JP2017092093A - 基板処理装置、基板処理方法及び基板保持部材 - Google Patents

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    • H01J2237/3343—Problems associated with etching

Abstract

【課題】本発明は、複雑で表面積を大きく増大させるパターンが形成された基板を処理する場合であっても、面内均一性を良好に保つことができる基板処理装置、基板処理方法及び基板保持部材を提供することを目的とする。
【解決手段】処理室１と、
該処理室内に設けられ、基板を保持可能な窪み状の基板保持領域２４ａが周方向に沿って表面に複数設けられた回転テーブル２ａと、
前記基板保持領域の周囲の前記表面に設けられ、凹凸パターンの形成により前記表面の表面積を平坦面よりも増加させた表面積増加領域２７と、
前記回転テーブルの前記表面に処理ガスを供給可能な処理ガス供給手段９０と、を有する基板処理装置。
【選択図】図１３

Description

本発明は、基板処理装置、基板処理方法及び基板保持部材に関する。
半導体デバイスの回路パターンの更なる微細化に伴い、半導体デバイスを構成する種々の膜についても、更なる薄膜化及び均一化が要求されている。かかる要求に応える成膜方法として、第１の反応ガスを基板に供給して基板の表面に第１の反応ガスを吸着させ、次いで第２の反応ガスを基板に供給して基板の表面に吸着した第１の反応ガスと第２の反応ガスとを反応させることにより、反応生成物から構成される膜を基板に堆積させる、いわゆる分子層成膜法（ＭＬＤ、Molecular Layer Deposition）又は原子層成膜法（ＡＬＤ、Atomic Layer Deposition）が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる成膜方法によれば、反応ガスが（準）自己飽和的に基板表面に吸着し得るため、高い成膜制御性、優れた均一性、及び優れた埋め込み特性を実現することができる。
しかしながら、回路パターンの微細化に伴って、例えばトレンチ素子分離構造におけるトレンチや、ライン・スペース・パターンにおけるスペースのアスペクト比が大きくなるにつれて、分子層成膜法においても、トレンチやスペースを埋め込むことが困難な場合がある。
例えば、約３０ｎｍの幅を有するスペースを酸化シリコン膜で埋め込もうとすると、狭いスペースの底部に反応ガスが進入し難いため、スペースを画成するライン側壁の上端部近傍での膜厚が厚くなり、底部側で膜厚が薄くなる傾向がある。そのため、スペースに埋め込まれた酸化シリコン膜にはボイドが生じる場合がある。そのような酸化シリコン膜が、例えば後続のエッチング工程においてエッチングされると、酸化シリコン膜の上面に、ボイドと連通する開口が形成される場合がある。そうすると、そのような開口からボイドにエッチングガス（又はエッチング液）が進入して汚染が生じたり、又は、後のメタライゼーションの際にボイド中に金属が入り込み、欠陥が生じたりするおそれがある。
このような問題は、分子層成膜法に限らず、化学的気相堆積（ＣＶＤ、Chemical Vapor Deposition）法においても生じ得る。例えば、半導体基板に形成される接続孔を導電性物質の膜で埋め込んで導電性の接続孔（いわゆるプラグ）を形成する際に、プラグ中にボイドが形成されてしまう場合がある。そこで、かかるボイドの発生を抑制するため、接続孔を導電性物質で埋め込む際に、接続孔の上部に形成される導電性物質のオーバーハング形状部をエッチバックにより除去する工程を繰り返すことにより、ボイドが抑制された導電性接続孔（いわゆるプラグ）を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、上述の特許文献２に記載の構成では、導電性物質の膜の成膜とエッチバックとを異なる装置で行わなければならず、装置間での基板の搬送や、各装置内での処理条件の安定化に時間を要するため、スループットを向上できないという問題がある。かかる問題を解決すべく、回転テーブル式のＡＬＤ装置に高速のＶ字エッチング処理機能をin-situで実施する成膜装置及び成膜方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
かかる特許文献３に記載の構成によれば、基板に形成された凹部に、ボイドの発生を低減しつつ、高スループットで埋め込みを行うことができる。
特開２０１０−５６４７０号公報 特開２００３−１４２４８４号公報 特開２０１５−１９０７５号公報 特開２０１５−１７３１５４号公報
しかしながら、基板に形成された回路パターンの凹部に埋め込みを行い、更にエッチングを行う際、凹部の形状があまりに複雑であると、平坦部と比較して表面積が著しく増大するため、回路パターンの複雑な箇所と回路パターンが殆ど形成されない平坦部とでは、表面積に大きな差が生じる。このような場合、成膜後にエッチングを行う際には、ローディング現象により表面積が大きな領域でエッチングガスが多く消費される一方、表面積の小さい平坦部ではエッチングガスの消費が少なくて済むが、エッチングガスの供給量は基板全面に対してほぼ均一であるため、回路パターンが複雑な箇所ではエッチングレートが低くなり、回路パターンが簡単な箇所ではエッチングレートが高くなってしまい、エッチングの面内均一性を良好に保つことができない場合がある。また、このような現象は、エッチングのみならず、ローディング現象が発生する総ての基板処理に起こり得る。
なお、縦型熱処理装置を用いた成膜処理において、上下方向におけるガス分布を調整するためにガス分布調整部材をウエハボートの上方及び下方に配置し、鉛直方向における成膜処理の均一性の向上を図った技術が提案されているが、回転テーブル式の成膜処理、エッチング処理とは異なっており、回転テーブル式の基板処理装置への適用は困難である（例えば、特許文献４参照）。
そこで、本発明は、複雑で表面積を大きく増大させるパターンが形成された基板を処理する場合であっても、面内均一性を良好に保つことができる基板処理装置、基板処理方法及び基板保持部材を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る基板処理装置は、処理室と、
該処理室内に設けられ、基板を保持可能な窪み状の基板保持領域が周方向に沿って表面に複数設けられた回転テーブルと、
前記基板保持領域の周囲の前記表面に設けられ、凹凸パターンの形成により前記表面の表面積を平坦面よりも増加させた表面積増加領域と、
前記回転テーブルの前記表面に処理ガスを供給可能な処理ガス供給手段と、を有する。
本発明の他の態様に係る基板処理装置は、処理室と、
該処理室内に設けられた回転テーブルと、
該回転テーブルの周方向に沿って表面に複数設けられ、基板よりも径が大きく、該基板の側面と内周面とを接触させることなく該基板を載置可能な窪み状の基板載置領域と、
該基板載置領域の底面内の前記内周面と離れた位置であって、前記基板の外周形状に沿い、前記回転テーブルの回転による遠心力に抗して前記基板を保持可能な位置に設けられた少なくとも３本以上の基板保持用ピンと、
前記回転テーブルの前記表面に処理ガスを供給可能な処理ガス供給手段と、を有する。
本発明の他の態様に係る基板処理方法は、処理室内の回転テーブル上に周方向に沿って複数設けられた窪み状の基板保持領域に基板を保持し、前記回転テーブルを回転させながら前記基板に処理ガスを供給して基板を処理する基板処理方法であって、
前記基板保持領域の周囲に、平坦面よりも表面積を増加させる凹凸パターンが形成された表面積増加領域が設けられた状態で前記回転テーブルを回転させる工程と、
前記回転テーブルを回転させながら前記基板に前記処理ガスを供給し、前記基板を処理する工程と、を有する。
本発明の他の態様に係る基板保持部材は、回転テーブル上の所定の基板保持領域に基板を保持して前記基板を処理する基板処理装置に用いられる基板保持部材であって、
前記基板を保持可能な内径及び厚さを有するとともに、前記基板保持領域に載置可能な外形及び底面形状を有し、
上面に、平坦面よりも表面積を増加させる凹凸パターンを有する円環形状を有する。
本発明によれば、基板処理の面内均一性を高めることができる。
