JP4703891B2 - 薄膜製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄膜製造方法に関し、特に、枚葉式のウェハに対し熱による化学反応で薄膜を形成する薄膜製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、減圧CVD装置(low pressure chemical vapor deposition system)を用いて、熱による化学反応によりウェハに薄膜を形成する薄膜製造方法が知られている。
【0003】
このLP−CVD装置を用いて枚葉式のウェハに薄膜を形成する場合、次のようにして行われる。先ず、処理を行う前に、プロセスチャンバ内を減圧してチャンバ内雰囲気が所定の温度に安定するまで加熱し、成膜の準備をする。
【0004】
次に、減圧を維持したまま、1枚のウェハをチャンバ内に搬入してサセプタに保持させた後、チャンバ内に混合ガスを導入する。加熱環境のもとガスが導入されることで、ウェハ上への成膜が開始されウェハ表面に薄膜が形成される。
【0005】
次に、チャンバ内の減圧を維持したまま、所望の厚さの薄膜が形成されたウェハをチャンバの外へ移送し、冷却する。ウェハを取り出した後、次のウェハをチャンバ内に搬入してサセプタに保持させ、薄膜形成、チャンバ外移送を順次行う。その後、これら一連の工程をウェハ1枚毎に繰り返す。
【0006】
ところで、上述した枚葉式のウェハ薄膜形成方法において、成膜処理が長時間行われなかったLP−CVD装置を用いる場合、そのLP−CVD装置は、チャンバ内からの放熱量が抑えられ、チャンバ内を設定温度に維持するためのパワーが落ちているため、成膜プロセスが始まってから徐々にチャンバ内雰囲気が安定することになり、チャンバ内雰囲気の安定に時間がかかっていた。
【0007】
これは、クリーニング・プリコートを行った後、或いはプロセス使用温度を変更した後に続けて、LP−CVD装置を使用する場合でも同様である。
【0008】
このように、チャンバ内雰囲気の安定に時間がかかると、成膜プロセスを開始した初期には、ウェハ表面に形成される膜厚が薄くなったり、膜厚の均一性が確保できなくなったりして、成膜が不安定になってしまう。このことは、最近、使用頻度が高まってきたLP−CVD装置を、温度センシティブなプロセスに用いる場合、膜厚管理に温度制御が非常に重要であることから、特に影響が大きい。
【0009】
そこで、このような状況に対処するため、製品となるウェハの成膜処理を行う前に、チャンバ内雰囲気の安定に要する時間、ダミーのウェハを用いた事前の成膜処理(準備処理)を行い、その後、チャンバ内雰囲気が安定した後に、本来の成膜処理(製品処理)を行っていた。
【0010】
図8は、従来のダミーウェハを用いた成膜処理工程を説明するタイムチャートである。図8に示すように、先ず、ダミーウェハを処理する準備処理が行われ、次に、製品となるウェハを処理する製品処理が行われる。
【0011】
準備処理は、次の工程を経て行われる。処理が開始され、ダミーウェハを約3分間かけてロード(搬入)した後、ロードロック室の真空引きを約3分間行う。その後、1枚目のダミーウェハ処理を約5分間行い、それに続けて2枚目、3枚目と全部で25枚のダミーウェハ処理を行う。
【0012】
25枚は、ウェハを1枚毎に出し入れする枚葉式の場合においても、安定した膜厚形成ができるようにするための一応の目安である。従って、ダミーウェハ1枚当たり約5分として計約125分、処理開始から約131分後にダミーウェハ処理が終了する。
【0013】
ダミーウェハ処理の終了後、ロードロック室の大気開放を約3分間行い、その後、ダミーウェハを約3分間かけてアンロード(搬出)する。従って、ダミーウェハを処理する準備処理に約137分を要することとなる。
【0014】
製品処理は、次の工程を経て行われる。準備処理におけるロードロック室の真空引きの開始と同時に、処理が開始され、ウェハを約3分間かけてロードした後、ロードロック室の真空引きを約3分間行う。
【0015】
そして、準備処理におけるダミーウェハ処理が終了した後、即ち、処理開始から約131分後に、ウェハ処理が開始される。1枚目のウェハ処理を約5分間行った後、それに続けて2枚目以降のウェハ処理を行う。
