JP3929261B2 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板処理装置に関し、特に、処理が施される基板の自然酸化膜を除去する技術に係り、例えば、半導体装置の製造方法において半導体素子を含む集積回路が作り込まれる半導体ウエハに成膜処理やアニール処理、酸化膜形成処理および拡散処理等の熱処理を施す際に利用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造方法において、シリコンウエハ(以下、ウエハという。)に成膜処理やアニール処理、酸化膜形成処理および拡散処理等の熱処理を施すのにバッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置(furnace 。以下、熱処理装置という。)が、広く使用されている。
【0003】
ところで、半導体装置の製造方法においては、ウエハが各工程間を移動する際にウエハが大気に晒されると、大気中の酸素や水分に起因して自然酸化膜がウエハの表面に形成されること、並びに、このウエハの表面の自然酸化膜は不完全な結晶性を有したシリコン酸化膜であって熱処理装置のコントロールされた熱酸化によって形成されるシリコン酸化膜と比べて膜質が劣るため、自然酸化膜が表面に形成されたウエハによって製造される半導体装置の特性に例えば次のような悪影響を及ぼすことが、知られている。
1) ウエハのキャパシタ(Capacitor )を作る絶縁膜の部分に自然酸化膜が形成されてしまうと、キャパシタの電極間隔が自然酸化膜の分だけ増えてしまい、また、誘電率の低い自然酸化膜のためにキャパシタの実効容量が小さくなってしまう。
2) ゲート酸化膜を成膜する場合において、大気中の酸素によって酸化された自然酸化膜は不純物を多く含んでいるため、自然酸化膜の上にゲート酸化膜を成膜すると、純粋なゲート酸化膜よりもリーク電流が大きくなる。また、その後の熱処理によって不純物が周りの膜の中に拡散してしまい、電気特性が低下する。
3) 多層配線構造を有する半導体装置において、下層の配線へ接続する配線をパターニングするための膜を形成する場合には、その界面に自然酸化膜が介在してしまうと、その層間の接続部の電気抵抗が大きくなる。
4) 誘電率を大きくするためにHSG(HemiSpheical Grained poly Sylicon )膜が形成されるウエハにおいて、自然酸化膜が成長した後のウエハにはHSG膜は成長し難くなる。
【0004】
このため、ウエハが熱処理装置によって所望の熱処理(以下、本処理という。)が施されるに際して、ウエハを弗化水素(弗酸。以下、HFという。)によって前処理洗浄することにより、ウエハに生成された自然酸化膜を予め除去することが、一般的に実施されている。ところが、前処理洗浄工程から熱処理装置による本処理工程に供給される間や、熱処理装置内においてプロセスチューブに搬入される前に、ウエハが大気に接触すると、1〜2の原子層厚の自然酸化膜が形成されてしまう。そして、時間の経過に伴って成長する自然酸化膜を極力抑えるためには、前処理洗浄工程から本処理である熱処理工程までの時間を可及的に短縮する必要があるため、工程設計の自由度が小さくなってしまう。また、HFによる前処理洗浄はウエット洗浄であるため、半導体装置の微細化に伴って、微細なトレンチの洗浄が困難になって来ている。
【0005】
そこで、ドライエッチングの原理を利用した自然酸化膜除去技術の開発が要望されている。この要望に応える技術の一つとして、リモートプラズマクリーニング技術を応用した自然酸化膜除去技術が、検討されている。リモートプラズマクリーニング技術というのは、処理室の外部に配置されたリモートプラズマユニットにおいて活性化したラジカルを処理室に導入することにより、処理室に付着した副生成物を除去する技術である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リモートプラズマクリーニング技術を応用した自然酸化膜除去技術においては、自然酸化膜をドライエッチングするための自然酸化膜除去ガスを活性化する方法が適切でないと、ウエハにプラズマダメージが発生したり、エッチングの選択性が得られないことによって自然酸化膜を除去することができなかったりする不具合が発生する。また、スループットを高めるために複数枚のウエハを一括処理する場合には、複数枚のウエハ相互間およびウエハ面内において自然酸化膜除去ガスを均一に接触させないと、自然酸化膜を全体的に均一に除去することができないという不具合が発生する。
【0007】
本発明の目的は、プラズマダメージの発生を防止し、被処理基板の自然酸化膜を良好なスループットをもって全体的に均一に除去することができる基板処理装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するための第一の手段は、プラズマ放電によって活性化されたガスが被活性ガスに衝突されて活性化されてなる自然酸化膜除去ガスが、ガス導入管を通じて処理室へ供給されて、前記処理室内の基板の自然酸化膜が除去される基板処理装置であって、前記被活性ガスは前記ガス導入管へ供給され、かつ、前記ガス導入管を流れるプラズマ放電によって活性化されたガスの流れ方向に対して直交する向き、または、対向する向き、または、直交する向きから対向する向きの間の向きで噴出されることを特徴とする。
