JP2021111760A - 半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラム - Google Patents

半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】成膜工程において選択的に膜を形成することを可能にする。【解決手段】(a)処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層を一部に有する基板を収容する処理室へ処理ガスを供給して、基板に選択的に膜を形成する工程と、(b)基板が存在しない処理室内へインヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスを供給する工程と、(c)処理室内のクリーニングガスの残留成分を除去する工程と、を行う技術が提供される。【選択図】図1

Description

本開示は、半導体装置の製造方法、基板処理装置およびプログラムに関する。
半導体装置の製造工程の一工程として、基板を処理する処理室内にクリーニングガスを供給して、処理室内に付着した副生成物等を除去するクリーニング工程が行われる場合がある(例えば特許文献1参照)。
特開2001−345278号公報
クリーニング工程が行われた後に、処理室内にクリーニングガスの残留成分が残ってしまう場合がある。クリーニングガスが、基板上に生成されたインヒビタ層に含まれる成分を有する場合には、処理室内にクリーニングガスの残留成分が残っていると、成膜処理工程において選択的に膜を形成できないおそれがある。
本開示は、成膜工程において選択的に膜を形成することを可能にする技術を提供する。
一態様によれば、
(a)処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層を一部に有する基板を収容する処理室へ前記処理ガスを供給して、前記基板に選択的に膜を形成する工程と、
(b)前記基板が存在しない前記処理室内へ前記インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスを供給する工程と、
(c)前記処理室内の前記クリーニングガスの残留成分を除去する工程と、
を行う技術が提供される。
本開示によれば、成膜工程において選択的に膜を形成することができる。
本開示の一態様に係る枚葉式の基板処理装置の概略構成図である。 本開示の一態様に係る基板処理工程の手順を示すフロー図である。 図2における成膜工程の詳細を示すフロー図である。 本開示の一態様における成膜工程の一部分を示す図である。 参考例における成膜工程の一部分を示す図である。 本開示の他の態様における基板処理装置の処理室の概略外観斜視図である。 本開示の他の態様における基板処理装置における要部の概略構成図である。 本開示の他の態様における成膜工程、クリーニング工程、およびクリーニングガス残留成分除去工程のフロー図である。
以下、本開示の一態様について、図面を参照しながら説明する。
以下の説明で例に挙げる基板処理装置は、半導体装置の製造工程で用いられるもので、処理対象となる基板に対して所定のプロセス処理を行うように構成されたものである。
処理対象となる基板は、例えば、半導体装置(半導体デバイス)が作り込まれる半導体基板としてのシリコンウエハ(以下、単に「ウエハ」という。)である。なお、本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのもの」を意味する場合や、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体(集合体)」を意味する場合(すなわち、表面に形成された所定の層や膜等を含めてウエハと称する場合)がある。また、本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
ウエハに対して行う所定のプロセス処理(以下、単に「処理」ということもある。)としては、例えば、酸化処理、拡散処理、アニール処理、エッチング処理、プリクリーニング処理、チャンバクリーニング処理、成膜処理等がある。本態様では、特に成膜処理を行う場合を例に挙げる。
<本開示の一態様>
まず、本開示の一態様について、主に、図1〜図4を参照しながら説明する。
(1)基板処理装置の構成
以下、本態様に係る基板処理装置の構成について説明する。ここでは、処理対象となるウエハに対して一枚ずつ処理を行う枚葉式の基板処理装置を例に挙げる。
図1は、本態様に係る枚葉式の基板処理装置の概略構成図である。
(処理容器)
図1に示すように、基板処理装置100は処理容器202を備えている。処理容器202は、例えば、横断面が円形であり扁平な密閉容器として、アルミニウム(Al)やステンレス(SUS)等の金属材料により構成されている。処理容器202は、上部容器202aと下部容器202bで構成される。上部容器202aと下部容器202bの間には仕切り板204が設けられる。
処理容器202内には、ウエハ200に対する処理が行われる処理空間である処理室201と、ウエハ200を処理室201に搬送する際にウエハ200が通過する搬送空間203と、が形成されている。
上部容器202aの内部の外周端縁近傍には、排気バッファ室209が設けられている。排気バッファ室209は、処理室201内のガスを側方周囲に向かって排出する際のバッファ空間として機能するものである。そのために、排気バッファ室209は、処理室201の側方外周を囲むように設けられた空間を持つ。つまり、排気バッファ室209は、処理室201の外周側に平面視リング状(円環状)に形成された空間を有している。
下部容器202bの側面には、ゲートバルブ205に隣接した基板搬入出口206が設けられており、ウエハ200は基板搬入出口206を介して図示しない搬送室との間を移動する。下部容器202bの底部には、リフトピン207が複数設けられている。さらに、下部容器202bは接地されている。
(基板支持部)
処理室201内には、ウエハ200を支持する基板支持部210が設けられている。基板支持部210は、ウエハ200を載置する基板載置面211を有した基板載置台212を備える。基板載置台212は、基板載置面211上のウエハ200の温度を調整するヒータ213と、ウエハ200等にバイアスがかかるようにするためのバイアス電極220と、を内蔵している。また、基板載置台212には、リフトピン207が貫通する貫通孔214が、リフトピン207と対応する位置にそれぞれ設けられている。
基板載置台212に内蔵されたバイアス電極220には、印加するバイアス電圧を調整するためのインピーダンス調整部270およびインピーダンス調整電源271が、それぞれに個別に接続されている。
