JP7023665B2 - 基板処理装置、基板の処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば半導体ウエハなどの基板の処理に用いられる基板処理装置と、その基板処理装置を用いた基板の処理方法に関する。
特許文献１には、ガス拡散板の開口を経由してプロセスガスを処理空間に供給する基板処理装置が開示されている。
米国特許第９，１２３，５１０号明細書
ステージに支持された基板に対し、ステージの上方からクリーニングガス又は成膜ガス等を供給して当該基板に処理を施すことがある。この場合、ステージの上方から供給したガスがステージの下に回りこまないように、ステージの下部エリアにＨｅ又はＡｒ等の不活性ガスを流すことがある。このステージの下部エリアに流すガスはシールガスと呼ばれることがある。ステージの上方から供給するガスの流量が増えると、シールガスの流量も増やさなければならない。
シールガスの流量を増やすと、ステージの下部エリアで放電が発生する。また、シールガス流量を調整して生成膜のプロファイルをコントロールする場合にも、同様に、ステージの下部エリアで放電が発生する問題が生じていた。プラズマＣＶＤを行う場合、基板処理装置による成膜を高速化するためにＲＦ電力を高めることがある。ＲＦ電力を高めるとステージの下部エリアでの放電マージンが狭くなる。つまり、放電しやすくなる。よって、ステージの下部エリアでの放電を抑制することができる基板処理装置と基板の処理方法が求められていた。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ステージの下部エリアでの放電を抑制できる基板処理装置と、基板の処理方法を提供することを目的とする。
本願の発明に係る基板処理装置は、チャンバと、該チャンバの中に設けられたステージと、複数のスリットが形成され、該ステージに対向するシャワーヘッドと、該複数のスリットを経由して該ステージと該シャワーヘッドの間に、第１ガスを供給する第１ガス供給部と、該ステージの下方に希ガスではない第２ガスを供給する第２ガス供給部と、を備え、該第１ガスは成膜に用いられるガスを含み、該第２ガスは、該第１ガスが複数種類のガスの混合ガスである場合には該混合ガスを構成するガスの１つと同じガスであり、該第１ガスが単一のガスである場合には該第１ガスと同じガスであることを特徴とする。
本願の発明に係る基板の処理方法は、シャワーヘッドの複数のスリットを介して該シャワーヘッドとチャンバの中のステージとの間に第１ガスを供給しつつ、該ステージの下方に希ガスではない第２ガスを供給した状態で、該シャワーヘッドに高周波を印加することで、該ステージの上の基板にプラズマ処理を施す処理工程を備え、該第１ガスは成膜に用いられるガスを含み、該第２ガスは、該第１ガスが複数種類のガスの混合ガスである場合には該混合ガスを構成するガスの１つと同じガスであり、該第１ガスが単一のガスである場合には該第１ガスと同じガスであることを特徴とする。
本発明によれば、ステージの下部エリアに希ガスよりも放電が起こりにくいガスを供給するので、ステージの下部エリアでの放電を抑制できる。
実施の形態に係る基板処理装置の断面図である。 基板を処理しているときのガスの流れを示す図である。 第２ガスと放電の有無の関係をまとめた表である。 膜プロファイルを示す図である。 第１ガスの流量と成膜均一性の関係を示す図である。
本発明の実施の形態に係る基板処理装置と基板の処理方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態．
図１は、実施の形態に係る基板処理装置の断面図である。この基板処理装置はチャンバ（Reactor Chamber）１２を備えている。チャンバ１２の中にはステージ１６が設けられている。ステージ１６は例えばヒータが内蔵されたサセプタである。ステージ１６は滑動シャフト１８に支持されている。ステージ１６は接地されている。このステージ１６の上方にステージ１６と対向するシャワーヘッド１４が設けられている。シャワーヘッド１４には複数のスリット１４ａが形成されている。シャワーヘッド１４は複数のスリット１４ａにつながる拡散空間１４ｂを提供している。ステージ１６とシャワーヘッド１４で平行平板構造が形成されている。
チャンバ１２の側面にはガス排気部２４が設けられている。ガス排気部２４は、成膜に使用された材料ガス等を排気するために設けられている。そのため、ガス排気部２４には真空ポンプが接続される。
ステージ１６は、平面視でステージ１６を囲む形状を有する排気ダクト３０に囲まれている。排気ダクト３０は例えばセラミックで形成されている。排気ダクト３０とシャワーヘッド１４の間には適度に圧縮されたＯリング３２が設けられている。排気ダクト３０とチャンバ１２の間には適度に圧縮されたＯリング３４が設けられている。排気ダクト３０には２つの役割がある。第１の役割は、電力が印加されるシャワーヘッド１４とＧＮＤ電位のチャンバ１２とを電気的に分離することである。第２の役割は、チャンバ１２に供給されたガスをガス排気部２４に導くことである。
