JP4557503B2

JP4557503B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置

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Publication number: JP4557503B2
Application number: JP2003135988A
Authority: JP
Inventors: 啓輔中澤; 修有隅; 晃司山川; 祥隆綱島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: JP2004342748A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程では、ハロゲンランプヒーター等を熱源とする急速加熱（ＲＴＡ）装置を用いた加熱工程が広く行われている。このような急速加熱工程の一例として、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）のキャパシタ形成工程があげられる。
【０００３】
現在、強誘電体キャパシタの誘電体膜には、Ｐｂ(Ｚｒ_xＴｉ_1-x)Ｏ₃（チタン酸ジルコン酸鉛：ＰＺＴ）、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉（チタン酸ストロンチウムビスマス：ＳＢＴ）、Ｂｉ₃Ｔｉ₄Ｏ₁₂（ＢＩＴ）、(Ｂｉ,Ｌａ)₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂（ＢＬＴ）等が用いられ、強誘電体キャパシタの電極膜には、ＳｒＲｕＯ₃（ルテニウム酸ストロンチウム：ＳＲＯ）等が用いられている。これらの材料を用いて誘電体膜や電極膜を形成する場合、スパッタリング法や塗布法によって基板（ウエハ）上にアモルファス膜を堆積した後、急速加熱処理によりアモルファス膜を結晶化している。
【０００４】
しかしながら、急速加熱処理によって結晶化を行う際に、特定の元素（ＰＺＴでは鉛（Ｐｂ）、ＳＢＴ、ＢＩＴ及びＢＬＴではビスマス（Ｂｉ）、ＳＲＯではルテニウム（Ｒｕ））が蒸発しやすく、蒸発物が加熱容器（チャンバー）の壁面（天井）に付着するという問題がある。そのため、付着物が落下してダストの原因となるといった問題の他、付着物がヒーター（ランプ）からの加熱光を遮るため、ウエハ面内の温度分布が不均一になるといった問題や、ウエハ間で温度が変動するといった問題が生じる。これらの問題は、半導体装置の歩留まりや性能を低下させる大きな要因となる。そのため、チャンバーを常に清浄に保つために頻繁に洗浄を行う必要があるが、チャンバーの洗浄には多大な時間や労力を要する。
【０００５】
このような問題を解決するため、例えば特許文献１には、加熱処理の際に、ウエハとチャンバーの上面との間に透光性部材を介在させるという方法が提案されている。ヒーターを介在させることにより、蒸発物のチャンバーへの付着を防止することが可能である。しかしながら、透光性部材に蒸発物が付着するため、やはり上述したような問題を本質的に解決することは困難である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２８９１７５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の加熱方法及び加熱装置では、加熱処理によって生じた蒸発物がチャンバーの上面に付着してヒーターからの加熱光を遮るため、基板上の温度分布が不均一になるといった問題や、基板間で温度が変動するといった問題があった。したがって、基板を適正に加熱することができず、半導体装置の歩留まりや性能を低下させるといった問題があった。
