(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＶＤ法により基板表面に薄膜を形成する方法であって、
前記基板表面に前記薄膜を形成するための複数の原料ガスが滞留する滞留領域を形成することと、
前記基板を温度の高い領域に移動させて加熱することにより前記滞留領域に存在する前記複数の原料ガスを分解を含む成膜反応を生じさせ、その反応生成物を前記基板表面に堆積させることと、
新たな複数の原料ガスを前記滞留領域に供給することとを具備し、
前記新たな複数の原料ガスは、前記滞留領域の外部に存在する供給源からではなく、前記滞留領域の内部に存在する供給源から供給される方法。
【請求項２】
ＣＶＤ法により基板表面に薄膜を形成する方法であって、
前記基板表面に前記薄膜を形成するための複数の原料ガスが滞留する滞留領域を形成することと、
加熱により前記滞留領域に存在する前記複数の原料ガスを分解を含む成膜反応を生じさせ、その反応生成物を前記基板表面に堆積させることと、
新たな複数の原料ガスを前記滞留領域に供給することとを具備し、
前記新たな複数の原料ガスは、前記滞留領域の外部に存在する供給源からではなく、前記滞留領域の内部に存在する供給源から供給され、
前記供給源からの前記複数の原料ガスの供給は、前記供給源を温度の高い領域に移動させて加熱することにより行われる方法。
【請求項３】
ＣＶＤ法により基板表面に薄膜を形成する方法であって、
前記基板表面に前記薄膜を形成するための複数の原料ガスが滞留する、閉空間に形成された滞留領域を形成することと、
加熱により前記滞留領域に存在する前記複数の原料ガスを分解を含む成膜反応を生じさせ、その反応生成物を前記基板表面に堆積させることと、
新たな複数の原料ガスを前記滞留領域に供給することとを具備し、
前記新たな複数の原料ガスは、前記滞留領域の外部に存在する供給源からではなく、前記滞留領域の内部に存在する供給源から供給される方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法であって、
前記基板の温度を前記成膜反応が生じない温度に保持した状態で、前記複数の原料ガスの滞留領域が形成され、
前記滞留領域が形成された後に、前記成膜反応が生じる温度にまで前記基板を加熱すると同時に、前記滞留領域の内部に存在する供給源からの前記複数の原料ガスの供給が開始される方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記基板の加熱は、該基板の裏面から行われる方法。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法であって、前記複数の原料ガスの供給源が室温において固体である方法。
【請求項７】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法であって、前記複数の原料ガスの供給源が室温において液体である方法。
【請求項８】
ＣＶＤ法により基板表面に薄膜を形成する装置であって、
前記基板表面に前記薄膜を形成するための複数の原料ガスが滞留する滞留領域を形成できるように、前記基板を前記表面が内部に露出させてセットできる外部から隔離された部屋と、
前記基板を加熱する加熱手段と、
前記部屋の中へ前記基板を導入し、また前記基板を前記部屋から取り出すための搬送手段と、
前記部屋からガスを排気するための手段と、
前記滞留領域に新たな前記複数の原料ガスを供給するために、前記部屋の中に配置された前記複数の原料ガスの供給源とを具備し、
前記加熱手段は前記部屋の上方に離間して配置されており、前記基板を加熱する際には、前記基板が前記加熱手段の近傍に位置するように、前記部屋を上方に移動させるように構成された装置。
【請求項９】
ＣＶＤ法により基板表面に薄膜を形成する装置であって、
前記基板表面に前記薄膜を形成するための複数の原料ガスが滞留する滞留領域を形成できるように、前記基板を前記表面が内部に露出させてセットできる外部から隔離された部屋と、
前記部屋の上方に離間して設けられ、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記部屋の中へ前記基板を導入し、また前記基板を前記部屋から取り出すための搬送手段と、
