JP2014007343A

JP2014007343A - 成膜装置

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Publication number: JP2014007343A
Application number: JP2012143344A
Authority: JP
Inventors: Taro Ikeda; 太郎池田; Shintaro Aoyama; 真太郎青山; Ryusaku Ota; 龍作太田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: JP5916534B2

Abstract

【課題】ＣＶＤあるいはＡＬＤによる成膜処理と、マイクロ波プラズマによる成膜された膜の改質処理を同一チャンバで、均一にかつ安定的に行うことができる成膜装置を提供すること。
【解決手段】被処理基板ＷにＣＶＤまたはＡＬＤにより所定の膜を成膜するとともに、膜にマイクロ波プラズマ処理を行う成膜装置１００は、被処理基板を収容するチャンバ１と、チャンバ内に成膜のためのガスおよびプラズマを生成するためのガスを導入するガスシャワー機構３と、チャンバ１内にマイクロ波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源２と、チャンバ１内を排気する排気機構１６とを具備し、マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波をチャンバ１内に放射する複数のマイクロ波放射部４１を有し、ガスシャワー機構３は、チャンバ１の天壁の中心領域に設けられ、マイクロ波放射部４１は、ガスシャワー機構３の周囲に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ゲート絶縁膜等の成膜に好適な成膜装置に関する。

近時、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の膜厚を実効的に薄くして半導体回路の性能を向上させるため、ゲート絶縁膜として高誘電率膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）が用いられつつあるが、中でもハフニウム酸化物系材料が注目されており、ＨｆＳｉＯＮ膜やＨｆＯ_２膜が実用化されつつある（例えば特許文献１）。

ＨｆＳｉＯＮ膜やＨｆＯ_２膜のようなハフニウム酸化物系材料膜の成膜手法としては、段差被覆性の良いＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が用いられている。これらのうちＣＶＤの成膜温度が５００℃と比較的高温であるのに対し、ＡＬＤでは３００℃程度の低温成膜が可能であり、段差被覆性もＡＬＤのほうがより良好であるため、ＡＬＤが好んで用いられるようになってきている（例えば特許文献２参照）。

また、最近では、ゲート絶縁膜のさらなる膜質の向上が求められているため、マイクロ波プラズマ処理による改質処理により膜質を向上させることが提案されている（特許文献３）。

特開２００６−１２８５４７号公報特開２００４−１０４１１１号公報特開２００４−１９３４０９号公報

しかしながら、特許文献３においては、成膜処理とマイクロ波プラズマによる改質処理は別個の装置で行っており、スループットが問題となる。また、成膜処理と改質処理を繰り返すようなアプリケーションには対応が困難である。

このような問題は、ＣＶＤあるいはＡＬＤによる成膜処理と、成膜された膜のマイクロ波プラズマによる改質処理とを同一チャンバで行うことができる成膜装置を用いることにより解消されると考えられるが、同一チャンバにおいてこれらの処理を均一にかつ安定的に行うことができる成膜装置は未だ提案されていない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ＣＶＤあるいはＡＬＤによる成膜処理と、マイクロ波プラズマによる成膜された膜の改質処理を同一チャンバで、均一にかつ安定的に行うことができる成膜装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、被処理基板にＣＶＤまたはＡＬＤにより所定の膜を成膜するとともに、膜にマイクロ波プラズマ処理を行う成膜装置であって、被処理基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内に成膜のためのガスおよびプラズマを生成するためのガスを導入するガスシャワー機構と、前記チャンバ内にマイクロ波プラズマを生成するためのマイクロ波プラズマ源と、前記チャンバ内を排気する排気機構とを具備し、前記マイクロ波プラズマ源は、マイクロ波を前記チャンバ内に放射する複数のマイクロ波放射部を有し、前記ガスシャワー機構は、前記チャンバの天壁の中心領域に設けられ、前記マイクロ波放射部は、前記ガスシャワー機構の周囲に配置されていることを特徴とする成膜装置を提供する。

本発明において、前記マイクロ波放射部は、前記ガスシャワー機構を囲む円周上に配置されていることが好ましい。

また、前記チャンバの前記天壁は、金属製の蓋体と、前記蓋体に嵌め込まれた、前記マイクロ波放射部のマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材と、前記ガスシャワー機構とで構成され、前記成膜装置は、前記天壁の少なくとも前記蓋体に対応する部分の下面に設けられた誘電体板をさらに具備することが好ましい。

前記誘電体板は、前記誘電体部材に対応する位置に、前記誘電体部材の下面が前記チャンバに露出するように誘電体部材挿入孔が形成されるように構成することができる。この場合に、前記誘電体板の下面の高さ位置と、前記誘電体部材の下面の高さ位置とが同じ高さ位置になるように設けられていることが好ましい。

