JP2008288281A - 半導体装置の製造方法および基板処理装置 - Google Patents
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- H01L21/02263—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process deposition from the gas or vapour phase
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Abstract
【課題】低温域で副生成物であるフッ化物が形成されず、継続可能なエッチングを行うことができる半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法及び基板処理装置は、基板200を処理室201内に搬入する工程と、処理室201内に原料ガスを供給して基板200上に高誘電率膜を成膜する工程と、成膜後の基板200を処理室201内より搬出する工程と、処理室201内にO3ガスとCl含有ガスとを供給すると共に、前記Cl含有ガスに含まれるCl原子の数をnとした場合に前記Cl含有ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2n倍以上として前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングする工程と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法及び基板処理装置は、基板200を処理室201内に搬入する工程と、処理室201内に原料ガスを供給して基板200上に高誘電率膜を成膜する工程と、成膜後の基板200を処理室201内より搬出する工程と、処理室201内にO3ガスとCl含有ガスとを供給すると共に、前記Cl含有ガスに含まれるCl原子の数をnとした場合に前記Cl含有ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2n倍以上として前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングする工程と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、処理室内に付着した膜を除去する工程を含む半導体装置の製造方法および基板処理装置に関するものである。
この種の半導体装置の製造方法の一工程として、セルフクリーニング、すなわち処理室内に付着した膜を除去(エッチング)する工程を有するものが知られている。例えば、ハフニウム(Hf)やジルコニウム(Zr)などを含有する高誘電率膜を形成する半導体製造装置の処理室等に付着した膜を除去する際には、三フッ化塩素(ClF3)ガスなどを処理室へ導入し、該ClF3ガスと、処理室内部に付着しているHfあるいはZrを含む高誘電率膜とを熱化学反応させ、反応物を揮発させることによりエッチングする方法が知られている。下式(1)にハフニウム酸化膜(酸化ハフニウム(HfO2))がエッチングされる化学反応式を示す。
HfO2+4ClF3 → HfCl4↑+6F2↑+O2↑・・・(1)
しかしながら、上式(1)の熱化学反応は、300〜500℃の高温でないと反応せず、また処理室内に付着した膜とともに処理室内部の部材を構成する物質とも反応してしまうため、実際にはクリーニングが困難であった。また、HfあるいはZrなどの金属(M)または金属酸化物が、フッ素原子(F)と反応して、蒸気圧の低いフッ化物(MFx,MOxFy)を形成するため、副生成物であるフッ化物がクリーニング残留物として残るという問題があった。また、HfO2の表面にフッ化物が形成されると、このフッ化物がバリア膜となってエッチング反応の進行を妨げるという問題もあった。下式(2)及び(3)にHfO2の副生成物形成の化学反応式を示す。
HfO2+2ClF3 → HfF4+ Cl2↑+F2↑+O2↑ ・・・(2)
HfO2+4ClF3 → HfOF2+2Cl2↑+5F2↑+1/2O2↑ ・・・(3)
本発明は、上記従来の問題を解消し、低温域で副生成物であるフッ化物が形成されず、継続可能なエッチングを行なうことができる半導体装置の製造方法および基板処理装置を提供することを目的としている。
本発明の第1の特徴とするところは、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高誘電率膜を成膜する工程と、前記成膜後の基板を前記処理室内より搬出する工程と、前記処理室内にO3ガスとCl含有ガスとを供給すると共に、前記Cl含有ガスに含まれるCl原子の数をnとした場合に前記Cl含有ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2n倍以上として前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングする工程と、を有する半導体装置の製造方法にある。
本発明の第2の特徴とするところは、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高誘電率膜を成膜する工程と、前記成膜後の基板を前記処理室内より搬出する工程と、前記処理室内にO3ガスが供給された場合に、前記O3ガスの一部が分解して酸素ラジカルが生じる程度の温度となるように前記処理室内を加熱しつつ、前記処理室内に前記O3ガスとCl含有ガスとを供給して前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングする工程と、を有する半導体装置の製造方法にある。
本発明の第3の特徴とするところは、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高誘電率膜を成膜する工程と、前記成膜後の基板を前記処理室内より搬出する工程と、加熱された前記処理室内にO3ガスとCl含有ガスとを供給することで、前記O3ガスの一部を熱により分解して酸素ラジカルを生成し、生成した前記酸素ラジカルと前記Cl含有ガスとを反応させて一酸化塩素を生成し、生成した前記一酸化塩素と分解していない前記O3ガスとを反応させて塩素ラジカルを生成する一連の反応を行わせ、前記生成した塩素ラジカルにより前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングする工程と、を有する半導体装置の製造方法にある。
