JP7468946B2 - 基板処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は，基板処理方法に関するもので，より詳細には，基板の工程の均一性を向上させることができる基板処理方法に関するものである。
薄いＳｉＯ2ゲート（gate）誘電体は，いくつかの問題を持って来る。例えば，ホウ素（boron）ドープされたゲート電極内のホウ素は，薄いＳｉＯ2ゲート誘電体を介して下部のシリコン基板に貫通することができる。また，一般的に薄い誘電体は，ゲートによって消費される電力量を増加させるゲート漏れ，すなわちトンネル（tunneling）が増加される。
これを解決する一つの方法は，ＳｉＯxＮy，ゲート誘電体を形成するように，窒素をＳｉＯ2層に含ませるものである。窒素をＳｉＯ2層に含ませると，下部のシリコン基板に貫通するホウ素を遮断し，ゲート誘電体の誘電率を増加させることにより，より厚い誘電体層を使用することができる。
アンモニア（ＮＨ3）の存在下で，シリコン酸化物層を加熱することはＳｉＯ2層をＳｉＯxＮｙ層に変換させるのに使用されてきた。しかし，ファーネス（furnace）でアンモニア（ＮＨ3）の存在下において，シリコン酸化物層を加熱する従来の方法は，一般的にファーネスが開放又は閉鎖されるとき，空気の流動により，ファーネスの異なる部分でＳｉＯ2層の窒素の不均一な添加をもたらした。付加的に，ＳｉＯ2層の酸素又は水蒸気汚染物は，ＳｉＯ2層での窒素添加を遮断することができる。
また，プラズマ窒化処理（ＤＰＮ，デカップリング（decoupling）されたプラズマ窒化処理）がＳｉＯ2層をＳｉＯxＮｙ層に変換させるのに使用されてきた。
本発明の目的は，基板の表面全体の工程の均一性を向上させることができる基板処理装置を提供することにある。
本発明の他の目的は，基板のエッジ表面の工程率を向上させることができる基板処理装置を提供することにある。
本発明のまた他の目的は，以下の詳細な説明と添付した図面からより明確になるだろう。
本発明の一実施例によると，基板処理装置は，内部に形成された工程空間を提供するチャンバー；上部に基板が置かれ，前記工程空間に設置されているサセプタ；前記チャンバーの天井中央部に形成されて，ソースガスを前記工程空間に供給するガス供給ポート；前記チャンバーの側壁に形成され，前記サセプタの外側下部に位置し，前記工程空間を前記サセプタの中央から前記サセプタの端に向かって排気する排気ポート；前記サセプタの上部に位置し，前記チャンバーの外側に設置されて前記ソースガスからプラズマを生成するアンテナを含み，前記サセプタの上部面は，工程のうち前記基板が置かれる定着面；前記定着面の周囲に位置し，前記工程空間と対向されて工程のうち前記プラズマに露出可能であり，前記定着面より低く位置する制御面を有する。
前記定着面は前記基板と対応する形状であり，前記制御面はリング状であることができる。
前記制御面の幅は２０～３０mmであることができる。
前記定着面と前記制御面の高さの差４.３５乃至６.３５mmであることができる。
前記アンテナの下端と前記定着面との距離は９３乃至１１３mmであることができる。
前記アンテナは，前記チャンバーの外側周囲に上下方向に沿ってらせん状に設置することができる。
前記チャンバーは，前記サセプタが内部に設置され，上部が開放されて側壁に前記基板が出入りする通路が形成されている下部チャンバー；前記下部チャンバーの開放された上部に連結され，前記アンテナが外側周囲に設置される上部チャンバーを備えるが，前記上部チャンバーの内径は，前記サセプタの外径と対応され，前記上部チャンバーの断面積は，前記下部チャンバーの断面積よりも小さいことができる。
前記基板処理装置は，前記工程空間に設置され，前記サセプタの上部面より低くなるように，前記サセプタの周囲に位置し，前記サセプタの上部面と平行に配置され，複数の排気穴を持つ複数の排気プレートをさらに含むことができる。
前記サセプタは，外部から供給された電力を使用して加熱可能なヒーター；前記ヒーターの上部を覆う，前記定着面と前記制御面を有する上部カバー；前記上部カバーと連結されて前記ヒーターの側部を覆う側部カバーを備えることができる。