【0016】
つまり、ダミーウェハ(25枚)の処理によりチャンバ内雰囲気が安定した後に、成膜プロセスを開始するので、ウェハ表面に形成される膜厚が薄くなったり、膜厚の均一性が確保できなくなったりすることがない。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、製品処理を行う前の準備処理として、ダミーウェハ(25枚)の処理を必要とするため、製品となるウェハの成膜処理を行うプロセス時間全体が長くなってしまう。これは、LP−CVD装置の稼働率の低下を招き、ウェハ製造コストの上昇をもたらすことになる。
【0018】
この発明の目的は、製品となるウェハの成膜処理を効率良く行ってプロセス時間を短縮し、装置の稼働率を高めることができる薄膜製造方法を提供することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る薄膜製造方法は、枚葉式のウェハに対し熱による化学反応で薄膜を形成する薄膜製造方法において、薄膜形成プロセスの開始後に、反応室内の温度による膜厚の変動を抑制する疑似プロセスを設け、前記疑似プロセスは、前記ウェハを実際に前記反応室に入れる前に前記反応室を加熱するプレヒート処理であり、前記プレヒート処理は、一旦、プロセス温度より低い温度に維持する低温維持のためのシーケンスを含み、前記プレヒート処理は、前記プロセス温度に対するヒートダウンを行うヒートダウン工程と、前記ヒートダウン工程の後、前記プロセス温度よりも低い温度に維持する低温維持工程と、前記低温維持工程の後、ヒートアップを行って前記プロセス温度にする低温維持後ヒートアップ工程とを有し、前記低温維持後ヒートアップ工程の後、前記プロセス温度を維持するプロセス温度維持工程と、前記プロセス温度維持工程の後、プロセスガスを入れるデポガスON状態とするデポガスON工程と、前記デポガスON工程の後、真空引きを行う工程とを有することを特徴としている。
【0020】
上記構成を有することにより、薄膜形成プロセスの開始後に、反応室内の温度による膜厚の変動を抑制する疑似プロセスを経て、枚葉式のウェハに対し熱による化学反応で薄膜が形成される。これにより、製品となるウェハの成膜処理を効率良く行ってプロセス時間を短縮し、装置の稼働率を高めることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0022】
図1は、この発明の一実施の形態に係る薄膜製造方法に用いられる製造装置の概略構造を示す断面図である。図1に示すように、LP−CVD装置(薄膜製造装置)10は、反応室(チャンバ)11内に、枚葉式のウェハWを保持するサセプタ12を有している。
【0023】
サセプタ12は、下面側に、保持したウェハWを加熱するためのヒータ13を有し、ヒータ13を貫通するように、温度測定用の熱電対(thermocouple:TC)14が設けられている。サセプタ12の上方には、サセプタ12に載置されたウェハWに対向してシャワーヘッド15が設置されている。このシャワーヘッド15を介して、反応室11内に原料ガスが供給される。
【0024】
このようなLP−CVD装置10、例えば、窒化珪素(SiN)LP枚葉CVD装置、或いは酸化タンタル(Ta2 O5 )LP枚葉CVD装置を用いて、熱反応により枚葉式のウェハWに薄膜を形成する成膜工程を、以下に説明する。
【0025】
このとき、反応室11は、成膜条件変更時、反応室長期未使用時、或いは反応室クリーニング直後等により、内部雰囲気の安定に時間がかかり、待ち時間が発生する状況にある。
【0026】
図2は、図1のLP−CVD装置を用いた枚葉式ウェハ成膜工程において、待ち時間発生時に行われるプレヒートの流れを示すタイムチャートである。なお、タイムチャートにおける時間経過は、単位時間(約10秒)毎に区切って概略的に表わす。
【0027】
図2に示すように、待機(スタンバイ)後、ヒートダウンを約20秒間行い、その後、プロセス温度よりも低い温度に維持する低温維持を約10秒間行う。
【0028】
低温維持に続いて、ヒートアップを約20秒間行ってプロセス温度にした後、約180秒間に渡ってプロセス温度を維持する。プロセス温度維持期間終了後に、約10秒間、プロセスガスを入れるデポガスON状態とし、その後、真空引きを約20秒間行う。
