WO2021090724A1 - 基板を処理する装置、原料カートリッジ、基板を処理する方法、及び原料カートリッジを製造する方法 - Google Patents

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原田　宗生
庸之 岡部
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東京エレクトロン株式会社
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Abstract

半導体装置を製造するための基板の処理を行う装置は、基板が収容されたチャンバに処理ガスを供給するように構成された処理ガス供給部を有し、前記処理ガス供給部は、前記処理ガスの原料のガス分子を吸着させた金属有機構造体を含む多孔質部材を収容した原料タンクを備える原料カートリッジと、原料カートリッジを装着したときに、前記原料タンクと前記処理ガス供給流路とを連通させるように構成された本体部と、前記金属有機構造体に吸着された前記原料のガス分子を脱離させ、処理ガスとして処理ガス供給流路へ流出させる操作を実施するように構成された脱離機構と、を有する。

Description

基板を処理する装置、原料カートリッジ、基板を処理する方法、及び原料カートリッジを製造する方法
　本開示は、基板を処理する装置、原料カートリッジ、基板を処理する方法、及び原料カートリッジを製造する方法に関する。
　次世代半導体プロセスにおいては、基板に金属や金属化合物等の薄膜を成膜するニーズが高まりつつある。これらの薄膜は例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)法やＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法にて成膜される。これらＡＬＤ法やＣＶＤ法は、処理チャンバ内に置かれた基板に対して処理ガスである原料ガスを供給して、基板上に薄膜を形成する手法である。原料ガスを処理チャンバに供給する手法の一例として、特許文献１には、原料ガスを一旦貯留部にて貯留し、これにより昇圧された貯留部から処理チャンバ内に吐出することが提案されている。
　特許文献２には、アルミニウムイオンと芳香族カルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を複数集積して形成された、水素吸蔵能を有する多孔性金属錯体が記載されている。また、特許文献３には、３価の金属イオンと芳香族トリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を複数集積して形成された、水素、メタン、二酸化炭素などの吸蔵能を有する多孔性金属錯体が記載されている。さらに、特許文献４には、ガス貯蔵・供給システムにおいて、水素、アンモニア、メタン等のガスの吸蔵及び放出を可逆的に行うことが可能なガス貯蔵材料を封入したガス貯蔵タンクを備える構成が記載されている。
特開２０１４－１９８８７２号公報 特許第５３０５２７９号公報 特許第５６５６１８６号公報 特開２０１５－２１５１２５号公報
　本開示は、半導体装置を製造するための基板に対して、当該基板を処理するための処理ガスを供給するにあたり、高濃度の処理ガスを供給できる技術を提供する。
　本開示の一態様による半導体装置を製造するための基板を処理する装置は、
　前記基板が収容されたチャンバと、
　処理ガス供給流路を介して前記チャンバに接続され、前記基板を処理するための処理ガスを供給するように構成された処理ガス供給部と、を有し、
　前記処理ガス供給部は、
　前記処理ガスの原料のガス分子を吸着させた金属有機構造体を含む多孔質部材を収容した原料タンクを備える原料カートリッジと、
　前記原料カートリッジが装着及び取り外し可能に構成され、前記原料カートリッジを装着したときに、前記原料タンクと前記処理ガス供給流路とを連通させるように構成された本体部と、
　前記原料カートリッジが前記本体部に装着された状態にて、前記多孔質部材に吸着された前記処理ガスの原料のガス分子を脱離させ、前記処理ガスとして処理ガス供給流路へ流出させる操作を実施するように構成された脱離機構と、を有する。
　本開示によれば、半導体装置を製造するための基板に対して、当該基板の処理を行うための処理ガスを供給するにあたり、高濃度の処理ガスを供給することができる。
本開示の一実施形態に係る成膜装置を示す構成図である。 原料カートリッジの装着、製造に係る説明図である。 前記成膜装置の原料タンクに収容される多孔質部材の一例を示す模式図である。 前記成膜装置の第１の作用図である。 前記成膜装置の第２の作用図である。 前記成膜装置の第３の作用図である。 前記成膜装置の具体例を示す構成図である。 前記成膜装置の他の具体例を示す構成図である。 前記成膜装置のさらに他の具体例を示す構成図である。 前記多孔質部材の評価試験の結果を示す特性図である。
　本開示の基板を処理する装置である成膜装置の第１の実施形態について、図１～図６を参照しながら説明する。基板とは、半導体装置を製造するための基板であり、この例では、基板である半導体ウエハ（以下、「ウエハ」という）に膜を形成する処理を行う成膜装置１について説明する。成膜装置１は、膜が形成されるウエハが収容されたチャンバ１０と、このチャンバ１０に対し、膜の原料である原料ガスを供給するためのガス供給系１１と、を備えている。このように、ウエハの成膜処理では、処理ガスは原料ガスであり、処理ガスの原料はウエハに形成される膜の原料である。
