JP2004273991A - Semiconductor manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor manufacturing method by which a deposit can be removed within a minimum time and further, a semiconductor device with a stable quality can be obtained. <P>SOLUTION: In the semiconductor manufacturing method including repeating insertion of a wafer W into a chamber 1 of a CVD (chemical vapor deposition) treatment apparatus and filming treatment to form a film over a plurality of wafers W, a reduced gas is fed into the chamber 1 for every filming and conditioning treatment is applied into the chamber 1 with a plasma resulting from applying a high frequency power. Filming and conditioning treatment are alternately performed predetermined times, and cleaning treatment is then performed for removing the deposit that is stuck within the chamber 1 by the predetermined times of filming treatment, by plasma etching. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【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に係り、更に詳細には、半導体基板を収容したチャンバ内に原料ガスを流して成膜する化学的気相成長法による半導体製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体装置の製造方法として、化学的気相成長法、例えば熱CVD法により半導体基板上に金属膜を堆積させて成膜する方法が用いられている。CVDによる成膜工程では、CVD装置のチャンバ内に、それ以前の工程によって半導体装置として必要な構造が形成されたシリコンウエハのような半導体基板を挿入し、前記チャンバ内に原料ガスを供給して半導体基板表面に膜物質を堆積させて膜を形成する。
【0003】
CVDによる成膜工程では、成膜対象の基板上のみではなく、チャンバ内、特に、半導体基板を載置するサセプタの周辺部や、サセプタ上に載置された基板に向けて原料ガスを供給するガスノズル等にも、膜形成物質が堆積することが避けられない。この、チャンバ内の堆積物の有無によって基板上への成膜特性が変化することを避けるため、一回の成膜を終える毎にチャンバ内の堆積物を除去するクリーニングを行って、チャンバ内に堆積物が存在しない状態を定常状態として維持する方法がある。
【0004】
また逆に、チャンバ内に堆積物が存在する状態を定常状態とすることによって成膜特性の変化を防ぐため、実際の半導体装置製造のための半導体基板上への成膜を行う前に、予め、チャンバ内に膜形成物質を堆積させるダミー成膜を行う方法もある。ダミー成膜は、通常、半導体装置として必要な構造が形成されていない、すなわち、それ自体は半導体装置製造のための半導体基板ではない、シリコンウエハを、ダミーとして、サセプタ上に載置して実施される。
【0005】
前者の方法には、ダミーを用意する必要が無く、また、チャンバ内に堆積した膜形成物質の剥がれによるダスト発生量を低く保ち、生産される半導体装置の歩留りを高く維持できるというメリットがある。クリーニング方法としては、例えば、フッ素源ガスのプラズマを用いる方法(例えば特許文献1参照)が提案されている。
【0006】
【特許文献1】
米国特許第5,207,836号明細書(ABSTRACT, 第5頁第35−56行)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特許文献1が開示するような方法では、クリーニングしている間は成膜することができない。そのため、CVD装置の処理能力を低下させるという問題がある。
【0008】
一方、前記のような処理能力低下を回避するため、複数回の成膜を繰り返し行った後、成膜した膜の厚さ累積値に対応してチャンバ内をクリーニングする方法も考えられる。しかし、この方法では、クリーニング直後に成膜した膜と、直前にクリーニングを行わずに成膜して得た膜とを比較すると、成膜時のチャンバ内部の状態が異なるため、成膜した膜の厚さが異なる等の不安定性が発生し、その結果、製造される半導体の品質が低下するという問題がある。
【0009】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、最小限の時間で堆積物の除去が可能であり、処理能力の低下が小さく、しかも安定した品質の半導体装置が得られる半導体製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の半導体製造方法は、チャンバ内への半導体基板の挿入と、前記挿入した半導体基板上への成膜処理とを繰り返すことにより複数の半導体基板上に成膜することを含む半導体製造方法であって、前記半導体基板上への成膜をフッ化物ガスを原料とする化学気相成長法によって行うと同時に、前記チャンバ内への堆積物の付着を行い、前記チャンバ内への半導体基板の挿入と成膜とを複数回繰り返した後、前記複数回の繰り返しの間に前記チャンバ内に付着した堆積物をプラズマエッチングにより除去するクリーニングを行い、かつ、前記複数回の繰り返しのそれぞれの間に、還元性ガスプラズマを用いた前記チャンバ内のコンディショニングを行うことを特徴とする。
【0011】
前記成膜は、6フッ化タングステンガスを原料とするタングステン膜の非選択的な成膜であることが好ましい。
【0012】
前記半導体製造方法において、前記クリーニングによって前記チャンバ内の付着物が除去された状態から、次の複数の半導体基板上への成膜処理をさらに繰り返して行うようにしてもよい。
【0013】
前記還元性ガスプラズマは、前記還元性ガスに加えて、不活性ガスを、前記還元性ガスに対して第1の比率で含んだ雰囲気を励起したプラズマであり、前記クリーニングを、フッ素を含むエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって堆積物を除去し、続いて、前記還元性ガスのみを含む雰囲気、または前記還元性ガスに加えて前記不活性ガスを、前記第1の比率と異なる第2の比率で含む雰囲気を励起したプラズマを用いて、前記チャンバ内に残留したフッ素を除去することによって行うことが好ましい。
【0014】
前記還元性ガスプラズマは、水素を含むガスを励起したプラズマであるのが好ましい。前記第1の比率の例としては前記還元性ガス1に対して0.05〜0.20であり、前記第2の比率としては前記還元性ガス1に対して0.10〜0.40であることが挙げられる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一つの実施形態について説明する。本実施形態では、半導体集積回路の内部配線用のタングステン膜を形成する場合を例にとって説明する。成膜方法としては、同一の成膜チャンバ内に順次搬入された複数の半導体基板としてのシリコンウエハ(以下、単に「ウエハ」という。)に成膜処理するものとする。
【0016】
本発明の半導体製造方法に使用可能な処理装置としては、ウエハを収容するチャンバ(反応室)と、金属フッ化物等の原料ガス、フッ素化合物等のエッチングガス、水素等の還元ガス、等の反応ガスをこのチャンバに導入可能な反応ガス導入系と、これらのガスに高い周波数(RF)の電力を印加してプラズマを生成するプラズマ生成機構とを有する装置であれば良く、特に制限されない。例えば、図1に模式断面図として示されるようなCVD処理装置10が好ましく用いられる。
【0017】
以下、このCVD処理装置10の概略構成を図1に基いて説明する。図1に示すように、このCVD処理装置10では、チャンバ壁2により外気から密封されたチャンバ(反応室)1内に上部電極3とサセプタ4とが互いに対向して設けられている。サセプタ4は、その上面に、ウエハWを載置する基板載置面を備える。サセプタ4は、下面側に設けられたランプヒータ7によって所定温度に加熱される。サセプタ4は、また、アース電位に保持され、プラズマ生成のための電極としても機能する。
【0018】
上部電極3は、サセプタに対向する下面に、配管6から供給された反応ガスをチャンバ1内に均一に供給するシャワーノズルを備える。チャンバ1内に供給された反応ガスは、チャンバ1の周辺部に設けられた排気口5から、制御された排気速度で排気され、チャンバ1内に所定の圧力の反応ガス雰囲気が形成される。上部電極3は、また、高周波電源8から出力された高周波(RF)電力がインピーダンスマッチング回路9を介して印加される電極として機能する。チャンバ1内には、また、サセプタ4の外周部に位置し、サセプタ4上に載置されたウエハWの外周部を覆うシャドーリング11が設けられている。
【0019】
