(57)【要約】【課題】比較的簡単な構造でありながら、基板面内、面間の処理を均一化する。【解決手段】複数の被処理基板をプラズマ処理する半導体製造装置であって、排気可能に構成された処理容器と、前記処理容器内に挿入される前記複数の被処理基板を多段に保持する基板保持具と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給装置と、前記処理容器に連通するプラズマを発生する前記プラズマ発生室と、前記プラズマ発生室から前記処理容器内の前記基板保持具に保持される被処理基板間に電子を照射するための電子供給装置と、前記処理容器内で前記基板保持具を回転させる回転装置とを備える。【選択図】図２
2008053298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被処理基板をプラズマ処理する半導体製造装置であって、
排気可能に構成された処理容器と、
前記処理容器内に挿入される前記複数の被処理基板を多段に保持する基板保持具と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給装置と、
前記処理容器に連通するプラズマを発生する前記プラズマ発生室と、
前記プラズマ発生室から前記処理容器内の前記基板保持具に保持される被処理基板間に電子を照射するための電子供給装置と、
前記処理容器内で前記基板保持具を回転させる回転装置と、
を備えた半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置、特に複数の処理基板を同時にプラズマ処理する半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のウェハを保持したボートを処理室に搬入して、複数のウェハに対して同時にプラズマ処理をするバッチ式プラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来例の半導体製造装置としてのバッチ式プラズマ処理装置を構成する処理炉の構成を図５及び図６に示す。
図５及び図６に示すように、従来例の熱処理炉は、プロセスチューブ７の内壁面に沿うように一対の保護管８が垂直に設けられている。保護管８は、下方でプロセスチューブ７の外側へ向けて屈曲してプロセスチューブ７を貫通し、両方の保護管８には一対の電極９がプロセスチューブ７の下方から挿入されている。
また、プロセスチューブ７の内周には、プラズマ室１０を形成する樋形状の隔壁１１が両方の保護管８を気密に取り囲むように設置されており、隔壁１１には、複数の吹出口１２が上下のウェハ６の間に向くように配列されている。
【０００４】
このような従来の熱処理炉は、処理ガスをプラズマ室１０に供給し、所定の圧力に維持した後に、高周波電源１３によって高周波電力が両方の電極９の間に供給される。これにより、プラズマ１４がプラズマ室１０に形成され、処理ガスは活性化させる。
そして、電気的に中性の活性種（ラジカル）１５は、隔壁１１に形成された吹出口１２から吹き出て処理室１６に供給されることにより、ボート３に保持された各ウェハ６に接触する。ウェハ６に接触した活性種１５は、ウェハ６の表面に成膜等の処理を行う。
【０００５】
ところで、近年、半導体デバイスの高集積化や、高性能化のため、微細化プロセスへの要求はますます厳しくなってきており、デバイス特性の向上の観点から半導体デバイスの製造工程における熱履歴も低減することが望まれている。これらを実現するための重要な技術の一つに、電子密度１０11〜１０13ｃｍ-3程度の高密度プラズマ源を用いたプロセスがある。バッチ式のプラズマ装置としては、特許文献１に開示されているように、反応管内部に電極を設置して電極に高周波を印加することにより、容量性結合型プラズマ（ＣＣＰ）を発生させて反応室内に活性種を送り込む方法がある。
【特許文献１】特開２００４−２８９１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のバッチ式プラズマ処理装置は、ウェハ６からプラズマ１４の発生位置、つまりプラズマ室１０までの距離が遠いため、ウェハ６の表面近傍での活性種密度をウェハ６面内、面間で均一にするのが困難である。また、同様の理由により、プロセスガスの種類によっては、せっかく発生した活性種が供給途中で失活してしまう場合があり、活性種濃度が低下して効率が良好とはいえないといった問題もある。そして、活性種密度の不均一は、特にバッチ処理においては、基板処理の均一性に悪影響を及ぼす。
【０００７】
本発明の目的は、以上のような背景に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な構造でありながら、基板面内、面間の処理を均一化することが可能な半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様によれば、複数の被処理基板をプラズマ処理する半導体製造装置であって、排気可能に構成された処理容器と、前記処理容器内に挿入される前記複数の被処理基板を多段に保持する基板保持具と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理容器に連通するプラズマを発生する前記プラズマ発生室と、前記プラズマ発生室から前記処理容器内の前記基板保持具に保持される被処理基板間に電子を照射するための電子供給装置と、前記処理容器内で前記基板保持具を回転させる回転装置と、を備えた半導体製造装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、比較的簡単な構造でありながら、基板面内、面間の処理を均一化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図４は、本発明の一実施形態の半導体製造装置の全体斜視図である。
