JP2006216597A - Substrate processing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板の側方からガスを供給する基板処理装置に関するものである。 The present invention relates to a substrate processing apparatus for supplying gas from the side of a substrate.
近年、半導体の微細化に伴い、高品質な半導体膜の要求が高まりつつあるなか、二種類の反応ガスを交互に供給して原子層レベルの堆積膜を形成する成膜方法が注目されている。反応ガスの材料としては、金属含有原料と酸素又は窒素を含有するガスとが用いられる。成膜方法としては、反応の形態から見て二種類ある。一つはALD(Atomic Layer Deposition)であり、他の一つはサイクル手法を適用したMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)である。これらの方法は基本的なガス供給方法が共通するので、図6を共通に用いて説明する。図6(a)はフローチャート、図6(b)はガス供給のタイミング図である。図示例では、ガス化した金属含有原料を原料A、酸素又は窒素を含有するガスを原料Bとしている。 In recent years, with the miniaturization of semiconductors, the demand for high-quality semiconductor films is increasing, and a film forming method for forming a deposited film at an atomic layer level by supplying two types of reactive gases alternately has attracted attention. . As a material for the reaction gas, a metal-containing raw material and a gas containing oxygen or nitrogen are used. There are two types of film formation methods in view of the reaction form. One is ALD (Atomic Layer Deposition), and the other is MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) using a cycle method. Since these methods share the same basic gas supply method, they will be described using FIG. 6 in common. FIG. 6A is a flowchart, and FIG. 6B is a gas supply timing chart. In the illustrated example, a gasified metal-containing material is a material A, and a gas containing oxygen or nitrogen is a material B.
ALDは、原料Aを基板へ供給して吸着させ(工程1)、吸着後残留した原料Aを排気し(工程2)、排気後、原料Bを基板へ供給して原料Aと反応させて成膜し(工程3)、成膜後残留した原料Bを排気する(工程4)という4つの工程を1サイクルとして、これを複数回繰り返す方法である。ガス供給タイミングは、図6(b)に示すように、原料Aと原料Bとを交互に供給する間に、パージガスによる排気を挟むようになっている。 In the ALD, the raw material A is supplied and adsorbed to the substrate (step 1), the raw material A remaining after the adsorption is exhausted (step 2), and after exhausting, the raw material B is supplied to the substrate and reacted with the raw material A. This is a method in which the four steps of forming a film (step 3) and exhausting the raw material B remaining after the film formation are exhausted (step 4), and this is repeated a plurality of times. As shown in FIG. 6B, the gas supply timing is such that the exhaust gas by the purge gas is sandwiched while the raw material A and the raw material B are alternately supplied.
サイクル手法を適用したMOCVDは、原料Aを基板へ供給し熱分解させて基板に成膜し(工程1)、成膜後残留した原料Aを排気し(工程2)、排気後、原料Bを基板へ供給して堆積膜の改質処理を行い(工程3)、改質後残留した原料Bを排気する(工程4)という4つの工程を1サイクルとして、これを複数回繰り返す方法である。ガス供給タイミングは、図6(b)に示すように、原料Aと原料Bとを交互に供給する間に、パージガスによる排気を挟むようになっている。 In MOCVD to which a cycle method is applied, the raw material A is supplied to the substrate, thermally decomposed to form a film on the substrate (step 1), the raw material A remaining after the film formation is exhausted (step 2), and the raw material B is exhausted. This is a method in which the four steps of supplying to the substrate and modifying the deposited film (step 3) and exhausting the raw material B remaining after the modification (step 4) are set as one cycle and this is repeated a plurality of times. As shown in FIG. 6B, the gas supply timing is such that the exhaust gas by the purge gas is sandwiched while the raw material A and the raw material B are alternately supplied.
一般に、原料Aと原料Bは反応性が極めて高い場合が多く、これらの原料を同時に供給した場合、気相反応による異物の発生や膜質の劣る膜の堆積が生じ、歩留まりの低下を招くことになる。そのために、上述した工程2、4では、前の工程で供給した原料が残留しないように、真空引きや不活性ガスによるパージ(排気)を実施している。特に、基板上流部での原料の残留は、直接基板の成膜条件に影響を与えるので、充分なパージが必要であるが、パージに要する時間が長いと、スループットが低下する。
In general, the raw material A and the raw material B often have extremely high reactivity, and when these raw materials are supplied simultaneously, the generation of foreign matters due to a gas phase reaction and the deposition of a film with poor film quality occur, leading to a decrease in yield. Become. Therefore, in
他方、上述した工程1、3においては、ALD、サイクル手法を適用したMOCVDの双方において、原料A、Bの基板上への供給量を均一にすることにより、基板上に形成された膜厚、膜質の均一性向上を図っている。ここで、原料の供給量は、一般に、
(原料の分圧)=(全圧)×(原料モル分率) (1)
の関数と考えられる。したがって、基板上を流れるガス流の上流側と下流側とで原料の分圧が異なると、吸着量は均一とはならず、均一性が得られない。
On the other hand, in the above-described
(Partial pressure of raw material) = (Total pressure) × (Raw material mole fraction) (1)
It is considered as a function of Therefore, if the partial pressure of the raw material is different between the upstream side and the downstream side of the gas flow flowing on the substrate, the amount of adsorption is not uniform, and uniformity cannot be obtained.
上記成膜方法を実施するための半導体製造装置については、枚葉式装置が主流となっている。枚葉式装置を用いて、膜厚の高精度な制御や、高品質な膜を形成するには、上述した膜厚均一性及びスループットの観点から、ガス供給及び排気方法が重要となる。枚葉装置の基板へのガス供給・排気形態は、構成上から、次の二つに大別することができる。 As a semiconductor manufacturing apparatus for carrying out the film forming method, a single-wafer type apparatus has become the mainstream. In order to control the film thickness with high accuracy and to form a high-quality film using a single-wafer apparatus, the gas supply and exhaust methods are important from the viewpoints of film thickness uniformity and throughput described above. The form of gas supply / exhaust to the substrate of the single wafer apparatus can be broadly divided into the following two in terms of configuration.
