JP5247528B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法、基板処理方法及びガス導入手段 - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法、基板処理方法及びガス導入手段 Download PDF

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Description

本発明は、基板を処理する基板処理装置、半導体装置の製造方法及び基板処理方法に関する。
高密度化が進むDRAM等の半導体装置では、ゲート絶縁膜やキャパシタ絶縁膜として、例えばハフニウム(Hf)元素やジルコニウム(Zr)元素を含む高誘電率膜(High−k膜)が用いられるようになってきた。例えば、1.6nmのHfO膜は、4.5nmのSiO膜と同程度の高い誘電率を得ることができるためである。Hf元素やZr元素を含む高誘電率膜を形成する方法として、例えばTEMAH(Hf[N(CH)CHCH:テトラキスメチルエチルアミノハフニウム)やTEMAZ(Zr[N(CH)CHCH:テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム)等の有機系化合物(液体原料)を気化器により気化させることにより生成した気化ガスと、オゾン(O)ガス等の酸化ガスとを、シリコンウエハ等の基板を収容した処理室内に交互に供給するALD(Atomic Layer Deposition)法等が用いられるようになってきた。
TEMAHやTEMAZ等の有機系化合物を用いて高誘電率膜を形成すると、気化器内に炭化物が残留したり、気化器内と処理室内とを結ぶ配管内に気化ガスの酸化物が形成されたりする場合があった。これら炭化物や酸化物は、半導体装置の製造歩留りを悪化させるパーティクル(異物)の発生要因となり得る。また、TEMAHやTEMAZといった有機系化合物は、水分と反応し易い性質がある。そのため、気化器や配管を交換等した後、水分除去のために実施する気化器内や配管内のパージが不十分であったり、気化器や配管の加熱にムラがあったりすると、気化器内や配管内に残留している水分と有機系化合物とが反応してパーティクルが発生してしまう場合があった。
気化器内や配管内に生じたパーティクルの処理室内への拡散を抑制するため、従来の基板処理装置においては、気化器と処理室とを結ぶ配管にフィルタが設けられていた。しかしながら、係る構成では、フィルタを交換する際に気化器内や配管内が大気に曝されてしまい、これらの内壁に水分が付着してしまい、パーティクルの発生を招いてしまう場合があった。フィルタの交換に伴い、大気に曝される一部の配管部材等を併せて交換する方法も考えられる。しかしながら、かかる方法では、フィルタの交換作業に要する時間の増大やコストの増加が課題となる。特に、配管部材等の交換に際しては、配管周辺に設けられている加熱用ヒータ等の脱着も併せて必要となる場合があるため、フィルタの交換作業に要する時間の増大やコストの増加が課題となる。
本発明は、処理室内へのパーティクルの拡散を抑制し、フィルタの交換に要するコストを低減することが可能な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、基板を収容する処理室内に少なくとも1種の処理ガスを導入するガス導入手段を有し、前記ガス導入手段は、前記処理室内に配設されるガス導入ノズルと、
前記ガス導入ノズルの先端に接続され、前記処理室内に処理ガスを導入するガス導入口を有するガス整流ノズルと、前記ガス整流ノズルの内部に配置されたフィルタと、を有し、前記処理ガスは、前記ガス導入ノズルから前記フィルタを介して前記ガス整流ノズルへ導入され、前記ガス導入口から前記処理室内に導入されることを特徴とする基板処理装置が提供される。
また、本発明の他の態様によれば、処理室内に基板を搬入する工程と、内部にフィルタが配置されておりガス導入口を有するガス整流ノズルが先端に接続されたガス導入ノズルから、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、前記処理室から基板を搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
さらに、本発明の他の態様によれば、処理室内に基板を搬入する工程と、内部にフィルタが配置されておりガス導入口を有するガス整流ノズルが先端に接続されたガス導入ノズルから、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、前記処理室から基板を搬出する工程と、を有する基板処理方法が提供される。
本発明に係る基板処理装置によれば、処理室内へのパーティクルの拡散を抑制し、フィルタの交換に要するコストを低減することが可能となる。
本発明の一実施形態にかかる基板処理装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態にかかる基板処理装置が備える処理炉の概略構成図であり、(a)は処理炉の縦断面概略図を、(b)は処理炉の横断面概略図をそれぞれ示している。 本発明の一実施形態にかかる気化ガスノズル及びその周辺の部分拡大図である。 本発明の一実施形態にかかるフィルタの概略構成図である。 従来の気化ガスノズル及びその周辺の部分拡大図である。
(1)基板処理装置の構成
まず、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置101の構成例について、図1を用いて説明する。
図1に示すように、本実施形態にかかる基板処理装置101は筐体111を備えている。シリコン等からなるウエハ(基板)200を筐体111内外へ搬送するには、複数のウエハ200を収納するウエハキャリア(基板収納容器)としてのカセット110が使用される。筐体111内側の前方(図中の右側)には、カセットステージ(基板収納容器受渡し台)114が設けられている。カセット110は、図示しない工程内搬送装置によってカセットステージ114上に載置され、また、カセットステージ114上から筐体111外へ搬出されるように構成されている。
カセット110は、工程内搬送装置によって、カセット110内のウエハ200が垂直姿勢となり、カセット110のウエハ出し入れ口が上方向を向くように、カセットステージ114上に載置される。カセットステージ114は、カセット110を筐体111の後方に向けて縦方向に90°回転させ、カセット110内のウエハ200を水平姿勢とさせ、カセット110のウエハ出し入れ口を筐体111内の後方を向かせることが可能なように構成されている。