【００１１】
図４に示すように、バッチ式プラズマ装置である半導体製造装置Ａは、筐体１０１の内部の前面側に、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取り付けられている。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。
【００１２】
筐体１０１の後部上方には、熱処理炉５が設けられ、熱処理炉５の下方には被処理基板としての半導体シリコンウェハ（以下、単にウェハ６という）を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート３を熱処理炉５に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられている。ボートエレベータ１２１に取り付けられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ１２５が取り付けられボート３を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には、昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウェハ移載機１１２が取り付けられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち熱処理炉５の下側のウェハ搬入出口１３１を気密に閉塞する閉塞手段としての炉口シャッタ１１６が設けられている。
【００１３】
ウェハ６が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウェハ６が上向き姿勢で搬入され、ウェハ６が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。
【００１４】
カセット棚１０９にはウェハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウェハ６の移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。
【００１５】
カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウェハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート３にウェハ６を移載する。
【００１６】
ボート３に所定枚数のウェハ６が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート３が熱処理炉５に挿入され、シールキャップ１２５により熱処理炉５のウェハ搬入出口１３１が気密に閉塞される。気密に閉塞された熱処理炉５内ではウェハ６が加熱されると共に処理ガスが熱処理炉５内に供給され、ウェハ６に処理がなされる。
【００１７】
ウェハ６への処理が完了すると、ウェハ６は上記した作動の逆の手順により、ボート３から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。
【００１８】
炉口シャッタ１１６は、ボート３が降下状態の際に熱処理炉５のウェハ搬入出口１３１を気密に閉塞し、外気が熱処理炉５内に巻き込まれるのを防止している。
【００１９】
カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。
【００２０】
図１は、実施形態に係る半導体製造装置の熱処理炉の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
図１及び図２に示すように、熱処理炉５は、従来の半導体製造装置と同様に、上部が閉じた円筒状の排気可能な処理容器としてのプロセスチューブ７の内壁面に、上下に延びた隔壁１１が設けられている。この隔壁１１により、プロセスチューブ７内に区画されたプラズマ発生室１７が形成されている。ウェハ６は、ボート３に、上下に表裏面が向くように複数並べて配置されている。より詳しくいうと、プロセスチューブ７の中心軸上に各ウェハ６の中心が並ぶように、ボート３がプロセスチューブ７の中心に配置されている。隔壁１１は、プロセスチューブ７と同心円状で、各ウェハ６の外周に沿った断面円弧状の中心壁１１ａと、この中心壁１１ａをプロセスチューブ７に接続する接続壁１１ｂとから構成されている。
【００２１】
隔壁１１の中心壁１１ａには、電子を吹き出させる複数の吹出口１２が配列されている。吹出口１２は、上下に多段に積層された複数のウェハ６の間に電子ビームを噴出できるように、隣接する各ウェハ６の間の高さの位置に上下に並んで等間隔に配列されている。吹出口１２は、電子ビームがウェハ６の中心を通過するように配置されているが、ウェハ６の中心から多少ずれた向きに電子ビームが通過するように配置されていてもよい。なお、隔壁１１は、吹出口１２を除いて、プロセスチューブ７内に形成される処理室４６とプラズマ発生室１７とを気密に区画している。
【００２２】
