JPS6337495B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体ウエーハのプラズマエンハンス
トケミカルヴエーパ処理（plasma enchanced
chemical vapor processing、以下PECV処理と
いう）に関し、特にウエーハ表面の膜ないしは層
（例えば、窒化シリコン（silicon nitride）、２酸
化シリコン（silicon dioxide）ポリシリコン
（polysilicon）、金属等の膜）のエツチングまた
はデポジツテング技術に関する。

目下のところ、半導体ウエーハのPECV処理は
反応器のタイプによつて２種類に分類される。一
方はバレル形の反応器（barrel reactor）を用い
てPECV処理を行う方式であり、他方はプレーナ
形の反応器（planar reactor）を使用する方式で
ある。

バレル形反応器は、膜（シリコン、ポリシリコ
ン、窒化シリコン等）のプラズマエツチング処理
用としてのみ適用される。バレル反応器はプレー
ナ反応器より高い単位時間当りのウエーハ処理能
力を有する。反応器の大きさにもよるが、単一バ
ツチで最大限50個までのウエーハを処理できる。
バレル反応器でのエツチングは「等方的
（isotropic）」に行なわれる。すなわちエツチン
グは全方向にわたつて等しい速度でなされる。こ
のエツチングは、常に「有孔性導体（perforated
conductor）」の内部、すなわち電界とイオンが
存在しないエツチトンネル内にて行なわれる。フ
リーラジカル（free radicals）が膜をエツチン
グする働きを坦う。ウエーハのエツチング処理ラ
インはウエーハ深内部では拡がる。バレル反応器
の場合には、ウエーハの主要な面の法線方向が、
水平配置されたチユーブ状の包囲体（材質として
水晶等が用いられる）の長軸方向と一致するよう
にして、ウエーハを水平な包囲体の軸にセツトす
る。チユーブ状の包囲体の外側に配置した電極に
電圧を印加することにより、エツチトンネルを囲
む還状領域にプラズマ放電がなされる。放電によ
りつくられた化学的に活性な生成物はエツチトン
ネルに設けた孔を通り抜けてウエーハの主要面に
て反応してウエーハをエツチングする。

バレル反応器がプラズマエツチングにしか用い
られないのに対し、プレーナ反応器の用途は広
い。プレーナ反応器はアルミニウムのエツチング
に適しており、ことにシリコン表面の配化膜のエ
ツチングに適しており、ことにシリコン表面の配
化膜のエツチングに適しているほか、酸化されや
すいフオトレジスト膜の除去にも適している。さ
らに、プレーナ反応器は、窒化シリコン、酸化シ
リコン、ポリシリコン等の膜をデポジツトするの
にも利用されている。プレーナ反応器の場合に
は、ウエーハは、１対の水平な容量性プレート
（電極）間に生じるプラズマグロー放電領域のと
ころにじかに配置されるため、常時電子とイオン
にさらされることになる。（プレート間の）電界
の方向性のために「異方性（anisotropic）」の強
いエツチング処理がなされる。バレル反応器にお
ける等方性エツチングとは異なり、ウエーハの処
理ライン（etched lines）はウエーハ深内部にお
いても拡がらない。プレーナ反応器では収容でき
るウエーハの数はバレル反応器より少ない。しか
し、プレーナ反応器のほうがウエーハを取り扱う
上で自動化の程度を上げることが可能であり、オ
ペレータの操作はほとんど不要にできるから処理
量を増やすことができる。

いままでのところ、グロー放電でつくられる反
応用の蒸気生成物（Vapor species）のライフタ
イムが短かい理由から、半導体ウエーハ膜を「デ
ポジツト」させるのに用いられている反応器は、
（放電領域にウエーハをじかに配置するようにし
た）プレーナ形のものだけである。蒸気生成物の
ライフタイムが短かいということが、ウエーハを
直立させて装着する水平なチユーブ状反応器（バ
レル形反応器）では、パシベーシヨン膜（例えば
窒化シリコン）を「均一」にデポジツトさせるこ
と（均一なデポジシヨンは実用上重要な問題であ
る）ができないということの主な原因となつてい
る。