【0029】
このヒートダウンから真空引きを行う迄の約260秒間が、プレヒート時間となり、待ち時間が発生した場合、上述したプレヒートのプロセス手順(レシピ)を経ることにより、反応室11内の雰囲気を安定させることができる。その後、ウェハWに薄膜を形成する製品処理を行う。
【0030】
図3は、反応室内の温度切替後において高温から低温にする場合のプレヒートの流れを示す、図2と同様のタイムチャートである。このタイムチャートにおける時間経過は、単位時間(約10秒)毎に区切って概略的に表わす。
【0031】
図3に示すように、反応室11内の温度切替後に高温から低温にする場合は、待機(スタンバイ)後、ヒートダウンを約40秒間行い、その後、プロセス温度よりも低い温度に維持する低温維持を約10秒間行う。
【0032】
低温維持に続いて、ヒートアップ(低温維持後ヒートアップ)を約20秒間行ってプロセス温度にした後、約180秒間に渡ってプロセス温度を維持する。プロセス温度維持期間終了後に、約10秒間、プロセスガスを入れるデポガスON状態とし、その後、真空引きを約20秒間行う。
【0033】
このヒートダウンから真空引きを行う迄の約280秒間が、プレヒート時間となり、温度切替後に高温から低温にする場合、上述したプレヒートのプロセス手順を経ることにより、反応室11内の雰囲気を安定させることができる。その後、ウェハWに薄膜を形成する製品処理を行う。
【0034】
図4は、反応室内の温度切替後において低温から高温にする場合のプレヒートの流れを示す、図2と同様のタイムチャートである。このタイムチャートにおける時間経過は、単位時間(約10秒)毎に区切って概略的に表わす。
【0035】
図4に示すように、反応室11内の温度切替後に低温から高温にする場合は、待機(スタンバイ)後、ヒートアップ(低温維持前ヒートアップ)を約40秒間行い、その後、プロセス温度よりも低い温度に維持する低温維持を約10秒間行う。
【0036】
低温維持に続いて、ヒートアップを約20秒間行ってプロセス温度にした後、約180秒間に渡ってプロセス温度を維持する。プロセス温度維持期間終了後に、約10秒間、プロセスガスを入れるデポガスON状態とし、その後、真空引きを約20秒間行う。
【0037】
このヒートアップから真空引きを行う迄の約280秒間が、プレヒート時間となり、温度切替後に低温から高温にする場合、上述したプレヒートのプロセス手順を経ることにより、反応室11内の雰囲気を安定させることができる。その後、ウェハWに薄膜を形成する製品処理を行う。
【0038】
図5は、クリーニング・プリコート後のプレヒートの流れを示す、図2と同様のタイムチャートである。このタイムチャートにおける時間経過は、単位時間(約10秒)毎に区切って概略的に表わす。
【0039】
図5に示すように、クリーニング・プリコート後においては、待機(スタンバイ)後、ヒートダウンを約20秒間行い、その後、プロセス温度よりも低い温度に維持する低温維持を約10秒間行う。
【0040】
低温維持に続いて、ヒートアップを約20秒間行ってプロセス温度にした後、約70秒間に渡ってプロセス温度を維持する。プロセス温度維持期間終了後、約140秒間、プリコートのためにプロセスガスを入れるデポガスON状態とし、その後、真空引きを約20秒間行う。
【0041】
このヒートダウンから真空引きを行う迄の約280秒間が、プレヒート時間となり、その後、0〜280秒のプロセス手順を「繰り返しシーケンス処理」として3回繰り返す。つまり、クリーニング・プリコート後、プレヒートのプロセス手順を経て繰り返しシーケンス処理を3回繰り返した後(840秒後)、反応室11内の雰囲気を安定させることができる。その後、ウェハWに薄膜を形成する製品処理を行う。
【0042】
図6は、図2のプレヒート時における設定温度、サセプタの実温及びヒータパワーの各パラメータ推移をグラフで示す説明図である。図6に示すように、待ち時間発生時においてプレヒートが行われている間に、反応室11の設定温度に対し、ウェハWが載置されたサセプタ12の実際の温度及びヒータパワー(Heater power)が変化する。
【0043】
