JP2010287649A

JP2010287649A - 基板処理装置

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Publication number: JP2010287649A
Application number: JP2009138915A
Authority: JP
Inventors: Arihito Ogawa; 有人小川; Mitsuaki Tanabe; 光朗田辺; Hideji Itaya; 秀治板谷
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-24

Abstract

【課題】弾性シール部材を透過して処理容器内に侵入する酸素や水素成分を減らすことができる基板処理装置を提供する。
【解決手段】基板２００を処理する処理容器２０３と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内を排気する排気部と、前記処理容器内でプラズマを生成させるプラズマ生成部と、を有し、前記処理容器は複数の部材で構成されると共に、前記各部材間は弾性シール部材３０２で密閉されており、前記処理容器の外部には、前記弾性シール部材による密閉部の外周側を不活性ガス２７６雰囲気に保つ不活性ガス雰囲気形成部２７５が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板処理装置及び半導体装置の製造方法に係り、例えばＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜やフラッシュメモリのトンネル酸窒化膜などを形成する際に、プラズマ窒化処理を行う基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関する。

ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の高集積化及び高性能化に伴い、ＳｉＯ_２膜からＳｉＯ_２膜中へ窒素を添加したＳｉＯＮ膜が適用され、さらに、ゲート絶縁膜への高誘電率絶縁膜の適用が検討されている。ゲート絶縁膜へ高誘電率絶縁膜を用いる場合、誘電率の向上および結晶化抑制の観点から、高誘電率絶縁膜内へ窒素を添加する場合がある。また、フラッシュメモリのトンネル絶縁膜においては、ＳｉＯ_２膜中に窒素を添加し、ＳｉＯＮ膜として用いる。これらの窒素は、一般的にプラズマ窒化により膜中に導入される（特許文献１参照）。

特開２００９−４４０８８号公報

プラズマ窒化処理を行う場合、その処理容器内雰囲気は酸素を含まないガス、例えば、窒素ガスやアンモニアガス雰囲気とされる。しかしながら、処理容器内雰囲気に残留、もしくは処理容器内壁に付着している酸素、もしくは、水酸化物イオン（ＯＨ）などの影響により、窒素ガスやアンモニアガスを用いてプラズマ窒化処理を実施した場合でも、膜中に酸素や水素が入ってしまう。これらの残留雰囲気、もしくは処理容器内壁に付着する酸素や水酸化物イオンは、処理容器外部から処理容器を構成する各部材を密閉（シール）するために使われているＯリング等の弾性シール部材を透過して処理容器内に侵入しているものと考えられる。

本発明は、弾性シール部材を透過して処理容器内に侵入する酸素や水素成分を減らすことを目的とする。

本発明の一態様によれば、基板を処理する処理容器と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内を排気する排気部と、前記処理容器内でプラズマを生成させるプラズマ生成部と、を有し、前記処理容器は複数の部材で構成されると共に、前記各部材間は弾性シール部材で密閉されており、前記処理容器の外部には、前記弾性シール部材による密閉部の外周側を不活性ガス雰囲気に保つ不活性ガス雰囲気形成部が設けられている基板処理装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、複数の部材で構成されると共に、前記各部材間が弾性シール部材で密閉されてなる処理容器内に基板を搬入する工程と、前記弾性シール部材による密閉部の外周側を不活性ガス雰囲気に保ちつつ、前記処理容器内に処理ガスを供給しプラズマで活性化して基板に供給することで基板をプラズマ処理する工程と、処理済基板を前記処理容器内から搬出する工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、弾性シール部材を透過して処理容器内に侵入する酸素や水素成分を減らすことができる。

本発明の実施形態に係る基板処理装置を示す概略構成図である。図１の基板処理装置の概略図であり、密閉部を説明するための図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。本発明の基板処理装置であるプラズマ処理炉は、電界と磁界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）を用いてウエハ等の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、シャワーヘッド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形成し、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。

図１に、このようなＭＭＴ装置の概略構成図を示す。ＭＭＴ装置は、処理容器２０３を有し、この処理容器２０３は、第１の容器であるドーム型の上側容器２１０と第２の容器である碗型の下側容器２１１により形成され、上側容器２１０は下側容器２１１の上に被せられている。上側容器２１０は酸化アルミニウム又は石英等の非金属材料で形成されており、下側容器２１１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具（基板保持手段）であるサセプタ２１７を窒化アルミニウムや、セラミックス又は石英等の非金属材料で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している。

