JP6636677B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及び記録媒体 - Google Patents
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Description
(1)基板処理装置の構成
本発明の第1実施形態に係る基板処理装置について、図1を用いて以下に説明する。本実施形態に係る基板処理装置は、主に基板面上に形成された膜に対して酸化処理を行うように構成されている。
処理装置100は、ウエハ200をプラズマ処理する処理炉202を備えている。処理炉202には、処理室201を構成する処理容器203が設けられている。処理容器203は、第1の容器であるドーム型の上側容器210と、第2の容器である碗型の下側容器211とを備えている。上側容器210が下側容器211の上に被さることにより、処理室201が形成される。上側容器210は、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)または石英(SiO2)等の非金属材料で形成されており、下側容器211は、例えばアルミニウム(Al)で形成されている。本実施形態では、上側容器210は石英で形成されている。また、上側容器210は、後述のプラズマ生成空間を形成するプラズマ容器を構成する。
処理室201の底側中央には、ウエハ200を載置する基板載置部としてのサセプタ217が配置されている。サセプタ217は例えば窒化アルミニウム、セラミックス、石英等の非金属材料から形成されており、ウエハ200上に形成される膜等に対する金属汚染を低減することができるように構成されている。
処理室201の上方、つまり上側容器210の上部には、ガス供給ヘッド236が設けられている。ガス供給ヘッド236は、キャップ状の蓋体233と、ガス導入口234と、バッファ室237と、開口238と、遮蔽プレート240と、ガス吹出口239とを備え、反応ガスを処理室201内へ供給できるように構成されている。バッファ室237は、ガス導入口234より導入される反応ガスを分散する分散空間としての機能を持つ。
下側容器211の側壁には、処理室201内から反応ガスを排気するガス排気口235が設けられている。ガス排気口235には、ガス排気管231の上流端が接続されている。ガス排気管231には、上流側から順に圧力調整器(圧力調整部)としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ242、開閉弁としてのバルブ243b、真空排気装置としての真空ポンプ246が設けられている。主に、ガス排気口235、ガス排気管231、APCバルブ242、バルブ243bにより、本実施形態に係る排気部が構成されている。尚、真空ポンプ246を排気部に含めても良い。
処理室201の外周部、すなわち上側容器210の側壁の外側には、処理室201を囲うように、第1の電極としての、螺旋状の共振コイル212が設けられている。共振コイル212には、RFセンサ272、高周波電源273、高周波電源273のインピーダンスや出力周波数の整合を行う整合器274が接続される。
ここで、本実施形態における共振コイル212の巻径について、図2及び図3を用いて説明する。
図2は、共振コイル212の巻径が、共振コイル212上のいずれの位置においても一定である場合の例(比較例)について示している。すなわち、上側容器210の内壁表面(内周の表面)から、共振コイル212の内径側表面(上側容器210の側壁に面する側の表面、すなわち内周の表面)までの距離(以下、コイル離間距離と称することがある)をd1としたとき、この比較例ではd1が常に一定となっている。距離d1は好ましくは10〜30mmの範囲の所定の値であり、例えば15mm程度に設定される。
図3は、本実施形態に係る共振コイル212の巻径とプラズマ生成の態様を示している。本実施形態に係る共振コイル212の巻径が共振コイル212上の位置に応じて異なるように構成されている点で比較例のものと異なっている。
上側容器210の内壁面位置における電界強度を低減するという観点からは、距離d2はできるだけ大きい方が望ましい。ただし、CCP成分のプラズマによる生成される反応種も基板のプラズマ処理に利用するという観点も考慮して、距離d2をd1より大きい所定の範囲の値とすることもできる。例えば、距離d2を30〜50mmの範囲の値とすることで、スパッタリングの発生を抑制しながら、反応種の生成効率を許容範囲内に維持することも可能である。スパッタリングの発生を抑制する効果を十分に得るためには、距離d1とd2の比率(d1/d2)を0.5以下とすることが好ましい。ただし、d2を大きくするとコイル径が拡大し、装置のフットプリントの増大等を招くため、実用的には、0.1〜0.5の範囲であることがより好ましい。
本実施形態では特に、共振コイル212の下端から上側容器の外周に沿って1巻き分の区間、中点を中央として同じく1巻き分の区間、及び上端から同じく1巻き分の区間、という3つの区間において、コイル離間距離を距離d1としている。
