JP2009152233A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマの変化の状態を防止でき、所望の膜厚および均一に成膜し、プラズマ処理を施すプラズマ処理半導体製造装置を提供する。
【解決手段】ウエハ１にプラズマ処理を施すＭＭＴ装置１０は、気密性を確保した処理室１４でウエハ１を保持するサセプタ２１と、処理室１４にプラズマを生成する筒状電極１５および筒状磁石１９と、処理ガスＧを処理室１４内に供給するガス供給管３３やバルブ３４およびＭＦＣ３５と、バルブ３４およびＭＦＣ３５を信号線Ｅを通じて制御するコントローラ４１と、サセプタ２１の周縁部を覆う周辺カバー５０とを備えている。ガスの流量によって２つ以上の異なるプラズマ状態を選択することにより、プラズマ状態を制御し、所望の膜厚および均一に成膜する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置に関し、例えば、基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。

例えば、基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置として、ＭＭＴ装置がある。
ＭＭＴ装置は、電界と磁界とによって高密度プラズマを生成することができる変形マグネトロン型プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）を用いて基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置である。
このＭＭＴ装置においては、気密性を確保した処理室に基板を設置し、シャワープレートを介して処理ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。
そして、放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより、長寿命となって電離生成率を高めるので、高密度プラズマを生成することができる。
このように、ＭＭＴ装置においては、処理ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化等の拡散処理を施したり、基板表面に薄膜を形成したり、基板表面をエッチングしたりする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。

従来のＭＭＴ装置として、処理室内において基板を載置するサセプタに筒状の周辺カバーが設けられ、基板からはみ出すサセプタの周辺部上面を周辺カバーによって覆うことにより、サセプタが受けるダメージを低減し、サセプタから発生する材料による汚染を低減するものがある。例えば、特許文献１参照。
特開２００６−８６２３０公報

しかしながら、前記したＭＭＴ装置においては、周辺カバーによる隙間でプラズマが放電する場合とプラズマが放電しない場合とにより、プラズマ状態に変化が起こることがあるという問題点がある。

本発明の目的は、プラズマ状態の変化が起こる現象を防止することができる半導体製造装置を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）気密性を確保した処理室に基板を設置し、前記処理室にプラズマを生成して処理ガスを前記処理室に導入し、前記基板にプラズマ処理を施す半導体製造装置であって、
目的の前記プラズマ状態に応じて前記処理室へのガスの流量を制御することを特徴とする半導体製造装置。
（２）ガスの流量によって２つ以上の異なるプラズマ状態を制御することを特徴とする前記（１）に記載の半導体製造装置。
（３）ガスの流量以外の処理条件は、一定に制御されることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の半導体製造装置。

前記した半導体製造装置によれば、処理室へのガスの流量を制御することにより、処理室内の隙間や空間でプラズマが放電したりしなかったりする現象が起こるのを防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る半導体製造装置は、図１に示されているように、ＭＭＴ装置として構成されている。
図１に示されたＭＭＴ装置１０は処理容器１１を備えている。処理容器１１は下側容器１２と上側容器１３とによって形成されており、処理室１４を形成している。
下側容器１２はアルミニウムが使用されて碗形状に形成されており、上側容器１３は酸化アルミニウムまたは石英等の非金属材料が使用されてドーム形状に形成されている。上側容器１３は下側容器１２の上に被せられている。

処理容器１１の上側容器１３の外周には、反応ガスを励起させる放電手段としての筒状電極１５が設置されており、筒状電極１５は処理室１４内のプラズマ生成領域１６を囲んでいる。筒状電極１５は筒状、例えば円筒状に形成されている。
筒状電極１５には高周波電力を印加する高周波電源１７が、インピーダンスの整合を行う整合器１８を介して接続されている。

筒状電極１５の外側表面には磁界形成手段としての筒状磁石１９が上下で一対、筒状電極１５の上端部および下端部の近傍にそれぞれ設置されている。筒状磁石１９は筒状、例えば円筒状の永久磁石によって構成されている。
上下の筒状磁石１９、１９は、処理室１４の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の筒状磁石１９、１９の磁極の向きが逆向きに設定されている。したがって、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。

筒状電極１５および筒状磁石１９の周囲には、筒状電極１５および筒状磁石１９によって形成された電界や磁界を遮蔽する遮蔽板２０が設けられている。
遮蔽板２０は筒状電極１５および筒状磁石１９によって形成された電界や磁界が外部環境や他の半導体製造装置等に悪影響を及ぼさないようになっている。

