JP6980125B2 - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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<基板処理装置の全体構成>
本実施形態において、基板処理装置は、半導体装置(デバイス)の製造方法における製造工程の一工程として熱処理等の基板処理工程を実施する縦型基板処理装置(以下、処理装置と称する)1として構成されている。図1に示すように、処理装置1は、移載室124と、移載室124の上方に配置された処理炉2を有する。
そのための対策のひとつとして、既存のダミーウェハ620ではなく、ダミーウェハにSi溶射処理を施すことによってダミーウェハ上の表面積を増大させることが考えられる。ダミーウェハの表面積をパターンウェハと同等かもしくはそれ以上とすることによって、両者の消費差をなくしてローディングエフェクトを緩和することができる。ただし、例えばダミーウェハ表面を粗面化しただけでは、表面積はベアウェハの数倍程度にしかならず、大表面積のパターンウェハには対応できない。これに対して、本手法のSi溶射処理を用いれば、ベアウェハの数十倍〜数百倍まで表面積を増大することができる。
ダミーウェハは、一般的に、デバイス製造過程等で生じる不良ウェハを再研磨して用意されることが多い。本実施例のSi溶射ダミーウェハ820(図10参照)も、そのようなダミーウェハ(ベアーダミー)を材料とすることができる。本実施例のSi溶射ダミーウェハは、まず、単結晶Siウェハであるベアーダミー821の表側面に、Si溶射によりSi溶射被膜822を形成する。溶射には大きく分けて、原料を溶解し溶滴(微粒子)にして吹き付けるサーマルスプレーと、固体の粉体を臨界速度以上で吹き付けるコールドスプレーがあり、いずれも利用できる。
S = Ss0 * ts * (1 + Sp0 * tp),
ここで、ts は溶射処理時間、Ss0は溶射によって単位時間に形成される表面積、ts は陽極化成時間、Sp0は陽極化成によって短時間に増加する表面積であり、Ss0 とSp0は経験的に得られる。
Si溶射ダミーウェハ820と回路パターンが形成された製品ウェハ810の表面積を同じにした場合の面間のラジカル分布の解析結果を図8に示す。この計算は実機よりもシンプルなモデルで実施しているが、Si溶射ダミーウェハ820と製品ウェハ810の消費差がなければ上下端でもフラットとなり、面間のラジカル分布が均一となっていることが示されている。ラジカル濃度差が抑えられることにより、ローディングエフェクトも解消されうる。供給律速のCVDでない限り、ラジカル分圧が直ちに膜厚に比例するわけではないが、この濃度差は例えば5%以内であることが望ましい。
実際の装置では、ボート天板と反応管の間の空間に高濃度のラジカルが存在するなどの影響により、製品ウェハ810よりも少し大きめな表面積のSi溶射ダミーウェハ820とした方が均一性は良好となる場合もある。
次に、上記の基板処理装置1を用い、半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程として、1ロット分のウェハ7上に膜を形成する処理(以下、成膜処理ともいう)のシーケンス例について、主に図4に示した構成に基づいて、図9を用いて説明する。
ボート21(図1のボート126)には、ウェハ7を保持可能なすべての位置に、パターンが形成された複数のプロダクトウェハが保持されている。複数枚のウェハ7がボート21に装填(ウェハチャージ)されると、ボート21は、ボートエレベータ27(図1のボートエレベータ132)によって処理室6内に搬入(ボートロード)される。このとき、シールキャップ19は、Oリング19Aを介してマニホールド5の下端を気密に閉塞(シール)した状態となる。ウェハチャージする前のスタンバイの状態から、バルブ26を開き、円筒部39内へ少量のパージガスが供給されうる。