筐体111内の前後方向の略中央部には、カセット棚(基板収納容器載置棚)105が設置されている。カセット棚105には、複数段、複数列にて複数個のカセット110が保管されるように構成されている。カセット棚105には、後述するウエハ移載機構125の搬送対象となるカセット110が収納される移載棚123が設けられている。また、カセットステージ114の上方には、予備カセット棚107が設けられ、予備的にカセット110を保管するように構成されている。
カセットステージ114とカセット棚105との間には、カセット搬送装置(基板収納容器搬送装置)118が設けられている。カセット搬送装置118は、カセット110を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ(基板収納容器昇降機構)118aと、カセット110を保持したまま水平移動可能な搬送機構としてのカセット搬送機構(基板収納容器搬送機構)118bと、を備えている。これらカセットエレベータ118aとカセット搬送機構118bとの連携動作により、カセットステージ114、カセット棚105、予備カセット棚107、移載棚123の間で、カセット110を搬送するように構成され
ている。
カセット棚105の後方には、ウエハ移載機構(基板移載機構)125が設けられている。ウエハ移載機構125は、ウエハ200を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置(基板移載装置)125aと、ウエハ移載装置125aを昇降させるウエハ移載装置エレベータ(基板移載装置昇降機構)125bと、を備えている。なお、ウエハ移載装置125aは、ウエハ200を水平姿勢で保持するツイーザ(基板移載用治具)125cを備えている。これらウエハ移載装置125aとウエハ移載装置エレベータ125bとの連携動作により、ウエハ200を移載棚123上のカセット110内からピックアップして後述するボート(基板支持部材)217へ装填(チャージング)したり、ウエハ200をボート217から脱装(ディスチャージング)して移載棚123上のカセット110内へ収納したりするように構成されている。
筐体111の後部上方には、処理炉202が設けられている。処理炉202の下端部には開口が設けられ、かかる開口は炉口シャッタ(炉口開閉機構)147により開閉されるように構成されている。なお、処理炉202の構成については後述する。
処理炉202の下方には、ボート217を昇降させて処理炉202内外へ搬送する昇降機構としてのボートエレベータ(基板支持部材昇降機構)115が設けられている。ボートエレベータ115の昇降台には、連結具としてのアーム128が設けられている。アーム128上には、ボート217を垂直に支持するとともに、ボートエレベータ115によりボート217が上昇したときに処理炉202の下端部を気密に閉塞する蓋体としてのシールキャップ219が水平姿勢で設けられている。主に、ウエハ移載機構125(ウエハ移載装置125a、ウエハ移載装置エレベータ125b、ツイーザ125c)、ボートエレベータ115、アーム128により、少なくとも1枚のウエハ200を処理室201内外に搬入出する搬入出手段が構成される。
ボート217は複数本の保持部材を備えており、複数枚(例えば、50枚〜150枚程度)のウエハ200を、水平姿勢で、かつその中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に保持するように構成されている。ボート217の詳細な構成については後述する。
カセット棚105の上方には、供給ファンと防塵フィルタとを備えたクリーンユニット134aが設けられている。クリーンユニット134aは、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを筐体111の内部に流通させるように構成されている。
また、ウエハ移載装置エレベータ125bおよびボートエレベータ115側と反対側である筐体111の左側端部には、クリーンエアを供給するよう供給ファンと防塵フィルタとを備えたクリーンユニット(図示せず)が設置されている。図示しない前記クリーンユニットから吹き出されたクリーンエアは、ウエハ移載装置125a及びボート217の周囲を流通した後に、図示しない排気装置に吸い込まれて、筐体111の外部に排気されるように構成されている。
(2)基板処理装置の動作
次に、本実施形態にかかる基板処理装置101の動作について説明する。
まず、カセット110が、図示しない工程内搬送装置によって、ウエハ200が垂直姿勢となりカセット110のウエハ出し入れ口が上方向を向くように、カセットステージ114上に載置される。その後、カセット110は、カセットステージ114によって、筐体111の後方に向けて縦方向に90°回転させられる。その結果、カセット110内のウエハ200は水平姿勢となり、カセット110のウエハ出し入れ口は筐体111内の後
方を向く。
カセット110は、カセット搬送装置118によって、カセット棚105ないし予備カセット棚107の指定された棚位置へ自動的に搬送されて受け渡されて一時的に保管された後、カセット棚105又は予備カセット棚107から移載棚123に移載されるか、もしくは直接移載棚123に搬送される。
カセット110が移載棚123に移載されると、ウエハ200は、ウエハ移載装置125aのツイーザ125cによって、ウエハ出し入れ口を通じてカセット110からピックアップされ、ウエハ移載装置125aとウエハ移載装置エレベータ125bとの連続動作によって移載室124の後方にあるボート217に装填(チャージング)される。ボート217にウエハ200を受け渡したウエハ移載機構125は、カセット110に戻り、次のウエハ200をボート217に装填する。
予め指定された枚数のウエハ200がボート217に装填されると、炉口シャッタ147によって閉じられていた処理炉202の下端部が、炉口シャッタ147によって開放される。続いて、シールキャップ219がボートエレベータ115によって上昇されることにより、ウエハ200群を保持したボート217が処理炉202内へ搬入(ローディング)される。ローディング後は、処理炉202にてウエハ200に任意の処理が実施される。かかる処理については後述する。処理後は、ウエハ200およびカセット110は、上述の手順とは逆の手順で筐体111の外部へ払出される。
(3)処理炉の構成
