JP2005056911A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】早いスループットを実現することができる基板処理装置を提供する。
【解決手段】基板処理装置１０は、第１の処理炉２８と第２の処理炉３０とを有する。第１の処理炉２８は例えばプラズマ処理炉であり、第２の処理炉３０は例えばノンプラズマ処理炉である。第１の処理炉２８で例えば予備加熱を行い、第２の処理炉３０で熱処理を行い、第１の処理炉２８で冷却を行う。処理炉２８，３０への基板搬送と処理炉２８，３０の加熱は、制御装置３４により制御される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置（半導体デバイス）を製造するための基板処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この主の基板処理装置として、複数の処理炉を用いるものは公知である。
【０００３】図５において、従来の基板処理装置２００は、平面形状が五角形である気密な搬送室２０２を有する。この搬送室２０２には、基板搬送装置２０４が設けられている。搬送室２０２の前面には、カセット室２０６ａ，２０６ｂとの設けられ、該カセット室２０６ａ，２０６ｂは、ゲートバルブ２０８ａ，２０８ｂを介して搬送室２０２に気密に連結されている。また、該カセット室２０６ａ，２０６ｂの前面には、カセットドア２１０ａ，２１０ｂが設けられ、該カセットドア２１０ａ，２１０ｂに対向してカセットローダ２１２が配置されており、該カセットローダ２１２によりカセット室２０６ａ，２０６ｂへシリコンウェハ等の基板２１４が収められたカセット２１６を投入し、又はカセット室２０６ａ，２０６ｂからカセット２１６を取り出すようになっている。
【０００４】前記搬送室２０２の前面に隣接する２面には、それぞれ気密な冷却室２１８ａ，２１８ｂが相対向するように設けられ、該冷却室２１８ａ，２１８ｂは、それぞれゲートバルブ２２０ａ，２２０ｂを介して搬送室２０２に気密に連結されている。又、搬送室２０２の前面に対向する２面には、それぞれ処理炉２２２ａ，２２２ｂが設けられ、該処理炉２２２ａ，２２２ｂは、それぞれゲートバルブ２２４ａ，２２４ｂを介して搬送室２０２に気密に連結されている。
【０００５】処理炉２２２ａ，２２２ｂにおいては、搬入された基板２１４に対して成膜処理が行われる。成膜処理が完了すると、基板搬送装置２０４は、処理済の基板２１４を冷却室２１８ａ，２１８ｂに移載し、該冷却室２１８ａ，２１８ｂに窒素ガスを流通させ所定温度まで基板２１４を冷却した後、カセット室２０６ａ，２０６ｂのカセットに払戻す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例においては、基板２１４を処理炉２２２ａ，２２２ｂにより処理した後、冷却室２１８ａ，２１８ｂに搬送し、該冷却室２１８ａ，２１８ｂで冷却した後、カセット２１６に戻すようにしているので、スループットが遅いという問題がある。
【０００７】そこで、本発明は、上記従来の技術の問題点を解消し、より早いスループットを実現することができる基板処理装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは、基板搬送装置を内部に有する気密な搬送室と、この搬送室に気密に連結され、所望の処理ガスが供給され、基板に所望の膜を形成する複数の処理炉と、前記処理炉の数よりも多い基板処理工程を前記複数の処理炉にて実行するよう前記基板搬送装置及び前記処理炉を制御する制御手段と、を有する基板処理装置にある。
【０００９】処理炉は、例えば２つであり、基板処理工程は例えば３つである。２つの処理炉の１つをプラズマ処理炉とし、他をノンプラズマ処理炉とすることが好ましい。第１の処理温度で基板を処理する工程、例えば予備加熱を兼ねて窒化処理工程をプラズマ処理炉により実行し、第２の温度で基板を処理する工程、例えば熱処理工程をノンプラズマ処理炉により実行し、第３の温度で基板を処理する工程、例えば冷却を兼ねてプラズマによる酸化工程をプラズマ処理炉により実行することができる。本発明に係る熱処理装置は、例えば基板上に五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）の薄膜を形成する場合に用いることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、基板処理装置１０は、平面形状が五角形である気密な搬送室１２を有する。この搬送室１２には、基板搬送装置（基板移載機）１４が設けられている。搬送室１２の前面には、カセット室１６ａ，１６ｂとの設けられ、該カセット室１６ａ，１６ｂは、ゲートバルブ１８ａ，１８ｂを介して搬送室１２に気密に連結されている。また、該カセット室１６ａ，１６ｂの前面には、カセットドア２０ａ，２０ｂが設けられ、該カセットドア２０ａ，２０ｂに対向してカセットローダ２２が配置されており、該カセットローダ２２によりカセット室１６ａ，１６ｂへシリコンウェハ等の基板２４が収められたカセット２６を投入し、又はカセット室１６ａ，１６ｂからカセット２６を取り出すようになっている。
