JP5690219B2 - 半導体装置の製造方法および基板処理装置 - Google Patents
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Description
以上のことから、反応管が石英で構成されたホットウォール型の基板処理装置においては、1回目の基板処理中においても膜剥がれに対する対策が必要となる場合がある。
本発明に係る半導体装置の製造方法の代表的な構成は、次のとおりである。すなわち、
石英で構成された反応管内に基板が搬入されてない状態で、前記反応管内を加熱するとともに、前記反応管内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを供給して前記反応管の内壁に窒化チタン膜をプリコートするプリコート工程と、
前記プリコート後の前記反応管内に基板を搬入する基板搬入工程と、
前記反応管内に基板が搬入された状態で、前記反応管内を加熱するとともに、前記反応管内にタングステン含有ガスを供給して前記反応管内の基板上にタングステン含有膜を形成するタングステン含有膜形成工程と、
前記タングステン含有膜を形成した基板を、前記反応管内から搬出する基板搬出工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
石英で構成され基板を収容する反応管と、
前記反応管内を加熱する加熱部と、
前記反応管内にチタン含有ガスを供給するチタン含有ガス供給系と、
前記反応管内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記反応管内にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給系と、
基板を収容していない状態の前記反応管内を加熱するとともに、該加熱された前記反応管内に前記チタン含有ガスと前記窒素含有ガスとを供給して前記反応管の内壁に窒化チタン膜をプリコートする処理と、基板を収容した状態の前記プリコート後の前記反応管内を加熱するとともに、該加熱された前記反応管内に前記タングステン含有ガスを供給して前記反応管内の基板上にタングステン含有膜を形成する処理とを行うように、前記チタン含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記タングステン含有ガス供給系、および前記加熱部を制御する制御部と、
を有する基板処理装置。
図1は、本発明の実施形態における基板処理装置の斜透視図である。図1に示すように、本発明の実施形態に係る基板処理装置10は、筐体101を備え、シリコン等からなる基板であるウェハ200を筐体101内外へ搬送するために、ウェハキャリア(基板収容器)としてカセット110が使用される。
筐体101内の前後方向における略中央部には、カセット棚(基板収容器載置棚)114が設置されている。カセット棚114は、複数段、複数列にて複数個のカセット110を保管するように構成されている。カセット棚114の一部として、移載棚123が設けられ、移載棚123には、後述するウェハ移載機構112のアクセス対象となるカセット110が収納される。
カセットステージ105とカセット棚114との間には、カセット搬送装置(基板収容器搬送装置)115が設置されている。カセット搬送装置115は、カセットステージ105、カセット棚114、移載棚123の間で、カセット110を搬送することができる。
筐体101の後側上方には、処理炉202が設けられている。処理炉202の下端部は、炉口シャッタ(炉口開閉機構)116により開閉可能なように構成されている。処理炉202の構成については後述する。
ボート217は、複数本のウェハ支持部材(支柱)を備えており、複数枚(例えば、50枚〜150枚程度)のウェハ200を水平姿勢で、かつ、その中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて、多段に積層して保持するように構成されている。ボート217の詳細な構成については後述する。
次に、本実施形態に係る基板処理装置10の動作概要について、図1を用いて説明する。なお、基板処理装置10は、後述する制御部280により制御されるものである。まず、ウェハ200を収容したカセット110が、図示しない工程内搬送装置によって、カセットステージ105上に載置される。
カセットステージ105上のカセット110は、カセット搬送装置115によって、カセット棚114の指定された位置へ自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、再びカセット搬送装置115によって、カセット棚114の保管位置から移載棚123に搬送される。あるいは、カセットステージ105上のカセット110は、カセット搬送装置115によって、直接、移載棚123に搬送される。
