JP2010135659A - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の製造方法に於いて、簡便な方法により、処理容器の内壁面をプラズマによりコーティングし、内壁面から酸素等の汚染原子が放出されることを抑止し、成膜品質を向上させる。
【解決手段】基板５を処理する処理容器１の内面を、プラズマ処理により反応ガス１９でコーティング処理する工程と、前記処理容器内に基板を搬入する工程と、前記反応ガスを用いて基板をプラズマ処理する工程と、前記処理容器内から基板を搬出する工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いてウェーハ等の基板に薄膜の生成、エッチング等の処理を行い半導体装置を製造する半導体装置の製造方法及び該方法により基板処理を行う基板処理装置に関するものである。

ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の高集積化及び高性能化に伴い、ＳｉＯＮ膜が適用され、更にゲート絶縁膜への高誘電率絶縁膜の適用が検討されている。

ゲート絶縁膜への高誘電率絶縁膜を用いる場合、誘電率の向上及び結晶化抑制の観点から高誘電率絶縁膜内へ窒素添加をする場合がある。又、フラッシュメモリのトンネル絶縁膜に於いては、ＳｉＯ₂ 膜中に窒素を添加し、ＳｉＯＮ膜として用いる。これらの窒素は一般にプラズマ窒化により膜中に導入される。

プラズマ窒化処理を行う場合、処理容器の内壁は、金属汚染の問題を回避する為、石英（ＳｉＯ₂ ）等で覆われていることが多い。然し乍ら、石英部材で画成された処理室でプラズマ処理を実施した場合、内壁の石英自体もプラズマに曝される。特に、プラズマが生成される領域及びその領域近傍では、石英のＳｉ−Ｏ結合中の酸素がプラズマにより叩出され、更に叩出された酸素がプラズマ化（Ｏ^* ）され、同じく処理中にプラズマ化している窒素（Ｎ^* ）がＯ^* と共にＳｉと反応してＳｉＯＮ膜が形成される。この為、窒素ガス雰囲気でプラズマ窒化処理をした場合でも、膜中に酸素が取込まれ、所望の窒素濃度を得ることが困難となる場合がある。

この為、処理容器を製造する過程で、処理容器の内壁面を酸素を含まず基板を汚染しない物質でコーティングする方法があるが、処理室の内壁面が大きく実施は困難である。又、熱ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を成膜すれば、酸素を必要としない為、プラズマ化された酸素が叩出されることはない。然し乍ら、処理室を気密にする為に用いられるシール部材がＯリング等合成樹脂であり、熱ＣＶＤ法は処理室が４００℃から４５０℃と高熱に加熱され、Ｏリングが劣化し、Ｏリングから酸素原子が放出される可能性がある。その為、ＳｉＮ膜を成膜する熱ＣＶＤ法は適切とは言えない。

更に、酸素の放出を抑制するという観点からは、処理容器の少なくとも内壁面を、石英でなく、ＳｉＣとすることも考えられるが、この場合、酸素原子の代りに炭素原子が叩出される為、やはり適切な方法とはいえない。以上の点を踏まえると、石英部材内で酸素原子を含むガスを用いてプラズマ処理を行う方法は窒化膜形成に於いて必須の技術であると言える。

本発明は斯かる実情に鑑み、簡便な方法により、処理容器の内壁面をプラズマによりコーティングし、内壁面から酸素等の汚染原子が放出されることを抑止し、成膜品質を向上させるものである。

本発明は、基板を処理する処理容器の内面を、プラズマ処理により反応ガスでコーティング処理する工程と、前記処理容器内に基板を搬入する工程と、前記反応ガスを用いて基板をプラズマ処理する工程と、前記処理容器内から基板を搬出する工程とを有する半導体装置の製造方法に係るものであり、又前記処理容器の使用開始前に、前記反応ガスで前記コーティング処理する工程を有する半導体装置の製造方法に係り、又前記反応ガスとは非酸素原子含有ガスである半導体装置の製造方法に係り、更に又前記コーティング処理は、前記基板を処理する工程に於いてプラズマが発生する付近で行う半導体装置の製造方法に係るものである。

又本発明は、内面がプラズマ処理により反応ガスでコーティング処理される処理容器と、前記コーティング処理及び基板を処理する際に使用されるプラズマを生成するプラズマ生成装置と、前記コーティング処理及び前記基板の処理で前記反応ガスを供給するガス供給系と、前記コーティング処理及び前記基板処理を制御する制御部とを有する基板処理装置に係るものである。

