JP7175375B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理方法、基板処理装置およびプログラム。 - Google Patents

半導体装置の製造方法、基板処理方法、基板処理装置およびプログラム。 Download PDF

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Description

本開示は、半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラムに関する。
近年、半導体デバイスの微細化、高密度化に伴い、ゲート絶縁膜として金属酸化膜（高誘電率（Ｈｉｇｈ－ｋ）絶縁膜）が用いられるようになってきている。又、ＤＲＡＭキャパシタの容量を増大させるために、キャパシタ絶縁膜への金属酸化膜の適用も進んできている。これら金属酸化膜には低温での成膜が要求され、更に表面の平坦性、凹部埋めこみ性、ステップカバレッジ性に優れ、かつ異物の少ない成膜方法が求められている。金属酸化膜を形成する手法の一つとして、処理室内に供給する処理ガスの流れを分散させて、基板上にジルコニウム酸化膜などの薄膜を形成する方法がある。（例えば、特許文献１）。
特開２０１４－６７７８３号公報
しかしながら、処理ガスの流れを分散させると基板の中心に十分な量の処理ガスを供給できないことがあり、膜厚均一性が悪くなることがある。
本開示の目的は、基板上に形成される金属酸化膜の膜厚均一性を向上させる技術を提供することにある。
本開示の一態様によれば、
（ａ）処理室内の基板に対して金属含有ガスを供給する工程と、
（ｂ）前記処理室内の前記基板に対して、酸素含有ガスの流速を７．０ｍ／ｓ以上８．５ｍ／ｓ以下とし、前記酸素含有ガスの分圧を９．０Ｐａ以上１２．０Ｐａ以下として前記酸素含有ガスを供給する工程と、を有する技術が提供される。
本開示によれば、基板上に形成される金属酸化膜の膜厚均一性を向上させる技術を提供することが可能となる。
本開示の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。 図１のＡ－Ａ線に沿った概略的な横断面図である。 図１に示す基板処理装置が有するコントローラの構成を示すブロック図である。 本開示の実施形態における成膜シーケンスを示す図である。 従来と本開示の実施形態におけるウエハ面内と平均膜厚との関係を示す図である。
＜本開示の一実施形態＞
以下、本開示の一実施形態について、図１～５を参照しながら説明する。基板処理装置１０は半導体装置の製造工程において使用される装置の一例として構成されている。
（１）基板処理装置の構成
基板処理装置１０は、加熱手段（加熱機構、加熱系）としてのヒータ２０７が設けられた処理炉２０２を備える。ヒータ２０７は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース（図示せず）に支持されることにより垂直に据え付けられている。
ヒータ２０７の内側には、ヒータ２０７と同心円状に反応容器（処理容器）を構成するアウタチューブ２０３が配設されている。アウタチューブ２０３は、例えば石英（ＳｉＯ２）、炭化シリコン（ＳｉＣ）など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。アウタチューブ２０３の下方には、アウタチューブ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）など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の上端部と、アウタチューブ２０３との間には、シール部材としてのＯリング（図示せず）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、アウタチューブ２０３は垂直に据え付けられた状態となる。
アウタチューブ２０３の内側には、反応容器を構成するインナチューブ２０４が配設されている。インナチューブ２０４は、例えば石英やＳｉＣなど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。主に、アウタチューブ２０３と、インナチューブ２０４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。処理容器の筒中空部（インナチューブ２０４の内側）には処理室２０１が形成されている。
処理室２０１は、基板としてのウエハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で鉛直方向に多段に配列した状態で収容可能に構成されている。
処理室２０１内には、ノズル４１０，４２０，４３０，４４０がマニホールド２０９の側壁およびインナチューブ２０４を貫通するように設けられている。ノズル４１０，４２０，４３０，４４０には、ガス供給管３１０，３２０，３３０，３４０が、それぞれ接続されている。ただし、本実施形態の処理炉２０２は上述の形態に限定されない。ノズル等の数は、必要に応じて、適宜変更される。
ガス供給管３１０，３２０，３３０，３４０には上流側から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３１２，３２２，３３２，３４２開閉弁であるバルブ３１４，３２４，３３４，３４４がそれぞれ設けられている。ガス供給管３１０，３２０，３３０，３４０のバルブ３１４，３２４，３３４，３４４の下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管５１０，５２０，５３０，５４０がそれぞれ接続されている。ガス供給管５１０，５２０，５３０，５４０には、上流側から順に、流量制御器（流量制御部）であるＭＦＣ５１２，５２２，５３２，５４２および開閉弁であるバルブ５１４，５２４，５３４，５４４がそれぞれ設けられている。
