JP2009231385A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に対して均一にプラズマ処理を施すことができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、下部電極１０の側方において、下部電極１０の外周に沿って環状に設けられる補助電極３０を備える。基板Ｓに対してプラズマ処理を施す場合、下部電極１０の電位を、上部電極２０の電位に対して負とし、補助電極３０の電位を、上部電極２０の電位に対して負とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板を有する半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体装置の製造工程では、プラズマＣＶＤ処理やプラズマエッチング処理などのプラズマ処理を基板に施すためのプラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理装置は、基板が載置される載置面を有する下部電極と、下部電極の上方において下部電極と対向する上部電極とを備える。載置面上に載置された基板にプラズマ処理を施す場合には、下部電極と上部電極との間に電圧を印加することにより、下部電極と上部電極との間に設けられる処理空間にプラズマを生成する。

このようなプラズマ処理装置を用いて、基板に対して均一にプラズマ処理を施すには、処理空間に均一なプラズマを生成することが望ましい。そこで、処理空間におけるプラズマの不均一性を軽減することを目的として、基板の外周を取り囲む環状部材を載置台上に設けることが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２４１９４６号公報

しかしながら、上部電極はプラズマに直接曝されることにより高温に加熱されるため、上部電極の中央部は下方に向かって凸状に変形される。このように、プラズマ処理中に下部電極と上部電極との間隔が変化することにより、処理空間には不均一な電界が形成される。その結果、処理空間に均一なプラズマを生成できないため、基板に対して均一にプラズマ処理を施すことが困難であった。特に、基板の寸法が大きくなる程、このような問題は大きくなっていた。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、基板に対して均一にプラズマ処理を施すことができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一の特徴に係る半導体装置の製造方法は、基板を有する半導体装置の製造方法であって、基板にプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を施す工程を備え、プラズマ処理装置は、基板が載置される載置面を有する第１電極と、第１電極と対向して設けられる平板状の第２電極と、第１電極の側方において、第１電極の外周に沿って環状に設けられる補助電極とを有しており、プラズマ処理を施す工程では、第１電極の電位を、第２電極の電位に対して負とし、補助電極の電位は、第２電極の電位に対して負とすることを要旨とする。

本発明の一の特徴に係る半導体装置の製造方法によれば、上部電極が加熱されることにより、上部電極の中央部が下部電極側に凸状に変形した場合であっても、上部電極の端部と下部電極との間の電界強度を強めることができる。そのため、上部電極と下部電極との間に形成される処理空間における電界強度が不均一になることを抑制できる。その結果、処理空間において均一にプラズマを生成することができるため、基板に対して均一にプラズマ処理を施すことができる。

本発明の一の特徴において、第１電極と第２電極とは、載置面に略平行な投影面上において重なり、補助電極は、投影面上において、第２電極の外側に位置し、プラズマ処理を施す工程では、補助電極の電位を、第１電極の電位に対して負としてもよい。

本発明の一の特徴において、補助電極は、載置面に略平行な投影面上において、第２電極の内側に位置し、プラズマ処理を施す工程では、補助電極の電位を、第１電極の電位に対して正としてもよい。

本発明によれば、基板に対して均一にプラズマ処理を施すことができる半導体装置の製造方法を提供することができる。

次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［第１実施形態］
（プラズマ処理装置の構成）
本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置１００の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、プラズマ処理装置１００の断面図である。

本実施形態では、プラズマ処理装置の一例として、ＰＥＣＶＤ（plasma enhanced chemical vapor deposition）法を用いて基板Ｓに成膜処理を施すプラズマ処理装置１００について説明する。

プラズマ処理装置１００は、真空チャンバー１、下部電極１０、上部電極２０、補助電極３０、給気通路４０及び排気通路５０を備える。

真空チャンバー１は、例えばアルミニウムなどによって筒状に成形された処理容器である。

下部電極１０は、基板Ｓが載置される載置面１０Ａを有する載置台として機能する。下部電極１０は、支持部１１によって上下動可能に支持される。

また、下部電極１０は、支持部１１を介して接地されており、アノード電極として機能する。下部電極１０の内部には、例えばモリブデン線などによって構成される加熱機構（不図示）が設けられる。基板Ｓにプラズマ処理を施す場合、下部電極１０は、加熱機構によって昇温される。下部電極１０は、カーボン、グラファイト、或いはアルミニウムなどの一般的な導電材料によって構成される。

