JP6569520B2 - 成膜装置 - Google Patents
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Description
この成膜装置によれば、原料ガスの吸着に要する時間に比べて、より長い反応時間を要する反応ガスが供給される第2の領域を大きくすることにより、良好な膜質を有する薄膜を成膜することができる。
しかしながら、成膜処理を終えた後に、真空容器内に供給されるガスを切り替え、追加の後処理を行うと、成膜装置にウエハを搬入してから搬出するまでに要する時間が長くなり、成膜装置の処理効率を低下させる要因ともなる。
このため、特許文献2には、特許文献1に記載の第2の領域のように、反応ガスが供給される真空処理容器内が複数の空間に分離されていない成膜装置内で既述の前処理や後処理を行うことを可能とする構成の開示はない。
前記真空容器内に設けられ、基板が載置される基板載置領域を公転中心周りに公転させるための回転テーブルと、
前記基板載置領域が通過する公転面を、当該基板載置領域の公転の方向と交差する方向に区画してなる第1の領域に、前記回転テーブルと対向するように設けられた吐出部から前記薄膜の原料ガスを供給する第1のガス供給部と、
前記吐出部の周囲を囲む第1の閉路に沿って延在するように形成された排気口から排気を行う排気部と、
前記排気口の周囲を囲む第2の閉路に沿って延在するように形成された分離ガス供給口から、前記第2の閉路の内外を分離するための分離ガスを供給する第2のガス供給部と、 前記基板載置領域の公転の方向と交差する方向に伸び、前記第2の閉路の外側に位置している前記回転テーブルの上方空間の一部の空間として設けられた第2の領域を挟んで、前記公転の方向に間隔を開けて配置されると共に、各々、前記原料ガスと反応する反応ガスを第2の領域側へ向けて吐出するためのガス吐出孔が形成された2本のガスインジェクターを備えた第3のガス供給部と、
前記第2の領域へ向けて吐出された反応ガスをプラズマ化するための前記反応ガス用のプラズマ形成部と、
前記第1の領域、第2の領域とは異なる位置に、前記第2の閉路の外側に位置している前記回転テーブルの上方空間の一部の空間として、基板載置領域が通過する公転面を、前記公転の方向と交差する方向に区画して設けられ、前記原料ガスの供給、及びプラズマ化した反応ガスの供給による処理とは異なる処理が行われる他の処理領域を備えたことを特徴とする。
(a)前記他の処理領域は、基板載置領域の公転の方向に沿って見たとき、前記第1の領域の下流側、且つ前記第2の領域の上流側に設けられた反応前領域であり、前記反応前領域に、前記第1の領域にて基板に吸着した原料ガスに含まれる不純物を除去するための前処理ガスを供給する前処理ガス供給部を備えたこと。さらに、前記前処理ガスをプラズマ化するための前処理ガス用のプラズマ形成部を備えたこと。また、前記前処理ガス供給部は、前記基板載置領域の公転の方向と交差する方向に沿って前記前処理ガスを供給すること。
(b)前記他の処理領域は、基板載置領域の公転の方向に沿って見たとき、前記第2の領域の下流側、且つ前記第1の領域の上流側に設けられた反応後領域であり、前記反応後領域に、基板に成膜された薄膜を改質するための後処理ガスを供給する後処理ガス供給部を備えたこと。さらに、前記後処理ガスをプラズマ化するための後処理ガス用のプラズマ形成部を備えたこと。また、前記後処理ガス供給部は、前記基板載置領域の公転の方向と交差する方向に沿って前記後処理ガスを供給すること。
(c)前記プラズマ形成部は、プラズマ化するガスが供給される領域内に、マイクロ波を放射するための多数のスロットが形成されたスロット板と、前記回転テーブルとスロット板との間に設けられ、当該スロット板から放射されるマイクロ波が透過する誘電体プレートと、を備えること。
なお、ウエハ載置領域21の構成は、ウエハWを収容するだけの単純な凹部を設ける場合(例えば図7の模式図参照)に限定されるものではない。例えば上述の凹部に加え、ウエハWの周縁に沿って当該凹部より深い円環状の溝を設けることにより、原料ガスや反応ガスの滞留時間を調節する構成を採用してもよい。