前記部屋からガスを排気するための手段と、
前記滞留領域に新たな前記複数の原料ガスを供給するために、前記部屋の中に配置された前記複数の原料ガスの供給源とを具備し、
前記供給源からの前記複数の原料ガスの供給は、前記供給源を前記加熱手段により加熱することによって行われ、その加熱の際には、前記供給源が前記加熱手段の近傍に位置するように前記部屋を上方に移動させるように構成された装置。
【請求項１０】
ＣＶＤ法により基板表面に薄膜を形成する装置であって、
前記基板表面に前記薄膜を形成するための複数の原料ガスが滞留する、閉空間に形成される滞留領域を形成する手段と、
前記滞留領域に新たな前記複数の原料ガスを供給するために、前記滞留領域の内部に配置された前記複数の原料ガスの供給源とを具備した装置。
【請求項１１】
請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の装置であって、前記複数の原料ガスの供給源が室温において固体である装置。
【請求項１２】
請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の装置であって、前記複数の原料ガスの供給源が室温において液体である装置。
【請求項１３】
請求項８または９に記載の装置であって、前記加熱手段は、前記基板の裏面から加熱を行うように構成されている装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板表面に効率良く薄膜を形成する方法および装置、並びにそれにより製造された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来技術と従来技術の問題点】
ＤＲＡＭの高集積化に伴い、キャパシタ絶縁膜の薄膜化が要求されてきている。しかしながら、従来のキャパシタ絶縁膜をそのまま単純に薄膜化するには限界がある。そのため、近年では誘電率の高い絶縁膜を使用することが検討され、例ええば、ＢＳＴＯ（ＢａＳｒＴｉ酸化物）膜の検討が行われている。
【０００３】
半導体基板上にＣＶＤ法を用いてＢＳＴＯ薄膜を形成する場合は、Ｂａ，Ｓｒのガス供給源として、蒸気圧が高く室温でガス状の物質が必要とされる。しかしながら、このような適切なＢａ，Ｓｒのガス供給源は知られていなかった。そのため、ＣＶＤ法によるこれらの成膜には、Ｂａの原料としてビス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオネート）バリウム［以下Ｂａ（ＴＨＤ）2 と表記する］が用いられ、Ｓｒの原料としてはビス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオネート）ストロンチウム［以下Ｂｒ（ＴＨＤ）2 と表記する］が用いられていた。また、Ｔｉの材料としては、ビス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオネート）チタニウムオキシド［以下ＴｉＯ（ＴＨＤ）2 と表記する］が用いられていた。
【０００４】
ところが、上記従来の原料は室温において固体であり、１００℃以上に加熱することによって初めて昇華し、ガス状となる。そこで、従来の方法では、図４に示すように、ガス状に昇華させた反応ガスを反応炉１内に設置されたウェーハ２上に流して成膜が行われている。反応路１への反応ガスの供給は次のようにして行われる。例えばＢａ（ＴＨＤ）2 １６を、ヒーター２５により加熱した容器７に入れて昇華させる。この容器７内に、マスフローコントローラー２２で流量制御された窒素ガス１４を導入することにより、この窒素ガス１４をキャリアガスとして、容器７内で昇華しているＢａ（ＴＨＤ）2 をバルブ６を通してガス流５で示すように供給する。Ｓｒ（ＴＨＤ）2 １７およびＴｉＯ（ＴＨＤ）2 １８についても同様に、それぞれ別の容器２０，１９に収容し、上記で述べたのと同じ方法で供給される。また、酸素１５は、マスフローコントローラー２４を通って直接反応炉に供給される。
【０００５】