【００１１】搬送室１２の前面に対向する２面には、第１の処理炉２８と第２の処理炉３０が設けられ、該第１の処理炉２８と第２の処理炉３０は、それぞれゲートバルブ３２ａ，３２ｂを介して搬送室１２に気密に連結されている。
【００１２】後述するように、第１の処理炉２８は、低温で基板２４を窒化処理又は酸化処理するためのプラズマ処理炉であり、また、第２の処理炉３０は、高温で基板を熱処理するためのノンプラズマ処理炉である。
【００１３】制御手段を構成する例えばコンピュータからなる制御装置３４は、前述した基板搬送装置１４、第１の処理炉２８及び第２の処理炉３０を制御する。
【００１４】第１の処理炉２８は、電界と磁界とにより高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｔｙｐｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）を用いて基板をプラズマ処理する基板処理炉（以下、ＭＭＴ装置と称する）である。このＭＭＴ装置は、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反応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。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できる。このように反応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、または基板表面に薄膜を形成する、または基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。
【００１５】図２において、第１の処理装置２８の具体例が示され、第１の処理装置２８は、第２の容器である下側容器３６と、該下側容器３６の上に被せられる第１の容器である上側容器３８とから処理室４０が形成されている。上側容器３８は、ドーム型の酸化アルミニウム又は石英で形成されており、下側容器３６は、アルミニウムで形成されている。また後述するヒータ一体型の基板保持手段であるサセプタ４２を窒化アルミニウム石英等のセラミックスから構成することによって、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。
【００１６】上側容器３８の上部には、ガス分散空間であるバッファ室４４を形成するシャワーヘッド４６が設けられ、このシャワーヘッド４６の上壁にはガス導入用の導入口であるガス導入口４８が設けられている。シャワーヘッド４６の下壁は、ガスを噴出する噴出孔であるガス噴出孔５０を有するシャワープレート５２からなっている。前述したガス導入口４８は、ガスを供給する供給管であるガス供給管５４により、開閉弁であるバルブ５６及び流量制御手段であるマスフローコントローラ５８を介して、反応ガス６０が貯蔵されたガスボンベ（図示せず）に繋がっている。シャワーヘッド４６から反応ガス６０が処理室４０に供給され、また、サセプタ４２の周囲から処理室４０の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器３６側壁にガスを排出する排気口であるガス排気口６２が設けられている。ガス排気口６２は、ガスを排気する排気管であるガス排気管６４により、圧力調整器であるＡＰＣ６６及び開閉弁であるバルブ６８を介して、排気装置である真空ポンプ７０に接続されている。
【００１７】供給される反応ガス６０を励起させる放電手段として断面が筒状であり、好適には円筒状の第１の電極である筒状電極７２が設けられている。
この筒状電極７２は、処理室４０の外周に設置されて処理室４０内のプラズマ生成領域７４を囲んでいる。この筒状電極７２には、インピーダンスの整合を行う整合器７６を介して、高周波電力を印加する高周波電源７８が接続されている。
【００１８】また、断面が筒状であり、好適には円筒状の磁界発生手段である筒状磁石８０は永久磁石となっている。この筒状磁石８０は、筒状電極７２の外表面の上下端近傍に配置されている。上下の筒状磁石８０，８０は、処理室４０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８０，８０の磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、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７２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。