本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の概略断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の概略平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置における分離領域を説明するための一部断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の他の断面を示す一部断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置における第３の処理領域Ｐ３を説明するための一部断面図である。 シャワーヘッド部の下面の一例を示した平面図である。 ウエハＷの全面に一様な膜を形成したウエハを従来の基板処理装置で成膜処理及びエッチング処理した場合の実験結果を示した図である。 従来の基板処理装置の回転テーブルの凹部とウエハＷとの位置関係を示した断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の回転テーブルの凹部とウエハＷとの位置関係の一例を示した図である。 回転テーブルの周方向に沿ったＸ方向におけるエッチングレートの測定結果を示した図である。 回転テーブルの半径方向に沿ったＹ方向におけるエッチングレートの測定結果を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置の一例を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置の回転テーブルの平面構成の一例を示した図である。 表面積増加領域をリング状部材により構成する例を示した斜視図である。 リング状部材を回転テーブルに設置した状態を示した断面図である。 リング状部材の一例の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る基板処理装置の回転テーブルの一例を示した図である。 凹部及び表面積増加領域の凹凸パターンの表面を示した図である。 凹部及び表面積増加領域の凹凸パターンの斜視図である。 従来の基板処理装置においてＣＦ４の流量を変化させ、平坦面上に形成された膜と、パターンが形成されたウエハ上に形成された膜のＸ軸上におけるエッチングレートを比較した図である。 従来の基板処理装置において回転テーブルの回転速度を変化させ、平坦面上に形成された膜と、パターンが形成されたウエハ上に形成された膜のＸ軸上におけるエッチングレートを比較した図である。 従来の基板処理装置において真空容器内の圧力を変化させ、平坦面上に形成された膜と、パターンが形成されたウエハ上に形成された膜のＸ軸上におけるエッチングレートを比較した図である。 従来の基板処理装置の凹部の周辺の４箇所に表面積増加領域を設けてエッチング処理を行う実験方法を説明するための図である。 図２３に示したトライアル実験のＸ軸上における実験結果である。 図２３に示したトライアル実験のＹ軸上における実験結果である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の概略断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の概略平面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置における分離領域を説明するための一部断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の他の断面を示す一部断面図である。
本発明の実施形態に係る基板処理装置は、図１及び図２に示すように、ほぼ円形の平面形状を有する扁平な真空容器１と、この真空容器１内に設けられ、真空容器１の中心に回転中心を有する回転テーブル２と、を備えている。なお、真空容器１及び回転テーブル２は、例えば、石英で構成される。
真空容器１は、ウエハＷを内部に収容してウエハの処理を行うための処理室である。真空容器１は、有底の円筒形状を有する容器本体１２と、容器本体１２の上面に対して、例えばＯリング等のシール部材１３を介して気密に着脱可能に配置される天板１１とを有している。
回転テーブル２は、中心部にて円筒形状のコア部２１に固定され、このコア部２１は、鉛直方向に伸びる回転軸２２の上端に固定されている。回転軸２２は真空容器１の底部１４を貫通し、その下端が回転軸２２を鉛直軸回りに回転させる駆動部２３に取り付けられている。回転軸２２及び駆動部２３は、上面が開口した筒状のケース体２０内に収納されている。このケース体２０はその上面に設けられたフランジ部分が真空容器１の底部１４の下面に気密に取り付けられており、ケース体２０の内部雰囲気と外部雰囲気との気密状態が維持されている。
回転テーブル２の表面には、図２に示すように、回転方向（周方向）に沿って複数（図示の例では５枚）の半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を載置可能な円形状の窪み形状を有する凹部２４が設けられている。なお、ウエハＷは、基板の一例であり、半導体ウエハ以外にも種々の基板を用いることができる。凹部２４は、ウエハＷの径よりも十分大きい径を有し、内周面がウエハＷの側面に接触しない状態でウエハＷを載置することが可能である。凹部２４の底面には、ウエハ保持用のピン２５が複数本設けられている。凹部２４の面積は、ウエハＷの面積よりも十分に大きいので、回転テーブル２が回転すると、凹部２４の内周面にウエハＷが保持されず、ウエハＷが凹部２４から飛び出してしまう。よって、ウエハＷの保持は、ウエハ保持用のピン２５で行う。よって、ピン２５は、ウエハＷの外周形状に沿うように、また、回転テーブル２が回転したときにウエハＷに加わる遠心力に抗してウエハＷを保持できるように、少なくとも３本以上、互いに離間して設けられる。図２、３の例においては、６本のピン２５が、ウエハＷの外周に沿って等間隔で離間し、ウエハＷの外周を６等分するように配置されている。ピン２５は、凹部２４の内周面から離れた位置に設けられ、内周面から離間している限り、用途に応じて任意の位置に設けてよいが、例えば、総ての凹部２４の内周面から等距離になるように、凹部２４の中心に関して対称に設けるようにしてもよい。
また、凹部２４は、ウエハＷの厚さにほぼ等しい深さを有している。したがって、ウエハＷを凹部２４に載置すると、ウエハＷの表面と回転テーブル２の表面（ウエハＷが載置されない領域）とが同じ高さになる。凹部２４の底面のウエハ保持用のピン２５よりも内側の領域には、ウエハＷの裏面を支えてウエハＷを昇降させるための例えば３本の昇降ピンが貫通する貫通孔２９（図１７参照）が形成されている。
このように、凹部２４及びピン２５で、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の基板保持部を構成するが、凹部２４とピン２５の構成及び機能の詳細は後述することとし、基板処理装置全体の説明を引き続き行う。
回転テーブル２の上方には、図２に示すように、処理ガスノズル３１、３２、分離ガスノズル４１、４２及びエッチングガス供給部９０が配置されている。図示の例では、真空容器１の周方向に間隔をおいて、搬送口１５（後述）から時計回り（回転テーブル２の回転方向）に、エッチングガス供給部９０、分離ガスノズル４１、処理ガスノズル３１、分離ガスノズル４２及び処理ガスノズル３２の順に配列されている。なお、処理ガスノズル３１は第１の処理ガス供給部の一例であり、処理ガスノズル３２は第２の処理ガス供給部の一例である。
なお、本実施形態においては、基板処理装置が、エッチング領域のみならず、成膜領域を有する例を挙げて説明するが、成膜領域に設けられる処理ガスノズル３１、３２を有さず、エッチング領域に設けられるエッチングガス供給部９０のみ又はエッチングガス供給部９０及び分離ガスノズル４１、４２が備えられたエッチング装置として構成されてもよい。但し、以後の実施形態においては、エッチング領域及び成膜領域の双方を備えた基板処理装置を例に挙げて説明する。
処理ガスノズル３１、３２は、各々の基端部であるガス導入ポート３１ａ、３２ａが容器本体１２の外周壁に固定され、真空容器１の外周壁から真空容器１内に導入されている。そして、容器本体１２の半径方向に沿って回転テーブル２に対して処理ガスノズル３１、３２が平行に伸びるように取り付けられている。
分離ガスノズル４１、４２は、各々の基端部であるガス導入ポート４１ａ，４２ａが容器本体１２の外周壁に固定され、真空容器１の外周壁から真空容器１内に導入されている。そして、容器本体１２の半径方向に沿って回転テーブル２に対して分離ガスノズル４１、４２が平行に伸びるように取り付けられている。
なお、エッチングガス供給部９０の詳細については後述する。
処理ガスノズル３１は、例えば石英からなり、不図示の配管及び流量調整器等を介して第１の処理ガスとしてのＳｉ（シリコン）含有ガスの供給源（図示せず）に接続されている。処理ガスノズル３２は、例えば石英からなり、不図示の配管及び流量調整器等を介して、第２の処理ガスとしての酸化ガスの供給源（図示せず）に接続されている。分離ガスノズル４１、４２は、いずれも不図示の配管及び流量調整バルブ等を介して、分離ガスの供給源（図示せず）に接続されている。
Ｓｉ含有ガスとしては、例えば有機アミノシランガスを用いることができ、酸化ガスとしては、例えばＯ３（オゾン）ガス、Ｏ２（酸素）ガスを用いることができる。分離ガスとしては、例えばＡｒ（アルゴン）ガス、Ｎ２（窒素）ガスを用いることができる。
処理ガスノズル３１、３２には、回転テーブル２に向かって開口する複数のガス吐出孔３３（図３参照）が、処理ガスノズル３１、３２の長さ方向に沿って、例えば１０ｍｍの間隔で配列されている。図２に示されるように、処理ガスノズル３１の下方領域は、Ｓｉ含有ガスをウエハＷに吸着させるための第１の処理領域Ｐ１となる。処理ガスノズル３２の下方領域は、第１の処理領域Ｐ１においてウエハＷに吸着されたＳｉ含有ガスを酸化させる酸化ガスを供給する第２の処理領域Ｐ２となる。また、エッチングガス供給部９０の下方領域は、ウエハＷ上に堆積した反応生成物をエッチングするエッチングガスを供給する第３の処理領域Ｐ３となる。
