(57)【要約】【課題】基板面内の膜厚均一性を改善する。【解決手段】電界と磁界とにより処理容器内にマグネトロン放電を起こしてプラズマを生成し、このプラズマを用いて基板をプラズマ処理する基板処理方法であって、基板を処理容器内に搬入する工程と、処理容器内にガスを供給してプラズマにより活性化させ、基板上に膜を形成する工程と、処理後の基板を処理容器から搬出する工程とを備える。膜を形成する工程では、基板上に形成される膜の膜厚均一性に影響を与えないよう処理容器からのガスの排気を少なくする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界と磁界とにより処理容器内にマグネトロン放電を起こしてプラズマを生成し、このプラズマを用いて基板をプラズマ処理する基板処理方法であって、
基板を前記処理容器内に搬入する工程と、
前記処理容器内にガスを供給して前記プラズマにより活性化させ、前記基板上に膜を形成する工程と、
処理後の基板を前記処理容器から搬出する工程と
を備え、
前記膜形成工程では、前記基板上に形成される膜の膜厚均一性に影響を与えないよう前記処理容器からのガスの排気を少なくする
ことを特徴とする基板処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマを用いて基板を処理する基板処理方法に係り、特に膜形成工程での排気を改善したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマを用いて基板を処理する基板処理装置として、電界と磁界と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源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）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装置と称する）が知られている。
このＭＭＴ装置は、気密性を確保した処理容器内に基板を設置し、シャワーヘッドを介して反応ガスを処理容器内に導入し、処理容器内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形成し、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。
ここで、処理容器内の圧力を一定に保つための圧力制御は、自動圧力制御バルブ（ＡＰＣバルブ）で排気量を調整して行うことが主流である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３５９２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、ＭＭＴ装置において、処理容器内の圧力制御を排気量の調整で行う場合、基板上に形成される膜の膜厚の面内均一性が、排気によるガスの流れの影響を受けて悪化するという問題があった。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、基板面内の膜厚均一性を向上することが可能な基板処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の発明は、電界と磁界とにより処理容器内にマグネトロン放電を起こしてプラズマを生成し、このプラズマを用いて基板をプラズマ処理する基板処理方法であって、基板を前記処理容器内に搬入する工程と、前記処理容器内にガスを供給して前記プラズマにより活性化させ、前記基板上に膜を形成する工程と、処理後の基板を前記処理容器から搬出する工程とを備え、前記膜を形成する工程では、前記基板上に形成される膜の膜厚均一性に影響を与えないよう前記処理容器からのガスの排気を少なくしたことを特徴とする基板処理方法である。
プラズマを用いた基板処理方法において、処理容器からのガスの排気を少なくすると、処理容器内でのガスの流れが緩やかになり、ガスの密度が均一になるので、基板面内の膜厚均一性が向上する。
【０００５】
第２の発明は、第１の発明において、前記膜形成工程では、前記処理容器内にガスを供給しつつ、前記基板上に成膜される膜の膜厚均一性に影響を与えないよう前記処理容器からのガスの排気を少なくすることを特徴とする基板処理方法である。
このような排気を少なくするプロセスを行う場合に、特にマグネトロン放電によりガスが消費されるので、処理容器内の圧力が変化したり、それにより基板上に成膜される膜質に影響を及ぼすというような問題が生じやすいが、本発明によれば、ガスを供給することにより、消費ガスと供給ガスとのバランスがとれるので、処理容器内の圧力を安定させることができ、上記のような問題を解決できる。
【０００６】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記処理容器からのガスの排気を自動圧力制御バルブにより制御することを特徴とする基板処理方法である。
