JP2010087361A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＴＰ処理後においてもパーティクルの発生を抑制する。
【解決手段】半導体装置の製造方法では、ウエハ２００を処理室２０１に搬入する工程と、処理室２０１に対して、ガス供給部２４９からＤＣＳガスを、ガス供給部２３８からＮＨ_３ガスを交互に供給し、ウエハ２００にＳｉＮ膜を形成する工程と、成膜済みのウエハ２００を処理室２０１から搬出する工程と、を繰り返し実行し、複数回にわたりウエハ２００に順次ＳｉＮ膜を形成する。成膜済みのウエハ２００を処理室２０１から搬出してその次に成膜しようとするウエハ２００を処理室２０１に搬入する間で、処理室２０１の温度を変動させる工程と、処理室２０１に対して、ガス供給部２４９からＮＦ_３ガスを、ガス供給部２３７からＮ_２ガスを供給するとともに、ガス供給部２３７でＮ_２ガスをプラズマ励起させる工程と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に基板に対し２種類の反応性ガスを交互に供給して成膜を行う技術に関する。

この種の技術の一例として、基板に対しＤＣＳガスとＮＨ_３ガスとを交互に供給してＳｉＮ膜を形成することが知られている（特許文献１参照）。特に、多数の基板に対し順次ＳｉＮ膜を形成する場合には、基板を処理室に搬入して処理室内にＤＣＳガス，ＮＨ_３ガスを交互に供給し、その後ＳｉＮ膜が形成された成膜済みの基板を処理室から搬出してその次に成膜しようとする基板を処理室に搬入し、このサイクルを繰り返している。

この場合、処理室を構成する反応管にも不要なＳｉＮ膜が付着するが、その膜が一定の膜厚に達すると膜応力に起因して反応管の壁面から剥離し、パーティクルが発生する。そのため、反応管に付着した不要なＳｉＮ膜を除去（エッチング）すべく、成膜済みの基板を処理室から搬出しその次に成膜しようとする新たな基板を処理室に搬入する間に、ＮＦ_３ガスを処理室に供給し（流通させ）、処理室内をクリーニングすることがある。

従来のクリーニング時においては、ＮＦ_３ガスを流通させる際に熱エネルギーを用いて当該ガスを活性化し、反応管内の全域にわたって不要なＳｉＮ膜をエッチングしている。しかしながら、この手法ではクリーニング時間として長時間（８時間程度）を要し、成膜装置の稼働率を低下させる要因となっていた。

そこでクリーニング時期を延命するために、ＬＴＰ（Low Temperature Purge）処理により、膜応力を緩和させることでパーティクルの発生を低減する手法が用いられている。ＬＴＰ処理とは、成膜済みの基板を処理室から搬出してその次に成膜しようとする基板を処理室に搬入する間に、図７に示す通り、処理室の温度を、意図的に昇温して急激に降温し、再度もとの温度に戻す処理である。その結果、図８に示す通り、処理室２０１を構成する反応管２０３とエッチングしようとする膜との熱膨張係数が互いに異なるため、膜ストレスにより膜クラックが発生して膜応力が緩和され、次回の成膜において低パーティクルが実現する。

ここで、ＬＴＰ処理を実行しなかった場合とした場合とで、ＳｉＮ膜がどの程度累積するとパーティクルが発生するかを概略的に説明する。

例えば、図９左側の装置構成における例で簡単に説明すると、当該装置では、反応管２０３の内部に２つのガス供給部２３７，２４９が設けられており、その間に排気管２３１が設けられている。一方のガス供給部２３７は壁２３８により区画されバッファ室となっており、バッファ室２３７中に２つの電極２６９，２７０が設けられている。電極２６９，２７０間には高周波電源２７３が設けられている。

成膜処理では、ガス供給部２４９からＤＣＳガスを、バッファ室２３７からＮＨ_３ガスを、交互に処理室２０１に供給しながら、排気管２３１からガスを排気する。ＮＨ_３ガスを供給する場合、高周波電源２３７から電極２６９，２７０間に電圧（３００Ｗ）を印加し、ＮＨ_３ガスをプラズマ励起させる。以上のような処理により、ウエハ２００に対しＳｉＮ膜を形成することができる（これに伴い、反応管２０３の内壁やバッファ室２３７の壁２３８の外壁にもＳｉＮ膜が付着する。）。

