JP2005142448A - 表面波励起プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

表面波励起プラズマｃｖｄ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】被処理基板周辺を適正な成膜可能領域とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置を提供すること。
【解決手段】表面波励起プラズマＣＶＤ装置１００は、シリコン元素を含む材料ガスを上面側導入管および側面側導入管７の少なくとも一方によりチャンバー１内に導入し、表面波励起プラズマＰにより活性化して材料ガスに化学反応を起こさせるプロセスガスをプロセスガス導入管５によりチャンバー１内に導入する。上面側導入管および／または側面側導入管７のガス噴出口６３，７３は、プロセスガス導入管５のガス噴出口５３よりも基板１０に近く設けることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面波励起プラズマを利用して成膜するＣＶＤ装置に関する。
半導体製造プロセスでは、プラズマを利用して成膜を行うプラズマＣＶＤ装置が用いられている。そのようなプラズマＣＶＤ装置としては、従来から平行平板型プラズマ処理装置や電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）プラズマ処理装置などが使用されている。さらに、近年では、より大面積で高密度のプラズマを容易に発生させることができる表面波励起（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）プラズマ処理装置が利用されるようになってきている。
ＳＷＰプラズマＣＶＤ装置では、薄膜の成分元素を含む材料ガスと反応性活性種の原料となるプロセスガスとをプラズマ生成室内に導入し、表面波励起プラズマにより、材料ガスを分解したり化学反応を起こさせて基板上に薄膜を堆積させる。従来の装置では、ガス導入部をプラズマ生成室の側面に設け、プラズマ生成室の側面から誘電体板近傍にガスを導入している。（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３４８８９８号公報（第２頁、図１）
プラズマ密度は、マイクロ波をプラズマ生成室内に導入する誘電体板の近傍で大きい。特許文献１の技術では、誘電体板の近傍にガスを導入するので、この領域で化学反応が急激に行われる。そのため、誘電体板近傍では成膜速度が大きいが、誘電体板から離れたプラズマ領域では、誘電体板近傍で材料ガスが消費されてしまうので、成膜速度が小さくなる。すなわち、プラズマ生成領域であっても、膜厚、膜質ともに適正な成膜可能領域が狭い領域に限定されてしまうという問題がある。
（１）請求項１の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、マイクロ波を誘電体部材を介してプラズマ処理室内に導入し、マイクロ波から表面波を形成し、表面波によりプラズマ処理室内のガスを励起して表面波励起プラズマを生成し、表面波励起プラズマにより被処理基板上にシリコン化合物を形成する表面波励起プラズマＣＶＤ装置であって、シリコン元素を含む材料ガスを導入し、ガス噴出口からプラズマ処理室内に噴出する材料ガス導入手段と、表面波励起プラズマにより活性化して材料ガスに化学反応を起こさせるプロセスガスを導入し、材料ガス導入手段のガス噴出口と離れて設けられたガス噴出口からプラズマ処理室内に噴出するプロセスガス導入手段とを具備することを特徴とする。この表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、材料ガス導入手段のガス噴出口は、プロセスガス導入手段のガス噴出口よりも被処理基板に近く設けられることが好ましい。
（２）請求項１または２の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、材料ガス導入手段は、誘電体部材と被処理基板との間の空間にガス噴出口を有し、被処理基板に向かってガスを噴出する第１の材料ガス導入手段と、誘電体部材と被処理基板との間の空間の周辺領域にガス噴出口を有し、被処理基板の表面と略平行にガスを噴出する第２の材料ガス導入手段との少なくとも一方を有することが好ましい。
（３）請求項１〜３のいずれかの表面波励起プラズマＣＶＤ装置では、材料ガス導入手段は、一以上の経路と一以上のガス噴出口とを有することが好ましい。また、材料ガス導入手段は、ガス噴出口の被処理基板との距離を可変とすることができ、さらに、第２の材料ガス導入手段では、ガス噴出口の向きを可変とすることもできる。
