JP2021048233A - 原料貯留システム、基板処理装置、クリーニング方法およびプログラム - Google Patents

原料貯留システム、基板処理装置、クリーニング方法およびプログラム Download PDF

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Hirohisa Yamazaki
裕久 山崎
隆一 中川
Ryuichi Nakagawa
隆一 中川
寿崎 健一
Kenichi Suzaki
健一 寿崎
靖則 江尻
Yasunori Ejiri
靖則 江尻
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Abstract

【課題】液化クリーニングガスの流量を安定化させることが可能な原料貯留システム、基板処理装置、クリーニング方法およびプログラムを提供する。【解決手段】液体原料を貯留する原料容器600と、原料容器600内に貯留された液体原料を加熱する第1の加熱部と、原料容器600と原料容器600に内に貯留された液体原料を加熱する第2の加熱部と、原料容器内に貯留された液体原料内に浸漬され、液体原料の温度を測定する第1の温度センサ630と、原料容器600内に貯留された液体原料内に浸漬され、液体原料の温度を測定する第2の温度センサ640と、第1の温度センサ630により測定された液体原料の温度に基づき第1の加熱部を制御し、第2の温度センサ640により測定された液体原料の温度に基づき第2の加熱部を制御して、液体原料の温度を所定の温度にすることが可能なように構成される制御部と、を有する。【選択図】図4

Description

本開示は、原料貯留システム、基板処理装置、クリーニング方法およびプログラムに関する。
近年、半導体デバイスの微細化、高密度化に伴い、ゲート絶縁膜として高誘電率(High−k)酸化膜が用いられるようになってきている。又、DRAMキャパシタの容量を増大させるために、キャパシタ絶縁膜への高誘電率酸化膜の適用も進んできている。これら高誘電率酸化膜には低温での成膜が要求され、更に表面の平坦性、凹部埋めこみ性、ステップカバレッジ性に優れ、かつ異物の少ない成膜方法が求められている。異物の制御に関しては、最近では反応管を取り外すことなく、ガスクリーニングにより反応管内壁(処理室内)に堆積した膜を除去する方法が一般的に行われるようになっている。ガスクリーニングの方法としては、熱によるエッチング等があり、反応管壁、あるいはボートなどの治具の表面からの堆積膜の剥離を抑えるために、エッチング処理は一定膜厚の堆積膜が形成される毎に実施される(例えば、特許文献1)。
国際公開第2009/037991号パンフレット
液体原料を気化させて得たクリーニングガスを用いることがあり、この場合、クリーニングガスを供給後一定時間が経過すると、クリーニングガスを供給するガス供給管内圧力が急激に低下し、供給回数が進むにつれて、クリーニングガスの流量低下が発生してしまう可能性がある。
本開示の目的は、液化クリーニングガスの流量を安定化させることが可能な技術を提供することにある。
本開示の一態様によれば、
液体原料を貯留する原料容器と、
前記原料容器に貯留された前記液体原料を加熱する第1の加熱部と、
前記原料容器に貯留された前記原料容器と前記液体原料を加熱する第2の加熱部と、
前記原料容器に貯留された前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第1の温度センサと、
前記原料容器に貯留された前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第2の温度センサと、
前記第1の温度センサにより測定された前記液体原料の温度に基づき前記第1の加熱部を制御し、前記第2の温度センサにより測定された前記液体原料の温度に基づき前記第2の加熱部を制御して、前記液体原料の温度を所定の温度にすることが可能なように構成される制御部と、
を有する技術が提供される。
を有する原料貯留システム。
液化クリーニングガスの流量を安定化させることが可能な技術を提供することができる。
本開示の一実施形態で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。 本開示の一実施形態で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を図1のA−A線断面図で示す図である。 本開示の一実施形態で好適に用いられる基板処理装置に備えられた原料容器の概略構成図である。 本開示の一実施形態で好適に用いられる基板処理装置のコントローラの概略構成図であり、コントローラの制御系をブロック図で示す図である。 本開示の一実施形態におけるウエハに成膜を行う場合の成膜シーケンス図である。
<本開示の一実施形態>
以下、本開示の一実施形態について、図1〜4を参照しながら説明する。
(1)処理炉の構成
処理炉202は、加熱手段(加熱機構、加熱系)としてのヒータ207が有する。ヒータ207は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース(図示せず)に支持されることにより垂直に据え付けられている。
ヒータ207の内側には、ヒータ207と同心円状に反応容器(処理容器)を構成する反応管203が配設されている。反応起案203は、耐熱性材料(例えば石英(SiO)、炭化シリコン(SiC)等)により構成され、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。反応管203の下方には、反応管203と同心円状に、マニホールド(インレットフランジ)209が配設されている。マニホールド209は、例えばステンレス(SUS)等の金属により構成され、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド209の上端部と、反応管203との間には、シール部材としてのOリング220aが設けられている。マニホールド209がヒータベースに支持されることにより、反応管203は垂直に据え付けられた状態となる。処理容器の筒中空部には処理室201が形成されている。
処理室201は、基板としてのウエハ200を後述するボート217によって水平姿勢で鉛直方向に多段に配列した状態で収容可能に構成されている。
