JP4838552B2 - 基板処理装置および半導体集積回路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板処理装置および半導体集積回路の製造方法に関し、特に、高周波電力によって発生させたプラズマを利用して所定の処理を行うプラズマ処理装置および当該装置を使用する半導体集積回路の製造方法に関するものである。

例えば、半導体集積回路の製造においては、ＣＶＤ、エッチング、アッシング、スパッタリング工程で、処理ガスのイオン化や化学反応等を促進する為にプラズマが利用されている。従来より、半導体製造装置においてプラズマを発生させる方法には、平行平板方式、高周波誘導方式、ヘリコン波方式、ＥＣＲ方式等がある。平行平板方式は、１対の平行平板型電極の一方を接地し他方を高周波電源に容量結合して両電極間にプラズマを生成する方法である。高周波誘導方式は、螺旋状又は渦巻き状のアンテナに高周波を印加して高周波電磁場を作り、その電磁場空間内で流れる電子を気体中の中性粒子に衝突させてプラズマを生成する方法である。ヘリコン波方式は、コイルで作った一様な磁場内で特殊な形状のアンテナにより磁場に平行に進む特殊な電磁波（ヘリコン波）を発生させ、このヘリコン波に伴うランダウダンピング効果を利用して速度制御可能な電子流によりプラズマを生成する方法である。ＥＣＲ方式は、コイルで作った一様な磁場内に電子のサイクロトロン周波数に等しい周波数（２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を導波管を通じて導くことにより共鳴現象を起こさせ、電子にマイクロ波のパワーを吸収させてプラズマを生成する方法である。これらのプラズマ生成方法は、被処理体を１枚毎に処理をする枚葉方式と複数の被処理体をバッチ的に処理する方法がある。

従来のプラズマ処理装置として、複数の被処理基板が鉛直方向に積層された状態で処理管内に収容され、処理管内に処理ガスを高さ方向均等に供給するよう大きさが調整された複数のガス供給用細孔が鉛直方向に設けられたガス供給用ノズルより処理ガスが供給される構造のものが使用されている。また、処理管の外周には、高周波電源に接続される第１の電極とアース接地される第２の電極とからなる高周波印加用電極が設けられている。この第１の電極と第２の電極は、水平方向に交互に延在して設けられている。

このように、処理管内に処理ガスを高さ方向均等に供給するよう大きさが調整された複数のガス供給用細孔より処理ガスを均等に導入した状態で、第１の電極に高周波を印加した場合、第１の電極周辺の電界が強いためガス供給用細孔が局部的に高温になって、ノズルをたとえ石英で構成したとしても汚染物が被処理基板に飛散する可能性が高くなり、さらに、プラズマ密度も局部的に上昇し被処理基板の処理ムラの原因となるという問題があった。

