CN1706031A - 基板处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基板处理装置，其包含形成了容纳基板1、供给多种反应气体、并对所述基板实施所需处理的空间的反应容器11；开口于反应容器11、用于排出反应容器11内气体的排气口16；以及向反应容器11至少供给多种反应气体的气体供给系统70A、70B。所述气体供给系统70A、70B包括供给清洁气体的清洁气体供给单元和供给后处理用气体的后处理用气体供给单元，所述清洁气体用于除去对基板1实施所需处理时附着在反应容器11内的附着物，所述后处理用气体能够在供给清洁气体并除去了附着物之后除去反应容器11内残留的清洁气体中所含元素，所述后处理用气体包含对基板实施所需处理时使用的全部反应气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种基板处理装置，特别涉及一种对基板实施了所需处理之后进行清洁的基板处理装置。
背景技术
热CVD(Chemical Vapor Deposition)装置实施下述处理，即，在构成该装置的炉中使多种原料气体混合、流动，在基板上成膜等。在基板上成膜时，不仅基板上附着有膜，炉内部也附着有膜。当炉内部附着的膜累积变厚时，则可能发生膜剥落，从而成为产生异物的原因。
为了避免上述问题，以一定周期注入蚀刻气体，实施除去炉内部膜的清洁处理。例如，在膜的种类为SiN的情况下，原料气体使用DCS(SiH2Cl2二氯硅烷)气体和作为非等离子体的NH3气体，蚀刻气体使用NF3、ClF3等含F(氟)气体。
采用上述清洁方法虽可以除去炉内部的膜，但清洁刚结束后氟、或者含氟的分子(以下称为氟成分)立即吸附、并结合在炉内壁面而得以残留。在随后于基板上成膜时氟游离出来而阻止成膜，出现使成膜速度降低的现象。其原因在于，氟具有腐蚀作用，与形成于基板上的SiN膜中的Si发生反应而生成SiF4(气体)，从而使Si从基板上脱离。另外，还因为氟与反应气体(DCS)发生反应而使原料气体量减少。
因此在目前的热CVD装置中实施所谓的预成膜处理，即，在清洁之后、基板上成膜之前强行在炉内部堆积膜。由此使氟成分与膜原料发生反应、或将其封入膜的下部(以下也简称为氟成分的捕获)，从而尽量将氟成分从炉内环境气体中排除，恢复成膜时的成膜速度。
另外，近年也开始利用ALD(Atomic Layer Deposition)装置形成SiN膜。ALD装置中使用DCS气体和经等离子体活化了的NH3(以下称为NH3等离子体或者NH3自由基)作为反应气体，交替供给上述2种反应气体使原子层逐个成膜。使用ALD装置时，虽然采用低温条件，却能够形成与要求高温处理的热CVD装置等同或更加优质的膜。但是ALD装置也同样必须在清洁后实施预成膜以除去残留氟。
上述的现有技术通过预成膜将清洁气体中所含的元素捕获，尽量将上述元素从反应容器内的环境气体中排除，为此需要实施较厚的预成膜处理，并且即使实施了较厚的预成膜处理也不能有效地将清洁气体中含有的元素从反应容器内的环境气体中除去。另外，除了专用缓冲喷嘴，还需要增设热CVD成膜用喷嘴，因而使反应容器的结构变得复杂，成本增加。另外，增设热CVD成膜用喷嘴时又会重新引发因CVD成膜用喷嘴内成膜而出现异物的不良问题。
因此，本发明的主要目的为提供一种能够有效排除清洁气体中所含元素的基板处理装置。
另外，本发明的另一目的为提供一种基板处理装置，该基板处理装置能够有效避免增设气体供给系统、并有效避免气体供给系统产生的异物。
发明内容
本发明的第1种方案为提供一种基板处理装置，该装置包含以下部分：
形成容纳基板、供给多种反应气体、并对上述基板实施所需处理的空间的反应容器，
开口于上述反应容器、用于排出上述反应容器内气体的排气口，
向上述反应容器至少供给上述多种反应气体的气体供给系统；
所述气体供给系统包括供给清洁气体的清洁气体供给单元和供给后处理用气体的后处理用气体供给单元，所述清洁气体用于除去因对前述基板实施所需处理而附着在反应容器内的附着物，所述后处理用气体能够除去在供给上述清洁气体除去附着物之后反应容器内残留的清洁气体中所含元素，
所述后处理用气体包含对前述基板实施所需处理时使用的全部前述反应气体。
另外，本发明的第2种方案为提供一种基板处理装置，是交替供给多种反应气体并在基板上形成薄膜的基板处理装置，该装置包含以下部分：
反应容器；
分别专用于供给前述多种反应气体的多个专用供给喷嘴；
控制装置，所述控制装置实施控制，以便在清洁时从上述多个供给喷嘴的其中之一向前述反应容器中供给清洁气体，并在供给上述清洁气体之后、实施基板处理之前，从前述多个专用供给喷嘴分别向前述反应容器内交替供给基板处理时使用的全部前述多种反应气体。
附图说明
图1为构成本发明的一种实施方案的竖式ALD装置的炉的简要横截面图。
图2为构成本发明的一种实施方案的竖式ALD装置的炉的简要纵截面图。
图3为本发明的一种实施方案的反应管内缓冲喷嘴的透视图。
图4A、4B为采用ALD法和热CVD法进行预成膜时，清洁、预成膜、成膜的各处理温度相比较的比较图。
图5为本发明的一种实施方案的竖式ALD装置的简要整体构成图。
具体实施方式
本发明的优选方案为提供第1种基板处理装置，其包含以下部分：
