JP6084070B2 - 半導体装置の製造方法、プログラムおよび基板処理装置 - Google Patents
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Description
トランジスタには、NMOSタイプとPMOSタイプが有る。NMOSタイプのトランジスタには、高誘電率膜に対する仕事関数の値がシリコン半導体の伝導帯(Conduction Band)と価電子帯(Valence Band)の中間値、所謂ミッドギャップよりも小さい仕事関数を有する導電性膜が、高誘電率膜の上に最初に形成される(第1の導電膜)。よって、この要求に対応する為には、第1の導電膜の仕事関数の値は、4.5evよりも小さいことが好ましい。反対に、PMOSタイプのトランジスタでは、4.5eVを超える仕事関数を有する導電膜が、第1の導電膜として用いられる。
例えば、特許文献1,2,3などに記載されている。
自然科学における仕事関数の定義は、物質から電子1個を無限遠に引き離すときに要するエネルギーであり、根本的に、NMOS向けの導電膜はPMOS向けの導電膜より酸化しやすいと言える。
導電膜をPVD(Physical Vapor Deposition)や上記の方法で形成した場合、その最も外側の部分は、大気に触れた際に僅かに酸化されてしまう。その酸化され易さは、金属の持つ不完全性(欠陥)や、結晶構造、物理的な表面積に影響を受けるが、本質的に、導電膜の構成元素が、電気陰性度の大きい酸素に電子を奪われるメカニズムである。
従来のデバイスの最小寸法が0.1μmを超えるトランジスタでは、堆積する薄膜の厚さが十分に厚かった為に、その影響が無視できたことに加えて、NMOSトランジスタの性能追求に厳しくなかった為、大きな問題として注目されることは少なかった。しかしながら、トランジスタの最小寸法が50nmを下回るまでに微細化が進んだことと、トランジスタを搭載する最終製品での更なる省電力化を追求に際して、NMOS向けの仕事関数調整膜の酸化が深刻な性能劣化をもたらす課題を見出した。また、NMOS向けの仕事関数調整膜の場合、膜厚が、5nm(50Å)を下回る場合に、その性能劣化が著しく、10nm以上の厚さの場合に得られる、バルクの仕事関数を維持することが困難になる課題が有る。また仕事関数調整膜が酸化された場合には、仕事関数値が大きくなり、PMOS側にシフトする課題が有る。
以下に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照してより詳細に説明する。
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1を参照しながら説明する。図1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と、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1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102を備えている。処理容器102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102は、例えばアルミニウム(Al)やステンレス(SUS)などの金属材料または石英(SiO2)により構成されている。処理容器102内には、基板としてのシリコンウェハ等のウェハ100を処理する処理室101が形成されている。
処理室101内には、ウェハ100を支持する支持台103が設けられている。支持台103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)のいずれかで構成される。ウェハ200が直接触れる支持台103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)のいずれかで構成された支持板としてのサセプタ117が設けられても良い。なお、支持台103には、ウェハ100を加熱する加熱手段(加熱源)としてのヒータ106が内蔵されていても良い。また、支持台103の下端部は、処理容器102の底部を貫通している。
処理室101の外部には、支持台103を昇降させる昇降機構107bが設けられている。この昇降機構107bを作動させて支持台103を昇降させることにより、サセプタ117上に支持されるウェハ100を昇降させることが可能となっている。支持台103は、ウェハ100の搬送時には後述のウェハ搬送口150の高さまで下降し、ウェハ100の処理時にはウェハ処理位置まで上昇する。なお、支持台103下端部の周囲は、ベローズ103aにより覆われており、処理室101内は気密に保持されている。
また、処理室101の底面(床面)には、例えば3本のリフトピン108b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103(サセプタ117も含む)には、かかるリフトピン108bを貫通させる貫通孔108aが、リフトピン108b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103をウェハ搬送位置まで下降させた時には、リフトピン108bの上端部がサセプタ117の上面から突出して、リフトピン108bがウェハ100を下方から支持するようになっている。また、支持台103をウェハ処理位置まで上昇させたときには、リフトピン108bはサセプタ117の上面から埋没して、サセプタ117がウェハ100を下方から支持するようになっている。なお、リフトピン108bは、ウェハ100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101(処理容器102)の内壁側面には、処理室101の内外にウェハ100を搬送するウェハ搬送口150が設けられている。ウェハ搬送口150にはゲートバルブ151が設けられており、ゲートバルブ151を開くことにより、処理室101内と搬送室(予備室)171内とが連通するようになっている。搬送室171は搬送容器(密閉容器)172内に形成されており、搬送室171内にはウェハ100を搬送する搬送ロボット173が設けられている。搬送ロボット173には、ウェハ100を搬送する際にウェハ100を支持する搬送アーム173aが備えられている。支持台103をウェハ搬送位置まで下降させた状態で、ゲートバルブ151を開くことにより、搬送ロボット173により処理室101内と搬送室171内との間でウェハ100を搬送することが可能となっている。処理室101内に搬送されたウェハ100は、上述したようにリフトピン108b上に一時的に載置される。なお、搬送室171のウェハ搬送口150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173によりロードロック室内と搬送室171内との間でウェハ100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100を一時的に収容する予備室として機能する。
