JP2020143333A - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム Download PDF

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進 西浦
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Masashi Sugishita
雅士 杉下
政哉 西田
Masaya Nishida
政哉 西田
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Abstract

【課題】基板上に形成される膜厚をバッチ処理間において均一にすることが可能な技術を提供する。【解決手段】基板を収容する処理室と、処理室内を加熱する加熱部と、設定されたプロセスパラメータに基づいて基板上に膜を形成することが可能なよう制御する制御部と、処理室内に付着する膜厚を算出する算出部と、算出部により算出された膜厚の累積値を累積膜厚として記憶する記憶部と、を備え、制御部は、記憶部に記憶された累積膜厚に応じて、プロセスパラメータの温度以外の設定値を決定することが可能なように構成される。【選択図】図８

Description

本開示は、基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。
加熱装置により反応炉内を加熱制御して基板上に膜を形成することが行なわれている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−１０９９０６号公報
上述のような反応炉内には、基板処理を行うバッチ処理回数が増えるにつれて反応炉内の内壁面や反応炉内に設置された温度検出器等にも膜が付着して累積される。この反応炉内に付着して累積された膜によって、同じ設定値でバッチ処理を行っても、形成される膜の膜厚がバッチ処理間で異なってしまうことがある。
本開示は、基板上に形成される膜厚をバッチ処理間において均一にすることが可能な技術を提供することを目的とする。
本開示の一態様によれば、
基板を収容する処理室と、
処理室内を加熱する加熱部と、
設定されたプロセスパラメータに基づいて基板上に膜を形成することが可能なよう制御する制御部と、
処理室内に付着する膜厚を算出する算出部と、
算出部により算出された膜厚の累積値を累積膜厚として記憶する記憶部と、を備え、
制御部は、記憶部に記憶された累積膜厚に応じて、プロセスパラメータの温度以外の設定値を決定することが可能なよう構成される技術が提供される。
本開示によれば、基板上に形成される膜厚をバッチ処理間において均一にすることができる。
本開示の一実施形態における基板処理装置の縦型処理炉の概略を示す縦断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線概略横断面図である。 本開示の一実施形態における基板処理装置のコントローラの概略構成図であり、コントローラの制御系をブロック図で示す図である。 本開示の一実施形態における基板処理装置の動作を示すフロー図である。 比較例における処理室内累積膜厚とバッチ処理毎の基板上に形成される膜の膜厚との関係を示す図である。 記憶装置に記憶されるデータの一例を示す図である。 記憶装置に記憶されるデータの一例を示す図である。 本開示の一実施形態における処理室内累積膜厚とバッチ処理毎の基板上に形成される膜の膜厚との関係を比較例と比較して示す図である。 第２の実施形態における基板処理装置の動作を示すフロー図である。
＜本開示の一実施形態＞
以下、本開示の一実施形態について説明する。基板処理装置１０は半導体装置の製造工程において使用される装置の一例として構成されている。
（１）基板処理装置の構成
基板処理装置１０は、加熱部（加熱手段、加熱機構、加熱系）としてのヒータ２０７が設けられた処理炉２０２を備える。ヒータ２０７は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース（図示せず）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の内側には、ヒータ２０７と同心円状に反応容器（処理容器）を構成する反応管であるアウタチューブ２０３が配設されている。アウタチューブ２０３は、例えば石英（ＳｉＯ2）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの耐熱性材料で構成され、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。アウタチューブ２０３の下方には、アウタチューブ２０３と同心円状に、マニホールド（インレットフランジ）２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属で構成され、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド２０９の上端部と、アウタチューブ２０３との間には、シール部材としてのＯリング２２０ａが設けられている。マニホールド２０９がヒータベースに支持されることにより、アウタチューブ２０３は垂直に据え付けられた状態となる。
アウタチューブ２０３の内側には、反応容器を構成するインナチューブ２０４が配設されている。インナチューブ２０４は、例えば石英（ＳｉＯ2）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの耐熱性材料で構成され、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。主に、アウタチューブ２０３と、インナチューブ２０４と、マニホールド２０９とにより処理容器（反応容器）が構成されている。処理容器の筒中空部（インナチューブ２０４の内側）には処理室２０１が形成されている。
処理室２０１は、基板としてのウエハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で鉛直方向に多段に配列した状態で収容可能に構成されている。また、処理室２０１内はヒータ２０７により加熱される。
