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JP2006216625A - 薄膜形成装置，薄膜及びその形成方法，半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

薄膜形成装置，薄膜及びその形成方法，半導体装置及びその製造方法 Download PDF

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JP2006216625A
JP2006216625A JP2005025721A JP2005025721A JP2006216625A JP 2006216625 A JP2006216625 A JP 2006216625A JP 2005025721 A JP2005025721 A JP 2005025721A JP 2005025721 A JP2005025721 A JP 2005025721A JP 2006216625 A JP2006216625 A JP 2006216625A
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thin film
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dielectric film
substrate
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Tadahiro Omi
忠弘 大見
Kazumasa Kawase
和雅 河瀬
Akinobu Teramoto
章伸 寺本
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Tohoku University NUC
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Tohoku University NUC
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
    • C23C14/564—Means for minimising impurities in the coating chamber such as dust, moisture, residual gases
    • C23C14/566—Means for minimising impurities in the coating chamber such as dust, moisture, residual gases using a load-lock chamber

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Abstract

【課題】 有機物の基板への付着を防いだ良質な薄膜を提供する。
【解決手段】 基板１を処理室１２に導入し処理する際，２段のロードロック室１０，１１を介して導入する。１段目のロードロック室１０は大気圧のまま不活性ガス雰囲気に置換する。２段目のロードロック室１１は，ベーキングヒータ２０を有している。内壁に有機物５が付着した状態で減圧すると，内壁の有機物５が脱離し基板１を汚染するが，有機物５の付着していない２段目のロードロック室１１内で減圧することにより，基板１への有機物５の付着を防止する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、基板上に形成された薄膜及びその形成方法とその形成装置、及びその薄膜を用いた半導体装置及びその形成方法に関するものである。
半導体デバイスや，液晶デバイスなどの特性は，薄膜の極表面（数nm以下）の組成，結合状態，不純物濃度，表面形状などにより大きく左右されるため，これらのデバイス開発及び解析には，表面分析装置の活用が必須となっている。
全てのX線光電子分光装置，オージェ電子分光装置，ダイナミック2次イオン質量分析装置，飛行時間型2次イオン質量分析装置の分析室，もしくは，一部の走査型原子間力顕微鏡，走査型トンネル顕微鏡では，超高真空槽内で分析もしくは観察が行われるため，ロードロック室で分析試料を減圧してから，分析室もしくは観察室に搬送され，分析及び観察される。
この際，ロードロック室の内壁に付着した有機汚染が脱離し，分析・観察試料表面を汚染する問題が起きる。
ロードロックは試料導入の度に大気開放され、また、有機汚染をクリ−ニング除去する機構も持たないため、その内壁に有機汚染を蓄積しているからである。
図４は大気圧下及び減圧下で放置された基板上に付着した有機物の総量の放置時間依存性を示すグラフ（林 輝幸、”減圧真空装置内ウエハー表面有機物汚染に関する研究”、博士学位論文より）であるが、減圧下では、非常に短時間で有機物が基板表面を汚染する。表面観察装置の場合，この有機物による微小なラフネス増加を招いたり，本来の表面形状の取得の妨害となる。一方，表面分析装置の場合，この有機物による感度の低下が起き測定を妨害する。また，炭素を含む試料の分析や，分析試料表面に付着した有機物を分析対象とする場合，ロードロックで汚染した有機物により妨害を受ける。
例えば、X線光電子分光装置の場合，図１に示したように，Siの表面を分析すると，大気に触れた試料表面からは，必ず，C-C, C-O, C=O, COOなどのピークが観測される。例えばSi-Cの形成量を評価する場合，C-Cのピークが大いと，Si-Cのピーク強度を読み取るのを妨害するため，Si-Cの検出感度の低下，定量限界の増加，定量精度の低下などの問題が発生する。
このため，対象とする処理から，測定までの間に，有機汚染が表面に付着しないようにすることが強く望まれる。上述のように，ロードロック室を通って，分析室に分析試料が運ばれる際，必ず減圧雰囲気になるため，有機汚染が付着したロードロックの内壁から，減圧時に有機物が脱離し，試料表面を汚染する。
一方、MOS（金属膜電極/シリコン酸化物誘電体膜/シリコン基板）トランジスタのゲート絶縁膜である，シリコン酸化物誘電体膜（以後シリコン酸化膜）には，低リーク電流特性，低界面準位密度，低しきい値電圧シフト，低しきい値バラツキ特性など，様々な高絶縁特性と高信頼性が要求される。
