JP3913244B2 - 基板処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、化学気相成長装置を用いた膜形成やドライエッチング装置による微細加工などの基板処理に関するものであり、特に処理の均一性を向上させる技術に関するものである。

近年、半導体集積回路装置の高集積化および低消費電力化がますます進む傾向にある一方で、半導体集積回路装置の製造コストは半導体基板の大口径化などによって低コスト化が進んで来ている。これら半導体集積回路装置中の素子のパターン寸法を微細化し、基板を大口径化するためには、製造プロセスにおいて半導体集積回路装置の構成部材である絶縁膜の膜厚のばらつきを抑えたり、ドライエッチング加工を基板全面に亘って均一に行ったりする必要がある。

図６は、半導体基板上にシリコン酸化膜やポリシリコンなどの薄膜を形成する、従来の化学気相成長（ＣＶＤ）装置の一例を示す断面図である。半導体基板の大口径化に伴って同図に示すような枚葉式の装置が主流となっている。なお、ここでは熱ＣＶＤ装置を示している。

図６に示す従来の化学気相成長装置は、半導体基板１０７上に成膜するための反応室１１１と、成膜用の材料ガス１０１を供給するシャワーヘッド１０２と、シャワーヘッド１０２の上部に接続され、シャワーヘッド１０２に材料ガス１０１を導入するガス導入口１０５と、反応室１１１内に配置され、半導体基板１０７を設置するための基板支持台１０４と、反応室１１１と反応室１１１内のガスを排気するためのポンプ（図示せず）とに接続された排気口１０６とを備えている。

シャワーヘッド１０２のうち基板支持台１０４に対向する側（下側）には反応室１１１の内部へ材料ガス１０１を吐出するための小さい貫通孔１０３が多数設けられたガス拡散プレート１０８が取り付けられており、このガス拡散プレート１０８とシャワーヘッド１０２本体とで中空部分を形成している。基板支持台１０４は、その内部に半導体基板１０７の温度を調整するためのヒーターを備えており、半導体基板１０７はこの基板支持台１０４上にガス拡散プレート１０８と対向するように設置される。

ガス拡散プレート１０８はシャワーヘッド１０２と一体で製造することもできるが、加工が難しいことおよびメンテナンスが容易でないことから取り外し可能な別部品となっているのが普通である。

以上のような構成の従来の化学気相成長装置を用いて薄膜形成を行う場合、まず、半導体基板１０７を反応室１１１内の基板支持台１０４上に設置して所定の温度に加熱する。そして、反応室１１１内部を排気口１０６よりポンプを用いて排気しながら、ガス導入口１０５から成膜に必要な材料ガス１０１を反応室１１１内に導入し、ウエハ状の半導体基板１０７上に薄膜を形成する。

ガス拡散プレート１０８は円板に直径が０．５ｍｍ程度の微細な貫通孔１０３がほぼ全面に、かつ一様に多数形成されたものである。そして、図６中の拡大図に示すように貫通孔１０３の縦断面は、ガス入口側から出口側まで一様な形状をしている。このガス拡散プレート１０８により、シャワーヘッド１０２のほぼ中央部からガス導入口１０５を通じて中空部に導入された材料ガス１０１を水平方向に均等に分散して反応室１１１内に吐出することができるので、半導体基板１０７上に堆積される薄膜の厚さを均一化することができる。このようなガス拡散プレートを採用した化学気相成長装置は、例えば特許文献１に記載されている。また、ドライエッチング装置について、エッチングの均一性が改善されたエッチングガス拡散プレートの構造は特許文献２に記載されている。
特開２０００−２７３６３８号公報 特開平０６−２０４１８１号公報

しかしながら、今後半導体集積回路装置の微細化が進み、より精密なプロセスコントロールが要求されるようになると、図６に示す従来の化学気相成長装置におけるシャワーヘッド１０２を使用して半導体集積回路装置を歩留まり良く製造するのに十分な膜厚の均一性を有する膜を堆積することが困難となる。

ガス拡散プレート１０８には全面にわたってほぼ一様な密度で貫通孔１０３が形成されているが、材料ガス１０１はガス拡散プレート１０８の中央部では貫通孔１０３の入口付近に多く供給され、ガス導入口１０５から距離が離れたガス拡散プレート１０８周辺部の貫通孔１０３の入口付近には少なく供給される。そのため、反応室１１１に吐出される材料ガスの流量は貫通孔１０３の位置によって異なり、ガス拡散プレート１０８と対向して設置された半導体基板１０７上の位置によって成長する薄膜の厚さに分布が生じると考えられる。

図６に示す化学気相成長装置を用いた成膜中、理想的には材料ガス１０１の圧力が均一となりシャワーヘッド１０２の中央付近の穴から出るガスと周辺付近の穴から出るガスの流量が同じになることが望ましいが、実際には上に述べた理由によりシャワーヘッド１０２内の材料ガス１０１の圧力は中央付近より周辺付近の方が低くなるため、周辺付近の貫通孔１０３から出るガスは中央付近の貫通孔１０３から出るガスより流量が少なくなる。その結果、半導体基板１０７に供給されるガスが周辺付近で中央付近よりも少なくなり、半導体基板１０７の周辺部上に形成される薄膜の膜厚が薄くなってしまう。

