JP2008078448A - 基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バッチ式の基板処理装置に限らず、成膜の際のウエハの膜厚の均一化を可能にする手段を提供する。
【解決手段】第1のガス供給手段は、処理室201に原料ガスを導入する少なくとも1つの第1の導入口を更に備え、第1の導入口は前記処理室201内に収容された基板側の方向を避けて開口し、第2のガス供給手段は、前記処理室201に前記酸性化ガスを導入する少なくとも一つの第2の導入口を更に備え、前記第2の導入口は前記処理室201内に収容された基板側の方向を向いて開口し、制御部は、前記第1のガス供給手段、前記第2のガス供給手段および前記排出手段を制御して、前記処理室201に対して前記原料ガスと前記酸性化ガスを交互に供給、排気し、前記基板上に所望の膜を生成するように構成される。
【選択図】図4
【解決手段】第1のガス供給手段は、処理室201に原料ガスを導入する少なくとも1つの第1の導入口を更に備え、第1の導入口は前記処理室201内に収容された基板側の方向を避けて開口し、第2のガス供給手段は、前記処理室201に前記酸性化ガスを導入する少なくとも一つの第2の導入口を更に備え、前記第2の導入口は前記処理室201内に収容された基板側の方向を向いて開口し、制御部は、前記第1のガス供給手段、前記第2のガス供給手段および前記排出手段を制御して、前記処理室201に対して前記原料ガスと前記酸性化ガスを交互に供給、排気し、前記基板上に所望の膜を生成するように構成される。
【選択図】図4
Description
本発明は半導体ウエハ(以下、ウエハという)の表面に所望の薄膜を形成して半導体装置を製造する基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、ガスの供給技術に関するものである。
一般に、縦型のバッチ式の基板処理装置では、複数のウエハをボートに支持し、ボートを基板処理室に挿入することにより、スループットを向上している。また、処理室にボートを挿入した状態でボートを処理室の軸芯周りに回転させ、ウエハを回転させることにより、ウエハの成膜面に原料ガスを均一に流し、成膜の面内膜厚の均一化が計られている。
しかし、ウエハの回転によりウエハの表面に基板処理ガスを均等に流した場合でもウエハの面内厚さに不均一さが発生することがある。そこで、バッチ式の基板処理装置に限らず、成膜の際の面内膜厚の均一化を可能にする技術が求められており、本発明は、このような課題を解決することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、複数の基板を積層した状態で収容する処理室と、前記基板及び前記処理室内の雰囲気を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された前記処理室内の雰囲気温度で自己分解する原料ガスを供給する第1のガス供給手段と、酸性化ガスを供給する供給する第2のガス供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排出する排出手段と、少なくとも前記第1のガス供給手段、前記第2のガス供給手段および前記排出手段を制御する制御部と、を備え、前記第1のガス供給手段は、前記処理室に前記原料ガスを導入する少なくとも1つの第1の導入口を更に備え、前記第1の導入口は前記処理室内に収容された前記基板側の方向を避けて開口し、前記第2のガス供給手段は、前記処理室に前記酸性化ガスを導入する少なくとも一つの第2の導入口を更に備え、前記第2の導入口は前記処理室内に収容された基板側の方向を向いて開口し、前記制御部は、前記第1のガス供給手段、前記第2のガス供給手段および前記排出手段を制御して、前記処理室に対して前記原料ガスと前記酸性化ガスを交互に供給、排気し、前記基板上に所望の膜を生成するように構成されたものである。
本発明によれば、縦型基板処理装置に限らず、成膜の際の基板の面内膜厚を均一にすることができるという、優れた効果が発揮される。
以下、添付図面を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施の形態に係る基板処理装置の概略構成を透視法で示した斜視図であり、図2は処理装置の基板処理部の基板処理系を示す解説図、図3は図2のA−A線断面図である。
図1に示すように、この基板処理装置101には、基板としてのウエハ200を搬送するキャリアとして、周知の基板収容器(以下、ポッドという。)110が用いられる。ポッド110は、基板処理装置101の外部を走行する工程内搬送台車により搬送される。基板処理装置101の筐体111の前部には前記ポッド110の受け渡しのための受け渡し台としてロードポート114が設けられており、筐体111の前部内には、前記ポッド110を一時、保管するためのポッド保管棚105と、ポッド110のウエハ出し入れ口(図示せず)を開閉する蓋となるキャップ(図示せず)を開くポッドオープナ(図示せず)と、ポッド110を搬送するためのポッド搬送装置118が備えられ、筐体111の前面壁には、工程内搬送台車とロードポート114との間でポッド110の受け渡しを行うための搬入・搬出口(図示せず)と、この搬入・搬出口を開閉するためのフロントシャッタ(図示せず)とが設けられる。
