JP4401479B2

JP4401479B2 - Gas processing method

Info

Publication number: JP4401479B2
Application number: JP20135799A
Authority: JP
Inventors: 林大槻; 豊三浦
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2019-07-15
Also published as: JP2001026875A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＶＤ成膜等のガス処理を行うガス処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）に配線パターンを形成するために、あるいは配線間のホールを埋め込むために、Ｗ（タングステン）、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＴｉＳｉ（チタンシリサイド）等の金属あるいは金属化合物を堆積させて薄膜を形成している。
【０００３】
これらの中で、ＷＳｉを成膜する際には、処理ガスとして例えばＷＦ_６（六フッ化タングステン）とＳｉＨ_４（シラン）またはＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロルシラン）とが用いられる。また、キャリアガスとしてＡｒが用いられている。
【０００４】
ＷＳｉ膜を成膜する際には、上記処理ガスをキャリアガスによりキャリアさせてチャンバー内に導入し、チャンバー内のウエハを加熱することにより処理ガスを反応させる。この際に、初期段階においてＷＦ_６の流量を厳密に制御して所望のニュークリエーション膜を形成することにより膜質の向上を図っており、このため、流量を厳密に制御することが可能なニュークリエーション膜用のＷＦ_６ガスラインと通常のＷＦ_６ガスラインとを設けている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらガスラインを切換えた際、従前のガスラインのバルブ下流側部分のＷＦ_６ガス残存量が多い場合には、この残存ガスがキャリアガスによって吸い出され、チャンバー内には制御外の処理ガスが供給されることとなり、形成された膜が所要の膜質とならない場合が生じる。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、処理ガスラインからの処理ガスの供給を停止した際に、処理ガスライン内に処理ガスが残存し難いガス処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、処理ガスを供給する処理ガスラインと、処理ガスをキャリアするキャリアガスを供給するキャリアガスラインと、被処理基板が配置され、キャリアガスによってキャリアされた処理ガスが導入されるチャンバーとを有し、前記処理ガスラインは、前記キャリアガスラインの直線部に合流するように設けられ、かつ、前記処理ガスラインは、前記キャリアガスラインとの合流点から離れた位置にバルブを有するガス処理装置を用いて基板に対してガス処理を行うガス処理方法であって、前記キャリアガスとして分子量が３０以下のものを用い、前記バルブを閉じて処理ガスの供給を停止した際に、前記キャリアガスラインに流れる前記キャリアガスにより前記処理ガスラインの前記バルブよりも下流側の部分からの残存ガスの流出を促進させることを特徴とするガス処理方法を提供する。
【０００８】
図１は処理ガスとキャリアガスが混合する部分の代表的な構造を示す模式図であるが、この図に示すように、処理ガスライン１とキャリアガスライン２の合流点において、処理ガスを停止した場合に、処理ガスライン１のバルブ３の下流側の残存ガスは、キャリアガスと混合して下流に流出する。この場合に、本発明者らの検討結果によれば、残存した処理ガスがキャリアガスと混合して下流側に流れるのは、キャリアガスと処理ガスの相互拡散が原因であり、その程度は拡散係数に依存する。つまり、拡散係数が大きいほどキャリアガスによる残存処理ガスの流出効果が大きい。ここで、拡散係数はキャリアガスの分子量および処理ガスの分子量が小さくなるほど大きくなるから、キャリアガスとして分子量の小さいものを使用するほど残存処理ガス流出効果が大きくなる。従来はこのような観点からの検討は行われておらず、従来キャリアガスとして用いられているＡｒガスは、分子量が３９．９４８と比較的大きく、処理ガスが残存しやすかったが、本発明のようにキャリアガスとして分子量が３０以下のものを用いることにより、従来よりも処理ガスラインに処理ガスを残存し難くすることができる。
【０００９】
本発明において、前記処理ガスラインの処理ガスの供給を前記バルブを閉じて停止した際に、前記処理ガスラインのバルブより下流側のいずれの部分においても残存する処理ガスの濃度がその部分のガス全体に対して１％以下であることが好ましい。このような範囲であれば、残存ガスがプロセスに悪影響を与えない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
図２は、本発明の実施に用いられるＣＶＤ装置を模式的に示す断面図であり、ＷＳｉ膜成膜用のものを示す。
【００１２】