一つの形態(径方向流しタイプ)は、図7(a)に示すように、処理室50内の基板が保持されている基板保持領域41の上方のガス供給口42から基板表面43の中心部に対してガスを垂直方向に供給し、基板表面43上を径方向に流して、基板外周から排気口44に向けてガスを排気する方法である。
他の形態(片側流しタイプ)は、図7(b)に示すように、基板保持領域外45の片方の側に設けたガス供給口46から、基板表面43に対してガスを平行な方向に供給し、基板表面43上を一方向に流して、ガス供給口46と反対側に設けた排気口47から排気する方法である。
As shown in FIG. 7A, one form (radial flow type) is a central portion of the
In another embodiment (single-side flow type), as shown in FIG. 7B, gas is supplied in a direction parallel to the
図7(a)の径方向流しタイプの場合、ガスが当たる基板中心部に膜厚が異常に厚く成膜される異常点が発生し膜厚均一性が悪化する。これを回避するために、この形態のものでは、図7(c)に示すように、ガス供給口42と基板表面43との間に多孔板48を設置し、各孔からガスをシャワー状に流すように改良している。しかし、排気口44からの距離の違いにより、シリコン基板などの基板上においてガス流に偏りができるため、基板表面43内に対するガスの供給を均一にできず、膜厚の均一性を確保するのが難しい。
In the case of the radial flow type of FIG. 7A, an abnormal point where the film thickness is abnormally thick occurs at the center of the substrate where the gas hits, and the film thickness uniformity deteriorates. In order to avoid this, in this embodiment, as shown in FIG. 7C, a
そこで、径方向流しタイプでは、従来、ガス排気路のコンダクタンスを調整することにより、膜厚の均一性を改善しようとするものが種々考えられている。例えば、反応ガスの流れを基板全面にわたって均一化するために、バッフル板の排気孔に近い側の排気コンダクタンス調整孔の流路断面積を反対側よりも小さくしたもの(例えば、特許文献1参照)、バッフル板を備え、バッフル孔の間隔、バッフル孔径、バッフル板肉厚、スリット幅等を変化させるなどして、排ガスを基板の全円周角にわたり偏りがない均等な流量で半径方向に流出させるようにしたもの(例えば、特許文献2参照)、バッフル板を移動させて排気路の開口分布を変化させることにより、排気口とこれと反対側の排気コンダクタンスを変化させ、これにより処理空間内の圧力分布を調整したもの(例えば特許文献3参照)等が提案されている。
上述した特許文献1〜3に記載された装置では、バッフル板により処理空間内の圧力分布を調整しているので、基板上の圧力を等しくして膜厚の均一性を改善することは可能である。
In the apparatus described in
しかし、いずれも多孔板により処理ガスを供給する径方向流しタイプのものであるから、多孔板上流の領域は高圧となり、パージ工程において残留ガスの排気に時間を要することとなる。また、排気口と反対側のコンダクタンス調整用開口に対しては、排気口と反対の方向に向かってガスを流す必要があり、残留ガスを効率的に除去することができず、ガスがバッフル板よりも下方の空間に滞留したり、その空間の内壁に吸着したりして、それがパーティクル発生の原因となることが考えられる。すなわち、特許文献1〜3に記載された装置は、素早い排気ができず、パージ効率が悪くなるものと考えられる。
However, since both are of the radial flow type in which the processing gas is supplied by the perforated plate, the region upstream of the perforated plate becomes a high pressure, and it takes time to exhaust the residual gas in the purge process. In addition, the conductance adjustment opening on the side opposite to the exhaust port needs to flow gas in the direction opposite to the exhaust port, so that the residual gas cannot be removed efficiently, and the gas is not baffled. It is conceivable that the particles stay in the lower space or adsorb on the inner wall of the space, which causes the generation of particles. That is, it is considered that the devices described in
パージ効率が悪いと、高いパージ効率が要求される処理、例えば頻繁にパージを行うALDやサイクル手法を適用したMOCVD等のサイクル処理では、上述した成膜方法の工程2、4における残留ガスの排気に時間を要するため、スループットが低下する要因となる。なお、排気時間の短縮のために多孔板と基板との間隔を狭くして、処理空間容積を縮小することも考えられているが、処理空間容積を縮小した場合、基板上に多孔板の孔の跡が転写され、膜厚均一性を確保することが困難になる。
したがって、この径方向流しタイプは、サイクル処理への適用が困難であった。
In a process that requires a high purge efficiency when the purge efficiency is poor, for example, a cycle process such as ALD that frequently purges or MOCVD using a cycle method, exhaust of residual gas in
Therefore, this radial sink type has been difficult to apply to cycle processing.
そこで、枚葉式装置のサイクル処理への適用については、径方向流しタイプよりもパージ効率のよい片側流しタイプが選択される場合が多い。しかしながら、片側流しタイプの場合では、パージ効率は良いものの、基板上に必然的に圧力差が生じるため、基板上の圧力分布を有効に制御できないという欠点があった。 Therefore, for the application of the single wafer type apparatus to the cycle processing, a single-sided flow type with better purge efficiency than the radial flow type is often selected. However, in the case of the one-side flow type, although the purge efficiency is good, a pressure difference is inevitably generated on the substrate, so that the pressure distribution on the substrate cannot be effectively controlled.
本発明の課題は、基板側方からガスを供給しつつ基板を挟んでガス供給側と反対側より排気するタイプの基板処理装置において、上述した従来技術の問題点を解消して、基板上の圧力分布を有効に制御することが可能な基板処理装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art in a substrate processing apparatus of the type that exhausts gas from the side opposite to the gas supply side while supplying gas from the side of the substrate. An object of the present invention is to provide a substrate processing apparatus capable of effectively controlling the pressure distribution.
