(57)【要約】      （修正有）【課題】炉体を用いたバッチ式成膜装置で、多孔ノズルを用いて原料ガスを供給するＡＬＤ成膜ではノズル内のガス置換が不十分となり原料が残留する結果、パーティクルの発生や膜厚の面内均一性が悪化する問題を回避する半導体製造装置を提供する。【解決手段】ノズル１０６の先端を閉塞させずに、配管１３２およびバルブ１３３を介して真空ポンプに接続するようにした。反応室１０２とは独立してノズル１０６内の真空排気、パージを容易にできるので原料の置換効率が向上し、原料の残留を防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に離間配設された複数の半導体基板に近接するノズルを備え、前記ノズルは前記半導体基板の位置に対応する小孔を有し、前記小孔から原料ガスを噴出させ、前記半導体基板表面に薄膜を成膜する半導体製造装置において、
前記ノズルの先端は配管に接続され、前記配管を通して前記ノズル内の原料ガスを真空排気する機構を有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記ノズルから噴出される原料ガスは、有機原料ガスであることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記ノズルを複数備えていることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記真空ポンプに接続される複数のノズルの内、少なくとも１つは有機原料ガス供給用であり、他の少なくとも１つは酸化性ガス、窒化性ガスおよび還元性ガスから選択されるガス供給用であることを特徴とする請求項３記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記有機原料ガスが、単一原料ガスもしくは複数の原料ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項２および４記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置に係り、特にローダーに搭載された複数の半導体基板に対応して設けられた複数の孔を有するノズルを備え、前記ノズルから反応ガスを供給して各々の半導体基板に所望の成膜を行なう半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高密度化、微細化の進展に伴い、特にＤＲＡＭ（Dynamic Random Acces Memory）を構成するキャパシタにおいては、絶縁膜に形成するトレンチ（深孔）のアスペクト比（深さ/開口幅）が極めて大きくなってきた。これに伴い、従来のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法では、上記の高アスペクト比トレンチ内に被覆性良く、一様に容量絶縁膜を成膜することが困難になってきた。この困難を克服するために、近年、原子層成長法（ＡＬＤ/  Atomic Layer Deposition）による成膜が行われるようになってきた。ＡＬＤ法は所望の膜を原子層毎に積み上げて成膜する方法である。例えば、反応室内に一定の温度で設置されている半導体基板上に酸化ハフニウム膜（HfO）を成膜する場合、Hf原料となるテトラエチルメチルアミノハフニウム（ＴＥＭＡＨ/  Hf(N(CH3)(C2H5))4）と、酸化剤であるオゾン（O3）を交互に導入する。ＴＥＭＡＨとオゾンの導入の間には、それぞれのガスが気相中で反応しないよう、余剰なＴＥＭＡＨを排除するため、真空引き及び不活性ガスパージのステップを設けている。各々のガスが気相中で反応してしまうと、原子層成長が阻害され、トレンチ内への一様な成膜が困難となってしまう。
【０００３】
