JP2003229424A

JP2003229424A - 基板処理装置および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2003229424A
Application number: JP2002027449A
Authority: JP
Inventors: Shinya Sasaki; 伸也佐々木; Yoshiro Hirose; 義朗廣瀬
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】供給量が多くなった場合でも液体原料を安定
して気化させる。【解決手段】ウエハ１を処理する処理室１１と、処理
室１１に一端が接続されたガス供給配管２１と、ガス供
給配管２１の他端に接続されて液体原料６１を気化させ
る気化器３０と、気化器３０に液体原料６１を供給する
液体原料供給配管４２とを備えたＭＯＣＶＤ装置１０に
おいて、液体原料供給配管４２の途中に気化器３０に供
給される前の液体原料６１を液体原料供給配管４２の温
度よりも高い温度に加熱する加熱器４５が介設されてい
る。【効果】加熱器による液体原料の予熱により気化器の
熱エネルギの負担を軽減できるため、多量の液体原料を
気化器で完全に気化して液体原料の残留を防止できる。
多量の液体原料を完全に気化できるため、ＭＯＣＶＤ装
置での液体原料の供給量の増加により、ＭＯＣＶＤ装置
の性能を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板処理装置およ
び半導体装置の製造方法に関し、特に、ＭＯＣＶＤ（Me
tal Organic Chemical Vapor Deposition ）による薄膜
形成技術に関し、例えば、ＭＯＣＶＤ装置を使用してＤ
ＲＡＭ（Dynamic Random Access Memorry ）のキャパシ
タ（Capacitor ）の静電容量部（絶縁膜）の材料として
の高誘電体薄膜を形成するのに利用して有効な技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】最近、ＤＲＡＭのキャパシタの静電容量
部を形成するのに、Ｔａ₂ Ｏ₅ （五酸化タンタル）が使
用されて来ている。Ｔａ₂ Ｏ₅ は高い誘電率を持つた
め、微小面積で大きな静電容量を得るのに適している。
そして、生産性や膜質等の観点からＤＲＡＭの製造方法
においては、Ｔａ₂ Ｏ₅ はＭＯＣＶＤ装置によって成膜
することが要望されている。

【０００３】Ｔａ₂ Ｏ₅ の成膜に使用されるＭＯＣＶＤ
装置は、半導体集積回路装置の一例であるＤＲＡＭが作
り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）を処
理する処理室と、この処理室に一端が接続されたガス供
給配管と、このガス供給配管の他端に接続されて液体原
料を気化させる気化器と、この気化器に液体原料を供給
する液体原料供給配管とを備えており、液体原料供給配
管を介して気化器に液体原料を供給し、この液体原料を
気化器において気化させ、気化させたガスを処理室にキ
ャリアガスによって供給することにより処理室内のウエ
ハにＴａ₂ Ｏ₅ 膜を形成するように構成されている。

【０００４】このＭＯＣＶＤ装置において、液体原料を
気化器で気化させた原料ガスを処理室に供給してウエハ
の上にＴａ₂ Ｏ₅ を成膜するに際しては、気化させた原
料ガスの安定供給すなわち気化器の気化の安定が重要に
なる。そこで、気化器およびそれに接続された液体原料
供給配管の温度は、液化防止のために液体原料の気化温
度よりも若干高めに設定するのが、一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
たＭＯＣＶＤ装置によるＴａ₂ Ｏ₅ の成膜技術において
は、液体原料の供給量が大きくなると、気化器から液体
原料に供給される熱エネルギが不足するため、気化器に
よる液体原料の気化が不充分になるという問題点がある
ことが本発明者によって明らかにされた。気化が不充分
になった液体原料が液体原料供給配管やガス供給配管に
残留すると、次のような不具合が発生するため、従来の
ＭＯＣＶＤ装置においては、液体原料の供給量が制限さ
れている。 1) 残留物が経時変化して固形物になり、その固形物が
パーティクルとなって原料ガスやパージガスと一緒に処
理室へ流れてウエハの上に付着することにより、成膜の
歩留りを低下させてしまう。 2) 原料ガス供給配管のバルブの内部において固形物が
発生した場合には、バルブのシール部の密着性が低下し
バルブが閉じの状態であっても一次側と二次側とで密閉
でない内部リークの状態になってしまう。 3) 残留した液体原料が次の成膜時の膜厚増加に影響す
る。