シャワーヘッド１４には絶縁部品２０を介してトランスポートチューブ４０が接続されている。トランスポートチューブ４０はｚ方向すなわち略鉛直方向に伸びる管である。トランスポートチューブ４０はスリット１４ａの上の拡散空間１４ｂにつながる略鉛直方向の流路を提供するものである。
トランスポートチューブ４０の上端にはリモートプラズマユニット４２が設けられている。リモートプラズマユニット４２には、チャンバ１２等のクリーニングに用いるクリーニングガスを供給するガス源４４、４６が接続されている。ガス源４４、４６からリモートプラズマユニット４２に供給されたガスは、リモートプラズマユニット４２によってプラズマ状態とされることで反応種（reactive species）となる。この反応種がチャンバ１２等のクリーニングに利用される。
トランスポートチューブ４０の側面に、トランスポートチューブ４０に対して略垂直にガス供給ライン５０が接続されている。ガス供給ライン５０は、トランスポートチューブ４０の中の空間４８につながる流路５１を提供するものである。ガス供給ライン５０にはマスフローコントローラ（以後ＭＦＣという）５２が接続されている。そして、ＭＦＣ５２にはガス源５４、５６が接続されている。ガス源５４、５６は成膜に用いる材料ガスを供給するものである。ガス源５４、５６は例えばＯ２ガスとＴＥＯＳガスを提供する。ガス源５４、５６のガスがＭＦＣ５２によって圧力制御されてガス供給ライン５０の流路５１に提供され、流路５１内をほぼ水平方向に進み、トランスポートチューブ４０の空間４８に至る。
トランスポートチューブ４０の側面にはＲＰＵ（Remote Plasma Unit）ゲートバルブ６２が接続されている。ＲＰＵゲートバルブ６２は、リモートプラズマユニット４２とチャンバ１２を遮断しクリーニングガスが材料ガスに混合することを防止するために設けられている。
チャンバ１２の底部１２Ａにはガス供給管７０が接続されている。ガス供給管７０にはＭＦＣ７２が接続されている。ＭＦＣ７２にはガス源７４が接続されている。ガス源７４は例えばＯ２ガスを提供する。ガス源７４のガスは、ＭＦＣ７２によって圧力制御されてガス供給管７０を経由し、ステージ１６の下部エリアに供給される。なお、ガス供給管７０は、チャンバ１２の底部１２Ａに複数設けてもよいし、滑動シャフト１８のすぐ横に設けてもよい。
複数のスリット１４ａを経由してステージ１６とシャワーヘッド１４の間に供給されるガスを第１ガスという。第１ガスを供給する第１ガス供給部は、本実施の形態においてはＭＦＣ５２である。他方、ガス供給管７０を経由してステージ１６の下方に供給されるガスを第２ガスという。第２ガスを供給する第２ガス供給部は、本実施の形態においてはＭＦＣ７２である。
次に、本発明の実施の形態に係る基板処理装置を用いた基板の処理方法を説明する。図２は、基板を処理しているときのガスの流れを示す図である。本発明の実施の形態に係る基板の処理方法では、まず、ステージ１６に基板８０をのせる。基板８０は例えばＳｉウエハであるが、他の被処理物でもよい。次いで、基板８０にプラズマ処理を施す処理工程を実施する。処理工程では、ＭＦＣ５２からスリット１４ａを介してシャワーヘッド１４とステージ１６との間に第１ガスを供給しつつ、ＭＦＣ７２からガス供給管７０を経由してステージ１６の下方に第２ガスを供給した状態で、シャワーヘッド１４に高周波を印加する。これにより、基板８０にプラズマ処理を施す。
図２には矢印で第１ガスの流れが示されている。基板８０の処理に利用された第１ガスは基板８０の上を放射状に水平方向に進み排気ダクト３０の中に入る。図２の破線矢印は第２ガスの流れを示す。第２ガスはステージ１６下方からステージ１６と排気ダクト３０の間をとおって排気ダクト３０の中に入る。こうして、第１ガスと第２ガスは排気ダクト３０をとおってガス排気部２４からチャンバ１２の外へ排気される。
本発明の実施の形態では、ＭＦＣ５２でＯ２とＴＥＯＳの混合ガスが生成され、その混合ガスが第１ガスとして、基板８０の上に供給される。また、ＭＦＣ７２で圧力制御されたＯ２ガスが第２ガスとしてステージ１６の下方に供給される。よって、第１ガスは２種類のガスの混合ガスであり、その混合ガスを構成するガスの１つであるＯ２ガスを、第２ガスとして採用した。第１ガスがステージ１６の下方に回りこまないようにするためには、第１ガスと第２ガスの割合は１０：１～５０：１とすることが好ましい。
第２ガスには、第１ガスがステージ１６の下に回りこむことを抑制するシールガスとして機能することと、ステージ１６の下部エリアでの放電を抑制することが求められる。
