JP2010177245A

JP2010177245A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2010177245A
Application number: JP2009015205A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takeda; 剛竹田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】高い表面処理能力を発揮することを可能とする。
【解決手段】処理室と、前記処理室内の基板の縁の外側でのガスの流れを制限する制限手段と、活性化室と、前記活性化室及び処理室にガスを供給するガス供給手段と、前記活性化室に供給されたガスを活性化させる活性化手段と、前記活性化室及び前記処理室内に磁場を形成する磁場形成手段と、前記磁場の作用を与えられた前記イオン、前記電子を含む電荷を持った粒子が前記処理室に供給されるのを制限する抑制手段と、前記処理室の粒子及び前記ガスを吸気するための吸気室とを有し、前記活性化室から処理室に供給されたラジカルを含む粒子と、処理室に供給された前記ガスとを反応させて生成されたラジカル、イオン、電子、分子、及び原子を含む粒子を、前記基板と反応させて前記基板を処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は基板処理装置、特にラジカルを用いて基板を処理する基板処理装置に関する。

従来、ウエハなどの基板に対して表面処理を施す半導体処理装置においては、処理面の均一性と処理の速さとを同時に高めるために、処理室の上部または側部に配置したプラズマ源を用いて、反応ガスを活性化させてラジカルを生成し、このラジカルと基板を相互作用させて基板を処理する方式が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−５９５２７号公報

しかしながら、上述した従来の装置だと、プラズマ源で生成したラジカルを処理室に導入し、導入したラジカルで基板を処理するようにしているので、ウエハに供給される前にラジカルが失活し、ウエハ上で反応に寄与するラジカルの量が著しく減少してしまうという現象が回避できなかった。このため、処理面の均一性と処理の速さとを同時に高めることが困難となり、スループットの向上に限界があった。

また、複数の基板を同時に処理するバッチ処理が可能な縦型装置へ拡張するためには、通常のプラズマ源を、基板の数に応じて複数配置しただけでは、高い表面処理性能を確保しつつその限界を克服することは困難であった。

本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解消して、高い表面処理能力を発揮することが可能な基板処理装置を提供することにある。

本発明の一実施の態様によれば、少なくとも１枚の基板を収容する処理室と、前記処理室内の基板の縁の外側でのガスの流れを制限する制限手段と、活性化室と、前記活性化室及び前記処理室にガスを供給するガス供給手段と、前記活性化室に供給されたガスを活性化させてラジカル、イオン、電子を含む粒子を生成する活性化手段と、前記活性化室及び前記処理室内の電荷を持った粒子に作用を与えるための磁場を形成する磁場形成手段と、前記磁場の作用を与えられた前記イオン、前記電子を含む電荷を持った粒子が前記処理室に供給されるのを制限し、前記ラジカル、前記反応ガス中の成分を含む電荷を持たない粒子が前記処理室に供給されるのを許容する抑制手段と、前記処理室の粒子を吸気するための吸気室とを有し、前記活性化室から前記処理室に供給されたラジカルを含む粒子と、前記処理室に供給された前記ガスとを反応させて生成されたラジカル、イオン、電子、分子、及び原子を含む粒子を、前記基板、前記基板に堆積した固体と反応させて基板を処理する基板処理装置が提供される。

本発明によれば、基板に対し高い表面処理能力を発揮することが出来る。

本発明の一実施形態に係る処理炉を示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る処理炉を示す横断面図である。本発明の一実施形態に係る処理炉の図２に示すＵ字型アンテナを通る部分側断面図である。本発明の一実施形態に係る処理装置の斜透視図である。本発明の一実施の形態に係る処理装置の側面透視図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。

実施の形態の基板処理装置は、少なくとも１枚の基板を収容する処理室と、前記処理室内の基板の縁の外側でのガスの流れを制限する制限手段と、活性化室と、前記活性化室及び前記処理室にガスを供給するガス供給手段と、前記活性化室に供給されたガスを活性化させてラジカル、イオン、電子を含む粒子を生成する活性化手段と、を有する。活性化手段としては、誘導結合プラズマ源（ＩＣＰ源）が好ましい。ＩＣＰ源を介してラジカルを生成し、プラズマの処理室への進入を制限しながら、ラジカルだけをウエハ上、又はウエハ間に供給する。

更に、活性化室及び前記処理室内の電荷を持った粒子に作用を与えるための磁場を形成する磁場形成手段と、前記磁場の作用を与えられた前記イオン、前記電子を含む電荷を持った粒子が前記処理室に供給されるのを制限し、前記ラジカルを含む電荷を持たない粒子が前記処理室に供給されるのを許容する抑制手段と、を有する。抑制手段は、グリッド（格子）とすることができる。抑制手段でプラズマの進入を制限しながらラジカルだけをウエハ間に供給することができる。

さらに処理室の粒子及び前記ガスを吸気するための吸気室を有する。例えば、ガス供給を行う多孔ノズルとガスの吸気を行う吸気室を、基板の近傍に配置することで、一枚の基板上、またはウエハ間で反応ガスのサイドフロー（クロスフローともいう）注入が可能となる。これにより、前記活性化室から前記処理室に供給されたラジカルを含む粒子と、前記処理室に供給された前記ガスとを反応させて生成されたラジカル、イオン、電子、分子、及び原子を含む粒子を、前記基板、または前記基板に堆積した固体と反応させて、前記基板を処理することができる。
上記サイドフローとは、基板の一側からガスを供給し、基板の他側からガスを吸い込むことで、ガスが基板表面と平行に流れるガス流れをいう。

