JP2022037028A - 基板処理方法、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
(a)基板に対してNおよびHを含む第1反応体を供給することで、前記基板の表面にNH終端を形成する工程と、
(b)前記基板に対して原料としてSiCl4を供給することで、前記基板の表面に形成されたNH終端と、前記SiCl4と、を反応させて、SiCl終端された第1SiN層を形成する工程と、
(c)前記基板に対してNおよびHを含む第2反応体を供給することで、前記第1SiN層の表面に形成されたSiCl終端と、前記第2反応体と、を反応させて、NH終端された第2SiN層を形成する工程と、
を有し、(a)を行った後に、前記SiCl4が気相分解しない条件下で、(b)と(c)とを非同時に行うサイクルを所定回数行うことにより、前記基板上にSiN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、主に、図1~図5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SiN膜を形成する基板処理シーケンス例、すなわち、成膜シーケンス例について、図4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。
ウエハ200に対してNおよびHを含む第1反応体としてNH3ガスを供給することで、ウエハ200の表面にNH終端を形成するステップAと、
ウエハ200に対して原料としてSiCl4ガスを供給することで、ウエハ200の表面に形成されたNH終端と、SiCl4と、を反応させて、SiCl終端された第1SiN層を形成するステップBと、
ウエハ200に対してNおよびHを含む第2反応体としてNH3ガスを供給することで、第1SiN層の表面に形成されたSiCl終端と、NH3ガスと、を反応させて、NH終端された第2SiN層を形成するステップCと、を行う。
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。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220を介して反応管203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処理圧力(真空度)となるように、真空ポンプ246によって真空排気(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(成膜温度)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、以下のステップA~Cを順次実施する。
このステップでは、処理室201内のウエハ200に対してNH3ガスを供給する。具体的には、バルブ243bを開き、ガス供給管232b内へNH3ガスを流す。NH3ガスは、MFC241bにより流量調整され、ノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231より排気される。このとき、ウエハ200に対して、ウエハ200の側方からNH3ガスが供給される。このときバルブ243c,243dを開き、ガス供給管232c,232d内へN2ガスを流すようにしてもよい。
NH3ガス供給流量:100~10000sccm
N2ガス供給流量(各ガス供給管):0~10000sccm
各ガス供給時間:1~30分
処理温度:300~1000℃、好ましくは700~900℃、より好ましくは750~800℃
処理圧力:1~4000Pa、好ましくは20~1333Pa
が例示される。なお、本明細書における「300~1000℃」のような数値範囲の表記は、下限値および上限値がその範囲に含まれることを意味する。よって、「300~1000℃」とは「300℃以上1000℃以下」を意味する。他の数値範囲についても同様である。
このステップでは、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200の表面に形成されたNH終端に対してSiCl4ガスを供給する。具体的には、バルブ243a,243c,243dの開閉制御を、ステップAにおけるバルブ243b~243dの開閉制御と同様の手順で行う。SiCl4ガスは、MFC241aにより流量制御され、ノズル249aを介して処理室201内へ供給され、排気管231より排気される。このとき、ウエハ200に対して、ウエハ200の側方からSiCl4ガスが供給される。
SiCl4ガス供給流量:10~2000sccm、好ましくは100~1000sccm
SiCl4ガス供給時間:60~180秒、好ましくは60~120秒
処理温度:300~1000℃、好ましくは700~900℃、より好ましくは750~800℃
処理圧力:1~2000Pa、好ましくは20~1333Pa
が例示される。他の処理条件は、ステップAにおける処理条件と同様とする。
このステップでは、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成された第1SiN層に対してNH3ガスを供給する。具体的には、バルブ243b~243dの開閉制御を、ステップAにおけるバルブ243b~243dの開閉制御と同様の手順で行う。NH3ガスは、MFC241bにより流量制御され、ノズル249bを介して処理室201内へ供給され、排気管231より排気される。このとき、ウエハ200に対して、ウエハ200の側方からNH3ガスが供給される。
NH3ガス供給時間:1~60秒、好ましくは1~50秒
が例示される。他の処理条件は、ステップAにおける処理条件と同様とする。