バレル形のプラズマ反応器では、プラズマ発生
用の電力供給は、外部コイルによつて誘導的に結
合させる方式（誘導方式）か、反応チエンバの外
部に設けたプレートによつて容量的に結合させる
方式（容量方式）かのいずれかによつて行なわれ
る。したがつてバレル形の反応器の場合には、電
磁フイールド密度は、反応器の径方向の位置によ
つて大きく異なるため、直立配置されるウエーハ
のデポジシヨン層の厚さには大きなバラツキが生
じる。これに対し、プレーナ形反応器の場合に
は、ウエーハは反応領域と容量的に結合した２つ
のプレートの一方の上にのせられるため、フイー
ルド密度はかなり均一になる。したがつてフイー
ルド密度を制御することができる。フイールド密
度が均一であれば、広い表面にわたつて膜を「均
一」にデポジツトするのが容易になる。

今日、窒化膜のプラズマデポジシヨン用とし
て、プレーナ反応器（最大直径60cmのものまであ
る）が広く使用されている。

窒化シリコンをデポジツトするプレーナプラズ
マ反応器については、1978年１月３日に付与され
た米国特許第4066037号に開示されている。また、
半導体ウエーハのプラズマ処理に関する技術の状
況についてはSolid State Technolgy（1978年４
月、PP・89−132）に記載されている。

本発明の主目的は、半導体ウエーハ処理用の改
良したPECV処理方法および装置を提供すること
である。

本発明の一つの特徴は、すだれ状の第１の組と
第２の組の電極を、真空引き可能なチエンバ（反
応器チエンバ）内に配置して、隣り合う電極（第
１の組の電極の任意のひとつとこれに隣接する第
２の組の電極のひとつ）間の空間が、電気的なプ
ラズマ放電が行なわれる処理ギヤツプを構成する
ようにし、以て処理領域に収容できるウエーハ
（これらのウエーハはプラズマ放電を介して生成
された蒸気生成物にじかに接触してデポジツトあ
るいはエツチングがなされる）の個数を増大せし
めたことである。

本発明の他の特徴は、PECV処理装置の構成部
品である真空引き可能な、細長いチユーブの形状
の包囲体を炉内部に水平に取り付けて、装置内部
の処理用ウエーハの温度を上げるようにしたこと
である。

さらに他の特徴は、前述のすだれ電極を、処理
用の半導体ウエーハの主要基板材料とほぼ等しい
導電率を有する材料でコーテイングないしライニ
ングする（好ましくはライニング材料を処理用ウ
エーハと同じ導電タイプ（ウエーハがＰ形ならラ
イニングもＰ形、Ｎ型ならＮ形というように）の
ものにする）ことによつて、均一な処理がなされ
るようにしたことである。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

第１図と第２図には、本発明の特徴を具備する
ところの、半導体ウエーハ処理用のPECV処理装
置１１を示してある。処理システム１１は、細長
いチユーブ状の真空引き可能な包囲体１２（例え
ば水晶製）を含む。包囲体１２の内径は155mm。
チユーブ状包囲体１２の両端には、フランジ１３
と１４をそれぞれ形成してあり、エンドキヤツプ
１５と１６にそれぞれ適合するようにしてある。
ゴム製のＯ―リング１７と１８によつてエンドキ
ヤツプ１５，１６とチユーブ状包囲体のフランジ
１３，１４との間の気密が保たれる。

チユーブ状包囲体１２には、３つの抵抗加熱素
子１９，２１，２２が巻かれている。抵抗加熱素
子は、サーマルコントローラ２３からの電流供給
によつて所望の温度に加熱される。図示していな
いが、包囲体内には熱電対を配置してあり、包囲
体の温度を検出するようになつている。サーマル
コントローラ２３の出力電流を調整することによ
つて包囲体１２の所望温度が得られる。加熱素子
はアスベスト等の熱絶縁用のジヤケツト２４にて
保護されている。サーマルコントローラ２３と、
加熱素子と、熱保護用ジヤケツトとによつて炉を
構成している。このような炉としては、カリフオ
ルニア州のSanta CruzにあるMel Pat社から販
売されているデイフユージヨン炉が使用できる。

