JP2001257204A - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

基板処理装置および半導体装置の製造方法

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JP2001257204A JP2001011166A JP2001011166A JP2001257204A JP 2001257204 A JP2001257204 A JP 2001257204A JP 2001011166 A JP2001011166 A JP 2001011166A JP 2001011166 A JP2001011166 A JP 2001011166A JP 2001257204 A JP2001257204 A JP 2001257204A
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plasma
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tube
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Imad Mahawili
マハウィリ イマッド
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Hitachi Kokusai Electric Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】成長プロセスを促進し、処理温度を下げて新し
いデバイスへの応用を可能にすると共に作成した膜の安
定性を保つように反応ガスを供給できる基板処理装置を
提供する。 【解決手段】処理チャンバ１８と、ガス注入アセンブリ
１６とを備える。ガス注入アセンブリは、少なくとも一
種類のガスを処理チャンバ内に注入し、イオン化してガ
スの基板との反応性を高め、半導体基板の処理を促進す
る。ガスはイオン化されてガスプラズマとなる。ガス注
入アセンブリは、電磁場でガスをイオン化するプラズマ
発生器１４を備える。ガスプラズマ発生器は、基板をプ
ラズマ発生器から隔離するために、処理チャンバの外側
でガスをイオン化する。ガス注入アセンブリは、１以上
の注入チューブ４６をさらに備える。各チューブは、イ
オン化されたガスを処理チャンバに届ける複数のオリフ
ィスを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板処理装置およ
び半導体装置の製造方法に関し、処理反応器に関し、特
に、半導体ウェーハ等の基板上の薄膜の熱処理や化学成
長を行う処理反応器であって、基板処理条件をより良く
制御すると共に、さらに新しい半導体装置への適用を可
能にするために、反応器の処理チャンバ内に注入する前
に化学反応種が励起される処理反応器を使用する基板処
理装置および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体基板の処理工程のいくつかには、
高温での化学反応が含まれる。これまでは、成長プロセ
スやアニールプロセスの制御は、ガスの流量および圧
力、さらにはウェーハ温度を制御することによって行わ
れてきた。種々のプロセスにおいてより良く制御を行う
ために、処理中に基板の温度を測定する種々の方法が開
発されている。例えば、米国特許第５，８１４，３６５
号においては、改良された反応器と基板を均一に加熱す
るヒータとが開示されており、膜成長、エッチング、ア
ニール、熱処理等の種々の半導体プロセスを促進させる
ために加熱プロセスの制御を促進させる温度測定装置
と、種々のプロセスの制御をさらに促進させる改良され
たガス注入とを備える。しかしながら、熱プロセスや化
学成長プロセスに伴う高温は、時々、デバイスの応用を
妨げ、さらに、既に作成した膜を不安定にすることがあ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】その結果、成長プロセ
スを促進し、さらにプロセス温度を下げて新しいデバイ
スへの応用を可能にすると共に既に作成した膜の安定性
を保つように反応ガスを供給できる処理反応器が求めら
れている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、改良されたガ
ス注入システムを備える処理反応器を提供する。ガス注
入装置によって、プロセス温度を下げることができ、さ
らに、ある種の応用においては、成長速度を促進する。
さらに、また、このガス注入システムによって、処理反
応器内で新しいデバイスへの応用が可能となる。
【０００５】本発明の一形態によれば、処理チャンバ
と、少なくとも一種のガスを前記処理チャンバに注入
し、前記処理チャンバ内に注入される前記ガスをガスプ
ラズマ化するガス注入アセンブリとを備える基板処理装
置であって、前記ガス注入アセンブリは、少なくとも２
つのガス注入チューブを備え、前記ガス注入チューブの
うちの第１のものは、前記処理チャンバに第１のガスを
注入し、前記ガス注入チューブのうちの第２のものは、
前記処理チャンバに第２のガスを注入し、前記ガス注入
アセンブリは、前記第１および第２のガスのうち少なく
とも一つをガスプラズマ化して前記処理チャンバ内へ注
入することを特徴とする基板処理装置が提供される。
【０００６】本発明の他の形態によれば、処理チャンバ
と、少なくとも一種のガスを前記処理チャンバに注入
し、前記処理チャンバ内に注入される前記ガスをガスプ
ラズマ化するガス注入アセンブリとを備える基板処理装
置であって、前記ガス注入アセンブリは、プラズマ発生
器と、供給チューブとを備え、前記プラズマ発生器は、
前記供給チューブと連通する発生器チューブであって、
前記供給チューブ内で前記ガスをガスプラズマ化するよ
うに前記発生器チューブ内で電磁場を発生する前記発生
器チューブを備えることを特徴とする基板処理装置が提