上部電極２０は、下部電極１０の上方において、下部電極１０と対向して設けられる。上部電極２０は、支持部２１によって真空チャンバー１の天井に支持される。上部電極２０には、複数の給気孔２０ａが形成される。成膜用ガスやプラズマ生成用ガスは、後述する給気通路４０を通って複数の給気孔２０ａから真空チャンバー１内に供給される。従って、上部電極２０は、ガス供給機構として機能する。

また、図示しない電源装置を用いて、上部電極２０にバイアス電圧としての直流電圧または高周波電圧を印加することにより、上部電極２０はカソード電極として機能する。従って、下部電極１０の電位は、上部電極２０の電位に対して負である。上部電極２０にバイアス電圧を印加することにより、下部電極１０と上部電極２０との間に設けられる処理空間Ｉに、プラズマが生成される。上部電極２０は、カーボン、グラファイト、或いはアルミニウムなどの一般的な導電材料によって構成される。

補助電極３０は、下部電極１０の側方において、下部電極１０から所定の位置に設けられる。また、補助電極３０は、下部電極１０の外周に沿って環状に設けられる。

また、図示しない電源装置を用いて、補助電極３０に直流電圧または高周波電圧を印加することにより、補助電極３０の電位は、上部電極２０に対して負とされる。補助電極３０は、カーボン、グラファイト、或いはアルミニウムなどの一般的な導電材料によって構成される。

ここで、図２は、下部電極１０の載置面１０Ａに略平行な投影面上に、下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０を投影した投影図である。図２に示すように、下部電極１０と上部電極２０との平面形状は、略同寸法であるため、下部電極１０と上部電極２０とは重なる。補助電極３０は、下部電極１０及び上部電極２０の周囲を取り囲む。

なお、下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０の平面形状は、矩形に限らず円形などであってもよい。また、補助電極３０の断面形状は、矩形に限らず円形や中空状などであっても良い。

給気通路４０は、成膜ガスやプラズマ生成用ガスを真空チャンバー１内に給気するための給気管である。図１では、１本の給気通路４０を示しているが、成膜ガスを給気する給気通路とプラズマ生成用ガスを給気する給気通路とを別々に備えていてもよい。

排気通路５０は、真空チャンバー１内の気体を排気するための排気管であり、真空チャンバー１内を真空状態にすることができる。

（処理空間に形成される電界）
次に、処理空間Ｉに形成される電界について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３及び図４は、処理空間Ｉの模式図である。なお、図３及び図４は、上部電極２０が高温に加熱されることにより、上部電極２０の中央部が下部電極１０側に向かって凸状に変形した状態を示す。

（１）補助電極３０の電位が下部電極１０に対して負である場合
補助電極３０の電位が下部電極１０に対して負である場合について、図３を参照しながら説明する。下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０の電位の関係は、上部電極２０＞下部電極１０＞補助電極３０である。

図３に示すように、上部電極２０の中央部が下部電極１０側に向かって凸状に変形した場合、上部電極２０の中央部と下部電極１０との間隔が小さくなる。ここで、処理空間Ｉにおける電界強度（Ｅ）と、上部電極２０と下部電極１０との間隔（Ｌ）と、電圧（Ｖ）との間には、式（１）の関係が成立する。

Ｅ∝（Ｖ／Ｌ）・・・（１）
従って、上部電極２０の端部と第１電極との間における電界強度は、上部電極２０の中央部と第１電極との間に対して相対的に弱くなる。

この場合に、補助電極３０の電位を、上部電極２０及び下部電極１０に対して負とすると、補助電極３０と上部電極２０との間で新たな電界が形成される。補助電極３０と上部電極２０との間では、下部電極１０上にまで広がる強い電界が形成される。具体的には、図３に示される処理空間Ｉ_２及び処理空間Ｉ_３における電界強度が強められる。

（２）補助電極３０の電位が下部電極１０に対して正である場合
補助電極３０の電位が下部電極１０に対して正である場合について、図４を参照しながら説明する。下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０の電位の関係は、上部電極２０＞補助電極３０＞下部電極１０である。