このような枚葉式の基板処理装置における不均一性を改善する技術が、ドライエッチング装置についてではあるが特許文献２に記載されている。これは、電極板全面から流出する反応ガスの密度を均一にするために、電極板の中央部で貫通孔を小さく形成し、周辺部で貫通孔を大きく形成してその寸法に分布を持たせるものである。特許文献２に方法によれば貫通孔径の分布を適切に設定することによってエッチングの均一性を３．３％まで改善することができる。ここで、一般的なエッチング均一性とはウエハ面内のエッチングレートの最大、最小を比較して（（エッチングレートばらつき）／（平均エッチングレート））／２×１００（％）、すなわち（（エッチングレートの最大値−最小値）／（測定点の平均））／２×１００（％）で求めるものとする。しかし、１／４μｍ以下の寸法を有する微細な半導体集積回路を製造するためにはエッチングの均一性はまだ不十分であり、さらなる均一性が必要と考えられる。また、この技術を化学気相成長装置のガス拡散プレートに利用した場合にも原料ガスの流量分布の均一性は微細化された半導体集積回路の製造に十分なレベルに達しないと考えられる。

しかも、上記の方法で基板処理の均一性を改善するために貫通孔径および貫通孔径の分布を調整する場合、特許文献２に記載されるように、微小な調整であっても基板処理の均一性が劣化し１０％以上となってしまうことがある。すなわち、従来の方法では貫通孔径や貫通孔分布の調整に対して均一性が敏感に変動し、平均して３％以上の均一性を得ることはきわめて困難であった。

本発明は、上記不具合に鑑みて、ＣＶＤやドライエッチングなどの基板処理をウエハ面内で均一に行うことができる基板処理装置および基板処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の基板処理装置は、処理ガスを用いて基板を処理するための反応室と、前記処理ガスを通すための複数の貫通孔が形成された板状のガス拡散プレートを有し、前記反応室の内部に前記処理ガスを供給するシャワーヘッドと、前記反応室内に設けられ、前記基板を前記ガス拡散プレートに対向する状態で設置するための基板支持部とを備え、前記複数の貫通孔のうち、前記ガス拡散プレートの周辺領域に設けられた貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積よりも大きくなっている。

この構成によれば、ガス拡散プレートの周辺領域に設けられた貫通孔から吐出される処理ガスの量とそれ以外の部分に設けられた貫通孔から吐出される処理ガスの量との差を小さくすることができるので、基板処理をウエハ面内で均等に行うことができる。ここで、基板処理とは例えばＣＶＤ法による膜の堆積やプラズマエッチングなどのドライエッチングを含む。

また、前記複数の貫通孔のうち、前記ガス拡散プレートの中央領域に設けられた貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成されていることにより、ガス拡散プレートの面内で吐出する処理ガスの量を均等化することができる。

前記複数の貫通孔のうち前記ガス拡散プレートの周辺領域に設けられた貫通孔における入口部分の面積と出口部分の面積との差は、前記ガス拡散プレートの中央領域からの距離が大きくなるにつれて大きくなることにより、ガス拡散プレートの中央部から離れた位置に設けられた貫通孔ほど多くの処理ガスを取り込めるようにすることができる。この結果、処理ガスのガス拡散プレート上方での密度の差を補正することができるので、基板を均一に処理することができる。特に、貫通孔をドリルなどを用いて形成する場合でも、入口部分と出口部分との面積の差を調節することで基板の処理を精度よく均一化することができる。

前記周辺領域に設けられた貫通孔において、入口部分を含む入口側部分および出口部分を含む出口側部分はそれぞれ一定の開口面積を有する柱状に形成されており、前記出口側部分の開口面積は前記入口側部分の開口面積よりも小さいことにより、基板処理を均一に行える上、ガス拡散プレートの加工が容易になる。

前記周辺領域に設けられた貫通孔の入口側部分の深さは、前記中央領域からの距離が大きくなるにつれて深くなっている。これにより、貫通孔を流れる処理ガスに対する抵抗を調節でき、ガス拡散プレートに設けられた複数の貫通孔からの処理ガスの吐出量を均一化することができる。その結果、基板の処理を基板面内で均一に行うことができるようになる。特に、貫通孔をドリルなどを用いて形成する場合でも、入口側部分の深さを調節することで基板の処理を精度よく均一化することができる。

特に、前記周辺領域に設けられた貫通孔の入口側部分の深さは、０ｍｍを超え且つ前記ガス拡散プレートの厚みの１／２以下であることが好ましい。

前記シャワーヘッドは内側に中空部分が形成されており、平面的に見て前記ガス拡散プレートの中央領域とオーバーラップするように設けられた前記処理ガスを前記中空部分に導入するためのガス導入口をさらに有しており、前記ガス拡散プレートは前記シャワーヘッドの本体から取り外し可能であってもよい。ガス拡散プレートがシャワーヘッド本体から着脱可能となっていることによって、シャワーヘッドおよびガス拡散プレートの加工が容易になるとともに、メンテナンスが容易になる。

前記複数の貫通孔の平面形状は円形であることにより、加工が容易となるので好ましい。

本発明の第２の基板処理装置は、処理ガスを用いて基板を処理するための反応室と、 前記処理ガスを通すための複数の第１の貫通孔が形成された板状の第１のガス拡散プレートを有し、前記処理ガスを吐出するための第１のシャワーヘッドと、前記処理ガスを通すための複数の第２の貫通孔が形成された板状の第２のガス拡散プレートを有し、前記第１のシャワーヘッドを囲み、前記反応室の内部に前記処理ガスを供給する第２のシャワーヘッドと、前記反応室内に設けられ、前記基板を前記第２のガス拡散プレートに対向する状態で設置するための基板支持部とを備え、前記複数の第１の貫通孔のうち、前記第１のガス拡散プレートの周辺領域に設けられた第１の貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積よりも大きくなっている。

