JP5801632B2 - 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
基板を収容した処理室内に、第1の金属元素を含む第1原料と酸化剤とを供給することで、前記基板上に前記第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、
前記処理室内に、前記第1原料と第2の金属元素を含む第2原料とを混合した混合原料と酸化剤とを供給することで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、
を交互に繰り返すことで、前記基板上に、前記第1の金属酸化膜と前記第2の金属酸化膜とを交互に積層して、前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
基板を収容する処理室と、
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、
前記処理室内に前記第1原料と第2の金属元素を含む第2原料とを混合した混合原料を供給する第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することで、前記基板上に前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する処理と、前記処理室
内に、前記混合原料と前記酸化剤とを供給することで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する処理と、を交互に繰り返すことで、前記基板上に、前記第1の金属酸化膜と前記第2の金属酸化膜とを交互に積層して、前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する処理を行うように、前記第1原料供給系、前記第2原料供給系及び前記酸化剤供給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。
第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜と第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜とを交互に積み重ねることにより第3の金属酸化膜を形成する場合、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。
tomic Layer Deposition)法が用いられる。ALD法を用いる場合、第1の金属酸化膜を形成する工程では、基板を収容した処理室内に第1の金属元素を含む第1原料と酸化剤とを交互に供給する工程(サイクル)を1回以上行う。また、第2の金属酸化膜を形成する工程では、基板を収容した処理室内に第2の金属元素を含む第2原料と酸化剤とを交互に供給する工程(サイクル)を1回以上行う。そして、第1の金属酸化膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数と、第2の金属酸化膜を形成する工程におけるサイクルの実施回数と、をそれぞれ調整することにより、第1の金属酸化膜および第2の金属酸化膜の膜厚をそれぞれ所定の膜厚として、第3の金属酸化膜の組成を制御する。
構成する複数の元素のうち1つの元素の組成比(比率)を数%以内、例えば1〜10%となるように制御する場合、すなわち微量組成制御を行う場合において、特に顕在化する。
含まれるAlOの組成比が4.56%であるようなHfAlO膜、すなわちHfOとAlOとの組成比がおよそ20:1であるようなHfAlO膜が得られると共に、HfOとAlOとが成膜途中に相互拡散し、組成が基板面内方向、膜厚方向共に均一であるようなHfAlO膜が得られる。
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。
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。
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20
0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の金属元素としてのHf(ハフニウム)を含む第1原料(以下、第1液体原料ともいう)としての有機金属液体原料(以下、Hf原料ともいう)を供給する第1液体原料供給源220hが設けられている。また、処理室201の外部には、上述のHf原料と、第2の金属元素としてのAl(アルミニウム)を含む第2原料(
以下、第2液体原料ともいう)としての有機金属液体原料(以下、Al原料ともいう)とを、液体状態で予め混合した混合原料(以下、HfAl混合原料ともいう)を供給する混合液体原料供給源220aが設けられている。第1液体原料供給源220h、混合液体原料供給源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229h,229aは、液体原料をヒータ23h,23aで加熱して気化させて原料ガスを発生させる気化室20h,20aと、この気化室20h,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21h,21aと、液体原料の気化室20h,20a内への供給を制御する上述のバルブvh1,va1と、気化室20h,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213h、混合原料ガス供給管213aへ供給するアウトレットとしての原料ガス供給口22h,22aと、をそれぞれ有している。上述の第1液体原料供給管211h、混合液体原料供給管211aの下流側端部は、それぞれバルブvh1,va1を介して液体原料流路21h,21aの上流側端部に接続されている。液体原料流路21h,21aには、それぞれキャリアガス供給管24h,24aの下流側端部が接続されており、液体原料流路21h,21aを介して気化室20h,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24h,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,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)225h,225aと、N2ガスの供給を制御するバルブvh2,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24h,24a、流量コントローラ225h,225a、バルブvh2,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229h,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229h,229aの原料ガス供給口22h,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213h、混合原料ガス供給管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213h、混合原料ガス供給管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213h、混合原料ガス供給管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vh3,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。
