WO2006038659A1 - 基板処理装置および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

基板処理装置および半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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Hironobu Miya
Takaaki Noda
Norikazu Mizuno
Masanori Sakai
Taketoshi Sato
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Hitachi Kokusai Electric Inc.
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Definitions

  • the present invention relates to a substrate processing apparatus and a semiconductor device manufacturing method, and more particularly to a substrate processing apparatus and a semiconductor device that generate a desired film on a substrate such as a wafer using an ALD (Atomic Layer Deposition) method. It relates to a manufacturing method.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • the number of substrates loaded and processed at one time in a processing chamber is For example, even when 100 substrates can be processed, 50 substrates may be processed or 25 substrates may be processed. In this case, a substrate called a fill dummy was inserted into the shortage area of the product substrate so that the total number of substrates was 100!
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-45863
  • This change in the heater conditions by changing the set temperature of each zone is based on experience based on past data! Or the temperature correction is performed by automatically calculating the set temperature of each zone using the interference matrix method. To do, etc.
  • the main object of the present invention is to perform new condition determination even when the number of product substrates held by the holding member is less than the maximum number of product substrates that can be held by the holding member. It is an object of the present invention to provide a substrate processing apparatus and a semiconductor device manufacturing method capable of improving film thickness uniformity between substrates.
  • a holding member for holding at least a plurality of product substrates in the processing chamber; a heating member for heating the substrates;
  • a supply member that alternately supplies at least the first and second reactants into the processing chamber; an exhaust opening that opens into the processing chamber;
  • the controller is
  • the first reactant is supplied into the processing chamber, and the first reactant is adsorbed on the product substrate held by the holding member, and then the excess first reactant is removed. Removing from the processing chamber, and then supplying the second reactant into the processing chamber and reacting with the first reactant adsorbed on the substrate to form a thin film on the substrate And
  • a substrate processing apparatus for performing the processing is provided.
  • a method of manufacturing a semiconductor device that performs the process is provided.
  • a holding member for holding a plurality of substrates in the processing chamber
  • a supply member that alternately supplies at least the first and second reactants into the processing chamber; and an exhaust port that opens into the processing chamber;
  • a substrate processing apparatus for forming a thin film on the substrate by reacting with the first reactant adsorbed on the substrate,
  • a substrate processing apparatus having a control unit for executing processing.
  • a holding member for holding a plurality of substrates in the processing chamber
  • a heating member for heating the substrate A supply member that alternately supplies at least the first and second reactants into the processing chamber; and an exhaust port that opens into the processing chamber;
  • a substrate processing apparatus for forming a thin film on the substrate by reacting with the first reactant adsorbed on the substrate,
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view for explaining a vertical substrate processing furnace of a substrate processing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a vertical substrate processing furnace of a substrate processing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view for explaining a state of loading a wafer on a boat in a vertical substrate processing furnace of a substrate processing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view for explaining a state of loading a wafer on a boat in a vertical substrate processing furnace of a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic longitudinal sectional view for explaining a state of loading a wafer on a boat in a vertical substrate processing furnace of a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view for explaining a state of loading a wafer on a boat in a vertical substrate processing furnace of a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view for explaining a substrate processing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic longitudinal sectional view for explaining a substrate processing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention. It is.
  • the film is formed not by the CVD method but by the ALD method.
  • the ALD method supplies two types (or more) of raw material gas used for film formation one by one alternately onto the substrate under certain film formation conditions (temperature, time, etc.). This is a technique for film formation using surface reaction.
  • the chemical reaction to be used is, for example, in the case of forming a SiN (silicon nitride) film, in the ALD method, using DCS (SiH CI, dichlorosilane) and NH (ammonia) at a low temperature of 300 to 600 ° C.
  • DCS SiH CI, dichlorosilane
  • NH ammonia
  • the gas supply alternately supplies multiple types of reactive gases one by one.
  • the film thickness is controlled by the number of reactive gas supply cycles. (For example, if the deposition rate is 1AZ cycle, when forming a 20A film,
  • the excess first reactant is removed, and then the second reactant is removed.
  • the reactant is supplied and reacted with the first reactant adsorbed on the substrate to form a thin film on the substrate.
  • the number of product substrates held by the holding member can be held by the holding member. When the number of product substrates is less than the maximum number, the control unit causes the thin film to be formed in a state where the number of product substrates is insufficient.
  • the control unit places the product substrate on the gas upstream side of the holding member.
  • a process of forming a thin film on the substrate is performed by setting the exhaust port side of the holding member as the non-holding region.
  • the supply member is constituted by an elongated nozzle having a large number of gas ejection holes, the holding member stacks and holds a plurality of substrates in the longitudinal direction of the nozzle, and the exhaust port has one end in the longitudinal direction of the nozzle.
  • the control unit holds the product substrate.
  • a process of forming a thin film on the substrate is executed by packing and holding the other end of the nozzle in the longitudinal direction of the member.
  • the controller holds the product substrate at the maximum by the holding member.
  • the thin film forming process is executed under the same heating member conditions as when the number of sheets is held.
  • the product substrate may be composed of only a production substrate for actually producing a semiconductor device, or may be composed of a production substrate and side dummy substrates provided above and below the production substrate. Preferably, at least one side dummy substrate is provided above and below the production substrate.
  • the film is formed by the ALD method, and the second reactant is reacted with the first reactant adsorbed on the substrate, whereby one atomic layer is formed on the substrate. It differs from the conventional CVD method in which a gas phase reaction is performed in that each thin film is formed. For this reason, in film formation by the ALD method, even when the number of product substrates held by the holding member is less than the maximum number of product substrates that can be held by the holding member, Unlike the above, it is not necessary to change the set temperature of each heater zone in order to make the film thickness distribution between the substrates uniform.
  • the maximum number of product substrates that can be held by the holding member can be executed under the same heating member conditions as when the film is held.
  • the thickness of the film formed by the ALD method is affected by the flow of the reactant gas and affected by the concentration of the gas to which the substrate surface is exposed. Therefore, even if the number of product substrates held by the holding member is less than the maximum number of product substrates that can be held by the holding member, the concentration of the gas to which the substrate surface is exposed is given to the holding member. It is preferable that the number of product substrates held is the same as in the case of holding the maximum number of product substrates that can be held by the holding member.
  • the supply member is constituted by an elongated nozzle having a large number of gas ejection holes, the holding member stacks and holds a plurality of substrates in the longitudinal direction of the nozzle, and the exhaust port has one end in the longitudinal direction of the nozzle.
  • the product substrate is attached to the holding member. It is preferable to form a thin film on the substrate by packing and holding the other end side in the longitudinal direction of the nozzle.
  • the number of product substrates held by the holding member is less than the maximum number of product substrates that can be held by the holding member, either the upstream side of the gas or the longitudinal end of the nozzle It is possible to place the substrates evenly over the entire holding member by increasing the interval between the substrates, but in this case, the number of product substrates held by the holding member can be maintained.
  • the maximum number of product substrates that can be held by the member is maintained, the amount of reactive gas that enters between the substrates changes because the substrate interval changes. As a result, the film thickness changes, which is not preferable.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram for explaining a vertical substrate processing furnace that is useful in the present embodiment, showing a processing furnace portion in a longitudinal section
  • FIG. 2 is a vertical structure that is related to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram for explaining a mold substrate processing furnace, and shows a processing furnace part in a cross section.
  • a reaction tube 203 made of quartz is provided inside a heater 207 as a heating means as a reaction vessel for processing a wafer 200 as a substrate, and the lower end opening of the reaction tube 203 is a seal as a lid.
  • the cap 219 is airtightly closed through an O-ring 220 which is an airtight member.
  • a heat insulating member 208 is provided outside the reaction tube 203 and the heater 207. The heat insulating member 208 is provided so as to cover the upper end of the heater 207.
  • the processing furnace 202 is formed by at least the heater 207, the heat insulating member 208, the reaction tube 203, and the seal cap 219.
  • a processing chamber 201 is formed by a reaction tube 203, a seal cap 219, and a buffer chamber 237 formed in the reaction tube 203 described later.
