JP3595853B2 - プラズマｃｖｄ成膜装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，プラズマを用いた気相成長法により半導体基板上に薄膜を形成するための装置に関し，とくに，シャワーヘッド及び／またはサセプタの形状に特徴のある半導体処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は従来の平行平板型プラズマＣＶＤ成膜装置の概略図である。従来のプラズマＣＶＤ成膜装置は，真空チャンバ１と，該真空チャンバ内の上方に実質的に水平に設置されたシャワーヘッド２と，真空チャンバ１内部において該シャワーヘッドに対向して実質的に平行に設置されたサセプタ３とから成る。
【０００３】
真空チャンバ１にはチャンバ内部を真空排気するための真空ポンプ（図示せず）に通じる排気口５が設けられている。
【０００４】
シャワーヘッド２の底面には材料ガスを噴射するための複数の細孔１１が設けられている。またシャワーヘッド２はライン１０を通じて材料ガス供給タンク６に結合されている。ライン１０上には材料ガスの流量を制御するための質量流量制御器８が設けられている。さらにシャワーヘッド２にはＲＦ電圧源４が電気的に結合されており，一方の電極として機能する。
【０００５】
サセプタ３は通常アルミニウム製の円柱体であって内部にヒーター１４が埋設されている。またサセプタ３は支持体１２によって支持され，例えば回転機構によって回転することもできる。さらにサセプタ３は接地１３されており，もう一方の電極として機能する。サセプタ３の表面上には半導体基板９が載置され，真空チャックなどにより固定されている。
【０００６】
ここで従来のプラズマＣＶＤ成膜装置の作用について説明する。
【０００７】
まず，真空ポンプによって排気口５からチャンバ１内のガスが真空排気され，チャンバ１の内部は所望の低圧に維持される。
【０００８】
次に，材料ガス供給タンク６から流れ出した所定の材料ガスが，質量流量制御装置８によって所望の流量に制御される。
所望の流量に制御された材料ガスは，ライン１０を通じてシャワーヘッド２に運ばれ，底面上に設けられた複数の細孔１１から半導体基板に向かって噴射される。
【０００９】
その後流量が安定した後，ＲＦ電源に接続されたシャワーヘッドと，接地１３されたサセプタ３との間には高周波電場が生成され，チャンバ１内の上記材料ガスがイオン化して，いわゆるプラズマ状態が発生する。イオン化された材料ガスの原子が半導体基板上の反応領域で化学反応を起こし，半導体基板上に所望の薄膜が形成される。
【００１０】
材料ガスとしては，ＳｉＨ４，ＤＭ−ＤＭＯＳ［（ＣＨ３）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）２］若しくはＴＥＯＳのようなシリコンソースガス，Ｃ２Ｆ６のようなフッ素系ソースガス，酸素のような酸化性ガス及びＡｒ若しくはＨｅ等の不活性ガスがある。
【００１１】
半導体基板９の表面上に形成される膜の種類及び膜質は，材料ガスの種類及び流量，温度，ＲＦ周波数の種類並びにプラズマの空間的一様性等により変化する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
半導体基板上に成膜される膜の一様性は反応領域でのプラズマ密度の一様性と関係が深い。図１に示すように，従来のプラズマＣＶＤ成膜装置はサセプタ３とシャワーヘッド２との間の距離，すなわち半導体基板９とシャワーヘッド２との間の距離は一定である。一般に，平行平板型プラズマＣＶＤ成膜装置において，二枚の平面電極間（φ２５０ｍｍ）に生じる電場強度分布は，中心が一番強く，半径方向外側に徐々に弱まっていく性質がある。φ２００ｍｍの半導体基板の成膜領域では約±５％の強度分布となる。したがって，半導体基板９の中心付近の電場は半径方向外側の電場より相対的に大きく，プラズマ密度も高くなり，材料ガスの反応が活発になる。その結果形成される薄膜は中心付近で厚くなり，膜質についても中心とその外側では不均一となる。
【００１３】
これに対して，従来は供給するガスの流量若しくは混合比，印加するＲＦ周波数の値，並びにＲＦ電力量を制御することにより対応してきたが，これらのパラメータを変化させてしまうと生成される膜質及び成膜速度が変化してしまい，プロセス安定性が悪くなる。特に材料ガスの混合比及び流量が膜質に大きく影響する場合には問題がさらに大きくなる。
【００１４】
また膜の均一性の問題は将来の半導体基板の大口径化に向けて重要な課題の一つである。
【００１５】
