JP2022147091A - Film deposition apparatus and film deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、成膜装置および成膜方法に関する。 The present disclosure relates to a film forming apparatus and a film forming method.
半導体デバイスの製造工程においては、種々の膜の成膜が行われる。このような膜の製造方法としては、基板が配置された処理容器内に原料ガスと反応ガスとを、余剰ガスのパージを挟んで交互に供給して成膜する原子層堆積法(Atomic Layer Deposition;ALD)が知られている。特許文献1にはALDによりTiN膜を成膜する成膜装置が記載されている。 Various films are formed in the manufacturing process of semiconductor devices. As a method for producing such a film, there is an atomic layer deposition method in which a raw material gas and a reaction gas are alternately supplied to a processing container in which a substrate is arranged, with a surplus gas being purged therebetween, to form a film. ; ALD) are known. Patent Document 1 describes a film forming apparatus for forming a TiN film by ALD.
ALDは、処理容器内に処理ガスを一括して供給し、基板上に膜形成する化学蒸着法(Chemical Vapor Deposition;CVD)とは要求されるガス供給条件等が異なる。このため、ALD成膜装置はCVD成膜装置とは異なる装置設計がなされる。 ALD differs from chemical vapor deposition (CVD) in which a processing gas is collectively supplied into a processing chamber to form a film on a substrate, and gas supply conditions and the like are required. Therefore, an ALD film forming apparatus is designed differently from a CVD film forming apparatus.
本開示は、ALDによる成膜とCVDによる成膜とを効率的にかつ低フットプリントで実現することができる成膜装置および成膜方法を提供する。 The present disclosure provides a film formation apparatus and a film formation method that can efficiently realize film formation by ALD and film formation by CVD with a small footprint.
本開示の一態様に係る成膜装置は、基板が収容される処理容器と、前記処理容器内で基板を載置する載置台と、ALDによる成膜に用いるALD用ガスを供給するALD用ガス供給部と、CVDによる成膜に用いるCVD用ガスを供給するCVD用ガス供給部と、前記ALD用ガスおよび前記CVD用ガスが供給され、前記ALD用ガスおよび前記CVD用ガスを前記処理容器に吐出するシャワーヘッドと、前記載置台上の基板を加熱する加熱部と、前記処理容器内を排気する排気部と、を備え、前記載置台上の基板に対し、ALDによる成膜およびCVDによる成膜を行うことが可能であり、前記シャワーヘッドは、前記ALD用ガスが供給される第1ガス拡散室と、前記CVD用ガスが供給される第2ガス拡散室と、前記第1ガス拡散室から前記ALD用ガスを吐出する第1ガス吐出孔と、前記第2ガス拡散室から前記CVD用ガスを吐出する第2ガス吐出孔と、を有し、前記第1ガス吐出孔のコンダクタンスが前記第2ガス吐出孔のコンダクタンスよりも大きい。 A film forming apparatus according to an aspect of the present disclosure includes a processing container in which a substrate is accommodated, a mounting table on which the substrate is placed in the processing container, and an ALD gas for supplying an ALD gas used for film formation by ALD. a supply unit, a CVD gas supply unit for supplying a CVD gas used for film formation by CVD, the ALD gas and the CVD gas are supplied, and the ALD gas and the CVD gas are supplied to the processing container. A shower head that discharges air, a heating unit that heats the substrate on the mounting table, and an exhaust unit that exhausts the inside of the processing container, and performs film formation by ALD and film formation by CVD on the substrate on the mounting table. The showerhead includes a first gas diffusion chamber to which the ALD gas is supplied, a second gas diffusion chamber to which the CVD gas is supplied, and the first gas diffusion chamber. and a second gas ejection hole for ejecting the CVD gas from the second gas diffusion chamber, wherein the conductance of the first gas ejection hole is the It is larger than the conductance of the second gas discharge hole.
本開示によれば、ALDによる成膜とCVDによる成膜とを効率的にかつ低フットプリントで実現することができる成膜装置および成膜方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this disclosure, the film-forming apparatus and film-forming method which can implement|achieve film-forming by ALD and film-forming by CVD efficiently with a small footprint are provided.
以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。 Embodiments will be described below with reference to the accompanying drawings.
<成膜装置>
図1は、一実施形態に係る成膜装置を示す断面図である。
本実施形態の成膜装置100は、基板に対してALDとCVDの両方を行うことが可能な装置として構成され、ALDにより窒化チタン膜(TiN膜)を成膜し、CVDによりボロンドープシリコンゲルマニウム膜(B-SiGe)膜を成膜する場合を例にとって示す。
<Deposition equipment>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a film forming apparatus according to one embodiment.
