JP2007110153A - バッチ式真空処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】遠隔プラズマ処理プロセス処理を用い、ウェハの自然酸化膜除去などの表面処理を効率的に行うことができ、ウェハの歩留り悪化や装置負担を軽減し得るバッチ式真空処理装置を提供する。
【解決手段】上下方向に連通可能となるように縦型に構成される一対のチャンバを備えるバッチ式真空処理装置11の一対のチャンバのうち、上側チャンバを加熱チャンバ13として用い、下側チャンバをプロセスチャンバ12として用いる。この装置11を用い、プラズマ発生部15により発生する水素ラジカルを用いてプロセスチャンバ12内のウェハ5をバッチ単位で遠隔プラズマ処理し、自然酸化膜を除去する。さらに、バッチ単位のウェハ5を加熱チャンバ13に移送し、加熱処理を行ってウェハ5の副生成物であるアンモニア錯体の除去処理を行う。
【選択図】図3

Description

本発明は、例えば半導体ウェハ上に形成される薄膜の除去に用いる真空処理装置に関する。
半導体素子の製造に際して、半導体ウェハ等の基板に対してイオン打ち込みや配線など種々の成膜処理が行われる。この際、成膜処理前のウェハ上に周辺雰囲気に起因してシリコンから成る自然酸化膜が10〜20Å程度のごく薄い膜厚で容易に形成され種々の問題の発生原因となる。即ち、ウェハ上に直接配線すべき金属配線材料とp型またはn型半導体として加工されるウェハとの間に自然酸化膜が介在するとコンタクト抵抗を発生させる原因となり、また、単結晶シリコンから成るウェハ上にエピタキシャル成長により薄膜を形成する際に、この薄膜とウェハとの間に自然酸化膜が介在すると単結晶で形成するべき薄膜を多結晶化させてエピタキシャル成長の阻害要因となり、さらに、ウェハ上にごく薄い膜厚(50Å程度)で形成するべきゲート酸化膜の形成の際にウェハ上に自然酸化膜が形成されているとゲート酸化膜として機能する薄膜の膜厚制御に著しい困難をもたらす。
そこで、成膜処理前のウェハ上から自然酸化膜を除去するため、従来は、希フッ酸などの薬液による洗浄工程と乾燥工程とを繰り返す、いわゆる湿式処理が行われてきた。しかし、このような湿式処理を用いる場合、0.1μm以下のデザインルールが要求される配線用コンタクトホールの底部に形成された自然酸化膜に対しては、薬液を到達させ、循環させることは困難であり、特に近年は自然酸化膜除去法としては有用とされなくなった。
このため、ウェハ上の自然酸化膜除去を確実に行う方法として水素還元や水素プラズマなど乾式処理によるものが考えられるが、前者の水素還元法は800℃以上の高温が必要で実用的ではない。後者の水素プラズマを用いてウェハをプラズマエッチングしてウェハの自然酸化膜処理を行うときの温度条件は450℃程度であるが、ウェハ内でプラズマによるダメージが発生するのと、薄膜化が進んだ素子ではさらなる低温化が要求され、400℃以下で自然酸化膜を除去処理することが望ましく、このものも依然として問題が残る。
そこで、比較的低温の処理条件で、水素ラジカルを用いた乾式処理法による自然酸化膜除去方法が提案されている。このものは、N2ガスとNH3ガスとNF3ガスとを用いたものが考えられる。このものでは、N2ガスとNH3ガスとの混合ガスにマイクロ波を印加して水素ラジカル(H*)を発生させ、これとNF3ガスとを反応させてアンモニアフッ化物ガスを生成し、その後、このアンモニアフッ化物ガスが、自然酸化膜を構成するSiO2をエッチングする。また、副生成物であるアンモニア錯体が生成されるが、このアンモニア錯体は100〜200℃で熱分解されるものである。即ち、
*+NF3→NHxFy(NHxFyが自然酸化膜をエッチングする。)
NHxFy+SiO2→(NH42SiF6+H2O↑(副生成物)
