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JP2010027702A - 基板処理装置及び薄膜生成方法 - Google Patents

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JP2010027702A JP2008184529A JP2008184529A JP2010027702A JP 2010027702 A JP2010027702 A JP 2010027702A JP 2008184529 A JP2008184529 A JP 2008184529A JP 2008184529 A JP2008184529 A JP 2008184529A JP 2010027702 A JP2010027702 A JP 2010027702A
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武敏 佐藤
Kazuyuki Toyoda
一行 豊田
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Hitachi Kokusai Electric Inc
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Abstract

【課題】ラジカル種を基板間に十分に供給して、基板の処理量を面内、面間均一化する。
【解決手段】複数の基板を積層した状態で収容する処理室２０１と、前記処理室に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出系と、所定の高周波電力を出力する高周波ユニット２７１と、前記処理ガスをプラズマ励起するため、前記高周波ユニットから所定の高周波電力が印加される電極と、前記ガス供給系、前記ガス排出系および前記高周波ユニットを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記高周波ユニットを制御することにより、前記電極に一定の高周波電力を印加してプラズマを生成させている間、前記処理ガスが、第１の流量と、前記第１の流量より多い第２の流量とで交互に前記処理室に供給されるように前記ガス供給系を制御する基板処理装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマを用いて基板を処理する基板処理装置及び薄膜生成方法に関するものである。
ウエハ表面への成膜を実施するに当り、ウエハ表面に原料を供給し、熱エネルギーを利用して成膜する手法が一般的である。しかし、近年のシリコンデバイスの微細化に伴い製作工程の低温化が要求されており、熱エネルギーに代わるものとしてプラズマの活用が進んでいる。
プラズマを用いたこれまでの基板処理装置は、プラズマダメージからウエハを保護するために、ウエハから離れた場所にプラズマ発生部を設け、プラズマ発生部で生成した活性種（ラジカル）をウエハ収容部に移送するようになっていた。
しかし、ウエハから離れた場所にプラズマ発生部を設けると、プラズマ発生部からウエハ収容部に活性種を移送する移送路が長くなるため、活性種が失活しやすく、膜質向上、成膜時間の短縮が図れなかった。
そこで、従来は、膜質向上・成膜時間短縮のために、ウエハに近い場所にプラズマ発生部を設け、活性種をウエハに近い場所から供給する方式が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
従来の基板処理装置の処理炉構造を図１３に示す。（ａ）は側断面図、（ｂ）は平断面図である。
処理炉１は、複数のウエハ２を積層した状態で収容する反応管４と、反応管４に所望の処理ガスを供給するガス供給系５と、処理室６内の雰囲気を排出するガス排出系７と、所定の高周波電力を出力する高周波ユニット８と、処理ガスをプラズマ励起するため、前記高周波ユニット８から所定の高周波電力が印加される第１及び第２の電極９、１０と、ガス供給系５、ガス排出系７および高周波ユニット８を制御する制御装置１２と、を備える。反応管４内には、基板処理時に複数のウエハ２を積層したボート３が挿入される。
上記ガス供給系５は、ウエハ２の積層方向に延在するノズル５ａで構成され、このノズル５ａは複数のガス供給口５ｂを備える。また、上記第１及び第２の電極９、１０は、ガス供給口５ｂから供給される処理ガス流路を挟むようにそれぞれ設けられている。制御装置１２は、高周波ユニット８を制御することにより、電極９、１０に一定の高周波電力を印加してプラズマを生成させる。
制御装置１２は、ガス排出系７を制御して反応管４内の圧力を一定に維持する。制御装置１２は、高周波ユニット８を制御して、第１、第２の電極９、１０間に電圧を加える。制御装置１２はガス供給系５を制御して、ノズル５ａのガス供給口５ｂから所望の処理ガスを第１、第２の電極９、１０間に供給して、第１、第２の電極９、１０間にプラズマを発生させる。このプラズマによって所望の処理ガスが励起され、活性種が生成される。生成された活性種はウエハ側部から複数のウエハ２に供給されてウエハ２を処理する。これによりウエハ２上に形成される膜質が向上するとともに、成膜時間の短縮が図られている。
特開２００５−５６８９１号公報
しかしながら、上述した従来技術では、ガス供給系から処理ガスを供給する場合、積層
された上下の基板が等電位であり、しかも処理室内の圧力が一定であるため、活性種が基板間に入りづらく、基板中央部での基板処理量の低下が問題であった。
この対策法として、大流量の処理ガスを一定量流すやり方もあるが、大流量のガスを流しても、基板間に供給される活性種はなお不十分であった。
本発明の課題は、活性種を基板間に十分に供給できるようにして、基板を均一に処理することが可能な基板処理装置及び薄膜生成方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、複数の基板を積層した状態で収容する処理室と、前記処理室に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出系と、所定の高周波電力を出力する高周波ユニットと、前記処理ガスをプラズマ励起するため、前記高周波ユニットから所定の高周波電力が印加される電極と、前記ガス供給系、前記ガス排出系および前記高周波ユニットを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記高周波ユニットを制御することにより、前記電極に所定の高周波電力を印加してプラズマを生成させている間、前記処理ガスが、第１の流量と、前記第１の流量より多い第２の流量とで交互に前記処理室に供給されるように前記ガス供給系を制御する基板処理装置が提供される。