The
成膜装置100は、処理容器であるチャンバー1と、サセプタ(基板載置台)2と、シャワーヘッド3と、排気部4と、ガス供給部5と、制御部6とを有する。
The
チャンバー1は、アルミニウム等の金属により構成され、略円筒状を有している。チャンバー1の側壁には基板である半導体ウエハ(以下単にウエハと記す)を搬入出するための搬入出口11が形成され、搬入出口11はゲートバルブ12で開閉可能となっている。チャンバー1の本体の上には、断面が矩形状をなす円環状の排気ダクト13が設けられている。排気ダクト13には、内周面に沿ってスリット13aが形成されている。また、排気ダクト13の外壁には排気口13bが形成されている。排気ダクト13の上面にはチャンバー1の上部開口を塞ぐように天壁14が設けられている。天壁14と排気ダクト13の間にはシールリング15で気密にシールされている。
The chamber 1 is made of metal such as aluminum and has a substantially cylindrical shape. A loading/
サセプタ2は、チャンバー1内で基板としてのウエハWを載置するためのものであり、ウエハWに対応した大きさの円板状をなし、水平に設けられている。サセプタ2は、支持部材23に支持されている。サセプタ2の内部には、ウエハWを加熱するためのヒーター21が埋め込まれている。ヒーター21はヒーター電源(図示せず)から給電されて発熱するようになっている。そして、ヒーター21の出力を制御することにより、ウエハWを所定の温度に制御するようになっている。サセプタ2には、ウエハ載置面の外周領域、および側面を覆うようにセラミックス製のカバー部材22が設けられている。
The
サセプタ2を支持する支持部材23は、サセプタ2の底面中央からチャンバー1の底壁に形成された孔部を貫通してチャンバー1の下方に延び、その下端が昇降機構24に接続されており、昇降機構24によりサセプタ2が支持部材23を介して、図1に示す処理位置と、その下方の二点鎖線で示すウエハの搬送が可能な搬送位置との間で昇降可能となっている。サセプタ2の処理位置は、ALDにより成膜する場合と、CVDで成膜する場合とで異ならせてもよい。ALDで成膜する場合は、ウエハWへのガスの暴露量を多くする観点からサセプタ2がシャワーヘッド3に近いことが好ましく、CVDで成膜する場合は、ガスの均一性を確保する観点から、サセプタ2がシャワーヘッド3に対してALDの場合よりも離れていることが好ましい。
A
また、支持部材23のチャンバー1の下方位置には、鍔部25が取り付けられており、チャンバー1の底面と鍔部25の間には、チャンバー1内の雰囲気を外気と区画し、サセプタ2の昇降動作にともなって伸縮するベローズ26が設けられている。
A
チャンバー1の底面近傍には、昇降板27aから上方に突出するように3本(2本のみ図示)のウエハ支持ピン27が設けられている。ウエハ支持ピン27は、チャンバー1の下方に設けられたピン昇降機構28により昇降板27aを介して昇降可能になっており、搬送位置にあるサセプタ2に設けられた貫通孔2aに挿通されてサセプタ2の上面に対して突没可能となっている。これにより、ウエハ搬送機構(図示せず)とサセプタ2との間でウエハWの受け渡しが行われる。
Three wafer support pins 27 (only two are shown) are provided in the vicinity of the bottom surface of the chamber 1 so as to protrude upward from an
シャワーヘッド3は、チャンバー1内に処理ガスをシャワー状に供給するためのもので、チャンバー1の上部にサセプタ2に対向するように設けられており、サセプタ2とほぼ同じ直径を有している。サセプタ2が処理位置に存在した状態では、シャワーヘッド3とサセプタ2との間に処理空間Sが形成される。シャワーヘッド3の詳細な構造は後述する。
The
排気部4は、排気ダクト13の排気口13bに接続された排気配管41と、排気配管41に接続された、自動圧力制御バルブ(APC)42と、真空ポンプ43とを有している。処理に際しては、チャンバー1内のガスはスリット13aを介して排気ダクト13に至り、排気ダクト13から真空ポンプ43により排気配管41を通って排気される。
The
ガス供給部5は、ALD用ガス供給部501とCVD用ガス供給部502とを有し、ALDおよびCVDに用いられるガスをガスブロック53およびシャワーヘッド3を介してチャンバー1内の処理空間Sに供給するようになっている。ガス供給部5の構成は後で詳細に説明する。
The gas supply unit 5 has an ALD
制御部6はコンピュータで構成されており、CPUを備えた主制御部と、入力装置(キーボード、マウス等)、出力装置(プリンタ等)、表示装置(ディスプレイ等)、記憶装置(記憶媒体)を有している。主制御部は、成膜装置を構成する各構成部、例えば、開閉バルブ、流量制御器、自動圧力制御バルブ、ヒーター等を制御する。これらの動作の制御は、記憶装置に内蔵された記憶媒体(ハードディスク、光デスク、半導体メモリ等)に記憶された制御プログラムである処理レシピにより実行される。
The
[ガス供給部]
上述したように、ガス供給部5は、ALD用ガス供給部501およびCVD用ガス供給部502を有する。
[Gas supply part]
As described above, the gas supply section 5 has the ALD
ALD用ガス供給部501は、TiCl4ガス供給源511と、NH3ガス供給源512と、添加ガス供給源513と、第1Arガス供給源514と、第2Arガス供給源515と、第3Arガス供給源516とを有している。TiCl4ガス供給源511は、原料ガスであるTiCl4ガスを供給する。NH3ガス供給源512は、窒化ガス(反応ガス)であるNH3ガスを供給する。添加ガス供給源513は、添加ガスXを供給する。添加ガスとしては、H2ガスのようなTiN膜の膜質改善のためのガスや、TiN膜中にSiを含有させるためのSiH4ガスやジクロロシランガス等のSi含有ガス等を挙げることができる。第1~第3Arガス供給源514,515,516は、パージガスとしてのArガスを供給する。
The ALD
また、ALD用ガス供給部501は、TiCl4ガス配管521と、NH3ガス配管522と、添加ガス配管523と、第1Arガス配管524と、第2Arガス配管525と、第3Arガス配管526とを有する。
In addition, the ALD
TiCl4ガス配管521の一端はTiCl4ガス供給源511に接続され、NH3ガス配管522の一端はNH3ガス供給源512に接続され、添加ガス配管523の一端は添加ガス供給源513に接続されている。また、TiCl4ガス配管521の他端、NH3ガス配管522の他端、添加ガス配管523の他端は第1ガス合流部51に接続され、TiCl4ガス、NH3ガス、添加ガスが第1ガス合流部51で合流される。第1Arガス配管524、第2Arガス配管525、および第3Arガス配管526の一端は、それぞれ第1Arガス供給源514、第2Arガス供給源515、および第3Arガス供給源516に接続されている。また、これらの他端は、それぞれTiCl4ガス配管521、NH3ガス配管522、添加ガス配管523に接続されている。
One end of the TiCl4
TiCl4ガス配管521には、下流側から順にバルブ541、ガス貯留タンク537、流量制御器531が介装されている。NH3ガス配管522には、下流側から順にバルブ542、ガス貯留タンク538、流量制御器532が介装されている。添加ガス配管523には、下流側から順にバルブ543、ガス貯留タンク539、流量制御器533が介装されている。第1~第3Arガス配管524、525、526には、それぞれ、下流側からバルブ544、545、546、および流量制御器534、535、536が介装されている。
A
バルブ541~546は、ALDプロセスの際にチャンバー1へのガスの供断を行うためのものであり、高速で開閉可能な高速バルブで構成される。流量制御器531~536としては、例えば、マスフローコントローラを用いることができる。また、ガス貯留タンク537、538、539は、対応する配管に接続されたガス供給源から供給されたガスをチャンバー1内に供給する前に一旦貯留するものであり、ガスを貯留することによりその中を所定の圧力に昇圧した後で、各ガス貯留タンクからチャンバー1へ各ガスを吐出させる。これにより、大流量のガスを安定的にウエハWへ供給することができる。
The
第1ガス合流部51からは、第1ガス流路54がガスブロック53および天壁14を介してシャワーヘッド3へ延びており、後述するようにALD用ガスがシャワーヘッド3から処理空間Sへ吐出される。
From the first
ALD用ガス供給部501において、添加ガスが不要の場合は、添加ガス供給源513および添加ガス配管523は設けなくてもよい。
In the ALD
なお、原料ガスはTiCl4ガスに限定されず、テトラ(イソプロポキシ)チタン(TTIP)のような他のTi含有ガスを用いてもよい。また、窒化ガス(反応ガス)についてもNH3ガスに限定されず、モノメチルヒドラジン(MMH)のような他のN含有ガスを用いてもよい。さらに、パージガスについても、Arガスに限らず、他の不活性ガスを用いてもよい。 Note that the raw material gas is not limited to TiCl 4 gas, and other Ti-containing gas such as tetra(isopropoxy)titanium (TTIP) may be used. Also, the nitriding gas (reactive gas) is not limited to NH3 gas, and other N-containing gas such as monomethylhydrazine (MMH) may be used. Furthermore, the purge gas is not limited to Ar gas, and other inert gas may be used.
