JP7246217B2 - 成膜装置の洗浄方法 - Google Patents

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Description

本開示は、成膜装置の洗浄方法に関する。
特許文献1には、互いに反応する少なくとも2種類の反応ガスを基板に対して交互に供給することにより、反応生成物を基板に成膜するALD(Atomic Layer Deposition)法が記載されている。特許文献1では、回転テーブルの回転中心の周りに水平に配置される基板を、回転テーブルと共に回転させることにより、第1の処理領域と、第2の処理領域と、第3の処理領域と、第4の処理領域とに送る。第1の処理領域では、シリコン含有ガス(例えばジクロロシランガス)が基板に供給され、シリコン含有ガスが基板に吸着され、基板にシリコン含有層が形成される。第2の処理領域、第3の処理領域、および第4の処理領域では、窒化用ガス(例えばアンモニアガスと水素ガスの混合ガス)が基板に供給される。窒化用ガスは、プラズマ化され、シリコン含有層を窒化する。その結果、窒化シリコン膜が形成される。
特開2017-175106号公報
本開示の一態様は、処理容器の内部に堆積する窒化シリコン膜を効率良く除去でき、且つ、石英で形成される部材のダメージを抑制できる、技術を提供する。
本開示の一態様に係る成膜装置の洗浄方法は窒化シリコン膜が堆積する処理容器の内部を、プラズマ化された洗浄用ガスで洗浄する工程を有し前記洗浄用ガスは、フッ素含有ガスと酸素ガスとを含む、成膜装置の洗浄方法であって、
前記処理容器の内部で回転する水平な回転テーブルを、第1の位置と、前記第1の位置よりも鉛直下方の第2の位置との間で昇降する工程と、
前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第1の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記洗浄用ガスで前記処理容器の内部を洗浄する工程と、
前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第2の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記洗浄用ガスで前記処理容器の内部を洗浄する工程と、を有する。
本開示の一態様によれば、処理容器の内部に堆積する窒化シリコン膜を効率良く除去でき、且つ、石英で形成される部材のダメージを抑制できる。
図1は、一実施形態に係る成膜装置の断面図である。 図2は、一実施形態に係る処理容器の内部構造を示す平面図である。 図3は、一実施形態に係る給排気ユニットの断面図である。 図4は、一実施形態に係る給排気ユニットの平面図である。 図5は、一実施形態に係る成膜方法を示すフローチャートである。 図6は、一実施形態に係る成膜時に回転テーブル上に供給されるガスの種類を示す平面図である。 図7は、一実施形態に係る洗浄方法を示すフローチャートである。 図8は、図7に示す回転テーブルのフッ素洗浄(工程S201)で回転テーブルに供給されるガスの一例を示す平面図である。 図9は、図7に示す回転テーブルのフッ素洗浄(工程S201)における回転テーブルの鉛直方向位置の一例を示す断面図である。 図10は、図7に示す給排気ユニットのフッ素洗浄(工程S204)で回転テーブルに供給されるガスの一例を示す平面図である。 図11は、図7に示す給排気ユニットのフッ素洗浄(工程S204)における回転テーブルの鉛直方向位置の一例を示す断面図である。 図12は、変形例に係る洗浄方法を示すフローチャートである。
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同一の又は対応する構成には同一の又は対応する符号を付し、説明を省略することがある。
(成膜装置)
図1は、一実施形態に係る成膜装置の断面図である。図2は、一実施形態に係る処理容器の内部構造を示す平面図である。
成膜装置は、ALD(Atomic Layer Deposition)法により、基板Wに膜を成膜する。基板Wは例えばシリコンウエハなどの半導体基板である。基板Wは、下地膜を含んでもよい。成膜装置によって形成する膜は、例えば窒化シリコン膜である。窒化シリコン膜は、原料ガス(例えばジクロロシランガス)と、窒化用ガス(例えばアンモニアガス)とを交互に基板Wに供給することにより、基板W上に形成される。
成膜装置は、ほぼ円形の平面形状を有する扁平な処理容器1と、この処理容器1内に設けられ、処理容器1の中心に回転中心線13Zを有する回転テーブル13とを備える。処理容器1は、有底の円筒形状を有する容器本体11と、容器本体11の上面に対して気密に着脱可能に配置される天板12とを有する。
処理容器1の側壁には、図2に示すように、基板Wの搬送口19が形成される。外部の搬送アームは、搬送口19を通り、回転テーブル13の上方で待機する。回転テーブル13の上面には、その回転中心線13Zの周りに複数(例えば6つ)の凹部14が設けられる。凹部14は、円形に形成される。凹部14の直径は、基板Wの直径よりも大きい。凹部14の内底面には、基板Wが水平に設置される。設置された基板Wの上面と、回転テーブル13の上面とは、面一である。凹部14の内底面には3つのピン穴が形成され、3つのピン穴のそれぞれに昇降ピンが配置される。3本の昇降ピンは、基板Wを下方から支持しながら昇降することにより、搬送アームと回転テーブル13との間で基板Wを受け渡す。搬送口19は、ゲートバルブにより開閉される。
回転テーブル13は、図1に示すように、中心部にて、回転軸15の上端部に固定される。回転軸15は、鉛直方向下方に延びて、処理容器1の底部を貫通し、駆動部16と接続される。駆動部16が回転テーブル13を回転させると、回転テーブル13の回転中心線13Zを中心に凹部14が回転し、凹部14に載置された基板Wが回転する。駆動部16は、回転テーブル13を昇降する役割も有する。回転テーブル13を下降することで、回転テーブル13と天板12との間隔が広がるので、回転テーブル13と天板12との間に搬送アームが入り込みやすい。