（４）請求項１〜６のいずれかの表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、材料ガス導入手段は、ガス噴出口の前方にガス流拡散部材をさらに有することが好ましい。
（５）請求項１〜７のいずれかの表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、プロセスガス導入手段は、誘電体部材に一以上の経路と一以上のガス噴出口とを有するガス流路を設けて構成することができる。
本発明によれば、被処理基板周辺を適正な成膜可能領域とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置を提供することができる。
以下、本発明による表面波励起プラズマＣＶＤ装置（以下、単にプラズマＣＶＤ装置という）について図１〜１０を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第1の実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す全体構成図である。図２〜４は、第1の実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置のそれぞれプロセスガス導入管、上面側導入管、側面側導入管の構造を示す図である。
図１において、プラズマＣＶＤ装置１００は、チャンバー１、マイクロ波導波管２、スロットアンテナ３、誘電体板４、プロセスガス導入管５、材料ガス用上面側導入管６、材料ガス用側面側導入管７、真空排気管８および基板ホルダー９を備える。チャンバー１は、その内部空間に生成するプラズマを利用して、基板ホルダー９に保持された基板１０の表面に成膜するための密閉容器である。基板ホルダー９は、Ｚ方向の移動と回転が可能であり、必要に応じて、加熱、冷却、電界印加が可能である。
チャンバー１の上部には、石英やアルミナなどで作製された誘電体板４が設けられている。誘電体板４の上面に接して、マイクロ波導波管２が載置されている。マイクロ波導波管２の底板には、長矩形の開口であるスロットアンテナ３が設けられている。
チャンバー１内にガスを導入するためのガス導入管は３つあり、プロセスガス導入管５、上面側導入管６および側面側導入管７である。プロセスガス導入管５は、プロセスガスをチャンバー上板に形成された貫通孔５１、誘電体板４に形成された流路５２を順次通して複数の噴出口５３からチャンバー１内に導入する配管である。噴出口５３は、基板１０表面を基準として、距離ｈ１の位置にある。
上面側導入管６は、材料ガスを縦管６１、縦管６１から分岐して図中紙面に垂直な平面上に拡がる分岐管６２を順次通して複数の噴出口６３からチャンバー１内に導入する配管である。噴出口６３は、基板１０表面を基準として、距離ｈ２の位置にある。距離ｈ２は、縦管６１をＺ方向（上下方向）に沿って直進移動させることにより、可変である。
側面側導入管７は、材料ガスを横管７１と、横管７１から分岐して基板１０を取り囲むように設けられた複数の垂直管７２とを順次通して複数の噴出口７３からチャンバー１内に導入する配管である。噴出口７３は、基板１０表面を基準として、距離ｈ３の位置にある。距離ｈ３は、横管７１をＺ方向に沿って直進移動させることにより、可変である。以上の３つのガス導入管５，６，７については後に詳述する。
プロセスガス導入管５からチャンバー１へ導入されるプロセスガスは、Ｎ２ガス、Ｏ２ガス、Ｈ２ガス、ＮＯ２ガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガス等の反応性活性種の原料となるガスおよびＡｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等の希ガスである。上面側導入管６または側面側導入管７からチャンバー１へ導入される材料ガスは、ＳｉＨ４ガス、Ｓｉ２Ｈ６ガス等のシリコン薄膜或いはシリコン化合物薄膜の成分であるＳｉ元素を含むガスである。Ｓｉ元素を含むガスとしては、ＳｉＨ４ガス、Ｓｉ２Ｈ６ガス等にＨ２ガス、ＮＯ２ガス、ＮＯガス、ＮＨ３ガス等を添加した混合ガスとしてもよい。
チャンバー１の底面には、不図示の真空排気ポンプに接続される真空排気管８が配設されている。３つのガス導入管５，６，７を通してそれぞれ所定のガスを所定流量でチャンバー１内に導入しながら真空排気を行うことによって、チャンバー１内を所定圧力に保持することができる。
図２は、プロセスガス導入管５の一部が組み込まれる誘電体板４の構造を模式的に示す平面図である。誘電体板４は、複数の誘電体ブロック４ａを組み合わせて構成され、全体として円板形状である。誘電体ブロック４ａ同士が接触するコーナーには、ブロック同士の隙間である貫通孔５２が紙面に垂直に形成されている。貫通孔５２の基板側の開口がガス噴出口である。このように誘電体ブロック４ａを組み合わせた構造にするのは、大面積の板材に比べて、プラズマにより加熱された場合に、誘電体の内部応力を小さく抑え、耐熱性を増すためである。また、ブロック構造は、素材の製造が容易であり、薄型化によって自重による欠損を防止する利点があるためである。さらに、ブロック構造は、大面積の１枚の板材に貫通孔を設けるのに比べて、ブロック同士の隙間を貫通孔５２として利用できるので、孔明けの必要がない。
