(57)【要約】【課題】ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＨｆＯ2（ハフニウムオキサイド）膜を形成する装置にてＴＥＭＡＨとＯ3を交互に反応室へ供給することにより、ＨｆＯ2膜が形成される場合にＴＥＭＡＨが反応室内の熱を受け加熱分解し、ＴＥＭＡＨ供給ノズル内でＨｆ膜が形成され、前記Ｈｆ膜が剥がれパーティクルという課題を解決する。【解決手段】ＨｆＯ2膜を形成する縦型のバッチ式半導体製造装置において、気化器からＴＥＭＡＨの供給手段のガス導入口までの配管温度を気化器の気化温度以上、ＴＥＭＡＨの加熱分解温度以下に制御し、反応室内に供給する。前記手段により、ＴＥＭＡＨ供給配管内でＴＥＭＡＨの加熱分解が起きないため、Ｈｆ膜の形成を抑制できパーティクルを低減できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のウェーハを積層した状態で収容する反応室と、前記ウェーハ及び前記反応室内の雰囲気を加熱する加熱手段と、ＴＥＭＡＨを反応室内へ供給する第１のガス供給手段と、ＴＥＭＡＨを気化するための気化手段と、Ｏ3を供給する第２のガス供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排出する排出手段と、前記加熱手段と、前記第１のガス供給手段と、前記気化手段と、前記第２のガス供給手段と、前記排出手段を制御する制御部とを備え、
前記第１のガス供給手段の反応室内へのガス導入口は、積層されたウェーハよりも高い位置で開口し、前記第２のガス供給手段の反応室へのガス導入口は、前記反応室内に積層されたウェーハ側の方向を向き開口され、前記制御部により、ＴＥＭＡＨとＯ3を交互に供給、排気し、前記ウェーハ上にＨｆＯ2膜を形成する縦型のバッチ式半導体製造装置において、
前記気化手段から前記第１のガス供給手段のガス導入口までの配管温度を気化器の気化温度以上、ＴＥＭＡＨの加熱分解温度以下に制御し、ＴＥＭＡＨを反応室内に供給することを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウェーハ（以下、ウェーハという）の表面にＨｆＯ2膜を形成して半導体装置を製造する、縦型のバッチ式半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
縦型のバッチ式基盤処理装置として、反応ガスにＴＥＭＡＨ（Ｈｆ［ＮＣＨ3Ｃ2Ｈ5］4、テトラキスメチルエチルアミノハフニウム）と、酸化ガスとしてＯ3（オゾン）を用いＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＨｆＯ2（ハフニウムオキサイド）膜を形成する装置がある。この装置において、ＴＥＭＡＨは反応室内のウェーハ側の方向を避け、例えば反応室内の上部より供給するＴＥＭＡＨ供給ノズルにより供給され、Ｏ3はウェーハ側の方向に向けてガスを供給するＯ3供給ノズルにより供給される。そして、ＴＥＭＡＨとＯ3を交互に反応室へ供給することにより、膜厚均一性の良好なＨｆＯ2膜が形成できることが知られている。前記方法にてＨｆＯ2膜を形成すると、反応室内へ供給される前の段階で、ＴＥＭＡＨが反応室内の熱を受け加熱分解し、ＴＥＭＡＨ供給ノズル内でＨｆ膜が形成されてしまう。ＴＥＭＡＨ供給ノズル内に形成されるＨｆ膜は、累積膜厚０．５μｍ程度で剥がれパーティクルとなるため、累積膜厚０．５μｍ以下でＴＥＭＡＨ供給ノズルの交換、又はエッチングガスを用いたＩｎｓｉｔu Ｃｌｅａｎｉｎｇが必要となる。ＨＦをエッチングガスに用いたＩｎｓｉｔｕ Ｃｌｅａｎｉｎｇを試みたところ、反応室内やウェーハ上に形成されるＨｆＯ2膜（組成比Ｈｆ：Ｏ＝１：２）は除去できるが、ＴＥＭＡＨノズル内に形成されるＨｆＯ2膜（組成比Ｈｆ：Ｏ＝３０:１）はＨｆリッチであるため、エッチングにより完全に除去することができない。そこで、特許文献１ではＴＥＭＡＨを反応室内に供給するステップにおいて、ＴＥＭＡＨ供給ノズルからもＯ3を供給し、ＴＥＭＡＨ供給ノズル内に形成されるＨｆＯ２膜を反応室内やウェーハ上に形成されるＨｆＯ2膜（組成比Ｈｆ：Ｏ＝１：２）と同一にすることで、Ｉｎｓｉｔｕ Ｃｌｅａｎｉｎｇを行うことが提案されている。
