JP4612063B2

JP4612063B2 - 表面処理方法及びその装置

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Publication number: JP4612063B2
Application number: JP2008013592A
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Inventors: 保男小林; 光太郎宮谷; 薫前川
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Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2011-01-12
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Description

本発明は、被処理体、例えば半導体ウエハ、の表面に形成された酸化膜、付着した汚染物等、特に自然酸化膜や付着した酸化物を除去する表面処理方法及びそれに用いる表面処理装置に関する。

一般に、半導体集積回路（以下、半導体素子という）の製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ等の基板に対して、所定の成膜処理とパターンエッチング処理等を繰り返し実施し、該基板上に多数の半導体素子を形成する。

このように被処理体に対して、所定の処理を実施する際には、被処理体（例、半導体ウエハ（以下"ウエハ"という））は各処理装置間で搬送されることが必要である。このことから、ウエハを大気に曝すことを避けることは、現実的に困難であった。ウエハが大気に曝されると、ウエハの表面は大気中の酸素や水分と反応し、その結果、その表面上にはいわゆる自然酸化膜が発生し易かった。また、各種処理中に、大気、処理気体あるいは処理液等に起因して、ウエハの表面上には、いわゆる化学酸化物（Chemical Oxide）等の汚染物が付着するおそれがあった。

このような自然酸化膜及び汚染物は、半導体素子の特性、例えば電気的特性、を劣化させる原因となる。この原因を避けるために、ウエハに対する成膜処理等の前処理として、ウエハ表面上の自然酸化膜等を除去するための表面処理が行なわれる。

従来、自然酸化膜等を除去するための前記表面処理としては、ウエハを薬液中に浸漬し、ウエハの表面の自然酸化膜等を除去する、いわゆるウェット洗浄が一般的に採用されてきた。半導体素子の高集積化が進むにつれて、素子サイズ、例えばその線幅、コンタクトホール径あるいはビアホール径、は微細となる。例えば、コンタクトホールのアスペクト比が大となるとともに、その径は０．２〜０．３μｍ程度、あるいはそれ以下（例えば、０．１２μｍ）になりつつある。この微細な素子構造のために、上記ウェット洗浄においては、薬液がこのような微細なコンタクトホール内に十分に浸み込まない、あるいはコンタクトホール中に入った薬液がその表面張力のためにそこから排出されない、という事態が生じていた。このためコンタクトホールの底部に形成されていた自然酸化膜が十分に除去されることができない、ウォータマークを生じる、などの重大な問題点が生じていた。

さらに、複数層からなる積層構造を有する被処理体がウェット洗浄される場合、そのコンタクトホール壁面を構成する各層のエッチングレートが異なることから、ホール壁面に凹凸になる等の問題点も生じていた。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）には、ウエハＷ上の積層構造に形成された、ドレインやソースに電気的にコンタクトするためのコンタクトホール３０２が示されている。図１０（ａ）に示されたホール径Ｄは、０．２〜０．３μｍ程度である。このホール３０２の壁面は、図１０（ａ）に示されるように、複数の成膜工程により形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）よりなる多層構造、例えば３層構造、である。この３層構造において、例えば、第１層目のＳｉＯ₂膜３０４は熱酸化により形成された膜であり、第２層目のＳｉＯ₂膜３０６はスピンコート法により形成されたリンドープドガラスであり、第３層目のＳｉＯ₂膜３０８はシリカガラスにより形成された膜である。図１０（ａ）に示されるように、自然酸化膜３１０がコンタクトホール３０２の底部に発生している。

このような多層構造の成膜層における、各層の、ウェット洗浄のための薬液に対するエッチング速度は、それぞれ異なる。自然酸化膜３１０を除去するために、ウェット洗浄を実施した後、図１０（ｂ）に示されるように、ホール３０２の側壁には、前述したエッチング速度の差に起因した凹凸３０９が発生し、あるいは薬液が各層間の境界部分に浸入し易いことから、この境界部分が過度にエッチングされる（切込み部分参照）、といった問題点を、従来のウェット洗浄は有していた。

そこで、従来のウェット洗浄におけるこのような問題点を解決するために、エッチングガスを用いて被処理体上の自然酸化膜を除去する方法、いわゆるドライ洗浄（エッチング）法が提案されている（例えば、特開平５−２７５３９２号公報、特開平６−３３８４７８号公報、特開平９−１０６９７７号公報参照）。