このように、本発明の実施の形態の基板処理装置は、活性化室から処理室に進入したラジカルと、処理室に供給されたガスとの間で生じる反応を利用することで、成膜などの基板処理に寄与できるラジカル、イオン、電子、分子、及び原子を含む粒子を生成し、一の基板、好ましくは複数の基板に対して成膜などの表面処理を施すものである。ラジカルと反応ガスとの間で生じる反応には、例えば、希ガスなどからなる長寿命のラジカルとガスとの間で生じる、解離や電子励起やペニングイオン化や解離性イオン化などの反応が含まれる。

本発明の実施の形態は、ウエハなどの基板に対して、上記の反応により活性化された反応ガスの作用により、成膜、アッシング、エッチングなどといった表面処理を実施することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を具体的に説明する。

本発明を実施するための形態において、基板処理装置は、一例として、半導体装置（ＩＣ）の製造方法における処理工程を実施する半導体製造装置として構成されている。尚、
以下の説明では、基板処理装置として基板に酸化、拡散処理やＣＶＤ処理などを行なう縦型の装置（以下、単に処理装置という）を適用した場合について述べる。図４は、本発明に適用される処理装置の斜透視図として示されている。また、図５は図４に示す処理装置の側面透視図である。

図４および図５に示されているように、シリコン等からなるウエハ（基板）２００を収納したウエハキャリアとしてフープ（基板収容器。以下ポッドという。）１１０が使用されている本発明の処理装置１００は、筐体１１１を備えている。筐体１１１の正面壁１１１ａの正面前方部にはメンテナンス可能なように設けられた開口部としての正面メンテナンス口１０３が開設され、この正面メンテナンス口１０３を開閉する正面メンテナンス扉１０４、１０４がそれぞれ建て付けられている。
筐体１１１の正面壁１１１ａにはポッド搬入搬出口（基板収容器搬入搬出口）１１２が筐体１１１の内外を連通するように開設されており、ポッド搬入搬出口１１２はフロントシャッタ（基板収容器搬入搬出口開閉機構）１１３によって開閉されるようになっている。
ポッド搬入搬出口１１２の正面前方側にはロードポート（基板収容器受渡し台）１１４が設置されており、ロードポート１１４はポッド１１０を載置されて位置合わせするように構成されている。ポッド１１０はロードポート１１４上に工程内搬送装置（図示せず）によって搬入され、かつまた、ロードポート１１４上から搬出されるようになっている。

筐体１１１内の前後方向の略中央部における上部には、回転式ポッド棚（基板収容器載置棚）１０５が設置されており、回転式ポッド棚１０５は複数個のポッド１１０を保管するように構成されている。すなわち、回転式ポッド棚１０５は垂直に立設されて水平面内で間欠回転される支柱１１６と、支柱１１６に上中下段の各位置において放射状に支持された複数枚の棚板（基板収容器載置台）１１７とを備えており、複数枚の棚板１１７はポッド１１０を複数個宛それぞれ載置した状態で保持するように構成されている。
筐体１１１内におけるロードポート１１４と回転式ポッド棚１０５との間には、ポッド搬送装置（基板収容器搬送装置）１１８が設置されており、ポッド搬送装置１１８は、ポッド１１０を保持したまま昇降可能なポッドエレベータ（基板収容器昇降機構）１１８ａと搬送機構としてのポッド搬送機構（基板収容器搬送機構）１１８ｂとで構成されており、ポッド搬送装置１１８はポッドエレベータ１１８ａとポッド搬送機構１１８ｂとの連続動作により、ロードポート１１４、回転式ポッド棚１０５、ポッドオープナ（基板収容器蓋体開閉機構）１２１との間で、ポッド１１０を搬送するように構成されている。

筐体１１１内の前後方向の略中央部における下部には、サブ筐体１１９が後端にわたって構築されている。サブ筐体１１９の正面壁１１９ａにはウエハ２００をサブ筐体１１９内に対して搬入搬出するためのウエハ搬入搬出口（基板搬入搬出口）１２０が一対、垂直方向に上下二段に並べられて開設されており、上下段のウエハ搬入搬出口１２０、１２０には一対のポッドオープナ１２１、１２１がそれぞれ設置されている。
ポッドオープナ１２１はポッド１１０を載置する載置台１２２、１２２と、ポッド１１０のキャップ（蓋体）を着脱するキャップ着脱機構（蓋体着脱機構）１２３、１２３とを備えている。ポッドオープナ１２１は載置台１２２に載置されたポッド１１０のキャップをキャップ着脱機構１２３によって着脱することにより、ポッド１１０のウエハ出し入れ口を開閉するように構成されている。