ＢＳＴＯ膜の成膜に際しては、圧力計１３により反応圧力をモニターしながら、１０Torr  程度の減圧状態で、全窒素ガスを約１．３ｓｌｍ流して原料ガスを供給する。一方、ウェーハ２及びサセプター８を、反応炉１の石英製の壁を通してランプ３により６００℃に加熱する。これにより供給された原料ガスが分解および反応し、反応生成物がウエハー２上に堆積してＢＳＴＯ膜の成膜が行われる。
【０００６】
上記のようにして成膜を行う際に、ウェーハ２の表面にはガスの流れない滞留層４と呼ばれる境界領域ができる。成膜用のガスは滞留層外のガス流５から供給され、この滞留層４内を拡散してウェーハ表面に到達し、分解して膜が堆積する。その際、滞留層４の厚さ等はガスの流れによって左右されるので、ガスの流れが不均一性であると、滞留層のパラメータにばらつきが起こる。その結果、ウェーハ２上へのガスの供給が不均一になり、堆積速度にばらつきを生じるため、膜厚のばらつきが起こる。また、ガス流５からの原料ガスの供給は、通常はガス流中の原料ガス分圧によって決定されるが、上記条件では、ガス流５に含まれる原料ガス量の僅か数％しか滞留層４中に供給されない。即ち、ＢＳＴＯ膜の堆積に使用されて消費される原料ガスの量は、炉内に導入された原料ガスの数％にしか過ぎない。従って、炉内に導入されたガスの大部分は分解しないまま、主バルブ９、圧力調整用コンダクタンスバルブ１２を通り、配管１１を通ってポンプ１０により炉外に排出される。その結果、従来のＢＳＴＯ薄膜の製造コストが著しく高くなるという欠点があった。
【０００７】
また、容器７，２０は２１５℃に加熱され、容器１９は１３０℃に加熱されているから、昇華したガスが反応炉に運ばれる前に配管内に堆積しないように、容器と反応炉との間の配管およびバルブを２１５℃以上に加熱しなければならない。しかし、これらのバルブは高温で使用すると駆動部の劣化を生じるため、長期間の使用ができないという問題があった。更に、このような高温での劣化を抑制する必要性から温度を上げられないため、ガスの流量を大きくできないという問題があった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は上記欠点に鑑みなされたものであり、ＢＳＴＯのような高誘電体薄膜を、半導体基板上に効率良く堆積することができる方法と、該方法を実施するための装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【発明の概要】
本発明による薄膜の形成方法は、ＣＶＤ法により基板表面に薄膜を形成する方法であって、
前記基板表面に、前記薄膜を形成するための複数の原料ガスが滞留する滞留領域を形成することと、
加熱により該滞留領域に存在する前記複数の原料ガスを分解を含む成膜反応を生じさせ、その反応生成物を前記基板表面に堆積させることと、
新たな複数の原料ガスを前記滞留領域に供給することとを具備し、
前記新たな複数の原料ガスは、前記滞留領域の外部に存在する供給源からではなく、前記滞留領域の内部に存在する供給源から供給されることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明による薄膜形成装置は、ＣＶＤ法により基板表面に薄膜を形成する装置であって、
前記基板表面に前記薄膜を形成するための複数の原料ガスが滞留する滞留領域を形成する手段と、
該滞留領域に新たな前記複数の原料ガスを供給するために、前記滞留領域の内部に配置された前記複数の原料ガスの供給源とを具備することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を示す説明図である。この実施例における装置の構成は、ウェーハ３２を装置に導入する際に、前室３９で予め減圧に排気してからゲートバルブ３８を開き、反応室３１内にウェーハ３２を導入するようになっている。また、サセプター３６及びウェーハ３２の両方を覆うカバー３３が設けられ、該カバー３３は上下動により開閉できるようになっている。このカバー３３の内面には、Ｂａ，Ｓｒ，Ｔｉの原料、たとえばＢａ（ＴＨＤ）2 ３１８、Ｓｒ（ＴＨＤ）2 ３１９、ＴｉＯ（ＴＨＤ）2 ３１７を、ウエハー３２の上に保持するための部屋３２０が設けられている。サセプター３６の下には、サセプター３６を加熱するためのヒーター３７が設けられている。ウェーハ３２は、前室３９内を１０-2 Torr 以下に減圧した状態で、やはり１０-2 Torr 以下に減圧し且つ３００℃以下とした反応炉３１内に導入され、カバー３３を開いた状態でサセプター３６上に載置される。