(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持するサセプタが処理室に具備された半導体製造装置であって、
前記サセプタが、内部に前記基板と実質的に平行かつ平坦な電極設置空間を形成する壁および前記壁の底面と天井面とを繋ぐ複数の柱部を有する本体と、前記電極設置空間の内部に少なくとも前記壁または少なくとも前記柱部と間隙をとって設置された高周波電極と、を有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記高周波電極から前記高周波電極よりも上側のサセプタ表面に設けられた基板を保持する保持面までの距離が、前記高周波電極から前記高周波電極よりも下側のサセプタ裏面までの距離に比べて小さくなるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記電極設置空間は前記処理室雰囲気から隔絶されて、前記処理室外の雰囲気に連通されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記高周波電極は、前記柱部に挿通される挿通孔が開設された板体によって構成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
処理室内に配置されたサセプタに基板を保持させるステップと、
前記処理室に処理ガスを供給しつつ排気するステップと、
内部に前記基板と実質的に平行かつ平坦な電極設置空間を形成する壁および前記壁の底面と天井面とを繋ぐ複数の柱部を有する本体と、前記電極設置空間の内部に少なくとも前記壁または少なくとも前記柱部を間隙をとって設置された高周波電極とを有するサセプタによって、前記基板へプラズマ処理するステップと、
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関し、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法において、半導体素子を含む集積回路が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に酸化、窒化、拡散、成膜、エッチング等のプラズマ処理を施すのに利用して有効なものに関する。
【背景技術】
【０００２】  ＩＣの製造方法においてウエハにプラズマ処理を施すのに、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源（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  Ｔｙｐｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅ）を用いたプラズマ処理装置（以下、ＭＭＴ装置という。）が、使用されることがある。
ＭＭＴ装置は処理室、サセプタ、筒状電極、筒状磁石、シャワーヘッドおよび排気口を備えており、プラズマ処理に際しては、気密性を確保した処理室のサセプタの上に被処理基板としてのウエハが設置される。反応ガスが処理室にシャワープレートを介して導入され、処理室の圧力が所定の圧力に維持される。高周波電力が筒状電極に供給されて電界が形成されるとともに、磁界が形成されてマグネトロン放電を起こす。この際、筒状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、高密度プラズマが生成される。このようにして、ＭＭＴ装置は反応ガスを励起分解させることにより、ウエハ表面を酸化、窒化、拡散、成膜およびエッチング等のプラズマ処理を施すように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
従来のＭＭＴ装置においては、サセプタは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）によって作製されるのが、一般的である。また、従来のＭＭＴ装置においては、ウエハを加熱するヒータと、バイアス電圧を印加するための高周波電極とがサセプタに内蔵される場合がある。ちなみに、高周波電極はモリブデン（Ｍｏ）等の高融点材料が使用されて格子形状（メッシュ形状）に形成されている。
【特許文献１】特開２００１−１９６３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  サセプタが窒化アルミニウムによって作製されたＭＭＴ装置においては、プラズマ処理中にサセプタからアルミニウムの不純物（異物）が発生するために、ウエハが汚染されるという問題点がある。また、ウエハがサセプタと広い面積で接触するために、ウエハの裏面がサセプタのアルミニウムによって汚染されるという問題点がある。
これらの問題点を解決するために、少なくともサセプタのウエハの保持面を石英によって形成することが、一般的に考えられる。
しかし、ヒータと高周波電極とがサセプタに内蔵されるＭＭＴ装置の場合においては、次のような問題点が懸念される。
１）高周波電極の高融点材料とサセプタの石英との熱膨張率の差による応力により、格子形状の高周波電極が破損される。
