(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成室と、このプラズマ生成室に電力を供給するための電力供給機構と、前記プラズマ生成室と空間的につながる成膜室と、前記プラズマ生成室と前記成膜室を真空排気する排気機構と、前記成膜室にプラズマ生成用の原料ガスを供給する第１ガス供給機構と、前記成膜室に薄膜形成用の材料ガスを供給する第２ガス供給機構とを備える薄膜形成装置において、
前記材料ガスと生成されたプラズマのうち少なくともいずれか一方が、前記第２ガス供給機構の成膜室内供給端部と前記成膜室の内壁面との間の空間に進入するのを阻止するための、大きな曲率半径を有する部分によって形成される遮断部材を設けたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記遮断部材は前記第２ガス供給機構の前記成膜室内供給端部と前記空間とを覆うように設けられた部材であることを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記遮蔽部材の曲率半径は、前記第２ガス供給機構の前記成膜室内供給端部が有する曲率半径または前記空間内に存する部材が有する曲率半径よりも大きくなるように決定されることを特徴とする請求項２記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記遮断部材は電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜形成装置に関し、特に、半導体素子等の製造でガス状態の原材料を導入しプラズマの作用を利用して薄膜を形成する薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の薄膜形成装置の一例を図４を参照して説明する。この薄膜形成装置は、プラズマ生成用の原料ガスに酸素ガス（Ｏ2 ）を用いかつ薄膜形成用の材料ガスにモノシランガス（ＳｉＨ4 ）を用いることにより熱酸化膜と同等またはそれに近い膜質の酸化珪素薄膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装置である。
【０００３】
図４に示したプラズマＣＶＤ装置は、プラズマ生成に使用されるベルジャ１１と、ベルジャ１１に電力を供給する電力供給機構１２と、ベルジャ１１と空間的につながっている成膜室１３と、成膜室１３の周囲に設けられかつ成膜室１３の内部にマルチカスプ磁場を形成するための磁場生成機構１４と、ベルジャ１１および成膜室１３を真空排気するための排気機構１５と、成膜室１３に上記酸素ガスを供給するための第１のガス供給機構１６と、上記モノシランガスを供給するための第２のガス供給機構１７を備える。
【０００４】
上記のプラズマＣＶＤ装置において、ベルジャ１１は誘電体で形成され、プラズマ生成室として機能する。より具体的には、ベルジャ１１は上端が閉じられた直径が例えば１００ｍｍの石英ガラス管で作られ、開放された下端は下部の成膜室１３に接続される。電力供給機構１２は、高周波電源２１と、整合器２２と、ベルジャ１１の周囲に配置されたループ状アンテナ２３で構成される。高周波電源２１には例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を出力する電源が使用される。なお電力供給機構１２は高周波を供給するものに限定されない。成膜室１３は例えば高さ２３０ｍｍ、直径３６０ｍｍの有底円筒形状のアルミニウム合金にて形成され、成膜室１３の周囲に配置される磁場生成機構１４は例えば１２対２４極の永久磁石で形成される。さらに排気機構１５は、排気用チャンバ３１と２段のバルブ３２ａ，３２ｂと排気ポンプ３３から構成される。排気ポンプ３３では、主排気ポンプとしてターボ分子ポンプ３３ａ、補助排気ポンプとしてドライポンプ３３ｂが用いられている。
【０００５】