サブ筐体１１９はポッド搬送装置１１８や回転式ポッド棚１０５の設置空間から流体的に隔絶された移載室１２４を構成している。移載室１２４の前側領域にはウエハ移載機構（基板移載機構）１２５が設置されており、ウエハ移載機構１２５は、ウエハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置（基板移載装置）１２５ａおよびウエハ移載装置１２５ａを昇降させるためのウエハ移載装置エレベータ（基板移載装置昇降機構）１２５ｂとで構成されている。図４に模式的に示されているようにウエハ移載装置エレベ
ータ１２５ｂは、耐圧筐体１１１右側端部とサブ筐体１１９の移載室１２４の前方領域右端部との間に設置されている。これら、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびウエハ移載装置１２５ａの連続動作により、ウエハ移載装置１２５ａのツイーザ（基板保持体）１２５ｃをウエハ２００の載置部として、ボート（基板保持具）２１７に対してウエハ２００を装填（チャージング）および脱装（ディスチャージング）するように構成されている。

移載室１２４の後側領域には、ボート２１７を収容して待機させる待機部１２６が構成されている。待機部１２６の上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は、炉口シャッタ（炉口開閉機構）１４７により開閉されるように構成されている。

図４に模式的に示されているように、耐圧筐体１１１右側端部とサブ筐体１１９の待機部１２６右端部との間にはボート２１７を昇降させるためのボートエレベータ（基板保持具昇降機構）１１５が設置されている。ボートエレベータ１１５の昇降台に連結された連結具としてのアーム１２８には蓋体としてのシールキャップ１２９が水平に据え付けられており、シールキャップ１２９はボート２１７を垂直に支持し、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。
ボート２１７は複数本の保持部材を備えており、複数枚（例えば、５０枚〜１２５枚程度）のウエハ２００をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。

図４に模式的に示されているように移載室１２４のウエハ移載装置エレベータ１２５ｂ側およびボートエレベータ１１５側と反対側である左側端部には、清浄化した雰囲気もしくは不活性ガスであるクリーンエア１３３を供給するよう供給フアンおよび防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４が設置されており、ウエハ移載装置１２５ａとクリーンユニット１３４との間には、図示はしないが、ウエハの円周方向の位置を整合させる基板整合装置としてのノッチ合わせ装置１３５が設置されている。
クリーンユニット１３４から吹き出されたクリーンエア１３３は、ノッチ合わせ装置１３５およびウエハ移載装置１２５ａ、待機部１２６にあるボート２１７に流通された後に、図示しないダクトにより吸い込まれて、筐体１１１の外部に排気がなされるか、もしくはクリーンユニット１３４の吸い込み側である一次側（供給側）にまで循環され、再びクリーンユニット１３４によって、移載室１２４内に吹き出されるように構成されている。

次に、本発明の処理装置の動作について説明する。
図４および図５に示されているように、ポッド１１０がロードポート１１４に供給されると、ポッド搬入搬出口１１２がフロントシャッタ１１３によって開放され、ロードポート１１４の上のポッド１１０はポッド搬送装置１１８によって筐体１１１の内部へポッド搬入搬出口１１２から搬入される。
搬入されたポッド１１０は回転式ポッド棚１０５の指定された棚板１１７へポッド搬送装置１１８によって自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、棚板１１７から一方のポッドオープナ１２１に搬送されて載置台１２２に移載されるか、もしくは直接ポッドオープナ１２１に搬送されて載置台１２２に移載される。この際、ポッドオープナ１２１のウエハ搬入搬出口１２０はキャップ着脱機構１２３によって閉じられており、移載室１２４にはクリーンエア１３３が流通され、充満されている。例えば、移載室１２４にはクリーンエア１３３として窒素ガスが充満することにより、酸素濃度が２０ｐｐｍ以下と、筐体１１１の内部（大気雰囲気）の酸素濃度よりも遥かに低く設定されている。

載置台１２２に載置されたポッド１１０はその開口側端面がサブ筐体１１９の正面壁１１９ａにおけるウエハ搬入搬出口１２０の開口縁辺部に押し付けられるとともに、そのキ
ャップがキャップ着脱機構１２３によって取り外され、ウエハ出し入れ口を開放される。
ポッド１１０がポッドオープナ１２１によって開放されると、ウエハ２００はポッド１１０からウエハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃによってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされ、ノッチ合わせ装置１３５にてウエハを整合した後、移載室１２４の後方にある待機部１２６へ搬入され、ボート２１７に装填（チャージング）される。ボート２１７にウエハ２００を受け渡したウエハ移載装置１２５ａはポッド１１０に戻り、次のウエハ２００をボート２１７に装填する。

この一方（上段または下段）のポッドオープナ１２１におけるウエハ移載機構１２５によるウエハのボート２１７への装填作業中に、他方（下段または上段）のポッドオープナ１２１には回転式ポッド棚１０５から別のポッド１１０がポッド搬送装置１１８によって搬送されて移載され、ポッドオープナ１２１によるポッド１１０の開放作業が同時進行される。

予め指定された枚数のウエハ２００がボート２１７に装填されると、炉口シャッタ１４７によって閉じられていた処理炉２０２の下端部が、炉口シャッタ１４７によって、開放される。続いて、ウエハ２００群を保持したボート２１７はシールキャップ１２９がボートエレベータ１１５によって上昇されることにより、処理炉２０２内へ搬入（ローディング）されていく。

