JP4572100B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、特に半導体基板上に薄膜を形成するためのプラズマCVD装置に関する。

従来、半導体デバイス製造分野において、プラズマCVD、ドライエッチング等のプラズマ処理が多用されている。概して、プラズマ処理装置は、真空排気された反応チャンバ、反応チャンバ内に設置された半導体基板を載置するためのサセプタ、該サセプタに対向して平行に反応チャンバ内に設置されたシャワーヘッドを含む。サセプタは接地されプラズマ放電の一方の電極を画成し、シャワーヘッドは反応チャンバ外部に設けられた高周波電源に接続されプラズマ放電のもう一方の電極を画成する。シャワーヘッドの上部天板にはガス導入孔が設けられ、反応ガス導入配管は、リング状の絶縁体を介して上部天板に結合される。高周波電力は高周波マッチングボックスを介してシャワーヘッドの上部天板に印加される。

高周波電力が印加されると、上部天板と接地電位であるガス導入配管の内壁との間には電位差が生じるため、高周波が上部天板から配管側に流れる現象が起こり、両者の間にプラズマが発生して処理ガスの解離が生じる。その結果、ガス導入配管内側及びガス導入孔に生成物が付着し、それが剥離してシャワーヘッドを通過して汚染源となる。またプラズマ放電により配管内部の部品が腐食し、そこから金属粉が発生してそれが汚染源となる。

このような汚染は半導体製品の信頼性を著しく低下させるだけでなく、歩留まりを低下させ、製造コストの増大につながる。また、配管内部でプラズマ放電が起こることにより、配管内の劣化が生じる。これにより、配管交換の頻度が上がり、コストパフォーマンスが低下する。さらに、半導体製品の生産性が低下する。

本願発明は上記問題に鑑みて為されたものであり、その目的は、ガス導入配管内部及びガス導入孔でのプラズマ放電の発生を抑制し、汚染物質の付着を防止するプラズマ処理装置を与えることである。

上記課題を達成するために本発明に係るプラズマ処理装置は以下のような特徴を有する。

本発明の態様は、反応チャンバと、反応チャンバ内部に反応ガスを導入するためのガス導入配管と、反応チャンバ内に設置され反応ガスを反応チャンバ内に導入するためのガス導入孔を設けた上部電極と、ガス導入配管と上部電極との間に装着されたリング状の絶縁体とを有するプラズマ処理装置において、ガス導入配管及びガス導入孔の内部に円筒状の絶縁体を装着したことを特徴とする。

好適には、上記各絶縁体は一体的に形成されているが、別個に形成されていてもよい。

上記絶縁体は、アルミニウム若しくはマグネシウムの酸化物または窒化物であるが、好適には、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムから成る集合から選択される。他に、絶縁体は、フッ素系樹脂であってもよい。

本発明に係るプラズマ処理装置によれば、ガス導入配管の内部及びガス導入孔でのプラズマ放電の発生を抑制でき、ガス導入配管内壁面及びガス導入孔に生成物が付着したり、上部電極がプラズマにより劣化したりして汚染源となることを防止することができる。その結果、歩留まりの低下、配管交換の頻度の増加、コストパフォーマンスの低下、及び半導体製品の生産性の低下を防止することができる。

以下、図面を参照しながら本願発明を詳細に説明する。図１は本発明に係るプラズマ処理装置を略示したものである。ここで、プラズマCVD装置を例示しているが、本願発明はこれ以外のプラズマ処理装置に応用することもできる。

プラズマCVD装置1は、反応チャンバ2を含む。反応チャンバ2内には半導体ウエハ9を載置するためのサセプタ3が設置されている。サセプタ3は加熱ヒータブロック5によって支持され、接地されて、プラズマ放電の一方の電極を画成する。反応チャンバ2内には、サセプタ3と対向して平行にシャワーヘッド4が設置されている。シャワーヘッド4の下部のシャワープレート28の底面には反応ガスを半導体ウエハ9に均一に噴射するための数千個の細孔（図示せず）が施されている。シャワーヘッド4の上面には導電性部材から成る天板12が設けられている。シャワープレート28と天板12との間にはガス拡散板21が設けられている（図２参照）。反応ガスを反応チャンバ2内に導入するためのガス導入配管6がシャワーヘッド4の天板12に設けられたガス導入孔11に結合されている。ガス導入配管6から供給された反応ガスはシャワーヘッドのガス拡散板21で拡散された後、細孔を通じて半導体ウエハ9上に均一に噴射される。反応チャンバ2には排気口7が設けられており、外部の真空ポンプ（図示せず）と結合されている。反応チャンバ2の外部には高周波電源(8,8’)が設けられ、マッチングボックス10を介して天板12に高周波電力を給電する。プラズマCVD装置1により、半導体ウエハ9上に形成される薄膜は、酸化シリコン膜（例えば、USG、BPSG、PSG、BSG、SiON）、低誘電率のフッ素含有シリコン膜、低誘電率の炭素含有酸化シリコン膜、酸素含有炭化シリコン膜、炭化シリコン膜、窒化シリコン膜、アモルファスシリコン膜などである。

図２は、図１の領域13を拡大したものである。図２(A)は従来のプラズマCVD装置を示す。上記したように、従来のプラズマCVD装置において、天板12とガス導入配管6との間にはリング状の絶縁体20が設けられている。天板12に高周波電力が印加されると、ガス導入配管6との間に電位差が生じ、発生したプラズマ放電22が天板12に設けられたガス導入孔11を通過してガス導入配管6内部まで進入する。その結果、ガス導入配管6内部において、反応ガスの解離が生じ、ガス導入配管6の内壁面及びガス導入孔11に生成物が付着する。

