JP2008095126A

JP2008095126A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2008095126A
Application number: JP2006274568A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sasaki; 隆史佐々木; Hiroo Hiramatsu; 宏朗平松; Masanao Fukuda; 正直福田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】基板をプラズマ処理するときに発生する汚染ガスが、プラズマ生成室内に逆拡散侵入するのを阻止する。
【解決手段】複数の基板を処理する処理室を内部に形成した処理容器と、前記処理室内に挿入されて複数の基板を保持する基板保持具と、前記処理容器内の前記基板保持具の側面に形成されてプラズマを生成するプラズマ生成室と、前記処理室内の前記基板間にガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成室内に設けられ、前記プラズマ生成室内の電子を前記処理室内に保持される前記複数の基板間に供給して、前記基板間のガスをプラズマ励起する電子供給装置と、を有する基板処理装置であって、前記プラズマ生成室内の圧力を前記処理室内の圧力よりも大きくなるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は基板処理装置、特に複数の基板を同時にプラズマ処理する基板処理装置に関する。

従来、複数の基板、例えばシリコンウェハを保持したボートを処理室に搬入して、複数のウェハに対して同時にプラズマ処理をする基板処理装置としてのバッチ式プラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載されたバッチ式プラズマ処理装置を構成する熱処理炉の一例を図９及び図１０に示す。図９及び図１０に示すように、従来例の熱処理炉は、プロセスチューブ７の内壁面に沿うように一対の保護管８が垂直に設けられている。保護管８は、下方でプロセスチューブ７の外側へ向けて屈曲してプロセスチューブ７を貫通し、両方の保護管８には一対の電極９がプロセスチューブ７の下方から挿入されている。
また、プロセスチューブ７の内周には、プラズマ室１０を形成する樋形状の隔壁１１が両方の保護管８を気密に取り囲むように設置されており、隔壁１１には、複数の吹出口である貫通孔１２が上下に積載されているウェハ６の間に向くように配列されている。プロセスチューブ７の外周には、処理室３７を全体的に均一に加熱するためのヒータ１６が設けられている。

このような従来の熱処理炉は、処理ガス（プロセスガス）をプラズマ室１０に供給し、所定の圧力に維持した後に、高周波電源１３によって高周波電力が一対の電極９の間に供給される。これにより、プラズマ１４がプラズマ室１０に形成され、処理ガスは活性化され、活性種（ラジカル）１５が生成される。電気的に中性の活性種１５は、隔壁１１に形成された貫通孔１２から吹き出して処理室３７に供給されることにより、ボート３に保持された各ウェハ６に接触する。ウェハ６に接触した活性種１５は、ウェハ６の表面に成膜等のウェハ処理を行う。

しかし、上述した一対の電極９からなるプラズマ源を用いた従来の熱処理炉では、ウェハ６の周辺部でプラズマを生成させるため、ウェハ６面内で均一性の高いプラズマ密度を確保することが困難である。また、プラズマ室１０からウェハ６までの距離が遠いため、プロセスガス種によっては、折角発生した活性種が供給途中で消失して失活してしまう場合があり、このために活性種濃度が低下してウェハ処理効率が良好でないという問題もある。また、プラズマ中の高エネルギーイオンにより電極保護管８の表面部や、プラズマ室１０内壁がスパッタされてパーティクルの原因となってしまうという懸念もある。そして、これらの理由から、ウェハ処理工程における熱履歴はかならずしも低くはなかった。

また、特許文献１には熱処理炉の他の例として、一対の電極に代えて平行平板電極からなるプラズマ源を用いた熱処理炉が開示されている。平行平板電極からなるプラズマ源は、一対の電極を用いたプラズマ源よりも、電子密度１０¹¹〜１０¹³ｃｍ^-3程度の高密度プラズマを生成可能である。その構成は、反応管外部に平行平板電極を設置して、これらの電極に高周波を印加することにより、容量性結合型プラズマ（ＣＣＰ）を発生させて、処理室内に活性種を送り込む方法である。同様の手法は、特許文献２においても見ることができる。特許文献２に記載のものは、図１１に示すように、処理容器４２に隣接したプラズマ発生部６８に２枚の平行平板電極７６を設け、これらの平行平板電極７６間に給電ライン８０を介して高周波電源７８からの高周波電力を加え、容量性結合型プラズマを発生させて処理容器４２内に活性種を送り込む方法である。

この容量性結合型プラズマ（ＣＣＰ）によれば、近年、ますます厳しくなってきている半導体デバイスの高集積化や、高性能化のための微細化プロセスへの要求に応えることができ、デバイス特性の向上の観点から半導体デバイスの製造工程における熱履歴の低減も実現することが可能である。

しかし、容量性結合型プラズマ（ＣＣＰ）ではプラズマ中のイオン温度が高く、高エネルギーを持ったイオンが処理室を構成する石英壁に衝突し、石英内壁の膜や、さらには石英内壁をスパッタしてしまう恐れがある。しかも、ウェハ中心部に高密度のプラズマを発生させる為に、高周波電力の出力を上げると、必然的にウェハ周辺、すなわち処理室石英壁近傍のプラズマ密度（＝イオン密度）が高くなり、石英内壁をスパッタする確率もさらに高まるという問題がある。