処理室101(処理容器102)の内壁側面であって、ウェハ搬送口150の反対側には、処理室101内の雰囲気を排気する排気口160が設けられている。排気口160には排気チャンバ160aを介して排気管161が接続されており、排気管161には、処理室101内を所定の圧力に制御する圧力制御装置としてのAPC(Auto Pressure Controller)等の圧力調整器162、原料回収トラップ163、及び真空ポンプ164が順に直列に接続されている。主に、排気口160、排気管161、圧力調整器162によって、排気系(排気ライン)が構成される。なお、原料回収トラップ163、真空ポンプ164は、基板処理装置が設置される半導体製造工場側に設けられるが、基板処理装置に設けても良い。
処理室101の上部に設けられる後述のシャワーヘッド140の上面(天井壁)には、処理室101内に各種ガスを供給するガス導入口110が設けられている。なお、ガス導入口110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110と処理室101との間には、ガス分散機構としてのシャワーヘッド140が設けられている。シャワーヘッド140は、ガス導入口110から導入されるガスを分散させる分散板140aと、分散板140aを通過したガスをさらに均一に分散させて支持台103上のウェハ100の表面に供給するシャワー板140bと、を備えている。分散板140aおよびシャワー板140bには、複数の通気孔が設けられている。分散板140aは、シャワーヘッド140の上面及びシャワー板140bと対向するように配置されており、シャワー板140bは、支持台103上のウェハ100と対向するように配置されている。なお、シャワーヘッド140の上面と分散板140aとの間、および分散板140aとシャワー板140b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110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)140c、および分散板140aを通過したガスを拡散させる第2バッファ空間140dとしてそれぞれ機能する。
処理室101(処理容器102)の内壁側面には、段差部101aが設けられている。そして、この段差部101aは、コンダクタンスプレート104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104は、内周部にウェハ100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104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104aが設けられている。排出口104aは、コンダクタンスプレート104の外周部がコンダクタンスプレート104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。
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2を参照しながら説明する。図2は、本発明の実施形態にかかる基板処理装置の有するガス供給系および排気系の構成図である。
ガス供給管232aには、上流側から順に、流量制御装置(流量制御部)としてのMFC(マスフローコントローラ)235aおよび開閉弁であるバルブ233aがそれぞれ設けられており、例えば不活性ガスである窒素(N2)ガスがガス供給管232aを通ってガス導入口110へ供給される。主に、ガス供給管232a、MFC235a、バルブ233aにより第1の不活性ガス供給系が構成される。
ガス供給管232dに接続された気化器270dよりも上流には、液体原料タンク291d、液体流量制御装置(LMFC)295d、バルブ293dが上流側から順に設けられている。気化器270d内への液体原料の供給量(すなわち、気化器270d内で気化され処理室201内へ供給される気化ガスの供給流量)は、LMFC295dによって制御される。主に、ガス供給管232d、LMFC295d、バルブ293dにより液体原料供給系(第1液体原料供給系)が構成される。また、液体原料タンク291dを液体原料供給系に含めても良い。
気化器270dには、キャリアガスとしての不活性ガスがガス供給管271dから供給される。ガス供給管271dには、MFC273dとバルブ272dとが設けられている。気化器270dで生成された気化ガスをキャリアガスで希釈することにより、サセプタ117に搭載されるウェハ100面内の膜厚均一性等のウェハ100におけるウェハ100の処理の均一性を調整することができる。主に、ガス供給管271d、MFC273d、バルブ272dによりキャリアガス供給系(第1キャリアガス供給系)が構成される。
なお、ここでは、遷移金属含有ガスとして、Tiを含むガスについて示したが、これに限らず、遷移金属である、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)の何れか又は2つ以上を含む原料を用いても良い。例えば、フッ化タングステン(WF6),塩化タンタル(TaCl5),塩化ジルコニウム(ZrCl4),塩化ハフニウム(HfCl4),塩化タングステン(WCl6)などの原料を液体原料タンク291dに貯留しても良い。なお、主に、LMFC295d、バルブ293d、気化器270d、バルブ233d、ガス供給管232dで遷移金属原料供給部(第1原料供給部)が構成される。
