JP4476232B2

JP4476232B2 - 成膜装置のシーズニング方法

Info

Publication number: JP4476232B2
Application number: JP2006065415A
Authority: JP
Inventors: 正嶋津; 雄一河野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: JP2007242996A; WO2007105412A1; US8337960B2; KR20080103068A; KR101004975B1; TW200741869A; EP1995770A1; US20090242511A1; TWI351062B

Description

本発明は、成膜装置のシーズニング方法に関し、例えば、半導体デバイスを構成する膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置等に好適なものである。

半導体プロセスにおいては、半導体デバイスを構成する膜を成膜するため、例えば、プラズマＣＶＤ装置等の成膜装置を用いて、基板上に成膜を行っている。このとき、成膜される膜は、基板上だけではなく、成膜装置の処理容器の内壁にも付着する。処理容器の内壁に付着する膜は、基板への成膜の度に、更に堆積していき、そのまま放置すると、剥がれてしまい、パーティクルの原因となるおそれがあるため、定期的にプラズマクリーニングを行って、内壁に付着した不要な膜を除去し、更に、汚染物質を抑制して、プロセスを安定化させるため、通常、基板への成膜と同じ条件にて、基板が無い状態で、所定量の成膜を行うようにしている（シーズニング）。

特開平１１−１６８４５号公報

プロセスの安定化のため、シーズニングは必要なものであるが、窒化珪素膜の場合、膜自体の応力が高く、又、処理容器の内壁との密着性も悪いため、処理容器の内壁から剥がれて、パーティクルになりやすく、パーティクルが低減できないという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、パーティクルを低減する成膜装置のシーズニング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る成膜装置のシーズニング方法は、
処理容器内に収容する基板に窒化珪素膜を成膜する成膜装置のシーズニング方法であって、
前記処理容器内にクリーニングガスを供給し、該クリーニングガスをプラズマ状態にして、前記処理容器の内壁に付着した前記窒化珪素膜をエッチングし、
前記処理容器内に珪素系ガスを供給し、該珪素系ガスをプラズマ状態にして、前記処理容器の内壁にアモルファス−シリコン膜を堆積し、
前記処理容器内に珪素系ガスを供給すると共に窒素系ガスを所定流量まで漸増させて供給し、該珪素系ガス及び該窒素系ガスをプラズマ状態にして、前記アモルファス−シリコン膜上に窒素含有量を厚さ方向に漸増させた窒化珪素膜を堆積し、
基板への窒化珪素膜の成膜が開始されるまで、前記処理容器内に希ガスを供給して、該希ガスのプラズマ状態を維持することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る成膜装置のシーズニング方法は、
上記第１の発明に記載の成膜装置のシーズニング方法において、
前記アモルファス−シリコン膜上に前記窒化珪素膜を堆積する際、前記窒素系ガスを所定流量まで、当初緩やかに漸増させ、その後より速やかに漸増させて供給することを特徴とする。

本発明によれば、処理容器内壁に付着した膜のプラズマクリーニング（エッチング）を行った後、アモルファス−シリコン膜を堆積すると共に、その上に、窒素含有量を厚さ方向に漸増させた窒化珪素膜を堆積し、基板への成膜が開始されるまで、処理容器内を希ガスのプラズマで維持するので、基板への成膜時のパーティクルを低減することができる。

本発明に係る成膜装置のシーズニング方法を、図１〜図４を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明における成膜装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
本発明に係る成膜装置は、図１に示すように、アルミニウム製の円筒状の真空チャンバ１の内部が処理室２（処理容器）として構成されるものであり、真空チャンバ１の上部開口部には、電磁波透過窓となるセラミクス製の円板状の天井板３が、開口部を塞ぐように配設されている。又、真空チャンバ１の下部には、支持台４が備えられ、半導体等の基板５が支持台４の上面に載置される。

天井板３の上部には、例えば、複数の円形リングからなる高周波アンテナ７が配置されており、高周波アンテナ７には、インピーダンスマッチングを行う整合器８を介して、プラズマ発生用の高周波電源９が接続されている。

