JP6867548B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents
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Description
基板を処理する処理室と、
前記処理室内へ原料ガスを供給するガス供給系と、
真空ポンプに接続され、前記処理室内を排気する排気管と、
前記真空ポンプの前段における前記排気管を通過する前記原料ガスの濃度を測定するガス濃度測定器と、
前記真空ポンプの後段における前記排気管内の圧力を測定する圧力測定器と、
前記真空ポンプもしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に希釈ガスを供給する希釈ガス供給系と、
前記測定した原料ガスの濃度及び前記真空ポンプの後段の圧力に応じた流量の希釈ガスを前記真空ポンプもしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管に供給するように前記希釈ガス供給系を制御することが可能なよう構成された制御部と、を備える技術が提供される。
以下、本開示の一実施形態について図1から図6を参照しながら説明する。
図1は実施形態に係る半導体装置を説明するための図である。
ヒータ207の内側には、ヒータ207と同心円状に反応管203が配設されている。反応管203は、例えば石英(SiO2)または炭化シリコン(SiC)等の耐熱性材料により構成され、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管203の下方には、反応管203と同心円状に、マニホールド(インレットフランジ)209が配設されている。マニホールド209は、例えばステンレス(SUS)等の金属により構成され、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド209の上端部は、反応管203の下端部に係合しており、反応管203を支持するように構成されている。マニホールド209と反応管203との間には、シール部材としてのOリング220aが設けられている。マニホールド209がヒータベースに支持されることにより、反応管203は垂直に据え付けられた状態となる。主に、反応管203とマニホールド209とにより処理容器(反応容器)が構成されている。処理容器の内側である筒中空部には処理室201が形成されている。処理室201は、複数枚の基板としてのウエハ200を収容可能に構成されている。なお、処理容器は上記の構成に限らず、反応管203のみを処理容器と称する場合もある。
バッファ室237内には、図2、図3A及び図3Bに示すように、導電体により構成され、細長い構造を有する3本の棒状電極269,270,271が、反応管203の下部より上部にわたりウエハ200の積載方向に沿って配設されている。棒状電極269,270,271のそれぞれは、ノズル249bと平行に設けられている。棒状電極269,270,271のそれぞれは、上部より下部にわたって電極保護管275により覆われることで保護されている。棒状電極269,270,271のうち両端に配置される棒状電極269,271は、整合器272を介して高周波電源273に接続され、棒状電極270は、基準電位であるアースに接続され、接地されている。すなわち、高周波電源273に接続される棒状電極と、接地される棒状電極と、が交互に配置され、高周波電源273に接続された棒状電極269,271の間に配置された棒状電極270は、接地された棒状電極として、棒状電極269,271に対して共通して用いられている。換言すると、接地された棒状電極270は、隣り合う高周波電源273に接続された棒状電極269,271に挟まれるように配置され、棒状電極269と棒状電極270、同じく、棒状電極271と棒状電極270がそれぞれ対となるように構成されてプラズマを生成する。つまり、接地された棒状電極270は、棒状電極270に隣り合う2本の高周波電源273に接続された棒状電極269,271に対して共通して用いられている。そして、高周波電源273から棒状電極269,271に高周波(RF)電力を印加することで、棒状電極269,270間のプラズマ生成領域224a、棒状電極270,271間のプラズマ生成領域224bにプラズマが生成される。主に、棒状電極269,270,271、電極保護管275によりプラズマ源としてのプラズマ生成部(プラズマ生成装置)が構成される。整合器272、高周波電源273をプラズマ源に含めて考えてもよい。プラズマ源は、後述するように、ガスをプラズマ励起、すなわち、プラズマ状態に励起(活性化)させるプラズマ励起部(活性化機構)として機能する。
