JP2014033229A - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板が収容された処理室に第1の処理ガスを供給する工程と、処理室を排気する工程と、を含み、各工程を行うことにより、基板を前処理する前処理工程と、前処理された基板が収容された処理室に第1の元素を含む第2処理ガスを供給する工程と、処理室を排気する工程と、処理室に第2の元素を含む第3の処理ガスを供給する工程と、処理室を排気する工程と、を含み、各工程を順に所定回数行うことにより、基板上に第1の膜を形成する第1の膜形成工程と、第1の膜が形成された基板が収容された処理室に第1の元素を含む第4の処理ガスを供給する工程と、処理室を排気する工程と、処理室に前記第3の処理ガスを供給する工程と、処理室を排気する工程と、を含み、各工程を順に所定回数行うことにより、第1の膜の上に第2の膜を形成する第2の膜形成工程と、を有する。
【選択図】 図3
Description
以下に、本発明の実施形態における半導体装置の製造方法及び基板処理装置を図面に基づいて説明する。ここでは、SiN薄膜を成膜する成膜工程を行う第1の実施形態について説明する。
02部分を縦断面で示し、図2は本実施形態における基板処理装置の縦型処理炉の概略構
成図であり、処理炉202部分を横断面で示す。
としてのボートエレベータ115によって垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート217を処理室201内に対し搬入搬出することが可能となっている。
<ステップ11>
ステップ11では、まずHCDガスを流す(第1の工程)。第1のガス供給管232aのバルブ543、バルブ243aを開き、気化器500を介して第1のガス供給管232a内にHCDガスを流す。第1のガス供給管232a内を流れたHCDガスは、マスフローコントローラ241aにより流量調整される。流量調整されたHCDガスは第1のノズル249aのガス供給孔250aから処理室201内に供給されつつガス排気管231から排気される。このとき、同時にバルブ243dを開き、不活性ガス供給管232d内に不活性ガスを流す。不活性ガスとしては、Heガス、Neガス、Arガス等の18族元素ガスが好適であるが、ヒータ207の温度、すなわちウエハ200の温度が低く設定されているため、N2ガスを用いても良い。不活性ガス供給管232d内を流れたN2ガスは、マスフローコントローラ241dにより流量調整される。流量調整されたN2ガスはHCDガスと一緒に処理室201内に供給されつつガス排気管231から排気される。
ステップ12(第2の工程)では、シリコン含有層が形成された後、バルブ243aを閉じ、HCDガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管231のAPCバルブ244は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはシリコン含有層形成に寄与した後のHCDガスを処理室201内から排除する。なお、この時バルブ243dは開いたままとして、N2ガスの処理室201内への供給を維持する。これにより、処理室201内に残留する未反応もしくはシリコン含有層形成に寄与した後のHCDガスを処理室201内から排除する効果を高める。不活性ガスとしては、N2ガスの他、Arガス、Heガス、Neガス、Xeガス等の希ガスを用いてもよい。
ステップ13では、処理室201内の残留ガスを除去した後、第3のガス供給管232cのバルブ243cを開き、第3のガス供給管232c内にNH3ガスを流す(第3の工程)。第3のガス供給管232c内を流れたNH3ガスは、マスフローコントローラ241cにより流量調整される。流量調整されたNH3ガスは第2のノズル249bのガス供給孔250bからバッファ室237内に供給される。このとき、第1の棒状電極269及び第2の棒状電極270間に高周波電源273から整合器272を介して高周波電力を印加することで、バッファ室237内に供給されたNH3ガスはプラズマ励起され、活性種としてガス供給孔250cから処理室201内に供給されつつガス排気管231から排気される。この時同時にバルブ243eを開き、不活性ガス供給管232e内にN2ガスを流す。N2ガスはNH3ガスと一緒に処理室201内に供給されつつガス排気管231から排気される。