ポッド110が工程内搬送台車からロードポート114に受け渡され、ポッド搬送装置118がロードポート114のポッド受け取り位置に移動されると、ポッド搬送装置118によりロードポート114からポッド110が取り上げられる。ポッド110は、この後、ポッド保管棚105の指定された棚板107へ自動的に搬送され、一時的に保管されるか、又は、直接、移載室130側のポッドオープナに搬送される。
移載室130は、前記ポッド搬送装置118や前記ポッド保管棚105の設置部から流体的に隔絶される気密構造となっており、清浄化した雰囲気もしくは不活性ガスであるクリーンエアを供給するよう供給フアンおよび防塵フィルタで構成されたクリーンユニット134が設けられている。移載室130の酸素濃度は20ppm以下と、筐体111の内部(大気雰囲気)の酸素濃度よりも遥かに低くされる。
ウエハ移載機構125は、ウエハ移載装置(基板移載装置)125aと、これを昇降するウエハ移載装置エレベータ(基板移載装置昇降機構)125bによって構成される。ウエハ移載装置125aは、基板保持体としてのツイーザによりポッド110とボート(基板保持具)217との間でウエハ200を受け渡すように構成されている。
ポッド110は、そのウエハ出し入れ口が移載室130の正面壁(図示せず)のウエハ搬入搬出口(図示せず)の開口縁辺部に押し付けられた状態で、ポッドオープナのキャップ着脱機構によってキャップが取り外され、ポッド110のウエハ出し入れ口を開放する。次に、ウエハ移載装置125aはツイーザによってポッド110のウエハ出し入れ口を通じて順次、ウエハ200をピックアップし、円周方向の位置を整合させる基板整合装置としてのノッチ合わせ装置(図示せず)によりノッチを基準とした円周方向の位置を整合する。そして、この後は、移載室130ボート待機部140に設置されたボート217に装填される(チャージング)。
ボート217は、筐体111後部のボート待機部140に設置されたボート昇降エレベータ115上のシールキャップ219上に支持されており、ボート待機部140の上方に設置された処理炉202の炉口に対し下方側から挿入される。この処理炉202は、ボート217の挿入時以外は、炉口開閉機構としての炉口シャッタ147により閉鎖される。
ボート217に予め指定された枚数のウエハ200が装填されると、炉口シャッタ147によって閉じられていた処理炉202の炉口が開放され、続いて、ウエハ200群を保持したボート217がボート昇降エレベータ115の上昇によって処理炉202内へ搬入(ローディング)される。
ボート217は複数本のウエハ保持部材131と、これらのウエハ保持部材131を支持する昇降台132とを備えており、複数のウエハ保持部材131に上下方向に間隔を隔てて多段に設けられた溝状の支持部133にウエハ200をそれぞれ水平に挿入させて支持させるように構成されている。各支持部133にウエハ200が支持されると、複数のウエハ200はウエハ中心を揃えた状態で垂直方向に整列される。また、各ウエハ200は支持部133によりそれぞれ水平な状態で保持される。なお、ボート217にウエハ200は、例えば、50枚〜125枚程度チャージされる。ローディング後は、処理炉202にてウエハ200に任意の基板処理が実施される。基板処理後は、ノッチ合わせ装置でのウエハ200の整合工程を除き、上述の逆の手順で、ウエハ200およびポッド110が筐体111の外部へと払出される。
なお、前記クリーンユニット134から吹き出されたクリーンエアは、ノッチ合わせ装置およびウエハ移載装置125a、ボート待機部140にあるボート217に流通した後に、ダクト134aにより吸い込まれて、筐体111の外部に排気がなされるか、もしくは前記クリーンユニット134の吸い込み側である一次側(供給側)にまで循環され、再びクリーンユニット134によって、移載室130内に吹き出される。
図2を参照して前記処理炉202について詳述すると、処理炉202加熱する加熱手段としてのヒータ207は筒状に構成されており、基板であるウエハ200を処理するための反応容器としての反応管203がヒータ207内に配置される。反応管203は石英等の耐熱性、耐食性金属で形成されており、反応管203の下端にはフランジ接続によりマニホールド209が取り付けられる。
マニホールド209は、下方に臨んで開口していて、処理炉202の炉口を下方に延長する。前記ボート217は、詳細には、前記シールキャップ219の軸心部を上下に貫通する回転軸(図示せず)の先端部に取り付けられたボート支持台218の中央部に支持されており、回転軸はシールキャップ219の下部に取り付けられ、シールキャップ219を固定系として回転駆動力を伝達するボート回転機構267に連結される。ボート回転機構267を駆動すると、回転軸が回転し、ボート支持台218を介してボート217が回転するので、反応管203内部の処理室201に供給された原料ガス、酸化ガスの雰囲気に各ウエハ200が接触するので、面内膜厚の均一な環境が得られる。
