JP2002343783A - 酸化チタン膜の成膜方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】液体原料で半導体用酸化チタン薄膜を製造する
方法の生産性向上させる。 【解決手段】成膜を行う気相化学反応装置1の真空容器5
の内壁及びシャワーヘッド2のウェハ4と対向する面の状
態が変化しないため、成膜のプロセスの再現性を維持で
きる。そのため成膜のプロセスが変動しないため、装置
を停止する必要が無くなるため装置の生産性が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の製造にお
いて特に液体原料を用いて酸化チタン薄膜を製造する方
法の生産性向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体原料を気化供給して薄膜を成膜する
もの従来の技術として、特開平6−61450号公報に開示さ
れたDRAM用容量絶縁膜用酸化タンタル（Ta₂O₅）薄膜を
形成するものがある。図2はその構成である。

【０００３】真空容器5は真空排気部6にて真空排気され
る。ウェハ4はサセプタ3上に保持されヒータ31により約
873K（600℃）加熱されている。タンタル成膜用液体原
料（Ta(OC₂H₅)₄）は液体原料供給部25内で393K（120
℃）に保持されて、図示れない気化手段にて気化され約
423K（150℃）に加熱されたガス導入配管200を通してシ
ャワーヘッド2から真空容器5内に導入される。真空容器
5内に導入された気化した液体原料は熱分解反応を起こ
し、ウェハ4上に酸化タンタルの薄膜が成膜される。

【０００４】成膜用液体原料をタンタル用のTa(OC₂H₅)₄
から酸化チタン用の成膜液体原料（Ti(I−OC₃H₇)₄）に
交換し、同様の方法で成膜をおこなうことで酸化チタン
の薄膜を成膜することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術の問題点
は、ウェハ4の成膜に寄与しなかった液体原料が、真空
容器5の壁面やシャワーヘッド2のウェハ4と対向する面
に不要な酸化チタン膜として堆積することである。堆積
した膜は、膜厚や膜内の応力の状況により剥離して、成
膜中のウェハ4に飛来、付着することがある。その場合
には、最終的な素子の不良の原因となる。さらにより重
大な問題として、酸化チタン膜が存在すると、Ti(I−OC
₃H₇)₄を用いた成膜において成膜反応が促進され、成膜
温度が約100度低くなり、膜の堆積速度が劇的に大きく
なることがCHEMISTRYLETTER,pp.1283−1286,1984に報告
されている。すなわち、成膜反応が酸化チタン膜の存在
で変化することになり、膜の成長速度が大きく変化する
ことが示されている。酸化チタン薄膜をゲート絶縁膜の
材料としてその使用する場合には、成膜すべき膜厚は、
約二、三十nmと極めて薄い。大量生産を行う場合には同
一条件で同じ膜が成膜できること（成膜のプロセスの再
現性と以下記述する）があることが必須となる。従っ
て、真空容器4の内壁面や、シャワーヘッド2のウェハ4
と対向する面に酸化チタンの膜が堆積すると当初設定し
た成膜反応とは異なる反応が発生することになり、成膜
プロセスの再現性がなくなる。

【０００６】その場合には、真空容器4の内壁面や、シ
ャワーヘッド2のウェハ4と対向する面に堆積した酸化チ
タンの膜を除去するかあるいは、反応条件を酸化チタン
の膜が堆積した状態で再設定する必要がある。前者の場
合には、装置を停止し、堆積した酸化チタンの膜を除去
する。後者の場合には、条件設定を行うための成膜実験
を行い、所望の膜が得られる条件を決める。いずれの場
合にも生産を中断しなければならなくなるため、装置の
生産性が著しく低下する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的である装置の生
産性を向上させるためには、次のいずれかの方法が考え
られる。(1)真空容器4の内壁面や、シャワーヘッド2の
ウェハ4と対向する面に成膜用液体原料に酸化チタンが
堆積しない温度にこれらの面の温度を制御し、これらの
面への膜の堆積を監視しながら成膜を行う。あるいは、
(2)真空容器4の内壁面や、シャワーヘッド2のウェハ4と
対向する面に予め酸化チタン膜を剥離しない程度に堆積
させ、以降この堆積した酸化チタンの膜が剥離しないよ
うにこれらの部分に、酸化チタンが堆積しない温度に真
空容器4の内壁面や、ウェハ4と対向するシャワーヘッド
2の面を制御して、所望の膜が形成される条件を選定し
成膜を行う。このようにすれば、当初設定した成膜反応
が成膜続けていても維持されるため、成膜プロセスの再
現性が持続されることとなり、装置を停止する必要が無
いため生産性が向上する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1を
参照して説明する。図1においては、1は気相化学反応装
置、2はシャワーヘッド、3はサセプタ、4はウェハ、5は
真空容器、6は真空排気部、7はガス処理部、8はガス供
給部、9は予備室、10は壁面温度制御部、11は真空計、1
5はシャワーヘッド温度制御部、20は液体原料供給部、2
2は液体原料供給バルブ、23は液体原料供給管、24は気
化液体原料供給バルブ、25は液体原料気化器、26は気化
液体原料供給管、31はヒータ、40は壁面膜堆積監視窓、
41は壁面膜堆積監視光源、42は壁面膜堆積監視検出器、
61は真空排気配管、62は真空排気バルブ、63は排気配
管、81はガス供給配管、82はガス供給バルブ、83は液体
原料キャリアガス供給管、84は液体原料キャリアガス供
給バルブ、91はウェハハンドラ、92は予備室第一ゲート
バルブ、93は予備室第二ゲートバルブ、101は壁面温度
制御用第一配管、102は壁面温度制御用第二配管、151は
シャワーヘッド温度制御第一配管、152はシャワーヘッ
ド温度制御第二配管、を示す。

