(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと前記チャンバ内に配されたウエハを加熱するヒータとを備え、原子層堆積法により前記ウエハ上に所定の膜を成膜する成膜装置の調整方法であって、
前記膜を構成する元素を含む原料ガスの反応が自己停止する、前記ヒータの設定温度の範囲である自己停止温度範囲の上限値を取得するステップと、
前記上限値に基づいて、前記設定温度を補正するステップと、
を含むことを特徴とする成膜装置の調整方法。
【請求項２】
請求項１に記載の成膜装置の調整方法において、
前記上限値を取得するステップにおいては、前記上限値として、前記膜の成膜速度の前記設定温度に対する変化率が有意に変化するときの前記設定温度を求める成膜装置の調整方法。
【請求項３】
請求項２に記載の成膜装置の調整方法において、
前記上限値を取得するステップは、
複数の前記設定温度について前記成膜速度を測定し、当該測定結果をプロットした第１のグラフを作成するステップと、
前記第１のグラフ中にプロットされたデータ点のうち、比較的低い設定温度範囲内に存在し且つ略一直線に並んでいるデータ点を第１の直線でフィッティングするとともに、比較的高い設定温度範囲内に存在し且つ略一直線に並んでいるデータ点を前記第１の直線とは異なる第２の直線でフィッティングするステップと、
前記上限値として、前記第１および第２の直線の交点での前記設定温度を求めるステップと、を含む成膜装置の調整方法。
【請求項４】
請求項３に記載の成膜装置の調整方法において、
前記フィッティングするステップにおいては、前記第１および第２の直線でフィッティングされる前記データ点の個数がそれぞれ３以上である成膜装置の調整方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の成膜装置の調整方法において、
前記第１のグラフを作成するステップは、
原子層堆積法における複数のサイクル数について前記膜の膜厚を測定し、当該測定結果をプロットした第２のグラフを作成するステップと、
前記第２のグラフ中にプロットされたデータ点を第３の直線でフィッティングするステップと、
前記第３の直線の傾きを求めることにより、前記成膜速度を取得するステップと、を含む成膜装置の調整方法。
【請求項６】
請求項５に記載の成膜装置の調整方法において、
前記第３の直線でフィッティングされる前記データ点の個数が３以上である成膜装置の調整方法。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の成膜装置の調整方法において、
前記設定温度を補正するステップにおいては、前記上限値と当該上限値の基準値との差の絶対値が小さくなるように、前記設定温度を補正する成膜装置の調整方法。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の成膜装置の調整方法において、
前記上限値を取得するステップにおいては、複数の前記成膜装置について前記上限値を取得し、
前記設定温度を補正するステップにおいては、複数の前記成膜装置間で前記上限値の差の絶対値が小さくなるように、前記設定温度を補正する成膜装置の調整方法。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の成膜装置の調整方法において、
前記膜は、高誘電率膜である成膜装置の調整方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の成膜装置の調整方法において、
前記高誘電率膜は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｔａおよびランタノイドからなる群から選択される一または二以上の元素を含む成膜装置の調整方法。
【請求項１１】
請求項１乃至８いずれかに記載の成膜装置の調整方法において、
前記膜は、金属膜である成膜装置の調整方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の成膜装置の調整方法において、
前記金属膜は、Ｗ、ＷＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａおよびＴａＮからなる群から選択される一または二以上の元素を含む成膜装置の調整方法。
【請求項１３】
原子層堆積法によりウエハ上に所定の膜を成膜する成膜装置であって、
チャンバと、
前記チャンバ内に配された前記ウエハを加熱するヒータと、を備え、