このように、第１のガス拡散プレートから吐出される処理ガスの量がプレート面内で均一になっているので、第２のシャワーヘッドから基板面へと吐出される処理ガスの量も基板面内で均一にすることができる。この結果、基板処理を基板面内で均一に行うことが可能となる。

また、前記複数の第２の貫通孔のうち、前記第２のガス拡散プレートの周辺領域に設けられた第２の貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積よりも大きくなっていることにより、周辺領域での処理ガス密度の分布を二段階で補正することができるので、複数の第２の貫通孔から吐出する処理ガスの量をさらに均一化することができる。

前記複数の第１の貫通孔のうち、前記第１のガス拡散プレートの中央領域に設けられた第１の貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成され、前記複数の第２の貫通孔のうち、前記第２のガス拡散プレートの中央領域に設けられた第２の貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成されていることが好ましい。

前記第１のガス拡散プレートの周辺領域に設けられた第１の貫通孔において、入口部分を含む入口側部分および出口部分を含む出口側部分はそれぞれ一定の開口面積を有する柱状に形成されており、前記出口側部分の開口面積は前記入口側部分の開口面積よりも小さいことにより、基板処理を均一に行える上、ガス拡散プレートの加工が容易になる。

前記第１のガス拡散プレートの周辺領域に設けられた第１の貫通孔の入口側部分の深さは、前記第１のガス拡散プレートの中央領域からの距離が大きくなるにつれて深くなっている。これにより、第１の貫通孔を流れる処理ガスに対する抵抗を調節でき、ガス拡散プレートに設けられた複数の第１の貫通孔からの処理ガスの吐出量を均一化することができる。その結果、基板の処理を基板面内で均一に行うことができるようになる。特に、貫通孔をドリルなどを用いて形成する場合でも、入口側部分の深さを調節することで基板の処理を精度よく均一化することができる。

前記第１のシャワーヘッドは内側に中空部分が形成されており、平面的に見て前記第１のガス拡散プレートの中央領域とオーバーラップするように設けられ、前記中空部分に前記処理ガスを導入するためのガス導入口をさらに有しており、前記第１のガス拡散プレートは前記第１のシャワーヘッドの本体から取り外し可能であってもよい。

本発明の第３の基板処理装置は、処理ガスを用いて基板を処理するための反応室と、前記処理ガスを通すための複数の第１の貫通孔が形成された板状の第１のガス拡散プレートを有し、前記処理ガスを吐出するための第１のシャワーヘッドと、前記処理ガスを通すための複数の第２の貫通孔が形成された板状の第２のガス拡散プレートを有し、前記第１のシャワーヘッドを囲み、前記反応室の内部に前記処理ガスを供給する第２のシャワーヘッドと、前記反応室内に設けられ、前記基板を前記第２のガス拡散プレートに対向する状態で設置するための基板支持部とを備え、前記複数の第２の貫通孔のうち、前記第２のガス拡散プレートの周辺領域に設けられた第２の貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積よりも大きくなっている。

この構成によれば、第１のガス拡散プレートから吐出された処理ガス量のばらつきを、第２のガス拡散プレートで補正することができるので、基板面へと吐出される処理ガスの量を基板面内で均一にすることができる。この結果、基板処理を基板面内で均一に行うことが可能となる。

前記複数の第１の貫通孔のうち、前記第１のガス拡散プレートの中央領域に設けられた第１の貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成され、前記複数の第２の貫通孔のうち、前記第２のガス拡散プレートの中央領域に設けられた第２の貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成されていてもよい。

前記第２のガス拡散プレートの周辺領域に設けられた第２の貫通孔において、入口部分を含む入口側部分および出口部分を含む出口側部分はそれぞれ一定の開口面積を有する柱状に形成されており、前記出口側部分の開口面積は前記入口側部分の開口面積よりも小さいことが好ましい。

前記第２のガス拡散プレートの周辺領域に設けられた第２の貫通孔の入口側部分の深さは、前記第２のガス拡散プレートの中央領域からの距離が大きくなるにつれて深くなることが好ましい。これにより、貫通孔をドリルなどを用いて形成する場合でも、入口側部分の深さを調節することで基板の処理を精度よく均一化することができる。

本発明の基板処理方法は、反応室と、入口部分の面積が出口部分の面積よりも大きい貫通孔が周辺領域に形成され、中央領域に貫通孔が形成された板状のガス拡散プレートを有し、前記反応室の内部に前記処理ガスを供給するシャワーヘッドと、前記基板を前記ガス拡散プレートに対向する状態で設置するための基板支持部とを備えた基板処理装置を用いた基板処理方法であって、前記基板を前記基板支持部に設置する工程（ａ）と、前記処理ガスを前記ガス拡散プレートの中央領域および周辺領域に形成された貫通孔を通して前記反応室内に供給し、前記基板の処理を行う工程（ｂ）とを備えている。

この方法によれば、周辺領域に形成された貫通孔に多くの処理ガスを取り込むことができると考えられるので、貫通孔から吐出する処理ガス量のばらつきを小さくすることができる。その結果、工程（ｂ）において基板処理を基板面内で均一に行うことが可能となる。

前記ガス拡散プレートの中央領域に形成された貫通孔は、入口部分と出口部分の面積が等しい柱状であることが好ましい。

また、前記ガス拡散プレートの周辺領域に形成された貫通孔は、入口部分を含む入口側部分および出口部分を含む出口側部分はそれぞれ一定の開口面積を有する柱状に形成されており、前記入口側部分の深さは、前記中央領域からの距離が大きくなるにつれて深くなっている。この方法により、工程（ｂ）において貫通孔の入口側部分の深さを調節することで基板の処理を精度よく均一化することができる。