この第一の手段によれば、被活性ガスがプラズマ形成領域と処理室とを連絡するガス導入管に供給され、かつ、プラズマ発生領域に向いて噴出されることにより、被活性ガスの分解の度合いを制御することができるため、処理室における被処理基板のプラズマダメージの発生を防止することができるとともに、自然酸化膜を確実に除去することができる。そして、被活性ガスの噴出口からプラズマ形成領域までの距離や、被活性ガスの噴出角度および被活性ガスの噴出位置を調整することにより、被活性ガスの分解の度合いを広い範囲で適正に制御することができる。
【0009】
課題を解決するための第二の手段は、複数枚の基板を処理する処理室と、この処理室へ活性化した自然酸化膜除去ガスをこの処理室の外部から供給するリモートプラズマユニットと、前記自然酸化膜除去ガスを分散させて前記複数枚の基板に平行に流通させる分散手段とを備えていることを特徴とする。
この第二の手段によれば、活性化した自然酸化膜除去ガスが複数枚の基板に平行に流通することにより、自然酸化膜除去ガスが複数枚の基板にそれぞれ均一に接触するため、自然酸化膜除去ガスによる処理状態が複数枚の基板相互間および各基板の面内において均一になる。そして、複数枚の基板を一括して処理することにより、処理のスループットを高めることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一の実施の形態を図面に即して説明する。
【0011】
本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、基板としてのウエハの表面に形成された自然酸化膜をリモートプラズマクリーニング技術によって除去する自然酸化膜除去装置として、図1に示されているように構成されており、この自然酸化膜除去装置10は複数枚のウエハ1を一括してバッチ処理するものとして構成されている。
【0012】
図1に示されているように、ウエハをバッチ処理する自然酸化膜除去装置(以下、バッチ式自然酸化膜除去装置という。)10は自然酸化膜除去処理を実施するための処理室12を形成したプロセスチューブ11を備えている。プロセスチューブ11は石英ガラスが使用されて両端が閉塞した円筒形状に一体成形されており、中心線が垂直になるように縦に設置されている。プロセスチューブ11の下端閉塞壁にはボートを保持したターンテーブル13が同心円に配されて回転自在に支持されており、ターンテーブル13はプロセスチューブ11の下端底壁の外部に設置されたロータリーアクチュエータ14によって回転駆動されるようになっている。
【0013】
図1に示されているように、ターンテーブル13の上には複数枚のウエハ1を保持するためのボート15が一体回転するように設置されている。ボート15は上側端板16および下側端板17と、両端板16と17との間に架設されて垂直に配設された複数本(本実施の形態では三本)の保持部材18とを備えており、各保持部材18には保持溝19が複数条、長手方向に等間隔に配されて互いに同一平面内において開口するようにそれぞれ刻設されている。ボート15の下側端板17はターンテーブル13の上面に着脱自在に固定されている。そして、ウエハ1はウエハ移載装置(図示せず)によってプロセスチューブ11の側壁の一部に開設されたウエハ移載口(図示せず)から処理室12へ搬入されるとともに、各保持溝19間に挿入されて水平かつ互いに中心が揃った状態で整列されて保持される。
【0014】
図1に示されているように、プロセスチューブ11の筒壁には排気口部20が処理室12に連通してプロセスチューブ11の高さ方向に略一杯に形成されており、排気口部20には処理室12を排気する排気管21が接続されている。
【0015】
プロセスチューブ11の筒壁における排気口部20に対向する部分にはガス導入口部22が処理室12に連通してプロセスチューブ11の高さ方向に略一杯に形成されており、ガス導入口部22の高さ方向の中間部にはガス導入管23の一端がガスを処理室12へ水平方向に導入するように接続されている。ガス導入管23の他端にはプラズマ24の形成領域としてのプラズマ室25が形成されており、プラズマ室25の外部にはプラズマ発生装置26がプラズマ室25にプラズマ24を形成するように設置されている。プラズマ発生装置26はICP、CCP、ECRのような誘導結合型およびμ表面波型等のいずれのプラズマ発生装置によって構成してもよい。プラズマ室25には水素(H2 )ガス(以下、H2 ガスという。)を供給するためのH2 ガス供給源27と、窒素(N2 )ガス(以下、N2 ガスという。)を供給するためのN2 ガス供給源28とがそれぞれ接続されている。
【0016】
ガス導入管23のガス導入口部22とプラズマ室25との間には被活性ガス供給管29の一端部が挿入されており、被活性ガス供給管29の他端には被活性ガスとしての三弗化窒素(NF3 )ガス(以下、NF3 ガスという。)を供給するためのNF3 ガス供給源30が接続されている。被活性ガス供給管(以下、NF3 ガス供給管という。)29のガス導入管23への挿入端部はL字形状に屈曲されており、そのNF3 ガス噴出口29aはNF3 ガスをプラズマ室25へ向けて噴出するようにガス導入管23の中心線上においてプラズマ室25へ向けられている。
【0017】
図示しないが、プロセスチューブ11の外部には処理室12を加熱するためのランプヒータ等からなるヒータユニットが、ウエハ移載口や排気口部20およびガス導入口部22に干渉しないように設備されている。
【0018】
次に、前記構成に係るバッチ式自然酸化膜除去装置の作用を説明する。なお、以下の説明においては、図2(a)に示されているように、ウエハ1には前段階でコンタクトホール2が形成されており、コンタクトホール2の底部には自然酸化膜3が発生しているものとする。
【0019】