プラズマ発生室１７の中には、上下に延びた平板状のグリッド電極１９とアノード電極２０とが設けられている。グリッド電極１９とアノード電極２０とは、互いに対面して配置され、また、アノード電極２０は、隔壁１１のうち熱処理炉５の中心側の壁に対面して設けられている。グリッド電極１９及びアノード電極２０は、共に吹出口１２に対応して電子通過孔１９ａ，２０ａが形成されている。グリッド電極１９は、直流電源２１の負極側に接続され、アノード電極２０は、直流電源２１の陽極側に接続されている。従って、グリッド電極１９とアノード電極２０との間に直流電源２１で電圧を印加すれば、電子通過孔１９ａから電子通過孔２０ａの間で電子を加速するための電界が発生する。
【００２３】
プロセスチューブ７のプラズマ発生室１７に対応する位置の外側には、金属や炭素の棒等からなる電極２２を備えた誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）源が配置されている。電極２２とプロセスチューブ７との間には、金属製のシールド２３が介設されている。電極２２の両端は高周波電源１３に接続されている。プラズマはプロセスチューブ７とグリッド電極１９の間に生成される。これらのプラズマ発生室１７、グリッド電極１９、アノード電極２０、直流電源２１、電極２２、高周波電源１３などから、電子供給装置（電子銃）１８が構成される。
【００２４】
本実施形態では、縦型のバッチプラズマ処理装置におけるプラズマ源として電子ビーム励起プラズマ（ＥＢＥＰ：Electron-Beam-Excited-Plasma）方式を用いる。ＥＢＥＰは、電子銃１８によって電子を直接ウェハ６の間に照射し、処理ガスをウェハ６の直近でイオン化する方式である。
【００２５】
プロセスチューブ７には、処理ガスを供給するためのガス導入ポート３１と、プロセスチューブ７内を排気する排気管３２が設けられている。ガス導入ポート３１はプラズマ発生室１７を介してプロセスチューブ７内に処理ガスを供給する。このガス導入ポート３１には、処理ガスを供給するため、ガス供給源、配管及びバルブなどからなるガス供給系３３が接続されている。このガス導入ポート３１、ガス供給系３３から処理ガス供給装置が構成される。排気管３２には自動圧力制御バルブ、配管を通じてポンプ３４が接続され、プロセスチューブ７を排気可能としている。
【００２６】
ボート３は、ウェハ６の中心を回転中心として回転できるように、軸受３５により支持されている。ボート３は、回転装置としての回転駆動機構３６により回転させられる。
【００２７】
以上のように構成された熱処理炉５の動作について説明する。
前回のバッチ処理が終わった後には、ボート３が熱処理炉５から下降して、ウェハ移載機１１２によりボート３に新たに複数のウェハ６が積載される。ウェハ６が積載されたボート３は、熱処理炉５内に挿入され、シールキャップ１２５により熱処理炉５が気密に閉塞される。
そして、ガス導入ポート３７から処理ガスが処理室４６に供給され、ガス導入ポート３１からはプラズマ発生室１７内へ電子電源用ガスが供給される。ポンプ３４で排気を行い、プラズマ発生に適したガス、圧力の雰囲気にする。
【００２８】
そして、ヒータ１６により熱処理炉５を加熱しつつ、直流電源２１と高周波電源１３を作動させる。高周波電源１３への電圧印加及び直流電源２１への電圧印加により、電子供給装置により電子ビームを発生してＥＢＥＰ（プラズマガス２７）を生成する。図３に示すように、プラズマ発生室１７において発生したプラズマ中には、イオン２５（図３ではＡ+イオン）と電子２６（図３ではｅ）が混在して、全体として中性を保っている。そして、直流電源２１によりグリッド電極１９とアノード電極２０の間に電圧を印加すると、プラズマ中の電子２６はグリッド電極１９に印加された負の電圧で作られた電界により、軌道修正を受けて電子通過孔１９ａに集束する。そして、アノード電極２０に印加された正の電圧（加速電圧）により作られた電界によりアノード電極２０の電子通過孔２０ａに向かって加速される。加速された電子は、電子の束、すなわち電子線（Electron-beam）２４となって隔壁１１の吹出口１２からウェハ６、６の間に照射される。照射された電子線２４により、ウェハ６の表面の直ぐ近くにおいて、ある確率でプラズマガス２８（図３ではＢ分子）が励起、もしくはイオン化される。励起もしくはイオン化されたプラズマガス２７（図３ではＢ+）は、ウェハ６の表面を処理する。
【００２９】
この際、回転駆動機構３６によりボート３を回転させることにより、ウェハ６の面内、面間の電子ビームの均一性が確保され、ウェハ６の面内、面間が均一なプラズマガス２７と接触し、複数のウェハ６が全体的に均一に処理される。
【００３０】
本実施形態の半導体製造装置によれば、ウェハ６の直近で処理ガスを活性化させるので、寿命が短い活性種であっても、ウェハ６の表面に必要量を供給することが可能である。また、ＣＣＰなどで発生させた高エネルギープラズマにウェハ６が晒されるわけではないので、ウェハ６自体がプラズマからダメージを受けることがない。さらに、プラズマ発生室１７では、電子を取り出すためにだけプラズマを発生させればよいので、高出力の高周波を印加する必要がなく、プロセスチューブ７を構成する石英壁などがスパッタされる可能性が低い。また、本実施の形態ではプラズマ発生室にＩＣＰ源を用いており、ＩＣＰ源がプロセスチューブ７の外にあるので、フィラメント（超高温の金属）を使用する場合と比べて、処理の際の汚染源にはならず、非常にクリーンである。
【００３１】