ノズル４１０，４２０，４３０，４４０は、Ｌ字型の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の側壁およびインナチューブ２０４を貫通するように設けられている。ノズル４１０，４２０，４３０，４４０の垂直部は、インナチューブ２０４の径方向外向きに突出し、かつ鉛直方向に延在するように形成されているチャンネル形状（溝形状）の予備室２０１ａの内部に設けられており、予備室２０１ａ内にてインナチューブ２０４の内壁に沿って上方（ウエハ２００の配列方向上方）に向かって設けられている。
ノズル４１０，４２０，４３０，４４０は、処理室２０１の下部領域から処理室２０１の上部領域まで延在するように設けられており、ウエハ２００と対向する位置にそれぞれ複数のガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａが設けられている。これにより、ノズル４１０，４２０，４３０，４４０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａからそれぞれウエハ２００に処理ガスを供給する。このガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａは、インナチューブ２０４の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同一の開口ピッチで設けられている。
ただし、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａは上述の形態に限定されない。例えば、インナチューブ２０４の下部から上部に向かって開口面積を徐々に大きくしてもよい。これにより、ガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａから供給されるガスの流量をより均一化することが可能となる。
ノズル４１０，４２０，４３０，４４０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａは、後述するボート２１７の下部から上部までの高さの位置に複数設けられている。そのため、ノズル４１０，４２０，４３０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａから処理室２０１内に供給された処理ガスは、ボート２１７の下部から上部までに収容されたウエハ２００、すなわちボート２１７に収容されたウエハ２００の全域に供給される。ノズル４１０，４２０，４３０，４４０は、処理室２０１の下部領域から上部領域まで延在するように設けられていればよいが、ボート２１７の天井付近まで延在するように設けられていることが好ましい。
ガス供給管３１０からは、処理ガスとして、金属含有ガス（金属含有原料ガス）が、ＭＦＣ３１２、バルブ３１４、ノズル４１０を介して処理室２０１内に供給される。金属含有ガスとしては、有機系原料であって、例えばジルコニウム（Ｚｒ）を含むテトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺ、Ｚｒ［Ｎ（ＣＨ３）Ｃ２Ｈ５］４）を用いることができる。ＴＥＭＡＺは、常温常圧で液体であり、図示しない気化器で気化して気化ガスであるＴＥＭＡＺガスとして用いられる。
ガス供給管３２０～３４０からは、酸化ガスとして、酸素含有ガス（酸素含有ガス、Ｏ含有ガス）がＭＦＣ３２２，３３２，３４２、バルブ３２４，３３４，３４４、ノズル４２０，４３０，４４０を介してガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａから処理室２０１内に供給される。酸素含有ガスとしては、例えば、オゾン（Ｏ３）等が用いられる。
主に、ガス供給管３１０，３２０，３３０，３４０、ＭＦＣ３１２，３２２，３３２，３４２、バルブ３１４，３２４，３３４，３４４、ノズル４１０，４２０，４３０，４４０により処理ガス供給系が構成されるが、ノズル４１０，４２０，４３０，４４０のみを処理ガス供給系と考えてもよい。処理ガス供給系を、単に、ガス供給系と称することもできる。ガス供給管３１０から金属含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管３１０，ＭＦＣ３１２、バルブ３１４により金属含有ガス供給系が構成されるが、ノズル４１０を金属含有ガス供給系に含めて考えてもよい。ガス供給管３２０，３３０，３４０から酸素含有ガスを流す場合、主に、ガス供給管３２０，ＭＦＣ３２２、バルブ３２４、ガス供給管３３０、ＭＦＣ３３２、バルブ３３４、ガス供給管３４０、ＭＦＣ３４２、バルブ３４４により酸素含有ガス供給系が構成されるが、ノズル４２０，４３０，４４０を酸素含有ガス供給系に含めて考えてもよい。酸素含有ガス供給系はＯ３ガス供給系とも称する。また、主に、ガス供給管５１０，５２０，５３０，５４０、ＭＦＣ５１２，５２２，５３２，５４２、バルブ５１４，５２４，５３４，５４４により不活性ガス供給系が構成される。不活性ガス供給系を、パージガス供給系、希釈ガス供給系、あるいは、キャリアガス供給系と称することもできる。
