JP2010251452A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な成膜装置および成膜方法を提供する。
【解決手段】本実施形態に係る成膜装置は、原料ガスの噴出口が設けられたガス導入管と、前記原料ガス中の原料を堆積させる基板が配置される基板配置場所と、前記噴出口と前記基板配置場所との間に設置された、前記原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部を堆積させる堆積部材とを、処理室内に備えている。本実施形態に係る成膜方法は、処理室内に原料ガスを導入し、前記原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部を基板に到達する前に堆積部材に堆積させ、前記基板上に前記原料ガス中の原料を堆積させる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明に係る実施形態は、成膜装置および成膜方法に関する。

集積回路の製造では、様々な材料の成膜が必要であり、その成膜技術として原子層成長（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が用いられている。ＡＬＤ法では、まず、ウエハ表面に２種類以上の原料ガスを交互に流すことによって、ウエハ表面にあるサイトや反応基と反応させる。全てのサイトが飽和すると反応は停止する。その後、不活性ガスを流すことにより、余分な原料ガスのパージをすることで、単分子層を堆積することができる。ＡＬＤ法では、これら一連の自己制御性の表面反応により成膜を行うため、非常に被覆性が優れている。集積回路の一例であるＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のキャパシタでは、高アスペクト比のシリンダーに均一な膜を堆積する必要があるため、被覆性に優れているＡＬＤ法が用いられている。ただし、ＡＬＤ法は単分子層堆積の繰返しプロセスであるため、成膜時間が非常に長くなってしまう。

このスループット問題は、複数ウエハを同時成膜できるバッチ式成膜装置を用いることで解決できる。バッチ式成膜装置では、プロセスチューブ内にウエハを配置したボートを導入する。その後、液体材料である原料を気化器で気化させた原料ガスをプロセスチューブへ導入して、薄膜の成膜を開始する。成膜中にボードは回転させられている。

ただし、バッチ式成膜装置により成膜した場合には、ウエハ面内の膜厚均一性が劣る問題がある。そこで、ウエハ内の膜厚均一性が低下するのを防止する手法が検討され、幾つか報告されている。特許文献１には、基板を保持具に載置する載置部が、処理ガスの流れおよび拡散を妨げない整流部を備えている装置が記載されている。

特開２００７−２２１０００号公報

本発明に係る実施形態は、新規な成膜装置および成膜方法を提供する。

本発明に係る実施形態は、原料ガスの噴出口が設けられたガス導入管と、前記原料ガス中の原料を堆積させる基板が配置される基板配置場所と、前記噴出口と前記基板配置場所との間に設置された、前記原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部を堆積させる堆積部材とを、処理室内に備えていることを特徴とする成膜装置を含む。

本発明に係る実施形態は、処理室内に原料ガスを導入し、前記原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部を基板に到達する前に堆積部材に堆積させ、前記基板上に前記原料ガス中の原料を堆積させることを特徴とする成膜方法を含む。

本発明に係る実施形態は、処理室内に第一の原料ガスを導入し、前記第一の原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部が基板に到達する前に堆積部材に堆積させ、前記基板上に前記第一の原料ガス中の第一の原料を堆積させる工程と、前記処理室内に不活性ガスを導入する工程と、前記処理室内に第二の原料ガスを導入し、前記第二の原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部が前記基板に到達する前に前記堆積部材に堆積させ、前記基板上に前記第二の原料ガス中の第二の原料を堆積させる工程と、前記処理室内に不活性ガスを導入する工程とを有することを特徴とする成膜方法を含む。

本発明に係る実施形態によれば、新規な成膜装置および成膜方法を提供できる。

第一の実施形態に係るバッチ式成膜装置の構成を示す断面図である。 第一の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す斜視図である。 第一の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す側面図である。 第一の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す上面図である。 第二の実施形態に係るバッチ式成膜装置の構成を示す断面図である。 第二の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す斜視図である。 第二の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す側面図である。 第二の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す上面図である。 第三の実施形態に係るバッチ式成膜装置の構成を示す断面図である。 第三の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す斜視図である。 第三の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す側面図である。 第三の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す上面図である。 実施例１におけるプロセスチューブ内の構成の位置関係を示す側面図である。 実施例２におけるプロセスチューブ内の構成の位置関係を示す側面図である。 実施例３におけるプロセスチューブ内の構成の位置関係を示す側面図である。 比較例におけるプロセスチューブ内の構成の位置関係を示す側面図である。 実施例１〜３および比較例で形成したＨｆＡｌＯ膜中のカーボン濃度を示す図である。 実施例２および比較例で形成したＨｆＡｌＯ膜のモニター膜厚と、実施例４で作製したＭＩＭ型キャパシタの蓄積電荷量の面内分布を示す図である。

