(57)【要約】【課題】  半導体装置の製造工程では、半導体基板を処理する際の均一性、例えば半導体基板面内における薄膜形成速度或いは薄膜エッチング速度の均一性を精度良く制御することが必要である。この必要性は、基板の口径が大きくなる程、更に厳しく要求される。【解決手段】  本発明によれば、メッシュ状のアノード電極２７によって、半導体基板が搭載されたカソード電極２５を覆うようにするため、電極間で形成されるプラズマ３０を電極間へ封じ込めると共に、大流量の処理用ガスを流すことができる。このため、半導体基板２６の処理がその面内において、均一性良く行われることが可能になる。【選択図】  図２
2005217300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極及びアノード電極を有するチャンバ系と、
前記チャンバ系へガスを供給するガス供給系と、
前記チャンバ系を減圧すると共に前記ガスを外部へ排出する排気系と、
前記カソード電極と前記アノード電極との間にプラズマを発生させる電源系と、
それぞれの系における動作を制御する制御系を有し、
前記カソード電極上に設置された半導体基板を減圧プラズマガス雰囲気中で処理する半導体製造装置であって、
前記アノード電極の形状がメッシュ状であり、かつ、前記アノード電極が前記カソード電極と対向するように形成された平行平板領域及び前記カソード電極と前記平行平板領域との間を取り囲むように形成された領域とを有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
すくなくとも１つのチャンバ系がカソード電極及びアノード電極を有する複数のチャンバ系と、
前記チャンバ系へガスを供給するガス供給系と、
前記チャンバ系を減圧すると共に前記ガスを外部へ排出する排気系と、
前記カソード電極と前記アノード電極との間にプラズマを発生させる電源系と、
前記チャンバ系へ半導体基板を搬入及び搬出する搬送系と、
前記搬送系を介して前記チャンバ系に前記半導体基板を供給し、かつ受取するロードロック系と、
それぞれの系における動作を制御する制御系とを有し、
前記カソード電極上に設置された半導体基板を減圧プラズマガス雰囲気中で処理するマルチチャンバ構成の半導体製造装置であって、
前記アノード電極の形状がメッシュ状であり、かつ、前記アノード電極が前記カソード電極と対向するように形成された平行平板領域及び前記カソード電極と前記平行平板領域との間を取り囲むように形成された領域とを有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項３】
メッシュ状の前記アノード電極における前記メッシュの孔における特性長が、前記カソード電極と前記アノード電極との間に発生する前記プラズマのシース長の２倍以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記電源系が複数の電源を有し、前記カソード電極に複数の交流電圧が印加されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記アノード電極の電位が接地電位、浮遊電位、及び前記電源系から印加された交流電位のいずれか一つであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減圧プラズマ下において半導体基板を処理する半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程においては、半導体基板等の基板上に薄膜を形成する薄膜形成工程、微量不純物を基板内、薄膜内へ導入する不純物導入工程、形成された薄膜を所定の形状にパターニングするため、或いは所定の領域に不純物を導入するための微細加工工程等の工程が数多く組み合わされている。
【０００３】
微細加工工程では、例えば半導体基板に成長させた薄膜上にレジスト層を塗布する。次に、そのレジスト層を光リソグラフィ法によって所定のパターンにする。更に、例えばドライエッチング法により、パターンとなったレジスト層をマスクにして薄膜を所定の形状にエッチングする。
【０００４】
このドライエッチング法では、減圧下において、薄膜と反応する処理用ガスを含むガスをプラズマ化する装置が主として用いられる。更に、装置内部の形態として、半導体基板を設置する容器内に平行平板型の一対の電極を備えた装置が広く利用されている。この形態の装置では、対向する電極のうち、一方の電極上に基板が保持され、相互の電極間に高周波の交流電圧が印加され、その電極間の空間にプラズマが生成される。その生成されたプラズマによって、例えば半導体基板上の薄膜がエッチングされる。
【０００５】
このようなドライエッチングが行われる半導体製造装置においては、プラズマ化されたガスによって容器内の部品等が損傷を受けないように、例えばガスの排気経路におけるシールド機能の設置等の対策がなされている。この対策が行われることによって、例えばガスの排気経路は保護される一方、ガス流に対する抵抗となる要素も増えるため、装置内におけるガス流量が比較的少量に制限されていた。
