JP4578232B2 - 半導体製造装置及び半導体製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを生成してプラズマにより反応ガスを分解してウェーハ等の基板の表面を酸化して酸化膜を生成し、或は窒化等の拡散処理を行い、或は基板表面をエッチングする等の各種処理を行い、半導体装置を製造する半導体製造装置に関するものである。

半導体製造装置の１つに電界と磁界により高密度プラズマを生成する変形マグネトロン型プラズマ源（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｔｙｐｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）を用いてウェーハ等の基板をプラズマ処理する装置（以下、ＭＭＴ装置と称する）がある。

このＭＭＴ装置では、気密な処理室に設けられた基板保持手段（サセプタ）に被処理基板を載置し、前記基板保持手段を介して基板を加熱し、シャワープレートを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成すると共に磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。

放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので高密度プラズマが生成される。この様に反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化又は窒化等の拡散処理、又は基板表面に薄膜を形成する、又は基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施す。

従来サセプタは、タングステン（Ｗ）等の金属ヒータと共にプラズマ処理の必要性に応じて高周波電極を内蔵しており、前記ヒータ、前記高周波電極は窒化アルミニウム（ＡｌＮ：Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）によって閉込められている構造であった。前記高周波電極は高周波電圧が印加され被処理基板にバイアス電圧を印加する為のものであり、ヒータはＡｌＮの基板保持部を介して被処理基板を加熱する為のものである。然し、従来のサセプタでは、高温領域での熱応力によるＡｌＮの破損等の理由から被処理基板を５５０℃以上で加熱することができない。又、プラズマ処理中に外皮となるＡｌＮから生じるアルミニウムにより被処理基板を汚染する問題がある。

この問題を解決する為にヒータ、高周波電極を石英で覆う石英被覆サセプタがあり、該石英被覆サセプタでは、大電流の導入を容易とし、且つ大気中で使用可能であるＳｉＣ等のセラミックヒータを用いる構造を採用している。前記ＡｌＮ被覆のサセプタでは金属発熱体と接続される電力フィード線とが接続している断面積が電力線の金属材質の比抵抗を考慮して充分広くしている為、電力フィード線での発熱は殆どなかった。セラミックヒータの場合、金属に比べて比抵抗が数１００倍大きいので、発熱体と電力フィード線とが接続する断面積も広くしなければならないが、ＡｌＮ被覆サセプタのヒータとの互換性を保つ必要から発熱体と電力フィード線とが接続している断面積が広くできないことから、電力フィード線でも無視できない程度の発熱が予測され、電力フィード線先端の端子部でも３００℃から４５０℃程度に迄温度が上昇する可能性がある。

端子部でも３００℃から４５０℃程度に温度上昇してしまうことから、前記端子部に接続される端子にはＮｉ等の比較的高温迄表面酸化し難く、接触部に絶縁被膜が形成され難い金属材料が用いられている。

従来の接触部について、図５により説明する。

図５中、１は発熱体（例えばＳｉＣ製）から延びるヒータ電力フィード線であり、２は該ヒータ電力フィード線１にボルト３によって固着される金属製の端子部（例えばＮｉ製）であり、該端子部２には電力供給ケーブル４がボルト５によって固着されている。

前記ヒータ電力フィード線１と前記端子部２とを、図５の様に重合させる様に接続すると、図６に示される様にセラミックの前記ヒータ電力フィード線１と金属の前記端子部２との比抵抗の違いにより該端子部２側により多く電流が流れ、更に該端子部２の尖端部６に電流が集中してしまう。この為、該尖端部６と前記ヒータ電力フィード線１間でスパークが発生し、該ヒータ電力フィード線１を損傷する虞れがある。

本発明は斯かる実情に鑑み、半導体製造装置に於けるヒータ電力フィード線と端子部との接続部分でスパークの発生を抑制し、セラミックであるヒータ電力フィード線の損傷を防止するものである。