本発明の一実施例によれば，基板の表面全体の工程の均一性を向上させることができる。特に，基板のエッジ（edge）表面の工程の効率を向上させることができ，これにより，基板のエッジ部分での窒素濃度を増加させることができる。
本発明の一実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。 図１に示したサセプタを示す図である。 本発明の一実施形態に係る工程の均一性を示す図である。 本発明の一実施形態に係る工程の均一性を示す図である。
以下，本発明の好ましい実施例を添付した図１から図４を参照してより詳細に説明する。本発明の実施例は様々な形態に変形されてもよく，本発明の範囲が以下で説明する実施例に限ると解析されてはならない。本実施例は，該当発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示した各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。
図１は，本発明の一実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。図１に示すように，基板処理装置は，チャンバーとサセプタを含んでいる。チャンバーは，内部に形成された工程空間を提供し，工程空間内で基板のプラズマプロセスが行われる。
チャンバーは下部チャンバー２２と上部チャンバー１０を備え，下部チャンバー２２は，一の側壁に形成された通路２４と他の側壁に形成された排気ポート５２を持って上部が開放された形状である。基板Ｓは，通路２４を介して工程空間に進入し，又，工程空間から引出すことができ，工程空間内のガスは，排気ポート５２を介して排出されることができる。
上部チャンバー１０は，下部チャンバー２２の開放された上部に連結され，ドーム（dome）形状を有する。上部チャンバー１０は，天井の中央部に形成されたガス供給ポート１２を有し，ソースガスなどは，ガス供給ポート１２を介してプロセス空間内に供給することができる。上部チャンバー１０と下部チャンバー２２の断面は，基板の形状（例えば，円形）と対応する形状を有し，上部チャンバー１０の断面積は，下部チャンバー２２の断面積よりも大きくすることができる。上部チャンバー１０と下部チャンバー２２の中心は，後述するサセプタの中心とほぼ一致するように設置され，上部チャンバー１０の内径は，サセプタの外径とほぼ一致することができる。
アンテナ１４は，上部チャンバー１０の外側周囲に上下方向に沿ってらせん状に設置され（ＩＣＰタイプ），外部から供給されたソースガスからプラズマを生成することができる。アンテナ１４は，後述するサセプタの上部に位置する上部チャンバー１０に設置され，プラズマは，上部チャンバー１０の内部で生成され，下部チャンバー２２に移動した後，基板Ｓと反応することができる。
図２は，図１に示したサセプタを示す図である。サセプタ（susceptor）は，下部チャンバー２２の内部に設置され，基板Ｓが上部面に置かれた状態で工程が進行される。サセプタはヒーター３２とヒーターカバー４２,４６を備え，ヒーターカバー４２,４６は，ヒーターの上部と側部を包み込むように設置される。
具体的には，ヒーター３２は，外部から供給された電力を使用して加熱され，基板などを処理可能な温度に加熱することができ，円形のディスク形状であり，中央に連結された支持軸５４を介して支持された状態で，下部チャンバー２２の内部に配置される。本実施例とは異なり，ヒーター３２は，冷媒などを介して冷却可能な冷却プレートに置き換えることができる。ヒーターカバー４２,４６は，ヒーター３２の上部を覆う円板状である上部カバー４２とヒーター３２の側部を覆う側部カバー４６を備え，上部カバー４２と側部カバー４６は，相互に連結される。
上部カバー４２の上部面は，定着面４２ａと制御面４２ｂを備える。基板Ｓは，定着面４２ａに置かれた状態で，プラズマにさらされて工程が行われ，定着面４２ａは，基板Ｓよりも大きい直径を有する。例えば，基板Ｓの直径が３００mmである場合には，定着面４２ａの直径Ｌは，３０５～３１０mmであることができる。定着面４２ａは，概ね水平状態に配置される。制御面４２ｂは，定着面４２ａよりも低く位置して定着面４２ａの外側と制御面４２ｂの上部にリング状の流動空間（図２に点線で表示）が形成され，定着面４２ａの周囲に配置されたリング状であり，幅Ｗは，２０～３０mmである。制御面４２ｂは，工程空間と直接対向されて基板Ｓの工程進行時のプラズマにさらされており，定着面４２ａと平行することができる。しかし，本実施例とは異なり，内外側傾斜することができる。
