JP5270476B2 - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Description
上述したように、第3の金属酸化膜中の第1の金属元素及び第2の金属元素の組成比は、上述の各工程1回あたりに形成される第1の金属酸化膜の膜厚、及び第2の金属酸化膜の膜厚により決定される。
組成比の最も大きい金属元素を含む金属酸化膜の成膜工程1回あたりに形成する膜厚を上述の臨界膜厚以下の所定膜厚(0.8〜4Å)とすると、それよりも組成比の小さい(組成比が数%であるような)金属元素を含む金属酸化膜の成膜工程1回あたりに形成する膜厚を、極めて薄くする必要がある。例えば、上述したようにZrOとAlOとの組成比が95.5:4.5であるようなZrAlO膜を形成する場合、ZrO膜の成膜工程1回あたりに形成する膜厚を3.8Åとすると、AlO膜の成膜工程1回あたりに形成する膜厚を0.18Åとする必要がある。しかしながら、従来のCVD法やALD法では、この
ような膜厚のAlO膜を形成することは困難であった。
分解しない程度の温度としつつ、基板上への原料ガスの吸着量が飽和状態となる前(基板上への原料ガス分子の吸着が飽和する前、すなわちセルフリミットが効く前)に原料ガスの供給を停止して成膜するモードをいう(図8参照)。
以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
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3,4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基板処理装置のウェハ処理時における断面構成図であり、図4は、本発明の一実施形態にかかる基板処理装置のウェハ搬送時における断面構成図である。
図3,4に示すとおり、本実施形態にかかる基板処理装置は処理容器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。
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を貫通させるための貫通孔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4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3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。
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を搬送するためのウェハ搬送口250が設けられている。ウェハ搬送口250にはゲートバルブ251が設けられており、ゲートバルブ251を開くことにより、処理室201内と搬送室(予備室)271内とが連通するようになっている。搬送室271は搬送容器(密閉容器)272内に形成されており、搬送室271内にはウェハ200を搬送する搬送ロボット273が設けられている。搬送ロボット273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273a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251を開くことにより、搬送ロボット273により処理室201内と搬送室271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、搬送室271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、搬送ロボット273によりロードロック室内と搬送室271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ためのガス導入口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。
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ための分散板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の表面に供給するためのシャワー板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ための第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ための第2バッファ空間240dとしてそれぞれ機能する。
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、所定間隔を開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の外部には、第1液体原料としてのZr(ジルコニウム)を含む有機金属液体原料(以下、Zr原料ともいう)を供給する第1液体原料供給源220zと、第2液体原料としてのAl(アルミニウム)を含む有機金属液体原料(以下、Al原料ともいう)を供給する第2液体原料供給源220aと、が設けられている。第1液体原料供給源220z、第2液体原料供給源220aは、内部に液体原料を収容(充填)可能なタンク(密閉容器)としてそれぞれ構成されている。
液体原料を気化する気化部としての気化器229z,229aは、液体原料をヒータ23z,23aで加熱して気化させて原料ガスを発生させる気化室20z,20aと、この気化室20z,20a内へ液体原料を吐出するまでの流路である液体原料流路21z,21aと、液体原料の気化室20z,20a内への供給を制御する上述のバルブvz1,va1と、気化室20z,20aにて発生させた原料ガスを後述する第1原料ガス供給管213z、第2原料ガス供給管213aへ供給するアウトレットとしての原料ガス供給口22z,22aと、をそれぞれ有している。上述の第1液体原料供給管211z、第2液体
