JP2014067783A - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及び基板処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】処理室内に供給する処理ガスの流れを分散させ、基板に形成される薄膜の膜厚の均一性を向上させる基板処理装置、半導体装置の製造方法及び基板処理方法を提供する。
【解決手段】複数の基板7を収容して処理する処理室5と、基板の積層方向に延在され、基板の表面に対して水平な面内で複数の方向に開口され、処理室内に処理ガスを供給する複数の処理ガス噴出口63a,63b、64が設けられた1つ以上の処理ガス供給部35,36と、複数の処理ガス噴出口を基板の周方向に沿って両側から挾む様に設けられ、不活性ガスを供給する1つ以上の不活性ガス噴出口65,66が開口された複数の不活性ガス供給部37,38とを有する。
【選択図】図2
【解決手段】複数の基板7を収容して処理する処理室5と、基板の積層方向に延在され、基板の表面に対して水平な面内で複数の方向に開口され、処理室内に処理ガスを供給する複数の処理ガス噴出口63a,63b、64が設けられた1つ以上の処理ガス供給部35,36と、複数の処理ガス噴出口を基板の周方向に沿って両側から挾む様に設けられ、不活性ガスを供給する1つ以上の不活性ガス噴出口65,66が開口された複数の不活性ガス供給部37,38とを有する。
【選択図】図2
Description
本発明は、ウェーハ等の基板に、酸化処理、拡散処理、薄膜の生成等の処理を行う基板処理装置、半導体装置の製造方法及び基板処理方法に関するものである。
従来、例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory)等の半導体装置の製造工程の一工程として、基板処理装置により基板上に薄膜を形成する基板処理工程がある。
従来の基板処理工程に用いられる基板処理装置は、水平姿勢で多段に積層された基板を収納して処理する処理室と、処理室内に少なくとも1種の処理ガスを供給する処理ガス供給ノズルを有する処理ガス供給ユニットと、処理室内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ノズルを有する不活性ガス供給ユニットと、処理室内を排気する排気ラインとを有している。
基板上に薄膜を形成する際には、複数の基板を保持する基板保持具を処理室内に搬入し、排気ラインにより処理室内を排気しつつ処理ガス供給ノズルから処理室内にガスを供給することにより、各基板の間にガスを通過させて基板上に薄膜を形成していた。
然し乍ら、従来の基板処理装置を用いた基板処理では、処理ガス供給ノズルから供給される処理ガスと、不活性ガス供給ノズルから供給される不活性ガスとが、共に基板の中心方向に向って流れる様になっている為、各基板の外周方向と中心付近とでは処理ガスの供給量に差異が生じてしまう。特に、基板を回転させながら処理ガスを供給した場合、熱分解し易い処理ガスが一方向に集中して基板に付着してしまう為、基板の外周付近に形成される薄膜が、基板の中心付近に形成される薄膜に比べて薄くなってしまい、処理基板の面内均一性が低下してしまう傾向があった。
本発明は斯かる実情に鑑み、処理室内に供給する処理ガスの流れを分散させ、基板に形成される薄膜の膜厚の均一性を向上させる基板処理装置、半導体装置の製造方法及び基板処理方法を提供するものである。
本発明の好ましい一態様によれば、複数の基板を収容して処理する処理室と、基板の積層方向に延在され、基板の表面に対して水平な面内で複数の方向に開口され、前記処理室内に処理ガスを供給する複数の処理ガス噴出口が設けられた1つ以上の処理ガス供給部と、前記複数の処理ガス噴出口を基板の周方向に沿って両側から挾む様に設けられ、不活性ガスを供給する1つ以上の不活性ガス噴出口が開口された複数の不活性ガス供給部とを有する基板処理装置が提供される。
又本発明の好ましい他の態様によれば、処理室に基板を搬入する基板搬入工程と、前記処理室内に不活性ガス及び1種以上の処理ガスを供給して基板を処理する基板処理工程と、処理後の基板を前記処理室から搬出する基板搬出工程とを有する半導体装置の製造方法であって、前記基板処理工程では、処理ガスを基板の表面に対して水平な複数の方向に供給すると共に、処理ガスの流れを両側から挾む様に不活性ガスを供給する半導体装置の製造方法が提供される。
更に又本発明の好ましい他の態様によれば、処理室に基板を搬入する基板搬入工程と、前記処理室内に不活性ガス及び1種以上の処理ガスを供給して基板を処理する基板処理工程と、処理後の基板を前記処理室から搬出する基板搬出工程とを有する基板処理方法であって、前記基板処理工程では、処理ガスを基板の表面に対して水平な複数の方向に供給すると共に、処理ガスの流れを両側から挾む様に不活性ガスを供給する基板処理方法が提供される。
本発明によれば、基板処理工程に於いて処理ガスの流れが集中し、基板の中心部に於いて膜が過剰に厚く形成されるのを抑制でき、膜の面内均一性を向上させることができると共に、処理ガスの流路が制限され、処理ガスが基板の外周よりも外側に流出するのを防止でき、成膜効率を向上させることができるという優れた効果を発揮する。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
本発明の一実施例として、基板処理装置の一例を説明する。該基板処理装置は、半導体装置(IC(Integrated Circuits))の製造に使用される半導体製造装置の一例として構成されているものである。先ず、図1、図2に於いて、基板処理装置の一例として、基板に対して成膜処理等を行う縦型の装置を使用した場合の処理炉について説明する。尚、本実施例は、縦型装置の使用を前提としたものではなく、例えば枚葉式の基板処理装置を使用してもよいのは言う迄もない。
処理炉1は、中心線が垂直となる様に縦向きに配設され、基板処理装置の筐体(図示せず)によって固定的に支持された反応管としての縦型のプロセスチューブ2を具備している。該プロセスチューブ2は、インナチューブ3とアウタチューブ4とを有し、前記インナチューブ3及び前記アウタチューブ4は石英(SiO2 )や炭化珪素(SiC)等の耐熱性の高い材料によって、円筒形状にそれぞれ一体成形されている。