図4、及び原料ガスユニット3を下面側から見た平面図である図5に示すように、原料ガス拡散空間33(原料ガスユニット3)の下面には、原料ガス拡散空間33から回転テーブル2側へ向けて原料ガスを供給するための多数の吐出孔331が穿設されている。
多数の吐出孔331が設けられた前記領域は、原料ガスの吐出部330に相当する。また、吐出部330、原料ガス拡散空間33、原料ガス供給路17、開閉弁V1、流量調節部521、原料ガス供給源52は、本例の第1のガス供給部を構成している。
上述の排気口321、排気空間32、排気路192、排気手段51は、本例の排気部を構成している。
上述の分離ガス供給口311、分離ガス拡散空間31、分離ガス供給路16、開閉弁V2、流量調節部531、分離ガス供給源53は、本例の第2のガス供給部を構成している。
そこで、本実施の形態の成膜装置では、2本のガスインジェクター7(第1、第2のインジェクター71、72)を用いて反応ガスの高濃度領域を形成している。以下、ガスインジェクター7を用いてプラズマ化した反応ガスを供給する機構の構成例について説明する。
反応ガスの高濃度領域を形成するという観点では、2本のガスインジェクター7(第1、第2のインジェクター71、72)が成す角度θ2は、180度未満、好ましくは10〜110度の範囲内の値となるように調節するとよい。
なお、第4のガス供給部から反応ガスを供給することは必須ではない。例えばガスインジェクター7(第1、第2のインジェクター71、72)から回転テーブル2の周縁部側の領域に対しても十分に高濃度の反応ガスを供給できる場合などにおいては、第4のガス供給部の設置を省略してもよい。
図3、6に示すようにプラズマ形成部6は、真空容器11内へ向けてマイクロ波を放射するアンテナ部60と、アンテナ部60に向けてマクロ波を供給する同軸導波管65、及びマイクロ波発生器69を備える。アンテナ部60は、ガスインジェクター7(第1、第2のインジェクター71、72)から反応ガスが供給される領域の上方位置の天板12に設けられ、前記領域に対応させた概略三角形の形状の開口を塞いでいる。
誘電体窓61はマイクロ波の波長を短縮させるものであり、例えばアルミナセラミックから構成され、天板12側の開口を塞ぐことが可能な概略三角形の平面形状を有する。誘電体窓61の周縁部は、天板12に形成された開口の周囲の部材によって支持されている一方、当該周縁部よりも内側の領域は、真空容器11内へ向けて露出している。誘電体窓61の下面には、所定の領域にマイクロ波のエネルギーを集中させることにより、プラズマを安定して発生させるための、テーパー面を備えた環状の凹部611を設けてもよい。
以上に説明した構成により、プラズマ形成部6においては、マイクロ波発生器69にて発生させたマイクロ波が、同軸導波管65を通って、誘電体プレート63に供給され、スロット板62のスロット孔621を介して誘電体窓61からその下方側の空間に供給される。
従って、ガスインジェクター7(第1、第2のインジェクター71、72)は、第2の領域R2を挟んで間隔を開けて配置されると言い替えることができる。またプラズマ形成部6についても当該第2の領域R2へ向けて吐出された反応ガスをプラズマ化する構成となっていると言える。そして既述のように、ガスインジェクター7はウエハ載置領域21の公転の方向と交差する方向に伸びるように設けられ、また反応ガス吐出孔701はウエハWの全面に反応ガスを供給可能な範囲に亘って形成されている。従って、回転テーブル2を回転させると、各ウエハ載置領域21に載置されたウエハWが第2の領域R2を通過し、原料ガスを吸着したウエハWの全面に対してプラズマ化した反応ガスを供給することができる。
排気溝191、排気口190A、排気路19、及び排気手段55は、本例の反応ガス排気部に相当する。また第2の領域R2の外方側へ均等に排気が行われるように、排気溝191の上面に、例えば多数の開口が形成された整流板を設けてもよい。
他の領域にて行われる処理として、本例の成膜装置においては、ウエハWに吸着した原料ガスに含まれる不純物を除去するための前処理と、ウエハWに成膜された薄膜中の未結合手を結合させ、膜を緻密化する(改質する)後処理とが行われる。
