JP2012059833A - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 低コストで必要な仕事関数及び耐酸化性を有する金属膜を備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】 表面に金属膜が形成された基板を処理容器内に搬入する工程と、処理容器内に原料ガスと酸化源とを供給し排気することで、基板の表面に形成された金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成する処理を行う工程と、処理済基板を処理容器内から搬出する工程と、を有し、処理を行う工程では、酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、酸化源に含まれる酸素原子を、金属膜の表面に導入することで、金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質する。
【選択図】図1
【解決手段】 表面に金属膜が形成された基板を処理容器内に搬入する工程と、処理容器内に原料ガスと酸化源とを供給し排気することで、基板の表面に形成された金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成する処理を行う工程と、処理済基板を処理容器内から搬出する工程と、を有し、処理を行う工程では、酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、酸化源に含まれる酸素原子を、金属膜の表面に導入することで、金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質する。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置の製造方法及び基板処理装置に関する。
MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)の高集積化及び高性能化を推進するため、ゲート絶縁膜を高誘電率絶縁材(High−k材)で形成するとともに、ゲート電極を金属で形成するHigh−k/Metalゲート構造の採用が検討されている。PMOSトランジスタにおいては、4.8eV〜5.1eV程度以上の高い仕事関数を有する金属でゲート電極を形成することが好ましく、例えばPt(プラチナ)等の貴金属でゲート電極を形成することが検討されている。
また、DRAM(Dynamic Random Access Memory)においては、キャパシタ絶縁膜を、誘電率の大きなHfO2(二酸化ハフニウム)、ZrO2(二酸化ジルコニウム)、TiO2(二酸化チタン)、Ta2O5(五酸化タンタル)、Nb2O5(五酸化ニオブ)等の高誘電率絶縁膜で形成することが検討されている。なお、キャパシタ部におけるリーク電流を低減するには、仕事関数の大きな金属によりキャパシタ電極を形成することが有効である。そのため、バンドギャップの広いHfO2やZrO2でキャパシタ絶縁膜を形成した場合には、例えば4.6eV程度の仕事関数を有するTiN(窒化チタン)等でキャパシタ電極を形成する。また、バンドギャップの狭いTiO2やNb2O5でキャパシタ絶縁膜を形成した場合には、例えば5.1eV程度以上の高い仕事関数を有するPt等の貴金属でキャパシタ電極を形成する。
しかしながら、Pt等の高価な貴金属を用いて金属膜(例えばゲート電極やキャパシタ電極等)を形成すると、半導体装置の製造コストの増大を招いてしまう場合があった。また、Pt等の貴金属を用いて薄膜を形成することは困難であった。なお、仕事関数の大きな他の金属として、Pt等の貴金属に代えてNi(ニッケル)やコバルト(Co)等の金属を用いることも考えられる。しかしながら、これらの金属は比較的酸化され易く、形成した金属膜(ゲート電極やキャパシタ電極)が酸化されることで、EOT(等価酸化膜厚)の増大を招いてしまう場合があった。
そこで本発明は、低コストで必要な仕事関数及び耐酸化性を有する金属膜を備えた半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、表面に金属膜が形成された基板を処理容器内に搬入する工程と、前記処理容器内に原料ガスと酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成する処理を行う工程と、処理済基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、前記処理を行う工程では、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質する半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、基板を収容する処理容器と、前記処理容器内に原料ガスを
供給する原料ガス供給系と、前記処理容器内に酸化源を供給する酸化源供給系と、前記処理容器内を排気する排気系と、表面に金属膜が形成された基板を収容した前記処理容器内に前記原料ガスと前記酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成し、その際、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質するように、前記原料ガス供給系、前記酸化源供給系および前記排気系を制御する制御部と、を有する基板処理装置が提供される。
供給する原料ガス供給系と、前記処理容器内に酸化源を供給する酸化源供給系と、前記処理容器内を排気する排気系と、表面に金属膜が形成された基板を収容した前記処理容器内に前記原料ガスと前記酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成し、その際、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質するように、前記原料ガス供給系、前記酸化源供給系および前記排気系を制御する制御部と、を有する基板処理装置が提供される。
本発明に係る半導体装置の製造方法及び基板処理装置によれば、低コストで必要な仕事関数及び耐酸化性を有する金属膜を備えた半導体装置を提供することが可能となる。
<本発明の一実施形態>
(1)基板処理装置の構成
まず、本実施形態にかかる基板処理装置の構成について、図2,3を参照しながら説明する。図2は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置40のウェハ処理時における断面構成図であり、図3は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置40のウェハ搬送時における断面構成図である。
(1)基板処理装置の構成
まず、本実施形態にかかる基板処理装置の構成について、図2,3を参照しながら説明する。図2は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置40のウェハ処理時における断面構成図であり、図3は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置40のウェハ搬送時における断面構成図である。
(処理室)
図2,3に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置40は処理容器202を備えている。処理容器202は、例えば横断面が円形であり扁平な密閉容器として構成されている。また、処理容器202は、例えばアルミニウム(Al)やステンレス(SUS)などの金属材料により構成されている。処理容器202内には、基板としてのシリコンウェ
ハ等のウェハ200を処理する処理室201が形成されている。
図2,3に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置40は処理容器202を備えている。処理容器202は、例えば横断面が円形であり扁平な密閉容器として構成されている。また、処理容器202は、例えばアルミニウム(Al)やステンレス(SUS)などの金属材料により構成されている。処理容器202内には、基板としてのシリコンウェ
ハ等のウェハ200を処理する処理室201が形成されている。
(支持台)
処理室201内には、ウェハ200を支持する支持台203が設けられている。ウェハ200が直接触れる支持台203の上面には、例えば、石英(SiO2)、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al2O3)、又は窒化アルミニウム(AlN)などから構成された支持板としてのサセプタ217が設けられている。また、支持台203には、ウェハ200を加熱する加熱手段(加熱源)としてのヒータ206が内蔵されている。なお、支持台203の下端部は、処理容器202の底部を貫通している。
処理室201内には、ウェハ200を支持する支持台203が設けられている。ウェハ200が直接触れる支持台203の上面には、例えば、石英(SiO2)、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al2O3)、又は窒化アルミニウム(AlN)などから構成された支持板としてのサセプタ217が設けられている。また、支持台203には、ウェハ200を加熱する加熱手段(加熱源)としてのヒータ206が内蔵されている。なお、支持台203の下端部は、処理容器202の底部を貫通している。
(昇降機構)
処理室201の外部には、支持台203を昇降させる昇降機構207bが設けられている。この昇降機構207bを作動させて支持台203を昇降させることにより、サセプタ217上に支持されるウェハ200を昇降させることが可能となっている。支持台203は、ウェハ200の搬送時には図3で示される位置(ウェハ搬送位置)まで下降し、ウェハ200の処理時には図2で示される位置(ウェハ処理位置)まで上昇する。なお、支持台203下端部の周囲は、ベローズ203aにより覆われており、処理室201内は気密に保持されている。
処理室201の外部には、支持台203を昇降させる昇降機構207bが設けられている。この昇降機構207bを作動させて支持台203を昇降させることにより、サセプタ217上に支持されるウェハ200を昇降させることが可能となっている。支持台203は、ウェハ200の搬送時には図3で示される位置(ウェハ搬送位置)まで下降し、ウェハ200の処理時には図2で示される位置(ウェハ処理位置)まで上昇する。なお、支持台203下端部の周囲は、ベローズ203aにより覆われており、処理室201内は気密に保持されている。
(リフトピン)
また、処理室201の底面(床面)には、例えば3本のリフトピン208bが鉛直方向に立ち上がるように設けられている。また、支持台203(サセプタ217も含む)には、かかるリフトピン208bを貫通させる貫通孔208aが、リフトピン208bに対応する位置にそれぞれ設けられている。そして、支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた時には、図3に示すように、リフトピン208bの上端部がサセプタ217の上面から突出して、リフトピン208bがウェハ200を下方から支持するようになっている。また、支持台203をウェハ処理位置まで上昇させたときには、図2に示すようにリフトピン208bはサセプタ217の上面から埋没して、サセプタ217がウェハ200を下方から支持するようになっている。なお、リフトピン208bは、ウェハ200と直接触れるため、例えば、石英やアルミナなどの材質で形成することが望ましい。
また、処理室201の底面(床面)には、例えば3本のリフトピン208bが鉛直方向に立ち上がるように設けられている。また、支持台203(サセプタ217も含む)には、かかるリフトピン208bを貫通させる貫通孔208aが、リフトピン208bに対応する位置にそれぞれ設けられている。そして、支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた時には、図3に示すように、リフトピン208bの上端部がサセプタ217の上面から突出して、リフトピン208bがウェハ200を下方から支持するようになっている。また、支持台203をウェハ処理位置まで上昇させたときには、図2に示すようにリフトピン208bはサセプタ217の上面から埋没して、サセプタ217がウェハ200を下方から支持するようになっている。なお、リフトピン208bは、ウェハ200と直接触れるため、例えば、石英やアルミナなどの材質で形成することが望ましい。
(ウェハ搬送口)