前記誘電体部材挿入孔は、前記誘電体板が前記誘電体部材の周縁部にオーバーラップするオーバーラップ部分が形成されるように設けられていることが好ましく、また前記誘電体部材の前記オーバーラップ部分に対応する部分は、その下面の高さ位置が、前記蓋体の下面の高さ位置と同じ高さにならないように設けられていることが好ましい。

前記ガスシャワー機構は、前記誘電体板を支持する突出部を有しており、前記誘電体板と前記突出部との隙間が、異常放電を生じる電界強さとならない程度の大きさになるように、前記誘電体板の前記突出部周囲部分が傾斜して設けられていることが好ましい。

本発明によれば、チャンバの天壁の中央にガスシャワー機構を設けてそこからガスを吐出させてＣＶＤあるいはＡＬＤによる成膜処理を行うので、均一な成膜を行うことができ、また、ガスシャワー機構の周囲にマイクロ波放射部を設けたので、均一にマイクロ波プラズマによる膜の改質処理を行うことができる。このため、これらの処理を同一チャンバで均一にかつ安定的に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す断面図である。図１の成膜装置におけるマイクロ波放射機構およびガスシャワー機構の配置を説明するための図である。図１の成膜装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図である。図１の成膜装置に用いられるマイクロ波放射機構を示す縦断面図である。マイクロ波放射機構の給電機構を示す図４のＡＡ′線による横断面図である。チューナにおけるスラグと滑り部材を示す図４のＢＢ′線による横断面図である。蓋体の孔にマイクロ波放射機構の誘電体部材を挿入した部分を拡大して示す断面図である。蓋体の孔にガスシャワー機構を挿入した部分を拡大して示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す断面図であり、図２は図１の成膜装置におけるマイクロ波放射機構およびガスシャワー機構の配置を説明するための図、図３は図１の成膜装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図、図４は成膜装置に用いられるマイクロ波放射機構を示す断面図である。

成膜装置１００は、被処理基板、例えば半導体ウエハ（以下ウエハと記述する）に対してＣＶＤあるいはＡＬＤにより所定の膜を成膜し、かつマイクロ波プラズマによる膜の改質処理を行う成膜装置として構成される。このような改質処理を行える成膜装置は、例えば、ゲート絶縁膜に用いられるＨｉｇｈ−ｋ膜の成膜を挙げることができ、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としてはＨｆＳｉＯＮ膜やＨｆＯ_２膜等のハフニウム酸化物系材料が例示されるがこれに限るものではない。

成膜装置１００は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１を有している。チャンバ１の上部には開口部１ａが形成されており、この開口部１ａには円板状をなす蓋体１０を介してチャンバ１の内部に臨むようにマイクロ波プラズマ源２およびガスをシャワー状に導入するためのガスシャワー機構３が設けられている。

チャンバ１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ１１が、チャンバ１の底部中央に立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が例示される。

また、サセプタ１１には、ウエハＷを加熱するためのヒーター１３が設けられている。ヒーター１３にはヒーター電源（図示せず）から給電されるようになっている。なお、図示してはいないが、サセプタ１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャックおよびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。そしてこの排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、チャンバ１内が所定の真空度まで高速で減圧されることが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

蓋体１０は、アルミニウム等の金属製であり、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持されており、支持リング２９と蓋体１０との間はシールリング（図示せず）により気密にシールされている。

マイクロ波プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送しチャンバ１内に放射するためのマイクロ波供給部４０とを有している。マイクロ波供給部４０は、マイクロ波をチャンバ１内に放射する複数（本例では６本）のマイクロ波放射機構４１を有している。

図１に示すように、蓋体１０のマイクロ波放射機構４１に対応する部分には孔１０ａが形成されており、孔１０ａには、マイクロ波放射機構４１の一部をなす、マイクロ波を透過するマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材１１０が嵌め込まれている。また、蓋体１０中央のガスシャワー機構３に対応する部分には孔１０ｂが形成されており、ガスシャワー機構３はこの孔１０ｂに嵌め込まれている。したがって、蓋体１０、誘電体部材１１０、ガスシャワー機構３により、チャンバ１の天壁が形成されている。また、蓋体１０の下面には、孔１０ａ，１０ｂ以外の部分に薄い誘電体板１１１が設けられている。

図２に示すように、ガスシャワー機構３は、チャンバ１の天壁の中心領域に設けられており、６本のマイクロ波放射機構４１は、ガスシャワー機構３の周囲、より詳細にはガスシャワー機構３を囲む円周上に配置されている。

図３に示すように、マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、９１５ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、９１５ＭＨｚの他に、７００ＭＨｚから３ＧＨｚを用いることができる。

マイクロ波供給部４０は、上述した６個のマイクロ波放射機構４１と、分配器３４にて分配されたマイクロ波を増幅して、それぞれ対応するマイクロ波放射機構４１に導く６個のアンプ部４２とを有している。

マイクロ波放射機構４１は、インピーダンスを整合させるためのチューナ６０と、増幅されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４５とを有している。そして、各マイクロ波放射機構４１のアンテナ部４５からチャンバ１内へマイクロ波が放射されるようになっている。マイクロ波放射機構４１の詳細は後述する。

アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うアンテナモジュールにおいて９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ４７を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。

アイソレータ４９は、アンテナ部４５で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ部４５で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。

図１に示すように、ガスシャワー機構３には、ガス供給機構１２５から所定のガスが供給される。ガス供給機構１２５は第１ガス供給部１２３および第２ガス供給部１２４を有している。ガスシャワー機構３には、第１ガス配管１２１および第２ガス配管１２２が接続されており、第１ガス配管１２１には第１ガス供給部１２３から成膜原料ガスが供給され、第２ガス配管１２２には第２ガス供給部１２４から反応ガスおよびプラズマを生成するためのプラズマガスが供給される。また、第１ガス供給部１２３および第２ガス供給部１２４の一方または両方からパージガスが供給されるように構成されていてもよい。第１ガス配管１２１および第２ガス配管１２２には、バルブ１２６および１２７が設けられている。また、各ガスはマスフローコントローラのような流量制御器（図示せず）により流量制御されるようになっている。

ガスシャワー機構３には２系統に分かれた多数の孔が設けられており、第１系統の孔には第１ガス配管１２１が接続され、第２系統の孔には第２ガス配管１２２が接続される。これにより、成膜原料ガスと反応ガスとが別個の孔から吐出され、これらがチャンバ１内に供給される前に反応することが防止される。

成膜装置１００では、上述したようにＨｉｇｈ−ｋ膜、例えばハフニウム酸化物系材料膜、典型的には酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜またはハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）膜をＣＶＤまたはＡＬＤで成膜する。これらの中では、低温で成膜することができ段差被覆性が良好なＡＬＤが好ましい。

次に、マイクロ波放射機構４１について説明する。
図４、５に示すように、マイクロ波放射機構４１は、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路（マイクロ波伝送路）４４と、導波路４４を伝送されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４５とを有している。そして、マイクロ波放射機構４１からチャンバ１内に放射されたマイクロ波がチャンバ１内の空間で合成され、チャンバ１内で表面波プラズマが形成されるようになっている。

導波路４４は、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３が同軸状に配置されて構成されており、導波路４４の先端にアンテナ部４５が設けられている。導波路４４は、内側導体５３が給電側、外側導体５２が接地側となっている。外側導体５２および内側導体５３の上端は反射板５８となっている。

導波路４４の基端側にはマイクロ波（電磁波）を給電する給電機構５４が設けられている。給電機構５４は、導波路４４（外側導体５２）の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート５５を有している。マイクロ波電力導入ポート５５には、アンプ部４２から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体５６ａおよび外側導体５６ｂからなる同軸線路５６が接続されている。そして、同軸線路５６の内側導体５６ａの先端には、外側導体５２の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ９０が接続されている。

給電アンテナ９０は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン（登録商標）等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン（登録商標）等の誘電体からなる遅波材５９が設けられている。なお、２．４５ＧＨｚ等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材５９は設けなくてもよい。このとき、給電アンテナ９０から反射板５８までの距離を最適化し、給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８で反射させることで、最大の電磁波を同軸構造の導波路４４内に電送させる。

給電アンテナ９０は、図５に示すように、マイクロ波電力導入ポート５５において同軸線路５６の内側導体５６ａに接続され、電磁波が供給される第１の極９２および供給された電磁波を放射する第２の極９３を有するアンテナ本体９１と、アンテナ本体９１の両側から、内側導体５３の外側に沿って延び、リング状をなす反射部９４とを有し、アンテナ本体９１に入射された電磁波と反射部９４で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成されている。アンテナ本体９１の第２の極９３は内側導体５３に接触している。

給電アンテナ９０がマイクロ波（電磁波）を放射することにより、外側導体５２と内側導体５３との間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、給電機構５４に供給されたマイクロ波電力がアンテナ部４５に向かって伝播する。

また、導波路４４にはチューナ６０が設けられている。チューナ６０は、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるものであり、外側導体５２と内側導体５３との間を上下に移動する２つのスラグ６１ａ，６１ｂと、反射板５８の外側（上側）に設けられたスラグ駆動部７０とを有している。

これらスラグのうち、スラグ６１ａはスラグ駆動部７０側に設けられ、スラグ６１ｂはアンテナ部４５側に設けられている。また、内側導体５３の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ネジが形成された螺棒からなるスラグ移動用の２本のスラグ移動軸６４ａ，６４ｂが設けられている。

