JP2013245396A - 表面波励起プラズマｃｖｄ装置及び表面波励起プラズマｃｖｄ成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚分布が均一化され、且つ、基板間や装置間での膜厚分布の再現性が向上された表面波励起プラズマＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】基板が搭載されるステージが格納されるチャンバーと、基板の主面と平行にステージを行方向に往復運動させる移動装置と、チャンバー内でステージ上方の領域を囲んでプラズマ形成領域を定義して配置され、互いに対向して行方向と垂直な列方向に延伸する２面を有する防着板と、プラズマ形成領域に原料ガスを導入するガス導入装置と、マイクロ波電源が出力するマイクロ波をプラズマ形成領域内に導入して原料ガスの表面波励起プラズマを生成する誘電体と、移動装置を制御して、往復運動の端点の位置において基板の中心が防着板の列方向に延伸する２面のそれぞれ直下であるように、プラズマ形成領域の直下の成膜領域に基板を通過させる制御装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面波励起プラズマを使用して成膜を行う表面波励起プラズマＣＶＤ装置及び表面波励起プラズマＣＶＤ成膜方法に関する。

基板の成膜処理工程において、表面波励起プラズマを利用する表面波励起プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置が使用されている。表面波励起プラズマＣＶＤ装置では、マイクロ波を誘電体に伝搬させ、誘電体の表面に生じた表面波によってチャンバー内の処理ガスを励起して表面波励起プラズマを生成する。

表面波励起プラズマでは、ある一定以上の電子密度条件（カットオフ条件）になるとマイクロ波がプラズマ中を進むことができず、誘電体の表面に沿って定在波を形成する。このため、平行平板型プラズマＣＶＤ装置などと比べて、表面波励起プラズマＣＶＤ装置では大面積で均一なプラズマを形成しやすい。

ＣＶＤ装置を含め、成膜装置に要求される膜厚分布は一般的には±５％以下程度である。このため、膜厚分布の均一化のために、チャンバー内で基板を往復運動させながら成膜する表面波励起プラズマＣＶＤ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１０／１３１３６５号

成膜時に基板を往復運動させる成膜工程では、基板温度が上昇しすぎるのを防ぐ目的などのために成膜処理を中断する場合がある。成膜処理を中断した状態における基板表面への着膜を避けるために、基板の移動範囲である往復運動の端点（始点及び終点）は、プラズマ発生領域から十分に離れた位置に設定される。例えば、チャンバー内の一定の領域を囲んでプラズマ発生領域を定義するように配置される防着板の外側に往復運動の端点が設定されていた。しかしながら、膜厚分布を最適化するための往復運動の端点の位置については、これまでは経験に基づいて決められていた。また、膜厚分布に大きな影響を与える原料ガスの吹き出し口の位置や向きに関しても、十分な検討が行われてこなかった。

上記のように、基板を往復運動させながら成膜する場合の膜厚分布に関してのパラメータの検討は不十分であり、基板の移動範囲や原料ガスの吹き出し口の数や向きは経験的に調整されている。このため、装置毎にパラメータの調整が異なり、基板間や装置間での膜厚分布の再現性が低いという問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、膜厚分布が均一化され、且つ、基板間や装置間での膜厚分布の再現性が向上された表面波励起プラズマＣＶＤ装置及び表面波励起プラズマＣＶＤ成膜方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）処理対象の基板が搭載されるステージと、（ロ）ステージが格納されるチャンバーと、（ハ）チャンバー内で、基板の主面と平行にステージを行方向に往復運動させる移動装置と、（ニ）チャンバー内でステージ上方の領域を囲んでプラズマ形成領域を定義して配置され、互いに対向して行方向と垂直な列方向に延伸する２面を有する防着板と、（ホ）プラズマ形成領域に原料ガスを導入するガス導入装置と、（ヘ）マイクロ波電源と、（ト）プラズマ形成領域の上方に配置され、マイクロ波電源が出力するマイクロ波をプラズマ形成領域内に導入して原料ガスの表面波励起プラズマを生成する誘電体と、（チ）移動装置を制御して、往復運動の端点の位置において基板の中心が防着板の列方向に延伸する２面のそれぞれ直下であるように、プラズマ形成領域の直下の成膜領域に基板を通過させる制御装置とを備える表面波励起プラズマＣＶＤ装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、表面波励起プラズマが生成されるプラズマ形成領域がチャンバー内に定義され、プラズマ形成領域の直下の成膜領域を通過するように処理対象の基板を往復運動させながら基板に成膜する表面波励起プラズマＣＶＤ成膜方法であって、（イ）基板を搭載して行方向に往復運動するステージの上方の領域を囲んでプラズマ形成領域を定義し、且つ互いに対向して行方向と垂直な列方向に延伸する２面を有するように、チャンバー内での防着板の位置を設定するステップと、（ロ）往復運動において基板の移動可能なチャンバー内の各位置における成膜レートをそれぞれ取得するステップと、（ハ）成膜レートの分布を成膜領域の中心について行方向に沿って対称にするステップと、（ニ）往復運動の端点の位置における基板の中心を、防着板の互いに対向する２面のそれぞれ直下であるように設定するステップとを含む表面波励起プラズマＣＶＤ成膜方法が提供される。