回転テーブル13の下方には、ヒータ17が設けられる。ヒータ17は、回転テーブル13を加熱することにより、回転テーブル13上の基板Wを加熱する。ヒータ17は、基板W全体を加熱できるように、処理容器1の底部に同心円状に配置される。
回転テーブル13の上方には、図2に示すように、給排気ユニット2と、プラズマ形成ユニット3Aと、プラズマ形成ユニット3Bと、プラズマ形成ユニット3Cとが、回転テーブル13の回転方向13Rに、この順番で配置される。回転テーブル13と共に回転する基板Wは、第1の処理領域R1、第2の処理領域R2、第3の処理領域R3、及び第4の処理領域R4をこの順番で通過する。
第1の処理領域R1は、給排気ユニット2の下方に形成される。第1の処理領域R1では、原料ガスが基板Wに吸着される。成膜装置によって窒化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしてはシリコン含有ガスが用いられる。シリコン含有ガスが基板Wに吸着されることにより、基板Wにシリコン含有層が形成される。シリコン含有層は、シリコンの他に、ハロゲン元素を含む。原料ガスがハロゲン元素を含むからである。
第2の処理領域R2は、プラズマ形成ユニット3Aの下方に形成される。また、第3の処理領域R3は、プラズマ形成ユニット3Bの下方に形成される。第2の処理領域R2及び第3の処理領域R3では、プラズマ化された改質用ガスで、シリコン含有層が改質される。シリコン含有層の改質は、例えば、シリコン含有層に含まれるハロゲン元素を除去することを含む。ハロゲン元素を除去することで、Siの未結合手(Dangling Bond)を形成できる。その結果、シリコン含有層を活性化でき、シリコン含有層の窒化を促進できる。改質用ガスは、例えば水素(H)ガスを含む。改質用ガスは、水素ガスに加えてアルゴン(Ar)ガスを含んでもよい。
第4の処理領域R4は、プラズマ形成ユニット3Cの下方に形成される。第4の処理領域R4では、プラズマ化された窒化用ガスでシリコン含有層が窒化されるので、窒化シリコン膜が形成される。窒化用ガスとしては、例えば、アンモニア(NH)ガス、又は窒素(N)ガスが用いられる。
図3は、一実施形態に係る給排気ユニットの断面図である。図4は、一実施形態に係る給排気ユニットの平面図である。図4において、図面上での識別性を向上すべく、排気口22、及びパージガス吐出口23は、多数のドットを付して示す。
給排気ユニット2は、図4に示すように、平面視で扇状に形成される。給排気ユニット2は、回転テーブル13の径方向外方に向うほど、回転テーブル13の周方向に広がる。給排気ユニット2の下面は、回転テーブル13の上面と平行に配置される。
給排気ユニット2の下面には、ガス吐出口21、排気口22、及びパージガス吐出口23が形成される。ガス吐出口21は、扇状領域24に分散して複数配置される。扇状領域24は、回転テーブル13の径方向外方に向うほど、回転テーブル13の周方向に広がる。複数のガス吐出口21は、成膜処理時に、原料ガスをシャワー状に吐出し、基板Wの表面全体に供給する。成膜装置によって窒化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしてはシリコン含有ガスが用いられる。
シリコン含有ガスとしては、例えば、ジクロロシラン(DCS:SiHCl)ガスが用いられる。なお、本実施形態の原料ガスはDCSガスであるが、本開示の技術はこれに限定されない。原料ガスとしては、DCSガスの他に、例えば、モノクロロシラン(MCS:SiHCl)ガス、トリクロロシラン(TCS:SiHCl)ガス、シリコンテトラクロライド(STC:SiCl)ガス、ヘキサクロロジシラン(HCDS:SiCl)ガス等も使用可能である。これらのガスを基板Wに供給することにより、シリコン(Si)を含むシリコン含有層を基板Wに形成できる。シリコン含有層は、シリコンの他にハロゲン元素を含む。原料ガスがハロゲン元素を含むからである。
扇状領域24には、回転テーブル13の中心側から回転テーブル13の周縁側に向けて、3つの区域24A、24B、24Cが設定される。複数のガス吐出口21は、区域24A、24B、24C毎に、異なるガス流路25A、25B、25Cを介して、異なるガス供給機27と接続される。ガス供給機27は、DCSガスの供給源26からガス吐出口21に供給されるDCSガスの流量を制御する。区域24A、24B、24C毎に、DCSの吐出流量を制御できる。ガス供給機27は、例えば、原料ガスの流量を制御する流量制御器と、原料ガスの流路を開閉する開閉弁とを有する。
扇状領域24の外側には、扇状領域24を取り囲むように排気口22が環状に配置される。排気口22は、排気管を介して排気装置28に接続される。排気装置28は、ガスを吸引する真空ポンプを含む。排気装置28と排気口22とを接続する排気管の途中には、圧力制御器20が配置される。圧力制御器20は、排気口22の気圧を制御する。
排気口22の外側には、排気口22を取り囲むようにパージガス吐出口23が環状に配置される。パージガス吐出口23は、ガス流路23Aを介して、ガス供給機27と接続される。ガス供給機27は、パージガスの供給源29からパージガス吐出口23に供給されるパージガスの流量を制御する。ガス供給機27は、例えば、パージガスの流量を制御する流量制御器と、パージガスの流路を開閉する開閉弁とを有する。成膜装置によって窒化シリコン膜を形成する場合、パージガスとしては、例えばアルゴンガスが用いられる。
成膜時には、ガス吐出口21が原料ガスを吐出すると共にパージガス吐出口23がパージガスを吐出する。また、成膜時には、排気口22が、原料ガス、及びパージガスを排気する。これにより、原料ガスが基板Wに吸着される第1の処理領域R1を、平面視で環状の排気口22の内側に限定できる。また、第1の処理領域R1に供給された原料ガスと、プラズマ形成ユニット3A、3B、3Cによってプラズマ化されたガスとの混合を抑制できる。パージガスは、第1の処理領域R1の雰囲気を外部の雰囲気と分離する役割の他、基板Wに過剰に吸着した原料ガスを、基板Wから除去する役割も有する。