としてアンモニアフッ化物(NHxFy)と自然酸化膜(SiO2)との反応で生成されると考えられるアンモニア錯体((NH42SiF6)を以下のように蒸気圧の高いガスに分解して蒸発させるものである。
(NH42SiF6→NH3↑+HF↑+SiF4
この際に自然酸化膜を除去するために要する温度は100〜200℃程度であり、ウェハの温度制約条件内である。
このようにして自然酸化膜の除去処理を完了したウェハは水素終端シリコンウェハとしてその後の成膜処理に適している。
特開平10−335316号公報
ところで、この種の遠隔プラズマ処理方法を用いてウェハの自然酸化膜を除去するための装置として、従来、特開平10−335316号公報で示すものが知られている。図1は、このものの要部断面図である。N2ガスとH2ガスとをプラズマ発生装置1に導入して水素ラジカル(H*)を発生させて処理装置2の内部に導入し、その後水素ラジカルとNF3ガスとが反応して形成されると考えられるNHxFyガスを加熱台3上に基板ホルダ4を介して載置したウェハ5上に吹き付けてウェハ5の自然酸化膜をNHxFyガスでエッチングさせる。その後加熱台3によりウェハ5の温度を上昇させて副生成物のアンモニア錯体の除去処理を行っている。ところが、このものは枚葉式であるので、自然酸化膜の除去処理に要する一連の工程(仕込み→エッチング→加熱→取出し)に基板1枚あたり約3分を要し、成膜のための前処理工程としては実用的ではない。
そこで、上記枚葉式処理装置に替えてバッチ式処理装置を用いることが考えられる。このようなバッチ式処理装置の要部断面図を図2に示す。この装置6では、50枚程度のウェハを1バッチとし、ウェハバッチ7をウェハ支持台8に取り付け、装置6の外部からN2ガスとNH3ガスとをプラズマ発生装置9に導入して水素ラジカル(H*)を発生させ、その後水素ラジカルの気流上にNF3を導入して、水素ラジカルとNF3ガスとの反応により生成されると考えられるNHxFyガスをウェハバッチ7に吹き付けて、ウェハの自然酸化膜をエッチングする。そして、その後に装置6の外部に設けた加熱源10によりウェハの温度を上昇させてアンモニア錯体の除去処理を行っている。なお、このものでは、加熱源10が装置6の外部に設けられているが、装置6の内部に設けられる場合もある。
このようなバッチ式処理装置では、ウェハの1回の処理枚数は増加するが、ウェハの自然酸化膜のエッチング反応を25℃程度で行った後、副生成物であるアンモニア錯体を蒸発させるため、加熱源10により装置6全体を150℃程度に加熱するための時間を要する。即ち、ウェハの自然酸化膜のエッチング反応は、いわゆるドライエッチング工程であるが、一般にエッチング工程は温度が低いほどエッチング効率が向上するため、25℃程度の温度を維持して反応を行う必要があり、その後に加熱工程に移行する。そして、ウェハバッチ7の取出しのため、室温まで冷却する必要があり、その待機する時間まで含めると上記の自然酸化膜の除去処理の一連の工程に要する時間は200分程度と依然として効率的でない。このため急速冷却機構を付設することも考えられるが、装置6はアルミニウムなどの耐腐食性の金属により構成されることが多く、このような金属装置に対して急速冷却を繰り返すことで、金属に対する圧縮膨張の繰り返しストレスに起因してパーティクルが発生するなどして、処理基板の歩留りの悪化や、装置の耐用年数に対して悪影響を及ぼすことが懸念される。
本発明は、上記問題点に鑑み、遠隔プラズマ処理プロセスなどのプラズマ処理を用い、例えばウェハの自然酸化膜除去などの表面処理を効率的に行うことができ、装置負担を軽減し得るバッチ式真空処理装置を提供することを課題としている。
