JP2007305890A

JP2007305890A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2007305890A
Application number: JP2006134703A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Morioka; 仁森岡; Shigeo Ishikawa; 重男石川
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2007-11-22
Also published as: US20070261639A1

Abstract

【課題】半導体装置の製造工程においては、埋設性がよいことからHDP-CVD装置が利用されている。しかし高ＲＦパワー条件のHDP-CVD装置ではパーティクルが増加し、半導体製造歩留りの低下、また短期間でのノズル交換による装置稼働率の低下という問題がある。
【解決手段】本発明の半導体製造装置は、焼結助剤であるイットリア（Y₂O₃）を含まない窒化アルミニウムセラミックスを部材としたガス導入ノズルを備える。ノズル表面にイットリウム（Y）が析出しないために、優先的にフッ化される箇所が低減され、プリコート膜との密着性が向上し、成膜時のパーティクルを抑制することができる。さらにフッ化されやすい部分が少ないため、ノズル全体のフッ化を抑制でき、部材の寿命が延びる。本発明によれば、高稼働率、高い半導体製造歩留りが得られる半導体製造装置が提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体製造装置に係り、特にプラズマ化学気相成長のガス導入ノズルに窒化アルミニウムを使用した半導体製造装置に関する。

半導体装置の製造装置には、金属汚染を回避するためにセラミックス材料が使用されている。特にガス導入ノズルや、ウェハを乗せるステージあるいはプロセスチャンバー等には、セラミックス材料が多く使用されている。またセラミックス材料としては、熱伝導率の良い窒化アルミニウムの採用が増加している。半導体装置の製造プロセスには、ウェハに絶縁膜としての酸化ケイ素膜を成膜する工程が多くある。これらの絶縁膜はプラズマ化学気相成長法により成膜される。特に埋設性の優れた高密度プラズマ化学気相成長(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition、以下HDP-CVD) 法が使用されている。

この半導体装置の絶縁膜成膜における問題点について、図７〜図１０を参照して、各製造工程に沿って説明する。図７（Ａ）に示すようにシリコン基板２０１に窒化ケイ素膜２０２を成膜し、素子分離部(Shallow Trench Isolation, STI)を形成する。この素子分離部(STI)の開口幅は、半導体装置の微細化に伴い狭くなっている。そのためＳＴＩ絶縁膜の成膜はHDP-CVD装置のＲＦパワーを上げ、埋設性の向上が図られている。しかしながら、ＲＦパワーを4000〜6000W程度から7000〜9000W程度に変更すると、プラズマ輻射熱が増加する。そのため、ガス導入ノズルがより高温に加熱され、短時間で成膜時のパーティクルが増大するという現象が見られた。パーティクルの分布は特定のパターンを有さず、パーティクルが成長した絶縁膜中にも見られることから、成膜プロセス中に発生したものと考えられる。

また、使用後のセラミックス製ガス導入ノズルを取り外し、表面を観察した。ガス導入ノズルの外周には、クリーニングガスである三弗化窒素(NF3)による腐食と考えられる黒い斑点が多数確認された(図４（Ａ）)。この腐食部分においては、チャンバ内およびガス導入ノズルを覆うプリコート膜とノズルとの密着性が悪く、プリコート膜が成膜中に剥がれ落ちパーティクル２０３の原因となっていると考えられる。パーティクル２０３が付着した状態(図７(Ｂ))で、図７(Ｃ)のようにHDP-CVD装置によりＨＤＰ酸化ケイ素膜２０４を成膜する。このときパーティクル２０３で塞がれたトレンチにはＨＤＰ酸化ケイ素膜２０４が成膜されない。