上述の通り、上部電極２０の中央部が下部電極１０側に向かって凸状に変形した場合、上部電極２０の端部と下部電極１０との間における電界強度は、上部電極２０の中央部と下部電極１０との間に対して相対的に弱くなる。

この場合に、補助電極３０の電位を、上部電極２０に対して負、かつ、下部電極１０に対して正とすると、補助電極３０と下部電極１０との間で新たな電界が形成される。具体的には、図４に示される処理空間Ｉ_４及び処理空間Ｉ_５における電界強度が強められる。なお、補助電極３０と下部電極１０との間で新たに形成される電界は、補助電極３０と下部電極１０の端部との間に集中される。

（作用及び効果）
本実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、下部電極１０の側方において、下部電極１０の外周に沿って環状に設けられる補助電極３０を備える。基板Ｓに対してプラズマ処理を施す場合、下部電極１０の電位を、上部電極２０の電位に対して負とし、補助電極３０の電位を、上部電極２０の電位に対して負とする。

従って、上部電極２０が加熱されることにより、上部電極２０の中央部が下部電極１０側に凸状に変形した場合であっても、上部電極２０の端部と下部電極１０との間の電界強度を強めることができる。そのため、処理空間Ｉにおける電界強度が不均一になることを抑制できる。その結果、処理空間Ｉにおいて均一にプラズマを生成することができるため、基板Ｓに対して均一にプラズマ処理を施すことができる。

また、載置面１０Ａに略平行な投影面上において、下部電極１０と上部電極２０とが重なるとともに、補助電極３０が上部電極２０の外側に位置する場合には、補助電極３０の電位を、下部電極１０の電位に対して負とする。

この場合、補助電極３０と上部電極２０との間で、下部電極１０上にまで広がる強い電界を形成できる。その結果、処理空間Ｉにおいてより均一にプラズマを生成できるため、基板Ｓに対してより均一にプラズマ処理を施すことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、本実施形態に係るプラズマ処理装置２００の断面図である。図６は、下部電極１０の載置面１０Ａに略平行な投影面上に、下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０を投影した投影図である。

本実施形態と上記第１実施形態との相違点は、投影面において、補助電極３０が上部電極２０の内側に設けられる点である。その他の点は上記第１実施形態と同様であるため、以下、相違点について主に説明する。

（プラズマ処理装置の構成）
下部電極１０は、支持部１１を介して接地されることにより、アノード電極として機能する。上部電極２０は、バイアス電圧が印加されることにより、カソード電極として機能する。従って、下部電極１０の電位は、上部電極２０の電位に対して負である。

補助電極３０は、下部電極１０の側方において、下部電極１０から所定の位置に設けられる。また、補助電極３０は、下部電極１０の外周に沿って環状に設けられる。

図５に示すように、下部電極１０及び補助電極３０は、上部電極２０の内側に位置する。補助電極３０は、下部電極１０の周囲を取り囲む。

（処理空間に形成される電界）
次に、処理空間Ｉに形成される電界について、図７及び図８を参照しながら説明する。図７及び図８は、処理空間Ｉの模式図である。なお、図７及び図８は、上部電極２０が高温に加熱されることによって、上部電極２０の中央部が下部電極１０側に向かって凸状に変形した状態を示す。

（１）補助電極３０の電位が下部電極１０に対して負である場合
補助電極３０の電位が下部電極１０に対して負である場合について、図７を参照しながら説明する。下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０の電位の関係は、上部電極２０＞下部電極１０＞補助電極３０である。

図７に示すように、上部電極２０の中央部が下部電極１０側に向かって凸状に変形した場合、上記式（１）に従って、上部電極２０の端部と第１電極との間における電界強度は、上部電極２０の中央部と第１電極との間に対して相対的に弱くなる。

この場合に、補助電極３０の電位を、上部電極２０及び下部電極１０に対して負とすると、補助電極３０と上部電極２０との間で新たな電界が形成される。従って、図７に示す処理空間Ｉ_４及び処理空間Ｉ_５における電界強度は強められる。

なお、補助電極３０と下部電極１０との間には、下部電極１０から補助電極３０に向かう電界が形成されるため、図７に示す処理空間Ｉ_６´及び処理空間Ｉ_７´における電界強度は強められにくい。