本発明は、基板処理室と、該基板処理室に収納された基板を加熱するヒータと、該ヒータに電力を供給するヒータ電力フィード線と、該ヒータ電力フィード線に接続されると共に電力供給源に接続された端子部とを具備し、該端子部の少なくとも前記ヒータ電力フィード線に接触する角部から尖端を除去した半導体製造装置に係るものである。

本発明によれば、基板処理室と、該基板処理室に収納された基板を加熱するヒータと、該ヒータに電力を供給するヒータ電力フィード線と、該ヒータ電力フィード線に接続されると共に電力供給源に接続された端子部とを具備し、該端子部の少なくとも前記ヒータ電力フィード線に接触する角部から尖端を除去したので、端子部に流れる電力が尖端に集中することなく、端子部とヒータ電力フィード線間でのスパークの発生を抑制することができ、ヒータ電力フィード線接触部の損傷を防止することができるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

本発明が実施される半導体製造装置の一例であるＭＭＴ装置について、図１〜図３により説明する。

ＭＭＴ装置は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｔｙｐｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）を用いてウェーハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉１１を具備している。

該基板処理炉１１は、気密性を確保した基板処理室１２にウェーハ等の基板１３を設置し、シャワープレート１４を介して反応ガス１５を前記基板処理室１２に導入し、該基板処理室１２をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成すると共に磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回し、高密度プラズマが生成される。

前記反応ガス１５が励起分解され、前記基板１３の表面が酸化され、又は窒化等が拡散され、又は該基板１３表面に薄膜が生成され、又は該基板１３表面がエッチングされる。

以下、具体的に説明する。

第２の容器である下側容器１６と、該下側容器１６の上に被せられる第１の容器である上側容器１７とから前記基板処理室１２が形成されている。前記上側容器１７はドーム型の酸化アルミニウム又は石英で形成されており、前記下側容器１６はアルミニウムで形成されている。又後述するヒータ一体型の基板載置台であるサセプタ２０をセラミックス又は石英で構成することによって、処理の際に膜中に取込まれる金属汚染を低減している。

前記上側容器１７の上部にはガス分散空間であるバッファ室１８を形成するシャワーヘッド１９が設けられ、該シャワーヘッド１９の上壁にはガス導入用の導入口であるガス導入口２１が設けられ、下壁はガスを噴出する噴出孔であるガス噴出孔２２を有する前記シャワープレート１４から成っている。前記ガス導入口２１は、ガスを供給する供給管であるガス供給管２３により開閉弁であるバルブ２４、流量制御手段であるマスフローコントローラ２５を介して反応ガスの供給源（図示せず）に接続されている。

前記シャワーヘッド１９から前記反応ガス１５が前記基板処理室１２に供給され、又、前記サセプタ２０の周囲から前記基板処理室１２の底方向へ基板処理後のガスが流れる様に前記下側容器１６の側壁にガスを排気するガス排気口２６が設けられている。該ガス排気口２６はガスを排気するガス排気管２７により圧力調整器２８、開閉弁２９を介して排気装置である真空ポンプ３１に接続されている。

供給される前記反応ガス１５を励起させる放電手段として断面が筒状であり、好ましくは円筒状の第１の電極である筒状電極３２が前記上側容器１７の外周に設けられる。前記筒状電極３２は前記基板処理室１２内のプラズマ生成領域３３を囲んでいる。前記筒状電極３２にはインピーダンスの整合を行う整合器３４を介して高周波電力を印加する高周波電源３５が接続されている。

又、断面が筒状であり、好ましくは円筒状の磁界形成手段（永久磁石）３６を用いることができる。該磁界形成手段３６は、前記筒状電極３２の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成する様になっている。

前記基板処理室１２の底側中央には、前記基板１３を保持する為の基板保持手段として前記サセプタ２０が配置され、該サセプタ２０は前記基板１３を加熱できる様になっている。

図２で示される様に前記サセプタ２０は、例えば石英製の収納体３７で構成され、加熱手段としてのヒータ３８、バイアス電圧印加手段としての高周波電極３９が内部に一体的に埋設されている。従って、前記ヒータ３８、前記高周波電極３９の表面は、石英に覆われ、前記基板処理室１２には露出していない状態となっている。前記ヒータ３８にはヒータ電力フィード線４８を介してヒータ電力が供給されることで前記基板１３を８００℃程度に迄加熱できる様になっている。尚、前記ヒータ３８の材質としては、例えばＳｉＣ、又はＭｏＳｉ2 等が用いられる。

