(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設置されたシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドと平行に対向して設置された被処理体を載置するための金属製のサセプタとから成るプラズマCVD装置において、前記被処理体を載置する前記サセプタの周縁部にはアルミニウムまたはマグネシウムの酸化物または窒化物から成る絶縁リングが埋設されており、前記被処理体の直径に対する前記絶縁リングの内径の比が１００．３％から１０１．３％であることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記絶縁リングの外径が前記被処理体の直径の１００％以上１５０％以下である、ところの装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記絶縁リングの厚さが０.５mm以上３０mm以下である、ところの装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記サセプタの表面は凹状に窪んだ回転面として形成され、前記サセプタと前記シャワーヘッドとの距離が中心部で最も長く半径方向に徐々に短くなる、ところの装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、半導体基板上に薄膜を形成するためのプラズマCVD装置に関し、特にサセプタの構成に特徴を有するプラズマCVD装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、半導体基板などの被処理体上に薄膜を成膜するためにプラズマCVD法が用いられてきた。図１は従来のプラズマCVD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を含む。反応チャンバ6内部には半導体基板4を載置するためのサセプタ3が設けられている。サセプタ3はヒータ2によって支持され、該ヒータ2は半導体ウエハ4を所定の温度（350〜450℃）に維持する。サセプタ3はプラズマ放電のための一方の電極を兼ねており、反応チャンバ6を通じて接地11されている。反応チャンバ6の内部にはサセプタ3と平行に対向して、シャワーヘッド9が設けられている。シャワーヘッド9は底面に多くの細孔を有しており、そこから材料ガスが半導体ウエハ4に向かって均一に噴出される。シャワーヘッド9の中央部には材料ガス導入口5が設けられ、材料ガスはガスライン（図示せず）を通じてシャワーヘッド9に導入される。ガス導入口5は反応チャンバ6から電気的に絶縁されている。シャワーヘッド9はプラズマ放電のためのもう一方の電極を兼ねており、材料ガス導入口5を通じて外部の第1の高周波電源7及び第2の高周波電源8に接続されている。これによって、半導体基板4の近傍にプラズマ反応場が生成される。反応チャンバ6の底部には排気口10が設けられ、外部の真空ポンプ（図示せず）と連結されている。半導体基板4の表面上に形成される膜の種類及び膜質は、材料ガスの種類及び流量、温度、RF周波数の種類並びにプラズマの空間分布により変化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体基板上に形成される膜の一様性は、反応領域におけるプラズマ密度分布及びガスの滞留時間と密接に関係している。一般に、平行平板プラズマCVD装置において、電極（約φ350mm）間に生じる電場強度分布は中心部が一番強く半径方向外側に向かって徐々に弱まっていく性質がある。すなわち、半導体基板の中心付近の電場は半径方向外側の電場より相対的に強くなる。従来のプラズマCVD装置では、φ300mmの半導体基板の場合成膜領域での強度分布は±７％になる。図１に示す従来のプラズマCVD装置において、プラズマ密度分布は電場強度分布に従い半導体基板の中心部が高く外周部が低い傾向を示す。したがって膜厚はプラズマ密度分布の影響を受け、半導体基板の中心部では比較的厚く外周部では比較的薄くなっていた。これに対して従来は、ガス流量、混合比、RF周波数及びRF電力等を制御することにより膜厚のばらつきを補正してきたが、これらのパラメータを変化させてしまうと、膜質及び成膜速度が変化してしまいプロセス安定性が悪化するという欠点があった。
【０００４】
本発明はこれらの欠点に鑑みてなされたものであり、その目的は、膜厚及び膜質が均一な薄膜を形成することができるプラズマCVD装置を与えることである。
【０００５】
また本発明の他の目的は、プロセス安定性が高く、構造が単純で装置コストの安いプラズマCVD装置を与えることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係るプラズマCVD装置は以下の構成を有する。
【０００７】