本実施形態におけるガス供給の方法は、インナチューブ２０４の内壁と、複数枚のウエハ２００の端部とで定義される円環状の縦長の空間内、すなわち、円筒状の空間内の予備室２０１ａ内に配置したノズル４１０，４２０，４３０，４４０を経由してガスを搬送している。そして、ノズル４１０，４２０，４３０，４４０のウエハと対向する位置に設けられた複数のガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａからインナチューブ２０４内にガスを噴出させている。
排気孔（排気口）２０４ａは、インナチューブ２０４の側壁であってノズル４１０，４２０，４３０，４４０に対向した位置、すなわち予備室２０１ａとは１８０度反対側の位置に形成された貫通孔であり、例えば、鉛直方向に細長く開設されたスリット状の貫通孔である。そのため、ノズル４１０，４２０，４３０，４４０のガス供給孔４１０ａ，４２０ａ，４３０ａ，４４０ａから処理室２０１内に供給され、ウエハ２００の表面上を流れたガス、すなわち、残留するガス（残ガス）は、排気孔２０４ａ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２０６内に流れる。そして、排気路２０６内へと流れたガスは、排気管２３１内に流れ、処理炉２０２外へと排出される。
排気孔２０４ａは、複数のウエハ２００と対向する位置（好ましくはボート２１７の上部から下部と対向する位置）に設けられており、ガス供給孔４１０ａ、４２０ａ、４３０ａ，４４０ａから処理室２０１内のウエハ２００の近傍に供給されたガスは、水平方向、すなわちウエハ２００の表面と平行方向に向かって流れた後、排気孔２０４ａを介して排気路２０６内へと流れる。すなわち、処理室２０１に残留するガスは、排気孔２０４ａを介してウエハ２００の主面に対して平行に排気される。なお、排気孔２０４ａはスリット状の貫通孔として構成される場合に限らず、複数個の孔により構成されていてもよい。
マニホールド２０９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、上流側から順に、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，ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ２３１ａ，真空排気装置としての真空ポンプ２４６が接続されている。ＡＰＣバルブ２３１ａ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。主に、排気孔２０４ａ，排気路２０６，排気管２３１，ＡＰＣバルブ２３１ａおよび圧力センサ２４５により、排気系すなわち排気ラインが構成される。なお、真空ポンプ２４６を排気系に含めて考えてもよい。
マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９は、マニホールド２０９の下端に鉛直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ２１９は、例えばＳＵＳ等の金属により構成され、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面には、マニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング（図示せず）が設けられている。シールキャップ２１９における処理室２０１の反対側には、ウエハ２００を収容するボート２１７を回転させる回転機構２６７が設置されている。回転機構２６７の回転軸２５５は、シールキャップ２１９を貫通してボート２１７に接続されている。回転機構２６７は、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９は、アウタチューブ２０３の外部に垂直に設置された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって鉛直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ１１５は、シールキャップ２１９を昇降させることで、ボート２１７を処理室２０１内外に搬入および搬出することが可能なように構成されている。ボートエレベータ１１５は、ボート２１７およびボート２１７に収容されたウエハ２００を、処理室２０１内外に搬送する搬送装置（搬送機構）として構成されている。
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鉛直方向に整列させて多段に支持するように、すなわち、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が水平姿勢で多段（図示せず）に支持されている。この構成により、ヒータ２０７からの熱がシールキャップ２１９側に伝わりにくくなっている。ただし、本実施形態は上述の形態に限定されない。例えば、ボート２１７の下部に断熱板２１８を設けずに、石英やＳｉＣ等の耐熱性材料により構成される筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。
インナチューブ２０４内には温度検出器としての温度センサ２６３が設置されており、温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータ２０７への通電量を調整することで、処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。温度センサ２６３は、ノズル４１０，４２０，４３０，４４０と同様にＬ字型に構成されており、インナチューブ２０４の内壁に沿って設けられている。