CVD用ガス供給部502は、B2H6ガス供給源551と、SiH4ガス供給源552と、GeH4ガス供給源553と、第4Arガス供給源554と、第5Arガス供給源555と、第6Arガス供給源556とを有している。B2H6ガス供給源551はB含有ガスであるB2H6ガスを供給する。SiH4ガス供給源552はSi含有ガスであるSiH4ガスを供給する。GeH4ガス供給源553はGe含有ガスであるGeH4ガスを供給する。第4~第6Arガス供給源554,555,556は、パージガスとしてのArガスを供給する。
The CVD
また、CVD用ガス供給部502は、B2H6ガス配管561と、SiH4ガス配管562と、GeH4ガス配管563と、第4Arガス配管564と、第5Arガス配管565と、第6Arガス配管566とを有する。
In addition, the CVD
B2H6ガス配管561の一端はB2H6ガス供給源551に接続され、SiH4ガス配管562の一端はSiH4ガス供給源552に接続され、GeH4ガス配管563の一端はGeH4ガス供給源553に接続されている。また、B2H6ガス配管561の他端、SiH4ガス配管562の他端、GeH4ガス配管563の他端は第2ガス合流部52に接続され、B2H6ガス、SiH4ガス、GeH4ガスが第2ガス合流部52で合流される。第4Arガス配管564、第5Arガス配管565、および第6Arガス配管566の一端は、それぞれ第4Arガス供給源554、第5Arガス供給源555、および第6Arガス供給源556に接続されている。また、これらの他端は、それぞれB2H6ガス配管561、SiH4ガス配管562、GeH4ガス配管563に接続されている。
One end of B2H6
B2H6ガス配管561には、下流側から順にバルブ581、ガス貯留タンク577、流量制御器571が介装されている。SiH4ガス配管562には、下流側から順にバルブ582、ガス貯留タンク578、流量制御器572が介装されている。GeH4ガス配管563には、下流側から順にバルブ583、ガス貯留タンク579、流量制御器573が介装されている。第4~第6Arガス配管564、565、566には、それぞれ、下流側からバルブ584、585、586、および流量制御器574、575、576が介装されている。
A
バルブ581~586は、CVDプロセスの際にチャンバー1への各ガスの供断を行うためのものである。CVDではALDのように高速なガスの切り替えは行わないので、バルブ581~586として高速バルブは必要ない。流量制御器571~576としては、例えば、マスフローコントローラを用いることができる。また、ガス貯留タンク577、578、579は、CVDプロセスの際に必須のものではないが、後述するように、B-SiGe膜を成膜する際に、成膜初期に十分なガス供給を行って表面のモフォロジーを良好にする観点から設けてもよい。
The
第2ガス合流部52からは、第2ガス流路55がガスブロック53および天壁14を介してシャワーヘッド3へ延びており、後述するようにCVD用ガスがシャワーヘッド3から処理空間Sへ吐出される。
From the second
ALD用ガス供給部501およびCVD用ガス供給部502の各配管には、例えば、流量制御器の前後等に図示しない他のバルブが設けられている。
Each pipe of the ALD
なお、B含有ガスはB2H6ガスに限定されず、三塩化ホウ素(BCl3)ガス、アルキルボランガス、デカボランガスのような他のB含有ガスを用いてもよい。アルキルボランガスとしては、トリメチルボラン(B(CH3)3)ガス、トリエチルボラン(B(C2H5)3)ガスや、B(R1)(R2)(R3)、B(R1)(R2)H、B(R1)H2(R1,R2,R3はアルキル基)で表されるガス等を用いることができる。また、Si含有ガスについてもSiH4ガスに限定されず、ジシラン(Si2H6)、トリシラン(Si3H8)、テトラシラン(Si4H10)、ペンタシラン(Si5H12)ヘキサシラン(Si6H14)、ヘプタシラン(Si7H16)シクロトリシラン(Si3H6)、シクロテトラシラン(Si4H8)、シクロペンタシラン(Si5H10)、シクロヘキサシラン(Si6H12)、シクロヘプタシラン(Si7H14)のような他のSi含有ガスを用いてもよい。さらに、Ge含有ガスについても、GeH4ガスに限定されず、ジゲルマン(Ge2H6)またはアミノゲルマン系ガスのような他のGe含有ガスを用いてもよい。さらにまた、パージガスについても、Arガスに限らず、他の不活性ガスを用いてもよい。 Note that the B-containing gas is not limited to the B 2 H 6 gas, and other B-containing gases such as boron trichloride (BCl 3 ) gas, alkylborane gas, and decaborane gas may be used. Examples of the alkylborane gas include trimethylborane (B(CH 3 ) 3 ) gas, triethylborane (B(C 2 H 5 ) 3 ) gas, B(R 1 )(R 2 )(R 3 ), B(R 1 ) Gases represented by (R 2 )H, B(R 1 )H2 (R 1 , R 2 and R 3 are alkyl groups) and the like can be used. Further, the Si - containing gas is not limited to SiH4 gas, and disilane ( Si2H6 ), trisilane ( Si3H8 ), tetrasilane ( Si4H10 ), pentasilane ( Si5H12 ), hexasilane ( Si6 H 14 ), heptasilane (Si 7 H 16 ), cyclotrisilane (Si 3 H 6 ), cyclotetrasilane (Si 4 H 8 ), cyclopentasilane (Si 5 H 10 ), cyclohexasilane (Si 6 H 12 ). , cycloheptasilane (Si 7 H 14 ) may also be used. Furthermore, the Ge-containing gas is not limited to GeH 4 gas, and other Ge-containing gases such as digermane (Ge 2 H 6 ) or aminogermane gas may be used. Furthermore, the purge gas is not limited to Ar gas, and other inert gas may be used.
