JP7461396B2 - 基板処理方法、半導体装置の製造方法、プログラム、および基板処理装置 - Google Patents
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Description
(a)処理容器内の基板上に、窒素、酸素及び所定元素を含有する第1膜と、窒素を含有し前記第1膜とは組成が異なる第2膜と、が積層されてなる積層膜を形成する工程と、
(b)(a)において前記処理容器内に付着した前記積層膜における前記第2膜の組成を前記第1膜の組成に近づける改質処理を行う工程と、
を備える技術が提供される。
以下、本開示の一態様について、主に、図1~図8を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
図1に示すように、処理炉202は温度調整器(加熱部)としてのヒータ207を有する。ヒータ207は円筒形状であり、保持板に支持されることにより垂直に据え付けられている。ヒータ207は、ガスを熱で活性化(励起)させる活性化機構(熱励起部)としても機能する。
上述の基板処理装置を用い、半導体装置の製造工程の一工程として、処理容器内の基板としてのウエハ200上に第1膜と第2膜とが積層されてなる積層膜を形成し、処理容器内に付着した積層膜における第2膜の組成を第1膜の組成に近づける改質処理を行う処理シーケンスの例について説明する。以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ121により制御される。
処理容器内のウエハ200上に、N、O及び所定元素を含有する第1膜と、Nを含有し第1膜とは組成が異なる第2膜と、が積層されてなる積層膜を形成するステップAと、
ステップAにおいて処理容器内に付着した積層膜における第2膜の組成を第1膜の組成に近づける改質処理を行うステップBと、
を行う。
処理容器内のウエハ200に対して原料ガスを供給するステップA1と、
処理容器内のウエハ200に対して所定元素含有ガスを供給するステップA2と、
処理容器内のウエハ200に対してO含有ガスを供給するステップA3と、
処理容器内のウエハ200に対してN含有ガスを供給するステップA4と、
を非同時に行うサイクルを所定回数(n回、nは1以上の整数)行うことで、ウエハ200上に、第1膜を形成する。
処理容器内のウエハ200に対して原料ガスを供給するステップa1と、
処理容器内のウエハ200に対してN含有ガスを供給するステップa2と、
を非同時に行うサイクルを所定回数(m回、mは1以上の整数)行うことで、第1膜上に、第2膜を形成する。
第2膜成膜処理:(原料ガス→N含有ガス)×m
まず、ウエハ200上に第1膜を形成する第1膜成膜処理のシーケンス例について説明し、次に、第1膜上に第2膜を形成する第2膜成膜処理のシーケンス例について説明する。
複数枚のウエハ200がボート217に装填(ウエハチャージ)される。その後、シャッタ開閉機構115sによりシャッタ219sが移動させられて、マニホールド209の下端開口が開放される(シャッタオープン)。
その後、図1に示すように、複数枚のウエハ200を支持したボート217は、ボートエレベータ115によって持ち上げられて処理室201内へ搬入される(ボートロード)。この状態で、シールキャップ219は、Oリング220bを介してマニホールド209の下端をシールした状態となる。
ボートロードが終了した後、処理室201内、すなわち、ウエハ200が存在する空間が、所望の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ246によって真空排気(減圧排気)される。この際、処理室201内の圧力は圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ244がフィードバック制御される(圧力調整)。また、処理室201内のウエハ200が、所望の処理温度となるように、ヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電具合がフィードバック制御される(温度調整)。また、回転機構267によるウエハ200の回転を開始する。真空ポンプ246の稼働、ウエハ200の加熱および回転は、いずれも、少なくともウエハ200に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。
その後、次のステップA1~A4を順次実行する。
ステップA1では、処理室201内のウエハ200に対して、原料ガスを供給する。
処理温度:250~800℃、好ましくは400~700℃
処理圧力:1~2666Pa、好ましくは67~1333Pa
原料ガス供給流量:0.01~2slm、好ましくは0.1~1slm
原料ガス供給時間:1~120秒、好ましくは1~60秒
不活性ガス供給流量(ガス供給管毎):0~10slm
が例示される。
処理圧力:1~20Pa
不活性ガス供給流量(ガス供給管毎):0.05~20slm
不活性ガス供給時間:1~200秒、好ましくは1~40秒
が例示される。他の処理条件は、原料ガスを供給する際における処理条件と同様な処理条件とする。
これらの点は、後述するステップa1においても同様である。
ステップA1が終了した後、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成されたSi含有層に対して、所定元素含有ガスを供給する。
