JP2006278594A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 クリーニングガスによる反応生成物が処理室内の部材に付着することを低減する。
【解決手段】 抵抗加熱ヒータ４６をクリーニング温度Ｔｃｌｎに保って処理室２０内のエッチング及びパージを行い、次の基板２６を処理するために抵抗加熱ヒータ４６を処理温度Ｔｐｒｏまで昇温させる途中で抵抗加熱ヒータ４６をパージ温度Ｔｐｕｒに保ち、処理室２０内をパージする。パージ温度Ｔｐｕｒは、カーボンＣを含むガスの脱離温度Ｔｄｅｓよりも高く、カーボンＣを含むガスの反応温度Ｔｒｅａよりも低くなるように設定されている。カーボンＣを含むガスの脱離温度Ｔｄｅｓは、処理室２０内に残留したフッ素Ｆを含むガスと、基板保持板４２などに含まれるカーボンＣとの反応を十分に促すことができる温度である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板を処理する処理室内にガスを供給する工程を有する半導体装置の製造方法に関する。

処理室内の基板に対し、ヒータで加熱しつつ処理ガスを供給することにより、基板に所望の成膜処理を行う基板処理装置が知られている。
この種の基板処理装置において、基板の処理後にクリーニングガスを処理室内に供給し、処理ガスによる反応生成物を除去することは公知である（特許文献１参照）。

特開２００４−１９３３９６号公報

しかしながら、クリーニングガスによって処理室をクリーニングすると、処理室内の部材とクリーニングガスとが反応し、処理室内の部材にクリーニングガスによる反応生成物が付着するという問題があった。

本発明は、クリーニングガスによる反応生成物が処理室内の部材に付着することを低減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を目的としている。

上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴とするところは、処理室内に基板を搬入する工程と、前記処理室内に処理ガスを供給することにより、基板を処理する工程と、処理された基板を前記処理室から搬出する工程と、前記処理室内にクリーニングガスを供給することにより、前記処理室内をクリーニングする工程と、クリーニングされた前記処理室内をパージする工程とを有し、前記処理室内をパージする工程では、前記処理室内の温度を、前記処理室内をクリーニングする工程でクリーニングガスと処理室内の部材との反応により発生した物質を含むガスの脱離温度よりも高く、且つ、反応温度よりも低くする半導体装置の製造方法にある。

好適には、前記処理室内の部材は、カーボンを含み、クリーニングガスとの反応によりカーボンを発生させる。また、好適には、前記処理室内の部材は、前記処理室内で基板を保持する保持具である。また、好適には、前記処理室内をパージする工程では、脱離温度又は反応温度の少なくともいずれかが異なる複数のガスが前記処理室内に残留している場合、複数のガスそれぞれの脱離温度及び反応温度に応じて複数の温度を段階的に設定する。

また、本発明の第２の特徴とするところは、基板を処理する処理室と、前記処理室内の基板を加熱する加熱手段と、前記処理室内で基板を保持する保持具と、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理室内にクリーニングガスを供給するクリーニングガス供給手段と、前記処理室内をパージするパージ手段と、前記パージ手段により前記処理室をパージする場合に、前記処理室内の温度を、クリーニングガスと処理室内の部材との反応により発生した物質を含むガスの脱離温度よりも高く、且つ、反応温度よりも低くするよう制御する制御手段とを有する基板処理装置にある。

好適には、前記処理室内の部材は、カーボンを含み、クリーニングガスとの反応によりカーボンを発生させる。また、好適には、前記処理室内の部材は、前記保持具である。

本発明によれば、クリーニングガスによる反応生成物が処理室内の部材に付着することを低減することができる。

図１において、本発明の実施形態に係る基板処理装置１０が示されている。この基板処理装置１０は、例えばコールドウォール型の枚葉式熱ＣＶＤ薄膜形成装置であり、上部に基板処理部１２を備えている。この基板処理部１２は、円筒状の本体部１４を有し、この本体部１４の上側と下側がそれぞれ上部キャップ１６と下部キャップ１８とにより閉鎖され、該基板処理部１２内に処理室２０が構成されている。