本発明によれば、膜厚分布が均一化され、且つ、基板間や装置間での膜厚分布の再現性が向上された表面波励起プラズマＣＶＤ装置及び表面波励起プラズマＣＶＤ成膜方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る表面波励起プラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る表面波励起プラズマＣＶＤ装置における基板の往復運動の端点の位置を示す模式図である。 発明の実施形態に係る表面波励起プラズマＣＶＤ装置の原料ガスの吹き出し口の配置方法を説明するための、基板主面の面法線方向から見た模式図である。 本発明の実施形態に係る表面波励起プラズマＣＶＤ装置を用いた成膜処理における成膜レート分布を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る表面波励起プラズマＣＶＤ装置を用いた成膜処理における膜厚の面内分布の均一性を調査した結果を示すグラフである。 基板を移動させながら成膜処理する場合のステージの移動を説明するための模式図である。 発明の実施形態に係る表面波励起プラズマＣＶＤ装置の原料ガスの吹き出し口の他の配置方法を説明するための、基板主面の面法線方向から見た模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。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ることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係る表面波励起プラズマＣＶＤ装置１は、処理対象の基板１００が搭載されるステージ１０と、ステージ１０が格納されるチャンバー２０と、チャンバー２０内に原料ガス３００を導入するガス導入装置３０と、マイクロ波電源４０と、マイクロ波電源４０が出力するマイクロ波をチャンバー２０内に導入して原料ガス３００の表面波励起プラズマを生成する誘電体５０とを備える。表面波励起プラズマＣＶＤ装置１では、マイクロ波電力によって励起された表面波励起プラズマを利用して、原料ガス３００に含まれる原料を主成分とする膜が基板１００の主面１０１上に形成される。

具体的には、マイクロ波電源４０から出力されたマイクロ波が、整合器４１を経由して導波管４２に導入される。マイクロ波は、導波管４２に形成されたスロットアンテナ４３を介して誘電体５０に伝搬される。そして、誘電体５０を介してチャンバー２０内に導入されたマイクロ波のエネルギーによって、チャンバー２０内の原料ガス３００のプラズマが励起される。プラズマの電子密度が表面波発生の臨界密度を越えると、マイクロ波は表面波となってプラズマと誘電体５０との境界面に沿って伝搬し、誘電体５０の全域に広がる。この表面波励起プラズマを利用して、基板１００の成膜処理が行われる。例えば、大面積非晶質シリコン膜、ゲート絶縁膜、有機ＥＬ封止膜などの成膜処理に、表面波励起プラズマＣＶＤ装置１を使用可能である。

チャンバー２０内に配置された防着板６０は、チャンバー２０の内壁に膜が形成されるのを防止すると共に、表面波励起プラズマが形成されるプラズマ形成領域を定義する。即ち、ステージ１０の上方に配置された防着板６０によって周囲を囲まれた領域に、表面波励起プラズマが形成される。防着板６０は、互いに対向して行方向と垂直な列方向に延伸する２面を少なくとも有するように配置される。例えば、行方向又は列方向にそれぞれ延伸する矩形の４枚の防着板６０が立方体の各側面を形成するように配置され、防着板６０に四方を囲まれた領域に表面波励起プラズマが形成される。防着板６０の列方向に延伸する２面を、図１では面６０１、６０２として示している。

防着板６０に囲まれた領域をプラズマ形成領域とするために、ガス導入装置３０の吹き出し口３１は防着板６０を貫通して配置されている。これにより、防着板６０に囲まれた領域に原料ガス３００が導入される。更に、マイクロ波電源４０が出力するマイクロ波をプラズマ形成領域内に導入するために、誘電体５０がプラズマ形成領域の上方に配置されている。