供される。
【０００７】好ましくは、前記供給チューブは、前記供
給チューブ内で前記ガスがガスプラズマ化するように前
記発生器チューブよりも大きい直径を有している。
【０００８】本発明の他の形態によれば、処理チャンバ
と、少なくとも一種のガスを前記処理チャンバに注入
し、前記処理チャンバ内に注入される前記ガスをガスプ
ラズマ化するガス注入アセンブリとを備える基板処理装
置であって、前記ガス注入アセンブリは、少なくとも２
つのガス注入チューブを備え、前記ガス注入チューブの
うちの第１のものは、前記処理チャンバに第１のガスを
注入し、前記ガス注入チューブのうちの第２のものは、
前記処理チャンバに第２のガスを注入し、前記ガス注入
アセンブリは、前記第１および第２のガスのうち少なく
とも一つをガスプラズマ化して前記処理チャンバ内へ注
入するためのガスプラズマとする基板処理装置を使用し
て、半導体基板を処理する工程を備えることを特徴とす
る半導体装置の製造方法が提供される。
【０００９】好ましくは、前記第１のガスはアンモニア
を含み、前記第１および第２のガスのうち少なくとも一
つのガスプラズマ化は前記第１のガスのガスプラズマ化
を含み、前記第２のガスは、シランを含む。
【００１０】好ましくは、前記第２のガスはガスプラズ
マ化されずに前記処理チャンバに注入される。
【００１１】本発明の他の形態では、半導体基板処理用
反応器は、処理チャンバを画成し、その内部に半導体基
板を支持する反応器ハウジングと、少なくとも一つのガ
ス注入アセンブリとを備える。ガス注入アセンブリは、
少なくとも一種のガスを処理チャンバに注入し、そして
基板上に供給し、ガスの基板との反応性を高めて半導体
基板の処理を促進するために処理チャンバ内に注入され
たガスをイオン化する。
【００１２】好ましくは、前記処理チャンバ内で前記基
板を選択的に加熱するヒータをさらに備える。
【００１３】さらに好ましくは、前記反応器ハウジング
内で支持され、その内部に前記ヒータを備え、前記処理
チャンバ内で前記基板を回転可能に支持するヒータハウ
ジングをさらに備える。
【００１４】一態様においては、ガス注入アセンブリ
は、ガスをイオン化してガスプラズマにするプラズマ発
生器を備えている。好ましくは、プラズマ発生器は、基
板を電磁場から隔離するために、処理チャンバの外部で
ガスをイオン化する。好ましい形態においては、プラズ
マ発生器は、ガスをイオン化してガスプラズマにする電
磁場を発生する。
【００１５】他の態様においては、ガス注入アセンブリ
は、処理チャンバ内にイオン化されたガスを届けるガス
注入チューブを備える。ガス注入チューブは、好ましく
は、処理チャンバ内にそれらを介してイオン化されたガ
スを届ける複数のオリフィスを備える。好ましい形態に
おいては、ガス注入チューブは、石英チューブを備え
る。さらなる態様においては、ガス注入アセンブリは、
ガスをイオン化してガスプラズマにするプラズマ発生器
をさらに備える。注入チューブは、イオン化したガスを
発生器から処理チャンバ内に注入する。好ましい形態に
おいては、ガス注入アセンブリは、注入チューブと連通
し、注入チューブにガスを届ける供給チューブをさらに
備える。プラズマ発生器は、供給チューブ内でガスをイ
オン化してガスプラズマにする。好ましくは、プラズマ
発生器は、供給チューブと連通し、供給チューブに流入
するガスをイオン化してガスプラズマにするために発生
器チューブ内で電磁場を発生する発生器チューブを備え
る。例えば、供給チューブは、供給チューブ内でガスが
解離およびイオン化するように発生器チューブよりも大
きい直径を有していてもよい。好ましくは、前記供給チ
ューブは、石英チューブを備えている。
【００１６】他の態様においては、ガス注入アセンブリ
は、少なくとも２つのガス注入チューブを備え、ガス注
入チューブのうちの第１のものは、処理チャンバ中に第
１のガスを注入し、ガス注入チューブのうちの第２のも
のは、処理チャンバに第２のガスを注入する。ガス注入
アセンブリは、第１および第２のガスのうち少なくとも
一つをイオン化して処理チャンバ内へ注入するためのガ
スプラズマとする。
【００１７】好ましい態様においては、ガス注入アセン
ブリは、ガスをイオン化してガスプラズマにするプラズ
マ発生器をさらに備える。第１および第２のガス注入チ
ューブのうち少なくとも一つは、イオン化したガスを発
生器から処理チャンバ内に注入する。好ましい形態にお
いては、ガス注入アセンブリは第１および第２の注入チ
ューブとそれぞれ連通し、第１および第２の注入チュー
ブにそれぞれガスを届ける第１および第２の供給チュー
ブをさらに備える。プラズマ発生器は、第１および第２
の供給チューブの少なくとも一つ内でガスをイオン化し
てガスプラズマにする。好ましくは、プラズマ発生器
は、第１および第２の供給チューブの少なくとも一つと
連通し、第１および第２の供給チューブの少なくとも一
つに流入するガスをイオン化してガスプラズマにするた
めに発生器チューブ内で電磁場を発生する第１および第
２の発生器チューブの少なくとも一つを備える。例え
ば、第１および第２の供給チューブは、第１および第２
の供給チューブ内でガスが解離およびイオン化するよう
に第１および第２の発生器チューブよりも大きい直径を
有していてもよい。
【００１８】本発明の他の形態によれば、半導体基板を
処理する反応器は、処理チャンバを画成し、処理チャン
バ内に基板を支持する反応器ハウジングと、少なくとも
一種のガスをイオン化してガスプラズマとするプラズマ
発生器と、前記基板を処理するために、前記イオン化し
たガスを前記処理チャンバ内に注入しその中で支持され
た基板上に供給する少なくとも一つのガス注入器とを備
える。
【００１９】一態様においては、プラズマ発生器は、発
生器チューブと、発生器チューブ内に電磁場を誘起して
発生器チューブを通って流れるガスをイオン化するコイ
ルとを備え、発生器チューブは、イオン化したガスを、
処理チャンバ内に注入するためのガス注入器に導く。