【０００６】本発明の目的は、供給量が大きくなっても
液体原料を安定的に気化させてガスを処理室に安定的に
供給することができる基板処理装置および半導体装置の
製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る基板処理装
置は、基板を処理する処理室と、この処理室に一端が接
続されたガス供給配管と、このガス供給配管の他端に接
続されて液体原料を気化させる気化器と、この気化器に
一端が接続された前記液体原料を供給する液体原料供給
配管と、この液体原料供給配管の他端に接続された液体
原料供給源と、前記液体原料供給配管に設けられ前記気
化器に供給される前の前記液体原料をこの液体原料供給
配管の温度よりも高い温度で加熱する加熱器とを備えて
いることを特徴とする。

【０００８】また、半導体装置の製造方法は、液体原料
供給源より液体原料供給配管を介して気化器に液体原料
を供給し、この液体原料を前記気化器において気化さ
せ、気化させたガスを処理室に供給することによって前
記処理室内の基板を処理する半導体装置の製造方法にお
いて、前記気化器に供給される前の前記液体原料を前記
液体原料供給配管に設けられた加熱器により前記液体原
料供給配管の温度よりも高い温度で加熱することを特徴
とする。

【０００９】前記した手段によれば、気化器に供給され
る前の液体原料をこの液体原料供給配管の温度よりも高
い温度、すなわち、最適な温度（気化温度付近まで）に
加熱制御することができる温度で加熱することにより、
気化器が気化のために液体原料に対して供給しなければ
ならない熱エネルギの負担を軽減することができるた
め、液体原料を気化器において確実に気化させることが
できる。なお、前記気化器と前記加熱器の距離は３０ｃ
ｍ以内、もしくは直結しているのが望ましい。また、気
化器には前記液体原料供給配管に付属されている前記液
体原料供給配管を温度制御するための加熱機構も含む。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に即して説明する。

【００１１】本実施の形態において、本発明に係る基板
処理装置はＭＯＣＶＤ装置として構成されており、この
ＭＯＣＶＤ装置は本発明に係る半導体装置の製造方法で
あるＤＲＡＭの製造方法におけるキャパシタの静電容量
部のＴａ₂ Ｏ₅ 膜を成膜する工程（以下、キャパシタ形
成工程という。）に使用されている。

【００１２】図１に示されているように、本実施の形態
に係るＭＯＣＶＤ装置１０は、枚葉式コールドウオール
形減圧ＣＶＤ装置として構成されており、処理室１１を
形成した筐体１２を備えている。筐体１２の下部には処
理室１１を排気する排気口１３が開設されており、筐体
１２の上部には処理室１１に酸素（Ｏ₂ ）ガスを供給す
るガス供給口１４が開設されている。筐体１２の底壁の
中央には支持軸１５が処理室１１に回転自在かつ昇降自
在に挿通されており、支持軸１５は図示しない駆動装置
によって回転かつ昇降されるように構成されている。支
持軸１５の処理室１１における上面には被処理基板であ
るウエハ１を保持するためのサセプタ１６が配置されて
いる。支持軸１５の上端部の内部にはヒータ１７がサセ
プタ１６に保持されたウエハ１を均一に加熱するように
装備されている。筐体１２の側壁の一部にはウエハ１を
出し入れするためのウエハ搬入搬出口１８が開設されて
おり、ウエハ搬入搬出口１８はゲート１９によって開閉
されるようになっている。

