(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理ガスを供給する処理ガスラインと、処理ガスをキャリアするキャリアガスを供給するキャリアガスラインと、被処理基板が配置され、キャリアガスによってキャリアされた処理ガスが導入されるチャンバーとを有し、前記処理ガスラインは、前記キャリアガスラインの直線部に合流するように設けられ、かつ、前記処理ガスラインは、前記キャリアガスラインとの合流点から離れた位置にバルブを有するガス処理装置を用いて基板に対してガス処理を行うガス処理方法であって、
前記キャリアガスとして分子量が３０以下のものを用い、前記バルブを閉じて処理ガスの供給を停止した際に、前記キャリアガスラインに流れる前記キャリアガスにより前記処理ガスラインの前記バルブよりも下流側の部分からの残存ガスの流出を促進させることを特徴とするガス処理方法。
【請求項２】
前記処理ガスラインの処理ガスの供給を前記バルブを閉じて停止した際に、前記処理ガスラインのバルブより下流側のいずれの部分においても残存する処理ガスの濃度がその部分のガス全体に対して１％以下であることを特徴とする請求項１に記載のガス処理方法。
【請求項３】
前記キャリアガスは、Ｈｅガス，Ｎｅガス，Ｎ２ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＶＤ成膜等のガス処理を行うガス処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）に配線パターンを形成するために、あるいは配線間のホールを埋め込むために、Ｗ（タングステン）、ＷＳｉ（タングステンシリサイド）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＴｉＳｉ（チタンシリサイド）等の金属あるいは金属化合物を堆積させて薄膜を形成している。
【０００３】
これらの中で、ＷＳｉを成膜する際には、処理ガスとして例えばＷＦ６（六フッ化タングステン）とＳｉＨ４（シラン）またはＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロルシラン）とが用いられる。また、キャリアガスとしてＡｒが用いられている。
【０００４】
ＷＳｉ膜を成膜する際には、上記処理ガスをキャリアガスによりキャリアさせてチャンバー内に導入し、チャンバー内のウエハを加熱することにより処理ガスを反応させる。この際に、初期段階においてＷＦ６の流量を厳密に制御して所望のニュークリエーション膜を形成することにより膜質の向上を図っており、このため、流量を厳密に制御することが可能なニュークリエーション膜用のＷＦ６ガスラインと通常のＷＦ６ガスラインとを設けている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらガスラインを切換えた際、従前のガスラインのバルブ下流側部分のＷＦ６ガス残存量が多い場合には、この残存ガスがキャリアガスによって吸い出され、チャンバー内には制御外の処理ガスが供給されることとなり、形成された膜が所要の膜質とならない場合が生じる。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、処理ガスラインからの処理ガスの供給を停止した際に、処理ガスライン内に処理ガスが残存し難いガス処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、処理ガスを供給する処理ガスラインと、処理ガスをキャリアするキャリアガスを供給するキャリアガスラインと、被処理基板が配置され、キャリアガスによってキャリアされた処理ガスが導入されるチャンバーとを有し、前記処理ガスラインは、前記キャリアガスラインの直線部に合流するように設けられ、かつ、前記処理ガスラインは、前記キャリアガスラインとの合流点から離れた位置にバルブを有するガス処理装置を用いて基板に対してガス処理を行うガス処理方法であって、前記キャリアガスとして分子量が３０以下のものを用い、前記バルブを閉じて処理ガスの供給を停止した際に、前記キャリアガスラインに流れる前記キャリアガスにより前記処理ガスラインの前記バルブよりも下流側の部分からの残存ガスの流出を促進させることを特徴とするガス処理方法を提供する。