そして、成膜済みのウエハ２００を次の新たなウエハ２００に入れ替える際にＬＴＰ処理を実行する。詳しくは、成膜処理前後の処理室の温度を３００℃で保持するものとし、その間成膜処理後の処理室の温度を、３００℃で保持せずに意図的に８００℃まで昇温し、その後急激に２００℃まで降温し、再度３００℃に戻す。なお、この間、処理室内の圧力は真空引きにより約１０Ｔｏｒｒ以下の減圧状態を保持する。

以上の装置構成，ＬＴＰ処理条件において、ＬＴＰ処理を実行しなかった場合は、図１０上側に示す通り、ＳｉＮ膜の累積膜厚が１００００Åに達したときに、パーティクルの発生が顕著になっている。パーティクルの発生量はトップのウエハ２００，センターのウエハ２００，ボトムのウエハ２００の順で大きくなっている（ウエハ２００はボートに対し上下方向に沿って多数搭載されており、トップ，センター，ボトムはそのボートにおけるウエハ２００の配置位置である。）。

これに対し、ＬＴＰ処理を実行した場合は、図１０下側に示す通り、ＳｉＮ膜の累積膜厚が２００００Å超えた時点でパーティクルの発生が認められ、その発生量もＬＴＰ処理を実行しなかった場合に比べ少ない。以上から、ＬＴＰ処理の実行は、パーティクル発生を抑制するのに有用であることがわかる。
特開２００５−２８５９２２号公報

しかしながら、ＮＦ_３ガスを用いたクリーニング処理に代えてＬＴＰ処理を実行しても、ＳｉＮ膜の累積膜厚が一定膜厚（図１０では２００００Å程度）を超えると、パーティクルは発生し始める。仮に、累積膜厚が２００００ÅのＳｉＮ膜を、ＮＦ_３ガスを用いたクリーニング処理でエッチングしようとしても、１６時間程度の長時間を要し、クリーニング時間の短縮にはならない。

そこで、本発明者らはこの問題について検討したところ、ＬＴＰ処理後においては、パーティクルは処理室２０１の全域にわたり発生するのではなく、処理室２０１中の特定箇所で発生するということを見出した。すなわち、図９左側の装置構成において、具体的にパーティクルがどの部位で発生するのかを特定すると、図９右側に示す通り、パーティクルは反応管２０３中のバッファ室２３７の付近で発生しており、ＮＨ_３ガスをプラズマ励起させるバッファ室２３７がパーティクル発生要因となっていると推測した。

したがって、本発明の主な目的は、ＬＴＰ処理後においても長時間のクリーニングを施すことなくパーティクルの発生を抑制することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、
基板を処理室に搬入する工程と、
処理室に対して、第１のガス供給部からＤＣＳガスを、第２のガス供給部からＮＨ_３ガスを交互に供給し、基板にＳｉＮ膜を形成する工程と、
成膜済みの基板を処理室から搬出する工程と、
を繰り返し、複数の基板に対し順次ＳｉＮ膜を形成する半導体装置の製造方法において、
成膜済みの基板を処理室から搬出してその次に成膜しようとする基板を処理室に搬入する間で、
処理室の温度を変動させる工程と、
処理室に対して、前記第１のガス供給部からＮＦ_３ガスを、前記第２のガス供給部からＮ_２ガスを供給するとともに、前記第２のガス供給部でＮ_２ガスをプラズマ励起させる工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、処理室の温度を変動させパーティクルの発生を低減するのに加え、ＮＦ_３ガスとプラズマ励起させたＮ_２ガスとを処理室に供給し混合するから、ＮＦ_３ガスを励起させることができ、第２のガス供給部やその近傍に付着したＳｉＮ膜を局所的にエッチングすることができる。そのため、ＬＴＰ処理後においてもパーティクルの発生を抑制することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例について説明する。