処理室２０１内には、ノズル４１０，４２０がマニホールド２０９の側壁及びインナチューブ２０４を貫通するように設けられている。ノズル４１０，４２０には、ガス供給ラインとしてのガス供給管３１０，３２０が、それぞれ接続されている。このように、基板処理装置１０には２本のノズル４１０，４２０と、２本のガス供給管３１０，３２０とが設けられており、処理室２０１内へ複数種類のガスを供給することができるように構成されている。ただし、本実施形態の処理炉２０２は上述の形態に限定されない。
ガス供給管３１０，３２０には上流側から順に流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３１２，３２２がそれぞれ設けられている。また、ガス供給管３１０，３２０には、開閉弁であるバルブ３１４，３２４がそれぞれ設けられている。ガス供給管３１０，３２０のバルブ３１４，３２４の下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管５１０，５２０がそれぞれ接続されている。ガス供給管５１０，５２０には、上流側から順に、流量制御器（流量制御部）であるＭＦＣ５１２，５２２及び開閉弁であるバルブ５１４，５２４がそれぞれ設けられている。
ガス供給管３１０，３２０の先端部にはノズル４１０，４２０がそれぞれ連結接続されている。ノズル４１０，４２０は、Ｌ字型のノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド２０９の側壁及びインナチューブ２０４を貫通するように設けられている。ノズル４１０，４２０の垂直部は、インナチューブ２０４の径方向外向きに突出し、かつ鉛直方向に延在するように形成されているチャンネル形状（溝形状）の予備室２０１ａの内部に設けられており、予備室２０１ａ内にてインナチューブ２０４の内壁に沿って上方（ウエハ２００の配列方向上方）に向かって設けられている。
ノズル４１０，４２０は、処理室２０１の下部領域から処理室２０１の上部領域まで延在するように設けられており、ウエハ２００と対向する位置にそれぞれ複数のガス供給孔４１０ａ，４２０ａが設けられている。これにより、ノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａからそれぞれウエハ２００に処理ガスを供給する。このガス供給孔４１０ａ，４２０ａは、インナチューブ２０４の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同一の開口ピッチで設けられている。ただし、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａは上述の形態に限定されない。例えば、インナチューブ２０４の下部から上部に向かって開口面積を徐々に大きくしてもよい。これにより、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａから供給されるガスの流量をより均一化することが可能となる。
ノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａは、後述するボート２１７の下部から上部までの高さの位置に複数設けられている。そのため、ノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａから処理室２０１内に供給された処理ガスは、ボート２１７の下部から上部までに収容されたウエハ２００、すなわちボート２１７に収容されたウエハ２００の全域に供給される。ノズル４１０，４２０は、処理室２０１の下部領域から上部領域まで延在するように設けられていればよいが、ボート２１７の天井付近まで延在するように設けられていることが好ましい。
ガス供給管３１０からは、処理ガスとして、金属元素を含む原料ガス（金属含有ガス、原料ガス）が、ＭＦＣ３１２、バルブ３１４、ノズル４１０を介して処理室２０１内に供給される。原料としては、例えば金属元素としてのチタン（Ｔｉ）を含み、ハロゲン系原料（ハロゲン化物、ハロゲン系チタン原料とも称する）としての四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）が用いられる。
ガス供給管３２０からは、処理ガスとして、反応ガスが、ＭＦＣ３２２、バルブ３２４、ノズル４２０を介して処理室２０１内に供給される。反応ガスとしては、例えば窒素（Ｎ）を含むＮ含有ガスとしての例えばアンモニア（ＮＨ3）ガスを用いることができる。ＮＨ3は窒化・還元剤（窒化・還元ガス）として作用する。
ガス供給管５１０，５２０からは、不活性ガスとして、例えば窒素（Ｎ2）ガスが、それぞれＭＦＣ５１２，５２２、バルブ５１４，５２４、ノズル４１０，４２０を介して処理室２０１内に供給される。なお、以下、不活性ガスとしてＮ2ガスを用いる例について説明するが、不活性ガスとしては、Ｎ2ガス以外に、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスを用いてもよい。
主に、ガス供給管３１０，３２０、ＭＦＣ３１２，３２２、バルブ３１４，３２４、ノズル４１０，４２０により処理ガス供給系が構成されるが、ノズル４１０，４２０のみを処理ガス供給系と考えてもよい。処理ガス供給系を、単に、ガス供給系と称することもできる。ガス供給管３１０から原料ガスを流す場合、主に、ガス供給管３１０、ＭＦＣ３１２、バルブ３１４により原料ガス供給系が構成されるが、ノズル４１０を原料ガス供給系に含めて考えてもよい。また、原料ガス供給系を原料供給系と称することもできる。原料ガスとして金属含有原料ガスを用いる場合、原料ガス供給系を金属含有原料ガス供給系と称することもできる。ガス供給管３２０から反応ガスを流す場合、主に、ガス供給管３２０、ＭＦＣ３２２、バルブ３２４により反応ガス供給系が構成されるが、ノズル４２０を反応ガス供給系に含めて考えてもよい。ガス供給管３２０から反応ガスとして窒素含有ガスを供給する場合、反応ガス供給系を窒素含有ガス供給系と称することもできる。また、主に、ガス供給管５１０，５２０、ＭＦＣ５１２，５２２、バルブ５１４，５２４により不活性ガス供給系が構成される。不活性ガス供給系を、パージガス供給系、希釈ガス供給系、或いは、キャリアガス供給系と称することもできる。