反応管203には、処理室201内の雰囲気を排気する排気管231が設けられている。排気管231には、処理室201内の圧力を検出する圧力検出器(圧力検出部)としての圧力センサ245および排気バルブ(圧力調整部)としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ244が設けられ、真空排気装置としての真空ポンプ246、および、除害装置280に接続される。APCバルブ244は、真空ポンプ246を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室201内の真空排気および真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ246を作動させた状態で、圧力センサ245により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室201内の圧力を調整することができるように構成されているバルブである。
図7A、図7Bを用いて、希釈コントローラ286における初期値設定手順について説明する。図7Aは、本開示の実施形態で好適に用いられる希釈コントローラの初期値設定時におけるフローを示す図である。図7Bは、本開示の実施形態で好適に用いられる希釈コントローラの初期設定データの算出例を説明する図である。
排気管231aのDCSガスの濃度(1次側):m1(%)
排気管231bのDCSガスの濃度(2次側):m2(%)
この測定は、ステップS70で行われる。
X/(X+Y)=m1/100 式1
X/(α+X+Y)=m2/100 式2
ここで、Xは、DCSガスの流量(slm)であり、Yは、その他ガスの流量(slm)とする。
図8A、図8Bを用いて、希釈コントローラ286における運用時手順について説明する。図8Aは、本開示の実施形態で好適に用いられる希釈コントローラの運用時における制御フローを示す図である。図8Bは、本開示の実施形態で好適に用いられる希釈コントローラの運用時の希釈ガス(N2)の流入量の算出例を説明する図である。
X=P1/η 式3
Y=((100−m1)X)/m1=((100−m1)P1/η)/m1 式4
2)算出されたDCSガスの流量X、および、その他のガスの流量Yを用いて、以下の式5より必要となる希釈ガス(N2)の流入量α(slm)を算出する。
X/(α+X+Y)=4/100 式5
α=24X−Y 式6
ここで、式5は、式2のm2の値に、m2=4(%)として代入したものである。式5を変形すると、式6を得ることが出来る。図8Bのグラフには、式6が示される。図8Bのグラフにおいて、縦軸は希釈ガス(N2)の流入量α(slm)を示し、横軸はDCSガスの流量X(slm)を示す。
図1に示すように基板支持具としてのボート217は、複数枚、例えば25〜200枚のウエハ200を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持するように、すなわち、所定の間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート217は、例えば石英やSiC等の耐熱性材料により構成される。ボート217の下部には、例えば石英やSiC等の耐熱性材料により構成される断熱板218が多段に支持されている。
次に制御装置について図4を用いて説明する。図4に示すように、制御部(制御装置)であるコントローラ121は、CPU(Central Processing Unit)121a、RAM(Random Access Memory)121b、記憶装置121c、I/Oポート121dを備えたコンピュータとして構成されている。RAM121b、記憶装置121c、I/Oポート121dは、内部バス121eを介して、CPU121a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121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122が接続されている。
次に、基板処理装置100を使用して、半導体装置の製造工程(製造方法)の一工程として、ウエハ200上に薄膜を形成する工程について、図5及び図6を参照しながら説明する。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121により制御される。
本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、ウエハそのものを意味する場合や、ウエハとその表面に形成された所定の層や膜との積層体を意味する場合がある。本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、ウエハそのものの表面を意味する場合や、ウエハ上に形成された所定の層等の表面を意味する場合がある。本明細書において「ウエハ上に所定の層を形成する」と記載した場合は、ウエハそのものの表面上に所定の層を直接形成することを意味する場合や、ウエハ上に形成されている層等の上に所定の層を形成することを意味する場合がある。本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