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、処理室201の内外にウェハ200を搬送するウェハ搬送口250が設けられている。ウェハ搬送口250にはゲートバルブ44が設けられており、ゲートバルブ44を開くことにより、処理室201内と負圧移載室11内とが連通するようになっている。負圧移載室11は搬送容器(密閉容器)12内に形成されており、負圧移載室11内にはウェハ200を搬送する負圧移載機13が設けられている。負圧移載機13には、ウェハ200を搬送する際にウェハ200を支持する搬送アーム13aが備えられている。支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた状態で、ゲートバルブ44を開くことにより、負圧移載機13により処理室201内と負圧移載室11内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。処理室201内に搬送されたウェハ200は、上述したようにリフトピン208b上に一時的に載置される。なお、負圧移載室11のウェハ搬送口250が設けられた側と反対側には、図示しないロードロック室が設けられており、負圧移載機13によりロードロック室内と負圧移載室11内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。なお、ロードロック室は、未処理もしくは処理済のウェハ200を一時的に収容する予備室として機能する。
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、処理室201の内外にウェハ200を搬送するウェハ搬送口250が設けられている。ウェハ搬送口250にはゲートバルブ44が設けられており、ゲートバルブ44を開くことにより、処理室201内と負圧移載室11内とが連通するようになっている。負圧移載室11は搬送容器(密閉容器)12内に形成されており、負圧移載室11内にはウェハ200を搬送する負圧移載機13が設けられている。負圧移載機13には、ウェハ200を搬送する際にウェハ200を支持する搬送アーム13aが備えられている。支持台203をウェハ搬送位置まで下降させた状態で、ゲートバルブ44を開くことにより、負圧移載機13により処理室201内と負圧移載室11内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。処理室201内に搬送されたウェハ200は、上述したようにリフトピン208b上に一時的に載置される。なお、負圧移載室11のウェハ搬送口250が設けられた側と反対側には、図示しないロードロック室が設けられており、負圧移載機13によりロードロック室内と負圧移載室11内との間でウェハ200を搬送することが可能となっている。なお、ロードロック室は、未処理もしくは処理済のウェハ200を一時的に収容する予備室として機能する。
(排気系)
処理室201(処理容器202)の内壁側面であって、ウェハ搬送口250の反対側に
は、処理室201内の雰囲気を排気する排気口260が設けられている。排気口260には排気チャンバ260aを介して排気管261が接続されており、排気管261には、処理室201内を所定の圧力に制御するAPC(Auto Pressure Controller)等の圧力調整器262、原料回収トラップ263、及び真空ポンプ264が順に直列に接続されている。主に、排気口260、排気チャンバ260a、排気管261、圧力調整器262、原料回収トラップ263、真空ポンプ264により排気系(排気ライン)が構成される。
処理室201(処理容器202)の内壁側面であって、ウェハ搬送口250の反対側に
は、処理室201内の雰囲気を排気する排気口260が設けられている。排気口260には排気チャンバ260aを介して排気管261が接続されており、排気管261には、処理室201内を所定の圧力に制御するAPC(Auto Pressure Controller)等の圧力調整器262、原料回収トラップ263、及び真空ポンプ264が順に直列に接続されている。主に、排気口260、排気チャンバ260a、排気管261、圧力調整器262、原料回収トラップ263、真空ポンプ264により排気系(排気ライン)が構成される。
(ガス導入口)
処理室201の上部に設けられる後述のシャワーヘッド240の上面(天井壁)には、処理室201内に各種ガスを供給するガス導入口210が設けられている。なお、ガス導入口210に接続されるガス供給系の構成については後述する。
処理室201の上部に設けられる後述のシャワーヘッド240の上面(天井壁)には、処理室201内に各種ガスを供給するガス導入口210が設けられている。なお、ガス導入口210に接続されるガス供給系の構成については後述する。
(シャワーヘッド)
ガス導入口210と処理室201との間には、ガス分散機構としてのシャワーヘッド240が設けられている。シャワーヘッド240は、ガス導入口210から導入されるガスを分散させる分散板240aと、分散板240aを通過したガスをさらに均一に分散させて支持台203上のウェハ200の表面に供給するシャワー板240bと、を備えている。分散板240aおよびシャワー板240bには、複数の通気孔が設けられている。分散板240aは、シャワーヘッド240の上面及びシャワー板240bと対向するように配置されており、シャワー板240bは、支持台203上のウェハ200と対向するように配置されている。なお、シャワーヘッド240の上面と分散板240aとの間、および分散板240aとシャワー板240bとの間には、それぞれ空間が設けられており、かかる空間は、ガス導入口210から供給されるガスを分散させる第1バッファ空間(分散室)240c、および分散板240aを通過したガスを拡散させる第2バッファ空間240dとしてそれぞれ機能する。
ガス導入口210と処理室201との間には、ガス分散機構としてのシャワーヘッド240が設けられている。シャワーヘッド240は、ガス導入口210から導入されるガスを分散させる分散板240aと、分散板240aを通過したガスをさらに均一に分散させて支持台203上のウェハ200の表面に供給するシャワー板240bと、を備えている。分散板240aおよびシャワー板240bには、複数の通気孔が設けられている。分散板240aは、シャワーヘッド240の上面及びシャワー板240bと対向するように配置されており、シャワー板240bは、支持台203上のウェハ200と対向するように配置されている。なお、シャワーヘッド240の上面と分散板240aとの間、および分散板240aとシャワー板240bとの間には、それぞれ空間が設けられており、かかる空間は、ガス導入口210から供給されるガスを分散させる第1バッファ空間(分散室)240c、および分散板240aを通過したガスを拡散させる第2バッファ空間240dとしてそれぞれ機能する。
(排気ダクト)
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、段差部201aが設けられている。そして、この段差部201aは、コンダクタンスプレート204をウェハ処理位置近傍に保持するように構成されている。コンダクタンスプレート204は、内周部にウェハ200を収容する穴が設けられた1枚のドーナツ状(リング状)をした円板として構成されている。コンダクタンスプレート204の外周部には、所定間隔を空けて周方向に配列された複数の排出口204aが設けられている。排出口204aは、コンダクタンスプレート204の外周部がコンダクタンスプレート204の内周部を支えることができるよう、不連続に形成されている。
処理室201(処理容器202)の内壁側面には、段差部201aが設けられている。そして、この段差部201aは、コンダクタンスプレート204をウェハ処理位置近傍に保持するように構成されている。コンダクタンスプレート204は、内周部にウェハ200を収容する穴が設けられた1枚のドーナツ状(リング状)をした円板として構成されている。コンダクタンスプレート204の外周部には、所定間隔を空けて周方向に配列された複数の排出口204aが設けられている。排出口204aは、コンダクタンスプレート204の外周部がコンダクタンスプレート204の内周部を支えることができるよう、不連続に形成されている。
一方、支持台203の外周部には、ロワープレート205が係止している。ロワープレート205は、リング状の凹部205bと、凹部205bの内側上部に一体的に設けられたフランジ部205aとを備えている。凹部205bは、支持台203の外周部と、処理室201の内壁側面との隙間を塞ぐように設けられている。凹部205bの底部のうち排気口260付近の一部には、凹部205b内から排気口260側へガスを排出(流通)させるプレート排気口205cが設けられている。フランジ部205aは、支持台203の上部外周縁上に係止する係止部として機能する。フランジ部205aが支持台203の上部外周縁上に係止することにより、ロワープレート205が、支持台203の昇降に伴い、支持台203と共に昇降されるようになっている。
支持台203がウェハ処理位置まで上昇したとき、ロワープレート205もウェハ処理位置まで上昇する。その結果、ウェハ処理位置近傍に保持されているコンダクタンスプレート204が、ロワープレート205の凹部205bの上面部分を塞ぎ、凹部205bの
内部をガス流路領域とする排気ダクト259が形成されることとなる。なお、このとき、排気ダクト259(コンダクタンスプレート204及びロワープレート205)及び支持台203によって、処理室201内が、排気ダクト259よりも上方の処理室上部と、排気ダクト259よりも下方の処理室下部と、に仕切られることとなる。なお、コンダクタンスプレート204およびロワープレート205は、排気ダクト259の内壁に堆積する反応生成物をエッチングする場合(セルフクリーニングする場合)を考慮して、高温保持が可能な材料、例えば、耐高温高負荷用石英で構成することが好ましい。
内部をガス流路領域とする排気ダクト259が形成されることとなる。なお、このとき、排気ダクト259(コンダクタンスプレート204及びロワープレート205)及び支持台203によって、処理室201内が、排気ダクト259よりも上方の処理室上部と、排気ダクト259よりも下方の処理室下部と、に仕切られることとなる。なお、コンダクタンスプレート204およびロワープレート205は、排気ダクト259の内壁に堆積する反応生成物をエッチングする場合(セルフクリーニングする場合)を考慮して、高温保持が可能な材料、例えば、耐高温高負荷用石英で構成することが好ましい。
ここで、ウェハ処理時における処理室201内のガスの流れについて説明する。まず、ガス導入口210からシャワーヘッド240の上部へと供給されたガスは、第1バッファ空間(分散室)240cを経て分散板240aの多数の孔から第2バッファ空間240dへと入り、さらにシャワー板240bの多数の孔を通過して処理室201内に供給され、ウェハ200上に均一に供給される。そして、ウェハ200上に供給されたガスは、ウェハ200の径方向外側に向かって放射状に流れる。そして、ウェハ200に接触した後の余剰なガスは、ウェハ200外周部に位置する排気ダクト259上、すなわち、コンダクタンスプレート204上を、ウェハ200の径方向外側に向かって放射状に流れ、コンダクタンスプレート204に設けられた排出口204aから、排気ダクト259内のガス流路領域内(凹部205b内)へと排出される。その後、ガスは排気ダクト259内を流れ、プレート排気口205cを経由して排気口260へと排気される。このようにガスを流すことで、処理室201下部、すなわち、支持台203の裏面や処理室201の底面側へのガスの回り込みが抑制される。
続いて、上述したガス導入口210に接続されるガス供給系の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施形態にかかる基板処理装置40の有するガス供給系(ガス供給ライン)の構成図である。
(原料供給系)
処理室201の外部には、液体原料としてのHf(ハフニウム)を含む有機金属液体原料(以下、Hf原料ともいう)を供給する液体原料供給源220hが設けられている。液体原料供給源220hは、内部に液体原料を収容(充填)可能なタンク(密閉容器)として構成されている。
処理室201の外部には、液体原料としてのHf(ハフニウム)を含む有機金属液体原料(以下、Hf原料ともいう)を供給する液体原料供給源220hが設けられている。液体原料供給源220hは、内部に液体原料を収容(充填)可能なタンク(密閉容器)として構成されている。
ここで、液体原料供給源220hには、圧送ガス供給管237hが接続されている。圧送ガス供給管237hの上流側端部には、図示しない圧送ガス供給源が接続されている。また、圧送ガス供給管237hの下流側端部は、液体原料供給源220h内の上部に存在する空間に連通しており、この空間内に圧送ガスを供給するようになっている。なお、圧送ガスとしては、液体原料とは反応しないガスを用いることが好ましく、例えばN2ガス等の不活性ガスが好適に用いられる。
また、液体原料供給源220hには、液体原料供給管211hが接続されている。ここで、液体原料供給管211hの上流側端部は、液体原料供給源220h内に収容した液体原料内に浸されている。また、液体原料供給管211hの下流側端部は、液体原料を気化させる気化部としての気化器229hに接続されている。なお、液体原料供給管211hには、液体原料の供給流量を制御する流量制御器としての液体流量コントローラ(LMFC)221hと、液体原料の供給を制御するバルブvh1と、が設けられている。なお、バルブvh1は気化器229hの内部に設けられている。
