(57)【要約】      （修正有）【課題】構成が簡単でありながら、基板上に形成される薄膜の堆積速度を低下させることができ、より薄い薄膜を形成可能な半導体製造装置を提供する。【解決手段】半導体製造装置は、処理室２０１と、処理室２０１内でウェハ２００を支持するサセプタ２１７と、処理室２０１の周囲に取り付けられプラズマ２２４を生成する筒状電極２１５及び筒状磁界形成手段２１６とを備える。処理室２０１内の筒状電極２１５の取付位置よりも下方に、サセプタ２１７に支持されるウェハ２００を覆うグリッド１００を設ける。このグリッド１００は、バイアス電圧をかけずに負に帯電する絶縁物で構成する。【選択図】図１
2007048912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室と、
前記処理室内で基板を支持する基板支持体と、
前記処理室の周囲に取り付けられプラズマを生成する筒状電極及び磁力線形成手段とを備え、
前記処理室内の前記筒状電極の取付位置よりも下方に、前記基板支持体に支持される前記基板を覆うグリッドを設け、
前記グリッドを絶縁物で構成したことを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の堆積速度を制御する半導体製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source:以下、ＭＭＴという）を用いてウェハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉（以下、ＭＭＴ装置という）が知られており、プラズマ生成とは独立に基板に入射するイオンのエネルギーを制御することができるようになっている（例えば、特許文献１参照）。このＭＭＴ装置は、基板を載置するサセプタを可変インピーダンスを介して接地するように構成する。基板表面を、例えば窒化処理又は酸化処理する際、可変インピーダンス値を調整してサセプタ電位、すなわち基板の電位を調整する。調整電位に応じて、基板に入射されるイオンのエネルギーが制御されるため、薄膜の膜厚や膜厚面内均一性を広範囲に制御することが可能となる。
【０００３】
このような薄膜の膜厚や膜厚面内均一性を広範囲に制御することが可能なＭＭＴ装置において、さらに薄膜の堆積速度を制御するために、グリッドを用いてプラズマの電子温度を制御するグリッド制御法と呼ばれる装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。このグリッド制御法とは、グリッドによって処理室内をプラズマ生成領域とプラズマ拡散領域とに分割することにより、プラズマ生成領域からプラズマ拡散領域に電子温度の制御されたプラズマを拡散する方法である。グリッドは金属メッシュ等の導電部材で構成され、プラズマの電子温度を制御するためにバリアブルなバイアス電源を用いてバイアス電圧が付与される。またグリッドは基板の近傍、又は放電用の筒状電極の近傍に設けられる。
このように、薄膜の膜厚や膜厚面内均一性の制御に加えて、薄膜の堆積速度を制御することが可能なＭＭＴ装置は、特に高誘電率（Ｈｉｇｈ−ｋ）ゲート絶縁膜の成膜装置に適している。
【特許文献１】特開２００４−４７９５０号公報
【特許文献２】特開平１１−２８８７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、高誘電率（Ｈｉｇｈ−ｋ）ゲート絶縁膜を形成するに際して、そのＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜の形成前後で、酸化・窒化処理を行う。その酸化・窒化処理において形成される酸化膜や酸窒化膜等の膜の膜厚が厚くなってゲート容量が小さくならないようにするために、基板表面に到達するイオンやラジカルの量を確実に制限することが要請される。また、簡単な手法で、基板上に形成される薄膜の堆積速度を低下させることが可能で、酸化膜や酸窒化膜等の膜の膜厚をできるだけ薄く形成できることが要請される。
しかしながら、上述した特許文献２に記載の従来技術では、次のような理由から、上記要請に十分応えることができなかった。
【０００５】
（１）基板の近傍にグリッドを設けた場合には、基板表面に到達するイオンやラジカルの量を確実に制限できるものの、筒状電極の近傍にグリッドを設けた場合は、グリッドが基板表面から遠く離れるので、基板表面に到達するイオンやラジカルの量を確実に制限できず、基板の面内均一性が確保できなくなるおそれがある。したがって、筒状電極の近傍にグリッドを設けるものは、基板上に形成される薄膜の堆積速度を制御する手段として、なお改善の余地がある。
【０００６】
（２）グリッドの設置場所にかかわらず、基板上に形成される薄膜の堆積速度を低下させるにはプラズマの電子温度を低く制御する必要がある。そのためには、金属メッシュ等の導電部材で構成されているグリッドに負のバイアスをかけてグリッドを強制的に負電位に設定すればよい。しかし、この手法は、グリッドを用いてプラズマの電子温度を低く制御するという点に限っていえば、バリアブルなバイアス電源という過剰な設備を有する装置をそのまま利用するため、簡単な手法とは言えない。