形成容纳基板、供给多种反应气体、并对前述基板实施所需处理的空间的反应容器，
开口于前述反应容器、用于排出前述反应容器内气体的排气口，
向前述反应容器至少供给上述多种反应气体的气体供给系统；
所述气体供给系统包括供给清洁气体的清洁气体供给单元和供给后处理用气体的后处理用气体供给单元；所述清洁气体用于除去因对上述基板实施所需处理而在反应容器内附着的附着物，所述后处理用气体能够除去供给上述清洁气体并除去了附着物之后反应容器内残留的清洁气体中所含元素，
所述后处理用气体包含对前述基板实施所需处理时使用的全部前述反应气体。
此处，所需处理是指除了利用气相成长、表面反应形成薄膜之外的基板加工处理，例如包括形成氧化膜、扩散处理等。
由于从后处理用气体供给单元供给的后处理用气体能够从反应容器中除去清洁气体中所含的元素，因而与在反应容器内实施预成膜处理以捕获上述元素相比较，也能够从反应容器中除去清洁气体中所含的元素。另外，由于后处理用气体供给单元将对基板实施所需处理时使用的全部反应气体作为后处理用气体供给，因而其与清洁气体中所含元素发生反应而生成挥发物质，也能够有效地将生成的挥发物质从反应容器中除去。另外，后处理用气体供给单元若由供给对基板实施所需处理时使用的全部反应气体的气体供给装置构成，则不必重新增设气体供给系统，从而避免了结构的复杂化。并且能够防止增设气体供给系统后产生来自气体供给系统的异物。
本发明优选的另一方案为提供第2种基板处理装置，即，对于第1种基板处理装置，前述后处理用气体供给单元中具有分别独立供给各反应气体的专用供给喷嘴，供给前述反应气体作为前述后处理用气体时，从前述各专用供给喷嘴交替供给各反应气体。
对于第2种基板处理装置，当后处理用气体供给单元能够从分别供给对基板实施所需处理时使用的多种反应气体的各专用供给喷嘴交替供给各反应气体作为后处理用气体时，从各专用供给喷嘴供给的气体分别有效地作用于各专用供给喷嘴内残留的清洁气体中所含元素，因此能够有效地除去各专用供给喷嘴中残留的清洁气体中所含元素。在该情况下，作为对基板实施所需处理的方法和实施后处理的方法的组合，例如有ALD法+ALD法、热CVD法+ALD法的组合。
本发明优选的又一方案为提供第3种基板处理装置，即，在第2种基板处理装置中，由前述后处理用气体供给单元供给的各反应气体为除去各专用供给喷嘴内及反应容器内残留的元素、并且在反应容器内形成所希望的膜的气体。
在第3种基板处理装置中，当后处理用气体供给单元能够供给用于除去各专用供给喷嘴内、及反应容器内残留元素的各反应气体时，则能够有效地从反应容器内除去各专用供给喷嘴内及反应容器内残留的元素。另外，当后处理用气体供给单元能够供给用于在反应容器内形成所需的膜、即预成膜的各种反应气体时，能够将反应容器中残留的元素限制在预成膜内。因而，能够从除去和限制两方面除去反应容器内环境气体中的残留元素，从而抑制残留元素引起的成膜速度降低。另外，当能够交替供给各种反应气体时，各专用供给喷嘴内以及反应容器内形成的所希望的膜为优良的薄膜，产率增加。
本发明优选的又一方案为提供第4种基板处理装置，在第3种基板处理装置中，从前述各专用供给喷嘴供给的多种反应气体为含硅气体和等离子体激发后的氨气。
第4种基板处理装置中，含有硅的气体能够将供给含硅气体的专用供给喷嘴中残留的清洁气体中所含元素从反应容器内的环境气体中有效排除。另外，等离子体激发后的氨气能够将供给氨气的专用供给喷嘴中残留的清洁气体中所含元素从反应容器内的环境气体中有效排除。
本发明优选的又一方案为提供第5种基板处理装置，即在第4种基板处理装置中，前述清洁气体为含氟气体，且该含氟气体由供给含硅气体的专用供给喷嘴供给。
第5种基板处理装置中含硅气体比氨气容易成膜，因而供给含硅气体的专用供给喷嘴与供给氨气的专用供给喷嘴相比，喷嘴内容易附着较多的附着物。因此，从供给含硅气体的专用供给喷嘴供给含氟气体作为清洁气体时，能够除去供给含硅气体的专用供给喷嘴内的附着物，对专用供给喷嘴进行有效的清洁。
本发明的又一优选方案为提供第6种基板处理装置，即在第4种或者第5种基板处理装置中，前述含硅气体为DCS(SiH2C12)。
本发明优选的又一方案为提供第7种基板处理装置，即在第5种基板处理装置中，前述含氟气体为NF3或者ClF3。
本发明优选的另一方案为提供第8种基板处理装置，是交替供给多种反应气体并在基板上形成薄膜的基板处理装置，具有反应容器、分别专用于供给前述多种反应气体的多个专用供给喷嘴、及控制装置，所述控制装置进行控制，以便在清洁时从前述多个供给喷嘴之一向前述反应容器中供给清洁气体，并在供给前述清洁气体之后、进行基板处理之前，从前述多个专用供给喷嘴分别交替向前述反应容器内供给基板处理时所用的全部前述多种反应气体。
本发明优选的另一方案为提供第1种半导体装置的制造方法，是利用经历下述步骤的基板处理装置制造半导体装置的方法，所述步骤为：向反应容器中供给清洁气体，在对前述反应容器内实施清洁的步骤后，向反应容器内供给对基板进行处理时使用的全部反应气体，从而除去反应容器中供给的清洁气体中所含元素。
利用经历了下述步骤的基板处理装置制造半导体装置，能够有效除去反应容器中残留的前述元素，在清洁步骤后实施成膜步骤时，能够防止前述元素导致的成膜速度降低，从而可以制造成膜量稳定且品质优良的半导体装置，所述基板处理装置经历的步骤为：在对前述反应容器内实施清洁的步骤后，向反应容器供给对基板实施处理时使用的全部反应气体，从而除去反应容器中供给的清洁气体中所含元素。