又、真空チャンバ１には、処理室２内に所望のガスを導入するガスノズル１０ａ、１０ｂが設けられると共に排気口１１が設けられている。排気口１１は、図示しない真空排気系へ接続されており、この真空排気系を用いて、処理室２内を所望の圧力に制御している。

基板５を支持する支持台４にはアンテナ１２が設けられており、このアンテナ１２には、インピーダンスマッチングを行うための整合器１３を介して、バイアス用の交流電源１４が接続されており、アンテナ１２が、基板５にバイアス電力を印加するバイアス電極として機能する。

上記構成の成膜装置では、高周波電源９から高周波アンテナ７に高周波電力を供給することにより、高周波アンテナ７から天井板３を透過して電磁波が処理室２に入射され、入射された電磁波のエネルギーにより、ガスノズル１０ａ、１０ｂを介して処理室２内に導入されたガスをイオン化して、プラズマを発生させている。そして、発生させたプラズマを用いて、所望のプラズマ処理、例えば、エッチングやＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の処理を、基板５に施している。

例えば、基板５上にＳｉ_xＮ_y膜（窒化珪素膜）を成膜する場合には、原料ガスとして、例えば、ＳｉＨ₄（シラン）等を供給し、窒化ガスとして、例えば、ＮＨ₃（アンモニア）、Ｎ₂（窒素）等を供給して、プラズマプロセスを行い、所望の膜厚の窒化珪素膜を、基板５上に１枚毎成膜する。そして、通常は、定期的にＮＦ₃（三フッ化窒素）を用いて、プラズマクリーニングを行い、その後、プロセス安定化のため、基板への成膜時と同条件にてシーズニングを行っている。

ところが、前述したように、Ｓｉ_xＮ_y膜は、膜自体の応力が大きく、又、真空チャンバ１への密着性が良くないため、所望のレベルまでパーティクルを低減することが難しいものであった。そこで、本願の発明者等は、図２等に示す知見に基づき、パーティクルを低減する最適なシーズニング方法を得た。なお、図２は、下記プロセス条件Ｐ１〜Ｐ８におけるパーティクルの推移を示すグラフある。又、横軸は、プロセスを行った基板処理数であり、プロセスを行った基板から任意の複数枚の基板を選んでパーティクルの測定を行った。

最初に、真空チャンバ１の内壁に堆積する膜を、α−Ｓｉ膜（アモルファス−シリコン膜）のみとして、その膜厚を、０．２８μｍ（Ｐ１）、０．５５μｍ（Ｐ２）、０．８３μｍ（Ｐ３）、１．１μｍ（Ｐ４）、１．６５μｍ（Ｐ５）と変えて、パーティクルの推移を測定してみた。図２のグラフから分かるように、α−Ｓｉ膜を堆積する膜厚を変化させた場合、堆積膜厚が厚くなるに従い、パーティクルが減少する傾向が見られるが、１．１μｍ（Ｐ４）と１．６５μｍ（Ｐ５）との間では、大きな差はなく、α−Ｓｉ膜の堆積膜厚は、１．１μｍ程度が最適であった。

そこで、Ｐ６のプロセス条件では、上記結果を踏まえて、α−Ｓｉ膜の堆積膜厚を１．１μｍとし、α−Ｓｉ膜上にＳｉ_xＮ_y膜を０．７μｍ堆積して、パーティクルの推移を測定してみた。この場合、図２のグラフに示すように、上記Ｐ４、Ｐ５の場合と大きな差はなかった。

次に、Ｐ７のプロセス条件では、Ｐ６での結果を踏まえて、α−Ｓｉ膜上にＳｉ_xＮ_y膜を堆積する際、Ｎ₂の供給量を所定流量まで漸増させて、Ｓｉ_xＮ_y膜を堆積して、パーティクルの推移を測定してみた。この場合、図２のグラフに示すように、上記Ｐ６の場合より、パーティクルのレベルが低減した。