シリコン酸化膜は，高い絶縁特性を得るため，酸化方法に関して様々な研究や発明がなされているが，酸化前のシリコン基板表面には，できる限り清浄な表面が求められる。シリコン表面は大気中では自然酸化しており，自然酸化膜が0.5〜1.5 nm程度形成されているが，この酸化膜は絶縁特性が悪いため，HF等を含んだ薬液でエッチング除去する必要がある。
また，金属や，パーティクル，有機汚染を除去するために，H2SO4, O3等の酸化性の薬液による洗浄が実施される。この際，シリコン表面には絶縁特性の悪いケミカル酸化膜が形成されるため，この工程の後には，上記HF処理を実施しなければならない。
また，洗浄と酸化処理の間には，数分から数時間程度のストレージ時間が必要となる。しかし、HF処理を行うと，シリコン表面のダングリングボンドがH原子で終端されることにより安定化され，自然酸化を抑制することが可能である。
半導体デバイスの高性能化は，素子の微細化により達成されてきたが，それに伴いシリコン酸化膜の厚さは極薄化しなければならず，2 nm以下の極薄膜では，上記の自然酸化膜やケミカル酸化膜を除去できるHF処理が必須となっている。
一方，熱酸化によりシリコン酸化膜を形成する際，室温のシリコン基板を高温の酸化炉に挿入すると，例え炉内を非酸化性雰囲気に保っていても，周辺の大気を巻き込み，本来の処理温度よりも低い温度で酸化膜が形成し始める問題がある。
これを防止するためには，炉の前室として，ロードロック室を設け， N2 やArなどの不活性ガスや真空などの非酸化性雰囲気により，酸素や水分濃度を低下させてから，炉に基板を導入し非酸化性ガス雰囲気で昇温すればよい。しかし，HF処理と非酸化性雰囲気昇温の両方を用いると，シリコン酸化膜の絶縁特性が，逆に悪くなる問題がある。
シリコン表面を終端しているHが430 ℃以上の昇温により脱離すると，ダングリングボンドを形成するが，シリコン表面に有機汚染が存在すると，シリコンのダングリングボンドと有機汚染が反応し，SiCを形成するためである。
ラジカル酸化，プラズマ酸化等，430 ℃以下のプロセスの場合は，Hが膜中に取り込まれると，絶縁特性に悪影響を与えるため，希ガスイオンの照射等により，Hを除去してから処理を行う必要がある。この際も同様にダングリングボンドを形成するが，シリコン表面に有機汚染が存在すると，シリコン表面のダングリングボンドと有機汚染が反応し，SiCを形成するため，絶縁特性は劣化する。
図１(a)は，HF処理後の基板を非酸化性雰囲気であるArガス中で800 ℃に昇温した表面のXPS C1sコアレベル光電子スペクトルであり，Si-C結合に関係したピークが明瞭に観察される。酸化性雰囲気であるO2中で昇温した場合，及びSiO2表面（HF処理無しの基板）をArガス中で昇温した場合は，図１(b), 図１(c)に示すように，SiCのピークは全く観測されない。なお，メインピークから高結合エネルギー側に検出されるC-C, C-O, C=O, COOピークは，酸化処理後，測定までの間に大気から汚染した有機物に関係するピークである。
図２は，HF処理後の基板を真空中で昇温した際の，SiC形成量の温度依存性と，終端Hの脱離温度特性を示す。この結果からＳｉＣの形成メカニズムは図３の反応モデルで示される。
図３(a)に示すように，HF処理後のSi(100)表面は，再表面のSi原子が，4本の結合手の内２本がHで終端された構造となっている。300〜430 ℃にかけて，2本の結合手を終端しているHの一方が脱離し，Siはダングリングボンドを生成するが，隣り合うダングリングボンドとが結合してダイマーを形成し，図３(b)に示すような構造に変化する。
430〜600 ℃にかけて，残りのHも脱離し，ダングリングボンドを形成するが，隣合うダングリングボンドとの距離が離れているため，結合することはできず，図３(c)に示すように，ダングリングボンドで一面に覆われた極めて活性な表面となる。一方，有機汚染は，昇温により分子構造の一部が分解し，一部が脱離するが，表面に残存する部分もある。これらはダングリングボンドを持つため，Si表面のダングリングボンドと容易に結合し，SiCを形成する。
有機汚染の基板への付着を完全に防ぎ，SiCの形成を抑制するのは容易ではないため，従来は，数〜数十%のO2等の酸化性ガスを含んだ非酸化性ガス雰囲気で昇温し，低温で酸化膜を形成（以後、低温酸化膜という）し，その後、本酸化を実施する工程が一般に用いられている。低温酸化膜の絶縁特性は，自然酸化膜，ケミカル酸化膜，巻き込み酸化膜等よりは良いが，高温で形成される酸化膜よりは悪いため，低温酸化膜の形成を防止できれば，絶縁特性の向上が期待できる。
一旦付着した有機汚染は，Si基板表面を酸化や窒化等の変化をさせずに，かつ表面平坦性を損なわずに除去することは極めて困難である。O2, H2O, N2O, NO等の酸化性ガス，NH3, N2O, NO等の窒化性ガス，Kr, Xe, Ar等の希ガス，N2等の不活性ガス，H2等の還元性ガスの照射，もしくはそれらのプラズマ照射及びイオン照射等を行っても不可能である。
このために，未制御酸化膜，SiC，Hの全てを排除したSi表面を実現し，これらの全てを含まない酸化膜を形成するためには，有機汚染が基板表面に付着しないようにする方法の開発が必須である。なお，ここでは，これら自然酸化膜，ケミカル酸化膜，巻き込み酸化膜，低温酸化膜など，本酸化で形成した酸化膜よりも絶縁特性が悪い酸化膜を，未制御酸化膜と呼ぶ。
基板表面に有機汚染が付着しないようにするには，洗浄薬液，洗浄装置内雰囲気，クリーンルーム大気，搬送容器内雰囲気，ロードロック室内雰囲気，酸化処理室内雰囲気，プロセスガスなどから，有機物を除去することが必要であるが，あらゆる部材に有機物が用いられているため，完全に有機汚染を防止するのは非常に困難である。
クリーンルーム大気全体から有機汚染を完全に除去するには，膨大な量の空気をケミカルフィルタで除去しなければならないが，コストの面から不可能に近いため，装置周辺を局所的にクリーンにするか，基板搬送容器内を清浄にする方法が現実的である。
洗浄薬液，プロセスガス中の有機汚染はすでに低いレベルに抑制されている。また，高純度の不活性ガスを大気圧付近で用いることにより，洗浄装置内雰囲気，搬送容器内雰囲気についても，有機汚染を防ぐことが可能である。