2oから酸素ガスを供給するようにすれば、処理室201内へ供給するオゾンガスを酸素ガスにより希釈して、オゾンガス濃度を調整することが可能となる。主に、酸素ガス供給源230o、第1酸素ガス供給管211o、オゾナイザ229o、流量コントローラ221o、オゾンガス供給管213o、バルブvo3、第2酸素ガス供給管212o、流量コントローラ222oにより酸化剤供給系(酸化剤供給ライン)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、第1パージガス供給管214h、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214h、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213h、混合原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213oのバルブvh3,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214h、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)224h,224a,224oと、N2ガスの供給を制御するバルブvh4,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214h、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224h,224a,224o、バルブvh4,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213h、混合原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213oのバルブvh3,va3,vo3の上流側には、第1ベント管215h、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215h、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215h、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バルブvh5,va5,vo5がそれぞれ設けられている。
パージガス供給管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,va3,vo3を閉じ、バルブvh5,va5,vo5を開くことで、第1原料ガス供給管213h、混合原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管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,va4,vo4を開くことにより、第1原料ガス供給管213h、混合原料ガス供給管213a、オゾンガス供給管213o内にN2ガスを導入して、各原料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,va6,vo6は、バルブvh4,va4,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、第1ベント管215h、第2ベント管215a、第3ベント管215o、ベント管215、第4ベント管216h、第5ベント管216a、第6ベント管216o、ベント管216、バルブvh5,va5,vo5、バルブvh6,va6,vo6によりベント系(ベントライン)が構成される。
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229h,229a、オゾナイザ229o、真空ポンプ264、バルブvh1〜vh6,va1〜va6,vo3〜vo6、液体流量コントローラ221h,221a、流量コントローラ225h,225a,224h,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ALD飽和モードでの第1原料供給、酸化剤供給およびALD飽和モードでの混合原料供給、酸化剤供給を交互に所定回数行う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、2種類以上の原料、すなわち第1原料(第1液体原料)としてHf原料を用い、混合原料(混合液体原料)としてHf原料と第2原料(第2液体原料)であるAl原料とを液体状態で予め混合した原料を用い、また、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HfO:AlO=100:1〜10:1の範囲内の組成の第3の金属酸化膜としてのハフニウムアルミネート(HfAlO)膜を形成する例について説明する。すなわち、HfAlO膜を構成する複数の金属元素(Hf,Al)のうち、組成比の最も大きい第1の金属元素がHfであり、その第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜がHfO膜であり、それ(Hf)よりも組成比の小さい第2の金属元素がAlであり、その第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜がHfAlO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20
8b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)。
たり、あるいはオゾナイザ229oにてオゾン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、原料ガスやオゾンガスの生成初期は原料ガスやオゾンガスが不安定な状態で供給される。このため、本実施形態では、第1原料ガス、混合原料ガス、オゾン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,va3,va5,vo3,vo5の開閉を切り替えることにより、第1原料ガス、混合原料ガス、オゾン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内への第1原料ガス、混合原料ガス、オゾン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原料供給工程(S5))
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、混合原料ガス供給管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vh3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vh4,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213h、混合原料ガス供給管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vh4,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vh4,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サイクル行うことにより、ウェハ200上に第1の金属酸化膜としての酸化ハフニウム(HfO)膜を形成する。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140〜450℃、好ましくは200〜300℃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。