前記高周波電極３９は高周波フィード線４９を介してインピーダンス可変機構４１に接続され、又該インピーダンス可変機構４１を介して接地されている。該インピーダンス可変機構４１は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、上記電極及び前記サセプタ２０を介して前記基板１３のバイアス電位を制御できる様になっている。

前記筒状電極３２及び前記磁界形成手段３６の周囲には、前記筒状電極３２及び前記磁界形成手段３６で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさない様に、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板４２が設けられている。

前記サセプタ２０は前記下側容器１６と絶縁され、該下側容器１６には前記サセプタ２０を昇降させる昇降手段であるサセプタ昇降機構４３が設けられている。又前記サセプタ２０は貫通孔４４を有し、前記下側容器１６底面には前記基板１３を突上げる為の基板突上手段である基板支持ピン４５が少なくとも３箇所に設けられている。前記サセプタ昇降機構４３により前記サセプタ２０が下降させられた時には前記基板支持ピン４５が前記サセプタ２０と非接触な状態で前記貫通孔４４を挿通可能となっている。

又、前記下側容器１６の側壁には仕切弁となるゲートバルブ４６が設けられ、該ゲートバルブ４６を介して図示しない搬送室が連設されており、前記ゲートバルブ４６が開いている時には図中省略の搬送手段により前記基板処理室１２へ前記基板１３が搬入、又は搬出され、閉まっている時には前記基板処理室１２を気密に閉じることができる。

又、制御手段であるコントローラ４７は前記高周波電源３５、前記整合器３４、前記バルブ２４、前記マスフローコントローラ２５、前記圧力調整器２８、前記開閉弁２９、前記真空ポンプ３１、前記サセプタ昇降機構４３、前記ゲートバルブ４６、前記サセプタ２０に埋込まれたヒータ３８に高周波電力を印加する高周波電源と接続され、それぞれを制御している。

前記ヒータ電力フィード線４８には端子部５１がボルト等の固着手段により固定され、該端子部５１は電力供給ケーブル（図５参照）の先端に固定され、該電力供給ケーブルを介して電力供給源（図示せず）に接続されている。図３を参照して前記ヒータ電力フィード線４８と前記端子部５１との接続構造について具体的に説明する。

前記ヒータ電力フィード線４８のフィード線先端部４８ａは肉厚が薄い平板状となっており、前記ヒータ電力フィード線４８とフィード線先端部４８ａとの境界部で肉厚が変更される該フィード線先端部４８ａの基部は応力の集中が生じない様にＲ形状となっている。

前記端子部５１は金属製、例えば高温迄酸化せず表面に酸化被膜が形成され難い金属材料、例えばＮｉ材料が用いられる。前記端子部５１の端子先端部５１ａは前記フィード線先端部４８ａと接触する側が切除された段差形状を有しており、前記端子先端部５１ａの先端角部、特に前記フィード線先端部４８ａと接触する側の先端角部５１ｂがＲ形状となっている。

尚、前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａとの接続は、一部が重合する様にボルト（図示せず）で固定され、前記端子先端部５１ａの先端と前記ヒータ電力フィード線４８、前記フィード線先端部４８ａの先端と前記端子部５１とはそれぞれ隙間が形成されている。又、前記端子先端部５１ａの先端と前記ヒータ電力フィード線４８とが接触し、前記フィード線先端部４８ａの先端と前記端子部５１とが隙間なく接触される様な状態で前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａとが固定される場合は、他の角部５１ｃ，５１ｄについてもＲ形状にする。尚、Ｒ形状の代りに面取り形状としてもよい。要は、前記端子先端部５１ａの先端角部に尖端が形成されない様な形状となっていればよい。