なお、ここでは、金属含有ガスとしてTMAを用いる例を示したが、これに限らず、トリエチルアルミニウム(Al(C2H5)3,トリイソブチルアルミニウムAl(C4H9)3,トリス(ジメチルアミノ)アルミニウムAl(N(CH3)2)3でも良いし、ボロン(B),ハフニウム(Hf)や、タンタル(Ta)シリコン(Si)、ジルコニウム(Zr)のいずれか又は2つ以上を含む原料を用いても良い。例えば、テトラキスジエチルアミノハフニウムHf(N(C2H5)2)4,テトラキスジメチルアミノハフニウムHf(N(CH3)2)4,テトラキスエチルメチルアミノハフニウムHf(N(C2H5)CH3)4,テトラキスジエチルアミノジルコニウムZr(N(C2H5)2)4,テトラキスジメチルアミノジルコニウムZr(N(CH3)2)4,テトラキスエチルメチルアミノジルコニウムZr(N(C2H5)CH3)4,トリスエチルメチルアミノターシャリーブチルイミノタンタル(TBTEMT),トリスジエチルアミノターシャリーブチルイミノタンタル(TBTDET),ジボラン(B2H6),ジシラン(Si2H6)などの原料を液体原料タンク291eに貯留しても良いし、上記第1液体原料を貯留しても良い。なお、主に、LMFC295e、バルブ293e、気化器270e、バルブ233e、ガス供給管232eで金属原料供給部(第2原料供給部)が構成される。
ガス供給管232bには、上流方向から順に、流量制御装置(流量制御部)としてのMFC(マスフローコントローラ)235bおよび開閉弁であるバルブ233bがそれぞれ設けられており、例えば反応ガスであるアンモニア(NH3)ガスがガス供給管232bを通ってガス導入口110へ供給される。主に、ガス供給管232b、MFC235b、バルブ233bにより反応ガス供給系が構成される。
なお、ここでは、NH3ガスを示したが、これに限らず、N2ガス、亜酸化窒素(NO)ガス、酸化窒素(N2O)ガスのいずれかのガスでも良い。
図3に本実施形態に係る制御部と各構成の接続例を示す。制御部(制御手段)であるコントローラ300は、CPU(Central Processing Unit)380a、RAM(Random
Access Memory)380b、記憶装置380c、I/Oポート380dを備えたコンピュータとして構成されている。RAM380b、記憶装置380c、I/Oポート380dは、内部バス380eを介して、CPU380a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300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382が接続されている。
Disk Drive)等で構成されている。記憶装置380c内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件などが記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。なお、プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ300に実行させ、所定の結果を得ることが出来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や制御プログラム等を総称して、単にプログラムともいう。なお、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、その両方を含む場合がある。また、RAM380bは、CPU380a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。
次に、上述の基板処理装置の処理炉を用いて半導体装置(半導体デバイス)の製造工程の一工程として、基板に形成された絶縁膜上に導電膜であって、例えば金属含有膜である遷移金属炭化膜としてチタニウムアルミニウム炭化(TiAlC)膜および、金属含有膜である遷移金属含有膜としてチタニウム窒化(TiN)膜を成膜するシーケンス例について、図4、図5を参照して説明する。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300により制御される。なお、絶縁膜は、高誘電率(High−k)膜であって、例えば、酸化アルミニウム(AlO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ハフニウム(HfO)、酸化ランタン(LaO)、酸化イットリウム(YO)、酸化タンタル(TaO)、酸化セリウム(CeO)、酸化チタン(TiO)、チタン酸ストロンチウム(STO)、チタン酸バリウム(BTO)の何れか又は2つ以上を組み合わせた膜で構成される。また、これらの膜に、酸化シリコン(SiO)や窒化シリコン(SiN)を含む膜であっても良い。例えば、ZrAlO、HfAlO、LaAlO、HfSiO、HfSiON、ZrSiOなどがある。好ましくは、遷移金属を含む酸化膜が良い。また好ましくは、高誘電率膜の誘電率が4.0以上の膜である。
まず、ウェハ搬送口150に設けられたゲートバルブ151が開放され、搬送室171から処理容器102内にウェハ100が搬送ロボット173によって搬送される。
処理容器102内に搬送されたウェハ100は、サセプタ117に載置され、予め加熱されたサセプタ117によって加熱される。
ウェハ100がサセプタ117に載置されると、ゲートバルブ151が閉じられ、処理室101内が所望の圧力(真空度)となるように真空ポンプ164によって真空排気される。この際、処理室101内の圧力は、圧力センサ(不図示)により測定され、APCバルブ162でフィードバック制御される(圧力調整)。
また、ウェハ100が所望の温度となるようにヒータ106によって加熱される。この際、ウェハ100が所望の温度分布となるように、温度センサ(不図示)が検出した温度情報に基づきヒータ106への通電具合がフィードバック制御される(温度調整)。
<ステップS105>
ステップS105(図4、図5参照、第1の工程、遷移金属原料供給工程、TiCl4供給工程)では、まずTiCl4ガスを流す。ガス供給管232dのバルブ233dを開き、気化器270d、ガスフィルタ281dを介してガス供給管232d内にTiCl4ガスを流す。ガス供給管232d内を流れるTiCl4ガスは、液体マスフローコントローラ295dにより流量調整される。流量調整されたTiCl4ガスはガス供給管232dからガス導入口110を通って処理室101内のウェハ100に供給され、排気口161から排気される。このとき、同時にバルブ272dを開き、不活性ガス供給管271d内にN2ガス等の不活性ガスを流す。不活性ガス供給管271d内を流れるN2ガスは、マスフローコントローラ273dにより流量調整される。流量調整されたN2ガスはTiCl4ガスと一緒に処理室101内に供給され、排気口161から排気される。また、バルブ233aを開いて、ガス供給管232aからN2ガス等の不活性ガスを流しても良い。また、バルブ233gを開いて、ガス供給管232gからN2ガス等の不活性ガス流しても良い。