なお、第１の処理領域Ｐ１は、原料ガスをウエハＷに供給する領域であるので、原料ガス供給領域Ｐ１と呼んでもよく、第２の処理領域Ｐ２は、原料ガスと反応して反応生成物を生成可能な反応ガスをウエハＷに供給する領域であるので、反応ガス供給領域Ｐ２と呼んでもよい。また、第３の処理領域は、ウエハＷにエッチング処理を施す領域であるので、エッチング領域Ｐ３と呼んでもよい。
図２及び図３に示されるように、天板１１の裏面から回転テーブル２に向かって突出する凸状部４が真空容器１に設けられている。凸状部４は、分離ガスノズル４１、４２と共に分離領域Ｄを構成する。図２に示されるように、凸状部４は、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有する。また、図１及び図２に示されるように、凸状部４は、内円弧が突出部５（後述）に連結し、外円弧が真空容器１の容器本体１２の内周面に沿うように配置されている。
図３は、処理ガスノズル３１から処理ガスノズル３２まで回転テーブル２の同心円に沿った真空容器１の断面を示している。図３に示すように、真空容器１内には、凸状部４によって、凸状部４の下面である平坦な低い第１の天井面４４と、この第１の天井面４４の周方向両側に位置する、第１の天井面４４よりも高い第２の天井面４５とが存在する。
図２に示されるように、第１の天井面４４は、頂部が円弧状に切断された扇型の平面形状を有している。また、図３に示されるように、凸状部４には周方向中央において、半径方向に伸びるように形成された溝部４３が形成され、分離ガスノズル４２が溝部４３内に収容されている。もう一つの凸状部４にも同様に溝部４３が形成され、この溝部４３内に分離ガスノズル４１が収容されている。また、高い第２の天井面４５の下方の空間に処理ガスノズル３１、３２がそれぞれ設けられている。これらの処理ガスノズル３１、３２は、第２の天井面４５から離間してウエハＷの近傍に設けられている。なお、図３に示すように、回転テーブル２の外周側から見て、高い天井面４５の右側の下方の空間４８１に処理ガスノズル３１が設けられ、高い天井面４５の左側の下方の空間４８２に処理ガスノズル３２が設けられている。
第１の天井面４４は、回転テーブル２に対し、狭い空間である分離空間Ｈを形成している。分離空間Ｈは、第１の処理領域Ｐ１からのＳｉ含有ガスと、第２の領域Ｐ２からの酸化ガスとを分離することができる。具体的には、分離ガスノズル４２からＡｒガスを吐出すると、Ａｒガスは、分離空間Ｈを通して空間４８１及び空間４８２へ向かって流れる。このとき、空間４８１及び４８２に比べて容積の小さい分離空間ＨをＡｒガスが流れるため、分離空間Ｈの圧力は空間４８１及び４８２の圧力に比べて高くすることができる。すなわち、空間４８１と４８２の間に圧力障壁が形成される。また、分離空間Ｈから空間４８１及び４８２へ流れ出るＡｒガスが、第１の処理領域Ｐ１からのＳｉ含有ガスと、第２の領域Ｐ２からの酸化ガスとに対するカウンターフローとして働く。したがって、Ｓｉ含有ガスも酸化ガスも分離空間Ｈへ流入することは殆どできない。よって、真空容器１内においてＳｉ含有ガスと酸化ガスとが混合し、反応することが抑制される。
一方、天板１１の下面には、図２に示すように、回転テーブル２を固定するコア部２１の外周を囲む突出部５が設けられている。この突出部５は、本実施形態においては、凸状部４における回転中心側の部位と連続しており、その下面が第１の天井面４４と同じ高さに形成されている。
なお、図２においては、説明の便宜上、第２の天井面４５よりも低くかつ分離ガスノズル４１、４２よりも高い位置にて容器本体１２が切断されているように、容器本体１２及びその内部を示している。
先に参照した図１は、図２のＩ−Ｉ'線に沿った断面図であり、第２の天井面４５が設けられている領域を示している一方、図４は、第１の天井面４４が設けられている領域を示す断面図である。
図４に示すように、扇型の凸状部４の周縁部（真空容器１の外縁側の部位）には、回転テーブル２の外端面に対向するようにＬ字型に屈曲する屈曲部４６が形成されている。この屈曲部４６は、凸状部４と同様に、分離領域Ｄの両側から処理ガスが侵入することを抑制して、両処理ガスの混合を抑制する。扇型の凸状部４は天板１１に設けられ、天板１１が容器本体１２から取り外せるようになっていることから、屈曲部４６の外周面と容器本体１２との間には僅かに隙間がある。屈曲部４６の内周面と回転テーブル２の外端面との隙間、及び屈曲部４６の外周面と容器本体１２との隙間は、例えば回転テーブル２の表面に対する第１の天井面４４の高さと同様の寸法に設定されている。
容器本体１２の内周壁は、分離領域Ｄにおいては図４に示すように屈曲部４６の外周面と接近して垂直面に形成されているが、分離領域Ｄ以外においては図１に示すように例えば回転テーブル２の外端面と対向する部位から底部１４に亘って外方側に窪んでいる。以下、説明の便宜上、矩形の断面形状を有する、この窪んだ部分を排気領域Ｅと記す。具体的には、第１の処理領域Ｐ１に連通する排気領域Ｅを第１の排気領域Ｅ１と記し、第２の処理領域Ｐ２に連通する排気領域Ｅを第２の排気領域Ｅ２と記す。これらの第１の排気領域Ｅ１及び第２の排気領域Ｅ２の底部には、各々、第１の排気口６１及び第２の排気口６２が形成されている。第１の排気口６１及び第２の排気口６２は、図１に示すように、各々、排気管６３を介して真空排気手段である例えば真空ポンプ６４に接続されている。また、排気口６１と真空ポンプ６４との間の排気管６３には、圧力調整手段６５が設けられている。
回転テーブル２と真空容器１の底部１４との間の空間には、図１及び図４に示すように加熱手段であるヒータユニット７が設けることができ、回転テーブル２を介して回転テーブル２上のウエハＷを、プロセスレシピで決められた温度に加熱することができる。回転テーブル２の周縁付近の下方側には、回転テーブル２の下方領域へのガスの侵入を抑えるために、リング状のカバー部材７１が設けられている。カバー部材７１は、回転テーブル２の上方空間から排気領域Ｅ１、Ｅ２に至るまでの雰囲気とヒータユニット７が置かれている雰囲気とを区画している。
このカバー部材７１は、回転テーブル２の外縁部及び外縁部よりも外周側を下方側から臨むように設けられた内側部材７１ａと、この内側部材７１ａと真空容器１の内壁面との間に設けられた外側部材７１ｂと、を備えている。外側部材７１ｂは、分離領域Ｄにおいて凸状部４の外縁部に形成された屈曲部４６の下方にて、屈曲部４６と近接して設けられている。内側部材７１ａは、回転テーブル２の外縁部下方（及び外縁部よりも僅かに外側の部分の下方）において、ヒータユニット７を全周に亘って取り囲んでいる。
ヒータユニット７が配置されている空間よりも回転中心側の部位における底部１４は、回転テーブル２の下面の中心部付近におけるコア部２１に接近するように上方側に突出して突出部１２ａをなしている。この突出部１２ａとコア部２１との間は狭い空間になっており、また底部１４を貫通する回転軸２２の貫通穴の内周面と回転軸２２との隙間が狭くなっており、これら狭い空間はケース体２０に連通している。そして、ケース体２０にはパージガスであるＮ２ガスを狭い空間内に供給してパージするためのパージガス供給管７２が設けられている。
また、真空容器１の底部１４には、ヒータユニット７の下方において周方向に所定の角度間隔で、ヒータユニット７の配置空間をパージするための複数のパージガス供給管７３が設けられている（図４には一つのパージガス供給管７３を示す）。また、ヒータユニット７と回転テーブル２との間には、ヒータユニット７が設けられた領域へのガスの侵入を抑えるために、外側部材７１ｂの内周壁（内側部材７１ａの上面）から突出部１２ａの上端部との間を周方向に亘って覆う蓋部材７ａが設けられている。蓋部材７ａは、例えば石英で作製することができる。
また、真空容器１の天板１１の中心部には分離ガス供給管５１が接続されており、天板１１とコア部２１との間の空間５２に分離ガスであるＮ２ガスを供給するように構成されている。この空間５２に供給された分離ガスは、突出部５と回転テーブル２との狭い空間５０を介して回転テーブル２のウエハ載置領域側の表面に沿って周縁に向けて吐出される。空間５０は分離ガスにより空間４８１及び空間４８２よりも高い圧力に維持され得る。したがって、空間５０により、第１の処理領域Ｐ１に供給されるＳｉ含有ガスと第２の処理領域Ｐ２に供給される酸化ガスとが、中心領域Ｃを通って混合することが抑制される。すなわち、空間５０（又は中心領域Ｃ）は分離空間Ｈ（又は分離領域Ｄ）と同様に機能することができる。
さらに、真空容器１の側壁には、図２に示すように、外部の搬送アーム１０と回転テーブル２との間で基板であるウエハＷの受け渡しを行うための搬送口１５が形成されている。この搬送口１５は、図示しないゲートバルブにより開閉される。また、回転テーブル２におけるウエハ載置領域である凹部２４では、この搬送口１５に対向する位置にて搬送アーム１０との間でウエハＷの受け渡しが行われる。このため、回転テーブル２の下方側において受け渡し位置に対応する部位に、凹部２４のピン２５よりも内側の領域を貫通してウエハＷを裏面から持ち上げるための受け渡し用の昇降ピン、及びその昇降機構（いずれも図示せず）が設けられている。
次に、図２、図５及び図６を参照しながら、エッチングガス供給部９０について説明する。図５は、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置における第３の処理領域Ｐ３を説明するための一部断面図である。
