JP6782546B2 - プラズマ化学気相蒸着装置および方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ化学気相蒸着（ＰＥ−ＣＶＤ）装置およびプラズマ化学気相蒸着の実施方法に関する。

プラズマ化学気相蒸着は、さまざまな材料を蒸着させるための周知の技術である。半導体デバイスの生産においてプラズマ化学気相蒸着を行うことは周知である。他の半導体処理方法と共通して、商業的に有用なプロセスの実現における非常に重要な要因は、システムの処理能力である。処理能力を低減させる主要な問題は、清浄プロセスにある。清浄プロセスは、プラズマ化学気相蒸着プロセスチャンバの内部表面から蒸着した材料を除去するために必要である。清浄プロセスの実施に要する時間または清浄プロセス間の時間の短縮は、より高い処理能力とより低い保有コスト（ＣＯＯ）を結果としてもたらすことになる。近代的な清浄プロセスは、チャンバの全表面にわたり均一である清浄速度を有する。しかしながら、少なくとも一部のプラズマ化学気相蒸着プロセスは、結果として、蒸着厚みの不均等な分布を有するチャンバの内部表面上の蒸着をもたらす。特に低い蒸着温度での窒化ケイ素の蒸着は、蒸着した材料の極めて不均等な厚み分布を生成するプラズマ化学気相蒸着プロセスの一例である。

プラズマ化学気相蒸着は、シリコンウエハーを処理するために、一般的に使用されている。典型的なプラズマ化学気相蒸着単一ウエハーチャンバシステム設計方法は、システム内への気体の導通を制限することにある。これは、ウエハーを横断するシステムの正味ポンピング流の方向を半径方向にするという意図をもって行なわれる。意図は、ウエハーを横断して均一な蒸着を提供することにある。大部分の市販の単一ウエハープラズマ化学気相蒸着システムは、システムのアース平面を調整し、プラズマの形状に影響を及ぼし、気体のこの半径方向導通を達成するためにセラミックスペーサを使用する。図１は、内部に配置されたプラテン１４を有するチャンバ１２を含む、全体を１０という番号で表わした先行技術のプラズマ化学気相蒸着チャンバの一例を示す。チャンバ１２の最上部にある「シャワーヘッド」１６は、気体をチャンバ１２内に導入するために使用される。当該技術分野において周知の通り、プラズマ生成装置（図示せず）を用いてプラズマが形成される。システム１０はさらに、下部セラミックスペーサ１８と上部セラミックスペーサ２０とを含む。上部セラミックスペーサ２０およびプラテン１４は、比較的小さい第１のギャップ２２を画定する。上部セラミック２０と下部セラミック１８は、円周方向ポンピングチャンバ２６に導く比較的小さい第２のギャップ２４を画定する。円周方向ポンピングチャンバは、ポンピングポートと気体導通連通状態にある。ポンピングポートは図１には示されていないが、図２には、ポンピングポート２８とウエハー取込みスロット２９とが明確に示されている。図２については、以下でさらに詳述する。ポンピングポートは、チャンバからの気体を排気してチャンバ内部で所望の圧力を維持するための好適なポンプを含む排気ラインに連結されている。したがって、気体は、チャンバから、第１のポンピングギャップ２２、第２のポンピングギャップ２４および円周方向ポンピングチャネル２６を含む流路を通じてチャンバから排気される。第１および第２のポンピングギャップ２２、２４は、比較的小さく、システムの気体導通度を減少させて、半径方向流を生成する。

本発明は、その実施形態の少なくとも一部において、上述の問題に対処する。詳細には、本発明は、その実施形態の少なくとも一部において、プラズマ化学気相蒸着プロセスに付随する清浄時間を短縮する。このことは、それ自体、処理能力の改善および保有コストＣＯＯの低下をもたらすことができる。

本発明の第１の態様によると、プラズマ化学気相蒸着装置において、
円周方向ポンピングチャネルを含むチャンバと、
チャンバ内部に配置された基板支持体と、
チャンバ内に気体を導入するための１つ以上の気体注入口と、
チャンバ内でプラズマを生成するためのプラズマ生成装置と、
チャンバ内に配置された上部および下部要素と、
を含む装置であって、
上部要素が、基板支持体から間隔を開けて配置され、プラズマを閉じ込めかつ第１の円周方向ポンピングギャップを定め、上部要素は円周方向ポンピングチャネルの半径方向内向きの壁として作用しており、
上部要素および下部要素は、半径方向に間隔を開けて配置され、円周方向ポンピングチャネルに対する入口として作用する第２の円周方向ポンピングギャップを定め、第２の円周方向ポンピングギャップが第１の円周方向ポンピングギャップよりも広い、プラズマ化学気相蒸着装置が提供される。

