JP2003188149A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一度に複数枚、例えば二枚の基板を処理する
ことができ且つ副生成物を同一処理容器で処理すること
を可能とする。 【解決手段】 弗化窒素をプラズマにより励起すること
により生成された弗化窒素の励起種を基板６に晒してこ
れを基板６上の自然酸化膜と反応させて基板６上に副生
成物を生じさせる副生成物形成工程と、基板６を所定の
温度に加熱することにより前記副生成物を昇華させる加
熱工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記
加熱工程では、複数枚の基板６を加熱手段（ランプ７）
により基板配列方向の片側、例えば上側から、加熱手段
から最も遠い位置にある基板６の温度が基板処理可能な
温度、例えば８０℃以上好ましくは１００℃以上となる
ように加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】 【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、特に基板上の自然酸化膜を除去すべく弗化窒素の
励起種を基板に晒し、その際に基板上に生じる副生成物
を加熱により昇華させて除去する技術に関するものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】一般に、半導体集積回路を製造するため
には、半導体ウェハ等の基板に対して成膜とパターンエ
ッチング等を繰り返し実施して、多数の所望の素子を形
成する。ところで、このように各種の処理工程を実施す
るにあたり、半導体ウェハを処理装置間に転送する必要
があることから、ウェハが大気に晒されることは不可避
である。そのため、ウェハ面の大気に晒される部分に、
大気中の酸素や水分に起因して自然酸化膜が発生するこ
とは避けられない。この自然酸化膜は、膜質、例えば電
気的特性等を劣化させることから、上記した成膜工程等
の前処理として、自然酸化膜をウェハ面から除去する表
面処理が実施される場合がある。 【０００３】自然酸化膜を除去するこの表面処理は、従
来はウェハを薬液中に浸漬して、自然酸化膜を薬液によ
り除去する、いわゆるウエット洗浄が一般的に行われて
いたが、次のような課題があった。すなわち、半導体集
積回路の高集積化及び高微細化が推進されるに従って、
線幅やコンタクトホール径等も小さくなり、例えばホー
ル径等は０．２〜０．３μｍ程度、或いはそれ以下にな
っている。そのため、薬液がこのホール内に十分染み込
まなかったり、或いは逆に染み込んだ薬液が表面張力の
ためにホール内から排出できなかったり、といった不都
合が生じ、ホール底部に発生した自然酸化膜を十分に除
去することができないという問題が生じた。 【０００４】また、複数層の積層構造の成膜よりなるホ
ール壁が層毎にエッチングレートが異なることから、ホ
ール壁面にでこぼこが発生する、或いは積層した膜の境
界面部分には薬液が浸透しやすいために、浸透した薬液
によって境界面が過度に削られてしまうといった問題が
あった。 【０００５】そこで、このような問題を解決するため
に、上記したような薬液によるウエット洗浄に替えて、
エッチングガスを用いて自然酸化膜を除去する、いわゆ
るドライエッチング法が提案されている。 【０００６】提案されているドライエッチング法ではＮ
₂（窒素）、Ｈ₂（水素）及びＮＦ₃（弗化窒素）等のガ
スを使用し、処理容器内とは別の領域でＮ₂、Ｈ₂及びＮ
Ｆ₃のいずれかのガスを活性化し、それらを混合した後
に前記反応容器内に導入して自然酸化膜を除去するもの
である。この際、前記の活性化された混合ガスは、反応
容器内に載置されたウェハ等の基板上の自然酸化膜と反
応し、一旦基板上に副生成物を生成する。この副生成物
は（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆或いはＮＨ₄Ｆであることが判って
いる。また、これらの副生成物は１００℃以上の加熱に
より容易に基板上から脱離することが判っており、基板
裏面からのランプ照射、或いは前記処理容器とは別の処
理容器にて加熱処理を実施することで、副生成物の除去
がなされてきた。 【０００７】図２は前者の基板裏面からのランプ照射に
より副生成物を除去する半導体装置の製造方法を示した
ものである。この方法の場合、処理容器つまり反応室１
内の載置台５に一枚の基板６を支持しておいて、反応室