次に、プラズマ形成ユニット3Cについて図1を参照して説明する。その他のプラズマ形成ユニット3A、3Bは、図1に示すプラズマ形成ユニット3Cと同様に構成されるので、説明を省略する。
プラズマ形成ユニット3Cは、処理容器1の天板12を鉛直方向に貫通する開口部11aに設けられる。開口部11aは、平面視で概略扇形に形成される。開口部11aは、円盤状の天板12の径方向外方に向うほど、天板12の周方向に広がる。開口部11aの開口径が鉛直下方に向うにつれ段階的に小さくなるように、段部11bが形成される。
プラズマ形成ユニット3Cは、回転テーブル13上に供給されるプラズマ形成用ガスをマイクロ波で励起することにより、プラズマを発生させる。プラズマ形成ユニット3Cは、上記のマイクロ波を供給するためのアンテナ31を備える。アンテナ31は、誘電体板32と金属製の導波管33とを含む。
誘電体板32は、天板12の開口部11aを塞ぐように、平面視で扇状に形成される。誘電体板32は、天板12の開口部11aに挿入され、段部11bで支持される。誘電体板32は、回転テーブル13に対向するように設置される。誘電体板32は、処理容器1の内部を気密に保つ。
導波管33は、誘電体板32上に設けられ、回転テーブル13の径方向に延在する内部空間35を有する。内部空間35の回転中心線13Z側の端部は塞がれており、内部空間35の回転中心線13Zとは反対側の端部にはマイクロ波発生器37が接続される。マイクロ波発生器37は、例えば約2.45GHzのマイクロ波を導波管33に供給する。導波管33は、誘電体板32に接するスロット板36を含む。スロット板36は、複数のスロット孔36Aを有する。
導波管33に供給されたマイクロ波は、スロット板36のスロット孔36Aを通過して誘電体板32に至り、誘電体板32の下面付近でプラズマ形成用ガスをプラズマ化する。プラズマが形成される第4の処理領域R4を、誘電体板32の下方領域に限定できる。第4の処理領域R4には、ガス供給機40によって、プラズマ形成用ガスが供給される。
ガス供給機40は、内側ガス吐出口41と、外側ガス吐出口42とを有する。内側ガス吐出口41及び外側ガス吐出口42は、誘電体板32を下方から支持する段部11bに設けられる。
内側ガス吐出口41は、天板12の径方向外側に向けて、誘電体板32の下面に沿ってプラズマ形成用ガスを吐出する。内側ガス吐出口41は、天板12の周方向に沿って間隔をおいて複数配列される。内側ガス吐出口41は、主管及び主管から枝分かれする複数の岐管を介して、アルゴンガスの供給源43と、アンモニアガスの供給源44と、水素ガスの供給源45と、フッ素含有ガスの供給源46と、酸素ガスの供給源47とに接続される。複数の枝管のそれぞれの途中には、流量制御器48が配置される。内側ガス吐出口41は、アルゴンガス、アンモニアガス、水素ガス、フッ素含有ガス、及び酸素ガスから選択される1種類以上のガスを、任意の組合せで、また、任意の混合比で、吐出する。
一方、外側ガス吐出口42は、天板12の径方向内側に向けて、誘電体板32の下面に沿ってプラズマ形成用ガスを吐出する。外側ガス吐出口42は、天板12の周方向に沿って間隔をおいて複数配列される。外側ガス吐出口42は、内側ガス吐出口41と同様に、主管及び主管から枝分かれする複数の岐管を介して、アルゴンガスの供給源43と、アンモニアガスの供給源44と、水素ガスの供給源45と、フッ素含有ガスの供給源46と、酸素ガスの供給源47とに接続される。複数の枝管のそれぞれの途中には、流量制御器49が配置される。外側ガス吐出口42は、アルゴンガス、アンモニアガス、水素ガス、フッ素含有ガス、及び酸素ガスから選択される1種類以上のガスを、任意の組合せで、また、任意の混合比で、吐出する。内側ガス吐出口41と、外側ガス吐出口42とは、プラズマ形成用ガスを独立に吐出できるように、異なる流量制御器48、49に接続される。
処理容器1の底部には、図2に示すように排気口51が形成される。排気口51は、回転テーブル13の径方向外側に配置され、回転中心線13Zを基準として第1の処理領域R1とは反対側に配置される。排気口51は、排気管を介して排気装置52に接続される。排気装置52は、ガスを吸引する真空ポンプを有する。排気装置52と排気口51とを接続する排気管の途中には、圧力制御器53が配置される。圧力制御器53は、排気口51の気圧を制御する。上記のプラズマ形成ユニット3A、3B、3Cから吐出されるプラズマ形成用ガスは、排気口51から排気される。
成膜装置は、図1に示すように制御部100を備える。制御部100は、例えばコンピュータで構成され、CPU(Central Processing Unit)101と、メモリなどの記憶媒体102とを備える。記憶媒体102には、成膜装置において実行される各種の処理を制御するプログラムが格納される。制御部100は、記憶媒体102に記憶されたプログラムをCPU101に実行させることにより、成膜装置の動作を制御する。また、制御部100は、入力インターフェース103と、出力インターフェース104とを備える。制御部100は、入力インターフェース103で外部からの信号を受信し、出力インターフェース104で外部に信号を送信する。
かかるプログラムは、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体に記憶されていたものであって、その記憶媒体から制御部100の記憶媒体102にインストールされたものであってもよい。コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体としては、例えば、ハードディスク(HD)、フレキシブルディスク(FD)、コンパクトディスク(CD)、マグネットオプティカルデスク(MO)、メモリーカードなどが挙げられる。なお、プログラムは、インターネットを介してサーバからダウンロードされ、制御部100の記憶媒体102にインストールされてもよい。