図６に示すように、スラグ６１ａは、誘電体からなる円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる滑り部材６３が嵌め込まれている。滑り部材６３にはスラグ移動軸６４ａが螺合するねじ穴６５ａとスラグ移動軸６４ｂが挿通される通し穴６５ｂが設けられている。一方、スラグ６１ｂは、スラグ６１ａと同様、ねじ穴６５ａと通し穴６５ｂとを有しているが、スラグ６１ａとは逆に、ねじ穴６５ａはスラグ移動軸６４ｂに螺合され、通し穴６５ｂにはスラグ移動軸６４ａが挿通されるようになっている。これによりスラグ移動軸６４ａを回転させることによりスラグ６１ａが昇降移動し、スラグ移動軸６４ｂを回転させることによりスラグ６１ｂが昇降移動する。すなわち、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと滑り部材６３とからなるねじ機構によりスラグ６１ａ，６１ｂが昇降移動される。

内側導体５３には長手方向に沿って等間隔に３つのスリット５３ａが形成されている。一方、滑り部材６３は、これらスリット５３ａに対応するように３つの突出部６３ａが等間隔に設けられている。そして、これら突出部６３ａがスラグ６１ａ，６１ｂの内周に当接した状態で滑り部材６３がスラグ６１ａ，６１ｂの内部に嵌め込まれる。滑り部材６３の外周面は、内側導体５３の内周面と遊びなく接触するようになっており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂが回転されることにより、滑り部材６３が内側導体５３を滑って昇降するようになっている。すなわち内側導体５３の内周面がスラグ６１ａ，６１ｂの滑りガイドとして機能する。

滑り部材６３を構成する樹脂材料としては、良好な滑り性を有し、加工が比較的容易な樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を好適なものとして挙げることができる。

上記スラグ移動軸６４ａ，６４ｂは、反射板５８を貫通してスラグ駆動部７０に延びている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと反射板５８との間にはベアリング（図示せず）が設けられている。また、内側導体５３の下端には、導体からなる底板６７が設けられている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端は、駆動時の振動を吸収するために、通常は開放端となっており、これらスラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端から２〜５ｍｍ程度離隔して底板６７が設けられている。なお、この底板６７を軸受け部としてスラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端をこの軸受け部にて軸支させてもよい。

スラグ駆動部７０は筐体７１を有し、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂは筐体７１内に延びており、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂの上端には、それぞれ歯車７２ａおよび７２ｂが取り付けられている。また、スラグ駆動部７０には、スラグ移動軸６４ａを回転させるモータ７３ａと、スラグ移動軸６４ｂを回転させるモータ７３ｂが設けられている。モータ７３ａの軸には歯車７４ａが取り付けられ、モータ７３ｂの軸には歯車７４ｂが取り付けられており、歯車７４ａが歯車７２ａに噛合し、歯車７４ｂが歯車７２ｂに噛合するようになっている。したがって、モータ７３ａにより歯車７４ａおよび７２ａを介してスラグ移動軸６４ａが回転され、モータ７３ｂにより歯車７４ｂおよび７２ｂを介してスラグ移動軸６４ｂが回転される。なお、モータ７３ａ，７３ｂは例えばステッピングモータである。

なお、スラグ移動軸６４ｂはスラグ移動軸６４ａよりも長く、より上方に達しており、したがって、歯車７２ａおよび７２ｂの位置が上下にオフセットしており、モータ７３ａおよび７３ｂも上下にオフセットしているので、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースが小さく、筐体７１が外側導体５２と同じ径となっている。

モータ７３ａおよび７３ｂの上には、これらの出力軸に直結するように、それぞれスラグ６１ａおよび６１ｂの位置を検出するためのインクリメント型のエンコーダ７５ａおよび７５ｂが設けられている。

スラグ６１ａおよび６１ｂの位置は、スラグコントローラ６８により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ７５ａおよび７５ｂにより検知されたスラグ６１ａおよび６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ６８がモータ７３ａおよび７３ｂに制御信号を送り、スラグ６１ａおよび６１ｂの位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ６８は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

アンテナ部４５は、マイクロ波放射アンテナとして機能する、平面状をなしスロット１３１を有する平面スロットアンテナ８１と、平面スロットアンテナ８１の上面に設けられた遅波材８２と、平面スロットアンテナ８１の先端側に平面スロットアンテナ８１に接するように設けられた上記誘電体部材１１０とを有している。遅波材８２の中心には導体からなる円柱部材８２ａが貫通しており、底板６７と平面スロットアンテナ８１とを接続している。したがって、内側導体５３が底板６７および円柱部材８２ａを介して平面スロットアンテナ８１に接続されている。なお、外側導体５２の下端は平面スロットアンテナ８１まで延びており、遅波材８２の周囲は外側導体５２で覆われている。また、平面スロットアンテナ８１の周囲は被覆導体８４により覆われている。マイクロ波は平面スロットアンテナ８１のスロット１３１から放射される。スロット１３１は、マイクロ波が均一に放射されるように、その形状、個数および配置が設定される。スロット１３１は空間であってもよいし、真空より大きい誘電率を有する誘電体が充填されていてもよい。スロット１３１に誘電体を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロット全体の厚さ（平面スロットアンテナ８１の厚さ）を薄くすることができる。

遅波材８２および誘電体部材１１０は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材８２は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、平面スロットアンテナ８１と誘電体部材１１０との接合部が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、平面スロットアンテナ８１の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