図2乃至図6を参照して原料ガス、酸化ガス等の基板処理ガス供給系について説明すると、処理室201には複数種のガスが供給される。本実施例では、ガス供給管として、第1のガス供給管232aと、第2のガス供給管232bとが設けられる。第1のガス供給管232aは、図2ないし図4に示すように、第1のノズル233aが接続されることにより第1のガス供給手段を構成しており、第2のガス供給管232bは第2のノズル233bが接続されることにより、第2のガス供給手段を構成している。第1のガス供給管232a及び第2のガス供給管232bの先端部は、前記マニホールド209の側壁を半径方向に貫通することにより、処理室201を区画する反応管203の内壁とウエハ200との間における円弧状の空間内に配置されている。前記第1のノズル233aは、前記第1のガス供給管232aの先端部とL字状に接続されていて、反応管203内に積層されたウエハ200の積載方向に沿って反応管203の炉口側、すなわち、マニホールド209側から反応管203の天井付近に延びている。また、前記第2のノズル233bは、前記第2のガス供給管232bの先端部にL字状に接続されていて、反応管203のウエハ200の積載方向に沿って反応管203の炉口側から反応管203の天井付近に延びている。前記第1のノズル233aの先端部には前記処理室201に原料ガスを導入するためのガス導入口として第1のガス供給孔248aが一つ設けられており、第2のノズル233bには複数の第2のガス供給孔248bが設けられている。第1のガス供給孔248aは、一般のCVDやCVDの一種であるALDによる成膜の際に際して、各ウエハ200の成膜面に形成する成膜の面内膜厚を均一にするために、第1のガス供給孔248aから処理室201内に導入する原料ガス(原料とキャリアガスの混合ガス)が直接、ボート217の各ウエハ200に向けて導入することのないように、ボート217のウエハ200を回避する方向に開口している。本実施形態では、第1のガス供給孔248aは、ドーム状に形成された反応管203の天井部と反応管203の側壁部との接続部付近に臨ませられている。一方、複数の第2のガス供給孔248bは酸化ガスがボート217が隣接するウエハ200間にそれぞれ水平に導入されるように上下方向に所定間隔を隔てて設けられている。第2のガス供給孔248aの開口面積は同一でもよいが、特に、管路抵抗の影響が大きく晴膜やガスの押し出しに影響がでる場合は、上流側、すなわち、マニホールド209側の第2のガス供給孔248aの開口面積を小さく、下流側、すなわち、天井側の開口面積に向かって開口系を順次小さくし、第2のノズル233b全体として同じ流量の基板処理ガスが各ウエハ200間に導入されるようにしてもよい。また、図3に示すように、第1のノズル233a、第2のノズル233bは、互いに近接した状態に配置してもよいし、処理室201の軸芯線を挟んで対称な位置に配置してもよい。
そして、前記第1のガス供給管232aは第1のキャリアガス供給管234aに合流しており、第1のガス供給管232aには、上流方向から下流側に向かって流量制御装置(流量制御手段)である第1のマスフローコントローラ(流体フローコントローラ)240、気化器242、及び開閉弁である第1のバルブ243aが順次介設されており、第1のキャリアガス供給管234aには、第1のガス供給管232aとの合流点よりも上流側に、開閉弁である第2のバルブ243cが介設され、その上流側に流量制御装置(流量制御手段)241bが介設されている。
また、第2のガス供給管232bは、キャリアガスを供給するための第2のキャリアガス供給管234bと合流しており、第2のガス供給管232bには、上流方向から下流側に向かって流量制御装置(流量制御手段)である第2のマスフローコントローラ241a、開閉弁である第3のバルブ243bが介設され、第2のキャリアガス供給管234bには、第2のガス供給管232bとの合流点よりも上流側に、開閉弁である第4のバルブ243dが介設されるともに、その上流側に、流量制御装置(流量制御手段)である第3のマスフローコントローラ241cが介設されている。
第1のガス供給管232aから供給される原料が、例えば、液体の場合、第1のガス供給管232aからは、第1のマスフローコントローラ240、気化器242、及び第1のバルブ243aから供給された原料ガスが、第1のキャリアガス供給管234からのキャリアガスと合流し、キャリアガスにより第1のノズル233aへと搬送されて、第1のガス供給孔248aから処理室201内に供給される。第1のガス供給管232aから供給される原料が液体でなく気体の場合には、第1のマスフローコントローラ240を液体マスフローコントローラから気体用のマスフローコントローラに交換する。この場合には気化器242が不要となる。
また、第2のガス供給管232bから供給されるガスは第2のマスフローコントローラ241a、第2のバルブ243bを介して第2のキャリアガス供給管234bのキャリアガスと合流し、キャリアガスにより第2のノズル233bへと搬送されて、第2のガス供給孔248bから処理室201に供給される。
また、処理室201は、ガスを排気する排気管であるガス排気管231により第5のバルブ243eを介して排出手段としての真空ポンプ246に接続され、真空排気される。なお、この第5のバルブ243eは弁を開閉して処理室201の真空排気・真空排気の停止が可能でき、更に弁開度を調節して処理室201内の圧力調整可能な開閉弁で構成されている。
制御手段としての制御部を構成するコントローラ280は、前記第1のマスフローコントローラ240、第1〜第3のマスフローコントローラ241a、241b、241c、第1〜第5のバルブ243a、243b、243c、243d、243e、ヒータ207、真空ポンプ246、ボート回転機構267、ボート昇降エレベータ115等のアクチュエータやメカニズムコントローラに接続されており、第1のマスフローコントローラ240、及び第1〜第3のマスフローコントローラ241a、241b、241cの流量調整、第1〜第4のバルブ243a、243b、243c、243dの開閉動作、第5のバルブ243eの開閉及び圧力調整動作、ヒータ207の温度調整及び排出手段である真空ポンプ246の起動・停止、ボート回転機構267の回転速度調節、ボート昇降エレベータ115の昇降動作制御を実行し、CVDやALDによる成膜をレシピに基づいて制御する。