したがって，本発明の目的は，膜質及び膜厚が均一になるような薄膜を，半導体基板上に成膜するプラズマＣＶＤ成膜装置を与えることである。
【００１６】
本発明の他の目的は，口径が３００ｍｍ以上の大口径基板に対しても膜厚及び膜質が均一になるようなプラズマＣＶＤ成膜装置を与えることである。
【００１７】
さらに本発明の他の目的は，製造コストが安く，構成が簡単なプラズマＣＶＤ成膜装置を与えることである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係るプラズマＣＶＤ成膜装置は以下の手段から成る。
【００１９】
被処理体上に薄膜を形成するためのプラズマCVD成膜装置は，
真空チャンバと，
前記真空チャンバ内に設置されたシャワーヘッドと，
前記真空チャンバ内に，前記シャワーヘッドと実質的に平行に対向して設置された，前記被処理体を載置するサセプタと，
から成り，
前記シャワーヘッドと前記サセプタとの間隔距離が以下の関係を満足し，
fd=（ dc − da ）/da×100 fd=1%〜100%
ここで，
fd：前記シャワーヘッドの前記被処理体に対向する面の中心部の変形率，
da：前記被処理体の外周位置での，前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離，
dc：前記被処理体の中心からdaの距離の点における前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離である。
【００２０】
具体的には，前記シャワーヘッドの前記サセプタに対向する表面は窪んだ回転面として形成されている。
【００２１】
また，本発明に係る被処理体上に薄膜を形成するためのプラズマCVD成膜装置は，
真空チャンバと，
前記真空チャンバ内に設置されたシャワーヘッドと，
前記真空チャンバ内に，前記シャワーヘッドと実質的に平行に対向して設置された，前記被処理体を載置するサセプタと，
から成り，
前記シャワーヘッドと前記サセプタとの間隔距離が以下の関係を満足し，
fd'=（ dc' − da' ）/da'×100 fd'=1%〜100%
ここで，
fd'：前記サセプタの前記被処理体に対向する面の中心部の変形率，
da'：前記被処理体の外周位置での，前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離，
dc'：前記被処理体の中心からda'の距離の点における前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離である。
具体的には，前記サセプタの前記シャワーヘッドに対向する表面が窪んだ回転面として形成されている。
【００２２】
さらに，本発明に係る被処理体上に薄膜を形成するためのプラズマCVD成膜装置は，
真空チャンバと，
前記真空チャンバ内に設置されたシャワーヘッドと，
前記真空チャンバ内に，前記シャワーヘッドと実質的に平行に対向して設置された，前記被処理体を載置するサセプタと，
から成り，
前記シャワーヘッドと前記サセプタとの間隔距離が以下の関係を満足し，
fd=（ dc − da ）/da×100 fd=1%〜100%
ここで，
fd：前記シャワーヘッドの前記被処理体に対向する面の中心部の変形率，
da：前記被処理体の外周位置での，前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離，
dc：前記被処理体の中心からdaの距離の点における前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離であり，かつ
前記シャワーヘッドと前記サセプタとの間隔距離がさらに以下の関係を満足し，
fd'=（ dc' − da' ）/da'×100 fd'=1%〜100%
ここで，
fd'：前記サセプタの前記被処理体に対向する面の中心部の変形率，
da'：前記被処理体の外周位置での，前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離，
dc'：前記被処理体の中心からda'の距離の点における前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離である，
ところの装置であって，
前記シャワーヘッドの前記サセプタに対向する表面及び前記サセプタの前記シャワーヘッドに対向する表面が窪んだ回転面として形成されている。
【００２３】