処理室6内、すなわち、ウェハ7が存在する空間が所定の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ18によって真空排気(減圧排気)される。この際、処理室6内の圧力は、圧力センサ16で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ17が、フィードバック制御される。円筒部39内へのパージガス供給及び真空ポンプ18の作動は、少なくともウェハ7に対する処理が終了するまでの間は維持する。
処理室6内から酸素等が十分排気された後、処理室6内の昇温が開始される。処理室6が成膜に好適な所定の温度分布となるように、温度センサ28が検出した温度情報に基づきヒータ3(アッパヒータ3A、センタアッパヒータ3B、センタヒータ3C、センタロアヒータ3D、ロアヒータ3E)への通電量がフィードバック制御される。また、温度センサ82が検出した温度情報に基づき天井ヒータ80への通電量がフィードバック制御される。
S903で処理室6内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、成膜工程S904でステップ1:S9041〜ステップ4:S9044を繰り返し実行する。なお、ステップ1:S9041を開始する前に、バルブ26を開き、パージガス(N2)の供給を増加させてもよい。
ステップ1では、処理室6内のウェハ7に対し、HCDSガスを供給する。バルブ11を開くと同時にバルブ14を開き、ガス供給管9内へHCDSガスを、ガス供給管12内へN2ガスを流す。HCDSガスおよびN2ガスは、それぞれMFC10、13により流量調整され、ノズル室42を介して処理室6内へ供給され、排気管15から排気される。ウェハ7に対してHCDSガスを供給することにより、ウェハ7の最表面上に、第1の層として、例えば、シリコン(Si)含有膜が形成される。
第1の層が形成された後、バルブ11を閉じ、HCDSガスの供給を停止する。このとき、APCバルブ17は開いたままとして、真空ポンプ18により処理室6内を真空排気し、処理室6内に残留する未反応もしくは第1の層の形成に寄与した後のHCDSガスを処理室6内から排出する。また、バルブ14やバルブ26を開いたままとして、供給されたN2ガスは、ガス供給管9や反応管4内、炉口部をパージする。
ステップ3では、処理室6内のウェハ7に対してNH3ガスを供給する。バルブ11、14の開閉制御を、ステップ1におけるバルブ11、14の開閉制御と同様の手順で行う。NH3ガスおよびN2ガスは、それぞれMFC10、13により流量調整され、ノズル室42を介して処理室6内へ供給され、排気管15から排気される。ウェハ7に対して供給されたNH3ガスは、ステップ1でウェハ7上に形成された第1の層、すなわちSi含有層の少なくとも一部と反応する。これにより第1の層は窒化され、SiおよびNを含む第2の層、すなわち、シリコン窒化層(SiN層)へと変化(改質)される。
第2の層が形成された後、バルブ11を閉じ、NH3ガスの供給を停止する。そして、ステップ1と同様の処理手順により、処理室6内に残留する未反応もしくは第2の層の形成に寄与した後のNH3ガスや反応副生成物を処理室6内から排出する。
処理温度(ウェハ温度):250〜700℃、
処理圧力(処理室内圧力):1〜4000Pa、
HCDSガス供給流量:1〜2000sccm、
NH3ガス供給流量:100〜10000sccm、
N2ガス供給流量(ノズル):100〜10000sccm、
N2ガス供給流量(回転軸):100〜500sccm、
が例示される。それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値に設定することで、成膜処理を適正に進行させることが可能となる。
成膜処理が完了した後、バルブ14を開き、ガス供給管12からN2ガスを処理室6内へ供給し、排気管15から排気する。これにより、処理室6内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、残留する原料や副生成物が処理室6内から除去(パージ)される。その後、APCバルブ17が閉じられ、処理室6内の圧力が常圧になるまでN2ガスが充填される(大気圧復帰)。