上記構成において、バルブvh1を開くとともに、圧送ガス供給管237hから圧送ガスを供給することにより、液体原料供給源220hから気化器229hへ液体原料を圧送(供給)することが可能となる。主に、液体原料供給源220h、圧送ガス供給管237
h、液体原料供給管211h、液体流量コントローラ221h、バルブvh1により液体原料供給系(液体原料供給ライン)が構成される。
h、液体原料供給管211h、液体流量コントローラ221h、バルブvh1により液体原料供給系(液体原料供給ライン)が構成される。
気化器229hは、液体原料をヒータ23hで加熱して気化させて原料ガスを発生させる気化室20hと、この気化室20h内へ液体原料を吐出する流路である液体原料流路21hと、液体原料の気化室20h内への供給を制御する上述のバルブvh1と、気化室20h内にて発生させた原料ガスを後述する原料ガス供給管213hへ供給するアウトレット22hと、を有している。上述の液体原料供給管211hの下流側端部は、バルブvh1を介して液体原料流路21hの上流側端部に接続されている。液体原料流路21hには、キャリアガス供給管24hの下流側端部が接続されており、キャリアガス供給管24hからのキャリアガスが、液体原料流路21hを介して気化室20h内に供給されるように構成されている。キャリアガス供給管24hの上流側端部には、キャリアガスとしてのN2ガスを供給するN2ガス供給源230cが接続されている。キャリアガス供給管24hには、N2ガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ(MFC)225hと、N2ガスの供給を制御するバルブvh2と、が設けられている。
上記の気化器229hのアウトレット22hには、処理室201内に原料ガスを供給する原料ガス供給管213hの上流側端部が接続されている。原料ガス供給管213hの下流側端部は合流配管213を介して、ガス導入口210に接続されている。なお、原料ガス供給管213hには、処理室201内への原料ガスの供給を制御するバルブvh3が設けられている。
上記構成において、気化器229hにて液体原料を気化させて原料ガスを発生させるとともに、バルブvh3を開くことにより、原料ガス供給管213hから合流配管213を介して処理室201内へ原料ガスを供給することが可能となる。主に、原料ガス供給管213h、バルブvh3により、原料ガス供給系(原料ガス供給ライン)が構成される。また、液体原料供給系、気化部、原料ガス供給系により原料供給系(Hf原料供給系)が構成される。
(第1酸化源供給系)
処理室201の外部には、第1酸化源(酸化剤)としてのH2Oガスを供給するH2Oガス供給源230sが設けられている。H2Oガス供給源230sには、H2Oガス供給管213sの上流側端部が接続されている。H2Oガス供給管213sの下流側端部は、合流配管213に接続されている。すなわち、H2Oガス供給管213sは、H2Oガスを処理室201内に供給するように構成されている。なおH2Oガス供給管213sには、H2Oガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ221sと、処理室201内へのH2Oガスの供給を制御するバルブvs3が設けられている。主に、H2Oガス供給源230s、H2Oガス供給管213s、流量コントローラ221s、バルブvs3により第1酸化源供給系(H2O供給系)が構成される。
処理室201の外部には、第1酸化源(酸化剤)としてのH2Oガスを供給するH2Oガス供給源230sが設けられている。H2Oガス供給源230sには、H2Oガス供給管213sの上流側端部が接続されている。H2Oガス供給管213sの下流側端部は、合流配管213に接続されている。すなわち、H2Oガス供給管213sは、H2Oガスを処理室201内に供給するように構成されている。なおH2Oガス供給管213sには、H2Oガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ221sと、処理室201内へのH2Oガスの供給を制御するバルブvs3が設けられている。主に、H2Oガス供給源230s、H2Oガス供給管213s、流量コントローラ221s、バルブvs3により第1酸化源供給系(H2O供給系)が構成される。
(第2酸化源供給系)
また、処理室201の外部には、第2酸化源(酸化剤)としてのオゾンガス(O3)のもととなる酸素ガス(O2)を供給するO2ガス供給源230oが設けられている。O2ガス供給源230oには、O2ガス供給管211oの上流側端部が接続されている。O2ガス供給管211oの下流側端部には、プラズマによりO2ガスから第2酸化源としてのO3ガスを生成させるオゾナイザ229oが接続されている。なお、O2ガス供給管211oには、O2ガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ221oが設けられている。
また、処理室201の外部には、第2酸化源(酸化剤)としてのオゾンガス(O3)のもととなる酸素ガス(O2)を供給するO2ガス供給源230oが設けられている。O2ガス供給源230oには、O2ガス供給管211oの上流側端部が接続されている。O2ガス供給管211oの下流側端部には、プラズマによりO2ガスから第2酸化源としてのO3ガスを生成させるオゾナイザ229oが接続されている。なお、O2ガス供給管211oには、O2ガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ221oが設けられている。
オゾナイザ229oのアウトレット22oには、O3ガス供給管213oの上流側端部
が接続されている。また、O3ガス供給管213oの下流側端部は、合流配管213に接続されている。すなわち、O3ガス供給管213oは、O3ガスを処理室201内に供給するように構成されている。なおO3ガス供給管213oには、処理室201内へのO3ガスの供給を制御するバルブvo3が設けられている。
が接続されている。また、O3ガス供給管213oの下流側端部は、合流配管213に接続されている。すなわち、O3ガス供給管213oは、O3ガスを処理室201内に供給するように構成されている。なおO3ガス供給管213oには、処理室201内へのO3ガスの供給を制御するバルブvo3が設けられている。
なお、O2ガス供給管211oの流量コントローラ221oよりも上流側には、O2ガス供給管212oの上流側端部が接続されている。また、O2ガス供給管212oの下流側端部は、O3ガス供給管213oのバルブvo3よりも上流側に接続されている。なお、O2ガス供給管212oには、O2ガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ222oが設けられている。
上記構成において、オゾナイザ229oにO2ガスを供給してO3ガスを発生させるとともに、バルブvo3を開くことにより、処理室201内へO3ガスを供給することが可能となる。なお、処理室201内へのO3ガスの供給中に、O2ガス供給管212oからO2ガスを供給するようにすれば、処理室201内へ供給するO3ガスをO2ガスにより希釈して、O3ガス濃度を調整することが可能となる。主に、O2ガス供給源230o、O2ガス供給管211o、オゾナイザ229o、流量コントローラ221o、O3ガス供給管213o、バルブvo3、O2ガス供給管212o、流量コントローラ222oにより第2酸化源供給系(O3供給系)が構成される。
(パージガス供給系)
また、処理室201の外部には、パージガスとしてのN2ガスを供給するN2ガス供給源230pが設けられている。N2ガス供給源230pには、パージガス供給管214の上流側端部が接続されている。パージガス供給管214の下流側端部は、3本のライン、すなわち、パージガス供給管214h,214s,214oに分岐している。パージガス供給管214h,214s,214oの下流側端部は、原料ガス供給管213h、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213oのバルブvh3,vs3,vo3の下流側にそれぞれ接続されている。なお、パージガス供給管214h,214s,214oには、N2ガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ224h,224s,224oと、N2ガスの供給を制御するバルブvh4,vs4,vo4とが、それぞれ設けられている。主に、N2ガス供給源230p、パージガス供給管214,214h,214s,214o、流量コントローラ224h,224s,224o、バルブvh4,vs4,vo4によりパージガス供給系(パージガス供給ライン)が構成される。
また、処理室201の外部には、パージガスとしてのN2ガスを供給するN2ガス供給源230pが設けられている。N2ガス供給源230pには、パージガス供給管214の上流側端部が接続されている。パージガス供給管214の下流側端部は、3本のライン、すなわち、パージガス供給管214h,214s,214oに分岐している。パージガス供給管214h,214s,214oの下流側端部は、原料ガス供給管213h、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213oのバルブvh3,vs3,vo3の下流側にそれぞれ接続されている。なお、パージガス供給管214h,214s,214oには、N2ガスの供給流量を制御する流量制御器としての流量コントローラ224h,224s,224oと、N2ガスの供給を制御するバルブvh4,vs4,vo4とが、それぞれ設けられている。主に、N2ガス供給源230p、パージガス供給管214,214h,214s,214o、流量コントローラ224h,224s,224o、バルブvh4,vs4,vo4によりパージガス供給系(パージガス供給ライン)が構成される。
(ベント系)
また、原料ガス供給管213h、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213oのバルブvh3,vs3,vo3の上流側には、ベント管215h,215s,215oの上流側端部がそれぞれ接続されている。また、ベント管215h,215s,215oの下流側端部は合流するように一本化してベント管215となり、ベント管215は排気管261の原料回収トラップ263よりも上流側に接続されている。ベント管215h,215s,215oには、ガスの供給を制御するバルブvh5,vs5,vo5がそれぞれ設けられている。
また、原料ガス供給管213h、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213oのバルブvh3,vs3,vo3の上流側には、ベント管215h,215s,215oの上流側端部がそれぞれ接続されている。また、ベント管215h,215s,215oの下流側端部は合流するように一本化してベント管215となり、ベント管215は排気管261の原料回収トラップ263よりも上流側に接続されている。ベント管215h,215s,215oには、ガスの供給を制御するバルブvh5,vs5,vo5がそれぞれ設けられている。
上記構成において、バルブvh3,vs3,vo3を閉じ、バルブvh5,vs5,vo5を開くことで、原料ガス供給管213h、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213o内を流れるガスを、処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスさせ、処理室201外へとそれぞれ排気することが可能となる。
また、パージガス供給管214h,214s,214oのバルブvh4,vs4,vo4よりも上流側であって流量コントローラ224h,224s,224oよりも下流側に
は、ベント管216h,216s,216oがそれぞれ接続されている。また、ベント管216h,216s,216oの下流側端部は合流するように一本化してベント管216となり、ベント管216は排気管261の原料回収トラップ263よりも下流側であって真空ポンプ264よりも上流側に接続されている。ベント管216h,216s,216oには、ガスの供給を制御するバルブvh6,vs6,vo6がそれぞれ設けられている。
は、ベント管216h,216s,216oがそれぞれ接続されている。また、ベント管216h,216s,216oの下流側端部は合流するように一本化してベント管216となり、ベント管216は排気管261の原料回収トラップ263よりも下流側であって真空ポンプ264よりも上流側に接続されている。ベント管216h,216s,216oには、ガスの供給を制御するバルブvh6,vs6,vo6がそれぞれ設けられている。