【０００８】
図１は処理ガスとキャリアガスが混合する部分の代表的な構造を示す模式図であるが、この図に示すように、処理ガスライン１とキャリアガスライン２の合流点において、処理ガスを停止した場合に、処理ガスライン１のバルブ３の下流側の残存ガスは、キャリアガスと混合して下流に流出する。この場合に、本発明者らの検討結果によれば、残存した処理ガスがキャリアガスと混合して下流側に流れるのは、キャリアガスと処理ガスの相互拡散が原因であり、その程度は拡散係数に依存する。つまり、拡散係数が大きいほどキャリアガスによる残存処理ガスの流出効果が大きい。ここで、拡散係数はキャリアガスの分子量および処理ガスの分子量が小さくなるほど大きくなるから、キャリアガスとして分子量の小さいものを使用するほど残存処理ガス流出効果が大きくなる。従来はこのような観点からの検討は行われておらず、従来キャリアガスとして用いられているＡｒガスは、分子量が３９．９４８と比較的大きく、処理ガスが残存しやすかったが、本発明のようにキャリアガスとして分子量が３０以下のものを用いることにより、従来よりも処理ガスラインに処理ガスを残存し難くすることができる。
【０００９】
本発明において、前記処理ガスラインの処理ガスの供給を前記バルブを閉じて停止した際に、前記処理ガスラインのバルブより下流側のいずれの部分においても残存する処理ガスの濃度がその部分のガス全体に対して１％以下であることが好ましい。このような範囲であれば、残存ガスがプロセスに悪影響を与えない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
図２は、本発明の実施に用いられるＣＶＤ装置を模式的に示す断面図であり、ＷＳｉ膜成膜用のものを示す。
【００１２】
図２に示すように、ＣＶＤ装置１００は、例えばアルミニウム等により円筒状に形成されたチャンバー１１を有しており、その上に蓋体１２が設けられている。このチャンバー１１内には、チャンバー１１の底部から起立させた支持部材１３上に、保持部材１４を介してウエハＷを載置する載置台１５が設けられている。なお、この支持部材１３の径方向内側は、熱線を反射するように形成されており、載置台１５は、厚さ２ｍｍ程度の例えばカーボン素材、セラミックス等で形成されている。
【００１３】
この載置台１５の下方には、ウエハＷを載置台１５から持ち上げるためのリフトピン１６が例えば３本設けられており、このリフトピン１６は、保持部材１７を介して押し上げ棒１８に支持されていて、この押し上げ棒１８がアクチュエータ１９に連結している。これにより、アクチュエータ１９が押し上げ棒１８を昇降させると、押し上げ棒１８および保持部材１７を介してリフトピン１６が昇降し、ウエハＷが昇降するようになっている。このリフトピン１６は、熱線を透過する材料、例えば石英により形成されている。また、リフトピン１６に一体的に支持部材２０が設けられており、この支持部材２０にシールドリング２１が取り付けられている。このシールドリング２１は、後述するハロゲンランプ２６の熱線が上方に照射されることを防止するとともに、クリーニング時にクリーニングガスの流路を確保する機能を有している。載置台１５には、さらに、ウエハＷの加熱時にウエハＷの温度を計測するための熱電対２２が埋設されており、この熱電対２２の保持部材２３が支持部材１３に取付けられている。
【００１４】