上記課題を解決するため、本発明は、1枚以上の基板にバッチ処理を行うため、上下方向に連通可能となるように縦型に構成される一対のチャンバを備え、上記のように加熱工程を伴う表面処理プロセスを行う目的で、前記一対のチャンバのうち、上側に位置する一方のチャンバを加熱チャンバとし、下側に位置する他方のチャンバをプロセスチャンバとして用いることができる。このように縦型に構成される装置は、横型など他の形態に比べ占有面積が小さくコンパクトな構造の装置を構成することができ、さらに、上部に加熱チャンバを配置することで高温制御が必要な加熱チャンバと、これが不要なプロセスチャンバとの間の温度制御が容易になる。
この場合、前記加熱チャンバと前記プロセスチャンバとの間に冷却機構を介設して、加熱チャンバとプロセスチャンバとを断熱する構成とすると、両チャンバ間の温度制御をさらに確実に行うことができる。
さらに、この場合、前記プロセスチャンバを用いて、このプロセスチャンバ内に配置した基板に対するプラズマ表面処理、即ち、プロセスチャンバ内に上記のように水素ラジカルとNF3ガスとを導入して、基板の自然酸化膜をエッチング反応し、その後、副生成物であるアンモニア錯体を有する基板ごと加熱チャンバに搬送し、加熱処理を行って基板上のアンモニア錯体を除去するなどの表面処理を行うことができる。
さらに、このような基板に対するプラズマ表面処理に際し、前記した一対のチャンバの外部に設けたプラズマ発生源から発生する活性種として水素ラジカルを用いるようにすれば、遠隔プラズマ表面処理により基板の自然酸化膜を除去するなどの表面処理を行うことができる。遠隔プラズマ処理は、基板を直接プラズマに曝す必要がないので基板の保護上有用である。
そして、このような遠隔プラズマ表面処理を行うため、プロセスチャンバにガス導入口とガス排気口とを設け、ガス導入口の中心軸とガス排気口の中心軸とが同一直線上に配置するようにプロセスチャンバを構成すれば、複数枚同時に提供されるバッチ処理において基板のそれぞれに上記のような反応性ガスが気流として均等に接触できるので、バッチ方式でも各基板を確実に処理することが可能である。
さらに、基板に対してプラズマ表面処理等を行う際に、基板を上下方向に揺動させると共に水平面上で回転させるように作動させると、上記の各基板において、表面処理の均一性はさらに向上し、バッチ式処理の効率が向上する。
例えば、ウェハ上に形成された自然酸化膜を除去するプロセスを行う場合は、プロセスチャンバを用いて、ウェハに対するプラズマ表面処理工程を、真空を維持したままその後の加熱工程を経ることにより、バッチ式で確実に行い得る。
そして、加熱チャンバを、このチャンバ外部に設けた外部ヒータと、補助熱源としてこのチャンバ内部に設けたランプヒータとを備えるように構成すれば、あらかじめ外部ヒータにより加熱チャンバを所望温度に保つ場合に、その後に上記プロセスチャンバから基板が搬送されるときの加熱チャンバの温度低下をランプヒータの作動により早期に回復することが可能であり、このようにしてウェハのアンモニア錯体の除去などの表面処理を効率的に行うことができる。
以上の説明から明らかなように、本発明の装置を用いると、縦型に連通可能に構成される加熱チャンバとプロセスチャンバとにより、バッチ単位のウェハに対して自然酸化膜除去処理などの表面処理を効率よく行うことができる。また、本発明装置は、各チャンバにおける温度の変動を抑制できるので、装置負担を軽減することが可能である。さらに、本発明の装置の上部チャンバとして、加熱チャンバと成膜チャンバとを並置すると、ウェハの自然酸化膜の除去処理などの表面処理とその後の成膜処理とを一体化して行うことができ、さらに効率よく成膜を行うことができる。
図3は、本発明のバッチ式真空処理装置の第1の実施態様の断面図である。本処理装置11は、50枚程度のバッチ単位のウェハ5の自然酸化膜の除去処理を行うもので、プロセスチャンバ12と、加熱チャンバ13と、プロセスチャンバ12に反応ガス導入管14を介して接続するプラズマ発生部15とで構成されている。
