(57)【要約】【課題】超臨界流体を媒体としてウエハ上に形成された微細構造表面に均一な膜を形成する成膜処理装置および成膜方法を提供する。【解決手段】成膜処理容器と、前記成膜処理容器内の上面にウエハを保持する保持具と、前記成膜処理容器内の上面に保持されたウエハを加熱する、前記成膜処理容器の上部に埋設されたヒーターと、前記成膜処理容器内を攪拌する攪拌器と、膜原料の少なくとも１つを超臨界流体に溶解した原料溶液を調製する調合器と、前記成膜処理容器内に前記原料溶液を導入する原料溶液導入ポートとを有する成膜処理装置を用いて成膜する。【選択図】図１
2008311277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界流体を媒体としてウエハ上に形成された微細構造表面に膜を形成する成膜処理装置であって、
成膜処理容器と、
前記成膜処理容器内の上面にウエハを保持する保持具と、
前記成膜処理容器内の上面に保持されたウエハを加熱する、前記成膜処理容器の上部に埋設されたヒーターと、
前記成膜処理容器内を攪拌する攪拌器と、
膜原料の少なくとも１つを超臨界流体に溶解した原料溶液を調製する調合器と、
前記成膜処理容器内に前記原料溶液を導入する原料溶液導入ポートと
を有することを特徴とする成膜処理装置。
【請求項２】
前記超臨界流体が超臨界二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の成膜処理装置。
【請求項３】
前記原料溶液導入ポートを複数有することを特徴とする請求項１または２に記載の成膜処理装置。
【請求項４】
膜原料の少なくとも１つを直接導入する原料導入ポートを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜処理装置。
【請求項５】
前記保持具および前記ヒーターを複数有し、複数のウエハの表面に同時に膜を形成可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成膜処理装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の成膜処理装置を用いて、ウエハ上に形成された微細構造表面に膜を形成する成膜処理方法であって、
前記成膜処理容器内の上面に、被処理面が下を向くようにウエハを配置する工程と、
前記調合器内で、膜原料の少なくとも１つを超臨界流体に溶解した原料溶液を調製する工程と、
前記原料溶液導入ポートから前記原料溶液を前記成膜処理容器内に導入する工程と
前記攪拌器で前記成膜処理容器内を攪拌する工程と、
前記ヒーターで前記ウエハを加熱する工程と
を有することを特徴とする成膜処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超臨界流体を媒体として、ウエハ上に形成された微細構造表面に均一な膜を形成する成膜処理装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウエハ上に形成された微細構造表面への成膜は、キャパシタ誘電体膜の成膜、Ｃｕ配線層の埋め込み、ＳＴＩの埋め込みなど、半導体装置製造プロセスで要求される基本的な技術である。特に、今後においては、ウエハ構造の微細化、高アスペクト比化がより進んでいくにつれて、その重要性は一段と高まっていくことが予想される。しかしながら、既存の成膜技術（ＡＬＤやＣＶＤ）によって、今後の微細化に対応していくことは困難になってきており、生産性の低下や歩留まりの悪化の原因になってしまうと考えられている。
【０００３】
一方で、半導体基板の洗浄工程、エッチング工程、若しくは微細パターンを形成するための現像工程の後に行う乾燥工程を、超臨界液体を用いて行う超臨界乾燥装置が提案されている（特許文献１）。この装置には攪拌手段が備えられており、この攪拌手段により、均一でスムーズな洗浄、エッチング、および現像が可能となるとともに、パターン倒れのない乾燥を行うことができる。
【０００４】