基板処理部１２の本体部１４には、開閉弁２２によって開閉される基板挿入口２４が水平方向横長に開設されており、この基板挿入口２４を介して処理室２０に処理すべき半導体ウェハなどの基板２６が図示しない基板移載機により搬入され、処理後には搬出されるようになっている。

また、本体部１４の上部には、排気口２８が形成されている。この排気口２８は、真空ポンプ等からなる排気装置（図示せず）に接続され、処理室２０と連通するように開設されており、処理室２０内の未反応ガス及び反応過程で生成したガスなどが排気装置によって排気されるようになっている。

ガス分散板３０は、基板処理部１２の上部キャップ１６に一体的に組み込まれており、基板処理部１２の上部にバッファ室３２を形成している。また、ガス分散板３０には、バッファ室３２と処理室２０とを連通する多数の連通孔が形成されている。上部キャップ１６の天井壁にはガス供給口３４が設けられており、このガス供給口３４には、例えば基板を処理する処理ガス、処理ガスによる反応生成物をクリーニングするクリーニングガス及び処理室２０内をパージするパージガス等が所定のガス流量、ガス比率で供給される。

基板処理部１２の下部キャップ１８の中心には貫通孔３６が円形に開設されており、この貫通孔３６の中心線上には上部がフランジ状に広げられたヒータユニット３８が処理室２０に下方から挿通されている。ヒータユニット３８は、エアシリンダ装置等が使用された昇降機構４０によって昇降されると共に、基板処理装置１０の下部に固定されている例えば真空隔壁モータによって回転するようにされている。また、ヒータユニット３８は、基板２６を保持する基板保持板４２と、基板保持板４２を保持するユニット本体４４と、基板保持板４２を加熱する抵抗加熱ヒータ４６とを有する。基板保持板４２は、例えば炭化シリコン（カーボンＣを含む）が使用されて円板形状に形成され、上部がフランジ状に広げられた円筒状のユニット本体４４の上端開口を閉塞するように被せられている。抵抗加熱ヒータ４６は、基板保持板４２の下方で基板保持板４２に平行でわずかな空間を隔てて配置されている。

下部キャップ１８の上面には、例えば複数本の基板支持具（石英ピン）４８が周方向に等間隔に配置されて垂直方向上向きに突設されており、基板支持具４８の上端は抵抗加熱ヒータ４６及び基板保持板４２のそれぞれに形成された挿入孔に対向するようになっている。これらの基板支持具４８の長さは抵抗加熱ヒータ４６及び基板保持板４２の挿入孔を下から押通して基板保持板４２に載置された基板２６を基板支持具４８から水平に浮かせるように互いに等しく設定されている。

図２において、基板保持板４２及び抵抗加熱ヒータ４６周辺の詳細が示されている。
基板保持板４２は、複数のパイロメータ５０によって温度が検出されるようになっている。パイロメータ５０は、基板処理装置１０の下部に固定され、下方から抵抗加熱ヒータ４６を貫通して抵抗加熱ヒータ４６から突出し、基板保持板４２に非接触で基板保持板４２の温度を検出する。
抵抗加熱ヒータ４６は、複数の熱電対５２によって温度が検出されるようになっている。熱電対５２は、基板処理装置１０の下部に固定され、上端が抵抗加熱ヒータ４６の下面に接触して抵抗加熱ヒータ４６の温度を検出する。なお、パイロメータ５０が検出した基板保持板４２の温度は、抵抗加熱ヒータ４６の温度制御に対してフィードバックされている。

次に、以上の構成に係る基板処理装置１０の動作について説明する。
基板２６の搬入に際しては、ヒータユニット３８が昇降機構４０によって基板搬送位置（図１参照）に下降し、開閉弁２２が下方に移動して基板挿入口２４が開かれる。すると、基板支持具４８の上部が抵抗加熱ヒータ４６及び基板保持板４２のそれぞれに形成された挿入孔を下から押通して基板保持板４２から上方に突出する。基板２６は、図示しない基板搬送機により基板挿入口２４を介して処理室２０内に搬入され、基板保持板４２に対して空間を隔てて平行になるように基板支持具４８に支持される。