予め指定された枚数のウェハ200がボート217に装填されると、処理炉202の下端部を閉じていた炉口シャッタ116が開放動作され、処理炉202の下端部の開口が開放される。続いて、ボート217を載置したシールキャップ219がボートエレベータ121によって上昇されることにより、処理対象のウェハ200群を保持したボート217が、処理炉202内へ搬入(ボートローディング)される。ボートローディング後は、シールキャップ219により処理炉202の下端部開口が閉じられ、処理炉202にてウェハ200にタングステン成膜処理が実施される。かかるタングステン成膜処理については後述する。
次に、本実施形態における処理炉202の構成について、図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施形態における基板処理装置の処理炉の垂直断面図である。本実施形態の例においては、処理炉202は、バッチ式縦形ホットウオール形減圧CVD用の処理炉として構成されている。
処理炉202は、その内側に、縦形のアウタチューブ(外管)221を備えている。アウタチューブ221は、上端が閉塞され下端が開口された略円筒形状をしており、開口された下端が下方を向くように、かつ、筒方向の中心線が垂直になるように縦向きに配置されている。アウタチューブ221の内側には、インナチューブ(内管)222が設けられている。インナチューブ222およびアウタチューブ221はいずれも、本例では、石英(SiO2)等の耐熱性の高い材料によって、それぞれ略円筒形状に一体成形されており、両者でプロセスチューブ(反応管)を構成している。
アウタチューブ221は、その内径がインナチューブ222の最大外径より大きく、かつ、インナチューブ222の外側を取り囲むように、インナチューブ222と同心円状に設けられている。
マニホールド206には、マニホールド206の下端開口を閉塞するシールキャップ219が、垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ219はアウタチューブ221の外径と同等以上の外径を有する円盤形状に形成されており、アウタチューブ221の外部に垂直に設備されたボートエレベータ121によって、前記円盤形状を水平姿勢に保った状態で垂直方向に昇降されるように構成されている。
シールキャップ219上には、ウェハ200を保持する基板支持具としてのボート217が垂直に支持されるようになっている。ボート217は、上下で一対の端板と、両端板間に渡って垂直に設けられた複数本、本例では3本のウェハ支持部材(ボート支柱)とを備えている。端板及びウェハ支持部材は、例えば、石英(SiO2)等の耐熱性の高い材料により構成される。
ボート回転機構267及びボートエレベータ121は、制御部280に電気的に接続されている。制御部280は、ボート回転機構267及びボートエレベータ121が所望のタイミングにて所望の動作をするように制御する。
アウタチューブ221の外部には、プロセスチューブ内を全体にわたって均一にまたは所定の温度分布となるように加熱する加熱部であるヒータユニット208が、アウタチューブ221を包囲するように設けられている。ヒータユニット208は、基板処理装置10の筐体101に支持されることにより垂直に据え付けられた状態になっており、例えば、カーボンヒータ等の抵抗加熱ヒータにより構成されている。
インナチューブ222内には、温度検出器としての図示しない温度センサが設置されている。ヒータユニット208と温度センサは、制御部280に電気的に接続されている。制御部280は、処理室204内の温度が所望のタイミングにて所望の温度分布となるように、前記温度センサにより検出された温度情報に基づいてヒータユニット208への通電量を制御する。
処理ガス供給系について、図2を用いて説明する。図2に示すように、処理室204内に第1の処理ガスを供給する第1のガスノズル233aが、マニホールド206の側壁を貫通して設けられている。第1の処理ガスは、チタンを含有するガスであり、本例では、TiCl4(四塩化チタン)である。
また、処理室204内に第2の処理ガスを供給する第2のガスノズル233bが、マニホールド206の側壁を貫通して設けられている。第2の処理ガスは、窒素を含有するガスであり、本例では、NH3(アンモニア)である。
また、処理室204内に第3の処理ガスを供給する第3のガスノズル233cが、マニホールド206の側壁を貫通して設けられている。第3の処理ガスは、タングステンを含有するガスであり、本例では、WF6(六フッ化タングステン)である。