基板載置台212は、シャフト217によって支持される。シャフト217は、処理容器202の底部を貫通しており、さらには処理容器202の外部で昇降部218に接続されている。
昇降部218はシャフト217を支持する支持軸218aと、支持軸218aを昇降させたり回転させたりする作動部218bを主に有する。作動部218bは、例えば昇降を実現するためのモータを含む昇降機構218cと、支持軸218aを回転させるための歯車等の回転機構218dを有する。
昇降部218には、昇降部218の一部として、作動部218bに昇降・回転指示するための指示部218eを設けても良い。指示部218eはコントローラ260に電気的に接続される。指示部218eはコントローラ260の指示に基づいて、作動部218bを制御する。
昇降部218を作動させてシャフト217および基板載置台212を昇降させることにより、基板載置面211上に載置されるウエハ200を昇降させることが可能となっている。なお、シャフト217の下端部の周囲はベローズ219により覆われており、処理容器202内は気密に保持されている。
基板載置台212は、ウエハ200の搬送時には、基板載置面211が基板搬入出口206に対向する位置(ウエハ搬送位置)まで下降し、ウエハ200の処理時には、図1に示すように、ウエハ200が処理室201内の処理位置(ウエハ処理位置)となるまで上昇する。
具体的には、基板載置台212をウエハ搬送位置まで下降させた時には、リフトピン207の上端部が基板載置面211の上面から突出して、リフトピン207がウエハ200を下方から支持するようになっている。また、基板載置台212をウエハ処理位置まで上昇させたときには、リフトピン207は基板載置面211の上面から埋没して、基板載置面211がウエハ200を下方から支持するようになっている。
(シャワーヘッド)
処理室201の上部(ガス供給方向上流側)には、ガス分散機構としてのシャワーヘッド230が設けられている。シャワーヘッド230の蓋231にはガス導入口241が設けられる。当該ガス導入口241は後述するガス供給系が連通するよう構成される。ガス導入口241から導入されるガスは、シャワーヘッド230のバッファ空間232に供給される。
シャワーヘッド230の蓋231は、導電性のある金属で形成され、バッファ空間232または処理室201内でプラズマを生成するための電極として用いられる。蓋231と上部容器202aとの間には絶縁ブロック233が設けられ、蓋231と上部容器202aの間を絶縁している。
シャワーヘッド230は、ガス導入口241を介してガス供給系から供給されるガスを分散させるための分散板234を備えている。この分散板234の上流側がバッファ空間232であり、下流側が処理室201である。分散板234には、複数の貫通孔234aが設けられている。分散板234は、基板載置面211と対向するように配置されている。
(プラズマ生成部)
シャワーヘッド230の蓋231には、整合器251、高周波電源252が接続されている。そして、高周波電源252、整合器251でインピーダンスを調整することで、シャワーヘッド230、処理室201にプラズマが生成されるようになっている。
(ガス供給系)
シャワーヘッド230の蓋231には、ガス導入口241と連通するよう共通ガス供給管242が接続されている。共通ガス供給管242は、ガス導入口241を介して、シャワーヘッド230内のバッファ空間232に連通する。また、共通ガス供給管242には、第1のガス供給管243aと、第2のガス供給管244aと、第3のガス供給管245aと、第4のガス供給管249aと、第5のガス供給管250aと、が接続されている。
これらのうち、第1のガス供給管243aを含む原料ガス供給系243からは処理ガスの一つである原料ガスが主に供給され、第2のガス供給管244aを含む反応ガス供給系244からは主に処理ガスの他の一つである反応ガスが供給される。第3のガス供給管245aを含むパージガス供給系245からは、ウエハ200を処理する際には主にパージガスとしての不活性ガスが供給され、シャワーヘッド230や処理室201をクリーニングする際はクリーニングガスが主に供給される。第4のガス供給管249aを含むインヒビタ層形成ガス供給系249からはインヒビタ層形成ガスが主に供給される。第5のガス供給管250aを含むクリーニングガス残留成分除去ガス供給系(以下、単に「残留成分除去ガス供給系」ということもある。)250からはクリーニングガス残留成分除去ガスが(以下、単に「残留成分除去ガス」ということもある。)主に供給される。なお、ガス供給系から供給されるガスについては、原料ガスを第1のガス、反応ガスを第2のガス、不活性ガスを第3のガス、クリーニングガス(処理室201用)を第4のガス、インヒビタ層形成ガスを第5のガス、残留成分除去ガスを第6のガスと呼ぶこともある。
このように、共通ガス供給管242には、第1のガス供給管243a、第2のガス供給管244a、第3のガス供給管245a、第4のガス供給管249aおよび第5のガス供給管250aが接続されている。これにより、共通ガス供給管242は、処理ガスとしての原料ガス(第1のガス)もしくは反応ガス(第2のガス)、パージガスとしての不活性ガス(第3のガス)またはクリーニングガス(第4のガス)、インヒビタ層形成ガス(第5のガス)、残留成分除去ガス(第6のガス)を、シャワーヘッド230のバッファ空間232を通じて処理室201に選択的に供給することになる。つまり、共通ガス供給管242は、処理室201に処理ガス、パージガスまたはクリーニングガス、インヒビタ層形成ガス、残留成分除去ガスを供給する「第1供給管」として機能する。
(原料ガス供給系)
第1のガス供給管243aには、上流方向から順に、原料ガス供給源243b、流量制御器(流量制御部)であるマスフローコントローラ(MFC)243c、および、開閉弁であるバルブ243dが設けられている。そして、第1のガス供給管243aからは、原料ガスが、MFC243c、バルブ243d、共通ガス供給管242を介して、シャワーヘッド230内に供給される。
原料ガス(第1のガス)は、処理ガスの一つであり、例えば、第1元素としてのシリコン(Si)元素を含むガスである。具体的には、ジクロロシラン(SiHCl,dichlorosilane:DCS)ガスやテトラエトキシシラン(Si(OC,Tetraethoxysilane:TEOS)ガス等が用いられる。以下の説明では、DCSガスを用いた例について説明する。
主に、第1のガス供給管243a、MFC243c、バルブ243dにより、原料ガス供給系243が構成される。なお、原料ガス供給系243は、原料ガス供給源243b、後述する第1の不活性ガス供給系を含めて考えてもよい。また、原料ガス供給系243は、処理ガスの一つである原料ガスを供給するものであることから、処理ガス供給系の一つに該当することになる。