真空チャンバと、真空チャンバ内に設置されたシャワーヘッドと、シャワーヘッドと平行に対向して設置された被処理体を載置するためのサセプタとから成るプラズマCVD装置において、本発明に係るプラズマCVD装置は被処理体を載置するサセプタの周縁部に絶縁リングが埋設されていることを特徴とする。
【０００８】
好適には、絶縁リングの内径は被処理体の直径の８０％以上１２０％以下である。
【０００９】
また好適には、絶縁リングの外径は被処理体の直径の１００％以上１５０％以下である。
【００１０】
さらに好適には、絶縁リングの厚さは０.５mm以上３０mm以下である。
【００１１】
変形的に、サセプタの表面は凹状に窪んだ回転面として形成され、サセプタとシャワーヘッドとの距離が中心部で最も長く半径方向に徐々に短くなる。
【００１２】
【発明の実施の態様】
以下、図面を参照しながら本願発明を説明する。図２は本発明に係るプラズマCVD装置の好適実施例を略示したものである。図１の部品と同じ部品は同一符号で示されている。本発明においてシャワーヘッド9から導入される材料ガスは、複数のアルコキシを含有するシリコン系炭化水素から成り、添加ガスとしてAr若しくはHeを含むことができる。第１の高周波電源7の周波数は好適には27.12MHzであるが2MHz以上であればこれ以外の周波数であってもよい。一方、第２の高周波電源8の周波数は好適には400kHzであるが2MHz以下であればこれ以外の周波数であってもよい。
【００１３】
本発明に係るプラズマCVD装置20の特徴は、サセプタ21の表面周縁部に絶縁リング22が埋設されている点にある。絶縁リング22は好適にはアルミナ（Al2O3）から成るが、窒化アルミニウム（AlN）若しくは酸化マグネシウム(MgO)であってもよい。絶縁リング22の内径は、好適には半導体基板4の直径の８０％〜１２０％である。また、絶縁リング22の外径は、好適には半導体基板4の直径の１００％〜１５０％である。さらに、絶縁リング22の厚さは、好適には０.５mm〜３０mmである。
【００１４】
次に、絶縁リングの作用について説明する。平行平板型プラズマCVD装置は、プラズマの生成及び維持に関して圧力及び電極間距離が重要な因子であり、別名容量結合型プラズマCVD装置と呼ばれる。以下の実験で検討した低誘電率絶縁膜を形成する標準条件では、電極間距離を少し広げる方がプラズマを効率的に発生させることができ、その付近の膜厚を厚く制御することができる。
【００１５】
図２に示される互いに対向する２枚の平行平板電極、すなわちサセプタ21及びシャワーヘッド9はキャパシタの対向電極に相当する。真空の比誘電率は定義より１である。１気圧の気体の比誘電率もほぼ１であることから、中程度の真空度で存在する気体の比誘電率もほぼ１であると考えられる。サセプタ上に比誘電率が８であるアルミナを載置する場合を考えると、キャパシタに比誘電率が８の誘電体を挿入したのと同様であることから、実効的な電極間距離を計算することができる。この場合、実効的電極間距離はアルミナ板の厚さの７／８だけ短くなる。ここでもし、サセプタをアルミナ板の厚さだけ削り、そこにアルミナ板を嵌め込んだとすると、削る前に比べ実効的電極間距離はアルミナ板の厚さの１／８だけ長くなる。
【００１６】
このように絶縁リングを使用することにより、精度よく半導体基板外周部の実効的電極間距離を広げることができる。それによって半導体基板外周部の膜厚を厚く制御することができ、膜厚の均一性を改善することができる。
【００１７】
次に、本発明に係るプラズマCVD装置の他の実施例を説明する。図３は本発明に係るサセプタの他の実施例を示したものである。サセプタ30の表面は凹状に窪んだ回転面として形成される。サセプタ表面の窪みは、シャワーヘッドとの距離が中心部で最も長く半径方向に徐々に短くなるように構成されている。サセプタ30の中心部での窪みの深さdbは好適には0.1〜4mmである。図３に示されるように半導体基板4は周辺部でのみサセプタ30と接触しており、半導体基板4の裏面の傷つき及びパーティクル汚染を防止することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明に係るプラズマCVD装置を使って形成した低誘電率絶縁膜の膜厚均一性を評価する実験を行ったので説明する。
【００１９】
（実験１）
図２に示したプラズマCVD装置20を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
実験条件：
主原料ガス：DM-DMOS（ジメチル・ジメトキシシラン）  200sccm
添加ガス：He  400sccm
第１高周波電源：27.12MHz  2.5 W/cm2
第２高周波電源：400kHz    0.1W/cm2
成膜圧力：500Pa
絶縁リングの材質：酸化アルミニウム
絶縁リングの内径：304mm
絶縁リングの外径：360mm
絶縁リングの厚さ：1mm〜20mm