ローディング後は、処理炉２０２にてウエハ２００に任意の処理が実施される。
処理後は、ノッチ合わせ装置１３５でのウエハの整合工程を除き、概上述の逆の手順で、ウエハ２００およびポッド１１０は筐体１１１の外部へ払出される。

次に上述した処理炉２０２について具体的に説明する。
[構成]
図１は、処理炉２０２の縦断面図、図２は横断面図、図３は図２のＵ字型アンテナを通る部分側断面図である。

図１に示すように、処理炉２０２の本体部は、フランジ３０２、容器本体３０３、インレットフランジ３０５、シールキャップ１２９で主に構成される。容器本体３０３は、上部と下部が開口した略円筒状のプロセスチューブで構成される。容器本体３０３の上部開口及び下部開口には上部及び下部の鍔がそれぞれ設けられている。容器本体３０３の上部開口はフランジ３０２で気密に閉じられている。容器本体３０３の下部開口には上部と下部が開口したインレットフランジ３０５が気密に接続されている。インレットフランジ３０５の下部開口はシールキャップ１２９で密閉される。

シールキャップ１２９には、回転台６０１、回転台６０１を回転させる回転軸６０２、回転軸６０２を回転させるモータ６０４が取り付けられている。回転台６０１の上にボート２１７が載置される。これにより、モータ６０４を駆動することでボート２１７を回転できるようになっている。

ボート２１７は、複数のウエハ２００を縦方向に多段に積載する。ボート２１７は、支持棒２１７ａと支持台２１７ｂとカバー２１７ｃとで構成され、すべて絶縁材料（石英、アルミナなど）からなっている。また、例えば最大で５０枚のウエハ２００を収納するために、各支持棒２１７ａに５０ケ所の溝が付けられている。

フランジ３０２より、ガス供給管が本体部内に挿入されている。ガス供給管は、キャリアガス５００を供給するキャリアガス供給管５０３ａと、反応ガス５１０を供給する反応ガス供給管５０３ｂとから構成される。キャリアガス供給管５０３ａには、キャリアガス
供給管５０３ａに沿って、キャリアガスの流量を調整する流量調節器５０１ａと、供給管を開閉するバルブ５０２ａが設けられる。キャリアガス供給管５０３ａのガス導入口５０４は、本体部内の活性化室３０１の上方で開口している。これにより、キャリアガス５００を活性化室３０１に供給できるようになっている。

反応ガス供給管５０３ｂには、反応ガス供給管５０３ｂに沿って、一時的に高圧で前記反応ガスを留めることが可能な高圧室５２５、反応ガスの流量を調整する流量調節器５０１ｂ、高圧室５２５の反応ガスを放出するために高速に開閉することが可能なバルブ５０２ｂが設けられる。反応ガス供給管５０３ｂは、本体部内で複数の孔が形成された多孔ノズル５１１に接続されている。多孔ノズル５１１はボート２１７の側面に設けられる。多孔ノズル５１１の複数の孔は、上下に多段に積層された複数のウエハ２００の間であって、ウエハ２００の表面に沿う方向、例えばウエハ２００表面と平行に反応ガスを噴出できるように、隣接する各ウエハ２００の間の高さ位置に、上下に並んで等間隔に配列されている。これにより反応ガスを処理室３００内に直接供給可能とし、さらに高速の反応ガスを高速で繰り返し供給可能となっている。

上述したキャリアガス供給管５０３ａ、流量調節器５０１ａ、バルブ５０２ａ、反応ガス供給管５０３ｂ、高圧室５２５、流量調節器５０１ｂ、バルブ５０２ｂ、多孔ノズル５１１で、ガス供給手段５３０が構成される。

ガス吸気室３０７の排気口５２０は、インレットフランジ３０５の上部の鍔に設けられている。この排気口５２０に排気管５２２が接続されている。排気管５２２には、排気管５２２に沿って排気調節バルブ５２１、排気バルブ５２３、真空ポンプ５２４が設けられる。これにより、ガス吸気室３０７内のガスを吸い込み、排気できるようになっている。

上述した容器本体３０３は絶縁材料（石英、アルミナなど）から、それ以外のフランジ３０２、インレットフランジ３０５、シールキャップ１２９は主に金属材料（アルミ、ステンレスなど）からそれぞれ構成されている。

本体部は、内部に処理室３００、活性化室３０１、ガス吸気室３０７を有している。処理室３００と活性化室３０１との間に後述する抑制手段（格子３０４）が設けられている。

処理室３００はウエハ２００の収納と処理を行うための空間から成る。処理室３００はウエハ２００の縁を囲むような形状の壁を有している。処理室３００は活性化室３０１とガス吸気室３０７の両方と接している。

活性化室３０１は粒子を活性化させてラジカルやイオンや電子などの粒子を生成させるための空間から成る。活性化室３０１の空間は、後述するアンテナを取り付けることが可能で、粒子を留められるようになっている。活性化室３０１は処理室３００と接するように配置されている。

ガス吸気室３０７は処理室３００の粒子やガスを吸気するための空間から成る。ガス吸気室３０７の空間は、粒子やガスを留められるようになっている。粒子やガスを留めるには必要に応じて排気調節バルブ５２１の開度を調節する。ガス吸気室３０７は処理室３００と接するように配置されている。ガス吸気室３０７は処理室３００よりも低圧にすることで処理室３００の粒子やガスを吸気できるようになっている。