シャワーヘッド２３６は、処理室２０１の上部に設けられ、キャップ状の蓋体２３３と、ガス導入口２３４と、バッファ室２３７と、開口２３８と、遮蔽プレート２４０と、ガス吹出口２３９とを備えている。バッファ室２３７は、ガス導入口２３４より導入されたガスを分散するための分散空間として設けられる。

ガス導入口２３４には、処理ガスを供給する処理ガス供給部であるガス供給管２３２が接続されており、ガス供給管２３２は、開閉弁であるバルブ２４３ａ、流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１を介して図中省略の処理ガスである反応ガス２３０のガスボンベに繋がっている。シャワーヘッド２３６から反応ガス２３０が処理室２０１に供給され、また、サセプタ２１７の周囲から処理室２０１の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器２１１の側壁にガスを排気するガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５にはガスを排気する排気部であるガス排気管２３１が接続されており、ガス排気管２３１は、圧力調整器であるＡＰＣ２４２、開閉弁であるバルブ２４３ｂを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されている。

供給される反応ガス２３０を励起させる放電機構（放電手段）としてのプラズマ生成部である筒状、例えば円筒状に形成された第１の電極である筒状電極２１５が設けられる。筒状電極２１５は処理容器２０３（上側容器２１０）の外周に設置されて処理室２０１内のプラズマ生成領域２２４を囲んでいる。筒状電極２１５にはインピーダンスの整合を行う整合器２７２を介して高周波電力を印加する高周波電源２７３が接続されている。

また、筒状、例えば円筒状に形成された磁界形成機構（磁界形成手段）である筒状磁石２１６は筒状の永久磁石となっている。筒状磁石２１６は、筒状電極２１５の外表面の上下端近傍に配置される。上下の筒状磁石２１６、２１６は、処理室２０１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２１６、２１６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２１５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。

処理室２０１の底側中央には、基板であるウエハ２００を保持するための基板保持具（基板保持手段）としてサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７は、例えば窒化アルミニウムやセラミックス、又は石英等の非金属材料で形成され、内部に加熱機構（加熱手段）としてのヒータ（図中省略）が一体的に埋め込まれており、ウエハ２００を加熱できるようになっている。ヒータは電力が印加されてウエハ２００を７００℃程度にまで加熱できるようになっている。

また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを変化させ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２７４を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７４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２１７を介してウエハ２００の電位を制御できるようになっている。

ウエハ２００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処理炉２０２は、少なくとも処理室２０１、処理容器２０３、サセプタ２１７、筒状電極２１５、筒状磁石２１６、シャワーヘッド２３６、及び排気口２３５から構成されており、処理室２０１でウエハ２００をプラズマ処理することが可能となっている。

筒状電極２１５及び筒状磁石２１６の周囲には、この筒状電極２１５及び筒状磁石２１６で形成される電界や磁界を外部環境や他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２２３が設けられている。

サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁され、サセプタ２１７を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２６８が設けられている。またサセプタ２１７には貫通孔２１７ａが設けられ、下側容器２１１底面にはウエハ２００を突上げるためのウエハ突上げピン２６６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２６８によりサセプタ２１７が下降させられた時にはウエハ突上げピン２６６がサセプタ２１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔２１７ａ及びウエハ突上げピン２６６が配置される。

また、下側容器２１１の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２４４が設けられ、開いている時には図中省略の搬送機構（搬送手段）により処理室２０１に対してウエハ２００を搬入、または搬出することができ、閉まっている時には処理室２０１を気密に閉じることができる。

また、制御部（制御手段）としてのコントローラ１２１は信号線Ａを通じてＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、真空ポンプ２４６を、信号線Ｂを通じてサセプタ昇降機構２６８を、信号線Ｃを通じてゲートバルブ２４４を、信号線Ｄを通じて整合器２７２、高周波電源２７３を、信号線Ｅを通じてマスフローコントローラ２４１、バルブ２４３ａを、さらに図示しない信号線を通じてサセプタに埋め込まれたヒータやインピーダンス可変機構２７４をそれぞれ制御するよう構成されている。

