JP3699142B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜形成装置に関し、特に、半導体素子等の製造でガス状態の原材料を導入しプラズマの作用を利用して薄膜を形成する薄膜形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の薄膜形成装置の一例を図4を参照して説明する。この薄膜形成装置は、プラズマ生成用の原料ガスに酸素ガス(O2 )を用いかつ薄膜形成用の材料ガスにモノシランガス(SiH4 )を用いることにより熱酸化膜と同等またはそれに近い膜質の酸化珪素薄膜を形成するためのプラズマCVD装置である。
【0003】
図4に示したプラズマCVD装置は、プラズマ生成に使用されるベルジャ11と、ベルジャ11に電力を供給する電力供給機構12と、ベルジャ11と空間的につながっている成膜室13と、成膜室13の周囲に設けられかつ成膜室13の内部にマルチカスプ磁場を形成するための磁場生成機構14と、ベルジャ11および成膜室13を真空排気するための排気機構15と、成膜室13に上記酸素ガスを供給するための第1のガス供給機構16と、上記モノシランガスを供給するための第2のガス供給機構17を備える。
【0004】
上記のプラズマCVD装置において、ベルジャ11は誘電体で形成され、プラズマ生成室として機能する。より具体的には、ベルジャ11は上端が閉じられた直径が例えば100mmの石英ガラス管で作られ、開放された下端は下部の成膜室13に接続される。電力供給機構12は、高周波電源21と、整合器22と、ベルジャ11の周囲に配置されたループ状アンテナ23で構成される。高周波電源21には例えば周波数13.56MHzの高周波を出力する電源が使用される。なお電力供給機構12は高周波を供給するものに限定されない。成膜室13は例えば高さ230mm、直径360mmの有底円筒形状のアルミニウム合金にて形成され、成膜室13の周囲に配置される磁場生成機構14は例えば12対24極の永久磁石で形成される。さらに排気機構15は、排気用チャンバ31と2段のバルブ32a,32bと排気ポンプ33から構成される。排気ポンプ33では、主排気ポンプとしてターボ分子ポンプ33a、補助排気ポンプとしてドライポンプ33bが用いられている。
【0005】
また成膜室13の内部には基板41を支持する基板ホルダ42が設置される。この基板ホルダ42の内部には熱交換媒体が循環する構造43と温度検出器(図示せず)が備えられ、所望温度での加熱・冷却といった温度制御が可能である。さらに基板ホルダ42には、基板41にバイアス電力を印加できるように高周波電源44が接続されている。高周波電源44には周波数400kHzの高周波を出力する電源が使用される。
【0006】
図5は第2のガス供給機構17の詳細な構造を示す図で、一部を断面で示している。ガス供給機構17の成膜室13内の供給端部は、リング形状のパイプ部材51となっている。パイプ部材51のリング状内側面には例えば等間隔に配置された複数のガス噴射孔52が形成され、リング状外側面には例えば1本の輸送パイプ53が設けられる。このリング状パイプ部材51は、輸送パイプ53を支持する支持部材54、および類似した構造を有する他の複数の支持部材55によって成膜室13内に固定される。支持部材54は成膜室13の内外を通じさせる筒部材構造を有し、成膜室13の壁部に固定されている。支持部材55も同じく成膜室13の壁部に固定される。ガス供給機構17で供給されるモノシランガスは支持部材54および輸送パイプ53を経由してパイプ部材51に至り、パイプ部材51の複数のガス噴射孔52から成膜室13内へ噴射され、基板41の表面に供給される。矢印56はモノシランガスの噴射方向を示す。