原料供給管211aの下流側端部は、それぞれバルブvz1,va1を介して液体原料流路21z,21aの上流側端部に接続されている。液体原料流路21z,21aには、それぞれキャリアガス供給管24z,24aの下流側端部が接続されており、液体原料流路21z,21aを介して気化室20z,20a内にキャリアガスを供給するように構成されている。キャリアガス供給管24z,24aの上流側端部には、キャリアガスとしてのN2ガスを供給するためのN2ガス供給源230cが接続されている。キャリアガス供給管24z,24a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)225z,225aと、N2ガスの供給を制御するバルブvz2,va2とが、それぞれ設けられている。主に、N2ガス供給源230c、キャリアガス供給管24z,24a、流量コントローラ225z,225a、バルブvz2,va2によりキャリアガス供給系(キャリアガス供給ライン)が構成される。なお、気化器229z,229aはそれぞれ第1気化部、第2気化部として構成されている。
上記の気化器229z,229aの原料ガス供給口22z,22aには、処理室201内に原料ガスを供給する第1原料ガス供給管213z、第2原料ガス供給管213aの上流側端部がそれぞれ接続されている。第1原料ガス供給管213z、第2原料ガス供給管213aの下流側端部は、合流するように一本化して原料ガス供給管213となり、原料ガス供給管213はガス導入口210に接続されている。第1原料ガス供給管213z、第2原料ガス供給管213aには、処理室201内への原料ガスの供給を制御するバルブvz3,va3がそれぞれ設けられている。
また、処理室201の外部には、酸素(O2)ガスを供給する酸素ガス供給源230oが設けられている。酸素ガス供給源230oには、第1酸素ガス供給管211oの上流側端部が接続されている。第1酸素ガス供給管211oの下流側端部には、プラズマにより酸素ガスから反応ガス(反応物)すなわち酸化剤としてのオゾン(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、第1酸素ガス供給管211oには、酸素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)221oが設けられている。
12oの下流側端部は、オゾンガス供給管213oのバルブvo3よりも上流側に接続されている。なお、第2酸素ガス供給管212oには、酸素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)222oが設けられている。
また、処理室201の外部には、パージガスとしてのN2ガスを供給するための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、第1パージガス供給管214z、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214oに分岐している。第1パージガス供給管214z、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214oの下流側端部は、第1原料ガス供給管213z、第2原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213oのバルブvz3,va3,vo3の下流側にそれぞれ接続されている。なお、第1パージガス供給管214z、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管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(MFC)224z,224a,224oと、N2ガスの供給を制御するバルブvz4,va4,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、第1パージガス供給管214z、第2パージガス供給管214a、第3パージガス供給管214o、流量コントローラ224z,224a,224o、バルブvz4,va4,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、第1原料ガス供給管213z、第2原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213oのバルブvz3,va3,vo3の上流側には、第1ベント管215z、第2ベント管215a、第3ベント管215oの上流側端部がそれぞれ接続されている。また、第1ベント管215z、第2ベント管215a、第3ベント管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。第1ベント管215z、第2ベント管215a、第3ベント管215oには、ガスの供給を制御するためのバルブvz5,va5,vo5がそれぞれ設けられている。
化してベント管216となっている。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。第4ベント管216z、第5ベント管216a、第6ベント管216oには、ガスの供給を制御するためのバルブvz6,va6,vo6がそれぞれ設けられている。
なお、本実施形態にかかる基板処理装置は、基板処理装置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251、昇降機構207b、搬送ロボット273、ヒータ206、圧力調整器(APC)262、気化器229z,229a、オゾナイザ229o、真空ポンプ264、バルブvz1〜vz6,va1〜va6,vo3〜vo6、液体流量コントローラ221z,221a、流量コントローラ225z,225a,224z,224a,221o,222o,224o等の動作を制御する。
続いて、本発明の実施形態にかかる半導体装置(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を用いてウェハ上に薄膜を形成する基板処理工程について、図2、図5及び図6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工程のフロー図である。また、図5は、本発明の一実施形態にかかるCVDモードでの第1原料供給、酸化剤供給およびALD非飽和モードでの第2原料供給、酸化剤供給を交互に繰り返す際のそれぞれの供給のタイミングを例示するタイミングチャートとしてのシーケンス図である。図6は、本発明の一実施形態にかかるALD飽和モードでの第1原料供給、酸化剤供給およびALD非飽和モードでの第2原料供給、酸化剤供給を交互に繰り返す際のそれぞれの供給のタイミングを例示するタイミングチャートとしてのシーケンス図である。本実施形態では、第1原料としてZr原料を用い、第2原料としてAl原料を用い、酸化剤としてオゾンガスを用い、ウェハ上に所望組成、例えばZrO:AlO=89:11〜97.4:2.6の範囲内の組成のジルコニウムアルミネート(ZrAlO)膜を形成する例について説明する。すなわち、ZrAlO膜を構成する複数の金属元素(Zr,Al)のうち、組成比の最も小さい金属元素がZrであり、その金属元素を含む金属酸化膜がZrO膜であり、それ(Zr)よりも組成比の小さい金属元素がAlであり、その金属元素を含む金属酸化膜がAlO膜である。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によって制御される。