図1に示されているように、自然酸化膜3を除去すべきウエハ1は複数枚が、ボート15にウエハ移載装置によって装填(チャージング)される。ウエハ移載口がゲートバルブ(図示せず)によって閉じられて処理室12が気密に維持された状態で、処理室12が排気管21によって排気され、ボート15を支持したターンテーブル13がロータリーアクチュエータ14によって回転される。
【0020】
一方、図1に示されているように、プラズマ室25にはプラズマ24がプラズマ発生装置26によって形成されるとともに、H2 ガス供給源27およびN2 ガス供給源28から所定の流量のH2 ガスおよびN2 ガス(以下、混合ガスという。)31が供給される。プラズマ室25に供給された混合ガス31はプラズマ放電によって活性化され、活性ガス種32が形成される。
【0021】
また、プラズマ室25には被活性ガスとしてのNF3 ガス33がNF3 ガス供給管29の噴出口29aからプラズマ室25に向けて噴出されて、ガス導入管23を通じて供給される。プラズマ室25に供給されたNF3 ガス33は活性ガス種32に添加された状態になるため、活性ガス種32によって活性化される。この活性化されたNF3 ガスは自然酸化膜除去ガス34となって混合ガス31および活性ガス種32と一緒に、処理室12の排気力および混合ガス31の給気力によってガス導入管23を処理室12に向かって流れ、ガス導入口部22から処理室12に流れ込む。
【0022】
処理室12に流れ込んだ自然酸化膜除去ガス34は処理室12の全体に均等に拡散し、ウエハ1の表面の自然酸化膜3と反応し、図2(b)に示されているように、Si、N、H、Fの混合した生成物の膜(以下、表面処理膜という。)4を形成する。この際、ウエハ1を保持したボート15がターンテーブル13によって回転されているため、自然酸化膜除去ガス34はウエハ1の全面に均等に接触する。
【0023】
以上の表面処理膜を形成するために設定された処理時間が経過すると、H2 ガス供給源27、N2 ガス供給源28およびNF3 ガス供給源30によるH2 ガス、N2 ガスおよびNF3 ガスの供給が停止されるとともに、プラズマ発生装置26の駆動も停止される。また、処理室12の残留ガスは処理室12が排気管21によって排気されることにより排出される。
【0024】
残留ガス排出時間が経過すると、処理室12がヒータユニットによって所定の温度(例えば、100℃)に加熱される。この加熱により、図2(c)に示されているように、表面処理膜4は昇華して行く。これにより、ウエハ1の自然酸化膜3が除去されてウエハ1の表面にはSi面5が露出した状態になる。なお、以上の自然酸化膜の除去のプロセスは次のように考えられる。H2 ガス、N2 ガス、NF3 ガスおよびこれらの各活性種からなる自然酸化膜除去ガスが自然酸化膜(SiO2 )と反応してSi、N、H、Fを含む高分子となり、この高分子生成物が100℃以上の熱により昇華する。
【0025】
以上の表面処理膜を昇華するために設定された処理時間が経過すると、ヒータユニットの加熱が停止され、処理室12の残留ガスが排気管21の排気力によって排出される。
【0026】
残留ガス排出時間が経過すると、ボート15の処理済みウエハ1はウエハ移載装置によって脱装(ディスチャージング)されて、ゲートバルブによって開放されたウエハ移載口を通じてウエハキャリア(図示せず)に移載される。
【0027】
以降、前述した作用が繰り返されて複数枚のウエハ1がバッチ式自然酸化膜除去装置10によってバッチ処理されて行く。
【0028】
ところで、前述した自然酸化膜の除去作用に大きく寄与するNF3 ガス33がガス導入管23に送り込まれずに処理室12に供給されてから、処理室12に送り込まれて来る混合ガス31による活性ガス種32によって間接的に活性化される場合には、ウエハ1にプラズマダメージが発生したりエッチングの選択性が得られなかったりすることが、本発明者によって究明された。
【0029】
しかし、本実施の形態においては、NF3 ガス33がガス導入管23においてプラズマ室25に向けて噴出されることにより、ガス導入管23およびプラズマ室25に送り込まれて活性ガス種32によって間接的に活性化されるため、ウエハ1にプラズマダメージが発生したりエッチングの選択性が得られなかったりすることは防止される。すなわち、ガス導入管23およびプラズマ室25に送り込まれて活性ガス種32によって間接的に活性化されることにより、前述した自然酸化膜の除去作用に大きく寄与するNF3 ガス33の分解の度合いは適正なもの(値や範囲)となって処理室12に供給されることになるため、ウエハ1にプラズマダメージが発生したりエッチングの選択性が得られなかったりすることは防止される。
【0030】
そして、図1に示されているように、NF3 ガス供給管29の噴出口29aからプラズマ室25までの距離Lを増減調整することにより、NF3 ガス33の分解の度合いは広い範囲で適正に制御することができる。例えば、距離Lを小さく設定してプラズマ室25に吹き込まれるNF3 ガス33の量を増加させることにより、NF3 ガス33の分解の度合いが大きくなるように制御することができる。反対に、距離Lを大きく設定してプラズマ室25に吹き込まれるNF3 ガス33の量を減少させることにより、NF3 ガス33の分解の度合いは小さくなるように制御することができる。ちなみに、この距離Lの調整は、ウエハ1の除去すべき自然酸化膜3の推定体積と、ウエハ1に形成された除去すべきでない酸化膜(SiO2 )の面積との関係、混合ガス31やNF3 ガス33の供給量等々の諸条件に対応して実験やコンピュータによるシミュレーション等の経験的手法により、適宜に求めることが望ましい。
