JP2011049570A - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理装置では、電極間にシリコンウエハを載置し、電極間に高周波の交流電力を印加してウエハのプラズ処理を行っていたが、電極間にはウエハが存在する為、プラズマは均一とならず、ウエハ表面のプラズマ処理を均一に行う事の出来る基板処理装置を提供する。
【解決手段】基板５を処理する反応室１と、反応室１内において複数の基板５を所定の間隔をおいて多段に重ねて載置する基板載置手段２２と、反応室１内に処理ガスを導入する手段１０と、反応室１内を排気する排気手段６、７と、反応室１内に設けられたプラズマを生成する為の複数対の交流電力印加用櫛形電極とを備え、複数対の櫛形電極の各々の対は、基板載置手段２２に載置される複数の基板５の各々のプラズマ処理面から所定の距離にそれぞれ配置される基板処理装置が開示されている。
【選択図】図１

Description

本発明は基板処理装置および電極部材に関し、特に、複数枚の半導体シリコンウエハ等の基板の表面をプラズマを利用してエッチングしたり、薄膜を形成したり、表面を改質したりするプラズマ処理装置およびそれに好適に使用される電極部材に関する。

従来この種のプラズマ処理装置では、電極間にシリコンウエハを載置し、電極間に高周波の交流電力を印加してプラズマを生成させて、ウエハのプラズ処理を行っていた。

しかしながら、電極間にはウエハが存在する為、電極とシリコンウエハ間に生成されるプラズマは均一とならず、シリコンウエハ表面のプラズマ処理を十分に均一に行えないという問題があった。

従って、本発明の主な目的は、基板表面のプラズマ処理の均一性を向上させることができるプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、生成されるプラズマを効率よく利用できる基板処理装置および電極部材を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
基板を処理する反応室と、
前記反応室内において複数の基板を所定の間隔をおいて多段に重ねて載置する基板載置手段と、
前記反応室内に処理ガスを導入する手段と、
前記反応室内を排気する排気手段と、
前記反応室内に設けられたプラズマを生成する為の複数対の交流電力印加用櫛形電極と、を備え、
前記複数対の櫛形電極の各々の対は、前記基板載置手段に載置される前記複数の基板の各々のプラズマ処理面から所定の距離にそれぞれ配置される基板処理装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、
基板を処理する反応室と、
前記反応室内において複数の基板を所定の間隔をおいて多段に重ねて載置する基板載置手段と、
前記反応室内に処理ガスを導入する手段と、
前記反応室内を排気する排気手段と、
前記反応室内に設けられたプラズマを生成する為の複数の電極部材と、を備え、
前記複数の電極部材は前記反応室内に多段に設けられ、前記複数の電極部材の各々は、
前記基板載置手段に載置される前記複数の基板の各々のプラズマ処理面から所定の距離にそれぞれ配置され、
前記電極部材の前記基板の前記プラズマ処理面と対向しない側は、前記プラズマ処理面と対向する側よりもプラズマ生成を抑制する構造である基板処理装置が提供される。

本発明のさらに他の態様によれば、
一対の電極と、前記一対の電極を囲む誘電体部材とを備え、前記電極の一方の側の誘電体部材の厚さ（Ｔ１）は他方の側の厚さ（Ｔ２）よりも大きい電極部材が提供される。

本発明の好ましい実施例１〜３のプラズマ処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例１のプラズマ処理装置の処理炉の電極構造を説明するための概略横断面図である。 図２のＡＡ線概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例１のプラズマ処理装置の処理炉の電極と発振器との接続構造を説明するための概略図である。 本発明の好ましい実施例１のプラズマ処理装置の処理炉の放電状態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例２および３のプラズマ処理装置の処理炉の電極構造を説明するための概略横断面図である。 本発明の好ましい実施例２のプラズマ処理装置の処理炉の電極構造を説明するための図であって、図６のＢＢ線概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例２のプラズマ処理装置の処理炉の放電状態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例３のプラズマ処理装置の処理炉の電極構造を説明するための図であって、図６のＢＢ線概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例３のプラズマ処理装置の処理炉の放電状態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例のプラズマ処理装置を説明するための概略斜示図である。 比較のためのプラズマ処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。

