JP2009099796A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】枚葉式成膜装置によってウェーハを連続処理する際に、１枚目と２枚目以降とにおいて同様のウェーハ面内膜厚分布を得る。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、活性種を含む反応ガスを用いて、複数の半導体基板上に順に薄膜を形成する成膜工程を備える。成膜工程は、反応室において複数の半導体基板に対して１枚ごとに行なうと共に、複数の半導体基板のうち１枚目の半導体基板上に薄膜を形成する工程（ａ）と、工程（ａ）の後に、複数の半導体基板のうち２枚目以降の半導体基板上に薄膜を形成する工程（ｂ）とを含み、工程（ａ）は、工程（ｂ）とは異なる条件をもって行なう。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、複数のウェハを連続処理する際のウェハ毎のバラツキを軽減する方法に関する。

ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）トランジスタ等の半導体素子の微細化が進められ、現在では４５ｎｍが設計標準である。また、更に微細な設計基準によるシステムＬＳＩ等の半導体装置も開発・製造されるようになってきている。このような半導体素子の微細化に伴って、寸法、膜厚等のバラツキが半導体装置動作に与える影響が大きくなるため、前記バラツキを低減していくことは重要である。特に、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜の膜厚は半導体装置動作に直接影響するため、膜厚のバラツキ低減が必須である。

ゲート絶縁膜として使用する薄膜であるシリコン酸化膜を形成する近年の方法として、ＩＳＳＧ（In-Situ Steam Generation）により酸化活性種を形成し、シリコン酸化膜を得る方法がある。ＩＳＳＧ法で形成したシリコン酸化膜は、ドライ酸化（０_２ ）又はパイロジェニック酸化（Ｈ_２ Ｏ）によって形成したシリコン酸化膜よりも絶縁耐性に優れ且つ高品質である。

以下、図７に基づいてＩＳＳＧ法によるシリコン酸化膜形成方法について説明する。

図７は、枚葉式の成膜装置における反応室部の断面を模式的に示す図である。反応室１０１の下部に、回転するウェーハ支持具１０２が設けられ、その上にウェーハ１０３が載置される。また、反応室１０１の上部には、透明なガラス窓１０４を介してランプ１０５が設けられている。該ランプ１０５によってウェーハ１０３は８００〜１１００℃程度に加熱される。更に、複数のガス導入口１０６より、酸素と水素とが別々に反応室１０１に導入される。反応室１０１中にてウェーハ１０３上に成膜が行なわれた後、反応後のガスはガス排出口１０７を通してポンプによって外部に排出される。尚、反応室の圧力は、２６６６Ｐａ以下に減圧できるようになっている。

このＩＳＳＧ法の特徴は、成膜時に反応室１０１を減圧にする点にある。成膜の際、ガス導入口１０６から入った酸素及び水素は減圧下においてウェーハ表面熱及び予熱された反応室部品の熱により反応し、活性種である酸素原子及び水酸基ラジカルを生じる。活性種はシリコン基板であるウェーハ１０３の表面等と反応し、ウェーハ１０３上にシリコン酸化膜が形成される。
特開２００３−１６３２１２号公報

しかしながら、以上に説明した従来の技術において、次のような課題があった。

図８に、ＩＳＳＧ法によってウェーハを連続処理した際の１枚目〜３枚目のウェーハに形成されるシリコン酸化膜の平均膜厚を示す。ここに示される通り、１枚目のウェーハにおける膜厚は、２枚目以降のウェーハにおける膜厚に比べて極端に薄くなってしまう。これは、ウェーハ支持具、透明なガラス窓等の反応室部品の余熱に差が付くことによるものであり、熱に敏感なＩＳＳＧ法において顕著に表れる課題である。よって、この点を解消することが課題となっていた。

このような課題に鑑み、本願発明の目的は、複数のウェーハを連続処理する際において各ウェーハの処理のバラツキを軽減することができる半導体装置の製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するため、本願発明者は次の検討を行なった。

複数ウェーハの連続処理を行なう際、１枚目のウェーハを処理する前にランプ１０５にパワーを入れ、反応室部品を数分間プリヒートした。このようにして成膜した結果を、１〜３枚目のウェーハにおける膜厚として図９に示す。図９の通り、１枚目と２枚目とでほぼ同等のウェーハ平均膜厚を得ることができた。

ところで、ウェーハ面内における膜厚には均一性が求められ、４５ｎｍ又は更にそれ以上の設計標準に微細化が進行すると、該均一性に関する要求はますます厳しくなる。よって、このようなウェーハ面内の膜厚均一性を確保することが必要である。