【0031】
前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。
【0032】
1) 自然酸化膜の除去作用に大きく寄与するNF3 ガスの分解の度合いを適正に制御することにより、自然酸化膜とシリコンとの間のエッチング選択比を八倍以上に設定することができるため、自然酸化膜を確実に除去することができる。例えば、自然酸化膜を毎分3Å以上のエッチングレートで削ることができる。
【0033】
2) 自然酸化膜の除去作用に大きく寄与するNF3 ガスの分解の度合いを適正に制御することにより、ウエハやプロセスチューブおよびボート等にプラズマダメージが発生するのを防止することができる。
【0034】
3) NF3 ガス供給管の噴出口からプラズマ室までの距離Lを調整することにより、NF3 ガスの分解の度合いを広い範囲で適正に制御することができるため、あらゆる処理条件に対応して自然酸化膜を確実に除去することができる。
【0035】
4) 自然酸化膜除去ガスをボートに並べられたウエハ群の主面と平行方向に導入することにより、自然酸化膜除去ガスをウエハの主面全体にわたって均等に接触させることができるため、ウエハの自然酸化膜を全体にわたって均一に除去することができる。
【0036】
5) ウエハを保持したボートをターンテーブルによって回転させることにより、自然酸化膜除去ガスをウエハの全面に均等に接触させることができるため、ウエハの自然酸化膜を均一に除去することができる。
【0037】
6) 例えば、前処理洗浄された後にウエハの表面に生成された自然酸化膜を除去してからウエハにCVD膜を形成することにより、CVD膜に対する自然酸化膜の悪影響を確実に防止することができるため、CVD装置の性能および信頼性を高めることができ、ひいては、そのCVD装置によって処理されたウエハによる半導体装置の品質および信頼性並びに歩留りを高めることができる。
【0038】
図3は本発明の他の実施の形態に係る枚葉式自然酸化膜除去装置の縦断面図である。
【0039】
本実施の形態が前記実施の形態と異なる点は、ウエハを枚葉処理するように構成されている点である。すなわち、本実施の形態に係る枚葉式自然酸化膜除去装置10Aにおいては、プロセスチューブ11Aが高さの低い処理室12Aを形成するように短尺円筒形状に形成されており、処理室12Aの底面の上に設置されたターンテーブル13Aにはボートの代わりに二枚のウエハ1、1を保持する保持台15Aが設置されている。35はランプからなるヒートユニットである。
【0040】
本実施の形態によれば、前記実施の形態と同様の作用および効果が奏される。すなわち、NF3 ガス33がガス導入管23においてプラズマ室25に向けて噴出されることにより、ガス導入管23およびプラズマ室25に送り込まれて混合ガス31による活性ガス種32によって間接的に活性化されるため、ウエハ1にプラズマダメージが発生したりエッチングの選択性が得られなかったりする現象を防止することができる。
【0041】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【0042】
例えば、NF3 ガス供給管はガス導入管に図1に示されているように挿入するに限らず、図4(a)、(b)、(c)に示されているように挿入してもよい。
【0043】
図4(a)はNF3 ガス供給管29Aがガス導入管23の処理室12側の端から中心線に沿って挿入された例を示している。
ここで、図4(a)の実施の形態によるNF3 ガス供給管29Aの噴出口からプラズマ室25までの距離Lと、エッチングレート(エッチング速度)との関係を究明する実験例を示す。プラズマ発生装置26のμ波電力が1800W、H2 ガスの流量が400cc/分、N2 ガスの流量が300cc/分、NF3 ガスの流量が1000cc/分、処理室12の圧力が120Pa、ウエハの温度が40℃以下であるプロセス条件において、NF3 ガス供給管29Aの噴出口からプラズマ室25までの距離Lが205mmの時にはエッチングレートは3.3Å/分、距離Lが227mmの時にはエッチングレートは2.5Å/分、距離Lが268mmの時にはエッチングレートは1.7Å/分であった。この実験例により、充分なエッチングレートが得られ、かつ、Lの値を選定することによってエッチングレートを調整し得ることが検証された。
【0044】
図4(b)はNF3 ガス供給管29Bがガス導入管23に対して傾斜角Θをもって挿入された例を示している。この例においては、NF3 ガス供給管29Bのガス導入管23に対する傾斜角Θを増減調整することにより、NF3 ガス33の分解の度合いを広い範囲で適正に制御することができる。
【0045】
図4(c)はNF3 ガス供給管29Cがガス導入管23の中心線に直交するように挿入された例を示している。
図4(c)の実施の形態において、図4(a)と同一のプロセス条件で、NF3 ガス供給管29Cの噴出口からプラズマ室25までの距離Lと、エッチングレート(エッチング速度)との関係を究明したところ、距離Lが210mmの時にはエッチングレートは0.3Å/分であり、エッチングが可能であることが検証された。しかし、NF3 ガス供給管29Cを処理室12へ向けて流した場合には、エッチングが殆ど起きなかった。これは、NF3 ガス33が即座に排気され、活性化されたH2 ガスとN2 ガスとの混合ガス31の滞在時間が短くなり、エネルギ交換が殆どなされなかったことが原因であると、考えられる。
【0046】