図３は、上面側導入管６の構造を模式的に示す底面図である。縦管６１は、環状管６２ａおよび直管６２ｂに連通し、環状管６２ａは、直管６２ｂを介して内部が空洞の中央円盤６２ｃに連通している。環状管６２ａおよび中央円盤６２ｃには多数のガス噴出口６３が形成されている。従って、縦管６１から導入された材料ガスを、環状管６２ａの噴出口６３および中央円盤６２ｃの噴出口６３からチャンバ−１の中に放出できる。なお、環状管６２ａおよび直管６２ｂは、分岐管６２を構成する。
図４（ａ）は、側面側導入管７の構造を模式的に示す斜視図である。図４（ｂ）は、側面側導入管７の部分的な構造を模式的に示す部分断面図である。横管７１は、環状管７２ａに連通し、環状管７２ａは、複数の垂直管７２ｂの各々に連通している。垂直管７２ｂは、図４（ｂ）に示されているように、外管７２ｃと内管７２ｄによる二重構造である。内管７２ｄには、それぞれガス噴出口７３が形成されている。従って、横管７１から導入された材料ガスを、環状管７２ａを経由して内管７２ｄの噴出口７３からチャンバ−１の中に放出できる。また、内管７２ｄは、外管７２ｃに対して長軸周りに回転可能であり、長軸に沿って直進可能である。これにより、材料ガスの噴出方向、噴出位置（基板からの距離）を自由に変えることができる。なお、環状管７２ａおよび垂直管７２ｂは、分岐管７２を構成する。
再び図１を参照しながら、このように構成されたプラズマＣＶＤ装置１００の作用・効果について説明する。プロセスガスおよび材料ガスは、チャンバー１内で所定圧力に維持されている。不図示のマイクロ波発生源からのマイクロ波は、マイクロ波導波管２のスロットアンテナ３を通して誘電体板４へ放射し、誘電体板４を介してチャンバー１内に導入される。このマイクロ波は表面波となり、誘電体板４の表面を伝搬し、表面波エネルギーによりチャンバー１内のプロセスガスが電離、解離してプラズマＰが生成する。表面波は、誘電体板４の全域に拡がり、誘電体板４の面積に対応する領域に高密度のプラズマＰが生成する。基板１０は、高密度のプラズマＰ中に基板ホルダー９により保持されている。
高密度のプラズマＰの領域に、上面側導入管６および／または側面側導入管７により材料ガスが導入されると、材料ガスは、プラズマＰ中で分解したり化学反応を起こし、基板１０の表面に薄膜が堆積する。このとき、プロセスガス導入管５の噴出口５３と上面側導入管６の噴出口６３との距離、またはプロセスガス導入管５の噴出口５３と側面側導入管７の噴出口７３との距離は、離れている。つまり、材料ガスは、誘電体板４から離れた位置からチャンバー１内に導入されるので、噴出口から放出された瞬間には急激な化学反応は起こさない。従って、化学反応の制御が容易になり、基板周辺に適正な成膜可能領域を形成できる。なお、材料ガス導入用の上面側導入管６と側面側導入管７は、プラズマＣＶＤ装置に両方を設けてもよいし、いずれか一方を設けてもよい。
この様子を図５を用いて説明する。図５は、プラズマＰの領域で生じる化学反応の素過程を示す模式図である。プラズマＰ領域の誘電体板４の近傍では、プラズマ密度が高いためにイオン、電子、ラジカルが多数生成する。ラジカルは、基板１０の方向に拡散し、材料ガス分子と衝突して、分解、励起、再結合などの多岐にわたる気相反応を引き起こし、生成分子が薄膜状になって基板１０の表面に堆積する。
このとき、基板１０の表面からの距離ｈ２またはｈ３を変化させることにより、基板１０の表面に堆積する薄膜の膜質（結晶性、屈折率、内部応力など）を制御することができる。シリコン化合物としては、酸化物、窒化物、炭化物等があるが、例えば、ＳｉＯ２膜を形成する場合、プロセスガスとしてＯ２ガス、材料ガスとしてＳｉＨ４ガスを用いる。ＳｉＯ２膜の形成過程は、ＳｉＨ４分子が酸素ラジカルと反応して、中間生成物Ｓｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ、前駆体ＳｉＯを経てＳｉＯ２を生成する一連の化学反応である。この一連の反応時間は、空間的に考えれば反応種のドリフト距離と等価であるから、基板１０と噴出口との距離が膜質を決める重要な要素となる。
距離ｈ２またはｈ３が短すぎると、ＳｉＯ２膜中に中間生成物が混在する低品質の薄膜となり、距離ｈ２またはｈ３が長すぎると、基板１０から離れた誘電体板４の近傍で化学反応が促進され、ＳｉＯ２分子の重合で生成したパーティクルが薄膜中に混在する低品質の薄膜となる。また、距離ｈ２またはｈ３が長すぎ、誘電体板４に近すぎると、誘電体板４の表面にＳｉＯ２が厚く堆積し、プラズマＰが不安定になったり、誘電体板４に厚く堆積したＳｉＯ２膜が剥離して異物の発生源となる可能性がある。