一方、スパッタリング発生を抑制するという観点からは、電流の定在波の振幅が最大となる共振コイル212の両端(下端と上端)及び中点のみを距離d1として上側容器210に近づけて、それ以外の区間を全て距離d2として上側容器210から遠ざけることも考えられる。しかしこの場合、これら3点の近傍位置のみにおいて上側容器210内で発生するプラズマ密度が大きくなり、共振コイル212の周方向(すなわち上側容器の周方向)において、上側容器210内で発生するプラズマ密度の偏りが大きくなる。本実施形態では、これら3点から上側容器210の外周に沿って少なくとも1巻き分の区間でコイル離間距離を距離d1とすることにより、共振コイル212の周方向におけるプラズマ密度の偏りを小さくすることができる。
また、特に共振コイル212の中点を含む1巻き分の区間については、その区間の両端が(共振コイル212の軸方向から見て)重なり合う部分の近傍で、高周波磁界が重なり合うことによりその強度が1巻き分の区間内の他の区間よりも大きくなりやすく、上側容器210の周方向におけるプラズマ密度の偏りが生じやすい。そこで、他の実施例として、図9に示すように、距離d1とした1巻き分の区間における共振コイル212の中心軸位置B(水平方向における中心位置)を、上側容器210の中心軸位置A(水平方向における中心位置)から、この両端が重なり合う部分Cの方向にずらすように、共振コイル212を形成してもよい。
また、本実施形態では、上述の距離d1とする区間以外の区間全体を、コイル離間距離が距離d2となるように設定することにより、CCP成分のプラズマによるスパッタリングの発生を最小限に抑制している。一方、本実施形態の変形例として、(CCP成分のプラズマを形成する)共振コイル212による形成される高周波電界又は高周波磁界の強度に応じて、上述の距離d1又はd2とする区間以外の区間におけるコイル離間距離を調整してもよい。
制御部としてのコントローラ221は、信号線Aを通じてAPCバルブ242、バルブ243b及び真空ポンプ246を、信号線Bを通じてサセプタ昇降機構268を、信号線Cを通じてヒータ電力調整機構276及びインピーダンス可変機構275を、信号線Dを通じてゲートバルブ244を、信号線Eを通じてRFセンサ272、高周波電源273及び整合器274を、信号線Fを通じてMFC252a〜252c及びバルブ253a〜253c,243aを、それぞれ制御するように構成されている。
次に、本実施形態に係る基板処理工程について、主に図5を用いて説明する。図5は、本実施形態に係る基板処理工程を示すフロー図である。本実施形態に係る基板処理工程は、例えばフラッシュメモリ等の半導体デバイスの製造工程の一工程として、上述の処理装置100により実施される。以下の説明において、処理装置100を構成する各部の動作は、コントローラ221により制御される。
まず、上記のウエハ200を処理室201内に搬入する。具体的には、サセプタ昇降機構268がウエハ200の搬送位置までサセプタ217を下降させて、サセプタ217の貫通孔217aにウエハ突上げピン266を貫通させる。その結果、ウエハ突き上げピン266が、サセプタ217表面よりも所定の高さ分だけ突出した状態となる。
続いて、処理室201内に搬入されたウエハ200の昇温を行う。ヒータ217bは予め加熱されており、ヒータ217bが埋め込まれたサセプタ217上にウエハ200を保持することで、例えば150〜750℃の範囲内の所定値にウエハ200を加熱する。ここでは、ウエハ200の温度が700℃となるよう加熱する。また、ウエハ200の昇温を行う間、真空ポンプ246によりガス排気管231を介して処理室201内を真空排気し、処理室201内の圧力を所定の値とする。真空ポンプ246は、少なくとも後述の基板搬出工程S160が終了するまで作動させておく。
次に、反応ガスとして、窒素含有ガスであるN2ガスと水素含有ガスであるH2ガスの供給を開始する。具体的には、バルブ253a及び253bを開け、MFC252a及び252bにて流量制御しながら、処理室201内へN2ガス及びH2ガスの供給を開始する。このとき、N2ガスの流量を、例えば20〜5000sccm、好ましくは20〜1000sccmの範囲内の所定値とする。また、H2ガスの流量を、例えば20〜1000sccm、好ましくは20〜500sccmの範囲内の所定値とする。N2ガスとH2ガスの流量比は、N2ガス:H2ガス=1:10〜10:1の範囲内の所定の比率であって、例えば1:1とする。
処理室201内の圧力が安定したら、共振コイル212に対して高周波電源273からRFセンサ272を介して、高周波電力の印加を開始する。本実施形態では、高周波電源273から共振コイル212に27.12MHzの高周波電力を供給する。共振コイル212に供給する高周波電力は、例えば100〜5000Wの範囲内の所定の電力であって、好ましくは100〜3500Wであり、より好ましくは約3500Wとする。電力が100Wより低い場合、プラズマ放電を安定的に生じさせることが難しい。
N2ガス及びH2ガスの供給を停止したら、ガス排気管231を介して処理室201内を真空排気する。これにより、処理室201内のN2ガスやH2ガス、これらガスの反応により発生した排ガス等を処理室201外へと排気する。その後、APCバルブ242の開度を調整し、処理室201内の圧力を処理室201に隣接する真空搬送室(ウエハ200の搬出先。図示せず)と同じ圧力(例えば100Pa)に調整する。
処理室201内が所定の圧力となったら、サセプタ217をウエハ200の搬送位置まで下降させ、ウエハ突上げピン266上にウエハ200を支持させる。そして、ゲートバルブ244を開き、ウエハ搬送機構を用いてウエハ200を処理室201外へ搬出する。以上により、本実施形態に係る基板処理工程を終了する。
本実施形態の効果について、発明者が行った検証結果を基に説明する。