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記構造を有する従来のプラズマCVD装置で酸化珪素膜を形成し続けると、プラズマに接する成膜室13の内壁面13aに酸化珪素膜が堆積すると共に、プラズマが回り込むことによりプラズマに接するパイプ部材51、パイプ部材51の支持部材54,55、輸送パイプ53の表面全体に酸化珪素膜が堆積するという現象が生じる。成膜室13の内部構造物に酸化珪素膜が堆積すると、やがては酸化珪素膜の内部応力により剥がれ落ちて微粉末の発生原因となり、基板41の酸化珪素薄膜上に表面欠陥を生じさせ、当該酸素珪素薄膜の商品価値を低下せしめるという問題を生じる。
【0008】
さらに詳しく述べると、成膜室13の内壁面13aは、前述のごとく高さ230mm、直径360mmの比較的大きな有底円筒形の形状を有し、鋭利な角の部分や曲率の小さい部分を排除した形状で作ることができるため、薄膜形成作用によって堆積した酸化珪素薄膜は内部応力の少ない膜となり、相当量の堆積膜厚に至るまで剥がれ落ちることが少ない。これに対して、パイプ部材51、支持部材54,55、輸送パイプ53は、曲率半径の小さな形状(例えば曲率半径5mm程度のパイプ)を有し、さらにパイプ部材51と支持部材54との接続部分には鋭利な角部が形成されたり、支持部材54,55そのものが鋭利な角部を有する金属板で形成される。このような曲率半径が小さい部分や鋭利な角の部分に酸化珪素膜が堆積すると、薄膜の内部応力が大きくなり、僅かの堆積膜厚で膜が剥がれ落ちるという問題が発生する。
【0009】
本発明の目的は、上記の各問題を解決するため、プラズマガスと材料ガスを利用した薄膜形成において、成膜室内部に堆積・形成された膜からの微粉末の発生を抑え、表面欠陥の少ない高品質な薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る薄膜形成装置は、上記目的を達成するために、プラズマ生成室と、プラズマ生成室に電力を供給するための電力供給機構と、プラズマ生成室と空間的につながる成膜室と、プラズマ生成室と成膜室を真空排気する排気機構と、成膜室にプラズマ生成用の原料ガスを供給する第1ガス供給機構と、成膜室に薄膜形成用の材料ガスを供給する第2ガス供給機構とを備え、さらに、材料ガスと生成されたプラズマのうち少なくともいずれか一方が、第2ガス供給機構の成膜室内供給端部と成膜室の内壁面との間の空間に進入するのを阻止するための、大きな曲率半径を有する部分によって形成される遮断部材を設けるように構成される。
【0011】
前記の構成において、好ましくは、遮断部材は、第2ガス供給機構の成膜室内供給端部と前記空間とを覆うように設けられた部材である。
【0012】
前記の各構成において、好ましくは、遮蔽部材の曲率半径は、第2ガス供給機構の成膜室内供給端部が有する曲率半径または前記空間内に存する部材が有する曲率半径よりも大きくなるように決定される。
【0013】
前記の各構成において、好ましくは、遮断部材は電気的に絶縁されていることを特徴とする。
【0014】
【作用】
本発明では、第1のガス供給機構によりプラズマ原料ガスが成膜室とプラズマ生成室に導入され、プラズマ生成室に電力が供給され、原料ガス分子と電力が相互作用を起こすことによりプラズマ生成室でプラズマが生成される。次に第2ガス供給機構により材料ガスが成膜室に導入・拡散される。成膜室内部は、プラズマで満たされているので、材料ガスはプラズマと化学反応を起こし、薄膜成分が生成される。原料ガスが酸素ガス、材料ガスがモノシランガスの場合、酸素プラズマが生成され、酸化珪素と水が分解・生成される。生成された薄膜成分は、基板の表面上に堆積すると共に成膜室内部の内壁面および遮断部材の表面上に堆積する。第2ガス供給機構の成膜室内供給端部と成膜室の内壁面とに狭まれた空間にプラズマガスや材料ガスが侵入するのを阻止するための遮断部材が設置されるので、成膜室内供給端部に関連する支持部材や輸送パイプ等に薄膜が堆積することを防ぐことができる。遮断部材は、成膜室の内壁面と同様に大きな曲率半径を有する部分で形成され、曲率半径の小さい部分や鋭利な角の部分を排除しているので、薄膜形成作用により堆積した膜は内部応力の少ない膜となり、相当量の堆積膜厚に至るまで剥がれ落ちることが少なくなる。この結果、微粉末の発生を制御することができ、長期間に亘り高品質な薄膜を形成できる。