第１の組と第２の組によつてすだれを形成する
細長い平板電極２５と２６（第１〜４図）は、細
長いチユーブ状包囲体１２の内部中央に配置され
ており、隣り合う電極２５と２６とのすき間に、
多数の処理ギヤツプ２７を規定している。代表的
には、合計７つの電極２５，２６がすだれ状に配
置されており、処理用ギヤツプの数は６つとな
る。電極はグラフアイト（黒鉛）が使用できる。

第１組の電極２５の各電極は、ねじ２８によつ
て互に接続されている。すなわち、ねじ２８は、
電極２５の内部を通つており（第３図参照）、第
１組の全ての平板電極２５の開孔３１を貫通して
いる連結用の導体ロツド２９（例えばステンレス
製）と電気接触している。第４図に示すように、
平板電極２５と２６の４つのすみに連結ロツド２
９が設けられている。第３図に示すように、隣り
合う電極２５と２６の間には、絶縁スリーブ３２
（例えば水晶製）がロツド２９に同心的に装着さ
れて、隣接電極間スペース（例えば14.3mm）を維
持する。

第１組の電極２５と第２組の電極２６とを互に
絶縁するために、連結ロツド２９が絶縁側の電極
２６を貫通するところには円筒状スリーブ３５
（例えば水晶製）が装着される。ロツド２９のね
じ付の両端部にナツト３６を係合させることによ
りすだれ電極は強固に固定される。ロツド２９と
絶縁されるほうの電極に設けた開孔３７は、ロツ
ド２９に接続されるほうの電極に設けた開孔より
大きくしてあり、この開孔３７を利用して絶縁ス
リーブ３５を取り付ける。

処理用の半導体ウエーハ３８は、一方の主面が
電極２５（または２６）に隣接するようにし、他
方の主面が処理ギヤツプ２７のほうを向くように
配置する。ウエーハ３８を電極２５と２６に装着
するやり方（第４〜６図）については後述する。

第１と第２の組から成るすだれ状電極２５と２
６は高周波電源４１に接続される。電源供給ライ
ンがエンドキヤツプ１５を貫通するところには絶
縁処理４２をほどこしている。第７図ａに示すよ
うに電極の一方（例えば２５）が正電圧のときは
他方の電極は負に印加される。電力波形は第７図
ｂのようになる。高周波電源４１の代表的な周波
数は450KHz。

チユーブ状包囲体すなわちチエンバ１２は、ル
ーツブロワ４７と機械式真空ポンプ４８にて真空
引きされる。チエンバ１２内のガスはエンドキヤ
ツプ１５の中央に形成した排出口４９を出て排出
管５１を経てブロワ４７に送られる。排出管５１
には粒子フイルタ５２が挿入されており、これに
よつて微粒子の補獲を行うとともに逆流によつて
真空ポンプ４８やルーツブロワ４７からオイル等
の汚染源がチエンバ１２に入るのを防止する。な
お、チエンバ１２の内部圧力は排出管５１に設け
た真空ゲージ５３により監視される。排出管５１
に挿入したバルブ５４の開閉にて処理装置１１と
ポンプ４７，４８との連通、しや断が行なわれ
る。

PECV処理装置で使用するガスは、管６２およ
び流量コントローラ６３を介してチエンバ１２に
つながつているボトル６１内にたくわえられる。
流量コントローラ６３から出たガスはマニホール
ド６４と６５を通り、ついで径方向に沿つてエン
ドキヤツプ１６に形成した通路６６と６７を通
り、エンドキヤツプ中央のリセス６８に供給され
る。使用時には、ガスの蒸気成分はチエンバ（チ
ユーブ）１２の軸方向に沿つて移動し、すだれ状
電極２５，２６を通り排出口４９に至り、ついで
排出管５１を経てポンプ４７と４８に至る。