続いて、本発明の一実施形態にかかる処理炉202の構成について、図面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が備える処理炉202の概略構成図であり、(a)は処理炉の縦断面概略図を、(b)は図2(a)に示す処理炉202の横断面概略図をそれぞれ示している。
(処理室)
本発明の一実施形態にかかる処理炉202は、反応管203とマニホールド209とを有している。反応管203は、例えば石英(SiO)や炭化珪素(SiC)等の耐熱性を有する非金属材料から構成され、上端部が閉塞され、下端部が開放された円筒形状となっている。マニホールド209は、例えばSUS等の金属材料から構成され、上端部及び下端部が開放された円筒形状となっている。反応管203は、マニホールド209により下端部側から縦向きに支持されている。反応管203とマニホールド209とは、同心円状に配置されている。マニホールド209の下端部は、上述したボートエレベータ115が上昇した際に、シールキャップ219により気密に封止されるように構成されている。マニホールド209の下端部とシールキャップ219との間には、処理室201内を気密に封止するOリングなどの封止部材220が設けられている。
反応管203及びマニホールド209の内部には、基板としてのウエハ200が収容される処理室201が形成されている。処理室201内には、基板保持具としてのボート217が下方から挿入されるように構成されている。反応管203及びマニホールド209の内径は、ウエハ200を装填したボート217の最大外径よりも大きくなるように構成されている。
ボート217は、複数枚(例えば75枚から100枚)のウエハ200を、略水平状態で所定の隙間(基板ピッチ間隔)をもって多段に保持するように構成されている。ボート217は、ボート217からの熱伝導を遮断する断熱キャップ218上に搭載されている。断熱キャップ218は、回転軸255により下方から支持されている。回転軸255は
、処理室201内の気密を保持しつつ、シールキャップ219の中心部を貫通するように設けられている。シールキャップ219の下方には、回転軸255を回転させる回転機構267が設けられている。回転機構267により回転軸255を回転させることにより、処理室201内の気密を保持したまま、複数のウエハ200を搭載したボート217を回転させることが出来るように構成されている。
反応管203の外周には、反応管203と同心円状に加熱手段(加熱機構)としてのヒータ207が設けられている。ヒータ207は円筒形状であり、図3に示す保持板としてのヒータベース207aに支持されることにより垂直に据え付けられている。
(気化ガス供給系)
マニホールド209には、気化ガスノズル233aが設けられている。気化ガスノズル233aは、垂直部と水平部とを有するL字形状に構成されている。気化ガスノズル233aの垂直部は、反応管203の内壁に沿うように鉛直方向に配設されている。気化ガスノズル233aの垂直部側面(筒部)には、処理室201内に処理ガスとしての気化ガスを導入するガス導入口としての気化ガス供給孔248aが、鉛直方向に複数設けられている。気化ガス供給孔248aの開口径は、それぞれ下部から上部にわたって同一とされていてもよく、下部から上部にわたって徐々に大きくされていてもよい。気化ガスノズル233a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。
マニホールド209の側壁から突出した気化ガスノズル233aの水平端部(上流側)には、処理ガスとしての気化ガスを処理室201内へ供給する気化ガス供給管240aが接続されている。気化ガス供給管240aの上流側には、気化器260が接続されている。気化器260は図示しない圧力容器を備えている。圧力容器の内部には、所定の温度雰囲気に加熱される気化空間が形成されている。気化空間内には液体原料が供給されるように構成されている。圧力容器の外周には、気化空間を加熱する図示しない通電加熱ヒータが設けられている。通電加熱ヒータにより気化空間が所定の温度雰囲気に加熱されると、気化空間内に供給された液体原料が気化されて、気化ガス(原料ガス)が生成されるように構成されている。気化ガス供給管240aには開閉バルブ241aが設けられている。開閉バルブ241aを開けることにより、気化器260にて生成された気化ガスが処理室201内へ供給されるように構成されている。
気化器260の上流側には、気化器260の気化空間内に液体原料を供給する液体原料供給管240cと、気化器260の気化空間内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給管240fと、がそれぞれ接続されている。
液体原料供給管240cの上流側は、液体原料としてのTEMAHやTEMAZ等の有機系化合物を貯留する液体原料供給タンク266に接続されている。液体原料供給管240cの上流側端部は、液体原料供給タンク266内に貯留された液体原料内に浸されている。液体原料供給管240cには、上流側から順に、開閉バルブ243c、液体流量コントローラ(LMFC)242c、開閉バルブ241cが設けられている。
液体原料供給タンク266の上面部には、Heガス等の不活性ガスを供給する圧送ガス供給管240dが接続されている。圧送ガス供給管240dの上流側は、圧送ガスとしてのHeガス等の不活性ガスを供給する図示しない圧送ガス供給源に接続されている。圧送ガス供給管240dには、開閉バルブ241dが設けられている。開閉バルブ241dを開けることにより液体原料供給タンク266内に圧送ガスが供給され、さらに開閉バルブ243c、開閉バルブ241cを開けることにより、液体原料供給タンク266内の液体原料が気化器260へと圧送(供給)されるように構成されている。なお、気化器260への液体原料の供給流量(すなわち、気化器260で生成され処理室201内へ供給され
る気化ガスの流量)は、液体流量コントローラ242cによって制御可能なように構成されている。
キャリアガス供給管240fの上流側は、キャリアガスとしてのヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、窒素(N)等の不活性ガスを供給する図示しないキャリアガス供給源に接続されている。キャリアガス供給管240fには、上流から順に、流量コントローラ(MFC)242f、開閉バルブ241fが設けられている。開閉バルブ241f及び開閉バルブ241aを開けることにより気化器260にキャリアガスが供給され、気化ガスとキャリアガスとの混合ガスが気化ガス供給管240aを介して処理室201内に供給されるように構成されている。気化器260内にキャリアガスを供給することにより、気化ガスの気化器260からの排出及び処理室201内への供給を促すことが可能となる。気化器260へのキャリアガスの供給流量(すなわち、処理室201内へのキャリアガスの供給流量)は、流量コントローラ242fによって制御可能なように構成されている。なお、本実施形態においては、気化器260に液体原料を供給していない時(気化ガスを生成していない時)であっても、気化器260に常に一定量のキャリアガスを供給し続けることができるように構成されている。