【０００９】以下、液体原料を用いた場合の本発明の作
用を説明する。なお本実施例では半導体用の薄膜製造の
方法は減圧気相化学蒸着である。真空容器5を真空排気
部6にて真空排気する。次にガス供給部8からの不活性ガ
スまたは窒素ガスをガス供給配管81、ガス供給バルブ82
を通じて真空容器5に導入する。不活性ガスまたは窒素
ガスの供給を停止し再度真空容器5を真空排気部6にて真
空排気する。この真空排気及び不活性ガスの導入を数回
繰り返して、真空容器5内のガス置換を行う。次に予備
室9中に保持されたウェハ4を第一ゲートバルブ92を開い
てヒータ31にて加熱されたサセプタ3上に搬入する。再
度真空容器5内のガス置換を行う。ガス置換終了後気化
された液体原料を気化液体原料供給管26より、気体原料
をガス供給配管81よりシャワーヘッド2より供給して成
膜を行う。成膜終了後ガス置換を行いサセプタ3上のウ
ェハ4を予備室9中に置かれたウェハと交換する。これが
減圧気相化学蒸着装置の製造のサイクルである。

【００１０】次に、気化された液体原料を用いて酸化チ
タン膜を成膜する場合のの操作について述べる。

【００１１】まず、真空容器5の内壁面や、シャワーヘ
ッド2のウェハ4と対向するの面に成膜用液体原料に酸化
チタンが堆積しない温度にこれらの面の温度を制御し、
これらの面への膜の堆積を監視しながら成膜を行う場合
について述べる。真空容器5の内壁面の温度を壁面温度
制御部10で設定し、壁面温度制御第一配管101より液体
を真空容器5の壁面内に流す。流された液体は、壁面を
所定の温度とした後、壁面温度制御第二配管102より壁
面温度制御部10へと戻ってくる。真空容器5内壁温度
は、図示されていない例えば熱電対等の温度計測手段を
用いてその温度が測定されており、この温度情報に基づ
いて真空容器5内壁の温度の制御が行われる。シャワー
ヘッド2のウェハと対向する面の温度は、真空容器5内壁
面の温度制御と同様に行われる。すなわち、シャワーヘ
ッド2のウェハ4と対向する面の温度を、シャワーヘッド
温度制御部15で設定し、シャワーヘッド温度制御第一配
管151より液体をシャワーヘッド2のウェハ4と対向する
壁面内に流す。流された液体は、この壁面を所定の温度
とした後、シャワーヘッド温度制御第二配管152よりシ
ャワーヘッド温度制御部15へと戻ってくる。シャワーヘ
ッド2のウェハ4と対向する面の温度も、図示されていな
い例えば熱電対等の温度計測手段を用いてその温度が測
定されており、この温度情報に基づいてシャワーヘッド
2のウェハ4と対向する面の温度制御が行われる。

【００１２】真空容器5内壁温度およびシャワーヘッド2
のウェハ4と対向する面の温度は、液体原料気化器25の
設定温度程度より、酸化チタンが堆積しない温度の範囲
とする。Jpn.J.Appl.Phys.,vol.25,No.9,pp.1288−129
1,1986にTi(I−OC₃H₇)₄を用いた成膜では、473K（200
℃）で成長速度は記載されていないものの、成膜するこ
とが述べられている。筆者の実験の結果、約数nm/分の
速度で酸化チタンの膜が堆積することが確認された。そ
のため、真空容器5内壁温度およびシャワーヘッド2のウ
ェハ4と対向する面の温度の上限は、473K未満とするこ
とが好ましい。また、その下限は、液体原料気化器25で
気化された液体原料（Ti(I−OC₃H₇)₄）が凝縮しない温
度であることが好ましい。このため液体原料気化器25の
設定温度と同じあるいはそれよりも高い温度する。