処理室１４の底側中央には、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハという。）１を保持するための基板保持具としてのサセプタ２１が配置されている。サセプタ２１の内部には加熱機構としてのヒータ（図示せず）が一体的に埋め込まれており、ウエハ１を保持するとともに、加熱することができるように構成されている。すなわち、サセプタ２１はヒータ一体型の基板保持具として構成されている。ヒータは電力が印加されることにより、ウエハ１を７００℃程度にまで加熱することができるように構成されている。
サセプタ２１は例えば窒化アルミニウムやセラミックスまたは石英等の非金属材料によって形成されている。このような非金属材料によってサセプタ２１を形成することにより、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減することができる。

さらに、サセプタ２１の内部には、インピーダンスを変化させるためのインピーダンス用電極（図示せず）が装備されており、インピーダンス用電極がインピーダンス可変機構２２を介して接地されている。
インピーダンス可変機構２２はコイルや可変コンデンサから構成されており、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、インピーダンス用電極およびサセプタ２１を介してウエハ１の電位を制御することができるようになっている。

サセプタ２１は下側容器１２と絶縁されており、サセプタ２１を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２３が設けられている。
サセプタ２１には貫通孔２１ａが設けられており、下側容器１２の底面上にはウエハ１を突き上げるためのウエハ突き上げピン２４が少なくとも３箇所に設けられている。
そして、貫通孔２１ａおよびウエハ突き上げピン２４は、サセプタ昇降機構２３によってサセプタ２１が下降させられた時には、ウエハ突き上げピン２４がサセプタ２１と非接触な状態で貫通孔２１ａを突き抜けるような位置関係となるように配置されている。

下側容器１２の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２５が設けられている。
ゲートバルブ２５が開いている時には、図示しない搬送機構（搬送手段）により処理室１４に対してウエハ１を搬入または搬出することができ、また、ゲートバルブ２５が閉まっている時には、処理室１４を気密に閉じることができる。

処理室１４の上部にはシャワーヘッド２６が設けられている。シャワーヘッド２６はキャップ状の蓋体２７とガス導入口２８とバッファ室２９と開口３０と遮蔽プレート３１とガス吹出口３２とを備えている。バッファ室２９はガス導入口２８より導入されたガスを分散するための分散空間を構成している。

ガス導入口２８にはガスを供給するガス供給管３３の下流側端が接続されており、ガス供給管３３の上流側端は開閉弁であるバルブ３４および流量制御器であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３５を介して、水素ガスを供給する水素ガス供給装置（図示せず）および酸素ガスを供給する酸素ガス供給装置（図示せず）に接続されている。

下側容器１２の側壁にはガスを排気するガス排気口３６が設けられており、ガス排気口３６にはガスを排気するガス排気管３７が接続されている。ガス排気管３７は圧力調整器であるＡＰＣ３８、開閉弁であるバルブ３９を介して排気装置である真空ポンプ４０に接続されている。
ガス排気口３６は、シャワーヘッド２６から処理室１４にシャワー状に供給されたガスがウエハ１に接触後にサセプタ２１の周囲から処理室１４の底方向へ流れるように、設定されている。

ＭＭＴ装置１０は制御部（制御手段）としてのコントローラ４１を備えている。
コントローラ４１はＡＰＣ３８、バルブ３９、真空ポンプ４０を信号線Ａを通じて制御するように構成されている。
コントローラ４１はサセプタ昇降機構２３を信号線Ｂを通じて制御するように構成されている。
コントローラ４１はゲートバルブ２５を信号線Ｃを通じて制御するように構成されている。
コントローラ４１は整合器１８、高周波電源１７を信号線Ｄを通じて制御するように構成されている。
コントローラ４１は、バルブ３４、マスフローコントローラ３５を信号線Ｅを通じて制御するように構成されている。
さらに、コントローラ４１はサセプタに埋め込まれたヒータやインピーダンス可変機構２２を、図示しない信号線を通じて制御するように構成されている。

サセプタ２１には筒状の周辺カバー５０が被せられている。周辺カバー５０は石英が使用されて全体が円筒形状に一体的に形成されており、サセプタ２１の周縁部を覆うように構成されている。
周辺カバー５０はサセプタ２１の周縁部を覆うために、その上端部には径方向内方に向かう円形リング形状の折り返し部５０ａが形成されている。この折り返し部５０ａがサセプタ２１の上面の周縁部の角部に引っ掛けられることにより、周辺カバー５０がサセプタ２１の周辺部に嵌装されている。
周辺カバー５０がサセプタ２１に嵌装された状態で、周辺カバー５０の円筒部５０ｂはサセプタ２１の下面より下方に延在されており、サセプタ２１の下面は円筒部５０ｂによって覆われている。