本发明优选的另一方案为提供第2种半导体装置的制造方法，即，在第1种半导体装置的制造方法中，前述反应气体分别由专用供给喷嘴向反应容器内供给，且除去前述清洁气体中所含元素的步骤包括从各专用供给喷嘴交替供给各反应气体的步骤。
第2种半导体装置的制造方法中，前述反应气体由各专用供给喷嘴供给至反应容器内，且除去前述清洁气体中所含元素的步骤包括从各专用供给喷嘴交替供给各反应气体的步骤，因而能够除去反应容器内和各专用喷嘴内残留的前述元素，在清洁步骤后进行成膜步骤时，能够进一步防止前述元素引起的成膜速度降低，从而可以制造成膜量稳定且品质优良的半导体装置。
本发明优选的另一方案为提供第3种半导体装置的制造方法，在第2种半导体装置的制造方法中，除去前述清洁气体中所含元素的步骤包括除去各专用供给喷嘴内及反应容器内残留的前述元素和在反应容器内的构件表面形成所需的膜。
第3种半导体装置的制造方法中，除去前述清洁气体中所含元素的步骤包括除去各专用供给喷嘴内及反应容器内残留的前述元素的步骤和在反应容器的构件表面形成所需的膜的步骤，因而能够除去反应容器内和各专用喷嘴内残留的前述元素，同时，能够将前述元素压入反应容器内形成的前述膜中，在清洁步骤后进行成膜步骤时，能够进一步防止前述元素引起的成膜速度降低，从而可以制造成膜量稳定且品质优良的半导体装置。
本发明优选的又一方案为提供第4种半导体装置的制造方法，在第1～第3种半导体装置的制造方法中，前述多种反应气体为含硅气体和氨气。
第4种半导体装置的制造方法中，氨气优选为等离子体激发的氨气。当前述多种反应气体为含硅气体和等离子体激发的氨气时，能够除去各专用喷嘴中残留的前述元素，在清洁步骤后进行成膜步骤时，能够进一步防止反应容器内和各专用喷嘴内残留的前述元素引起的成膜速度降低，进而可以制造成膜量稳定且品质优良的半导体装置。
本发明优选的又一方案为提供第5种半导体装置的制造方法，在第4种半导体装置的制造方法中，前述清洁气体为含氟气体，且前述清洁气体由供给含硅气体的供给喷嘴供给至反应容器中。
第5种半导体装置的制造方法中，由于前述清洁气体为含氟气体，并且前述清洁气体由供给含硅气体的供给喷嘴供给至反应容器中，因此，能够有效除去供给较氨气易成膜的含硅气体的专用喷嘴内的附着物，对前述专用喷嘴内进行有效的清洁，从而可制造出抑制了异物影响的半导体装置。
本发明优选的另一方案为提供第6种半导体装置的制造方法，在第4种或者第5种半导体装置的制造方法中，前述含硅气体为DCS(SiH2Cl2)。
本发明优选的另一方案为提供第7种半导体装置的制造方法，在第5种半导体装置的制造方法中，前述含氟气体为NF3或者ClF3。
下面参照附图，更加详细地说明本发明优选的实施方案。
图5为示出基板处理装置之一例的竖式ALD装置的简要结构图。基板处理装置50的前面设置有盒交接单元49。在前述基板处理装置50的内部设置了与前述盒交接单元49对向的盒架51，在前述盒交接单元49上方设置了预备盒架52。在前述盒交接单元49与前述盒架51之间设置了盒搬运机53，在前述盒架51的后方设置了基板移载机54。在前述基板移载机54的后方设置了螺杆升降机55，并在前述螺杆升降机55的上方设置竖式反应炉10。
前述盒交接单元49装配有能够载置2个作为基板运送容器的盒57的盒载置台58，在前述盒载置台58的下方具有2组基板位置调整器59，经外部运送装置(未图示)运送的前述盒57被以垂直的姿态(即，盒57中容纳的晶片1为垂直的状态)载置于前述盒载置台58上时，前述基板位置调整器59调整晶片的位置使前述盒57内的晶片等基板(未图示)的间距、取向平面位置相同。
前述盒载置台58旋转90°使前述盒57处于水平位置，同时成为可经前述盒搬运机53运送的状态。
前述盒搬运机53配备有能够在前后方向上伸缩的机械臂60，前述机械臂60能够横移及升降，通过前述机械臂60伸缩、升降、横移的协同动作，能够将前述盒57从前述盒载置台58运送至盒架51或者前述预备盒架52上。
从前述螺杆升降机55伸出的臂61上设置有密封盖17，前述密封盖17上载置有作为基板承载工具的螺杆2。前述螺杆2以水平状态多层承载晶片，并通过前述螺杆升降机55装入前述竖式反应炉10、或从炉内取出。
前述基板移载机54被设置为能够旋转·升降，并配备有能够伸缩的晶片承载部62，前述晶片承载部62具有多个晶片承载板63，能够一并承载多张晶片、或者将各张晶片分开承载。
前述基板移载机54从前述盒架51的盒57向下降状态的前述螺杆2内多张一起、或者单张分开地移载晶片。
当规定张数的晶片被移载至前述螺杆2中时，将前述螺杆2装入前述竖式反应炉10，实施晶片处理。该晶片处理采用ALD法，将作为处理时使用的多种反应气体的每一种原料气体交替供给在晶片上，使其在1个原子层单位上进行吸附·反应，反复进行上述过程实施处理。
处理后的基板采用与上述操作相反的操作移载入前述盒架51的盒57中，并通过前述盒搬运机53运送至前述盒交接单元49中，再经未图示的外部运送装置运出。