【特許文献１】特開２００８−７８４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＴＥＭＡＨを反応室内に供給するステップにおいて、ＴＥＭＡＨ供給ノズルからもＯ3を供給する方法は、以下の課題がある。ＴＥＭＡＨ供給ノズルは反応室内下部から反応室内上部まで延びているため、反応室内下部と反応室内上部の噴出し口付近ではガスが受ける熱量が異なる。このため、ＴＥＭＡＨ供給ノズル内全面に均一なＨｆＯ2膜（組成比Ｈｆ：Ｏ＝１：２）を形成することはできない。ＴＥＭＡＨ供給ノズルの反応室内下部は熱量が小さいため、Ｏ3とＨｆが十分に反応せずＨｆリッチなＨｆＯ2膜が形成され、反応室内上部にいく程、熱量が大きくなり反応室内やウェーハ上に形成されるＨｆＯ2膜（組成比Ｈｆ：Ｏ＝１：２）に近づく。また、ＴＥＭＡＨ供給ノズル内の下部と上部で形成されるＨｆＯ2膜の膜厚も異なるためＩｎｓｉｔｕ  Ｃｌｅａｎｉｎｇを行ったとしても、ノズル内を均一にエッチングすることはできないため、膜残りやオーバーエッチを引き起こす。膜残りは膜剥がれによるパーティクルの原因となり、オーバーエッチは石英表面にダメージを与え、石英の交換周期を早めてしまう。
【０００４】
本発明は、ＴＥＭＡＨ供給ノズル内に形成されるＨｆＯ2膜の剥がれによるパーティクルの抑制を目的とし、膜厚の均一性が良好な半導体製造装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明の半導体製造装置には、まず、複数のウェーハを積層した状態で収容する反応室と、前記ウェーハ及び前記反応室内の雰囲気を加熱する加熱手段とが設けられている。次に、ＴＥＭＡＨを反応室内へ供給する第１のガス供給手段と、ＴＥＭＡＨを気化するための気化手段と、Ｏ3を供給する第２のガス供給手段とが設けられている。次に、前記処理室内の雰囲気を排出する排出手段と、前記加熱手段と、前記第１のガス供給手段と、前記気化手段と、前期第２のガス供給手段と、前記排出手段を制御する制御部を備えている。また、前記第１のガス供給手段の反応室内へのガス導入口は、積層されたウェーハよりも高い位置で開口し、前記第２のガス供給手段の反応室へのガス導入口は、前記反応室内に積層されたウェーハ側の方向を向き開口されている。さらに、本発明の半導体製造装置は、前記制御部により、ＴＥＭＡＨとＯ3を交互に供給、排気し、前記ウェーハ上にＨｆＯ2膜を形成する。
【０００６】
そして、このような半導体製造装置において、気化手段から第１のガス供給手段のガス導入口までの配管温度を気化器の気化温度以上、ＴＥＭＡＨの加熱分解温度以下に制御し、ＴＥＭＡＨを反応室内に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ＴＥＭＡＨ供給ノズル内の温度を気化温度以上、加熱分解温度以下とすることで、気相で供給されるＴＥＭＡＨの再液化を防止でき、且つＴＥＭＡＨ供給ノズル内のＨｆ膜の堆積を抑制できるため、前記課題のＨｆ膜の剥がれによるパーティクルを抑制できる。さらにエッチングガスを用いたＩｎｓｉｔｕ Ｃｌｅａｎｉｎｇを実施する場合、本発明によりＴＥＭＡＨ供給ノズル内の温度を石英のエッチング温度以下に制御することで、ＴＥＭＡＨ供給ノズル内をエッチングすることなく反応室内のＣｌｅａｎｉｇが可能となる。よって、ＴＥＭＡＨ供給ノズルの交換頻度を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、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。