【００１３】筐体１２の天井壁には原料ガスを処理室１
１へ供給するためのガス供給口２０が開設されており、
ガス供給口２０にはガス供給配管２１の一端が接続され
ている。ガス供給配管２１の他端には液体原料を気化さ
せるための気化器３０が接続されている。ガス供給配管
２１の全長にはガス供給配管２１を加熱する配管ヒータ
２２が敷設されており、ガス供給配管２１の途中には流
通ガスの流量を計測する流量計２３および流通ガスの圧
力を計測する圧力計２４が筐体１２側から順に介設され
ている。圧力計２４とガス供給配管２１との間には開閉
弁２５が介設されている。

【００１４】気化器３０は気化室３１を形成した筐体３
２を備えており、筐体３２はその壁体に内蔵されたカー
トリッジヒータ３３によって加熱されるようになってい
る。筐体３２の下壁の中心線上にはガス導出口３４が気
化室３１に連通するように開設されており、ガス導出口
３４にはガス供給配管２１が接続されている。筐体３２
の気化室３１の上側には原料液体の流量を調整する可変
流量制御弁３５が設置されている。可変流量制御弁３５
は気化室３１の上側に形成された弁通路３６と、弁通路
３６と気化室３１との隔壁に弁通路３６と気化室３１と
を連通させるように開設された弁口３７と、弁通路３６
の弁口３７との対向位置に摺動自在に挿入された弁体３
８と、弁体３８を進退させる駆動装置３９とを備えてお
り、駆動装置３９をコントローラ４０によって制御して
弁体３８を進退させることにより液体の流量を調整する
ように構成されている。

【００１５】気化器３０の弁通路３６には一端が液体原
料を供給する液体原料供給源４１に接続された液体原料
供給配管４２の他端が接続されており、液体原料供給配
管４２の途中には上流側開閉弁４３、液体流量制御装置
（液体マスフローコントローラ）４４、加熱器４５およ
び下流側開閉弁４６が液体原料供給源４１側から順に介
設されている。液体原料供給配管４２の下流側開閉弁４
６の下流側には一端がパージガスを供給するパージガス
供給源４７に接続されたパージガス供給配管４８の他端
が接続されており、パージガス供給配管４８の途中には
開閉弁４９および気体流量制御装置（気体マスフローコ
ントローラ）５０が介設されている。

【００１６】また、気化器３０の筐体３２の側壁にはガ
ス導入口５１が気化室３１に連通するように開設されて
おり、ガス導入口５１には一端がキャリアガスを供給す
るキャリアガス供給源５２に接続されたキャリアガス供
給配管５３の他端が接続されている。キャリアガス供給
配管５３の途中には気体流量制御装置５４が介設されて
いる。

【００１７】次に、以上の構成に係るＭＯＣＶＤ装置１
０が使用されるＤＲＡＭの製造方法におけるキャパシタ
形成工程を説明する。

【００１８】本実施の形態において、キャパシタの静電
容量部はＴａ₂ Ｏ₅ 膜によって形成される。したがっ
て、ＭＯＣＶＤ装置１０の処理室１１に搬入されるウエ
ハ１には、キャパシタの静電容量部を形成する前の所定
のパターンが形成されている。そして、液体原料供給源
４１にはＴａ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₅ （ペンタ・エトキシ・タ
ンタル。以下、ＰＥＴａという。）が液体原料として貯
溜される。

【００１９】所定のパターンが形成されたウエハ１は図
示しないハンドリング装置によって保持されて、ゲート
１９が開放されたウエハ搬入搬出口１８から処理室１１
に搬入されるとともに、サセプタ１６の上に受け渡され
る。

【００２０】サセプタ１６に受け渡されたウエハ１はヒ
ータ１７によって所定の温度（４３０〜４８０℃）に加
熱され、支持軸１５によって回転される。処理室１１は
排気口１３に接続された真空ポンプ（図示せず）によ
り、所定の圧力（２０〜４０Ｐａ）に排気される。処理
室１１が所定の圧力に安定すると、図１に二点鎖線矢印
で示されているように、ガス供給口１４から酸素ガス６
０が供給される。