そこで、電子ビーム励起プラズマ（ＥＢＥＰ：Electron-Beam-Excited-Plasma）源を用いて一連の反応プロセスを行う基板処理装置が提案されるにいたっている。これは、処理容器内の基板保持具の側面にプラズマ生成室を設け、このプラズマ生成室に処理ガスを供給して、プラズマを生成する。また、プラズマ生成室にアノードとグリッドを有する電子供給装置を設け、この電子供給装置により、プラズマ生成室内のプラズマから電子を処理室に引き出し、基板保持具に保持された複数のウェハ間に供給して、基板をプラズマ処理するようにしたものである。これによれば、上述したスパッタの問題も解消され、基板面内のプラズマ密度の均一化も図れる。
特開２００４−２８９１６６号公報特開２００４−３４３０１７号公報

しかし、ＥＢＥＰ源を用いた基板処理装置で行われる一連の反応プロセスには、プラズマを用いないプロセスも存在し、その場合には処理室に直接処理ガスを供給して、基板表面に処理を行う。このとき、処理室から供給する処理ガスが導電体を形成し易いガス（例えばＴａＣｌ₅、ＴｉＣｌ₄等）の場合には、導電体形成ガスがプラズマ生成室に侵入するのを防ぐ必要がある。その理由は、プラズマ生成室内に侵入した導電体形成ガスが堆積し、プラズマ生成室の内壁等に導電膜を形成することによりプラズマの発生条件が大きく変化してしまう事による。

同様に、金属を腐食させる腐食性ガス等により処理室をクリーニングする場合にも、プラズマ生成室内のアノードとグリッドの劣化を防ぐために腐食性ガスの侵入を防ぐ必要がある。以下、腐食性ガスや導電体形成ガスを総じてプラズマ生成室に対する「汚染ガス」と呼ぶ。

本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解消して、基板をプラズマ処理するときに発生する汚染ガスが、プラズマ生成室内に侵入するのを阻止することを可能とする基板処理装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、複数の基板を処理する処理室を内部に形成した処理容器と、前記処理室内に挿入されて複数の基板を保持する基板保持具と、前記処理容器内の前記基板保持具の側面に形成されてプラズマを生成するプラズマ生成室と、前記処理室内の前記基板間にガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成室内に設けられ、前記プラズマ生成室内の電子を前記処理室内に保持される前記複数の基板間に供給して、前記基板間のガスをプラズマ励起する電子供給装置と、を有する基板処理装置であって、前記プラズマ生成室内の圧力を前記処理室内の圧力よりも大きくなるようにしたことを特徴とする基板処理装置が提供される。

本発明によれば、金属膜をプラズマ処理するときに発生する金属を含んだ汚染ガスがプラズマ生成室内に侵入するのを防止することができる。

本発明の実施態様によれば、シリコンウェハなどの基板よりＩＣなどの半導体素子を製造する半導体製造装置において、基板を処理するに際して、プラズマ生成室内の圧力を処理室内の圧力よりも大きくすることにより、プラズマ生成室に導体形成ガスや腐食性ガス（クリーニングガス）の侵入を防止することが可能となる。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図８は、本発明の基板処理装置の一実施形態における半導体製造装置の全体斜視図である。図８に示すように、半導体製造装置９９はバッチ式プラズマ装置を構成する。バッチ式プラズマ装置は、筐体１０１を有する。その筐体１０１の内部の前面側に、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が取り付けられている。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、熱処理炉５が設けられ、熱処理炉５の下方には被処理基板としての半導体シリコンウェハ（以下、単にウェハ６という）を水平姿勢で多段に保持する基板保持具としてのボート３を熱処理炉５に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられている。ボートエレベータ１２１に取り付けられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ１２５が取り付けられボート３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ェハ移載機１１２が取り付けられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち熱処理炉５の下側のウェハ搬入出口１３１を気密に閉塞する閉塞手段としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

ウェハ６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にウェハ６が上向き姿勢で搬入され、ウェハ６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にはウェハ移載機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、ウェハ６の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、ウェハ移載機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３にウェハ６を移載する。

ボート３に所定枚数のウェハ６が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート３が熱処理炉５に挿入され、シールキャップ１２５により熱処理炉５のウェハ搬入出口１３１が気密に閉塞される。気密に閉塞された熱処理炉５内ではウェハ６が加熱されると共に処理ガスが熱処理炉５内に供給され、ウェハ６に処理がなされる。

ウェハ６への処理が完了すると、ウェハ６は上記した作動の逆の手順により、ボート３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。

炉口シャッタ１１６は、ボート３が降下状態の際に熱処理炉５のウェハ搬入出口１３１を気密に閉塞し、外気が熱処理炉５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。