【００２０】好ましくは、前記反応器は、前記注入チュ
ーブと連通する供給チューブをさらに備え、前記発生器
チューブは、前記ガスを前記供給チューブ内に導く。
【００２１】また、好ましくは、前記供給チューブは、
前記供給チューブ内で前記ガスが解離およびイオン化す
るように前記発生器チューブよりも大きい直径を有して
いる。
【００２２】また、好ましくは、前記ガス注入器は、そ
の中を通って前記ガスが前記処理チャンバ内に注入され
る複数のオリフィスを有する細長いチューブを備える。
【００２３】また、好ましくは、前記オリフィスは、前
記細長いチューブに沿って均一に間隔を置いて設けられ
ている。
【００２４】他の態様においては、ハウジングはカバー
を備え、ガス注入器はカバー内で支持されている。好ま
しくは、プラズマ発生器は、基板をプラズマ発生器から
隔離するために、処理チャンバの外側でカバーによって
支持されている。
【００２５】他の態様においては、反応器は、処理チャ
ンバ内に少なくとも一種のガスを注入する少なくとも二
つのガス注入器を備えている。好ましくは、ガス注入器
は、汚染を防ぐために、互いに隔離している。
【００２６】好ましくは、前記注入器のうちの一つは、
第１のガスを前記処理チャンバ内に注入し、注入器のう
ちのもう一つは、第２のガスを前記処理チャンバ内に注
入する。
【００２７】さらに好ましくは、前記プラズマ発生器
は、前記第１および第２のガスの少なくとも一つをイオ
ン化して前記処理チャンバに注入するためのガスプラズ
マとする。
【００２８】また、好ましくは、前記処理チャンバ内で
前記基板を加熱するヒータをさらに備える。
【００２９】さらに好ましくは、前記ヒータは、前記処
理チャンバ内で前記基板を選択的に加熱する。
【００３０】好ましくは、前記ヒータはヒータハウジン
グに納められ、前記ヒータハウジングは、前記反応器ハ
ウジング内で支持されている。
【００３１】さらに好ましくは、前記ヒータハウジング
は、前記反応器ハウジング内で前記基板用の支持を提供
する。
【００３２】本発明の他の形態においては、半導体基板
処理方法は、処理チャンバを準備することと、処理チャ
ンバ内で前記基板を支持することと、ガスをイオン化す
ることと、イオン化したガスを、半導体基板を処理する
ために、処理チャンバ内に注入し、基板上に供給するこ
ととを備える。
【００３３】好ましくは、ガスのイオン化は、前記ガス
をイオン化してプラズマにすることを含む。
【００３４】好ましくは、ガスは、例えば、高周波場等
の電磁場をガスに働かせることによって、イオン化され
てガスプラズマになる。他の態様においては、基板は、
イオン化されたガスでクリーニングされる。
【００３５】好ましくは、電磁場を働かせることは、前
記ガスに高周波場を働かせることを含む。
【００３６】好ましくは、前記電磁場を前記基板から隔
離することをさらに含む。
【００３７】好ましくは、処理中に前記処理チャンバに
おいて、前記基板を回転させることをさらに含む。
【００３８】好ましくは、処理中に前記基板の放射率を
測定することをさらに含む。
【００３９】好ましくは、処理中に前記基板を加熱する
ことをさらに含む。
【００４０】好ましくは、前記イオン化したガスを注入
することは、前記半導体基板を処理するために、前記イ
オン化したガスを前記基板の少なくとも一つの分離され
た領域上に導くことを含む。
【００４１】好ましくは、前記半導体基板を処理するた
めに、第２のガスを前記チャンバ内に注入し、前記基板
上に供給する。
【００４２】好ましくは、第２のガスを注入すること
は、前記第２のガスを前記基板の一つの分離された領域
上に導くことを含む。
【００４３】好ましくは、前記処理チャンバー内への前
記イオン化されたガスの流れを選択的に変更することを
さらに含む。
【００４４】好ましくは、イオン化されたガスで前記基
板をクリーニングすることをさらに含む。
【００４５】好ましくは、ガスをイオン化することは、
シランをイオン化することを含む。
【００４６】好ましくは、酸素をイオン化することをさ
らに含み、前記イオン化されたシランと酸素とを前記処
理チャンバ内に注入する。
【００４７】好ましくは、イオン化は、窒素のイオン化
を含む。
【００４８】好ましくは、イオン化は、フッ素含有ガス
のイオン化を含む。
【００４９】好ましくは、フッ素含有ガスのイオン化
は、水素フレオン、ＮＦ３およびＸｅＦ２のうちの一つ
のイオン化を含む。
【００５０】好ましくは、イオン化は、水素のイオン化
を含む。
【００５１】好ましくは、イオン化は、酸素のイオン化
を含む。
【００５２】好ましくは、イオン化は、シランおよびア
ンモニアのイオン化を含む。
【００５３】好ましくは、反応ガスを前記処理チャンバ
内に注入することをさらに含む。
【００５４】好ましくは、イオン化は、アンモニアのイ
オン化を含み、反応ガスの注入は、シランの注入を含
む。
【００５５】本発明の反応器は、従来知られている反応
器に対して非常に多くの利点を有することは理解されよ
う。反応ガスをイオン化することで、ガスは半導体基板
に対してより反応性に富むようになる。その結果、その
ような基板を処理するについて通常付随する温度は、著
しく下げることができる。処理温度を下げることによっ
て、既に形成されている膜の安定性を保つことができ、
さらに、新しいデバイスへの応用が可能となる。本発明
のこれらのおよび他の目的、利点、特徴は、図面と共に
次の説明の考察からより明らかになるであろう。
【００５６】
【発明の実施の形態】図１を参照すれば、符号１０は、
半導体基板を処理する本発明の反応器を示す。反応器１
０は、半導体装置の製造における、半導体ウェーハ等の
半導体基板１２の、例えば、熱アニール、ボロフォスフ
ァラス（boro-phosphorous）ガラスの熱リフロー等の熱
プロセス、さらには、酸化膜、窒化膜、ドープト、アン
ドープトポリシリコン膜、シリコンエピタキシャル膜、
金属タングステン膜、タングステンシリサイド膜等のＣ