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。
記憶装置２８０ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置２８０ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラム、後述する半導体装置の製造方法の手順や条件などが記載されたプロセスレシピなどが、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する半導体装置の製造方法における各工程（各ステップ）をコントローラ２８０に実行させ、所定の結果を得ることができるように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピ、制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、プロセスレシピおよび制御プログラムの組み合わせを含む場合がある。ＲＡＭ２８０ｂは、ＣＰＵ２８０ａによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。
Ｉ／Ｏポート２８０ｄは、上述のＭＦＣ３１２，３２２，３３２，３４２，５１２，５２２，５３２，５４２、バルブ３１４，３２４，３３４，３４４，５１４，５２４，５３４，５４４、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２３１ａ、真空ポンプ２４６、ヒータ２０７、温度センサ２６３、回転機構２６７、ボートエレベータ１１５等に接続されている。
ＣＰＵ２８０ａは、記憶装置２８０ｃから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置２８２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２８０ｃからレシピ等を読み出すように構成されている。ＣＰＵ２８０ａは、読み出したレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ３１２，３２２，３３２，３４２，５１２，５２２，５３２，５４２による各種ガスの流量調整動作、バルブ３１４，３２４，３３４，３４４，５１４，５２４，５３４，５４４の開閉動作、ＡＰＣバルブ２３１ａの開閉動作およびＡＰＣバルブ２３１ａによる圧力センサ２４５に基づく圧力調整動作、温度センサ２６３に基づくヒータ２０７の温度調整動作、真空ポンプ２４６の起動および停止、回転機構２６７によるボート２１７の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ１１５によるボート２１７の昇降動作、ボート２１７へのウエハ２００の収容動作等を制御するように構成されている。
コントローラ２８０は、外部記憶装置（例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）２８３に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置２８０ｃや外部記憶装置２８３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体は、記憶装置２８０ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置２８３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置２８３を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。
（２）基板処理工程
半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板に対して金属含有ガスと酸素含有ガスを供給して基板上に金属酸化膜を形成する成膜工程を行うシーケンス例について、図４を用いて説明する。成膜工程は、上述した基板処理装置１０の処理炉２０２を用いて実行される。以下の説明において、基板処理装置１０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。
本実施形態では、基板として複数のウエハ２００が積載された状態で収容された処理室２０１を所定温度で加熱しつつ、処理室２０１に、ノズル４１０に開口する複数のガス供給孔４１０ａから原料ガスとしてＴＥＭＡＺガスを供給する工程と、ノズル４２０，４３０，４４０に開口するガス供給孔４２０ａ，４３０ａ，４４０ａから反応ガスを供給する工程と、を所定回数（ｎ回）行うことで、ウエハ２００上に、ＺｒおよびＯを含むジルコニウム酸化膜（ＺｒＯ膜）を形成する。
なお、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等との積層体（集合体）」を意味する場合（すなわち、表面に形成された所定の層や膜等を含めてウエハと称する場合）がある。また、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（露出面）」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。なお、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。
（ウエハ搬入）