図１は、実施形態に係る基板処理装置（半導体製造装置）の熱処理炉の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
図１及び図２に示すように、熱処理炉５は、従来の半導体製造装置と同様に、上部が閉じた円筒状の排気可能な処理容器としてのプロセスチューブ７の内壁面に、上下に延びた隔壁１１が設けられている。この隔壁１１とプロセスチューブ７の内壁とにより、プロセスチューブ７内に区画されたプラズマ生成室１７が形成されている。
ウェハ６は、ボート３の各載置部４に、上下に表裏面が向くように複数並べて載置されている。より詳しくいうと、プロセスチューブ７の中心軸上に各ウェハ６の中心が並ぶように、ボート３がプロセスチューブ７の中心に配置されている。
隔壁１１は、プロセスチューブ７と同心円状で、各ウェハ６の外周に沿った断面円弧状の中心壁１１ａと、この中心壁１１ａをプロセスチューブ７に接続する接続壁１１ｂとから構成されている。
上述したプロセスチューブ７、隔壁１１、及びボート３は、例えば、石英などで構成される。

プロセスチューブ７のプラズマ生成室１７に対応する位置の外側には、第１のプラズマ源が設けられている。この第１のプラズマ源は、例えば、プラズマ生成室１７の外壁に、金属や炭素の棒等からなるループ状の電極２２を設けた誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）源で構成することができる。ループ状の電極２２とプロセスチューブ７との間には、金属製のシールド２３が介設されている。ループ状の電極２２の両端は高周波電源１３に接続されている。このＩＣＰ源により、ガス供給部としてのガス供給管３１からプラズマ生成室１７内に供給された処理ガスを励起して、プラズマ生成室１７内に第１のプラズマを生成するようになっている。ＩＣＰ源により生成される電子の密度は例えば約１０¹⁷／ｃｍ³である。

本実施形態では、縦型のバッチプラズマ処理装置における第２のプラズマ源としてＥＢＥＰ方式を用いる。ＥＢＥＰは、電子供給装置としての電子銃１８によって電子を直接ウェハ６の間に照射し、処理ガスをウェハ６の直近でイオン化して第２のプラズマを生成する方式である。

プラズマ生成室１７を構成する隔壁１１の中心壁１１ａには、電子を吹き出させる複数の貫通孔１２が配列されている。貫通孔１２は、上下に多段に積層された複数のウェハ６の間であって、ウェハ６の表面に沿う方向、例えば表面と平行に電子ビームを噴出できるように、隣接する各ウェハ６の間の高さの位置に、上下に並んで等間隔に配列されている。貫通孔１２は、電子ビームがウェハ６の中心を通過するように配置されているが、ウェハ６の中心から多少ずれた向きに電子ビームが通過するように配置されていてもよい。なお、隔壁１１は、貫通孔１２を除いて、プロセスチューブ７内に形成される処理室２９とプラズマ生成室１７とを気密に区画している。

プラズマ生成室１７の中には、上下に延びた平板状のグリッド電極１９とアノード電極２０とが設けられている。グリッド電極１９とアノード電極２０とは、互いに対面して配置され、また、アノード電極２０は、隔壁１１のうち熱処理炉５の中心側の壁に対面して設けられている。グリッド電極１９及びアノード電極２０は、共に貫通孔１２に対応して電子通過孔１９ａ，２０ａが形成されている。グリッド電極１９は、直流電源２１の負極側に接続され、アノード電極２０は、直流電源２１の陽極側に接続されている。従って、グリッド電極１９とアノード電極２０との間に直流電源２１で電圧を印加すれば、電子通過孔１９ａから電子通過孔２０ａの間で電子を加速するための電界が発生する。
これらのプラズマ生成室１７、グリッド電極１９、アノード電極２０、直流電源２１から電子供給装置（電子銃）１８が主に構成される。

プロセスチューブ７には、処理ガスをプラズマ生成室１７内に供給するためのガス供給管３１と、プロセスチューブ７内を排気する排気管３２が設けられている。また、プラズマを用いないプロセスを確保するために、処理ガスを直接処理室２９内に供給するためのガス供給管３８も設けられている。
ガス供給管３１はプラズマ生成室１７を介してプロセスチューブ７内に処理ガスを供給する。このガス供給管３１には、処理ガスを供給するため、ガス供給源、配管及びバルブなどからなるガス供給系３３が接続されている。このガス供給管３１、ガス供給系３３から処理ガス供給装置が構成される。排気管３２には自動圧力制御バルブ、配管を通じてポンプ３４が接続され、プロセスチューブ７を排気可能としている。

ボート３は、ウェハ６の中心を回転中心として回転できるように、軸受３５により支持されている。ボート３は、回転装置としての回転駆動機構３６により回転させられる。

以上のように構成された熱処理炉５の動作について説明する。
前回のバッチ処理が終わった後には、ボート３が熱処理炉５から下降して、ウェハ移載機１１２によりボート３に新たに複数のウェハ６が積載される。ウェハ６が積載されたボート３は、熱処理炉５内に挿入され、シールキャップ１２５により熱処理炉５が気密に閉塞される。
そして、ガス供給管３８から処理ガスが処理室２９に供給され、ガス供給管３１からはプラズマ生成室１７内へ処理ガス例えばＡｒガスが供給される。ポンプ３４で排気を行い、プラズマ発生に適したガス、圧力の雰囲気にする。