このようなアンテナ部４５では、メインアンプ４８で増幅され内側導体５３と外側導体５２の周壁の間の導波路４４を通って到達したマイクロ波が表面波として遅波材８２を透過し、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１を伝送され、さらに誘電体部材１１０を透過し、プラズマに接する誘電体部材１１０の表面を伝送され、この表面波によりチャンバ１内の空間に表面波プラズマを生成する。

本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ６０と、平面スロットアンテナ８１とは近接配置している。そして、チューナ６０と平面スロットアンテナ８１とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつ平面スロットアンテナ８１、遅波材８２、誘電体部材１１０は合成抵抗が５０Ωに設定されているので、チューナ６０はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。

上記誘電体板１１１は、少なくとも蓋体１０の下面に、ガスシャワー機構３を塞がないように設けられており、耐プラズマ性の良好な誘電体、例えば石英で構成されている。この誘電体板１１１は、蓋体１０に対応する部分にプラズマを広げてプラズマを均一化する機能を有している。すなわち、本実施形態では、マイクロ波放射機構４１をガスシャワー機構３の周囲に複数（本例では６本）配置してプラズマの均一化を図っているが、金属製の蓋体１０が露出していると、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１から放射して誘電体部材１１０を透過したマイクロ波が蓋体１０の部分では広がりにくくなるため、より高いプラズマの均一性を確保するために、少なくとも蓋体１０の下面に誘電体板１１１を設けてプラズマの広がりを確保するのである。金属表面でプラズマが広がりにくい理由は、金属表面では誘電体表面に比較してプラズマシースが薄いためと考えられる。つまり、誘電体は浮遊電位となるため、誘電体部材１１０とプラズマとの電位差は大きくなり、シースの厚さはプラズマ状態に応じた厚さ（自己バイアス電圧Ｖｄｃの１／２乗に比例）となるのに対し、金属製の蓋体１０は接地されているため、プラズマとの電位差が小さくなり、シースが薄くなる。このようにシースが薄くなった領域では、マイクロ波の反射および減衰が生じ、表面波は遮断される。このため金属表面では表面波プラズマが十分に生成されず発光が弱くなる。したがって、蓋体１０の直下位置への表面波プラズマの広がりが不十分になる可能性がある。

そこで、本実施形態では、少なくとも金属製の蓋体１０に対応する部分に誘電体板１１１を設け、蓋体１０に対応する部分もプラズマに対して浮遊電位となるようにし、プラズマを径方向に広げて径方向のプラズマの均一性を高める。

一方、図７に示すように、蓋体１０の孔１０ａは段付き形状となっており、誘電体部材１１０の上部にはフランジ部１１０ａが形成されていて、誘電体部材１１０が孔１０ａに嵌め込まれた際に、フランジ部１１０ａが段部１０ｃに支持されるようになっている。このとき、蓋体１０と誘電体部材１１０との間の電界は高いため、これらの間にプラズマが入り込んで異常放電を生じさせないように、蓋体１０と誘電体部材１１０との間の部分を誘電体板１１１で覆うようにする。しかし、誘電体部材１１０を覆うように誘電体板１１１を設けた場合には、これらの間で異常放電が生じる可能性がある。そこで、誘電体板１１１に孔１１１ｂを設け、そこに誘電体部材１１０を挿入し、誘電体部材１１０の下面をチャンバ１内に露出するようにしている。さらに、表面波が均一に広がるように誘電体部材１１０の下面と誘電体板１１１の下面の高さを一致させている。このとき、蓋体１０と誘電体部材１１０との間の隙間を誘電体板１１１で覆うために、誘電体板１１１は蓋体１０から誘電体部材１１０側に突出して、誘電体部材１１０の周縁部に誘電体板１１１とオーバーラップする段部１１０ｂを形成しているが、蓋体１０の下面と段部１１０ｂの下面との高さが一致すると、その部分で電界が高くなって異常放電のリスクが高まるので、図７に示すように、オーバーラップ部分に対応する誘電体板１１１の突出部１１１ａを段差形状とし、誘電体部材１１０における段部１１０ｂの下面位置を蓋体１０の下面位置よりも低い位置になるようにしている。これにより、この部分での異常放電のリスクを低下させることができる。なお、誘電体板１１１と誘電体部材１１０との間に異常放電が生じる可能性が小さい場合には、誘電体板１１１を、蓋体１０のみならず誘電体部材１１０をも覆うように設け、誘電体板１１１の表面に表面波が形成されるようにしてもよい。

