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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023033720
(43)【公開日】2023-03-13
(54)【発明の名称】成膜方法および成膜装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/31 20060101AFI20230306BHJP
   H01L 21/316 20060101ALI20230306BHJP
   H01L 21/318 20060101ALI20230306BHJP
   C23C 16/511 20060101ALI20230306BHJP
   C23C 16/44 20060101ALI20230306BHJP
【FI】
H01L21/31 C
H01L21/316 X
H01L21/318 B
H01L21/318 C
C23C16/511
C23C16/44 J
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021139582
(22)【出願日】2021-08-30
(71)【出願人】
【識別番号】000219967
【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099944
【弁理士】
【氏名又は名称】高山 宏志
(72)【発明者】
【氏名】湯浅 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】生田 浩之
(72)【発明者】
【氏名】藤野 豊
(72)【発明者】
【氏名】和田 真
(72)【発明者】
【氏名】上田 博一
【テーマコード(参考)】
4K030
5F045
5F058
【Fターム(参考)】
4K030AA06
4K030AA09
4K030AA13
4K030AA14
4K030AA18
4K030BA29
4K030BA40
4K030BA41
4K030BA44
4K030DA06
4K030FA01
4K030GA02
4K030JA10
4K030KA23
4K030KA41
4K030KA46
5F045AA08
5F045AB32
5F045AB33
5F045AB34
5F045AC01
5F045AC11
5F045AC12
5F045AC15
5F045AC16
5F045AC17
5F045AD09
5F045AD10
5F045AE25
5F045BB14
5F045DP03
5F045EB06
5F045EB15
5F045EH02
5F045EH03
5F045EH20
5F045EK07
5F045EM05
5F045EM09
5F045HA13
5F058BA05
5F058BC02
5F058BC08
5F058BC11
5F058BF07
5F058BF23
5F058BF29
5F058BF30
5F058BF36
5F058BG01
5F058BG02
5F058BH16
(57)【要約】
【課題】成膜処理後のフッ素含有ガスによる処理容器内のクリーニングの際に、クリーニングガスであるフッ素含有ガスとアルミニウムを含有する載置台との反応により生成するアルミニウムフッ化物の成膜に対する影響を抑制する。
【解決手段】成膜方法は、載置台上で基板を加熱しつつ処理容器内に成膜用のガスを供給して、1枚の基板に対して、または複数の基板に対して連続的に膜を形成する工程と、処理容器から基板を搬出した状態で、フッ素含有ガスにより処理容器内をクリーニングする工程と、処理容器内に酸素と水素とを含むガスのプラズマを生成して後処理を行う工程とを繰り返し行う。
【選択図】 図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
処理容器と、前記処理容器内で基板を載置するアルミニウムを含有する載置台とを有する成膜装置により基板に膜を形成する成膜方法であって、
前記載置台上で基板を加熱しつつ前記処理容器内に成膜用のガスを供給して、1枚の基板に対して、または複数の基板に対して連続的に膜を形成する工程と、
前記処理容器から前記基板を搬出した状態で、フッ素含有ガスにより前記処理容器内をクリーニングする工程と、
前記処理容器内に酸素と水素とを含むガスのプラズマを生成して後処理を行う工程と、
を繰り返し行う、成膜方法。
【請求項2】
前記膜を形成する工程は、前記載置台の温度を500℃以上にして実施される、請求項1に記載の成膜方法。
【請求項3】
前記膜を形成する工程は、Si含有膜を形成する、請求項1または請求項2に記載の成膜方法。
【請求項4】
前記Si含有膜はSiN膜である、請求項3に記載の成膜方法。
【請求項5】
前記膜を形成する工程は、前記成膜用のガスのプラズマを生成して行われる、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項6】
前記プラズマはマイクロ波プラズマである、請求項5に記載の成膜方法。
【請求項7】
前記クリーニングする工程は、フッ素含有ガスとしてプラズマにより励起されたNFガスを用いる、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項8】
処理容器と、処理容器内で基板が載置されるアルミニウムを含有する載置台とを有する成膜装置により基板に膜を形成する成膜方法であって、
前記載置台上で基板を500℃以上に加熱しつつ前記処理容器内にSi含有ガスと窒素含有ガスを供給するとともに、これらのガスのプラズマを生成して、1枚の基板に対して、または複数の基板に対して連続的に窒化珪素膜を形成する工程と、