本実施形態におけるガス供給の方法は、インナチューブ２０４の内壁と、複数枚のウエハ２００の端部とで定義される円環状の縦長の空間内、すなわち、円筒状の空間内の予備室２０１ａ内に配置したノズル４１０，４２０を経由してガスを搬送している。そして、ノズル４１０，４２０のウエハと対向する位置に設けられた複数のガス供給孔４１０ａ，４２０ａからインナチューブ２０４内にガスを噴出させている。より詳細には、ノズル４１０のガス供給孔４１０ａ及びノズル４２０のガス供給孔４２０ａにより、ウエハ２００の表面と平行方向、すなわち水平方向に向かって原料ガス等を噴出させている。
排気孔（排気口）２０４ａは、インナチューブ２０４の側壁であってノズル４１０，４２０に対向した位置、すなわち予備室２０１ａとは１８０度反対側の位置に形成された貫通孔であり、例えば、鉛直方向に細長く開設されたスリット状の貫通孔である。そのため、ノズル４１０，４２０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａから処理室２０１内に供給され、ウエハ２００の表面上を流れたガス、すなわち、残留するガス（残ガス）は、排気孔２０４ａを介してインナチューブ２０４とアウタチューブ２０３との間に形成された隙間で構成される排気路２０６内に流れる。そして、排気路２０６内へと流れたガスは、排気管２３１内に流れ、処理炉２０２外へと排出される。
排気孔２０４ａは、複数のウエハ２００と対向する位置（好ましくはボート２１７の上部から下部と対向する位置）に設けられており、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａから処理室２０１内のウエハ２００の近傍に供給されたガスは、水平方向、すなわちウエハ２００の表面と平行方向に向かって流れた後、排気孔２０４ａを介して排気路２０６内へと流れる。すなわち、処理室２０１に残留するガスは、排気孔２０４ａを介してウエハ２００の主面に対して平行に排気される。なお、排気孔２０４ａはスリット状の貫通孔として構成される場合に限らず、複数個の孔により構成されていてもよい。
マニホールド２０９には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。排気管２３１には、上流側から順に、処理室２０１内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部）としての圧力センサ２４５，ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２４３，真空排気装置としての真空ポンプ２４６が接続されている。ＡＰＣバルブ２４３は、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室２０１内の真空排気及び真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ２４６を作動させた状態で弁開度を調節することで、処理室２０１内の圧力を調整することができる。主に、排気孔２０４ａ，排気路２０６，排気管２３１，ＡＰＣバルブ２４３及び圧力センサ２４５により、排気系すなわち排気ラインが構成される。なお、真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。
マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９は、マニホールド２０９の下端に鉛直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ２１９は、例えばＳＵＳ等の金属で構成され、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｂが設けられている。シールキャップ２１９における処理室２０１の反対側には、ウエハ２００を収容するボート２１７を回転させる回転機構２６７が設置されている。回転機構２６７の回転軸２５５は、シールキャップ２１９を貫通してボート２１７に接続されている。回転機構２６７は、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９は、アウタチューブ２０３の外部に垂直に設置された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって鉛直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ１１５は、シールキャップ２１９を昇降させることで、ボート２１７を処理室２０１内外に搬入及び搬出することが可能なように構成されている。ボートエレベータ１１５は、ボート２１７及びボート２１７に収容されたウエハ２００を、処理室２０１内外に搬送する搬送装置（搬送機構）として構成されている。
基板支持具としてのボート２１７は、複数枚、例えば２５〜２００枚のウエハ２００を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で鉛直方向に整列させて多段に支持するように、すなわち、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート２１７は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で構成される。ボート２１７の下部には、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で構成される断熱板２１８が水平姿勢で多段（図示せず）に支持されている。この構成により、ヒータ２０７からの熱がシールキャップ２１９側に伝わりにくくなっている。ただし、本実施形態は上述の形態に限定されない。例えば、ボート２１７の下部に断熱板２１８を設けずに、石英やＳｉＣ等の耐熱性材料で構成される筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。
