JP4126229B2 - プラズマ生成装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体処理に関し、特に、遠隔に生成されたプラズマを用いて半導体基板を処理するための装置及び方法に関する。

半導体基板を処理するための種々のシステム及び方法が公知である。例えば、いくつかの処理には、半導体基板上に薄膜及び／又は誘電体層を成膜するステップが含まれている。通常の成膜技術では、CVD処理（以下、「プラズマCVD」若しくは「PECVD」と呼ぶ）の際に、薄膜層を形成するために、処理室内に生成されたプラズマが用いられている。

図１は、半導体基板を処理するのに用いられている従来の自己バイアス式のプラズマCVDデバイス１００の基本的構成要素の単純化された模式図が図示されている。プラズマCVDデバイス１００は、底部の電極１０２と上部の電極１０４との間にグロー放電領域を生成するように、高周波（RF）ジェネレータ（13.56MHz）を用いている。このRFジェネレータは、底部電極１０２の上に配置された基板１０６上に膜を成膜させるように、ガス状混合物内での反応を活性化させる。底部電極１０２及び上部電極１０４は、反応室（図示せず）内で互いに対向して配置されている。底部電極１０２は、外部DC電源１０８に接続されている。上部電極１０４は、高周波ジェネレータ１１０に接続されている。溝付メッシュ電極１１２が底部電極１０２と上部電極１０４との間に配置され、DCバイアス電流がメッシュ電極１１２と底部電極１０２との間に適用される。このデバイスでは、基板上に入射されるイオン及び遊離基が、基板１０６を支持している底部電極１０２を接地させずに、直流を適用することによって制御される。

残念ながら、膜が成膜される基板１０６の表面がプラズマ生成領域付近に配置されているため、プラズマ放電によって生成された高エネルギー粒子が基板面を頻繁に衝撃してしまう。これによって、薄膜が劣化し、過剰なエネルギーを有する粒子の衝撃によって損傷される、若しくは異常な成膜がなされてしまう。

本発明によって、処理室の遠隔部分の内部に形成されたプラズマ放電の構成要素及び粒子を用いて半導体基板を処理するための装置及び関連する方法が提供される。本発明によって、プラズマ放電により生成され、基板面を衝撃し得る高エネルギー粒子の量が減少される。本発明は、処理部分及びプラズマ生成部分を備えた処理室を含んでいる。処理部分内に配置された基板から離れて若しくは外側にプラズマ・フィールドが生成されるように、プラズマ生成部分の内部でプラズマ・フィールドが生成される。プラズマ・フィールドからの構成要素及び粒子は、基板と相互作用するべく、プラズマ生成部分から通路を通って処理部分に拡散及び／又はドリフトされ得る。処理室は、付加的なプラズマ・フィールドを生成するための複数のプラズマ生成部分を含み得ることに利点がある。各例において、付加的なプラズマ・フィールドが処理部分から遠隔に生成されている。

本発明の一態様によれば、基板を処理するための装置が提供される。この装置は、処理室及びプラズマ生成室を含んでいる。プラズマは、プラズマ生成室で生成される。処理室及びプラズマ生成室は、プラズマ・フィールドの構成要素がプラズマ生成室から処理室に移動することが可能になるように、それらの間に通路を含んでいる。

本発明の別態様によれば、半導体基板を処理するためのあるプラズマ生成方法が提供される。この方法は、第1プラズマ生成部分及び処理部分を備えた室を提供するステップを含んでいる。更に、この方法は、第1プラズマ生成部分内に第1プラズマ・フィールドを生成するステップと、第1プラズマ・フィールド構成要素を第1プラズマ生成部分から処理部分に移動させるステップとを含んでいる。構成要素は、処理部分内に配置された基板と相互作用する。

本発明の別態様によれば、基板処理室の第1部分の内部でプラズマを生成するステップと、基板処理室の第2部分の内部に配置された基板の近接に構成要素を移動させるステップとを含む、基板を処理するステップが一方法によって提供される。第1部分は第2部分から遠隔にある。