【０００７】
（３）グリッドの設置場所に応じて差が出るものの、グリッドは金属などの導電体で構成されているため、プラズマにさらされて変形するおそれがある。プラズマにさらされるグリッドを保護するために、プラズマ耐性のある誘電体などでグリッドの表面を被覆する必要があり、構造が複雑になる。
【０００８】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、構成が簡単でありながら、基板上に形成される薄膜の堆積速度を容易に制御することができ、かつ膜厚の面内均一性を確保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】
【０００９】
第１の発明は、処理室と、前記処理室内で基板を支持する基板支持体と、前記処理室の周囲に取り付けられプラズマを生成する筒状電極及び磁力線形成手段とを備え、前記処理室内の前記筒状電極の取付位置よりも下方に、前記基板支持体に支持される前記基板を覆うグリッドを設け、前記グリッドを絶縁物で構成したことを特徴とする半導体製造装置である。
【００１０】
基板をグリッドで覆うようにしたので、筒状電極をグリッドで覆うものと比べて、グリッド位置が基板に近くなるから、基板表面に到達するイオンやラジカルの量を確実に制限することができ、基板の膜厚の面内均一性を確保できる。また、絶縁物で構成したグリッドは、グリッドにバイアス電圧を供給することなく、負に帯電してシース電位を形成する。このグリッド側に形成されるシース電位により、基板近傍のプラズマの電子温度が一定の低い温度に制御され、基板上に成膜される薄膜の堆積速度を低下させることができる。また、絶縁物で構成されるグリッドは、バイアスを加えることなく負に帯電するので、金属製のグリッドと異なり、バイアス電源は不要である。しかも、グリッドをプラズマ耐性の絶縁物で構成することができるので、金属製のグリッドのようにプラズマ耐性のある誘電体などでグリッドの表面を覆う必要がなく、構成を簡素化できる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、グリッドの厚さ、孔径、孔形状、ピッチ等のグリッドパラメータを変更することによって、プラズマの電子温度を制御するようにしたことを特徴とする半導体製造装置である。
グリッドを絶縁物で構成すると、バイアスをかけることなく、グリッドは負の帯電するが、その帯電量が一定となるため、プラズマの電子温度も一定の制御となる。このため、導電性のグリッドのように、バイアス電圧を変化させることにより、プラズマの電子温度を任意に制御するというようなことは困難である。しかし、絶縁体で構成されたグリッドでも、グリッドの材質、厚み、孔径、孔形状、ピッチ等のグリッドパラメータを変更することによって、負の帯電量を変えられるので、プラズマの電子温度を制御することが可能であり、基板上に成膜される薄膜の堆積速度を一層低下させることができる。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明において、前記グリッドを絶縁性の架台を用いて前記処理室内に支持したことを特徴とする半導体製造装置である。
グリッドを絶縁性の架台で支持したので、絶縁物で構成されたグリッドの特性を損なわず、絶縁性のグリッドの機能を十分に発揮できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、構成が簡単でありながら、基板上に形成される薄膜の堆積速度を容易にかつ面内均一に低下させることができ、より薄い薄膜を確実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】
【００１４】
以下に本発明の実施の形態を説明する。本発明のＭＭＴ装置は、気密性を確保した処理室に基板を設置し、シャワープレートを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。放電用電極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。このように反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化等の拡散処理、または基板表面に薄膜を形成する、または基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。
これに加えて、プラズマ生成とは独立に基板に入射するイオンのエネルギーを制御することができるようになっている。また、グリッドを用いてプラズマの電子温度を制御するようになっている。
【００１５】