好適には，シャワーヘッドとサセプタとの間隔距離は中心方向に向かうに従って長くなり，中心部で最も長くなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して本発明を説明する。
【００２５】
図２は本発明に係る第１の実施例を略示したものである。同一の部材は図１と同一の符号を使用している。本発明に係る半導体基板上に薄膜を形成するためのプラズマＣＶＤ成膜装置の第１の実施例は，真空チャンバ１と，前記真空チャンバ内に設置されたシャワーヘッド２０と，前記真空チャンバ内に前記シャワーヘッドと実質的に平行に対向して設置された前記被処理体を載置するサセプタ３とから成り，前記シャワーヘッドと前記サセプタとの間の距離が中心方向に向かうに従って長くなり，中心部で最も長くなるケースを示している。
【００２６】
図２に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置の作用は図１に記載の従来のプラズマＣＶＤ成膜装置と同様である。しかし，本発明においては，電極の表面形状を変形することにより，電場強度の面内の分布を改良し形成される膜の均一性を改善する。
【００２７】
好適には，シャワーヘッド２０の底面２１は凹状に窪んだ回転面から成る。ここで，回転面とは平面上の一つの曲線を同じ平面上にある直線の回りに回転することにより生じる曲面と定義される。
【００２８】
図２では，シャワーヘッド２０，すなわち上部電極と半導体基板９との間の距離は中心点２２において最も長く，半径方向外側に向かって徐々に短くなる。
【００２９】
上部電極面２１の中心２４の変形率ｆｄを以下のように定義する。
【００３０】
fd=（ dc − da ）/da×100
ここで，
fd：シャワーヘッド20の半導体基板9に対向する面の中心24の変形率，
da：半導体基板9の外周位置23での，シャワーヘッド20とサセプタ3との間の平均距離，
dc：半導体基板9の中心22からdaの距離の点におけるシャワーヘッド20とサセプタ3との間の平均距離である。本発明に係る変形率fd値はfd=1〜100％であり，好適には5〜35％である。変形率fd値は供給する反応ガスの種類，混合比，印加するRF電力などにより異なり，最適値が選択される。
【００３１】
図３は，上記本発明の第１の実施例の変形例を示したものである。図３（ａ）に示した第１の変形例において，シャワーヘッド２０ａの底面は半導体基板に対向する部分が大きく内側に窪み，その中心２４ａが突起した回転面から成る。図３（ｂ）に示した第２の変形例において，シャワーヘッド２０ｂの底面は略円錐形状に窪み，その中心２４ｂが突起している。図３（ｃ）に示した第３の変形例において，シャワーヘッド２０ｃの底面は内側に窪んだ２つの凹部及びほぼ平坦な中心２４ｃを有する。
【００３２】
このように本発明のシャワーヘッド２０の構造は，第１の実施例に示されるような，シャワーヘッド２０とサセプタ３の間隔距離が中心部で最も長くなるものに限定されない。すなわち，本発明に係るシャワーヘッドの構造は，半導体基板に対向する部分が窪んでいる点に最大の特徴を有するのであって，その窪み構造はシャワーヘッドやサセプタの仕様，ＲＦ電力及びその他の成膜条件により最適なものが選択される。
【００３３】
次に，図４は，本発明の第２の実施例を略示したものである。従来のプラズマＣＶＤ成膜装置と作用は同様であるが，第２の実施例においては，サセプタ３０の表面３１が凹状に窪んだ回転面から成る。シャワーヘッド２は従来のものと同様な平板型シャワーヘッドであり，上部電極を構成する。サセプタ３０，すなわち下部電極とシャワーヘッド２との間の距離は中心点３３において最も長く，半径方向外側に向かって徐々に短くなる。半導体基板９はその周縁部分３２のみがサセプタと接触しており，例えば真空チャックによって固定される。
【００３４】
下部電極面３０の中心部の変形率ｆｄ’を以下のように定義する。
【００３５】
fd'=（ dc' − da' ）/da'×100
ここで，
fd'：サセプタ30の半導体基板9に対向する面の中心部の変形率，
da'：半導体基板9の外周位置34での，シャワーヘッド2とサセプタ30との間の平均距離，
dc'：半導体基板9の中心22からda'の距離の点におけるシャワーヘッド20とサセプタ30との間の平均距離である。本発明に係る変形率fd'値はfd'=1〜100％であり，好適には5〜35％である。変形率fd'値は供給する反応ガスの種類，混合比，印加するRF電力などにより異なり，最適値が選択される。
【００３６】