図２に示すように、ＣＶＤ装置１００は、例えばアルミニウム等により円筒状に形成されたチャンバー１１を有しており、その上に蓋体１２が設けられている。このチャンバー１１内には、チャンバー１１の底部から起立させた支持部材１３上に、保持部材１４を介してウエハＷを載置する載置台１５が設けられている。なお、この支持部材１３の径方向内側は、熱線を反射するように形成されており、載置台１５は、厚さ２ｍｍ程度の例えばカーボン素材、セラミックス等で形成されている。
【００１３】
この載置台１５の下方には、ウエハＷを載置台１５から持ち上げるためのリフトピン１６が例えば３本設けられており、このリフトピン１６は、保持部材１７を介して押し上げ棒１８に支持されていて、この押し上げ棒１８がアクチュエータ１９に連結している。これにより、アクチュエータ１９が押し上げ棒１８を昇降させると、押し上げ棒１８および保持部材１７を介してリフトピン１６が昇降し、ウエハＷが昇降するようになっている。このリフトピン１６は、熱線を透過する材料、例えば石英により形成されている。また、リフトピン１６に一体的に支持部材２０が設けられており、この支持部材２０にシールドリング２１が取り付けられている。このシールドリング２１は、後述するハロゲンランプ２６の熱線が上方に照射されることを防止するとともに、クリーニング時にクリーニングガスの流路を確保する機能を有している。載置台１５には、さらに、ウエハＷの加熱時にウエハＷの温度を計測するための熱電対２２が埋設されており、この熱電対２２の保持部材２３が支持部材１３に取付けられている。
【００１４】
載置台１５の真下のチャンバー底部には、石英等の熱線透過材料よりなる透過窓２４が気密に設けられており、その下方には、透過窓２４を囲むように箱状の加熱室２５が設けられている。この加熱室２５内には、例えば４個のハロゲンランプ２６が反射鏡をも兼ねる回転台２７に取付けられており、この回転台２７は、回転軸２８を介して加熱室２５の底部に設けられた回転モータ２９により回転されるようになっている。したがって、このハロゲンランプ２６から放出された熱線は、透過窓２４を透過して載置台１５の下面を照射してこれを加熱し得るようになっている。この加熱室２５の側壁には、この室内や透過窓２４を冷却するための冷却エアを導入する冷却エア導入口３０およびこのエアを排出するための冷却エア排出口３１が設けられている。
【００１５】
載置台１５の外周側には、多数の整流孔を有するリング状の整流板３２が、環状に形成した支持コラム３３の上端に設けられた水冷プレート３４に載置されている。この水冷プレート３４の内周側には、上方の処理ガスが下方に流れることを防止するためのリング状の石英製またはアルミニウム製のアタッチメント３５が設けられている。これら整流板３２、水冷プレート３４およびアタッチメント３５の下側には、成膜処理時、処理ガスと反応しない不活性ガス例えば窒素ガス等をバックサイドガスとして供給し、これにより、処理ガスが載置台１５の下側に回り込んで余分な成膜作用を及ぼすことを防止している。
【００１６】
また、チャンバー１１の底部の四隅には、排気口３６が設けられており、この排気口３６には、図示しない真空ポンプが接続されている。これにより、チャンバー１内は、例えば１００Ｔｏｒｒ〜１０^−６Ｔｏｒｒの真空度に維持し得るようになっている。
【００１７】
チャンバー１１の天井部には、処理ガス等を導入するためのシャワーヘッド４０が設けられている。このシャワーヘッド４０は、蓋体１２に嵌合して形成されたシャワーベース４１を有しており、このシャワーベース４１の上部中央には、処理ガス等を通過させるオリフィスプレート４２が設けられている。さらに、このオリフィスプレート４２の下方に、２段の拡散プレート４３，４４が設けられており、これら拡散プレート４３，４４の下方に、シャワープレート４５が設けられている。オリフィスプレート４２の上側にはガス導入部材４６が配置されており、このガス導入部材４６にはガス導入口４７が設けられている。このガス導入口４７にはチャンバー１１内へ処理ガス等を供給するガス供給機構５０が接続されている。
【００１８】
ガス供給機構５０は、第１のＷＦ_６ガス供給源５１、キャリアガス供給源５２、第２のＷＦ_６ガス供給源５３、ＳｉＨ_４ガスまたはＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガス供給源５４を有しており、第１のＷＦ_６ガス供給源５１にはガスライン５５、キャリアガス供給源５２にはガスライン５６、第２のＷＦ_６ガス供給源５３にはガスライン５７、ＳｉＨ_４ガスまたはＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガス供給源５４にはガスライン５８が接続されている。ガスライン５５にはマスフローコントローラ５９とその前後の開閉バルブ６０，６１とが設けられ、ガスライン５６にはマスフローコントローラ６２とその前後の開閉バルブ６３，６４とが設けられ、ガスライン５７にはマスフローコントローラ６５とその前後の開閉バルブ６６，６７とが設けられ、ガスライン５８にはマスフローコントローラ６８とその前後の開閉バルブ６９，７０とが設けられている。処理ガスラインであるガスライン５５，５７，５８は、キャリアガスラインであるガスライン５６に合流するようになっており、これらが合流し、ガスライン５６に連続するガスライン７１が上述のガス導入口４７に接続されている。本発明では後述するように、キャリアガス供給源５２から供給されるキャリアガスとして分子量が３０以下のものを用いる。