載置台１５の真下のチャンバー底部には、石英等の熱線透過材料よりなる透過窓２４が気密に設けられており、その下方には、透過窓２４を囲むように箱状の加熱室２５が設けられている。この加熱室２５内には、例えば４個のハロゲンランプ２６が反射鏡をも兼ねる回転台２７に取付けられており、この回転台２７は、回転軸２８を介して加熱室２５の底部に設けられた回転モータ２９により回転されるようになっている。したがって、このハロゲンランプ２６から放出された熱線は、透過窓２４を透過して載置台１５の下面を照射してこれを加熱し得るようになっている。この加熱室２５の側壁には、この室内や透過窓２４を冷却するための冷却エアを導入する冷却エア導入口３０およびこのエアを排出するための冷却エア排出口３１が設けられている。
【００１５】
載置台１５の外周側には、多数の整流孔を有するリング状の整流板３２が、環状に形成した支持コラム３３の上端に設けられた水冷プレート３４に載置されている。この水冷プレート３４の内周側には、上方の処理ガスが下方に流れることを防止するためのリング状の石英製またはアルミニウム製のアタッチメント３５が設けられている。これら整流板３２、水冷プレート３４およびアタッチメント３５の下側には、成膜処理時、処理ガスと反応しない不活性ガス例えば窒素ガス等をバックサイドガスとして供給し、これにより、処理ガスが載置台１５の下側に回り込んで余分な成膜作用を及ぼすことを防止している。
【００１６】
また、チャンバー１１の底部の四隅には、排気口３６が設けられており、この排気口３６には、図示しない真空ポンプが接続されている。これにより、チャンバー１内は、例えば１００Ｔｏｒｒ〜１０−６Ｔｏｒｒの真空度に維持し得るようになっている。
【００１７】
チャンバー１１の天井部には、処理ガス等を導入するためのシャワーヘッド４０が設けられている。このシャワーヘッド４０は、蓋体１２に嵌合して形成されたシャワーベース４１を有しており、このシャワーベース４１の上部中央には、処理ガス等を通過させるオリフィスプレート４２が設けられている。さらに、このオリフィスプレート４２の下方に、２段の拡散プレート４３，４４が設けられており、これら拡散プレート４３，４４の下方に、シャワープレート４５が設けられている。オリフィスプレート４２の上側にはガス導入部材４６が配置されており、このガス導入部材４６にはガス導入口４７が設けられている。このガス導入口４７にはチャンバー１１内へ処理ガス等を供給するガス供給機構５０が接続されている。
【００１８】
ガス供給機構５０は、第１のＷＦ６ガス供給源５１、キャリアガス供給源５２、第２のＷＦ６ガス供給源５３、ＳｉＨ４ガスまたはＳｉＨ２Ｃｌ２ガス供給源５４を有しており、第１のＷＦ６ガス供給源５１にはガスライン５５、キャリアガス供給源５２にはガスライン５６、第２のＷＦ６ガス供給源５３にはガスライン５７、ＳｉＨ４ガスまたはＳｉＨ２Ｃｌ２ガス供給源５４にはガスライン５８が接続されている。ガスライン５５にはマスフローコントローラ５９とその前後の開閉バルブ６０，６１とが設けられ、ガスライン５６にはマスフローコントローラ６２とその前後の開閉バルブ６３，６４とが設けられ、ガスライン５７にはマスフローコントローラ６５とその前後の開閉バルブ６６，６７とが設けられ、ガスライン５８にはマスフローコントローラ６８とその前後の開閉バルブ６９，７０とが設けられている。処理ガスラインであるガスライン５５，５７，５８は、キャリアガスラインであるガスライン５６に合流するようになっており、これらが合流し、ガスライン５６に連続するガスライン７１が上述のガス導入口４７に接続されている。本発明では後述するように、キャリアガス供給源５２から供給されるキャリアガスとして分子量が３０以下のものを用いる。
【００１９】
このように構成されるＣＶＤ装置１００により、ウエハＷの表面にＷＳｉ膜を成膜する際には、まず、チャンバー１１の側壁に設けられた図示しないゲートバルブを開いて搬送アームによりチャンバー１１内にウエハＷを搬入し、リフトピン１６を押し上げることによりウエハＷをリフトピン１６側に受け渡し、押し上げ棒１８を降下させることによりリフトピン１６を押し下げて、ウエハＷを載置台１５上に載置する。
【００２０】
