JP2007081169A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ハフニウム原子を含む膜を成膜する場合に、チャンバクリーニングを効率よく行える半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板200を処理室100内に搬入し、処理室100内に原料ガスを供給して基板200上にハフニウム原子を含む膜を成膜し、成膜後の基板200を処理室100より搬出し、処理室100内に、臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給して処理室100内に付着した膜を除去する。
【選択図】 図1

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に、ハフニウム原子を含む膜を成膜する工程と、この成膜により処理室内壁に付着した膜を除去する工程とを備える半導体装置の製造方法に関する。
これまで枚葉のCVD(Chemical Vapor Deposition)やALD(Atomic Layer Deposition)による成膜装置においては、所定の許容範囲に膜厚と膜厚均一性を維持するためや、パーティクルの発生を抑制するため、一定の累積膜厚に到達する度にチャンバのクリーニングを行う必要があった。このチャンバクリーニングでは、何十枚あるいは何百枚か成膜した後の相当厚く付着した膜(通常数ミクロン〜十数ミクロンの膜厚)をまとめて除去するため、ある程度のエッチング速度が得られないと著しく生産性を低下させることになる。このため、除去の対象となる膜と反応させて比較的蒸気圧の高いガス状の反応生成物を形成することが大前提であり、SiやW等ではClFやNFリモートプラズマによるクリーニングが行われてきた(特開2004−39788号参照)が、これはSiFやWFといった反応生成物の蒸気圧が極めて高いためであった。
特開2004−39788号
しかし、現在次世代半導体向けのゲート酸化膜の材料として開発が進められている高誘電体成膜装置のチャンバクリーニングにおいては、高誘電体膜の有力候補の1つであるZrO(ジルコニウムオキサイド)に関してはClFである程度のエッチングレートが得られているものの、現在最有力候補とされているHfO(ハフニウムオキサイド)あるいはそれらにSiやAlを含有しているものも含め、従来クリーニングに使われてきたClFおよびマイクロ波リモートプラズマと併用したNFを用いても極めてエッチング速度が小さく、量産装置としてチャンバクリーニングを行うことが出来なかった。
従って、本発明の主な目的は、ハフニウム原子を含む膜を成膜する場合に、チャンバクリーニングを効率よく行える半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明によれば、
基板を処理室内に搬入する工程と、
前記処理室内に原料ガスを供給して基板上にハフニウム原子を含む膜を成膜する工程と、
成膜後の基板を前記処理室より搬出する工程と、
前記処理室内に、臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給して前記処理室内に付着した膜を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
好ましくは、前記臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスがBr、HBr、BrF、BBr、BrCl、CBrのうちの少なくとも1つあるいはこれらの混合ガスである。
また、好ましくは、前記臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスをそのまま(活性化や励起しない状態で)前記処理室に導入する。
また、好ましくは、前記臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを前記処理室に導入する前に予め活性化しその後前記処理室に導入する。活性化は、好ましくは、マイクロ波やRF(高周波電力)等を用いてプラズマ励起し、活性なラジカルなどを含むガスにすることにより行う。
また、好ましくは、臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給して前記処理室内に付着した膜を除去した後に、Oガス単独あるいはOガスを含むガスを前記処理室に導入し、前記処理室に残留するBr含有生成物を除去する。