再び図１を見ると，複数の排気プレート２５,２６がサセプタの周囲に上下に配置され，サセプタの上部面よりも低い高さに設置される。排気プレート２５,２６は，複数の排気穴を有し，概ね水平に配置される。排気プレート２５,２６は，別の支持機構２８を介して支持することができる。例えば，排気ポンプ（図示しない）が排気ポート５２に連結されて強制的に排気を開始すると，排気圧力は排気プレート２５,２６を介してプロセス空間内に概ね均一に分布され，（排気ポートの位置に関係なく），図１及び図２に示すように，プラズマの流れは，基板Ｓの中央から基板Ｓの表面に沿って基板Ｓの端に向かって均一に形成されるのみならず，プラズマプロセスを通じた反応副産物などはこのような方向に沿って均一に排気することができる。
図３及び図４は，本発明の一実施形態に係る工程の均一性を示す図である。前述したように，基板ＳにＳｉＯ2層が約２０～３０Å蒸着された後に，基板ＳがプラズマにさらされることによってＳｉＯxＮyゲート誘電体を形成することができる（プラズマ窒化処理（ＰＮ））。窒素源は，窒素（Ｎ2），ＮＨ3，又はそれらの組み合わせ物であり，プラズマはヘリウム，アルゴン，又はこれらの組み合わせ物のような不活性ガスをさらに含むことができる。基板Ｓがプラズマにさらされる中（５０～１００秒，好ましくは約５０秒）の圧力は，約１５mTorrであり，温度は約１５０℃であることができる（圧力は１５～２００mTorr，温度は常温から１５０℃以内で調節することができる）。オプションで，基板Ｓは，プラズマ暴露後Ｏ2が供給される状態でアニール(annealing)され，約８００℃の温度で約１５秒間のアニーリングすることができる。
一方，ＳｉＯxＮyゲート誘電体を形成するように，プラズマ窒化処理（ＤＰＮ，デカップリング（decoupling）されたプラズマ窒化処理）を使用してきたが，窒化処理後の基板の表面に窒素濃度が不均一に分布しており，特に基板Ｓの端（エッジ）部分で窒素濃度が大幅に低下した。
これを改善するための方策として，サセプタの定着面とアンテナの下部の離隔距離（図１のＤ）を調節したが，その効果が限定的であった。図１を見ると，サセプタは支持軸（５４）によって支持され，支持軸（５４）は，別の昇降機構を介して昇降可能なので，サセプタとアンテナ１４の距離昇降機構を介してサセプタの移動に調節することができる。
サセプタの移動距離（Chuck [mm]）を２０～５０mmに調節した結果，サセプタとアンテナの距離（Ｄ）は，下記の表１のとおりであり，以下の表２に記載したように，工程の均一性が１．３０～１．９０まで変化することが分かるが，最小値が１．３０であった（Ref.HPCに対応）。
Figure 0007468946000001
Figure 0007468946000002
したがって，これをさらに改善するために，追加の方案を模索しており，サセプタ（又はヒーターカバー）の上部面に定着面４２ａよりも低い制御面４２ｂを設置した（制御面と定着面の高さの差６．３５mm）。その結果，表２に記載したように，工程の均一性が０．９６～２．２０まで変化することが分かるが，最小値が０．９６であった（Edge Low HPCに対応）。特に，サセプタの定着面４２ａとアンテナ１４の下部の離隔距離が１０３mmである場合には，改善前後工程の均一性が１．６９で０．９６と大幅に改善されたことを確認できた。
工程の均一性が改善された理由を多様に研究してみた結果，基板Ｓのエッジ部分でのプラズマシース（plasma sheath）の形成を抑制することにより，プラズマシールド（plasma shielding）を最小限に抑えることができ，これにより，基板Ｓのエッジ部分で窒素濃度が低下することを防止することができる。具体的には，前述した制御面４２ｂが定着面４２ａよりも低い場合には，基板Ｓのエッジ部分で活性種（Ｎラジカルとイオン）が消費されるよりも，プラズマ窒化に関与する割合が大きいが，制御面４２ｂが定着面４２ａと同一の高さで並列あるいは高い場合には，基板Ｓのエッジ部分での活性種のプラズマ窒化に関与するよりも消費される割合が大きくなるので，制御面４２ｂを定着面４２ａよりも低く配置する場合の工程均一性を向上させることができると考られる。