第1の発明は、基板を処理する処理室と、処理室内で基板を保持する保持具と、基板の側方であって基板よりも上方に設けられて前記基板に対してガスを供給する供給口と、前記供給口と前記基板を挟んで反対側であって前記基板よりも下方に設けられて前記処理室を排気する排気口とを有し、前記基板と対向する前記処理室の内壁面が前記基板に対して傾斜するよう構成されていることを特徴とする基板処理装置である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a processing chamber for processing a substrate, a holder for holding the substrate in the processing chamber, and a supply that is provided on the side of the substrate and above the substrate to supply gas to the substrate. An inner surface of the processing chamber facing the substrate, and an exhaust port provided on the opposite side of the substrate and below the substrate and exhausting the processing chamber. The substrate processing apparatus is configured to be inclined with respect to the substrate.
基板の側方から処理室内に供給されたガスは、基板上を一方向に流れて、基板よりも下方の排気口から排気される。本発明によれば、基板と対向する処理室内壁面が基板に対して傾斜するよう構成されているので、処理室内壁面の傾斜の程度に応じて基板上のガスの流速分布を調整することができ、基板上の圧力分布を有効に制御することができる。 A gas supplied from the side of the substrate into the processing chamber flows in one direction on the substrate and is exhausted from an exhaust port below the substrate. According to the present invention, since the processing chamber wall surface facing the substrate is configured to be inclined with respect to the substrate, the gas flow velocity distribution on the substrate can be adjusted according to the degree of inclination of the processing chamber wall surface. The pressure distribution on the substrate can be effectively controlled.
基板としては、シリコン基板が挙げられる。基板を処理する方法としては、二種類以上のガスを交互に供給して膜を堆積させるALD又はサイクル手法を適用したMOCVDや、二種類以上のガスを同時に供給して膜を堆積させる通常のMOCVDなどが挙げられる。基板の処理内容としては金属酸化膜の成膜などが挙げられる。処理室としては、枚葉式が挙げられる。保持具としては、保持される基板を加熱するサセプタなどが挙げられる。ガスとしては、金属含有原料と酸素又は窒素を含有するガスが挙げられる。基板処理装置としては、枚葉式の処理室を有する半導体製造装置が挙げられる。 An example of the substrate is a silicon substrate. As a method for processing a substrate, MOCVD using ALD or a cycle method in which a film is deposited by alternately supplying two or more gases, or a normal MOCVD in which a film is deposited by simultaneously supplying two or more gases. Etc. Examples of processing contents of the substrate include formation of a metal oxide film. A single wafer type is mentioned as a processing chamber. Examples of the holder include a susceptor that heats the substrate to be held. Examples of the gas include a metal-containing raw material and a gas containing oxygen or nitrogen. Examples of the substrate processing apparatus include a semiconductor manufacturing apparatus having a single wafer processing chamber.
第2の発明は、第1の発明において、前記基板と対向する前記処理室の内壁面と前記基板との間の距離がガス流の上流側よりも下流側の方が大きくなるように、前記処理室の内壁面が前記基板に対して傾斜するよう構成されていることを特徴とする基板処理装置である。
ガスが基板上を一方向に流れるようにした場合に、特に基板上の下流側よりも上流側の圧力の方が高くなりやすいが、本発明によれば、基板と対向する処理室の内壁面と基板との間の距離がガス流の上流側よりも下流側の方が大きくなるように基板に対して傾斜するよう構成されているので、ガスが下流側へより流れ易くなり、相対的に上流側の圧力が低下し、下流側の圧力が上昇するので、上流側の圧力の方が高くなる傾向を緩和することができる。したがって、基板上の圧力分布が均一化されて、基板処理の均一性が向上する。
According to a second invention, in the first invention, the distance between the inner wall surface of the processing chamber facing the substrate and the substrate is larger on the downstream side than on the upstream side of the gas flow. A substrate processing apparatus, wherein an inner wall surface of a processing chamber is configured to be inclined with respect to the substrate.
When the gas flows in one direction on the substrate, the pressure on the upstream side tends to be higher than the downstream side on the substrate, but according to the present invention, the inner wall surface of the processing chamber facing the substrate. Is configured to be inclined with respect to the substrate such that the distance between the substrate and the substrate is greater on the downstream side than on the upstream side of the gas flow, so that the gas can flow more easily to the downstream side. Since the pressure on the upstream side decreases and the pressure on the downstream side increases, the tendency for the pressure on the upstream side to be higher can be alleviated. Therefore, the pressure distribution on the substrate is made uniform, and the uniformity of substrate processing is improved.
第3の発明は、基板を処理室内に搬入する工程と、処理室に搬入された基板の側方であって基板よりも上方から基板に対してガスを供給しつつ、前記基板を挟んで供給側と反対側であって基板よりも下方から排気することにより基板を処理する工程と、処理後の基板を処理室より搬出する工程とを有し、基板処理工程では、基板上のガスの流速分布を調整するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a process of carrying a substrate into the processing chamber, and supplying the gas to the substrate from the side of the substrate carried into the processing chamber from above and sandwiching the substrate. And a step of processing the substrate by exhausting from below the substrate, and a step of unloading the processed substrate from the processing chamber. In the substrate processing step, the flow rate of the gas on the substrate The semiconductor device manufacturing method is characterized in that the distribution is adjusted.
基板処理工程では、基板の側方から処理室内に供給されたガスは、基板上を一方向に流れて、基板よりも下方の排気口から排気される。本発明によれば、基板上のガスの流速分布を調整するようにしたので、基板上の圧力分布を有効に制御することがる。 In the substrate processing step, the gas supplied from the side of the substrate into the processing chamber flows in one direction on the substrate and is exhausted from an exhaust port below the substrate. According to the present invention, since the flow velocity distribution of the gas on the substrate is adjusted, the pressure distribution on the substrate can be effectively controlled.
