JP5447632B2 - 基板処理装置 - Google Patents
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Description
そして、ウェハを載置台に載置して真空容器内を所定の処理圧力となるように減圧し、ウェハを加熱すると共に載置台と上記のガス供給部とを鉛直軸回りに相対的に回転させる。また、複数のガス供給部からウェハの表面に例えば夫々既述の第1の反応ガス及び第2の反応ガスを供給すると共に、反応ガスを供給するガス供給部同士の間に物理的な隔壁を設けたり、あるいは不活性ガスをエアカーテンとして吹き出したりすることによって、真空容器内において第1の反応ガスにより形成される処理領域と第2の反応ガスにより形成される処理領域とを区画する。
特許文献10には、ALD法によりSiO2絶縁膜を成膜するにあたり、Si原料ガスを供給した後、オゾンガスを供給し、次いで水蒸気を供給する技術が記載されているが、このような課題については何ら検討されていない。
真空搬送室と、この真空搬送室に各々気密に接続され、基板に対して成膜用のガスを用いて成膜処理を行うための成膜装置及び成膜処理が行われた基板に対してガスを供給しながら熱処理を行うための熱処理装置と、前記真空搬送室内に設けられ、前記成膜装置から前記熱処理装置に基板を搬送するための基板搬送機構と、を備え、
前記成膜装置及び前記熱処理装置は、
容器本体及びこの容器本体における上面側開口部を気密に開閉する天板を備えた真空容器と、
この真空容器の壁面に設けられ、前記基板搬送機構との間で基板の受け渡しを行うための搬送口と、
前記真空容器内に配置され、複数枚の基板を前記真空容器の周方向に沿って夫々載置するために複数の載置領域が設けられると共にこれら基板を公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブルと前記天板との間にて当該回転テーブル上における基板の移動路に対向して設けられ、基板にガスを供給するガス供給部と、
前記回転テーブルの下方側に配置され、当該回転テーブル上の基板を加熱するための加熱部と、
前記真空容器内を排気するための排気口と、を各々備え、
前記成膜装置及び前記熱処理装置は、真空容器、基板の載置領域を含む回転テーブル及び加熱部が互いに同じ大きさ且つ同じ形状且つ同じ構造であって、夫々の搬送口から見た時の排気口が互いに同じ位置に設けられたことを特徴とする。
前記成膜装置は、基板の表面に形成された反応生成物に対してプラズマを供給してプラズマ処理を行うためのプラズマ処理部を備え、
このプラズマ処理部は、前記成膜装置の前記ガス供給部に対して前記真空容器の周方向に離間して配置されている態様。
前記成膜装置の前記ガス供給部は、基板の表面にハフニウムを含む原料ガスの成分を吸着させるための吸着用ガス供給部と、この吸着用ガス供給部に対して当該成膜装置の前記回転テーブルの回転方向下流側に離間して設けられ、基板の表面に吸着した原料ガスの成分を酸化して反応生成物を形成するための酸化ガスを供給する酸化ガス供給部とにより構成され、
前記原料ガスが供給される処理領域と酸化ガスが供給される領域との間に設けられた分離領域に対して分離ガスを供給するための分離ガス供給部を備え、
前記プラズマ処理部は、前記酸化ガス供給部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に配置されると共に、窒素元素を含むガスをプラズマ化して得たプラズマを基板に供給するためのものである態様。
本発明の第1の実施の形態である基板処理装置について、図1を参照して説明する。この基板処理装置は、基板例えば半導体ウェハ(以下単に「ウェハ」という)Wに対してシリコン酸化膜からなる薄膜の成膜処理を行うための成膜装置101と、ウェハWに対してアニール処理(熱処理)を行うための熱処理装置102と、これらの成膜装置101と熱処理装置102との間に気密に接続された真空搬送室103と、を備えている。成膜装置101と熱処理装置102との間の壁面には、後述するように、ウェハWの受け渡しを行うための搬送口15が形成されている。この真空搬送室103内は、例えばバタフライバルブからなる圧力調整部が介設された排気路を介して、真空ポンプ(いずれも図示せず)により所定の真空度に維持されるように構成されている。
尚、溝部43は、本実施形態では凸状部4を二等分するように形成されているが、他の実施形態においては、例えば溝部43から見て凸状部4における回転テーブル2の回転方向上流側が前記回転方向下流側よりも広くなるように溝部43を形成してもよい。