一方、反応後領域r2は、前記公転の方向に沿って見て、第2の領域R2の下流側、且つ第1の領域R1の上流側の位置に設けられている。また反応後領域r2の平面形状についても、基板載置領域21が通過する既述の公転面RAを、前記公転の方向と交差する方向に区画してなる概略三角形の領域として形成されている。
図9に示すように、反応前領域r1には、当該領域に前処理ガスを供給するための周縁側処理ガス吐出孔703、中央側処理ガス吐出孔704が設けられている。
各周縁側処理ガス吐出孔703は、反応前領域r1の前記周縁部側の1辺に沿って伸びるように設けられた周縁側処理ガス供給路184に連通している。周縁側処理ガス供給路184は、天板12外部に設けられた開閉バルブV61、流量調節部551を介して前処理ガス供給源55に接続されている。
各中央側処理ガス吐出孔704は、反応前領域r1の前記頂点側の領域に設けられた共通の中央側処理ガス供給路185に連通している。中央側処理ガス供給路185は、天板12の外部に設けられた開閉バルブV71、流量調節部552を介して既述の前処理ガス供給源55に接続されている。
反応前領域r1において、周縁側処理ガス吐出孔703、周縁側処理ガス供給路184、開閉弁V61、流量調節部551、中央側処理ガス吐出孔704、開閉弁V71、流量調節部552、前処理ガス供給源55は、本例の前処理ガス供給部を構成している。
反応前領域r1側と同様に、反応後領域r2においても周縁側処理ガス吐出孔703は、平面形状が概略三角形となっている反応後領域r2における、回転テーブル2の周縁側の1辺に沿って複数箇所に配置されている。これらの周縁側処理ガス吐出孔703は、周縁側処理ガス供給路184、開閉バルブV62、流量調節部561を介して後処理ガス供給源56に接続されている。また、中央側処理ガス吐出孔704は、前記周縁部側の1辺と対向する概略三角形の頂点側の領域に沿って複数箇所に配置されている点において反応前領域r1側と同様である。これら中央側処理ガス吐出孔704は、中央側処理ガス供給路185、開閉バルブV72、流量調節部562を介して後処理ガス供給源56に接続されている。
反応後領域r2において、周縁側処理ガス吐出孔703、周縁側処理ガス供給路184、開閉弁V62、流量調節部561、中央側処理ガス吐出孔704、開閉弁V72、流量調節部562、後処理ガス供給源56は、本例の後処理ガス供給部を構成している。
初めに、搬入出部101のゲートバルブを開き、外部の搬送機構によって真空容器11内にウエハWを搬入した後、不図示の昇降ピンを用いて回転テーブル2のウエハ載置領域21に受け渡す。ウエハWの受け渡しは、回転テーブル2を間欠的に回転させて行い、全てのウエハ載置領域21にウエハWを載置する。
しかる後、時計回りに回転テーブル2を回転させ、予め設定された回転速度を維持しながら、ヒーター46によりウエハWを加熱する。図示しない温度センサによりウエハWの温度が所定の設定温度になったことを確認したら、吐出部330から原料ガスの供給、ガスインジェクター7(第1、第2のインジェクター71、72)、周縁側吐出孔702から反応ガスの供給、反応前領域r1、反応後領域r2に設けられた周縁側処理ガス吐出孔703、中央側処理ガス吐出孔704からの前処理ガス、及び後処理ガスの供給を各々、開始する。また、これら反応ガスなどの供給開始と共に、反応ガス用、前処理ガス用、及び後処理ガス用のプラズマ形成部6(6A〜6C)のアンテナ部60からのマイクロ波の供給を行う。
例えば、成膜後のウエハWの膜厚分布を測定したとき、回転テーブル2の回転方向に見て、先に第2の領域R2に進入するウエハWの端部(上流端部)側の膜厚が相対的に薄く、後から第2の領域R2に進入するウエハWの端部(下流端部)側の膜厚が相対的に厚くなる結果が得られたとする。この場合には、例えば上流側に配置された第1のインジェクター71から供給する反応ガスの流量が、下流側に配置された第2のインジェクター72から供給する反応ガスの流量よりも大きくなるように流量調節を行うことより、上述の膜厚分布を平坦化することが可能であることが分かっている。