まず、昇降機構207bを作動させ、支持台203を、図4に示すウェハ搬送位置まで下降させる。そして、ゲートバルブ251を開き、処理室201と搬送室271とを連通させる。そして、搬送ロボット273により搬送室271内から処理室201内へ処理対象のウェハ200を搬送アーム273aで支持した状態で搬入する(S1)。処理室201内に搬入したウェハ200は、サセプタ217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。搬送ロボット273の搬送アーム273aが処理室201内から搬送室271内へ戻ると、ゲートバルブ251が閉じられる。
続いて、圧力調整器(APC)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(S3)。また、ヒータ206に供給する電力を調整し、ウェハ200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(S4)。
しい。すなわち、酸素ガス供給源230oからオゾナイザ229oへ酸素ガスを供給して、オゾナイザ229oにてオゾン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、オゾンガスを処理室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。
続いて、バルブvz4,vz5を閉じ、バルブvz3を開いて、処理室201内への第1原料ガスの供給を開始する。第1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。余剰な第1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内への第1原料ガスの供給時には、第2原料ガス供給管213aおよびオゾンガス供給管213o内への第1原料ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内における第1原料ガスの拡散を促すように、バルブva4,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vz3を閉じ、処理室201内への第1原料ガスの供給を停止した後は、バルブvz4,va4,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内に残留している第1原料ガスを除去する。
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内への酸化剤としてのオゾンガスの供給を開始する。オゾンガスは、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。余剰なオゾンガスや反応副生成物は、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのオゾンガスの供給時には、第1原料ガス供給管213z、第2原料ガス供給管213a内へのオゾンガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるオゾンガスの拡散を促すように、バルブvz4,va4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を閉じ、処理室201内へのオゾンガスの供給を停止した後は、バルブvz4,va4,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内に残留しているオゾンガスや反応副生成物を除去する。
そして、工程S5〜S8までを1サイクルとしてこのサイクルを所定サイクル、例えば1〜4サイクル行うことにより、ウェハ200上に所定膜厚の酸化ジルコニウム(ZrO)膜を形成する(ZrO膜形成工程)。なお、このとき、ウェハ200の温度はヒータ206により所定の処理温度、例えば200〜350℃、好ましくは250〜300℃となるように制御され、処理室201内の圧力は圧力調整器262により所定の処理圧力、例えば50〜800Pa、好ましくは100〜800Paとなるように制御される。また、第1液体原料としてのZrCp(NMe2)3の供給流量は液体流量コントローラ221zにより所定の供給流量、例えば0.02〜0.4g/minとなるように制御され、酸化剤としてのO3ガスの供給流量は流量コントローラ221oにより所定の供給流量、例えば500〜5000sccmとなるように制御される。また、このとき、ZrO膜形成工程1回あたりに形成するZrO膜の膜厚は、上述の臨界膜厚以下の所定膜厚、例えば0.8〜4Åとなるように制御する。なお、後述するように、0.8Åとは、ZrO膜の1サイクルあたりのALD飽和膜厚である。すなわち、ここでいう所定膜厚とは、ALD飽和膜厚以上、臨界膜厚以下の膜厚を意味している。
続いて、バルブva4,va5を閉じ、バルブva3を開いて、処理室201内への第2原料ガスの供給を開始する。第2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。余剰な第2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内への第2原料ガスの供給時には、第1原料ガス供給管213zおよびオゾンガス供給管213o内への第2原料ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内における第2原料ガスの拡散を促すように、バルブvz4,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va3を閉じ、処理室201内への第2原料ガスの供給を停止した後は、バルブvz4,va4,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内に残留している第2原料ガスを除去する。
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内への酸化剤としてのオゾンガスの供給を開始する。オゾンガスは