ただし，ロードロック室内雰囲気と，酸化処理室内雰囲気は，周辺の大気を巻き込まないようにするため，一旦減圧してから，高純度の不活性ガスやプロセスガスを導入するのが一般的である。
クリーンルーム大気に触れたり，バックポンプからの拡散により，有機汚染が内壁に付着した状態で減圧にすると，内壁に付着した有機汚染が内壁から脱離し，一部が基板表面に付着する。
図４は大気圧下及び減圧下で放置された基板上に付着した有機物の総量の，放置時間依存性を示すグラフである。
減圧下では，非常に短時間で有機物が汚染する。ただし，酸化処理室は，メンテナンス時以外大気開放されず，また，酸化処理を行う毎に有機汚染が燃焼分解除去されるため，有機汚染は，ロードロック室との間のゲートバルブを開けた際にロードロック室から流れ込むか，基板に付着した状態で持ち込まれるか，前の処理から次の処理までの間に，バックポンプから逆拡散して持ち込まれるかしかない。
これらが酸化処理室内壁を汚染し，減圧時に脱離して基板を汚染する量は，大気開放され，酸化処理等による有機物の除去が行われないロードロック室のそれと比べれば僅かであり，最も基板を有機物で汚染しやすいのは，ロードロック室であり，この部分の改良が最も重要である。
以上は酸化処理の場合を例に述べたが，CVD等の薄膜形成装置の場合であっても，SiCの形成が薄膜の特性に悪影響を与える。また，SiCを形成せずに有機物の状態であっても，基板上に付着していると，薄膜の特性に影響を与える場合は少なくない。したがって，一般的な薄膜形成装置全般に対しても，有機汚染の基板への付着防止は重用な課題である。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、有機汚染の基板への付着抑制であり，これにより，未制御酸化膜フリー，有機汚染フリー，SiCフリー，Hフリーで，かつ原子レベルで平坦なシリコン酸化膜等の薄膜を提供することである。
また、本発明の他の目的は、2段式のロードロックを用いることにより，分析試料表面への有機物の汚染を抑制することである。
上記目的を達成するために、本発明の薄膜形成装置では、基板を外部から導入し，大気圧を保持したまま不活性ガスで置換する１段目のロードロック室と，基板を収容し，内壁に有機物を吸着させないもしくは吸着した有機物を除去する機構を備えた２段目のロードロック室と、基板を収容し，所定の薄膜を形成するための膜形成機構を有した処理室と，１段目ロードロック室，２段目ロードロック室及び処理室の真空度及びガス濃度をそれぞれ所定の値に制御するためのガス雰囲気制御部と、１段目ロードロック室，２段目ロードロック室及び処理室間で，基板を移動させる搬送機構と，１段目ロードロック室と２段目ロードロック室間，２段目ロードロック室と処理室間を，それぞれ開閉し基板を通すためのゲートバルブとを有すること特徴とする。
好ましくは、前記ガス雰囲気制御部は，前記１段目ロードロック室，２段目ロードロック室，処理室をそれぞれ排気するための排気部と，排気量を制御する排気量制御ゲートバルブと，ガスを導入するためのガス導入部と，ガス流量を制御するガス流量制御バルブとをそれぞれ有する。
前記２段目のロードロック室は，炉内壁に付着した有機物を脱離させるかまたは有機物の付着を防止するためのクリーニング機構を有することが好ましい。
前記クリーニング機構は，例えば、内壁をベーキングする加熱機構を有する。
前記クリーニング機構は，例えば、内壁にプラズマ照射するプラズマ生成機構を有する。
前記薄膜形成機構は，例えば、ラジカル酸化を行うためのプラズマ生成部と，酸化性ガス導入部とを有する。
前記薄膜形成機構は，例えば、ラジカル窒化を行うためのプラズマ生成部と，窒化性ガス導入部とを有する。
前記薄膜形成機構は，例えば、ラジカル酸窒化を行うためのプラズマ生成部と，酸窒化性ガスもしくは酸化性ガスと窒化性ガスの導入部とを有する。
前記薄膜形成機構は，例えば、熱酸化を行うための加熱部と，酸化性ガス導入部とを有する。
前記薄膜形成機構は，例えば、熱窒化を行うための加熱部と，窒化性ガス導入部とを有する。
前記薄膜形成機構は，例えば、熱酸窒化を行うための加熱部と，酸窒化性ガスもしくは酸化性ガスと窒化性ガスの導入部とを有する。
前記薄膜形成機構は，例えば、CVD成膜を行うための加熱部と，原料ガス導入部とを有する。
前記薄膜形成機構は，例えば、スパッタ成膜を行うためのターゲット、イオン発生部，加熱部及び原料ガス導入部とを有する。
前記ラジカル酸化，ラジカル窒化及びラジカル酸窒化を行うための前記プラズマ生成部は，マイクロ波発生部と，マイクロ波導波管とラジアルラインスロットアンテナとを有することが好ましい。
前記ラジカル酸化，ラジカル窒化，及びラジカル酸窒化を行うための前記プラズマ生成部は，高周波を印加できる平行平板電極を有することが好ましい。
好ましくは、前記CVD成膜は，SiO2, SiN, SiON, HfO2, HfSiO, HfSiONから成るグループの中から選ばれた少なくとも一つのゲート絶縁膜用薄膜の成膜である。
好ましくは、前記スパッタ成膜は，Siまたは Hfのゲート絶縁膜形成用の下地薄膜の成膜である。
また、少なくとも洗浄処理を行う前処理装置から大気圧の不活性雰囲気下で搬送される搬送容器が，有機物の付着を防止もしくは有機物の除去を行う２段目のロードロック室とゲートバルブを介して接続され，大気に触れずに基板を２段目のロードロック室に導入できる機構を有しており，この搬送容器が，大気圧のまま不活性ガス雰囲気にする１段目のロードロック室の役割を有していても良い。
あるいは、少なくとも洗浄処理を行う前処理装置の処理室もしくはそのロードロック室と有機物の付着を防止もしくは有機物の除去を行う２段目のロードロック室が，ゲートバルブを介して直接連結され，この前処理装置の処理室もしくはそのロードロック室が大気圧のまま不活性ガス雰囲気にする１段目のロードロック室の役割を有していても良い。
このように、本発明では，基板への有機汚染付着を低減するため，2段式のロードロック室を用い，１段目のロードロック室は大気圧で不活性ガスに置換し，２段目のロードロック室には，有機物が内壁に付着しない機構を持たせ清浄に保った上で減圧にし，不純物ガス濃度を充分下げてから処理室に基板を導入する。
