JP2006066511A - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッチ型ＣＶＤ装置を用いた成膜において、製品ウェハ枚数に依存する膜厚のばらつきを抑制し、所定の膜厚の膜を再現性よく作製する。
【解決手段】 成膜装置１００は、製品ウェハ１０７およびダミーウェハ１０９が収容される成長炉１０１、製品ウェハ１０７およびダミーウェハ１０９が設置されるボート１０５、および成長炉１０１の外側に炉壁１０３に沿って設けられたヒータ１１１を有する。また、成膜装置１００は、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３とＳｉＯ₂原料供給管１１５とを有するガス供給系、およびガス供給系から成長炉１０１へのガスの供給を制御する制御部１２１を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体装置の構成材料として、ｈｉｇｈ−ｋ膜とよばれる高誘電率膜の利用が検討され始めている。ｈｉｇｈ−ｋ材料の代表的なものとしては、Ｚｒ、Ｈｆ等を含む酸化物が挙げられる。特許文献１には、ゲート絶縁膜にＨｆＳｉＯのような高誘電率膜を使用することが記載されている。こうした材料をＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜に用いることにより、ゲート絶縁膜の物理的な厚みをある程度厚くしても電気的なシリコン酸化膜換算膜厚は薄くなり、物理的・構造的に安定なゲート絶縁膜を実現することができる。

こうした高誘電率膜を成膜する際には、バッチ式のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が使用される。
特開２００４−３１７６０号公報

ここで、バッチ式のＣＶＤ装置を用いる場合、製品ウェハと同時にダミーウェハを使用する。ダミーウェハは、ガスの消費量をロット間で一定に保つこと、バッチ炉内での熱の輻射をロット間で一定に保つこと、または膜の組成をロット間で一定に保つことを目的として用いられる。

バッチ型ＣＶＤ装置で薄膜を成長する場合、炉内にロードされる製品ウェハの枚数によらず、安定して狙い通りの膜厚が得られることが量産装置として求められる。ところが、従来のバッチ型ＣＶＤ装置について本発明者が検討したところ、実際には同じ条件で成膜しても、製品ウェハ枚数およびダミーウェハの枚数に依存してできあがり膜厚が変化するという現象が発生することがわかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、バッチ型ＣＶＤ装置を用いた成膜において、製品ウェハ枚数に依存する膜厚のばらつきを抑制し、所定の膜厚の膜を再現性よく作製する技術を提供する。

本発明者は、同時に処理されるウェハ中の製品ウェハとダミーウェハの枚数の割合が変化すると製品ウェハ上への成膜膜厚がこの枚数の割合に応じて変化する原因について鋭意検討を行った。その結果、膜厚のばらつきが生じるのは、炉内およびダミーウェハの表面状態が製品ウェハの表面状態と異なるためであることが推察された。

具体的には、図６（ａ）および図６（ｂ）に示した構成の成膜装置を用いた成膜プロセスについて検討した。図６（ａ）および図６（ｂ）は、従来の成膜装置の構成を模式的に示す断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示した成膜装置２００は、複数の半導体基板、ここではシリコンウェハに対して同時に成膜処理を施すバッチ式のＣＶＤ成膜装置である。

成膜装置２００は、成長炉２０１、成長炉２０１内に収容されるボート２０５、成長炉２０１の外側に炉壁２０３に沿って設けられたヒータ２１１を有する。また、成膜装置２００は、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管２１３を有する。ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管２１３は、製品ウェハ２０７に所定の膜を成膜するための原料ガスを成長炉２０１内に導入する複数の管である。

成長炉２０１の内部には、ボート２０５が出し入れ可能に収容される。ボート２０５には所定の枚数の製品ウェハ２０７およびダミーウェハ２０９が載置される。一度の成膜プロセスにおいて成長炉２０１中に収容される製品ウェハ２０７とダミーウェハ２０９との枚数の合計は、成長炉２０１の大きさに応じて所定の枚数に設定され、各バッチにおいてその所定の合計枚数のウェハが成長炉２０１内に収容される。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示した成膜装置２００を用いた成膜シーケンスは、後述する比較例において詳細に説明するが、以下のようにした。まず、前のバッチの成膜終了後、ダミーウェハ２０９および製品ウェハ２０７のアンロードを行う。そして、表面にＳｉＯ₂膜２２５が設けられた製品ウェハ２０７およびダミーウェハ２０９をそれぞれ所定の枚数成長炉２０１内にロードする。そして、ＨｆＳｉＯ_x（ｘは正の整数、以下同じ）の成膜（１〜２ｎｍ程度）後、窒化する。

本発明者は、製品ウェハ２０７とダミーウェハ２０９の総枚数を一定として、製品ウェハ２０７の枚数を変化させてバッチ処理を行った。そして、得られたダミーウェハ２０９および製品ウェハ２０７を成長炉２０１からアンロードし、ウェハ表面に形成されているＨｆＳｉＯＮ膜の膜厚を測定した。すると、後述する比較例にて参照する図７に示したように、製品ウェハ２０７の枚数が多いほどＨｆＳｉＯ_xの膜厚が大きくなった。

この理由として以下のことが推察される。たとえば、上述したプロセスにより高誘電率ゲート絶縁膜であるＨｆＳｉＯＮ膜２２３を成長する場合、ＣＶＤによるＨｆＳｉＯ膜の成長のステップと、ＮＨ₃を用いた熱処理によるＨｆＳｉＯ_xのＨｆＳｉＯＮ化とからなるステップによりＨｆＳｉＯＮ膜２２３が得られる。このうち、最初のステップであるＨｆＳｉＯ_x膜の成長速度は、被成膜面の材料によって異なり、ＨｆＳｉＯＮ上＞ＳｉＯ₂上＞ＨｆＳｉＯ_x上の順に大きいことが推察される。このため、成長炉２０１にロードされるウェハの総枚数中のダミーウェハ２０９の割合が大きいほど、ダミーウェハ２０９の周囲で消費される原料ガスが大きくなり、製品ウェハ２０７の表面に成膜される膜の膜厚が小さくなる。