[シャワーヘッド]
次に、シャワーヘッド3について説明する。
図2は図1の成膜装置におけるシャワーヘッド3の部分を拡大して示す断面図、図3はシャワーヘッドの底面のガス吐出孔配置の概略を示す底面図である。
[shower head]
Next, the
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an enlarged view of the
シャワーヘッド3は、上部プレート31、中間プレート32、および下部プレート33を有している。中間プレート32と下部プレート33との間には、第1ガス拡散室34が形成され、上部プレート31と中間プレート32との間には、第2ガス拡散室35が形成されている。
The
ALD用ガスが合流する第1ガス合流部51からガスブロック53および天壁14を貫通して延びる第1ガス流路54は、さらに上部プレート31および中間プレート32を通って第1ガス拡散室34に達している。そして、第1ガス拡散室34から下部プレート33を貫通するように、チャンバー1に開口する複数の第1ガス吐出孔36が形成されている。
A first
一方、CVD用ガスが合流する第2ガス合流部52からガスブロック53および天壁14を貫通して延びる第2ガス流路55は、さらに上部プレート31を通って第2ガス拡散室35に達している。そして、第2ガス拡散室35から中間プレート32の第2ガス拡散室35よりも下の部分および下部プレート33を貫通するように、処理容器1内に開口する複数の第2ガス吐出孔37が形成されている。
On the other hand, a second
すなわち、第1ガス流路54、第1ガス拡散室34、第1ガス吐出孔36が、ALD用ガス経路を構成し、第2ガス流路55、第2ガス拡散室35、第2ガス吐出孔37がCVD用ガス経路を構成している。
That is, the first
このように、シャワーヘッド3は、ALD用ガスとCVD用ガスとが、別系統で供給され、別々のガス拡散室を通って別々のガス吐出孔から吐出されるマトリックス構造となっている。
As described above, the
そして、シャワーヘッド3は、ALD用ガスを吐出する第1ガス吐出孔36のコンダクタンスがCVD用ガスを吐出する第2ガス吐出孔37のコンダクタンスよりも高くなるように構成されている。これは、ALDの場合はウエハWに対して大流量のガスを短時間で吐出することが望ましいのに対して、CVDの場合はウエハWに対して均一にガスを吐出することが望ましいためである。すなわち、ALD用ガスを吐出する第1ガス吐出孔36はコンダクタンスを大きくしてガス吐出量が大きくなるようにし、CVD用ガスを吐出する第2ガス吐出孔37はコンダクタンスを小さくして処理空間Sでのガス拡散を促進するようにしている。
The
コンダクタンスは例えばガス吐出孔の径で調整することができる。本例では、ALD用ガスを吐出する第1ガス吐出孔36の径を、CVD用ガスを吐出する第2ガス吐出孔37の径よりも大きくして、コンダクタンスを調整している。ALD用の第1ガス吐出孔36の直径は1.2~2.0mmとすることができ、CVD用の第2ガス吐出孔37の直径は0.3~1.0mmとすることができる。
The conductance can be adjusted, for example, by the diameter of the gas ejection holes. In this example, the diameter of the first
また、コンダクタンスは例えばガス吐出孔の数で調整することができる。すなわち、ALD用ガスを吐出する第1ガス吐出孔36の個数を、CVD用ガスを吐出する第2ガス吐出孔37の個数よりも多くしてコンダクタンスを調整してもよい。 Also, the conductance can be adjusted by, for example, the number of gas ejection holes. That is, the conductance may be adjusted by increasing the number of the first gas ejection holes 36 for ejecting the ALD gas more than the number of the second gas ejection holes 37 for ejecting the CVD gas.
また、本例では、第1ガス吐出孔36および第2ガス吐出孔37は同心円状に配置されている。これにより、ウエハWの同心円方向に均等にガスを供給することができる。 Further, in this example, the first gas ejection holes 36 and the second gas ejection holes 37 are arranged concentrically. As a result, the gas can be uniformly supplied to the wafer W in the concentric direction.