エッチングガス供給部９０は、第３の処理領域（エッチング領域）Ｐ３において、回転テーブル２に対向して設けられる。エッチングガス供給部９０は、ウエハＷ上に成膜された膜に対して活性化されたフッ素含有ガスを供給し、その膜をエッチングする。エッチングガス供給部９０は、図２及び図５に示すように、プラズマ生成部９１と、エッチングガス供給管９２と、シャワーヘッド部９３と、配管９４と、水素含有ガス供給部９６とを備えている。なお、シャワーヘッド部９３は、エッチングガス吐出部の一例であり、例えば、シャワーヘッド部９３の代わりに、エッチングガスノズルが用いられてもよい。
プラズマ生成部９１は、エッチングガス供給管９２から供給されたフッ素含有ガスをプラズマ源により活性化する。プラズマ源としては、フッ素含有ガスを活性化することでＦ（フッ素）ラジカルを生成可能であれば、特に限定されるものではない。プラズマ源としては、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）、表面波プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）を用いることができる。
エッチングガス供給管９２は、その一端がプラズマ生成部９１と接続されており、プラズマ生成部９１にフッ素含有ガスを供給する。エッチングガス供給管９２の他端は、例えば開閉バルブ及び流量調整器を介してフッ素含有ガスが貯留されたエッチングガス供給源と接続されている。フッ素含有ガスとしては、ウエハＷに成膜された膜をエッチング可能なガスを用いることができる。具体的には、ＣＨＦ３（トリフルオロメタン）等のハイドロフルオロカーボン、ＣＦ４（四フッ化炭素）等のフルオロカーボン等、酸化シリコン膜をエッチングするフッ素含有ガス等を用いることができる。また、これらのフッ素含有ガスに、Ａｒガス、Ｏ２ガス等を適宜添加することができる。
シャワーヘッド部９３は、配管９４を介してプラズマ生成部９１と接続されており、プラズマ生成部９１で活性化されたフッ素含有ガスを真空容器１内に供給する部分である。シャワーヘッド部９３は、扇型の平面形状を有し、扇型の平面形状の外縁に沿うように形成された押圧部材９５によって下方側に向かって周方向に亘って押圧される。また、押圧部材９５が図示しないボルト等により天板１１に固定されることにより、真空容器１の内部雰囲気が気密状態とされる。天板１１に固定されたときのシャワーヘッド部９３の下面と回転テーブル２の上面との間隔は、例えば０．５ｍｍから５ｍｍ程度とすることができ、このシャワーヘッド部９３の下方領域が、例えばシリコン酸化膜をエッチングするための第３の処理領域Ｐ３となる。これにより、シャワーヘッド部９３を介して真空容器１内に供給される活性化されたフッ素含有ガスに含まれるＦラジカルが効率よくウエハＷに成膜された膜と反応する。
シャワーヘッド部９３には、回転テーブル２の角速度の違いに対応して回転中心側で少なく、外周側で多くなるように複数のガス吐出孔９３ａが設けられている。複数のガス吐出孔９３ａの個数としては、例えば数十〜数百個とすることができる。また、複数のガス吐出孔９３ａの直径としては、例えば０．５ｍｍから３ｍｍ程度とすることができる。シャワーヘッド部９３に供給された活性化されたフッ素含有ガスは、ガス吐出孔９３ａを通って回転テーブル２とシャワーヘッド部９３との間の空間に供給される。
しかしながら、ガス吐出孔９３ａを、外周側で多くなるように配置しても、エッチングレートは、中央側よりも外周側で大きく低下する傾向があり、外周側のガス吐出孔９３ａの割合を中央側よりも増加させただけでは、エッチングレートの低下を効果的に防止できない場合が多い。一般に、成膜処理の場合、所定領域でガス吐出孔の割合を増加させ、ガスの供給割合を増加させれば、当該所定領域でのデポレートを増加させることができる。しかしながら、エッチング処理の場合、エッチングガスの供給割合を増加させても、必ずしもエッチングレートの増加に繋がらない場合が多い。これは、エッチング処理は供給律速ではなく、反応律速であることに起因すると考えられる。つまり、エッチングガスが十分に供給されていても、エッチング反応の条件が整っていなければ、十分なエッチング速度を得ることはできない。エッチング反応の条件とは、十分なエッチング反応エネルギーがある状態を意味し、高圧力、高温の場合には、エッチング反応エネルギーを高く保つことが可能である。
よって、本実施形態に係る基板処理装置では、シャワーヘッド部９３の外周部に、下方に突出した下方突出面９３ｃを設け、エッチング領域Ｐ３内の外周部の圧力の低下を防止する構成としている。下方突出面９３ｃは、回転テーブル２の凹部２４の外縁よりも外側に、回転テーブル２の外周部の表面と対向するように設けられる。下方突出面９３ｃは、シャワーヘッド部９３の下面９３ｂの内側の領域と回転テーブル２との間の間隔ｄ１よりも狭い狭間隔ｄ２を外周部に形成し、ガス吐出孔９３ａから吐出されたエッチングガスが、外部に逃げて行くのを防止する。そして、エッチング領域Ｐ３の外周側の圧力が低下するのを防止し、エッチング領域Ｐ３の外周側で、エッチング反応エネルギーが低下することを防止する。これにより、エッチング領域Ｐ３内の外周部におけるエッチングレートの低下を防止し、エッチング領域Ｐ３内全体で均一なエッチングレートを得ることができる。
なお、下方突出面９３ｃと回転テーブル２の表面との間に形成される狭間隔ｄ２の領域を径方向に十分確保すべく、回転テーブル２の外周部を通常の回転テーブル２よりも拡大して構成してもよい。即ち、回転テーブル２の凹部２４よりも外側の領域を拡大し、回転テーブル２の径を拡大する構成としてもよい。狭間隔ｄ２を形成するクリアランス、ギャップを設けても、狭間隔ｄ２を維持している経路が短すぎると、エッチングガスの流出を防ぎ、外周側の圧力を高める効果が十分得られないおそれがあるからである。図５においては、回転テーブル２の外周部をやや拡大した例を図示している。
また、シャワーヘッド部９３の内側の下面９３ｂと回転テーブル２との間の間隔ｄ１、及び下方突出面９３ｃと回転テーブル２との間の狭間隔ｄ２は、０＜ｄ２＜ｄ１である限り、用途に応じて種々の値に設定することができる。
また、下方突出面９３ｃは、平坦なシャワーヘッド部９３の下面に板状の部材を取り付けて構成してもよいし、シャワーヘッド部９３を、最初から外周部に下方突出面９３ｃを有する形状に加工して一部品として構成してもよい。
図６は、シャワーヘッド部９３の下面の一例を示した平面図である。図６に示されるように、下方突出面９３ｃは、扇形のシャワーヘッド部９３の下面９３ｂの外周に沿うように、帯状に設けられてもよい。これにより、周方向に均一にエッチング領域Ｐ３の外周側の圧力の低下を防止することができる。また、ガス吐出孔９３ａは、シャワーヘッド部９３の下面９３ｂの周方向の中央に、半径方向に延在するように設けられてもよい。これにより、回転テーブル２の中心側から外周側に分散させてエッチングガスを供給することができる。
図５の説明に戻る。配管９４は、シャワーヘッド部９３の上流側に設けられ、プラズマ生成部９１とシャワーヘッド部９３とを接続する。回転テーブル２の半径方向における配管９４の外周側には、水素含有ガス供給部９６が設けられている。
水素含有ガス供給部９６は、その一端が配管９４と接続されており、配管９４の内部に水素含有ガスを供給する。水素含有ガス供給部９６の他端は、例えば開閉バルブ及び流量調整器を介して水素含有ガス供給源と接続されている。
水素含有ガスとしては、例えばＨ２（水素）ガスとＡｒガスとの混合ガス（以下「Ｈ２／Ａｒガス」という。）を用いることができる。また、Ｈ２ガスの供給流量としては、例えば１ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下とすることができ、Ａｒガスの供給流量としては、例えば５００ｓｃｃｍ以上１０ｓｌｍ以下とすることができる。
なお、図５の例では、一つの水素含有ガス供給部９６が回転テーブル２の半径方向における配管９４の外周側に設けられているが、本発明はこの点において限定されるものではない。例えば、水素含有ガス供給部９６は、回転テーブル２の回転方向における配管９４の前方又は後方に設けられていてもよい。また、配管９４に複数の水素含有ガス供給部９６が設けられていてもよい。
また、図１に示されるように、基板処理装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部１００が設けられている。この制御部１００のメモリ内には、制御部１００の制御の下に、後述する基板処理方法を基板処理装置に実施させるプログラムが格納されている。このプログラムは後述の装置の動作を実行するようにステップ群が組まれており、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスク等の記憶部１０１から制御部１００内にインストールされる。
次に、実験結果も参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の基板保持部を構成する凹部２４及びピン２５についてより詳細に説明する。