即ち、分離ガスノズル41を例にとると、回転テーブル2の回転方向上流側からエタノールガス及びO3ガスが侵入することを阻止し、また回転方向下流側からBTBASガスが侵入することを阻止する。「ガスの侵入を阻止する」とは、分離ガスノズル41から吐出した分離ガスであるN2ガスが第1の天井面44と回転テーブル2の表面との間に拡散して、この例では当該第1の天井面44に隣接する第2の天井面45の下方側空間に吹き出し、これにより当該隣接空間からのガスが侵入できなくなることを意味する。そして「ガスが侵入できなくなる」とは、隣接空間から凸状部4の下方側空間に全く入り込むことができない場合のみを意味するのではなく、多少侵入はするが、両側から夫々侵入したエタノールガス及びO3ガスとBTBASガスとが凸状部4内で交じり合わない状態が確保される場合も意味し、このような作用が得られる限り、分離領域Dの役割である補助領域90の雰囲気及び第1の処理領域91の雰囲気と第2の処理領域92の雰囲気との分離作用が発揮できる。従って狭隘な空間における狭隘の程度は、狭隘な空間(凸状部4の下方空間)と当該空間に隣接した領域(この例では第2の天井面45の下方空間)との圧力差が「ガスが侵入できなくなる」作用を確保できる程度の大きさになるように設定され、その具体的な寸法は凸状部4の面積などにより異なるといえる。またウェハWに吸着したガスについては当然に分離領域D内を通過することができ、ガスの侵入阻止は、気相中のガスを意味している。ここで、エタノールガスとO3ガスとの間には分離領域Dが設けられていないので、これらの両ガスは後述の排気口62に至るまでに互いに混じり合うが、ウェハWに悪影響を及ぼさない。
また図7(a)に示すように凸状部4の下面即ち天井面44における回転テーブル2の表面までの高さhは、例えば0.5mmから10mmであってもよく、約4mmであると好適である。この場合、回転テーブル2の回転数は例えば1rpm〜500rpmに設定されている。そのため分離領域Dの分離機能を確保するためには、回転テーブル2の回転数の使用範囲などに応じて、凸状部4の大きさや凸状部4の下面(第1の天井面44)と回転テーブル2の表面との高さhを例えば実験などに基づいて設定することになる。なお分離ガスとしては、窒素(N2)ガスに限られずアルゴン(Ar)ガスなどの不活性ガスなどを用いることができるが、このようなガスに限らず水素(H2)ガスなどであってもよく、成膜処理に影響を与えないガスであれば、ガスの種類に関しては特に限定されるものではない。
真空容器1の天板11の下面、つまり回転テーブル2のウェハ載置領域(凹部24)から見た天井面は既述のように第1の天井面44とこの天井面44よりも高い第2の天井面45とが周方向に存在するが、図4では、高い天井面45が設けられている領域についての縦断面を示しており、図10では、低い天井面44が設けられている領域についての縦断面を示している。扇型の凸状部4の周縁部(真空容器1の外縁側の部位)は図5及び図10に示されているように回転テーブル2の外端面に対向するようにL字型に屈曲して屈曲部46を形成している。扇型の凸状部4は天板11側に設けられていて、容器本体12から取り外せるようになっていることから、前記屈曲部46の外周面と容器本体12との間には僅かに隙間がある。この屈曲部46も凸状部4と同様に両側から反応ガスが侵入することを防止して、両反応ガスの混合を防止する目的で設けられており、屈曲部46の内周面と回転テーブル2の外端面との隙間、及び屈曲部46の外周面と容器本体12との隙間は、回転テーブル2の表面に対する天井面44の高さhと同様の寸法に設定されている。この例においては、回転テーブル2の表面側領域からは、屈曲部46の内周面が真空容器1の内周壁を構成していると見ることができる。
BTBAS+C2H5OH →(−(Si−O)n−)+CH3C−NH2↑ (1)
このシロキサン重合体は、クラスター状であり、ウェハWに強く吸着していないため、ウェハWの表面(パターンの内部)にて粘性の高い状態となっていて流動しやすくなっている。そのため、図15(b)に示すように、このシロキサン重合体は重力の作用によって下方側が厚くなるように積層部分が流動するので、例えば逆テーパー状の凹部230においては、側面が垂直に近づくように、つまり末広がりの程度が緩和される。また、このシロキサン重合体と共に生成した有機物は、例えば気化してウェハWの上方に向かって排気されていく。
なお、回転テーブル2の下方側をN2ガスによりパージしているため、排気領域Eに流入したガスが回転テーブル2の下方側を潜り抜けて、例えばBTBASガスがO3ガスやエタノールガスの供給領域に流れ込むといったおそれは全くない。