本発明によれば、基板を処理する処理容器の内面を、プラズマ処理により反応ガスでコーティング処理する工程と、前記処理容器内に基板を搬入する工程と、前記反応ガスを用いて基板をプラズマ処理する工程と、前記処理容器内から基板を搬出する工程とを有するので、プラズマが生成される領域に面する処理容器の内面がコーティング膜で覆われ、保護され、壁面から汚染原子が叩出されることが防止される。

又本発明によれば、前記処理容器の使用開始前に、前記反応ガスで前記コーティング処理する工程を有するので、一度コーティング処理を行ってしまえば、繰返しプラズマ処理を行うことができる。

又本発明によれば、前記反応ガスとは非酸素原子含有ガスであるので、コーティング膜がプラズマにより叩かれて酸素原子を放出することはなく、成膜中の不要な酸素を低減できる。

更に又本発明によれば、内面がプラズマ処理により反応ガスでコーティング処理される処理容器と、前記コーティング処理及び基板を処理する際に使用されるプラズマを生成するプラズマ生成装置と、前記コーティング処理及び前記基板の処理で前記反応ガスを供給するガス供給系と、前記コーティング処理及び前記基板処理を制御する制御部とを有するので、プラズマが生成される領域に面する処理容器の内面がコーティング膜で覆われ、保護され、壁面から汚染原子が叩出されることが防止され、成膜品質の向上が図れるという優れた効果を発揮する。更に、コーティング処理と基板処理で同じガスを用いる為、ガス供給系が１つで足り、装置コストの低減につながり、プロセス上も効率がよい。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

又、本発明が実施された基板処理装置の一例を説明する。

以下に説明する基板処理装置は、電界と磁界により高密度プラズマを生成する変形マグネトロン型プラズマ源（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｔｙｐｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）を用いてウェーハ、ガラス基板等の基板をプラズマ処理する基板処理装置（以下、ＭＭＴ装置と称する）である。

該ＭＭＴ装置は、気密の処理室を画成する処理容器に基板を収納し、シャワーヘッドを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成すると共に磁界を形成し、マグネトロン放電を起す。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので高密度プラズマを生成できる。

該ＭＭＴ装置は、反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化又は窒化等の拡散処理をする、又は基板表面に薄膜を形成する、又は基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。

図１は、ＭＭＴ装置の概略構成を示している。

図中、１は処理容器を有し、該処理容器１は、第１の容器であるドーム型の上側容器２と第２の容器である碗型の下側容器３により構成され、前記下側容器３の上に前記上側容器２が気密に被せられ、前記上側容器２と前記下側容器３によって処理室４が画成されている。

前記上側容器２は酸化アルミニウム又は石英等の非金属材料で形成されており、前記下側容器３はアルミニウムで形成されている。

前記処理室４の底側中央には、基板であるウェーハ５を保持する為の基板保持具（基板保持手段）としてサセプタ６が配置されている。該サセプタ６は、例えば窒化アルミニウムやセラミックス、又は石英等の非金属材料で形成されている。

前記処理容器１、前記サセプタ６を酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、セラミックス又は石英等の非金属材料で構成することによって、処理の際に膜中に取込まれる金属汚染を低減している。

前記サセプタ６の内部に加熱機構（加熱手段）としてのヒータ（図示せず）が一体的に埋込まれ、ヒータに電力を印加することで、ウェーハ５を７００℃程度に迄加熱できる様になっている。又、前記サセプタ６の内部には、更にインピーダンスを変化させる為の電極である第２電極（図示せず）が設けられており、該第２電極がインピーダンス可変機構７を介して接地されている。該インピーダンス可変機構７は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、前記第２電極及び前記サセプタ６を介してウェーハ５の電位を制御できる様になっている。

前記処理室４の上部にシャワーヘッド８が設けられ、該シャワーヘッド８はキャップ状の蓋体９と、ガス導入口１１と、バッファ室１２と、開口１３と、遮蔽プレート１４と、ガス吹出口１５とを備えている。前記バッファ室１２は、前記ガス導入口１１より導入されたガスを分散する為の分散空間として設けられる。

前記ガス導入口１１には、ガス供給管１６が接続されており、該ガス供給管１６は、開閉弁であるバルブ１７、流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ１８を介して反応ガス供給源（図示せず）に接続されている。

前記サセプタ６の周囲から前記処理室４の底方向へ基板処理後のガスが流れる様に前記下側容器３の側壁にガスを排気するガス排気口２１が設けられている。該ガス排気口２１にはガス排気管２２が接続され、該ガス排気管２２は、圧力調整器であるＡＰＣ２４、開閉弁であるバルブ２５を介して排気装置である真空ポンプ２６に接続されている。