次いで、排気口３６から内部雰囲気を吸引排気することによりチャンバー１１内を所定の真空度例えば０．１Ｔｏｒｒ〜８０Ｔｏｒｒの範囲内の値に設定し、後述するようにしてガス供給源５０からシャワーヘッド４０を介してチャンバー１１内に処理ガスであるＷＦ６ガスおよびＳｉＨ４ガスを導入し、これと同時に加熱室２５内のハロゲンランプ２６を回転させながら点灯し、ハロゲンランプ２６からの熱線を載置台１５に照射する。これにより、所定の反応が生じてウエハＷ上にＷＳｉ膜が成膜される。
【００２１】
次に、ガス供給機構５０による処理ガスの供給について詳細に説明する。
上述したように、ガス供給機構５０から処理ガスを供給する際には、キャリアガス供給源５２からガスライン５６にキャリアガスを流しつつ、まず第１のＷＦ６ガス供給源５１から、高精度のマスフローコントローラ５９で厳密に流量を制御しつつ、ニュークリエーションのためのＷＦ６ガスをガスライン５５に流すとともに、ＳｉＨ４ガスまたはＳｉＨ２Ｃｌ２ガス供給源５４からもう一方の処理ガスであるＳｉＨ４ガスまたはＳｉＨ２Ｃｌ２ガスをガスライン５８に流す。ガスライン５５からのＷＦ６ガスおよびガスライン５８からのＳｉＨ４ガスまたはＳｉＨ２Ｃｌ２ガスはガスライン５６に合流してキャリアガスにキャリアされ、ガスライン７１およびシャワーヘッド４０を介してチャンバー１１内に供給される。
【００２２】
所定時間経過後、ガスライン５５のバルブ６１が閉じられ、第１のＷＦ６ガス供給源５１からのニュークリエーション用のＷＦ６ガスの供給が停止され、代わりに第２のＷＦ６ガス供給源５３に接続されたガスライン５７のバルブ６７が開かれメインのＷＦ６ガスがガスライン５７からガスライン５６に合流する。
【００２３】
この場合に、ガスライン５５のバルブ６１下流側部分にはＷＦ６ガスが残存しており、この残存ガスを速やかに流出させないと、その部分には多量のＷＦ６ガスが残存することとなる。この状態で、メインのＷＦ６ガスを供給して成膜すると、残存ガスがキャリアガスによって徐々に吸い出され、チャンバー内には制御外の処理ガスが供給されることとなり、膜質が悪くなるおそれがある。従来はキャリアガスとしてＡｒガスが用いられており、実際にこのような問題が生じていたが、キャリアガスとして分子量が３０以下のものを用いることにより、処理ガスの残存量を少なくすることができる。
【００２４】
以下、このような結論に至ったシミュレーション結果について説明する。
図３に示すような、処理ガスとキャリアガスが混合する部分の代表的な構造を用いてシミュレーションを行った。処理ガスライン８１およびキャリアガスライン８２はいずれもφ６ｍｍであり、処理ガスライン８１のバルブ８３下流側の長さを１０ｃｍと設定した。処理ガスはバルブ８３により供給を遮断し、処理ガスライン８１のバルブ８３下流側の部分に残存しているものとした。
【００２５】
キャリアガスとしてＡｒガス、Ｈｅガスを用い、処理ガスとしてＷＦ６，ＳｉＨ４を用いて、これらガスの４通りの組合せで、キャリアガスの流量を５，５０、２５０，５００ｓｃｃｍとして、バルブの直下部分（図中点Ｂ）および処理ガスライン８１とキャリアガスライン８２との交点中央（図中点Ａ）における処理ガス残存濃度をシミュレーションにより求めた。なお、シミュレーションには汎用解析プログラムであるＦＬＵＥＮＴを用いた。
【００２６】
その際に用いた解析チャートの例を図４に示す。実際のチャートはガス濃度が色彩で示されており、濃度分布が明確に把握することができるようになっている。
【００２７】
また、図５にキャリアガスの流量を変化させた場合の点Ａにおける定常状態での処理ガス残存濃度を示し、図６に同じくキャリアガス流量を変化させた場合の点Ｂにおける定常状態での処理ガス残存濃度を示す。これらの図に示すように、点Ａおよび点Ｂのいずれにおいても、キャリアガスとしてＨｅガスを用いたほうがＡｒガスを用いた場合よりも処理ガスの残存濃度が約３桁低いことが確認された。
【００２８】
図４の実際のチャートから、残存した処理ガスがキャリアガスと混合して下流に流出するのは主にキャリアガスとプロセスガスの相互拡散が原因であることが把握された。このように処理ガスがキャリアガスと混合して下流に流出する原因が主にキャリアガスと処理ガスとの相互拡散にある場合、その程度は拡散係数に依存する。つまり、拡散係数が大きいほどキャリアガスによる残存処理ガスの流出効果が大きい。