１段目のロードロック室は，基板導入時に大気開放されるため，その内壁への有機汚染の付着は免れないが，減圧せずに不活性ガスに置換することで，内壁から基板への有機汚染の付着は防止できる。ただし，１段目のロードロック室での不純物ガス濃度は，減圧した場合よりも高いレベルまでしか下げることができない。
次に、２段目のロードロック室に基板を導入するが，２段目のロードロック室は，有機物が内壁に付着しない機構もしくは，有機物を除去できる機構を有している。
例えば、内壁を常にベーキングしておくか，酸化性ガス，水素ガス、窒化性ガス等のCを含まないガスのプラズマを発生させる機構を持たせることで実現可能である。
１段目のロードロック室から，２段目のロードロック室に基板が導入される際，有機汚染の持込はないが，微量の不純物ガスの持込がある。この不純物ガスを処理室に持ち込まないようにするため，２段目のロードロック室は減圧するが，２段目のロードロック室の内壁は有機汚染がないため，減圧にしても，基板が有機汚染されることはない。
このようにしてから基板を処理室に導入すれば，基板表面への有機汚染と，処理室への不純物ガスの持込の両方が防止できる。なお，１段目のロードロック室の圧力は，100 Torr以上であれば，有機汚染の付着はほとんど無視できるが，大気圧以上の圧力であっても問題なく，むしろ高い程よい。
上記は，大気に暴露された基板が搬送されてくる場合を想定しているが，有機汚染がなく，不活性ガスで満たされた容器で搬送されてきて，ロードロック室を大気開放せずに基板をロードロック室内に導入できる機構となっている場合は，１段目のロードロック室を省略することができる。すなわち，この搬送容器が１段目のロードロック室の役割を果たしている。
また，洗浄装置と薄膜形成装置を物理的に接続し，有機汚染のないトランスファー室を介して搬送される場合はロードロック室は不要である。大気開放されないため１段目のロードロック室は不要である。また、トランスファー室に有機物が内壁に付着しない機構を持たせるための２段目のロードロック室も不要となる。
しかし，洗浄がバッチ処理で行われている現状，もしくは洗浄装置と様々な薄膜形成装置が別々に開発されている現状では，この方法はコストの面で問題があり，本発明の形態に優位性がある。
また，処理室内に不純物ガスが持ち込まれても，プロセスの精度に影響を与えず，かつ処理室を減圧に保つ必要が無い場合は，２段目のロードロック室を省略することができる，すなわち，処理室が２段目のロードロック室の役割を果たしている。
しかし，半導体装置に使用される薄膜が極薄化している現在，プロセスガス雰囲気は益々高純度化が求められており，本発明の形態への要求は高い。
以上のように，ロードロック室内壁から基板への有機汚染を防止することにより，SiCの形成や，有機物の膜及び膜/基板界面への取込みが防止される。
また、本発明では、2段式のロードロックを，表面分析装置や表面観察装置のロードロック室として用いることにより，分析試料表面への有機物の付着を防止する。
本発明によれば，有機汚染のシリコン基板への付着を，低コストでかつプロセスガス雰囲気の純度を保ったまま，防止可能となる。このため，酸化処理直前にシリコン表面を終端しているHが除去されてもSiCが形成されない。これにより，未制御酸化膜フリー，有機汚染フリー，SiCフリー，Hフリーのシリコン表面に，良質な酸化膜のみを形成することが可能となり，絶縁特性を向上させることができる。
酸化処理以外の場合でも有機汚染のシリコン基板への付着を防止することにより，膜中，膜/基板界面への有機物の取り込みを防止し，良質な薄膜を形成可能となる。これらにより，シリコン酸化膜やその他の薄膜を，現状よりも薄膜化することが可能となり，超LSIの高性能化が実現される。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る誘電体膜形成装置について説明する。
図５に示すように，処理室12の前室に１段目のロードロック室10と２段目のロードロック室11が設けられている。2つのロードロック室10, 11と処理室12は，それぞれ，ガス導入口30, 31, 32と，ガス流量制御バルブ53, 54, 55と，排気ポンプ13, 14, 15，排気量制御ゲートバルブ43, 44, 45と，前記ガス流量制御バルブ53, 54, 55と排気量制御バルブ43, 44, 45を制御して，真空度及びガス濃度を制御するガス雰囲気制御部50, 51, 52とを備えている。
１段目ロードロック室10と外部の間，１段目ロードロック室10と２段目のロードロック室11の間，２段目のロードロック室11と処理室12の間には，それぞれゲートバルブ40, 41, 42が設置されている。２段目のロードロック室11は，内壁への有機物の付着を防ぐためのベーキングヒータ20を備えている。処理室12には，ラジカル酸化を行うために必要なRLSAアンテナ21，導波管22，マイクロ波発生装置23が設置されている。
１段目のロードロック室10に不活性ガスを導入し大気圧にした後，ゲートバルブ40を開けて大気開放し，装置外から１段目のロードロック室10に，処理される基板1が導入され，ゲートバルブ40を閉める。この際，外気から有機物５が僅かに侵入するが，処理毎に１段目のロードロック室１０は大気開放されるため，有機物5がその内壁に蓄積している。処理される基板1は搬送ステージ2に支持される。１段目のロードロック室10は，ガス導入口30からN2等の不活性ガスが導入され，排気ポンプ13により排気されるが，ガス流量制御バルブ53と排気量制御ゲートバルブ43の開閉を，ガス雰囲気制御部50により調整することにより，大気圧を保ちながら，N2に置換される。ロードロック室10は減圧されないため，有機物5はロードロック室10の内壁から脱離せず，基板1は有機物5で汚染されることはない。
一方，２段目のロードロック室11は，定常時は真空排気され，かつベーキングヒータ20により加熱され，内壁に有機物５が付着しない状態に保たれている。この２段目のロードロック室11に不活性ガスを導入し大気圧にした後，ゲートバルブ41を開け，基板1を搬送ステージ3上に移動させ，ゲートバルブ41を閉める。この際、１段目のロードロック室10内の，微量の不純物ガスが一部２段目のロードロック室11に流れ込むため，２段目のロードロック室11は一旦真空排気してから，不活性ガスでパージする。何度か真空排気と不活性ガスパージすることにより，不純物の濃度は充分低下する。２段目のロードロック室１１の内壁には有機物５が付着していないため，減圧にしても有機物５が基板１を汚染することはない。