ステップS106(図4、図5参照、第2の工程、パージ工程)では、バルブ233dを閉じ、処理室101内へのTiCl4ガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ162は開いたままとして、真空ポンプ164により処理室101内を真空排気し、処理室101内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiCl4ガスを処理室101内から排除する。
なお、このとき、バルブ233a又はバルブ233gは開いたままとして、不活性ガスとしてのN2ガスの処理室101内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室101内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiCl4ガスを処理室101内から排除する効果を更に高めることができる。パージは、N2ガスが、例えば200ccmの流量で、例えば、1秒〜60秒供給されることによって行われる。
ステップS107(図4、図5参照、第3の工程、金属原料供給工程、TMA供給工程)では、まずTMAガスを流す。ガス供給管232eのバルブ233eを開き、気化器270e、ガスフィルタ281eを介してガス供給管232e内にTMAガスを流す。ガス供給管232e内を流れるTMAガスは、液体マスフローコントローラ295eにより流量調整される。流量調整されたTMAガスはガス供給管232eからガス導入口110を通って処理室101内のウェハ100に供給され、排気口161から排気される。このとき、同時にバルブ272eを開き、不活性ガス供給管271e内にN2ガス等の不活性ガスを流す。不活性ガス供給管271e内を流れるN2ガスは、マスフローコントローラ273eにより流量調整される。流量調整されたN2ガスはTMAガスと一緒に処理室101内に供給され、排気口161から排気される。また、バルブ233aを開いて、ガス供給管232aからN2ガス等の不活性ガスを流しても良い。また、バルブ233gを開いて、ガス供給管232gからN2ガス等の不活性ガス流しても良い。
ステップS108(図4、図5参照、第4の工程、パージ工程)では、バルブ233eを閉じ、処理室101内へのTMAガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ162は開いたままとして、真空ポンプ164により処理室101内を真空排気し、処理室101内に残留する未反応もしくはAl,C含有層形成に寄与した後のTMAガスを処理室101内から排除する。
なお、このとき、バルブ233a又はバルブ233gは開いたままとして、不活性ガスとしてのN2ガスの処理室101内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室101内に残留する未反応もしくはAl,C含有層形成に寄与した後のTMAガスを処理室101内から排除する効果を更に高めることができる。パージは、N2ガスが、例えば200ccmの流量で、例えば、1秒〜60秒供給されることによって行われる。
上述したステップS105〜S108を1サイクルとして、このサイクルを少なくとも1回以上行う(ステップS109)ことにより、ウェハ100上に所定膜厚のチタニウム、アルミニウムおよび炭素を含む導電膜、すなわち、TiAlC膜を成膜することができる。尚、上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。これにより、ウェハ100上に所定膜厚のTiAlC膜が形成される。
以下に第2成膜工程について説明する。
<ステップS205>
ステップS205(図4、図5参照、第1の工程、遷移金属原料供給工程、TiCl4供給工程)では、まずTiCl4ガスを流す。ガス供給管232dのバルブ233dを開き、気化器270d、ガスフィルタ281dを介してガス供給管232d内にTiCl4ガスを流す。ガス供給管232d内を流れるTiCl4ガスは、液体マスフローコントローラ295dにより流量調整される。流量調整されたTiCl4ガスはガス供給管232dからガス導入口110を通って処理室101内のウェハ100に供給され、排気口161から排気される。このとき、同時にバルブ272dを開き、不活性ガス供給管271d内にN2ガス等の不活性ガスを流す。不活性ガス供給管271d内を流れるN2ガスは、マスフローコントローラ273dにより流量調整される。流量調整されたN2ガスはTiCl4ガスと一緒に処理室101内に供給され、排気口161から排気される。また、バルブ233aを開いて、ガス供給管232aからN2ガス等の不活性ガスを流しても良い。また、バルブ233gを開いて、ガス供給管232gからN2ガス等の不活性ガス流しても良い。
ステップS206(図4、図5参照、第2の工程、パージ工程)では、バルブ233dを閉じ、処理室101内へのTiCl4ガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ162は開いたままとして、真空ポンプ164により処理室101内を真空排気し、処理室101内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiCl4ガスを処理室101内から排除する。
なお、このとき、バルブ233a又はバルブ233gは開いたままとして、不活性ガスとしてのN2ガスの処理室101内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室101内に残留する未反応もしくはTi含有層形成に寄与した後のTiCl4ガスを処理室101内から排除する効果を更に高めることができる。パージは、N2ガスが、例えば200ccmの流量で、例えば、1秒〜60秒供給されることによって行われる。
ステップS207(図4、図5参照、第3の工程、反応ガス供給工程、NH3供給工程)では、まずNH3ガスを流す。ガス供給管232bのバルブ233bを開き、ガス供給管232b内にNH3ガスを流す。ガス供給管232b内を流れるNH3ガスは、マスフローコントローラ295bにより流量調整される。流量調整されたNH3ガスはガス供給管232bからガス導入口110を通って処理室101内のウェハ100に供給され、排気口161から排気される。また、バルブ233aを開いて、ガス供給管232aからN2ガス等の不活性ガスを流しても良い。また、バルブ233gを開いて、ガス供給管232gからN2ガス等の不活性ガス流しても良い。