そして、Ｐ８のプロセス条件では、Ｐ７での結果を踏まえて、α−Ｓｉ膜、Ｓｉ_xＮ_y膜を堆積するシーズニング処理が終了した後、基板５への成膜が開始されるまで、Ａｒプラズマを維持するようにして、パーティクルの推移を測定してみた。この場合、図２のグラフに示すように、上記Ｐ７の場合より、更にパーティクルのレベルが低減し、全ての測定において、パーティクル数が３０個以下となった。なお、Ｐ１〜Ｐ６では、Ｐ７と異なり、Ｎ₂プラズマを維持するようにしている。

ここで、上記知見に基づいて得られた本発明に係る成膜装置のシーズニング方法を、図３、図４を用いて説明する。

最初に、真空チャンバ１内のプラズマクリーニングを行う。これは、定期的に、例えば、所定のｎ枚数毎（ｎは１以上の自然数）に行われるものである。このプラズマクリーニングのときには、真空チャンバ１内に所定流量のＮＦ₃、Ａｒ（アルゴン）等からなるクリーニングガスを供給し、真空チャンバ１内に導入されたガスをプラズマ状態として、真空チャンバ１の内壁等のプラズマクリーニングを行い、真空チャンバ１の内壁等に付着した膜をエッチングしている（ステップＳ１）。

次に、真空チャンバ１内に所定流量のＳｉＨ₄を供給し、プラズマ状態として、真空チャンバ１の内壁等に、所定の膜厚のα−Ｓｉ膜を堆積させ、真空チャンバ１の内壁等のコーティングを行う（ステップＳ２）。

次に、Ｎ₂を所定流量まで漸増させながらして供給し、同じくプラズマ状態として、α−Ｓｉ膜上に、所定の膜厚のＳｉ_xＮ_y膜（窒化珪素膜）を堆積させて、コーティングを行い（ステップＳ３）、一連のプラズマクリーニング、シーズニング処理を終了する。

上記手順により、真空チャンバ１の内壁等には、α−Ｓｉ膜、Ｓｉ_xＮ_y膜が順次積層されることになるが（図４（ａ）参照）、Ｓｉ_xＮ_y膜の堆積時には、Ｎ₂を所定流量まで漸増させながら供給しているので（図４（ｂ）のグラフ参照）、α−Ｓｉ膜とＳｉ_xＮ_y膜との間の界面を緩やかに形成して（明確な界面が形成されない状態として）、α−Ｓｉ膜、Ｓｉ_xＮ_y膜を順次積層することになり、その結果、シーズニングしたＳｉ_xＮ_y膜を、真空チャンバ１の内壁等から剥がれにくくすることができる。

このとき、Ｓｉ_xＮ_y膜中のＮ／Ｓｉの組成比（ｙ／ｘ）は、図４（ｃ）のグラフに示すように、その膜厚Ｔの厚さ方向に漸増するものとなる。この組成比の厚さ方向の変化は、Ｎ₂の供給方法に応じて変化させることができ、例えば、図４（ｂ）の実線のグラフに示すように、複数の段階（当初緩やかに漸増し、その後、より速やかに漸増する２段階）を経て、Ｎ₂の供給量を所定流量まで漸増させる場合には、図４（ｃ）の実線のグラフに示すように、Ｓｉ_xＮ_y膜中のＮ／Ｓｉの組成比も同様なプロファイルとなる。又、図４（ｂ）の点線のグラフに示すように、Ｎ₂の供給量を所定流量まで１段階（一定の傾き）で漸増させる場合には、図４（ｃ）の点線のグラフに示すように、Ｓｉ_xＮ_y膜中のＮ／Ｓｉの組成比も同様なプロファイルとなる。

