JP2011134748A

JP2011134748A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2011134748A
Application number: JP2009290254A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yonebayashi; 雅広米林
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-07-07

Abstract

【課題】クラックや膜剥がれを強制除去し、反応管をパーティクルが発生しない状態にすることで基板の生産性を向上できる手法を提供する。
【解決手段】成膜された基板２を処理室３２から搬出した後、該処理室内の温度を成膜温度より高い温度へと昇温する工程と、昇温された前記処理室内の温度が一定温度に安定した後に該処理室にプラズマ励起により活性化された活性化ガス及び窒化剤の混合ガスを供給して、前記処理室内に付着しクラックや膜剥がれを起こしている膜を強制除去する工程とを実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコンウェーハ等の基板に薄膜の生成、酸化処理、不純物の拡散、アニール処理、エッチング等の処理を行う半導体装置の製造方法に関するものである。

先ず、図１２に於いて、基板処理工程で発生するパーティクルについて説明する。

基板処理工程に於いて、反応管６５内に処理ガスを供給し基板の成膜処理を繰返すと、前記反応管６５及び処理室６６に収納された部材、例えば基板保持具に反応生成物が堆積し、反応生成物の膜６７が形成される（図１２（Ａ）参照）。

前記反応管６５及び前記部材に堆積した膜６７が所定の厚さ以上になると、堆積された膜６７にクラックが発生し、クラックが発生すると、クラックが発生した部位から膜剥がれが起り、パーティクルが発生する。尚、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法では、堆積した膜にクラックが発生し始めるのは膜厚が約２０００Å以上からであり、クラックから膜剥がれが起りパーティクルが発生し始めるのは膜厚が約５０００Å以上からである。

膜剥がれが起きた状態で基板処理を実行した場合、プラズマ６８を照射する工程に於いて熱エネルギやプラズマエネルギによりパーティクルが発生する。

膜剥がれが起きた状態で基板処理を実行することでパーティクルが発生し、発生したパーティクルは基板に付着する。基板に付着したパーティクルの状態は図１２（Ｂ）に示される様に、基板に付着した数は、０．０８μｍ以上のパーティクルが７８個、０．５μｍ以上のパーティクルが２９個であり、プラズマ発生部周辺（図示では右下部）で最も多くなっているのがわかる。これは、熱エネルギに比べてプラズマエネルギの方がエネルギ量が大きく、膜６７に作用する応力が大きくなる為である。

パーティクルの発生を防止する方法として、従来ではドライクリーニングやウェットクリーニングによって、前記反応管６５内及び前記部材の膜６７を除去する方法が用いられている。然し乍ら、ドライクリーニングやウェットクリーニングを行った場合、その都度処理を停止する必要があり、基板の生産性が低下するという問題があった。

特開２００４−６６２０号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、クラックや膜剥がれを強制除去し、反応管をパーティクルが発生しない状態にすることで、基板の生産性の向上を図る半導体装置の製造方法を提供するものである。

本発明は、成膜された基板を処理室から搬出した後、該処理室内の温度を成膜温度より高い温度へと昇温する工程と、昇温された前記処理室内の温度が一定温度に安定した後、該処理室にプラズマ励起により活性化された活性化ガス及び窒化剤の混合ガスを供給し、前記処理室内に付着した膜を除去する工程とを具備する半導体装置の製造方法に係るものである。

本発明によれば、成膜された基板を処理室から搬出した後、該処理室内の温度を成膜温度より高い温度へと昇温する工程と、昇温された前記処理室内の温度が一定温度に安定した後、該処理室にプラズマ励起により活性化された活性化ガス及び窒化剤の混合ガスを供給し、前記処理室内に付着した膜を除去する工程とを具備するので、該処理室内にパーティクルが発生しない状態で基板の処理を実施することができ、処理基板の歩留りが増加し、生産性が向上するという優れた効果を発揮する。

本発明に於ける基板処理装置の概略斜視図である。本発明に於ける処理炉の概略縦断面図である。本発明に於ける処理炉の概略平断面図である。本発明に於ける処理室の概略縦断面図である。本発明に於ける膜のクラック及び膜剥がれの除去方法を示す説明図である。処理ガスの流量を変更した際のパーティクルの発生量を比較したグラフである。処理室内の成膜処理温度を変更した際の比較結果を示しており、（Ａ）はシーケンス図であり、（Ｂ）はパーティクルの発生量を示すグラフである。処理室内の成膜圧力を変更した際の比較結果を示しており、（Ａ）はシーケンス図であり、（Ｂ）はパーティクルの発生量を示すグラフである。膜剥がれ及び膜に付着した反応生成物の除去を説明する説明図である。本発明に於けるＰＴＰ処理のシーケンス図である。（Ａ）はＰＴＰ処理によって発生、除去されたパーティクルの量を示しており、（Ｂ）は膜堆積時に於けるパーティクルの量であり、（Ｃ）はＰＴＰ処理実行後のパーティクルの量である。クラック及び膜剥がれ発生時の反応管を示し、（Ａ）は反応管の概略平断面図であり、（Ｂ）は基板に付着したパーティクルである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明に於ける基板処理装置１について説明する。