前記インナチューブ3は、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状となっている。該インナチューブ3の内部には処理室5が画成され、該処理室5の内部に基板保持具としてのボート6に水平姿勢で多段に積層された基板としてのウェーハ7が収納され処理される。又、前記インナチューブ3の下端開口は、ウェーハ7群を保持した前記ボート6を出入れする為の炉口を構成している。従って、前記インナチューブ3の内径は、ウェーハ7群を保持した前記ボート6の最大径よりも大きくなる様に設定されている。
前記アウタチューブ4は、前記インナチューブ3に対して大きめに相似し、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状となっており、該インナチューブ3を囲む様に同心に配置される。該インナチューブ3と前記アウタチューブ4の下端部は、円筒状に形成されたマニホールド8のフランジによりそれぞれ気密に封止されている。該マニホールド8は、前記インナチューブ3及び前記アウタチューブ4についての保守点検作業や清掃作業の為に、前記インナチューブ3及び前記アウタチューブ4に着脱自在に取付けられている。前記マニホールド8が筐体(図示せず)に支持されることにより、前記プロセスチューブ2は垂直に据付けられた状態となっている。
前記マニホールド8の側壁の一部には、前記処理室5内の雰囲気を排気する排気ラインとしての排気管9が接続されている。前記マニホールド8と前記排気管9との接続部には、該排気管9と前記処理室5内の雰囲気を連通させる排気口11が形成されている。前記排気管9内は、前記排気口11を介して前記インナチューブ3と前記アウタチューブ4との間に形成された隙間からなる排気路12内に連通している。尚、該排気路12の横断面形状は、一定幅の円形リング形状となっている。前記排気管9には、上流から順に、圧力センサ13、圧力調整バルブとしてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ14、真空排気装置としての真空ポンプ15が設けられている。
該真空ポンプ15は、前記処理室5内の圧力が所定の圧力(真空度)となる様に真空排気を行う様構成されている。前記APCバルブ14及び前記圧力センサ13には、圧力制御部16が電気的に接続されている。該圧力制御部16は、前記処理室5内の圧力が所望のタイミングで所望の圧力となる様に、前記圧力センサ13により検出された圧力に基づいて前記APCバルブ14の開度を制御する様に構成されている。
尚、主に、前記排気管9、前記圧力センサ13、前記APCバルブ14により、本実施例に於ける排気ユニットが構成される。又、前記真空ポンプ15を前記排気ユニットに含めてもよい。
前記マニホールド8には、該マニホールド8の下端開口を閉塞するシールキャップ17が、垂直方向下側から当接される様になっている。該シールキャップ17は、前記アウタチューブ4の外径と同等以上の径を有する円盤形状に形成されており、前記プロセスチューブ2の外部に垂直に設置されたボートエレベータ18によって水平姿勢で垂直方向に昇降される様に構成されている。
前記シールキャップ17上には、ウェーハ7を保持する前記ボート6が垂直に立脚されて支持される様になっている。該ボート6は、上下で一対の端板19,19と、該端板19,19間に垂直に設けられた複数本の保持部材21とを有している。前記端板19及び前記保持部材21は、例えば石英(SiO2 )や炭化珪素(SiC)等の耐熱性材料からなる。各保持部材21には、多数条の保持溝22が長手方向に等間隔で形成されている。各保持部材21は、前記保持溝22が互いに対向する様に設けられ、ウェーハ7の円周縁が同一段の前記保持溝22内にそれぞれ挿入されることにより、複数枚のウェーハ7が水平姿勢且つ互いに中心を揃えた状態で多段に積層されて保持される様に構成されている。
又、前記ボート6と前記シールキャップ17との間には、上下で一対の補助端板23,23が設けられ、該補助端板23,23は複数本の補助保持部材24によって支持されている。各補助保持部材24には、多数条の保持溝25が形成され、該保持溝25には、例えば石英(SiO2 )や炭化珪素(SiC)等の耐熱性材料からなる円板形状の断熱板(図示せず)が、水平姿勢で多段に装填される様になっている。該断熱板により、後述するヒータユニット26からの熱が、前記マニホールド8側に伝わり難くなる様に構成されている。
前記シールキャップ17の前記処理室5と反対側には、前記ボート6を回転させる回転機構27が設けられている。該回転機構27の回転軸28は、前記シールキャップ17を貫通して前記ボート6を下方から支持している。前記回転軸28を回転させることで、前記処理室5内にてウェーハ7を回転可能となっている。又、前記シールキャップ17が前記ボートエレベータ18により垂直方向に昇降されることで、前記ボート6を前記処理室5内外へ搬送できる様になっている。
前記ボートエレベータ18及び前記回転機構27には、駆動制御部29が電気的に接続されている。該駆動制御部29は、前記ボートエレベータ18及び前記回転機構27が所望のタイミングで所望の動作をする様制御する様になっている。
前記アウタチューブ4の外部には、前記プロセスチューブ2内を全体に亘って均一に、又は所定の温度分布に加熱する加熱機構としての前記ヒータユニット26が、前記アウタチューブ4を囲繞する様に設けられている。前記ヒータユニット26は、断熱材の内側に設けられ、基板処理装置の筐体(図示せず)に支持されることで垂直に据付けられた状態となっており、例えばカーボンヒータ等の抵抗加熱ヒータとして構成されている。
前記プロセスチューブ2内には、温度検出器としての温度センサ31が設置されている。前記ヒータユニット26と前記温度センサ31とには温度制御部32が電気的に接続され、前記温度センサ31により検出された温度情報に基づき、前記温度制御部32は前記処理室5内の温度が所望のタイミングで所望の温度分布となる様、前記ヒータユニット26への通電具合を制御する様になっている。
尚、主に前記ヒータユニット26、前記温度センサ31により本実施例に於ける加熱ユニットが構成される。
前記インナチューブ3の側壁には、チャンネル形状の予備室33が前記インナチューブ3の径方向外向きに突出して垂直方向に長く延在する様に形成されている。前記予備室33の側壁34は前記インナチューブ3の側壁の一部を構成し、前記予備室33の内壁は前記処理室5の内壁の一部を構成している。前記予備室33の内部には、該予備室33の内壁(即ち前記処理室5の内壁)に沿う様にウェーハ7の積層方向に延在され、前記処理室5内に処理ガスを供給する第1、第2処理ガス供給ノズル35,36が設けられている。又、前記予備室33の内部には、該予備室33の内壁(即ち前記処理室5の内壁)に沿う様にウェーハ7の積層方向に延在され、前記処理室5内に不活性ガスを供給する2本の第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38が、ウェーハ7の周方向に沿って前記第1、第2処理ガス供給ノズル35,36を両方から挾む様に設けられている。