図４は、上記実験条件にて半導体基板上に絶縁膜を形成した際における半導体基板エッジからの距離と半導体基板エッジから20mmの膜厚で規格化した膜厚との関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、絶縁リングの厚さが1mm〜20mmの範囲で半導体基板エッジ付近の膜厚を±２％以内に抑えられることがわかる。これによって半導体基板全体で膜厚分布を±３％以内に均一化することができる。
【００２０】
（実験２）
図２に示したプラズマCVD装置20を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
実験条件：
主原料ガス：DM-DMOS（ジメチル・ジメトキシシラン）  200sccm
添加ガス：He  400sccm
第１高周波電源：27.12MHz  2.5 W/cm2
第２高周波電源：400kHz    0.1W/cm2
成膜圧力：500Pa
絶縁リングの材質：窒化アルミニウム
絶縁リングの内径：304mm
絶縁リングの外径：360mm
絶縁リングの厚さ：1mm〜20mm
図５は、上記実験条件にて半導体基板上に絶縁膜を形成した際における半導体基板エッジからの距離と半導体基板エッジから20mmの膜厚で規格化した膜厚との関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、絶縁リングの厚さが1mm〜20mmの範囲で半導体基板エッジ付近の膜厚を±２％以内に抑えられることがわかる。これによって半導体基板全体で膜厚分布を±３％以内に均一化することができる。
【００２１】
（実験３）
図２に示したプラズマCVD装置20を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
実験条件：
主原料ガス：DM-DMOS（ジメチル・ジメトキシシラン）  200sccm
添加ガス：He  400sccm
第１高周波電源：27.12MHz  2.5 W/cm2
第２高周波電源：400kHz    0.1W/cm2
成膜圧力：500Pa
絶縁リングの材質：酸化マグネシウム
絶縁リングの内径：304mm
絶縁リングの外径：360mm
絶縁リングの厚さ：1mm〜20mm
図６は、上記実験条件にて半導体基板上に絶縁膜を形成した際における半導体基板エッジからの距離と半導体基板エッジから20mmの膜厚で規格化した膜厚との関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、絶縁リングの厚さが1mm〜20mmの範囲で半導体基板エッジ付近の膜厚を±２％以内に抑えられることがわかる。これによって半導体基板全体で膜厚分布を±３％以内に均一化することができる。
【００２２】
（実験４）
図２に示したプラズマCVD装置20を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
実験条件：
主原料ガス：DM-DMOS  200sccm
添加ガス：He  400sccm
第１高周波電源：27.12MHz  2.5W/cm2
第２高周波電源：400kHz    0.1W/cm2
成膜圧力：500Pa
絶縁リングの材質：酸化アルミニウム
絶縁リングの内径：301mm〜315mm
絶縁リング外径：390mm
絶縁リングの厚さ：10mm
図７は、上記実験条件にて半導体基板上に絶縁膜を形成した際における絶縁リング内径と半導体基板エッジから20mmの膜厚で規格化したエッジから3mmの膜厚との関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、絶縁リング内径が301mm〜315mmの範囲（すなわち、半導体基板直径に対して100.3％〜105％の範囲）で半導体基板エッジ付近の膜厚を±２％以内に抑えられることがわかる。これによって半導体基板全体で膜厚分布を±３％以内に均一化することができる。
【００２３】
（実験５）
図２に示したプラズマCVD装置20を用いて、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
0004485737.tif 000002
図８は、上記実験条件にて半導体基板上に絶縁膜を形成した際における半導体基板エッジからの距離と半導体基板中心の膜厚で規格化した膜厚との関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、絶縁リングの厚さが1mm〜20mmの範囲で半導体基板全体の膜厚分布を±３％以内に抑えられることがわかる。ここで注目すべきことは、上記成膜条件の場合、中心部の膜厚が厚くなるためエッジ付近の膜厚もそれに伴って厚くする必要があるが、絶縁リングの内径を半導体基板直径の９０％(270mm)とすることにより、好適な膜厚分布が得られるという点である。
【００２４】
（実験６）
図３に示したサセプタ30を用いた本発明に係るプラズマCVD装置を使って、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