複数枚のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)されると、シャッタ開閉機構115sによりシャッタ219sが移動させられて、マニホールド209の下端開口が開放される(シャッタオープン)。その後、図1に示すように、複数枚のウエハ200を支持したボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内へ搬入(ボートロード)される。この状態で、シールキャップ219は、Oリング220bを介してマニホールド209の下端をシールした状態となる。
処理室201の内部、すなわち、ウエハ200が存在する空間が所望の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ246によって真空排気(減圧排気)される。この際、処理室201内の圧力は圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ244がフィードバック制御される。真空ポンプ246は、少なくとも後述する成膜ステップが終了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。
その後、ステップS3,S4,S5,S6を順次実行することで成膜ステップを行う。
ステップS3では、処理室201内のウエハ200に対して第1の原料ガスとしてDCSガスを供給する。
成膜処理が終了した後、処理室201内のウエハ200に対して反応ガスとしてのプラズマ励起させたNH3ガスを供給する(S5)。つまり、反応ガス供給ステップS5は、第2のガス供給系(ガス供給管232b、MFC241b、バルブ243b)から処理室201内の基板200に対して第2の原料ガス(NH3ガス)を供給する工程ないし手順と言うことができる。
上述したS3,S4,S5,S6をこの順番に沿って非同時に、すなわち、同期させることなく行うことを1サイクルとし、このサイクルを所定回数(n回)、すなわち、1回以上行う(S7)ことにより、ウエハ200上に、所定組成および所定膜厚のSiN膜を形成することができる。上述のサイクルは、複数回繰り返すことが好ましい。すなわち、1サイクルあたりに形成されるSiN層の厚さを所望の膜厚よりも小さくし、SiN層を積層することで形成されるSiN膜の膜厚が所望の膜厚になるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すことが好ましい。
上述の成膜処理が完了したら、ガス供給管232c,232dのそれぞれから不活性ガスとしてのN2ガスを処理室201内へ供給し、排気管231から排気する。これにより、処理室201内が不活性ガスでパージされ、処理室201内に残留するガス等が処理室201内から除去される(不活性ガスパージ)。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(S8)。この時、図8Aで説明された希釈コントローラ286の制御フロー(ステップS80,S81,S82)を実施しても良い。
その後、ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降されて、マニホールド209の下端が開口されるとともに、処理済のウエハ200が、ボート217に支持された状態でマニホールド209の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)される(S9)。ボートアンロードの後は、シャッタ219sが移動させられ、マニホールド209の下端開口がOリング220cを介してシャッタ219sによりシールされる(シャッタクローズ)。処理済のウエハ200は、反応管203の外部に搬出された後、ボート217より取り出されることとなる(ウエハディスチャージ)。なお、ウエハディスチャージの後は、処理室201内へ空のボート217を搬入するようにしてもよい。
本実施形態によれば、以下に示す1つ又は複数の効果が得られる。
次に、本実施形態の変形例を図9に基づいて説明する。本変形例において、上述した実施形態と異なる部分のみ以下に説明し、同じ部分は説明を省略する。上述した実施形態では、真空ポンプ246の後段の排気管231bに、圧力測定器282を設けた構成について詳述したが、本変形例では、圧力測定器282を設けずに、真空ポンプ246の前段の排気管231aに、流量を計測する流量測定器287を設ける。流量測定器287の計測結果は、希釈コントローラ286へ供給される。他の構成は、図1と同様であるので、その説明は省略する。
図10は、本実施形態の変形例で好適に用いられる初期値設定時におけるフローを示す図である。図10に示されるように、まず、希釈ガスの流入量を仮定として、真空ポンプ246の前段の排気管231aにおいて、第1のガス濃度計測器281によりDCSガスの濃度m1を計測し、流量測定器287よりガスの流量Qを計測する。また、真空ポンプ246の後段の排気管231bにおいて、第2のガス濃度計測器283によりDCSガスの濃度m2を計測する(ステップS100)。