主に、気化ガスノズル233a、気化ガス供給孔248a、気化ガス供給管240a、気化器260、開閉バルブ241a、液体原料供給管240c、キャリアガス供給管240f、液体原料供給タンク266、開閉バルブ243c、液体流量コントローラ242c、開閉バルブ241c、圧送ガス供給管240d、図示しない圧送ガス供給源、開閉バルブ241d、図示しないキャリアガス供給源、流量コントローラ242f、開閉バルブ241fにより、本実施形態に係る気化ガス供給系が構成される。
(反応ガス供給系)
マニホールド209には、反応ガスノズル233bが設けられている。反応ガスノズル233bは、垂直部と水平部とを有するL字形状に構成されている。反応ガスノズル233bの垂直部は、反応管203の内壁を沿うように鉛直方向に配設されている。反応ガスノズル233bの垂直部側面には、反応ガス供給孔248bが鉛直方向に複数設けられている。反応ガス供給孔248bの開口径は、それぞれ下部から上部にわたって同一とされていてもよく、下部から上部にわたって徐々に大きくされていてもよい。反応ガスノズル233b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。
マニホールド209の側壁から突出した反応ガスノズル233bの水平端部(上流側)には、反応ガスを処理室201内へ供給する反応ガス供給管240bが接続されている。反応ガス供給系としての反応ガス供給管240bの上流側には、反応ガスとしてのオゾン(O)ガス(酸化ガス)を生成するオゾナイザ270が接続されている。反応ガス供給管240bには、上流から順に、流量コントローラ(MFC)242b、開閉バルブ241bが設けられている。オゾナイザ270には、酸素ガス供給管240eが接続されている。酸素ガス供給管240eの上流側は、酸素(O)ガスを供給する図示しない酸素ガス供給源に接続されている。酸素ガス供給管240eには開閉バルブ241eが設けられている。開閉バルブ241eを開けることによりオゾナイザ270に酸素ガスが供給され、開閉バルブ241bを開けることによりオゾナイザ270にて生成されオゾンガスが反応ガス供給管240bを介して処理室201内へ供給されるように構成されている。なお、処理室201内へのオゾンガスの供給流量は、流量コントローラ242bによって制御することが可能なように構成されている。
主に、反応ガスノズル233b、反応ガス供給孔248b、反応ガス供給管240b、オゾナイザ270、流量コントローラ242b、開閉バルブ241b、酸素ガス供給管240e、図示しない酸素ガス供給源、開閉バルブ241eにより、本実施形態に係る反応
ガス供給系が構成される。
(ベント管)
気化ガス供給管240aにおける気化器260と開閉バルブ241aとの間には、気化ガスベント管240iの上流側が接続されている。気化ガスベント管240iの下流側は、後述する排気管231の下流側(後述するAPCバルブ231aと真空ポンプ231bとの間)に接続されている。気化ガスベント管240iには開閉バルブ241iが設けられている。開閉バルブ241aを閉め、開閉バルブ241iを開けることにより、気化器260における気化ガスの生成を継続したまま、処理室201内への気化ガスの供給を停止することが可能なように構成されている。気化ガスを安定して生成するには所定の時間を要するが、開閉バルブ241a、開閉バルブ241iの切り替え動作によって、処理室201内への気化ガスの供給・停止をごく短時間で切り替えることが可能なように構成されている。
同様に、反応ガス供給管240bにおけるオゾナイザ270と流量コントローラ242bとの間には、反応ガスベント管240jの上流側が接続されている。反応ガスベント管240jの下流側は、排気管231の下流側(APCバルブ231aと真空ポンプ231bとの間)に接続されている。反応ガスベント管240jには開閉バルブ241jが設けられている。開閉バルブ241bを閉め、開閉バルブ241jを開けることにより、オゾナイザ270によるオゾンガスの生成を継続したまま、処理室201内へのオゾンガスの供給を停止することが可能なように構成されている。オゾンガスを安定して生成するには所定の時間を要するが、開閉バルブ241b、開閉バルブ241jの切り替え動作によって、処理室201内へのオゾンガスの供給・停止をごく短時間で切り替えることが可能なように構成されている。
(パージガス供給管)
気化ガス供給管240aにおける開閉バルブ241aの下流側には、第1パージガス管240gの下流側が接続されている。第1パージガス管240gには、上流側から順に、Nガス等の不活性ガスを供給する図示しないパージガス供給源、流量コントローラ(MFC)242g、開閉バルブ241gが設けられている。開閉バルブ241aを閉め、開閉バルブ241i及び開閉バルブ241gを開けることにより、気化ガスの生成を継続したまま処理室201内への気化ガスの供給を停止すると共に、処理室201内へのパージガスの供給を開始することが可能なように構成されている。処理室201内へパージガスを供給することにより、処理室201内からの気化ガスの排出を促すことが可能となる。
同様に、反応ガス供給管240bにおける開閉バルブ241bの下流側には、第2パージガス管240hの下流側が接続されている。第2パージガス管240hには、上流側から順に、Nガス等の不活性ガスを供給する図示しないパージガス供給源、流量コントローラ(MFC)242h、開閉バルブ241hが設けられている。開閉バルブ241bを閉め、開閉バルブ241j及び開閉バルブ241hを開けることにより、処理室201内へのオゾンガスの供給を停止すると共に、オゾンガスの生成を継続したまま処理室201内へのパージガスの供給を開始することが可能なように構成されている。処理室201内へパージガスを供給することにより、処理室201内からのオゾンガスの排出を促すことが可能となる。
(排気系)