該第1、第2処理ガス供給ノズル35,36及び前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38は、それぞれ垂直部と水平部とを有するL字形状となっており、水平部の端部、即ち前記第1、第2処理ガス供給ノズル35,36の上流側端部である第1、第2処理ガス導入口部39,41、及び前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38の上流側端部である第1、第2不活性ガス導入口部42,43は、それぞれ前記マニホールド8の側壁を径方向に貫通して前記プロセスチューブ2の外部に突出している。
前記第1、第2処理ガス導入口部39,41には、処理ガス供給ラインとしての第1、第2処理ガス供給管44,45がそれぞれ接続されている。
該第1処理ガス供給管44には、上流側から順に、例えば液体原料としてのTEMAH(Hf[NCH3 C2 H5 ]4 、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム)や、TEMAZ(Zr[NCH3 C2 H5 ]4 テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム)を気化させたガス(TEMAHガスやTEMAZガス)等の処理ガスを供給する第1処理ガス供給源46、流量制御装置としての第1MFC(マスフローコントローラ)47、及び第1開閉バルブ48がそれぞれ設けられている。主に、前記第1処理ガス供給ノズル35、前記第1処理ガス供給管44、前記第1MFC47、前記第1開閉バルブ48により第1処理ガス供給部(第1処理ガス供給系)が構成される。尚、前記第1処理ガス供給源46を第1処理ガス供給部に含めてもよい。
この様に、不活性ガスにより両側から挾まれる処理ガスとしては、熱分解温度が処理温度(成膜温度)より低い様なガスであって、例えばTEMAHガスやTEMAZガス等が用いられる。尚、前記第1処理ガス供給管44の前記第1開閉バルブ48よりも下流側には、図示しないキャリアガス供給管が接続されている。該キャリアガス供給管からキャリアガスとしてのN2 ガスを供給することにより、処理ガスを希釈して前記処理室5内への処理ガスの供給や、該処理室5内での処理ガスの拡散を促すことが可能となっている。
又、前記第2処理ガス供給管45には、上流側から順に、例えばO3 (オゾン)ガス等の処理ガスを供給する第2処理ガス供給源49、流量制御装置としての第2MFC51、及び第2開閉バルブ52がそれぞれ設けられている。主に、前記第2処理ガス供給ノズル36、前記第2処理ガス供給管45、前記第2MFC51、前記第2開閉バルブ52により第2処理ガス供給部(第2処理ガス供給系)が構成される。尚、前記第2処理ガス供給源49を第2処理ガス供給部に含めてもよい。
尚、第2処理ガス供給管45の前記第2開閉バルブ52よりも下流側には、図示しないキャリアガス供給管が接続されている。該キャリアガス供給管からキャリアガスとしてのN2 ガスを供給することにより、処理ガスを希釈して前記処理室5内への処理ガスの供給や、該処理室5内での処理ガスの拡散を促すことが可能となっている。
第1、第2不活性ガス導入口部42,43には、不活性ガス供給ラインとしての第1、第2不活性ガス供給管53,54が接続されている。該第1、第2不活性ガス供給管53,54には、上流側から順に、例えばN2 ガス、Arガス、Heガス等の不活性ガスを供給する第1、第2不活性ガス供給源55,56、流量制御装置としての第3、第4MFC57,58、及び第3、第4開閉バルブ59,61がそれぞれ設けられている。
尚、主に、前記第1不活性ガス供給ノズル37、前記第1不活性ガス供給管53、前記第3MFC57、前記第3開閉バルブ59により第1不活性ガス供給部が構成され、前記第2不活性ガス供給ノズル38、前記第2不活性ガス供給管54、前記第4MFC58、前記第4開閉バルブ61により第2不活性ガス供給部(第2不活性ガス供給系)が構成される。尚、前記第1不活性ガス供給源55、前記第2不活性ガス供給源56を第2不活性ガス供給系に含めてもよい。
又、主に、前記第1処理ガス供給ノズル35、前記第1処理ガス供給管44、前記第1MFC47、前記第1開閉バルブ48、図示しないキャリアガス供給管と、前記第2処理ガス供給ノズル36、前記第2処理ガス供給管45、前記第2MFC51、前記第2開閉バルブ52、図示しないキャリアガス供給管により、本実施例に於ける処理ガス供給ユニットが構成される。ここで、前記第1処理ガス供給源46、前記第2処理ガス供給源499を処理ガス供給ユニットに含めてもよい。即ち、第1処理ガス供給部と第2処理ガス供給部とで処理ガス供給ユニットが構成される。又、主に、前記第1不活性ガス供給ノズル37、前記第1不活性ガス供給管53、前記第3MFC57、前記第3開閉バルブ59と、前記第2不活性ガス供給ノズル38、前記第2不活性ガス供給管54、前記第4MFC58、前記第4開閉バルブ61により、本実施例に於ける不活性ガス供給ユニットが構成される。ここで、前記第1不活性ガス供給源55、前記第2不活性ガス供給源56を不活性ガス供給ユニットに含めてもよい。即ち、第1不活性ガス供給部と第2不活性ガス供給部とで不活性ガス供給ユニットが構成される。
前記第1〜第4MFC47,51,57,58及び前記第1〜第4開閉バルブ48,52,59,61には、ガス供給・流量制御部62が電気的に接続されている。該ガス供給・流量制御部62は、後述する各STEPで前記処理室5内に供給するガスの種類が所望のタイミングにて所望のガス種となる様、又供給するガスの流量が所望のタイミングにて所望の量となる様、更に不活性ガスに対する処理ガスの濃度が所望のタイミングにて所望の濃度となる様、前記第1〜第4MFC47,51,57,58及び前記第1〜第4開閉バルブ48,52,59,61を制御する様になっている。
