(57)【要約】【課題】一つのチャンバで前処理と成膜とを連続して行うことができる薄膜作製装置を提供する。【解決手段】成膜する金属を含む材料で形成してチャンバ１の内部に配設した被エッチング部材１１に、ハロゲンを含有する作用ガス２１に基づき形成したハロゲンラジカルを作用させることにより前記金属とハロゲンとの化合物である前駆体２４を基板３に吸着させた後、前記ハロゲンラジカルを作用させて還元することにより基板３に前記金属の薄膜を形成する薄膜作製装置において、基板３に対する成膜前の清浄化工程である所定の前処理の終了を検出する前処理終了検出部１６と、処理終了検出部１６の出力信号に基づき前記ハロゲンラジカルの量を制御してエッチングモードと成膜モードとの切替えを行う制御部２０とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜する金属を含む材料で形成してチャンバの内部に配設した被エッチング部材に、ハロゲンを含有する作用ガスに基づき形成したハロゲンラジカルを作用させることにより前記金属とハロゲンとの化合物である前駆体を形成する一方、基板を前記チャンバ内に収納した状態でその温度を前記被エッチング部材よりも低温に保持することにより前記前駆体を前記基板の表面に吸着させ、その後前記基板に吸着させた前記前駆体に前記ハロゲンガスのラジカルを作用させてこの前駆体を還元して前記基板に前記金属の薄膜を形成する薄膜作製方法において、
前記ハロゲンラジカルの相対的な量を調整し、一定時間エッチングモードとして基板の表面をエッチングすることによりこの基板の表面を清浄化する前処理工程と、この前処理工程に続き成膜モードとして前記基板の表面に所定の金属膜を成膜する成膜工程とを有することを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項２】
請求項１に記載する薄膜作製方法において、
前記エッチングモードでは前記チャンバ内の前記作用ガスの圧力が相対的に低くなるように調整するとともに、前記成膜モードでは前記圧力が相対的に高くなるように調整してエッチングモードと成膜モードとの切替えを前記作用ガスの圧力を調整することにより行うことを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項３】
請求項１に記載する薄膜作製方法において、
前記エッチングモードでは前記チャンバ内に供給する前記作用ガスの量が相対的に多くなるように調整するとともに、前記成膜モードでは前記作用ガスの量が相対的に少なくなるように調整してエッチングモードと成膜モードとの切替えを前記チャンバ内の供給する作用ガスの量を調整することにより行うことを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項４】
真空の容器であるチャンバと、成膜する金属を含む材料で形成して前記チャンバの内部に配設した被エッチング部材と、前記チャンバの内部にハロゲンを含有する作用ガスを供給する作用ガス供給手段と、前記チャンバの内部に前記作用ガスに基づくハロゲンラジカルを形成して前記被エッチング部材をエッチングすることにより前記金属成分とハロゲンとからなる前駆体を形成するプラズマ発生手段と、前記前駆体が吸着されるよう温度を前記被エッチング部材の温度よりも低く保持した状態で前記チャンバ内に収納してある基板とを備えた薄膜作製装置において、
基板に対する成膜前の清浄化工程である所定の前処理の終了を検出する前処理終了検出手段と、
前記チャンバ内のハロゲンラジカルの量を制御することによりエッチングモードと成膜モードとの何れかを選択するとともに、前処理終了検出手段の出力信号に基づき前記エッチングモードから前記成膜モードへの切替えを行う制御手段とを有することを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項５】
請求項４に記載する薄膜作製装置において、
前記制御手段は、前記チャンバ内の前記作用ガスの圧力を制御することにより前記エッチングモードと前記成膜モードとの切替えを行うように構成したことを特徴とする薄膜作製装置。
【請求項６】
請求項４に記載する薄膜作製装置において、