この結果、第1の領域R1の下流側、且つ、第2の領域R2の上流側に反応前領域r1を設けることが可能となり、当該反応前領域r1へ向けてプラズマ化した前処理ガスを供給すると、第1の領域R1にてウエハWに吸着した原料ガスに含まれる不純物である塩素が除去されウエハWに成膜される薄膜の膜質を向上させることができる。
このとき。第1の領域R1と第2の領域R2との間に反応前領域r1、反応後領域r2が配置されていることにより、上述の1サイクル内で既述の前処理、処理を行うことができる。この結果、窒化ケイ素を堆積させ薄膜を形成させる過程で、各分子層に対して確実に既述の前処理や後処理を実施することができる。
例えば、SiO2膜の成膜時にH2ガスを供給して改質する処理を行ってもよい。また、他の処理が行われる領域に、処理ガスをプラズマ化するプラズマ形成部を設けることは必須の要件ではない。例えば、真空容器11の外部でプラズマ化させた処理ガスを他の処理領域へ導入するリモートプラズマ方式により処理を行ってもよいし、ヒーター46を用いた加熱により薄膜を処理ガスと反応させて処理を行ってもよい。
また、第1の領域R1の形状が扇形ではない場合についても、ウエハ載置領域21の公転の方向と交差する方向に伸びる2辺の成す角度は、ガスインジェクター7の場合と同様に定義することができる。
実施の形態に係る成膜装置を用いた場合と、ガスインジェクター7を用いない従来法にて反応ガスを供給する成膜装置を用いた場合とで、ウエハWに成膜される窒化ケイ素膜の膜厚分布、及び窒化ケイ素膜の緻密さを測定した。
A.実験条件
(実施例)図1〜図10を用いて説明した成膜装置を用いてシリコン窒化膜の成膜を行った。第1の領域R1に供給される原料ガス(ジクロロシラン濃度100vol%)の供給流量は1000ccm、反応ガス(アンモニア濃度100vol%、アルゴン濃度100vol%〕)の供給流量はアンモニア800ccm、アルゴン5000ccmであり、ウエハWの加熱温度は475℃に設定した。また、反応前領域r1に対しては、前処理ガスとして水素を4000ccmの供給流量で供給し、反応後領域r2に対しては、後処理ガスとして水素を4000ccmの供給流量で供給した。回転テーブル2の回転速度は20rpmに設定し、回転テーブル2が積算で87回転する期間、成膜処理を行った。成膜された窒化ケイ素膜の膜厚分布を膜厚計により計測した。また、窒化ケイ素膜の緻密さの指標として、0.5重量%濃度のフッ酸によるウェットエッチング速度(WER:Wet Etching Rate、[Å/分])を測定した。
(比較例1)図10を用いて説明した構成の成膜装置において、ガスインジェクター7(第1、第2のインジェクター71、72)を設けずに、プラズマ形成部6(6A〜6C)が設けられた領域に、図9を用いて説明した周縁側処理ガス吐出孔703、中央側処理ガス吐出孔704から反応ガス(アンモニア濃度100vol%、水素濃度100vol%)を供給した。原料ガス(ジクロロシラン濃度100vol%)の供給流量は1000ccmであり、ウエハWの加熱温度は475℃に設定した。回転テーブル2の回転速度は20rpmに設定し、回転テーブル2が積算で87回転する期間中、成膜処理を行った。成膜された窒化ケイ素膜について、実施例1と同様の手法にて膜厚分布、及びWERを計測した。
(比較例2)窒化ケイ素膜の成膜を行った後、さらにプラズマ形成部6(6A〜6C)が設けられた領域に後処理ガスとして水素を4000ccmの供給流量で供給した点を除いて、比較例1と同様の条件で成膜処理を行った。成膜された窒化ケイ素膜について、実施例1と同様の手法にて膜厚分布、及びWERを計測した。
実施例に係る膜厚分布測定結果を図11に示し、比較例1、2に係る同様の結果を図12、図13に示す。実施例、及び比較例1、2の結果によれば、実施例の方がウエハWの面内でより均一な膜厚の窒化ケイ素膜が得られた一方、比較例1、2では回転テーブル2の中心側に載置された位置から、ウエハWの中央側へ向けて膜厚が厚くなる傾向が顕著であった。平均の膜厚(Å)に対する±3σ(Å)の値の割合で比較すると、実施例は1.6%であり、比較例1は19.5%、比較例2は32.0%であった。従って、実施の形態に係る成膜装置はウエハWに成膜される薄膜の面内均一性を顕著に向上させる効果があることを確認できた。