ＴＥＭＡＨ導入、真空引き、不活性ガスパージ、オゾン導入、真空引き、不活性ガスパージの６ステップからなる１サイクルで成膜される厚さは、約０．１ｎｍである。例えば、ＤＲＡＭキャパシタの容量絶縁膜に用いる場合に必要とされる酸化ハフニウムの厚さが６ｎｍであると仮定すると、６０サイクル必要となる。また、前記トレンチ内に一様に成膜するためには、前記各ステップに要する時間は少なくとも１０sec必要となる。したがって、１サイクルで６０sec、６０サイクルで３６００sec要することになる。この処理時間では、半導体基板を１枚ずつ処理する枚葉式ＡＬＤ装置で生産性を確保するのは極めて困難である。
【０００４】
したがって、ＡＬＤ法による成膜を用いて生産性を確保するためには複数枚の半導体基板を同時に処理可能なバッチ式ＡＬＤ装置を用いる必要がある。例えば、前述の条件で１００枚の半導体基板を処理する場合、枚葉式装置では１００時間必要となるのに対し、バッチ式装置では２５枚以上の基板を同時に処理できるので、要する時間は５時間以内であり、生産性に関してはバッチ式装置に大きな優位性がある。
【０００５】
図６は、酸化ハフニウムを成膜する場合の従来のバッチ式ＡＬＤ装置の一構成例を示している。以下、その構成の概略について説明する。
反応室１０２を構成する反応管１０１の頂上部には、真空排気口１２５が設けられ、接続部１２６を介して真空バルブ１２７に接続され、さらに圧力調整弁１２８、真空配管１２９を通して真空ポンプ１３０および１３１に接続されている。また、反応室内には、ボートローダー１２６で支持され、複数の半導体基板１０４が搭載されたボート１０３が設置されている。さらに半導体基板を加熱するためにヒータ１０５が反応管１０１に外接されている。ハフニウムの原料ガスは、ＴＥＭＡＨ供給源１１２からＴＥＭＡＨ導入バルブ１１１、液体流量調整器（ＬＭＦＣ）１１０、気化器１０９、バルブ１０８、導入配管１０７を介してノズル１０６から反応室に供給される。気化器１０９には、窒素供給源１１５から流量調整器（ＭＦＣ）１１４、ＴＥＭＡＨキャリヤN2導入バルブ１１３を介して窒素が供給される。一方、酸化剤となるオゾンガスは、酸素供給源１２０から流量調整器（ＭＦＣ）１１９、オゾン発生器（オゾナイザー）１１８、オゾン導入バルブ１１７を介してノズル１１６から反応室に供給される。また、反応室をパージするための窒素ガスは、窒素供給源１２４から流量調整器（ＭＦＣ）１２３、パージN2導入バルブ１２２を介してノズル１２１から反応室に供給される。
【０００６】
上記、図６に示した構成例については、特許文献１（特開平６-２７５６０８号公報/  図３）に類似の構成が開示されている。図６の構成例および特許文献１の開示例では、ＴＥＭＡＨのノズル１０６が反応室の底部で開口状態となっている。この場合ノズル１０６から供給されたＴＥＭＡＨは、反応室の下方に位置する半導体基板に対しては充分供給されるが、反応室の上方に位置する半導体基板に対しては、充分供給されない状態となってしまう。その結果、下方に位置する半導体基板と上方に位置する半導体基板では成膜された酸化ハフニウムの膜厚が大きく異なってしまう問題がある。
【０００７】
一方、上記問題を解決する方法として、図７に示したように、反応室の上部まで延伸させたノズルを備えた装置が考案されている。ノズル１０６ａには、複数の半導体基板１０４の位置に対応して小孔が設けられ、先端は閉塞部１０６ｂで封止されている。この構成によれば、各半導体基板に対して、均一に原料ガスを供給することが可能となり、反応室内に設置された複数の半導体基板で上下方向に膜厚が異なってしまう問題を回避できる利点がある。同様の構成が特許文献２（特開２００４-２３０４３号公報/  図１）に開示されている。
【０００８】
以下に、図７の構成を有する装置で酸化ハフニウムを成膜するステップの一例を、図８の成膜シーケンスを用いて説明する。横軸は、経過時間（sec）を示している。
最初の０〜２０secでは、反応室内に設置した半導体基板を２５０℃に維持し、パージN2導入バルブ１２２をonにしてN2を供給し、反応室をhigh状態にして一定の圧力に保持している。