従って、本発明の主な目的は、高周波電力が印加される位置のガス供給管に発生する局部的なプラズマの異常を抑制できる基板処理装置および当該装置を使用する半導体集積回路の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、
複数の基板が積層された状態で収容される処理管と、
前記処理管の外部であって、前記処理管を囲うように配置された加熱手段と、
前記処理管内に所望の処理ガスを供給するため、前記基板の積層方向に延在するガス供給管と、
前記処理管と前記加熱手段との間に配置され、前記処理管の周囲を囲うように配置されたガス活性化手段と、を備え、
前記ガス活性化手段は、
少なくとも一方が、高周波電力が印加される第１の電極群と第２の電極群とを有し、前記第１の電極群の各電極と前記第２の電極群の各電極とが交互に配置され、
さらに、前記第１の電極群の電極と前記第２の電極群の電極は、それぞれ前記ガス供給管の延在方向と同じ方向に延在する形状である複数のストライプ部を有し、
前記ガス供給管は、前記第１の電極のストライプ部と、前記第２の電極のストライプ部の間の空間に設けられた基板処理装置が提供される。
なお、第１の電極群と第２の電極群の両方に高周波電力が印加されても良い。
また、本発明によれば、
複数の基板が積層された状態で収容される処理管と、
前記処理管の外部であって、前記処理管を囲うように配置された加熱手段と、
前記処理管内に所望の処理ガスを供給するため、前記基板の積層方向に延在するガス供給管と、
前記処理管と前記加熱手段との間に配置され、前記処理管の周囲を囲うように配置されたガス活性化手段と、を備え、
前記ガス活性化手段は、
少なくとも一方が、高周波電力が印加される第１の電極群と第２の電極群とを有し、前記第１の電極群の各電極と前記第２の電極群の各電極とが交互に配置され、
さらに、前記第１の電極群の電極と前記第２の電極群の電極は、それぞれ前記ガス供給管の延在方向と同じ方向に延在する形状である複数のストライプ部を有し、
前記ガス供給管は、前記第１の電極のストライプ部と、前記第２の電極のストライプ部の間の空間に設けられた基板処理装置を用いて、
基板が積層された状態で収容された前記処理管を、前記加熱手段によって加熱し、ガスを前記処理管に供給し、前記処理管内の圧力を一定に保持し、前記第１の電極群の電極と前記第２の電極群の電極間に電力を供給して、生成されたプラズマによって基板を処理する工程、を有する半導体集積回路の製造方法が提供される。

本発明によれば、高周波電力が印加される位置のガス供給管に発生する局部的なプラズマの異常を抑制できる基板処理装置および当該装置を使用する半導体集積回路の製造方法が提供される。

次に、本発明の好ましい実施例を説明する。

本発明の好ましい実施例では、処理管外周に載置した電極に高周波（１３．５６ＭＨｚ）を印加して処理ガスをプラズマ化して被処理基板をプラズマ処理するバッチ式プラズマ処理装置において、被処理基板の主面に対し垂直方向、または、基板積層方向と同じ方向に、または、ガス供給ノズルの延在方向と同じ方向に、棒又は帯状の高周波電力印加側電極とグランド側電極が交互に載置されている。

高周波印加側電極とグランド側電極とを、ガス供給ノズルの延在方向と同じ方向に、交互に載置することにより、プラズマ発生領域の処理管内に載置されたガス供給ノズルのガス噴出し口との干渉を容易に防止することが可能となり局部的な電界集中を抑制することができるようになる。

そして、高周波印加側電極とアース側電極が交互に載置された電極の電気的な接合を目的に、処理管上下にリング状の電極が載置されている。そして、高周波印加側電極とリング状の電極、アース側電極とリング状の電極を、それぞれ一体型構造とし機械的な電極接続面の信頼性を向上させている。

次に、図面を参照して、本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。

図１、図２は、本発明の好ましい実施例の基板処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図であり、図３は、本発明の好ましい実施例の基板処理装置の処理炉を説明するための概略横断面図である。図１は、反応室１外面に載置された電極の構成を示すもので、図２は反応室１の断面を示すもので、図３は反応室を上方から見た断面を示すものである。

反応室１は、処理管２及びシールキャップ３で気密に構成され、処理管２の周囲には、ヒータ４が反応室１を取り囲むように設けてある。処理管２は石英などの誘電体で構成する。処理管２の外周には高周波電源５に接続される第１の電極１８とアースに接続される第２の電極１９が被処理体１６に対し垂直なストライプ状に交互になるよう配置され、高周波電源５の出力する交流電力を整合器１０を介して印加できるようになっている。交流電力の周波数は１３．５６ＭＨｚの高周波が利用されることが多い。

反応室１は排気管１１、圧力調整バルブ１２を介してポンプ１３に接続され、反応室１内部のガスを排気できる構造となっている。反応室１にはガス導入ポート１４が連通して設けてあり、反応室１内部の側面には、処理ガスを高さ方向均等に供給するよう大きさが調整された複数のガス供給用細孔１５を備えるガス供給ノズル２１が鉛直方向に延在して設けられ、より均等に処理ガスを導入することが可能となっている。