プロセスチャンバ12と反応ガス導入管14とはガス導入口16を介して連結され、また、このガス導入口16の中心軸の延長線上にガス排出口17の中心軸が位置するようにガス排出口17が設けられ、プロセスチャンバ12はこのガス排出口17を介して図外のメカニカルブースタポンプとドライポンプとに選択可能に連結するガス排出管18と連結している。また、プロセスチャンバ12内には、上下方向に伸縮可能なロッド19を介して昇降可能な昇降台20が設けられ、この昇降台20にはウェハ5をバッチ(1バッチはウェハ50〜100枚)単位で収納できるウェハ支持台8が、ウェハ支持台8用の回転機構21を介して載置されている。そして、バッチ単位のウェハ5はウェハバッチ7として、図外の仕入取出口を介して、ウェハ支持台8に収納され、または、ウェハ支持台8から取出される。さらに、プロセスチャンバ12の下方には、プロセスチャンバ12の外部と連通する冷却用送風管22が設けられている。さらに、プロセスチャンバ12の下方部分には図外のパイプが巻回され、このパイプ内を冷却水や加熱用オイルが選択可能に循環できるように構成されている。
プロセスチャンバ12の上部に位置して、仕切弁23を介して加熱チャンバ13が取付けられている。加熱チャンバ13の外部には、抵抗加熱炉やマントルヒータなどの外部加熱源24とターボ分子ポンプ25とが取付けられている。また、加熱チャンバ13の内部には、ランプヒータなどの補助熱源26と温度モニタ用の熱電対27とが取付けられている。さらに、加熱チャンバ13の上方には、加熱チャンバ13の外部と連通するパージガス導入管28が取付けられている。
プロセスチャンバ12と加熱チャンバ13との間に介設した仕切弁23は、水平方向に開閉可能に設けられており、プロセスチャンバ12内でロッド19が伸張して昇降台20上のウェハ支持台8に支持されたウェハバッチ7が加熱チャンバ13内に挿入する際は仕切弁23が開かれる。なお、ウェハバッチ7が加熱チャンバ13内に配置されるように上昇したときに、昇降台20の上部両端とプロセスチャンバ12の上部側壁とが当接して、プロセスチャンバ12と加熱チャンバ13とが隔離される。また、この隔離を確実に行うため、昇降台20の上部両端部分にはOリング20aを取付けている。また、プロセスチャンバ12と加熱チャンバ13との断熱効果を確実にするため、両チャンバの連結部には図外のパイプが巻回され、このパイプ内を冷却水が循環できるように構成されている。
そして、プロセスチャンバ12の側面方向の外部から反応ガス導入管14を介して接続するプラズマ発生部15は、N2ガスとNH3ガスとを導入する第1導入管29と、NF3ガスを導入する第2導入管30と、マイクロ波プラズマ発生装置31とで構成されている。この構成において、第2導入管30とマイクロ波プラズマ発生装置31とは最適位置に離間することが望ましい。第2導入管30から導入されるNF3ガスが逆流してマイクロ波プラズマ発生装置31に到達し、フッ素ラジカルが形成されてプロセスチャンバ12に流入すると、好ましくない副反応を招いてプロセスチャンバ12内のウェハ5に損傷を与える可能性があるからである。なお、プロセスチャンバ12内の反応ガス導入管14の導入口16近傍には、図外のシャワーノズルが設けられ、プラズマ発生部15から導入されるガスが均等に拡散されて、導入口16に対向して位置するウェハバッチ7の各ウェハ5に等しく吹き付けられるように構成されている。
なお、図3のバッチ式真空処理装置11を構成するプロセスチャンバ12と加熱チャンバ13とは、ハロゲンガスによる腐食を抑制するためにアルミニウム製とする。
さて、図3のバッチ式真空処理装置を用いて、ウェハバッチ7を構成する各ウェハ5の自然酸化膜の除去処理を行うに際し、まず、図外の仕入取出口より移載機を用いてアルミボートなどのウェハ支持台8に50〜100枚単位のウェハ5を収納する。仕切弁23や仕入取出口を閉じた後、ガス排出管18に連なる図外のメカニカルブースタポンプとドライポンプとを作動させて、プロセスチャンバ12を130Pa程度に到達させる。そして、プロセスチャンバ12におけるエッチングレートを最適にする目的で、プロセスチャンバ12に接続している図外の冷却パイプ内に冷却水を流し、プロセスチャンバ12内を25℃程度の温度に保つ。