图2示出实施方案的竖式ALD装置的竖式反应炉10(以下简称炉10)的结构。该炉10具有加热器14、和在加热器14内侧作为反应容器的石英制圆筒反应管11。反应管11内形成作为基板处理区域的反应室12。反应管11的炉口部利用密封盖17进行气密性密封。通过石英盖7将螺杆2设立在密封盖17上并插入反应管11内。螺杆2中在顶板3和底板4之间设置有多根支柱5，在上述支柱5中设置了多段沟槽6。被处理的晶片1被以水平状态多层承载在螺杆2的沟槽6中。螺杆2被螺杆升降机55(参照图5)自由升降地承载，使其能够进出反应管11。另外，螺杆2通过未图示的旋转装置设置为能够在反应管11内以旋转轴19为中心自由旋转。另外，18为密封用O形圈。
反应管11中设置了气体供给装置70，从气体供给装置70向反应管11内供给多种反应气体。气体供给装置70包含后述的清洁气体供给系统和后处理用气体供给系统。另外，在反应管11中设置了作为排气体系的排气口16，能够排除反应管11内部的气体。
为了方便，图2中仅示出了气体供给装置70中的一个体系，实际上设置了多个体系，因而能够向反应管11内供给多种原料气体(此处为2种原料气体)。多种原料气体中的一部分气体为经等离子体活化后供给的气体，其余气体为未经等离子体活化而供给的气体。例如，当基板上形成的膜种类为SiN膜时，原料气体为需要进行活化的NH3气体和不必活化的DCS气体。此处示出的气体供给装置70为供给经等离子体活化后的NH3气体的第1气体供给装置(NH3气体供给装置)70A。第1气体供给装置70A配备有设置在反应管11下部一侧的NH3气体导入20、和设置在反应管11内并连接在NH3气体导入20上的石英制NH3用缓冲喷嘴34。NH3用缓冲喷嘴34使导入反应管11内的NH3气体以均匀的流量和流速通过全部晶片。
NH3用缓冲喷嘴34于反应管11的管轴方向延伸，沿着管内臂13设置在从反应管11的下部到螺杆2的顶部所处的反应管顶部附近。NH3用缓冲喷嘴34与管径同样细的普通喷嘴相比具有较宽的喷嘴空间，通过喷嘴空间向反应管11内喷出NH3气体。设置多个与相邻的晶片1具有相同间距的NH3用缓冲喷嘴34的喷出口(未图示)，使其与被多层承载的多张晶片1相对应。
另外，该NH3用缓冲喷嘴34内部具有一对用于产生等离子体的等离子体电极27(图中，由于电极重叠显示，因而仅示出其中之一)，导入的NH3气体被等离子体活化。一对等离子体电极27分别插入设置在NH3用缓冲喷嘴34内的一对电极保护管25内。在一对电极保护管25之间的等离子体产生区域33中形成等离子体40。
图1为图2的I-I线剖视图。设置了第1气体供给装置(NH3气体供给装置)70A和第2气体供给装置(DCS气体供给装置)70B，使2种原料气体能够分别导入反应管11内。第1气体供给装置70A和第2气体供给装置70B被连接在控制装置100上，通过控制装置100进行控制。第1气体供给装置70A由NH3气体导入管22、与NH3气体导入管22连接的NH3气体导入口20、与NH3气体导入口20连通的NH3用缓冲喷嘴34构成。第2气体供给装置70B由DCS气体导入管23、与DCS气体导入管23连接的DCS气体导入口21、与DCS气体导入口21连通的DCS用缓冲喷嘴44构成。
第1气体供给装置70A除了从作为专用供给喷嘴的NH3用缓冲喷嘴34向反应室12内供给作为2种原料气体之一的NH3气体，还供给作为后处理用气体的NH3气体、或者惰性气体例如N2气体。NH3气体在成膜和后处理时都由等离子体活化后供给。
NH3用缓冲喷嘴34包括与NH3气体导入口20连接的气体导入喷嘴部28和活化气体的等离子体产生喷嘴部29。气体导入喷嘴部28和等离子体产生喷嘴部29间隔隔壁26并列设置，通过隔壁26中设置的连通口30连通。等离子体产生喷嘴部29中设置了一对用于产生等离子体的等离子体电极27，使导入的气体能够被等离子体40活化。活化后的NH3气体42经等离子体产生喷嘴部29中设置的喷出孔45喷出。一对等离子体电极27分别插入等离子体产生喷嘴部29中设置的一对电极保护管25内。从电极保护管25导出至炉10外部的一对等离子体电极27通过由可变电容形成的匹配器32连接在高频电源31上。
NH3气体导入口20通过第1阀35、第2阀36与供给NH3气体或者惰性气体N2的三通气体导入管22连接，选择性地向NH3用缓冲喷嘴34供给NH3气体或者惰性气体。从NH3气体导入口20导入的气体进入NH3用缓冲喷嘴34的气体导入喷嘴部28内，并通过连通口30供给至等离子体产生喷嘴部29。此处，通过在等离子体电极27之间施加高频电压使等离子体产生区域46内产生等离子体40，由该等离子体40活化NH3气体。活化后的NH3气体经等离子体产生喷嘴部29的喷出孔45向反应室12中的晶片1上喷出。
因此，由于NH3用缓冲喷嘴34内部具有较大的喷嘴空间，因而激发气体时产生的自由基可以尽量不撞击内壁，并且等离子体产生区域46附近的压力变低，由此能够确保产生的自由基寿命，可将NH3自由基直接输入反应室(基板处理区域)12内。
第2气体供给装置70B除了从作为专用供给喷嘴的DCS用缓冲喷嘴44向反应室12供给作为2种原料气体中的另一种气体的DCS气体之外，还供给作为清洁气体的NF3气体、作为后处理用气体的DCS气体、或者惰性气体。DCS、NF3与NH3不同，是以非活化状态供给的。
