(57)【要約】【課題】  均一な膜厚分布を有する薄膜の成膜を可能とするプラズマＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】  プラズマＣＶＤ装置１０は、チャンバー側壁から延びる３０本のノズル装置１８と、ウエハステージ１３の上部に配設されるノズル装置２０とから、チャンバー１１内にガスを導入する。ウエハステージ１１上部のノズル装置２０は、半径方向外側に配設され吹き出し角度が鉛直方向から７４度の角度方向を向く４つのノズル穴２５と、半径方向内側に配設され吹き出し角度が鉛直方向から６０度の角度方向を向く４つのノズル穴２５とを有する。【選択図】図１
2006310481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー空間内に収容されるウエハステージと、該ウエハステージの上部から前記ウエハステージに向けてガスを吹き付けるノズル装置とを備えるＣＶＤ装置において、
前記ノズル装置が複数のノズル穴を有し、該複数のノズル穴は、鉛直方向から測ったガス吹き付け角度が相互に異なるノズル穴を含むことを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記ノズル穴の端面と、前記ウエハステージに載置されるウエハとの離隔距離が１３０ｍｍ以上である、請求項１に記載のＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記ノズル穴は、前記ガス吹き付け角度が１５度〜８５度の角度範囲内にある、請求項１に記載のＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記ノズル穴の吹き出し端面と前記ガス吹き付け角度とがほぼ直交する、請求項３に記載のＣＶＤ装置。
【請求項５】
前記ノズル装置は、本体部と、該本体部に形成されたガス導入口と、前記本体部に形成され前記ガス導入口と前記複数のノズル穴とを接続するガス流路とから成る、請求項１に記載のＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記本体部が、アルミナ又は窒化アルミから成る、請求項５に記載のＣＶＤ装置。
【請求項７】
前記本体部の表面が、イットリウムによって被覆されている、請求項５又は６に記載のＣＶＤ装置。
【請求項８】
前記ウエハステージとほぼ平行方向にガスを吹き付ける複数の別のノズル装置を更に備え、該複数の別のノズル装置は、５０ｍｍ以下のノズル長を有し、ノズル穴のガス吹き出し端面が、前記ウエハステージに載置されるウエハの縁部から前記ウエハと直交方向に見て５０ｍｍ以上離間している、請求項１に記載のＣＶＤ装置。
【請求項９】
プラズマＣＶＤ装置として構成される、請求項１〜８の何れか一に記載のＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＶＤ装置に関し、特に、ＣＶＤ装置のチャンバー内に反応性ガスを導入するためのガスノズルの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマＣＶＤ装置などのＣＶＤ装置は、半導体ウエハ上で薄膜を成膜するための成膜装置として広範囲に用いられている。従来のＣＶＤ装置では、チャンバー側壁のガスノズルからガスが導入されていた。しかし、ウエハ中心部にガスが届き難いため、ウエハ中心部の膜厚が薄くなる傾向があった。そこで、チャンバー側壁のガスノズルを長くしたり、或いは、長いノズルと短いノズルとを組み合わせたりしていた。しかし、チャンバー側壁から長く突出するガスノズルを設置すると、プラズマエネルギーによりガスノズルが加熱されノズル温度が高くなり、ガスノズルからパーティクルが発生するなどの問題があった。そこで、ウエハステージ上部にガスノズルを追加して、ウエハ中心部の膜厚を厚くする提案がある。
【０００３】
特許文献１は、ウエハ上部にガスノズルを設置したプラズマＣＶＤ装置を記載している。図４は、該特許文献に記載のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す。プラズマＣＶＤ装置３０は、チャンバー３１と、チャンバー３１内に収容されウエハ３２を搭載するウエハステージ３３と、ウエハ３２に特定種類のガスを吹き付けるガスノズル３４と、チャンバー３１内にガスプラズマを発生させるソースコイル３５を含むプラズマ発生装置とから構成される。
【０００４】
ガスノズル３４は、ウエハステージ３３の上部と、チャンバー３１の側壁とに配置される２系統のノズルから成り、ウエハステージ上部のチャンバー天井からは１本のガスノズル３４が、チャンバー側壁からは例えば３０本のガスノズル３４がそれぞれ延びている。ガスノズル３４から流すガスの種類は、例えばＳｉＨ4、Ｏ2、及び、Ｈｅの混合ガスである。ソースコイル３４に高周波パワーを印加し、チャンバー３１内のガスにプラズマを発生させて、ウエハ３２上に所望の薄膜を成膜する。