該基板処理装置１は、一例として半導体装置（ＩＣ）の製造方法に於ける処理工程を実施する半導体製造装置として構成されている。尚、以下の説明では、基板処理装置としてプラズマを発生させ成膜処理を行う縦型の装置について述べる。

シリコン等からなるウェーハ（基板）２を収納したウェーハキャリアとしてのカセット３が使用されている前記基板処理装置１は、筐体４を具備している。該筐体４の正面壁５の下方には、メンテナンス可能な様に設けられた開口部としての正面メンテナンス口（図示せず）が開設され、該正面メンテナンス口を開閉する正面メンテナンス扉（図示せず）が建付けされている。該正面メンテナンス扉には、図示しないカセット搬入搬出口（基板収容器搬入搬出口）が前記筐体４内外を連通する様に開設されており、前記カセット搬入搬出口は図示しないフロントシャッタ（基板収容器搬入搬出口開閉機構）によって開閉される様になっている。前記カセット搬入搬出口の前記筐体４内側にはカセットステージ（基板収容器受渡し台）６が設置されている。前記カセット３は前記カセットステージ６上に工程内搬送装置（図示せず）によって搬入され、又前記カセットステージ６上から搬出される様になっている。

該カセットステージ６は、工程内搬送装置によって前記カセット３内のウェーハ２が垂直姿勢となり、前記カセット３のウェーハ出入れ口が上方向を向く様に載置される。前記カセットステージ６は、前記カセット３を前記筐体４後方に向けて右回り縦方向に９０°回転し、前記カセット３内のウェーハ２が水平姿勢となり、前記カセット３のウェーハ出入れ口が前記筐体４後方を向く様に動作可能となっている。

前記筐体４内の前後方向の略中央部には、カセット棚（基板収容器載置棚）７が設置され、該カセット棚７には複数段複数列にて複数個の前記カセット３を保管する様に構成されている。前記カセット棚７には、後述するウェーハ移載機構８の搬送対象となる前記カセット３が収納される移載棚９が設けられている。又、前記カセットステージ６の上方には予備カセット棚１１が設けられ、予備的に前記カセット３を保管する様になっている。

前記カセットステージ６と前記カセット棚７との間には、カセット搬送装置（基板収容器搬送装置）１２が設置されている。該カセット搬送装置１２は、前記カセット３を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ（基板収容器昇降機構）１３と搬送機構としてのカセット搬送機構（基板収容器搬送機構）１４とで構成されており、前記カセットエレベータ１３とカセット搬送機構１４との連続動作により、前記カセットステージ６、前記カセット棚７、前記予備カセット棚１１との間で前記カセット３を搬送する様構成されている。

前記カセット棚７の後方には、前記ウェーハ移載機構（基板移載機構）８が設置されており、該ウェーハ移載機構８はウェーハ２を水平方向に回転ないし直動可能なウェーハ移載装置（基板移載装置）１５、及び該ウェーハ移載装置１５を昇降させる為のウェーハ移載装置エレベータ（基板移載装置昇降機構）１６とで構成されている。前記ウェーハ移載装置１５及び前記ウェーハ移載装置エレベータ１６の連続動作により、前記ウェーハ移載装置１５のツイーザ（基板保持体）１７をウェーハ２の載置部として、ボート（基板保持具）１８に対してウェーハ２を装填（チャージング）及び装脱（ディスチャージング）する様に構成されている。

前記筐体４の後方上部には、処理炉１９が設けられている。該処理炉１９の下端部は炉口シャッタ（炉口開閉機構）２１によって開閉される様に構成されている。

前記処理炉１９の下方には、前記ボート１８を前記処理炉１９に昇降させる昇降機構としてのボートエレベータ（基板保持具昇降機構）２２が設けられ、該ボートエレベータ２２の昇降台に連結された連結具としてのアーム２３には蓋体としてのシールキャップ２４が水平に据付けられており、該シールキャップ２４は前記ボート１８を垂直に支持し、前記処理炉１９の下端部を閉塞可能な様に構成されている。

前記ボート１８は複数本の保持部材を有しており、複数枚（例えば５０枚〜１５０枚程度）のウェーハ２をその中心に揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持する様に構成されている。

前記カセット棚７の上方には、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを供給する様、供給ファン及び防塵フィルタで構成されたクリーンユニット２５が設けられており、クリーンエアを前記筐体４の内部に流通させる様に構成されている。