マニホールド209の側壁には、処理室201内の雰囲気を排気する排気管231が接続されている。排気管231には、上流側から順に、圧力検出器としての圧力センサ245、圧力調整器としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ231a、真空排気装置としての真空ポンプ231bが設けられている。真空ポン
プ231bを作動させつつ、APCバルブ242の開閉弁の開度を調整することにより、処理室201内を所望の圧力とすることが可能なように構成されている。主に、排気管231、圧力センサ245、APCバルブ231a、真空ポンプ231bにより、本実施形態に係る排気系が構成される。
(シールキャップ)
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219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220bが設けられている。シールキャップ219の処理室201と反対側には、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を下方から支持しており、回転機構267を作動させることでウエハ200を回転させることが可能なように構成されている。シールキャップ219は、反応管203の外部に垂直に配置された昇降機構としてのボートエレベータ215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217を処理室201内外に搬送することが可能となっている。
(コントローラ)
制御部(制御手段)であるコントローラ280は、ヒータ207、APCバルブ231a、真空ポンプ231b、回転機構267、ボートエレベータ215、通電加熱ヒータ264、開閉バルブ241a,241b,242c,243c,241d,241e,241f,241g,241h,241i,241j、液体流量コントローラ242c、流量コントローラ242b、242f、242g、242h等に接続されている。コントローラ280により、ヒータ207の温度調整動作、APCバルブ231aの開閉及び圧力調整動作、真空ポンプ231bの起動・停止、回転機構267の回転速度調節、ボートエレベータ215の昇降動作、開閉バルブ241a,241b,242c,243c,241d,241e,241f,241g,241h,241i,241jの開閉動作、液体流量コントローラ242c、流量コントローラ242b,242f,242g,242hの流量調整等の制御が行われる。
(4)ガス導入手段
続いて、気化ガスノズル233a及びその周辺の詳細構造について、図面を参照しながら説明する。図3は、本発明の一実施形態にかかる気化ガスノズル233a及びその周辺の部分拡大図であり、図4は、本発明の一実施形態にかかるフィルタの概略構成図である。
図3に示すように、気化ガスノズル233aは、処理室201内に配設されるガス導入ノズル325と、ガス導入ノズル325の先端に接続されるガス整流ノズル347と、を有している。ガス導入ノズル325は、マニホールド209の側壁を水平姿勢で貫通し、気化ガスノズル233aの水平部を構成している。ガス導入ノズル325とマニホールド209側壁との間にはOリング209cが設けられており、処理室201内の気密が確保されるように構成されている。ガス導入ノズル325の上流側は、マニホールド209の側壁外側に突出しており、気化ガス供給管240aの下流端239aに設けられた繋手部237aと気密に勘合している。ガス導入ノズル325の下流端は、処理室201内にて垂直上方に向けて屈曲している。ガス導入ノズル325の下流端には、Oリング357を介してガス整流ノズル347の上流端が気密に接続されている。ガス整流ノズル347は、ガス導入ノズル325の下流端外周を囲うように設けられた締込キャップ356を締結させることでガス導入ノズル325に固定される。このように、ガス導入ノズル325と
ガス整流ノズル347との接続箇所は、処理室201内に設けられている。ガス整流ノズル347は、反応管203の内壁に沿うように鉛直方向に配設され、気化ガスノズル233aの垂直部を構成している。ガス整流ノズル347の上端は閉塞しており、ガス整流ノズル347の筒部には上述の気化ガス供給孔248aが鉛直方向に複数設けられている。
ガス導入ノズル325の上流側と気化ガス供給管240aとの外周には、これらを囲うように配管ヒータ238aが設けられている。配管ヒータ238aは、気化ガスの供給経路であるガス導入ノズル325の上流側及び気化ガス供給管240a内がそれぞれ所定温度以上になるよう加熱して、気化ガスの再液化を抑制するように構成されている。また、ガス導入ノズル325の屈曲部の下方には、マニホールド209内壁に設けられた台座209bと、台座209bに設けられたネジ孔を鉛直方向に貫通する傾き調整ネジ209aと、を備えたノズル傾き調整機構が設けられている。傾き調整ネジ209aの高さを調整してその上端をガス導入ノズル325の屈曲部に下方から当接させることで、ガス整流ノズル347の傾き(気化ガス供給孔248aとウエハ200との距離)を調整可能なように構成されている。
ガス整流ノズル347の内部であって、ガス導入ノズル325とガス整流ノズル347との接続箇所には、フィルタ346が設けられている。フィルタ346は、図4に示すように円筒状に構成された金属円筒部346bと、金属円筒部346bの上端に気密に接続された円柱状のフィルタ部材346aと、を備えている。ガス整流ノズル347の内径は、フィルタ346の最大外径よりも大きく構成されている。フィルタ346の下端(金属円筒部346bの下端外周)は、Oリング358を介してガス整流ノズル347の下流端内周に気密に接続されている。なお、ガス整流ノズル347の内壁とフィルタ346の外壁との間における気化ガスの流れ抵抗を低減させるため、ガス整流ノズル347の内径は、フィルタ346の最大外径よりも3mm以上大きく構成することが好ましい。又、処理室201内への気化ガスの供給流量に応じて、フィルタ部材346aの長さや径を調整してフィルタの表面積(又は容積)を適宜調整することが好ましい。例えば、気化ガスの供給流量を増大させる場合には、フィルタ部材346aの長さや径を大きくしてフィルタの表面積(又は容積)を確保することが好ましい。
ガス整流ノズル347から供給された気化ガスは、フィルタ346の金属円筒部346b内に供給され、フィルタ部材346a内を介してガス整流ノズル347内に供給された後、気化ガス供給孔248aから処理室201内に供給されるように構成されている。この際、気化器260内や気化ガス供給管240a内にて発生した炭化物や酸化物が、フィルタ346(フィルタ部材346a)にトラップされることにより、処理室201内にパーティクルが拡散されることが抑制される。