供給される反応ガス１９を励起させる放電機構（放電手段）として、筒状、例えば円筒状に形成された第１の電極である筒状電極２７が設けられる。該筒状電極２７は処理容器１（上側容器２）の外周に設置されて前記処理室４内のプラズマ生成領域２８を囲んでいる。前記筒状電極２７にはインピーダンスの整合を行う整合器２９を介して高周波電力を印加する高周波電源３１が接続されている。

又、筒状、例えば円筒状に形成された磁界形成機構（磁界形成手段）である筒状磁石３２は永久磁石となっている。該筒状磁石３２は、前記筒状電極２７の外表面の上下端部近傍に配置される。上下の筒状磁石３２，３２は、前記処理室４の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、前記上下の筒状磁石３２，３２は、磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより前記筒状電極２７の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成する様になっている。

ウェーハ５をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理する為の処理炉は、少なくとも前記処理室４、前記処理容器１、前記サセプタ６、前記筒状電極２７、前記筒状磁石３２、前記シャワーヘッド８、及び前記ガス排気口２１から構成されており、前記処理室４でウェーハ５をプラズマ処理することが可能となっている。

前記筒状電極２７及び前記筒状磁石３２は遮蔽板３３に収納され、該遮蔽板３３は前記筒状電極２７及び前記筒状磁石３２で形成される電界や磁界を、外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさない様にシールドしている。

前記サセプタ６は前記下側容器３と絶縁され、前記サセプタ６を昇降させる該サセプタ昇降機構（昇降手段）３４が設けられている。又前記サセプタ６には少なくとも３箇所に貫通孔３５が設けられ、前記下側容器３底面には前記貫通孔３５と対応した位置にそれぞれウェーハ突上げピン３６が立設され、該ウェーハ突上げピン３６は前記貫通孔３５を非接触で貫通可能となっている。前記サセプタ昇降機構３４により前記サセプタ６が下降させられた時には前記貫通孔３５を通してウェーハ５を突上げ、前記ウェーハ突上げピン３６の上端にウェーハ５を載置する様になっている。

前記下側容器３の側壁には仕切弁となるゲートバルブ３７が設けられ、該ゲートバルブ３７が開いている状態で、搬送機構（搬送手段）（図示せず）により前記処理室４に対してウェーハ５を搬入、又は搬出することができ、前記ゲートバルブ３７が閉まっている時には前記処理室４を気密に閉塞する。

制御部（制御手段）としてのコントローラ３８は信号線Ａを通じて前記ＡＰＣ２４、前記バルブ２５、前記真空ポンプ２６を、又信号線Ｂを通じて前記サセプタ昇降機構３４を、信号線Ｃを通じて前記ゲートバルブ３７を、信号線Ｄを通じて前記整合器２９、前記高周波電源３１を、信号線Ｅを通じて前記マスフローコントローラ１８、前記バルブ１７を、更に図示しない信号線を通じて前記サセプタ６のヒータや前記インピーダンス可変機構７をそれぞれ制御する様構成されている。

次に基板処理装置による半導体装置の製造工程の一工程として、ウェーハ５表面に対し、又はウェーハ５上に形成された下地膜の表面に対し所定のプラズマ処理、例えばゲート絶縁膜の窒化処理、フラッシュメモリ用のＯＮＯ（酸素膜／窒化膜／酸化膜）成膜処理を施す方法について説明する。

尚、以下の説明に於いて、基板処理装置を構成する各部の動作は前記コントローラ３８により制御される。

最初の基板処理を開始する前（即ち、最初に処理容器を使用する前）、例えばプラズマを生成して基板表面に成膜する処理を実行する前に、前記上側容器２の内壁面に酸素原子を含まない材質の膜をコーティングする。

コーティング工程に使用する反応ガスとしては、例えば、シラン系ガス及び窒素ガス又はアンモニアガスが用いられる。

反応ガス１９を前記処理室４に導入すると同時に、前記筒状電極２７に前記整合器２９を介して前記高周波電源３１より高周波電力を印加する。又、前記筒状磁石３２の磁界の作用によりマグネトロン放電が発生し、反応ガス１９により高密度なプラズマが生成され、図１に示される前記プラズマ生成領域２８が形成される。

反応ガス１９がプラズマ化することで、プラズマ密度が高い部分に臨接する前記上側容器２の内壁面、即ち前記プラズマ生成領域２８に臨接する前記上側容器２の内壁面に、シリコン窒化膜が堆積される。即ち、前記上側容器２の一部である前記プラズマ生成領域２８に臨接する前記筒状電極２７部分及び前記筒状磁石３２部分近辺にシリコン窒化膜がコーティングされる。尚、膜厚は５００ｎｍ以上、好ましくは１０００ｎｍ以上とする。