ステップAを行った後、ステップB,Cを非同時に、すなわち、同期させることなく行うサイクルを所定回数(n回、nは1以上の整数)行うことにより、ウエハ200上に、所定膜厚のSiN膜を形成することができる。ステップCを実施することで形成される第2SiN層の表面は、ステップAを実施した後のウエハ200の表面と同様に、NH終端された面となっている。すなわち、ステップCを実施した後のウエハ200の表面は、その後にステップBを行った際に第1SiN層が形成されやすい面となっている。そのため、ステップAを行った後、ステップB,Cを非同時に行うサイクルを所定回数行うことにより、ウエハ200上への第1SiN層の形成と、ウエハ200上への第2SiN膜の形成と、を交互に行うことが可能となる。結果として、ウエハ200上へのSiN膜の形成を制御性よく進行させることが可能となる。なお、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、ステップB,Cを非同時に行うサイクルを1回行う際に形成される第2SiN層の厚さを所望の膜厚よりも小さくし、第2SiN層を積層することで形成されるSiN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。
上述の成膜処理が終了した後、ガス供給管232c,232dのそれぞれからN2ガスを処理室201内へ供給し、排気管231より排気する。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等が処理室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)。
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、反応管203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、反応管203の下端から反応管203の外部に搬出される(ボートアンロード)。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)。
本実施形態によれば、以下に示す一つ又は複数の効果が得られる。
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。
実施例1として、図1に示す基板処理装置を用い、図4に示す成膜シーケンスにより、ウエハ上にSiN膜を形成する成膜処理を複数回行った。成膜温度は、650℃、700℃、750℃、800℃とした。他の処理条件は、それぞれ、上述の実施形態における処理条件範囲内の所定の条件とした。
実施例2として、図1に示す基板処理装置を用い、図4に示す成膜シーケンスにより、ウエハ上にSiN膜を形成した。ウエハとしては、表面にパターンが形成されていないベアウエハと、表面にパターンが形成されベアウエハの表面積の50倍の表面積を有するパターンウエハと、をそれぞれ用いた。各ステップにおける処理条件は、上述の実施形態における処理条件範囲内の所定の条件とした。
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、
(a)基板に対してNおよびHを含む第1反応体を供給することで、前記基板の表面にNH終端を形成する工程と、
(b)前記基板に対して原料としてSiCl4を供給することで、前記基板の表面に形成されたNH終端と、前記SiCl4と、を反応させて、SiCl終端された第1SiN層を形成する工程と、
(c)前記基板に対してNおよびHを含む第2反応体を供給することで、前記第1SiN層の表面に形成されたSiCl終端と、前記第2反応体と、を反応させて、NH終端された第2SiN層を形成する工程と、
を有し、(a)を行った後に、前記SiCl4が気相分解しない条件下で、(b)と(c)とを非同時に行うサイクルを所定回数行うことにより、前記基板上にSiN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SiCl4が熱分解しない条件下で、前記サイクルを所定回数行う。
付記1または2に記載の方法であって、好ましくは、
前記SiCl4が(気相中で)中間体を生じさせない条件下で、前記サイクルを所定回数行う。
付記1~3のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
気相反応が生じない条件下で、前記サイクルを所定回数行う。
付記1~4のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記基板の表面に形成されたNH終端と、前記SiCl4と、の間で吸着置換反応(だけ)が生じる条件下で、(b)を行い、
前記第1SiN層の表面に形成されたSiCl終端と、前記第2反応体と、の間で吸着置換反応(だけ)が生じる条件下で、(c)を行う。
付記1~5のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記SiCl4を構成するSiが前記基板の表面に形成されたNH終端を構成するNに結合して、Si-N結合が形成され、その際、前記SiCl4に含まれるSi-Cl結合のうちSi-N結合に変換されなかったSi-Cl結合が切断されることなく保持される条件下で、(b)を行う。
付記1~6のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記SiCl4におけるSi-Cl結合、および、前記基板の表面に形成されたNH終端におけるN-H結合が切断され、前記SiCl4におけるSi-Cl結合が切断されたSiが、前記基板の表面に形成されたNH終端におけるN-H結合が切断されたNに結合して、Si-N結合が形成され、その際、前記SiCl4におけるSi-Cl結合のうちSi-N結合に変換されなかったSi-Cl結合が切断されることなく保持される条件下で、(b)を行う。
付記1~7のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記SiCl4を構成するSiが有する4つの結合手のうち3つの結合手にそれぞれClが結合した状態で、前記SiCl4を構成するSiが前記基板の表面に形成されたNH終端を構成するNに結合する条件下で、(b)を行う。