こうしてウエハー３２がセットされた後、マスフローコントローラー３４およびバルブ３５を通して、酸素ガスを反応炉３１内に導入する。反応炉３１内の圧力は、コンダクタンスバルブ３１２によって１０ Torr に調整される。次に、カバー３３を閉じてサセプター３６とカバー３３によって閉空間を作り、その後マスフローコントローラー３４の流量を低下させる。これと同時に、マスフローコントローラー３１６、バルブ３１５を通して不活性ガスＮ2 を導入することにより、圧力を１０ Torr のままに保つ。次に、ヒーター３７によってサセプター３６を加熱し、閉空間の中のウェーハ３２の温度を６００℃まで上げる。これにより、閉空間の中でＢａ（ＴＨＤ）2 ３１８、Ｓｒ（ＴＨＤ）2 ３１９、ＴｉＯ（ＴＨＤ）2 ３１７が加熱され、ガス状になる。このガス状になった原料はカバー３３内に充満して、先に導入された酸素と混合し、ウェーハ３２上で分解してＢＳＴＯ膜が堆積する。１分後、ウェーハ３２の温度を下げると共に、カバー３３を開けてガスをパージした。
【００１２】
上記の方法においては、Ｂａ（ＴＨＤ）2 ３１８、Ｓｒ（ＴＨＤ）2 ３１９、ＴｉＯ（ＴＨＤ）2 ３１７の温度を３００℃以上に上げられるため、原料ガスを容易に供給できる。加えて、サセプター３６とカバー３３によって形成される閉空間全体が、従来の方法において反応炉内に形成された滞留層と同じ機能をもった滞留領域となる。そして、この場合の原料ガスは、滞留領域内に配置された原料ガス供給源３１７〜３１９から直接供給される。従って、供給源から供給された原料ガスは全て滞留領域内で成膜反応に用いられるから、ウェーハ上へのガスの供給が十分に行われる。その結果、約２００Ａ／ｍｉｎの大きな成膜速度を得ることができた。
【００１３】
またガスの流れが不均一にならないため、ウェーハ面内の均一性についても、±２％と良好な結果が得られた。この例では、１０ Torr 、６００℃の条件で堆積を行ったが、圧力は１ｍ Torr 〜２００ Torr 、温度は３００℃〜７００℃で行ってもよい。
【００１４】
なお、ＢＳＴＯ膜に限らず、原料が室温付近で固体であるような薄膜をＣＶＤで製造する際にも、上記と同様の方法で成膜が可能である。また、装置の構成としては、カバー３３、サセプター３６、ウェーハ３２、ヒーター３７の位置関係はどの方向を向いても構わない。
【００１５】
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施例を説明する。この実施例例においては、装置の構成が第１の実施例とは異なり、部屋が３つに別れている。即ち、前室４６、待機室４１４および反応室４１の三つである。前室４６は、図示しないポンプによって１０-2 Torr 以下に減圧される。ウェーハ４１３は前室４６内で減圧された後に、ゲートバルブ４７を通って、前室４６と同圧に保持された待機室４１４内に導入され、図示しない機構によりカバー４１１の上部に保持される。このカバー４１１の内部には、Ｂａ（ＴＨＤ）2 ４２５、Ｓｒ（ＴＨＤ）2 ４２６、ＴｉＯ（ＴＨＤ）2 ４２７の固体原料を保持するための上下二つの受け台４２８が設けられている。上記のようにしてウエハー４１３がセットされるとき、上側の受け台の上にはＢａ（ＴＨＤ）2 ４２５およびＳｒ（ＴＨＤ）2 ４２６が載置され、下側の受け台の上にはＴｉＯ（ＴＨＤ）2 ４２７が載置されている。その後、第１の実施例と同様の手順で、マスフローコントローラー４９およびバルブ４８を通して酸素を導入し、１０ Torr になったときに、ウェーハ４１３をカバー４１１の上に載置して閉空間を作る。このとき、ウェーハ４１３の主表面は下方を向いている。その後、閉空間以外はＮ2 でパージされる。次に、待機室４１４と反応室４１を隔離しているシャッター４１０を、１０ Torr の同圧の状態で開ける。このとき、反応室４１内も、圧力が１０ Torr で且つ１ｓｌｍのＮ2 でパージされている。反応室４１の天板４２はヒーター４３によって加熱されて、９００℃に保たれている。シャッター４１０を開けた後、ウェーハ４１３とカバー４１１は、閉空間に酸素を滞留したままシャフト４１２により反応室に導入され、天板４３に近づき、天板４３からの熱輻射を受けて加熱されることにより昇温する。