また成膜室１３の内部には基板４１を支持する基板ホルダ４２が設置される。この基板ホルダ４２の内部には熱交換媒体が循環する構造４３と温度検出器（図示せず）が備えられ、所望温度での加熱・冷却といった温度制御が可能である。さらに基板ホルダ４２には、基板４１にバイアス電力を印加できるように高周波電源４４が接続されている。高周波電源４４には周波数４００ｋＨｚの高周波を出力する電源が使用される。
【０００６】
図５は第２のガス供給機構１７の詳細な構造を示す図で、一部を断面で示している。ガス供給機構１７の成膜室１３内の供給端部は、リング形状のパイプ部材５１となっている。パイプ部材５１のリング状内側面には例えば等間隔に配置された複数のガス噴射孔５２が形成され、リング状外側面には例えば１本の輸送パイプ５３が設けられる。このリング状パイプ部材５１は、輸送パイプ５３を支持する支持部材５４、および類似した構造を有する他の複数の支持部材５５によって成膜室１３内に固定される。支持部材５４は成膜室１３の内外を通じさせる筒部材構造を有し、成膜室１３の壁部に固定されている。支持部材５５も同じく成膜室１３の壁部に固定される。ガス供給機構１７で供給されるモノシランガスは支持部材５４および輸送パイプ５３を経由してパイプ部材５１に至り、パイプ部材５１の複数のガス噴射孔５２から成膜室１３内へ噴射され、基板４１の表面に供給される。矢印５６はモノシランガスの噴射方向を示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記構造を有する従来のプラズマＣＶＤ装置で酸化珪素膜を形成し続けると、プラズマに接する成膜室１３の内壁面１３ａに酸化珪素膜が堆積すると共に、プラズマが回り込むことによりプラズマに接するパイプ部材５１、パイプ部材５１の支持部材５４，５５、輸送パイプ５３の表面全体に酸化珪素膜が堆積するという現象が生じる。成膜室１３の内部構造物に酸化珪素膜が堆積すると、やがては酸化珪素膜の内部応力により剥がれ落ちて微粉末の発生原因となり、基板４１の酸化珪素薄膜上に表面欠陥を生じさせ、当該酸素珪素薄膜の商品価値を低下せしめるという問題を生じる。
【０００８】
さらに詳しく述べると、成膜室１３の内壁面１３ａは、前述のごとく高さ２３０ｍｍ、直径３６０ｍｍの比較的大きな有底円筒形の形状を有し、鋭利な角の部分や曲率の小さい部分を排除した形状で作ることができるため、薄膜形成作用によって堆積した酸化珪素薄膜は内部応力の少ない膜となり、相当量の堆積膜厚に至るまで剥がれ落ちることが少ない。これに対して、パイプ部材５１、支持部材５４，５５、輸送パイプ５３は、曲率半径の小さな形状（例えば曲率半径５ｍｍ程度のパイプ）を有し、さらにパイプ部材５１と支持部材５４との接続部分には鋭利な角部が形成されたり、支持部材５４，５５そのものが鋭利な角部を有する金属板で形成される。このような曲率半径が小さい部分や鋭利な角の部分に酸化珪素膜が堆積すると、薄膜の内部応力が大きくなり、僅かの堆積膜厚で膜が剥がれ落ちるという問題が発生する。
【０００９】
本発明の目的は、上記の各問題を解決するため、プラズマガスと材料ガスを利用した薄膜形成において、成膜室内部に堆積・形成された膜からの微粉末の発生を抑え、表面欠陥の少ない高品質な薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る薄膜形成装置は、上記目的を達成するために、プラズマ生成室と、プラズマ生成室に電力を供給するための電力供給機構と、プラズマ生成室と空間的につながる成膜室と、プラズマ生成室と成膜室を真空排気する排気機構と、成膜室にプラズマ生成用の原料ガスを供給する第１ガス供給機構と、成膜室に薄膜形成用の材料ガスを供給する第２ガス供給機構とを備え、さらに、材料ガスと生成されたプラズマのうち少なくともいずれか一方が、第２ガス供給機構の成膜室内供給端部と成膜室の内壁面との間の空間に進入するのを阻止するための、大きな曲率半径を有する部分によって形成される遮断部材を設けるように構成される。
【００１１】
前記の構成において、好ましくは、遮断部材は、第２ガス供給機構の成膜室内供給端部と前記空間とを覆うように設けられた部材である。
【００１２】