第1のガス供給管243aのバルブ243dよりも下流側には、第1の不活性ガス供給管246aの下流端が接続されている。第1の不活性ガス供給管246aには、上流方向から順に、不活性ガス供給源246b、MFC246c、および、バルブ246dが設けられている。そして、第1の不活性ガス供給管246aからは、不活性ガスが、MFC246c、バルブ246d、第1のガス供給管243aを介して、シャワーヘッド230内に供給される。
不活性ガスは、原料ガスのキャリアガスとして作用するもので、原料とは反応しないガスを用いることが好ましい。具体的には、例えば、窒素(N)ガスを用いることができる。また、Nガスのほか、例えばヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、アルゴン(Ar)ガス等の希ガスを用いることができる。
主に、第1の不活性ガス供給管246a、MFC246cおよびバルブ246dにより、第1の不活性ガス供給系が構成される。なお、第1の不活性ガス供給系は、不活性ガス供給源246b、第1のガス供給管243aを含めて考えてもよい。また、第1の不活性ガス供給系は、原料ガス供給系243に含めて考えてもよい。
(反応ガス供給系)
第2のガス供給管244aの上流には、上流方向から順に、反応ガス供給源244b、MFC244c、および、バルブ244dが設けられている。そして、第2のガス供給管244aからは、反応ガスが、MFC244c、バルブ244d、共通ガス供給管242を介して、シャワーヘッド230内に供給される。
反応ガス(第2のガス)は、処理ガスの他の一つであり、原料ガスが含有する第1元素(例えばSi)とは異なる第2元素(例えば窒素)を含むガスである。具体的には、例えば、N含有ガスであるアンモニア(NH)ガスが用いられる。
主に、第2のガス供給管244a、MFC244c、バルブ244dにより、反応ガス供給系244が構成される。なお、反応ガス供給系244は、反応ガス供給源244b、後述する第2の不活性ガス供給系を含めて考えてもよい。また、反応ガス供給系244は、処理ガスの一つである反応ガスを供給するものであることから、処理ガス供給系の他の一つに該当することになる。
第2のガス供給管244aのバルブ244dよりも下流側には、第2の不活性ガス供給管247aの下流端が接続されている。第2の不活性ガス供給管247aには、上流方向から順に、不活性ガス供給源247b、MFC247c、および、バルブ247dが設けられている。そして、第2の不活性ガス供給管247aからは、不活性ガスが、MFC247c、バルブ247d、第2のガス供給管244aを介して、シャワーヘッド230内に供給される。
不活性ガスは、反応ガスのキャリアガスまたは希釈ガスとして作用するものである。具体的には、例えば、Nガスを用いることができる。また、Nガスのほか、例えばHeガス、Neガス、Arガス等の希ガスを用いてもよい。
主に、第2の不活性ガス供給管247a、MFC247cおよびバルブ247dにより、第2の不活性ガス供給系が構成される。なお、第2の不活性ガス供給系は、不活性ガス供給源247b、第2のガス供給管244aを含めて考えてもよい。また、第2の不活性ガス供給系は、反応ガス供給系244に含めて考えてもよい。
(パージガス供給系)
第3のガス供給管245aには、上流方向から順に、パージガス供給源245b、MFC245c、および、バルブ245dが設けられている。そして、第3のガス供給管245aからは、基板処理工程では、パージガスとしての不活性ガスが、MFC245c、バルブ245d、共通ガス供給管242を介して、シャワーヘッド230内に供給される。また、処理空間クリーニング工程では、必要に応じて、クリーニングガスのキャリアガスまたは希釈ガスとしての不活性ガスが、MFC245c、バルブ245d、共通ガス供給管242を介して、シャワーヘッド230内に供給される。
パージガス供給源245bから供給される不活性ガスは、基板処理工程では、処理容器202やシャワーヘッド230内に留まったガスをパージするパージガスとして作用する。また、処理空間クリーニング工程では、クリーニングガスのキャリアガス或いは希釈ガスとして作用しても良い。具体的には、不活性ガスとして、例えば、Nガスを用いることができる。また、Nガスのほか、例えばHeガス、Neガス、Arガス等の希ガスを用いてもよい。
主に、第3のガス供給管245a、MFC245c、バルブ245dにより、パージガス供給系245が構成される。なお、パージガス供給系245は、パージガス供給源245b、後述する処理空間クリーニングガス供給系248を含めて考えてもよい。
(処理空間クリーニングガス供給系)
第3のガス供給管245aのバルブ245dよりも下流側には、処理空間クリーニングガス供給管248aの下流端が接続されている。処理空間クリーニングガス供給管248aには、上流方向から順に、処理空間クリーニングガス供給源248b、MFC248c、および、バルブ248dが設けられている。そして、第3のガス供給管245aは、処理空間クリーニング工程では、クリーニングガスが、MFC248c、バルブ248d、共通ガス供給管242を介して、シャワーヘッド230内に供給される。
処理空間クリーニングガス供給源248bから供給されるクリーニングガス(第4のガス)は、処理空間クリーニング工程ではシャワーヘッド230や処理容器202に付着した副生成物等を除去するクリーニングガスとして作用する。具体的には、クリーニングガスとして、例えば三フッ化窒素(NF)ガス、フッ化水素(HF)ガス、三フッ化塩素(ClF)ガス、フッ素(F)ガスなどのF含有ガスが用いられる。以下の説明では、NFガスを用いた例について説明する。
主に、処理空間クリーニングガス供給管248a、MFC248cおよびバルブ248dにより、処理空間クリーニングガス供給系248が構成される。なお、処理空間クリーニングガス供給系248は、処理空間クリーニングガス供給源248b、第3のガス供給管245aを含めて考えてもよい。また、処理空間クリーニングガス供給系248は、パージガス供給系245に含めて考えてもよい。
(インヒビタ層形成ガス供給系)
第4のガス供給管249aには、上流方向から順に、インヒビタ層形成ガス供給源249b、MFC249c、および、バルブ249dが設けられている。そして、第4のガス供給管249aからは、インヒビタ層形成ガスが、MFC249c、バルブ249d、共通ガス供給管242を介して、シャワーヘッド230内に供給される。
インヒビタ層形成ガス(第5のガス)は、後述する成膜工程において供給されるDCSのウエハ200への吸着を阻害するインヒビタ層をウエハ200上に形成するガスである。具体的には、インヒビタ層形成ガスとして、例えば四フッ化炭素(CF)ガス、NFガス、FガスなどのF含有ガスが用いられる。以下の説明では、CFガスを用いた例について説明する。