CVDによる成膜を行う際には、加熱されたサセプタ4上にウエハWを載置し、ウエハWを所定温度に加熱してから、上部電極のシャワーノズルから原料ガスが供給される。この時、シャドーリング11によってウエハWの外周部を覆うとともに、図示しないパージガス供給経路を通じて、シャドーリング11とウエハWとの間の隙間に窒素等の不活性ガスをパージガスとして流すことにより、ウエハWの外周部への成膜を防止する。クリーニングを行う際には、シャワーノズルからエッチングガスを供給するとともに、上部電極3に高周波電力を印加し、上部電極3とサセプタ4との間の空間にエッチングガスのプラズマを生成する。この時には、シャドーリング下面の、成膜時にウエハW外周部に接触する部分についてもクリーニングが行われるように、図示しない上下機構によりサセプタ4の位置を下げ、シャドーリングとの間の隙間を広げる。
【0020】
図2は本実施形態に係る半導体製造方法のフローチャートである。図2に示すように、本実施形態に係る半導体製造方法では、ウエハW上への成膜処理と、還元性ガスプラズマによるコンディショニング処理とを交互に複数回行った後にクリーニング処理を施す。すなわち、CVD処理装置10のタングステン成膜用のチャンバ1内にウエハWを搬入し、しかる後に、チャンバ1内部を所定の真空圧力、例えば約1×10−3Paに達するまで排気し、しかる後に、成膜原料ガスをチャンバ内に供給して成膜処理を行う(ステップ1)。
【0021】
具体的には、ウエハW上にタングステン膜を成膜する。成膜条件としては、例えば、原料ガスとして6フッ化タングステン(WF)ガス、および水素(H)ガスを使用する。原料ガスの流量は代表的には、例えば、それぞれ約60sccmおよび約90sccmとする。また、代表的には、例えば成膜圧力は90torr(12kPa)、成膜温度は415℃とする。なお、水素ガスの代わりに、モノシランを用いても良い。成膜終了後、ウエハWをチャンバ1内より搬出する。
【0022】
次に、チャンバ1内に還元性ガス、例えば水素ガスと、不活性ガス、例えばNガスとを供給し、プラズマ励起することにより、チャンバ1内に残留するWFガスから派生した不完全反応物をチャンバ1内から排除するための、コンディショニング処理を行う(ステップ2)。具体的には、このコンディショニング処理は、例えば水素ガス流量500〜1500sccm,窒素ガス流量40〜100sccm,圧力0.6〜1.8torr(80〜240Pa),RF電力100〜200Wの処理条件で行うのが好ましい。代表的には、水素ガス流量500sccm,窒素ガス流量60sccm,圧力1.2torr(160Pa),RF150Wの処理条件で行う。
【0023】
本実施形態では、コンディショニング処理で用いる還元性ガスとして、タングステン成膜の原料ガスとしても使用される水素ガスを利用した。このように、他の目的で使用されるガスを利用することにより、コンディショニング処理実施のための新たなガス配管追加を不要とすることができる。他の種類の膜の成膜のための原料ガスとして、もしくは他の目的のため、水素以外の還元性ガスを使用している場合には、その還元性ガスを、コンディショニングのために利用してもよい。
【0024】
また、本発明に係るコンディショニング処理で還元性ガスと共に用いる不活性ガスとしては、前記窒素ガスの他に、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガスが挙げられる。その中でも窒素ガスが好ましい。
【0025】
本発明に係るコンディショニング処理において、窒素ガス(N)を混合する目的は、先に処理したウエハと、後続のウエハとにおいて、成膜する膜厚の変動や、成膜した膜の膜厚均一性を調整することにある。すなわち、窒素ガスの流量を変化させることにより、前後の成膜膜厚変動およびウエハ面内の膜厚均一性の変動を抑制することができる。
【0026】
例えば、コンディショニング処理において、窒素ガスと水素ガスとの流量比、即ち、混合比はN:H=1:6〜1:20の範囲とするのが好ましい。窒素ガスと水素ガスとの混合比が前記範囲外となると、連続成膜時の膜厚再現性が劣化したり、または、成膜膜厚のウエハ面内均一性が劣化するという弊害が考えられる。
【0027】
前記コンディショニング処理の後、2枚目のウエハをチャンバ1内に搬入し、1枚目と同等の処理条件でタングステン膜の成膜処理を行う(ステップ3)。以下同様に、成膜処理と、チャンバ内コンディショニング処理とを交互に行い、一定回数これらを繰り返す(ステップ4〜7)。最後の成膜処理(ステップ7)の後に、累積成膜膜厚に見合ったチャンバ内クリーニング処理を行う(ステップ8)。具体的には、例えば3フッ化窒素(NF)ガスを150sccmの流量でチャンバ1内に供給し、チャンバ1内を0.6torr(80Pa)に保ちながらRF電力250Wを印加してプラズマ状態とし、これにより生じるフッ素ラジカルにより、チャンバ1内、特に、サセプタ4の周辺部および上部電極3の下面(シャワーノズル)等に堆積したタングステン膜をエッチングして除去する。
【0028】
続いて、水素と窒素とを、例えばそれぞれ500sccmおよび100sccmの流量で供給し、例えば、圧力1.2torr(160Pa)、RF電力150Wの条件でプラズマを生成し、チャンバ1内に残留したフッ素の除去を行う。更に継続して成膜処理を行う場合には、クリーニング処理終了後、再び成膜処理とコンディショニング処理を一定回数繰り返す。
【0029】
ここで、従来のようにそれぞれのウエハWへの成膜毎にクリーニング処理を行う場合に比較して、複数枚のウエハWへの成膜の後にまとめてクリーニング処理を行い、それぞれのウエハWへの成膜の間にはコンディショニング処理を行うことによって、成膜以外の処理に要する時間が短縮でき、処理能力を向上できることが明らかになった。
【0030】
従来の方法では、それぞれのウエハWへの成膜の後に、NFガス雰囲気へのRF電力印加により生成したプラズマ(NFプラズマ)を利用した堆積膜のエッチングと、水素、窒素混合ガス雰囲気へのRF電力印加によって生成したプラズマ(Hプラズマ)を利用した残留フッ素除去とを行う。すなわち、例えば4枚のウエハWの成膜処理を行う間に、NFプラズマ処理とHプラズマ処理とをそれぞれ4回行う。
【0031】
これに対して本実施形態では、同じく4枚のウエハWの成膜処理の間に、1回のNFプラズマ処理と4回のHプラズマ処理(3回のコンディショニング処理、および、1回のNFプラズマクリーニング処理後のHプラズマ処理)とを行う。しかし、NFプラズマ処理は、エッチング対象のW膜のチャンバ内の堆積量が従来の方法の場合の4倍になっているため、従来の4倍の時間実施する必要がある。一方Hプラズマ処理も、実際に必要な時間は従来の方法の場合と異なること考えられる。しかし、従来においても、10秒と、短時間であったため、ここでは従来と同一の時間とした。従って、実際にプラズマを生成して処理を行う時間のみを比較すると、本実施形態の場合も従来の方法の場合も同一である。
【0032】
しかし現実には、クリーニング処理を行うためには、NFプラズマの生成を行う前に、チャンバ内を排気して残留した原料ガスを除去し、エッチングガスを供給し、圧力を安定させる、等のステップが必要である。RF電力の印加も、実際には瞬時に行われるのではなく、所定の放電安定化時間を要して徐々に行われる。さらに、NFプラズマを所定時間生成してエッチングを行った後には、Hプラズマを生成する前に、やはり、チャンバ内を排気し、還元性ガスを供給し、圧力を安定させ、放電を安定させる、等のステップが必要である。これらの、実際にプラズマを生成して処理を行う前後の、補助的な操作(セットアップ)に必要な時間の合計が、本実施形態の方が従来の方法の場合に比較して短く、処理能力の向上を実現できる。特に、NFプラズマを生成した後にHプラズマを生成するまでに必要なセットアップステップが、従来の方法では4枚のウエハW処理の間に4回必要であるのに対して、本実施形態においては1回のみになり、合計時間の短縮が実現される。
【0033】
例えば、図3に示したタイムテーブルにおいて、1バッチn枚のウエハWについて連続的に成膜処理する場合について、一回の成膜処理の所要時間をA(sec)、一回のクリーニング工程の所要時間をB(sec)とすると、図3(b)に示した従来のクリーニング方法の全所要時間は、下記式(I)で表される。
n×(A+B) … (I)
図3(b)に示したのは、n=4の場合である。
【0034】
ここで、上記クリーニング工程の所要時間BはNFプラズマによるエッチングおよびHプラズマによる残留フッ素除去の二つの処理を含んでいる。また上記時間は、実際に処理する時間のみならず、チャンバ内の排気、ガス供給、圧力安定化、放電安定化、処理後のガス排気、等々の補助的な操作の時間も含んでいる。また、クリーニング工程の所要時間B(sec)は、実際に安定化後のNFプラズマによるエッチングを行っている時間D(sec)と、それ以外の処理を行っている時間E(sec)とから成っている。すなわち、B=D+Eとなる。
【0035】
一方、図3(a)に示した、本発明に係るクリーニング方法においては、n枚堆積後にその間にチャンバ内に堆積したタングステンを除去するためには、プラズマエッチングを行っている時間E(sec)のみがn倍必要となる。従って、n枚堆積後のクリーニング工程の所要時間は[D+n×E](sec)となる。なお、Hプラズマによる残留フッ素除去は、NFエッチング時間が長くなっても同一にしている。また、図3(b)に示したのはn=4の場合である。その結果、本発明に係るクリーニング方法の全所要時間は、一回のコンディショニング工程の所要時間をC(sec)とすると、下記式(II)で表される。
(n−1)×(A+C)+A+D+n×E … (II)
【0036】
上記式(I)と(II)との差Δt、すなわち図3(a)に示す本発明による処理能力増加分を求めると、下記式(III)で表される。
Δt=n×(B−C−E)−D+C(sec)…(III)
