JP5148536B2 - 半導体装置の製造方法、基板処理方法、基板処理装置の運用方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Description
前記処理室内にクリーニングガスを供給して前記処理室内をクリーニングする工程と、を有し、前記処理室内をクリーニングする工程は、第1の温度に加熱された前記処理室内に前記クリーニングガスとして、フッ素ガスを単独で、もしくは不活性ガスで希釈されたフッ素ガスを単独で供給し、前記処理室内に堆積した前記薄膜を除去する工程と、第2の温度に加熱された前記処理室内に前記クリーニングガスとして、フッ素ガスを単独で、もしくは不活性ガスで希釈されたフッ素ガスを単独で供給し、前記薄膜の除去後に前記処理室内に残留した付着物を取り除く工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
に浸漬して堆積物をウェットエッチングにより除去するウェットクリーニング法や、成膜室101内にエッチングガス(クリーニングガス)を供給して堆積物をドライエッチングにより除去するドライクリーニング法が知られている。近年、反応管103を取り外す必要のないドライクリーニング法が行われるようになってきた。以下に、ドライクリーニング法について簡単に説明する。
示されている。尚、特許文献3には、クリーニングガスにはH2ガスを添加することが必要であり、また、平坦化ガス中のH2ガスは少なくすることが好ましい旨が明示されている。
まず、本実施形態にかかる基板処理装置の構成を図面に基づいて説明する。図7は本実施形態で好適に用いられる基板処理装置の処理炉202の概略構成図であり、縦断面図として示されている。
および下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド209は、インナーチューブ204とアウターチューブ205に係合しており、これらを支持するように設けられている。尚、マニホールド209とアウターチューブ205との間には、シール部材としてのOリング220aが設けられている。マニホールド209がヒータベース251に支持されることにより、プロセスチューブ203は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ203とマニホールド209により反応容器が形成される。
流側には、ガス流量制御器としてのMFC(マスフローコントローラ)241fを介してF2ガス供給源274が接続されている。正確には、クリーニングガス供給管232fの上流側はクリーニングガス供給管232eのバルブ262eよりも上流側に接続されており、クリーニングガス供給管232fはバルブ262eよりも上流側でクリーニングガス供給管232eから分岐するように設けられている。クリーニングガス供給管232fのMFC241fよりも上流側、下流側にはそれぞれバルブ262f、261fが設けられている。主にクリーニングガス供給管232e,232f、MFC241e,241f、バルブ262e,261e,262f,261f、F2ガス供給源274によりクリーニングガス供給系が構成される。
が設けられている。シャッタ219aは、昇降及び回動することで処理室201内からボート217を搬出した後のマニホールド209の下端に当接され、ボート217を搬出した後の処理室201内を気密に閉塞するように構成されている。シャッタ219aの上面には、マニホールド209の下端と当接するシール部材としてのOリング220cが設けられている。
次に、上記構成に係る処理炉202を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、CVD法により処理室201内でウエハ200上に薄膜を形成する方法、処理室201内をクリーニングする方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ240により制御される。
3ガス供給源272からそれぞれ処理ガス供給管232a、232b内に供給されたSiH2Cl2ガス、NH3ガスは、それぞれMFC241a、241bにて所望の流量となるように制御された後、処理ガス供給管232a、232bを通り、ノズル230a、230bから処理室201内に導入される。
処理温度:650〜800℃、
処理圧力:10〜500Pa、
SiH2Cl2ガス供給流量:100〜500sccm、
NH3ガス供給流量:500〜5000sccm
が例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウエハ200に処理がなされる。
次に、処理室201内をクリーニングする方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ240により制御される。
