(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
枚葉式の薄膜形成方法において、
反応室で所定枚数の基板に対して成膜を行う第１の工程と、
前記第１の工程の後、前記基板を前記反応室から搬出し、前記反応室へのクリーニングガスの導入および高周波の印加によってプラズマを前記反応室中に生成し、基板周辺部材の表面に堆積した薄膜を除去する第２の工程と、
前記第２の工程の後、前記反応室への酸化性ガスの導入および高周波の印加によってプラズマを前記反応室内に生成させ前記基板周辺部材を酸化性プラズマ処理する第３の工程と、
前記第３の工程の後、前記反応室内に薄膜を堆積させる第４の工程と、
前記第４の工程の後、前記反応室内に未処理の基板を搬入し、この未処理の基板に薄膜を堆積させる第５の工程と、
を有することを特徴とするプラズマクリーニング方法。
【請求項２】
前記第１の工程と前記第５の工程は、前記反応室内にＷＦ６／ＳｉＨ４ガスとＨ２を導入し、核形成ステップと厚膜形成ステップにより前記基板上にＷ膜を形成するＣＶＤ法による成膜であり、
前記第２の工程は、クリーニングガスとしてＣ２Ｆ６とＯ２の混合ガスを前記反応室内に導入し、前記反応室内にプラズマを生成し、前記基板周辺部材に堆積したＷ膜を除去するＲＩＥクリーニング処理であり、
前記第３の工程は、酸化性ガスとしてＯ２を前記反応室内に導入し、前記反応室内にＯ２プラズマを生成し、前記基板周辺部材の酸化性プラズマ処理であり、
前記第４の工程は、前記反応室内にＷＦ６とＨ２の混合ガスを導入し、前記反応室内にＷ膜を形成するＣＶＤ法による成膜であることを特徴とする請求項１記載のプラズマクリーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマクリーニング方法に関し、特に、基板上にタングステン、銅、窒化チタン、チタン等の薄膜を形成するＣＶＤ法に適したプラズマクリーニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれ、スパッタ法（Ａｌ等）による微細ホールの埋め込みは、ホール径の縮小により、アスペクト比が１を越えた段階で限界となってきた。そのため、ホール部分の断線が起こりやすく、半導体素子の信頼性の維持が困難になってきている。
【０００３】
そこで、１６Ｍ（メガ）以降のＤＲＡＭ製造時の微細ホール埋め込みに関しては、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）が注目されている。
【０００４】
図６は、従来のタングステン（Ｗ）膜形成のためのＣＶＤ装置の要部の概略構成を示す。本図において、反応容器１１の内部は、真空ポンプ（図示せず）で排気用通路１２を経由して排気され、減圧状態になっている。その反応容器１１において、内部に設置された基板保持体１３の上に基板１４が配置される。基板保持体１３は、反応容器１１の下壁部に気密に取り付けられた石英窓１５を通して、外部の加熱ランプ１６からの光照射を受け、加熱される。基板１４は、基板保持体１３から伝導される熱によって加熱される。また基板１４は、基板保持体１３の周囲に配置されたリング形状の固定具１７によって上方から押え付けられ、基板保持体１３の上に固定される。固定具１７は、支柱１８を経由して高周波電源１９に接続される。支柱１８の内部には冷却機構２０が設けられ、固定具１７の温度の上昇を抑制し、固定具１７に膜が付着するのをできるだけ防止する。
【０００５】
基板１４の上方の位置にはガス供給部２１が設けられる。ガス供給部２１は、下面にガス吹出し孔２２が多数形成され、かつガス供給管２３を介して、反応容器１１の外部に配置された反応ガス供給装置（図示せず）とクリーニングガス供給装置（図示せず）に接続されている。ガス供給部２１によって、反応容器１１の内部に、バルブ２４，２５の開閉を制御することにより必要に応じて反応ガス（成膜工程時）またはクリーニングガス（クリーニング工程時）が供給される。
こうして、基板１４に対向する位置に置かれたガス供給部２１から反応ガスまたはクリーニングガスが反応容器１１内に導入され、放電（プラズマ）が生成される。各放電で生成された未反応ガスおよび副生成ガスは、排気用通路１２を通して外部に排気される。クリーニング工程時には、クリーニングガスによって反応容器１１中にクリーニングのためのプラズマが生成される。
【０００６】
また反応容器１１の外部には、基板１４と対向する位置にマグネット２６が取り付けられる。成膜工程時に基板１４の周囲に位置する部材に付着したＷ膜２７を、クリーニングのためのプラズマで除去する場合に、マグネット２６によって発生する磁場に基づき当該プラズマの発生を高くできる。