前記第1処理ガス供給ノズル35の垂直部、即ち前記予備室33内に延在する部分には、図3(A)(B)(C)に示される様に、一対の第1処理ガス噴出口63a,63bが前記ボート6に積層されたウェーハ7と平行となる様同一面内に穿設され、又前記第1処理ガス噴出口63a,63bは垂直方向に等間隔で複数穿設されている。尚、前記第1処理ガス供給ノズル35の垂直部に穿設される前記第1処理ガス噴出口63a,63b間の角度θは、0°〜96°、即ち該第1処理ガス噴出口63a,63bが共にウェーハ7の中心方向に向けられた状態から、前記第1処理ガス噴出口63a,63bがそれぞれウェーハ7の周端方向に向けられた状態迄の範囲で任意に選択可能となっている。本実施例では、例えばθを46°とし、前記第1処理ガス噴出口63a,63bからウェーハ7の中心と外周の中間に向って処理ガスが噴出される様になっている。
又、前記第2処理ガス供給ノズル36の垂直部、即ち前記予備室33内に延在する部分には、第2処理ガス噴出口64がウェーハ7と平行となる様同一面内に穿設され、又垂直方向に等間隔で複数穿設されている。尚、該第2処理ガス噴出口64からウェーハ7の中心方向に向って処理ガスが噴出される様になっている。
更に、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38の垂直部、即ち前記予備室33内に延在する部分には、第1、第2不活性ガス噴出口65,66がそれぞれウェーハ7と平行となる様同一面内に穿設され、又垂直方向に等間隔で複数穿設され、該第1、第2不活性ガス噴出口65,66からウェーハ7の中心方向に向って不活性ガスが噴出される様になっている。
前記第1、第2処理ガス供給ノズル35,36や前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38が前記予備室33内に設けられることで、前記第1処理ガス供給ノズル35の前記第1処理ガス噴出口63a,63b、前記第2処理ガス供給ノズル36の前記第2処理ガス噴出口64、及び前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38の前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66は、前記インナチューブ3の内周面より、該インナチューブ3の径方向外側に配置された状態となっている。
前記第1処理ガス噴出口63a,63b、前記第2処理ガス噴出口64、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66の個数は、例えば前記ボート6に保持されたウェーハ7の枚数と一致する様に構成されている。又、前記第1処理ガス噴出口63a,63b、前記第2処理ガス噴出口64、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66の高さ位置は、例えば前記ボート6に保持された上下に隣接するウェーハ7間の空間に対向する様に設定されている。尚、前記第1処理ガス噴出口63a,63b、前記第2処理ガス噴出口64、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66の径は、各ウェーハ7へのガスの供給量が均一となる様、それぞれ異なる大きさに設定されている。又、前記第1処理ガス噴出口63a,63b、前記第2処理ガス噴出口64、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66は、複数枚のウェーハ7に対して1個ずつ(例えば数枚のウェーハ7に対して1個ずつ)穿設することとしてもよい。
インナチューブ3の側壁であって、前記第1、第2処理ガス供給ノズル35,36に対向した位置、即ち前記予備室33と180°反対側の位置には、例えばスリット状の貫通孔である排気孔67が垂直方向に細長く開設され、前記処理室5内と前記排気路12内とは前記排気孔67を介して連通している。従って、前記第1処理ガス噴出口63a,63b、前記第2処理ガス噴出口64から前記処理室5内に供給された処理ガス、及び前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66から前記処理室5内に供給された不活性ガスは、前記排気孔67を介して前記排気路12へと流れた後、前記排気口11を介して前記排気管9内に流入し、前記処理炉1の外へと排出される様になっている。尚、本実施例では、前記排気孔67をスリット状の貫通孔としているが、該排気孔67は複数個の孔により構成されていてもよい。
尚、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38と前記排気孔67とを結ぶ直線は、前記第1、第2処理ガス供給ノズル35,36と前記排気孔67とを結ぶ直線を挾込む様になっている。又、上記では前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66が前記ウェーハ7の中心方向に向って穿設されているが、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66は外側に開いた方向としてもよい。例えば、図4に示される様に、前記第1不活性ガス噴出口65から噴出される不活性ガスが、前記第1処理ガス噴出口63aから噴出される処理ガスと平行となる様にし、又前記第2不活性ガス噴出口66から噴出される不活性ガスが、前記第1処理ガス噴出口63bから噴出される処理ガスと平行となる様にしてもよい。
上記の構成により、前記第1処理ガス噴出口63a,63b、前記第2処理ガス噴出口64、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66から前記処理室5内のウェーハ7の近傍に供給されたガスは、水平方向であってウェーハ7の表面と平行な方向に向かって流れる。即ちガスの主たる流れが水平方向へ向かう流れとなる様前記第1処理ガス噴出口63a,63b、前記第2処理ガス噴出口64、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66から前記処理室5内のウェーハ7の近傍でガスが噴出される。
前記圧力制御部16、前記駆動制御部29、前記温度制御部32、前記ガス供給・流量制御部62は、基板処理装置全体を統括制御する主制御部68に電気的に接続されており、前記圧力制御部16、前記駆動制御部29、前記温度制御部32、前記ガス供給・流量制御部62、前記主制御部68により統括制御部であるコントローラ69が構成される。
次に、上述した前記処理炉1を用いて実施される半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程を説明する。以下では、前記処理室5内でウェーハ7上に膜を成膜する方法について説明する。尚、下記の説明に於いて、基板処理装置を構成する各部の動作は、前記コントローラ69によって制御される。