図１１には、上記した特開平５−２７５３９２号公報に示されたような従来のＳｉＯ₂膜をドライエッチングする方法が示されている。このドライエッチング方法を使用して、被処理体上の自然酸化膜を除去するドライ洗浄方法が説明される。図１１のドライエッチング装置において、開閉弁４５０は閉じられて、Ａｒガス源４５４からのＡｒガスは遮断されたままとされる。開閉弁４３６，４３８が開けられ、ＮＦ₃ガス源４４４とＨ₂ガス源４４６とから、流量制御器（ＭＦＣ）４４０，４４２による流量調整を介して、ＮＦ₃ガスとＨ₂ガスが配管４３２へ送り込まれる。配管４３２において、両ガスは、例えばＮＦ₃／Ｈ₂混合比１：２、全圧２６．６Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）の混合ガスとなる。マグネトロンから周波数２．４５ＧＨｚ、パワー５０Ｗのマイクロ波が、マイクロ波動波管４４８を介して供給され、混合ガスは配管４３２内でプラズマ化される。このプラズマ化において生成されたフッ素活性種Ｆ^*、水素活性種Ｈ^*、窒素活性種Ｎ^*は、この配管４３２内をチャンバ４１０に向けて移動し、チャンバ４１０内のバッファ室４３０に入り、その多孔板４２８を通ってダウンストリーム状にサセプタ４１２上に載置されたウエハＷ上に供給される。このウエハＷは、冷却媒体供給装置４１８からサセプタ４１２に供給される常温以下に冷却された冷却媒体により冷却される。プラズマにより活性化された活性種Ｆ^*、Ｈ^*、Ｎ^*は、冷却されたウエハＷ上に降り、ウエハＷ表面上の自然酸化膜に吸着されてＳｉＯ₂と反応する。この反応による生成物は、気化してチャンバ４１０の底部に設けられた排気口４６０から真空ポンプ４６６に吸引されて系外へ排気される。

このような従来のプラズマによって生成されたフッ素活性種Ｆ^*、水素活性種Ｈ^*、窒素活性種Ｎ^*により、冷却されたウエハ表面の自然酸化膜を除去する方法（特開平５−２７５３９２号公報）では、ＮＦ₃がプラズマ化されることによって、分解され、その結果、Ｆ^*、Ｎ^*が形成されるため、ＮＦ₃の活性ガスが効率よく形成されることができない。また、Ｈ₂ガスは、単独状態ではプラズマ状態を維持することが難しい特性をもつため、必ずしも自然酸化膜の除去に十分なエッチングレートを得ることが難しい。

また、他のドライ洗浄による自然酸化膜の除去方法（特開平６−３３８４７８号、特開平９−１０６９７７号公報）は、いずれもＨ₂ガスを単独で使用するため、十分に自然酸化膜を除去するために必要なエッチングレートを確保するのが困難であった。

本発明の表面処理方法とその装置は、このような従来の自然酸化膜等の酸化膜除去方法の問題点を解決することを目的とする。本発明においては、１０〜２０オングストローム程度の膜厚の酸化膜を被処理体の表面から除去するために、Ｈ₂ガスとＮ₂ガスをプラズマガスとし、このプラズマ化したこれらの混合ガスの活性種のフロー中にＮＦ₃ガス（反応ガス）が添加される。被処理体を常温以下に冷却され、被処理体上の酸化膜は該反応ガスと反応し、反応膜が形成される。その後、被処理体は所定温度以上に加熱され、被処理体の表面に形成された反応膜は除去される。

本発明では、処理容器内に、その表面上に酸化膜を有する被処理体を搬入する工程と、該処理容器内を真空排気する工程と、ＮとＨを含むガスをプラズマ発生部に導入し、及び該ガスをプラズマ化して活性化することにより、それぞれの活性ガス種を形成する工程と、該活性ガス種を被処理体に向けてフローさせ、及びフローしている該活性ガス種にＮＦ₃ガスを添加することにより、ＮＦ₃ガスの活性化されたガスを形成する工程と、該被処理体を所定の温度以下に冷却する工程と、該ＮＦ₃ガスの活性化されたガスを該被処理体の表面上の該酸化物と反応させることにより、該酸化物を変質させる工程と、からなることを特徴とする表面処理方法が提供される。

この表面処理方法において、該ＮとＨを含むガスは、Ｎ₂ガスとＨ₂ガスとの混合ガスであり、該酸化物を変質させる工程に続いて、該Ｎ₂ガス、Ｈ₂ガス及び該ＮＦ₃ガスの該処理容器への供給を停止し、及び該被処理体を所定の温度に加熱することにより、該反応膜を昇華させる工程と、真空排気を停止し、及び酸化膜を除去した該被処理体を該処理容器から搬出する工程と、を、さらに具備する。

また、この表面処理方法において、該被処理体を冷却する所定の温度は、常温以下にする。

また、この表面処理方法において、該被処理体を冷却する所定の温度は、２０゜Ｃ乃至−２０゜Ｃの範囲とする。

また、この表面処理方法において、該被処理体を冷却する所定の温度は、１０゜Ｃ乃至−２０゜Ｃの範囲とする。

また、この表面処理方法において、該反応膜を昇華させる所定の加熱温度は、１００゜Ｃ以上の温度とする。

また、本発明では、プラズマ形成用ガスをプラズマ化するプラズマ発生部と、該プラズマ発生部に接続され、その内部に被処理体を載置する載置台を設けた処理容器と、該載置台に載置された被処理体を所定の温度に冷却する手段と、該処理容器内で該被処理体を加熱位置に上昇させる昇降手段と、該被処理体を該加熱位置で所定の温度に加熱する加熱手段と、を有する表面処理装置が提供される。

