JP4995579B2 - 基板処理装置及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハやガラス基板等の基板を処理するための基板処理装置及び半導体デバイスの製造方法に関する。

この種の基板処理装置の処理炉として、例えば電界と磁界とによりプラズマを生成し、このプラズマを用いて基板を処理する変形マグネトロン型プラズマ処理炉（ＭＭＴ：Modified Magnetron Typed Plasma Source）が知られている。このＭＭＴ装置は、基板を保持するサセプタ内に加熱源であるヒータを有しており、このヒータにより基板を加熱する際の温度限界は、処理室内の圧力が１〜２００Ｐａ下で、４００〜７００℃程度である。しかしながら、厚膜を形成するためには基板温度を７５０℃以上とする必要がある。そこで、処理室外部に第２の熱源（光源）を設け、基板温度を７５０℃以上に加熱することを可能としたＭＭＴ装置が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００５−２７６９９８号公報

しかしながら、上記第２の熱源（光源）を用いたＭＭＴ装置においては、処理室周辺部が高温化し、処理室内を気密にシールするシール部材の寿命を縮めるおそれがあった。

本発明は、上記従来の問題を解消し、基板の加熱温度を上げて高温処理能力を向上させることが可能な基板処理装置及び半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の特徴とするところは、少なくとも上面に光透過性窓部を設けた処理室と、前記処理室内にプラズマを生成する放電用電極と、前記光透過性窓部に対応する処理室外側に配置されるランプ加熱装置と、前記ランプ加熱装置を支持する支持部材と、前記光透過性窓部と前記支持部材の間に設けられ、該光透過性窓部の破損を防止する破損防止部材と、前記処理室を気密にシールするシール部材と、を有し、前記ランプ加熱装置から前記シール部材に対して放出される輻射熱を遮蔽する位置であって、前記光透過性窓部の外縁部には、前記ランプ加熱装置から照射される光の透過率を低減させる透過率低減部が設けられ、さらに該透過率低減部は、前記処理室に晒されないよう構成されている基板処理装置にある。
また、少なくとも上面に光透過性窓部を設けた処理室と、前記処理室内にプラズマを生成する放電用電極と、前記光透過性窓部に対応する処理室外側に配置されるランプ加熱装置と、前記ランプ加熱装置を支持する支持部材と、前記光透過性窓部と前記支持部材の間に設けられ、該光透過性窓部の破損を防止する破損防止部材と、前記処理室を気密にシールするシール部材と、を有し、前記ランプ加熱装置から前記シール部材に対して放出される輻射熱を遮蔽する位置であって、前記光透過性窓部の外縁部には、前記ランプ加熱装置から照射される光の透過率を低減させる透過率低減部が設けられ、さらに該透過率低減部は、前記処理室に晒されないように構成されている基板処理装置を用いた半導体デバイスの製造方法であって、前記処理室に搬送された基板を前記ランプ加熱装置によって加熱する工程と、前記処理室内で前記基板にプラズマ処理を施す工程と、を有する半導体デバイスの製造方法にある。

好適には、前記透過率低減部は前記光透過性窓部の上面及び下面の少なくとも一方に形成されている。

好適には、前記処理室内を気密にシールするシール部材と、このシール部材に対して前記ランプ加熱装置からの輻射熱を遮蔽する遮蔽部材とを有する。

好適には、前記シール部材の周辺部を冷却する冷却手段を有する。

本発明によれば、光透過性窓部の少なくとも一部にランプ加熱装置から照射される光の透過率を低減させる透過率低減部を有するので、シール部材周辺の温度上昇を抑制することができ、もって基板の加熱温度を上げて高温処理能力を向上させることができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。本発明のプラズマ処理炉は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）を用いてウエハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉（以下、ＭＭＴ装置と称する）である。このＭＭＴ装置は、気密性を確保した処理室に基板を設置し、シャワーヘッドを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界を形成し、マグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので高密度プラズマを生成できる。このように反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化等の拡散処理、または基板表面に薄膜を形成する、または基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。