にも窒化シリコン膜等の薄膜が累積する。すなわち、この薄膜を含む堆積物がこの内壁等に付着する。この内壁等に付着した堆積物(累積した薄膜)の厚さが、堆積物に剥離・落下が生じる前の所定の厚さに達した時点で、処理室201内のクリーニングが行われる。クリーニングは、第1の温度に加熱された処理室201内にクリーニングガスとして、F2ガスを単独で、もしくは不活性ガスで希釈されたF2ガスを単独で供給し、処理室201内に堆積(累積)した薄膜を除去する工程(第1ステップ(薄膜のエッチング工程))と、第2の温度に加熱された処理室201内にクリーニングガスとして、F2ガスを単独で、もしくは不活性ガスで希釈されたF2ガスを単独で供給し、薄膜の除去後に処理室201内に残留した付着物を取り除く工程(第2ステップ(トリートメント工程))と、を順次実施することにより行う。以下に、第1ステップ(薄膜のエッチング工程)及び第2ステップ(トリートメント工程)をそれぞれ説明する。
空のボート217、すなわちウエハ200を装填していないボート217が、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内に搬入(ボートロード)される。この状態で、シールキャップ219は、Oリング220bを介してマニホールド209の下端をシールした状態となる。
管232a、232b等の処理ガス供給系に悪影響を及ぼすことが考えられる。これに対し本実施形態では、F2ガス、または希釈されたF2ガスを供給するノズルを、処理ガスを供給するノズル230a、230bと共用としており、F2ガス、または希釈されたF2ガスは、処理ガス供給管232a、232bを通り、処理ガスを供給するノズル230a、230bから処理室201内に導入されるので、その心配が少ない。
ウエハ200を装填していないボート217が処理室201内に搬入(ボートロード)されたままの状態で、処理室201内が所望の圧力、すなわち第2の圧力となるように真空排気装置246によって真空排気される。この際、処理室201内の圧力は圧力センサ245で測定され、この測定された圧力に基づき圧力調整装置242がフィードバック制御される。また、処理室201内が所望の温度、すなわち第2の温度となるようにヒータ206によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ206への通電具合がフィードバック制御される。処理室201内の圧力、温度が、それぞれ第2の圧力、第2の温度に到達したら、その圧力、温度が維持されるように制御が行われる。
管232e、232f内にそれぞれ供給されたF2ガスは、それぞれMFC241e、241fにて所望の流量となるように制御された後、クリーニングガス供給管232e、232fを通り、処理ガス供給管232a、232bを経由して、ノズル230a、230bから処理室201内に導入される。
第1の温度:350℃〜450℃、
第1の圧力:6650Pa(50Torr)〜26600Pa(200Torr)、好ましくは13300Pa(100Torr)以上19950Pa(150Torr)、
F2ガス供給流量:0.5〜5slm、
N2ガス供給流量:1〜20slm
が例示され、それぞれのエッチング条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することで薄膜のエッチングがなされる。
第2の温度:400℃〜500℃、
第2の圧力:6650Pa(50Torr)〜26600Pa(200Torr)、好ましくは13300Pa(100Torr)以上19950Pa(150Torr)、
F2ガス供給流量:0.5〜5slm、
N2ガス供給流量:1〜20slm
が例示され、それぞれのトリートメント条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでトリートメントがなされる。
図6に、本実施形態にかかるクリーニング方法におけるエッチングレート及び選択比の温度依存性についての検証結果を示す。
を上回ることから、石英よりも窒化シリコン膜の方が多くエッチングされることが分かる。
内の値としているので、処理室201内の石英部材のダメージを抑制しつつ、窒化シリコン膜を十分なエッチングレートにてエッチングできる。また、第2の温度を上述の範囲内の値としているので、処理室201内の金属部材の腐食を抑制しつつ、第1ステップ後に処理室201内に残留した付着物や石英部材の表面を適切にエッチングできる。
本発明の実施例1として、第1ステップ(薄膜のエッチング工程)における処理室201内の温度(第1の温度)よりも、第2ステップ(トリートメント工程)における処理室201内の温度(第2の温度)を高く設定してクリーニングを実施した例について説明する。図2は、本発明の実施例1にかかるクリーニング工程のシーケンス及びクリーニング条件を示すグラフ図である。