処理圧力:1~4000Pa、好ましくは1~3000Pa
所定元素含有ガス供給流量:0.1~10slm
所定元素含有ガス供給時間:1~120秒、好ましくは1~60秒
が例示される。他の処理条件は、ステップA1にて原料ガスを供給する際における処理条件と同様な処理条件とする。
ステップA2が終了した後、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成されたSiC層に対して、O含有ガスを供給する。
処理圧力:1~4000Pa、好ましくは1~3000Pa
O含有ガス供給流量:0.1~10slm
O含有ガス供給時間:1~120秒、好ましくは1~60秒
が例示される。他の処理条件は、ステップA1にて原料ガスを供給する際における処理条件と同様な処理条件とする。
ステップA3が終了した後、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成されたSiOC層に対して、N含有ガスを供給する。
処理圧力:1~4000Pa、好ましくは1~3000Pa
N含有ガス供給流量:0.1~10slm
N含有ガス供給時間:1~120秒、好ましくは1~60秒
が例示される。他の処理条件は、ステップA1にて原料ガスを供給する際における処理条件と同様な処理条件とする。
上述のステップA1~A4を非同時に、すなわち、同期させることなく行うサイクルを所定回数(n回、nは1以上の整数)行うことにより、ウエハ200の表面を下地として、この下地上に、第1膜として、O,N、所定元素として例えばC及び半導体元素として例えばSiを含有する所定の厚さの例えばシリコン酸炭窒化膜(SiOCN膜)を形成することができる(図7(a)、図7(b)参照)。上述のサイクルは、複数回繰り返すことが好ましい。すなわち、1サイクルあたりに形成されるSiOCN層の厚さを所望の膜厚よりも薄くし、SiOCN層を積層することで形成されるSiOCN膜の厚さが所望の厚さになるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すことが好ましい。
その後、次のステップa1,a2を順次実行する。
ステップa1では、上述のステップA1における処理手順、処理条件と同様の処理手順、処理条件により、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上に形成された第1膜に対して、原料ガスを供給する(原料ガス供給)。これにより、第1膜上にSi含有層が形成される。Si含有層が形成された後、処理室201内への原料ガスの供給を停止し、ステップA1におけるパージと同様の処理手順により、処理室201内に残留するガス等を処理室201内から排除する(パージ)。
ステップa1が終了した後、上述のステップA1における処理手順、処理条件と同様の処理手順、処理条件により、処理室201内のウエハ200、すなわち、ウエハ200上の第1膜上に形成されたSi含有層に対して、N含有ガスを供給する(N含有ガス供給)。これにより、第1膜上に形成されたSi含有層の少なくとも一部が窒化(改質)される。結果として、下地としての第1膜上に、Si含有層が窒化されてなる層、すなわち、SiおよびNを含む層として、シリコン窒化層(SiN層)が形成される。SiN層を形成する際、Si含有層に含まれていたCl等の不純物は、N含有ガスによるSiN層の改質反応の過程において、少なくともClを含むガス状物質を構成し、処理室201内から排出される。これにより、SiN層は、Si含有層に比べて、Cl等の不純物が少ない層となる。
上述のステップa1,a2を非同時に、すなわち、同期させることなく行うサイクルを所定回数(m回、mは1以上の整数)行うことにより、第1膜の表面を下地として、この下地上に、第2膜として、N及び半導体元素として例えばSiを含有する所定の厚さの例えばシリコン窒化膜(SiN膜)を形成することができる(図7(c)参照)。第2膜は、第1膜が含有するO及び所定元素を実質的に含有しない膜であり、第1膜とは成分および組成が異なっている。上述のサイクルは、複数回繰り返すことが好ましい。すなわち、1サイクルあたりに形成されるSiN層の厚さを所望の膜厚よりも薄くし、SiN層を積層することで形成されるSiN膜の厚さが所望の厚さになるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すことが好ましい。
ウエハ200上へ所望の厚さの、第1膜と第2膜とが積層されてなる積層膜を形成する処理が完了した後、ノズル249a,249bのそれぞれからパージガスとして不活性ガスを処理室201内へ供給し、排気口231aより排気する。これにより、処理室201内がパージされ、処理室201内に残留するガスや反応副生成物等が処理室201内から除去される(アフターパージ)。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
その後、ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降され、マニホールド209の下端が開口される。そして、処理済のウエハ200が、ボート217に支持された状態でマニホールド209の下端から反応管203の外部に搬出される(ボートアンロード)。ボートアンロードの後は、シャッタ219sが移動させられ、マニホールド209の下端開口がOリング220cを介してシャッタ219sによりシールされる(シャッタクローズ)。
