説明

基板処理装置

【課題】Al膜等を生成する際、副生成物であるノズル内のAl膜等の成膜を抑えることができるようにする。
【解決手段】反応管203と、シリコンウエハ200を加熱するヒータ207とを有し、トリメチルアルミニウム(TMA)とオゾン(O)とを、反応管203内に交互に供給してウエハ200の表面にAl膜を生成する基板処理装置であって、オゾンとTMAとをそれぞれ流す供給管232a、232bと、反応管203内にガスを供給するノズル233と、を備え、2つの供給管232a、232bを、反応管203内のウエハ200付近の温度よりも低い温度の領域で、ヒータ207の内側に配置されたノズル233に連結させて、オゾンとTMAをノズル233を介して反応管203内にそれぞれ供給する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、基板処理装置に関し、特に、Si半導体デバイスを製造する際に用いられる、ALD(Atomic layer Deposition)法による成膜を行う半導体製造装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
まず、CVD(Chemical Vapor Deposition)法の中の1つであるALD法を用いた成膜処理について、簡単に説明する。
ALD法は、ある成膜条件(温度、時間等)の下で、成膜に用いる2種類(またはそれ以上)の原料ガスを1種類ずつ交互に基板上に供給し、1原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
即ち、例えばAl(酸化アルミニウム)膜を形成する場合には、ALD法を用いて、TMA(Al(CH、トリメチルアルミニウム)とO(オゾン)とを交互に供給することにより250〜450℃の低温で高品質の成膜が可能である。このように、ALD法では、複数種類の反応性ガスを1種類ずつ交互に供給することによって成膜を行う。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。例えば、成膜速度が1Å/サイクルとすると、20Åの膜を形成する場合、成膜処理を20サイクル行う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
従来、Al膜を成膜するALD装置は、1処理炉で同時に処理する基板枚数が1枚〜5枚の枚葉装置と呼ばれる形式のものであり、25枚以上の基板を反応管の管軸方向に平行に並べたバッチ式装置と呼ばれる形式の装置としては実用化されていなかった。
【0004】
TMAとOを用いて、このような縦型バッチ式装置でAl膜を成膜する場合、TMAのノズルとOのノズルとを別々に反応炉内に立ち上げた場合、TMAのガスノズル内でTMAが分解しAl(アルミニウム)が成膜され、厚くなると剥がれ落ちて異物発生源になる恐れがあった。
【0005】
本発明の主な目的は、ノズル内でのAl膜の生成を防ぐことにより、Al膜剥がれによる異物発生を抑えることができる基板処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様によれば、
複数の基板を収容する処理室と、前記複数の基板を加熱する加熱部材とを有し、互いに反応し合う少なくとも2つのガスを交互に前記処理室内に供給して前記複数の基板の表面に所望の膜を生成する基板処理装置であって、
前記2つのガスが互いに独立してそれぞれ流れる2つの供給管と、
前記処理室内にガスを供給する単一のガス供給部材であって、前記2つのガスのうちの少なくとも1つのガスの分解温度以上の領域にその一部が延在している前記単一のガス供給部材と、を備え、
前記2つの供給管を、前記少なくとも1つのガスの分解温度未満の場所で、前記ガス供給部材に連結させて、前記2つのガスを前記ガス供給部材を介して前記処理室内にそれぞれ供給することを特徴とする基板処理装置が提供される。
【0007】
好ましくは、前記加熱部材は、前記処理室の外側に配置される。
【0008】
また、好ましくは、前記2つの供給管と前記ガス供給部材との連結個所は、前記処理室内である。
【0009】
また、好ましくは、前記ガス供給部材の内壁に、前記少なくとも2つのガスの反応により生成される膜が付着する。
【発明の効果】
【0010】
量産性に優れるバッチ式処理装置でALD法によるAl膜等の成膜が可能となり、さらに副生成物であるノズル内のAl膜等の成膜を抑えることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
本発明の好ましい実施例のバッチ式処理装置においては、原料としてトリメチルアルミニムウム(化学式 Al(CH、TMA)と、オゾン(O)とを用い、基板を複数枚保持可能な基板保持治具と、その基板保持治具が挿入され基板の処理を実施する反応管と、基板を加熱する加熱手段と、反応管内のガスを排気可能な真空排気装置と、基板に対し基板面方向と平行にガスを噴出する一本のガスノズルとを備え、そのノズルにつながるTMAとOのガス供給ラインが反応室内で合流しており、TMAとOとを交互に基板上に供給することでアルミ酸化膜(Al膜)を形成する。なお、基板上にはTMAが吸着し、次に流されるOガスと吸着したTMAが反応し、1原子層のAl膜が生成される。