このように、従来の方法では、ダミーウェハの表面に形成されている膜と製品ウェハの表面に形成されている膜とで、ＨｆＳｉＯ_x膜の成長速度が異なることに起因して、製品ウェハ上のＨｆＳｉＯ_x膜厚がロードされる製品ウェハ枚数とともに変化してしまう。そこで、本発明者は、以上の検討結果を踏まえて製品ウェハの枚数に依存せずに所定の膜厚を有する薄膜を製品ウェハ上に再現性よく形成する方法を検討し、本発明に至った。

本発明によれば、複数の半導体ウェハへの成膜が同時に行われるバッチ式の半導体製造装置であって、製品ウェハおよびダミーウェハが収容される成長炉と、前記成長炉内に第一のガスを供給する第一のガス供給系と、前記成長炉内に第二のガスを供給する第二のガス供給系と、を備え、前記第一のガスは、前記製品ウェハの被成膜面の上に成膜される所定の膜の原料ガスであり、前記第二のガスは、前記ダミーウェハ上に成膜され、前記所定の膜とは異なる種類のプリコート膜の原料ガスであることを特徴とする半導体製造装置が提供される。

本発明の半導体製造装置は、第一のガス供給系と第二のガス供給系とを有する。そして、第二のガス供給系は、ダミーウェハ上に成膜されるプリコート膜の原料を供給する。このため、製品ウェハ上に所定の膜を成膜する前に、ダミーウェハ上にプリコート膜を設けることができる。よって、製品ウェハの表面の材料に応じて、ダミーウェハの表面の材料の種類を設定することが可能である。したがって、製品ウェハとダミーウェハの合計枚数中に対する製品ウェハの枚数が変化した場合にも、製品ウェハ上に設けられる所定の膜の膜厚のばらつきを抑制することができる。このため、製品ウェハとダミーウェハの枚数によらず、安定した膜厚再現性が得られる。よって、バッチ式の半導体製造装置におけるバッチごとの膜厚のばらつきを抑制することができる。

本発明によれば、複数の半導体ウェハの表面上に所定の膜を一括して形成する成膜工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記成膜工程は、前記所定の膜とは異なる種類のプリコート膜を有する少なくとも一枚のダミーウェハを準備する工程と、ダミーウェハを準備する工程で準備された前記ダミーウェハと製品ウェハとの表面に前記所定の膜を同時に設ける工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明に係る製造方法は、製品ウェハ上に成膜される所定の膜と異なるプリコート膜が設けられたダミーウェハを準備する工程を含む。そして、プリコート膜が設けられたダミーウェハと製品ウェハに対して所定の膜が同時に成膜される。このため、所定の膜を設ける際に、製品ウェハの材料に応じてその材料に適したプリコート膜が設けられたダミーウェハを用いることができる。よって、製品ウェハとダミーウェハの合計枚数中に対する製品ウェハの枚数が変化した場合にも、製品ウェハ上に設けられる所定の膜の膜厚のばらつきを抑制し、再現性の高い成膜が可能となる。

本発明の半導体製造装置において、前記所定の膜が、Ｈｆ、Ａｌ、およびＺｒからなる群から選択される一または二以上の金属と、Ｏとを含む構成とすることができる。また、本発明の半導体装置の製造方法において、所定の膜を同時に設ける前記工程は、前記ダミーウェハと前記製品ウェハとの表面に、Ｈｆ、Ａｌ、およびＺｒからなる群から選択される一または二以上の金属と、Ｏとを含む膜を設ける工程を含んでもよい。こうすることにより、上記金属の酸化膜の成膜において、膜厚のばらつきを抑制することができる。

本発明において、前記所定の膜はＳｉまたはＮのいずれかまたは両方の元素をさらに含む膜であってもよい。

本発明の半導体製造装置において、前記製品ウェハの前記被成膜面が、金属、金属酸化物、および金属窒化物のうちのいずれかの膜の表面であり、前記第二のガス供給系は、前記製品ウェハの前記被成膜面の成膜種と同種の膜を前記成長炉の内部にプリコートするように構成されてもよい。

また、本発明の半導体装置の製造方法において、ダミーウェハを準備する前記工程は、前記ダミーウェハの表面に前記製品ウェハの被成膜面の材料と同種の材料からなる前記プリコート膜を設ける工程を含み、所定の膜を同時に設ける前記工程は、前記製品ウェハの前記被成膜面の材料と異なる材料からなる膜を設ける工程を含んでもよい。

こうすることにより、ダミーウェハの被成膜面の材料を製品ウェハの材料と同種の材料とすることができる。このため、製品ウェハ上に所定の膜を成膜する際にバッチ間で生じる膜厚のばらつきをさらに確実に低減することができる。

また、本発明において、前記製品ウェハの被成膜面が金属、金属酸化物、金属窒化物のいずれかの膜の表面であってもよい。

本発明の半導体製造装置において、前記製品ウェハの前記被成膜面がＳｉＯ₂膜の表面であり、前記プリコート膜がＳｉＯ₂膜であってもよい。また、本発明の半導体装置の製造方法において、前記製品ウェハの被成膜面がＳｉＯ₂膜の表面であり、ダミーウェハを準備する前記工程は、前記ダミーウェハの表面にＳｉＯ₂膜をプリコートする工程を含んでもよい。こうすることにより、製品ウェハのＳｉＯ₂膜上に所定の膜を設ける際の膜厚のばらつきを抑制することができる。