ステップ14(第4の工程)では、第3のガス供給管232cのバルブ243cを閉じて、NH3ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管231のAPCバルブ244は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のNH3ガスを処理室201内から排除する。なお、この時バルブ243eは開いたままとして、N2ガスの処理室201内への供給を維持する。これにより、処理室201内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のNH3ガスを処理室201内から排除する効果を高める。
次に、DCSガスとNH3ガスを処理室202内に供給することにより第2のSiN膜を成膜する第2の成膜工程を行う。第2の成膜工程では次の4つのステップを順次実行する。
ステップ21では、まずDCSガスを流す(第5の工程)。第2のガス供給管232bの第2のバルブ243bを開き、第2のガス供給管232b内にDCSガスを流す。第2のガス供給管232b内を流れたDCSガスは、マスフローコントローラ241bにより流量調整される。流量調整されたDCSガスは第1のガス供給管232aを介して第1のノズル249aのガス供給孔250aから処理室201内に供給されつつガス排気管231から排気される。このとき、同時にバルブ243dを開き、不活性ガス供給管232d内にN2ガス等の不活性ガスを流す。不活性ガス供給管232d内を流れたN2ガスは、マスフローコントローラ241dにより流量調整される。流量調整されたN2ガスはDCSガスと一緒に処理室201内に供給されつつガス排気管231から排気される。
ステップ22(第6の工程)では、シリコン含有層が形成された後、バルブ243bを閉じ、DCSガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管231のAPCバルブ244は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはシリコン含有層形成に寄与した後のDCSガスを処理室201内から排除する。なお、この時バルブ243dは開いたままとして、N2ガスの処理室201内への供給を維持する。これにより、処理室201内に残留する未反応もしくはシリコン含有層形成に寄与した後のDCSガスを処理室201内から排除する効果を高める。不活性ガスとしては、N2ガスの他、Arガス、Heガス、Neガス、Xeガス等の希ガスを用いてもよい。
ステップ23では、処理室201内の残留ガスを除去した後、第3のガス供給管232cのバルブ243cを開き、第3のガス供給管232c内にNH3ガスを流す(第7の工程)。第3のガス供給管232c内を流れたNH3ガスは、マスフローコントローラ241cにより流量調整される。流量調整されたNH3ガスは第2のノズル249bのガス供給孔250bからバッファ室237内に供給される。このとき、第1の棒状電極269及び第2の棒状電極270間に高周波電源273から整合器272を介して高周波電力を印加することで、バッファ室237内に供給されたNH3ガスはプラズマ励起され、活性種としてガス供給孔250cから処理室201内に供給されつつガス排気管231から排気される。この時同時にバルブ243eを開き、不活性ガス供給管232e内にN2ガスを流す。N2ガスはNH3ガスと一緒に処理室201内に供給されつつガス排気管231から排気される。
その後、第3のガス供給管232cのバルブ243cを閉じて、NH3ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管231のAPCバルブ244は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のNH3ガスを処理室201内から排除する。なお、この時バルブ243cは開いたままとして、N2ガスの処理室201内への供給を維持する。これにより、処理室201内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のNH3ガスを処理室201内から排除する効果を高める。
本実施形態では、成膜工程のインキュベーションタイムの発生を抑制するために、基板上にSiN膜を形成する成膜工程を行う前に、前処理工程(改質工程)を行う例について説明する。図8は、本実施形態におけるプロセスを説明するフローチャートである。本実施形態における基板処理装置は、第1の実施形態で説明した基板処理装置と同じ装置であり、前処理工程は同一処理室内で行うことが好ましい。
本実施形態では、第1の実施形態の第1の成膜工程においてHCDガスを用いて成膜を行う場合、HCDガスの供給条件を変えることで1サイクルあたりのSiN膜の膜厚を制御することができ、さらに成膜工程の後に後処理工程(改質工程)を行う実施形態について説明する。