次に、ALD法を用いた成膜処理の一例として、半導体デバイスの製造工程の一つである、TEMAH及びO3を用いてHfO2膜を成膜する場合を説明する。
CVD(Chemical Vapor Deposition)法の一つであるALD(Atomic Layer Deposition)法は、ある成膜条件(温度、時間等)の下で、成膜に用いる少なくとも2種類の原料となる反応性ガスを1種類ずつ交互に基板上に供給し、1原子単位でウエハ200の成膜面に吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。このとき、膜厚の制御は、反応性ガスを供給するサイクル数で行う(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、20サイクル行われる)。
ALD法では、例えばHfO2膜形成の場合、原料ガスとしてTEMAH(Hf[NCH3C2H5]4)、テトラキスメチルエチルアミノハフニウム)を用い、酸化ガスとしてO3(オゾン)を用い、180〜250℃の低温で高品質の成膜を可能にする。
<実施例1>
まず、上述したようにウエハ200をボート217に装填し、処理室201に搬入する。ボート217を処理室201に搬入後、後述する3つのステップを順次実行する。
まず、上述したようにウエハ200をボート217に装填し、処理室201に搬入する。ボート217を処理室201に搬入後、後述する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、第1のガス供給管232aに原料ガスとしてTEMAHを流し、第1のキャリアガス供給管234aにキャリアガス(N2)を流す。第1のガス供給管232aの第1のバルブ243a、第1のキャリアガス供給管234aの第3のバルブ243cおよびガス排気管231の第5のバルブ243eをともに開ける。キャリアガスは、第1のキャリアガス供給管234aから流れ、第2のマスフローコントローラ241bにより流量調整される。TEMAH(Tetrakis−Ethyl Methyl Amino Hfnium:テトラス−Nエチル−Nメチルアミノハウニウム)は、第1のガス供給管232aから流れ、液体マスフローコントローラである第1のマスフローコントローラ240によって流量調整された後、気化器242により気化される。そして、下流側で流量が調整されたキャリアガスに混合され、図3に示すように、第1のノズル233aの第1のガス供給孔248aから処理室201内に供給される。成膜に際してTEMAHとキャリアガスの混合ガスの余剰分はガス排気管231より排気される。この時、第5のバルブ243eは開度が適正に調整され、処理室201内が所定の圧力に維持される。第1のマスフローコントローラ240で制御するTEMAHの供給量は、0.01〜0.1g/minであり、TEMAHガスにウエハ200を晒す時間は30〜180秒間である。このとき、ヒータ207温度はウエハ200の温度が180〜250℃の範囲であって、例えば(250)℃になるように温度が設定される。TEMAHは、処理室201内に供給されることで、ウエハ200上の下地膜などの表面部分と表面反応(化学吸着)される。
ステップ1では、第1のガス供給管232aに原料ガスとしてTEMAHを流し、第1のキャリアガス供給管234aにキャリアガス(N2)を流す。第1のガス供給管232aの第1のバルブ243a、第1のキャリアガス供給管234aの第3のバルブ243cおよびガス排気管231の第5のバルブ243eをともに開ける。キャリアガスは、第1のキャリアガス供給管234aから流れ、第2のマスフローコントローラ241bにより流量調整される。TEMAH(Tetrakis−Ethyl Methyl Amino Hfnium:テトラス−Nエチル−Nメチルアミノハウニウム)は、第1のガス供給管232aから流れ、液体マスフローコントローラである第1のマスフローコントローラ240によって流量調整された後、気化器242により気化される。そして、下流側で流量が調整されたキャリアガスに混合され、図3に示すように、第1のノズル233aの第1のガス供給孔248aから処理室201内に供給される。成膜に際してTEMAHとキャリアガスの混合ガスの余剰分はガス排気管231より排気される。この時、第5のバルブ243eは開度が適正に調整され、処理室201内が所定の圧力に維持される。第1のマスフローコントローラ240で制御するTEMAHの供給量は、0.01〜0.1g/minであり、TEMAHガスにウエハ200を晒す時間は30〜180秒間である。このとき、ヒータ207温度はウエハ200の温度が180〜250℃の範囲であって、例えば(250)℃になるように温度が設定される。TEMAHは、処理室201内に供給されることで、ウエハ200上の下地膜などの表面部分と表面反応(化学吸着)される。
(ステップ2)