第４図から第６図には、ウエーハ３８を電極２
５と２６に装着する方法が示されている。詳述す
るに、平板電極２５と２６の主面は、番号７１で
示すように電極の長手方向に沿つて２つの細長い
長方形のリセスないし凹部を形成してある。これ
らの凹部７１のそれぞれに、処理しようとするウ
エーハ３８と同様な導電率を有する半導体材料で
あつて形状が長方形状のセグメントを挿入して、
電極２５と２６のライニング７２を形成させる。
ライニング７２としては、ウエーハを切り取つた
半導体の残部をさいの目に切つたものを使用する
ことができるので便利である。ライニング７２の
材質は、処理しようとするウエーハ３８の主要材
料の導電タイプ（Ｐ形またはＮ形）と同じものに
するとともに、電気的な伝導率も等しいものにす
るのがのぞましい。したがつてウエーハ３８を切
り取つた残りかすからライニング７２をつくつた
場合には、ウエーハ３８とライニング７２は、伝
導率の面ですぐれたマツチングがとれる。このよ
うなライニング７２を用いることにより、プラズ
マ放電ギヤツプ２７はギツプ領域全体にわたつて
インピーダンスが「均一」となり、したがつてウ
エーハ３８の主面において、プラズマ放電の反応
生成物との化学反応が「均一」になると考えられ
る。

別個のライニング片７２を用いて、電極２５と
２６をライニングするかわりに、絶縁体あるいは
半導体材料で、電極２５と２６をコーテイングす
ることによつてライニングを行つてもよい。例え
ば、グラフアイト電極２５と２６上に、厚さ
10000ÅのSiO₂をコーテイングする。

半導体ウエーハは電極のタブ７５によつてライ
ナー７２に近接してセツトされる。タブ７５はウ
エーハ３８の中心線より若干下方に設けられてい
る。タブ７２のリツプ７６が各ウエーハの周縁部
に少しかぶさるようになつており、これによりウ
エーハは直立した状態で電極に装着、支持され
る。

7.62cm（３インチ）のウエーハを用いる場合に
は、例えば、長さ68.58cm（27インチ）幅8.89cm
（3.5インチ）厚さ0.48cm（3/10インチ）の電極２
５と２６を使用する。この場合、単一バツチに収
容できるウエーハの数は70ないし84個となる。

実施例 Ｐ形シリコンウエーハ３８上に、屈折率1.45の
２酸化シリコン膜を10000Åの厚さでデポジツト
するために、チエンバ（チユーブ）１２の内部中
央の温度が340℃になるように炉を設定する。チ
エンバ１２内にウエーハ３８をセツトし、約１分
間の真空引きにて圧力を10^-3torrまで下げる。そ
こで、窒素ガスをソース６１から流量コントロー
ラ６３、マニホールド６４を介してチエンバ１２
内に導入する。窒素ガスの流量速度1500c.c.／分に
設定して２〜３分間導入する。つぎに、窒素ガス
の流入を停止し、チエンバ内の圧力を0.5torrに
安定させ、流量速度50c.c.／分にてSiH₄を、10〜
20c.c.／分にて酸素を、約1000／分にてN₂Oを、
導入する。約30秒後に、高周波電源４１を入れ
て、平均電力約20ワツトにて処理ギヤツプ２７に
プラズマ放電を生じさせる。

上述した流量速度では、約500Å／分の速度で
２酸化シリコンのデポジツトがなされる。20分経
過後、各処理ギヤツプ２７に面したウエーハ３８
の主面には、約10000Å厚の２酸化シリコン膜が
形成される。

次に、電源を切り、ガスの導入を停止し、チエ
ンバ圧を10^-3torrに下げる。ついで流量速度150
c.c.／分にて窒素ガスを１〜２分間導入する。つい
でバルブ５４を閉にして真空引きを停止させる。
窒素ガスの導入をつづけてチエンバ１２内の圧力
を大気圧まで上昇させる。ついでエンドキヤツプ
１５を取り外し、車輪８１に取り付けてある電極
２５，２６を外してチエンバ１２から取り出す。
なお車輪８１（例えば水晶製）は電極構造体の下
側の連結ロツド２９の端を支持するようになつて
おり、チエンバ１２（包囲体）の内壁上にのせら
れている。