また、加熱手段113によりウェハWが加熱されるので、シリコン酸化膜242内に有機物などの不純物が残っていたとしても、気化して当該シリコン酸化膜242から離脱して排出されて行く。この時、不純物がシリコン酸化膜242の膜中に入り込んでいる場合でも、このシリコン酸化膜242が上記のように極めて薄いので、この不純物は速やかに排出されることになる。
尚、上記のように各領域91、90、92をウェハWが順番に通過するにあたって、ウェハWが回転テーブル2の回転方向に沿って5箇所の凹部24に配置されていることから、ウェハWは分子層241が形成される前にエタノールガスやO3ガスが供給される場合もあるが、特に成膜には悪影響を及ぼさない。
ここで処理パラメータの一例について記載しておくと、回転テーブル2の回転数は、300mm径のウェハWを被処理基板とする場合は例えば1rpm〜500rpm、真空容器1の中心部の分離ガス供給管51からのN2ガスの流量は例えば5000sccmである。
また、ウェハWを自転させるにあたり、基板処理装置の内部で行っていることから、例えば基板処理装置の外部の大気雰囲気の環境で自転させる場合よりも自転に要する時間を短くすることができ、そのためスループットの低下を抑えて面内均一性を向上させることができる。
次に、本発明の第2の実施の形態について、図20を参照して説明する。この実施の形態では、シリコン酸化膜242が更に速やかに流動(リフロー)するように、シリコン酸化膜242中にホウ素(B)及びリン(P)の少なくとも一方が混入するようにしている。具体的な成膜装置について説明すると、この成膜装置にはこれらのホウ素及びリンの一方例えばリンを含む化合物例えばPH4(フォスフィン)ガスを第3の反応ガスとして供給するための第3の反応ガス供給手段である例えば石英製の第3のガスノズル280が設けられており、このノズル280は、回転テーブル2の回転方向において、例えば第2の反応ガスノズル32と搬送口15との間に設けられている。
BTBAS+H2O →(−SiO−)n +CH3C−NH2↑ (2)
この反応において生成する中間生成物である(−SiO−)nは、既述のシロキサン重合体と同様に流動性を示し、またこの(−SiO−)nとO3ガスとが反応して生成するシリコン酸化膜242は、同様に流動性を示すので流動して良好に凹部230が埋め込まれることになる。
上記の各実施の形態では、パターン232の形成されたウェハWに対してシリコン酸化膜242の成膜処理を行うにあたり、補助ノズル200からエタノールガスを供給してシリコン酸化膜242に対して流動性を持たせるようにしたが、パターン232の形成されていないウェハWに対してもエタノールガスを供給しても良いし、あるいはパターン232の形成されていないウェハWに対してはエタノールガスを供給しなくとも良い。その場合には、例えば図21に示すように、補助ノズル200が設けられていない成膜装置101にて成膜処理が行われる。
次に、本発明の第4の実施の形態について、図22〜図24を参照して説明する。この実施の形態は、既述の第1の実施の形態における成膜装置101を例に説明すると、図22に示すように、回転テーブル2の回転方向において、既述の第2の反応ガスノズル32と搬送口15との間にプラズマ供給手段であるプラズマインジェクター250が設けられている。
このプラズマが第2の処理領域92を通過して既述のシリコン酸化膜242が成膜されたウェハWに到達すると、当該シリコン酸化膜242内に残っていた炭素成分や水分が気化して排出されたり、あるいはシリコンと酸素との間の結合が強められたりすることになる。こうして1回の成膜処理が終了するまで、回転テーブル2が回転する度にプラズマの供給が行われる。その後、このウェハWは真空容器1から取り出されてその向きが変更された後、熱処理装置102において既述のように熱処理が行われる。
このようにプラズマインジェクター250を設けることにより、既述の第1の実施の形態よりも更に不純物が少なく、また結合強度の強いシリコン酸化膜242を成膜することができる。
また、このプラズマインジェクター250を、既述の第2の実施の形態や第3の実施の形態の成膜装置101に適用しても良い。
上記の各例においては、熱処理装置102として1枚ずつ熱処理を行う装置を用いたが、複数枚例えば5枚のウェハWに対して同時に加熱処理を行っても良い。具体的には、この実施の形態における基板処理装置は、図25に示すように、熱処理装置109を備えており、この熱処理装置109は既述の真空搬送室103に気密に接続されている。この熱処理装置109は、既述の成膜装置101とほぼ同じ構成であり、例えば各ノズル31、32、200に代えて、不活性ガス例えばN2ガスを供給するノズルが設けられていると共に、ヒータユニット7は既述の熱処理装置102における加熱手段113と同様の加熱温度に回転テーブル2上のウェハWを加熱できるように構成されている。