付記1~8のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記SiCl4を構成するSiが有する4つの結合手のうち3つの結合手にそれぞれClが結合した状態で、前記SiCl4におけるSi-Cl結合が切断されたSiが、前記基板の表面に形成されたNH終端におけるN-H結合が切断されたNに結合する条件下で、(b)を行う。
付記1~9のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(b)における前記SiCl4の供給時間を、(c)における前記第2反応体の供給時間よりも長くする。
付記1~10のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(a)における前記第1反応体の供給時間を、(c)における前記第2反応体の供給時間よりも長くする。
付記1~10のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(a)における前記第1反応体の供給時間を、(b)における前記SiCl4の供給時間よりも長くし、(b)における前記SiCl4の供給時間を、(c)における前記第2反応体の供給時間よりも長くする。
付記1~12のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(b)における前記SiCl4の供給時間を、前記基板の中央部で、前記基板の表面に形成されたNH終端と、前記SiCl4と、の間で生じる吸着置換反応の量が、前記基板の外周部で、前記基板の表面に形成されたNH終端と、前記SiCl4と、の間で生じる吸着置換反応の量と同程度となる時間とする。
付記1~13のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
(b)における前記SiCl4の供給時間を、前記基板の中央部で形成される前記第1SiN層の厚さが、前記基板の外周部で形成される前記第1SiN層の厚さと同程度となる時間とする。
付記1~14のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記(a)では、前記基板の側方から前記基板に対して前記第1反応体を供給し、
前記(b)では、前記基板の側方から前記基板に対して前記SiCl4を供給し、
前記(c)では、前記基板の側方から前記基板に対して前記第2反応体を供給する。
付記1~15のいずれか1項に記載の方法であって、好ましくは、
前記基板の表面にはパターンが形成されている。前記パターンはトレンチやホール等の凹部を含む。
本発明の他の態様によれば、
基板が処理される処理室と、
前記処理室内の基板に対してNおよびHを含む第1反応体、および、NおよびHを含む第2反応体を供給する反応体供給系と、
前記処理室内の基板に対して原料としてSiCl4を供給する原料供給系と、
前記処理室内の基板を加熱するヒータと、
前記処理室内において、付記1の各工程(各処理)を行わせるように、前記反応体供給系、前記原料供給系、および前記ヒータ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において、付記1の各工程(各手順)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 (21)
- (a)表面にNH終端が形成された基板に対して、SiCl4を含む原料を供給することで、前記基板の表面におけるNH終端と、前記原料と、を反応させて、SiCl終端された第1SiおよびN含有層を形成する工程と、
(b)前記基板に対してNおよびHを含む反応体を供給することで、前記第1SiおよびN含有層と、前記反応体と、を反応させて、NH終端された第2SiおよびN含有層を形成する工程とを、
前記基板が存在する空間を排気する工程を挟んで交互に行うことにより、前記基板上にSiおよびN含有膜を形成する工程を有し、
(a)における前記原料の供給時間を、(b)における前記反応体の供給時間よりも長くする基板処理方法。 - 前記SiCl4が気相分解しない条件下で、(a)を行う請求項1に記載の基板処理方法。
- 前記SiCl4が熱分解しない条件下で、(a)を行う請求項1または2に記載の基板処理方法。
- 前記SiCl4が中間体を生じさせない条件下で、(a)を行う請求項1~3のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- 気相反応が生じない条件下で、(a)を行う請求項1~4のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- 前記基板の表面におけるNH終端と、前記原料と、の反応に対してセルフリミットがかかる条件下で、(a)を行う請求項1~5のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- 前記基板の表面に形成されたNH終端と、前記SiCl4と、の間で吸着置換反応が生じる条件下で、(a)を行い、