図２に示すように、インナチューブ２０４内には温度検出器としての温度センサ２６３が設置されており、温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータ２０７への通電量を調整することで、処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。温度センサ２６３は、ノズル４１０，４２０と同様にＬ字型に構成されており、インナチューブ２０４の内壁に沿って設けられている。
図３に示すように、制御部（制御手段）であるコントローラ１２１は、演算部（算出部）としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２１ｂ、記憶部である記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、内部バスを介して、ＣＰＵ１２１ａとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ１２１には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置１２２が接続されている。
記憶装置１２１ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置１２１ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラム、後述する半導体装置の製造方法の手順や条件などが記載されたプロセスレシピなどが、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する半導体装置の製造方法における各工程（各ステップ）をコントローラ１２１に実行させ、所定の結果を得ることができるように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピ、制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、プロセスレシピ及び制御プログラムの組み合わせを含む場合がある。ＲＡＭ１２１ｂは、ＣＰＵ１２１ａによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、上述のＭＦＣ３１２，３２２，５１２，５２２、バルブ３１４，３２４，５１４，５２４、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２４３、真空ポンプ２４６、ヒータ２０７、温度センサ２６３、回転機構２６７、ボートエレベータ１１５等に接続されている。
ＣＰＵ１２１ａは、記憶装置１２１ｃから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置１２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置１２１ｃからレシピ等を読み出すように構成されている。ＣＰＵ１２１ａは、読み出したレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ３１２，３２２，５１２，５２２による各種ガスの流量調整動作、バルブ３１４，３２４，５１４，５２４の開閉動作、ＡＰＣバルブ２４３の開閉動作及びＡＰＣバルブ２４３による圧力センサ２４５に基づく圧力調整動作、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、真空ポンプ２４６の起動及び停止、回転機構２６７によるボート２１７の回転及び回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５によるボート２１７の昇降動作、ボート２１７へのウエハ２００の収容動作等を制御するように構成されている。また、後述の、膜厚や、膜厚の累積値（累計膜厚）の算出や、処理室内累積膜厚に応じたプロセスパラメータを決定するための計算式の演算、等を演算可能に構成されている。
コントローラ１２１は、外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）１２３に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置１２１ｃや外部記憶装置１２３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体は、記憶装置１２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置１２３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置１２３を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。
（２）基板処理工程（成膜工程）
半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、ウエハ２００上に、例えばゲート電極を構成する金属膜を形成する工程の一例について、図４を用いて説明する。金属膜を形成する工程は、上述した基板処理装置１０の処理炉２０２を用いて実行される。以下の説明において、基板処理装置１０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。また、図４に示す一連の処理が、１回のバッチ処理である。
なお、本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体（集合体）」を意味する場合（すなわち、表面に形成された所定の層や膜等を含めてウエハと称する場合）がある。また、本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面（露出面）」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。なお、本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
