(57)【要約】【課題】連続成膜処理によって膜特性が変化を生じないプロセス的に安定な薄膜製造装置及びその方法を提供する。【解決手段】プラズマ法により被処理体上に薄膜を形成するための薄膜製造装置であって、反応チャンバと、反応チャンバ内で被処理体を載置するためのサセプタであって、プラズマ放電の一方の電極を兼ねるところのサセプタと、反応チャンバ内にあって、サセプタと対向して実質的に平行に設置されたシャワーヘッドであって、シャワーヘッドは中空構造のボディと多数の細孔を有するシャワープレートとから成り、プラズマ放電のもう一方の電極を兼ねるところのシャワーヘッドと、から成り、ボディとシャワープレートは所定の手段によって結合され、その結合面の一方または両方が表面処理されていることを特徴とする薄膜製造装置。【選択図】図２
2005209771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマCVD法により被処理体上に薄膜を形成するための薄膜製造装置であって、
反応チャンバと、
前記反応チャンバ内で前記被処理体を載置するためのサセプタであって、プラズマ放電の一方の電極を兼ねるところのサセプタと、
前記反応チャンバ内にあって、前記サセプタと対向して実質的に平行に設置されたシャワーヘッドであって、前記シャワーヘッドは中空構造のボディと多数の細孔を有するシャワープレートとから成り、プラズマ放電のもう一方の電極を兼ねるところのシャワーヘッドと、
前記シャワーヘッドに接続された少なくともひとつの高周波電源と、
から成り、
前記ボディと前記シャワープレートは所定の手段によって結合され、その結合面の一方または両方が表面処理されていることを特徴とする薄膜製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記表面処理は陽極酸化処理である、ところの装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記表面処理はフッ化アルミニウム被覆処理である、ところの装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記表面処理は窒化チタン被覆処理である、ところの装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記薄膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜、低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜から成る群から選択される少なくともひとつから成る、ところの装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置を使ってプラズマCVD法により薄膜を形成するための方法であって、
反応チャンバ内部を真空排気する工程と、
サセプタ上に載置された被処理体を所定の温度に加熱する工程と、
前記真空排気された反応チャンバ内に所定の流量に制御された反応ガスを導入する工程と、
シャワーヘッドに所定の高周波電力を印加し、前記被処理体の表面近傍にプラズマ反応場を形成する工程と、
前記被処理体上に薄膜を形成する工程と、
から成る方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、請求項１に記載の前記表面処理は陽極酸化処理である、ところの方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、請求項１に記載の前記表面処理はフッ化アルミニウム被覆処理である、ところの方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法であって、請求項１に記載の前記表面処理は窒化チタン被覆処理である、ところの方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法であって、前記薄膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜、低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜から成る群から選択される少なくともひとつから成る、ところの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマCVD法を使った薄膜製造装置及びその成膜方法に関し、特に連続成膜時における膜特性の変化を防止する薄膜製造装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に薄膜を形成する方法としてプラズマCVD法が一般に使用されている。図１は従来のプラズマCVD成膜装置を略示したものである。プラズマCVD装置1は、反応チャンバ6、該反応チャンバ内で半導体基板4を載置するためのサセプタ3、反応チャンバ内で該サセプタ3と対向して実質的に平行に設置されたシャワーヘッド9、及び反応チャンバの底部に設けられた排気口10から成る。サセプタ3は基板4を所定の温度（１５０℃〜４５０℃）に加熱するヒータ2によって支持され、プラズマ放電用の一方の電極を画成するべく電気的に接地12されている。シャワーヘッド9は円筒形のボディ13に多数の細孔を有する円形のシャワープレート11を取り付けた中空構造を有し、上部に反応ガスを導入するためのガス導入口5が設けられている。シャワーヘッド9及びガス導入口5は反応チャンバ6から絶縁され高周波電源(7,8)と接続され、プラズマ放電用のもう一方の電極を画成する。従来のこのようなプラズマCVD装置は例えば以下の特許文献に記載されるように周知のものである。