図３を参照すると，従来サセプタによるプラズマ工程が行われた場合には，基板Ｓのエッジ部分での窒素濃度が格段に低下することを確認することができ，グラフが「Ｍ」字型を呈する。一方，図４を見ると，制御面４２ｂを利用したサセプタによるプラズマ工程が行われた場合には，基板Ｓのエッジ部分での窒素濃度が十分に改善されたことを確認することができ，グラフが「Ｖ」字型を呈する。
表３および表４は，サセプタ/アンテナの距離と制御面/定着面の高さの差に応じた工程の均一性の改善の程度を示す表である。一方，制御面の幅は，プラズマプロセスに影響を与えないように，２０～３０mmであることが好ましく，以下の内容は，２５mmを基準とする。
Figure 0007468946000003
Figure 0007468946000004
表３および表４を見ると，サセプタとアンテナ１４の距離に応じて最適な制御面４２ｂと定着面４２ａの高さの差は異なって表示される。例えば，移動距離が３０mmである場合（距離Ｄ＝１０３mm）工程の均一性が最低の最適な高さの差４．３５mm（工程均一度０．８３）であることを知ることができ，移動距離が２０mmである場合（距離Ｄ＝１１３mm）工程均一度が最低である最適の高さの差４．３５mm（工程均一度１.１４）であることを知ることができる。しかし，移動距離が４０mmである場合（距離Ｄ＝９３mm）工程の均一性が最低の最適な高さの差２.３５mm（工程均一度１．２２）であることを知ることができる。
本発明を好ましい実施例を介して詳細に説明したが，これとは異なる形態の実施例も可能である。よって，以下に記載の請求項の技術的思想と範囲は好ましい実施例に限らない。
本発明は，多様な形態の半導体の製造設備及び製造方法に応用されることができる。

Claims (6)

  1. 内部に形成された工程空間を提供するチャンバーと，上部に基板が置かれ前記工程空間に設置されているサセプタと，前記サセプタの上部に位置し前記チャンバーの外側に設置されて前記工程空間に供給されたソースガスからプラズマを生成するアンテナを用いて基板を処理する方法であって，
    前記サセプタの上部面は，工程のうち前記基板が置かれる定着面と，前記定着面の周囲に位置し前記工程空間と対向されて工程のうち前記プラズマに露出可能であり前記定着面より低く位置する制御面を有し，
    前記定着面と前記制御面の高さ差（Ｘ）を第１変数とし，前記アンテナの下端と前記定着面の距離（Ｙ）を第２変数とし，前記第１及び第２変数を組み合わせて前記プラズマを用いた基板処理工程の均一性を測定し，前記均一性が最低となる前記第１及び第２変数の値に設定する，基板処理方法。
  2. 前記定着面は前記基板と対応する形状であり，
    前記制御面はリング状である請求項１記載の基板処理方法。
  3. 前記制御面の幅は２０～３０mmである請求項２記載の基板処理方法。
  4. 前記アンテナは，前記チャンバーの外側周囲に上下方向に沿ってらせん状に設置されている請求項１記載の基板処理方法。
  5. 前記チャンバーは，
    前記サセプタが内部に設置され，上部が開放されて側壁に前記基板が出入りする通路が形成されている下部チャンバー；と
    前記下部チャンバーの開放された上部に連結され，前記アンテナが外側周囲に設置される上部チャンバーを備えるが，
    前記上部チャンバーの内径は，前記サセプタの外径と対応され，前記上部チャンバーの断面積は，前記下部チャンバーの断面積よりも小さい請求項４記載の基板処理方法。
  6. 前記サセプタは，
    外部から供給された電力を使用して加熱可能なヒーター；
    前記ヒーターの上部を覆う，前記定着面と前記制御面を有する上部カバー；と
    前記上部カバーと連結されて前記ヒーターの側部を覆う側部カバーを備える請求項１記載の基板処理方法。
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