JP6649473B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - 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及び図2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。
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(AlN)、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。
主に、サセプタ217及びヒータ217b、電極217cにより、本実施形態に係る基板載置部が構成されている。
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)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、APC242、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。
共振コイル212が可変式グランド部及び可変式給電部を備えていることによって、後述するように、処理室201の共振周波数及び負荷インピーダンスを調整するにあたり、より一層簡便に調整することができる。
共振コイル212によって構成されるプラズマ発生回路はRLCの並列共振回路で構成される。高周波電源273から供給される高周波電力の波長と共振コイル212の電気的長さが同じ場合、共振コイル212の共振条件は、共振コイル212の容量成分や誘導成分によって作り出されるリアクタンス成分が相殺され、純抵抗になることである。しかしながら、上記プラズマ発生回路においては、プラズマを発生させた場合、共振コイル212の電圧部とプラズマとの間の容量結合の変動や、プラズマ生成空間201aとプラズマとの間の誘導結合の変動、プラズマの励起状態、等により、実際の共振周波数は僅かながら変動する。
制御部としてのコントローラ221は、信号線Aを通じてAPC242、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4を用いて説明する。図4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600℃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、酸素含有ガスであるO2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O2ガス及びH2ガスの供給を開始する。このとき、O2ガスの流量を、例えば20〜2000sccm、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。より好適な例として、O2ガスとH2ガスの合計流量を1000sccmとし、流量比はO2/H2≧950/50とすることが好ましい。
また、処理室201内の圧力が、例えば1〜250Pa、好ましくは50〜200Paの範囲内の所定圧力、より好ましくは約150Paとなるように、APC242の開度を調整して処理室201内の排気を制御する。このように、処理室201内を適度に排気しつつ、後述のプラズマ処理工程S140の終了時までO2ガス及びH2ガスの供給を継続する。
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。
また、プラズマ処理工程におけるウエハ200の垂直方向における位置が共振コイル212の下端から下方に離れ過ぎると、プラズマにより生成されたラジカルやイオンが失活してしまうため、処理レートが実用的な値を下回ることがある。従って、プラズマ処理工程におけるウエハ200の垂直方向における位置は、少なくともプラズマにより生成されたラジカルやイオンが失活しないような位置である必要がある。発明者による検証によれば、本実施形態において、共振コイル212の下端から下方に138mm以内の範囲であれば、実用的な処理レートを維持したまま、ウエハ面内におけるプラズマ処理の均一性を十分に確保することができることが確認されている。
O2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O2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、APC242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。本検証では、本実施形態に係る基板処理装置におけるプラズマ生成空間201a及び基板処理空間201b内の所定の位置に、当該位置における電子密度を測定するプローブを設けることにより、プラズマ生成空間201a及び基板処理空間201b内におけるプラズマや、ラジカル、イオン等の反応種の密度(以下、単に「プラズマ密度」と呼ぶ)の分布を測定した。本測定を行った際のプラズマ生成条件は以下の通りである。なお、測定時には、サセプタ217上にベアシリコンウエハを載置した。
・ 供給ガス流量:O2ガス=950sccm、H2ガス=50sccm
・ 処理室内圧力:150Pa
・ RF周波数:27.12MHz
・ RF電力:3500W
また、高さ位置(d)より更に50mm下方にはベアシリコンウエハが載置されている。
また、プラズマ密度の均一性と高さ位置との関係は、主にプラズマ生成部の構成に依存すると考えられる。従って、上述のプラズマ本実施形態では、処理室201の上部に設けられたガス供給ヘッド236から処理ガスを供給するよう構成されているが、処理室に処理ガスを導入するための導入口の形状や位置が異なる場合であっても、同様の検証結果を得られることが推測される。