、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。余剰なオゾンガスや反応副生成物は、排気ダクト259内を流れ、排気口260へと排気される。なお、処理室201内へのオゾンガスの供給時には、第1原料ガス供給管213z、第2原料ガス供給管213a内へのオゾンガスの侵入を防止するように、また、処理室201内におけるオゾンガスの拡散を促すように、バルブvz4,va4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を閉じ、処理室201内へのオゾンガスの供給を停止した後は、バルブvz4,va4,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内に残留しているオゾンガスや反応副生成物を除去する。
そして、工程S10〜S13までを1サイクルとしてこのサイクルを所定サイクル、例えば1サイクル行うことにより、ウェハ200上に形成されたZrO膜上に所定膜厚の酸化アルミニウム(AlO)膜を形成する(AlO膜形成工程)。なお、このとき、ウェハ200の温度はヒータ206により所定の処理温度、例えば200〜350℃、好ましくは250〜300℃となるように制御され、処理室201内の圧力は圧力調整器262により所定の処理圧力、例えば50〜800Pa、好ましくは100〜800Paとなるように制御される。すなわち、本実施形態では、AlO膜形成工程におけるウェハ200の温度、処理室201内の圧力が、ZrO膜形成工程におけるウェハ200の温度、処理室201内の圧力と、それぞれ同一となるように制御している。なお、ZrOの成長レートを高くすることを優先する場合、ウェハ200の温度は高温側、例えば250〜350℃とするのがよい。また、AlOの微量組成制御(AlOの添加量を微量、例えば5%以下に抑える制御)の制御性を高くすることを優先する場合、ウェハ200の温度は成膜レートが低くなる低温側、例えば200〜250℃とするのがよい。なお、ウェハ200の温度をZrO膜形成工程とAlO膜形成工程とで変えることも可能であり、その場合に、AlOの微量組成制御を優先させることを考慮すると、AlO膜形成工程におけるウェハ温度は150〜350℃、好ましくは180〜250℃とするのがよい。なお、処理室201内の圧力も、ZrO膜形成工程とAlO膜形成工程とで変えることも可能である。また、第2液体原料としてのAl(MMP)3の供給流量は液体流量コントローラ221aにより所定の供給流量、例えば0.02〜0.4g/minとなるように制御され、酸化剤としてのO3ガスの供給流量は流量コントローラ221oにより所定の供給流量、例えば500〜5000sccmとなるように制御される。また、このとき、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚は、ZrO膜形成工程1回あたりに形成するZrO膜の膜厚を基準として、ZrAlO膜の組成に従った膜厚とする。例えば、ZrO膜形成工程1回あたりに形成するZrO膜の膜厚を3.8Åとした場合、ZrAlO膜の組成をZrO:AlO=89:11〜97.4:2.6の範囲内の組成とするには、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚を0.1(=3.8×2.6/97.4)〜0.47(=3.8×11/89)Åとなるように制御する。なお、このように制御すれば、AlO膜形成工程1回あたりに形成するAlO膜の膜厚も、当然、臨界膜厚以下となる。
そして、工程S5〜S9までのZrO膜形成工程と、工程S10〜S14までのAlO膜形成工程と、を1セットとしてこれを所定回数繰り返すことにより、ウェハ200上に所望膜厚のジルコニウムアルミネート(ZrAlO)膜を形成する(ZrAlO膜形成工程)。なお、このとき、ZrO膜形成工程1回あたりに形成されるZrO膜の膜厚とAlO膜形成工程1回あたりに形成されるAlO膜の膜厚を、それぞれ上述のような臨界膜厚以下の所定膜厚とする(例えば、ZrO膜を3.8Åとし、AlO膜を0.1〜0.47Åとする)ことで、ZrAlO膜の組成を所望の組成(例えばZrO:AlO=89:11〜97.4:2.6の範囲内の組成)となるように制御することができ、さらに、交互に積層されるZrO膜とAlO膜との間におけるZrO及びAlOの相互拡散が促され、ZrAlO膜の組成を、膜厚方向(深さ方向)においてもウェハ200面内方向においても均一となるようにすることができる。
その後、上述した基板搬入工程(S1)、基板載置工程(S2)に示した手順とは逆の手順により、所望膜厚・組成のZrAlO膜を形成した後のウェハ200を処理室201内から搬送室271内へ搬出して、本実施形態にかかる基板処理工程を完了する。なお、その後、ウェハ200上に形成されたZrAlO膜に対しアニール(熱処理)を施すことで、ZrOとAlOの相互拡散はより一層促進され、ZrAlO膜の組成は、膜厚方向においてもウェハ面内方向においてもより一層均一なものとなる。
)では、ウェハ200上への第1原料ガス分子の吸着量が飽和し、セルフリミットの効いた状態(第1原料ガス分子がそれ以上吸着することの出来ない状態)になってから第1原料ガスの供給を停止している。その後、酸化剤供給工程(S7)においては、ウェハ200上に吸着した第1原料とオゾンガスとが反応することにより、ウェハ200上にALDの飽和膜厚である0.8Å程度のZrO膜が形成される。このとき、オゾンガスにより、ZrO膜中に混入しようとするC、H等の不純物が脱離する。
本実施形態によれば、以下に示す1つ又はそれ以上の効果を奏する。
ル工程(S14)とを、同一の温度(例えば250〜300℃)で行うことができる。係る場合、基板処理中における温度調整時間(待ち時間)の発生を回避させ、基板処理の生産性を向上させることが可能となる。
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。
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。
ルド309の下端を開口させるとともに、所望膜厚のZrAlO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)。
以下に、本発明の実施例について説明する。