図７は、ウエハＷの全面に一様な膜、いわゆるベタ膜を形成したベタウエハを従来の基板処理装置で成膜処理及びエッチング処理した場合の実験結果を示した図である。
図７において、回転テーブル２の周方向に沿ったＸ方向におけるデポレート及びエッチングレートが示されている。なお、図７において横軸はＸ方向におけるウエハＷ上の座標（ｍｍ）を示し、縦軸はデポレート及びエッチングレート（ともにｎｍ／ｍｉｎ）を示している。また、曲線Ａがデポレートを示し、曲線Ｂがエッチングレートを示す。
また、エッチング条件としては、真空容器１内の圧力が１．３Ｔｏｒｒ、回転テーブル２の回転速度が６０ｒｐｍであり、Ａｒ／ＣＦ４／Ｏ２の流量は、５０００／１０／１００ｓｃｃｍであった。更に、Ｈ２／Ｈ２−Ａｒの流量は、０／２０００ｓｃｃｍであった。
図７に示される通り、デポレートを示す曲線Ａは、Ｘ軸上の総ての座標で略均一であり、良好な面内均一性が得られていることが分かる。一方、エッチングレートを示す曲線Ｂは、中央領域に比較して、両端部のエッチングレートが大きく低下している。このように、従来の基板処理装置では、ウエハＷのエッジ部におけるエッチングレートの低下が著しいことが分かる。
図８は、従来の基板処理装置の回転テーブル１２０の凹部１２４とウエハＷとの位置関係を示した断面図である。図８に示されるように、従来の基板処理装置の凹部１２４は、ウエハＷの側面を保持する役割を有するので、内周面がウエハＷの端部（エッジ）と接近している。この場合、ウエハＷの中央領域はウエハＷの表面にのみエッチングガスが供給されるのに対し、ウエハＷのエッジ部では、ウエハＷのエッジ部のみならず、凹部２４の底面及び内周面にもエッチングガスが供給される。そうすると、エッチングガスのローディング効果により、エッチングガスは、ウエハＷのエッジ部のみならず、凹部２４の底面及び内周面にも消費される。エッチングガスの流量はウエハＷの位置に関係無く略一定であるから、ウエハＷの中央領域ではエッチングガスが総て膜のエッチングに利用されるのに対し、エッジ部では、凹部２４の底面と内周面でも余分に消費され、ウエハＷのエッジ部のエッチングに利用されるエッチングガスの量が低下してしまう。かかるローディング現象により、図７に示したように、ウエハＷのエッジ部でのエッチングレートは中央領域と比較して低下してしまう。
図９は、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置の回転テーブル２の凹部２４とウエハＷとの位置関係の一例を示した図である。
図９に示されるように、凹部２４の内径はウエハＷの外径よりも十分に大きく、凹部２４の内周面とウエハＷの側面との間には比較的大きな距離が保たれる。そして、ウエハＷは、ピン２５により凹部２４の中央位置に保持される。かかる状態でエッチングを行えば、ウエハＷのエッジ部は、凹部２４の内周面と大きく離れているので、ローディング効果の影響を殆ど受けなくなり、中央領域と同程度のエッチングレートを実現することができる。これにより、ウエハＷ上の膜のエッチングレートの面内均一性を向上させることができる。
なお、エッチング処理を例に挙げて説明したが、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置によれば、ローディング効果の発生する総ての基板処理について、ローディング効果の発生を抑制し、基板処理の面内均一性を高めることが可能である。例えば、成膜処理にも同様に適用することができ、特に、ローディング効果が発生し易いＣＶＤ成膜には有効である。
このように、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置によれば、パターン形成の少ないウエハＷ上に形成された膜をエッチングする際、エッチング処理の面内均一性を向上させることができるとともに、他の種々の基板処理における処理の面内均一性を向上させることができる。
〔第２の実施形態〕
＜基板処理装置＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と同一又は類似する点については、説明を簡略化又は省略する。
図１０及び図１１は、表面にトレンチ、ビアといった凹凸パターンを形成したウエハＷの表面上に成膜を行い、従来の基板処理装置を用いて膜をエッチング処理した場合の実験結果を示した図である。図１０は、回転テーブルの周方向に沿ったＸ方向におけるエッチングレートの測定結果を示した図であり、図１１は、回転テーブルの半径方向に沿ったＹ方向におけるエッチングレートの測定結果を示した図である。
図１０及び１１において、横軸はＸ軸及びＹ軸上における測定点の座標（ｍｍ）、縦軸はエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）を示している。また、曲線Ｊｘ、ＪｙはウエハＷの表面に凹凸パターンが形成されていない平坦面を有するベアウエハのエッチングレートを示し、曲線Ｋｘ、Ｋｙは、ベアウエハの平坦面の３倍の表面積を有する凹凸パターンが形成されたウエハＷのエッチングレートを示す。また、曲線Ｌｘ、Ｌｙはベアウエハの平坦面の５倍の表面積を有する凹凸パターンが形成されたウエハＷのエッチングレートを示し、曲線Ｍｘ、Ｍｙはベアウエハの平坦面の１０倍の表面積を有する凹凸パターンが形成されたウエハＷのエッチングレートを示す。更に、曲線Ｎｘ、Ｎｙは、ベアウエハの平坦面の３０倍の表面積を有する凹凸パターンが形成されたウエハＷのエッチングレートを示す。
また、エッチング条件は、真空容器の圧力が１．３Ｔｏｒｒであり、回転テーブルの回転速度が６０ｒｐｍであった。Ａｒ／ＣＦ４／Ｏ２の流量は５０００／１０／１００ｓｃｃｍであり、Ｈ２／Ｈ２−Ａｒの流量は０／２０００ｓｃｃｍであった。分離ガスであるＡｒガスの流量は、軸付近、中間領域、外周部で個別に分離ガスを供給できる３本のガスノズルを用いて、軸付近を２００ｓｃｃｍ、中間領域（分離ガスノズル）を５００ｓｃｃｍ、外周部を２００ｓｃｃｍで供給した。
図１０に示されるように、Ｘ軸方向において、凹凸パターンの形成により、表面積が増加するにつれて、エッチングレートが低下していることが分かる。また、ウエハＷの端部よりも中央領域の方がエッチング量の低下が大きく、凹凸パターンにより表面積が増加するにつれて、端部と中央部とのエッチングレートの差が大きくなり、面内均一性が悪化していることが分かる。即ち、ベアウエハの曲線Ｊｘでは、エッチングレートも高く面内均一性も良好であるが、概ね表面積が３倍の曲線Ｋｘ、表面積が５倍の曲線Ｌｘ、表面積が１０倍の曲線Ｍｘ、表面積が３０倍に曲線Ｎｘの順で徐々にエッチングレート及び面内均一性の双方とも低下してきている。なお、Ｘ軸方向における均一性については、ベアウエハが４．５％、表面積３倍ウエハが６．１％、表面積５倍ウエハが１７％、表面積１０倍ウエハが４５％、表面積３０倍ウエハが４４％であった。
また、図１１にも同様の傾向が示され、ベアウエハの曲線Ｊｙでは、エッチングレートも高く面内均一性も良好であるが、概ね表面積が３倍の曲線Ｋｙ、表面積が５倍の曲線Ｌｙ、表面積が１０倍の曲線Ｍｙ、表面積が３０倍に曲線Ｎｙの順で徐々にエッチングレート及び面内均一性の双方とも低下してきている。なお、Ｙ軸方向における均一性については、ベアウエハが４．２％、表面積３倍ウエハが１０％、表面積５倍ウエハが１９％、表面積１０倍ウエハが４１％、表面積３０倍ウエハが４０％であった。
このように、凹凸パターンが形成されたウエハＷ上に成膜された膜をエッチングする場合にもローディング効果は発生し、表面積が大きくなればなる程エッチングガスが多く消費され、エッチングレートは低下してしまう。また、凹凸パターンは、ウエハＷの中央領域に多く形成され、エッジ部では簡素なパターンとなるか又は形成されないので、中央領域の方がエッチングガスを多く消費し、エッジ部よりもエッチングレートが低下してしまう。
そこで、本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置では、単純な凹凸パターンしか形成されていないウエハＷのエッジ部の周囲に複雑な凹凸パターンを有する表面積増加領域を設け、複雑な凹凸パターンが形成されているウエハＷの中央領域と表面積の均衡を保つように構成する。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置の一例を示した図である。第２の実施形態に係る基板処理装置では、回転テーブル２ａの凹部２４ａの外側の平坦面に、凹凸パターンが形成された表面積増加領域２７を設けている。これにより、ウエハＷの中央領域と表面積を略同一にすることが可能となり、ローディング効果によるエッチングレートの不均一を是正することができる。
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置の回転テーブル２ａの平面構成の一例を示した図である。図１３において、凹部２４ａが回転テーブル２ａの表面に５個形成され、凹部２４ａの周囲はリング状の表面積増加領域２７により囲まれた構成が示されている。このように、各々の凹部２４ａの外周を、リング状の表面積増加領域２７で囲むような構成としてもよい。これにより、凹凸パターンの少ないウエハＷのエッジ部付近は、表面積増加領域２７の設置により中央領域の複雑な凹凸パターンと同等の表面積を有することが可能となり、エッチングレートを均一化することができる。