さらにこのパーティクル２０３は化学的機械的研磨(Chemical mechanical polishing)工程（図８（Ｄ）)、酸化ケイ素膜ウエットエッチ（図８（Ｅ）)、窒化ケイ素膜ウエットエッチ（図８（Ｆ）)を経ることで、そのほとんどが除去される。しかしパーティクル２０３が付着した領域にはＨＤＰ酸化ケイ素膜２０４が成膜されず、埋め込み不良部分となる。種々の注入、ゲート酸化後にゲートポリシリコン（Doped Poly-Si）２０５を成膜すると埋め込み不良部分が埋設される（図８（Ｇ））。その結果、シリコン基板２０１とゲートポリシリコン２０５がショートすることで不良素子となり、半導体装置の製造歩留りを低下させるという問題がある。

このパーティクルの発生は、ガス導入ノズルのクリーニングガスNF3により腐食された部分からプリコート膜が剥れることで発生する。ここでプリコート膜は酸化ケイ素膜であり、連続して成膜する場合にその前サイクルの成膜において、装置内部に成膜された膜である。このプリコート膜の剥れは、特にクリーニング時のセラミックス部材の冷却不足により起こると考えられていた。そのため部材の熱伝導率を向上する焼結助剤(一般にはイットリア（Y₂O₃）)を用い、焼結密度を上げ、高品質なセラミックスとし、高い冷却効率を得ることで腐食対策としていた。しかしながら本願発明者は、HDP-CVD装置のＲＦパワーを増した場合にはパーティクルの発生数が多いことから、下記の調査を行った。図９には処理枚数とパーティクル数のＲＦパワー依存性として、（Ａ）は低ＲＦパワー、（Ｂ）は高ＲＦパワー時のパーティクル数を示す。図１０は、処理枚数とパーティクル数を示す。

図９においては焼結助剤イットリア（Y₂O₃）を含む部材から形成されたガス導入ノズルを用い、7000〜9000W程度の高ＲＦパワー成膜条件と4000〜6000W程度の低ＲＦパワー成膜条件とにおいて発生するパーティクル数を比較した。ここでのパーティクルは粒径0.18μm以上をカウントした。低ＲＦパワーでの成膜パーティクルが20個以下のノズルも(図９（Ａ）)、高ＲＦパワーで使用すると、パーティクル発生個数が異常に大きくなるという現象が頻発する(図９（Ｂ）)。高ＲＦパワーでは、ノズルは短時間で加熱され、高いプロセス温度で成膜が行われることでパーティクル数が多くなる。図９（Ｂ）に示すようなパーティクル数の多いガス導入ノズルは、初期不良であり、使用できない。このように処理枚数が少ない初期においても、パーティクルが異常に多く発生することがある。

図１０に高ＲＦパワー条件での処理枚数によりパーティクル数を示す。処理枚数の増加に従って、成膜時のパーティクル数は増加している。ウェハ処理枚数500〜600枚程度で粒径0.16μm以上のパーティクルが100個程度となり、至極短い期間でのノズルの交換が必要となる。このパーティクルの発生は、セラミックスの焼結状態が異なり、ノズル作製時の表面状態のばらつきが大きいことに起因していると考えられる。つまり、高ＲＦパワー条件では表面状態のばらつきが非常に大きい場合には使用初期から不良となる。次に成膜処理枚数が増すと、フッ化が促進され、パーティクルが増加すると考えられる。このようにHDP-CVD装置の高ＲＦパワー条件での成膜はパーティクルの増加による半導体製造歩留り低下、短期間でのノズル交換による装置稼働率低下という問題がある。

窒化アルミニウムセラミックスに関する先行文献として下記文献がある。特許文献１（特開2003-261396）では、窒化アルミニウム基セラミックスの表面にアルミナを形成し、プラズマによる腐食を抑制している。特許文献２（特開2001-274103）では、イットリア（Y₂O₃）を焼結助剤とした窒化アルミニウムセラミックスによりガスシャワーを形成している。また特許文献３（特開昭63-69761）、特許文献４（特開昭62-212267）には焼結助剤を使った窒化アルミニウムセラミックスの製造方法が示されている。