処理が開始され約5秒間待機(スタンバイ)した後、設定温度は、プロセス温度の約500℃から約495℃へと約5度下げられ、その状態が約20秒間続く。設定温度を下げたのに対応して、ヒータパワーは、約30%から約5%まで下がる(ヒートダウン)が、その後、上昇に転じ、処理開始から約25秒後に約30%として、約5秒間、その状態を維持する。
【0044】
ヒータパワーの低下により、実温は、約500℃から徐々に低下して、処理開始から約20秒後に約495℃になる。その後、ヒータパワーが約30%に維持されるのに伴い、実温は、約10秒間、約495℃に維持される(低温維持)。
【0045】
その後、即ち、処理開始から約25秒後に、設定温度は約500℃に復帰し、そのまま維持される。約30%に維持された後、再び上昇を続けるヒータパワーは、ヒータ温度の上昇速度を高めるため、処理開始から約35秒後には約80%まで高められる(ヒートアップ)。ヒータパワーの上昇に伴い、実温も、処理開始から約25秒後に上昇を始め、約37秒後にはプロセス温度の約500℃に達する。
【0046】
約80%まで高められたヒータパワーは、実温が設定温度の約500℃に近づいた、処理開始から約35秒後に、下降に転じ、処理開始から約45秒後に、実温を約500℃に維持することができる約30%まで下げられる(プロセス温度維持)。
【0047】
そして、処理開始から約50秒後、実温を約500℃に維持しつつ、ヒータパワーを約31%或いは約32%に若干上げるように調整する。ここから、反応室11内の実温がプロセス設定温度の約500℃に安定して保持される状態になる。
【0048】
反応室11内の温度切替後において高温から低温にする場合は、ヒートダウンにより、一旦、目標温度よりも約5℃下げ、その状態を維持する低温維持後、温度上昇によって目標温度に到達させる。
【0049】
また、プリコートをすることが目的なので、当然、デポガスONの時間が長くなる。ヒートダウンからヒートアップ以後のプロセス温度維持時間は、どのような膜をどのように付けるかによって変わるものであり、1枚目のウェハWから変化が起きないように、成膜する膜種によってプロセス温度維持時間を調整する。なお、繰り返しシーケンス処理の繰り返し数は3回に限らない。
【0050】
このように、ヒータパワーを、プロセス温度維持開始時の約30%から、約31%或いは約32%にアップさせたことにより、次のような利点を有する。
【0051】
成膜プロセス中、約500℃一定に設定された反応室11内は、ウェハW搬入時、実温が一旦約495℃まで下がることから、ウェハW搬入毎に、実温の低下に対応してヒータパワーを約80%まで上げることを繰り返す。しかしながら、ウェハ処理は、ヒータパワーが約31%或いは約32%の初期状態に維持されたまま進むため、反応室11内の雰囲気は約1〜2℃上がった状態となり、パワーの変動に伴い、ウェハWの膜厚として0.3〜0.4nm程のずれが発生したとしても補正することができる。
【0052】
上述したように、ヒートダウンから真空引き迄の各処理を行うプレヒートを1回(約280秒)、場合によっては3回(約840秒)、前処理として経た後、製品となるウェハを処理する製品処理を行う。
【0053】
図7は、この発明に係るプレヒートを経て行われる成膜処理工程を説明するタイムチャートである。このタイムチャートにおいては、単位時間(約10秒)毎に区切って概略的に表わす。
【0054】
図7に示すように、先ず、前処理として、プレヒートのプロセス手順を実行する。プレヒートのプロセス手順は約280秒かかるので、処理開始から約5分後に前処理が終了する。
【0055】
前処理終了後、製品処理を行う。製品処理は、次の工程を経て行われる。前処理であるプレヒートのプロセス手順実行開始と同時に、ウェハWのロードが開始され、約3分後にロードが終了する。その後、ロードロック室の真空引きが約3分間行われる。
【0056】
そして、ロードロック室の真空引き終了後、即ち、前処理が終了した約1分後に、ウェハWの処理を開始する。約5分間かけて1枚目のウェハ処理が行われ、それに続けて2枚目以降のウェハ処理が、1枚当たり約5分間かけて行われる。
【0057】
