JP5341358B2 - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェーハ等の基板に薄膜を生成して半導体装置を製造する基板処理方法、半導体装置の製造方法および基板処理装置に関するものである。

ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の１つであるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる少なくとも２種類の原料となる反応性ガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子単位で前記基板上に吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う成膜方法である。この時、膜厚の制御は、反応性ガスを供給するサイクル数で行う（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、２０サイクル行う）。

従来のＡＬＤ法により成膜処理を行う場合に、ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、純水、ピリジンを用いた触媒ＡＬＤ−ＳｉＯ成膜を行う工程が存在する。

斯かる触媒ＡＬＤ−ＳｉＯ成膜工程を縦型半導体製造装置に於ける半導体装置の製造に実行した場合、ＡＬＤ法の特徴であるセルフリミットの効果が弱く、膜厚制御性、ウェーハ面内の均一性の低下、更にステップカバレージの悪化、ローディング効果の発生を招く虞れがあった。

本発明は斯かる実情に鑑み、ＡＬＤ法により成膜を行い半導体装置を製造する場合に於いて、ＡＬＤ法の特徴であるセルフリミットの作用を強め、ウェーハ面内の均一性の向上を図るものである。

本発明の一態様によれば、基板が収容された処理室に原料ガスと触媒ガスを供給する第１の工程と、前記処理室から前記原料ガスと前記触媒ガスを除去する第２の工程と、前記処理室に酸化性ガスと触媒ガスを供給する第３の工程と、前記処理室から前記酸化性ガスと前記触媒ガスを除去する第４の工程とを少なくとも備え、前記第１〜第４の工程が複数回繰返し実行され、前記触媒ガスには脱水処理が施されたガスを使用する半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明の他の態様によれば、基板を収容する処理室と、前記処理室に原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、前記処理室に脱水処理が施された触媒ガスを供給する触媒ガス供給手段と、前記処理室に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給手段と、前記処理室を排気する排気手段と、を有し、前記原料ガスおよび前記触媒ガスと、前記酸化性ガスと前記触媒ガスを互いに混合しないよう交互に供給して基板に酸化膜を形成することを特徴とする基板処理装置が提供される。

本発明によれば、処理工程中の残留水分を低減し得、膜厚の均一性を向上し得ると言う優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明に係る半導体装置の製造方法の一工程である基板処理方法が実施される基板処理装置について概略を説明する。

図中、１は基板処理炉であり、該基板処理炉１は処理室２を画成する反応管３を具備している。該反応管３の周囲には加熱装置（図示せず）が設けられ、該加熱装置により前記反応管３及び内部を所定の温度に加熱する様になっている。前記処理室２には、基板保持具（ボート）（図示せず）が収納され、該ボートに所定枚数の基板（ウェーハ）が水平多段に保持される様になっている。

前記処理室２にはガス供給ノズル５が設けられ、該ガス供給ノズル５には処理ガス供給ライン６が接続され、該処理ガス供給ライン６には触媒としてのピリジン（ｐｙｒｉｄｉｎｅ）供給源７、純水（Ｈ2 Ｏ）供給源８、酸化性ガスであるヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）供給源９が接続されている。

前記処理ガス供給ライン６を構成する配管には開閉弁１８，１９，２０及び２１，２２，２３が設けられている。

前記処理ガス供給ライン６には前記開閉弁２１，２２，２３の下流側にサポートガス供給ライン１１が接続され、該サポートガス供給ライン１１は不活性ガス供給源、例えば窒素ガス供給源１２に接続されている。前記サポートガス供給ライン１１を構成する配管には、開閉弁２４，２５，２６及び２７，２８，２９が設けられており、更に流量制御器３１，３２，３３が設けられている。

前記処理ガス供給ライン６の前記開閉弁２１，２２，２３の上流側に原料排出ライン１４が接続され、該原料排出ライン１４は排気装置１５に接続されている。該原料排出ライン１４を構成する配管には、それぞれ開閉弁４５，４６，４７が設けられている。

前記窒素ガス供給源１２と前記ピリジン供給源７、前記純水供給源８、前記ヘキサクロロジシラン供給源９とはキャリアガスライン１３によって接続され、該キャリアガスライン１３を構成する配管には、開閉弁３５，３６，３７及び開閉弁３８，３９，４０が設けられ、又流量制御器４２，４３，４４が設けられている。

前記排気装置１５は排気ライン１６により前記反応管３に接続され、前記排気ライン１６には開閉弁４８が設けられている。

又、前記処理ガス供給ライン６と前記キャリアガスライン１３を構成する配管同士は、開閉弁５１，５２，５３を介して個別にバイパスされている。

上記基板処理装置に於ける基板処理について説明する。

以下に示す基板処理は、ＨＣＤ、純水、ピリジンを用いた触媒ＡＬＤ−ＳｉＯ成膜処理を実施した場合に関する。

先ず、縦型半導体製造装置に於ける触媒ＡＬＤ−ＳｉＯ成膜処理のシーケンスを、図２により説明する。

前記開閉弁２１，２２，２３を閉塞し、前記開閉弁４５，４７を開いた状態で前記原料排出ライン１４より吸引し、前記キャリアガスライン１３からキャリアガスである窒素ガスを前記ピリジン供給源７、前記ヘキサクロロジシラン供給源９に供給して、バブリングを開始する。キャリアガスの供給量としては、ＨＣＤ／ピリジンに対して０．５ｓｌｍ／０．７５ｓｌｍとする。前記処理室２にサポートガス供給ライン１１よりサポートＮ2 を各配管毎に０．５ｓｌｍずつ供給する（ＨＣＤ準備 ＳＴＥＰ：０１）。