２）サセプタのウエハに接触する石英部材とサセプタの本体部材との接着代は高周波電極の外側の幅の狭小部分だけになるために、例えば、石英部材の厚さを１．５ｍｍ程度に設定すると、サセプタ内外の圧力差（処理圧力と大気圧との差）により、石英部材が破損される。なお、バイアス電圧を印加するために、高周波電極のウエハ裏面からの距離は小さいことが望ましい。【０００４】  本発明の目的は、高周波電極およびサセプタの破損を防止しつつ、被処理基板の汚染を防止することができる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】
【０００５】  本発明に係る半導体製造装置は、基板を保持するサセプタが処理室に具備された半導体製造装置であって、
前記サセプタが、内部に前記基板と実質的に平行かつ平坦な電極設置空間を形成する壁および前記壁の底面と天井面とを繋ぐ複数の柱部を有する本体と、前記電極設置空間の内部に少なくとも前記壁または少なくとも前記柱部と間隙をとって設置された高周波電極と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】  本発明によれば、高周波電極と電極設置空間との間に間隙を介在させることにより、高周波電極の材料の熱膨張率がサセプタ本体の材料の熱膨張率よりも大きくても、その熱膨張差を間隙によって吸収することができるので、高周波電極の破損を防止することができる。また、柱部によって電極設置空間の強度を補強することができるので、サセプタ本体の破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施の形態であるＭＭＴ装置を示す正面断面図である。
【図２】サセプタを示す正面断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う一部省略平面図である。
【符号の説明】
【０００８】  １…ウエハ、１０…処理室、１１…上側容器、１２…下側容器、１３…シャワーヘッド、１４…バッファ室、１５…シャワープレート、１６…ガス噴出孔、１７…ガス導入口、１８…ガス供給管、１９…バルブ、２０…マスフローコントローラ、２１…反応ガス、２２…ガス排気口、２３…ガス排気管、２４…圧力調整弁、２５…バルブ、２６…真空ポンプ、２７…ゲートバルブ、３０…プラズマ生成領域、３１…筒状電極、３２…整合器、３３…高周波電源、３４…筒状磁石、３５…遮蔽板、３６…サセプタ昇降軸、３７…突き上げピン、３８…挿通孔、４０…サセプタ、４１…本体、４２…ヒータ設置プレート、４３…ヒータ設置溝、４４…挿通孔、４５…ヒータ、４６…電力フェード線、４７…ヒータ用高周波電源、４８…電極設置プレート、４９…電極設置穴、５０…柱部、５１…高周波電極、５２…挿通孔、５３…高周波フェード線、５４…挿通孔、５５…インピーダンス調整器、５６…保持プレート、５７…保持部、５９…高周波電極保持部、６０…コントローラ。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】  以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。【００１０】  本実施の形態において、本発明に係る半導体製造装置はＭＭＴ装置として、図１に示されているように構成されている。図１に示されているＭＭＴ装置は処理室１０を備えており、処理室１０は上側容器１１が下側容器１２の上に被せられて構成されている。上側容器１１は酸化アルミニウムまたは石英が使用されてドーム形状に形成されている。下側容器１２はアルミニウムが使用されて円形の皿形状に形成されている。上側容器１１の上部にはガス分散空間であるバッファ室１４を形成するシャワーヘッド１３が設けられており、シャワーヘッド１３の下壁はガスを噴出する噴出口であるガス噴出孔１６を有するシャワープレート１５によって形成されている。シャワーヘッド１３の上壁にはガス導入用の導入口であるガス導入口１７が開設されており、ガス導入口１７にはガスを供給する供給管であるガス供給管１８が接続されている。ガス供給管１８は開閉弁であるバルブ１９と、流量制御手段であるマスフローコントローラ２０とを介して反応ガス２１のガスボンベ（図示せず）に接続されている。下側容器１２の側壁には反応ガス２１を排気する排気口２２が開設されており、排気口２２は排気管２３により真空ポンプ２６に接続されている。排気管２３の途中には圧力調整弁２４と開閉弁であるバルブ２５とが介設されている。下側容器１２の側壁の他の位置には仕切弁となるゲートバルブ２７が設けられている。ゲートバルブ２７が開いている時には、ウエハ１が処理室１０にウエハ移載装置（図示せず）によって搬入および搬出される。ゲートバルブ２７が閉じている時には処理室１０は気密に維持される。【００１１】  上側容器１１の外側には、供給される反応ガス２１を励起させる放電手段としての第一の電極３１が設けられている。第一の電極３１は筒形状、好適には円筒形状に形成されており、処理室１０のプラズマ生成領域３０を囲むように、上側容器１１に同心円に配置されている。