以下の第1の検証及び第2の検証では、いずれも上述した本実施形態に係る基板処理装置を用いた。ただし、比較例1及び2は、共振コイル212の巻径を、距離d1=15mmで一定としており、実施例1〜4は、共振コイル212の巻径を、上述の実施例の通り、共振コイル212上の位置によって距離d1とd2で異ならせている、という点で異なっている。
第1の検証では、被処理基板であるウエハ200としてSiベアウエハを用い、Siベアウエハに対して上述の実施形態における窒化処理を施して、基板表面上にシリコン窒化膜(SiN膜)を形成した。そして、形成されたSiN膜中に含まれる酸素濃度を測定することにより、窒化処理によって膜中に取り込まれる酸素成分の量を評価した。比較例1、実施例1ではともに、厚さが15ÅのSiN膜を形成する窒化処理を行った。なお、比較例1、実施例1において、反応ガス供給工程S130において処理室201に供給されるN2ガス及びH2ガスの流量はそれぞれ100sccm及び50sccmとし、処理室201内の圧力は5Paとし、ウエハの温度は700℃とした。また、共振コイル212に供給する高周波電力の大きさ及び供給時間はそれぞれ、500W/120秒、及び350W/120秒とした。
第2の検証では、被処理基板であるウエハ200として、表面に酸化アルミニウム膜(AlO膜)が形成されたウエハを用い、AlO膜に対して上述の実施形態における窒化処理を施して、基板表面上に酸窒化アルミニウム膜(AlON膜)を形成した。そして、形成されたAlON膜中に含まれるシリコン濃度を測定することにより、窒化処理によって膜中に取り込まれるシリコン成分の量を評価した。比較例2、実施例2〜4においては、いずれも、反応ガス供給工程S130において処理室201に供給されるN2ガスの流量を200sccmとし、H2ガスの流量を0sccmとした。(すなわちN2ガスのみを供給した。)また、処理室201内の圧力は5Paとし、ウエハの温度は700℃とした。また、共振コイル212に供給する高周波電力の大きさ及び供給時間はそれぞれ、1kW/300秒、1.5kW/300秒、1kW/120秒、500W/300秒とした。
上述の実施形態では、共振コイル212の上端、下端、及び中点におけるコイル離間距離をd1としているが、他の実施形態として、図11に示すように、共振コイル212の上端及び下端におけるコイル離間距離も、中点以外の区間と同様に距離d2とするように共振コイル212を構成することができる。すなわち、本実施形態では、共振コイル212の中点を含む、上側容器210の外周に沿って1巻き分の区間のみについて、コイル離間距離をd1としている。
上述の実施形態では、プラズマを用いて基板表面に対して窒化処理を行う例について説明したが、その他にも、処理ガスとして酸素含有ガスを用いた酸化処理に対して適用することができる。また、窒化処理や酸化処理に限らず、プラズマを用いて基板に対して処理を施すあらゆる技術に適用することができる。例えば、プラズマを用いて行う基板表面に形成された膜に対する改質処理やドーピング処理、酸化膜の還元処理、当該膜に対するエッチング処理、レジストのアッシング処理、等に適用することができる。さらに、上述の実施形態では、スパッタリングが発生し得る上側容器210の材質として石英を用いる例について説明したが、その他にも、Al2O3や窒化シリコン(SiC)などの他の材質を用いる場合にも適用することができる。すなわち、上側容器210を構成する材質に含まれる成分が、被処理対象に取り込まれることを抑制したり、パーティクルが発生することを抑制したりすることができる。
Claims (9)
- 処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ容器と、
前記プラズマ容器に連通する基板処理室と、
前記プラズマ容器内に前記処理ガスを供給するよう構成されるガス供給系と、
前記プラズマ容器の外周に巻回するように設けられ、高周波電力を供給されるように構成されるコイルと、を有し、
前記コイルは、前記コイルに印加される電圧の定在波の振幅が最大となる前記コイル上の位置における前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの距離d2が、前記コイルの一端から他端までの区間中で最大となるように形成され、且つ、前記コイルの一端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、前記コイルの他端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、および前記コイルの中点を中央として前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間において、前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの距離d1が前記距離d2よりも小さくなるように形成されている、
基板処理装置。 - 前記コイルは、円筒形に形成された前記プラズマ容器の中心軸位置から見て、前記コイルの中点を中央として前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間が構成する円の中心位置が、前記コイルの中点を中央として前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間の両端が重なり合う位置の方向にずれるように形成されている、請求項1記載の基板処理装置。