排気管231aのDCSガスの濃度(1次側):m1(%)
排気管231bのDCSガスの濃度(2次側):m2(%)
排気管231aのガスの流量:Q(slm)
2)上記1)の測定結果より、真空ポンプ246の前段の排気管231aに流れるDCSガスの実ガス流量Xは、以下の式7により算出する。
X=Q・(m1/100) 式7
この計算は、ステップS101で行われる。
X/(α+Q)=m2’/100 式8
m2’=(100X)/(α+Q)
ここで、DCSガスの予測濃度m2’は、DCSガスと全ガスの体積流量比より算出できる。
ζ=m2/m2’ 式9
この計算は、ステップS103で行われる。
図11Aは、本実施形態の変形例で好適に用いられる希釈コントローラ286の運用時における制御フローを示す図である。図11Bは、本実施形態の変形例で好適に用いられる希釈コントローラの運用時の希釈ガスの流入量の算出例を説明する図である。
排気管231aのDCSガスの濃度(1次側):m1(%)
排気管231aのガスの流量:Q(slm)
なお、流量測定器287を流速計測器とした場合は、排気管231aの配管内径を与えることで流量を算出できる。
X=Q・(m1/100)
この計算は、ステップS111により行われる。
X/(α+Q)=ζ(4/100) 式10
α=(25X/ζ)−Q 式11
ここで、式10は、式8の予測濃度m2’の値に、m2’=4(%)として代入したものである。式10を変形すると、上記の式11を得ることが出来る。図11Bのグラフには、式11が示される。図11Bのグラフにおいて、縦軸は希釈ガス(N2)の流入量α(slm)を示し、横軸はDCSガスの流量X(slm)を示す。
Claims (9)
- 基板を処理する処理室と、
前記処理室内へ原料ガスを供給するガス供給系と、
真空ポンプに接続され、前記処理室内を排気する排気管と、
前記真空ポンプの前段における前記排気管内を通過する前記原料ガスの濃度を測定するガス濃度測定器と、
前記真空ポンプの後段における前記排気管内の圧力を測定する圧力測定器と、
前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に希釈ガスを供給する希釈ガス供給系と、
前記測定した前記原料ガスの濃度及び前記真空ポンプの後段における前記排気管内の圧力に応じた流量の希釈ガスを前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に供給するように前記希釈ガス供給系を制御することが可能なよう構成される制御部と、
を備える基板処理装置。 - 前記真空ポンプの前段における前記排気管内を通過する前記原料ガスの濃度を測定するガス濃度測定器を、第1のガス濃度測定器とし、
前記真空ポンプ内に供給される希釈ガスの流量に対する前記真空ポンプの後段の前記排気管の前記原料ガスのガス濃度を測定する第2のガス濃度測定器と、
予め、前記第1のガス濃度測定器で測定した前記真空ポンプの前段の前記排気管の前記原料ガスの濃度と、前記第2のガス濃度測定器で測定した前記真空ポンプ内に供給される前記希釈ガスの流量に対する前記真空ポンプの後段の前記排気管の前記原料ガスのガス濃度と、前記圧力測定器で測定した前記真空ポンプの後段の排気管の圧力との相関関係を取得して記憶する記憶部と、を備え、
前記制御部は、前記原料ガスを排気する際には、前記原料ガスの濃度を前記第1のガス濃度測定器で測定し、真空ポンプの後段の前記排気管の圧力を測定し、前記記憶部に記憶した前記相関関係に基づき、前記第1のガス濃度測定器で測定した前記原料ガスの濃度および前記圧力測定器で測定した圧力に応じた流量で前記希釈ガスを前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に供給するよう前記希釈ガス供給系を制御することが可能なよう構成される請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記原料ガスはDCSガスであって、
前記制御部は、前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に前記希釈ガスを供給して、前記真空ポンプの後段の前記排気管内における前記DCSガスのガス濃度が4.0%以下になるように、前記希釈ガス供給系を制御することが可能なよう構成される請求項1に記載の基板処理装置。 - 基板を処理する処理室と、前記処理室内へ原料ガスを供給するガス供給系と、真空ポンプに接続され、前記処理室内を排気する排気管と、前記真空ポンプの前段における前記排気管内を通過する前記原料ガスの濃度を測定するガス濃度測定器と、前記真空ポンプの後段における前記排気管内の圧力を測定する圧力測定器と、前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に希釈ガスを供給する希釈ガス供給系と、を有する基板処理装置の前記処理室内へ前記基板を搬入する工程と、
前記ガス供給系から前記処理室内の前記基板に対して前記原料ガスを供給する工程と、