(クリーニングガス残留成分除去ガス供給系)
第5のガス供給管250aには、上流方向から順に、クリーニングガス残留成分除去ガス供給源(以下、単に「残留成分除去ガス供給源」ということもある。)250b、MFC250c、および、バルブ250dが設けられている。そして、第5のガス供給管250aからは、残留成分除去ガスが、MFC250c、バルブ250d、共通ガス供給管242を介して、シャワーヘッド230内に供給される。
残留成分除去ガス供給源250bから供給される残留成分除去ガス(第6のガス)は、クリーニング工程の終了後に処理室201内に残っているクリーニングガスの残留成分を除去するガスである。具体的には、残留成分除去ガスとして、例えば、水素(H)ガスを用いることができる。
(排気系)
排気配管222は、排気バッファ室209の上面または側方に設けられた排気口221を介して、排気バッファ室209内に接続される。これにより、排気配管222は、処理室201内と連通することになる。
排気配管222には、排気バッファ室209に連通する処理室201内を所定の圧力に制御する圧力制御器であるAPC(Auto Pressure Controller)バルブ223が設けられる。APCバルブ223は、開度調整可能な弁体(図示せず)を有し、後述するコントローラ260からの指示に応じて排気配管222のコンダクタンスを調整する。以下、排気配管222に設けられたAPCバルブ223を、単にバルブ223ということもある。
また、排気配管222において、APCバルブ223の下流側には、真空ポンプ224が設けられる。真空ポンプ224は、排気配管222を介して、排気バッファ室209およびこれに連通する処理室201の雰囲気を排気する。これにより、排気配管222は、処理室201からのガス排気を行う排気配管として機能することになる。
主に、排気配管222、APCバルブ223、および、真空ポンプ224によって、ガス排気系が構成される。
(コントローラ)
基板処理装置100は、基板処理装置100の各部の動作を制御する制御部としてのコントローラ260を有している。コントローラ260は、演算部261および記憶部262を少なくとも有する。コントローラ260は、上記した各構成に接続され、上位装置や使用者の指示に応じて記憶部262からプログラムやレシピを呼び出し、その内容に応じて各構成の動作を制御する。具体的には、コントローラ260は、ゲートバルブ205、昇降部218、ヒータ213、高周波電源252、整合器251、MFC243c〜250c、バルブ243d〜250d、APCバルブ223、インピーダンス調整部270、インピーダンス調整電源271、真空ポンプ224等の動作を制御する。
なお、コントローラ260は、専用のコンピュータとして構成してもよいし、汎用のコンピュータとして構成してもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶装置(例えば、磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、CDやDVD等の光ディスク、MO等の光磁気ディスク、USBメモリやメモリカード等の半導体メモリ)を用意し、その外部記憶装置を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすることにより、本態様に係るコントローラ260を構成することができる。
また、コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶装置を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶装置を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。なお、記憶部262や外部記憶装置は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成される。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。なお、本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶部262単体のみを含む場合、外部記憶装置単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。
(2)基板処理工程
次に、半導体製造工程の一工程として、上述した構成の基板処理装置100を用いて、ウエハ200に対する処理を行う基板処理工程について説明する。
ここでは、基板処理工程として、ウエハ200上に薄膜を形成する場合を例に挙げる。特に、本態様においては、原料ガス(第1のガス)としてDCSガスを用い、反応ガス(第2の理ガス)としてNHガスを用いて、これらのガスを交互に供給してウエハ200上にSi含有膜としてのSiN(シリコン窒化)膜を形成する例について説明する。
なお、以下の説明において、基板処理装置100を構成する各部の動作は、コントローラ260により制御される。
図2は、本態様に係る基板処理工程の手順を示すフロー図である。図3は、図2における成膜工程の詳細を示すフロー図である。
(基板搬入・加熱工程:S102)
基板処理装置100において、基板処理工程に際しては、図2に示すように、まず、基板搬入・加熱工程(S102)を行う。基板搬入・加熱工程(S102)では、処理容器202内にウエハ200を搬入する。そして、処理容器202内にウエハ200を搬入したら、図示せぬ真空搬送ロボットを処理容器202の外へ退避させ、ゲートバルブ205を閉じて処理容器202内を密閉する。その後、基板載置台212を上昇させることにより、基板載置台212に設けられた基板載置面211上にウエハ200を載置させ、さらに基板載置台212を上昇させることにより、処理室201内の処理位置(ウエハ処理位置)までウエハ200を上昇させる。
ウエハ200が搬送空間203に搬入された後、処理室201内のウエハ処理位置まで上昇すると、APCバルブ223を稼働させて排気バッファ室209とAPCバルブ223と真空ポンプ224の間を連通させる。APCバルブ223は、排気配管222のコンダクタンスを調整することで、真空ポンプ224による排気バッファ室209の排気流量を制御し、排気バッファ室209に連通する処理室201を所定の圧力に維持する。
また、ウエハ200を基板載置台212の上に載置する際は、基板載置台212の内部に埋め込まれたヒータ213に電力を供給し、ウエハ200の表面が所定の処理温度となるよう制御される。この際、ヒータ213の温度は、図示しない温度センサにより検出された温度情報に基づいてヒータ213への通電具合を制御することによって調整される。