処理室201内には、ノズル410,420,430がマニホールド209の側壁を貫通するように設けられている。ノズル410,420,430には、ガス供給管310,320,330が、それぞれ接続されている。ただし、ノズル等の数は、必要に応じて、適宜変更される。
ガス供給管310,320,330には上流側から順に流量制御器(流量制御部)であるマスフローコントローラ(MFC)512,522、523および開閉弁であるバルブ314,324,334が設けられている。ガス供給管310,320,330のバルブ314,324,334の下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管510,520,530がそれぞれ接続されている。ガス供給管510,520,530には、上流側から順に、流量制御器(流量制御部)であるMFC512,522,523および開閉弁であるバルブ514,524,534がそれぞれ設けられている。
ノズル410,420,430は、L字型のノズルとして構成されており、その水平部はマニホールド209の側壁を貫通するように設けられている。ノズル410,420,430の垂直部は、反応管203の内壁とウエハ200との間に形成される円環状の空間に、反応管203の内壁に沿って上方(ウエハ200の配列方向上方)に向かって立ち上がるように(つまりウエハ配列領域の一端側から他端側に向かって立ち上がるように)設けられている。すなわち、 ノズル410,420,430は、ウエハ200が配列されるウエハ配列領域の側方の、ウエハ配列領域の水平に取り囲む領域に、ウエハ配列領域に沿うように設けられている。
ノズル410,420,430の側面には、ガスを供給するガス供給口410a,420a,430aがウエハ200の配列方向に沿って、ウエハ200が配列された基板配列領域に対応するように設けられている。ガス供給口410a,420a,430aは反応管203の中心向くように開口している。このガス供給口410a,420a,430aは、反応管203の下部から上部にわたって複数設けられ、それぞれ同一の開口面積を有し、さらに同じ開口プッチで設けられている。ただし、ガス供給口410a,420a,430aは上述の形態に限定されない。例えば、反応管203の下部から上部に向かって開口面積を徐々に大きくしてもよい。これにより、ガス供給口410a,420a,430aから供給されるガスの流量を均一化することが可能となる。
ガス供給管310からは、処理ガスとして原料ガスが、MFC312、バルブ314、ノズル410を介して処理室201に供給される。原料ガスとしては、例えば、金属元素であるアルミニウム(Al)を含む金属含有ガスであるアルミニウム含有原料(Al含有原料ガス、Al含有ガス)としてのトリメチルアルミニウム(Al(CH、略称:TMA)が用いられる。TMAは有機系原料であり、アルミニウムにリガンドとしてアルキル基が結合したアルキルアルミニウムである。
原料ガスとは、気体状態の原料、例えば、常温常圧下で気体状態である気体原料や、常温常圧下で液体状態である液体原料を気化することで得られるガス等のことである。
ガス供給管310から所定温度で自己分解する原料ガスを供給する場合、主に、ガス供給管310、MFC312、及びバルブ314により、原料ガス供給系が構成される。ノズル410を原料ガス供給系に含めて考えてもよい。原料ガス供給系を原料供給系と称することもできる。ガス供給管310から金属含有ガスを供給する場合、原料ガス供給系を金属含有ガス供給系と称することもできる。
金属含有ガスとしてアルミニウム含有原料(Al含有原料ガス、Al含有ガス)を用いる場合、金属含有ガス供給系をアルミニウム含有原料(Al含有原料ガス、Al含有ガス)供給系と称することもできる。アルミニウム含有原料としてTMAを用いる場合、アルミニウム含有原料供給系をTMA供給系と称することもできる。
ガス供給管320から反応ガス(リアクタント)を供給する場合、主に、ガス供給管320、MFC322、バルブ324により、反応ガス供給系(リアクタント供給系)が構成される。ノズル420を反応ガス供給系に含めて考えてもよい。反応ガスとして酸素含有ガス(酸化ガス、酸化剤)を供給する場合、反応ガス供給系を、酸素含有ガス(酸化ガス、酸化剤)供給系と称することもできる。酸素含有ガスとしてOを用いる場合、酸素含有ガス供給系をO供給系と称することもできる。ノズル420から反応ガスを流す場合、ノズル420を反応ガスノズルと称してもよい。
ガス供給管330からは、処理ガスとして、クリーニングガス(エッチングガス)が、MFC332、バルブ334、ノズル430を介して処理室201内に供給される。液化クリーニングガスとしては、例えば、塩化水素(HCl)、四塩化ケイ素(SiCl)、塩化チオニル(SOCl)、三臭化ホウ素(BBr)、四臭化ケイ素(SiBr)および臭素(Br)の群から選択される一種以上のガスが用いられる。
さらに、ガス供給管510,520,530からは、不活性ガスが、MFC512,522,532、バルブ514,524,534、及びノズル410,420,430を介して処理室201へ供給されようになっている不活性ガスとして、例えば、Nガスが用いられる。
主に、ガス供給管510,520,530、MFC512,522,532、及びバルブ514,524,534により、不活性ガス供給系が構成される。
一方、マニホールド209の壁面には、処理室201の雰囲気を排気する排気流路としての排気管231の一端が接続されている。排気管231には、処理室201の圧力を検出する圧力検出器(圧力検出部)としての圧力センサ245および排気バルブ(圧力調整部)としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ243が取り付けられ、排気管231の端部には、真空排気装置としての真空ポンプ246が取り付けられている。
APCバルブ243は、真空ポンプ246を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室201の真空排気および真空排気停止を行うことができ、さらに、真空ポンプ246を作動させた状態で、圧力センサ245により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室201の圧力を調整することができるように構成されているバルブである。主に、排気管231、APCバルブ243、及び圧力センサ245により、排気系が構成される。真空ポンプ246を排気系に含めて考えてもよい。排気管231は、処理管203に設ける場合に限らず、ノズル410,420,430と同様にマニホールド209に設けてもよい。