また、処理室204内に第4の処理ガスを供給する第4のガスノズル233dが、マニホールド206の側壁を貫通して設けられている。第4の処理ガスは、シリコンを含有するガスであり、本例では、SiH4(モノシラン)である。
なお、TiCl4のように常温常圧下で液体状態である液体原料を用いる場合は、液体原料を気化器やバブラ等の気化システムにより気化して、原料ガスとして供給することとなる。
クリーニングガス供給系について説明する。
図2に示すように、第1の処理ガス供給管223aと第3の処理ガス供給管223cには、それぞれ、クリーニングガス供給管225a、225bが接続されている。
クリーニングガス供給管225aには、上流から順に、フッ素含有ガスであるNF3(三フッ化窒素)ガスを供給するクリーニングガス供給源240f、MFC245a、及び開閉バルブ246aが設けられている。同様にして、クリーニングガス供給管225bには、上流から順に、クリーニングガス供給源240f、MFC245b、及び開閉バルブ246bが設けられている。主にクリーニングガス供給管225a,225b、クリーニングガス供給源240f、MFC245a,245b、及び開閉バルブ246a,246bにより、クリーニングガス供給系が構成される。
不活性ガス供給系について説明する。
図2に示すように、第1の処理ガス供給管223aと第2の処理ガス供給管223bと第3の処理ガス供給管223cと第4の処理ガス供給管223dには、それぞれ、不活性ガス供給管224a、224b、224c、224dが接続されている。なお、図2においては、見やすくするため、4本の不活性ガス供給管224a〜dをまとめて1本で図示している。
不活性ガス供給管224aには、上流から順に、Ar(アルゴン)ガスを供給する不活性ガス供給源240e、MFC243a、及び開閉バルブ244aが設けられている。同様にして、不活性ガス供給管224b〜dには、それぞれ上流から順に、不活性ガス供給源240e、MFC243b〜d、及び開閉バルブ244b〜dが設けられている。主に不活性ガス供給管224a〜d、不活性ガス供給源240e、MFC243a〜d、及び開閉バルブ244a〜dにより、不活性ガス供給系が構成される。
この不活性ガス供給系により、第1の処理ガスと第2の処理ガスと第3の処理ガスと第4の処理ガスをそれぞれ不活性ガスで希釈して供給したり、不活性ガスをそれぞれの処理ガスのキャリアガスとして供給することができる。不活性ガスとしては、Arの他、He(ヘリウム)、Ne(ネオン)、N2(窒素)等を用いることができる。
なお、上述の実施形態では、不活性ガスを、第1〜第4の処理ガス供給管223a〜dの全てに供給したが、第1〜第4の処理ガス供給管223a〜dの一部のみに供給する形態も可能である。
マニホールド206の側壁の一部には、処理室204内の雰囲気を排気する排気管227が接続されている。マニホールド206と排気管227との接続部には、処理室204内の雰囲気を排気する排気口227aが形成されている。排気管227内は、排気口227aを介して、インナチューブ222とアウタチューブ221との間に形成された隙間からなる排気路209内に連通している。この排気路209の水平断面形状は、略一定幅の円形リング形状となっている。
APCバルブ255および圧力センサ256は、制御部280に電気的に接続されている。制御部280は、処理室204内の圧力が所望のタイミングにて所望の圧力となるように、圧力センサ256により検出された圧力値に基づいてAPCバルブ255の開度を制御するように構成されている。
制御部(コントローラ)280は、図示しない操作部や入出力部を備え、基板処理装置10の各構成部と電気的に接続されており、基板処理装置10の各構成部を制御する。制御部280は、成膜プロセスの制御シーケンスを時間軸で示したレシピに基づく温度制御や圧力制御、流量制御および機械駆動制御を指令する。また、制御部280は、ハードウェア構成として、CPU(中央演算ユニット)と該CPUを動作させるプログラムが格納されるメモリとを備えるものである。
次に、本実施形態の処理炉202を用いた基板処理方法の実施例を、半導体装置の製造工程における一工程として行う成膜工程を例にして、図3を用いて説明する。図3は、本実施例に係る基板処理方法や半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図3に示す各工程は、制御部280により制御される。