まず、ウェハを収容した処理室内へのZr原料導入→Zr原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことでウェハ上にZrO膜を形成した。図11に、1サイクルあたりのZr原料供給時間と、1サイクルあたりに形成されるZrO膜の膜厚との関係を示す。図11の横軸は1サイクルあたりのZr原料供給時間(sec)を示しており、縦軸は1サイクルあたりに形成されるZrO膜の膜厚(Å/Cycle)を示している。成膜条件としては、各ステップにおけるウェハ温度を300℃とし、各ステップにおける処理室内圧力を800Paとし、Zr原料としてZrCp(NMe2)3を用い、酸化剤としてO3を用い、ZrCp(NMe2)3の供給流量を0.25g/minとし、O3ガスの供給流量を2000sccmとし、Zr原料の供給時間を8〜60秒の範囲で変化させた。
次に、ウェハ温度及び処理室内圧力をそれぞれ低下させて、ウェハを収容した処理室内へのZr原料導入→Zr原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことでウェハ上にZrO膜を形成した。図12に、1サイクルあたりのZr原料供給時間と、1サイクルあたりに形成されるZrO膜の膜厚との関係を示す。図12の横軸は1サイクルあたりのZr原料供給時間(sec)を示しており、縦軸は1サイクルあたりに形成されるZrO膜の膜厚(Å/Cycle)を示している。成膜条件としては、各ステップにおけるウェハ温度を250℃とし、各ステップにおける処理室内圧力を100Paとし、Zr原料としてZrCp(NMe2)3を用い、酸化剤としてO3ガスを用い、ZrCp(NMe2)3の供給流量を0.25g/minとし、O3ガスの供給流量を2000sccmとし、Zr原料の供給時間は2〜10秒の範囲で変化させた。
膜の膜厚を再現性よく調整することが可能であることが分かる。
次に、ウェハを収容した処理室内へのAl原料導入→Al原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことでウェハ上にAlO膜を形成した。図13に、処理室内圧力と1サイクルあたりに形成されるAlO膜の膜厚との関係を示す。図13の横軸は処理室内圧力(Pa)を示しており、縦軸は1サイクルあたりに形成されるAlO膜の膜厚(Å/Cycle)を示している。成膜条件としては、各ステップにおけるウェハ温度を300℃とし、Al原料としてAl(MMP)3を用い、酸化剤としてO3を用い、Al(MMP)3の供給流量を0.03g/minとし、O3ガスの供給流量を2000sccmとし、Al原料供給時間を2秒とした。各ステップにおける処理室内の圧力は100〜800Paの範囲で変化させた。
図11、図14によれば、各ステップにおけるウェハ温度が300℃、各ステップにおける処理室内圧力が800Paの条件下において、(1)Zr原料導入(導入時間60秒
)→Zr原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクル実行することによる膜厚3.8ÅのZrO膜の成膜と、(2)Al原料導入(導入時間1秒)→Al原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクル実行することによる膜厚0.18ÅのAlO膜の成膜と、の組み合わせを1セットとして、これを所望の膜厚まで繰り返して成膜することにより、ZrOとAlOとの組成比が95.5:4.5であるようなZrAlO膜(微量AlO組成の膜)を形成することが出来ることが分かる。係る場合、ZrAlO膜全体に対するAlOの組成比は4.5%となる。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
大きい方の金属元素を含む金属酸化膜をCVDモードもしくはALD飽和モードにて形成し、組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜をALD非飽和モードにて形成する半導体装置の製造方法が提供される。
給系と、前記処理室内に第2の金属元素を含む第2原料を供給する第2原料供給系と、前記処理室内に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記処理室内を排気する排気系と、前記基板を収容した前記処理室内に前記第1原料と前記酸化剤とを供給し排気して前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成し、前記基板を収容した前記処理室内に前記第2原料と前記酸化剤とを供給し排気して前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成し、これを交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む所定組成の第3の金属酸化膜を形成し、その際、前記第3の金属酸化膜を構成する前記第1の金属元素および前記第2の金属元素のうち組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜をCVDモードもしくはALD飽和モードにて形成し、組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜をALD非飽和モードにて形成するように、前記第1原料供給系、前記第2原料供給系、前記酸化剤供給系、前記ヒータ、及び、前記排気系を制御するコントローラと、を有する基板処理装置が提供される。
201 処理室
206 ヒータ
280 コントローラ
301 処理室
307 ヒータ
380 コントローラ
Claims (16)
- 基板を収容した処理室内で、前記基板に対し、第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する工程と、第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む所定組成の第3の金属酸化膜を形成する工程を有し、