マニホールド209の下方には、マニホールド209の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ219が設けられている。シールキャップ219は、マニホールド209の下端に鉛直方向下側から当接されるように構成されている。シールキャップ219は、例えばSUS等の金属から形成され、円盤状とされている。シールキャップ219の上面には、マニホールド209の下端と当接するシール部材としてのOリング220が設けられている。シールキャップ219に対して処理室201の反対側には、後述するボート217を回転させる回転機構267が設置されている。回転機構267の回転軸255は、シールキャップ219を貫通してボート217に接続されている。回転機構267は、ボート217を回転させることでウエハ200を回転させるように構成されている。
シールキャップ219は、処理管203の外部に鉛直に設置された昇降機構としてのボートエレベータ115によって鉛直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ115は、シールキャップ219を昇降させることで、ボート217を処理室201内外に搬入および搬出することが可能なように構成されている。ボートエレベータ115は、ボート217すなわちウエハ200を、処理室201内外に搬送する搬送装置(搬送機構)として構成されている。
基板支持具としてのボート217は、複数枚、例えば25〜200枚のウエハ200を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持するように、すなわち、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート217の天頂部には、天板215が設けられている。ボート217および天板215は、例えば石英やSiC等の耐熱性材料により構成される。ボート217の下部である断熱領域には、例えば石英やSiC等の耐熱性材料により構成される断熱板218が水平姿勢で多段に支持されている。この構成により、ヒータ207からの熱がシールキャップ219側に伝わりにくくなっている。ただし、本実施形態は上述の形態に限定されない。例えば、ボート217の下部に断熱板218を設けずに、石英やSiC等の耐熱性材料により構成される筒状の部材として構成された断熱筒を設けてもよい。
また、処理室201には、図2に示されるように、温度検出器としての温度センサ263が配設されている。温度センサ263により検出された温度情報に基づきヒータ207への通電具合を調整することで、処理室201の温度が所望の温度分布となるようになっている。温度センサ263は、ノズル410,420と同様に処理管203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121は、CPU(Central Processing Unit)121a,RAM(Random Access Memory)121b,記憶装置121c,I/Oポート121dを備えたコンピュータとして構成されている。RAM280b,記憶装置280c,I/Oポート280dは、内部バスを介して、CPU280aとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ280には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置282が接続されている。
記憶装置280cは、例えばフラッシュメモリ、HDD(Hard Disk Drive)等で構成されている。記憶装置280c内には、液体原料の温度を制御する制御プログラム、基板処理装置の動作を制御する制御プログラム、後述する半導体装置の製造方法の手順や条件などが記載されたプロセスレシピ、などの少なくともいずれかが、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する半導体装置の製造方法における各工程(各ステップ)をコントローラ280に実行させ、所定の結果を得ることができるように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピ、制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、プロセスレシピおよび制御プログラムの組み合わせを含む場合がある。RAM280bは、CPU280aによって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域(ワークエリア)として構成されている。
I/Oポート280dは、上述のMFC312,322,332,512,522,532、バルブ314,324,334,344,514,524,534、圧力センサ245、APCバルブ243、真空ポンプ246、ヒータ207、温度センサ263、回転機構267、ボートエレベータ115、等の少なくともいずれかに接続されている。
なお、後述する原料供給システム(原料容器600)に設けられた内部ヒータ610と外部ヒータ620とを制御する制御部(不図示)と、基板処理装置10を制御する制御部121は、別々に構成しても良い。別々に構成する場合は、内部ヒータ610と外部ヒータ620とを制御する制御部(不図示)が、基板処理装置10を制御する制御部121に接続される様に構成しても良い。
内部ヒータ610と外部ヒータ620とを制御する制御部(不図示)については、少なくとも、温度センサ263、内部ヒータ610、外部ヒータ620の少なくともいずれかが接続されていれば良い。
CPU280aは、記憶装置280cから制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置282からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置280cからレシピ等を読み出すように構成されている。CPU280aは、読み出したレシピの内容に沿うように、MFC312,322,332,512,522,532による各種ガスの流量調整動作、バルブ314,324,334,514,524,534の開閉動作、APCバルブ243の開閉動作およびAPCバルブ243による圧力センサ245に基づく圧力調整動作、温度センサ263に基づくヒータ207の温度調整動作、真空ポンプ246の起動および停止、回転機構267によるボート217の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ115によるボート217の昇降動作、ボート217へのウエハ200の収容動作、第1の温度センサ630に基づく内部ヒータ610および第2の温度センサ640に基づく外部ヒータ620の液体原料の温度調整動作等を制御するように構成されている。