本発明の一態様によれば、処理室内に載置された基板の表面に、第1の成膜工程を行うことにより第1の薄膜を形成し、第2の成膜工程を行うことにより第1の薄膜の上に第1の薄膜と同じ元素成分を有する第2の薄膜を形成する半導体装置の製造方法であって、第1の成膜工程は、処理室内に、第1の元素を含む第1の処理ガスを供給する第1の工程と、処理室内に残留する第1の処理ガスを排気する第2の工程と、処理室内に、第2の元素を含む第2の処理ガスを供給する第3の工程と、処理室内に残留する第2の処理ガスを排気する第4の工程とを含み、第1〜第4の工程を1サイクルとして所定回数のサイクルを行うことにより、基板の表面に第1の薄膜を形成し、第2の成膜工程は、処理室内に、第1の元素を含み第1の処理ガスと異なる元素成分を有する第3の処理ガスを供給する第5の工程と、処理室内に残留する第3の処理ガスを排気する第6の工程と、処理室内に、第2の元素を含む第2の処理ガスを供給する第7の工程と、処理室内に残留する第2の処理ガスを排気する第8の工程と、を含み、第5〜第8工程を1サイクルとして所定回数のサイクルを行うことにより、第1の薄膜の上に第2の薄膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。
(付記2)
好ましくは、第1の処理ガスは、それ単独で膜を堆積させることができるような処理ガスであって、第2の処理ガスは、それ単独では膜を堆積させることができないような処理ガスである。
(付記3)
好ましくは、第1の処理ガスは第2の処理ガスより高い熱分解性を有する。
(付記4)
好ましくは、第1の元素はシリコンであり、第1の処理ガスはヘキサクロロシランであり、第2の処理ガスはジクロロシランである。
(付記5)
好ましくは、第2の元素は窒素であり、第3の処理ガスはアンモニア、三フッ化窒素及びN3H8のいずれかであり、第1の薄膜及び第2の薄膜はシリコン窒化膜である。
(付記6)
好ましくは、第1の薄膜は、少なくとも3Å以上の膜厚で形成される。
(付記7)
好ましくは、第1の成膜工程の前に、処理室内に第3の処理ガスを供給して、基板の表面の自然酸化膜もしくは汚染物を除去する前処理工程を行う。
(付記8)
好ましくは、第3の処理ガスをプラズマ励起により活性化して使用する。
(付記9)
好ましくは、基板の温度は300〜600℃である。
(付記10)
好ましくは、第3の処理ガスを熱により活性化して使用する。
(付記11)
好ましくは、基板の温度は600℃以上である。
(付記12)
好ましくは、第1の成膜工程、第2の成膜工程及び前処理工程は同じ処理室内で行う。
(付記13)
好ましくは、第1の成膜工程、第2の成膜工程及び前処理工程は、基板を同じ温度に加熱して行う。
(付記14)
好ましくは、第2の成膜工程の後に、処理室内にプラズマ励起により活性化された第3の処理ガスを供給して、第2の薄膜を改質する。
(付記15)
好ましくは、第1の成膜工程では、第2の処理ガスの供給条件を変えることで1サイクルで形成される膜の膜厚を制御する。
(付記16)
本発明の他の態様によれば、処理室内に載置された基板の表面に、成膜工程を行うことにより薄膜を形成し、その後、改質工程を行うことにより薄膜を改質する半導体装置の製造方法であって、成膜工程は、処理室内に、第1の元素を含む第1の処理ガスを供給する第1の工程と、処理室内に残留する第1の処理ガスを排気する第2の工程と、処理室内に、第2の元素を含む第2の処理ガスを供給する第3の工程と、処理室内に残留する第2の処理ガスを排気する第4の工程と、を含み、第1〜第4の工程を1サイクルとし、所定回数行うことにより薄膜を形成し、改質工程は、処理室内に、プラズマ励起により活性化された第2の処理ガスを供給して薄膜を改質し、基板の温度を一定の温度に保ちつつ成膜工程と改質工程を所定回数繰り返すことにより、所定膜厚の薄膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。
(付記17)
好ましくは、成膜工程と改質工程は同じ処理室内で行う。
(付記18)
本発明の他の態様によれば、基板が載置された処理室内に、第1の処理ガスを供給する第1の工程と、処理室内に残留する第1の処理ガスを排気する第2の工程と、処理室内に、第2の処理ガスを供給する第3の工程と、処理室内に残留する第2の処理ガスを排気する第4の工程と、を1サイクルとして所定回数行って、基板上に膜を形成する半導体装置の製造方法であって、第1の工程では、第1の処理ガスの供給条件を変えることにより、1サイクルで形成される膜の膜厚を制御する半導体装置の製造方法が提供される。