また、図８に示すように、ガスシャワー機構３は下面に突出部３ａを有し、そこに誘電体板１１１が保持されるが、金属製のガスシャワー機構３の突出部３ａの端部と誘電体板１１１との間の電界強度が高いため、異常放電のリスクが高くなり、ガスシャワー機構３の表面（シャワー面）の電界も高くなる。そこで、誘電体板１１１の下面をガスシャワー機構３の突出部３ａに向けて上昇する傾斜１１１ｃをつけ、突出部３ａと誘電体板１１１との間隔１１２を狭くしている。このように、突出部３ａと誘電体板１１１との間の隙間１１２を狭くすることにより、その部分の電界を低くして異常放電のリスクを低くすることができ、ガスシャワー機構３表面の電界をも低くすることができる。また、突出部３ａやガスシャワー機構３表面に突起部や鋭角部があるとその部分で電界強度が高くなり、異常放電の原因となるので、突出部３ａを面取りし、ガスシャワー機構３表面は平面形状としている。

成膜装置１００における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部１２０により制御されるようになっている。制御部１２０は成膜装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従って成膜装置１００を制御するようになっている。

次に、以上のように構成される成膜装置１００における動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、チャンバ１内を所定の圧力に調整するとともに、ガス供給機構１２５の第１ガス供給部１２３から第１ガス配管１２１を経てガスシャワー機構３へ成膜原料ガスを供給し、第２ガス供給部１２４から第２ガス配管１２２を経てガスシャワー機構３へ反応ガスを供給し、ガスシャワー機構３から成膜原料ガスおよび反応ガスをチャンバ１内に吐出してＣＶＤまたはＡＬＤにより所定の膜を成膜する。

所定の膜としては、上述したようにＨｉｇｈ−ｋ膜、例えばハフニウム酸化物系材料膜、典型的には酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜またはハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）膜を挙げることができる。

ＨｆＯ_２膜を成膜する際には、成膜原料ガスであるＨｆソースガスとして、有機金属化合物を好適に用いることができ、例えばＴＤＥＡＨ（テトラキスジエチルアミノハフニウム）、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム（ＴＥＭＡＨ）等のアミド系有機ハフニウム化合物や、ハフニウムテトラターシャリブトキサイド（ＨＴＢ）等のアルコキシド系有機ハフニウム化合物を挙げることができる。また、反応ガスとしては、Ｏ_３ガス、Ｈ_２Ｏガス、Ｏ_２ガス、ＮＯ_２ガス、ＮＯガス、Ｎ_２Ｏガス等の酸化剤を用いることができる。酸化剤をプラズマ化して反応性を高めるようにしてもよい。またＯ_２ガスとＨ_２ガスを用いたラジカル酸化であってもよい。

ＨｆＳｉＯｘ膜を成膜する場合には、成膜原料ガスとしてＨｆソースガスおよびＳｉソースガスを用い、反応ガスとして酸化剤を用いる。Ｈｆソースガスおよび酸化剤としてはＨｆＯ_２膜のときと同じものを用いることができる。Ｓｉソースとしては、ＴＤＭＡＳ（テトラキスジメチルアミノシラン）等のアミド系有機シリコン化合物や、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）等のアルコキシド系有機シリコン化合物や、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）等の無機系シラン化合物を挙げることができる。

プラズマガスとしては、Ｏ_２ガス、Ａｒ等の希ガス、Ｎ_２ガス等を好適に用いることができる。具体的には、Ｏ_２ガス、Ｏ_２ガス＋希ガス、希ガス、希ガス＋Ｎ_２ガスを用いることができる。パージガスとしては、Ａｒガス等の希ガスやＮ_２ガスを用いることができる。プラズマガスおよびパージガスとして同じガスを用いることもできる。

ＣＶＤにより成膜する場合には、成膜原料ガスと反応ガスとを同時にガスシャワー機構３から吐出して、ヒーター１３により所定温度に加熱されたウエハＷ上でこれらガスの反応を生じさせる。また、ＡＬＤにより成膜する場合には、例えば、最初に成膜原料ガスをガスシャワー機構３から吐出して、ヒーター１３により所定温度に加熱されたウエハＷ上に吸着させ、次いで、パージガスによりチャンバ１内をパージした後、反応ガスをガスシャワー機構３から吐出してウエハＷ上の成膜原料ガスと反応させて薄い膜を形成し、さらにパージガスによりチャンバ１内をパージした後、同じ操作を繰り返す。

上記ＣＶＤによりＨｆＯ_２膜、ＨｆＳｉＯｘ膜を成膜する際には、３５０〜６００℃、例えば５００℃程度の成膜温度が用いられ、ＡＬＤにより成膜する際には、１５０〜３５０℃、例えば３００℃程度の成膜温度が用いられる。このように、ＡＬＤのほうが低温で成膜することができる。また、ＡＬＤのほうが段差被覆性が良好である。

この場合に、成膜原料ガスおよび反応ガスが、チャンバ１の天壁中央に設けられたガスシャワー機構３から吐出されるため、均一な厚さで成膜を行うことができる。

このようにＣＶＤまたはＡＬＤで成膜したままの状態は、膜中に不純物が多く含まれており、また、原子の配列が不規則でアモルファス状である。したがって、この状態では密度が低く、膜質も悪いため、誘電率は低い状態である。特に、ＡＬＤの場合には低温で成膜されるため、不純物が残りやすい。

