JP2006120974A

JP2006120974A - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2006120974A
Application number: JP2004309312A
Authority: JP
Inventors: Koji Taguchi; 貢士田口; Taku Iwade; 卓岩出; Masamitsu Yamashita; 雅充山下
Original assignee: SAKIGAKE HANDOTAI KK; Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: SAKIGAKE HANDOTAI KK; Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】プラズマダメージやパーティクルによる薄膜及び基板の劣化を簡単な装置構成で抑制できるプラズマＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】チャンバー２と、チャンバー２内の圧力を真空圧力まで減圧する減圧部４と、チャンバー２内に設けられ成膜の対象となる基板Ｋを保持するための基板保持部３と、形成すべき薄膜に応じて選択されたガスをチャンバー２内に導入するガス導入部５と、ガスの分子をプラズマエネルギーにより活性化するプラズマ発生部６とを有するプラズマＣＶＤ装置１において、複数の貫通穴が形成されチャンバー２内を下室２１と上室２２とに隔絶するシールド板ＳＰを備え、下室２１はガス導入部５に連接し、上室２２は減圧部４に連接するとともに内部に基板保持部３を備え、基板保持部３は基板Ｋをその薄膜被形成面ＫＦを鉛直下方に向けて保持可能とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ励起及び表面反応により薄膜を気相成長させるプラズマＣＶＤ装置に関する。

従来、半導体デバイス、ディスプレイデバイス及びマイクロマシーンデバイスなどの製造に代表される微細加工技術には、薄膜を形成する技術が必須であり、この薄膜形成方法としてプラズマＣＶＤ（化学気相成長）法が広く採用されている。プラズマＣＶＤ法は、形成すべき薄膜の種類に応じて選択されたガスを反応室（チャンバー）に導入し、反応室でプラズマを発生させ、このプラズマ中で反応ガスの分離、励起及び解離を行い、分解された粒子の結合を基板上で行うものである。この方法においては、いわゆる熱ＣＶＤ法に比べて基板温度が低くて済むという利点がある。

プラズマＣＶＤ法による装置には、容量結合型ＣＶＤ装置や誘導結合型ＣＶＤ装置があるが、いずれも基板がプラズマに直接曝されるために、薄膜及び基板がダメージを受けやすい。また、上記装置においては、反応ガスが基板に蒸着する以前の成膜空間中において、プラズマによる反応がすでに生じており、クラスタ状の粒子が次々と成長しはじめている。そして、更に反応が進んでクラスタ同志が結合して、その多くがパーティクル（成膜ダスト）の要因となる。このようにして発生したパーティクルが基板を汚染した場合、後処理で形成される半導体層の電気特性の劣化及び断線などの不良を引き起こし得る。

上述したようなプラズマダメージを低減する装置として、例えば特開２００３−２７３０３３号公報の装置が開示されている。この装置では、プラズマ発生部を基板から分離し、更にプラズマ発生部を複数のライン状に配列させることにより、プラズマダメージを低減すると共に効率よくプラズマ励起を行うことができる。

また、パーティクルによる基板の汚染を軽減できる装置として、例えば特開平６−１９６２９４号公報の装置が開示されている。この装置では、試料室壁の内側に防着部材を配設し、この防着部材内に恒温液体を循環させることで、防着部材上に付着した付着物の剥離を抑制することにより、上記汚染を軽減する。

特開２００３−２７３０３３号公報特開平６−１９６２９４号公報

しかしながら、上述の各公報に開示の装置は、いずれも部品点数が多いと共に装置構成が複雑であることから、装置コストが高くつくという問題があった。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、プラズマダメージやパーティクルによる薄膜及び基板の劣化を簡単な装置構成で抑制できるプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１の発明は、チャンバー２と、前記チャンバー２内の圧力を真空圧力まで減圧する減圧部４と、前記チャンバー２内に設けられ成膜の対象となる基板Ｋを保持するための基板保持部３と、形成すべき薄膜に応じて選択されたガスを前記チャンバー２内に導入するガス導入部５と、前記ガスの分子をプラズマエネルギーにより活性化するプラズマ発生部６とを有するプラズマＣＶＤ装置１において、複数の貫通穴が形成され前記チャンバー２内を下室２１と上室２２とに隔絶するシールド板ＳＰを備え、前記下室２１は前記ガス導入部５に連接し、前記上室２２は前記減圧部４に連接するとともに内部に前記基板保持部３を備え、前記基板保持部３は前記基板Ｋをその薄膜被形成面ＫＦを鉛直下方に向けて保持可能とされてなる。