図１に、基板処理装置としてのＭＭＴ装置１００の概略構成図を示す。ＭＭＴ装置１００は、処理容器２０３を有し、この処理容器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により形成され、上側容器２１０は下側容器２１１の上に被せられている。上側容器２１０は酸化アルミニウム又は石英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で形成されている。また、処理容器２０３の上面には後述する光透過性窓部２７８が配設され、この光透過性窓部２７８に対応する反応容器２０３外側にランプ加熱装置（光源）２８０が設けられている。また後述するヒータ一体型の基板保持具（基板保持手段）であるサセプタ２１７を窒化アルミニウムやセラミックス又は石英等の非金属材料で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減している。

シャワーヘッド２３６は、処理室（反応室）２０１の上部に設けられ、リング状の枠体２３３と、後述する光透過性窓部２７８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とを備えている。バッファ室２３７は、ガス導入口２３４より導入されたガスを分散するための分散空間として設けられる。

ガス導入口２３４には、ガスを供給するガス供給管２３２が接続されており、ガス供給管２３２は、開閉弁であるバルブ２４３ａ、流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１を介して図中省略の反応ガス２３０のガスボンベに繋がっている。シャワーヘッド２３６から反応ガス２３０が処理室２０１に供給され、また、サセプタ２１７の周囲から処理室２０１の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器２１１の側壁に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にはガスを排気するガス排気管２３１が接続されており、ガス排気管２３１は、圧力調整器であるＡＰＣ２４２、開閉弁であるバルブ２４３ｂを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されている。

供給される反応ガス２３０を励起させる放電機構（放電用電極）として、筒状、例えば円筒状に形成された第１の電極である筒状電極２１５が設けられる。筒状電極２１５は処理容器２０３（上側容器２１０）の外周に設置されて処理室２０１内のプラズマ生成領域２２４を囲んでいる。筒状電極２１５にはインピーダンスの整合を行う整合器２７２を介して高周波電力を印加する高周波電源２７３が接続されている。

また、筒状、例えば円筒状に形成された磁界形成機構（磁界形成手段）である筒状磁石２１６は筒状の永久磁石となっている。筒状磁石２１６は、筒状電極２１５の外表面の上下端近傍に配置される。上下の筒状磁石２１６、２１６は、処理室２０１の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の筒状磁石２１６、２１６の磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極２１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。

処理室２０１の底側中央には、基板であるウエハ２００を保持するための基板保持具（基板保持手段）としてサセプタ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やセラミックス、又は石英等の非金属材料で形成され、内部に加熱機構（加熱手段）としてのヒータ（図中省略）が一体的に埋め込まれており、ウエハ２００を加熱できるようになっている。ヒータは、電力が印加されてウエハ２００を５００℃程度にまで加熱できるようになっている。

また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを変化させるための電極である第２の電極も装備されており、この第２の電極がインピーダンス可変機構２７４を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７４は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、上記電極及びサセプタ２１７を介してウエハ２００の電位を制御できるようになっている。

ウエハ２００をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理するための処理炉２０２は、少なくとも処理室２０１、処理容器２０３、サセプタ２１７、筒状電極２１５、筒状磁石２１６、シャワーヘッド２３６、及び排気口２３５から構成されており、処理室２０１でウエハ２００をプラズマ処理することが可能となっている。

筒状電極２１５及び筒状磁石２１６の周囲には、この筒状電極２１５及び筒状磁石２１６で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板２２３が設けられている。

サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁され、サセプタ２１７を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２６８が設けられている。またサセプタ２１７には貫通孔２１７ａが設けられ、下側容器２１１底面にはウエハ２００を突上げるためのウエハ突上げピン２６６が少なくとも３箇所に設けられている。そして、サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７が下降させられた時にはウエハ突上げピン２６６がサセプタ２１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔２１７ａ及びウエハ突上げピン２６６が配置される。

また、下側容器２１１の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２４４が設けられ、開いている時には図中省略の搬送機構（搬送手段）により処理室２０１に対してウエハ２００を搬入、または搬出することができ、閉まっている時には処理室２０１を気密に閉じることができる。