これに関し、図１０に示す通り、１枚目のウェーハにおけるウェーハ面内の膜厚均一性（１０１）は２枚目（１０２）以降の場合に比べて悪く、１枚目と２枚目以降とで同等のウェーハ面内膜厚分布を得ることはできていない。前記のように、４５ｎｍ又はそれよりも更に微細化した設計標準となると、１枚目のウェーハにおける平均膜厚が２枚目以降と同等であるだけでは不十分であり、ウェーハ面内膜厚分布についても同等であることが必要となる。

尚、成膜過程において、反応室の圧力を段階的に又は連続的に変えることにより、ウェーハ面内における膜厚の均一性を良好にすることが特許文献１において提案されている。但し、これは各ウェーハについての面内均一性を話題としており、複数のウェーハ間におけるウェーハ面内膜厚分布を同様にすることについて開示するものではない。

そこで、以上に対し、本願発明者は、複数ウェーハの連続処理において１枚目と２枚目以降とでは反応の条件を変更することを着想した。

具体的には、本発明に係る半導体装置の製造方法は、反応室において、活性種を含む反応ガスを用いて、複数の半導体基板上に順に薄膜を形成する成膜工程を備え、成膜工程は、複数の半導体基板を一枚ずつ反応室に導入して行なうと共に、複数の半導体基板のうち１枚目の半導体基板上に薄膜を形成する工程（ａ）と、工程（ａ）の後に、複数の半導体基板のうち２枚目以降の半導体基板上に薄膜を形成する工程（ｂ）とを含み、工程（ａ）は、前記工程（ｂ）とは異なる条件をもって行なう。

本発明の半導体装置の製造方法によると、複数の半導体基板を１枚ずつ順に処理して成膜を行ない、１枚目の半導体基板上への成膜と２枚目以降の半導体基板上への成膜とは異なる条件をもって行なう。これにより、１枚目の半導体基板に形成される薄膜が、２枚目以降の半導体基板に形成される薄膜と同様のウェーハ面内膜厚分布を有するようにすることができる。

尚、工程（ａ）と工程（ｂ）とでは、反応室内の圧力を変えることが好ましい。

また、成膜工程において、複数の半導体基板を加熱すると共に、工程（ａ）における１枚目の半導体基板面内の加熱のバランスと、工程（ｂ）の２枚目以降の半導体基板面内における加熱のバランスとを変えることも好ましい。

工程（ａ）と工程（ｂ）とにおいて成膜の条件が異なるようにするために、例えばこのようにしても良い。

また、反応ガスは、酸素及び水素を含み、活性種は、酸素原子及び水酸基ラジカルであることが好ましい。また、反応ガスは、亜酸化窒素及び水素を含み、活性種は、酸素原子及び水酸基ラジカルであることも好ましい。

反応ガス及び活性種の具体例として、以上のものを用いても良い。

また、反応ガスを反応室に導入した後に、前記反応ガス中に活性種に変化させることが好ましい。

このように、本発明はＩＳＳＧを用いる際にも効果を発揮する。

また、成膜工程において、複数の半導体基板のそれぞれを、各回転軸において回転させることが好ましい。

成膜の際に半導体基板を回転させることにより、形成される薄膜の均一性を向上することができる。

また、成膜工程において、複数の半導体基板を１枚ごとにランプによって加熱することが好ましい。

成膜工程において、以上のようにすることができる。

本発明の半導体装置の製造方法によると、連続して１枚ずつ処理する複数の半導体基板について、１枚目の半導体基板と、２枚目以降の半導体基板とでは条件を変えて成膜することにより、１枚目の半導体基板において形成される薄膜のウェーハ面内膜厚分布を２枚目以降の半導体基板と同様にすることができる。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の半導体装置の製造方法に用いる枚葉式の成膜装置を模式的に示す図であり、主に成膜装置における反応室部の断面を示している。

成膜は反応室１１にて行なわれる。反応室１１の下部に、回転するウェーハ支持具１２が設けられており、該ウェーハ支持具１２上に半導体基板としてウェーハ１３が載置される。また、反応室１１の上部には透明なガラス窓１４が設けられ、該ガラス窓１４を介して反応室１１上にランプ１５が設けられている。ランプ１５は、ウェーハ支持具１２上に載置されたウェーハ１３を加熱するために用いられる。