このような排気を少なくするプロセスを行う場合に、特に処理容器内の圧力が不安定になるという問題が生じやすいが、本発明によれば、ガスの排気をＡＰＣバルブにより制御するので、処理容器内の圧力安定性が確保でき、上記のような問題を解決できる。
【０００７】
第４の発明は、第３の発明において、前記自動圧力制御バルブの開度を０％とし、前記処理容器内の圧力が一定となるよう前記処理容器内にガスを供給することを特徴とする基板処理装置である。
ＡＰＣバルブはその開度を０％にすると、完全には密閉されないが、ガスの排気を最小限に抑えることができる。したがって、ＡＰＣバルブの開度を０％とし、処理容器内の圧力が一定となるように処理容器内にガスを供給すると、処理容器からのガスの排気がより少なくなって、処理容器内でのガスの流れがより緩やかになり、ガスの密度がより均一になるので、基板面内の膜厚均一性がより向上する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガスの密度が均一になるので、基板面内の膜厚均一性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図２に、本発明の実施の形態に係るインライン型半導体製造装置の構成例を示す。インライン型半導体製造装置は、真空側と大気側とに分れる。
真空側には、インライン接続された２個のプロセスモジュール１０７と、２個の真空搬送室１０５とが設けられる。各真空搬送室１０５には、それぞれ１台の真空ロボット１０６が設けられ、プロセスモジュール１０７と真空搬送室１０５間でウェハ２００の搬送を独立して行なうことが可能になっている。
大気側には、基板処理モジュールを構成する真空搬送室１０５に接続された大気ローダ１０２と、この大気ローダ１０２に接続された２台のロードポート１０１とが設けられる。大気ローダ１０２には１台の大気ロボット１０４が設けられ、真空搬送室１０５とロードポート１０１との間でウェハ２００の搬送を行うことが可能になっている。なお、大気ローダ１０２内には、ウェハ２００の位置合わせを行うアライナ１０９が設けられている。また、大気ローダ１０２外に装置を制御するコントローラが収納されたコントロールボックス１０３が設けられている。
【００１１】
各真空搬送室１０５では搬送が独立に行なわれる。真空ロボット１０６により、ウェハ２００を真空搬送室１０５内のウェハ保持部１０８から受け取り、プロセスモジュール１０７に搬入して、ウェハ２００の成膜処理を行う。ウェハ２００の処理が完了すると、真空ロボット１０５により処理済みウェハ２００を受け取り、ウェハ保持部１０８に保持して、ウェハ２００を冷却する。真空搬送室１０５を大気圧に復帰させ、大気ロボット１０４により真空搬送室１０５から冷却済みウェハ２００を取り出し、大気ローダ１０２を介してロードポート１０１に払い出す。
払出し後、ロードポート１０１から、未処理のウェハ２００を大気ロボット１０４により真空搬送室１０５に搬入して、上述した処理を繰り返す。
【００１２】
上述した成膜処理を行うプロセスモジュール１０７は、ＭＭＴ装置から構成される。
図３に、このようなＭＭＴ装置の概略構成図を示す。ＭＭＴ装置は、処理容器２０３を有し、この処理容器２０３は、第１の容器であるドーム型の上側容器２１０と第２の容器である碗型の下側容器２１１により形成され、上側容器２１０は下側容器２１１の上に被せられている。上側容器２１０は酸化アルミニウム又は石英等の非金属材料で形成されており、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具（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等の非金属材料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。
【００１３】
シャワーヘッド２３６は、処理室２０１の上部に設けられ、キャップ状の蓋体２３３と、ガス導入口２３４と、バッファ室２３７と、開口２３８と、遮蔽プレート２４０と、ガス吹出口２３９とを備えている。バッファ室２３７は、ガス導入口２３４より導入されたガスを分散するための分散空間として設けられる。
【００１４】
ガス導入口２３４には、ガスを供給するガス供給管２３２が接続されており、ガス供給管２３２は、開閉弁であるバルブ２４３ａ、流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１を介して図中省略の反応ガス２３０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排気口２３５が設けられている。排気口２３５にはガスを排気するガス排気管２３１が接続されており、ガス排気管２３１は、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。
【００１５】