ＶＤによる薄膜成長を含む種々の製造プロセスおよび熱
プロセスを行うのに適している。後により詳細に説明す
るが、反応器１０は、基板１２を処理する反応器の処理
チャンバ１８内に反応ガスを注入するガス注入システム
１６を備えている。ガス注入システム１６は、好ましく
はチャンバ１８内に注入する前に、反応ガスのエネルギ
ーレベルを上げるプラズマ発生器１４を備えている。プ
ラズマ発生器１４は、好ましくは、反応器の処理チャン
バ１８内に注入される反応ガスをイオン化し、さらに好
ましくは、反応ガスをイオン化してプラズマにする。こ
れによって、電子温度を緩和すると共に、ほとんどの化
学気相成長プロセスに付随する加熱を減じ、場合によっ
ては、加熱をなくする。さらに、反応ガスをイオン化す
ることによって、既に形成されている膜の安定性が増
す。さらに、また、後にさらに充分に説明するが、プラ
ズマ発生器１４は、好ましくは、反応器の外側に設けら
れ、反応ガスを反応器内に注入される前にイオン化し
て、半導体基板をプラズマ場の高い電子エネルギーから
隔離する。このようにして、基板が高い電子エネルギー
にさらされたときに典型的に起こるデバイスの損傷およ
び／または不良等の基板の変化を防止する。
【００５７】図２において最もよく見られるように、反
応器１０は、基板に熱を、好ましくは均一な状態で、供
給するヒータアセンブリ２０と、処理中に基板に供給さ
れる熱の量および／またはプロファイルが調整できるよ
うに、処理中に基板のデバイス側の平均的表面領域の連
続的な放射率を測定できる放射率測定装置２２とを備え
ている。好ましいヒータの詳細は、米国特許第５，９５
１，８９６号を参照のこと。
【００５８】図２を参照すれば、反応器１０は、処理チ
ャンバ１８を形成するハウジング２４を備えている。基
板１２は、処理チャンバ１８内で、シリコンカーバイド
をコーティングしたグラファイト、石英、純シリコンカ
ーバイド、アルミナ、ジルコニア、アルミニウム、スチ
ール等の適切な材料からなるプラットフォーム２６上に
支持され、デバイス側１２ａがハウジング２４の上壁、
すなわちカバー２８に向かって配置される。プラットフ
ォーム２６の好ましい例については、１９９７年８月１
５日に出願された米国特許出願第０８／９１２，２４２
号「A SUBSTRATE PLATFORM FOR A SEMICONDUCTOR SUBST
RATE DURING RAPID HIGH TEMPERATURE PROCESSING AND
METHOD OF SUPPORTING A SUBSTRATE」および米国特許第
６，００７，６３５号「A PLATFORM FOR SUPPORTING A
SEMICONDUCTOR SUBSTRATE AND METHOD OF SUPPORTING A
SUBSTRATE DURING RAPID HIGH TEMPERATURE PROCESSIN
G」を参照のこと。
【００５９】プラットフォーム２６は、好ましくは、第
２の回転ハウジング３２の上壁３０に設けられた窪んだ
中央の開口３０ａ内に置かれ支持される。ハウジング３
２は、好ましくは、ベース３４上のハウジング２４内に
回転可能に支持される。ベース３４と第２のハウジング
３２は、ハウジング２４のベース壁３６上に回転可能に
支持され、好ましくは、従来型のマグネットカップリン
グ駆動機構３８または真空シールを介してベース３４へ
の回転を切り離すことができる他の適切な駆動装置を使
用して回転される。このようにして基板１２は回転さ
れ、当業者に理解されるように、その全面にわたって熱
および反応ガスが均一に与えられる。ベース３４および
ハウジング３２の１分当たりの回転数（ｒｐｍ）は、予
めセットされていてもよく、例えば、これもまた、当業
者に理解されるところではあるが、好ましくは、具体的
なプロセスに応じて５乃至６０ｒｐｍの範囲のものとす
る。好ましい態様では、ヒータアセンブリ２０は、ハウ
ジング３２とハウジング３２上に位置せしめたときにヒ
ータアセンブリ２０を包囲するものを完成するプラット
フォーム２６とによって完全に包囲される。プラットフ
ォーム２６は、種々の大きさの基板、例えば、１５０〜
３００ｍｍおよびそれ以上の直径の基板、を収容でき
る。プラットフォーム２６がカバー２８の下面２８ａか
ら離間して基板１２を支持するが、それらの間の空間が
処理チャンバ１８となる。処理チャンバ１８は、好まし
くは、後にさらに充分に説明するが、ガス注入器アセン
ブリ１６に設けられた真空排気ポートを介して排気され
る。好ましくは、基板１２は、当業界で知られている自
動移載ロボットのような従来型のウェーハ移載装置（図
示せず）によって、排気されたチャンバ１８内にチャン
ババルブ３９を介して位置せしめられる。
【００６０】図５、６を参照すれば、ガス注入アセンブ
リ１６は、マニホールド４０を備え、マニホールド４０
を介して基板１２上に１種以上のガスが注入される。図
３において最もよく見られるように、マニホールド４０
は、複数のガス注入チューブ４６から構成され、基板１
２の上に離間して配置されカバー２８内に支持されてい
る。好ましくは、チューブ４６は、例えば、石英、アル
ミナ等の非反応性ガスチューブから構成されている。そ
の結果、ガス注入システムの金属溶接がなくなることに
伴って、チャンバ１８内の微粒子汚染物は著しく減少す
る。好ましい形態では、マニホールド４０が薄膜成長が
行われる基板の限定されたまたは分離した領域上にガス
を注入するように、各ガス注入チューブ４６は、隣接す
る注入チューブから離間しており、米国特許第５，８１
４，３６５号に記載されているチャンネル（Ｃｈａｎｎ
ｅｌｓ）と同様にして配設されている。さらに、各チュ
ーブ４６は、１以上のチューブが洗浄や交換のために取
り外せるように、カバー２８内に、好ましくは取り外し
可能に支持されている。
【００６１】ガス注入マニホールド４０は、個々のチュ
ーブだけでなく、モジュール全体としても取り外せるよ
うに、カバー２８内に位置し支持されたモジュールとし