【０００９】
図１は、本発明の半導体製造装置の構成図である。この図１において、反応管５は石英等の耐熱性、耐食性金属で形成され、マニュホールド８に支持される。マニュホールド８は下方に臨んで開口していて、反応管５の炉口を下方に延長している。マニュホールド８には排気配管１４が接続され、排気配管１４には反応室１内を真空引きするポンプ１０と反応室の圧力制御を行う、圧力制御バルブ９が接続される。またマニュホールド８には成膜に使用する反応ガスであるＯ3のＯ3供給ノズル１３と反応室内の温度を監視するための熱伝対１７が接続される。
【００１０】
反応室１を囲む様にヒータ室６内に円筒状のヒータ４が設けられ、反応室１内を所望の温度にするため、熱伝対１７の値からコントローラ２２で算出した必要電力を、ヒータ４にフィードバックし反応室１の温度を制御する。
【００１１】
シールキャップ２３上に設置されたボート２にはウェーハ３が装填され、前記ボート２を反応室１へ装入するためのボートエレベータ（図示せず）がシールキャップ２３部に連結される。そして、ウェーハ３が充填されたボート２とシールキャップ部２３とボート回転機構７を上下に駆動させ、反応室１内への装入と取り出しを行う。
【００１２】
前記ボート２は、前記シールキャップ２３の軸心部を上下に貫通する回転軸（図示せず）の先端部に取り付けられたボート支持台２４の中央部に支持されており、回転軸はシールキャップ２３の下部に取り付けられる。そして、シールキャップ２３を固定系として回転駆動力を伝達するボート回転機構７に連結される。ボート回転機構７を駆動すると、回転軸が回転し、ボート支持台２４を介してボート２が回転するので、反応管５内部の反応室１に供給されるＴＥＭＡＨとＯ3が、各ウェーハ３に均等に接触するため面内膜厚の均一な環境が得られる。
【００１３】
次に、成膜に用いるＴＥＭＡＨとＯ3の供給系について説明する。
【００１４】
ＴＥＭＡＨは常温で液体の液化ガスであるため、ＴＥＭＡＨ流量制御部１５にて所望の流量に制御されたＴＥＭＡＨを気化器１６により気化させ、反応室１内へ供給される。ＴＥＭＡＨ流量制御部１５の上流にはバルブ１１aが設けられ、ＴＥＭＡＨ使用時はバルブ１１aを開け、未使用時は閉じる。気化器１６の温度はＴＥＭＡＨの気化温度以上であって、例えば１５０℃になるように温度が設定される。
【００１５】
次に、図２、３を用い、ＴＥＭＡＨ供給配管２１について説明する。図３Ａ，Ｂは、それぞれ図２における矢印Ａ，Ｂによる断面の様子を表わしている。即ち図３AはＴＥＭＡＨ供給配管２１の断面図であり、図３ＢはTEMHA供給配管２１の断面を含む斜視図である。
【００１６】
ＴＥＭＡＨ供給配管２１は気化器１６に接続され、ヒータ室６を通り、反応管５の上部中央に接続される。ＴＥＭＡＨ供給配管２１は図３Aに示すよう、内管２８と外管２９を含む２重管構造とし、内管２８内はＴＥＭＡＨが流れる（TEMAH流路３１）。また、内管２８と外管２９の間はＴＥＭＡＨ供給配管２１の温度を制御する冷媒が流れる（冷媒流路３２）。また、内管２８と外管２９の間には、図３Ａ，Ｂに示すように、内管２８と外管２９に対し垂直で、長手方向に内管２８と外管２９管の体積を等分するように仕切り板３０が設けられる。仕切り板３０により分けられた、内管２８と外管２９間の空間の一方は冷媒供給路２５となり、もう一方は冷媒排出路２６となる。チラー２０により所望の温度に冷媒の温度を制御し冷媒供給配管１８から、冷媒供給路26に冷媒が供給され、冷媒排出路27から冷媒排出配管１９を通りチラー２０に戻る。前記サイクルを繰り返すことで、ＴＥＭＡＨ供給配管２１の温度を所望の温度に制御することができる。