【0012】
TMAは、圧力、温度が共に高くなると、自己分解が起こり易くなり、Al膜が生成される。上記ガスノズルには、ガスを噴出するノズル孔が設けられているが、このノズル孔は小さいため、ノズル内圧力は炉内圧力に比べ高くなる。例えば、炉内圧力が0.5Torr(約67Pa)の時に、ノズル内圧力は10Torr(約1330Pa)になると予想される。そのため、特に高温領域にあるノズル内においてTMAの自己分解が起こり易くなる。これに対して、炉内では温度は高いが、圧力がノズル内ほど高くならないので、TMAの自己分解は起こり辛い。そのために、ノズル内でのAl膜生成問題が顕著となる。
【0013】
なお、反応管内壁に付着したAl膜を除去するため、ClFガスを流してクリーニングを行うが、このクリーニングガスをノズルから供給すれば、ノズル内のAl膜も同時に除去でき、クリーニングの容易化、効率化も可能となる。
【0014】
また、本発明は、Al膜の生成のみならず、HfO膜の生成にも好適に適用される。Hf原料もTMAと同様な問題が生じるからである。なお、この場合、気化させたテトラキス(N−エチル−N−メチルアミノ)ハフニウム(常温で液体)のHf原料ガスと、Oガスとを交互に流してHfO膜の成膜を行う。
さらに、本発明は以下の材料を用いたSiO膜の生成にも好適に適用される。
(1)OとSiCl(ヘキサクロロジシラン)とを交互に流してALD法によりSiO膜の成膜を行う場合。
(2)OとHSi(OC(TRIES)とを交互に流してALD法によりSiO膜の成膜を行う場合。
(3)OとHSi[N(CH(TrisDMAS)とを交互に流してALD法によりSiO膜の成膜を行う場合。
【実施例1】
【0015】
図1は、本実施例にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図2は本実施例にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。図3は、本実施例の基板処理装置における縦型基板処理炉のノズル233を説明するための図であり、図3Aは概略図であり、図3Bは図3AのA部の部分拡大図である。
【0016】
加熱手段であるヒータ207の内側に、基板であるウエハ200を処理する反応容器として反応管203が設けられ、この反応管203の下端には、例えばステンレス等よりなるマニホールド209が係合され、さらにその下端開口は蓋体であるシールキャップ219により気密部材であるOリング220を介して気密に閉塞され、少なくとも、このヒータ207、反応管203、マニホールド209、及びシールキャップ219により処理炉202を形成している。このマニホールド209は保持手段(以下ヒータベース251)に固定される。
【0017】
反応管203の下端部およびマニホールド209の上部開口端部には、それぞれ環状のフランジが設けられ、これらのフランジ間には気密部材(以下Oリング220)が配置され、両者の間は気密にシールされている。
【0018】
シールキャップ219には石英キャップ218を介して基板保持手段であるボート217が立設され、石英キャップ218はボート217を保持する保持体となっている。そして、ボート217は処理炉202に挿入される。ボート217にはバッチ処理される複数のウエハ200が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。ヒータ207は処理炉202に挿入されたウエハ200を所定の温度に加熱する。
【0019】
処理炉202へは複数種類、ここでは2種類のガスを供給する供給管としての2本のガス供給管232a、232bが設けられている。ガス供給管232a、232bは、マニホールド209の下部を貫通して設けられており、ガス供給管232bは、処理炉202内でガス供給管232aと合流して、2本のガス供給管232a、232bが一本の多孔ノズル233に連通している。ノズル233は、処理炉202内に設けられており、ガス供給管232bから供給されるTMAの分解温度以上の領域にその上部が延在している。しかし、ガス供給管232bが、処理炉202内でガス供給管232aと合流している箇所は、TMAの分解温度未満の領域であり、ウエハ200およびウエハ200付近の温度よりも低い温度の領域である。ここでは、第1のガス供給管232aからは、流量制御手段である第1のマスフローコントローラ241a及び開閉弁である第1のバルブ243aを介し、更に後述する処理炉202内に設置された多孔ノズル233を通して、処理炉202に反応ガス(O)が供給され、第2のガス供給管232bからは、流量制御手段である第2のマスフローコントローラ241b、開閉弁である第2のバルブ252、TMA容器260、及び開閉弁である第3のバルブ250を介し、先に述べた多孔ノズル233を介して処理炉202に反応ガス(TMA)が供給される。TMA容器260からマニホールド209までのガス供給管232bには、ヒータ300が設けられ、ガス供給管232bを50〜60℃に保っている。