DCS用缓冲喷嘴44不同于上述NH3用缓冲喷嘴34，其不含等离子体产生喷嘴部，仅具有相当于气体导入喷嘴部28的部分。气体从DCS用缓冲喷嘴44的喷出孔47向反应室12内的晶片1上喷出。气体导入口21连接在通过第3阀37、第4阀38、第5阀39供给DCS、NF3或者惰性气体的四通气体导入管23上，并向DCS用缓冲喷嘴44选择性地供给DCS、NF3或者惰性气体。由于优选进行短时间升压以将反应管内压力(以下也称为炉内压力)升至高于NH3气体的压力，因而四通气体导入管23中供给DCS气体的DCS气体导入管23A在第4阀38和第6阀43之间夹着贮存DCS气体的缓冲箱41。将DCS气体供给至反应室12时，预先将DCS气体贮存在缓冲箱41中，例如在使从反应室12的排气口16的排气停止的状态下，将缓冲箱41中贮存的DCS气体从缓冲箱41一次性供给至反应室12，由此反应室12内的多张晶片1便暴露于DCS气体之中。由于NF3气体及惰性气体优选不通过缓冲箱41，因而，供给上述两种气体的气体导入管23B、23C连接在缓冲箱41的下游。
上述气体导入管23B、DCS气体导入口21、以及DCS用缓冲喷嘴44构成了供给清洁气体的清洁气体供给系统71，所述清洁气体用于除去在晶片1上实施成膜处理时作为附着物附着在反应管11内的反应副产物。另外，第1气体供给装置(NH3气体供给装置)70A、以及第2气体供给装置(DCS气供给装置)70B构成了供给后处理用气体的后处理用气体供给系统72，所述后处理用气体能够除去在供给清洁气体除去反应副产物之后残留在反应管11内的清洁气体中所含氟成分。
图3示出反应管11内的2个NH3用缓冲喷嘴34、DCS用缓冲喷嘴44，是从图1右上侧所示空白箭头Z方向观察的反应管11的透视图。各缓冲喷嘴34、44的气体喷出孔45、47的孔径尺寸从缓冲喷嘴34、44的上游至下游逐渐增大。这是因为从缓冲喷嘴34、44的上游至下游的喷嘴空间的内部压力逐渐降低，通过朝下游侧逐渐增大孔径尺寸，即使在下游侧也能够确保从喷出孔45、47喷出的喷出量，从而能够使从上游到下游的流量一致。如前所述，为了与多层承载的多张晶片1相对应，气体喷出孔45、47被设置为与邻接的晶片1具有相同的间距。
下面说明如上所述构成的实施方案的竖式ALD装置的作用。在竖式ALD装置的反应管11内反复进行成膜(成膜步骤A)时，炉内部会附着并残留反应副产物。为了将其除去而实施清洁处理(清洁步骤B)。在清洁处理之后，实施后处理(后处理步骤C)以排除炉内部残留的清洁气体中含有的元素。在实施后处理步骤C之后反复进行成膜步骤A、清洁步骤B。以下逐项说明各步骤。需要说明的是，说明中出现的时间为除去额外时间得到的值。上述额外时间是指将螺杆1插入反应管11、从管中取出需要的时间、反应管内抽真空·恢复常压需要的时间等，表示向反应室内导入气体进行处理的时间之外的时间。
成膜步骤A
该步骤为对晶片实施所需成膜处理的主成膜步骤。由螺杆升降机55(参照图5)通过密封盖17使螺杆2下降，螺杆2上承载有多张晶片1，通过螺杆升降机55将螺杆1插入至反应管11内。由密封盖17将反应管11的炉口完全密封之后，从排气口16将反应管11内抽成真空，进行排气。将反应管11内加热至规定温度、例如400～600℃以使温度稳定化。从2个缓冲喷嘴34、44向反应室12内供给原料气体，同时经排气口16排出，从而在晶片1表面实施成膜处理。
如前所述，ALD装置构成为DCS气体和NH3等离子体分别从专用的DCS用喷嘴和NH3用喷嘴交替供给。特别是在对叠层后的基板进行一次性大量处理的竖式ALD装置中，为了能够向叠层后的各基板均匀输送气体，DCS用喷嘴和NH3用喷嘴不是由细管构成的普通喷嘴，而是由喷嘴空间较大的缓冲喷嘴构成。另外，不同于DCS用缓冲喷嘴，NH3用缓冲喷嘴内具有设置了等离子体电极的等离子体产生区域、和导入NH3气体的等离子体非产生区域，导入等离子体非产生区域的NH3气体能够在等离子体产生区域被等离子体活化。并且，为了使各缓冲喷嘴内不易形成SiN膜，在通过DCS用缓冲喷嘴供给DCS气体时，经NH3用缓冲喷嘴通入N2等惰性气体，而通过NH3用缓冲喷嘴供给NH3等离子体时，经DCS用缓冲喷嘴通入N2等惰性气体。
该成膜处理按使用2种反应气体DCS和NH3的ALD成膜处理进行，由以下①～④步骤构成。
①停止向NH3用缓冲喷嘴34的等离子体电极27间施加高频电压。另外，为了防止DCS气体混入NH3用缓冲喷嘴34内，打开第2阀36，流入少量的N2气体。打开第4阀38，将预先贮存在缓冲箱41内的DCS气体供给至DCS用缓冲喷嘴44并从其喷出孔47喷射入反应室12。喷射的DCS流量例如为0.5slm，炉内压力在排气口16停止排气时例如为266～931Pa。通过使晶片1暴露在DCS气体中，可以在晶片1上吸附DCS原料。
②关闭第4阀38停止供给DCS气体。打开第6阀43开始向缓冲箱41中贮存DCS气体。接着，打开排气口16，同时打开第5阀39从DCS用缓冲喷嘴(第2缓冲喷嘴)44向反应管11内导入作为惰性气体的N2气体，对DCS用缓冲喷嘴44及反应管11内进行N2换气(purge)，从而将DCS环境气体从DCS用缓冲喷嘴44及反应管11内除去。另外，也可以采用抽真空以除去DCS环境气体的方法来替代N2换气操作。