又、前記ウェーハ移載装置エレベータ１６及び前記ボートエレベータ２２側と反対側である前記筐体４の左側側端部には、クリーンエアを供給する様供給ファン及び防塵フィルタで構成されたクリーンユニット２６が設置されており、該クリーンユニット２６から吹出されたクリーンエアは、前記ウェーハ移載装置１５、前記ボート１８を流通した後に、図示しない排気装置に吸込まれて前記筐体４の外部に排気される様になっている。

次に、前記基板処理装置１の動作について説明する。

前記カセット３はカセット搬入搬出口（図示せず）から搬入され、前記カセットステージ６の上にウェーハ２が垂直姿勢且つ前記カセット３のウェーハ出入れ口が上方向を向く様に載置される。その後、前記カセット３は、前記カセットステージ６によって前記カセット３内のウェーハ２が水平姿勢となり、前記カセット３のウェーハ出入れ口が前記筐体４の後方を向く様に、該筐体４後方に右回り９０°回転させられる。

次に、前記カセット３は、前記カセット棚７或は前記予備カセット棚１１の指定された棚位置へ前記カセット搬送装置１２によって自動的に搬送されて受渡され、一時的に保管された後、前記カセット棚７或は前記予備カセット棚１１から前記カセット搬送装置１２によって前記移載棚９に搬送されるか、或は直接該移載棚９に搬送される。

前記カセット３が前記移載棚９に移載されると、ウェーハ２は前記カセット３から前記ウェーハ移載装置１５の前記ツイーザ１７によりウェーハ出入れ口を通じてピックアップされ、前記移載棚９の後方にある前記ボート１８に装填される。該ボート１８にウェーハ２を受渡した前記ウェーハ移載装置１５は前記カセット３に戻り、次のウェーハ２を前記ボート１８に装填する。

予め指定された枚数のウェーハ２が前記ボート１８に装填されると、前記炉口シャッタ２１によって閉じられていた前記処理炉１９の下端部が、前記炉口シャッタ２１によって開放される。続いて、ウェーハ２群を保持した前記ボート１８は、前記シールキャップ２４が前記ボートエレベータ２２によって上昇されることにより、前記処理炉１９内へ搬入（ローディング）されて行く。

ローディング後は、該処理炉１９にてウェーハ２に任意の処理が実施される。処理後は、上述とは逆の手順でウェーハ２及び前記カセット３が前記筐体４の外部へ払出される。

次に、図２〜図３に於いて、前記基板処理装置１に適用される前記処理炉１９について説明する。

前記基板処理装置１は制御部であるコントローラ２７を有し、該コントローラ２７によって前記基板処理装置１及び前記処理炉１９を構成する各部の動作等が制御される。

加熱装置（加熱手段）であるヒータ２８の内側に、基板であるウェーハ２を処理する反応容器として反応管２９が設けられ、該反応管２９の下端開口は蓋体である前記シールキャップ２４により気密部材であるＯリング３１を介して気密に閉塞され、少なくとも前記反応管２９、及び前記シールキャップ２４により処理室３２を形成している。

前記シールキャップ２４には、ボート支持台３３を介して前記ボート１８が立設され、前記ボート支持台３３は前記ボート１８を保持する保持体となっている。該ボート１８にはバッチ処理される複数のウェーハ２が水平姿勢で管軸方向に多段に積載されており、前記処理室３２に前記ボート１８が装入されると、前記ヒータ２８によりウェーハ２が所定の温度迄加熱される様になっている。

前記処理室３２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給経路として、ガス導入部である２本のガス供給管３４，３５が設けられている。該第１のガス供給管３４からは、流量制御装置（流量制御手段）である第１のマスフローコントローラ３６及び開閉弁である第１のバルブ３７を介し、更に後述する前記反応管２９内に形成されたバッファ室３８を介して前記処理室３２に処理ガスが供給される。又、前記第２のガス供給管３５からは、流量制御装置（流量制御手段）である第２のマスフローコントローラ３９、開閉弁である第２のバルブ４１、ガス溜め４２、及び開閉弁である第３のバルブ４３を介し、更に後述するガス供給部４４を介して前記処理室３２に処理ガスが供給される。

該処理室３２はガスを排気するガス排気管４５により第４のバルブ４６を介して排気装置（排気手段）である真空ポンプ４７に接続され、真空排気される様になっている。又、前記第４のバルブ４６は弁を開閉して前記処理室３２の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整ができる様になっている開閉弁である。

該処理室３２を構成している前記反応管２９の内壁とウェーハ２との間に於ける円弧状の空間には、前記反応管２９の下部より上部の内壁にウェーハ２の積載方向に沿って、ガス分散空間である前記バッファ室３８が設けられており、該バッファ室３８のウェーハ２と隣接する壁の端部にはガスを供給する供給孔である第１のガス供給孔４８が穿設されている。該第１のガス供給孔４８は前記反応管２９の中心へ向けて開口しており、前記第１のガス供給孔４８は、下部から上部に亘ってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで穿設されている。