上式(III)に下記のような、成膜膜厚400nmの場合の代表的な数値、すなわちA=196(sec)、B=120(sec)、C=58(sec)、D=90(sec)、およびE=30(sec)をそれぞれ当てはめると、下記式(IV)が得られる。
Δt=32(n−1) …(IV)
この式(IV)の結果から、連続的に処理するウエハWの1バッチ当たりの枚数nが大きいほど、処理の所要時間差Δtの値が増大することがわかる。
【0037】
例えばn=4の場合、Δtの値は96(sec)となる。この場合、前記式(I)から従来法での全所要時間は1264(sec)であるから、4枚のウエハWを連続的に処理する場合で、96/1264×100≒7.6%の時間短縮になる。換言すれば7.6%だけ処理能力が増加したことになる。さらに、本発明に係るコンディショニングステップでは更に5〜10秒の短縮の余地があり、更に処理能力の向上が可能である。また、次に述べるように、成膜処理と成膜処理との間に行うコンディショニング処理条件を適宜調節することにより、成膜処理間の膜厚のバラツキや、成膜した膜の面内均一性の低下を回避することが可能である。
【0038】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、前記実施形態ではウエハを1枚ごとに処理する枚葉処理の場合について説明したが、2枚以上のウエハを同時に成膜処理する場合についても同様に適用できる。
【0039】
上記の実施形態では、ランプヒータでサセプタを加熱することによってウエハWの加熱を行う構成のCVD処理装置を使用した。本発明はこれに限定されるわけではない。しかし、ランプヒータで加熱する場合、サセプタ全体およびその周辺の広い範囲のチャンバ内構成部品が加熱されるため、例えば、サセプタ内部に埋め込まれた抵抗加熱ヒータによって、サセプタの、ウエハWが載置される部分のみを加熱する場合に比較して、チャンバ内の堆積物の影響を強く受けると考えられる。従って、ランプヒータでサセプタを加熱する構成のCVD処理装置を使用する場合には、本発明のコンディショニング処理を行う必要性が特に高い。
【0040】
上記の実施形態では、ウエハW上への成膜処理を行った後、ウエハWをチャンバ内から搬出してから、コンディショニング処理を行った。しかし、ウエハW上に成膜されたタングステン膜がHプラズマによって損傷を受けることはないので、チャンバ1内にウエハWを残してままコンディショニング処理を行うことも可能である。しかし、図3(a)のシーケンスで処理を行った場合、成膜後のウエハWをチャンバ1内に残したままコンディショニング処理を行うと、1枚目から3枚目までのウエハWはコンディショニング処理のためのHプラズマにさらされ、4枚目のウエハWはさらされないことになる。このようにウエハ毎に処理が異なると、生産される半導体装置の不安定性の原因になる。これを防ぐためには、コンディショニング処理は、ウエハWをチャンバ1から搬出してから行うことが好ましい。
【0041】
(実施例)
以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、半導体集積回路の内部配線として用いられるタングステン膜を形成した。成膜条件としては、WFガス流量、Hガス流量はそれぞれ60sccmおよび90sccmであった。また、成膜圧力は90torr(12kPa)、成膜温度は415℃、成膜時間は196秒であった。
【0042】
ウエハW搬出後、チャンバ1内に還元性ガスとしての水素と不活性ガスとしてのNとを供給し、プラズマ励起することで、チャンバ内に残留するWFガスから派生した不完全反応物をチャンバ内から排除するコンディショニング処理を行った。具体的には、水素流量500sccm,窒素流量60sccm,圧力1.2torr(160Pa),RF電力150W、放電時間10秒の処理条件でコンディショニング処理を行った。
【0043】
この後、2枚目のウエハWをチャンバ1内に搬入し、1枚目と同一の処理条件でタングステン膜の成膜処理を行った。以下、図3(a)に示した、一連の処理工程のタイムテーブルに従って、成膜処理と、チャンバ内コンディショニング処理とをそれぞれ同一の条件で交互に行い、4回目の成膜処理を終えた後に、累積処理膜厚に見合ったチャンバ1内のクリーニング処理を行った。具体的にはNFガスを150sccmの流量でチャンバ1内に通し、チャンバ1内の圧力を0.6torr(80Pa)に保ちながら、RF電力250Wを印加してプラズマ状態にし、これにより生じるフッ素ラジカルにより、チャンバ1内に堆積したタングステン膜を120秒間エッチングして除去した。
【0044】
続いて、水素と窒素とをそれぞれ500sccmおよび100sccmの流量で供給し、圧力1.2torr(160Pa)、RF電力150Wの条件でプラズマを生成し、チャンバ1内に残留したフッ素を除去する後処理を行った。この処理工程における、1枚目のウエハWについての成膜開始から最後のクリーニング処理が完了するまでの所要時間は1168秒(19分28秒)であった。それぞれのウエハWへの成膜処理の間のコンディショニング処理の所要時間は58秒であった。また、最後のクリーニング処理の所要時間は、後処理も含めて3分30秒であった。
【0045】
(比較例)
各成膜処理後にコンディショニング処理を行う代わりに、NFプラズマによるクリーニング処理を毎回行ったこと以外は前記実施例と同じ条件で、すなわち、図3(b)に示した従来の一連の処理工程のタイムテーブルに従って、4枚のウエハについて成膜処理を行った。比較例では、1枚目のウエハについての成膜開始から最後のクリーニング処理が完了するまでの所要時間は1264秒(21分4秒)であった。また本比較例において各成膜後に行ったクリーニング処理の所要時間はいずれも、補助的な操作の時間も含めて、120秒(2分)であった。前記実施例と比較例との結果から、本発明によれば4枚のウエハについて成膜処理する場合で1分36秒、全工程の所要時間を短縮できることが確認された。
【0046】
(比較実験1)
本発明の効果を確認するために比較実験を行った。一方の試料群(Run1)では、4枚のウエハを用いて一定の成膜時間で成膜を4回行う間に、クリーニング処理もコンディショニング処理も行わずに成膜した。もう一方の試料群(Run2)では、4枚のウエハを用いて一定の成膜時間で4回成膜するにあたり、成膜処理が一回完了する度にコンディショニング処理を行った。両試料群Run1,Run2について形成された膜(シート)の電気抵抗を測定した。結果を図4のグラフに示す。図4中上側のグラフでは、横軸が成膜処理したウエハの番号(成膜処理された順番)を示し、左側の縦軸が各ウエハの所定位置における電気抵抗値を示す。
【0047】
図4中上側のグラフの結果が示すように、成膜処理と成膜処理との間にコンディショニングしなかった試料群(Run1)では1枚目のウエハと2枚目のウエハとで電気抵抗値に大きな差がある。この結果は、試料群(Run1)では、1枚目のウエハと2枚目のウエハとの間で、形成された膜の膜厚に差があることを示している。
【0048】
一方、成膜処理毎にコンディショニング処理した試料群(Run2)では、1枚目から4枚目まで通して電気抵抗値が略一定である。この結果は、試料群(Run2)では、1枚目のウエハから4枚目のウエハまででそれぞれ形成された膜の膜厚が略一定であることを示している。
【0049】
図1に示された装置は、標準的には、図3(b)に示されたように、成膜を行う毎にチャンバ内に堆積されたタングステン膜を除去し、チャンバ内に堆積物が存在しない状態を定常状態とすることにより、複数のウエハWへの成膜を安定して行う装置である。このような装置に対して本発明を適用することにより、クリーニング後の1枚目のウエハWは、チャンバ内にタングステン膜が存在しない状態で成膜が開始されるのに対して、2枚目以降のウエハWは、チャンバ内にタングステン膜が存在する状態で成膜が開始される。
【0050】
このように、1枚目のウエハWとそれ以降のウエハWとで、成膜開始時のチャンバ内の状態が異なることによって、膜厚等の成膜特性にバラツキが発生することが危惧された。実際、成膜間にコンディショニング処理を行わなかったRun1においては、この、チャンバ内の状態の変化に起因すると考えられる、1枚目のウエハWとそれ以降のウエハWとの間の成膜膜厚の差が確認された。これに対して、成膜処理の間にコンディショニング処理を行ったRun2においては、膜厚の変化は見られず、安定した成膜が可能であった。
【0051】
プラズマを用いたコンディショニング処理では、チャンバ内に堆積したタングステン膜を除去することはできないため、コンディショニング処理を行った場合であっても、1枚目のウエハWと2枚目以降のウエハWとの間で、チャンバ内にタングステン膜が存在しているかいないかという差異は存在する。従って、コンディショニング処理によって成膜特性の変化が防止できるという結果は、チャンバ内に堆積したタングステン膜自体は、少なくとも、成膜枚数4枚程度の間に堆積する、薄い膜厚の範囲内では、成膜特性に対して顕著な影響をもたらさないことを示している。
【0052】
一方、未反応の状態でチャンバ内に残留したWFガス、もしくはWFガスから派生し、タングステンにならない不完全な反応状態でチャンバ内に残留した不完全反応物の除去に対しては、Hプラズマを用いたコンディショニング処理が効果を有すると考えられる。WFは、蒸気圧が低く、室温においては液体状態を呈する。従って、415℃に加熱されたウエハW表面においては、未反応、もしくは不完全反応物の状態で残留することは無いとしても、ウエハに比較して温度が低い、上部電極3や、チャンバ壁2の内面等には、成膜後にチャンバ内を排気しただけでは、WFが未反応、もしくは不完全反応物の状態で大量に残留すると考えられる。
【0053】