従って、前記上側容器２を石英製とした場合、プラズマ密度が高い領域に隣接する部分は、酸素原子を含まない例えばシリコン窒化膜によって覆われる。

尚、プラズマによるコーティング処理の一例としては、前記処理室４の圧力は低圧（１０Ｐａ以下）、高電力（４００Ｗ〜９００Ｗ）の拡散状態が好ましい。又、ガス種はシラン系ガス及びＮ₂ ガス、ＮＨ₃ ガス等の窒素含有ガス（但しＮＦ₃ は除く）が用いられる。

但し、Ｓｉ原子が多すぎると導電性がよくなり好ましくない為、Ｎ原子が多い方がよい。従って、シラン系ガス及びＮ₂ ガスが好ましく、ＳｉＨ₄ ＝１０〜２００ｓｃｃｍ、Ｎ₂ が３０〜６００ｓｃｃｍ、流量比はＳｉＨ₄ ／Ｎ₂ ＝１〜０．３位が好ましい。

又、他のコーティング膜としては、ＳｉＣＮでもよく、この場合、１００ｎｍ〜１μｍ程度あればよい。又、コーティング膜は絶縁膜として形成される。更に、酸素原子を含まず、石英部分をコーティングできれば、アモルファス状態の膜が形成されてもよい。

コーティング工程が完了すると、前記バルブ２５を開き、前記真空ポンプ２６を吸引し、又前記ガス供給管１６から窒素ガスを導入する等して前記処理室４をガスパージし、該処理室４の圧力を調整する。

前記ゲートバルブ３７が開放され、搬送機構（図示せず）によって該ゲートバルブ３７を通してウェーハ５が前記処理室４に搬入される。

又、ウェーハ５の搬入と平行して、或は事前に前記サセプタ６が基板搬送位置迄下降し、前記ウェーハ突上げピン３６が前記貫通孔３５を通過し、前記ウェーハ突上げピン３６の上端部が前記サセプタ６表面よりも所定の高さ分だけ突出する。

搬送機構（図示せず）は、ウェーハ５を前記ウェーハ突上げピン３６の先端に載置し、前記処理室４外へ退避する。

前記ゲートバルブ３７が閉じられ、基板処理工程が開始される。

前記サセプタ６が前記サセプタ昇降機構３４により上昇すると、前記サセプタ６上面にウェーハ５を載置することができ、更にウェーハ５を処理する位置迄上昇する。

前記サセプタ６に埋込まれたヒータは予め加熱されており、搬入されたウェーハ５を室温〜５００℃の範囲の内、所定のウェーハ処理温度に加熱する。前記真空ポンプ２６、及び前記ＡＰＣ２４を用いて前記処理室４の圧力を０．１〜１００Ｐａの範囲の内、所定の圧力に維持する。

ウェーハ５の温度が処理温度に達し、安定化したら、前記反応ガス１９が前記マスフローコントローラ１８で所定の流量に制御され、前記ガス供給管１６を介して前記シャワーヘッド８に供給される。前記ガス導入口１１から前記バッファ室１２に流入し、更に前記ガス吹出口１５を介して、反応ガス１９（例えばＮ₂ ガス及びＳｉＨ₄ ガス）を前記ウェーハ５の上面（処理面）に向けて導入する。

このときのガス流量は（Ｎ₂ ガス：３０００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ₄ ガス：２０ｓｃｃｍとする。同時に前記筒状電極２７に前記高周波電源３１から前記整合器２９を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、１５０〜２００Ｗの範囲の内、所定の出力値を投入する。このとき前記インピーダンス可変機構７は予め所望のインピーダンス値となる様に制御しておく。

前記プラズマ生成領域２８に高密度プラズマが生成され、生成された高密度プラズマにより、前記サセプタ６上のウェーハ５の表面にプラズマ処理が施される。

上記した様に、前記プラズマ生成領域（プラズマ密度の高い領域）２８に臨接する前記上側容器２の内壁面には、酸素を含まない膜、例えばシリコン窒化膜がコーティングされており、プラズマにより石英が直接叩かれないので、石英中の酸素原子が遊離放出されることはない。従って、プラズマ処理時の前記処理室４の酸素濃度は極端に低くでき、プラズマ処理で形成した膜中への酸素の導入を抑制できる。