コントローラ280は、外部記憶装置(例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、CDやDVD等の光ディスク、MO等の光磁気ディスク、USBメモリやメモリカード等の半導体メモリ)283に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置280cや外部記憶装置283は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体は、記憶装置280c単体のみを含む場合、外部記憶装置283単体のみを含む場合、または、それら両方を含む場合がある。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置283を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。
(2)原料貯留システムの構成
次に、気化することでクリーニングガスとなる液体原料を貯留する原料貯留システムについて説明する。
図3は、本開示の一実施形態で好適に用いられる基板処理装置に備えられた原料貯留システムの概略構成図である。
図3に示すように、原料容器600には処理室201内に処理ガスとして、例えばクリーニングガスを供給するガス供給管330と、原料容器600内にクリーニングガスの液体原料を供給するガス供給管650とが設けられている。
原料容器600には、クリーニングガスの液体原料として、例えば、SiCl液が貯留され、気化したクリーニングガスは、ガス供給管330に入り、このガス供給管330、MFC332、バルブ334を介して、処理室201へと供給される。これにより、処理室201内等に付着した膜をエッチングして処理室201内がクリーニングされる。
また、原料容器600内には、液体原料を加熱する第1の加熱装置(第1の加熱部)としての内部ヒータ610と、この内部ヒータ610を制御するために液体原料に浸漬して液体原料の温度を測定する第1の温度センサ630(例えば、熱電対(Themocoupe))と、後述する外部ヒータ620を制御するために液体原料に浸漬して液体原料の温度を測定する第2の温度センサ640(例えば、熱電対)が設けられている。内部ヒータ610には、電源等(図示せず)が接続されており、第1の温度センサ630による測定温度に基づいて液体温度が所定の温度となるように内部ヒータ610の温度が調整される。
原料容器600は、原料容器600及びその内部の液体原料を加熱する第2の加熱装置(第2の加熱部)としての外部ヒータ(例えば、ジャケットヒータ)620で覆われている。外部ヒータ620には、電源等(図示せず)が接続されており、第2の温度センサ640による測定温度に基づいて、液体温度が所定の温度となるように外部ヒータの温度が調整される。
原料貯留システムの動作の一例を説明する。原料容器600からクリーニングガスが供給管330、MFC332、バルブ334、ノズル430aを介して処理室201へ供給されると、原料容器内の液体原料の温度を第1の温度センサ630および第2の温度センサ640で測定する。なお、この時の液体原料は、気化熱によって急激に温度が下がっている状態となっている。第1の温度センサ630によって測定された液体原料の温度に基づいて液体原料の温度が所定の温度となるように内部ヒータ610の温度が調整され、また、第2の温度センサ640によって測定された液体原料の温度に基づいて液体原料の温度が所定の温度となるように外部ヒータ620の温度が調整される。したがって、クリーニングガス供給後に急激に下がった液体原料の温度を内部ヒータ620と外部ヒータ630により加熱することで短時間に所定の温度まで上げることが可能となる。
このような構成とすることにより、内部ヒータ620と外部ヒータ630とを個別に制御することで、液体原料の液温の応答性が良くなり、短時間で液体原料を所定の温度まで上げることが可能となる。また、短時間で液体原料を所定の温度まで上げることが可能となるため、クリーニングガスの供給時に気化熱による液体原料の温度低下による飽和蒸気圧の低下を防止することができ、液体原料に必要な蒸気圧を確保することができるため、クリーニングガスの流量低下を防止することができる。
なお、原料貯留システムをクリーニングガスの原料貯留システムとして説明したが、クリーニングガス以外の処理ガスとしての原料ガスや反応ガスの原料貯留システムとして適用することもできる。
(2)基板処理工程
次に、本実施形態に係る半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程として、上述の基板処理装置10を用い、基板上に膜を形成して半導体装置(デバイス)を製造する方法の一例について説明する。以下の説明において、基板処理装置10を構成する各部の動作はコントローラ280により制御される。
なお、本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体(集合体)」を意味する場合(すなわち、表面に形成された所定の層や膜等を含めてウエハと称する場合)がある。また、本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。なお、本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
基板処理装置10を用いて、ウエハ200に膜を形成するシーケンス図5を用いて説明する。本実施形態では、複数のウエハ200が積載された状態で収容された処理室201を所定温度で加熱する。そして、処理室201に、ノズル410の供給孔410aから原料ガスとしてTMAガスを供給する原料ガス供給工程と、ノズル420の供給孔420aから反応ガスを供給する反応ガス供給工程と、を所定回数(n回)行う。これにより、ウエハ200上に、AlおよびOを含む膜としてアルミニウム酸化膜(AlO膜)を形成する。
(ウエハ搬入)