また、この表面処理装置は、被処理体の表面に形成された自然酸化膜を除去するための装置である。

また、この表面処理装置は、該プラズマ発生部にプラズマ形成用ガスとしてのＮ₂ガスとＨ₂ガスを供給するプラズマ形成用ガス導入部と、該プラズマ発生部で活性化され、被処理体に向けてフローしているＮ₂ガスとＨ₂ガスの活性ガス種に、ＮＦ₃ガスを添加するＮＦ₃ガス供給部と、をさらに具備し、ここにおいて、該ＮＦ₃ガスの添加により、ＮＦ₃ガスの活性化されたガスが形成され、該ＮＦ₃ガスの活性化されたガスを該被処理体上の表面層と反応させ、該表面層を変質させる。

また、この表面処理装置において、該載置台に載置された被処理体を冷却する所定の温度は、常温以下である。

また、この表面処理装置において、該載置台に載置された被処理体を冷却する所定の温度は、２０゜Ｃ乃至−２０゜Ｃの範囲である。

また、この表面処理装置において、該載置台に載置された被処理体を冷却する所定の温度は、１０゜Ｃ乃至−２０゜Ｃの範囲である。

また、この表面処理装置において、該被処理体を該加熱位置で加熱する所定の温度は、１００゜Ｃ以上の温度である。

また、この表面処理装置において、該ＮＦ₃ガス供給部は、該処理容器の内壁に設けられた多数のガス噴出口孔を備える。

また、この表面処理装置において、該ＮＦ₃ガス供給部は、該処理容器内に設けられた多数のガス噴出孔をもつ、例えばリング状又は格子状のシャワーヘッドを備える。

また、この表面処理装置において、該ＮＦ₃ガス供給部は、前記プラズマ発生部の端から被処理体の方向に少なくとも２０ｃｍ離れた位置で前記ＮＦ₃ガスを該活性ガス種に添加する。

また、この表面処理装置において、該加熱手段は、該被処理体の上方に設けられた熱放射手段である。

また、この表面処理装置において、該加熱手段は、該被処理体の上方に設けられた加熱ランプである。

さらに、本発明では、該表面処理装置に、搬送チャンバを介して、１個あるいは複数個の金属配線形成チャンバ、加熱チャンバ、及びロードロックチャンバを、被処理体が非反応性雰囲気中で搬送されるように、設けたクラスタ装置が提供される。

このクラスタ装置において、搬送チャンバを介して、１個あるいは複数個の金属配線形成チャンバ、加熱チャンバ、冷却チャンバ及びロードロックチャンバを、被処理体が非反応性雰囲気中で搬送されるように設ける。

また、このクラスタ装置において、該金属配線形成チャンバは、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｓｉ、Ｗ、ＷＮ、Ｃｕ、Ｔａ、ＴａＮ、ＳｉＮの内の少なくとも一つの膜を形成するためのチャンバである。

また、このクラスタ装置において、該金属配線形成チャンバは、少なくとも１００℃以上の温度に該被処理体を加熱する手段を具備している。

以上説明したように、本発明の表面処理方法及びその装置によれば、ＮとＨを含むガスをプラズマ化により活性化し、活性ガス種を形成し、この活性ガス種により反応ガス（ＮＦ₃ガス）を活性化し、被処理体を常温以下に冷却しつつ、これら３つのガスと被処理体表面に発生した酸化膜とを反応させて変質させ、反応膜を形成し、加熱によりこの反応膜を昇華させることにより、極めて効率よくかつ高いエッチングレートで被処理体の表面の酸化膜、例えば自然酸化膜、を除去できる。

本実施の形態においては、ＮとＨを含むガスとしてＮ₂ガスとＨ₂ガスが採用されたが、このＮとＨを含むガスとしては、アンモニアなどの他のガスも使用されることができる。

また、本発明の活性化されたガスを噴出させるシャワーヘッドとして、リング状、及び格子状の構造が説明されたが、このシャワーヘッドとしては、いずれの他の構造も採用され得る。

さらに、本発明の表面処理装置と他の処理装置とを非反応性雰囲気中、例えば真空中で、被処理体を真空搬送可能にクラスタ化したので、搬送中に酸化膜の発生がなく、全体としてスループットが向上する。

以下、本発明の表面処理方法及び表面処理装置の実施の形態を、添付図面を参照しつつ説明する。

まず、表面処理（酸化物除去）装置の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の表面処理装置の概念構成図である。該表面処理装置は、被処理体（例、半導体ウエハ）（以下、「ウエハＷ」という）の表面に発生した、膜厚が１０〜２０オングストローム以下の汚染物（例、自然酸化膜、あるいは意図することなく自然にその表面に付着あるいは形成された化学酸化物、以下、「自然酸化膜」という）の除去に用いられることができる。図１に示される表面処理装置１は、Ｎ₂ガスとＨ₂ガスとの混合ガスをプラズマ化し、該ガスを活性化するプラズマ形成管３０と、ウエハＷの表面に発生した自然酸化膜を除去するため処理容器１０と、ＮＦ₃ガス源からＮＦ₃ガス（反応ガス）を処理容器１０内に供給する反応ガス供給管２６と、を備えている。