  • a boat 217 as a substrate holding means is erected on the seal cap 219 via a quartz cap 218, and the quartz cap 218 is a holding body that holds the boat 217. Then, the boat 217 is inserted into the processing furnace 202.
  • a plurality of wafers 200 to be batch-processed are arranged in a horizontal posture in multiple stages in the tube axis direction. It is loaded vertically.
  • the heater 207 heats the wafer 200 inserted into the processing furnace 202 to a predetermined temperature.
  • the processing furnace 202 is provided with two gas supply pipes 232a and 232b as supply pipes for supplying two types of gases, here two types of gases.
  • the gas supply pipe 232a reacts with the processing chamber 201 via a mass flow controller 241a which is a flow rate control means and a valve 243a which is an on-off valve, and further through a buffer chamber 237 formed in a reaction tube 203 which will be described later.
  • Gas is supplied from a gas supply pipe 232b through a mass flow controller 241b as a flow control means, a valve 243b as an on-off valve, a gas reservoir 247, and a valve 24 3c as an on-off valve.
  • the reaction gas is supplied to the processing chamber 201 via the unit 249.
  • the gas supply pipe 232b is equipped with a pipe heater (not shown) that can be heated up to about 120 ° C in order to prevent liquid from starting material.
  • the processing chamber 201 is connected to a vacuum pump 246, which is exhaust means, through a valve 243d by a gas exhaust pipe 231 which is an exhaust pipe for exhausting gas, and is evacuated.
  • the valve 243d is an open / close valve that can open and close the valve to stop evacuation / evacuation of the processing chamber 201, and further adjust the pressure by adjusting the valve opening.
  • a buffer room 237 which is a distributed space, is provided!
  • a gas supply hole 248a which is a supply hole for supplying a gas is provided in the vicinity of the end of the inner wall adjacent to the wafer 200 in the buffer chamber 237.
  • the gas supply hole 248a opens toward the center of the reaction tube 203.
  • the gas supply holes 248a have the same opening area over a predetermined length from the lower part to the upper part along the stacking direction of the wafers 200, and are further provided at the same opening pitch.
  • the nozzle 233 is also arranged along the stacking direction of the wafer 200 from the bottom to the top of the reaction tube 203. It is established.
  • the nozzle 233 is provided with a plurality of gas supply holes 248b that are gas supply holes.
  • the plurality of gas supply holes 248b are the same as the gas supply holes 248a.
  • the wafers 200 are arranged along the stacking direction over the same predetermined length as the case.
  • a plurality of gas supply holes 248b and a plurality of gas supply holes 248a are arranged in a one-to-one correspondence.
  • the opening area of the gas supply holes 248b may be the same opening pitch from the upstream side to the downstream side and the same opening pitch when the differential pressure between the nother chamber 237 and the processing furnace 202 is small. However, if the differential pressure is large, the opening area should be increased from the upstream side to the downstream side, or the opening pitch should be reduced by / J.
  • the gas ejected from each gas supply hole 248b is ejected from the gas supply hole 248a to the processing chamber 201 after the particle velocity of each gas is relaxed in the buffer chamber 237.
  • the gas ejected from each gas supply hole 248b can be a gas having a uniform flow rate and flow velocity when ejected from each gas supply hole 248a.
  • a rod-shaped electrode 269 and a rod-shaped electrode 270 having an elongated structure are disposed in the buffer chamber 237 protected by an electrode protection tube 275 that protects the electrode from the upper part to the lower part, and this rod-shaped electrode 269
  • one of the rod-shaped electrodes 270 is connected to a high-frequency power source 273 via a matching unit 272, and the other is connected to a ground as a reference potential.
  • plasma is generated in the plasma generation region 224 between the rod-shaped electrode 269 and the rod-shaped electrode 270.
  • the electrode protection tube 275 has a structure in which each of the rod-shaped electrode 269 and the rod-shaped electrode 270 can be inserted into the buffer chamber 237 while being isolated from the atmosphere of the buffer chamber 237.
  • the inside of the electrode protection tube 275 has the same atmosphere as the outside air (atmosphere)
  • the rod-shaped electrode 269 and the rod-shaped electrode 270 inserted into the electrode protection tube 275 are oxidized by the heating of the heater 207. Therefore, the inside of the electrode protection tube 275 is filled or purged with an inert gas such as nitrogen, and an inert gas purge mechanism is provided to prevent oxidation of the rod-shaped electrode 269 or rod-shaped electrode 270 by suppressing the oxygen concentration sufficiently low. .
  • a gas supply unit 249 is provided on the inner wall of the reaction tube 203 that is rotated about 120 ° from the position of the gas supply hole 248a.
  • This gas supply unit 249 is a supply unit that shares the gas supply species with the buffer chamber 237 when a plurality of types of gases are alternately supplied one by one to the wafer 200 during film formation by the ALD method.
  • the gas supply unit 249 also has gas supply holes 248c that are gas supply holes at the same pitch at positions adjacent to the wafer, and a gas supply pipe 232b is connected to the lower part. Yes.
  • the gas supply hole 248c may have the same opening area and the same opening pitch from the upstream side to the downstream side. If it is large, it is better to increase the opening area or reduce the opening pitch by directing the force from the upstream side to the downstream side.
  • a boat 217 for mounting a plurality of wafers 200 in the vertical direction in multiple stages at the same interval.
  • This boat 217 is a boat elevator mechanism not shown in the figure.
  • the reaction tube 203 can be entered and exited.
  • a boat rotation mechanism 267 that is a rotation means for rotating the boat 217 is provided. By rotating the boat rotation mechanism 267, the boat held by the quartz cap 218 is provided. 217 starts to rotate.
  • Controller 321 as a control means includes mass flow controllers 241a and 241b, valves 2 43a, 243b, 243c and 243d, heater 207, vacuum pump 246, boat rotation mechanism 267, boat elevator 121, high-frequency power supply 273, matching unit 272, mass flow controllers 241a, 241b flow rate adjustment, nonreb 243a, 243b, 243c, 243d open / close operation, heater 207 temperature adjustment, vacuum pump 246 start-stop, boat rotation mechanism 267 Rotational speed adjustment, boat elevator 121 lifting / lowering operation control, high-frequency electrode 273 power supply control, and matching device 272 impedance control.
  • a SiN film is formed using DCS and NH gas.
  • a wafer 200 to be deposited is loaded into a boat 217 and loaded into a processing furnace 202. After loading, perform the following three steps in sequence. [0045] [Step 1]
  • Step 1 NH gas that requires plasma excitation and DC that does not require plasma excitation
  • valve 243a provided in the gas supply pipe 232a and the valve 243d provided in the gas exhaust pipe 231 are both opened, and the NH gas whose flow rate is adjusted by the mass flow controller 243a is supplied from the gas supply pipe 232a to the gas supplied to the nozzle 233. Buff from hole 248b
  • high frequency power is applied between the rod-shaped electrode 269 and the rod-shaped electrode 270 from the high-frequency power source 273 via the matching device 272, and NH is plasma-excited to be treated as an active species.
  • the gas is exhausted from the gas exhaust pipe 231 while being supplied to 01.
  • NH supply flow rate controlled by mass flow controller 241a is 1000-1
  • the exposure time is 2 to 120 seconds.
  • the temperature of the heater 207 at this time is set so that the wafer becomes 300 to 600 ° C. Since NH has a high reaction temperature, it reacts at the above wafer temperature.
  • the plasma is excited so that it can be used as an active species, so that the wafer temperature can be maintained in the set low temperature range.
  • step 2 the valve 243a of the gas supply pipe 232a is closed to stop the NH supply.
  • the apparatus is configured so that the conductance between the gas reservoir 247 and the processing chamber 201 is 1.5 ⁇ 10_3 m 3 Zs or more.
  • the volume ratio of 100 to 300 cc is preferable when the volume of the reaction tube 203 is 1001 (liters).
  • the gas reservoir 247 is preferably 1 Z1000 to 3Z1000 times the reaction chamber volume.