　図１に示すようにガス供給系１１は原料ガスの供給を行うための原料ガス供給部２を有し、この原料ガス供給部２は、原料ガス流路６を介してチャンバ１０に接続されている。チャンバ１０は、膜が形成されるウエハＷが収容されるものであり、例えばウエハＷが載置される載置台を備えると共に、排気路を介して排気機構に接続されている。なお、図１では、載置台、排気路や排気機構の図示を省略している。本実施の形態において、原料ガス供給部２は処理ガス供給部に相当し、原料ガス流路６は処理ガス供給路に相当している。
　原料ガス流路６は、原料ガス供給部２から流出した原料ガスをチャンバ１０に供給するための流路である。原料ガス流路６は、チャンバ１０への原料ガスの供給、停止を行うように構成された原料ガス給断バルブ６１と、原料ガスの流量調節を実施するように構成された流量調節部６２を備えている。
　上述の構成を備えるガス供給系１１において、原料ガス供給部２は、後述する多孔質部材２１１を収容した原料カートリッジ２１と、本体部２２とを備える。　
　図２（ａ）に示すように、本体部２２は内部に原料カートリッジ２１を収容可能な容器部２２１と、原料ガス流路６の上流端部に接続され、容器部２２１の上面側の開口を閉じる蓋部２２２とを備える。
　原料カートリッジ２１は、多孔質部材２１１を収容した容器である原料タンク２１０を備える。原料タンク２１０は例えば金属容器により構成され、その内部には多孔質部材２１１が収容されている。多孔質部材２１１は、チャンバ１０内で形成される膜の原料のガス分子（原料ガスの分子）を吸着させた金属有機構造体（Metal-Organic Framework、ＭＯＦ）を含むものである。
　前記膜の原料としては、金属化合物等を用いることができる。以下、ハロゲン化金属である塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）を用いる場合を例に挙げて説明する。ＡｌＣｌ３は常温常圧で固体であるため、従来は、容器内に収容したＡｌＣｌ３を、熱分解しない温度例えば１２５℃まで加熱して気化させていた。そして外部から容器にキャリアガスを供給し、原料ガスとキャリアガスとの混合ガスをチャンバ１０へ向けて供給する手法が用いられていた。しかしながら上記の手法は、キャリアガスによって原料ガスが希釈されてしまうため、高濃度の原料ガス供給を行うことが困難な場合がある。
　そこで本開示の成膜装置１は、金属有機構造体に、予め原料のガス分子を吸着させた多孔質部材２１１を用いて原料ガスの供給を行う。　
　多孔質部材２１１に含まれる金属有機構造体は、多孔性配位高分子（Porous Coordination Polymer、ＰＣＰ）とも呼ばれる。金属有機構造体は、金属イオンと有機配位子（有機化合物）との配位結合によって構成される金属錯体を含み、この金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有するものである。
　金属有機構造体には、金属イオンと有機配位子との配位結合により、金属イオンが架橋性の有機配位子により連結され、その内部に空間を有する結晶性の高分子構造が形成されている。金属錯体の複数が集積して形成される金属有機構造体は、金属イオンと有機配位子とが規則的に結合する。このため、例えば図３（ａ）、（ｂ）に模式的に示すように、金属有機構造体５３０は、ナノメートルサイズの細孔５３１が規則的に立体的に配列した構造を有する。このような金属有機構造体５３０に対して、原料ガスは、１つの細孔５３１に、原料の１または複数の分子Ａが入り込むように吸着される（図３（ａ）参照）。なお、図示の便宜上、簡略化して記載してあるが、図３（ａ）、（ｂ）に模式的に示した金属有機構造体５３０の内部にも、規則的に細孔５３１が形成されている。そして、これら内部の細孔５３１にも原料の分子Ａを吸着することができる。
　金属有機構造体を製造する手法の一つである溶液法は、常温、常圧下で金属イオンと有機配位子の溶液を混合することにより金属有機構造体を形成するものであり、金属錯体の集積は、溶液中で自己集合的に進行する。このように金属有機構造体は、製造が比較的容易であり、金属イオンと有機配位子とを選択し、合成条件を調整することにより、細孔５３１の大きさや形状を制御できるので、設計の自由度も高い。　
　本例においては、原料であるＡｌＣｌ３の分子が吸着されるように、ＡｌＣｌ３の分子の大きさに合わせて多孔質部材２１１をなす金属有機構造体の細孔５３１が設計されている。
　多孔質部材２１１を構成する金属有機構造体としては、例えば次の（ａ）～（ｄ）に記載の金属有機構造体群から選択されたものを用いる例を挙げることができる。
（ａ）銅イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
（ｂ）鉄イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
（ｃ）クロムイオンとテレフタル酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
（ｄ）ランタンイオンと１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼンとの配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
　金属有機構造体を含む多孔質部材２１１は、ペレット状や粉末状、ペレットよりも小さい粒状に形成され、原料タンク２１０内に収容（充填）される。こうして、原料タンク２１０内は、多孔質部材２１１の充填層が設けられた状態となる。多孔質部材２１１は金属有機構造体のみから構成されるものであってもよいし、金属有機構造体の他に、金属有機構造体をペレット状や粒状に成型するための成型助剤等を含むものであってもよい。　
　なお以下の説明では、多孔質部材２１１とこれを構成する金属有機構造体とを区別せずに「多孔質部材２１１の細孔」、「多孔質部材２１１への吸着」などと記載する場合がある。