【００２９】
いま、キャリアガスの分子量をＭＣ、処理ガスの分子量をＭＰとすると、拡散係数ＤＣＰは以下の（１）で表すことができる。
【００３０】
【数１】
0004401479.tif 000002
【００３１】
ただし
Ｔ：系の温度［Ｋ］
Ｐ：系の圧力［Ｐａ］
σＣＰ：レナードジョーンズポテンシャルモデルのサイズパラメータ［Ａ］
ΩＤＣＰ：ガス１（ここではキャリアガス（成分Ｃ））とガス２（ここでは処理ガス（成分Ｐ））の衝突により定まる衝突積分
【００３２】
ここで、成分Ｃ，ＰのレナードジョーンズパラメータσＣおよびσＰを用いて、平均サイズパラメータσＣＰと平均エネルギーパラメータεＣＰ／κを次の（２）、（３）式で求める。
σＣＰ＝（σＣ＋σＰ）／２                        ……（２）
εＣＰ／κ＝（εＣ・εＰ）１／２／κ                 ……（３）
次にεＣＰ／κより係数を求める温度Ｔに対する規格化温度ＴＮを以下の（４）式により求める。
ＴＮ＝Ｔ／（εＣＰ／κ）                          ……（４）
このＴＮにより衝突積分ΩＤＣＰを以下の（５）式により求める。
【００３３】
【数２】
0004401479.tif 000003
【００３４】
上記式（１）からガスの分子量が小さくなるほど拡散係数ＤＣＰが大きくなることが確認される。上述したように、拡散係数が大きいほどキャリアガスによる残存処理ガスの流出効果が大きいから、キャリアガスの分子量が小さいほど処理ガスライン中のガスがより多く流出し処理ガスの残存量が少なくなる。
【００３５】
本シミュレーションに用いたＡｒガス、Ｈｅガス、ＷＦ６ガス、ＳｉＨ４ガスの分子量を表１に、これらの組合せによる拡散係数ＤＣＰを表２に示す。
【００３６】
【表１】
0004401479.tif 000004
【００３７】
【表２】
0004401479.tif 000005
【００３８】
表１に示すように、Ｈｅガスの分子量はＡｒガスの分子量の約１／１０であり、それとは逆にＨｅガスを用いた場合には拡散係数は大きくなる。例えば、処理ガスとしてＷＦ６を用いた場合、拡散係数ＤＣＰはＨｅガスでは２．９６３２×１０−４、Ａｒガスでは５．５７８６×１０−５であって、ＨｅガスがＡｒガスの５．３１倍となる。したがって、キャリアガスとしてＨｅガスを用いたほうが残存処理ガスの流出効果が大きい。
【００３９】
上記図５、６に示すシミュレーション結果は、このことを示すものであり、上述したように、点Ａおよび点Ｂのいずれにおいても、キャリアガスとしてＨｅガスを用いたほうがＡｒガスを用いた場合よりも処理ガスの残存濃度が約３桁低い。そして、この傾向は処理ガスとしてＷＦ６およびＳｉＨ４のいずれを用いた場合にも存在することから、処理ガスの種類に依存しない。また、キャリアガスが約１００ｓｃｃｍ以上では、処理ガスの残存濃度がほとんど変化せず、キャリアガスの流量に依存しないことがわかる。つまり、キャリアガスが約１００ｓｃｃｍ以上で安定した処理を行うことができる。
【００４０】
残存ガスがプロセスに悪影響を与えない観点からは、処理ガスラインの処理ガスの供給を停止した際に、処理ガスラインのバルブより下流側のいずれの部分においても残存する処理ガスの濃度がその部分のガス全体に対して１％以下であることが好ましい。図５、６を見るとキャリアガスとしてＨｅを用いた場合には、点Ａおよび点Ｂのいずれにおいても、これよりも十分に低い濃度であることがわかる。これに対してＡｒガスを用いた場合には、点Ｂにおいては残存濃度がその部分のガス全体の１％を超えており、Ａｒガスはキャリアガスとして好ましくないことが把握される。したがって、Ａｒガスよりも拡散係数が高くなるガス、つまりＡｒガスよりも分子量が小さいガスをキャリアガスとして用いることが好ましい。なお、処理ガスとしてＷＦ６を用い、キャリアガスとしてＨｅを用いて、処理ガスラインのバルブ下流側部分の長さが１０ｃｍとしてシミュレーションを行った場合には、残存処理ガス濃度１％となる位置が、処理ガスラインおよびキャリアガスラインの交点から９４．６ｍ上流側の部分となる。つまり、残存処理ガス濃度が１％となる配管距離が著しく長いことが確認された。