(成膜方法)
図5は、一実施形態に係る成膜方法を示すフローチャートである。図5に示す工程S101~S106は、制御部100による制御下で実施される。図6は、一実施形態に係る成膜時に回転テーブル上に供給されるガスの種類を示す平面図である。
成膜方法は、処理容器1の内部に基板Wを搬入する工程S101を有する。この工程S101では、先ずゲートバルブが搬送口19を開く。続いて、搬送アームが、搬送口19を通り、回転テーブル13の上方で待機する。次いで、昇降ピンが、搬送アームから基板Wを受け取り、受け取った基板Wを回転テーブル13の凹部14内に載置する。搬送アームから回転テーブル13への基板Wの受け渡しは、回転テーブル13を間欠的に回転させながら、繰り返し行われる。その結果、回転テーブル13には、例えば6枚の基板Wが載置される。
その後、ゲートバルブが搬送口19を閉じる。続いて、排気装置52が処理容器1の内部を排気し、処理容器1の内部の気圧が設定気圧に到達すると、圧力制御器53が処理容器1の内部の気圧を設定気圧に制御する。圧力制御器53の設定気圧は、例えば66.5Pa(0.5Torr)以上、665Pa(5Torr)以下である。次いで、駆動部16が回転テーブル13を設定回転数で回転させる共に、ヒータ17が基板Wを設定温度に加熱する。回転テーブル13の設定回転数は、例えば10rpm以上、30rpm以下である。回転テーブル13と共に回転する基板Wは、第1の処理領域R1、第2の処理領域R2、第3の処理領域R3、及び第4の処理領域R4をこの順番で通過する。
成膜方法は、第1の処理領域R1において、シリコン含有ガスを基板Wに吸着させることにより、基板Wにシリコン含有層を形成する工程S102を有する。シリコン含有ガスとしては、例えばDCSガスが用いられる。給排気ユニット2は、扇状領域24の複数のガス吐出口21からシリコン含有ガスをシャワー状に吐出すると共に、扇状領域24を囲む環状のパージガス吐出口23から回転テーブル13に向けてパージガスを吐出する。また、給排気ユニット2は、扇状領域24とパージガス吐出口23との間に環状に形成される排気口22から、シリコン含有ガスとパージガスとを排気する。
成膜方法は、第2の処理領域R2および第3の処理領域R3において、シリコン含有層を改質する工程S103を有する。この工程S103では、第2の処理領域R2および第3の処理領域R3において、内側ガス吐出口41と、外側ガス吐出口42とが、改質用ガスを吐出する。改質用ガスとしては、例えば水素ガスが用いられる。改質用ガスは、プラズマ形成用ガスであり、プラズマ形成ユニット3A、3Bによってプラズマ化される。プラズマ化された改質用ガスは、シリコン含有層を改質する。シリコン含有層の改質は、例えば、シリコン含有層に含まれるハロゲン元素を除去することを含む。ハロゲン元素を除去することで、シリコン元素の未結合手を形成できる。その結果、シリコン含有層を活性化でき、シリコン含有層の窒化を促進できる。
成膜方法は、第4の処理領域R4において、シリコン含有層を窒化する工程S104を有する。この工程S104では、第4の処理領域R4において、内側ガス吐出口41と、外側ガス吐出口42とが、窒化用ガスを吐出する。窒化用ガスとしては、例えばアンモニアガスが用いられる。窒化用ガスは、プラズマ形成用ガスであり、プラズマ形成ユニット3Cによってプラズマ化される。プラズマ化された窒化用ガスは、シリコン含有層を窒化することにより、窒化シリコン膜を形成する。
窒化シリコン膜の膜厚が目標厚さ未満である場合(工程S105、No)、制御部100は工程S102以降の処理を再び実施する。窒化シリコン膜の膜厚が目標厚さであるか否かは、処理時間などに基づいて判断される。一方、窒化シリコン膜の膜厚が目標厚さである場合(工程S105、Yes)、制御部100は工程S106の処理を実施する。
成膜方法は、処理容器1の外部に基板Wを搬出する工程S106を有する。この工程S106では、先ずゲートバルブが搬送口19を開く。続いて、搬送アームが、搬送口19を通り、回転テーブル13の上方で待機する。次いで、昇降ピンが、回転テーブル13から基板Wを受け取り、受け取った基板Wを搬送アームに渡す。回転テーブル13から搬送アームへの基板Wの受け渡しは、回転テーブル13を間欠的に回転させながら、繰り返し行われる。
(洗浄方法)
図7は、一実施形態に係る洗浄方法を示すフローチャートである。図7に示す工程S201~S208は、制御部100による制御下で実施され、例えば、窒化シリコン膜の成膜が設定回数行われる度に、又は設定時間が経過する度に行われる。図7に示す工程S201~S208は、回転テーブル13を駆動部16で回転すると共に、回転テーブル13をヒータ17で加熱しながら行われる。回転テーブル13の回転数は、特に限定されないが、例えば10rpmである。また、回転テーブル13の温度は、特に限定されないが、例えば550℃である。
洗浄方法は、回転テーブル13をプラズマ化された洗浄用ガスで洗浄する工程S201を有する。洗浄用ガスは、フッ素含有ガスと酸素(O)ガスとを含む。フッ素含有ガスは、例えば、三フッ化窒素(NF)ガスである。洗浄用ガスは、例えば、三フッ化窒素ガスを1体積%以上10体積%以下、酸素ガスを0.5体積%以上5体積%以下含む。なお、本実施形態ではフッ素含有ガスとしてNFガスが用いられるが、NFガスの代わりにFガスが用いられてもよい。フッ素含有ガスは、フッ素を含むガスであればよい。
洗浄用ガスは、プラズマ化され、回転テーブル13に堆積した堆積物を除去する。除去する堆積物は、例えば窒化シリコン膜である。一方、回転テーブル13は、例えば石英(酸化シリコン)で形成される。洗浄用ガスは、フッ素含有ガスと酸素ガスとを含むので、酸化シリコン(SiO)に比べて窒化シリコン(SiN)を選択的にエッチングできる。