まず、図3のステップS1において、ウェハ200を搭載していない空のボート217が、処理室204内に搬入(ボートローディング)される。詳しくは、空のボート217は、ボートエレベータ121により垂直方向に上昇され、インナチューブ222内の処理室204内に搬入される。この状態において、シールキャップ219は処理室204の下端をシールした状態になる。
次に、図3のステップS2において、排気口227aを介して真空ポンプ246により、インナチューブ222内が真空排気され所定の真空度に減圧されるとともに、ヒータユニット208により、インナチューブ222内が加熱され所定の温度に昇温される。
続いて、ボート217が回転されつつ、第1の処理ガス供給源240aからTiCl4ガスが、第1の処理ガス供給管223a、ガスノズル233aに供給され、第2の処理ガス供給源240bからNH3ガスが、第2の処理ガス供給管223b、ガスノズル233bに供給され、インナチューブ222内の処理室204内に導入される。このとき、TiCl4ガスのキャリアガスとして、不活性ガス供給源240eからArガスが、第1の処理ガス供給管223a、ガスノズル233aに供給される。
処理室204内に導入された原料ガス(TiCl4とNH3)は、処理室204内を上昇し、インナチューブ222の上端の開口部から、インナチューブ222とアウタチューブ221の間の排気路209に流出して、排気路209を流下し、マニホールド206に開設された排気口227aから排気される。このとき、石英製のインナチューブ222とアウタチューブ221の壁面やボート217の表面に、原料ガスのCVD反応によって、TiN膜がプリコート(堆積)される。なお、TiN膜は、インナチューブ222やアウタチューブ221やボート217等を構成する材料である石英と密着性がよく、また、ウェハ200上に成膜する膜であるタングステン(W)膜とも密着性がよい。TiN膜には、この後に行う成膜工程において、インナチューブ222とアウタチューブ221の壁面やボート217の表面に形成されるW膜の剥がれを防止する効果がある。
処理室204内の圧力 20〜1330Pa
処理室204内の温度 450〜650℃
TiCl4ガスの流量 5〜500sccm(standard cc/min)
Arガスの流量 10〜1000sccm
NH3ガスの流量 100〜10000sccm
なお、上述の実施形態では、TiCl4ガスとNH3ガスとを同時に処理室204内に供給してTiN膜を形成したが、TiCl4ガスとNH3ガスとを交互に処理室204内に供給してTiN膜を形成するようにしてもよい。この場合、TiCl4ガスを供給する工程と、NH3ガスを供給する工程とを、それらの間に処理室204内を不活性ガスでパージする工程を挟んで、交互に行うようにしてもよい。
次に、図3のステップS3において、TiCl4ガスとNH3ガスの供給を停止し、処理室204内を不活性ガスによりパージし、処理室204内への不活性ガスの供給により処理室204内が大気圧に復帰された後に、シールキャップ219が下降される。これにより、処理室204の下端が開口され、TiN膜が形成された空のボート217が、処理室204から外部に搬出(ボートアンローディング)される。
次に、図3のステップS4において、ウェハ200がTiN膜プリコート後のボート217に装填される。詳しくは、ウェハ200の円周縁の複数箇所が、複数のウェハ支持部材の支持溝にそれぞれ係合するように挿入され、該ウェハ200の複数箇所の周縁部が各支持溝に係合されて、ウェハ200の自重が支えられるように装填(チャージング)されて支持される。複数枚のウェハ200は、ボート217におけるチャージング状態において、その中心を揃えられて互いに平行かつ水平、多段に積層され、整列されている。
次に、複数枚のウェハ200を積載、支持したTiN膜プリコート後のボート217は、TiN膜プリコート後の処理室204内に搬入(ボートローディング)され、シールキャップ219は処理室204の下端をシールした状態になる。
次に、図3のステップS5において、排気口227aを介して真空ポンプ246により、インナチューブ222内が真空排気され所定の真空度に減圧されるとともに、ヒータユニット208により、インナチューブ222の内部が加熱され所定の温度に昇温される。
次に、ボート217が回転されつつ、第3の処理ガス供給源240cからWF6ガスが、第3の処理ガス供給管223c、ガスノズル233cに供給され、第4の処理ガス供給源240dからSiH4ガスが、第4の処理ガス供給管223d、ガスノズル233dに供給され、インナチューブ222内の処理室204内に導入される。
処理室204内に導入された原料ガス(WF6とSiH4)は、処理室204内を上昇し、インナチューブ222の上端の開口部から、インナチューブ222とアウタチューブ221の間の排気路209に流出して、排気路209を流下し、マニホールド206に開設された排気口227aから排気される。