(混合原料供給工程(S10))
続いて、バルブva4,va5を閉じ、バルブva3を開いて、処理室201内への混合原料ガスの供給を開始する。混合原料ガスは、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。余剰な混合原料ガスは、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内への混合原料ガスの供給時には、第1原料ガス供給管213hおよびオゾンガス供給管213o内への混合原料ガスの侵入を防止するように、また、処理室201内における混合原料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va3を閉じ、処理室201内への混合原料ガスの供給を停止した後は、バルブvh4,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内に残留している混合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213h、混合原料ガス供給管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vh4,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vh4,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上に形成されている第1の金属酸化膜としての酸化ハフニウム(HfO)膜上に、第2の金属酸化膜としてのハフニウムアルミネート(HfAlO)膜を形成する。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140〜450℃、好ましくは200〜300℃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。
そして、工程S5〜S14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、酸化ハフニウム(HfO)膜とハフニウムアルミネート(HfAlO)膜との積層構造を形成する。すなわちHfO膜形成工程(工程S5〜S9)とHfAlO膜形成工程(S10〜S14)とを交互に所定回数、例えばそれぞれ1回ずつ行うことにより、ウェハ200上にHfO膜とHfAlO膜との積層構造を形成する。そして、HfO膜とHfAlO膜との間でHf及びAlが成膜途中に相互に拡散することにより、ウェハ200上に、所定膜厚の第3の金属酸化膜としてのハフニウムアルミネート(HfAlO)膜が形成される。
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HfAlO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HfAlO膜に対しアニール(熱処理)を施すことで、第1の金属酸化膜としてのHfO膜と第2の金属酸化膜としてのHfAlO膜との間におけるHfとAlの相互拡散はより一層促進され、第3の金属酸化膜としてのHfAlO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。
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。
有比率の少ないHfAlO膜を形成することで、最終的に形成されるHfAlO膜中におけるHfに対するAlの組成比を、例えば1〜10%(HfO:AlO=10:1〜100:1)に低減させるような微量組成制御を行うことが出来る。
。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。
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。
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)。
まず、ウェハを収容した処理室内へのHf原料導入→Hf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1回以上行うことでウェハ上にHfO膜を形成した。図8に、1サイクルあたりのHf原料供給時間と、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚(成膜速度)との関係を示す。図8の横軸は1サイクルあたりのHf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HfO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450℃とし、各ステップにおける処理室内圧力を100Paとし、Hf原料としてHf(MMP)4を用い、酸化剤としてO3を用い、Hf(MMP)4の供給流量を0.05g/minとし、O3ガスの供給流量を2000sccmとし、Hf原料の供給時間を14〜30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、ウェハを収容した処理室内へのHf原料導入→Hf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1回以上行うことでウェハ上にHfO膜を形成した。図9に、1サイクルあたりのHf原料供給時間と、1サイクルあたりに形成されるHfO膜の膜厚との関係を示す。図9の横軸は1サイクルあたりのHf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HfO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、Hf原料としてHf(MMP)4を用い、酸化剤としてO3ガスを用い、Hf(MMP)4の供給流量を0.05g/minとし、O3ガスの供給流量を2000sccmとし、Hf原料の供給時間は2〜30秒の範囲で変化させた。
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1回以上行うことでウェハ上にAlO膜を形成した。図10に、サイクル数と、その際形成されるAlO膜の累積膜厚と、の関係を示す。図10の横軸はAlO膜成膜ステップのサイクル数を示しており、縦軸はAlO膜の累積膜厚(Å)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、Al原料としてAl(MMP)3を用い、酸化剤としてO3ガスを用い、Al(MMP)3の供給流量を0.05g/minとし、O3ガスの供給流量を500sccmとし、Al原料のサイクル数は20〜40サイクルの範囲で変化させた。
図9、図10によれば、ウェハ温度が250℃、各ステップにおける処理室内圧力が100Paの条件下において、Hf原料とAl原料とを4:1の比率で予め混合したHfAl混合原料を用いた場合、HfAl混合原料導入→HfAl混合原料パージ→酸化剤導入→酸化剤パージを1サイクル実行することで、図11のように、1サイクルあたりの形成されるHfAlO膜の膜厚を0.98Åとすることが出来ると考えられる。図11は、サイクル数と、その際形成されるAlO膜、HfO膜、HfAlO膜の累積膜厚と、の関係を示す予想グラフ図である。図11の横軸は成膜ステップのサイクル数を示しており、縦軸は各種膜の累積膜厚(Å)を示している。図中の◆印はALD飽和モードによるAlO膜の膜厚を、■印はALD飽和モードによるHfO膜の膜厚を、▲印はHf原料とAl原料とを4:1の比率で予め混合した原料を用いたHfAlO膜の膜厚をそれぞれ示している。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