前記バッファ室３８の前記第１ガス供給孔４８が設けられた端部と反対側の端部には、ノズル５２が前記反応管２９の下部より上部に亘ってウェーハ２の積載方向に沿って配設されている。前記ノズル５２には前記バッファ室３８にガスを供給する供給孔である第２のガス供給孔５３が複数穿設されている。該第２のガス供給孔５３の開口面積は、前記バッファ室３８と前記処理室３２の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側迄同一の開口面積且つ同一の開口ピッチでもよいが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向って開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくするのが望ましい。

本実施例に於いては、前記第２のガス供給孔５３の開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。この様に構成することで、該第２のガス供給孔５３よりガスの流速の差はあるが、流量は略同量であるガスを前記バッファ室３８に噴出させている。

又、該バッファ室３８内に於いて、各第２のガス供給孔５３より噴出したガスの粒子速度差が緩和された後、前記第１のガス供給孔４８より前記処理室３２に噴出させている。従って、各第２のガス供給孔５３より噴出したガスは、各第１のガス供給孔４８より噴出する際には均一な流量と流速とを有するガスとすることができる。

更に、前記バッファ室３８に、細長い構造を有する第１の電極である第１の棒状電極５４及び第２の電極である第２の棒状電極５５が、上部より下部に亘って電極を保護する保護管である電極保護管５６に保護されて配設され、前記第１の棒状電極５４又は前記第２の棒状電極５５の何れか一方は整合器５７を介して高周波電源５８に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、前記第１の棒状電極５４及び前記第２の棒状電極５５間のプラズマ生成領域５９にプラズマが生成される。

前記第１の棒状電極５４及び前記第２の棒状電極５５の周囲は、それぞれ前記電極保護管５６によって覆われ、前記バッファ室３８の雰囲気と前記第１の棒状電極５４及び前記第２の棒状電極５５は隔離された状態となっており、前記第１の棒状電極５４及び前記第２の棒状電極５５を前記バッファ室３８の雰囲気と隔離した状態で該バッファ室３８に挿入できる様になっている。この時、前記電極保護管５６の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、該電極保護管５６にそれぞれ挿入された前記第１の棒状電極５４及び前記第２の棒状電極５５は前記ヒータ２８の加熱で酸化されてしまう。そこで、前記電極保護管５６の内部は窒素等の不活性ガスを充填或はパージし、酸素濃度を充分低く抑えて前記第１の棒状電極５４又は前記第２の棒状電極５５の酸化を防止する為の不活性ガスパージ機構が設けられる。

更に、前記第１のガス供給孔４８の位置より前記反応管２９の内周を所要角度、例えば反時計まわりに１２０°程回った内壁に、前記ガス供給部４４が設けられている。該ガス供給部４４は、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による成膜に於いて、ウェーハ２へ複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、前記バッファ室３８とガス供給種を分担する供給部である。

前記ガス供給部４４も前記バッファ室３８と同様に、ウェーハ２と隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔である第３のガス供給孔６１を有し、下部では前記第２のガス供給管３５が接続されている。

前記第３のガス供給孔６１の開口面積は、前記ガス供給部４４内と前記処理室３２内の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側迄同一の開口面積且つ同一の開口ピッチでもよいが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向って開口面積を大きくするか、或は開口ピッチを小さくするのが望ましい。

本実施例では、前記第３のガス供給孔６１の開口面積を、上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。

前記反応管２９内の中央部には、複数枚のウェーハ２を多段に同一間隔で載置する前記ボート１８が設けられており、該ボート１８はボートエレベータ２２（図１参照）により前記反応管２９に出入りできる様になっている。又、処理の均一性を向上させる為に、前記ボート１８を回転する為の回転装置（回転手段）であるボート回転機構６２が前記シールキャップ２４の下部に設けられており、前記ボート回転機構６２を回転することにより前記ボート支持台３３に保持された前記ボート１８を回転する様になっている。

制御手段である前記コントローラ２７は、前記第１、第２のマスフローコントローラ３６，３９、前記第１〜第４のバルブ３７，４１，４３，４６、前記ヒータ２８、前記真空ポンプ４７、前記ボート回転機構６２、前記ボートエレベータ２２、前記高周波電源５８、前記整合器５７に接続されており、前記第１、第２のマスフローコントローラ３６，３９の流量調整、前記第１〜第３のバルブ３７，４１，４３の開閉動作、前記第４のバルブ４６の開閉及び圧力調整動作、前記ヒータ２８の温度調節、前記真空ポンプ４７の起動・停止、前記ボート回転機構６２の回転速度調節、前記ボートエレベータ２２の昇降動作制御、前記高周波電源５８の電力供給制御、前記整合器５７によるインピーダンス制御が行われる。