本発明によれば、活性種を基板間に十分に供給することが可能となり、基板を均一に処理することができる。
発明を実施するための最良の形態において、基板処理装置は、一例として、半導体装置（ＩＣ）の製造方法における処理工程を実施する半導体製造装置として構成されている。尚、以下の説明では、基板処理装置として基板に酸化、拡散処理やＣＶＤ処理、ＡＬＤ処理などを行なう縦型の装置（以下、単に処理装置という）を適用した場合について述べる。図３は、本発明に適用される処理装置の斜透視図として示されている。
図３に示されているように、シリコン等からなるウエハ（基板）２００を収納したウエハキャリアとしてのカセット１１０が使用されている本実施の形態の処理装置１０１は、筐体１１１を備えている。筐体１１１の正面壁１１１ａの下方にはメンテナンス可能なように設けられた開口部としての正面メンテナンス口１０３が開設され、この正面メンテナンス口１０３を開閉する正面メンテナンス扉１０４が建て付けられている。メンテナンス扉１０４には、カセット搬入搬出口（基板収容器搬入搬出口）１１２が筐体１１１内外を連通するように開設されており、カセット搬入搬出口１１２はフロントシャッタ（基板収容器搬入搬出口開閉機構）１１３によって開閉されるようになっている。カセット搬入搬出口１１２の筐体１１１内側にはカセットステージ（基板収容器受渡し台）１１４が設置されている。カセット１１０はカセットステージ１１４上に工程内搬送装置（図示せず）によって搬入され、かつまた、カセットステージ１１４上から搬出されるようになっている。
カセットステージ１１４は、工程内搬送装置によって、カセット１１０内のウエハ２００が垂直姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。カセットステージ１１４は、カセット１１０を筐体後方に右回り縦方向９０°回転し、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体後方を向くように動作可能となるよう構成されている。
筐体１１１内の前後方向の略中央部には、カセット棚（基板収容器載置棚）１０５が設置されており、カセット棚１０５は複数段複数列にて複数個のカセット１１０を保管する
ように構成されている。カセット棚１０５にはウエハ移載機構１２５の搬送対象となるカセット１１０が収納される移載棚１２３が設けられている。
また、カセットステージ１１４の上方には予備カセット棚１０７が設けられ、予備的にカセット１１０を保管するように構成されている。
カセットステージ１１４とカセット棚１０５との間には、カセット搬送装置（基板収容器搬送装置）１１８が設置されている。カセット搬送装置１１８は、カセット１１０を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ（基板収容器昇降機構）１１８ａと搬送機構としてのカセット搬送機構（基板収容器搬送機構）１１８ｂとで構成されており、カセットエレベータ１１８ａとカセット搬送機構１１８ｂとの連続動作により、カセットステージ１１４、カセット棚１０５、予備カセット棚１０７との間で、カセット１１０を搬送するように構成されている。
カセット棚１０５の後方には、ウエハ移載機構（基板移載機構）１２５が設置されており、ウエハ移載機構１２５は、ウエハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置（基板移載装置）１２５ａおよびウエハ移載装置１２５ａを昇降させるためのウエハ移載装置エレベータ（基板移載装置昇降機構）１２５ｂとで構成されている。ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂは、耐圧筐体１１１の右側端部に設置されている。これら、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびウエハ移載装置１２５ａの連続動作により、ウエハ移載装置１２５ａのツイーザ（基板保持体）１２５ｃをウエハ２００の載置部として、ボート（基板保持具）２１７に対してウエハ２００を装填（チャージング）および脱装（ディスチャージング）するように構成されている。
筐体１１１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は、炉口シャッタ（炉口開閉機構）１４７により開閉されるように構成されている。
処理炉２０２の下方にはボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降機構としてのボートエレベータ（基板保持具昇降機構）１１５が設けられ、ボートエレベータ１１５の昇降台に連結された連結具としてのアーム１２８には蓋体としてのシールキャップ２１９が水平に据え付けられており、シールキャップ２１９はボート２１７を垂直に支持し、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。
ボート２１７は複数本の保持部材を備えており、複数枚（例えば、５０枚〜１５０枚程度）のウエハ２００をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。
図３に示されているように、カセット棚１０５の上方には、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを供給するよう供給ファン及び防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４ａが設けられておりクリーンエア１３３を前記筐体１１１の内部に流通させるように構成されている。
また、図３に模式的に示されているように、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびボートエレベータ１１５側と反対側である筐体１１１の左側端部には、クリーンエアを供給するよう供給ファンおよび防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４ｂが設置されており、クリーンユニット１３４ｂから吹き出されたクリーンエアは、ウエハ移載装置１２５ａ、ボート２１７を流通した後に、図示しない排気装置に吸い込まれて、筐体１１１の外部に排気されるようになっている。
次に、本発明の基板処理装置の動作について説明する。
