JP5792438B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents
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Description
基板を収容する処理容器と、
基板を前記処理容器内の上部に保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された基板を加熱する第1のヒーターと、
前記基板ホルダに保持された基板に対向してその下方に配置された原料支持部と、
前記原料支持部に支持された固体原料を加熱する第2のヒーターと、
前記処理容器内に、前記固体原料と反応して成膜原料ガスを生成する気化促進ガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理容器内を真空に保持するための排気手段と、
を備え、
前記処理容器内で生成させた前記成膜原料ガスを基板表面で熱分解させて成膜を行うものである。
基板を収容する処理容器と、
基板を前記処理容器内の上部に保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された基板を加熱する第1のヒーターと、
前記基板ホルダに保持された基板に対向してその下方に配置された原料支持部と、
前記原料支持部に支持された固体原料を加熱する第2のヒーターと、
前記処理容器内を真空に保持するための排気手段と、
を備え、
前記固体原料を加熱することにより前記処理容器内で生成させた気化ガスを基板表面で熱分解させて成膜を行うものである。
基板を前記処理容器内の上部に保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された基板を加熱する第1のヒーターと、
前記基板ホルダに保持された基板に対向してその下方に配置された原料支持部と、
前記原料支持部に支持された固体原料を加熱する第2のヒーターと、
前記処理容器内にガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理容器内を真空に保持するための排気手段と、
を備えた成膜装置を用い、
前記処理容器内に固体原料を搬入し、前記原料支持部に配置する工程と、
前記処理容器内に基板を搬入して前記基板ホルダにより保持する工程と、
前記原料支持部によって支持された固体原料を、前記第2のヒーターにより加熱しながら、前記ガス供給手段により前記処理容器内に導入された気化促進ガスと反応させ、生成した成膜原料ガスを前記基板の表面に供給し、熱分解させて成膜を行う工程と、
を有している。
基板を前記処理容器内の上部に保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された基板を加熱する第1のヒーターと、
前記基板ホルダに保持された基板に対向してその下方に配置された原料支持部と、
前記原料支持部に支持された固体原料を加熱する第2のヒーターと、
前記処理容器内にガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理容器内を真空に保持するための排気手段と、
を備えた成膜装置を用い、
前記処理容器内に固体原料を搬入し、前記原料支持部に配置する工程と、
前記処理容器内に基板を搬入して前記基板ホルダにより保持する工程と、
前記原料支持部によって支持された固体原料を前記第2のヒーターにより加熱して気化させるとともに該気化ガスを前記基板の表面に供給し、熱分解させて成膜を行う工程と、
を有している。
本発明の第1の実施の形態にかかる成膜装置100について説明する。まず、図1及び図2を参照しながら成膜装置100の構成について説明する。図1は、第1の実施の形態に係る成膜装置100の概略構成を示す断面図であり、図2はその制御系統の構成例を示す図である。この成膜装置100は、主要な構成として、被処理基板としての半導体ウエハ(以下、「ウエハW」と記す)を収容する処理容器1と、第1のヒーターとしての基板ヒーター11と、ウエハWを保持する保持部材21と、原料支持部としてのステージ31と、第2のヒーターとしての原料ヒーター41と、を備えている。さらに、成膜装置100は、処理容器1内を真空に保持するための排気手段としての排気装置51と、処理容器1内にガスを供給するためのガス供給手段としてのガス供給装置71と、成膜装置100を制御する制御部90と、を備えている。なお、半導体ウエハには、シリコン基板のほか、例えばGaAs、SiC、GaNなどの化合物半導体基板も含まれる。
処理容器1は、略円筒状をなし、例えばアルマイト処理(陽極酸化処理)されたアルミニウムなどの材質で形成されている。処理容器1は、天壁1a、側壁1b及び底壁1cを有している。