PECV方式で半導体ウエーハを「エツチング」
する場合も、上述の装置が使用できる。ただしエ
ツチング用のガスとしてC₂F₆（またはCF₄）と酸
素を使用する。エツチングは室温で行ない得るか
ら炉は不要となる。

エツチングあるいはデポジテイングに関する
種々のPECV処理の例については、前述した
Solid State Technologyに記載されているので
参照されたい。

本発明によるPECV処理の利点は、従来のプレ
ーナタイプのものに比べて、ウエーハ処理能力が
かなり高くなるということにある。ウエーハ３８
は垂直に配置されるから、従来のパンケーキある
いはプレーナ形態のものに比べて微粒子の汚染が
少なくなる。反応チエンバ１２内部のデポジツト
材料がチエンバからはげおち、これが従来のプレ
ーナ形態における水平配置したウエーハに付着し
て粒子の汚染を与える原因になつていると考えら
れる。本発明によつて得られるウエーハ処理の
「均一度」は、従来のものにくらべウエーハ内部
で３％、前方と後方のウエーハ間で５％ほど均一
度が改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特徴を具備するPECV処理装
置の概略断面図で一部をブロツクにて示した図、
第２図は第１図の線２―２に沿う横断面図、第３
図は第２図の線３―３で囲んだ部分の拡大断面
図、第４図は第３図の線４―４に沿う側面図、第
５図は第４図の線５―５に沿う拡大断面図、第６
図は第４図の線６―６に沿う拡大断面斜視図、第
７図は処理装置の電気波形図である。 １２：チユーブ状包囲体、２５：第１組の電
極、２６：第２組の電極、６３：各ケミカル蒸気
のソース、１９，２１，２２：抵抗加熱素子、３
８：ウエーハ、７２：ライニング、３７：第１組
と第２組の電極の絶縁用スリーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 細長いチユーブ状炉内に配置するための排気
   された細長い包囲体内に、互いに電気的に絶縁さ
   れた第１組と第２組の細長いほぼ矩形の平板状電
   極をすだれ状に前記細長い包囲体の長さ方向に沿
   つて設け、前記細長いすだれ状の電極間の細長い
   処理ギヤツプに電気的プラズマ放電を生じさせる
   ようにした半導体ウエーハのプラズマ・エンハン
   ストCVD方法であつて、 (イ) 前記第１組と第２組の電極の対向し合う主面
   の少なくとも一部を、ウエーハを装着した場合
   に前記処理ギヤツプの電気インピーダンスがギ
   ヤツプ全体にわたりほぼ均一となるようにする
   電気的伝導性を有する材料によつてライニング
   し、 (ロ) 前記すだれ状に設けられた前記第１組と第２
   組の隣り合う細長いほぼ矩形の平板状電極間の
   細長い処理ギヤツプ内に、各ウエーハの一方の
   主面が隣接電極に面するようにし、かつ他方の
   主面が第１組と第２組の隣接する細長い電極間
   に形成される処理ギヤツプに面するようにして
   複数の半導体ウエーハを連続的に装着させ、 (ハ) 前記第１及び第２組の電極及び装着されたウ
   エーハを前記細長いチユーブ状炉内の細長い包
   囲体内に挿入し、 (ニ) 前記包囲体から排気して大気圧よりも低い圧
   力にし、 (ホ) 前記第１及び第２組の電極及びウエーハを一
   様な高いデポジツト温度に加熱し、 (ヘ) 大気圧よりも低い圧力の下で前記包囲体内に
   化学的蒸気を導入し、その蒸気を前記排気され
   た包囲体の長さ方向及び細長く形成された処理
   ギヤツプの長さ方向に沿つて流し、 (ト) 大気圧よりも低い圧力の下で、前記すだれ状
   に設けられた前記第１組と第２組のほぼ矩形の
   平板状電極間の処理ギヤツプ内に電気的プラズ
   マ放電を生じさせて化学的に活性な蒸気生成物
   をつくりだし、 (チ) 前記処理ギヤツプに面している前記ウエーハ
