JP5388963B2 - 基板処理方法、膜ストレス制御方法、基板処理装置および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
ALD法は、ある成膜条件(温度、時間等)の下で、成膜に用いる2種類(またはそれ以上)の原料となるガスを1種類ずつ交互に基板上に供給し、1原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
(1)石英ボートにウエハを移載する。この時ウエハは石英製の支持部によって支えられている。
(2)石英ボートを300℃度の処理室内へ挿入する。
(3)石英ボートの挿入が終わると処理室内を真空引きし、窒化プロセスの450℃程度まで昇温する。
(4)DCSを照射(3秒)→N2パージ(5秒)→プラズマ励起NH3照射(6秒)→N2パージ(3秒)を1サイクルとして所定の膜厚を得るまでサイクルを繰り返す。
(5)処理室内の反応ガスのガス引きを行なうと同時に、処理室温度を300℃程度まで降温する。
(6)処理室内を大気圧に復帰し、石英ボートを処理室より引き出す。
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する基板処理方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間の2倍より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する基板処理方法が提供される。
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する基板処理方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間より長く、かつ6秒より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する基板処理方法が提供される。
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返すことによって前記基板上に形成される薄膜の膜ストレスを制御する膜ストレス制御方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間の2倍より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御する膜ストレス制御方法が提供される。
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返すことによって前記基板上に形成される薄膜の膜ストレスを制御する膜ストレス制御方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間より長く、かつ6秒より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度又は水素濃度の少なくとも一方を制御する膜ストレス制御方法が提供される。
基板を処理する空間を成す処理室と、
前記処理室内に塩素を含むガス及びアンモニアガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出部と、
前記塩素を含むガス及び前記アンモニアガスの供給時間を任意に設定可能な制御部と、を有し、
前記処理室に対し塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記制御部は、前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を前記塩素を含むガスの供給時間の2倍より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御するよう構成される基板処理装置が提供される。
基板を処理する空間を成す処理室と、
前記処理室内に塩素を含むガス及びアンモニアガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出部と、
前記塩素を含むガス及び前記アンモニアガスの供給時間を任意に設定可能な制御部と、を有し、
前記処理室に対し塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板に薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記制御部は、前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を前記塩素を含むガスの供給時間より長く、かつ6秒より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御するよう構成される基板処理装が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する半導体デバイスの製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間より長く、かつ6秒より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する半導体デバイスの製造方法が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
基板に対して塩素を含むガスを供給する工程と、
前記基板に対してアンモニアガスを供給する工程と、
前記塩素を含むガスを供給する工程と前記アンモニアガスを供給する工程とを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返すことで、前記基板上に薄膜を形成する工程を有し、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する半導体デバイスの製造方法が提供される。
本発明の好ましい実施例では、ALD法による窒化シリコン膜(ALD窒化膜)形成プロセスにおいてNH3供給時間を制御することで形成される窒化膜の膜ストレスを制御する。
また、本発明の好ましい実施例では、ALD法によって形成される窒化シリコン膜の膜中のCl、H濃度を制御することで膜ストレスを制御する。
(1)まず、DCS照射(供給)によって、表面にSiとClが吸着する(DCS)。
(2)次に、DCSとNH3の混合を防ぐため、N2パージを行う(PRG)。
(3)次に、励起したNH3を照射(供給)することによって、(1)で吸着したClがHClとして脱離し、NとHが吸着する(NH3)。
(4)次に、NH3とDCSの混合を防ぐため、N2パージを行う(PRG)。
所定の膜厚に達するまで、上記(1)〜(4)のサイクルを繰り返す。
つまりH,Cl濃度を制御すること、すなわち、NH3照射時間を制御することで膜ストレスを制御が可能となる。
まず、ガス排気管231のバルブ243dを開いて真空ポンプ246により、処理室201を20Pa以下に排気する。
一方では、ガス供給管232bの上流側のバルブ243bを開け、下流側のバルブ243cを閉めて、DCSを流すようにする。これによりバルブ243b、243c間に設けたガス溜め247にDCSを溜める。ガス溜め247に所定圧(例えば、20000Pa以上)、所定量のDCSが溜まったら上流側のバルブ243bを閉めて、ガス溜め247にDCSを閉じ込める。ガス溜め247と処理室201との間のコンダクタンスが1.5×10−3m3/s以上になるように装置を構成する。また、反応管203の容積とこれに対する必要なガス溜め247の容積との比として考えると、反応管203の容積1001(リットル)の場合においては、100〜300ccであることが好ましく、容積比としてはガス溜め247は反応室容積の1/1000〜3/1000倍とすることが好ましい。
ステップ2では、処理室201の排気が終わったらガス排気管231のバルブ243cを閉じて排気を止める。ガス供給管232bの下流側のバルブ243cを開く。これによりガス溜め247に溜められたDCSが処理室201に一気に供給される。このときガス排気管231のバルブ243dが閉じられているので、処理室201内の圧力は急激に上昇して約931Pa(7Torr)まで昇圧される。DCSを供給するための時間は2〜4秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を2〜4秒に設定し、合計6秒とした。このときのウエハ温度は、450℃である。
その後、バルブ243cを閉じ、バルブ243dを開けて処理室201を真空排気し、残留するDCSガスを排除する。また、この時にはN2等の不活性ガスを処理室201に供給すると、更に残留するDCSの成膜に寄与した後のガスを処理室201から排除する効果が高まる。またバルブ243bを開いてガス溜め247へのDCSの供給を開始する。