前記処理容器から前記基板を搬出した状態で、プラズマにより励起されたNFガスにより前記処理容器内をクリーニングする工程と、
前記処理容器内に酸素と水素とを含むガスのプラズマを生成して後処理を行う工程と、
を繰り返し行う、成膜方法。
【請求項9】
前記膜を形成する工程のプラズマは、マイクロ波プラズマである、請求項8に記載の成膜方法。
【請求項10】
前記膜を形成する工程に先立って、前記処理容器の内壁および前記載置台の表面に、前記基板上に形成される膜と同じ材料の膜、または前記膜の成分を含む膜をプリコートする工程をさらに有する、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項11】
前記クリーニングする工程の際の前記載置台の温度は、前記膜を形成する工程の際の温度以下である、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項12】
前記クリーニングする工程の際の載置台温度は、100~600℃である、請求項11に記載の成膜方法。
【請求項13】
前記後処理を行う工程は、酸素と水素とを含むガスとして、NOとHガスの混合ガス、OガスとNガスとHガスの混合ガス、または、OガスとHガスの混合ガスを用いる、請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項14】
前記後処理を行う工程の際の前記載置台の温度は、前記膜を形成する工程の際の温度以下である、請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項15】
前記後処理を行う工程の際の前記載置台の温度は、前記クリーニングする工程の際の温度と同一である、請求項14に記載の成膜方法。
【請求項16】
前記クリーニングする工程において、前記フッ素含有ガスと前記載置台に含まれるアルミニウムとが反応してアルミニウムフッ化物が生成され、前記後処理を行う工程において、前記アルミニウムフッ化物と前記酸素と水素とを含むガスのプラズマとの反応により、前記アルミニウムフッ化物が安定なアルミニウム化合物に改質される、請求項1から請求項15のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項17】
前記載置台は窒化アルミニウム製である、請求項1から請求項16のいずれか一項に記載の成膜方法。
【請求項18】
処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、基板を載置するアルミニウムを含有する載置台と、
前記載置台を加熱する加熱機構と、
前記処理容器内にガスを供給するガス供給機構と、
制御部と、
を有する成膜装置であって、
前記制御部は、
前記載置台上で基板を加熱しつつ前記処理容器内に成膜用のガスを供給して基板上に膜を形成する工程と、
前記処理容器から前記基板を搬出した状態で、フッ素含有ガスにより前記処理容器内をクリーニングする工程と、
前記処理容器内に酸素と水素とを含むガスのプラズマを生成して後処理を行う工程と、
が繰り返し行われるように制御する、成膜装置。
【請求項19】
前記成膜用のガスのプラズマを生成するプラズマ源をさらに有する、請求項18に記載の成膜装置。
【請求項20】
前記プラズマ源はマイクロ波プラズマを生成する、請求項19に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、成膜方法および成膜装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、マイクロ波プラズマ処理装置において、処理容器内で成膜処理等を行った後に、プラズマにより励起されたNFガスを用いて処理容器内をクリーニングすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2019-216150号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本開示は、成膜処理後のフッ素含有ガスによる処理容器内のクリーニングの際に、クリーニングガスであるフッ素含有ガスとアルミニウムを含有する載置台との反応により生成するアルミニウムフッ化物の成膜に対する影響を抑制できる成膜方法および成膜装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一態様に係る成膜方法は、処理容器と、前記処理容器内で基板を載置するアルミニウムを含有する載置台とを有する成膜装置により基板に膜を形成する成膜方法であって、前記載置台上で基板を加熱しつつ前記処理容器内に成膜用のガスを供給して、1枚の基板に対して、または複数の基板に対して連続的に膜を形成する工程と、前記処理容器から前記基板を搬出した状態で、フッ素含有ガスにより前記処理容器内をクリーニングする工程と、前記処理容器内に酸素と水素とを含むガスのプラズマを生成して後処理を行う工程と、を繰り返し行う。
【発明の効果】
【0006】
本開示によれば、成膜処理後のフッ素含有ガスによる処理容器内のクリーニングの際に、クリーニングガスであるフッ素含有ガスとアルミニウムを含有する載置台との反応により生成するアルミニウムフッ化物の成膜に対する影響を抑制できる成膜方法および成膜装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1】一実施形態に係る成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図である。
図2図1の成膜装置のA-A断面を示す断面図である。
図3】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4】モニタ基板成膜工程の後の処理容器内の状態を説明するための模式図である。