【００１７】
図４を用い、ＴＥＭＡＨ供給配管２１に供給する冷媒の最適温度について説明する。図４はＴＥＭＡＨの加熱分解度合いを示す図面である。ＴＥＭＡＨは１８０℃近傍から加熱分解を始め、温度上昇に伴い増加していくが、１６０℃未満では加熱分解しない。つまり、ＴＥＭＡＨ供給配管内２１の温度を１６０℃以下とすることで、配管内へのＨｆＯ2膜の形成を防止できる。しかし、冷媒の温度を気化器１６温度の１５０℃以下に設定すると、ＴＥＭＡＨは気相状態から液状態となる再液化が発生し、パーティクルの原因や膜質異常を引き起こす。前記に鑑み、本発明は、ＴＥＭＡＨ供給配管２１に供給する冷媒の温度は、気化器の温度以上、ＴＥＭＡＨの加熱分解温度以下に制御することを特徴とする。
【００１８】
Ｏ3はガス流量制御部１２により、所望の流量に制御され、Ｏ3供給ノズルにより反応室１内へ供給される。ガス流量制御部１２の下流にはバルブ１１bが設けられ、Ｏ3使用時はバルブ１１bを開け、未使用時は閉じる。Ｏ3供給ノズル１３はボート２に充填されているウェーハ３に沿って反応管５の天井付近まで延び、反応室１内への導入口は複数の供給孔が設けられており、各ウェーハ３間にそれぞれ水平に導入されるように上下方向に所定間隔を隔てて設けられている。
【００１９】
制御手段として動作するコントローラ２２は、前記ガス流量制御部１２、ＴＥＭＡＨ流量制御部１５の流量制御、バルブ１２の開閉動作、圧力制御バルブ９の圧力調整動作、ヒータ４の温度調整、排出手段である真空ポンプ１０の起動・停止動作、ボート回転機構７の回転速度調節を実行し、成膜レシピに基づいて制御する。
【００２０】
次に、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いた成膜処理の一例として、半導体デバイスの製造工程の一つである、ＴＥＭＡＨ及びＯ3を用いてＨｆＯ2膜を成膜する場合を説明する。ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる少なくとも２種類の原料となる反応性ガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子単位でウェーハ３の成膜面に吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。このとき、膜厚の制御は、反応性ガスを供給するサイクル数で行う。
【００２１】
＜実施例１＞
まず、上述したようにウェーハ３をボート２に充填し、反応室１に装入する。ボート２を反応室１に搬入後、後述する３つのステップを順次実行する。
【００２２】
（ステップ１）
ステップ１では、バルブ１１aを開け、ＴＥＭＡＨ流量制御部１５により０．０１〜０．２ｇ/minに流量を制御された液状のＴＥＭＡＨを気化器１６により気化させる。気化器の温度はＴＥＭＡＨの気化温度以上、例えば１５０℃に設定する。この時、ＴＥＭＡＨ供給配管２１の温度を気化器１６の温度以上、例えば１５０℃以上、ＴＥＭＡＨの加熱分解温度以下となるよう、チラー２０の温度を設定し、ＴＥＭＡＨ供給配管２１内に冷媒を供給する。また、圧力制御バルブ９のバルブ開度は適正に調整され、反応室１内は所定の圧力に維持される。ＴＥＭＡＨガスにウェーハ３０を晒す時間は３０〜１８０秒間であり、このときヒータ４の温度はウェーハ３の温度が１８０〜２５０℃の範囲であって、例えば２５０℃になるように温度が設定される。ＴＥＭＡＨは、反応室１内に供給されることで、ウェーハ３上の下地膜などの表面部分と表面反応（化学吸着）される。
【００２３】
（ステップ２）