ウエハWを加熱する第1のヒーターとしての基板ヒーター11は、処理容器1内の上部に配置されている。本実施の形態において、基板ヒーター11は、伝熱プレート12に埋設された抵抗加熱ヒーターである。基板ヒーター11は、給電線13を介してヒーター電源(PS)14に接続されている。基板ヒーター11は、保持部材21に保持されたウエハWを伝熱プレート12に当接させた状態で、例えば300℃程度まで加熱できるように構成されている。なお、図1では、処理容器1の天壁1aに伝熱プレート12を当接させているが、離間させてもよい。
基板ホルダとしての保持部材21は、昇降自在に設けられており、ウエハWを伝熱プレート12に近接もしくは当接した状態に保持する。保持部材21は、例えば全体としてほぼ円環状に配設されており、耐熱性の材質、例えばセラミックス、耐熱性樹脂等により形成されている。保持部材21は、ウエハWのエッジ(周縁の角部)から数mmの幅でウエハWの下面に当接し、ウエハWを下から支持する。このように保持部材21でウエハWの周縁部を覆うことによって、ウエハWのベベル部においてパーティクル原因となる膜の堆積を抑制することができる。なお、保持部材21は複数の部材に分割されていてもよい。
原料支持部としてのステージ31は、基板ヒーター11に対向して処理容器1内の下部に配置されている。ステージ31は、支柱32により支持されている。ステージ31において、固体原料Aは原料トレー33内に収容されて載置されている。原料トレー33は、上方が開放した皿型容器であり、固体原料Aと反応性を有しておらず、耐熱性かつ熱伝導率の高い材料、例えば石英、セラミックス等の材質により構成されている。
原料ヒーター41は、ステージ31に載置された原料トレー33内の固体原料Aを加熱する。本実施の形態において、原料ヒーター41は抵抗加熱ヒーターであり、ステージ31に埋設されている。原料ヒーター41は、給電線42を介してヒーター電源(PS)43に接続されている。原料ヒーター41は、固体原料Aを例えば300℃程度まで加熱できるように構成されている。この原料ヒーター41は、固体原料Aを気化させるための熱エネルギーを供給する原料加熱手段を構成している。
本実施の形態の成膜装置100は、処理容器1内を真空に保持するための減圧排気を行う排気手段としての排気装置51を備えている。排気装置51は、例えば自動圧力調整弁や高速真空ポンプ(図示省略)などを備えており、処理容器1内の排気を行って処理容器1内を真空引きできるように構成されている。処理容器1の上部には、排気装置51に接続される排気部である排気口52が設けられている。排気口52をウエハWに近接した処理容器1の上部に設けることによって、成膜効率を高めることができる。ここで、「処理容器1の上部」とは、固体原料Aを収容する原料トレー33を支持するステージ31の上面よりも上方位置を意味する。従って、排気口52は処理容器1の側壁1bに設けてもよい。ただし、処理容器1内で成膜原料ガスのスムーズな流れが形成されるように、保持部材21に保持されたウエハWよりも上方位置に排気口52を設けることが好ましい。図1の成膜装置100では、排気口52は天壁1aに設けられている。排気口52には排気管53を介して排気装置51が接続されている。なお、本実施の形態において、排気装置51は、成膜装置100の一構成部をなすが、成膜装置100とは別に外付けの排気装置を装着して用いることもできる。
本実施の形態の成膜装置100は、さらに、処理容器1内に気化促進ガスを供給するガス供給手段としてのガス供給装置71を備えている。処理容器1の下部には、ガス供給装置71に接続されるガス導入部であるガス導入口72が設けられている。ここで、「処理容器1の下部」とは、固体原料Aを収容する原料トレー33を支持するステージ31の上面よりも下方位置を意味する。ガス導入口72を処理容器1の下部に設けることによって、処理容器1内で成膜原料ガスのスムーズな流れが形成される。従って、ガス導入口72は処理容器1の側壁1bに設けてもよいが、図1の成膜装置100のように、底壁1cに設けることが好ましい。ガス導入口72には、ガス供給管73を介してガス供給装置71が接続されている。