図5】クリーニングの際のAlFの発生、および発生したAlFが昇華した際の影響を説明するための図である。
図6】載置台から昇華するAlF量を測定する方法を説明するための模式図である。
図7】Nガス、NHガス、NOガス、Hガス、H/NO混合ガスの各ガスを単純にフローするのみの処理と、これら各ガスのプラズマによる処理で後処理を行った場合のモニタ基板のAlコンタミネーション量を示す図である。
図8】後処理としてH/NO混合ガスのプラズマを用い、処理時間を3min、1.5minと短くした場合のモニタ基板のAlコンタミネーション量を示す図である。
図9】後処理としてArガスによるガスフローを行った処理A、H/NO混合ガスのプラズマを用いて時間を変化させた処理Bおよび処理B´を行った後の基板のAl検出強度を示す図である。
図10】後処理として処理A、処理B、処理B´を行った後の基板のSEM写真である。
図11】後処理として処理A、処理B、処理B´を行った後の基板のXRFによるAl検出強度と、SEM-EDXによるF/Al質量比を示す図である。
図12】実施例および比較例における、クリーニング回数とエッジ膜厚/中心膜厚との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、添付図面を参照して実施の形態について具体的に説明する。
【0009】
<成膜装置>
図1は一実施形態に係る成膜方法を実施するための成膜装置の一例を示す断面図、図2図1の成膜装置のA-A断面を示す断面図である。
【0010】
成膜装置100は、マイクロ波プラズマによりプラズマ処理を行うプラズマ処理装置として構成される。
【0011】
成膜装置100は、基板Wを収容する処理容器(チャンバ)1を有する。成膜装置100は、処理容器1内に放射されたマイクロ波によって処理容器1内の天壁部の内壁面近傍に形成される表面波プラズマにより、基板Wに対して成膜処理を行う。成膜処理により形成される膜は特に限定されないが、例えば窒化珪素膜(SiN膜)のようなSi含有膜が例示される。なお、基板Wとしては半導体ウエハが例示されるが、半導体ウエハに限らず、FPD基板やセラミックス基板等の他の基板であってもよい。
【0012】
成膜装置100は、処理容器1の他に、プラズマ源2と、ガス供給機構3と、制御部4とを有する。
【0013】
処理容器1は、上部が開口された略円筒状の容器本体10と、容器本体10の上部開口を閉塞する天壁部20とを有しており、内部にプラズマ処理空間が形成される。容器本体10はアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなり、接地されている。天壁部20は、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなり円盤状をなす。容器本体10と天壁部20との接触面にはシールリング129が介装され、これにより、処理容器1の内部が気密にシールされている。
【0014】
処理容器1内には基板Wを載置する載置台11が水平に設けられ、処理容器1の底部中央に立設された筒状の支持部材12により支持されている。載置台11は、アルミニウム(Al)を含有する物質、例えば絶縁性セラミックである窒化アルミニウム(AlN)で構成されている。また、載置台11を構成する材料は、同じくAlを含有する絶縁性セラミックスであるアルミナ(Al)であってもよい。支持部材12は金属であってもセラミックスであってもよい。支持部材12が金属の場合は、支持部材12と処理容器1の底部との間に絶縁部材12aが介装される。載置台11内には、ヒータ13が設けられており、ヒータ13にはヒータ電源14が接続されている。ヒータ電源14からヒータ13に給電されることにより、載置台11が例えば700℃までの任意の温度に加熱される。載置台11には基板Wを昇降するための3本の昇降ピン(図示せず)が設けられており、昇降ピンを載置台11の表面から突出させた状態で基板Wの受け渡しが行われるようになっている。なお、載置台11には基板Wを静電吸着するための静電チャックや、基板Wの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。また、載置台11に電極を設け、その電極にプラズマ中のイオンを引き込むための高周波バイアスを印加するようにしてもよい。
【0015】
処理容器1の底部には排気管15が接続されており、排気管15には真空ポンプを含む排気装置16が接続されている。排気装置16を作動させると処理容器1内が排気され、これにより、処理容器1内が所定の真空度まで高速に減圧される。処理容器1の側壁には、基板Wの搬入出を行うための搬入出口17と、搬入出口17を開閉するゲートバルブ18とが設けられている。
【0016】
プラズマ源2は、マイクロ波を生成し、生成したマイクロ波を処理容器1内に放射してプラズマを生成するためのものであり、マイクロ波出力部30と、マイクロ波伝送部40と、マイクロ波放射機構50とを有する。
【0017】
マイクロ波出力部30は、マイクロ波電源と、マイクロ波を発振させるマイクロ波発振器と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプと、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器とを有する。そして、マイクロ波を複数に分配して出力する。
【0018】
マイクロ波出力部30から出力されたマイクロ波は、マイクロ波伝送部40とマイクロ波放射機構50とを通って処理容器1の内部に放射される。また、処理容器1内には後述するようにガスが供給され、供給されたガスは、導入されたマイクロ波により励起され、表面波プラズマを形成する。