また、本例では、ALD用ガスが供給される第1ガス拡散室34が、CVD用ガスが供給される第2ガス拡散室35よりも下側、すなわちサセプタ2側に設けられている。これは、CVDのほうがALDよりも熱に対して敏感であり、サセプタ2に設けられたヒーター21からの熱の影響を小さくするためである。また、第1ガス拡散室34を第2ガス拡散室35よりも下側に設けることにより、第1ガス拡散室34から第1ガス吐出孔36までの経路を第2ガス拡散室35から第2ガス吐出孔37までの経路よりも短くすることができる。
In this example, the first
<成膜方法>
次に、以上のように構成される成膜装置100による成膜方法について説明する。
<Deposition method>
Next, a film forming method using the
まず、ゲートバルブ12を開放して真空搬送室から搬送装置によりウエハWをチャンバー1内に搬入し、サセプタ2上に載置する。搬送装置を退避させた後、ゲートバルブ12を閉じる。
First, the
サセプタ2上のウエハWに対してALDプロセスによりTiN膜を成膜する際には、最初にサセプタ2を処理位置に上昇させる。ALDを行う場合の処理位置は、ガスの暴露量を多くする観点からシャワーヘッド3に近接した位置にすることが好ましく、シャワーヘッド3との距離が1.5~15mm程度であることが好ましい。
When forming a TiN film on the wafer W on the
次いで、ガス供給部5のALD用ガス供給部501の第1~第3Arガス供給源514~516からチャンバー1内にArガスを連続的に供給しつつ、自動圧力制御バルブ(APC)42によりチャンバー1内を調圧する。それとともに、ヒーター21により加熱されたサセプタ2上のウエハWの温度を安定させる。
Next, while continuously supplying Ar gas into the chamber 1 from the first to third Ar
次いで、バルブ541およびバルブ542を操作し、TiCl4ガス供給源511およびNH3ガス供給源512から、原料ガスであるTiCl4ガスと、窒化ガスであるNH3ガスをシーケンシャルに供給して、ALDによりウエハW上にTiN膜を成膜する。具体的には、原料ガスであるTiCl4ガスを供給してウエハW表面に吸着させるステップと、チャンバー1内をArガスでパージしてTiCl4ガスを排出させるステップと、窒化ガスであるNH3ガスを供給して表面に吸着されたTiCl4と反応させるステップと、チャンバー1内をArガスでパージしてNH3ガスを排出させるステップとを繰り返し行う。このときの条件としては、サセプタ2の温度が350~480℃、チャンバー1内の圧力が133~1333Pa(1~10Torr)であってよい。
Next, the
パージガスであるArガスは、ALDプロセス中、常時供給していてもよいし、バルブ544,545を操作してパージステップの時のみに供給してもよい。また、H2ガスやSiH4ガス等の添加ガスを供給する場合は、適宜のタイミングで添加ガス供給源513から添加ガスを供給する。
Ar gas, which is a purge gas, may be supplied all the time during the ALD process, or may be supplied only during the purge step by operating the
ALDプロセスによりTiN膜を成膜する際には、ALD用ガスであるTiCl4ガス、NH3ガス、Arガス等が、ALD用ガス供給部501から第1ガス合流部51に供給される。そして、第1ガス合流部51から第1ガス流路54を経てシャワーヘッド3の第1ガス拡散室34に供給され、第1ガス吐出孔36からチャンバー1内にウエハWへ向けて吐出される。
When forming a TiN film by the ALD process, ALD gases such as TiCl 4 gas, NH 3 gas, and Ar gas are supplied from the ALD
このとき、第1ガス流路54、第1ガス拡散室34、第1ガス吐出孔36で構成されるALD用ガス経路のコンダクタンスは相対的に高くなっている。具体的には、ALD用ガスを吐出する第1ガス吐出孔36の径が相対的に大きく構成されている。このため、TiCl4ガス、NH3ガス、Arガスを大流量で吐出することができ、ウエハWに対して大流量のガスを短時間で吐出することが望ましいALDに適したガス供給を行うことができる。
At this time, the conductance of the ALD gas path composed of the first
また、TiCl4ガス配管521、NH3ガス配管522、添加ガス配管523には、ガス貯留タンク537、538、539が設けられているため、これらのガスを各ガス貯留タンクに一旦貯留して昇圧させた後に吐出させることができる。これにより、大流量のガスを安定的にウエハWへ供給することができ、ALDプロセスをより有利に行うことができる。
In addition, since
サセプタ2上のウエハWに対してCVDプロセスによりB-SiGe膜を成膜する際には、最初にサセプタ2を処理位置に上昇させる。CVDを行う場合の処理位置は、ガスの均一性を確保する観点からALDの場合よりも低い位置としてもよい。具体的には、シャワーヘッド3から2~25mm程度の位置とすることが好ましい。
When forming a B-SiGe film on the wafer W on the
次いで、ガス供給部5のCVD用ガス供給部502の第4~第6Arガス供給源554~556からチャンバー1内にArガスを連続的に供給しつつ、自動圧力制御バルブ(APC)42によりチャンバー1内を調圧する。それとともに、ヒーター21により加熱されたサセプタ2上のウエハWの温度を安定させる。
Next, while continuously supplying Ar gas into the chamber 1 from the fourth to sixth Ar
次いで、バルブ571、572、573を開いて、B2H6ガス供給源551、SiH4ガス供給源552、GeH4ガス供給源553から、B2H6ガス、SiH4ガス、GeH4ガスを供給して、CVDによりウエハW上にB-SiGe膜を成膜する。このとき、第4~第6Arガス供給源554~556からのArガスの供給は継続してもよいし、停止してもよい。また、このときの条件としては、サセプタ2の温度が350~480℃、チャンバー1内の圧力が666~2666Pa(5~20Torr)であってよい。
Next,
CVDプロセスによりB-SiGe膜を成膜する際には、CVD用ガスであるB2H6ガス、SiH4ガス、GeH4ガス、Arガスが、CVD用ガス供給部502から第2ガス合流部52に供給される。そして、第2ガス合流部52から第2ガス流路55を経てシャワーヘッド3の第2ガス拡散室35に供給され、第2ガス吐出孔37からチャンバー1内にウエハWへ向けて吐出される。
When forming a B—SiGe film by the CVD process, the CVD gases B 2 H 6 gas, SiH 4 gas, GeH 4 gas, and Ar gas are supplied from the CVD
このとき、第2ガス流路55、第2ガス拡散室35、第2ガス吐出孔37で構成されるCVD用ガス経路のコンダクタンスは相対的に低くなっている。具体的には、CVD用ガスを吐出する第2ガス吐出孔37の径が相対的に小さく構成されている。このため、処理空間SにおいてB2H6ガス、SiH4ガス、GeH4ガス等の拡散が促進され、ウエハWに対してガスを均一に供給することが望ましいCVDに適したガス供給を行うことができる。
At this time, the conductance of the CVD gas path composed of the second
このような成膜装置100を用いた処理としては、TiN膜を成膜した後、B-SiGe膜を成膜する処理を挙げることができる。この場合には、ウエハWをチャンバー1内に搬入し、サセプタ2上に載置した後、上述したようなALDによるTiN膜の成膜を行い、その後、チャンバー1内をパージし、連続して上述したようなCVDによるB-SiGe膜の成膜を行う。
As a process using such a