このようにして、基板搬入・加熱工程(S102)では、処理室201内を所定の処理圧力となるように制御するとともに、ウエハ200の表面温度が所定の処理温度となるように制御する。ここで、所定の処理温度、処理圧力とは、後述するインヒビタ層形成工程(S104)、成膜工程(S106)において、膜等を形成可能な処理温度、処理圧力である。具体的には、処理温度は室温以上1000℃以下、好ましくは室温以上800℃以下、処理圧力は10〜2000Paとすることが考えられる。この処理温度、処理圧力は、後述するインヒビタ層形成工程(S104)、成膜工程(S106)においても維持されることになる。
(インヒビタ層形成工程:S104)
基板搬入・載置工程(S102)の後は、インヒビタ層形成工程(S104)を行う。インヒビタ層形成工程(S104)では、インヒビタ層形成ガス供給系249から処理室201内にインヒビタ層形成ガス(第5のガス)としてCFガスを供給する。
ここで、ウエハ200は、ウエハ200のa領域の表面にはFが吸着可能な構成であり、ウエハ200のb領域の表面にはFが吸着しない構成である。例えば、b領域上には図示しないマスクが設けられ、a領域上には図示しないマスクが設けられない構成である。a領域、b領域は、シリコンで構成される。
従って、ウエハ200に対してCFガスが供給されると、a領域のSiとCFガスとが反応することにより、a領域にはF終端(SiF終端)されたインヒビタ層が形成される(図4(a)参照)。なお、インヒビタ層が形成された後のa領域の最表面に存在する原子に着目した場合、a領域はF終端された表面を有するということができる。
CFガスの供給を開始してから所定時間経過後、バルブ249dを閉じて、CFガスの供給を停止する。
(成膜工程:S106)
インヒビタ層形成工程(S104)の後は、次に、成膜工程(S106)を行う。以下、図3を参照し、成膜工程(S106)について詳細に説明する。なお、成膜工程(S104)は、異なる処理ガスを交互に供給する工程を繰り返すサイクリック処理である。
(第1処理ガス供給工程:S202)
(a)工程に相当する成膜工程(S104)では、まず、第1処理ガス(原料ガス)供給工程(S202)を行う。第1処理ガス供給工程(S202)では、原料ガス供給系243から、インヒビタ層を一部に有するウエハ200を収容する処理室201へ、原料ガス(第1のガス)としてDCSガスを供給する。処理室201内に供給されたDCSガスは、ウエハ処理位置にあるウエハ200の面上に到達する。これにより、インヒビタ層を有さないウエハ200のb領域の表面には、塩素(Cl)を含むSi含有膜が形成される。Clを含むSi含有膜は、b領域の表面への、DCSの物理吸着や、DCSの一部が分解した物質の化学吸着や、DCSの熱分解によるSiの堆積等により形成される。Si含有膜は、例えば、処理容器202内の圧力、DCSガスの流量、基板載置台212の温度、処理室201の通過にかかる時間等に応じて、所定の厚さおよび所定の分布で形成される。
第1処理ガス供給工程(S202)では、インヒビタ層を有するウエハ200のa領域の表面へのSi含有膜の形成を抑制しつつ、インヒビタ層を有さないウエハ200のb領域の表面にSi含有膜を選択的に形成することが可能である。このようなSi含有膜の選択的な形成が可能となるのは、a領域に存在するF終端されたインヒビタ層が、a領域の表面へのSi含有膜の形成(Siの吸着)を阻害する要因、すなわち、インヒビタ(inhibitor)として作用するためである。このように、インヒビタ層は、処理ガスの吸着を阻害するなど、処理ガスの吸着に選択性を与えるものである。
DCSガスの供給を開始してから所定時間経過後、バルブ243dを閉じて、DCSガスの供給を停止する。なお、第1処理ガス供給工程(S202)では、APCバルブ223によって処理室201の圧力が所定圧力となるように制御される。
(パージ工程:S204)
第1処理ガス供給工程(S202)の後は、次に、パージガス供給系245からNガスを供給し、処理室201およびシャワーヘッド230のパージを行う。これにより、第1処理ガス供給工程(S202)でウエハ200に結合できなかったDCSガスは、真空ポンプ224により処理室201から除去される。
(第2処理ガス供給工程:S206)
パージ工程(S204)の後は、次に、反応ガス供給系244から処理室201内に反応ガス(第2のガス)としてNHガスを供給する。これにより、ウエハ200のb領域の表面に形成されたSi含有膜の少なくとも一部が窒化(改質)される。Si含有膜が改質されることで、b領域の表面に、SiおよびNを含む膜、すなわち、SiN膜が形成される(図4(b)参照)。SiN膜を形成する際、Si含有膜に含まれていたCl等の不純物は、NHガスによるSi含有膜の改質反応の過程において、少なくともClを含むガス状物質を構成し、処理室201内から排出される。これにより、SiN膜は、第1処理ガス供給工程(S202)で形成されたSi含有膜に比べてCl等の不純物が少ない膜となる。なお、a領域の表面は、第2処理ガス供給工程(S206)を実施する際も、改質されることなく維持される。すなわち、a領域の表面は、改質(NH終端)されることなく、F終端されたまま安定的に維持される。
なお、NHガスは、整合器251および高周波電源252によりプラズマ状態とされ、ウエハ200の面上に照射されるようにしてもよい。また、NHガスを供給する際に、バイアス電極220に電圧を印加してウエハ200にバイアスがかかるようにしてもよい。このとき、バイアス電極220への印加電圧をインピーダンス調整部270で調整する。
そして、所定時間の経過後、バルブ244dを閉じて、NHガスの供給を停止する。なお、第2処理ガス供給工程(S206)においても、上述した第1処理ガス供給工程(S202)と同様に、APCバルブ223によって処理室201の圧力が所定圧力となるように制御される。
(パージ工程:S208)
第2処理ガス供給工程(S206)の後は、パージ工程(S208)を実行する。パージ工程(S208)における各部の動作は、上述したパージ工程(S204)の場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。
(判定工程:S210)
パージ工程(S208)を終えると、続いて、コントローラ260は、上述した一連の処理(S202〜S208)を1つのサイクルとし、その1サイクルを所定回数(n cycle)実施したか否かを判定する。そして、所定回数実施していなければ、第1処理ガス供給工程(S202)からパージ工程(S208)までの1サイクルを繰り返す。一方、所定回数実施したときには、成膜工程(S106)を終了する。