１内にガス導入配管２から弗化窒素の励起種を供給し、
これを基板６に晒して基板６上の自然酸化膜と反応させ
る。そして、基板６上に生じた副生成物を除去するた
め、反応室１の裏面側からランプ７により赤外線を照射
する。なお、弗化窒素の励起種は、窒素と水素を含むガ
スをガス活性化部１１でμ波（マイクロ波）の作用下で
プラズマ励起して得た励起種の下流に、弗化窒素ガスを
添加することにより得る。μ波はμ波電源９から導波管
１０を経て与えられる。 【０００８】図３は後者の処理容器とは別の処理容器に
て加熱処理を実施して副生成物を除去する半導体装置の
製造方法を示したものである。 【０００９】この方法の場合、図３（ａ）に示すよう
に、まずガスクリーニング処理容器１Ａを用い、その内
部の載置台５に二枚の基板６を支持しておいて、反応室
１内にガス導入配管２から弗化窒素の励起種を供給し、
これを基板６に晒して基板６上の自然酸化膜と反応させ
る。なお、弗化窒素の励起種は、窒素と水素を含むガス
をガス活性化部１１でμ波（μ波電源９から導波管１０
を経て与えられる。）の作用下でプラズマ励起して得た
励起種の下流に、弗化窒素ガスを添加することにより得
る。 【００１０】次に、図３（ｂ）に示すように、基板６上
に生じた副生成物を除去するため、上記二枚の基板６を
副生成物処理容器１Ｂに移し、その内部の載置台５に二
枚の基板６を支持しておいて、副生成物処理容器１Ｂの
上面側及び裏面側からヒータ７Ａ、７Ｂにより加熱する
ものである。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来で
は、図２のように基板裏面からのランプ照射による加熱
方法、或いは図３（ａ）（ｂ）のように、別の処理容器
により基板を１００℃以上に加熱処理する方法により、
ドライエッチングの処理過程で生じた副生成物を除去し
てきた。 【００１２】しかしながら、一枚の基板をセットしその
基板裏面からのランプ照射により加熱する方法（図２）
では、基板表面の副生成物が形成されている面について
は基板温度が上がりにくく、また反応室内に一枚の基板
をセットするため、同時に１枚葉の処理しかできない。
また、他の処理容器で加熱処理を実施する方法（図３）
の場合には、別の処理容器に移載するためのロス時間が
生じるなど、スループットの面で限界が生じる。 【００１３】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、一度に複数枚、例えば二枚の基板を処理することが
でき且つ副生成物を同一処理容器で処理することができ
る、半導体装置の製造方法を提供することにある。 【００１４】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、弗化窒素をプラズマにより励起すること
により生成された弗化窒素の励起種を基板に晒してこれ
を基板上の自然酸化膜と反応させて基板上に副生成物を
生じさせる副生成物形成工程と、基板を所定の温度に加
熱することにより前記副生成物を昇華させる加熱工程と
を有する半導体装置の製造方法において、前記加熱工程
では、複数枚の基板を加熱手段により基板配列方向の片
側から、加熱手段から最も遠い位置にある基板の温度が
基板処理可能な温度となるように加熱するものである。 【００１５】本発明の半導体装置の製造方法によれば、
一度に二枚の基板をドライクリーニング処理することが
でき、且つ副生成物を同一処理容器で処理することがで
きるため、スループットを向上させることができる。ま
た、処理容器を１つで済ますことができるため、占有床
面積（フットプリント）を小さくすることができる。 【００１６】本発明の具体的構成としては、例えば、加
熱手段としてのランプを処理室たる処理容器の上方に取
り付けて、基板配列方向の片側から加熱し、副生成物を
除去する。この目的で、処理容器上方には石英ガラス等
の赤外線を透過する円形或いは多角形形状をした窓を取
り付け、その上に基板を加熱する手段として、加熱手段
から最も遠い位置にある基板の温度が基板処理可能な温
度、例えば８０℃以上、好ましくは１００℃以上に昇温
可能なランプを取り付ける。この際、窓の開口部の大き
さは基板に対応した大きさが望ましいが、それよりも大
きくても、小さくてもかまわない。また、より短時間に
副生成物除去を実施するためにより容量が大きく、急加
熱が可能なランプが適当である。 【００１７】他の具体的構成としては、例えば次のよう
な半導体装置の製造方法又は基板処理装置にするとよ
い。 【００１８】（１）基板を処理する処理室と、弗化窒素