複数枚のウエハ２００を処理室２０１内に搬入（ボートロード）する。具体的には、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、図１に示されているように、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内に搬入される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリングを介して反応管２０３の下端開口を閉塞した状態となる。
（圧力調整および温度調整）
処理室２０１内が所望の圧力（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２３１ａがフィードバック制御される（圧力調整）。真空ポンプ２４６は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室２０１内が所望の温度となるようにヒータ２０７によって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように、温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０７への通電量がフィードバック制御される（温度調整）。ヒータ２０７による処理室２０１内の加熱は、少なくともウエハ２００に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
［成膜工程］
ウエハ２００上に、金属酸化膜として高誘電率酸化膜であるＺｒＯ膜を形成するステップを実行する。
（ＴＥＭＡＺガス供給ステップ）
バルブ３１４を開き、ガス供給管３１０内に、処理ガスとして原料ガスであるＴＥＭＡＺガスを流す。ＴＥＭＡＺガスは、ＭＦＣ３１２により流量調整され、ノズル４１０のガス供給孔４１０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このときウエハ２００に対して、ＴＥＭＡＺガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ５１４を開き、ガス供給管５１０内にＮ２ガスを流す。ガス供給管５１０内を流れたＮ２ガスは、ＭＦＣ５１２により流量調整される。Ｎ２ガスはＴＥＭＡＺガスと一緒にノズル４１０の供給孔４１０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
また、ノズル４２０，４３０，４４０内へのＴＥＭＡＺガスの侵入を防止するために、バルブ５２４，５３４，５４４を開き、ガス供給管５２０，５３０，５４０内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ガス供給管３２０，３３０，３４０、ノズル４２０，４３０，４４０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
このとき、ＡＰＣバルブ２３１ａを適正に調整して、処理室２０１内の圧力を、例えば２０～５００Ｐａの範囲内の圧力とする。本明細書において、「２０～５００Ｐａ」のような数値範囲の表記は、下限値および上限値がその範囲に含まれることを意味する。よって、例えば、「２０Ｐａ～５００Ｐａ」とは、２０Ｐａ以上５００以下を意味する。その他の数値範囲についても同様である。ＭＦＣ３１２で制御するＴＥＭＡＺガスの供給流量は、例えば０．１～５．０ｇ／分の範囲内の流量とする。ウエハ２００をＴＥＭＡＺに曝す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば１０～３００秒間の範囲内の時間とする。このときヒータユニット２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば１５０～３００℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。ＴＥＭＡＺガスの供給により、ウエハ２００上にＺｒ含有層が形成される。Ｚｒ含有層には、ＴＥＭＡＺガスに由来する有機物（炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、窒素（Ｎ）等）が残留元素としてわずかに残留する。
（残留ガス除去ステップ）
ＴＥＭＡＺガスを所定時間供給した後、バルブ３１４を閉じて、ＴＥＭＡＺガスの供給を停止する。このとき、排気管２３１のＡＰＣバルブ２３１ａは開いたままとして、真空ポンプ２４６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反応に寄与した後のＴＥＭＡＺガスを処理室２０１内から排除する。このときバルブ５２４，５３４，５４４は開いたままとして、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、処理室２０１内に残留する未反応もしくは反応に寄与した後のＴＥＭＡＺガスを処理室２０１内から排除する効果を高めることができる。
（Ｏ３ガス供給ステップ）
処理室２０１内の残留ガスを除去した後、バルブ３２４，３３４，３４４を開き、ガス供給管３２０，３３０，３４０内に酸素含有ガスであるＯ３ガスを流す。Ｏ３ガスは、ＭＦＣ３２２，３３２，３４２により流量調整され、ノズル４２０，４３０，４４０のガス供給孔４２０ａ，４３０ａ，４４０ａから処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。このとき、ウエハ２００に対してＯ３ガスが供給されることとなる。このとき同時にバルブ５２４，５３４，５４４を開き、ガス供給管５２０，５３０，５４０内にＮ２ガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管５２０，５３０，５４０内を流れたＮ２ガスは、ＭＦＣ５２２，５３２，５４２により流量調整され、Ｏ３ガスと一緒に処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。なお、このとき、ノズル４１０内へのＯ３ガスの侵入を防止するために、バルブ５１４を開き、ガス供給管５１０内にＮ２ガスを流す。Ｎ２ガスは、ガス供給管３１０ノズル４１０を介して処理室２０１内に供給され、排気管２３１から排気される。