【０００８】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、基板を適正に加熱することができ、半導体装置の歩留まりや性能の低下を防止することが可能な半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の視点に係る半導体装置の製造方法は、透光性容器内の第１の領域に、処理対象を有する基板を配置する工程と、前記第１の領域の真上の第３の領域からは前記基板に加熱光を供給せずに、前記第１の領域の真下の第２の領域から供給される加熱光によって前記基板を加熱する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の視点に係る半導体装置の製造装置は、基板が配置される第１の領域を内部に含む透光性容器と、前記第１の領域に配置された基板を加熱するための加熱光を生じる加熱部であって、少なくとも前記第１の領域の真下の第２の領域には設けられているが、前記第１の領域の真上の第３の領域には設けられていない加熱部と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造装置（急速加熱（ＲＴＡ）装置）の概略構成を模式的に示した図である。
【００１３】
サセプタ固定台１１にはサセプタ１２及び温度計１３が固定されており、サセプタ１２上にはウエハ（半導体基板）１４及び仕切り板１５を搭載できるようになっている。ウエハ１４は素子形成面を上側に向けてサセプタ１２上に配置され、ウエハ１４と仕切り板１５との間隔は１ｃｍ程度以下に設定される。仕切り板１５は、ウエハ１４よりも大きな面積を有しており、例えば石英ガラス等の透光性部材が用いられる。サセプタ固定台１１はローラー１６によってウエハローダー部１と処理部２との間を移動可能であり、図１に示すようにサセプタ固定台１１がチャンバー（透光性容器）１７に密着した状態で、チャンバー１７内は密閉状態となる。
【００１４】
チャンバー１７の外側には、例えばハロゲンランプヒーター（熱源）等で構成された加熱部１８が配置されており、サセプタ１２上に搭載されたウエハ１４を加熱できるようになっている。チャンバー１７には、加熱部１８からの加熱光（赤外線）を透過できるように、例えば石英ガラス等の透光性部材が用いられる。
また、チャンバー１７には、ガス流入口１９及びガス流入口１９の反対側に配置されたガス流出口（図示せず）が設けられており、加熱処理工程において種々のガスをチャンバー１７内に供給可能である。
【００１５】
図１の例では、加熱部１８は、チャンバー１７の下方側には配置されているが、チャンバー１７の上方側には配置されていない。加熱部１８は、ウエハ１４が配置される領域Ａ１（ウエハの外周に対応した領域）の真下の領域Ａ２に少なくともあればよいが、図１に示すように、領域Ａ２の外側の領域にも加熱部１８が設けられていることが好ましい。
【００１６】
また、加熱部１８は、単一のヒーターで構成されていてもよいが、点状或いは線状（棒状）の複数のヒーターで構成し、個々のヒーターの出力を調整できるようにしてもよい。図２は、ヒーターの配置パターンの一例を模式的に示した図であり、この例では領域Ａ２の内側及び外側に点状の複数のヒーター１８ａが配置されている。
【００１７】
加熱処理が施される処理対象は、ウエハ１４の上面（素子形成面）に形成されているため、加熱処理による蒸発物はチャンバーの上面に付着し、チャンバーの下面にはほとんど付着しない。従来のように上方側にも加熱部を設けている場合には、チャンバーの上面に付着した付着物によって上方側の加熱部からの加熱光が遮られ、ウエハ面内の温度分布が不均一になるといった問題や、ウエハ間で温度が変動する（ばらつく）といった問題が生じる。本実施形態の装置では、チャンバー１７の上方側に加熱部を設けておらず、チャンバー１７の下方側に設けられた加熱部１８によってウエハ１４を加熱するため、チャンバーの上面に蒸発物が付着していても、上述したような問題が生じることはなく、基板を適正に加熱することが可能である。
【００１８】
また、本実施形態では、加熱部１８に複数のヒーターを設けているため、ウエハ１４面内の温度分布の均一性を向上させることができる。特に、個々のヒーターの出力を調整することにより、温度分布を的確に調整することができ、温度分布の均一性をより向上させることが可能である。
【００１９】
また、ウエハ１４とチャンバーの上面との間に仕切り板１５を介在させて加熱処理を行うため、チャンバーの上面への蒸発物の付着を防止することができる。