成膜間のコンディショニング処理を行わないRun1においては、この、チャンバ内に残留したWFもしくは不完全反応物によって、2枚目以降のウエハWへの成膜特性が変化し、膜厚の変動が起きたものと理解することができる。これに対して、成膜の間にHプラズマによるコンディショニングを行ったRun2においては、残留したWFもしくは不完全反応物が除去されるか、もしくは少なくとも、残留量が低減されることによって、成膜特性の変化が防止できたものと理解することができる。
【0054】
このように、チャンバ内に堆積物が存在しない状態を定常状態とするCVD処理装置を用いて複数のウエハWへの成膜処理を行う場合であっても、それぞれのウエハWへの成膜の間にチャンバ内のコンディショニング処理を行い、残留した原料ガス、もしくは原料ガスから派生した不完全反応物をチャンバ内から除去することにより、チャンバ内に堆積物が存在することによる成膜特性の変化を防止できることが分かった。逆に、成膜処理間にコンディショニング処理を行うことにより、ウエハ間の成膜特性変化の発生を防止しながら、クリーニング処理の回数を削減し、処理能力を向上させることが可能である。
【0055】
前述のように、クリーニング処理の間に、コンディショニング処理のみを挟んで連続して成膜する枚数が増えるほど、高い生産能力向上効果を得ることができる。しかし、連続成膜枚数を無制限に増大させることはできない。例えば、図1に示したCVD処理装置を用いてタングステン膜の成膜を行う場合、連続成膜を続けると、シャドーリングへのタングステン膜の堆積によって、ウエハWの外周部へのタングステン膜堆積を防止する効果が低下することが確認された。ウエハW外周部へのタングステン成膜が起きると、その後の工程で剥がれ、パーティクル発生の原因になる。このため、連続して成膜することが可能なウエハ枚数は、1枚あたりの成膜膜厚400nmの場合、実用的には4〜5枚であった。そこで、前記実施例においては、4枚の連続成膜の後に、クリーニング処理を行うこととした。
【0056】
連続して成膜できる枚数は、成膜する膜種、装置構成、および1枚あたりの成膜膜厚等によってことなるため、工程毎に適切に設定することが好ましい。しかし、いずれの場合においても、無制限に連続成膜を継続できることは無い。すなわち、本発明においては、成膜毎にコンディショニング処理を行うことに加えて、所定の枚数、もしくは所定の積算膜厚の成膜処理の後には、クリーニング処理を行って、チャンバ内の堆積物を除去することが必要である。
【0057】
(比較実験2)
比較実験2では、繰り返し成膜を行った場合の成膜処理間の膜厚バラツキを左右する因子を明らかにするため、コンディショニング処理におけるプラズマ生成条件をさまざまに変えて実験を行った。具体的には、プラズマ生成時のRF電力、N添加量、H流量、処理時間を変更し、これら条件が、成膜処理間の膜厚バラツキに及ぼす影響を調査した。その結果、N添加量以外の実験因子は、膜厚バラツキに顕著な影響を及ぼさないことが分かった。
【0058】
結果を図5に示す。図5は、H流量を1000sccmで一定とした場合の、コンディショニング処理時のN添加量と、連続成膜処理した場合の膜厚バラツキとの関係を示すグラフである。図5において、横軸はコンディショニング処理時のN添加量を示す。一方、縦軸は、一定の成膜時間196秒、すなわち、目標膜厚400nmの条件で成膜を行った場合の、1枚めのウエハに成膜された膜厚を基準として、2枚のウエハとの膜厚差(膜厚バラツキ)を示したものである。図中、膜厚バラツキが“−”の領域では、1枚めのウエハへの成膜膜厚に比べて、2枚めのウエハへの成膜膜厚が薄いことを示し、膜厚バラツキが“+”の領域では、その逆であることを示している。
【0059】
図5中、Ref. で示したものは、参考として、コンディショニング処理を行わずに連続成膜を行った時の膜厚バラツキを示している。連続成膜の間にコンディショニング処理を行わなかった場合には、ウエハ間で約30nmの膜厚バラツキが生じることを示している。これに対し、成膜間にコンディショニング処理を行った場合には、ウエハ間の膜厚バラツキが低減できることが分かる。特に、N添加量を0〜約75sccmの範囲で増加させていくと、膜厚バラツキは、−側の範囲で徐々に0に近づき、N添加量約75sccmにおいてほとんど0になる。そして、それ以上にN添加量を増大させると、逆に、膜厚バラツキが+側で増大する。
【0060】
この結果から、コンディショニング時のN添加量を最適化することにより、例えば、この場合では、60〜80sccm程度の範囲にすることにより、ウエハ間の成膜膜厚バラツキを最小化できることが分かる。ウエハ間の成膜膜厚バラツキが最小化されることにより、製品品質を安定化することが可能である。本発明のコンディショニング処理は、前述のように、チャンバ内に残留した、WFガス、およびWFガスから派生した不完全反応物を除去する効果を有する。この効果を得るためには、主として、Hガスから生成された水素ラジカルが有効であるものと考えられる。これに対して、Nガスは、Hガスを希釈することによって水素ラジカルの濃度を調整し、残留物除去効果の程度を調整する、補助的な効果を有するものと考えることができる。もしくはさらに、Nガスから生成された窒素イオンの照射によって、堆積されたタングステン膜の表面状態を調整する効果を有していることも考えられる。
【0061】
一方、前述のように、4枚のウエハWへの成膜処理を行った後に行うクリーニング処理においても、NFプラズマによるエッチングに続いて、HガスとNガスとを混合したガスのプラズマによる処理(以下、後処理と呼ぶ)が行われる。しかし、後処理におけるHガスとNガスとの混合比は、H500sccmに対してN100sccmであり、上記の、コンディショニング処理におけるH,N混合比の最適範囲とは異なっている。この後処理は、NFガスのプラズマ分解によって生成され、チャンバ内に様々な化学状態で残留したフッ素を除去する効果を有する。このためには、主として、Hガスから生成された水素ラジカルが効果を有すると考えられる。
【0062】
このように、ウエハへの成膜処理の間に行うコンディショニング処理に、NFプラズマエッチング処理後に行う後処理において使用される反応ガスと共通のガスから構成される反応ガスを使用することにより、コンディショニング処理実施のために新たなガス配管の追加が不要となる。しかし、成膜処理の間のコンディショニング処理と、NFプラズマエッチング処理の後処理とでは、処理前のチャンバ内の状態が異なり、処理の目的が異なる。従って、それぞれの処理の条件は、特に、H,N混合比は、それぞれに最適化することが好ましい。むしろ、互いに異なる条件で処理を行うことによって、タングステン膜がチャンバ内から除去された状態(1枚目)とタングステン膜がチャンバ内に堆積した状態(2枚目以降)との成膜特性をそろえ、膜厚バラツキを最小化することができると考えられる。
【0063】
より具体的には、実験的に確認された範囲内では、成膜処理の間のコンディショニング処理において使用する雰囲気のHガスに対するNガスの混合比を、プラズマエッチングの後処理において使用する雰囲気のHガスに対するNガスの混合比よりも小さくした範囲において、良好な結果が、すなわち、成膜処理間の膜厚ばらつきの最小化が実現された。
【0064】
【発明の効果】
本発明によれば、最小限の処理時間で堆積物を除去することができ、しかも安定した品質の半導体装置が得られる半導体製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるCVD処理装置の模式断面図である。
【図2】本発明の半導体製造方法のフローチャートである。
【図3】本発明の半導体製造方法および比較例のタイムテーブルである。
【図4】処理枚数と膜の電気抵抗値との関係を示したグラフである。
【図5】コンディショニング処理時のN添加流量と膜厚バラツキとの関係を示したグラフである。
【符号の説明】
1…チャンバ
2…チャンバ壁
3…上部電極
4…サセプタ
7…ランプヒータ
8…高周波電源
9…インピーダンスマッチング回路
W…ウエハ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor by a chemical vapor deposition method in which a source gas is flowed into a chamber containing a semiconductor substrate to form a film.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method of manufacturing a semiconductor device, a method of depositing a metal film on a semiconductor substrate by a chemical vapor deposition method, for example, a thermal CVD method has been used. In a film forming process by CVD, a semiconductor substrate such as a silicon wafer having a structure required as a semiconductor device formed by a previous process is inserted into a chamber of a CVD apparatus, and a source gas is supplied into the chamber. A film is formed by depositing a film material on a semiconductor substrate surface.