ここでは，内壁に有機物５が付着しないようにするためベーキングヒータ２０を用いたが，付着した有機汚染を酸素プラズマ，水素プラズマ、窒素プラズマ等のCを含まないガスを用いたプラズマを発生させ，内壁をクリーニングする方法も効果的である。
処理室１２は，定常時は真空排気されている。直前に処理が行われていない場合は，排気ポンプ１５からの逆拡散等により内壁に付着した微量の有機物が存在するので，一度ダミー基板を入れて，酸素プラズマ、水素プラズマや窒素プラズマで内壁をクリーニングしておくのが好ましい。熱酸化炉の場合であれば，熱酸化により有機物５を燃焼除去しておくのがよい。CVD炉の場合でも，酸化性ガスを流して，昇温するなど，有機物５を除去しておく。
２段目のロードロック室11と処理室１２を１Ｋｐａ程度の同じ真空度にした後，ゲートバルブ42を開き，基板1を処理ステージ4に移動し，ゲートバルブ42を閉める。処理ステージ４をプロセス温度に昇温したあと，マイクロ波発生装置23から導波管22を通してラジアルラインスロットアンテナ２１にマイクロ波を供給し，ラジアルラインスロットアンテナ２１の直下にプラズマを発生させる。このプラズマによりKrガスのプラズマを発生させ，KrラジカルやKrイオンを基板1の表面に供給し，基板1の表面を終端しているHを除去する。その後，Kr/O2等により発生させた酸素ラジカルにより基板１を酸化処理する。
ここでは、RLASを用いたKr/O2ラジカル酸化の例を示したが，並行平板，その他の方法により発生させたプラズマによるラジカル酸化の場合や，Kr以外のXeやAr等の不活性ガスを用いた場合についても同様である。また，熱酸化や，CVD酸化膜の成膜，ラジカル窒化，熱窒化，ラジカル酸窒化，熱酸窒化，スパッタその他の薄膜の成膜であっても同様である。重要なのは，2段のロードロック室１０，１１により，処理直前の基板１の表面に有機物５やSiC，その他，Hや未制御酸化膜が存在しない状態にすることである。
（実施の形態2）
本発明の実施の形態2に係る薄膜形成装置について説明する。
図６に示すように，処理室12の前室に１段目のロードロック室10と２段目のロードロック室11が設けられている。２段目のロードロック室11と処理室12は，それぞれ，ガス導入口31, 32と，ガス流量制御バルブ54, 55と，排気ポンプ14, 15，排気量制御ゲートバルブ44, 45と，前記ガス流量制御バルブ54, 55と排気量制御バルブ44, 45を制御して真空度及びガス濃度を制御するガス雰囲気制御部51, 52とを備えている。
１段目ロードロック室10と外部の間，外部と２段目のロードロック室11の間，２段目のロードロック室11と処理室12の間には，それぞれゲートバルブ46, 40, 42が設置されている。２段目のロードロック室11は，内壁への有機物の付着を防ぐためのベーキングヒータ20を備えている。処理室12には，ラジカル酸化を行うために必要なラジアルラインスロットアンテナ（RLSAアンテナ）21，導波管22，マイクロ波発生装置23が設置されている。
１段目のロードロック室１０は，例えば洗浄装置など，別の前処理装置などで不活性ガスパージされ，本薄膜形成装置に搬送するための搬送容器として用いられる。１段目のロードロック室１０は，２段目のロードロック室11と接続され，ゲートバルブ46とゲートバルブ40を開けることにより，基板１を１段目のロードロック室１０から２段目のロードロック室１１に搬送できる機構を有している。
１段目のロードロック室10は，別の装置により不活性ガスが導入され，大気圧にされている。一方，２段目のロードロック室11は，定常時は真空排気され，かつベーキングヒータ20により加熱され，内壁に有機物が付着しない状態に保たれている。この２段目のロードロック室11に不活性ガスを導入し大気圧にし，１段目のロードロック室１０と２段目のロードロック室１１を接続した後，ゲートバルブ46とゲートバルブ40を開けて，処理される基板1が２段目のロードロック室１１に導入され，ゲートバルブ46とゲートバルブ40が閉められる。
この際，外気の侵入はなく，２段目のロードロック室１１の内壁には，有機物の汚染はない。ただし，１段目のロードロック室10内の，微量の不純物ガスが一部２段目のロードロック室11に流れ込むため，２段目のロードロック室11は一旦真空排気してから，不活性ガスでパージする。何度か真空排気と不活性ガスパージすることにより，不純物の濃度は充分低下する。２段目のロードロック室１１の内壁には有機物が付着していないため，減圧にしても有機物が基板１を汚染することはない。処理される基板1は搬送ステージ3に支持される。
ここでは，内壁に有機物が付着しないようにするためベーキングヒータ２０を用いたが，付着した有機汚染を酸素プラズマ，窒素プラズマ等のCを含まないガスを用いたプラズマを発生させ，内壁をクリーニングする方法も効果的である。
処理室１２は，定常時は真空排気されている。直前に処理が行われていない場合は，排気ポンプ１５からの逆拡散等により内壁に付着した微量の有機物が存在するので，一度ダミー基板を入れて，酸素プラズマや窒素プラズマで内壁をクリーニングしておくのが好ましい。熱酸化炉の場合であれば，熱酸化により有機物を燃焼除去しておくのがよい。CVD炉の場合でも，酸化性ガスを流して，昇温するなど，有機物を除去しておく。
２段目のロードロック室11と処理室１２を１ＫＰａ程度の同じ真空度にした後，ゲートバルブ42を開き，基板1を処理ステージ4に移動し，ゲートバルブ42を閉める。処理ステージ４を，プロセス温度に昇温したあと，マイクロ波発生装置23から導波管22を通してラジアルラインスロットアンテナ２１にマイクロ波を供給し，ラジアルラインスロットアンテナ２１の直下にプラズマを発生させる。このプラズマによりKrガスのプラズマを発生させ，KrラジカルやKrイオンを基板1の表面に供給し，基板1の表面を終端しているHを除去する。その後，Kr/O2等により発生させた酸素ラジカルにより基板１を酸化処理する。
