JP2018125416A - 半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
処理室内の基板に対して、少なくともSi−N結合およびSi−Cl結合を含む原料ガスと第1触媒ガスとを供給し、第1層を形成する工程と、
前記処理室内の前記原料ガスと前記第1触媒ガスとを排気系より排気する工程と、
前記処理室内の前記基板に対して、酸化ガスと第2触媒ガスとを供給し、前記第1層を改質して第2層を形成する工程と、
前記処理室内の前記酸化ガスと前記第2触媒ガスとを前記排気系より排気する工程と、
を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、少なくともSi、OおよびNを含む膜を形成する技術が提供される。
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図3を用いて説明する。
図1に示すように、処理炉202は加熱機構(温度調整部)としてのヒータ207を有する。ヒータ207は円筒形状であり、保持板に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ207は、ガスを熱で活性化(励起)させる活性化機構(励起部)としても機能する。
上述の基板処理装置を用い、半導体装置の製造工程の一工程として、基板としてのウエハ200上に膜を形成するシーケンス例について、図4(a)を用いて説明する。以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ121により制御される。
処理室201内のウエハ200に対して、HCDSNガスとピリジンガスとを供給し、第1層を形成するステップ1と、
処理室201内のHCDSNガスとピリジンガスとを排気系より排気するステップ2と、
処理室201内のウエハ200に対して、H2Oガスとピリジンガスとを供給し、第1層を改質して第2層を形成するステップ3と、
処理室201内のH2Oガスとピリジンガスとを排気系より排気するステップ4と、
を非同時に行うサイクルを所定回数(n回(nは1以上の整数))行うことで、ウエハ200上に、少なくともSi、OおよびNを含む膜として、シリコン酸窒化膜(SiON膜)を形成する。
複数枚のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)されると、シャッタ開閉機構115sによりシャッタ219sが移動させられて、マニホールド209の下端開口が開放される(シャッタオープン)。その後、図1に示すように、複数枚のウエハ200を支持したボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内へ搬入(ボートロード)される。この状態で、シールキャップ219は、Oリング220bを介してマニホールド209の下端をシールした状態となる。
処理室201内、すなわち、ウエハ200が存在する空間が所望の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ246によって処理室201内が真空排気(減圧排気)される。この際、処理室201内の圧力は圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ244がフィードバック制御される。また、処理室201内のウエハ200が所望の処理温度となるように、ヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電具合がフィードバック制御される。また、回転機構267によるウエハ200の回転を開始する。真空ポンプ246の稼働、ウエハ200の加熱および回転は、いずれも、少なくともウエハ200に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
その後、次のステップ1〜4を順次実行する。
このステップでは、処理室201内のウエハ200に対してHCDSNガスとピリジンガスとを、HCDSNガスに含まれるSi−N結合が切断されることなく保持される条件下で供給する。
HCDSNガス供給流量:1〜2000sccm、好ましくは10〜1000sccm
ピリジンガス供給流量:1〜2000sccm、好ましくは10〜1000sccm
N2ガス供給流量(ガス供給管毎):0〜10000sccm
各ガス供給時間:1〜100秒、好ましくは5〜60秒
が例示される。
第1層が形成された後、バルブ243a,243cを閉じ、処理室201内へのHCDSNガス、ピリジンガスの供給をそれぞれ停止する。そして、処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留するガス等を処理室201内から排除する。このとき、バルブ243d〜243fを開き、処理室201内へN2ガスを供給する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内がパージされる。
ステップ2が終了した後、処理室201内のウエハ200に対してH2Oガスとピリジンガスとを、第1層に含まれるSi−N結合が切断されることなく保持される条件下で供給する。このとき、排気系を開放した状態でH2Oガスとピリジンガスとを処理室201内へ供給し、H2Oガスとピリジンガスとの処理室201内への封じ込めを不実施とする。