下部要素は、基板支持体から半径方向に間隔を開けて配置され、円周方向ポンピングチャネルの下方に配置され、この円周方向ポンピングチャネルと半径方向に重複している補助的円周方向ポンピングチャネルを定める。第１の円周方向ポンピングギャップは、補助的円周方向ポンピングチャネルへの入口として作用してよい。円周方向ポンピングギャップは、補助的円周方向ポンピングチャネルの出口として作用してよい。

下部要素は、ベース部分およびベース部分から立上る壁を含んでいてよい。下部要素の横断面は、概してＬ字形であってよい。

下部要素は、チャンバの内壁の一部分と当接するライナーであってよい。チャンバの内壁は、ライナーが上に配置される１つの段を含んでいてよい。

上部要素は、チャンバ内に垂下する壁を含んでいてよい。上部要素の壁は、上部部分と下部部分を含んでいてよい。上部部分は下部部分よりも厚くてよい。

下部要素の壁は、半径方向内向きの面を有していてよい。上部要素の壁は、半径方向外向きの面を有していてよい。下部要素の壁の半径方向内向きの面と上部要素の壁の半径方向外向きの面は、半径方向に間隔を開けて配置され、第２の円周方向ポンピングギャップを定めてもよい。

上部要素の壁は、円周方向ポンピングチャネルの半径方向内向きの壁として作用してよい。

上部および下部要素は各々、誘電体材料から形成されていてよい。上部および下部要素は各々、セラミック材料から形成されていてよい。

上部および下部要素は環状であってよい。典型的に、上部および下部要素は各々、一体的構造として提供される。ただし、原則的に、上部および下部要素の一方および両方を２つ以上の構造で提供することが可能である。上部および下部要素の各々が単体構造としてチャンバ内に配置されることが好ましいものの、上部要素と下部要素の一方または両方を、複数の別個の間隔を開けて配置された構造としてチャンバ内に配置される多重構造とすることも、原則的に可能である。

基板支持体は、基板支持体がその使用位置にある場合のレベルを画定する上部表面を有していてよい。円周方向ポンピングチャネルの少なくとも一部分が、前記レベルの上方に位置していてよい。

第２の円周方向ポンピングギャップは第２の円周方向ポンピングギャップの少なくとも２倍の幅を有していてよい。

気体注入口は、シャワーヘッドなどの任意の好適な形態で提供されてよい。当業者であれば、他の多くの構成を容易に着想するものと思われる。

プラズマ生成装置は、当業者にとって周知であるものなど、任意の好適な種類のものであってよい。好適なデバイスの一例としては、容量結合プラズマ生成装置がある。

本発明の第２の態様によると、基板を処理するためのプラズマ化学気相蒸着方法において、
本発明の第１の態様に係る装置を提供するステップと、
基板支持体上に基板を配置するステップと、
プラズマ化学気相蒸着を実施することによって基板を処理するステップであって、気体は、１つ以上の気体注入口を通してチャンバ内に導入され、第１および第２の円周方向ポンピングギャップおよび円周方向ポンピングチャネルを含む流路を介してチャンバから除去される、ステップと、
を含む方法が提供される。

気体は、３０００ｓｃｃｍ（１standard cc/minを1.69×10^-3 Pa m³/sとすると、5.07 Pa m³/sに換算される）超、好ましくは５０００ｓｃｃｍ（8.45 Pa m³/s）超、最も好ましくは７０００ｓｃｃｍ（1.183×10 Pa m³/s）超の流量でチャンバ内に導入されてよい。

基板上に窒化ケイ素を蒸着させるためにプラズマ化学気相蒸着が実施されてよい。

代替的には、基板上に二酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素または非晶質ケイ素を蒸着させるために、プラズマ化学気相蒸着が実施されてよい。

本発明によって提供される比較的高い気体導通度は、チャンバと円周方向ポンピングチャネルの間の圧力差を減少させる可能性のあることが指摘されてきた。プラズマ化学気相蒸着処理中、円周方向ポンピングチャネル内の圧力は、チャンバ内の圧力の５％以内、好ましくは４％以内であってよい。