本発明によれば、基板上の圧力分布を有効に制御できるので、基板上の処理量を調整でき、基板処理の均一性を確保できる。 According to the present invention, since the pressure distribution on the substrate can be effectively controlled, the processing amount on the substrate can be adjusted, and the uniformity of the substrate processing can be ensured.
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図1は実施の形態における枚葉式の基板処理装置の縦断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a single wafer processing apparatus according to an embodiment.
図1に示すように基板処理装置は、例えば1枚の基板8を内部で略水平姿勢で処理する偏平な処理室1と、処理室1内の基板8に対してガスを供給するガス供給口19、20と、処理室1内を排気する排気口16と、基板8を略水平に保持する保持具としてのサセプタ3と、基板8よりも下方、すなわちサセプタ3よりも下方の空間33にガスを排出する排出口11とを主に備える。
As shown in FIG. 1, the substrate processing apparatus includes, for example, a
処理室1は、上容器26と下容器27とにより構成されて、密閉された内部空間で基板8を処理するように構成されている。
The
上容器26は、下容器27の開口を覆う蓋の機能を有しており、蓋の内壁面はフラットではなく傾斜している。すなわち、サセプタ3に保持される基板8の表面と対向する処理室の内壁面としての上容器26の上部内壁面(以下、上容器上部内壁面という)26aは、傾斜面で構成されている。
上容器上部内壁面26aの傾斜面は、図示するように、矢印で示すガス流の上流側から下流側に向かって基板8と上容器上部内壁面26aとの間の対向距離が漸次大きくなるような傾斜面で構成されている。
The
As shown in the figure, the inclined surface of the upper container upper
上容器26には、基板8に対してガスを供給する複数の供給口、例えば二つのガス供給口19、20が設けられる。ガス供給口19、20は、基板8の真上ではなく、基板8の側方となるサセプタ3の側方であって、基板8よりも上方となるサセプタ3の表面レベルよりも上方に設けられる。図示するように、ガス供給口19、20と基板8との間には従来の枚葉装置の多孔板48は設置されていない。
The
ガス供給口19、20は、基板8よりも上方、すなわち処理室1のサセプタ3よりも上方の空間34に連通している。ガス供給口19は処理室1内に第1の反応ガス又はパージガスを選択的に供給するように構成される。ガス供給口20は、ガス供給口19に隣接して設けられ処理室1内に第2の反応ガス又はパージガスを選択的に供給するように構成される。ガス供給口19、20には、ガスを供給するための2系統のラインがそれぞれ連結される。一方の系統は金属酸化膜、例えばアルミニウム酸化膜の有機液体原料であるTMA(Al(CH3)3:トリメチルアルミニウム)を供給するTMA供給ライン4であり、他方の系統は例えば原料と反応性の高いガスである水を供給する水供給ライン5である。
The
TMA供給ライン4には、常温で液体のTMA液体を流量制御する液体流量制御手段22、流量制御されたTMA液体を気化する気化手段23、及びTMA供給ライン4を開閉するバルブ9が設けられる。このTMA供給ライン4の気化手段23とバルブ9との間には、Ar供給ライン17が接続されて、流量制御手段21で流量制御されたArガスを、バルブ12を介してTMA供給ライン4に供給できるように構成されている。
このように構成することによって、ガス供給口19へのガス導入は次の3通りの選択が可能となる。(1)TMA供給ライン4のバルブ9を開け、Ar供給ライン17のバルブ12を閉じることによって、気化手段23で気化したTMAガスのみを、TMA供給ライン4から単独でガス供給口19に導入する。(2)さらにAr供給ライン17のバルブ12を開けることによって、TMAガスとArガスとの混合ガスを、TMA供給ライン4からガス供給口19に導入する。(3)気化手段23からのTMAガスを止めて、TMA供給ライン4からArガスのみを単独でガス供給口19に導入する。
The
With this configuration, the following three types of gas introduction into the
水供給ライン5には、水を流量制御する液体流量制御手段24、流量制御された水を気化する気化手段25、及び水供給ライン5を開閉するバルブ10が設けられる。この水供給ライン5の気化手段25とバルブ10との間には、前述したAr供給ライン17が分岐ライン17aにより分岐接続されて、流量制御手段21で流量制御されたArガスをバルブ13を介して水供給ライン5に供給できるように構成されている。
このように構成することによって、ガス供給口20へのガス導入は次の3通りの選択が可能となる。(1)水供給ライン5のバルブ10を開け、分岐ライン17aのバルブ13を閉じることによって、気化手段25で気化した水蒸気のみを、水供給ライン5から単独でガス供給口20に導入する。(2)さらに、分岐ライン17aのバルブ13を開けることによって、水蒸気とArガスとの混合ガスを、水供給ライン5からガス供給口20に導入する。(3)気化手段25からの水蒸気を止めて、水供給ライン5からArガスのみを単独でガス供給口20に導入する。
The water supply line 5 is provided with a liquid flow rate control means 24 for controlling the flow rate of water, a vaporization means 25 for vaporizing the flow-controlled water, and a
With this configuration, the following three types of gas introduction into the
下容器27の一側壁には排気口16が設けられている。排気口16は、略水平に保持された基板8を略水平方向から挟んでガス供給口19、20と反対側であって、基板8よりも下方となるサセプタ3よりも下方の空間33に開口している。これにより、排気口16はサセプタ3よりも下方の空間33を介して排出口11と連通する。この排気口16は、圧力制御手段15及び真空ポンプ37を介設した排気配管としてのガス排気ライン6に接続されて、処理室1内の雰囲気を排気するようになっている。処理室1内は、圧力制御手段15によって所定の圧力に制御できるようになっている。なお、この圧力制御手段15は使用しなくても構わない。