処理容器１０は、アルミニウム材料から構成されることができ、その内壁は石英（ＳｉＯ₂）製ライニング１３，１４が設けられることにより、金属汚染、浸蝕等から保護されることができる。この処理容器１０は、筒状のハウジング体であることができ、その横断面は、円形、方形、多角形など、種々の形状とすることができる。この処理容器１０の底部には、所定厚の底板１２が固定される。この底板１２上には、基台２９が配置されることができる。この基台２９上には円筒状のウエハ載置台（サセプター）２０が設けられることができる。ウエハＷはウエハ載置台２０の上面に載置され、石英製のクランプリング２１により係止されることができる。円筒状の載置台２０の内部には、冷却媒体（チラー）を収納するジャケット（あるいはパイプ）２２と熱交換体２３が設けられる。ジャケット（あるいはパイプ）２２は熱交換体２３と一体的に設けられてもよい。冷却媒体供給装置４２から冷却媒体が冷却管路４３を介してジャケット（あるいはパイプ）２２内に供給され、ウエハＷは所定温度、例えば常温以下、に冷却される。

載置台２０には、後述するように、ウエハリフト手段が設けられることができる。このウエハリフト手段は、ウエハＷを加熱する際に、ウエハＷを載置台２０から所定の加熱ポジション（Ｌ₂）に上昇させ、所定の処理の後、ウエハＷを再度下降させ載置台に戻す機構であり、ピン駆動機構２５、支持ピン２４ａ、及びアーム２４を具備することができる。このウエハリフト手段の一例が、図２（ａ）、２（ｂ）に示されている。処理容器１０の下部に設けられた基台２９の下面に、液圧シリンダ２５（ピン駆動機構）を配設し、そのシリンダロッド２５ａの先端部に馬蹄形状の支持片２４ｂが固着される。この支持片２４ｂから半径方向内方に延出されたアーム２４の所定個所、（例、３カ所）に支持ピン２４ａが固定される。支持ピン２４ａは、上方に突出した先端部に尖頭部を有することができ、この尖頭部でウエハＷを３点で水平に支持する。熱放射手段（例、加熱ランプ）１９によるウエハ加熱時に、ウエハＷはウエハリフト手段により、図１に示される加熱ポジション（Ｌ₂）まで上昇（ＵＰ）させられる。

処理容器１０の底部に固定された底板１２の周縁部には、排気管（例、４個の排気管）４０が設けられることができる。これらの排気管４０に接続された排気手段（例、真空ポンプ）４１により処理容器１０内は真空排気される。

処理容器１０の上部には、頂板１１（例、アルミニウム材製）が固定されることができる。頂板１１には、シール部材（例、ゴム製Ｏ−リング）１７を介して、フランジ部１６を備えた石英製の覆い（ドーム）１５が設けられることができる。覆い１５は、石英製のプラズマ形成管３０と一体に形成されることができ、その形状は、ドーム形状のみならず、平坦な形状、など種々の形状とされることができる。シール部材１７が設けられたシール部には、圧力センサ等の監視機器が配置されることができる。これらの監視機器により、シール部の締付圧力、シール部からのガス漏洩の有無、などが監視される。

ウエハＷを上から加熱するための熱放射手段として、覆い１５の上方に、多数の加熱ランプ１９が設けられることができる。加熱ランプ１９は、急速にウエハＷを加熱することが出来るようにするために、ハロゲンランプとされることができる。これらの加熱ランプ１９から放出される熱線は、透明な石英製のドーム１５を透過して、加熱位置に上昇されたウエハＷの表面に入射し、ウエハＷを１００゜Ｃ以上の温度（例、１２０゜Ｃ）に加熱する。

加熱ランプ１９を金属等からなるカバー１８により覆うことにより、加熱ランプ１９から外部へ放射される熱線及び光線を遮断することができるとともに、石英製のドーム１５が仮に破損した場合でも、プラズマガスあるいは反応ガスが外部への拡散、あるいは漏出を防ぐことができる。

処理容器１０の側壁には、搬送室、ロードロック室等と連通するゲートバルブ１０ａが設けられる。ゲートバルブ１０ａはウエハＷの搬出入時に開閉される。

ここで、ＮＦ₃ガスは、金属面をほとんどエッチングしないので、ゲートバルブ１０ａの内面を石英により保護することは、通常必要ない。一般に、処理容器の金属内面を石英により被覆するのは、金属表面がプラズマで活性化された活性化種の寿命が短かくなることを防ぐために実施される。この意味で、ゲートバルブ１０ａの内面も石英で被覆されることが好ましい。

プラズマガスを形成するための石英製のプラズマ形成管３０が、石英製の覆い１５の上部中央に溶融接合等により一体化されて設けられることができ、プラズマ形成管３０は覆い１５の中央で処理容器１０に開口し、プラズマは開口から処理容器１０に導入される。プラズマガスの形成及び導入のために、均一な表面処理を可能とする、いずれの構成も採用されることが出来る。例えば、覆い１５の中央からズレた位置からプラズマを導入する構成や、処理容器１０の側部からプラズマを導入する構成も採用されることができる。

このプラズマ形成管３０の上端部には、プラズマ形成用ガスの導入部３３が接続される。Ｎ₂ガス源３５及びＨ₂ガス源３６から、流量制御器（ＭＦＣ）３４４を介して、ガス通路３３ａにＮ₂ガスとＨ₂ガスが供給される。これらの混合ガス（Ｎ₂＋Ｈ₂）は、導入部３３を通って、プラズマキャビティ３１内部のプラズマ形成管３０のプラズマ発生部へ供給される。