ここではRLASを用いたKr/O2ラジカル酸化の例を示したが，並行平板，その他の方法により発生させたプラズマによるラジカル酸化の場合や，Kr以外のXeやAr等の不活性ガスを用いた場合についても同様である。また，熱酸化や，CVD酸化膜の成膜，ラジカル窒化，熱窒化，ラジカル酸窒化，熱酸窒化，その他の薄膜の成膜であっても同様である。重要なのは，2段のロードロック室１０、１１により，処理直前の基板１の表面に有機物やSiC，その他，Hや未制御酸化膜が存在しない状態にすることである。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る表面分析装置または表面監査装置について説明する。
図７に示すように，処理室（分析室または観察室）１２の前室に１段目のロードロック室10と２段目のロードロック室11が設けられている。2つのロードロック室10, 11と処理室12は，それぞれ，ガス導入口30, 31, 32と，ガス流量制御バルブ53, 54, 55と，排気ポンプ13, 14, 15，排気量制御ゲートバルブ43, 44, 45と，前記ガス流量制御バルブ53, 54, 55と排気量制御バルブ43, 44, 45を制御して，真空度及びガス濃度を制御する，ガス雰囲気制御部50, 51, 52とを備えている。
１段目ロードロック室10と外部の間，１段目ロードロック室10と２段目のロードロック室11の間，２段目のロードロック室11と処理室12の間には，それぞれゲートバルブ40, 41, 42が設置されている。２段目のロードロック室11には，内壁への有機物付着を防ぐためのベーキングヒータ20を備えている。処理室12には，分析や観察に必要な，Ｘ線源（励起源）２４，検出器２５を備えている。
１段目のロードロック室10に不活性ガスを導入し大気圧にした後，ゲートバルブ40を開けて大気開放し，装置外から１段目のロードロック室10に，分析または観察される基板1が導入され，ゲートバルブ40を閉める。この際，外気から有機物が僅かに侵入するが，処理毎に１段目のロードロック室１０は大気開放されるため，有機物5がその内壁に蓄積している。処理される基板1は搬送ステージ2に支持される。１段目のロードロック室10は，ガス導入口30からN2等の不活性ガスが導入され，排気ポンプ13により排気されるが，ガス流量制御バルブ53と排気量制御ゲートバルブ43の開閉を，ガス雰囲気制御部50により調整することにより，大気圧を保ちながら，N2に置換される。ロードロック室10は減圧されないため，有機物5はロードロック室10の内壁から脱離せず，基板1は有機物5で汚染されることはない。
一方，２段目のロードロック室11は，定常時は真空排気され，かつベーキングヒータ20により加熱され，内壁に有機物が付着しない状態に保たれている。この２段目のロードロック室11に不活性ガスを導入し大気圧にした後，ゲートバルブ41を開け，基板1を搬送ステージ3上に移動させ，ゲートバルブ41を閉める。この際１段目のロードロック室10内の，微量の不純物ガスが一部２段目のロードロック室11に流れ込むため，２段目のロードロック室11は一旦真空排気が必要である。処理室１２が超高真空の場合，少なくとも高真空までロードロック室を排気する。２段目のロードロック室１１の内壁には有機物が付着していないため，減圧にしても有機物が分析試料を汚染することはない。
ここでは，内壁に有機物が付着しないようにするためベーキングヒータ２０を用いたが，付着した有機汚染を酸素プラズマ，窒素プラズマ等のCを含まないガスを用いたプラズマを発生させ，内壁をクリーニングする方法も効果的である。
処理室１２は，定常時はイオンポンプ等により，超高真空に排気されている。超高真空を実現するために，すでにベーキング等により，分析室の内壁はクリーニングされている。
２段目のロードロック室11を高真空以上の真空度に高めた後，ゲートバルブ42を開き，分析試料1を処理ステージ4に移動し，ゲートバルブ42を閉める。この分析試料表面に，X線，電子線，イオン線の照射や，探針を近づけるなどして，分析もしくは観察を行う。図７はX線光電子分光装置の例であるが，X線源２４からX線を分析試料表面に照射し，分析試料から飛び出す光電子を，エネルギー分光器を含む検出器２５により検出する。重要なのは，2段のロードロック室１１により，分析直前の基板表面に有機物が存在しない状態にすることである。
本発明によれば，基板表面への有機汚染の付着を防止し，有機汚染のない薄膜を形成することが可能となる。ラジカル酸化の場合，未制御酸化膜の形成，有機汚染の付着，SiCの形成，Hのシリコン酸化膜中への取込を全て同時に防止することにより，シリコン酸化膜の絶縁特性を向上させる。これにより，本発明は、シリコン酸化膜を薄膜化や，その他薄膜の高信頼性化を実現することができ、高性能化が実現可能な超LSIに適用可能である。
（ａ）はHF処理後の基板をArガス中で800 ℃に昇温した表面，（ｂ）は HF処理後の基板をO2ガス中で800 ℃に昇温した表面，（ｃ）は HF処理無しでSiO2が表面に形成した基板をArガス中で800 ℃に昇温した表面，のXPS C1sコアレベル光電子スペクトルを表した図である。 HF処理後の基板を真空中で昇温した際の，SiC形成量の温度依存性と，終端Hの脱離温度特性を示すグラフを表した図である。 （ａ）〜（ｃ）は、HF処理後のSi(100)表面が，昇温によりHを脱離し，再構成し，SiCを形成する様子を示したモデル図である。 減圧雰囲気及び大気圧で放置した基板に付着した有機物総量の放置時間依存性を示すグラフを表した図である。 実施の形態１に示した有機物の付着を防いだ薄膜形成装置（ラジカル酸化装置）の一例を表した図である。 実施の形態２に示した有機物の付着を防いだ薄膜形成装置（ラジカル酸化装置）の一例を表した図である。 実施の形態３に示した表面分析装置または表面監査装置の一例を表した図である。
符号の説明
1 基板
2 搬送ステージ
3 搬送ステージ
4 処理ステージ
5 有機物
10 １段目のロードロック室
11 ２段目のロードロック室
12 処理室
13 排気ポンプ
14 排気ポンプ
15 排気ポンプ
20 ベーキングヒータ
21 ラジアルラインスロットアンテナ
22 マイクロ波導波管
23 マイクロ波発生装置
24 Ｘ線源
25 検出器
30 ガス導入口
31 ガス導入口
32 プロセスガス導入口
40 ゲートバルブ
41 ゲートバルブ
42 ゲートバルブ
43 排気量制御ゲートバルブ
44 排気量制御ゲートバルブ