前記第3の金属酸化膜を構成する前記第1の金属元素および前記第2の金属元素のうち組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の大きい方の金属元素を含む原料をCVDモードにて供給する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、を交互に行い、組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の小さい方の金属元素を含む原料をALD非飽和モードにて供給する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、を交互に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の大きい方の金属元素を含む原料を供給する工程と、前記処理室内に残留する前記原料を除去する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、前記処理室内に残留する前記酸化剤を除去する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行い、前記原料を供給する工程では、前記原料が自己分解して前記基板上に前記金属元素を含む膜が堆積した後に、前記原料の供給を停止し、
前記組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の小さい方の金属元素を含む原料を供給する工程と、前記処理室内に残留する前記原料を除去する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、前記処理室内に残留する前記酸化剤を除去する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行い、前記原料を供給する工程では、前記原料の前記基板上への吸着量が飽和する前に、前記原料の供給を停止する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記サイクルを1回行い、前記組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記サイクルを1回行うことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 基板を収容した処理室内で、前記基板に対し、第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する工程と、第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、を交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む所定組成の第3の金属酸化膜を形成する工程を有し、
前記第3の金属酸化膜を構成する前記第1の金属元素および前記第2の金属元素のうち組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の大きい方の金属元素を含む原料をALD飽和モードにて供給する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、を交互に行い、組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の小さい方の金属元素を含む原料をALD非飽和モードにて供給する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、を交互に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の大きい方の金属元素を含む原料を供給する工程と、前記処理室内に残留する前記原料を除去する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、前記処理室内に残留する前記酸化剤を除去する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行い、前記原料を供給する工程では、前記原料の前記基板上への吸着量が飽和した後に、前記原料の供給を停止し、
前記組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の小さい方の金属元素を含む原料を供給する工程と、前記処理室内に残留する前記原料を除去する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、前記処理室内に残留する前記酸化剤を除去する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行い、前記原料を供給する工程では、前記原料の前記基板上への吸着量が飽和する前に、前記原料の供給を停止する
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記サイクルを複数回行い、前記組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記サイクルを1回行うことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程1回あたりに形成する前記金属酸化膜の膜厚を0.8〜4Åとし、前記組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程1回あたりに形成する前記金属酸化膜の膜厚を、前記膜厚を基準として前記第3の金属酸化膜の前記所定組成に従った膜厚とすることを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の金属酸化膜を形成する工程における基板温度と、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における基板温度とを、同一温度とすることを特徴とする請求項1乃至7の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の金属酸化膜を形成する工程における処理室内圧力と、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における処理室内圧力とを、同一圧力とすることを特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の金属元素がZrであり、前記第1の金属酸化膜がZrO膜であり、前記第2の金属元素がAlであり、前記第2の金属酸化膜がAlO膜であり、前記第3の金属酸化膜がZrAlO膜であることを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の金属酸化膜を形成する工程における基板温度と、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における基板温度とを、200〜350℃とし、前記第1の金属酸化膜を形成する工程における処理室内圧力と、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における処理室内圧力とを、50〜800Paとすることを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の金属酸化膜を形成する工程における基板温度と、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における基板温度とを、200〜350℃とし、前記第1の金属酸化膜を形成する工程における処理室内圧力と、前記第2の金属酸化膜を形成する工程における処理室内圧力とを、100〜800Paとすることを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