図２に示すように、容器本体３０３の壁の横断面形状は、円形ではなく、くびれ部を２箇所有する略ひょうたん形状をしている。この略ひょうたん形をした容器本体３０３の壁
は、中央に配置される処理室３００を形成する処理室壁３０３ａと、処理室壁３０３ａと連接されて容器本体３０３の一側に配置される活性化室３０１を形成する活性化室壁３０３ｂと、処理室３００を挟んで活性化室３０１とは反対側に配置される吸気室３０７を形成する吸気室壁３０３ｃとから構成される。

活性化室３０１と処理室３００との間には、電荷を持った粒子が処理室３００に供給されるのを抑制し、電荷を持たない粒子が処理室３００に供給されるのを許容する抑制手段が設けられる。抑制手段は、例えば、処理室壁３０３ａの円弧が形成する円の円周上に沿って縦配列した格子３０４から構成することができる。格子３０４は、活性化室３０１と処理室３００との間に仕切り壁を設け、この仕切り壁に複数のスリットを設けることにより形成することができる。格子３０４は、絶縁材料（石英、アルミナなど）で構成されている。

なお、多孔ノズル５１１が活性化室３０１内に設けられていながら、多孔ノズル５１１から噴出されるガスが、活性化室３０１ではなく、処理室３００に直接供給されるのは、格子３０４の開口に多数の孔を合わせてあるからである。

処理室壁３０３ａの形状は、例えばウエハ２００の外周の一部（縁）に沿った断面円弧状をしている。活性化室壁３０３ｂは、例えば処理室壁３０３ａが描く円の径よりも大きな径の円弧を形成すべく処理室壁３０３ａから外側に大きく膨出した扇形をしている。処理室壁３０３ａと活性化室壁３０３ｂとに形成されるくびれ部の間（活性化室の開口）の対向距離は略ウエハ２００の径と等しいか、それよりも大きいことが好ましい。吸気室壁３０３ｃは、例えば活性化室壁３０３ｂよりも小さく外側に膨出した断面略コ字形をしている。処理室３００と吸気室３０７とに形成されるくびれ部の間（吸気室の開口）の対向距離はウエハ２００の径より小さく、吸気室３０７は処理室壁３０３ａの一部を絞り込んだ格好をしている。このような構成により、絞り込んだ吸気室３０７でガスを吸い込むと、ウエハ２００間の側面に配置された吸気室３０７よりも広がった活性化室３０１からラジカルを含む電荷を持たない粒子が、多孔ノズル５０３から反応ガスがウエハ面内にそれぞれ供給される。

なお、容器本体３０３の壁の断面形状は、活性化室３０１の開口を吸気室３０７の開口よりも大きく形成したが、逆に、活性化室３０１の開口を吸気室３０７の開口よりも小さく形成してもよい。

また、活性化室３０１は、容器本体３０３の壁の一部（円弧状壁）を膨出させることにより形成したが、その円弧状壁を膨出させないでそのまま残し、残した円弧状壁に複数の縦状のスリットを形成することにより格子を設け、この格子を設けた円弧状壁の外側に、活性化室壁を取り付け、この活性化室壁と円弧状壁とで囲まれる活性化室を形成することもできる。

容器本体３０３には、磁場形成手段が設けられている。磁場形成手段は、活性化室３０１及び処理室３００内の電荷を持った粒子に作用を与えるための磁場を形成する。磁場形成手段は、例えば容器本体３０３の外周に巻回されたコイル４００で構成される。コイル４００は、直流またはパルス状の電流が流されて、縦方向磁場を形成するようになっている。

活性化室３０１には、活性化手段が設けられている。活性化手段は、活性化室３０１に供給されたキャリアガスを活性化させてラジカル、イオン、電子を含む粒子を生成する。この活性化手段は、図２及び図３に示すように、例えば、誘導結合形プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｓｍａ）源４３０で構成される。ＩＣＰ源
４３０は、金属や炭素からなるＵ字形のアンテナを有する。ＩＣＰ源４３０は、一個でもよいがウエハ２００に沿って横並びに複数個設けることが好ましい。図示例では２個設けている。Ｕ字形アンテナ４０２ａ、４０２ｂはそれぞれ絶縁管４０１ａ、４０１ｂで覆われ、インレットフランジ３０５の上部の鍔より活性化室３０１内に挿入されている。アンテナ４０２ａ、４０２ｂの両端はそれぞれ整合器４０４ａ、４０４ｂを介して交流電源４０５ａ、４０５ｂに接続されている。また、アンテナ４０２ａ、４０２ｂの一端は直流電圧電源４０３ａ、４０３ｂがそれぞれ接続されている。これにより、キャリアガスを励起してプラズマを生成し、そのプラズマによってラジカルやイオン、電子などの粒子を生成できるようになっている。

図１に示す搬入出口６００から処理室３００への基板としてのウエハ２００の搬入は、リフト機構（図省略）を用いてシールキャップ１２９を下方へ移動した後、ウエハ２００が積載されたボート２１７が回転台６０１に載せられて、再びリフト機構（図省略）を用いてシールキャップ１２９を上方へ移動して実施される。なお、処理室３００からのウエハ２００の搬出は、搬入時と手順が逆になる。