図３に示されているように、カセット１１０がカセットステージ１１４に供給されるに先立って、カセット搬入搬出口１１２がフロントシャッタ１１３によって開放される。その後、カセット１１０はカセット搬入搬出口１１２から搬入され、カセットステージ１１４の上にウエハ２００が垂直姿勢であって、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。その後、カセット１１０は、カセットステージ１１４によって
、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体後方を向けるように、筐体後方に右周り縦方向９０°回転させられる。
次に、カセット１１０は、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７の指定された棚位置へカセット搬送装置１１８によって自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７からカセット搬送装置１１８によって移載棚１２３に移載されるか、もしくは直接移載棚１２３に搬送される。
カセット１１０が移載棚１２３に移載されると、ウエハ２００はカセット１１０からウエハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃによってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされ、移載室１２４の後方にあるボート２１７に装填（チャージング）される。ボート２１７にウエハ２００を受け渡したウエハ移載装置１２５ａはカセット１１０に戻り、次のウエハ２００をボート２１７に装填する。
予め指定された枚数のウエハ２００がボート２１７に装填されると、炉口シャッタ１４７によって閉じられていた処理炉２０２の下端部が、炉口シャッタ１４７によって、開放される。続いて、ウエハ２００群を保持したボート２１７はシールキャップ２１９がボートエレベータ１１５によって上昇されることにより、処理炉２０２内へ搬入（ローディング）されていく。
ローディング後は、処理炉２０２にてウエハ２００に任意の処理が実施される。処理後は、上述の逆の手順で、ウエハ２００およびカセット１１０は筐体１１１の外部へ払出される。
次に、上述した処理炉を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態で好適に用いられる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉２０２部分を横断面で示し、図２は本実施の形態で好適に用いられる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉２０２部分を縦断面で示す。
本実施の形態で用いられる基板処理装置は制御部であるコントローラ２８０を備え、コントローラ２８０により基板処理装置および処理炉を構成する各部の動作等が制御される。
加熱装置（加熱手段）であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器として反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理室２０１を形成している。シールキャップ２１９には石英キャップからなるボート支持台２１８を介して基板保持部材（基板保持手段）であるボート２１７が立設され、ボート支持台２１８はボートを保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理室２０１に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。これにより処理室２０１は複数のウエハ２００を積層した状態で収容する。ヒータ２０７は処理室２０１に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。
処理室２０１へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給経路としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが設けられる。ここでは第１のガス供給管２３２ａからは流量制御装置（流量制御手段）である第１のマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁である第１のバルブ２４３ａを介し、更に後述する反応管２０３内に配設されたノズル２３３を介して処理室２０１に第１の処理ガスが供給され、第２のガス供給管２３２ｂからは流量制御装置（流量制御手段）である第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁
である第２のバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、及び開閉弁である第３のバルブ２４３ｃを介し、更に後述するガス供給部２４９を介して処理室２０１に第２の処理ガスが供給されている。
上述した第１のガス供給管２３２ａ、第１のマスフローコントローラ２４１ａ、第１のバルブ２４３ａ、及びノズル２３３から、処理室２０１に所望の処理ガスを供給する第１のガス供給系が構成される。また、上述した第２のガス供給管２３２ｂ、第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、第２のバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、第３のバルブ２４３ｃ、及びガス供給部２４９から、処理室２０１に所望の処理ガスを供給する第２のガス供給系が構成される。
処理室２０１はガスを排気するガス排気管２３１により第４のバルブ２４３ｄを介して排気装置（排気手段）である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。また、この第４のバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理室２０１の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。
上述したガス排気管２３１、第４のバルブ２４３ｄ及び真空ポンプ２４６から、処理室２０１内の雰囲気を排出するガス排出系が構成される。
処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間であって、ガス排気管２３１と対向する位置には、反応管２０３の下部より上部の内壁にウエハ２００の積載方向に沿って、ノズル２３３が延在されている。そしてノズル２３３には複数のガスを供給するガス供給口である第１のガス供給孔２４８ａが設けられている。
