JP2008202126A - 超臨界プロセス用バッチ式成膜装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】超臨界プロセスによって成膜を行う成膜装置で、複数のウエハを同時にバッチ処理する際の成膜レートの均一性を高める。
【解決手段】高圧容器１には、各１枚のウエハ４を収容する複数のコンパートメントを垂直方向に並べて配置し、それぞれのコンパートメントに超臨界流体を導入する。また、コンパートメントを区画する隔壁には、コンパートメント間を流通させる流通口５を設ける。各コンパートメント内の雰囲気温度、及び、各コンパートメント内に収容されたウエハ４の表面温度がそれぞれ均一になるように、温度制御する。また、各コンパートメントに導入する超臨界流体の導入レートを均一に揃える。
【選択図】図１
【解決手段】高圧容器１には、各１枚のウエハ４を収容する複数のコンパートメントを垂直方向に並べて配置し、それぞれのコンパートメントに超臨界流体を導入する。また、コンパートメントを区画する隔壁には、コンパートメント間を流通させる流通口５を設ける。各コンパートメント内の雰囲気温度、及び、各コンパートメント内に収容されたウエハ４の表面温度がそれぞれ均一になるように、温度制御する。また、各コンパートメントに導入する超臨界流体の導入レートを均一に揃える。
【選択図】図１
Description
近年の半導体デバイスの著しい高速化及び微細化に伴い、従来の成膜法であるＣＶＤ(chemical vapor deposition) やＰＶＤ(plasma-enhanced chemical vapor deposition)を用いた成膜プロセスでは、近い将来に膜質、電気特性やステップカバレージなどの要求を満たすことができなくなることが危惧されている。したがって、新規成膜法の開発は急務であり、ＡＬＤ(atomic layer deposition)をはじめ様々な新規成膜法が提案されている。超臨界成膜法は、成膜媒体を超臨界状態にして行う新しい成膜法であり、従来の真空を媒体とする成膜法とは大きく異なる。超臨界状態とは、物質の温度・圧力が当該物質の臨界点以上となったときに、物質が気体と液体の特徴を併せ持つ状態になることをいう。
超臨界成膜法では、液体溶媒のように媒体（例えば、超臨界ＣＯ２）自体が溶解力をもつため、蒸気圧に関係なく、前駆体を溶解し、成膜チャンバー内に導入させることができる。このため、固体、液体、気体の各種前駆体の使用が可能になる。他方、気体媒体中のように、前駆体の輸送速度が速く、かつ、微細構造中への進入力もあるため高い段差被覆性を達成することができる。また、超臨界流体は、洗浄用の媒体としても応用されているように、媒体自体が洗浄環境そのものであるために、成膜された膜の膜中不純物を低減させることができる。
以上のように、超臨界成膜法が高いポテンシャルを示すことは、国内外での基礎研究を通して広く報告されているが、実用化に向けたプロセス開発や装置開発は、今後の課題である。特に、超臨界状態は、半導体プロセスにおいてかつて使用されたことのない高圧状態であるために、その装置開発に関するノウハウは全く無いに等しく、高スループット、高歩留まりを達成するような装置の開発は必然的に困難になる。
近年、超臨界成膜プロセス用装置として、単葉処理タイプの装置が数々報告、提案されている。単葉処理タイプでは、成膜用高圧容器（チャンバー）を小型にできるため、チャンバー内の温度や物質の流動の制御が比較的容易である。単葉処理タイプの成膜装置は、例えば特許文献１に記載されている。しかし、高スループットを実現する成膜装置としては、複数枚のウエハを高圧容器内に収容し、複数枚のウエハ上に同時に成膜が可能なバッチ式処理タイプがより好ましい。
特開２００６−１６９６０１号公報
ところで、複数枚のウエハを同時に処理できる大きな高圧容器内での温度制御は困難であり、例えば高圧容器内の温度分布は、上部で高く且つ下部で低くなる。このため、高圧容器内で複数枚のウエハに均一性高く成膜を行うことは極めて困難である。また、高圧容器内での超臨界流体の複雑な流動を制御することは、容器サイズが大きくなればなるほど困難になる。