【特許文献１】特開２００３−１３３３０２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献に記載のプラズマＣＶＤ装置のように、ウエハステージ上部にガスノズルを追加すると、ウエハ中心部に局所的にガスが吹き付けられるため、成長する薄膜のウエハ中心部の膜厚が周縁部の膜厚よりも厚くなるという問題がある。このＣＶＤ装置では、例えば図５（ａ）に示す通り、ウエハ上部のノズル装置３４は、ノズル穴３５は１つであり、ガスを吹き付けるノズル穴３５の吹き出し角度がウエハ面に垂直であった。このようなノズル装置３４から反応性ガスを流すと、ウエハ中心部のみが特に厚く成膜されてしまう。そこで、これを改善するために、図５（ｂ）の比較例に示す通り、ウエハステージ上部のノズル装置３４ａのノズル穴３５ａを複数（例えば４つ）にする構成が考えられる。
【０００６】
図６は、図５（ｂ）に示した４つのノズル穴ａ３５から反応性ガスを吹き出して、成膜した場合におけるウエハ半径方向の膜厚分布を示している。詳しくは、図６（ａ）及び（ｂ）は、ノズル穴３５ａの吹き出し角度を、それぞれ鉛直方向から６０度及び７４度に傾けた４つのノズル穴からガスを流し、３００ｍｍウエハ上に薄膜を成膜した場合の膜厚分布を示す。
【０００７】
ノズル穴の吹き出し角度を６０度に傾けた例では、図６（ａ）に示すように、ウエハ上の膜厚は、ウエハ中心部と外周部とが特に厚くなるＷ型の膜厚分布となってしまう。また、ノズル穴の吹き出し角度を７４度に傾けた場合には、図６（ｂ）に示すように、ウエハ上の膜厚は、ウエハ中心部が薄くなるＭ形の膜厚分布となってしまう。
【０００８】
更に、上記何れの場合にも、反応性ガスの種類を、ＳｉＨ4及びＯ2とした場合、ＳｉＨ4，Ｏ２及びＨｅとした場合、又は、ＳｉＨ4，Ｏ2及びＨ2とした場合など、それぞれ違うガス構成で成膜すること、或いは、ソース電源のパワーを変更することなどにより、成膜条件を変更すると、ウエハ上の面内膜厚分布の傾向が変わる。このため、それぞれの成膜条件で、最適なノズル穴の吹き出し角度を調整する必要が生ずるという問題もある。
【０００９】
上記のように、ウエハ上部にガスノズルを配設する従来のプラズマＣＶＤ装置では、半導体装置で用いられるウエハの径が大口径になるにつれ、ウエハ中心部と周辺部との間で膜厚の差が大きくなり、従って、ウエハ上に均一な膜厚で成膜することが難しかった。また、ウエハ上部に配設されるノズル穴の吹き出し角度を変えることにより、膜厚分布の制御が可能になるものの、導入する反応性ガスの種類が異なる等で成膜条件が変わると、最適な吹き出し角度も変わるため、その成膜条件毎に吹き出し角度を調整しなければならず、制御が複雑であるという問題もあった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑み、従来のＣＶＤ装置を改良し、成膜条件の違いによるウエハ上の膜厚分布への影響を抑制し、且つ、その膜厚分布を均一にすることができるＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のＣＶＤ装置は、チャンバー空間内に収容されるウエハステージと、該ウエハステージの上部から前記ウエハステージに向けてガスを吹き付けるノズル装置とを備えるＣＶＤ装置において、
前記ノズル装置が複数のノズル穴を有し、該複数のノズル穴は、鉛直方向から測ったガス吹き付け角度が相互に異なるノズル穴を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＣＶＤ装置によると、ガス吹き付け角度が異なる複数のノズル穴からガスを吹き付けることにより、ウエハ上に形成される薄膜の膜厚について均一性が向上する。また、成膜条件を変えた際に生ずる膜厚分布の変化も抑制される。このため、反応性ガスの種類などの成膜条件を変えた場合でも、より均一な膜厚を有する薄膜をウエハ上に形成可能である。
【００１３】
本発明の好ましい態様のＣＶＤ装置では、前記ノズル穴の端面と、前記ウエハステージに載置されるウエハとの離隔距離が１３０ｍｍ以上である。この場合、薄膜の膜厚均一性が更に向上する。
【００１４】
また、前記ノズル穴のガス吹き付け角度が１５度〜８５度の角度範囲内にあることも本発明の好ましい態様である。膜厚均一性が更に向上する。
【００１５】
更に、前記ノズル穴の吹き出し端面と前記ガス吹き付け角度とがほぼ直交する構成も好ましい。この場合、各ノズル穴から吹き付けられるガスの角度のばらつきが小さくなり、成膜条件の違いによる膜厚均一性の変化が抑制できる。
【００１６】
更に、前記ノズル装置が、本体部と、該本体部に形成されたガス導入口と、前記本体部に形成され前記ガス導入口と前記複数のノズル穴とを接続するガス流路とから成ることも本発明の好ましい態様である。この場合、ノズル装置の製造が容易になる。