成膜方法としては、ある成膜条件(温度、時間等)の下で、成膜に用いる少なくとも2種類の互いに反応する処理ガスを1種類ずつ交互にウェーハ7上に供給し、成膜を行う手法を用いる。以下、処理ガスとしてTEMAZガス及びO3 ガスを用いてウェーハ7上に高誘電率膜(High−k膜)であるZrO2 膜(ジルコニウム酸化膜)を形成する例について、図5、図6を参照して説明する。尚、図5は基板処理工程を説明するフローチャートであり、図6は基板処理工程に於ける成膜工程のシーケンス図である。
(基板搬入工程)
先ず、複数枚のウェーハ7を前記ボート6に装填(ウェーハチャージ)する。そして、複数枚のウェーハ7を保持した前記ボート6を前記ボートエレベータ18によって持上げ、前記処理室5内に搬入(ボートロード)する。この状態で、前記シールキャップ17はOリング(図示せず)を介して前記マニホールド8の下端をシールした状態となる。尚、基板搬入工程に於いては、例えば前記第3、第4開閉バルブ59,61を開放し、前記インナチューブ3内にパージガスとしてN2 ガスを供給し続けることが望ましい。
先ず、複数枚のウェーハ7を前記ボート6に装填(ウェーハチャージ)する。そして、複数枚のウェーハ7を保持した前記ボート6を前記ボートエレベータ18によって持上げ、前記処理室5内に搬入(ボートロード)する。この状態で、前記シールキャップ17はOリング(図示せず)を介して前記マニホールド8の下端をシールした状態となる。尚、基板搬入工程に於いては、例えば前記第3、第4開閉バルブ59,61を開放し、前記インナチューブ3内にパージガスとしてN2 ガスを供給し続けることが望ましい。
(減圧及び昇温工程)
続いて、前記第3、第4開閉バルブ59,61を閉め、前記インナチューブ3内(前記処理室5内)が所望の処理圧力(真空度)となる様に、前記真空ポンプ15により排気し、圧力調整を行う。この時、前記圧力センサ13で測定した圧力に基づき、前記APCバルブ14の開度をフィードバック制御する。又、ウェーハ7の表面が所望の処理温度となる様に、前記ヒータユニット26への通電量を調整し、温度調整を行う。更に、前記回転機構27により、前記ボート6及びウェーハ7を回転させる。ウェーハ7を回転させることにより、ウェーハ7表面へ供給される処理ガスの流量をより均一化させることができる。
続いて、前記第3、第4開閉バルブ59,61を閉め、前記インナチューブ3内(前記処理室5内)が所望の処理圧力(真空度)となる様に、前記真空ポンプ15により排気し、圧力調整を行う。この時、前記圧力センサ13で測定した圧力に基づき、前記APCバルブ14の開度をフィードバック制御する。又、ウェーハ7の表面が所望の処理温度となる様に、前記ヒータユニット26への通電量を調整し、温度調整を行う。更に、前記回転機構27により、前記ボート6及びウェーハ7を回転させる。ウェーハ7を回転させることにより、ウェーハ7表面へ供給される処理ガスの流量をより均一化させることができる。
前記処理室5内の減圧及び昇温工程終了後、該処理室5内の圧力が10〜1000Paの範囲内の値であって、例えば50Paとなり、該処理室5内の温度が180〜250℃の範囲内の値であって、例えば220℃となったところで、以下の4つのSTEPからなる成膜工程が行われる。
(成膜工程)
成膜工程では、STEP:01〜STEP:04を1サイクルとし、このサイクルを所定回数繰返すことにより、ウェーハ7上に所望の厚さのHigh−k膜(ZrO2 膜)を形成する。
成膜工程では、STEP:01〜STEP:04を1サイクルとし、このサイクルを所定回数繰返すことにより、ウェーハ7上に所望の厚さのHigh−k膜(ZrO2 膜)を形成する。
STEP:01(TEMAZガス供給工程) 先ず、前記第1処理ガス供給源46にて液体原料としてのTEMAZを気化させた後、前記第1開閉バルブ48を開放して前記第1処理ガス供給ノズル35を介してTEMAZガスを前記処理室5内に供給する。TEMAZガスは、前記第1処理ガス供給管44に接続されたキャリアガス供給管(図示せず)からのN2 ガス(キャリアガス)により、希釈されながら前記処理室5内に供給される様になっている。
尚、TEMAZガスは、ウェーハ7上に形成される膜厚の面内均一性に大きな影響を及すガスである為、本実施例では、TEMAZガスの供給と並行して、前記第3、第4開閉バルブ59,61を開放し、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38を介して不活性ガスとしてのN2 ガスを前記処理室5内に供給している。
前記第1処理ガス供給ノズル35から前記処理室5内に供給されたTEMAZガスは、前記第1処理ガス噴出口63a,63bからウェーハ7の中心と外周の中間部に向って拡散する水平方向のガス流となる。この時、前記第1処理ガス噴出口63a,63bから供給されるTEMAZガスを挾込む様に、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66からN2 ガスを前記処理室5内に供給することで、TEMAZガスの流路が制限される。従って、拡散されたTEMAZガスがウェーハ7の外周と前記インナチューブ3との間に流出するのを抑制できると共に、ウェーハ7の中心部に供給されるTEMAZガスが前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66からのN2 ガスで希釈され、TEMAZガスのウェーハ7の中心部への集中的な供給を抑制でき、各ウェーハ7の中心と外周に対するTEMAZガスの供給量を均一化することができる。
又、前記第1処理ガス噴出口63a,63bから供給されるTEMAZガスの流れと、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66から供給されるN2 ガスの流れとが交差しているので、TEMAZガスが早期に希釈され、濃度むらがなくなり、ウェーハ7に供給されるTEMAZガスの均一性を増すことができる。
前記第1処理ガス噴出口63a,63bから供給されたTEMAZガス、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66から供給されたN2 ガスは、前記排気孔67、前記排気路12、前記排気口11を通って前記排気管9より排気される。その過程で、積層された各ウェーハ7の表面にTEMAZガスがそれぞれ供給され、各ウェーハ7上にZr含有層が形成される。
TEMAZガス及びN2 ガスの供給を所定時間継続した後、前記第1開閉バルブ48を閉め、前記処理室5内へのTEMAZガスの供給を停止する。