[0003]
In a film forming process by CVD, a source gas is supplied not only to a substrate on which a film is to be formed, but also to a chamber, particularly to a peripheral portion of a susceptor on which a semiconductor substrate is mounted or a substrate mounted on the susceptor. It is inevitable that a film forming substance is deposited on a gas nozzle or the like. In order to prevent the film forming characteristics on the substrate from being changed by the presence or absence of the deposit in the chamber, cleaning is performed to remove the deposit in the chamber each time one deposition is completed, and the inside of the chamber is removed. There is a method of maintaining a state in which no sediment exists as a steady state.
[0004]
Conversely, in order to prevent a change in film formation characteristics by setting a state in which deposits are present in the chamber in a steady state, before performing film formation on a semiconductor substrate for actual semiconductor device manufacturing, There is also a method of performing a dummy film formation for depositing a film forming substance in a chamber. The dummy film formation is usually performed by mounting a silicon wafer on a susceptor as a dummy, which does not have a structure necessary for a semiconductor device, that is, is not itself a semiconductor substrate for manufacturing a semiconductor device. Is done.
[0005]
The former method has the advantage that there is no need to prepare a dummy, the amount of dust generated due to peeling of the film-forming substance deposited in the chamber is kept low, and the yield of semiconductor devices to be produced can be kept high. As a cleaning method, for example, a method using plasma of a fluorine source gas has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,207,836 (ABSTRACT, page 5, lines 35-56)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the method disclosed in Patent Document 1, film formation cannot be performed during cleaning. Therefore, there is a problem that the processing capacity of the CVD apparatus is reduced.
[0008]
On the other hand, in order to avoid the decrease in the processing capacity as described above, a method of repeatedly performing film formation a plurality of times and then cleaning the inside of the chamber in accordance with the accumulated thickness of the formed film may be considered. However, in this method, when the film formed immediately after the cleaning is compared with the film obtained immediately before the cleaning without performing the cleaning, the state inside the chamber at the time of the film formation is different. There is a problem that instability such as a difference in the thickness of the semiconductor occurs, and as a result, the quality of the manufactured semiconductor deteriorates.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor manufacturing method capable of removing a deposit in a minimum time, reducing a reduction in processing capacity, and obtaining a semiconductor device of stable quality.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor manufacturing method according to the present invention forms a film on a plurality of semiconductor substrates by repeating insertion of a semiconductor substrate into a chamber and film formation processing on the inserted semiconductor substrate. Forming a film on the semiconductor substrate by a chemical vapor deposition method using a fluoride gas as a raw material, and simultaneously depositing a deposit in the chamber, After repeating the insertion and film formation of the semiconductor substrate into the chamber a plurality of times, cleaning is performed by plasma etching to remove deposits adhering to the chamber during the plurality of iterations, and the plurality of times are performed. Conditioning in the chamber using a reducing gas plasma is performed between each repetition.
[0011]
The film formation is preferably a non-selective film formation of a tungsten film using a tungsten hexafluoride gas as a raw material.
[0012]
In the semiconductor manufacturing method, a film forming process on a plurality of next semiconductor substrates may be further repeatedly performed from a state in which the deposits in the chamber are removed by the cleaning.
[0013]
The reducing gas plasma is a plasma in which an atmosphere containing an inert gas in addition to the reducing gas at a first ratio with respect to the reducing gas is excited, and the cleaning includes etching containing fluorine. Deposits are removed by plasma etching using a gas, and subsequently, an atmosphere containing only the reducing gas, or the inert gas in addition to the reducing gas is added to a second ratio different from the first ratio. It is preferable to remove the fluorine remaining in the chamber by using plasma in which an atmosphere including the above is excited.
[0014]
It is preferable that the reducing gas plasma is a plasma in which a gas containing hydrogen is excited. Examples of the first ratio are 0.05 to 0.20 with respect to the reducing gas 1, and the second ratios are 0.10 to 0.40 with respect to the reducing gas 1. There is something.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a case where a tungsten film for internal wiring of a semiconductor integrated circuit is formed will be described as an example. As a film forming method, a film forming process is performed on a plurality of silicon wafers (hereinafter, simply referred to as “wafers”) as semiconductor substrates sequentially loaded into the same film forming chamber.
[0016]
The processing apparatus usable in the semiconductor manufacturing method of the present invention includes a chamber (reaction chamber) for accommodating a wafer, a reaction gas such as a source gas such as a metal fluoride, an etching gas such as a fluorine compound, and a reducing gas such as hydrogen. The apparatus is not particularly limited as long as it has a reaction gas introduction system capable of introducing gases into the chamber and a plasma generation mechanism for generating plasma by applying high frequency (RF) power to these gases. For example, a CVD processing apparatus 10 as shown as a schematic sectional view in FIG. 1 is preferably used.
[0017]
Hereinafter, a schematic configuration of the CVD apparatus 10 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, in the CVD apparatus 10, an upper electrode 3 and a susceptor 4 are provided facing each other in a chamber (reaction chamber) 1 which is sealed from the outside air by a chamber wall 2. The susceptor 4 has a substrate mounting surface on which the wafer W is mounted on its upper surface. The susceptor 4 is heated to a predetermined temperature by a lamp heater 7 provided on the lower surface side. The susceptor 4 is also kept at the ground potential and functions as an electrode for generating plasma.
[0018]
The upper electrode 3 includes a shower nozzle on the lower surface facing the susceptor for uniformly supplying the reaction gas supplied from the pipe 6 into the chamber 1. The reaction gas supplied into the chamber 1 is exhausted at a controlled exhaust rate from an exhaust port 5 provided in the peripheral portion of the chamber 1, and a reaction gas atmosphere of a predetermined pressure is formed in the chamber 1. The upper electrode 3 also functions as an electrode to which high frequency (RF) power output from the high frequency power supply 8 is applied via the impedance matching circuit 9. In the chamber 1, a shadow ring 11 is provided, which is located on the outer peripheral portion of the susceptor 4 and covers the outer peripheral portion of the wafer W placed on the susceptor 4.
[0019]
When performing film formation by CVD, the wafer W is placed on the heated susceptor 4, the wafer W is heated to a predetermined temperature, and then a source gas is supplied from the shower nozzle of the upper electrode. At this time, the outer periphery of the wafer W is covered by the shadow ring 11, and an inert gas such as nitrogen is flown as a purge gas into the gap between the shadow ring 11 and the wafer W through a purge gas supply path (not shown). Is prevented from being formed on the outer periphery. When cleaning is performed, an etching gas is supplied from a shower nozzle and high-frequency power is applied to the upper electrode 3 to generate plasma of the etching gas in a space between the upper electrode 3 and the susceptor 4. At this time, the position of the susceptor 4 is lowered by an unillustrated vertical mechanism so as to widen the gap between the shadow ring and the lower portion of the shadow ring so that the portion of the lower surface of the shadow ring that contacts the outer peripheral portion of the wafer W during film formation is also cleaned.
[0020]
FIG. 2 is a flowchart of the semiconductor manufacturing method according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, in the semiconductor manufacturing method according to the present embodiment, a cleaning process is performed after alternately performing a film forming process on the wafer W and a conditioning process using reducing gas plasma a plurality of times. That is, the wafer W is carried into the tungsten film forming chamber 1 of the CVD processing apparatus 10, and thereafter, a predetermined vacuum pressure, for example, about 1 × 10 -3 Evacuation is performed until the pressure reaches Pa, and thereafter, a film forming material gas is supplied into the chamber to perform a film forming process (step 1).
[0021]
Specifically, a tungsten film is formed on the wafer W. As film forming conditions, for example, tungsten hexafluoride (WF 6 ) Gas and hydrogen (H 2 ) Use gas. The flow rate of the source gas is typically, for example, about 60 sccm and about 90 sccm, respectively. Also, typically, for example, the film forming pressure is 90 torr (12 kPa), and the film forming temperature is 415 ° C. Note that monosilane may be used instead of hydrogen gas. After the film formation, the wafer W is unloaded from the chamber 1.
[0022]
Next, a reducing gas such as hydrogen gas and an inert gas such as N 2 WF remaining in the chamber 1 by supplying gas and exciting the plasma 6 A conditioning process is performed to remove incomplete reactants derived from gas from the chamber 1 (step 2). Specifically, this conditioning process is performed under the processing conditions of, for example, a hydrogen gas flow rate of 500 to 1500 sccm, a nitrogen gas flow rate of 40 to 100 sccm, a pressure of 0.6 to 1.8 torr (80 to 240 Pa), and an RF power of 100 to 200 W. Is preferred. Typically, the process is performed under the conditions of a hydrogen gas flow rate of 500 sccm, a nitrogen gas flow rate of 60 sccm, a pressure of 1.2 torr (160 Pa), and an RF of 150 W.