Ｏ３ガスを流すときは、ＡＰＣバルブ２３１ａを適正に調整して処理室２０１内の圧力は、例えば１１０Ｐａとする。ＭＦＣ３２２，３３２，３４２で制御する３本のノズル４２０，４３０，４４０から供給するＯ３ガスの合計の供給流量は、例えば７０ｓｌｍとする。ＭＦＣ３２２，３３２，３４２およびＡＰＣバルブ２３１ａで制御するＯ３ガスのウエハ２００の中心部での流速は、例えば７．０ｍ／ｓ～８．５ｍ／ｓの範囲内の流速とする。Ｏ３ガスの分圧は、例えば９．０Ｐａ（処理室２０１内の圧力の約８．０％）～１２．０Ｐａ（処理室２０１内の圧力の約１１．０％）、より好ましくは１１．０Ｐａ（処理室２０１内の圧力の１０．０％）の圧力とする。オゾン発生器から処理室２０１内に供給されるＯ３ガスの濃度は、例えば１５０ｇ／Ｎｍ３～３００ｇ／Ｎｍ３、より好ましくは２５０ｇ／Ｎｍ３とする。Ｏ３ガスの濃度が１５０ｇ／Ｎｍ３未満であると、ガスの濃度が低くて膜中の不純物（Ｃ、カーボン）の濃度が多くなり膜質が低下してしまうことがある。また、Ｏ３ガスの濃度が３００ｇ／Ｎｍ３を超えると、ガスの濃度が高くなり形成されるＺｒＯ層の下地まで酸化させてしまうことがある。具体的には、ＤＲＡＭキャパシタの場合、下地はＴｉＮ膜（チタン窒化膜）であって、ＴｉＮ膜で構成される電極が酸化してしまうと、ＴｉＯ、ＴｉＯＮの境界面の酸化膜が増加してしまうため、ＥＯＴ（等価酸化膜厚）が増加することや、異常酸化により応力が発生してしまい、ＴｉＮ電極が倒れてしまうことがある。また、Ｌｏｇｉｃのゲート酸化膜の場合、下地はＳｉ膜（シリコン膜）となり、Ｓｉ境界面が酸化するとＳｉＯ膜が増加するためＥＯＴが増加してしまうことがある。Ｏ３ガスの濃度を１５０ｇ／Ｎｍ３～３００ｇ／Ｎｍ３とすることで膜中の不純物の濃度が高くなることを抑制して膜質を低下させることなく、また、形成される膜の下地まで酸化させることなく、ＺｒＯ膜を形成することが可能となる。Ｏ３ガスにウエハ２００を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば３０～１２０秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータユニット２０７の温度は、ステップＳ１０１と同様の温度とする。Ｏ３ガスの供給により、ウエハ２００上に形成されたＺｒ含有層が酸化され、ＺｒＯ層が形成される。このとき、ＺｒＯ層には、ＴＥＭＡＺガスに由来する有機物（炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、窒素（Ｎ）等）がわずかに残留する。
なお、本実施の形態では、ノズル４２０，４３０，４４０の３本を用いてＯ３ガスを供給しているが、ノズルの本数は限定されず、例えば、１本のノズルでＯ３ガスを供給するようにしても構わない。
Ｏ３ガス供給の処理条件として、特に、Ｏ３ガスの流速を７．０ｍ／ｓ～８．５ｍ／ｓの範囲内の所定の流速とし、Ｏ３ガスの分圧を９．０Ｐａ（処理室２０１の圧力の約８．０％）～１２．０Ｐａ（処理室の圧力の約１１．０％）の範囲内の所定の分圧としてＯ３ガス供給ステップを実行することで、ウエハの中央部まで到達するＯ３ガスの供給量が十分となりウエハ面内での酸化が十分に行われ、ウエハ面内での膜厚均一性を向上させることができる。図５に、ウエハ面内のウエハの中央部からエッジ部までの間における同距離の円周上それぞれにおいて複数点の膜厚を測定し、それらを平均して得られた平均膜厚を示す。図５の実線６０２で示す従来の手法による平均膜厚に比べ、実線６０１で示す本実施形態の手法による平均膜厚においては、平均膜厚が一番小さい位置（実線６０１ではウエハの中央部）における膜厚と平均膜厚が一番大きい位置（実線６０１ではウエハのエッジ部）における膜厚との膜厚差（ΔＴｈｉｃｋｎｅｓｓ）が小さくなっている。すなわち、図５より、高誘電率酸化膜であるＺｒＯ膜のウエハの面内膜厚均一性を向上させることが可能となることが分かる。
なお、Ｏ３ガスの流速が７．０ｍ／ｓ未満であると、ウエハの中央部に到達するＯ３ガスの供給量が不足し、ウエハの中央部での膜厚が薄くなり、ウエハ面内膜厚均一性が所定の分布とならないことがある。また、Ｏ３ガスの流速が８．５ｍ／ｓを超えると、ノズルのガス供給孔にガスの渦巻が発生しやすくなるためウエハのエッジ部分での膜厚が厚くなり、ウエハ面内膜厚均一性が所定の分布とならないことがある。Ｏ３ガスの分圧が９．０Ｐａ未満であると、酸化が不十分となるため、ウエハ面内膜厚均一性が所定の分布とならないことがある。また、Ｏ３ガスの分圧が１２．０Ｐａを超えると成膜の際に下地過酸化によって、特にウエハのエッジ部分での膜厚が厚くなりウエハ面内膜厚均一性が所定の分布とならないことがある。
（残留ガス除去ステップ）
ＺｒＯ層が形成された後、バルブ３２４を閉じ、Ｏ３ガスの供給を停止する。そして、Ｏ３ガス供給ステップ前の残留ガス除去ステップと同様の処理手順により、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内から排除する。
（所定回数実施）