プラズマキャビティ３１には、マイクロ波発生源３２が接続されることができる。このマイクロ波発生源３２で発生したマイクロ波（例、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）はプラズマキャビティ３１に印加され、プラズマ形成管３０内でプラズマ形成用ガスを励起し、Ｎ₂とＨ₂との混合ガスを活性化し、Ｎ^*ラジカルとＨ^*ラジカルの活性ガス種を形成する。それらの活性ガス種はプラズマ形成管３０の開口部３０ａから処理容器１０内に供給される。

プラズマ形成管３０の開口部３０ａの下方の位置Ｌ₁に、ＮＦ₃ガスを供給する多数のガス噴出孔２６ａが設けられている。この位置Ｌ₁は、プラズマ形成管３０（プラズマ発生部）のプラズマキャビティ３１の下端から少くとも２０ｃｍ以上の位置が好ましく、更に３０ｃｍ以上の位置が好ましい。ＮＦ₃ガス源２８、流量制御器（ＭＦＣ）２７、導通管２６、処理容器１０の外壁の周囲を囲んで設けられた配管２６ｂ、及び処理容器１０の壁を貫通して設けられた導通管２６ｃを介して、所定流量のＮＦ₃ガスが、ガス噴出孔２６ａに供給されることができる。

図１において、ガス噴出孔２６ａは、処理容器１０の内壁面から僅かに内方に突出させた構造として示されている。しかし、このガス噴出孔２６ａ、及び導通管２６からガス噴出孔２６ａに至るガス供給構造は、図１に示された構造に限定されることはない。

図８にガス供給構造の他の実施の態様が説明されている。図８において、配管２６ｂ及び導通管２６ｃは、アルミニゥムで製造されることができる処理容器１０の壁内部に設けられる。この配管２６ｂ及び導通管２６ｃは、処理容器１０の壁内部において、該壁と一体的な構造とされることができる。図８において、ガス噴出孔２６ａは、処理容器１０の内壁面から突出させない構造とされている。この構造は、ガスを処理容器内に均一に拡散されることができるとともに、上流からのプラズマガスの流れを乱さない。

図１に示されたガス噴出孔２６ａの代替の構造として、シャワーヘッド２６１ｂが図３（ａ）に示されている。このシャワーヘッド２６１ｂはリング状であり、石英により作られている。シャワーヘッド２６１ｂは多数のガス噴出孔２６１ａを有している。これらのガス噴出孔２６１ａは、シャワーヘッド２６１ｂの円周上で、下方（載置台２０の方向）、横方向、あるいは斜め方向に向って設けられることができる。導通管２６１がリング状のシャワーヘッド２６１ａに接続される。このシャワーヘッド２６１ａは、処理容器１０内の所定位置に水平に配設され、ＮＦ₃ガスが処理容器１０内に供給される。

図３（ｂ）には、多数のガス噴出孔２６２ａを有する格子状のシャワーヘッド２６２ｂが示されている。この格子状のシャワーヘッド２６２ｂにおいても、ガス噴出孔２６２ａは、下方、横方向、あるいは斜め方向に向って設けられることができる。

さらに、プラズマ形成管３０の開口部３０ａに、プラズマガスの流れを調整する手段（図示されていない）を設けることができる。この調整手段は、開口部３０ａから載置台２０に向って開口した円筒状あるいは傘状の覆いとされることが出来る。

次に、本発明の表面処理（自然酸化膜除去）方法を説明する。

以上のように構成された表面処理（自然酸化膜除去）装置において、本発明の表面処理（自然酸化膜除去）方法が、図４のフローチャートに基づいて説明される。

工程（ａ）：図１に示される表面処理装置１のゲートバルブ１０ａを開放され、一枚のウエハＷが、搬送室からゲートバルブ１０ａを通って、非反応性雰囲気中（例、真空中）で、処理容器１０内に搬入され、載置台（サセプター）２０上に載置され、クランプリング２１により載置台２０に係止される。このウエハＷ上には、前工程でコンタクトホール３０２（図１０（ａ）参照）等が形成されており、このホール底部の表面にウエハＷに図５（ａ）に示されるように酸化物（例、自然酸化膜）８０が形成されている。

工程（ｂ）：処理容器１０内にウエハＷが搬入された後、ゲートバルブ１０ａが閉じられ、処理容器１０内は排気管４０を介して真空ポンプ４１より真空引きされ、処理容器１０内は真空雰囲気（例、０．１３３Ｐａ以下（１ｍＴｏｒｒ以下））になる。

工程（ｃ）：冷却媒体供給装置４２からサセプタ２０に供給された冷却媒体による冷却により、ウエハＷは常温以下になる。

工程（ｄ）：Ｎガス源３５及びＨガス源３６から、Ｎ₂（窒素）ガス及びＨ₂（水素）ガスが流量制御器（ＭＦＣ）３４で流量を制御されて、ガス通路３３ａに供給され、混合ガス（Ｎ₂＋Ｈ₂）とされ、プラズマ形成用ガスとしてプラズマガス導入部３３からプラズマ形成管３０内へ供給される。