ボートエレベータ27によりシールキャップ19が下降され、マニホールド5の下端が開口される。そして、処理済のウェハ7が、ボート21に支持された状態で、マニホールド5の下端から反応管4の外部に搬出される(ボートアンロード)。処理済のウェハ7は、ボート21より取出される。
基板保持体127の移載室124への搬出が完了すると、ウェハ7が所定の温度になるまで移載室124内でウェハ7を降温(冷却)させる。この時、クリーンユニット162からは第1の流速および第1の流量でのガス供給が継続され、ガスパイプ176からは第1の流速より大きい第3の流速および第1の流量より小さく、第2の流量より大きい第3の流量で基板保持体127にガスが供給される。ここで、所定の温度とは、ウェハ7を搬出可能な温度であり、ツィーザ156aまたはポッド160の耐熱温度以下の温度である。
Si溶射ダミーウェハ820は、成膜されたSiN等によって細孔が徐々に塞がれ、表面積が減少する。N枚のウェハを搭載できるボート21において、それぞれの搭載位置を、一番上からSlot N, Slot N-1, Slot N-2,…とするとき、例えば、Slot Nには使用回数がn回以下のウェハを、Slot N-1には使用回数がn+1回以上2n回以下のウェハを、Slot N-2には使用回数が2n+1回以上3n回以下のウェハを、Slot N-iには使用回数がi * n+1回以上(i + 1) *n回以下のウェハを搭載する。ここで、nは1つの搭載位置に搭載したまま繰り返し使用できる回数、iは0から始まるインデックスである。
なおここでは、製品ウェハ810からより遠いところに使用回数のより少ないSi溶射ダミーウェハ820を配置したが、その逆に、製品ウェハ810からより近いところに使用回数のより少ないSi溶射ダミーウェハ820を配置してもよい。
・再溶射
通常の再生ウェハ同様、一旦Si溶射ダミーウェハ820をCMP等の手法で研磨し、Si溶射被膜822を除去する。あるいは、細孔の開口を実質的に閉塞させるように、今のSi溶射被膜822の上に多結晶または単結晶Si厚膜を例えば成膜させる。その後Si溶射を行う。
Si溶射ダミーウェハ820のSi溶射被膜822上に成膜された材質を選択的にエッチングする方法により、再生可能である。例えばSiN/Siであれば、フッ素化オレフィン(ハイドロフルオロカーボン)を用いた等方性プラズマエッチ等が利用できる。
Si溶射ダミーウェハ820のSi溶射被膜822上に成膜された材質を選択的にエッチングする方法により、再生可能である。例えばSiN/Siであれば、リン酸エッチングが利用できる。
2 処理炉
3 ヒータ
4 反応管
8 ノズル
19 シールキャップ
21,126 ボート
27、132 ボートエレベータ
29 コントローラ
124 移載室
134 ガス供給機構
162 クリーンユニット
402 パーティクルカウンタ
820 Si溶射ダミーウェハ
Claims (13)
- 複数の基板を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具と、
上端を閉塞する天井と、下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口とを備え、前記基板保持具を収容する反応管と、
前記基板保持具を直接または間接に保持するとともに前記開口を塞ぐ蓋と、
前記反応管内で前記基板保持具に保持された前記複数の基板のそれぞれの表側面に対して表側面に平行なガスの流れを提供するガス供給機構と、を備え、
前記基板保持具は、前記配列の端において、製品基板の表面積を模擬したSi溶射層が形成されたダミー基板を1枚以上保持し、それ以外の位置には集積回路パターンが形成された前記製品基板もしくはモニター基板を保持する基板処理装置。 - 請求項1記載の基板処理装置であって、前記ダミー基板は、表側面に形成された前記Si溶射層が前記製品基板と略等しい表面積を有する基板処理装置。
- 請求項1記載の基板処理装置であって、前記Si溶射層は、積算細孔容積分布において全容積の25%から75%に相当する細孔直径の範囲に、前記製品基板が有するヴィアの直径もしくはトレンチの幅が収まっている基板処理装置。