本発明の半導体製造装置において、前記製品ウェハの前記被成膜面がＴｉＮ膜の表面であり、前記プリコート膜がＴｉＮ膜であってもよい。また、本発明の半導体装置の製造方法において、前記製品ウェハの被成膜面がＴｉＮ膜の表面であり、ダミーウェハを準備する前記工程は、前記ダミーウェハの表面にＴｉＮ膜をプリコートする工程を含んでもよい。こうすることにより、製品ウェハのＴｉＮ膜上に所定の膜を設ける際の膜厚のばらつきを抑制することができる。

本発明の半導体製造装置において、前記第一のガス供給系と前記第二のガス供給系とを制御する制御部を有し、前記制御部は、前記ダミーウェハが前記成長炉に収容された状態で、前記第二のガス供給系から前記成長炉の内部に前記第二のガスを供給するとともに、表面に前記プリコート膜を有する前記ダミーウェハと、前記製品ウェハとが前記成長炉に収容された状態で、前記第一のガス供給系から前記成長炉の内部に前記第一のガスを供給するように構成されていてもよい。こうすることにより、プリコート膜および所定の膜をさらに好適なタイミングで成膜することができる。このため、製品ウェハ上に設けられる膜の膜厚のばらつきをさらに確実に低減することができる。

本発明の半導体装置の製造方法において、ダミーウェハを準備する前記工程は、複数の半導体ウェハへの成膜が同時に行われるバッチ式の成長炉に前記ダミーウェハを収容し、前記ダミーウェハの表面および前記成長炉の壁面に前記プリコート膜を設ける工程を含み、所定の膜を同時に設ける前記工程を、前記プリコート膜が設けられた前記成長炉内で行うことができる。この構成によれば、ダミーウェハの表面に加え、成長炉の壁面にプリコート膜を設けることができるため、製品ウェハへの成膜時の膜厚の再現性をより一層向上させることができる。

なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。

たとえば、本発明において、前記成長炉を加熱する加熱手段を備える構成とすることができる。

また、本発明において、前記制御部は、前記成長炉に収容される前記製品ウェハの枚数に応じて前記成長炉に収容される前記ダミーウェハの枚数を調節するように構成されていてもよい。こうすることにより、成膜作業をさらに容易に行うことができる。

本発明によれば、バッチ型ＣＶＤ装置を用いた成膜において、製品ウェハ枚数に依存する膜厚のばらつきを抑制し、所定の膜厚の膜を再現性よく作製する技術が実現される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。また、以下の実施形態では、本発明の構成をバッチ式のホットウォール型ＣＶＤ装置に適用した場合を例に説明する。

（第一の実施形態）
図１は、本実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示す断面図である。図１に示す成膜装置１００は、複数の半導体基板、ここではシリコンウェハに対して同時に成膜処理を施すバッチ式のＣＶＤ成膜装置である。

成膜装置１００は、製品ウェハ１０７およびダミーウェハ１０９が収容される成長炉１０１、製品ウェハ１０７およびダミーウェハ１０９が設置されるボート１０５、および成長炉１０１の外側に炉壁１０３に沿って設けられたヒータ１１１を有する。また、成膜装置１００は、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３とＳｉＯ₂原料供給管１１５とを有するガス供給系、およびガス供給系から成長炉１０１へのガスの供給を制御する制御部１２１を有する。

成長炉１０１の内部には、ボート１０５が出し入れ可能に収容される。ボート１０５には所定の枚数の製品ウェハ１０７およびダミーウェハ１０９が載置される。一度の成膜プロセスにおいて成長炉１０１中に収容される製品ウェハ１０７とダミーウェハ１０９との枚数の合計は、成長炉１０１の大きさに応じて所定の枚数に設定され、設定された合計枚数にて各バッチ処理が行われる。

ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３は、製品ウェハ１０７に所定の膜を成膜するための原料ガスを成長炉１０１内に導入する複数の管群である。また、ＳｉＯ₂原料供給管１１５は、製品ウェハ１０７への成膜プロセスに先立ち、ダミーウェハ１０９上に設けられるプリコート膜の原料ガスを成長炉１０１内に導入する複数の管群である。ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３およびＳｉＯ₂原料供給管１１５を構成する各管の開閉は制御部１２１により制御される。

以下、プリコート膜が下地ＳｉＯ₂膜１２５であり、製品ウェハ１０７上に成膜する膜がＨｆＳｉＯＮ膜である場合を例に説明する。

前述した従来の方法では、製品ウェハ１０７とダミーウェハ１０９とで表面に形成されている膜の種類が異なる状態でＨｆＳｉＯＮ膜の成膜を行っていた。この場合、製品ウェハ１０７の枚数に依存して製品ウェハ１０７上に形成されるＨｆＳｉＯＮ膜の膜厚に変動が生じていた。本実施形態では、こうした膜厚の変動を抑制するため、以下の手順の成膜プロセスが採用される。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）、および図３（ｂ）は、図１に示した成膜装置１００を用いた成膜方法を説明する断面図である。また、図４および図５は、図１に示した成膜装置１００を用いた成膜手順のフローチャートを示す図である。以下、これらの図を参照して成膜装置１００を用いた成膜方法を説明する。

図２（ａ）は、前のバッチ処理直後の成膜装置１００を示す図である。これは、一連の成膜工程が終了し、次の一連の成膜工程の開始前の状態である。炉壁１０３の内面とボート１０５の表面およびダミーウェハ１０９の表面に、前のバッチで成膜されたＨｆＳｉＯＮ膜１２３が設けられている。

次のバッチプロセスにおいては、まず、図２（ｂ）に示したように、ダミーウェハ１０９をチャージした状態でボート１０５を成長炉１０１内にロードする（図４のＳ１０１）。このときのダミーウェハ１０９の枚数は、続く工程で成長炉１０１内にチャージされる製品ウェハ１０７の枚数をウェハの合計枚数から差し引いた枚数とする。