このように、成膜工程(S106)では、第1処理ガス供給工程(S202)からパージ工程(S208)までの各工程を順次行うことで、図4(b)に示すように、ウエハ200のa領域およびb領域のうちb領域の表面にSiN膜を選択的に形成することができる。そして、これらの各工程を1サイクルとし、その1サイクルを所定回数繰り返すことで、ウエハ200の面上に形成されるSiN膜が所望の膜厚に制御される。
(基板搬入出工程:S108)
以上のような成膜工程(S106)の終了後、基板処理装置100では、図2に示すように、基板搬入出工程(S108)を行う。基板搬入出工程(S108)では、上述した基板搬入・加熱工程(S102)と逆の手順にて、処理済みのウエハ200を処理容器202の外へ搬出する。そして、基板搬入・加熱工程(S102)と同様の手順にて、次に待機している未処理のウエハ200を処理容器202内に搬入する。その後、搬入されたウエハ200に対しては、成膜工程(S106)が実行されることになる。
(判定工程:S110)
基板搬入出工程(S108)を終えると、基板処理装置100では、上述した一連の処理(S102〜S108)を1つのサイクルとし、その1サイクルを所定回数実施したか否か、すなわち成膜工程(S106)で処理したウエハ200が所定の枚数に到達したか否かを判定する。そして、所定回数実施していなければ、処理したウエハ200が所定の枚数に到達していないので、基板搬入・加熱工程(S102)から基板搬入出工程(S108)までの1サイクルを繰り返す。一方、所定回数実施したときには、基板処理工程を終了する。
基板処理工程が終了すると、処理容器202内は、ウエハ200が存在しない状態となる。
(3)処理室のクリーニング工程
次に、半導体装置の製造方法の一工程として、基板処理装置100の処理容器202内に対するクリーニング処理を行う工程について説明する。
上述した基板処理工程を繰り返し行うと、処理容器202内(特に、処理室201内)では、副生成物等の不要な反応物が壁面に付着してしまうおそれがある。そのため、基板処理装置100は、所定のタイミング(例えば、所定回数の基板処理工程の実行後、所定枚数のウエハ200を処理した後、前回のクリーニング処理から所定の時間が経過した後等)で、処理室201のクリーニング工程を行う。
(b)工程に相当する処理室201のクリーニング工程では、バルブ243d〜247d,249d,250dを閉とした状態で、バルブ248dを開状態とする。このようにすることで、ウエハ200が存在しない状態の処理室201には、処理空間クリーニングガス供給源248bから、第3のガス供給管245aおよび共通ガス供給管242を介して、クリーニングガスが供給される。本態様では、クリーニングガスとして、インヒビタ層に含まれる成分であるF分子を有する、NFガスが供給される。そして、供給されたNFガスは、バッファ空間232内や処理室201内の付着物(反応副生成物等)を除去する。
これにより、処理室201内では、例えば副生成物等が壁面に付着した場合であっても、所定のタイミングで行うクリーニング処理によって、その副生成物等が除去されることになる。
所定の時間が経過し、処理室201内のクリーニングが完了した後、バルブ248dを閉じ、処理室201内へのNFガスの供給をそれぞれ停止する。そして、成膜処理のパージ工程と同様の処理手順により、処理室201内をパージする(アフターパージ)。
(4)クリーニングガス残留成分除去工程
次に、半導体装置の製造方法の一工程として、基板処理装置100の処理室201内に残留するクリーニングガスの残留成分を除去する工程について説明する。
上述した処理室201のクリーニング工程を行うと、NFガスの残留成分であるN分子やF分子が、処理室201内に残ってしまうおそれがある。処理室201内にN分子やF分子が残っていると、成膜工程においてインヒビタ層を一部に有するウエハ200に選択的に膜を形成する際に、処理室201内に収容されているウエハ200上のインヒビタ層を有しない部分に、これらの分子が付着してしまう場合がある(図5(a),(b)参照)。
上述したように、NFガスが有するF分子は、インヒビタ層に含まれる成分であり、ウエハ200上のSiN膜の形成を阻害するインヒビタとして作用する。従って、処理室201内に残留するF分子がウエハ200上のインヒビタ層を有しない部分に付着した場合には、意図せぬ部分でSiN膜が形成されなくなってしまうおそれがある(図5(c)参照)。このように、処理室201内に、インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスの残留成分が存在すると、成膜工程において選択的に膜を形成できなくなる場合がある。
このことから、本態様においては、成膜処理工程において選択的に膜を形成するために、処理室201のクリーニング工程を行った後に、処理室201内にあるクリーニングガスの残留成分を除去する、クリーニングガス残留成分除去工程(以下、単に「残留成分除去工程」ということもある。)を行う。
具体的には、(c)工程に相当する残留成分除去工程では、残留成分除去ガス供給系250から処理室201内に残留成分除去ガス(第6のガス)としてHガスを供給する。そして、整合器251および高周波電源252を利用して処理室201内に高周波電力等を供給する。これにより、処理室201内のHガスをプラズマ化し、水素プラズマを生成させる。
水素プラズマが生成されると、水素分子は活性化されて、処理室201内やシャワーヘッド230内に存在するNFガスの残留成分であるF分子と反応してフッ化水素(HF)が生じる。その後、排気バッファ室209および排気配管222を介してHFを処理容器202外に排気し、クリーニングガスの残留成分を除去する。
なお、成膜工程においてバイアス電極220に電圧が印加されている場合には、残留成分除去工程において発生した水素プラズマは、バイアス方向に沿うように規制されるので、ウエハ200の面上に集中しやすい状態となっている。これに対して、NFガスの残留成分であるF分子は、ヒータ213から離れた角部など、ウエハ200よりも上方にある温度の低い箇所に吸着しやすい性質を有する。従って、処理室201内のF分子を効率的に除去するためには、水素プラズマをウエハ200の面上から上方へ移動させることが好ましい。言い換えると、処理ガスのプラズマを生成するウエハ200の面上(第1位置)よりも上方の位置(第2位置)に水素プラズマを生成することが好ましい。
水素プラズマを第2位置に生成する方法として、例えば、バイアス電極220への電圧の印加を停止することが挙げられる。バイアス電極220への電圧の印加が停止されれば、水素プラズマを構成する水素分子の移動方向が規制されず、水素分子が等方的に拡散し、第2位置にも到達することができるからである。