第一の電極（以下、筒状電極という。）３１には高周波電力を印加する高周波電源３３が、インピーダンスの整合を行う整合器３２を介して接続されている。筒状電極３１の外側には磁界形成手段である永久磁石３４が上下で一対設けられている。永久磁石３４は筒形状、好適には円筒形状に形成されており、上下の永久磁石（以下、筒状磁石という。）３４、３４は筒状電極３１の外側の表面の上下端近傍に同心円に配置されている。上下の筒状磁石３４、３４は処理室１０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３４、３４の磁極の向きが逆向きに設定されている。したがって、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３１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。筒状電極３１および筒状磁石３４の周囲には電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板３５が設置されており、遮蔽板３５は筒状電極３１および筒状磁石３４で形成される電界や磁界を外部環境や他の半導体製造装置等に悪影響を及ぼさないように遮蔽している。【００１２】  下側容器１２の中心部にはエレベータ（図示せず）によって昇降駆動されるサセプタ昇降軸３６が垂直方向���昇降するように支承されており、サセプタ昇降軸３６の処理室１０側の上端にはサセプタ４０が水平に設置されている。サセプタ昇降軸３６は下側容器１２と絶縁されている。下側容器１２の底面上におけるサセプタ昇降軸３６の外方には、三本の突き上げピン３７が垂直に立設されており、サセプタ４０の各突き上げピン３７とそれぞれ対向する三箇所には、挿通孔３８が上下方向に貫通するように介設されている。三本の突き上げピン３７はサセプタ昇降軸３６の下降時にサセプタ４０に開設された三個の挿通孔３８を下から挿通して、サセプタ４０の上に保持されたウエハ１を突き上げるように構成されている。【００１３】  図２に示されているように、サセプタ４０はいずれも石英によって形成された三枚のプレートが三層に積層されて成る本体４１を備えている。本体４１は外径がウエハ１の外径よりも大きい円盤形状に形成されており、本体４１はサセプタ昇降軸３６によって支持されている。本体４１の最下段に位置するプレート（以下、ヒータ設置プレートという。）４２の上面には、略渦巻き形状のヒータ設置溝４３が形成されており、ヒータ設置溝４３が構成する空間には略渦巻き形状のヒータ４５が設置されている。ヒータ設置プレート４２の下面はサセプタ４０の裏面となる。なお、ヒータ設置プレート４２の全厚はｄとする。
ヒータ４５は炭化シリコンによって形成されており、ヒータ４５は高周波電力が印加されてウエハ１を５００℃程度にまで加熱し得るように構成されている。ヒータ４５の始端と終端とには一対の電力フェード線４６、４６が各挿通孔４４、４４を挿通して接続されている。両電力フェード線４６、４６はサセプタ昇降軸３６を挿通されて外部に引き出されており、図１に示されているように、ヒータ用高周波電源４７に接続されている。ヒータ設置プレート４２の上には中段に位置するプレート（以下、電極設置プレートという。）４８が、ヒータ設置溝４３の空間を気密封止するように重ねられており、ヒータ設置プレート４２と電極設置プレート４８との合わせ面は接着材または熱溶着によって固定されている。【００１４】  図３に示されているように、円形の電極設置プレート４８の上面には深さが一定（図２参照）の円形の電極設置穴４９が同心円に没設されており、電極設置穴４９の底面上には平面視が正方形で高さが一定（図２参照）の四角形柱形状の柱部５０がマトリックス形状に配されて突設されている。電極設置穴４９が構成する電極設置空間には、バイアス電圧を印加する高周波電極５１が設置されている。高周波電極５１は耐酸化性を有し抵抗率が小さい金属材料である白金（Ｐｔ）が使用されて円板形状に形成されており、図２に示されているように、高周波電極５１の板厚はｂとし、電極設置穴４９の高さはｈとすると、高周波電極５１の板厚ｂは電極設置穴４９の高さｈよりも小さく設定されている。なお、電極設置穴４９が設けられ、高周波電極５１が保持される高周波電極保持部５９の板厚はｃとする。図３に示されているように、高周波電極５１には柱部５０の外径よりも大口径の正方形形状に形成された挿通孔５２が複数個、全体にわたって開設されている。各柱部５０が各挿通孔５２にそれぞれ挿通されることにより、高周波電極５１は電極設置穴４９に収納されて電極設置プレート４８に設置された状態になっている。挿通孔５２の口径すなわち内径が柱部５０の外径よりも大きく設定されているので、挿通孔５２の内周と柱部５０の外周との間には間隙Ｓａが形成されている。挿通孔５２群は柱部５０群に対応してマトリックス形状に配置された状態になっており、その開口面積の分布が高周波電極５１の全体にわたって可及的に均一になるように設定されている。【００１５】  高周波電極５１には高周波フェード線５３が挿通孔５４を挿通して接続されており、高周波フェード線５３はサセプタ昇降軸３６を挿通されて外部に引き出されている。