また、本実施形態では、特開平１１−２０４２９２号公報に記載されているように、枚葉のウェハ６の正面から電子を照射するのではなく、ウェハ６の表面に沿う方向、例えば表面と平行に電子ビームを照射している。同公報のように枚葉でウェハの真上から電子ビームを当てようとすると、ビーム径を広げる必要があるため、レンズや電極等の部品が必要になり構造が複雑になるばかりか、電子ビームを均一にすることが困難になる。この点で、本実施の形態では、表面と平行に電子ビームを照射しているので、そのような問題がなく、ウェハ６の表面近傍の広い範囲でプラズマを発生させることができる。これに加えて、ボート３を回転させることで複数のウェハ６を回転させているので、複数のウェハ６の面内、面間に対し、均一にプラズマを供給することができる。
【００３２】
また、このようにプラズマが各ウェハ６上に均一に形成されることで、プラズマ処理が成膜処理である場合にあっては、膜質が向上し、また、バッチ式であることで製品のスループットも向上する。
【００３３】
以上に本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく適宜変更して実施することが可能である。
例えば、プラズマ発生室１７におけるプラズマの発生方法は、前記実施形態においては一例として高周波を印加することによるＩＣＰを用いているが、これに限定されることなく、電子サイクロトロン共鳴プラズマや、表面波プラズマなど、スパッタ作用を極力抑えたプラズマ発生方式ならば他の方式を適用することもできる。
また、プラズマ発生室１７におけるプラズマガスと、反応に寄与するプラズマガス２８は、同一のものであっても異なるものであってもよい。この異なるものである場合は、ガス導入ポート３１とは異なる別なガス導入ポートを必要とする場合である。
なお、プラズマガスとしては、Ｈ2、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ2、ＮＨ3などを適用することができる。
【００３４】
反応プロセスの他の例としては、例えばプラズマガス２７にアンモニアガス（ＮＨ3）を用いて、別のノズル（図示せず）からシラン系ガスを供給する方法もある。この方法によれば、プラズマＣＶＤ（ChemicalVapor Deposition）処理によりシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）を形成することが可能である。また、プラズマＣＶＤ処理に限らず、プラズマＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）処理や、プラズマを利用したＨ２活性種によるウェハ６上の自然酸化膜の除去にも利用可能である。
【００３５】
以下に本発明の好ましい態様を付記する。
【００３６】
第１の態様は、複数の被処理基板をプラズマ処理する半導体製造装置であって、排気可能に構成された処理容器と、前記処理容器内に挿入される前記複数の被処理基板を多段に保持する基板保持具と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理容器に連通するプラズマを発生する前記プラズマ発生室と、前記プラズマ発生室から前記処理容器内の前記基板保持具に保持される被処理基板間に電子を照射するための電子ビームガンと、前記処理容器内で前記基板保持具を回転させる回転装置と、を備えた半導体製造装置である。
処理容器内の基板保持具を回転させ、プラズマ発生室でプラズマを発生させる。電子ビームガンによりプラズマ発生室から電子が発射される。発射された電子は、基板保持具に保持される被処理基板間の処理ガスに当る。これにより電子ビーム励起プラズマが生成される。このプラズマにより複数の被処理基板が同時にプラズマ処理される。このとき、基板保持具が回転装置によって回転しているので、被処理基板間でプラズマが均等に生成されて、被処理基板は面内及び面間で均一にプラズマ処理される。また、被処理基板間に電子を照射するので、電子供給装置の構成が簡単になり、装置構造も比較簡単に構成できる。
【００３７】
第２の態様は、第１の態様において、前記プラズマ発生室が処理容器内に設けられる半導体製造装置であり、これにより装置の小型化を図ることができる。
【００３８】
第３の態様は、第１または第２の態様において、前記プラズマ発生室が誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）源を有する半導体製造装置であり、これにより電子を含むクリーンなプラズマを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態における半導体製造装置の熱処理炉の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態における電子ビーム励起プラズマを説明する図である。
【図４】本発明の一実施形態における半導体製造装置の全体斜視図である。
【図５】従来例の半導体製造装置における熱処理炉の縦断面図である。
【図６】図５におけるＸ−Ｘ線断面図である。
【図７】従来例の半導体製造装置における熱処理炉のプラズマ源の説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
３    ボート（基板保持具）
６    ウェハ（被処理基板）
７    プロセスチューブ（処理容器）
１７  プラズマ発生室
１８  電子供給装置
２６  電子
３１  ガス導入ポート（処理ガス供給装置）
３２  排気管
３３  ガス供給系（処理ガス供給装置）
３６  回転駆動機構（回転装置）
【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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【図７】
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