前記クリーニングする工程では、前記処理室内に供給する前記Cl含有ガスがBを含まないガスであることが好ましい。
本発明の第4の特徴とするところは、基板を処理する処理室と、前記処理室内に高誘電率膜を成膜するための原料ガスを供給する原料ガス供給系と、前記処理室内にO3ガスを供給する第1クリーニングガス供給系と、前記処理室内にCl含有ガスを供給する第2クリーニングガス供給系と、前記処理室内に前記O3ガスと前記Cl含有ガスとを供給すると共に、前記Cl含有ガスに含まれるCl原子の数をnとした場合に前記Cl含有ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2n倍以上として前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングするように制御するコントローラと、を有する基板処理装置にある。
本発明によれば、O3ガスと、フッ素を実質的に含まないハロゲン元素を含むガスとを供給し、処理室内に付着した膜を除去する工程を有するので、低温域で副生成物であるフッ化物が形成されず、継続可能なエッチングを行うことができる。
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図1は本発明の実施の形態に係るセルフクリーニング方法を含む基板処理装置10について、枚葉式基板処理装置の処理炉の一例を示す概略図である。
図1は本発明の実施の形態に係るセルフクリーニング方法を含む基板処理装置10について、枚葉式基板処理装置の処理炉の一例を示す概略図である。
図1に示すように、処理容器202により形成される処理室201内には、基板200を支持する支持台206が設けられる。支持台206の内部には加熱機構(加熱手段)としてのヒータ207が設けられ、ヒータ207によって支持台206の上にあるサセプタ217上に載置される基板200を加熱するようになっている。ヒータ207は基板200の温度が所定の温度となるように温度制御部(温度制御手段)としての温度コントローラ253により制御される。サセプタ217上に載置される基板200は、例えば半導体シリコンウエハ、ガラス基板等である。
処理室201の外部には、回転機構(回転手段)267が設けられ、回転機構267によって処理室201内の支持台206を回転して、サセプタ217上の基板200を回転できるようになっている。また、処理室201の外部には昇降機構(昇降手段)266が設けられ、支持台206はこの昇降機構266によって、処理室201内において昇降可能となっている。
処理室201の上部には多数のガス噴出口としての孔240を有するシャワーヘッド236がサセプタ217と対向するように設けられる。シャワーヘッド236は、内部に供給されたガスを分散させる分散板236aと、分散板236aにより分散させたガスを処理室201内へシャワー状に噴出させるシャワー板236bとを有する。シャワーヘッド236の天井部と分散板236aとの間に第1バッファ空間236cが設けられ、分散板236aとシャワー板236bとの間に第2バッファ空間236dが設けられる。
処理室201の外部には、液体原料である原料を供給する原料供給源250aが設けられ、原料供給源250aには液体原料供給管232が接続されている。液体原料供給管232は、原料の液体供給流量を制御する流量制御装置(流量制御手段)としての液体流量コントローラ(液体マスフローコントローラ)241aを介して、原料を気化する気化器255に接続されている。気化器255には原料ガス供給管232aが接続されている。原料としては、例えば、常温で液体の有機金属原料、すなわち有機金属液体原料を用いる。
また、処理室201の外部には、非反応性ガスとしての不活性ガスを供給する不活性ガス供給源250cが設けられ、不活性ガス供給源250cには不活性ガス供給管232cが接続されている。不活性ガス供給管232cは、不活性ガスの供給流量を制御する流量制御装置(流量制御手段)としてのガス流量コントローラ(マスフローコントローラ)241c、バルブ243cを介して原料ガス供給管232aに接続されている。不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス(Ar)、ヘリウムガス(He)、窒素ガス(N2)などを用いる。
原料ガス供給管232aは、シャワーヘッド236の第1バッファ空間236cに、気化器255にて気化した原料ガスをバルブ243aを介して供給し、不活性ガス供給管232cからの不活性ガスをバルブ243cを介して供給するようになっている。また、原料ガス供給管232a、不活性ガス供給管232cにそれぞれ設けられたバルブ243a、243cを開閉することにより、それぞれのガスの供給を制御することが可能となっている。
また、処理室201の外部には、酸素(O2)ガスからオゾン(O3)ガスを生成するオゾナイザ222が設けられている。オゾナイザ222上流側には、O2ガス供給管232bが設けられている。このO2ガス供給管232bには、O2ガス供給源250bが接続され、O2ガスをオゾナイザ222に対して供給するようになっている。O2ガス供給管232bには、O2ガスの供給流量を制御するガス流量コントローラ241bとバルブ243bが設けられている。このバルブ243bを開閉することにより、O2ガスの供給を制御することが可能となっている。オゾナイザ222の下流側には、O3ガス供給管232fが設けられる。このO3ガス供給管232fはバルブ243fを介してシャワーヘッド236に接続され、シャワーヘッド236の第1バッファ空間236cにオゾナイザ222にて生成されたO3ガスを供給するようになっている。また、O3ガス供給管232fに設けられたバルブ243fを開閉することにより、O3ガスの供給を制御することが可能となっている。