基板２６が処理室２０内に搬入されると、開閉弁２２は、上方に移動して基板挿入口２４を閉じる。

次に、基板２６と基板保持板４２との間隔が所定距離になるように、ヒータユニット３８が昇降機構４０によって上昇して停止し、基板２６は、抵抗加熱ヒータ４６によって所定時間の予備加熱される。

基板２６が予備加熱されると、ヒータユニット３８が昇降機構４０によってさらに上昇し、基板支持具４８に支持された基板２６と基板保持板４２との間隔が次第に狭くなる。さらに、ヒータユニット３８が上昇すると、基板２６の下面が基板保持板４２に接触し、基板支持具４８に代わって基板保持板４２が基板２６を保持して、図３に示すように、ガス分散板３０の下方の基板処理位置まで基板２６が上昇される。また、基板２６は、抵抗加熱ヒータ４６によって加熱されて高温になっている基板保持板４２により、直接伝熱されて処理温度まで加熱される。

基板２６が処理温度まで加熱されると、ガス供給口３４から例えば処理ガス（成膜ガス）としてのモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスと、キャリアガスとしての窒素（Ｎ_２）ガスとが供給される。さらに、キャリアガスとしての窒素（Ｎ_２）ガスとともに水素（Ｈ_２）ガスが供給される。処理温度まで加熱された基板２６の処理面に対し、ＳｉＨ_４ガス、Ｎ_２ガス及びＨ_２ガスがガス分散板３０によって均等に供給されると、熱ＣＶＤ反応が生じ、基板２６上にポリシリコン膜が形成される。

基板２６に対して成膜処理（基板処理）が終了すると、ヒータユニット３８は、昇降機構４０によって基板搬送位置に下降する。ヒータユニット３８が基板処理位置まで下降することにより、基板支持具４８が抵抗加熱ヒータ４６及び基板保持板４２の挿入孔を通過して、基板保持板４２の上面に保持された基板２６を下方から支持して基板保持板４２から浮き上がらせる。なお、処理室２０に残留するガスは、排気口２８に接続された排気装置（図示せず）によって排気される。

基板支持具４８が基板２６を基板保持板４２の上面から浮き上がらせた状態になると、基板２６の下方空間、即ち基板２６の下面と基板保持板４２の上面との間にスペースが形成された状態になり、図示しない基板移載機により、基板挿入口２４を介して基板２６が処理室２０から搬出される。

ここで、処理室２０内の部材には、基板処理において処理ガスの反応により生成した反応生成物が付着している。この処理ガスによる反応生成物を除去し、処理室２０をクリーニングするために、ガス供給口３４からクリーニングガスが供給される。また、クリーニングガスに対して基板保持板４２を保護するためにクリーニングダミー基板５４が用いられる。

クリーニングダミー基板５４は、処理すべき基板２６と同様に、図示しない基板搬送機により基板挿入口２４を介して処理室２０内に搬入され、基板保持板４２に対して空間を隔てて平行になるように基板支持具４８に支持される（図１）。

クリーニングダミー基板５４が処理室２０内に搬入されると、開閉弁２２が上方に移動することにより基板挿入口２４が閉じられ、抵抗加熱ヒータ４６が制御されて、処理室２０は、クリーニングガスの特性により任意に決定されるクリーニング温度まで降温される。

処理室２０をクリーニングする場合、ヒータユニット３８は、昇降機構４０により基板搬送位置から基板処理位置まで上昇する。ヒータユニット３８が上昇すると、クリーニングダミー基板５４は、基板２６と同様にガス分散板３０の下方の基板処理位置まで上昇される。また、クリーニングダミー基板５４は、抵抗加熱ヒータ４６により加熱されて高温になっている基板保持板４２により、直接伝熱されてクリーニング温度にされる。