(付記19)
好ましくは、第1の処理ガスの処理条件とは、時間、流量、圧力のいずれかである。
(付記20)
好ましくは、第1の処理ガスはヘキサクロロシランであって、第2の処理ガスはアンモニアであって、基板上に形成される膜はシリコン窒化膜である。
(付記21)
好ましくは、第2の処理ガスはプラズマ励起により活性化された状態で使用される。
(付記22)
本発明の他の態様によれば、基板を収容する処理室と、少なくとも基板を加熱する加熱機構と、処理室内に、第1の元素を含む第1の処理ガス及び第1の元素を含み第1の処理ガスとは異なる第2の処理ガスを供給する第1の処理ガス供給系と、処理室内に第2の元素を含む第3の処理ガスを供給する第2の処理ガス供給系と、処理室内の雰囲気を排気する排気系と、加熱機構、第1の処理ガス供給系、第2の処理ガス供給系及び排気系を制御する制御部と、を有し、制御部は、加熱機構、第1の処理ガス供給系、第2の処理ガス供給系及び排気系を制御して、少なくとも基板を所定の温度に加熱しつつ、処理室内に第1の処理ガスと第3の処理ガスを交互に供給して第1の膜を形成した後、処理室内に第2の処理ガスと第3の処理ガスを交互に供給して第2の膜を形成する基板処理装置であって、第1の膜と第2の膜は同じ元素成分を有する基板処理装置が提供される。
(付記23)
好ましくは、さらに、電力が印加されることにより処理室内に供給された第3の処理ガスを励起するプラズマを生成する少なくとも一対の電極を有し、第3の処理ガスをプラズマ励起により活性化して使用する。
(付記24)
本発明の他の態様によれば、基板を収容する処理室と、少なくとも基板を加熱する加熱機構と、処理室内に、第1の処理ガスを供給する第1の処理ガス供給系と、処理室内に第2の処理ガスを供給する第2の処理ガス供給系と、処理室内の雰囲気を排気する排気系と、加熱機構、第1の処理ガス供給系、第2の処理ガス供給系及び排気系を制御する制御部と、を有し、制御部は、加熱機構、第1の処理ガス供給系、第2の処理ガス供給系及び排気系を制御して、処理室内に第1の処理ガスと第2の処理ガスを交互に供給して膜を形成した後、処理室内に第2の処理ガスを供給して形成された膜を改質する基板処理装置であって、膜を形成する際と形成された膜を改質する際は同じ温度で行い、所定の膜厚まで膜形成処理と改質処理を繰り返す基板処理装置が提供される。
(付記25)
好ましくは、さらに、電力が印加されることにより処理室内に供給された第3の処理ガスを励起するプラズマを生成する少なくとも一対の電極を有し、第3の処理ガスをプラズマ励起により活性化して使用する。
(付記26)
本発明の他の態様によれば、基板を収容する処理室と、少なくとも基板を加熱する加熱機構と、処理室内に、第1の処理ガスを供給する第1の処理ガス供給系と、処理室内に第2の処理ガスを供給する第2の処理ガス供給系と、処理室内の雰囲気を排気する排気系と、加熱機構、第1の処理ガス供給系、第2の処理ガス供給系及び排気系を制御する制御部と、を有し、制御部は、加熱機構、第1の処理ガス供給系、第2の処理ガス供給系及び排気系を制御して、処理室内に第1の処理ガスと第2の処理ガスを交互に供給して膜を形成する工程を1サイクルとして所定サイクルを繰り返すことにより基板上に膜を形成する基板処理装置であって、第2の処理ガスの供給条件を変えることで1サイクルで形成される膜の膜厚を制御する基板処理装置が提供される。
(付記27)
本発明の他の態様によれば、(付記1)〜(付記21)に記載の半導体装置の製造方法を用いて形成された膜を有する半導体装置が提供される。
(付記28)本発明の他の態様によれば、(付記22)〜(付記26)に記載の基板処理装置を用いて形成された膜を有する半導体装置が提供される。
201 処理室
202 処理炉
207 ヒータ(加熱機構)
146 真空ポンプ(排気系)
121 コントローラ(制御部)
Claims (14)
- 基板が収容された処理室に第1の処理ガスを供給する工程と、
前記処理室を排気する工程と、
を含み、各工程を行うことにより、前記基板を前処理する前処理工程と、
前記前処理された基板が収容された処理室に第1の元素を含む第2処理ガスを供給する工程と、
前記処理室を排気する工程と、
前記処理室に第2の元素を含む第3の処理ガスを供給する工程と、
前記処理室を排気する工程と、
を含み、各工程を順に所定回数行うことにより、前記基板上に第1の膜を形成する第1の膜形成工程と、
前記第1の膜が形成された基板が収容された処理室に前記第1の元素を含む第4の処理ガスを供給する工程と、