図１に示す通り、本実施例にかかる基板処理装置はコントローラ２８０を備えており、コントローラ２８０により基板処理装置及び処理炉を構成する各部の動作等が制御される。

基板処理装置は処理炉２０２を有しており、処理炉２０２はヒータ２０７を有している。ヒータ２０７の内側には、ウエハ２００を処理するための反応管２０３が設けられている。ウエハ２００は基板の一例である。反応管２０３の下端開口はＯリング２２０を介してシールキャップ２１９により気密に閉塞されている。基板処理装置では、少なくとも、反応管２０３及びシールキャップ２１９により処理室２０１が形成されている。

シールキャップ２１９にはボート支持台２１８を介してボート２１７が立設されている。ボート２１７はウエハ２００の保持部材であり、ボート支持台２１８はボート２１７を保持する保持体である。ボート２１７は上下方向に移動可能となっており、ウエハ２００への処理中は処理室２０１に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が積載されている。ウエハ２００はボート２１７において水平姿勢で上下方向に多段に積載される。ヒータ２０７は処理室２０１に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。

処理室２０１には２本のガス供給管２３２ａ，２３２ｂが接続されている。ガス供給管２３２ａには流量制御装置であるマスフローコントローラ２４１ａとバルブ２４３ａとが設けられている。ガス供給管２３２ａにガスが流入すると、そのガスは反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７（後述参照）を介して処理室２０１に供給される。ガス供給管２３２ｂには流量制御装置であるマスフローコントローラ２４１ｂ、バルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７及びバルブ２４３ｃが設けられている。ガス供給管２３２ｂにガスが流入すると、そのガスは反応管２０３内に形成されたガス供給部２４９（後述参照）を介して処理室２０１に供給される。

さらに処理室２０１にはガスを排気するガス排気管２３１が接続されている。ガス排気管２３１にはバルブ２４３ｄを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されており、処理室２０１は真空ポンプ２４６により真空排気されるようになっている。バルブ２４３ｄは処理室２０１の真空排気とその停止ができる開閉弁である。バルブ２４３ｄは弁開度が調節可能であり、処理室２０１の圧力を調整可能とする。

図１，図２に示す通り、処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間には、バッファ室２３７が設けられている。バッファ室２３７は反応管２０３の一部の内壁と石英製の壁２３８とによって区画された反応管２０３内の部位であって、上下方向（ウエハ２００の積載方向）に沿って形成されたガス分散部位である。バッファ室２３７を構成する壁２３８にはガスを供給するためのガス供給孔２４８ａが設けられている。ガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心へ向けて開口している。ガス供給孔２４８ａは複数形成されている。各ガス供給孔２４８ａはそれぞれ同一の開口面積を有し、上下方向に沿って同じ開口ピッチ（間隔）で設けられている。

バッファ室２３７にはノズル２３３が配設されている。ノズル２３３はバッファ室２３７においてガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部に配置されている。ノズル２３３はバッファ室２３７中を上下方向（ウエハ２００の積載方向）に沿って延在している。ノズル２３３にはガスを供給するための複数のガス供給孔２４８ｂが設けられている。本実施例では、少なくとも壁２３８，ノズル２３３によりガス供給部が構成されており、実質的にバッファ室２３７が当該ガス供給部に相当している。

各ガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理室２０１の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。

本実施例においては、ガス供給孔２４８ｂの開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。このように構成することで、各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量がほぼ同量であるガスを、バッファ室２３７に噴出させている。バッファ室２３７内において、各ガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、粒子速度差が緩和された後、ガス供給孔２４８ａから処理室２０１に噴出される。よって、各ガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各ガス供給孔２４８ａより噴出される際には、均一な流量と流速とを有する。

さらに、バッファ室２３７には、細長い構造を有する棒状電極２６９，２７０が配設されている。棒状電極２６９，２７０は電極保護管２７５に保護されている。電極保護管２７５は上下方向にわたり棒状電極２６９，２７０を被覆している。棒状電極２６９，２７０のいずれか一方は整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。その結果、棒状電極２６９，２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。

電極保護管２７５は、棒状電極２６９，２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７に挿入できる構造を有している。ここで、電極保護管２７５の内部が外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された棒状電極２６９，２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージして酸素濃度を充分低く抑え、棒状電極２６９，２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構（図示略）が設けられる。