前記制御手段は、前記チャンバ内に供給する作用ガスの量を制御することにより前記エッチングモードと前記成膜モードとの切替えを行うように構成したことを特徴とする薄膜作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜作製方法及び薄膜作製装置に関し、特に薄膜作製の前処理として基板の清浄化を行う場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体等の製造においては、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置を用いた成膜が汎用されている。プラズマＣＶＤ装置とは、チャンバ内に導入した膜の材料となる有機金属錯体等のガスを、高周波アンテナから入射する高周波電力によりプラズマ状態にし、プラズマ中の活性な励起原子によって基板表面の化学的な反応を促進して金属薄膜等を成膜する装置である。
【０００３】
かかるプラズマＣＶＤ装置をはじめとする薄膜作製装置により基板であるウエハ上に所定の薄膜を形成する場合には、成膜に先立ち基板表面を清浄化する前処理が要求されている。
【０００４】
そこで、通常の成膜プロセスでは基板に前処理を施し、基板表面の酸化膜や汚染物質を取り除き、清浄な表面に調整した後、成膜を行っている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−０３９８２６号公報
【特許文献２】特開２００３−１４７５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来技術における前処理は成膜チャンバとは別に前処理専用のチャンバを用意して別チャンバで行うようになっていた。そこで、その分設備費の高騰を招来するばかりでなく、据え付け面積等も大きなものとなってしまう。
【０００７】
さらに、基板の前処理の終了後、前処理チャンバから成膜チャンバへ前記基板を搬送する際に前処理後の活性な基板の表面が再度汚染される可能性もある。
【０００８】
本発明は、上記従来技術に鑑み、一つのチャンバで前処理と成膜とを連続して行うことができる薄膜作製方法及び薄膜作製装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
現在、半導体の製造等において基板に金属膜を作成する方法として、ハロゲンラジカルを利用し、金属をハロゲン化して再び還元し堆積させる技術（以下、ＭＣＲ−ＣＶＤ法（塩化金属還元気相成長法）という。）が本発明者等によって提案されている（例えば、上記特許文献２参照）。具体的には、金属（Ｍ）製の被エッチング部材が備えられたチャンバ内にハロゲンガスを供給し、誘導プラズマを発生させてハロゲンガスプラズマを発生させ、ハロゲンラジカルを生成する。その後、ハロゲンラジカルで被エッチング部材をエッチングすることにより被エッチング部材に含まれる金属成分とハロゲンガス成分との前駆体を生成し、被エッチング部材よりも低い温度の基板上において、前駆体をハロゲンラジカルにより還元し、金属成分を基板表面に吸着させる方法である。
【００１０】
かかる一連の反応はハロゲンを塩素とした場合、次式の様に示される。
（１）プラズマの解離反応；Ｃｌ2→２Ｃｌ*
（２）エッチング反応；Ｍ＋Ｃｌ*→ＭＣｌ（ｇ）
（３）基板への吸着反応；ＭＣｌ（ｇ）→ＭＣｌ（ａｄ）
（４）成膜反応；ＭＣｌ（ａｄ）＋Ｃｌ*→Ｍ＋Ｃｌ2↑
式中のＣｌ*は塩素ラジカル、（ｇ）はガス状態、（ａｄ）は吸着状態を示す。金属Ｍには高蒸気圧ハロゲン化物を作る物質（銅など）が使用される。
【００１１】
かかるＭＣＲ−ＣＶＤ法によれば上式（４）の反応式でハロゲンラジカル（Ｃｌ*）が過多であればハロゲンラジカル（Ｃｌ*）によるエッチング作用が強くなり、エッチングモードとなる。そして、このエッチングモードでは基板表面の異物を除去し得る。そこで、ＭＣＲ−ＣＶＤ法においてエッチングモードと成膜モードとを連続的に切替えることにより前処理と成膜を一つのチャンバで連続して行うことに思い至った。
【００１２】
上記目的を達成する本発明は、上述の如き知見を基礎とするもので、その第１の態様は、
成膜する金属を含む材料で形成してチャンバの内部に配設した被エッチング部材に、ハロゲンを含有する作用ガスに基づき形成したハロゲンラジカルを作用させることにより前記金属とハロゲンとの化合物である前駆体を形成する一方、基板を前記チャンバ内に収納した状態でその温度を前記被エッチング部材よりも低温に保持することにより前記前駆体を前記基板の表面に吸着させ、その後前記基板に吸着させた前記前駆体に前記ハロゲンガスのラジカルを作用させてこの前駆体を還元して前記基板に前記金属の薄膜を形成する薄膜作製方法において、