基板は、半導体基板であってよい。基板は、シリコン基板であってよい。典型的には、シリコン基板はシリコンウエハーである。

本発明について以上で説明したが、本発明は、以上に記した、あるいは以下の明細書、図面またはクレームの範囲内の特徴の任意の発明力ある組合せまで拡大される。例えば、本発明の第１の態様に関連して記載された任意の特徴は、本発明の第２の態様に関連しても同様に開示されたものとみなされ、逆もまた同じである。

本発明に係る装置および方法の実施形態について、ここで、添付図面を参照しながら説明する。

先行技術のプラズマ化学気相蒸着装置の断面図である。 図１の装置内の窒化ケイ素の蒸着を示す図である。 本発明のプラズマ化学気相蒸着装置の断面図である。 図３の装置内の窒化ケイ素の蒸着を示す図である。 処理されたウエハー数と蒸着厚みおよび厚み不均一性の関係を示すグラフである。

図３は、内部に配置された基板支持体３４を有するチャンバ３２を含む、全体として３０で表わしたプラズマ化学気相蒸着装置を示す。基板支持体３４は、上に半導体ウエハーが配置されるプラテンであってよい。典型的には、ウエハーを収容するための下降位置とプラズマ化学気相蒸着によりウエハーを処理するための上昇使用位置との間で、プラテンを移動させることができる。図３は、上昇した使用位置にあるプラテン３４を示す。装置３０はさらに、チャンバ３２の最上部に配置されたシャワーヘッド３６を含む。シャワーヘッド３６は、所望の気体または気体混合物を気体供給システム（図示せず）からチャンバ３２内に導入することのできる複数の気体注入口を含む。典型的には、１つ以上のキャリアガスと組合せた形で１つ以上のプロセスガスを含む気体混合物がチャンバ３２に供給される。プラズマ生成装置（図示せず）を用いて、主チャンバ３２内でプラズマが作り出される。こうして、所望のプロセスにより半導体ウエハー上に材料が蒸着することになる。プラズマ化学気相蒸着プロセスおよび付随するプラズマ生成装置は、当業者には周知である。１つの実施形態において、図３に示された装置３０は、容量結合プラズマ生成装置を用いて実施可能である。装置３０はさらに、上部要素３８と下部要素４０を含む。上部および下部要素３８、４０は、各々、セラミックスペーサの形態を成している。

チャンバ３２は、第１および第２の段区分３２（ａ）、３２（ｂ）を含む。第１の段区分３２（ａ）は、Ｌ字形横断面を有する環状リング構造である下部要素４０を収容する。第２の段区分３２（ａ）は上部要素３８との組み合せにより、主円周方向ポンピングチャネルを定める。

装置のアース平面を変更すること、プラズマの形状に影響を与えること、およびプラズマから装置を保護することなどの１つ以上の公知の目的のために、セラミックスの上部および下部要素３８、４０を使用することが可能である。詳細には、上部要素３８は環状形態のものであり、ウエハーおよび基板支持体３４の最上位部分を取り囲むように配置される。上部要素は、プラズマを閉じ込めるように作用する。下部要素４０は、プラズマからチャンバ３２の壁を保護するように作用する。さらに、上部および下部要素３８、４０は、チャンバ３２から気体が排出されるにつれてそれに沿って気体が流れる流路の一部を定める。上部要素３８は、基板支持体３４から離れて配置されて第１のポンピングギャップを定める。第１のポンピングギャップ内を流れる気体は次に、補助的ポンピングチャネルとされる１つの領域４４の中に入る。補助的ポンピングチャネルは、下部要素４０とウエハー支持体３４の側方領域とによって定められる。下部要素３８の最上位部分および上部要素４０の最下位部分は、主円周方向ポンピングチャネル４２へと導く第２のポンピングチャネルを定める。主円周方向ポンピングチャンバ４２は、ポンピングポート４６と気体導通連通状態にある。ポンピングポート４６は、図４に示され、この図は同様に、ウエハー取込みポート４８をも示している。ポンピングポート４６は、好適なポンプを含む真空ライン（図示せず）に連結されている。真空ラインは、本質的に従来の構造のものであってよい。

