流量Ｍ１、キャリアガスの流量Ｃ１（あるいはＣ１＋Ｃ２）を積分し、その積分値に基づいてキャリアガスの流量Ｃ１、希釈ガスの流量Ｃ２の補正値を求めているが、２つの連続する供給期間あるいは３つ以上の連続する供給期間において原料ガスの流量Ｍ１、キャリアガスの流量Ｃ１（あるいはＣ１＋Ｃ２）を積分し、その積分値に基づいて、つまり２つあるいは３つ以上の連続する供給期間を利用して、補正値を算出するようにしてもよい。

さらに予め原料の気化量Ａの測定値と設定値との偏差分に対応するキャリアガスの流量Ｃ１の補正値を求めて、制御部８、８０のメモリに格納しておくようにしてもよい。そしてＰＩＤ演算部８７にて演算された、原料の気化量Ａの測定値と設定値の偏差分に基づいて、対応する補正値（補正量）をメモリから読み出し、キャリアガスの流量に補正値として加算すると共に、希釈ガスの流量から、キャリアガスの流量に加算した補正値（補正量）を差し引くようにしてもよい。

また本発明の原料としては、気化温度時の蒸気圧が６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以上のものが用いられ、上述のＷＣｌ_６以外に、Ｎｉ（ＩＩ）、Ｎ´−ジーターシャリブチルアミジネート（Ｎｉ（ＩＩ）（ｔＢｕ−ＡＭＤ）_２、以下「Ｎｉ（ＡＭＤ）_２」と記す）を用いることができる。原料としてＮｉ（ＡＭＤ）_２を用いる場合には、反応ガス（還元ガス）としてアンモニアガスを用いて、原料ガスと反応ガスとを交互に供給することにより、ＡＬＤ法にてウエハＷの表面にＮｉ膜が形成される。また原料としてＮｉ（ＡＭＤ）_２を用いる場合には、自己分解するおそれがあることから、蒸気圧が１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）のときには、気化温度は１２０℃以下にすることが好ましい。

さらに原料容器３内に収容されている原料は固体原料に限られず、液体原料を気化させて原料ガスを発生させてもよい。さらにまた成膜処理部２の構成については、載置台に１枚ずつウエハＷを載置して成膜処理を行う枚様式の場合の他、多数枚のウエハＷを保持するウエハボートにウエハＷを保持して成膜を行うバッチ式の成膜処理部や、回転する載置台上に複数枚のウエハＷを並べて成膜を行う成膜処理部への原料供給に本発明を適用してもよい。

さらにまた、本発明の成膜処理部については、ＡＬＤ法を実施する構成には限られない。例えば、ＣＶＤ法を実施する成膜処理部であっても、固体または液体である原料を収容した原料容器にキャリアガス供給路を介して不活性ガスであるキャリアガスを供給し、気化した原料を含む原料ガスを原料の成膜処理部に供給期間、休止期間を交互に繰り返して断続的に供給する構成であれば、適用できる。例えば第１のＣＶＤ用の原料ガスをチャンバ内に供給して第１のＣＶＤ膜を成膜し、次いで第１のＣＶＤ用の原料ガスとは異なる第２のＣＶＤ用の原料ガスを用いて第２のＣＶＤ膜を成膜する。また第１のＣＶＤ用の原料ガス及び第２のＣＶＤ用の原料ガスの少なくとも一方は、固体または液体である原料を収容した原料容器にキャリアガスを供給し、気化した原料とキャリアガスとを含む原料ガスとする。こうして両原料ガスを、置換ガスによる雰囲気の置換を介して複数回交互にチャンバ内に供給して薄膜を成膜する手法にも適用できる。