一方、上記作動と並行してプラズマ発生部15において、第1導入管29からN2ガスとNH3ガスとの混合ガスを導入し、この混合ガスをマイクロ波プラズマ発生装置31でプラズマ励起して水素ラジカルを発生させる。そして、第2導入管30から導入されるNF3ガスとこの水素ラジカルとを反応させてアンモニアフッ化物ガスを生成する。これらの反応は以下の過程で行われていると考えられる。
*+NF3→NHxFy
次に、このアンモニアフッ化物ガスをプロセスチャンバ12内に導入する。アンモニアフッ化物ガスは上記したシャワーノズルなどの適宜手段により、ウェハバッチ7を構成する各ウェハ5に均等に吹き付けられる。そして、この際に、各ウェハ5の自然酸化膜はエッチング反応によりエッチングされる。
なお、各ウェハ5へのアンモニアフッ化物ガスの均等な吹き付けを確実にするために、プロセスチャンバ12内のウェハ支持台8を、回転機構21により10rpmで回転軸回りに水平面上で回転し、さらに、ロッド19の伸縮作動により上下方向に揺動させる。
この状態で、2分間程度アンモニアフッ化物ガスを吹き付けた後、このアンモニアフッ化物ガスの導入を終了する。そして、プロセスチャンバ12の圧力状態を当初の130Pa程度に回復させた後、仕切弁23を開きロッド19を伸張させて、ウェハバッチ7を加熱チャンバ13に、ウェハ支持台8と一体的に搬送する。このウェハバッチ7の搬送に際して、加熱チャンバ13は、あらかじめ120〜150℃に保たれており、また、ウェハバッチ7が搬送される際に、プロセスチャンバ12内の残留ガスが流入しないように、パージガス導入管28よりN2ガスを適当な流量で導入して加熱チャンバ13からプロセスチャンバ12へのダウンフローを維持する。さらに、ウェハバッチ7が搬送される際に、加熱チャンバ13内の温度が一時的に低下するので、これを軽減するために補助熱源26を作動させる。このときのバッチ式真空処理装置11の状態は図4に示す通りである。
この状態で、ウェハバッチ7の各ウェハ5を3分間程度加熱し、ウェハ5上のアンモニア錯体を分解して蒸発させる。また、この分解と蒸発とを確実に行うため、上記の加熱後にターボ分子ポンプ25を5分間程度作動させる。このとき各ウェハ5上では以下の過程の反応が行われていると考えられる。
(NH42SiF6→NH3↑+HF↑+SiF4
このようにして、ウェハ5上のアンモニア錯体は、揮発性の高いNH3ガスやHFガスやSiF4ガスを生成する。そして、これらのガスが蒸発することにより、ウェハ5が水素で終端された状態になるものである。
そして、加熱チャンバ13における処理が終了したウェハバッチ7を、ロッド19を圧縮させてプロセスチャンバ13に下降させ、仕切弁23を閉じた後、冷却ガス導入管22から冷却N2ガスを吹き付けて5分間程度冷却した後、図外の仕入取出室に搬送し、さらに装置11の外部に取出して、その後の成膜処理工程に搬送する。このようにしてウェハの自然酸化膜の除去処理に要する時間は全体でおおむね30分強である。
さらに、本発明のバッチ式真空処理装置の第2の実施態様を図5に示す。図3及び図4の装置11と相異するのは、プロセスチャンバ12がロードロックチャンバを兼ねている点と、装置上部に加熱チャンバ13と成膜チャンバ32とが並置されている点である。このようにしてバッチ式真空処理装置を構成することにより、上記の第1の実施の態様と同様にしてプロセスチャンバ12と加熱チャンバ13とを用い、自然酸化膜の除去処理などの表面処理を終了したウェハ5はウェハバッチ7として、昇降台20と一体的にボート移載機構33によりロードロックチャンバ12内で移送して、成膜チャンバ32の直下に到達する。さらに上記のロッド19の伸縮による昇降機構により、表面処理が終了した直後のウェハ5をウェハバッチ7として成膜チャンバ32に搬送する。成膜チャンバ32内の詳細は省略してあるが、加熱チャンバ13の場合と同様に、仕切弁34により閉鎖系を構成することができ、成膜チャンバ32内での成膜処理を確実に行うことができるようにしている。そして、このような構成により、表面処理後のウェハ5は、表面処理時の真空状態を維持しながら、バッチ単位でその後の成膜処理に移行することができる。
