JP2012151504A

JP2012151504A - 薄膜形成方法

Info

Publication number: JP2012151504A
Application number: JP2012088111A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Shimayama; 努島山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2012-08-09

Abstract

【課題】ウエハ上に膜厚及び膜質が均一な薄膜を形成できる方法を提供する。
【解決手段】平行平板電極を構成するサセプタ２６にウエハＷを載置し、シャワーヘッド９に高周波を供給してサセプタ２６との間にプラズマを生成し、ウエハＷに薄膜を形成する際に、シャワーヘッド９を内側電極部９１と外側電極部９２に分割するとともに、シャワーヘッド９全体に一応に同じレベルの電圧を供給して薄膜を形成したときに、ウエハＷの周縁部の膜厚が、周縁部よりも内側部分の膜厚よりも薄くなる場合には、内側電極部９１に供給される高周波電力よりも大きな高周波電力を外側電極部９２に供給してウエハＷ上に薄膜を形成し、ウエハＷの周縁部の膜厚が、周縁部よりも内側部分の膜厚よりも厚くなる場合には、内側電極部９１に供給される高周波電力よりも小さな高周波電力を外側電極部９２に供給してウエハＷ上に薄膜を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造工程で用いて好適な薄膜形成方法に関する。

半導体製造工程では、被処理基板となる半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と略称）に絶縁膜等の薄膜を形成するにあたって、平行平板型のプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置が用いられている。この種のプラズマＣＶＤ装置では、上部電極となるシャワーヘッドと下部電極となるサセプタとを真空チャンバ内で対向させて平行平板電極を構成している。そして実際の成膜処理では、ウエハをサセプタに載置して、シャワーヘッドに高周波電力を供給することにより、ウエハの近傍でプラズマを生成し、この状態で真空チャンバ内に材料ガスを導入することにより、ウエハ上に薄膜を形成している。

このようなプラズマＣＶＤ装置を用いてウエハに薄膜を形成する場合、従来では、ウエハ面内で膜厚や膜質などの成膜状態が均一になるように成膜条件を調整している。また、下記特許文献１には、サセプタの周縁部に絶縁リングを埋設することで膜の均一性を改善する技術が記載されている。

特開２００３−３０９１１５号公報

しかしながら、従来のプラズマＣＶＤ装置においては、例えば、材料ガスの流量や排気量、高周波電力などの成膜条件を調整しても、上部電極と下部電極との間に形成されるプラズマの密度分布やそこに供給される材料ガスの流れ方などの影響で、ウエハ上に形成される薄膜に膜厚や膜質などのばらつきが生じることがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、被処理基板上に膜厚及び膜質が均一な薄膜を形成することができる薄膜形成方法を提供することにある。

本発明に係る薄膜形成方法は、平行平板電極を構成する上部電極と下部電極のうち、下部電極に被処理基板を載置するとともに、上部電極に高周波電力を供給して下部電極との間にプラズマを生成し、被処理基板上に薄膜を形成するものであって、上部電極を、下部電極に対向する部位が、下部電極に載置される被処理基板の周縁部に対応する外側電極部と、被処理基板の周縁部よりも内側に対応する内側電極部とに分割し、上部電極全体に一応に同じレベルの電圧を供給して、被処理基板に薄膜を形成したときに、被処理基板の周縁部の膜厚が、周縁部よりも内側部分の膜厚よりも薄くなってしまう場合には、内側電極部に供給される高周波電力よりも大きな高周波電力を外側電極部に供給して、被処理基板上に薄膜を形成し、上部電極全体に一応に同じレベルの電圧を供給して、被処理基板に薄膜を形成したときに、被処理基板の周縁部の膜厚が、周縁部よりも内側部分の膜厚よりも厚くなってしまう場合には、内側電極部に供給される高周波電力よりも小さな高周波電力を外側電極部に供給して、被処理基板上に薄膜を形成するものである。

本発明に係る薄膜形成方法においては、平行平板電極を構成する上部電極及び下部電極のうち、下部電極に対向する部位で上部電極を外側電極部と内側電極部に分割し、それら外側電極部と内側電極部にそれぞれ異なる高周波電力を供給することにより、上部電極と下部電極との間に生成されるプラズマの密度分布を、各々の電極部に供給される高周波電力に応じて変化させることが可能となる。