ここで、超臨界流体は、表面張力がゼロであり粘度も非常に低いことから、物質輸送が迅速であり、微細構造中への進入も容易である。すなわち、超臨界液体を媒体とした成膜技術が確立できれば、既存の成膜技術を超えるような段差被覆性を達成できることが期待されている。例えば、超臨界流体を媒体とした成膜技術としては、特許文献２に記載の成膜技術が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−８７３０６号公報
【特許文献２】特開２００３−２１３４２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１に記載されている装置はウエハ加熱用ヒーターを容器内下部に有しているので、この装置を成膜処理装置として転用すると以下のような問題が発生すると考えられる。
（１）超臨界流体中では熱は常に上側に移動する傾向があり、攪拌下においてはさらにその熱の移動が促進されるので、容器内下部に設置したウエハ加熱用ヒーター上に載置した処理ウエハの熱は容易に奪われてしまう。結果として、ウエハ面の加熱が著しく困難になるだけでなく、ウエハ面上の温度も攪拌を受ける程度によって分布ができてしまう。なお、一般的に、成膜反応は洗浄や乾燥などに比べて高温が必要とされる。
（２）攪拌による流れが処理ウエハ面への膜原料の輸送を加速させてしまう。処理ウエハ面においては、受ける攪拌の強さが分布をもつために、処理ウエハ面への膜原料の輸送速度も結果的に分布をもってしまう。
【０００６】
特許文献２に記載されている装置もウエハ加熱用ヒーターを容器内下部に有しているので、加熱効率が悪い上に、熱の上側への移動に伴う熱対流がウエハ表面上で生じてしまい、成膜原料のウエハ表面上への供給が均一になりにくい。
【０００７】
したがって、特許文献１または２に記載されている装置を用いて成膜処理を行うと、ウエハ温度および膜原料の輸送がウエハ面上において分布をもってしまうために、均一な成膜を達成することが困難になってしまう。このように、現段階では、超臨界流体の優れたポテンシャルを最大限に生かすことができるような成膜技術は、十分に確立されているとは言えない状況である。
【０００８】
本発明は、超臨界流体を媒体としてウエハ上に形成された微細構造表面に均一な膜を形成する成膜処理装置および成膜方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、超臨界流体を媒体としてウエハ上に形成された微細構造表面に膜を形成する成膜処理装置であって、
成膜処理容器と、
前記成膜処理容器内の上面にウエハを保持する保持具と、
前記成膜処理容器内の上面に保持されたウエハを加熱する、前記成膜処理容器の上部に埋設されたヒーターと、
前記成膜処理容器内を攪拌する攪拌器と、
膜原料の少なくとも１つを超臨界流体に溶解した原料溶液を調製する調合器と、
前記成膜処理容器内に前記原料溶液を導入する原料溶液導入ポートと
を有することを特徴とする成膜処理装置である。
【００１０】
また、本発明は、上記成膜処理装置を用いて、ウエハ上に形成された微細構造表面に膜を形成する成膜処理方法であって、
前記成膜処理容器内の上面に、被処理面が下を向くようにウエハを配置する工程と、
前記調合器内で、膜原料の少なくとも１つを超臨界流体に溶解した原料溶液を調製する工程と、
前記原料溶液導入ポートから前記原料溶液を前記成膜処理容器内に導入する工程と
前記攪拌器で前記成膜処理容器内を攪拌する工程と、
前記ヒーターで前記ウエハを加熱する工程と
を有することを特徴とする成膜処理方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の成膜処理装置および成膜方法によれば、超臨界流体を媒体としてウエハ上に形成された微細構造表面に均一な膜を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る成膜処理装置の一実施形態の構成を図２に、その成膜処理装置が有する成膜処理容器の内部構造を図１に示す。