上記構成において、バルブvh4,vs4,vo4を閉じ、バルブvh6,vs6,vo6を開くことで、パージガス供給管214h,214s,214o内を流れるN2ガスを、処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスさせ、処理室201外へとそれぞれ排気することが可能となる。なお、バルブvh3,vs3,vo3を閉じ、バルブvh5,vs5,vo5を開くことで、原料ガス供給管213h、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213o内を流れるガスを、処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスさせ、処理室201外へとそれぞれ排気する場合には、バルブvh4,vs4,vo4を開くことにより、原料ガス供給管213h、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213o内にN2ガスを導入して、各ガス供給管内をパージするように設定されている。また、バルブvh6,vs6,vo6は、バルブvh4,vs4,vo4と逆動作を行うように設定されており、N2ガスを各原料ガス供給管内に供給しない場合には、処理室201をバイパスしてN2ガスを排気するようになっている。主に、ベント管215h,215s,215o,215,ベント管216h,216s,216o,216、バルブvh5,vs5,vo5、バルブvh6,vs6,vo6によりベント系(ベントライン)が構成される。
(コントローラ)
なお、基板処理装置40は、基板処理装置40の各部の動作を制御するコントローラ280を有している。コントローラ280は、ゲートバルブ44、昇降機構207b、負圧移載機13、ヒータ206、圧力調整器262、気化器229h、オゾナイザ229o、真空ポンプ264、バルブvh1〜vh6,vs3〜vs6,vo3〜vo6、液体流量コントローラ221h、流量コントローラ225h,221s,221o,222o,224h,224s,224o等の動作を制御する。
なお、基板処理装置40は、基板処理装置40の各部の動作を制御するコントローラ280を有している。コントローラ280は、ゲートバルブ44、昇降機構207b、負圧移載機13、ヒータ206、圧力調整器262、気化器229h、オゾナイザ229o、真空ポンプ264、バルブvh1〜vh6,vs3〜vs6,vo3〜vo6、液体流量コントローラ221h、流量コントローラ225h,221s,221o,222o,224h,224s,224o等の動作を制御する。
(2)基板処理工程
次に、半導体装置の製造工程の一工程としてウェハ200上にキャパシタ構造(MIM:Metal Insulator Metal構造)を形成する基板処理工程について説明する。図6は、本実施形態に係るキャパシタ構造の形成工程のフロー図である。
次に、半導体装置の製造工程の一工程としてウェハ200上にキャパシタ構造(MIM:Metal Insulator Metal構造)を形成する基板処理工程について説明する。図6は、本実施形態に係るキャパシタ構造の形成工程のフロー図である。
なお、本明細書では、金属膜という用語は、金属原子を含む導電性の物質で構成される膜を意味しており、これには、金属単体で構成される導電性の金属単体膜の他、導電性の金属窒化膜、導電性の金属酸化膜、導電性の金属酸窒化膜、導電性の金属複合膜、導電性の金属合金膜、導電性の金属シリサイド膜等も含まれる。なお、タングステン(W)膜は金属単体で構成される導電性の金属単体膜であり、窒化タングステン(WN)膜は導電性の金属窒化膜であり、酸化タングステン(WO)膜は導電性の金属酸化膜であり、酸窒化タングステン(WON)膜は導電性の金属酸窒化膜である。なお、WON膜はWO膜よりも抵抗率が低く、高速に電子を流すことが可能である。
図6に示すように、まず、基板としてのウェハ200上に下部電極、すなわち、窒化チタン(TiN)膜と、W膜またはWN膜と、が順に積層されてなる導電性の金属膜を形成する(Bottom Electrode formation−1,2)。係る処理は、上述の基板処理装置40とは異なる図示しない成膜装置を用いて行う。
そして、ウェハ200上に形成した下部電極上に、高誘電率絶縁膜、すなわち金属酸化膜としての酸化ハフニウム膜(HfO2膜)を形成すると共に、その過程において、その下地となる導電性の金属膜としてのW膜またはWN膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層としてのWO層またはWON層に改質する。係る処理は、原料としてHfプリカーサであるTDMAHf(Tetrakis−Dimethyl−Amino−Hafnium
: Hf[N(CH3)2]4)を、酸化源として第1酸化源であるH2Oガスを用い、ALD法により第1のHfO2膜を形成する工程(HfO2 deposition−1)と、酸化源として第2酸化源であるO3ガスを用い、第1のHfO2膜越しにW膜またはWN膜の表面を酸化させる工程(O3 purge)と、原料としてHfプリカーサであるTDMAHfを、酸化源として第1酸化源であるH2Oガスを用い、ALD法により第1のHfO2膜上に第2のHfO2膜を形成する工程(HfO2 deposition−2)と、を順に実施することで形成する。これらの処理については後述する。
: Hf[N(CH3)2]4)を、酸化源として第1酸化源であるH2Oガスを用い、ALD法により第1のHfO2膜を形成する工程(HfO2 deposition−1)と、酸化源として第2酸化源であるO3ガスを用い、第1のHfO2膜越しにW膜またはWN膜の表面を酸化させる工程(O3 purge)と、原料としてHfプリカーサであるTDMAHfを、酸化源として第1酸化源であるH2Oガスを用い、ALD法により第1のHfO2膜上に第2のHfO2膜を形成する工程(HfO2 deposition−2)と、を順に実施することで形成する。これらの処理については後述する。
そして、例えば700℃程度の温度でウェハ200を熱処理した後(Post Deposition Annealing)、熱処理後のHfO2膜上に、上部電極としてのW膜またはWO膜またはWN膜と、キャップ金属膜としてのTiN膜と、を順に積層する(Top Electrode formation、Cap metal formation)。これらの処理は、上述の基板処理装置40とは異なる図示しないアニール装置、成膜装置等を用いて行う。
以下、上述したHfO2膜の形成およびW膜またはWN膜表面の酸化処理(HfO2 deposition−1、O3 purge、HfO2 deposition−2)について、図4を用いて詳しく説明する。図4は、本実施形態にかかるHfO2膜の形成およびW膜またはWN膜表面の酸化処理のフロー図である。以下の説明において、基板処理装置40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。
〔ウェハロード工程(S1)〕
まず、昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図3に示すウェハ搬送位置まで下降させる。そして、上述のようにゲートバルブ44を開き、処理室201と負圧移載室11とを連通させる。そして、上述のように負圧移載機13により負圧移載室11内から処理室201内へウェハ200を搬送アーム13aで支持した状態でロードする(S1)。上述したように、ウェハ200上には、TiN膜とW膜またはWN膜とが順に積層されてなる下部電極が予め形成されている。処理室201内に搬入したウェハ200は、支持台203の上面から突出しているリフトピン208b上に一時的に載置される。負圧移載機13の搬送アーム13aが処理室201内から負圧移載室11内へ戻ると、ゲートバルブ44が閉じられる。
まず、昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図3に示すウェハ搬送位置まで下降させる。そして、上述のようにゲートバルブ44を開き、処理室201と負圧移載室11とを連通させる。そして、上述のように負圧移載機13により負圧移載室11内から処理室201内へウェハ200を搬送アーム13aで支持した状態でロードする(S1)。上述したように、ウェハ200上には、TiN膜とW膜またはWN膜とが順に積層されてなる下部電極が予め形成されている。処理室201内に搬入したウェハ200は、支持台203の上面から突出しているリフトピン208b上に一時的に載置される。負圧移載機13の搬送アーム13aが処理室201内から負圧移載室11内へ戻ると、ゲートバルブ44が閉じられる。
続いて、昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図2に示すウェハ処理位置まで上昇させる。その結果、リフトピン208bは支持台203の上面から埋没し、ウェハ200は、支持台203上面のサセプタ217上に載置される。
〔プレヒート工程(S2)〕
続いて、圧力調整器262により、処理室201内の圧力が所定の処理圧力となるように制御する。また、ヒータ206に供給する電力を調整し、ウェハ温度を昇温させ、ウェハ200の表面温度が所定の処理温度となるように制御する(S2)。
続いて、圧力調整器262により、処理室201内の圧力が所定の処理圧力となるように制御する。また、ヒータ206に供給する電力を調整し、ウェハ温度を昇温させ、ウェハ200の表面温度が所定の処理温度となるように制御する(S2)。
なお、ウェハロード工程(S1)、プレヒート工程(S2)および後述するウェハアンロード工程(S7)においては、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブvh3,vs3,vo3を閉じ、バルブvh4,vs4,vo4を開くことで、処理室201内にN2ガスを常に流し、処理室201内をN2雰囲気としておく。これにより、ウェハ200上
へのパーティクルの付着を抑制することが可能となる。なお、真空ポンプ264は、少なくともウェハロード工程(S1)から後述のウェハアンロード工程(S7)までの間は、常に作動させた状態とする。
へのパーティクルの付着を抑制することが可能となる。なお、真空ポンプ264は、少なくともウェハロード工程(S1)から後述のウェハアンロード工程(S7)までの間は、常に作動させた状態とする。
工程S1〜S2と並行して、液体原料(Hf原料)であるTDMAHfを気化させた原料ガス(Hf原料ガス)、すなわちTDMAHfガスを生成(予備気化)させておく。すなわち、バルブvh3を閉じたまま、バルブvh2を開き、気化器229hへキャリアガスを供給しつつ、バルブvh1を開くとともに、圧送ガス供給管237hから圧送ガスを供給して、液体原料供給源220hから気化器229hへ液体原料を圧送(供給)し、気化器229hにて液体原料を気化させて原料ガスを生成させておく。この予備気化工程では、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブvh3を閉じたまま、バルブvh5を開くことにより、原料ガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスして排気しておく。
また、このとき、第1酸化源(第1酸化性ガス)としてのH2Oガスも生成させた状態としておく。すなわち、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブvs3を閉じたまま、バルブvs5を開くことにより、H2Oガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスして排気しておく。
さらに、このとき、第2酸化源(第2酸化性ガス)としてのO3ガスも生成させておくことが好ましい。すなわち、O2ガス供給源230oからオゾナイザ229oへO2ガスを供給して、オゾナイザ229oにてO3ガスを生成させておく。この際、真空ポンプ264を作動させつつ、バルブvo3を閉じたまま、バルブvo5を開くことにより、O3ガスを処理室201内に供給することなく処理室201をバイパスして排気しておく。
気化器229hにて原料ガスを安定した状態で生成させたり、H2Oガス供給源230sにてH2Oガスを安定した状態で生成させたり、あるいはオゾナイザ229oにてO3ガスを安定した状態で生成させたりするには所定の時間を要する。すなわち、原料ガスやH2OガスやO3ガスの生成初期は、これらが不安定な状態で供給される。このため、本実施形態では、原料ガス、H2Oガス、O3ガスを予め生成させておくことで安定供給可能な状態としておき、バルブvh3,vh5,vs3,vs5,vo3,vo5の開閉を切り替えることにより、原料ガス、H2Oガス、O3ガスの流路を切り替える。その結果、バルブの切り替えにより、処理室201内への原料ガス、H2Oガス、O3ガスの安定した供給を迅速に開始あるいは停止できるようになり、好ましい。
〔第1のHfO2膜形成工程(S3)〕
〔TDMAHf照射工程(S3a)〕