処理室204内の圧力 20〜1330Pa
処理室204内の温度 200〜450℃
WF6ガスの流量 5〜500sccm
SiH4ガスの流量 100〜10000sccm
なお、上述の実施形態では、WF6ガスとSiH4ガスとを同時に処理室204内に供給してW膜を形成したが、WF6ガスとSiH4ガスとを交互に処理室204内に供給してW膜を形成するようにしてもよい。この場合、WF6ガスを供給する工程と、SiH4ガスを供給する工程とを、それらの間に処理室204内を不活性ガスでパージする工程を挟んで、交互に行うようにしてもよい。
次に、図3のステップS6において、WF6ガスとSiH4ガスの供給を停止し、不活性ガスにより処理室204内をパージし、処理室204内への不活性ガスの供給により処理室204内が大気圧に復帰された後に、シールキャップ219が下降される。これにより、処理室204の下端が開口され、W膜が形成されたウェハ200を搭載したボート217が、処理室204から外部に搬出(ボートアンローディング)される。
上述したステップS4〜S6を複数回繰り返し、それぞれボート217上のウェハ200の表面にW膜を形成する。なお、ステップS4〜S6は、複数回繰り返しせず、1回だけ行うようにしてもよい。
次に、図3のステップS7において、ウェハ200を搭載していない空のボート217が、処理室204内に搬入(ボートローディング)され、シールキャップ219は処理室204の下端をシールした状態になる。
次に、図3のステップS8において、排気口227aを介して真空ポンプ246により、インナチューブ222内が真空排気され所定の真空度に減圧されるとともに、ヒータユニット208により、インナチューブ222の内部が加熱され所定の温度に昇温される。
次に、ボート217が回転されつつ、クリーニングガス供給源240fからNF3ガスが、クリーニングガス供給管225a,225b、第1の処理ガス供給管223a、第3の処理ガス供給管223c、第1のガスノズル233a、第3のガスノズル233cに供給され、インナチューブ222内の処理室204内に導入される。
処理室204内に導入されたNF3ガスは、処理室204内を上昇し、インナチューブ222の上端の開口部から、インナチューブ222とアウタチューブ221の間の排気路209に流出して、排気路209を流下し、マニホールド206に開設された排気口227aから排気される。
このとき、石英製のインナチューブ222とアウタチューブ221の壁面やボート217の表面に堆積していたW膜が、プリコート膜であるTiN膜とともに、NF3ガスによりエッチングされて除去される。このようにして、処理室204内のクリーニングが行われる。
処理室204内の圧力 133〜13300Pa
処理室204内の温度 300〜600℃
NF3ガスの流量 10〜1000sccm
次に、図3のステップS9において、NF3ガスの供給を停止し、不活性ガスにより処理室204内をパージし、処理室204内への不活性ガスの供給により、処理室204内が大気圧に復帰された後に、シールキャップ219が下降される。これにより、処理室204の下端が開口され、W膜とTiN膜が除去された空のボート217が、処理室204から外部に搬出(ボートアンローディング)される。
本実施形態によれば、インナチューブ222やアウタチューブ221やボート217等の石英部材の表面に、石英との密着性が高く、W膜との密着性も高いTiN膜をプリコートするようにしたので、石英の表面に、石英との密着性が低いW膜が直接堆積することを防止でき、W膜の剥がれを抑制できる。なお、石英とTiN膜との密着性およびTiN膜とW膜との密着性は、石英とW膜との密着性よりも遥かに高い。
例えば、上述した実施形態では、成膜工程においてW膜を形成する例について説明したが、成膜工程において形成する膜は、酸化タングステン(WO)膜、窒化タングステン(WN)膜、酸窒化タングステン(WON)膜、あるいはタングステンシリサイド(WSi)膜等のタングステン含有膜であってもよい。
また、上述した実施形態では、処理がウェハに施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクあるいは磁気ディスク等であってもよい。
また、上述した実施形態では、アウタチューブとインナチューブを用いるバッチ式縦形ホットウォール形装置に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく、例えば、図4に示すようなアウタチューブだけを用いる基板処理装置にも適用することができる。