【００１７】
更に、前記本体部を、アルミナ又は窒化アルミから製作することも好ましい。これらの材料は、熱伝導率が高いので、ノズルの温度上昇が抑制されると共にフッ化されにくいので、耐久性が向上する。
【００１８】
更に、前記本体部の表面がイットリウムによって被覆されることも本発明の好ましい態様である。耐久性が更に向上する。
【００１９】
また、前記ウエハステージとほぼ平行方向にガスを吹き付ける複数の別のノズル装置を更に備え、該複数の別のノズル装置は、５０ｍｍ以下のノズル長を有し、ノズル穴のガス吹き出し端面が、前記ウエハステージに載置されるウエハの縁部から水平方向に５０ｍｍ以上離間し、且つ、ウエハの表面と上下方向に５０ｍｍ以上、より好ましくは、１００ｍｍ以上離間していることも本発明の好ましい態様である。ウエハステージ上部のノズル装置と相まって、より均一な薄膜の形成が可能となる。
【００２０】
本発明のＣＶＤ装置は、特にプラズマＣＶＤ装置として構成することにより、その効果が特に大きいものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る高密度プラズマＣＶＤ装置の構成を示す系統図である。プラズマＣＶＤ装置１０は、密閉空間を区画するセラミックス製のチャンバー１１と、チャンバー１１内に配設されウエハ１２を搭載するウエハステージ１３と、チャンバー１１内に反応性ガスを導入する配管及びノズルを含むガス供給システム１４（１４ａ、１４ｂ）と、高周波電源装置１５と、チャンバー１１上部の外壁に巻回され高周波電源装置１５に接続されたソースコイル１６と、ウエハステージ１３のウエハ１２にバイアス電源を供給するバイアス電源装置１７と、チャンバー１１内のガスを排気する、図示しない排気装置とを備える。
【００２２】
ガス供給システム１４は、第１のガス供給系統１４ａと、第２のガス供給系統１４ｂとから構成される。第１のガス供給系統１４ａは、ウエハステージ１３上部のチャンバー天井部分に配設されるノズル装置２０を経由してチャンバー１１内にガスを供給する。第２のガス供給系統１４ｂは、チャンバー側壁に配設されるノズル装置１８を経由してチャンバー１１内にガスを供給する。チャンバー側壁のノズル装置１８は、それぞれが１つのノズル穴を有し、円周方向に均一な間隔で並べられている、例えば３０本のノズル装置１８から成る。
【００２３】
第１及び第２のガス供給系統１４ａ、１４ｂは、それぞれ、ＳｉＨ4、Ｏ2、及び、Ｈｅを含む混合ガスを、対応するノズル装置２０又は複数のノズル装置１８を介してチャンバー１１内に供給する。ソースコイル１６は、高周波電源装置１５から供給される高周波電源によってチャンバー１１内に高電界を発生させ、チャンバー１１内に供給される反応性ガス中にソースプラズマを発生させることで、成膜状態を制御する。
【００２４】
図２（ａ）は、ウエハステージ上部のノズル装置２０を断面図で示す。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ矢視図であり、図２（ｃ）はノズル装置内のガスノズルの吹き出し角度及び本体部の表面を示す断面詳細図である。なお、図２（ａ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ矢視図に相当する。同図（ａ）に示すように、ノズル装置２０は、セラミックスから成る本体部２１と、本体部２１に形成され混合ガスがガス源から供給されるガス導入口２２と、ガス導入口２２から下方に延びるガス流路２３と、ガス流路２３から枝分かれして斜めに延びる８本の分岐流路２４ａ、２４ｂと、各分岐流路２４ａ、２４ｂの先端部に形成されたノズル穴２５ａ、２５ｂとから成る。本体部２１は、かなりの厚みを有する円板状部分と、円板状部分の中央部から上方に延びる突起とから成る。ノズル装置２０は、本体部２１の突起の先端部に形成されたガス導入口２２から反応性ガスを導入し、円板状部分の下方に形成された８つのノズル穴２５ａ、２５ｂから下方に向けて反応性ガスを吹き出す。本体部のセラミックスとしては、熱伝導率が高く、フッ化されにくい材質が望ましく、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又は窒化アルミ(ＡｌＮ)で形成される。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、ノズル装置２０の本体部２１の下面には、半径方向外側に配設される４つのノズル穴２５ａと、半径方向内側に配設される４つのノズル穴２５ｂとが形成されている。同図（ｃ）に示すように、半径方向外側のノズル穴２５ａに接続される分岐流路２４ａは、鉛直方向から７４度の角度方向に向かって伸びており、また、半径方向内側のノズル穴２５ｂに接続された分岐流路２４ｂは、鉛直方向から６０度の角度方向に向かって伸びている。つまり、ノズル穴２５ａのガス吹き出し角度は、鉛直方向から７４度の角度方向にあり、ノズル穴２５ｂのガス吹き出し角度は、鉛直方向から６０度の角度方向にある。この吹き出し角度を正確に維持するために、本体部２１の下面は、各ノズル穴２５ａ、２５ｂの端面がガスの吹き出し角度と直交するように、形状加工が成されている。