以上のように、本実施形態によれば、マトリックス構造のシャワーヘッド3を用い、ALD用ガスとCVD用ガスとを、それぞれ別系統のガス経路で、それぞれの処理に適したコンダクタンスで供給することができる。このため、1台の成膜装置100により、ALDによるTiN膜の成膜と、CVDによるB-SiGe膜の成膜とを適切に行うことができる。
As described above, according to the present embodiment, the
従来は、ALDによるTiN膜の成膜とCVDによるB-SiGe膜の成膜とは別個の装置で行う必要があったが、本実施系では1台の成膜装置100で両方の成膜を行うことができるので、装置のフットプリント(設置面積)を半分に減少することができる。また、従来必要であったALD用の装置とCVD用の装置との間のウエハの搬送をなくすことができ、また、搬送した先の装置での温度および圧力の安定化の待ち時間もないのでスループットが高い。
Conventionally, the deposition of a TiN film by ALD and the deposition of a B--SiGe film by CVD had to be performed in separate apparatuses, but in this embodiment, one
さらに、TiN膜成膜後にB-SiGe膜を成膜する場合は、従来のようにこれらを別々の装置で行うと、ウエハの搬送中にTiN膜の表面が酸化し、TiN/BSiGe界面の酸化による電気特性の悪化が生じるおそれがある。これに対して、本実施形態の場合には、TiN膜の成膜とその後のB-SiGe膜の成膜を同一の成膜装置で行うので、TiN膜の成膜後にTiN/BSiGe界面が酸化され難く、界面の酸化による電気特性の悪化が生じ難い。 Furthermore, when forming a B—SiGe film after forming a TiN film, if these are performed in separate apparatuses as in the conventional case, the surface of the TiN film is oxidized during wafer transfer, and the TiN/BSiGe interface is oxidized. There is a risk that deterioration of electrical characteristics due to On the other hand, in the case of the present embodiment, the TiN film formation and the subsequent B—SiGe film formation are performed in the same film formation apparatus. It is difficult to cause deterioration of electrical properties due to oxidation of the interface.
また、TiN膜の上にB-SiGe膜を成膜する際に、B-SiGe膜の膜厚が薄い場合には、表面が不連続になってモフォロジーが悪化し、比抵抗が高くなることがある。これは、成膜の際に供給されるB2H6ガス、SiH4ガス、GeH4ガスの流量の多寡により設定流量に達するまでの時間にずれが生じることが原因である。本実施形態では上述したように、B2H6ガス配管561、SiH4ガス配管562、GeH4ガス配管563にガス貯留タンク577、578、579を設けることによりこのような問題を解消することができる。すなわち、CVDによる成膜開始前にB2H6ガス、SiH4ガス、GeH4ガスをガス貯留タンク577、578、579にチャージすることにより、バルブを開いて成膜を開始した際に、成膜初期のガス供給遅れによる偏りをなくすことができる。これにより、B-SiGe膜の膜厚が薄膜領域においても、膜の表面モフォロジーが良好になり、比抵抗のばらつきを低減することができる。
Further, when the B-SiGe film is formed on the TiN film, if the film thickness of the B-SiGe film is thin, the surface becomes discontinuous, the morphology deteriorates, and the specific resistance increases. be. This is because the amount of flow of the B 2 H 6 gas, SiH 4 gas, and GeH 4 gas supplied during film formation causes a time lag to reach the set flow rate. In this embodiment, as described above, such a problem can be solved by providing the
なお、CVD用ガス供給部502において、ガス貯留タンクは必須ではなく、ガス貯留タンクを設けなくてもよい。また、B2H6ガス配管561、SiH4ガス配管562、GeH4ガス配管563の少なくとも一つにガス貯留タンクを設けてもよい。ガス貯留タンクを設けない配管においては、ガス貯留タンクを設けた配管よりもガスの供給を先に開始すること(先出し)により、設定流量に達するまでの時間のずれを解消することができる。
Note that the gas storage tank is not essential in the CVD
実際にTiN膜上にB-SiGe膜を成膜した場合の膜厚と面粗さSaとの関係を図4に示す。ここでは、各ガスの供給の際にタンク貯留または先出しあり(タンク貯留・先出しあり)の場合と、タンク貯留および先出しなし(タンク貯留・先出しなし)の場合について膜厚と面粗さSaとの関係を求めた。図中、○はタンク貯留・先出しあり、●はタンク貯留・先出しなしである。なお、B2H6ガス、SiH4ガス、GeH4ガスの流量は、膜組成がB:0.3at%、Si:5at%、Ge:95at%程度になるように設定した。また、「タンク貯留・先出しあり」の場合は、B2H6ガス、GeH4ガスについてはガス貯留タンクに貯留してから吐出し、SiH4ガスについては3secの先出しとした。 FIG. 4 shows the relationship between the film thickness and the surface roughness Sa when a B-SiGe film is actually formed on a TiN film. Here, the relationship between the film thickness and the surface roughness Sa is shown for each gas supply with tank storage or advance delivery (with tank storage and advance delivery) and without tank storage and advance delivery (no tank storage and advance delivery). asked for a relationship. In the figure, ○ indicates tank storage and advance delivery, and ● indicates no tank storage and advance delivery. The flow rates of B 2 H 6 gas, SiH 4 gas, and GeH 4 gas were set so that the film composition was about B: 0.3 at %, Si: 5 at %, and Ge: 95 at %. In addition, in the case of "with tank storage and first delivery", the B 2 H 6 gas and the GeH 4 gas were stored in the gas storage tank and then discharged, and the SiH 4 gas was first delivered for 3 seconds.
