JP2009010144A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハの変形を防止しつつウエハを充分かつスループットよく昇温させる。
【解決手段】処理室１４を形成した処理容器１１と、処理室１４内に設置されてウエハ１を保持するサセプタ２１と、ウエハ１をサセプタ２１の上から浮かせるリフトピン２６と、サセプタ２１上のウエハ１を加熱するプレートヒータ２２と、反応ガスをウエハ１に向けて供給するガスヘッド３０と、反応ガスを励起させる筒状電極１５と、磁界を形成する筒状磁石１９とを備えているＭＭＴ装置において、リフトピン２６で浮かされたリフトピン２６上のウエハ１を加熱するランプヒータ４０を設ける。ウエハをサセプタから浮かせた状態で短時間だけプレートヒータとランプヒータで加熱することで、ウエハ上面と下面の温度上昇を均一にしてウエハの膨張の不均一をなくしウエハの反りを抑制できるので、再現性のよいプラズマを生成でき、また、スループットを向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板処理装置に関し、例えば、半導体素子を含む半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法において、ＩＣが作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に酸化や窒化等の拡散処理を施したり薄膜を形成したりエッチングしたりする等の各種のプラズマ処理を施すＭＭＴ（Modified Magnetron Typed）装置に利用して有効な技術に関する。

多層配線構造をなすＩＣは、 シリコンウエハの表面に成膜とパターンエッチングを繰り返して行うことで製造されている。
例えば、フラッシュメモリと呼ばれるＩＣの製造方法において、シリコンウエハとその上層のゲート構造は、下層からフローティングゲート、コントロールゲート、電極といったような多層構造によって構築されている。
これらの構造を形成するための膜として、例えば、フローティングゲートにはポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜が使用されたり、電極にはタングステン（Ｗ）等の金属材料およびその化合物が使用されたりしている。
一般に、これらの膜はＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ) 装置やスパッタ装置等を用いて形成される。
しかし、これらの構造体（ゲート構造等）も薄膜化や小型化されるに従って、各層間のリーク電流が無視できないものとなっている。
また、通常、これらの構造の周囲は窒化膜やパッシベーション膜によって覆われ、エッジ部分からのリーク電流が抑制されているが、 半導体素子の微細化に伴いサイドウオールからのリーク電流もまた無視できなくなってきている。

フラッシュメモリのゲート構造においては、コントロールゲート電極としてタングステン等の金属およびその化合物が使用されている。
しかし、従来まで使用されてきた酸化方法では、これら金属元素までも酸化してしまうため、コントロールゲート電極部分の抵抗増加を引き起こしている。
また、同時に露出した金属部分がウエハ処理時に雰囲気中に昇華し、 処理容器もしくはウエハに付着してしまい、許容することができない金属汚染を引き起こしている。
これらの処理には選択酸化と呼ばれる、金属は酸化させずにシリコン面のみを酸化する技術が開発されつつある。
しかし、この選択酸化を熱処理にて実施しようとした場合には、コントロールゲート部分の酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）とポリシリコンとの界面にバーズビークと呼ばれる酸化膜が発生し、闘値電圧変動の原因となっている。

この現象をなくすためには、プラズマを用いた選択酸化がバーズビークの抑制に効果があることが、判明している。
一方で、プラズマ処理を用いた選択酸化は熱処理ほど高温の処理ではないために、酸化膜質が不充分でリーク電流を充分に抑制することができないことが判明している。
サイドウオール部分のリーク電流を抑制するためには、 ウエハ温度をさらに上げてプラズマ処理を行うことにより、酸化膜質を向上させることが必要である。

ところで、ＩＣの製造方法において、ウエハに酸化や窒化等の拡散処理を施したり薄膜を形成したりエッチングしたりするのに、電界と磁界とによって高密度プラズマを生成可能な変形マグネトロン型プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）を用いてウエハをプラズマ処理するＭＭＴ装置が使用される場合がある。

従来のこの種のＭＭＴ装置は、石英等によって形成された処理容器と、処理容器内に設置されてウエハを保持するサセプタと、サセプタに内蔵されてウエハを５００℃程度にまで加熱するプレートヒータと、反応ガスをウエハに向けてシャワー状に供給するシャワーヘッドと、反応ガスを励起させる放電手段としての筒状電極と、磁界形成手段としての筒状磁石とを備えている。
そして、サセプタの上に載置したウエハをプレートヒータによって５００℃程度にまで加熱するとともに、処理容器内を所定の圧力に維持しつつ、反応ガスをウエハにシャワーヘッドによってシャワー状に供給し、筒状電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに、筒状磁石によって磁界をかけてマグネトロン放電を起こすことにより、ウエハに所望のプラズマ処理が施される。
この際に、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ために、高密度プラズマを生成することができる。