反応室１内部には、被処理体でもある半導体ウエハ−１６をバッチ処理できるように、例えば１００〜１５０枚程度、それぞれ一枚ずつ水平に搭載置できるボート１７が設けられる。

第１の電極１８は複数のストライプ部３１と、一つの帯部３２とを備えている。ストライプ部３１および帯部３２は共に薄板状である。複数のストライプ部３１のそれぞれの一端は帯部３２に共通に接続されている。複数のストライプ部３１のそれぞれの他端は解放されている。帯部３２は処理管２の上部に水平方向に延在して取り付けられている。複数のストライプ部３１は鉛直方向に互いに平行に配置されている。複数のストライプ部３１の他端のうちの一つが処理管２の最下端まで延在し、その後、整合器１０を介して高周波電源５に接続されている。

第２の電極１９は複数のストライプ部４１と、一つの帯部４２とを備えている。ストライプ部４１および帯部４２は共に薄板状である。複数のストライプ部４１のそれぞれの一端は帯部４２に共通に接続されている。複数のストライプ部４１のそれぞれの他端は解放されている。帯部４２は処理管２の下部に水平方向に延在して取り付けられている。複数のストライプ部４１は鉛直方向に互いに平行に配置されている。複数のストライプ部４１の一端のうちの一つが石英管の最下端まで延在し、その後アース接地されている。

このように、第１の電極１８の複数のストライプ部３１と第２の電極１９は複数のストライプ部４１とを、ガス供給ノズル２１の延在方向と同じ方向に延在させているので、ガス供給ノズル２１のガス供給用細孔１５に交差することなく電極１８、１９を配置することが可能となり、高周波電力印加時のガス供給用細孔１５の局部的な異常を抑制し被処理体の汚染を防止でき、処理の均一性が向上した。
尚、好ましくは、ガス供給ノズル２１は図３の右側又は左側から見て、第１の電極１８のストライプ部３１と第２の電極１９のストライプ部４１との間の空間に設けられている。

また、反応室１の上下部に帯状のリングである帯部３２、４２を設け、第１の電極１８を複数のストライプ部３１と一つの帯部３２との一体構造とし、第２の電極１９を複数のストライプ部４１と一つの帯部４２との一体構造としたので、ヒータ加熱領域での接合部を排除することができ信頼性が向上した。

なお、第１の電極１８および第２の電極をＮｉ等の薄板とした。例えば、厚みを０．５ｍｍとして、柔軟性を持たせた。

第１の電極１８の複数のストライプ部３１（１８ａ〜１８ｈ）と第２の電極１９の複数のストライプ部４１（１９ａ〜１９ｈ）とは、処理管２の外側全周にわたって交互に配置されている。このように、全周にわたって配置されているので、プラズマ処理の被処理基板面内均一性を向上させることができ、被処理基板のプラズマ処理レートも向上させることができる。

次に本発明の好ましい実施例の装置の動作を説明する。

反応室１が大気圧の状態で、被処理体１６をボート１７に装填する為、エレベータ機構１２１（図４参照）でシールキャップ３を下げて、被処理体搬送用ロボット（ウエハ移載機１１２、図４、図５参照）の相互動作により所用の数の被処理体１６をボート１７に載置した後、シールキャップ３を上昇させて反応室１内部に挿入する。

ヒータ４に電力を投入し、被処理体１６など反応室１内部の部材を所定の温度に加熱する。被処理体搬送時、ヒータ４の温度を下げ過ぎてしまうと、被処理体１６の搬送終了後、反応室１内部で温度を所定の値まで上昇させて安定させるのに相当の時間がかかってしまう為、通常は被処理体１６の搬送に支障が無い温度まで下げて、その値で保持した状態で搬送を行う。