③为了防止DCS用缓冲喷嘴44内混入NH3自由基42，可打开第5阀39流入少量的N2气体。在等离子体电极27间施加高频电压，同时打开第1阀35从NH3用缓冲喷嘴(第1缓冲喷嘴)34供给NH3气体。NH3气体从气体导入喷嘴部28通过连通孔30被导入等离子体产生喷嘴部29，并被等离子体电极27间产生的等离子体40活化。活化后的NH3自由基42经喷射孔45向反应室12内喷射。喷射的NH3气体流量例如为3.0～4.5slm，炉内压力通过排气口16的电导控制使其低于DCS气体导入时的压力，为40～60Pa。晶片1曝露在活化后的NH3气体中使晶片1上吸附的DCS原料和NH3原料发生反应，从而在晶片1上仅形成一原子层的SiN膜。
④关闭第1阀35停止供给NH3气体，同时停止向等离子体电极27间施加高频电压。在打开排气口16的状态下打开第2阀36将作为惰性气体的N2气体导入NH3用缓冲喷嘴34中，从气体导入喷嘴部28通过等离子体产生喷嘴部29导入反应管11内，对NH3用缓冲喷嘴34及反应管11内进行N2换气，从而将NH3环境气体从NH3用缓冲喷嘴34及反应管11内除去。另外，也可以采用抽真空以除去NH3环境气体的方法来替代N2换气操作。
再返回①步骤，仅按照所需次数重复①～④步骤。步骤①～④作为一次循环，在一次循环过程内成膜为规定的膜厚。膜厚由循环次数控制。成膜时间受温度、膜厚影响，例如成膜温度为550℃，膜厚为300时，时间为100min左右。另外，上述步骤中是首先供给DCS气体然后再供给NH3等离子体，也可以将供给顺序反过来，即首先供给NH3等离子体然后再供给DCS气体。
由此完成了成膜处理之后，将反应管11内置换成惰性气体N2并恢复常压，降下螺杆2，从螺杆2中取出成膜之后的晶片1。
但是，即使如上所述地从其中一个缓冲喷嘴流入原料气体时，从另一个缓冲喷嘴流入惰性气体，也无法避免因扩散现象导致在缓冲喷嘴间混入一定程度的气体。当原料气体被等离子体激发的NH3用缓冲喷嘴中混入DCS气体时，喷嘴成为异物产生源。喷嘴成为异物产生源的原因如下。
①在等离子体放电时，当NH3用缓冲喷嘴的等离子体产生区域中混入DCS气体时，DCS和NH3等离子体发生剧烈反应而形成聚合物等，并且在NH3用缓冲喷嘴内部附着成膜。其成为异物产生源。
②通过DCS和NH3等离子体发生反应，在等离子体产生区域部附着成膜，当膜附着较厚时，等离子体放电时NH3自由基剧烈冲击附着的膜、对膜进行破坏而使膜发生剥落。这也成为异物产生源。
因此，在使用多个专用缓冲喷嘴交替供给多种气体的竖式ALD装置中，为了除去缓冲喷嘴内的成膜，需要在后述的清洁步骤B中使缓冲喷嘴中也通入清洁气体。
清洁步骤B
在螺杆2中未承载晶片1的状态下，经螺杆升降机55将螺杆1插入反应管11内。用密封盖17将反应管11的炉口完全密封后，经排气口16将反应管11内抽真空进行排气。使反应管内温度达到例如约为610℃。打开第3阀37，从DCS用缓冲喷嘴44将作为清洁气体的NF3向反应室12内喷射。喷射的NF3气体流量例如为0.25～1.5slm。此时，仍继续进行反应管11内部的真空排气，控制真空排气量使反应管11内部的压力达到预定压力。NF3分子被炉内的热量活化。由此，在作为炉内气体接触部的DCS用缓冲喷嘴44的内壁表面、反应管11的内壁表面、炉口部附近8的炉低温部、或者其它的气体接触部附着的反应副产物被蚀刻。另外，NH3用缓冲喷嘴34内也流入NF3气体，等离子体产生喷嘴部29内的反应副产物被蚀刻。被蚀刻的反应副产物经由排气口16排出。清洁时间由积累的膜厚决定，例如，积累膜厚为0.75μm时，清洁时间为2小时左右。
当NH3用缓冲喷嘴34的气体导入喷嘴部28内为等离子体产生区域46之外的等离子体非产生区域48，并且气体导入喷嘴部28内流入NF3气体使喷嘴部内壁表面吸附、结合而残留氟成分时，则由于不存在NH3等离子体而不能除去氟成分。为此，在清洁时，从气体导入喷嘴部28流入微量的氮气N2以使气体导入喷嘴部28内不混入清洁气体。此处氮气N2的流入量为微量是基于以下原因：考虑到由于DCS气体的扩散，使等离子体产生喷嘴部29内多少附着有一些反应副产物，因而，如前所述，有必要使清洁气体流入等离子体产生喷嘴部29内以除去反应副产物。当氮气N2的流入量较大时，清洁气体不能进入等离子体产生喷嘴部29内导致无法除去反应副产物，因此，为了防止上述现象而使N2的流入量为微量。
实施方案中清洁气体并非经由供给NH3气体的NH3用缓冲喷嘴34流入，而是经由供给DCS气体的DCS用缓冲喷嘴44流入，这是基于以下3个原因。
①考虑到由于DCS气体也可单独成膜，因此与NH3用缓冲喷嘴34内附着的反应副产物膜相比，DCS用缓冲喷嘴44内附着的反应副产物膜形成为更厚的膜。因此有必要将其有效除去。
②实施清洁处理之后进行成膜时，成膜速度降低。这是由于成膜气体受到残留氟成分的影响而阻碍成膜。当反应气体为DCS+NH3等离子体时，与DCS气体相比，NH3等离子体与氟的反应概率更高，更易受到氟的影响。因此，从NH3用缓冲喷嘴34流入NF3气体后与从DCS用缓冲喷嘴44流入NF3气体后相比，前者成膜速度降低更多。因此优选从不易受到氟影响的喷嘴流入。