さらに、処理室201の外部には、フッ素を実質的に含まないハロゲン元素を含むガスを供給するフッ素非含有ハロゲンガス供給源250dが設けられ、フッ素非含有ハロゲンガス供給源250dには供給管232dが接続されている。供給管232dは、その下流側がシャワーヘッド236に接続されており、シャワーヘッド236の第1バッファ空間236cにフッ素を実質的に含まないハロゲン元素を含むガス、例えば塩素(Cl2)ガスを供給するようになっている。供給管232dには、Cl2ガスの供給流量を制御するガス流量コントローラ241dとバルブ243dが設けられている。バルブ243dを開閉することにより、Cl2ガスの供給を制御することが可能となっている。フッ素を実質的に含まないハロゲン元素を含むガスとしては、Cl2ガス以外に塩化水素(HCl)ガス、次亜塩素酸(HClO)ガス、一酸化二塩素(Cl2O)ガス、二酸化塩素(ClO2)ガス、四塩化炭素(CCl4)ガスなどの塩素含有ガス、すなわち塩素原子(塩素元素)を含むガスを用いてもよい。
なお、上記ハロゲン元素を含むガスとしては、ボロン(B)元素を実質的に含まないようにすることが好ましい。この理由は次の通りである。
Bは半導体装置の製造工程の一工程として行われる絶縁膜の形成工程に悪影響を及ぼすことがある。すなわち、Bが絶縁膜中に混入すると、絶縁膜の絶縁性が落ちることがある。クリーニングガスとして、三塩化ボロン(BCl3)等のBを含むCl含有ガスを用いることが考えられるが、この場合、Bが処理室内に残留することがあり、その後の絶縁膜の形成に悪影響を及ぼすことが考えられる。よって、絶縁膜を形成する処理室内をクリーニングする本発明の実施形態においては、Bを含むCl含有ガスは使用しないこととしている。
Bは半導体装置の製造工程の一工程として行われる絶縁膜の形成工程に悪影響を及ぼすことがある。すなわち、Bが絶縁膜中に混入すると、絶縁膜の絶縁性が落ちることがある。クリーニングガスとして、三塩化ボロン(BCl3)等のBを含むCl含有ガスを用いることが考えられるが、この場合、Bが処理室内に残留することがあり、その後の絶縁膜の形成に悪影響を及ぼすことが考えられる。よって、絶縁膜を形成する処理室内をクリーニングする本発明の実施形態においては、Bを含むCl含有ガスは使用しないこととしている。
処理容器202の下部側壁には排気口230が設けられ、排気口230には排気装置(排気手段)としての真空ポンプ246、除害装置(図示せず)に連通する排気管231が接続されている。排気管231には、処理室201内の圧力を制御する圧力制御部(圧力制御手段)としての圧力コントローラ254と、原料を回収するための原料回収トラップ251が設けられる。排気口230及び排気管231で排気系が構成される。
処理室201内の支持台206上には、シャワーヘッド236の第1バッファ空間236c、分散板236a、第2バッファ空間236d、シャワー板236bを介して供給されたガスの流れを調整する整流板としてのプレート205が設けられる。プレート205は円環(リング)形状であり、基板の周囲に設けられる。シャワーヘッド236を介して基板200に供給されたガスは基板200の径方向外方に向かって流れ、プレート205上を通り、プレート205と処理容器202の側壁(内壁)との間を通り、排気口230より排気される。なお、基板外周部等、基板200に膜を形成したくない箇所がある場合は、プレート205の内径を基板200の外形より小さくして、基板200の外周部を覆うようにしてもよい。この場合、基板搬送を可能とするために、プレート205を処理室201内の基板処理位置に固定したり、プレート205を昇降させる機構を設けるようにしてもよい。
原料ガス供給管232aには、排気管231に設けられた原料回収トラップ251に接続される原料ガスバイパス(ベント管)252aが設けられる。また、O3ガス供給管232fには、排気管231に接続されるO3ガスバイパス管(ベント管)252bが設けられる。バイパス管252a,252bには、それぞれバルブ243g,243hが設けられる。
処理容器202の排気口230と反対側の側壁には、仕切弁としてのゲートバルブ244によって開閉される基板搬入搬出口247が設けられ、基板200を処理室201内に搬入搬出し得るように構成されている。
バルブ243a〜243h、流量コントローラ241a〜241d、温度コントローラ253、圧力コントローラ254、気化器255、オゾナイザ222、回転機構267、昇降機構266等の基板処理装置10を構成する各部の動作の制御は、主制御部(主制御手段)としてのメインコントローラ256により行う。
次に、上述した図1のような構成の処理炉を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として基板上に薄膜を形成(堆積)する方法および処理室内をセルフクリーニングする方法について説明する。基板上に薄膜を形成する方法として、常温で液体である有機金属液体原料を用いて、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、特にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、またはALD(Atomic Layer Deposition)法により基板上に金属膜や金属酸化膜等の薄膜を形成する場合について説明する。なお、以下の説明において、基板処理装置10を構成する各部の動作はメインコントローラ256により制御される。
支持台206が基板搬送位置まで下降した状態で、ゲートバルブ244が開かれ、基板搬入搬出口247が開放されると、図示しない基板移載機により基板200が処理室201内に搬入される(基板搬入工程)。基板200が処理室201内に搬入され、図示しない突き上げピン上に載置された後、ゲートバルブ244が閉じられる。支持台206が基板搬送位置からそれよりも上方の基板処理位置まで上昇する。その間に基板200は突き上げピン上からサセプタ217上に載置される(基板載置工程)。
支持台206が基板処理位置に到達すると、基板200は回転機構267により回転される。また、ヒータ207に電力が供給され、基板200は所定の処理温度となるように均一に加熱される(基板昇温工程)。同時に、処理室201内は真空ポンプ246により真空排気され、所定の処理圧力となるように制御される(圧力調整工程)。なお、基板搬送時や基板昇温時や圧力調整時においては、不活性ガス供給管232cに設けられたバルブ243cは常時開いた状態とされ、不活性ガス供給源250cより処理室201内に不活性ガスが常に流される。これにより、パーティクルや金属汚染物の基板200への付着を防ぐことができる。