高周波フェード線５３にはインピーダンスを調整するインピーダンス調整器５５が接続されている。インピーダンス調整器５５はコイルや可変コンデンサから構成されており、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、サセプタ４０を介してウエハ１の電位を制御し得るようになっている。【００１６】  電極設置プレート４８の上には最上段に位置するプレート（以下、保持プレートという。）５６が、電極設置穴４９の空間を気密封止するように重ねられており、保持プレート５６と電極設置プレート４８との合わせ面は接着材または熱溶着によって固定されている。この状態において、電極設置プレート４８の各柱部５０の上面は保持プレート５６の下面に固定されているが、図２に示されているように、高周波電極５１の上面は保持プレート５６の下面から離間して間隙Ｓｂを形成した状態になっている。【００１７】  保持プレート５６の上面にはウエハ１を位置決め保持するための保持面を有する保持部５７が没設されており、保持部５７はウエハ１の外径よりも大口径の円形で一定深さの穴形状に形成されている。保持部５７の保持面はサセプタ４０の表面に形成されることになる。保持プレート５６においてウエハ１が接触する保持部５７の板厚をｔとすると、保持部５７の板厚ｔは、保持プレート５６の周辺部の板厚すなわち保持プレート５６の全厚よりも薄くなっている。ウエハ１の下面と高周波電極５１との間隔が１．５ｍｍ以下になるように、保持部５７の板厚ｔと間隙Ｓｂとが設定されている。また、高周波電極５１の上面から高周波電極５１よりも上側のサセプタ４０の表面に設けられたウエハ１を保持する保持面までの距離は、高周波電極５１の下面よりも下側のサセプタ４０の裏面までの距離に比べて小さくなるように設けられており、保持部５７の板厚ｔは高周波電極保持部５９の板厚ｃおよびヒータ設置プレート４２の全厚ｄの厚さよりも薄くする。【００１８】  図１に示されているように、ＭＭＴ装置はコンピュータ等によって構成された制御手段であるコントローラ６０を備えている。コントローラ６０はバルブ１９、マスフローコントローラ２０、圧力調整弁２４、バルブ２５、真空ポンプ２６、ゲートバルブ２７、整合器３２、高周波電源３３、サセプタ昇降軸３６の駆動装置、インピーダンス調整器５５、ヒータ用高周波電源４７等に接続されて、それらを制御するように構成されている。【００１９】  次に、以上の構成に係るＭＭＴ装置の作用を説明する。【００２０】  ウエハ１は処理室１０にウエハ移載装置によってゲートバルブ２７から搬入され、サセプタ４０の保持部５７の上に移載される。この際、まず、サセプタ４０がサセプタ昇降軸３６によって下降され、突上げピン３７の先端がサセプタ４０の挿通孔３８を挿通してサセプタ４０の上面よりも所定の高さ分だけ突き出される。続いて、下側容器１２に設けられたゲートバルブ２７が開かれて、ウエハ１がウエハ移載装置によって搬入され、三本の突き上げピン３７の上端間に移載される。ウエハ１を突き上げピン３７に移載したウエハ移載装置が処理室１０の外へ退避すると、ゲートバルブ２７が閉まり、サセプタ４０がサセプタ昇降軸３６により上昇され、ウエハ１が突き上げピン３７の上からサセプタ４０の保持部５７に受け渡される。【００２１】  サセプタ４０のヒータ４５は予め加熱されており、サセプタ４０の保持部５７に保持されたウエハ１を室温〜５００℃の範囲内で所定の処理温度に加熱する。処理室１０の圧力は、０．１〜１００Ｐａの範囲内に真空ポンプ２６および圧力調整弁２４によって維持される。ウエハ１が処理温度に加熱されると、反応ガス２１が処理室１０にガス導入口１７からシャワープレート１５のガス噴出孔１６を介してシャワー状に導入される。同時に、１５０〜２００Ｗの高周波電力が筒状電極３１に高周波電源３３から整合器３２を介して印加される。この際、高周��電極５１のインピーダンス調整器５５は予め所望のインピーダンス値に制御しておく。筒状磁石３４、３４の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ１の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域３０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４０上のウエハ１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エハ１は、ウエハ移載装置によって搬入時と逆の手順で処理室１０の外へ搬送される。【００２２】  なお、コントローラ６０により高周波電源３３の電力ＯＮ・ＯＦＦ、整合器３２の調整、バルブ１９の開閉、マスフローコントローラ２０の流量、圧力調整弁２４の弁開度、バルブ２５の開閉、真空ポンプ２６の起動・停止、サセプタ昇降軸３６の昇降動作、ゲートバルブ２７の開閉、サセプタ４０のヒータ４５に高周波電力を印加するヒータ用高周波電源４７への電力ＯＮ・ＯＦＦをそれぞれを制御している。【００２３】  前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。