フィルタ部材346aに目詰まりが生じると、処理室201内へ供給される気化ガスの流量が低下してしまう等の場合があるため、フィルタ346は定期的に交換することが好ましい。本実施形態では、ガス導入ノズル325とガス整流ノズル347との接続箇所が処理室201内に設けられているため、フィルタ346の交換を処理室201内にて行うことが可能である。すなわち、開閉バルブ241aを閉めたまま、シールキャップ219を降下させ、締込キャップ356を緩めてガス導入ノズル325からガス整流ノズル347を引き抜いてフィルタ346を露出させることで、処理室201内にてフィルタ346の交換が容易に行えるように構成されている。フィルタ346の交換を処理室201内にて行うことで、気化ガス供給経路内(ガス導入ノズル325の上流端内、気化ガス供給管240a内等)が大気に曝されてしまうことを抑制でき、これらの内壁への水分の付着を抑制でき、パーティクルの発生を抑制できる。また、フィルタ346の交換に伴い、気化ガス供給系を構成する配管部材等の交換や配管ヒータ238aの脱着が不要となり、フィルタ346の交換作業に要する時間を短縮でき、交換に要するコストを低減することが可
能となる。なお、フィルタ346の交換作業の際に処理室201内を不活性ガス等でパージし続けることにより、気化ガス供給経路内への大気の侵入を更に効果的に抑制できる。
主に、気化ガスノズル233a(ガス導入ノズル325、ガス整流ノズル347、気化ガス供給孔248a、締込キャップ356、Oリング357,358)、フィルタ346(金属円筒部346b、フィルタ部材346a)、繋手部237a、Oリング209c、配管ヒータ238a、台座209b、傾き調整ネジ209aにより、本実施形態に係るガス導入手段が構成される。
(5)基板処理工程
続いて、本発明の一実施形態に係る基板処理工程について説明する。なお、本実施形態に係る基板処理工程は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法の中の1つであるALD法を用いてウエハ200の表面に高誘電率膜を成膜する方法であり、半導体装置の製造工程の一工程として実施される。なお、以下の説明において、基板処理装置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。
(基板搬入工程(S10))
まず、複数枚のウエハ200をボート217に装填(ウエハチャージ)する。そして、複数枚のウエハ200を保持したボート217を、ボートエレベータ215によって持ち上げて処理室201内に搬入(ボートローディング)する。この状態で、シールキャップ219はOリング220bを介してマニホールド209の下端をシールした状態となる。基板搬入工程(S10)においては、開閉バルブ241g、開閉バルブ241hを開けて、処理室201内にパージガスを供給し続けることが好ましい。
(減圧及び昇温工程(S20))
続いて、開閉バルブ241g、開閉バルブ241hを閉め、処理室201内が所望の圧力(真空度)となるように、処理室201内を真空ポンプ231bにより排気する(S20)。この際、処理室201内の圧力を圧力センサ245で測定して、この測定された圧力に基づき、APCバルブ231aの開度をフィードバック制御する。また、処理室201内が所望の温度となるように、ヒータ207によって加熱する(S20)。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサが検出した温度情報に基づきヒータ207への通電具合をフィードバック制御する。また、気化ガス供給経路であるガス導入ノズル325の上流側及び気化ガス供給管240a内がそれぞれ所定温度以上になるように、配管ヒータ238aによって加熱する。そして、回転機構267によりボート217を回転させ、ウエハ200を回転させる。
(成膜工程(S30))
続いて、成膜工程(S30)を実施する。成膜工程(S30)では、ウエハ200上に気化ガスを供給する工程(S31)と、処理室201内をパージする工程(S32)と、ウエハ200上に反応ガスを供給する工程(S33)と、処理室201内をパージする工程(S34)と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数繰り返す。
気化ガスを供給する工程(S31)では、開閉バルブ241dを開けて、液体原料供給タンク266内に圧送ガスを供給する。そして、開閉バルブ243c,241cを開け、液体原料供給タンク266内の液体原料(TEMAHやTEMAZ等の有機系化合物)を気化空間内へと圧送(供給)する。そして、通電加熱ヒータにより気化空間が所定の温度雰囲気(例えば120℃から150℃)になるように加熱し、気化空間内に供給された液体原料を気化させて気化ガス(原料ガス)を生成する。また、開閉バルブ241fを開けて気化器260にキャリアガスを供給する。気化ガスが安定して生成されるまでは、開閉バルブ241aを閉め、開閉バルブ241iを開けて、気化ガスとキャリアガスとの混合
ガスを気化ガスベント管240iから排出しておく。気化ガスが安定して生成されるようになったら、開閉バルブ241iを閉め、開閉バルブ241aを開けて、気化ガスとキャリアガスとの混合ガスを処理室201内へと供給する。その結果、積層されたウエハ200間に混合ガスが供給され、ウエハ200の表面に気化ガスのガス分子が吸着する。混合ガスの供給を所定時間継続したら、開閉バルブ241aを閉め、開閉バルブ241iを開けて、気化ガスの生成を継続したまま処理室201内への混合ガスの供給を停止する。
処理室201内をパージする工程(S32)では、開閉バルブ241gを開けて処理室201内へパージガスを供給し、処理室201内からの気化ガスの排出を促す。処理室201内の雰囲気がパージガスに置換されたら、開閉バルブ241gを閉めて処理室201内へのパージガスの供給を停止する。
ウエハ200上に反応ガスを供給する工程(S33)では、開閉バルブ241eを開けてオゾナイザ270に酸素ガスを供給し、反応ガスとしてのオゾンガスを生成する。反応ガスが安定して生成されるまでは、開閉バルブ241bを閉め、開閉バルブ241jを開けて、反応ガスを反応ガスベント管240jから排出しておく。反応ガスが安定して生成されるようになったら、開閉バルブ241jを閉め、開閉バルブ241bを開けて、反応ガスを処理室201内へ供給する。その結果、積層されたウエハ200間に反応ガスが供給され、ウエハ200の表面に吸着している気化ガスのガス分子と反応ガスとが化学反応し、ウエハ200の表面に1原子層から数原子層のHf元素やZr元素を含む高誘電率膜(High−k膜)が生成される。反応ガスの供給を所定時間継続したら、開閉バルブ241bを閉め、開閉バルブ241jを開けて、反応ガスの生成を継続したまま処理室201内への反応ガスの供給を停止する。