次に、本発明の好ましい実施例を説明する。

本発明の好ましい一形態によれば、
基板を処理する反応室と、
前記反応室内において複数の基板を所定の間隔をおいて多段に重ねて載置する基板載置手段と、
前記反応室内に処理ガスを導入する手段と、
前記反応室内を排気する排気手段と、
前記反応室内に設けられたプラズマを生成する為の複数対の交流電力印加用櫛形電極と、を備え、
前記複数対の櫛形電極の各々の対は、前記基板載置手段に載置される前記複数の基板の各々のプラズマ処理面から所定の距離にそれぞれ配置される基板処理装置が提供される。

このようにすれば、各対の櫛形電極間でプラズマが生成され、櫛形電極間には基板が存在しないので、基板表面のプラズマ処理の均一性を向上させることができる。

また、このような構成にすれば、櫛形電極の各対と、基板とが交互に配置され、櫛形電極の各対の両側にプラズマが生成されるので、プラズマエッチングを行う場合には、基板の表面だけでなく、裏面の膜も表面の膜と同時にエッチング可能となる。

好ましくは、櫛形電極の各対は、基板の全域にわたって広がるプラズマを生成する構造とする。

また、好ましくは、櫛形電極の各対は、同一平面内に櫛形電極の歯形状の電極が所定の間隔で交互に並ぶように配置した構造とし、各対の櫛形電極間に交流電力を印加することにより、各対の櫛形電極の歯形状の電極の周辺にプラズマを生成するようにする。

好ましくは、上記基板処理装置は、櫛形電極の歯形状の電極を覆う誘電体部材をさらに備え、基板のプラズマ処理面と対向する誘電体部材の面がほぼ平面となるように構成する。
誘電体部材で覆うことにより、プラズマが直接電極に触れない構造とすることができる。

また、櫛形電極の歯形状の電極を誘電体で覆うと共に、誘電体部材の面がほぼ平面となるように構成することにより、その平面状の誘電体部材の表面で沿面放電するように電極を構成することができ、その結果、均一で平坦なプラズマが生成され、これによって、基板の処理をより均一に行うことができる。

また、本発明の好ましい他の形態によれば、
基板を処理する反応室と、
前記反応室内において複数の基板を所定の間隔をおいて多段に重ねて載置する基板載置手段と、
前記反応室内に処理ガスを導入する手段と、
前記反応室内を排気する排気手段と、
前記反応室内に設けられたプラズマを生成する為の複数の電極部材と、を備え、
前記複数の電極部材は前記反応室内に多段に設けられ、前記複数の電極部材の各々は、前記基板載置手段に載置される前記複数の基板の各々のプラズマ処理面から所定の距離にそれぞれ配置され、
前記電極部材の前記基板の前記プラズマ処理面と対向しない側は、前記プラズマ処理面と対向する側よりもプラズマ生成を抑制する構造である基板処理装置が提供される。

このようにすれば、電極部材の基板のプラズマ処理面と対向しない側からのプラズマ生成を抑制できるので、電力消費を抑えることができ、生成されるプラズマを効率よく利用できる。

また、基板のプラズマ処理面と対向しない側への不要な生成物の付着を抑制することができる。

好ましくは、前記複数の電極部材の各々は、一対の電極と、前記一対の電極を覆う誘電体部材とを備え、
前記電極部材の前記基板の前記プラズマ処理面と対向しない側の前記誘電体≧部材の厚さ（Ｔ１）は、前記プラズマ処理面と対向する側の前記誘電体部材の厚さ（Ｔ２）よりも大きい。

さらに好ましくは、Ｔ１：Ｔ２≧２：１である。

また、好ましくは、前記複数の電極部材の各々は、櫛形形状の一対の電極を備える。

また、本発明の好ましいさらに他の形態によれば、
一対の電極と、前記一対の電極を囲む誘電体部材とを備え、前記電極の一方の側の誘電体部材の厚さ（Ｔ１）は他方の側の厚さ（Ｔ２）よりも大きい電極部材が提供される。