図4の基板処理装置が、図2に示す上述した実施形態の基板処理装置と異なるのは、図4の基板処理装置にインナチューブ222がない点と、図4の基板処理装置では、第1〜第4のガスノズル233a,233b,233c,233dのそれぞれが、アウタチューブ221の内壁とウェハ200との間における円弧状の空間に、アウタチューブ221の内壁の下部より上部に沿って、ウェハ200の積層方向上方に向かって立ち上がるように設けられている点である。各ガスノズル233a,233b,233c,233dは、L字型のロングノズルとして構成されており、各ガスノズル233a,233b,233c,233dの側面には、ガスを噴出させる複数のガス噴出孔が設けられている。なお、図4において、図2で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の第1の態様によれば、
石英で構成された反応管内に基板が搬入されてない状態で、前記反応管内を加熱するとともに、前記反応管内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを供給して前記反応管の内壁に窒化チタン膜をプリコートするプリコート工程と、
前記プリコート後の前記反応管内に基板を搬入する基板搬入工程と、
前記反応管内に基板が搬入された状態で、前記反応管内を加熱するとともに、前記反応管内にタングステン含有ガスを供給して前記反応管内の基板上にタングステン含有膜を形成するタングステン含有膜形成工程と、
前記タングステン含有膜を形成した基板を、前記反応管内から搬出する基板搬出工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
石英で構成され基板を収容する反応管と、
前記反応管内を加熱する加熱部と、
前記反応管内にチタン含有ガスを供給するチタン含有ガス供給系と、
前記反応管内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記反応管内にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給系と、
基板を収容していない状態の前記反応管内を加熱するとともに、該加熱された前記反応管内に前記チタン含有ガスと前記窒素含有ガスとを供給して前記反応管の内壁に窒化チタン膜をプリコートする処理と、基板を収容した状態の前記プリコート後の前記反応管内を加熱するとともに、該加熱された前記反応管内に前記タングステン含有ガスを供給して前記反応管内の基板上にタングステン含有膜を形成する処理とを行うように、前記チタン含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記タングステン含有ガス供給系、および前記加熱部を制御する制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
Claims (2)
- 石英で構成された反応管内に基板が搬入されてない状態で、前記反応管内を加熱するとともに、前記反応管内にチタン含有ガスと窒素含有ガスとを供給して前記反応管の内壁に窒化チタン膜をプリコートするプリコート工程と、
前記プリコート後の前記反応管内に基板を搬入する基板搬入工程と、
前記反応管内に基板が搬入された状態で、前記反応管内を加熱するとともに、前記反応管内にタングステン含有ガスを供給して前記反応管内の基板上にタングステン含有膜を形成するタングステン含有膜形成工程と、
前記タングステン含有膜を形成した基板を、前記反応管内から搬出する基板搬出工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 石英で構成され基板を収容する反応管と、
前記反応管内を加熱する加熱部と、
前記反応管内にチタン含有ガスを供給するチタン含有ガス供給系と、
前記反応管内に窒素含有ガスを供給する窒素含有ガス供給系と、
前記反応管内にタングステン含有ガスを供給するタングステン含有ガス供給系と、
基板を収容していない状態の前記反応管内を加熱するとともに、該加熱された前記反応管内に前記チタン含有ガスと前記窒素含有ガスとを供給して前記反応管の内壁に窒化チタン膜をプリコートする処理と、基板を収容した状態の前記プリコート後の前記反応管内を加熱するとともに、該加熱された前記反応管内に前記タングステン含有ガスを供給して前記反応管内の基板上にタングステン含有膜を形成する処理とを行うように、前記チタン含有ガス供給系、前記窒素含有ガス供給系、前記タングステン含有ガス供給系、および前記加熱部を制御する制御部と、
を有する基板処理装置。
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