- 請求項1記載の基板処理装置であって、前記基板保持具は、前記製品基板もしくは前記モニター基板と比べて半分以下の直径を有して表面にSi溶射層が形成された複数枚のダミー基板をトレーに載せて保持する基板処理装置。
- 請求項1または4に記載の基板処理装置であって、
前記反応管の上方及び側方を取り囲む炉体と、
前記製品基板もしくは前記モニター基板に所定の厚さの膜を堆積させるように前記炉体の温度と、前記ガス供給機構とを制御するコントローラと、を更に備え、
前記コントローラは、更に、複数枚の前記ダミー基板のそれぞれについて、前記基板保持具に保持されて前記製品基板もしくは前記モニター基板とともに処理された履歴を膜厚若しくは使用回数の累積値として保持する基板処理装置。 - 請求項5記載の基板処理装置であって、前記コントローラは、前記累積値が規定値を超えた時に所定の記録動作、報告動作あるいは当該ダミー基板を前記基板保持具から取り除く動作を行う基板処理装置。
- 請求項5記載の基板処理装置であって、
前記蓋を上下に駆動して、前記基板保持具を前記反応管へ搬出及び搬入するエレベータと、
前記反応管の前記開口よりも下方に設けられ、搬出中のもしくは搬出された前記基板保持具に向けて冷却ガスを噴射する冷却器と、を更に備え、
前記冷却器は、噴射する冷却ガスが前記ダミー基板に当たるときに、当たらない時とは異なる流量で噴射するように制御される基板処理装置。 - 請求項7記載の基板処理装置であって、前記冷却器と対向する位置において、噴射された前記冷却ガスの気中パーティクルを測定するパーティクルカウンタを更に備え、
前記コントローラは、前記ダミー基板を横切った前記冷却ガスから前記パーティクルカウンタが測定したパーティクルが規定値を超えた時に、所定の記録動作、報告動作あるいは当該ダミー基板を前記基板保持具から取り除く動作を行う基板処理装置。 - 請求項1記載の基板処理装置であって、前記ダミー基板は、再溶射、ドライエッチング又はウェットエッチングによって再生された基板である。
- 請求項6記載の基板処理装置であって、
前記基板保持具は、前記ダミー基板を複数の保持位置でそれぞれ保持し、
前記コントローラは、前記複数の保持位置毎に異なる前記規定値を適用する。 - 請求項10記載の基板処理装置であって、
前記コントローラは、前記ダミー基板のうち使用回数が前記規定値を満たさなくなったダミー基板を前記基板保持具から取り出し、取り出された前記ダミー基板があった保持位置に、他の保持位置のダミー基板を移し替えるように制御する。 - 半導体装置の製造方法であって、
複数の基板を所定の間隔で配列して保持した基板保持具を搬入手段で筒状の反応管の中に搬入するステップと、
前記基板を保持した前記基板保持具を搬入した前記筒状の反応管の内部の圧力を圧力調整部で調整すると共にヒータで所定の温度まで加熱するステップと、
前記圧力を調整し、前記所定の温度まで加熱した前記筒状の反応管の前記内部にガス供給部から処理ガスを供給するステップと、
前記処理ガスの供給を終えた後に前記筒状の反応管の前記内部を大気圧に復帰するステップと、
前記内部を大気圧に復帰された前記筒状の反応管の前記内部から前記基板を保持した前記基板保持具を前記搬入手段で搬出して前記基板を室温まで冷却するステップと、を備え、
前記供給するステップは、集積回路パターンが形成された製品基板もしくはモニター基板と、前記製品基板もしくは前記モニター基板を挟む両側の位置に前記製品基板の表面積を模擬したSi溶射層が形成されたダミー基板とを前記基板保持具に配列して保持させた状態で行う半導体装置の製造方法。 - 請求項12に記載の半導体装置の製造方法であって、前記供給するステップでは、前記製品基板もしくは前記モニター基板に所定の厚さの膜を堆積させるように前記ヒータの温度と、前記ガス供給部とをコントローラで制御し、
更に前記コントローラで、複数枚の前記ダミー基板のそれぞれについて、前記基板保持具に保持されて前記製品基板もしくは前記モニター基板とともに処理された履歴を膜厚の累積値として保持し、前記累積値が規定値を超えたときに、所定の記録動作、または所定の報告動作を行うステップを備える半導体装置の製造方法。
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