JP2005303153A - 基板処理装置及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体デバイスのリーク電流を低減可能な半導体デバイスを製造する基板処理装置及び半導体デバイスの製造方法を提供すること。
【解決手段】基板を収容する処理室と、前記基板を加熱する加熱手段とを有し、少なくとも２つのガスを交互に前記処理室内に供給して前記基板の表面に所望の膜を生成する基板処理装置であって、前記２つのガスの内の少なくとも一方のガスは、該一方のガスと前記基板表面との間での反応が飽和に達した後も前記処理室内に供給されることを特徴とする基板処理装置。
【選択図】図５

Description

本発明は、基板処理装置及び半導体デバイスの製造方法に関し、特に、Ｓｉ半導体デバイスを製造する際に用いられる、ＡＬＤ（Atomic layer Deposition）法による成膜を行う半導体製造装置およびＡＬＤ法による半導体デバイスの製造方法に関するものである。

まず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法の中の１つであるＡＬＤ法を用いた成膜処理について、簡単に説明する。
ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（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、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
即ち、例えばＡｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）膜を形成する場合には、ＡＬＤ法を用いて、ＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ_３）_３、トリメチルアルミニウム）とＯ_３（オゾン）とを交互に供給することにより２００〜５００℃の低温で高品質の成膜が可能である。このように、ＡＬＤ法では、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給することによって成膜を行う。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、成膜処理を２０サイクル行う。
特願２００３−２９３９５３号

しかしながら、従来のＡＬＤ法により基板上に成膜しさせて半導体デバイスでは、特にリーク電流に代表される、デバイス自体の電気特性に関する十分な性能が得られないという問題があった。

本発明の主な目的は、半導体デバイスのリーク電流を低減可能な半導体デバイスを製造する基板処理装置及び半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、
基板を収容する処理室と、前記基板を加熱する加熱手段とを有し、少なくとも２つのガスを交互に前記処理室内に供給して前記基板の表面に所望の膜を生成する基板処理装置であって、
前記２つのガスの内の少なくとも一方のガスは、該一方のガスと前記基板表面との間での反応が飽和に達した後も前記処理室内に供給されることを特徴とする基板処理装置。

なお、前記反応が飽和に達するとの現象とは、一方のガスを供給し続けても生成される膜の厚さがそれ以上変化（増加）しない現象（セルフリミット現象）に達したことをいう。

好ましくは、前記２つのガスの１つは、酸化種であって、少なくとも前記酸化種を反応の飽和に達した後も供給し、基板上に酸化膜を形成するものである。

また、好ましくは、前記２つのガスの内の１つのガスは、金属原子を含むガスで、他のガスは酸化種であって、前記酸化種を反応の飽和に達した後も供給し、基板上に金属酸化膜を形成するものである。

また、好ましくは、酸化種をセルフリミットを示す最小又は最短の照射時間の３〜５０倍の時間供給し、基板の表面に金属酸化膜を形成するするものである。

本発明の他の態様によれば、
処理室に第１の反応種を供給して、該処理室内に収容されている基板の表面に前記第１の反応種を化学吸着させる工程と、
前記処理室から残留する前記第１の反応種を除去する工程と、
前記処理室に第２の反応種を供給して、該第２の反応種と前記基板表面に化学吸着している前記第１の反応種とを反応させて前記基板の表面に所望の膜を生成する工程と、
前記処理室から残留する前記第２の反応種を除去する工程と、
を少なくとも有し、
前記第２の反応種の供給は、前記基板表面に化学吸着している前記第１の反応種との間での反応が飽和に達した後も所定時間供給され続けてなることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

本発明の更に他の態様によれば、
本発明の一態様によれば、
基板を収容する処理室と、前記基板を加熱する加熱手段とを有し、少なくとも２つのガスを交互に前記処理室内に供給して前記基板の表面に所望の膜を生成する基板処理装置であって、前記２つのガスの内の少なくとも一方のガスは、該一方のガスと前記基板表面との間での反応が飽和に達した後も前記処理室内に供給される基板処理装置を用いて、前記基板の表面に前記所望の膜を生成することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

良質なＡｌ_２Ｏ_３膜等の成膜が可能となり、さらにリーク電流を低減可能な半導体デバイスを製造することができるようになる。

ＡＬＤ法は、供給された原料ガスが最高１原子層分、下地最表面と化学結合して膜を形成し、その上に物理吸着したその他の余分な分子をパージ工程によりサイクル毎に取り払う手法である。このため、各サイクル中にある規定時間以上原料ガスを継続的に供給しても、１サイクル当りに堆積する膜厚は増加しない。この現象をセルフリミットと呼ぶ（図５参照）。