図２は、図１の基板処理装置の概略図であり、密閉部を説明するための図である。

ここで、処理容器２０３を形成する上側容器２１０と第１の下側容器部材２１１ａ及び第２の下側容器部材２１１ｂからなる下側容器２１１は連結部材３０３で連結されている。このような構造において、処理室２０１内を真空に保つために、各部材間の一方の部材である例えば第１の下側容器部材２１１ａの上面と第２の下側容器部材２１１ｂの上面にアリ溝３００を形成する。そして、アリ溝３００に弾性シール部材である例えばＯリング３０２を挿入し、第１の下側容器部材２１１ａの上面に接触する他方の部材である上側容器２１０の下面でＯリング３０２を挟み、第２の下側容器部材２１１ｂの上面に接触する他方の部材である第１の下側容器部材２１１ａの下面でＯリング３０２を挟んで密閉部を形成する。すなわち、各部材間をＯリング３０２で挟む事によって各部材間は密閉され、処理室２０１内を真空に保つ。しかしながら、従来の基板処理装置では、Ｏリング３０２が大気中の酸素や水素を僅かに透過させるため、処理室２０１内にＯリング３０２を透過して侵入した酸素や水素が僅かに残留し、また、処理容器内壁に付着する。このような状態でプラズマ処理を実施した場合、残留酸素や水素が活性化され、また、処理容器内壁に付着した酸素や水素が処理室２０１内に吐き出され、このように吐き出された酸素及び水素も活性化されてしまう。このため、例えば窒素を含むガスにてプラズマ窒化処理を実施した場合でも、膜中に酸素や水素が取り込まれてしまう。

図２に示すように、本発明の実施形態においては、処理容器２０３を囲むカバー部材である筐体カバー２７５を設ける。筐体カバー２７５には、窒素ガス等の不活性ガスを導入する不活性ガス導入部である不活性ガス導入管２７７を設け、処理容器２０３と筐体カバー２７５の間を窒素等の不活性ガス雰囲気に保ち、不活性ガス雰囲気形成部を形成する。すなわち、処理容器２０３とそれを囲む筐体カバー２７５の間に高純度な不活性ガス２７６を導入し、処理容器２０３と筐体カバー２７５の間を不活性ガス雰囲気に保つことで、Ｏリング３０２を透過して処理容器２０３内へ侵入する酸素や水素を低減することができる。なお、Ｏリング３０２のシール部（密閉部）外側周辺を局所的にカバー部材で覆って、カバー部材内すなわち、カバー部材とシール部の外周部との間に不活性ガスを導入し、Ｏリング３０２のシール部外側周辺を局所的に不活性ガス雰囲気に保ち、不活性ガス雰囲気形成部を形成するようにしてもよい。このようにしても同様の効果が得られる。このような状況下でプラズマ処理を実施することで、処理室２０１内の雰囲気、および処理容器２０３の内壁は酸素や水素の残留成分が少なくなるため、プラズマ処理時に処理室２０１内における酸素および水素濃度を極端に低くでき、プラズマ窒化処理にて形成する膜中への酸素および水素の混入量を少なくできる。

次に上記のような構成の処理炉を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウエハ２００表面に対し、又はウエハ２００上に形成された下地膜の表面に対し所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作は制御部１２１により制御される。

まず、不活性ガス導入管２７７から不活性ガス２７６を導入し、Ｏリング３０２によるシール部の外周側を不活性ガス雰囲気、例えばＮ_２雰囲気とする。そして、これを維持した状態で以下の処理を行う。この状態は処理中、常時維持する。

ウエハ２００は処理炉２０２を構成する処理室２０１の外部からウエハを搬送する図中省略の搬送機構によって処理室２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される。この搬送動作の詳細は次の通りである。サセプタ２１７が基板搬送位置まで下降し、ウエハ突上げピン２６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通過する。このときサセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突き上げピン２６６が突き出された状態となる。次に、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４が開かれ、図中省略の搬送機構によってウエハ２００をウエハ突上げピン２６６の先端に載置する。搬送機構が処理室２０１外へ退避すると、ゲートバルブ２４４が閉じられる。サセプタ２１７がサセプタ昇降機構２６８により上昇すると、サセプタ２１７上面にウエハ２００を載置することができ、更にウエハ２００を処理する位置まで上昇する。

サセプタ２１７に埋め込まれたヒータは予め加熱されており、搬入されたウエハ２００を室温〜７００℃の範囲の内、所定のウエハ処理温度に加熱する。真空ポンプ２４６、及びＡＰＣ２４２を用いて処理室２０１の圧力を０．１〜１５０Ｐａの範囲の内の所定の圧力に維持する。