以下、前記基板１３表面を、又は該基板１３上に生成された下地膜の表面に所定のプラズマ処理する方法について説明する。

該基板１３は、前記基板処理室１２の外部から搬送手段（図示せず）によって前記基板処理室１２に搬入され、前記サセプタ２０上に搬送される。この搬送動作の詳細は、先ず前記サセプタ２０が下った状態になっており、前記基板支持ピン４５の先端が前記サセプタ２０の貫通孔４４を通過して前記サセプタ２０表面よりも所定の高さ分だけ突出された状態で、前記下側容器１６に設けられた前記ゲートバルブ４６が開き、図中省略の搬送手段によって前記基板１３を前記基板支持ピン４５の先端に載置し、搬送手段は前記基板処理室１２外へ退避すると、前記ゲートバルブ４６が閉まり、前記サセプタ２０が前記サセプタ昇降機構４３により上昇すると、前記サセプタ２０上面に前記基板１３を載置することができ、更に該基板１３を処理する位置迄上昇する。

前記サセプタ２０に埋込まれた前記ヒータ３８には前記端子部５１、前記ヒータ電力フィード線４８を介して電力が供給され、予め加熱されており、搬入された前記基板１３を室温〜８００℃の範囲内で基板処理温度に加熱する。前記真空ポンプ３１、及び圧力調整器２８を用いて前記基板処理室１２の圧力を０．１〜１００Ｐａの範囲内に維持する。

前記端子部５１、前記ヒータ電力フィード線４８を介して電力を供給する過程で、前記端子部５１に対して前記ヒータ電力フィード線４８の比抵抗が大きいことから、前記端子先端部５１ａに電流が多く流れるが、前記先端角部５１ｂがＲ形状となっているので、該先端角部５１ｂへの電流の集中が避けられ、該先端角部５１ｂと前記フィード線先端部４８ａ間でのスパークの発生が防止され、該フィード線先端部４８ａの損傷が防止される。

前記基板１３を処理温度に加熱し、前記ガス導入口２１から前記シャワープレート１４のガス噴出孔２２を介して、反応ガス（例えば、Ｎ2 ，Ｏ2 ，ＮＨ3 ，ＮＦ3 ，ＰＨ3 ）を前記基板１３の上面（処理面）に向けて分散して導入する。この時のガス流量は１００〜１０００ｓｃｃｍの範囲である。同時に前記筒状電極３２に前記高周波電源３５から前記整合器３４を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、１００〜５００Ｗの範囲内の出力値を投入する。前記インピーダンス可変機構４１は予め所望のインピーダンス値に制御しておく。

前記磁界形成手段３６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、前記基板１３の上方空間に電荷をトラップして前記プラズマ生成領域３３に高密度プラズマが生成される。生成された高密度プラズマにより、前記サセプタ２０上の基板１３の表面にプラズマ処理が施される。表面処理が終わった基板１３は、図示しない搬送手段を用いて、基板搬入と逆の手順で前記基板処理室１２外へ搬送される。

尚、前記コントローラ４７により前記ヒータ３８への電流供給の制御、前記高周波電源３５の電力ＯＮ・ＯＦＦ、前記整合器３４の調整、前記バルブ２４の開閉、前記マスフローコントローラ２５の流量、前記圧力調整器２８の弁開度、前記開閉弁２９の開閉、前記真空ポンプ３１の起動・停止、前記サセプタ昇降機構４３の昇降動作、前記ゲートバルブ４６の開閉、前記サセプタ２０の高周波電極３９に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）への電力ＯＮ・ＯＦＦをそれぞれ制御している。

次に、前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａ間の接続に於いて、上記した様に発熱体と電力フィード線の接触面積を大きくできないことから、接触部での発熱が大きくなり、３００℃〜４５０℃の温度となる。又、前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａとでは熱膨張率が異なり、熱膨張差が発生する。前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａ間で強固に固定すると、熱膨張差による応力の発生、発生した応力によりフィード線先端部４８ａの破損を生じる虞れがある。

