(57)【要約】【課題】  基板載置台を介して加熱される基板を、５００〜８５０℃程度まで加熱できるようにして、基板処理炉の処理能力を向上させる。【解決手段】  基板処理炉は、処理炉２０２Ａと、この処理炉２０２Ａ内に配置され、ウェハ２００を載置するとともに、ウェハ２００を加熱可能なヒータ２１８を有するサセプタ（基板載置台）２１７とを備えている。このような基板処理炉において、処理炉２０２Ａを構成する上側容器２１０Ａを、光を透過可能な材料である石英で形成する。また、サセプタ２１７に載置されたウェハ２００の表面を照射する光源１０を上側容器２１０Ａの外側に配置する。このようにして、サセプタ２１７及び光源１０の両方からウェハ２００を加熱できるように構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過可能な材料で形成された基板処理容器と、
前記基板処理容器の内部に設けられ、基板を載置するとともに、前記基板を加熱する加熱体を内部に有する基板載置台と、
前記基板処理容器の外部に設けられ、前記基板載置台に載置される基板表面に前記基板処理容器を介して光を照射して基板表面を加熱する光源と
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、基板の加熱能力を改善する半導体製造装置に係り、特にプラズマ装置に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の半導体製造装置を構成する処理炉の一例を示し、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ処理装置（以下、ＭＭＴ装置という）である（例えば、特許文献１参照）。このＭＭＴ装置は、気密性を確保した反応室１を有し、反応室１内に基板２００を載置する基板載置台としてのサセプタ６を設置する。サセプタ６の内部には、サセプタ６に載置された基板２００を加熱するヒータ（図示せず）が設けられる。
【０００３】
反応室１の上部に設けたガスシャワー板２を介して処理ガスを反応室１内に導入し、反応室１内をある一定の圧力に保ち、反応室１の外周に設けた筒状電極３に高周波電力を供給して電界を形成するとともに、筒状電極３の周囲に設けた磁石５により磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。放電用電極３から放出された電子が、ドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので、高密度プラズマを生成できる。このプラズマにより成膜用ガスを励起分解させて化学的反応を起こし、基板表面に薄膜を形成するものである。
【０００４】
従来から多く使用されている容量結合型プラズマ処理装置はもちろん、プラズマＣＶＤ処理装置よりも高密度のプラズマが得られる。ここで、サセプタ６内のヒータによって加熱可能なウェハ２００の温度限界は、反応室内圧力１Ｐａ〜２００Ｐａ下で、４００℃〜５００℃程度である。
【特許文献１】特開平１１−１２１１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、基板上に、膜厚の厚い、例えば５ｎｍ〜１５ｎｍ程度の酸化膜や窒化膜を形成するためには、基板を８００℃程度にまで加熱する必要がある。また、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ（多結晶シリコン）膜のダメージ回復の目的で行なわれる活性化アニールのためには、基板を７００〜７５０℃に加熱する必要がある。
【０００６】
しかしながら、基板載置台を介して基板をヒータ加熱する従来の半導体製造装置では、上述したように基板加熱温度が最高でも４００℃〜５００℃程度であるため、膜厚の厚い酸化膜や窒化膜を形成できなかった。また、多結晶シリコン膜のダメージを回復するための活性化アニールを行うこともできず、高温処理に対応できなかった。
【０００７】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解消して、基板の加熱温度を上げて高温処理能力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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、光透過可能な材料で形成された基板処理容器と、前記基板処理容器の内部に設けられ、基板を載置するとともに、前記基板を加熱する加熱体を内部に有する基板載置台と、前記基板処理容器の外部に設けられ、前記基板載置台に載置される基板表面に前記基板処理容器を介して光を照射して基板表面を加熱する光源とを備えた半導体製造装置である。
【０００９】
基板は、基板載置台の加熱体によって加熱されるうえ、基板処理容器の外部に設けた光源によっても加熱される。したがって、加熱体のみによって加熱する場合に比べて、基板をより高温に加熱できる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記基板処理容器を形成する材料は石英であることを特徴とする半導体製造装置である。基板処理容器を形成する材料は、特に石英であることが好ましい。