（ウエハ搬入）
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、図１に示されているように、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内に搬入（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２２０を介してアウタチューブ２０３の下端開口を閉塞した状態となる。
（圧力調整および温度調整）
処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気される。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２４３がフィードバック制御される（圧力調整）。真空ポンプ２４６は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室２０１内が所望の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への通電量がフィードバック制御される（温度調整）。ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
［ＴｉＮ膜形成工程］
続いて、金属膜として例えば金属窒化膜であるＴｉＮ膜を形成するステップを実行する。
（ＴｉＣｌ4ガス供給 ステップＳ１０）
バルブ３１４を開き、ガス供給管３１０内に原料ガスであるＴｉＣｌ4ガスを流す。ＴｉＣｌ4ガスは、ＭＦＣ３１２により流量調整され、ノズル４１０のガス供給孔４１０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ウエハ２００に対してＴｉＣｌ4ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ５１４を開き、ガス供給管５１０内にＮ2ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管５１０内を流れたＮ2ガスは、ＭＦＣ５１２により流量調整され、ＴｉＣｌ4ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。なお、このとき、ノズル４２０内へのＴｉＣｌ4ガスの侵入を防止するために、バルブ５２４を開き、ガス供給管５２０内にＮ2ガスを流す。Ｎ2ガスは、ガス供給管３２０、ノズル４２０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
このときＡＰＣバルブ２４３を調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば０．１〜６６５０Ｐａの範囲内の圧力とする。ＭＦＣ３１２で制御するＴｉＣｌ4ガスの供給流量は、例えば０．１〜２ｓｌｍの範囲内の流量とする。ＭＦＣ５１２，５２２で制御するＮ2ガスの供給流量は、それぞれ例えば０．１〜３０ｓｌｍの範囲内の流量とする。ＴｉＣｌ4ガスをウエハ２００に対して供給する時間は、例えば０．０１〜２０秒の範囲内の時間とする。このときヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば２５０〜５５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。
処理室２０１内に流しているガスはＴｉＣｌ4ガスとＮ2ガスのみであり、ＴｉＣｌ4ガスの供給により、ウエハ２００（表面の下地膜）上に、例えば１原子層未満から数原子層程度の厚さのＴｉ含有層が形成される。Ｔｉ含有層は、Ｃｌを含むＴｉ層であってもよいし、ＴｉＣｌ4の吸着層であってもよいし、それらの両方を含んでいてもよい。ここで、１原子層未満の厚さの層とは不連続に形成される原子層のことを意味しており、１原子層の厚さの層とは連続的に形成される原子層のことを意味している。この点は後述の例についても同様である。
（残留ガス除去 ステップＳ１１）
Ｔｉ含有層が形成された後、バルブ３１４を閉じ、ＴｉＣｌ4ガスの供給を停止する。このとき、排気管２３１のＡＰＣバルブ２４３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Ｔｉ含有層形成に寄与した後のＴｉＣｌ4ガスを処理室２０１内から排除する。このときバルブ５１４，５２４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。Ｎ2ガスはパージガスとして作用し、処理室２０１内に残留する未反応もしくはＴｉ含有層形成に寄与した後のＴｉＣｌ4ガスを処理室２０１内から排除する効果を高めることができる。
（ＮＨ3ガス供給 ステップＳ１２）
処理室２０１内の残留ガスを除去した後、バルブ３２４を開き、ガス供給管３２０内に、反応ガスとしてＮ含有ガスであるＮＨ3ガスを流す。ＮＨ3ガスは、ＭＦＣ３２２により流量調整され、ノズル４２０のガス供給孔４２０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このときウエハ２００に対して、ＮＨ3ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ５２４を開き、ガス供給管５２０内にＮ2ガスを流す。ガス供給管５２０内を流れたＮ2ガスは、ＭＦＣ５２２により流量調整される。Ｎ2ガスはＮＨ3ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ノズル４１０内へのＮＨ3ガスの侵入を防止するために、バルブ５１４を開き、ガス供給管５１０内にＮ2ガスを流す。Ｎ2ガスは、ガス供給管３１０、ノズル４１０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
