JP6602332B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラム - Google Patents
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Description
基板が収容された処理室に、有機系金属含有原料ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給する際に、前記基板上における前記混合ガスの流速が7.8m/s〜15.6m/sの範囲内の値となり、前記混合ガスにおける前記有機系金属含有原料ガスの分圧が0.167〜0.3の範囲内の値となるように調整して供給する工程と、
前記処理室を排気する工程と、
前記処理室に、酸素含有ガスを供給する工程と、
前記処理室を排気する工程と、
を、順に複数回行って前記基板上に金属酸化膜を形成する
技術が提供される。
処理炉202は、中心線が垂直になるように縦向きに配されて筐体(図示せず)によって固定的に支持された反応管としての縦形のプロセスチューブ205を備えている。プロセスチューブ205は、インナチューブ204とアウタチューブ203とを備えている。インナチューブ204およびアウタチューブ203は、例えば、石英(SiO2)又は炭化珪素(SiC)、石英や炭化珪素の複合材料等の耐熱性の高い材料によって、円筒形状にそれぞれ一体成形されている。
マニホールド209の側壁の一部には、処理室201内の雰囲気を排気する排気管231が接続されている。マニホールド209と排気管231との接続部には、処理室201内の雰囲気を排気する排気口が形成されている。排気管231内は、排気口を介して、インナチューブ204とアウタチューブ203との間に形成された隙間からなる排気路内に連通している。これにより、後述する、インナチューブ204に形成された、排気孔204aの上端から下端まで均一に排気することができる。即ち、ボート217に載置された複数枚のウエハ200全てから均一に排気することができる。排気管231には、上流から順に、圧力センサ245、圧力調整器としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ231a、真空排気装置としての真空ポンプ231cが設けられている。真空ポンプ231cは、処理室201内の圧力が所定の圧力(真空度)となるよう真空排気し得るように構成されている。APCバルブ231aおよび圧力センサ245には、コントローラ280が電気的に接続されている。コントローラ280は、処理室201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245により検出された圧力に基づいてAPCバルブ231aの開度を制御するように構成されている。主に、排気管231、圧力センサ245、APCバルブ231aにより、本実施形態に係る排気ユニット(排気系)が構成される。真空ポンプ231cを排気ユニットに含めてもよい。
マニホールド209には、マニホールド209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。シールキャップ219は、アウタチューブ203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、プロセスチューブ205の外部に垂直に設備された後述のボートエレベータ115によって水平姿勢で垂直方向に昇降される。
アウタチューブ203の外部には、プロセスチューブ205内を全体にわたって均一または所定の温度分布に加熱する加熱手段(加熱機構)としてのヒータユニット207が、アウタチューブ203を包囲するように設けられている。ヒータユニット207は、基板処理装置の筐体(図示せず)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として構成されている。プロセスチューブ205内には、温度検出器としての温度センサ269が設置されている。主に、ヒータユニット207、温度センサ269により、本実施形態に係る加熱ユニット(加熱系)が構成される。
インナチューブ204の側壁(後述する排気孔204aとは180度反対側の位置)には、チャンネル形状の予備室201aが、インナチューブ204の側壁からインナチューブ204の径方向外向きに突出して垂直方向に長く延在するように形成されている。予備室201aの側壁はインナチューブ204の側壁の一部を構成している。また、予備室201aの内壁は処理室201の内壁の一部を形成している。予備室201aの内部には、予備室201aの内壁(すなわち処理室201の内壁)に沿うように、予備室201aの内壁の下部より上部に沿ってウエハ200の積層方向に延在されて処理室201内にガスを供給するノズル249a,249b,249c,249d,249gが設けられている。すなわち、ノズル249a,249b,249c,249d,249gは、ウエハ200が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。ノズル249a,249b,249c,249d,249gはL字型のロングノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド209を貫通するように設けられており、その垂直部は少なくともウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように設けられている。便宜上、図1には1本のノズルを記載しているが、実際には図2に示すように5本のノズル249a,249b,249c,249d,249gが設けられている。ノズル249a,249b,249c,249d,249gの側面には、ガスを供給する多数のガス供給孔250a,250b,250c,250d,250gが処理室201内のウエハに対向する高さにそれぞれ設けられている。ガス供給孔250a,250b,250c,250d,250gは、下部から上部にわたってそれぞれ同一または、大きさに傾斜をつけた開口面積を有し、さらに同じ開口ピッチで設けられている。