請求項１乃至１２いずれかに記載の成膜装置の調整方法によって、前記ヒータの設定温度が補正されていることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成膜装置およびその調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１〜３ならびに非特許文献１が挙げられる。特許文献１には、半導体基板から脱離するガスを計測し、その計測値を予め計測された脱離特性と比較することにより半導体基板の温度校正を行う方法が記載されている。特許文献２には、複数枚のモニタリングウエハ上に形成された薄膜の厚さを測定し、その測定結果に基づいてデポジションタイムおよび工程温度を補正する方法が記載されている。特許文献３には、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）装置による成膜の途中に、必要に応じて、成膜温度等の成膜条件を変更する方法が記載されている。また、非特許文献１には、ＡＬＤ法を用いた成膜における成膜温度と成膜速度との関係を表すグラフが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１３８２７１号公報
【特許文献２】特開２０００−９１２５１号公報
【特許文献３】特開２００５−１４２５３８号公報
【非特許文献１】Xinye Liu et al., "ALD of Hafnium Oxide Thin Films from Tetrakis(ethylmethylamino)hafnium and Ozone", Journal of The Electrochemical Society, 2005, 152 (3), G213-G219
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ＡＬＤ法による成膜において信頼性の高い膜を得るためには、成膜時のウエハの実温（本明細書において「成膜温度」と定義する）を適当に管理することが重要である。ところが、ヒータの設定温度が必ずしも成膜温度を正確に示しているとは限らない。それゆえ、複数の装置間で、ヒータの設定温度が等しいにも関わらず、成膜温度は一致しない場合がある。したがって、装置間での成膜温度の差を小さくすべく、ヒータの設定温度の補正が必要となる。しかしながら、従来、かかる補正を充分に高い精度で行うことは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明による成膜装置の調整方法は、チャンバと上記チャンバ内に配されたウエハを加熱するヒータとを備え、原子層堆積法により上記ウエハ上に所定の膜を成膜する成膜装置の調整方法であって、上記膜を構成する元素を含む原料ガスの反応が自己停止する、上記ヒータの設定温度の範囲である自己停止温度範囲の上限値を取得するステップと、上記上限値に基づいて、上記ヒータの設定温度を補正するステップと、を含むことを特徴とする。
【０００５】
この調整方法においては、自己停止温度範囲の上限値に基づいて、ヒータの設定温度を補正している。ここで、この上限値は、ＡＬＤの成膜条件によって一意に定まるものである。したがって、この上限値を用いることにより、充分に高い精度で温度補正を行うことができる。
【０００６】
また、本発明による成膜装置は、原子層堆積法によりウエハ上に所定の膜を成膜する成膜装置であって、チャンバと、上記チャンバ内に配された上記ウエハを加熱するヒータと、を備え、上記調整方法によって、上記ヒータの設定温度が補正されていることを特徴とする。
【０００７】
この成膜装置においては、ヒータの設定温度が上述の調整方法によって補正されている。このように高精度で温度補正がなされているため、信頼性に優れた成膜装置が実現される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、充分に高い精度で温度補正を行うことが可能な成膜装置の調整方法、およびその調整方法によって調整された成膜装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明による成膜装置およびその調整方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１０】
図１は、本発明による成膜装置の一実施形態を示す断面図である。成膜装置１は、チャンバ１０と、チャンバ１０内に配されたウエハ９０を加熱するヒータ２０とを備えており、ＡＬＤ法によりウエハ９０上に所定の膜（以下、「被形成膜」という）を成膜するものである。
【００１１】