例えば図７に示すように、高圧容器１内に複数のウエハ４を水平に保持すると、外部から均一に高圧容器を加熱しても、高圧容器内の上側と下側の雰囲気（超臨界流体）の温度は大きく異なってしまう。また、同時にこの容器内での垂直方向での温度勾配のために、容器内では対流が起こってしまい、全てのウエハ４に対して同様なレートで試薬を供給することが困難になる。
さらに、上記温度勾配は、超臨界流体の密度勾配を形成し、その密度勾配は、前駆体試薬の濃度勾配を形成する。ここで、超臨界流体の密度は、前駆体試薬の超臨界流体中での溶解度に比例する。したがって、前述の温度勾配、対流、前駆体の濃度勾配のために、高圧容器内に保持したウエハの垂直方向における位置によって、大きく成膜結果が異なってしまう。
本発明は、上記超臨界流体を用いて成膜を行う従来の成膜装置を改良し、複数の半導体ウエハ間で均一な薄膜を同時に形成することが出来るバッチ式成膜装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、それぞれが１枚のウエハを収容する複数のコンパートメントが垂直方向に並んで内部に配置された高圧容器と、
前記コンパートメントのそれぞれに形成され、対応するコンパートメントに試薬を導入する複数の試薬導入口と、
前記コンパートメントを相互に区画する各隔壁に形成され、前記コンパートメント間を流通する流通口と、
前記コンパートメントのそれぞれの内部に配置されて、対応するコンパートメント内の温度を計測する複数の温度計測素子とを備え、
前記複数の温度計測素子による計測温度を、各コンパートメント間で均一にするように温度制御することを特徴とするバッチ式成膜装置を提供する。
前記コンパートメントのそれぞれに形成され、対応するコンパートメントに試薬を導入する複数の試薬導入口と、
前記コンパートメントを相互に区画する各隔壁に形成され、前記コンパートメント間を流通する流通口と、
前記コンパートメントのそれぞれの内部に配置されて、対応するコンパートメント内の温度を計測する複数の温度計測素子とを備え、
前記複数の温度計測素子による計測温度を、各コンパートメント間で均一にするように温度制御することを特徴とするバッチ式成膜装置を提供する。
本発明のバッチ式成膜装置では、前記各コンパートメント内の温度を計測する温度計測器が、コンパートメント内の雰囲気温度を計測する第１の温度計測器と、コンパートメント内の各ウエハの表面温度を計測する第２の温度計測器とを含み、前記第１の温度計測器による計測温度と、前記第２の計測器による計測温度とをそれぞれ、コンパートメント間で均一にするように温度制御する構成を採用することが出来る。
また、前記複数の試薬導入口を経由して、超臨界流体に溶解した試薬を各コンパートメントに導入する超臨界溶液導入装置を更に備える構成を採用できる。
更に、前記各コンパートメントに導入する試薬の導入レートを、コンパートメント間で均一にするように制御する構成も採用できる。
本発明のバッチ式成膜装置によると、それぞれがウエハを収容可能な複数のコンパートメントを備える高圧容器を採用し、各コンパートメント間の隔壁に流通口を設け、また、各コンパートメントに試薬を導入する導入口を形成し、各コンパートメント内の計測温度をコンパートメント間で均一にするように制御する構成を採用した。このため、複数のウエハ上に同時に成膜することで成膜のスループットが向上し、且つ、コンパートメント間の対流を防止しながら、コンパートメント内の流動及び温度をコンパートメント間で均一にできるため、成膜速度がウエハ間で均一化できる効果がある。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るバッチ式成膜装置の高圧容器の断面図である。また、図２（ａ）は、その一部詳細を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のウエハを下から見た底面図である。本成膜装置は、超臨界流体をプロセス媒体として用いるバッチ式成膜装置であり、高圧容器、超臨界溶液調整系、及び、温度制御系から成る。