基板200の温度、処理室201内の圧力が、それぞれ所定の処理温度、所定の処理圧力に到達して安定すると、処理室201内に原料ガスが供給される。すなわち、原料供給源250aから供給された原料としての有機金属液体原料が、液体流量コントローラ241aで流量制御され、気化器255へ供給されて気化される。バルブ243gが閉じられると共にバルブ243aが開かれ、気化された原料ガスが、原料ガス供給管232aを通り、シャワーヘッド236の第1バッファ空間236c、分散板236a、第2バッファ空間236d、シャワー板236bを介して基板200上へ供給される。このときも、バルブ243cは開いたままの状態とされ、処理室201内には不活性ガスが常に流される。原料ガスと不活性ガスとは原料ガス供給管232a内で混合されてシャワーヘッド236に導かれ、第1バッファ空間236c、分散板236a、第2バッファ空間236d、シャワー板236bを介してサセプタ217上の基板200上へシャワー状に供給される(原料ガス供給工程)。基板200に対して供給された原料ガスは、排気管231より排気される。なお、原料ガスは不活性ガスで希釈されることにより攪拌されやすくなる。
原料ガスの供給が所定時間行われた後、バルブ243aが閉じられ、原料ガスの基板200への供給が停止される。このときも、バルブ243cは開いたままの状態なので、処理室201内への不活性ガスの供給は維持される。なお、処理室201へ供給された不活性ガスは排気管231より排気される。これにより、処理室201内が不活性ガスによりパージされ、処理室201内の残留ガスが除去される(パージ工程)。
なお、この際、バルブ243gを開き、原料ガスをバイパス管252aより排気して、気化器255からの原料ガスの供給を停止しないようにするのが好ましい。液体原料を気化して、気化した原料ガスを安定供給するまでには時間がかるので、気化器255からの原料ガスの供給を停止することなく、処理室201をバイパスするように流しておくと、次の原料ガス供給工程では、流れを切換えるだけで、直ちに原料ガスを基板200へ供給できる。
処理室201内のパージが所定時間行われた後、処理室201内に酸化剤としてのオゾン(O3)ガスが供給される。すなわち、バルブ243bが開かれ、酸素ガス供給源250bから供給された酸素(O2)ガスが供給管232bを通り、ガス流量コントローラ241bで流量制御されてオゾナイザ222へ供給されて、O3ガスが生成される。O3ガスが生成された後、バルブ243hが閉じられると共にバルブ243fが開かれ、オゾナイザ222から生成されたO3ガスがO3ガス供給管232fを通り、シャワーヘッド236の第1バッファ空間236c、分散板236a、第2バッファ空間236d、シャワー板236bを介して基板200上へシャワー状に供給される(酸化剤供給工程)。基板200に対して供給されたO3ガスは、排気管231より排気される。なお、このときも、バルブ243cは開いたままの状態とされ、処理室201内には不活性ガスが常に供給される。
O3ガスの供給が所定時間行われた後、バルブ243fが閉じられ、O3ガスの基板200への供給が停止される。このときも、バルブ243cは開いたままの状態なので、処理室201内への不活性ガスの供給は維持される。なお、処理室201へ供給された不活性ガスは排気管231より排気される。これにより、処理室201内が不活性ガスによりパージされ、処理室201内の残留ガスが除去される(パージ工程)。
なお、この際、バルブ243hを開き、O3ガスをバイパス管252bより排気して、オゾナイザ222からのO3ガスの供給を停止しないようにするのが好ましい。O3ガスを安定供給するまでには時間がかかるので、オゾナイザ222からのO3ガスの供給を停止することなく、処理室201をバイパスするように流しておくと、次の酸化剤供給工程では、流れを切換えるだけで、直ちにO3ガスを基板200へ供給できる。
処理室201内のパージが所定時間行われた後、再び、バルブ243gが閉じられると共にバルブ243aが開かれ、気化した原料ガスが不活性ガスと共にシャワーヘッド236の第1バッファ空間236c、分散板236a、第2バッファ空間236d、シャワー板236bを介して基板200上へ供給され、原料ガス供給工程が行われる。
以上のような、原料ガス供給工程、パージ工程、酸化剤供給工程、パージ工程を、1サイクルとして、このサイクルを複数回繰り返すサイクル処理を行うことにより、基板200上に所定膜厚の薄膜を形成することができる(薄膜形成工程)。
基板200への薄膜形成処理終了後、回転機構267による基板200の回転が停止され、処理済基板200は、基板搬入工程と逆の手順で処理室201外へ搬出される(基板搬出工程)。
なお、薄膜形成工程をCVD法により行う場合には、処理温度を原料ガスが自己分解する程度の温度帯となるように制御する。この場合、原料ガス供給工程においては、原料ガスが熱分解し、基板200上に数〜数十原子層程度の薄膜が形成される。この間、基板200は回転しながら所定温度に保たれているので、基板面にわたり均一な膜を形成できる。酸化剤供給工程においては、O3ガスにより基板200上に形成された数〜数十原子層程度の薄膜より炭素(C)、水素(H)等の不純物が除去される。この間も、基板200は回転しながら所定温度に保たれているので、薄膜より不純物を素早く均一に除去できる。
また、薄膜形成工程をALD法により行う場合には、処理温度を原料ガスが自己分解しない程度の温度帯となるように制御する。この場合、原料ガス供給工程においては、原料ガスは熱分解することなく基板200上に吸着する。この間、基板200は回転しながら所定温度に保たれているので、基板面内にわたり均一に原料を吸着させることができる。酸化剤供給工程においては、基板200上に吸着した原料とO3ガスとが反応することにより基板200上に1〜数原子層程度の薄膜が形成される。この間も、基板200は回転しながら所定温度に保たれているので、基板面内にわたり均一な膜を形成できる。なお、このとき、O3ガスにより薄膜中に混入する炭素(C)、水素(H)等の不純物を脱離させることができる。