前記の各構成において、好ましくは、遮蔽部材の曲率半径は、第２ガス供給機構の成膜室内供給端部が有する曲率半径または前記空間内に存する部材が有する曲率半径よりも大きくなるように決定される。
【００１３】
前記の各構成において、好ましくは、遮断部材は電気的に絶縁されていることを特徴とする。
【００１４】
【作用】
本発明では、第１のガス供給機構によりプラズマ原料ガスが成膜室とプラズマ生成室に導入され、プラズマ生成室に電力が供給され、原料ガス分子と電力が相互作用を起こすことによりプラズマ生成室でプラズマが生成される。次に第２ガス供給機構により材料ガスが成膜室に導入・拡散される。成膜室内部は、プラズマで満たされているので、材料ガスはプラズマと化学反応を起こし、薄膜成分が生成される。原料ガスが酸素ガス、材料ガスがモノシランガスの場合、酸素プラズマが生成され、酸化珪素と水が分解・生成される。生成された薄膜成分は、基板の表面上に堆積すると共に成膜室内部の内壁面および遮断部材の表面上に堆積する。第２ガス供給機構の成膜室内供給端部と成膜室の内壁面とに狭まれた空間にプラズマガスや材料ガスが侵入するのを阻止するための遮断部材が設置されるので、成膜室内供給端部に関連する支持部材や輸送パイプ等に薄膜が堆積することを防ぐことができる。遮断部材は、成膜室の内壁面と同様に大きな曲率半径を有する部分で形成され、曲率半径の小さい部分や鋭利な角の部分を排除しているので、薄膜形成作用により堆積した膜は内部応力の少ない膜となり、相当量の堆積膜厚に至るまで剥がれ落ちることが少なくなる。この結果、微粉末の発生を制御することができ、長期間に亘り高品質な薄膜を形成できる。
【００１５】
【実施例】
以下に、本発明の好適実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
本発明に係る薄膜形成装置の基本的構成は図４と図５で説明した構成と同じである。すなわち、薄膜形成装置はプラズマＣＶＤ装置であり、プラズマ生成に使用されるベルジャ１１と、ベルジャ１１に例えば高周波電力を供給する電力供給機構１２と、ベルジャ１１と空間的につながっている成膜室１３と、成膜室１３の周囲に設けられかつ成膜室１３の内部にマルチカスプ磁場を形成するための磁場生成機構１４と、ベルジャ１１および成膜室１３を真空排気するための排気機構１５と、成膜室１３に酸素ガス等のプラズマ生成用原料ガスを供給するための第１のガス供給機構１６と、モノシランガス等の薄膜形成用材料ガスを供給するための第２のガス供給機構１７を備える。また成膜室１３の内部には基板４１を支持する基板ホルダ４２が設置され、基板ホルダ４２には基板４１にバイアス電力を印加できるように高周波電源４４が接続される。第２のガス供給機構１７の成膜室１３内の供給端部はリング状パイプ部材５１となっている。パイプ部材５１は、輸送パイプ５３を支持する支持部材５４とこれに類似する複数の支持部材５５によって成膜室１３内に固定される。
【００１７】
この実施例では、プラズマ生成用原料ガスとして酸素ガスを供給し、材料ガスとしてモノシランガスを供給することとし、これによって、酸素プラズマが生成され、当該酸素プラズマとモノシランガスとの化学反応によって酸化珪素薄膜が形成される。
【００１８】
上記構成に関する詳細な説明と薄膜形成の原理の説明は、前述した説明を参照することとし、ここでは省略する。なお本発明に係る薄膜形成装置は、上記プラズマＣＶＤ装置に限定されるものではない。また上記磁場生成機構１４は必ず必要なものではない。
【００１９】
本実施例による薄膜形成装置の特徴的構成を示した図１を参照してその特徴を説明する。
【００２０】
図１において、第２のガス供給機構１７の成膜室内供給端部であるリング状パイプ部材５１において、そのリング状内側面には例えば等間隔に配置された複数のガス噴射孔５２が形成され、そのリング状外側面には輸送パイプ５３が設けられる。ガス供給機構１７で供給されるモノシランガスは輸送パイプ５３を経由してパイプ部材５１に至り、パイプ部材５１の複数のガス噴射孔５２から噴射され、処理対象である基板４１の表面に供給される。