上記したステップを順に行うサイクルを１回以上（所定回数（ｎ回）行うことにより、ウエハ２００上に、所定の厚さのＺｒＯ膜が形成される。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。このように、ＺｒＯ膜を形成する場合は、ＴＥＭＡＺガスとＯ３ガスを互いに混合しないよう（時分割して）交互にウエハ２００に対して供給する。
（アフターパージおよび大気圧復帰）
成膜ステップが終了したら、バルブ５１４，５２４，５３４，５４４を開き、ガス供給管５１０，５２０，５３０，５４０のそれぞれからＮ２ガスを処理室２０１内へ供給し、排気管２３１から排気する。Ｎ２ガスはパージガスとして作用し、これにより処理室２０１内が不活性ガスでパージされ、処理室２０１内に残留するガスや副生成物が処理室２０１内から除去される（アフターパージ）。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（大気圧復帰）。
（ウエハ搬出）
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、反応管２０３の下端が開口される。そして、処理済ウエハ２００がボート２１７に支持された状態で反応管２０３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。その後、処理済のウエハ２００は、ボート２１７より取り出される（ウエハディスチャージ）。
以上、本開示の実施形態について具体的に説明した。しかし、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
上述の実施形態では、高誘電率酸化膜としてＺｒＯ膜を例示しているが、これに限らず、ＺｒＯの結合エネルギーより低い、又はＺｒ塩化物の蒸気圧より高い酸化物（混合酸化物を含む）であればよい。例えば、高誘電率酸化物としてＺｒＯｙ、ＨｆＯｙ、ＡｌｘＯｙ，ＨｆＳｉｘＯｙ，ＨｆＡｌｘＯｙ，ＺｒＳｉＯｙ、ＺｒＡｌＯｙ， ＴｉｘＯｙ，ＴａｘＯｙ（ｘ及びｙは０より大きい整数又は小数である。）が用いられた場合にも同様に適用可能である。すなわち、ジルコニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、アルミニウム酸化膜、チタン酸化膜、タンタル酸化膜、ニオブ酸化膜にも適用可能である。
また、上述の実施形態では、有機系原料としてＴＥＭＡＺを例示しているが、これに限らず、その他の原料も適用可能である。例えば、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム（Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ３］４、ＴＥＭＡＨ）等の有機系Ｈｆ原料（有機系Ｈｆ原料を含むハフニウム含有ガス）、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ、ＴＭＡ）等の有機系Ａｌ原料（有機系Ａｌ原料を含むアルミニウム含有ガス）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ３）２）３、ＴＤＭＡＳ）等の有機系Ｓｉ原料（有機系Ｓｉ原料を含むシリコン含有ガス）、テトラキスジメチルアミノチタン（Ｔｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］４、ＴＤＭＡＴ）等の有機系Ｔｉ原料（有機系Ｔｉ原料を含むチタン含有ガス）、ペンタキスジメチルアミノタンタル（Ｔａ（Ｎ（ＣＨ３）２）５、ＰＤＭＡＴ）等の有機系Ｔａ原料（有機系Ｔａ原料を含むタンタル含有ガス）、トリスジメチルアミノターシャリーブチルイミノニオブ（ｔｅｒｔ－Ｃ４Ｈ９）Ｎ＝Ｎｂ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］３、ＴＢＴＤＥＮ）等の有機系Ｎｂ原料（有機系Ｎｂ原料を含むニオブ含有ガス）等も適用可能である。
また、上述の実施形態では、成膜工程で、Ｏ３ガスを使用する例を示しているが、これに限らず、酸素含有ガスであれば、その他の原料も適用可能である。例えば、酸素（Ｏ２）、Ｏ２プラズマ、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）等も適用可能である。
また、不活性ガスとしては、Ｎ２ガスの他、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の希ガスを用いてもよい。
これらの各種薄膜の形成に用いられるプロセスレシピ（処理手順や処理条件等が記載されたプログラム）は、基板処理等の内容（形成する薄膜の膜種、組成比、膜質、膜厚、処理手順、処理条件等）に応じて、それぞれ個別に用意する（複数用意する）ことが好ましい。そして、基板処理等を開始する際、基板処理等の内容に応じて、複数のプロセスレシピ等の中から、適正なプロセスレシピ等を適宜選択することが好ましい。具体的には、基板処理等の内容に応じて個別に用意された複数のプロセスレシピ等を、電気通信回線や当該プロセスレシピ等を記録した記録媒体（外部記憶装置２８３）を介して、基板処理装置が備える記憶装置２８０ｃ内に予め格納（インストール）しておくことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理装置が備えるＣＰＵ２８０ａが、記憶装置２８０ｃ内に格納された複数のプロセスレシピ等の中から、基板処理の内容に応じて、適正なプロセスレシピ等を適宜選択することが好ましい。このように構成することで、１台の基板処理装置で様々な膜種、組成比、膜質、膜厚の薄膜を汎用的に、かつ、再現性よく形成できるようになる。また、オペレータの操作負担（処理手順や処理条件等の入力負担等）を低減でき、操作ミスを回避しつつ、基板処理を迅速に開始できるようになる。