請求項１の発明によると、プラズマ発生部６によりエネルギーを得ることによって活性化したガスの分子の一部は、シールド板ＳＰの貫通孔を通り抜け、基板Ｋ上で化学反応を起こして基板Ｋにおける薄膜被形成面ＫＦ上に蒸着する。これにより成膜が行われる。ここで、プラズマはシールド板ＳＰによってプラズマ生成室２１内に閉じこめられるので、基板Ｋが直接多量のプラズマに曝されることが抑制され、薄膜及び基板Ｋがプラズマダメージを受けることが防止される。また、シールド板ＳＰはパーティクルの通過も抑制するので、薄膜被形成面ＫＦがパーティクルで汚染されることが防止される。

また、基板保持部３は基板Ｋを、基板Ｋにおける薄膜被形成面ＫＦを鉛直方向下方に向けて保持可能であり、基板Ｋはその薄膜被形成面ＫＦが鉛直下方となって保持されるため、パーティクルが複数の貫通孔を通過した場合であっても、基板Ｋの薄膜被形成面ＫＦに達するまでに自重により落下する。仮に基板Ｋの薄膜被形成面ＫＦに達した場合であっても、薄膜被形成面ＫＦにパーティクルが堆積することは極めて少なくなる。

以上の作用効果は、複数の貫通孔が形成されたシールド板ＳＰをチャンバー２内に設け、基板Ｋを薄膜被形成面ＫＦを鉛直方向下方に向けて保持可能とするという簡単な構成で実現できるため、装置の低コスト化を図ることができる。

請求項２の発明では、前記シールド板ＳＰには、前記複数の貫通孔が１インチ四方あたりに４００個以上形成されてなる。請求項２の発明によると、シールド板ＳＰによる請求項１の作用効果がより一層顕著となると共に、安定した放電状態が得られる。

請求項３の発明では、前記ガスがヘキサメチルジシラザンガスを含んでなる。請求項３の発明によると、ヘキサメチルジシラザンガスは、形成すべき薄膜が窒素やシリコンを構成元素として含む場合、例えばシリコン窒化膜である場合の原料ガスとして次の点で優れる。すなわち、ヘキサメチルジシラザンは、従来使用していたシランガス等の原料ガスと違って爆発性及び腐食性がないため、チャンバー２をそれらに耐え得るものとする必要がなく装置コストが大幅に低減できる。更に、ヘキサメチルジシラザンは低温での薄膜形成を可能とするため、熱による薄膜及び基板Ｋのダメージが少ない。これにより、ＳｉＮ_Ｘ，ＳｉＣＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_２薄膜の形成も容易となる。

本発明によると、プラズマダメージやパーティクルによる薄膜及び基板の劣化を簡単な装置構成で抑制できるプラズマＣＶＤ装置が提供される。

以下、図１及び図２を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係るプラズマＣＶＤ装置１の正面一部断面図、図２は本発明の要部を示す分解斜視一部切断図である。図１に示すように、プラズマＣＶＤ装置１は、チャンバー２、シールド板ＳＰ、基板保持部３、真空発生部４、ガス導入部５、誘導コイル６、圧力センサ７、並びに真空発生部４、ガス導入部５及び誘導コイル６などの動作制御を行う図示しない制御装置などを備える。

チャンバー２は、外側胴部２Ａ、内側胴部２Ｂ、上蓋２Ｃ及び下蓋２Ｄなどから構成される。外側胴部２Ａは、円筒状の透明ガラス体からなり、その下半部における外周面には、誘導コイル６が捲回される。また、上半部の内側には、外側胴部２Ａと同心となるように、円筒状のステンレス製の内側胴部２Ｂが上蓋２Ｃにボルト等の固定部材により固定された状態で内挿される。

上蓋２Ｃは、外側胴部２Ａ及び内側胴部２Ｂの上側開口部を密閉するスチール製のフランジ板であり、チャンバー２内を真空排気するための排気口２４が設けられる。排気口２４は、配管によりバルブ４１を介して真空ポンプ４２と連接する。排気口２４を上蓋２Ｃに設けることにより、プラズマ生成室２１で発生した活性化した分子の吸引性がよい。下蓋２Ｄは、外側胴部２Ａの下側開口部を密閉するスチール製のフランジ板であり、第１及び第２の反応ガスを導入するための導入口２３が設けられる。導入口２３は、配管によりバルブ５１を介してガス導入タンク５２と連接する。第１の反応ガスとして、例えばアンモニアガスまたは窒素ガスが用いられ、第２の反応ガスとして、気化させたヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）が用いられる。この場合は、シリコン窒化膜が形成目的の薄膜となる。