ＴＥＭＡＨの供給後は、バルブ１１ａを閉め、ＴＥＭＡＨガスの供給を停止し、余剰分を排気（パージ）する。このとき圧力制御バルブ９は開の状態で保持し、真空ポンプ１０によって排気し、残留ＴＥＭＡＨガスを反応室１内から排除する。このときＮ２等の不活性ガスを反応室１内へ供給すると、残留ＴＥＭＡＨガスの排気効率が向上する。
【００２４】
（ステップ３）
バルブ１１ｂを開け、ガス流量制御部１２により所望の流量に制御されたＯ3をＯ3供給ノズル１３により反応室１内へ供給される。このとき、排出手段としての真空ポンプ１０により反応室１の排気が継続され、余剰分は排気配管１４より排気される。この時、圧力制御バルブ９を適正に調整することで、反応室１内は所定の圧力に維持される。Ｏ3にウェーハ３を晒す時間は１０〜１２０秒間であり、この時のウェーハ３の温度は、ステップ１のＴＥＭＡＨガスの供給時と同じく１８０〜２５０℃の所定温度に維持するようにヒータ４の温度が設定される。Ｏ3の供給により、ウェーハ３の表面に化学吸着したＴＥＭＡＨとＯ3との表面反応により、ウェーハ３上にＨｆＯ2膜が成膜される。成膜後、バルブ１１ｂは閉の状態で保持し、真空ポンプ１０により反応室１のガス雰囲気が真空排気される。この排気により、反応室１内に残留するＯ3が排除されるが、この際に、Ｎ2等の不活性ガスを反応室１内に供給した場合には、残留Ｏ3ガスの排気効率が大幅に向上する。上述したステップ１〜３を１サイクルとしてこのサイクルを複数回繰り返すと、ウェーハ３上に所定の膜厚のＨｆＯ2膜が成膜される。
【００２５】
上述の実施の形態によれば、ＴＥＭＡＨを反応室１内に供給するためのノズルを反応室１内に持たないため、ＴＥＭＡＨが反応室１内に供給する前の段階でヒータ４の熱を受け、ＴＥＭＡＨの加熱分解は起きない。しかし、ＴＥＭＡＨの反応室１内へ供給される導入口を反応管5の上部に接続する本発明の形態においても、ＴＥＭＡＨ供給配管２１はヒータ室６を経由する必要があるため、ヒータ室６の熱を受けてしまう。成膜温度を、２５０℃とした場合のヒータ室の温度を測定した結果、２００〜２０５℃となるため、前記ヒータ室６内でＴＥＭＡＨの加熱分解がおきてしまう。本発明では、前記の課題を解決するため、ＴＥＭＡＨ供給配管２１内の温度を気化器の温度以上、ＴＥＭＡＨの加熱分解温度以下とすることで、ＨｆＯ2膜剥がれによるパーティクルを抑制し、膜厚均一性の良好な半導体製造装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上説明したように、本発明はＨｆＯ2膜を形成する縦型のバッチ式半導体製造装置において、パーティクルを抑制でき、且つ膜厚均一性の良好な半導体製造装置であり、半導体装置の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の半導体装置の構成図。
【図２】本発明の供給配管の構成図。
【図３】本発明の供給配管の断面図。
【図４】ＴＥＭＡＨの加熱分解度合いを示すグラフ。
【符号の説明】
【００２８】
１  反応室
２  ボート
３  ウェーハ
４  ヒータ
５  反応管
６  ヒータ室
７  ボート回転機構
８  マニュホールド
９  圧力制御バルブ
１０  真空ポンプ
１１  バルブ
１２  ガス流量制御部
１３  Ｏ3供給ノズル
１４  排気配管
１５  ＴＥＭＡＨ流量制御部
１６  気化器
１７  熱伝対
１８  冷媒供給配管
１９  冷媒排出配管
２０  チラー
２１  ＴＥＭＡＨ供給配管
２２  コントローラ
２３  シールキャップ
２４  ボート支持台
２５  ＴＥＭＡＨ流路
２６  冷媒供給流路
２７  冷媒排出流路
２８  内管
２９  外管
３０  仕切り板
３１  ＴＥＭＡＨ流路
３２  冷媒流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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