蒸発物が仕切り板１５に付着しても、仕切り板１５は容易に交換及び洗浄を行うことができるため、清浄度を比較的高く保つことが可能である。したがって、仕切り板１５を介在させることで、付着物がウエハ１４上へ落下するといった問題を回避することが可能である。
【００２０】
以下、上述した加熱処理装置を半導体装置の製造工程に用いた場合の一例を説明する。ここでは、強誘電体メモリのキャパシタ形成工程に上述した加熱処理装置を用いた場合を例に説明する。
【００２１】
図３は、上述した加熱処理装置によって加熱処理が施されるウエハ１４の素子形成面近傍の構成について、その一例を模式的に示した断面図である。
【００２２】
トランジスタ３２及び層間絶縁膜３３等が形成された半導体基板３１上に、強誘電体キャパシタの構成膜である下部電極膜３４ａ、誘電体膜３４ｂ及び上部電極膜３４ｃが形成されている。誘電体膜３４ｂには、ペロブスカイト化合物であるＰｂ(Ｚｒ_xＴｉ_1-x)Ｏ₃（チタン酸ジルコン酸鉛：ＰＺＴ）やビスマス層状化合物であるＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉（チタン酸ストロンチウムビスマス：ＳＢＴ）、Ｂｉ₃Ｔｉ₄Ｏ₁₂（ＢＩＴ）、(Ｂｉ,Ｌａ)₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂（ＢＬＴ）等の強誘電体膜を用いることができ、下部電極膜３４ａ及び上部電極膜３４ｃには、ペロブスカイト化合物であるＳｒＲｕＯ₃（ルテニウム酸ストロンチウム：ＳＲＯ）等を用いることができる。
【００２３】
図３の例では、下部電極膜３４ａ及び誘電体膜３４ｂにはすでに加熱処理が施されて結晶化しており、処理対象としてアモルファス状態の上部電極膜３４ｃが誘電体膜３４ｂ上に形成されている。なお、加熱処理が施されるウエハは、下部電極膜３４ａ、誘電体膜３４ｂ及び上部電極膜３４ｃの全てが形成されている状態でなくてもよく、処理対象としてアモルファス状態の下部電極膜３４ａのみが形成されている状態でもよく、結晶化された下部電極膜３４ａ上に処理対象としてアモルファス状態の上部電極膜３４ｃが形成されている状態でもよい。
【００２４】
上述したＰＺＴ、ＳＢＴ、ＢＩＴ、ＢＬＴ及びＳＲＯ等の化合物では、加熱処理の際に、該化合物に含まれる特定の元素（ＰＺＴでは鉛（Ｐｂ）、ＳＢＴ、ＢＩＴ及びＢＬＴではビスマス（Ｂｉ）、ＳＲＯではルテニウム（Ｒｕ））が該化合物に含まれる他の元素よりも蒸発しやすい。したがって、本実施形態の加熱装置及び加熱方法を用いることが効果的である。
【００２５】
まず、サセプタ１２をウエハローダー部１に移動させて、サセプタ１２上に仕切り板１５を載せ、ウエハ１４を入れたキャリア（図示せず）をウエハローダー部に載せる。予め設定されたプログラムを起動すると、アーム（図示せず）がキャリアからウエハ１４を取り出し、ウエハ１４の素子形成面を上側に向けてサセプタ１２上に載置する。
【００２６】
次に、サセプタ固定台１１を処理部２に移動させてチャンバー１７に密着させ、ウエハ１４及び仕切り板１５が搭載されたサセプタ１２をチャンバー１７内に配置する。続いて、ガス供給口１９から所定のガスをチャンバー１７内に供給する。さらに、加熱部１８のランプヒーターを点灯し、所定の温度で所定時間、ウエハ１４を加熱する。加熱温度は、例えば４００℃から７５０℃の間の所定温度である。このとき、処理対象に含まれる特定の元素が蒸発して仕切り板１５に付着するが、加熱部がチャンバー１７の上方側には配置されていないため、付着物の影響はない。加熱処理中は、温度計１３によって基板温度がモニターされ、ヒーターの出力が調整される。
【００２７】
加熱処理が終了したら、サセプタ固定台１１をウエハローダー部１に移動させる。さらに、アームによってウエハ１４をサセプタ１２から取り上げ、ウエハ１４を冷却した後、キャリアに戻して一連の処理が終了する。
【００２８】