しかし、従来のＭＭＴ装置で使用しているプレートヒータのみでのウエハ温度の上昇は、略限界に達しており、さらにヒータ温度を上げるには、さらに耐久温度の高い材質によってプレートヒータを作成することが、必要である。
しかし、この場合にはヒータ素材が高価になり、出力の向上に伴ってヒータ配線への負荷が高まるため、現実には難しい。
したがって、他の昇温手段と組み合わせることにより、 例えば、ランプヒータとプレートヒータとを組み合わせてウエハを加熱することにより、ウエハ温度の上昇を図ることが考えられている。

しかし、ランプヒータの使用によってウエハ温度上昇を図る場合には、ウエハに対する熱の供給方法が従来とは変わってくるために、従来のウエハ加熱制御方法ではウエハ温度をうまく制御できないことが究明された。
端的には、ウエハ局部に熱が集中するために、その部分のみが極端に膨張し、ウエハ形状が著しく変化して、例えば、ウエハが反った状態のまま処理が進んでしまい、その結果、ウエハ面内の温度が不均一となり、ウエハ面内での処理が均一に施されないということが生じた。
この処理の不均一性に関しては、ウエハ面内の温度不均一にとどまらず、処理容器内でウエハも回路の一部となっているようなプラズマ処理装置においては、 ウエハの変形が回路の形成に影響を与えてしまうために、プラズマ形成が不安定になってしまうという結果をもたらす。
さらに、通常のプレートヒータのみでのウエハ加熱では加熱時間のみで１〜２分程度かかっており、プロセス時間が１枚あたり数分程度であることを考慮した場合、 スループット悪化の原因にもなる。

本発明の目的は、基板の変形を防止しつつ基板を充分かつスループットよく昇温させることができる基板処理装置を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）処理容器内に設けられて基板が載せられるサセプタと、
前記サセプタに設けられた第一ヒータと、
前記基板を前記サセプタの上から浮かせるリフトピンと、
前記リフトピンによって浮かされた前記リフトピン上の前記基板を加熱する第二ヒータと、を備えている基板処理装置。
（２）前記（１）の基板処理装置を使用した半導体装置の製造方法であって、
前記基板を前記サセプタに載せる前に、前記第二ヒータによって加熱する半導体装置の製造方法。

前記（１）によれば、処理容器内に搬入された基板を加熱する際に、通常はサセプタ上で基板を浮かせた状態で、第一ヒータからの熱のみで１〜２分程度加熱してから、基板をサセプタに接地させるところを、基板をサセプタから浮かせた状態でごく短時間（数秒〜数十秒程度）第二ヒータによって加熱することにより、基板上面と下面との温度上昇を均一にして基板の膨張の不均一をなくすことができるので、基板の反りを抑制することができる。
その結果、基板処理装置による基板の処理を安定させることができる。
また、基板の反りを抑制することによって、例えば、プラズマ処理において再現性のよいプラズマを作ることができる。
さらに、ごく短時問（数秒〜数十秒程度) の加熱をもって、基板をサセブタに接地させることできるようになるために、スループットを高めることができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、図１および図２に示されているように、ＭＭＴ装置として構成されている。
ＭＭＴ装置１０は処理容器１１を備えている。処理容器１１は下側容器１２と上側容器１３とによって形成されており、処理室１４を形成している。
下側容器１２はアルミニウムが使用されて碗形状に形成されている。
上側容器１３は石英や酸化アルミニウム等の熱を透過する非金属材料が使用されてドーム形状に形成されている。上側容器１３は下側容器１２の上に被せられている。

処理容器１１の上側容器１３の外周には、反応ガスを励起させる放電手段としての筒状電極１５が設置されており、筒状電極１５は処理室１４内のプラズマ生成領域１６（図２参照）を囲んでいる。筒状電極１５は筒状、例えば円筒状に形成されている。
筒状電極１５には高周波電力を印加する高周波電源１７が、インピーダンスの整合を行う整合器１８を介して接続されている。

筒状電極１５の外側表面には磁界形成手段としての筒状磁石１９が上下で一対、筒状電極１５の上端部および下端部の近傍にそれぞれ設置されている。
筒状磁石１９は筒状、例えば円筒状の永久磁石によって構成されている。
上下の筒状磁石１９、１９は、処理室１４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１９、１９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１５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１５および筒状磁石１９の周囲には、筒状電極１５および筒状磁石１９によって形成された電界や磁界を遮蔽する遮蔽板２０が設けられている。
遮蔽板２０は筒状電極１５および筒状磁石１９によって形成された電界や磁界が外部環境や他の基板処理装置等の装置に悪影響を及ぼさないようになっている。