さらに、本発明を用いて供給可能な原料ガスは、既述のＷＣｌ_６以外に、例えば周期表の第３周期の元素であるＡｌ、Ｓｉ等、周期表の第４周期の元素であるＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ等、周期表の第５周期の元素であるＺｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ等、周期表の第６周期の元素であるＢａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ等の元素を含む原料ガスであってもよい。これらの原料ガスは、有機金属化合物や無機金属化合物などを用いる場合が挙げられる。原料ガスと反応させる反応ガスは、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ等を利用した酸化ガス、ＮＨ_３、Ｈ_２、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、ＣＨ_３ＯＨ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ等を利用した還元ガス、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_２等を利用した炭化反応ガス、ＮＨ_３、ＮＨ_２ＮＨ_２、Ｎ_２等を利用した窒化反応ガス等を利用できる。更に、複数の原料供給部を設け、成膜処理部に対して２種類以上の原料ガスを間欠的に供給して合金や、複合金属酸化物等の成膜する場合に適用してもよい。

１成膜装置
２成膜処理部
２１処理容器（チャンバ）
３原料容器
４１キャリアガス供給路
４２原料ガス供給路
４４希釈ガス供給路
６１、６２マスフローコントローラ
６１１、６２１流量測定部
７マスフローメータ（流量測定部）
Ｗ半導体ウエハ

Claims

固体または液体である原料を収容した原料容器にキャリアガス供給路を介して不活性ガスであるキャリアガスを供給し、気化した原料を含む原料ガスを原料の成膜処理部に供給期間、休止期間を交互に繰り返して断続的に供給する原料ガス供給装置において、
前記キャリアガス供給路に設けられ、キャリアガス流量設定値に基づいてキャリアガスの流量を調節するキャリアガス用のマスフローコントローラと、
前記原料容器の出口側の原料ガス供給路に設けられ、原料ガスの流量を測定する流量測定部と、
不活性ガスである希釈ガスを前記原料ガスに混合するために前記原料容器の出口側よりも下流側に接続され、希釈ガス流量設定値に基づいて希釈ガスの流量を調節する希釈ガス用のマスフローコントローラが設けられた希釈ガス供給路と、
前記流量測定部における流量測定値を原料ガスの供給期間にて積分した積分値から、前記流量測定部を流れる不活性ガスの流量測定値を前記供給期間にて積分した積分値を差し引いて求めた原料の気化量と、原料の気化量の設定値と、の偏差分を求め、原料の気化量を設定値に維持するために前記キャリアガス流量設定値に前記偏差分を補正値として加算すると共に、キャリアガスと希釈ガスとの総流量の一定化を図るために前記希釈ガス流量設定値から前記偏差分を差し引く演算処理部と、を備えたことを特徴とする原料ガス供給装置。
前記希釈ガス供給路は、前記原料ガス供給路における前記流量測定部の下流側に接続され、
前記流量測定部を流れる不活性ガスの流量測定値を前記供給期間にて積分した積分値は、前記キャリアガス供給路を流れるキャリアガスの流量測定値の積分値であることを特徴とする請求項１記載の原料ガス供給装置。
前記希釈ガス供給路は、前記原料ガス供給路における前記流量測定部の上流側に接続され、
前記流量測定部を流れる不活性ガスの流量測定値を前記供給期間にて積分した積分値は、前記キャリアガス供給路を流れるキャリアガスの流量測定値及び希釈ガス供給路を流れる希釈ガスの流量測定値の合計流量の積分値であることを特徴とする請求項１記載の原料ガス供給装置。
前記流量測定部における流量測定値を積分する積分値及び前記流量測定部を流れる不活性ガスの流量測定値の積分値は、夫々原料ガス用の積分回路及び不活性ガス用の積分回路にて求められ、
これら積分回路は、原料ガスの供給期間に積分した積分値が後続の原料ガスの供給期間が開始される前にリセットされるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の原料ガス供給装置。
原料の気化流量と原料の気化流量の設定値との偏差分が、当該偏差分を求めるために積分した原料ガスの供給期間の後続の供給期間が開始されるまで保持されるように保持回路が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の原料ガス供給装置。