ウエハ冷却後、取り出し可能な所定の温度となるまで冷却された処理済のウエハ200は、ボート217より取り出される(ウエハディスチャージ)。
上述の第1膜成膜処理と第2膜成膜処理とを行うと、第1膜と第2膜との積層膜が、処理容器内の部材の表面、例えば、反応管203の内壁面やボート217の表面等にも付着する。図8に、第1膜成膜処理、第2膜成膜処理を交互に繰り返し行うことで、第1膜と第2膜とが交互に積層されてなる積層膜が付着した処理容器内壁、すなわち、反応管203の内壁の断面部分拡大図を模式的に示す。第1膜と第2膜とでは、膜に発生するストレス(応力)が異なるため、積層膜を形成する処理を行うことで、第1膜と第2膜との膜ストレス差に起因して積層膜にクラックが発生し、膜が部材の表面から剥がれ、炉内に異物(パーティクル)を発生させることがある。そこで、積層膜を形成した後、所定のタイミングで、処理容器内に付着した積層膜を改質し、第1膜と第2膜との膜ストレスとの差を小さく(緩和)するメンテナンス処理を行う。
シャッタ開閉機構115sによりシャッタ219sが移動させられて、マニホールド209の下端開口が開放される(シャッタオープン)。その後、表面に第2膜が付着している空のボート217、すなわち、ウエハ200を保持していないボート217が、ボートエレベータ115によって持ち上げられて、表面に第2膜が付着している処理容器内、すなわち、処理室201内へ搬入される(空ボートロード)。この状態で、シールキャップ219は、Oリング220bを介してマニホールド209の下端をシールした状態となる。
空ボートロードが終了した後、処理室201内が所望の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ246によって真空排気(減圧排気)される。この際、処理室201内の圧力は圧力センサ245で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ244がフィードバック制御される(圧力調整)。また、処理室201内が所望の処理温度となるように、ヒータ207によって加熱される。この際、処理室201内が所望の温度分布となるように、温度センサ263が検出した温度情報に基づきヒータ207への通電具合がフィードバック制御される(温度調整)。また、回転機構254による空のボート217の回転を開始する。真空ポンプ246の稼働、処理室201内の加熱、ボート217の回転は、いずれも、積層膜の改質処理が終了するまでの間は継続して行われる。なお、ボート217は回転させなくてもよい。
その後、次のステップbを実行する。
ステップbでは、上述のステップA3における処理手順と同様の処理手順により、処理容器内の積層膜に対して、例えばO含有ガスを供給する(O含有ガス供給)。これにより、処理容器内の積層膜に対して酸化処理が行われる。酸化処理の終了後、処理室201内への原料ガスの供給を停止し、ステップA1におけるパージと同様の処理手順により、処理室201内に残留するガス等を処理室201内から排除する(パージ)。
処理温度:300~750℃、好ましくは500~650℃
処理圧力:30~1200Pa、好ましくは1000~1200Pa
O含有ガス供給流量:1~10slm、好ましくは3~6slm
O含有ガス供給時間:10~60分、好ましくは20~40分
が例示される。他の処理条件は、ステップA1にて原料ガスを供給する際における処理条件と同様な処理条件とする。
処理容器内の積層膜に対する改質(酸化)処理が完了した後、ノズル249a,249bのそれぞれからパージガスとして不活性ガスを処理室201内へ供給し、排気口231aより排気する。これにより、処理室201内がパージされ、処理室201内に残留するガスや反応副生成物等が処理室201内から除去される(アフターパージ)。その後、処理室201内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室201内の圧力が常圧に復帰される(大気圧復帰)。
その後、ボートエレベータ115によりシールキャップ219が下降され、マニホールド209の下端が開口される。そして、空のボート217がマニホールド209の下端から反応管203の外部に搬出される(ボートアンロード)。ボートアンロードの後は、シャッタ219sが移動させられ、マニホールド209の下端開口がOリング220cを介してシャッタ219sによりシールされる(シャッタクローズ)。
本態様によれば、以下に示す1つ又は複数の効果が得られる。
以上、本開示の態様を具体的に説明したが、本開示は上述の態様に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
第2処理:(原料ガス→所定元素含有ガス→O含有ガス→N含有ガス)×n→(原料ガス→N含有ガス)×m→O含有ガス
以下、本開示の好ましい態様について付記する。
本開示の一態様によれば、
(a)処理容器内の基板上に、窒素、酸素及び所定元素を含有する第1膜と、窒素を含有し前記第1膜とは組成が異なる第2膜と、が積層されてなる積層膜を形成する工程と、
(b)(a)において前記処理容器内に付着した前記積層膜における前記第2膜の組成を前記第1膜の組成に近づける改質処理を行う工程と、
を備える基板処理方法、または半導体装置の製造方法が提供される。
付記1に記載の方法であって、
前記改質処理は、酸素含有ガスを前記処理容器内に供給する酸化処理である。