のサイクルを複数回繰り返した。この際、各薄膜形成工程の完了の毎に、処理室201内の異物の増加量を測定するとともに、窒化シリコン膜の成膜速度を測定した。
また、本発明の実施例2として、第1ステップ(薄膜のエッチング工程)における処理室201内の温度(第1の温度)と、第2ステップ(トリートメント工程)における処理室201内の温度(第2の温度)と、をそれぞれ450℃としてクリーニング工程を実施した例について説明する。図3は、本発明の実施例2にかかるクリーニングのシーケンス及びクリーニング条件を示すグラフ図である。その他の条件は実施例1と同一である。
本発明の実施例3として、上記実施形態(実施例1、実施例2)のクリーニングと、LTP(Low Temperature Purge)と、を組み合せる例について説明
する。ここで、LTPとは、処理室201内の温度を降下させて処理室201内に堆積した薄膜に熱衝撃を与えて強制的にクラックを発生させ、且つ、付着力の弱い付着物を強制的に剥離させ、処理室201内をガスパージすることであり、低温パージともいう。
却機構400を備えたSi3N4成膜用CVD装置において取得したプロセス特性について説明する。図9に、実施例3によるドライクリーニング工程後の、パーティクルの安定性を示す。図9の縦軸は処理室201内の各測定位置における粒径0.13μm以上のパーティクル増加分(単位:個)を示し、横軸はドライクリーニング実施後の薄膜形成工程の実施回数(バッチ回数)、すなわち、Si3N4成膜ラン数(バッチの処理数)を示す。また、図9の●印は、処理室201内のトップ(上部)位置における異物の増加数を示し、○印は、処理室201内のボトム(下部)位置における異物の増加数を示している。なお、薄膜形成工程では、処理ガスとしてDCSガス及びNH3ガスを用いて、上述の実施形態と同様の方法、コンディションで、1ラン当たりSi3N4膜を0.15μm成膜した。また、ドライクリーニングは、実施例2と同様な方法、コンディションで行った。LTPは、薄膜形成工程を実施する度に毎回、処理室201内にウエハ200がない状態で、処理室201内部の温度を、成膜温度である650〜800℃から400℃まで、20℃/minの降温レートにて温度降下させつつ、処理室201内を大気圧状態として、処理室201内にパージガス供給系より20L/min以上の大流量のN2を供給しつつ排気系より排気することで行った。このとき、マニホールド209の下端はOリング220cを介して炉口シャッタ219aによりシールした状態とした。なお、LTPは、処理済のウエハ200を保持したボート217を処理室201内から搬出(ボートアンロード)した後の、ウエハ冷却、ウエハディスチャージと並行して行った。LTPを併用しない図8においては、Si3N4成膜12ラン(累積膜厚2μm相当)で急激にパーティクルが増加したが、実施例3の方法を適用した図9では、少なくともドライクリーニング工程の実施直後からSi3N4成膜50ラン(累積膜厚8μm相当)まではパーティクルの大幅な増加は無く、良好なデータが得られた。
又、従来、ドライクリーニング工程を行わない仕様(部品交換、ウェットクリーニングを行う仕様)の場合であって、薄膜形成工程中または薄膜形成工程後にLTP工程を行うだけの場合には、一定の累積膜厚に達成した時点で、反応炉内構成部材の脱着作業や洗浄作業のような人手を介する作業が必須であったが、本実施例においては、薄膜形成工程、LTP工程及びドライクリーニング工程を実行するだけで良く、メンテナンス性に優れている。
又、LTP工程によるドライクリーニング周期の延長と、F2ガスを用いたドライクリーニング工程によるプロセスチューブ等の石英部材へのダメージ抑制により、石英部材の寿命を従来よりも延ばすことができ、長期に亘り石英部材等の交換を伴うメンテナンスが不要となる。本実施例によれば、基板処理装置による成膜開始から1年間以上メンテナンスフリーとすることも可能となる。
更に、薄膜形成工程中または薄膜形成工程後にLTP工程を実施することにより、処理室内部に累積した薄膜表面にクラックが発生するため、ドライクリーニングにおける累積膜の実効的な表面積が広くなり、累積膜のF2ガスとの実質的な接触面積が増えるので、F2ガスによる累積膜のエッチング反応が進行し易くなり、エッチング時間の短縮にも寄与すると考えられる。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
0℃以上500℃以下とする。
であり、前記第1の温度、および、前記第2の温度は、前記窒化シリコン膜のエッチングレートと前記石英部材のエッチングレートとが同等となるか、前記石英部材のエッチングレートよりも前記窒化シリコン膜のエッチングレートの方が若干大きくなるような温度である。