原料ガスの供給後は、第1のガス供給管232aの第1のバルブ243aを閉め、TEMAHtガスの供給を停止して、余剰分を排気(パージ)する。このときガス排気管231の第5のバルブ243eは開に保持し、減圧排気装置としての真空ポンプ246によって処理室201内の圧力が20Pa以下となるまで排気し(パージ)し、残留TEMAHガスを処理室201内から排除する。このときN2等の不活性ガスを処理室201内へ供給すると、残留TEMAHガスの排気工効率が向上する。
原料ガスの供給後は、第1のガス供給管232aの第1のバルブ243aを閉め、TEMAHtガスの供給を停止して、余剰分を排気(パージ)する。このときガス排気管231の第5のバルブ243eは開に保持し、減圧排気装置としての真空ポンプ246によって処理室201内の圧力が20Pa以下となるまで排気し(パージ)し、残留TEMAHガスを処理室201内から排除する。このときN2等の不活性ガスを処理室201内へ供給すると、残留TEMAHガスの排気工効率が向上する。
(ステップ3)
第2のガス供給管232bにO3、第2のキャリアガス供給管234bにキャリアガス(N2)を流す。第2のガス供給管232bの第2のバルブ243b、第2のキャリアガス供給管234bの第4のバルブ243dを共に開ける。キャリアガスは、第2のキャリアガス供給管234bから流れ、第3のマスフローコントローラ241bにより流量調整される。O3は第2のガス供給管232bから流れ、第3のマスフローコントローラ241aにより流量調整され、流量調整されたキャリアガスに混合され、キャリアガスにより第2のガス供給孔248bから処理室201内に供給される。このとき、排出手段としての真空ポンプ246により処理室201の排気が継続され、余剰分はガス排気管231より排気される。この時、第5のバルブ243eを適正に調整され、処理室201内が所定の圧力に維持される。O3にウエハ200を晒す時間は10〜120秒間であり、このときのウエハ200の温度は、ステップ1のTEMAHガスの供給時と同じく180〜250℃の所定温度に維持するようにヒータ207の温度が設定される。O3の供給により、ウエハ200の表面に化学吸着したTEMAHの原料とO3との表面反応により、ウエハ200上にHfO2膜が成膜される。成膜後、第2のガス供給管232bの第2のバルブ243b及び第2のキャリアガス供給管234bの第4のバルブ243dが閉鎖され、真空ポンプ246により処理室201内のガス雰囲気が真空排気される。この排気により、処理室201内に残留するO3の成膜に寄与した後のガスが排除されるが、この際に、N2等の不活性ガスを反応管203内に供給した場合には、O3の成膜に寄与した後の残留ガスを処理室201から排除する排気効率が大幅に向上する。
第2のガス供給管232bにO3、第2のキャリアガス供給管234bにキャリアガス(N2)を流す。第2のガス供給管232bの第2のバルブ243b、第2のキャリアガス供給管234bの第4のバルブ243dを共に開ける。キャリアガスは、第2のキャリアガス供給管234bから流れ、第3のマスフローコントローラ241bにより流量調整される。O3は第2のガス供給管232bから流れ、第3のマスフローコントローラ241aにより流量調整され、流量調整されたキャリアガスに混合され、キャリアガスにより第2のガス供給孔248bから処理室201内に供給される。このとき、排出手段としての真空ポンプ246により処理室201の排気が継続され、余剰分はガス排気管231より排気される。この時、第5のバルブ243eを適正に調整され、処理室201内が所定の圧力に維持される。O3にウエハ200を晒す時間は10〜120秒間であり、このときのウエハ200の温度は、ステップ1のTEMAHガスの供給時と同じく180〜250℃の所定温度に維持するようにヒータ207の温度が設定される。O3の供給により、ウエハ200の表面に化学吸着したTEMAHの原料とO3との表面反応により、ウエハ200上にHfO2膜が成膜される。成膜後、第2のガス供給管232bの第2のバルブ243b及び第2のキャリアガス供給管234bの第4のバルブ243dが閉鎖され、真空ポンプ246により処理室201内のガス雰囲気が真空排気される。この排気により、処理室201内に残留するO3の成膜に寄与した後のガスが排除されるが、この際に、N2等の不活性ガスを反応管203内に供給した場合には、O3の成膜に寄与した後の残留ガスを処理室201から排除する排気効率が大幅に向上する。
上述したステップ1〜3を1サイクルとしてこのサイクルを複数回繰り返すと、ウエハ200上に所定の膜厚のHfO2膜が成膜される。
ここで、図5に比較例を示す。図5は第1のノズル233a及び第2のノズル233bのそれぞれに複数のガス供給孔が設けられている場合の比較例の概念図である。
図5のように、それぞれの複数のガス供給孔248bをウエハ200間に臨ませる場合では、ウエハ200の上面である成膜面の面内均一性が悪化しており、ウエハ200の外周側で厚く、中心側で薄くなる傾向にある。
そこで、前記ウエハ保持部材131を3、4本設けたボート217に対してリングボートという特殊なボートを使用してみたがこのようなボートでも面内膜厚の不均一さを解消することは困難であった。
ところが、図2乃至図4に示すように、第1のガス供給孔248aをウエハ200側に直接導入せずに、ウエハ200方向を回避させるだけの簡単な変更で、各ウエハ200の成膜の面内膜圧が均一化される結果となった。