従って、プレヒートを経て行われる成膜処理工程にあっては、成膜処理工程の開始から約6分後に、ウェハWの製品処理が行われることになる。この結果、ウェハWの製品処理を行う前の準備処理に要する時間(プレヒート時間)を、従来のダミーウェハを用いた成膜処理工程の約131分(図8参照)から約6分(図7参照)に、約125分も大幅に短縮することができる。
【0058】
つまり、枚葉CVDプロセスにおいて、CVD装置の温度自動制御機構を利用し、実際にウェハWの成膜プロセスを開始する前に、一旦、設定温度より低い温度に下げてそれを維持するシーケンス処理を入れることのみにより、製品処理開始時間を、従来に比べ約125分も短縮することができる。
【0059】
このように、この発明によれば、一連の成膜プロセスの中で、実際にウェハWに膜を形成する前に、「プロセスで使用する温度から一旦温度を下げるヒートダウンを行い、このヒートダウンの後、再度、プロセス温度へ戻す」プレヒートを行い、プロセス温度復帰後にウェハWへの膜形成を開始する。
【0060】
ヒートダウンに際しては、実際にウェハWを反応室11内に入れたときの温度変化幅に相当する分低く、即ち、プロセス使用温度から、約30℃以下、望ましくは約10℃以下、最も適するものとして5℃以下に、温度設定する。5℃以下に温度設定した場合、より効果的な運用が可能である。
【0061】
即ち、反応室11を長期間使用しなかった場合や、クリーニング・プリコートを行った後、或いは成膜条件変更によりプロセス使用温度を変更した後等に、ヒートダウンのためのヒータ温度変更及び必要に応じてプロセスガスを数秒間流す、プレヒートを行い、その後に、製品処理を行う。この結果、成膜プロセスで使用する直前の反応室11の状態に影響を受けずに、ウェハWに安定した膜厚で成膜することができる。
【0062】
これは、連続して製品処理を行っている場合と、そうでない場合とで、反応室11内の雰囲気(ヒータパワーやガス雰囲気等)に違いがあるため、そのままの使用では、成膜される膜厚が反応室11の状態に依存して変動してしまうが、プロセス開始前にウェハ処理を擬似的に行うようなプロセス手順(レシピ)を経ることにより、膜厚の変動を抑制することができるからである。
【0063】
プレヒートを経た後に製品処理を行うことは、成膜時に、正確、且つ、安定した温度管理が可能になるため、特に、温度に対するレートが厳しい成膜プロセス、例えば、最近のLP−CVD装置における、温度制御管理が膜厚に非常に影響する温度センシティブなプロセスにおいて、効果的である。
【0064】
一例として、Ta2 O5 成膜の場合、膜厚が10nm前後の薄膜であり、その上、温度に対する膜厚シフトが大きいため、1℃以上のシフトで不良品になってしまう。これに対し、SiN成膜は、100nm前後の膜厚でありながら、温度に対する膜厚シフトはTa2 O5 成膜の5倍前後であるため、相対的に甘めとなる。
【0065】
従って、この発明に係る薄膜製造方法により、成膜処理工程におけるウェハWの膜厚が1枚目から安定するため、従来のダミーウェハ処理時間を必要としないので準備作業時間が大幅に低減し、ウェハ処理の作業効率が向上して、LP−CVD装置の稼働率を高めることができる。
【0066】
特に、長時間(1時間以上)装置を使用しなかった場合、クリーニング・プリコート等により反応室自体の熱の出入りが無い状態のとき、或いは温度変更時の温度安定が必要なとき等において、効果的である。
【0067】
また、装置構成を変えることなく、制御できる温度設定のパラメータを変えることにより、即ち、単に温度設定のシーケンスを変えることによって、短時間に、製品処理におけるプロセス加工ができる。更に、シーケンスの変更だけの対応により可能なため、その間に、他のウェハWをロードすることも可能である。
【0068】
なお、上記実施の形態において、CVDプロセスは、SiN LP枚葉CVDプロセスやTa2 O5 LP枚葉CVDプロセスに限るものではなく、熱反応成膜を行う枚葉CVDプロセス全般に適応することができる。また、枚葉ランプアニール装置を用いたプロセスに適応することも可能である。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、薄膜形成プロセスの開始後に、反応室内の温度による膜厚の変動を抑制する疑似プロセスを経て、枚葉式のウェハに対し熱による化学反応で薄膜が形成されるので、製品となるウェハの成膜処理を効率良く行ってプロセス時間を短縮し、装置の稼働率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施の形態に係る薄膜製造方法に用いられる製造装置の概略構造を示す断面図である。