【０００７】
上記構成を有する従来のＣＶＤ装置で多数の基板を成膜処理する場合、反応容器１１内に１枚ごと（枚葉式で）導入された各基板は、成膜終了後に次の基板と交換され、１つの反応容器１１内で次々と連続して成膜処理が行われていく。毎回の基板処理条件であるガス流量、圧力、温度等は常に一定に保たれている。
【０００８】
通常の成膜条件の一例を述べると、成膜ガス流量としてＨ2 は３００〜１０００sccm、ＷＦ6 は５０〜２００sccm、成膜圧力として３０〜１００Torr、成膜温度として４００〜５００℃である。通常、成膜の前に核形成のための成膜ステップが設けられ、この成膜ステップでは通常の条件として成膜ガス流量はＷＦ6 が５〜１０sccm、ＳｉＨ4 は１〜４sccm、成膜圧力は０．１〜５Torr、成膜温度は４００〜５００℃である。
【０００９】
従来装置による薄膜形成では、複数の基板に対し１枚の基板を単位として成膜処理が繰り返し行われる場合に、基板の処理枚数が増えるに従い、基板内での膜抵抗値分布が次第に悪化するという問題があった。これは、基板の周辺に配置された部材（以下「基板周辺部材」という）に付着したＷ膜２７の影響であることがわかっている。さらに基板周辺部材に付着したＷ膜が剥がれ、小さなゴミなどのパーティクルが発生するという問題があった。
【００１０】
従来では、分布劣化に対する対策として、基板１枚の処理ごとに、プラズマによるＲＩＥクリーニング（米国特許第５，１５８，６４４号）や、強反応性ガスによるケミカルエッチング（特開平５−２２６２７０号）など、その場のクリーニング工程によって、付着したＷ膜を除去することが試みられていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＣＶＤ装置におけるクリーニング工程では、クリーニングを行った後、膜抵抗値分布が安定するまで、複数枚の基板を成膜することが必要であった。そのため、単位時間当たりの基板処理量が大幅に低下し、生産性の観点から問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、上記の問題を解決し、生産性が高く、良好でかつ安定した成膜分布、膜抵抗の再現性が得られるプラズマクリーニング方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係るプラズマクリーニング方法は、
枚葉式の薄膜形成方法で実行されるものであり、
反応室で所定枚数の基板に対して成膜を行う第１の工程と、
第１の工程の後、基板を反応室から搬出し、反応室へのクリーニングガスの導入および高周波の印加によってプラズマを反応室中に生成し、基板周辺部材の表面に堆積した薄膜を除去する第２の工程と、
第２の工程の後、反応室への酸化性ガスの導入および高周波の印加によってプラズマを反応室内に生成させ基板周辺部材を酸化性プラズマ処理する第３の工程と、
第３の工程の後、反応室内に薄膜を堆積させる第４の工程と、
第４の工程の後、反応室内に未処理の基板を搬入し、この未処理の基板に薄膜を堆積させる第５の工程と、
を有する方法である。
さらに上記のプラズマクリーニング方法において、
第１の工程と第５の工程は、反応室内にＷＦ６／ＳｉＨ４ガスとＨ２を導入し、核形成ステップと厚膜形成ステップにより基板上にＷ膜を形成するＣＶＤ法による成膜であり、
第２の工程は、クリーニングガスとしてＣ２Ｆ６とＯ２の混合ガスを反応室内に導入し、反応室内にプラズマを生成し、基板周辺部材に堆積したＷ膜を除去するＲＩＥクリーニング処理であり、
第３の工程は、酸化性ガスとしてＯ２を反応室内に導入し、反応室内にＯ２プラズマを生成し、基板周辺部材の酸化性プラズマ処理であり、
第４の工程は、反応室内にＷＦ６とＨ２の混合ガスを導入し、反応室内にＷ膜を形成するＣＶＤ法による成膜であることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、反応室内において、例えば数十枚から数百枚の基板を１枚ごと処理した後に、クリーニングガスの導入および高周波の印加によってプラズマを反応室中に生成し、基板固定具などの基板周辺部材の表面に堆積したＷ膜を除去する。その後、さらに、酸化性ガスの導入および高周波の印加によってプラズマを反応室内に生成させ基板周辺部材を酸化させる。またクリーニングによって清浄になった基板周辺部材および基板保持体に薄膜を堆積させ、基板周辺部材からのガス放出を抑制する。これらの一連の処理により、クリーニング後の基板への成膜において成膜分布の立ち上がりが改善される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