図4に示すように、膜厚が16nm程度以下の薄膜領域において、「タンク貯留・先出しあり」のほうが表面のラフネス(面粗さ)が小さくなることが確認された。また、「タンク貯留・先出しあり」の場合(膜厚:16.2nm)と「タンク貯留・先出しなし」(膜厚:12.4nm)の場合についてシート抵抗を測定した結果、「タンク貯留・先出しなし」の場合が1281Ω/sqであるのに対し、「タンク貯留・先出しあり」の場合は787Ω/sqと小さい値であった。 As shown in FIG. 4, it was confirmed that in the thin film region with a film thickness of about 16 nm or less, the surface roughness was smaller in the case of "with tank storage and advance delivery". In addition, as a result of measuring the sheet resistance in the case of "with tank storage / first delivery" (film thickness: 16.2 nm) and "without tank storage / first delivery" (film thickness: 12.4 nm), "tank storage / first delivery While the value was 1281 Ω/sq in the case of "no resistance", it was a small value of 787 Ω/sq in the case of "with tank storage and advance delivery".
<処理システム>
次に、一実施形態の成膜装置を搭載した処理システムについて説明する。
図5は一実施形態の成膜装置を搭載した処理システムの一例を概略的に示す水平断面図である。
<Processing system>
Next, a processing system equipped with a film forming apparatus according to one embodiment will be described.
FIG. 5 is a horizontal sectional view schematically showing an example of a processing system equipped with a film forming apparatus according to one embodiment.
処理システム200は、主な構成要素として、上述したようにALDおよびCVDの両方を行える4つの処理装置100と、3つのロードロック室104と、真空搬送室101と、大気搬送室105と、全体制御部111とを有する。
The
ロードロック室104は、真空搬送室101と大気搬送室105の間に設けられ、真空搬送室101と大気搬送室105との間でウエハWを搬送する際に、大気圧と真空との間で圧力を調整するものである。
The
真空搬送室101は、真空ポンプにより排気されて、4つの成膜装置100の処理容器内の圧力に適合した真空度に保持され、内部に搬送機構108を有する。真空搬送室101には、4つの成膜装置100がゲートバルブGを介して接続され、3つのロードロック室104がゲートバルブG1を介して接続される。
The
搬送機構108は、4つの成膜装置100、3つのロードロック室104に対してウエハWを搬送する。搬送機構108は、独立に移動可能な2つの搬送アーム109a,109bを有している。
A
大気搬送室105は、大気雰囲気に保持され、一方の壁部に3つのロードロック室104がゲートバルブG2を介して接続されている。大気搬送室105のロードロック室104の取り付け壁部とは反対側の壁部にはウエハWを収容するキャリア(FOUP等)Cを取り付ける3つのキャリア取り付けポート106を有している。また、大気搬送室105の側壁には、ウエハWのアライメントを行うアライメントチャンバー107が設けられている。大気搬送室105内には清浄空気のダウンフローが形成されるようになっている。
The
大気搬送室105内には、搬送機構110が設けられている。搬送機構110は、キャリアC、ロードロック室104、アライメントチャンバー107に対してウエハWを搬送するようになっている。
A
全体制御部111は、処理システム200の全体を制御するものであり、4つの成膜装置100に制御指令を送る。また、真空搬送室101およびロードロック室104の排気機構やガス供給機構、さらには搬送機構108および110、ゲートバルブG、G1、G2の駆動系等を制御する。全体制御部111は、これらの制御を実際に行うCPU(コンピュータ)を有する主制御部と、入力装置(キーボード、マウス等)、出力装置(プリンタ等)、表示装置(ディスプレイ等)、記憶装置(記憶媒体)を有している。主制御部は、記憶装置の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて、処理システム200に、所望の処理動作を実行させる。
The
次に、このように構成される処理システム200の動作の概略について説明する。
Next, an outline of the operation of the
まず、搬送機構110により大気搬送室105に接続されたキャリアCからウエハWを取り出し、いずれかのロードロック室104のゲートバルブG2を開けてそのウエハWをそのロードロック室104内に搬入する。ゲートバルブG2を閉じた後、ロードロック室104内を真空排気し、真空搬送室101の真空度に達したらゲートバルブG1を開けて搬送機構108によりロードロック室104からウエハWを取り出す。
First, the wafer W is taken out from the carrier C connected to the
そして、取り出したウエハWを、いずれかの成膜装置100に搬送し、上述したようにALDによるTiN膜の成膜とCVDによるB-SiGe膜の成膜を行う。各装置に対するウエハWの搬入および搬出の際には、ゲートバルブGを開閉する。
Then, the wafer W taken out is transferred to one of the
成膜装置100による成膜処理が終了したウエハWについては、いずれかのロードロック室104のゲートバルブG1を開け、搬送機構108によりウエハWをそのロードロック室104内に搬入する。そして、そのロードロック室104内を大気に戻し、ゲートバルブG2を開けて、搬送機構110によりロードロック室104内のウエハWをキャリアCに戻す。以上のような処理を、複数のウエハWについて同時並行的に行って、キャリアCに収容された枚数のウエハWの処理を行う。
For the wafer W for which the film formation process by the
従来は、このような効率的な処理システムを用いる場合に、ALDを行う成膜装置を4台搭載した処理システムと、CVDを行う成膜装置を4台搭載した処理システムを用いる必要があり、フットプリント(設置面積)が大きくなってしまう。また、TiN膜を成膜した後のウエハを大気暴露する必要があり、界面酸化の問題も解消されない。また、従来のALDを行う成膜装置とCVDを行う成膜装置を一つの処理システムに2台ずつ搭載することもできるが、この場合には、スループットが上記処理システム200の半分となる。また、このような処理システムでは、TiN膜を成膜した後のウエハの搬送は真空雰囲気で行えるものの、酸素を完全に排除することは困難であり、搬送の際にウエハにある程度の界面酸化が生じてしまう。
Conventionally, when using such an efficient processing system, it is necessary to use a processing system equipped with four film forming apparatuses for ALD and a processing system equipped with four film forming apparatuses for performing CVD. The footprint (installation area) becomes large. Moreover, it is necessary to expose the wafer after forming the TiN film to the atmosphere, and the problem of interfacial oxidation cannot be solved. Also, two conventional film forming apparatuses for ALD and two conventional film forming apparatuses for CVD can be installed in one processing system, but in this case, the throughput is half that of the
これに対して、処理システム200では、ALDおよびCVDの両方を行える4つの成膜装置100により複数のウエハWを同時並行的に処理できるので、フットプリント(設置面積)を小さくし、かつ界面酸化を確実に防止しつつ、スループットをさらに高めることができる。
On the other hand, in the
<他の適用>
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
<Other applications>
Although the embodiments have been described above, the embodiments disclosed this time should be considered as examples and not restrictive in all respects. The above-described embodiments may be omitted, substituted, or modified in various ways without departing from the scope and spirit of the appended claims.