An
また、下容器27の一側壁と対向する他側壁には、基板搬入出口30が設けられている。この基板搬入出口30から外側に延出された延出部の開口にゲートバルブ7が設けられ、搬送手段としての搬送ロボット38により、ゲートバルブ7を介して基板搬入出口30から基板8を処理室1内外に搬送できるようになっている。
上容器26と下容器27とは、例えばアルミニウム、ステンレスなどの金属で構成される。また、上容器26、下容器27、基板搬入出口30の延出部、及びガス排気ライン6の外周にプレート状または繊維状のヒータ31が設けられ、これら容器壁等を所定温度に加熱できるようになっている。
A substrate loading / unloading
The
サセプタ3は、処理室1内に設けられ、円板状をしており、その上に基板8を保持するように構成されている。サセプタ3は、セラミックスヒータなどのヒータ55を内蔵して基板8を所定温度に加熱するように構成される。サセプタ3は支持軸29を備えている。支持軸29は、処理室1の下容器27の底部中央に設けられた貫通孔28より鉛直方向に挿入されて、サセプタ3を昇降機構56により上下動させるようになっている。サセプタ3が上方にある成膜位置(図示位置)で成膜処理がなされ、下方の待機位置で基板8の搬送が行われる。サセプタ3が前述した成膜位置にあるとき、処理室1内を上下に仕切る基板8及びサセプタ3によって、サセプタ3よりも上方の空間34と、サセプタ3よりも下方の空間33とが処理室1内の上下に形成される。
サセプタ3は、例えば、石英、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al2O3)、又は窒化アルミニウム(AlN)などで構成される。
The
The
排出口11は、サセプタ3よりも上方の空間34から、サセプタ3よりも下方の空間33にガスを排出する。この排出口11は、サセプタ3の外周に連続して設けられる。すなわち、排出口11は、処理室内壁32とサセプタ3の外周部との間にリング状の隙間として形成される。実施例では、このリング状の隙間は全周にわたって等間隔に形成してある。なお、排出口11のうちガス流れの上流側に位置する排出口を上流側の排出口11A、下流側に位置する排出口を下流側の排出口11Bという。また、中流側に位置する排出口を中流側の排出口という。
The
図示するように、処理室内壁32のうち、ガス供給口19、20の直下部分の処理室内壁32では、サセプタ面と面一となる箇所に内方に突出した突出内壁32aを設け、この突出内壁32aとこの突出内壁32aに対向するサセプタ3の外周部との間に上流側の排出口11Aを設けるようにしている。
したがって、ガス供給口19、20から、処理室1内のサセプタ3よりも上方の空間34に流れ込んだガスは、この突出内壁32aにぶつかり、進路を変えられ、一部は上流側の排出口11Aから矢印で示すようにサセプタ3よりも下方の空間33に流れ込み、基板下を排気口16に向かって一方向に流れる。残りは矢印で示すように基板8上を排気口16に向かって一方向に流れる。
As shown in the figure, in the
Therefore, the gas that has flowed from the
このようにガス供給口19、20の直下に、ガスを受け流す突出内壁32aを設けることによって、ガス供給口19、20が処理室1の上容器26の上部に設けられているにもかかわらず、サセプタ3よりも上方の空間34に供給されたガスが、基板8上に平行に流れることを可能にしている。
そして、基板8上を流れて下流側のサセプタ3を経て下流側の排出口11Bからサセプタ3よりも下方の空間33内に排出されてきたガスと、上流側の排出口11Aから下方の空間33内に排出されてサセプタ3の下側を流れてきたガスとが、排気口16で合流して、ガス排気ライン6から排気される。
In this way, by providing the protruding
Then, the gas flows on the
上流側の排出口11Aが、ガス供給口19、20よりも下流側であって、基板8よりも上流側に設けられているので、大量のパージガスを排出口11Aから、サセプタ3よりも下方の空間33全体へスムーズに排出でき、パージ効率がより向上する。また、ガス供給口19、20はサセプタ3の側方に設けられているので、上流側の排出口11Aからサセプタ3よりも下方の空間33に排出されるガスを、その空間33の最上流から流入させることができるので、パージ効率がより向上する。
また、基板8の側方から基板8に対して多孔板を用いずにガスを供給して供給側と反対側から排気しているので、基板の上方に設けた多孔板から基板に対してガスをシャワー状に供給するものに比べて、ガス供給口19、20の上流側が過度に高圧とならず、残留ガスを速やかに排気できる。
Since the
Further, gas is supplied from the side of the
以上述べたように実施の形態の基板処理装置が構成される。 As described above, the substrate processing apparatus of the embodiment is configured.
次に上述した基板処理装置を用いて半導体装置を製造する工程の一工程として基板を処理する方法を説明する。ここでは、シリコン基板にアルミニウム酸化膜の成膜を行うプロセスを例にとって説明する。成膜方法には、金属原料と酸素又は窒素を含有するガスとを交互に供給して、膜を堆積させるALDを用いる。また、金属含有原料には常温で液体のTMAを用い、酸素又は窒素を含有するガスには水を用いる。 Next, a method of processing a substrate will be described as one step of manufacturing a semiconductor device using the substrate processing apparatus described above. Here, a process for forming an aluminum oxide film on a silicon substrate will be described as an example. The film forming method uses ALD in which a metal raw material and a gas containing oxygen or nitrogen are alternately supplied to deposit a film. Further, TMA that is liquid at room temperature is used as the metal-containing raw material, and water is used as the gas containing oxygen or nitrogen.