第１のガス供給孔２４８ａより噴出したガスはウエハ２００へ供給される。この第１のガス供給孔２４８ａからウエハ２００に至るガスの流路を処理ガス供給路２３５という。
第１のガス供給孔２４８ａの開口面積は、ノズル２３３内と処理室２０１の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。
本実施の形態においては、第１のガス供給孔２４８ａの開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。このように構成することで、各第１のガス供給孔２４８ａより処理室２０１へ噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができる。
さらに、前記円弧状の空間に、細長い構造を有する第１の電極である第１の棒状電極２６９及び第２の電極である第２の棒状電極２７０が、上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管２７５に保護されて配設されている。第１及び第２の棒状電極２６９、２７０は第１の処理ガスが噴出される処理ガス供給路２３５を挟むように設けられる。
第１及び第２の棒状電極２６９、２７０には所定の高周波電力が印加されて、第１の処理ガスをプラズマ励起するようになっている。この第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０のいずれか一方は高電位側の電極、他方が低電位側の電極を構成するのがよい。図示例では、第１の棒状電極２６９は基準電位であるアースに接続され、第２の棒状電極２７０は整合器２７２を介して高電圧側の高周波電源２７３に接続されている。この結果、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマＰ（図７参照）が生成される。
上記高周波電源２７３と前記整合器２７２とから、所定の高周波電力を出力する高周波ユニット２７１が構成される。
前記電極保護管２７５は、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０のそれぞれを処理室２０１の雰囲気と隔離した状態で処理室２０１に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管２７５の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。
さらに、第１のガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を９０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。このガス供給部２４９は、ＡＬＤ法による成膜においてウエハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、ガス供給種をノズル２３３と分担する供給部である。
上記ガス供給部２４９もノズル２３３と同様にウエハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給するガス供給口である第２のガス供給孔２４８ｂを有し、下部では第２のガス供給管２３２ｂが接続されている。
第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積はガス供給部２４９内と処理室２０１内の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。
本実施の形態においては、第２ス供給孔２４８ｂ開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。
なお、ノズル２３３、電極保護管２７５に保護された第１及び第２の棒状電極２６９、２７０を、第２のガス供給管２３２ｂのようにガス供給部２４９と同様なガス供給部で覆うことも可能である。しかし、これらをガス供給部で覆うと、ガス供給部が邪魔物となって活性種が失活するおそれがあるので好ましくない。
反応管２０３内の中央部には複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート２１７を回転するための回転装置（回転手段）であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、ボート支持台２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。
制御装置であるコントローラ２８０は、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、第１〜第４のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図中省略のボート昇降機構、高周波電源２７３、整合器２７２に接続されており、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、第１〜第３のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃの開閉動作、第４のバルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。
特に、前記コントローラ２８０は、高周波ユニット２７１を制御することにより、第１及び第２の棒状電極２６９、２７０に所定の高周波電力を印加してプラズマを生成させている間、前記第１のガス供給系から供給される第１の処理ガスが、第１の流量と、第１の流量より多い第２の流量とで交互に処理室２０１に供給されるように、第１のマスフロー
コントローラ２４１ａを制御するようになっている。
この第１の流量と、第１の流量より多い第２の流量とで交互にパルス的に供給する処理ガスは、ＡＬＤ法による成膜において、複数種類のガスのうち、第１のガス供給管２３２ａから供給されるプラズマ励起の必要な第１の処理ガスである。
ここで、第１の処理ガスを第１の流量と、第１の流量より多い第２の流量とでパルス的に供給するのは、次の理由による。
第１の処理ガスを、積層された各ウエハ２００に供給する場合、既述したように上下のウエハ２００が等電位であり、しかも処理室２０１内の圧力が一定であると、プラズマにより励起されて形成された活性種がウエハ間に入りづらく、ウエハ中央部まで届かない。例えば活性種である水素（Ｈ）ラジカルはライフタイムが短いので、より速くウエハ間に入れてあげることが有効である。