キャリアガス５００は、キャリアガス供給管５０３ａに沿って、流量調節器５０１ａとバルブ５０２ａを通り、ガス導入口５０４から活性化室３０１に供給される。反応ガス５１０は、反応ガス供給管５０３ｂに沿って、高圧室５２５、流量調節器５０１ｂとバルブ５０２ｂを通り、多孔ノズル５１１から処理室３００に供給される。ガス吸気室３０７に溜まったガスや不純物は、排気管５２２に沿って排気口５２０から排気調節バルブ５２１と排気バルブ５２３を通り、最終的に真空ポンプ５２４にて排気される。本体部に導入されるガスの圧力制御は、流量調節器５２１と排気調節バルブ５２１にて行われる。

Ｕ字形アンテナ４０２には、インピーダンスの整合を行う整合器４０４を介して、交流電源４０５から高周波電力が供給される。直流電圧電源４０３でＵ字形アンテナ４０２をバイアス制御することで、イオンスパッタリングなどによる絶縁管４０１へのダメージを抑えることができる。キャリアガス５００で満たされた活性化室３０１では、高周波電流をＵ字形アンテナ４０２ａ、４０２ｂに流すことで、プラズマ４０６とラジカルが生成され、コイル４００からの縦方向磁場と格子３０４とにより、高エネルギーであり、且つ長寿命であるラジカルだけが処理室３００に注入される。キャリアガスとしてＮｅやＡｒ、Ｈｅ等の希ガスが考えられる。より望ましくは、Ｈｅをキャリアガスとして使用することが良い。Ｈｅは、次に記載のように、他ガスに比べ、ラジカルがより高エネルギーであり、また長寿命であるからである。
準安定励起エネルギー（ｅＶ）
Ｈｅ：１９．８（寿命：４２００ｓ）
Ｎｅ：１６．６（寿命：２４ｓ）
Ａｒ：１１．５（寿命：５６ｓ）

ウエハ２００に接近した処理室壁３０３ａの形状とガス吸気室３０７の存在とにより、ウエハ２００間への十分なガスの流れ、つまり、サイドフローを実現することができる。ウエハ２００間がラジカルで十分に満たされた状態で、反応ガス５１０が多孔ノズル５１１より高速でウエハ２００間に注入されると、電子励起や，ペニングイオン化や解離性イオン化などの反応により、反応ガスは高エネルギーに活性化される。このときの電子やイオンは、コイル４００からの縦方向磁場により拡散が抑えられている。上記のように、サイドフローと活性化された反応ガスとにより、各ウエハ２００に対し高い成膜処理を実施することが可能である。
また、高エネルギーラジカルを基板間に供給することで、低温成膜（例えば４００度未満）、膜の高エッチング耐性（１０Å／ｍｉｎ未満）を実現することができる。
さらに、超寿命ラジカルを用いることで、基板中心部まで反応ガスを到達させることが
できるため、ウエハ面内の膜の高均一性（膜厚差が２％未満）を実現することができる。

上述した処理炉２０２の制御は、図１に示すコントローラ７００を通じて実施される。信号線Ａまたは信号線Ｂを通じて流量調節器５０１とバルブ５０２を、信号線Ｃを通じて排気調節バルブ５２１と排気バルブ５２３と真空ポンプ５２４を、信号線Ｄを通じてシールキャップ６０３を、信号線Ｅを通じてモータ６０４を、信号線Ｆまたは信号線Ｇを通じて直流電圧電源４０３ａ、４０３ｂと整合器４０２ａ、４０２ｂと交流電源４０３ａ、４０３ｂを、信号線Ｈを通じて直流電圧電源４０３ａ、４０３ｂを、それぞれ制御するように構成されている。

次に、上記で示した処理炉２０２を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウエハ２００に対し表面処理を施す方法について説明する。ただし、信号線で接続された各構成部は、コントローラ７００にて制御されるものとする。
複数のウエハ２００（最大で５０枚）を載せたボート２１７は、リフト機構（図省略）によりシールキャップ１２９が下がり搬入出口６００が開いてから、回転台６０１に載せられる。リフト機構（図省略）によりシールキャップ１２９が上がり搬入出口６００が閉まって、ウエハ２００板は処理室３００へ搬入を終える。その後、排気調節バルブ５２１と排気バルブ５２３を開放し、真空ポンプ５０６の排気により処理室３００のベース圧力を０．０５５Ｐａ以下にする。

バルブ５０２ａを開放した後、流量調節器５０１ａにて１０ｓｃｃｍから２０００ｓｃｃｍの範囲内で所定のガス流量で、キャリアガス５００をガス導入口５０４より活性化室３０１に導入する。ただし、排気調節バルブ５２１により、全体の圧力を１Ｐａから１００Ｐａの範囲内で所定の圧力を維持する。モータ６０４により、ウエハ２００とボート２１７に回転運動を与える。このときの回転数は１ｒｐｍの６０ｒｐｍ範囲内で所定の回転数を維持する。