図６は、プラズマＰの領域における各種分子の存在密度を定性的に示すグラフである。このグラフでは、縦軸に存在密度、横軸にドリフト距離および材料ガス（ＳｉＨ４ガス）導入位置と基板位置を示す。図中、実線で示される曲線は、本実施の形態に対応し、ＳｉＨ４ガスをガス導入位置Ａからチャンバー内に導入した場合の各種分子の存在密度分布を表わすものである。破線で示される曲線は、従来のガス導入方法による比較例であり、ＳｉＨ４ガスをガス導入位置Ｂからチャンバー内に導入した場合の各種分子の存在密度分布を表わすものである。ガス導入位置Ａは、基板１０から距離ｈ２またはｈ３離れた位置であり、ガス導入位置Ｂは、ガス導入位置Ａよりも基板１０から遠い位置である。
本実施の形態による実線の曲線では、ＳｉＨ４分子は、ガス導入位置Ａで最も存在密度が高く、ドリフト距離とともに急激に前駆体に変化していく。シリコン化合物（ＳｉＯ２分子）は、前駆体のドリフト距離とともに存在密度が増加していき、基板位置で最大となる。基板位置ではＳｉＯ２分子の存在密度が高いので、良質の薄膜が形成される。一方、比較例による破線の曲線では、ＳｉＨ４分子は、ガス導入位置Ｂで最も存在密度が高く、ドリフト距離とともに急激に前駆体に変化し、直ちにＳｉＯ２分子となる。比較例では、誘電体板４に極めて近い位置で急激に化学反応が起こってしまい、気相中でパーティクルが発生しやすくなり、基板１０の位置での膜質の制御が非常に困難になる。
〈第２の実施の形態〉
図７（ａ）は、本発明の第２の実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す全体構成図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の領域Ｃを拡大して示す部分断面図である。図１と同じ構成部品には同一符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態のプラズマＣＶＤ装置２００が第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置１００と大きく異なる点は、上面側導入管６の各噴出口６３と側面側導入管７の各噴出口７３の前方にそれぞれガス流拡散板６４，７４を設けた点である。図７（ｂ）に示されるように、分岐管６２内を流れてきたガス流Ｇ１は、噴出口６３から放出され、ガス流拡散板６４により拡散されてガス流Ｇ２となる。つまり、ガス流拡散板６４は、ガス流に対する障害として作用する。
側面側導入管７からチャンバー１内に噴出するガス流について、図８により説明する。図８は、図７の水平面におけるガス噴出初期のガス流の濃度分布を模式的に示す平面図である。この水平面は、基板１０から距離ｈ３だけ離れた基板１０表面に平行な面である。左方には真空排気管８の開口がある。
分岐管７２を通ってきたガス流は、噴出口７３からチャンバー１内に噴出する。ガス流拡散板７４が存在すると、ガス流Ｇ２で示す濃度分布となり、ガス流拡散板７４が存在しない場合は、ガス流Ｇ３で示す濃度分布となる。ガス流Ｇ２は、ガス流Ｇ３よりもチャンバー全体に広く拡散し、ガスの濃度分布の均一化を図ることができる。チャンバー１の垂直面においても同様に均一化を図ることができる。このように、材料ガスの濃度分布が均一となるので、第１の実施の形態に比べて、基板全面にわたって膜厚、膜質がより一層均一な成膜が可能となる。
以下、図９，１０により変形例を説明する。
図９は、誘電体板４Ａを模式的に示す平面図である。誘電体板４Ａは、複数の誘電体ブロックを組み合わせて構成され、全体として矩形形状である。誘電体ブロック同士が接触するコーナーには隙間があり、貫通孔５３Ａとして形成されている。誘電体板４Ａは、特に矩形形状の基板の成膜に適している。
図１０は、上面側導入管６Ａの構造を模式的に示す底面図である。分岐管６２Ａは、全体として矩形形状である。分岐管６２Ａに形成された複数の噴出口６３Ａは、比較的均等に配置されている。上面側導入管６Ａは、特に矩形形状の基板の成膜に適し、噴出口６３Ａが均等に配置されているので、基板全面にわたって膜厚、膜質がより一層均一な成膜が可能となる。
このように、プロセスガス導入管５、上面側導入管６および側面側導入管７については様々な変形例が考えられる。本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。