また、制御部（制御手段）としてのコントローラ１２１は信号線Ａを通じてＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、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を通じてゲートバルブ２４４を、信号線Ｄを通じて整合器２７２、高周波電源２７３を、信号線Ｅを通じてマスフローコントローラ２４１、バルブ２４３ａを、さらに図示しない信号線を通じてサセプタに埋め込まれたヒータやインピーダンス可変機構２７４をそれぞれ制御するよう構成されている。

次に上記のような構成の処理炉を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウエハ２００表面に対し、又はウエハ２００上に形成された下地膜の表面に対し所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、ＭＭＴ装置１００を構成する各部の動作は制御部１２１により制御される。

ウエハ２００は処理炉２０２を構成する処理室２０１の外部からウエハを搬送する図中省略の搬送機構によって処理室２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される。この搬送動作の詳細は次の通りである。サセプタ２１７が基板搬送位置まで下降し、ウエハ突上げピン２６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通過する。このときサセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突き上げピン２６６が突き出された状態となる。次に、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４が開かれ、図中省略の搬送機構によってウエハ２００をウエハ突上げピン２６６の先端に載置する。搬送機構が処理室２０１外へ退避すると、ゲートバルブ２４４が閉じられる。サセプタ２１７がサセプタ昇降機構２６８により上昇すると、サセプタ２１７上面にウエハ２００を載置することができ、更にウエハ２００を処理する位置まで上昇する。

サセプタ２１７に埋め込まれたヒータ及びランプ過熱装置は予め加熱されており、搬入されたウエハ２００を室温〜７００℃の範囲の内、所定のウエハ処理温度に加熱する。真空ポンプ２４６、及びＡＰＣ２４２を用いて処理室２０１の圧力を１〜２００Ｐａの範囲の内、所定の圧力に維持する。

ウエハ２００の温度が処理温度に達し、安定化したら、ガス導入口２３４から遮蔽プレート２４０のガス噴出孔２３９を介して、反応ガスを処理室２０１に配置されているウエハ２００の上面（処理面）に向けて導入する。このときのガス流量は所定の流量（例えば０〜５００ｓｃｃｍ）とする。同時に筒状電極２１５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する。印加する電力は、１５０〜２００Ｗの範囲の内、所定の出力値を投入する。このときインピーダンス可変機構２７４は予め所望のインピーダンス値となるように制御しておく。

筒状磁石２１６、２１６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ２００の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域２２４に高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ２１７上のウエハ２００の表面にプラズマ処理が施される。プラズマ処理が終わったウエハ２００は、図示略の搬送機構を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室２０１外へ搬送される。

次にランプ加熱装置２８０の周辺構造を図２に基づいて説明する。
ランプ加熱装置２８０は、枠体２３３上に載置された支持部材２８２上に配設され、少なくとも１つ（本実施形態においては４つ）の加熱ランプを有する。第１のシール部材２８４ａは、枠体２３３上面と光透過性窓部２０３下面との間をバッファ室２３７を気密にシールしており、第２のシール部材２８４ｂは、処理容器２０３（上側容器２１０）上面と枠体２３３下面との間に配設され、処理室２０１内を気密にシールしている。樹脂製部材２８６は、光透過性窓部２７８と支持部材２８２との間に配設されており、光透過性窓部２７８と支持部材２８２との接触を防止し、該光透過性窓部２７８の破損を防止する破損防止部材として用いられる。光透過性窓部２７８は、円柱状に形成されており、第２のシール部材２８４ｂを介して枠体２３３に支持されている。この光透過性窓部２７８は、ランプ加熱装置２８０から照射された光や熱を透過させる透過性部材から構成されている。

支持部材２８２は、ランプ加熱装置２８０から照射される光を遮光する遮光板２８２ａを有している。この遮光板２８２ａは、ランプ加熱装置２８０から照射される光を遮光するとともに該ランプ加熱装置２８０から放出される輻射熱（熱エネルギー）を遮蔽（吸収）する遮蔽部材として用いられる。すなわち、この遮光板２８２ａは、第２のシール部材２８４に対してランプ加熱装置２８０から照射される光を遮光する位置に設けられている。したがって、ランプ加熱装置２８０から放出される輻射熱が遮光板２８２ａにより吸収され、第２のシール部材２８４の高温化が抑制される。