図１に、このようなＭＭＴ装置の概略構成図を示す。ＭＭＴ装置は、第２の容器である下側容器２１１と、この下側容器２１１の上に被せられる第１の容器である上側容器２１０とから処理室２０１が形成されている。上側容器２１０はドーム型の酸化アルミニウム又は石英で形成されており、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一体型の基板保持手段であるサセプタ２１７を窒化アルミニウムや、セラミックス又は石英で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減している。
【００１６】
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、シャワーヘッド上壁にはガス導入口２３４が設けられ、下壁はガスを噴出するガス噴出孔２３４ａを有するシャワープレート２４０からなっている。前記ガス導入口２３４は、図示しない反応ガスのガスボンベに繋がっている。シャワーヘッド２３６から反応ガス２３０が処理室２０１に供給され、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は図示しない圧力調整器を介して排気装置である真空ポンプに接続されている。
【００１７】
供給される反応ガスを励起させる放電手段として断面が筒状であり、好適には円筒状の第１の電極である筒状電極２１５が取り付けられる。筒状電極２１５は処理室２０１の外周、正確には上側容器２１０の外周に取り付けられて処理室２０１内のプラズマ２２４が生成されるプラズマ生成領域Ｒ１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を印加する高周波電源２７３が接続されている。
【００１８】
また、筒状磁界形成手段２１６は、筒状電極２１５の外表面に配置される。これにより、筒状電極２１５の内周面に沿って筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。
【００１９】
処理室２０１の底側中央には、基板であるウェハ２００を保持するための基板保持手段であるサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７はウェハ２００を加熱できるようになっている。サセプタ２１７は、例えば窒化アルミニウムで構成され、内部に加熱手段としてのヒータ（図中省略）が一体的に埋め込まれている。ヒータは電力が印加されてウェハ２００を５００℃〜７００℃程度にまで加熱できるようになっている。
【００２０】
また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを可変するための第２の電極も装備されており、この第２の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、上記電極及びサセプタ２１７を介してウェハ２００の電位を制御できるようになっている。このように、コイルのパターン数やコンデンサの容量を変化させて、サセプタ２１７の電位、サセプタ２１７のインピーダンスまたはサセプタ２１７とプラズマ生成領域Ｒ１との間の電位差を調整することは、ＭＭＴ装置によって、酸化膜を薄膜から厚膜まで幅広く膜厚を調整するのに顕著な効果がある。
【００２１】
ウェハ２００をＭＭＴでのマグネトロン放電により処理するための処理炉は、少なくとも前記処理室２０１、サセプタ２１７、筒状電極２１５、筒状磁界形成手段２１６、シャワーヘッド２３６、及びガス排気口２３５から構成されており、処理室２０１でウェハ２００をプラズマ処理することが可能となっている。
【００２２】
サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁されており、また下側容器２１１にはサセプタ２１７を昇降させる昇降手段であるサセプタ昇降機構２６８が設けられている。また、制御手段であるコントローラ１２１は高周波電源２７３、整合器２７２、真空ポンプ、サセプタ昇降機構２６８、サセプタ２１７に埋め込まれたヒータに電力を印加するヒータ電源と接続され、それぞれを制御している。
【００２３】
上記のような構成において、シリコン等のウェハ２００表面を、又はウェハ２００上に形成された下地膜の表面を所定のプラズマ処理、例えば酸化処理又は窒化処理を施す方法について説明する。
【００２４】
ウェハ２００は処理炉を構成する処理室２０１の外部からウェハを搬送する図中省略の搬送手段によって処理室２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される。サセプタ２１７がサセプタ昇降機構２６８により上昇すると、ウェハ２００を処理する位置まで上昇する。
【００２５】
サセプタ２１７に埋め込まれたヒータは予め加熱されており、搬入されたウェハ２００を室温〜７００℃の範囲内の表面処理に最適な所定の温度に加熱する。図示略の真空ポンプ、及び圧力調整器を用いて処理室２０１を真空に保持して、圧力は０．１〜１００Ｐａの範囲内に維持する。
【００２６】