前記ハロゲンラジカルの相対的な量を調整し、一定時間エッチングモードとして基板の表面をエッチングすることによりこの基板の表面を清浄化する前処理工程と、この前処理工程に続き成膜モードとして前記基板の表面に所定の金属膜を成膜する成膜工程とを有することを特徴とする薄膜作製方法にある。
【００１３】
本発明の第２の態様は、
上記第１の態様に記載する薄膜作製方法において、
前記エッチングモードでは前記チャンバ内の前記作用ガスの圧力が相対的に低くなるように調整するとともに、前記成膜モードでは前記圧力が相対的に高くなるように調整してエッチングモードと成膜モードとの切替えを前記作用ガスの圧力を調整することにより行うことを特徴とする薄膜作製方法にある。
【００１４】
本発明の第３の態様は、
上記第１の態様に記載する薄膜作製方法において、
前記エッチングモードでは前記チャンバ内に供給する前記作用ガスの量が相対的に多くなるように調整するとともに、前記成膜モードでは前記作用ガスの量が相対的に少なくなるように調整してエッチングモードと成膜モードとの切替えを前記チャンバ内の供給する作用ガスの量を調整することにより行うことを特徴とする薄膜作製方法にある。
【００１５】
本発明の第４の態様は、
真空の容器であるチャンバと、成膜する金属を含む材料で形成して前記チャンバの内部に配設した被エッチング部材と、前記チャンバの内部にハロゲンを含有する作用ガスを供給する作用ガス供給手段と、前記チャンバの内部に前記作用ガスに基づくハロゲンラジカルを形成して前記被エッチング部材をエッチングすることにより前記金属成分とハロゲンとからなる前駆体を形成するプラズマ発生手段と、前記前駆体が吸着されるよう温度を前記被エッチング部材の温度よりも低く保持した状態で前記チャンバ内に収納してある基板とを備えた薄膜作製装置において、
基板に対する成膜前の清浄化工程である所定の前処理の終了を検出する前処理終了検出手段と、
前記チャンバ内のハロゲンラジカルの量を制御することによりエッチングモードと成膜モードとの何れかを選択するとともに、前処理終了検出手段の出力信号に基づき前記エッチングモードから前記成膜モードへの切替えを行う制御手段とを有することを特徴とする薄膜作製装置にある。
【００１６】
本発明の第５の態様は、
上記第４の態様に記載する薄膜作製装置において、
前記制御手段は、前記チャンバ内の前記作用ガスの圧力を制御することにより前記エッチングモードと前記成膜モードとの切替えを行うように構成したことを特徴とする薄膜作製装置にある。
【００１７】
本発明の第６の態様は、
上記第４の態様に記載する薄膜作製装置において、
前記制御手段は、前記チャンバ内に供給する作用ガスの量を制御することにより前記エッチングモードと前記成膜モードとの切替えを行うように構成したことを特徴とする薄膜作製装置にある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、チャンバ内のハロゲンラジカルの量を調整するだけでエッチングモードと成膜モードとを連続的に変えることができる。この結果、一つのチャンバにおいて、エッチングモードで所定の前処理を行うとともに、前処理の終了後、成膜モードに切替えることにより連続して成膜を行うことができる。
【００１９】
かくして、前処理後に基板に異物が再付着する等の不都合を除去できるばかりでなく、一つのチャンバを前処理及び成膜処理の二種類の処理に兼用できるので、設備費等もその分低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本実施の形態の説明は例示であり、本発明の構成は以下の説明に限定されない。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態に係る薄膜作製装置（ＭＣＲ−ＣＶＤ装置）を示す概略側面図である。同図に示すように、円筒状の絶縁材で形成されたチャンバ１の底部近傍には支持台２が設けられ、支持台２にはウエハである基板３が載置されている。成膜工程では前記基板３の表面に所定の金属薄膜が成膜される。
【００２２】
支持台２にはヒータ４及び冷媒流通手段５を備えた温度制御手段６が設けられている。ここで、支持台２は温度制御手段６により所定温度（例えば、基板３が２５０℃乃至３００℃に維持される温度）に制御される。
【００２３】