高圧容器１は、水平の隔壁によって区画された複数のコンパートメントが垂直方向に並んだ構造になっている。各コンパートメントは、１枚のウエハ４を内部に収容可能であり、また、ウエハ加熱用ヒーター２、ノズル３２を先端に有する１つ以上の試薬導入孔３、上下のコンパートメント間を流通させる流通口５、使用後の試薬を流出させる超臨界流体流出口６、ウエハ面の温度を計測する熱電対７Ａ、及び、各コンパートメント内の雰囲気温度をそれぞれ計測する熱電対７Ｂを備えている。ウエハ４は、各コンパートメントの天井面あるいは床面に１枚設置し、その設置面内にはウエハ加熱用のヒーター２が埋め込まれている。ヒーター２には、ヒーター２からの熱の拡散を防ぐための断熱層を設けてもよい。又は、コンパートメントの隔壁自体を、断熱材を用いて構築することもできる。
高圧容器内に試薬を導入する超臨界溶液調整系は、超臨界流体である成膜前駆体溶液（又は反応試薬溶液）を調整し、調整した溶液を全てのコンパートメントに対して均一な速度で導入できるように作動する。温度制御系では、ウエハ温度及び各コンパートメント内の雰囲気温度を調整し、高圧容器内の全てのウエハ温度（成膜温度）と、全てのコンパートメント内の雰囲気温度とが、コンパートメント間でそれぞれ均一になるように作動する。
各コンパートメントに設けられた、ノズル３２を先端に有する試薬導入孔３は、各々の配管を介して、超臨界溶液調整系へとつながっている。超臨界溶液調整系では、超臨界流体の成膜前駆体溶液（又は反応試薬溶液）を試薬溶解システム（試薬溶解チャンバ、又は、試薬溶解ループ）で調整し、同溶液を全てのコンパートメントに対して均一な速度で導入できるように、各々の配管に設けられた流速制御器で調整する。ウエハ温度及び各コンパートメント内の雰囲気温度は、温度制御系によって調整される。ウエハ面の温度は、ウエハに接触させた又は近傍に配置した１つ以上の熱電対とウエハ加熱用ヒーターとによって制御され、高圧容器内の全てのウエハの温度が均一になるように調整される。各コンパートメントの雰囲気の温度は、雰囲気温度測定用の１つ以上の熱電対と各配管に設けられた熱交換器によって制御され、全てのコンパートメント内の雰囲気温度が均一になるように調整される。
上記のように、各々のウエハをコンパートメントに分けて保持し、温度、試薬供給、流動などのウエハまわりの環境を個別に制御することによって、高圧容器内の全てのウエハにおいて、均一な成膜レートが得られ、同様な成膜結果を得ることができる。
図３は、上記実施形態の成膜装置の具体例である、実施例１のバッチ式成膜装置の構成を示す。高圧容器１は、図１及び２を参照して説明した高圧容器である。高圧容器１は、例えば、ウエハが２５枚収容できるものである。ウエハは、各コンパートメントの天井面に設置される。図３に示した超臨界溶液調整系１６、及び、温度制御系１７を含む配管系は各２セットが設けられ、１セットは成膜前駆体試薬供給用配管系、もう１セットは水素供給用配管系として使用される。各配管系は、それぞれ２５ライン／２５コンパートメントを含んでいる。
超臨界溶液調整系１６は、二酸化炭素供給システム１２及び試薬供給システム１３を含み、試薬供給システム１３から供給される試薬と、二酸化炭素供給システム１２とは、試薬溶解システム１１に供給される。試薬溶解システム１１から供給される溶解した試薬は流速制御器１０及び熱交換器９を経由して高圧容器の各コンパートメントに供給される。高圧容器１内の圧力は、背圧調整器１４によって調整される。熱交換器９から試薬に与えられる熱量は、温度コントローラ１５によって個別に制御される。
図４、図５及び図６はそれぞれ、成膜前駆体用の超臨界溶液調整系、及び、水素用の超臨界溶液調整系の例を示している。なお、温度制御系は、成膜前駆体用と水素用で同じものを使用してもよい。図４において、成膜前駆体用の超臨界溶液調整系は、二酸化炭素ボンベ２５、二酸化炭素供給用高圧ポンプ１９、及び、チェックバルブ２４からなる二酸化炭素供給系と、前駆体試薬供給用容器２７、前駆体試薬供給用ポンプ２０、及び、チェックバルブ２４から成る試薬供給系と、二酸化炭素と試薬とを混合する試薬混合ループ１８と、背圧調整器２１、前駆体試薬回収用チャンバー２２、リリーフバルブ２３、及び、回収試薬循環用ポンプ２６からなる試薬回収系とを備える。