ガスを単に大流量で一定量供給しても、ウエハ上に届くガスの速度はせいぜい数ｍ／ｓｅｃ程度にしかならないが、図５に示すように、ガスをパルス的に供給すると、ノズル２３３から噴出するガス速度は圧力差で音速程度の３４０ｍ／ｓｅｃと速くなり、ウエハ２００上のガス速度も数十ｍ／ｓｅｃ程度と速くなる（図５（ａ））。
ウエハ２００上に届いたガスは、ノズル２３３から噴出されるガス量が少なくなったときに、ガスがウエハ２００の外周から出て行くため、ウエハ中央部の圧力が低くなる。したがって、ノズル２３３から噴出されるガス量が多くなったとき、すなわちパルスが来たときにガスはウエハ２００の中央部まで届くことになる（図５（ｂ））。
したがって、図４に示すように、プラズマがオンしている間、第１のガス供給系から供給される処理ガスを、第１の流量（小流量）と、第１の流量より多い第２の流量（大流量）とで交互にパルス的に供給すると、圧力差による流速で活性種がウエハ中央部まで入りやすくなるのである。
次にＡＬＤ法による成膜例について、半導体デバイスの製造工程の一つである、ＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２、ジクロルシラン）及びＮＨ３（アンモニア）ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の中の１つであるＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となる処理ガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
利用する化学反応は、例えばＳｉＮ（窒化珪素）膜形成の場合、ＡＬＤ法ではＤＣＳとＮＨ３を用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、反応性ガス供給を２０サイクル行う。
ＳｉＮ膜を成膜するには、図１、図２において、まず成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理室２０１に搬入する。搬入後、次の４つのステップを順次実行する。
（ステップ１）
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ３ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣ
Ｓガスとを並行して流す。
まず第１のガス供給管２３２ａに設けた第１のバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けた第４のバルブ２４３ｄを共に開けて、第１のガス供給管２３２ａから第１のマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ３ガスをノズル２３３の第１のガス供給孔２４８ａから処理室２０１へ噴出し、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ３をプラズマ励起し、ＮＨ３ガスを活性種としてウエハ２００表面に供給しつつガス排気管２３１から排気する。
ＮＨ３ガスを活性種として確実にウエハ２００表面に供給させるためには、大流量のＮＨ３の供給前に処理室２０１内にプラズマを発生させておくことが有効である。このため、大流量のＮＨ３をパルス的に供給する間に小流量のＮＨ３を供給し、前もって第１及び第２の棒状電極２６９、２７０間にプラズマを発生させておく。
図６に示すように、ＮＨ３ガスをパルス状に流すときは、具体的には、第４のバルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内圧力を大流量時はＰ１＝５０Ｐａ以上、小流量時はＰ２＝５Ｐａ程度に維持する。また、第１のマスフローコントローラ２４１ａで制御する供給流量を大流量時はＦ１＝１０００ｓｃｃｍ以上、小流量時はＦ２＝２００ｓｃｃｍ程度に維持する。また、ノズル２３３からガスをパルス状に噴出する時間を、プラズマ着火タイミングなどを考慮して、大電流時はＴ１＝０．５〜２ｓｅｃ、小流量時はＴ２＝１〜３ｓｅｃ程度に維持する。
ＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒すトータル時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７温度はウエハが３００〜６００℃の範囲である。ＮＨ３は反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで反応が行える。
このＮＨ３をプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、第２のガス供給管２３２ｂの上流側の第２のバルブ２４３ｂを開け、下流側の第３のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳも流すようにする。これにより第２、第３のバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。このとき、処理室２０１内に流しているガスはＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳは存在しない。したがって、ＮＨ３は気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ３はウエハ中央部まで届き、ウエハ２００上の下地膜などの表面部分と均一に表面反応（化学吸着）する。
（ステップ２）
ステップ２では、第１のガス供給管２３２ａの第１のバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ３の供給を止めるが、引続きガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側の第２のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄは開いたままにし、真空ポンプ２４６により、処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ３を処理室２０１から排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留ＮＨ３を排除する効果が高まる。
ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜め２４７と処理室２０１との間のコンダクタンスが１．５×１０−３ｍ３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３の容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３容積１００ｌ（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は
反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。
（ステップ３）
ステップ３では、処理室２０１の排気が終わったらガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄを閉じて排気を止める。第２のガス供給管２３２ｂの下流側の第３のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理室２０１内に一気に供給される。このときガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理室２０１内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。ＤＣＳを供給するための時間は２〜４秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。このときのウエハ温度はＮＨ３の供給時と同じく、３００〜６００℃の範囲内の所望の温度で維持される。ＤＣＳの供給により、ウエハ２００の表面に化学吸着したＮＨ３とＤＣＳとが表面反応（化学吸着）して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。
（ステップ４）
成膜後、第３のバルブ２４３ｃを閉じ、第４のバルブ２４３ｄを開けて処理室２０１を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを処理室２０１から排除する効果が高まる。また第２のバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。
上記ステップ１〜４を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。
ＡＬＤ装置では、ガスはウエハ２００の表面部分に化学吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施の形態では、第４のバルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理室２０１内のＤＣＳの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。
また、本実施の形態では、ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理室２０１の排気をしているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。また、処理室２０１内を排気してＮＨ３ガスを除去してからＤＣＳを流すので、両者はウエハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウエハ２００に吸着しているＮＨ３とのみ有効に反応させることができる。
図１に示す実施の形態では、第１の棒状電極２６９は低電位側の基準電位であるアースに接続され、第２の棒状電極２７０は整合器２７２を介して高電位側の高周波電源２７３、すなわちＲＦ電極側に接続されている。
このように電極を接続すると、図７に示すように、アース側電極である第１の棒状電極２６９とＲＦ側電極である第２の棒状電極２７０間に形成されるプラズマＰは、ガス流速に引っ張られ、プラズマ領域が拡大する。その結果、ラジカルの出発地点がウエハ側に延びるので、ラジカル種をウエハ間中央部までより確実に供給できる。
（実施の形態の効果）
本実施の形態では、複数のウエハ間にラジカル種を供給してウエハ上に成膜する基板処理装置において、処理ガスを瞬時にウエハ間に供給することにより、処理ガスごとラジカル種をウエハ間に流入させる構成を採用している。したがって、ラジカル種をウエハ中央
部まで確実に輸送することができる。この場合において、処理ガスの供給量を一定の小流量に保った状態で、大流量の処理ガスをパルス的に供給するように構成すると、圧力差による流速でラジカル種をウエハ中央部までより確実に、より速く輸送できる。したがって、多段に載置されているウエハ間の中央部でのラジカル種の低減を抑制することができる。その結果、ウエハ上の成膜が均一化され、ウエハ処理時間の短時間化が図れ、生産性に優れた基板処理装置を提供することができる。特に処理ガスにＮＨ３を用いる場合には、そのＮＨ３ラジカルはライフタイムが短いので、より早くウエハ間に入れてあげることが必要になるが、本実施の形態はこの要請に十分応えることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
例えば、図１の実施の形態では、低電位側の第１の棒状電極１つに対して高電位側の第２の棒状電極を１つ設けた場合について説明したが、低電位側の第１の棒状電極１つに対して高電位側の第２の棒状電極を２つ以上設けるようにしても良い。
高電位側の第２の棒状電極が１つであると、処理ガスのパルス的な大流量供給による圧力変更によりプラズマが消失する場合がある。すなわち、大流量の処理ガスをパルス的に供給する間に、小流量の処理ガスを供給することにより前もってプラズマを発生させておく必要がある。この場合、プラズマ発生状態を小流量供給時の低圧力に合わせて調整すると、大流量供給時の高圧力状態ではプラズマが消失する可能性がある。
そこで、これを解消するための対策として、第２の電極を複数本の電極から構成し、それぞれの第２の電極を第１の電極に対して異なる距離に設けて、大流量供給時の高圧力状態でもプラズマ発生状態を維持させるようにする。例えば、図８に示す変形実施例のように、２本のＲＦ側の棒状電極２７０、２７６を設ける。２本のＲＦ側の棒状電極２７０、２７６は、アースされた棒状電極２６９に対してそれぞれ異なる距離に設置する。これにより第１の棒状電極２６９、第２の棒状電極２７０間、及び第１の棒状電極２６９、第２の棒状電極２７６間とでそれぞれ異なる圧力状態にてプラズマ発生が可能となる。