前記基板は直径が２００ｍｍ以上の半導体基板であることが特に好ましい。

本発明の基板処理装置において、少なくともガス拡散プレートの周辺領域に設けられた貫通孔の形状を入口部分の面積が出口部分の面積よりも大きくすることによって、ガス拡散プレートに形成された多数の貫通孔から基板に向かって吐出される処理ガスの流量を、従来よりも高い精度で均一に制御することができる。これにより、基板処理パラメータのばらつきを３％以下に抑えることができる。本発明の基板処理装置を、例えばＣＶＤ法に適用した場合には、堆積する薄膜の膜厚の面内ばらつきを３％以下に抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、半導体集積回路を製造するために使用される本発明の第１の実施形態に係る化学気相成長装置（基板処理装置）の内部構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の化学気相成長装置は、図６に示す従来の化学気相成長装置と比べると、ガス拡散プレートに形成された貫通孔の形状が異なっている。

すなわち、本実施形態の化学気相成長装置は、材料ガス（処理ガス）５１を用いて半導体基板（基板）７上に薄膜を形成するための反応室１と、材料ガス５１を通すための複数の貫通孔が形成された板状のガス拡散プレート９が取り付けられ、反応室１の内部に材料ガス５１を供給するシャワーヘッド２と、反応室１内に設けられ、半導体基板７をガス拡散プレート９に対向する状態で設置するための基板支持台４とを備えている。この例では、反応室１は減圧可能な構成となっている。また、シャワーヘッド２の上部には材料ガスを導入するためのガス導入口５が接続されており、反応室１の下部には排気用ポンプに接続された排気口６が接続されている。基板支持台４は、内部に成膜中に半導体基板７を加熱するためのヒーターを有している。

シャワーヘッド２は内側に中空部分が形成された板状体からなり、その下部に取り外し可能なガス拡散プレート９が取り付けられている。但し、ガス拡散プレート９はシャワーヘッド２本体と一体として成型されていてもよい。

本実施形態の化学気相成長装置の特徴は、ガス拡散プレート９に形成された複数の貫通孔の形状と配置にある。

図２（ａ）は、本実施形態の化学気相成長装置に用いられるガス拡散プレートを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すガス拡散プレートのＡ−Ａ’線における断面を示す図である。

図２（ａ）に示すように、ガス拡散プレート９は、ウエハ状の半導体基板７に合わせ、上方から見て円形となっている。ガス拡散プレート９の好ましい直径は、半導体基板７の直径が２００ｍｍの場合、１８０ｍｍから２２０ｍｍの範囲である。実際のガス拡散プレート９には数千個の円形の貫通孔が中央領域から周辺領域に亘ってほぼ一様な密度で同心円状に穿孔されているが、図２（ａ）では簡単のため孔の個数を省略し、またプレート全体の１／４の領域にのみ貫通孔を表示している。ここで、中央領域とは、ガス拡散プレート９の中心部分を含み、周辺領域の内側に位置する領域のことを言う。

図１および図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ガス拡散プレート９の中央領域には貫通孔（ガス供給孔）１０が、中央領域を囲む周辺領域には貫通孔１１、１１’がそれぞれ同心円状（円環状）に配置されている。なお、貫通孔１１’は、貫通孔１１よりも内側に形成されている。これらの貫通孔のうち、ガス拡散プレート９の周辺領域に形成された貫通孔１１、１１’では、入口部分の直径および面積が基板支持台４に面した出口部分の直径および面積よりも大きくなっている。これに対し、貫通孔１０は、その入口部分と出口部分とで直径および面積とが等しい柱状（円筒形）に形成されている。出口部分の径は、貫通孔１１、１１’、１０で等しくなっている。ただし、出口部分の径は各貫通孔を通る材料ガスの流量が等しくなっていれば同じでなくてもよい。ここで、「貫通孔の入口部分」とは、材料ガスが流入する部分のことを意味し、本実施形態においては特にシャワーヘッド２の中空部分への開口部のことを意味する。「貫通孔の出口部分」とは、材料ガスを吐出する部分を意味し、特に本実施形態においては反応室１内部への開口部のことを意味するものとする。なお、実際には、製造工程による誤差等のため、貫通孔１０の入口部分と出口部分の面積は「ほぼ」同一寸法に形成される。

また、図２（ｂ）に示すように、貫通孔１１と貫通孔１１’とは共に入口側円筒部（入口側部分）および出口側円筒部（出口側部分）と両部分を接続するテーパー接続部とで構成されている。この例では、入口側円筒部および出口側円筒部の径は、貫通孔１１と貫通孔１１’とで等しくなっている。また、貫通孔１１、１１’において、入口側円筒部の深さ、テーパー接続部の深さおよび出口側円筒部の深さをそれぞれａ、ｂ、ｃとすると、ガス拡散プレート９の深さＤは（ａ＋ｂ＋ｃ）となる。貫通孔１１の入口側円筒部の深さａは、貫通孔１１の内側に形成された貫通孔１１’の入口側円筒部深さａよりも深く形成されている。