複数枚のウエハ200を処理室201内に搬入(ボートロード)する。具体的には、複数枚のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)されると、図1に示されているように、複数枚のウエハ200を支持したボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内に搬入される。この状態で、シールキャップ219はOリング220を介してマニホールド209の下端開口を閉塞した状態となる。
(圧力調整および温度調整)
処理室201内が所望の圧力(真空度)となるように真空ポンプ246によって真空排気される。この際、処理室201内の圧力は、圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づき、APCバルブ231aがフィードバック制御される(圧力調整)。真空ポンプ246は、少なくともウエハ200に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室201内が所望の温度となるようにヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電量がフィードバック制御される(温度調整)。ヒータ207による処理室201内の加熱は、少なくともウエハ200に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
さらに、ボート217およびウエハ200が、回転機構267により回転する。回転機構267によるボート217およびウエハ200の回転は少なくとも、ウエハ200に対する処理が完了するまでの間は継続して行われる。
(成膜ステップ)
その後、原料ガス供給ステップ(第1ガス供給ステップ)、残留ガス除去ステップ、反応ガス供給ステップ(第2ガス供給ステップ)残留ガス所ステップをこの順で所定回数行う。
(原料ガス供給工程)
バルブ314を開き、ガス供給管310へ原料ガス(TMAガス)を流す。TMAガスは、MFC312により流量調整され、ノズル410のガス供給孔410aから処理室201内へ供給される。このとき同時に、バルブ514を開き、ガス供給管510内にキャリアガス(Nガス)を流す。キャリアガスは、MFC512により流量調整され、原料ガスと一緒にノズル410の供給孔410aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。さらに、ノズル420への原料ガスの侵入を防止(逆流を防止)するため、バルブ524を開き、ガス供給管520内へキャリアガスを流す。キャリアガスは、ガス供給管520、ノズル420を介して処理室201へ供給され、排気管231から排気される。
このとき、APCバルブ243を適正に調整して、処理室201の圧力を、例えば1〜1000Pa、好ましくは1〜100Pa、より好みしくは10〜50Paの範囲内の圧力とする。処理室の圧力を1000Pa以下とすることで、後述する残留ガス除去を好適に行うことができるとともに、ノズル410内でTMAガスが自己分解してノズル410の内壁に堆積してしまうことを抑制することができる。処理室201内の圧力を1Pa以上とすることで、ウエア200表面でのTMAガスの反応速度を高めることができ、実質的な成膜速度を得ることが可能となる。なお、本明細書では、数値の範囲として、例えば1〜1000Paと記載した場合は、1Pa以上1000Pa以下を意味する。すなわち、数値の範囲内には1Paおよび1000Paが含まれる。圧力のみならず、流量、時間、温度等、本明細書に記載される全ての数値について同様である。
MFC312で制御するTMAガスの供給流量は、例えば、10〜2000sccm、好ましくは50〜1000sccm、より好ましくは100〜500sccmの範囲内の流量とする。TMAガスの供給流量を2000sccm以下とすることで、後述する残留ガス除去を好適に行うことができると共に、ノズル410内でTMAガスが自己分解してノズル410の内壁に堆積してしまうことを抑制することができる。また、TMAガスの供給流量を10sccm以上とすることで、ウエハ200表面でのTMAガスの反応速度を高めることができる、実用的な成膜速度を得ることが可能となる。
流量を2000sccm以下とすることで、後述する残留ガス除去を好適に行うことができると共に、ノズル410内で原料ガスが自己分解してノズル410の内壁に堆積してしまうことを抑制することができる。流量を10sccm以上とすることで、ウエハ200表面での原料ガスの反応速度を高めることができる、実用的な成膜速度を得ることが可能となる。
MFC512で制御するキャリアガスの供給流量は、例えば、1〜30slmの範囲内の流量とする。
原料ガスをウエハ200に対して供給する時間は、例えば、1〜60秒、好ましくは1〜20秒、より好ましくは2〜15秒の範囲内とする。
ヒータ207は、ウエハ200の温度が、例えば、200〜600℃、好ましくは350℃〜550℃、より好ましくは400〜550℃の範囲内となるように加熱する。温度を600℃以下とすることで、原料ガスの過剰な熱分解を抑制しつつ成膜速度を適切に得ることができ、不純物が膜内に取り込まれて抵抗率が高くなることが抑制される。なお、原料ガスの熱分解は、当該処理に近い条件下においては450℃程度で開始するため、550℃以下の温度に加熱された処理室201内において原料ガス供給工程を用いるとより有効である。一方、温度が200℃以上であることにより、反応性が高く、効率的な膜形成が可能である。
前述の条件下で処理室201へTMAガスを供給することにより、ウエハ200の最表面上に、Al含有層が形成される。Al含有層はAlの他、CおよびHを含み得る。Al含有層は、ウエハ200の最表面に、TMAが物理吸着したり、TMAの一部が分解した物質が化学吸着したり、TMAが熱分解することでAlが堆積したりすること等により形成される。すなわち、Al含有層は、TMAやTMAの一部が分解した吸着層(物理吸着層や化学吸着層)であってもよく、Al堆積層(Al層)であってもよい。
(残留ガス除去工程)
Al含有層が形成された後、バルブ314を閉じ、TMAガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ243は開いたままとして、真空ポンプ246により処理室201を真空排気し、処理室201に残留する未反応又はAl含有層形成に寄与した後の原料ガスを処理室201から排除する。バルブ514,524は開いた状態でキャリアガスの処理室201への供給を維持する。キャリアガスはパージガスとして作用し、処理室201に残留する未反応又はAl含有層形成に寄与した後の原料ガスを処理室201内から排除する効果を高めることができる。なお、バルブ514,524からのキャリアガスは残留ガス除去工程の間、常に流し続けてもよいし、断続的(パルス的)に供給してもよい。