[0023]
In the present embodiment, hydrogen gas, which is also used as a source gas for tungsten film formation, is used as the reducing gas used in the conditioning process. As described above, by using the gas used for another purpose, it is not necessary to add a new gas pipe for performing the conditioning process. When a reducing gas other than hydrogen is used as a source gas for forming another type of film or for another purpose, the reducing gas is used for conditioning. Is also good.
[0024]
Further, examples of the inert gas used together with the reducing gas in the conditioning treatment according to the present invention include helium gas, neon gas, argon gas, and krypton gas in addition to the nitrogen gas. Among them, nitrogen gas is preferable.
[0025]
In the conditioning treatment according to the present invention, nitrogen gas (N 2 The purpose of mixing (1) is to adjust the fluctuation of the film thickness to be formed and the uniformity of the film thickness of the film formed between the previously processed wafer and the subsequent wafer. That is, by changing the flow rate of the nitrogen gas, it is possible to suppress a change in the film thickness before and after and a change in the film thickness uniformity on the wafer surface.
[0026]
For example, in the conditioning process, the flow ratio of nitrogen gas and hydrogen gas, that is, the mixing ratio is N 2 : H 2 = 1: 6 to 1:20. When the mixture ratio of the nitrogen gas and the hydrogen gas is out of the above range, there is a possibility that the reproducibility of the film thickness during continuous film formation is deteriorated, or the uniformity of the film thickness in the wafer surface is deteriorated. .
[0027]
After the conditioning process, the second wafer is loaded into the chamber 1 and a tungsten film is formed under the same processing conditions as the first wafer (step 3). Hereinafter, similarly, the film forming process and the in-chamber conditioning process are alternately performed, and these processes are repeated a certain number of times (steps 4 to 7). After the last film forming process (Step 7), a cleaning process in the chamber corresponding to the accumulated film thickness is performed (Step 8). Specifically, for example, nitrogen trifluoride (NF 3 ) A gas is supplied into the chamber 1 at a flow rate of 150 sccm, and while maintaining the inside of the chamber 1 at 0.6 torr (80 Pa), an RF power of 250 W is applied to form a plasma state. Then, the tungsten film deposited on the peripheral portion of the susceptor 4 and the lower surface (shower nozzle) of the upper electrode 3 is removed by etching.
[0028]
Subsequently, hydrogen and nitrogen are supplied at flow rates of, for example, 500 sccm and 100 sccm, respectively, and plasma is generated under the conditions of, for example, a pressure of 1.2 torr (160 Pa) and an RF power of 150 W to remove fluorine remaining in the chamber 1. I do. In the case where the film forming process is further continued, after the cleaning process is completed, the film forming process and the conditioning process are repeated a certain number of times.
[0029]
Here, the cleaning process is performed collectively after the film formation on a plurality of wafers W, and the cleaning process is performed on each wafer W in comparison with the case where the cleaning process is performed for each film formation on each wafer W as in the related art. It has been clarified that by performing the conditioning process during the film formation, the time required for processes other than the film formation can be reduced and the processing capability can be improved.
[0030]
According to the conventional method, after film formation on each wafer W, NF 3 Plasma (NF) generated by applying RF power to a gas atmosphere 3 Plasma (H) generated by etching a deposited film using plasma and applying RF power to a mixed gas atmosphere of hydrogen and nitrogen. 2 Plasma) to remove residual fluorine. That is, for example, during the film forming process of four wafers W, the NF 3 Plasma treatment and H 2 The plasma treatment is performed four times.
[0031]
On the other hand, in the present embodiment, one NF is performed during the film forming process for the four wafers W. 3 Plasma treatment and four times of H 2 Plasma treatment (3 conditioning treatments and 1 NF 3 H after plasma cleaning 2 Plasma treatment). However, NF 3 Since the amount of the W film to be etched in the chamber is four times that of the conventional method, the plasma processing needs to be performed four times as long as the conventional method. On the other hand, H 2 It is considered that the time required for the plasma processing is actually different from that of the conventional method. However, in the related art, the time was as short as 10 seconds. Therefore, when only the time for actually generating and processing the plasma is compared, the present embodiment is the same as the conventional method.
[0032]
However, in reality, NF is required to perform the cleaning process. 3 Before generating plasma, it is necessary to perform steps such as exhausting the inside of the chamber to remove the remaining source gas, supplying an etching gas, and stabilizing the pressure. The application of the RF power is not actually performed instantaneously, but is performed gradually over a predetermined discharge stabilization time. Furthermore, NF 3 After the plasma is generated for a predetermined time to perform etching, H 2 Before the plasma is generated, steps such as exhausting the inside of the chamber, supplying the reducing gas, stabilizing the pressure, stabilizing the discharge, and the like are necessary. The total time required for the auxiliary operation (setup) before and after the actual generation and processing of the plasma is shorter in the present embodiment than in the conventional method, and the processing capacity is smaller. Can be improved. In particular, NF 3 After generating plasma, H 2 In contrast to the conventional method requiring four setup steps during processing of four wafers W in the conventional method, only one setup step is required in the present embodiment, which reduces the total time. Is realized.
[0033]
For example, in the time table shown in FIG. 3, in the case where film formation processing is continuously performed on n wafers W per batch, the time required for one film formation processing is A (sec), and the time required for one cleaning step is one. Assuming that the required time is B (sec), the total required time of the conventional cleaning method shown in FIG. 3B is expressed by the following equation (I).
nx (A + B) (I)
FIG. 3B shows the case where n = 4.
[0034]
Here, the required time B of the cleaning step is NF 3 Plasma etching and H 2 It includes two processes of removing residual fluorine by plasma. In addition, the above-mentioned time includes not only the time for actual processing but also the time for auxiliary operations such as exhaustion of gas in the chamber, gas supply, pressure stabilization, discharge stabilization, gas exhaustion after processing, and the like. In addition, the required time B (sec) of the cleaning step is actually NF after stabilization. 3 It consists of a time D (sec) during which plasma etching is performed and a time E (sec) during which other processing is performed. That is, B = D + E.
[0035]
On the other hand, in the cleaning method according to the present invention shown in FIG. 3A, the time E (sec) during which plasma etching is performed in order to remove the tungsten deposited in the chamber during the n-sheet deposition. Only n times are required. Therefore, the time required for the cleaning step after the deposition of n sheets is [D + n × E] (sec). Note that H 2 Removal of residual fluorine by plasma is NF 3 It is the same even if the etching time becomes longer. FIG. 3B shows the case where n = 4. As a result, the total required time of the cleaning method according to the present invention is represented by the following formula (II), where the required time of one conditioning step is C (sec).
(N-1) × (A + C) + A + D + nxE (II)
[0036]
When the difference Δt between the above formulas (I) and (II), that is, the increase in the processing capacity according to the present invention shown in FIG. 3A is obtained, it is expressed by the following formula (III).
Δt = n × (B−C−E) −D + C (sec) (III)
In the above formula (III), typical numerical values in the case of a film thickness of 400 nm as shown below, that is, A = 196 (sec), B = 120 (sec), C = 58 (sec), D = 90 ( sec) and E = 30 (sec), the following equation (IV) is obtained.
Δt = 32 (n−1) (IV)
From the result of the formula (IV), it can be seen that the larger the number n of the wafers W to be continuously processed per batch is, the larger the value of the time difference Δt required for processing is.
[0037]
For example, when n = 4, the value of Δt is 96 (sec). In this case, the total required time in the conventional method is 1264 (sec) from the above formula (I). Therefore, when four wafers W are continuously processed, 96/1264 × 100 ≒ 7.6%. Saves time. In other words, the processing capacity has increased by 7.6%. Furthermore, in the conditioning step according to the present invention, there is room for further reduction of 5 to 10 seconds, and the processing capacity can be further improved. In addition, as described below, by appropriately adjusting the condition of the conditioning process performed between the film forming processes, the variation in the film thickness between the film forming processes and the in-plane uniformity of the formed film are obtained. Can be avoided.
[0038]
The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, a description has been given of the case of single-wafer processing in which wafers are processed one by one. However, the present invention can be similarly applied to a case where two or more wafers are simultaneously formed.
[0039]
In the above-described embodiment, the CVD processing apparatus configured to heat the wafer W by heating the susceptor with the lamp heater is used. The present invention is not limited to this. However, when heating with a lamp heater, the entire susceptor and its surrounding components in a wide area are heated. For example, the wafer W of the susceptor is placed by a resistance heater embedded inside the susceptor. It is considered that the influence of the deposits in the chamber is stronger than when only the heating portion is heated. Therefore, when using a CVD processing apparatus configured to heat the susceptor with a lamp heater, it is particularly necessary to perform the conditioning processing of the present invention.