本実施例では、前記基板処理装置１を用いた成膜処理と成膜処理の間に、前記反応管２９及び前記ボート１８に堆積した膜に生じた亀裂であるクラック、該クラックより分離した膜である膜剥がれを除去するクラック及び膜剥がれの除去処理が行われる。

先ず、前記基板処理装置１を用い、ＡＬＤ法による成膜処理について、半導体デバイスの製造工程の一つである、ＤＣＳ（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 、ジクロルシラン）及びＮＨ3 （アンモニア）ガスを用いてＳｉＮ（窒化珪素）膜を成膜する例で説明する。

ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の中の１つであるＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類又はそれ以上の種類の処理ガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。

利用する化学反応は、例えばＳｉＮ膜形成の場合、ＡＬＤ法ではＤＣＳとＮＨ3 を用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。又、ガス供給は複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は反応性ガス供給のサイクル数で制御する。例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を生成する場合には処理を２０サイクル行う。

先ず、成膜しようとするウェーハ２を前記ボート１８に装填し、前記処理室３２に搬入する。搬入後、以下の３つのステップを順次実行する。

（ステップ１）
ステップ１では、プラズマ励起に必要なＮＨ3 ガスと、プラズマ励起の必要がないＤＣＳガスとを並行して流す。先ず前記第１のガス供給管３４に設けた前記第１のバルブ３７、及び前記ガス排気管４５に設けた前記第４のバルブ４６を共に開き、前記第１のガス供給管３４から前記第１のマスフローコントローラ３６により流量調整されたＮＨ3 ガスを前記ノズル５２の前記第２のガス供給孔５３から前記バッファ室３８へと噴出させる。

該バッファ室３８に噴出されたＮＨ3 は、前記第１の棒状電極５４及び前記第２の棒状電極５５間に前記高周波電源５８から前記整合器５７を介して高周波電力を印加されることでプラズマ励起し、活性種として前記処理室３２に供給しつつ前記ガス排気管４５から排気する。

ＮＨ3 をプラズマ励起することにより活性種として流す場合には、前記第４のバルブ４６を適正に調整して前記処理室３２内圧力を０〜９３１Ｐａの範囲であって、例えば５４Ｐａに維持する。前記第１のマスフローコントローラ３６で制御するＮＨ3 の供給流量は１〜１０ｓｌｍの範囲であって、例えば６ｓｌｍで供給される。ＮＨ3 をプラズマ励起することにより得られた活性種にウェーハ２を晒す時間は２〜１２０秒間である。この時の前記ヒータ２８の温度はウェーハ２が３００〜６５０℃の範囲であって、例えば６３０℃になる様に設定してある。通常ＮＨ3 は反応温度が高く、上記ウェーハ２の温度では反応しない為、プラズマ励起することにより活性種としてから流す様にしており、活性種として流すことでウェーハ２の温度は設定した低い温度範囲のままで行うことができる。

このＮＨ3 を活性種として前記処理室３２に供給している時、前記第２のガス供給管３５の上流側の前記第２のバルブ４１を開き、下流側の前記第３のバルブ４３を閉じ、ＤＣＳを流す様にする。これにより、前記第２、第３のバルブ４１，４３間に設けたガス溜め４２にＤＣＳを溜める。この時、前記処理室３２内に流しているガスは、ＮＨ3 をプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳは存在しない。従って、ＮＨ3 は気相反応を起すことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ3 はウェーハ２上の下地膜等の表面部分と表面反応（化学吸着）する。

（ステップ２）
ステップ２では、前記第１のガス供給管３４の前記第１のバルブ３７を閉じ、ＮＨ3 の供給を止めるが、引続き前記ガス溜め４２へ供給を継続する。該ガス溜め４２に所定圧、所定量のＤＣＳが溜ったら、上流側の前記第２のバルブ４１も閉じ、前記ガス溜め４２にＤＣＳを閉じこめておく。又、前記ガス排気管４５の前記第４のバルブ４６は開いたままとし、前記真空ポンプ４７により前記処理室３２を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ3 を該処理室３２から排除する。又、この時Ｎ2 等の不活性ガスを該処理室３２に供給することで、更に残留ＮＨ3 を排除する効果が高まる。前記ガス溜め４２内には、圧力が２００００Ｐａ以上となる様ＤＣＳを溜める。又、該ガス溜め４２と前記処理室３２との間のコンダクタンスが１．５×１０^-3ｍ³／ｓ以上となる様に装置を構成する。又、前記反応管２９の容積と、該反応管２９に対する必要な前記ガス溜め４２の容積との比として考えると、前記反応管２９の容積が１００ｌ（リットル）の場合に於いては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としては前記ガス溜め４２は処理室３２容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。