【０００９】
次の２０〜５０secのステップでは、パージN2導入バルブ１２２をoffにすると同時に、ＴＥＭＡＨ導入バルブ１１１およびＴＥＭＡＨキャリヤN2導入バルブ１１３をonにし（バルブ１０８は常時on状態としている）、ＴＥＭＡＨを反応室内に導入する。この段階で、ＴＥＭＡＨはノズル１０６ａの各小孔から噴出し、半導体基板１０４表面に原子層レベルで吸着する。
【００１０】
次の５０〜７０secのステップでは、ＴＥＭＡＨ導入バルブ１１１およびＴＥＭＡＨキャリヤN2導入１１３をoffにしてＴＥＭＡＨの供給を停止し、反応室を真空排気する。この段階で反応室内圧力はlow状態となり、反応室内に残留している余剰なＴＥＭＡＨが排除される。
【００１１】
次の７０〜９０secのステップでは、パージN2導入バルブ１２２をonにして反応室内をN2でパージし、反応室内をhigh状態にして一定圧力に保持する。この段階も反応室内に残留していたＴＥＭＡＨの排除に寄与する。
【００１２】
次の９０〜１２０secのステップでは、パージN2導入バルブ１２２をoffにしてパージN2の供給を停止すると同時に、オゾン導入バルブ１１７をonにし反応室内にオゾンを供給する。この段階で半導体基板１０４表面に吸着している原子層レベルのＴＥＭＡＨはオゾンによって酸化され、原子層レベルの酸化ハフニウムに変換される。この段階で形成される酸化ハフニウムの厚さは、０．１ｎｍ程度であり、膜状にはなっていない。
【００１３】
次の１２０〜１４０secのステップでは、オゾン導入バルブ１１７をoffにして反応室を真空排気して反応室内圧力をlow状態とする。さらに１４０〜１６０secのステップでは、パージN2導入バルブ１２２をonにして反応室をN2でパージし反応室内圧力をhigh状態に保持して、１サイクルが終了する。この後、連続的に同じサイクルを繰り返し、所望の膜厚の酸化ハフニウムを形成する。
【特許文献１】特開平６-２７５６０８号公報
【特許文献２】特開２００４-２３０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記複数の小孔を有するノズルを備えた装置と、その装置を用いた成膜法では、以下に述べる問題があった。
図７に示した従来装置におけるＴＥＭＡＨ供給用のノズルは、ノズルの先端が閉塞部１０６ｂで封止されており、ノズル内部の残留ＴＥＭＡＨを排気するためには、ノズルに設けられた小孔を通じて行なわざるを得なかった。したがって、ノズルの内部に残存するＴＥＭＡＨを効率よく排気することが困難となっていた。前述の成膜ステップにおいて、ＴＥＭＡＨの供給を停止した後、反応室を真空排気するステップおよび反応室をN2でパージするステップを経てもノズル自身の内部には依然としてＴＥＭＡＨが残留している。
【００１５】
その結果、排気不十分でノズル内に残留しているＴＥＭＡＨと後のステップで供給されるオゾンが気相中で反応してしまい、ノズル近傍の半導体基板には気相反応により生じた酸化ハフニウムが成膜されてしまい、半導体基板面内の膜厚均一性が低下する。また、トレンチ内での膜の被覆性を確保できなくなる問題がある。また、ノズル自身、特にガス噴出し口となる小孔付近への成膜が最も多く生じるため、小孔の径が変化したり、成膜した膜が剥がれてパーティクルの発生原因にもなる。
【００１６】
上記問題に鑑み、本発明の目的は、パーティクルの発生を抑え、半導体基板面内の膜厚均一性を確保して、トレンチ内での被覆性が良好な原子層成長法による成膜をおこなうための半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために本発明の半導体製造装置は、上下方向に離間配設された複数の半導体基板に近接するノズルを備え、前記ノズルは前記半導体基板の位置に対応する小孔を有し、前記小孔から原料ガスを噴出させ、前記半導体基板表面に薄膜を成膜する半導体製造装置であって、前記ノズルの先端が配管に接続され、前記配管を通して前記ノズル内の原料ガスを真空排気する機構を有することを特徴としている。