本発明のこれらの利点及びその他の利点は、付随の図面と関連して以下で示される実施例の詳細な説明によって、容易に、より明らかになるであろう。

本発明の実施例は、付随の図面に関連して説明される。これらの図面は、実施例の説明及び理解を容易にするために単純化されている。

図２は、本発明の代表的な環境を設立する、半導体ウェーハ処理システム１０の一実施例の側面図を模式的に図示したものである。代表的な一システムが、1999年11月30日に提出された同時係属中の米国特許出願第09/451,677号に開示されており、言及を以ってその全文を本明細書の一部となす。処理システム１０は、ウェーハ・カセット１６を支持し、且つ上にロードロック１８中に移動させるローディング・ステーション１２を含んでいる。ウェーハ・カセット１６は、手動若しくは無人搬送車（AGV）のいずれかでプラットフォーム１４中に装填される着脱可能なカセットであってよい。ウェーハ・カセット１１６は、従来の大気圧式ロボット若しくはローダ（図示せず）を用いてカセット上にウェーハが装填される固定式カセットであってもよい。ウェーハ・カセット１６が一度ロードロック１８の内部に入れられてしまえば、ロードロック１８及び転送室２０が大気圧に保持されてもよいし、若しくはポンプ５０を用いて真空に引かれてもよい。転送室２０の内部のロボット２２は、ロードロック１８に向かって回転し、カセット１６からウェーハを持ち上げる。同様に大気圧若しくは真空になっていてよい処理室２６が、ゲート弁３０を通してロボット２２からウェーハを受取る。本発明によれば、処理室２６は、例えば、成膜、エッチング、アッシング、表面処理、表面修正、プラズマ処理、若しくは同様の処理を含む半導体基板処理のために用いられる任意の処理室であってよい。処理室２６は、転送室２０上にボルトで留められ、更に支持フレーム３２によって支持される。ウェーハが一度、処理室２６の内部に入れられてしまえば、ロボット２２が反応し、その後に、ウェーハ処理を開始するためにゲート弁３０が閉じられる。ウェーハが処理された後、ロボット２２がウェーハを持ち上げて冷却ステーション６０中に配置できるように、ゲート弁３０が開けられる。冷却ステーション６０は、新しく処理されたウェーハがロードロック１８内のウェーハ・カセット中へと元の位置に配置される前に、それらを冷却する。

図３は、本発明による、処理室２６の一実施例の単純化された模式図である。処理室２６は、プラズマ生成部分４０及び処理部分４２を含んでいる。プラズマ・フィールド４３の生成がプラズマ生成部４０内で生じるように、プラズマ生成部分４０と処理部分４２とが分離されている。しかしながら、部分４０及び４２は、通じるように構成されている。例えば、通路若しくはダクト４４によって、プラズマ・フィールドの粒子若しくは構成要素を処理部４２上に移す経路が提供され得る。ダクト４４は、プラズマ生成部分４０と処理部分４２との間の粒子を拡散及びドリフトを可能にする任意の種類の経路であってよい。当業者が理解されるように、拡散（という用語）は、液体、気体、若しくは固体の構成要素若しくは粒子がより高密度領域からより低い濃度のうちの1つの状態になることを説明しており、制限がなされるものではない。同様にして、当業者が理解されるように、ドリフト（という用語）は、液体、気体、若しくは固体の構成要素若しくは粒子が、自然力によって、若しくは自然力のようなものによって一緒に駆動、推進、若しくは付勢されること、又は一緒に引かれることを示しており、制限がなされるものではない。

プラズマ生成部分４０は、プラズマ・フィールド４３を生成するべく、気相化学物質に対する第1電極５２及び第2電極５４を含んでいる。一実施例では、電極５２及び５４が、プラズマ生成室５６を形成する適切なハウジングの両端に配置されている。プラズマ生成室５６は、室内のプラズマ・フィールド４３の生成を可能にして、ダクト４４を通して等による処理部分４２との連絡を提供する任意の適切な構成を有するように設計されてよい。

一実施例では、高周波（HF）RFエネルギー、低周波（LF）エネルギー、並びにAC及びDC電力を室５６内の電極５２及び５４に提供し得るエネルギー源５８からプラズマ生成室５６に、プラズマ・エネルギーが提供される。

半導体処理に用いられるような、所定の気体は、種々のガス供給貯蔵庫（図示せず）から、適切なマニフォールド・システムから送出がなされる吸気ポートを通してプラズマ生成室５６中に導入されてよい。気体の濃度は、プラズマ生成室５６の内部のエネルギー、圧力、及び処理温度に従って、選択的に制御されてよい。