【００２１】液体原料供給配管４２の上流側開閉弁４３
および下流側開閉弁４６が開かれることにより、実線矢
印で示されているように、液体原料としてのＰＥＴａ６
１が液体原料供給源４１から液体原料供給配管４２を通
じて気化器３０の弁通路３６に供給される。この際、Ｐ
ＥＴａ６１の流量が液体流量制御装置４４によって調整
され、また、気化器３０へ導入直前のＰＥＴａ６１が加
熱器４５によってＰＥＴａ６１の気化温度付近の温度
（気化器の設定温度±５０℃）まで、例えば、気化温度
よりも低い温度である１００℃に加熱される。

【００２２】気化器３０の弁通路３６に供給されたＰＥ
Ｔａ６１は弁口３７から気化室３１へ、可変流量制御弁
３５の弁体３８の開度が規定する流量をもって噴出す
る。弁口３７から噴出する際に、ＰＥＴａ６１は微粒化
して噴霧する状態になる。噴霧状態になったＰＥＴａ６
１は気化器３０に内蔵されたカートリッジヒータ３３に
よって加熱されて熱エネルギを付勢されることにより気
化して、図１に破線矢印で示されているように原料ガス
６２になる。この際、ＰＥＴａ６１は液体原料供給配管
４２の加熱器４５によって気化器３０に導入される直前
に予め加熱されているため、供給量が多量の場合であっ
ても完全に気化して全て原料ガス６２になる。通常、気
化器の温度は気化器内でのＰＥＴａ分圧とＰＥＴａ蒸気
圧とを考慮して決定される。例えば、ＰＥＴａ分圧が２
０〜３０Ｐａの場合には、気化器の温度は１４０〜１６
０℃に設定される。

【００２３】一方、図１に一点鎖線矢印で示されている
ように、気化室３１にはキャリアガス６３がキャリアガ
ス供給源５２からキャリアガス供給配管５３およびガス
導入口５１を通じて導入される。このキャリアガス６３
の流量は気体流量制御装置５４によって制御され、ま
た、キャリアガス６３は予め暖められる。例えば、キャ
リアガス６３としてはＮ₂ （窒素）ガス等の不活性ガス
が使用される。

【００２４】気化室３１においてＰＥＴａ６１が気化し
て構成された原料ガス６２はガス導入口５１から気化室
３１へ導入されるキャリアガス６３と混合し、気化室３
１のガス導出口３４からガス供給配管２１に導出し、配
管ヒータ２２によって加熱されながらガス供給配管２１
を流通して、処理室１１にガス供給口２０から流入す
る。原料ガス６２とキャリアガス６３との混合ガスの流
量は流量計２３によって計測され、この流量計２３の計
測値に基づいて、液体原料用の可変流量制御弁３５およ
びキャリアガス用の気体流量制御装置５４が制御され
る。

【００２５】また、気化室３１と処理室１１とを繋いで
原料ガス６２とキャリアガス６３との混合ガスを処理室
１１に供給するガス供給配管２１は配管ヒータ２２によ
って、配管内圧力（１５２０Ｐａ）に対する気化温度
（１５２℃）以上で、しかも、ガス供給配管２１および
流量計２３の耐熱温度（１８０℃）および原料ガスの分
解温度以下に加熱される。すなわち、本実施の形態にお
いては、ガス供給配管２１の温度は１５２〜１８０℃に
維持される。

【００２６】処理室１１に流入したＰＥＴａの気化ガス
である原料ガス６２は完全に気化しているため、ウエハ
１の上でＴａ₂ Ｏ₅ となってサセプタ１６に保持されて
加熱されたウエハ１の上に熱ＣＶＤ反応によって堆積す
る。この堆積により、ウエハ１の表面にはＴａ₂ Ｏ₅ 膜
２が形成される。