【００１９】
このように構成されるＣＶＤ装置１００により、ウエハＷの表面にＷＳｉ膜を成膜する際には、まず、チャンバー１１の側壁に設けられた図示しないゲートバルブを開いて搬送アームによりチャンバー１１内にウエハＷを搬入し、リフトピン１６を押し上げることによりウエハＷをリフトピン１６側に受け渡し、押し上げ棒１８を降下させることによりリフトピン１６を押し下げて、ウエハＷを載置台１５上に載置する。
【００２０】
次いで、排気口３６から内部雰囲気を吸引排気することによりチャンバー１１内を所定の真空度例えば０．１Ｔｏｒｒ〜８０Ｔｏｒｒの範囲内の値に設定し、後述するようにしてガス供給源５０からシャワーヘッド４０を介してチャンバー１１内に処理ガスであるＷＦ_６ガスおよびＳｉＨ_４ガスを導入し、これと同時に加熱室２５内のハロゲンランプ２６を回転させながら点灯し、ハロゲンランプ２６からの熱線を載置台１５に照射する。これにより、所定の反応が生じてウエハＷ上にＷＳｉ膜が成膜される。
【００２１】
次に、ガス供給機構５０による処理ガスの供給について詳細に説明する。
上述したように、ガス供給機構５０から処理ガスを供給する際には、キャリアガス供給源５２からガスライン５６にキャリアガスを流しつつ、まず第１のＷＦ_６ガス供給源５１から、高精度のマスフローコントローラ５９で厳密に流量を制御しつつ、ニュークリエーションのためのＷＦ_６ガスをガスライン５５に流すとともに、ＳｉＨ_４ガスまたはＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガス供給源５４からもう一方の処理ガスであるＳｉＨ_４ガスまたはＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスをガスライン５８に流す。ガスライン５５からのＷＦ_６ガスおよびガスライン５８からのＳｉＨ_４ガスまたはＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスはガスライン５６に合流してキャリアガスにキャリアされ、ガスライン７１およびシャワーヘッド４０を介してチャンバー１１内に供給される。
【００２２】
所定時間経過後、ガスライン５５のバルブ６１が閉じられ、第１のＷＦ_６ガス供給源５１からのニュークリエーション用のＷＦ_６ガスの供給が停止され、代わりに第２のＷＦ_６ガス供給源５３に接続されたガスライン５７のバルブ６７が開かれメインのＷＦ_６ガスがガスライン５７からガスライン５６に合流する。
【００２３】
この場合に、ガスライン５５のバルブ６１下流側部分にはＷＦ_６ガスが残存しており、この残存ガスを速やかに流出させないと、その部分には多量のＷＦ_６ガスが残存することとなる。この状態で、メインのＷＦ_６ガスを供給して成膜すると、残存ガスがキャリアガスによって徐々に吸い出され、チャンバー内には制御外の処理ガスが供給されることとなり、膜質が悪くなるおそれがある。従来はキャリアガスとしてＡｒガスが用いられており、実際にこのような問題が生じていたが、キャリアガスとして分子量が３０以下のものを用いることにより、処理ガスの残存量を少なくすることができる。
【００２４】
以下、このような結論に至ったシミュレーション結果について説明する。
図３に示すような、処理ガスとキャリアガスが混合する部分の代表的な構造を用いてシミュレーションを行った。処理ガスライン８１およびキャリアガスライン８２はいずれもφ６ｍｍであり、処理ガスライン８１のバルブ８３下流側の長さを１０ｃｍと設定した。処理ガスはバルブ８３により供給を遮断し、処理ガスライン８１のバルブ８３下流側の部分に残存しているものとした。
【００２５】
キャリアガスとしてＡｒガス、Ｈｅガスを用い、処理ガスとしてＷＦ_６，ＳｉＨ_４を用いて、これらガスの４通りの組合せで、キャリアガスの流量を５，５０、２５０，５００ｓｃｃｍとして、バルブの直下部分（図中点Ｂ）および処理ガスライン８１とキャリアガスライン８２との交点中央（図中点Ａ）における処理ガス残存濃度をシミュレーションにより求めた。なお、シミュレーションには汎用解析プログラムであるＦＬＵＥＮＴを用いた。
【００２６】
その際に用いた解析チャートの例を図４に示す。実際のチャートはガス濃度が色彩で示されており、濃度分布が明確に把握することができるようになっている。
【００２７】
また、図５にキャリアガスの流量を変化させた場合の点Ａにおける定常状態での処理ガス残存濃度を示し、図６に同じくキャリアガス流量を変化させた場合の点Ｂにおける定常状態での処理ガス残存濃度を示す。これらの図に示すように、点Ａおよび点Ｂのいずれにおいても、キャリアガスとしてＨｅガスを用いたほうがＡｒガスを用いた場合よりも処理ガスの残存濃度が約３桁低いことが確認された。
【００２８】
図４の実際のチャートから、残存した処理ガスがキャリアガスと混合して下流に流出するのは主にキャリアガスとプロセスガスの相互拡散が原因であることが把握された。このように処理ガスがキャリアガスと混合して下流に流出する原因が主にキャリアガスと処理ガスとの相互拡散にある場合、その程度は拡散係数に依存する。つまり、拡散係数が大きいほどキャリアガスによる残存処理ガスの流出効果が大きい。
【００２９】
いま、キャリアガスの分子量をＭ_Ｃ、処理ガスの分子量をＭ_Ｐとすると、拡散係数Ｄ_ＣＰは以下の（１）で表すことができる。
【００３０】
【数１】