尚、前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66から供給されるN2 ガスの流量は、前記第1処理ガス噴出口63a,63bから供給されるTEMAZガスの流量以上の流量とするのが好ましい。N2 ガスの流量をTEMAZガスの流量以上の流量とすることで、TEMAZガスの希釈が更に促進され、ウェーハ7上に於けるTEMAZガスの供給量を更に均一化させることができる。
尚、STEP:01の実行中は、前記処理室5内の圧力が10〜700Paの範囲内の値であって、例えば140Paとなる様調整する。又、前記第1処理ガス供給ノズル35からのTEMAZガスの供給流量が0.01〜0.35g/minの範囲内の値であって、例えば0.3g/minとなる様調整し、図示しないキャリアガス供給管からのN2 ガス(キャリアガス)の供給流量が5〜25slmの範囲内の値であって、例えば22slmとなる様調整する。又、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38からのN2 ガス(不活性ガス)の供給流量が、それぞれ0.5〜9slmの範囲内の値であって、例えば4slmとなる様に調整する。又、前記処理室5内の温度が180〜250℃の範囲内の値であって、例えば220℃とし、更にTEMAZガスをウェーハ7に晒す時間を30〜180秒の範囲内の値であって、例えば120秒とする。
STEP:02(残留ガス除去工程) 続いて、前記処理室5内に残留したTEMAZガスの排気が行われる。この時、前記排気管9の前記APCバルブ14及び前記第1、第2不活性ガス供給管53,54の前記第3、第4開閉バルブ59,61を開いたままとすることで、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38から供給されるN2 ガスはパージガスとして機能する。該第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38からのN2 ガスにより、前記処理室5内の雰囲気をN2 ガスで置換した後、前記第3、第4開閉バルブ59,61を閉め、更に前記処理室5内を所定の圧力となる迄排気する。
尚、STEP:02の実行中は、該処理室5内の圧力が10〜100Pa、例えば70Pa以下となる様に調整する。尚、このとき、前記処理室5内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、前記処理室5内を完全にパージしなくてもよい。前記処理室5内に残留するガスが微量であれば、その後に行われるステップ:03に於いて悪影響が生じることはない。このとき前記処理室5内に供給するN2 ガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、インナチューブ3(処理室5)の容積と同程度の量を供給することで、ステップ:03に於いて悪影響が生じない程度のパージを行うことができる。この様に、前記処理室5内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。又、N2 ガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。又、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38からのN2 ガスの供給流量が、それぞれ0.5〜5slmの範囲内の値であって、例えば0.5slmとなる様に調整する。又、前記処理室5内の温度が、180〜250℃の範囲内の値であって、例えば220℃となる様に調整し、更にSTEP:02の実行時間を30〜150秒の範囲内の値であって、例えば60秒とする。
STEP:03(O3 供給工程) 前記第2処理ガス供給源49にてO2 ガスからO3 ガスを生成した後、前記第2処理ガス供給管45の前記第2開閉バルブ52を開放して前記第2処理ガス供給ノズル36を介してO3 ガスを前記処理室5内に供給する。O3 ガスは、前記第2処理ガス供給管45に接続されたキャリアガス供給管(図示せず)からのN2 ガス(キャリアガス)により、希釈されながら前記処理室5内に供給される様になっている。
尚、O3 ガスは、ウェーハ7上に形成される膜厚の面内均一性への影響が小さいガスである為、本実施例では、前記第2処理ガス噴出口64はウェーハ7の中心方向に向って穿設された1箇所のみであり、又前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38からのN2 ガス(不活性ガス)の供給を行わない様にしている。但し、STEP:03にて供給される処理ガスがウェーハ7上に形成される膜厚の面内均一性に影響を及すガスである場合には、処理ガスが2方向に拡散する様前記第2処理ガス噴出口64を2箇所に穿設すると共に、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38からN2 ガスを供給する様にしてもよい。
前記第2処理ガス噴出口64から供給されたO3 ガスは、前記排気孔67、前記排気路12、前記排気口11を通って前記排気管9より排気される。その過程で、ウェーハ7上のZr含有層とO3 ガスとが反応し、ウェーハ7上にHigh−k膜(ZrO2 膜)が生成される。
O3 ガスの供給を所定時間継続した後、前記第2開閉バルブ52を閉め、前記処理室5内へのO3 ガスの供給を停止する。
尚、STEP:03の実行中は、該処理室5内の圧力が、10〜300Paの範囲内の値であって、例えば100Paとなる様に調整する。又、前記第2処理ガス供給ノズル36からのO3 ガスの供給流量が、6〜20slmの範囲内の値であって、例えば17slmとなる様に調整する。又、前記第2処理ガス供給管45に接続されたキャリアガス供給管(図示せず)からのN2 ガス(キャリアガス)の供給流量が、0〜2slmの範囲内の値であって、例えば0.5slmとなる様に調整する。又、処理室5内の温度が180〜250℃の範囲内の値となる様に調整し、更にO3 ガスにウェーハ7を晒す時間を10〜300秒の範囲内の値であって、例えば120秒とする。