処理室１４の底側中央には、基板であるウエハ１を保持するための基板保持具（基板保持手段）としてのサセプタ２１が配置されており、サセプタ２１の内部には第一ヒータとしてのプレートヒータ２２が埋め込まれている。すなわち、サセプタ２１はウエハ１を保持するとともに、加熱することができるように構成されている。
プレートヒータ２２は電力が印加されることにより、ウエハ１を５００℃程度にまで加熱することができるように構成されている。
サセプタ２１は例えば石英や窒化アルミニウムやセラミックス等の非金属材料によって形成されている。このような非金属材料によってサセプタ２１を形成することにより、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減することができる。

さらに、サセプタ２１の内部には、インピーダンスを変化させるためのインピーダンス用電極（図示せず）が装備されており、インピーダンス用電極がインピーダンス可変機構２３を介して接地されている。
インピーダンス可変機構２３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、インピーダンス用電極およびサセプタ２１を介してウエハ１の電位を制御することができるようになっている。

サセプタ２１は下側容器１２と絶縁されており、サセプタ２１を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２４が設けられている。
サセプタ２１には貫通孔２５が設けられており、下側容器１２の底面上にはリフトピンとしてのウエハ突き上げピン２６が少なくとも３箇所に設けられている。
そして、貫通孔２５およびウエハ突き上げピン２６は、サセプタ昇降機構２４によってサセプタ２１が下降させられた時には、ウエハ突き上げピン２６がサセプタ２１と非接触な状態で貫通孔２５を突き抜けるような位置関係となるように配置されている。

下側容器１２の側壁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、図示しない搬送機構（搬送手段）により処理室１４に対してウエハ１を搬入または搬出することができ、また、ゲートバルブ２７が閉まっている時には、処理室１４を気密に閉じることができる。

処理室１４の上部にはガスヘッド３０が設けられている。
ガスヘッド３０はキャップ状の蓋体３１とガス導入口３２とバッファ室３３とガス吹出口３４とを備えている。バッファ室３３はガス導入口３２より導入されたガスを分散するための分散空間を構成している。

ガス導入口３２にはガスを供給するガス供給管３５が接続されており、ガス供給管３５は開閉弁であるバルブ３６および流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ３７を介して反応ガスのガスボンベ（図示せず）に接続されている。

ガスヘッド３０の上にはランプヒータユニット３８が設置されている。
ランプヒータユニット３８はガスヘッド３０の上方を覆う筐体３９を備えており、筐体３９内には第二ヒータとしての複数のランプヒータ４０および反射板４１が設置されている。反射板４１はランプヒータ４０の熱（赤外線や遠赤外線等の熱線）をウエハ１へ反射させるように構成されている。

下側容器１２の側壁にはガスを排気するガス排気口４２が設けられており、ガス排気口４２にはガスを排気するガス排気管４３が接続されている。ガス排気管４３は圧力調整器であるＡＰＣ４４、開閉弁であるバルブ４５を介して排気装置である真空ポンプ４６に接続されている。
ガス排気口４２は、ガスヘッド３０から処理室１４に供給された反応ガスが基板処理後にサセプタ２１の周囲から処理室１４の底方向へ流れるように、設定されている。

ＭＭＴ装置１０は制御部（制御手段）としてのコントローラ５０を備えている。
コントローラ５０はＡＰＣ４４、バルブ４５、真空ポンプ４６を信号線Ａを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０はサセプタ昇降機構２４を信号線Ｂを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０はゲートバルブ２７を信号線Ｃを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０は整合器１８、高周波電源１７を信号線Ｄを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０は、バルブ３６、マスフローコントローラ３７を信号線Ｅを通じて制御するように構成されている。
さらに、コントローラ５０はサセプタに埋め込まれたプレートヒータ２２やインピーダンス可変機構２３およびランプヒータ４０を、図示しない信号線を通じて制御するよう構成されている。

次に、前記構成に係るＭＭＴ装置１０を使用して、ウエハ１に窒化または酸化を施す方法を説明する。

まず、予熱ステップを示す図１に示されているように、サセプタ２１は下がった状態になっており、ウエハ突き上げピン２６の先端がサセプタ２１の貫通孔２５を通過して、サセプタ２１の表面よりも所定の高さ分だけ突き出た状態となっている。
この状態で、下側容器１２に設けられたゲートバルブ２７が開かれ、図中省略の搬送機構によってウエハ１が処理室１４内に搬入され、ウエハ突き上げピン２６の先端の上に移載される。
搬送機構が処理室１４の外へ退避すると、ゲートバルブ２７が閉じられる。
処理室１４内の圧力は０．１〜１００Ｐａの範囲内の所定の圧力に、真空ポンプ４６およびＡＰＣ４４によって維持される。