【００３１】
ただし
Ｔ：系の温度［Ｋ］
Ｐ：系の圧力［Ｐａ］
σ_ＣＰ：レナードジョーンズポテンシャルモデルのサイズパラメータ［Ａ］
Ω_ＤＣＰ：ガス１（ここではキャリアガス（成分Ｃ））とガス２（ここでは処理ガス（成分Ｐ））の衝突により定まる衝突積分
【００３２】
ここで、成分Ｃ，Ｐのレナードジョーンズパラメータσ_Ｃおよびσ_Ｐを用いて、平均サイズパラメータσ_ＣＰと平均エネルギーパラメータε_ＣＰ／κを次の（２）、（３）式で求める。
σ_ＣＰ＝（σ_Ｃ＋σ_Ｐ）／２ ……（２）
ε_ＣＰ／κ＝（ε_Ｃ・ε_Ｐ）^１／２／κ ……（３）
次にε_ＣＰ／κより係数を求める温度Ｔに対する規格化温度Ｔ_Ｎを以下の（４）式により求める。
Ｔ_Ｎ＝Ｔ／（ε_ＣＰ／κ） ……（４）
このＴ_Ｎにより衝突積分Ω_ＤＣＰを以下の（５）式により求める。
【００３３】
【数２】

【００３４】
上記式（１）からガスの分子量が小さくなるほど拡散係数Ｄ_ＣＰが大きくなることが確認される。上述したように、拡散係数が大きいほどキャリアガスによる残存処理ガスの流出効果が大きいから、キャリアガスの分子量が小さいほど処理ガスライン中のガスがより多く流出し処理ガスの残存量が少なくなる。
【００３５】
本シミュレーションに用いたＡｒガス、Ｈｅガス、ＷＦ_６ガス、ＳｉＨ_４ガスの分子量を表１に、これらの組合せによる拡散係数Ｄ_ＣＰを表２に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
表１に示すように、Ｈｅガスの分子量はＡｒガスの分子量の約１／１０であり、それとは逆にＨｅガスを用いた場合には拡散係数は大きくなる。例えば、処理ガスとしてＷＦ_６を用いた場合、拡散係数Ｄ_ＣＰはＨｅガスでは２．９６３２×１０^−４、Ａｒガスでは５．５７８６×１０^−５であって、ＨｅガスがＡｒガスの５．３１倍となる。したがって、キャリアガスとしてＨｅガスを用いたほうが残存処理ガスの流出効果が大きい。
【００３９】
上記図５、６に示すシミュレーション結果は、このことを示すものであり、上述したように、点Ａおよび点Ｂのいずれにおいても、キャリアガスとしてＨｅガスを用いたほうがＡｒガスを用いた場合よりも処理ガスの残存濃度が約３桁低い。そして、この傾向は処理ガスとしてＷＦ_６およびＳｉＨ_４のいずれを用いた場合にも存在することから、処理ガスの種類に依存しない。また、キャリアガスが約１００ｓｃｃｍ以上では、処理ガスの残存濃度がほとんど変化せず、キャリアガスの流量に依存しないことがわかる。つまり、キャリアガスが約１００ｓｃｃｍ以上で安定した処理を行うことができる。
【００４０】
残存ガスがプロセスに悪影響を与えない観点からは、処理ガスラインの処理ガスの供給を停止した際に、処理ガスラインのバルブより下流側のいずれの部分においても残存する処理ガスの濃度がその部分のガス全体に対して１％以下であることが好ましい。図５、６を見るとキャリアガスとしてＨｅを用いた場合には、点Ａおよび点Ｂのいずれにおいても、これよりも十分に低い濃度であることがわかる。これに対してＡｒガスを用いた場合には、点Ｂにおいては残存濃度がその部分のガス全体の１％を超えており、Ａｒガスはキャリアガスとして好ましくないことが把握される。したがって、Ａｒガスよりも拡散係数が高くなるガス、つまりＡｒガスよりも分子量が小さいガスをキャリアガスとして用いることが好ましい。なお、処理ガスとしてＷＦ_６を用い、キャリアガスとしてＨｅを用いて、処理ガスラインのバルブ下流側部分の長さが１０ｃｍとしてシミュレーションを行った場合には、残存処理ガス濃度１％となる位置が、処理ガスラインおよびキャリアガスラインの交点から９４．６ｍ上流側の部分となる。つまり、残存処理ガス濃度が１％となる配管距離が著しく長いことが確認された。
【００４１】
図７に、処理ガスとしてＷＦ_６を用い、キャリアガスとして種々の不活性ガスを用いた場合における拡散係数とキャリアガスの分子量との関係を示す。この図に示すように、Ａｒガスよりも分子量が小さく、したがって拡散係数が大きい不活性ガスとしては、Ｈｅガス以外にＮ_２ガスおよびＮｅガスが存在する。これらのガスをキャリアガスとして用いれば、処理ガスラインに残存する処理ガスの濃度をＡｒガスの場合よりも小さくすることができ、処理ガスラインのバルブ下流側のいずれの部分においても残存する処理ガスの濃度がその部分のガス全体に対してほぼ１％以下にすることができると考えられる。そして、Ｎ_２ガスの分子量は約２８であるから、本発明ではキャリアガスの分子量を３０以下と規定している。
【００４２】
このように、本発明ではキャリアガスの分子量を３０以下と規定し、その範囲内に含まれるものとしては、Ｈｅガス、ＮｅガスおよびＮ_２ガスがあるが、分子量が小さいほど残存処理ガスの流出効果が大きいから、これらの中ではＨｅガスが最も好ましい。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では本発明をＷＳｉのＣＶＤ成膜に規定したが、これに限らず、他の材料、例えばＷ、Ｔｉ、ＴｉＮ等のＣＶＤ成膜に適用することができるし、また、ＣＶＤ以外の他のガス処理にも適用することができる。また、被処理基板はウエハに限られるものではなく、他の基板であってもよい。さらに、キャリアガスとしてはＨｅガス等の不活性ガスを例示したが、これに限らず、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ等の無機系ガスや気化または蒸発した有機溶媒等の有機系ガスのように、処理ガスの一部として機能するものであってもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、キャリアガスの分子量を３０以下としたことにより、処理ガスラインからの処理ガスの供給を停止した際に、処理ガスライン内の処理ガス残存濃度を低くすることができ、処理ガスラインに残存した処理ガスが処理へ悪影響を与えることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための模式図。
【図２】本発明の実施に用いられるＣＶＤ装置を模式的に示す断面図。
【図３】本発明を導いたシミュレーションの条件を示す模式図。
【図４】シミュレーション結果を示すチャート。
【図５】シミュレーション結果に基づいて点Ａにおけるキャリアガス流量と処理ガス残存濃度との関係を示すグラフ。
【図６】シミュレーション結果に基づいて点Ｂにおけるキャリアガス流量と処理ガス残存濃度との関係を示すグラフ。
【図７】拡散係数と分子量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１；処理ガスライン
２；キャリアガスライン
３；バルブ
１１；チャンバー
１５；載置台
４０；シャワーヘッド
５０；ガス供給機構
５５，５７、５８；ガスライン（処理ガスライン）
５６；ガスライン（キャリアガスライン）
６１，６４，６７，７０；バルブ
Ｗ……半導体ウエハ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas processing method for performing gas processing such as CVD film formation.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor manufacturing process, W (tungsten) or WSi (tungsten silicide) is used to form a wiring pattern on a semiconductor wafer (hereinafter simply referred to as a wafer) as an object to be processed or to fill a hole between wirings. , Ti (titanium), TiN (titanium nitride), TiSi (titanium silicide) or the like is deposited to form a thin film.
[0003]
Among these, when forming a WSi film, for example, WF ₆ (tungsten hexafluoride) and SiH ₄ (silane) or SiH ₂ Cl ₂ (dichlorosilane) are used as processing gases. Ar is used as a carrier gas.
[0004]
When forming the WSi film, the processing gas is carried by a carrier gas and introduced into the chamber, and the processing gas is reacted by heating the wafer in the chamber. At this time, in the initial stage, the flow rate of WF ₆ is strictly controlled to form a desired nucleation film, thereby improving the film quality. For this reason, the nucleation can be precisely controlled. A WF ₆ gas line for the film and a normal WF ₆ gas line are provided.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when these gas lines are switched, if there is a large amount of WF ₆ gas remaining in the downstream portion of the valve of the previous gas line, this residual gas is sucked out by the carrier gas, and the chamber is processed outside the control. Gas is supplied, and the formed film may not have the required film quality.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a gas processing method in which processing gas hardly remains in the processing gas line when supply of the processing gas from the processing gas line is stopped. And
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention includes a process gas line for supplying a processing gas, the processing gas a carrier gas for supplying a carrier gas to the carrier line, is disposed a substrate to be processed, is a carrier by a carrier gas process gas is closed and the chamber to be introduced was the process gas line is provided so as to join the straight portion of the carrier gas line, and the process gas line, joining point with the carrier gas line A gas processing method for performing gas processing on a substrate using a gas processing apparatus having a valve at a position away from the substrate , wherein the carrier gas has a molecular weight of 30 or less, and the valve is closed to process gas. When the supply is stopped, the carrier gas flowing in the carrier gas line causes a downstream side of the valve of the processing gas line. To provide a gas processing method characterized by promoting the outflow of residual gas from the frequency.
[0008]