また、好ましくは、臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給して前記処理室内に付着した膜を除去した後に、Oガス単独あるいはOガスを含むガスを前記処理室に導入する前に予め活性化しその後前記処理室に導入し、前記処理室に残留するBr含有生成物を除去する。活性化は、好ましくは、マイクロ波やRF(高周波電力)等を用いてプラズマ励起し、活性な酸素原子や励起状態のO、オゾンなどを含むガスにすることにより行う。
また、好ましくは、臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給して前記処理室内に付着した膜を除去した後に、OガスあるいはOガスを含むガスを前記処理室に導入し、前記処理室に残留するBr含有生成物を除去する。
また本発明によれば、
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に原料ガスを供給する第1のガス供給系と、
前記処理室内に臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給する第2のガス供給系と、
前記処理室内で原料ガスによる基板に対するハフニウム原子を含む膜の成膜を少なくとも1回以上行った後、前記処理室内に前記臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給して前記処理室内に付着した膜を除去するように制御するコントローラと、
を有することを特徴とする基板処理装置が提供される。
本発明によれば、ハフニウム原子を含む膜を成膜する場合に、チャンバクリーニングを効率よく行える半導体装置の製造方法が提供される。
次に、本発明の好ましい実施例を説明する。
本発明の好ましい実施例では、Hfを含む高誘電体の成膜装置のヒータやチャンバ(処理室)内壁に付着した膜をドライクリーニングする際に、臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガス(以下、Brを含む臭素化合物ガスという)を用いる。
また、上記Brを含む臭素化合物ガスが、Br、HBr、BrF、BBr、BrCl、CBrのうちの少なくとも1つあるいはこれらの混合ガスである。
また、上記Brを含む臭素化合物ガスをそのままチャンバに導入する。
あるいは、上記Brを含む臭素化合物ガスをチャンバに導入する前に予めマイクロ波やRF等を用いてプラズマ励起し、活性なラジカルなどを含むガスにしてチャンバに導入する。
また、Brを含む臭素化合物ガスを用いてクリーニングした後、Oガス単独あるいはOガスを含むガスを導入しクリーニング後にチャンバに残留するBr含有生成物を除去する。
また、Brを含む臭素化合物ガスを用いてクリーニングした後、O2ガス単独あるいはO2ガスを含むガスをチャンバに導入する前に予めマイクロ波やRF等を用いてプラズマ励起し、活性な酸素原子や励起状態のO、オゾンなどを含むガスにしてチャンバに導入しクリーニング後にチャンバに残留するBr含有生成物を除去する。
また、Brを含む臭素化合物ガスを用いてクリーニングした後、Oガスを含むガスを導入しクリーニング後にチャンバに残留するBr含有生成物を除去する。
本発明の好ましい実施例では、従来クリーニングガスとして用いられてきたフッ素系や塩素系ではなく、新たに臭素系の単体あるいは化合物ガスを用い、反応後に比較的蒸気圧の高い生成物を形成し、十分なエッチングレートが得られるようにしている。これにより、チャンバクリーニングに要するダウンタイムを著しく短縮し、CVDまたはALD成膜装置の生産能力を向上させることができる。
さらに、クリーニング残留ガスを酸素系ガスにより効率的にチャンバ内から排除することにより比較的短時間で膜厚変動なしにCVDやALD成膜装置の生産性を従来よりも向上させることができる。
次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照してより詳細に説明する。
図1は、本発明の好ましい実施例に使用する枚葉CVD装置を説明するための概略縦断面図である。
この枚葉CVD装置10は、基板である半導体ウエハ200を処理するチャンバ(処理室)100と、チャンバ100内にガスを供給するガス供給ライン131と、チャンバ100内を排気する排気系105と、枚葉CVD装置10の操作を制御するコントローラ180とを備えている。