（ステップ３）
ステップ３では、前記処理室３２の排気が終ったら前記ガス排気管４５の前記第４のバルブ４６を閉じて排気を止め、前記第２のガス供給管３５の下流側の前記第３のバルブ４３を開く。これにより前記ガス溜め４２に溜められたＤＣＳが前記処理室３２に一気に供給される。この時、前記ガス排気管４５の前記第４のバルブ４６が閉じられているので、前記処理室３２内の圧力は急激に上昇し、約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）迄昇圧される。ＤＣＳを供給する為の時間は２〜４秒に設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。この時にウェーハ２の温度はＮＨ3 の供給時と同じく、３００〜６００℃の範囲内の所望の温度で維持される。ＤＣＳの供給により、ウェーハ２の表面に化学吸着したＮＨ3 とＤＣＳとが表面反応（化学吸着）し、ウェーハ２上にＳｉＮ膜が成膜される。成膜後、前記第３のバルブ４３を閉じ、前記第４のバルブ４６を開けて前記処理室３２を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。又、この時にはＮ2 等の不活性ガスを前記処理室３２に供給すると、更に残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを前記処理室３２から排除する効果が高まる。又、前記第２のバルブ４１を開いて前記ガス溜め４２へのＤＣＳの供給を開始する。

上記ステップ１〜３を成膜処理の１サイクルとし、このサイクルを複数回繰返すことにより、ウェーハ２上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜することができる。

又、成膜処理のサイクルとサイクルの間で、後述するクラック及び膜剥がれの除去処理が行われる。

ＡＬＤ法では、ガスはウェーハ２上の表面部分に化学吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。従って、希望する一定量のガスを短時間で吸着させる為には、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施例では前記第４のバルブ４６を閉じた上で前記ガス溜め４２内へ溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、前記処理室３２内のＤＣＳの圧力を急激に上昇させることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。

又、本実施例では、前記ガス溜め４２にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ3 ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び前記処理室３２の排気をしているので、ＤＣＳを溜める為の特別なステップを必要としない。又、前記処理室３２内を排気してＮＨ3 ガスを除去してからＤＣＳを流すので、両者はウェーハ２に向う途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウェーハ２に吸着しているＮＨ3 とのみ有効に反応させることができる。

次に、図４、図５に於いて、本発明に於けるクラック及び膜剥がれの除去処理について説明する。

先ず、図示しないガス供給源より前記第１のガス供給管３４にＮ2 （０．５〜６ｓｌｍ）と、ＮＨ3 （０．５〜１０ｓｌｍ）とを混合させた混合ガスを供給し、更に前記ノズル５２を介して前記バッファ室３８に混合ガスを供給する。

次に、前記第１の棒状電極５４（図３参照）及び前記第２の棒状電極５５（図３参照）間に、前記高周波電源５８（図３参照）から前記整合器５７（図３参照）を介して高周波電力を印加し、混合ガスにプラズマ４９（プラズマパワー：５０Ｗ〜３００Ｗ）を発生させる。該プラズマ４９を前記反応管２９及び前記処理室３２に堆積した反応生成物である膜５１に対して照射することで、膜５１に対してプラズマ４９による応力が発生し、膜５１に発生した亀裂であるクラック、及びクラックから分離した膜５１の一部である膜剥がれ等、膜５１の脆くなった箇所を除去し、又応力により脆くなった膜５１が剥がれやすい状態を作る。

膜５１のクラック及び膜剥がれの除去、又は膜５１が剥がれやすい状態を作った後、前記処理室３２内にＮ2 等の不活性ガスを供給し、パージ処理を行うことで、前記反応管２９内及び前記処理室３２内の膜５１のクラック及び膜剥がれを強制除去する。

上記のクラック及び膜剥がれの除去処理をプラズマ・トリートメント・パージ（以下、ＰＴＰと称す）処理と呼び、ＰＴＰ処理は成膜処理と成膜処理の間に実行される様になっている。

以下では、図４に示される様に、前記ボート１８の最下段のスロットにモニタリングウェーハ６３を挿入し、種々の条件下でＰＴＰ処理を行った際の該モニタリングウェーハ６３へのパーティクルの付着量の比較によって、膜５１のクラック及び膜剥がれの除去効果を検証している。

図６は、ＰＴＰ処理を行わなかった場合、ＮＨ3 の流量を３ｓｌｍで固定し、Ｎ2 の流量を１．５ｓｌｍ，３．５ｓｌｍとしてＰＴＰ処理を行った場合の比較を示しており、左のグラフがＰＴＰ処理を行わなかった場合、中央のグラフがＮ2 の流量を３．５ｓｌｍとした場合、右のグラフがＮ2 の流量を１．５ｓｌｍとした場合の前記モニタリングウェーハ６３へのパーティクルの付着量を示している。