③当NH3用缓冲喷嘴中流入清洁气体时，氟成分吸附、结合在NH3用缓冲喷嘴的喷嘴内壁表面。由于NH3在不进行等离子体激发时不与氟F发生反应，因而从NH3用缓冲喷嘴34供给NF3气体时，当氟成分吸附、并结合残留在等离子体产生区域46之外的等离子体非产生区域48时，将不能除去该氟成分，在开始处理晶片后不久，氟即被持续供给至反应室12内，成膜速度很快即变得不稳定。必须避免上述情况的发生。
后处理步骤C
后处理步骤在清洁步骤之后进行，包括将各缓冲喷嘴34、44内、以及反应室12内残留的元素氟从反应管11中除去的除去步骤；和在各缓冲喷嘴34、44内、以及反应管11内的构件表面形成所希望的膜的预成膜步骤。2个除去步骤和预成膜步骤也可以分别为不同的步骤，但在采用ALD法时可以将二者在一个步骤中实施。采用了ALD法以1个步骤实现上述目的时，预成膜的内容基本与前述成膜步骤A相同，与成膜步骤A不同之处为处理时间较短，例如为13min左右，在该处理时间内进行例如40次循环左右的成膜处理时，能够使后处理之后进行的晶片成膜的膜厚较为稳定。
作为后处理步骤，采用交替供给等离子体激发的NH3自由基和DCS气体的ALD法实施后处理步骤时，炉内各气体接触部的氟成分利用如下方法除去：
①NH3用缓冲喷嘴
NH3用缓冲喷嘴34中供给NH3气体作为后处理用气体。由于该NH3气体被等离子体活化，因而在NH3用缓冲喷嘴34的等离子体产生喷嘴部29内的壁表面吸附、并结合残留的氟成分与通过活化而从NH3电离出的H原子发生反应，从而生成易从NH3用缓冲喷嘴34内排出的HF气体。HF气体从NH3用缓冲喷嘴34经由反应室12从反应管11的排气口16排出。另外，预成膜时，并非有意在NH3用缓冲喷嘴34内形成作为预成膜的SiN膜，但是，DCS气体供给时的气体扩散作用使得NH3用缓冲喷嘴34内流入少许DCS气体，因而认为NH3用缓冲喷嘴34内形成了少许的预成膜SiN。因此，在NH3用缓冲喷嘴34内的壁表面上吸附、结合而残留的氟成分通过与上述膜原料发生反应、或者被封入膜下而从反应管内的环境气体中排除。另外，对于未产生NH3自由基的气体导入喷嘴部28，由于其在清洁时流入微量的氮气N2从而未混入氟成分，因而不必特意实施利用NH3自由基的除去处理和利用预成膜的压入处理。
②DCS用缓冲喷嘴
DCS用缓冲喷嘴44中供给DCS气体作为后处理用气体。由于该DCS(SiH2Cl2)气体容易形成Si-F键，因而在DCS用缓冲喷嘴44内的壁表面吸附、结合而残留的氟成分与DCS气体发生反应而生成SiF气体(氟化硅)。该SiF气体从DCS用缓冲喷嘴44经由反应室12从反应管11的排气口16排出。另外，预成膜时，并非有意在DCS用缓冲喷嘴44内形成作为预成膜的SiN膜，但是，NH3自由基供给时的气体扩散作用使得DCS用缓冲喷嘴44内流入少许的DCS气体，因而认为DCS用缓冲喷嘴44内形成了少许的预成膜SiN。因此，DCS用缓冲喷嘴44内的壁面上吸附、结合而残留的氟成分通过与上述膜原料发生反应、或者封入膜下而从反应管内的环境气体中排除。
③炉低温部
在炉口部附近8的炉低温部吸附、结合而残留的氟成分也因从NH3用缓冲喷嘴34向反应室12内供给的NH3自由基与氟反应的概率较高而能够发挥特别有效的作用，使氟成分转化成HF，并从反应管11排出。另外，也可以通过从各缓冲喷嘴34、44交替向反应管11内供给NH3自由基和DCS气体而在炉低温部形成预成膜，由此将在壁表面吸附、结合而残留的氟成分封入膜下，从而将其从反应管11内的环境气体中排除。
④上述以外的部分
上述以外的炉内气体接触部可以通过预成膜的形成、与DCS气体或者NH3自由基的反应将氟成分转化为挥发物质的方法将壁表面吸附、结合而残留的氟成分压入并除去。
通过上述①～④的除去效果，能够有效除去炉内各气体接触部的氟成分，因此，即使在清洁刚结束时，基板上成膜时也不出现氟成分脱离而阻碍成膜的现象，从而能够有效抑制成膜速度的降低。
根据上述实施方案，由于在实施作为后处理步骤的预成膜处理时不采用热CVD法，而是采用ALD法，将主成膜时使用的全部原料气体作为后处理用气体供给，因此能够利用由NH3自由基和DCS将氟元素从炉内除去、和通过预成膜将氟元素在炉内捕获这样两方面，有效地将氟元素从反应管内的环境气体中排除。
另外，采用热CVD法进行预成膜时，为捕获氟成分需要较厚的膜。即，热CVD法中，炉口部附近8的低温部较炉的其它气体接触部分的成膜速度慢，因此，在包括低温部的炉内气体接触部附着预成膜以捕获氟成分时，成膜处理时间增加，从而使其它气体接触部的膜变厚。另外，因为热CVD法不使用等离子体，因此不具有利用NH3等离子体将残留氟成分排出反应室12外的功能。因此，必须将大量的残留氟成分封入预成膜之下，其结果需要形成较厚的预成膜。与此相反，如上述实施方案所述采用ALD法实施预成膜处理时，为了捕获氟成分有较薄的膜即可。即，ALD法中，NH3等离子体能够有效除去低温部附近的残留氟成分，因而形成较薄的预成膜即可。另外，预成膜较薄时，利用随后实施的基板处理，可以延长附着在反应管内壁表面上的反应副产物从形成到开始发生膜剥落间隔的时间，从而能够减少清洁的次数。
因此，如图4A、4B所示，在实施预成膜时，如采用现有的热CVD法则需要形成较厚的膜，为了提高成膜速度必须升高处理温度(图4B)。与此相反，本发明的实施方案中采用ALD法，利用NH3等离子体和DCS气体除去残留氟成分的效果能够实现预成膜的薄膜化，因此能够使预成膜温度和主成膜的成膜温度相同，从而能够提高产率(图4A)。