前記開閉弁４５，４６，４７を閉じ、前記開閉弁２１，２３を開いて、ＨＣＤ／ピリジンを前記処理室２に供給する。この時のＨＣＤ／ピリジンのサポートＮ2 は、０．５ｓｌｍ／０．２５ｓｌｍとする（ＨＣＤｆｌｏｗ ＳＴＥＰ：０２）。

サポートＮ2 、キャリアＮ2 を止めて炉内を１０秒排気する。続いて、サポートＮ2 を３．０ｓｌｍずつ各配管から流し、１０秒パージする。これら排気／パージを２回繰返す（排気／パージ ＳＴＥＰ：０３）。

前記開閉弁２１，２２，２３を閉塞し、前記開閉弁４６，４７を開いた状態で前記原料排出ライン１４より吸引し、前記キャリアガスライン１３からキャリアガスである窒素ガスを前記ピリジン供給源７、前記純水供給源８に供給して、バブリングを開始する。キャリアガスの供給量としては、Ｈ2 Ｏ／ピリジンに対して２．０ｓｌｍ／０．８ｓｌｍとする。前記処理室２へはサポートガス供給ライン１１よりサポートＮ2 を各配管毎に０．５ｓｌｍずつ供給する（Ｈ2 Ｏ準備 ＳＴＥＰ：０４）。

前記開閉弁４５，４６，４７を閉じ、前記開閉弁２２，２３を開いて、Ｈ2 Ｏ／ピリジンを前記処理室２に供給する。この時のＨ2 Ｏ／ピリジンのサポートＮ2 は、０．０ｓｌｍ／０．２ｓｌｍとする（Ｈ2 Ｏｆｌｏｗ ＳＴＥＰ：０５）。

サポートＮ2 、キャリアＮ2 を止めて、基板処理炉１内を１０秒排気する。続いて、サポートＮ2 を３．０ｓｌｍずつ各配管から流し、１０秒パージする。斯かる排気／パージ工程を２回繰返す（排気／パージ ＳＴＥＰ：０６）。

前記ＳＴＥＰ：０１から前記ＳＴＥＰ：０６迄の工程を複数回繰返すことで成膜処理を行う。

尚、前記ピリジン供給源７、前記純水供給源８、前記ヘキサクロロジシラン供給源９の温度は、それぞれ２０℃、２０℃、３９℃に保っている。

上記工程によりウェーハ５５に成膜した場合の、膜厚分布状態を図３に示す。

図３（Ａ）に示される様に、ウェーハ５５の中央に向って膜厚が薄くなっており、又該膜厚を示す等高線が密となっており、ウェーハ５５面内の均一性は３．９％となっており、充分とはいえない。

次に、前記ＳＴＥＰ：０５（Ｈ2 Ｏ ｆｌｏｗ）後の前記ＳＴＥＰ：０６（排気／パージ）の時間を、排気２０秒／パージ２０秒、排気１０秒／パージ１０秒、排気１０秒／パージ１０秒と拡大して膜厚均一性について確認を行った。

前記ＳＴＥＰ：０６に於ける排気／パージを拡大することで、膜厚均一性が２．７２％と改善されることが確認できた。

この結果から、ＨＣＤ ｆｌｏｗ時の残留水分が膜厚の均一性に悪影響を及すと判断した。更に、残留水分について影響を確認する過程で、ピリジンの特性として、水が容易に溶込むことが判明した。

従って、成膜処理工程に無水ピリジンを使うこととした。尚、無水ピリジンは、浸透圧差を利用した脱水処理、吸着を利用した脱水処理、蒸留による脱水処理等によって作られる。

成膜処理工程に無水ピリジンを使用した場合と一般のピリジンを使用した場合で、ＨＣＤパルスタイムを変化させた時の、セルフリミットの状態を図４に示す。

図４より、通常のピリジンに対して無水ピリジンを使用することで、セルフリミットの効果が増大していることが分る。

又、無水ピリジンを使用した場合の膜厚均一性を、図３（Ｂ）に示す。膜厚を示す等高線が粗となっており、ウェーハ中心部の膜厚が薄くなっていることが改善され、ウェーハ面内の均一性は１．９８％に向上した。