また、前記ノズルを複数備え、少なくとも１つは有機原料ガス供給用であり、他の少なくとも１つは酸化性ガス、窒化性ガスおよび還元性ガスから選択されるガス供給用であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明における半導体製造装置では、反応ガスを供給するノズルの先端を閉塞させず、配管を通して真空ポンプに接続している。したがって、ノズルに設けられた小孔を介さずに、反応室とは独立してノズル内を真空排気することが可能となり、ノズル内に反応ガスが残留することを回避できる。ノズル内に反応ガスが残留することを回避できるので、後のステップで他のガスが反応管内に供給されても気相反応により薄膜が形成されることを防止でき、パーティクルの発生や半導体基板面内の均一性劣化を回避できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の半導体製造装置の構成に係る第１の実施例として、酸化ハフニウムのＡＬＤ成膜の場合について、図１の装置断面模式図および図２（ａ）、（ｂ）の装置平面模式図を用いて説明する。なお、ノズル以外の部分の装置構成は、背景技術の項で説明した図６の装置構成と同じであり、重複する説明は省略する。
【００２１】
図１に示したように、本発明の装置構成では、半導体基板１０４の位置に対応する小孔を備えたノズル１０６ａを、折り返し部分１０６ｃおよび対向する位置に配置した外部配管接続部分１０６ｄに延伸させ、外部配管１３２および自動開閉機構を有するバルブ１３３を介して真空配管１２９に接続するようにした。
【００２２】
図２（ａ）は、図１の装置を上から見た場合の構成を示している。反応室１０２内中央に半導体基板１０４が設置されている。反応室パージ用のN2供給のために、パージN2導入バルブ１２２を介してノズル１２１を設けている。また、酸化剤となるオゾン（O3）供給のために、オゾン導入バルブ１１７を介してノズル１１６を設けている。一方、原料となるＴＥＭＡＨの供給については、バルブ１０８を介して導入配管１０７をガス噴出部となるノズル１０６ａに接続し、さらに折り返し部分１０６ｃを介して対向する位置に設けられた外部配管接続部分１０６ｄに接続している。外部配管接続部分１０６ｄは、外部配管１３２および自動開閉機構を有するバルブ１３３を介して真空ポンプに接続している。ここでは、外部配管１３２を導入配管１０７に対向する位置に配置したが、これに限るものではなく図２（ｂ）に示したように、直近に隣接して折り返す位置など任意の配置を選択することができる。なお、半導体基板間に均等に反応ガスを供給するために、ノズルは振れないようにガイド等を設けて固定することが望ましい。
【００２３】
また、本第１の実施例では、真空ポンプに接続されるノズルをＴＥＭＡＨ原料供給に適用した例について示したが、これとは別に複数本設け、オゾン供給ノズルにも同じ構成のノズルを適用してもよい。また、酸化性ガスであるオゾンに限らず成膜対象によっては、アンモニア（NH3）などの窒化性もしくは還元性ガスを用いることもできる。さらに、原料が複数に及ぶ場合であっても数に応じて設置することができる。また、図１ではガス供給系に原料ガスとしてＴＥＭＡＨを例示したが、複数の原料ガス源から供給される原料ガスを導入配管１０７で合流させ、ノズル１０６ａから混合ガスとして供給しても良い。
【実施例２】
【００２４】
本第２の実施例では、本発明における成膜シーケンスについて、図１に示した各バルブの動作を基に図３を用いて説明する。
【００２５】
最初の０〜２０secの間は、成膜前のスタンバイ状態を示している。本来は、半導体基板１０４を反応室１０２に設置した後の反応室内の温度安定化に３０分程度の時間を要するが、ここでは便宜上２０secに短縮している。ここでは半導体基板を２５０℃に保持した。このスタンバイ状態では、パージN2導入バルブ１２２をonにして反応室内にパージN2を供給し反応室内圧力をhigh状態に保持にした。