以下、前記構成に係るＭＭＴ装置を使用する半導体装置の製造方法における成膜工程を説明する。

ウエハ１は処理室１４の外部からウエハを搬送する図中省略の搬送機構によって処理室１４に搬入され、サセプタ２１の上に移載される。

この搬送作動の詳細は、次の通りである。
サセプタ２１がウエハ搬送位置まで下降すると、ウエハ突き上げピン２４の先端がサセプタ２１の貫通孔２１ａを通過する。これにより、サセプタ２１の表面よりも所定の高さ分だけ、ウエハ突き上げピン２４が突き出された状態となる。
次に、下側容器１２に設けられたゲートバルブ２５が開かれ、図中省略の搬送機構によってウエハ１をウエハ突き上げピン２４の先端に移載する。
搬送機構が処理室１４の外へ退避すると、ゲートバルブ２５が閉じられる。
サセプタ２１がサセプタ昇降機構２３によって上昇されると、サセプタ２１の上面にウエハ１が移載される。
その後に、サセプタ２１はサセプタ昇降機構２３によって、ウエハ１を処理する位置まで上昇される。

サセプタ２１に埋め込まれたヒータは予め加熱されており、サセプタ２１に移載されたウエハ１を２５〜５００℃の範囲内の所定の温度に加熱する。
処理室１４内の圧力は０．１〜１００Ｐａの範囲内の所定の圧力に、真空ポンプ４０およびＡＰＣ３８によって維持される。

ウエハ１の温度が予め設定された所定の処理温度に達し安定すると、処理ガスＧがガス導入口２８から遮蔽プレート３１のガス吹出口３２を介して処理室１４に配置されたウエハ１の上面（処理面）に向けて導入される。
このとき、処理ガスＧの流量（流速）が目的のプラズマ状態に応じて制御される。

他方、高周波電力が筒状電極１５に高周波電源１７から整合器１８を介して印加される。印加する電力は１５０〜２００Ｗの範囲内の所定の出力値を投入する。このとき、インピーダンス可変機構２２は予め所望のインピーダンス値となるように制御しておく。
筒状磁石１９、１９の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ１の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域１６に高密度プラズマが生成される。

予め設定された処理時間が経過すると、バルブ３４が閉じられてガス吹出口３２からの水素ガスおよび酸素ガスの供給が停止されるとともに、筒状電極１５への高周波電力の印加が停止される。

次いで、処理室１４内の圧力が搬送機構の設置室である真空搬送室（図示せず）と同圧化された後に、処理済みのウエハ１は前述したウエハ搬入時と逆の手順で処理室１４外へ搬送される。

前述した成膜工程においては、プラズマの放電状態が膜の厚さや特性を決定している。圧力はプラズマ状態を決定する重要なファクタである。また、高周波電力やウエハ温度も放電密度（プラズマ）を大きく左右することが知られている。
一方、処理ガスについては、種類や分圧が重要であることは明白であるが、流量についてはあまり重要視されていない。これは、圧力を一定に保つ流量範囲は狭く、その領域におけるプラズマ種の発生量は略同一であり、また、原子衝突によるエネルギ損失も殆ど影響しないためである。

ところで、ある一定の条件下におけるプラズマ状態について、放電が安定しない場合がある。ＭＭＴ装置は要求される膜特性から複雑化して来ており、処理室内には隙間や空間が存在している。そのため、プラズマが放電する場合としない場合とによって、プラズマ状態に変化が起こることがある。
このプラズマ状態変化は圧力や高周波電力によって制御しようとすると、大幅に数値を変化しなければならず、目的とするプラズマ状態を創出することができない。

そこで、本発明においては、ガス流量を変化させることにより、プラズマ自体は大きく変化させずに、処理室内のプラズマ領域の広がりを制御するものとした。
以下、本実施の形態に係るＭＭＴ装置１０における処理室１４内のプラズマ生成領域１６の広がりの制御の作用および効果を図２および図３について説明する。

図２（ａ）は処理ガスＧの流量が１２０ｓｃｃｍでの処理室１４内のプラズマ生成領域１６の状態を示しており、（ｂ）は処理ガスＧの流量が６５０ｓｃｃｍでの処理室１４内のプラズマ生成領域１６の状態を示している。
プラズマ生成領域１６は、図２（ａ）の場合には周辺カバー５０の上方に収まっているが、図２（ｂ）の場合には周辺カバー５０の側方に回り込んでいる。
図２（ａ）と（ｂ）とのプラズマ状態は、流量を１２０ｓｃｃｍと６５０ｓｃｃｍとに変化させることだけで、制御している。