そして、ＳｉＯ₂原料供給管１１５からＳｉＯ₂成膜原料ガスを導入し、炉壁１０３、ボート１０５およびダミーウェハ１０９の表面を下地ＳｉＯ₂膜１２５でプリコートする（図４のＳ１０２）。ステップＳ１０２におけるＳｉＯ₂成膜原料ガスは、たとえば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）およびＯ₂とする。下地ＳｉＯ₂膜１２５の膜厚は、たとえば１〜１０ｎｍ程度とする。これにより、プリコート膜としての効果が好適に発揮される。

次に、図３（ａ）に示したように、ダミーウェハ１０９およびボート１０５をアンロードする。そして、取り出したボート１０５に所定の枚数の製品ウェハ１０７をチャージする（図４のＳ１０３）。製品ウェハ１０７の被成膜面はＳｉＯ₂膜の表面である。その後、製品ウェハ１０７およびダミーウェハ１０９がチャージされたボート１０５を再度成長炉１０１中にロードする。この状態では、成長炉１０１内はすべてＳｉＯ₂表面となっている。

そして、図３（ｂ）に示したように、被成膜面がＳｉＯ₂膜の表面である製品ウェハ１０７の表面に高誘電率膜（ｈｉｇｈ−ｋ膜）としてＨｆＳｉＯＮ膜１２３を形成する（図４のＳ１０４）。ステップＳ１０４は、ＨｆＳｉＯ_x膜の成長（図５のＳ１４１）および窒素アニール（図５のＳ１４２）のステップからなる。

ステップＳ１４１（図５）におけるＨｆＳｉＯ_xの成膜原料ガスとして、ＨＴＢ（Ｈｆ（Ｏｔ−Ｂｕ）₄：ターシャリブトキシハフニウム）と、ＳｉＨ₄またはＳｉ₂Ｈ₆と、を用いる。ステップＳ１４１において、製品ウェハ１０７、ダミーウェハ１０９、ボート１０５の表面および炉壁１０３の内面にＨｆＳｉＯ_x膜が成長する。これらの被成膜面がいずれもＳｉＯ₂膜となっており、製品ウェハ１０７とダミーウェハ１０９とで略等しい速度でＨｆＳｉＯ_x膜が成長する。ＨｆＳｉＯ_x膜の膜厚は、たとえば１〜２ｎｍ程度とする。

また、ステップＳ１４２（図５）における窒化は、たとえばＮＨ₃などを用いて行う。

ＨｆＳｉＯＮ膜１２３の成膜後、製品ウェハ１０７およびダミーウェハ１０９をボート１０５とともにアンロードする（図４のＳ１０５）。以上の手順により、所定の枚数の製品ウェハ１０７に所定の膜厚のＨｆＳｉＯＮ膜１２３を同時に設けることができる。

以上の成膜手順において、ｈｉｇｈ−ｋ原料ガスおよびＳｉＯ₂原料ガスの供給のタイミングは制御部１２１がｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３およびＳｉＯ₂原料供給管１１５の開閉状態を制御することにより制御される。具体的には、制御部１２１は、ステップＳ１０２において複数のＳｉＯ₂原料供給管１１５のそれぞれに設けられたコック（不図示）を開状態とする。そして、ステップＳ１０３において、複数のＳｉＯ₂原料供給管１１５のそれぞれに設けられたコック（不図示）を閉状態とする。そして、ステップＳ１０４において、複数のｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３のそれぞれに設けられたコック（不図示）を開状態とする。なお、ステップＳ１０１およびステップＳ１０５においては、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３およびＳｉＯ₂原料供給管１１５のそれぞれに設けられたコックはともに閉状態とする。

次に、図１に示した成膜装置１００の効果を説明する。
図１に示した成膜装置１００は、ＳｉＯ₂原料供給管１１５をｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３とは別個に有する。そして、製品ウェハの成膜ごとにダミーウェハ１０９のプリコートを行う。プリコート膜のプリコートを行うことにより、図４のステップＳ１０４における成膜開始直前の成長炉１０１内の表面を均一に酸化された状態とすることができる。このため、高誘電率膜、ここではＨｆＳｉＯ_x膜を製品ウェハ１０７の枚数によらず所定の膜厚で再現性よく形成することができる。

ここで、図６（ａ）および図６（ｂ）を用いて前述した成膜装置２００は、図１に示した成膜装置１００と異なり、ＳｉＯ₂原料供給管１１５を有していない。また、従来の高誘電率膜の成膜プロセスでは、図４に示したステップＳ１０２の意図的な下地ＳｉＯ₂膜１２５の形成が行われていない。ＨｆＳｉＯ_xの成膜速度はＨｆＳｉＯＮ上＞ＳｉＯ₂上＞ＨｆＳｉＯ上に大きく、成膜速度が表面状態によって異なる。このため、異なる被成膜面を有するウェハを同時に成長炉２０１内に入れて成膜を行う従来の方法では、被成膜面の材料によってｈｉｇｈ−ｋ原料の消費量が異なる。

このため一定量の原料をバッチ炉内に供給した場合に、ダミーウェハ２０９の枚数が多い、すなわちＨｆＳｉＯＮの表面積が多い成膜の際に、ダミーウェハ２０９上で原料が多く消費されるため、原料消費量が全体として増加し、製品ウェハ２０７に供給される原料の量が減少するため、成膜されるＨｆＳｉＯ_xの膜厚が薄くなる。