【0020】
ガス供給管232bには、不活性ガスのライン232cが開閉バルブ253を介して第3のバルブ250の下流側に接続されている。また、ガス供給管232aには、不活性ガスのライン232dが開閉バルブ254を介して第1のバルブ243aの下流側に接続されている。
【0021】
処理炉202はガスを排気する排気管であるガス排気管231により第4のバルブ243dを介して排気手段である真空ポンプ246に接続され、真空排気されるようになっている。尚、この第4のバルブ243dは弁を開閉して処理炉202の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。
【0022】
ノズル233が、反応管203の下部より上部にわたりウエハ200の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル233には複数のガスを供給する供給孔であるガス供給孔248bが設けられている。
【0023】
反応管203内の中央部には複数枚のウエハ200を多段に同一間隔で載置するボート217が設けられており、このボート217は図中省略のボートエレベータ機構により反応管203に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート217を回転するための回転手段であるボート回転機構267が設けてあり、ボート回転機構267を回転することにより、石英キャップ218に保持されたボート217を回転するようになっている。
【0024】
制御手段であるコントローラ121は、第1、第2のマスフローコントローラ241a、241b、第1〜第4のバルブ243a、252、250、243d、バルブ253、254、ヒータ207、真空ポンプ246、ボート回転機構267、図中省略のボート昇降機構に接続されており、第1、第2のマスフローコントローラ241a、241bの流量調整、第1〜第3のバルブ243a、252、250、バルブ253、254の開閉動作、第4のバルブ243dの開閉及び圧力調整動作、ヒータ207の温度調節、真空ポンプ246の起動・停止、ボート回転機構267の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御が行われる。
【0025】
次にALD法による成膜例として、TMA及びOガスを用いてAl膜を成膜する場合を説明する。
まず成膜しようとする半導体シリコンウエハ200をボート217に装填し、処理炉202に搬入する。搬入後、次の3つのステップを順次実行する。
【0026】
[ステップ1]
ステップ1では、Oガスを流す。まず第1のガス供給管232aに設けた第1のバルブ243a、及びガス排気管231に設けた第4のバルブ243dを共に開けて、第1のガス供給管232aから第1のマスフローコントローラ243aにより流量調整されたOガスをノズル233のガス供給孔248bから処理炉202に供給しつつガス排気管231から排気する。Oガスを流すときは、第4のバルブ243dを適正に調節して処理炉202内圧力を10〜100Paとする。第1のマスフローコントローラ241aで制御するOの供給流量は1000〜10000sccmである。Oにウエハ200を晒す時間は2〜120秒間である。このときのヒータ207温度はウエハの温度が250〜450℃になるよう設定してある。
【0027】
同時にガス供給管232bの途中につながっている不活性ガスのライン232cから開閉バルブ253を開けて不活性ガスを流すとTMA側にOガスが回り込むことを防ぐことができる。
【0028】
このとき、処理炉202に内に流しているガスは、OとN、Ar等の不活性ガスのみであり、TMAは存在しない。したがって、Oは気相反応を起こすことはなく、ウエハ200上の下地膜と表面反応する。
【0029】
[ステップ2]
ステップ2では、第1のガス供給管232aの第1のバルブ243aを閉めて、Oの供給を止める。また、ガス排気管231の第4のバルブ243dは開いたままにし真空ポンプ246により、処理炉202を20Pa以下に排気し、残留Oを処理炉202から排除する。また、この時には、N等の不活性ガスを、O供給ラインである第1のガス供給管232aおよびTMA供給ラインである第2のガス供給管232bからそれぞれ処理炉202に供給すると、残留Oを排除する効果が更に高まる。
【0030】
[ステップ3]