該モニタリングウェーハ６３へのパーティクルの付着量が多い程、前記反応管２９及び前記処理室３２内に堆積した膜５１、クラック及び膜剥がれを除去できていることを示しており、ＰＴＰ処理を行う場合の方が多量のクラック及び膜剥がれを除去でき、更に混合ガスの流量を大きくすることでより多量のクラック及び膜剥がれを除去できていることがわかる。

又、前記処理室３２内の温度には、ウェーハ２の投入、搬出を行うウェーハ投入、搬出温度と、前記処理室３２内でウェーハ２上に膜を生成する成膜処理温度の２つがある。図７はウェーハ投入、搬出温度と成膜処理温度の差が異なる２つの例についてＰＴＰ処理を行った結果を比較したものであり、（Ａ）はシーケンス図の一例、（Ｂ）は前記モニタリングウェーハ６３へのパーティクルの付着量、即ちパーティクルの発生量を示している。

図７（Ｂ）中で左側のグラフは前記モニタリングウェーハ６３を４００℃で前記処理室３２内に装入し、その後該処理室３２内の温度を４７０℃に上昇させたもの、即ちウェーハ投入、搬出温度と成膜処理温度の温度差が７０℃の場合のパーティクルの発生量を示しており、右側のグラフは前記モニタリングウェーハ６３を４００℃で前記処理室３２内に装入し、その後該処理室３２内の温度を５４５℃に上昇させたもの、即ちウェーハ投入、搬出温度と成膜処理温度の温度差が１４５℃の場合のパーティクルの発生量を示している。

両者を比較すると、右側のウェーハ投入、搬出温度と成膜処理温度の温度差が１４５℃の方がパーティクルの発生量が多いことがわかる。これは、ウェーハ投入、搬出温度と成膜処理温度の温度差が大きくなることで、堆積した膜５１に掛る膜応力がより大きくなり、クラックが発生し易くなり、又クラック及び膜剥がれを除去し易くなる為である。従って、昇降温度差を大きくした方がＰＴＰ処理の効果が高まると判断され、又昇温時、降温時に急速に温度を変更することで一層の効果を期待できる。

又、図８は不活性ガスによりパージ処理を行う際に、周期的に圧力を変動させるサイクルパージを行った場合のシーケンス図の一例とパーティクルの発生量を示している。

図８（Ｂ）中で左側のグラフは、前記モニタリングウェーハ６３を４５０℃で前記処理室３２内へ装入し、圧力変動を生じさせなかった場合のパーティクルの発生量を示し、右側のグラフは前記モニタリングウェーハ６３を４５０℃で前記処理室３２内へ装入し、図８（Ａ）のシーケンス図に示される様に、例えば７Ｔｏｒｒの変動量で５０回の圧力変動を行った場合のパーティクルの発生量を示している。

両者のパーティクルの発生量を比較した結果、前記処理室３２内の圧力を周期的に大きく変動させることにより、膜５１のクラック及び膜剥がれの除去効果があると判断できる。これは、圧力変動により前記処理室３２内の不活性ガス（Ｎ2 ）にフローが発生し、図９の説明図に示される様に、該フローにより膜剥がれ又は膜壁に付着している小さな反応生成物を除去する為である。従って、前記処理室３２内の圧力変動を大きくすることで、ＰＴＰ処理の効果が高まると判断できる。

尚、上記圧力変動は、前記処理室３２内にガスが供給されていればよいので、パージ処理中だけではなく、プラズマ照射工程に於いても実施可能である。

図１０は、図６〜図８に示された検証結果を基に、全工程を纏めたＰＴＰ処理のシーケンス図となっており、前記処理室３２内の温度を成膜温度を超える温度へと昇温する工程である昇温工程、Ｎ2 とＮＨ3 を混合させた混合ガスを前記ノズル５２より前記バッファ室３８に供給し、混合ガスにプラズマを励起し活性化させると共に前記処理室３２内の圧力変動を行う工程であるプラズマによる除去工程、前記処理室３２内の温度を基板投入温度を下回る温度迄降温すると共に前記処理室３２内の圧力変動を行い、サイクルパージを実行する工程である降温工程、前記処理室３２内の温度を基板投入温度へ復帰させ、次の成膜処理に備える工程であるリカバリ工程の４つの工程からなっている。

先ず、昇温工程では、前記処理室３２内の温度を３００℃から５５０℃へと上昇させる。

プラズマによる除去工程では、昇温工程に於いて昇温された前記処理室３２内の温度が安定した後、該処理室３２内の真空引きを行った後に７Ｔｏｒｒの変動量で、例えば、４０回程度の圧力変動を行うと共に、Ｎ2 の流量を５．５ｓｌｍ、ＮＨ3 の流量を８ｓｌｍとした混合ガスに対し、前記第１の棒状電極５４及び前記第２の棒状電極５５間に、前記高周波電源５８から前記整合器５７を介して１５０ｗの高周波電力を印加し、プラズマ励起することで活性化させ、膜５１のクラック及び膜剥がれを除去する。