ヒータ１６によりプロセスチューブ７を加熱してウェハを処理温度に維持しつつ、高周波電源１３を作動させてループ状の電極２２へ高周波電圧を印加する。ガス供給管３１からプラズマ生成室１７内へＡｒガスが供給されると、プラズマ生成室１７内に高周波電磁誘導が発生して第１のプラズマが形成される。このとき、高密度で大面積のプラズマができる。直流電源２１を作動させて、グリッド電極１９，２０間に直流電圧を印加する。すると次に説明するようにＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）源で作られた第１のプラズマから電子を引き出す。

図３に示すように、プラズマ生成室１７において発生したプラズマ中には、イオン２５（図３ではＡ⁺イオン）と電子２６（図３ではｅ）が混在して、全体として中性を保っている。そして、直流電源２１によりグリッド電極１９とアノード電極２０の間に電圧を印加すると、プラズマ中の電子２６はグリッド電極１９に印加された負の電圧で作られた電界により、軌道修正を受けて電子通過孔１９ａに集束する。そして、アノード電極２０に印加された正の電圧（加速電圧）により作られた電界によりアノード電極２０の電子通過孔２０ａに向かって加速される。加速された電子は、電子の束、すなわち電子線（Electron-beam）２４となって隔壁１１の貫通孔１２から処理室２９内に引き出されて、ウェハ６、６の間に照射される。照射された電子線２４により、ウェハ６の表面の直ぐ近くにおいて、ある確率でプラズマガス２８（図３ではＢ分子）が励起、もしくはイオン化される。励起もしくはイオン化された第２のプラズマガス２７（図３ではＢ⁺）は、ウェハ６の表面を処理する。

この際、回転駆動機構３６によりボート３を回転させることにより、ウェハ６の面内、および高さ方向のウェハ間（ウェハ面間）の電子ビームの均一性が確保され、ウェハ６の面内、面間が均一なプラズマガス２７と接触し、複数のウェハ６が全体的に均一に処理される。

ところで、上述した熱処理炉５において、金属を含んだ原料ガス（例えばＴａＣ１₅、ＴｉＣｌ₄等）を用いて、ウェハ６上に金属膜を形成するとき、成膜に寄与するガスの量は非常に小さいため大部分の原料ガスは処理室２９内に残留する。この金属を含んだ残留汚染ガスがプラズマ生成室１７内に逆拡散して侵入すると、プラズマ生成室１７内の電子銃１８を構成するグリッド電極１９やアノード電極２０に金属が付着してしまう。その結果、プラズマ生成室１７内におけるプラズマの発生条件が変化してしまうが故に、ウェハ６上に効率よく電子ビームを進入させることが難しくなるという問題がある。

そこで、このような問題を解消するには、処理室２９内からプラズマ生成室１７内へ汚染ガスが逆拡散するのを防止することが必要となる。そのためにはプラズマ生成室１７内と処理室２９内との圧力差や、プラズマ生成室１７と処理室２９とを連通している貫通孔１２の形状や寸法が重要となる。

図４は、そのような汚染ガスの逆拡散侵入を防止するための貫通孔１２の詳細図である。
図４において中心壁１１ａの右側は処理室２９であり、左側はプラズマ生成室１７である。中心壁１１ａには高さ方向に複数の貫通孔１２が設けられて、プラズマ生成室１７と処理室２９とを連通している。プラズマ生成室１７に図示しないパージガス導入部を設け、このパージガス導入部と複数の貫通孔１２とを用いて、ウェハを処理するに際して、プラズマ生成室１７内の圧力Ｐ₁を処理室２９内の圧力Ｐ₂よりも大きくなるようにしてある。

パージガス導入部よりプラズマ生成室１７内にパージガスを導入し、プラズマ生成室１７の中心壁１１ａに設けられた貫通孔１２を介して、このパージガスを矢印Ａで示すように処理室２９内へ流す。パージガスは、高さ方向に等間隔に開けられた複数の貫通孔１２から所定速度以上でそれぞれ噴出させる。これにより、プラズマ生成室１７と処理室２９との圧力差Ｐ₁＞Ｐ₂を維持する。
この圧力差Ｐ₁＞Ｐ₂を維持することにより、処理室２９内の汚染ガスがプラズマ生成室１７内へ拡散侵入するのを防止することができる。パージガスは、汚染ガス分子との衝突確率を高めるために分子直径がなるべく大きく、且つウェハ処理に寄与しないガスが良い。例えば、窒素Ｎ₂やアルゴンＡｒなどの不活性ガスを用いることができる。

貫通孔１２から噴出されるパージガス速度は、２５０ｍ／ｓ以上であることが好ましい。また、貫通孔１２の形状は単純な円柱状の孔でよく、貫通孔の径はφ４ｍｍが良い。φ４ｍｍより大きいと汚染ガス遮断のためのパージガス流量を増加、若しくは貫通孔１２の長さを増加させなければならず、コストアップやサイズアップになる。孔径がφ４ｍｍより小さい場合は電子ビームの引き出しが困難になる。またこのとき貫通孔の長さは１０ｍｍが良い。貫通孔の長さが１０ｍｍより短いとパージガスの流路が短くなり、汚染ガスの逆拡散による侵入確率が上昇するため、大流量のパージガスを必要とする。また１０ｍｍより長いと電子ビームの引き出しが困難になるため好ましくない。