て組み立てられても良い。マニホールド４０は、チュー
ブ４６の周囲に設けられたガス注入リング４１と、チュ
ーブ４６の周囲に同様に設けられ内側ガス注入リング４
１の半径方向内側に設けられた排気マニホールド４４と
を備えている。注入リング４１は、典型的には、窒素等
の不活性ガスを処理チャンバ１８内に注入し、基板の周
囲に不活性ガスを向けてガスバリアを形成する。これに
よって、反応ガスがガス注入チューブ４６を介して注入
されたときに、ガス排気マニホールド４４がガス注入チ
ューブ４６の近傍に配設されているので、反応ガスは各
チューブの直下の基板の領域に閉じ込められる。排気マ
ニホールド４４は、ガス注入チューブ４６に沿ってその
近傍に設けられているので、排気マニホールド４４の下
の領域近傍を移動している何れの迷ガス分子も処理チャ
ンバ１８から排気される。従って、ガス注入チューブに
よって注入されたガスは、処理チャンバ１８の分離され
たある体積内に制限され、さらに、基板の分離されたあ
る領域に制限される。
【００６２】図３、４を参照すれば、各チューブ４６
は、チューブ内の各ガスを基板１２上に向けまたは分散
させる複数のオリフィスまたは穴を備えている。これら
のオリフィスまたは穴は、レーザドリル等、例えばドリ
ルよって形成することができる。各オリフィスまたは穴
の大きさ、位置およびピッチは、ガスの流れを変えるた
めに記載されているように変えることができ、さらに、
注入されたガスのプロファイルを調整して基板１２上で
のガス分布を最適化するためにチューブ４６の長手方向
に沿って変えることもできる。好ましくは、ガスの流れ
のプロファイルは、米国特許第５，８１４，３６５号に
記載されているように、基板の周囲の方の領域よりも基
板の中央により少ないガスを導くようにすることが望ま
れる。このようにして、チューブ４６は、スプリンクラ
ーと同様に機能する。再び図３を参照すれば、マニホー
ルド４０は、好ましくは、３つのチューブ、すなわち、
１つの中央チューブ４６ａおよび２つの外側チューブ４
６ｂ、４６ｃを備える。各チューブ４６ａ、４６ｂ、４
６ｃは、基板１２上に、それぞれの反応ガス等のそれぞ
れのガスを注入してもよい。例えば、第１の反応ガスを
中央チューブ４６ａを介して注入し、第２の反応ガスを
チューブ４６ｂおよび４６ｃを介して注入してもよい。
どのように応用するかに応じて、各チューブを介しての
流れは個々に制御され、それによって、それらが全て一
緒にオンになることもでき、一つずつ次から次へとなる
ようにすることもでき、各オン／オフサイクル間に種々
のタイムインターバルを持ったランダムなシーケンスと
することもできる。さらに、一つのチューブから反応ガ
スの供給を止めた時に、ウェーハ表面の反応条件を制御
し、反応物の逆流汚染を防止するために、不活性ガスを
そのチューブに注入してもよい。さらに、各チューブ４
６ａ、４６ｂ、４６ｃの各々を、特定のガスの注入と関
連付けてもよい。なお、当業者によって、例えば、基板
１２を処理するために、水素、アルゴン、六フッ化タン
グステン等の広い種類のガスが採用されて選択的にオリ
フィス４８を介して導入され得ることは理解されなけれ
ばならない。
【００６３】図４を参照すれば、各チューブ４６ａ、４
６ｂ、４６ｃは、チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃから
カバー２８を介して延在する配送チューブ５０ａ、５０
ｂ、５０ｃをそれぞれ備えるか、またはこれらとそれぞ
れ連通している。各配送チューブ５０ａ、５０ｂ、５０
ｃは、好ましくは、チャンバ１８の外側であってカバー
２８上に位置する、より大きい直径の供給チューブ５２
ａ、５２ｂ、５２ｃとそれぞれ直列に結合する。例え
ば、チューブ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、４６ａ、４６
ｂ、４６ｃは、それぞれ約０．２５インチの直径を有
し、チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、直径約０．２
０インチのオリフィス穴を備えている。供給チューブ５
２ａ、５２ｂ、５２ｃは、それぞれ、０．５インチ〜１
インチの範囲またはそれより大きい直径を有している。
減圧されたチャンバの圧力、例えば、１Ｔｏｒｒより低
く、典型的には、０．１〜０．３Ｔｏｒｒの範囲におい
て、この中央ガス注入チューブを介してあるガスが供給
され、同時にプラズマ発生器が作動すると、そのガス
は、より大きい石英チューブのより大きい領域（confin
e）内で解離し、イオン化される。供給チューブ５２
ａ、５２ｂ、５２ｃも、後にさらに充分に説明するよう
に、好ましくは、石英またはアルミナ等の非反応性材料
から成り、イオン化したガスをチューブ５０ａ、５０
ｂ、５０ｃを経由してチューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ
に届け、好ましくは、イオン化されてプラズマとなった
ガスを届ける。
【００６４】図６において最もよく見られるように、ガ
ス注入マニホールド４０は、排気マニホールド４４を備
えている。上述したように、排気マニホールド４４は、
チューブ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの周りに設けられ、反
応ガスがそれを越えられない追加の境界を提供する。処
理チャンバ１８から未反応ガスを除去するのに加えて、
排気マニホールド４４は、反応ガスの逆流による汚染を
防止するのを助ける。注入リングとの組み合わせによ
り、排気マニホールド４４は、限定された領域に成膜さ
れるように、さらに、後に述べるように、いかなる放射
率測定システムも使用できるように、基板１２上への成
膜を制御する。
【００６５】好ましい態様においては、チャンバ１８内
に注入されるガスは、チャンバ１８内に注入される前に
ガスのエネルギーレベルが高くなるように、注入前にイ