（２）補助電極３０の電位が下部電極１０に対して正である場合
補助電極３０の電位が下部電極１０に対して正である場合について、図８を参照しながら説明する。下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０の電位の関係は、上部電極２０＞補助電極３０＞下部電極１０である。

上述の通り、上部電極２０の中央部が下部電極１０側に向かって凸状に変形した場合、上部電極２０の端部と下部電極１０との間における電界強度は、上部電極２０の中央部と下部電極１０との間に対して相対的に弱くなる。

この場合に、補助電極３０の電位を、上部電極２０に対して負、かつ、下部電極１０に対して正とすると、補助電極３０から下部電極１０に向かう新たな電界が形成される。従って、処理空間Ｉ_８及び処理空間Ｉ_９における電界強度は強められる。

（作用及び効果）
本実施形態に係るプラズマ処理装置２００によれば、上記第1実施形態に係るプラズマ処理装置１００と同様に、上部電極２０の端部と下部電極１０との間の電界強度を強めることができる。そのため、処理空間Ｉにおける電界強度が不均一になることを抑制できる。その結果、処理空間Ｉにおいて均一にプラズマを生成することができるため、基板Ｓに対して均一にプラズマ処理を施すことができる。

また、載置面１０Ａに略平行な投影面上において、補助電極３０が上部電極２０の内側に位置する場合には、補助電極３０の電位を、下部電極１０の電位に対して正とする。

この場合、補助電極３０から下部電極１０に向かう新たな電界が形成を形成できる。その結果、処理空間Ｉにおいてより均一にプラズマを生成できるため、基板Ｓに対してより均一にプラズマ処理を施すことができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記実施形態では、プラズマ処理装置１００，２００を用いて基板Ｓに成膜処理を施す場合について説明したが、プラズマ処理装置１００，２００は、プラズマエッチング処理などの他のプラズマ処理にも適用することができる。

また、上記実施形態では、下部電極１０を接地することにより、下部電極１０の電位を接地電位としたが、下部電極１０は上部電極２０の電位に対して負であればよい。

また、上記第１実施形態では、補助電極３０と下部電極１０との高さを同じにしたが、補助電極３０と下部電極１０との高さは異なっていてもよい。同様に、上記第２実施形態では、補助電極３０を下部電極１０より高い位置に設けたが、補助電極３０は下部電極１０より低い位置に設けられてもよい。

また、上記実施形態では、補助電極３０を、支持部３１によって真空チャンバー１内に固定したが、補助電極３０は、上下動可能に支持されていてもよい。

また、上記実施形態では、本発明の第１電極及び第２電極の一例として下部電極１０及び上部電極２０について説明したが、第１電極及び第２電極の配置はこれに限られない。すなわち、第１電極及び第２電極は、水平面に対して略垂直に立てられてもよいし、第１電極は第２電極の上方に配置されてもよい。

（電界強度シミュレーション）
次に、処理空間Ｉにおける電界強度を、一般公開されている二次元電界シミュレータ（ＵＲＬ:http://www.ansoft.com、２００８年３月１０検索）を用いて模擬的に測定した。

（比較例１）
比較例１に係る電極構成を図９に模式的に示す。図９に示す構成において、下部電極１０、上部電極２０それぞれの規格化電圧値を、０、＋１００とした場合のシミュレーション結果を図１０に示す。

図１０（ａ）は、処理空間Ｉに形成される電界の模式図である。図１０（ｂ）は、処理空間Ｉにおける規格化電界強度値と、処理空間Ｉの中心からの距離との関係を示すグラフである。

（実施例１）
実施例１に係る電極構成を図１１に模式的に示す。図１１に示す構成において、下部電極１０、上部電極２０、補助電極３０それぞれの規格化電圧値を、０、＋１００、−５０とした場合のシミュレーション結果を図１２に示す。

（実施例２）
実施例２に係る電極構成は図１１と同様である。図１１に示す構成において、下部電極１０、上部電極２０、補助電極３０それぞれの規格化電圧値を、０、＋１００、＋５０とした場合のシミュレーション結果を図１３に示す。

（比較例２）
比較例２に係る電極構成を図１４に模式的に示す。図１４に示す構成において、下部電極１０、上部電極２０それぞれの規格化電圧値を、０、＋１００とした場合のシミュレーション結果を図１５に示す。