[0040]
In the above embodiment, after performing the film forming process on the wafer W, the conditioning process is performed after the wafer W is unloaded from the chamber. However, the tungsten film formed on the wafer W is H 2 Since no damage is caused by the plasma, the conditioning process can be performed with the wafer W remaining in the chamber 1. However, when the processing is performed in the sequence of FIG. 3A and the conditioning processing is performed while the wafer W after film formation is left in the chamber 1, the conditioning processing is performed on the first to third wafers W. H for 2 The fourth wafer W is exposed to the plasma and is not exposed. Such different processing for each wafer causes instability of the semiconductor device to be produced. In order to prevent this, the conditioning process is preferably performed after the wafer W is unloaded from the chamber 1.
[0041]
(Example)
Hereinafter, examples of the present invention will be described. In this embodiment, a tungsten film used as an internal wiring of a semiconductor integrated circuit is formed. As the film forming conditions, WF 6 Gas flow rate, H 2 Gas flow rates were 60 sccm and 90 sccm, respectively. The film forming pressure was 90 torr (12 kPa), the film forming temperature was 415 ° C., and the film forming time was 196 seconds.
[0042]
After unloading the wafer W, hydrogen as a reducing gas and N as an inert gas are introduced into the chamber 1. 2 And WF remaining in the chamber by exciting the plasma 6 A conditioning process was performed to eliminate incomplete reactants derived from the gas from the chamber. Specifically, the conditioning processing was performed under the processing conditions of a hydrogen flow rate of 500 sccm, a nitrogen flow rate of 60 sccm, a pressure of 1.2 torr (160 Pa), an RF power of 150 W, and a discharge time of 10 seconds.
[0043]
Thereafter, the second wafer W was loaded into the chamber 1, and a tungsten film was formed under the same processing conditions as the first wafer. Hereinafter, the film forming process and the in-chamber conditioning process are alternately performed under the same conditions according to the time table of the series of process steps shown in FIG. 3A, and after the fourth film forming process is completed. Then, a cleaning process in the chamber 1 was performed according to the accumulated film thickness. Specifically, NF 3 The gas is passed through the chamber 1 at a flow rate of 150 sccm, and while maintaining the pressure in the chamber 1 at 0.6 torr (80 Pa), an RF power of 250 W is applied to form a plasma state. The deposited tungsten film was removed by etching for 120 seconds.
[0044]
Subsequently, hydrogen and nitrogen are supplied at flow rates of 500 sccm and 100 sccm, respectively, and a plasma is generated under the conditions of a pressure of 1.2 torr (160 Pa) and an RF power of 150 W to perform a post-treatment for removing fluorine remaining in the chamber 1. went. In this processing step, the time required from the start of film formation on the first wafer W to the completion of the last cleaning processing was 1168 seconds (19 minutes 28 seconds). The time required for the conditioning process during the film formation process on each wafer W was 58 seconds. The time required for the final cleaning process was 3 minutes and 30 seconds including post-processing.
[0045]
(Comparative example)
Instead of performing a conditioning process after each film forming process, NF 3 The film forming process was performed on four wafers under the same conditions as in the above embodiment except that the cleaning process by plasma was performed each time, that is, according to the time table of the conventional series of processing steps illustrated in FIG. Was. In the comparative example, the time required from the start of film formation on the first wafer to the completion of the last cleaning process was 1264 seconds (21 minutes and 4 seconds). In this comparative example, the time required for the cleaning process performed after each film formation was 120 seconds (2 minutes) including the time for the auxiliary operation. From the results of the examples and the comparative examples, it was confirmed that the time required for the entire process can be reduced to 1 minute and 36 seconds in the case of forming a film on four wafers according to the present invention.
[0046]
(Comparative experiment 1)
Comparative experiments were performed to confirm the effects of the present invention. On the other hand, in the sample group (Run 1), the film formation was performed without performing the cleaning process and the conditioning process while performing the film formation four times with a constant film formation time using four wafers. In the other sample group (Run 2), when forming a film four times with a constant film formation time using four wafers, a conditioning process was performed each time the film formation process was completed once. The electrical resistance of the films (sheets) formed for both sample groups Run1 and Run2 was measured. The results are shown in the graph of FIG. In the upper graph in FIG. 4, the horizontal axis indicates the number of the wafer subjected to the film formation processing (the order of the film formation processing), and the left vertical axis indicates the electric resistance value of each wafer at a predetermined position.
[0047]
As shown by the results in the upper graph in FIG. 4, the electrical resistance values of the first wafer and the second wafer of the sample group (Run 1) that were not conditioned between the film formation processes were measured. There is a big difference. This result indicates that in the sample group (Run 1), there is a difference in the thickness of the formed film between the first wafer and the second wafer.
[0048]
On the other hand, in the sample group (Run 2) subjected to the conditioning process for each film forming process, the electric resistance value is substantially constant throughout the first to fourth samples. This result indicates that in the sample group (Run 2), the film thickness of each of the films formed from the first wafer to the fourth wafer is substantially constant.
[0049]
As shown in FIG. 3B, the apparatus shown in FIG. 1 typically removes a tungsten film deposited in a chamber every time a film is formed, and deposits remain in the chamber. This is an apparatus that stably forms a film on a plurality of wafers W by setting a non-existent state to a steady state. By applying the present invention to such an apparatus, the film formation of the first wafer W after cleaning is started in a state where the tungsten film does not exist in the chamber, whereas the second wafer W Subsequent wafers W are formed with the tungsten film present in the chamber.
[0050]
As described above, it is feared that the first wafer W and the subsequent wafers W have different conditions in the chamber at the start of film formation, which may cause variations in film formation characteristics such as film thickness. . Actually, in Run 1 in which the conditioning process was not performed between the film formations, the film thickness between the first wafer W and the subsequent wafers W, which is considered to be caused by the change in the state of the chamber. Was confirmed. On the other hand, in Run2 in which the conditioning process was performed during the film formation process, no change in the film thickness was observed, and stable film formation was possible.
[0051]
H 2 In the conditioning process using plasma, the tungsten film deposited in the chamber cannot be removed, so that even if the conditioning process is performed, the first wafer W and the second and subsequent wafers W There is a difference between the presence or absence of the tungsten film in the chamber. Therefore, the result that the change in the film forming characteristics can be prevented by the conditioning process means that the tungsten film itself deposited in the chamber is formed at least within a thin film thickness range of about 4 films. It shows no significant effect on film properties.
[0052]
On the other hand, WF remaining in the chamber in an unreacted state 6 Gas or WF 6 For the removal of incomplete reactants remaining in the chamber in an incomplete reaction state derived from gas and not being tungsten, H 2 It is considered that the conditioning treatment using plasma has an effect. WF 6 Has a low vapor pressure and exhibits a liquid state at room temperature. Therefore, on the surface of the wafer W heated to 415 ° C., even if it does not remain in an unreacted or incompletely reacted state, the temperature of the upper electrode 3 or the chamber wall 2 is lower than that of the wafer. In the inner surface, etc., of the WF, only the inside of the chamber is evacuated after the film formation. 6 Is considered to remain unreacted or in a large amount in an incompletely reacted state.
[0053]
In Run 1 in which the conditioning process between film formations is not performed, the WF remaining in the chamber 6 Alternatively, it can be understood that the film formation characteristics on the second and subsequent wafers W are changed due to the incomplete reactant and the film thickness is changed. On the other hand, during film formation, H 2 In Run 2 conditioned by plasma, the remaining WF 6 Alternatively, it can be understood that the change in the film formation characteristics was prevented by removing the incomplete reactant or at least reducing the residual amount.
[0054]
As described above, even when a film forming process is performed on a plurality of wafers W using a CVD processing apparatus that makes a state in which no deposit is present in the chamber a steady state, the film formation on each of the wafers W is not performed. In the meantime, by performing conditioning processing in the chamber and removing the remaining source gas or incomplete reactants derived from the source gas from the chamber, the change in film formation characteristics due to the presence of deposits in the chamber is eliminated. It turns out that it can be prevented. Conversely, by performing the conditioning process between the film forming processes, it is possible to reduce the number of cleaning processes and improve the processing capability while preventing a change in film forming characteristics between wafers.
[0055]
As described above, as the number of films continuously formed with only the conditioning process interposed therebetween during the cleaning process increases, the higher productivity improvement effect can be obtained. However, the number of continuous films cannot be increased without limit. For example, when a tungsten film is formed by using the CVD processing apparatus shown in FIG. 1, if the continuous film formation is continued, the tungsten film is deposited on the outer periphery of the wafer W by depositing the tungsten film on the shadow ring. It was confirmed that the effect of prevention was reduced. If a tungsten film is formed on the outer peripheral portion of the wafer W, it is peeled off in a subsequent step, which causes generation of particles. For this reason, the number of wafers capable of continuously forming a film is practically 4 to 5 when the film thickness per film is 400 nm. Therefore, in the above embodiment, the cleaning process is performed after the continuous film formation of four sheets.