工程（ｅ）：マイクロ波発生源３２からのマイクロ波（２．５４ＧＨｚ）が、プラズマ形成管３０のプラズマ発生部の周囲に設けられたキャビテイに導入される。マイクロ波により、プラズマ発生部に供給されたＮ₂ガスとＨ₂ガスの混合ガスはプラズマ化され、活性化され、活性ガス種であるＮ^*ラジカルと、Ｈ^*ラジカルが形成される。とくに、プラズマ化され難いＨ₂ガスはＮ₂ガスの助けをかりて効率よくプラズマ化され、かつ、活性化されることができる。これらの活性ガス種Ｎ^*とＨ^*は、処理容器１０内の真空雰囲気に引き付けられ、プラズマ形成管３０内のプラズマ発生部からその開口（流出口）３０ａに向けてフローする。

工程（ｆ）：処理容器１０の外側に設けられたＮＦ₃ガス源２８から、流量制御器（ＭＦＣ）２７を介して、反応ガスＮＦ₃が反応ガス供給管２６に供給され、多数のガス噴出孔２６ａから処理容器１０内にシャワー状に供給される。供給されたＮＦ₃ガスは、プラズマ形成管３０の開口部３０ａからフローしてくるＮガスとＨガスのプラズマ化により形成された活性ガス種Ｎ^*とＨ^*ラジカルに添加される。この結果、添加されたＮＦ₃ガスはフローしてくる活性ガス種Ｎ^*とＨ^*により活性化される。

工程（ｇ）：このＮＦ₃ガスの活性ガス化と、フローしてくる活性ガス種Ｎ^*とＨ^*との相乗作用により、図５（ａ）に示されるウエハＷの自然酸化膜８０は変質され、図５（ｂ）に示されるように、Ｓｉ、Ｎ、Ｈ、Ｆ、Ｏが混合した反応膜８２が形成される。この自然酸化膜８０に変質させる段階では、図１に示される冷却媒体供給装置４２による冷却媒体（例、エチレングリコール）が載置台２０内に供給され、載置台２０上のウエハＷは常温以下に冷却されている。

この冷却により、ＮＦ₃活性ガスによるエッチングレートは高くなる。また、この時のプロセス条件は、ガスの流量では、Ｈ₂、ＮＦ₃、Ｎ₂がそれぞれ１０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、プロセス圧力が３９９Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）、プラズマ電力が５０Ｗ、プロセス時間は約３分が好ましい。

ＮＦ₃ガスとＨ₂プラズマガスとの反応によって形成されたエッチング種のエッチング速度は遅いため、反応表面にこれらガスが吸着され反応速度が決定される。常温以下の低温にウエハを冷却することによって、上記吸着速度が上昇し、反応速度を上昇させることができる。

上記したように、ＮＦ₃ガスの活性ガス化、活性ガス種Ｎ^*及びＨ^*との相乗作用により、ウエハＷ上の自然酸化膜８０を変質する工程は、常温以下の温度で行われることが好ましい。

図９は、この工程における、冷却温度と反応速度との関係を示している。図９において、縦軸はエッチングレート（速度）、横軸は該工程の開始時におけるウエハＷの冷却温度を示している。この図９から、冷却温度が２０゜Ｃを越えるとエッチングの制御特性が不安定になるため、室温以下であることが好ましく、さらに２０゜Ｃ乃至−２０゜Ｃの範囲が好ましく、さらに１０゜Ｃ乃至−２０゜Ｃの範囲が好ましいことが示唆される。この図９に示されたデータが求められた実験の条件は次のとおりである。自然酸化膜８０を変質させる工程：Ｈ₂／ＮＦ₃／Ｎ₂の割合・・・３００／６０／４００ｓｃｃｍ、圧力・・・５３２Ｐａ（４Ｔｏｒｒ）、電力・・・３００Ｗ、処理時間・・・１分間、（昇華工程）温度・・・１４０゜Ｃ、昇華工程の時間・・・１分間、昇華工程の雰囲気・・・真空。

工程（ｈ）：酸化膜を変質させた後、Ｈ₂、Ｎ₂、ＮＦ₃ガスの供給が停止され、マイクロ波発生源３２の駆動も停止され、マイクロ波のプラズマ形成管３０への導入も停止される。処理容器１０内は排気管４０からさらに真空引きされる。

工程（ｉ）：ウエハリフト手段が駆動され、ウエハＷはウエハ載置台２０から少なくとも５ｍｍ以上離れた加熱ポジションまで上昇させられる。

工程（ｊ）：加熱ランプ１９が点灯され、ウエハＷは上方から加熱され、その表面は室温から急速に１００゜Ｃ以上（例、約１２０゜Ｃ）の温度に加熱される。

工程（ｋ）：加熱ランプ１９による加熱によって、Ｓｉ、Ｎ、Ｈ、Ｆ、Ｏが混合した反応膜８２は、図５（ｃ）に示されるように、Ｓｉ、Ｎ、Ｈ、Ｆ、Ｏの混じったガス８４となって昇華し、除去され、排気管４０から排気される。この昇華によって、ウエハＷから自然酸化膜８０（反応膜８２）は除去され、ウエハＷの表面にＳｉ面が現われる。この時のプロセス条件は、プロセス圧力が０．１３３Ｐａ（１ｍＴｏｒｒ以下）、プロセス時間は約２分であることが好ましい。