(反応ガス供給工程)
処理室201の残留ガスを除去した後、バルブ324を開き、ガス供給管320内に反応ガス(Oガス)を流す。反応ガスは、MFC322により流量調整され、ノズル420の供給孔420aから処理室201内のウエハ200に対して供給され、排気管231から排気される。すなわちウエハ200は反応ガスに暴露される。
このとき、バルブ524を開き、ガス供給管520内にキャリアガスを流す。キャリアガスは、MFC522により流量調整され、反応ガスと共に処理室201内に供給されて、排気管231から排気される。このとき、ノズル410内への反応ガスの侵入を防止(逆流を防止)するために、バルブ514を開き、ガス供給管510内へキャリアガスを流す。キャリアガスは、ガス供給管510、ノズル410を介して処理室201内に供給され、排気管231から排気される。
このとき、APCバルブ243を適正に調整して、処理室201の圧力を、例えば1〜1000Paの範囲内の圧力とする。MFC322で制御する反応ガスの供給流量は、例えば、5〜40slm、好ましくは5〜30slm、より好ましくは10〜20slmの範囲内の流量とする。反応ガスをウエハ200に対して供給する時間は、例えば、1〜60秒の範囲内とする。その他の処理条件は、前述の原料ガス供給工程と同様の処理条件とする。
このとき処理室201に流しているガスは、反応ガスと不活性ガス(Nガス)のみである。反応ガスは、原料ガス供給工程でウエハ200上に形成されたAl含有層の少なくとも一部と反応する。Al含有層は酸化され、金属酸化層としてAlとOとを含むアルミニウム酸化層(AlO層)が形成される。すなわちAl含有層はAlO層へと改質される。
(残留ガス除去工程)
AlO層が形成された後、バルブ324を閉じて、反応ガスの供給を停止する。そして、原料ガス供給工程後の残留ガス除去工程と同様の処理手順により、処理室201内に残留する未反応もしくはAlO層の形成に寄与した後の反応ガスや反応副生成物を処理室201内から排除する。
以上説明した気化工程、原料ガス供給工程、残留ガス除去工程、反応ガス供給工程、残留ガス除去工程を順に行うサイクルを予め決められた回数(1回以上)行う。このように、バッチ処理され(複数の工程が複数回行われ)ることで、ウエハ200上にAlO膜が形成される。
なお、バッチ処理とは、気化工程、原料ガス供給工程、残留ガス除去工程、反応ガス供給工程、残留ガス除去工程を順に行うサイクルを予め決められた回数行い、ウエハ200上にAlO膜を形成させる処理である。そして、1バッチで、ウエハ200上にAlO膜が形成させる。
(アフターパージおよび大気圧復帰)
ガス供給管510,520,530のそれぞれからNガスを処理室201内へ供給し、排気管231から排気する。Nガスはパージガスとして作用し、これにより処理室201内が不活性ガスでパージされ、処理室201内に残留するガスや副生成物が処理室201内から除去される(アフターパージ)。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
(ウエハ搬出)
その後、ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降されて、マニホールド209の下端が開口される。そして、処理済ウエハ200がボート217に支持された状態で反応管203の下端から反応管203の外部に搬出(ボートアンロード)される。その後、処理済のウエハ200は、ボート217より取り出される(ウエハディスチャージ)。
次に、処理室201内等に付着した膜をエッチングする工程について説明する。
(ボート搬入)
ウエハ200を装填しない状態で、ボート217を処理室201内に搬入(ボートロード)する。ボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内に搬入される。この状態で、シールキャップ219はOリング220を介してマニホールド209の下端開口を閉塞した状態となる。
(圧力調整および温度調整)
処理室201内が所望の圧力(真空度)となるように真空ポンプ246によって真空排気される。この際、処理室201内の圧力は、圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づき、APCバルブ231aがフィードバック制御される(圧力調整)。真空ポンプ246は、少なくともウエハ200に対する処理が完了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。また、処理室201内が所望の温度となるようにヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電量がフィードバック制御される(温度調整)。ヒータ207による処理室201内の加熱は、少なくともエッチング処理が完了するまでの間は継続して行われる。
(エッチング(クリーニング)工程)
処理室201内等に付着した膜をエッチングして処理室201内をクリーニングするステップを実行する。
(エッチングステップ)
バルブ334を開き、原料容器600からガス供給管330内にクリーニングガス(エッチングガス)としてSiClガスを流す。SiClガスは、MFC332により流量調整され、ノズル430のガス供給孔430aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき同時にバルブ534を開き、ガス供給管530内にNガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管530内を流れたNガスは、MFC532により流量調整され、SiClガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。なお、このとき、ノズル410,420内へのSiClガスの侵入を防止するために、バルブ514,524を開き、ガス供給管510,520内にNガスを流す。Nガスは、ガス供給管310,320ノズル410,420を介して処理室201内に供給され、排気管231から排気される。
SiClガスの供給により、処理室201内に付着したAlO膜の少なくとも一部とSiClガスとが反応して、処理室201から除去される。