基板処理では先ず、サセプタ3を待機位置に下降させた上で、ゲートバルブ7を開放する。搬送ロボット38により、1枚のシリコン基板8を基板搬入出口30を介して処理室1内に搬入して、サセプタ3上に移載して保持する。ゲートバルブ7を閉じた後、昇降機構56により、サセプタ3を所定の成膜位置まで上昇させる。温度制御手段14により制御されるヒータ55によりサセプタ3を加熱して、基板8を一定時間加熱する。処理室1内を真空ポンプ37で真空引きし、圧力制御手段15によって処理室1内を所定の圧力に制御する。基板8が所定温度に加熱され、圧力が安定した後、基板8上への成膜を開始する。成膜は次の4つの工程からなり、4つの工程を1サイクルとして、所望厚さの膜が形成されるまで複数サイクル繰り返される。
In the substrate processing, first, the
工程1では、バルブ9が開かれて、液体流量制御手段22で流量制御された液体原料TMAが気化手段23へ供給されて、気化手段23により気化された第1の反応ガスとしてのTMAガスが、TMA供給ライン4からガス供給口19を介して処理室1内に供給される。TMAガスを希釈する場合は、さらにバルブ12を開いて、流量制御手段21で流量制御されたArガスを、Ar供給ライン17からTMA供給ライン4に流し、Arガスと混合されたTMAガスが、TMA供給ライン4からガス供給口19を介して処理室1内に供給される。TMAガスは基板8上に供給されて、その表面に吸着する。余剰ガス(TMAガス)はサセプタ3の外周に設けた排出口11からサセプタ3よりも下方の空間33に排出され、この空間33を図中の矢印の方向に流れて排気口16から排気される。
In
工程2では、バルブ9を開に保ったまま、気化手段23からのTMAガスの供給を停止する。このときバルブ12が閉のときはこれを開にする。流量制御手段21により流量制御されたArガスをAr供給ライン17からTMA供給ライン4に流し、ガス供給口19を介して処理室1内に供給し、TMA供給ライン4及び、処理室1内に残留しているTMAガスをArガスで置換し、排気口16から排気する。
In
工程3では、バルブ9、12をともに閉じ、代わりにバルブ10を開いて、液体流量制御手段24で流量制御された水が気化手段25へ供給されて、気化手段25により気化された水蒸気(H2O)が水供給ライン5からガス供給口20を介して処理室1内に供給される。又は、バルブ13を開いて、流量制御手段21で流量制御されたキャリアガスArをAr供給ライン17から水供給ライン5に流して、Arガスと混合した水蒸気が、水供給ライン5からガス供給口20を介して処理室1内に供給される。基板8上には、工程1で吸着したTMAと水蒸気とが反応し、アルミニウム酸化膜が形成される。余剰ガス(水蒸気)及び副生成物は、サセプタ3の外周に設けた排出口11からサセプタ3よりも下方の空間33に排出され、この空間33を図中の矢印の方向に流れて排気口16から排気される。
In
工程4では、バルブ10を開に保ったまま、気化手段25からの水蒸気の供給を停止する。バルブ13が閉のときはこれを開にする。流量制御手段21により流量制御されたArガスをAr供給ライン17から水供給ライン5に流し、ガス供給口20を介して処理室1内に供給し、水供給ライン5、及び処理室1内に残留している水蒸気及び副生成物をArガスで置換し、排気口16から排気する。
In
上述した工程1〜4に要する時間は、スループット向上のために、各工程で1秒以下が望ましい。この4つの工程を1サイクルとして、これを複数回繰り返して、所望の膜厚を有するアルミニウム酸化膜を基板8上に成膜する。成膜終了後、サセプタ3は昇降機構56により待機位置まで降下する。成膜処理後の基板8は、搬送ロボット38によりゲートバルブ7を介して処理室1外に搬出される。
The time required for the
上記処理条件の範囲として、基板温度:200〜500℃、処理室内圧力:13.3〜1330Pa(0.1〜10Torr)、キャリアガスと反応ガスを加えた総流量(第1の反応ガス、第2反の応ガスに共通):0.1〜2slm、膜厚:1〜5nmが好ましい。 As the range of the above processing conditions, the substrate temperature: 200 to 500 ° C., the processing chamber pressure: 13.3 to 1330 Pa (0.1 to 10 Torr), the total flow rate of the carrier gas and the reaction gas (the first reaction gas, the first reaction gas) Common to 2 reaction gases): 0.1-2 slm, film thickness: 1-5 nm are preferable.
なお、各工程における基板温度、処理室内圧力はそれぞれ、温度制御手段14、圧力制御手段15で制御される。また、この温度制御手段14、圧力制御手段15及び各バルブ9、10、12、13や気化手段23、25、流量制御手段21、22、24は、制御手段40により統合制御される。
The substrate temperature and the processing chamber pressure in each process are controlled by the temperature control means 14 and the pressure control means 15, respectively. The
さて、本実施の形態によれば、上容器上部内壁面26aがガス流の上流側から下流側に向かって、基板8の表面と上容器上部内壁面26aとの間の対向距離が漸次大きくなるような傾斜面で構成されているため、上記工程1、3では、次に述べるように基板8上に膜厚均一性の良好な膜を成膜できる。
According to the present embodiment, the facing distance between the surface of the
基板8の表面と上容器上部内壁面26aとの間の対向距離が下流側に向けて大きくなると、ガスが下流側へ流れ易くなり、下流側におけるガスの滞在量が多くなり、基板8上の圧力が上がる。一方、上流側は、相対的にガスの滞在量が少なくなり、基板8上の圧力が下がる。したがって、上容器上部内壁面26aの傾斜の程度に応じて基板8上のガスの流速分布を調整することができ、基板8上の圧力分布を制御することができる。図示例のように、上容器上部内壁面26aの傾斜面が、ガス流の上流側から下流側に向かって基板8と上容器上部内壁面26aとの間の対向距離が漸次大きくなるような傾斜面で構成されていると、ガスがより下流側へ流れ易くなり、基板8上の圧力分布が、上流側で高圧となるのが緩和されて、基板8上に供給されるTMAガス及び水蒸気の圧力分布が均一になる。この均一化された圧力分布下の基板8上にTMAガス及び水蒸気が吸着する。
When the facing distance between the surface of the
この吸着に関しては実験的及び理論的考察から、ある表面と気体分子との間において、温度が一定のとき、吸着量は気相の圧力によって表されることが分かっている。したがって、工程1、3において、基板上の圧力分布が均一化されるので、基板上へのガスの吸着量が均一化され、基板上に膜厚均一性の良好な膜を成膜できる。また、半導体装置の歩留まりを向上できる。
Experimental and theoretical considerations regarding this adsorption have shown that when the temperature is constant between a surface and a gas molecule, the amount of adsorption is expressed by the pressure in the gas phase. Therefore, in
上述した圧力分布の均一化の効果は、特に、基板8に対してガスを一方向に流すALDにより基板8上に薄膜を形成する場合に、有効に発揮される。基板8に供給する反応ガスの流量を多くすると基板8上に必然的に圧力差が生じるが、この圧力差を解消できるからである。
The above-described effect of uniforming the pressure distribution is particularly effective when a thin film is formed on the
なお、実施の形態では、ALDについて説明したが、本発明は、サイクル手法を適用したMOCVDや二種類以上のガスを同時に供給して膜を堆積させる通常のMOCVDおいても利用できることはいうまでもない。 In addition, although ALD was demonstrated in embodiment, it cannot be overemphasized that this invention can be utilized also in normal MOCVD which deposits a film | membrane by supplying two or more types of gas simultaneously and MOCVD which applied the cycle method. Absent.