【0015】
【実施例】
以下に、本発明の好適実施例を添付図面に基づいて説明する。
【0016】
本発明に係る薄膜形成装置の基本的構成は図4と図5で説明した構成と同じである。すなわち、薄膜形成装置はプラズマCVD装置であり、プラズマ生成に使用されるベルジャ11と、ベルジャ11に例えば高周波電力を供給する電力供給機構12と、ベルジャ11と空間的につながっている成膜室13と、成膜室13の周囲に設けられかつ成膜室13の内部にマルチカスプ磁場を形成するための磁場生成機構14と、ベルジャ11および成膜室13を真空排気するための排気機構15と、成膜室13に酸素ガス等のプラズマ生成用原料ガスを供給するための第1のガス供給機構16と、モノシランガス等の薄膜形成用材料ガスを供給するための第2のガス供給機構17を備える。また成膜室13の内部には基板41を支持する基板ホルダ42が設置され、基板ホルダ42には基板41にバイアス電力を印加できるように高周波電源44が接続される。第2のガス供給機構17の成膜室13内の供給端部はリング状パイプ部材51となっている。パイプ部材51は、輸送パイプ53を支持する支持部材54とこれに類似する複数の支持部材55によって成膜室13内に固定される。
【0017】
この実施例では、プラズマ生成用原料ガスとして酸素ガスを供給し、材料ガスとしてモノシランガスを供給することとし、これによって、酸素プラズマが生成され、当該酸素プラズマとモノシランガスとの化学反応によって酸化珪素薄膜が形成される。
【0018】
上記構成に関する詳細な説明と薄膜形成の原理の説明は、前述した説明を参照することとし、ここでは省略する。なお本発明に係る薄膜形成装置は、上記プラズマCVD装置に限定されるものではない。また上記磁場生成機構14は必ず必要なものではない。
【0019】
本実施例による薄膜形成装置の特徴的構成を示した図1を参照してその特徴を説明する。
【0020】
図1において、第2のガス供給機構17の成膜室内供給端部であるリング状パイプ部材51において、そのリング状内側面には例えば等間隔に配置された複数のガス噴射孔52が形成され、そのリング状外側面には輸送パイプ53が設けられる。ガス供給機構17で供給されるモノシランガスは輸送パイプ53を経由してパイプ部材51に至り、パイプ部材51の複数のガス噴射孔52から噴射され、処理対象である基板41の表面に供給される。
【0021】
リング状パイプ部材51は、図2に示すように、輸送パイプ53と支持部材54、さらに類似した形状を有する複数の支持部材55によって成膜室13の内壁面13aに固定されている。
【0022】
図1において、遮断部材61は、成膜室13に供給された材料ガスとベルジャ11から成膜室13へ拡散したプラズマのうちいずれか一方または両方が、パイプ部材51と成膜室13の内壁面13aとの間の空間に進入するのを阻止するための部材である。図1に示されるように遮断部材61は、パイプ部材51と輸送パイプ53と支持部材54,55を覆うまたは包み込むような、外側が開放された断面U字型のリング状形態を有し、特に曲率半径の大きな部分によって形成される形態を有する。換言すれば、遮断部材61の形態では、材料ガス(モノシランガス)やプラズマ(酸素プラズマ)に触れる表面であって薄膜(酸化珪素薄膜)が堆積する表面において、当該薄膜の内部応力を大きくして僅かの堆積膜厚で膜が剥がれ落ちることを可能にする曲率半径の小さい部分や鋭利な角の部分が形成されることを排除している。遮断部材61の形態における曲率半径の大きな部分に関する望ましい曲率半径の値は、形成しようとする薄膜に応じて決定される。遮断部材61の外側周縁部は、成膜室13の内壁面13aに気密に固定される。固定の仕方としては、例えば、溶接による固定やシール部材を介した締結手段による固定が採用される。なお遮断部材61には、上記パイプ部材51の複数の噴射孔52に対応して複数の噴射孔62が形成されている。