前記処理室を排気する工程と、
前記処理室に前記第3の処理ガスを供給する工程と、
前記処理室を排気する工程と、
を含み、各工程を順に所定回数行うことにより、前記第1の膜の上に第2の膜を形成する第2の膜形成工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記第2の元素は窒素であり、前記第1の処理ガス及び前記第3の処理ガスは窒素含有ガスである請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の膜形成工程及び前記第2の膜形成工程では、前記第1の処理ガスを前記第3の処理ガスとして用いる請求項1もしくは請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記前処理工程、前記第1の膜形成工程及び前記第2の膜形成工程は、同一の処理室で行う請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記前処理工程、前記第1の膜形成工程及び前記第2の膜形成工程は、前記基板を同一の温度に加熱した状態で行う請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の膜形成工程の後、前記第2の膜が形成された基板を改質する改質工程を有し、
前記改質工程は、
前記第2の膜が形成された基板が収容された処理室に改質ガスを供給する工程と、
前記処理室を排気する工程と、
を含む請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2の元素は窒素であり、前記第1の処理ガス、前記第3の処理ガス及び前記改質ガスは窒素含有ガスである請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の膜形成工程、前記第2の膜形成工程及び前記改質工程では、前記第1の処理ガスを前記第3の処理ガス及び前記改質ガスとして用いる請求項6もしくは請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第3の処理ガスは前記第4の処理ガスより高い熱分解性を有する請求項1〜8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記前処理工程、前記第1の膜形成工程、前記第2の膜形成工程及び前記改質工程は、同一の処理室で行う請求項6〜9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記前処理工程、前記第1の膜形成工程、前記第2の膜形成工程及び改質工程は、前記基板を同一の温度に加熱した状態で行う請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記前処理とは、前記基板上の自然酸化膜除去もしくは前記基板上の汚染物除去のいずれかである請求項1〜11のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の膜形成工程は、前記第1の膜の膜厚が3Å以上となるまで各工程を繰り返し行う請求項1〜12のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 基板を収容する処理室と、
前記処理室に第1の処理ガス、第1の元素を含む第2の処理ガス、第2の元素を含む第3の処理ガス及び第1の元素を含む第4の処理ガスを供給するガス供給系と、
前記処理室を排気する排気系と、
基板が収容された処理室に前記第1の処理ガスを供給する処理と、前記処理室を排気する処理と、を含み、各処理を行うことにより、前記基板を前処理し、前記前処理された基板が収容された処理室に前記第2処理ガスを供給する処理と、前記処理室を排気する処理と、前記処理室に前記第3の処理ガスを供給する処理と、前記処理室を排気する処理と、を含み、各処理を順に所定回数行うことにより、前記基板上に第1の膜を形成する第1の膜形成処理と、前記第1の膜が形成された基板が収容された処理室に前記第4の処理ガスを供給する処理と、前記処理室を排気する処理と、前記処理室に前記第3の処理ガスを供給する処理と、前記処理室を排気する処理と、を含み、各処理を順に所定回数行うことにより、前記第1の膜の上に第2の膜を形成する第2の膜形成処理と、を行うよう前記ガス供給系、前記排気系を制御する制御部と、
を有する基板処理装置。
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