図２に示すように、内側胴部２Ｂにおける下側開口部には、本発明の特徴となるシールド板ＳＰが取り付けられる。シールド板ＳＰは、厚さが１ｍｍ以下の金属製網であり、縦横等間隔に格子状の網目（メッシュ）が形成されている。この網目は１インチ四方あたりに４００（縦２０×横２０）個形成されている。なお、１インチ四方あたりの網目数を４００個よりも多くし、より一層緻密なものとしてもよい。チャンバー２において、シールド板ＳＰを境に下部にはプラズマ生成室２１が形成され、上部には薄膜形成室２２が形成される。

また、内側胴部２Ｂの内側には、基板保持部３が上蓋２Ｃに固定された状態で配設される。基板保持部３は、基板保持台３１及びリング状部材３２からなり、基板保持台３１の内部には、基板Ｋを加熱するための電熱線３３が組み込まれている。なお、基板Ｋの加熱手段として、光源などを用いてもよい。リング状部材３２は、基板保持台３１にボルト等の固定部材により固定可能であり、基板保持台３１とリング状部材３２との間に基板Ｋを、その薄膜被形成面ＫＦを鉛直方向下方に向けた状態で挟持することにより保持可能である。

次に、上のように構成されたプラズマＣＶＤ装置１における成膜処理の手順について説明する。成膜処理は、基板取り付けステップ、昇温ステップ、真空引きステップ、ガス導入ステップ、プラズマ励起ステップ及び終了ステップで実現される。

基板取り付けステップにおいて、まず上蓋２Ｃを開け、これと一体となった基板保持部３を薄膜形成室２２の中から取り出す。そして、基板Ｋを基板保持台３１に取り付ける。基板Ｋの取り付けは、基板保持台３１とリング状部材３２との間に基板Ｋを挟持することで行う。なお、基板Ｋの面の向きは、基板保持台３１を薄膜形成室２２の中に入れたときに、基板Ｋの薄膜被形成面ＫＦが鉛直方向下方に向くようにする。

昇温ステップにおいて、基板保持台３１の内部に設けられた電熱線３３に通電することにより基板Ｋの温度をプロセスに応じた温度まで上昇させる。真空引きステップにおいて、真空ポンプ４２を作動させることにより、チャンバー２内の空気を内圧が約０．１Ｐａ以下になるまで排気する。

ガス導入ステップにおいて、まずガス導入部５により、形成すべき薄膜に応じた種類の第１のガスとして、アンモニアガスまたは窒素ガスをプラズマ生成室２１に導入する。これらのガスは、形成目的であるシリコン窒化膜の窒素源となる。次に、形成すべき薄膜に応じた種類の第２のガスとして、気化させたヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）をプラズマ生成室２１に導入する。ヘキサメチルジシラザンは、形成目的であるシリコン窒化膜の窒素源及びシリコン源となる。

このときチャンバー２内の圧力が０．０１〜１０ｔｏｒｒ程度となるようにバルブ５１により調整する。ヘキサメチルジシラザンは、爆発性及び腐食性がないため、チャンバー２をそれらに耐え得るものとする必要がなく装置コストが大幅に低減できる。更に、ヘキサメチルジシラザンは低温での薄膜形成を可能とするため、熱による基板Ｋのダメージが少ない。これにより、ＳｉＮ_Ｘ，ＳｉＣＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_２膜の形成も容易となる。

プラズマ励起ステップにおいて、誘導コイル６に高周波電力を印加する。このとき発生した高周波の磁界成分の時間変動で生じる誘導電流により、プラズマ放電を開始する。高周波のプラズマエネルギーを得ることによって活性化したガスの分子の一部は、シールド板ＳＰの網目を通り抜け、基板Ｋ上で化学反応を起こして基板Ｋにおける薄膜被形成面ＫＦ上に蒸着する。このようにして所望の薄膜、すなわちシリコン窒化膜が形成される。