【0023】
上記のごとき遮断部材61を設けることによって、ベルジャ11で生成され、ここから成膜室13へ拡散したプラズマ、あるいは第2のガス供給機構17によって導入されたモノシランガスがパイプ部材51と成膜室13の内壁面13aとの間の空間に進入するのを防止することができる。これにより、成膜室13の内壁面13aの側に向いたパイプ部材51の部分と輸送パイプ53と支持部材54,55に対してプラズマの進入またはモノシランガスの進入を防ぐことができるので、その結果、これらの部分の表面に酸化珪素薄膜が堆積するのを防ぐことができる。
【0024】
上記の実施例において、遮断部材51の形態や固定位置は上記の条件を満たす範囲内で任意に変更することができる。
【0025】
図3は、6インチ珪素半導体基板上に1μmの厚さで酸化珪素薄膜を形成した場合、半導体基板の処理枚数に対して、酸化珪素薄膜が形成された後の半導体基板表面上の微粉末の数の変化を示したグラフである。図3において、縦軸は微粉末の数、横軸は半導体基板の処理枚数を意味している。また微粉末は、6インチ珪素半導体基板の直径140mmより内側の領域に対して直径0.3μm以上のものを計測した。
【0026】
図3のグラフで、折線A(マーカ●)は図4と図5で示した従来の薄膜形成装置を用いた場合の微粉末数の変化であり、折線B(マーカ■)は、本発明の実施例である図1に示した遮断部材61を備えた薄膜形成装置を用いた場合の微粉末の数の変化である。
【0027】
折線Aは、半導体基板の処理枚数が35枚の付近から微粉末の数が急峻的に増大しており、その数は150個を越えて数万個に至っている。数万個の領域は図示を省略している。この状態で、第2のガス供給機構17であるパイプ部材51を成膜室13より取り出して、堆積膜の付着状況を観察すると、支持部材54等との接合部にて堆積膜の剥がれが確認された。従って、堆積膜の剥がれ現象が微粉末の急増発生の原因とみなすことができる。
【0028】
上記に対して、折線Bでは、半導体基板の処理枚数が150枚に至るまで微粉末の数は100個以下である。この状態で、遮断部材61と第2のガス供給機構17の供給端部であるパイプ部材51を成膜室13から取り出して、堆積膜の付着状況を観察すると、遮断部材61の表面には酸化珪素膜が付着しているものの剥がれ現象は観察されなかった。またパイプ部材51の表面については酸化珪素膜の堆積は確認されなかった。
【0029】
このように、パイプ部材51を支持部材54,55により成膜室13の内壁面13aに固定し、遮断部材61をパイプ部材51と輸送パイプ53と支持部材54,55を包み込む形態にてパイプ部材51と成膜室13の内壁面13aによって狭まれる空間に設置することにより、成膜室13の内壁面側に向いたパイプ部材51の部分、輸送パイプ53、支持部材54,55等の鋭利な角の部分または曲率半径が小さい部分に酸化珪素薄膜が堆積するのを防ぐことができるので、微粉末の発生を制御することができる。
【0030】
また遮断部材61を電気的に絶縁された状態とすることで、プラズマとの接触によるプラズマ中の荷電粒子の損失を抑制することができる。その結果、プラズマの高密度化を維持することが可能となり、プラズマ放電をより安定かつ活性に持続することができ、酸化珪素薄膜の成膜速度を維持することができる。遮断部材61が電気的に絶縁された状態とするためには、遮断部材61を電気的絶縁部材で作製したり、あるいは遮断部材61を金属等の導電性部材で作製し、接触する他の部分との間に絶縁部材を設ける。