【００４１】
図７に、処理ガスとしてＷＦ６を用い、キャリアガスとして種々の不活性ガスを用いた場合における拡散係数とキャリアガスの分子量との関係を示す。この図に示すように、Ａｒガスよりも分子量が小さく、したがって拡散係数が大きい不活性ガスとしては、Ｈｅガス以外にＮ２ガスおよびＮｅガスが存在する。これらのガスをキャリアガスとして用いれば、処理ガスラインに残存する処理ガスの濃度をＡｒガスの場合よりも小さくすることができ、処理ガスラインのバルブ下流側のいずれの部分においても残存する処理ガスの濃度がその部分のガス全体に対してほぼ１％以下にすることができると考えられる。そして、Ｎ２ガスの分子量は約２８であるから、本発明ではキャリアガスの分子量を３０以下と規定している。
【００４２】
このように、本発明ではキャリアガスの分子量を３０以下と規定し、その範囲内に含まれるものとしては、Ｈｅガス、ＮｅガスおよびＮ２ガスがあるが、分子量が小さいほど残存処理ガスの流出効果が大きいから、これらの中ではＨｅガスが最も好ましい。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では本発明をＷＳｉのＣＶＤ成膜に規定したが、これに限らず、他の材料、例えばＷ、Ｔｉ、ＴｉＮ等のＣＶＤ成膜に適用することができるし、また、ＣＶＤ以外の他のガス処理にも適用することができる。また、被処理基板はウエハに限られるものではなく、他の基板であってもよい。さらに、キャリアガスとしてはＨｅガス等の不活性ガスを例示したが、これに限らず、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ等の無機系ガスや気化または蒸発した有機溶媒等の有機系ガスのように、処理ガスの一部として機能するものであってもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、キャリアガスの分子量を３０以下としたことにより、処理ガスラインからの処理ガスの供給を停止した際に、処理ガスライン内の処理ガス残存濃度を低くすることができ、処理ガスラインに残存した処理ガスが処理へ悪影響を与えることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための模式図。
【図２】本発明の実施に用いられるＣＶＤ装置を模式的に示す断面図。
【図３】本発明を導いたシミュレーションの条件を示す模式図。
【図４】シミュレーション結果を示すチャート。
【図５】シミュレーション結果に基づいて点Ａにおけるキャリアガス流量と処理ガス残存濃度との関係を示すグラフ。
【図６】シミュレーション結果に基づいて点Ｂにおけるキャリアガス流量と処理ガス残存濃度との関係を示すグラフ。
【図７】拡散係数と分子量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１；処理ガスライン
２；キャリアガスライン
３；バルブ
１１；チャンバー
１５；載置台
４０；シャワーヘッド
５０；ガス供給機構
５５，５７、５８；ガスライン（処理ガスライン）
５６；ガスライン（キャリアガスライン）
６１，６４，６７，７０；バルブ
Ｗ……半導体ウエハ
【図１】
0004401479.tif 000006
【図２】
0004401479.tif 000007
【図３】
0004401479.tif 000008
【図４】
0004401479.tif 000009
【図５】
0004401479.tif 000010
【図６】
0004401479.tif 000011
【図７】
0004401479.tif 000012