　図２（ｂ）は、金属有機構造体にＡｌＣｌ３のガス分子を吸着させた原料カートリッジ２１を製造する手法を模式的に示している。例えば原料ガス源５１は、ＡｌＣｌ３の固体原料を収容した容器と、原料を気化させるための加熱機構と、原料を加熱して得られた原料ガスを輸送するためのキャリアガスを容器に供給するキャリアガス供給部を備える。キャリアガスとしては、Ａｒガスの他、窒素（Ｎ２）ガス等の不活性ガスを用いることができる。
　なお、膜の原料が常温常圧で液体の物質である場合は、原料ガス源５１には、液体である原料にキャリアガスをバブリングして、原料を気化するバブリング機構を設けてもよい。さらに、原料を気化させる機構は、液体である原料をインジェクタから噴射して直接気化させる機構であってもよい。
　原料ガス源５１は、供給流路５２を介して原料タンク２１０に接続され、原料タンク２１０には、ＡｌＣｌ３を吸着する前の金属有機構造体を含む多孔質部材２１１が収容されている。「ＡｌＣｌ３を吸着する前」とは、多孔質部材２１１を製造後、初めてＡｌＣｌ３の吸着を行う場合であってもよい。また、原料ガス供給部２にて原料ガスの供給に使用した後、原料カートリッジ２１を再利用するために多孔質部材２１１へのＡｌＣｌ３の吸着を行う場合であってもよい。
　原料カートリッジ２１の製造においては、上述の構成の原料ガス源５１から原料カートリッジ２１へ原料ガスとキャリアガスとの混合ガスを供給する。既述のように金属有機構造体の細孔５３１はＡｌＣｌ３のガス分子の大きさに合わせて設計されているので、当該ＡｌＣｌ３のガス分子が優先的に吸着する。ここで、金属有機構造体が混合ガスに含まれる原料ガスを優先的に吸着するとは、例えば原料ガスとキャリアガスとの分圧が等しい状態で金属有機構造体に混合ガスを供給した場合に、原料ガス分子の吸着量の方がキャリアガス分子の吸着量よりも多くなることをいう。言い替えると、原料ガスがキャリアガスに対して選択的に金属有機構造体に吸着されるということである。従って、金属有機構造体には、原料ガス分子の他、キャリアガス分子が吸着してもよい。
　またここで、金属有機構造体に吸着させる原料は、常温常圧にて気体であってもよく、例えば金属有機構造体に優先的に吸着させることにより、低濃度の原料ガスを濃縮してもよい。この場合には、濃縮が必要な低濃度の原料ガスが「原料ガスの原料」に相当し、原料ガス源５１に加熱機構を設ける必要はない。
　こうして多孔質部材２１１が充填された原料タンク２１０内に混合ガスを流通させると、図３（ａ）に示すように多孔質部材２１１を構成する金属有機構造体５３０の細孔５３１にＡｌＣｌ３が入り込み、吸着される。既述のように細孔５３１はナノメートルサイズであって高密度に形成されているため、各細孔５３１にＡｌＣｌ３を取り込んで、多量の原料ガスを高密度に吸着・貯蔵することができる。
　またこの際に、ＡｌＣｌ３は、ガス分子の分子構造を維持しつつ、多孔質部材２１１の細孔５３１に閉じ込められた状態となる。一方、既述のように金属有機構造体は、原料ガスであるＡｌＣｌ３のガス分子を優先的に吸着するように構成されている。このため、キャリアガス分子は多孔質部材２１１に吸着されないか、一部が吸着されるものの大部分は吸着されずに、多孔質部材２１１を通過していく。金属有機構造体に吸着されなかったキャリアガス、及び一部の原料ガスは、原料タンク２１０の短管部２１３に接続された排気流路５３を介して外部へ排出される。
　金属有機構造体にＡｌＣｌ３のガス分子を吸着させた原料カートリッジ２１を製造する上述の処理は、例えば原料ガスのメーカーにて実施してもよいし、成膜装置１のメーカーにて実施してもよい。
　また、成膜装置１のユーザーなどが、成膜装置１が設置されている工場にて実施してもよい。例えば、原料カートリッジ２１に貯蔵されている原料ガスを使い切った後、原料ガス供給部２の設置場所にて、当該原料カートリッジ２１に原料ガスを再貯蔵する処理を行う場合についても、原料カートリッジ２１の製造に含まれる。なお、この場合には、原料カートリッジ２１は、原料ガス供給部２に対して固定され、装着、取り外し可能ではない構成となっていてもよい。
　上述の手法により製造された原料カートリッジ２１は、供給流路５２及び排気流路５３を取り外し、供給流路５２及び排気流路５３の接続位置をキャップ２１２、２１４で塞いた状態で搬送することができる。　
　成膜装置１に設けられている原料ガス供給部２の設置エリアまで搬送された原料カートリッジ２１は、本体部２２に装着して使用される。本体部２２への装着にあたっては、例えば原料タンク２１０の上面に設けられ、蓋部２２２と接続される短管部２１３からキャップ２１４を取り外した後、当該原料タンク２１０を容器部２２１内に収容する。
　次いで、原料ガス流路６へと連通する蓋部２２２の開口部に対し、キャップ２１４を取り外した後の短管部２１３が挿入された状態となるように、容器部２２１に対して蓋部２２２を取り付ける。上記の操作により、図１に示すように原料カートリッジ２１が本体部２２に装着され、原料タンク２１０と原料ガス流路６とが連通した状態となる。
　ここで、原料ガス供給部２の本体部２２（容器部２２１）には、多孔質部材２１１に吸着された原料ガスを脱離させるように構成された脱離機構２２０が設けられている。この例の脱離機構２２０は、原料タンク２１０内の多孔質部材２１１を加熱して、多孔質部材２１１に吸着している原料ガスを脱離させる脱離操作を行うように構成された多孔質部材加熱機構である。多孔質部材加熱機構は、例えばヒータにより構成され、容器部２２１に収容された原料タンク２１０の周囲に設けられている。