  • step 3 when the exhaust of the processing chamber 201 is finished, the valve 243d of the gas exhaust pipe 231 is closed to stop the exhaust. Open the valve 243c on the downstream side of the gas supply pipe 232b. As a result, the DCS stored in the gas reservoir 247 is supplied to the processing chamber 201 at once. At this time, since the valve 243d of the gas exhaust pipe 231 is closed, the pressure in the processing chamber 201 is rapidly increased to about 931 Pa (7 Torr). The time for supplying DCS was set to 2 to 4 seconds, and then the time for exposure to the increased pressure atmosphere was set to 2 to 4 seconds, for a total of 6 seconds. The wafer temperature at this time is 300 to 600 ° C, which is the same as when NH is supplied. DCS supply
  • the valve 243c is closed, the valve 243d is opened, and the processing chamber 201 is evacuated to remove the gas after contributing to the film formation of the remaining DCS.
  • an inert gas such as N
  • valve 243b is opened to start supplying DC S to gas reservoir 247.
  • Steps 1 to 3 are defined as one cycle, and this cycle is repeated a plurality of times to form a SiN film having a predetermined thickness on the wafer.
  • gas is adsorbed on the surface of the base film.
  • the amount of gas adsorption is proportional to the gas pressure and the gas exposure time. Therefore, in order to adsorb the desired amount of gas in a short time, it is necessary to increase the gas pressure in a short time.
  • the DCS stored in the gas reservoir 247 is instantaneously supplied after the valve 243d is closed, the pressure of the DCS in the processing chamber 201 can be rapidly increased. Yes, I can A certain amount of gas can be instantaneously adsorbed.
  • Step 1 first, the valve 243a provided in the gas supply pipe 232a and the valve 243d provided in the gas exhaust pipe 231 are both opened, and the NH gas whose flow rate is adjusted by the mass flow controller 243a from the gas supply pipe 232a is supplied to the nozzle 233. From gas supply hole 248b to buffer chamber 23
  • the gas is exhausted from the gas exhaust pipe 231 while being supplied. It is activated by plasma excitation of NH gas.
  • the pressure in the processing chamber 201 is set to 10 to: LOOPa.
  • the NH supply flow rate controlled by the mass flow controller 241a is 1,000 to 10,000 sccm. NH plus
  • the exposure time of Ueno and 200 to the active species obtained by excitation is 2 to 120 seconds.
  • the temperature of the heater 207 at this time is set so that the wafer becomes 300 to 600 ° C.
  • Step 2 the supply of NH is stopped by closing the valve 243a of the gas supply pipe 232a.
  • the valve 243d of the gas exhaust pipe 231 is kept open, and the gas processing chamber 201 is exhausted to 20 Pa or less by the vacuum pump 246, and residual NH is removed from the processing chamber 201. N at this time
  • step 3 In step 3, even after the exhaust of the processing chamber 201 is finished, the valve 243d of the gas exhaust pipe 231 is kept open, the valve 243b provided in the gas supply pipe 232b is opened, and the mass flow controller 243b is connected to the gas supply pipe 232b.
  • the DCS gas whose flow rate has been adjusted is exhausted from the gas exhaust pipe 231 while being supplied from the gas supply hole 248c of the gas supply unit 249 to the processing chamber 201.
  • the pressure in the processing chamber 201 is set to 10 to 100 Pa.
  • the flow rate of 0-3, controlled by the mass flow controller 241 &, is 1000-100005! 11.
  • the time for exposure of Ueno and 200 to DCS is 2 to 120 seconds.
  • the temperature of the heater 207 at this time is set so that the wafer becomes 300 to 600 ° C. At this time, the wafer temperature is 300 to the same as the NH supply.
  • a SiN film is formed on 200.
  • valve 243b is closed, valve 243d of gas exhaust pipe 231 is kept open, and processing chamber 201 is evacuated to 20 Pa or less by vacuum pump 246, which contributes to film formation of the remaining DCS. Eliminate the gas. At this time, if an inert gas such as N is supplied to the processing chamber 201,
  • Steps 1 to 3 are defined as one cycle, and this cycle is repeated a plurality of times to form a SiN film having a predetermined thickness on the wafer.
  • the number of product wafers held on the boat 217 is equal to the maximum number of product wafers 200 that the boat 217 can hold.
  • the case (see FIG. 3) and the case of less than the maximum number of held sheets will be described.
  • the product wafers 200 are packed in the upper part of the boat 217 in FIG.
  • FIG. 5 shows a case where the product wafer 200 is mounted in the center of the boat 217
  • FIG. 6 shows a case where the product wafer 200 is packed in the lower part of the boat 217.
  • the product wafer 200 includes a production substrate for actually producing a semiconductor device and at least one side dummy wafer provided above and below the production substrate.
  • the reactive gas is supplied to the side wall of the notch chamber 237 from the gas supply hole 248a or the side wall of the gas supply unit 249 provided from the lower part to the upper part along the loading direction of the wafer 200. Ueno, it is performed from the lateral direction of the wafer 200 through the gas supply hole 248 c (see FIG. 2) provided from the lower part to the upper part along the stacking direction of the 200, but the exhaust is provided in the lower part of the reaction tube 203. Because the exhaust force is also performed (see Figure 1), the wafer is loaded!
  • the concentration of the gas at the edge of the wafer increases in the downstream region, so the variation in the in-plane distribution of the wafer increases, and there is also a variation in the film thickness distribution between the wafers. It is thought to grow. Therefore, in the ALD process, it is desirable to always place the product wafer 200 on the upstream side of the gas.
  • the gas concentration received by each wafer is the case where the maximum number of wafers 200 is loaded on the boat 217.
  • the uniformity between wafers 200 when top-packed is almost the same as the uniformity between wafers 200 when the maximum number of wafers are loaded.
  • the gas supply hole 248a or the gas supply above the upper wafer placed on the wafer 200 is loaded. From the hole 248c (see Fig. 2), more gas is supplied than when the maximum number of wafers 200 is mounted on the boat 217, so the concentration difference from the lower wafer becomes q ⁇ a ⁇ u, and the uniformity between wafers Becomes worse.
  • the film formation temperature was 550 ° C
  • DCS was flowed for 2 seconds at a flow rate of 15 sccm
  • the inside of the reaction tube 203 was purged for 4 seconds, and then excited at a high frequency of 0.4 kW.
  • a cassette stage 105 is provided on the front side of the inside of the casing 101 as a holding member transfer member for transferring the cassette 100 as a substrate storage container to and from an external transfer device (not shown).
  • a cassette elevator 115 as an elevating means is provided on the rear side of 105, and a cassette transfer machine 114 as a conveying means is attached to the cassette elevator 115.
  • a cassette shelf 109 as a means for placing the cassette 100 is provided on the rear side of the cassette elevator 115, and a spare cassette shelf 110 is also provided above the cassette stage 105.
  • a clean unit 118 is provided above the spare cassette shelf 110 and is configured to circulate clean air inside the housing 101.
  • a processing furnace 202 is provided above the rear portion of the casing 101, and a boat 217 serving as a substrate holding unit that holds the wafers 200 as substrates in multiple stages in a horizontal posture is processed below the processing furnace 202.
  • a boat elevator 121 is installed as an elevating means for raising and lowering the furnace 202, and a seal cap 219 as a lid is attached to the tip of an elevating member 122 attached to the boat elevator 121 to support the boat 217 vertically. .
  • a transfer elevator 113 as an elevating means is provided, and a wafer transfer machine 112 as a transfer means is attached to the transfer elevator 113.
  • a furnace opening shirt 116 as a closing means that has an opening / closing mechanism and hermetically closes the lower side of the processing furnace 202.
  • the cassette 100 loaded with the wafer 200 is rotated by 90 ° by the set stage 105 so that the wafer 200 is loaded in an upward conveying force cassette stage 105 (not shown) and the wafer 200 is in a horizontal posture. Be made. Further, the cassette 100 is transported from the cassette stage 105 to the cassette shelf 109 or the spare cassette shelf 110 by the cooperation of the raising / lowering operation of the cassette elevator 115, the transverse operation, the advance / retreat operation of the cassette transfer machine 114, and the rotation operation.
  • the cassette shelf 109 has a transfer shelf 123 in which the cassette 100 to be transferred by the wafer transfer device 112 is stored.
  • the cassette 100 to which the wafer 200 is transferred is a cassette elevator 115, a cassette transfer. It is transferred to the transfer shelf 123 by the mounting machine 114.