[0056]
The number of films that can be continuously formed depends on the type of film to be formed, the device configuration, the film thickness per film, and the like. Therefore, it is preferable to appropriately set the number for each process. However, in any case, continuous film formation cannot be continued without limitation. That is, in the present invention, in addition to performing the conditioning process for each film formation, a cleaning process is performed after the film formation process of a predetermined number of sheets or a predetermined integrated film thickness to remove deposits in the chamber. It is necessary to remove it.
[0057]
(Comparative experiment 2)
In Comparative Experiment 2, in order to clarify the factors that influence the film thickness variation between the film forming processes in the case where the film is repeatedly formed, the experiments were performed by changing various plasma generation conditions in the conditioning process. Specifically, RF power at the time of plasma generation, N 2 Addition amount, H 2 The flow rate and the processing time were changed, and the effects of these conditions on the film thickness variation during the film forming process were investigated. As a result, N 2 It was found that experimental factors other than the addition amount did not significantly affect the film thickness variation.
[0058]
FIG. 5 shows the results. FIG. 2 When the flow rate is constant at 1000 sccm, the N 2 6 is a graph showing the relationship between the amount of addition and the variation in film thickness when a continuous film forming process is performed. In FIG. 5, the horizontal axis represents N during the conditioning process. 2 Shows the amount added. On the other hand, the vertical axis represents a constant film formation time of 196 seconds, that is, two films based on the film thickness formed on the first wafer when the film is formed under the condition of the target film thickness of 400 nm. This shows the difference in film thickness (variation in film thickness) from the wafer. In the figure, the region where the film thickness variation is “-” indicates that the film thickness on the second wafer is thinner than the film thickness on the first wafer. In the area of “+”, the opposite is shown.
[0059]
In FIG. 5, Ref. The reference numeral indicates the variation in film thickness when a continuous film formation is performed without performing the conditioning process, for reference. This indicates that when the conditioning process is not performed during the continuous film formation, a film thickness variation of about 30 nm occurs between wafers. On the other hand, when the conditioning process is performed during the film formation, it can be seen that the film thickness variation between wafers can be reduced. In particular, N 2 When the addition amount is increased in the range of 0 to about 75 sccm, the variation in the film thickness gradually approaches 0 in the negative range, and N 2 It becomes almost 0 when the added amount is about 75 sccm. And more than that N 2 Conversely, when the addition amount is increased, the film thickness variation increases on the + side.
[0060]
From this result, N at the time of conditioning 2 It can be seen that by optimizing the amount of addition, for example, in this case, by setting the range of about 60 to 80 sccm, the variation in the film thickness between wafers can be minimized. Product quality can be stabilized by minimizing variations in film thickness between wafers. As described above, the conditioning process of the present invention uses the WF remaining in the chamber. 6 Gas and WF 6 It has the effect of removing incomplete reactants derived from gas. In order to obtain this effect, mainly H 2 It is considered that hydrogen radicals generated from the gas are effective. In contrast, N 2 The gas is H 2 It can be considered as having an auxiliary effect of adjusting the concentration of hydrogen radicals by diluting the gas and adjusting the degree of the residue removing effect. Or even N 2 It is also conceivable that the irradiation of nitrogen ions generated from the gas has the effect of adjusting the surface state of the deposited tungsten film.
[0061]
On the other hand, as described above, even in the cleaning process performed after performing the film forming process on the four wafers W, the NF 3 Following plasma etching, H 2 Gas and N 2 A process (hereinafter, referred to as a post-process) of the gas mixed with the plasma is performed. However, H in post-processing 2 Gas and N 2 The mixing ratio with the gas is H 2 N for 500 sccm 2 100 sccm, and H in the above-mentioned conditioning process. 2 , N 2 The mixing ratio is different from the optimum range. This post-processing is NF 3 It has an effect of removing fluorine generated by plasma decomposition of gas and remaining in various chemical states in the chamber. For this purpose, mainly H 2 It is thought that hydrogen radicals generated from the gas have an effect.
[0062]
As described above, the conditioning process performed during the film formation process on the wafer includes the NF. 3 By using a reaction gas composed of the same gas as the reaction gas used in the post-processing performed after the plasma etching processing, it is not necessary to add a new gas pipe for performing the conditioning processing. However, the conditioning process during the film forming process and the NF 3 The state in the chamber before the processing is different from the processing after the plasma etching processing, and the purpose of the processing is different. Therefore, the conditions of each processing are, in particular, H 2 , N 2 Preferably, the mixing ratio is optimized for each. Rather, by performing the processing under different conditions, the film forming characteristics of the state where the tungsten film is removed from the chamber (first film) and the state where the tungsten film is deposited in the chamber (second and subsequent films) are made uniform. It is considered that the variation in film thickness can be minimized.
[0063]
More specifically, within the range confirmed experimentally, the H of the atmosphere used in the conditioning process during the film forming process is used. 2 N for gas 2 The mixing ratio of the gas is adjusted to H 2 N for gas 2 Good results, that is, minimization of film thickness variation between film forming processes were realized in a range where the gas mixture ratio was smaller than the gas mixing ratio.
[0064]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor manufacturing method capable of removing a deposit in a minimum processing time and obtaining a semiconductor device of stable quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a CVD processing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a semiconductor manufacturing method of the present invention.
FIG. 3 is a time table of the semiconductor manufacturing method of the present invention and a comparative example.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the number of processed sheets and the electric resistance value of a film.
FIG. 5 shows N during conditioning processing. 2 5 is a graph showing the relationship between the flow rate of addition and the variation in film thickness.
[Explanation of symbols]
1 ... chamber
2… Chamber wall
3: Upper electrode
4: Susceptor
7 ... Lamp heater
8 High frequency power supply
9 ... Impedance matching circuit
W ... Wafer

Claims (4)

チャンバ内への半導体基板の挿入と、前記挿入した半導体基板上への成膜処理とを繰り返すことにより複数の半導体基板上に成膜することを含む半導体製造方法であって、前記半導体基板上への成膜をフッ化物ガスを原料とする化学気相成長法によって行うと同時に、前記チャンバ内への堆積物の付着を行い、前記チャンバ内への半導体基板の挿入と成膜とを複数回繰り返した後、前記複数回の繰り返しの間に前記チャンバ内に付着した堆積物をプラズマエッチングにより除去するクリーニングを行い、かつ、前記複数回の繰り返しのそれぞれの間に、還元性ガスプラズマを用いた前記チャンバ内のコンディショニングを行うことを特徴とする半導体製造方法。A semiconductor manufacturing method comprising forming a film on a plurality of semiconductor substrates by repeating insertion of a semiconductor substrate into a chamber and film formation processing on the inserted semiconductor substrate, the method comprising: Is formed by a chemical vapor deposition method using a fluoride gas as a raw material, and at the same time, deposits are deposited in the chamber, and the insertion and deposition of the semiconductor substrate into the chamber are repeated a plurality of times. Then, cleaning is performed to remove deposits adhered in the chamber during the plurality of repetitions by plasma etching, and during each of the plurality of repetitions, the reducing gas plasma is used. A method for manufacturing a semiconductor, wherein conditioning in a chamber is performed. 前記成膜は、6フッ化タングステンガスを原料とするタングステン膜の非選択的な成膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体製造方法。2. The semiconductor manufacturing method according to claim 1, wherein the film formation is a non-selective film formation of a tungsten film using a tungsten hexafluoride gas as a raw material. 前記クリーニングによって前記チャンバ内の付着物が除去された状態から、次の複数の半導体基板上への成膜処理をさらに繰り返して行うことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体製造方法。3. The semiconductor manufacturing method according to claim 1, wherein a film forming process on a plurality of next semiconductor substrates is further repeated from a state in which the deposits in the chamber are removed by the cleaning. 前記還元性ガスプラズマは、前記還元性ガスに加えて、不活性ガスを、前記還元性ガスに対して第1の比率で含んだ雰囲気を励起したプラズマであり、前記クリーニングを、フッ素を含むエッチングガスを用いたプラズマエッチングによって堆積物を除去し、続いて、前記還元性ガスのみを含む雰囲気、または前記還元性ガスに加えて前記不活性ガスを、前記第1の比率と異なる第2の比率で含む雰囲気を励起したプラズマを用いて、前記チャンバ内に残留したフッ素を除去することによって行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体製造方法。The reducing gas plasma is a plasma in which an atmosphere containing an inert gas in addition to the reducing gas at a first ratio with respect to the reducing gas is excited, and the cleaning includes etching containing fluorine. Deposits are removed by plasma etching using a gas, and subsequently, an atmosphere containing only the reducing gas, or the inert gas in addition to the reducing gas is added to a second ratio different from the first ratio. 4. The semiconductor manufacturing method according to claim 1, wherein the method is performed by removing fluorine remaining in the chamber using plasma excited in an atmosphere included in the method.
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