供給される反応ガス２３０を励起させる放電機構（放電手段）として、筒状、例えば円筒状に形成された第１の電極である筒状電極２１５が設けられる。筒状電極２１５は処理容器２０３（上側容器２１０）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を印加する高周波電源２７３が接続されている。
【００１６】
また、筒状、例えば円筒状に形成された磁界形成機構（磁界形成手段）である筒状磁石２１６は筒状の永久磁石となっている。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設定されている。従って、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極２１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。
【００１７】
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具（基板保持手段）としてサセプタ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やセラミックス、又は石英等の非金属材料で形成され、内部に加熱機構（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おり、ウェハ２００を加熱できるようになっている。ヒータは電力が印加されてウェハ２００を７００℃程度にまで加熱できるようになっている。
【００１８】
また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを変化させるための電極である第２の電極も装備されており、この第２の電極が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。
【００１９】
ウェハ２００を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処理するための処理炉２０２は、少なくとも処理室２０１、処理容器２０３、サセプタ２１７、筒状電極２１５、筒状磁石２１６、シャワーヘッド２３６、及び排気口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。
【００２０】
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。
【００２１】
サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁され、サセプタ２１７を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２６８が設けられている。またサセプタ２１７には貫通孔２１７ａが設けられ、下側容器２１１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。そして、サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７が下降させられた時にはウェハ突上げピン２６６がサセプタ２１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔２１７ａ及びウェハ突上げピン２６６が配置される。
【００２２】
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、開いている時には図中省略の搬送機構（搬送手段）により処理室２０１に対してウェハ２００を搬入、または搬出することができ、閉まっている時には処理室２０１を気密に閉じることができる。
【００２３】
また、制御部（制御手段）としてのコントローラ１２１は信号線Ａを通じてＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、真空ポンプ２４６を、信号線Ｂを通じてサセプタ昇降機構２６８を、信号線Ｃを通じてゲートバルブ２４４を、信号線Ｄを通じて整合器２７２、高周波電源２７３を、信号線Ｅを通じてマスフローコントローラ２４１、バルブ２４３ａを、さらに図示しない信号線を通じてサセプタに埋め込まれたヒータやインピーダンス可変機構２７４をそれぞれ制御するよう構成されている。
【００２４】
次に上記のような構成のＭＭＴ装置を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウェハ２００表面に対し、又はウェハ２００上に形成された下地膜の表面に対し所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作は制御部１２１により制御される。
【００２５】
ウェハ２００は処理炉２０２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機構によって処理室２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される（搬入工程）。
【００２６】