なお、本実施の形態の処理炉にて、CVD法により、基板を処理する際の処理条件としては、例えばハフニウム酸化膜(HfO2)を形成する場合、処理温度(ヒータ温度)300〜500℃、処理圧力50 〜200Pa、Hf原料(Hf(MMP)4(テトラキス(1−メトキシ−2−メチル−2−プロポキシ)−ハフニウム:Hf(OC(CH3)2CH2OCH3)4)、供給流量0.01〜0.2g/min、酸化剤(O3ガス):供給流量0.5〜2slmが例示される。
また、本実施の形態の処理炉にて、ALD法により、基板を処理する際の処理条件としては、例えばHfO2を形成する場合、処理温度(ヒータ温度)150〜300℃、処理圧力10〜100Pa、Hf原料(TDMAH(テトラキス(ジメチルアミノ)ハフニウム:Hf(N(CH3)2)4)、供給流量0.01〜0.2g/min、酸化剤(O3ガス)、供給流量0.5〜2slmが例示される。
基板に対する薄膜の形成を複数回繰り返すと、処理室201内、すなわち、処理室201(処理容器202)の内壁面、シャワーヘッド236、サセプタ217、プレート205等にも基板200表面と同様に膜が付着する。この付着した堆積物は堆積量が増加するほど、熱応力や膜自身がもつ応力で壁面から剥れやすくなり、異物等の発生を引き起こしてしまう。よって、この処理室201内に付着した膜の膜厚が所定の厚さに達した時点で、これを除去するために処理室201内を清浄化するためのセルフクリーニングを実施する。本実施形態では、オゾン(O3)ガスと塩素(Cl2)ガスとを用いてセルフクリーニングを行う。
セルフクリーニングは次のように行う。ヒータ207に電力が供給され、処理室内201内のクリーニング対象箇所が所定のクリーニング温度、例えば100〜150℃程度の温度となるように均一に加熱される(温度調整工程)。同時に、処理室201内は真空ポンプ246により真空排気され、所定のクリーニング圧力となるように制御される(圧力調整工程)。続いて、回転機構267により、支持台206が回転される。なお、支持台206は回転させなくてもよい。
次に、処理室201内にクリーニングガスが供給される。すなわち、バルブ243bが開かれ、酸素ガス供給源250bから供給された酸素O2ガスが供給管232bを通り、ガス流量コントローラ241bで流量制御されてオゾナイザ222へ供給されて、第1クリーニングガスとしてのO3ガスが生成される。O3ガスが生成された後、バルブ243hが閉じられると共にバルブ243fが開かれ、オゾナイザ222から生成されたO3ガスがO3ガス供給管232fを通り、シャワーヘッド236の第1バッファ空間236cに供給される。また、バルブ243dが開かれ、フッ素非含有ハロゲンガス供給源250dから供給された第2クリーニングガスとしてのCl2ガスが供給管232dを通り、ガス流量コントローラ241dで流量制御されてシャワーヘッド236の第1バッファ空間236cに供給される。第1バッファ空間236cに供給されたO3ガスとCl2ガスは、第1バッファ空間236c内で混合されて、分散板236a、第2バッファ空間236d、シャワー板236bを介して所望量処理室201内に供給される。処理室201内に供給されたO3ガスとCl2ガスは処理室201内を流下し、クリーニング対象箇所に接触した後、排気管231より排気される。このとき、O3は、例えば100〜150℃程度の温度に加熱されることで、酸素ラジカル(O*)とO2に分解される。このO*がCl2と反応して、一酸化塩素(ClO*)が形成される。このClO*がさらに周囲のO3と触れると、O3が破壊され塩素ラジカル(Cl*)が発生する。このCl*が、処理室201内に付着した堆積物である酸化ハフニウム(HfO2)と反応することにより、該堆積物が除去(エッチング)される(クリーニング工程)。
予め設定されたクリーニング時間が経過すると、バルブ243fとバルブ243dが閉じられ、O3ガスとCl2ガスの処理室201内への供給が停止される。その後、不活性ガス供給源250cから処理室201内へ不活性ガスが供給され、排気管231より排気される。これにより、処理室201内が一定時間パージされ、残留ガスが排気される(パージ工程)。これでセルフクリーニングが終了する。
本実施の形態の処理炉にて、処理室201内をセルフクリーニングする際の条件としては、例えばHfO2をクリーニングする場合、クリーニング温度すなわち処理室内温度100〜150℃、ヒータ温度300〜500℃、クリーニング圧力すなわち処理室内圧力50〜5000Pa、第1クリーニングガス(O3ガス):供給流量0.5〜2slm、第2クリーニングガス(Cl2ガス):供給流量10〜1000sccmが例示される。
なお、セルフクリーニング時にサセプタ217を保護するために、クリーニング前に、基板搬入出口247より基板と同径のカバー基板50を挿入してサセプタ217上に載せ、サセプタ217表面を覆うようにしてもよい。成膜時にはサセプタ217上に基板200が存在しているために、サセプタ217に付着する膜はサセプタ217上の基板配置領域外の部分がほとんどであり、基板配置領域内には膜がごく僅かしか付着していないと考えられる。したがって、サセプタ217内の基板配置領域内をアルミナ製などのカバー基板50で保護するのが好ましい。
次に、上述したセルフクリーニングにおけるエッチング反応のメカニズムを説明する。
本発明では、フロンガスのオゾン層破壊のメカニズムに注目し、ハロゲン化合物にO3を添加し、ハフニウム(Hf)あるいはジルコニウム(Zr)などからなる金属化合物をエッチングする方法を開示する。
フロンガスのオゾン層破壊のメカニズムを下式に基づいて説明する。
まず、下式(4)に示すように、フロンガスに紫外線が当たり、フロンから遊離されたCl*がO3と反応すると、ClO*とO2とができる。
まず、下式(4)に示すように、フロンガスに紫外線が当たり、フロンから遊離されたCl*がO3と反応すると、ClO*とO2とができる。
Cl*+O3 → ClO*+O2↑ ・・・(4)
下式(5)に示すように、ClO*は周囲のO3に触れると、さらにO3が破壊され、Cl*が発生する。
ClO*+O3 → Cl*+2O2↑ ・・・(5)
Cl*は、上式(4)のサイクルに戻り、連鎖反応を起こしてオゾン層をさらに破壊する。一方、従来のHfO2のハロゲン化合物によるエッチング反応の例は、式(1)に示したが、より具体的には、下式(6)に示すように、熱分解で三フッ化塩素(ClF3)がCl*とフッ素ラジカル(F*)とに分解し、これらがHfO2と反応している。