図５において、水素用の超臨界溶液調整系は、二酸化炭素ボンベ２５、二酸化炭素供給用高圧ポンプ１９、及び、チェックバルブ２４からなる二酸化炭素供給系と、水素ボンベ２９、高圧用マスフローコントローラ２８、及び、チェックバルブ２４からなる水素供給系と、二酸化炭素と水素とを混合させる試薬混合ループ１８と、背圧調整器を含む回収系とを備える。
図６は、成膜前駆体として固体試薬を用いる場合に使用する超臨界溶液調整系を示している。同図の超臨界溶液調整系は、二酸化炭素ボンベ２５、及び、二酸化炭素供給用高圧ポンプ１９からなる二酸化炭素供給系と、高圧バルブ３１を有し、固体試薬を二酸化炭素に溶解させる試薬溶解用チャンバー３０と、背圧調整器２１、リリーフバルブ２３、及び、前駆体試薬回収用チャンバー２２からなる試薬回収系とを有する。
固体試薬は、例えば、Copper hexafluoroacetylacetone, Cu(hfa)であり、試薬溶解用チャンバー３０で十分に溶解された後に、高圧容器１内の各コンパートメントに導入される。試薬溶解用チャンバー３０内では、マグネッティックスターラーあるいは攪拌用プロペラなどで攪拌を行い、効率的に溶解を行う。
超臨界溶液調整系は、成膜反応に使用する試薬の種類に応じて、図４、図５及び図６に示した溶液調整系のうちの何れか、又は、前記３種類の溶液調整系のあらゆる組み合わせを用いることができる。また、各コンパートメントの試薬導入孔３やその先端のノズル３２も、成膜反応に使用する試薬の数に応じて増設される。
上記バッチ式成膜装置は以下のように用いられる。まず、高圧容器１内にウエハ２５枚を設置し、純粋な超臨界二酸化炭素を導入していく。導入には、成膜前駆体試薬供給用配管系、及び、水素供給用配管系のいずれか、あるいはその双方を使用する。このとき、前駆体及び水素の導入は停止する。容器内圧力は、例えば、１３ＭＰａであり、その目的圧力への調整は、超臨界流体の流出口に設けられた背圧調整器２１によって行われる。目的圧力に達した後に、超臨界二酸化炭素を一定の速度で流通させながら、ウエハ加熱用ヒーター２を用いて、ウエハ４の温度を目的の成膜温度（例えば、２５０℃）に加熱する。このとき、高圧容器１内の全てのウエハ温度が等しくなるように、ウエハ１枚ごとに温度を管理する。また、全てのコンパートメント内の雰囲気温度が成膜温度より十分に低い均一な温度、例えば１００℃以下になるように、熱交換器９及び雰囲気温度測定用熱電対７Ｂを用いて制御する。
上記のようにして、成膜反応が効率的に起こりうる環境が全てのコンパートメントで達成された後に、成膜前駆体及び水素の導入を開始する。前駆体試薬の導入では、前駆体試薬供給用容器内の前駆体試薬、例えばCopper hexafluoro-acetylacetonato vinyltrimethylsilane, Cu(hfa)(VTMS)を、前駆体試薬供給用ポンプ２０を用いて送液し、超臨界二酸化炭素に対して任意の割合で混合させていく。混合は試薬混合ループ１８内で十分に行われ、その後、各コンパートメントにつながる配管へ分岐される。分岐後の二酸化炭素の流速は，流速制御器１０を用いて流速制御を行い、全てのコンパートメントに対して流速が均一になるようにする。
水素の導入には、高圧仕様のマスフローコントローラー２８を使用し、任意の割合で超臨界二酸化炭素と混合させた後に、それぞれのコンパートメントに対して均一な速度で導入させる。成膜前駆体及び水素の導入は、高圧容器１の各々専用の試薬導入孔３及びノズル３２から同時に又は交互に行う。目的のＣｕ膜厚を得るのに必要な量の前駆体及び水素を導入した後、再び、純粋な超臨界二酸化炭素を流通させることにより、高圧容器内のパージングを十分に行う。最後に、ウエハ加熱用ヒーター２による加熱を停止し、高圧容器１内の二酸化炭素圧を減圧させていく。上記プロセスによってウエハ上に成膜したＣｕ膜は、純粋なＣｕと同様な低い電気抵抗を示した。