【0019】
マイクロ波伝送部40は、マイクロ波出力部30から出力されたマイクロ波を伝送する。マイクロ波伝送部40は、複数のアンプ部42と、天壁部20の中央に配置された中央マイクロ波導入部43aと、天壁部20の周縁部に等間隔に配置された6つの周縁マイクロ波導入部43bとを有する。複数のアンプ部42は、マイクロ波出力部30の分配器にて分配されたマイクロ波を増幅するものであり、中央マイクロ波導入部43aおよび6つの周縁マイクロ波導入部43bのそれぞれに対応して設けられる。中央マイクロ波導入部43aおよび6つの周縁マイクロ波導入部43bは、それぞれに対応して設けられたアンプ部42から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射機構50に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有する。
【0020】
中央マイクロ波導入部43aおよび周縁マイクロ波導入部43bは、筒状の外側導体52およびその中心に設けられた棒状の内側導体53を同軸状に配置して構成される。外側導体52と内側導体53の間は、マイクロ波電力が給電され、マイクロ波放射機構50に向かってマイクロ波が伝播するマイクロ波伝送路44となっている。
【0021】
中央マイクロ波導入部43aおよび周縁マイクロ波導入部43bには、一対のスラグ54と、その先端部に位置するインピーダンス調整部材140とが設けられている。スラグ54を移動させることにより、処理容器1内の負荷(プラズマ)のインピーダンスをマイクロ波出力部30におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる。インピーダンス調整部材140は、誘電体で形成され、その比誘電率によりマイクロ波伝送路44のインピーダンスを調整するようになっている。
【0022】
マイクロ波放射機構50は、遅波材121および131、スロット122および132を有するスロットアンテナ124および134、ならびに、誘電体部材123および133を備える。遅波材121および131は、それぞれ天壁部20の上面の中央マイクロ波導入部43aに対応する位置、および天壁部20の上面の周縁マイクロ波導入部43bに対応する位置に設けられている。また、誘電体部材123および133は、それぞれ天壁部20の内部の中央マイクロ波導入部43aに対応する位置、および周縁マイクロ波導入部43bに設けられている。スロット122および132は、それぞれ天壁部20の遅波材121と誘電体部材123との間の部分、天壁20の遅波材131と誘電体部材133との間の部分に設けられ、それらのスロットが形成された部分がスロットアンテナ124および134となる。
【0023】
遅波材121および131は、円板状をなし、内側導体53の先端部分を囲むように配置され、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されている。遅波材121および131は、マイクロ波の波長を真空中よりも短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材121および131は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、スロットアンテナ124および134が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整し、反射が最小で、スロットアンテナ124および134の放射エネルギーが最大となるようにする。
【0024】
誘電体部材123および133は、遅波材121および131と同様、例えば、石英、アルミナ(Al)等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されている。誘電体部材123および133は、天壁部20の内部に形成された空間に嵌め込まれており、天壁部20の下面の誘電体部材123および133に対応する部分には凹状をなす窓部21が形成されている。したがって、誘電体部材123および133は、処理容器1内に露出しており、マイクロ波をプラズマ生成空間Uに供給する誘電体窓として機能する。
【0025】
なお、周縁マイクロ波導入部43bおよび誘電体部材133の個数は6つに限らず、2つ以上であってよいが、3つ以上が好ましい。
【0026】
ガス供給機構3は、後述するように、成膜処理のためのガス、クリーニングのためのガス、クリーニング後のプラズマ処理のためのガスを処理容器1内に供給する。ガス供給機構3は、ガス供給部61と、ガス供給部61からガスを供給するガス供給配管62と、天壁部20に設けられたガス流路63と、ガス流路63からのガスを吐出するガス吐出口64とを有する。ガス吐出口64は、天壁部20の窓部21の誘電体部材123および133の周囲に複数設けられている(図2参照)。
なお、ガス供給機構3は、本例のように天壁部20からガスを吐出するものに限るものではない。
【0027】
制御部4は、成膜装置100の各構成部の動作や処理、例えば、ガス供給機構3のガス供給、プラズマ源2のマイクロ波の周波数や出力、排気装置16による排気等の制御を行う。制御部4は、典型的にはコンピュータであり、主制御部と、入力装置と、出力装置と、表示装置と、記憶装置とを備えている。主制御部は、CPU(中央処理装置)、RAMおよびROMを有している。記憶装置は、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を有しており、制御に必要な情報の記録および読み取りを行うようになっている。制御部4では、CPUが、RAMを作業領域として用いて、ROMまたは記憶装置の記憶媒体に格納された処理レシピ等のプログラムを実行することにより、成膜装置100を制御する。