図４は、図１に示した製造装置の変更例について、その概略構成を模式的に示した図である。基本的な構成は図１に示した装置と同様であり、図１に示した構成要素と対応する構成要素については同一の参照番号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【００２９】
図１に示した例ではチャンバー１７の上方側には加熱部を配置していなかったが、図４の例ではチャンバー１７の上方側にも加熱部２０を配置している。ただし、図４に示すように、加熱部２０は、ウエハ１４が配置される領域Ａ１の真上の領域Ａ３には配置されておらず、領域Ａ３の外側の領域に例えばリング状に配置されている。加熱部１８は、単一のヒーターで構成されていてもよいが、点状或いは線状（棒状）の複数のヒーターで構成し、個々のヒーターの出力を調整できるようにしてもよい。また、加熱部２０の出力は、加熱部１８と加熱部２０の合計出力の３０％以下であることが好ましい。
【００３０】
一般にウエハ１４の外縁部では熱が逃げやすいため、温度が低下しやすい。図４の例では、加熱部２０を領域Ａ３の外側の領域に設けているため、ウエハ１４の中央部に比べて外縁部に多くの加熱光を供給することができ、外縁部における温度低下を防止することができる。また、ウエハ１４からの蒸発物は、ウエハ１４の真上の領域に多く付着し、その外側の領域への付着量は少ない。本例では、加熱部２０を領域Ａ３の外側の領域に設けているため、付着物によって加熱光が遮られる度合いは非常に少ない。したがって、付着物による影響をほとんど受けずに、ウエハ１４の外縁部に効果的に加熱光を供給することが可能であり、ウエハ面内の温度分布を均一化することができる。
【００３１】
以下、本実施形態の効果を検証するためのいくつかの測定例について説明する。測定に用いた試料は、シリコンウエハに形成した白金膜上にスパッタリングによってＳＲＯ膜を形成したものである。
【００３２】
測定例１（比較例）として、図５に示すような加熱処理装置を用いて測定を行った。図５の装置は、チャンバー１７の上方側の領域Ａ３にも加熱部２１を設けたものである。加熱処理は、酸素ガスを５リットル／分の流速で流しながら、６５０℃の温度で３０秒間行った。処理前と６９枚のウエハの処理後について、ウエハ面内の温度分布を測定した。図６に、その測定結果を示す。
【００３３】
温度差（最高温度−最低温度）の結果からわかるように、ウエハ面内の温度均一性は処理前と処理後で大きな変化は見られないが、ウエハ面内の平均温度は処理前に比べて処理後では１４℃低下している。これは、仕切り板１５の付着物によって加熱部２１からの加熱光が遮蔽されたためであり、ウエハ間での温度変動が大きくなることを意味している。
【００３４】
測定例２（比較例）として、図５に示すような加熱処理装置を用いて測定を行った。ただし、仕切り板１５は設置しなかった。加熱処理条件は測定例１と同様であり、ウエハ枚数は４３枚とした。図７に、その測定結果を示す。
【００３５】
温度差の結果からわかるように、処理後には温度差が５６℃であり、ウエハ面内の温度分布の均一性が大幅に悪化している。これは、酸素ガスの流れに沿って蒸発物が流れ、その結果、ガス流入側よりもガス流出側の方でより多くの蒸発物がチャンバー１７の天井に付着し、ガス流出側での加熱光の透過率が大幅に悪化したためである。
【００３６】
測定例３として、図１に示すような加熱処理装置を用いて測定を行った。加熱処理条件及びウエハ枚数は、測定例１と同様である。図８に、その測定結果を示す。
【００３７】
最低温度、最高温度及び平均温度とも、処理前と処理後とでほとんど変化はなく、ウエハ間での温度変動が大幅に低減されている。なお、ウエハ面内の温度差が処理前及び処理後ともに大きく、ウエハ面内の温度分布の不均一性が大きくなっているが、これは加熱部１８に棒状のヒーターを用いたためである。図２に示したような複数の点状のヒーターを用いて、個々のヒーターの出力を調整すれば、ウエハ面内の温度分布の均一性を高めることが可能である。
【００３８】
測定例４として、図４に示すような加熱処理装置を用いて測定を行った。加熱処理条件及びウエハ枚数は、測定例１と同様である。図９に、その測定結果を示す。
【００３９】