そこで、本実施形態では膜に対して、マイクロ波プラズマ（表面波プラズマ）による改質処理を行う。この改質処理により膜中の不純物を除去して膜質を向上させ、結晶化させるとともに、膜の密度を上昇させることができる。マイクロ波プラズマはプラズマ密度が高く電子温度が低いという利点があり、主にラジカルにより小さいサーマルバジェットで処理を行うことができる。

この改質処理は、成膜が終了した後に行ってもよく、成膜処理と改質処理とを２回以上繰り返してもよい。成膜処理と改質処理とを繰り返すことにより、改質処理の効果を高めることができる。

この改質処理は、ガス供給機構１２５の第２ガス供給部１２４から第２ガス配管１２２を経てガスシャワー機構３へプラズマガスを供給し、ガスシャワー機構３からチャンバ１内にプラズマガスを吐出し、このプラズマガスをマイクロ波プラズマ源２の複数のマイクロ波放射機構４１から放射されたマイクロ波によりプラズマ化し、このマイクロ波により形成された表面波プラズマを膜に作用させることにより行う。

このようなマイクロ波プラズマ（表面波プラズマ）を生成するに際し、マイクロ波プラズマ源２では、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振されたマイクロ波電力がアンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部４０へ導かれる。マイクロ波供給部４０においては、このように複数に分配されたマイクロ波電力が、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８で個別に増幅され、ガスシャワー機構３の周囲に複数（本例では６本）設けられたマイクロ波放射機構４１の導波路４４に給電され、導波路４４を通ってアンテナ部４５に至る。アンテナ部４５では、マイクロ波が表面波として遅波材８２を透過し、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１を伝送され、さらに誘電体部材１１０を透過し、プラズマに接する誘電体部材１１０の表面を伝送され、この表面波によりチャンバ１内の空間に表面波プラズマを生成する。

この場合に、マイクロ波を放射するアンテナを有するマイクロ波放射機構４１が、チャンバ１の天壁においてガスシャワー機構３の周囲に複数（本例では６本）配置されているので、チャンバ１内に比較的均等にマイクロ波を放射しやすく、したがって、基本的に均一にマイクロ波プラズマ（表面波プラズマ）を形成することができ、均一なマイクロ波プラズマ（表面波プラズマ）処理を行うことができる。

マイクロ波放射機構４１は、アンテナ部４５とチューナ６０とを一体的に設け、しかもチューナ６０の駆動伝達部、駆動ガイド部、保持部に相当するものを内側導体５３の内部に設けているので極めてコンパクトであり、チャンバ１の天壁上に容易に複数配置して均一なプラズマを生成することが可能である。

しかし、金属製の蓋体１０は接地されているため、蓋体１０が露出していると、プラズマとの電位差が小さくなり、シースが薄くなって、マイクロ波の反射および減衰が生じ、表面波は遮断される。このため金属製の蓋体１０表面では表面波プラズマが十分に生成されず、蓋体１０の直下位置への表面波プラズマの広がりが不十分になる可能性がある。これに対して、誘電体は浮遊電位となるため誘電体とプラズマとの電位差が大きくなって、厚いシースを形成することができ、プラズマが広がりやすくなる。そこで、本実施形態では、少なくとも金属製の蓋体１０に対応する部分を誘電体板１１１で覆い、金属製の蓋体１０に対応する部分もプラズマに対して浮遊電位となるようにし、プラズマを径方向に広げて径方向のプラズマの均一性をより高めている。

ところで、改質処理はプラズマ処理であるため、プラズマを生成する際に電界が強くなる部分で異常放電が生じやすくなる。特に、ＣＶＤやＡＬＤによる成膜後は、成膜した膜の膜剥がれが起こり、異常放電が生じやすい。

このため、電界が強くなりやすい蓋体１０と誘電体部材１１０との間の隙間にプラズマが入り込まないように、この隙間を覆うよう誘電体板１１１を設けている。この隙間を誘電体板１１１で覆うために、誘電体板１１１は蓋体１０から誘電体部材１１０側に突出して、誘電体部材１１０の周縁部に誘電体板１１１とオーバーラップする段部１１０ｂを形成しているが、蓋体１０の下面と段部１１０ｂの下面との高さが一致すると、その部分で電界が高くなるため、オーバーラップ部分に対応する誘電体板１１１の突出部１１１ａを段差形状とし、誘電体部材１１０の下面位置を蓋体１０の下面位置よりも低い位置になるようにしている。さらに、ガスシャワー機構３の下面の誘電体板１１１を保持する突出部３ａの端部と誘電体板１１１との間の電界強度が高く、それにともなってガスシャワー機構３の表面（シャワー面）の電界も高くなるため、誘電体板１１１の下面にガスシャワー機構３の突出部３ａに向けて上昇する傾斜１１１ｃをつけ、突出部３ａと誘電体板１１１との間隙１１２を狭くして電界強度が低くなるようにしている。また、突起部や鋭角部のように電界強度が高くなる部位が生じないようにしている。このように電界強度が高くなる可能性のある部分について、電界強度が低くなる対策をとったので、異常放電を生じにくくすることができる。