例えば、上記実施形態では、ALDによりTiN膜を成膜し、CVDによりB-SiGe膜を成膜する場合について示したが、これらの膜に限定されることなく、ALDによる成膜およびCVDによる成膜を行う成膜装置であれば適用可能である。 For example, in the above embodiments, the case of forming a TiN film by ALD and forming a B—SiGe film by CVD has been described, but the present invention is not limited to these films, and film formation by ALD and film formation by CVD is possible. Any film forming apparatus that forms a film can be applied.
また、上記実施形態では、基板として半導体ウエハを例にとって説明したが、半導体ウエハに限定されず、FPD(フラットパネルディスプレイ)に用いるガラス基板や、セラミック基板等の他の基板であってもよい。 Further, in the above embodiments, the semiconductor wafer is used as an example of the substrate, but the substrate is not limited to the semiconductor wafer, and other substrates such as glass substrates used for FPDs (flat panel displays) and ceramic substrates may be used.
1;チャンバー
2;サセプタ
3;シャワーヘッド
4;排気部
5;ガス供給部
6;制御部
34;第1ガス拡散室
35;第2ガス拡散室
36;第1ガス吐出孔
37;第2ガス吐出孔
54;第1ガス流路
55;第2ガス流路
100;成膜装置
200;処理システム
501;ALD用ガス供給部
502;CVD用ガス供給部
S;処理空間
W;半導体ウエハ(基板)
1;
Claims (12)
前記処理容器内で基板を載置する載置台と、
ALDによる成膜に用いるALD用ガスを供給するALD用ガス供給部と、
CVDによる成膜に用いるCVD用ガスを供給するCVD用ガス供給部と、
前記ALD用ガスおよび前記CVD用ガスが供給され、前記ALD用ガスおよび前記CVD用ガスを前記処理容器に吐出するシャワーヘッドと、
前記載置台上の基板を加熱する加熱部と、
前記処理容器内を排気する排気部と、
を備え、前記載置台上の基板に対し、ALDによる成膜およびCVDによる成膜を行うことが可能であり、
前記シャワーヘッドは、
前記ALD用ガスが供給される第1ガス拡散室と、
前記CVD用ガスが供給される第2ガス拡散室と、
前記第1ガス拡散室から前記ALD用ガスを吐出する第1ガス吐出孔と、
前記第2ガス拡散室から前記CVD用ガスを吐出する第2ガス吐出孔と、
を有し、
前記第1ガス吐出孔のコンダクタンスが前記第2ガス吐出孔のコンダクタンスよりも大きい、成膜装置。 a processing container in which the substrate is accommodated;
a mounting table for mounting the substrate in the processing container;
an ALD gas supply unit for supplying an ALD gas used for film formation by ALD;
a CVD gas supply unit for supplying a CVD gas used for film formation by CVD;
a shower head to which the ALD gas and the CVD gas are supplied and which discharges the ALD gas and the CVD gas into the processing container;
a heating unit that heats the substrate on the mounting table;
an exhaust unit for exhausting the inside of the processing container;
and capable of performing film formation by ALD and film formation by CVD on the substrate on the mounting table,
The shower head is
a first gas diffusion chamber to which the ALD gas is supplied;
a second gas diffusion chamber to which the CVD gas is supplied;
a first gas ejection hole for ejecting the ALD gas from the first gas diffusion chamber;
a second gas ejection hole for ejecting the CVD gas from the second gas diffusion chamber;
has
The film forming apparatus, wherein the conductance of the first gas ejection holes is greater than the conductance of the second gas ejection holes.
前記CVD用ガス供給部から、B含有ガス、Si含有ガス、Ge含有ガスが供給されて、CVDにより基板上にBがドープされたSiGe膜が成膜される、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の成膜装置。 A Ti-containing gas and an N-containing gas are supplied from the ALD gas supply unit to form a TiN film on the substrate by ALD,
A B-containing gas, a Si-containing gas, and a Ge-containing gas are supplied from the CVD gas supply unit, and a B-doped SiGe film is formed on the substrate by CVD. The film forming apparatus according to any one of the items.
前記ALD用ガス供給部から前記ALD用ガスを供給し、前記ALD用ガスを前記シャワーヘッドから前記処理容器内に吐出して、前記基板上にALDにより第1の膜を成膜する工程と、
前記CVD用ガス供給部から前記CVD用ガスを供給し、前記CVD用ガスを前記シャワーヘッドから前記処理容器内に吐出して、前記基板上にCVDにより第2の膜を成膜する工程と、
を有する、成膜方法。 A film forming method for forming a film on a substrate by the film forming apparatus according to any one of claims 1 to 6,
A step of supplying the ALD gas from the ALD gas supply unit, discharging the ALD gas from the shower head into the processing container, and forming a first film on the substrate by ALD;
a step of supplying the CVD gas from the CVD gas supply unit, discharging the CVD gas from the shower head into the processing container, and forming a second film on the substrate by CVD;
A film forming method.
前記第2の膜を成膜する工程は、前記CVD用ガス供給部から、B含有ガス、Si含有ガス、およびGe含有ガスを供給してCVDにより前記基板の前記第1の膜であるTiN膜に連続して前記第2の膜としてBがドープされたSiGe膜を成膜する、請求項9または請求項10に記載の成膜方法。 The step of forming the first film includes forming a TiN film as the first film on the substrate by ALD by supplying a Ti-containing gas and an N-containing gas from the ALD gas supply unit,
The step of depositing the second film comprises supplying a B-containing gas, a Si-containing gas, and a Ge-containing gas from the CVD gas supply unit, and forming a TiN film as the first film on the substrate by CVD. 11. The film forming method according to claim 9, wherein a B-doped SiGe film is formed as said second film in succession to said second film.
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