R2 第2の領域
r1 反応前領域
r2 反応後領域
W ウエハ
2 回転テーブル
21 基板載置領域
330 吐出部
6、6A〜6C
プラズマ形成部
7 ガスインジェクター
703 周縁側処理ガス吐出孔
704 中央側処理ガス吐出孔
8 制御部
Claims (8)
- 真空容器内にて基板に薄膜を成膜するための成膜装置において、
前記真空容器内に設けられ、基板が載置される基板載置領域を公転中心周りに公転させるための回転テーブルと、
前記基板載置領域が通過する公転面を、当該基板載置領域の公転の方向と交差する方向に区画してなる第1の領域に、前記回転テーブルと対向するように設けられた吐出部から前記薄膜の原料ガスを供給する第1のガス供給部と、
前記吐出部の周囲を囲む第1の閉路に沿って延在するように形成された排気口から排気を行う排気部と、
前記排気口の周囲を囲む第2の閉路に沿って延在するように形成された分離ガス供給口から、前記第2の閉路の内外を分離するための分離ガスを供給する第2のガス供給部と、 前記基板載置領域の公転の方向と交差する方向に伸び、前記第2の閉路の外側に位置している前記回転テーブルの上方空間の一部の空間として設けられた第2の領域を挟んで、前記公転の方向に間隔を開けて配置されると共に、各々、前記原料ガスと反応する反応ガスを第2の領域側へ向けて吐出するためのガス吐出孔が形成された2本のガスインジェクターを備えた第3のガス供給部と、
前記第2の領域へ向けて吐出された反応ガスをプラズマ化するための前記反応ガス用のプラズマ形成部と、
前記第1の領域、第2の領域とは異なる位置に、前記第2の閉路の外側に位置している前記回転テーブルの上方空間の一部の空間として、基板載置領域が通過する公転面を、前記公転の方向と交差する方向に区画して設けられ、前記原料ガスの供給、及びプラズマ化した反応ガスの供給による処理とは異なる処理が行われる他の処理領域を備えたことを特徴とする成膜装置。 - 前記他の処理領域は、基板載置領域の公転の方向に沿って見たとき、前記第1の領域の下流側、且つ前記第2の領域の上流側に設けられた反応前領域であり、
前記反応前領域に、前記第1の領域にて基板に吸着した原料ガスに含まれる不純物を除去するための前処理ガスを供給する前処理ガス供給部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。 - 前記前処理ガスをプラズマ化するための前処理ガス用のプラズマ形成部を備えたことを特徴とする請求項2に記載の成膜装置。
- 前記前処理ガス供給部は、前記基板載置領域の公転の方向と交差する方向に沿って前記前処理ガスを供給することを特徴とする請求項2または3に記載の成膜装置。
- 前記他の処理領域は、基板載置領域の公転の方向に沿って見たとき、前記第2の領域の下流側、且つ前記第1の領域の上流側に設けられた反応後領域であり、
前記反応後領域に、基板に成膜された薄膜を改質するための後処理ガスを供給する後処理ガス供給部を備えたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の成膜装置。 - 前記後処理ガスをプラズマ化するための後処理ガス用のプラズマ形成部を備えたことを特徴とする請求項5に記載の成膜装置。
- 前記後処理ガス供給部は、前記基板載置領域の公転の方向と交差する方向に沿って前記後処理ガスを供給することを特徴とする請求項5または6に記載の成膜装置。
- 前記プラズマ形成部は、プラズマ化するガスが供給される領域内に、マイクロ波を放射するための多数のスロットが形成されたスロット板と、前記回転テーブルとスロット板との間に設けられ、当該スロット板から放射されるマイクロ波が透過する誘電体プレートと、を備えることを特徴とする請求項1、3、6のいずれか一つに記載の成膜装置。
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