ステップS108(図4、図5参照、第4の工程、パージ工程)では、バルブ233bを閉じ、処理室101内へのNH3ガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ162は開いたままとして、真空ポンプ164により処理室101内を真空排気し、処理室101内に残留する未反応もしくは窒素含有層形成に寄与した後のNH3ガスを処理室101内から排除する。
なお、このとき、バルブ233a又はバルブ233gは開いたままとして、不活性ガスとしてのN2ガスの処理室101内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室101内に残留する未反応もしくは窒素含有層形成に寄与した後のNH3ガスを処理室101内から排除する効果を更に高めることができる。パージは、N2ガスが、例えば200ccmの流量で、例えば、1秒〜60秒供給されることによって行われる。
上述したステップS205〜S208を1サイクルとして、このサイクルを少なくとも1回以上行う(ステップS209)ことにより、ウェハ100上に所定膜厚のチタニウムおよび窒素を含む導電膜、すなわち、TiN膜を成膜することができる。尚、上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。これにより、ウェハ100上に所定膜厚のTiN膜が形成される。
その後、支持台103が下降されて、ゲートバルブ151が開くとともに、処理済のウェハ100が搬送ロボット173によって処理容器102に搬出(アンロード、ステップS112)される。
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果を奏する。
以下に第2の実施形態について、図9、図10、図11を用いて説明する。図8は本実施形態に係る基板処理装置の構成を説明する図である。上述の第1実施形態では、処理容器102内でウェハ100に第1成膜工程と第2成膜工程を続けて施す例を示したがこれに限らず、図9に示すように搬送容器172に複数の処理容器を接続し、第1成膜工程と第2成膜工程を別々処理容器で行うようにしても良い。この形態について以下に詳細に説明する。
図9、図10に示すように、搬送容器171は、平面視が多角形状に形成され、後述の予備室922、923、及び第1プロセスモジュール(PM)101a、第2PM101b、第3PM101c、第4PM101dがゲートバルブ151、151b、151c、151dを介してそれぞれ連結されている。搬送室171の中央部には、負圧下でウェハ100を移載(搬送)する搬送ロボット173がフランジ915を基部として設置されている。搬送ロボット173には、ロボット回転部916が接続され、回転可能に構成されている。
搬送容器172のPMが接続されない壁側には、搬入用の予備室(ロードロックモジュール)922と、搬出用の予備室(ロードロックモジュール)923とがそれぞれゲートバルブ151f、151eを介して連結されており、それぞれ負圧に耐えられる構造に構成されている。
予備室922および予備室923の前側には、大気搬送室(フロントエンドモジュール)921がゲートバルブ928、929を介して連結されている。大気搬送室921は、大気圧下で用いられる。
搬送容器172に設けられた第1PM、第3PMには、図2に示した、ガス供給管232a、ガス供給管232d、ガス供給管233dが接続され、ウェハ100に上述の第1成膜工程を施すことができるように構成されている。
第2PMと第4PMには、図2に示したガス供給管232g、ガス供給管232d、ガス供給管232bが接続され、上述の第2成膜工程を施すことができるように構成されている。
図11に示すように、1枚目のウェハ100の処理(1バッチ目)では、うウェハ100を予備室922から第1PMに搬送し、第1PMで第1成膜工程を行う。第1成膜工程を終えたら、ウェハ100を第2PMへ搬送し、第2成膜工程を行い、予備室923へ搬送し、大気搬送室へウェハを搬出する。
2枚目のウェハの処理(2バッチ目)は、予備室922から第3PMに搬送し、第3PMで第1成膜工程を行う。第3PMで第1成膜工程を終えたら、ウェハを第4PMへ搬送し、第2成膜工程を行う。第4PMでの第2成膜工程を終えたら、ウェハを第4PMから予備室923へ搬送し、大気搬送室へ搬出する。
3枚目のウェハの処理(3バッチ目)は、1バッチ目と同様に第1PM、第2PMの順でウェハを搬送し、第1成膜工程と第2成膜工程を行う。
4枚目のウェハの処理(4バッチ目)は、2バッチ目と同様に第3PM、第4PMの順でウェハを搬送し、第1成膜工程と第2成膜工程を行う。このように、奇数バッチは、第1PM、第2PMへと順に搬送し、処理を行い、偶数バッチは、第3PM、第4PMへと順に搬送し処理を施す。
このように、第1成膜工程と第2成膜工程を別々の処理室で行うようにすることで、第1成膜工程で用いられるガスと第2成膜工程で用いられるガスとが、混ざり、副生成物が生成される可能性を低減することができる。また、第1成膜工程と第2成膜工程で、ウェハ100の温度や処理雰囲気の圧力を変えて処理する場合にも、温度や雰囲気の切替を高速化でき、処理スループットを向上させることができる。
なお、ここでは、処理室を4つ設けた例について記したが、これに限らず、多角形状の搬送容器の角数を増やし、処理室を5つ以上設けても良いし、多角形状の搬送容器の一辺に複数の処理室を設けても良い。
以下に第3の実施形態について図12、図13を用いて説明する。本実施形態は、図12に示すように、複数のセクションに区切られた処理室に複数のウェハ100を収容し処理する形態である。
本実施形態に係る処理炉としてのプロセスチャンバ1202の構成について、主に図12、図13を用いて説明する。図12は、本実施形態に係る反応容器の概略斜視図である。図12は、本実施形態に係る処理炉の横断面概略図である。図13は、本実施形態に係る処理炉の縦断面概略図であり、図12に示す処理炉のA−A’線断面図である。
図12、図13に示すように、処理炉としてのプロセスチャンバ1202は、円筒状の気密容器である反応容器1203を備えている。反応容器1203内には、基板100の処理空間1207が形成されている。反応容器1203内の処理空間1207の上側には、中心部から放射状に延びる4枚の仕切板1205が設けられている。4枚の仕切板1205は、処理空間1207を、第一の処理領域1201a、第一のパージ領域1204a、第二の処理領域1201b、第二のパージ領域1204bに仕切るように構成されている。なお、第一の処理領域1201a、第一のパージ領域1204a、第二の処理領域1201b、第二のパージ領域1204bは、後述するサセプタ(基板載置台)1217の回転方向に沿って、この順番に配列するように構成されている。