なお、マイクロ波を誘電体５０に伝搬するスロットアンテナ４３は、例えば長矩形の開口部として形成されている。スロットアンテナ４３の形状やサイズは、誘電体５０に伝搬されるマイクロ波の波長などに応じて適宜設定される。

更に、表面波励起プラズマＣＶＤ装置１は、基板１００が搭載されたステージ１０をチャンバー２０内で往復運動させる移動装置７０と、移動装置７０を制御する制御装置８０とを備える。

移動装置７０は、成膜領域を基板１００が通過するように、基板１００の主面１０１と平行にステージ１０を行方向に往復運動させる。図１において、移動方向を基板１００の横に記載した矢印で示している（以下において同様）。成膜領域は誘電体５０と対向する領域であり、プラズマ形成領域の直下に位置する。成膜領域を基板１００が往復運動することにより、基板１００に形成される膜の膜厚分布が均一化される。

膜厚分布が更に均一になるように、制御装置８０によって移動装置７０が制御される。具体的には、図２に示すように、ステージ１０の往復運動の端点（始点Ｘｓ及び終点Ｘｅ）の位置において、基板１００の主面１０１の中心が防着板６０の列方向に延伸する２面（面６０１、６０２）のそれぞれ直下であるように、基板１００を往復運動させる。したがって、ステージ１０の往復運動における端点間の距離は、行方向に沿った防着板６０間の距離Ｄに等しい。なお、説明を分かりやすくするために、始点Ｘｓに位置する基板１００及びステージ１０と、終点Ｘｅに位置する基板１００及びステージ１０とを同時に図示している。

以下に、図１に示した表面波励起プラズマＣＶＤ装置１によって、基板１００に形成される膜の膜厚分布が再現性よく均一化されることを説明する。

均一で且つ再現性のある膜厚分布を実現するためには、以下の２点が重要なポイントである。

（１）基板を移動させずに行う成膜処理（以下において、「固定成膜モード」という。）において、成膜領域の各位置における基板１００の主面１０１での成膜レート分布が、成膜領域の中心について基板１００の移動方向（行方向）に沿って対称形であること。

（２）基板を移動させながら行う成膜処理（以下において、「移動成膜モード」という。）において、膜厚分布が最小であるように往復運動の端点の位置が定義されていること。

先ず、１つ目のポイント（１）については、原料ガス３００をプラズマ形成領域の両側からステージ１０の移動方向（行方向）と平行に導入することによって、実現される。このために、表面波励起プラズマＣＶＤ装置１では、図３に示すように、ガス導入装置３０の吹き出し口３１が、プラズマ形成領域の互いに対向し且つ列方向に延伸する２面に沿ってそれぞれ複数配置されている。図１に示した例では、防着板６０の面６０１と面６０２にそれぞれ吹き出し口３１が、列方向に一定のピッチｐで配列されている。これにより、プラズマ形成領域の対向する２面からプラズマ形成領域に向けて行方向と平行に原料ガス３００が導入される。

なお、図３に示した例では、プラズマ形成領域の一方の面に配置された吹き出し口３１の吹き出し方向と、プラズマ形成領域の他方の面に配置された吹き出し口３１の吹き出し方向とが、重なるように配置されている。つまり、吹き出し口３１が、プラズマ形成領域を挟んで対称に配置されている
図３に示したように吹き出し口３１が配置された表面波励起プラズマＣＶＤ装置１を用いて基板１００上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を形成した場合の、固定成膜モードでの成膜レート分布を図４に示す。なお、吹き出し口３１間のピッチｐは３０ｍｍであり、一列の吹き出し口３１の数は１１である。また、行方向のプラズマ形成領域の長さ、即ち防着板６０間の距離Ｄは２５５ｍｍである。

図４の縦軸は成膜レートであり、横軸は成膜領域の中心から行方向に沿った位置である。図４に示すように、基板１００の移動方向に沿った各位置について成膜レートは対称に分布しており、誘電体５０の端部で成膜レートは急激に低下している。つまり、成膜レート分布は、成膜領域の中心について対称形である。

次に、均一で且つ再現性のある膜厚分布を実現するために重要な２つ目のポイント（２）について説明する。

図４に示した対称形の成膜レート分布を有する表面波励起プラズマＣＶＤ装置１を用いて、移動成膜モードにおける基板１００に形成される膜の膜厚の面内分布について均一性を調査した。図５は、ステージ１０の移動距離Ｌを変えながら面内分布の均一性を測定した結果である。基板１００には、６インチのシリコン基板を使用した。