【０００６】
ガス流量が比較的少量に制限されていると、例えば反応生成物の生成及び排出等が半導体製造装置内においてスムースに行われない場合がでてくる。これらは、例えば反応生成物の半導体基板面上での不均一性等をもたらす。これが半導体基板中央と半導体基板周辺とのエッチング速度の違いによる半導体基板面内におけるエッチング量の不均一性の一つ原因となっていた。
【０００７】
これに対し、ドライエッチング法において、例えば対向する電極間に選択的に絶縁性シールドを配置する等の方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
一方、半導体産業において、量産性の見地から半導体基板の口径はこれまで以上に大きくなる方向にある。このため、半導体装置の製造工程において、半導体基板を処理する際の均一性、例えば半導体基板面内における薄膜形成速度或いは薄膜エッチング速度の均一性はますます高精度の制御を要求される。
【０００９】
上述の方法等においても、半導体基板の口径が大きくなるに従い、半導体基板内の周辺部と中央部とのエッチング速度の差等の均一性を、精度良く制御できない等の問題が存在する。
【特許文献１】特開平１１−５１４５３号公報  （第８ページ、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、半導体基板面の処理における面内の均一性を向上させることが可能な半導体製造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】
上記の課題を解決するため、本発明の第１の態様は、カソード電極及びアノード電極を有するチャンバ系と、前記チャンバ系へガスを供給するガス供給系と、前記チャンバ系を減圧すると共に前記ガスを外部へ排出する排気系と、前記カソード電極と前記アノード電極との間にプラズマを発生させる電源系と、それぞれの系における動作を制御する制御系を有し、前記カソード電極上に設置された半導体基板を減圧プラズマガス雰囲気中で処理する半導体製造装置であって、前記アノード電極の形状がメッシュ状であり、かつ、前記アノード電極が前記カソード電極と対向するように形成された平行平板領域及び前記カソード電極と前記平行平板領域との間を取り囲むように形成された領域とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第２の態様は、すくなくとも１つのチャンバ系がカソード電極及びアノード電極を有する複数のチャンバ系と、前記チャンバ系へガスを供給するガス供給系と、
前記チャンバ系を減圧すると共に前記ガスを外部へ排出する排気系と、前記カソード電極と前記アノード電極との間にプラズマを発生させる電源系と、前記チャンバ系へ半導体基板を搬入及び搬出する搬送系と、前記搬送系を介して前記チャンバ系に前記半導体基板を供給し、かつ受取するロードロック系と、それぞれの系における動作を制御する制御系とを有し、前記カソード電極上に設置された半導体基板を減圧プラズマガス雰囲気中で処理するマルチチャンバ構成の半導体製造装置であって、前記アノード電極の形状がメッシュ状であり、かつ、前記アノード電極が前記カソード電極と対向するように形成された平行平板領域及び前記カソード電極と前記平行平板領域との間を取り囲むように形成された領域とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、メッシュ状のアノード電極を用い、半導体基板が搭載されたカソード電極をメッシュ状のアノード電極が覆うように構成することにより、アノード電極及びカソード電極との間で形成されるプラズマを電極間へ封じ込めると共に、大流量の処理用ガスを流すことができる。このため、半導体基板の処理がその面内において、極めて均一に行われることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の第１の実施例はマルチチャンバ方式の半導体製造装置で有り、そのチャンバ系の一部に本発明の方式を適用したものである。
【００１６】
図１は、本発明の半導体製造装置の第１の実施例におけるマルチチャンバ方式の半導体製造装置であるドライエッチング装置の平面の模式図である。
【００１７】
先ず、本装置の構成を説明する。本ドライエッチング装置１０は複数のチャンバ系１１を有し、半導体基板のドライエッチングプロセスに適用される。チャンバ系１１はドライエッチング装置１０の中央に設置されているベース室系１４の外周囲に６室形成されている。ベース室系１４の中央部分にはロボットアームを有する搬送系１２が設置されている。搬送系１２はロードロック系１３ａ、１３ｂ及びチャンバ系１１との半導体基板のやり取りが可能なように３６０度にわたって回転が出来るようになっている。２室のロードロック系１３ａ、１３ｂは、それぞれ本装置に対する半導体基板の搬入口及び搬出口の役割を果たす。なお、装置全体の動作を制御する制御系（図示せず）によって、それぞれの系は制御される。