オン化される。好ましい態様においては、反応器内で処
理される基板に届かないようにプラズマ場からの高い電
子エネルギーを隔離するために、反応器の外部にプラズ
マ発生器１４を設ける。プラズマ場を隔離することによ
り、このシステムは、デバイスの衰退や故障の原因とな
り得る高い電子エネルギーのために基板に変化が起こる
ことを防止する。プラズマ発生器１４は電磁場を生成す
る。そして、反応ガスが供給チューブ５２ａ、５２ｂ、
５２ｃに入る前に、その電磁場を通って流れる。また、
１つのまたは全てのガスが、チャンバ１８に注入される
前にイオン化されても良い。発生器１４は、マイクロ波
キャビティのような、同調キャビティを備え、この同調
キャビティは、各供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃ
に挿入されたチューブ１４ａを取り巻いている。適切な
電気マッチングネットワークを備えたマイクロ波発生器
を使用してプラズマの発生が行われる。好ましくは石英
またはアルミニウム材料から成っており、その中を励起
されるガスが流れるチューブ１４ａを取り囲む同調キャ
ビティに高周波の交流電力が供給される。ある電力で、
流れているガスの原子が励起され、入力電力に応じて、
イオン化さえ起こる。励起されイオン化されたガス原子
は、その後、石英またはアルミナのチューブ分配器を使
用して速やかにウェーハ上に導かれる。励起されたガス
種が一旦チャンバに入ると、そのガス種は、チャンバ内
の他のガスおよび／またはシリコンウェーハの表面それ
自体と反応する。一旦、ガスがプラズマ発生器１４を通
過し、好ましくは拡大された通路を提供する供給チュー
ブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃに入ると、反応ガスはイオン
化および解離し、最も好ましくは、イオン化してガスプ
ラズマとなる。その結果、チャンバ１８内に注入される
ことになるガスは、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリ
ウム等の半導体基板とさらに反応しやすくなり、さら
に、薄膜成長に要求されるプロセス温度も低くなる。
【００６６】次に例を挙げる。
【００６７】例１ イオン化されていないシランと酸素が従来型の反応器チ
ャンバに注入され、３００ｍＴｏｒｒで４００℃のシリ
コンウェーハ上に供給されると、反応速度は、典型的に
は１分当たり１５０オングストロームである。シランと
酸素のプラズマが反応器チャンバ１８に同じプロセス条
件で注入されると、成長速度は、１分当たり１，５００
オングストロームを超える。
【００６８】例２ ４００ｍＴｏｒｒ、７５０℃でのシランとアンモニアに
よる成膜速度は、もしこれらの反応ガスがイオン化して
プラズマになっていれば、４００℃で達成することがで
きる。
【００６９】例３ 純酸素ガスが９００℃〜１１００℃の高温で注入される
と、シリコンウェーハはイオン化して二酸化シリコンに
なり得る。酸素プラズマが反応器１０に注入されると、
二酸化シリコンが室温という低温でシリコンウェーハの
表面に形成され得る。または、酸素プラズマがチャンバ
１８内に注入され、約４００℃のシリコンウェーハ上に
供給されると、より大きい成長速度が達成される。な
お、ここで、４００℃というのは、イオン化されていな
い酸素による熱処理条件である１，１００℃より充分低
い温度である。
【００７０】成膜の温度要求を低くすることに加えて、
プラズマ状態の反応ガスを注入することにより、既に形
成されたデバイスがその後の成膜に伴う高温に晒されな
くなり、従って、安定したままでいる。さらに、プラズ
マ状態のガスを注入することによって、新しいデバイス
への応用が可能となる。
【００７１】次に、例を挙げる。
【００７２】例４ 窒素は、裸（bare）ウェーハとは、１，１５０℃で注入
したとしても、反応しない。窒素がプラズマ状態でチャ
ンバ１８内に注入され、シリコンウェーハ上に供給され
ると、窒化シリコンの非常に薄い膜が室温で形成され
る。この成長反応は、窒素がヘリウムプラズマを用いて
イオン化されると、さらに促進される。
【００７３】例５ フッ素含有化合物、例えば、水素フレオン（hydrogen F
reon）、ＮＦ３、ＸｅＦ２等が励起されてプラズマとな
り、反応器１０のチャンバ内に注入され、シリコンウェ
ーハ上に供給されると、励起したフッ素イオンはウェー
ハを自然酸化膜または堆積した酸化膜から等方的にエッ
チングするのに使用することができる。
【００７４】その結果、励起したフッ素イオンは、非常
に有効なウェーハの前クリーニング（pre-cleaning）や
堆積後のクリーニングという応用に使用することができ
る。さらに、例えば、エッチャントとしてＸｅＦ２を使
用すると、前クリーニング、エッチング、堆積と同時の
クリーニングおよび後クリーニング（post-cleaning）
を室温、例えば、２５℃で行うことができる。
【００７５】例６ 本反応器を使用して、種々の温度において、ウェーハ表
面のクリーニングまたはゲート酸化膜品質の酸化膜成長
のための表面作成用の「前クリーニング（pre-cleanin
g）」に水素プラズマが使用できる。
【００７６】注入されるガスが酸素であるとき、前クリ
ーニングされたシリコンウェーハ上に高品質の低温二酸
化シリコンが形成できる。この後に酸素に代えて窒素が
注入されると、形成された二酸化物表面は、室温で窒化
され得る。このプロセスは、進歩した半導体ゲート誘電
体形成への道を開くものである。
【００７７】例７ 本反応器とプラズマ発生器を使用して、アンモニアがイ
オン化されプラズマとなってチャンバ内に注入され、プ
ラズマ化されていないシランもまた注入されると、例え
ば、チューブ４６ｂ、４６ｃを介して注入されると、窒
化シリコンが７５０℃（これは、典型的には、窒化シリ
コンを成長する最低のプロセス温度である）より低い温
度で成長する。
【００７８】上述したように、反応器１０は、好ましく