交流電源４０５から整合器４０４を介してＵ字形アンテナ４０２に、高周波電流を与えて誘導結合のプラズマ４０６とラジカルを生成する。このときの電力は５０Ｗから１ｋＷ範囲内で所定の電力を維持する。コイル４００の磁場は、直流電圧電源４０３ｃにより１０Ｇａｕｓｓから５００Ｇａｕｓｓの範囲内で所定の強度にする。この磁場と格子３０４との存在により、電荷を持ったイオンや電子は注入が制限され、電荷を持たないラジカルだけが処理室３００に注入される。なお、Ｕ字形アンテナ４０２に接続されている直流電圧電源４０３ａ、４０３ｂを、所望の電圧にすることで、絶縁管４０１ａ、４０１ｂへのスパッタリングを抑制する。

バルブ５０２ｂを開放した後、反応ガス５１０を、流量調節器５０１ｂにて１０ｓｃｃｍから２０００ｓｃｃｍの範囲内に設定した所定のガス流量で、多孔ノズル５１１より間欠的に処理室３００へ入射する。

処理室３００では、電子励起、ペニングイオン化、解離性イオン化などの反応が、ラジカルと反応ガス５１０との間で生じ、反応ガス５１０は高エネルギーに活性化される。これにより、ラジカルやイオン、電子、分子、原子などの粒子が生成される。これらの活性化された粒子により、複数のウエハ２００に対し表面処理が実施される。このとき、前述のように、不活性ガスのラジカルが大量に供給されるため、供給された反応ガスの多くが、電子励起やペニングイオン化や乖離性イオン化などの反応が起き、その結果、反応ガスの高エネルギー化を実現することができるため、厚い膜（例えば５００Å以上）においても、高スループット処理を行うことができる。表面処理の終わったウエハ２００は、上記の実施方法を逆にして処理室３００外へ搬出されて回収される。

なお、本実施の形態の処理炉でのプラズマ着火用のガスは、キャリアガスに含ませる。不活性ガスであるＮ_２、希ガスであるＨｅ、Ｎｅ、Ａｒを用いることができる。特にＨｅを用いることで高エネルギー、長寿命化が図れる。また、プラズマ源としてＩＣＰ方式を採用すると、プラズマの高密度化が可能である。

また、本実施の形態の処理炉での処理ガスは、ＳｉＮ（窒化シリコン）膜の成膜で例示すれば、キャリアガス種ＨｅとＮＨ_３の混合ガス、反応ガス種ＤＣＳ（ジクロルシラン）である。また、ＳｉＣＮ（炭窒化シリコン）膜またはＢＮ（窒化ボロン）膜の成膜で例示すれば、キャリアガス種ＨｅとＮＨ_３の混合ガスは共通で、反応ガス種がそれぞれ４ＭＳ（テトラメチルシラン）またはＢＣｌ_３（三塩化ボロン）である。

本実施の形態は、以下に挙げる一つまたはそれ以上の効果を有する。
本発明の一つまたはそれ以上の実施の形態によれば、解離や電子励起やペニングイオン化や解離性イオン化などの反応と、サイドフローと呼ばれるガス流れとを、同時に処理室に導入することで、高い表面処理能力を発揮させることができる。したがって、スループットが向上し、通常のプラズマ源を基板の数に応じて複数配置することなく、複数の基板を同時に処理するバッチ処理が可能な縦型装置へ容易に拡張することができる。

また、プラズマ着火用のガスにＨｅを採用し、プラズマ源にＩＣＰ方式を採用すれば、長寿命のラジカルと反応ガスとの相互作用により解離、電離、励起された粒子を、ウエハに有効に反応させることができ、さらに高い表面処理能力を発揮させることができる。

また、ウエハ間の側面に形成される吸気室からガスを吸い込むことで、吸気室と対向するウエハ間の側面の多孔ノズルからガスをウエハ間に供給することができるので、各ウエハ上へのサイドフローが確実となり、処理面の均一性と処理の速さとを同時に高めるウエハ処理を行うことができる。特に、処理室壁がウエハ縁と近接しているので、ウエハ間のガス流れを均一にすることができる。ウエハ面内、ウエハ面間の処理が一層向上する。

なお、上述した実施の形態では、１本の多孔ノズルが設けられている場合について説明したが、多孔ノズルは複数本設けられていてもよい。また、多孔ノズルを活性化室内に設けた場合について説明したが、多孔ノズルを処理室に設けるようにしてもよい。また、処理炉は複数のウエハを同時に処理する処理室を有する縦型装置としたが、本発明は１枚ないし数枚を処理する処理室を有する枚葉装置にも適用可能である。