たとえば、表面の材料がＳｉＯ₂である製品ウェハ２０７を１枚とダミーウェハ２０９を２４枚をロードした場合、製品ウェハ２０７の周囲はＨｆＳｉＯＮでコーティングされた炉壁２０３およびダミーウェハ２０９となるが、これらの炉壁２０３とダミーウェハ２０９上ではＨｆＳｉＯ膜の成長速度が早く、原料が多量に消費される。このため、表面の材料がＳｉＯ₂でＨｆＳｉＯＮより成膜速度が遅い製品ウェハ２０７への原料の供給が不足がちになり、製品ウェハ２０７上のＨｆＳｉＯ膜の膜厚は小さくなる。

また、ウェハの合計枚数に対するダミーウェハ２０９の枚数が減少すると、すなわちＨｆＳｉＯＮ表面積が少ないと、ダミーウェハ２０９上で消費される原料消費量が減少するため、成長炉２０１内全体での原料消費量が減少しＳｉＯ₂表面の製品ウェハ２０７にも原料が供給されＨｆＳｉＯＮの膜厚が厚くなる。これにより、ＨｆＳｉＯＮの成膜されたダミーウェハ２０９の枚数が変わると製品ウェハ上に成膜されるＨｆＳｉＯ_xの膜厚が変動する。

たとえば、表面の材料がＳｉＯ₂である製品ウェハ２０７を１０枚とダミーウェハ２０９を１５枚をロードした場合、製品ウェハ２０７を１枚とダミーウェハ２０９を２４枚をロードした場合に比べてＨｆＳｉＯＮの表面積は小さいため、製品ウェハ２０７に供給される原料は多くなる。結果として、製品ウェハ２０７上のＨｆＳｉＯ膜の膜厚は製品ウェハ２０７を１枚とダミーウェハ２０９を２４枚をロードした場合より大きくなる。

これに対し、本実施形態に係る成膜装置１００（図１）においては、製品ウェハ１０７への成膜に先立ち、ＳｉＯ₂で成長炉１０１内をすべてプリコートしておく（図４のＳ１０２）。こうすると、製品ウェハ１０７とダミーウェハ１０９に同じ膜が形成された状態となるため、ＨｆＳｉＯ_xの成長に関してこれらの表面状態が等しくなる。このため、ダミーウェハ１０９の枚数によるＨｆＳｉＯ_xの成膜膜厚が変化することを抑制できる。また、成長炉１０１内がＨｆＳｉＯ_xの成長しにくい下地ＳｉＯ₂膜１２５で覆われるため、Ｈｆ系の原料の消費が減少する。よって、ｈｉｇｈ−ｋ原料ガスを効率よく使用することができる。この効果は、製品ウェハ１０７の表面に酸化されてＳｉＯ₂を形成しない材料を成膜する場合に顕著に発揮される。

なお、以上においては、ＨｆＳｉＯ_x膜を成膜後、窒化を行うことによりＨｆＳｉＯＮ膜を形成する手順を例に説明したが、膜中にＮを含有させる手順をステップＳ１４１の成膜中に行ってもよい。

また、以上の成膜手順において、ステップＳ１４２（図５）の窒化を行わない場合、製品ウェハ１０７の表面にＨｆＳｉＯ_x膜を設けることができる。この場合、前の成膜終了後のダミーウェハ１０９の表面ならびに成長炉１０１の内壁およびボート１０５の表面にもＨｆＳｉＯ_x膜が設けられている。この場合にも、ステップＳ１０２の下地ＳｉＯ₂膜１２５のプリコートを行うことにより、次のバッチプロセスで成膜されるＨｆＳｉＯ_x膜の膜厚再現性を向上させることができる。

また、ステップＳ１０２（図４）における下地ＳｉＯ₂膜１２５の成膜の際に、ＳｉＨ₄とＮ₂Ｏとを原料ガスとして用いてもよい。また、原料ガスとしてＳｉＨ₂Ｃｌ₂とＮ₂Ｏとを用いることもできる。こうした原料を用いる場合にも、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３に加えて別途ＳｉＯ₂原料供給管１１５を設け、これらのガス供給管から成長炉１０１へのガスの供給のタイミングを制御部１２１にて制御することにより、ステップＳ１０２（図４）におけるプリコートが可能である。

また、以上においては、製品ウェハ１０７の表面に成長させる膜を、他の高誘電率膜とすることもできる。また、高誘電率膜に限られず、他の絶縁膜とすることもできる。また、製品ウェハ１０７の表面に成長させる膜は、酸化されてＳｉＯ₂を形成しない材料とすることができる。

（第二の実施形態）
第一の実施形態では、製品ウェハ１０７の被成膜面にＨｆＳｉＯＮ膜以外の膜を成膜する。製品ウェハ１０７上に設ける膜の成膜種は、たとえば他のｈｉｇｈ−ｋ材料とすることができる。ｈｉｇｈ−ｋ材料は、たとえば比誘電率１０以上の材料とすることができる。たとえば、製品ウェハ１０７の表面に形成する膜は、ＨｆおよびＺｒからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む材料により構成することができる。具体的には、Ｈｆ、Ａｌ、およびＺｒからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む酸化膜、シリケート膜等とすることができる。さらに具体的には、ＨｆＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＺｒＳｉＯ_x（ｘは正の整数、以下同じ。）またはＺｒＳｉＯＮとすることができる。

製品ウェハ１０７の被成膜面にＨｆＯ₂膜を設ける場合、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３から成長炉１０１内に供給される成膜原料は、たとえば、ＨＴＢと、Ｏ₂、Ｏ₃、またはＨ₂Ｏのいずれかと、とすることができる。

製品ウェハ１０７の被成膜面にＡｌ₂Ｏ₃膜を設ける場合、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３から成長炉１０１内に供給される成膜原料は、たとえば、ＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）およびＯ₃とすることができる。また、ＴＭＡおよびＨ₂Ｏとしてもよい。