図１４は、表面積増加領域２７をリング状部材２８により構成する例を示した斜視図である。図１４に示されるように、凹部２４ａの外周に沿ってリング状部材２８が設置され、リング状部材２８の表面に表面積増加領域２７が形成されている。具体的には、表面積増加領域２７は、溝状の凹凸パターンにより構成されている。リング状部材２８は、種々の材料により構成されてよいが、例えば、石英により構成されてもよい。回転テーブル２が石英で構成されているため、凹部２４ａを形成するのに適する。また、シリコン膜（ポリシリコン膜等）をエッチングする場合には、エッチング対象との相性と考慮し、シリコンで構成してもよい。
図１５は、リング状部材２８を回転テーブル２ａに設置した状態を示した断面図である。図１５に示されるように、リング状部材２８は、凹部２４ａの径よりも大きな内周径を有する円環状の設置窪み２６を有し、設置窪み２６の形状に沿うようにリング状部材２８が嵌め込まれて設置されている。リング状部材２８は、設置窪み２６への設置が容易なように、設置窪み２６の形状に係合する係止構造部２８ａを底面又は側面（設置窪み２６との接触面）に有してもよい。
リング状部材２８の表面には、凹凸パターンからなる表面積増加領域２７が形成されており、設置窪み２６に設置するだけで、容易にウエハＷの中央部に形成された凹凸パターンとの均衡を保つことができる。なお、凹凸パターンは、用途に応じて種々のパターンとすることができるが、例えば、平坦面に平行な溝を複数形成したパターンであってもよい。
なお、凹部２４ａは、外周側に外周溝２４ｂを有してもよく、更に外周溝２４ｂの外側に土手（隆起部）２４ｃが形成されていてもよい。外周溝２４ｂは、ウエハＷのエッジ部の石英（凹部２４ａの内周面）との接触を減らし、パーティクルの発生を抑制するため、必要に応じて設けられる。また、土手２４ｃは、凹部２４ａの内周面を構成し、回転テーブル２ａの回転で生じた遠心力により凹部２４ａ内を移動するウエハＷの外周部を受け、ウエハＷを凹部２４ａ内に保持する。なお、土手２４ｃを設けることも必須ではなく、凹部２４ａと設置窪み２６を連続的に形成して大きな凹部２４ａを形成し、その外周部にリング状部材２８を設置し、リング状部材２８の内周部で凹部２４ａを形成するような構成としてもよい。この場合、リング状部材２８の内周面は、基板保持領域として機能する。つまり、リング状部材２８の内周面は、ウエハＷの外径より僅かに大きい内径を有し、ウエハＷの側面を保持する機能を有することになる。
また、リング状部材２８の径方向の幅及び厚さは、用途に応じて種々の値とすることができるが、厚さは、例えば、４〜６ｍｍ、好ましくは５ｍｍとしてもよい。また、土手２４ｃの幅も用途に応じて適切な値としてよいが、例えば、１〜３ｍｍ、好ましくは２ｍｍとしてもよい。外周溝２４ｂも、用途に応じて適切な幅及び深さとすることができる。
なお、リング状部材２８は、設置窪み２６上に載置するだけで十分に固定される。設置窪み２６上にリング状部材２８を載置した状態で成膜プロセスを行えば、リング状部材２８は設置窪み２６上に取り付けられたように固定されるので、接着、接合等の固定は不要である。
また、リング状部材２８は、周方向において複数のピースに分割され、全体として円環形状に構成される構造であってもよい。領域毎に、凹凸パターンの表面積増加量を異ならせた設定としたい場合には、特に便利であり、より緻密な表面積調整を行うことができる。
図１６は、リング状部材２８の一例の断面図である。図１６に示されるように、表面積増加領域２７を構成する凹凸パターンは、平坦面に、互いに平行な複数の溝２７ａを形成することにより得られる。凹凸パターンは、種々のパターンで構成されてよいが、例えばこのように、平行な複数本の溝２７ａを平坦面に形成して構成してもよい。溝２７ａの幅、溝２７ａ同のピッチ、深さ等を適宜調整することにより、平坦面の何倍の表面積を有する凹凸パターンとするかと調整することができる。また、回転テーブル２ａの中心側と外周側で表面積を異ならせたい場合には、そのような調整も可能となる。例えば、リング状部材２８を複数ピースに分割し、各ピースで表面積を異ならせ、プロセスに応じて適宜配置を組み合わせて用いることも可能である。
なお、表面積増加領域２７の凹凸パターンによる表面積の増加率は、用途に応じて種々の設定としてよいが、例えば、平坦面の表面積の２〜３０倍の範囲で、適宜用途に応じて設定することとしてもよい。
このように、第２の実施形態に係る基板処理装置によれば、複雑な凹凸パターンが形成されたウエハＷに基板処理を施す場合であっても、供給する処理ガスのローディング効果を抑制し、基板処理の面内均一性を向上させることができる。
なお、第２の実施形態に係る基板処理装置は、回転テーブル２ａの構成、凹部２４ａ、２６内の構成、及び表面積増加領域２７を含めたリング状部材２８を設けた点以外は、第１の実施形態に係る基板処理装置の構成と同様であるので、その説明を省略する。
＜基板処理方法＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置を用いた基板処理方法の一例について説明する。以下では、ウエハＷ上に形成された凹形状パターンの１つであるビア内にＳｉＯ２膜を形成する方法を例として説明する。なお、以下の説明において、第１の実施形態に係る基板処理装置の説明で用いた図１〜６を必要に応じて参照するが、以下の説明では、図１〜６における「回転テーブル２」を「回転テーブル２ａ」、「凹部２４」を「凹部２４ａ」と適宜読み替えて参照されたい。
また、以下の実施形態では、第１の処理ガスとしてＳｉ含有ガス、第２の処理ガスとして酸化ガス、フッ素含有ガスとしてＣＦ４とＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス（以下「ＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２ガス」という。）を用いる場合を例として説明する。
まず、図示しないゲートバルブを開き、図２に示すように、外部から搬送アーム１０により搬送口１５を介してウエハＷを回転テーブル２ａの凹部２４ａのピン２５内の領域に受け渡す。この受け渡しは、凹部２４ａが搬送口１５に臨む位置に停止したときに凹部２４ａの底面の貫通孔２９（図１７参照）を介して真空容器１の底部側から不図示の昇降ピンが昇降することにより行われる。このようなウエハＷの受け渡しを、回転テーブル２ａを間欠的に回転させて行い、回転テーブル２ａの５つの凹部２４ａ内に各々ウエハＷを載置する。ウエハＷの表面には、表面積を平坦面よりも大幅に増加させるトレンチ、ビア等からなる凹凸パターンが形成されている。ウエハＷの表面に形成された凹凸パターンの複雑さ、即ち表面積の増加度に応じて、適切な表面積の増加量を有する表面積増加領域２７が表面に形成されたリング状部材２８を設置窪み２６に設置することにより、凹部２４ａが形成されている。
続いてゲートバルブを閉じ、真空ポンプ６４により真空容器１内を引き切りの状態にした後、分離ガスノズル４１、４２から分離ガスであるＡｒガスを所定の流量で吐出し、分離ガス供給管５１及びパージガス供給管７２８３からＡｒガスを所定の流量で吐出する。これに伴い、圧力調整手段６５により真空容器１内を予め設定した処理圧力に調整する。次いで、回転テーブル２ａを時計回りに例えば６０ｒｐｍの回転速度で回転させながらヒータユニット７によりウエハＷを例えば４５０℃に加熱する。
次に、成膜工程を実行する。成膜工程では、処理ガスノズル３１からはＳｉ含有ガスを供給し、処理ガスノズル３２からは酸化ガスを供給する。また、エッチングガス供給部９０からは、何もガスを供給しない。
ウエハＷが第１の処理領域Ｐ１を通過したときに、原料ガスであるＳｉ含有ガスが処理ガスノズル３１から供給されてウエハＷの表面に吸着する。表面にＳｉ含有ガスが吸着したウエハＷは、回転テーブル２ａの回転により分離ガスノズル４２を有する分離領域Ｄを通過してパージされた後、第２の処理領域Ｐ２に入る。第２の処理領域Ｐ２では、処理ガスノズル３２から酸化ガスが供給され、Ｓｉ含有ガスに含まれるＳｉ成分が酸化ガスにより酸化され、反応生成物であるＳｉＯ２がウエハＷの表面に堆積する。
第２の処理領域Ｐ２を通過したウエハＷは、分離ガスノズル４１を有する分離領域Ｄを通過してパージされた後、再び第１の処理領域Ｐ１に入る。そして、処理ガスノズル３１からＳｉ含有ガスが供給され、Ｓｉ含有ガスがウエハＷの表面に吸着する。
以上、回転テーブル２ａを複数回連続的に回転させながら、フッ素含有ガスを真空容器１内に供給することなく、第１の処理ガス及び第２の処理ガスを真空容器１内に供給する。これにより、ウエハＷの表面に反応生成物であるＳｉＯ２が堆積し、ＳｉＯ２膜（シリコン酸化膜）が成膜される。
必要に応じて、所定の膜厚までＳｉＯ２膜が成膜された後、処理ガスノズル３１からはＳｉ含有ガスの供給を停止し、処理ガスノズル３２からは酸化ガスを供給し続け、回転テーブル２ａの回転を継続することにより、ＳｉＯ２膜の改質処理を行うようにしてもよい。
成膜工程を実行することにより、凹形状パターンの１つであるビア内にＳｉＯ２膜が成膜される。最初にビア内に形成されるＳｉＯ２膜は、凹形状に沿った断面形状を有する。
次に、エッチング工程を実行する。エッチング工程では、ＳｉＯ２膜が、Ｖ字の断面形状にエッチングされる。エッチング工程は、具体的には、以下のように実行される。