H2Oガス供給流量:10〜10000sccm、好ましくは100〜1000sccm
処理圧力:50〜5000Pa、好ましくは100〜4000Pa
が例示される。他の処理条件は、例えばステップ1と同様な処理条件とする。
第2層が形成された後、バルブ243b,243cを閉じ、処理室201内へのH2Oガス、ピリジンガスの供給をそれぞれ停止する。そして、ステップ2と同様の処理手順により、処理室201内に残留するガス等を処理室201内から排除する。
上述したステップ1〜4を非同時に行うサイクルを1回以上(n回)行うことにより、ウエハ200上に、所定組成および所定膜厚のSiON膜を形成することができる。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。すなわち、1サイクルあたりに形成する第2層(SiON層)の厚さを所望の膜厚よりも小さくし、第2層を積層することで形成されるSiON膜の膜厚が所望の膜厚になるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すのが好ましい。
ウエハ200上に所望組成、所望膜厚の膜が形成されたら、ノズル249a〜249cのそれぞれからパージガスとしてのN2ガスを処理室201内へ供給し、排気管231から排気する。これにより、処理室201内がパージされ、処理室201内に残留するガスや反応副生成物が処理室201内から除去される(アフターパージ)。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降され、マニホールド209の下端が開口される。そして、処理済のウエハ200が、ボート217に支持された状態でマニホールド209の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)される。ボートアンロードの後は、シャッタ219sが移動させられ、マニホールド209の下端開口がOリング220cを介してシャッタ219sによりシールされる(シャッタクローズ)。処理済のウエハ200は、反応管203の外部に搬出された後、ボート217より取り出される(ウエハディスチャージ)。
本実施形態によれば、以下に示す1つ又は複数の効果が得られる。
本実施形態における成膜シーケンスは、以下に示す変形例のように変更することができる。
図4(b)や以下に示す成膜シーケンスのように、ステップ1では封じ込めを不実施とし、ステップ3でのみ封じ込めを実施するようにしてもよい。この場合、ステップ3での第1層の酸化を促すことができ、ウエハ200上に、OリッチなSiON膜を形成することが可能となる。
図4(c)や以下に示す成膜シーケンスのように、ステップ1,ステップ3の両方で封じ込めを実施するようにしてもよい。この場合、ステップ1においては第1層におけるNの濃度を高めることができ、ステップ3においては第1層の酸化を促すことができ、結果として、ウエハ200上に、NリッチかつOリッチなSiON膜を形成することが可能となる。
図5(a)に示すように、ステップ1においては、HCDSNガスおよびピリジンガスの供給を、排気系の閉塞期間の初期にのみ行うようにしてもよい。また、図5(b)に示すように、ステップ3においては、H2Oガスおよびピリジンガスの供給を、排気系の閉塞期間の初期にのみ行うようにしてもよい。また、図5(c)に示すように、図5(a)、図5(b)に示す成膜シーケンスを組み合わせてもよい。本変形例によっても、図4(a)に示す成膜シーケンスや上述の変形例と同様の効果が得られる。また、成膜反応に寄与することなく処理室201内から排出されてしまうガスの量をさらに削減し、成膜コストを一層低減させることも可能となる。
上述したように、原料ガスとして、HCDSNガスの他、NR(SiHxCly)2、NR2(SiHxCly)、N(SiHxClyRz)3、NH(SiHxClyRz)2およびNH2(SiHxClyRz)からなる群(但し、x+y+z=3、Rはアルキル基)より選択される少なくとも1つを含むガスを用いてもよい。すなわち、Si−N結合やSi−Cl結合だけでなく、Si−C結合やN−C結合を有するガスを用いてもよい。この場合、ウエハ200上に形成される第1層中に、Si−N結合の他、Si−C結合やN−C結合を添加することが可能となる。結果として、ウエハ200上に、Si、O、CおよびNを含む膜として、シリコン酸炭窒化膜(SiOCN膜)を形成することが可能となる。本変形例においては、ステップ1でのみ封じ込めを実施し、ステップ3では封じ込めを不実施とすることで、ウエハ200上にNおよびCリッチなSiOCN膜を形成することが可能となる。また、ステップ1では封じ込めを不実施とし、ステップ3でのみ封じ込めを実施することで、ウエハ200上にOリッチなSiOCN膜、或いは、OリッチなSiON膜を形成することが可能となる。また、ステップ1,3の両方で封じ込めを行うことで、ウエハ200上に、N、C、Oのそれぞれをリッチに含むSiOCN膜を形成することが可能となる。