HfO2+4ClF3 → HfO2+4Cl*+12F* → HfCl4↑+6F2↑+O2↑ ・・・(6)
上式(6)の化学反応式において、いかに効率よくCl*を生成するかがエッチング反応のポイントとなる。そこで、発明者らは、400℃程度の高温雰囲気でCl2ガスを導入し、HfO2のエッチングを試みたが、エッチング反応は起こらなかった。これはCl2ガスが安定で、400℃程度ではCl*が発生しなかったためであると考えられる。
Cl*を効率よく発生させるためには、O3を用いることが効果的である。ここでは、Cl2とO3を用いた例を説明する。O3は、低温域、すなわち100〜150℃程度の加熱により、O*とO2とに分解する。下式(7)に示すように、このO*がCl2と反応して、ClO*)を形成する。ここで、クリーニング温度について詳述する。クリーニング温度が100℃未満であると、O3は分解しにくい。また、O3の半減期は温度が高い程短くなり、100〜150℃で分解効率が良いため、クリーニング温度は100〜150℃が好ましい。よって、100〜150℃の温度範囲の時に効率よく数秒でO3が分解されると考えられる。
2O3+Cl2 → 2O*+2O2+Cl2 → 2ClO* +2O2↑・・・(7)
また、下式(8)に示すように、ClO*がさらに、周囲のO3とふれると、さらにO3が破壊され、Cl*発生する。
ClO*+O3 → Cl*+2O2↑ ・・・(8)
さらに、下式(9)に示すように、上式(8)に示すCl*をHfO2と反応させる。
HfO2+ 4Cl* → HfCl4↑ +O2↑ ・・・(9)
上式(9)に示すように、Cl*をHfO2と反応させることにより、100〜150℃程度の低温でもセルフクリーニングを可能とすることができる。またフッ素を実質的に含まないガスを用いることにより、副生成物であるフッ化物が形成されることがなく、エッチング反応を継続させることができる。
ここで、O3ガスとCl2ガスとを供給する場合、前述した式(7)、(8)に従って反応するので、1つのCl2に対して2つのO3が消費され、生成された2つのClO*に対して2つのO3が消費され、2つのCl*が生成される。つまり、O3分子とCl2分子と生成されたClO*とを過不足なく反応させてCl*を生成するには4つのO3に対して1つのCl2が必要となる。よって、理論上は、消費効率はO3:Cl2=4:1となる。ただし、O3は、輸送中に分解することもあるので、安全係数をかけて流量比をO3:Cl2=50:1とし、O3を化学量論的な反応が生じるのに必要な量よりも過剰に供給するのがより好ましい。なお、O3ガスの過剰供給により、式(7)、(8)の反応を確実に生じさせることができるようになり、効率的にCl*を生成することができる。すなわち、流量比としては、O3:Cl2=4:1〜50:1とするのが好ましい。
なお、O3と塩化水素(HCl)とを用いる場合は、2つのO3と1つのHClに対して1つのCl*ができる。また、O3と4塩化炭素(CCl4)とを用いる場合は、8つのO3と1つのCCl4に対して4つのCl*ができる。つまり、理論上の消費効率はO3:Cl含有ガス=2n:1となる(n=Cl含有ガスに含まれるCl原子の数)。すなわち、式(7)、(8)の反応を確実に生じさせ、効率的にCl*を生成させるには、Cl含有ガスに含まれるCl原子の数をnとした場合、Cl含有ガスの流量に対するO3ガスの流量は、2n倍以上とするのが好ましい。
なお、上記実施形態においては、処理室内を加熱することによりクリーニングを行うようにしているが、加熱の代わりにプラズマを使用することが考えられる。しかしながら、プラズマを使用した場合は、1.プラズマ源設置によるコストアップ、2.リモートプラズマの場合は処理室内での活性種の失活、3.ダイレクトプラズマの場合には処理室内の部材エッチングによる劣化、等のデメリットがある。
なお、O3と塩化水素(HCl)とを用いる場合は、2つのO3と1つのHClに対して1つのCl*ができる。また、O3と4塩化炭素(CCl4)とを用いる場合は、8つのO3と1つのCCl4に対して4つのCl*ができる。つまり、理論上の消費効率はO3:Cl含有ガス=2n:1となる(n=Cl含有ガスに含まれるCl原子の数)。すなわち、式(7)、(8)の反応を確実に生じさせ、効率的にCl*を生成させるには、Cl含有ガスに含まれるCl原子の数をnとした場合、Cl含有ガスの流量に対するO3ガスの流量は、2n倍以上とするのが好ましい。
なお、上記実施形態においては、処理室内を加熱することによりクリーニングを行うようにしているが、加熱の代わりにプラズマを使用することが考えられる。しかしながら、プラズマを使用した場合は、1.プラズマ源設置によるコストアップ、2.リモートプラズマの場合は処理室内での活性種の失活、3.ダイレクトプラズマの場合には処理室内の部材エッチングによる劣化、等のデメリットがある。
本実施形態ではCl2ガスを例示したが、フッ素を実質的に含まないClを含むガス(HCl、HClO、Cl2O、ClO2、CCl4などのCl含有ガス)であればよい。
フッ素(F)を実質的に含まないCl含有ガスをクリーニングガスとして用いるのは次の理由による。
F含有ガスやCl含有ガスを用いたクリーニングの際に生成されるフッ化物や塩化物の揮発性は、常温の場合にSiF4(g)>SiCl4(l)>HfCl4(s)>HfF4(s)であるため、F含有ガスをクリーニングガスとして用いた場合には、SiF4は揮発しやすいがHfF4は比較的揮発しにくい。すなわち、HfF4は除去しにくい。一方、SiCl4とHfCl4とはその中間の揮発性を有する。よって、ハフニウムシリケート(HfSiOX)膜を形成する処理室内をクリーニングする場合は、F含有ガスを用いるよりもCl含有ガスを用いることが好ましいと考えられる。
F含有ガスやCl含有ガスを用いたクリーニングの際に生成されるフッ化物や塩化物の揮発性は、常温の場合にSiF4(g)>SiCl4(l)>HfCl4(s)>HfF4(s)であるため、F含有ガスをクリーニングガスとして用いた場合には、SiF4は揮発しやすいがHfF4は比較的揮発しにくい。すなわち、HfF4は除去しにくい。一方、SiCl4とHfCl4とはその中間の揮発性を有する。よって、ハフニウムシリケート(HfSiOX)膜を形成する処理室内をクリーニングする場合は、F含有ガスを用いるよりもCl含有ガスを用いることが好ましいと考えられる。