  • the boat 217 When a predetermined number of wafers 200 are transferred to the boat 217, the boat 217 is inserted into the processing furnace 202 by the boat elevator 121, and the processing furnace 202 is airtightly closed by the seal cap 219. The wafer 200 is heated in the hermetically closed processing furnace 202 and the processing gas is supplied into the processing furnace 202 to process the wafer 200.
  • the wafer 200 is transferred from the boat 217 to the cassette 100 on the transfer shelf 123 by the reverse procedure of the above-described operation, and the cassette 100 is transferred by the cassette transfer machine 1 14. It is transferred from the mounting shelf 123 to the cassette stage 105, and is carried out of the casing 101 by an external transfer device (not shown).
  • the furnace logo 116 hermetically closes the lower surface of the processing furnace 202 when the boat 217 is in a lowered state, thereby preventing outside air from being caught in the processing furnace 202.
  • the present invention can be particularly suitably used for a semiconductor wafer processing apparatus and a semiconductor device manufacturing method.

Abstract

　基板処理装置は、処理室２０１と、保持部材２１７と、加熱部材２０７と、処理室内に第１と第２の反応物質を交互に供給する供給部材２３２ａ、２３２ｂとを有し、第１の反応物質を供給し基板上に第１の反応物質を吸着させた後、余剰な第１の反応物質を除去し、次いで第２の反応物質を供給し基板上に吸着した後第１の反応物質と反応させることで基板上に薄膜を形成する基板処理装置であって、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合、製品用基板の枚数が不足した状態で薄膜を形成する処理を実行させる制御部を有している。

Description

明 細 書
基板処理装置および半導体デバイスの製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、基板処理装置および半導体デバイスの製造方法に関し、特に、 ALD ( Atomic Layer Deposition)法を用いてウェハ等の基板上に所望の膜を生成す る基板処理装置および半導体デバイスの製造方法に関する。
背景技術
[0002] 熱 CVD (Chemical Vapor Deposition)法を使用して一度に多数枚の基板を 処理する基板処理装置および半導体デバイスの製造方法においては、処理室内に 一度にロードされ処理される基板の枚数は変動し、例えば、 100枚処理可能な場合 においても 50枚の基板処理が行われたり、 25枚の処理が行われる場合がある。この 場合は製品用基板の不足領域にフィルダミーと称する基板を挿入して総基板枚数が 100枚となるようにして!/、た。
[0003] しカゝしながら、このように、フィルダミー基板を挿入する方法では、フィルダミー基板 の分だけ製造コストが上昇してしまうので、熱 CVD法において、製品用ウェハに不足 が生じた場合、フィルダミーを使用せず、製品用ウェハをガス上流側に詰めて載置さ せ、更に、ヒーターゾーンの設定温度の調整を行いヒータ条件を変更させてウェハ間 において膜厚が均一になるようにしていた。ヒータゾーンの設定温度変更では、ゥェ ハが存在する領域だけを均熱ゾーンとし、その他の領域は保温ゾーンとして保温ゾ ーンにおける反応を抑え、ウェハ処理域への影響を防止していた（日本国特開 200 3—45863号公報参照）。
特許文献 1 :日本国特開 2003— 45863号
[0004] なお、製品用ウェハをガス上流側に詰めるのは、上流側に空きがあると、成膜処理 用ガスである SiH C1の成膜による消費が減少する一方で、 SiClへの自己分解が
2 2 2
進み、更に SiClの吸着係数が SiH C1よりも一桁大きい為、 SiH C1の反応が阻害
2 2 2 2 2
され、成膜速度が安定しなくなる力もである。よってこの現象を防ぐ為、製品用ウェハ をガス上流側に詰めて載置して 、る。 [0005] 上述の日本国特開 2003— 45863号公報に記載の技術ではフィルダミーを使用し ていないが、熱 CVD法を使用しているので、ヒータ条件の変更が必要となる。
この各ゾーンの設定温度変更によるヒータ条件の変更は、過去のデータにより経験 に基づ!/、て行ったり、或いは干渉行列法を用いて各ゾーンの設定温度を自動で算 出して温度補正を行うなどして 、た。
[0006] 本発明の主な目的は、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が 保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合でも、新たに条件出しを行うこと なぐ基板間の膜厚均一性を向上させることができる基板処理装置および半導体デ バイスの製造方法を提供することにある。
発明の開示
[0007] 本発明の一態様によれば、
処理室と、
前記処理室内において複数の製品用の基板を少なくとも保持する保持部材と、 前記基板を加熱する加熱部材と、
前記処理室内に少なくとも第 1と第 2の反応物質を交互に供給する供給部材と、 前記処理室に開口した排気口と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第 1の反応物質を前記処理室内に供給し、前記保持部材に保持される前記製 品用の基板上に前記第 1の反応物質を吸着させた後、余剰な前記第 1の反応物質 を前記処理室内から除去し、次いで前記第 2の反応物質を前記処理室内に供給し、 前記基板上に吸着した前記第 1の反応物質と反応させることで前記基板上に薄膜を 形成する処理を実行し、
前記保持部材に保持される前記製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能 な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板の枚数が不足し た状態で薄膜を形成する前記処理を実行させる基板処理装置が提供される。
[0008] 本発明の他の態様によれば、
処理室内の保持部材に複数の製品用の基板を保持させる第 1の工程と、 前記基板を加熱する第 2の工程と、
第 1の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用の基板上に前記第 1の反応 物質を吸着させる第 3の工程と、
前記処理室内から余剰な前記第 1の反応物質を除去する第 4の工程と、 第 2の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用の基板上に吸着した前記 第 1の反応物質と反応させ、前記基板上に薄膜を形成する第 5の工程と、
少なくとも前記第 3の工程から前記第 5の工程を、前記製品用の基板上に所望の厚 さの薄膜が形成されるまで所定回数繰り返す第 6の工程と、を備え、
前記保持部材に保持される前記製品用の基板の枚数が、前記保持部材が保持可 能な前記製品用の基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用の基板の枚数が 不足した状態で前記工程を行う半導体デバイスの製造方法が提供される。
[0009] 本発明のさらに他の態様によれば、
処理室と、
前記処理室内において複数の基板を保持する保持部材と、
前記基板を加熱する加熱部材と、
前記処理室内に少なくとも第 1と第 2の反応物質を交互に供給する供給部材と、 前記処理室に開口した排気口とを有し、
前記第 1の反応物質を供給し、前記基板上に前記第 1の反応物質を吸着させた後 、余剰な前記第 1の反応物質を除去し、次いで前記第 2の反応物質を供給し、前記 基板上に吸着した前記第 1の反応物質と反応させることで前記基板上に薄膜を形成 する基板処理装置であって、
前記保持部材に保持される製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前 記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板の枚数が不足した状 態で薄膜を形成する処理を実行させる制御部を有する基板処理装置が提供される。
[0010] 本発明のさらに他の態様によれば、
処理室と、
前記処理室内において複数の基板を保持する保持部材と、
前記基板を加熱する加熱部材と、 前記処理室内に少なくとも第 1と第 2の反応物質を交互に供給する供給部材と、 前記処理室に開口した排気口とを有し、
前記第 1の反応物質を供給し、前記基板上に前記第 1の反応物質を吸着させた後 、余剰な前記第 1の反応物質を除去し、次いで前記第 2の反応物質を供給し、前記 基板上に吸着した前記第 1の反応物質と反応させることで前記基板上に薄膜を形成 する基板処理装置であって、