【００１３】
高圧容器である成膜処理容器１の内部にはウエハ２の保持具であるフック７が設けられており、成膜処理容器１内の上面に、処理面が下を向くようにウエハ２が保持される。その保持されたウエハ２を加熱するため、成膜処理容器１内の上部にはヒーター３が埋設されている。ヒーター３によりウエハ２を均一に加熱する観点から、ヒーター３はウエハ２よりも大きい加熱面を有していることが好ましく、この加熱面の下方にウエハ２を保持することが好ましい。ヒーター３の温度は、ヒーターコントローラー１３により制御される。
【００１４】
保持されるウエハ２の下方には攪拌器であるプロペラ４が設置されており、成膜処理容器１内を攪拌することができる。プロペラ４の回転速度は、プロペラコントローラー１４により制御される。なお、攪拌器としてはマグネットスターラーを用いることもできるが、保持されるウエハ２に向かいあうように設置されていることが好ましい。
【００１５】
成膜処理容器１には導入ポート５および排出ポート６が設けられている。導入ポート５の少なくとも１つには、調合器１５および送液ポンプ１０が接続されており、膜原料の少なくとも１つを超臨界流体（例えば超臨界二酸化炭素）に溶解させた上で、その原料溶液を成膜処理容器１の内部に導入することができる。導入ポート５は複数でもよく、その場合すべての導入ポート５に上記調合器１５および送液ポンプ１０が接続された原料溶液を導入するポートでもよく、膜原料の少なくとも１つを直接導入するポートでもよい。排出ポート６からの排出速度は背圧調整器１６により制御される。
【００１６】
成膜する際は、まず、成膜処理容器１内の上面に、被処理面が下を向くようにウエハ２を配置し、フック７でウエハ２を保持する。次いで、調合器１５内で、膜原料の少なくとも１つを超臨界流体に溶解した原料溶液を調製した上で、導入ポート５から原料溶液を成膜処理容器１内に導入する。導入ポート５が複数の場合は、それぞれの導入ポートから原料溶液または原料自体を導入する。導入された原料溶液（および原料自体）は、成膜処理容器１内でプロペラ４により攪拌され、均一な成膜処理液となる。ウエハ２はヒーター３により均一に加熱され、ウエハ２の表面に膜が形成される。成膜処理後の成膜処理液は、排出ポート６から排出される。
【００１７】
以上のような成膜処理装置を用いることで、攪拌効果を効率的に利用し、ウエハ表面上の微細構造内部へ均一に成膜が可能になる。この理由は次のとおりである。
【００１８】
まず、本発明では、超臨界流体中において熱は常に上側に移動する傾向がある点に着目し、成膜処理容器の上部にウエハ加熱用ヒーターを埋設してウエハを成膜処理容器内の上面に保持することとしている。このような構成により、攪拌下においても熱はウエハ近傍に停滞するようになり、成膜処理容器の下部にウエハ加熱用ヒーターを有している装置で発生するウエハ面内の温度分布を改善している。したがって、被処理ウエハを効果的に加熱でき、ウエハ面上の温度分布を均一にすることができる。
【００１９】
また、攪拌下での超臨界流体中での膜原料の輸送速度に関し、本発明者らは、微細な構造（ナノメートルオーダー）内部における物質輸送は、攪拌などの流れの影響を受けにくいことを実験的に見出した。これは、超臨界流体は粘度が低く流れの影響を受けやすい媒体にもかかわらず、微細構造内部ではそれにも増してレイノルズ数の減少が顕著になり、粘度の高く流れの影響を受けにくい媒体のように振舞うためと考えられる。つまり、攪拌によって成膜処理容器内での膜原料の濃度を瞬間的に均一にさせる一方で、微細構造内部においては、攪拌による乱流の影響をうけることはない。
【００２０】
以上の観点から、平面ウエハ上への成膜よりも表面に微細構造が形成されているウエハ上への成膜に対して、本発明の効果が大きく発揮される。微細構造としては、例えば、孔径＜１５０ｎｍ、孔深さ＞２μｍのシリンダー孔が挙げられる。
【００２１】