   の前記加熱された主面と前記蒸気生成物を化学
   的に反応させてウエーハ上にデポジツトする、 ステツプから構成されるCVD方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   前記電極が水平方向に離間して配置され、前記ウ
   エーハの主面の方線がほぼ水平面にあるCVD方
   法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、
   前記第１組と第２組の電極の対向し合う主面の少
   なくとも一部を、ウエーハと同じ導電型の半導体
   材料でライニングするステツプを含むCVD方法。 ４ 半導体ウエーハをデポジツト処理するプラズ
   マ・エンハンストCVD装置であつて、 (イ) 一様なデポジツト温度に上昇させた細長い領
   域を生じさせるチユーブ状炉装置と、 (ロ) 前記炉装置の一様に高くされたデポジツト温
   度の細長い領域内に配置するための細長い部分
   を有する排気可能な包囲体装置と、 (ハ) 前記包囲体装置を大気圧よりも低い圧力に排
   気する装置と、 (ニ) 前記細長いチユーブ状炉内に配置される細長
   い包囲体内に設けられる第１組と第２組の細長
   い電極装置であつて、前記電極がチユーブ状炉
   の長さ方向に伸びるほぼ矩形平板であり、前記
   第１組と第２組の電極の対向し合う主面の少な
   くとも一部はウエーハを装着した場合に前記処
   理ギヤツプの電気インピーダンスがギヤツプ全
   体にわたりほぼ均一となるようにする電気的伝
   導性を有する材料によつてライニングされ、一
   方の組の電極装置が他方の組の電極装置から電
   気的に絶縁され、第１及び第２組の電極装置は
   ほぼ一様の間隔に一緒に保持されてすだれ状に
   なるように構成され、電圧によつて付勢された
   とき、前記細長い包囲体内部のすだれ状電極の
   隣り合う電極間の細長い処理ギヤツプに電気的
   なプラズマ放電を生じさせる電極装置と、 (ホ) 各半導体ウエーハの一方の主面が隣接電極に
   面するようにしかつ他方の主面が第１組と第２
   組の電極装置の隣り合う電極間に規定される処
   理ギヤツプに面するようにし、細長いほぼ矩形
   の平板状電極を連続的に配列して、これらの処
   理ギヤツプにウエーハを支持する保持装置と、 (ヘ) 大気圧よりも低い圧力の下で前記細長い排気
   された包囲体及びすだれ状電極装置にほぼ包囲
   体の軸方向及び電極装置の長さ方向にそつて化
   学的蒸気を導入する装置と、 (ト) 前記第１及び第２組の電極装置を高周波電位
   差で付勢して、大気圧よりも低い圧力の下です
   だれ状の第１及び第２組の電極装置間の処理ギ
   ヤツプに電気的なプラズマ放電を生じさせ、化
   学的に活性な蒸気生成物をつくるとともに、ウ
   エーハのデポジツトに適する上昇したデポジツ
   ト温度において前記処理ギヤツプに面するウエ
   ーハの主面と前記化学的に活性な蒸気生成物を
   化学的に反応させる電源装置と、 から構成されるCVD装置。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の装置において、
   前記第１組と第２組の細長い電極装置が、隣り合
   う電極の主面が互いに水平方向に対向して離間さ
   れる関係になるように配置され、これらの水平方
   向に隔たつた電極間の領域に複数の細長い処理ギ
   ヤツプが規定されるような平板状の第１組と第２
   組の電極からなるCVD装置。 ６ 特許請求の範囲第４項記載の装置において、
   前記第１組と第２組の電極の対向し合う主面の少
   なくとも一部を、処理しようとするウエーハと同
   じ導電型の半導体材料でライニングする装置を含
   むCVD装置。