前記保持部材に保持される製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前 記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板の枚数が不足した状 態で薄膜を形成する処理を実行させる制御部を有する基板処理装置を用いて、 前記保持部材に保持される製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能な前 記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板の枚数が不足した状 態で薄膜を形成する前記処理を行う半導体デバイスの製造方法が提供される。 図面の簡単な説明
[図 1]本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明する ための概略縦断面図である。
[図 2]本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明する ための概略横断面図である。
[図 3]本発明の好ま 、実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉にお!/、て ボートへのウェハの搭載状態を説明するための概略縦断面図である。
[図 4]本発明の好ま 、実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉にお!/、て ボートへのウェハの搭載状態を説明するための概略縦断面図である。
[図 5]本発明の好ま 、実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉にお!/、て ボートへのウェハの搭載状態を説明するための概略縦断面図である。
[図 6]本発明の好ま 、実施例に係る基板処理装置の縦型の基板処理炉にお!/、て ボートへのウェハの搭載状態を説明するための概略縦断面図である。
[図 7]本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置を説明するための概略斜視図で ある。
[図 8]本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置を説明するための概略縦断面図 である。
発明を実施するための好ましい形態
[0012] 本発明の好ま 、実施の形態では、 CVD法ではなくて、 ALD法により成膜を行う。
ALD法は、ある成膜条件 (温度、時間等)の下で、成膜に用いる 2種類 (またはそれ 以上)の原料となるガスを 1種類ずつ交互に基板上に供給し、 1原子層単位で吸着さ せ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
[0013] 即ち、利用する化学反応は、例えば、 SiN (窒化珪素)膜形成の場合、 ALD法では DCS (SiH CI、ジクロルシラン）と NH (アンモニア）を用いて 300〜600°Cの低温
2 2 3
で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを 1種類 ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御す る。（例えば、成膜速度が 1AZサイクルとすると、 20Aの膜を形成する場合、処理を
20サイクル行う。 )
[0014] 本発明の好ましい実施の形態では、第 1の反応物質を供給し、基板上に第 1の反 応物質を吸着させた後、余剰な第 1の反応物質を除去し、次いで第 2の反応物質を 供給し、基板上に吸着した第 1の反応物質と反応させることで基板上に薄膜を形成 するが、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品 用基板の最大保持枚数未満の場合に、制御部によって製品用基板の枚数が不足し た状態で薄膜を形成する処理を実行させる。
[0015] そして、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品 用基板の最大保持枚数未満の場合、制御部は、製品用基板を保持部材のガス上流 側に詰めて保持させ、保持部材の排気口側を未保持領域として、基板上に薄膜を形 成する処理を実行させる。
[0016] また、供給部材は、多数のガス噴出孔を備える細長 ゾズルにて構成され、保持部 材は、ノズルの長手方向に複数の基板を積層保持し、排気口がノズルの長手方向の 一端側に位置している構造であり、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保 持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合、制御部は、製品用 基板を保持部材のノズルの長手方向の他端側に詰めて保持させて、基板上に薄膜 を形成する処理を実行させる。 [0017] また、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用 基板の最大保持枚数未満の場合、制御部は、保持部材にて製品用基板の最大保 持枚数が保持されている時と同じ加熱部材の条件にて薄膜形成処理を実行させる。
[0018] なお、製品用基板は、半導体装置を実際に生産する生産用基板のみで構成される 場合や、生産用基板とその上下に設けられたサイドダミー基板とから構成される場合 があり、好ましくは、生産用基板の上下に少なくとも一枚のサイドダミー基板が設けら れる。
[0019] 本発明の好ましい実施の形態では、 ALD法により成膜を行っており、第 2の反応物 質を基板上に吸着した第 1の反応物質と反応させることで基板上に 1原子層ずつ薄 膜を形成する点において、気相反応が行われる従来の CVD法とは異なる。このため 、 ALD法による成膜では、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材 が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合であっても、従来の熱 CVD の場合とは異なり、基板間の膜厚分布を揃えるために各ヒーターゾーンの設定温度 を変える必要は生じない。
[0020] その結果、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な 製品用基板の最大保持枚数未満の場合にも、保持部材にて製品用基板の最大保 持枚数が保持されている時と同じ加熱部材の条件にて薄膜形成処理を実行すること ができる。
[0021] し力しながら、 ALD法によって成膜された膜の膜厚は、反応物ガスの流れの影響を 受け、基板表面が晒されるガスの濃度の影響を受ける。そのため、保持部材に保持 される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未 満の場合であっても、基板表面が晒されるガスの濃度を、保持部材に保持される製 品用基板の枚数が保持部材が保持可能な製品用基板の最大枚数保持の場合と同 様にすることが好ましい。
[0022] そのために、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な 製品用基板の最大保持枚数未満の場合、製品用基板を保持部材のガス上流側に 詰めて保持させ、保持部材の排気口側を未保持領域として、基板上に薄膜を形成す ることが好ましい。 [0023] また、供給部材が、多数のガス噴出孔を備える細長 ゾズルにて構成され、保持部 材は、ノズルの長手方向に複数の基板を積層保持し、排気口がノズルの長手方向の 一端側に位置している構造であり、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保 持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合には、製品用基板を 保持部材のノズルの長手方向の他端側に詰めて保持させて、基板上に薄膜を形成 することが好ましい。
[0024] なお、保持部材に保持される製品用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品 用基板の最大保持枚数未満の場合に、ガス上流側やノズルの長手方向の何れかの 端側に詰めるのではなぐ基板間隔を長くして保持部材全体に渡って均等的に基板 を載置する方法も考えられるが、そのようにすると、保持部材に保持される製品用基 板の枚数が保持部材が保持可能な製品用基板の最大枚数保持の場合と、基板間 隔が変わってしまって基板間に入り込む反応性ガス量が変化してしまう。その結果、 膜厚が変ってしまうので、好ましくない。
[0025] 次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照してより詳細に説明する。
[0026] 図 1は、本実施例に力かる縦型の基板処理炉を説明するための概略構成図であり 、処理炉部分を縦断面で示し、図 2は本実施例にカゝかる縦型の基板処理炉を説明す るための概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。
[0027] 加熱手段であるヒータ 207の内側に、基板であるウェハ 200を処理する反応容器と して石英製の反応管 203が設けられ、この反応管 203の下端開口は蓋体であるシー ルキャップ 219により気密部材である Oリング 220を介して気密に閉塞されて 、る。反 応管 203およびヒータ 207の外側には断熱部材 208が設けられている。断熱部材 20 8はヒータ 207の上方端を覆うように設けられている。少なくとも、ヒータ 207、断熱部 材 208、反応管 203、及びシールキャップ 219により処理炉 202を形成している。ま た、反応管 203、シールキャップ 219および後述する反応管 203内に形成されたバッ ファ室 237により処理室 201を形成している。シールキャップ 219には石英キャップ 2 18を介して基板保持手段であるボート 217が立設され、石英キャップ 218はボート 2 17を保持する保持体となっている。そして、ボート 217は処理炉 202に挿入される。 ボート 217にはバッチ処理される複数のウェハ 200が水平姿勢で管軸方向に多段に 垂直方向に積載される。ヒータ 207は処理炉 202に挿入されたウェハ 200を所定の 温度に加熱する。