FIG. 1 is a schematic view showing a typical structure of a portion where the processing gas and the carrier gas are mixed. As shown in this figure, the processing gas is stopped at the junction of the processing gas line 1 and the carrier gas line 2. In this case, the residual gas on the downstream side of the valve 3 of the processing gas line 1 is mixed with the carrier gas and flows downstream. In this case, according to the examination results of the present inventors, the remaining processing gas is mixed with the carrier gas and flows downstream due to mutual diffusion of the carrier gas and the processing gas, and the degree of diffusion is Depends on the coefficient. That is, the larger the diffusion coefficient, the greater the effect of the remaining processing gas flowing out by the carrier gas. Here, since the diffusion coefficient increases as the molecular weight of the carrier gas and the molecular weight of the processing gas decrease, the effect of flowing out the remaining processing gas increases as the carrier gas having a lower molecular weight is used. Conventionally, examination from such a viewpoint has not been performed, and Ar gas conventionally used as a carrier gas has a relatively large molecular weight of 39.948, and the processing gas is likely to remain. As described above, by using a carrier gas having a molecular weight of 30 or less, it is possible to make it difficult for the processing gas to remain in the processing gas line.
[0009]
In the present invention, the processing gas supply line of the process gas when stopped by closing the valve, gas concentrations portion thereof of the processing gas also remains in any portion of the downstream side of the valve of the processing gas line It is preferable that it is 1% or less with respect to the whole. Within such a range, the residual gas does not adversely affect the process.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a CVD apparatus used for carrying out the present invention, and shows a device for forming a WSi film.
[0012]
As shown in FIG. 2, the CVD apparatus 100 has a chamber 11 formed in a cylindrical shape with, for example, aluminum, and a lid 12 is provided thereon. In the chamber 11, a mounting table 15 on which a wafer W is mounted via a holding member 14 is provided on a support member 13 erected from the bottom of the chamber 11. The inner side of the support member 13 in the radial direction is formed so as to reflect heat rays, and the mounting table 15 is made of, for example, a carbon material or ceramics having a thickness of about 2 mm.
[0013]
Below the mounting table 15, for example, three lift pins 16 for lifting the wafer W from the mounting table 15 are provided. The lift pins 16 are supported by a push-up rod 18 via a holding member 17. The push-up bar 18 is connected to the actuator 19. As a result, when the actuator 19 raises and lowers the push-up bar 18, the lift pins 16 move up and down via the push-up bar 18 and the holding member 17, and the wafer W moves up and down. The lift pins 16 are made of a material that transmits heat rays, for example, quartz. Further, a support member 20 is provided integrally with the lift pin 16, and a shield ring 21 is attached to the support member 20. The shield ring 21 has a function of preventing a heat ray of a halogen lamp 26, which will be described later, from being irradiated upward and securing a cleaning gas flow path during cleaning. Further, a thermocouple 22 for measuring the temperature of the wafer W when the wafer W is heated is embedded in the mounting table 15, and a holding member 23 for the thermocouple 22 is attached to the support member 13.
[0014]
A transmission window 24 made of a heat ray transmission material such as quartz is airtightly provided at the bottom of the chamber just below the mounting table 15, and a box-shaped heating chamber 25 is provided below the transmission window 24 so as to surround the transmission window 24. It has been. In the heating chamber 25, for example, four halogen lamps 26 are attached to a rotating table 27 that also serves as a reflecting mirror, and the rotating table 27 is provided at the bottom of the heating chamber 25 via a rotating shaft 28. It is rotated by a rotating motor 29. Therefore, the heat rays emitted from the halogen lamp 26 can pass through the transmission window 24 and irradiate the lower surface of the mounting table 15 to heat it. On the side wall of the heating chamber 25, a cooling air inlet 30 for introducing cooling air for cooling the room and the transmission window 24 and a cooling air outlet 31 for discharging the air are provided.
[0015]
On the outer peripheral side of the mounting table 15, a ring-shaped rectifying plate 32 having a large number of rectifying holes is placed on a water-cooled plate 34 provided at the upper end of a support column 33 formed in an annular shape. A ring-shaped quartz or aluminum attachment 35 is provided on the inner peripheral side of the water-cooling plate 34 to prevent the upper processing gas from flowing downward. An inert gas that does not react with the processing gas, such as nitrogen gas, is supplied as a backside gas to the lower side of the rectifying plate 32, the water cooling plate 34, and the attachment 35 so that the processing gas is placed on the mounting table. Thus, it is possible to prevent an extra film forming action from being caused to wrap around the lower side of 15.
[0016]
In addition, exhaust ports 36 are provided at the four corners of the bottom of the chamber 11, and a vacuum pump (not shown) is connected to the exhaust ports 36. Thereby, the inside of the chamber 1 can be maintained at a vacuum degree of, for example, 100 Torr to 10 ⁻⁶ Torr.
[0017]
A shower head 40 for introducing a processing gas or the like is provided on the ceiling of the chamber 11. The shower head 40 has a shower base 41 that is formed by fitting to the lid 12, and an orifice plate 42 that allows processing gas or the like to pass therethrough is provided at the upper center of the shower base 41. . Further, two stages of