以上で説明した貫通孔の具体的な寸法例を示すと、次のようになる。ガス拡散プレート９のうち、中央から半径６０ｍｍまでの領域内に設けられた貫通孔１０は、入口の径と出口の径が共に０．５ｍｍである。また、ガス拡散プレート９のうち、中央から半径６０ｍｍ以上８０ｍｍ未満までの領域内に設けられた貫通孔１１’は、入口側円筒部の径が０．７５ｍｍ、深さａ＝３．０ｍｍ、出口側円筒部の径が０．５ｍｍ、深さｃ＝２．０ｍｍ、テーパ接続部の深さｂ＝１．０ｍｍである。そして、ガス拡散プレート９のうち、中央から半径８０ｍｍ以上１００ｍｍ以下までの領域内に設けられた貫通孔１１は、入口側円筒部の径が０．７５ｍｍ、深さａ＝４．０ｍｍ、出口側円筒部の径が０．５ｍｍ、深さｃ＝１．０ｍｍ、テーパ接続部深さｂ＝１．０ｍｍになっている。

なお、以上の寸法は一例であり、特に深さａは上記値に限らず０ｍｍ、すなわち入口部分がテーパー接続部となっている場合から設定でき、特に望ましい範囲として０．０５ｍｍ以上プレート厚さの１／２以下に設定するのがよい。

本実施形態の化学気相成長装置を用いて成膜する際には、ガス導入口５から導入された材料ガス５１がシャワーヘッド２の中空部分で横方向に拡散される。続いて、ガス拡散プレート９に形成された貫通孔１０、１１、１１’から加熱された半導体基板７上に材料ガス５１が供給される。反応室１内はポンプによりあらかじめ減圧しておく。

図３は、図１に示す本実施形態の化学気相成長装置を用いて半導体基板上にシリコン酸化膜を成膜をしたときの膜厚分布（曲線Ａ）と、従来の化学気相成長装置を用いてシリコン酸化膜を成膜したときの膜厚分布（曲線Ｂ）とを示すグラフである。ここで、シリコン酸化膜の成膜は、基板支持台４上に半導体基板７を設置した状態で、半導体基板７を４００℃に加熱しながら反応室１内にＴＥＯＳガス（テトラエチルオルソシリケート）、オゾンガス、ＴＥＰＯ（リン酸トリエチル）ガスおよびＴＥＢ（トリエトキシボロン）ガスを流して半導体基板７上に上記プロセスガスの熱反応でＢＰＳＧ膜を成膜することで行った。

図３から明らかなように、従来の装置では膜厚均一性（膜厚のばらつき）が３％を超えていたが、本実施形態のガス拡散プレートを装着した化学気相成長装置では膜厚均一性を１．２％まで向上させることができた。ここで、膜厚均一性は、（（膜厚ばらつき）／（平均膜厚））／２×１００（％）、すなわち（（膜厚の最大値−最小値）／（測定点の平均膜厚））／２×１００（％）で求めるものとする。

前述のように従来の化学気相成長装置（図６参照）では、ガス拡散プレート１０８の中央領域に形成された貫通孔から供給される材料ガス１０１の量とガス拡散プレート１０８の周辺領域に形成された貫通孔から供給される材料ガス１０１の量とが異なっていた。このためにウエハ上に形成される膜の面内均一性が悪くなることが知られていたので、従来は、周辺部の貫通孔の形状を柱状にしたまま直径だけを変えて膜厚の面内均一性の向上を図ってきた。

これに対し、本実施形態の化学気相成長装置では、ガス拡散プレート９の周辺領域に設けられた貫通孔１１、１１’の入口部分の径を出口部分の径より大きくすると共に、中央領域に設けられた貫通孔１０を出口部分と入口部分の径が等しい円筒形とすることにより、従来に比べてガス拡散プレート９から供給される材料ガス５１の量がプレート内で均一になっている。そのため、図３に示すように、本実施形態の化学気相成長装置を用いれば、従来よりも均一な厚みの膜を形成することができるようになる。

現在のところ、本実施形態のガス拡散プレートにより膜厚の均一性が向上する確実な理由は明らかではないが、次のような仮説は考えられる。半導体基板全面に渡って均一な膜厚を有する膜を成長させるためには、原理的にガス拡散プレートから吐出される材料ガスの流量が均一でなければならない。そこで、ガス拡散プレートの周辺領域に形成された貫通孔の入口部分の直径を中央領域に形成された貫通孔の入口部分の直径よりも大きくすることにより、中空部分の周辺領域で密度が若干小さくなっている材料ガスをより多く周辺領域に形成された貫通孔内に取り込むことができると考えられる。これによって、貫通孔を通過する材料ガス量の補正が行われる。そして、周辺領域に形成された貫通孔の入口部分の径を出口部分の径より大きい値とし、さらにそれぞれの貫通孔の入口側円筒部の深さを所定の値に設定することによって貫通孔を流れるガスに対する抵抗が設定されると考えられる。そのため、これによっても吐出するガス流量を補正することができるようになる。以上のような２つの効果の相乗効果により、本実施形態の化学気相成長装置では、従来技術が達成できなかったガス流量の極めて精密な制御ができるようになったと考えられる。

もっとも、ガス拡散プレートの周辺領域から反応室へ吐出される材料ガスの量を、中央領域から吐出される材料ガス量と等しくするために流量を上げることは、従来のように単純にガス拡散プレートの周辺付近の貫通孔の径を中央付近よりきわめて精密に大きくするだけでも可能であると思われるが、この方法では現実的には制御は難しい。ガス拡散プレートには通常のドリルを用いて穿孔されるのであるが、貫通孔の加工精度はその穴をあける時に使用するドリルの径のばらつきに影響される。ガス拡散プレートの周辺領域に形成された貫通孔の径を大きくすることで堆積される膜厚均一性を制御するためには、発明者らの実験結果から、孔径を０．０１ｍｍ以下の精度で加工する必要があることが分かっている。ところが、この精度で径が保証されているドリルはなく、実質的にこの方法で膜厚の均一性を制御するのは困難である。そこで、この実施の形態のように、（１）ガス拡散プレートの周辺領域に形成された貫通孔の入口部分の径を出口部分より大きくし、（２）貫通孔の入口側円筒部の深さを変動させ、（３）ガス拡散プレート上で（１）、（２）の形状を変えた貫通孔を適切に分布させることにより、貫通孔の加工精度がそれほど高くなくともガス供給量の細かな制御を可能とし、膜厚均一性の向上を可能とできる。