通常、貫通孔１２は、図４に示すように、平板な中心壁１１ａに開口すれば良いが、例えば厚さ５ｍｍ程度の薄い板材に貫通孔１２を設けたい場合には図５に示すように、貫通孔１２の長さ１０ｍｍを保つために貫通孔１２に凸部４１を取り付けた形状としても、汚染ガスの遮断効果は変化しない。これによれば、材料費が減るのでコストダウンに繋がる。また、プロセスチューブ７の重量ダウンにもなる。

ところで、プラズマ生成室１７から供給するパージガス種と、プラズマ生成室１７内におけるプラズマ生成に必要なプラズマガス種とが異なる場合には、ウェハ６間の活性種濃度とパージガスの流速とは直接関係がなく、高さ方向のウェハ処理を均一な状態とすることができるので、貫通孔１２から処理室２９に向かうパージガスの流速は高さ方向で必ずしも一定となるようにする必要はない。この場合、パージガス導入部は、プラズマ生成室１７内の任意の箇所に１本導入するようにするか、あるいは１本のガス導入部がプラズマ生成室１７の任意の箇所と連通していればよい。

しかし、プラズマ生成室１７内から供給するパージガス種と、プラズマ生成室１７内におけるプラズマ生成に必要なガス種とが同一の場合には、ウェハ６間の活性種濃度とパージガス（プラズマガス）の流速とは直接関係するから、各貫通孔１２から引き出す電子ビームの密度を一定にして、高さ方向のウェハ処理を均一な状態とさせるために、貫通孔１２から処理室２９に向かうパージガス流速が高さ方向で一定となるようにしなければならない。

図６は、そのようなパージガス流速を高さ方向で均一とするようにしたプロセスチューブ７内の構成例を示す。

複数のパージガスノズル３０はプラズマ生成室１７内に設けられている。パージガスノズル３０は例えば円筒状をしており、パージガス導入部を構成する。縦型の熱処理炉にあっては、このパージガスノズル３０は、通常、プロセスチューブ７の下部から挿入されてプロセスチューブ７の上部に向けて延在されているため、プロセスチューブ７内の下部から挿入されてそこに止まる通常ノズルと比べて長さが長くなっている。

パージガスノズル３０は、長さの異なる４本の石英ロングノズルＡ〜Ｄ（長さはＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄの関係にある）から構成される。石英ロングノズルＡ〜Ｄの入口となる基端部から出口となる先端部までの各長さは、各貫通孔１２からウェハ配列領域４７に向けて発射されるパージガスＰＧの流速が均一となるように設定される。なお、石英ロングノズルＡ〜Ｄの先端部の出口は真上を向いている。また、ウェハ配列領域とは、ボート３に載置される複数のウェハ６がプロセスチューブ７に配置される領域をいう。これらの石英ロングノズルＡ〜Ｄの入口となる基端部は、プロセスチューブ７の開口下端から外部に取り出されている。

上述した石英ロングノズルＡ〜Ｄは、図示しないプラズマガス／パージガス源、不活性ガス源、またはクリーニングガス源に配管系を介して連結されている。

パージガス種と同一のガスを用いてプラズマを発生させる場合であっても、プラズマ生成室１７内の高さ方向の圧力分布が均等となり、それに伴いプラズマ生成室１７に開けられた貫通孔１２から処理室２９へ向かうパージガスの流速は高さ方向で均一にすることができる。したがって、処理室からプラズマ生成室１７への導体形成ガス等の逆拡散侵入を確実に防止することができる。また、各貫通孔１２から引き出す電子ビームの密度も高さ方向に一定にして、高さ方向のウェハ処理を均一な状態とすることができる。したがって、ウェハ面内及びウェハ面間で均等なプラズマ処理を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では石英ロングノズルＡ〜Ｄをプラズマ生成室１７内に設けるようにしたが、そのようにすると、石英ロングノズルＡ〜Ｄを収容するためにプラズマ生成室１７内の容積を拡大しなければならない。

そこで、図７に示す実施の形態は、そのようにプラズマ生成室１７内の容積を拡大することなく、換言すればプロセスチューブ７の大口径化を招来することなく、貫通孔１２から処理室２９へ向かうパージガスの流速を高さ方向で均一とすることを可能としている。そのために、パージガスノズル３１としての石英ロングノズルＡ’〜Ｄ’はプラズマ生成室１７外に設けるようにする。そしてＬ字状に折曲した石英ロングノズルＡ’〜Ｄ’の出口となる水平先端部を、プラズマ生成室１７の外壁に設けた連通孔７ａと連結している。石英ロングノズルＡ’〜Ｄ’の先端部開口がプラズマ生成室１７と連結される連通孔７ａの位置は、各貫通孔１２からウェハ配列領域４７に向けて発射されるパージガスＰＧの流速が均一となるような位置に設定される。
このように構成することによって、プロセスチューブ７を大型化することなく、貫通孔１２から処理室２９へ向かうパージガスＰＧの流速を高さ方向で均一とすることができる。