ウェハ２００を所定の温度に加熱したら、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、酸素（Ｏ2）ガス又は窒素（Ｎ2）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導入する。このときのガス流量は１０〜５０００ｓｃｃｍの範囲である。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、１５０〜２０００Ｗの範囲内の出力値を投入する。このとき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制御しておく。
【００２７】
筒状磁界形成手段２１６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウェハ２００の上方空間で電荷をトラップしてプラズマ生成領域Ｒ１に高密度のプラズマ２２４が生成される。そして、生成された高密度のプラズマ２２４により、サセプタ２１７上のウェハ２００の表面にプラズマ処理が施される。表面処理が終わったウェハ２００は、図示略の搬送手段を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室２０１外へ搬送される。
【００２８】
なお、上述した高周波電源２７３の電力制御、整合器２７２の調整、圧力調整器の弁開度、真空ポンプの起動・停止、サセプタ昇降機構２６８の昇降動作、サセプタに埋め込まれたヒータに電力を印加する電源への電力制御は、レシピに基づいてコントローラ１２１によりそれぞれ制御されている。
【００２９】
ところで、本実施の形態でも、薄膜の堆積速度を制御するために、グリッドを用いたグリッド制御法を用いている。
その理由は次の通りである。市場で要求されるＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜の形成前後での酸化・窒化処理においては、酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）をなるべく小さくするために、ＳｉＯ2膜、ＳｉＯＮ膜などの膜厚はできるだけ薄くする必要がある。例えばＥＯＴ１ｎｍを実現するには、ｋ＝２３で厚さが２ｎｍのＨｆＯ2膜の上下に形成するｋ＝６のＳｉＯＮ膜の厚さはそれぞれ０．５ｎｍ（５Å）以下でなければならないが、ＭＭＴ装置で純粋なＮ2あるいはＯ2ガスを用いた窒化・酸化プロセスでは、高周波による放電が安定する最低限の高周波出力でも数秒間で膜厚が１０Åを越えてしまう。また、放電によって生成するラジカルやイオン種はさまざまなエネルギーを持っており、高エネルギーのラジカルおよびイオン種によって基板上に生成された薄膜にダメージが生じ、膜質が低下する。そこで、筒状電極と基板との間に導電性のグリッド（網）を設置し、あるいはそのグリッドに直流電源でバイアス電圧を供給することにより、基板近傍の電子温度を制御して、基板に到達するラジカルおよびイオン種のエネルギーを制御して成膜速度を可変とし、また膜質の低下を防いでいる。
【００３０】
上述したグリッド制御法を用いた本実施の形態では、図１に示すように、グリッド１００は、処理室２０１内の筒状電極２１５の取付位置よりも下方であって、サセプタ２１７上に支持されるウェハ２００よりも上方に位置して設けられる。グリッド１００は、格子状ないし網状の円板で構成され、ウェハ２００の近傍に、ウェハ２００と平行に設けられてウェハ２００を覆うようになっている。グリッド１００は、処理室２０１内に、正確には上側容器２１０の内壁に取り付けたリング状の架台１１０上に支持される。グリッド１００は絶縁物、例えば石英（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの非導電性で耐プラズマ性の物質で構成される。絶縁性の架台１１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ＳｉＯ2などの絶縁物で構成される。
このようにして、グリッド１００は、筒状電極２１５とウェハ２００との間に設けられ、処理室２０１の内部領域をその中心軸方向にプラズマ生成領域Ｒ１とプラズマ拡散領域Ｒ２とに分割するようになっている。
【００３１】
グリッド１００は、例えば、図２に示すように、ＳｉＯ2製の円板に、電子やイオン、あるいはラジカルなどの粒子の通過孔となる複数の孔１０１を千鳥状に開けて構成する。一例として、孔１０１の径はφ５ｍｍ、各行および各列の孔を６ｍｍピッチずつずらす。行に対する列のずれ角度は６０°である。
【００３２】
グリッド１００はバイアス電圧をかけなくても負に帯電し、グリッド１００の表面にシース電位が形成される。このシース電位により負に帯電した粒子（電子や負イオン）が反発されプラズマ生成領域Ｒ１からプラズマ拡散領域Ｒ２へ拡散する負の荷電粒子を抑制する。したがって、ウェハ表面に到達するイオンの量を抑制できる。また、プラズマ中の解離反応が進みすぎるのを抑えることができるので、ラジカルの量を抑制できる。
【００３３】