ウェーハ４１３の温度が６００℃になるように、天板４３とウェーハ４１３との間の距離を調節した上で、１分間６００℃に保つ。図３にこのときの状態を示す。これにより、受け台４２８上の各固体材料の温度も上昇するが、これら固体材料はウェーハよりもヒーター４３から遠いため、６００℃よりも低い温度となる。この実施例の場合、上側の受け台は３００℃になり、下側の受け台は２００℃となった。ウェーハ４１３とカバー４１１で形成される閉空間の中には、酸素および各固体材料が昇華してできたガスが充満し、ウェーハ上で分解し、ウェーハ４１３上にＢＳＴＯ膜が堆積する。その後、ウェーハ４１３およびカバー４１１を降下させて待機室４１４に移動し、シャッター４１０を閉じる。その後、図示していない機構によりウェーハ４１３を持ち上げ、これと同時に、ポンプ４１８を用いて残留しているガスを排気する。その後ウェーハ４１３を装置から取り出す。
【００１６】
上記第二の実施例においても、第１の実施例と同様に均一なＢＳＴＯ膜を成膜することができた。また、第１の実施例と同様に、カバー４１１の内部以外にはＢＳＴＯは堆積しなかった。加えて、第１の実施例の場合と異なり、第２の実施例ではヒーターからの固体材料の距離を調節することによって固体材料の温度を調節できるため、ＢＳＴＯ膜の組成をコントロールすることができた。
【００１７】
なお、カバー４１１とウェーハ４１３の閉空間への酸素の供給は、シャフト４１２の内部を通して行ってもよい。また、第１の実施例と同様に、成膜時の堆積条件は種々変更することができる。
【００１８】
次に、本発明の第３の実施例を説明する。この第３の実施例では、第１の実施例の固体材料の代わりに、室温では液体であるＴＥＯＳを用いた。カバー内には液体がこぼれない容器を設け、温度は７００℃、圧力は第１の実施例と同じ条件で酸化膜の堆積を行った。その結果、均一性は±２％、堆積速度は１０００Ａ／ｍｉｎと良好な結果を得た。
【００１９】
第４の実施例では、第２の実施例において用いた固体材料の代わりに、室温で液体であるＴＥＯＳを用いた。カバー内には液体がこぼれない容器を設け、温度は７００℃、圧力は第２の実施例と同じ条件を用いて酸化膜の堆積を行った。その結果、第３の実施例と同様に均一性は±２％、堆積速度は１０００Ａ／ｍｉｎと良好な結果を得た。また、ＴＥＯＳの充填は、本実施例の方が第３の実施例に比較してやり易かった。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ＢＳＴＯ膜のような高誘電体薄膜を形成する際に、その成膜の均一性を向上することができ、しかも原料ガスの利用効率を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に用いた薄膜形成装置を示す概略図である。
【図２】本発明の第２の実施例に用いた薄膜形成装置を示す概略図である。
【図３】  本発明の第２の実施例に用いた薄膜形成装置の成膜反応時の状態を示す概略図である。
【図４】従来の薄膜形成装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１，３１，４１…反応炉、２，３２，４１３…ウェーハ、３…加熱用ランプ、３７，４３…抵抗加熱ヒーター、４…滞留層、５…ガス流、６，３５，３１５，４４，４８…バルブ、２１，２２，２３，２４，３４，３１６，４５，４９…マスフローコントローラー、８，３６…サセプター、９，３１３，４１６，４２３…主バルブ、１０，３１０，４１８，４２０…ポンプ、１１，３１１，４１９，４２１…配管、１２，３１２，４１７，４２２…コンダクタンスバルブ、１３，３１４，４１５，４２４…圧力計、１４…窒素ガス、１５…酸素ガス、３３，４１１…カバー、３８，４７…ゲートバルブ、３９，４６…前室、４１４…待機室、４１０…シャッター、４２…天板、４１２…シャフト、１６，３１６，４２５…Ｂａ（ＴＨＤ）2 、１８，３１７，４２７…ＴｉＯ（ＴＨＤ）2 、１７，３１９，４２６…Ｓｒ（ＴＨＤ）2 、７，１９，２０…加熱容器、２５…ヒーター、３２０，４２８…受け台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003713380.tif 000005