このとき、コントローラ280によりヒータ207を制御して、処理室201内を例えば、200〜800℃であって、好ましくは400〜650℃の範囲内の所定温度に加熱して、SiClガスを活性化させる。このとき、APCバルブ231aを閉じるか、処理に影響を及ぼさない程度に実質的に閉じ、SiClガスを処理室201内に封じ込める。SiClガスを封じ込めることにより、上述の反応遅延によるエッチングへの影響を少なくすることができる。そして、処理室201内の圧力を第1の圧力であって、例えば、1〜40000Paであって、好ましくは10000〜30000Pa、より好ましくは20000〜30000Paの範囲内の所定圧力に維持する。MFC332で制御するSiClガスの供給流量は、例えば0.1〜10slmであって、好ましくは3〜5slmの範囲内の流量とする。SiClガスを処理室201に供給する時間(SiClガス供給時間)は、例えば60〜600秒間の範囲内の時間とする。
(残留ガス除去ステップ)
所定時間、SiClガスを処理室201に供給した後、バルブ334を閉じて、SiClガスの供給を停止する。APCバルブ231aを閉じるか、処理に影響を及ぼさない程度に実質的に閉じていた場合は、APCバルブ231aを開ける。そして、TMAガス供給ステップの残留ガス除去ステップと同様の処理手順により、処理室201内に残留する未反応もしくはAlO層の除去に寄与した後のSiClガスを処理室201内から排除する。
(表面酸化ステップ)
バルブ324を開き、ガス供給管320内にOガスを流す。Oガスは、MFC322により流量調整され、ノズル420のガス供給孔420aから処理室201内に供給され、排気管231から排気される。このとき同時にバルブ524を開き、ガス供給管520内にNガス等の不活性ガスを流す。ガス供給管520内を流れたNガスは、MFC522により流量調整され、Oガスと一緒に処理室201内に供給され、排気管231から排気される。なお、このとき、ノズル410,430内へのOガスの侵入を防止するために、バルブ514,534を開き、ガス供給管510,530内にNガスを流す。Nガスは、ガス供給管310,330、ノズル410,430を介して処理室201内に供給され、排気管231から排気される。
ガスを流すときは、APCバルブ231aを適正に調整して処理室201内の圧力を、例えば50〜1330Paの範囲内の圧力とする。MFC235b,235cで制御するOガスの供給流量は、例えば5〜40slmの範囲内の流量とする。Oガスにウエハ200を晒す時間、すなわちガス供給時間(照射時間)は、例えば10〜600秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータユニット207の温度は、ステップS101と同様の温度とする。
ガスの供給により、処理室201内壁やボート217等の表面を酸化する(トリートメントする)。また、エッチングステップで生成された副生成物が再酸化される。例えば、AlClxのAl−Cl結合が切断され、Clとして除去されるとともに、AlOに再酸化される。さらに、AlO膜中に残留する有機物がOガスと反応して、処理室201から除去される。例えば、AlO膜中に残留する炭素(C)がOガスと反応して、COxとなり、処理室201から除去される。このとき、膜の最表面は、COxが脱離した後の炭素欠陥が存在するとともに、Al−OおよびAl−Alの弱い結合平衡状態が存在する。この状態は、エッチングに適した表面平衡状態であると考えられる。
(残留ガス除去ステップ)
所定時間、Oガスを供給した後、バルブ324を閉じ、Oガスの供給を停止する。そして、TMAガス供給ステップの残留ガス除去ステップと同様の処理手順により、処理室201内に残留する未反応もしくはAlO膜と反応した後のOガスを処理室201内から排除する。
(所定回数実施)
上記したステップを順に行うサイクルを1回以上(所定回数(m回)行うことにより、処理室201内に付着したAlO膜を除去する。上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。
また、上述の実施形態では、エッチングしようとする高誘電率酸化膜としてAlO膜を例示しているが、これに限らず、例えば、高誘電率酸化物としてZrOy、HfOy、HfSixOy,HfAlxOy,ZrSiOy、ZrAlOy, TixOy,TaxOy(x及びyは0より大きい整数又は小数である。)が用いられた場合にも同様に適用可能である。すなわち、ジルコニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、チタン酸化膜、タンタル酸化膜およびそれらの複合膜にも適用可能である。
また、上述の実施形態では、有機系原料としてTMAを例示しているが、これに限らず、有機化合物であれば、その他の原料も適用可能である。例えば、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム(Hf[N(CH)CHCH、TEMAH)等の有機系Hf原料等の有機系Al原料、トリスジメチルアミノシラン(SiH(N(CH、TDMAS)等の有機系Si原料、テトラキスジメチルアミノチタン(Ti[N(CH、TDMAT)等の有機系Ti原料、ペンタキスジメチルアミノタンタル(Ta(N(CH、PDMAT)等の有機系Ta原料等も適用可能である。
また、上述の実施形態では、成膜工程で、Oガスを使用する例を示しているが、これに限らず、酸素含有ガスであれば、その他の原料も適用可能である。例えば、O、Oプラズマ、HO、H、NO等も適用可能である。
また、上述の実施形態では、表面酸化ステップで使用する酸化ガスとして、Oを例示しているが、酸素含有ガスであれば、その他のガスも適用可能である。例えば、O、Oプラズマ、HO、H、NO等も適用可能である。
また、上述の実施形態では、後処理ステップで使用する改質ガス、HOを例示しているが、エッチングガスに含まれるハロゲン元素と反応する元素を含むガスであれば、その他のガスも適用可能である。例えば、H、H、NH等も適用可能である。
また、上述の実施形態では、表面酸化ステップで使用する酸化ガスとしてOを例示しているが、これに限らず、酸素含有ガスであって、かつエッチングガスに含まれるハロゲン元素と反応する元素を含むガスであれば、両ステップで同じガスを用いてもよい。例えば、HO、H等を両ステップで用いることも可能である。