続いて、バルブvh4,vh5を閉じ、バルブvh3を開いて、処理室201内への原料ガスとしてのTDMAHfガスの供給、すなわち、ウェハ200へのTDMAHfガスの照射を開始する。原料ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰な原料ガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内への原料ガスの供給時には、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213o内への原料ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内における原料ガスの拡散を促すように、バルブvs4,vo4は開いたままとし、処理室201内にN2ガスを常に流しておくことが好ましい。バルブvh3を開き、原料ガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvh3を閉じ、バルブvh4,vh5を開いて、処理室201内への原料ガスの供給を停止する。
〔TDMAHf照射工程(S3a)〕
続いて、バルブvh4,vh5を閉じ、バルブvh3を開いて、処理室201内への原料ガスとしてのTDMAHfガスの供給、すなわち、ウェハ200へのTDMAHfガスの照射を開始する。原料ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰な原料ガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内への原料ガスの供給時には、H2Oガス供給管213s、O3ガス供給管213o内への原料ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内における原料ガスの拡散を促すように、バルブvs4,vo4は開いたままとし、処理室201内にN2ガスを常に流しておくことが好ましい。バルブvh3を開き、原料ガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvh3を閉じ、バルブvh4,vh5を開いて、処理室201内への原料ガスの供給を停止する。
〔パージ工程(S3b)〕
バルブvh3を閉じ、処理室201内への原料ガスの供給を停止した後は、バルブvh
4,vs4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのN2ガスの供給を継続して行う。N2ガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留している原料ガスを除去する。
バルブvh3を閉じ、処理室201内への原料ガスの供給を停止した後は、バルブvh
4,vs4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのN2ガスの供給を継続して行う。N2ガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留している原料ガスを除去する。
〔H2O照射工程(S3c)〕
処理室201内のパージが完了したら、バルブvs4,vs5を閉じ、バルブvs3を開いて、処理室201内への第1酸化源としてのH2Oガスの供給、すなわち、ウェハ200へのH2Oガスの照射を開始する。H2Oガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰なH2Oガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのH2Oガスの供給時には、原料ガス供給管213h、O3ガス供給管213o内へのH2Oガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるH2Oガスの拡散を促すように、バルブvh4,vo4は開いたままとし、処理室201内にN2ガスを常に流しておくことが好ましい。バルブvs3を開き、H2Oガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvs3を閉じ、バルブvs4,vs5を開いて、処理室201内へのH2Oガスの供給を停止する。
処理室201内のパージが完了したら、バルブvs4,vs5を閉じ、バルブvs3を開いて、処理室201内への第1酸化源としてのH2Oガスの供給、すなわち、ウェハ200へのH2Oガスの照射を開始する。H2Oガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰なH2Oガスは、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのH2Oガスの供給時には、原料ガス供給管213h、O3ガス供給管213o内へのH2Oガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるH2Oガスの拡散を促すように、バルブvh4,vo4は開いたままとし、処理室201内にN2ガスを常に流しておくことが好ましい。バルブvs3を開き、H2Oガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvs3を閉じ、バルブvs4,vs5を開いて、処理室201内へのH2Oガスの供給を停止する。
〔パージ工程(S3d)〕
バルブvs3を閉じ、処理室201内へのH2Oガスの供給を停止した後は、バルブvh4,vs4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのN2ガスの供給を継続して行う。N2ガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留しているH2Oガスや反応副生成物を除去する。
バルブvs3を閉じ、処理室201内へのH2Oガスの供給を停止した後は、バルブvh4,vs4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのN2ガスの供給を継続して行う。N2ガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留しているH2Oガスや反応副生成物を除去する。
〔繰り返し工程(S3e)〕
そして、工程S3a〜S3dまでを1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すことにより、下部電極の表面を構成するW膜またはWN膜上に、所定膜厚の第1の高誘電率絶縁膜としての第1のHfO2膜が初期層として形成される。
そして、工程S3a〜S3dまでを1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すことにより、下部電極の表面を構成するW膜またはWN膜上に、所定膜厚の第1の高誘電率絶縁膜としての第1のHfO2膜が初期層として形成される。
なお、第1のHfO2膜形成工程(S3)で第1酸化源として用いるH2Oガスは、ALD法による成膜の温度帯ではO3ガスに比べエネルギーが小さく、酸化力が弱い。そのため、ALD法による成膜の温度条件では、第1酸化源としてO3ガスを用いる場合に比べて下部電極の酸化を抑制することができる。その結果、下部電極の電気特性の劣化を抑制し、例えばキャパシタ容量の減少等を回避できる。
ここで、第1のHfO2膜形成工程(S3)で形成する第1のHfO2膜が薄すぎると、後述するW膜またはWN膜表面の改質工程(S4)において、第2酸化源として用いるO3ガスにより下部電極が直接酸化されてしまい、下部電極が過剰に酸化されてしまう。従って、第1のHfO2膜形成工程(S3)では、上述のサイクルの繰り返し回数を例えば5回以上とし、形成する第1のHfO2膜の膜厚を例えば0.5nm以上とすることが好ましい。
また、第1のHfO2膜形成工程(S3)で形成する第1のHfO2膜が厚すぎると、後述するW膜またはWN膜表面の改質工程(S4)において、第2酸化源として用いるO3ガスに含まれる酸素(O)原子が、第1のHfO2膜中を拡散・透過し難くなり、下部電極の表面を構成するW膜またはWN膜の表面に導入され難くなる。従って、第1のHfO2膜形成工程(S3)では、上述のサイクルの繰り返し回数を例えば50回以下とし、形成する第1のHfO2膜の膜厚を例えば5nm以下とすることが好ましい。
〔W膜またはWN膜表面の改質工程(S4)〕
〔O3照射工程(S4a)〕
処理室201内のパージが完了したら、バルブvo4,vo5を閉じ、バルブvo3を開いて、処理室201内への第2酸化源としてのO3ガスの供給を開始する。このとき、O2ガス供給管212oからO2ガスを供給し、処理室201内へ供給するO3ガスをO2ガスにより希釈して、O3ガス濃度を調整する。O3ガス及びO2ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰なO3ガス、O2ガス、反応副生成物は、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。
〔O3照射工程(S4a)〕
処理室201内のパージが完了したら、バルブvo4,vo5を閉じ、バルブvo3を開いて、処理室201内への第2酸化源としてのO3ガスの供給を開始する。このとき、O2ガス供給管212oからO2ガスを供給し、処理室201内へ供給するO3ガスをO2ガスにより希釈して、O3ガス濃度を調整する。O3ガス及びO2ガスは、シャワーヘッド240により分散されて処理室201内のウェハ200上に均一に供給される。余剰なO3ガス、O2ガス、反応副生成物は、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。
処理室201内へのO3ガスの供給時には、原料ガス供給管213h、H2Oガス供給管213s内へのO3ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるO3ガスの拡散を促すように、バルブvh4,vs4は開いたままとし、処理室201内にN2ガスを常に流しておくことが好ましい。バルブvo3を開き、O3ガスの供給を開始した後、所定時間が経過したら、バルブvo3を閉じ、バルブvo4,vo5を開いて、処理室201内へのO3ガスの供給を停止する。
図8に示すように、ウェハ200に照射されたO3ガスに含まれる酸素(O)原子は、所定膜厚のHfO2膜を形成する過程において形成される第1のHfO2膜越しに、W膜またはWN膜の表面に導入される。すなわち、第1のHfO2膜中に取り込まれた酸素は原子状酸素であり、拡散速度が速いため、第1のHfO2膜中を拡散して容易に透過し、W膜またはWN膜の表面に到達して取り込まれる。その結果、W膜またはWN膜の表面が酸化され、W膜またはWN膜の表面は、導電性の金属酸化層としての酸化タングステン(WO)層または酸窒化タングステン(WON)層に改質される。なお、W膜またはWN膜の表面を除いた領域は、酸化されずにW層またはWN層のままとなる。W膜またはWN膜表面への酸素原子の添加により、高誘電率絶縁膜としてのHfO2膜に接合する下部電極の接合面(WO層またはWON層)の仕事関数を増加させることができ、それにより、下部電極全体としての仕事関数を増加させることができる。以下、表面にWO層が形成されたW膜をWO膜とも呼び、表面にWON層が形成されたWN膜をWON膜とも呼ぶ。
なお、HfO2膜越しにW膜またはWN膜を酸化させる領域(WO層またはWON層)の厚さ(深さ)は、HfO2膜との界面から厚さ方向に例えば0.5nm以上2.0nm以下とすることが好ましい。WO層またはWON層の厚さが0.5nmを下回ると、W膜またはWN膜中への酸素原子の添加による仕事関数の増大効果が減少してしまうと共に、表面を除いた領域(酸化されてないW層またはWN層)の仕事関数の影響が強くなってしてしまい、下部電極全体としての仕事関数を増加させることが困難になってしまう。また、形成するWO層またはWON層の厚さが2.0nmを上回ると、下部電極の抵抗が高くなってしまう。なお、WO層またはWON層の厚さを2.0nm以下とすれば仕事関数の増大効果は充分に得られる。すなわちW膜またはWN膜の酸化に際しては、HfO2膜との界面付近だけを酸化させるのが好ましい。
また、HfO2膜越しにW膜またはWN膜を酸化させる領域(WO層またはWON層)の酸素濃度は、例えば5atom%以上20atom%以下とすることが好ましく、5atom%以上10atom%以下とすることがより好ましい。WO層またはWON層中の酸素濃度が5atom%を下回ると、W膜またはWN膜中への酸素原子の添加による仕事関数の増大効果が減少してしまうと共に、表面を除いた領域(酸化されてないW層またはWN層)の仕事関数の影響が強くなってしまい、下部電極全体としての仕事関数を増加させることが困難になってしまう。また、WO層またはWON層中の酸素濃度が20atom%を上回ると、下部電極の表面部分が酸化物となり、絶縁体となってしまうと共に、E
OT(等価酸化膜厚)も増加してしまう。なお、WO層またはWON層中の酸素濃度を10%以下とすれば仕事関数の増大効果は充分に得られる。すなわち、WO層またはWON層中の酸素濃度は、5atom%以上20atom%以下、好ましくは5atom%以上10atom%以下にするとよい。