この搬送動作の詳細は次の通りである。サセプタ２１７が基板搬送位置まで下降し、ウェハ突上げピン２６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通過する。このときサセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突き上げピン２６６が突き出された状態となる。次に、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４が開かれ、図中省略の搬送機構によってウェハ２００をウェハ突上げピン２６６の先端に載置する。搬送機構が処理室２０１外へ退避すると、ゲートバルブ２４４が閉じられる。サセプタ２１７がサセプタ昇降機構２６８により上昇すると、サセプタ２１７上面にウェハ２００を載置することができ、更にウェハ２００を処理する位置まで上昇する。
【００２７】
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℃の範囲の内、所定のウェハ処理温度に加熱する。真空ポンプ２４６、及びＡＰＣ２４２を用いて処理室２０１の圧力を０．１〜２５０Ｐａの範囲の内、所定の圧力に維持する。
【００２８】
例えばＳｉウェハ上のＳｉＯ2膜上に、窒化化合物の薄膜を形成する場合には、ウェハ２００の温度が処理温度に達し、安定化したら、ガス導入口２３４から遮蔽プレート２４０のガス噴出孔２３９を介して、反応ガスであるＮ2ガスまたはＮＨ3ガスを処理室２０１に配置されているウェハ２００の上面（処理面）に向けて導入する。このときのガス流量は１２０〜１０００ｓｃｃｍの範囲の内、所定の流量とする。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、１００〜５００Ｗの範囲の内、所定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となるように制御しておく。
【００２９】
筒状磁石２１６、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の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域２２４に高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ２１７上のウェハ２００の表面に窒化化合物の薄膜が形成される（膜形成工程）。
【００３０】
プラズマ処理が終わったウェハ２００は、図示略の搬送機構を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室２０１外へ搬出される（搬出工程）。
【００３１】
ところで、上記の膜形成工程では、ウェハ上に形成される膜の膜厚が排気によるガスの流れの影響を受けて、膜厚面内均一性が悪化する要因となる場合がある。本発明者は、排気によるガスの流れが急であると、排気口２３５側において膜厚上昇が観察されることから、ガスの流れを極力均一にすることが、基板面内の膜厚均一性が向上することを見い出した。本実施の形態では、膜厚均一性が向上をつぎのような基板処理方法により実現している。
【００３２】
上記の成膜工程では、処理容器２０３内に成膜ガスを供給してプラズマによりガスを活性化させ、ウェハ２００上に膜を形成する。この膜を形成する工程では、ウェハ２００上に形成される膜の膜厚均一性に影響を与えない程度に、処理容器２０３からのガスの排気を少なくする。
このように処理容器２０３からのガスの排気を少なくすると、処理容器２０３内でのガスの流れが緩やかになり、ガスの密度が均一になるので、ウェハ面内の膜厚均一性が向上する。
【００３３】
さらに、本実施の形態では、ガスを供給しつつ、ウェハ上に成膜される膜の膜厚均一性に影響を与えないよう処理容器２０３からのガスの排気を少なくしている。
上記のようにガスの排気を少なくするプロセスを行う場合に、マグネトロン放電によりガスが消費されるので、処理容器内の圧力が変化したり、それにより基板上に成膜される膜質に影響を及ぼすというような問題が生じやすい。そこで、実施の形態では、さらにガスの供給を止めないで供給を継続することにより、放電によりロスするガスと、これを補う供給ガスとのバランスをとるようにしている。これにより、圧力はＡＰＣ制御時と同等の安定性を確保している。そのため、膜質・膜厚には影響はない。
【００３４】
処理容器２０３からのガスの排気は少なくするほど好ましく、そのためにはＡＰＣバルブ２４２の開度をより狭くするとよい。ガスの排気を最小限にするには、ＡＰＣバルブ２４２の開度を０％にする。ＡＰＣバルブ２４２はその開度を０％にしても完全密閉されないが、ガスの排気を最も少なくすることができる。ＡＰＣバルブ２４２の開度が３％以上になると、面内均一性が１％以上となり、面内均一性の要請に応えることができない。開度を０％とすると、面内均一性を１％未満とすることが可能となり、面内均一性の要請に応えることができる。したがって、ＡＰＣバルブ２４２の開度は０％〜３％の範囲内とすることが好ましい。