図12〜図13に示すように、仕切板1205の下側、すなわち反応容器1203内の底側中央には、反応容器1203の中心に回転軸の中心を有し、回転自在に構成された基板支持部としてのサセプタ1217が設けられている。サセプタ1217は、基板1200の金属汚染を低減することができるように、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、セラミックス、石英等の非金属材料で形成されている。なお、サセプタ1217は、反応容器1203とは電気的に絶縁されている。
サセプタ1217の内部には、加熱部としてのヒータ1218が一体的に埋め込まれており、基板100を加熱できるように構成されている。ヒータ1218に電力が供給されると、基板100表面が所定温度(例えば室温〜1000℃程度)にまで加熱されるようになっている。なお、ヒータ1218は、サセプタ1217に載置されたそれぞれの基板100を個別に加熱するように、同一面上に複数(例えば5つ)設けてもよい。
反応容器1203の上側には、第一の処理ガス導入部1251と、第二の処理ガス導入部1252と、不活性ガス導入部1253、クリーニングガス導入部1258と、を備えるガス供給部1250が設けられている。ガス供給部1250は、反応容器1203の上側に開設された開口に気密に設けられている。第一の処理ガス導入部1251の側壁には、第一のガス噴出口1254が設けられている。第二の処理ガス導入部1252の側壁には、第二のガス噴出口1255が設けられている。不活性ガス導入部1253の側壁には、第一の不活性ガス噴出口1256及び第二の不活性ガス噴出口1257がそれぞれ対向するように設けられている。ガス供給部1250の底には、クリーニングガス導入部1258の端部であるクリーニングガス供給孔1259が設けられている。即ち、クリーニングガス供給孔1259は、第一のガス噴出口1254、第二のガス噴出口1255、不活性ガス噴出口1256、1257より低い位置に設けられている。
なお、ここでは、第1の処理領域1201aと第2の処理領域1201b内に供給するガスを第1成膜工程と第2成膜工程で切替える例を示したが、これに限らず、プロセスチャンバ1202を複数設けて、第2実施形態の様に、それぞれのプロセスチャンバで別々の処理を行うようにしても良い。
以下に第4実施形態について図14、図15を用いて説明する。本実施形態は、図14に示すように、複数枚のウェハ100を、積層した状態で処理する。
処理炉402は、中心線が垂直になるように縦向きに配されて筐体(図示せず)によって固定的に支持された反応管としての縦形のプロセスチューブ405を備えている。プロセスチューブ405は、インナチューブ404とアウタチューブ403とを備えている。インナチューブ404およびアウタチューブ403は、例えば、石英(SiO2)又は炭化珪素(SiC)、石英や炭化珪素の複合材料等の耐熱性の高い材料によって、円筒形状にそれぞれ一体成形されている。
マニホールド409の側壁の一部には、処理室401内の雰囲気を排気する排気管431が接続されている。マニホールド409と排気管431との接続部には、処理室401内の雰囲気を排気する排気口が形成されている。排気管431内は、排気口を介して、インナチューブ404とアウタチューブ403との間に形成された隙間からなる排気路内に連通している。なお、排気路の横断面形状は、略円形リング形状になっている。これにより、後述する、インナチューブ404に形成された、排気孔404aの上端から下端まで均一に排気することができる。即ち、ボート417に載置された複数枚のウェハ100全てから均一に排気することができる。排気管431には、上流から順に、圧力センサ445、圧力調整器としてのAPCバルブ431a、真空排気装置としての真空ポンプ431cが設けられている。真空ポンプ431cは、処理室401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。APCバルブ431aおよび圧力センサ445には、コントローラ300が電気的に接続されている。コントローラ300は、処理室401内の圧力が所望のタイミングにて所望の圧力となるように、圧力センサ445により検出された圧力に基づいてAPCバルブ431aの開度を制御するように構成されている。主に、排気管431、圧力センサ445、APCバルブ431aにより、本実施形態に係る排気ユニット(排気系)が構成される。また、真空ポンプ431cを排気ユニットに含めてもよい。また、排気管431には、排気ガス中の反応副生成物や未反応の原料ガス等を捕捉するトラップ装置や排気ガス中に含まれる腐食性成分や有毒成分等を除害する除害装置が接続されている場合がある。その場合、トラップ装置や除害装置を排気ユニットに含めても良い。
マニホールド409には、マニホールド409の下端開口を閉塞するシールキャップ419が垂直方向下側から当接される。シールキャップ419は、アウタチューブ403の外径と同等以上の外径を有する円盤形状に形成されており、プロセスチューブ405の外部に垂直に設備された後述のボートエレベータ415によって水平姿勢で垂直方向に昇降される。
アウタチューブ403の外部には、プロセスチューブ405内を全体にわたって均一または所定の温度分布に加熱する加熱手段(加熱機構)としてのヒータユニット407が、アウタチューブ403を包囲するように設けられている。ヒータユニット407は、基板処理装置の筐体(図示せず)に支持されることにより垂直に据え付けられた状態になっており、例えばカーボンヒータ等の抵抗加熱ヒータとして構成されている。プロセスチューブ405内には、温度検出器としての温度センサ469が設置されている。主に、ヒータユニット407、温度センサ469により、本実施形態に係る加熱ユニット(加熱系)が構成される。