【0028】
<成膜方法>
次に、以上のように構成される成膜装置100における成膜方法について説明する。図3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。
【0029】
図3に示すように、本実施形態では、ステップST1、ステップST2、ステップST3を繰り返し実施する。ステップST1では、Alを含有する載置台11上で基板Wを加熱しつつ処理容器1内に成膜用のガスを供給して、1枚の基板Wに対して、または複数の基板Wに対して連続的に膜を形成する。ステップST2では、処理容器1から基板Wを搬出した状態で、フッ素含有ガスにより処理容器1内をクリーニングする。ステップST3では、クリーニング後の処理容器1内を酸素(O)と水素(H)とを含むガスのプラズマにより後処理する。
【0030】
ステップST1の成膜工程に先立って処理容器1内をプリコートする工程を行うことが好ましい。プリコートする工程は、ステップST1で基板W上に形成される膜またはその膜の成分を含む膜を処理容器1の内部、例えば処理容器1の側壁や天壁部20の表面、載置台11の表面に堆積させる。例えば、成膜しようとする膜がSiN膜の場合、プリコート膜として、基板Wに形成する膜と同じSiN膜を用いることができる。SiCN膜や、SiON膜、SiOC膜等、他のSi系の膜であってもよい。プリコートする工程の温度や圧力は、次のステップST1の成膜工程と同程度かそれよりも低い温度であってよい。
【0031】
ステップST1の成膜工程は、1枚の基板Wに対して、または複数枚の基板Wに対して連続的に膜形成が行われる。複数枚の基板Wとしては100枚程度までが例示される。形成される膜は特に限定されないが、シリコン(Si)含有膜、例えばSiN膜が好適な例として例示される。SiCN膜、SiO膜、SiON膜等の他のSi含有膜であってもよい。
【0032】
SiN膜を形成する場合には、成膜用のガスとして、Si含有ガスと窒素含有ガスを用いることができる。Si含有ガスとしては、例えば、モノシラン(SiH)ガス、ジシラン(Si)ガス、トリメチルシラン(SiH(CH)ガスのようなシラン系化合物ガスを用いることができる。また窒素含有ガスとしては、例えば、アンモニア(NH)ガス、窒素(N)ガス等を用いることができる。SiCN膜の場合には、成膜用のガスとして、上記のようなSi含有ガスおよび窒素含有ガスに、炭素含有ガスを添加したものを用いることができる。炭素含有ガスとしては、エチレン(C)ガス、アセチレン(C)ガス、エタン(C)ガス、プロピレン(C)ガス、トリメチルシラン((CHSiH)ガスのような炭化水素系ガスを用いることができる。SiO膜の場合は、Si含有ガスと酸素含有ガスを用いることができる。Si含有ガスとしては上記のようなシラン系化合物ガスを用いることができる。また、酸素含有ガスとしては、例えば、酸素(O)ガス、一酸化窒素(NO)ガス、亜酸化窒素(NO)ガス等を用いることができる。SiON膜の場合は、成膜用のガスとして、上記のようなSi含有ガスと酸素含有ガスに、上記のような窒素含有ガスを添加したものを用いることができる。いずれの場合も、他のガスとして、アルゴン(Ar)ガス、ヘリウム(He)ガスを希釈ガスまたはプラズマ生成ガスとして用いてもよい。
【0033】
形成される膜はとしては、Si含有膜に限定されず、例えば、Ti膜、TiN膜のようなTi系膜や、カーボン膜であってもよい。
【0034】
ステップST1の成膜工程においては、まず、ゲートバルブ18を開け、搬送アーム(図示せず)上に保持された基板Wを搬入出口17から処理容器1内に搬入し、載置台11上に載置し、ゲートバルブ18を閉じる。このとき、載置台11はヒータ13により加熱され、載置台11上の基板Wの温度が制御される。上述したSiN膜の成膜の際には、基板Wの温度は500℃以上であることが好ましい。より好ましくは500~650℃である。そして、成膜する膜に応じて上述したガスを処理容器1に導入し、処理容器1内の圧力を制御し、プラズマCVDにより成膜処理を行う。処理容器1内の圧力は、プラズマ源から基板Wまでの距離、プラズマの広がり方、また、成膜速度や成膜する膜厚等に応じて任意に選択することができる。成膜する膜がSiN膜の場合には、266Pa以下の圧力を用いることができる。
【0035】
プラズマの生成にあたっては、処理容器1内にガスを導入しつつプラズマ源2のマイクロ波出力部30からマイクロ波を出力する。このとき、マイクロ波出力部30から分配されて出力されたマイクロ波は、マイクロ波伝送部40のアンプ部42で増幅された後、中央マイクロ波導入部43aおよび周縁マイクロ波導入部43bを伝送される。そして、伝送されたマイクロ波は、マイクロ波放射機構50の遅波材121および131、スロットアンテナ124および134のスロット122および132、ならびにマイクロ波透過窓である誘電体部材123および133を透過して処理容器1内に放射される。この際に、スラグ54を移動させることによりインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態で、マイクロ波が供給される。放射されたマイクロ波は天壁部20の表面を表面波となって伝播する。このマイクロ波の電界により処理容器1内に導入されたガスが励起されて、処理容器1内の天壁部20直下のプラズマ生成空間Uに表面波プラズマが形成される。この表面波プラズマによるプラズマCVDにより基板W上に例えばSiN膜が成膜される。
【0036】