この２つのプラズマ状態は、図２（ａ）の場合（流量を１２０ｓｃｃｍとした場合）から図２（ｂ）の場合（流量を６５０ｓｃｃｍとした場合）には、何らかの原因（例えば、処理条件の変化や経時変化）により移行する可能性がある。すなわち、１２０ｓｃｃｍを維持しつつ、図２（ｂ）に示された回り込み現象が起こる可能性がある。
しかし、図２（ｂ）の場合から図２（ａ）の場合へは、プラズマを連続放電したまま移行することはない。すなわち、６５０ｓｃｃｍを維持しつつ、回り込み現象が解消する可能性はない。

図３は図２に示されたプラズマ状態における膜厚および均一性を示している。
図３（ａ）は１２０ｓｃｃｍでの成膜結果を示しており、図３（ｂ）は６５０ｓｃｃｍでの成膜結果を示している。
図３において、横軸はバッチ数を示しており、左側縦軸は膜厚を示し、右側縦軸は均一性を示している。実線は膜厚特性を示し、破線は均一性を示している。
図３（ａ）によれば、１２０ｓｃｃｍの場合には、膜厚は平均して厚く、均一性は良好であることが、判る。
しかしながら、前述したように、プラズマ状態は図２（ｂ）の状態（プラズマが回り込む状態）に移行する可能がある。すなわち、プラズマ状態の安定性は、図２（ｂ）の場合（流量が６５０ｓｃｃｍの場合）に比べると、劣る。
他方、図３（ｂ）によれば、６５０ｓｃｃｍの場合には、膜厚は平均して薄く、均一性は若干劣ることが、判る。
しかしながら、前述したように、プラズマ状態は図２（ａ）の状態（プラズマが回り込まない状態）に移行する可能はない。すなわち、プラズマ状態の安定性は、図２（ａ）の場合（流量が１２０ｓｃｃｍの場合）に比べると、優れている。
なお、ガス流量以外の処理条件は両者同一である。主な処理条件は次の通りである。ウエハ温度：７００℃、処理室内圧力：１０Ｐａ、高周波電力：２００Ｗ。

図３（ａ）（ｂ）から明らかな通り、膜厚および均一性はガス流量によって変化する。
一方、半導体装置の製造方法の成膜工程においては、膜厚および均一性に関する要求は異なる。
そこで、本実施の形態に係るＭＭＴ装置においては、処理室１４に供給する処理ガスＧの流量を制御することにより、膜厚および均一性の要求に応ずるものとした。
ガス流量の制御方法としては、要求された膜厚および均一性を操作者の指示で選択し、コントローラ４１は選択された膜厚および均一性に対応して予め決められたレシピを選択し、流量を決定し、バルブ３４、マスフローコントローラ３５を信号線Ｅを通じて制御する方法を、例示することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態においてはＭＭＴ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、他のプラズマ処理装置等の半導体製造装置全般に適用することができる。

本発明の一実施の形態であるＭＭＴ装置を示す概略構成図である。 ガス流量によるプラズマ状態の違いを示す模式図であり、（ａ）はガス流量が１２０ｓｃｃｍの場合を示しており、（ｂ）はガス流量が６５０ｓｃｃｍの場合を示している。 プラズマ状態の違いによる膜厚および均一性を示すグラフであり、（ａ）は１２０ｓｃｃｍの場合を示しており、（ｂ）は６５０ｓｃｃｍの場合を示している。

符号の説明

１…ウエハ（基板）、
１０…ＭＭＴ装置（半導体製造装置）、１１…処理容器、１２…下側容器、１３…上側容器、１４…処理室、
１５…筒状電極、１６…プラズマ生成領域、１７…高周波電源、１８…整合器、１９…筒状磁石、２０…遮蔽板、
２１…サセプタ、２１ａ…貫通孔、２２…インピーダンス可変機構、２３…サセプタ昇降機構、２４…ウエハ突き上げピン、
２５…ゲートバルブ、
２６…シャワーヘッド、２７…キャップ状の蓋体、２８…ガス導入口、２９…バッファ室、３０…開口、３１…遮蔽プレート、３２…ガス吹出口、
３３…ガス供給管、３４…バルブ、３５…マスフローコントローラ、
３６…ガス排気口、３７…ガス排気管、３８…ＡＰＣ、３９…バルブ、４０…真空ポンプ、４１…コントローラ、
５０…周辺カバー、５０ａ…折り返し部、５０ｂ…円筒部。

Claims (1)

1. 気密性を確保した処理室に基板を設置し、前記処理室にプラズマを生成して処理ガスを前記処理室に導入し、前記基板にプラズマ処理を施す半導体製造装置であって、
   目的の前記プラズマ状態に応じて前記処理室への前記処理ガスの流量を制御することを特徴とする半導体製造装置。

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