また、Cl含有ガス以外に同族元素を含むBr含有ガスやI含有ガスを用いることもできるが、各種の単体で比較すると、Br2は常温で液体、I2は常温で固体、Cl2は常温で気体なので、使いやすさからCl2を使用することが好ましい。
また、クラーク数から言ってもCl原子が最も豊富なので、工業的に安く使用できる。
また、クラーク数から言ってもCl原子が最も豊富なので、工業的に安く使用できる。
なお、上記実施形態では、HfO2を形成する方法および処理室をクリーニングする方法の例について説明したが、本発明は、その他HfSiOx膜等、Hfを含む膜全般に適用できる。
HfSiOx膜については、Cl*が生成されるまでの化学反応は、HfO2膜のクリーニングと同様であるが、Cl*によるエッチング反応は、HfO2膜のクリーニングとは異なる。HfSiOx膜は、HfSiO4のみならずHfO2及びSiO2も混合しているためである。
よって、HfSiOx膜とCl*との反応は次のようになる。
よって、HfSiOx膜とCl*との反応は次のようになる。
SiO2+4Cl* → SiCl4↑+O2↑ ・・・(10)
HfO2+4Cl* → HfCl4↑+O2↑ ・・・(11)
HfSiO4+8Cl* → HfCl4↑+SiCl4↑+2O2↑ ・・・(12)
HfO2+4Cl* → HfCl4↑+O2↑ ・・・(11)
HfSiO4+8Cl* → HfCl4↑+SiCl4↑+2O2↑ ・・・(12)
また、本発明は、Hfを含む膜だけでなく、ジルコニウム酸化膜(ZrO2)、ジルコニアシリケート膜等ジルコニアを含む膜全般にも適用できる。また、本発明は、これ以外の高誘電率膜にも適用できる。
なお、上記実施形態における基板処理装置においては、処理室内だけではなく、シャワーヘッド内にも付着物が付着する。よって、処理室内だけではなく、シャワーヘッド内もクリーニングする必要がある。そのため、上記実施形態においては、O3ガスとCl2ガスの両方を、シャワーヘッドを介して処理室内に供給し、シャワーヘッド内にもCl*が生じるようにしている。これに対し、O3ガスとCl2ガスのうち、いずれか一方を、シャワーヘッドを介することなく処理室内に直接供給する方法もあるが、この方法では、シャワーヘッド内ではCl*は生じないので、シャワーヘッド内をクリーニングすることはできない。
また、オゾナイザ222、気化器255、ガス流量コントローラ241c、ガス流量コントローラ241dそれぞれの下流からシャワーヘッドまでの供給管232f、供給管232a、供給管232c、供給管232dに、予備加熱源を設けてガスを予備加熱することで、基板上に薄膜を形成する処理および処理室内をセルフクリーニングする処理を効率的に行うことができるようにしても良い。
さらに、本発明は上記実施形態における枚葉装置だけではなく、縦型バッチ装置にも適用できる。
なお、本発明は、特許請求の範囲に記載された通りであるが、さらに次のような実施形態が含まれる。
(1)前記Cl含有ガスがCl2ガスであり、前記クリーニング工程では、前記Cl2ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を4倍以上とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(2)前記Clを含有するガスがHClガスであり、前記クリーニング工程では、前記HClガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2倍以上とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(3)前記クリーニングする工程では、前記Cl含有ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2n〜50倍とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(4)前記Cl含有ガスがCl2ガスであり、前記クリーニング工程では、前記Cl2ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を4〜50倍とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(5)前記Clを含有するガスがHClガスであり、前記クリーニング工程では、前記HClガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2〜50倍とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(6)前記クリーニング工程では、クリーニング温度を100〜150℃とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(7)前記処理室内に付着する膜はハフニウムを含む膜又はジルコニウムを含む膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(8)前記処理室内に付着する膜がハフニウム酸化膜又はジルコニウム酸化膜であり、前記クリーニングする工程では、前記ハフニウム酸化膜又はジルコニウム酸化膜と前記塩素ラジカルとが反応して副生成物が生成され、前記副生成物が塩化ハフニウム又は塩化ジルコニウムであることを特徴とする(6)記載の半導体装置の製造方法。
(9)前記処理室内に付着する膜がハフニウムシリケート膜であり、前記クリーニングする工程では、前記ハフニウムシリケート膜と前記塩素ラジカルとが反応して副生成物が生成され、前記副生成物が塩化シリコン及び塩化ハフニウムであることを特徴とする(6)記載の半導体装置の製造方法。