また、反応室１１には複数のガス導入口１６が設けられており、反応ガスとして、例えば、水素と酸素とを別々に反応室１１内に導入することができる。成膜の際には、導入した水素及び酸素から、酸素ラジカル及び水酸基ラジカルを含む活性種を反応室１１内において発生させる。

更に、反応室１１にはガス排出口１７が設けられ、反応後のガスがポンプ（図示せず）によって反応室１１の外に排出されるようになっている。また、反応室１１内は減圧することができる。

次に、以上に説明した枚葉式の成膜装置を用いる本実施形態の半導体装置の製造方法を説明する。初めに、同一の処理内容（成膜条件）にて２枚連続処理を実施する場合を考える。具体的には、６０秒間のプリヒートを実施した後に２枚のウェーハを１枚ずつ連続して処理する。成膜の条件の一例として、反応室内の温度８５０℃、反応室内の圧力１７３３Ｐａと設定すると共に、反応ガスとして流量０．１Ｌ／分のＨ_２ 及び流量０．９Ｌ／分のＯ_２ を用い、６０秒間成膜する。

図２に、このように同一の条件にて連続して成膜を行なった場合における薄膜のウェーハ面内膜厚分布を示す。ここで、分布２１が同一条件の２枚連続処理を行なった際の１枚目のウェーハについて示し、分布２２が同じく２枚目のウェーハについて示している。図２に示される通り、プリヒートを行なった場合についても、１枚目と２枚目とではウェーハ面内膜厚分布が異なっている。つまり、１枚目のウェーハにおける膜厚は、２枚目のウェーハにおける膜厚と比べると、ウェーハの中央付近において小さく且つ外周において大きくなっている。

そこで、１枚目のウェーハ上に成膜する際の条件を、２枚目のウェーハ上に成膜する場合とは異なるようにする。ここでは、ウェーハの中心において薄膜をより厚く、外周において薄膜をより薄くするために、反応室内の圧力を下げる。これにより、活性種はウェーハの中央付近に多くなり、外周部には少なくなる。具体的に、１枚目のウェーハを処理する際の圧力のみを前記の１７３３Ｐａから１４６７Ｐａに下げた場合について、分布２３として図２に更に示している。

圧力変更した場合の１枚目のウェーハに関して示す分布２３を、同一処理の場合の分布２１と比較すると、ウェーハの中央付近において膜厚が大きくなり、周辺付近において膜厚が小さくなっている。この結果、分布２３は、分布２１に比べて、２枚目のウェーハに関する分布２２に近付いている。

図３には、本実施形態の半導体装置の製造方法において、１枚目のウェーハにおける膜厚分布を２枚目以降のウェーハにおける膜厚分布に近付ける（同様の分布とする）ための手順を示している。

まず、同一処理内容の２枚連続処理により１枚目及び２枚目の半導体基板に薄膜を形成する（ステップ３１）。

次に、１枚目の半導体基板（連続処理する２枚の半導体基板のうちの１枚目の半導体基板）についての相応しい成膜条件（本実施形態の場合、反応室１１内の圧力）を求めるために、成膜条件を変更して成膜を行なう。つまり、圧力条件振りを行なう（ステップ３２）。

続いて、ステップ３２における１枚目及び２枚目の半導体基板におけるウェーハ面内膜厚分布を測定し、１枚目の半導体基板について、２枚目の半導体基板と同様のウェーハ面内膜厚分布が得られているかどうかをを確認する（ステップ３３）。

ステップ３２における１枚目及び２枚目の半導体基板について、同様のウェーハ面内膜厚分布が得られていれば、そのときの成膜条件（反応室１１内の圧力）を２枚連続処理における１枚目の半導体基板上に成膜する際に用いる１枚目用レシピとして登録する（ステップ３４）。

同様の分布が得られていない場合、２枚連続処理のうちの１枚目の半導体基板における成膜条件を変更し、相応しい成膜条件を求めるステップ（ステップ３２）に戻る。これを１枚目及び２枚目の半導体基板において同様のウェーハ面内膜厚分布が得られる条件が得られるまで繰り返す。

ステップ３４において１枚目用レシピが得られた後には、連続処理する複数の半導体基板のうち、１枚目の半導体基板について、２枚目以降の半導体基板とは異なる前記の１枚目用レシピにより成膜を行なう。これにより、１枚ずつ連続して複数の半導体基板上に薄膜を形成する際に、１枚目の半導体基板におけるウェーハ面内膜厚分布と、２枚目以降の半導体基板におけるウェーハ面内膜厚分布とを同様にすることができる。