[0028] そして、処理炉 202へは複数種類、ここでは 2種類のガスを供給する供給管として の 2本のガス供給管 232a、 232b力設けられる。ここではガス供給管 232aからは流 量制御手段であるマスフローコントローラ 241a及び開閉弁であるバルブ 243aを介し 、更に後述する反応管 203内に形成されたバッファ室 237を介して処理室 201に反 応ガスが供給され、ガス供給管 232bからは流量制御手段であるマスフローコント口 ーラ 241b、開閉弁であるバルブ 243b、ガス溜め 247、及び開閉弁であるバルブ 24 3cを介し、更に後述するガス供給部 249を介して処理室 201に反応ガスが供給され る。
[0029] ガス供給管 232bには、原料の液ィ匕を防ぐために、 120°C程度まで加熱できる配管 ヒータ（図示せず。）を装着している。
[0030] 処理室 201は、ガスを排気する排気管であるガス排気管 231によりバルブ 243dを 介して排気手段である真空ポンプ 246に接続され、真空排気されるようになっている 。尚、このバルブ 243dは弁を開閉して処理室 201の真空排気 ·真空排気停止ができ 、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。
[0031] 処理室 201を構成している反応管 203の内壁とウェハ 200との間における円弧状 の空間には、反応管 203の下部より上部の内壁にウェハ 200の積載方向に沿って、 ガス分散空間であるバッファ室 237が設けられて!/、る。バッファ室 237のウェハ 200と 隣接する内側の壁の端部近傍にはガスを供給する供給孔であるガス供給孔 248aが 設けられている。このガス供給孔 248aは反応管 203の中心へ向けて開口している。 このガス供給孔 248aは、ウェハ 200の積載方向に沿って下部から上部に所定の長 さにわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている
[0032] そしてバッファ室 237のガス供給孔 248aが設けられた端部と反対側の端部近傍に は、ノズル 233が、やはり反応管 203の下部より上部にわたりウェハ 200の積載方向 に沿って配設されて 、る。そしてノズル 233にはガスを供給する供給孔であるガス供 給孔 248bが複数設けられている。複数のガス供給孔 248bは、ガス供給孔 248aの 場合と同じ所定の長さにわたってウェハ 200の積載方向に沿って配設されている。そ して、複数のガス供給孔 248bと複数のガス供給孔 248aとをそれぞれ 1対 1で対応さ せて配置している。
[0033] また、ガス供給孔 248bの開口面積は、ノ ッファ室 237と処理炉 202の差圧が小さ い場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良 いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか 、開口ピッチを/ J、さくすると良い。
[0034] ガス供給孔 248bの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節すること で、まず、各ガス供給孔 248bよりガスの流速の差はある力 流量はほぼ同量である ガスを噴出させる。そしてこの各ガス供給孔 248bから噴出するガスをバッファ室 237 に噴出させてー且導入し、ガスの流速差の均一化を行うことができる。
[0035] すなわち、バッファ室 237において、各ガス供給孔 248bより噴出したガスはバッフ ァ室 237で各ガスの粒子速度が緩和された後、ガス供給孔 248aより処理室 201に噴 出する。この間に、各ガス供給孔 248bより噴出したガスは、各ガス供給孔 248aより 噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができる。
[0036] さらに、バッファ室 237に、細長い構造を有する棒状電極 269及び棒状電極 270が 上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管 275に保護されて 配設され、この棒状電極 269又は棒状電極 270の!、ずれか一方は整合器 272を介 して高周波電源 273に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。こ の結果、棒状電極 269及び棒状電極 270間のプラズマ生成領域 224にプラズマが 生成される。
[0037] この電極保護管 275は、棒状電極 269及び棒状電極 270のそれぞれをバッファ室 237の雰囲気と隔離した状態でバッファ室 237に挿入できる構造となっている。ここ で、電極保護管 275の内部は外気 (大気)と同一雰囲気であると、電極保護管 275に それぞれ挿入された棒状電極 269及び棒状電極 270はヒータ 207の加熱で酸化さ れてしまう。そこで、電極保護管 275の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいは パージし、酸素濃度を充分低く抑えて棒状電極 269又は棒状電極 270の酸化を防 止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。 [0038] さらに、ガス供給孔 248aの位置より、反応管 203の内周を 120° 程度回った内壁 に、ガス供給部 249が設けられている。このガス供給部 249は、 ALD法による成膜に おいてウェハ 200へ、複数種類のガスを 1種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室 237とガス供給種を分担する供給部である。
[0039] このガス供給部 249もバッファ室 237と同様にウェハと隣接する位置に同一ピッチ でガスを供給する供給孔であるガス供給孔 248cを有し、下部ではガス供給管 232b が接続されている。
[0040] ガス供給孔 248cの開口面積はバッファ室 237と処理室 201の差圧が小さい場合 には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、 差圧が大きい場合には上流側から下流側に向力つて開口面積を大きくするか開口ピ ツチを小さくすると良い。
[0041] 反応管 203内の中央部には複数枚のウェハ 200を多段に同一間隔で鉛直方向に 載置するボート 217が設けられており、このボート 217は図中省略のボートエレべ一 タ機構により反応管 203に出入りできるようになつている。また処理の均一性を向上 するためにボート 217を回転するための回転手段であるボート回転機構 267が設け てあり、ボート回転機構 267を回転することにより、石英キャップ 218に保持されたボ ート 217を回転するようになって 、る。
[0042] 制御手段であるコントローラ 321は、マスフローコントローラ 241a、 241b,バルブ 2 43a、 243b, 243c, 243d,ヒータ 207、真空ポンプ 246、ボート回転機構 267、ボー トエレベータ 121、高周波電源 273、整合器 272に接続されており、マスフローコント ローラ 241a、 241bの流量調整、ノ ノレブ 243a、 243b, 243c, 243dの開閉動作、ヒ ータ 207の温度調節、真空ポンプ 246の起動 '停止、ボート回転機構 267の回転速 度調節、ボートエレベータ 121の昇降動作制御、高周波電極 273の電力供給制御、 整合器 272によるインピーダンス制御が行われる。
[0043] 次に ALD法による成膜例にっ 、て、 DCS及び NHガスを用いて SiN膜を成膜す
3
る例で説明する。
[0044] まず成膜しょうとするウェハ 200をボート 217に装填し、処理炉 202に搬入する。搬 入後、次の 3つのステップを順次実行する。 [0045] [ステップ 1]
ステップ 1では、プラズマ励起の必要な NHガスと、プラズマ励起の必要のない DC
3
Sガスとを併行して流す。まずガス供給管 232aに設けたバルブ 243a、及びガス排気 管 231に設けたバルブ 243dを共に開けて、ガス供給管 232aからマスフローコント口 ーラ 243aにより流量調整された NHガスをノズル 233のガス供給孔 248bからバッフ
3
ァ室 237へ噴出し、棒状電極 269及び棒状電極 270間に高周波電源 273から整合 器 272を介して高周波電力を印加して NHをプラズマ励起し、活性種として処理室 2
3
01に供給しつつガス排気管 231から排気する。 NHガスをプラズマ励起することによ
3
り活性種として流すときは、バルブ 243dを適正に調整して処理室 201内圧力を 10〜 lOOPaとする。マスフローコントローラ 241aで制御する NHの供給流量は 1000〜1
3
OOOOsccmである。 NHをプラズマ励起することにより得られた活性種にウェハ 200
3
を晒す時間は 2〜120秒間である。このときのヒータ 207の温度はウェハが 300〜60 0°Cになるよう設定してある。 NHは反応温度が高いため、上記ウェハ温度では反応
3
しないので、プラズマ励起することにより活性種として力 流すようにしており、このた めウェハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。
[0046] この NHをプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、ガス供給管 2
3
32bの上流側のバルブ 243bを開け、下流側のバルブ 243cを閉めて、 DCSも流すよ うにする。これによりノ レブ 243b、 243c間に設けたガス溜め 247に DCSを溜める。 このとき、処理室 201内に流しているガスは NHをプラズマ励起することにより得られ
3
た活性種であり、 DCSは存在しない。したがって、 NHは気相反応を起こすことはな
3
ぐプラズマにより励起され活性種となった NHはウェハ 200上の下地膜と表面反応
3
する。
[0047] [ステップ 2]
ステップ 2では、ガス供給管 232aのバルブ 243aを閉めて、 NHの供給を止めるが
3