【００１１】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記基板処理容器に前記光源の光を前記基板表面に集光、又は拡散させるレンズが設けられていることを特徴とする半導体製造装置である。
光源の光を集光、又は拡散させるレンズを設けると、基板表面により効率的で均一に光源からの光を照射することができる。
【００１２】
第４の発明は、第１ないし第３の発明において、前記基板処理容器の上部から基板処理容器の内部に処理ガスを供給するガス供給手段と、基板載置位置よりも下側に設けられ前記基板処理容器の内部の雰囲気を排出する排気手段と、前記基板処理容器の外周に設けられた放電用電極と、前記放電用電極に高周波電力を印加する高周波電力印加手段と、前記放電用電極の周囲に設けられ前記基板処理容器の内部に磁力線を形成する磁力線形成手段と、前記基板載置台に設けられたインピーダンス可変用電極と、前記インピーダンス可変用電極に接続されインピーダンス可変用電極のインピーダンスを可変するインピーダンス可変機構とを備えて、前記基板処理容器の内部にプラズマを生成するようにした半導体製造装置である。
【００１３】
基板は、基板載置台の加熱体によって加熱されるうえ、基板処理容器の外側に設けた光源によっても加熱される。したがって、本構成を備えた半導体製造装置（ＭＭＴ装置）において、基板をより高温に加熱できるので、ＭＭＴ装置で対応できるアプリケーションを拡大できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、基板の加熱温度を上げて高温処理能力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の半導体製造装置をＭＭＴ装置に適用した実施の形態を説明する。図３は本発明の前提をなすＭＭＴ装置を構成する処理炉を説明する断面図である。
【００１６】
処理炉２０２はマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電によりウェハ２００を処理するものである。処理炉２０２は少なくとも処理室（基板処理容器）２０１、サセプタ（基板載置台）２１７、筒状電極（放電用電極）２１５、筒状磁石（磁力線形成手段）２１６、シャワーヘッド（ガス供給手段）２３６、及び排気口（排気手段）２３５とを備えている。
【００１７】
下側容器２１１と、この下側容器２１１の上に被せられる上側容器２１０とでウェハ２００をプラズマ処理するための処理室２０１が形成される。上側容器２１０はドーム型である。上側容器２１０は酸化アルミニウム又は石英で形成され、下側容器２１１はアルミニウムで形成されている。また、後述するヒータ２１８（加熱体）一体型のサセプタ２１７は窒化アルミニウム、セラミックス又は石英で構成されている。この構成によって処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染が低減される。
【００１８】
上側容器２１０の上部にはガス分散空間であるバッファ室２３７を形成するシャワーヘッド２３６が設けられている。シャワーヘッド２３６の上壁にはガス導入用の導入口であるガス導入口２３４が設けられている。下壁はガスを噴出する噴出孔であるガス噴出孔２３４aを有するシャワープレート２４０となっている。ガス導入口２３４は、反応ガス２３０を供給するガス供給管２３２により開閉弁であるバルブ２４３aと流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１とを介して図示しない反応ガス２３０のガスボンベに接続されている。
【００１９】
また、サセプタ２１７の周囲から処理室２０１の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器２１１の側壁であって、後述するサセプタ２１７上にウェハ２００が載置されるウェハ載置位置よりも下側に、ガスを排気するガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５はガス排気管２３１によって圧力調整器であるＡＰＣ２４２、開閉弁であるバルブ２４３ｂを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されている。
【００２０】
また、下側容器２１１の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２４４が設けられている。ゲートバルブ２４４が開いているときには図示しない搬送手段により処理室２０１へウェハ２００を搬入したり、処理室２０１からウェハ２００を搬出したりすることができる。ゲートバルブ２４４が閉まっているときには処理室２０１を気密に閉じることができる。
【００２１】