また、上述した実施の形態において、「反応ガス」は、第1原料としての金属含有原料と、これに反応することが可能な第2原料としての化合物及び要素である。具体的な金属含有原料(第1原料)としては、例示したAlを含むTMAガスの他に、Si、Ti、Sr、Y、Zr、Nb、Ru、Sn、Ba、La、Hf、Ta、Ir、Pt、W、Pb、Biのいずれかの金属を含むガスがある。 In the above-described embodiment, the “reactive gas” is a metal-containing raw material as a first raw material and a compound and an element as a second raw material capable of reacting with this. As specific metal-containing raw materials (first raw materials), in addition to the exemplified TMA gas containing Al, Si, Ti, Sr, Y, Zr, Nb, Ru, Sn, Ba, La, Hf, Ta, Ir , Pt, W, Pb, and Bi.
また、化合物及び要素(第2原料)としては、適切な非金属反応物、すなわち通常、水、酸素、アンモニア等の酸素又は窒素を含有するガスでよいが、ときには何らかの方法で活性化されたラジカルやイオンの場合もある。また、実際には金属含有原料と反応を起こさないが、金属含有原料の自己分解反応にエネルギーを与えるものでもよい。例えば、プラズマなどで活性化された希ガスや不活性ガスの場合もある。酸素又は窒素を含有するガスとして、具体的には、例示したH2Oの他に、O2、O3、NO、N2O、H2O2、N2、NH3、N2H6のいずれかと、いずれかを活性化手段により活性化させることにより生成した、これらのラジカル種、又はイオン種がある。 Further, the compound and element (second raw material) may be a suitable non-metallic reactant, that is, a gas containing oxygen or nitrogen such as water, oxygen, ammonia or the like, but sometimes a radical activated by some method. There is also a case of ion. Moreover, although it does not actually react with the metal-containing raw material, it may give energy to the self-decomposition reaction of the metal-containing raw material. For example, it may be a rare gas or an inert gas activated by plasma or the like. Specifically, as the gas containing oxygen or nitrogen, in addition to the exemplified H 2 O, O 2 , O 3 , NO, N 2 O, H 2 O 2 , N 2 , NH 3 , N 2 H 6 And any of these radical species or ionic species generated by activating any of them with an activating means.
また、「パージガス」は、処理室1に供給されて、基板8に吸着した反応物以外の不要な反応物を取り除く場合や、二つの異なった基の反応ガスが基板8の面内以外の場所で混ざり合い、反応するのを防ぐために用いられる。このパージガスには、キャリアガスと共用の例示したArの他に、それ以外の希ガスや、窒素ガスなどの不活性ガスが用いられる。
The “purge gas” is supplied to the
次に、上述した上容器上部内壁面26aの傾斜が基板上の圧力分布(原料分圧分布)の均一化に与える影響を解析し、基板8と上容器上部内壁面26aとの間の対向距離を、ガス流の上流側から下流側に向かって大きくなるような傾斜面で構成することで、基板上の原料分圧分布の均一性が向上することを検証する。
工程1、3において、反応ガスを基板に均一に供給、吸着させることにより良好な面内膜厚均一性が得られるが、工程1、3のうち、特に工程1の吸着が重要となる。TMAと水蒸気(H2O)の反応性が高いので、工程3でH2Oを十分に供給すれば、基板に吸着しているTMAが全て反応し、膜が形成される。したがってTMAを基板上に均一に吸着させることが重要となる。このため、検証は工程1について行った。ただし、ここでは、便宜上、TMAではなく水蒸気のデータ値を用いている。
Next, the influence of the inclination of the upper container upper
In Steps 1 and 3, good in-plane film thickness uniformity can be obtained by uniformly supplying and adsorbing the reaction gas to the substrate. Of
基板上の圧力分布の解析方法を図2〜5を参照して説明する。図2、3は本解析で用いた上容器上部内壁面26aを有する処理室の断面を示した図である。図2に示すものは、上容器上部内壁面26aの全体を傾斜して上流側の基板表面と上容器上部内壁面26aとの間の距離(以下、単に上流側隙間という)Guが狭く、下流側の基板表面と上容器上部内壁面26aとの間の距離(以下、単に下流側隙間という)Gdが広くなっている。図3に示すものは、上流から中流にかけて隙間が広くなるように上容器上部内壁面26aを傾斜させ、中流から下流にかけては、中流側の基板表面と上容器上部内壁面26aとの間の距離(以下、単に中流側隙間という)Gm〜下流側隙間Gdが等間隔とフラットになっている。
A method for analyzing the pressure distribution on the substrate will be described with reference to FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views of the processing chamber having the upper container upper
図4に示す4種類の上容器上部内壁面26aの形状について、フルーエント社製3次元熱流体解析ソフトを使用して、それぞれの基板上の圧力分布を求めた。4種類の上容器上部内壁面形状No.1〜No.4は、上流側隙間Guを21mmに固定し、下流側隙間Gdを21mm、30mm、40mm、40mm(中流から下流まで)と大きくなるように変化させたものである。上容器上部内壁面形状No.1の場合は、フラットで、上流側隙間Gu、下流側隙間Gdがともに21mmと等間隔となっている。上容器上部内壁面形状No.2〜No.3の場合は、図2に示すように、処理室上面全体を傾斜した場合であって、上流側隙間Guを21mmと狭いまま固定し、下流側隙間Gdを30mm、40mmと広くしている。上容器上部内壁面形状No.4の場合は、図3に示すように、上流側隙間Guを21mm、中流側隙間Gmを40mmとして、上流から中流にかけて上容器上部内壁面を傾斜させ、中流から下流は等間隔で40mmとフラットにしている。
解析の条件としては、基板径:300mm、基板温度:300℃、処理室排気圧力(排気口16近傍での圧力制御手段15による測定値):13Pa、Arガス流量:1slm、原料モル分率:0.0266(原料流量0.0266slm≒1slm×0.027)、そしてヒータ31による容器壁温度:100℃とした。
Regarding the shapes of the four types of upper container upper
The analysis conditions were as follows: substrate diameter: 300 mm, substrate temperature: 300 ° C., processing chamber exhaust pressure (measured value by pressure control means 15 in the vicinity of the exhaust port 16): 13 Pa, Ar gas flow rate: 1 slm, raw material mole fraction: 0.0266 (raw material flow rate 0.0266 slm≈1 slm × 0.027) and container wall temperature by heater 31: 100 ° C.