従来のＡＬＤ法による成膜を行なう半導体デバイス製造装置は、セルフリミットを達成する最短の照射時間で成膜を実施していたが、最短の照射時間により成膜するだけでは、特にリーク電流に代表される、デバイス自体の電気特性に関する十分な性能が得られないという問題があった。

本発明の好ましい実施の形態においては、特に酸化種である原料ガスを供給する際、セルフリミットを示す最短時間の３〜５０倍の時間照射するようにする。このようにすれば、形成される膜中に存在するＡｌ−Ａｌ結合およびＯ−Ｈ結合濃度が減少する。

具体的には、ＴＭＡとＯ_３によるＡＬＤ成膜において、Ｏ_３照射時のセルフリミットが５秒であった場合、１サイクル当り１５〜２５０秒の間Ｏ_３を供給する事である。
ＴＭＡ供給時のＡＬＤ反応過程の初期において、低い確率ではあるが、気相中にて２つ以上のＴＭＡ分子が反応した後、ウエハ表面に到達し下地と化学結合する事により、膜中にＡｌ−Ａｌ結合が取り込まれる。また、ＴＭＡから分離した水素が膜表面に存在する酸素の未結合手と結合する事により、膜中にＯ−Ｈ結合が取り込まれる。Ａｌ−Ａｌ結合およびＯ−Ｈ結合は、Ａｌ−Ｏ結合に比較し結合エネルギーが低いため、Ｏ_３照射を継続する事により、Ａｌ−Ｏ結合に置換する。継続する照射時間の目安は、セルフリミットを示す最短時間の３〜５０倍である。

図１は、本実施例にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図２は本実施例にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。図３は、本実施例の基板処理装置における縦型基板処理炉のノズル２３３を説明するための図であり、図３Ａは概略図であり、図３Ｂは図３ＡのＡ部の部分拡大図である。

加熱手段であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器として反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端には、例えばステンレス等よりなるマニホールド２０９が係合され、さらにその下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、このヒータ２０７、反応管２０３、マニホールド２０９、及びシールキャップ２１９により処理炉２０２を形成している。このマニホールド２０９は保持手段（以下ヒータベース２５１）に固定される。

反応管２０３の下端部およびマニホールド２０９の上部開口端部には、それぞれ環状のフランジが設けられ、これらのフランジ間には気密部材（以下Ｏリング２２０）が配置され、両者の間は気密にシールされている。

シールキャップ２１９には石英キャップ２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、石英キャップ２１８はボート２１７を保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理炉２０２に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。ヒータ２０７は処理炉２０２に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。

処理炉２０２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給管としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが設けられている。ガス供給管２３２ａ、２３２ｂは、マニホールド２０９の下部を貫通して設けられており、ガス供給管２３２ｂは、処理炉２０２内でガス供給管２３２ａと合流して、２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが一本の多孔ノズル２３３に連通している。ノズル２３３は、処理炉２０２内に設けられており、ガス供給管２３２ｂから供給されるＴＭＡの分解温度以上の領域にその上部が延在している。
しかし、ガス供給管２３２ｂが、処理炉２０２内でガス供給管２３２ａと合流している箇所は、ＴＭＡの分解温度未満の領域であり、ウエハ２００およびウエハ２００付近の温度よりも低い温度の領域である。ここでは、第１のガス供給管２３２ａからは、流量制御手段である第１のマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁である第１のバルブ２４３ａを介し、更に後述する処理炉２０２内に設置された多孔ノズル２３３を通して、処理炉２０２に反応ガス（Ｏ_３）が供給され、第２のガス供給管２３２ｂからは、流量制御手段である第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁である第２のバルブ２５２、ＴＭＡ容器２６０、及び開閉弁である第３のバルブ２５０を介し、先に述べた多孔ノズル２３３を介して処理炉２０２に反応ガス（ＴＭＡ）が供給される。ＴＭＡ容器２６０からマニホールド２０９までのガス供給管２３２ｂには、ヒータ３００が設けられ、ガス供給管２３２ｂを５０〜６０℃に保っている。

ガス供給管２３２ｂには、不活性ガスのライン２３２ｃが開閉バルブ２５３を介して第３のバルブ２５０の下流側に接続されている。また、ガス供給管２３２ａには、不活性ガスのライン２３２ｄが開閉バルブ２５４を介して第１のバルブ２４３ａの下流側に接続されている。

処理炉２０２はガスを排気する排気管であるガス排気管２３１により第４のバルブ２４３ｄを介して排気手段である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。尚、この第４のバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理炉２０２の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。

ノズル２３３が、反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル２３３には複数のガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ｂが設けられている。

反応管２０３内の中央部には複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート２１７を回転するための回転手段であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。

