JP2007173337A - 真空処理槽、真空処理装置及び真空処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジカル状態の処理ガスを用いてウェーハを処理するに際して、ウェーハの処理均一性を高めて再現性の改善を図る。
【解決手段】真空処理槽１と、ラジカル状態の第１の処理ガスを真空処理槽１の内部に導入する第１の処理ガス導入部６と、第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを真空処理槽１の内部に導入する第２の処理ガス導入部７とを備えた真空処理装置１０において、真空処理槽１の内壁面に第１の処理ガスの失活を防止する失活防止処理を施す。この失活防止処理として、真空処理槽１の内壁面に酸化アルミニウム水和物からなる被膜１１を形成する。この被膜１１は、真空処理槽１の内壁面を不動態化しラジカル状態の処理ガスの失活を抑制して、当該処理ガスを真空処理槽１内において安定して分布させる。これにより処理後のウェーハの安定した面内均一性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハの表面に形成される自然酸化膜を真空中でエッチング処理するための真空処理槽、真空処理装置及び真空処理方法に関する。

従来より、半導体素子の製造に際しては、半導体ウェーハ等のシリコン基板に形成したコンタクトホールの内部に配線膜を成膜する工程がある。この際、成膜処理前のコンタクトホール底部のウェーハ表面には、周囲雰囲気に起因して酸化シリコンからなる自然酸化膜が形成される場合がある。コンタクトホール底部のウェーハ表面と配線材料との間に自然酸化膜が介在するとコンタクト抵抗を上昇させる等の種々の問題が発生するため、配線膜の成膜前にコンタクトホール底部に存在する自然酸化膜を除去する必要がある。

成膜処理前においてウェーハ上から自然酸化膜を除去する方法として、従来では、希フッ酸などの薬液を用いた湿式処理が行われてきた。しかし、このような湿式処理を用いる自然酸化膜除去方法は、０．１μｍ以下のデザインルールが要求される配線用コンタクトホールの底部にまで薬液を到達させることが困難であるため、近年では有用な方法とはされなくなっている。

このような自然酸化膜を除去する方法として、近年、水素ラジカル（Ｈ^*）と窒素ラジカル（Ｎ^*）とＮＦ₃ガスを使用する方法が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。この方法では、Ｎ₂ガスとＮＨ₃ガスとの混合ガスにマイクロ波を印加して水素ラジカル（Ｈ^*）と窒素ラジカル（Ｎ^*）を発生させ、これとＮＦ₃ガスを反応させて生成したアンモニアフッ化物ガスで自然酸化膜をエッチングするようにしている。このとき、ウェーハ上にアンモニア錯体が生成されるが、その後ウェーハを加熱処理することで、このアンモニア錯体は熱分解により除去される。

ラジカル状態の処理ガス（以下「ラジカルガス」ともいう。）を用いた乾式処理法による自然酸化膜の除去工程においては、ウェーハを複数枚収容した真空処理槽の内部に、水素ラジカル（Ｈ^*）と窒素ラジカル（Ｎ^*）とＮＦ₃ガスが導入される。真空処理槽は耐食性に優れたアルミニウム系金属材料で構成されている。

特開２００３−１３３２８４号公報

しかしながら、上述した自然酸化膜の除去方法においては、処理後の面内均一性を確保するのが困難であるという問題がある。

特に、多数のウェーハを同時に処理する場合、装置を立ち上げてから所定のバッチ数を処理するまで、真空処理槽内のウェーハ位置により面内均一性がばらつくという問題がある。また、メンテナンス時に真空処理槽の内壁面の洗浄処理を行った後、装置を再稼働させたときも同様な問題が発生し、ウェーハ処理の良好な再現性が得られないという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、ラジカル状態の処理ガスを用いてウェーハを処理するに際して、ウェーハの処理均一性を高めて再現性の改善を図ることができる真空処理槽、真空処理装置及び真空処理方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明者は鋭意検討を行ったところ、真空処理槽の内部にラジカル状態の処理ガスが導入された際、真空処理槽の内壁面の表面性状によってウェーハ等の被処理基板の処理に要するラジカル量が変化することで、真空処理槽内部に均一にラジカルガスを供給することができなくなり、その結果、ウェーハの位置により処理後の面内均一性がばらつくことを見出した。そこで本発明は、真空処理槽の内壁面に以下の処理を施すことで、ラジカルガスとの相互反応を抑制し、処理後におけるウェーハの面内均一性を改善し、再現性の改善を図るようにしている。