＜成膜装置＞
発明者らが検討を行ったところ、バッチ式成膜装置により成膜した場合に膜厚均一性が劣る原因は、気化器から処理室までのガス導入管が長いため、その中で原料ガスの一部が熱分解して不所望の中間体が生成してしまい、処理室内にその中間体も噴出されている点にあることを見出した。すなわち、このような中間体は分子量が大きく基板に堆積しやすいため、基板の外周部に多く堆積することになり、その結果として、膜厚均一性が劣ると考えられた。また、中間体が多く堆積する基板の外周部では、膜中不純物量が増加してしまい、目的の物性が得られなくなる。

特許文献１に記載されている装置では、処理室内の原料ガスの流れを均一にすることで膜厚均一性が低下するのを防止しているので、上記のような中間体による問題点を解決することはできず、結果として十分な膜厚均一性を実現することはできない。また、膜中不純物量を低減することは記載されていない。

それに対し、本実施形態に係る成膜装置は、原料ガスの噴出口が設けられたガス導入管と、原料ガス中の原料を堆積させる基板が配置される基板配置場所と、噴出口と基板配置場所との間に設置された、原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部を堆積させる堆積部材とを、処理室内に備えている。これにより、噴出口から噴き出された原料ガス中の不純物である中間体は、基板よりも堆積部材に多く堆積するので、基板に堆積する不純物の量は少なくなる。結果として十分な膜厚均一性を実現することができ、膜中不純物量も減らすことができる。

堆積部材の材質としては、石英、炭化珪素、シリコン等が挙げられる。原料ガス中の不純物を効率良く堆積させる観点から、堆積部材は石英製であることが好ましい。

堆積部材は、固定式でも可動式でもよい。可動式の堆積部材であれば、プロセス条件を変更した場合にも、堆積部材を移動させて基板との位置関係を容易に変えられるため、効率良く不純物を消費できる位置に堆積部材を移動させることが可能である。固定式の堆積部材であれば、プロセス条件を変更した場合にも、堆積部材と基板との位置関係によらず、基板に到達する不純物の量を減らすことができる。

本実施形態に係る成膜装置は、バッチ式の成膜装置でもよく、ＡＬＤ法の成膜装置でもよい。以下では、バッチ式成膜装置の実施形態を例示する。

〔第一の実施形態〕
図１Ａは、第一の実施形態に係るバッチ式成膜装置の構成を示す断面図である。この成膜装置１は、処理室であるプロセスチューブ２と、プロセスチューブ２内を加熱する加熱部３と、プロセスチューブ１内にガスを供給するガス導入管４と、プロセスチューブ２内のガスを系外に排出する排気部５を有している。ガス導入管４には、液体材料である原料を気化させる気化器６が接続されており、原料ガス２１がガス導入管４の内部を通って、プロセスチューブ２の内部に供給される。排ガス２２は、排気部５から排出される。

図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは、それぞれ、第一の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す斜視図、側面図および上面図である。ガス導入管４を通ってきた原料ガス２１は、ガス導入管４に設けられた噴出口１１からプロセスチューブ２内に噴出する。一方、基板であるウエハ１５は、ラダーボート１２に搭載された状態でプロセスチューブ２内に導入される。ラダーボード１２は、プロセスチューブ２内で回転することができる。

さらに、噴出口１１とラダーボード１２の基板配置場所との間には、原料ガス２１中に含まれる不純物の少なくとも一部を堆積させる堆積部材１３ａが設置されている。堆積部材１３ａは複数のリングを備え、その複数のリングは支持部材により固定されている。堆積部材１３ａが備える複数のリングの数は、噴出口１１の数と同じになっている。このように、第一の実施形態に係る堆積部材は、基板の周りを囲んでいる。