製品ウェハ１０７の被成膜面にＺｒＯ₂膜を設ける場合、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３から成長炉１０１内に供給される成膜原料は、たとえば、ＺＴＢ（Ｚｒ（Ｏ−ｔＢｕ）₄：ターシャリブトキシジルコニウム）と、Ｏ₂、Ｏ₃、またはＨ₂Ｏのいずれかと、とすることができる。

製品ウェハ１０７の被成膜面にＺｒＳｉＯ_x膜を設ける場合、ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管１１３から成長炉１０１内に供給される成膜原料は、たとえば、ＺＴＢと、ＳｉＨ₄またはＳｉ₂Ｈ₆のいずれかと、とすることができる。

こうした原料ガスを用いた場合にも、前述したステップＳ１０２（図４）における下地ＳｉＯ₂膜１２５のプリコートを行うことにより、ステップＳ１０４のｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜において、成長炉１０１中に収容されるウェハ枚数全体に対する製品ウェハ１０７の枚数の割合が変化した場合にも、高誘電率膜の膜厚のばらつきを抑制し、膜厚の再現性を向上させることができる。

（第三の実施形態）
以上の実施形態においては、製品ウェハ１０７の被成膜面がＳｉＯ₂膜の表面であり、ボート１０５、成長炉１０１の内壁およびダミーウェハ１０９の表面に下地ＳｉＯ₂膜１２５をプリコートする場合を例示したが、成膜装置１００の構成は、製品ウェハ１０７の被成膜面が他の膜の表面である場合も適用できる。

プリコート膜の材料は、製品ウェハ１０７の被成膜面の材料と異なる材料とすることができる。また、このとき、製品ウェハ１０７表面に設ける膜は、被成膜面の材料と異なる材料とすることができる。

たとえば、製品ウェハ１０７の被成膜面がＴｉＮ膜の表面である場合、ＳｉＯ₂原料供給管１１５に代えて、ＴｉＮ原料供給管を成長炉１０１に接続して設けることができる。これにより、第一の実施形態に記載の成膜プロセスを用いて、膜厚再現性にすぐれた成膜が可能である。具体的には、ステップＳ１０２（図４）において、制御部１２１はＴｉＮ原料供給管からＴｉＮ膜の原料を成長炉１０１内に供給し、成長炉１０１の内壁、ボート１０５の表面、およびダミーウェハ１０９の表面にＴｉＮ膜のプリコートを行う。

プリコート膜の材料は、酸化されてＳｉＯ₂を形成しない材料とすることができる。こうすることにより、製品ウェハ１０７の被成膜面の性質とダミーウェハ１０９の被成膜面の膜質とが図４のステップＳ１０３において変化しないようにすることができる。こうした材料の膜の原料ガスを供給する供給管をＳｉＯ₂原料供給管１１５に代えて成膜装置１００に設けることにより、各種プリコート膜の形成が可能である。

このとき、ＴｉＮ原料供給管から供給される下地ＴｉＮ膜の原料ガスとしては、たとえばＴｉＣｌ₄とＮＨ₃との組み合わせが挙げられる。また、ＴＤＭＡＴ（Ｔｉ（ＮＭｅ₂）₄）を用いてもよい。

本実施形態によれば、ダミーウェハ１０９の表面を製品ウェハ１０７の被成膜面と同じをＴｉＮ膜の表面とすることにより、再現性よくＨｆＯ₂膜をＴｉＮ膜上に成膜することが可能となる。

なお、製品ウェハ１０７の被成膜面は、以上に挙げたＳｉＯ₂膜およびＴｉＮ膜以外にも、Ｔａ膜、Ｗ膜等の金属膜；
ＴａＮ膜、ＷＮ膜等の金属窒化膜；または
ＴｉＯ₂膜、ＲｕＯ_x（ｘは正の整数、以下同じ。）膜、ＩｒＯ_x（ｘは正の整数、以下同じ。）膜等の金属酸化膜；
とすることもできる。これらの場合にも、プリコート膜として製品ウェハ１０７の被成膜面をなす膜と同種の膜をプリコート膜としてプリコートすることにより、高誘電率膜の成膜における膜厚の再現性を向上させることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

たとえば、以上の実施形態においてはプリコート膜が成膜前の製品ウェハ１０７の被成膜面と同じ材料である場合を例示した。プリコート膜は、成膜前の製品ウェハ１０７の被成膜面と異なる材料の膜とすることもできる。この場合にも、プリコート膜を設けることにより所定の膜の成長条件を製品ウェハ１０７の表面に近づけることができる。このため、製品ウェハの枚数の変動による製品ウェハ上に成膜される所定の膜の膜厚の変動を抑制することができる。たとえば、プリコート膜の材料は、たとえば製品ウェハ１０７の被成膜面上に高誘電率膜を成膜する際の成膜速度と同程度の成膜速度を有する膜とすることができる。

また、以上の実施形態において、制御部１２１は、ダミーウェハの表面の材料と製品ウェハの表面の材料とに関する情報を参照し、これらの材料が同種である場合には、プリコート膜の形成を行うとともに、これらが同種の材料である場合には、プリコート膜の形成をスキップする構成とすることもできる。このとき、成膜装置１００は、ダミーウェハの表面の材料および製品ウェハの表面の材料に関する情報を記憶する記憶部を有する構成とすることができる。

また、以上の実施形態において、制御部１２１は、成長炉１０１の内部の温度を制御する構成とすることもできる。このとき、成膜装置１００は、成長炉１０１内の温度を検知する温度検出部を有し、制御部１２１が温度検出部で検知された温度を参照し、参照した温度に基づいてヒータ１１１の動作を制御する構成とすることができる。