【００１３】このように真空容器5内壁温度およびシャ
ワーヘッド2のウェハ4と対向する面の温度を設定すれ
ば、気化された液体原料は真空容器5内壁およびシャワ
ーヘッド2のウェハ4と対向する面には、酸化チタンの膜
は堆積しない。しかしながら、何らかの原因で装置の変
動で真空容器5内壁温度およびシャワーヘッド2のウェハ
4と対向する面の温度が、変動し設定温度より高温とな
り、酸化チタンの膜が真空容器5内壁およびシャワーヘ
ッド2のウェハ4と対向する面に堆積する可能性がある。
このような事態が発生すると、成膜のプロセスの再現性
を維持できなくなる。このため、真空容器5に壁面膜堆
積監視窓40を設け、この窓の内面すなわち真空容器5内
面側への酸化チタンの堆積を監視する。監視には、例え
ば光学的膜厚測定方法で、膜厚を測定する方法で行われ
る。壁面膜堆積監視光源41より特定波長の光を発し、壁
面膜堆積監視窓40の内面へ照射する。この反射光を壁面
膜堆積監視検出器42で受光し、膜厚を測定する。壁面膜
監視窓40の内面側に酸化チタンの膜が堆積すると壁面膜
堆積監視検出器42の信号により膜厚が測定されるため、
膜の堆積が検出される。このようになった場合には、気
相化学反応装置1を停止し、堆積した酸化チタンの膜を
除去する。

【００１４】次に、真空容器5の内壁面や、シャワーヘ
ッド2のウェハ4と対向する面に予め酸化チタン膜を剥離
しない程度に堆積させ、以降この堆積した酸化チタンの
膜が剥離しないようにこれらの部分に、酸化チタンが堆
積しない温度に真空容器5の内壁面や、ウェハ4と対向す
るシャワーヘッド2の面を制御して、所望の膜が形成さ
れる条件を選定し成膜を行う場合について述べる。ま
ず、ガス置換後、真空容器5内壁およびシャワーヘッド2
のウェハ4と対向する面に酸化チタンの膜を堆積する。
真空容器5内壁を、上記の真空容器5の内壁面や、シャワ
ーヘッド2のウェハ4と対向するの面に成膜用液体原料に
酸化チタンが堆積しない温度にこれらの面の温度を制御
し、これらの面への膜の堆積を監視しながら成膜を行う
場合と同様に壁面温度制御部10、壁面温度制御第一配管
101、壁面温度制御第二配管102及び図示されない熱電対
等の温度測定手段を用い、酸化チタンが気化された液体
原料で成膜される温度にする。シャワーヘッド2のウェ
ハ4と対向する面の温度を上記の真空容器5の内壁面や、
シャワーヘッド2のウェハ4と対向するの面に成膜用液体
原料に酸化チタンが堆積しない温度にこれらの面の温度
を制御し、これらの面への膜の堆積を監視しながら成膜
を行う場合と同様に、シャワーヘッド温度制御部15、シ
ャワーヘッド温度制御第一配管151、シャワーヘッド温
度制御第二配管152及び図示されない熱電対等の温度測
定手段を用いて、酸化チタンが気化された液体原料で成
膜される温度にする。この時、真空容器5の内壁及びシ
ャワーヘッド2のウェハ4と対向する面の温度は、気相化
学反応装置1の部材が熱的に損傷を受けない温度をその
上限として設定する。

【００１５】両面が所定の温度になった後、液体原料を
気化された液体原料を気化液体原料供給管26より、気体
原料をガス供給配管81よりシャワーヘッド2より供給し
て成膜を行う。真空容器5の内壁面や、シャワーヘッド2
のウェハ4と対向する面に堆積させる酸化チタンの膜厚
は、膜が剥離しない膜厚とする。所定の膜厚の膜が成膜
されたら、気化された液体原料および気体原料の供給を
停止し、ガス置換を行い、真空容器5の内壁及びシャワ
ーヘッド2のウェハ4と対向する面の温度を、酸化チタン
が堆積されない温度にする。この時の温度は、上記の真
空容器5の内壁面や、シャワーヘッド2のウェハ4と対向
するの面に成膜用液体原料に酸化チタンが堆積しない温
度にこれらの面の温度を制御し、これらの面への膜の堆
積を監視しながら成膜を行う場合と同様とする。