成膜装置100を構成する各構成部(例えば、ヒーター電源14、ヒーター電源43、排気装置51、ガス供給装置71など)は、制御部90に接続されて制御される構成となっている。成膜装置100における制御系統の構成例を図2に示した。コンピュータである制御部90は、CPUを備えたコントローラ91と、このコントローラ91に接続されたユーザーインターフェース92および記憶部93を備えている。ユーザーインターフェース92は、工程管理者が成膜装置100を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、成膜装置100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。記憶部93には、成膜装置100で実行される各種処理をコントローラ91の制御にて実現するための制御プログラム(ソフトウェア)や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース92からの指示等にて任意の制御プログラムやレシピを記憶部93から呼び出してコントローラ91に実行させることで、コントローラ91の制御下で、成膜装置100の処理容器1内で所望の処理が行われる。
次に、成膜装置100における成膜処理の手順と成膜方法について説明する。成膜装置100では、制御部90の制御に基づき、成膜処理が行われる。具体的には、まず、ゲートバルブ62を開放した状態で、図示しない搬送装置により、開口61から固体原料Aを収納した原料トレー33をステージ31から突出した状態のリフトピン34に受け渡し、次いでリフトピン34を下降させて原料トレー33をステージ31上に載置する。これにより、固体原料Aがステージ31にセットされる。また、ゲートバルブ62を開放した状態で、図示しない搬送装置により開口61からウエハWを処理容器1内に搬入し、保持部材21に受け渡す。次に、保持部材21を上昇させ、ウエハWの周縁部をクランプして基板ヒーター11が内蔵された伝熱プレート12にウエハWを密着させた状態に固定する。
ここで、本実施の形態の成膜装置100を使用して行われる二通りの典型的な成膜方法について、図3及び図4を参照しながら説明する。なお、図3及び図4は、成膜装置100の一部の構成のみを簡略化して示している。
第1の方法は、固体原料Aの蒸気圧が極めて低く、加熱するだけではほとんど気化しない場合に有効である。この方法は、図3に示したように、固体原料Aを加熱しながら、ガス供給装置71からガス導入口72を介して固体原料Aと反応性を有する気化促進ガスBを供給する。そして、固体原料Aと気化促進ガスBとの反応によって、成膜原料ガスCを生成させる。この成膜原料ガスCをウエハWの被処理面で反応させて薄膜を生成させる。この場合のウエハW表面での反応は主に熱分解反応である。すなわち、成膜原料ガスCが基板ヒーター11によって高温に熱せられたウエハWの被処理面で熱分解し、薄膜を形成する反応である。このような反応の代表的な例として、固体原料Aが無水第二ギ酸銅(Cu(HCOO)2)、気化促進ガスBがギ酸(HCOOH)、成膜原料ガスCが第一ギ酸銅(Cu(HCOO))である場合を挙げることができる。さらに、他の組み合わせとして、例えば、
(1)固体原料Aがニッケル金属粉末、気化促進ガスBが一酸化炭素(CO)、成膜原料ガスCがNi(CO)4である場合;
(2)固体原料Aがタングステン金属粉末、気化促進ガスBが一酸化炭素(CO)、成膜原料ガスCがW(CO)6である場合;
(3)固体原料Aがルテニウム金属粉末、気化促進ガスBが一酸化炭素(CO)、成膜原料ガスCがRu3(CO)12である場合;
(4)固体原料Aがプラチナ金属粉末、気化促進ガスBが三フッ化リン(PF3)、成膜原料ガスCがPt(PF3)4である場合等を挙げることができる。
第2の方法は、固体原料Aの蒸気圧が低いが、加熱によって気化させることができる場合に有効である。この方法は、図4に例示したように、固体原料Aを加熱して気化ガスA’を生成させ、この気化ガスA’を保持部材21に保持されたウエハWの下面(被処理面)に供給し、ウエハWの表面で反応させて薄膜を成膜させる。この場合の反応は、主に高温に加熱されたウエハWの表面で生じる熱分解反応である。すなわち、ステージ31の固体原料Aが原料ヒーター41によって加熱されて生成した気化ガスA’が成膜原料ガスであり、基板ヒーター11によって熱せられたウエハWの被処理面で熱分解し、薄膜を形成する。このような熱分解による成膜を行う固体原料としては、例えばタングステンカルボニル(W(CO)6)、コバルトカルボニル(Co2(CO)8)などの金属カルボニル化合物、ニッケルジヘキサフルオロアセチルアセトン(Ni(hfac)2)を挙げることができる。
本実施の形態の成膜装置100では、固体原料Aを処理容器1内のステージ31上に配置するので、成膜原料ガス(固体原料Aが気化促進ガスBと反応して生成する成膜原料ガスC、又は固体原料Aの気化ガスA’)を処理容器内で生成させることができる。このように、固体原料Aと成膜対象となるウエハWとの間に配管が存在しないため、成膜原料ガスC又は気化ガスA’が輸送途中でトラップされることがなく、これらをウエハWの表面へ安定して供給できる。また、固体原料Aをガス化させるための溶剤を用いずにすむため、膜中への不純物の混入が生じにくく、液体気化器を必要としないため装置構成も簡略化できる。さらに、成膜装置100では、原料トレー33を用いて固体原料Aを収容するため、固体原料Aを、ウエハWを搬送する通常の搬送装置で搬入、搬出することが可能であり、固体原料Aの交換も容易である。