同時に反応管１内部の気体を図示しない排気口から排気管１１を通してポンプ１３で排気する。被処理体１６が所定の温度になった時点で反応室１にガス導入ポート１４から反応性ガスを導入し、圧力調整バルブ１２によって反応室１内の圧力を一定の値に保持する。

反応室１内部が所定の圧力になったら高周波電源５の出力する交流電力を整合器１０を介して第１の電極１８に供給し、電極間にプラズマを生成して、被処理体１６の処理を行う。

次に、図４、図５参照して、本発明の好ましい実施例の基板処理装置についてその概略を説明する。

筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。

筐体１０１の後部上方には、処理炉４０が設けられ、処理炉４０の下方には基板としてのウエハ１６を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート１７を処理炉４０に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ３が取りつけられボート１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉４０の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

ウエハ１６が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ１６が上向き姿勢で搬入され、ウエハ１６が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。

カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ１６が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。

カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート１７にウエハ１６移載する。

ボート１７に所定枚数のウエハ１６が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート１７が処理炉４０に挿入され、シールキャップ３により処理炉４０が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉４０内ではウエハ１６が加熱されると共に処理ガスが処理炉４０内に供給され、ウエハ１６に処理がなされる。

ウエハ１６への処理が完了すると、ウエハ１６は上記した作動の逆の手順により、ボート１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。尚、炉口シャッタ１１６は、ボート１７が降下状態の際に処理炉４０の下面を塞ぎ、外気が処理炉４０内に巻き込まれるのを防止している。

カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

（比較例）
図６、図７は、比較のための基板処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図であり、図８は、比較のための基板処理装置の処理炉を説明するための概略横断面図である。図６は、反応室１外面に載置された電極の構成を示すもので、図７は反応室１の断面を示すもので、図８は反応室を上方から見た断面を示すものである。

反応室１は、処理管２及びシールキャップ３で気密に構成され、処理管２の周囲には、ヒータ４が反応室１を取り囲むように設けてある。処理管２は石英などの誘電体で構成する。処理管２の外周には高周波電源５に接続される第１の電極６ａ〜６ｄとアースに接続される第２の電極７ａ〜７ｅが帯状に交互に多段になるよう配置され、それぞれ導電性の電極支柱８と電極支柱９に取り付けられており、電極支柱８は高周波電源５の出力する交流電力を整合器１０を介して印加できるようになっている。電極支柱９はアースに接続されている。

反応室１は排気管１１、圧力調整バルブ１２を介してポンプ１３に接続され、反応室１内部のガスを排気できる構造となっている。反応室１にはガス導入ポート１４が設けてあり、反応室１内部の側面には処理ガスを高さ方向均等に反応ガスを供給するよう大きさが調整された複数のガス供給用細孔１５を備えるガス供給ノズル２１より均等に導入することが可能となっている。

反応室１内部には、被処理体でもある半導体ウエハ−１６をバッチ処理できるように、例えば１００〜１５０枚程度、それぞれ一枚ずつ水平に搭載置できるボート１７が設けられる。

この比較例においては、反応室１に処理ガスを高さ方向均等に供給するよう大きさが調整された複数のガス供給用細孔１５を備えるガス供給ノズル２１より処理ガス均等に導入した状態で、第１の電極６ａ〜６ｄに高周波を印加した場合、第１の電極６ａ〜６ｄ周辺の電界が強いためガス供給用細孔１５が局部的に高温になって、たとえ石英で構成したとしても汚染物が被処理体に飛散する可能性が高くなり、プラズマ密度も局部的に上昇し被処理体の処理ムラの原因となる。

加えて、反応室１外周に載置された第１の電極６ａ〜６ｄ、第二の電極７ａ〜７ｅは、電極支柱８、電極支柱９と機械的な接続が必要とされ、電極外周に設けられたヒータ４の熱による膨張・変形及び接続面の酸化による接触不良等の問題もある。