供給される反応ガス２３０を励起させる放電手段として筒状電極２１５が設けられる。筒状電極２１５は断面が筒状（好ましくは円筒状）である。筒状電極２１５は処理室２０１の外周に設置されて処理室２０１内のプラズマ生成領域２２４を囲んでいる。筒状電極２１５にはインピーダンスの整合を行う整合器２７２を介して高周波電力印加する高周波電源２７３が接続されている。
【００２２】
磁界形成手段である筒状磁石２１６は筒状の永久磁石である。筒状磁石２１６の断面は筒状（好ましくは円筒状）である。筒状磁石２１６は筒状電極２１５の外表面の上下端近傍に配置される。上下の筒状磁石２１６、２１６は、処理室２０１の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の筒状磁石２１６、２１６の磁極の向きが逆向きになっている。従って、内周部の磁極同士が異極となり、筒状電極２１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線が形成される。
【００２３】
筒状電極２１５及び筒状磁石２１６の周囲には、この筒状電極２１５及び筒状磁石２１６で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板２２３が設けられている。
【００２４】
処理室２０１の底側中央には、ウェハ２００を保持するサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７は、例えば窒化アルミニウムで構成され、内部に加熱体としての抵抗加熱用のヒータ２１８が一体的に埋め込まれている。ヒータ２１８に高周波電力を印加することによって、ウェハ２００を裏面から５００℃程度に加熱することができる。
【００２５】
また、サセプタ２１７の内部には、インピーダンスを可変するためのインピーダンス可変用電極（図示せず）が装備されている。このインピーダンス可変用電極はインピーダンス可変機構２７４を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７４は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、上記インピーダンス可変用電極及びサセプタ２１７を介してウェハ２００の電位を制御する。
【００２６】
更に、サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁されている。サセプタ２１７にはサセプタ昇降機構２６８が設けられている。また、サセプタ２１７は貫通孔２１７ａを有している。下側容器２１１の底面にはウェハ２００を突上げるためのウェハ突上げピン２６６が少なくとも３箇所に設けられている。貫通孔２１７ａとウェハ突上げピン２６６とは、サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７を下降させたとき、ウェハ突上げピン２６６がサセプタ２１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜ける位置関係にある。
【００２７】
コントローラ１２１は高周波電源２７３、整合器２７２、バルブ２４３ａ、マスフローコントローラ２４１、ＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、真空ポンプ２４６、サセプタ昇降機構２６８、ゲートバルブ２４４、サセプタ２１７に埋め込まれたヒータ２１８に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）に接続されている。
【００２８】
次に、５００℃以下の処理温度にて、ウェハ２００の表面（又はウェハ２００上に形成された下地膜の表面）に所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。
ウェハ２００は処理室２０１の外部から搬送手段によって処理室２０１内に搬入され、サセプタ２１７上に載置される。
【００２９】
この搬入・載置動作の詳細は次の通りである。
最初、サセプタ２１７は下降しており、ウェハ突上げピン２６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通してサセプタ２１７の表面より所定の高さ分だけ突き出た状態にある。まず、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４を開く。次に、搬送手段によってウェハ２００をウェハ突上げピン２６６の先端に載置する。その後、搬送手段を処理室２０１外へ退避させる。次に、ゲートバルブ２４４を閉め、サセプタ２１７をサセプタ昇降機構２６８により上昇させる。その結果、ウェハ２００がサセプタ２１７表面に載置される。サセプタ２１７上に載置されたウェハ２００を処理する位置まで上昇させる。
【００３０】
サセプタ２１７に埋め込まれたヒータ２１８は予め加熱されているため、ウェハ２００は室温〜５００℃の範囲内でウェハ処理温度に加熱される。真空ポンプ２４６及びＡＰＣ２４２を用いて処理室２０１の圧力を０．１〜１００Ｐａの範囲内に維持する。