をプラズマにより励起することにより生成された弗化窒
素の励起種を処理室内に供給する励起種供給口と、複数
枚の基板を支持する基板支持体と、基板支持体により支
持された複数枚の基板を基板配列方向の片側から加熱す
る加熱手段と、複数枚の基板を加熱する際、加熱手段か
ら最も遠い位置にある基板の温度が基板処理可能な温度
となるように制御する制御手段と、を有することを特徴
とする基板処理装置。 【００１９】（２）弗化窒素のプラズマによる励起は、
窒素と水素を含むガスをプラズマにより励起することに
より生成された励起種の下流に弗化窒素ガスを添加する
ことにより行うことを特徴とする方法又は装置。 【００２０】（３）加熱工程では、複数枚の基板を加熱
手段により基板配置方向の片側から、加熱手段から最も
遠い位置にある基板の温度が８０℃以上の温度となるよ
うに加熱することを特徴とする方法又は装置。 【００２１】（４）加熱工程では、複数枚の基板を加熱
手段により基板配置方向の片側から、加熱手段から最も
遠い位置にある基板の温度が１００℃以上の温度となる
ように加熱することを特徴とする方法又は装置。 【００２２】（５）一度に二枚の基板を処理することを
特徴とする方法又は装置。 【００２３】（６）加熱手段がランプであることを特徴
とする方法又は装置。 【００２４】（７）基板間隔を１０ｍｍ程度とすること
を特徴とする方法又は装置。 【００２５】（８）ランプと直接対向する基板はランプ
放射熱で加熱し、それ以外の基板は基板ランプ放射熱で
加熱された基板からの輻射熱で加熱することを特徴とす
る方法又は装置。 【００２６】 【発明の実施の形態】以下に本発明に係る自然酸化物除
去方法とその装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述
する。 【００２７】図１は本発明の製造方法を実施する基板処
理装置の構成図である。図１に示す基板処理装置は、基
板６を処理する処理室たる反応室１と、弗化窒素をプラ
ズマにより励起することにより生成された弗化窒素の励
起種を反応室１内に供給する励起種供給口としてのガス
導入配管２と、複数枚（ここでは二枚）の基板６を支持
する基板支持体としての載置台５と、基板支持体として
の載置台５により支持された複数枚の基板６を基板配列
方向の片側から加熱する加熱手段たるランプ７と、複数
枚の基板６を加熱する際、加熱手段たるランプ７から最
も遠い位置にある基板６の温度が基板処理可能な温度と
なるように制御する制御手段（図示せず）とを有する。 【００２８】ここで、弗化窒素のプラズマによる励起
は、窒素と水素を含むガスをプラズマにより励起するこ
とにより生成された励起種の下流に弗化窒素ガスを添加
することにより行う。 【００２９】詳述するに、反応室１は例えばアルミニウ
ムで多角形に形成されており、さらに基板汚染等を防止
するために反応室１の内壁はアルマイト処理がなされて
いる。また、反応室１の内部には、二枚の基板６を上下
二段に載置する石英により形成された載置台５が、磁気
シールを介して設置された回転機構１９上に設置されて
いる。 【００３０】反応室１は、次に述べるように、ガス活性
化部１１に接続する導入配管２と、反応室１からの排気
を行う排気配管３と、副生成物を加熱して除去するため
のランプ７を具備する。 【００３１】すなわち、反応室１の一角にはガス導入部
（励起種供給口）として、アルミニウム等で形成された
導入配管２が継ぎ手を介して接続されており、反応室１
の反対側の一角には排気配管３が同様に継ぎ手により接
続されている。 【００３２】導入配管２の上流にはサファイヤガラス等
で形成されたガス活性部１１が設けられ、さらにその上
流部には、Ｎ₂とＨ₂の混合ガス配管１５が接続されてい
る。混合ガス配管１５は途中で分岐し、それぞれＮ₂ガ
ス配管１４、Ｈ₂ガス配管１３を通してＮ₂ガス源１８、
Ｈ₂ガス源１７に接続されている。各ガス配管にはＭＦ
Ｃ（マスフローコントローラ）２０がＮ₂、Ｈ₂各ガスの
流量を制御するために接続されている。従って、ガス活
性化部１１にはＮ₂（窒素）とＨ₂（水素）ガスの混合ガ
スが供給される。 【００３３】上記Ｎ₂とＨ₂ガスの混合ガスを活性化する
ため、ガス活性化部１１にはμ波の電力を効率よく伝え
るための導波管１０が接続されており、μ波電源９から
発生したμ波をガス活性化部１１に導入し、混合ガスを
活性化しプラズマを発生させる。 【００３４】ガス活性化部１１は、Ｎ₂ガス源１８とＨ₂
ガス源１７より供給されたＮ₂及びＨ₂ガスの混合ガスを