図３を用いて、負の荷電粒子として電子を例にとったグリッド１００による制御を説明する。グリッド１００が負に帯電すると、（ａ）に示すように、もともと低エネルギーの電子ｅ-は、グリッド１００に形成された電子シースにより反発を受けるが、グリッド１００により軌道を大きく曲げられて孔１０１を通過することなく、プラズマ生成領域Ｒ１に戻ってしまう。しかし、（ｂ）に示すように、高エネルギーの電子ｅ-は、グリッド１００による軌道の曲げが少なく、プラズマ生成領域Ｒ１からグリッド１００の孔１０１を通過してプラズマ拡散領域Ｒ２に至る。プラズマ拡散領域Ｒ２に至った電子ｅ-は、グリッド１００の孔１０１を通過して、ウェハ２００とグリッド１００間で衝突を繰り返す。衝突を繰り返す結果、電子ｅ-はエネルギーを奪われて低温電子となり、高密度な低温電子がプラズマ拡散領域Ｒ２中に閉じ込められる。なお、負イオンについても電子と同様に制御される。
【００３４】
プラズマ拡散領域Ｒ２中に閉じ込められる電子温度が低温であるため、プラズマ拡散領域Ｒ２中のプラズマ中の解離反応が遅く、ラジカル種も少なくなり、その結果、薄膜の堆積速度が遅くなる。
【００３５】
本実施の形態によれば、筒状電極とウェハとの間に、負に帯電する絶縁性のグリッドを設けたので、バイアスを加えなくてもウェハ近傍の電子温度を制御できる。したがって、プラズマの空間電荷を低下させて、ウェハ表面に到達するイオンやラジカルの量を制限し、薄膜の堆積速度を低下させることができ、ゲート絶縁膜プロセスなどで要求される５Å以下の極薄膜の作成が容易となる。具体的には、絶縁体のグリッドによって処理室内の電界を変化させることで、ＳｉＯ2膜やＳｉＯＮ膜の堆積速度の下限をさらに下げ、市場で要求されるＥＯＴ１ｎｍ以下のＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜の前後処理にも対応可能な成膜を実現できる。
【００３６】
また、本実施の形態では、ウェハ２００の近傍の上部空間をグリッドで一様に覆っているので、ウェハから距離的に離れた筒状電極をその近傍で覆っているものと比べて、ウェハ２００に対するグリッド制御性が良好になる。
【００３７】
また、導電性グリッドではバイアス電圧を変えることで電子温度を可変制御しているが、本実施の形態のようにグリッドを絶縁物で構成すると、グリッド１００は、その構造上、負の帯電量が固定となるため、プラズマの電子温度も一定制御となる。このため、導電性のグリッドのように、バイアス電圧を変化させることにより、プラズマの電子温度を制御するというようなことは困難である。しかし、絶縁体で構成されたグリッド１００でも、グリッド１００の材質、厚み、孔１０１の径、孔１０１の形状、ピッチ等のグリッドパラメータを変更することによって、負の帯電量を変えられるので、プラズマの電子温度を制御することが可能となり、ウェハ２００上に成膜される薄膜の堆積速度を一層低下させることができる。また、グリッドの負の帯電量に応じて、成膜速度をさらに低下させることができるので、膜の緻密性など膜質の制御の可能性も広がる。
【００３８】
また、グリッド１００をバイアス電圧を要しない絶縁体で構成したので、グリッド１００が導電体で構成されているものと比べて、バイアス電源が不要であり、しかもプラズマ耐性のある物質でグリッドを構成したので、金属製グリッドのようにプラズマ耐性のある誘電体などでグリッド表面を覆う必要がなくなり、構成を簡素化でき、導電性グリッドより安価に構成することができる。
【００３９】
また、グリッド１００を絶縁性の架台１１０で支持したので、絶縁物で構成されたグリッド１００の特性を損なわず、絶縁性のグリッド１００の機能を発揮できる。
【００４０】
なお、実施の形態における装置では、グリッド１００がウェハ２００と平行にウェハを覆うように配設されているので、ウェハ２００の寸法が大きくなってグリッド１００の径が大きくなると、金属製のグリッド１００の場合には、プラズマにより加熱されて変形し、基板に対するグリッドの平行度が崩れるおそれがある。しかし、実施の形態のグリッド１００は、耐プラズマ性、耐熱性の絶縁物で構成しているので、金属製の場合のように大きく変形することはない。したがって、ウェハ２００とグリッド１００との平行度は崩れず、ウェハ２００の表面における電子温度分布の均一性、すなわち面内均一性を良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態における半導体製造装置としてのＭＭＴ装置の概略構成図である。
【図２】実施の形態におけるグリッドの要部を示す平面図である。
【図３】実施の形態におけるグリッドによるエネルギー電子の制御を示す説明図であり、（ａ）は低エネルギー電子の場合、（ｂ）は高エネルギー電子の場合である。
【符号の説明】
【００４２】
１００    グリッド
１１０    架台
２０１    処理室
２００    ウェハ（基板）
２１７    サセプタ（基板支持体） 
２１５    筒状電極
２１６    筒状磁界形成手段
【図１】
2007048912.tif 000003
【図２】
2007048912.tif 000004
【図３】
2007048912.tif 000005