【００３１】
ウェハ２００をウェハ処理温度に加熱した後、ガス導入口２３４からシャワープレート２４０のガス噴出孔２３４ａを介して、処理ガスを処理室２０１に配置されているウェハ２００の表面（処理面）に向けてシャワー状に供給する。同時に筒状電極２１５に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、１５０〜２００Ｗである。なお、インピーダンス可変機構２７４は予め所望のインピーダンス値に設定されている。
【００３２】
筒状磁石２１６、２１６の磁界によってマグネトロン放電が発生し、ウェハ２００の上方空間に電荷がトラップされてプラズマ生成領域２２４に高密度プラズマが生成される。この高密度プラズマによって、サセプタ２１７上のウェハ２００の表面に酸化膜や窒化膜を形成したり、薄膜を形成したり、エッチングしたりする等のプラズマ処理が施される。処理が終わったウェハ２００は、搬送手段によって、ウェハ２００の搬入と逆の動作で処理室２０１外へ搬送される。
【００３３】
なお、コントローラ１２１は、高周波電源２７３の電力ＯＮ・ＯＦＦ、整合器２７２の調整、バルブ２４３ａの開閉、マスフローコントローラ２４１の流量、ＡＰＣ２４２の弁開度、バルブ２４３ｂの開閉、真空ポンプ２４６の起動・停止、サセプタ昇降機構２６８の昇降動作、ゲートバルブ２４４の開閉、サセプタに埋め込まれたヒータ２１８に高周波等の電力を印加する高周波電源のＯＮ・ＯＦＦを制御している。
【００３４】
ところで、上述した構成の処理炉では、サセプタ２１７に埋めこまれているヒータ２１８によって、ウェハ２００の温度を最高でも５００℃程度までしか加熱できない。このため、５００℃を超える処理温度を必要とする基板処理はできない。
【００３５】
そこで、本実施の形態では、本発明の前提となる上述した構成の処理炉に、ウェハ加熱体としてヒータ２１８の他に、さらに赤外光を発する光源を加えるようにした。
【００３６】
図１は、そのような光源を加えた第１実施形態に係る基板処理炉の要部断面を示す概念図である。なお、図３に示した基板処理炉（ＭＭＴ装置）と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００３７】
処理炉２０２Ａを形成する処理室２０１は、下側容器２１１と、この下側容器２１１の上に被せられるドーム型の上側容器２１０Ａとから構成される。
このドーム型の上側容器２１０Ａは、赤外光を透さない酸化アルミニウムではなく、赤外光を透過可能な石英で形成されている。なお、下側容器２１１はアルミニウムで形成されている。
【００３８】
上側容器２１０Ａの外部にはサセプタ２１７に載置されたウェハ２００の表面を照射するための光源１０がウェハ２００を指向して配置されている。光源１０は、図示例では、ドーム型の上側容器２１０Ａのコーナ部の外側に複数個配置されている。光源は１つでも良いが、２つ以上配置することが好ましい。
【００３９】
光源１０はランプ１１とランプハウス１３とを備えている。ランプ１１は球状、リング状又は棒状である。ランプ１１には赤外光を発するハロゲンランプ（波長領域：０．８〜１．５μｍ）やキセノンランプ等が用いられる。ランプハウス１３には球面又は非球面の反射板１２が設けられている。反射板１２によって上側容器２１０Ａを介してウェハ２００の表面をほぼ均一に照射するようになっている。そして、ウェハ２００の表面に照射された光によってウェハ２００を加熱できるようになっている。ランプ制御は、ランプ１１に印加する電力をコントローラ１２１（図３参照）によってＯＮ・ＯＦＦ制御することによって行うが、加熱調整する場合にはランプ１１に印加する電力をＰＷＭ制御等によって制御するようにしてもよい。
【００４０】
前述したように、ウェハ２００を載置するサセプタ２１７内には、ヒータ２１８が一体的に設けられている。このヒータ２１８に電力を印加することによってウェハ２００を５００℃程度に加熱することができるようになっている。
【００４１】
したがって、ヒータ２１８でウェハ２００の裏面を加熱した上で、さらにランプ１１によってウェハ２００の表面を加熱すると、ウェハ２００を５００〜８５０℃程度にまで加熱することができる。
【００４２】
次に、上述したような光源を加えた基板処理炉を用いて、ウェハ上に膜を成膜処理する場合について説明する。ヒータ２１８には、予め電力を印加しておく。処理室２０１内にウェハ２００が搬入されて、サセプタ２１７上に載置されると、ウェハ２００はヒータ２１８により室温〜５００℃の範囲内で加熱される。また、ウェハ２００が処理室２０１内に搬入されたとき、ランプ１１に電力を印加して、サセプタ２１７上に載置されるウェハ２００の表面に、上側容器２１０Ａを透過した赤外光を照射して、ウェハ２００の表面を加熱する。すると、ウェハ２００は５００〜８５０℃程度に加熱される。この温度が、成膜処理温度となる。このとき、処理室２０１の圧力は１〜２００Ｐａの範囲内に維持する。