また、以上の実施形態において、成膜装置１００は、製品ウェハ１０７の枚数に関する情報を受け付ける製品枚数情報受付手段を有し、制御部１２１は、製品枚数情報受付手段で受け付けた製品ウェハ１０７の枚数に応じてダミーウェハ１０９の枚数を設定し、設定された枚数のダミーウェハ１０９を成長炉１０１に収容するとともに、収容されたダミーウェハの枚数に応じてＳｉＯ₂原料供給管１１５から供給するＳｉＯ₂原料ガスの供給量を制御する構成とすることもできる。

また、以上の実施形態においては、一つの成膜装置１００を用いて下地ＳｉＯ₂膜１２５のプリコート（図４のＳ１０２）とｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜（図４のＳ１０４）とを行う場合を例に説明したが、ダミーウェハ１０９の表面は、高誘電率膜の成膜の際に製品ウェハ１０７と実質的に同じ膜となっていればよい。たとえば、下地ＳｉＯ₂膜１２５を有するダミーウェハ１０９を、別の装置を用いて準備し、高誘電率膜の成膜時に成膜装置１００の成長炉１０１にロードする手順とすることもできる。

一つの成膜装置１００を用いて下地ＳｉＯ₂膜１２５のプリコートを行う場合、ダミーウェハ１０９の表面に加えて、炉壁１０３の内面およびボート１０５の表面にも確実に下地ＳｉＯ₂膜１２５が設けられた成長炉１０１内で製品ウェハ１０７の成膜処理を行うことができる。このため、製品ウェハ１０７上に成膜される薄膜の膜厚の変動をさらに確実に抑制し、膜厚再現性を向上させることができる。

また、以上の実施形態で製品ウェハ１０７上に成膜される高誘電率膜は、たとえば、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜の材料や、容量素子の容量膜等として好適に用いることができる。以上の実施形態で製品ウェハ１０７上に成膜される高誘電率膜は膜厚再現性に優れるため、こうした材料に用いた際に素子の製造歩留まりや品質安定性を向上させることができる。

（実施例）
本実施例では、第一の実施形態に記載の成膜装置１００（図１）を用いた成膜シーケンス（図２〜図６）に従って成膜を行った。成膜手順を下記（ｉ）〜（ｘ）に示す。
（ｉ）前のバッチの成膜終了（図２（ａ））
（ｉｉ）ダミーウェハおよび製品ウェハのアンロード（図２（ａ））
（ｉｉｉ）ダミーウェハのロード（図２（ｂ））
（ｉｖ）ダミーウェハおよびバッチ炉内をプリコートし、１〜１０ｎｍ程度のＳｉＯ₂で覆う（図２（ｂ））
（ｖ）ダミーウェハのアンロード（図３（ａ））
（ｖｉ）製品ウェハ（表面ＳｉＯ₂）およびダミーウェハをバッチ炉内に導入（図３（ａ））
（ｖｉｉ）ＨｆＳｉＯ_x成膜（１．５ｎｍ）（図３（ｂ））
（ｖｉｉｉ）窒化（図３（ｂ））
（ｉｘ）ダミーウェハおよび製品ウェハのアンロード（図２（ａ））
（ｘ）膜厚測定

なお、上記（ｉ）では、バッチ炉内およびダミーウェハにはＨｆＳｉＯ_xが成膜されている。窒化まで行った場合にはＨｆＳｉＯＮとなっている。また、上記（ｉｖ）では、成長炉１０１内の表面すべて、すなわちダミーウェハ１０９、製品ウェハ１０７、ボート１０５、および炉壁１０３の内壁のいずれもＳｉＯ₂膜となっている。

以上の手順によりＨｆＳｉＯ_xおよびＨｆＳｉＯＮの成膜を行ったところ、ダミーウェハ１０９と製品ウェハ１０７との枚数比によらず、膜厚は安定しており、バッチ間のＨｆＳｉＯ_x膜およびＨｆＳｉＯＮ膜の膜厚再現性が高かった。

（比較例）
図６（ａ）および図６（ｂ）を用いて前述した従来の成膜シーケンスに従って成膜を行った。成膜手順を下記（Ｉ）〜（ＶＩＩ）に示す。
（Ｉ）前のバッチの成膜終了
（ＩＩ）ダミーウェハ２０９および製品ウェハ２０７のアンロード
（ＩＩＩ）製品ウェハ２０７（表面ＳｉＯ₂）およびダミーウェハ２０９を成長炉２０１に導入（図６（ａ））
（ＩＶ）ＨｆＳｉＯ_x成膜（１〜２ｎｍ）（図６（ｂ））
（Ｖ）窒化（図６（ｂ））
（ＶＩ）ダミーウェハ２０９および製品ウェハ２０７のアンロード
（ＶＩＩ）膜厚測定

なお、上記（Ｉ）では、バッチ炉内およびダミーウェハにはＨｆＳｉＯ_xが成膜されている。また、（ＩＩＩ）では、製品ウェハ２０７の表面のみがＳｉＯ₂表面となっている。また、窒化（Ｖ）まで行った場合にはＨｆＳｉＯＮとなっている。

本比較例においては、ダミーウェハ２０９の枚数に依存して、製品ウェハ２０７（ＳｉＯ₂膜）上に形成されたＨｆＳｉＯ_x膜の膜厚が変化した。具体的には、製品ウェハ２０７を１枚とダミーウェハ２０９を２４枚ボート２０５に設置して成長炉１０１中に収容し、成膜を行った場合の製品ウェハ２０７上のＨｆＳｉＯ膜の膜厚は、製品ウェハ２０７を１０枚とダミーウェハ１０９を１５枚ボート２０５に設置して同様に成膜を行った場合の製品ウェハ２０７上のＨｆＳｉＯ膜の膜厚よりも小さかった。