　既述のように、原料ガスは多孔質部材２１１の細孔５３１に入り込むように吸着されるので、原料ガスと多孔質部材２１１の吸着エネルギーは比較的小さい。従って、原料ガスが熱分解しない程度の比較的低い温度で多孔質部材２１１を加熱することにより、図３（ｂ）に示すように、金属有機構造体５３０から原料ガスを容易に脱離させることができる。
　さらに図２（ｂ）にて説明したように、原料ガス源５１から多孔質部材２１１に対して、原料ガスとキャリアガスとの混合ガスを供給した場合であっても、多孔質部材２１１には、原料ガスが優先的に吸着されている。従って、多孔質部材２１１に吸着されたキャリアガス分子が加熱により脱離する場合であっても、脱離により生成したガス中のキャリアガス濃度は、原料カートリッジ２１の製造時に供給された混合ガス中のキャリアガス濃度よりも低くなっている。言い替えると、多孔質部材２１１は、従来の手法で供給される原料ガスとキャリアガスとの混合ガスよりも高濃度で原料ガスの供給を行うことが可能となる。
　図１に示すバルブ６０１は、原料カートリッジ２１を装着した後に原料タンク２１０と原料ガス流路６を連通させる。また原料ガス給断バルブ６１は、原料ガスの給断操作を行うように構成され、本実施の形態の処理ガス給断バルブに相当する。
　さらに、この例における成膜装置１は、ＡＬＤ法により薄膜を形成するように構成され、反応ガス供給部と、パージガス供給部と、を備えている。　
　反応ガス供給部は、反応ガスをチャンバ１０へ供給するように構成され、反応ガスの供給源６４１と、当該供給源６４１からチャンバ１０へ反応ガスを供給する反応ガス供給路６４と、を有するものである。反応ガスは、原料ガスと反応して、膜を形成するガスであり、例えばＡｌＣｌ３との反応により窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を生成するアンモニア（ＮＨ３）ガスが用いられる。例えば反応ガス供給路６４は、反応ガスの供給、停止を行うように構成された反応ガス給断バルブ６４２と、反応ガスの流量調節を実施する流量調節部６４３と、を備えている。
　パージガス供給部は、パージガス例えば窒素（Ｎ２）ガスの供給源６５１からチャンバ１０へパージガスを供給するパージガス供給路６５を備えている。例えばパージガス供給路６５には、パージガスの供給、停止を行うように構成されたパージガス給断バルブ６５２と、パージガスの流量調節を実施する流量調節部６５３と、が設けられる。この例においては、全てのバルブは、自動で開閉する構成のバルブが用いられる。
　さらに、成膜装置１は、制御部１００を備えている。この制御部１００は、ＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータにより構成され、成膜装置１の各部を制御するものである。記憶部にはウエハＷの成膜処理に必要な動作を実行するためのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録される。プログラムには、例えばチャンバ１０に対して原料ガスと反応ガスとが交互に供給されるように、原料ガス給断バルブ６１、反応ガス給断バルブ６４２、パージガス給断バルブ６５２の開閉動作を制御するように構成されたステップ群が含まれる。プログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリカードなどの記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
　続いて、成膜装置１にて実施されるウエハＷに膜を形成する処理を行う方法について説明する。なお、図４～図６では、バルブを開放した状態を「Ｏ」、バルブを閉止した状態を「Ｓ」で夫々示し、ガスが流通する流路を太線にて示している。　
　先ず膜の形成前の準備として、原料タンク２１０内の多孔質部材２１１がＡｌＣｌ３のガス分子を吸着した状態となっている原料カートリッジ２１を、原料ガス供給部２の本体部２２に装着する工程を実施する（図２（ａ））。当該工程は、例えばバルブ６０１を閉じた状態で行われる。原料カートリッジ２１の装着が完了したらバルブ６０１を開く。
　次いで、チャンバ１０にウエハＷを搬入し、チャンバ１０内の圧力調節、ウエハＷの温度調節を行う。しかる後、原料ガス供給部２にて、多孔質部材２１１（金属有機構造体）に吸着されたＡｌＣｌ３のガス分子を脱離させる操作を行い、原料ガスを得る工程を実施する。即ち、脱離機構（多孔質部材加熱機構）２２０により、多孔質部材２１１から原料ガスが脱離する温度まで原料タンク２１０内を加熱し、多孔質部材２１１に吸着された原料ガスを脱離させる。
　この後、脱離させた原料ガスを、ウエハＷが収容されたチャンバ１０へ供給し、ウエハＷに膜を形成する工程を実施する。チャンバ１０内の載置台にはウエハＷが載置されており、ＡＬＤ法にて膜を形成する場合には、先ず、チャンバ１０内を排気機構により排気して、成膜時の圧力に調整する。そして図４に示すように、原料ガス給断バルブ６１を開き、他のバルブを閉じて、流量調節部６２による流量調節を行いながら原料ガスをチャンバ１０に供給し、ウエハＷの表面に原料ガスを吸着させる。
　なお、原料ガスの脱離と原料ガスのチャンバ１０への供給とは、同時に行ってもよい。この場合には、図４に示すように原料ガス給断バルブ６１を開いた状態で多孔質部材２１１を加熱し、脱離させた原料ガスをそのままチャンバ１０へと供給する。
　次いで、パージガス給断バルブ６５２を開き、他のバルブを閉じて、パージガスをチャンバ１０に供給し、チャンバ１０内の原料ガスをパージガスにより置換する（図５）。　
　続いて、図６に示すように反応ガス給断バルブ６４２を開き、他のバルブを閉じて、反応ガスをチャンバ１０に供給する。これにより、ウエハ表面に吸着された原料ガスと反応ガスとが反応して、ＡｌＮの１分子層が形成される。この後、パージガス給断バルブ６５２を開き、他のバルブを閉じて、パージガスをチャンバ１０に供給し、チャンバ１０内の反応ガスをパージガスにより置換する（図５）。