このように、残留成分除去工程を行って、クリーニングガスの残留成分であるF分子を除去することにより、その後に行われる成膜工程において、選択的に膜を形成することが可能となる。
(5)本態様にかかる効果
本態様によれば、以下に示す1つまたは複数の効果を奏する。
(a)本態様では、半導体装置の製造方法の一工程として、クリーニングガスの残留成分を除去する残留成分除去工程を行う。従って、インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスの残留成分を除去することができる。これにより、成膜工程において、インヒビタとして作用するクリーニングガスの残留成分がウエハ200上に付着することを防ぐことができるので、選択的に膜を形成することが可能になる。
(b)本態様では、残留成分除去工程において、処理室201内に水素含有ガスのプラズマを発生させるので、水素分子を活性化させることができる。これにより、効率的にクリーニングガスの残留成分を除去することができる。
(c)本態様では、残留成分除去工程において生成される水素含有ガスのプラズマの位置は、成膜工程において生成される処理ガスのプラズマの位置よりも、上方の位置にある。これにより、クリーニングガスの残留成分が吸着しやすい、ウエハ200よりも上方の箇所に水素含有ガスのプラズマを生成させることができるので、より効率的にクリーニングガスの残留成分を除去することができる。
<本開示の他の態様>
以上に、本開示の態様を具体的に説明したが、本開示が上述の態様に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。
(a)上述した態様では、(a)工程に相当する成膜工程、(b)工程に相当する処理室のクリーニング工程、(c)工程に相当する残留成分去工程の行われる順番について特に限定しなかった。しかしながら、図8に示すように、(a)工程を繰り返し行ったことにより処理室201内に付着した副生成物等を(b)工程を行って除去する。そして、(b)工程を行った後の処理室201内に残留するクリーニングガスの残留成分を(c)工程を行って除去する。このように、(c)工程において、クリーニングガスの残留成分を除去することで、次に行われる(a)工程において、インヒビタとして作用するクリーニングガスの残留成分がウエハ200上に付着することを確実に防止することができる。従って、(b)工程、(c)工程、(a)工程の順に行うと、より確実に選択的に膜を形成することが可能となる。
(b)また、上述した態様では、インヒビタ層形成ガスとして、F含有ガスを例に挙げたが、本開示がこれに限定されることはなく、例えば、Cl含有ガスを用いることができる。この場合には、ウエハ200のa領域にはCl終端されたインヒビタ層が形成されるので、クリーニングガスもCl含有ガスが用いられる。
(c)また、上述した態様では、処理室201内においてインヒビタ層を形成する工程を行うことを例に挙げたが、本開示がこれに限定されることはない。すなわち、別の基板処理装置でインヒビタ層の形成が行われたウエハを処理室201内に搬入して成膜処理を行ってもよい。このようにすることで、工場の仕様に合わせて半導体装置を製造することが可能となる。
(d)また、上述した態様では、水素プラズマを、ウエハ200の面上である第1位置よりも上方に位置する第2位置に生成する方法として、バイアス電極220への電圧の印加を停止することを例に挙げた。しかしながら、本開示がこれに限定されることはない。例えば、リングバイアス電極300を用いてもよい。
図6に示すように、リングバイアス電極300は、処理室201の外周面を複数回巻回するように形成されている。従って、リングバイアス電極300に電圧を印加することにより、リングバイアス電極300に対応する位置の処理室201の内壁面に水素プラズマを生成することができる。リングバイアス電極300をウエハ200の面上(第1位置)よりも上方の位置(第2位置)で設けることにより、水素プラズマが第2位置に生成されるので、ウエハ200の面上よりも上方の内壁面にリング状に吸着するクリーニングガスの残留成分を効率的に除去することができる。
なお、リングバイアス電極300への印加電圧は、リングバイアス電極300に接続された不図示のインピーダンス調整部で調整されるように構成されている。また、成膜工程においてバイアス電極220に電圧が印加されている場合には、バイアス電極220への電圧の印加を停止してから、リングバイアス電極300へ電圧を印加することが好ましい。
(e)さらに、水素プラズマを、ウエハ200の面上である第1位置よりも上方に位置する第2位置に生成する方法として、図7に示すように、スイッチング機構400を用いて2つのバイアス電極401,402の間で印加の切り替えを行ってもよい(図7参照)。
バイアス電極401からバイアス電極402へ印加を切り替えて、ウエハ200の面上の位置(第1位置)よりも上方の位置(第2位置)に水素プラズマの水素分子が生成するようにする。このように、スイッチング機構400を使用することにより、処理室201内の上方の箇所に吸着しているクリーニングガスの残留成分を効率的に除去することができる。
(f)また、上述した態様では、基板処理工程において、原料ガス(第1のガス)としてDCSガスを用い、反応ガス(第2の理ガス)としてNHガスを用いて、これらのガスを交互に供給してウエハ上にSiN膜を形成する場合を例に挙げたが、本開示がこれに限定されることはない。すなわち、成膜処理に用いる処理ガスは、DCSガスやNHガス等に限られることはなく、他の種類のガスを用いて他の種類の薄膜を形成しても構わない。さらには、3種類以上の処理ガスを用いる場合であっても、本開示を適用することが可能である。
(g)また、上述した態様では、残留成分除去工程において用いられる水素プラズマが処理室201内で生成される場合を例に挙げて説明したが、本開示がこれに限定されることはない。例えば、図示しない処理室201の外部に設けられたリモートプラズマユニットにおいて水素プラズマを生成してもよい。
(h)また、上述した態様では、処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層として、成膜工程において供給されるDCSに含まれるSiの吸着を阻害する例について説明したが、本開示がこれに限定されることはない。すなわち、インヒビタ層がDCSに含まれるSiの吸着を促進するものであってもよい。なお、この場合には、インヒビタ層を有さないウエハ200の表面上おいて、DCSに含まれるSiの吸着が阻害される。
<本開示の好ましい態様>
以下に、本開示の好ましい態様について付記する。
[付記1]