ガス供給ライン131は、クリーニングガス供給ライン132、原料ガス供給ライン133および窒素ガス供給ライン134を備えている。窒素ガス供給ライン134は、窒素ガス源155と流量制御装置(マスフローコントローラ)144とエアーバルブ163とを備えている。原料ガス供給ライン133は、液体原料源154と液体流量制御装置143と気化器142とエアーバルブ162とを備えている。液体原料源154から供給される液体原料の流量は液体流量制御装置143で制御され、液体原料は気化器142で気化されて原料ガスとなる。
クリーニングガス供給ライン132は、Arガス供給ライン135と酸素含有ガス供給ライン136とクリーニング原料ガス供給ライン137とを備えている。Arガス供給ライン135はArガス源151と流量制御装置(マスフローコントローラ)145とエアーバルブ164とを備えている。酸素含有ガス供給ライン136は、酸素含有ガス源152と流量制御装置(マスフローコントローラ)146とエアーバルブ165とを備えている。クリーニング原料ガス供給ライン137はクリーニングガス源153と流量制御装置(マスフローコントローラ)147とエアーバルブ166とを備えている。Arガス供給ライン135と酸素含有ガス供給ライン136とクリーニング原料ガス供給ライン137とが合流して一本のクリーニングガス供給ライン132となり、クリーニングガス供給ライン132は、RPU(Remote Plasma Unit)141とエアーバルブ161とを備えている。RPU(Remote Plasma Unit)141によって、リモートプラズマを発生させてチャンバ100に供給する。
ガス導入口123からは、成膜時には原料ガス供給ライン133より成膜原料ガスを、クリーニング時にはクリーニングガス供給ライン132よりクリーニングガスを導入する。また、装置上方にあるリモートプラズマユニット(RPU:Remote Plasma Unit)141によりクリーニングガスをマイクロ波プラズマ等により予めラジカル等を含むガスとして活性化した後に導入することも可能である。
さらに、クリーニング後にチャンバに残留したガスを排除するために、酸素含有ガス供給ライン136よりガス導入口123を経由して酸素またはオゾンを含むガス(酸素原子を含むガス)を導入することも出来る。また、装置上方にあるリモートプラズマユニット141により酸素ガスをマイクロ波プラズマ等により予めラジカル等を含むガスとして活性化した後に導入することも可能である。
チャンバ100は、チャンバ蓋101とチャンバ本体102とを備えている。
チャンバ本体102の側壁には、ウエハ200をチャンバ100内に搬入し、チャンバ100から搬出するウエハ搬送口103が設けられている。チャンバ本体102の側壁には、また、排気口104が設けられ、排気口104には排気系105が接続されている。排気系はチャンバ100内の圧力を所定の圧力に維持するためのAPC(Auto Pressure Controller)106と真空ポンプ107とを備えている。
チャンバ100内には支持体114が設けられている。サセプタ112は支持体114に支持されてチャンバ100内に設けられている。サセプタ112の周囲は、石英カバー113によって覆われている。サセプタ112上にはウエハ200またはクリーニングダミーウエハ201が載置される。サセプタ112の下側にはヒータ111が設けられ、ヒータ111によってサセプタ112が加熱される。支持体114の昇降動作によって、ウエハ200(クリーニングダミーウエハ201)、サセプタ112、石英カバー113、ヒータ111が昇降する。
本実施例では、クリーニングしてもダメージを抑えるため、図1に示したように、石英等の高温でもクリーニングダメージの少ない材料でダメージを受けやすい部材(サセプタ112)にカバー113を設けると共に、クリーニング時のみ通常の成膜に使用するSiウエハ200と同サイズのカバーダミーウエハ201をサセプタ112上に載置する構成とした。
チャンバ蓋101の天井板124にはガス導入口123が取り付けられている。その下部には2枚のガス分散板121が設けられ、その下部には、シャワーヘッド122が設けられている。