すなわち、本発明は、真空処理槽の内壁面に、導入されたラジカル状態の処理ガスの失活を防止するための失活防止処理が施されている。失活防止処理としては、真空処理槽の内壁面を反応性の高いガスで不動態化したり、真空処理槽の内壁面に失活防止機能を有する被膜を形成する処理を挙げることができる。

また、本発明は、真空処理槽と、ラジカル状態の第１の処理ガスを真空処理槽の内部に導入する第１の処理ガス導入部と、第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを真空処理槽の内部に導入する第２の処理ガス導入部とを備えた真空処理装置において、真空処理槽の内壁面には、第１の処理ガスの失活を防止する失活防止処理が施されていることを特徴とする。

更に、本発明は、真空処理槽の内部にラジカル状態の処理ガスを導入して被処理基板を処理する真空処理方法であって、真空処理槽の内壁面に処理ガスの失活を防止する失活防止処理を施した後、真空処理槽の内部に処理ガスを導入して被処理基板を処理することを特徴とする。

上述のように、真空処理槽の内壁面に失活防止処理を施すことで、ラジカル状態の処理ガスとの相互反応を低減し、真空処理槽内部における当該ラジカル状態の処理ガスの濃度変化を抑制して、処理後のウェーハの安定した面内均一性を得ることができる。また、同一バッチ間及び異なるバッチ間におけるウェーハの面内均一性のばらつきを抑えて再現性の向上を図ることができる。

好適には、失活防止処理として真空処理槽の内壁面に形成される被膜は、アルミニウム水和物からなる。アルミニウム水和物からなる被膜は、ベーマイト膜である。ベーマイト膜は完全なものに限られず、不完全な膜でも構わない。このような酸化アルミニウム水和物からなる被膜を形成することで、真空処理槽の内壁面を不動態化しラジカル状態の処理ガスの失活を抑制して、当該処理ガスを真空処理槽内において安定して分布させることができる。

真空処理槽内壁面に対するベーマイト膜の形成は、例えば加圧水蒸気による封孔処理が好適である。ベーマイト膜は、アルミニウム系金属材料からなる真空処理槽の内壁面に形成されている多孔性のアルミナ膜（陽極酸化処理被膜）を水蒸気で封孔化することにより形成することができる。

また、上述のようにして形成されたベーマイト膜は、真空処理槽の内壁面に付着したラジカル反応物の洗浄除去時において滅失し易い。このため、真空処理槽の洗浄後、滅失したベーマイト膜を再度形成する工程を設けることが好ましい。

以上述べたように本発明によれば、真空処理槽の内壁面とラジカル状態の処理ガスとの間の相互反応を抑制して、導入した処理ガスを安定してウェーハの処理に費やすことが可能となる。これにより、処理後のウェーハの面内均一性を高めることができるとともに、真空処理槽内におけるウェーハ位置による面内均一性のバラツキを抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態による真空処理装置１０の要部を示す概略構成断面図である。真空処理装置１０は、真空処理槽１と、ラジカル状態の第１の処理ガスを真空処理槽１の内部に導入する第１の処理ガス導入部６と、第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを真空処理槽１の内部に導入する第２の処理ガス導入部７とを備えている。

真空処理槽１は、アルミニウム系金属材料で構成されており、内部に反応室２を形成している。この反応室２は、図示しない真空排気装置によって所定の減圧雰囲気に真空排気可能に構成されている。反応室２には、複数枚（例えば５０枚）のウェーハＷを水平状態で高さ方向に複数枚支持することができるウェーハ支持台（ボート）３が収容されている。このウェーハ支持台３は、未処理のウェーハを支持した状態で反応室２に搬入され、処理後は反応室２の外部へ搬出されるように構成されている。なお、図示せずとも、反応室２の内部又は外部には、基板Ｗを加熱処理するための加熱ランプ等の加熱手段が設置されている。