被形成膜は、例えば高誘電率膜である。高誘電率膜は、シリコン酸化膜よりも比誘電率の高い膜である。高誘電率膜は、比誘電率が１０以上の材料により構成されていることが好ましい。高誘電率膜としては、例えば、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｔａおよびランタノイドからなる群から選択される一または二以上の元素を含む、酸化膜またはシリケート膜が挙げられる。なお、当該膜中にＮ（窒素）が含まれていてもよい。また、被形成膜は、金属膜であってもよい。金属膜としては、Ｗ、ＷＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａおよびＴａＮからなる群から選択される一または二以上の元素を含む膜が例示される。
【００１２】
成膜装置１においては、後述する調整方法によって、ヒータ２０の設定温度が補正されている。本発明による成膜装置の調整方法の一実施形態として、かかる調整方法の一例を説明する。この調整方法は、概括すると、下記ステップ（ａ）および（ｂ）を含むものである。
（ａ）被形成膜を構成する元素を含む原料ガスの反応が自己停止する、ヒータ２０の設定温度の範囲である自己停止温度範囲の上限値を取得するステップ
（ｂ）上記上限値に基づいて、ヒータ２０の設定温度を補正するステップ
【００１３】
なお、ヒータ２０の設定温度とは、ユーザが直接的に認識することのできる、成膜時のウエハ９０の見かけ上の温度である。例えば、成膜装置１にウエハ９０の温度を表示する表示部が設けられている場合であれば、その表示部に表示された温度が上記設定温度に該当する。ユーザは、かかる設定温度を通じて成膜時のウエハ９０の実際の温度である成膜温度を間接的に知ることができる。ところが、上述のとおり、設定温度が必ずしも正確に成膜温度を示しているとは限らない、換言すればこれらの設定温度と成膜温度との間には誤差が存在するのが通常である。
【００１４】
図２を参照しつつ、上記各ステップ（ａ）、（ｂ）について、より詳細に説明する。同図は、被形成膜の成膜速度とヒータ２０の設定温度との関係の一例を示すグラフである。グラフの縦軸は成膜速度（Å／cycle）を表し、横軸は設定温度（℃）を表している。成膜速度の測定方法については、後述する。このグラフには、２つの成膜装置について、上記関係を測定した結果が示されている。第１および第２の成膜装置についての測定結果をプロットしたものが、それぞれデータ点Ｐ１およびＰ２で表されている。
【００１５】
当然ながら、第１および第２の成膜装置についての測定は、同一の成膜条件にて実行される。この成膜条件には、原料ガス等のガスの種類、流量および圧力、ならびにＡＬＤのサイクルにおける各ステップ（後述する図４参照）の時間等が含まれる。
【００１６】
上限値を取得するステップにおいては、例えば、当該上限値として、被形成膜の成膜速度の設定温度に対する変化率が有意に変化するときの成膜温度を求める。この変化率は、グラフの横軸すなわち設定温度が自己停止温度範囲から非自己停止温度範囲へと移行するときに、有意に変化する。非自己停止温度範囲とは、原料ガスが熱分解してその反応が自己停止しない温度範囲のことである。自己停止温度範囲においては上記変化率が比較的小さい（成膜速度の温度依存性が小さい）一方で、非自己停止温度範囲においては上記変化率が比較的大きい（成膜速度の温度依存性が大きい）。したがって、上記変化率が有意に変化するときの横軸の値を取得することによって、自己停止温度範囲の上限値を知ることができるのである。
【００１７】
上記上限値の具体的な決定の仕方を、第１の成膜装置についての測定結果（データ点Ｐ１）を例にとって説明する。すなわち、まず、複数の設定温度について成膜速度を測定し、当該測定結果をプロットした第１のグラフ（図２参照）を作成する。
【００１８】
次に、データ点Ｐ１のうち、比較的低い設定温度範囲内に存在し且つ略一直線に並んでいるデータ点Ｐ１（本例では８つのデータ点Ｐ１のうち左側の５つ）を直線Ｌ１（第１の直線）でフィッティングする。また、データ点Ｐ１のうち、比較的高い設定温度範囲内に存在し且つ略一直線に並んでいるデータ点Ｐ１（本例では８つのデータ点Ｐ１のうち右側の３つ）を直線Ｌ２（第２の直線）でフィッティングする。ここで、直線Ｌ１およびＬ２は、相異なる直線であり、互いに平行でない。その後、直線Ｌ１と直線Ｌ２との交点Ｎ１での設定温度ＴＮ１を上記上限値として求める。
【００１９】
なお、直線Ｌ１でフィッティングされるデータ点の個数および直線Ｌ２でフィッティングされるデータ点の個数は、それぞれ３以上であることが好ましい。
【００２０】