インナチューブ404の側壁(後述する排気孔404aとは180度反対側の位置)には、チャンネル形状の予備室401aが、インナチューブ404の側壁からインナチューブ404の径方向外向きに突出して垂直方向に長く延在するように形成されている。予備室401aの側壁はインナチューブ404の側壁の一部を構成している。また、予備室401aの内壁は処理室401の内壁の一部を形成している。予備室401aの内部には、予備室401aの内壁(すなわち処理室401の内壁)に沿うように、予備室401aの内壁の下部より上部に沿ってウェハ100の積層方向に延在されて処理室401内にガスを供給するノズル249a、249b、249d、249e、249gが設けられている。ノズル249a、249b、249d、249e、249gは、ウェハ100が配列されるウェハ配列領域の側方の、ウェハ配列領域を水平に取り囲む領域に、ウェハ配列領域に沿うように設けられている。ノズル249a、249b、249d、249e、249gはL字型のロング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409を貫通するように設けられており、その垂直部は少なくともウェ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。便宜上、図14には1本のノズルを記載しているが、実際には図15に示すように5本のノズル249a、249b、249d、249e、249gが設けられている。ノズル249a、249b、249d、249e、249gの側面には、ガスを供給する多数のガス供給孔450a、450b、450d、450e、450gがそれぞれ設けられている。ガス供給孔450a、450b、450d、450e、450gは、下部から上部にわたってそれぞれ同一または、大きさに傾斜をつけた開口面積を有し、さらに同じ開口ピッチで設けられている。
基板処理工程は、上記の第1実施形態のフローと略同じである。
まず、複数枚のウェハ100がボート417に装填(ウェハチャージ)されると(図4、ステップS101参照)、図14に示されているように、複数枚のウェハ100を支持したボート417は、ボートエレベータ415によって持ち上げられて処理室401内に搬入(ボートロード)される(図4、ステップS102参照)。この状態で、シールキャップ419はマニホールド409の下端をシールした状態となる。
以下に他の実施形態について説明する。
上述の実施形態では、導電膜であるTiAlC膜を形成した基板を酸素を含む雰囲気に曝すことなく、キャップ膜であるTiN膜を形成する工程を記したが、実施例はこれに限るものでは無い。TiAlC膜とTiN膜との界面への酸素吸着を防ぐことで、同様の効果を得られる場合が有る。即ち、自然酸化膜が形成(酸素が吸着)したTiAlC膜を還元性雰囲気(例えば、還元性ガスや還元性プラズマ)に曝した後にTiN膜を形成するようにしても良い。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
本実施形態によれば、
高誘電率膜が形成された基板を収容する工程と、
前記高誘電率膜の上に遷移金属炭化膜を形成する第1成膜工程と、
前記遷移金属炭化膜上に金属含有膜を形成する第2成膜工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
付記1に記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1成膜工程では、遷移金属を含有する第1原料ガスと、金属と炭素を含む第2原料を交互に供給する。
付記1に記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1成膜工程では、遷移金属と炭素を含む第1原料と、金属を含む第2原料とを交互に供給する。
付記1に記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1成膜工程では、遷移金属と炭素を含む第1原料と、金属と炭素を含む第2原料とを交互に供給する。
付記1に記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1成膜工程では、遷移金属を含む第1原料と、金属を含む第2原料と炭素を含む第3原料とを交互に供給する。
付記1乃至付記5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第2成膜工程では、遷移金属を含む第1原料と窒素原料を含む反応ガスとを交互に供給する。
付記1乃至付記5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第2導電膜形成工程では、遷移金属を含む第1原料と、窒素原料を含む反応ガスと、B、C、Si、Alの何れか若しくは2つ以上を含む第3原料と、が順に供給される。
付記1乃至付記6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1成膜工程と、前記第2成膜工程と、の間を不活性ガスで保持する工程を有する。
付記1乃至付記6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第1成膜工程の後に、還元性ガスを供給する工程を有し、
前記還元性ガスを供給する工程の後に、前記第2成膜工程とを有する。
付記1乃至付記6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記第2成膜工程の前に、還元性ガスを供給する工程を有する。
付記8乃至付記10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記還元性ガスを供給する工程では、当該還元性ガスを励起する工程を有する。
付記1乃至11のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記高誘電率膜の誘電率は4.0以上である。
付記1乃至12のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記高誘電率膜は、ZrO、HfO、LaO、YO、TaO、CeO、TiO、AlO、SiO、SiN、STO、BTO、の材料の何れか若しくは2つ以上組み合わせた膜である。
付記1乃至付記13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第1成膜工程で形成される膜の膜厚は5nm以下で、前記第2成膜工程で形成される膜の膜厚は1nm以上である。
付記1乃至付記14のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第2成膜工程で形成される膜は、遷移金属を含む。
付記1乃至付記15のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記遷移金属は、Ti,W,Ta,Zr,Hf,Ru,Ni,Coのいずれか又は2つ以上を含む。