本実施形態の成膜装置100では、基板Wは、プラズマ生成領域とは離れた領域に配置されており、基板Wへは、プラズマ生成領域から拡散したプラズマが供給されるため、本質的に低電子温度で高密度のプラズマとなる。プラズマの電子温度が低くコントロールされるため、形成される膜や基板Wの素子に対してダメージを与えることなく成膜を行うことができ、高密度のプラズマにより高品質の膜を得ることができる。また、成膜温度が高いほど膜質が向上することから、成膜する膜がSiN膜の場合、上述のように成膜温度を500℃以上と高温にすることにより、さらに高品質の膜を形成することができる。
【0037】
以上のようにしてSiN膜等の膜を成膜後、基板である基板Wを処理容器1から搬出し、ステップST1の成膜工程を完了させる。
【0038】
以上のようなステップST1の成膜工程の後、ステップST2のクリーニング工程を実施する。ステップST1の成膜工程の後の処理容器1内には、図4に示すように、基板Wに形成された膜200と同様の成分の堆積物201が堆積され、プリコート工程が行われる場合は、堆積物201の下にプリコート膜202が堆積されている。これらが堆積した状態で次の成膜を行うとパーティクル等の原因となるため、次の成膜に先立ってクリーニング工程を実施する。
【0039】
ステップST2のクリーニング工程は、フッ素含有ガスにより行われる。フッ素含有ガスとして例えばプラズマにより励起されたNFガスのラジカルやイオンを用いることができる。この際のプラズマは、成膜装置100のプラズマ源2を用いて生成してもよいし、別のプラズマ源、例えばリモートプラズマを用いて生成してもよい。NFガスはガス供給機構3から処理容器1内に供給される。NFガスはArガスやHeガスで希釈されてもよい。また、クリーニング速度の調整のため、塩素(Cl)ガス、Oガス、Nガス、臭化水素(HBr)ガス、四フッ化炭素(CF)ガス等が添加されてもよい。プラズマにより励起されたNFガスは、例えば、基板W上に形成する膜がSiN膜のようなSi含有膜である場合に好適に用いることができる。
【0040】
クリーニングに用いるフッ素含有ガスとしては、Fガス、CF系ガス、ClFガス等、NFガス以外のガスを用いることもできる。他のフッ素含有ガスは、プラズマにより励起されなくてもよく、ArガスやHeガスで希釈されてもよい。また、フッ素含有ガスに、他の添加ガスを添加してもよい。これらのフッ素含有ガスは、処理容器1内に付着・堆積される膜の材質に応じて選択することができる。
【0041】
クリーニングの際の処理容器1内の圧力は、処理容器1の容積や、プラズマを用いる場合にはクリーニングで用いるプラズマの広がり方に応じて、基本的には任意に設定することができる。圧力としては10~1000Paの範囲、具体的には400Paが例示される。また、クリーニングを行う際の載置台11の温度としては、成膜温度またはそれ以下の温度とすることができ、例えば、100~600℃の範囲の温度を用いることができる。
【0042】
ところで、クリーニング工程において、載置台11が高温であるとクリーニングガスとして用いるフッ素含有ガスと、載置台11を構成するAlNのようなAl含有物質とが反応する。これにより、図5(a)に示すように、載置台11の表面に、意図せずに、三フッ化アルミニウム(AlF)に代表されるアルミニウムフッ化物(AlF)が生成されてしまう。例えば、プラズマにより励起されたNFガスを用いる場合は、非常に反応性が高いため、150℃以上でAlFが生成される。高温ほどフッ化反応が進みやすく、AlFの生成量も多くなる。処理容器1内は高真空に維持されているため、生成されたAlFは昇華されやすい。昇華されたAlFは載置台11の表面から拡散して、図5(b)に示すように、温度の低い処理容器1の内壁、例えば天壁部20の表面に付着・堆積する。処理容器1の内壁にAlFが付着・堆積すると、プラズマ状態が変化する等により、成膜時に安定した均一な成膜が行われ難くなり、形成される膜の膜厚シフトが生じる。また、処理容器1の内壁にAlFが付着・堆積した状態で、成膜処理が行われると、図5(c)に示すように、AlFが解離して、成膜中の膜300にコンタミ301として混入されてしまい、膜300の特性を劣化させることや、欠陥となる問題が発生する。さらに、AlFがパーティクル302となり、膜中および膜表面へ落下し、悪影響を及ぼす。
【0043】
そこで、クリーニング工程の後、ステップST3としてOとHとを含むガスのプラズマによる後処理を行う工程を実施する。このようにOとHとを含むガスのプラズマを用いることにより、クリーニング工程で載置台11の表面に生成されたAlF中のFを除去し、AlFを、Alを含む安定な化合物へ改質することができる。これにより、クリーニング工程で生成されたAlFが次の成膜工程で昇華することを抑制でき、成膜工程でのAlFによる膜厚シフト、コンタミ、パーティクル等の影響を抑制することができる。
【0044】
OとHとを含むガスとしては、例えば、NOとHガスの混合ガスを挙げることができる。OガスとNガスとHガスの混合ガスであってもよい。また、OとHとを含むガスとしては、OガスとHガスの混合ガスを用いることもできる。また、OとHとを含むガスは、ArガスやHeガスで希釈されていてもよい。
【0045】
ステップST3のプラズマによる後処理の際の処理容器1内の圧力は、6~200Paの範囲、具体的には16Paが例示される。また、この際の載置台11の温度としては、成膜温度またはそれ以下の温度とすることができ、例えば、100~600℃の範囲の温度を用いることができる。また、この際の載置台11の温度は、クリーニング処理の際の温度と同じ温度であることが好ましい。ステップST3に用いるプラズマは、成膜処理と同様の、プラズマ源2から供給されるマイクロ波により生成されるマイクロ波プラズマを用いることができる。また、OとHとを含むガスは、ガス供給機構3から処理容器1内に供給される。