上述したように本実施の形態によれば、圧力生成室内の圧力＞処理室内の圧力としたり、貫通孔の形状や寸法を上述しように規定したりしているので、金属膜をプラズマ処理するときに発生する金属を含んだ汚染ガスを、プラズマ生成室１７に確実に逆拡散侵入しないようにすることができる。従って、プラズマ生成室１７に金属を含んだ汚染ガスが侵入せず、侵入に起因してプラズマ生成室１７の電子銃１８を構成するグリッドやアノードに金属が付着することを防止でき、それにより、電子ビームをウェハ上に効率よく進入させることが容易になる。

また、本実施の形態では、ウェハ６上に金属膜を形成するときに、金属を含んだ汚染ガスが処理室２９からプラズマ生成室１７内に逆拡散侵入することを抑制する場合について説明した。同様に、図１の装置構成において、処理室２９を腐食性ガス、例えばＮＦ₃やＣｌＦ₃等のクリーニングガスを用いてプロセスチューブ７内をクリーニングする場合にも、適用することが可能である。これによれば、クリーニングガスのプラズマ生成室１７内への逆拡散侵入を防止して、プラズマ生成室１７内のアノード電極２０とグリッド電極１９の劣化を防ぐことができる。

また、本実施形態の基板処理装置によれば、ＥＢＥＰ源により、ウェハ６の直近で処理ガスを活性化させるので、寿命が短い活性種であっても、ウェハ６の表面に必要量を供給することが可能である。また、容量性結合型プラズマ（ＣＣＰ）などで発生させた高エネルギープラズマにウェハ６が晒されるわけではないので、ウェハ６自体がプラズマからダメージを受けることがない。さらに、プラズマ生成室１７では、電子を取り出すためにだけプラズマを発生させればよいので、高出力の高周波を印加する必要がなく、プロセスチューブ７を構成する石英壁などがスパッタされる可能性が低い。また、本実施の形態ではプラズマ生成室にＩＣＰ源を用いており、ＩＣＰ源がプロセスチューブ７の外にあるので、フィラメント（超高温の金属）を使用する場合と比べて、処理の際の汚染源にはならず、非常にクリーンである。

また、このようにプラズマが各ウェハ６上に均一に形成されることで、プラズマ処理が成膜処理である場合にあっては膜質が大幅に向上し、またバッチ式であることで製品のスループットも向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく適宜変更して実施することが可能である。

例えば、プラズマ生成室１７におけるプラズマの発生方法は、前記実施形態においては一例として高周波を印加することによるＩＣＰを用いているが、これに限定されることなく、電子サイクロトロン共鳴プラズマや、表面波プラズマなど、スパッタ作用を極力抑えたプラズマ発生方式ならば他の方式を適用することもできる。

また、プラズマ生成室１７におけるプラズマガスと、反応に寄与するプラズマガス２８は、同一のものであっても異なるものであってもよい。異なるものである場合は、ガス供給管３１とは異なる別なガス供給管３８を必要とする場合である。なお、プラズマガスとしては、Ｈ₂、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ₂、ＮＨ₃などを適用することができる。

また、実施の形態では、反応プロセスとして金属膜の形成プロセスについて説明したが、これに限定されない。反応プロセスの他の例としては、例えば、シリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）形成プロセスなどのプラズマＣＶＤ（ChemicalVapor Deposition）プロセスにも適用できる。この反応プロセスでは、例えばプラズマ生成室経由でアンモニアガス（ＮＨ₃）を処理室内に供給し、別のガス供給部（図示せず）から処理室内にシラン系ガスを供給して反応させる。この反応プロセスに際して、シラン系ガスがプラズマ生成室内に逆拡散侵入するを抑制して、プラズマ生成室の内壁や電子銃を構成するグリッドやアノードにシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）が付着するのを防止することができる。
また、プラズマを利用したＨ₂活性種によるウェハ６上の自然酸化膜を除去すプロセスにも適用可能である。この場合は、Ｈ₂Ｏガスがプラズマ生成室内に逆拡散侵入するを抑制して、プラズマ生成室の内壁や電子銃を構成するグリッドやアノードに、劣化による錆が付着するのを防止することができる。

さらに、本実施の形態によるＥＢＥＰ方式は、プラズマＣＶＤ処理に限らず、プラズマＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）成膜を行う際にも適用可能である。通常、ＡＬＤ成膜を行う場合にはプリカーサガス（前駆体ガス）を完全排気するために全工程で排気イベントが行われるのが一般的である。排気イベントの際は、あらゆるガス供給を止め、所定の時間だけ排気ポンプにより排気するが、このとき、ある時間を経過するとプラズマ生成室と処理室間の圧力が共に数Ｐａ以下となる（例えばＰ₁＝５．０Ｐａ、Ｐ₂＝１．０Ｐａなど）。処理室側は直接ポンプに連結されているため、プラズマ生成室内の圧力よりも低い圧力となり、Ｐ₁＞Ｐ₂を維持するが、Ｐ₁とＰ₂の圧力が共に数Ｐａ程度と低くなる場合には、２成分系のガス拡散速度が非常に速くなるため、Ｐ₁＞Ｐ₂を維持していたとしても、処理室に微量ながら残留する汚染ガスがプラズマ生成室内に逆拡散してくるおそれがある。この逆拡散による汚染ガスの侵入量はごく微量であるが、ＡＬＤなどのサイクル運転を行う場合には、侵入した汚染物質がサイクル数に依存して加算されていくため、微量の侵入量も無視できなくなる。従ってこれを回避するためには、プリカーサガスの排気イベント時にも、プラズマ生成室側からパージガスを流し続けることが必須となる。