45 排気量制御ゲートバルブ
46 搬送容器用ゲートバルブ
50 ガス雰囲気制御部
51 ガス雰囲気制御部
52 ガス雰囲気制御部
53 ガス流量制御バルブ
54 ガス流量制御バルブ
55 ガス流量制御バルブ

Claims (50)

  1. 所定の試料を外部から導入して収容し，10 kPa〜1000 kPaを保持したまま不活性ガスで置換できる１段目のロードロック室と，
    所定の試料を収容し，内壁に有機物を吸着しないもしくは吸着した有機物を除去できる機構を備えた２段目のロードロック室とを有すること特徴とする２段式ロードロック室。
  2. 表面分析装置のロードロック室として用いられることを特徴とする請求項１に記載の２段式ロードロック室。
  3. 表面観察装置のロードロック室として用いられることを特徴とする請求項１に記載の２段式ロードロック室。
  4. 前記表面分析装置が，X線光電子分光装置，オージェ電子分光装置，ダイナミック２次イオン質量分析装置，飛行時間型２次イオン質量分析装置，走査型原子間力顕微鏡または走査型トンネル顕微鏡であることを特徴とする請求項１または２に記載の２段式ロードロック室。
  5. 基板を外部から導入し，大気圧を１０Ｋｐａ〜１０００Ｋｐａに保持したまま不活性ガスで置換する１段目のロードロック室と，
    基板を収容し，内壁に有機物を吸着させないもしくは吸着した有機物を除去する機構を備えた２段目のロードロック室と，
    基板を収容し，所定の薄膜を形成するための膜形成機構を有した処理室と，
    １段目ロードロック室，２段目ロードロック室及び処理室の真空度及びガス濃度をそれぞれ所定の値に制御するためのガス雰囲気制御部と、
    １段目ロードロック室，２段目ロードロック室及び処理室間で，基板を移動させる搬送機構と，
    １段目ロードロック室と２段目ロードロック室間，２段目ロードロック室と処理室間を，それぞれ開閉し基板を通すためのゲートバルブとを有すること特徴とする薄膜形成装置。
  6. 前記ガス雰囲気制御部は，前記１段目ロードロック室，２段目ロードロック室，処理室をそれぞれ排気するための排気部と，排気量を制御する排気量制御ゲートバルブと，ガスを導入するためのガス導入部と，ガス流量を制御するガス流量制御バルブとをそれぞれ有することを特徴とする請求項５に記載の薄膜形成装置。
  7. 前記２段目のロードロック室は，炉内壁に付着した有機物を脱離させるかまたは有機物の付着を防止するためのクリーニング機構を有することを特徴とする請求項５または６に記載の薄膜形成装置。
  8. 前記クリーニング機構は，内壁をベーキングする加熱機構を有すること特徴とする請求項７に記載の薄膜形成装置。
  9. 前記クリーニング機構は，内壁にプラズマ照射するプラズマ生成機構を有すること特徴とする請求項７に記載の薄膜形成装置。
  10. 前記薄膜形成機構は，ラジカル酸化を行うためのプラズマ生成部と，酸化性ガス導入部とを有すること特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  11. 前記薄膜形成機構は，ラジカル窒化を行うためのプラズマ生成部と，窒化性ガス導入部とを有すること特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  12. 前記薄膜形成機構は，ラジカル酸窒化を行うためのプラズマ生成部と，酸窒化性ガスもしくは酸化性ガスと窒化性ガスの導入部とを有すること特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  13. 前記薄膜形成機構は，熱酸化を行うための加熱部と，酸化性ガス導入部とを有すること特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  14. 前記薄膜形成機構は，熱窒化を行うための加熱部と，窒化性ガス導入部とを有すること特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  15. 前記薄膜形成機構は，熱酸窒化を行うための加熱部と，酸窒化性ガスもしくは酸化性ガスと窒化性ガスの導入部とを有すること特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  16. 前記薄膜形成機構は，CVD成膜を行うための加熱部と，原料ガス導入部とを有すること特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  17. 前記薄膜形成機構は，スパッタ成膜を行うためのターゲット、イオン発生部，加熱部及び原料ガス導入部とを有すること特徴とする含請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  18. 前記ラジカル酸化，ラジカル窒化及びラジカル酸窒化を行うための前記プラズマ生成部は，マイクロ波発生部と，マイクロ波導波管とラジアルラインスロットアンテナとを有すること特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  19. 前記ラジカル酸化，ラジカル窒化，及びラジカル酸窒化を行うための，前記プラズマ生成部は，高周波を印加できる平行平板電極を有すること特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  20. 前記CVD成膜は，SiO2, SiN, SiON, HfO2, HfSiO, HfSiONから成るグループの中から選ばれた少なくとも一つのゲート絶縁膜用薄膜の成膜であること特徴とする請求項１６に記載の薄膜形成装置。
  21. 前記スパッタ成膜は，Siまたは Hfのゲート絶縁膜形成用の下地薄膜の成膜であること特徴とする請求項１７に記載の薄膜形成装置。
  22. 少なくとも洗浄処理を行う前処理装置から大気圧の不活性雰囲気下で搬送される搬送容器が，有機物の付着を防止もしくは有機物の除去を行う２段目のロードロック室とゲートバルブを介して接続され，大気に触れずに基板を２段目のロードロック室に導入できる機構を有しており，