前記実施の形態ではウエハに熱処理が施される場合について説明したが、被処理基板はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
【0047】
被活性ガスとしてはNF3 ガスを使用するに限らず、三弗化塩素(ClF3 )、四弗化炭素(CF4 )、六弗化炭素(C26 )等や他のハロゲンガスを使用してもよい。
【0048】
以上説明したように、前記した実施の形態によれば、プラズマダメージの発生を防止し、被処理基板の自然酸化膜を確実に除去することができる。
【0049】
以下、本発明の第三の実施の形態を図面に即して説明する。
【0050】
本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、基板としてのウエハの表面に形成された自然酸化膜をリモートプラズマクリーニング方式によって除去する自然酸化膜除去装置として、図5および図6に示されているように構成されており、この自然酸化膜除去装置40は複数枚のウエハ1を一括してバッチ処理するものとして構成されている。
【0051】
図5および図6に示されているように、ウエハをバッチ処理する自然酸化膜除去装置(以下、バッチ式自然酸化膜除去装置という。)40は自然酸化膜除去処理を実施するための処理室42を形成したプロセスチューブ41を備えている。プロセスチューブ41は真空を保つことが可能な気密構造の略直方体の箱形状に形成されており、中心線が垂直になるように縦に設置されている。プロセスチューブ41の下端閉塞壁にはボート搬入搬出口43が開設されており、ボート搬入搬出口43はボートエレベータ(図示せず)によってプロセスチューブ41に対して昇降されるシールキャップ44により開閉されるようになっている。シールキャップ44の下面にはロータリーアクチュエータ45が設置されており、ロータリーアクチュエータ45の出力軸である回転軸はシールキャップ44の中心を貫通されて処理室42に挿入されている。ロータリーアクチュエータ45の回転軸の上端にはターンテーブル46が水平に配されて一体回転するように支持されている。
【0052】
図5に示されているように、ターンテーブル46の上には複数枚のウエハ1を保持するためのボート47が一体回転するように設置されており、ボート47はウエハ1に金属汚染等の悪影響を及ぼさないように石英やアルミナ、窒化アルミニウム(AlN)等のセラミックによって形成されている。ボート47は上側端板47aおよび下側端板47bと、両端板47aと47bとの間に架設されて垂直に配設された複数本(本実施の形態では三本)の保持部材47cとを備えており、各保持部材47cには保持溝47dが複数条、長手方向に等間隔に配されて互いに同一平面内において開口するようにそれぞれ刻設されている。ウエハ1は各保持溝47d間に挿入されて水平かつ互いに中心が揃った状態で整列されて保持されるようになっており、ボート47の下側端板47bはターンテーブル46の上面に着脱自在に据え付けられるようになっている。
【0053】
図5および図6に示されているように、プロセスチューブ41の一枚の側壁には排気口部50が処理室42に連通してプロセスチューブ41の高さ方向に略一杯に形成されており、排気口部50には処理室42を排気する排気管51が接続されている。
【0054】
プロセスチューブ41の排気口部50に対向する側壁にはガス導入口部52が処理室42に連通してプロセスチューブ41の高さ方向に略一杯に形成されており、ガス導入口部52の高さ方向の中間部にはガス導入管53の一端がガスを処理室42へ水平方向に導入するように接続されている。ガス導入管53の他端には活性化した自然酸化膜除去ガス54を供給するためのリモートプラズマユニット55が接続されており、リモートプラズマユニット55はNF3 ガスを高周波等の手段を用いて活性化するように構成されている。
【0055】
ガス導入口部52のガス吹出口側には自然酸化膜除去ガス54を分散させてウエハ1に平行に流通させる分散手段としての分散板57が設置されており、この分散板57によってガス導入口部52の分散板57よりも上流側領域には、自然酸化膜除去ガス54の流れを分散させるバッファ部56が形成されている。分散板57には図7(a)に示されているように縦に長い長孔(スリット)によって構成されたガス吹出口58が開設されており、ガス吹出口58から自然酸化膜除去ガスが処理室42に上下方向に分散して吹き出されるようになっている。分散板57はボート47に保持されたウエハ1の外周からの距離Lが50mm以内に設定されている。分散板57はガスの流れを分散させるバッファ部56を形成する役目を果たすだけでなく、イオンやラジカルのエネルギを制御する役目を果たすようになっている。
【0056】
また、排気口部50のガス吸込口側には排気を上下方向において均等にするためのコンダクタンスプレート59が設置されており、コンダクタンスプレート59には縦に長い長孔によって構成されたガス吸込口59aが開設されている。コンダクタンスプレート59も分散板57に対応してボート47に保持されたウエハ1の外周からの距離Lが50mm以内に設定されている。
【0057】
次に、前記構成に係るバッチ式自然酸化膜除去装置の作用を説明する。
【0058】
自然酸化膜3を除去すべき複数枚のウエハ1はボート47に処理室42の外部においてウエハ移載装置(図示せず)によって装填(チャージング)され、その後に、ボート47が処理室42へボート搬入搬出口43から搬入(ローディング)される。図5および図6に示されているように、ボート搬入搬出口43がシールキャップ44によって閉じられて処理室42が気密に維持された状態で、処理室42が排気管51によって排気され、ボート47を支持したターンテーブル46がロータリーアクチュエータ45によって回転される。