このような形態で成膜チャンバ32に用いることが可能な装置として、エピタキシャル成膜装置、アニール処理装置、プラズマ改質装置、CVD装置、酸化処理装置などが挙げられる。
図3及び図4に示すバッチ式真空処理装置11を用いて上記第1の実施の態様に示す方法でウェハの自然酸化膜の除去処理を行った。このときの処理条件は、導入ガスの流量として、N2ガスを1000sccm、NH3ガスを100sccm、NF3ガスを100sccmである。また、水素ラジカル発生のためN2ガスとNH3ガスとに印加するマイクロ波のエネルギーを1000W、プロセスチャンバ内の圧力を約530Paとした。このときの処理時間と自然酸化膜(SiO2)に対するエッチング量(Å)との関係を図6に示す。図6により、通常10Å程度に形成されるウェハ上の自然酸化膜は、1〜2分程度のプラズマ表面処理によりエッチングされることが分かる。
したがって、図3及び図4のバッチ式真空処理装置により、その後の2分間程度の加熱処理も含めた真空処理を行うことにより、ウェハ上の副生成物であるアンモニア錯体は確実に効率よく除去できることがわかる。
従来の枚葉式表面処理装置の要部断面図 従来のバッチ式表面処理装置の要部断面図 ウェハがプロセスチャンバ内に位置するときの本発明の第1の実施の態様を示す要部断面図 ウェハが加熱チャンバ内に位置するときの本発明の第1の実施の態様を示す要部断面図 本発明の第2の実施の態様を示す要部断面図 本発明の第1の実施の態様の装置を用いたときのエッチング効果を示すグラフ
符号の説明
5 ウェハ
12 プロセスチャンバ(下側チャンバ)
13 加熱チャンバ(上側チャンバ)
16 ガス導入口
17 ガス排出口
24 外部加熱源
26 補助熱源
32 成膜チャンバ

Claims (6)

  1. 上下方向に連通可能となるように縦型に構成される一対のチャンバを備え、前記一対のチャンバのうち、上側に位置する一方のチャンバを加熱チャンバとして用い、下側に位置する他方のチャンバをプロセスチャンバとして用いることを特徴とするバッチ式真空処理装置。
  2. 前記プロセスチャンバを、該チャンバ内の基板に対するプラズマ表面処理に用いることを特徴とする請求項1に記載のバッチ式真空処理装置。
  3. 前記プロセスチャンバを用いて行う、前記基板に対するプラズマ表面処理は、前記一対のチャンバの外部に設けたプラズマ発生源から発生する活性種を用いる遠隔プラズマ表面処理であることを特徴とする請求項2に記載のバッチ式真空処理装置。
  4. 前記基板に対するプラズマ表面処理に用いるプロセスチャンバにガス導入口とガス排気口とを設け、該ガス導入口の中心軸と該ガス排気口の中心軸とを同一直線上に配置することを特徴とする請求項2または3に記載のバッチ式真空処理装置。
  5. 前記基板に対してプラズマ表面処理を行う際に、前記基板を上下方向に揺動させると共に水平面上で回転させることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載のバッチ式真空処理装置。
  6. 前記加熱チャンバは、該チャンバ外部に設けた外部ヒータと、補助熱源として該チャンバ内部に設けたランプヒータとを備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のバッチ式真空処理装置。
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