ステップ3では、TMAガスを流す。TMAは常温で液体であり、処理炉202に供給するには、加熱して気化させてから供給する方法、キャリアガスと呼ばれる窒素や希ガスなどの不活性ガスをTMA容器260の中に通し、気化している分をそのキャリアガスと共に処理炉へと供給する方法などがあるが、例として後者のケースで説明する。まずキャリアガス供給管232bに設けたバルブ252、TMA容器260と処理炉202の間に設けられたバルブ250、及びガス排気管231に設けた第4のバルブ243dを共に開けて、キャリアガス供給管232bから第2のマスフローコントローラ241bにより流量調節されたキャリアガスがTMA容器260の中を通り、TMAとキャリアガスの混合ガスとして、ノズル233のガス供給孔248bから処理炉202に供給しつつガス排気管231から排気する。TMAガスを流すときは、第4のバルブ243dを適正に調整して処理炉202内圧力を10〜900Paとする。第2のマスフローコントローラ241aで制御するキャリアガスの供給流量は10000sccm以下である。TMAを供給するための時間は1〜4秒設定する。その後さらに吸着させるため上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を0〜4秒に設定しても良い。このときのウエハ温度はOの供給時と同じく、250〜450℃である。TMAの供給により、下地膜上のOとTMAとが表面反応して、ウエハ200上にAl膜が成膜される。
【0031】
同時にガス供給管232aの途中につながっている不活性ガスのライン232dから開閉バルブ254を開けて不活性ガスを流すとO側にTMAガスが回り込むことを防ぐことができる。
【0032】
成膜後、バルブ250を閉じ、第4のバルブ243dを開けて処理炉202を真空排気し、残留するTMAの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはN等の不活性ガスを、O供給ラインである第1のガス供給管232aおよびTMA供給ラインである第2のガス供給管232bからそれぞれ処理炉202に供給すると、さらに残留するTMAの成膜に寄与した後のガスを処理炉202から排除する効果が高まる。
【0033】
上記ステップ1〜3を1サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ200上に所定膜厚のAl膜を成膜する。
【0034】
処理炉202内を排気してOガスを除去しているからTMAを流すので、両者はウエハ200に向かう途中で反応しない。供給されたTMAは、ウエハ200に吸着しているOとのみ有効に反応させることができる。
【0035】
また、O供給ラインである第1のガス供給管232aおよびTMA供給ラインである第2のガス供給管232bを処理炉202内で合流させることにより、TMAとOをノズル233内でも交互に吸着、反応させて堆積膜をAlとすることができ、TMAとOを別々のノズルで供給する場合にTMAノズル内で異物発生源になる可能性があるAl膜が生成するという問題をなくすることができる。Al膜は、Al膜よりも密着性が良く、剥がれにくいので、異物発生源になりにくい。
【0036】
次に、図4を参照して、本発明が好適に適用される基板処理装置の一例である半導体製造装置についての概略を説明する。
【0037】
筐体101内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット100の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ105が設けられ、カセットステージ105の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ115が設けられ、カセットエレベータ115には搬送手段としてのカセット移載機114が取り付けられている。また、カセットエレベータ115の後側には、カセット100の載置手段としてのカセット棚109が設けられると共にカセットステージ105の上方にも予備カセット棚110が設けられている。予備カセット棚110の上方にはクリーンユニット118が設けられクリーンエアを筐体101の内部を流通させるように構成されている。
【0038】
筐体101の後部上方には、処理炉202が設けられ、処理炉202の下方には基板としてのウエハ200を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート217を処理炉202に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ121が設けられ、ボートエレベータ121に取りつけられた昇降部材122の先端部には蓋体としてのシールキャップ219が取りつけられボート217を垂直に支持している。ボートエレベータ121とカセット棚109との間には昇降手段としての移載エレベータ113が設けられ、移載エレベータ113には搬送手段としてのウエハ移載機112が取りつけられている。又、ボートエレベータ121の横には、開閉機構を持ち処理炉202の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ116が設けられている。
【0039】
ウエハ200が装填されたカセット100は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ105にウエハ200が上向き姿勢で搬入され、ウエハ200が水平姿勢となるようカセットステージ105で90℃回転させられる。更に、カセット100は、カセットエレベータ115の昇降動作、横行動作及びカセット移載機114の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ105からカセット棚109又は予備カセット棚110に搬送される。