処理室201内をパージする工程(S34)では、開閉バルブ241hを開けて処理室201内へパージガスを供給し、処理室201内からの反応ガス及び反応生成物の排出を促す。処理室201内の雰囲気がパージガスに置換されたら、開閉バルブ241hを閉めて処理室201内へのパージガスの供給を停止する。
以上、ウエハ200上に気化ガスを供給する工程(S31)〜処理室201内をパージする工程(S34)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、ウエハ200上に所望の厚さの高誘電率膜を形成したら成膜工程(S30)を終了する。なお、成膜工程(S30)を実施すると、気化器260内部に炭化物が残留する。また、気化器260内と処理室201内とを結ぶ気化ガス供給管240a内等に気化ガスの酸化物が形成される。
(昇圧工程(S40)、基板搬出工程(S50))
続いて、APCバルブ231aの開度を小さくし、開閉バルブ241g、開閉バルブ241hを開けて、処理室201内の圧力が大気圧になるまで処理室201内にパージガスを供給する(S40)。そして、基板搬入工程(S10)と逆の手順により、成膜済のウエハ200を処理室201内から搬出する(S50)。基板搬出工程(S50)においては、開閉バルブ241g、開閉バルブ241hを開けて、処理室201内にパージガスを供給し続けることが好ましい。
(フィルタ交換工程(S60))
上述したように、工程S10〜S50を実施すると、気化器260内に炭化物が残留し、気化器260内と処理室201内とを結ぶ気化ガス供給管240a内等に気化ガスの酸化物が形成される。フィルタ346(フィルタ部材346a)は、気化器260内や気化ガス供給管240a内にて発生した炭化物や酸化物をトラップし、処理室201内にパーティクルが拡散することを抑制するが、工程S10〜S50を繰り返し実施すると、トラ
ップされた炭化物や酸化物によりフィルタ部材346aが目詰まりし、処理室201内へ供給される気化ガスの流量が低下してしまう等の場合がある。そのため、本実施形態では、フィルタ346(フィルタ部材346a)を交換する工程(S60)を定期的に実施する。
フィルタを交換する工程(S60)では、まず、開閉バルブ241a,241bを閉め、シールキャップ219を降下させる。そして、締込キャップ356を緩めてガス導入ノズル325からガス整流ノズル347を引き抜き、フィルタ346を露出させる。そして、フィルタ346(或いはフィルタ部材346a)を交換し、ガス整流ノズル347をガス導入ノズル325の上端に再び勘合させ、締込キャップ356を締結してガス整流ノズル347をガス導入ノズル325に固定する。なお、シールキャップ219を降下させている間は、開閉バルブ241gを開けて、処理室201内、気化ガス供給管240a内、及び気化ガスノズル233a内をパージガスでパージし、処理室201内や気化ガス供給経路内(気化ガス供給管240a内、気化ガスノズル233a内)への大気の侵入(これらの内壁への水分の付着)を抑制する。
(6)本実施形態にかかる効果
本実施形態によれば、以下に示す1つ又は複数の効果を奏する。
(a)本実施形態によれば、ガス導入ノズル325とガス整流ノズル347との接続箇所は、処理室201内に設けられている。そして、フィルタ346は、ガス整流ノズル347の内部であって、ガス導入ノズル325とガス整流ノズル347との接続箇所に設けられている。すなわち、フィルタ346の交換を処理室201内にて行うことが可能である。その結果、フィルタ346の際に、気化ガス供給経路内(ガス導入ノズル325の上流端内、気化ガス供給管240a内等)が大気に曝されてしまうことを抑制でき、これらの内壁への水分の付着を抑制でき、水分と有機系化合物とが反応してパーティクルが発生することを抑制できる。また、フィルタ346の交換に伴い、気化ガス供給系を構成する配管部材等の交換や配管ヒータ238aの脱着が不要となり、フィルタ346の交換作業に要する時間を短縮でき、交換に要するコストを低減することが可能となる。また、パーティクルの発生を抑制できることから、フィルタ346の交換頻度を長くすることが出来、基板処理コストを低減させることが出来る。
参考までに、従来の基板処理装置におけるガス導入手段周辺の構成を図5に示す。図5に示すように、従来の基板処理装置におけるフィルタ346’は、処理室201’内に設けられておらず、気化ガス供給管240a’(処理室201’外)に設けられていた。このため、フィルタ346’を交換しようとすると、気化ガス供給管240a’内や気化ガス供給ノズル233a’内が大気に曝されてしまう。その結果、フィルタ346’の交換に伴い、大気に曝される一部の配管部材等を併せて交換する必要が生じ、更には加熱用ヒータ238a’等の脱着もあわせて行う必要が生じることとなる。その結果、フィルタの交換作業に時間を要し、交換に要するコストが増加してしまう。これに対しフィルタ346を処理室201内に設ける本実施形態に係る基板処理装置によれば、図5に例示する基板処理装置と比較して、フィルタの交換時間は例えば1/3程度にまで短縮でき、交換コストは例えば1/2程度にまで圧縮できる。
(b)本実施形態によれば、フィルタを交換する工程(S60)にてシールキャップ219を降下させている間は、開閉バルブ241gを開けて、処理室201内、気化ガスノズル233a内をパージガスでパージする。その結果、処理室201内や気化ガス供給経路内(気化ガスノズル233a内,気化ガス供給管240a内)への大気の侵入を更に効果的に抑制できる。
(c)本実施形態によれば、フィルタ346が処理室201内(ウエハ200に近い場所)に設けられている。すなわち、パーティクルのトラップはウエハ200に近い位置で行われており、フィルタ346の下流側における反応ガスの供給経路が可能な限り短縮されている。これにより、パーティクルの低減効果が高まる。これに対し、図5に示すような従来の基板処理装置では、処理室201’外にフィルタ346’が設けられており、フィルタ346’の下流側における反応ガスの供給経路が相対的に長くなっている。そのため、処理室201’内に拡散してしまうパーティクルの量が、本実施形態において処理室201内に拡散してしまうパーティクルの量よりも多くなり易い。