ここで，注意すべきは図３で示した第１の実施例の変形例と同様な変形例を本発明のサセプタ３０に応用することが可能であるということである。すなわち，本発明のサセプタ３０の構造は，第２の実施例に示されるような，シャワーヘッドとサセプタ間距離が中心部で最も長くなるようなものに限定されない。
【００３７】
次に，本発明の第３の実施例が図５に略示されている。従来のプラズマＣＶＤ成膜装置と作用は同様であるが，第３の実施例においては，シャワーヘッド２０及びサセプタ３０のそれぞれの表面２１及び表面３１が凹状に窪んだ回転面から成る。シャワーヘッド２０は第１の実施例と同様な中央が窪んだ回転面２１を有し，上部電極を構成する。同じくサセプタ３０は実施例２と同様に中央が窪んだ回転面３１から成る。サセプタ３０とシャワーヘッド２０との間の距離は，それぞれの中心点３３と２４との間において最も長く，半径方向外側に向かって徐々に短くなる。半導体基板９はその周縁部分３２のみがサセプタと接触しており，例えば真空チャックによって固定される。
【００３８】
本発明に係る第３の実施例の変形率ｆｄはｆｄ＝１〜１００％であり，好適には５〜３５％である。一方変形率ｆｄ’はｆｄ’＝１〜１００％であり，好適には５〜３５％である。変形率ｆｄ値及びｆｄ’値は供給する反応ガスの種類，混合比，印加するＲＦ電力などにより異なり，最適値が選択される。
【００３９】
【実施例】
次に，本発明の実験結果について説明する。
【００４０】
実験は，本発明の第１の実施例に関して２種類のシャワーヘッドを使用して，それぞれの膜厚分布を測定することを目的とするものである。
【００４１】
図６は各シャワーヘッドの表面の構造を示したグラフである。これらの曲線ａ及びｂを電極中心を回転軸として回転することによってシャワーヘッド底面に回転面が形成される。その結果半径方向に電極間隔に差が生じることになる。
【００４２】
実験は以下の条件で行われた。
【００４３】
・半導体基板外周部での電極間距離ｄａ＝１０ｍｍ，
・シャワーヘッドａの中心２４の表面窪み＝１ｍｍ，変形率ｆｄ＝１１％，
・シャワーヘッドｂの中心２４の表面窪み＝３ｍｍ，変形率ｆｄ＝３２％，
・使用した半導体基板φ＝２００ｍｍ，
・下部電極の温度＝４００℃，
・使用したＲＦ電源の周波数ｆ＝１３．５６ＭＨｚ
・材料ガス＝ＤＭ−ＤＭＯＳ，流量＝２０ｓｃｃｍ
・材料ガス＝Ａｒ，流量＝１０ｓｃｃｍ
・材料ガス＝Ｈｅ，流量＝１０ｓｃｃｍ
図７に示された実験結果から，従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置ではシャワーヘッド電極中心部付近の半導体基板上に堆積される薄膜の膜厚が平均膜厚より６％ほど厚いのに対し，本発明に係るシャワーヘッドａの中心部付近の半導体基板上に堆積された薄膜の膜厚は平均膜厚より１．５％だけ厚くなるにとどまるよう改善され，本発明に係るシャワーヘッドｂの中心部付近の半導体基板上に堆積された薄膜の膜厚は平均膜厚より逆に２．５％薄くなるという結果になった。
【００４４】
これらの実験結果から，半導体基板中央部付近の電極間隔が長くなるように電極を形成し，そこに集中するプラズマ電場強度を補正することにより膜の均一性は改善され得ることがわかった。
【００４５】
また，半導体基板上に成膜する場合の電極の熱膨張の方向は，電極外周の固定方法，製作段階での電極面の残留応力，表面形状の微妙な撓み，または反応ガス供給用の細孔の形状等により，電極間隔を狭くする方向若しくは逆に広げる方向に変化する。
【００４６】
従来はこの変化の方向を常に一定に管理することが困難であった。電極間隔を狭くする方向に撓んだ場合，半導体基板中心部付近の電場は非常に強くなり膜の成長速度も増加して膜の均一性をさらに悪化させていた。
【００４７】
しかし，本発明のように，最初から中央部が窪んだ構造とすることで，電極は電極間隔を広げる方向のみに膨張するため半導体基板中心付近の膜の均一性はより一層改善されることとなった。
【００４８】
【発明の効果】
本発明に従うプラズマＣＶＤ成膜装置によって，半導体基板上に薄膜を均一に形成することができるようになった。その結果半導体素子の高集積化及び高性能化への要求に答えることができる。
【００４９】
また本発明に従うプラズマＣＶＤ成膜装置によれば，膜厚及び膜質の均一化及び安定化の要求に答えることができる。
【００５０】
さらに本発明に従うプラズマＣＶＤ成膜装置は，将来の半導体基板の大口径化にも十分に対応することでき，広い面積にわたって均一に薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は，従来のプラズマＣＶＤ成膜装置を略示したものである。