上述したように複数の第２の棒状電極２７０、２７６を、第１の棒状電極２６９に対する距離を異ならせて配置することは、プラズマの消失を解消する手法として有効である。しかし、この手法では、第２の電極を複数用意する必要があり、改善の余地がある。そこで、第１の棒状電極２６９と第２の棒状電極２７０の２本の電極のみを用いて、上記のような異なる圧力状態にてプラズマ発生が可能となるのと同等な、間隔変化を実現できれば、構成の簡素化を図ることができる。
図９は、そのような２本の電極による間隔変化の形態例を示す。図９（ａ）は第１及び第２の棒状電極２６９、２７０を、断面楕円形ないし長円形にして、処理ガス供給路２３５の下流側に向かってハの字型に開くように左右対称に配置した電極形態である。図９（ｂ）は第１及び第２の棒状電極２６９、２７０を、断面円形にして、処理ガス供給路２３５を挟んで左右対称に配置した電極形態である。図９の電極形態の方が、図８の複数の第２電極を配置した実施例よりも、電極間距離において連続性があるため、プラズマ着火性を向上することが可能である。
ところで、複数の第２電極の距離を変えて配置したり、第１、第２電極の間隔を変化させたりする場合において、電極間距離（ギャップ）とプラズマ放電開始電圧との関係が重要になる。これを説明する。
図１１はパッシェンの法則を示した特性図であって、空気を含めた数種のガスの放電開始電圧Ｖｓｔと、圧力ｐ×電極間距離ｄ（換算電極間距離ｐｄ）との関係を示す図である。横軸がｐｄであり、縦軸がＶｓｔである。ＣＣＰ（容量結合プラズマ）の場合、平行平
板電極の距離ｄと圧力ｐの積で決まる換算電極間距離ｐｄに対して放電開始電圧Ｖｓｔの特性は最小値を持つ。図１１には、ガス種がＮＨ３の例は示されていないが、ＮＨ３の放電開始電圧特性は空気に近いと考えられる。
図１１から、所定の電極間距離のときの放電開始可能な圧力の範囲を求めてみよう。放電開始前の電極間の交流電圧の最大値が例えばＶ１とすると、ガス種が空気の場合、放電開始条件が満たされるのは、空気の放電開始電圧特性曲線とＶ１とが交わる２点間の横軸距離（ａ）である。そのときのｐｄの値はグラフから読み取ると０．２〜２．０となる。今、電極間距離ｄ＝２ｃｍとすると放電開始可能な圧力ｐの範囲は、上記値をｄ＝２で割って求めると、０．１〜１．０Ｔｏｒｒとなる。したがって、パルス的に供給した処理ガスがこの圧力の範囲に入れば放電可能となる。
実際の放電開始可能条件には、上記圧力、電極間距離、電圧の他に、高周波電源の周波数が加わる。プラズマが発生する条件は、周波数が一定の場合、プラズマ媒体自体の圧力と電極間距離の積で決定される。図１０に、雰囲気がＮＨ３ではなく空気の場合を参考に、圧力・電極間ギャップ・周波数の相関を示す（日刊工業新聞社出版、小沼光晴著、「プラズマと成膜の基礎」）。横軸は周波数（ＭＨｚ）×ギャップ（ｃｍ）、縦軸は圧力（Ｔｏｒｒ）×ギャップ（ｃｍ）であり、特性曲線に付したパラメータは電極間の放電開始電圧（Ｖ）である。各放電開始電圧をパラメータとしたときの各特性曲線上がプラズマ発生領域となる。各特性曲線が、横軸と平行な部分の領域ではなく、横軸に対して傾きをもつ部分の領域において、プラズマ発生条件は圧力に対する許容値が大きいことを意味する。
図１０において、雰囲気が空気の場合、所定の電極間距離のときのプラズマ発生領域を求めてみよう。電圧差は大きければ放電はしやすくなるが、装置の使い勝手からあまり高電圧にするのは好ましくない。そこで、図１１で説明したように、放電開始電圧の最小値を中心に少し変化を付け（図１１の（ａ）参照）、電極間距離（ギャップ）をｄ＝１．５ｃｍと一定にした場合、圧力範囲を０．１〜２．０Ｔｏｒｒとすることにより、放電のウインドウを広げる。そして、高周波電源の周波数０．４ＭＨｚ〜１３．５ＭＨｚとすると、結果として４本の直線で囲まれた領域がプラズマ発生領域となる。これより、電極間隔に幅の変化ができると、放電開始する圧力範囲も広がることになる。
したがって、図１２に示すように、（ａ）の処理ガス流路に沿って距離が同じとなる平行平板形状を除いて、（ｂ）〜（ｄ）に示すように、電極２６９、２７０の断面形状を丸くしたり、平板の電極２６９、２７０を「ハ」の字形に配置したり、「く」の字型に折り曲げた電極２６９、２７０を背中合わせに配置したりすると、処理ガス流路方向に電極間隔の幅を変化させることができるので、放電開始する圧力範囲も広がることになる。
なお、実施の形態では、プラズマ源がＣＣＰ（容量結合プラズマ）源の場合について説明したが、これに限定されない。プラズマが生成できればプラズマ源の種類は問わず、例えば、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）源においても適用可能である。もっとも、圧力などのプロセス条件によりＣＣＰとＩＣＰで放電のし易さが異なる。低圧の場合には高密度のプラズマが生成できるＩＣＰが好ましい。
なお、本実施の形態で採用している成膜方法はＡＬＤ法だから、励起を必要とするＮＨ３について５Ｐａという低い圧力から１桁高い５０Ｐａにして短時間に供給するようにしている。しかし、これをＤＣＳに適用するとプラズマＣＶＤになってしまいＳｉのみがウエハ上に堆積してしまうことになるで好ましくない。
本発明の好ましい形態を付記する。
複数の基板を積層した状態で収容する処理室と、前記処理室に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出系と、所定の高周波電力を出力する高周波ユニットと、前記処理ガスをプラズマ励起するため、前記高周波ユニットから所定の高周波電力が印加される電極と、前記ガス供給系、前記ガス排出系および前記高周波ユニットを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記高周波ユニットを制御することにより、前記電極に一定の高周波電力を印加してプラズマを生成させている間、前記処理ガスが、第１の流量と、前記第１の流量より多い第２の流量とで交互に前記処理室に供給されるように前記ガス供給系を制御する基板処理装置であると、プラズマにより生成された処理ガスのラジカル種をウエハ中央部まで確実に供給できる。特に、一定流量の原料を供給してプラズマを発生しつつ、パルス的に大流量の原料を供給するシーケンスを用いる縦型ＡＬＤ装置であることが好ましい。
前記電極は、低電位側の第１の電極と、高電位側の第２の電極とから構成され、前記プラズマは前記第１と第２の電極の間に生成されることが好ましい。ガス流速に引っ張られ、プラズマ領域を拡大できるので、さらにラジカル種をウエハ中央部までより確実に供給できる。
前記第２の電極は複数本の電極から構成され、該複数本の電極のそれぞれが前記第１の電極に対して異なる距離に設けられていることが好ましい。第１流量と第２流量とを交互にパルス的に供給することに起因してプラズマが消化するのを防止できる。特に、処理室内にウエハに並行に３本以上の電極をそれぞれの距離が異なるように配置し、且つ、電極間を通して成膜原料をウエハ側部に供給可能なように原料供給ノズルを配置した縦型ＡＬＤ装置であることが好ましい。