ステップ3では、ガス供給管232aに設けたバルブ243a、及びガス排気管231に設けたバルブ243dを共に開けて、ガス供給管232aからマスフローコントローラ241aにより流量調整されたNH3ガスをノズル233のガス供給孔248bからバッファ室237へ噴出し、棒状電極269及び棒状電極270間に高周波電源273から整合器272を介して高周波電力を印加してNH3をプラズマ励起し、活性種として処理室201に供給しつつガス排気管231から排気する。NH3ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、バルブ243dを適正に調整して処理室201内圧力を10〜100Paとする。マスフローコントローラ241aで制御するNH3の供給流量は1000〜10000sccmである。NH3をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ200を晒す時間は従来の6秒よりも多く、9秒または14秒である。このときのヒータ207の温度はウエハが450℃になるよう設定してある。NH3は反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。
ステップ5では、ガス供給管232aのバルブ243aを閉めて、NH3の供給を止めるが、引続きガス溜め247へ供給を継続する。ガス溜め247に所定圧、所定量のDCSが溜まったら上流側のバルブ243bも閉めて、ガス溜め247にDCSを閉じ込めておく。また、ガス排気管231のバルブ243dは開いたままにし真空ポンプ246により、処理室201を20Pa以下に排気し、残留NH3を処理室201から排除する。また、この時にはN2等の不活性ガスを処理室201に供給すると、更に残留NH3を排除する効果が高まる。ガス溜め247内には、圧力が20000Pa以上になるようにDCSを溜める。
ステップ6では、処理室201の排気が終わったらガス排気管231のバルブ243cを閉じて排気を止める。ガス供給管232bの下流側のバルブ243cを開く。これによりガス溜め247に溜められたDCSが処理室201に一気に供給される。このときガス排気管231のバルブ243dが閉じられているので、処理室201内の圧力は急激に上昇して約931Pa(7Torr)まで昇圧される。DCSを供給するための時間は2〜4秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を2〜4秒に設定し、合計6秒とした。このときのウエハ温度はNH3の供給時と同じく、450℃である。DCSの供給により、下地膜上にDCSが吸着する。
ステップ7では、バルブ243cを閉じ、バルブ243dを開けて処理室201を真空排気し、残留するDCSガスを排除する。また、この時にはN2等の不活性ガスを処理室201に供給すると、更に残留するDCSの成膜に寄与した後のガスを処理室201から排除する効果が高まる。またバルブ243bを開いてガス溜め247へのDCSの供給を開始する。
なお、カセット移載機114等の搬送動作は、搬送制御手段124により制御される。
その結果、本発明は、Si半導体デバイスを製造する際に用いられるALD法による成膜を行う基板処理方法および基板処理装置に特に好適に利用できる。
201 処理室
231 ガス排気管
232a ガス供給管
232b ガス供給管
246 真空ポンプ
248a ガス供給孔
248b ガス供給孔
248c ガス供給孔
249 ガス供給部
321 コントローラ
Claims (9)
- 基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する基板処理方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間の2倍より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する基板処理方法。 - 基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する基板処理方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間より長く、かつ6秒より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する基板処理方法。 - 基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返すことによって前記基板上に形成される薄膜の膜ストレスを制御する膜ストレス制御方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間の2倍より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御する膜ストレス制御方法。 - 基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返すことによって前記基板上に形成される薄膜の膜ストレスを制御する膜ストレス制御方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間より長く、かつ6秒より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度又は水素濃度の少なくとも一方を制御する膜ストレス制御方法。 - 基板を処理する空間を成す処理室と、
前記処理室内に塩素を含むガス及びアンモニアガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出部と、
前記塩素を含むガス及び前記アンモニアガスの供給時間を任意に設定可能な制御部と、を有し、
前記処理室に対し塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記制御部は、前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を前記塩素を含むガスの供給時間の2倍より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御するよう構成される基板処理装置。 - 基板を処理する空間を成す処理室と、
前記処理室内に塩素を含むガス及びアンモニアガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内の雰囲気を排出する排出部と、
前記塩素を含むガス及び前記アンモニアガスの供給時間を任意に設定可能な制御部と、を有し、
前記処理室に対し塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板に薄膜を形成する基板処理装置であって、
前記制御部は、前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を前記塩素を含むガスの供給時間より長く、かつ6秒より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御するよう構成される基板処理装置。 - 基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する半導体デバイスの製造方法。 - 基板を処理する空間を成す処理室に対し、塩素を含むガスを供給、排出し、次いでアンモニアガスを供給、排出するサイクルを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返して前記基板上に薄膜を形成する工程を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を、前記塩素を含むガスの供給時間より長く、かつ6秒より長くするとともに、前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する半導体デバイスの製造方法。 - 基板に対して塩素を含むガスを供給する工程と、
前記基板に対してアンモニアガスを供給する工程と、
前記塩素を含むガスを供給する工程と前記アンモニアガスを供給する工程とを1サイクルとして、前記1サイクルを複数回繰り返すことで前記基板上に薄膜を形成する工程を有し、
前記1サイクルにおける前記アンモニアガスの供給時間を前記1サイクルで供給された前記アンモニアガスによって形成される薄膜の膜厚が飽和する供給時間を超える供給時間に制御することによって、前記薄膜中の塩素濃度および水素濃度のうち少なくとも一方を制御して前記薄膜の膜ストレスを制御する半導体デバイスの製造方法。
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