最低温度、最高温度及び平均温度とも、処理前と処理後とでほとんど変化はなく、ウエハ間での温度変動が大幅に低減されている。また、ウエハ面内での温度差は、処理前及び処理後ともに１２〜１３℃程度であり、ウエハ面内の温度分布の均一性も良好である。これは、領域Ａ３の外側の領域に加熱部２０が設けてあるため、ウエハ１４の外縁部での温度低下が抑制されたためである。
【００４０】
なお、上述した実施形態では、図１及び図４に示すように、ウエハ１４が配置される領域Ａ１の真上の領域Ａ３には加熱部を設けていないが、例えば図５に示したような領域Ａ３にも加熱部を設けた装置であっても、加熱処理の際に領域Ａ３のヒーターを点灯しなければ、図１或いは図４に示したような装置を用いて加熱処理を行った場合の効果と同様の効果を得ることが可能である。
【００４１】
また、上述した実施形態では、処理対象としてキャパシタの電極膜或いは誘電体膜を例に説明したが、処理対象はこれらに限定されるものではない。例えば、リン等の不純物を半導体基板にイオン注入した後の熱処理等にも、上述した実施形態と同様の方法を適用することが可能である。
【００４２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、基板を適正に加熱することができ、半導体装置の歩留まりや性能の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造装置の概略構成例を模式的に示した図である。
【図２】ヒーターの配置パターンの一例を模式的に示した図である。
【図３】加熱処理が施されるウエハの素子形成面近傍の構成例を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の実施形態の変更例に係る半導体装置の製造装置の概略構成例を模式的に示した図である。
【図５】本発明の実施形態の比較例に係る半導体装置の製造装置の概略構成例を模式的に示した図である。
【図６】本発明の実施形態の効果を検証するための測定結果を示した図である。
【図７】本発明の実施形態の効果を検証するための測定結果を示した図である。
【図８】本発明の実施形態の効果を検証するための測定結果を示した図である。
【図９】本発明の実施形態の効果を検証するための測定結果を示した図である。
【符号の説明】
１…ウエハローダー部、２…処理部、
１１…サセプタ固定台、１２…サセプタ、
１３…温度計、１４…ウエハ、
１５…仕切り板、１６…ローラー、
１７…チャンバー、１８、２０、２１…加熱部、
１９…ガス流入口、３１…半導体基板、
３２…トランジスタ、３３…層間絶縁膜、
３４ａ…下部電極膜、３４ｂ…誘電体膜、
３４ｃ…上部電極膜

Claims

透光性容器内の第１の領域に、処理対象を有する基板を配置する工程と、
前記第１の領域の真上の第３の領域からは前記基板に加熱光を供給せずに、前記第１の領域の真下の第２の領域から供給される加熱光及び前記第３の領域の外側の領域にリング状に配置された加熱部から供給される加熱光によって前記基板を加熱する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記処理対象はペロブスカイト化合物又はビスマス層状化合物であり、該化合物に含まれる特定の元素は該化合物に含まれる他の元素よりも蒸発しやすい
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
基板が配置される第１の領域を内部に含む透光性容器と、
前記第１の領域に配置された基板を加熱するための加熱光を生じる加熱部であって、少なくとも前記第１の領域の真下の第２の領域には設けられているが、前記第１の領域の真上の第３の領域には設けられていない加熱部と、
前記第３の領域の外側の領域に設けられ、前記基板を加熱するための加熱光を生じるリング状に配置された他の加熱部と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
前記基板と前記透光性容器の上面との間に仕切り板を介在可能な構造を有する
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造装置。