　こうして、チャンバ１０に対して、原料ガス→パージガス→反応ガス→パージガスの順序で、原料ガスと反応ガスとを交互に供給するように、原料ガス、反応ガス、パージガスの各給断バルブ６１、６４２、６５２の開閉動作を制御する。そして、原料ガスと反応ガスとの供給を繰り返すことにより、所望の厚さのＡｌＮ膜を形成する。
　以上において、原料タンク２１０内に収容される多孔質部材２１１の量は、例えばウエハＷに膜を形成する工程にて１つもしくは複数のロット内のウエハ全てに膜を形成することが可能な原料ガスを吸着可能な量に設定される。または、原料タンク２１０を複数個用意し、原料ガス流路６に接続する原料タンク２１０を逐次切り替えることにより、チャンバ１０に原料ガスを供給してもよい。
　この実施形態によれば、ＡｌＣｌ３のガス分子を選択的に吸着させた多孔質部材２１１から、当該ガス分子を脱離させて原料ガスを得ている。多孔質部材２１１にはＡｌＣｌ３のガス分子が高密度に吸着・貯蔵されるので、多孔質部材２１１から脱離されるガスはＡｌＣｌ３のガス分子の含有量が多い、高濃度の原料ガスとなる。このように原料カートリッジ２１は、原料タンク２１０に収容された多孔質部材２１１に、ＡｌＣｌ３のガス分子を選択的に大量に吸着貯蔵し、使用したいときに任意のタイミングで脱離できる。このため、原料ガスの気化速度に制限されず、原料ガスを使用することができる。また、チャンバ１０においてウエハＷに膜を形成するにあたり、チャンバ１０に、ＡｌＣｌ３の濃度の高い原料ガスを供給することができる。この結果、ウエハＷに吸着させるうえで十分な原料ガスのガス流量を短時間で供給することができ、成膜処理の生産性が向上する。
　ここでハロゲン化金属等の金属を含み、常温常圧で固体または液体である原料は、分子同士の相互作用が強いため、飽和蒸気圧が低く、気化しにくいことが知られている。一方、気化量を多くしようとして、原料を高温で加熱すると、原料成分が熱分解するおそれがあり、加熱温度に制限がある。また、原料ガスにキャリアガスを供給して、キャリアガスと原料ガスとの混合ガスをチャンバ１０に流通させる手法では、キャリアガスにより希釈されるので、混合ガス中の原料ガス濃度を高くすることが難しい。従って、成膜処理時に十分な原料ガスのガス流量を確保できず、生産性が低下してしまう懸念があった。特に、ＡＬＤ法にて原料ガスと反応ガスとを交互にチャンバ１０に供給して膜を形成する場合には、原料ガスの供給時間帯に十分な流量の原料ガスを供給できずに、成膜レートが低下する傾向にある。従って、本開示の手法は、飽和蒸気圧が低く、気化しにくい原料を用いて膜を形成する場合に、特に有効である。原料ガスの供給流量、チャンバ１０内のプロセス圧力などの条件によって変化するが、好適には、１００℃における飽和蒸気圧が２６．７ｋＰａ以下の物質を原料とする場合を例示できる。
　また、多孔質部材２１１からの原料ガスの脱離は、脱離機構２２０をなす多孔質部材加熱機構により多孔質部材２１１を加熱するといった簡易な手法で行うことができる。このため、短時間で、かつ原料分子を熱分解させることなく、効率的に多孔質部材２１１から原料ガスを脱離させることができる。
　既述のように、多孔質部材２１１を構成する金属有機構造体は、活性炭やゼオライト等の他の多孔質部材に比べて、細孔５３１の大きさや形状などの設計が容易であり、吸着対象のガスを選択的に吸着させるように設計することができる。
　また、後述の評価試験に示すように、銅イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合、鉄イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合、クロムイオンとテレフタル酸との配位結合、ランタンイオンと１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼンとの配位結合によって夫々構成された金属有機構造体を含む多孔質部材２１１は、ＡｌＣｌ３を含む原料ガスを実際に吸着できることが確認されている。
　続いて、原料ガス供給部２を備えたガス供給系１１を含む成膜装置の具体的な構成例について、図７～図９を用いて簡単に説明する。これらの図においてなお、図１に示す成膜装置１と同様の構成部材については、同符号を付し、説明を省略する。
　図７は、前記ガス供給系１１に、図１に示すチャンバ１０として、バッチ式の成膜装置７のチャンバ７１を接続した例である。縦長の真空容器よりなるチャンバ７１には、ウエハＷが多段に載置されたウエハボート７２が収容される。このチャンバ７１は、バルブ７４１を備えた排気路７４により、図示しない排気構機に接続される。また、チャンバ７１内にウエハボート７２が収容されたときの、ウエハボート７２の側方には、ウエハボート７２の長さ方向に沿って伸びるガスノズル７３が設けられる。
　ガスノズル７３は、本開示の原料ガスのガス供給系１１を介して、原料ガス供給部２の原料タンク２１０から原料ガスが供給されるように構成される。ガス供給系１１は、上述の実施形態において、図１に示す構成と同様に構成される。また、ガスノズル７３は、反応ガス供給路６４を介して反応ガスの供給源６４１、パージガス供給路６５を介してパージガスの供給源６５１に夫々接続される。この成膜装置７においては、図４～図６を用いて説明した例と同様に、ガスノズル７３から原料ガスと反応ガスとを交互にチャンバ７１内に供給して、ＡＬＤ法により例えばＡｌＮよりなる薄膜がウエハＷに形成される。