ガス供給管232a,232gには、上流側から順に、流量制御装置(流量制御部)としてのMFC(マスフローコントローラ)235a,235gおよび開閉弁であるバルブ233a,233gがそれぞれ設けられており、例えば不活性ガスである窒素(N2)ガスがガス供給管232a,232gおよびノズル249a,249gを通って処理室201へ供給される。主に、ノズル249a、ガス供給管232a、MFC235a、バルブ233aにより第1の不活性ガス供給系が構成される。また、主に、ノズル249g、ガス供給管232g、MFC235g、バルブ233gにより第2の不活性ガス供給系が構成される。
ガス供給管232bには、上流方向から順に、オゾン生成器であるオゾナイザ220、MFC235bおよびバルブ233bが設けられている。ガス供給管232bの先端部には、上述のノズル249bが接続されている。
ガス供給管232dには気化装置(気化部)であり液体原料を気化して原料ス(第1の原料ガス)としての気化ガスを生成する気化器270dが設けられており、さらに、気化器270dの下流側から順に、バルブ233d、ガスフィルタ301dが設けられている。気化器270dは用いる液体原料に応じた温度となるよう維持される。ガス供給管232dの先端部には、上述のノズル249dが接続されている。バルブ233dを開けることにより、気化器270d内にて生成された気化ガスがノズル249dを介して処理室201内へ供給される。主に、ノズル249d、バルブ233d、ガス供給管232d、ガスフィルタ301dにより原料ガス供給系(第1の原料ガス供給系、第3処理ガス供給系とも呼ぶ)が構成される。気化器270dを原料ガス供給系に含めても良い。
ガス供給管232dの気化器270dよりも上流には、液体原料タンク291d、液体流量制御装置(液体マスフローコントローラ、LMFC)295d、バルブ293dが上流側から順に設けられている。気化器270d内への液体原料の供給量(すなわち、気化器270d内で気化され処理室201内へ供給される気化ガスの供給流量)は、LMFC295dによって制御される。主に、ガス供給管232d、LMFC295d、バルブ293dにより液体原料供給系(第1液体原料供給系)が構成される。液体原料タンク291dを液体原料供給系に含めても良い。
気化器270dには、キャリアガスとしての不活性ガス(例えばN2ガス)がガス供給管232jから供給される。ガス供給管232jには、MFC235jとバルブ233jとが設けられている。気化器270dで生成された気化ガスをキャリアガスで希釈することにより、ボート217に搭載されるウエハ200間の膜厚均一性等のウエハ200間におけるウエハ200の処理の均一性を調整することができる。主に、ガス供給管232j、MFC235j、バルブ233jによりキャリアガス供給系(第1キャリアガス供給系)が構成される。
図4に本実施形態に係る制御部と各構成の接続例を示す。制御部(制御手段)であるコントローラ280は、CPU(Central Processing Unit)280a、RAM(Random Access Memory)280b、記憶装置280c、I/Oポート280dを備えたコンピュータとして構成されている。RAM280b、記憶装置280c、I/Oポート280dは、内部バス280eを介して、CPU280aとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ280には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置282が接続されている。
次に、上述の基板処理装置の処理炉を用いて半導体装置(半導体デバイス)の製造工程の一工程として、基板上に絶縁膜であって、例えば高誘電率(High−k)膜である金属酸化膜としてジルコニウム酸化膜(ZrO2、以下ZrOとも称する)を成膜するシーケンス例について、図5を参照して説明する。以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ280により制御される。
<ステップS101>
ステップS101(図5参照、第1の工程、TEMAZガス供給工程)では、まずTEMAZガスを流す。ガス供給管232dのバルブ233dを開き、気化器270d、ガスフィルタ301dを介してガス供給管232d内にTEMAZガスを流す。ガス供給管232d内を流れるTEMAZガスは、LMFC295dにより流量調整される。流量調整されたTEMAZガスはノズル249dのガス供給孔250dから処理室201内に供給され、ガス排気管231から排気される。このとき、同時にバルブ233jを開き、不活性ガス供給管232j内にN2ガス等の不活性ガスを流す。不活性ガス供給管232j内を流れるN2ガスは、MFC235jにより流量調整される。流量調整されたN2ガスはTEMAZガスと一緒に処理室201内に供給され、ガス排気管231から排気される。また、バルブ233a,233gを開いて、ガス供給管232a,232g、ノズル249a,249g、ガス供給孔250a,250gからN2ガス等の不活性ガスを流す。すなわち、ウエハ200上には、TEMAZガスと不活性ガスの混合ガスが供給される。