このようにすれば、誘電体部材の厚さの厚い側からのプラズマ生成を抑制できるので、電力消費を抑えることができ、生成されるプラズマを効率よく利用できる。

好ましくは、Ｔ１：Ｔ２≧２：１である。

また、好ましくは、前記電極は櫛形である。

次に図面を参照して本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。

図１を参照すれば、反応室１は反応管２及びシールキャップ２５で気密に構成され、反応管２の周囲には、ヒータ１４が反応室１を取り囲むように設けられている。反応管２は石英等の誘電体で構成する。

反応室１にはガス導入ポート１０が連通して設けられており、反応室１内部に所要のガスを導入できるようになっている。反応室１は排気管６を介してポンプ７に接続され、反応室１内部のガスを排気できる構造となっている。

反応室１内部にはボート２２がシールキャップ２５の上に載置されている。ボート２２は通常、石英やセラミックスなどの誘電体で構成する。

ボート２２には電極板２１が一定間隔で多段に取り付けられている。ボート２２の多段に重ねて配置された電極板２１の間には半導体シリコンウエハ等の被処理基板５が電極板２１と接触しないように載置される構造となっている。

被処理基板５はボート２２に設けた電極板２１の間に等間隔で載置できるように、ボート２２には被処理基板５を載置するための溝（図示せず）が設けてあり、被処理基板搬送ロボット（図１１のウエハ移載機１１２参照）により被処理基板５を自動で搬送できる機構となっている。

被処理基板５の搬送時、被処理基板搬送用ロボットの被処理基板５を載せるツィーザ（図示せず）は電極板２１の間に挿入され、被処理基板５を直接ボート２２に設けた溝に載せて保持させることができる為、サセプタ電極上へ直接被処理基板５を載置する場合と異なり、被処理基板５を一時的に支持するピンが不要である。この為、電極板２１にはピンを貫通させるための孔を設けていない。

被処理基板５と電極板２１とは接触しないように配置されている為、被処理基板５をサセプタに載置する構造と比べると、ピンによる受け渡しがない分被処理基板５の搬送が容易である。

図２を参照すれば、誘電性材料で構成された櫛形の電極Ｃ１７と、同じく櫛形電極Ｄ１８が同一平面内に交互に入込む形に電極ベース１９上に配置され、該櫛形電極の組合せで構成された電極板２１がボート２２に一定間隔で多段に取り付けられている。

図２、図３を参照すれば、櫛形の電極Ｃ１７と、同じく櫛形電極Ｄ１８が同一平面内に交互に入込む形に誘電性材料で構成された電極ベース１９の下面に配置され、電極Ｃ１７、Ｄ１８および電極ベース１９で電極板２１を構成している。

図２、４を参照すれば、各電極板２１の電極Ｃ１７と電極Ｄ１８には、発振器８の出力する交流電力を整合器９を介して印加できるようになっている。交流電力の周波数は、数（ＫＨｚ）の低周波から１３．５６（ＭＨｚ）などの高周波を用いる。

交流電力を供給する経路の途中には絶縁トランス３２が設けてあり、電極Ｃ１７及び電極Ｄ１８はアースと絶縁された状態になっている。交流電力供給系には絶縁トランス３２が設けてある為、電極Ｃ１７と電極Ｄ１８には１８０度位相の異なる電界を印加する構造となっている。

反応室１内の電極Ｃ１７及び電極Ｄ１８にはそれぞれ１８０度位相が異なる交流電力が印加され、ガス導入ポート１０から導入されたガスをプラズマ化し、ボート２２に載置された被処理基板５を処理する。

図３、図４に示すように、電極Ｃ１７と電極Ｄ１８に発振器８の出力する交流電力を整合器９を介して供給すると電極周辺にプラズマ１１が生成できる構造になっている。絶縁トランス３２によって電極Ｃ１７及び電極Ｄ１８をアースと絶縁することにより、電極Ｃ１７及び電極Ｄ１８の櫛形の歯のように並んだ電極部にプラズマ１１を集中して生成することができる。

交流電力を印加する電極Ｃ１７と電極Ｄ１８との間にウエハ等の障害物が無い為、電極の構造と反応室の圧力や供給ガスの種類で決まったある状態で安定な放電が得られる。プラズマの均一性は櫛形電極Ｃ１７、Ｄ１８の電極の歯の数を増減したり、電極板２１と被処理基板５の距離を調節することで改善することができる。