【0059】
一方、リモートプラズマユニット55からは活性化されたNF3 ガスからなる自然酸化膜除去ガス54がガス導入口部52へ、処理室42の排気力およびリモートプラズマユニット55の給気力によって導入される。ガス導入口部52に導入された自然酸化膜除去ガス54はバッファ部56において全体的に均等に分散し、長孔からなるガス吹出口58から処理室42に上下方向に均等に分散して流れ込む。この際、活性化された自然酸化膜除去ガス54は分散板57によって流れを分散されるとともに、イオンやラジカルのエネルギを減衰する傾向に制御される。ちなみに、排気口部50に敷設されたコンダクタンスプレート59は排気管51の排気力を全体にわたって均等に分散することによって、自然酸化膜除去ガス54の流れの均等化に寄与する。
【0060】
処理室42に流れ込んだ自然酸化膜除去ガス54はボート47に保持されたウエハ1に接触することにより、その表面の自然酸化膜と良好な選択比をもって反応して自然酸化膜を除去する。この際、自然酸化膜除去ガス54は分散板57によって分散されることにより処理室42において全体的に均等に流通するため、ボート47に保持された複数枚のウエハ1にボート47の全高にわたって均一に接触し、かつまた、ウエハ1を保持したボート47がターンテーブル46によって回転されているため、自然酸化膜除去ガス54は各ウエハ1の面内において均等に接触する。したがって、複数枚がボート47に縦に並べられて保持されているウエハ1に形成された自然酸化膜であっても、全体にわたって均等に除去されることになる。
【0061】
また、リモートプラズマユニット55によって活性化された自然酸化膜除去ガス54のイオンやラジカルのエネルギは分散板57によって減衰される傾向に制御されているため、この自然酸化膜除去ガス54がウエハ1に接触してもウエハ1にプラズマダメージが発生したりエッチングの選択性が得られなかったりする現象が発生することはない。
【0062】
ところで、処理室の側壁内周面が円周形状に形成されていると、自然酸化膜除去ガス54は処理室の円周形状の内周面に沿って流れるため、処理室の側壁内面はウエハとの間隔を少なくした同心円の円周形状に形成した方がよい。しかし、処理室の側壁内周面とウエハとの間隔を少なくすることはボートの設置精度の調整を難しくすることになる。
【0063】
本実施の形態においては、分散板57およびコンダクタンスプレート59がウエハ1の外周からの間隔Lが50mm以下にそれぞれ設定されていることにより、処理室42の側壁内周面を円周形状に形成しなくても、また、処理室42の側壁内周面とウエハ1との間隔を小さく設定しなくても、自然酸化膜除去ガス54を効率よく流通させることができるとともに、ウエハ面内の中央部に供給することができる。したがって、自然酸化膜除去ガス54の自然酸化膜の除去レートの低下を防止することができるとともに、自然酸化膜の除去の均一性を高めることができる。しかも、処理室42の側壁内周面とウエハ1との間隔を小さく設定しなくても済むため、ボート47の設置精度の調整作業が困難になるのを回避することができる。
【0064】
以上の自然酸化膜を除去するために設定された処理時間が経過すると、リモートプラズマユニット55による自然酸化膜除去ガス54の供給が停止されるとともに、ターンテーブル46の回転が停止される。また、処理室42の残留ガスは処理室42が排気管51によって排気されることにより排出される。
【0065】
残留ガス排出時間が経過すると、処理済みのウエハ1を保持したボート47はシールキャップ44の下降によって処理室42の外部へ搬出(アンローディング)される。ボート47に保持された処理済みのウエハ1はボート47からウエハ移載装置によって脱装(ディスチャージング)される。
【0066】
以降、前述した作用が繰り返されて複数枚のウエハ1がバッチ式自然酸化膜除去装置40によってバッチ処理されて行く。
【0067】
前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。
【0068】
1) 自然酸化膜除去ガスを分散板によって分散させて処理室に全体にわたって均等に流通させることにより、自然酸化膜除去ガスを複数枚のウエハにボートの全高にわたって均一に接触させることができるため、複数枚がボートに縦に並べられて保持されているウエハに形成された自然酸化膜であっても、全体にわたって均等に除去することができる。つまり、ウエハに形成された自然酸化膜の除去作業を複数枚のウエハについて一括してバッチすることができ、その結果、ウエハに形成された自然酸化膜の除去作業のスループットをウエハを枚葉処理する場合に比べて高めることができる。
【0069】
2) リモートプラズマユニットによって活性化された自然酸化膜除去ガスのイオンやラジカルのエネルギを分散板によって減衰させる傾向に制御することにより、この自然酸化膜除去ガスがウエハに接触したときのウエハのプラズマダメージの発生やエッチングの選択性の低下を防止することができるため、自然酸化膜を適正に除去することができる。
【0070】
3) 分散板のウエハの外周からの距離Lを50mm以内に設定して、活性化された自然酸化膜除去ガスのイオンやラジカルのエネルギを制御することにより、自然酸化膜とシリコンとの間のエッチング選択比を八倍以上に設定することができるため、自然酸化膜を確実に除去することができる。例えば、自然酸化膜を毎分3Å以上のレートで除去することができる。
【0071】