STEP:04(残留ガス除去工程) 続いて、前記処理室5内に残留したO3 ガス及び反応生成物の排気が行われる。この時、前記排気管9の前記APCバルブ14を開いたままとし、更に前記第1、第2不活性ガス供給管53,54の前記第3、第4開閉バルブ59,61を開放することで、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38から供給されるN2 ガスがパージガスとして機能する。該第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38からのN2 ガスにより、前記処理室5内の雰囲気をN2 ガスで置換した後、前記第3、第4開閉バルブ59,61を閉め、更に前記処理室5内を所定の圧力となる迄排気する。
尚、STEP:04の実行中は、該処理室5内の圧力が10〜100Paの範囲内の値であって、例えば70Pa以下となる様に調整する。又、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38からのN2 ガス(パージガス)の供給流量が、それぞれ5〜25slmの範囲内の値となる様に調整する。尚、このとき、前記処理室5内に残留するガスを完全に排除しなくてもよく、前記処理室5内を完全にパージしなくてもよい。前記処理室5内に残留するガスが微量であれば、その後にステップ:01を行う場合であっても悪影響が生じることはない。このとき前記処理室5内に供給するN2 ガスの流量も大流量とする必要はなく、例えば、インナチューブ3(処理室5)の容積と同程度の量を供給することで、ステップ:01に於いて悪影響が生じない程度のパージを行うことができる。この様に、前記処理室5内を完全にパージしないことで、パージ時間を短縮し、スループットを向上させることができる。又、N2 ガスの消費も必要最小限に抑えることが可能となる。又、前記処理室5内の温度が、180〜250℃の範囲内の値であって、例えば220℃となる様に調整し、更にSTEP:04の実行時間を10〜90秒の範囲内の値であって、例えば60秒とする。
上述したSTEP:01〜STEP:04を1サイクルとし、該サイクルを所定回数繰返すことにより、TEMAZガス及びO3 ガスを互いに混合させることなく前記処理室5内に交互に供給し、ウェーハ7上に所望の膜厚のHigh−k膜(ZrO2 膜)を形成することができる。尚、各工程の処理条件としては、必ずしも上記に限定されるものでないのは言う迄もない。
図7(A)(B)は、ウェーハ7上に形成されたZrO2 膜の膜厚分布を示したグラフである。図7(A)は図2に示される本実施例のTEMAZガスを2方向に拡散させる前記第1処理ガス供給ノズル35を用いると共に、N2 ガスをウェーハ7の中心方向に向けて供給した場合のZrO2 膜の膜厚分布を示し、図7(B)はTEMAZガスをウェーハ7の中心に向って1方向に供給する、従来の処理ガス供給ノズルを用いた場合のZrO2 膜の膜厚分布を示している。尚、図7(A)(B)中、縦軸は膜厚を示し、横軸はウェーハ7の面内位置を示しており、横軸の0位置はウェーハ7の中心を示している。
図7(A)には、上述した成膜工程のSTEP:01に於いて、前記第1、第2不活性ガス供給ノズル37,38から供給されるN2 ガスの供給流量を、4slm、0.5slm、9slmとした場合の3パターンの膜厚分布が示されている。N2 ガスの供給流量を9slmとした場合こそ、従来の膜厚分布よりもウェーハ7上のZrO2 膜の面内均一性が悪化しているが、他の2例、特にN2 ガスの供給流量を4slmとした場合には、ウェーハ7上のZrO2 膜の面内均一性が大幅に向上しているのが分る。
更に、流量を9slmとした場合は、中心部の膜厚が厚く、周辺部の膜厚が薄くなっており、膜厚分布の傾向が4slm、0.5slmの場合に対して逆転している。従って、N2 ガスの流量を調整することで、膜厚分布の傾向を制御することができる。
尚、図4に示される様に2方向に拡散されるTEMAZガスと平行にN2 ガスを供給した場合も、ウェーハ7の外周方向にTEMAZガスが供給されることから、図7(A)の様な膜厚の分布傾向を示すと予測される。
(昇圧工程、基板搬出工程)
ウェーハ7上に所望の膜厚のHigh−k膜(ZrO2 膜)を形成した後、前記APCバルブ14の開度を小さくし、前記第3、第4開閉バルブ59,61を開放して前記プロセスチューブ2内の圧力が大気圧に復帰するまでN2 ガス(パージガス)を供給する。その後、基板搬入工程とは逆の手順により、成膜済みのウェーハ7を前記処理室5内から搬出し(ボートアンロード)、最後に処理済みのウェーハ7が前記ボート6より取出され(ウェーハディスチャージ)、基板処理工程を終了する。
ウェーハ7上に所望の膜厚のHigh−k膜(ZrO2 膜)を形成した後、前記APCバルブ14の開度を小さくし、前記第3、第4開閉バルブ59,61を開放して前記プロセスチューブ2内の圧力が大気圧に復帰するまでN2 ガス(パージガス)を供給する。その後、基板搬入工程とは逆の手順により、成膜済みのウェーハ7を前記処理室5内から搬出し(ボートアンロード)、最後に処理済みのウェーハ7が前記ボート6より取出され(ウェーハディスチャージ)、基板処理工程を終了する。
尚、基板搬出工程に於いては、前記第3、第4開閉バルブ59,61を開放したままとし、前記プロセスチューブ2内にパージガスを供給し続けることが望ましい。
上述の様に、第1の実施例では、前記処理室5内にTEMAZガスを供給する前記第1処理ガス供給ノズル35が、同一面内に穿設された一対の前記第1処理ガス噴出口63a,63bを有し、該第1処理ガス噴出口63a,63bを介して前記ボート6に積層されたウェーハ7と平行な2方向にTEMAZガスを分散させる様になっているので、TEMAZガスがウェーハ7の中心方向に多量に供給され、ウェーハ7の中心部に於いてZrO2 膜が過剰に厚く形成されるのを抑制でき、ZrO2 膜の面内均一性を向上させることができる。
又、TEMAZガスを挾込む様にN2 ガスが前記処理室5内に供給されているので、TEMAZガスの流路が制限され、TEMAZガスがウェーハ7と前記インナチューブ3との間に流出するのを抑制し、成膜効率を高められると共に、TEMAZガスがN2 ガスで希釈されることでTEMAZガスのウェーハ7の中心部への集中的な供給を抑制でき、ZrO2 膜の面内均一性を更に向上させることができる。
尚、第1の実施例では、前記第1処理ガス供給ノズル35に2方向にTEMAZガスを分散させる前記第1処理ガス噴出口63a,63bを穿設しているが、穿設する第1処理ガス噴出口を3つ以上とし、3方向以上にTEMAZガスを分散させてもよい。
又、前記第1、第2の不活性ガス供給ノズル37,38にウェーハ7の中心方向に不活性ガスを供給する前記第1、第2不活性ガス噴出口65,66を穿設しているが、前記第1処理ガス供給ノズル35と同様、不活性ガス噴出口を複数穿設し、不活性ガスを複数方向に分散できる様にしてもよいのは言う迄もない。