- 基板に対して2種類以上の金属酸化膜を順に形成する工程を複数回繰り返すことで、前記基板上に2種類以上の金属元素を含む所定組成の金属酸化膜を形成する工程を有し、
前記所定組成の前記金属酸化膜を構成する前記2種類以上の金属元素のうち組成比の最も大きい金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の最も大きい金属元素を含む原料をCVDモードにて供給する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、を交互に行い、それよりも組成比の小さい金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の小さい金属元素を含む原料をALD非飽和モードにて供給する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、を交互に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板に対して2種類以上の金属酸化膜を順に形成する工程を複数回繰り返すことで、前記基板上に2種類以上の金属元素を含む所定組成の金属酸化膜を形成する工程を有し、
前記所定組成の前記金属酸化膜を構成する前記2種類以上の金属元素のうち組成比の最も大きい金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の最も大きい金属元素を含む原料をALD飽和モードにて供給する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、を交互に行い、それよりも組成比の小さい金属元素を含む金属酸化膜を形成する工程では、前記処理室内に前記組成比の小さい金属元素を含む原料をALD非飽和モードにて供給する工程と、前記処理室内に酸化剤を供給する工程と、を交互に行う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室と、
前記処理室内の前記基板を加熱するヒータと、
前記処理室内に第1の金属元素を含む第1原料を供給する第1原料供給系と、
前記処理室内に第2の金属元素を含む第2原料を供給する第2原料供給系と、
前記処理室内に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
前記基板を収容した前記処理室内に前記第1原料と前記酸化剤とを供給し排気して前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成し、前記基板を収容した前記処理室内に前記第2原料と前記酸化剤とを供給し排気して前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成し、これを交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む所定組成の第3の金属酸化膜を形成し、その際、前記第3の金属酸化膜を構成する前記第1の金属元素および前記第2の金属元素のうち組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を、前記処理室内に前記組成比の大きい方の金属元素を含む原料をCVDモードにて供給する処理と、前記処理室内に酸化剤を供給する処理と、を交互に行うことで形成し、組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を、前記処理室内に前記組成比の小さい方の金属元素を含む原料をALD非飽和モードにて供給する処理と、前記処理室内に酸化剤を供給する処理と、を交互に行うことで形成するように、前記第1原料供給系、前記第2原料供給系、前記酸化剤供給系、前記ヒータ、及び、前記排気系を制御するコントローラと、
を有することを特徴とする基板処理装置。 - 基板を収容する処理室と、
前記処理室内の前記基板を加熱するヒータと、
前記処理室内に第1の金属元素を含む第1原料を供給する第1原料供給系と、
前記処理室内に第2の金属元素を含む第2原料を供給する第2原料供給系と、
前記処理室内に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
前記基板を収容した前記処理室内に前記第1原料と前記酸化剤とを供給し排気して前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成し、前記基板を収容した前記処理室内に前記第2原料と前記酸化剤とを供給し排気して前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成し、これを交互に複数回繰り返すことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む所定組成の第3の金属酸化膜を形成し、その際、前記第3の金属酸化膜を構成する前記第1の金属元素および前記第2の金属元素のうち組成比の大きい方の金属元素を含む金属酸化膜を、前記処理室内に前記組成比の大きい方の金属元素を含む原料をALD飽和モードにて供給する処理と、前記処理室内に酸化剤を供給する処理と、を交互に行うことで形成し、組成比の小さい方の金属元素を含む金属酸化膜を、前記処理室内に前記組成比の小さい方の金属元素を含む原料をALD非飽和モードにて供給する処理と、前記処理室内に酸化剤を供給する処理と、を交互に行うことで形成するように、前記第1原料供給系、前記第2原料供給系、前記酸化剤供給系、前記ヒータ、及び、前記排気系を制御するコントローラと、
を有することを特徴とする基板処理装置。
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