室５６の内部の圧力は、ダクトを通しての、且つ処理部分４２の中への、プラズマ・フィールド４３の粒子及び構成要素の拡散を生じさせるべく、制御がなされてよい。図４のグラフ６１を参照すると、室２６の内部の圧力をP_tの範囲に制御及び減少することによって、プラズマ・フィールド４３の生成に用いられる降伏電圧が約V_tの範囲へと著しく減少される。即ち、電極５２及び５４へのエネルギー供給によっても、同様に著しい減少が生じる。一実施例では、範囲P_t内の圧力を達成するために、プラズマ生成室５６及び処理部分４２の内部の圧力を減少させるべく、処理室２６のポンピングにポンプ５０が用いられてよい。各部分の内部の周囲圧力範囲P_tは、約10Torr乃至約10^-2Torrに、例えば、1Torrに、概ね保持される。それゆえに、圧力をこの範囲内に保持することによって、エネルギーVtが1000ボルト乃至約10000ボルトの範囲に、DCが約500MHzになり得る。処理温度T_tは、概ね約0°C乃至約450°Cの範囲をとり得る。

当業者に公知であるように、室２６の内部のプラズマ・エネルギーによって、導入された気体がイオン化され、それにより、ウェーハ１１６の面上で相互作用し得る遊離基が生成されて、所望の製品が得られる。好適な反応気体には、F^*、N^*、O^*、H^*、及びSi^*等の寿命の長い遊離基及びイオンが放出されるO₂、H₂、N₂、NH₃、SiH₄、及びClF₃が含まれてよい。

図５には、本発明による、処理室２６の一実施例の単純化されて図示されている。この実施例では、処理室２６は、プラズマ生成部分４０、処理部分４２、及びそれら部分の間でのドリフト及び／又は拡散を可能にする共通通路４４を含んでいる。プラズマ生成部分４０は、本発明を制限する意図はなく、単一のプラズマ生成室５６（図２参照）若しくは複数のプラズマ生成室５６_x、５６_y、及び５６_zとして形成されてよい。

図５で示されるように、各プラズマ生成室５６_x、５６_y、及び５６_zは、互いの部分に関して、プラズマ・フィールドの生成を可能にする任意の構成で室の内部に配置されてよい。この実施例では、各プラズマ生成室５６_x、５６_y、及び５６_zは、直交に交差するように配置されてよい。例えば、室５６_x及び５６_yは、x−y平面内で直交して交差するように、x−y平面に配置される。室５６_zは、z軸に沿って配置され、x−y平面に垂直に、室５６_x及び５６_yと交差する。図５に図示されているように、室５６_x乃至５６_zが各々通じているので、室５６_x、５６_y、及び５６_zによって管状形状の本体が形成され得る。管状本体は、例えば、石英若しくは同様の材料等の、任意の適切な材料で作られてよい。プラズマ・フィールドが管状本体の内部の電極の間に生成され得るように、電極５２及び５４が、各管状本体の端部に配置されてよい。通路４４によって、室５６_x、５６_y、及び５６_zのうちの1つ、若しくは全ての内部で生成されたプラズマ・フィールドの構成要素及び／又は粒子が、処理部分４０の中への拡散若しくはドリフトが可能になる。所望の製品を形成するように、これらの構成要素及び／又は粒子は、公知の方法での反応がなされてよい。

図６は、処理室２６の作業の単純化された図である。この例では、室５６x及び５６_zが、中央部分６２で交差しているのが示されている。NH₃、N₂、N₂O、及びNO₂等の所定の気体が、吸気ポート６４を通して、プラズマ生成室５６_yの中に導入されてよい。この例では、NH₃が室５６_yの中に導入されている。NH₃の濃度は、エネルギー、圧力、及び処理温度に従って、選択的に調整されてよい。電極５２及び５４に供給されるプラズマ・エネルギーがNH₃をイオン化し、それにより、プラズマ・フィールド６８の内部に、N^*、H^*、及びH₂等の遊離基及びその他の構成要素が生成される。一実施例では、この遊離基が、通路４４を通して処理部分７０に拡散され、それにより、ウェーハ７２の表面と相互作用する。代替的に、H₂等のキャリア・ガスが、圧力下で吸気ポート６６の中に導入されてよい。キャリア・ガスがプラズマ・フィールド６８を通って移動して、処理部分７０の中に遊離基を推進させる及び／又は付勢するように、このキャリア・ガスが、室５６zを通って進んでよい。この例では、N^*遊離基が、Si基板と反応してSiNの層７２を形成している。