程と、前記処理室内に前記基板がない状態で、前記処理室内にクリーニングガスを供給して前記処理室内をクリーニングする工程と、を有し、前記処理室内をクリーニングする工程は、温度を350℃以上450℃以下、圧力を6650Pa以上26600Pa以下に設定した前記処理室内に前記クリーニングガスとして、フッ素ガスを単独で、もしくは不活性ガスで希釈されたフッ素ガスを単独で供給し、前記処理室内に堆積した前記窒化シリコン膜を除去する工程と、温度を400℃以上500℃以下、圧力を6650Pa以上26600Pa以下に設定した前記処理室内に前記クリーニングガスとして、フッ素ガスを単独で、もしくは不活性ガスで希釈されたフッ素ガスを単独で供給し、前記窒化シリコン膜の除去後に前記処理室内に残留した石英粉を含む付着物を取り除く工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
タと前記パージガス供給系と前記排気系とを制御すると共に、前記処理室内をクリーニングする際、前記処理室内を第1の温度に加熱しつつ前記処理室内に前記クリーニングガスとしてフッ素系ガスを供給し、前記処理室内に堆積した前記薄膜を除去し、その後、前記処理室内を第2の温度に加熱しつつ前記処理室内に前記クリーニングガスとしてフッ素系ガスを供給し、前記薄膜の除去後に前記処理室内に残留した付着物を取り除くように、前記ヒータと前記クリーニングガス供給系と前記排気系とを制御するコントローラと、を有する基板処理装置が提供される。
201 処理室
206 ヒータ
232a 処理ガス供給管
232b 処理ガス供給管
232e クリーニングガス供給管
232f クリーニングガス供給管
240 コントローラ
400 強制冷却機構(急冷機構)
Claims (12)
- 処理室内に基板を搬入する工程と、
処理温度に加熱された前記処理室内に処理ガスを供給して前記基板上に薄膜を形成する処理を行う工程と、
処理後の前記基板を前記処理室内から搬出する工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、前記処理室内の温度を降下させて前記処理室内の部材に堆積した前記薄膜に熱衝撃を与えて強制的にクラックを発生させ、前記処理室内をガスパージする工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、加熱された前記処理室内にフッ素系ガスを供給し、前記処理室内の前記部材の表面のエッチングを抑制しつつ、前記部材に堆積した前記薄膜を除去する工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、加熱された前記処理室内にフッ素系ガスを供給し、前記薄膜除去後の前記処理室内の前記部材の表面をエッチングして平滑化する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記ガスパージする工程では、前記処理室外部に冷却媒体を流すことで前記処理室内を強制冷却する
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ガスパージする工程では、前記処理室外部の高温の雰囲気ガスを排気しつつ、前記処理室外部に冷却媒体を流すことで前記処理室内を強制冷却する
請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ガスパージする工程では、前記処理室内を急冷する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記処理室内の前記部材は石英部材を含み、
前記部材の表面を平滑化する工程では、前記部材の表面に残留した石英粉を含む付着物を除去する
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記処理室内の前記部材は石英部材を含み、
前記部材の表面を平滑化する工程では、前記処理室内の前記石英部材の表面をエッチングすることでその表面を平滑化する
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記処理室はヒータの内側に設けられている請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記処理室はヒータの内側に設けられており、前記ヒータを覆うように強制冷却機構が設けられており、
前記ガスパージする工程では、前記強制冷却機構により、前記処理室内を強制冷却する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 処理室内に基板を搬入する工程と、
処理温度に加熱された前記処理室内に処理ガスを供給して前記基板上に薄膜を形成する処理を行う工程と、