冷却手段としての冷却路２８８は、枠体２３３内に設けられている。この冷却路２８８に冷却液（例えば水）を流通させることにより、第１のシール部材２８４ａ及び第２のシール部材２８４ｂ周辺の環境温度を低下させるようになっている。

次に本発明の第２の実施形態におけるＭＭＴ装置１００を図３に基づいて説明する。

本実施形態における光透過性窓部２７８は、第１の実施形態における光透過性窓部と比較し、外径が大きく形成されている。また、本実施形態における枠体２３３は、第１の枠体２３３ａ、第２の枠体２３３ｂ及び第３の枠体２３３ｃを有する。第３の枠体２３３ｃは、第２のシール部材２８４ｂを介して処理容器２０３に支持されており、第２の冷却路２８８ｂを有する。第２の枠体２３３ｂは、第３の枠体２３３ｃに支持されており、光透過性窓部２７８の外周部を囲うように配設されている。第１の枠体２３３ａは、第２の枠体２３３ｂに支持されており、第１の冷却路２８８ａを有する。第１の枠体２３３ａの下面は光透過性窓部２７８上面の外縁部に載置された破損防止材としての樹脂製部材２８６と接触するようになっている。第１の冷却炉２８８ａに冷却液（例えば水）を流通させることにより、樹脂製部材２８６周辺の環境温度を低下させ、第２の冷却路２８８ｂに冷却液を流通させることにより、第１のシール部材２８４ａ及び第２のシール部材２８４ｂ周辺の環境温度を低下させるようになっている。

上述したように、光透過性窓部２７８の外径を大きくしたことにより、第１のシール部材２８４ａは、ランプ加熱装置２８０から遠ざけて配置されている。より具体的には、本実施形態におけるランプ加熱装置２８０から第１のシール部材２８４ａまでの距離（図３（ａ）のＬ２）は、第１の実施形態におけるランプ加熱装置２８０から第１のシール部材２８４ａまでの距離（図２（ａ）のＬ１）よりも長くなっている。これにより、第１のシール部材２８４ａ周辺の環境温度の高温化が抑制された。より具体的には、第２の加熱源であるランプ加熱装置を有さないＭＭＴ装置のシール部材周辺温度が１２４℃程度であったのに対し、本実施形態におけるＭＭＴ装置１００の同一箇所の温度は１３２℃程度であり、温度の上昇率を６％程度に抑制することができた。
なお、本発明の第２の実施形態の説明においては、本発明の第１の実施形態と同一部分について図面に同一番号を付してその説明を省略した。

次に本発明の第３の実施形態におけるＭＭＴ装置１００を図４に基づいて説明する。

本実施形態における光透過性窓部２７８には、該光透過性窓部２７８下面の外縁部に凹部２７８ａが形成されており、この凹部２７８ａには不透明部材２９０が嵌め込まれている。この不透明部材２９０は、ランプ加熱装置２８０から照射される光の透過率を低減させる部材（例えばすりガラス等）からなり、透過率低減部として用いられる。この不透明部材２９０は、第１のシール部材２８４ａ及び第２のシール部材２８４ｂに対してランプ加熱装置２８０から照射される光を遮光、すなわちランプ加熱装置２８０から放出される輻射熱（熱エネルギー）を遮蔽する位置に設けられている。したがって、ランプ加熱装置２８０から第１のシール部材２８４ａ及び第２のシール部材２８４ｂに対して放出される輻射熱が不透明部材２９０により遮蔽され、第１のシール部材２８４ａ及び第２のシール部材２８４ｂの高温化が抑制される。
なお、本発明の第３の実施形態の説明においては、本発明の第２の実施形態と同一部分について図面に同一番号を付してその説明を省略した。