なお、本実施形態のガス拡散プレート９において、ガス拡散プレートの全面において貫通孔のガス入口側の直径を出口側の直径より大きくすることも可能である。この場合、ガス拡散プレート９の中央領域に形成する貫通孔は入口側円筒部の深さを浅く、周辺領域に形成する貫通孔はガス入口側円筒部の深さを深く形成するようにする。あるいはまた、貫通孔のガス入口側円筒部の直径と出口側円筒部の直径との差を、ガス拡散プレート９の中央領域あるいはそれに近い領域に形成する貫通孔よりも中央領域を囲む周辺領域に形成された貫通孔において大きくしてもよい。

また、ガス拡散プレート９の周辺領域内に形成された貫通孔の入口側円筒部の深さａは２種類に限らず、内側から外側へ向かうにつれて段階的に深くなっていてもよい。

本実施形態の化学気相成長装置を用いて半導体集積回路の膜形成を行うときは、その製造プロセスに要求される所定の膜厚均一性を満足するように、貫通孔１０、１１、１１’の分布をそれぞれ決定し、かつ貫通孔の入口側円筒部および出口側円筒部の直径、深さが適切に設定されたガス拡散プレートを化学気相成長装置に装着して成膜すればよい。特に堆積される膜がシリコン酸化膜や有機系のシリケート膜からなる配線層間絶縁膜、コンタクトホールを埋め込むタングステンプラグ用のタングステン金属膜などの場合は、膜厚均一性が３％以下の膜を堆積した後、化学機械研磨（ＣＭＰ）で表面平坦化を行うと非常に制御性のよい平坦化工程を実施することができる。

一方、本実施形態のガス拡散プレートは、ドライエッチングを行う基板処理装置にも好ましく用いられる。この場合、図１に示すガス拡散プレートを有するシャワーヘッドと同様のシャワーヘッドが用いられ、ガス導入口からはエッチングガスが導入される。本実施形態のガス拡散プレートを用いることにより、ガス拡散プレートにおけるエッチングガスの供給量のばらつきを抑えることができるので、ウエハ面内でエッチングの不均一を抑制することが可能となる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る化学気相成長装置の内部構造を示す断面図である。本実施形態の化学気相成長装置の構成は、第１の実施形態に係る化学気相成長装置と概ね同じであるが、成膜材料となる材料ガスを吐出するシャワーヘッドを２重構成とし、それぞれのシャワーヘッドに第１の実施形態に係るガス拡散プレートを採用したことを特徴とする。図４では、図１に示す化学気相成長装置と同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態の化学気相成長装置において、第１のガス拡散プレート３３が取り付けられた第１のシャワーヘッドは、中空部分を有する円筒板形状をしており、第１の実施形態のシャワーヘッド２（図１参照）と同じ構成をとっている。すなわち、第１のガス拡散プレート３３は第１のシャワーヘッド３１の下部に取り付けられ、その中央領域には貫通孔３５’が、中央領域を囲む周辺領域には貫通孔３６’がそれぞれ形成されている。貫通孔３６’では、入口部分の直径および面積が材料ガスの吐出部である出口部分の直径および面積よりも大きくなっている。これに対し、貫通孔３５’は、その入口部分と出口部分とで直径および面積とが等しい柱状（円筒形）に形成されている。出口部分の径は、貫通孔３５’と貫通孔３６’とで等しくなっている。

また、本実施形態の化学気相成長装置には、第２のガス拡散プレート３４を有し、第１のシャワーヘッド３１の下部を囲む第２のシャワーヘッド３２がさらに設けられている。第２のシャワーヘッド３２は第１のシャワーヘッド３１から吐出された材料ガス５１を半導体基板７へと供給している。第２のガス拡散プレート３４は第１のガス拡散プレート３３と同様の構成を有している。すなわち、第２のガス拡散プレート３４の中央領域には円筒形の貫通孔３５が設けられ、第２のガス拡散プレート３４の周辺部分には貫通孔３６が設けられている。貫通孔３６では、入口部分の直径および面積が基板支持台４に面した出口部分の直径および面積よりも大きくなっている。これに対し、貫通孔３５は、その入口部分と出口部分とで直径および面積とが等しい柱状（円筒形）に形成されている。また、貫通孔３６は入口側円筒部、出口側円筒部およびテーパー接続部に分かれており、入口側円筒部の深さは中心領域から離れる程深くなっている。

本実施形態の化学気相成長装置の構成を以上のようにすることで、材料ガスの供給量のガス拡散プレート内でのばらつきをさらに小さくすることができるので、従来の化学気相成長装置に比べて均一な厚みの膜を半導体基板上に形成することができる。

なお、本実施形態の化学気相成長装置では、第１のガス拡散プレート３３および第２のガス拡散プレート３４の両方に第１の実施形態と同様の構成を持つガス拡散プレートを設けたが、第１のガス拡散プレート３３および第２のガス拡散プレート３４のいずれか一方だけに第１の実施形態で説明した構成を採用し、他方のガス拡散プレートとしては、全面に渡って一様に円筒形の貫通孔を多数形成した従来のガス拡散プレートを採用してもよい。また、第１のガス拡散プレート３３および第２のガス拡散プレート３４に形成された貫通孔は、図２に示す例以外の形状であってもよい。例えば、ガス拡散プレートの全面において貫通孔のガス入口側の直径を出口側の直径より大きくしてもよい。