チャンバ１の上面は開口部とされ、開口部は絶縁材料製の板状の天井板７によって塞がれている。天井板７の上方にはチャンバ１の内部をプラズマ化するためのプラズマアンテナ８が設けられ、プラズマアンテナ８は天井板７の面と平行な平面リング状に形成されている。プラズマアンテナ８には整合器９及び電源１０が接続されて高周波電流が供給される。これら、プラズマアンテナ８、整合器９及び電源１０により誘導プラズマを発生させるプラズマ発生手段が構成されている。
【００２４】
チャンバ１内には成膜する金属成分を含む材料で形成した被エッチング部材１１が保持され、この被エッチング部材１１はプラズマアンテナ８の電流に対して基板３と天井板７との間に不連続状態で配置されている。例えば、被エッチング部材１１は、棒状の突起部１２とリング部１３とからなり、突起部１２がチャンバ１の中心側に延びるようにリング部１３が設けられている。これにより、被エッチング部材１１はプラズマアンテナ８の電流方向である周方向に対して構造的に不連続な状態とされている。
【００２５】
なお、プラズマアンテナ８の電流に対して不連続状態にする構成としては、被エッチング部材を格子状に形成したり、網目状に形成する等の態様が考えられる。
【００２６】
被エッチング部材１１の上方におけるチャンバ１の筒部の周囲にはチャンバ１の内部にハロゲンである塩素を含有する作用ガス（Ｃｌ２ガス）２１を供給するノズル１４が周方向に等間隔で複数（例えば８箇所：図には２箇所を示してある）接続されている。ノズル１４には流量を制御する流量制御器１５を介して作用ガス（Ｃｌ２ガス）２１が供給される。流量制御器１５によりチャンバ１内に供給される作用ガス（Ｃｌ２ガス）２１の量を制御することで、チャンバ１内のハロゲンラジカルの量を制御することができる。すなわち、作用ガス（Ｃｌ２ガス）２１の量を増大させれば、その分ハロゲンラジカルの量も増大する。すなわち、エッチングモードとすることができる。
【００２７】
一方、反応に関与しないガス等は排気口１８から真空ポンプ１９により流量調整弁１７を介してチャンバ１の外に排気され、天井板７によって塞がれたチャンバ１の内部を所定の真空度に維持するようになっている。ここで、真空ポンプ１９は常に一定回転数で駆動されており、流量調整弁１７の開度を調整することにより排ガスの流速を制御してチャンバ１内の作用ガス（Ｃｌ２ガス）２１の圧力、ひいてはハロゲンラジカルの量を制御し得るようになっている。ちなみに、流量調整弁１７の開度を大きくして排気量を増大させ、チャンバ１内の圧力を低下させた場合には、エッチングモードとなる。チャンバ１内に供給された作用ガス（Ｃｌ２ガス）２１の流速が増大することで作用ガス（Ｃｌ２ガス）２１が被エッチング部材１１と接触する時間が短くなり、その分生成される前駆体２４の量が少なくなる反面、基板３に達するハロゲンラジカルの量が増大するからである。
【００２８】
ここで、作用ガスに含有されるハロゲンとしては、フッ素、臭素及びヨウ素等を適用することが可能である。ただ、本形態ではハロゲンとして安価なＣｌ２ガスを用いたことによりランニングコストの低減を図っている。
【００２９】
本形態に係る薄膜作製装置では前処理工程におけるエッチングモードと、成膜工程における成膜モードとの切替えを行うことで両モードの何れかを選択するようになっている。このため、前処理工程（エッチングモード）の終了を検出する前処理終了検出部１６を有している。ここで、前処理工程は、基板３の表面から異物が除去され、所定の清浄度に調整された時点で終了する。そこで、チャンバ１内の基板３の上部の異物の状態を把握することにより前処理工程の終了時点を検出する。具体的には、前処理で酸化膜を除去する場合には、基板３の表面のエッチングにより発生する酸素の濃度を検出すれば良いし、また有機物を除去する場合には、基板３の表面のエッチングにより発生する炭素の濃度を検出すれば良い。そこで、前記前処理終了検出部１６は基板３の上方空間の異物（酸素乃至炭素）の濃度を検出し得るよう基板３の斜め上方の位置でチャンバ１に配設してある。前処理終了検出部１６は、所定の異物の濃度を検出し得るものであれば特に制限はないが、質量分析計，Ｘ線光電子分光測定器（ＸＰＳ）、オージェ電子分光器（ＡＥＳ）等を好適に適用し得、異物の濃度が所定値以下になったときを前処理の終了時点であると判断して、このことを表す前処理終了信号を送出する。
【００３０】
制御部２０は当該薄膜作製装置の全体的な制御、すなわちプロセス制御を行うものであり、本形態では特に前処理終了検出部１６から送出される前処理終了信号を処理して前処理モードから成膜モードへの切替制御を行う。すなわち、前処理終了信号が送出されるまでは、チャンバ１内の圧力を相対的に低圧とするか、チャンバ１内に供給する作用ガス２１の流量を相対的に多くしてエッチングモードとし、前処理終了信号が送出された後は、チャンバ１内の圧力を相対的に高圧とするか、チャンバ１内に供給する作用ガス２１の流量を相対的に少なくして成膜モードとする。