図３は、第２ガスと放電の有無の関係をまとめた表である。上記の基板処理装置において、第２ガスとしてＡｒ、Ｈｅ、Ｏ２を採用した場合の放電のしやすさを比較した。ここでは、第１ガスとして、Ｏ２ガスとＴＥＯＳをそれぞれ２７．０［slpm］と３３[g/min]の流量で提供した。シャワーヘッド１４とステージ１６のギャップは８．４ｍｍとした。第２ガスの流量を０．２０～７．００[slpm]まで変化させた。この条件下で、ステージ１６の下の領域における放電有無の検査を、シャワーヘッド１４にＨＲＦ１６００ＷとＬＲＦ８４０Ｗを印可することでステージ１６とシャワーヘッド１４の間にプラズマを生成した状態で行った。
第２ガスとして、３．００[slpm]以上の流量のＡｒを流すとステージ１６の下部エリアにおいて放電が発生してしまう。また、第２ガスとして５．００[slpm]以上の流量のＨｅを流すとステージ１６の下部エリアにおいて放電が発生してしまう。これに対し、本発明の実施の形態では第２ガスとしてＯ２ガスを使用したので、７．００[slpm]まで流量を高めても放電は生じない。よって、本発明の実施の形態に係る基板の処理方法では、第２ガスの流量を高めて第１ガスがステージ１６の下に回りこまないようにしつつ、ステージ１６の下部エリアでの放電を抑制できる。ステージ１６の下部エリアでの放電を抑制することで、プラズマのロスを回避し、ステージ１６とシャワーヘッド１４の間でのみプラズマを生成できる。
図４は、本発明の実施の形態に係る基板の処理方法で形成した膜の膜プロファイルを示す図である。この膜プロファイルは、第１ガスに含まれるＯ２ガスとＴＥＯＳの流量をそれぞれ２７．０[slpm]と３３[g/min]で固定としつつ、第２ガスとして供給するＯ２ガスの流量を０．２～６[slm]まで変化させて得たものである。ＨＲＦ１６００ＷとＬＲＦ８４０Ｗを印加することでステージ１６とシャワーヘッド１４の間にプラズマを生成した。第２ガスの流量が０．２～１．５[slm]程度と少ない場合には、膜プロファイルは凹傾向となった。つまり基板の中央部よりも、当該中央部を囲む環状部で膜厚が大きくなる。他方、第２ガスの流量が３～６[slm]程度と多い場合には膜プロファイルは凸傾向となった。つまり基板の中央部よりも、当該中央部を囲む環状部で膜厚が小さくなる。第２ガスの流量を増やすと、基板の中央部直上における流速が落ちて、当該中央部における成膜が進むものと考えられる。
したがって、本発明の実施の形態にかかる基板の処理方法によれば、ステージ１６の下部エリアでの放電を抑制しつつ、第２ガス流量を増やしたり減らしたりすることで膜プロファイルをコントロールできる。
図５は、第１ガスの流量と成膜均一性の関係を示す図である。図５のデータは、第２ガスとして使用したＯ２ガスの流量を固定して、第１ガスとして使用したＯ２ガスの流量を変化させて得た。図５の縦軸のUniformityは基板面内の成膜均一性を表す。Uniformityは、複数の測定ポイントのうち最大の膜厚をmaxとし、複数の測定ポイントのうち最小の膜厚をminとし、複数の測定ポイントの膜厚の平均値をaveとしたときに、
((max-min)/ave)×５０
で定義される。したがってuniformityは小さい値となることが好ましい。図５から、第１ガスの流量を変化させることで、uniformityが変化することが分かる。したがって、第１ガスの流量として最適な流量を選択することでuniformityをコントロールできる。図５からは、第１ガスの流量として20[slpm]を選択することで最小のuniformityを得られることが分かる。
図４、５から、第１ガスと第２ガスの流量を調整することにより基板に成膜される膜のプロファイルコントロールが可能であることが分かった。したがって、処理工程では、基板８０の中央部で中央部を囲む環状部よりも膜厚が大きくなる成膜又は、中央部で環状部よりも膜厚が小さくなる成膜を施すことが可能である。なお、当然ながら、第１ガスと第２ガスの流量を両方変化させることで、所望の膜プロファイルを得ることもできる。
本発明の実施の形態に係る基板処理装置と基板の処理方法は、様々な変形をなしうるものである。例えば、第２ガスとしてＯ２ガス以外のガスを使用してもよい。第２ガスは、第１ガスが複数種類のガスの混合ガスである場合には混合ガスを構成するガスの１つと同じガスとし、第１ガスが単一のガスである場合には第１ガスと同じガスとする。そうすることで、第２ガスがプロセスに影響を与えることを回避できる。