また、本開示は、例えば、既存の基板処理装置のプロセスレシピ等を変更することでも実現できる。プロセスレシピ等を変更する場合は、本開示に係るプロセスレシピ等を電気通信回線や当該プロセスレシピ等を記録した記録媒体を介して既存の基板処理装置にインストールしたり、また、既存の基板処理装置の入出力装置を操作し、そのプロセスレシピ等自体を本開示に係るプロセスレシピ等に変更したりすることも可能である。
１０ 基板処理装置
２８０ コントローラ
２００ ウエハ（基板）
２０１ 処理室

Claims (13)

  1. （ａ）処理室内の基板保持具に積載して保持された複数枚の基板に対して金属含有ガスを供給する工程と、
    （ｂ）前記処理室内の前記複数枚の基板に対して、酸素含有ガスの流速を７．０ｍ／ｓ以上８．５ｍ／ｓ以下とし、前記酸素含有ガスの分圧を９．０Ｐａ以上１２．０Ｐａ以下として前記酸素含有ガスを前記処理室内の下部領域から前記処理室の上部領域まで延在するように設けられる複数本のノズルから供給する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  2. （ａ）と（ｂ）を所定回数、繰り返し行うことにより、前記基板上に金属酸化膜を形成する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. （ａ）と（ｂ）との間に、前記処理室を排気する工程を行う請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. （ｂ）の後に、前記処理室を排気する工程を行う請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  5. （ａ）と（ｂ）とを所定回数行った後に、前記処理室内に不活性ガスを供給する工程を行う請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  6. （ｂ）では、前記酸素含有ガスの濃度を１５０ｇ／Ｎｍ３以上３００ｇ／Ｎｍ３以下とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記金属含有ガスは、ジルコニウム含有ガス、ハフニウム含有ガス、アルミニウム含有ガス、シリコン含有ガス、チタン含有ガス、タンタル含有ガスまたはニオブ含有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。
  8. 前記酸素含有ガスは、オゾン、酸素、酸素プラズマ、水蒸気、過酸化水素または亜酸化窒素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。
  9. 前記金属酸化膜は、高誘電率酸化膜である請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記基板上に形成される前記金属酸化膜の下地には、チタン窒化膜またはシリコン膜が形成されている請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  11. （ａ）処理室内の基板保持具に積載して保持された複数枚の基板に対して金属含有ガスを供給する工程と、
    （ｂ）前記処理室内の前記複数枚の基板に対して、酸素含有ガスの流速を７．０ｍ／ｓ以上８．５ｍ／ｓ以下とし、前記酸素含有ガスの分圧を９．０Ｐａ以上１２．０Ｐａ以下として前記酸素含有ガスを前記処理室内の下部領域から前記処理室の上部領域まで延在するように設けられる複数本のノズルから供給する工程と、
    を有する基板処理方法。
  12. 基板保持具に積載して保持された複数枚の基板を処理する処理室と、
    前記処理室内の基板に対して金属含有ガスを供給する金属含有ガス供給系と、
    前記処理室内の基板に対して酸素含有ガスを前記処理室内の下部領域から前記処理室の上部領域まで延在するように設けられる複数本のノズルから供給する酸素含有ガス供給系と、
    前記処理室内を排気する排気系と、
    前記処理室内の圧力を調整する圧力調整部と、
    （ａ）前記処理室内の前記複数枚の基板に対して前記金属含有ガスを供給する処理と、（ｂ）前記処理室内の前記基板に対して、前記酸素含有ガスの流速を７．０ｍ／ｓ以上８．５ｍ／ｓ以下とし、前記酸素含有ガスの分圧を９．０Ｐａ以上１２．０Ｐａ以下として前記酸素含有ガスを前記複数本のノズルから供給する処理と、を行うことが可能なように、前記金属含有ガス供給系、前記酸素含有ガス供給系、前記排気系および前記圧力調整部を制御するよう構成される制御部と、
    を有する基板処理装置。
  13. （ａ）基板処理装置の処理室内の基板保持具に積載して保持された複数枚の基板に対して金属含有ガスを供給する手順と、
    （ｂ）前記処理室内の前記複数枚の基板に対して、酸素含有ガスの流速を７．０ｍ／ｓ以上８．５ｍ／ｓ以下とし、前記酸素含有ガスの分圧を９．０Ｐａ以上１２．０Ｐａ以下として前記酸素含有ガスを前記処理室内の下部領域から前記処理室の上部領域まで延在するように設けられる複数本のノズルから供給する手順と、
    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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