【図２】図２は，本発明に係るシャワーヘッドを有するプラズマＣＶＤ成膜装置の第１の実施例を示したものである。
【図３】図３は，本発明に係るシャワーヘッドの変形例を示したものである。
【図４】図４は，本発明に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の第２の実施例を示したものである。
【図５】図５は，本発明に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の第３の実施例を示したものである。
【図６】図６は，シャワーヘッド下面形状の違いによる，表面深さと，電極中心からの距離の関係を示すグラフである。
【図７】図７は，電極の中心部の窪みと半導体基板の中心の膜厚の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 真空チャンバ
３ サセプタ
４ ＲＦ電源
５ 排気口
６ 材料ガス供給タンク
８ 質量流量制御装置
９ 半導体基板
１０ ライン
１２ 支持体
１３ 接地
１４ ヒーター
２０ シャワーヘッド
２１ 凹状に湾曲したシャワーヘッドの電極面
２２ 半導体基板の中心点
２３ 半導体基板の外周位置
２４ シャワーヘッドの中心

Claims (3)

  1. 被処理体上に薄膜を形成するためのプラズマCVD成膜装置であって、
    真空チャンバと、
    前記真空チャンバ内に設置されたシャワーヘッドと、
    前記真空チャンバ内に、前記シャワーヘッドと実質的に平行に対向して設置された、前記被処理体を平板状に載置するサセプタと、
    から成り、
    前記シャワーヘッドと前記サセプタとの間隔距離が以下の関係を満足し、
    fd’=（ dc ’− da ’）/da’×100 fd’=1%〜35%
    ここで、
    fd’：前記サセプタの前記被処理体に対向する面の中心部の変形率、
    da’：前記被処理体の外周位置での、前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離、
    dc’：前記被処理体の中心からda’の距離の点における前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離であり、
    前記サセプタの前記シャワーヘッドに対向する表面が窪んだ回転面として形成されている、
    ところの装置。
  2. 被処理体上に薄膜を形成するためのプラズマCVD成膜装置であって、
    真空チャンバと、
    前記真空チャンバ内に設置されたシャワーヘッドと、
    前記真空チャンバ内に、前記シャワーヘッドと実質的に平行に対向して設置された、前記被処理体を平板状に載置するサセプタと、
    から成り、
    前記シャワーヘッドと前記サセプタとの間隔距離が以下の関係を満足し、
    fd=（ dc − da ）/da×100 fd=1%〜35%
    ここで、
    fd：前記シャワーヘッドの前記被処理体に対向する面の中心部の変形率、
    da：前記被処理体の外周位置での、前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離、
    dc：前記被処理体の中心からdaの距離の点における前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離であり、かつ
    前記シャワーヘッドと前記サセプタとの間隔距離がさらに以下の関係を満足し、
    fd’=（ dc ’− da ’）/da’×100 fd’=1%〜35%
    ここで、
    fd’：前記サセプタの前記被処理体に対向する面の中心部の変形率、
    da’：前記被処理体の外周位置での、前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離、
    dc’：前記被処理体の中心からda’の距離の点における前記シャワーヘッドと前記サセプタ間の平均距離である、
    ところの装置であって、
    前記シャワーヘッドの前記サセプタに対向する表面及び前記サセプタの前記シャワーヘッドに対向する表面が窪んだ回転面として形成されている、
    ところの装置。
  3. 請求項１または２に記載の装置であって、シャワーヘッドとサセプタとの間隔距離が中心方向に向かうに従って長くなり、中心部で最も長くなるところの装置。
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