図１５（ａ）は、処理空間Ｉに形成される電界の模式図である。図１５（ｂ）は、処理空間Ｉにおける規格化電界強度値と、処理空間Ｉの中心からの距離との関係を示すグラフである。

（実施例３）
実施例３に係る電極構成を図１６に模式的に示す。図１４に示す構成において、下部電極１０、上部電極２０、補助電極３０それぞれの規格化電圧値を、０、＋１００、−８０とした場合のシミュレーション結果を図１７に示す。

（実施例４）
実施例４に係る電極構成は図１６と同様である。図１６に示す構成において、下部電極１０、上部電極２０、補助電極３０それぞれの規格化電圧値を、０、＋１００、−８０とした場合のシミュレーション結果を図１８に示す。

（考察）
実施例１及び実施例２では、比較例１に比べて、均一な電界を形成することができた。これは、補助電極３０を設けることによって、処理空間Ｉの端部における電界を強めることができたためである。

また、実施例１では、実施例２に比べて、より均一な電界を形成することができた。これは、実施例１では、図３に示される処理空間Ｉ_２及び処理空間Ｉ_３における電界強度が強められるのに対して、実施例２では、新たな電界が下部電極１０の端部に集中して形成されるためである。この結果より、投影面において補助電極３０が上部電極２０の外側に位置する場合、補助電極３０の電位は、下部電極１０の電位に対して負であることが好ましいことが確認された。

また、実施例３及び実施例４では、比較例２に比べて、均一な電界を形成することができた。これは、補助電極３０を設けることによって、処理空間Ｉの端部における電界を強めることができたためである。

また、実施例４では、実施例３に比べて、より均一な電界を形成することができた。これは、実施例４では、補助電極３０から下部電極１０に向かう電界が形成されるのに対して、実施例３では、下部電極１０から補助電極３０に向かう電界が形成されることにより、図７に示す処理空間Ｉ_６´及び処理空間Ｉ_７´における電界強度が強められにくいためである。この結果より、投影面において補助電極３０が上部電極２０の内側に位置する場合、補助電極３０の電位は、下部電極１０の電位に対して正であることが好ましいことが確認された。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置１００の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０の投影図である。 本発明の第１実施形態に係る処理空間Ｉの模式図である。 本発明の第１実施形態に係る処理空間Ｉの模式図である。 本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置２００の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る下部電極１０、上部電極２０及び補助電極３０の投影図である。 本発明の第２実施形態に係る処理空間Ｉの模式図である。 本発明の第２実施形態に係る処理空間Ｉの模式図である。 比較例１の電極構成を示す模式図である。 比較例１のシミュレーション結果を示す図である。 実施例１の電極構成を示す模式図である。 実施例１のシミュレーション結果を示す図である。 実施例２のシミュレーション結果を示す図である。 比較例２の電極構成を示す模式図である。 比較例２のシミュレーション結果を示す図である。 実施例３の電極構成を示す模式図である。 実施例３のシミュレーション結果を示す図である。 実施例４のシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

Ｉ…処理空間
Ｓ…基板
１…真空チャンバー
１０…下部電極
１０Ａ…載置面
１１…支持部
２０…上部電極
２０ａ…給気孔
２１…支持部
３０…補助電極
３１…支持部
４０…給気通路
５０…排気通路
１００，２００…プラズマ処理装置

Claims (3)

1. 基板を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記基板にプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を施す工程を
   備え、
   前記プラズマ処理装置は、
   前記基板が載置される載置面を有する第１電極と、
   前記第１電極と対向して設けられる平板状の第２電極と、
   前記第１電極の側方において、前記第１電極の外周に沿って環状に設けられる補助電極と
   を有しており、
   前記プラズマ処理を施す工程では、
   前記第１電極の電位を、前記第２電極の電位に対して負とし、
   前記補助電極の電位は、前記第２電極の電位に対して負とする
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１電極と前記第２電極とは、前記載置面に略平行な投影面上において重なり、
   前記補助電極は、前記投影面上において、前記第２電極の外側に位置しており、
   前記プラズマ処理を施す工程では、
   前記補助電極の電位を、前記第１電極の電位に対して負とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記補助電極は、前記載置面に略平行な投影面上において、前記第２電極の内側に位置しており、
   前記プラズマ処理を施す工程では、
   前記補助電極の電位を、前記第１電極の電位に対して正とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

Images