【００４３】
ウェハ２００を５００〜８５０℃程度に加熱した後、ガス導入口２３４からシャワープレート２４０のガス噴出孔２３４ａを介して、成膜用の処理ガスを処理室２０１に配置されているウェハ２００の表面に向けてシャワー状に供給する。
ここで、成膜用の処理ガスとしては、ウェハ２００の表面に酸化膜を形成するときにはＯ2又はＯを含むガスを、ウェハ２００の表面に窒化膜を形成するときにはＮ2又はＮを含むガス（例えばＮＨ3）、及びＳｉを含むガス（例えばＳｉＨ2Ｃｌ2）をそれぞれウェハ２００の表面に向けて供給する。この場合、必要に応じてＯ2又はＮ2に、Ｋｒ又はＡｒを添加する。
【００４４】
同時に筒状電極２１５（図３参照）に高周波電力を印加して処理室２０１内に電界を形成する。印加する電力は、１５０〜２００Ｗである。この電界と筒状磁石２１６、２１６によって処理室２０１内に形成される磁界とによってマグネトロン放電が発生し、ウェハ２００の上方空間に電荷がトラップされてプラズマ生成領域２２４（図３参照）に高密度プラズマが生成される。この高密度プラズマによって、サセプタ２１７上のウェハ２００の表面に酸化膜や窒化膜が形成される。
【００４５】
この第１実施形態によれば、ウェハ２００を５００〜８５０℃に加熱できるので、膜厚が５ｎｍ〜１５ｎｍ、またはそれ以上の膜厚の厚い成膜が形成できる。したがって、既存のＭＭＴ処理炉に光源を追加するだけで、作成できる薄膜の適用範囲（膜厚、薄膜の種類）を広げることができ、基板処理炉の処理能力を向上させることができる。また、高温処理が可能になるので、低温処理と高温処理とを同一の基板処理炉を使用して連続処理することができる。したがって、ウェハの汚染を低減でき、スループットを向上できる。
【００４６】
図２は、同じく光源を加えた第２実施形態に係る基板処理炉の要部断面を示す概念図である。
この第２実施形態は上側容器２１０Ｂに凸レンズ（レンズ）２０を設けた点で第１実施形態と相違する。
【００４７】
凸レンズ２０は光源１０の光軸上の上側容器壁のコーナ部に設けられ、光源１０から出射された光をウェハ２００の表面に集光させる。凸レンズ２０は、例えばインサートモールドによって、容器壁の一部を凸レンズ状に肉厚にすることによって、上側容器２１０Ｂと一体に成型される。
【００４８】
この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、ウェハ２００をウェハ処理温度に効率的かつ均一に加熱することができる。
なお、第２実施形態ではレンズとして凸レンズ２０を用いたが、ランプ１１の位置や反射板１２の形状によっては、肉薄にした凹レンズ（図示せず）が用いられる。この場合にも、光はウェハ２００上に均一に拡散して、凸レンズ２０を用いたときと同様に、ウェハの効率的な高温均一加熱が可能である。
【００４９】
なお、第１実施形態及び第２実施形態では、上側容器全体を光透過可能な石英で形成したが、少なくとも光軸上の上側容器壁部に窓孔を設け、その窓孔に石英窓又はレンズをはめ込むようにして、上側容器の一部のみを光透過可能な材料で形成してもよい。このようにすれば、光軸上の上側容器壁部以外の部分を、光が透過しない酸化アルミニウムで構成することができる。
【００５０】
また、第１実施形態及び第２実施形態では、酸化膜又は窒化膜を形成する場合について説明したが、本発明では、ウェハを７００〜７５０℃に加熱することができるので、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ（多結晶シリコン）膜のダメージ回復の目的で行なわれる活性化アニールも当然行うことができる。
【００５１】
また、上述した実施の形態では、基板処理炉がドーム型のＭＭＴ装置の場合について説明したが、これは、特にドーム型のＭＭＴ装置を用いると、膜中に取り込まれる金属汚染が低減した良質な成膜が可能な優れた装置だからである。しかし、本発明はこのタイプの装置に限定されない。例えば、他のタイプのＭＭＴ装置や、ＭＭＴ装置以外の熱ＣＶＤ装置等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１実施形態に係る基板処理炉の要部断面を示す概念図である。
【図２】第２実施形態に係る基板処理炉の要部断面を示す概念図である。
【図３】実施の形態による半導体製造装置の前提をなす基板処理炉の概略構成を説明する断面図である。
【図４】従来の基板処理炉の要部断面を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０    光源
１１    ランプ
２００    ウェハ（基板）
２０１    処理室（基板処理容器）
２１８    ヒータ（加熱体）
２１７    サセプタ（基板載置台）
【図１】
2005276998.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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