この堆積部材１３ａは、上下方向に動かすことができる。すなわち、プロセス条件を変更した場合にも、堆積部材１３ａを移動させてウエハ１５との位置関係を容易に変えられるため、効率良く不純物を消費できる位置に堆積部材１３ａを移動させることが可能となる。

〔第二の実施形態〕
図２Ａは、第二の実施形態に係るバッチ式成膜装置の構成を示す断面図である。また、図２Ｂ、図２Ｃおよび図２Ｄは、それぞれ、第二の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す斜視図、側面図および上面図である。第二の実施形態に係るバッチ式成膜装置の構成は、堆積部材を除き、第一の実施形態と同じである。

噴出口１１とラダーボード１２の基板配置場所との間には、原料ガス２１中に含まれる不純物の少なくとも一部を堆積させる堆積部材１３ｂが設置されている。堆積部材１３ｂは複数の半リングを備え、その複数の半リングは支持部材により固定されている。堆積部材１３ｂが備える複数のリングの数は、噴出口１１の数と同じになっている。このように、第二の実施形態に係る堆積部材は、基板の周りの一部を囲んでいる。

この堆積部材１３ｂは、第一の実施形態の堆積部材１３ａと同様に、上下方向に動かすことができる。すなわち、プロセス条件を変更した場合にも、堆積部材１３ｂを移動させてウエハ１５との位置関係を容易に変えられるため、効率良く不純物を消費できる位置に堆積部材１３ｂを移動させることが可能となる。また、第二の実施形態に係る堆積部材１３ｂは、第一の実施形態に係る堆積部材１３ａと比較して構造が簡素化されているため、製造コストを抑えることもできる。

〔第三の実施形態〕
図３Ａは、第三の実施形態に係るバッチ式成膜装置の構成を示す断面図である。また、図３Ｂ、図３Ｃおよび図３Ｄは、それぞれ、第三の実施形態に係るバッチ式成膜装置におけるプロセスチューブ内の構成を示す斜視図、側面図および上面図である。第三の実施形態に係るバッチ式成膜装置の構成は、堆積部材を除き、第一の実施形態および第二の実施形態と同じである。

噴出口１１とラダーボード１２の基板配置場所との間には、原料ガス２１中に含まれる不純物の少なくとも一部を堆積させる堆積部材１３ｃが設置されている。より具体的には、堆積部材１３ｃは、ガス導入管４の壁面から突き出るように固定されている。堆積部材１３ｃの数は噴出口の数と同じになっており、堆積部材１３ｃは扇型プレート形状である。この堆積部材１３ｃは、ガス導入管４に固定されているため、プロセス条件を変更した場合にも、堆積部材１３ｃとウエハ１５との位置関係によらず、基板に到達する不純物の量を減らすことができる。

＜成膜方法＞
本実施形態に係る成膜方法では、処理室内に原料ガスを導入し、原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部を基板に到達する前に堆積部材に堆積させ、基板上に原料ガス中の原料を堆積させる。これにより、原料ガス中の中間体（不純物）は、基板よりも堆積部材に多く堆積するので、基板に堆積する不純物の量は少なくなる。結果として、形成される膜は十分な膜厚均一性を有し、膜中不純物量も少ないものとなる。

より具体的な態様の一例として、第一の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法を説明する。まず、ウエハ１５を設置したラダーボード１２をプロセスチューブ２内に導入し、ラダーボート１２を回転させる。なお、プロセスチューブ２内は、加熱部３により一定温度に制御されている。液体材料である原料を気化器６で気化させた原料ガス２１を原料ガス導入管４からプロセスチューブ２内へ導入して、成膜を開始する。原料ガス導入管４の噴出口１１からは、原料とともに不所望の中間体が噴出されるが、中間体は、ウエハ１５に到達する前に堆積部材１３ａに堆積する。一方、原料はウエハ１５に到達し、ウエハ１５上に堆積する。このようにして、中間体は堆積部材１３ａで消費されるので、均一な膜厚で成膜することができ、その膜中の不純物の量を少なくすることができる。