降温工程では、前記処理室３２内の圧力を大気圧迄上昇させた後、該処理室３２内の温度を５５０℃から３００℃以下迄降下させると共に、不活性ガス（Ｎ2 ）によるパージと真空引きを繰返し、１分間周期で２０Ｔｏｒｒの範囲で、例えば、２７回圧力を変動させる。

最後に、リカバリ工程に於いて、前記処理室３２内の圧力を大気圧迄上昇させると共に、温度を基板投入温度迄上昇させることでＰＴＰ処理が完了する。

ＰＴＰ処理完了後は、再びウェーハ２に対する成膜処理が行われ、成膜処理完了後にはＰＴＰ処理が行われるというサイクルによって基板処理が行われていく。

図１１は、膜５１が堆積した状態で上記シーケンスに従ってＰＴＰ処理が行われた際の前記モニタリングウェーハ６３の状態及び付着したパーティクルの量と、ＰＴＰ処理後に再びＰＴＰ処理が行われた際の前記モニタリングウェーハ６３の状態及び付着したパーティクルの量を示している。

図１１（Ａ）は前記モニタリングウェーハ６３に付着したパーティクルの量を比較したグラフであり、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）はパーティクルの付着した前記モニタリングウェーハ６３の状態を示したものである。膜５１が堆積した状態でＰＴＰ処理を行った際に前記モニタリングウェーハ６３に付着したパーティクルの数が、０．０８μｍ以上のものが３９０９個、０．５μｍ以上のものが１０８個なのに対し、ＰＴＰ処理後に再びＰＴＰ処理が行われた際に前記モニタリングウェーハ６３に付着したパーティクルの数は、０．０８μｍ以上のものが１個、０．５μｍ以上のものが２個であり、一度のＰＴＰ処理でパーティクルの発生要因であるクラックや膜剥がれが除去できていると判断できる。

上述の様に、前記処理室３２に対してＰＴＰ処理を行うことで、前記反応管２９や前記処理室３２内に堆積した膜のクラック及び膜剥がれを除去し、該処理室３２内をパーティクルが発生しない環境とすることが可能である。又、ＰＴＰ処理後に成膜処理を行うことで、パーティクルが発生しない状態でウェーハ２に対して成膜を行うことができるので、ウェーハ２の歩留りが増加し、生産性が向上する。

尚、本実施例ではＰＴＰ処理を１サイクル行った場合について説明したが、成膜処理が行われる都度にＰＴＰ処理を行うことによって、より効率よくクラックや膜剥がれを除去できる。

又、本実施例では、ＳｉＮ膜を生成する場合について説明したが、本発明に於ける基板処理装置１は膜種に限定されるものではなく、ＳｉＮ膜以外の膜に対しても適用可能であり、更にＣＶＤ法やＡＬＤ法等の成膜手法によらず、プラズマを利用する成膜手法であれば適用可能であるのは言う迄もない。

（付記）
又、本発明は以下の実施の態様を含む。

（付記１）筒状の反応容器と、該反応容器の内部に画成された処理室と、該処理室に装脱可能であり複数の基板が装填された基板保持具と、前記反応容器の内部に設けられたバッファ室と、該バッファ室に少なくとも１つの処理ガスを導入可能なガス導入部とを具備し、前記処理ガスにプラズマを発生させ、該プラズマを前記処理室内へ照射することで、前記反応容器及び前記基板保持具に付着した異物を除去することを特徴とする基板処理装置。

（付記２）前記処理ガスはＮ2 とＮＨ3 の混合ガスである付記１の基板処理装置。

（付記３）前記プラズマが有するエネルギは変更、調整が可能である付記１の基板処理装置。

（付記４）前記異物はクラック及び膜剥がれである付記１の基板処理装置。

（付記５）成膜された基板を処理室から搬出した後、該処理室内の温度を成膜温度より高い温度へと昇温する工程と、昇温された前記処理室内の温度が一定温度に安定した後、該処理室にプラズマ励起により活性化された活性化ガス及び窒化剤の混合ガスを供給し、前記処理室内に付着した膜を除去する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記６）前記処理室内に不活性ガスを供給すると共に、圧力変動を生じさせる工程を更に具備する付記５の半導体装置の製造方法。

（付記７）前記不活性ガスによりサイクルパージが行われる付記６の半導体装置の製造方法。

１基板処理装置
２ウェーハ
１８ボート
１９処理炉
２９反応管
３２処理室
４９プラズマ
５１膜
６３モニタリングウェーハ

Claims

成膜された基板を処理室から搬出した後、該処理室内の温度を成膜温度より高い温度へと昇温する工程と、昇温された前記処理室内の温度が一定温度に安定した後、該処理室にプラズマ励起により活性化された活性化ガス及び窒化剤の混合ガスを供給し、前記処理室内に付着した膜を除去する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。