【特許文献１】特開昭６１−２６０６２３号公報
【特許文献２】特開平１１−２５１０９４号公報
【特許文献３】特開２００１−２４０９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体基板4の表面上に形成される膜の種類及び膜特性は、反応ガスの種類及び流量、基板温度、シャワープレートの温度、RF周波数の種類、プラズマの空間分布並びに電位分布により変化する。基板以外に形成された膜を除去するために従来のプラズマCVD装置では、所定枚数の基板を連続成膜処理した後、クリーニング処理を行う。場合によっては１枚処理する度にクリーニング処理することもある。
【０００４】
上記したように、従来のシャワーヘッド9は中空構造を有し、底面に取り付けられたシャワープレート11の細孔（図示せず）から反応ガスが均等に噴出される。シャワーヘッド9はメンテナンスの容易性及び部品コストの削減により、シャワープレート11のみを交換できる構造になっている。シャワープレート11とボディ13との接触面は、シャワープレート側及びボディ側の両方とも金属（アルミニウムまたはアルミニウム合金）が露出した状態であり、両者はボルト等により密着固定されている。
【０００５】
しかし、従来のプラズマCVD装置で連続的に成膜処理すると、成膜した膜の膜特性が変化するという問題が生じていた。具体的には、後述するように膜厚が増加し弾性率が減少するという膜特性の変化が見られる。このような問題はデバイスの高集積化にとって極めて深刻であり、デバイスの信頼性を損なうもので許容できない。その原因を調査したところ、シャワープレート11とボディ13との接触面に荒れて腐食した部分が数箇所見つかり、当該箇所を元素分析した結果かなりフッ化されていることを発見した。これはシャワープレート11側とボディ13側の接触面が両方とも金属が露出した状態であるため、クリーニング処理時に使用するフッ素系ラジカルによって腐食されたものであると考えられる。すなわち、連続的に成膜処理を続けた結果、接触面の腐食が進行し、ボディ13とシャワープレート11との間の熱伝導が変化することにより、シャワープレート温度が経時変化を起こす、またはボディ13からシャワープレート11への高周波の伝播が経時変化を起こす等の理由により、膜特性が変化すると考えられる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、連続成膜処理によって膜特性が変化を生じないプロセス的に安定な薄膜製造装置及びその方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る薄膜製造装置は以下の手段から成る。
【０００８】
プラズマCVD法により被処理体上に薄膜を形成するための薄膜製造装置は、
反応チャンバと、
反応チャンバ内で被処理体を載置するためのサセプタであって、プラズマ放電の一方の電極を兼ねるところのサセプタと、
反応チャンバ内にあって、サセプタと対向して実質的に平行に設置されたシャワーヘッドであって、シャワーヘッドは中空構造のボディと多数の細孔を有するシャワープレートとから成り、プラズマ放電のもう一方の電極を兼ねるところのシャワーヘッドと、
シャワーヘッドに接続された少なくともひとつの高周波電源と、
から成り、
ボディとシャワープレートは所定の手段によって結合され、その結合面の一方または両方が表面処理されていることを特徴とする。
【０００９】
ひとつの態様において、表面処理は陽極酸化処理である。
【００１０】
他の態様において、表面処理はフッ化アルミニウム被覆処理である。
【００１１】
また、他の態様において、表面処理は窒化チタン被覆処理である。
【００１２】
具体的には薄膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜、低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜から成る群から選択される少なくともひとつから成る。
【００１３】
一方、上記薄膜製造装置を使ってプラズマCVD法により薄膜を形成するための方法は、
反応チャンバ内部を真空排気する工程と、
サセプタ上に載置された被処理体を所定の温度に加熱する工程と、
真空排気された反応チャンバ内に所定の流量に制御された反応ガスを導入する工程と、
シャワーヘッドに所定の高周波電力を印加し、被処理体の表面近傍にプラズマ反応場を形成する工程と、
被処理体上に薄膜を形成する工程と、
から成る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に従う薄膜製造装置によれば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜（USG、BPSG、PSG、BSG等）、酸窒化シリコン膜、低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜、及び低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜からなる群から選択される少なくともひとつの薄膜を連続成膜処理する際、膜特性が変化しない安定な薄膜を半導体基板上に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本願発明を詳細に説明する。図２(A)は本発明に係る薄膜製造装置の断面略示図であり、図２(B)は破線領域21の部分拡大図である。