上記実施例の成膜装置を採用することにより、同じバッチ内のウエハ間での成膜結果のばらつきが低減できる。また、バッチ式を採用することによって、超臨界成膜プロセス特有の成膜速度の速さを更に活かすことができる。
本発明は、半導体プロセスの各種成膜プロセスに特に好適に採用される。成膜される膜としては、電導体膜、半導体膜、絶縁体膜（誘電体膜）などが挙げられる。
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明のバッチ式成膜装置は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
１：高圧容器
２：ウエハ加熱用ヒーター
３：試薬導入孔（３２：試薬導入ノズル）
４：ウエハ
５：コンパートメント間流通口
６：超臨界流体流出口
７Ａ：ウエハ温度計測用熱電対
７Ｂ：雰囲気温度計測用熱電対
９：熱交換器
１０：流速制御器
１１：試薬溶解システム
１２：二酸化炭素供給システム
１３：試薬供給システム
１４：背圧調整器
１５：温度コントローラー
１６：超臨界溶液調整系
１７：温度制御系
１８：試薬混合ループ
１９：二酸化炭素供給用高圧ポンプ
２０：前駆体試薬供給用ポンプ
２１：背圧調整器
２２：前駆体試薬回収用チャンバー
２３：リリーフバルブ
２４：チェックバルブ
２５：二酸化炭素ボンベ
２６：回収試薬循環用ポンプ
２７：前駆体試薬供給用容器
２８：高圧用マスフローコントローラー
２９：水素ボンベ
３０：試薬溶解用チャンバー
３１：高圧バルブ
２：ウエハ加熱用ヒーター
３：試薬導入孔（３２：試薬導入ノズル）
４：ウエハ
５：コンパートメント間流通口
６：超臨界流体流出口
７Ａ：ウエハ温度計測用熱電対
７Ｂ：雰囲気温度計測用熱電対
９：熱交換器
１０：流速制御器
１１：試薬溶解システム
１２：二酸化炭素供給システム
１３：試薬供給システム
１４：背圧調整器
１５：温度コントローラー
１６：超臨界溶液調整系
１７：温度制御系
１８：試薬混合ループ
１９：二酸化炭素供給用高圧ポンプ
２０：前駆体試薬供給用ポンプ
２１：背圧調整器
２２：前駆体試薬回収用チャンバー
２３：リリーフバルブ
２４：チェックバルブ
２５：二酸化炭素ボンベ
２６：回収試薬循環用ポンプ
２７：前駆体試薬供給用容器
２８：高圧用マスフローコントローラー
２９：水素ボンベ
３０：試薬溶解用チャンバー
３１：高圧バルブ
Claims (4)
- それぞれが１枚のウエハを収容する複数のコンパートメントが垂直方向に並んで内部に配置された高圧容器と、
前記コンパートメントのそれぞれに形成され、対応するコンパートメントに試薬を導入する複数の試薬導入口と、
前記コンパートメントを相互に区画する各隔壁に形成され、前記コンパートメント間を流通する流通口と、
前記コンパートメントのそれぞれの内部に配置されて、対応するコンパートメント内の温度を計測する複数の温度計測素子とを備え、
前記複数の温度計測素子による計測温度を、各コンパートメント間で均一にするように温度制御することを特徴とするバッチ式成膜装置。 - 前記各コンパートメント内の温度を計測する温度計測器が、コンパートメント内の雰囲気温度を計測する第１の温度計測器と、コンパートメント内の各ウエハの表面温度を計測する第２の温度計測器とを含み、前記第１の温度計測器による計測温度と、前記第２の計測器による計測温度とをそれぞれ、コンパートメント間で均一にするように温度制御する、請求項１に記載のバッチ式成膜装置。
- 前記複数の試薬導入口を経由して、超臨界流体に溶解した試薬を各コンパートメントに導入する超臨界溶液導入装置を更に備える、請求項１に記載のバッチ式成膜装置。
- 前記各コンパートメントに導入する試薬の導入レートを、コンパートメント間で均一にするように制御する、請求項３に記載のバッチ式成膜装置。
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