処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間には、ガス供給部２４９が設けられている。ガス供給部２４９は、石英製の壁２５０により区画された反応管中の部位であって、ＡＬＤ法による成膜において、ウエハ２００へ複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。

ガス供給部２４９には上下方向に延在するノズル２３４が設けられており、ノズル２３４の下部にはガス供給管２３２ｂが接続されている。ノズル２３４にはガス供給孔２４８ｄが形成されている。ガス供給部２４９の壁２５０もバッファ室２３７の壁２３８と同様に、ウエハ２００と隣接する位置に同一ピッチでガスを供給するためのガス供給孔２４８ｃを有している。

ガス供給孔２４８ｃの開口面積はガス供給部２４９内と処理室２０１内の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。本実施の形態においては、ガス供給孔２４８ｃの開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。

図１に示す通り、反応管２０３内の中央部には複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられている。ボート２１７はボートエレベータ機構（図示略）により反応管２０３に出入りできるようになっている。さらにボート２１７には処理の均一性を向上するために回転装置であるボート回転機構２６７が設けられている。ボート回転機構２６７が回転することにより、ボート保持台２１８に保持されたボート２１７を回転させるようになっている。

制御手段であるコントローラ２８０は、マスフローコントローラ２４１ａ，２４１ｂ、バルブ２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃ，２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図中省略のボートエレベータ機構、高周波電源２７３、整合器２７２等に接続されている。コントローラ２８０により、マスフローコントローラ２４１ａ，２４１ｂの流量調整、バルブ２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃの開閉動作、バルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７の温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボートエレベータ機構の昇降動作制御、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御等が行われる。

次に、ＡＬＤ法による成膜例について、半導体デバイスの製造工程の一つである、ＤＣＳ及びＮＨ_３ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。

ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法の中の１つであるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となる処理ガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。

利用する化学反応は、例えばＳｉＮ（窒化珪素）膜形成の場合、ＡＬＤ法ではＤＣＳ（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ジクロルシラン）とＮＨ_３（アンモニア）とを用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の処理ガス（反応性ガス）を１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。）。

まず、成膜しようとするウエハ２００を、一定温度（例えば３００℃）に保持されたボート２１７に装填して処理室２０１に搬入する。搬入後、真空ポンプ２４６やバルブ２４３ｄを制御して処理室２０１内を真空引きしながら、ヒータ２０７を制御して処理室２０１を一定温度（例えば５５０℃程度）まで昇温する。

その後、次の４つのステップから構成される処理を順次実行し、ウエハ２００に対しＳｉＮ膜を形成する。

［ステップ１］
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ_３ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを並行して流す。
まず、ガス供給管２３２ａに設けたバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けたバルブ２４３ｄを共に開けて、ガス供給管２３２ａからマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ_３ガスを、ノズル２３３のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出する。同時に、棒状電極２６９，２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力（例えば３００Ｗ）を印加して、ＮＨ_３ガスをプラズマ励起させ、活性種として処理室２０１に供給しつつガス排気管２３１から排気する。

ＮＨ_３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、バルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内圧力を１０〜１００Ｐａ範囲の最適な値に維持する。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ_３の供給流量は１〜１０ｓｌｍの範囲の最適な値で供給される。ＮＨ_３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間であり、好ましくは２０秒である。

このときのヒータ２０７温度はウエハが３００〜６００℃の範囲であって、例えば５５０℃になるよう設定してある。ＮＨ_３ガスは反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。

このＮＨ_３ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、ガス供給管２３２ｂの上流側のバルブ２４３ｂを開け、下流側のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳガスも流すようにする。これにより、バルブ２４３ｂ，２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳガスを溜める。このとき、処理室２０１内に流しているガスはＮＨ_３ガスをプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳガスは存在しない。したがって、ＮＨ_３ガスは気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ_３ガスはウエハ２００上の下地膜などの表面部分と表面反応（化学吸着）する。

［ステップ２］
ステップ２では、ＮＨ_３ガスの供給・プラズマ励起を停止し、Ｎ_２ガスをガス供給管２３２ａから処理室２０１に供給する。他方、ガス供給管２３２ｂでは、引続きガス溜め２４７へＤＣＳガスの供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳガスが溜まったら、上流側のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳガスを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄは開いたままにし、真空ポンプ２４６により、処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、処理室２０１に残留しているＮＨ_３ガスをＮ_２ガスにより処理室２０１から排除（パージ）する。Ｎ_２ガスの処理室２０１への供給時間は好ましくは３秒間である。

ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳガスを溜める。また、ガス溜め２４７と処理室２０１との間のコンダクタンスが１．５×１０^−３ｍ^３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３の容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３容積１００ｌ（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。

［ステップ３］
ステップ３では、ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めてＮ_２ガスの供給を停止するとともに、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄを閉じて排気を止める。その後、ガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳガスが処理室２０１に一気に供給される。このとき、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理室２０１内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。

ＤＣＳガスを供給するための時間は２〜４秒（好ましくは２秒）と設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒と設定し、合計６秒とする。このときのウエハ温度はＮＨ_３ガスの供給時と同じく、３００〜６００℃の範囲内の所望の温度（例えば５５０℃）で維持される。ＤＣＳガスの供給により、ウエハ２００の表面に化学吸着したＮＨ_３とＤＣＳとが表面反応（化学吸着）して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。

［ステップ４］
ステップ４では、ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｃを閉じ、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄを開けて処理室２０１を真空排気する。同時に、ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを開けて、Ｎ_２ガスをガス供給管２３２ａから処理室２０１に供給し、処理室２０１に残留しているＤＣＳガスであって成膜に寄与した後のＤＣＳガスを排除（パージ）する。Ｎ_２ガスの供給時間は好ましくは９秒である。また、ガス供給管２３２ｂのバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳガスの供給を再度開始する。

上記ステップ１〜４を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ２００上に所定膜厚のＳｉＮ膜を形成する。以下では、ステップ１〜４の複数サイクルの処理によるＳｉＮ膜の成膜を単に「成膜処理」という。

ＡＬＤ装置では、ガスはウエハ２００の表面部分に化学吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施の形態では、第４のバルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理室２０１内のＤＣＳの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。

また、本実施の形態では、ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ_３ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理室２０１の排気をしているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。また、処理室２０１内を排気してＮＨ_３ガスを除去してからＤＣＳガスを流すので、両者はウエハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳガスは、ウエハ２００に吸着しているＮＨ_３とのみ有効に反応させることができる。

成膜処理後は、処理室２０１の温度を、ウエハ２００の処理室２０１への搬入前のもとの一定温度（例えば３００℃）まで降温してウエハ２００を冷却し、ウエハ２００を装填したボート２１７を処理室２０１から搬出する。ボート２１７の搬出後においては、ボート２１７のウエハ２００を入れ替え（成膜済みのウエハ２００をその次に成膜しようとするウエハ２００に入れ替え）、新たなウエハ２００を再度処理室２０１に搬入し、上記と同様の処理を繰り返す。

本実施例では、ウエハ２００の入替え中に、すなわち成膜済みのウエハ２００を処理室２０１から搬出してその次に成膜しようとするウエハ２００を処理室２０１に再度搬入するまでの間に、下記の「ＬＴＰ（Low Temperature Purge）処理」と「クリーニング処理」とを順次実行する。ＬＴＰ処理，クリーニング処理は基本的にはウエハ２００の入替えごと（ウエハ２００の１回の搬出・搬入ごと）に実行するが、複数回にわたるウエハ２００の入替え後に実行してもよい。

［ＬＴＰ処理］
ＬＴＰ処理では、処理室２０１の保持温度より高い温度まで意図的に昇温し、その後に急激に降温し、再度もとの処理室２０１の保持温度に戻す（図７参照）。例えば、処理室２０１の保持温度を３００℃とした場合、はじめに８００℃まで昇温し、その後に急激に２００℃まで降温し、再度３００℃まで戻す。この間、処理室２０１を真空引きしておき、処理室２０１内の圧力を例えば約１０Ｔｏｒｒ以下の減圧状態に保持する。

ＬＴＰ処理を実行して処理室２０１の内部に急激な温度変化を生じさせると、反応管２０３（石英）と成膜処理により反応管２０３の内壁に付着したＳｉＮ膜とで熱膨張係数が異なるため、膜ストレスによりＳｉＮ膜にクラックが発生し、ＳｉＮ膜が反応管２０３の内壁から剥離して排除される（図８参照）。そのため、次の成膜処理においては、ＳｉＮ膜の膜剥がれによるパーティクルの発生が抑制される。