次に、図8に於いて、本発明の第2の実施例について説明する。尚、図8中、図2中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する
第2の実施例では、第1の実施例に於ける第2処理ガス供給ノズル36と第2不活性ガス供給ノズル38との間に、例えば処理室5内に第3の処理ガスを供給可能な第3処理ガス供給ノズル71が設けられている。該第3処理ガス供給ノズル71には、第3処理ガス噴出口72が垂直方向に等間隔で複数穿設されており、該第3処理ガス噴出口72からウェーハ7の中心方向に向って処理ガスが噴出される様になっている。
第2の実施例では、前記処理室5内に処理ガスを供給する処理ガス供給ノズルを3本設けているので、3種以上の処理ガスを必要とする成膜処理も行うことができる。
尚、第2の実施例の処理炉1を用い、2種の処理ガスにより成膜処理を行ってもよく、その場合、第2処理ガス供給ノズル36を第3の不活性ガス供給ノズルとして使用することができる。
(付記)
又、本発明は以下の実施の態様を含む。
又、本発明は以下の実施の態様を含む。
(付記1)複数の基板を収容して処理する処理室と、該処理室内に1種以上の処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットであって、前記処理室内に基板の積層方向に延在された1本以上の処理ガス供給ノズルを有する処理ガス供給ユニットと、前記処理室内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ユニットであって、前記処理室内に基板の積層方向に延在されると共に基板の周方向に沿って前記処理ガス供給ノズルを両側から挾む様に設けられ、前記処理室内に不活性ガスを供給する1つ以上の不活性ガス噴出口が開口した複数の不活性ガス供給ノズルを有する不活性ガス供給ユニットとを具備し、前記処理ガス供給ノズルには、基板の表面に対して水平な面内で複数の方向に開口し、前記処理室内に処理ガスを供給する複数の処理ガス噴出口が設けられたことを特徴とする基板処理装置。
(付記2)積層された複数の基板を処理室内に搬入する工程と、処理ガス供給ユニットに備えられ、前記処理室内に基板の積層方向に延在された1本以上の処理ガス供給ノズルに開口された複数の処理ガス噴出口であって、基板の表面に対して水平な面内で複数の方向に開口された複数の処理ガス噴出口から前記処理室内に処理ガスを供給して基板を処理する工程と、処理後の基板を前記処理室から搬出する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記3)積層された複数の基板を処理室内に搬入する工程と、処理ガス供給ユニットに備えられ、前記処理室内に基板の積層方向に延在された1本以上の処理ガス供給ノズルに開口された複数の処理ガス噴出口であって、基板の表面に対して水平な面内で複数の方向に開口された複数の処理ガス噴出口から前記処理室内に処理ガスを供給して基板を処理する工程と、処理後の基板を前記処理室から搬出する工程とを有することを特徴とする基板処理方法。
(付記4)水平姿勢で多段に積層された基板を収納して処理する処理室と、該処理室内に1種以上の処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットと、前記処理室内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ユニットと、前記処理室内を排気する排気ユニットとを具備し、前記処理ガス供給ユニットは基板の積層方向に延在し、前記処理室内で異なる2方向に処理ガスを噴出する1本以上の処理ガス供給ノズルを有し、前記不活性ガス供給ユニットは基板の積層方向に延在し基板の周方向に沿って前記処理ガス供給ノズルを挾む様設けられた複数の不活性ガス供給ノズルを有することを特徴とする基板処理装置。
(付記5)不活性ガスの供給流量を調整する流量制御部を更に具備し、該流量制御部により不活性ガスの供給流量を調整することで、基板上に生成される膜の膜厚を制御する付記1又は付記4の基板処理装置。
1 処理炉
2 プロセスチューブ
3 インナチューブ
4 アウタチューブ
5 処理室
6 ボート
7 ウェーハ
33 予備室
35 第1処理ガス供給ノズル
36 第2処理ガス供給ノズル
37 第1不活性ガス供給ノズル
38 第2不活性ガス供給ノズル
63 第1処理ガス噴出口
64 第2処理ガス噴出口
65 第1不活性ガス噴出口
66 第2不活性ガス噴出口
71 第3処理ガス供給ノズル
72 第3処理ガス噴出口
2 プロセスチューブ
3 インナチューブ
4 アウタチューブ
5 処理室
6 ボート
7 ウェーハ
33 予備室
35 第1処理ガス供給ノズル
36 第2処理ガス供給ノズル
37 第1不活性ガス供給ノズル
38 第2不活性ガス供給ノズル
63 第1処理ガス噴出口
64 第2処理ガス噴出口
65 第1不活性ガス噴出口
66 第2不活性ガス噴出口
71 第3処理ガス供給ノズル
72 第3処理ガス噴出口
Claims (3)
- 複数の基板を収容して処理する処理室と、基板の積層方向に延在され、基板の表面に対して水平な面内で複数の方向に開口され、前記処理室内に処理ガスを供給する複数の処理ガス噴出口が設けられた1つ以上の処理ガス供給部と、前記複数の処理ガス噴出口を基板の周方向に沿って両側から挾む様に設けられ、不活性ガスを供給する1つ以上の不活性ガス噴出口が開口された複数の不活性ガス供給部とを有することを特徴とする基板処理装置。
- 処理室に基板を搬入する基板搬入工程と、前記処理室内に不活性ガス及び1種以上の処理ガスを供給して基板を処理する基板処理工程と、処理後の基板を前記処理室から搬出する基板搬出工程とを有する半導体装置の製造方法であって、前記基板処理工程では、処理ガスを基板の表面に対して水平な複数の方向に供給すると共に、処理ガスの流れを両側から挾む様に不活性ガスを供給することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 処理室に基板を搬入する基板搬入工程と、前記処理室内に不活性ガス及び1種以上の処理ガスを供給して基板を処理する基板処理工程と、処理後の基板を前記処理室から搬出する基板搬出工程とを有する基板処理方法であって、前記基板処理工程では、処理ガスを基板の表面に対して水平な複数の方向に供給すると共に、処理ガスの流れを両側から挾む様に不活性ガスを供給することを特徴とする基板処理方法。
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