図１に示した熱処理炉を用いてシリコンウェハ６上にＴｉ膜を形成した。Ｔｉ膜の成膜原料ガスにＴｉＣｌ₄ガスを用いた。その成膜反応は
ＴｉＣｌ₄＋２Ｈ₂→Ｔｉ＋４ＨＣｌ
である。プラズマ生成室の隔壁に開口した貫通孔はφ４ｍｍ、長さ１０ｍｍとした。

（１）処理室内を５０Ｐａ、ウェハ温度を２００℃に設定した。処理室内にＴｉＣｌ₄を５０ｓｃｃｍ供給して、処理室内をＴｉＣｌ₄雰囲気にしてＴｉＣｌ₄をウェハ上に吸着させた。
（２）プラズマガスＡｒをプラズマ生成室内に導入して、ＩＣＰ源によりＡｒプラズマを生成した。電子銃によりプラズマ中から電子ｅを引き出して、貫通孔からウェハ間のＨ₂に照射して、ウェハ直上に原子状水素Ｈ⁺を生成した。
Ｈ₂→２Ｈ⁺
また、プラズマＡｒはパージガスとしても用いて、高さ方向に設けた複数の貫通孔から、１貫通孔当り、速度２５０ｍ／ｓ以上で処理室内に供給して、プラズマ生成室内圧力Ｐ₁＞処理室内圧力Ｐ₂とした。
（３）Ｈ⁺がウェハ上に吸着しているＴｉＣｌ₄のＣｌと結合して、ウェハ上にＴｉ膜が形成された。
ＴｉＣｌ₄＋４Ｈ⁺→Ｔｉ＋４ＨＣｌ
ここでは、Ｔｉ膜の成膜原料ガスであるＴｉＣｌ₄ガス自体が汚染ガスとなる。

プラズマＡｒをパージガスとして貫通孔から上記速度で処理室内に供給して、Ｐ₁＞Ｐ₂を維持したことにより、ウェハ上にＴｉ膜を形成するに際して、ＴｉＣｌ₄が処理室内からプラズマ生成室内に拡散侵入するのを確実に抑制できた。従って、プラズマ生成室１７の内壁や、アノード電極、グリッド電極にＴｉ膜が形成されず、Ｔｉ膜に起因する通電が生じなかった。また、また電子ビームの引き出しも容易であった。

なお、ＴｉＣｌ₄の分子直径は４．５Å程度である。これより分子直径の小さい汚染ガスに対しては、拡散が非常に速くなり、ガスの流れ方向に逆らってプラズマ生成室内に逆拡散で侵入するため、上述した条件ではガス遮断が難しくなる。例えば、Ｈ₂の分子は、その直径が非常に小さいため逆拡散侵入が避けられない。処理室内で発生するＨＣｌは分子直径が３Å程度なので、逆拡散侵入することが考えられる。このＨＣｌは金属を含んでいないのでＴｉＣｌ₄と比べてあまり問題とはならないが、ＨＣｌも汚染ガスのひとつである。このＨＣｌによる汚染を防止するには、パージガスの流速をさらに上げる必要がある。

上述したように、パージガスＡｒを１貫通孔当たり２６０ｓｃｃｍ程度流せば、汚染ガスの侵入は防止できることがわかった。但し、この時、処理室側の圧力は少なくとも５０Ｐａ以下であることが必要があることがわかった。

以下に本発明の好ましい態様を付記する。

第１の態様は、複数の基板を処理する処理室を内部に形成した処理容器と、前記処理室内に挿入されて複数の基板を保持する基板保持具と、前記処理容器内の前記基板保持具の側面に形成されてプラズマを生成するプラズマ生成室と、前記処理室内の前記基板間にガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成室内に設けられ、前記プラズマ生成室内の電子を前記処理室内に保持される前記複数の基板間に供給して、前記基板間のガスをプラズマ励起する電子供給装置と、を有する基板処理装置であって、前記プラズマ生成室内の圧力を前記処理室内の圧力よりも大きくなるようにしたことを特徴とする基板処理装置である。
プラズマ生成室内の圧力Ｐ₁を処理室内の圧力Ｐ₂よりも大きくなるよう（Ｐ₁＞Ｐ₂）設定すると、処理室内の汚染ガスがプラズマ生成室に侵入するのを確実に防止することができる。例えば、Ｐ₁＞Ｐ₂であって、Ｐ₁＞３２０Ｐａ程度であり、かつＰ₂＜５０Ｐａ程度であれば、確実にＴｉＣｌ₄を遮断可能である。従って、特に汚染ガスが、プラズマ処理するときに発生する金属を含んだ汚染ガスである場合に、プラズマ生成室内の電子供給装置を金属により汚染するのを確実に防止できる。