【００１９】処理室４０の底側中央には、基板２４を保持するための基板保持手段としてサセプタ４２が配置されている。このサセプタ４２は、基板２４を加熱できるようになっている。サセプタ４２は、例えば窒化アルミニウムで構成され、内部に過熱手段としてのヒータ（図中省略）が一体的に埋め込まれている。ヒータは、高周波電力が印加されて基板２４を例えば５００°Ｃ程度まで加熱できるようになっている。
【００２０】また、サセプタ４２の内部には、さらにインピーダンスを可変するための電極である第２の電極も装備されており、この第２の電極がインピーダンス可変機構８２を介して接地されている。インピーダンス可変機構８２は、コイルや可変コンデンサから構成され、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、上記電極及びサセプタ４２を介して基板２４の電位を制御できるようになっている。
【００２１】基板２４をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理するための第１の処理炉２８は、少なくとも前述した処理室４０、サセプタ４２、筒状電極７２、筒状磁石８０、シャワーヘッド４６、及び排気口６２から構成されており、処理室４０で基板２４をプラズマ処理することが可能となっている。
【００２２】筒状電極７２及び筒状磁石８０の周囲には、この筒状電極７２及び筒状磁石８０で形成される電界や磁界を外部環境や他の処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板８４が設けられている。
【００２３】サセプタ４２は下側容器３６と絶縁され、サセプタ４２を昇降させる昇降手段であるサセプタ昇降機構８６が設けられている。またサセプタ４２は貫通孔８８を有し、下側容器３６底面には、基板２４を突上げるための基板突上手段である基板突上げピン９０が少なくとも３箇所に設けられている。そして、サセプタ昇降機構８６によりサセプタ４２が下降させられたときには基板突上げピン９０がサセプタ４２と非接触な状態で貫通孔８８を突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔８８及び基板突上げピン９０が設けられている。
【００２４】また、下側容器３６の側壁には仕切弁となるゲートバルブ３２ａが設けられ、このゲートバルブ３２ａが開いているときには、前述した基板搬送装置により処理室４２へ基板２４が搬入、または搬出され、閉まっているときには、処理室４２を気密に閉じることができる。
【００２５】また、前述した制御装置３４は、高周波電源７８、整合器７６、バルブ５６、マスフローコントローラ５８、ＡＰＣ６６、バルブ６８、真空ポンプ７０、サセプタ昇降機構８６、ゲートバルブ３２ａ、サセプタ４２に埋め込まれたヒータに高周波電力を印加する高周波電源と接続され、それぞれを制御するようになっている。
【００２６】上記のような構成において、基板２４の表面を、又は基板２４上に形成された下地膜の表面に対して所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。
【００２７】基板２４は、第１の処理炉２８を構成する処理室４２の外部から基板２４を搬送する基板搬送装置によって処理室４２に搬入され、サセプタ４２上に搬送される。この搬送動作の詳細を説明すると、まずサセプタ４２が下がった状態となっており、基板突上げピン９０の先端がサセプタ４２の貫通孔８８を通過してサセプタ４２表面よりも所定の高さ分だけ突き出された状態で、下側容器３６に設けられたゲートバルブ３２ａが開き、基板搬送装置によって基板２４を基板突上げピン９０の先端に載置し、基板搬送装置が処理室４２外へ退避すると、ゲートバルブ３２ａが閉まり、サセプタ４２がサセプタ昇降機構８６により上昇すると、サセプタ４２上面に基板２４を載置することができ、更に基板２４を処理する位置まで上昇する。
【００２８】サセプタ４２に埋め込まれたヒータは予め加熱されており、搬入された基板２４を室温〜５００°Ｃの範囲内で基板処理温度に加熱する。真空ポンプ７０、及びＡＰＣ６６を用いて処理室４２の圧力を０．１〜１００Ｐａの範囲内に維持する。
【００２９】基板２４を加熱温度に加熱したら、ガス導入口４８からシャワープレート５２のガス噴出孔５０を介して、反応ガスを処理室４２に配置されている基板２４の上面に向けてシャワー状に導入する。同時に筒状電極７２に高周波電源７８から整合器７６を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、１５０〜２００Ｗの範囲内の出力値で投入する。このときインピーダンス可変機構８２は予め所望のインピーダンス値に制御しておく。
【００３０】筒状磁石８０，８０の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、基板２４の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域７４に高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ４２上の基板２４の表面にプラズマ処理がなされる。表面処理が終わった基板２４は、基板搬送装置を用いて基板搬入と逆の手順で処理室４２外へ搬送される。