　図８は、前記ガス供給系１１に、図１に示すチャンバ１０として、枚葉式の成膜装置８のチャンバ８１を接続した例である。例えば扁平な円筒状の真空容器よりなるチャンバ８１には、図示しない載置台の上にウエハＷが載置される。また、例えばチャンバ８１の天井部にはガス導入部８２が接続され、チャンバ８１は、バルブ８３１を備えた排気路８３により、図示しない排気機構に接続される。
　ガス導入部８２は、本開示の原料ガスのガス供給系１１を介して、原料ガス供給部２の原料タンク２１０から、原料ガスが供給されるように構成される。ガス供給系１１は、上述の実施形態において、図１に示す構成と同様に構成される。また、ガス導入部８２は、反応ガス供給路６４を介して反応ガスの供給源６４１、パージガス供給路６５を介してパージガスの供給源６５１に夫々接続される。この成膜装置８においては、図４～図６を用いて説明した例と同様に、ガス導入部８２から原料ガスと反応ガスとを交互にチャンバ８１内に供給して、ＡＬＤ法により例えばＡｌＮよりなる薄膜がウエハＷに形成される。
　図９は、前記ガス供給系１１に、図１に示すチャンバ１０として、セミバッチ式の成膜装置９のチャンバ９１を接続した例である。例えば扁平な円筒状の真空容器よりなるチャンバ９１内には、載置台をなす水平な回転テーブル９２が設けられ、この回転テーブル９２上には、回転テーブル９２の回転により公転するように複数枚のウエハＷが載置される。また、回転テーブル９２の回転によるウエハＷの通過領域に対して、原料ガスを供給するための原料ガスノズル９３と、反応ガスを供給するための反応ガスノズル９４と、が設けられる。さらに、原料ガスノズル９３と、反応ガスノズル９４との間の領域には、分離ガス例えばＮ２ガスを供給するための２本の分離ガスノズル９５１、９５２が夫々設けられる。これら原料ガスノズル９３、反応ガスノズル９４、分離ガスノズル９５１、９５２は、チャンバ９１の側壁からチャンバ中央に向かって水平に伸び出すように、互いに周方向に離隔して配置される。
　分離ガスノズル９５１、９５２が設けられる領域には、例えばチャンバ９１内の空間を、原料ガスが供給される供給領域９１１と、反応ガスが供給される供給領域９１２とに区画するための区画部材９６が設けられる。これにより、チャンバ９１内において原料ガスと反応ガスとの混合が抑制される。また、原料ガスが供給される供給領域９１１と、反応ガスが供給される供給領域９１２とは、夫々バルブ９７１、９８１を備えた排気路９７、９８を介して図示しない排気機構に夫々接続されている。
　原料ガスノズル９３は、本開示の原料ガスのガス供給系１１を介して、原料ガス供給部２の原料タンク２１０から原料ガスが連続供給されるように構成される。ガス供給系１１は、上述の実施形態において、図１に示す構成と同様に構成される。また、反応ガスノズル９４は、反応ガス供給路６４を介して反応ガスの供給源６４１に接続される。さらに、分離ガスノズル９５１、９５２は、分離ガス給断バルブ９６６、流量調節部９６５を備えた分離ガス供給路９６３を介して、不活性ガスなどの分離ガスの供給源９６４に夫々接続される。
　この成膜装置９においては、回転テーブル９２の回転に伴い、ウエハＷが原料ガスの供給領域９１１を通過することにより、ウエハ表面に原料ガスが吸着される。次いで、ウエハＷが反応ガスの供給領域９１２を通過することにより、ウエハ表面の原料ガスと反応ガスとが反応して膜が形成される。こうして、ウエハＷが原料ガスの供給領域９１１と反応ガスの供給領域９１２とを交互に通過することにより、ＡＬＤ法によりウエハＷに例えばＡｌＮよりなる薄膜が形成される。
　以上、図１～図９を用いて説明した本開示のガス供給系１１において、原料ガス供給部２に設けられる脱離機構は、原料タンク２１０内を減圧して、多孔質部材から原料ガスを脱離させる脱離操作を行うように構成された減圧機構により構成してもよい。また、多孔質部材加熱機構及び減圧機構の両方を備えたものであってもよい。　
　また図１～図６を用いて説明した例では、原料タンク２１０内で発生させた高濃度の原料ガスを、その自圧によりチャンバ１０に供給する例を示したが、キャリアガスを利用して原料ガスの輸送を行う手法の採用を否定するものではない。ウエハＷへの膜の形成を行う上で十分な濃度の原料が得られれば、原料タンク２１０にキャリアガスを供給して、内部の原料ガスとキャリアガスとの混合ガスをチャンバ１０に供給してもよい。
　原料ガスと反応ガスとの組み合わせは既述の例に限定されない。原料として、ハロゲン化金属を用いる場合には、ＡｌＣｌ３の他に、常温で固体である五塩化タングステン（ＷＣｌ５）、又は常温で液体である四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）を用いることができる。例えば原料としてＷＣｌ５、反応ガスとしてＮＨ３ガスを用い、ＡＬＤ法にてウエハＷに膜を形成する場合には、窒化タングステン（ＷＮ）を形成することができる。また、例えば原料としてＴｉＣｌ４、反応ガスとしてＮＨ３ガスを用い、ＡＬＤ法にてウエハＷに膜を形成する場合には、窒化チタン（ＴｉＮ）を形成することができる。
　さらに、原料ガスと反応して膜を形成する反応ガスとしては、ＮＨ３ガスの他、酸素（Ｏ２）ガスやオゾン（Ｏ３）ガス、水素（Ｈ２）ガス、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）ガス等を用いることができる。この反応ガスの供給にも、必要に応じて多孔質部材２１１を収容したタンクを利用するようにしてもよい。