次に、図5〜8を参照しながら、成膜装置100の変形例について説明する。なお、図5〜8では、説明の便宜上、各変形例の特徴部分以外の構成は適宜省略している。また、図1と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図9は、第2の実施の形態に係る成膜装置101の概略構成を示す断面図である。本実施の形態では、固体原料Aを加熱する手段として、ランプヒーターを使用する。なお、以下の説明では、図9の成膜装置101の特徴的構成を中心に説明し、成膜装置101において、図1の成膜装置100と同様の構成には同じ符号を付して説明を省略する。
次に、図10を参照しながら、成膜装置101の変形例について説明する。なお、図10では、図9と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。図9の成膜装置101では、伝熱プレート12に抵抗加熱型の基板ヒーター11を内蔵させてウエハWを加熱するように構成したが、抵抗加熱型の基板ヒーター11に替えて、図10に示す成膜装置101Aのように、ランプユニット141を設けてもよい。ランプユニット141は、その外延を画す仕切り壁142と、仕切り壁142に支持された例えば石英などの熱線を透過させる材料よりなる透過窓143と、透過窓143の上方に配置された原料加熱手段としての複数の加熱ランプ144と、を備えている。加熱ランプ144より放出された熱線は、透過窓143を透過してウエハWの上面(裏面)に照射され、ウエハWを所定温度に加熱できるようになっている。なお、図10では、保持部材21によってウエハWを透過窓143に接触させた状態で保持しているが、保持部材21の高さを調節してウエハWが透過窓143から離間させた状態に保持することもできる。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図11は、第3の実施の形態に係る成膜装置102の概略構成を示す断面図である。なお、以下の説明では、図11の成膜装置102の特徴的構成を中心に説明し、成膜装置102において、図1の成膜装置100と同様の構成には同じ符号を付して説明を省略する。本実施の形態の成膜装置102では、静電吸着機構によってウエハWを保持する。処理容器1内の上部に配置された伝熱プレート12内には、基板ホルダとしての静電チャック151が埋設されている。静電チャック151は、図示しない電極層を誘電体層の間に挟みこんだ構造を有しており、該電極層は、給電線152を介して直流電源153に接続されている。そして、静電チャック151に直流電圧を印加することによって、静電チャック151はクーロン力によってウエハWを静電吸着して伝熱プレート12の下面に固定する。また、直流電源153から静電チャック151への電圧の印加を停止することにより、ウエハWの固定を解除することができる。
実施例1
固体原料Aとして、無水第二ギ酸銅(Cu(HCOO)2)のパウダーを使用した。図6と同様の構成の成膜装置100Bを用い、ガス供給装置71からガス導入口72を介して処理容器1にパージガスとしてN2ガスを100mL/min(sccm)の流量で導入し、APC (Auto Pressure Controller)によって圧力を13.3Pa(100mTorr)に調整してから、ステージ31上の原料トレー33に収容された固体原料Aを130℃に加熱した。同時に、伝熱プレート12に密着させた状態で保持部材21に保持されたシリコン基板を150℃まで加熱しておいた。その後、N2ガスの供給を止め、ガス供給装置71からガス導入口72を介して気化促進ガスBであるギ酸(HCOOH)ガスを100mL/min(sccm)の流量で導入した。この間、圧力は13.3Pa(100mTorr)に保った。HCOOHガスを10分間流し、その後シリコン基板を取り出すと、シリコン基板の表面に金属銅膜が100nm程度の膜厚で成膜していた。金属銅膜は、固体原料Aの無水第二ギ酸銅(Cu(HCOO)2)が気化促進ガスBのギ酸(HCOOH)と反応して成膜原料ガスCとしての第一ギ酸銅(Cu(HCOO))を生成し、この第一ギ酸銅(Cu(HCOO))がシリコン基板の表面で熱分解することによって成膜されたものである。このように、成膜装置100Bにより、固体原料Aを用いて効率よく金属銅膜を成膜できることが確認された。本実施例では、固体原料Aを処理容器1内のステージ31で加熱するため、原料供給中の固化によるトラップや金属銅膜への溶剤の混入は発生せず、パーティクル汚染も生じなかった。
Claims (12)
- 基板を収容する処理容器と、