ステップS102(図5参照、第2の工程)では、バルブ233dを閉じ、処理室201内へのTEMAZガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管231のAPCバルブ231aは開いたままとして、真空ポンプ231cにより処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくはジルコニウム含有層形成に寄与した後のTEMAZガスを処理室201内から排気する。
ステップS103(図5参照、第3の工程、O3ガス供給工程)では、処理室201内にO3ガスをノズル249b,249cのガス供給孔250b,250cから同時に供給する。「同時」とは、ノズル249b,249cのガス供給孔250b,250cから共に供給するタイミングがあればよく、供給し始めるタイミングおよび/もしくは供給を停止するタイミングは必ずしも同じである必要はない。また、ノズル249bのガス供給孔250bからO3ガスを供給する時間とノズル249cのガス供給孔250cからO3ガスを供給する時間とは必ずしも同じである必要はない。
ステップS104(図5参照、第4の工程)では、ガス供給管232bのバルブ233b,233cを閉じ、バルブ233h,602cを開けて処理室201内へのO3ガスの供給を停止し、O3ガスをガスタンク603cへ流す。このとき、ガス排気管231のAPCバルブ231aは開いたままとして、真空ポンプ231cにより処理室201内を真空排気し、処理室201内に残留する未反応もしくは酸化に寄与した後のO3ガスを処理室201内から排除する。また、ガスタンク603c内の圧力が、所定の圧力になったら、バルブ602cを閉め、バルブ601cを開き、余分なO3ガスをベントライン600cへ流す。このとき、バルブ233a,233gは開いたままとして、不活性ガスとしてのN2ガスの処理室201内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室201内に残留する未反応もしくはZrO層形成に寄与した後のO3ガスを処理室201内から排気する。
図6では、ステップS101の原料ガス供給工程(TEMAZガス供給工程)において、原料ガスであるTEMAZガスの供給を分割供給する。
図7では、ステップS101の原料ガス供給工程(TEMAZガス供給工程、図7におけるステップS201)と、ステップS103の酸素含有ガス供給工程(O3ガス供給工程、図7におけるステップS205)の間に、エッチングガスとしての塩酸(HCl)ガスを供給するエッチングガス供給工程(HClガス供給工程、図7におけるステップS203)を設ける。
Zr含有ガスを供給後に、少量のHClガスを供給することにより、ウエハ200上部に付着した膜をエッチングする。HClガスは、TEMAZガスと同じノズル249dから供給する。
原料ガス供給時の流速を変化させることでステップカバレッジが改善する効果を確認するための評価を行った。本実施例では、パターンが形成されていない基板に対して23倍の表面積を有するパターン基板治具10の中央部に溝の深さ17.0〜18.0μm、溝の径0.40〜0.50μmのテスト用チップ12を配置し、ZrO膜成膜を行って、断面観察を行った。図8は、本評価に用いたホールパターンの一例を示す図である。
201 処理室
202 処理炉
217 ボート
231 排気管
280 コントローラ
Claims (15)
- (a)基板が収容された処理室に、有機系金属含有原料ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給する際に、前記基板上における前記混合ガスの流速が7.8m/s〜15.6m/sの範囲内の値となり、前記混合ガスにおける前記有機系金属含有原料ガスの分圧が0.167〜0.3の範囲内の値となるように調整して供給する工程と、
(b)前記処理室を排気する工程と、
(c)前記処理室に、酸素含有ガスを供給する工程と、
(d)前記処理室を排気する工程と、
を順に行って前記基板上に金属酸化膜を形成し、
(a)〜(d)を行う複数回のサイクルのうち、2回目以降のサイクルから、(a)で、前記有機系金属含有原料ガスを分割して供給する半導体装置の製造方法。 - 前記有機系金属含有原料ガスは、有機系ジルコニウム含有原料ガスもしくは有機系ハフニウム含有原料ガスのいずれかである請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- (b)と(c)の間に、前記処理室にエッチングガスを供給する工程と、前記処理室を排気する工程とを、行う請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記エッチングガスは、塩素含有ガスである請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