なお、本明細書では、窒化シリコンを、シリコン(Si)と窒素(N)との比率に関係なく、SiNと表記する。「SiN」は、例えばシリコンと窒素とを3:4で含むもの(Si)を含む。同様に、本明細書では、酸化シリコンを、シリコン(Si)と酸素(O)との比率に関係なく、SiOと表記する。「SiO」は、例えばシリコンと酸素とを1:2で含むもの(SiO)を含む。
洗浄用ガスがSiOに比べてSiNを選択的にエッチングするメカニズムは、以下のように推定される。
下記式(1)は、プラズマ化されたNFガスとSiNとの反応式である。
SiN+NF →SiF↑・・・(1)
上記式(1)に示すように、SiNは、プラズマ化されたNFガス(NF )と反応し、SiFガスを生じる。SiFガスは排気口51から排気され、SiNがエッチングされる。
下記式(2)は、NFガスにOガスを添加した場合の反応式である。OガスもNFガスと同様に、プラズマ化される。
SiN+NF +O →SiF↑+NO(NO)↑・・・(2)
上記式(2)に示すように、SiNは、プラズマ化されたOガス(O )と反応し、NOガスまたはNOガスを生じる。NOガスまたはNOガスは排気口51から排気され、SiNがエッチングされる。
NFガスにOガスを添加することで、SiFガスの生成に加えてNOガスまたはNOガスの生成が生じるので、SiNのエッチング速度が速くなる。従って、SiNをSiOに比べて選択的にエッチングできると考えられる。
なお、NFガスにOガスを添加することで、酸素ラジカルが供給され、その結果、SiOのエッチング速度が遅くなることも、洗浄用ガスがSiOに比べてSiNを選択的にエッチングする一因であると考えられる。SiOはSiNと同様にNF と反応し、SiFガスを生じる。このとき、SiとOの結合が切れるが、Siの未結合手にフッ素ラジカル(F)が結合する前に、酸素ラジカル(O)が結合することで、見かけ上、SiOのエッチング速度が遅くなる。
なお、NFガスの代わりに、Fガスが用いられる場合も、上記の式(1)および式(2)と同様の反応が生じる。
洗浄用ガスは、上述の如く、フッ素含有ガスと酸素ガスとを含むので、酸化シリコン(SiO)に比べて窒化シリコン(SiN)を選択的にエッチングできる。従って、洗浄用ガスは、石英(酸化シリコン)製の回転テーブル13の損傷を抑制しつつ、堆積物である窒化シリコン膜を除去できる。
石英製の部材は、回転テーブル13には限定されない。洗浄用ガスは、フッ素含有ガスと酸素ガスとを含むので、石英製の部材の損傷を抑制しつつ、堆積物である窒化シリコン膜を石英製の部材から除去できる。
洗浄用ガスは、フッ素含有ガスと酸素(O)ガスとに加えて、アルゴンガスなどの希ガスをさらに含む。洗浄用ガスは、希ガスをさらに含むことで、プラズマ化されやすくなるからである。
図8は、図7に示す回転テーブルのフッ素洗浄(工程S201)で回転テーブルに供給されるガスの一例を示す平面図である。図9は、図7に示す回転テーブルのフッ素洗浄(工程S201)における回転テーブルの鉛直方向位置の一例を示す断面図である。図9は、一実施形態に係る第4の処理領域及び第1の処理領域を回転テーブルの周方向に沿って切断した断面図である。
図8に示すように、洗浄用ガスは、例えば、第4の処理領域R4に供給され、プラズマ形成ユニット3Cによってプラズマ化され、窒化シリコン膜をエッチングする。回転テーブル13に堆積した窒化シリコン膜は、第4の処理領域R4を通過する間に、プラズマ化された洗浄用ガスによってエッチングされる。
なお、図7に示す工程S201~S208では、プラズマ形成ユニット3Bは、第3の処理領域R3にプラズマを形成しない。同様に、図7に示す工程S201~S208では、プラズマ形成ユニット3Aは、第2の処理領域R2にプラズマを形成しない。
回転テーブル13の上方には、図8に示すように、回転テーブル13の周方向に、プラズマ形成ユニット3Cと、ブロック60と、給排気ユニット2とがこの順番で配置される。プラズマ形成ユニット3Cは、洗浄用ガスをプラズマ化する。ブロック60は、図9に示すように、回転テーブル13に対向する。回転テーブル13の上面と、ブロック60の下面とは、互いに平行に形成される。回転テーブル13の上面と、ブロック60の下面との隙間の大きさh1は、窒化シリコン膜の成膜時と同程度であり、比較的狭い。ブロック60は、第4の処理領域R4に供給された洗浄用ガスが第1の処理領域R1に流れるのを抑制する。洗浄用ガスを第4の処理領域R4に集中でき、洗浄用ガスによる洗浄効率を向上できる。
回転テーブル13の上方には、図8に示すように、ブロック60の他に、別のブロック61が配置される。2つのブロック60、61は、プラズマ形成ユニット3Cを回転テーブル13の周方向に挟んで配置される。ブロック61は、プラズマ形成ユニット3Cとプラズマ形成ユニット3Bとの間に配置される。ブロック61は、ブロック60と同様に構成され、第4の処理領域R4に供給された洗浄用ガスが第3の処理領域R3に流れるのを抑制する。洗浄用ガスを第4の処理領域R4に集中でき、洗浄用ガスによる洗浄効率を向上できる。また、洗浄用ガスが第3の処理領域R3に流れるのを抑制するので、洗浄用ガスに含まれるフッ素が残留する領域を第4の処理領域R4に限定できる。
第1の排気口22と第2の排気口51とは、プラズマ形成ユニット3Cを回転テーブル13の周方向に挟んで配置される。第1の排気口22と第2の排気口51とは、例えば平面視で、回転テーブル13の回転中心線13Zを挟んで反対側に配置される。第1の排気口22は、第1の処理領域R1の上方に形成され、給排気ユニット2に形成される。一方、第2の排気口51は、回転テーブル13の径方向外側に形成され、第3の処理領域R3の隣に形成される。第1の排気口22の気圧、つまり圧力制御器20の設定気圧は、例えば0.8Torrである。第2の排気口51の気圧、つまり圧力制御器53の設定気圧は、例えば1.0Torrである。第1の排気口22の気圧P1Aと、第2の排気口51の気圧P2Aとは同程度である。