【００３１】なお、制御装置３４により、高周波電源７８の電力ＯＮ・ＯＦＦ、整合器７６の調整、バルブ５６の開閉、マスフローコントローラ５８の流量、ＡＰＣ６６の開弁度、バルブ６８の開閉、真空ポンプ７０の起動・停止、サセプタ昇降機構８６の昇降動作、ゲートバルブ３２ａの開閉、サセプタ４２に埋め込まれたヒータに高周波電力を印加する高周波電源への電力ＯＮ・ＯＦＦをそれぞれ制御している。
【００３２】第２の処理炉３０は、例えば枚葉式ホットウオール減圧ＣＶＤ装置からなる。第２の処理炉３０の具体例が図３に示されている。図３において、石英製、炭化珪素製又はアルミナ製の反応容器としての反応管９４は、水平方向に扁平な空間を有しており、内部に基板２４を収容する。反応管９４の内部には、基板２４を支持する基板保持手段としての基板支持台９６が設けられ、反応管９４の両端には気密にマニホールドとしてのガス導入フランジ９８ａ，９８ｂが設けられ、一方のガス導入フランジ９８ｂには更に仕切弁としてのゲートバルブ３２ｂを介して前述した搬送室が連結されている。
【００３３】ガス導入フランジ９８ａ，９８ｂには、それぞれ供給管としてのガス導入ライン１０２ａ，１０２ｂ、排気管としての排気ライン１０４ａ，１０４ｂが連通している。ガス導入ライン１０２ａ，１０２ｂには、反応管９４内に導入するガスの流量を制御する流量制御手段１０６ａ，１０６ｂがそれぞれ設けられている。また、排気ライン１０４ａ，１０４ｂには、反応管９４内の圧力を制御する圧力制御手段１０８ａ，１０８ｂが設けられている。
【００３４】反応管９４の上下には、それぞれ加熱手段としての上ヒータ１１０、下ヒータ１１２が設けられ、反応管９４内部を均一に、又は所定の温度勾配を生じさせて加熱するようになっている。また、上ヒータ１１０、下ヒータ１１２には、それぞれのヒータ温度を制御する温度制御手段１１４が接続されている。また、上ヒータ１１０、下ヒータ１１２及び反応管９４を覆うように断熱部材としての断熱材１１６が設けられている。
【００３５】反応管９４内の温度、反応管９４内の圧力、反応管９４に供給するガスの流量は、それぞれ温度制御手段１１４、圧力制御手段１０８ａ，１０８ｂ、流量制御手段１０６ａ，１０６ｂにより、所定の温度、圧力、流量となるように制御される。また、温度制御手段１１４、圧力制御手段１０８ａ，１０８ｂ、流量制御手段１０６ａ，１０６ｂは、前述した制御装置３４により制御される。
【００３６】上記のような構成において、基板２４の表面を、又は基板２４上に形成された下地膜の表面に対して所定の処理を施す方法について説明する。
【００３７】反応管９４内の温度がヒータ１１０，１１２により処理温度に維持された状態で、ゲートバルブ３２ｂが開かれ、前述した基板搬送装置により図中左方より反応管９４内に基板２４が搬入され、基板支持台９６に載置される。基板２４が反応管９４内に搬入されると同時に基板２４の処理温度まで昇温するように昇温が開始される。
【００３８】基板搬送装置が後退してゲートバルブ３２ｂが閉じられた後、反応管９４内の圧力は処理圧力となるよう圧料制御手段１０８ａ，１０８ｂにより制御され（圧力安定化）、反応管９４内の温度は基板温度が処理温度となるよう温度制御手段１１４により制御される（温度安定化）。この反応管９４内の圧力安定化、基板２４の温度安定化の際、反応管９４にはガス導入ライン１０２ａ，１０２ｂより不活性ガスが導入されつつ、排気ライン１０４ａ，１０４ｂより排気され、反応管９４内は、不活性ガス雰囲気とされる。
【００３９】反応管９４内の圧力が処理圧力に安定化し、基板２４の温度が処理温度に安定化した後、反応管９４内にガス導入ライン１０２ａ，１０２ｂより処理ガスが導入され、排気ライン１０４ａ，１０４ｂより排気されることにより、基板２４が処理される。この際、処理の均一性を確保するため、処理ガスは対角に向かって交互に流すことが好ましい。すなわち、例えば、まず処理ガスをガス導入ライン１０２ａから排気ライン１０４ｂに向かって基板２４の表面に対して略水平な方向に流し、その後、それとは反対向きに、すなわちガス導入ライン１０２ｂから排気ライン１０４ａに向かって基板２４の表面に対して略水平な方向に流し、所要時間毎に流れの向きを変更することが好ましい。なお、処理の均一性が処理ガスの流れの向きに依存しないような場合は、処理ガスは一定方向に向かって流れるようにしてもよい。すなわち、例えばガス導入ライン１０２ａから排気ライン１０４ｂに向かって基板２４の表面に対して略水平な方向に、或いはガス導入ライン１０２ｂから排気ライン１０４ｂに向かって基板２４の表面に対して略水平な方向に流れるようにしてもよい。
【００４０】基板２４の処理が終了すると、反応管９４内の残留ガスを除去するために、反応管９４内には、ガス導入ライン１０２ａ，１０２ｂより不活性ガスが導入されつつ、排気ライン１０４ａ，１０４ｂより排気され、反応管９４内がパージされる。なお、基板処理時の処理ガスの供給流量、基板処理前または後の不活性ガスの供給流量は流量制御手段１０６ａ，１０６ｂにより制御される。