本発明によれば、下部電極に対向する部位で上部電極を外側電極部と内側電極部に分割して、外側電極部と内側電極部にそれぞれ異なる高周波電力を供給することにより、上部電極と下部電極との間に生成されるプラズマの密度分布を変化させて、被処理基板上に膜厚及び膜質が均一な薄膜を形成することができる。

本発明が適用される平行平板型のプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す側断面図である。本発明の第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の主要部の構成を示す図である。高周波電力と成膜速度・膜厚面内均一性の相関を示す図である。高周波電力と成膜速度・屈折率面内平均の相関を示す図である。高周波電力と成膜速度・誘電率面内平均の相関を示す図である。本発明の第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の主要部の構成を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明が適用される平行平板型のプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す側断面図である。図示したプラズマＣＶＤ装置１は、セラミックス等からなる反応容器本体２と、この反応容器本体２の上部に設けられた開口を閉塞する蓋体３とを備え、これらの反応容器本体２と蓋体３により真空チャンバ４と当該真空チャンバ４に連通するガス排気部５とを形成している。ガス排気部５には配管６が接続されている。また、配管６の終端部には真空ポンプ７が接続され、配管６の途中には調整弁８が設けられている。そして、これらの真空ポンプ７と調整弁８により、真空チャンバ４内の圧力を任意に調整可能となっている。

一方、蓋体３には平面視円形の開口３ａが形成され、この開口３ａに嵌合するかたちで蓋体３にシャワーヘッド９と環状の絶縁体１０が取り付けられている。シャワーヘッド９は、真空チャンバー４内に材料ガスを導入するためのものである。シャワーヘッド９の底面には多数の小さなガス流通孔９ａが所定の間隔で形成され、これらのガス流通孔９ａを通して真空チャンバ４内に材料ガスを導入し得る構成となっている。絶縁体１０は、例えばセラミックス等からなるもので、シャワーヘッド９と蓋体３との間に介在するように取り付けられている。

シャワーヘッド９の上部にはガス取込用のアダプタ部材１１が取り付けられている。アダプタ部材１１は円板形に形成されたもので、その中心部にガス取込口１１ａが形成されている。また、アダプタ部材１１の下面側には分散プレート１２が取り付けられている。分散プレート１２は、ガス取込口１１ａを通して取り込まれた材料ガスをシャワーヘッド９全体に均一に分散させるためのものである。

アダプタ部材１１のガス取込口１１ａには材料ガス供給用の主配管１３が接続されている。主配管１３の途中にはＳｉＨ₄ガスの供給源となる第１のガス供給源１４と、この第１のガス供給源１４から供給されるＳｉＨ₄ガスの供給量を調整する調整弁１５が接続されている。また、主配管１３から延びる副配管１６には第１の分岐配管１７が接続されている。第１の分岐配管１７にはＮ₂ガスの供給源となる第２のガス供給源１８が接続されている。また、副配管１６には第２の分岐配管１９が接続されている。第２の分岐配管１９にはＮＨ₃ガスの供給源となる第３のガス供給源２０が接続されている。さらに、副配管１６には第３の分岐配管２１が接続されている。第３の分岐配管２１にはＨｅガスの供給源となる第４のガス供給源２２が接続されている。

また、第１の分岐配管１７には、第２のガス供給源１８から供給されるＮ₂ガスの供給量を調整する調整弁２３が接続されている。同様に、第２の分岐配管１９には、第３のガス供給源２０から供給されるＮＨ₃ガスの供給量を調整する調整弁２４が接続され、第３の分岐配管２１には、第４のガス供給源２２から供給されるＨｅガスの供給量を調整する調整弁２５が接続されている。なお、ＳｉＨ₄ガス、Ｎ₂ガス、ＮＨ₃ガスは、ウエハＷ上に薄膜を形成するための材料ガスとなるもので、Ｈｅガスは添加ガスとなるものである。