洗浄用ガスは、図8に矢印Aで示すように、主に第2の排気口51から排気される。主に第2の排気口51から洗浄用ガスが排気されるように、給排気ユニット2の扇状領域24からアルゴンガスがシャワー状に吐出される。扇状領域24に分散して配置される複数のガス吐出口21は、原料ガスに代えて、アルゴンガスを吐出する。第1の排気口22は扇状領域24から吐出されるアルゴンガスを排気するので、洗浄用ガスは図8に矢印Aで示すように主に第2の排気口51から排気される。
洗浄用ガスの流れは、回転テーブル13の径方向に延びるノズル70、71によっても制御できる。ノズル70、71は、その長手方向に間隔をおいて配列される複数の吐出孔を有する。複数の吐出孔は、ノズル70、71の長手方向に直交する方向に、カウンター用ガスを吐出する。ノズル70は、例えば、プラズマ形成ユニット3Bに設けられ、第4の処理領域R4から第2の排気口51を超えてノズル70に向う洗浄用ガスを、第2の排気口51に押し戻すように、カウンター用ガスを吐出する。また、ノズル71は、例えば、プラズマ形成ユニット3Aに設けられ、第4の処理領域R4から第1の排気口22を超えてノズル71に向う洗浄用ガスを、第1の排気口22に押し戻すように、カウンター用ガスを吐出する。カウンター用ガスとしては、例えば窒素(N)ガスが用いられる。窒素ガスの代わりに、アルゴンガスなどの希ガスが用いられてもよい。カウンター用ガスは、不活性ガスであればよい。
図7に示すように、洗浄方法は、回転テーブル13を第1の位置(図9に示す位置)から第2の位置(図11に示す位置)に下降する工程S202を有する。また、洗浄方法は、圧力制御器20、53の設定を変更する工程S203を有する。さらに、洗浄方法は、給排気ユニット2をプラズマ化された洗浄用ガスで洗浄する工程S204を有する。回転テーブル13の下降(工程S202)と、圧力制御器20、53の設定変更(工程S203)とは、どちらが先に行われてもよいし、同時に行われてもよい。回転テーブル13の下降(工程S202)と圧力制御器20、53の設定変更(工程S203)とは、回転テーブル13のフッ素洗浄(工程S201)と給排気ユニットのフッ素洗浄(工程S204)とで洗浄用ガスの流れを変更するために行われる。
図10は、図7に示す給排気ユニットのフッ素洗浄(工程S204)で回転テーブルに供給されるガスの一例を示す平面図である。図11は、図7に示す給排気ユニットのフッ素洗浄(工程S204)における回転テーブルの鉛直方向位置の一例を示す断面図である。図11は、一実施形態に係る第4の処理領域及び第1の処理領域を回転テーブルの周方向に沿って切断した断面図である。
図10に矢印Bで示すように、給排気ユニット2のフッ素洗浄(工程S204)では、第4の処理領域R4でプラズマ化された洗浄用ガスは、主に第1の排気口22に向けて流れる。給排気ユニット2に堆積した窒化シリコン膜を洗浄用ガスでエッチングでき、給排気ユニット2から窒化シリコン膜を除去できる。
洗浄用ガスを主に第1の排気口22に向けて流すべく、回転テーブル13の鉛直方向位置は第2の位置(図11に示す位置)に保持される。第2の位置に保持される回転テーブル13の上面とブロック60の下面との隙間の大きさh2は、第1の位置に保持される回転テーブル13の上面とブロック60の下面との隙間の大きさh1よりも大きい。従って、第4の処理領域R4に供給された洗浄用ガスがブロック60の下を通過しやすい。それゆえ、洗浄用ガスを主に第1の排気口22に向けて流すことができる。
また、洗浄用ガスを主に第1の排気口22に向けて流すべく、回転テーブル13の鉛直方向位置が第1の位置の場合と、第2の位置の場合とで、第1の排気口22の気圧と第2の排気口51の気圧とがそれぞれ変更される。変更後の第1の排気口22の気圧P1Bは、変更後の第2の排気口51の気圧P2Bよりも小さい。P1BとP2Bとの差圧によって、洗浄用ガスを主に第1の排気口22に向けて流すことができる。
例えば、回転テーブル13の鉛直方向位置が第2の位置である場合の第1の排気口22の気圧P1Bは、回転テーブル13の鉛直方向位置が第1の位置である場合の第1の排気口22の気圧P1Aよりも小さく、例えば、0.3Torrである。一方、回転テーブル13の鉛直方向位置が第2の位置である場合の第2の排気口51の気圧P2Bは、回転テーブル13の鉛直方向位置が第1の位置である場合の第2の排気口51の気圧P2Aよりも大きく、例えば、2.3Torrである。
給排気ユニット2のフッ素洗浄(工程S204)と、回転テーブル13のフッ素洗浄(工程S201)とは、回転テーブル13の鉛直方向位置、第1の排気口22の気圧、および第2の排気口51の気圧以外、同じ条件で実施されてよい。
図7に示すように、洗浄方法は、給排気ユニット2に付着するフッ素を、プラズマ化されたパージ用ガスで除去する工程S205を有する。給排気ユニット2のフッ素除去(工程S205)は、給排気ユニット2のフッ素洗浄(工程S204)の後に行われる。給排気ユニット2のフッ素除去(工程S205)は、洗浄用ガスの代わりにパージ用ガスを供給する点を除き、給排気ユニット2のフッ素洗浄(工程S204)と同様に実施される。
パージ用ガスは、洗浄用ガスとは異なり、フッ素含有ガスを含まずに、酸素(O)ガスを含む。「パージ用ガスがフッ素含有ガスを含まない」とは、パージ用ガスにおけるフッ素(F)の含有率が1体積ppm以下であることを意味する。
パージ用ガスは、洗浄用ガスと同様に、第4の処理領域R4に供給され、プラズマ形成ユニット3Cによってプラズマ化される。パージ用ガスは、酸素ガスに加えて、アルゴンガスなどの希ガスをさらに含む。パージ用ガスは、希ガスをさらに含むことで、プラズマ化されやすくなるからである。
パージ用ガスは、プラズマ化された後、洗浄用ガスと同様に、図10に矢印Bで示すように、給排気ユニット2に向けて流れ、給排気ユニット2に付着するフッ素を除去する。フッ素を除去するのは、窒化シリコン膜の成膜を再開する時にその成膜をフッ素が阻害してしまうからである。フッ素は、シリコン含有ガスが基板Wに吸着するのを阻害してしまう。また、フッ素は、改質用ガスがシリコン含有層を改質するのを阻害してしまう。本実施形態によれば、フッ素を除去するので、窒化シリコン膜の成膜速度を向上できる。