【００２６】
なお、ノズル穴２５ａ、２５ｂのガス吹き付け角度は、鉛直方向から１５度〜８５度の範囲内にあることが好ましい。また、ノズル穴２５ａ、２５ｂと、ウエハステージ１３上に載置されるウエハ１２との離隔距離を、１３０ｍｍ以上とすることが好ましい。このような距離及び角度を保つことにより、チャンバー側壁に配置されたノズル装置１８と相まって、ウエハ上に成膜される膜厚を均一に保つことが出来る。ノズル穴２５ａ、２５ｂの直径は、例えば、１４ｍｉｌ（０．３５ｍｍ）程度である。
【００２７】
図１に戻り、チャンバー側壁から延びる３０本のノズル装置１８は、ウエハ１２の端面からノズル孔までの距離が、水平方向の距離で５０ｍｍ以上、例えば５５ｍｍの位置にあり、且つ、ウエハ１２の表面と上下方向に５０ｍｍ以上、より好ましくは、１００ｍｍ以上離間して配設されている。また、チャンバー側壁からのノズル装置１８の突出長さは、５０ｍｍ以下、例えば４５ｍｍである。
【００２８】
上記実施形態のＣＶＤ装置によって、プラズマＣＶＤ法でウエハ上に成膜したＳｉＯ2膜の膜厚を測定した。導入する反応性ガスは、ＳｉＨ4、Ｏ2及びＨｅの混合ガスであり、ウエハには３００ｍｍ直径のものを用い、４００ｎｍの膜厚のＳｉＯ2膜を成膜することとした。図３は、その結果として得られたＳｉＯ2膜のウエハ上での膜厚分布を示す。目標とする４００ｎｍの膜厚に対して、膜厚の最も大きな位置と最も小さな位置との間で、膜厚差が１３ｎｍと非常に小さく抑えられた。図６（ａ）に示す比較例では、膜厚差が約４０ｎｍであり、目標とする膜厚の１割程度のばらつきがあったのに比して、大きな改善結果が得られた。
【００２９】
上記実施形態では、ノズル穴のガス吹き出し方向とノズル穴の端面とが直交するようにノズル装置本体部の下面を加工したことにより、ガスの吹き出しがウエハ中心部と外周部とで均一になると共に、ガスの種別やガス流量などの成膜条件の違いによる影響を受けにくくなったことが確認された。これによって、膜厚の均一性が更に向上した。
【００３０】
以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明のＣＶＤ装置は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。また、本発明の好適な態様として記載した各構成や実施形態で記載した各構成については、本発明の必須の構成と共に用いることが好ましいが、単独であっても有益な効果を奏する構成については、必ずしも本発明の必須の構成として説明した全ての構成と共に用いる必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のＣＶＤ装置は、半導体ウエハ上に薄膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置として特に好適に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＶＤ装置の構成を示す模式的側面図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１のＣＶＤ装置におけるノズル装置の断面図、底面図、及び、要部詳細断面図。
【図３】図１のＣＶＤ装置によって成膜された薄膜の膜厚分布の例を示すグラフ。
【図４】従来のＣＶＤ装置の断面図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、従来及び比較例のノズルの断面図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、吹き出し角度が異なる比較例のノズルを使用して成膜した際の膜厚分布を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
１０：ＣＶＤ装置
１１：チャンバー
１２：ウエハ
１３：ウエハステージ
１４（１４ａ、１４ｂ）：ガス供給システム
１５：高周波電源装置
１６：ソースコイル
１７：バイアス電源装置
１８、２０：ノズル装置
２１：ノズル装置本体部
２２：ガス導入口
２３：ガス流路
２４ａ、２４ｂ：分岐流路
２５（２５ａ、２５ｂ）：ノズル穴
【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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【図６】
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