本実施形態によるプラズマクリーニング方法はＣＶＤ法中のプロセスとして実行され、また当該ＣＶＤ法は図１で示すＣＶＤ装置で実行される。図１はＣＶＤ装置の概略図を示し、図１において、図６で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。図１で、内部に反応室を形成する反応容器１１は真空ポンプを含む排気装置（図示せず）を備え、当該排気装置によって所要レベルまで排気され、反応容器１１の内部は減圧状態に保持される。１２は排気装置につながる排気用通路である。処理対象である基板１４は基板保持体１３の上に配置され、リング形状の固定具１７によって上側からその周囲縁部を押さえ付けることにより、基板保持体１３の上に固定される。基板保持体１３は、反応容器１１の容器壁部に気密に取り付けられた石英窓１５を透過して入射される加熱ランプ１６からの照射光によって、加熱される。基板１４は、基板保持体１３からの熱伝導によって加熱される。また固定具１７は導電性の支柱１８を介して高周波電源１９に接続されている。また支柱１８と固定具１７の内部には冷却媒体等の流れる冷却機構２０が設けられている。反応容器１１の中には、クリーニングのためのプラズマ、および酸化性ガスのプラズマを生成できる。
【００１７】
反応容器１１の上壁の外側にはマグネット２６が設けられる。マグネット２６によって、リング状固定具１７のような基板周辺部材の上でＷ膜２７が付着した場所にてクリーニングのためのプラズマの発生を高くすることが可能となる。
【００１８】
反応容器１１の内部で、基板保持体１３の上方位置には、反応ガス等を反応容器１１内に供給するためのガス供給部２１を備えている。ガス供給部２１は下面に多数のガス吹出し孔２２を有し、上面側にガス供給管２３を備える。ガス供給部２１から供給されるガスは、本実施形態の場合、基板１４の表面上にＷ膜を形成するための原料ガス、還元ガス、クリーニングガス、および酸化性ガスである。これらのガスの供給はバルブ２４，２５の開閉動作で制御される。放電の結果生じた未反応ガスおよび副生成ガスは排気用通路１２より排気される。
【００１９】
上記装置では、枚葉式によって多数の基板の成膜処理が行われる。すなわち反応容器１１内に基板が１枚ごと導入され、各基板１４は成膜終了後に次の基板と交換され、１つの反応容器１１内で次々と連続して成膜処理が行われる。毎回の基板処理の条件であるガス流量、圧力、温度等は常に一定に保たれている。
【００２０】
本実施形態に基づくＣＶＤ法による成膜の仕方は次の４つの基本処理（ａ）〜（ｂ）を実行することから構成される。
（ａ）成膜
（ｂ）ＲＩＥクリーニング処理
（ｃ）酸化性プラズマ処理
（ｄ）プリコート処理
【００２１】
以下、各処理ごとに実施例を説明する。
【００２２】
（ａ）成膜
各基板ごとの成膜では次の２つのステップを繰り返し、例えば、１００枚の基板上に膜厚０．６μｍのＷ膜を形成する。
(1)核形成ステップ
流量：ＷＦ６  ／ＳｉＨ４  ＝１０／２sccm
Ｈ２  ＝１０００sccm
圧力：１．５Torr
成膜時間：１０sec
(2)厚膜形成ステップ
流量：ＷＦ６  ／Ｈ２  ＝１００／１０００sccm
圧力：４０Torr
成膜時間：１２０sec
【００２３】
（ｂ）ＲＩＥクリーニング処理
ＲＩＥクリーニング処理は上記成膜の処理の後に行われる。クリーニングガスとして、例えばＣ2 Ｆ6 とＯ2 の混合ガスを流量：Ｃ2 Ｆ6 ／Ｏ2 ＝２０／２０sccm、圧力：０．３Torrの条件でガス供給部２１から導入する。固定具１７に高周波電源１９より高周波１３．５６ＭＨｚの高周波を印加して、反応容器１１内に高周波の印加を１５分行い、基板周辺部材に堆積したＷ膜２７を除去する。プラズマを生成する高周波の出力は例えば２００Ｗである。
【００２４】
（ｃ）酸化性プラズマ処理
酸化性プラズマ処理は、ＲＩＥクリーニング処理の後に行われる。酸化性ガスとしてＯ2 を流量：Ｏ2 ＝２０sccm、圧力：０．２５Torrの条件で反応容器１１に導入し、固定具１７に高周波電源１９より周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を印加して、反応容器１１内にＯ2 プラズマを生成する。印加した高周波の出力は２００Ｗである。高周波の印加の時間は例えば５分間である。
【００２５】
（ｄ）プリコート処理
プリコート処理は、酸化性プラズマ処理の後に行われる。この処理では、例えばＷＦ6 とＨ2 の混合ガスをガス供給部２１から導入し、基板保持体１３上に基板を置かずにＷ成膜を次の条件で行う。