パージ用ガスは、洗浄用ガスと同様に、図10に矢印Bで示すように、主に第1の排気口22から排気される。給排気ユニット2に付着するフッ素は、パージ用ガスと共に、主に第1の排気口22から排気される。
図7に示すように、洗浄方法は、回転テーブル13を第2の位置(図11示す位置)から第1の位置(図9に示す位置)に上昇する工程S206を有する。また、洗浄方法は、圧力制御器20、53の設定を変更する工程S207を有する。さらに、洗浄方法は、回転テーブル13に付着するフッ素を、プラズマ化されたパージ用ガスで除去する工程S208を有する。回転テーブル13の上昇(工程S206)と、圧力制御器20、53の設定変更(工程S207)とは、どちらが先に行われてもよいし、同時に行われてもよい。回転テーブル13の上昇(工程S206)と圧力制御器20、53の設定変更(工程S207)とは、給排気ユニット2のフッ素除去(工程S205)と回転テーブル13のフッ素除去(工程S208)とでパージ用ガスの流れを変更するために行われる。
回転テーブル13のフッ素除去(工程S208)は、回転テーブル13のフッ素洗浄(工程S201)の後に行われる。回転テーブル13のフッ素除去(工程S208)は、洗浄用ガスの代わりにパージ用ガスを供給する点を除き、回転テーブル13のフッ素洗浄(工程S201)と同様に実施される。
パージ用ガスは、洗浄用ガスと同様に、第4の処理領域R4に供給され、プラズマ形成ユニット3Cによってプラズマ化され、回転テーブル13に付着するフッ素を除去する。回転テーブル13に付着するフッ素は、第4の処理領域R4を通過する間に、プラズマ化されたパージ用ガスによって除去される。
パージ用ガスは、プラズマ化された後、洗浄用ガスと同様に、図8に矢印Aで示すように、主に第2の排気口51から排気される。回転テーブル13に付着するフッ素は、パージ用ガスと共に、主に第2の排気口51から排気される。
ブロック60は、第4の処理領域R4に供給されたパージ用ガスが第1の処理領域R1に流れるのを抑制する。同様に、ブロック61は、第4の処理領域R4に供給された洗浄用ガスが第3の処理領域R3に流れるのを抑制する。パージ用ガスを第4の処理領域R4に集中でき、パージ用ガスによるフッ素の除去効率を向上できる。
図7に示すように、洗浄方法は、回転テーブル13のフッ素洗浄(工程S201)と、回転テーブル13の下降(工程S202)と、給排気ユニット2のフッ素洗浄(工程S204)と、給排気ユニット2のフッ素除去(工程S205)、回転テーブル13の上昇(工程S206)と、回転テーブル13のフッ素除去(工程S208)とをこの順番で有する。この場合、洗浄方法は、回転テーブル13の鉛直方向位置を第2の位置に保持した状態で、給排気ユニット2のフッ素洗浄(工程S204)と、給排気ユニット2のフッ素除去(工程S205)とを続けて行う。従って、回転テーブル13の鉛直方向位置を第1の位置と第2の位置との間で切り替える回数を低減でき、処理時間を短縮できる。
なお、上記の工程S201~S208の順番は、図7に示す順番には限定されない。例えば、図12に示すように、洗浄方法は、給排気ユニット2のフッ素洗浄(工程S204)と、回転テーブル13の上昇(工程S206)と、回転テーブル13のフッ素洗浄(工程S201)と、回転テーブル13のフッ素除去(工程S208)と、回転テーブル13の下降(工程S202)と、給排気ユニット2のフッ素除去(工程S205)とをこの順番で有してもよい。この場合、洗浄方法は、回転テーブル13の鉛直方向位置を第1の位置に保持した状態で、回転テーブル13のフッ素洗浄(工程S201)と、回転テーブル13のフッ素除去(工程S208)とを続けて行う。従って、この場合も、回転テーブル13の鉛直方向位置を第1の位置と第2の位置との間で切り替える回数を低減でき、処理時間を短縮できる。
なお、図7および図12に示す洗浄方法は、窒化シリコン膜の成膜が設定回数行われる度に、又は設定時間が経過する度に行われるが、1回目の窒化シリコン膜の成膜前に行われてもよい。つまり、窒化シリコン膜の成膜を全く行っていない処理容器1の内部を、本開示の洗浄方法で洗浄してもよい。本開示の洗浄方法によれば、処理容器1の内部に残留するフッ素量を低減できるが、完全にゼロにすることは困難である。1回目の窒化シリコン膜の成膜前に本開示の洗浄方法を実施すれば、1回目の窒化シリコン膜の成膜時に処理容器1の内部に僅かにフッ素が残存する状況を作り出せる。よって、窒化シリコン膜の成膜を安定して実施できる。
以上、本開示に係る成膜装置の洗浄方法の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態などに限定されない。特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更、修正、置換、付加、削除、及び組合わせが可能である。それらについても当然に本開示の技術的範囲に属する。
例えば、成膜装置は、上記実施形態ではマイクロ波プラズマを形成するが、誘導結合プラズマを形成してもよい。また、成膜装置は、処理容器1の外部でプラズマを発生し、発生したプラズマを処理容器1の内部に導入してもよい。
また、成膜装置は、上記実施形態では複数枚の基板Wに同時に窒化シリコン膜を形成するものであるが、1枚ずつ、基板Wに窒化シリコン膜を形成するものであってもよい。
基板Wは、シリコンウエハなどの半導体基板には限定されず、ガラス基板などであってもよい。
1 処理容器
2 給排気ユニット
22 第1の排気口
3C プラズマ形成ユニット
13 回転テーブル
51 第2の排気口
60 ブロック

Claims (9)

  1. 窒化シリコン膜が堆積する処理容器の内部を、プラズマ化された洗浄用ガスで洗浄する工程を有し前記洗浄用ガスは、フッ素含有ガスと酸素ガスとを含む、成膜装置の洗浄方法であって、