図２(B)は本発明に係る改良されたプラズマCVD装置のガス導入部分を拡大したものである。本発明では、ガス導入配管6及びガス導入孔11の内側に円筒状の絶縁体27が装着される。絶縁体27の軸方向の長さは、少なくとも、配管内側全体及びガス導入孔11まで伸長しなければならない。リング状絶縁体20及び円筒状絶縁体27は、好適には一体成形されるが、別々に製造されて組み合わされてもよい。

絶縁体27は、アルミニウム若しくはマグネシウムの窒化物若しくは酸化物、またはフッ素系樹脂から成る。好適には、絶縁体の材料は、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム及びフッ素系樹脂（例えば、ポリジフルオロメチレン（商品名：テフロン（登録商標））から成る集合から選択される。円筒状絶縁体27の半径方向の厚さは、３ｍｍ〜２０ｍｍであり、好適には３ｍｍ〜１０ｍｍである。絶縁体の軸方向長及び半径方向の厚さは任意に選択可能である。

本発明によれば、ガス導入配管6の内壁面及びガス導入孔11が絶縁体で覆われるため、プラズマ放電の発生が抑制される。

従来のプラズマCVD装置と本発明に係るプラズマCVD装置を用いて薄膜形成実験を行ったので説明する。成膜したのは酸素ドープ炭化シリコン膜及び窒素ドープ炭化シリコン膜である。それぞれの膜は以下の実験条件で成膜された。成膜したウエハの枚数は２５枚である。
（１）膜種：酸素ドープ炭化シリコン膜
原料ガス：テトラメチルシラン ５００sccm
ヘリウム ３.５slm
二酸化炭素 ３.０slm
第１高周波電源(HRF)：２７MHz
第２高周波電源(LRF)：４００KHz
基板：φ３００ｍｍ シリコン基板
クリーニング頻度：枚葉
（２）膜種：窒素ドープ炭化シリコン膜
原料ガス：テトラメチルシラン ４００sccm
アンモニア ６００sccm
ヘリウム ４.０slm
第１高周波電源(HRF)：２７MHz
第２高周波電源(LRF)：４００KHz
基板：φ３００ｍｍ シリコン基板
クリーニング頻度：枚葉

この条件で従来のプラズマCVD装置及び本発明のプラズマCVD装置を使って成膜実験を行い、２５枚のうちから任意に抜き取った１枚の半導体ウエハについて、成膜中のそれぞれの装置における上部電極のDCバイアス電圧Vdcの経時変化を測定した。図３にその結果を示す。尚、図３の測定データは窒素ドープ炭化シリコン膜を成膜したものである。

従来のプラズマCVD装置を使用した成膜実験では、Vdc波形30はプラス側に存在し、ガス導入配管6内部及びガス導入孔11においてプラズマ放電の発生を目視確認することができた。一方、本発明に係るプラズマCVD装置を使用した成膜実験では、Vdc波形31はマイナス側に存在し、ガス導入配管6内部及びガス導入孔においてプラズマ放電の発生は確認できなかった。

図１は、プラズマCVD装置を略示したものである。 図２(A)は、従来のプラズマCVD装置のガス導入部付近の拡大図であり、図２(B)は、本発明に係るプラズマCVD装置のガス導入部付近の拡大図である。 図３は、成膜処理時の上部電極のDCバイアス電圧を、従来のプラズマCVD装置と本発明に係るプラズマCVD装置とで比較したものである。

Claims (11)

1. 反応チャンバと、前記反応チャンバ内部に反応ガスを導入するためのガス導入配管と、前記反応チャンバ内に設置され前記反応ガスを前記反応チャンバ内に導入するためのガス導入孔を設け、高周波電源から高周波電力が給電される上部電極と、前記ガス導入配管と前記上部電極との間に装着されたリング状の絶縁体とを有するプラズマ処理装置において、前記ガス導入配管及び前記ガス導入孔の内部に円筒状の絶縁体を装着したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、各前記絶縁体は一体的に形成されている、ところのプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、各前記絶縁体は別個に形成されている、ところのプラズマ処理装置。
4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記絶縁体は、アルミニウム若しくはマグネシウムの酸化物または窒化物である、ところのプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記絶縁体は、フッ素系樹脂である、ところのプラズマ処理装置。
6. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記絶縁体は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウムから成る集合から選択される、ところのプラズマ処理装置。
7. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記円筒状の絶縁体は半径方向に３ｍｍ〜２０ｍｍの厚さを有する、ところのプラズマ処理装置。
8. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記円筒状の絶縁体は半径方向に３ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する、ところのプラズマ処理装置。
9. 半導体基板上にプラズマＣＶＤ法により薄膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装置であって、
   反応チャンバと、
   前記反応チャンバ内に設置された、前記半導体基板を載置するためのサセプタと、
   前記反応チャンバ内に設置され、前記半導体基板に均一に反応ガスを噴射するための前記サセプタと対向して平行に設置されたシャワーヘッドと、
   前記シャワーヘッドに高周波電力を給電するための高周波電源と、
   前記シャワーヘッドに設けたガス導入孔と、
   前記シャワーヘッドにリング状の絶縁体を間に設けて接続されたガス導入配管と、
   から成り、
   前記ガス導入配管及び前記ガス導入孔の内部に円筒状の絶縁体が装着されている、ところの装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、前記絶縁体は、アルミニウム若しくはマグネシウムの酸化物若しくは窒化物、またはフッ素系樹脂から成る、ところの装置。
11. 請求項９に記載の装置であって、前記薄膜は、酸化シリコン膜、フッ素含有シリコン膜、炭素含有酸化シリコン膜、酸素含有炭化シリコン膜、炭化シリコン膜、窒化シリコン膜、アモルファスシリコン膜から成る集合から選択される、ところの装置。

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