図７-Ａには、本発明による、室２６の別の実施例が図示されている。この例では、処理室２６が、フォトレジスト７８の除去に対して適切である。H₂等の第1気体が、プラズマ生成室５６_xの中に導入される。O₂等の第2気体が、プラズマ生成室５６_yの中に導入される。各気体がイオン化され、2つのプラズマ・フィールド６８及び７６が形成される。プラズマ・フィールド６８及び７６は交差して示されているが、図７-Ｂの単純化された図で示されているように、プラズマ・フィールドが交差しないように、電極５２及び５４が配置されてもよい。

再度、図７-Ａを参照すると、O₂等のキャリア・ガスがプラズマ生成室５６_zの中に導入されている。このキャリア・ガスは、H^*及びO^*遊離基とH₂O蒸気を生じるプラズマ・フィールドを通って、処理部分７０に進入する。このO^*は炭素フォトレジストと反応して、フォトレジスト層７８を除去するべくウェーハ７２から運び去られるCO₂を形成する。過剰のH^*がH₂を形成するのに対して、H₂O蒸気はフォトレジスト層７８を取り去るのを助ける。

図８は、室２６の別の実施例の単純化された図である。この実施例では、ウェーハ７２上にSiO₂層８０を形成するのに、処理室２６が用いられている。SiH₄等の第1気体が、吸気ポート６４を通してプラズマ生成室５６_yの中に導入される。この気体がイオン化されて、プラズマ・フィールド８２が形成される。プラズマ・フィールド８２は、処理部分７０に拡散され得る遊離基Si^*、H^*、及びH₂を含んでいる。代替的に、Ar若しくはHe等のキャリア・ガスを、プラズマ生成室５６_zの中に導入し、プラズマ・フィールド８２を通って移動させ、Si^*、H^*、及びH₂遊離基を処理室７０の中にドリフトさせてもよい。気相反応で生じ得る、SiO₂粒子の形成を防止するために、吸気ポート８８を通してO₂が処理部分７０の中に直接導入されてよい。このO₂は、基板面上のSi^*と反応し、それによりSiO₂粒子の形成が防止される。

本発明の原理が、特定の装置に関して説明されてきたが、これらの説明によって本発明の範囲が制限されるものではないことを理解されたい。

図１は、従来のCVDシステムの模式図である。 図２は、本発明による、代表的な処理システムの実施例の図である。 図３は、本発明による、処理室の単純化された模式図である。 図４は、図３の処理室の一実施例の降伏電圧−圧力図である。 図５は、本発明の一実施例の単純化された、斜視図である。 図６は、本発明の実施例の単純化された図である。 図７-Ａは、本発明の実施例の単純化された図である。 図７-Ｂは、本発明の実施例の単純化された図である。 図８は、本発明の実施例の単純化された図である。

Claims (14)