4) 分散板をウエハの外周からの間隔Lが50mm以下に設定することにより、処理室の側壁内周面を円周形状に形成しなくても、また、処理室の側壁内周面とウエハとの間隔を小さく設定しなくても、自然酸化膜ガスを効率よく流通させることができるため、自然酸化膜除去ガスの自然酸化膜の除去レートの低下を防止することができるとともに、自然酸化膜の除去の均一性を高めることができる。しかも、処理室の側壁内周面とウエハとの間隔を小さく設定しなくても済むため、ボートの設置精度の調整作業が困難になるのを回避することができる。
【0072】
5) 自然酸化膜除去ガスをボートに並べられたウエハ群の主面と平行方向に導入することにより、自然酸化膜除去ガスをウエハの主面全体にわたって均等に接触させることができるため、ウエハの自然酸化膜を全体にわたって均一に除去することができる。
【0073】
6) ウエハを保持したボートをターンテーブルによって回転させることにより、自然酸化膜除去ガスをウエハの全面に均等に接触させることができるため、ウエハの自然酸化膜を均一に除去することができる。
【0074】
7) 例えば、前処理洗浄された後にウエハの表面に生成された自然酸化膜を除去してからウエハにCVD膜を形成することにより、CVD膜に対する自然酸化膜の悪影響を確実に防止することができるため、CVD装置の性能および信頼性を高めることができ、ひいては、そのCVD装置によって処理されたウエハによる半導体装置の品質および信頼性並びに歩留りを高めることができる。
【0075】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【0076】
例えば、分散板のガス吹出口は、図7(a)に示されているように縦に長い長孔からなるガス吹出口58によって構成するに限らず、図7(b)に示されている分散板57Bの場合のように、円形の小孔からなる複数個のガス吹出口58Aによって構成してもよい。
【0077】
また、一枚の分散板を敷設するに限らず、図7(c)に示されているように、二枚の分散板57A、57Aを平行に並べて敷設してもよい。敷設する分散板は二枚に限らないし、例えば、長孔からなるガス吹出口58を有する分散板57と、複数個の小孔からなるガス吹出口58Aを有する分散板57Aとのように互いに異なる構造の分散板を敷設してもよい。さらに、複数枚の分散板は平行に敷設するに限らず、互いに傾斜させて敷設してもよい。
【0078】
このように分散板のガス吹出口の形状やサイズおよび大きさ、また、分散板の敷設の枚数や配置間隔および傾斜角度等々の諸条件を選択することにより、自然酸化膜除去ガスの分散状況およびイオンやラジカルのエネルギの制御状況等を適宜に設定することができるため、自然酸化膜除去ガスによる自然酸化膜に対する選択比や除去の均一性等を適宜に制御することができる。
【0079】
さらに、図8に示されているように、ガス導入管53を処理室42に垂直方向に延在するように挿入し、このガス導入管53の挿入部の管壁にガス吹出口58Bを開設してもよい。この場合においても、自然酸化膜除去ガス54はボート47に保持された複数枚のウエハ1に全高にわたって均等に供給されるとともに、ウエハ1の面内において均一に接触するため、前記実施の形態と同様の作用および効果が奏される。
【0080】
ところで、自然酸化膜が成長した後のウエハにおいては、HSG(HemiSpheicalpoly Sylicon )膜は成長し難いため、HSG膜の成膜前には自然酸化膜を除去することが必要になる。しかし、自然酸化膜除去装置によって自然酸化膜が除去された後に、ウエハが大気に一旦晒されてしまうと、HSG膜を成膜するための基板処理装置(例えば、CVD装置)において成膜処理してもHSG膜が成長しない状況が発生する。原因ははっきり解明されていないが、自然酸化膜を除去した際に、ウエハの表面に副生成物が付着してしまい、その副生成物が大気中の成分と反応し、HSG膜の成長を妨げていると、考えられる。そこで、その副生成物が大気中の成分と反応する前に、自然酸化膜の除去の処理室において副生成物を昇華させることが望ましい。
【0081】
図9に示されているバッチ式自然酸化膜除去装置40Aはその副生成物を大気に晒す前に処理室42において昇華させることができるように構成したものであり、ランプヒータ60が石英ガラスからなる照射窓61を透過して処理室42を加熱するように設置されている点が、前記実施の形態と異なる。
【0082】
本実施の形態においては、自然酸化膜除去ガス54による処理が終了した後に、処理室42がランプヒータ60によって石英ガラスからなる照射窓61を透過して80℃以上に加熱されることにより、ウエハ1に付いた副生成物が昇華される。ちなみに、この加熱処理により、次の工程であるHSG膜の成膜工程において、HSG膜が適正に成長することが確認されている。さらに、同じ処理室42においてウエハ1を水素終端処理すると、自然酸化膜除去の状態はより一層安定する。
【0083】
なお、前記実施の形態においては、ウエハを加熱するのにランプヒータを使用した場合につき説明したが、抵抗加熱ヒータ等の加熱手段を使用してもよい。
【0084】
前記実施の形態においては自然酸化膜を除去する処理室に加熱手段を設置した場合について説明したが、自然酸化膜除去後の大気に晒される前に副生成物を除去すればよい訳であるから、加熱手段を自然酸化膜除去ガスが供給される処理室とは別の処理室に設置するとともに、両方の処理室間を真空または不活性ガス雰囲気によって連絡し、ウエハを自然酸化膜除去ガスによる処理室から加熱処理室へ搬送するように構成してもよい。
【0085】