この時、パージN2流量は２０ＳＬＭ、反応室内圧力は５０Ｐａとなるようにした。一方、ＴＥＭＡＨキャリヤN2導入バルブ１１３およびＴＥＭＡＨノズル排気バルブ１３３をonにしてＴＥＭＡＨ供給ノズル内をN2でパージされる状態とした（バルブ１０８は常時on状態とした）。この時キャリヤN2流量は１ＳＬＭとした。
【００２６】
次の２０〜５０secのステップでは、パージN2導入バルブ１２２をoffにして反応室へのパージN2の供給を停止した。それと同時にＴＥＭＡＨ導入バルブ１１１をon、ＴＥＭＡＨノズル排気バルブ１３３をoffにして、ＴＥＭＡＨを反応室に供給した。ＴＥＭＡＨの流量は１ｓｃｃｍとした。また、反応室内圧力は、スタンバイ状態の圧力を維持して５０Ｐａとした。
この段階で半導体基板表面にはＴＥＭＡＨの吸着が生じる。なお、ＴＥＭＡＨノズル排気バルブ１３３をoffにするタイミングは、ＴＥＭＡＨ導入バルブ１１１をonにするタイミングに完全に一致しなくても問題はない。
【００２７】
次の５０〜７０secのステップでは、ＴＥＭＡＨ導入バルブ１１１およびＴＥＭＡＨキャリヤN2導入バルブ１１３をoffにし、ＴＥＭＡＨノズル排気バルブ１３３をonにした。パージN2導入バルブ１２２はoff状態を維持した。
この段階では、反応室およびノズル内に残留するＴＥＭＡＨを真空排気した。反応室内圧力はlow状態となり、５Ｐａであった。
【００２８】
次の７０〜９０secのステップでは、パージN2導入バルブ１２２をonにして反応室内をN2でパージした。また、８０secの時点でＴＥＭＡＨキャリヤN2導入バルブ１１３をonにしてノズル内もN2でパージした。
前段階の真空排気ステップに引き続く、本段階のN2パージステップにより、特にノズル内にＴＥＭＡＨが残留する問題を回避することができる。この段階での反応室内圧力は、high状態で１５０Ｐａとなるようにした。
【００２９】
次の９０〜１２０secのステップでは、パージN2導入バルブ１２２をoffにして反応室へのN2の供給を停止すると同時に、オゾン導入バルブ１１７をonにして反応室内へオゾンを供給した。酸素供給源１２０から１０ＳＬＭの酸素をオゾナイザー１１８に供給し、５００ｓｃｃｍのオゾンを発生させて反応室へ供給した。反応室内圧力は、前ステップの圧力を維持して１５０Ｐａとした。
この段階で、半導体基板表面に吸着しているＴＥＭＡＨがオゾンにより酸化され、原子層レベルの酸化ハフニウムが生成する。
【００３０】
次の１２０〜１４０secのステップでは、オゾン導入バルブ１１７をoffにして反応室を一旦真空排気し、反応室内圧力を８Ｐａのlow状態とした。さらに、１４０〜１６０secのステップでは、パージN2導入バルブ１２２をonにして反応室内圧力を５０Ｐａのhigh状態とし反応室をN2パージした。
この段階でガス供給ステップの１サイクルが終了する。引き続き、次サイクルのＴＥＭＡＨの供給から連続的に６０サイクル繰り返して半導体基板上に酸化ハフニウム膜を形成した。
【００３１】
本第２の実施例では、、真空ポンプに接続されるノズルをＴＥＭＡＨ原料供給に適用した場合の成膜シーケンスについて示したが、ＴＥＭＡＨノズルと同様に、オゾン供給系にも多孔ノズルを適用してオゾン供給後にノズル内に残留するオゾンを速やかに真空排気するシーケンスを実施することもできる。また、複数の原料に対応するノズルが備えられた場合であっても各ノズルに対応した真空排気シーケンスを実施することができる。
また、本実施例では、ＴＥＭＡＨを原料とする場合の例について示したが、これに限るものではなく、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ/  Al(CH3)3）など他の有機液体原料や気体原料にも適用可能である。