【００２４】１）サセプタを石英によって形成することにより、サセプタが５５０℃の高温下でプラズマに直接的に晒されてもサセプタがウエハに対する汚染源になるのを防止することができるとともに、ウエハの裏面全体がサセプタに接触してもウエハに汚染が発生するのを防止することができるので、ＭＭＴ装置ひいてはＩＣの製造方法の歩留りを向上させることができる。【００２５】２）ウエハの下面と高周波電極との間隔を１．５ｍｍ以下に設定することにより、ウエハの表面電位に対する高周波電極の制御性能を向上させることができるので、ＭＭＴ装置の処理速度を向上させることができる。【００２６】３）高周波電極を白金によって形成することにより、処理温度を８００℃まで上昇させることができるので、ＭＭＴ装置の処理速度を向上させることができる。【００２７】４）高周波電極とサセプタの本体との間に間隙Ｓａ、Ｓｂを介在させることにより、高周波電極の材料（白金）の熱膨張率がサセプタ本体の材料（石英）の熱膨張率よりも大きくても、その熱膨張差を間隙によって吸収することができるので、高周波電極の破損を防止することができる。【００２８】５）サセプタ本体の一部を構成する下段の電極設置プレートに柱部を突設し、柱部の上面を同じく上段の保持プレートの下面に固定することにより、保持部が没設された保持プレートおよび電極設置穴が形成された電極設置プレートの強度を補強することができるので、保持プレートおよび電極設置プレートひいてはサセプタ本体の破損を防止することができる。【００２９】６）複数個の柱部を電極設置穴の底面上に均等に配置することにより、一つ当たりの柱部の横断面積を小さく設定することができるので、柱部が挿通される高周波電極の挿通孔の開口面積を小さくすることができ、高周波電極の電圧分布を全体にわたって均一に維持することができる。【００３０】７）柱部によってサセプタ本体の強度を補強することにより、高周波電極の上に配置される保持プレートの保持穴の板厚ｔを薄く設定することができるので、高周波電極のウエハに対しての電界の影響力を高めることができる。
８）高周波電極５１から高周波電極５１よりも上側のサセプタ表面に設けられたウエハを保持する保持面までの距離が、高周波電極５１から高周波電極５１よりも下側のサセプタ裏面までの距離に比べて小さくなるように設定されているので、高周波電極５１からサセプタに保持されるウエハまでの距離を小さくすることができてウエハへの電界の影響を高め、かつ、高周波電極５１よりも下側のサセプタ内にヒータを埋設することが可能となり、ウエハへサセプタ４０により直接加熱することができ、ウエハへの加熱効率が向上する。【００３１】９）柱部によってサセプタ本体の強度を補強することにより、電極設置穴の空間内の圧力とＭＭＴ装置の処理室の圧力との差が大きくなっても、サセプタ本体が破損するのを防止することができる。すなわち、処理室が減圧される場合であっても、サセプタ本体の内部空間を大気圧に連通させてもよく、気密シール構造を簡単化することができる。【００３２】１０）サセプタ本体の強度は高温に加熱される場合ほど低下するので、サセプタ本体の強度を高めることにより、高温処理に対応することができる。【００３３】１１）高周波電極を一枚の金属板に複数個の挿通孔を開設して製作することにより、複数の柱部が突設された電極設置穴に高周波電極を各挿通孔に各柱部を挿通させる作業によって容易に設置することができるとともに、高周波電極を電極設置穴に位置ずれなく正確に設置することができるので、サセプタひいてはＭＭＴ装置の製造コストを低減することができる。【００３４】１２）電極設置穴の柱部および高周波電極の柱部を全体にわたって均一に配置することにより、高周波電極の電圧分布を全体にわたって均一に維持させることができるので、ウエハに対する処理の分布を全体にわたって均一化することができる。【００３５】１３）サセプタ本体の高周波電極の下方にヒータを設置することにより、サセプタに保持されたウエハをヒータによって加熱することができるので、ウエハの温度を直接的に制御することができる。【００３６】  なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。【００３７】  例えば、ヒータ設置プレートおよび電極設置プレートは窒化アルミニウム等の絶縁材料によって形成してもよい。すなわち、ウエハを保持する保持部を構成する保持プレートだけを石英によって形成し、サセプタ本体の他の部分は石英以外の窒化アルミニウム等の絶縁材料によって形成してもよい。【００３８】  ウエハを加熱するヒータはサセプタ本体に内蔵するに限らない。【００３９】  前記実施の形態においては、ＭＭＴ装置に適用した場合について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、サセプタに電極を有するプラズマ処理装置等の半導体製造装置全般に適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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