図５は本実施形態のガス拡散プレートに形成された貫通孔の例を示す断面図である。同図左側に示すように、第１および第２の実施形態に係るガス拡散プレートの周辺領域に入口部分の直径２１が出口部分の直径２２より大きく、且つ内壁全体がテーパー状に形成された貫通孔を形成してもよい。あるいは、図５右側に示すように、ガス拡散プレートの周辺領域において、入口部分の直径２１が出口部分の直径２２より大きく、且つ３段以上の円筒部が形成された貫通孔を設けてもよい。このように、少なくともガス拡散プレートの周辺領域に入口部分の面積が出口部分の面積より大きい貫通孔が設けられているならば、貫通孔の形状は限定されず、基板処理の均一性を向上させることができる。但し、ドリルの形状から検討すると、図２に示した断面形状の貫通孔がより容易に加工できるので好ましい。また、通常ガス拡散プレートに形成される貫通孔形状はドリルで加工される都合上円形であるが、他の形状でもよい。その場合、以上の実施形態で説明した本発明の貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積よりも大きく形成されることになり、入口側部分および出口側部分はそれぞれ一定の水平切り口を持った入口側柱状部（入口側円筒部）、出口側柱状部（出口側円筒部）となる。

また本発明の化学気相成長装置は、特に半導体基板が２００ｍｍから３００ｍｍ、４５０ｍｍと大口径化した場合には更に有効に使用できる。また、以上では熱的化学気相成長工程の場合について説明したが、他の工程で用いる装置においてもプロセスガスを供給するためのガス拡散プレートが図１や図４のガス拡散プレートと同様の構成になっていてもよい。この場合、プラズマＣＶＤ装置、ドライエッチング装置、各種のアッシング装置、その他のプラズマ表面処理装置、表面ガス処理装置などに共通して本発明のガス拡散プレートが使用できる。本発明のガス拡散プレートを使用して均一性が制御できる基板処理パラメータとして成膜時の膜厚を実施形態で挙げたが、これに限らず、基板処理内容によってエッチング速度、エッチング量、アッシング量、被膜成長量など必要に応じて基板面内での処理の均一性を３％以下にすることができる。

本発明のガス拡散プレートは、半導体集積回路を製造する際の膜形成、ドライエッチング、プラズマエッチングなどを行うための基板処理装置に利用することができる。また、半導体集積回路の他にも均一な処理が要求される製品を生産するのに利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る化学気相成長装置（基板処理装置）の内部構造を示す断面図である。 （ａ）は、第１の実施形態に係る化学気相成長装置に用いられるガス拡散プレートを示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すガス拡散プレートのＡ−Ａ’線における断面を示す図である。 図１に示す第１の実施形態に係る化学気相成長装置を用いて半導体基板上にシリコン酸化膜を成膜をしたときの膜厚分布（曲線Ａ）と、従来の化学気相成長装置を用いてシリコン酸化膜を成膜したときの膜厚分布（曲線Ｂ）とを示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る化学気相成長装置の内部構造を示す断面図である。 本発明のガス拡散プレートに形成された貫通孔の例を示す断面図である。 従来の化学気相成長装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 反応室
２ シャワーヘッド
４ 基板支持台
５ ガス導入口
６ 排気口
７ 半導体基板
９ ガス拡散プレート
１０、１１、１１’ 貫通孔
２１ 入口部分の直径
２２ 出口部分の直径
３１ 第１のシャワーヘッド
３２ 第２のシャワーヘッド
３３ 第１のガス拡散プレート
３４ 第２のガス拡散プレート
３５、３５’、３６、３６’ 貫通孔
５１ 材料ガス

Claims (10)