- (a)基板が収容された処理室に、有機系金属含有原料ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給する際に、前記基板上における前記混合ガスの流速が7.8m/s〜15.6m/sの範囲内の値となり、前記混合ガスにおける前記有機系金属含有原料ガスの分圧が0.167〜0.3の範囲内の値となるように調整して供給する工程と、
(b)前記処理室を排気する工程と、
(c)前記処理室にエッチングガスを供給する工程と、
(d)前記処理室を排気する工程と、
(e)前記処理室に、酸素含有ガスを供給する工程と、
(f)前記処理室を排気する工程と、
を順に行って前記基板上に金属酸化膜を形成する半導体装置の製造方法。 - 基板を収容する処理室と、
前記処理室に、有機系金属含有原料ガス、不活性ガス、酸素含有ガスを供給する供給系と、
前記処理室を排気する排気系と、
前記供給系、前記排気系を制御して、
前記基板を収容した前記処理室に、(a)前記有機系金属含有原料ガスと前記不活性ガスとの混合ガスを供給する際に、前記基板上における前記混合ガスの流速が7.8m/s〜15.6m/sの範囲内の値となり、前記混合ガスにおける前記有機系金属含有原料ガスの分圧が0.167〜0.3の範囲内の値となるように調整して供給する処理と、(b)前記処理室を排気する処理と、(c)前記処理室に、前記酸素含有ガスを供給する処理と、(d)前記処理室を排気する処理と、を、順に行って前記基板上に金属酸化膜を形成し、(a)〜(d)を行う複数回のサイクルのうち、2回目以降のサイクルから、(a)で、前記有機系金属含有原料ガスを分割して供給するよう構成される制御部と、
を有する基板処置装置。 - 前記有機系金属含有原料ガスは、有機系ジルコニウム含有原料ガスもしくは有機系ハフニウム含有原料ガスのいずれかである請求項6に記載の基板処理装置。
- 前記制御部は、
(b)と(c)の間に、前記処理室にエッチングガスを供給する処理と、前記処理室を排気する処理とを、行うように前記供給系と前記排気系とを制御する請求項6に記載の基板処理装置。 - 前記エッチングガスは、塩素含有ガスである請求項8に記載の基板処理装置。
- 基板を収容する処理室と、
前記処理室に、有機系金属含有原料ガス、不活性ガス、酸素含有ガスを供給する供給系と、
前記処理室を排気する排気系と、
前記供給系、前記排気系を制御して、
前記基板を収容した前記処理室に、(a)前記有機系金属含有原料ガスと前記不活性ガスとの混合ガスを供給する際に、前記基板上における前記混合ガスの流速が7.8m/s〜15.6m/sの範囲内の値となり、前記混合ガスにおける前記有機系金属含有原料ガスの分圧が0.167〜0.3の範囲内の値となるように調整して供給する処理と、(b)前記処理室を排気する処理と、(c)前記処理室にエッチングガスを供給する処理と、(d)前記処理室を排気する処理と、(e)前記処理室に、前記酸素含有ガスを供給する処理と、(f)前記処理室を排気する処理と、を、順に行って前記基板上に金属酸化膜を形成するよう構成される制御部と、
を有する基板処置装置。 - (a)基板が収容された基板処理装置の処理室内に、有機系金属含有原料ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給する際に、前記基板上における前記混合ガスの流速が7.8m/s〜15.6m/sの範囲内の値となり、前記混合ガスにおける前記有機系金属含有原料ガスの分圧が0.167〜0.3の範囲内の値となるように調整して供給する手順と、
(b)前記処理室を排気する手順と、
(c)前記処理室に、酸素含有ガスを供給する手順と、
(d)前記処理室を排気する手順と、
(a)〜(d)を行う複数回のサイクルのうち、2回目以降のサイクルから、(a)で、前記有機系金属含有原料ガスを分割して供給する手順と、
を、行って前記基板上に金属酸化膜を形成する手順をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。 - 前記有機系金属含有原料ガスは、有機系ジルコニウム含有原料ガスもしくは有機系ハフニウム含有原料ガスのいずれかである請求項11に記載のプログラム。
- (b)と(c)の間に、前記処理室にエッチングガスを供給する手順と、前記処理室を排気する手順とを、行う請求項11に記載のプログラム。
- 前記エッチングガスは、塩素含有ガスである請求項13に記載のプログラム。
- (a)基板が収容された基板処理装置の処理室内に、有機系金属含有原料ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給する際に、前記基板上における前記混合ガスの流速が7.8m/s〜15.6m/sの範囲内の値となり、前記混合ガスにおける前記有機系金属含有原料ガスの分圧が0.167〜0.3の範囲内の値となるように調整して供給する手順と、
(b)前記処理室を排気する手順と、
(c)前記処理室にエッチングガスを供給する手順と、
(d)前記処理室を排気する手順と、
(e)前記処理室に、酸素含有ガスを供給する手順と、
(f)前記処理室を排気する手順と、
を、順に行って前記基板上に金属酸化膜を形成する手順をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。
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