第２の成膜装置についての測定結果（データ点Ｐ２）についても、同様にして、上記上限値に相当する設定温度ＴＮ２が求まる。この例では、これらの上限値の差ｄ１（＝ＴＮ１−ＴＮ２）が約５℃ある。この差の絶対値が小さく（理想的にはゼロに）なるようにヒータ２０の設定温度を補正することにより、第１および第２の成膜装置間での成膜温度の差を小さくすることができる。例えば、第１の成膜装置のヒータの設定温度を５℃下げる、あるいは第２の成膜装置のヒータの設定温度を５℃上げることにより、両装置間での成膜温度の差を略ゼロにすることができる。
【００２１】
また、設定温度を補正するステップにおいては、上限値と当該上限値の基準値との差が小さくなるように、設定温度を補正してもよい。すなわち、上限値の基準値を予め設定しておき、その基準値との差の絶対値が小さくなるようにヒータ２０の設定温度を補正してもよい。例えば、上限値が基準値よりもδ（>０）だけ小さければ設定温度をδだけ上げればよいし、上限値が基準値よりもδだけ大きければ設定温度をδだけ下げればよい。この基準値としては、例えば、上述の設定温度ＴＮ１またはＴＮ２を採用することができる。勿論、基準値として採用される設定温度は、成膜温度との誤差が極力小さいことが好ましい。
【００２２】
図３を参照しつつ、上記第１のグラフを作成するステップにおいて成膜速度を測定する方法について説明する。同図に示すように、まず、ＡＬＤ法における複数のサイクル数について被形成膜の膜厚を測定し、当該測定結果をプロットした第２のグラフを作成する。グラフの縦軸は膜厚（任意スケール）を表し、横軸はサイクル数（cycle）を表している。ここでは、例として、７０サイクル、１００サイクルおよび１３０サイクルの３つのサイクル数について膜厚を測定している。次に、このグラフ中にプロットされたデータ点Ｐ３を直線Ｌ３（第３の直線）でフィッティングする。続いて、直線Ｌ３の傾きを求める。この傾きが成膜速度に相当する。なお、直線Ｌ３でフィッティングされるデータ点Ｐ３の個数は、３以上であることが好ましい。
【００２３】
図４を参照しつつ、成膜装置１を用いた成膜の方法について説明する。同図は、成膜時のチャンバ１０内へのガスの供給タイミングを示す図である。ＡＬＤ法においては、<１>原料ガス導入（1st step）、<２>パージ（2nd step）、<３>酸化性ガス導入（3rd step）および<４>パージ（4th step）を１サイクルとして、このサイクルを繰り返すことにより被形成膜を成膜する。図１においては、これらのガスの流れが模式的に矢印で示されている。
【００２４】
例えば、被形成膜がＺｒＯ２膜である場合、原料ガスとしては、Ｚｒ（Ｎ（Ｍｅ）Ｅｔ）４：ＴＥＭＡＺ（テトラエチルメチルアミノジルコニウム）、またはＺｒ（ＮＥｔ２）４：ＴＤＥＡＺ（テトラジエチルアミノジルコニウム）等を用いることができる。あるいは、被形成膜がＨｆＯ２膜である場合、原料ガスとしては、Ｈｆ（Ｎ（Ｍｅ）Ｅｔ）４：ＴＥＭＡＨ（テトラエチルメチルアミノハフニウム）、またはＨｆ（ＮＥｔ２）４：ＴＤＥＡＨ（テトラジエチルアミノハフニウム）等を用いることができる。酸化性ガスとしては、例えば、Ｏ２、Ｎ２Ｏ、ＮＯ、またはＯ３ガスまたはこれらの混合ガス等を用いることができる。
【００２５】
本実施形態の効果を説明する。本実施形態においては、自己停止温度範囲の上限値に基づいて、ヒータの設定温度を補正している。ここで、この上限値は、ＡＬＤの成膜条件によって一意に定まるものである。したがって、この上限値を用いることにより、充分に高い精度で温度補正を行うことができる。また、成膜装置１においては、この調整方法によってヒータ２０の設定温度が補正されている。このように高精度で温度補正がなされているため、信頼性に優れた成膜装置１が実現されている。
【００２６】
図５を参照しつつ、上記上限値に基づいてヒータの設定温度を補正することの有効性を述べる。同図は、図２で用いた第１および第２の成膜装置のそれぞれによって成膜された被形成膜を容量膜として備えるＭＩＭ容量素子のリーク特性を測定した結果を示すグラフである。グラフの縦軸はリーク電流（任意スケール）を表し、横軸は設定温度（℃）を表している。第１および第２の成膜装置についての測定結果をプロットしたものが、それぞれデータ点Ｐ４およびＰ５で表されている。なお、この測定においては、第１および第２の成膜装置として調整前のもの、すなわち温度補正が行われる前のものを用いている。
【００２７】
図５からわかるように、第１および第２の成膜装置間には、約５℃の電気特性のずれが存在している。このずれの大きさ（５℃）は、両装置間の上限値の差ｄ１（図２参照）と略一致している。このことは、この差ｄ１の絶対値を小さくするように温度補正を行うことにより、両装置間で成膜される膜の特性のばらつきを小さく抑えられることを意味する。
【００２８】