プラズマ処理が終わったウェーハ５は、図示略の搬送機構を用いて、基板搬入と逆の手順で前記処理室４外へ搬送される。

尚、基板処理の前に実行するコーティング工程は、コーティング膜に耐久性があるので、基板処理毎に行う必要はなく、最初にコーティング工程を実行すれば、２回目以降はコーティング工程を省略することができる。尚、例えばコーティング膜及びプロセス処理中に堆積した膜厚が５ｎｍに達した場合には、クリーニングにより除去する必要がある。

尚、上記実施の形態では、枚葉式のコールドウォールタイプのプラズマ窒化処理装置で、又プラズマ処理方法としてＭＭＴ方式を用いた場合を説明したが、プラズマを発生させ処理する基板処理装置に広く実施可能であり、例えば、平板電極を対峙させ、平板電極間にプラズマを発生する並行平板方式の基板処理装置等、他の方式の基板処理装置にも実施可能であり、更に、バッチ式のホットウォール型でプラズマを用いて窒化膜を形成する場合にも適用可能である。

更に、処理室に臨接する壁面にシリコン窒化膜を生成する場合を説明したが、本発明は酸素を含まない膜であればどの様な膜でもコーティングすることで実施可能であり、同様な効果が得られる。更に、本発明は、Ｎ₂ ガスのみならず、比較的比重の重いＡｒガスを希釈ガスとして用いる場合に特に石英から酸素原子が叩出されやすい為、本発明はより効果的である。

図２は、上側容器２を石英製とした場合に、本発明を実施してコーティングした場合と、コーティングしなかった場合との膜中の酸素濃度を比較したものである。図中、縦軸は酸素濃度（酸素原子の数／ｃｃ）、横軸は膜の表面からの深さを示している。

図示で分る様に、本発明を実施することで、膜中の酸素濃度が半減していることが分る。つまり、コーティング処理を行うことにより、基板に取込まれる酸素の濃度を抑制することができる。

（付記）
又、本発明は以下の実施の態様を含む。

（付記１）基板を処理する処理容器の内面を、プラズマ処理により反応ガスでコーティング処理する工程と、前記処理容器内に基板を搬入する工程と、前記反応ガスを用いて基板をプラズマ処理する工程と、前記処理容器内から基板を搬出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。尚、コーティング処理する工程で用いるガスは、所望のコーティングが得られれば反応ガス以外のガスでもよい。

（付記２）前記反応ガスはシラン系ガス及び窒素原子含有ガスであり、ＳｉＮ膜を形成する付記１の半導体装置の製造方法。

（付記３）前記基板を処理する工程は、ゲート絶縁膜の窒化処理、フラッシュメモリ用のＯＮＯ（酸素膜／窒化膜／酸化膜）に用いる付記１の半導体装置の製造方法。

（付記４）前記処理室内のコーティングする部分は、プラズマ源に近い部分である（プラズマ源からの距離が遠い部分は、比較的密度の低いコーティング膜が形成されてしまう為、パーティクルが発生しやすいと考えられるので、プラズマ源に近い部分にのみコーティングするのが好ましい）付記１の半導体装置の製造方法。

（付記５）前記コーティング膜が絶縁膜である付記１の半導体装置の製造方法。

本発明の実施の形態に係る基板処理装置の一例を示す概略断面図である。 本発明を実施した場合と実施しなかった場合との基板上の酸素濃度の比較を示すグラフである。

符号の説明

１ 処理容器
２ 上側容器
４ 処理室
５ ウェーハ
６ サセプタ
７ インピーダンス可変機構
２７ 筒状電極
２８ プラズマ生成領域
２９ 整合器
３２ 筒状磁石
３８ コントローラ

Claims (5)

1. 基板を処理する処理容器の内面を、プラズマ処理により反応ガスでコーティング処理する工程と、前記処理容器内に基板を搬入する工程と、前記反応ガスを用いて基板をプラズマ処理する工程と、前記処理容器内から基板を搬出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。
2. 前記処理容器の使用開始前に、前記反応ガスで前記コーティング処理する工程を有する請求項１の半導体装置の製造方法。
3. 前記反応ガスとは非酸素原子含有ガスである請求項１の半導体装置の製造方法。
4. 前記コーティング処理は、前記基板を処理する工程に於いてプラズマが発生する付近で行う請求項１の半導体装置の製造方法。
5. 内面がプラズマ処理により反応ガスでコーティング処理される処理容器と、前記コーティング処理及び基板を処理する際に使用されるプラズマを生成するプラズマ生成装置と、前記コーティング処理及び前記基板の処理で前記反応ガスを供給するガス供給系と、前記コーティング処理及び前記基板処理を制御する制御部とを有することを特徴とする基板処理装置。

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