OT(等価酸化膜厚)も増加してしまう。なお、WO層またはWON層中の酸素濃度を10%以下とすれば仕事関数の増大効果は充分に得られる。すなわち、WO層またはWON層中の酸素濃度は、5atom%以上20atom%以下、好ましくは5atom%以上10atom%以下にするとよい。
なお、WO層またはWON層の厚さや酸素濃度は、例えばO3照射時間、O3濃度、O3供給流量、ウェハ温度等を調整することにより制御できる。
〔パージ工程(S4b)〕
バルブvo3を閉じ、処理室201内への第2酸化源としてのO3ガスの供給を停止した後は、バルブvh4,vs4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのN2ガスの供給を継続して行う。N2ガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留しているO3ガス、O2ガス、反応副生成物を除去する。
バルブvo3を閉じ、処理室201内への第2酸化源としてのO3ガスの供給を停止した後は、バルブvh4,vs4,vo4は開いたままとし、処理室201内へのN2ガスの供給を継続して行う。N2ガスは、シャワーヘッド240を介して処理室201内に供給され、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。このようにして、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留しているO3ガス、O2ガス、反応副生成物を除去する。
〔第2のHfO2膜形成工程(S5)〕
〔TDMAHf照射工程(S5a)〕
続いて、第1のHfO2膜形成工程(S3)におけるTDMAHf照射工程(S3a)と同様に、原料ガスとしてのTDMAHfガスのウェハ200への照射を行う。
〔TDMAHf照射工程(S5a)〕
続いて、第1のHfO2膜形成工程(S3)におけるTDMAHf照射工程(S3a)と同様に、原料ガスとしてのTDMAHfガスのウェハ200への照射を行う。
〔パージ工程(S5b)〕
その後、第1のHfO2膜形成工程(S3)におけるパージ工程(S3b)と同様に、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留している原料ガスを除去する。
その後、第1のHfO2膜形成工程(S3)におけるパージ工程(S3b)と同様に、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留している原料ガスを除去する。
〔H2O照射工程(S5c)〕
その後、第1のHfO2膜形成工程(S3)におけるH2O照射工程(S3c)と同様に、第1酸化源としてのH2Oガスのウェハ200への照射を行う。
その後、第1のHfO2膜形成工程(S3)におけるH2O照射工程(S3c)と同様に、第1酸化源としてのH2Oガスのウェハ200への照射を行う。
〔パージ工程(S5d)〕
その後、第1のHfO2膜形成工程(S3)におけるパージ工程(S3d)と同様に、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留しているH2Oガスや反応副生成物を除去する。
その後、第1のHfO2膜形成工程(S3)におけるパージ工程(S3d)と同様に、処理室201内をN2ガスによりパージし、処理室201内に残留しているH2Oガスや反応副生成物を除去する。
〔繰り返し工程(S5e)〕
そして、工程S5a〜S5dまでを1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すことにより、第1のHfO2膜上に、所定膜厚の第2の高誘電率絶縁膜としての第2のHfO2膜が形成される。これにより、下部電極の表面を構成するWO膜またはWON膜上に、所定膜厚の高誘電率絶縁膜、すなわち金属酸化膜としてのHfO2膜が形成されることとなる。なお、所定膜厚のHfO2膜は、第1のHfO2膜と第2のHfO2膜との積層構造により構成される。
そして、工程S5a〜S5dまでを1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すことにより、第1のHfO2膜上に、所定膜厚の第2の高誘電率絶縁膜としての第2のHfO2膜が形成される。これにより、下部電極の表面を構成するWO膜またはWON膜上に、所定膜厚の高誘電率絶縁膜、すなわち金属酸化膜としてのHfO2膜が形成されることとなる。なお、所定膜厚のHfO2膜は、第1のHfO2膜と第2のHfO2膜との積層構造により構成される。
なお、第1のHfO2膜形成工程(S3)および第2のHfO2膜形成工程(S5)をALD法により行う場合には、処理温度(ウェハ温度)を原料ガスが自己分解しない程度の温度帯となるようにそれぞれ制御する。この場合、TDMAHf照射工程(S3a、S5a)においては、TDMAHfはウェハ200上に吸着する。H2O照射工程(S3c、S5c)においては、ウェハ200上に吸着したTDMAHfとH2Oとが反応することによりウェハ200上に1原子層未満のHfO2膜が形成される。
本実施形態における第1のHfO2膜形成工程(S3)でのウェハ200の処理条件としては、
ウェハ温度:100〜400℃、
処理室内圧力:1〜1000Pa、
TDMAHf供給流量:10〜2000sccm、
H2O供給流量:10〜2000sccm、
N2(パージガス)供給流量:10〜10000sccm、
膜厚:0.5〜5nm
が例示される。
ウェハ温度:100〜400℃、
処理室内圧力:1〜1000Pa、
TDMAHf供給流量:10〜2000sccm、
H2O供給流量:10〜2000sccm、
N2(パージガス)供給流量:10〜10000sccm、
膜厚:0.5〜5nm
が例示される。
また、本実施形態におけるW膜またはWN膜表面の改質工程(S4)でのウェハ200の処理条件としては、
ウェハ温度:100〜400℃、
処理室内圧力:1〜1000Pa、
O3供給流量:1〜5000sccm、
O3濃度:1〜50%(O2希釈)
O3照射時間:1〜10分、
N2(パージガス)供給流量:10〜10000sccm、
WO層またはWON層の厚さ:0.5〜2nm
が例示される。
ウェハ温度:100〜400℃、
処理室内圧力:1〜1000Pa、
O3供給流量:1〜5000sccm、
O3濃度:1〜50%(O2希釈)
O3照射時間:1〜10分、
N2(パージガス)供給流量:10〜10000sccm、
WO層またはWON層の厚さ:0.5〜2nm
が例示される。
また、本実施形態における第2のHfO2膜形成工程(S5)でのウェハ200の処理条件としては、
ウェハ温度:100〜400℃、
処理室内圧力:1〜1000Pa、
TDMAHf供給流量:10〜2000sccm、
H2O供給流量:10〜2000sccm、
N2(パージガス)供給流量:10〜10000sccm、
第1のHfO2膜および第2のHfO2膜のトータル膜厚:8〜12nm
が例示される。
ウェハ温度:100〜400℃、
処理室内圧力:1〜1000Pa、
TDMAHf供給流量:10〜2000sccm、
H2O供給流量:10〜2000sccm、
N2(パージガス)供給流量:10〜10000sccm、
第1のHfO2膜および第2のHfO2膜のトータル膜厚:8〜12nm
が例示される。
〔ガス排気工程(S6)〕
WO膜またはWON膜上に所定膜厚のHfO2膜が形成されると、処理室201内が真空排気される。もしくは処理室201内に不活性ガスが供給されつつ処理室201内が真空排気されパージされる。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換される。
WO膜またはWON膜上に所定膜厚のHfO2膜が形成されると、処理室201内が真空排気される。もしくは処理室201内に不活性ガスが供給されつつ処理室201内が真空排気されパージされる。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換される。
〔ウェハアンロード工程(S7)〕
その後、上述したウェハロード工程(S1)に示した手順とは逆の手順により、所定膜厚のHfO2膜が形成された後のウェハ200を、処理室201内から負圧移載室11内へ搬出する。その後、所定膜厚のHfO2膜が形成されたウェハ200を、熱処理を実施する他の装置、上部電極やキャップ金属膜を形成する他の装置に順次搬送する。
その後、上述したウェハロード工程(S1)に示した手順とは逆の手順により、所定膜厚のHfO2膜が形成された後のウェハ200を、処理室201内から負圧移載室11内へ搬出する。その後、所定膜厚のHfO2膜が形成されたウェハ200を、熱処理を実施する他の装置、上部電極やキャップ金属膜を形成する他の装置に順次搬送する。
(3)本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す効果のうち1つ又は複数の効果を奏する。
本実施形態によれば、以下に示す効果のうち1つ又は複数の効果を奏する。
(a)本実施形態にかかるW膜またはWN膜表面の改質工程(S4)では、所定膜厚のHfO2膜を形成する過程において形成される第1のHfO2膜越しに、第2酸化源としてのO3ガスに含まれる酸素原子を、金属膜としてのW膜またはWN膜の表面に導入することで、W膜またはWN膜表面を酸化して導電性の金属酸化層(WO層またはWON層)に改質する。このとき、WO層またはWON層の厚さは、HfO2膜との界面から厚さ方向
に例えば0.5nm以上2.0nm以下とし、WO層またはWON層中の酸素濃度は、例えば5atom%以上20atom%以下、好ましくは5atom%以上10atom%以下とする。
に例えば0.5nm以上2.0nm以下とし、WO層またはWON層中の酸素濃度は、例えば5atom%以上20atom%以下、好ましくは5atom%以上10atom%以下とする。
その結果、高誘電率絶縁膜としてのHfO2膜に接合する下部電極の接合面(WO層またはWON層)の仕事関数を増加させることができ、それにより、下部電極全体としての仕事関数を増加させることができ、例えばキャパシタ部におけるリーク電流を低減することができる。特に、第1のHfO2膜形成工程(S3)で形成する第1のHfO2膜の膜厚を5nm以下とすることで、W膜またはWN膜表面の改質工程(S4)においてO3ガスに含まれる酸素原子を、W膜またはWN膜の表面へ確実に導入することができ、W膜またはWN膜表面をWO層またはWON層へ確実に改質することができる。
なお、図9(a)は、本実施形態に係るキャパシタ構造(MIM構造)の断面拡大図である。図示するように、下部電極がTiN膜とWO膜(表面にWO層が形成されたW膜)との積層構造からなり、キャパシタ絶縁膜がHfO2膜からなり、上部電極がWN膜とTiN膜との積層構造からなる。なお、本実施形態に係るキャパシタ構造においては、下部電極および上部電極とも、抵抗率や耐酸化性の観点から、最下部および最上部にそれぞれTiN膜を形成している。また、図10(a)は、本実施形態に係るキャパシタ電極(下部電極及び上部電極)のエネルギー準位を示す概略図である。キャパシタ絶縁膜をキャパシタ電極で挟むキャパシタ構造におけるリーク電流は、主としてキャパシタ電極の仕事関数とキャパシタ絶縁膜の伝導帯側とのバンドオフセット(コンダクションバンドオフセット)によって定まる。一般的に、コンダクションバンドオフセットはキャパシタ電極間へ印加する電圧よりも高い値とすることが望ましい。本実施形態によれば、HfO2膜に接合する下部電極の仕事関数を、WO層の仕事関数(4.9eV〜5.1eV)とすることができる。そのため、キャパシタ絶縁膜としてHfO2膜を用いた場合、コンダクションバンドオフセットを3.1eV程度確保することができ、リーク電流を大幅に減少させることができる。
また、図9(b)は、参考例に係るキャパシタ構造の概略拡大図である。図示するように、キャパシタ電極(下部電極及び上部電極)がそれぞれTiN膜の単層からなり、キャパシタ絶縁膜がHfO2膜からなる。また、図10(b)は、TiN膜の単層からなる従来のキャパシタ電極(下部電極及び上部電極)のエネルギー準位を示す概略図である。TiNの仕事関数は4.6eV程度であるから、キャパシタ絶縁膜としてHfO2膜を用いた場合、コンダクションバンドオフセットは2.6eV程度しか確保できず、上述の場合と比較して0.2eV〜0.5eVほど低くなり、リーク電流が増大してしまう恐れがある。
(b)本実施形態に係るW膜またはWN膜表面の改質工程(S4)によれば、O3ガスに含まれる酸素原子を、W膜またはWN膜に直接供給するのではなく、第1のHfO2膜越しに供給している。これにより、下部電極を形成するW膜またはWN膜全体が過剰に酸化されてしまうことを防ぐことができ、下部電極の抵抗値の増加、及びEOT(等価酸化膜厚)の増加を抑制することができる。特に、第1のHfO2膜形成工程(S3)で形成する第1のHfO2膜の膜厚を0.5nm以上とすることで、O3ガスがW膜またはWN膜に直接供給されることを確実に防ぐことができ、下部電極の過剰な酸化を確実に回避することができる。
(c)本実施形態によれば、上述した下部電極を構成する金属膜を、例えばNi,Co等の酸化されやすい金属を用いることなく、WまたはWNを用いて形成している。Wは比較的酸化されにくい材料であることから、W膜またはWN膜全体が過剰に酸化されてしまうことを防ぐことができ、下部電極のEOT(等価酸化膜厚)の増加を抑制することができ