従って、熱膨張差による応力の発生を抑制する手段として、前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａとの接触面に導電性の滑り部材、例えばカーボンプレート等を挾むことで、前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａとの間で滑りが生じ、応力の発生が軽減される。又、滑り部材としてカーボンを用いた場合、カーボンが柔らかく面に馴染む為接触面の凹凸を充填して、前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａの接触抵抗を低減して接触部での発熱量を抑制する。

図４は、他のヒータ電力フィード線４８と端子部５１との接続構造について示している。

図４で示される端子部５１は先端に２つの端子先端部５１ａ，５１ａを有する２股フォーク形状をしており、該端子先端部５１ａ，５１ａによりフィード線先端部４８ａを挟み込む様にボルト３で固着されるものである。

前記端子先端部５１ａ，５１ａで挟込むことで、前記フィード線先端部４８ａと前記端子先端部５１ａ間の接触面積が増大し、接触抵抗が減少して発熱量が低減する。更に、前記フィード線先端部４８ａの両面で、図示の矢印の様に電流が均等に流れることから両面での発熱量が均等化されることで熱膨張差が均等になり、両面で熱応力による曲げ変形が相殺される。従って、熱膨張差に起因して、前記フィード線先端部４８ａが破損、損傷する虞れがなくなる。

尚、上記実施の形態は、本発明がＭＭＴ装置に実施された場合を示したが、基板を加熱するヒータを具備する他の半導体製造装置に実施可能であることは言う迄もなく、例えば熱ＣＶＤ等を行う枚葉式の半導体製造装置等がある。

本発明の実施の形態を示す概略正断面図である。 該実施の形態に於けるサセプタの断面図である。 該実施の形態に於ける端子の接続構造を示す部分図である。 本発明に係る他の端子の接続構造を示す部分図である。 従来の端子の接続構造を示す説明図である。 従来の端子の接続構造を示す説明図である。

符号の説明

１１ 基板処理炉
１２ 基板処理室
１３ 基板
２０ サセプタ
３２ 筒状電極
３６ 磁界形成手段
３４ 整合器
３５ 高周波電源
３８ ヒータ
３９ 高周波電極
４１ インピーダンス可変機構
４７ コントローラ
４８ ヒータ電力フィード線
４８ａ フィード線先端部
４９ 高周波フィード線
５１ 端子部
５１ａ 端子先端部

Claims (2)

1. 基板処理室と、該基板処理室に収納された基板を加熱するヒータと、該ヒータに電力を供給するセラミック製のヒータ電力フィード線と、該ヒータ電力フィード線に接続されると共に電力供給源に接続された金属製の端子部とを具備し、
   前記ヒータ電力フィード線は前記基板処理室外に延出し、前記ヒータ電力フィード線の先端部に平板状となったフィード線先端部が形成され、
   前記端子部は前記基板処理室の外側で、前記フィード線先端部に重合する様に固定され、前記端子部の少なくとも前記ヒータ電力フィード線に接触する角部から尖端を除去し、前記端子部の角部が前記ヒータ電力フィード線の先端部から離反する様に構成されたことを特徴とする半導体製造装置。
2. 基板処理室と、該基板処理室に設けられ、基板が載置される基板載置台と、該基板載置台内部に設けられ、基板を加熱するヒータと、該ヒータに電力を供給するセラミック製のヒータ電力フィード線と、該ヒータ電力フィード線に接続されると共に電力供給源に接続された金属製の端子部とを具備し、
   前記ヒータ電力フィード線は前記基板処理室外に延出し、前記ヒータ電力フィード線の先端部に平板状となったフィード線先端部が形成され、
   前記端子部は前記基板処理室の外側で、前記フィード線先端部に重合する様に固定され、前記端子部の少なくとも前記ヒータ電力フィード線に接触する角部から尖端を除去し、前記端子部の角部が前記ヒータ電力フィード線の先端部から離反する様に構成された半導体製造装置に於いて、
   前記基板載置台に基板を載置する工程と、
   前記端子部、前記ヒータ電力フィード線を介して前記ヒータに電力を供給し、前記ヒータを加熱し、基板を処理する工程を有することを特徴とする半導体製造方法。

Images