以上のように、本実施形態によれば、チャンバ１の天壁の中央にガスシャワー機構３を設けてそこからガスを吐出させてＣＶＤあるいはＡＬＤによる成膜処理を行うので、均一な成膜を行うことができ、また、ガスシャワー機構３の周囲にマイクロ波放射機構４１を設けたので、均一にマイクロ波プラズマによる膜の改質処理を行うことができる。このため、これらの処理を同一チャンバで均一にかつ安定的に行うことができる。

また、少なくとも金属製の蓋体１０に対応する部分の下面に誘電体板１１１を設けたので、その部分で表面波プラズマを広げることができ、マイクロ波プラズマによる改質処理の均一性を一層高めることができる。

さらに、蓋体１０と誘電体部材１１０との間や、ガスシャワー機構３の周囲部分の電界強度が高くなる可能性のある部分について、上述したように電界強度が低くなるような対策をとったので、異常放電を生じにくくすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を、アンプ部４２で増幅し、スラグチューナ６０と平面スロットアンテナ８１を有するアンテナ部４５とを備えた６本のマイクロ波放射機構４１から放射するようにしたが、複数のマイクロ波放射部を有するマイクロ波プラズマ源であればその構造は特に限定されず、また、その数も６本に限定されるものではない。また、複数のマイクロ波放射部がそれぞれ独立したマイクロ波プラズマ源であってもよい。

また、上記実施形態においては、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の成膜と、その改質処理に本発明を適用した例について示したが、これに限らず、成膜とマイクロ波プラズマ処理の両方を行う用途であれば適用することができる。

さらに、被処理基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１；チャンバ
２；マイクロ波プラズマ源
３；ガスシャワー機構
１０；蓋体
１１；サセプタ
１２；支持部材
１５；排気管
１６；排気装置
１７；搬入出口
３０；マイクロ波出力部
３１；マイクロ波電源
３２；マイクロ波発振器
４０；マイクロ波供給部
４１；マイクロ波放射機構（マイクロ波放射部）
４２；アンプ部
４４；導波路
４５；アンテナ部
６０；チューナ
８１；平面スロットアンテナ
８２；遅波材
１００；成膜装置
１１０；誘電体部材
１１１；誘電体板
１２０；制御部
１２１；第１ガス配管
１２２；第２ガス配管
１２３；第１ガス供給部
１２４；第２ガス供給部
１２５；ガス供給機構
１３１；スロット
Ｗ；半導体ウエハ

Claims

被処理基板にＣＶＤまたはＡＬＤにより所定の膜を成膜するとともに、膜にマイクロ波プラズマ処理を行う成膜装置であって、
被処理基板を収容するチャンバと、
前記チャンバ内に成膜のためのガスおよびプラズマを生成するためのガスを導入するガスシャワー機構と、
前記チャンバ内にマイクロ波プラズマを生成するためのマイクロ波プラズマ源と、
前記チャンバ内を排気する排気機構と
を具備し、
前記マイクロ波プラズマ源は、マイクロ波を前記チャンバ内に放射する複数のマイクロ波放射部を有し、
前記ガスシャワー機構は、前記チャンバの天壁の中心領域に設けられ、前記マイクロ波放射部は、前記ガスシャワー機構の周囲に配置されていることを特徴とする成膜装置。
前記マイクロ波放射部は、前記ガスシャワー機構を囲む円周上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記チャンバの前記天壁は、金属製の蓋体と、前記蓋体に嵌め込まれた、前記マイクロ波放射部のマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材と、前記ガスシャワー機構とで構成され、前記成膜装置は、前記天壁の少なくとも前記蓋体に対応する部分の下面に設けられた誘電体板をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜装置。
前記誘電体板は、前記誘電体部材に対応する位置に、前記誘電体部材の下面が前記チャンバに露出するように誘電体部材挿入孔が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
前記誘電体板の下面の高さ位置と、前記誘電体部材の下面の高さ位置とが同じ高さ位置になるように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
前記誘電体部材挿入孔は、前記誘電体板が前記誘電体部材の周縁部にオーバーラップするオーバーラップ部分が形成されるように設けられていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の成膜装置。
前記誘電体部材の前記オーバーラップ部分に対応する部分は、その下面の高さ位置が、前記蓋体の下面の高さ位置と同じ高さにならないように設けられていることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
前記ガスシャワー機構は、前記誘電体板を支持する突出部を有しており、前記誘電体板と前記突出部との隙間が、異常放電を生じる電界強さとならない程度の大きさになるように、前記誘電体板の前記突出部周囲部分が傾斜して設けられていることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の成膜装置。