【0031】
前述の実施例では、材料ガスを供給するための第2のガス供給機構17の成膜室内供給端部の周辺部に遮断部材を設けた例を説明したが、プラズマ生成用原料ガスを供給するための第1のガス供給機構16の成膜室内供給端部の周辺部に同様な構造の遮断部材を設けることもできる。また第1と第2のガス供給機構の成膜室内供給端部の各周辺部を1つの共通の遮断部材で覆うようにすることもできる。
【0032】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【0033】
プラズマと材料ガスを利用して基板表面に薄膜を形成する装置において、成膜室内に設けられた材料ガス供給機構の供給端部の周辺に遮断部材を設けるようにしたため、プラズマまたは材料ガスが供給端部と成膜室の壁面との間の空間に進入するのを防ぐことができ、これにより曲率半径の小さい部分や鋭利な角を有する部分に薄膜が堆積されるのを防ぐことができ、結果的に微粉末の発生を抑制でき、基板上に表面欠陥の少ない高品質な薄膜を形成できる。
【0034】
また遮断部材は曲率半径の大きな部分で形成される形態を有するので、遮断部材の表面に薄膜が形成されたとしても、相当の膜厚になるまで微粉末の発生が抑制され、基板上に表面欠陥の少ない高品質な薄膜を形成できる。
【0035】
遮断部材を電気的に絶縁されるにように設けたため、プラズマ中の荷電粒子の損失を抑制することができ、その結果、プラズマの高密度化を維持することが可能となり、プラズマ放電をより安定化、活性化を持続することができ、酸化珪素薄膜の成膜速度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る薄膜形成装置の要部の一実施例を示す一部断面構成図である。
【図2】パイプ部材の支持構造を示す平面図である。
【図3】本実施例による薄膜形成装置と従来の薄膜形成装置による薄膜形成性能の比較を示すグラフである。
【図4】従来の薄膜形成装置の一例を示す構成図である。
【図5】従来の薄膜形成装置における第2のガス供給機構の詳細な構造を示す一部断面構成図である。
【符号の説明】
11 ベルジャ
12 電力供給機構
13 成膜室
14 磁場生成機構
15 排気機構
16 第1のガス供給機構
17 第2のガス供給機構
51 パイプ部材
52 噴射孔
53 輸送パイプ
54,55 支持部材
61 遮断部材
62 噴射孔
Claims (4)
- プラズマ生成室と、このプラズマ生成室に電力を供給するための電力供給機構と、前記プラズマ生成室と空間的につながる成膜室と、前記プラズマ生成室と前記成膜室を真空排気する排気機構と、前記成膜室にプラズマ生成用の原料ガスを供給する第1ガス供給機構と、前記成膜室に薄膜形成用の材料ガスを供給する第2ガス供給機構とを備える薄膜形成装置において、
前記材料ガスと生成されたプラズマのうち少なくともいずれか一方が、前記第2ガス供給機構の成膜室内供給端部と前記成膜室の内壁面との間の空間に進入するのを阻止するための、大きな曲率半径を有する部分によって形成される遮断部材を設けたことを特徴とする薄膜形成装置。 - 前記遮断部材は前記第2ガス供給機構の前記成膜室内供給端部と前記空間とを覆うように設けられた部材であることを特徴とする請求項1記載の薄膜形成装置。
- 前記遮蔽部材の曲率半径は、前記第2ガス供給機構の前記成膜室内供給端部が有する曲率半径または前記空間内に存する部材が有する曲率半径よりも大きくなるように決定されることを特徴とする請求項2記載の薄膜形成装置。
- 前記遮断部材は電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の薄膜形成装置。
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