ＮＨ3ガスを流すときは、ＡＰＣバルブ２４３を調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば０．１〜６６５０Ｐａの範囲内の圧力とする。ＭＦＣ３２２で制御するＮＨ3ガスの供給流量は、例えば０．１〜２０ｓｌｍの範囲内の流量とする。ＭＦＣ５１２，５２２で制御するＮ2ガスの供給流量は、それぞれ例えば０．１〜３０ｓｌｍの範囲内の流量とする。ＮＨ3ガスをウエハ２００に対して供給する時間は、例えば０．０１〜３０秒の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ＴｉＣｌ4ガス供給ステップと同様の温度に設定する。
このとき処理室２０１内に流しているガスは、ＮＨ3ガスとＮ2ガスのみである。ＮＨ3ガスは、ＴｉＣｌ4ガス供給ステップでウエハ２００上に形成されたＴｉ含有層の少なくとも一部と置換反応する。置換反応の際には、Ｔｉ含有層に含まれるＴｉとＮＨ3ガスに含まれるＮとが結合して、ウエハ２００上にＴｉとＮとを含むＴｉＮ層が形成される。
（残留ガス除去 ステップＳ１３）
ＴｉＮ層を形成した後、バルブ３２４を閉じて、ＮＨ3ガスの供給を停止する。そして、ステップＳ１１と同様の処理手順により、処理室２０１内に残留する未反応もしくはＴｉＮ層の形成に寄与した後のＮＨ3ガスや反応副生成物を処理室２０１内から排除する。
（所定回数実施）
上記したステップＳ１０〜ステップＳ１３を順に行うサイクルを１回以上（所定回数（ｎ回））行うことにより、ウエハ２００上に、所定の厚さ（例えば０．１〜２ｎｍ）のＴｉＮ膜を形成する。上述のサイクルは、複数回であって例えば２００回程度繰り返すのが好ましい。ここで、上述のサイクルのように、１つのサイクルを繰り返した回数をサイクル数とする。
（アフターパージおよび大気圧復帰）
ガス供給管５１０，５２０のそれぞれからＮ2ガスを処理室２０１内へ供給し、排気管２３１から排気する。Ｎ2ガスはパージガスとして作用し、これにより処理室２０１内が不活性ガスでパージされ、処理室２０１内に残留するガスや副生成物が処理室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）。
（ウエハ搬出）
その後、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降されて、アウタチューブ２０３の下端が開口される。そして、処理済ウエハ２００がボート２１７に支持された状態でアウタチューブ２０３の下端からアウタチューブ２０３の外部に搬出（ボートアンロード）される。その後、処理済のウエハ２００は、ボート２１７より取り出される（ウエハディスチャージ）。
（３）コントローラ１２１のパラメータ制御
次に、本実施形態におけるコントローラ１２１のパラメータ制御について説明する。
図５は、比較例として、成膜温度やサイクル数等のプロセスパラメータを一定にしてバッチ処理を複数回行った場合の処理室２０１内に付着して累積される累積膜厚（以下、処理室内累積膜厚と記す）と１バッチ処理毎にウエハ２００上に形成されたＴｉＮ膜の膜厚の関係を示す図である。ここで、処理室内累積膜厚は、バッチ処理毎のウエハ２００上に形成される膜の膜厚の累積値である。
具体的には、図５に示すように、処理室２０１内に予め１０ｎｍのコーティング膜が形成された反応容器を用いて、１バッチ処理におけるサイクル数を２００サイクルとして５ｎｍのＴｉＮ膜が形成されるようなサイクルを行うと、１回目〜６回目のバッチ処理の処理室内累積膜厚が３５ｎｍ以下の処理室内累積膜厚が薄い時期においては、ウエハ２００上に形成されるＴｉＮ膜の膜厚は、バッチ処理回数が増える毎に（処理室内累積膜厚が増える毎に）増加する（膜厚上昇期）。これは、処理室２０１内であるインナチューブ２０４の内壁面や温度センサ２６３等へＴｉＮ膜が付着し、付着したＴｉＮ膜の累積膜厚の増加によって、ヒータ２０７からの輻射熱の透過率が減少していくことにより、処理室２０１内の温度センサ２６３へのエネルギー伝達が遅れ、その結果温度オーバーシュート量が変化し、次のバッチ処理開始時の温度を増加させてしまうためである。
発生した温度オーバーシュートは、温度安定時間を十分に長く設定しているレシピでは、その影響を許容することができるが、生産性を重視し、温度安定時間を短く設定しているレシピでは、バッチ処理間の膜厚変化を引き起こすこととなる。
また、図５に示すように、７回目以降のバッチ処理の処理室内累積膜厚が４０ｎｍより厚くなり、ある一定の膜厚に達すると、ウエハ２００上に形成されるＴｉＮ膜の膜厚は、バッチ処理が増える毎に増加しないで安定する（膜厚安定期）。これは、処理室内累積膜厚がある一定の膜厚に達することで、ヒータ２０７からの輻射熱の透過率が処理室内累積膜厚に依存せず一定になり、温度オーバーシュート量が変化しないで一定となるためである。つまり、処理室内累積膜厚がある一定の膜厚に達することで、ウエハ上に形成される膜の膜厚も安定することとなる。
ここで、ドライクリーニング等のメンテナンス後、バッチ処理を開始する前に処理室２０１内に十分な膜厚のコーティング膜を形成するようにしてもよいが、ＴｉＮ膜のように成膜速度が遅いプロセスでは、十分な膜厚のコーティング膜を形成するために時間を要するため、装置のダウンタイムが長時間となる。また、十分な膜厚のコーティング膜を形成した場合に、ドライクリーニング等のメンテナンスリミット膜厚までの期間が短くなり、生産寄与時間が短くなる。つまり、生産性が著しく損なわれるため現実的でない。
そこで、本実施形態では、あるバッチ処理の開始時（ＲＵＮ開始時）に、そのバッチ処理開始時点における処理室内累積膜厚に応じたサイクル数等のプロセスパラメータを決定して、決定されたプロセスパラメータを用いてそのバッチ処理を実行する。
具体的には、処理室内累積膜厚は、バッチ処理毎のウエハ上に形成される膜の膜厚が順次加算されて算出される。そして、加算して算出された膜厚の累積値が処理室内累積膜厚として記憶装置１２１ｃに記憶される。
具体的には、処理室２０１内に予め１０ｎｍのコーティング膜が形成された反応容器を用いて、１バッチ処理におけるサイクル数を２００サイクルとして５ｎｍのＴｉＮ膜が形成されるようなサイクルを行うと、１回目のバッチ処理の処理室内累積膜厚は１０ｎｍ、２回目のバッチ処理の処理室内累積膜厚は１５ｎｍ、３回目のバッチ処理の処理室内累積膜厚は２０ｎｍ等のように、ＣＰＵ１２１ａは、１バッチ処理毎に形成される膜厚の累積値を算出し、算出された累積値を処理室内累積膜厚として記憶装置１２１ｃに記憶する。