【００２７】Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜の形成処理条件は次の通りで
ある。成膜温度は３５２〜５２０℃、圧力は１５〜３０
０Ｐａ、キャリアガスの流量は０．１〜１ＳＬＭ（スタ
ンダード・リットル・毎分）、圧送ガス圧力は０．０５
〜０．３ＭＰａ、原料ガスの流量は０．０１〜１．０ｃ
ｃｍ（立方センチメートル毎分）。

【００２８】Ｔａ₂ Ｏ₅ の成膜について予め設定された
時間が経過すると、気化器３０の可変流量制御弁３５、
液体原料供給配管４２の下流側開閉弁４６およびキャリ
アガス供給配管５３の気体流量制御装置５４が閉じられ
ることにより、ＰＥＴａ６１およびキャリアガス６３の
供給が停止される。

【００２９】以上のようにしてＴａ₂ Ｏ₅ 膜２を形成さ
れたウエハ１はハンドリング装置によって処理室１１か
ら搬出される。以降、前述した作業が繰り返されること
により、ウエハ１にＴａ₂ Ｏ₅ 膜２が形成処理されて行
く。

【００３０】ところで、液体原料供給配管の温度が液体
流量制御装置の仕様の範囲内で液体原料が固化しない程
度の温度である３５〜４０℃に維持されている従来例の
場合には、液体原料の供給流量が大きい（例えば、０．
３ｃｃｍ以上）と、気化器における気化条件（温度、Ｐ
ＥＴａ分圧、ＰＥＴａ蒸気圧）を満足していても、気化
が上手くいかないことがある。これは、気化器で瞬時に
加熱供給可能な熱エネルギの量には気化器の構造や気化
器のヒータの熱供給容量等に規制されて限界があるため
と、考えられる。

【００３１】しかし、本実施の形態においては、気化器
３０に供給される直前のＰＥＴａ６１は液体原料供給配
管４２に介設した加熱器４５によって、気化温度付近
（気化器の設定温度±５０℃）であって液体原料供給配
管４２の通常の温度である３５〜４０℃よりも高い温
度、例えば、１００℃に予め加熱されているため、気化
器３０が気化のために液体原料に対して供給しなければ
ならない熱エネルギ負担を軽減することができ、気化器
３０に多量のＰＥＴａ６１が供給される場合であって
も、気化器３０における瞬時に加熱供給可能な熱エネル
ギの量をもって全てのＰＥＴａ６１を完全に気化させる
ことができる。

【００３２】前記実施の形態によれば、次の効果が得ら
れる。

【００３３】1) 気化器に供給される直前のＰＥＴａを
液体原料供給配管に介設した加熱器によって気化温度付
近の温度であって液体原料供給配管の温度よりも高い温
度に予め加熱することにより、気化器が液体原料を気化
するために液体原料に対して供給しなければならない熱
エネルギ負担を軽減することができ、気化器に多量のＰ
ＥＴａが供給される場合であっても、気化器における瞬
時に加熱供給可能な熱エネルギの量をもって全てのＰＥ
Ｔａを完全に気化させることができる。

【００３４】2) 多量のＰＥＴａが供給される場合であ
っても気化器においてＰＥＴａを完全に気化させること
により、気化が不充分になったＰＥＴａが液体原料供給
配管やガス供給配管に残留するのを防止することができ
るため、当該残留によって派生する二次的な不具合の発
生を未然に回避することができる。

【００３５】3) 多量のＰＥＴａが供給される場合であ
っても気化器においてＰＥＴａを完全に気化させること
により、ＭＯＣＶＤ装置においてＰＥＴａの供給量を増
加することができるため、ＭＯＣＶＤ装置の性能を向上
させることができる。

【００３６】以上本発明者によってなされた発明を実施
の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施
の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもな
い。