［クリーニング処理］
ＬＴＰ処理後はクリーニング処理を実行する。
ここでは、はじめにパーティクル発生（パーティクル発生とプラズマ励起，プラズマ励起方式との関係）について説明し、その後それを踏まえた具体的なクリーニング処理について説明する。

（１）パーティクル発生とプラズマ励起との関係
プラズマ励起がパーティクル発生に起因するか否かを特定するため、ＮＨ_３ガスのプラズマ励起の有無，プラズマ励起パワーの比較をおこなった。図３に示す通り、プラズマ励起させた場合（左側）とさせない場合（右側）とを比較すると、プラズマ励起させた場合にはパーティクルの発生が顕著である。また、プラズマ励起パワー（高周波電源２７３から棒状電極２６９，２７０に供給する電力）が３００Ｗの場合（図３中左側）と１００Ｗの場合（図３中中央）とを比較すると、プラズマ励起パワーが大きいほうがパーティクルの発生量が多く、プラズマ励起パワーが小さいとパーティクルの発生量が少ない。ただ、プラズマ励起パワーを低下させると、ＳｉＮ膜の膜質が優れず、プラズマ励起パワーを低下させるのは好ましくない。以上から、パーティクルの発生はプラズマ励起の有無，プラズマ励起パワーと因果関係があると考えられる。

（２）パーティクル発生とプラズマ励起方式との関係
図４に示す通り、本実施例で採用しているソフトプラズマ方式（同図中の左側参照）では、プラズマ発生領域はバッファ室２３７の外側にも広がる（同図中中央の点線部参照）。これに対し、リモートプラズマ方式では、プラズマ発生領域は基本的にはバッファ室２３７の内部に収まり、バッファ室２３７の外側には広がらない（同図中右側の点線部参照）。なお、「ソフトプラズマ方式」とはバッファ室２３７の内部でガスをプラズマ励起させる方式であり、「リモートプラズマ方式」とはプラズマ励起した状態のガスをバッファ室２３７に供給する方式であり、プラズマ励起させる部位がバッファ室２３７の内部か外部かという点で異なっている。

実際にソフトプラズマ方式とリモートプラズマ方式とでＳｉＮ膜の発生を確認すると、図５に示す通り、ソフトプラズマ方式ではバッファ室２３７付近でパーティクルの発生が認められるが（左側参照）、リモートプラズマ方式ではパーティクルはほとんど発生していない（右側参照）。

以上（１），（２）の結果から、本実施例で採用しているソフトプラズマ方式では、パーティクルの発生は、バッファ室２３７の外側（壁２３８の外壁２３８ａ）に堆積したＳｉＮ膜がプラズマエネルギーにより壁２３８の外壁２３８ａから剥離することに起因していると考えられる。ＳｉＮ膜の膜剥がれ箇所をバッファ室２３７の外側と特定しているのは、成膜処理中において、バッファ室２３７の内側にはＤＣＳガスが基本的には流れ込まないため、壁２３８の内壁２３８ｂにＳｉＮ膜が堆積することはないからである。

実際のクリーニング処理では、はじめに、処理室２０１を真空引きしながら真空状態を維持し、処理室２０１の温度をＬＴＰ処理後の保持温度から室温まで降温する。当該降温には所定時間（例えば１５分程度）を要するが、ウエハ２００の冷却・搬送と同時に進行するため、時間的なロスはない。

その後、バルブ２４３ｂ，２４３ｃを開きガス供給管２３２ｂからＮＦ_３ガスを供給し、かつ、バルブ２４３ａを開きガス供給管２３２ａからＮ_２ガスを流しながら、棒状電極２６９，２７０間に電圧を印加する。すなわち、成膜処理中にＤＣＳガスを供給したノズル２３４からＮＦ_３ガスを処理室２０１に供給し、成膜処理中にＮＨ_３ガスを供給したバッファ室２３７からプラズマ励起したＮ_２ガスを処理室２０１に供給する。