上限値を取得するステップにおいて、被形成膜の成膜速度の設定温度に対する変化率が有意に変化するときの設定温度を求めた場合、自己停止温度範囲の上限値を容易に知ることができる。この変化率は、上述のとおり、設定温度が自己停止温度範囲から非自己停止温度範囲へと移行するときに有意に変化するものだからである。
【００２９】
上限値を取得するステップが、第１のグラフを作成するステップと、第１および第２の直線でフィッティングするステップと、それら第１および第２の直線の交点での設定温度を求めるステップとを含んでいる場合、自己停止温度範囲の上限値を高精度で取得することができる。特に第１および第２の直線でフィッティングされるデータ点の個数がそれぞれ３以上である場合には、より高精度で上記上限値を取得することができる。
【００３０】
第１のグラフを作成するステップが、第２のグラフを作成するステップと、第３の直線でフィッティングするステップと、第３の直線の傾きを求めることにより成膜速度を取得するステップと、を含んでいる場合、成膜速度を高精度で測定することができる。特に第３の直線でフィッティングされる前記データ点の個数が３以上である場合には、より高精度で成膜速度を測定することができる。
【００３１】
設定温度を補正するステップにおいて上限値と当該上限値の基準値との差の絶対値が小さくなるように設定温度を補正した場合、基準値として採用される設定温度と成膜温度との誤差をできるだけ小さくしておくことにより、補正される設定温度をウエハの実温である成膜温度に近づけることができる。また、複数の成膜装置について、上限値と基準値との差の絶対値が小さくなるように補正を行えば、結果として、それらの成膜装置間での成膜温度の差（ばらつき）を小さくすることができる。
【００３２】
被形成膜が高誘電率膜である場合、高精度な温度補正が可能な本発明による成膜装置およびその調整方法が特に有用である。ＡＬＤ法により高誘電率膜を成膜する際に、良好な電気特性および均一な膜厚を有する高誘電率膜を得るために必要な成膜温度の範囲は、高誘電率膜以外の膜を成膜する場合に比して狭い。そのため、成膜時の成膜温度の精密な制御や管理が特に強く要求されるからである。
【００３３】
Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｔａおよびランタノイドは、高誘電率膜を構成する元素として好適に用いることができる。中でも、Ｚｒ、ＨｆおよびＡｌは特に好適である。
【００３４】
ところで、上述の特許文献１に記載された方法においては、面内の数箇所に熱電対が装着されたウエハをチャンバ内に挿入し、実際にヒータ温度を上げた擬似的なプロセス状態でウエハ温度の測定を行っている。しかしながら、この方法は、実際にプロセスガスを流し、プロセス中の圧力を再現した条件下では、測定を行うことができない。そのため、精度の高い温度校正ができない。また、使用する熱電対付きウエハの個体差の影響を受けてしまう。さらに、ウエハ面内の各点についての詳細な温度傾向の情報を得ることができない。この点、本実施形態に係る調整方法によれば、ウエハ面内の温度分布を得ることも可能である。
【００３５】
本発明による成膜装置およびその調整方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては成膜装置として所謂シャワーヘッド型のものを示したが、成膜装置としては、図６に示すように、所謂カウンターフロー型のものを用いてもよい。同図の成膜装置は、ウエハ９０の左右両側からガスを導入することが可能な構造となっている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による成膜装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】被形成膜の成膜速度とヒータの設定温度との関係の一例を示すグラフである。
【図３】第１のグラフを作成するステップにおいて成膜速度を測定する方法について説明するためのグラフである。
【図４】図１の成膜装置を用いた成膜の方法について説明するための図である。
【図５】実施形態に係る成膜装置の調整方法の効果を説明するための図である。
【図６】実施形態の変形例に係る成膜装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    成膜装置
１０    チャンバ
２０    ヒータ
９０    ウエハ
【図１】
0004842667.tif 000002
【図２】
0004842667.tif 000003
【図３】
0004842667.tif 000004
【図４】
0004842667.tif 000005
【図５】
0004842667.tif 000006
【図６】
0004842667.tif 000007