従来のように、電極の間に被処理基板５が存在すると、電極間に電力が局部的に集中し、プラズマが不均一に生成されることがあったが、本発明の好ましい実施例では、図３、図５に示すように、交流電力は全てウエハ等被処理基板５の障害物が無い状態で櫛形の電極Ｃ１７とＤ１８との間のみに印加されるため、被処理基板５の有無にかかわらず、安定なプラズマ１１が生成される。

また櫛形電極の場合プラズマ１１は図３、図５に示すように、主に電極Ｃ１７とＤ１８との間に集中して生成されるが、図６〜図８に示すように、電極Ｃ１７とＤ１８を誘電体カバー２０で覆うと、沿面放電により誘電体カバー２０の表面に均一なプラズマ１１を比較的平坦に生成することができる。このような構造にすれば、被処理基板５の処理をより均一に行うことができる。

また、電極Ｃ１７、電極Ｄ１８を誘電体で覆うことによって、プラズマ１１が電極部材に直接接触しない為、電極部材からの不純物の放出を抑制することができる。

本実施例の構造はほぼ実施例２と同じであるが、図９、１０に示すように誘電体カバー２０の被処理基板５のプラズマ処理面（上面）と対向しない側（上側）の厚さを誘電体カバー２０の被処理基板５のプラズマ処理面（上面）と対向する側（下側）の厚さより厚くしてある。

このようにすると図２に示すように各電極板２１の電極Ｃ１７と電極Ｄ１８には、発振器８の出力する交流電力を整合器９を介して印加した際、電極板の下側に強いプラズマが生成される。

各電極板２１の電極Ｃ１７と電極Ｄ１８に印加する交流電力を大きくして行くと電極板２１の上側にもプラズマが生成されるが下側と比べると弱いプラズマとなる。

電極板２１の上側の誘電体を厚くするとプラズマと各電極板２１の電極Ｃ１７と電極Ｄ１８とプラズマの間の容量が小さくなって交流電力の供給量が下側に比べて小さくなる為、プラズマが弱くなる。

電極Ｃ１７および電極Ｄ１８より上側の誘電体カバー厚さをＴ
１ 、下側の厚さをＴ
２ とすると、Ｔ
１ ：Ｔ
２ ＝２：１以上であることが望ましい。

本実施例では、被処理基板５のプラズマ処理面（上面）側にプラズマが強く生成され、プラズマ生成のための投入電力が効率的になる。

また被処理基板５裏面へ不要な生成物の付着も抑制される。

次に本装置の動作を説明する。
反応室１が大気圧の状態でエレベータ機構（図１１の昇降部材１２２参照）を用いて電極板２１が多段に設けられたボート２２を載せたシールキャップ２５を下げて、被処理基板搬送用ロボット（図１１のウエハ移載機１１２参照）により所用の数の被処理基板５をボート２２の各電極板２１の間に１枚ずつ載置した後、シールキャップ２５を上昇させてボート２２を反応室１内部に挿入する。なお、図１では４枚の被処理基板５を載置した状態を示している。

その後、ヒータ１４に電力を投入し、被処理基板５、反応管２、電極板２１など反応室１内部の部材を所定の温度に加熱する。

同時に反応管１内部の気体を排気管６を通してポンプ７で排気する。

被処理基板５が所定の温度になった時点で反応室１にガス導入ポート１０から反応性ガスを導入し、図示しない圧力調整機構によって反応室１内の圧力を所定の値に保持する。

反応室１内部の圧力が所定の圧力になった時点で、多段に積まれた電極板２１のそれぞれの電極Ｃ１７、電極Ｄ１８に発振器８の出力する高周波電力を整合器９を介して供給してプラズマ１１を生成し、被処理基板５を処理する。

本発明の好ましい実施例によれば、交流電力が全て櫛形形状の電極Ｃ１７と電極Ｄ１８との間に印加されるため、被処理基板５の有無にかかわらず安定なプラズマが生成される。

また、櫛形電極を誘電体２０で覆い、被処理基板５の表面に対抗する面を平面にすれば、その平面状の誘電体表面に沿面放電が生じ、均一で平坦なプラズマが生成される。これによって被処理基板５の処理をより均一に行うことが可能となる。