　基板に膜を形成する装置は、上述の図７～図９に記載の成膜装置に限られず、他の構成の成膜装置にも適用可能である。また、半導体装置を製造するための基板に対して実施される膜の形成は、ＡＬＤ法による成膜処理のみならず、原料ガスを単体で供給して、熱分解により成膜を行う熱ＣＶＤ法による成膜処理も実施可能である。さらに、本開示に係る技術は、成膜装置に限らず、エッチング装置、原子層エッチング（ＡＬＥ：Atomic layer Etching）装置等の基板を処理する装置に適用可能である。この場合には、原料タンクには、基板をエッチング処理するための処理ガスである、エッチングガスの原料のガス分子を吸着した多孔質部材２１１が収容される。さらに、本開示を適用可能な基板は、半導体ウエハＷに限定されるものではない。例えば、ＦＰＤ（Flat Panel Display）用のガラス基板であってもよい。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
　続いて、上述の多孔質部材２１１を構成する金属有機構造体へのＡｌＣｌ３の吸着を評価するために実施した吸着実験について説明する。実験は、容積が９０ｍｌの金属製の耐圧容器の内部に、容積が４ｍｌのバイアル瓶を２本収容した装置にて実施した。先ず、バイアル瓶の蓋を開放し、一方のバイアル瓶には後述する金属有機構造体１．０ｇを収容し、他方のバイアル瓶には固体のＡｌＣｌ３１．０ｇを収容した。次に、バイアル瓶の蓋は開放したまま、耐圧容器の内部をキャリアガスであるＡｒガスにより置換して、耐圧容器の蓋を閉止した。次いで、耐圧容器の内部が約１２５℃になるように、オーブンにて１８時間加熱して、金属有機構造体にＡｌＣｌ３のガスを吸着させた。この後、金属有機構造体が収容されたバイアル瓶について電子天秤にて秤量し、熱重量（ＴＧ：Thermal Gravimetric）分析を実施した。
　この吸着実験は、次の（ａ）～（ｄ）に記載の金属有機構造体（実施例１～４）に対して実施した。
（ａ）銅イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体（実施例１）
（ｂ）鉄イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体（実施例２）
（ｃ）クロムイオンとテレフタル酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体（実施例３）
（ｄ）ランタンイオンと１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼンとの配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体（実施例４）
　また、吸着実験の比較例として、ＡｌＣｌ３単体のＴＧ分析も実施した。この比較実験では、前記耐圧容器の内部に、前記バイアル瓶を１本設け、当該バイアル瓶に、同量の固体のＡｌＣｌ３を収容して、上述の吸着実験と同様にＴＧ分析を行った。
　この評価試験の結果について、図１０に示す。図１０中、横軸は温度、縦軸は重量減少割合である。また、実施例１は粗い破線、実施例２は二点鎖線、実施例３は一点鎖線、実施例４は実線、比較例は細かい破線にて、夫々の結果を示す。この結果、実施例１～４はいずれも温度が高くなるにつれて、重量減少割合が増加しており、金属有機構造体にＡｌＣｌ３が吸着されること、金属有機構造体の加熱により吸着されたＡｌＣｌ３が脱離されることが確認された。
　また、金属有機構造体の種別によって、重量減少割合の変化の仕方が異なることから、金属有機構造体毎に細孔の大きさや、ＡｌＣｌ３の吸着しやすさ等が異なることが理解された。このことから、金属有機構造体は細孔の大きさ等の設計の自由度が高く、吸着対象のガスに応じて適正な金属有機構造体を設計し、製造できるものと推察される。
　さらに、比較例であるＡｌＣｌ３単体の場合には、１２５℃以上の温度で急減に重量減少割合が増加しており、気化が進行していることが認められた。一方、実施例３及び実施例４では、１２５℃よりも低い温度で重量減少割合の増加が見られる。このことから、実施例３及び実施例４の金属有機構造体を用いた場合には、１２５℃よりも低い温度例えば８０℃～９０℃程度の温度で、ＡｌＣｌ３が脱離できることが認められた。これにより、原料としてＡｌＣｌ３を用いる場合には、多孔質部材２１１として、実施例３及び実施例４の金属有機構造体を用いることがより好ましいことが理解される。また、実施例１及び実施例２に係る金属有機構造体においても、金属有機構造体に対するＡｌＣｌ３の吸着及び脱離が確認された。このことから、ＡｌＣｌ３以外の、より低温で脱離可能なハロゲン化金属や、有機金属化合物、有機化合物等があれば、これらの物質を優先的に吸着することに利用できる可能性が窺える。
Ａ　　　　　分子
Ｗ　　　　　ウエハ
１　　　　　成膜装置
２１　　　　原料カートリッジ
２１１　　　多孔質部材
２２０　　　脱離機構
２２　　　　本体部

 

Claims (19)

  1. 　半導体装置を製造するための基板を処理する装置であって、
    　前記基板が収容されたチャンバと、
    　処理ガス供給流路を介して前記チャンバに接続され、前記基板を処理するための処理ガスを供給するように構成された処理ガス供給部と、を有し、
    　前記処理ガス供給部は、
    　前記処理ガスの原料のガス分子を吸着させた金属有機構造体を含む多孔質部材を収容した原料タンクを備える原料カートリッジと、
    　前記原料カートリッジが装着及び取り外し可能に構成され、前記原料カートリッジを装着したときに、前記原料タンクと前記処理ガス供給流路とを連通させるように構成された本体部と、
    　前記原料カートリッジが前記本体部に装着された状態にて、前記金属有機構造体に吸着された前記処理ガスの原料のガス分子を脱離させ、前記処理ガスとして処理ガス供給流路へ流出させる操作を実施するように構成された脱離機構と、を有する装置。
  2. 　前記処理ガスの原料は、常温常圧で液体または固体の物質である、請求項１に記載の装置。