diffusion plates

43 and 44 are provided below the orifice plate 42, and a shower plate 45 is provided below the

diffusion plates

43 and 44. A gas introduction member 46 is disposed above the orifice plate 42, and a gas introduction port 47 is provided in the gas introduction member 46. A gas supply mechanism 50 for supplying a processing gas or the like into the chamber 11 is connected to the gas introduction port 47.
[0018]
The gas supply mechanism 50 includes a first WF ₆ gas supply source 51, a carrier gas supply source 52, a second WF ₆ gas supply source 53, a SiH ₄ gas or a SiH ₂ Cl ₂ gas supply source 54, Gas line 55 for first WF ₆ gas supply source 51, gas line 56 for carrier gas supply source 52, gas line 57 for second WF ₆ gas supply source 53, SiH ₄ gas or SiH ₂ Cl ₂ gas A gas line 58 is connected to the supply source 54. The gas line 55 is provided with a mass flow controller 59 and front and rear opening /

closing valves

60, 61, the gas line 56 is provided with a mass flow controller 62 and front and rear opening / closing valves 63, 64, and the gas line 57 is provided with a mass flow. A controller 65 and front and rear opening /

closing valves

66 and 67 are provided. A gas flow 58 is provided with a mass flow controller 68 and front and rear opening /