特開２００３−２６１３９６号公報特開２００１−２７４１０３号公報特開昭６３−６９７６１号公報特開昭６２−２１２２６７号公報

上記したようにこのようにHDP-CVD装置の高ＲＦパワー条件での成膜はパーティクルの増加による半導体製造歩留り低下、また短期間でのノズル交換による装置稼働率低下という問題がある。本願発明の目的は上記した問題に鑑み、パーティクルの発生を抑制できるセラミックスを部材とした半導体製造装置を提供することにある。

本発明は上記した課題を解決するため、基本的には下記に記載される技術を採用するものである。またその技術趣旨を逸脱しない範囲で種々変更できる応用技術も、本発明に含まれることは言うまでもない。

本発明の半導体製造装置は、プラズマ化学気相成長に使用され、パーティクルの発生を抑制するためにプラズマに曝され高温になる装置部品として、フッ素と反応しやすいイットリウム（Y）を含まないセラミックスにより形成することを特徴とする。

本発明の半導体製造装置の前記セラミックスは、熱伝導率の高い、フッ化しにくい金属の酸化物または窒化物のいずれか１つから形成されることを特徴とする。

本発明の半導体製造装置の前記金属は、アルミニウムであることを特徴とする。

本発明の半導体製造装置の前記装置部品は、ガス導入ノズルであることを特徴とする。

本発明の半導体製造装置は、プラズマ化学気相成長に使用され、パーティクルの発生を抑制するためにプラズマに曝され高温になる装置部品として、フッ素と反応しやすい焼結助剤を含まないセラミックスにより形成することを特徴とする。

前記セラミックスは、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムのいずれか１つから形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体製造装置。

本発明の半導体製造装置の前記焼結助剤は、イットリア（Y₂O₃）、マグネシア(MgO)、カルシア(CaO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化バリウム(BaO)、酸化ランタニウム(La₂O₃)のいずれか１つであることを特徴とする。

本発明のプラズマ化学気相成長に使用される半導体製造装置は、焼結助剤であるイットリア（Y₂O₃）を含まない窒化アルミニウムセラミックスを部材としたガス導入ノズルを備える。ノズル表面にイットリウム（Y）が析出しないために、優先的にフッ化される箇所が低減され、プリコート膜との密着性が向上し、成膜時のパーティクルを抑制することができる効果がある。さらにフッ化されやすい部分が少ないため、ノズル全体のフッ化を抑制でき、部材の寿命が延びる効果がある。本発明によれば、ノズル交換期間を長くできることで高稼働率、パーティクルの発生を抑制することで高い半導体製造歩留りとすることができる半導体製造装置が得られる。

本発明の半導体製造装置について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。図１には本発明のガス導入ノズルにおける処理枚数とパーティクル数を示す。図２はHDP-CVD装置の構成図である。図３に本発明のイットリア（Y₂O₃）を含まないガス導入ノズルの概観図（Ａ）、元素解析結果（Ｂ）を示す。図４に従来のイットリア（Y₂O₃）を含むガス導入ノズルの概観図（Ａ）、元素解析結果（Ｂ）と（Ｃ）を示す。図５には、ＲＦパワーにおけるガス導入ノズルの温度（計算値）を示す。図６には、窒化アルミニウムを部材とした熱伝導率の温度依存特性図を示す。

最初に本願発明者による調査結果と、その結果に基づくHDP-CVD装置におけるパーティクルの発生メカニズムについて説明する。本願発明者は、プラズマに曝されたセラミックスノズルの腐食部分の観察と、元素を解析した。図４（Ａ）に示すようにガス導入ノズルはその内部に複数のガス導入穴を備えている。ガス導入ノズルの外周に腐食領域（点表示領域）が見られる。この腐食領域ａと腐食されていない領域ｂの元素解析結果をそれぞれ図４（Ｂ）、（Ｃ）に示す。両者を比較すると腐食されていない領域ｂの元素解析結果図４（Ｃ）では、フッ素（F）とイットリウム（Y）は微量である。しかし腐食領域ａの元素解析結果図７（Ｂ）では、フッ素（F）とイットリウム（Y）が多量に検出されている。腐食領域ではフッ素（F）とイットリウム（Y）が反応している。