る。
る。
(d)本実施形態によれば、上述した下部電極を構成する金属膜を、例えばAu、Ag,Pt,Pd,Rh,Ir,Ru,Os等の高価な貴金属を用いることなく、WまたはWNを用いて形成している。Wは比較的安価、かつ成膜が容易な材料であることから、半導体装置の製造コストを低減させることが可能となる。
<本発明の他の実施形態>
上述の実施形態では、所定膜厚のHfO2膜を形成する際に、成膜を途中で中断し、途中まで形成したHfO2膜越しに酸素原子を導入してW膜またはWN膜表面を改質するようにしていたが、本発明は係る形態に限定されない。
上述の実施形態では、所定膜厚のHfO2膜を形成する際に、成膜を途中で中断し、途中まで形成したHfO2膜越しに酸素原子を導入してW膜またはWN膜表面を改質するようにしていたが、本発明は係る形態に限定されない。
図7は、本実施形態に係るキャパシタ構造の形成工程のフロー図である。本実施形態では、原料としてHfプリカーサであるTDMAHfを、酸化源として第2酸化源であるO3ガスを用い、ALD法によりHfO2膜を形成する工程(HfO2 deposition−1)を実施することでHfO2膜を形成すると共に、W膜またはWN膜表面の酸化処理を、HfO2膜の形成を中断することなく並行して行う点が、上述の実施形態とは異なる。なお、本実施形態では、O3 purge及びHfO2 deposition−2は実施しない。
図5は、本実施形態にかかるHfO2膜の形成およびW膜またはWN膜表面の酸化処理のフロー図である。本実施形態にかかる第1のHfO2膜形成工程(S3)では、TDMAHf照射工程(S3a)、パージ工程(S3b)、O3照射工程(S3c)、パージ工程(S3d)までを1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すことにより、下部電極の表面を構成するW膜またはWN膜上に、所定膜厚のHfO2膜を形成する。そして、その過程において、形成されるHfO2膜越しに酸素原子を導入してW膜またはWN膜表面を酸化する。
酸化源として用いるO3ガスは、ALD法による成膜の温度帯ではH2Oガスに比べエネルギーが大きく、酸化力が強い。そのため、ALD法による成膜の温度帯では、所定膜厚のHfO2膜を形成する過程において形成されるHfO2膜越しに、O3ガスに含まれる酸素原子が、W膜またはWN膜の表面に充分に導入され、W膜またはWN膜の表面が酸化されて導電性のWO層またはWON層に改質される。
本実施形態においても、上述の実施形態と同様の効果を奏する。すなわち、低コストで必要な仕事関数及び耐酸化性を有する金属膜を備えた半導体装置を製造することができる。また、HfO2膜の形成を中断せずに連続して行うことができるため、基板処理の生産性を向上させることができる。
なお、本実施形態における第1のHfO2膜形成工程(S3)でのウェハ200の処理条件としては、
ウェハ温度:100〜400℃、
処理室内圧力:1〜1000Pa、
TDMAHf供給流量:10〜2000sccm、
O3供給流量:1〜5000sccm、
O3濃度:1〜50%(O2希釈)
O3照射時間:1秒〜1分
N2(パージガス)供給流量:10〜10000sccm、
HfO2膜の膜厚:8〜12nm
が例示される。
ウェハ温度:100〜400℃、
処理室内圧力:1〜1000Pa、
TDMAHf供給流量:10〜2000sccm、
O3供給流量:1〜5000sccm、
O3濃度:1〜50%(O2希釈)
O3照射時間:1秒〜1分
N2(パージガス)供給流量:10〜10000sccm、
HfO2膜の膜厚:8〜12nm
が例示される。
形成するWO層またはWON層の厚さは、HfO2膜との界面から厚さ方向に0.5nm以上2.0nm以下とし、WO層またはWON層中の酸素濃度は、5atom%以上20atom%以下、好ましくは5atom%以上10atom%以下とする。WO層またはWON層の厚さや酸素濃度は、例えばO3照射時間、O3濃度、O3供給流量、ウェハ温度等を調整することにより制御できる。
<本発明のさらに他の実施形態>
上述の実施形態では、基板処理装置(成膜装置)として1度に1枚の基板を処理する枚葉式のALD装置を用いて成膜する例について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、基板処理装置として1度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型ALD装置を用いて成膜するようにしてもよい。以下、この縦型ALD装置について説明する。
上述の実施形態では、基板処理装置(成膜装置)として1度に1枚の基板を処理する枚葉式のALD装置を用いて成膜する例について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、基板処理装置として1度に複数枚の基板を処理するバッチ式の縦型ALD装置を用いて成膜するようにしてもよい。以下、この縦型ALD装置について説明する。
図11は、本実施形態で好適に用いられる縦型ALD装置の縦型処理炉の概略構成図であり、(a)は、処理炉302部分を縦断面で示し、(b)は、処理炉302部分を図11(a)のA−A線断面図で示す。
図11(a)に示されるように、処理炉302は加熱手段(加熱機構)としてのヒータ307を有する。ヒータ307は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース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307の内側には、ヒータ307と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ303が配設されている。プロセスチューブ303は、例えば石英(SiO2)や炭化シリコン(SiC)等の耐熱性材料からなり、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。プロセスチューブ303の筒中空部には処理室301が形成されており、基板としてのウェハ200を、後述するボート317によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。
プロセスチューブ303の下方には、プロセスチューブ303と同心円状にマニホールド309が配設されている。マニホールド309は、例えばステンレス等からなり、上端及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309は、プロセスチューブ303に係合しており、プロセスチューブ303を支持するように設けられている。なお、マニホールド309とプロセスチューブ303との間には、シール部材としてのOリング320aが設けられている。マニホールド309がヒータベースに支持されることにより、プロセスチューブ303は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ303とマニホールド309とにより反応容器が形成される。
マニホールド309には、第1ガス導入部としての第1ノズル333aと、第2ガス導入部としての第2ノズル333bとが、マニホールド309の側壁を貫通するように接続されている。第1ノズル333aと第2ノズル333bは、それぞれ水平部と垂直部とを有するL字形状であり、水平部がマニホールド309に接続され、垂直部がプロセスチューブ303の内壁とウェハ200との間における円弧状の空間に、プロセスチューブ303の下部より上部の内壁に沿って、ウェハ200の積載方向に向かって立ち上がるように設けられている。第1ノズル333a、第2ノズル333bの垂直部の側面には、ガスを供給する供給孔である第1ガス供給孔348a、第2ガス供給孔348bがそれぞれ設けられている。この第1ガス供給孔348a、第2ガス供給孔348bは、それぞれ下部から上部にわたって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。
第1ノズル333a、第2ノズル333bに接続されるガス供給系は、上述の実施形態
と同様である。ただし、本実施形態では、第1ノズル333aに原料ガス供給管213hが接続され、第2ノズル333bにH2Oガス供給管213sおよびO3ガス供給管213oが接続される点が、上述の実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、原料ガスと、酸化源(H2O、O3)とを、別々のノズルにより供給する。なお、さらに各酸化源を別々のノズルにより供給するようにしてもよい。
と同様である。ただし、本実施形態では、第1ノズル333aに原料ガス供給管213hが接続され、第2ノズル333bにH2Oガス供給管213sおよびO3ガス供給管213oが接続される点が、上述の実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、原料ガスと、酸化源(H2O、O3)とを、別々のノズルにより供給する。なお、さらに各酸化源を別々のノズルにより供給するようにしてもよい。
マニホールド309には、処理室301内の雰囲気を排気する排気管331が設けられている。排気管331には、圧力検出器としての圧力センサ345及び圧力調整器としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ342を介して、真空排気装置としての真空ポンプ346が接続されており、圧力センサ345により検出された圧力情報に基づきAPCバルブ342を調整することで、処理室301内の圧力が所定の圧力(真空度)となるよう真空排気し得るように構成されている。なお、APCバルブ342は弁を開閉して処理室301内の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調整して処理室301内の圧力を調整することができるよう構成されている開閉弁である。
マニホールド309の下方には、マニホールド309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319が設けられている。シールキャップ319は、マニホールド309の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ319は、例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ319の上面には、マニホールド309の下端と当接するシール部材としてのOリング320bが設けられている。シールキャップ319の処理室301と反対側には、後述するボート317を回転させる回転機構367が設置されている。回転機構367の回転軸355は、シールキャップ319を貫通して、ボート317に接続されており、ボート317を回転させることでウェハ200を回転させるように構成されている。シールキャップ319は、プロセスチューブ303の外部に配置された昇降機構としてのボートエレベータ315によって、垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート317を処理室301内に対し搬入搬出することが可能となっている。
基板保持具としてのボート317は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱材料からなり、複数枚のウェハ200を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。なお、ボート317の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱材料からなる断熱部材318が設けられており、ヒータ307からの熱がシールキャップ319側に伝わりにくくなるように構成されている。プロセスチューブ303内には、温度検出器としての温度センサ363が設置されており、温度センサ363により検出された温度情報に基づきヒータ307への通電具合を調整することにより、処理室301内の温度が所定の温度分布となるように構成されている。温度センサ363は、第1ノズル333a及び第2ノズル333bと同様に、プロセスチューブ303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380は、APCバルブ342、ヒータ307、温度センサ363、真空ポンプ346、回転機構367、ボートエレベータ315、バルブvh1〜vh6,vs3〜vs6,vo3〜vo6、液体流量コントローラ221h、流量コントローラ225h,221s,221o,222o,224h,224s,224o等の動作を制御する。
次に、上記構成にかかる縦型ALD装置の処理炉302を用いて、半導体装置の製造工程の一工程として、上述のHfO2膜の形成およびW膜またはWN膜表面の酸化処理を実施する例について説明する。なお、以下の説明において、縦型ALD装置を構成する各部の動作は、コントローラ380により制御される。