closing valves

69 and 70. The

gas lines

55, 57, and 58 that are processing gas lines merge with the gas line 56 that is a carrier gas line, and these gas lines merge and a gas line 71 that continues to the gas line 56 is introduced into the above-described gas introduction. It is connected to the port 47. In the present invention, as will be described later, the carrier gas supplied from the carrier gas supply source 52 has a molecular weight of 30 or less.
[0019]
When the WSi film is formed on the surface of the wafer W by the CVD apparatus 100 configured as described above, first, a gate valve (not shown) provided on the side wall of the chamber 11 is opened and the chamber 11 is moved into the chamber 11 by the transfer arm. The wafer W is loaded, and the lift pins 16 are pushed up to deliver the wafer W to the lift pins 16 side, and the push-up rod 18 is lowered to push down the lift pins 16 to place the wafer W on the mounting table 15.
[0020]
Next, the inside atmosphere is sucked and exhausted from the exhaust port 36 to set the inside of the chamber 11 to a predetermined vacuum level, for example, a value within the range of 0.1 Torr to 80 Torr, and from the gas supply source 50 to the shower head 40 as described later. The process gas WF ₆ gas and SiH ₄ gas are introduced into the chamber 11 through the same, and at the same time, the halogen lamp 26 in the heating chamber 25 is turned on while turning on, and the heat rays from the halogen lamp 26 are sent to the mounting table 15. Irradiate. Thereby, a predetermined reaction occurs and a WSi film is formed on the wafer W.
[0021]
Next, supply of the processing gas by the gas supply mechanism 50 will be described in detail.
As described above, when the processing gas is supplied from the gas supply mechanism 50, the carrier gas is supplied from the carrier gas supply source 52 to the gas line 56, and the high-precision gas is first supplied from the first WF ₆ gas supply source 51. While the flow rate is strictly controlled by the mass flow controller 59, WF ₆ gas for nucleation is supplied to the gas line 55 and SiH ₄ which is the other processing gas from the SiH ₄ gas or SiH ₂ Cl ₂ gas supply source 54. Gas or SiH ₂ Cl ₂ gas is passed through the gas line 58. The WF ₆ gas from the gas line 55 and the SiH ₄ gas or SiH ₂ Cl ₂ gas from the gas line 58 merge into the gas line 56 and are carried by the carrier gas, and the inside of the chamber 11 through the gas line 71 and the shower head 40. To be supplied.
[0022]
After a predetermined time has elapsed, the valve 61 of the gas line 55 is closed, and the supply of the WF ₆ gas for nucleation from the first WF ₆ gas supply source 51 is stopped. Instead, the second WF ₆ gas supply source 53 is stopped. The valve 67 of the gas line 57 connected to is opened, and the main WF ₆ gas joins from the gas line 57 to the gas line 56.
[0023]
In this case, WF ₆ gas remains in the downstream portion of the valve 61 of the gas line 55, and a large amount of WF ₆ gas remains in this portion unless the remaining gas is quickly discharged. In this state, when the main WF ₆ gas is supplied to form a film, the residual gas is gradually sucked out by the carrier gas, and a processing gas outside the control is supplied into the chamber, which may deteriorate the film quality. There is. Conventionally, Ar gas has been used as a carrier gas, and such problems have actually occurred. However, by using a carrier gas having a molecular weight of 30 or less, the remaining amount of processing gas can be reduced. .
[0024]
Hereinafter, simulation results that have led to such a conclusion will be described.
A simulation was performed using a typical structure of a portion where the processing gas and the carrier gas are mixed as shown in FIG. Both the processing gas line 81 and the carrier gas line 82 have a diameter of 6 mm, and the length of the processing gas line 81 on the downstream side of the valve 83 is set to 10 cm. The processing gas was cut off from supply by the valve 83 and remained in the downstream portion of the processing gas line 81 on the valve 83.
[0025]
Ar gas and He gas are used as the carrier gas, WF ₆ and SiH ₄ are used as the processing gas, and the flow rate of the carrier gas is set to 5, 50, 250, 500 sccm in four combinations of these gases. (A point B in the figure) and the processing gas residual concentration at the center of the intersection (the point A in the figure) between the processing gas line 81 and the carrier gas line 82 were obtained by simulation. For simulation, FULLENT, a general-purpose analysis program, was used.
[0026]
An example of the analysis chart used at that time is shown in FIG. In the actual chart, the gas concentration is indicated by color, so that the concentration distribution can be clearly understood.
[0027]
FIG. 5 shows the process gas residual concentration in the steady state at the point A when the carrier gas flow rate is changed, and FIG. 6 shows the steady state treatment at the point B when the carrier gas flow rate is changed. Indicates the residual gas concentration. As shown in these figures, it was confirmed that the residual concentration of the processing gas was lower by about three orders of magnitude when using He gas as the carrier gas than when Ar gas was used at both points A and B. .
[0028]
From the actual chart of FIG. 4, it was found that the remaining processing gas mixed with the carrier gas and flowed downstream is mainly due to the mutual diffusion of the carrier gas and the process gas. When the cause of the processing gas mixed with the carrier gas and flowing downstream is mainly due to the mutual diffusion of the carrier gas and the processing gas, the degree depends on the diffusion coefficient. That is, the larger the diffusion coefficient, the greater the effect of the remaining processing gas flowing out by the carrier gas.
[0029]
Now, when the molecular weight of the carrier gas M _C, the molecular weight of the processing gas and M _P, the diffusion coefficient D _CP can be expressed by the following (1).
[0030]
[Expression 1]

[0031]
Where T: system temperature [K]
P: System pressure [Pa]
σ _CP : Size parameter of Leonard Jones potential model [A]
Ω _DCP : Collision integral determined by collision of gas 1 (here, carrier gas (component C)) and gas 2 (here, processing gas (component P))
Here, using the Leonard Jones parameters σ _C and σ _P of the components C and P, the average size parameter σ _CP and the average energy parameter ε _CP / κ are obtained by the following equations (2) and (3).
σ _CP = (σ _C + σ _P ) / 2 (2)
ε _CP / κ = (ε _C · ε _P ) ^1/2 / κ (3)
Next, a normalized temperature _TN with respect to a temperature T for which a coefficient is obtained from ε _CP / κ is obtained by the following equation (4).
T _N = T / (ε _CP / κ) (4)
The collision integral Ω _DCP is obtained from this _TN by the following equation (5).
[0033]
[Expression 2]

[0034]
From the above formula (1), it is confirmed that the diffusion coefficient _DCP increases as the molecular weight of the gas decreases. As described above, the larger the diffusion coefficient, the greater the effect of flowing out the remaining processing gas by the carrier gas. Therefore, the smaller the molecular weight of the carrier gas, the more gas in the processing gas line flows out and the remaining amount of processing gas decreases.
[0035]
Ar gas was used in this simulation, He gas, WF ₆ gas, the molecular weight of the SiH ₄ gas is shown in Table 1, and the diffusion coefficient _{D CP} by these combinations in Table 2.
[0036]
[Table 1]

[0037]
[Table 2]