腐食領域ａにおいては、セラミックス表面のイットリウム（Y）が析出し、クリーニングガスのＮＦ３と反応することで腐食が進行していると推察される。この腐食領域はイットリウム（Y）のフッ化が局所的に進行し、その表面が凸凹に粗面化された状態である。イットリウム（Y）のフッ化が進行し、表面が凸凹しプリコート膜の密着が悪くなり、プリコート膜が剥れパーティクルを発生させている。

このようにセラミックスの熱伝導率を上げるための焼結助剤によりフッ化が早まっていると考えられる。窒化アルミニウムセラミックスは窒化アルミニウムと焼結助剤とを混合撹拌した後、焼結される。この撹拌により窒化アルミニウムと焼結助剤の混合バラつきが生じ、そのバラつきは大きい。そのためセラミックス部材の表面における焼結助剤イットリア（Y₂O₃）の析出もバラつきが多いことになる。そのため図９（Ｂ）に示すような新品のノズルにおいても、混合バラつきが大きいとパーティクルが多発し、初期不良となる。

次に図５には、HDP-CVD装置の印加される高周波電源パワーにおけるガス導入ノズルの温度を示す。この温度は計算により求めた温度である。それぞれのＢＲＦ（Bias Radio Frequency）パワー、ＳＲＦ(Source radio Frequency)パワーにおけるガス導入ノズルの温度を示す。このＲＦパワーで温度が３００℃以上になると、腐食（フッ化）領域の発生、パーティクルの発生が顕著になる。図６に熱伝導率として、窒化アルミニウムの理論熱伝導率、高純度単結晶、試料Ｃ（焼結助剤イットリア（Y₂O₃）有）、試料Ａ（焼結助剤無）を示す。低温においては試料Ｃの熱伝導率は試料Ａよりも大きく、その効果が認められる。しかし半導体製造装置の使用状態である１５０〜４００℃付近における熱伝導率の効果は認められない。高ＲＦパワーの輻射熱により、プロセス温度が増加すると、材料の品質に関わらずその熱伝導率は理論値と大きな差は見られなくなる。

このように熱伝導率を改善するために導入された焼結助剤は、プロセス温度ではその効果がなく、逆にフッ化を増進させパーティクルの原因となっている。焼結助剤のイットリウム（Y）がノズル表面に析出する場合、クリーニング時にフッ素ラジカルを含むプラズマに曝されるとそこが優先的にフッ化される。フッ化された部分は、プリコート膜の密着性を悪くし、成膜中にパーティクルとしてウェハ上に剥がれ落ち、不良の原因となる。HDP-CVD装置においてはその埋設性を向上させるためにＲＦパワーを高くしている。その高温状態においては焼結助剤イットリア（Y₂O₃）による熱伝導率の向上は期待できない。逆に焼結助剤とクリーニングガスとが反応し、腐食の進行を助け、パーティクルを発生させる原因となっている。そこでパーティクルの発生を抑制するため、焼結助剤を使用しないセラミックスを検討する。

次に図２に示すHDP-CVD装置について説明する。ウエハステージ上部に設けられた上部ガス導入ノズル１０１、チャンバ側壁からウェハ中心に向けられているチャンバ側壁ガス導入ノズル１０２により均等にチャンバ内にガスを導入する。セラミックドームのチャンバに巻かれた上部ソースコイル１０３、チャンバ側壁ソースコイル１０４には上部ソース高周波電源１０６、チャンバ側壁ソース高周波電源１０７より高周波パワーを供給し、ソースプラズマを発生させる。

ウェハ１１２を乗せるステージ１０５は、Electrostatic chuck(ESC)を有し、基板バイアス高周波電源１０８より高周波パワーが印加できるようにしてある。上部ガス導入ノズル１０１にはそれぞれ上部ガスマスフローコントローラ１０９により流量制御されたガスが導入される。チャンバ側壁ガス導入ノズル１０２にはそれぞれ側壁ガスマスフローコントローラ１１０により流量制御されたガスが導入される。チャンバの排気口にはターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１１１が接続され、チャンバ内の真空度を制御する。