図２に示すように、処理ガスノズル３１、３２からのＳｉ含有ガス及び酸化ガスの供給を停止し、Ｎ２ガスをパージガスとして供給する。回転テーブル２ａは、エッチングに適した温度、例えば６００℃程度に設定される。また、回転テーブル２ａの回転速度は、例えば６０ｒｐｍに設定される。この状態で、エッチングガス供給部９０のシャワーヘッド部９３からＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２ガスを供給し、水素含有ガス供給部９６から例えば予め設定した流量のＨ２／Ａｒガスを供給することで、エッチング処理が開始される。
その際、回転テーブル２ａが低速で回転しているので、ＳｉＯ２膜はＶ字の断面形状にエッチングされる。ビア内のＳｉＯ２膜をＶ字形状にエッチングすることにより、最上部の開口が広い孔をＳｉＯ２膜に形成することができ、次の成膜の際に底部までＳｉＯ２膜を埋め込むことができ、ボトムアップ性が高く、ボイドが発生し難い成膜を行うことができる。
その際、ウエハＷの表面にビアが深く、また多数形成され、表面積を増大させる複雑な凹凸パターンだったとしても、当該パターンに対応してリング状部材２８の表面積増加領域２７が形成され、それがウエハＷの外周に沿ってウエハＷを周囲から囲むように配置されているので、エッチングガスは、複雑な凹凸パターンが形成されたウエハＷの中央領域と、そのような複雑な凹凸パターンが形成されていない外周部で同程度の量が消費され、ローディング効果が発生せず、ウエハＷの全面に亘り均一なエッチングレートでエッチング処理がなされる。
また、上述のように、シャワーヘッド部９３の下面９３ｂの外周部には、下方突出面９３ｃが設けられているため、エッチング領域Ｐ３内の外周側のエッチング反応エネルギーの低下が抑制され、かかる観点からも、均一なエッチングレートでエッチングを行うことができる。
このように、回転テーブル２ａを複数回連続的に回転させながら、第１の処理ガス及び第２の処理ガスを真空容器１内に供給することなく、フッ素含有ガス及び水素含有ガスを真空容器１内に供給する。これにより、ＳｉＯ２膜がエッチングされる。
次に、再び前述した成膜工程を実行する。成膜工程では、エッチング工程でＶ字状にエッチングされたＳｉＯ２膜上に更にＳｉＯ２膜が成膜され、膜厚が増加する。Ｖ字状にエッチングされたＳｉＯ２膜上に成膜されるため、成膜の際に入口が塞がれず、ＳｉＯ２膜の底部から膜を堆積することができる。
次に、再び前述したエッチング工程を実行する。エッチング工程では、ＳｉＯ２膜がＶ字形状にエッチングされる。
以上に説明した成膜工程とエッチング工程とを必要な回数だけ交互に繰り返し、ＳｉＯ２膜内にボイドが発生しないようにしながら、ビアを埋め込んでゆく。これらの工程の繰り返し回数は、ビア等の凹形状パターンのアスペクト比を含めた形状に応じて、適切な回数とすることができる。例えばアスペクト比が大きい場合、繰り返し回数は多くなる。また、トレンチよりもビアの方が、繰り返し回数が多くなることが推定される。
なお、本実施形態においては、成膜工程とエッチング工程とを繰り返し、ウエハＷの表面に形成された凹形状パターンに埋め込み成膜を行う例について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。
例えば、予め表面に膜が形成されたウエハＷを搬入し、エッチング工程のみを行うようにしてもよい。
また、例えば回転テーブル２ａを複数回連続的に回転させながら、第１の処理ガス、第２の処理ガス、フッ素含有ガス及び水素含有ガスを真空容器１内に同時に供給し、回転テーブル２ａが１回転する間に、成膜工程とエッチング工程とを１回ずつ行ってもよい。さらに、成膜工程とエッチング工程とを１回ずつ行うサイクルを複数回繰り返してもよい。
本発明の第２の実施形態に係る基板処理装置及び基板処理方法によれば、基板保持領域である凹部２４ａの外周に沿って、凹部２４ａの外側に表面積を増加させる表面積増加領域２７を有するリング状部材２８を設けることにより、ウエハＷ上に堆積した膜に均一なエッチング処理を行うことができる。
なお、図１４、１６においては、リング状部材１７の上面の総てに凹凸パターンを形成している例を挙げて説明したが、凹凸パターンによる面積増加量が多過ぎる場合には、適宜平坦面を上面に混在させるようなパターンとしてもよい。
〔第３の実施形態〕
図１７は、本発明の第３の実施形態に係る基板処理装置の回転テーブル２ｂの一例を示した図である。第３の実施形態に係る基板処理装置は、基板保持領域として機能する凹部２４ｄの周囲に凹凸パターンを有する表面積増加領域２７ｂが設けられている点で、第２の実施形態に係る基板処理装置と共通するが、凹凸パターンが回転テーブル２ｂの表面に直接形成されている点で、第２の実施形態に係る基板処理装置と異なっている。
このように、リング状部材２８のような回転テーブル２ａと別部材を用いるのではなく、回転テーブル２ｂの表面に直接凹凸パターンを形成し、表面積増加領域２７ｂを設けるようにしてもよい。表面積増加領域２７ｂは、用途に応じて種々の領域に設けてよいが、ウエハＷの外周の少なくとも２／３以上、好ましくは３／４以上を囲むように設けることが好ましい。例えば、図１７においては、凹部２４ｄの最外周点Ｐ同士を直線的に結んでいるため、最外周点Ｐ付近の外周であって、外周全体の１／４未満、１／６〜１／８程度の部分の外側は、表面積増加領域２７ｂに囲まれていない。少なくとも、図１７に示した最外周点Ｐ同士を結んだ直線を最小基準とし、好ましくはそれよりも外側にも表面積増加領域２７ｂを設けることが好ましい。
また、図１７に示す表面積増加領域２７ｂは、外形が六角形状に形成され、中央部に相似な六角形が形成されているが、内側の六角形と外側の六角形との間の略全体に亘り凹凸パターンが形成されている。このように、回転テーブル２ｂに直接凹凸パターンを形成する場合、凹部２４ｄの近傍のみならず、凹部２４ｄから離れた位置にも凹凸パターンを形成することができる。
更に、表面積増加領域２７ｂの凹凸パターンも、用途に応じて種々の形状パターンとすることができるが、例えば、第２の実施形態と同様、平坦面に溝を形成するパターンであってもよい。図１７においては、表面積増加領域２７ｂの外形は六角形状に形成され、六角形の辺に平行に複数の溝が形成されたパターンとなっている。
図１８は、凹部２４ｄ及び表面積増加領域２７ｂの凹凸パターンの表面を示した図である。図１８に示されるように、例えば、表面積増加領域２７ｂの表面は、複数の平行な溝が形成された縞パターンで形成されてもよい。
図１９は、凹部２４ｄ及び表面積増加領域２７ｂの凹凸パターンの斜視図である。図１９に示されるように、凹凸パターンは、回転テーブル２ｂの表面の平坦面に、複数の互いに平行な溝を形成することにより構成してもよい。
第３の実施形態に係る基板処理装置では、回転テーブル２ｂの表面に表面積増加領域６２ｂすることにより、所定の領域全体に凹凸パターンを形成し、平坦面よりも表面積を増加させることができる。
また、第３の実施形態に係る基板処理方法は、第２の実施形態に係る基板処理方法とほぼ同様であるので、その説明を省略する。
〔実験結果〕
次に、本発明の第２及び第３の実施形態に係る基板処理装置、基板処理方法を発明するに至るまでに行った実験結果について説明する。
図２０は、従来の基板処理装置で、ＣＦ４の流量を変化させ、ベアウエハの平坦面上に形成されたベタ膜と、３０倍の表面積を発生させるパターンが形成されたウエハＷ上に形成された膜のＸ軸上におけるエッチングレートを比較した図である。図２０に示される通り、ＣＦ４の流量を１０ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍと変化させても、ベアウエハのエッチングレートはほぼ一定であるのに対し、エッチングレートに何ら変化は見られず、しかもエッジ部のエッチングレートが中央領域よりも高く、ローディング効果についても何ら改善は見られなかった。
図２１は、従来の基板処理装置で、回転テーブルの回転速度を変化させ、ベアウエハの平坦面上に形成されたベタ膜と、３０倍の表面積を発生させるパターンが形成されたウエハＷ上に形成された膜のＸ軸上におけるエッチングレートを比較した図である。図２１に示される通り、回転速度を５ｒｐｍ、３０ｒｐｍ、６０ｒｐｍと変化させても、ベアウエハのエッチングレートはほぼ一定であるのに対し、エッチングレートに何ら変化は見られず、しかもエッジ部のエッチングレートが中央領域よりも高く、ローディング効果についても何ら改善は見られなかった。
図２２は、従来の基板処理装置で、真空容器内の圧力を変化させ、ベアウエハの平坦面上に形成されたベタ膜と、３０倍の表面積を発生させるパターンが形成されたウエハＷ上に形成された膜のＸ軸上におけるエッチングレートを比較した図である。図２２に示される通り、回転速度を１．３Ｔｏｒｒ、２．０Ｔｏｒｒ、４．０Ｔｏｒｒと変化させても、ベアウエハのエッチングレートはほぼ一定であるのに対し、エッチングレートに何ら変化は見られず、しかもエッジ部のエッチングレートが中央領域よりも高く、ローディング効果についても何ら改善は見られなかった。
このように、種々のプロセス条件を変化させても、ローディング効果を抑制し、エッチング処理の面内均一性を向上させるような条件を見出すことはできなかった。