本発明の好ましい実施例の基板処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例の基板処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例の基板処理装置の処理炉を説明するための概略横断面図である。 本発明の好ましい実施例の基板処理装置を説明するための概略斜視図である。 本発明の好ましい実施例の基板処理装置を説明するための概略縦断面図である。 比較のための基板処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。 比較のための基板処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。 比較のための基板処理装置の処理炉を説明するための概略横断面図である

符号の説明

１…反応室
２…処理管
３…シールキャップ
４…ヒータ
５…高周波電源
６ａ〜６ｄ…第１の電極
７ａ〜７ｅ…第２の電極
８…電極支柱
９…電極支柱
１０…整合器
１１…排気管
１２…圧力調整バルブ
１３…ポンプ
１４…ガス導入ポート
１５…ガス供給用細孔
１６…被処理体（シリコンウエハ）
１７…ボート
１８（１８ａ〜１８ｈ）…第１の電極
１９（１９ａ〜１９ｈ）…第２の電極
２０…高周波電力印加電極
２１…ガス供給用ノズル
３１、４１…ストライプ部
３２、４２…帯部
４０…処理炉
１００…カセット
１０１…筐体
１０５…カセットステージ
１０９…カセット棚
１１０…予備カセット棚
１１２…ウエハ移載機
１１３…移載エレベータ
１１４…カセット移載機
１１５…カセットエレベータ
１１６…炉口シャッタ
１１８…クリーンユニット
１２１…ボートエレベータ
１２２…昇降部材
１２３…移載棚
１２４…搬送制御手段

Claims (3)

1. 複数の基板が積層された状態で収容される処理管と、
   前記処理管の外部であって、前記処理管を囲うように配置された加熱手段と、
   前記処理管内に所望の処理ガスを供給するため、前記基板の積層方向に延在するガス供給管と、
   前記処理管と前記加熱手段との間に配置され、前記処理管の周囲を囲うように配置されたガス活性化手段と、を備え、
   前記ガス活性化手段は、
   少なくとも一方が、高周波電力が印加される第１の電極群と第２の電極群とを有し、前記第１の電極群の各電極と前記第２の電極群の各電極とが交互に配置され、
   さらに、前記第１の電極群の電極と前記第２の電極群の電極は、それぞれ前記ガス供給管の延在方向と同じ方向に延在する形状である複数のストライプ部を有し、
   前記ガス供給管は、前記第１の電極のストライプ部と、前記第２の電極のストライプ部の間の空間に設けられた基板処理装置。
2. 前記第１の電極群は、前記複数のストライプ部の一端が帯部に接続され、前記帯部と前記ストライプ部は一体型で形成される請求項１記載の基板処理装置。
3. 複数の基板が積層された状態で収容される処理管と、
   前記処理管の外部であって、前記処理管を囲うように配置された加熱手段と、
   前記処理管内に所望の処理ガスを供給するため、前記基板の積層方向に延在するガス供給管と、
   前記処理管と前記加熱手段との間に配置され、前記処理管の周囲を囲うように配置されたガス活性化手段と、を備え、
   前記ガス活性化手段は、
   少なくとも一方が、高周波電力が印加される第１の電極群と第２の電極群とを有し、前記第１の電極群の各電極と前記第２の電極群の各電極とが交互に配置され、
   さらに、前記第１の電極群の電極と前記第２の電極群の電極は、それぞれ前記ガス供給管の延在方向と同じ方向に延在する形状である複数のストライプ部とを有し、
   前記ガス供給管は、前記第１の電極のストライプ部と、前記第２の電極のストライプ部の間の空間に設けられた基板処理装置を用いて、
   基板が積層された状態で収容された前記処理管を、前記加熱手段によって加熱し、ガスを前記処理管に供給し、前記処理管内の圧力を一定に保持し、前記第１の電極群の電極と前記第２の電極群の電極間に電力を供給して、生成されたプラズマによって基板を処理する工程、を有する半導体集積回路の製造方法。

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