基板上に原料ガス中の原料を堆積させた後は、処理室内に不活性ガスを導入することで、原料ガスを排気部から系外に排出することができる。

成膜する原料は、１種でもよく２種以上でもよい。２種の原料を用いる場合には、次のようは方法で成膜することができる。まず、処理室内に第一の原料ガスを導入して第一の原料を基板上に堆積させる。その後、処理室内に不活性ガスを導入して、第一の原料ガスを排気部から系外に排出する。次いで、処理室内に第二の原料ガスを導入して第二の原料を基板上に堆積させる。その後、処理室内に不活性ガスを導入して、第二の原料ガスを排気部から系外に排出する。３種以上の原料を用いる場合は、これを繰り返せばよい。こうすることで、複合膜を形成することができる。

特に、２種以上の原料を用いる場合には、堆積部材は可動式であることが好ましい。可動式であれば、第一の原料を堆積させた後、第二の原料を堆積させる前に、堆積部材を移動させることができ、それぞれの原料に適した成膜を行うことができる。

本実施形態に係る成膜方法は、ＡＬＤ法の成膜技術として有効である。また、本実施形態に係る成膜方法により半導体基板に所望の成膜を行うことで、高性能の半導体装置を製造することができる。

＜実施例１〜３、比較例＞
〔ＨｆＡｌＯ膜を形成〕
実施例１〜３では、第一の実施形態に係る成膜装置を用いて、ＨｆＡｌＯ膜を形成した。具体的には、プロセスチューブ内を成膜温度２３０℃に保った状態で、原料ガスとしてＴＥＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｋｉｓ［ｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ］ｔｉｔａｎｉｕｍ）およびＴＭＡ（Ｔｒｉ−ｍｅｔｈｙｌ ａｌｕｍｉｎｕｍ）を、それぞれ０．５ｓｃｃｍおよび３００ｓｃｃｍの条件で処理室に導入して、ＨｆＯおよびＡｌＯを０．７ｎｍおよび０．０９ｎｍ厚ずつ７回繰り返すことで、５．５ｎｍ厚のＨｆＡｌＯ膜を形成した。夫々のガスの導入の間には、排気工程が含まれている。

比較例では、堆積部材を有しないこと以外は、実施例１〜３と同様にして、ＨｆＡｌＯ膜を形成した。

なお、図４Ａ〜４Ｄには、それぞれ実施例１〜３および比較例におけるプロセスチューブ内の構成の位置関係を示している。

〔膜中カーボン濃度評価〕
実施例１〜３および比較例で形成したＨｆＡｌＯ膜中のカーボン濃度を評価した。ウエハ外周部とウエハ中央部における膜中カーボン濃度の測定結果を図５に示す。

比較例では、ウエハ外周部の膜中カーボン濃度が、ウエハ中央部の膜中カーボン濃度と比較して、３倍程度高かった。一方、実施例１〜３では、比較例より、ウエハ外周部の膜中カーボン濃度が低かった。さらに、堆積部材とウエハの位置関係を変えることにより、ウエハ外周部の膜中カーボン濃度を、ウエハ中央部の膜中カーボン濃度程度まで低くすることができた。

このように、本実施形態によれば、原料ガスに含まれる中間体を堆積部材で消費することで、膜中の不純物濃度を低くすることができる。さらに、堆積部材とウエハの位置関係を変えることにより、より効率良く中間体を消費して、膜質を改善することもできる。

〔モニター膜厚評価〕
実施例２および比較例で形成したＨｆＡｌＯ膜のモニター膜厚の面内分布を図６に示す。なお、モニター膜厚は、同一バッチにてパターンのないシリコンウエハ上に形成されたＨｆＡｌＯ膜を、分光エリプソメーターで測定した値である。

実施例２では比較例と比較して、ウエハ外周部の増膜傾向が改善されており、面内均一性も１４％から１％程度まで改善していた。なお、面内均一性は、以下の式で算出される値である。

面内均一性＝Ｒ／２Ｘ
Ｒ：（モニター膜厚の最大値）−（モニター膜厚の最小値）
Ｘ：モニター膜厚の平均値
このように、本実施形態によれば、原料ガスに含まれる中間体を堆積部材で消費することで、ウエハには中間体の少ない原料ガスが到達し、モニター膜厚の面内均一性を改善することができる。