ステップ1では、処理室201内のウエハ200に対して、Si−C結合およびSi−Cl結合を含む第2原料ガスをさらに供給するようにしてもよい。この場合、ウエハ200上に形成される第1層中に、Si−N結合の他、Si−C結合を添加することが可能となる。図4(a)に示す成膜シーケンスに対して本変形例を適用した場合、ウエハ200上に、SiOCN膜を形成することが可能となる。また、サイクルレートを高めることも可能となり、最終的に形成されるSiOCN膜の成膜レートを高めることも可能となる。
ステップ1では、処理室201内のウエハ200に対して、Si−Si結合およびSi−Cl結合を含む第3原料ガスをさらに供給するようにしてもよい。この場合、ウエハ200上に形成される第1層中に、Si−N結合の他、Si−Si結合を添加することが可能となる。図4(a)に示す成膜シーケンスに対して本変形例を適用した場合、ウエハ200上に形成される膜を、SiリッチなSiON膜とすることが可能となる。また、サイクルレートを高めることも可能となり、最終的に形成されるSiON膜の成膜レートを高めることも可能となる。
図4(a)に示す成膜シーケンスや上述の変形例を組み合わせ、化学組成の異なる2つ以上の膜を積層することで、ウエハ200上に、積層膜(スタック膜)を形成するようにしてもよい。
図4(a)に示す成膜シーケンスや上述の変形例を組み合わせ、上述した組成の異なる複数の膜をナノレベルの厚さで交互に積層することで、ウエハ200上に、ナノレベルの積層膜(ナノラミネート膜)を形成するようにしてもよい。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
処理室内の基板に対して、少なくともSi−N結合およびSi−Cl結合を含む原料ガスと第1触媒ガスとを供給し、第1層を形成する工程と、
前記処理室内の前記原料ガスと前記第1触媒ガスとを排気系より排気する工程と、
前記処理室内の前記基板に対して、酸化ガスと第2触媒ガスとを供給し、前記第1層を改質して第2層を形成する工程と、
前記処理室内の前記酸化ガスと前記第2触媒ガスとを前記排気系より排気する工程と、
を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、少なくともSi、OおよびNを含む膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法、または、基板処理方法が提供される。
付記1に記載の方法であって、好ましくは、
前記第1層を形成する工程では、前記原料ガスに含まれるSi−N結合を切断することなく保持し、前記第1層中にそのまま取り込ませる。
付記2に記載の方法であって、好ましくは、
前記第2層を形成する工程では、前記第1層に含まれるSi−N結合を切断することなく保持し、前記第2層中にそのまま取り込ませる。
付記1〜3のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、
前記サイクルを前記所定回数行う際の少なくとも特定のサイクルでは、前記第1層を形成する工程および前記第2層を形成する工程のうち少なくともいずれかにおいて、前記排気系を閉塞した状態で前記各ガスを前記処理室内へ供給して封じ込める。
付記4に記載の方法であって、好ましくは、
前記少なくとも特定のサイクルでは、前記第1層を形成する工程において、前記排気系を閉塞した状態で前記原料ガスと前記第1触媒ガスとを前記処理室内へ供給して封じ込める。これにより、前記第1層におけるNの濃度を、前記封じ込めを行わない場合のそれよりも高くする。好ましくは、前記原料ガスと前記第1触媒ガスとを前記処理室内へ封じ込める時間を調整することにより、前記第1層におけるNの濃度を微調整する。
付記4または5に記載の方法であって、好ましくは、
前記少なくとも特定のサイクルでは、前記第2層を形成する工程において、前記排気系を閉塞した状態で前記酸化ガスと前記第2触媒ガスとを前記処理室内へ供給して封じ込める。これにより、前記第2層におけるOの濃度を、前記封じ込めを行わない場合のそれよりも高くする。好ましくは、前記酸化ガスと前記第2触媒ガスとを前記処理室内へ封じ込める時間を調整することにより、前記第2層におけるOの濃度を微調整する。
付記1〜6のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、
前記原料ガスは、NH(SiCl3)2、NR(SiHxCly)2、NR2(SiHxCly)、N(SiHxClyRz)3、NH(SiHxClyRz)2およびNH2(SiHxClyRz)からなる群(但し、x+y+z=3、Rはアルキル基)より選択される少なくとも1つを含む。
付記1〜7のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、
前記原料ガスはSi−N−Si結合を含む。
付記1〜8のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、
前記酸化ガスは、H2O、H2O2、O3およびO2からなる群より選択される少なくとも1つを含む。
付記1〜9のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、
前記酸化ガスはO−H結合(OH基)を含む。
付記1〜10のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、