本実施の形態において、第１の処理ガス導入部６は、第１の処理ガスとしてラジカル状態の水素ガス（以下「水素ラジカル」という）Ｈ^*とラジカル状態の窒素ガス（以下「窒素ラジカル」という）Ｎ^*とを真空処理槽１の内部に導入するガス導入ヘッドで構成されている。この第１の処理ガス導入部６には、ＮＨ₃ガスとＮ₂ガス（キャリアガス）との混合ガスが供給されて水素ラジカルＨ^*と窒素ラジカルＮ^*を生成する一対のプラズマ源４と、これらのプラズマ源４で生成された水素ラジカルＨ^*と窒素ラジカルＮ^*を第１の処理ガス導入部６へ導く一対の導入配管５がそれぞれ接続されている。これらのプラズマ源４及び導入配管５は真空処理槽１の側壁に対して高さ方向に所定の間隔をおいて取り付けられている。第１の処理ガス導入部６は、水素ラジカルＨ^*と窒素ラジカルＮ^*を反応室２のウェーハ支持台３に対して高さ方向に均一に供給する機能を有している。

一方、第２の処理ガス導入部７は、第２の処理ガスとしてＮＦ₃ガスを導入するシャワーノズルで構成されており、図１に示すように第１の処理ガス導入部６とウェーハ支持台３との間に、ウェーハ支持台３の高さ方向に延在するように真空処理槽１の上壁部に取り付けられている。この第２の処理ガス導入部７を構成するシャワーノズルは、側周部に複数の孔が形成されており、ＮＦ₃ガスを反応室２のウェーハ支持台３に対して高さ方向に均一に供給する機能を有している。

以上のように構成される本実施の形態の真空処理装置１０においては、ウェーハＷを保持したウェーハ支持台３を真空処理槽１の内部の反応室２に搬入した後、反応室２を気密状態にして所定の圧力となるように真空排気を行う。そして、第１の処理ガス導入部６から水素ラジカルＨ^*と窒素ラジカルＮ^*を導入するとともに、第２の処理ガス導入部７からＮＦ₃を導入し、これらを混合させて反応させる。この場合の反応式は、次のようになると考えられる。
Ｈ^*＋ＮＦ₃→ＮＨｘＦｙ（ＮＨ₄ＦＨ、ＮＨ₄ＦＨＦ等）

生成されたアンモニアフッ化物（ＮＨｘＦｙ）は、図２Ａに示すように、ウェーハＷに供給される。そして、以下の反応式で示されるように、このアンモニアフッ化物（ＮＨｘＦｙ）とウェーハＷの表面に形成された自然酸化膜Ｗａとが相互に反応する。
ＮＨｘＦｙ＋ＳｉＯ₂→（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆＋Ｈ₂Ｏ↑

すなわち、アンモニアフッ化物（ＮＨｘＦｙ）とウェーハＷの表面の自然酸化膜（ＳｉＯ₂）Ｗａとが反応することで、図２Ｂに示すように、ウェーハＷの表面にアンモニア錯体からなる反応生成物（（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆）Ｗｂが形成される。その後、ウェーハＷを所定温度（例えば１００℃〜２００℃）で加熱することにより、図２Ｃに示すように当該アンモニア錯体Ｗｂが熱分解して除去される。この場合の反応式は、次のようになる。
（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆→ＮＨ₃↑＋ＨＦ↑＋ＳｉＦ₄↑

以上のようにしてウェーハＷの表面に形成された自然酸化膜Ｗａがエッチング除去される。このようにして自然酸化膜の除去処理が完了したウェーハＷは、水素終端シリコンウェーハとしてその後の成膜処理に適している。特に、０．１μｍ以下のデザインルールが要求される配線用コンタクトホールの底部に形成された自然酸化膜等を効果的に除去することができるので、その後の成膜工程において、コンタクト抵抗を増大させることなく信頼性の高い層間接続を安定して行うことが可能となる。

ところで、上述したように、この種のエッチング処理においては、処理後の面内均一性を確保するのが困難であるという問題があった。特に、多数のウェーハを同時に処理する場合、装置を立ち上げてから所定のバッチ数を処理するまで、真空処理槽内のウェーハ位置により面内均一性がばらつくという問題があった。また、メンテナンス時に真空処理槽の内壁面の洗浄処理を行った後、装置を再稼働させたときも同様な問題が発生し、ウェーハ処理の良好な再現性が得られないという問題があった。

この原因を究明するに当たり、本発明者は、真空処理槽１の内部に水素ラジカルと窒素ラジカルが導入された際、真空処理槽の内壁面の表面性状によってウェーハの処理に要するラジカル量が変化することで、反応室内部に均一にラジカルガスを供給することができなくなり、その結果、ウェーハ位置により処理後の面内均一性がばらつくという知見が得られた。そこで本実施の形態では、真空処理槽１を以下のように構成することで上記問題の解決を図るようにしている。