図１の先行技術の装置と図３に示された本発明の装置とを用いて、実験を行なった。窒化ケイ素は両方のチャンバ内で蒸着される。図２は、先行技術の装置を用いた場合に記号Ｘで表わされた部域２７内に窒化ケイ素が蒸着していることを示している。図４は、本発明の装置を使用した場合に記号Ｘにより表わされた場所５０に窒化ケイ素が蒸着したことを示している。先行技術の装置が、極めて非対称的に窒化ケイ素を蒸着させていることがわかる。これとは対照的に、図３の装置では、窒化ケイ素の蒸着は、チャンバ全体にわたりはるかに均等に拡がっている。これは、本発明のチャンバ上の窒化ケイ素蒸着の厚みが削減したことの帰結である。これに比較して、先行技術の装置は、蒸着した窒化ケイ素の厚みが比較的厚い部域を発生させる。先行技術の装置で得られるより厚い蒸着の帰結は、蒸着した材料を除去するのにより長い清浄時間を要するということである。ＳｉＮ／ＳｉＮ／ＳｉＯスタックを生成するために低温「via revealビア露呈」アプリケーションを実行する実験を実施した。先行技術の装置に比べ、本発明の装置は清浄時間を７２０秒から１３０秒に短縮することがわかった。これは、その帰結として実質的な処理能力の改善をもたらす。同様に、図２に示されている非対称的蒸着パターンのさらなる帰結として、比較的薄い蒸着層を有する部域が過度に清浄されることになるということも指摘される。

一定範囲のプロセスレシピを用いた窒化ケイ素および酸化ケイ素のプラズマ化学気相蒸着についてのプロセスパラメータおよび膜特性に対する本発明の効果を調査するためにも同様に、実験を実施した。一定数の直径３００ｍｍのシリコンウエハー基板を用いて、実験を実施した。表１は、重要な誘電体膜特性を示す。本発明を用いて得た膜の特性が、先行技術の装置を用いて得た等価の膜と比べてはるかに優れていることがわかる。実際、先行技術の装置および本発明の装置を用いて得られた測定上の特性は、測定のための関連するエラーバンドの範囲内で一致している。同様に、両方の種類の装置で同一のＮＦ₃清浄レシピを用いて、終点信号（プラズマ内の励起されたフリーラジカルフッ素種の光学的測定）とＤＣバイアス信号のプロファイルが非常に類似していることがわかった。さらに、本発明の装置は、Ｃ₃Ｆ₈／Ｏ₂清浄の電気および光学特性に対しても全く影響を及ぼさないことがわかった。

表２は、表１の先行技術の装置および表３の本発明の装置の主チャンバおよび円周方向ポンピングチャンバ内の測定上の圧力を示す。先行技術の装置が、主チャンバと円周方向ポンピングチャンバの間で有意な圧力差を発生させることがわかる。このことは、円周方向ポンピングチャネル２６に導く制限されたポンピングギャップ２２、２４の観点から、理論的に容易に説明がつく。以上で説明した通り、これは、ウエハーを横断する半径方向流を達成する目的で気体導通を削減するために意図された恣意的な設計上の特徴である。これとは対照的に、本発明は、チャンバと円周方向ポンピングチャネルの間にはるかに削減された圧力差を提供する。現在のところ、ウエハーを横断する流れが半径方向であるか否かは確認されていない。何らかの特定の理論または推測によって制限されることは望まないが、それは、間隔を開けて配置された上部および下部要素３８、４０により画定されたより大きい第２のポンピングギャップの観点から見て理論的に説明できると考えられている。補助的円周方向ポンピングチャンバ４４の体積および／または流路が、１つの役割を果たしていることも同様に可能である。たとえ本発明の場合に気体導通度がより高いものであるにせよ、先行技術の装置および本発明の装置の両方のチャンバ内の絶対圧力はプラズマ化学気相蒸着プロセス中同じであったことが指摘される。これは、排気ライン上の絞り弁を制御することによって達成された。

図５は、図３の装置を用いて得た典型的なビア露呈ＳｉＮ／ＳｉＯ₂スタックについてのウエハー間膜厚を示す。清浄は、連続するウエハー処理の間に実施された。図５では、菱形記号５２はＳｉＯ₂膜に関し、正方形記号５４は窒化ケイ素蒸着膜に関し、三角形記号５６はスタック全体の厚みに関するものである。図５は同様に、スタック全体の不均一性をも示す。Ｘ記号５８は、スタック不均一性データを意味する。本発明の装置が優れた膜特性を示すことがわかった。

本発明は、高い気体流量を有するプラズマ化学気相蒸着プロセスと併用した場合に極めて優れた結果を提供すると考えられている。しかしながら、本発明は、高流量プロセスに限定されるものではない。本発明が提供する有利な効果は、使用される明確なプロセスレシピに限定されるものとは考えられていない。反対に、本発明は、酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素および非晶質ケイ素などの広範囲の蒸着材料を提供するために、広範囲の蒸着レシピに対し利用可能であると考えられる。