    前記処理容器の内部で回転する水平な回転テーブルを、第1の位置と、前記第1の位置よりも鉛直下方の第2の位置との間で昇降する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第1の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記洗浄用ガスで前記処理容器の内部を洗浄する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第2の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記洗浄用ガスで前記処理容器の内部を洗浄する工程と、を有する、成膜装置の洗浄方法。
  2. 前記フッ素含有ガスは、三フッ化窒素ガスである、請求項1に記載の成膜装置の洗浄方法。
  3. 前記洗浄用ガスは、三フッ化窒素ガスを1体積%以上10体積%以下、酸素ガスを0.5体積%以上5体積%以下含む、請求項2に記載の成膜装置の洗浄方法。
  4. 前記回転テーブルの上方には、前記洗浄用ガスをプラズマ化するプラズマ形成ユニットが設けられ、
    平面視で、前記回転テーブルの周方向に、前記プラズマ形成ユニットを挟んで、第1の排気口と第2の排気口とが配置され、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置が前記第1の位置の場合と、前記第2の位置の場合とで、前記第1の排気口の気圧と前記第2の排気口の気圧とをそれぞれ変更する工程を有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の成膜装置の洗浄方法。
  5. 前記回転テーブルの上方には、前記回転テーブルの周方向に、前記洗浄用ガスをプラズマ化するプラズマ形成ユニットと、前記回転テーブルに対向するブロックと、前記窒化シリコン膜の原料ガスであるシリコン含有ガスを給排気する給排気ユニットとがこの順番で配置される、請求項1~4のいずれか1項に記載の成膜装置の洗浄方法。
  6. 前記洗浄用ガスで洗浄する工程の後に、前記処理容器の内部に残留するフッ素を、プラズマ化されたパージ用ガスで除去する工程を有し、
    前記パージ用ガスは、前記フッ素含有ガスを含まずに、酸素ガスを含む、請求項1~のいずれか1項に記載の成膜装置の洗浄方法。
  7. 記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第1の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記パージ用ガスで前記処理容器の内部に残留するフッ素を除去する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第2の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記パージ用ガスで前記処理容器の内部に残留するフッ素を除去する工程とを有する、請求項に記載の成膜装置の洗浄方法。
  8. 前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第1の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記洗浄用ガスで前記処理容器の内部を洗浄する工程と、
    前記回転テーブルを前記第1の位置から前記第2の位置に下降する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第2の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記洗浄用ガスで前記処理容器の内部を洗浄する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第2の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記パージ用ガスで前記処理容器の内部に残留するフッ素を除去する工程と、
    前記回転テーブルを前記第2の位置から前記第1の位置に上昇する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第1の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記パージ用ガスで前記処理容器の内部に残留するフッ素を除去する工程とをこの順番で有する、請求項に記載の成膜装置の洗浄方法。
  9. 前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第2の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記洗浄用ガスで前記処理容器の内部を洗浄する工程と、
    前記回転テーブルを前記第2の位置から前記第1の位置に上昇する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第1の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記洗浄用ガスで前記処理容器の内部を洗浄する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第1の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記パージ用ガスで前記処理容器の内部に残留するフッ素を除去する工程と、
    前記回転テーブルを前記第1の位置から前記第2の位置に下降する工程と、
    前記回転テーブルの鉛直方向位置を前記第2の位置に保持した状態で、プラズマ化された前記パージ用ガスで前記処理容器の内部に残留するフッ素を除去する工程とをこの順番で有する、請求項に記載の成膜装置の洗浄方法。
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