【００３１】
かかる薄膜作製装置を使用して、所定の前処理を行い、これに連続させて成膜を行う場合の具体的な方法について図２及び図３に基づき説明する。図２は圧力制御により実施する場合のタイムチャート、図３は流量制御により実施する場合のタイムチャートである。
【００３２】
＜圧力の制御によるモードの切替え＞
図２に示すように、チャンバ１内を圧力Ｐ０に保持した状態で、時刻ｔ１までの間に前処理を行う基板３をチャンバ１内に搬入する。時刻ｔ１で作用ガス２１をチャンバ１内に供給するとともに、制御部２０の制御により流量調整弁１７の開度を大きくしてチャンバ１内を圧力Ｐ１に低下させる。このことによりチャンバ１内はエッチングモードとなり、基板３の表面のエッチングにより異物が除去される。
【００３３】
時刻ｔ２で前処理終了検出部１６により前処理の終了が検知されると制御部２０で流量調整弁１７の開度を小さくしてチャンバ１内を圧力Ｐ０に戻す。このことにより、時刻ｔ２以降は成膜モードとなり前述の反応式で示した反応により、前処理で清浄化された基板３の表面に所定の金属薄膜が形成される。
【００３４】
＜流量の制御によるモードの切替え＞
図３に示すように、チャンバ１内に作用ガス２１を供給する前の時刻ｔ１までの間に前処理を行う基板３をチャンバ１内に搬入する。時刻ｔ１で制御部２０により流量制御器１５を制御して流量Ｑ１の作用ガス２１をチャンバ１内に供給する。ここで、流量Ｑ１の作用ガス２１をチャンバ１内に供給すればこのチャンバ１内をエッチングモードとするのに十分なハロゲンラジカルが得られる。この結果、チャンバ１内はエッチングモードとなり、基板３の表面のエッチングにより異物が除去される。
【００３５】
時刻ｔ２で前処理終了検出部１６により前処理の終了が検知されると制御部２０で流量制御器１５を制御して相対的に少ない流量Ｑ０の作用ガス２１をチャンバ１内に供給する。ここで、流量Ｑ０の作用ガス２１ではハロゲンラジカルの量が減少する結果チャンバ１は成膜モードとなる。したがって、時刻ｔ２以降は成膜モードとなり前述の反応式で示した反応により、前処理で清浄化された基板３の表面に所定の金属薄膜が形成される。
【００３６】
なお、上記実施の形態では圧力制御乃至流量制御によりエッチングモードと成膜モードとの何れかを選択するようにしたが、これに限るものではない。要はチャンバ１内のハロゲンラジカルの量を制御するようにすれば、前処理に連続させて所望の金属薄膜をＭＣＲ−ＣＶＤ法により成膜し得る。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は半導体デバイスを製造するための装置等の製造、販売に関する産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係る薄膜作製装置を示す概略側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る薄膜作製方法（圧力制御方式）を説明するためのタイムチャートである。
【図３】本発明の他の実施の形態に係る薄膜作製方法（流量制御方式）を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１            チャンバ
３            基板
８            プラズマアンテナ
１１            被エッチング部材
１５            流量制御器
１６            前処理終了検出部
１７            流量調整弁
１９            真空ポンプ
２０            制御部
２１            作用ガス
２４            前駆体
Ｐ０、Ｐ１        圧力
Ｑ１、Ｑ０        流量
ｔ１、ｔ２        時刻
【図１】
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【図２】
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【図３】
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