所定の流量に設定された原料ガスは、ガス導入口123を通りシャワーヘッド122内部に導入される。極めて小さなコンダクタンスに絞られた均等に配置された孔が数百〜数万個有するシャワーヘッド122から、ほぼ均一の流速・流量でウエハ200上にガスが供給される。ここで、チャンバ100内部に搬入されたウエハ200はヒータ111によって加熱されたサセプタ112に載置されサセプタ112を介し所定の温度に加熱される。さらに、APC(Auto Pressure Controller)106を具備した排気系105よりチャンバ100内の圧力は所定の成膜圧力に保持される。これらによって、ほぼ均一に所望の膜厚で薄膜を形成することが出来る。
上記の成膜処理を連続あるいは断続的に繰り返し、処理した累積の膜厚が一定以上になると、膜厚均一性やパーティクルが許容範囲を超すようになるため、チャンバクリーニングを行う。
チャンバクリーニングでは、クリーニング実施後の金属汚染やパーティクルの発生抑制のため、クリーニングダメージを生じさせないよう、かつ十分なエッチングレートが得られるような温度に設定して実施し、また、クリーニング後に残留ガスの影響により成膜した際に膜厚変動が起こらないよう、製品ウエハを着工する前に、CVD成膜時と同条件でプリコートを行なう。
本実施例では、チャンバ100内で原料ガスによるウエハ200に対するハフニウム原子を含む膜の成膜を少なくとも1回以上行った後、チャンバ100内に臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給してチャンバ100内に付着した膜をクリーニング除去する。
クリーニングガスとして臭素系のガスを導入することにより、ハフニウム原子を含む膜のエッチングレートを高くすることができ、また、酸素原子を含むガスを導入することにより、クリーニング後にチャンバ100内の残留ガスを短時間で排除できる。その結果、クリーニング時間を短縮し、生産性を高めることができる。
なお、APC106、真空ポンプ107、ヒータ111、RPU141、気化器142、液体流量制御装置143、流量制御装置144〜147、エアーバルブ161〜166および高周波(RF)電源(図示せず)等は全てコントローラ180によって制御される。
図1に示した装置を使用し、ウエハ200の温度450℃(=ヒータ111の温度500℃)、圧力200Pa、Hf-MMP(Hf(OC(CHCHOCH)流量約100sccm、O流量約400slmの成膜条件でHfOを成膜した。ウエハ200の処理の累積膜厚が約3μm程度となったところで、通常のウエハ200の代わりにカバーダミーウエハ201(カーボンあるいは石英)をサセプタ112上に置き、エッチングダメージを考慮してヒータ温度を約400℃まで50℃だけ下げ、圧力1330Pa、BrF流量100sccm、Ar流量400sccmで全くプラズマをONしない場合と500Wのマイクロ波放電によるプラズマによってラジカル等を含む活性化した場合と両方でクリーニングを行った。いずれの場合もエッチングに要した時間は約100分であった。その後、Nを大量にチャンバに導入し(N 10slmを約30秒)、排気(約2分)を10回繰り返すNパージ(サイクルパージ)を行い、できる限りクリーニング用の残留ガスを除去した後、チャンバ内雰囲気を通常の成膜時と等しくなるよう、また微量のチャンバ内壁などに付着した金属汚染の原因となる物質の飛散を抑制する効果も考慮して50nm程度のプリコートを実施した。その後通常通りウエハ200にHfOを成膜したところ、膜厚、面内均一性共に±3%以内と良好な結果が得られた。
上記実施例を行うに当たり、エッチングガスの検討を行った。エッチングレートはエリプソメータを用いてエッチング前後の膜厚測定を行い算出した。図2はBrFおよびClFによるHfOとZrOのエッチングレートを比較したものである。全般的に、温度の上昇と共にエッチングレートが増加する現象が見られた。ZrOは400℃にすれば、ClFを用いても20nm/min以上のエッチングレートが得られ、量産にも適用できることが分かった。HfOの場合は、ClFでは400℃にしても5nm/min以下のエッチングレートしか得られないが、臭素系のガスであるBrFを用いれば400℃で約30nm/minのエッチングレートが得られることが分かり、実施例1で示した実際のクリーニングとして適用できることが明確となった。
本実施例では、さらにBrF以外の臭素系ガスでもHfOで十分なエッチングレートが得られるか検討した。エッチングガスとしては表1、表2に示したようなクリーニングガスを用い、ガスを流すだけではなく、予めマイクロ波を用いたRP(リモートプラズマ)や、シャワーヘッドを絶縁し電極にしてチャンバ内でプラズマ放電できるようにして、それぞれのエッチングレートを比較した。表1はZrO膜の各ガスにおけるエッチングレートを比較したものであり、表2はHfO膜の各ガスにおけるエッチングレートを比較したものである。