上記一連の処理の後、真空チャンバ１内に所定流量のＡｒを供給し、真空チャンバ１内に導入されたＡｒをプラズマ状態として、真空チャンバ１内に、Ａｒプラズマを維持しておく（ステップＳ４）。そして、Ａｒプラズマを維持した状態で、真空チャンバ１の支持台４上に、基板５を搬送して載置し、通常通り、基板５上への窒化珪素膜の成膜を行う。ｎ枚数の基板５への成膜が行われると、再びステップＳ１へ戻り、一連のプラズマクリーニング、シーズニング処理を再開する（ステップＳ５）。なお、本ステップにおいては、Ａｒに代えて、他の希ガスを用いてもよい。

なお、真空チャンバ１内に生成されるプラズマは、上記ステップ毎に、その生成を停止（電磁波の入射を停止）してもよいが、上記一連のステップ、具体的には、プラズマクリーニング、シーズニング及びＡｒプラズマ処理の間、プラズマ状態を維持し続けるようにしてもよい。

本発明では、成膜装置のシーズニング方法（一連のプラズマクリーニング、シーズニング処理等）を上記手順で行うことにより、剥がれやすく、パーティクルになりやすい窒化珪素膜の物理的性質を変化させ、その結果、窒化珪素膜を剥がれにくくして、パーティクルの発生量を低減し、プロセスを安定化させることが可能となる。

これは、真空チャンバ１の内壁等に、α−Ｓｉ膜を介して、窒素含有量を厚さ方向に漸増させた窒化珪素膜を積層することにより、窒化珪素膜自体の応力が緩和されると共に、その密着性も向上し、その結果、窒化珪素膜が剥がれにくくなったためであると推測される。特に、Ｎ₂の供給量を、当初緩やかに漸増し、その後、より速やかに漸増して、α−Ｓｉ膜と窒化珪素膜との間の界面を緩やかに形成することが、より望ましいものと考えられる。

又、基板５の搬送中にＡｒプラズマを維持しておくことについては、通常、パーティクルがプラズマ中で負に帯電することから、Ｎ₂プラズマよりもプラズマ電位がより正になるＡｒプラズマを維持しておくことにより、Ａｒプラズマがパーティクルをより多くトラップし、その結果、パーティクルがより低減されたためと推測される。

本発明に係る成膜装置のシーズニング方法は、膜自体の応力が高く、密着性の良くない窒化珪素膜に好適なものであるが、窒化珪素膜と同様な性質を持つ他の膜にも、適用可能である。

本発明における成膜装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。プロセス条件Ｐ１〜Ｐ８におけるパーティクルの推移を示すグラフある。本発明に係る成膜装置のシーズニング方法を説明するフローチャートである。本発明に係る成膜装置のシーズニング方法における各膜の堆積状態及び窒素流量の供給状態を説明する図である。

符号の説明

１真空チャンバ
２処理室
３天井板
４支持台
５基板
７アンテナ
８整合器
９高周波電源
１０ａ、１０ｂガスノズル
１１排気口
１２アンテナ
１３整合器
１４交流電源

Claims

処理容器内に収容する基板に窒化珪素膜を成膜する成膜装置のシーズニング方法であって、
前記処理容器内にクリーニングガスを供給し、該クリーニングガスをプラズマ状態にして、前記処理容器の内壁に付着した前記窒化珪素膜をエッチングし、
前記処理容器内に珪素系ガスを供給し、該珪素系ガスをプラズマ状態にして、前記処理容器の内壁にアモルファス−シリコン膜を堆積し、
前記処理容器内に珪素系ガスを供給すると共に窒素系ガスを所定流量まで漸増させて供給し、該珪素系ガス及び該窒素系ガスをプラズマ状態にして、前記アモルファス−シリコン膜上に窒素含有量を厚さ方向に漸増させた窒化珪素膜を堆積し、
基板への窒化珪素膜の成膜が開始されるまで、前記処理容器内に希ガスを供給して、該希ガスのプラズマ状態を維持することを特徴とする成膜装置のシーズニング方法。
請求項１に記載の成膜装置のシーズニング方法において、
前記アモルファス−シリコン膜上に前記窒化珪素膜を堆積する際、前記窒素系ガスを所定流量まで、当初緩やかに漸増させ、その後より速やかに漸増させて供給することを特徴とする成膜装置のシーズニング方法。