さらに、櫛形電極を誘電体２０で覆いプラズマと電極部材が直接接触しない構造とすることにより、電極部材からの不純物の放出を抑制することができる。

次に、図１１を参照して本発明の好ましい実施例のプラズマ処理装置の概略を説明する。

筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。

筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には基板としてのウエハ５を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２２を処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２５が取りつけられボート２２を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下側のウエハ搬入出口１３１を気密に閉塞する閉塞手段としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

ウエハ５が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ５が上向き姿勢で搬入され、ウエハ５が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。

カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ５が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。

カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２２にウエハ５を移載する。

ボート２２に所定枚数のウエハ５が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート２２が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２５により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウエハ５が加熱されると共に処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウエハ５に処理がなされる。

ウエハ５への処理が完了すると、ウエハ５は上記した作動の逆の手順により、ボート２２から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。

炉口シャッタ１１６は、ボート２２が降下状態の際に処理炉２０２のウエハ搬入出口１３１を気密に閉塞し、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。

カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

次に、図１２を参照して、比較例について説明する。
図１２は、比較のためのプラズマ処理装置の処理炉を説明するための概略縦断面図である。

反応室１内部には誘電体で構成されたボート２２が設けられている。導電性材料で構成された電極Ａ３と電極Ｂ４が交互に多段に重なるように、且つ被処理基板５と接触しないように等間隔でボート２２に取り付けられている。

電極Ａ３と電極Ｂ４には、発振器８の出力する１３．５６ＭＨｚなどの高周波の交流電力を整合器９を介して印加できるようになっている。交流電力を供給する経路の途中には絶縁トランス３２が設けてあり、電極Ａ３及び電極Ｂ４はアースと絶縁された状態になっている。反応室１内の電極Ａ３及び電極Ｂ４にはそれぞれ１８０度位相が異なる交流電力が印加され、ガス導入ポート１０から導入されたガスをプラズマ化してプラズマ１１を生成し、ボート２２の電極Ａ３と電極Ｂ４の間に載置された被処理基板５を処理する構造となっている。

このようにしてプラズマ１１を生成すると、被処理基板５がシリコンウエハなどの場合、シリコンウエハと電極Ａ３または電極Ｂ４との間にプラズマ１１がドーナツ状に生成される。この為、シリコンウエハ表面の処理もこのプラズマのドーナツ形状に影響を受けて不均一になってしまう。

明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を含む２００５年４月２８日提出の日本国特許出願２００５−１３３３８８号の開示内容全体は、本国際出願で指定した指定国、又は選択した選択国の国内法令の許す限り、そのまま引用してここに組み込まれる。

種々の典型的な実施の形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。

以上説明したように、本発明の好ましい一形態によれば、基板表面のプラズマ処理の均一性を向上させることができる。

また、本発明の好ましい他の形態によれば、生成されるプラズマを効率よく利用することができる。

その結果、本発明は、複数枚の半導体シリコンウエハ等の基板の表面をプラズマを利用してエッチングしたり、薄膜を形成したり、表面を改質したりするプラズマ処理装置およびそれに好適に使用される電極部材に特に好適に利用できる。

Claims (3)

1. 基板載置部、ガス導入ポート及び排気管が設けられた処理室と、
   基板の表面に対向する面に設けられたくし型電極とを有し、
   前記くし型電極は、前記基板の表面に対向する面に誘電体を設けている
   基板処理装置。
   
2. 前記くし型電極には交流電力を出力する発信器が接続され、前記発信器と前記くし型電極の間には絶縁トランスに接続されている請求項１記載の基板処理装置。
   
3. 基板載置部、ガス導入ポート及び排気管が設けられた処理室と、
   基板の表面に対向する面に設けられたくし型電極とを有し、
   前記くし型電極は、前記基板の表面に対向する面に誘電体を設けている
   基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
   基板を前記処理室内に搬送する工程と、
   前記くし型電極に高周波電力を供給し、前記基板を処理する工程とを有する半導体装置の製造方法。