上記の各例では、ウェハWを自転させる工程を成膜処理と熱処理との間で行うようにしたが、熱処理の後で行うようにしても良く、つまり先の成膜処理とその後に行われる成膜処理との間においてウェハWの向きを変更すれば良い。
また、前記分離領域Dの天井面44において、前記分離ガスノズル41、42に対して回転テーブル2の回転方向の上流側部位は、外縁に位置する部位ほど前記回転方向の幅が大きいことが好ましい。その理由は回転テーブル2の回転によって上流側から分離領域Dに向かうガスの流れが外縁に寄るほど速いためである。この観点からすれば、上述のように凸状部4を扇型に構成することは得策である。
そして、前記分離ガスノズル41(42)の両側に各々位置する狭隘な空間を形成する前記第1の天井面44は、図27(a)、(b)に前記分離ガスノズル41を代表して示すように例えば300mm径のウェハWを被処理基板とする場合、ウェハWの中心WOが通過する部位において回転テーブル2の回転方向に沿った幅寸法Lが50mm以上であることが好ましい。凸状部4の両側から当該凸状部4の下方(狭隘な空間)に反応ガスが侵入することを有効に阻止するためには、前記幅寸法Lが短い場合にはそれに応じて第1の天井面44と回転テーブル2との間の距離hも小さくする必要がある。更に第1の天井面44と回転テーブル2との間の距離hをある寸法に設定したとすると、回転テーブル2の回転中心から離れる程、回転テーブル2の速度が速くなってくるので、反応ガスの侵入阻止効果を得るために要求される幅寸法Lは回転中心から離れる程長くなってくる。このような観点から考察すると、ウェハWの中心WOが通過する部位における前記幅寸法Lが50mmよりも小さいと、第1の天井面44と回転テーブル2との距離hをかなり小さくする必要があるため、回転テーブル2を回転したときに回転テーブル2あるいはウェハWと天井面44との衝突を防止するために、回転テーブル2の振れを極力抑える工夫が要求される。更にまた回転テーブル2の回転数が高い程、凸状部4の上流側から当該凸状部4の下方側に反応ガスが侵入しやすくなるので、前記幅寸法Lを50mmよりも小さくすると、回転テーブル2の回転数を低くしなければならず、スループットの点で得策ではない。従って幅寸法Lが50mm以上であることが好ましいが、50mm以下であっても本発明の効果が得られないというものではない。即ち、前記幅寸法LがウェハWの直径の1/10〜1/1であることが好ましく、約1/6以上であることがより好ましい。
成膜装置101においてウェハWを加熱するための加熱手段としては抵抗発熱体を用いたヒータに限られずランプ加熱装置であってもよく、回転テーブル2の下方側に設ける代わりに回転テーブル2の上方側に設けてもよいし、上下両方に設けてもよい。また、上記の反応ガスによる反応が低温例えば常温において起こる場合には、このような加熱手段を設けなくとも良い。
上述の実施の形態では、前記第1の処理領域91、補助領域90及び第2の処理領域92は、その天井面が前記分離領域Dの天井面よりも高い領域に相当するものであったが、本発明は、第1の処理領域91、補助領域90及び第2の処理領域92の少なくとも1つは、分離領域Dと同様に反応ガス供給手段の前記回転方向両側にて前記回転テーブル2に対向して設けられ、当該回転テーブル2との間にガスの侵入を阻止するための空間を形成するようにかつ前記分離領域Dの前記回転方向両側の天井面(第2の天井面45)よりも低い天井面例えば分離領域Dにおける第1の天井面44と同じ高さの天井面を備えている構成としてもよい。
また、各ノズル31、32、200、41、42(310)の取り付け位置を変更しても良く、各々の反応ガスが混じり合わないように排気されながら、ウェハWの表面にBTBASが吸着し、その後エタノールガスにより中間生成物が生成し、続いてO3ガスにより中間生成物が酸化されるサイクルまたはこの中間生成物を介さずにシリコン酸化膜242が形成されるサイクルが多数回繰り返されるように構成しても良い。
また、上記の各実施の形態の成膜装置としては、ガス供給系(ノズル31、32、200、280、41、42)に対して回転テーブル2を鉛直軸回りに回転させる構成としたが、ガス供給系が回転テーブル2に対して鉛直軸回りに回転する構成としても良い。このような具体的な装置構成について、既述の第3の実施の形態(ノズル200、280等が設けられていない)の成膜装置101に適用した例を図29〜図32を参照して説明する。尚、既述の成膜装置101と同じ部位については、同じ符号を付して説明を省略する。