【0046】
クリーニング工程において、生成されたAlFは処理圧力においておよそ450℃以下では固体として載置台11上に付着し450℃を超えると昇華するが、ステップST3のOとHとを含むガスのプラズマは、固体として存在するAlFおよび昇華したAlFの両方に対して反応し得る。
【0047】
次に、クリーニング処理後の後処理について実験を行った結果について説明する。
まず、図1に示す成膜装置を用い、載置台温度を450℃として、処理容器内のプリコートを行い、基板Wを搬入してSiN膜の成膜を行った後、プラズマにより励起されたNFガスによるクリーニング処理、およびクリーニング後の後処理を行った。ここでは、後処理は、処理容器内を16Paに保持し、処理容器内にNガス、NHガス、NOガス、Hガス、H/NO混合ガスの各ガスを単純にフローするのみの処理(ガスフロー)と、これら各ガスのプラズマによる処理とし、時間を10minとした。なお、プラズマの条件は、マイクロ波電力を3.6kWとした。ガスの流量は、Nガス、NHガス、NOガス、Hガスそれぞれの単ガスの場合は200sccm、H/Arの場合はHガスが100sccm、Arガスが200sccm、H/NOの場合は、HガスおよびNOのいずれも200ccmとした。後処理の後、処理容器内の載置台温度および圧力を保持したまま、図6に示すように、載置台11の上面から突出させた昇降ピン401の上にモニタ基板(モニタウエハ)402を載せ、載置台11から昇華してモニタ基板402の裏面に吸着するAlF量を、全反射蛍光X線分析(TXRF)によるAlコンタミネーション量として測定した。このときの測定時間は30minとした。
【0048】
その結果を図7に示す。図7は、各ガスのガスフローまたはプラズマを用いた場合の、Alコンタミネーション量を示す図である。この図に示すように、ガスフローのみでは、いずれのガスもAlコンタミネーション量は低下しなかった。また、プラズマを用いた場合は、NHガス、NOガス、HガスではAlコンタミネーション量はわずかな低下しか見られなかったが、H/NO混合ガスでは、2桁以上の大きな低下が見られた。このことから、OとHとを含むガスであるH/NO混合ガスのプラズマによる後処理を行うことにより、載置台11の表面に生成されたAlFの昇華を抑制できることが確認された。
【0049】
次に、効果が見られたH/NO混合ガスのプラズマを用いた後処理について、処理時間を3min、1.5minとさらに短くした実験を行った。その結果を図8に示す。この図に示すように、後処理時間を3min、1.5minとさらに短くしても、効果が得られることが確認された。
【0050】
以上の実験でAlFの昇華を抑制できることが確認されたH/NO混合ガスのプラズマ処理について、さらに詳細に実験した。ここでは、AlF膜を付着させた基板(ウエハ)を3枚準備し、図1に示す構成の成膜装置の処理容器内で、圧力:16Pa、載置台温度:450℃として、3枚の基板に対して、以下に説明する処理A、処理B、処理B´を施した。処理Aは、Arガスフロー(流量:110sccm)を90sec行った参照として行った処理である。処理Bは、H/NO混合ガス(流量:H/NO=100/200ccm)のプラズマ(パワー:中央/周縁=250/550W)処理を90sec行ったものである。処理B´は、処理Bと同様のプラズマ処理の時間を180secとしたものである。
【0051】
その結果を図9に示す。図9は、処理A、処理B、処理B´を行った後の基板の、蛍光X線分析(XRF)によるAl-Kα線の強度(Al検出強度)を示す図である。この図に示すように、H/NO混合ガスのプラズマによる処理を行った処理Bおよび処理B´でAl検出強度が減少しており、OとHとを含むガスであるH/NO混合ガスのプラズマにより載置台11の表面に生成されたAlFが除去されていることを示唆する結果が得られた。しかし、処理Bと処理B´で処理時間が異なるにもかかわらず、Al検出強度に差がほとんど見られないため、さらにSEMおよびSEM-EDXにより分析を行った。
【0052】
図10は、処理A、処理B、処理B´を行った後の基板のSEM写真である。また、図11は、処理A、処理B、処理B´を行った後の基板の、XRFによるAl検出強度と、SEM-EDXによるF/Al質量比を示す図である。図10のSEM写真から処理BのH/NOガスのプラズマ処理により基板表面の付着物が除去されており、それに対応して、図11では処理BでAl検出強度が減少し、F/Al質量比は変化がないことから、処理BによりAlFの一部が除去されていることがわかる。一方、プラズマ処理の時間を180secに延ばした処理B´により、図10のSEM写真では表面状態が変化しており、図11ではAl検出強度は変化していないが、EDXによるF/Al質量比が低下(すなわち、F濃度が低下)している。この結果は、膜が改質されていることを示唆している。すなわち、OとHとを含むガスであるH/NO混合ガスのプラズマによる後処理により、初期段階でAlFの一部が除去されるが、さらに時間が経過することにより残部のAlFからFが除去され、AlFが安定なAl化合物に改質されるものと考えられる。
【0053】
次に、以上のようなOとHとを含むガスのプラズマによるAlFの除去反応のシミュレーションを行った。ここでは、想定される反応モデルについてシミュレーションソフトを用いて反応前後のギブスの自由エネルギー変化(ΔG)を計算した。反応のΔGが負の値であれば反応が安定な方向であり、その反応は進行し得る。
【0054】
まず、OとHを含むガスとして上述のHガスとNOガスの混合ガスを用いた場合、シミュレーションの結果、以下の(1)、(2)式の反応モデル、および(3)、(4)式の反応モデルが想定され、いずれの反応においてもΔGが負の値を示した。すなわち、これらの反応モデルの反応が実際に起こり得ることが確認された。