(10)前記クリーニングする工程では、前記原料ガスを供給するシャワーヘッド内部と前記処理室内部をクリーニングすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(1)前記Cl含有ガスがCl2ガスであり、前記クリーニング工程では、前記Cl2ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を4倍以上とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(2)前記Clを含有するガスがHClガスであり、前記クリーニング工程では、前記HClガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2倍以上とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(3)前記クリーニングする工程では、前記Cl含有ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2n〜50倍とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(4)前記Cl含有ガスがCl2ガスであり、前記クリーニング工程では、前記Cl2ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を4〜50倍とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(5)前記Clを含有するガスがHClガスであり、前記クリーニング工程では、前記HClガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2〜50倍とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(6)前記クリーニング工程では、クリーニング温度を100〜150℃とすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(7)前記処理室内に付着する膜はハフニウムを含む膜又はジルコニウムを含む膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
(8)前記処理室内に付着する膜がハフニウム酸化膜又はジルコニウム酸化膜であり、前記クリーニングする工程では、前記ハフニウム酸化膜又はジルコニウム酸化膜と前記塩素ラジカルとが反応して副生成物が生成され、前記副生成物が塩化ハフニウム又は塩化ジルコニウムであることを特徴とする(6)記載の半導体装置の製造方法。
(9)前記処理室内に付着する膜がハフニウムシリケート膜であり、前記クリーニングする工程では、前記ハフニウムシリケート膜と前記塩素ラジカルとが反応して副生成物が生成され、前記副生成物が塩化シリコン及び塩化ハフニウムであることを特徴とする(6)記載の半導体装置の製造方法。
(10)前記クリーニングする工程では、前記原料ガスを供給するシャワーヘッド内部と前記処理室内部をクリーニングすることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
本発明は、処理室内に付着した膜を除去する工程を含む半導体装置の製造方法において、低温域で副生成物であるフッ化物が形成されず、継続可能なエッチングを行う必要があるものに利用することができる。
10 基板処理装置
200 基板
201 処理室
232a 原料ガス供給管
232d 供給管
232f オゾンガス供給管
256 メインコントローラ
200 基板
201 処理室
232a 原料ガス供給管
232d 供給管
232f オゾンガス供給管
256 メインコントローラ
Claims (5)
- 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高誘電率膜を成膜する工程と、
前記成膜後の基板を前記処理室内より搬出する工程と、
前記処理室内にO3ガスとCl含有ガスとを供給すると共に、前記Cl含有ガスに含まれるCl原子の数をnとした場合に前記Cl含有ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2n倍以上として前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 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高誘電率膜を成膜する工程と、
前記成膜後の基板を前記処理室内より搬出する工程と、
前記処理室内にO3ガスが供給された場合に、前記O3ガスの一部が分解して酸素ラジカルが生じる程度の温度となるように前記処理室内を加熱しつつ、前記処理室内に前記O3ガスとCl含有ガスとを供給して前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 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高誘電率膜を成膜する工程と、
前記成膜後の基板を前記処理室内より搬出する工程と、
加熱された前記処理室内にO3ガスとCl含有ガスとを供給することで、
前記O3ガスの一部を熱により分解して酸素ラジカルを生成し、
生成した前記酸素ラジカルと前記Cl含有ガスとを反応させて一酸化塩素を生成し、
生成した前記一酸化塩素と分解していない前記O3ガスとを反応させて塩素ラジカルを生成する一連の反応を行わせ、前記生成した塩素ラジカルにより前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニングする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記クリーニングする工程においては、前記処理室内に供給する前記Cl含有ガスが、Bを含まないガスであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 基板を処理する処理室と、
前記処理室内に高誘電率膜を成膜するための原料ガスを供給する原料ガス供給系と、
前記処理室内にO3ガスを供給する第1クリーニングガス供給系と、
前記処理室内にCl含有ガスを供給する第2クリーニングガス供給系と、
前記処理室内に前記O3ガスと前記Cl含有ガスとを供給すると共に、前記Cl含有ガスに含まれるCl原子の数をnとした場合に前記Cl含有ガスの流量に対する前記O3ガスの流量を2n倍以上として前記処理室内に付着した膜を除去して前記処理室内をクリーニング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。
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