図6はこのような結果を示している。図6中、TOP、CENTER、BTMは、処理室201内に挿入したボート217の高さ方向において、それぞれ上位、中位、下位のウエハ200を示す。比較例(図5)の場合で成膜を実施すると、TOP、CENTER、BTMのウエハ200の面内膜圧の不均一性は6%前後となっていたが、本実施の形態の構成(図2乃至図4)とすると、それぞれ2.4%、1.3%、1.3%に面内膜厚の均一性が改善される。従って、本実施形態の構成は、今後のウエハ200の大口径化の膜厚の面内膜厚の均一化に大きく貢献できるものと考えられる。
<考察>
図6の結果のメカニズムについて考察すると、まず、HF(ハフニウム)がウエハ200の吸着面である成膜面に吸着し、次に、酸化ガスであるO3が供給されてHfO3膜が形成される。この過程から成膜の膜厚均一性に大きな影響を与えるのはTEMAHの供給である。TEMAHは、現状の成膜温度250℃で熱分解しており、熱分解によって発生した中間体が影響を及ぼしているものと考えられる。すなわち、この中間体は、吸着確率が高く、均一性を悪化させる要因となる中間体であり、ウエハ200の外周部側に付着するものと推定される。原料ガスであるTEMAHガスが隣接するウエハ200間を吹き抜けると、そのガス流に沿って膜厚が厚くなるもののそれ以外の部分は、膜、すなわち、HfO3膜が薄くなる。これは、ボート217が回転し、ウエハ200が回転している状態でも停止した状態でも変化はない。従って、従来のようにボート217を回転させるだけでは成膜の面内膜厚を均一することは困難である。
図6の結果のメカニズムについて考察すると、まず、HF(ハフニウム)がウエハ200の吸着面である成膜面に吸着し、次に、酸化ガスであるO3が供給されてHfO3膜が形成される。この過程から成膜の膜厚均一性に大きな影響を与えるのはTEMAHの供給である。TEMAHは、現状の成膜温度250℃で熱分解しており、熱分解によって発生した中間体が影響を及ぼしているものと考えられる。すなわち、この中間体は、吸着確率が高く、均一性を悪化させる要因となる中間体であり、ウエハ200の外周部側に付着するものと推定される。原料ガスであるTEMAHガスが隣接するウエハ200間を吹き抜けると、そのガス流に沿って膜厚が厚くなるもののそれ以外の部分は、膜、すなわち、HfO3膜が薄くなる。これは、ボート217が回転し、ウエハ200が回転している状態でも停止した状態でも変化はない。従って、従来のようにボート217を回転させるだけでは成膜の面内膜厚を均一することは困難である。
ところが、本実施の形態で説明したように、第1のガス供給孔248aから供給する原料ガスの供給方向を、ウエハ200側を回避する方向とすると、ボート217のウエハ200に対するTEMAHの供給の形態が拡散のみになり、各ウエハ200に対するTEMAHガスの流れによる膜厚差は発生し難くなり、面内膜厚の均一性が改善される結果となった。
一方、酸化ガスについて検討すると、O3はOとO2とに分解し、Oがウエハ200の表面に吸着されたTEMAH中間体と反応してHf−O結合を作るが、OはTEMAH中間体があれば反応するし、無ければ反応することなくただ処理室201から排気されるだけある。このため、面内膜厚の均一性に影響を与えることは少なく、一定量以上、ウエハ200に供給すれば、ウエハ200の成膜面全面を覆ってしまうことになる。よって、図2乃至図4のように、複数のガス供給孔からそれぞれ隣接するウエハ200間に酸化ガスを供給し、ガス供給孔から供給するガス流によっても膜厚の面内均一の影響が発生してしまうことはない。また、ガスの押し出しの側面から見ると、ALDで成膜する場合、TEMAHガスと酸化ガスであるO3とが気層で混合して反応することがないように、処理室201のガス雰囲気を排気によってパージするイベントが必要になるが、このときのガス雰囲気の押し出しには、第2のガス供給孔248bを複数で、しかも、これらの第2のガス供給孔248bがそれぞれウエハ200間に臨ませられていることが好ましい。
なお、本実施の形態では、第1のガス供給孔248aの数を一つとし、これを、ウエハ200側の方向を回避する方向に原料ガスを導入する説明をしたが、第1のガス供給孔248aを複数とし、これらの第1のガス供給孔248aをウエハ200以外の方向以外に向けると、TEMAHガス中の原料が拡散により、各ウエハ200の上面、すなわち、成膜面に吸着されるようにしてもよい。このようにしても拡散により原料ガスが吸着され、各ウエハ200の面内膜厚は均一化される。
<実施例2>
ところで、前記基板処理装置によるALDにより、シリコンからなるウエハ200にHfO膜を成膜する場合、(1)ボート217にウエハ200を移載する→(2)雰囲気温度が250℃に昇温された処理室201にボート217を挿入→(3)排出手段としての真空ポンプ246により処理室201の雰囲気を排気(真空引き)する→(4)第1のガス供給孔248aから原料ガスとしてのTEMAHガスとキャリアガスとの混合ガスを供給(3分)する→(5)N2パージ(20秒)により処理室内雰囲気を排気する→(6)第2のガス供給孔248bから酸化ガスとしてのO3ガスを供給し、ウエハ200の表面に吸着されたHfとOの熱化学反応によるHfO膜を形成する→(7)ボート217を処理室201から取り出す、という(1)〜(7)のサイクルを繰り返し、所定厚のHfO膜を形成する。
<実施例2>