【００３７】例えば、液体原料としては、ＰＥＴａを使
用するに限らず、ＮｂＯ₅ （五酸化ニオブ）を成膜する
ためのＮｂ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₅ （ペンタ・エトキシ・ニオ
ブ）、ＴｉＯｘ（チタンオキサイド）を成膜するための
Ｔｉ（ＯＣ₃ Ｈ₇ ）₄ （テトラ・イソプロピル・チタ
ン）、ＺｒＯ₂ （二酸化ジルコニウム）を成膜するため
のＺｒ（ＯＣ₄ Ｈ₉ ）₄ （テトラ・ブトキシ・ジルコニ
ウム）、ＨｆＯ₂ （二酸化ハウフニウム）を成膜するた
めのＨｆ（ＯＣ₄ Ｈ₉ ）₄ （テトラ・ブトキシ・ハウフ
ニウム）等を使用してもよい。

【００３８】また、ＤＲＡＭの製造方法におけるキャパ
シタ形成工程に適用した場合について説明したが、それ
に限定されるものではなく、ＦＲＡＭ（ferro electric
ＲＡＭ）のキャパシタ形成のためのＰＺＴ（ＰｂＺｒＴ
ｉＯ₃ ）あるいはイリジウム、ルテニウム、銅等の金属
膜およびそれらの金属酸化膜の成膜技術にも適用するこ
とができる。

【００３９】気化器の構成は前記実施の形態の構造に限
らない。

【００４０】基板処理装置は、枚葉式コールドウオール
形ＣＶＤ装置に構成するに限らず、枚葉式ホットウオー
ル形ＣＶＤ装置や枚葉式ウオーム（Warm）ウオール形Ｃ
ＶＤ装置等に構成してもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
液体原料を気化させたガスを処理室に安定的に供給する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態であるＭＯＣＶＤ装置を
示す縦断面図である。

【符号の説明】

１…ウエハ（基板）、２…Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜、１０…ＭＯＣ
ＶＤ装置（基板処理装置）、１１…処理室、１２…筐
体、１３…排気口、１４…ガス供給口、１５…支持軸、
１６…サセプタ、１７…ヒータ、１８…ウエハ搬入搬出
口、１９…ゲート、２０…ガス供給口、２１…ガス供給
配管、２２…配管ヒータ、２３…流量計、２４…圧力
計、２５…開閉弁、３０…気化器、３１…気化室、３２
…筐体、３３…カートリッジヒータ、３４…ガス導出
口、３５…可変流量制御弁、３６…弁通路、３７…弁
口、３８…弁体、３９…駆動装置、４０…コントロー
ラ、４１…液体原料供給源、４２…液体原料供給配管、
４３…上流側開閉弁、４４…液体流量制御装置、４５…
加熱器、４６…下流側開閉弁、４７…パージガス供給
源、４８…パージガス供給配管、４９…開閉弁、５０…
気体流量制御装置、５１…キャリアガス導入口、５２…
キャリアガス供給源、５３…キャリアガス供給配管、５
４…気体流量制御装置、６０…酸素ガス、６１…ＰＥＴ
ａ（液体原料）、６２…原料ガス（気化ガス）、６３…
キャリアガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K030 AA11 AA14 AA16 BA17 BA42 CA04 CA12 EA01 EA03 FA10 JA10 5F045 AA04 AB31 AC09 AC15 AD07 AD08 AD09 AE13 AE15 BB01 BB15 DP03 EC09 EE02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を処理する処理室と、この処理室に
一端が接続されたガス供給配管と、このガス供給配管の
他端に接続されて液体原料を気化させる気化器と、この
気化器に一端が接続された前記液体原料を供給する液体
原料供給配管と、この液体原料供給配管の他端に接続さ
れた液体原料供給源と、前記液体原料供給配管に設けら
れ前記気化器に供給される前の前記液体原料をこの液体
原料供給配管の温度よりも高い温度で加熱する加熱器と
を備えていることを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】液体原料供給源より液体原料供給配管を
介して気化器に液体原料を供給し、この液体原料を前記
気化器において気化させ、気化させたガスを処理室に供
給することによって前記処理室内の基板を処理する半導
体装置の製造方法において、前記気化器に供給される前
の前記液体原料を前記液体原料供給配管に設けられた加
熱器により前記液体原料供給配管の温度よりも高い温度
で加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。