クリーニングダミー基板５４が基板処理位置まで上昇されると、クリーニングガスとして例えばリモートプラズマにより活性化（ラジカル化）された三フッ化窒素（ＮＦ_３）ガスがガス供給口３４から供給される。処理室２０内の部材に付着した処理ガスによる反応生成物は、活性化された三フッ化窒素（ＮＦ_３）ガスによるエッチング（ドライエッチング）によって除去される。処理ガスによる反応生成物が除去された後に、処理室２０内に残留するクリーニングガス雰囲気は、例えばサイクルパージによって排気される。サイクルパージとは、処理室２０内を排気し、処理室２０内に窒素等の不活性ガスや水素等を導入した後に再度処理室２０内を排気するというように、処理室２０内の排気と処理室２０内への不活性ガスや水素等の導入とを繰り返すことによって処理室２０内をパージする方法である。

図４は、処理室２０内をクリーニングする場合の抵抗加熱ヒータ４６の温度トレンドチャートであって、（Ａ）はドライエッチング後（サイクルパージ後）に処理温度Ｔｐｒｏとクリーニング温度Ｔｃｌｎとの間の温度で処理室２０内のパージを行わない場合（第１のシーケンス）を示し、（Ｂ）はドライエッチング後（サイクルパージ後）に処理温度Ｔｐｒｏとクリーニング温度Ｔｃｌｎとの間の温度で処理室２０内のパージを行う場合（第２のシーケンス）を示す温度トレンドチャートである。
図４（Ａ）に示すように、第１のシーケンスにおいては、抵抗加熱ヒータ４６をクリーニング温度Ｔｃｌｎに保ち、処理室２０内のドライエッチング及びサイクルパージを行い、次の基板２６を処理するために抵抗加熱ヒータ４６を処理温度Ｔｐｒｏまで昇温させる。この場合、処理室２０内の部材に付着した処理ガスによる反応生成物をクリーニングガスにより除去する過程（ガスクリーニング）、又は、ガスクリーニング後に抵抗加熱ヒータ４６を処理温度Ｔｐｒｏまで昇温させる過程において、処理室２０内に残留したフッ素Ｆを含むガスが、基板保持板４２に含まれるカーボンＣと反応し、カーボンＣを含むガスが発生する。

なお、基板２６に成膜などの基板処理を行う場合、抵抗加熱ヒータ４６は、処理温度Ｔｐｒｏが例えば５５０〜９００°Ｃに設定されて、基板２６が例えば４００〜７５０°Ｃの任意の温度になるように基板２６を加熱する。基板２６に基板処理を行う場合の処理室２０内の圧力は、例えば６０００〜４８０００Ｐａの任意の圧力であり、基板処理に使用されるガスの種類及び基板２６に形成される膜種によって異なる。また、処理室２０内をガスクリーニングする場合、抵抗加熱ヒータ４６は、クリーニング温度Ｔｃｌｎが例えば２５０〜５００°Ｃに設定されて、クリーニングダミー基板５４が例えば２００〜４５０°Ｃの任意の温度になるように基板２６を加熱する。

一方、ガスクリーニング後に抵抗加熱ヒータ４６を処理温度Ｔｐｒｏまで昇温させる過程において、カーボンＣを含むガス（クリーニングガスによる反応生成物）は、カーボンＣを含むガスの反応温度Ｔｒｅａに達すると、処理室２０内の部材と熱反応を開始する。カーボンＣを含むガスの反応温度Ｔｒｅａは、例えば約５４５°Ｃであり、処理温度Ｔｐｒｏよりも低温である。カーボンＣを含むガスが熱反応を開始すると、抵抗加熱ヒータ４６及び抵抗加熱ヒータ４６近傍のパイロメータ５０などの高温部に黒色のカーボンＣが膜状に堆積し始め、ガス分散板３０などの低温部にカーボンＣとフッ素Ｆからなる反応生成物が粉体として付着し始める。