ところで、前記基板処理装置によるALDにより、シリコンからなるウエハ200にHfO膜を成膜する場合、(1)ボート217にウエハ200を移載する→(2)雰囲気温度が250℃に昇温された処理室201にボート217を挿入→(3)排出手段としての真空ポンプ246により処理室201の雰囲気を排気(真空引き)する→(4)第1のガス供給孔248aから原料ガスとしてのTEMAHガスとキャリアガスとの混合ガスを供給(3分)する→(5)N2パージ(20秒)により処理室内雰囲気を排気する→(6)第2のガス供給孔248bから酸化ガスとしてのO3ガスを供給し、ウエハ200の表面に吸着されたHfとOの熱化学反応によるHfO膜を形成する→(7)ボート217を処理室201から取り出す、という(1)〜(7)のサイクルを繰り返し、所定厚のHfO膜を形成する。
ウエハ200上ではTEMAHとO3が交互に流れるために、HfO2膜が形成される。
しかし、ALD成膜の原料であるTEMAHは、120℃から自己分解を起こすため、第1のノズル233aの内面にHfO2膜ではなく金属Hf膜が形成されるので、前記の(1)〜(7)のサイクルが繰り返されるうちに、処理室201のHfO2の累積膜厚が0.5μm程度と、一般的に、定期メンテナンスの累積膜厚の指標とされる1μmに対して薄い段階においてパーティクルが発生し、ウエハ200に汚染が発生することがある。
しかし、ALD成膜の原料であるTEMAHは、120℃から自己分解を起こすため、第1のノズル233aの内面にHfO2膜ではなく金属Hf膜が形成されるので、前記の(1)〜(7)のサイクルが繰り返されるうちに、処理室201のHfO2の累積膜厚が0.5μm程度と、一般的に、定期メンテナンスの累積膜厚の指標とされる1μmに対して薄い段階においてパーティクルが発生し、ウエハ200に汚染が発生することがある。
そこで、基板処理後、第1のノズル233a、第2のノズル233bからそれぞれN2ガスを流し、ガス中のパーティクルを調べると、図7に示すように、TEMAHガスを処理室201に供給するための第1のノズル233aのパーティクルが70000個、酸化ガスを供給するための第2のノズル233bのパーティクルが2であることが分かった。従って、パーティクルの原因は、第1のノズル233aの付着物であり、第1のノズル233aから処理室201に飛散している。また、XPS(X−Ray EnergyDipersive X−Ray Spectrometer:エネルギ分散X線分析)の結果では、ウエハ200上に成膜される膜、すなわち、HfO2の成分は、Hf:O2=1:2であるのに対しパーティクルの成分組成はHf:O2=30:1であり、著しくO2の成分が少ない。この点からもパーティクルはO3に接触していないことが容易に推定できる。このように、パーティクルは、Hfリッチであること、TEMAHガスを供給する第1のノズル233aから飛散の飛散物が要因であり、ALD HfOにおける定期的なセルフクリーンによりウエハ200の汚染を防止する必要がある。なお、第1のノズル233aからのパーティクルが飛散する原因は、成膜の最中は、熱ストレス・膜ストレスが作用するため、第1のノズル233aの内面の膜が剥離し、パーティクルとしてなるためである。つまり、第1のノズル233aの内面に付着している膜は、そのままでは剥離することは少ないが、温度のUP、DOWNによる熱が作用すると、膜と石英の熱膨張率の差や収縮と膨張との繰り返しにより、膜に熱応力による割れが発生し、ついには、第1のノズルの内面から剥離するものと推定される。
そこで、堆積物である金属Hf膜を除去するため、WET洗浄又はInsitu Cleaning(エッチング)を用いることを検討した。
WET洗浄の場合、洗浄液には、Hf(Hydro Fluoric)とDIW(De Ionaized Watter:純粋)との混合溶液を用いる。要素実験としてInsitu Cleaningを実施する前に、HfO2と第1のノズル233a内の付着物をHf溶液に浸潤してエッチング状況を検証した。金属Hf膜は目視でHf溶液(Hf溶液25%)にエッチングされることが確認された。エッチングレートは1000A/minであった。しかし、第1のノズル233a内の付着物質である金属Hf膜(Hfリッチ膜ともいう)は、図8に示すように、Hf溶液(Hf溶液25%)に100時間、浸しても黒い固形状の状態で存在し、HfO2と比較して著しく遅いという問題がある。一般的に、Hf溶液中のフッ酸は、Si、Hfなどの金属をエッチングすることはできず、SiO、HfOの酸化物のエッチングに用いられる。そこで、第1のノズル233aの内面に付着する金属Hf膜をHfO2膜に改質し、ウエット又はInsitu Cleaningにより除去することが考えられる。前記したように、エッチングレートの遅い原因は、第1のノズル233a内の付着物質がHfリッチであることに起因しているので、第1のノズル233aにHfリッチな膜が堆積するのを防止するためには、第1のノズル233aにもO3を流し、Hfリッチ膜を意図的に酸化する必要がある。図9(a)は実施例1のALDによる成膜の際の第1のノズル233aのガス供給のシーケンスを示し、図9(b)は、Hfリッチ膜を酸化するようにしたシーケンスを示す。
図9に示すように、実施例1のシーケンスでは、TEMAHノズルの内部ではTEMAHとパージ用のN2のみ流れるため、Hfリッチ膜が形成される。また、酸化ガスを供給するためのO3ノズルの内面には前記したように堆積膜は認められていない。ウエハ200上ではTEMAHとO3が交互に流れてHfO2膜が形成される。
一方、実施例2に係るシーケンスでは、TEMAHノズルに原料ガスであるTEMAHガスと酸化ガスであるO3を交互に流しているのでHfリッチ膜の形成が抑制され、その代わりにHfO2膜が形成される。