【図2】図1のLP−CVD装置を用いた枚葉式ウェハ成膜工程において、待ち時間発生時に行われるプレヒートの流れを示すタイムチャートである。
【図3】反応室内の温度切替後において高温から低温にする場合の各処理の流れを示す、図2と同様のタイムチャートである。
【図4】反応室内の温度切替後において低温から高温にする場合の各処理の流れを示す、図2と同様のタイムチャートである。
【図5】クリーニング・プリコート後の各処理の流れを示す、図2と同様のタイムチャートである。
【図6】図2のプレヒート時における設定温度、サセプタの実温及びヒータパワーの各パラメータ推移をグラフで示す説明図である。
【図7】この発明に係るプレヒートを経て行われる成膜処理工程を説明するタイムチャートである。
【図8】従来のダミーウェハを用いた成膜処理工程を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
10 LP−CVD装置
11 反応室
12 サセプタ
13 ヒータ
14 熱電対
15 シャワーヘッド
W ウェハ
Claims (7)
- 枚葉式のウェハに対し熱による化学反応で薄膜を形成する薄膜製造方法において、薄膜形成プロセスの開始後に、反応室内の温度による膜厚の変動を抑制する疑似プロセスを設け、
前記疑似プロセスは、前記ウェハを実際に前記反応室に入れる前に前記反応室を加熱するプレヒート処理であり、
前記プレヒート処理は、一旦、プロセス温度より低い温度に維持する低温維持のためのシーケンスを含み、
前記プレヒート処理は、前記プロセス温度に対するヒートダウンを行うヒートダウン工程と、前記ヒートダウン工程の後、前記プロセス温度よりも低い温度に維持する低温維持工程と、前記低温維持工程の後、ヒートアップを行って前記プロセス温度にする低温維持後ヒートアップ工程とを有し、
前記低温維持後ヒートアップ工程の後、前記プロセス温度を維持するプロセス温度維持工程と、前記プロセス温度維持工程の後、プロセスガスを入れるデポガスON状態とするデポガスON工程と、前記デポガスON工程の後、真空引きを行う工程とを有することを特徴とする薄膜製造方法。 - 前記疑似プロセスは、成膜条件変更時、反応室長期未使用時或いは反応室クリーニング後等、前記反応室の内部雰囲気の安定に時間がかかる状況で実施されることを特徴とする請求項1に記載の薄膜製造方法。
- 前記低温維持される温度は、前記プロセス温度より、前記ウェハを実際に前記反応室に入れたときの温度変化幅分低く設定されることを特徴とする請求項1又は2記載の薄膜製造方法。
- 前記ヒートダウン工程に代えて、前記プロセス温度に対するヒートアップを行う低温維持前ヒートアップ工程を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載の薄膜製造方法。
- 前記プレヒート処理と、前記プロセス温度維持工程の後、プリコートを行うためにプロセスガスを入れるデポガスON状態とするデポガスON工程と、前記デポガスON工程の後、真空引きを行う工程とからなるシーケンスを繰り返す繰り返しシーケンス処理を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の薄膜製造方法。
- 前記プレヒート処理と共に、前記ウェハの搬入及びそれに続くロードロック室の真空引きを行い、前記プレヒート処理の後に前記ウェハに薄膜を形成する製品処理を行うことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の薄膜製造方法。
- 前記繰り返しシーケンス処理と共に、前記ウェハの搬入及びそれに続くロードロック室の真空引きを行い、前記繰り返しシーケンス処理の後に前記ウェハに薄膜を形成する製品処理を行うことを特徴とする請求項5記載の薄膜製造方法。
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