プラズマにより励起し活性化して励起種を生成し、これ
を反応室１への導入配管２に供給する。 【００３５】一方、このガス活性化部１１から反応室１
への導入配管２の途中には、ＮＦ₃配管１２が接続さ
れ、ＮＦ₃配管１２の途中にはＮＦ₃（弗化窒素）の流量
を制御するためのＭＦＣ（マスフローコントローラ）２
０が接続され、そのさらに上流にはＮＦ₃ガス源１６が
接続されている。すなわち、窒素と水素を含むガスをプ
ラズマにより励起することにより生成された励起種の下
流に、ＮＦ₃ガス源１６からのＮＦ₃ガス（弗化窒素ガ
ス）が添加され、弗化窒素のプラズマによる励起が行わ
れ、反応室１に供給される。 【００３６】上記のように弗化窒素をプラズマ励起する
ことにより生成された弗化窒素の励起種を反応室１内に
供給し、基板６上の自然酸化膜の除去に用いる。ただ
し、この弗化窒素の励起種を基板６に晒し、基板６上の
自然酸化膜と反応させると、基板上に副生成物が生じ
る。そこで、基板６を所定の温度に加熱することによ
り、この副生成物を昇華させ除去する。 【００３７】この目的で、反応室１上部には、ほぼ基板
６と同じ開口部を持つ石英等で形成された窓４が、Ｏリ
ングを使用して気密に設置され、さらに、この窓４の上
方には、窓４と同様の径を持つハロゲンランプ等のラン
プ７が設置され、窓４を通して赤外線により基板６の加
熱を行なえるようになっている。また、ランプ７の周囲
には反射板等を設けたランプカバ一８が設けられ、ラン
プ７から発生した赤外線を反射することによって効率よ
く基板６を加熱する構成となっている。 【００３８】上記構成において、反応室１内に２段に載
置する基板６、例えばシリコンウェハの間隔は２０ｍｍ
程度とするのが良い。その理由として、上下ウェハ間の
間隔は近ければ近いほどよいが、ローディング効果によ
り下段に載置した基板６のエッチングレートが低下する
ために、２０ｍｍ以上の間隔が必要である。また一方
で、間隔が広くなり過ぎると下段の加熱効果が低くなる
ため、２０ｍｍ前後の間隔でとどめておくのがよい。 【００３９】この２０ｍｍ前後の間隔をおいて配置した
二枚の基板６を加熱した場合、図１に太さの違う矢印で
示すように、まず始めにランプ７の赤外線（ランプ放射
熱）により上段に載置した基板６が加熱される。その
後、上段の基板６が十分に加熱されると上段に載置した
基板６からの輻射（基板輻射熱）により下段の基板６が
加熱される。上段の基板６が加熱されればされるほど輻
射も大きくなるため、ランプ７は急加熱が可能なものが
望ましい。また、下段の基板６を１ｍｉｎで１００℃以
上に加熱するために、ランプ自体は３６０℃程度に加熱
可能なものが適する。 【００４０】上記ランプ７による加熱工程では、複数枚
（この実施形態の場合二枚）の基板６を加熱手段たるラ
ンプ７により基板配置方向の片側（上側）から、ランプ
７から最も遠い位置にある基板（下側の基板）の温度が
８０℃以上の温度、好ましくは１００℃以上となるよう
に加熱する。 【００４１】その理由は次による。 【００４２】ＮＦ₃の励起種を基板６に晒して基板６上
の自然酸化膜と反応させて基板６上に副生成物を形成し
た後、副生成物を除去するために基板を所定の温度に加
熱する際、８０℃以上の温度では、副生成物の取れ方が
変わらない（データとその実験方法については表１に基
づいて後述する。）。よって、二枚の基板６を処理する
際でも、一つのランプ７を用いて基板配置方向の片側か
ら基板６を加熱し、ランプから遠い方の基板の温度を少
なくとも８０℃にすれば、ランプに近い方の基板の温度
は８０℃以上となり、二枚とも８０℃以上の温度とする
ことが可能となる。二枚の基板６の温度はそれぞれ異な
る温度となるが、８０℃以上の温度では副生成物の取れ
方が同じなので、二枚の基板上に形成された副生成物は
同時に、しかも均一に除去される。基板６を三枚以上と
した場合でも、ランプ７から最も遠い位置にある基板６
の温度を少なくとも８０℃にすれば、それより内側（ラ
ンプ寄り）の基板６は８０℃以上となるので、三枚以上
の基板６に対しても同時に均一な処理が行える。 【００４３】なお、ランプ７から最も遠い位置にある基
板６の温度を１００℃以上の温度とすると、さらに均一
な処理を行うことが可能となることが確認されている。 【００４４】次に、８０℃以上の温度では副生成物の取
れ方が変わらないことを示すデータとその実験方法につ
いて説明する。 【００４５】＜実験方法＞ＮＦ₃の励起種を基板６に晒
し基板６上の酸化膜と反応させて副生成物を形成する処
理→アニール→水洗という処理を、アニール温度を変え