この際には、サセプタ２１に埋め込まれたプレートヒータ２２は予め昇温されているので、ウエハ突き上げピン２６の上に移載されたウエハ１は輻射によって予熱される。
このウエハ１がウエハ突き上げピン２６の上に乗ってサセプタ２１から浮かされた状態で、ランプヒータ４０が数秒〜数十秒程度の駆動されることにより、図１に示されているように、ウエハ１はランプヒータ４０とプレートヒータ２２との両方によって同時に予熱される。予熱温度は約３００℃である。
この際には、ウエハ１はサセプタ２１から浮かされた状態になっており、ランプヒータ４０とプレートヒータ２２との両方によって上下両面からごく短時間（数秒〜数十秒程度）加熱されることにより、ウエハの上面と下面との温度上昇が均一になるために、ウエハの膨張の不均一をなくすことができ、その結果、ウエハ１が加熱によって反ったり変形したりするのを未然に防止することができる。

ランプヒータ４０の駆動から数秒〜数十秒程度の所定の予熱期間が経過すると、サセプタ２１がサセプタ昇降機構２４によって上昇される。この上昇により、ウエハ突き上げピン２６の上のウエハ１がサセプタ２１の上面に移載される。
その後に、図２に示されているように、サセプタ２１はサセプタ昇降機構２４によって、ウエハ１を処理する位置まで上昇される。

サセプタ２１に移載されたウエハ１はプレートヒータ２２の熱伝導によって熱伝達効率よく加熱され、室温〜７００℃の範囲内の所定の処理温度に迅速に昇温される。
この時に、ウエハ１は予熱されていることにより、所定の処理温度までの加熱時間を短縮することができるので、例え予熱時間が介在しても全体としてのスループットは高めることができる。
また、ランプヒータ４０によってウエハ１を同時に加熱することにより、所定の温度までの加熱時間をより一層短縮させるようにしてもよい。

ウエハ１の温度が所定の処理温度（例えば、４００℃）に達して安定したところで、プラズマ処理ステップを示す図２に示されているように、窒素（Ｎ₂ ）ガスまたは酸素（Ｏ₂ ）ガスが所定の反応ガスＧとして、ガス導入口３２からガス吹出口３４を介して処理室１４に配置されたウエハ１の上面（処理面）に向けて導入される。

他方、高周波電力が筒状電極１５に高周波電源１７から整合器１８を介して印加される。印加する電力は１５０〜２００Ｗの範囲内の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２３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。
筒状磁石１９、１９の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、図２に示されているように、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１６に高密度プラズマが生成される。
処理室１４内へ導入された反応ガスＧとしての窒素ガスまたは酸素ガスは、プラズマ生成領域１６において乖離し、活性化粒子（ＮラジカルやＯラジカル）を生成し、ウエハ１に所定のプラズマ処理としての窒化または酸化をシリコンおよび金属に施す。

予め設定された処理時間が経過すると、バルブ３６が閉じられてガス吹出口３４からの窒素ガスまたは酸素ガスの供給が停止されるとともに、筒状電極１５への高周波電力の印加が停止される。

次いで、処理室１４内の圧力が搬送機構の設置室である真空搬送室（図示せず）と同圧化された後に、処理済みのウエハ１は前述したウエハ搬入時と逆の手順で処理室１４外へ搬送される。

なお、コントローラ５０により、高周波電源１７の電力ＯＮ・ＯＦＦ、整合器１８の調整、バルブ３６の開閉、マスフローコントローラ３７の流量、ＡＰＣ４４の弁開度、バルブ４５の開閉、真空ポンプ４６の起動・停止、サセブタ昇降機構２４の昇降動作、ゲートバルブ２７の開閉、サセプタ２１に埋め込まれたプレートヒータ２２に高周波電力を印加する高周波電源（図示せず）への電力ＯＮ・ＯＦＦ、ランプヒータ４０に電力を印加する電源（図示せず）への電力ＯＮ・ＯＦＦをそれぞれが制御される。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

1) リフトピン上のウエハを加熱するランプヒータをプレートヒータとは別に設け、ウエハをサセプタから浮かした状態で、ウエハをランプヒータとプレートヒータとの両方によって上下両面からごく短時間（３秒〜３０秒程度）加熱することにより、ウエハの上面と下面との温度上昇を均一にさせてウエハの膨張の不均一をなくすことができるので、ウエハが加熱によって反ったり変形したりするのを防止することができる。