【００４１】反応管９４内のパージ後、反応管９４内の圧力を圧力制御手段１０８ａ，１０８ｂにより、基板搬送圧力になるよう調整される。反応管９４内の圧力が搬送圧力となった後、ゲートバルブ３２ｂが開かれ、基板２４は、基板搬送装置により反応管９４より搬送室へ搬送される。
【００４２】なお、上述の圧力制御手段１０８ａ，１０８ｂによる反応管９４内の圧力制御、温度制御手段１１４による反応管９４内の温度制御、流量制御手段１０６ａ，１０６ｂによる反応管９４へのガス流量制御は、前述した制御装置３４が各制御手段を制御することにより行われる。
【００４３】次に上記実施形態に係る基板処理装置１０を用いてシリコン基板上に五酸化タンタル膜を成膜処理する場合について説明する。
【００４４】まず図４（ａ）に示すように、第１の処理炉２８において、シリコン基板２４をプラズマ窒化処理して窒化シリコン膜１１８を形成する。この場合、筒状電極７２に高周波電源７８から整合器７６を介して印加する高周波電力は、０〜１２００Ｗである。また、この場合の反応ガスは窒素であり、ガス流量は、それぞれ０〜５ｓｌｍで、時間は１〜６０秒である。窒化シリコン膜１１８の膜厚は例えば２ｎｍである。処理温度は約４００°Ｃとする。プラズマによる処理であるため、処理温度は常温であってもよいが、後述するＴａ_２Ｏ_５成膜処理に対する予備加熱を兼ねるために４００°Ｃ前後で実施する。
【００４５】次にシリコン基板２４を第２の処理炉３０に搬送し、第２の処理炉３０において、窒化シリコン膜１１８上にＴａ_２Ｏ_５膜１２０を形成する。
この場合の反応ガスはペンタエトキシタンタル（Ｔａ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５）であり、ガス流量は１〜５ｃｃｍであり、時間は１〜６０秒である。窒素ガス、酸素ガス及びヘリウムガスを併せて供給することがあり、それぞれのガス流量は０〜５ｓｌｍ、時間は１〜６０秒である。処理温度は約４８０°Ｃとする。
【００４６】次にＴａ_２Ｏ_５膜１２０が形成されたシリコン基板２４を再び第１の処理炉２８に搬送し、第１の処理炉２８において、プラズマによる酸化処理を行う。この場合の高周波電力は０〜３０００Ｗである。また、この場合の反応ガスは酸素とクリプトンであり、ガス流量はそれぞれ０〜１０ｓｌｍであり、時間は１〜６０秒である。これにより基板２４のＴａ_２Ｏ_５膜１２０は膜質が改善され、リーク電流を低減することができる。また、常温で行うこともできるが、処理レートが落ちるので、上記のように４００°Ｃ前後で行うことが好ましい。そして、この第１の処理炉２８において、基板２４を冷却することができるものである。
【００４７】以上のように、本発明は、特許請求の範囲に記載した事項を特徴とするが、さらに次のような実施形態が含まれる。
（１）請求項１記載の基板処理装置において、前記複数の処理炉での処理は、第１の処理温度で行う第１の工程と、第１の処理温度よりも高い第２の処理温度で行う第２の工程と、第２の処理温度よりも低い第３の処理温度で行う第３の工程とを有することを特徴とする基板処理装置。
（２）（１）記載の基板処理装置において、前記第１の工程と第３の工程とは第１の処理炉で実行し、第２の工程は第２の処理炉で実行することを特徴とする基板処理装置。
（３）（２）記載の基板処理装置において、前記第１の処理炉はプラズマ処理炉であり、第２の処理炉はノンプラズマ処理炉である基板処理装置。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数の処理炉を用いて予備加熱や冷却等を行うようにしたので、スループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る基板処理装置を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る基板処理装置における第１の処理炉を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る基板処理装置における第１の処理炉を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る基板処理装置を用いて処理される基板の側面図である。
【図５】従来の基板処理装置を示す平面図である。
１０ 基板処理装置
１２ 搬送室
１４ 基板搬送装置
２４ 基板
２８ 第１の処理炉
３０ 第２の処理炉
３４ 制御装置

Claims (1)

1. 基板搬送装置を内部に有する気密な搬送室と、
   この搬送室に気密に連結され、所望の処理ガスが供給され、基板に所望の膜を形成する複数の処理炉と、
   前記処理炉の数よりも多い基板処理工程を前記複数の処理炉にて実行するよう前記基板搬送装置及び前記処理炉を制御する制御手段と、を有することを特徴とする基板処理装置。

Images