基板を収容した処理室内に、第1の金属元素を含む第1原料と酸化剤とを供給することで、前記基板上に前記第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、
前記処理室内に、前記第1原料と第2の金属元素を含む第2原料とを混合した混合原料と酸化剤とを供給することで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、
を交互に繰り返すことで、前記基板上に、前記第1の金属酸化膜と前記第2の金属酸化膜とを交互に積層して、前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
基板を収容した処理室内に、第1の金属元素を含む第1原料を供給する工程と、酸化剤を供給する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に前記第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、
前記処理室内に、前記第1原料と第2の金属元素を含む第2原料とを混合した混合原料を供給する工程と、酸化剤を供給する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、
を交互に繰り返すことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
基板を収容する処理室と、
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、
前記処理室内に前記第1原料と第2の金属元素を含む第2原料とを混合した混合原料を供給する第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することで、前記基板上に前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する処理と、前記処理室内に、前記混合原料と前記酸化剤とを供給することで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する処理と、を交互に繰り返すことで、前記基板上に、前記第1の金属酸化膜と前記第2の金属酸化膜とを交互に積層して、前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する処理を行うように、前記第1原料供給系、前記第2原料供給系及び前記酸化剤供給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。
基板上に第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜と、前記第1の金属元素と第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜と、が交互に繰り返し積層されてなる第3の金属酸化膜を有する半導体装置であって、
前記第1の金属酸化膜は、前記第1の金属元素を含む第1原料と酸化剤とを前記基板に対して供給することで形成されており、
前記第2の金属酸化膜は、前記第1原料と前記第2の金属元素を含む第2原料とを混合した混合原料と酸化剤とを前記基板に対して供給することで形成されている半導体装置が提供される。
201 処理室
206 ヒータ
280 コントローラ
Claims (7)
- 基板を収容した処理室内へ第1の金属元素を含む第1原料を供給する工程と、前記処理室内へ酸化剤を供給する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に前記第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、
前記処理室内へ前記第1原料と第2の金属元素を含む第2原料とを混合した混合原料を前記混合原料が熱分解しない条件下で供給し、前記基板上への前記混合原料の吸着を飽和させる工程と、前記処理室内へ酸化剤を供給する工程と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する工程と、
を交互に繰り返すことで、前記基板上に、前記第1の金属酸化膜と前記第2の金属酸化膜とを交互に積層して、前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法。 - 前記第1原料を供給する工程では、前記処理室内へ前記第1原料を前記第1原料が熱分解しない条件下で供給し、前記基板上への前記第1原料の吸着を飽和させる請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1原料を供給する工程では、前記処理室内へ前記第1原料を前記第1原料が熱分解する条件下で供給し、前記基板上に前記第1の金属元素を含む膜を形成する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の金属酸化膜の厚さ、および、前記第2の金属酸化膜の厚さを、それぞれ、積層されたこれらの膜の間での前記第1の金属元素および前記第2の金属元素の相互拡散が妨げられない厚さとする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の金属酸化膜の厚さ、および、前記第2の金属酸化膜の厚さを、それぞれ、1〜10Åの範囲内の厚さとする請求項1乃至4のいず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、Hf、Ti、Al、La、Nb、Sr、Ba、Ta、Yからなる群より選択されるいずれかの元素であり、前記第2の金属元素が、前記第1の元素とは異なり、Hf、Ti、Al、La、Nb、Sr、Ba、Ta、Yからなる群より選択されるいずれかの元素である請求項1乃至5のいずれかに記載の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、
前記処理室内に前記第1原料と第2の金属元素を含む第2原料とを混合した混合原料を供給する第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、
前記基板を収容した前記処理室内へ前記第1原料を供給する処理と、前記処理室内へ前記酸化剤を供給する処理と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素を含む第1の金属酸化膜を形成する処理と、前記処理室内へ前記混合原料を前記混合原料が熱分解しない条件下で供給し、前記基板上への前記混合原料の吸着を飽和させる処理と、前記処理室内へ酸化剤を供給する処理と、を1サイクルとしてこのサイクルを所定回数行うことで、前記基板上に前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第2の金属酸化膜を形成する処理と、を交互に繰り返すことで、前記基板上に、前記第1の金属酸化膜と前記第2の金属酸化膜とを交互に積層して、前記第1の金属元素および前記第2の金属元素を含む第3の金属酸化膜を形成する処理を行うように、前記第1原料供給系、前記第2原料供給系及び前記酸化剤供給系を制御するコントローラと、
を有する基板処理装置。
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