【００１６】
本発明に係る薄膜製造装置20は、シャワーヘッド9’を除き、図１に示した従来の薄膜製造装置1と同じ構造を有する。シャワーヘッド9’は円筒形のボディ13及び円形のシャワープレート11から成る。本発明に係るシャワーヘッド9’は、ボディ13とシャワープレート11との結合部分に特徴を有する。ボディ13とシャワープレート11との結合部21を拡大したのが図２(B)である。好適実施例において、ボディ13の周縁端面14は表面処理16されている。また同様にシャワープレート11の周辺部15も表面処理16されている。他の実施例において、周縁端面14または周辺部15のいずれか一方のみが表面処理16されてもよい。ボディ13及びシャワープレート11はボルト等の適当な手段によって結合される。
【００１７】
ひとつの実施例において表面処理16は陽極酸化処理である。他の実施例において表面処理16はフッ化アルミニウム被覆処理である。さらに他の実施例において表面処理16は窒化チタン被覆処理である。その他、当業者に周知のフッ素系ラジカルに耐食性を有するあらゆる表面処理が本発明の態様に含まれる。
【００１８】
次に、本発明に係る薄膜製造装置20を使った薄膜形成方法について説明する。まず、真空ポンプ（図示せず）によって反応チャンバ6内を真空排気する。ゲートバルブ（図示せず）を介して半導体基板4を反応チャンバ6へ搬入し、サセプタ3上に載置する。次に、ヒータ2によりサセプタ3上に載置された半導体基板4を所定の温度（例えば、１５０℃〜４５０℃）に加熱する。続いて、ガス導入口5から反応チャンバ内に所定の流量に制御された反応ガスを導入する。
【００１９】
ここで、反応ガスは、半導体基板4上に形成する膜の種類によって異なる。窒化シリコン膜を形成する場合には、シリコン系ソースガスとしてシラン、及び窒化ガスとして窒素及び／またはアンモニアを用いる。酸化シリコン膜を形成する場合には、シリコン系ソースガスとしてシランまたはTEOS（テトラエチルオルソシリケート）及び酸化性ガス（シランの場合は亜酸化窒素、TEOSの場合は酸素）を用いる。ここで酸化シリコン膜は具体的にはUSG、BPSG、PSG、BSG等である。酸化シリコン膜のドーピングガスとして、ボロンの場合はジボラン、リンの場合はホスフィンを用いる。酸窒化シリコン膜を形成する場合には、シリコン系ソースガスとしてシラン、窒化ガスとして窒素及び／またはアンモニア、及び酸化性ガスとして亜酸化窒素を用いる。低誘電率フッ素ドープ酸化シリコン膜を形成する場合には、TEOS、酸素及びCF4を用いるかまたはシラン、亜酸化窒素及びSiF4を用いる。低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜を形成する場合には、複数のアルコキシを含有するシリコン系炭化水素、並びにAr及び／またはHeを用いるが、さらに酸化性ガス（酸素、亜酸化窒素、二酸化炭素、アルコール等から選択されるひとつまたはそれらの組合せ）を添加してもよい。当該反応ガスはシャワーヘッド9’内部の中空構造を介し、シャワープレート11の多数の細孔17を通じて半導体基板4に向かって均等に噴出される。
【００２０】
次に、シャワーヘッド9’に高周波電源(7,8)によって所定の高周波電力を印加し、半導体基板4の表面近傍にプラズマ反応場を形成する。好適には、第１の高周波電源7は２７.１２MHzの周波数を有し、第２の高周波電源8は400kHzの周波数を有する。それぞれの高周波電源(7,8)の周波数は適宜変更可能である。また、高周波電源(7,8)は組み合わせて使用してもよいが、単独で使用することもできる。さらに、印加する高周波電力は適宜選択可能である。
【００２１】
プラズマ反応場での化学反応により半導体基板4上に所望の薄膜が蒸着される。最後に反応チャンバ6内を不活性ガス等によりパージする。所定の枚数の半導体基板を成膜処理した後、クリーニング処理を行う。上記したように、クリーニング処理には一般にフッ素系ラジカルが使用される。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明に係る薄膜製造装置を用いて膜形成実験を行ったので詳しく説明する。実験では、以下の成膜条件にて半導体基板上に低誘電率炭素ドープ酸化シリコン膜を連続成膜処理し、膜特性（膜厚及び弾性率）の変化を測定した。成膜実験にはφ３００mmのシリコン基板を使用し、１枚成膜処理する毎にクリーニング処理を行った。
【００２３】
成膜条件
原料ガス：DM-DMOS（ジメチル・ジメトキシシラン）２００sccm
添加ガス：He ２００sccm
基板温度：３５０℃
圧力：４Torr
高周波電源：２７.１２MHz  ３.５W/cm2
【００２４】
（１）実験１
まず、比較のために従来の薄膜製造装置を用いて実験を行った。実験１では、ボディとシャワープレートとの結合面のアルミニウム合金組成が等しいシャワーヘッドを有する従来の薄膜製造装置（比較例１）を使用した。実験結果が図３に示されている。