図２３は、従来の基板処理装置の凹部１２４の周辺のＸ軸上の２箇所とＹ軸上の２箇所、合計４箇所に表面積増加領域２７を設けてエッチング処理を行う実験方法を説明するための図である。図２３に示されるように、凹部１２４の外側の４箇所に凹凸パターンが表面に形成された表面積増加領域２７を設け、エッチング処理を行うトライアル実験を行った。
図２４は、図２３に示したトライアル実験のＸ軸上における実験結果である。図２４に示されるように、表面積増加領域２７をＸ軸上の外側２箇所に設けたことにより、凹凸パターンを有しないウエハＷでは、曲線Ｒ４で示されるように外側のエッチングレートが上がったのに対し、凹凸パターンが形成されたウエハＷでは、曲線Ｓ４で示されるように外側のエッチングレートが低下した。これは、表面積増加領域２７を設けたことにより、エッチングガスの消費量が増加し、外側のエッチングレートを低下させることができたことを意味する。図２４では、表面積増加領域２７の効果が大き過ぎたため、均一なエッチングレートは得られていないが、表面積増加量をもっと少なくした表面積増加領域２７を設けることにより、均一なエッチングレートを得ることができる。このように、表面積増加領域２７を設けることにより、中央領域に形成された凹凸パターンとのエッチングレートのバランスを調整できることが示された。
図２５は、図２３に示したトライアル実験のＹ軸上における実験結果である。図２４に示されるように、表面積増加領域２７をＹ軸上の外側２箇所に設けたことにより、凹凸パターンを有しないウエハＷでは、曲線Ｒ５で示されるように外側のエッチングレートが上がったのに対し、凹凸パターンが形成されたウエハＷでは、曲線Ｓ５で示されるように外側のエッチングレートが低下した。これは、Ｘ軸と同様に、表面積増加領域２７を設けたことにより、エッチングガスの消費量が増加し、外側のエッチングレートを低下させることができたことを意味する。図２５では、表面積増加領域２７の効果が大き過ぎたため、均一なエッチングレートは得られていないが、表面積増加量をもっと少なくした表面積増加領域２７を設けることにより、均一なエッチングレートを得ることができる。このように、表面積増加領域２７を設けることにより、中央領域に形成された凹凸パターンとのエッチングレートのバランスを調整できることが示された。
図２４及び図２５に示される通り、表面積増加領域２７をウエハＷの外側に設けることにより、ウエハＷの表面に形成された凹凸パターンと同様のエッチング消費状態を作ることができ、エッチングレートを均一化できることが示された。よって、かかる性質を利用した実施形態２、３に係る基板処理装置、基板処理方法によれば、複雑な凹凸パターンを表面に有する基板を処理する場合であっても、基板処理の面内均一性を向上させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施形態及び実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
１ 真空容器
２、２ａ、２ｂ 回転テーブル
２４、２４ａ、２４ｄ 凹部
２４ｂ 外周溝
２４ｃ 土手（隆起部）
２５ ピン
２６ 設置窪み
２７、２７ｂ 表面積増加領域
２７ａ 溝
２８ リング状部材
３１、３２ 処理ガスノズル
４１、４２ 分離ガスノズル
９０ エッチングガス供給部
９１ プラズマ生成部
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 処理領域
Ｗ ウエハ

Claims (22)

  1. 処理室と、
    該処理室内に設けられ、基板を保持可能な窪み状の基板保持領域が周方向に沿って表面に複数設けられた回転テーブルと、
    前記基板保持領域の周囲の前記表面に設けられ、凹凸パターンの形成により前記表面の表面積を平坦面よりも増加させた表面積増加領域と、
    前記回転テーブルの前記表面に処理ガスを供給可能な処理ガス供給手段と、を有する基板処理装置。
  2. 前記表面積増加領域は、前記基板保持領域の外周に沿った円環形状を有する請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記表面積増加領域は、略円環形状を有するリング状部材の表面に形成され、
    前記基板保持領域よりも径の大きい窪みに前記リング状部材を設置することにより前記回転テーブルの前記表面に設けられる請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記リング状部材は、石英又はシリコンからなる請求項３に記載の基板処理装置。
  5. 前記リング状部材は、複数ピースに分割され、全体として前記リング状部材を構成する請求項３又は４に記載の基板処理装置。
  6. 前記表面積増加領域は、前記基板保持領域の最外周同士を直線的に結んだ領域を少なくとも含む領域の前記基板保持領域以外の略全体に設けられた請求項１に記載の基板処理装置。
  7. 前記表面積増加領域は、前記回転テーブルの前記表面に前記凹凸パターンが形成された領域である請求項６に記載の基板処理装置。
  8. 前記凹凸パターンは、前記平坦面に溝が形成されたパターンである請求項１乃至７のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  9. 前記凹凸パターンは、前記平坦面の表面積を２〜３０倍に増加させるパターンである請求項１乃至８のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  10. 処理室と、
    該処理室内に設けられた回転テーブルと、
    該回転テーブルの周方向に沿って表面に複数設けられ、基板よりも径が大きく、該基板の側面と内周面とを接触させることなく該基板を載置可能な窪み状の基板載置領域と、
    該基板載置領域の底面内の前記内周面と離れた位置であって、前記基板の外周形状に沿い、前記回転テーブルの回転による遠心力に抗して前記基板を保持可能な位置に設けられた少なくとも３本以上の基板保持用ピンと、
    前記回転テーブルの前記表面に処理ガスを供給可能な処理ガス供給手段と、を有する基板処理装置。
  11. 前記基板載置領域の前記内周面と、前記基板保持用ピンとの距離は、前記処理ガス供給手段から供給される処理ガスのローディング効果を抑制するのに十分な距離に設定された請求項１０に記載の基板処理装置。
  12. 前記回転テーブルは石英からなる請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  13. 前記処理ガス供給手段は、エッチングガスを供給可能なエッチングガス供給手段であり、
    該エッチングガス供給手段は、前記回転テーブルの周方向に沿って設けられたエッチング領域に備えられた請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  14. 前記エッチング領域と前記回転テーブルの周方向において離間して設けられ、成膜用原料ガス供給手段を備えた原料ガス供給領域と、
    前記回転テーブルの周方向において前記原料ガス供給領域と前記エッチング領域との間に設けられ、成膜用反応ガス供給手段を備えた反応ガス供給領域と、を更に有する請求項１３に記載の基板処理装置。
  15. 前記エッチング領域と前記原料ガス供給領域との間、及び前記原料ガス供給領域と前記反応ガス供給領域との間には、パージガスを前記回転テーブルの前記表面に供給するパージガス供給手段を有する請求項１４に記載の基板処理装置。
  16. 処理室内の回転テーブル上に周方向に沿って複数設けられた窪み状の基板保持領域に基板を保持し、前記回転テーブルを回転させながら前記基板に処理ガスを供給して基板を処理する基板処理方法であって、
    前記基板保持領域の周囲に、平坦面よりも表面積を増加させる凹凸パターンが形成された表面積増加領域が設けられた状態で前記回転テーブルを回転させる工程と、
    前記回転テーブルを回転させながら前記基板に前記処理ガスを供給し、前記基板を処理する工程と、を有する基板処理方法。
  17. 前記表面積増加領域は、前記基板保持領域を形成するように設置されたリング状部材の表面に形成されている請求項１６に記載の基板処理方法。
  18. 前記基板を処理する工程は、前記基板にエッチングガスを供給して前記基板をエッチング処理する工程を含む請求項１７に記載の基板処理方法。
  19. 前記基板を処理する工程は、前記基板に成膜ガスを供給して前記基板を成膜処理する工程を含む請求項１８に記載の基板処理方法。
  20. 回転テーブル上の所定の基板保持領域に基板を保持して前記基板を処理する基板処理装置に用いられる基板保持部材であって、
    前記基板を保持可能な内径及び厚さを有するとともに、前記基板保持領域に載置可能な外形及び底面形状を有し、
    上面に、平坦面よりも表面積を増加させる凹凸パターンを有する円環形状の基板保持部材。
  21. 周方向において複数に分割され、全体で前記円環形状を構成する請求項２０に記載の基板保持部材。
  22. 前記凹凸パターンは、前記平坦面よりも表面積を２〜３０倍に増加させるパターンである請求項２０又は２１に記載の基板保持部材。
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