図５の横軸であるステージ１０の移動距離Ｌは、ステージ１０の往復運動の端点である始点Ｘｓと終点Ｘｅ間の距離として定義されている。即ち、Ｌ＝Ｘｅ−Ｘｓである。図５の縦軸は、膜厚の面内分布の均一性である。また、往復運動の中心では、基板１００の主面１０１の中心が誘電体５０の中心の直下に位置する。

例えば、移動距離Ｌが図５の「防着板外」として示された範囲では、図６に示すように、始点Ｘｓと終点Ｘｅが防着板６０が配置された位置よりも外側に位置する。このとき、往復運動の端点では基板１００が成膜領域内部に存在しない。一方、移動距離Ｌが図５に「防着板内」として示された範囲では、往復運動する基板１００の全体が成膜領域の内部に位置する。Ｌ＝０は、基板１００が成膜処理中に移動せずに、成膜領域の中心と基板１００の主面１０１の中心とが一致して停止している状態である。

図５に示したように、膜厚の面内分布の均一性が最小となる、ステージ１０の移動距離Ｌの最適距離が存在する。図５にＬ＝２５５ｍｍとして示した最適距離において、均一性が２％程度と良好である。移動距離Ｌの最適距離は、行方向に沿った防着板６０間の距離Ｄに等しい。

つまり、均一性が最適であるステージ１０の往復運動では、図２に示したように、移動開始位置である始点Ｘｓ及び移動終了位置である終点Ｘｅにおいて、基板１００の主面１０１の中心が防着板６０の列方向に延伸する２面（面６０１、６０２）のそれぞれ直下である。

上記のように、ステージ１０の往復運動の始点Ｘｓと終点Ｘｅの位置を定義することにより、移動成膜モードにおいて、成膜レートの面内分布の均一性が最小である。図５に示したように、移動距離Ｌが防着板内又は防着板外のいずれの場合にも面内分布が悪化し、面内分布が最小となるステージ１０の移動距離Ｌの最適距離は１点しかない。

従来は、図６に示すように往復運動の端点が防着板６０の外側になるようにステージ１０の移動距離Ｌを経験的に設定した。そして、膜厚分布の所定の値（例えば５％）よりも悪い場合（＞５％）には、原料ガス３００の吹き出し口３１の数や向きを調整して、膜厚分布を改善していた。

しかし、上記に説明したように、プラズマ形成領域の対向する２面からプラズマ形成領域に向けて行方向と平行に原料ガス３００を導入することにより、固定成膜モードにおける成膜レート分布を基板１００の移動方向に沿って対称形にできる。そして、基板１００の中心が防着板６０の列方向に延伸する面６０１と面６０２のそれぞれ直下であるようにステージ１０の往復運動の始点Ｘｓと終点Ｘｅの位置を決定することにより、成膜レートの面内分布の均一性を最小にできる。このように、成膜レートの面内分布の均一性を最小にする手段が単純化されることによって、成膜調整時間を短縮することができる。

更に、上記のように往復運動の始点Ｘｓと終点Ｘｅの位置を決定することにより、ステージ１０の移動距離Ｌが従来の半分程度になる。このため、成膜時間を短縮することができる。

なお、図３では、吹き出し口３１が面６０１と面６０２のそれぞれに同一のピッチｐで配置され、且つ、プラズマ領域を挟んで対称に配置されている例を示した。或いは、図７に示すように、面６０１にピッチｐで配置された吹き出し口３１と、面６０２にピッチｐで配置された吹き出し口３１とが、非対称に配置されていてもよい。図７に示した例では、プラズマ形成領域の対向する２面の一方に配置された吹き出し口３１の吹き出し方向と他方に配置された吹き出し口３１の吹き出し方向とが、列方向に沿って交互に配置されている。図７に示したように吹き出し口３１を配置することにより、プラズマ形成領域の両側から導入された原料ガス３００の吹き出し方向は、プラズマ形成領域で交互に延伸する。このため、プラズマ形成領域での原料ガス３００の分布がより均一化される。具体的には、図４に示した成膜レート分布において、誘電体５０の中心部から端部付近にかけての成膜レートの低下が緩やかになる。