【００１８】
次に本装置の動作について説明する。例えば、複数の半導体基板をカセット（図示せず）に入れ、そのカセットをロードロック系１３ａに設置する。続いて、制御系からの指示により、カセットが設置されたロードロック系１３ａが排気される。
【００１９】
所定の真空度に到達した後、ロードロック系１３ａと同等或いはそれ以下の真空状態にあるベース室系１４の中の搬送系１２が動作を開始する。搬送系１２のロボットアームによって、ロードロック系１３ａから１枚の半導体基板が運び出され、チャンバ１１系へ挿入される。チャンバ系１１の中で所定の処理が終了した後、搬送系１２のロボットアームによって、その半導体基板がチャンバ系１１から運び出される。
【００２０】
その半導体基板は、例えば、その半導体基板が送出されたロードロック系１３ａとは別のもう一方のロードロック系１３ｂに挿入される。或いは、別のチャンバ系１１へ挿入された後、所定の処理が行われる場合もある。以上のような処理を繰り返し、最終的にすべての処理が終了した後、ロードロック系１３ｂから処理された半導体基板が取り出される。
【００２１】
次に、チャンバ系１１内における具体的な装置の構成及びその動作を説明する。図２は本発明による半導体製造装置の第１の実施例におけるチャンバ系１１の断面の模式図を示す。
【００２２】
チャンバ系１１とその周辺における系の具体的な装置の構成は以下の通りである。即ち、プラズマ処理を行うチャンバ系１１、チャンバ系１１の中を排気する排気系２１ａ、チャンバ系１１に処理用のガスを供給するガス供給系２３ａ、及び高周波の交流電圧を発生させる電源系２８ａからなる。チャンバ系１１の動作の制御は装置全体を集中的に制御する制御系によって実施される。なお、マルチチャンバ構成ではない単一チャンバ系装置の場合は制御系及び搬送系を上述の系の構成に合せて備えれば良い。
【００２３】
チャンバ系１１を構成する容器２０の中に、カソード電極兼ステージ２５及びメッシュ状アノード電極２７が配置されている。カソード電極兼ステージ２５の上に、半導体基板２６が設置される。半導体基板２６はカソード電極兼ステージ２５の上に把持されている。また、プラズマ処理中においても温度が一定に保たれるような温度調整機構がカソード電極兼ステージ２５に具備されていても良い。
【００２４】
メッシュ状アノード電極２７は後述するように孔が形成された板状或いはハニカム状に加工されており、かつ、接地されている。また、メッシュ状アノード電極２７はカソード電極兼ステージ２５上に平行になるような平行平板領域２７ｃ及びカソード電極兼ステージ２５と平行平板領域２７ｃとの間の空間を取り囲むような側面領域２７ｄから成っている。メッシュ状アノード電極２７は、例えば本実施例では接地電位になっているが、浮遊電位であっても良い。
【００２５】
例えば２つの高周波の交流電圧が、カソード電極兼ステージ２５に印加されるように、電源系２８ａには高周波電源２８が２個配置され、それぞれマッチングネットワーク２９によって効率よくプラズマ生成空間３０のなかにプラズマを発生させる。また、一方の高周波の交流電位がメッシュ状アノード電極２７に印加されていても良い。
【００２６】
プラズマ生成空間３０のなかで発生したプラズマは電極間の内部に閉じ込められ、メッシュ状アノード電極２７の外側へほとんど漏れない。このため、容器２０の内壁等へのプラズマ損傷或いは反応生成物の吸着、脱着等は抑制される。また、メッシュ状アノード電極２７のため、プラズマ生成空間３０へのガスの流入及び外部へ排出は妨げられることはない。
【００２７】
ガス供給系２３ａにおけるガス供給室２３は所定のガスの流量設定機構、ガスの供給及び停止用のバルブ等から構成されており、また、供給ライン２４はガス供給室２３から送られたガスをチャンバ系１１へ導入する。更に、供給されたガスはメッシュ状アノード電極２７の平行平板領域２７ｃの上方から噴出させられる。また、例えばガス供給ラインの出口近傍に複数個の孔からなるガス噴出口を設置しても良い。
【００２８】
排気系２１ａでは、排気ポンプ２１によりチャンバ系１１に供給されたガスを排気する。また、圧力調整弁２２により所定の圧力となるよう制御される。更に、本実施例ではメッシュ状アノード電極２７を用いることによって、発生したプラズマを電極間へ閉じ込めることができるため、チャンバ系１１を中心にしてプラズマの影響を防止するシールドを設置する必要がない。このため、排気コンダクタンスが従来よりも向上し、同じ圧力のもとで比較すると、導入できるガスの流量を従来の装置よりも概略３〜５倍以上に増大させることができる。
【００２９】