【００１６】この状態で、ウェハ4上に所望の酸化チタ
ン膜が成膜される条件を選定し、選定された条件で成膜
を行う。この時も何らかの原因で装置の変動で真空容器
5内壁温度およびシャワーヘッド2のウェハ4と対向する
面の温度が、変動し設定温度より高温となり、酸化チタ
ンの膜が真空容器5内壁およびシャワーヘッド2のウェハ
4と対向する面に堆積する可能性がある。このような事
態が発生すると、成膜のプロセスの再現性を維持できな
くなる。そのため、上記の真空容器5の内壁面や、シャ
ワーヘッド2のウェハ4と対向するの面に成膜用液体原料
に酸化チタンが堆積しない温度にこれらの面の温度を制
御し、これらの面への膜の堆積を監視しながら成膜を行
う場合と同様に壁面膜堆積監視窓40、壁面膜堆積監視光
源41及び壁面膜堆積監視検出器42を用い真空容器5の内
壁に予め堆積された酸化チタンの膜厚が変化しないこと
を監視する。膜厚が厚くなった場合には、気相化学反応
装置1を停止し、堆積した酸化チタンの膜を除去する。

【００１７】この場合には、酸化チタンのウェハ4へ堆
積が真空容器5の内壁及びシャワーヘッド2のウェハ4と
対向する面に酸化チタンが堆積していない場合温度より
より、より低いウェハ4の温度でかつ大きい堆積速度で
成膜できる。

【００１８】ここでは、酸化チタン膜を堆積するため
に、気相化学反応装置1を用いて成膜を行う場合を述べ
たが、予め各々に気相化学反応装置1を組立てる前に各
々に酸化チタン膜を堆積したものを用いることでも同等
の効果を発する部材を得ることができる。

【００１９】なお本実施例では、真空容器5の内壁面
や、シャワーヘッド2のウェハ4と対向する面の温度制御
は、配管内を流れる流体によって行ったが、これと併用
して発熱体を用いることもできる。この場合には、加熱
時間を短縮することができる。以上により、真空容器5
の内壁及びシャワーヘッド2のウェハ4と対向する面の状
態が変化しないため、成膜のプロセスの再現性を維持で
きるので、生産を中断する必要が無くなるため装置の稼
動率が向上する。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、真空容器5の内壁及び
シャワーヘッド2のウェハ4と対向する面の状態が変化し
ないため、成膜のプロセスの再現性を維持できる。その
ため成膜のプロセスが変動しないため、装置を停止する
必要が無くなるため装置の生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る構成図。

【図２】従来の装置の制御ノズル付近の構成図。

【符号の説明】

1…気相化学反応装置、2…シャワーヘッド、3…サセプ
タ、4…ウェハ、5…真空容器、6…真空排気部、7…ガス
処理部、8…ガス供給部、9…予備室、10…壁面温度制御
部、11…真空計、15…シャワーヘッド温度制御部、20…
液体原料供給部、22…液体原料供給バルブ、23…液体原
料供給管、24…気化液体原料供給バルブ、25…液体原料
気化器、26…気化液体原料供給管、31…ヒータ、40…壁
面膜堆積監視窓、41…壁面膜堆積監視光源、42…壁面膜
堆積監視検出器、61…真空排気配管、62…真空排気バル
ブ、63…排気配管、81…ガス供給配管、82…ガス供給バ
ルブ、83…液体原料キャリアガス供給管、84…液体原料
キャリアガス供給バルブ、86…ガス流量制御器、91…ウ
ェハハンドラ、92…予備室第一ゲートバルブ、93…予備
室第二ゲートバルブ、101…壁面温度制御用第一配管、1
02…壁面温度制御用第二配管、151…シャワーヘッド温
度制御第一配管、152…シャワーヘッド温度制御第二配
管、200…ガス導入管、201…シャワーヘッド用ヒータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 智司 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 4K030 AA11 AA18 BA46 CA04 EA01 EA03 FA10 JA10 LA15 5F045 AA03 AB31 AC15 BB08 DP03 EB08 EE02 EF05 EK09 EN04 GB05

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器内に配置され、加熱されたシリ
   コン基板上に液体原料を気化した成膜原料を供給し、酸
   化チタン薄を成膜する方法において、成膜中に真空容器
   壁面温度および真空容器内に気化された液体原料をシリ
   コン基板上に供給する供給手段のシリコン基板と対向す
   る部分の温度を成膜用液体原料が気化する温度以上かつ
   膜が堆積する温度未満となるように温度制御し、真空容
   器壁面への膜の堆積を監視して成膜を行うことを特徴と
   する半導体の製造方法。