工程（ｌ）：加熱ランプ１９が消される。

工程（ｍ）：最後に、真空引きが停止させられる。

工程（ｎ）：ゲートバルブ１０ａが開放されるとともに、ウエハリフト手段が駆動されてウエハＷは下降されウエハ載置台２０上に戻される。自然酸化膜が除去されたウエハＷが処理容器１０内から搬出され、隣接する室（例、搬送室）に真空雰囲気中で搬送される。

なお、本発明の表面処理方法の対象となる酸化膜は、ＳｉＯ₂のほかに、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ，Ｎｉ、Ｃｏ及びそれらのシリサイド上に成長した極薄い（１０〜２０オングストローム程度）酸化膜も含まれる。

本発明の表面処理装置は、他の処理装置（例、金属配線形成チャンバ、加熱チャンバ、冷却チャンバ、搬送チャンバ、及びロードロックチャンバ）等と組合わされてマルチチャンバ方式のクラスタ装置を構成することができる。

以下、このクラスタ装置の構成を説明する。

図６に示される真空クラスタ装置１００、ウエハを非反応性雰囲気（例、真空雰囲気）中で搬送可能とした装置１００である。この真空クラスタ装置１００において、本発明の表面処理（自然酸化膜除去）装置は自然酸化膜除去チャンバ１０１であり、これに搬送チャンバ１０５を介して、加熱チャンバ１０２、１台あるいは複数台の金属配線形成チャンバ１０３、及びロードロックチャンバ１０４が配置されている。金属配線形成チャンバ１０３は、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｓｉ、Ｗ、ＷＮ、Ｃｕ、Ｔａ、ＳｉＮの金属配線を被処理体上にメタルＣＶＤにより形成する。各チャンバ間は、ゲートバルブ１０７が設けられるとともに、搬送チャンバ１０５内には、搬送ロボット１０６が設けられている。

ウエハを収容したウエハカセットは、ロードロックチャンバ１０４内に移送され、搬送チャンバ１０５で該ウエハはオリフラを基準としたアライメント等が行われる。ゲートバルブ１０７が開放され、搬送ロボット１０６により、ウエハは一枚づつ、自然酸化膜除去チャンバ１０１に搬入され、ウエハの表面の酸化膜が除去された後、加熱チャンバ１０２で予め加熱され、１台あるいは複数台の金属配線形成チャンバ１０３内で、ウエハのコンタクトホール内に、メタルＣＶＤ等によりＡｌ、Ｔｉ等の金属配線が形成され、最後に、ウエハＷはロードロックチャンバ１０４に搬出される。

図７に示される別の真空クラスタ装置２００は、同じく非反応性雰囲気中でウエハを搬送可能である。本発明の自然酸化膜除去チャンバ２０１に搬送チャンバ２０６を介して加熱チャンバ２０２、１台あるいは複数台の金属配線形成チャンバ２０３、冷却チャンバ２０４及びロードロックチャンバ２０５を備えている。各チャンバ間にゲートバルブ２０８が設けられ、搬送チャンバ２０６内には搬送ロボット２０７が設けられている。

通常約５００゜Ｃの温度に加熱される金属配線形成チャンバ２０３から、配線形成後のウエハをロードロックチャンバ２０５へ搬送する際には、ウエハの温度をロードロックチャンバ２０５が受け入れ可能な温度（約１５０゜Ｃ）に下げることが必要である。このため、この真空クラスタ装置２００は、とくに冷却チャンバ２０４を備えている。

なお、図６と図７に示す真空クラスタ装置において、加熱チャンバ１０２及び２０２が１００゜Ｃ以上の温度に加熱する手段を具備している場合には、自然酸化膜除去チャンバ１０１，２０１の加熱手段は省略されることができる。

以上のように真空クラスタ装置を構成することにより、ウエハを大気中で搬送することによる自然酸化膜の再生成を防ぐことができる。自然酸化膜除去から成膜までの時間管理が不要になり、ウォータ・マークが発生も防止できる。ｉｎｓｉｔｕでウエハの自然酸化膜を除去ができる、スループットが大幅に向上する、等の効果が奏される。