図３は本発明による半導体装置の第１の実施例におけるメッシュ状アノード電極の平面の模式図である。図３（ａ）は円形のパンチ孔３１が規則的に開口されているパンチ孔状メッシュのアノード電極２７ａである。一方、図３（ｂ）はハニカム３２が規則的に配置されているメッシュのアノード電極２７ｂである。メッシュの形状は他に四角、三角等でも良く、また、不規則に並んでいても良い。
【００３０】
メッシュの口径は以下のように考えられる。先ず、図３（ａ）のような円形の場合はその直径、また図３（ｂ）のように角型形状の場合はその最大となる箇所を特性長Ｄと定義する。メッシュ状のアノード電極内部にプラズマを閉じ込めるためには、プラズマのシース長に対して、特性長Ｄを２倍以下にしておけば良い。
【００３１】
シース長はプラズマの電子密度及び電子温度で規定されるデバイ長λＤの２〜３倍程度であるので、特性長Ｄはデバイ長λＤの４〜６倍以下にすれば良い。典型的な例についてデバイ長λＤを計算し、特性長Ｄを換算すると、その長さは１ｍｍ程度になる。実際の特性長Ｄはプラズマ条件等により違いがでてくるため、利用する条件を考慮してプラズマが外部に漏れないようにその長さを設定する。また、特性長を変えた複数のメッシュ状アノード電極を作成し、必要に応じて交換しても良い。
【００３２】
上述の装置構成をとることにより、発生するプラズマをメッシュ状アノード電極内に閉じ込め、半導体製造装置内へ導入するガスの流量を上げることができる。このため、半導体基板面上への反応生成物等の再入射を低減することができる。
【実施例２】
【００３３】
本発明による第２の実施例として、半導体製造装置及びその半導体製造装置を半導体装置の製造工程に適用した例を示す。
【００３４】
半導体製造装置として、実施例１における図２で示したチャンバ系を単一にもつドライエッチング装置を用いる。本装置の基本形態は図２において説明したため、図は省略し、説明を簡略化する。
【００３５】
装置構成は以下の通りである。即ち、プラズマ処理を行うチャンバ系、チャンバ系の中を排気する排気系、チャンバ系に処理用のガスを供給するガス供給系、高周波を発生させる電源系、試料である半導体基板をチャンバ系へ搬送する搬送系及び各系を制御する制御系からなる。
【００３６】
図４は本発明による半導体装置の製造方法の第２の実施例における半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。この第２の実施例は、本発明における半導体製造装置をＣＭＯＳ回路構造の絶縁ゲート型電界効果トランジスタにおける製造工程の素子分離形成工程へ適用した例である。
【００３７】
図４（ａ）乃至図４（ｃ）を用いて、半導体基板に素子分離領域を形成する製造工程について説明する。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、半導体基板として直径３００ｍｍであるＰ型のシリコン基板４０を用意する。次に、シリコン基板４０の表面領域に、第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２を積層して形成する。第１の絶縁膜４１として、例えばシリコン酸化膜、第２の絶縁膜４２として、例えばシリコン窒化膜を用いる。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法を用いて、第２の絶縁膜４２及び第１の絶縁膜４１を選択的にエッチングし、マスクパターンを形成する。
【００３９】
次に、第２の絶縁膜４２及び第１の絶縁膜４１をマスクにドライエッチング法を用いて、シリコン基板４０をエッチングし、浅いトレンチ溝を形成する。更に、図４（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法を用い、第３の絶縁膜４３として例えばシリコン酸化膜を形成する。第３の絶縁膜４３は溝に埋め込まれ、かつ、シリコン基板４０の上にも堆積する。
【００４０】
次に、先に説明した本実施例のドライエッチング装置を用い、シリコン基板４０の上に形成されたシリコン酸化膜である第３の絶縁膜４３をシリコン基板４０の表面の平坦性を保持しながら第２の絶縁膜４２の表面が露出するまでエッチングする。
【００４１】
ハロゲン系ガスを含む処理用ガスを、例えば流量３．５ｌ／ｍｉｎ程度ドライエッチング装置のチャンバ系内へ導入し、チャンバ系内の圧力は例えば２．６６Ｐａ程度である。この時、エッチング速度は３００ｎｍ／ｍｉｎ程度である。
【００４２】
図５（ａ）にシリコン基板４０の面内におけるエッチング速度の分布を示す。本分布図は図５（ｂ）に示すシリコン基板４０の面内におけるＸ方向の分布を示す。図５（ａ）から判るようにシリコン基板４０の面内におけるエッチング速度の均一性は良好で、その分布は数％以下に抑えられる。また、図示しないが、Ｙ方向におけるシリコン基板４０の面内におけるエッチング速度の均一性もＸ方向において得られた結果とほぼ同一の均一性を示す。
【００４３】