付記1乃至付記16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第1成膜工程で形成される膜と第2成膜工程で形成される膜には、B,C,Si,Alのいずれか又は2つ以上を含む。
他の実施形態によれば、
高誘電率膜と当該高誘電率膜上に遷移金属含有炭化膜とが形成された基板を収容する工程と、
前記基板に遷移金属を含む膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
付記18に記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記遷移金属を含む膜を形成する工程の前に、還元性ガスを供給する工程を有する。
付記18に記載の半導体装置の製造方法であって、好ましくは、
前記還元性ガスを供給する工程では、前記還元性ガスを励起する工程を有する。
更に他の態様によれば、
高誘電率膜が形成された基板を収容する手順と、
前記基板に、遷移金属炭化膜を形成する第1成膜手順と、
前記遷移金属炭化膜上に金属含有膜を形成する第2成膜手順と、
をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。
更に他の態様によれば、
高誘電率膜と遷移金属含有炭化膜とが形成された基板を収容する手順と、
前記基板に遷移金属を含む膜を形成する手順と、
をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。
更に他の態様によれば、
高誘電率膜が形成された基板を収容する手順と、
前記基板に、遷移金属と金属を含む少なくとも1層以上を有する遷移金属炭化膜を形成する手順と、
前記基板に遷移金属を含む金属膜を形成する手順と、
をコンピュータに実行させるプログラムが記録された記録媒体が提供される。
更に他の態様によれば、
高誘電率膜が形成された基板が収容される処理室と、
前記基板に遷移金属を含む遷移金属原料を供給する遷移金属原料供給部と、
前記基板に金属と炭素を含む金属原料を供給する金属原料供給部と、
前記基板に窒素を含む反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記遷移含有原料と前記金属原料とを交互に供給し遷移金属炭化膜を形成し、当該遷移金属炭化膜の形成後に、前記遷移金属原料と前記反応ガスを交互に供給し遷移金属含有膜を形成するように前記遷移金属原料供給部と前記金属原料供給部と前記反応ガス供給部と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。
昇降機構・・・107b
ゲートバルブ・・・151
搬送ロボット・・・173
圧力調整器(APCバルブ)・・・163
真空ポンプ・・・164
原料回収トラップ・・・163
マスフローコントローラ(MFC)・・・235a、235b、235g、273d、273e
バルブ・・・233a、233d、233e、233g、293d、293e、272d、272e
気化器・・・270d、270e
流体流量制御装置(LMFC)・・・295d、295e
液体原料タンク・・・291d、291e
コントローラ・・・300
CPU・・・380a
RAM・・・380b
記録媒体・・・380c
I/Oポート・・・380d
内部バス・・・380e
入力装置・・・382
Claims (5)
- 表面に高誘電率膜が形成された基板を処理室に収容する工程と、
前記基板に対して、遷移金属である第1金属元素および塩化物を含む第1原料ガスと、前記第1金属元素とは異なる第2金属元素および炭素元素を含む第2原料ガスと、を互いに混合しないよう交互に供給して、前記高誘電率膜の上に前記第1金属元素および前記第2金属元素を含む金属炭化膜を形成する工程と、
前記基板に対して、還元性ガスを供給して前記金属炭化膜を還元する工程と、
前記基板に対して、前記第1原料ガスと窒化ガスとを互いに混合しないよう交互に供給して、前記還元された前記金属炭化膜上に前記第1金属元素を含む金属窒化膜を形成する工程と、
前記金属窒化膜が形成された基板を前記処理室から搬出する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記金属炭化膜を還元する工程では、前記還元性ガスを励起する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属炭化膜を形成する工程では5nm以下の膜厚を有する前記金属炭化膜を形成し、前記金属窒化膜を形成する工程では1nm以上の膜厚を有する前記金属窒化膜を形成する請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
- 表面に高誘電率膜が形成された基板を基板処理装置の処理室に収容する手順と、
前記基板に対して、遷移金属である第1金属元素および塩化物を含む第1原料ガスと、前記第1金属元素とは異なる第2金属元素および炭素元素を含む第2原料ガスと、を互いに混合しないよう交互に供給して、前記高誘電率膜の上に前記第1金属元素および前記第2金属元素を含む金属炭化膜を形成する手順と、
前記基板に対して、還元性ガスを供給して前記金属炭化膜を還元する手順と、
前記基板に対して、前記第1原料ガスと窒化ガスとを互いに混合しないよう交互に供給して、前記還元された前記金属炭化膜上に前記第1金属元素を含む金属窒化膜を形成する手順と、
前記金属窒化膜が形成された基板を前記処理室から搬出する手順と、
をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラム。 - 基板を収容する処理室と、
前記処理室に、遷移金属である第1金属元素および塩化物を含む第1原料ガス、前記第1金属元素とは異なる第2金属元素および炭素元素を含む第2原料ガス、還元性ガス、窒化ガスを供給するガス供給系と、
前記ガス供給系を制御して、表面に高誘電率膜が形成された基板が収容された前記処理室に、前記第1原料ガスと前記第2原料ガスとを互いに混合しないよう交互に供給して、前記高誘電率膜の上に前記第1金属元素および前記第2金属元素を含む金属炭化膜を形成する処理と、前記処理室に還元性ガスを供給して前記金属炭化膜を還元する処理と、前記処理室に、前記第1原料ガスと前記窒化ガスとを互いに混合しないよう交互に供給して、前記還元された前記金属炭化膜上に前記第1金属元素を含む金属窒化膜を形成する処理と、を行うよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置。
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