そこで、基板処理装置１０は、図４（Ｂ）に示すように、第２のシーケンスにより、抵抗加熱ヒータ４６をクリーニング温度Ｔｃｌｎに保ち、処理室２０内のドライエッチング及びサイクルパージを行い、次の基板２６を処理するために抵抗加熱ヒータ４６を処理温度Ｔｐｒｏまで昇温させる途中で抵抗加熱ヒータ４６をパージ温度Ｔｐｕｒに保ち、処理室２０内をパージするようにされている。パージ温度Ｔｐｕｒは、カーボンＣを含むガスの脱離温度Ｔｄｅｓよりも高く、カーボンＣを含むガスの反応温度Ｔｒｅａよりも低くなるように設定されている（Ｔｄｅｓ＜Ｔｐｕｒ＜Ｔｒｅａ）。カーボンＣを含むガスの脱離温度Ｔｄｅｓは、処理室２０内に残留したフッ素Ｆを含むガスと、基板保持板４２などに含まれるカーボンＣとの反応を十分に促すことができる温度であり、パージ時間に依存し、評価結果から例えば５００〜５２０°Ｃと考えられる。

つまり、処理室２０は、抵抗加熱ヒータ４６がクリーニング温度Ｔｃｌｎに設定されてクリーニングガスが排気され、抵抗加熱ヒータ４６が処理温度Ｔｐｒｏまで昇温される途中でパージ温度Ｔｐｕｒに保たれて、パージされることにより、カーボンＣを含むガスの発生が十分に促され、発生したカーボンＣを含むガスの温度が反応温度Ｔｒｅａに達する前にカーボンＣを含むガスが排気されるので、クリーニングガスによる反応生成物によって汚れることが抑制される。
なお、抵抗加熱ヒータ４６をクリーニング温度Ｔｃｌｎに保って処理室２０内をパージした場合には、クリーニングガスによる反応生成物によって処理室２０内が汚れることを十分に低減できないことが実験により確認されている。これは、処理室２０内の部材に膜状に堆積したカーボンＣ、又は、粉体として付着したカーボンＣとフッ素Ｆからなる反応生成物から脱離するカーボンＣを含むガスがクリーニング温度Ｔｃｌｎでは十分に排気され難いためと考えられる。

抵抗加熱ヒータ４６をパージ温度Ｔｐｕｒに保ってパージする方法は、処理室２０内に残留するガスの種類、基板処理装置１０の構造などにより任意に選択可能であり、例えば真空引き切りによる脱ガス排気が有効であることが実験によって確認されている。また、処理室２０内をパージする方法として、窒素（Ｎ_２）ガス等の不活性ガスを処理室２０内に供給しつつ、処理室２０内に残留するクリーニングガス等を排気するようにしてもよいし、上述したサイクルパージを行うようにしてもよい。また、パージ時間もエッチング時間などにより任意に選択可能である。

処理室２０内のクリーニングガス及びカーボンＣを含むガスが排気されると、基板保持板４２は、次の基板２６を処理するために、クリーニングダミー基板５４を保持した状態で抵抗加熱ヒータ４６により処理温度まで昇温される。

基板保持板４２が処理温度まで昇温されると、ヒータユニット３８は、昇降機構４０によって基板搬送位置に下降する。ヒータユニット３８が基板処理位置まで下降することにより、基板支持具４８が抵抗加熱ヒータ４６及び基板保持板４２の挿入孔を通過して、基板保持板４２の上面に保持されたクリーニングダミー基板５４を下方から支持して基板保持板４２から浮き上がらせる。

基板支持具４８がクリーニングダミー基板５４を基板保持板４２の上面から浮き上がらせた状態になると、クリーニングダミー基板５４の下方空間、即ちクリーニングダミー基板５４の下面と基板保持板４２の上面との間にスペースが形成された状態になり、図示しない基板移載機により、基板挿入口２４を介してクリーニングダミー基板５４が処理室２０から搬出される。