Figure 2007081169
Figure 2007081169
結果的に、ZrOではClFで十分なエッチングレートが得られたために特に臭素系のクリーニングガスを使用する必要性はなかったが、HfO以上のエッチングレートが得られると考えられる。
一方、HfOに対しては、塩素系ガスを用いても量産に適用出来るほどの十分なエッチングレートは得られず、臭素系のクリーニングガスを用いざるを得ず、さらに、BrおよびBBrについては熱だけの分解が不十分なためかプラズマによる活性化が好ましい。しかし表2に示したように、従来からクリーニングに用いられてきたRP(リモートプラズマ)を使用すれば、BrF以外にも臭素系ガスによるクリーニングが可能なことは明白である。
実施例1ではクリーニング後の成膜を阻害するチャンバ残留ガスの除外に、比較的大流量のパージNガスと排気の繰り返しを行うことを示したが、上記以外に
(1)Oガスを含むガスを流す、あるいは
(2)OガスをRP(リモートプラズマ)により予め活性化した後にチャンバに導入することで、より短時間で残留ガスを排除することが可能となる。
これは、ZrやHfのハロゲン化物の沸点が高く、チャンバ内壁の比較的温度の低い部分でなかなかガスとして排気されないことに対し、活性な酸素ラジカルで完全な個体(極めて沸点が高い)に変換し、ガスとして排出できないようにする効果による。
上記各実施例では、ある特定のガス種、条件だけ述べたが、従来のフッ素系、塩素系から臭素系のクリーニングガスにすることで、これまでエッチングレートの低かったHfOのような高誘電体膜もエッチングレートを高くして、量産における現実的なレベルでのクリーニングが行えるようになる。さらにHfSiOやHfAlO等のSiやAlは元々それらの元素がClやBrに対し比較的高いエッチングレートが得られることからも明らかなように、HfO2よりも高いエッチングレートになるため、これらにも適用可能なことは明白である。
以上から、本発明を用いることにより、クリーニング前後の膜厚および面内均一性の特性を維持した上で、チャンバクリーニングに要するダウンタイムを著しく短縮し装置の生産能力を向上できるため、半導体製造において生産性向上に寄与するところ大である。
本発明の好ましい実施例に使用する枚葉CVD装置を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例におけるBrFおよびClFによるHfOとZrOのエッチング速度を示す図である。
符号の説明
100…処理室(チャンバ)
101…チャンバ蓋
102…チャンバ本体
103…ウエハ搬送口
104…排気口
105…排気系
106…APC(Auto Pressure Controller)
107…真空ポンプ
111…ヒータ
112…サセプタ
113…石英カバー
114…支持体
121…ガス分散板
122…シャワーヘッド
123…ガス導入口
124…天井板
131…ガス供給ライン
132…クリーニングガス供給ライン
133…原料ガス供給ライン
134…窒素ガス供給ライン
135…Arガス供給ライン
136…酸素含有ガス供給ライン
137…クリーニング原料ガス供給ライン
141…RPU(Remote Plasma Unit)
142…気化器
143…液体流量制御装置
144〜147…流量制御装置
151…Arガス源
152…酸素含有ガス源
153…クリーニングガス源
154…液体原料源
155…窒素ガス源
161〜166…エアーバルブ
180…コントローラ
200…ウエハ
201…クリーニングダミーウエハ

Claims (1)

  1. 基板を処理室内に搬入する工程と、
    前記処理室内に原料ガスを供給して基板上にハフニウム原子を含む膜を成膜する工程と、
    成膜後の基板を前記処理室より搬出する工程と、
    前記処理室内に、臭素原子をその化学式に有する化合物を含むガスを供給して前記処理室内に付着した膜を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20100186774A1 (en) * 2007-09-19 2010-07-29 Hironobu Miya Cleaning method and substrate processing apparatus

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