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酸化処理や窒化処理を行う例について説明したが、これらの処理に限らず、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。
Claims (12)
- 処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間に連通する基板処理空間と、を有する基板処理室と、
前記基板処理空間内に設けられ、基板が載置されるよう構成される基板載置台と、
前記プラズマ生成空間の外周に巻回するように設けられるコイルを備え、前記コイルの電気的長さが前記コイルに供給される高周波電力の波長の整数倍であって、前記コイルの直径が前記基板の直径より大きくなるよう構成される誘導結合構造と、
前記基板載置台を昇降させるよう構成される基板支持台昇降部と、
前記プラズマ生成空間に前記処理ガスを供給するガス供給部と、
前記基板を処理する際、前記コイルに供給される前記高周波電力の電力値に基づいて、前記基板載置台に載置された前記基板が前記コイルの下端より下方の高さに位置するように、前記基板支持台昇降部を制御するよう構成される制御部と、
を有する基板処理装置。 - 前記制御部は、前記基板を処理する際、前記基板載置台に載置された前記基板が前記コイルの下端から下方に38mm以上離れた高さに位置するように、前記基板支持台昇降部を制御するよう構成される、請求項1に記載の基板処理装置。
- 前記制御部は、前記基板を処理する際、前記基板載置台に載置された前記基板が前記コイルの下端から下方に138mm以内の高さに位置するように、前記基板支持台昇降部を制御するよう構成される、請求項2に記載の基板処理装置。
- 前記基板の直径は約300mmであり、前記コイルの直径は500mm以上である、請求項3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4に記載の基板処理装置。
- 前記制御部は、
前記基板を処理する際、前記基板載置台に載置された前記基板に対するプラズマ処理毎に設定される、前記基板の面方向におけるプラズマ密度の面内偏差の許容範囲に基づいて、前記基板支持台昇降部を制御するよう構成されている、請求項1記載の基板処理装置。 - 処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間に連通する基板処理空間と、を有する基板処理室内に基板を搬入する工程と、
前記基板処理空間内に設けられる基板載置台に前記基板を載置する工程と、
前記プラズマ生成空間の外周に対して前記基板の直径よりも直径が大きくなるように巻回するコイルの下端より下方の高さに、前記基板載置台に載置された前記基板が位置するように前記基板載置台を昇降させる工程と、
前記処理ガスを前記プラズマ生成空間に供給する工程と、
前記コイルに高周波電力を供給して前記コイルを共振させることにより、前記プラズマ生成空間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載置台に載置された前記基板を処理する工程と、
を有し、
前記基板載置台を昇降させる工程では、前記コイルに供給される前記高周波電力の電力値に応じて前記基板載置台を昇降させる、半導体装置の製造方法。 - 前記基板載置台を昇降させる工程では、前記コイルの下端から下方に38mm以上離れた高さに前記基板が位置するように、前記基板載置台を昇降させる、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板載置台を昇降させる工程では、前記コイルの下端から下方に138mm以内の高さに前記基板が位置するように、前記基板載置台を昇降させる、請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板の直径は約300mmであり、前記コイルの直径は500mm以上である、請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板載置台を昇降させる工程では、
前記基板載置台に載置された前記基板に対するプラズマ処理毎に設定される、前記基板の面方向におけるプラズマ密度の面内偏差の許容範囲に応じて前記基板載置台を昇降させる、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。 - 処理ガスがプラズマ励起されるプラズマ生成空間と、前記プラズマ生成空間に連通する基板処理空間と、を有する基板処理室内に基板を搬入する手順と、
前記基板処理空間内に設けられる基板載置台に前記基板を載置する手順と、
前記プラズマ生成空間の外周に前記基板の直径よりも直径が大きくなるように巻回するコイルの下端より下方の高さに、前記基板載置台に載置された前記基板が位置するように前記基板載置台を昇降させる手順と、
前記処理ガスを前記プラズマ生成空間に供給する手順と、
前記コイルに高周波電力を供給して、前記コイルを共振させることにより、前記プラズマ生成空間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載置台に載置された前記基板を処理する手順と、
を含み、
前記基板載置台を昇降させる手順では、前記コイルに供給される前記高周波電力の電力値に応じて前記基板載置台を昇降させる手順を、コンピュータにより基板処理装置に実行させるプログラム。
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