制御手段であるコントローラ１２１は、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、第１〜第４のバルブ２４３ａ、２５２、２５０、２４３ｄ、バルブ２５３、２５４、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図中省略のボート昇降機構に接続されており、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、第１〜第３のバルブ２４３ａ、２５２、２５０、バルブ２５３、２５４の開閉動作、第４のバルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７の温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御が行われる。

次にＡＬＤ法による成膜例として、ＴＭＡ及びＯ_３ガスを用いてＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜する場合を説明する。
まず成膜しようとする半導体シリコンウエハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。

［ステップ１］
ステップ１では、ＴＭＡガスを流す。ＴＭＡは常温で液体であり、処理炉２０２に供給するには、加熱して気化させてから供給する方法、キャリアガスと呼ばれる窒素や希ガスなどの不活性ガスをＴＭＡ容器２６０の中に通し、気化している分をそのキャリアガスと共に処理炉へと供給する方法などがあるが、例として後者のケースで説明する。まずキャリアガス供給管２３２ｂに設けたバルブ２５２、ＴＭＡ容器２６０と処理炉２０２の間に設けられたバルブ２５０、及びガス排気管２３１に設けた第４のバルブ２４３ｄを共に開けて、キャリアガス供給管２３２ｂから第２のマスフローコントローラ２４１ｂにより流量調節されたキャリアガスがＴＭＡ容器２６０の中を通り、ＴＭＡとキャリアガスの混合ガスとして、ノズル２３３のガス供給孔２４８ｂから処理炉２０２に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＴＭＡガスを流すときは、第４のバルブ２４３ｄを適正に調整して処理炉２０２内圧力を１０〜９００Ｐａとする。第２のマスフローコントローラ２４１ａで制御するキャリアガスの供給流量は１００００ｓｃｃｍ以下である。ＴＭＡを供給するための時間は１〜４秒設定する。その後さらに吸着させるため上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を０〜４秒に設定しても良い。この時のヒータ２０７はウエハの温度が２００〜５００℃になるように設定してある。ＴＭＡの供給により、ＴＭＡ分子がウエハ２００の表面に化学吸着することになる。

同時にガス供給管２３２ａの途中につながっている不活性ガスのライン２３２ｄから開閉バルブ２５４を開けて不活性ガスを流すとＯ_３側にＴＭＡガスが回り込むことを防ぐことができる。

［ステップ２］
ステップ２では、バルブ２５０を閉じ、第４のバルブ２４３ｄを開けて処理炉２０２を真空排気し、ウエハ２００の表面等に物理吸着した残留ＴＭＡを排除する。また、この時にはＮ_２等の不活性ガスを、Ｏ_３供給ラインである第１のガス供給管２３２ａの途中につながっているライン２３２ｄ、およびＴＭＡ供給ラインである第２のガス供給管２３２ｂの途中につながっているライン２３２ｃからそれぞれ処理炉２０２に供給すると、さらに残留するＴＭＡの成膜に寄与した後のガスを処理炉２０２から排除する効果が高まる。

［ステップ３］
ステップ３では、Ｏ_３ガスを流す。まず第１のガス供給管２３２ａに設けた第１のバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けた第４のバルブ２４３ｄを共に開けて、第１のガス供給管２３２ａから第１のマスフローコントローラ２４１ａにより流量調整されたＯ_３ガスをノズル２３３のガス供給孔２４８ｂから処理炉２０２に供給しつつガス排気管２３１から排気する。Ｏ_３ガスを流すときは、第４のバルブ２４３ｄを適正に調節して処理炉２０２内圧力を１０〜１００Ｐａとする。第１のマスフローコントローラ２４１ａで制御するＯ_３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。Ｏ_３にウエハ２００を晒す時間は１５〜２５０秒間である。この時のヒータ２０７はＴＭＡの供給時と同じく、ウエハの温度が２００〜５００℃になるよう設定してある。

同時にガス供給管２３２ｂの途中につながっている不活性ガスのライン２３２ｃから開閉バルブ２５３を開けて不活性ガスを流すとＴＭＡ側にＯ_３ガスが回り込むことを防ぐことができる。

このとき、処理炉２０２に内に流しているガスは、Ｏ_３とＮ_２、Ａｒ等の不活性ガスのみであり、ＴＭＡは存在しない。したがって、Ｏ_３は気相反応を起こすことはなく、ウエハ２００上の下地膜と表面反応する。