ここで、プラズマはシールド板ＳＰによってプラズマ生成室２１内に閉じこめられるので、基板Ｋが多量のプラズマに直接曝されることが抑制され、薄膜及び基板Ｋがプラズマダメージを受けることが防止される。また、シールド板ＳＰは、パーティクルの通過も抑制する。更に、基板保持部３はプラズマ生成室２１の上方に設けられ、基板Ｋはその薄膜被形成面ＫＦが鉛直下方となっているため、パーティクルが網目を通過した場合であっても、基板Ｋの薄膜被形成面ＫＦに達するまでに自重により落下する。仮に基板Ｋの薄膜被形成面ＫＦに達した場合であっても、薄膜被形成面ＫＦにパーティクルが堆積することは極めて少なくなる。所望の薄膜が形成された時点で終了ステップに入る。

終了ステップにおいて、まず、アンモニアガスまたは窒素ガス及びヘキサメチルジシラザンガスの導入を止める。次に真空ポンプ４２を作動させることにより、薄膜形成室２２のガスを内圧が約０．１Ｐａ以下になるまで排気する。最後に、基板Ｋの温度を低下させる。そして、内圧を大気圧に戻し、上蓋２Ｃを取り外し、続いてリング状部材３２を基板保持台３１から取り外すことにより基板Ｋを取り出す。

本発明者らは、緻密度の異なるシールド板を数種類用いて、それぞれについて上のような成膜を行った結果、シールド板における複数の貫通孔（メッシュ）が１インチ四方あたりに４００個以上の場合に、上記作用効果が最も顕著であると共に、安定した放電状態が得られるという実験結果を得た。

次に、プラズマＣＶＤ装置１において、シールド板ＳＰを取り付けた場合と取り外した場合とで成膜を行ったときの実験結果について説明する。表１は実験条件、表２は実験結果を示す。

表２に示すように、プラズマＣＶＤ装置１においてシールド板ＳＰを取り外した状態で成膜を行った場合は、成膜速度が速いものの屈折率が大きい。成膜速度が速いのは、基板Ｋが多量のプラズマに曝されているためである。また、屈折率の値から見て、この薄膜はシリコンや炭素を多く含んだ組成であるため、良好な絶縁性が得られ難い。一方、シールド板ＳＰを取り付けた状態で成膜を行った場合は、成膜速度が遅いものの屈折率が小さいことから、良好な絶縁性を示す。その他の実験条件で成膜を行った場合でも、同様な傾向が得られた。また、シールド板ＳＰを取り付けた場合には、取り外した場合に比べてプラズマダメージが抑制されるため、良好な界面特性が得られる。

このように、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置１によると、複数の貫通孔が形成されたシールド板ＳＰをチャンバー２内に設け、基板Ｋを薄膜被形成面ＫＦを鉛直方向下方に向けて保持可能とするという簡単な構成で、プラズマダメージの問題もパーティクルの堆積の問題も解決することができる。つまり、質の良い成薄が簡単な装置構成で実現でき、装置の低コスト化を図ることができる。

上の実施形態において、シールド板ＳＰにおける貫通孔は、縦横等間隔に形成された格子状の網目としたが、例えばパンチングにより円形状に形成されたものとすることも可能である。その他、プラズマＣＶＤ装置１の全体または各部の構成、構造、形状、材質、個数、反応ガスの種類、及び各種圧力値などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。

本発明に係るプラズマＣＶＤ装置の正面一部断面図である。本発明の要部を示す分解斜視一部切断図である。

符号の説明

１プラズマＣＶＤ装置
２チャンバー
３基板保持部
４真空発生部（減圧部）
５ガス導入部
６誘導コイル（プラズマ発生部）
２１プラズマ生成室（下室）
２２薄膜形成室（上室）
Ｋ基板
ＫＦ薄膜被形成面
ＳＰシールド板

Claims

チャンバーと、前記チャンバー内の圧力を真空圧力まで減圧する減圧部と、前記チャンバー内に設けられ成膜の対象となる基板を保持するための基板保持部と、形成すべき薄膜に応じて選択されたガスを前記チャンバー内に導入するガス導入部と、前記ガスの分子をプラズマエネルギーにより活性化するプラズマ発生部とを有するプラズマＣＶＤ装置において、複数の貫通穴が形成され前記チャンバー内を下室と上室とに隔絶するシールド板を備え、前記下室は前記ガス導入部に連接し、前記上室は前記減圧部に連接するとともに内部に前記基板保持部を備え、前記基板保持部は前記基板をその薄膜被形成面を鉛直下方に向けて保持可能とされてなることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
前記シールド板には、前記複数の貫通孔が１インチ四方あたりに４００個以上形成されてなる請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記ガスがヘキサメチルジシラザンガスを含んでなる請求項１または請求項２記載のプラズマＣＶＤ装置。