尚、以上では２枚連続処理を例として説明したが、３枚以上の半導体基板を連続処理する際について適用することは当然可能である。

図４には、このようにして連続処理を行なった場合の１枚目、２枚目及び３枚目のウェーハ面内膜厚分布（順に４１、４２及び４３）を例示している。図１０に示す、プリヒートを行なった後に、同一の条件にて１枚目〜３枚目の半導体基板上に成膜を行なった場合の分布に比べて、本実施形態の場合には１枚目〜３枚目の半導体基板についてほぼ同じウェーハ面内膜厚分布が得られているのが判る。

尚、本実施形態において、反応ガスとしては酸素及び水素を用いたが、これには限らず、例えば亜酸化窒素及び水素を用いても良い。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。本実施形態においても、図１に示す枚葉式の成膜装置を用いる。また、第１の実施形態においては反応室１１内の圧力について条件振りを行なったのに対し、本実施形態においては、ランプ１５による加熱のランプパワー面内バランスについて条件振りを行なう。つまり、パワーの分布を設定してウェーハ１３を部分毎に異なるパワーにて加熱することができるランプ１５を用いる。そして、パワーの分布を変更して１枚目の半導体基板を処理するために相応しい加熱の条件を求める。その他の点については、ほぼ第１の実施形態の場合と同様である。

本実施形態においても、初めに同一の処理内容（成膜条件）にて２枚連続処理を実施する。具体例として、６０秒間のプリヒートを実施した後に、２枚のウェーハを１枚ずつ連続して処理する。成膜の条件として、反応室内の温度８５０℃、反応室内の圧力１７３３Ｐａと設定すると共に、反応ガスとして流量０．１Ｌ／分のＨ_２ 及び流量０．９Ｌ／分のＯ_２ を用い、６０秒間成膜する。

図５に、上記の同一の条件により成膜した場合の１枚目及び２枚目の半導体基板におけるウェーハ面内膜厚分布を順に分布５１及び５２として示している。ここでも、１枚目のウェーハにおける膜厚を２枚目のウェーハにおける膜厚と比べると、第１の実施形態の場合と同様に、ウェーハの中央付近において小さく且つ外周において大きくなっている。

そこで、１枚目のウェーハ上に成膜する際の条件を、２枚目のウェーハ上に成膜する場合とは異なるようにする。ここでは、ウェーハの中心において薄膜をより厚く、外周において薄膜をより薄くするために、ランプ１５のランプパワー面内バランスを設定する。具体例として、ランプパワーをウェーハの中央付近において５％上げると共に、外周付近において３％下げる。このようにして成膜した場合の１枚目のウェーハにおけるウェーハ面内膜厚分布を、図５において分布５３として示している。明らかに、１枚目及び２枚目の半導体基板について同一条件の成膜を行なった場合の分布５１に比較して、ランプパワー面内バランスを調整した場合の分布５３は、２枚目の半導体基板についての分布５２に近いものとなっている。

図６には、本実施形態の半導体装置の製造方法において、１枚目のウェーハにおける膜厚分布を２枚目以降のウェーハにおける膜厚分布に近付ける（同様の分布とする）ための手順を示している。これは、第１の実施形態において図３に示した手順と同様であり、反応室内の圧力の代わりにランプパワー面内バランスについて条件振りを行なう点が相違する。

つまり、初めに同一処理内容にて２枚連続処理により１枚目及び２枚目の半導体基板上に薄膜を形成する（ステップ６１）。

次に、相応しい成膜条件を求めるために、１枚目の半導体基板におけるランプパワー面内バランスを条件振りする（ステップ６２）。

次に、１枚目の半導体基板におけるウェーハ面内膜厚分布が、２枚目の半導体基板におけるウェーハ面内膜厚分布と同様になっているかどうかを確認する（ステップ６３）。

１枚目及び２枚目の半導体基板において、同様のウェーハ面内膜厚分布が得られていれば、そのときの成膜条件（ランプパワー面内バランス）を１枚目の半導体基板上に成膜する際に用いるレシピとして登録する（ステップ６４）。

同様の分布が得られていない場合、１枚目の半導体基板について相応しい成膜条件を求めるステップ（ステップ６２）に戻る。これを１枚目及び２枚目の半導体基板において同様のウェーハ面内膜厚分布が得られる条件が得られるまで繰り返す。