【００２１】
リング状パイプ部材５１は、図２に示すように、輸送パイプ５３と支持部材５４、さらに類似した形状を有する複数の支持部材５５によって成膜室１３の内壁面１３ａに固定されている。
【００２２】
図１において、遮断部材６１は、成膜室１３に供給された材料ガスとベルジャ１１から成膜室１３へ拡散したプラズマのうちいずれか一方または両方が、パイプ部材５１と成膜室１３の内壁面１３ａとの間の空間に進入するのを阻止するための部材である。図１に示されるように遮断部材６１は、パイプ部材５１と輸送パイプ５３と支持部材５４，５５を覆うまたは包み込むような、外側が開放された断面Ｕ字型のリング状形態を有し、特に曲率半径の大きな部分によって形成される形態を有する。換言すれば、遮断部材６１の形態では、材料ガス（モノシランガス）やプラズマ（酸素プラズマ）に触れる表面であって薄膜（酸化珪素薄膜）が堆積する表面において、当該薄膜の内部応力を大きくして僅かの堆積膜厚で膜が剥がれ落ちることを可能にする曲率半径の小さい部分や鋭利な角の部分が形成されることを排除している。遮断部材６１の形態における曲率半径の大きな部分に関する望ましい曲率半径の値は、形成しようとする薄膜に応じて決定される。遮断部材６１の外側周縁部は、成膜室１３の内壁面１３ａに気密に固定される。固定の仕方としては、例えば、溶接による固定やシール部材を介した締結手段による固定が採用される。なお遮断部材６１には、上記パイプ部材５１の複数の噴射孔５２に対応して複数の噴射孔６２が形成されている。
【００２３】
上記のごとき遮断部材６１を設けることによって、ベルジャ１１で生成され、ここから成膜室１３へ拡散したプラズマ、あるいは第２のガス供給機構１７によって導入されたモノシランガスがパイプ部材５１と成膜室１３の内壁面１３ａとの間の空間に進入するのを防止することができる。これにより、成膜室１３の内壁面１３ａの側に向いたパイプ部材５１の部分と輸送パイプ５３と支持部材５４，５５に対してプラズマの進入またはモノシランガスの進入を防ぐことができるので、その結果、これらの部分の表面に酸化珪素薄膜が堆積するのを防ぐことができる。
【００２４】
上記の実施例において、遮断部材５１の形態や固定位置は上記の条件を満たす範囲内で任意に変更することができる。
【００２５】
図３は、６インチ珪素半導体基板上に１μｍの厚さで酸化珪素薄膜を形成した場合、半導体基板の処理枚数に対して、酸化珪素薄膜が形成された後の半導体基板表面上の微粉末の数の変化を示したグラフである。図３において、縦軸は微粉末の数、横軸は半導体基板の処理枚数を意味している。また微粉末は、６インチ珪素半導体基板の直径１４０ｍｍより内側の領域に対して直径０．３μｍ以上のものを計測した。
【００２６】
図３のグラフで、折線Ａ（マーカ●）は図４と図５で示した従来の薄膜形成装置を用いた場合の微粉末数の変化であり、折線Ｂ（マーカ■）は、本発明の実施例である図１に示した遮断部材６１を備えた薄膜形成装置を用いた場合の微粉末の数の変化である。
【００２７】
折線Ａは、半導体基板の処理枚数が３５枚の付近から微粉末の数が急峻的に増大しており、その数は１５０個を越えて数万個に至っている。数万個の領域は図示を省略している。この状態で、第２のガス供給機構１７であるパイプ部材５１を成膜室１３より取り出して、堆積膜の付着状況を観察すると、支持部材５４等との接合部にて堆積膜の剥がれが確認された。従って、堆積膜の剥がれ現象が微粉末の急増発生の原因とみなすことができる。
【００２８】
上記に対して、折線Ｂでは、半導体基板の処理枚数が１５０枚に至るまで微粉末の数は１００個以下である。この状態で、遮断部材６１と第２のガス供給機構１７の供給端部であるパイプ部材５１を成膜室１３から取り出して、堆積膜の付着状況を観察すると、遮断部材６１の表面には酸化珪素膜が付着しているものの剥がれ現象は観察されなかった。またパイプ部材５１の表面については酸化珪素膜の堆積は確認されなかった。
【００２９】