以上に説明したように、チャンバー２０内の各位置における成膜レートをそれぞれ取得し、成膜レートの分布を成膜領域の中心について行方向に沿って対称にすることにより、上記のようにステージ１０の移動範囲を決定して、基板１００に形成される膜の膜厚分布を再現性よく均一にすることができる。このとき、原料ガス３００の吹き出し口３１の配置を上記のように決定することにより、成膜レートの分布を成膜領域の中心について行方向に沿って対称にできる。したがって、図１に示した表面波励起プラズマＣＶＤ装置１によれば、膜厚分布が均一化され、且つ、基板間や装置間での膜厚分布の再現性を向上することができる。

表面波励起プラズマＣＶＤ装置１の移動成膜モードにおける膜厚の面内分布は、固定成膜モードでの成膜レートの分布が定まれば、ステージ１０の移動開始位置及び移動終了位置の一意に決定される。このため、プラズマの分布が安定していれば、面内分布の再現性が機械的な位置のみで決まる。したがって、膜厚分布の再現性は良く、膜厚分布の調整も極めて容易である。

上記のように、本発明は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。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…表面波励起プラズマ処理装置
１０…ステージ
２０…チャンバー
３０…ガス導入装置
３１…吹き出し口
４０…マイクロ波電源
４１…整合器
４２…導波管
４３…スロットアンテナ
５０…誘電体
６０…防着板
７０…移動装置
８０…制御装置
１００…基板
１０１…主面
３００…原料ガス

Claims (6)

1. 処理対象の基板が搭載されるステージと、
   前記ステージが格納されるチャンバーと、
   前記チャンバー内で、前記基板の主面と平行に前記ステージを行方向に往復運動させる移動装置と、
   前記チャンバー内で前記ステージ上方の領域を囲んでプラズマ形成領域を定義して配置され、互いに対向して前記行方向と垂直な列方向に延伸する２面を有する防着板と、
   前記プラズマ形成領域に原料ガスを導入するガス導入装置と、
   マイクロ波電源と、
   前記プラズマ形成領域の上方に配置され、前記マイクロ波電源が出力するマイクロ波を前記プラズマ形成領域内に導入して前記原料ガスの表面波励起プラズマを生成する誘電体と、
   前記移動装置を制御して、前記往復運動の端点の位置において前記基板の中心が前記防着板の前記列方向に延伸する前記２面のそれぞれ直下であるように、前記プラズマ形成領域の直下の成膜領域に前記基板を通過させる制御装置と
   を備え、前記原料ガスに含まれる原料を主成分とする膜を前記基板の前記主面上に形成することを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
2. 前記ガス導入装置が、前記プラズマ形成領域の互いに対向し且つ前記列方向に延伸する２面に沿ってそれぞれ複数配置された吹き出し口を有し、前記２面から前記プラズマ形成領域に向けて前記行方向と平行に前記ガス原料を導入することを特徴とする請求項１に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
3. 複数の前記吹き出し口が、前記２面のそれぞれに同一ピッチで配置され、且つ、前記２面の一方に配置された前記吹き出し口の吹き出し方向と他方に配置された前記吹き出し口の吹き出し方向とが重なるように前記プラズマ形成領域を挟んで対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
4. 複数の前記吹き出し口が、前記２面のそれぞれに同一ピッチで配置され、且つ、前記２面の一方に配置された前記吹き出し口の吹き出し方向と他方に配置された前記吹き出し口の吹き出し方向とが前記列方向に沿って交互に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
5. 表面波励起プラズマが生成されるプラズマ形成領域がチャンバー内に定義され、前記プラズマ形成領域の直下の成膜領域を通過するように処理対象の基板を往復運動させながら前記基板に成膜する表面波励起プラズマＣＶＤ成膜方法であって、
   前記基板を搭載して行方向に前記往復運動するステージの上方の領域を囲んで前記プラズマ形成領域を定義し、且つ互いに対向して前記行方向と垂直な列方向に延伸する２面を有するように、前記チャンバー内での防着板の位置を設定するステップと、
   前記往復運動において前記基板の移動可能な前記チャンバー内の各位置における成膜レートをそれぞれ取得するステップと、
   前記成膜レートの分布を前記成膜領域の中心について前記行方向に沿って対称にするステップと、
   前記往復運動の端点の位置における前記基板の中心を、前記防着板の互いに対向する前記２面のそれぞれ直下であるように設定するステップと
   を含むことを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ成膜方法。
6. 前記プラズマ形成領域の互いに対向し且つ前記列方向に延伸する２面から前記プラズマ形成領域に向けて前記行方向と平行にガス原料を導入するように、前記原料ガスの吹き出し口の位置を設定することにより、前記成膜レートの分布を前記成膜領域の中心について対象にすることを特徴とする請求項５に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ成膜方法。

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