図5は、本解析で求めた基板上の原料分圧の関係を示す図である。図5から、4種類の形状の全てにおいて、原料分圧は上流側が高く、下流側にかけて低くなる傾向となり、狭いまま固定した上流側隙間Guに対して下流側隙間Gdを広くするにしたがって、基板上の原料分圧分布の均一性が向上している。上容器上部内壁面形状No.1〜No.4の原料分圧分布の均一性が、6.6%、4.9%、3.6%、2.4%とあるように、4種類の形状の全てのうち上容器上部内壁面形状No.4が最も原料分圧分布の均一性が良いことが分かる。
つまり、基板と処理室の内壁面との間の対向距離を上流側から下流側に向かって大きくなるようにして、ガスを下流側へより流れ易くさせることにより、ガス上流側の圧力が高くなる傾向を緩和し、ガス下流側の圧力が低くなる傾向を緩和することが可能となる。したがって、上容器上部内壁面の傾斜を最適化することによって、基板表面内の圧力分布の均一性を向上させることができる。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship of the raw material partial pressure on the substrate obtained in this analysis. From FIG. 5, in all four types of shapes, the raw material partial pressure tends to be higher on the upstream side and lower on the downstream side, and as the downstream gap Gd becomes wider with respect to the upstream gap Gu that is fixed while being narrow, The uniformity of the raw material partial pressure distribution is improved. The uniformity of the raw material partial pressure distribution of the upper container upper inner wall surface shape No. 1 to No. 4 is 6.6%, 4.9%, 3.6%, 2.4%. It can be seen that, among all the shapes, the upper container upper inner wall surface shape No. 4 has the best uniformity of the raw material partial pressure distribution.
In other words, the pressure on the upstream side of the gas is increased by increasing the opposing distance between the substrate and the inner wall surface of the processing chamber from the upstream side toward the downstream side so that the gas can flow more easily downstream. It is possible to relieve the tendency and relieve the tendency of the pressure on the gas downstream side to decrease. Therefore, the uniformity of the pressure distribution in the substrate surface can be improved by optimizing the inclination of the upper inner wall surface of the upper container.
なお、図5において、基板の中央位置(基板位置0m)近傍における原料分圧の設定値を0.44Paとしている。この分圧値は、次のようにして求めることができる。処理室排気圧力を13Paとなるように制御すると、基板の中央位置近傍での全圧の推測値は約16.5Paとなる。原料モル分率が0.0266であることから、式(1)より、
0.44Pa≒16.5Pa×0.0266
となる。
In FIG. 5, the set value of the raw material partial pressure in the vicinity of the center position of the substrate (substrate position 0 m) is set to 0.44 Pa. This partial pressure value can be obtained as follows. When the processing chamber exhaust pressure is controlled to be 13 Pa, the estimated value of the total pressure in the vicinity of the center position of the substrate is about 16.5 Pa. Since the raw material mole fraction is 0.0266, from the formula (1),
0.44 Pa≈16.5 Pa × 0.0266
It becomes.
上記解析結果より、上容器上部内壁面を傾斜させて、基板と上容器上部内壁面との間の対向距離を下流側の方が上流側よりも大きくなるよう構成することで、基板上の分圧分布の均一性が向上することが検証できた。 From the above analysis results, the upper inner wall surface of the upper container is inclined so that the facing distance between the substrate and the upper inner wall surface of the upper container is larger on the downstream side than on the upstream side. It was verified that the uniformity of pressure distribution was improved.
1 処理室
3 サセプタ(保持具)
8 基板
16 排気口
19、20 ガス供給口
26 上容器
26a 上容器上部内壁面(処理室の内壁面)
1 Processing
8
Claims (2)
処理室内で基板を保持する保持具と、
基板の側方であって基板よりも上方に設けられて前記基板に対してガスを供給する供給口と、
前記供給口と前記基板を挟んで反対側であって前記基板よりも下方に設けられて前記処理室を排気する排気口とを有し、
前記基板と対向する前記処理室の内壁面が前記基板に対して傾斜するよう構成されていることを特徴とする基板処理装置。 A processing chamber for processing the substrate;
A holder for holding the substrate in the processing chamber;
A supply port provided on the side of the substrate and above the substrate to supply gas to the substrate;
An exhaust port that is provided on the opposite side of the supply port and the substrate and below the substrate and exhausts the processing chamber;
A substrate processing apparatus, wherein an inner wall surface of the processing chamber facing the substrate is inclined with respect to the substrate.
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