すなわち本実施の形態の真空処理槽１は、上述したようにアルミニウム系金属材料（例えばＡ５０５２）からなり、当該真空処理槽１の内壁面には、図３Ａに示すように酸化アルミニウム水和物からなる被膜１１が形成されている。被膜１１は、ベーマイト（Ａｌ₂Ｏ₃−Ｈ₂Ｏ）であるが、完全なベーマイト膜に限られず、膜質が不完全なベーマイト膜でも構わない。本発明では、これらのベーマイト膜を酸化アルミニウム水和物からなる被膜としている。

このベーマイトからなる被膜１１は、真空処理槽１の表面を例えば陽極酸化処理ことで形成されたアルミナ膜（Ａｌ₂Ｏ₃）１２を下地として形成されている。被膜１１は、このアルミナ膜１２を封孔処理することにより形成されるとともに、真空処理槽１の内壁面全体がこの被膜１１で被覆されるようにして形成されている。被膜１１の膜厚は特に制限されないが、本実施の形態では例えば１μｍである。

真空処理槽１の内壁面に形成された酸化アルミニウム水和物からなる被膜１１は、真空処理槽１の内壁面を不動態化し、真空処理槽１の内部に導入されたラジカルガス（水素ラジカルＨ^*、窒素ラジカルＮ^*）の失活防止膜として機能する。

以上のように、真空処理槽１の内壁面にラジカルガスの失活を防止するための失活防止処理を施すことで、真空処理槽１とラジカルガスとの相互反応を低減し、真空処理槽１の内部（反応室２）における当該ラジカルガスの濃度変化を抑制して、処理後のウェーハＷの安定した面内均一性を得ることができる。また、同一バッチ間及び異なるバッチ間におけるウェーハの面内均一性のばらつきを抑えて再現性の向上を図ることができる。

表１は、本発明者が行った実験結果の一例を示している。実験では、ウェーハＷを５７枚収容できるウェーハ支持台を用いて上述したエッチング処理を複数バッチ行い、最上段から数えて所定段数（本例では４、１４、２８、４２、５４段目）の各ウェーハＷの処理後の面内均一性（ばらつき）と、各バッチ毎のウェーハ間均一性（Ｗ to Ｗ）を測定した。実験の結果、おおよそ２バッチ目から均一性が安定し、再現性が得られていることが確認された。

なお、１バッチ目で均一性にバラツキが発生する理由は、装置立ち上げ直後に真空処理槽１の内部に導入されたラジカルガスの一部が被膜１１を不動態化するのに費やされるからであると考えられる。しかし、被膜１１が形成されていない従来の真空処理槽を用いた場合は、最初の数バッチ〜二十数バッチの処理を経ないと再現性が得られないことと比較すると、本発明の効果は歴然であることがわかる。

一方、ウェーハＷのエッチング処理を所定バッチ継続して行うことにより、真空処理槽１の内壁面や第１，第２ガス導入口６，７、ウェーハ支持台３等の反応室２に臨む各種構成部品の表面に、ラジカル反応物の付着、堆積し、パーティクル発生の原因となる。このため、これら真空処理槽１等を定期的に洗浄処理する必要がある。ラジカル反応物（この例ではアンモニア錯体）は水溶性であるため、真空処理槽１の洗浄処理は通常、脱脂、純水洗浄及び乾燥の各工程を経て行われる。

ところが、真空処理槽１の内壁面を洗浄処理、特にブラシ処理を伴った洗浄処理の際、図３Ｂに示すように被膜１１が滅失する場合がある。この状態を放置すると、真空処理槽１を洗浄処理するたびに被膜１１が剥げ落ちてしまし、ウェーハ処理の安定した再現性が得られなくなる。

そこで本実施の形態では、真空処理槽１の洗浄処理の後に、真空処理槽１の内壁面に被膜１１を再形成するようにしている。被膜１１の再形成は、真空処理槽１の内壁面を再封孔化処理することで容易に行うことができる。封孔処理法は特に制限されないが、例えば真空処理槽１を封孔装置に装填した後加圧し、高温スチーム（水蒸気）を導入することによって行われる。スチーム温度が高いほど（例えば１３０℃以上）良質なベーマイト膜を形成することができる。なお、上述した再封孔処理は、真空処理槽１の洗浄処理を行う毎に行うのが好ましいが、勿論これに限定されない。