また、実施の形態の成膜法は、一原子層ずつ成膜するＡＬＤ法、数原子層ずつ成膜するサイクル手法を用いたＣＶＤ法、あるいは通常のＣＶＤ法のいずれでもよい。

以下に、本発明の好ましい態様を付記する。

本発明の一態様によれば、少なくとも１枚の基板を収容する処理室と、前記処理室内の基板の縁の外側でのガスの流れを制限する制限手段と、活性化室と、前記活性化室及び前記処理室にガスを供給するガス供給手段と、前記活性化室に供給されたガスを活性化させてラジカル、イオン、電子を含む粒子を生成する活性化手段と、前記活性化室及び前記処理室内の電荷を持った粒子に作用を与えるための磁場を形成する磁場形成手段と、前記磁場の作用を与えられた前記イオン、前記電子を含む電荷を持った粒子が前記処理室に供給されるのを制限し、前記ラジカルを含む電荷を持たない粒子が前記処理室に供給されるのを許容する抑制手段と、前記処理室の粒子及び前記ガスを吸気するための吸気室とを有し、前記活性化室から前記処理室に供給されたラジカルを含む粒子と、前記処理室に供給されたガスとを反応させて生成されたラジカル、イオン、電子、分子、及び原子を含む粒子を前記基板と反応させて前記基板を処理する基板処理装置が提供される。前記粒子と反応
させる前記基板には、前記基板に堆積した固体である場合もある。

前記活性化手段は、アンテナと、前記アンテナに高周波電流を流す交流電源と、前記交流電源と前記アンテナとのインピーダンスの整合をとる整合器とを備え、前記反応ガスに対し解離、電離、励起を含む作用を与え、プラズマやラジカルを生成することが好ましい。

前記アンテナは前記活性化室に設けられ、該活性化室は、粒子を留められる空間を有し、さらに前記処理室と接していることが好ましい。

前記制限手段は、前記処理室の壁を前記基板の縁を囲むような形状とすることによって構成され、前記処理室は、前記活性化室及び前記吸気室と接していることが好ましい。

前記抑制手段は、板状の材料に前記イオンや前記電子を含む電荷をもった粒子の通過を制限するグリッド（格子）を有し、前記活性化室と前記処理室との間に設けられていることが好ましい。

前記吸気室は、粒子を留められる空間を有し、前記処理室と接するように設けられ、前記処理室よりも低圧にすることで前記処理室の粒子を吸気可能となっていることが好ましい。

前記ガス供給手段は、一時的に高圧で前記反応ガスを留めることが可能な高圧室と、前記高圧室の反応ガスを放出するために高速に開閉することが可能なバルブと、前記活性化室又は前記活性室及び前記処理室に前記反応ガスを供給するためのノズルとを有し、前記高速の反応ガスを、高速で繰り返し供給可能となっていることが好ましい。

前記磁場形成手段は、直流またはパルス状の電流を流すことで前記活性化室及び前記処理室に磁場を形成するコイルを備え、前記磁場により前記イオンや前記電子を含む電荷を持った粒子に作用を与えることが好ましい。

本発明の他の態様によれば、処理室に少なくとも１枚の基板を収納する工程と、前記処理室から基板を回収する工程と、ガス供給手段を用いて前記活性化室にガスを供給する工程と、吸気室を用いて前記処理室を吸気する工程と、活性化手段を用いて前記ガスからラジカル、イオン、電子を含む粒子を生成する工程と、抑制手段を用いて前記イオン、前記電子を含む電荷をもった粒子が前記処理室に供給されるのを制限し、前記ラジカルを含む電荷を持たない粒子が前記処理室に供給されるのを許容する工程と、前記活性化室から前記処理室に供給された前記ラジカルを含む電荷を持たない粒子と、前記処理室に供給された前記ガスとを反応させて生成されたラジカル、イオン、電子、分子、及び原子を含む粒子を生成する工程と、前記基板の上部で前記基板の面方向に粒子の流れを作る工程と、磁場により前記イオン、前記電子を含む電荷を持った粒子に作用を与える工程と、前記ラジカル、前記イオン、前記電子、前記分子、前記原子を含む粒子と前記基板又は前記基板に堆積した固体とを反応させる工程と、を有する半導体デバイスの製造方法が提供される。

１００基板処理装置
２００ウエハ（基板）
３００処理室
３０１活性化室
３０３ａ処理室壁（制限手段）
３０４格子（抑制手段）
３０７吸気室
４００コイル（磁場形成手段）
４３０ＩＣＰ源（活性化手段）
５００キャリアガス
５１０反応ガス
５３０ガス供給手段

Claims

少なくとも１枚の基板を収容する処理室と、
前記処理室内の基板の縁の外側でのガスの流れを制限する制限手段と、
活性化室と、
前記活性化室及び前記処理室にガスを供給するガス供給手段と、
前記活性化室に供給されたガスを活性化させてラジカル、イオン、電子を含む粒子を生成する活性化手段と、
前記活性化室及び前記処理室内の電荷を持った粒子に作用を与えるための磁場を形成する磁場形成手段と、
前記磁場の作用を与えられた前記イオン、前記電子を含む電荷を持った粒子が前記処理室に供給されるのを制限し、前記ラジカルを含む電荷を持たない粒子が前記処理室に供給されるのを許容する抑制手段と、
前記処理室の粒子及び前記ガスを吸気するための吸気室と
を有し、
前記活性化室から前記処理室に供給されたラジカルを含む粒子と、前記処理室に供給された前記ガスとを反応させて生成されたラジカル、イオン、電子、分子、及び原子を含む粒子を前記基板と反応させて前記基板を処理する基板処理装置。
前記制限手段は、前記処理室の壁を前記基板の縁を囲むような形状とすることによって構成され、
前記処理室は、前記活性化室及び前記吸気室と接している請求項１記載の基板処理装置。