次に本発明の第４の実施形態におけるＭＭＴ装置１００を図５に基づいて説明する。

本実施形態における光透過性窓部２７８には、該光透過性窓部２７８上面の外縁部に凹部２７８ｂが形成されており、この凹部２７８ｂには不透明部材２９０が嵌め込まれている。この不透明部材２９０は、第１のシール部材２８４ａ及び第２のシール部材２８４ｂに対してランプ加熱装置２８０から放出される輻射熱（熱エネルギー）を遮蔽する位置に設けられている。したがって、ランプ加熱装置２８０から第１のシール部材２８４ａ及び第２のシール部材２８４ｂに対して放出される輻射熱が不透明部材２９０により遮蔽され、第１のシール部材２８４ａ及び第２のシール部材２８４ｂの高温化が抑制される。また、本実施形態においては光透過性窓部２７８の不透明部材２９０が処理室２０１（バッファ室２３７）に晒されていないので、該不透明部材２７８がプラズマにより削られることにより発生するパーティクルを抑制することができる。
なお、本発明の第４の実施形態の説明においては、本発明の第３の実施形態と同一部分について図面に同一番号を付してその説明を省略した。

本発明は、導体ウエハやガラス基板等の基板を処理するための基板処理装置において、基板の加熱温度を上げて高温処理能力を向上させる必要があるものに利用することができる。

本発明の実施形態に係る基板処理装置に用いられる処理炉を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係る処理炉のランプ加熱装置の周辺構造を示し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は光透過性窓部の部分拡大図である。 第２の実施形態に係る処理炉のランプ加熱装置の周辺構造を示し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は光透過性窓部の部分拡大図である。 第３の実施形態に係る処理炉のランプ加熱装置の周辺構造を示し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は光透過性窓部の部分拡大図である。 第４の実施形態に係る処理炉のランプ加熱装置の周辺構造を示し、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は光透過性窓部の部分拡大図である。

符号の説明

１００ ＭＭＴ処理炉
２００ ウエハ
２０１ 処理室
２１５ 筒状電極
２１６ 筒状磁石
２７８ 光透過性窓部
２８０ ランプ加熱装置
２８２ａ 遮光板
２８６ 樹脂製部材
２８８ 冷却路
２９０ 不透明部材

Claims (2)

1. 少なくとも上面に光透過性窓部を設けた処理室と、
   前記処理室内にプラズマを生成する放電用電極と、
   前記光透過性窓部に対応する処理室外側に配置されるランプ加熱装置と、
   前記ランプ加熱装置を支持する支持部材と、
   前記光透過性窓部と前記支持部材の間に設けられ、該光透過性窓部の破損を防止する破損防止部材と、
   前記処理室を気密にシールするシール部材と、
   を有し、
   前記ランプ加熱装置から前記シール部材に対して放出される輻射熱を遮蔽する位置であって、前記光透過性窓部の外縁部には、前記ランプ加熱装置から照射される光の透過率を低減させる透過率低減部が設けられ、
   さらに該透過率低減部は、前記処理室に晒されないよう構成されている
   基板処理装置。
2. 少なくとも上面に光透過性窓部を設けた処理室と、
   前記処理室内にプラズマを生成する放電用電極と、
   前記光透過性窓部に対応する処理室外側に配置されるランプ加熱装置と、
   前記ランプ加熱装置を支持する支持部材と、
   前記光透過性窓部と前記支持部材の間に設けられ、該光透過性窓部の破損を防止する破損防止部材と、
   前記処理室を気密にシールするシール部材と、
   を有し、
   前記ランプ加熱装置から前記シール部材に対して放出される輻射熱を遮蔽する位置であって、前記光透過性窓部の外縁部には、前記ランプ加熱装置から照射される光の透過率を低減させる透過率低減部が設けられ、
   さらに該透過率低減部は、前記処理室に晒されないように構成されている基板処理装置を用いた半導体デバイスの製造方法であって、
   前記処理室に搬送された基板を前記ランプ加熱装置によって加熱する工程と、
   前記処理室内で前記基板にプラズマ処理を施す工程と、
   を有する半導体デバイスの製造方法。

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