本開示の一態様によれば、
(a)処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層を一部に有する基板を収容する処理室へ前記処理ガスを供給して、前記基板に選択的に膜を形成する工程と、
(b)前記基板が存在しない前記処理室内へ前記インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスを供給する工程と、
(c)前記処理室内の前記クリーニングガスの残留成分を除去する工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
[付記2]
好ましくは、
前記(b)工程と、前記(c)工程と、前記(a)工程と、をこの順に行う、
付記1に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
[付記3]
好ましくは、
前記インヒビタ層に含まれる成分は、フッ素または塩素を含む、
付記1または2に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
[付記4]
好ましくは、
前記(a)工程の前に、前記処理室において前記インヒビタ層を形成する工程(d)をさらに有する、
付記1〜3のいずれか1態様に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
[付記5]
好ましくは、
前記(c)工程は、前記処理室内で水素含有ガスのプラズマを生成する工程を含む、
付記1〜4のいずれか1態様に記載の半導体装置の製造方法。
[付記6]
好ましくは、
前記(a)工程では、第1位置に前記処理ガスのプラズマを生成し、
前記(c)工程では、第2位置に前記水素含有ガスのプラズマを生成し、
前記第2位置は、前記第1位置よりも前記処理室の上方の位置である、
付記5に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
[付記7]
本開示の他の一態様によれば、
処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層を一部に有する基板を収容する処理室と、
前記処理室へ前記処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
前記基板が存在しない前記処理室内へ前記インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスを供給するクリーニングガス供給系と、
前記処理室内の前記クリーニングガスの残留成分を除去するガスを供給するクリーニングガス残留成分除去ガス供給系と、
前記処理室へ前記処理ガスを供給した際に、前記基板に選択的に膜を形成させるように、前記処理ガス供給系、前記クリーニングガス供給系および前記クリーニングガス残留成分除去ガス供給系を制御するように構成される制御部と、
を備える基板処理装置が提供される。
[付記8]
本開示のさらに他の一態様によれば、
(a)処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層を一部に有する基板を収容する処理室へ前記処理ガスを供給して、前記基板に選択的に膜を形成する手順と、
(b)前記基板が存在しない前記処理室内へ前記インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスを供給する手順と、
(c)前記処理室内の前記クリーニングガスの残留成分を除去する手順と、
をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラムが提供される。
100…基板処理装置、200…ウエハ(基板)、201…処理室、260…コントローラ

Claims (6)

  1. (a)処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層を一部に有する基板を収容する処理室へ前記処理ガスを供給して、前記基板に選択的に膜を形成する工程と、
    (b)前記基板が存在しない前記処理室内へ前記インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスを供給する工程と、
    (c)前記処理室内の前記クリーニングガスの残留成分を除去する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  2. 前記インヒビタ層に含まれる成分は、フッ素または塩素を含む、
    請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記(c)工程は、前記処理室内で水素含有ガスのプラズマを生成する工程を含む、
    請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記(a)工程では、第1位置に前記処理ガスのプラズマを生成し、
    前記(c)工程では、第2位置に前記水素含有ガスのプラズマを生成し、
    前記第2位置は、前記第1位置よりも前記処理室の上方の位置である、
    請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層を一部に有する基板を収容する処理室と、
    前記処理室へ前記処理ガスを供給する処理ガス供給系と、
    前記基板が存在しない前記処理室内へ前記インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスを供給するクリーニングガス供給系と、
    前記処理室内の前記クリーニングガスの残留成分を除去するガスを供給するクリーニングガス残留成分除去ガス供給系と、
    前記処理室へ前記処理ガスを供給した際に、前記基板に選択的に膜を形成させるように、前記処理ガス供給系、前記クリーニングガス供給系および前記クリーニングガス残留成分除去ガス供給系を制御するように構成される制御部と、
    を備える基板処理装置。
  6. (a)処理ガスの吸着に選択性を与えるインヒビタ層を一部に有する基板を収容する処理室へ前記処理ガスを供給して、前記基板に選択的に膜を形成する手順と、
    (b)前記基板が存在しない前記処理室内へ前記インヒビタ層に含まれる成分を有するクリーニングガスを供給する手順と、
    (c)前記処理室内の前記クリーニングガスの残留成分を除去する手順と、
    をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。
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