このように、パイプ部材５１を支持部材５４，５５により成膜室１３の内壁面１３ａに固定し、遮断部材６１をパイプ部材５１と輸送パイプ５３と支持部材５４，５５を包み込む形態にてパイプ部材５１と成膜室１３の内壁面１３ａによって狭まれる空間に設置することにより、成膜室１３の内壁面側に向いたパイプ部材５１の部分、輸送パイプ５３、支持部材５４，５５等の鋭利な角の部分または曲率半径が小さい部分に酸化珪素薄膜が堆積するのを防ぐことができるので、微粉末の発生を制御することができる。
【００３０】
また遮断部材６１を電気的に絶縁された状態とすることで、プラズマとの接触によるプラズマ中の荷電粒子の損失を抑制することができる。その結果、プラズマの高密度化を維持することが可能となり、プラズマ放電をより安定かつ活性に持続することができ、酸化珪素薄膜の成膜速度を維持することができる。遮断部材６１が電気的に絶縁された状態とするためには、遮断部材６１を電気的絶縁部材で作製したり、あるいは遮断部材６１を金属等の導電性部材で作製し、接触する他の部分との間に絶縁部材を設ける。
【００３１】
前述の実施例では、材料ガスを供給するための第２のガス供給機構１７の成膜室内供給端部の周辺部に遮断部材を設けた例を説明したが、プラズマ生成用原料ガスを供給するための第１のガス供給機構１６の成膜室内供給端部の周辺部に同様な構造の遮断部材を設けることもできる。また第１と第２のガス供給機構の成膜室内供給端部の各周辺部を１つの共通の遮断部材で覆うようにすることもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００３３】
プラズマと材料ガスを利用して基板表面に薄膜を形成する装置において、成膜室内に設けられた材料ガス供給機構の供給端部の周辺に遮断部材を設けるようにしたため、プラズマまたは材料ガスが供給端部と成膜室の壁面との間の空間に進入するのを防ぐことができ、これにより曲率半径の小さい部分や鋭利な角を有する部分に薄膜が堆積されるのを防ぐことができ、結果的に微粉末の発生を抑制でき、基板上に表面欠陥の少ない高品質な薄膜を形成できる。
【００３４】
また遮断部材は曲率半径の大きな部分で形成される形態を有するので、遮断部材の表面に薄膜が形成されたとしても、相当の膜厚になるまで微粉末の発生が抑制され、基板上に表面欠陥の少ない高品質な薄膜を形成できる。
【００３５】
遮断部材を電気的に絶縁されるにように設けたため、プラズマ中の荷電粒子の損失を抑制することができ、その結果、プラズマの高密度化を維持することが可能となり、プラズマ放電をより安定化、活性化を持続することができ、酸化珪素薄膜の成膜速度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜形成装置の要部の一実施例を示す一部断面構成図である。
【図２】パイプ部材の支持構造を示す平面図である。
【図３】本実施例による薄膜形成装置と従来の薄膜形成装置による薄膜形成性能の比較を示すグラフである。
【図４】従来の薄膜形成装置の一例を示す構成図である。
【図５】従来の薄膜形成装置における第２のガス供給機構の詳細な構造を示す一部断面構成図である。
【符号の説明】
１１                  ベルジャ
１２                  電力供給機構
１３                  成膜室
１４                  磁場生成機構
１５                  排気機構
１６                  第１のガス供給機構
１７                  第２のガス供給機構
５１                  パイプ部材
５２                  噴射孔
５３                  輸送パイプ
５４，５５            支持部材
６１                  遮断部材
６２                  噴射孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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