Ｏ_３の供給により、下地膜上のＴＭＡとＯ_３とが表面反応して、ウエハ２００上にＡｌ_２Ｏ_３膜が成膜される。

成膜後、第１のガス供給管２３２ａの第１のバルブ２４３ａを閉めて、Ｏ_３の供給を止める。また、ガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄは開いたままにし真空ポンプ２４６により、処理炉２０２を２０Ｐａ以下に排気し、残留Ｏ_３を処理炉２０２から排除する。また、この時には、Ｎ_２等の不活性ガスを、Ｏ_３供給ラインである第１のガス供給管２３２ａの途中につながっているライン２３２ｄ、およびＴＭＡ供給ラインである第２のガス供給管２３２ｂの途中につながっているライン２３２ｃからそれぞれ処理炉２０２に供給すると、残留Ｏ_３を排除する効果が更に高まる。

上記ステップ１〜３を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ２００上に所定膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜する。

処理炉２０２内を排気してＴＭＡガスを除去してからＯ_３を流すので、両者はウエハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＯ_３は、ウエハ２００に吸着しているＴＭＡとのみ有効に反応させることができる。

また、Ｏ_３供給ラインである第１のガス供給管２３２ａおよびＴＭＡ供給ラインである第２のガス供給管２３２ｂを処理炉２０２内で合流させることにより、ＴＭＡとＯ_３をノズル２３３内でも交互に吸着、反応させて堆積膜をＡｌ_２Ｏ_３とすることができ、ＴＭＡとＯ_３を別々のノズルで供給する場合にＴＭＡノズル内で異物発生源になる可能性があるＡｌ膜が生成するという問題をなくすることができる。Ａｌ_２Ｏ_３膜は、Ａｌ膜よりも密着性が良く、剥がれにくいので、異物発生源になりにくい。

次に、図４を参照して、本発明が好適に適用される基板処理装置の一例である半導体製造装置についての概略を説明する。

筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取り付けられている。また、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。

筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

ウエハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ２００が上向き姿勢で搬入され、ウエハ２００が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０℃回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。

カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ２００が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。

カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウエハ２００を移載する。

ボート２１７に所定枚数のウエハ２００が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウエハ２００が加熱されると共に処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウエハ２００に処理がなされる。

ウエハ２００への処理が完了すると、ウエハ２００は上記した作動の逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。尚、炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を塞ぎ、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。
前記カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

本発明の一実施例の基板処理装置における縦型基板処理炉の概略縦断面図である。 本発明の一実施例の基板処理装置における縦型基板処理炉の概略横断面図である。 本発明の一実施例の基板処理装置における縦型基板処理炉のノズル２３３を説明するための図であり、図３Ａは概略図であり、図３Ｂは図３ＡのＡ部の部分拡大図である。 本発明の一実施の形態の基板処理装置を説明するための概略斜示図である。 原料の照射時間と１サイクル当りの膜厚の関係を示すグラフである。

符号の説明

１２１ コントローラ
２００ ウエハ
２０２ 処理炉
２０３ 反応管
２０７ ヒータ
２０９ マニホールド
２１７ ボート
２１８ 石英キャップ
２１９ シールキャップ
２２０ Ｏリング
２３１ ガス排気管
２３２ａ 第１のガス供給管
２３２ｂ 第２のガス供給管
２３２ｃ 不活性ガスライン
２３２ｄ 不活性ガスライン
２３３ ノズル
２４１ａ 第１のマスフローコントローラ
２４１ｂ 第２のマスフローコントローラ
２４３ａ 第１のバルブ
２４３ｄ 第４のバルブ
２４６ 真空ポンプ
２４８ｂ ガス供給孔
２５０ 第３のバルブ
２５１ ヒータベース
２５２ 第２のバルブ
２５３ バルブ
２５４ バルブ
２６０ ＴＭＡ容器
２６７ ボート回転機構
３００ ヒータ

Claims (2)

1. 基板を収容する処理室と、前記基板を加熱する加熱手段とを有し、少なくとも２つのガスを交互に前記処理室内に供給して前記基板の表面に所望の膜を生成する基板処理装置であって、
   前記２つのガスの内の少なくとも一方のガスは、該一方のガスと前記基板表面との間での反応が飽和に達した後も前記処理室内に供給されることを特徴とする基板処理装置。
2. 処理室に第１の反応種を供給して、該処理室内に収容されている基板の表面に前記第１の反応種を化学吸着させる工程と、
   前記処理室から残留する前記第１の反応種を除去する工程と、
   前記処理室に第２の反応種を供給して、該第２の反応種と前記基板表面に化学吸着している前記第１の反応種とを反応させて前記基板の表面に所望の膜を生成する工程と、
   前記処理室から残留する前記第２の反応種を除去する工程と、
   を少なくとも有し、
   前記第２の反応種の供給は、前記基板表面に化学吸着している前記第１の反応種との間での反応が飽和に達した後も所定時間供給され続けてなることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
   

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