本発明の第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す全体構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の誘電体板の構造を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の上面側導入管の構造を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の側面側導入管の構造を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置におけるプラズマＰの領域で生じる化学反応の素過程を示す模式図である。 図５のプラズマＰの領域における各種分子の存在密度を定性的に示すグラフである。 図７（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す全体構成図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の領域Ｃを拡大して示す部分断面図である。 図７（ａ）の水平面におけるガス噴出初期のガス流の濃度分布を模式的に示す平面図である。 本発明の変形例である誘電体板の構造を模式的に示す平面図である。 本発明の変形例である上面側導入管の構造を模式的に示す底面図である。
符号の説明
１：チャンバー
２：マイクロ波導波管
３：スロットアンテナ
４，４Ａ：誘電体板
５：プロセスガス導入管
６：上面側導入管
７：側面側導入管
９：基板ホルダー
１０：基板
５３，６３，７３：噴出口
６４，７４：ガス流拡散板
１００，２００：プラズマＣＶＤ装置
Ｐ：プラズマ

Claims (8)

  1. マイクロ波を誘電体部材を介してプラズマ処理室内に導入し、前記マイクロ波から表面波を形成し、前記表面波によりプラズマ処理室内のガスを励起して表面波励起プラズマを生成し、前記表面波励起プラズマにより被処理基板上にシリコン化合物を形成する表面波励起プラズマＣＶＤ装置であって、
    シリコン元素を含む材料ガスを導入し、ガス噴出口から前記プラズマ処理室内に噴出する材料ガス導入手段と、
    前記表面波励起プラズマにより活性化して前記材料ガスに化学反応を起こさせるプロセスガスを導入し、前記材料ガス導入手段のガス噴出口と離れて設けられたガス噴出口から前記プラズマ処理室内に噴出するプロセスガス導入手段とを具備することを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
  2. 請求項１に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
    前記材料ガス導入手段のガス噴出口は、前記プロセスガス導入手段のガス噴出口よりも前記被処理基板に近く設けられることを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
  3. 請求項１または２に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
    前記材料ガス導入手段は、
    前記誘電体部材と被処理基板との間の空間に前記ガス噴出口を有し、前記被処理基板に向かってガスを噴出する第１の材料ガス導入手段と、
    前記誘電体部材と被処理基板との間の空間の周辺領域に前記ガス噴出口を有し、前記被処理基板の表面と略平行にガスを噴出する第２の材料ガス導入手段との少なくとも一方を有することを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
    前記材料ガス導入手段は、一以上の経路と一以上のガス噴出口とを有することを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
    前記材料ガス導入手段は、前記ガス噴出口の前記被処理基板との距離を可変とする可変手段をさらに有することを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
  6. 請求項３に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
    前記第２の材料ガス導入手段は、前記ガス噴出口の向きを可変とする可変手段をさらに有することを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
    前記材料ガス導入手段は、前記ガス噴出口の前方にガス流拡散部材をさらに有することを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
    前記プロセスガス導入手段は、前記誘電体部材に一以上の経路と一以上のガス噴出口とを有するガス流路を設けて成ることを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
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