前記第１と第２の電極は、前記第１の電極の表面と前記第２の電極の表面との間の距離が、所定の方向において、異なるような形状で構成されることが好ましい。複数の圧力帯でプラズマが発生するので、プラズマが消化するのを防止できる。特に、処理室内に２本の電極と、電極間を通して成膜原料をウエハ側部に供給可能なように原料供給ノズルを配置し、且つ、２本の電極が、相対する表面において異なる距離を有するように配置された縦型ＡＬＤ装置であることが好ましい。
また、複数の基板を積層した状態で収容する処理室と、前記処理室に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出系と、所定の高周波電力を出力する高周波ユニットと、前記処理ガスをプラズマ励起するため、前記高周波ユニットから所定の高周波電力が印加される電極と、前記ガス供給系、前記ガス排出系および前記高周波ユニットを制御する制御装置と、を備えた基板処理装置を用いて薄膜を生成する薄膜生成方法であって、前記制御装置において、前記高周波ユニットを制御することにより前記電極に所定の高周波電力を印加してプラズマを生成させている間、前記処理ガスが、第１の流量と、前記第１の流量より多い第２の流量とで交互に前記処理室に供給されるように前記ガス供給系を制御して前記基板上に薄膜を形成する薄膜生成方法であると、ラジカル種をウエハ中央部まで確実に供給できる。
前記ガス供給系は、前記基板の積層方向に延在して、前記複数の基板に前記処理ガスを供給する複数のガス供給口を備えるガスノズルを有し、前記第１の電極と前記第２の電極は、前記ガス供給口から前記基板に至る処理ガス供給流路を挟むようにそれぞれ設けられることが好ましい。ラジカル種を複数の基板間の中央部までより確実に供給できる。
本発明の実施の形態における縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示した図である。 本発明の実施の形態における縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示した図である。 本発明の実施の形態における基板処理装置の斜透視図である。 本発明の実施の形態における成膜シーケンスを示す図である。 本発明の実施の形態におけるガス量とウエハ上に輸送されるガス速度との関係を説明する図である。 本発明の実施の形態における２種類の処理ガスのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態におけるアース側電極とＲＦ側電極とを用いた場合のプラズマ形状を示す説明図である。 本発明の実施の形態における第３の電極を配置した処理室の説明図である。 本発明の実施の形態における２本の電極による間隔変化の例を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るプラズマ発生領域と圧力・電極間距離・周波数の関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係るパッシェンの法則を示す数種の気体の放電開始電圧Ｖｓｔと換算電極間距離ｐｄとの関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係る間隔一定の２本の電極と、２本の電極で間隔変化を実現できる種々の電極構造を示す説明図である。 従来例における基板処理装置の処理炉構造を示す図である。
符号の説明
２００ ウエハ（基板）
２０１ 処理室
２３２ａ ガス供給系を構成する第１のガス供給管
３２１ ガス排出系を構成するガス排気管
２７１ 高周波ユニット
２６９、２７０ 第１、第２の棒状電極（電極）
２８０ コントローラ（制御装置）

Claims (5)

  1. 複数の基板を積層した状態で収容する処理室と、
    前記処理室に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、
    前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出系と、
    所定の高周波電力を出力する高周波ユニットと、
    前記処理ガスをプラズマ励起するため、前記高周波ユニットから所定の高周波電力が印加される電極と、
    前記ガス供給系、前記ガス排出系および前記高周波ユニットを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記高周波ユニットを制御することにより、前記電極に所定の高周波電力を印加してプラズマを生成させている間、
    前記処理ガスが、第１の流量と、前記第１の流量より多い第２の流量とで交互に前記処理室に供給されるように前記ガス供給系を制御する基板処理装置。
  2. 前記電極は、低電位側の第１の電極と、高電位側の第２の電極とから構成され、前記プラズマは前記第１と第２の電極の間に生成される請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記第２の電極は複数本の電極から構成され、該複数本の電極のそれぞれが前記第１の電極に対して異なる距離に設けられている請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記第１と第２の電極は、前記第１の電極の表面と前記第２の電極の表面との間の距離が、所定の方向において、異なるような形状で構成される請求項２に記載の基板処理装置。
  5. 複数の基板を積層した状態で収容する処理室と、前記処理室に所望の処理ガスを供給するガス供給系と、前記処理室内の雰囲気を排出するガス排出系と、所定の高周波電力を出力する高周波ユニットと、前記処理ガスをプラズマ励起するため、前記高周波ユニットから所定の高周波電力が印加される電極と、前記ガス供給系、前記ガス排出系および前記高周波ユニットを制御する制御装置と、を備えた基板処理装置を用いて薄膜を生成する薄膜生成方法であって、
    前記制御装置において、前記高周波ユニットを制御することにより前記電極に所定の高周波電力を印加してプラズマを生成させている間、前記処理ガスが、第１の流量と、前記第１の流量より多い第２の流量とで交互に前記処理室に供給されるように前記ガス供給系を制御して前記基板上に薄膜を形成する薄膜生成方法。
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