【００２６】
流量：ＷＦ6 ／Ｈ2 ＝１００／１０００sccm
圧力：４０Torr
成膜時間：１２０sec
【００２７】
その後、基板１４を反応容器１１内に搬入して基板保持体１３の上に設置し、当該基板の上にＷ膜の形成することを開始する。複数の基板に対する成膜処理を枚葉式にて継続する。
【００２８】
上記のすべての処理において、基板保持体１３の温度は好ましくは４２０℃に保持されている。
【００２９】
図２は、従来法によってクリーニング後、すぐに基板１４上へのＷ膜成膜を行った場合のＷ膜の基板面内膜抵抗の平均値（シート抵抗平均値：ｍΩ／□）と成膜分布を示している。ここで『成膜分布』とは、面内膜抵抗値のばらつきを［標準偏差（σ）／平均値（Ｘ）］×１００（％）で表したものである。ＲＩＥクリーニングを行った後、酸化性プラズマ処理とプリコート処理を行わずに、基板１４上へのＷ膜成膜を開始している。図２で明らかなように、成膜分布（特性Ａ）とシート抵抗値（特性Ｂ）が安定するまでに無駄なダミー成膜が１０枚以上必要であることが分かる。
【００３０】
次に、ＲＩＥクリーニングを行った後、酸化性プラズマ処理のみを行い、その後、基板１４上へのＷ膜成膜を開始した場合のＷ膜の基板面内膜抵抗の平均値と成膜分布を図３に示す。図３で明らかなように、成膜分布（特性Ｃ）とシート抵抗値（特性Ｄ）が安定するまでに５枚以上の無駄なダミー成膜が必要であることが分かる。
【００３１】
次に、ＲＩＥクリーニングを行った後、プリコート処理のみを行い、その後、基板１４上へのＷ膜成膜を開始した場合のＷ膜の基板面内膜抵抗の平均値（特性Ｅ）と成膜分布（特性Ｆ）を図４に示す。この場合には、成膜分布は急速に悪くなっている。
【００３２】
次に、ＲＩＥクリーニングを行った後、酸化性プラズマ処理とプリコート処理の両方を行い、その後、基板１４上へのＷ膜成膜を開始した場合のＷ膜の基板面内膜抵抗の平均値と成膜分布を図５に示す。この場合には、成膜分布（特性Ｇ）において大きな変化はなく、また基板面内膜抵抗の平均値（特性Ｈ）の変化も６％程度と小さくなる。このように、Ｃ2 Ｆ6 ＋Ｏ2 の混合ガスを用いてＲＩＥクリーニングを行った後、酸化性プラズマ処理とプリコート処理を行うことにより、無駄なダミー成膜が不要になることが分かる。また薄膜形成において、良好でかつ安定した成膜分布、膜抵抗の再現性を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、ＣＶＤ法による薄膜形成時におけるクリーニングにおいて、基板固定具などの基板周辺部材の表面に堆積したＷ膜を除去した後、基板上への無駄な成膜を行うことなく基板への成膜を開始することができる。この結果、ＣＶＤ法による成膜で、生産性を顕著に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＣＶＤ装置の要部構造を示す縦断面図である。
【図２】従来のＣＶＤ法によるＷ膜連続成膜処理で得た成膜分布とシート抵抗値の変化を示すグラフである。
【図３】Ｃ2 Ｆ6 ＋Ｏ2 を用いたＲＩＥクリーニングを行った後、酸化性プラズマ処理のみを行った場合のＷ膜連続成膜した成膜分布とシート抵抗値の変化を示すグラフである。
【図４】Ｃ2 Ｆ6 ＋Ｏ2 を用いたＲＩＥクリーニングを行った後、プリコート処理のみを行った場合のＷ膜連続成膜した成膜分布とシート抵抗値の変化を示すグラフである。
【図５】本発明に係るＣＶＤ法によってＲＩＥクリーニングを行った後、酸化性プラズマ処理とプリコート処理を行った場合のＷ膜連続成膜した成膜分布とシート抵抗値の変化を示すグラフである。
【図６】従来のＣＶＤ装置の要部構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１１                  反応容器
１３                  基板保持体
１４                  基板
１５                  石英窓
１６                  加熱ランプ
１７                  固定具
１９                  高周波電源
２１                  ガス供給部
２６                  マグネット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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