[付記]
[付記]
以下に、本発明の実施の形態における態様を付記する。
[実施の態様1]
[実施の態様1]
複数の基板を積層した状態で収容する処理室と、前記基板及び前記処理室内の雰囲気を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された前記処理室内の雰囲気温度で自己分解する原料ガスを供給する第1のガス供給手段と、酸性化ガスを供給する供給する第2のガス供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排出する排出手段と、少なくとも前記第1のガス供給手段、前記第2のガス供給手段および前記排出手段を制御する制御部と、を備え、前記第1のガス供給手段は、前記処理室に前記原料ガスを導入する少なくとも1つの第1の導入口を更に具え、前記第1の導入口は前記処理室内に収容された前記基板側の方向を避けて開口し、前記第2のガス供給手段は、前記処理室に前記酸性化ガスを導入する少なくとも一つの第2の導入口を更に備え、前記第2の導入口は前記処理室内に収容された基板側の方向を向いて開口し、前記制御部は、前記第1のガス供給手段、前記第2のガス供給手段および前記排出手段を制御して、前記処理室に対して前記原料ガスと前記酸性化ガスを交互に供給、排気し、前記基板上に所望の膜を生成するように構成される。
ここで、「積層」とは、隣接する基板間に所定の空間を挟んで配置したウエハの配置状態を特定しており、「所定の空間」とは、熱分解後の原料ガスが拡散できる程度の間隔をいう。また、「処理室に対して前記原料ガスと前記酸性化ガスを交互に供給、排気し、前記基板上に所望の膜を生成する」とは、処理室に原料ガスを供給した後、処理室から排気する工程と、処理室に酸化ガスを供給した後、処理室から排気する工程とを交互に繰り返して基板の成膜面に成膜することをいう。
制御部によって第1のガス供給手段に原料ガスが供給されると、ガス導入口から基板側を回避する方向に向けて原料ガスが導入される。原料ガスは処理室内全体に拡散し、処理室内の雰囲気により熱分解する。熱分解した原料は各基板の表面に面内一様に分散し基板の成膜面に面内一様に吸着される。各基板の原料ガスの吸着が終了した後は、制御部が第1のガス供給手段に対するガス供給を停止し、排出手段による処理室内の雰囲気を排出した後、第2のガス供給手段により酸化ガスを導入する。酸化ガスは基板の成膜面に吸着された原料と反応して所望の成膜を形成した後は、制御部の制御による排出手段の排出によって処理室内の外部へと排出される。制御部がこのような制御を繰り返すと、各基板の成膜面に面内分布が均一な所定厚みの成膜が形成される。
なお、本発明の実施の形態では、バッチ式の縦型の基板処理装置に適用した説明をしたが、これに限定されることなく横型、枚葉式の基板処理装置について本発明を適用することはができる。
126 ボート待機部
130 移載室
131 ウエハ保持部材
200 ウエハ
201 処理室
202 処理炉
203 反応管
207 ヒータ(加熱手段)
217 ボート
231 ガス排気管
232a ガス供給管
232b ガス供給管
233a 第1のノズル
233b 第2のノズル
234 キャリアガス供給管
234a キャリアガス供給管
234b キャリアガス供給管
246 真空ポンプ(排出手段)
248a 第1のガス供給孔(ガス導入口)
248b 第2のガス供給孔
280 コントローラ(制御部)
130 移載室
131 ウエハ保持部材
200 ウエハ
201 処理室
202 処理炉
203 反応管
207 ヒータ(加熱手段)
217 ボート
231 ガス排気管
232a ガス供給管
232b ガス供給管
233a 第1のノズル
233b 第2のノズル
234 キャリアガス供給管
234a キャリアガス供給管
234b キャリアガス供給管
246 真空ポンプ(排出手段)
248a 第1のガス供給孔(ガス導入口)
248b 第2のガス供給孔
280 コントローラ(制御部)
Claims (1)
- 複数の基板を積層した状態で収容する処理室と、
前記基板及び前記処理室内の雰囲気を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段により加熱された前記処理室内の雰囲気温度で自己分解する原料ガスを供給する第1のガス供給手段と、
酸性化ガスを供給する供給する第2のガス供給手段と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出手段と、
少なくとも前記第1のガス供給手段、前記第2のガス供給手段および前記排出手段を制御する制御部と、を備え、
前記第1のガス供給手段は、前記処理室に前記原料ガスを導入する少なくとも1つの第1の導入口を更に備え、
前記第1の導入口は前記処理室内に収容された前記基板側の方向を避けて開口し、
前記第2のガス供給手段は、前記処理室に前記酸性化ガスを導入する少なくとも一つの第2の導入口を更に備え、
前記第2の導入口は前記処理室内に収容された基板側の方向を向いて開口し、
前記制御部は、前記第1のガス供給手段、前記第2のガス供給手段および前記排出手段を制御して、前記処理室に対して前記原料ガスと前記酸性化ガスを交互に供給、排気し、前記基板上に所望の膜を生成するように構成された基板処理装置。
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