複数枚のウェハ200をボート317に装填(ウェハチャージ)する。上述したように、ウェハ200上には、TiN膜とW膜またはWN膜とが順に積層されてなる下部電極が予め形成されている。そして、図11(a)に示すように、複数枚のウェハ200を保持したボート317を、ボートエレベータ315によって持ち上げて処理室301内に搬入(ボートロード)する。この状態で、シールキャップ319はOリング320bを介してマニホールド309の下端をシールした状態となる。
処理室301内が所望の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ346によって処理室301内を真空排気する。この際、処理室301内の圧力を圧力センサ345で測定して、この測定された圧力に基づき、APCバルブ342をフィードバック制御する。また、処理室301内が所望の温度となるように、ヒータ307によって加熱する。この際、処理室301内が所望の温度分布となるように、温度センサ363が検出した温度情報に基づきヒータ307への通電具合をフィードバック制御する。続いて、回転機構367によりボート317を回転させることで、ウェハ200を回転させる。
その後、例えば上述の実施形態と同様に、第1のHfO2膜形成工程(S3)、W膜またはWN膜表面の改質工程(S4)、および第2のHfO2膜形成工程(S5)を順に実施することにより、ウェハ200上に所定膜厚のHfO2膜を形成する。W膜またはWN膜表面の改質工程(S4)を実施することで、所定膜厚のHfO2膜を形成する過程において形成される第1のHfO2膜越しに、O3ガスに含まれる酸素原子を、W膜またはWN膜の表面に導入することで、W膜またはWN膜の表面を酸化して、導電性のWO層またはWON層に改質する。
その後、ボートエレベータ315によりシールキャップ319を下降させて、マニホールド309の下端を開口させるとともに、所定膜厚のHfO2膜が形成された後のウェハ200を、ボート317に保持させた状態でマニホールド309の下端からプロセスチューブ303の外部に搬出(ボートアンロード)する。その後、処理済のウェハ200をボート317より取り出す(ウェハディスチャージ)。
本実施形態においても、上述の実施形態と同様の効果を奏する。すなわち、低コストで必要な仕事関数及び耐酸化性を有する金属膜を備えた半導体装置を製造することができる。
<本発明の更に他の実施形態>
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明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。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明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。
例えば、上述の実施形態では、高誘電率絶縁膜としてHfO2膜を形成する場合について説明したが、本発明は係る形態に限定されず、高誘電率絶縁膜として例えばHfSiO膜、HfAlO膜、ZrO2膜、ZrSiO膜、ZrAlO膜、TiO2膜、Nb2O5膜、Ta2O5膜、SrTiO膜、BaSrTiO膜、PZT膜を形成したり、これらを組み合わせたり混合させたりした膜を形成する場合にも好適に適用可能である。
また例えば、上述の実施形態では、下部電極としてTiN膜とW膜またはWN膜とが順に積層されてなる導電性の金属膜を形成し、その上に高誘電率絶縁膜を形成する過程において、その下地となるW膜またはWN膜の表面を酸化してWO層またはWON層に改質する場合について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、下部電極としてTiN膜の単膜である導電性の金属膜を形成し、その上に高誘電率絶縁膜を形成する過程において、その下地となるTiN膜の表面を酸化してTiON膜に改質する場合にも好適
に適用可能である。
に適用可能である。
また、上述の実施形態では、酸化源として第1酸化源であるH2Oガスを用い、第1のHfO2膜或いは第2のHfO2膜を形成する場合について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、第1のHfO2膜を形成する際に用いる酸化源を第1酸化源であるH2Oガスとし、第2のHfO2膜を形成する際に用いる酸化源を第2酸化源であるO3ガスとしてもよい。
また、上述の実施形態では第2酸化源としてO3ガスを用いる場合について説明したが、本発明は係る形態に限定されない。例えば、第2酸化源としてO3ガスの代わりにO2ガスを用いてもよく、プラズマで活性化した酸素含有物質、例えばプラズマで活性化したO2ガス等を用いても良い。その場合、オゾナイザ229oの代わりにリモートプラズマユニットを設ければよい。なお、H2Oガスは酸化力が弱いため、HfO2膜越しにW膜やWN膜を酸化させることは困難な場合がある。
また、上述の実施形態では、第1のHfO2膜形成工程(S3)において、TDMAHf照射工程(S3a)→パージ工程(S3b)→H2O照射工程(S3c)→パージ工程(S3d)を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すようにし、第2のHfO2膜形成工程(S5)において、TDMAHf照射工程(S5a)→パージ工程(S5b)→H2O照射工程(S5c)→パージ工程(S5d)を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すようにしていた。しかしながら、本発明は、このように原料ガスの供給からサイクルを開始する形態に限定されず、酸化剤の供給からサイクルを開始するようにしてもよい。すなわち、第1のHfO2膜形成工程(S3)において、H2O照射工程(S3c)→パージ工程(S3b)→TDMAHf照射工程(S3a)→パージ工程(S3d)を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すようにしてもよい。また、第2のHfO2膜形成工程(S5)において、H2O照射工程(S5c)→パージ工程(S5b)→TDMAHf照射工程(S5a)→パージ工程(S5d)を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返すようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、高誘電率絶縁膜の成膜工程と熱処理工程とを別々の処理容器により行うこととしていたが、本発明は係る形態に限定されない。すなわち、高誘電率絶縁膜の成膜工程と熱処理工程とを同一の処理容器内にて行うこととしてもよい。
<本発明の好ましい態様>
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
表面に金属膜が形成された基板を処理容器内に搬入する工程と、
前記処理容器内に原料ガスと酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成する処理を行う工程と、
処理済基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記処理を行う工程では、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質する
半導体装置の製造方法が提供される。
表面に金属膜が形成された基板を処理容器内に搬入する工程と、
前記処理容器内に原料ガスと酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成する処理を行う工程と、
処理済基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記処理を行う工程では、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質する
半導体装置の製造方法が提供される。
好ましくは、前記導電性の金属酸化層の厚さを0.5nm以上2nm以下とする。
また好ましくは、前記導電性の金属酸化層の酸素濃度を5%以上20%以下とする。
また好ましくは、前記導電性の金属酸化層の酸素濃度を5%以上10%以下とする。
また好ましくは、前記金属膜が、W膜、WN膜またはTiN膜であり、前記導電性の金属酸化層が、WO層、WON層またはTiON層である。
また好ましくは、前記金属酸化膜が、HfO2膜、HfSiO膜、HfAlO膜、ZrO2膜、ZrSiO膜、ZrAlO膜、TiO2膜、Nb2O5膜、Ta2O5膜、SrTiO膜、BaSrTiO膜、PZT膜のいずれかを含む。
本発明の他の態様によれば、
基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理容器内に酸化源を供給する酸化源供給系と、
前記処理容器内を排気する排気系と、
表面に金属膜が形成された基板を収容した前記処理容器内に前記原料ガスと前記酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成し、その際、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質するように、前記原料ガス供給系、前記酸化源供給系および前記排気系を制御する制御部と、を有する
基板処理装置が提供される。
基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理容器内に酸化源を供給する酸化源供給系と、
前記処理容器内を排気する排気系と、
表面に金属膜が形成された基板を収容した前記処理容器内に前記原料ガスと前記酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成し、その際、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質するように、前記原料ガス供給系、前記酸化源供給系および前記排気系を制御する制御部と、を有する
基板処理装置が提供される。
200 ウェハ(基板)
201 処理室
202 処理容器
280 コントローラ(制御部)
201 処理室
202 処理容器
280 コントローラ(制御部)
Claims (2)
- 表面に金属膜が形成された基板を処理容器内に搬入する工程と、
前記処理容器内に原料ガスと酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成する処理を行う工程と、
処理済基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有し、
前記処理を行う工程では、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理容器内に酸化源を供給する酸化源供給系と、
前記処理容器内を排気する排気系と、
表面に金属膜が形成された基板を収容した前記処理容器内に前記原料ガスと前記酸化源とを供給し排気することで、前記基板の表面に形成された前記金属膜上に所定膜厚の金属酸化膜を形成し、その際、前記酸化源としてオゾンガス、酸素ガスまたはプラズマにより活性化された酸素ガスを用い、前記所定膜厚の金属酸化膜を形成する過程において形成される金属酸化膜越しに、前記酸化源に含まれる酸素原子を、前記金属膜の表面に導入することで、前記金属膜の表面を酸化して導電性の金属酸化層に改質するように、前記原料ガス供給系、前記酸化源供給系および前記排気系を制御する制御部と、を有する
ことを特徴とする基板処理装置。
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JP2010200079A JP2012059833A (ja) | 2010-09-07 | 2010-09-07 | 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012248534A (ja) * | 2011-05-25 | 2012-12-13 | Samsung Mobile Display Co Ltd | 有機発光素子及びその製造方法 |
JP2015188028A (ja) * | 2014-03-27 | 2015-10-29 | 東京エレクトロン株式会社 | 薄膜形成方法、及び、薄膜形成装置 |
JP2018049898A (ja) * | 2016-09-21 | 2018-03-29 | 株式会社日立国際電気 | 半導体装置の製造方法、基板処理装置及びプログラム |
TWI662616B (zh) * | 2017-09-22 | 2019-06-11 | 日商斯庫林集團股份有限公司 | 基板處理方法及基板處理裝置 |
-
2010
- 2010-09-07 JP JP2010200079A patent/JP2012059833A/ja active Pending
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