    この搬送容器が，大気圧のまま不活性ガス雰囲気にする１段目のロードロック室の役割を有していること特徴とする請求項５〜２１のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  23. 少なくとも洗浄処理を行う前処理装置の処理室もしくはそのロードロック室と有機物の付着を防止もしくは有機物の除去を行う２段目のロードロック室が，ゲートバルブを介して直接連結され，
    この前処理装置の処理室もしくはそのロードロック室が大気圧のまま不活性ガス雰囲気にする１段目のロードロック室の役割を有していること特徴とする請求項５〜２１のいずれかに記載の薄膜形成装置。
  24. 処理基板上に形成された誘電体膜であって，
    前記誘電体膜は未制御酸化膜を含まないことを特徴とする誘電体膜。
  25. 前記誘電体膜中において，Si-C結合を，誘電体膜と前記処理基板表面との界面付近において，1E+12 原子/cm2以下の濃度で含むことを特徴とする請求項２０に記載の誘電体膜。
  26. 前記誘電体膜中において，Hを1E+20 原子/cm3以下の濃度で含むことを特徴とする請求項２４または２５に記載の誘電体膜。
  27. 前記誘電体膜中において，誘電体膜と前記処理基板表面との界面のラフネスがRMS値で0.2 nm以下であることを特徴とする請求項２４〜２６に記載の誘電体膜。
  28. 処理基板と，処理基板上に形成された誘電体膜と，誘電体膜上に形成された電極とを備えた半導体装置において，
    前記誘電体膜は，未制御酸化膜を含まないことを特徴とする半導体装置。
  29. 前記誘電体膜は，Si-C結合を，誘電体膜と前記処理基板表面との界面付近において，1E+12 原子/cm2以下の濃度で含むことを特徴とする請求項２８に記載の半導体装置。
  30. 前記誘電体膜は，Hを1E+20 原子/cm3以下の濃度で含むことを特徴とする請求項２８または２９に記載の半導体装置。
  31. 前記誘電体膜は，誘電体膜と前記処理基板表面との界面のラフネスがRMS値で0.2 nm以下であることを特徴とする請求項２８〜３０のいずれかに記載の半導体装置。
  32. 処理表面上に誘電体膜を形成する際，ロードロック室で不活性ガス雰囲気に大気圧以上の圧力下で置換することを特徴とした薄膜の形成方法。
  33. 前記処理基板の表面上に誘電体膜を形成する際，内壁がベーキングされたロードロック室を用いて減圧して、処理室に導入することをことを特徴とする請求項３２に記載の薄膜の形成方法。
  34. 前記処理基板の表面上に誘電体膜を形成する際，内壁が酸素、水素もしくは窒素など炭素を含まないガスのプラズマによりプラズマクリーニングされたロードロック室を用いて減圧して，処理室に導入することを特徴とする請求項２８に記載の薄膜の形成方法。
  35. 処理基板の表面上に誘電体膜を形成する際，ロードロック室で不活性ガス雰囲気に大気圧以上の圧力下で置換することを特徴とした半導体装置の製造方法。
  36. 前記処理基板の表面上に誘電体膜を形成する際，内壁がベーキングされたロードロック室を用いて減圧して、処理室に導入することを特徴とする請求項３５に記載の半導体装置の製造方法。
  37. 前記処理基板表面上に誘電体膜を形成する際，内壁が酸素、水素もしくは窒素など炭素を含まないガスのプラズマによりプラズマクリーニングされたロードロック室を用いて減圧して、処理室に導入することを特徴とする請求項３５に記載の半導体装置の製造方法。
  38. 前記処理基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項２４〜２７のいずれかに記載の誘電体膜。
  39. 前記処理基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項２８〜３１のいずれかに記載の半導体装置。
  40. 前記処理基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項３２〜３４のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
  41. 前記処理基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項３５〜３７に記載の半導体装置の製造方法。
  42. 前記誘電体膜の形成方法が，ラジカル酸化，プラズマ酸化もしくは熱酸化であることを特徴とする請求項２４〜２７もしくは３８のいずれかに記載の誘電体膜。
  43. 前記誘電体膜の形成方法が，ラジカル酸化，プラズマ酸化，もしくは熱酸化であることを特徴とする請求項２８〜３１もしくは３９のいずれかに記載の半導体装置。
  44. 前記誘電体膜の形成方法が，ラジカル酸化，プラズマ酸化，もしくは熱酸化，であることを特徴とする請求項３２〜３４もしくは４０のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
  45. 前記誘電体膜の形成方法が，ラジカル酸化，プラズマ酸化，もしくは熱酸化であることを特徴とする請求項３５〜３７もしくは４１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  46. 前記誘電体膜の形成方法が，CVDもしくはスパッタであることを特徴とする請求項２４〜２７もしくは３８もしくは４２のいずれかに記載の誘電体膜。
  47. 前記誘電体膜の形成方法が，CVDもしくはスパッタであることを特徴とする請求項２８〜３１もしくは３９もしくは４３のいずれかに記載の半導体装置。
  48. 前記誘電体膜の形成方法が，CVDもしくはスパッタであることを特徴とする請求項３２〜３４もしくは４０もしくは４４のいずれかに記載の薄膜の形成方法。
  49. 前記誘電体膜の形成方法が，CVDもしくはスパッタであることを特徴とする請求項３５〜３７もしくは４１もしくは４５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  50. 処理基板上に形成された薄膜であって，
    前記薄膜は未制御酸化膜を含まず，かつ有機物を薄膜と前記処理基板表面との界面付近において，1E+12 原子/cm2以下の濃度で含むことを特徴とする薄膜。
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