本発明の表面処理装置の一実施の形態の模式構成図である。図２（ａ）及び２（ｂ）は、図１に示された表面処理装置に用いられることができるウエハ−リフト機構の一例を示し、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）はその側面図である。図３（ａ）及び３（ｂ）は、図１に示された表面処理装置に用いられることができるＮＦ₃ガス供給部（シャワーヘッド）の代替例を示し、図３（ａ）は、リング状のシャワーヘッドを、図３（ｂ）は、格子状のシャワーヘッドを、ウエハ載置台側から見た平面図である。本発明の表面処理方法に係わる実施の形態の各工程を示すフローチャートである。図５（ａ）、５（ｂ）及び５（ｃ）は、本発明の表面処理方法により、酸化物、例えば自然酸化膜、を除去する工程を示す図である。図５（ａ）は、ウエハに付着した自然酸化膜の付着状態の拡大図、図５（ｂ）はウエハの表面に形成された反応膜の拡大図、図５（ｃ）は、ランプからの加熱によって反応膜からＳｉ、Ｎ、Ｈ、Ｆ、Ｏが混ざったガスが昇華して除去されて行く状態の拡大模式図。図１に示された本発明の表面処理装置を自然酸化膜除去装置として用いて加熱装置及び配線形成装置と組合せて構成した真空クラスタ装置の概念図である。図１に示された本発明の表面処理装置を自然酸化膜除去装置として用いて加熱装置、配線形成装置及び冷却装置と組合せて構成した真空クラスタ装置の概念図である。本発明の表面処理装置に用いることができるＮＦ₃ガス供給部の代替例を示した概念図である。本発明の表面処理装置における、ウエハを冷却する温度とエッチング速度との関係を示す図である。図１０（ａ）及び１０（ｂ）は、自然酸化膜を除去する従来の表面処理方法を説明する図であって、図１０（ａ）は、ウエハのコンタクトホールの底部に生成された自然酸化膜の付着状態を示す拡大図、図１０（ｂ）は、コンタクトホールの側壁にエッチング速度の差に起因して凹凸等が形成された状態を示す拡大模式図である。従来のＮＦ₃ガスと、Ｈ₂ガスが混合された中性ガス種によるエッチングで、自然酸化膜を除去する方法に用いられるエッチング装置の模式図である。

符号の説明

１表面処理装置（自然酸化膜除去装置）
１０処理容器
１３石英ライニング
１５石英ドーム
１８加熱部カバー
１９加熱ランプ
２０ウエハ載置台
２１クランプリング
２４ウエハリフト手段
２５ピン駆動機構
２６反応ガス（ＮＦ₃）供給管
２８ＮＦ₃ガス源
２９基台
３０プラズマ形成管（プラズマ発生部）
３１プラズマキャビティ
３２マイクロ波発生源
３３プラズマガス導入部
３５Ｎ₂ガス源
３６Ｈ₂ガス源
４０排気管
４１真空ポンプ
１００真空クラスタ装置
１０１自然酸化膜除去チャンバ
１０２加熱チャンバ
１０３配線形成チャンバ
１０４ロードロックチャンバ
１０５搬送チャンバ
１０６搬送ロボット
１０７ゲートバルブ
２００真空クラスタ装置
２０１自然酸化膜除去チャンバ
２０２加熱チャンバ
２０３配線形成チャンバ
２０４冷却チャンバ
２０５ロードロックチャンバ
２０６搬送チャンバ
２０７搬送ロボット
２０８ゲートバルブ

Claims

表面に酸化膜を有する被処理体を処理するクラスタ装置において、
ＮとＨを含むガスを導入するガス導入部と、
前記ＮとＨを含むガスを活性化するプラズマ発生部と、
ＮＦ₃ガスを前記プラズマ発生部と前記被処理体の間の位置に供給するガス供給管と、
を具備し、
前記プラズマ発生部により前記ＮとＨを含むガスが活性化して形成された第１活性ガス種と、前記第１活性ガス種に添加されたことにより前記ＮＦ₃ガスが活性化して形成された第２活性ガス種と、前記被処理体の表面上の前記酸化物と、を反応させることにより反応膜を前記被処理体上に形成する、表面処理装置と、
前記反応膜が形成された前記被処理体を加熱する加熱手段、を具備し、前記反応膜を昇華する、加熱装置と、
を設けたことを特徴とするクラスタ装置。
前記表面処理装置と前記加熱装置との間で前記被処理体を搬送する搬送ロボットと、をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載のクラスタ装置。
前記搬送ロボットを非反応性雰囲気中に設ける、ことを特徴とする請求項１に記載のクラスタ装置。
表面に酸化膜を有する被処理体を処理する連続処理方法において、
表面処理装置で、
ガス導入部よりＮとＨを含むガスを導入する工程と、
プラズマ発生部により前記ＮとＨを含むガスを活性化する工程と、
ガス供給管よりＮＦ₃ガスを前記プラズマ発生部と前記被処理体の間の位置に供給する工程と、
を実施し、
前記プラズマ発生部により前記ＮとＨを含むガスが活性化して形成された第１活性ガス種と、前記第１活性ガス種に添加されたことにより前記ＮＦ₃ガスが活性化して形成された第２活性ガス種と、前記被処理体の表面上の前記酸化物と、を反応させることにより反応膜を前記被処理体上に形成する工程と、
加熱装置で、加熱手段により前記反応膜が形成された前記被処理体を加熱する工程と、を実施し、前記反応膜を昇華することを特徴とする連続処理方法。
搬送ロボットで、前記表面処理装置と前記加熱装置との間で前記被処理体を搬送する工程と、
をさらに実施することを特徴とする請求項４に記載の連続処理方法。
前記搬送ロボットが、非反応性雰囲気中で前記被処理体を搬送する、
ことを特徴とする請求項４に記載の連続処理方法。