以上のプロセス手順を図４の工程フローに示す。本発明に係る真空処理方法は、真空処理槽１の内壁面を封孔処理（失活防止処理）することでベーマイト膜からなる被膜１１を形成し、当該真空処理槽１を用いて上述のラジカルガスを用いたウェーハＷのエッチング処理を行う。そして、ウェーハ処理を所定の複数バッチを行った後に実施される真空処理槽１の洗浄処理の後、真空処理装置１を再封孔処理して内壁面に被膜１１を再形成し、ウェーハ処理を再開する。

図４の工程フローを実施することで、ウェーハＷのエッチング処理の際、真空処理槽１の内壁面が常に被膜１１で覆われることになるので、ラジカルガスの失活が抑制され、再現性の高いウェーハ処理が実現可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、第１の処理ガス（ラジカルガス）として水素ラジカル及び窒素ラジカル、第２の処理ガスとしてＮＦ３をそれぞれ適用したが、ラジカルガスにフッ素ラジカルや塩素ラジカルを用いる等、実施される真空処理（エッチング処理、成膜処理）に応じて適宜選択することが可能である。

また、以上の実施の形態では、真空処理槽１の内壁面の失活防止処理として、真空処理槽１の内壁面にベーマイト膜からなる被膜１１を形成したが、これに限られない。例えばエッチング処理前に、反応性の高いフッ素含有ガスを真空処理槽１に導入することで、真空処理槽１の内壁面を不動態化することも可能である。これにより、上述と同様な効果を得ることができる。

本発明の実施の形態による真空処理装置の概略構成を示す断面図である。 ラジカルガスを用いた自然酸化膜のエッチング処理を模式的に示す工程図である。 真空処理槽の内壁面に形成された被膜の態様を説明する要部断面図である。 本発明の実施の形態による真空処理方法を説明する工程フローである。

符号の説明

１ 真空処理槽
２ 反応室
３ ウェーハ支持台
４ プラズマ源
５ 導入配管
６ 第１の処理ガス導入部
７ 第２の処理ガス導入部
１０ 真空処理装置
１１ 被膜（ベーマイト膜）
１２ 下地膜（アルミナ膜）
Ｗ ウェーハ
Ｗａ 自然酸化膜
Ｗｂ アンモニア錯体

Claims (10)

1. 真空処理槽の内壁面に、導入されたラジカル状態の処理ガスの失活を防止するための失活防止処理が施されていることを特徴とする真空処理槽。
2. 前記失活防止処理として、真空処理槽の内壁面には、酸化アルミニウム水和物からなる被膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の真空処理槽。
3. 前記被膜はベーマイト膜であることを特徴とする請求項２に記載の真空処理槽。
4. 前記ベーマイト膜の下地層がアルミナ膜であることを特徴とする請求項３に記載の真空処理槽。
5. 真空処理槽と、ラジカル状態の第１の処理ガスを前記真空処理槽の内部に導入する第１の処理ガス導入部と、前記第１の処理ガスと反応する第２の処理ガスを前記真空処理槽の内部に導入する第２の処理ガス導入部とを備えた真空処理装置において、
   当該真空処理槽の内壁面には、前記第１の処理ガスの失活を防止する失活防止処理が施されていることを特徴とする真空処理装置。
6. 前記真空処理槽の内部には、複数枚の被処理基板を支持する基板支持台が設置されていることを特徴とする請求項５に記載の真空処理装置。
7. 真空処理槽の内部にラジカル状態の処理ガスを導入して被処理基板を処理する真空処理方法であって、
   前記真空処理槽の内壁面に前記処理ガスの失活を防止するための失活防止処理を施した後、前記真空処理槽の内部に前記処理ガスを導入して被処理基板をエッチング処理することを特徴とする真空処理方法。
8. 前記真空処理槽の内壁面に前記失活防止処理を施す工程が、当該真空処理槽の洗浄処理の後に行われることを特徴とする請求項７に記載の真空処理方法。
9. 前記失活防止処理を施す工程は、前記真空処理槽の内壁面に酸化アルミニウム水和物からなる被膜を形成する工程であり、この被膜は、前記真空処理槽の内壁面に対する封孔処理によって形成されることを特徴とする請求項７に記載の真空処理方法。
10. 前記被処理基板のエッチング処理後、前記被処理基板を加熱処理する工程を有することを特徴とする請求項７に記載の真空処理方法。
    
    

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