【００２５】
（２）実験２
実験２では、ボディとシャワープレートとの結合面のアルミニウム合金組成が異なる（ボディ側のマグネシウム組成が低い）シャワーヘッドを有する従来の薄膜製造装置（比較例２）を使用した。実験結果が図４に示されている。
【００２６】
（３）実験３
実験３では、ボディ側の結合面のみを陽極酸化処理したシャワーヘッドを有する本発明の薄膜製造装置（実施例１）を使用した。実験結果が図５に示されている。
【００２７】
（４）実験４
実験４では、ボディ側及びシャワープレート側の両方の結合面に陽極酸化処理を施したシャワーヘッドを有する本発明の薄膜製造装置（実施例２）を使用した。実験結果が図６に示されている。
【００２８】
（５）実験５
実験５では、ボディ側及びシャワープレート側の両方の結合面にフッ化アルミニウム被覆処理を施したシャワーヘッドを有する本発明の薄膜製造装置（実施例３）を使用した。実験結果が図７に示されている。
【００２９】
（６）実験６
実験６では、ボディ側及びシャワープレート側の両方の結合面に窒化チタン被覆処理を施したシャワーヘッドを有する本発明の薄膜製造装置（実施例４）を使用した。実験結果が図８に示されている。
【００３０】
実験結果
比較例１及び比較例２の結果を見ると、成膜枚数が増加するにつれ、膜厚が徐々に増加し、弾性率が徐々に低下することがわかる。いずれも膜厚のレンジが３０nm程度で許容限度レベルを超えている。この成膜系の場合、一般に高周波伝播が悪化すると膜厚は薄くなり、シャワープレートの温度が高いと膜厚が厚くなることがわかっているので、この結果から、比較例１及び比較例２はボディとシャワープレートとの間で高周波の伝播は特に影響を受けていないが、両者間の熱伝導が腐食により悪影響を受けたものと推察できる。また、比較例１と比較例２とを比べると比較例２の方が膜厚の変動幅が大きいことから、比較例２の方がわずかに電解腐食が進行しているものと考えられる。
【００３１】
実施例１から実施例４の結果を見ると、膜厚はいずれの実施例も比較例に比べ厚く、成膜枚数が増加しても、膜厚及び弾性率がほとんど変化しないことがわかる。いずれの実施例も膜厚のレンジが１０nm以下で許容範囲内にあり、弾性率のレンジも許容範囲内にあることがわかる。
【００３２】
一般に、高周波のインピーダンスは、インピーダンス(Ω)＝１／｛２π×周波数(Hz)×容量(F)｝で表される。実施例１から４では結合部の容量及び高周波電源の周波数の積が十分に大きいため、インピーダンスが小さくなり、ボディからシャワープレートへの高周波伝播の妨げとはならない。したがって、高周波伝播に起因する影響は無視できる。一方、ボディとシャワープレートとの間の熱伝導は表面処理により大きく影響を受ける。その結果、シャワープレートの温度が高くなり実施例１から４の膜厚は比較例よりも厚くなっていると考えられる。
【００３３】
また、結合面を表面処理したことで結合面の状態が安定し、フッ素系ラジカルに対する耐食性を有するようになった結果膜特性が安定したと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、従来の薄膜製造装置の断面略示図である。
【図２】図２(A)は、本発明に従う薄膜製造装置の断面略示図であり、図２(B)は部分拡大図である。
【図３】図３は、比較例１の薄膜製造装置を使って連続成膜処理したときの膜特性の変化を示すグラフである。
【図４】図４は、比較例２の薄膜製造装置を使って連続成膜処理したときの膜特性の変化を示すグラフである。
【図５】図５は、実施例１の薄膜製造装置を使って連続成膜処理したときの膜特性の変化を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例２の薄膜製造装置を使って連続成膜処理したときの膜特性の変化を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例３の薄膜製造装置を使って連続成膜処理したときの膜特性の変化を示すグラフである。
【図８】図８は、実施例４の薄膜製造装置を使って連続成膜処理したときの膜特性の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
2      ヒータ
3      サセプタ
4      半導体基板
5      ガス導入口
6      反応チャンバ
7      高周波電源
8      高周波電源
9’      シャワーヘッド
10      排気口
11      シャワープレート
12      接地
13      ボディ
14      ボディ側結合面
15      シャワープレート側結合面
16      表面処理
17      細孔
20      薄膜製造装置
21      結合部分
【図１】
2005209771.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005209771.tif 000005
【図４】
2005209771.tif 000006
【図５】
2005209771.tif 000007
【図６】
2005209771.tif 000008
【図７】
2005209771.tif 000009
【図８】
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