＜実施例４＞
シリコンウエハ上に開孔した深さ３μｍ、孔径８０ｎｍの孔の内側面に、下部電極としてのＴｉＮ膜と、絶縁膜としてのＨｆＡｌＯ膜と、上部電極としてのＴｉＮ膜を順に形成して、ＭＩＭ型キャパシタを作製した。ＨｆＡｌＯ膜の形成は、実施例２の方法で行った。その後、必要な配線を形成したＴＥＧの上部電極と下部電極に電圧を印加して、蓄積電荷量を求めた。結果を図６に示すように、蓄積電荷量の面内均一性は非常に高かった。

このように、本実施形態によれば、製品上においても、シリンダー内の膜厚をウエハ面内で均一にすることができ、膜厚の均一性が向上したことで、蓄積電荷量の面内均一性も高めることができる。

＜他の実施例＞
上記実施例ではＨｆＡｌＯ膜を形成したが、ＨｆＯ、ＺｒＯ、ＺｒＡｌＯ、ＴｉＯ、ＴｉＡｌＯ、ＴｉＨｆＯおよびＴｉＺｒＯ等の高誘電率膜の形成においても、同様の結果が得られる。

１ 成膜装置
２ プロセスチューブ
３ 加熱部
４ ガス導入管
５ 排気部
６ 気化器
１１ 噴出口
１２ ラダーボード
１３ａ 堆積部材
１３ｂ 堆積部材
１３ｃ 堆積部材
１５ ウエハ
２１ 原料ガス
２２ 排ガス

Claims (20)

1. 原料ガスの噴出口が設けられたガス導入管と、
   前記原料ガス中の原料を堆積させる基板が配置される基板配置場所と、
   前記噴出口と前記基板配置場所との間に設置された、前記原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部を堆積させる堆積部材と
   を、処理室内に備えていることを特徴とする成膜装置。
2. 前記堆積部材は石英製である請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記堆積部材は固定式である請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 前記堆積部材は、前記ガス導入管の壁面から突き出るように固定されている請求項３に記載の成膜装置。
5. 前記堆積部材の数は、前記噴出口の数と同じである請求項４に記載の成膜装置。
6. 前記堆積部材は、扇型プレート形状である請求項４または５に記載の成膜装置。
7. 前記堆積部材は、前記基板の周りを囲んでいる請求項１または２に記載の成膜装置。
8. 前記堆積部材は複数のリングを備え、前記複数のリングは支持部材に固定されている請求項７に記載の成膜装置。
9. 前記複数のリングの数は、前記噴出口の数と同じである請求項８に記載の成膜装置。
10. 前記堆積部材は、前記基板の周りの一部を囲んでいる請求項１または２に記載の成膜装置。
11. 前記堆積部材は複数の半リングを備え、前記複数の半リングは支持部材に固定されている請求項１０に記載の成膜装置。
12. 前記複数の半リングの数は、前記噴出口の数と同じである請求項１１に記載の成膜装置。
13. 前記堆積部材は可動式である請求項７〜１２のいずれかに記載の成膜装置。
14. 処理室内に原料ガスを導入し、前記原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部を基板に到達する前に堆積部材に堆積させ、前記基板上に前記原料ガス中の原料を堆積させることを特徴とする成膜方法。
15. 前記処理室内に不活性ガスを導入する請求項１４に記載の成膜方法。
16. 前記堆積部材は石英製である請求項１４に記載の成膜方法。
17. 前記成膜方法は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法である請求項１４に記載の成膜方法。
18. 処理室内に第一の原料ガスを導入し、前記第一の原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部が基板に到達する前に堆積部材に堆積させ、前記基板上に前記第一の原料ガス中の第一の原料を堆積させる工程と、
    前記処理室内に不活性ガスを導入する工程と、
    前記処理室内に第二の原料ガスを導入し、前記第二の原料ガス中に含まれる不純物の少なくとも一部が前記基板に到達する前に前記堆積部材に堆積させ、前記基板上に前記第二の原料ガス中の第二の原料を堆積させる工程と、
    前記処理室内に不活性ガスを導入する工程と
    を有することを特徴とする成膜方法。
19. 前記堆積部材は石英製である請求項１８に記載の成膜方法。
20. 前記成膜方法は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法である請求項１８に記載の成膜方法。

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