その結果、ＮＦ_３ガスとプラズマ励起したＮ_２ガスとが混合してＮＦ_３ガスが励起され、主にバッファ室２３７の壁２３８の外壁２３８ａに付着したＳｉＮ膜を局所的にエッチングすることができる。この場合、プラズマ励起したＮ_２ガスのプラズマエネルギーはバッファ室２３７から離れるほど弱くなるため、励起したＮＦ_３ガスはバッファ室２３７近傍に多く存在し、効率よくバッファ室２３７の外側のＳｉＮ膜をエッチングすることが可能である。

なお、上記エッチングにおいて、例えば、クリーニング処理前の成膜処理によるＳｉＮ膜の累積膜厚が９００Å以下である場合、エッチングレートが９００Å／ｍｉｎ（分）以上であるときは、エッチング時間は１分で十分である。

その後、ＮＦ_３ガスの供給と棒状電極２６９，２７０への電圧の印加とを停止し、ガス供給管２３２ｂ（ノズル２３４）からＮ_２ガスを流し（ガス供給管２３２ａからはＮ_２ガスを流し続ける。）、処理室２０１に残留しているＮＦ_３ガスを排気する。これと同時に、処理室２０１の温度を、室温から次の成膜処理に備えたもとの保持温度（例えば３００℃）に戻す。処理室２０１の温度を室温から次の成膜処理に備えた元の保持温度に戻すには、所定時間（例えば２０分程度）要するが、この間はウエハ２００をボート２１７からＦＯＵＰまで搬送している工程であるので、時間的なロスはない。

ここで、上記エッチング処理を１分間実施したときのＳｉＮ膜のエッチング結果を示す。詳しくは、ＳｉＮ膜を既に形成したウエハ２００を反応室２０１に設置しておき、ＮＦ_３ガスを１分間プラズマ励起させたときに、ウエハ２００に堆積済みのＳｉＮ膜がウエハ２００上のどの部位でどの程度エッチングされたかを観測した。これにより、ウエハ２００上でのエッチング状況を把握し、バッファ室２３７の壁２３８の外壁２３８ａのエッチング状況を予測した。なお、事前に設置するウエハ２００には膜厚が９００ÅのＳｉＮ膜を形成しておき、エッチング温度（処理室２０１内の温度）を室温から２５０℃まで変化させている。

図６に示す通り、エッチング温度（室温，１００℃，２５０℃）にかかわらず、ＮＦ_３ガスを励起させた部分（バッファ室２３７に近い部分）ではＳｉＮ膜は略すべてエッチングで除去されており、ＮＦ_３ガスを励起させていない部分（バッファ室２３７から離間した部分）ではＳｉＮ膜のエッチングはほとんど進行していない。特にエッチング温度を室温とした場合には、ＮＦ_３ガスを励起させた部分で顕著にＳｉＮ膜がエッチングされており、エッチング温度を高くするにつれてウエハ２００上の広範囲でエッチングが進行している。本実施例におけるエッチングの目的はバッファ室２３７の壁２３８の外壁２３８ａに堆積したＳｉＮ膜を局所的にエッチングすることが主目的であるので、図６の結果から、エッチング温度を２５０℃より室温とするほうが好ましい。

以上の本実施例によれば、ＬＴＰ処理によりパーティクルの発生を低減するのに加え、ＬＴＰ処理後において、ＮＦ_３ガスとプラズマ励起させたＮ_２ガスとを処理室２０１に供給・混合し、ＮＦ_３ガスを励起させるから、バッファ室２３７の外側に付着したＳｉＮ膜を局所的にエッチングすることができる。そのため、ＬＴＰ処理後においてバッファ室２３７の外側にＳｉＮ膜が残っていても、ＬＴＰ処理で除去しきれなかったそのＳｉＮ膜をエッチングすることができ、ＬＴＰ処理後においてもパーティクルの発生を確実に抑制することができる。