2) ウエハがサセプタに移載されて熱伝導によって加熱される前に、ウエハをサセプタから浮かした状態で、ウエハをランプヒータとプレートヒータとの両方によって上下両面からごく短時間（数秒〜数十秒程度）予熱することにより、ウエハの所定の処理温度までの加熱時間を短縮することができるので、例え予熱時間が介在しても全体としてのスループットは高めることができる。

3) ウエハの反りや変形を防止することにより、ウエハが反った状態のまま処理が進んでウエハ面内の温度が不均一となってウエハ面内での処理が均一に施されないという現象や、ウエハの反りや変形の影響がプラズマの形成に及んでプラズマ形成が不安定になってしまう現象が発生するのを未然に防止することができるので、プラズマ処理の状態をウエハ面内で均一化することができる。

図３および図４は１ロット内の膜厚再現性を示す各グラフである。
図３および図４において、縦軸には膜厚（Å）が取られ、横軸には１ロット内のウエハ番号率が取られている。
図３は搬入したウエハをリフトピン上に置かずに直接サセプタ上に置いた場合（以下、従来例という。）を示しており、図４は搬入したウエハをリフトピン上に置いた場合（以下、本実施の形態の場合という。）を示している。
図３と図４の比較から明らかな通り、本実施の形態の場合は従来例に比べて、膜厚の再現性が良好であり、また、ウエハ相互間の膜厚のばらつきも良好である。
これは、ウエハをランプヒータによって予熱することにより、ウエハが反ったり変形するのを防止することができるためと、考察される。
なお、実験条件は次の通りである。
図３の場合。
設定温度：９００℃＋ランプ出力：５０％、水素／酸素＝３５６／４４、圧力：１００Ｐａ、電力：３５０Ｗ、処理時間：２４０秒、プレヒート時間：６０秒。
図４の場合。
設定温度：９００℃＋ランプ出力：５０％、酸素：４００ｓｃｃｍ、圧力：１００Ｐａ、電力：３５０Ｗ、処理時間：２４０秒、プレヒート時間：３０秒。

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。

第二ヒータはランプヒータによって構成するに限らず、他の輻射型のヒータによって構成してもよい。

最初にプレートヒータによってウエハを加熱し、その後、ウエハを浮かせた状態でランプヒータの加熱をも実施してもよい。
但し、プレートヒータの熱伝導による加熱力はランプヒータの加熱力よりも大きいので、ウエハとプレートヒータとの温度差が大きいと、ウエハの反りが発生し易い。
ウエハをリフトピンに乗せた状態で、プレートヒータの輻射によって加熱することもできるが、時間がかかってしまう。

本発明の一実施の形態であるＭＭＴ装置を示す概略構成図であり、予熱ステップを示している。 そのプラズマ処理ステップを示す概略構成図である。 １ロット内の膜厚再現性を示すグラフであり、従来例の場合を示している。 １ロット内の膜厚再現性を示すグラフであり、本実施の形態の場合を示している。

符号の説明

１…ウエハ、１０…ＭＭＴ装置（基板処理装置）、１１…処理容器、１２…下側容器、１３…上側容器、１４…処理室、１５…筒状電極（放電手段）、１６…プラズマ生成領域、１７…高周波電源、１８…整合器、１９…筒状磁石（磁界形成手段）、２０…遮蔽板、２１…サセプタ、２２…プレートヒータ（第一ヒータ）、２３…インピーダンス可変機構、２４…サセプタ昇降機構、２５…貫通孔、２６…ウエハ突き上げピン（リフトピン）、２７…ゲートバルブ、３０…ガスヘッド、３１…キャップ状の蓋体、３２…ガス導入口、３３…バッファ室、３４…ガス吹出口、３５…ガス供給管、３６…バルブ、３７…マスフローコントローラ、３８…ランプヒータユニット、３９…筐体、４０…ランプヒータ（第二ヒータ）、４１…反射板、４２…ガス排気口、４３…ガス排気管、４４…ＡＰＣ、４５…バルブ、４６…真空ポンプ、５０…コントローラ。

Claims (1)

1. 処理容器内に設けられて基板が載せられるサセプタと、
   前記サセプタに設けられた第一ヒータと、
   前記基板を前記サセプタの上から浮かせるリフトピンと、
   前記リフトピンによって浮かされた前記リフトピン上の前記基板を加熱する第二ヒータと、
   を備えている基板処理装置。

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