基板を前記処理容器内の上部に保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された基板を加熱する第1のヒーターと、
前記基板ホルダに保持された基板に対向してその下方に配置された原料支持部と、
前記原料支持部に支持された固体原料を加熱する第2のヒーターと、
前記処理容器内に、前記固体原料と反応して成膜原料ガスを生成する気化促進ガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理容器内を真空に保持するための排気手段と、
を備え、
前記処理容器の側部又は下部に、前記ガス供給手段に接続するガス導入部が設けられ、かつ、前記処理容器の上部であって、前記基板ホルダに保持された基板よりも上方位置に、前記排気手段に接続する排気部が設けられており、
前記処理容器内で生成させた前記成膜原料ガスを基板表面で熱分解させて成膜を行う成膜装置。 - 前記基板ホルダは、基板の下面が成膜処理を行う被処理面になるように基板を保持する請求項1に記載の成膜装置。
- 前記固体原料は、前記原料支持部において上方が開放した皿型容器内に収容されて支持される請求項1又は2に記載の成膜装置。
- 前記処理容器は、天壁、側壁及び底壁を有し、前記ガス導入部が、前記底壁に設けられ、かつ、前記排気部が、前記天壁に設けられている請求項1に記載の成膜装置。
- 前記処理容器は、天壁、側壁及び底壁を有し、前記ガス導入部が、前記側壁において、前記原料支持部の上面の高さより上方であって、前記基板ホルダに保持された基板よりも下方の高さ位置に設けられ、かつ、前記排気部が、前記天壁に設けられている請求項1に記載の成膜装置。
- さらに、前記原料支持部を水平方向に回転させる駆動機構を備えた請求項1から5のいずれか1項に記載の成膜装置。
- 基板を収容する処理容器と、
基板を前記処理容器内の上部に保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された基板を加熱する第1のヒーターと、
前記基板ホルダに保持された基板に対向してその下方に配置された原料支持部と、
前記原料支持部に支持された固体原料を加熱する第2のヒーターと、
前記処理容器内にガスを供給するためのガス供給手段と、
前記処理容器内を真空に保持するための排気手段と、
を備え、前記処理容器の側部又は下部に、前記ガス供給手段に接続するガス導入部が設けられ、かつ、前記処理容器の上部であって、前記基板ホルダに保持された基板よりも上方位置に、前記排気手段に接続する排気部が設けられた成膜装置を用い、
前記処理容器内に固体原料を搬入し、前記原料支持部に配置する工程と、
前記処理容器内に基板を搬入して前記基板ホルダにより保持する工程と、
前記原料支持部によって支持された固体原料を、前記第2のヒーターにより加熱しながら、前記ガス供給手段により前記処理容器内に導入された気化促進ガスと反応させ、生成した成膜原料ガスを前記基板の表面に供給し、熱分解させて成膜を行う工程と、
を有する成膜方法。 - 前記基板ホルダに保持された基板の下面に成膜を行う請求項7に記載の成膜方法。
- 前記成膜装置は、前記処理容器が、天壁、側壁及び底壁を有し、前記ガス導入部が、前記底壁に設けられ、かつ、前記排気部が、前記天壁に設けられている請求項7に記載の成膜方法。
- 前記成膜装置は、前記処理容器が、天壁、側壁及び底壁を有し、前記ガス導入部が、前記側壁において、前記原料支持部の上面の高さより上方であって、前記基板ホルダに保持された基板よりも下方の高さ位置に設けられ、かつ、前記排気部が、前記天壁に設けられている請求項7に記載の成膜方法。
- 前記成膜装置は、さらに、前記原料支持部を水平方向に回転させる駆動機構を備え、前記原料支持部を水平方向に回転させながら成膜を行う請求項7から10のいずれか1項に記載の成膜方法。
- 前記固体原料と前記気化促進ガスと前記成膜原料ガスとの組み合わせが、以下に示す(1)〜(5)の組み合わせ
(1)固体原料:ニッケル金属粉末、気化促進ガス:一酸化炭素(CO)、成膜原料ガス:Ni(CO)4;
(2)固体原料:タングステン金属粉末、気化促進ガス:一酸化炭素(CO)、成膜原料ガス:W(CO)6;
(3)固体原料:ルテニウム金属粉末、気化促進ガス:一酸化炭素(CO)、成膜原料ガス:Ru3(CO)12;
(4)固体原料:プラチナ金属粉末、気化促進ガス:三フッ化リン(PF3)、成膜原料ガス:Pt(PF3)4;
又は、
(5)固体原料:無水第二ギ酸銅(Cu(HCOO)2)、気化促進ガス:ギ酸(HCOOH)、成膜原料ガス:第一ギ酸銅(Cu(HCOO));
のいずれかである請求項7に記載の成膜方法。
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