- 前記コイルは、前記距離d2が30〜50mmの範囲の所定の値となるように形成されている、請求項1記載の基板処理装置。
- 前記コイルは、前記コイルの一端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、前記コイルの他端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、および前記コイルの中点を中央として前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間において、前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの前記距離d1が最小となるように形成されており、且つ、
前記コイルの一端から他端までのうち、前記コイルの一端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、前記コイルの他端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、および前記コイルの中点を中央として前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間を除く区間において、前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの距離が前記距離d1よりも大きくなるように形成されている、請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記コイルは、前記コイルに印加される電圧の定在波の振幅が最大となる位置から離れるにしたがって、前記電圧の定在波の振幅に比例して前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの距離が小さくなるように形成されている、請求項1に記載の基板処理装置。
- 前記コイルに高周波電力を供給するよう構成される高周波電源と、
前記コイルからの反射電力の値を検出するセンサと、
前記センサにより検出される前記反射電力の値に基づいて、前記反射電力が最小となる様に前記高周波電源を制御するよう構成される制御部と、
を有する請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記コイルは前記高周波電力の波長の1倍の電気的長さを有している、請求項1に記載の基板処理装置。
- プラズマ容器に連通する基板処理室に基板を搬入する工程と、
処理ガスを前記プラズマ容器内に供給する工程と、
前記プラズマ容器の外周に巻回するように設けられたコイルに高周波電力を供給することにより、前記プラズマ容器内に供給された前記処理ガスをプラズマ励起する工程と、
励起されたプラズマにより前記基板を処理する工程と、
を有し、
前記コイルは、前記コイルに印加される電圧の定在波の振幅が最大となる前記コイル上の位置における前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの距離d2が、前記コイルの一端から他端までの区間中で最大となるように形成され、且つ、前記コイルの一端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、前記コイルの他端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、および前記コイルの中点を中央として前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間において、前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの距離d1が前記距離d2よりも小さくなるように形成されている、
半導体装置の製造方法。 - プラズマ容器に連通する基板処理装置の基板処理室に基板を搬入する手順と、
処理ガスを前記プラズマ容器内に供給する手順と、
前記プラズマ容器の外周に巻回するように設けられたコイルに高周波電力を供給することにより、前記プラズマ容器内に供給された前記処理ガスをプラズマ励起する手順と、
励起されたプラズマにより前記基板を処理する手順と、をコンピュータにより前記基板処理装置に実行させるプログラムを記録したコンピュータにより読み取り可能な記録媒体であって、
前記コイルは、前記コイルに印加される電圧の定在波の振幅が最大となる前記コイル上の位置における前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの距離d2が最大となるように形成され、前記コイルの一端から他端までの区間中で最大となるように形成され、且つ、前記コイルの一端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、前記コイルの他端から前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間、および前記コイルの中点を中央として前記プラズマ容器の外周を1巻きする区間において、前記コイルの内周から前記プラズマ容器の内周までの距離d1が前記距離d2よりも小さくなるように形成されている。
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