ウエハ２００の温度が処理温度に達し、安定化したら、ガス導入口２３４から遮蔽プレート２４０のガス噴出孔２３９を介して、反応ガスとしてのＮＨ_３ガス、またはＮ_２ガスを処理室２０１に配置されているウエハ２００の上面（処理面）に向けて導入する。このときのガス流量は１〜５０００ｓｃｃｍの範囲の内の所定の流量とする。同時に筒状電極２１５に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、１５０〜２００Ｗの範囲の内の所定の出力値を投入する。このときインピーダンス可変機構２７４は予め所望のインピーダンス値となるように制御しておく。

筒状磁石２１６、２１６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ２００の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域２２４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２１７上のウエハ２００の表面にプラズマ処理が施される。プラズマ処理が終わったウエハ２００は、図示略の搬送機構を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室２０１外へ搬送される。

なお、例えば高誘電率絶縁膜としてのＨｆＯ_２、ＨｆＳｉＯ_ｘ膜に対してプラズマ窒化処理を行う場合においては、ウエハ温度：０〜５００℃、処理室内圧力：１〜１５０Ｐａ、ＮＨ_３ガス流量：１〜５０００ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガス流量：１〜５０００ｓｃｃｍが例示され、それぞれの処理条件をそれぞれの範囲内のある値で一定に維持することでＨｆＯ_２、ＨｆＳｉＯ_ｘ膜に対してプラズマ窒化処理がなされる。

また、例えばＳｉＯ_２膜に対してプラズマ窒化処理を行う場合においては、ウエハ温度：０〜７００℃、処理室内圧力：１〜１５０Ｐａ、ＮＨ_３ガス流量：１〜５０００ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガス流量：１〜５０００ｓｃｃｍが例示され、それぞれの処理条件をそれぞれの範囲内のある値で一定に維持することでＳｉＯ_２膜に対してプラズマ窒化処理がなされる。

本発明によれば、処理容器の外周部、特にＯリングを用いている周辺部を純度の高い窒素ガス等の不活性ガス雰囲気に保つことで大気成分を排除し、Ｏリングを透過して処理容器内に侵入する酸素や水素成分を減らすことができ、結果として窒素ガスを用いてプラズマ窒化処理を実施した場合に、水素や酸素を含まない窒化膜を形成できる。

尚、上記実施形態では枚葉コールドウォールタイプのプラズマ窒化処理装置で、そのプラズマ処理方法としてＭＭＴ方式を用いて説明したが、本発明はこれに限らず、プラズマ処理方式においては、例えば、並行平板方式など、他の方法を用いた場合でも適用でき、さらに、バッチ式ホットウォールにてプラズマを用いて窒化膜を形成する場合にも適用できる。

以下、本発明の好ましい態様について付記する。

好ましくは、前記不活性ガス雰囲気形成部は、前記処理容器を覆うカバー部材と、前記処理容器と前記カバー部材との間に不活性ガスを導入する不活性ガス導入部とで構成される。

また好ましくは、前記不活性ガス雰囲気形成部は、前記弾性シール部材による密閉部の外周側を局所的に覆うカバー部材と、前記密閉部の外周側と前記カバー部材との間に不活性ガスを導入する不活性ガス導入部とで構成される。

また好ましくは、前記処理ガスが窒素含有ガスであり、前記処理がプラズマ窒化処理である。

２００ウエハ（基板）
２０１処理室
２０３処理容器
２１０上側容器
２１１下側容器
２１５筒状電極
２１６筒状磁石
２１７サセプタ
２２４プラズマ生成領域
２３０反応ガス
２３１ガス排気管
２３２ガス供給管
２３４ガス導入口
２３５排気口
２７２整合器
２７３高周波電源
２７５筐体カバー
２７７不活性ガス導入管
３０２Ｏリング（弾性シール部材）

Claims

基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内を排気する排気部と、
前記処理容器内でプラズマを生成させるプラズマ生成部と、
を有し、
前記処理容器は複数の部材で構成されると共に、前記各部材間は弾性シール部材で密閉されており、前記処理容器の外部には、前記弾性シール部材による密閉部の外周側を不活性ガス雰囲気に保つ不活性ガス雰囲気形成部が設けられていることを特徴とする基板処理装置。
複数の部材で構成されると共に、前記各部材間が弾性シール部材で密閉されてなる処理容器内に基板を搬入する工程と、
前記弾性シール部材による密閉部の外周側を不活性ガス雰囲気に保ちつつ、前記処理容器内に処理ガスを供給しプラズマで活性化して基板に供給することで基板をプラズマ処理する工程と、
処理済基板を前記処理容器内から搬出する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。