図７は、製品ウェハ２０７の枚数とＨｆＳｉＯ_x膜の膜厚との関係を示した図である。ウェハの総枚数を一定とした場合において、製品ウェハ２０７の枚数に依存してＨｆＳｉＯ_x膜の膜厚が変化している。

以上の実施例および比較例より、製品ウェハ１０７への成膜前にダミーウェハ１０９および成長炉１０１内の下地ＳｉＯ₂膜１２５のプリコートを行うことにより、膜厚の再現性を向上させることができた。

実施の形態に係る成膜装置の構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係る成膜装置を用いた成膜方法を説明する断面図である。 実施の形態に係る成膜装置を用いた成膜方法を説明する断面図である。 実施の形態に係る成膜手順のフローチャートを示す図である。 実施の形態に係る成膜手順のフローチャートを示す図である。 従来の成膜装置の構成を模式的に示す断面図である。 比較例に係る成膜方法における製品ウェハ枚数と膜厚との関係を示す図である。

符号の説明

１００ 成膜装置
１０１ 成長炉
１０３ 炉壁
１０５ ボート
１０７ 製品ウェハ
１０９ ダミーウェハ
１１１ ヒータ
１１３ ｈｉｇｈ−ｋ原料供給管
１１５ ＳｉＯ₂原料供給管
１２１ 制御部
１２３ ＨｆＳｉＯＮ膜
１２５ 下地ＳｉＯ₂膜

Claims (14)

1. 複数の半導体ウェハへの成膜が同時に行われるバッチ式の半導体製造装置であって、
   製品ウェハおよびダミーウェハが収容される成長炉と、
   前記成長炉内に第一のガスを供給する第一のガス供給系と、
   前記成長炉内に第二のガスを供給する第二のガス供給系と、
   を備え、
   前記第一のガスは、前記製品ウェハの被成膜面の上に成膜される所定の膜の原料ガスであり、
   前記第二のガスは、前記ダミーウェハ上に成膜され、前記所定の膜とは異なる種類のプリコート膜の原料ガスであることを特徴とする半導体製造装置。
2. 請求項１に記載の半導体製造装置において、前記所定の膜が、Ｈｆ、Ａｌ、およびＺｒからなる群から選択される一または二以上の金属と、Ｏとを含むことを特徴とする半導体製造装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体製造装置において、
   前記製品ウェハの前記被成膜面が、金属、金属酸化物、および金属窒化物のうちのいずれかの膜の表面であり、
   前記第二のガス供給系は、前記製品ウェハの前記被成膜面の成膜種と同種の膜を前記成長炉の内部にプリコートするように構成されたことを特徴とする半導体製造装置。
4. 請求項３に記載の半導体製造装置において、
   前記製品ウェハの前記被成膜面がＳｉＯ₂膜の表面であり、
   前記プリコート膜がＳｉＯ₂膜であることを特徴とする半導体製造装置。
5. 請求項３に記載の半導体製造装置において、
   前記製品ウェハの前記被成膜面がＴｉＮ膜の表面であり、
   前記プリコート膜がＴｉＮ膜であることを特徴とする半導体製造装置。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体製造装置において、前記第一のガス供給系と前記第二のガス供給系とを制御する制御部を有し、
   前記制御部は、
   前記ダミーウェハが前記成長炉に収容された状態で、前記第二のガス供給系から前記成長炉の内部に前記第二のガスを供給するとともに、
   表面に前記プリコート膜を有する前記ダミーウェハと、前記製品ウェハとが前記成長炉に収容された状態で、前記第一のガス供給系から前記成長炉の内部に前記第一のガスを供給するように構成されていることを特徴とする半導体製造装置。
7. 複数の半導体ウェハの表面上に所定の膜を一括して形成する成膜工程を含む半導体装置の製造方法であって、
   前記成膜工程は、
   前記所定の膜とは異なる種類のプリコート膜を有する少なくとも一枚のダミーウェハを準備する工程と、
   ダミーウェハを準備する工程で準備された前記ダミーウェハと製品ウェハとの表面に前記所定の膜を同時に設ける工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
   ダミーウェハを準備する前記工程は、前記ダミーウェハの表面に、前記製品ウェハの被成膜面の材料と同種の材料からなる前記プリコート膜を設ける工程を含み、
   所定の膜を同時に設ける前記工程は、前記製品ウェハの前記被成膜面の材料と異なる材料からなる膜を設ける工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法において、
   ダミーウェハを準備する前記工程は、複数の半導体ウェハへの成膜が同時に行われるバッチ式の成長炉に前記ダミーウェハを収容し、前記ダミーウェハの表面および前記成長炉の壁面に前記プリコート膜を設ける工程を含み、
   所定の膜を同時に設ける前記工程を、前記プリコート膜が設けられた前記成長炉内で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 請求項７乃至９いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、所定の膜を同時に設ける前記工程は、前記ダミーウェハと前記製品ウェハとの表面に、Ｈｆ、Ａｌ、およびＺｒからなる群から選択される一または二以上の金属と、Ｏとを含む膜を設ける工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、前記所定の膜はＳｉまたはＮのいずれかまたは両方の元素をさらに含む膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 請求項７乃至１１いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記製品ウェハの被成膜面が金属、金属酸化物、金属窒化物のいずれかの膜の表面であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 請求項７乃至１２いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記製品ウェハの被成膜面がＳｉＯ₂膜の表面であり、
    ダミーウェハを準備する前記工程は、前記ダミーウェハの表面にＳｉＯ₂膜をプリコートする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. 請求項７乃至１２いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記製品ウェハの被成膜面がＴｉＮ膜の表面であり、
    ダミーウェハを準備する前記工程は、前記ダミーウェハの表面にＴｉＮ膜をプリコートする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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