は、放射率を測定して基板１２の温度を種々の製造プロ
セスのうちの一つに計算する非接触の放射率測定システ
ム２２を備えている。放射率測定システム２２は、好ま
しくはチャンバ１８内に位置する参照用光源からの放射
と、基板１２による放射とを比較して基板１２の温度を
決定する。参照用光源は、好ましくは、米国特許第５，
９５１，８９６号に記載されているヒータアセンブリ２
０に使用されているランプの構造に類似する少なくとも
一つのランプを備えている。放射率測定システム２２の
好ましい例の詳細については、米国特許第５，８１４，
３６５号を参照のこと。
【００７９】反応器１０は、カバー２８に固定され、す
べてのプロセス条件の間、基板デバイス１２のデバイス
側１２ａから放射される光子エネルギーデータを絶えず
集める複数の光ファイバ温度測定プローブ５４をさらに
備える。プローブ５４によって測定された温度は、メイ
ンコンピュータ制御装置に送られ、セット温度と比較さ
れ、その差が計算され、制御電流に変えられて標準仕様
のＳＣＲ電流リレーを制御し、比例した電力がヒータア
センブリ２０のランプゾーンの各々に供給される。好ま
しくは、反応器１０は、ウェーハの異なる部分の温度を
測定するように位置せしめられた３つのプローブ５４を
備え、それによってプロセスサイクル中の温度均一性を
確実にする。
【００８０】処理ユニット５６によって計算された基板
１２の温度の読みは、好ましくは、ヒータアセンブリ２
０の出力をモニタし制御する制御システム（図示せず）
への入力として使用される。制御システムは、反応器ハ
ウジング２４のベース壁３６を介して延在する電気供給
スルー（through）５８を介してヒータアセンブリ２０
とつながっている。反応器１０の真空を維持するため、
供給スルー５８は、Ｏ−リングまたは他の従来型の密閉
デバイスや方法によって密閉されている。
【００８１】半導体基板１２が処理された後、基板１２
は、反応器１０内で基板１２の自動ローディングおよび
アンローディングのために、プラットフォーム２６を通
って突き出てプラットフォーム２６から基板１２を持ち
上げる複数のリフトピン６０によってプラットフォーム
２６から持ち上げられる。リフトピン６０は、従来から
当業界で知られているマグネットカップリングのウェー
ハ昇降機６２によって昇降される。ピン６０は、ハウジ
ング２４の中央に位置し、ヒータアセンブリ２０の中央
部とプラットフォーム２６の中央部を通って突き出てい
る。同様に、チャンバ１８内の真空を維持するために、
リフトピン６０は、ハウジング２４のベース壁３６に設
けられたＯリングシールを介して延在している。
【００８２】図８を参照すれば、反応器１０は、電磁場
プラズマ発生器１１４を備えている。発生器１１４は、
発生器チューブ１１６と、発生器チューブの周りに設け
られたスリーブ１１８と、スリーブ１１８の周りに設け
られたコイル１２０とを備えている。スリーブ１１８
は、好ましくは、コイル１２０を冷却するための水冷ス
リーブを備えている。コイル１２０は、一端が接地され
ると共に、駆動回路１２１に電気的に結合されている。
駆動回路１２１は、高周波（ＲＦ）電源またはマイクロ
波電源としての電源１２２と、インピーダンスマッチン
グ回路１２４とを備えている。例えば、電源１２２がＲ
Ｆ電源を備える場合には、電源１２２は、１３．５６Ｍ
Ｈｚの周波数を持ち、好ましくは、約８００〜１２００
ワット、さらに好ましくは、約１０００ワットの電力を
供給する。コイル１２０は、好ましくは、直径が、例え
ば約０．１５インチの銅のコイルであり、スリーブ１１
８の周りに約２〜２０回、より好ましくは、約７回巻か
れる。
【００８３】図７において最もよく見られるように、発
生器チューブ１１６は、インプット端１１６ａとアウト
プット端１１６ｂとを備え、アウトプット端１１６ｂ
は、各供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃ内に挿入さ
れている。ガスが発生器チューブ１１６のインプット端
１１６ａに注入されると、電源１１２が作動させられ、
コイル１２０によって発生器チューブ１１６内に電磁場
が発生させられる。ある所定の電力において、ガスは、
より大きい供給チューブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃの閉じ
込め領域（confine）内で、解離しイオン化する。これ
らの励起したガス種は、その後チャンバ１８内に供給さ
れ、基板１２上に当たる。中央チューブ４６ａと外側チ
ューブ４６ｂ、４６ｃとを介してチャンバ１８内に供給
されたガスの化学的性質に応じて、上述の例で説明した
ように、非常に多くのプロセスが達成できる。
【００８４】従って、リモートプラズマ発生器は、ガス
がイオン化されてプラズマ状態になるようにガスのエネ
ルギーを高めるべく、基板の処理に使用されるガスにエ
ネルギーを供給する。このようなエネルギーを与えられ
た種は、その後もっと化学的に活性化された状態とな
り、その結果、プラズマ発生器または電場を処理される
ウェーハからほぼ完全に隔離しつつ、半導体薄膜の形成
に要求されるプロセス温度を下げることになる。プラズ
マ場に伴う高電子エネルギーが、反応器の処理チャンバ
内で処理されている半導体基板に到達するのを防ぐこと
によって、リモートプラズマシステムは、デバイスの損
傷および／または不良等の処理中の半導体基板における
変化を防止する。この新しい石英ガス注入システムは、
米国特許第５、８１４、３６５号において記載された反
応器と同様の１以上の特徴を備え、さらに、イオン化し
てプラズマ状態となったガスを注入するという利点と、
各ガス注入石英チューブの除去と交換を容易に行えると
いう利点をも備えている。この設計によって、微粒子汚
染を著しく減少させる。この新規なチャンバの設計にお
けるリモートプラズマ活性化技術を使用することによっ
て、非常に多くの他の化学反応、膜成長およびエッチン
グを行うことができる。加えて、半導体基板の処理につ