さらに、クリーニング処理では、ＮＦ_３ガスをガス供給部２４９から供給してバッファ室２３７から直接流さないため、ＳｉＮ膜が堆積していないバッファ室２３７の内部（すなわちパーティクル発生とは無関係と思われる箇所）を必要以上にエッチングすることを回避することができ、反応管２０３の石英ダメージを低減することができる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の好ましい実施の形態によれば、
基板を処理室に搬入する第１の工程と、
処理室に対して、第１のガス供給部からＤＣＳガスを、第２のガス供給部からＮＨ_３ガスを交互に供給し、基板にＳｉＮ膜を形成する第２の工程と、
成膜済みの基板を処理室から搬出する第３の工程と、
を繰り返し実行し、複数回にわたり基板に順次ＳｉＮ膜を形成する半導体装置の製造方法において、
成膜済みの基板を処理室から搬出してその次に成膜しようとする基板を処理室に搬入する間で、
処理室の温度を変動させる第４の工程と、
処理室に対して、前記第１のガス供給部からＮＦ_３ガスを、前記第２のガス供給部からＮ_２ガスを供給するとともに、前記第２のガス供給部でＮ_２ガスをプラズマ励起させる第５の工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

好ましくは、成膜済みの基板を処理室から搬出してその次に成膜しようとする基板を処理室に搬入するごとに、前記第４，第５の工程の処理を毎回実行する。

本実施例にかかる基板処理装置の概略構成図であり、特に処理炉部分にかかる構成を示す概略図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面の概略平面図である。 パーティクル発生とプラズマ励起の有無，プラズマ励起パワーとの因果関係を説明するための概略的な図面であって、プラズマ励起のための供給電力が３００Ｗの場合（左側），１００Ｗの場合（中央）とプラズマ励起させない場合（右側）とのパーティクル発生分布を概略的に示す図面である。 本実施例にかかる反応管中の構成（左側）における、ソフトプラズマ方式（中央）とリモートプラズマ方式（右側）とのプラズマ発生領域を概略的に示す図面である。 ソフトプラズマ方式（左側）とリモートプラズマ方式（右側）とにおけるパーティクル発生分布を概略的に示す図面である。 エッチング温度を室温から２５０℃まで変化させたときの局所的なＳｉＮ膜のエッチング状況を概略的に示す図面である。 ＬＴＰ処理のシーケンスを概略的に示す図面である。 ＬＴＰ処理時の作用を説明するための概略図である。 一定の装置構成（左側）におけるパーティクルの発生分布（右側）を概略的に示す図面である。 ＬＴＰ処理を実行しなかった場合（上側）と実行した場合（下側）とにおけるＳｉＮ膜の累積膜厚とパーティクル発生との関係を概略的に示す図面である。

符号の説明

２００ ウエハ
２０１ 処理室
２０２ 処理炉
２０３ 反応管
２０７ ヒータ
２１７ ボート
２１８ ボート支持台
２１９ シールキャップ
２２０ Ｏリング
２２４ プラズマ生成領域
２３１ ガス排気管
２３２ａ，２３２ｂ ガス供給管
２３３，２３４ ノズル
２３７ バッファ室
２３８ 壁
２３８ａ 外壁
２３８ｂ 内壁
２４１ａ，２４１ｂ マスフローコントローラ
２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃ，２４３ｄ バルブ
２４６ 真空ポンプ
２４７ ガス溜め
２４８ａ，２４８ｂ，２４８ｃ，２４８ｄ ガス供給孔
２４９ ガス供給部
２５０ 壁
２６７ ボート回転機構
２６９，２７０ 棒状電極
２７２ 整合器
２７３ 高周波電源
２７５ 電極保護管
２８０ コントローラ

Claims (1)

1. 基板を処理室に搬入する工程と、
   処理室に対して、第１のガス供給部からＤＣＳガスを、第２のガス供給部からＮＨ_３ガスを交互に供給し、基板にＳｉＮ膜を形成する工程と、
   成膜済みの基板を処理室から搬出する工程と、
   を繰り返し、複数回にわたり基板に順次ＳｉＮ膜を形成する半導体装置の製造方法において、
   成膜済みの基板を処理室から搬出してその次に成膜しようとする基板を処理室に搬入する間で、
   処理室の温度を変動させる工程と、
   処理室に対して、前記第１のガス供給部からＮＦ_３ガスを、前記第２のガス供給部からＮ_２ガスを供給するとともに、前記第２のガス供給部でＮ_２ガスをプラズマ励起させる工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

Images