【００３５】
特に、フラッシュメモリのゲート絶縁膜である酸化膜にプラズマ酸化処理が適用されつつあるが、従来のウェハ面内の膜厚均一性はベストが２％程度であり、要請される１％未満を満足できていないのが現状である。この点で、本実施の形態のＭＭＴ装置によれば、この要請に応えることができる。また、プラズマ酸化処理の他に、高温プラズマ窒化処理にも適用が可能である。
【００３６】
以上述べたように実施の形態では、ＭＭＴプラズマ処理装置において、プラズマ処理時に、膜厚均一性に影響の無い程度にガスの排気を極力抑えてガスの流れを緩やかにし、ガスの密度をできるだけ均一にすることで、面内膜厚の均一性を上げている。これにより供給されるガスの流れを均一にすることができ、その結果、基板面内の膜厚均一性の良好な処理を行うことができる。
【００３７】
［実施例］
次に図３に示したＭＭＴ装置を用いて窒化処理と酸化処理とに適用した実施例と比較例とについて説明する。通常、ＭＭＴ装置は低温窒化処理や高温窒化処理に好適なものとして用いられるが、ここでは、厚膜形成を前提として高温窒化処理と高温酸化処理とを行っている。
【実施例１】
【００３８】
ウェハ上に窒化膜を形成した（高温窒化処理）。その処理条件は、ウェハ温度７００℃、筒状電極２１５に供給する電力３００Ｗ、処理時間３００秒、処理容器２０３内の圧力２００Ｐａとした。また、処理容器２０３内に供給するＮ2ガスの流量は４５０ｓｃｃｍとした。このときＡＰＣバルブ２４２の開度は０％とした。その結果、ウェハ上に形成された窒化膜の膜厚は５ｎｍで、ウェハ面内均一性は０．６％であった。
【比較例１】
【００３９】
Ｎ2ガスの流量を５００ｓｃｃｍとし、ＡＰＣバルブ２４２の開度を３％とした以外は、実施例１と同じ条件で、ウェハ上に窒化膜を形成した。その結果、ウェハ上に形成された窒化膜の膜厚は５ｎｍで、ウェハ面内均一性は１．０％であった。
【実施例２】
【００４０】
図３に示したＭＭＴ装置を用いてウェハ上に酸化膜を形成した（高温酸化処理）。その処理条件は、ウェハ温度は７００℃、筒状電極に供給するパワーは３５０Ｗ、処理時間は２４０秒、処理容器２０３内の圧力は２００Ｐａとした。また、処理容器２０３内に供給するＯ2ガスの流量は４５０ｓｃｃｍとした。そのときのＡＰＣバルブ２４２の開度は０％とした。その結果、ウェハ上に形成された酸化膜の膜厚は４ｎｍで、ウェハ面内均一性は７．０％であった。
【比較例２】
【００４１】
Ｏ2ガスの流量を５００ｓｃｃｍとし、ＡＰＣバルブ２４２の開度を３％とした以外は、実施例２と同じ条件で、ウェハ上に酸化膜を形成した。その結果、ウェハ上に形成された酸化膜の膜厚は４ｎｍで、ウェハ面内均一性は８．０％であった。
【００４２】
なお、上記実施例２では、ウェハ面内均一性が７．０％と悪いが、これは比較例２に示したように、もともと均一性の悪いデータを採り上げて、比較例２との有意差を強調し、発明の効果を分りやすくするため行ったものである。
【００４３】
図１に、上述したイベントのうち、特に、圧力調整から放電安定に至るイベントにおける比較例をＢとし、実施例をＡとしたＡＰＣ開度の説明図を示す。ここで、ガス流量は圧力調整時と放電安定時とで同じである。また、実施例Ａでは放電安定時にＡＰＣ＝０％となるように排気流量を調整しているので、放電安定時にＡＰＣ＝３％となるように排気流量を調整する比較例Ｂよりも、圧力調整の時点で、すでに排気流量は少なくなる。よって圧力調整時の実施例ＡのＡＰＣ開度は、図示するように、比較例Ｂよりも小さくなる。
【実施例３】
【００４４】
Ｏ2ガスの流量を２００または１５０ｓｃｃｍとし、処理時間６００秒、圧力５０Ｐａとした以外は、実施例２と同じ条件で、ウェハ上に酸化膜を形成した（高温酸化処理）。その結果、ウェハ上に形成された酸化膜の膜厚は７ｎｍで、ウェハ面内均一性は０．９％であった。
【比較例３】
【００４５】
ＡＰＣバルブ２４２の開度を３％とした以外は、実施例３と同じ条件で、ウェハ上に酸化膜を形成した。その結果、ウェハ上に形成された酸化膜の膜厚は７ｎｍで、ウェハ面内均一性は１．０％であった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】圧力調整から放電安定に至るイベントにおける比較例と実施例とのＡＰＣ開度の説明図である。
【図２】実施の形態における基板処理装置としてのインライン型半導体製造装置の構成例を示す。
【図３】実施の形態におけるＭＭＴ装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
２００  ウェハ（基板）
２０３  処理容器
２３５  排気管（排気口）
２３４  ガス導入口
２４２  ＡＰＣ
【図１】
2007208169.tif 000003
【図２】
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【図３】
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