また、例えば図６に示すようなプロセスレシピ毎のサイクル数の補正テーブルが予め記憶装置１２１ｃに記憶されている。つまり、処理室内累積膜厚に応じて決定するプロセスパラメータの一例であるサイクル数がプロセスレシピ毎に記憶装置１２１ｃに記憶されている。
本実施形態のように、処理室内累積膜厚が増加するほど、ウエハ２００上に形成される膜の膜厚が増加する膜種を形成する場合には、図６に示すような処理室内累積膜厚が増加するほどサイクル数を減らすような補正テーブルを用いる。また、補正テーブルの代わりに、処理室内累積膜厚に応じたプロセスパラメータを決定するための計算式がプロセスレシピ毎に記憶装置１２１ｃに記憶されるようにしてもよい。つまり、プロセスレシピのウエハ２００上に形成される設定膜厚に応じてサイクル数は決定され、処理室内累積膜厚に応じてサイクル数が変更される。なお、ガス供給時間に応じてサイクル数が決定されるようにしてもよい。
また、例えば図７に示すようなプロセスレシピ毎の成膜レートの補正テーブルが予め記憶装置１２１ｃに記憶されている。つまり、処理温度に応じた成膜レートがプロセスレシピ毎に記憶装置１２１ｃに記憶される。つまり、プロセスレシピに応じて、処理温度に応じた成膜レートが決定され、１サイクル毎の膜厚が決定される。
具体的には、例えば処理温度３８０℃未満におけるＴｉＮ膜の成膜レートを０．０２５ｎｍ／サイクルとすると、１バッチ処理２００サイクル繰り返すことにより５ｎｍのＴｉＮ膜が形成されることとなる。また、処理温度３８０℃以上４８０℃未満における成膜レートを０．０３５ｎｍ／サイクルとすると、１バッチ処理２００サイクル繰り返すことにより７ｎｍのＴｉＮ膜が形成されることとなる。また、４８０℃以上５８０℃未満における成膜レートを０．０４５ｎｍ／サイクルとすると、１バッチ処理２００サイクル繰り返すことにより９ｎｍのＴｉＮ膜が形成されることとなる。
すなわち、図７に示すような処理温度に応じた成膜レートを記憶装置１２１ｃに記憶しておくことにより、処理室内累積膜厚を算出することができ、処理室内累積膜厚に応じてプロセスパラメータを変更することもできる。なお、外乱等の装置環境に応じて、±０．０５ｎｍ、±５０℃変化する場合もある。
つまり、コントローラ１２１は、バッチ処理開始時に、図６や図７に示すような予め用意された補正テーブル又は計算式を用いてサイクル数等のプロセスパラメータの設定値を決定する。
つまり、コントローラ１２１は、バッチ処理毎に、処理室内累積膜厚に応じて、プロセスパラメータの設定値を決定する。そして、処理室内累積膜厚に応じて決定されたサイクル数等のプロセスパラメータを用いてウエハ２００上にＴｉＮ膜を形成するよう制御する。
具体的には、図５に示すような処理室内累積膜厚の薄い領域（膜厚上昇期）では、サイクル数を多く設定することで、ウエハ上に形成されるＴｉＮ膜の膜厚を、膜厚上昇期においても膜厚安定期と同じ膜厚となるように補正する。
すなわち、図８に示すように、ドライクリーニング等のメンテナンス後の処理室内累積膜厚の薄い領域ではサイクル数を多く設定し、処理室内累積膜厚の増加に応じてサイクル数を減らすことで、ウエハ上に形成されるＴｉＮ膜の膜厚を、膜厚安定期と同じ膜厚が形成されるように補正することができる。
つまり、コントローラ１２１は、バッチ処理開始時に、そのバッチ処理開始時点における処理室内累積膜厚に応じて、サイクル数等のプロセスパラメータを決定し、決定されたプロセスパラメータを用いてバッチ処理を実行することにより、ウエハ２００上に形成される膜をバッチ処理間において均一にすることができる。
（４）本実施形態による効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を得ることができる。
（ａ）基板上に形成される膜厚をバッチ処理間において均一にすることができる。
（ｂ）処理室内累積膜厚を自動で加算し、累積膜厚毎にプロセスパラメータを自動で切替えることにより、処理時間を短くし、ヒューマンエラーによる不良生産のリスクを低減することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について、図９を用いて説明する。
第２の実施形態では、上述した実施形態におけるウエハ２００上に形成されたＴｉＮ膜上に、金属膜として例えばタングステン（Ｗ）膜を形成する。第２の実施形態では、上述した基板処理装置１０の処理室２０１内に六フッ化タングステン（ＷＦ6）ガスを供給するＷＦ6ガス供給系と、処理室２０１内に水素（Ｈ2）ガスを供給するＨ2ガス供給系を設ける。そして、図９に示すように、同一処理炉２０２内において、上述したＴｉＮ膜形成工程であるステップＳ１０〜ステップＳ１３を順に行うサイクルを１回以上（所定回数（ｎ回））行った後、Ｗ膜形成工程であるＷＦ6ガス供給（ステップＳ２０）、残留ガス除去（ステップＳ２１）、Ｈ2ガス供給（ステップＳ２２）、残留ガス除去（ステップＳ２３）を順に行うサイクルを１回以上（所定回数（ｍ回））行って、ステップＳ１０〜ステップＳ１３及びステップＳ２０〜ステップＳ２３を順に行うサイクルを１回以上（所定回数（ｐ回））行う。本実施形態においては、図９に示す一連の処理が、１回のバッチ処理であって、１バッチ処理にＴｉＮ膜形成工程とＷ膜形成工程の２つのサイクルが含まれている。
上記第２の実施形態においては、ＴｉＮ膜形成工程とＷ膜形成工程のそれぞれのサイクルにおける補正テーブルを記憶装置１２１ｃに記憶する。そして、それぞれのサイクルを開始時に、処理室内累積膜厚に応じてサイクル数等のプロセスパラメータを決定する。つまり、ＴｉＮ膜形成工程における処理室内累積膜厚に応じたサイクル数等のプロセスパラメータと、Ｗ膜形成工程における処理室内累積膜厚に応じたサイクル数等のプロセスパラメータを用いて１バッチ処理を実行する。本実施形態においても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