実験条件：
主原料ガス：DM-DMOS  200sccm
添加ガス：He  400sccm
第１高周波電源：27.12MHz  2.5W/cm2
第２高周波電源：400kHz    0.1W/cm2
成膜圧力：500Pa
絶縁リングの材質：酸化アルミニウム
絶縁リングの内径：304mm
絶縁リングの外径：360mm
絶縁リングの厚さ：1mm〜20mm
サセプタの窪みの深さ：db=1mm
図９は、上記実験条件にて半導体基板上に絶縁膜を形成した際における半導体基板エッジからの距離と半導体基板エッジから20mmの膜厚で規格化した膜厚との関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、絶縁リングの厚さが1mm〜20mmの範囲で半導体基板エッジ付近の膜厚を±２％以内に抑えられることがわかる。これによって半導体基板全体で膜厚分布を±３％以内に均一化することができる。
【００２５】
（実験７）
図３に示したサセプタ30を用いた本発明に係るプラズマCVD装置を使って、φ300mmのシリコン基板上に絶縁膜を形成する実験を行った。
実験条件：
主原料ガス：DM-DMOS  200sccm
添加ガス：He  400sccm
第１高周波電源：27.12MHz  2.5W/cm2
第２高周波電源：400kHz    0.1W/cm2
成膜圧力：500Pa
絶縁リングの材質：酸化アルミニウム
絶縁リングの内径：301mm〜315mm
絶縁リングの外径：390mm
絶縁リングの厚さ：10mm
サセプタの窪みの深さ：db=1mm
図１０は、上記実験条件にて半導体基板上に絶縁膜を形成した際における絶縁リング内径と半導体基板エッジから20mmの膜厚で規格化したエッジから3mmの膜厚との関係を示したグラフである。グラフから上記実験条件においては、絶縁リング内径が301mm〜315mmの範囲（すなわち、半導体基板直径に対して100.3％〜105％の範囲）で半導体基板エッジ付近の膜厚を±２％以内に抑えられることがわかる。これによって半導体基板全体で膜厚分布を±３％以内に均一化することができる。
【００２６】
【効果】
本発明に係るプラズマCVD装置により、膜厚及び膜質の均一性が改善された絶縁膜を形成することができた。
【００２７】
また、本発明に係るプラズマCVD装置により、プロセス安定性を向上させ、コストを安く抑えることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来のプラズマCVD装置を略示したものである。
【図２】図２は、本発明に係るプラズマCVD装置の好適実施例を略示したものである。
【図３】図３は、本発明に係るプラズマCVD装置に用いられるサセプタの変形例を示したものである。
【図４】図４は、酸化アルミニウム製の絶縁リングを使用した図２のプラズマCVD装置で成膜された絶縁膜の基板端部における膜厚の絶縁リング厚さ依存性を示すグラフである。
【図５】図５は、窒化アルミニウム製の絶縁リングを使用した図２のプラズマCVD装置で成膜された絶縁膜の基板端部における膜厚の絶縁リング厚さ依存性を示すグラフである。
【図６】図６は、酸化マグネシウム製の絶縁リングを使用した図２のプラズマCVD装置で成膜された絶縁膜の基板端部における膜厚の絶縁リング厚さ依存性を示すグラフである。
【図７】図７は、図２のプラズマCVD装置で成膜された絶縁膜の基板端部における膜厚の絶縁リング内径依存性を示すグラフである。
【図８】図８は、図２のプラズマCVD装置で成膜された絶縁膜の膜厚分布の絶縁リング厚さ依存性を示すグラフである。
【図９】図９は、図３のサセプタを用いたプラズマCVD装置で成膜された絶縁膜の基板端部における膜厚の絶縁リング厚さ依存性を示すグラフである。
【図１０】図１０は、図３のサセプタを用いたプラズマCVD装置で成膜された絶縁膜の基板端部における膜厚の絶縁リング内径依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
2      ヒータ
4      半導体ウエハ
5      材料ガス導入口
6      反応チャンバ
7      第１高周波電源
8      第２高周波電源
9      シャワーヘッド
10      排気口
11接地
20プラズマCVD装置
21サセプタ
22絶縁リング
【図１】
0004485737.tif 000003
【図２】
0004485737.tif 000004
【図３】
0004485737.tif 000005
【図４】
0004485737.tif 000006
【図５】
0004485737.tif 000007
【図６】
0004485737.tif 000008
【図７】
0004485737.tif 000009
【図８】
0004485737.tif 000010
【図９】
0004485737.tif 000011
【図１０】
0004485737.tif 000012