Claims (17)

1. プラズマ化学気相蒸着装置において、
   チャンバと、
   チャンバ内に配置される基板支持体と、
   チャンバ内に気体を導入するための１つ以上の気体注入口と、
   チャンバ内でプラズマを生成するためのプラズマ生成装置と、
   チャンバ内に配置される上部要素および下部要素と、
   を含み、
   上部要素の半径方向内面と、基板支持体の側面は、チャンバの半径方向において第１の距離だけ間隔をあけて配置され、この間隔が第１の円周方向ポンピングギャップを定め、
   上部要素は、主円周方向ポンピングチャネルの半径方向内側を区切る、半径方向外側に向いた表面を有し、
   下部要素は、チャンバの半径方向において基板支持体の側面に向き、該側面に間隔をあけて配置され、これによってチャンバの補助円周方向ポンピングチャネルを区切り、この補助円周方向ポンピングチャネルは主円周方向ポンピングチャネルの下方であってチャンバの半径方向において重なるように配置され、第１の円周方向ポンピングギャップは補助円周方向ポンピングチャネルへの入口を構成し、
   上部要素の最下部および下部要素の最上部は、半径方向に第２の距離だけオフセットして、主円周方向ポンピングチャネルへの入口と補助円周方向ポンピングチャネルの出口の両方を構成する第２周方向ポンピングギャップを定め、
   第２の距離が第１の距離よりも大きく、
   基板支持体上に基板を配置し、
   主円周方向ポンピングチャネルの半径方向内側に配置されたチャンバのプロセス領域に１以上の気体注入口から気体を導入し、
   気体を励起してプラズマを形成し、
   プラズマを使用して基板に材料を堆積し、
   第１の周方向ポンピングギャップ、補助円周方向ポンピングチャネル、第２の円周方向ポンピングギャップ、主円周方向ポンピングチャネルを介して、チャンバのプロセス領域内のガスを装置から除去する、
   プラズマ化学気相蒸着装置。
2. 前記下部要素がベース部分およびベース部分から立上る壁を含む、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
3. 前記下部要素の横断面が概してＬ字形である、ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
4. 前記下部要素がチャンバの内壁の一部分と当接するライナーである、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
5. 前記上部要素がチャンバ内に垂下する壁を含む、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
6. 前記上部要素の壁が上部部分と下部部分を含み、上部部分が下部部分よりも厚い、ことを特徴とする請求項５に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
7. 前記上部要素および前記下部要素がそれぞれ誘電体材料から形成されている、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
8. 前記上部要素および前記下部要素がそれぞれセラミック材料から形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
9. 前記上部要素および前記下部要素が環状である、ことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
10. 前記基板支持体は、該基板支持体がその使用位置にある場合のレベルを定める上部表面を有し、円周方向ポンピングチャネルの少なくとも一部分が前記レベルの上方に位置している、ことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
11. 前記第２の円周方向ポンピングギャップが前記第１の円周方向ポンピングギャップの少なくとも２倍の幅を有する、ことを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のプラズマ化学気相蒸着装置。
12. 基板を処理するためにプラズマ化学気相蒸着を実施する方法において、
    請求項１に記載の装置を提供するステップと、
    少なくとも１つの基板支持体上に基板を配置するステップと、
    プラズマ化学気相蒸着を実施することによって基板を処理するステップであって、気体は、１つ以上の気体注入口を通してチャンバ内に導入され、第１および第２の円周方向ポンピングギャップおよび円周方向ポンピングチャネルを含む流路を介してチャンバから除去される、ステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
13. 気体が、３０００ｓｃｃｍ（5.07 Pa m3/s）超、好ましくは５０００ｓｃｃｍ（8.45 Pa m3/s）超、最も好ましくは７０００ｓｃｃｍ（1.183×10 Pa m3/s）超の流量でチャンバ内に導入される、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 基板上に窒化ケイ素を蒸着させるためにプラズマ化学気相蒸着が実施される、ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 基板上に二酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素または非晶質ケイ素を蒸着させるためにプラズマ化学気相蒸着を実施する、ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の方法。
16. プラズマ化学気相蒸着処理中、円周方向ポンピングチャネル内の圧力がチャンバ内の圧力の５％以内、好ましくは４％以内である、ことを特徴とする請求項１２〜１５の何れか一項に記載の方法。
17. 基板が、シリコン基板などの半導体基板である、ことを特徴とする請求項１２〜１６の何れか一項に記載の方法。

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