另外，本实施方案中，作为供给后处理用气体的后处理用气体供给系统，仍直接使用作为各专用供给喷嘴的NH3用缓冲喷嘴和DCS气体缓冲喷嘴，而不必增设与专用供给喷嘴不同的热CVD成膜用喷嘴，因此不存在反应管结构复杂化、以及成本增加的问题。另外，由于未增设热CVD成膜用喷嘴，因此也不存在因热CVD成膜用喷嘴内成膜而导致异物产生的问题。
使用经过了上述成膜步骤、清洁步骤、后处理步骤的基板处理装置制造半导体装置时，能够制造出受反应室内残留的清洁气体中所含元素影响较小的半导体装置。
另外，虽然使用DCS和等离子体激发NH3作为原料气体形成了SiN膜，但气体的种类并不局限于此。例如，SiN膜也可以使用Si2C16(六氯化二硅烷(Hexachlorodisilane)：HCD)和NH3(可以经等离子体激发、也可以未经等离子体激发)作为原料气体成膜。
实施方案中使用NF3作为清洁气体，但并不局限于此，也可以使用ClF3等其它含F(氟)蚀刻气体。
实施方案中的主成膜和后处理均采用ALD法进行，但并不局限于此，例如也可在主成膜中采用热CVD法而仅在后处理中采用ALD法。实施方案适用于分批式竖式ALD装置，也适用于单张式ALD装置。
另外，实施方案中说明了配备有较普通喷嘴空间容积大的2个缓冲喷嘴、并在其中一个缓冲喷嘴内形成了等离子体激发气体的结构，但并不局限于此。例如，也适用于增加后处理步骤的处理时间，在缓冲喷嘴外部进行等离子体激发、或者备有普通的细管喷嘴而在喷嘴外部进行等离子体激发的结构的装置。
2002年11月11日提出的日本专利申请2002-327193号中公开的全部内容，包括说明书、权利要求的范围、附图、以及说明书摘要被直接引用并编入本申请中。
产业实用性
如上所述，根据本发明优选的实施方案，使用反应气体作为清洁步骤后进行的后处理用气体，因此能够有效地除去清洁气体中所含元素。并且，将对基板实施所需处理时使用的全部反应气体作为后处理用气体导入时，则不必增设气体供给系统，可避免结构的复杂化。而且能够防止增设气体供给系统所引起的产生来自气体供给系统的异物的现象。
其结果为，本发明尤其适用于利用ALD(Atomic LayerDeposition)法在半导体基板上实施成膜处理的基板处理装置。
Claims (8)
1.一种基板处理装置，其含包以下部分：
形成容纳基板、供给多种反应气体、并对所述基板实施所需处理的空间的反应容器，
开口于所述反应容器、用于将所述反应容器内排气的排气口，
向所述反应容器至少供给所述多种反应气体的气体供给系统；
所述气体供给系统包括供给清洁气体的清洁气体供给单元和供给后处理用气体的后处理用气体供给单元，所述清洁气体用于除去对所述基板实施所需处理时附着在反应容器内的附着物，所述后处理用气体能够在供给所述清洁气体并除去了附着物之后除去反应容器内残留的清洁气体中所含元素；
所述后处理用气体包含对所述基板实施所需处理时使用的全部反应气体。
2.如权利要求1所述的基板处理装置，其特征为，所述后处理用气体供给单元具有分别独立供给各反应气体的专用供给喷嘴，在将所述反应气体作为所述后处理用气体供给时，从所述各专用供给喷嘴交替供给各反应气体。
3.如权利要求2所述的基板处理装置，其特征为，从所述后处理用气体供给单元供给的各反应气体为除去各专用供给喷嘴内以及反应容器内残留的元素、且使反应容器内形成所希望的膜的气体。
4.如权利要求3所述的基板处理装置，其特征为，从所述各专用供给喷嘴供给的多种反应气体为含硅气体和经等离子体激发的氨气。
5.如权利要求4所述的基板处理装置，其特征为，所述清洁气体为含氟气体，该含氟气体从供给含硅气体的专用供给喷嘴供给。
6.如权利要求4或5所述的基板处理装置，其中所述含硅气体为SiH2Cl2。
7.如权利要求5所述的基板处理装置，其中所述含氟气体为NF3或者ClF3。
8.一种基板处理装置，是交替供给多种反应气体而在基板上形成薄膜的基板处理装置，其特征为，该装置具有以下部分：
反应容器；
分别专用于供给所述多种反应气体的多个专用供给喷嘴；
控制装置，由所述控制装置进行控制，以便在清洁时从所述多个供给喷嘴中的一个喷嘴向所述反应容器内供给清洁气体，并在供给所述清洁气体之后、实施基板处理之前，从所述多个专用供给喷嘴分别向所述反应容器内交替供给基板处理时使用的全部所述多种反应气体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20181128 Address after: Tokyo, Japan Patentee after: KOKUSAI ELECTRIC Corp. Address before: Tokyo, Japan Patentee before: HITACHI KOKUSAI ELECTRIC Inc. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20080521 |
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| CX01 | Expiry of patent term |