前記実施の形態ではウエハに熱処理が施される場合について説明したが、被処理基板はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板に生成された自然酸化膜を良好なスループットをもって全体的に均一に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態であるバッチ式自然酸化膜除去装置を示す縦断面図である。
【図2】自然酸化膜除去作用を説明するための各説明図である。
【図3】本発明の他の実施の形態に係る枚葉式自然酸化膜除去装置を示す縦断断面である。
【図4】供給管の他の実施の形態を示す各部分断面図である。
【図5】本発明の他の実施の形態であるバッチ式自然酸化膜除去装置を示す縦断面図である。
【図6】その横断面図である。
【図7】分散板の他の実施の形態を示す各斜視図である。
【図8】本発明の他の実施の形態であるバッチ式自然酸化膜除去装置を示す縦断面図である。
【図9】本発明の他の実施の形態であるバッチ式自然酸化膜除去装置を示す横断面図である。
【符号の説明】
1…ウエハ(基板)、2…コンタクトホール、3…自然酸化膜、4…表面処理膜、5…Si面、10…バッチ式自然酸化膜除去装置(基板処理装置)、11…プロセスチューブ、12…処理室、13…ターンテーブル、14…ロータリーアクチュエータ、15…ボート、16…上側端板、17…下側端板、18…保持部材、19…保持溝、20…排気口部、21…排気管、22…ガス導入口部、23…ガス導入管、24…プラズマ、25…プラズマ室、26…プラズマ発生装置、27…H2 ガス供給源、28…N2 ガス供給源、29…被活性ガス供給管、29a…NF3 ガス噴出口、30…NF3 ガス供給源、31…混合ガス、32…活性ガス種、33…NF3 ガス(被活性ガス)、34…自然酸化膜除去ガス、10A…枚葉式自然酸化膜除去装置、11A…プロセスチューブ、12A…処理室、13A…ターンテーブル、15A…保持台、35…ヒータユニット、29A、29B、29C…供給管、40…バッチ式自然酸化膜除去装置(基板処理装置)、41…プロセスチューブ、42…処理室、43…ボート搬入搬出口、44…シールキャップ、45…ロータリーアクチュエータ、46…ターンテーブル、47…ボート、47a…上側端板、47b…下側端板、47c…保持部材、47d…保持溝、50…排気口部、51…排気管、52…ガス導入口部、53…ガス導入管、54…自然酸化膜除去ガス、55…リモートプラズマユニット、56…バッファ部、57、57A、57B…分散板(分散手段)、58、58A、58B…ガス吹出口、59…コンダクタンスプレート、59a…ガス吸込口、60…ランプヒータ(加熱手段)、61…照射窓。

Claims (6)

  1. プラズマ室でプラズマ放電された活性ガスに前記プラズマ室の出力側に設けられたガス導入管において被活性ガスが衝突されることにより、前記被活性ガスが活性化されて生成された自然酸化膜除去ガスが、ガス導入管を通じて処理室へ供給されて、前記処理室内の半導体ウエハの自然酸化膜が除去される基板処理装置であって、
    前記プラズマ室には水素ガスを供給する水素ガス供給源と、窒素ガスを供給する窒素ガス供給源とがそれぞれ接続されており、前記ガス導入管のガス導入口部と前記プラズマ室との間には被活性ガス供給管の一端部が挿入されており、該被活性ガス供給管の他端にはハロゲンガスを供給するハロゲンガス供給源が接続されており、
    前記被活性ガスは被活性ガス供給管から前記ガス導入管へ供給され、前記被活性ガス供給管の前記被活性ガスの噴出口は、前記被活性ガスを前記ガス導入管を流れるプラズマ放電によって活性化されたガスに向けて噴出するように構成されていることを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記被活性ガス供給管の前記ガス導入管への挿入端部はL字形状に屈曲されており、前記被活性ガス噴出口は前記ガス導入管の中心線上において前記プラズマ放電によってガスが活性化される領域へ向けられていることを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
  3. 前記被活性ガス噴出口から前記プラズマ放電によってガスが活性化される領域までの距離を増減調整することを特徴とする請求項1または2に記載の基板処理装置。
  4. 前記プラズマ放電によって活性化されたガスは水素ガスと窒素ガスまたはアンモニアガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項1、2または3に記載の基板処理装置。
  5. プラズマ室でプラズマ放電された活性ガスに前記プラズマ室の出力側に設けられたガス導入管において被活性ガスが衝突されることにより、前記被活性ガスが活性化されて生成された自然酸化膜除去ガスが、ガス導入管を通じて処理室へ供給されて、前記処理室内の半導体ウエハの自然酸化膜が除去される基板処理方法であって、
    前記プラズマ放電によって活性化されたガスは水素ガスと窒素ガスまたはアンモニアガスとの混合ガスであり、前記被活性ガスがハロゲンガスであり、
    前記被活性ガスを被活性ガス供給管から前記ガス導入管へ供給し、該被活性ガスを前記ガス導入管を流れるプラズマ放電によって活性化されたガスに向けて噴出させることを特徴とする基板処理方法。
  6. 前記被活性ガスの噴出を停止した後に、前記半導体ウエハを加熱し、前記自然酸化膜を昇華によって除去するステップを備えていることを特徴とする請求項に記載の基板処理方法。
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