レシピが得られた後は、連続処理する複数の半導体基板のうち、１枚目の半導体基板についてだけ異なるレシピにより成膜を行なうようにすれば良い。

尚、第１及び第２の実施形態において、反応室内の圧力及び半導体基板を加熱する際のランプパワー面内バランスを条件の例として説明したが、これら以外の条件を考えることも当然可能である。１枚目の半導体基板について何らかの成膜の条件を２枚目以降の半導体基板とは変更することよりウェーハ面内膜厚分布を同等にすることができるのであれば、どのような成膜の条件についての変更であっても良い。

本発明の半導体装置の製造方法によると、複数の基板上に順に薄膜を形成する際に、１枚目の基板と２枚目以降の基板とについて同等のウェーハ面内膜厚分布を有する薄膜を得ることができ、４５ｎｍ又はそれよりも更に微細な設計基準の半導体装置の製造においても有益である。

図１は、本実施形態において用いる枚葉式成膜装置の反応室部の模式的な断面図である。 図２は、形成される膜のウェーハ面内膜厚分布を示す図であり、成膜時の反応室内の圧力を同じにした場合の１枚目及び２枚目の半導体基板と、２枚目とは前記圧力を変更した場合の１枚目の半導体基板とについて示している。 図３は、反応室の圧力を変更することにより２枚目以降の半導体基板と同等のウェーハ面内膜厚分布を１枚目の半導体基板においても得るための手順を示す図である。 図４は、１枚目の半導体基板について反応室内の圧力を変更した場合の１枚目〜３枚目の半導体基板について、ウェーハ面内膜厚分布を示す図である。 図５は、ウェーハ面内膜厚分布を示す図であり、成膜時のランプパワー面内バランスを同じにした場合の１枚目及び２枚目の半導体基板と、２枚目とは前記バランスを変更した場合の１枚目の半導体基板とについて示している。 図６は、加熱に用いるランプパワー面内バランスを変更することにより２枚目以降の半導体基板と同等のウェーハ面内膜厚分布を１枚目の半導体基板においても得るための手順を示す図である。 図７は、従来の成膜方法（ＩＳＳＧ法）にて用いる枚葉式成膜装置の反応室部の模式的な断面図である。 図８は、従来の成膜方法にて成膜を行なった際の１枚目〜３枚目の半導体基板に関する平均膜厚を示す図である。 図９は、プリヒートの後に成膜を行なった場合の１枚目〜３枚目の半導体基板に関する平均膜厚を示す図である。 図１０は、プリヒートの後に成膜を行なった場合の１枚目〜３枚目の半導体基板に関するウェーハ面内膜厚分布を示す図である。

符号の説明

１１ 反応室
１２ ウェーハ支持具
１３ ウェーハ
１４ ガラス窓
１５ ランプ
１６ ガス導入口
１７ ガス排出口
２１〜２３ 分布
３１〜３４ ステップ
４１〜４３ 分布
５１〜５３ 分布
６１〜６３ ステップ

Claims (8)

1. 反応室において、活性種を含む反応ガスを用いて、複数の半導体基板上に順に薄膜を形成する成膜工程を備え、
   前記成膜工程は、前記複数の半導体基板を一枚ずつ前記反応室に導入して行なうと共に、前記複数の半導体基板のうち１枚目の半導体基板上に薄膜を形成する工程（ａ）と、前記工程（ａ）の後に、前記複数の半導体基板のうち２枚目以降の半導体基板上に薄膜を形成する工程（ｂ）とを含み、
   前記工程（ａ）は、前記工程（ｂ）とは異なる条件をもって行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）とでは、前記反応室内の圧力を変えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１において、
   前記成膜工程において、前記複数の半導体基板を加熱すると共に、
   前記工程（ａ）の前記１枚目における半導体基板面内の加熱のバランスと、前記工程（ｂ）の前記２枚目以降の半導体基板面内における加熱のバランスとを変えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一つにおいて、
   前記反応ガスは、酸素及び水素を含み、
   前記活性種は、酸素原子及び水酸基ラジカルであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれか一つにおいて、
   前記反応ガスは、亜酸化窒素及び水素を含み、
   前記活性種は、酸素原子及び水酸基ラジカルであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一つにおいて、
   前記反応ガスを前記反応室に導入した後に、前記反応ガス中に前記活性種を発生させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一つにおいて、
   前記成膜工程において、前記複数の半導体基板のそれぞれを、各回転軸において回転させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一つにおいて、
   前記成膜工程において、前記複数の半導体基板を１枚ごとにランプによって加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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