これらの各種薄膜の形成に用いられるプロセスレシピ(処理手順や処理条件等が記載されたプログラム)は、基板処理、クリーニング処理等の内容(形成する薄膜の膜種、組成比、膜質、膜厚、処理手順、処理条件等)に応じて、それぞれ個別に用意する(複数用意する)ことが好ましい。そして、基板処理、クリーニング処理等を開始する際、基板処理、クリーニング処理等の内容に応じて、複数のプロセスレシピ、クリーニングレシピ等の中から、適正なプロセスレシピ、クリーニングレシピ等を適宜選択することが好ましい。具体的には、基板処理、クリーニング処理等の内容に応じて個別に用意された複数のプロセスレシピ、クリーニングレシピ等を、電気通信回線や当該プロセスレシピ、クリーニングレシピ等を記録した記録媒体(外部記憶装置283)を介して、基板処理装置が備える記憶装置280c内に予め格納(インストール)しておくことが好ましい。そして、基板処理を開始する際、基板処理装置が備えるCPU280aが、記憶装置280c内に格納された複数のプロセスレシピ、クリーニングレシピ等の中から、基板処理の内容に応じて、適正なプロセスレシピ、クリーニングレシピ等を適宜選択することが好ましい。このように構成することで、1台の基板処理装置で様々な膜種、組成比、膜質、膜厚の薄膜を汎用的に、かつ、再現性よく形成できるようになる。また、オペレータの操作負担(処理手順や処理条件等の入力負担等)を低減でき、操作ミスを回避しつつ、基板処理を迅速に開始できるようになる。
また、本開示は、例えば、既存の基板処理装置のプロセスレシピ、クリーニングレシピ等を変更することでも実現できる。プロセスレシピ、クリーニングレシピ等を変更する場合は、本開示に係るプロセスレシピ、クリーニングレシピ等を電気通信回線や当該プロセスレシピ、クリーニングレシピ等を記録した記録媒体を介して既存の基板処理装置にインストールしたり、また、既存の基板処理装置の入出力装置を操作し、そのプロセスレシピ、クリーニングレシピ等自体を本開示に係るプロセスレシピ、クリーニングレシピ等に変更したりすることも可能である。
10…基板処理装置、280…コントローラ、200…200 ウエハ(基板)、201…処理室、600…原料容器、610…内部ヒータ、620…外部ヒータ、630…第1の温度センサ、640第2の温度センサ

Claims (4)

  1. 液体原料を貯留する原料容器と、
    前記原料容器に貯留された前記液体原料を加熱する第1の加熱部と、
    前記原料容器に貯留された前記原料容器と前記液体原料を加熱する第2の加熱部と、
    前記原料容器に貯留された前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第1の温度センサと、
    前記原料容器に貯留された前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第2の温度センサと、
    前記第1の温度センサにより測定された前記液体原料の温度に基づき前記第1の加熱部を制御し、前記第2の温度センサにより測定された前記液体原料の温度に基づき前記第2の加熱部を制御して、前記液体原料の温度を所定の温度にすることが可能なように構成される制御部と、
    を有する原料貯留システム。
  2. 基板を処理する処理室と、
    液体原料を貯留する原料容器と、前記液体原料を加熱する第1の加熱部と、前記原料容器と前記液体原料を加熱する第2の加熱部と、前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第1の温度センサと、前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第2の温度センサと、を備える原料容器と、前記第1の温度センサにより測定された前記液体原料の温度により前記第1の加熱部の温度を制御し、前記第2の温度センサにより測定された前記液体原料の温度により前記第2の加熱部の温度を制御して、前記液体原料の温度を所定の温度にすることが可能なよう構成される制御部と、を備えた原料貯留システムと、
    前記原料貯留システムで前記液体原料を気化することで得られたガスを前記処理室へ供給するガス供給系と、
    を有する基板処理装置。
  3. 液体原料を貯留する原料容器と、前記原料容器に貯留された前記液体原料を加熱する第1の加熱部と、前記原料容器と前記原料容器に貯留された前記液体原料を加熱する第2の加熱部と、前記原料容器に貯留された前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第1の温度センサと、前記原料容器に貯留された前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第2の温度センサと、前記第1の温度センサにより測定された前記液体原料の温度に基づいて前記第1の加熱部の温度を制御し、前記第2の温度センサにより測定された前記液体原料の温度に基づいて前記第2の加熱部の温度を制御して、前記液体原料の温度を所定の温度にすることが可能なように構成される制御部と、を備える原料貯留システムにより、前記液体原料を気化する工程と、
    前記液体原料を気化することで得たガスを、基板に対する処理が行われる処理室内へ供給することで、処理室内をクリーニングする工程と、
    を有するクリーニング方法。
  4. 液体原料を貯留する原料容器と、前記原料容器に貯留された前記液体原料を加熱する第1の加熱部と、前記原料容器と前記原料容器に貯留された前記液体原料を加熱する第2の加熱部と、前記原料容器に貯留された前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第1の温度センサと、前記原料容器に貯留された前記液体原料内に浸漬され、前記液体原料の温度を測定する第2の温度センサと、前記第1の温度センサにより測定された前記液体原料の温度に基づき前記第1の加熱部の温度を制御し、前記第2の温度センサにより測定された前記液体原料の温度に基づき前記第2の加熱部の温度を制御して、前記液体原料の温度を所定の温度にすることが可能なように構成される制御部と、を有する原料貯留システムにより前記液体原料を気化する手順と、
    前記液体原料を気化することで得たガスを、基板に対する処理が行われる処理室内へ供給することで、処理室内をクリーニングする手順と、
    をコンピュータによって前記原料貯留システムに実行させるプログラム。
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