、引続きガス溜め 247へ供給を継続する。ガス溜め 247に所定圧、所定量の DCSが 溜まったら上流側のバルブ 243bも閉めて、ガス溜め 247に DCSを閉じ込めておく。 また、ガス排気管 231のバルブ 243dは開いたままにし真空ポンプ 246により、処理 室 201を 20Pa以下に排気し、残留 NHを処理室 201から排除する。また、この時に は N等の不活性ガスを処理室 201に供給すると、更に残留 NHを排除する効果が
2 3
高まる。ガス溜め 247内には、圧力が 20000Pa以上になるように DCSを溜める。また 、ガス溜め 247と処理室 201との間のコンダクタンスが 1. 5 X 10_3m3Zs以上になる ように装置を構成する。また、反応管 203の容積とこれに対する必要なガス溜め 247 の容積との比として考えると、反応管 203の容積 1001 (リットル)の場合においては、 100〜300ccであることが好ましぐ容積比としてはガス溜め 247は反応室容積の 1 Z1000〜3Z1000倍とすることが好ましい。
[0048] [ステップ 3]
ステップ 3では、処理室 201の排気が終わったらガス排気管 231のバルブ 243dを 閉じて排気を止める。ガス供給管 232bの下流側のバルブ 243cを開く。これによりガ ス溜め 247に溜められた DCSが処理室 201に一気に供給される。このときガス排気 管 231のバルブ 243dが閉じられて 、るので、処理室 201内の圧力は急激に上昇し て約 931Pa (7Torr)まで昇圧される。 DCSを供給するための時間は 2〜4秒設定し 、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を 2〜4秒に設定し、合計 6秒とした。こ のときのウェハ温度は NHの供給時と同じぐ 300〜600°Cである。 DCSの供給によ
3
り、下地膜上の NHと DCSとが表面反応して、ウェハ 200上に SiN膜が成膜される。
3
成膜後、バルブ 243cを閉じ、バルブ 243dを開けて処理室 201を真空排気し、残留 する DCSの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時には N等の不活性ガ
2
スを処理室 201に供給すると、更に残留する DCSの成膜に寄与した後のガスを処理 室 201から排除する効果が高まる。またバルブ 243bを開いてガス溜め 247への DC Sの供給を開始する。
[0049] 上記ステップ 1〜3を 1サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウェハ 上に所定膜厚の SiN膜を成膜する。
[0050] なお、 ALD装置では、ガスは下地膜表面に吸着する。このガスの吸着量は、ガスの 圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で 吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実 施例では、バルブ 243dを閉めたうえで、ガス溜め 247内に溜めた DCSを瞬間的に 供給しているので、処理室 201内の DCSの圧力を急激に上げることができ、希望す る一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。
[0051] また、本実施例では、ガス溜め 247に DCSを溜めている間に、 ALD法で必要なス テツプである NHガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理室 2
3
01の排気をしているので、 DCSを溜めるための特別なステップを必要としない。また 、処理室 201内を排気して NHガスを除去している力も DCSを流すので、両者はゥ
3
ェハ 200に向力う途中で反応しない。供給された DCSは、ウェハ 200に吸着してい る NHとのみ有効に反応させることができる。
3
[0052] 以上は、 DCSをガス溜め 247に溜める場合について説明した力 ガス溜め 247を 用いない場合には、次の 3つのステップを順次実行する。なお、ガス溜め 247を用い な 、場合には、ガス供給管 232bの下流側のバルブ 243cも用いな 、。
[0053] [ステップ 1]
ステップ 1では、まずガス供給管 232aに設けたバルブ 243a、及びガス排気管 231 に設けたバルブ 243dを共に開けて、ガス供給管 232aからマスフローコントローラ 24 3aにより流量調整された NHガスをノズル 233のガス供給孔 248bからバッファ室 23
3
7へ噴出し、棒状電極 269及び棒状電極 270間に高周波電源 273から整合器 272 を介して高周波電力を印加して NHをプラズマ励起し、活性種として処理室 201に
3
供給しつつガス排気管 231から排気する。 NHガスをプラズマ励起することにより活
3
性種として流すときは、処理室 201内圧力を 10〜： LOOPaとする。マスフローコント口 ーラ 241aで制御する NHの供給流量は 1000〜10000sccmである。 NHをプラズ
3 3 マ励起することにより得られた活性種にウエノ、 200を晒す時間は 2〜120秒間である 。このときのヒータ 207の温度はウェハが 300〜600°Cになるよう設定してある。
[0054] [ステップ 2]
ステップ 2では、ガス供給管 232aのバルブ 243aを閉めて、 NHの供給を止める。
3
ガス排気管 231のバルブ 243dは開いたままにし、真空ポンプ 246により、ガス処理 室 201を 20Pa以下に排気し、残留 NHを処理室 201から排除する。この時には N
3 2 等の不活性ガスを処理室 201に供給すると、更に残留 NHを排除する効果が高まる
3
[0055] [ステップ 3] ステップ 3では、処理室 201の排気が終わっても、ガス排気管 231のバルブ 243d は開けたままとし、ガス供給管 232bに設けたバルブ 243bを開けて、ガス供給管 232 bからマスフローコントローラ 243bにより流量調整された DCSガスをガス供給部 249 のガス供給孔 248cから処理室 201に供給しつつガス排気管 231から排気する。 DC Sガスを流すときは、処理室 201内圧力を 10〜100Paとする。マスフローコントローラ 241&で制御する0じ3の供給流量は1000〜100005 !11でぁる。 DCSにウエノ、 20 0を晒す時間は 2〜120秒間である。このときのヒータ 207の温度はウェハが 300〜6 00°Cになるよう設定してある。このときのウェハ温度は NHの供給時と同じぐ 300〜
3
600°Cである。 DCSの供給〖こより、下地膜上の NHと DCSとが表面反応して、ゥェ
3
ノ、 200上に SiN膜が成膜される。
[0056] 成膜後、バルブ 243bを閉じ、ガス排気管 231のバルブ 243dは開いたままにし、真 空ポンプ 246により処理室 201を 20Pa以下に排気し、残留する DCSの成膜に寄与 した後のガスを排除する。この時には N等の不活性ガスを処理室 201に供給すると
2
、更に残留する DCSの成膜に寄与した後のガスを処理室 201から排除する効果が t¾まる。
[0057] 上記ステップ 1〜3を 1サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウェハ 上に所定膜厚の SiN膜を成膜する。
[0058] 次に、以上説明した基板処理装置を用いて成膜を行う場合に、ボート 217に保持さ れる製品用ウェハの枚数が、ボート 217が保持可能な製品用ウェハ 200の最大保持 枚数の場合 (図 3参照)と、最大保持枚数未満の場合とについて説明する。ボート 21 7に保持される製品用ウェハ 200の枚数がボート 217が保持可能な製品用ウェハ 20 0の最大保持枚数未満の場合については、図 4に製品用ウェハ 200をボート 217の 上部に詰めた場合を示し、図 5に製品用ウェハ 200をボート 217の中央部に搭載し た場合を示し、図 6に製品用ウェハ 200をボート 217の下部に詰めた場合を示してい る。なお、製品用ウェハ 200は、半導体装置を実際に生産する生産用基板とその上 下に設けられた少なくとも一枚のサイドダミーウェハとから構成されている。
[0059] 反応性ガスの供給は、ノ ッファ室 237の側壁にウェハ 200の積載方向に沿って下 部から上部にわたって設けられたガス供給孔 248aまたはガス供給部 249の側壁に ウエノ、 200の積載方向に沿って下部から上部にわたって設けられたガス供給孔 248 c (図 2参照）を介して、ウェハ 200の横方向から行われるが、排気は反応管 203の下 部に設けられた排気口力も行われるため（図 1参照）、ウェハが装填されて 、な！/、領 域が存在するとその下流領域においてはウェハ端部での実質的なガスの濃度が高く なるためウェハの面内分布のばらつきが大きくなり、又、ウェハ間の膜厚分布のばら つきも大きくなるものと考えられる。従って、 ALDプロセスにおいては、製品用ウェハ 200を常にガスの上流側に置くことが望ましい。
[0060] 図 4〜図 6を参照すると、図 4のように、ウェハ 200をボート 217に上詰めする場合に は、各ウェハが受けるガス濃度は、ウェハ 200をボート 217に最大枚数搭載した場合 のガス濃度と同じであるため、上詰めした場合のウェハ 200間の均一性は、最大枚 数搭載した場合のウェハ 200間の均一性と殆ど変わらないが、図 5、 6に示すように、 ウェハ 200をボート 217の中央部に搭載する場合や、ボート 217に下詰めする場合 には、載置されている上部側ウェハに対しては、それより上側にあるガス供給孔 248 aやガス供給孔 248c (図 2参照）から、ウェハ 200をボート 217に最大枚数搭載した 場合の以上のガスの供給を受けるので、下部側ウェハとの濃度差が qΩa Ιu顕著となり、ゥェ ハ間の均一性が悪くなる。
[0061] ウェハの最大搭載枚数が 50枚の場合で、ボート 217にウェハ 200を 50枚搭載した 場合、 25枚のウェハ 200をボート 217に上詰めした場合、 25枚のウェハ 200をボー ト 217に下詰めした場合の、ウェハ面内およびウェハ間の膜厚均一性を表 1に示す。
[0062] [表 1] 表 1
Full Charge 上詰め
膜厚分布 50枚 25枚
ウェハ面内 Top
1.2 1.6 2.6