これはメッシュ状アノード電極を用いることにより、チャンバ内における処理ガスの流量を、従来の装置と比較し、５倍程度に増加させることができ、このため、エッチング生成物の排気が促進されたことに起因すると考えられる。
【００４４】
更に、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板４０表面のマスクとして用いた第２の絶縁膜４２及び第１の絶縁膜４１を除去する。これにより、第３の絶縁膜４３が埋め込まれた浅いトレンチ溝の素子分離領域４４が形成される。続いて、イオン注入法等を用い、Ｎ型ウェル領域４５ａ及びＰ型ウェル領域４５ｂを形成する。
【００４５】
更に、トランジスタ形成工程、多層配線形成工程等を進め、半導体装置として完成させる。
【００４６】
本実施例で示したように、メッシュ状アノード電極を有するドライエッチング装置を用いることにより、シリコン基板の面内均一性の優れたエッチングが可能になる。
【００４７】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００４８】
本実施例ではドライエッチング装置について示したが、例えば薄膜形成装置に適用することも可能である。この場合、原料ガスの分解を利用したプラズマＣＶＤ法等への適用が考えられる。
【００４９】
また、マルチチャンバの半導体製造装置において、メッシュ状アノード電極を一部のチャンバ系へ設置しても良いし、すべてのチャンバ系へ設置しても良い。また、本実施例ではドライエッチングについて示したが、一部のチャンバにおいてドライエッチングを行い、他のチャンバにおいて上述のプラズマＣＶＤ等の薄膜形成を行っても良い。また、ドライエッチング、或いはプラズマＣＶＤ等の薄膜形成以外の処理として熱処理を行っても良いことは勿論である。
【００５０】
アノード電極のメッシュ形状は丸穴、ハニカムに限らず、四角形、三角形等の形を用いても良い。また、カソード電極での半導体基板の設置方法は爪での固定方式、静電チャック方式等、種々の方式を選ぶことができる。更に、ガスの噴出し口及び排気口等は種々の形態が有り得る。
【００５１】
また、本発明においては、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜、金属系酸化膜等の絶縁膜、或いはシリコン等の半導体、更にアルミニウム、銅、タングステン、コバルト、モリブデン等の金属、タングステンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイド等の金属シリサイド等、半導体の製造工程で用いられる材料への適用可能である。また、材料に合せてエッチングガスを選択できる。
【００５２】
更に、プラズマＣＶＤ法に適用する場合は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、金属系酸化膜等の絶縁膜を形成することができ、更に、シリコン等の半導体、アルミニウム、銅等の金属膜、タングステンシリサイド、コバルトシリサイド等の金属シリサイド等も形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明による半導体製造装置の第１の実施例におけるマルチチャンバ構成の半導体製造装置の平面の模式図。
【図２】本発明による半導体製造装置の第１の実施例における半導体製造装置の断面の模式図。
【図３】本発明による半導体製造装置の第１の実施例におけるメッシュ状のアノード電極におけるメッシュ形状を示す平面の模式図。
【図４】図２に示す半導体製造装置を用いた第２の実施例の半導体装置の製造工程における半導体装置の断面の模式図。
【図５】図２に示す半導体製造装置を用いた第２の実施例の半導体装置の製造工程におけるドライエッチング速度のデータ例。
【符号の説明】
【００５４】
１０  マルチチャンバ方式半導体製造装置
１１  チャンバ系
１２  搬送系
１３ａ、１３ｂ  ロードロック系
１４  ベース室系
２０  容器
２１ａ  排気系
２１  排気ポンプ
２２  圧力調整弁
２３ａ  ガス供給系
２３  ガス供給室
２４  ガス供給ライン
２５  カソード電極兼ステージ
２６  半導体基板
２７  メッシュ状アノード電極
２７ａ  パンチ孔状メッシュのアノード電極
２７ｂ  ハニカム状メッシュのアノード電極
２７ｃ  平行平板領域
２７ｄ  側面領域
２８ａ  電源系
２８  高周波電源
２９  マッチングネットワーク
３０  プラズマ生成空間
３１  パンチ孔
３２  ハニカム
４０  シリコン基板
４１  第１の絶縁膜
４２  第２の絶縁膜
４３  第３の絶縁膜
４４  素子分離領域
４５ａ  Ｎ型ウェル領域
４５ｂ  Ｐ型ウェル領域
【図１】
2005217300.tif 000003
【図２】
2005217300.tif 000004
【図３】
2005217300.tif 000005
【図４】
2005217300.tif 000006
【図５】
2005217300.tif 000007