これらの結果から、ピリジン中の水分が面内の均一性に悪影響を及ぼしていることが判明した。

更に、ＨＣＤ ｆｌｏｗ時に於ける残留水分の膜厚均一性に対する影響を確認する為、前記ＳＴＥＰ：０６（排気／パージ）を他の条件でも実施した。

無水ピリジンを使用し、（排気時間／パージ時間）×回数が、（５秒／５秒）×２回の場合、膜厚均一性は２．５９％であり、又（３秒／３秒）×２回の場合、膜厚均一性は３．１９％と悪化していった。従って、排気時間／パージ時間を長くすること、例えば上記した様に１０秒／１０秒にすることで均一性が向上することが確認できた。

上記確認事項から、以下のことが考察できる。

ヘキサクロロジシラン（ＨＣＤ）、純水、ピリジンを用いた触媒ＡＬＤ−ＳｉＯ成膜では、ＨＣＤと純水が交互に供給されることで、セルフリミット効果が現れ成膜されていく。

ところが、ＨＣＤと共に触媒として供給されるピリジンに水分が含まれていると、ＨＣＤと純水が交互に供給が行われるとは言えなくなる。その為、セルフリミット効果が弱くなる現象が起きた考えられる。

又、ピリジンに水分が含まれていると、ウェーハエッジに於いて、その水分とＨＣＤがセルフリミットに関係なく消費されていき、ウェーハ中心部に原料が供給され難くなる現象が起きると考えられる。従って、ウェーハ中心部で膜厚が薄くなり、ウェーハ面内均一性が悪化したと考えられる。

而して、本発明ではＨＣＤ ｆｌｏｗ時の残留水分の影響を除去する為、排気時間／パージ時間を長くし、又無水ピリジンを使用し、ピリジンに水分が含まれることの悪影響を除去した。

本発明の実施の形態に係る基板処理装置を示す概略説明図である。 本発明の実施の形態に関する成膜シーケンスの一例を示す図である。 ウェーハ面内の膜厚均一性を示す等高線マップ図であり、（Ａ）は成膜工程に通常のピリジンを使用した場合、（Ｂ）は成膜工程に無水ピリジンを使用した場合を示している。 成膜工程に通常のピリジンを使用した場合と無水ピリジンを使用した場合とのセルフリミットの比較を示す線図である。

符号の説明

１ 基板処理炉
２ 処理室
３ 反応管
５ ガス供給ノズル
７ ピリジン供給源
８ 純水供給源
９ ヘキサクロロジシラン供給源
１１ サポートガス供給ライン
１２ 窒素ガス供給源
１３ キャリアガスライン
１４ 原料排出ライン

Claims (6)

1. 基板が収容された処理室にヘキサクロロジシランガスと無水ピリジンを供給する第１の工程と、前記処理室から前記ヘキサクロロジシランガスと前記無水ピリジンを除去する第２の工程と、前記処理室にＨ2 Ｏと前記無水ピリジンを供給する第３の工程と、前記処理室から前記Ｈ2 Ｏと前記無水ピリジンを除去する第４の工程とを少なくとも備え、前記第１〜第４の工程が複数回繰返し実行されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 基板を収容する処理室と、前記処理室にヘキサクロロジシランガスを供給するヘキサクロロジシランガス供給手段と、前記処理室に無水ピリジンを供給する無水ピリジン供給手段と、前記処理室にＨ2 Ｏを供給するＨ2 Ｏ供給手段と、前記処理室を排気する排気手段と、を有し、前記ヘキサクロロジシランガスおよび前記無水ピリジンと、前記Ｈ2 Ｏと前記無水ピリジンを互いに混合しないよう交互に供給して基板に酸化膜を形成することを特徴とする基板処理装置。
3. 基板が収容された処理室にヘキサクロロジシランガスと無水ピリジンを供給する第１の工程と、前記処理室から前記ヘキサクロロジシランガスと前記無水ピリジンを除去する第２の工程と、前記処理室にＨ2 Ｏと前記無水ピリジンを供給する第３の工程と、前記処理室から前記Ｈ2 Ｏと前記無水ピリジンを除去する第４の工程とを少なくとも備え、前記第１〜第４の工程が複数回繰返し実行されることを特徴とする基板処理方法。
4. 処理室に基板を搬入する工程と、前記処理室にヘキサクロロジシランガス及び無水ピリジンと、Ｈ2 Ｏ及び前記無水ピリジンとを互いに混合しない様交互に供給する工程と、前記処理室から基板を搬出する工程とを行うことにより、基板上に酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 処理室に基板を搬入する工程と、前記処理室にヘキサクロロジシランガス及び無水ピリジンと、Ｈ2 Ｏ及び前記無水ピリジンとを互いに混合しない様交互に供給する工程と、前記処理室から基板を搬出する工程とを行うことにより、基板上に酸化膜を形成することを特徴とする基板処理方法。
6. 基板を収容する処理室と、該処理室にヘキサクロロジシランガス、Ｈ2 Ｏ及び無水ピリジンを供給するガス供給手段とを具備し、前記処理室に前記ヘキサクロロジシランガス及び前記無水ピリジンと、前記Ｈ2 Ｏ及び前記無水ピリジンとを互いに混合しない様交互に供給して基板に酸化膜を形成する様前記ガス供給手段を制御する様構成したことを特徴とする基板処理装置。

Images