[0038]
As shown in Table 1, the molecular weight of He gas is about 1/10 of the molecular weight of Ar gas. Conversely, when He gas is used, the diffusion coefficient increases. For example, in the case of using WF ₆ as a processing gas, the diffusion coefficient _{D CP} is 2.9632 × ¹⁰ -4 in He gas, the Ar gas was 5.5786 × ^{10 -5,} He gas of Ar gas 5. It will be 31 times. Therefore, the use of He gas as the carrier gas has a greater effect of flowing out the remaining processing gas.
[0039]
The simulation results shown in FIGS. 5 and 6 show this. As described above, at any of the points A and B, using He gas as the carrier gas is more effective than using Ar gas. However, the residual concentration of the processing gas is about 3 orders of magnitude lower. This tendency is present when either WF ₆ or SiH ₄ is used as the processing gas, and therefore does not depend on the type of processing gas. It can also be seen that when the carrier gas is about 100 sccm or more, the residual concentration of the processing gas hardly changes and does not depend on the flow rate of the carrier gas. That is, stable treatment can be performed with a carrier gas of about 100 sccm or more.
[0040]
From the standpoint that the residual gas does not adversely affect the process, when the supply of the processing gas to the processing gas line is stopped, the concentration of the processing gas remaining in any part downstream from the valve of the processing gas line is that part. It is preferable that it is 1% or less with respect to the whole gas. 5 and 6, when He is used as the carrier gas, it can be seen that the concentration is sufficiently lower at both point A and point B. On the other hand, when Ar gas is used, at point B, the residual concentration exceeds 1% of the total gas in that portion, and it is understood that Ar gas is not preferable as a carrier gas. Therefore, a gas having a higher diffusion coefficient than Ar gas, that is, a gas having a smaller molecular weight than Ar gas, is preferably used as the carrier gas. In addition, when WF ₆ is used as the processing gas, He is used as the carrier gas, and the length of the valve downstream portion of the processing gas line is 10 cm, the position where the residual processing gas concentration is 1% is obtained. The portion is 94.6 m upstream from the intersection of the processing gas line and the carrier gas line. That is, it was confirmed that the piping distance at which the residual treatment gas concentration was 1% was extremely long.
[0041]
FIG. 7 shows the relationship between the diffusion coefficient and the molecular weight of the carrier gas when WF ₆ is used as the processing gas and various inert gases are used as the carrier gas. As shown in this figure, N ₂ gas and Ne gas are present in addition to He gas as the inert gas having a molecular weight smaller than that of Ar gas and thus having a large diffusion coefficient. If these gases are used as carrier gases, the concentration of the processing gas remaining in the processing gas line can be made smaller than that in the case of Ar gas, and the processing gas remaining in any part of the processing gas line on the downstream side of the valve. It is thought that the concentration of can be reduced to approximately 1% or less with respect to the entire gas in that portion. Then, since the molecular weight of the N ₂ gas is about 28, the present invention defines the molecular weight of the carrier gas and 30 or less.
[0042]
As described above, in the present invention, the molecular weight of the carrier gas is defined as 30 or less, and those included in the range include He gas, Ne gas, and N ₂ gas. The smaller the molecular weight, the more the remaining processing gas flows out. Among these, He gas is most preferable because of its great effect.
[0043]
The present invention can be variously modified without being limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, the present invention is defined as the WSi CVD film formation. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to CVD film formation of other materials such as W, Ti, TiN, and the like. It can also be applied to other gas treatments. Further, the substrate to be processed is not limited to a wafer, and may be another substrate. Further, the carrier gas is exemplified by an inert gas such as He gas. However, the present invention is not limited to this, and inorganic gases such as NH ₃ , N ₂ O, and NO, and organic gases such as vaporized or evaporated organic solvents are used. In addition, it may function as a part of the processing gas.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the molecular weight of the carrier gas is 30 or less, when the supply of the processing gas from the processing gas line is stopped, the residual concentration of the processing gas in the processing gas line is reduced. It is possible to prevent the processing gas remaining in the processing gas line from adversely affecting the processing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a CVD apparatus used for carrying out the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the simulation conditions that led to the present invention.
FIG. 4 is a chart showing simulation results.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the carrier gas flow rate at point A and the processing gas residual concentration based on the simulation results.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the carrier gas flow rate at point B and the process gas residual concentration based on the simulation results.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the diffusion coefficient and the molecular weight.
[Explanation of symbols]
1; Processing gas line 2; Carrier gas line 3; Valve 11; Chamber 15; Mounting table 40; Shower head 50;

Gas supply mechanism

55, 57, 58;
56; gas line (carrier gas line)
61, 64, 67, 70; valve W ... semiconductor wafer

Claims

A process gas line for supplying a processing gas, the processing gas a carrier gas for supplying a carrier gas to the carrier line, a substrate to be processed is arranged, have a a chamber process gas, which is the carrier by the carrier gas is introduced The processing gas line is provided so as to merge with a straight portion of the carrier gas line, and the processing gas line includes a gas processing device having a valve at a position away from the junction with the carrier gas line. A gas processing method for performing gas processing on a substrate using
The carrier gas having a molecular weight of 30 or less is used , and when the supply of the processing gas is stopped by closing the valve, the carrier gas flowing in the carrier gas line causes a downstream side of the valve of the processing gas line. A gas processing method characterized by promoting the outflow of residual gas from a portion .

The supply of the process gas in the process gas line when stopped by closing the valve, the concentration of the processing gas also remains in any portion of the downstream side of the valve of the process gas lines for the entire gas that portion The gas treatment method according to claim 1, wherein the gas treatment method is 1% or less.

The carrier gas, He gas, Ne gas, the gas processing method according to claim 1 or claim 2, characterized in that either of the N ₂ gas.