前記第1SiおよびN含有層の表面に形成されたSiCl終端と、前記反応体と、の間で吸着置換反応が生じる条件下で、(b)を行う請求項1~6のいずれか1項に記載の基板処理方法。 - 前記SiCl4を構成するSiが前記基板の表面に形成されたNH終端を構成するNに結合して、Si-N結合が形成され、その際、前記SiCl4に含まれるSi-Cl結合のうちSi-N結合に変換されなかったSi-Cl結合が切断されることなく保持される条件下で、(a)を行う請求項1~7のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- 前記SiCl4におけるSi-Cl結合、および、前記基板の表面に形成されたNH終端におけるN-H結合が切断され、前記SiCl4におけるSi-Cl結合が切断されたSiが、前記基板の表面に形成されたNH終端におけるN-H結合が切断されたNに結合して、Si-N結合が形成され、その際、前記SiCl4におけるSi-Cl結合のうちSi-N結合に変換されなかったSi-Cl結合が切断されることなく保持される条件下で、(a)を行う請求項1~8のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- 前記SiCl4を構成するSiが有する4つの結合手のうち3つの結合手にそれぞれClが結合した状態で、前記SiCl4を構成するSiが前記基板の表面に形成されたNH終端を構成するNに結合する条件下で、(a)を行う請求項1~9のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- 前記SiCl4を構成するSiが有する4つの結合手のうち3つの結合手にそれぞれClが結合した状態で、前記SiCl4におけるSi-Cl結合が切断されたSiが、前記基板の表面に形成されたNH終端におけるN-H結合が切断されたNに結合する条件下で、(a)を行う請求項1~10のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- (a)を行う前に、(c)前記基板に対してNおよびHを含む反応体を供給することで、前記基板の表面にNH終端を形成する工程をさらに有する請求項1~11のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- (c)における前記反応体の供給時間を、(b)における前記反応体の供給時間よりも長くする請求項12に記載の基板処理方法。
- (c)における前記反応体の供給時間を、(a)における前記原料の供給時間よりも長くし、(a)における前記原料の供給時間を、(b)における前記反応体の供給時間よりも長くする請求項12に記載の基板処理方法。
- (a)における前記原料の供給時間を、前記基板の中央部で形成される前記第1SiおよびN含有層の厚さが、前記基板の外周部で形成される前記第1SiおよびN含有層の厚さと同程度となる時間とする請求項1~14のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- (a)における前記原料の供給時間を、60秒以上180秒以下とする請求項1~15のいずれか1項に記載の基板処理方法。
- (a)では、前記基板の側方から前記基板に対して前記原料を供給し、
(b)では、前記基板の側方から前記基板に対して前記反応体を供給する請求項1~16のいずれか1項に記載の基板処理方法。 - (c)では、前記基板の側方から前記基板に対して前記反応体を供給し、
(a)では、前記基板の側方から前記基板に対して前記原料を供給し、
(b)では、前記基板の側方から前記基板に対して前記反応体を供給する請求項12~14のいずれか1項に記載の基板処理方法。 - (a)表面にNH終端が形成された基板に対して、SiCl4を含む原料を供給することで、前記基板の表面におけるNH終端と、前記原料と、を反応させて、SiCl終端された第1SiおよびN含有層を形成する工程と、
(b)前記基板に対してNおよびHを含む反応体を供給することで、前記第1SiおよびN含有層と、前記反応体と、を反応させて、NH終端された第2SiおよびN含有層を形成する工程とを、
前記基板が存在する空間を排気する工程を挟んで交互に行うことにより、前記基板上にSiおよびN含有膜を形成する工程を有し、
(a)における前記原料の供給時間を、(b)における前記反応体の供給時間よりも長くする半導体装置の製造方法。 - 基板が処理される処理室と、
前記処理室内の基板に対してSiCl4を含む原料を供給する原料供給系と、
前記処理室内の基板に対してNおよびHを含む反応体を供給する反応体供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
前記処理室内において、(a)表面にNH終端が形成された基板に対して、前記原料を供給することで、前記基板の表面におけるNH終端と、前記原料と、を反応させて、SiCl終端された第1SiおよびN含有層を形成する処理と、(b)前記基板に対して前記反応体を供給することで、前記第1SiおよびN含有層と、前記反応体と、を反応させて、NH終端された第2SiおよびN含有層を形成する処理とを、前記基板が存在する空間を排気する処理を挟んで交互に行うことにより、前記基板上にSiおよびN含有膜を形成する処理を行わせ、(a)における前記原料の供給時間を、(b)における前記反応体の供給時間よりも長くするように、前記原料供給系、前記反応体供給系、および前記排気系を制御することが可能なよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置。 - (a)表面にNH終端が形成された基板に対して、SiCl4を含む原料を供給することで、前記基板の表面におけるNH終端と、前記原料と、を反応させて、SiCl終端された第1SiおよびN含有層を形成する手順と、
(b)前記基板に対してNおよびHを含む反応体を供給することで、前記第1SiおよびN含有層と、前記反応体と、を反応させて、NH終端された第2SiおよびN含有層を形成する手順とを、
前記基板が存在する空間を排気する手順を挟んで交互に行うことにより、前記基板上にSiおよびN含有膜を形成する形成する手順と、
(a)における前記原料の供給時間を、(b)における前記反応体の供給時間よりも長くする手順と、
をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。
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