(%)
ウェハ面内 Bot
1.0 1.3 1.9
(%)
ウェハ間（o/o) 1.7 0.4 1.8 [0063] 成膜条件としては、成膜温度が 550°Cであり、 DCSを流量が 15sccmで 2秒間流し 、その後反応管 203内を 4秒間パージし、その後、 0. 4kWの高周波で励起した NH
3 を流量が 4slmで 3秒間流し、その後反応管 203内を 4秒間パージするサイクルを 10 0サイクル繰り返して行った。ボート 217にウェハ 200を 50枚搭載した場合も 25枚搭 載した場合も、同じ加熱条件とし、 25枚搭載した場合も、温度傾斜は設けなかった。 また、 DCS用のガス溜め 247は用いず、ガス供給管 232bの下流側のバルブ 243cも 用いな!/ヽ装置構成で成膜を行った。
[0064] 表 1より、 25枚のウェハ 200をボート 217に上詰めした場合は、ボート 217にウエノ、 200を 50枚搭載した場合とほぼ同等の結果が得られた力 25枚のウェハ 200をボ ート 217に下詰めした場合は、膜厚均一性に劣っていたことがわかる。なお、ウェハ 面内 Topとは搭載したウェハのうち最上部に搭載したウェハの面内を示し、ウェハ面 内 Botとは搭載したウェハのうち最下部に搭載したウェハの面内を示している。
[0065] 次に、図 7、図 8を参照して本実施例の基板処理装置の概略を説明する。
[0066] 筐体 101内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器とし てのカセット 100の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ 105が設けら れ、カセットステージ 105の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ 115が設け られ、カセットエレベータ 115には搬送手段としてのカセット移載機 114が取りつけら れている。又、カセットエレベータ 115の後側には、カセット 100の載置手段としての カセット棚 109が設けられると共にカセットステージ 105の上方にも予備カセット棚 11 0が設けられて 、る。予備カセット棚 110の上方にはクリーンユニット 118が設けられ クリーンエアを筐体 101の内部を流通させるように構成されて 、る。
[0067] 筐体 101の後部上方には、処理炉 202が設けられ、処理炉 202の下方には基板と してのウェハ 200を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート 217を 処理炉 202に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ 121が設けられ、ボート エレベータ 121に取りつけられた昇降部材 122の先端部には蓋体としてのシールキ ヤップ 219が取りつけられボート 217を垂直に支持している。ボートエレベータ 121と カセット棚 109との間には昇降手段としての移載エレベータ 113が設けられ、移載ェ レベータ 113には搬送手段としてのウェハ移載機 112が取りつけられている。又、ボ ートエレベータ 121の横には、開閉機構を持ち処理炉 202の下側を気密に閉塞する 閉塞手段としての炉口シャツタ 116が設けられて 、る。
[0068] ウェハ 200が装填されたカセット 100は、図示しない外部搬送装置力 カセットステ ージ 105にウェハ 200が上向き姿勢で搬入され、ウェハ 200が水平姿勢となるよう力 セットステージ 105で 90° 回転させられる。更に、カセット 100は、カセットエレベータ 115の昇降動作、横行動作及びカセット移載機 114の進退動作、回転動作の協働 によりカセットステージ 105からカセット棚 109又は予備カセット棚 110に搬送される。
[0069] カセット棚 109にはウェハ移載機 112の搬送対象となるカセット 100が収納される 移載棚 123があり、ウェハ 200が移載に供されるカセット 100はカセットエレベータ 11 5、カセット移載機 114により移載棚 123に移載される。
[0070] カセット 100が移載棚 123に移載されると、ウェハ移載機 112の進退動作、回転動 作及び移載エレベータ 113の昇降動作の協働により移載棚 123から降下状態のボ 一卜 217【こウエノヽ 200を移載する。
[0071] ボート 217に所定枚数のウェハ 200が移載されるとボートエレベータ 121によりボー ト 217が処理炉 202に挿入され、シールキャップ 219により処理炉 202が気密に閉塞 される。気密に閉塞された処理炉 202内ではウェハ 200が加熱されると共に処理ガ スが処理炉 202内に供給され、ウェハ 200に処理がなされる。
[0072] ウェハ 200への処理が完了すると、ウェハ 200は上記した作動の逆の手順により、 ボート 217から移載棚 123のカセット 100に移載され、カセット 100はカセット移載機 1 14により移載棚 123からカセットステージ 105に移載され、図示しない外部搬送装置 により筐体 101の外部に搬出される。炉ロシャツタ 116は、ボート 217が降下状態の 際に処理炉 202の下面を気密に閉塞し、外気が処理炉 202内に巻き込まれるのを 防止している。
なお、カセット移載機 114等の搬送動作は、搬送制御手段 124により制御される。
[0073] 明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を含む年月日提出の日本国特許出 願 2004 - 294908号の開示内容全体は、そのまま引用してここに組み込まれる。
[0074] 種々の典型的な実施の形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施の 形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定 されるちのである。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明の好ま ヽ形態によれば、保持部材に保持される製品 用基板の枚数が、保持部材が保持可能な製品用基板の最大保持枚数未満の場合 でも、新たに条件出しを行うことなぐ基板間の膜厚均一性を向上させることができる その結果、本発明は、半導体ウェハ処理装置および半導体デバイスの製造方法に 特に好適に利用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 処理室と、
前記処理室内において複数の製品用の基板を少なくとも保持する保持部材と、 前記基板を加熱する加熱部材と、
前記処理室内に少なくとも第 1と第 2の反応物質を交互に供給する供給部材と、 前記処理室に開口した排気口と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第 1の反応物質を前記処理室内に供給し、前記保持部材に保持される前記製 品用の基板上に前記第 1の反応物質を吸着させた後、余剰な前記第 1の反応物質 を前記処理室内から除去し、次いで前記第 2の反応物質を前記処理室内に供給し、 前記基板上に吸着した前記第 1の反応物質と反応させることで前記基板上に薄膜を 形成する処理を実行し、
前記保持部材に保持される前記製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能 な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用基板の枚数が不足し た状態で薄膜を形成する前記処理を実行させる基板処理装置。
[2] 前記保持部材に保持される前記製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能 な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、
前記制御部は、前記製品用基板を前記保持部材のガス上流側に詰めて保持させ 、前記保持部材の前記排気口側を未保持領域として、前記基板上に薄膜を形成す る処理を実行させる請求項 1記載の基板処理装置。
[3] 前記供給部材は、多数のガス噴出孔を備える細長 ゾズルにて構成され、前記保 持部材は、前記ノズルの長手方向に複数の前記基板を積層保持し、前記排気口が 前記ノズルの長手方向の一端側に位置している構造であって、
前記保持部材に保持される前記製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能 な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、
前記制御部は、前記製品用基板を前記保持部材の前記ノズルの長手方向の他端 側に詰めて保持させて、前記基板上に薄膜を形成する処理を実行させる請求項 1記 載の基板処理装置。
[4] 前記保持部材に保持される前記製品用基板の枚数が、前記保持部材が保持可能 な前記製品用基板の最大保持枚数未満の場合、
前記制御部は、前記保持部材にて前記製品用基板の最大保持枚数が保持されて いる時と同じ前記加熱部材の条件にて薄膜形成処理を実行させる請求項 1乃至 3の V、ずれかに記載の基板処理装置。
[5] 処理室内の保持部材に複数の製品用の基板を保持させる第 1の工程と、
前記基板を加熱する第 2の工程と、
第 1の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用の基板上に前記第 1の反応 物質を吸着させる第 3の工程と、
前記処理室内から余剰な前記第 1の反応物質を除去する第 4の工程と、 第 2の反応物質を前記処理室内に供給し、前記製品用の基板上に吸着した前記 第 1の反応物質と反応させ、前記基板上に薄膜を形成する第 5の工程と、
少なくとも前記第 3の工程から前記第 5の工程を、前記製品用の基板上に所望の厚 さの薄膜が形成されるまで所定回数繰り返す第 6の工程と、を備え、
前記保持部材に保持される前記製品用の基板の枚数が、前記保持部材が保持可 能な前記製品用の基板の最大保持枚数未満の場合、前記製品用の基板の枚数が 不足した状態で前記工程を行う半導体デバイスの製造方法。
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