第２ガスが分解されやすいガスである場合、ステージ１６の下部エリアでの放電が起こると考えられる。そのため、第２ガスは希ガス以外のガスとする必要がある。例えば、電気陰性度の高いガスを第２ガスとして選択したり、Ｎ２ガスなどの３重結合を有するガスを選択したりすることで、ステージ１６の下部エリアでの放電を抑制できると考えられる。例えば、第１ガスにＮ２ガスが含まれる場合は第２ガスとしてＮ２ガスを利用し、第１ガスにＴＥＯＳが含まれる場合は第２ガスとしてＴＥＯＳを利用し、第１ガスにシランが含まれる場合は第２ガスとしてシランを利用することでステージ１６の下部エリアでの放電を抑制できる。その他の、希ガスと比べて分解されにくいガスを第２ガスとして用いてもよい。
本発明の実施の形態に係る基板の処理方法で膜厚が１μｍの膜を形成する場合と、膜厚が５μｍの膜を形成する場合とでは、膜プロファイルが異なる。膜厚にかかわらず所望の膜プロファイルを得るために、処理工程で、第２ガスの流量を経時変化させたり、第１ガスの流量を経時変化させたりしてもよい。このような流量の経時変化による膜質の変化はない。上述のとおり第１ガスと第２ガスの流量を変えることで膜プロファイルをコントロールできるので、処理工程で第２ガスの流量を経時変化させたり、第１ガスの流量を経時変化させたりすることで、第１膜厚の膜プロファイルと、第１膜厚より厚い第２膜厚の膜プロファイルを略一致させることができる。
処理工程における処理は成膜に限定されない。処理工程ではプラズマを用いたあらゆる処理を施すことができる。例えば、処理工程において基板表面を改質してもよい。
１２ チャンバ、 １４ シャワーヘッド、 １６ ステージ、 ５２，７２ ＭＦＣ

Claims (11)

  1. チャンバと、
    前記チャンバの中に設けられたステージと、
    複数のスリットが形成され、前記ステージに対向するシャワーヘッドと、
    前記複数のスリットを経由して前記ステージと前記シャワーヘッドの間に、第１ガスを供給する第１ガス供給部と、
    前記ステージの下方に希ガスではない第２ガスを供給する第２ガス供給部と、を備え、
    前記第１ガスは成膜に用いられるガスを含み、
    前記第２ガスは、前記第１ガスが複数種類のガスの混合ガスである場合には前記混合ガスを構成するガスの１つと同じガスであり、前記第１ガスが単一のガスである場合には前記第１ガスと同じガスであることを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記第２ガスはＯ２、Ｎ２、ＴＥＯＳ又はシランであることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記第１ガスはＯ２とＴＥＯＳの混合ガスであり、前記第２ガスはＯ２であることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  4. 平面視で前記ステージを囲む形状を有し、前記第１ガスと前記第２ガスを前記チャンバの外へ排気する排気ダクトを備えたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  5. シャワーヘッドの複数のスリットを介して前記シャワーヘッドとチャンバの中のステージとの間に第１ガスを供給しつつ、前記ステージの下方に希ガスではない第２ガスを供給した状態で、前記シャワーヘッドに高周波を印加することで、前記ステージの上の基板にプラズマ処理を施す処理工程を備え、
    前記第１ガスは成膜に用いられるガスを含み、
    前記第２ガスは、前記第１ガスが複数種類のガスの混合ガスである場合には前記混合ガスを構成するガスの１つと同じガスであり、前記第１ガスが単一のガスである場合には前記第１ガスと同じガスであることを特徴とする基板の処理方法。
  6. 前記第２ガスはＯ２、Ｎ２、ＴＥＯＳ又はシランであることを特徴とする請求項５に記載の基板の処理方法。
  7. 前記第１ガスはＯ２とＴＥＯＳの混合ガスであり、前記第２ガスはＯ２であることを特徴とする請求項５に記載の基板の処理方法。
  8. 前記第１ガスと前記第２ガスは、平面視で前記ステージを囲む形状を有する排気ダクトをとおって前記チャンバの外へ排気され、
    前記第１ガスと前記第２ガスの割合は１０：１～５０：１であることを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載の基板の処理方法。
  9. 前記処理工程では前記第２ガスの流量を経時変化させることを特徴とする請求項５～８のいずれか１項に記載の基板の処理方法。
  10. 前記処理工程では前記第１ガスの流量を経時変化させることを特徴とする請求項５～８のいずれか１項に記載の基板の処理方法。
  11. 前記処理工程では、前記基板の中央部で前記中央部を囲む環状部よりも膜厚が大きくなる成膜又は、前記中央部で前記環状部よりも膜厚が小さくなる成膜を施すことを特徴とする請求項５～１０のいずれか１項に記載の基板の処理方法。
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