図29、図30、図31に示すように、回転筒303は外径の異なる2つの円筒を上下2段に積み重ねた外観形状に構成されており、外径の大きな上段側の円筒の底面をスリーブ304の上端面にて係止させることにより、当該回転筒303を上面側から見て周方向に回転可能な状態でスリーブ304内に挿入する一方、回転筒303の下端側は天板11を貫通してコア部301の上面と接続されている。
回転テーブル2の回転数:120rpm、240rpm
目標膜厚T:約155nm
ウェハの自転回数:なし(比較対象)、1回(自転角度:180°)、8回(自転角度:45°)、4回(自転角度:90°)
尚、ウェハWを自転させる場合には、夫々の条件において同じ角度ずつ自転させることとした。また、膜厚の測定(計算)は各々のウェハWにおいて周方向に49点ずつ行った。また、ウェハWの自転回数が8回及び4回のシミュレーションについては、ウェハWの半径方向において夫々8箇所ずつ及び4箇所ずつ膜厚を測定し、その平均値を用いた。
その結果、図33に示すように、ウェハWを1回自転させただけでも面内均一性が改善し、更に自転回数を増やす程均一性が向上していくことが分かった。そして、ウェハWを8回自転させると、回転テーブル2の回転数が240rpmの条件では均一性が1%以下に大きく改善されることが分かった。
2 回転テーブル
D 分離領域
W ウェハ
31 第1のガスノズル
32 第2のガスノズル
41、42 分離ガスノズル
90 補助領域
91 第1の処理領域
92 第2の処理領域
101 成膜装置
102 熱処理装置
103 真空搬送室
104 真空搬送アーム
113 加熱手段
200 補助ノズル
Claims (4)
- 真空搬送室と、この真空搬送室に各々気密に接続され、基板に対して成膜用のガスを用いて成膜処理を行うための成膜装置及び成膜処理が行われた基板に対してガスを供給しながら熱処理を行うための熱処理装置と、前記真空搬送室内に設けられ、前記成膜装置から前記熱処理装置に基板を搬送するための基板搬送機構と、を備え、
前記成膜装置及び前記熱処理装置は、
容器本体及びこの容器本体における上面側開口部を気密に開閉する天板を備えた真空容器と、
この真空容器の壁面に設けられ、前記基板搬送機構との間で基板の受け渡しを行うための搬送口と、
前記真空容器内に配置され、複数枚の基板を前記真空容器の周方向に沿って夫々載置するために複数の載置領域が設けられると共にこれら基板を公転させるための回転テーブルと、
前記回転テーブルと前記天板との間にて当該回転テーブル上における基板の移動路に対向して設けられ、基板にガスを供給するガス供給部と、
前記回転テーブルの下方側に配置され、当該回転テーブル上の基板を加熱するための加熱部と、
前記真空容器内を排気するための排気口と、を各々備え、
前記成膜装置及び前記熱処理装置は、真空容器、基板の載置領域を含む回転テーブル及び加熱部が互いに同じ大きさ且つ同じ形状且つ同じ構造であって、夫々の搬送口から見た時の排気口が互いに同じ位置に設けられたことを特徴とする基板処理装置。 - 前記成膜装置は、基板の表面に形成された反応生成物に対してプラズマを供給してプラズマ処理を行うためのプラズマ処理部を備え、
このプラズマ処理部は、前記成膜装置の前記ガス供給部に対して前記真空容器の周方向に離間して配置されていることを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記成膜装置の前記ガス供給部は、基板の表面にハフニウムを含む原料ガスの成分を吸着させるための吸着用ガス供給部と、この吸着用ガス供給部に対して当該成膜装置の前記回転テーブルの回転方向下流側に離間して設けられ、基板の表面に吸着した原料ガスの成分を酸化して反応生成物を形成するための酸化ガスを供給する酸化ガス供給部とにより構成され、
前記原料ガスが供給される処理領域と酸化ガスが供給される領域との間に設けられた分離領域に対して分離ガスを供給するための分離ガス供給部を備え、
前記プラズマ処理部は、前記酸化ガス供給部に対して前記回転テーブルの回転方向下流側に配置されると共に、窒素元素を含むガスをプラズマ化して得たプラズマを基板に供給するためのものであることを特徴する請求項2に記載に記載の基板処理装置。 - 前記熱処理装置の前記加熱部は、前記成膜装置の前記加熱部における加熱温度よりも高い温度に基板を加熱するためのものであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の基板処理装置。
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