このHDP-CVD装置の上部ガス導入ノズル１０１の材質を、焼結助剤イットリア（Y₂O₃）を含まない窒化アルミニウムAlNとした結果を図１、図３に示す。図１に示す処理枚数とパーティクル数は、２０００枚以上までパーティクル（粒径０．１６μm以上）数は４０個程度で抑制され、急激な増加は見られない。従来の図１０と比較した場合には４〜５倍の処理枚数である。図３（Ａ）にはこのガス導入ノズルの概観図、（Ｂ）には蛍光Ｘ線による元素解析結果を示す。ウェハ処理枚数2500枚を超えた上部ガス導入ノズル１０１のデータである。

図３（Ａ）のガス導入ノズルの概観図においては、ノズルの外周部表面はやや広い範囲でフッ化され粗面化されている。ノズル表面に焼結助剤のイットリウム（Y）が析出しないために、優先的にフッ化される箇所が低減されフッ化がノズル全体に均一に進んでいる。またフッ化された領域は処理枚数が増加することで広くなっている。しかしその祖面サイズは小さく均一であり、従来のように局所的にフッ化が進展した状態とは異なる。図３（Ｂ）にはフッ化領域ａの元素解析結果を示す。従来品に比べ、クリーニングガスのフッ素（F）も少なく、多量のフッ化生成物が存在していないことが理解できる。

このガス導入ノズルの材質としては、熱伝導率が高く、フッ化されにくい材質が望ましく、アルミナ(Al₂O₃)や窒化アルミニウム(AlN)が好ましい。またガス導入ノズルのうちプラズマに曝されないことから温度は高くならないノズルや、あるいはウェハから離れているためにパーティクルが発生しても問題ないノズルは従来の焼結助剤を使用した材質としてもよい。このようにプラズマに曝され高温になるガス導入ノズルの材質は焼結助剤イットリア（Y₂O₃）を含まない窒化アルミニウム（AlN）とする。ガス導入ノズルは高温に上昇するが、焼結助剤が含まれないことから、焼結助剤とクリーニングガスとの反応は発生しない。従って焼結助剤の混合バラつきにより初期不良や、焼結助剤イットリア（Y₂O₃）とクリーニングガスとによる腐食が無くなる。高ＲＦパワー状態でのフッ化が抑制され、パーティクルの発生が抑制できる。

本発明においては、高温になるガス導入ノズルの材質を焼結助剤としてイットリア（Y₂O₃）を含まない窒化アルミニウム（AlN）とする。セラミックスの材質を変更し、クリーニングガスとの反応を抑制する。ノズル表面にイットリウム（Y）が析出しないことで優先的にフッ化される箇所が低減され、プリコート膜との密着性が向上し、成膜時のパーティクルを抑制することができる。また、フッ化されやすい部分が少ないため、ノズル全体のフッ化を抑制でき、部材の寿命が延びる。このことでガス導入ノズルの初期不良の低減、成膜パーティクルの発生を抑制する。その結果、装置の定期メンテナンス頻度の低下および半導体製造歩留りの向上が確認された。

実施例としてはウェハ上部に取り付けられた上部ガス導入ノズルとした。しかし同様にウェハ上部からガスを導入する構造のノズル、例えばチャンバ側壁からウェハ上に届く程の長さを有する側壁ガス導入ノズルにも、本発明のセラミックス製ノズルを適用できる。また、焼結助剤としてイットリア（Y₂O₃）の他に、マグネシア(MgO)、カルシア(CaO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化バリウム(BaO)、酸化ランタニウム(La₂O₃)が用いられている。これらの焼結助剤はセラミックスの主成分である金属類よりもフッ素と反応しやすい。そのため焼結助剤とフッ素が局所的に反応し、パーティクルを発生させる。