(d)本実施形態によれば、フィルタ346の最大外径に対するガス整流ノズル347の内径を調整することで、ガス整流ノズル347の内壁とフィルタ346の外壁との間における気化ガスの流れ抵抗を低減させ、処理室201内へ供給する気化ガスの流量を十分確保することができる。例えば、ガス整流ノズル347の内径を、フィルタ346の最大外径よりも3mm以上大きく構成することで、処理室201内へ供給する気化ガスの流量を十分確保することができる。
(e)本実施形態によれば、フィルタ部材346aの長さや径を調整してフィルタ部材346aの表面積(又は容積)を適宜調整することで、処理室201内へ供給する気化ガスの流量を十分確保することができる。例えば、フィルタ部材346aの長さや径を大きくしてフィルタ部材346aの表面積(又は容積)を大きくすることで、処理室201内へ供給する気化ガスの流量を十分確保することができる。また、フィルタ部材346aの表面積(又は容積)を調整することで、フィルタ346の交換周期を調整することができる。
(f)本実施形態によれば、シールキャップ219を降下させた状態で、締込キャップ356を緩めてガス導入ノズル325からガス整流ノズル347を引き抜くことで、フィルタ346を容易に露出させることが出来る。そのため、フィルタ346の汚れ状態(目詰まりの度合い)を容易に確認することができる。
<本発明の他の実施形態>
例えば、上述の実施形態では、気化ガスと反応ガスとをウエハ200上へ交互に供給するALD法を実施する場合について説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。すなわち、液体原料を気化させた気化ガスを用いる限り、例えばCVD(Chemical
Vapor Deposition)法等の他の方法を実施する場合にも好適に適用可能である。また、本発明は、高誘電率膜を形成する場合に限定されず、窒化膜、酸化膜、金属膜、半導体膜等の他の膜を形成する基板処理装置にも好適に適用可能である。
以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態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。
<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。
本発明の一態様によれば、
基板を収容する処理室内に少なくとも1種の処理ガスを導入するガス導入手段を有し、
前記ガス導入手段は、
前記処理室内に配設されるガス導入ノズルと、
前記ガス導入ノズルの先端に接続され、前記処理室内に処理ガスを導入するガス導入口を有するガス整流ノズルと、
前記ガス整流ノズルの内部に配置されたフィルタと、を有し、 前記処理ガスは、前記
ガス導入ノズルから前記フィルタを介して前記ガス整流ノズルへ導入され、前記ガス導入口から前記処理室内に導入される基板処理装置が提供される。
好ましくは、前記ガス整流ノズルの内径は前記フィルタの外径より大きい。
また好ましくは、前記処理ガスは液体原料を気化した気化ガスである。
また好ましくは、前記処理室内に導入する前記処理ガスの導入量に応じて前記フィルタの表面積(又は容積)が設定される。
本発明の他の態様によれば、
基板を処理する処理室と、
少なくとも1枚の前記基板を前記処理室内外に搬入出する搬入出手段と、
少なくとも1種の処理ガスを前記処理室内に導入するガス導入手段と、を有し、
前記ガス導入手段は、
少なくとも1種の処理ガスを導入するガス導入ノズルと、
前記ガス導入ノズルの先端に接続され、前記処理室内に処理ガスを導入するガス導入口を有するガス整流ノズルと、
前記ガス整流ノズルの内部に配置されたフィルタと、を有する
基板処理装置が提供される。
好ましくは、前記ガス導入ノズルと前記ガス整流ノズルとの接続箇所が前記処理室内に設けられており、前記フィルタが前記処理室内にて交換可能なように構成されている。
200 ウエハ
201 処理室
248a 気化ガス供給孔(ガス導入口)
325 ガス導入ノズル
346 フィルタ
346a フィルタ部材

Claims (5)

  1. 基板を収容する処理室内に少なくとも1種の処理ガスを導入するガス導入手段を有し、
    前記ガス導入手段は、
    前記処理室内に配設されるガス導入ノズルと、
    前記ガス導入ノズルの先端に接続され、前記処理室内に処理ガスを導入するガス導入口を有するガス整流ノズルと、
    前記ガス整流ノズルの内部に配置されたフィルタと、を有し、
    前記処理ガスは、前記ガス導入ノズルから前記フィルタを介して前記ガス整流ノズルへ導入され、前記ガス導入口から前記処理室内に導入される
    ことを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記ガス整流ノズルの内径は前記フィルタの外径よりも大きい請求項1記載の基板処理装置。
  3. 処理室内に基板を搬入する工程と、
    前記処理室内に配設され、内部にフィルタが配置されておりガス導入口を有するガス整流ノズルが先端に接続されたガス導入ノズルから処理ガスを前記フィルタを介して前記ガス整流ノズルへ導入し、前記ガス導入口から前記処理室内に当該処理ガスを導入して基板を処理する工程と、
    前記処理室から基板を搬出する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  4. 処理室内に基板を搬入する工程と、
    前記処理室内に配設され、内部にフィルタが配置されておりガス導入口を有するガス整流ノズルが先端に接続されたガス導入ノズルから処理ガスを前記フィルタを介して前記ガス整流ノズルへ導入し、前記ガス導入口から前記処理室内に当該処理ガスを導入して基板を処理する工程と、
    前記処理室から基板を搬出する工程と、
    を有する基板処理方法。
  5. 基板を収容する処理室内に少なくとも1種の処理ガスを導入するガス導入手段であって、
    前記処理室内に配設されるガス導入ノズルと、
    前記ガス導入ノズルの先端に接続され、前記処理室内に処理ガスを導入するガス導入口を有するガス整流ノズルと、
    前記ガス整流ノズルの内部に配置されたフィルタと、を有し、
    処理ガスを、前記ガス導入ノズルから前記フィルタを介して前記ガス整流ノズルへ導入し、前記ガス導入口から前記処理室内に導入するガス導入手段。
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