前記触媒ガスは、ピリジン、アミノピリジン、ピコリン、ルチジン、ピペラジン、ピペリジン、トリエチルアミン、ジエチルアミン、モノエチルアミン、トリメチルアミン、ジメチルアミン、モノメチルアミン、アンモニアからなる群より選択される少なくとも1つを含む。
付記1〜11のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、
前記第1層を形成する工程では、前記処理室内の前記基板に対してSi−C結合およびSi−Cl結合を含む第2原料ガスをさらに供給する。
付記1〜12のいずれかに記載の方法であって、好ましくは、
前記第1層を形成する工程では、前記処理室内の前記基板に対してSi−Si結合およびSi−Cl結合を含む第3原料ガスをさらに供給する。
本発明の他の態様によれば、
基板を収容する処理室と、
前記処理室内の基板に対して少なくともSi−N結合およびSi−Cl結合を含む原料ガスを供給する第1供給系と、
前記処理室内の基板に対して酸化ガスを供給する第2供給系と、
前記処理室内の基板に対して触媒ガスを供給する第3供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
付記1の処理を行わせるように、前記第1供給系、前記第2供給系、前記第3供給系および前記排気系を制御するよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板処理装置の処理室内の基板に対して、付記1の手順をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラム、または、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
Claims (5)
- 処理室内の基板に対して、少なくともSi−N結合およびSi−Cl結合を含む原料ガスと第1触媒ガスとを供給し、第1層を形成する工程と、
前記処理室内の前記原料ガスと前記第1触媒ガスとを排気系より排気する工程と、
前記処理室内の前記基板に対して、酸化ガスと第2触媒ガスとを供給し、前記第1層を改質して第2層を形成する工程と、
前記処理室内の前記酸化ガスと前記第2触媒ガスとを前記排気系より排気する工程と、
を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、少なくともSi、OおよびNを含む膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法。 - 前記第1層を形成する工程では、前記原料ガスに含まれるSi−N結合を切断することなく保持し、前記第1層中にそのまま取り込ませる請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2層を形成する工程では、前記第1層に含まれるSi−N結合を切断することなく保持し、前記第2層中にそのまま取り込ませる請求項2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、
前記処理室内の基板に対して原料ガスを供給する第1供給系と、
前記処理室内の基板に対して酸化ガスを供給する第2供給系と、
前記処理室内の基板に対して触媒ガスを供給する第3供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
前記処理室内の基板に対して、少なくともSi−N結合およびSi−Cl結合を含む原料ガスと第1触媒ガスとを供給し、第1層を形成する処理と、前記処理室内の前記原料ガスと前記第1触媒ガスとを前記排気系より排気する処理と、前記処理室内の前記基板に対して、酸化ガスと第2触媒ガスとを供給し、前記第1層を改質して第2層を形成する処理と、前記処理室内の前記酸化ガスと前記第2触媒ガスとを前記排気系より排気する処理と、を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、少なくともSi、OおよびNを含む膜を形成する処理
を行わせるように、前記第1供給系、前記第2供給系、前記第3供給系および前記排気系を制御するよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置。 - 基板処理装置の処理室内の基板に対して、少なくともSi−N結合およびSi−Cl結合を含む原料ガスと第1触媒ガスとを供給し、第1層を形成する手順と、
前記処理室内の前記原料ガスと前記第1触媒ガスとを排気系より排気する手順と、
前記処理室内の前記基板に対して、酸化ガスと第2触媒ガスとを供給し、前記第1層を改質して第2層を形成する手順と、
前記処理室内の前記酸化ガスと前記第2触媒ガスとを前記排気系より排気する手順と、
を非同時に行うサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に、少なくともSi、OおよびNを含む膜を形成する手順をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラム。
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