従ってこれらのフッ素が反応しやすい焼結助剤を含まないセラミックスをガス導入ノズルの部材とすることが好ましい。ここでフッ素と反応しやすいとはセラミックスの主成分との比較である。例えば窒化アルミウム（ＡｌＮ）セラミックスに焼結助剤イットリア（Y₂O₃）を使用した場合には、窒化アルミウム（ＡｌＮ）よりもイットリア（Y₂O₃）がフッ素と反応しやすいことになる。そのためイットリア（Y₂O₃）を使用することでフッ化が促進され、パーティクルの発生源となっている。

本発明の半導体製造装置においては、焼結助剤であるイットリア（Y₂O₃）を含まない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）ガス導入ノズルを用いる。ノズル表面にイットリウム（Y）が析出しないために、優先的にフッ化される箇所が低減され、プリコート膜との密着性が向上し、成膜時のパーティクルを抑制することができる。また、フッ化されやすい部分が少ないため、ノズル全体のフッ化を抑制でき、部材の寿命が延びる。パーティクルの発生を抑制することで、装置の定期メンテナンス頻度を少なくでき、かつ半導体製造歩留りの向上できる半導体製造装置が得られる。

以上本願発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能であり、これらも本発明に含まれることはいうまでもない。

本発明における処理枚数とパーティクル数を示す図である。 HDP-CVD装置の構成図である。本発明におけるガス導入ノズルの概観図（Ａ）、元素解析結果（Ｂ）を示す図である。従来例におけるガス導入ノズルの概観図（Ａ）、フッ化領域の元素解析結果（Ｂ）、フッ化されていない領域の元素解析結果（Ｃ）を示す図である。ＲＦパワーにおけるガス導入ノズルの温度（計算値）を示す図である。窒化アルミニウムの熱伝導率の温度依存特性図である。半導体装置の製造工程におけるパーティクルの影響を説明するための主要工程における半導体装置の断面図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）である。半導体装置の製造工程におけるパーティクルの影響を説明するための主要工程における半導体装置の断面図（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）である。従来例における処理枚数とパーティクル数のＲＦパワー依存性として、（Ａ）は低ＲＦパワー、（Ｂ）は高ＲＦパワー時を示す図である。従来例における処理枚数とパーティクル数を示す図である。

符号の説明

１０１上部ガス導入ノズル
１０２チャンバ側壁ガス導入ノズル
１０３上部ソースコイル
１０４チャンバ側壁ソースコイル
１０５静電チャック付ステージ
１０６上部ソース高周波電源
１０７チャンバ側壁ソース高周波電源
１０８基板バイアス高周波電源
１０９上部ガスマスフローコントローラ
１１０側壁ガスマスフローコントローラ
１１１ターボ分子ポンプ
１１２ウェハ
２０１シリコン基板
２０２窒化ケイ素膜
２０３パーティクル
２０４ＨＤＰ酸化ケイ素膜
２０５ゲートポリシリコン

Claims

プラズマ化学気相成長に使用される半導体製造装置において、パーティクルの発生を抑制するためにプラズマに曝され高温になる装置部品として、フッ素と反応しやすいイットリウム（Y）を含まないセラミックスにより形成することを特徴とする半導体製造装置。
前記セラミックスは、熱伝導率の高い、フッ化しにくい金属の酸化物または窒化物のいずれか１つから形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
前記金属は、アルミニウムであることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
前記装置部品は、ガス導入ノズルであることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
プラズマ化学気相成長に使用される半導体製造装置において、パーティクルの発生を抑制するためにプラズマに曝され高温になる装置部品として、フッ素と反応しやすい焼結助剤を含まないセラミックスにより形成することを特徴とする半導体製造装置。
前記セラミックスは、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムのいずれか１つから形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体製造装置。
前記装置部品は、ガス導入ノズルであることを特徴とする請求項５に記載の半導体製造装置。
前記焼結助剤は、イットリア（Y₂O₃）、マグネシア(MgO)、カルシア(CaO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化バリウム(BaO)、酸化ランタニウム(La₂O₃)のいずれか１つであることを特徴とする請求項５に記載の半導体製造装置。