本発明で成膜に使用する膜原料は、固体原料でも、液体原料でも、気体原料でもよい。複数の膜原料を使用する場合、あらゆる組み合わせとすることができる。超臨界流体の性質を利用して成膜する観点から、膜原料の少なくとも１つは超臨界流体に溶解させた原料溶液を成膜処理容器内に導入することになるが、他の膜原料は、超臨界流体に溶解させて導入してもよく、直接導入してもよい。また、複数の原料を超臨界流体に溶解させて導入してもよく、複数の原料を混合した混合物を直接導入してもよい。成膜処理容器内の成膜処理液を均一にする観点から、固体原料は超臨界流体に溶解させて導入することが好ましい。超臨界流体に溶解させる膜原料の濃度は任意である。原料溶液または原料の導入は連続的でもよく、間欠的でもよい。
【００２２】
図１に示した成膜処理容器は１枚のウエハを成膜処理する単葉式であるが、保持具およびヒーターを複数有し、複数のウエハを同時に成膜処理できる構成とすることもできる。一例として、３枚のウエハを同時に成膜処理可能な成膜処理容器の構成を図３に示す。なお、図３の構成においては、プロペラ４の中心軸が導入ポート５のノズル孔５ａを有している。
【００２３】
本発明の成膜処理装置および成膜処理方法の活用例として、半導体製造プロセスにおけるキャパシタ誘電体膜の成膜、Ｃｕ配線層の埋め込み、ＳＴＩの埋め込みなど、微細構造中への成膜が挙げられる。
【実施例】
【００２４】
本実施例では、キャパシタシリンダー孔（孔径：１５０ｎｍ、孔深さ：３μｍ）が形成されたウエハ表面にＨｆＯ2膜を成膜した。
【００２５】
成膜処理容器内の上面にウエハを保持した状態で、臨界温度以上（例えば８０℃）に加熱した二酸化炭素を成膜処理容器内に導入し、成膜処理容器内を加圧（例えば１０ＭＰａ）することで、成膜処理容器内の二酸化炭素を超臨界状態にした。次に、ウエハ加熱用ヒーターおよび攪拌器を稼働し、ウエハを攪拌下で目的の成膜温度（例えば３００℃）まで加熱した。ウエハの温度が安定したところで、調合器で調製したＨｆ原料（Tetrakis(N-ethyl-N-methylamino)Hafnium、Tetrakis(1-methoxy-2-methyl-2-propoxy)Hafnium、Tetrakis(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate)Hafniumなど）を超臨界二酸化炭素に溶解した超臨界二酸化炭素溶液と、Ｏ2を溶解した超臨界二酸化炭素溶液とを、順次あるいは同時に成膜処理容器内へ導入した。任意の導入時間（成膜時間に相当、例えば１０分間）後に両溶液の導入を停止し、純粋な超臨界二酸化炭素を引き続き導入して、成膜処理容器内に残存している膜原料および反応副生物を排出した。成膜処理容器内の膜原料および反応副生物が十分排出された後、ウエハ加熱用ヒーターおよび攪拌装置を停止し、成膜処理容器内の超臨界二酸化炭素を排出した。大気圧まで減圧した後成膜処理容器を開放して、ウエハを取り出した。このような処理によって形成されたＨｆＯ2膜は、微細なシリンダー孔内においても被覆性が良く、ウエハ上のすべての評価点（ウエハ中央部、端部など）のシリンダー孔内部において、均一なＨｆＯ2膜厚を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る成膜処理装置の一実施形態が有する成膜処理容器の内部構造を示す概念図である。
【図２】本発明に係る成膜処理装置の一実施形態の構成を示す概念図である。
【図３】本発明に係る成膜処理装置の一実施形態が有する成膜処理容器の内部構造を示す概念図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    成膜処理容器
２    ウエハ
３    ヒーター
４    プロペラ
５    導入ポート
５ａ  ノズル孔
６    排出ポート
７    フック
１０  送液ポンプ
１３  ヒーターコントローラー
１４  プロペラコントローラー
１５  調合器
１６  背圧調整器
【図１】
2008311277.tif 000003
【図２】
2008311277.tif 000004
【図３】
2008311277.tif 000005