つまり、複数のサイクルを有するプロセスレシピを実行する場合においても、上述の実施形態と同様に、サイクル毎に、それぞれ累積膜厚に応じたサイクル数等のプロセスパラメータを決定してバッチ処理を実行することにより、上述の実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、サイクル毎に上述したコントローラ１２１によるパラメータ制御を行なうことにより、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
＜他の実施形態＞
なお、上記実施形態では、処理室内累積膜厚に応じて、バッチ処理毎のプロセスパラメータを決定する例を用いて説明したが、これに限らず、本開示は、処理室内累積膜厚以外の他の条件を用いて、バッチ処理毎のプロセスパラメータを決定する場合においても適用することが可能である。具体的には、１バッチ処理当たりのウエハ２００の枚数やウエハ２００の表面積に応じてサイクル数が設定された補正テーブルを記憶装置１２１ｃに記憶し、これらの条件を用いて、バッチ処理毎のプロセスパラメータを決定する場合においても適用することが可能である。
また、上記実施形態では、処理室内累積膜厚が増加するほど、ウエハ２００上に形成される膜の膜厚が増加する例を用いて説明したが、これに限らず、本開示は、処理室内累積膜厚が増加するほど、ウエハ２００上に形成される膜の膜厚が減少するような膜種を形成する場合や、膜厚安定期がないような膜種を形成する場合や、膜厚安定期の後に膜厚が変化するような膜種を形成する場合等においても適用することが可能である。具体的には、例えば処理室内累積膜厚が増加するほど、ウエハ２００上に形成される膜の膜厚が減少するような膜種を形成する場合には、処理室内累積膜厚の増加に応じて、例えばサイクル数を増やすような補正テーブルを用いてプロセスパラメータを決定する。
また、上記実施形態では、処理室内累積膜厚に応じて、プロセスパラメータとしてサイクル数を変更する場合を用いて説明したが、これに限らず、本開示は、処理室内累積膜厚に応じて、ガス供給時間やガス供給量や処理室内圧力やステップ時間等を決定するような補正テーブルを用いてプロセスパラメータを決定する場合においても適用することが可能である。また、ガス供給時間等に応じてサイクル数を決定するような補正テーブルを用いてプロセスパラメータを決定する場合においても適用することが可能である。また、複数の補正テーブルを用いて、バッチ処理毎に複数のプロセスパラメータを決定する場合においても適用することが可能である。
また、上記実施形態では、処理室内累積膜厚に応じて、バッチ処理毎のサイクル数を決定する例について説明したが、これに限らず、本開示は、バッチ処理毎のサイクル数をＴｉＮ膜形成工程やＷ膜形成工程等の所定サイクル毎に決定する場合においても適用することが可能であるし、所定膜厚毎に決定する場合においても適用することが可能である。
また、上記実施形態では、金属膜としてＴｉＮ膜を形成する場合を用いて説明したが、これに限らず、本開示は、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属元素を含む金属膜や、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭素（Ｃ）等の１４族元素系膜、チタンシリコン（ＴｉＳｉ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等の金属元素と１４族元素の組み合わせ等の膜を形成する場合においても適用することが可能である。
以上、本開示の種々の典型的な実施形態を説明してきたが、本開示はそれらの実施形態に限定されず、適宜組み合わせて用いることもできる。
１０ 基板処理装置
１２１ コントローラ
２００ ウエハ（基板）
２０１ 処理室

Claims (5)

  1. 基板を収容する処理室と、
    前記処理室内を加熱する加熱部と、
    設定されたプロセスパラメータに基づいて前記基板上に膜を形成することが可能なよう制御する制御部と、
    前記処理室内に付着する膜厚を算出する算出部と、
    前記算出部により算出された膜厚の累積値を累積膜厚として記憶する記憶部と、を備え、
    前記制御部は、前記記憶部に記憶された累積膜厚に応じて、前記プロセスパラメータの温度以外の設定値を決定することが可能なように構成される基板処理装置。
  2. 前記制御部は、予め用意されたテーブル又は計算式を用いて、前記記憶部に記憶された累積膜厚に応じた、前記プロセスパラメータの温度以外の設定値を決定することが可能なように構成される請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記制御部は、累積膜厚以外の他の条件も用いて、前記プロセスパラメータの温度以外の設定値を決定することが可能なように構成される請求項１又は２に記載の基板処理装置。
  4. 処理室内に基板を収容する工程と、
    前記処理室内を加熱する工程と、
    設定されたプロセスパラメータに基づいて前記基板上に膜を形成する工程と、
    前記処理室内に付着する膜厚を算出する工程と、
    算出された膜厚の累積値を累積膜厚として記憶する工程と、
    記憶された累積膜厚に応じて、前記プロセスパラメータの温度以外の設定値を決定する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  5. 基板処理装置の処理室内に基板を収容する手順と、
    前記処理室内を加熱する手順と、
    設定されたプロセスパラメータに基づいて前記基板上に膜を形成する手順と、
    前記処理室内に付着する膜厚を算出する手順と、
    算出された膜厚の累積値を累積膜厚として記憶する手順と、
    記憶された累積膜厚に応じて、前記プロセスパラメータの温度以外の設定値を決定する手順と、
    をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
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