また、本実施例では、ＴＥＭＡＨの供給を停止した後、５０〜８０secの間、ＴＥＭＡＨキャリヤN2導入バルブ１１３をoffにして真空排気効率をより高めているが、ＴＥＭＡＨキャリヤN2導入バルブ１１３をoffにしなくてもノズル内でのＴＥＭＡＨ残留回避には効果がある。
【実施例３】
【００３２】
本第３の実施例では、ノズルの真空排気管を反応室の上部頂上から取り出す構成について図４に示している。成膜シーケンスは、第２の実施例と同じである。
ノズル１０６ａの先端に接続する折り返し部分１０６ｃは、反応室の下方へ折り返さず、中央付近で頂上へ引き出される外部接続配管１０６ｅに接続させた。さらに外部接続配管１０６ｅは自動開閉可能なＴＥＭＡＨノズル排気バルブ１３４および配管１３５を介して真空配管１２９に接続するように構成した。
【実施例４】
【００３３】
本第４の実施例では、第１の実施例の構成と第２の実施例の成膜シーケンスで酸化ハフニウムを成膜した場合の、半導体基板表面に付着したパーティクルと半導体基板面内の膜厚均一性を図７の従来技術と比較し、図５を用いて説明する。
図５は、１バッチ当たり５１枚の３００ｍｍΦ基板を２５バッチ処理した後の、パーティクルの測定個数と、半導体基板面内の膜厚均一性を示している。パーティクルは、レーザー散乱式のパーティクルカウンターを用い、粒径０．２μｍ以上のパーティクルを測定した。一方、均一性は、面内４９点の膜厚をエリプソメーターにより測定して平均値を求め、最大膜厚と最小膜厚の膜厚差を平均値で除して均一性とした。いずれの場合も、５０枚の内、中央に位置する基板を測定した。
【００３４】
図に示した従来技術は、背景技術で説明した多孔ノズルの先端が閉塞している構成の場合である。図中Ａは均一性を、Ｂはパーティクル測定結果を示している。従来技術では、パーティクルが約８００個で均一性が９％程度であった。これに対し、本発明の構成および成膜シーケンスによれば、パーティクルは３０個に減少し、均一性は１％に向上していた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第1実施例を説明するための反応室構成断面模式図
【図２】図１の上部から見た反応室構成平面模式図
【図３】本発明の装置構成による成膜シーケンス
【図４】本発明の第2実施例を説明するための反応室構成断面模式図
【図５】本発明の効果を説明するためのパーティクルおよび均一性の比較図
【図６】従来の技術を説明するための反応室構成断面模式図
【図７】従来の技術を説明するための反応室構成断面模式図
【図８】従来の技術における成膜シーケンス
【符号の説明】
【００３６】
１０１    反応管
１０２    反応室
１０３    ボート
１０４    半導体基板
１０５    ヒータ
１０６、１０６ａ、１１６、１２１    ノズル
１０６ｂ    閉塞部
１０６ｃ    折り返し部分
１０６ｄ    外部配管接続部分
１０６ｅ    外部接続配管
１０７    導入配管
１０８    バルブ
１０９    気化器
１１０    液体流量調整器
１１１    ＴＥＭＡＨ導入バルブ
１１２    ＴＥＭＡＨ供給源
１１３    ＴＥＭＡＨキャリヤN2導入バルブ
１１４、１１９、１２３    流量調整器
１１５、１２４    窒素供給源
１１７    オゾン導入バルブ
１１８    オゾナイザー
１２０    酸素供給源
１２２    パージN2導入バルブ
１２５    真空排気口
１２６    接続部
１２７    真空バルブ
１２８    圧力調整器
１２９    真空配管
１３０、１３１    真空ポンプ
１３２    外部配管
１３３、１３４    ＴＥＭＡＨノズル排気バルブ
１３５    配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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