付記1または2に記載の方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜と前記第2膜との膜ストレス差は、(b)を行う前の前記第1膜と前記第2膜との膜ストレス差よりも小さい。
付記1~3のいずれか1項に記載の方法であって、
前記第1膜及び前記第2膜のそれぞれは、さらに半導体元素または金属元素を含有する。
付記4に記載の方法であって、
前記半導体元素は、シリコンである。
付記1~5のいずれか1項に記載の方法であって、
前記所定元素は、炭素および硼素のうち少なくともいずれかである。
付記1~6のいずれか1項に記載の方法であって、
前記第1膜は、SiOCN膜またはSiBON膜である。
付記1~7のいずれか1項に記載の方法であって、
前記第2膜は、SiN膜である。
付記1~8のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)では、前記第2膜を、窒素及び酸素含有膜に改質させる。
付記1~9のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜における酸素濃度は、(b)を行う前の前記第1膜における酸素濃度よりも高い。
付記1~10のいずれか1項に記載の方法であって、
(a)では、前記第2膜を、前記第1膜の厚さよりも薄い厚さで形成する。
付記1~11のいずれか1項に記載の方法であって、
(a)を1回行うごとに、(b)を行う。
付記1~12のいずれか1項に記載の方法であって、
(a)を2回以上行うごとに、(b)を行う。
付記1~13のいずれか1項に記載の方法であって、
(a)を、前記処理容器内に基板を支持した支持具を収容した状態で行い、(b)を、前記処理容器内に(a)が終了した後の基板を支持しない前記支持具を収容した状態で行う。
付記1~14のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)における処理温度を300℃以上750℃以下とする。
付記1~15のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)における処理時間を10分以上60分以下とする。
付記1~16のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)における前記酸素含有ガスの供給流量を1slm以上10slm以下とする。
付記1~17のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)における処理圧力を30Pa以上1200Pa以下とする。
付記1~18のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)を行う前の前記第2膜は、酸素及び前記所定元素のいずれも含有しない。
付記1~19のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜と前記第2膜とにおける窒素濃度の差は、(b)を行う前の前記第1膜と前記第2膜とにおける窒素濃度の差よりも小さい。
付記1~20のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜と前記第2膜とにおける酸素濃度の差は、(b)を行う前の前記第1膜と前記第2膜とにおける酸素濃度の差よりも小さい。
付記1~21のいずれか1項に記載の方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜と前記第2膜とにおける前記所定元素の濃度の差は、(b)を行う前の前記第1膜と前記第2膜とにおける前記所定元素の濃度の差よりも小さい。
付記1~22のいずれか1項に記載の方法であって、
前記第2膜は、シリコンを更に含有し、(b)を行う前の前記第2膜におけるシリコン濃度は窒素濃度よりも低く、(b)を行った後の前記第2膜におけるシリコン濃度は、窒素濃度よりも高い。
本開示の更に他の態様によれば、
基板処理装置の処理容器内において、付記1の各手順(各工程)をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラム、または、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
本開示の更に他の態様によれば、
基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内へ窒素含有ガス、酸素含有ガス、および所定元素含有ガスを供給する処理ガス供給系と、
前記処理容器内において、付記1の各処理(各工程)を行わせるように、前記処理ガス供給系を制御することが可能なよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置が提供される。
本開示の更に他の態様によれば、
窒素、酸素及び所定元素を含有する第1膜と、窒素を含有し前記第1膜とは組成が異なる第2膜と、が積層されてなる積層膜が付着した処理容器を用意する工程と、
前記処理容器内に付着した前記積層膜における前記第2膜の組成を前記第1膜の組成に近づける改質処理を行う工程と、
を有する基板処理装置のメンテナンス方法が提供される。
201 処理室
Claims (20)
- (a)処理容器内の基板上に、窒素、酸素及び所定元素を含有する第1膜と、窒素を含有し前記第1膜とは組成が異なる第2膜と、が積層されてなる積層膜を形成する工程と、