前記ガス濃度測定器で前記測定した前記原料ガスの濃度及び前記圧力測定器で測定した前記真空ポンプの後段における前記排気管内の圧力に応じた流量の希釈ガスを前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に供給しながら前記処理室内の前記原料ガスを排気する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記真空ポンプの前段における前記排気管内を通過する前記原料ガスの濃度を測定するガス濃度測定器を、第1のガス濃度測定器とし、前記真空ポンプ内に供給される希釈ガスの流量に対する前記真空ポンプの後段の前記排気管の前記原料ガスのガス濃度を測定する第2のガス濃度測定器と、を前記基板処理装置が備え、
予め、前記第1のガス濃度測定器で測定した前記真空ポンプの前段の前記排気管の前記原料ガスの濃度と、前記第2のガス濃度測定器で測定した前記真空ポンプ内に供給される前記希釈ガスの流量に対する前記真空ポンプの後段の前記排気管の前記原料ガスのガス濃度と、前記圧力測定器で測定した前記真空ポンプの後段の前記排気管の圧力との相関関係を取得して記憶する工程と、
前記原料ガスを排気する工程では、前記原料ガスの濃度を前記第1のガス濃度測定器で測定し、前記真空ポンプの後段の前記排気管の圧力を測定し、前記記憶した前記相関関係に基づき、前記第1のガス濃度測定器で測定した前記原料ガスの濃度および前記圧力測定器で測定した圧力に応じた流量で前記希釈ガスを前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に供給する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記原料ガスがDCSガスであって、
前記原料ガスを排気する工程では、前記真空ポンプの後段の前記排気管内における前記DCSガスのガス濃度が4.0%以下となるように、前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に前記希釈ガスを供給する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 基板を処理する処理室と、前記処理室内へ原料ガスを供給するガス供給系と、真空ポンプに接続され、前記処理室内を排気する排気管と、前記真空ポンプの前段における前記排気管内を通過する前記原料ガスの濃度を測定するガス濃度測定器と、前記真空ポンプの後段における前記排気管内の圧力を測定する圧力測定器と、前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に希釈ガスを供給する希釈ガス供給系と、を有する基板処理装置の前記処理室内へ前記基板を搬入する手順と、
前記ガス供給系から前記処理室内の前記基板に対して前記原料ガスを供給する手順と、
前記ガス濃度測定器で前記測定した前記原料ガスの濃度及び前記圧力測定器で測定した前記真空ポンプの後段における前記排気管内の圧力に応じた流量の希釈ガスを前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に供給しながら前記原料ガスを排気する手順と、
をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラム。 - 前記真空ポンプの前段における前記排気管内を通過する前記原料ガスの濃度を測定するガス濃度測定器を、第1のガス濃度測定器とし、前記真空ポンプ内に供給される希釈ガスの流量に対する前記真空ポンプの後段の前記排気管の前記原料ガスのガス濃度を測定する第2のガス濃度測定器と、を前記基板処理装置が備え、
予め、前記第1のガス濃度測定器で測定した前記真空ポンプの前段の前記排気管の前記原料ガスの濃度と、前記第2のガス濃度測定器で測定した前記真空ポンプ内に供給される前記希釈ガスの流量に対する前記真空ポンプの後段の前記排気管の前記原料ガスのガス濃度と、前記圧力測定器で測定した前記真空ポンプの後段の前記排気管の圧力との相関関係を取得して記憶する手順と、
前記原料ガスを排気する手順では、前記原料ガスの濃度を前記第1のガス濃度測定器で測定し、前記真空ポンプの後段の前記排気管の圧力を測定し、前記記憶した前記相関関係に基づき、前記第1のガス濃度測定器で測定した前記原料ガスの濃度および前記圧力測定器で測定した圧力に応じた流量で前記希釈ガスを前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に供給する請求項7に記載のプログラム。 - 前記原料ガスがDCSガスであって、
前記原料ガスを排気する手順では、前記真空ポンプの後段の前記排気管内における前記DCSガスのガス濃度が4.0%以下となるように、前記真空ポンプ内もしくは前記真空ポンプの前段における前記排気管内に前記希釈ガスを供給する請求項7に記載のプログラム。
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