以降、前述した作業が繰り返されることにより、次の基板２６にポリシリコン膜が形成されて行く。

次に、図４に示した抵抗加熱ヒータ４６の温度トレンドチャートに沿って、複数枚の基板を順次に処理した場合における処理温度の再現性について説明する。
図５は、複数枚の基板を順次に処理した場合の処理温度について、第１のシーケンスによる再現性と第２のシーケンスによる再現性とを比較した結果を示すグラフである。
図５に示すように、第１のシーケンスにより処理室２０内をクリーニングした場合には、パイロメータ５０にカーボンＣが膜状に堆積するので、パイロメータ５０による基板保持板４２の温度測定値にずれが生じて、処理温度の設定に対する再現性が低くなっている。
一方、第２のシーケンスにより処理室２０内をクリーニングした場合には、パイロメータ５０にカーボンＣが堆積することを抑制できるので、パイロメータ５０によって基板保持板４２の温度を正しく測定することができ、処理温度の設定に対する再現性が高くなっている。つまり、基板処理装置１０は、第２のシーケンスにより処理室２０内をクリーニングすることにより、基板保持板４２の処理温度を安定させることができ、基板２６に形成される膜厚再現性を高めることができる。

このように、抵抗加熱ヒータ４６をパージ温度Ｔｐｕｒに保って処理室２０内をパージすることにより、抵抗加熱ヒータ４６及びパイロメータ５０にカーボンＣが堆積することを抑制することができるので、カーボンＣの堆積の不均一性に起因した基板２６の均熱不良、及び、抵抗加熱ヒータ４６のヒータ端子の絶縁抵抗の低下を防止することができる。また、ガス分散板３０などの低温部にカーボンＣとフッ素Ｆからなる反応生成物が粉体として付着することを抑制することができるので、処理室２０内に異物が発生することを低減することができる。

また、クリーニングガスによって脱離温度Ｔｄｅｓ又は反応温度Ｔｒｅａが異なる複数の反応生成物が発生する場合、複数の反応生成物それぞれの脱離温度Ｔｄｅｓ及び反応温度Ｔｒｅａに応じて複数のパージ温度Ｔｐｕｒを設定し、昇温及びパージを段階的に実施して、複数の反応生成物から脱離するガスをそれぞれ排気するようにしてもよい。

以上述べたように、本発明は、クリーニングガスによる反応生成物が処理室内の部材に付着することを低減する必要がある半導体装置の製造方法に利用することができる。

本発明の実施形態に係る半導体処理装置を示す断面図である。 基板保持板及び抵抗加熱ヒータ周辺の詳細を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体処理装置の基板処理位置まで基板が上昇された状態を示す半導体処理装置の断面図である。 処理室をクリーニングする場合の温度トレンドチャート例であって、（Ａ）は処理温度とクリーニング温度との間の温度でパージを行わない場合を示し、（Ｂ）は処理温度とクリーニング温度との間の温度でパージを行う場合を示す温度トレンドチャートである。 複数枚の基板を順次に処理した場合の処理温度について、第１のシーケンスによる再現性と第２のシーケンスによる再現性とを比較した結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 基板処理装置
２０ 処理室
２２ 開閉弁
２６ 基板
２８ 排気口
３４ ガス供給口
３８ ヒータユニット
４２ 基板保持板
４４ ユニット本体
４６ 抵抗加熱ヒータ
４８ 基板支持具
５０ パイロメータ
５４ クリーニングダミー基板

Claims (1)

1. 処理室内に基板を搬入する工程と、
   前記処理室内に処理ガスを供給することにより、基板を処理する工程と、
   処理された基板を前記処理室から搬出する工程と、
   前記処理室内にクリーニングガスを供給することにより、前記処理室内をクリーニングする工程と、
   クリーニングされた前記処理室内をパージする工程とを有し、
   前記処理室内をパージする工程では、前記処理室内の温度を、前記処理室内をクリーニングする工程でクリーニングガスと処理室内の部材との反応により発生した物質を含むガスの脱離温度よりも高く、且つ、反応温度よりも低くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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