処理後の前記基板を前記処理室内から搬出する工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、前記処理室内の温度を降下させて前記処理室内の部材に堆積した前記薄膜に熱衝撃を与えて強制的にクラックを発生させ、前記処理室内をガスパージする工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、加熱された前記処理室内にフッ素系ガスを供給し、前記処理室内の前記部材の表面のエッチングを抑制しつつ、前記部材に堆積した前記薄膜を除去する工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、加熱された前記処理室内にフッ素系ガスを供給し、前記薄膜除去後の前記処理室内の前記部材の表面をエッチングして平滑化する工程と、
を有する基板処理方法。 - 基板処理装置の処理室内に基板を搬入する工程と、
処理温度に加熱された前記処理室内に処理ガスを供給して前記基板上に薄膜を形成する処理を行う工程と、
処理後の前記基板を前記処理室内から搬出する工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、前記処理室内の温度を降下させて前記処理室内の部材に堆積した前記薄膜に熱衝撃を与えて強制的にクラックを発生させ、前記処理室内をガスパージする工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、加熱された前記処理室内にフッ素系ガスを供給し、前記処理室内の前記部材の表面のエッチングを抑制しつつ、前記部材に堆積した前記薄膜を除去する工程と、
前記処理室内に基板がない状態で、加熱された前記処理室内にフッ素系ガスを供給し、前記薄膜除去後の前記処理室内の前記部材の表面をエッチングして平滑化する工程と、
を有する基板処理装置の運用方法。 - 基板上に薄膜を形成する処理を行う処理室と、
前記薄膜を形成する処理ガスを前記処理室内に供給する処理ガス供給系と、
前記処理室内にパージガスを供給するパージガス供給系と、
前記処理室内にフッ素系ガスを供給するフッ素系ガス供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
前記処理室内を加熱するヒータと、
前記処理室内に基板がない状態で、前記処理室内の温度を降下させて前記処理室内の部材に堆積した前記薄膜に熱衝撃を与えて強制的にクラックを発生させ、前記処理室内をガ
スパージするように、前記ヒータ、前記パージガス供給系および前記排気系を制御すると共に、
前記処理室内に基板がない状態で、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内にフッ素系ガスを供給して、前記処理室内の前記部材の表面のエッチングを抑制しつつ、前記部材に堆積した前記薄膜を除去し、その後、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内にフッ素系ガスを供給して、前記薄膜除去後の前記処理室内の前記部材の表面をエッチングして平滑化するように、前記ヒータ、前記フッ素系ガス供給系および前記排気系を制御するコントローラと、
を有する基板処理装置。 - 基板上に薄膜を形成する処理を行う処理室と、
前記薄膜を形成する処理ガスを前記処理室内に供給する処理ガス供給系と、
前記処理室内にパージガスを供給するパージガス供給系と、
前記処理室内にフッ素系ガスを供給するフッ素系ガス供給系と、
前記処理室内を排気する排気系と、
前記処理室内を加熱するヒータと、
前記処理室および前記ヒータの外側に前記処理室および前記ヒータを覆うように設けられ前記処理室内を強制冷却する強制冷却機構と、
前記処理室内に基板がない状態で、前記処理室内を強制冷却することで前記処理室内の温度を降下させて前記処理室内の部材に堆積した前記薄膜に熱衝撃を与えて強制的にクラックを発生させ、前記処理室内をガスパージするように、前記強制冷却機構、前記ヒータ、前記パージガス供給系および前記排気系を制御すると共に、前記処理室内に基板がない状態で、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内にフッ素系ガスを供給して、前記処理室内の前記部材の表面のエッチングを抑制しつつ、前記部材に堆積した前記薄膜を除去し、その後、前記処理室内を加熱しつつ前記処理室内にフッ素系ガスを供給して、前記薄膜除去後の前記処理室内の前記部材の表面をエッチングして平滑化するように、前記ヒータ、前記フッ素系ガス供給系および前記排気系を制御するコントローラと、
を有する基板処理装置。
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