  3. 　前記脱離機構は、前記濃縮タンク内の前記多孔質部材を加熱して前記処理ガスの原料のガス分子を脱離させるように構成された多孔質部材加熱機構を含む、請求項１に記載の装置。
  4. 　前記金属有機構造体は、下記（ａ）～（ｄ）に記載の金属有機構造体群から選択されたものである、請求項１に記載の装置。
    （ａ）銅イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
    （ｂ）鉄イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
    （ｃ）クロムイオンとテレフタル酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
    （ｄ）ランタンイオンと１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼンとの配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
  5. 　前記処理ガス供給流路は、前記処理ガスの流量調節を実施するように構成された流量調節部を備える、請求項１に記載の装置。
  6. 　前記処理は基板に膜を形成する処理であり、前記処理ガスの原料は、ハロゲン化金属である、請求項１に記載の装置。
  7. 　前記ハロゲン化金属は、塩化アルミニウム、五塩化タングステン及び四塩化チタンからなるハロゲン化金属群から選択されたものである、請求項６に記載の装置。
  8. 　前記処理ガス供給流路に設けられ、前記チャンバへの処理ガスの供給、停止を行うように構成された処理ガス給断バルブと、
    　前記処理ガスと反応して前記膜を形成する反応ガスを供給するように構成されると共に、前記チャンバへの反応ガスの供給、停止を行うように構成された反応ガス給断バルブを備えた反応ガス供給部と、
    　制御部と、を有し、
    　前記制御部は、前記チャンバに対して前記処理ガスと反応ガスとが交互に供給されるように、前記処理ガス給断バルブ及び前記反応ガス給断バルブを制御するように構成される、請求項６に記載の装置。
  9. 　半導体装置を製造するための基板を処理する装置に装着され、前記基板を処理するための処理ガスの供給に用いられる原料カートリッジであって、
    　前記処理ガスの原料のガス分子を吸着させた金属有機構造体を含む多孔質部材を収容した原料タンクを備え、
    　前記装置に装着された状態にて脱離操作を行うことにより、前記金属有機構造体に吸着された前記処理ガスの原料のガス分子を脱離させ、前記膜の原料ガスを供給するように構成された原料カートリッジ。
  10. 　前記処理ガスの原料は、常温常圧で液体または固体の物質である、請求項９に記載の原料カートリッジ。
  11. 　前記脱離操作は、前記原料タンク内の前記多孔質部材を加熱して前記処理ガスの原料のガス分子を脱離させる操作である、請求項９に記載の原料カートリッジ。
  12. 　半導体装置を製造するための基板を処理する方法であって、
    　前記基板を処理するための処理ガスの原料のガス分子を吸着させた金属有機構造体を含む多孔質部材を収容した原料タンクを備える原料カートリッジを、処理ガス供給部の本体部に装着する工程と、
    　前記処理ガス供給部にて、前記金属有機構造体に吸着された前記処理ガスの原料のガス分子を脱離させる操作を行い、処理ガスを得る工程と、
    　前記基板が収容されたチャンバへ前記処理ガスを供給する工程と、を有する方法。
  13. 　前記処理ガスの原料は、常温常圧で液体または固体の物質である、請求項１２に記載の方法。
  14. 　前記処理ガスを得る工程では、前記原料タンク内の前記多孔質部材を加熱して前記処理ガスの原料のガス分子を脱離させる、請求項１２に記載の方法。
  15. 　前記金属有機構造体は、下記（ａ）～（ｄ）に記載の金属有機構造体群から選択されたものである、請求項１２に記載の方法。
    （ａ）銅イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
    （ｂ）鉄イオンと１，３，５－ベンゼントリカルボン酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
    （ｃ）クロムイオンとテレフタル酸との配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
    （ｄ）ランタンイオンと１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼンとの配位結合によって構成される金属錯体を含み、前記金属錯体の複数が集積して形成された細孔構造を有する金属有機構造体
  16. 　前記処理は基板に膜を形成する処理であり、前記処理ガスの原料は、ハロゲン化金属である、請求項１２に記載の方法。
  17. 　前記ハロゲン化金属は、塩化アルミニウム、五塩化タングステン及び四塩化チタンからなるハロゲン化金属群から選択されたものである、請求項１６に記載の方法。
  18. 　半導体装置を製造するための基板を処理する装置に装着され、前記基板を処理するための処理ガスの供給に用いられる原料カートリッジを製造する方法であって、
    　前記原料カートリッジを構成する原料タンク内に収容された多孔質部材に含まれる金属有機構造体に、前記処理ガスの原料のガス分子を供給して、前記ガス分子を吸着させる工程を有する、製造方法。
  19. 　前記処理ガスの原料は、常温常圧で液体または固体の物質である、請求項１８に記載の製造方法。
     

     
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