1. 基板を処理するための装置であって、
   処理室（２６）を有し、
   前記処理室（２６）が、
   処理部分（４２）と、
   プラズマ生成部分（４０）とを有し、
   前記プラズマ生成部分（４０）が、
   第１プラズマ・フィールドを生成するための第１プラズマ生成室（５６ｘ）であって、前記第１プラズマ・フィールドが前記処理部分（４２）から遠隔に生成される、該第１プラズマ生成室（５６ｘ）と、
   前記処理部分（４２）と前記第１プラズマ生成室との間に配置された通路（４４）であって、前記第１プラズマ・フィールドの粒子を前記第１プラズマ生成室（５６ｘ）から前記処理部分（４２）への移動が可能になるように構成された、該通路（４４）と、
   第２プラズマ・フィールドを生成するための第２プラズマ生成室（５６ｙ）であって、前記第２プラズマ・フィールドが前記処理室（４２）から遠隔に生成され、前記第１プラズマ生成室（５６ｘ）と交差するように配置されて相互に直接連通し、前記通路（４４）は、前記第２プラズマ・フィールドの粒子の前記第２プラズマ生成室（５６ｘ）から前記処理部分（４２）への移動が可能になるように構成され、前記第１プラズマ・フィールドと前記第２プラズマ・フィールドとは異なる源から生成される、該第２プラズマ生成室とを含むことを特徴とする装置。
2. 前記プラズマ生成部分（４０）が更に、第３プラズマ・フィールドを生成するための第３プラズマ生成室（５６ｚ）を含み、
   前記第３プラズマ・フィールドは、前記処理部分から遠隔に生成され、前記第１及び第２プラズマ生成室（５６ｘ，５６ｙ）と交差するように配置されて相互に直接連通し、
   前記通路（４４）は、前記第３プラズマ・フィールドの粒子の前記第３プラズマ生成室（５６ｚ）から前記処理部分（４２）への移動が可能になるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１及び第２プラズマ生成室のそれぞれが、
   前記第１及び第２プラズマ・フィールドをそれぞれ生成するべく、気相化学物質を反応させるための第１及び第２電極（５２，５４）と、
   前記第１及び第２電極に接続された電源であって、ＡＣ、ＤＣ、ＲＦ、及びマイクロ波の電源からなる群より選択されたものである、該電源とを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 更に、前記第１及び第２プラズマ生成室（５６ｘ，５６ｙ）に気相化学物質を提供するための、少なくとも１つの吸気ポート（６４）を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記第１及び第２プラズマ・フィールドの粒子が、前記第１及び第２プラズマ生成室から前記処理部分にドリフトされることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記第１及び第２プラズマ・フィールドの粒子が、前記第１及び第２プラズマ生成室から前記処理部分に拡散されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 更に、前記処理部分（４２）の中に処理気体を導入するための処理部分用吸気ポート（８８）を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. プラズマ生成方法であって、
   処理部分（４２）とプラズマ生成部分（４０）とを含む処理室（２６）を提供するステップであって、前記プラズマ生成部分（４０）は、第１プラズマ生成室（５６ｘ）、第２プラズマ生成室（５６ｙ）、及び前記処理部分と前記第１及び第２プラズマ生成室（５６ｘ，５６ｙ）との間に配置された通路（４４）とを含み、前記第１及び第２プラズマ生成室（５６ｘ，５６ｙ）は互いに交差するように配置されて直接連通し、前記処理部分（４２）が前記第１及び第２プラズマ生成室（５６ｘ，５６ｙ）から遠隔に配置された、該ステップと、
   前記第１プラズマ生成室（５６ｘ）において第１プラズマ・フィールドを生成し、前記第２プラズマ生成室（５６ｙ）において第２プラズマ・フィールドを生成するステップであって、前記第１及び第２プラズマ・フィールドが前記処理部分（４２）から遠隔に配置され、前記第１プラズマ・フィールドと前記第２プラズマ・フィールドとは異なる源から生成される、該ステップと、
   前記第１プラズマ・フィールドの粒子及び前記第２プラズマ・フィールドの粒子を、前記通路（４４）を通して、それぞれ前記第１及び第２プラズマ生成室（５６ｘ，５６ｙ）から前記処理部分（４２）に移動させるステップとを有することを特徴とする方法。
9. 前記移動させるステップが、前記粒子がドリフトされるように、前記処理室（２６）の中にキャリア・ガスを導入するステップを有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記移動させるステップが、前記粒子の拡散を可能にするステップを含んでいることを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記粒子が、前記第１プラズマ・フィールド及び／または前記第２プラズマ・フィールドの生成に用いられる気相化学物質の遊離基及び／又はイオンを有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 更に、前記粒子と基板の面で反応させるべく、前記処理部分（４２）の中に処理気体を導入するステップを有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. プラズマを用いた基板処理方法であって、
    基板を処理する処理室（２６）のプラズマ生成部分（４０）の中においてプラズマを生成するステップと、
    前記プラズマの粒子を、前記処理室（２６）の処理部分（４２）の中に配置された基板の上に移動させるステップとを有し、
    前記プラズマ生成部分（４０）が、前記処理部分から遠隔に位置し、互いに交差するように配置されて直接連通しあう第１プラズマ生成室（５６ｘ）と第２プラズマ生成室（５６ｙ）とを含み、前記第１及び第２プラズマ生成室（５６ｘ，５６ｙ）においてそれぞれ異なる源からプラズマ・フィールドが生成されることを特徴とする方法。
14. 前記処理室（２６）の前記プラズマ生成部分（４０）が、第３プラズマ生成室（５６ｚ）を更に含み、前記第３プラズマ生成室が前記処理部分（４２）から遠隔にあり、前記第１及び第２プラズマ生成部分室（５６ｘ，５６ｙ）と交差するように配置されて相互に直接連通することを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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