いて説明してきたが、本発明のリモートプラズマシステ
ムおよび方法を備えるこの新規な反応器は、他の基板の
処理に使用してもよい。さらに、反応器に設けられたヒ
ータパワー技術の高温能力によって、形成された膜はそ
の場で（insitu）素早くアニールされ、または高温で熱
処理されることができる。
【００８５】今後の説明のために、「上」および「下」
の用語およびそれらの派生語およびそれらと同等の語
は、図１〜８において方向づけられた発明に関連づけら
れなければならない。本発明は、明示的にそうでないと
している場合を除き、種々の代替的な方向や構成をとる
ことができることは理解される。また、添付の図面に示
され、上述の明細書に記載された特定の寸法、構成、装
置、方法は、請求項で定義された発明概念の単なる例示
的な実施の形態であることも理解される。従って、ここ
で開示された実施の形態に関連する特定の寸法や他の物
理的特性は、請求項においてそうでないと明示的に記載
されていない限り、制限するものではない。
【００８６】従って、本発明は、基板の処理を促進する
ためにガスプラズマになっている反応ガスを注入する反
応器チャンバを提供する。さらにこの反応器チャンバ
は、基板に処理ガスが薄膜として均一に堆積するように
処理中に基板へのイオン化したガスを届け、その流れを
制御する。
【００８７】本発明のいくつかの態様を示し説明してき
たが、当業者にとっては、他の形態もここで明らかにな
るであろう。例えば、一種以上のガスをイオン化するの
に他の発生器も使用できる。さらに、本発明のリモート
プラズマシステムは、他の反応器においても使用でき
る。従って、図面に示され、上記において説明した実施
の形態は単に例示的な目的のためのみであり、請求項で
定義される本発明の範囲を限定する意図でないことは理
解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリモートプラズマ発生システムを備え
る反応器の斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図２のＩＩＡ−ＩＩＡ線拡大断面図である。
【図４】図２の反応器のガス注入チューブの拡大図であ
る。
【図５】図１の反応器のカバーの拡大上面図である。
【図６】図５のカバーの拡大底面図である。
【図７】図３と同様な図であって、本発明のリモートプ
ラズマ発生システムの第２の実施の形態を示す図であ
る。
【図８】図７のリモートプラズマ発生システムの拡大図
である。
【符号の説明】
１８…処理チャンバ １６…ガス注入アセンブリ １４…プラズマ発生器 ４６…注入チューブ ５２ａ、５２ｂ、５２ｃ…供給チューブ １１６…発生器チューブ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】処理チャンバと、 少なくとも一種のガスを前記処理チャンバに注入し、前
    記処理チャンバ内に注入される前記ガスをガスプラズマ
    化するガス注入アセンブリとを備える基板処理装置であ
    って、 前記ガス注入アセンブリは、少なくとも２つのガス注入
    チューブを備え、 前記ガス注入チューブのうちの第１のものは、前記処理
    チャンバに第１のガスを注入し、 前記ガス注入チューブのうちの第２のものは、前記処理
    チャンバに第２のガスを注入し、 前記ガス注入アセンブリは、前記第１および第２のガス
    のうち少なくとも一つをガスプラズマ化して前記処理チ
    ャンバ内へ注入することを特徴とする基板処理装置。
  2. 【請求項２】処理チャンバと、 少なくとも一種のガスを前記処理チャンバに注入し、前
    記処理チャンバ内に注入される前記ガスをガスプラズマ
    化するガス注入アセンブリとを備える基板処理装置であ
    って、 前記ガス注入アセンブリは、プラズマ発生器と、供給チ
    ューブとを備え、 前記プラズマ発生器は、前記供給チューブと連通する発
    生器チューブであって、前記供給チューブ内で前記ガス
    をガスプラズマ化するように前記発生器チューブ内で電
    磁場を発生する前記発生器チューブを備えることを特徴
    とする基板処理装置。
  3. 【請求項３】前記供給チューブは、前記供給チューブ内
    で前記ガスがガスプラズマ化するように前記発生器チュ
    ーブよりも大きい直径を有していることを特徴とする請
    求項２記載の基板処理装置。
  4. 【請求項４】処理チャンバと、 少なくとも一種のガスを前記処理チャンバに注入し、前
    記処理チャンバ内に注入される前記ガスをガスプラズマ
    化するガス注入アセンブリとを備える基板処理装置であ
    って、 前記ガス注入アセンブリは、少なくとも２つのガス注入
    チューブを備え、 前記ガス注入チューブのうちの第１のものは、前記処理
    チャンバに第１のガスを注入し、 前記ガス注入チューブのうちの第２のものは、前記処理
    チャンバに第２のガスを注入し、 前記ガス注入アセンブリは、前記第１および第２のガス
    のうち少なくとも一つをガスプラズマ化して前記処理チ
    ャンバ内へ注入する基板処理装置を使用して、 半導体基板を処理する工程を備えることを特徴とする半
    導体装置の製造方法。
  5. 【請求項５】前記第１のガスはアンモニアを含み、前記
    第１および第２のガスのうち少なくとも一つのガスプラ
    ズマ化は、前記第１のガスのガスプラズマ化を含み、 前記第２のガスは、シランを含むことを特徴とする請求
    項４記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項６】前記第２のガスはガスプラズマ化されずに
    前記処理チャンバに注入されることを特徴とする請求項
    ５記載の半導体装置の製造方法。
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