【0055】
AlF(s)+3NO(g)+3H(g)
=Al(OH)(s)+3HF(g)+3N(g) ・・・(1)
=Al(OH)(g)+3HF(g)+3N(g) ・・・(2)
(1)式の反応は、反応生成物としてAl(OH)が生成する反応であり、(2)式では、Al(OH)(s)がAl(OH)(g)となって昇華し、HF(g)およびN(g)とともに排気される。
【0056】
2AlF(s)+3NO(g)+12H(g)
=6NHF(s)+Al(s) ・・・(3)
=6NH(g)+6HF(g)+Al(s) ・・・(4)
(3)式の反応は、反応生成物としてNHFとAlが生成する反応であり、(4)式では、(3)式のNHF(s)が加熱分解して、NHおよびHFとなって昇華し、排気される。
【0057】
以上の反応モデルは、AlFが安定なAl化合物に改質する反応が生じることを示すものであり、上述した実験結果を裏付けている。
【0058】
上記(1)~(4)の反応モデルのNOをOおよびNに代えた以下の(5)~(8)式の反応モデルもΔGが負の値となり、実際に起こり得る反応となる。
2AlF(s)+6N(g)+3O(g)+6H(g)
=2Al(OH)(s)+6HF(g)+6N(g) ・・・(5)
=2Al(OH)(g)+6HF(g)+6N(g) ・・・(6)
4AlF(s)+6N(g)+3O(g)+24H(g)
=12NHF(s)+2Al ・・・(7)
=12NH(g)+12HF(g)+2Al(s) ・・・(8)
【0059】
また、OとHを含むガスとしてHガスおよびOガスの混合ガスを用いた場合、シミュレーションの結果、以下の(9)、(10)式の反応モデルにおいて、ΔGが負の値となり、実際に起こり得る反応であることが確認された。
2AlF(s)+3O(g)+6H(g)
=2Al(OH)(s)+6HF(g) ・・・(9)
=2Al(OH)(g)+6HF(g) ・・・(10)
(9)式の反応は、反応生成物としてAl(OH)が生成する反応であり、(10)式では、Al(OH)(s)がAl(OH)(g)となって昇華し、HF(g)とともに排気される。
【0060】
以上の(5)~(10)の反応モデルは、OとHを含むガスとして、Nガス、Hガス、およびOガスの混合ガス、およびHガスおよびOガスの混合ガスを用いてプラズマ処理した場合に、HガスとNOガスの混合ガスを用いた場合と同様、AlFが安定なAl化合物に改質されることを示すものである。
【0061】
次に、OとHとを含むガスのプラズマによる後処理の効果を確認した実験について説明する。
ここでは、実施例として、図1に示す成膜装置を用い、載置台温度を550℃として、処理容器内のプリコート、基板WへのSiN膜の成膜、プラズマにより励起されたNFガスによるクリーニング処理、およびH/NOプラズマによる後処理を繰り返し行い、膜厚シフトを把握した。また、比較例として、プラズマによる後処理を行わない他は実施例と同様に処理を行い、膜厚シフトを把握した。膜厚シフトは、基板(ウエハ)のエッジ膜厚と中心膜厚との比(エッジ膜厚/中心膜厚)で把握した。
【0062】
その結果を図12に示す。図12は、横軸にクリーニング回数をとり、縦軸にエッジ膜厚/中心膜厚をとって、これらの関係を示す図である。この図に示すように、プラズマによる後処理を行わない比較例では、クリーニング回数が増加するに従って、エッジ膜厚/中心膜厚が低下する傾向を示しており、膜厚シフトが見られた。これに対し、実施例の場合は、クリーニング回数が増加してもエッジ膜厚/中心膜厚の値はほぼ1が維持されており、膜厚シフトが見られなかった。このことから、OとHとを含むガスのプラズマによる後処理を行うことにより、膜厚シフトを抑制できることが確認された。
【0063】
<他の適用>
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
【0064】
例えば、上記実施形態では、成膜処理を行う成膜装置として、複数のマイクロ波導入部から処理容器内にマイクロ波等のマイクロ波を放射して生成された表面波プラズマを用いて成膜するものを例示したが、これに限るものではない。マイクロ波導入部は1箇所であってもよいし、また、プラズマ処理は、マイクロ波を放射してプラズマを生成するものに限らず、例えば、容量結合型プラズマ(CCP)や、誘導結合型プラズマ(ICP)、磁気共鳴(ECR)プラズマ等、他の種々のプラズマを用いたものであってよい。さらに、成膜装置としては、プラズマを用いない熱CVD等であってもよい。
【0065】
また、上記実施形態では、成膜する膜としてSiN膜のようなSi含有膜を主に例示したが、これに限らず、上述したように、Ti系膜やカーボン膜のような他の膜であってもよい。さらに、上記実施形態では、クリーニングガスとしてNFガスをプラズマにより励起した例を示したが、上述したように、Fガス、CF系ガス、ClFガス等の他のフッ素含有ガスを用いることもできる。クリーニングガスは、成膜する膜に応じて適切なものを用いることができる。例えば、SiNのようなSi含有ガスの場合はプラズマにより励起されたNFガスを好適に用いることができ、Ti系膜ではFガスやClFガス、カーボン膜の場合はCFガス等のCF系ガスを好適に用いることができる。
【符号の説明】
【0066】
1;処理容器
2;プラズマ源
3;ガス供給機構
4;制御部
11;載置台
20;天壁部
30;マイクロ波出力部
40;マイクロ波伝送部
50;マイクロ波放射機構
100;成膜装置
W;基板
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12