【0040】
カセット棚109にはウエハ移載機112の搬送対象となるカセット100が収納される移載棚123があり、ウエハ200が移載に供されるカセット100はカセットエレベータ115、カセット移載機114により移載棚123に移載される。
【0041】
カセット100が移載棚123に移載されると、ウエハ移載機112の進退動作、回転動作及び移載エレベータ113の昇降動作の協働により移載棚123から降下状態のボート217にウエハ200を移載する。
【0042】
ボート217に所定枚数のウエハ200が移載されるとボートエレベータ121によりボート217が処理炉202に挿入され、シールキャップ219により処理炉202が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉202内ではウエハ200が加熱されると共に処理ガスが処理炉202内に供給され、ウエハ200に処理がなされる。
【0043】
ウエハ200への処理が完了すると、ウエハ200は上記した作動の逆の手順により、ボート217から移載棚123のカセット100に移載され、カセット100はカセット移載機114により移載棚123からカセットステージ105に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体101の外部に搬出される。尚、炉口シャッタ116は、ボート217が降下状態の際に処理炉202の下面を塞ぎ、外気が処理炉202内に巻き込まれるのを防止している。
前記カセット移載機114等の搬送動作は、搬送制御手段124により制御される。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の一実施例の基板処理装置における縦型基板処理炉の概略縦断面図である。
【図2】本発明の一実施例の基板処理装置における縦型基板処理炉の概略横断面図である。
【図3】本発明の一実施例の基板処理装置における縦型基板処理炉のノズル233を説明するための図であり、図3Aは概略図であり、図3Bは図3AのA部の部分拡大図である。
【図4】本発明の一実施の形態の基板処理装置を説明するための概略斜視図である。
【符号の説明】
【0045】
121 コントローラ
200 ウエハ
202 処理炉
203 反応管
207 ヒータ
209 マニホールド
217 ボート
218 石英キャップ
219 シールキャップ
220 Oリング
231 ガス排気管
232a 第1のガス供給管
232b 第2のガス供給管
232c 不活性ガスライン
232d 不活性ガスライン
233 ノズル
241a 第1のマスフローコントローラ
241b 第2のマスフローコントローラ
243a 第1のバルブ
243d 第4のバルブ
246 真空ポンプ
248b ガス供給孔
250 第3のバルブ
251 ヒータベース
252 第2のバルブ
253 バルブ
254 バルブ
260 TMA容器
267 ボート回転機構
300 ヒータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の基板を収容する処理室と、前記複数の基板を加熱する加熱部材とを有し、互いに反応し合う少なくとも2つのガスを交互に前記処理室内に供給して前記複数の基板の表面に所望の膜を生成する基板処理装置であって、
前記2つのガスが互いに独立してそれぞれ流れる2つの供給管と、
前記処理室内にガスを供給する単一のガス供給部材であって、前記2つのガスのうちの少なくとも1つのガスの分解温度以上の領域にその一部が延在している前記単一のガス供給部材と、を備え、
前記2つの供給管を、前記少なくとも1つのガスの分解温度未満の場所で、前記ガス供給部材に連結させて、前記2つのガスを前記ガス供給部材を介して前記処理室内にそれぞれ供給することを特徴とする基板処理装置。
【請求項2】
前記加熱部材は、前記処理室の外側に配置されることを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
【請求項3】
前記2つの供給管と前記ガス供給部材との連結個所は、前記処理室内であることを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
【請求項4】
前記ガス供給部材の内壁に、前記少なくとも2つのガスの反応により生成される膜が付着することを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−103966(P2007−103966A)
【公開日】平成19年4月19日(2007.4.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−352686(P2006−352686)
【出願日】平成18年12月27日(2006.12.27)
【分割の表示】特願2003−293953(P2003−293953)の分割
【原出願日】平成15年8月15日(2003.8.15)
【出願人】(000001122)株式会社日立国際電気 (5,007)
【Fターム(参考)】