て行い（６０℃、７０℃、８０℃、１００℃、１５０
℃）、副生成物形成前、アニール後、水洗後の膜厚を測
定し、それらの値からアニール時、水洗時までに除去さ
れた酸化膜の膜厚を計算した。形成された副生成物は水
溶性なので、水洗にて簡単に除去することができる。よ
ってアニールにより除去した膜厚と水洗時までに除去し
た膜厚を比較することにより、アニールにより副生成物
を除去できたかどうかが判定できる。すなわち、アニー
ルで副生成物が完全に除去されていれば、水洗しても膜
厚は変わらないはずで、除去膜厚の差はほとんどなくな
り、逆にアニール後、副生成物が残っているようならば
水洗で副生成物が除去されるので、除去膜厚の差は大き
くなる。それにより副生成物除去の状態を判定した。表
１に実験結果を示す。 【００４６】なお、表１中の「アニール時除去膜厚」と
は「副生成物形成処理前の酸化膜膜厚」から「アニール
後の酸化膜膜厚」を差し引いたものであり、また「水洗
時除去膜厚」とは「副生成物形成処理前の酸化膜膜厚」
から「水洗後の酸化膜膜厚」を差し引いたものである。 【表１】 「アニール時除去膜厚」＝「副生成物形成処理前の膜
厚」−「アニール後膜厚」「水洗時除去膜厚」＝「副生
成物形成処理前の膜厚」−「水洗後膜厚」表１より、ア
ニール温度を８０℃、１００℃、１５０℃とすると、ア
ニール時除去膜厚も水洗時除去膜厚も略等しいことか
ら、アニール処理により副生成物（錯体）を略完全に除
去できたと言える。これに対し、アニール温度を６０
℃、７０℃とすると、アニール時除去膜厚よりも水洗時
除去膜厚の方が大きくなることから、アニールで副生成
物を完全には除去できておらず、アニール後副生成物が
残っていると言える。 【００４７】以上のことから、副生成物を除去する際の
加熱温度は８０℃以上が好ましいと言え、８０℃以上と
すれば、形成した副生成物の取れ方が同じであり、同様
に除去できると言える。 【００４８】上記実施形態による半導体装置の製造方法
によれば、一度に二枚の基板をドライクリーニング処理
することができ、且つ副生成物を同一処理容器で処理す
ることができるため、スループットを向上させることが
できる。また、処理容器を１つで済ますことができるた
め、占有床面積（フットプリント）を小さくすることが
できる。そして従来のように、別の処理容器に移載する
ためのロス時間も存在しない。さらにまた、反応室の上
方からランプで照射するため、基板表面の副生成物が形
成されている面側から加熱することになり、加熱効率を
高め昇温速度を速めることができる。 【００４９】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、複
数枚の基板を加熱手段により基板配列方向の片側から、
加熱手段から最も遠い位置にある基板の温度が基板処理
可能な温度となるように加熱するので、次のような優れ
た効果が得られる。 【００５０】（１）一度に複数枚、例えば二枚の基板を
処理することができ、且つ副生成物を同一処理容器で処
理することができるため、スループットを向上させるこ
とができる。 【００５１】（２）処理容器を１つで済ますことができ
るため、占有床面積（フットプリント）を小さくするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の製造方法に用いた基板処理装置の構成
を示す図である。 【図２】従来の基板処理装置の概要を示す図である。 【図３】従来の他の基板処理装置の概要を示す図であ
る。 【符号の説明】 １ 反応室（処理室） ２ ガス導入配管（励起種供給口） ４ 窓 ５ 載置台（基板支持体） ６ 基板 ７ ランプ（加熱手段） ９ μ波電源 １０ 導波管 １１ ガス活性化部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】弗化窒素をプラズマにより励起することに
   より生成された弗化窒素の励起種を基板に晒してこれを
   基板上の自然酸化膜と反応させて基板上に副生成物を生
   じさせる副生成物形成工程と、基板を所定の温度に加熱
   することにより前記副生成物を昇華させる加熱工程とを
   有する半導体装置の製造方法において、 前記加熱工程では、複数枚の基板を加熱手段により基板
   配列方向の片側から、加熱手段から最も遠い位置にある
   基板の温度が基板処理可能な温度となるように加熱する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。