(b)(a)において前記処理容器内に付着した前記積層膜における前記第2膜の組成を前記第1膜の組成に近づける改質処理を行う工程と、
を有する基板処理方法。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
前記改質処理は、酸素含有ガスを前記処理容器内に供給する酸化処理である。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜と前記第2膜との膜ストレス差は、(b)を行う前の前記第1膜と前記第2膜との膜ストレス差よりも小さい。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
前記第1膜及び前記第2膜のそれぞれは、さらに半導体元素および金属元素のうち少なくともいずれかを含有する。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
前記所定元素は、炭素および硼素のうち少なくともいずれかである。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
前記第1膜は、SiOCN膜またはSiBON膜である。 - 請求項6に記載の基板処理方法であって、前記第2膜は、SiN膜である。
- 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜における酸素濃度は、(b)を行う前の前記第1膜における酸素濃度よりも高い。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(a)では、前記第2膜を、前記第1膜の厚さよりも薄い厚さで形成する。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(a)を1回行うごとに、(b)を行う。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(a)を2回以上行うごとに、(b)を行う。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(a)を、前記処理容器内に基板を支持した支持具を収容した状態で行い、(b)を、前記処理容器内に(a)が終了した後の基板を支持しない前記支持具を収容した状態で行う。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(b)を行う前の前記第2膜は、酸素及び前記所定元素のいずれも含有しない。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜と前記第2膜とにおける窒素濃度の差は、(b)を行う前の前記第1膜と前記第2膜とにおける窒素濃度の差よりも小さい。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜と前記第2膜とにおける酸素濃度の差は、(b)を行う前の前記第1膜と前記第2膜とにおける酸素濃度の差よりも小さい。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
(b)を行った後の前記第1膜と前記第2膜とにおける前記所定元素の濃度の差は、( b)を行う前の前記第1膜と前記第2膜とにおける前記所定元素の濃度の差よりも小さい。 - 請求項1に記載の基板処理方法であって、
前記第2膜は、シリコンを更に含有し、(b)を行う前の前記第2膜におけるシリコン濃度は窒素濃度よりも低く、(b)を行った後の前記第2膜におけるシリコン濃度は、窒素濃度よりも高い。 - (a)処理容器内の基板上に、窒素、酸素及び所定元素を含有する第1膜と、窒素を含有し前記第1膜とは組成が異なる第2膜と、が積層されてなる積層膜を形成する工程と、
(b)(a)において前記処理容器内に付着した前記積層膜における前記第2膜の組成を前記第1膜の組成に近づける改質処理を行う工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - (a)基板処理装置の処理容器内の基板上に、窒素、酸素及び所定元素を含有する第1膜と、窒素を含有し前記第1膜とは組成が異なる第2膜と、が積層されてなる積層膜を形成する手順と、
(b)(a)において前記処理容器内に付着した前記積層膜における前記第2膜の組成を前記第1膜の組成に近づける改質処理を行う手順と、
をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラム。 - 基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内へ窒素含有ガス、酸素含有ガス、および所定元素含有ガスを供給する処理ガス供給系と、
前記処理容器内において、(a)前記処理容器内の基板上に、窒素、酸素及び所定元素を含有する第1膜と、窒素を含有し前記第1膜とは組成が異なる第2膜と、が積層されてなる積層膜を形成する処理と、(b)(a)において前記処理容器内に付着した前記積層膜における前記第2膜の組成を前記第1膜の組成に近づける改質処理を行う処理と、を行わせるように、前記処理ガス供給系を制御することが可能なよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置。
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