1. 処理ガスを用いて基板上に膜を堆積するための反応室と、前記処理ガスを通すための複数の貫通孔が形成された板状のガス拡散プレートを有し、前記反応室の内部に前記処理ガスを供給するシャワーヘッドと、前記反応室内に設けられ、前記基板を前記ガス拡散プレートに対向する状態で設置するための基板支持部とを備えた基板処理装置を用いた基板処理方法であって、
   前記基板を前記基板支持部に設置する工程（ａ）と、前記処理ガスを前記ガス拡散プレートに形成された貫通孔を通して前記反応室内に供給し、前記基板上に膜を堆積する工程（ｂ）とを有し、
   前記複数の貫通孔のうち、前記ガス拡散プレートの中央領域に設けられた貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成され、前記中央領域を囲む前記ガス拡散プレートの周辺領域に設けられた貫通孔は、入口部分を含む入口側部分および出口部分を含む出口側部分はそれぞれ一定の開口面積を有する柱状に形成されており、前記出口側部分の開口面積は前記入口側部分の開口面積より小さく、かつ、前記入口側部分の深さは、前記中央領域からの距離が大きくなるにつれて深くなっており、前記基板上に堆積された膜の均一性が３％以下であることを特徴とする基板処理方法。
2. 処理ガスを用いて基板上に膜を堆積するための反応室と、前記処理ガスを通すための複数の第１の貫通孔が形成された板状の第１のガス拡散プレートを有し、前記処理ガスを吐出するための第１のシャワーヘッドと、前記処理ガスを通すための複数の第２の貫通孔が形成された板状の第２のガス拡散プレートを有し、前記第１のシャワーヘッドを囲み、前記反応室の内部に前記処理ガスを供給する第２のシャワーヘッドと、前記反応室内に設けられ、前記基板を前記第２のガス拡散プレートに対向する状態で設置するための基板支持部とを備えた基板処理装置を用いた基板処理方法であって、前記基板を前記基板支持部に設置する工程（ａ）と、前記処理ガスを前記ガス拡散プレートに形成された貫通孔を通して前記反応室内に供給し、前記基板上に膜を堆積する工程（ｂ）とを有し、
   少なくとも前記第１または第２のガス拡散プレートの一方において、前記複数の貫通孔のうち、前記ガス拡散プレートの中央領域に設けられた貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成され、前記中央領域を囲む前記ガス拡散プレートの周辺領域に設けられた貫通孔は、入口部分を含む入口側部分および出口部分を含む出口側部分はそれぞれ一定の開口面積を有する柱状に形成されており、前記出口側部分の開口面積は前記入口側部分の開口面積より小さく、かつ、前記入口側部分の深さは、前記中央領域からの距離が大きくなるにつれて深くなっており、前記基板上に堆積された膜の均一性が３％以下であることを特徴とする基板処理方法。
3. 前記第１または第２のガス拡散プレートの他方において、前記複数の貫通孔のすべてが入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の基板処理方法。
4. 前記周辺領域は、前記中央領域を囲む第１の周辺領域と、前記第１の周辺領域を囲む第２の周辺領域からなり、前記第１および第２の周辺領域のそれぞれにおいて、複数の貫通孔の前記出口側部分の開口面積、前記入口側部分の開口面積および前記入口側部分の深さは一定であり、前記第２の周辺領域における前記入口側部分の深さは前記第１の周辺領域における前記入口側部分の深さより深いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の基板処理方法。
5. 前記出口側部分の開口面積が前記入口側部分の開口面積より小さい貫通孔の入口側部分の深さは、０ｍｍを超え且つ前記ガス拡散プレートの厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の基板処理方法。
6. 前記工程（ｂ）の後、化学機械研磨で前記膜の表面平坦化を行う工程（ｃ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の基板処理方法。
7. 前記膜はシリコン酸化膜または有機系のシリケート膜からなる配線層間絶縁膜となるべき膜、もしくはコンタクトホールを埋め込むタングステン膜であることを特徴とする請求項６に記載の基板処理方法。
8. 前記基板は直径が２００ｍｍ以上の半導体基板であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の基板処理方法。
9. 処理ガスを用いて基板上に膜を堆積するための反応室と、前記処理ガスを通すための複数の貫通孔が形成された板状のガス拡散プレートを有し、前記反応室の内部に前記処理ガスを供給するシャワーヘッドと、前記反応室内に設けられ、前記基板を前記ガス拡散プレートに対向する状態で設置するための基板支持部とを備えた基板処理装置を用いた基板処理方法であって、前記基板を前記基板支持部に設置する工程（ａ）と、前記処理ガスを前記ガス拡散プレートに形成された貫通孔を通して前記反応室内に供給し、前記基板上に膜を堆積する工程（ｂ）とを有し、
   前記複数の貫通孔のうち、前記ガス拡散プレートの中央領域に設けられた貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成され、前記中央領域を囲む前記ガス拡散プレートの周辺領域は、前記中央領域を囲む第１の周辺領域と、前記第１の周辺領域を囲む第２の周辺領域からなり、前記第１および第２の周辺領域のそれぞれにおいて、前記複数の貫通孔は、入口部分を含む入口側部分および出口部分を含む出口側部分がそれぞれ一定の開口面積を有する柱状に形成されており、前記出口側部分の開口面積は前記入口側部分の開口面積より小さく、前記入口側部分の深さは一定であり、前記第２の周辺領域における前記入口側部分の深さは前記第１の周辺領域における前記入口側部分の深さより深いことを特徴とする基板処理方法。
10. 処理ガスを用いて基板上に膜を堆積するための反応室と、前記処理ガスを通すための複数の第１の貫通孔が形成された板状の第１のガス拡散プレートを有し、前記処理ガスを吐出するための第１のシャワーヘッドと、前記処理ガスを通すための複数の第２の貫通孔が形成された板状の第２のガス拡散プレートを有し、前記第１のシャワーヘッドを囲み、前記反応室の内部に前記処理ガスを供給する第２のシャワーヘッドと、前記反応室内に設けられ、前記基板を前記第２のガス拡散プレートに対向する状態で設置するための基板支持部とを備えた基板処理装置を用いた基板処理方法であって、前記基板を前記基板支持部に設置する工程（ａ）と、前記処理ガスを前記ガス拡散プレートに形成された貫通孔を通して前記反応室内に供給し、前記基板上に膜を堆積する工程（ｂ）とを有し、
    少なくとも前記第１または第２のガス拡散プレートの一方において、前記複数の貫通孔のうち、前記ガス拡散プレートの中央領域に設けられた貫通孔は、入口部分の面積が出口部分の面積と等しい柱状に形成され、前記中央領域を囲む前記ガス拡散プレートの周辺領域は、前記中央領域を囲む第１の周辺領域と、前記第１の周辺領域を囲む第２の周辺領域からなり、前記第１および第２の周辺領域のそれぞれにおいて、前記複数の貫通孔は、入口部分を含む入口側部分および出口部分を含む出口側部分がそれぞれ一定の開口面積を有する柱状に形成されており、前記出口側部分の開口面積は前記入口側部分の開口面積より小さく、前記入口側部分の深さは一定であり、前記第２の周辺領域における前記入口側部分の深さは前記第１の周辺領域における前記入口側部分の深さより深いことを特徴とする基板処理方法。

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