第２の態様は、第１の態様において、前記プラズマ生成室と前記処理室とは、前記基板保持体の載置部に載置される前記基板間に対応して、前記プラズマ生成室に設けられた複数の貫通孔により連通されている基板処理装置である。
プラズマ生成室と前記処理室とは、基板間に対応して設けられた複数の貫通孔により連通しているので、プラズマ生成室内の圧力と処理室内の圧力との関係を基板保持体の側面に沿って均一に設定できる。従って、処理室内の汚染ガスがプラズマ生成室内に侵入するのをより確実に防止することができる。

第３の態様は、第１の態様において、前記プラズマ生成室内に、基板保持体の側面に沿って長さの異なる複数のパージガスノズルを設けた基板処理装置である。
プラズマ生成室内にパージガスノズルを設けるという簡単な構成で、プラズマ生成室内から処理室内へパージガスを供給することにより、プラズマ生成室内の圧力を前記処理室内の圧力よりも大きくすることができる。また、基板保持体の側面に沿って長さの異なる複数のパージガスノズルを設けることにより、パージガス流速を基板保持体の側面に沿って均一にすることができる。特に、パージガス種とプラズマ生成に必要なガス種とが同一の場合に、基板保持体の側面に沿って均等なプラズマ供給を可能にすることができる。

第４の態様は、第１の態様において、前記プラズマ生成室内に、基板保持体の側面に沿って長さの異なる複数のパージガスノズルを連通した基板処理装置である。
プラズマ生成室内にパージガスノズルを連通するという簡単な構成で、プラズマ生成室内から処理室内へパージガスを供給することにより、プラズマ生成室内の圧力を前記処理室内の圧力よりも大きくすることができる。また、プラズマ生成室に、基板保持体の側面に沿って長さの異なる複数のパージガスノズルを連通することにより、パージガス流速を基板保持体の側面に沿って均一にすることができる。特に、パージガス種とプラズマ生成に必要なガス種とが同一の場合に、基板保持体の側面に沿って均等なプラズマ供給を可能にすることができる。

第５の態様は、第２の態様において、前記各貫通孔から２５０ｍ／ｓの速度でパージガスを流し、前記処理室側の圧力は５０Ｐａ以下で、前記汚染ガスの分子直径が４．５Å程度である基板処理装置である。
この条件のときに、処理室内の汚染ガスがプラズマ生成室内に侵入するのをより確実に防止することができる。

第６の態様は、第５の態様において、前記貫通孔の孔径はφ４ｍｍ程度、長さは１０ｍｍ程度である基板処理装置である。
このような貫通孔の寸法のとき、コストアップやサイズアップを招くのを防止できる。

第７の態様は、第２の態様において、前記貫通孔から２５０ｍ／ｓ以上でパージガスを噴出するようにした基板処理装置である。
２５０ｍ／ｓ以上でパージガスを噴出すると、処理室内の汚染ガスがプラズマ生成室内に侵入するのをより確実に防止することができる。

第８の態様は、第１の態様において、処理室内の圧力が５０Ｐａ以下である基板処理装置である。
処理室内の圧力が５０Ｐａ以下であると、処理室内の汚染ガスがプラズマ生成室内に侵入するのをより確実に防止することができる。

本発明の一実施の形態における基板処理装置の熱処理炉の構成を示す縦断面図である。図１におけるＸ−Ｘ断面図である。本発明の一実施の形態における電子ビーム励起プラズマを説明する図である。本発明の一実施の形態におけるプラズマ発生室と処理室とを連通する貫通孔の説明図である。本発明の他の一実施の形態におけるプラズマ発生室と処理室とを連通する貫通孔の説明図である。本発明の一実施の形態におけるパージガス導入部を設けたプロセスチューブ内の構成例を示す概略図である。本発明の他の一実施の形態におけるパージガス導入部を設けたプロセスチューブ内の構成例を示す概略図である。本発明の一実施形態における基板処理装置の全体斜視図である。従来例の基板処理装置における熱処理炉の縦断面図である。図９におけるＸ−Ｘ線断面図である。従来例の半導体製造装置における熱処理炉のプラズマ源の説明図である。

符号の説明

３ボート（基板保持体）
４載置部
６ウェハ（基板）
１７プラズマ生成室
１８電子銃（電子供給装置）
２９処理室

Claims

複数の基板を処理する処理室を内部に形成した処理容器と、
前記処理室内に挿入されて複数の基板を保持する基板保持具と、
前記処理容器内の前記基板保持具の側面に形成されてプラズマを生成するプラズマ生成室と、
前記処理室内の前記基板間にガスを供給するガス供給部と、
前記プラズマ生成室内に設けられ、前記プラズマ生成室内の電子を前記処理室内に保持される前記複数の基板間に供給して、前記基板間のガスをプラズマ励起する電子供給装置と、
を有する基板処理装置であって、
前記プラズマ生成室内の圧力を前記処理室内の圧力よりも大きくなるようにしたことを特徴とする基板処理装置。