一方、真空チャンバー４内には、上述したシャワーヘッド９の下面（ガス流通孔９ａの形成面）に対向する状態でサセプタ２６が設けられている。シャワーヘッド９及びサセプタ２６は、いずれもアルミニウム等の金属材料（導電性材料）によって形成されるものである。これにより、シャワーヘッド９を上部電極、サセプタ２６を下部電極とした平行平板電極が構成されている。サセプタ２６は、被処理基板となるウエハＷを載置状態に支持するための支持面２６ａを有するもので、電気的にはグランド電位に接地（アース）されている。また、サセプタ２６は、真空チャンバ４内でシャワーヘッド９とサセプタ２６（ウエハＷ）間の対向距離（電極間距離）を任意に調整し得るように、図示しない昇降機構により上下方向に移動可能に支持されている。さらに、サセプタ２６には、ウエハＷを所定の温度に加熱するためのヒーター（不図示）が内蔵されている。

上記構成からなるプラズマＣＶＤ装置を用いてウエハＷの表面（上面）に薄膜を形成する場合は、調整弁８を開いて真空ポンプ７を作動させることにより、真空チャンバ４内を大気圧よりも低い所定の圧力まで減圧する。次に、図示しない高周波電力供給手段を作動してシャワーヘッド９に高周波電力を供給することにより、シャワーヘッド９とサセプタ２６との間に高周波電圧を印加する。これにより、シャワーヘッド９とサセプタ２６との間にプラズマが生成される。このとき、サセプタ２６に載置されているウエハＷの温度は、サセプタ２６に内蔵されたヒーターの作動によって所定の加熱温度に保持される。

続いて、調整弁１５，２３，２４をそれぞれ開くことにより、第１のガス供給源１４からＳｉＨ₄ガスを、第２のガス供給源１８からＮ₂ガスを、第３のガス供給源２０からＮＨ₃ガスをそれぞれ主配管１３に流入し、それらのガスをアダプタ部材１１のガス取込口１１ａを通してシャワーヘッド９の内部に取り込む。こうして取り込まれた各々のガスは、シャワーヘッド９の内部で混合されるとともに、この混合ガスが分散プレート１２で分散されて各々のガス流通孔９ａから真空チャンバ４内に導入される。これにより、シャワーヘッド９とサセプタ２６との間に形成されたプラズマ中で材料ガスが活性化されてラジカルを発生し、このラジカルがウエハＷに堆積することにより、ウエハＷ上にＳｉＮからなる薄膜（絶縁膜）が形成される。

図２（Ａ）は本発明の第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の主要部の構成を示す側断面図であり、図２（Ｂ）は当該プラズマＣＶＤ装置が備えるシャワーヘッド９の底面図である。図においては、上部電極となるシャワーヘッド９が、下部電極となるサセプタ２６に対向する部位で、径方向に２つに分割されている。このうちの１つは、上述した複数のガス流通孔９ａを有する内側電極部９１であり、他の１つは、内側電極部９１の外側に位置する外側電極部９２である。これら内側電極部９１と外側電極部９２の間には、例えばセラミックス等からなる絶縁部材９３が介在しており、この絶縁部材９３によって内側電極部９１と外側電極部９２が電気的に絶縁されている。また、シャワーヘッド９を構成する内側電極部９１、外側電極部９２及び絶縁部材９３は、それぞれ同心円状に配置されている。

外側電極部９２は、サセプタ２６に載置されるウエハＷの周縁部に対応して設けられている。ウエハＷの周縁部とは、ウエハＷの最外周を規定する円からウエハ中心に向かって２０ｍｍ程度（最大で３０ｍｍ）までの部分をいう。このウエハＷの周縁部と対応するように、サセプタ２６との対向部位で外側電極部９２が当該ウェハ周縁部とほぼ同じ位置か、それよりも若干外側（大径側）の位置に配置されている。

また、高周波電力供給手段として、内側電極部９１には高周波電源２７が電気的に接続され、外側電極部９１にはそれと別の高周波電源２８が電気的に接続されている。これにより、内側電極部９１と外側電極部９２に対しては、それぞれに対応する高周波電源２７，２８から個別に高周波電力が供給される構成となっている。

ここで、高周波電源２７の角周波数をω₁、高周波電源２７から内側電極部９１に供給される電流をＩ₁、内側電極部９１とサセプタ２６との間の容量をＣ₁、内側電極部９１とサセプタ２６との間のインピーダンスをＺ₁とすると、内側電極部９１とサセプタ２６との間に印加される高周波電圧Ｖ₁は、次の（１）式で表される。
Ｖ₁＝Ｉ₁Ｚ₁≒Ｉ₁／ｊω₁Ｃ₁…（１）

また、高周波電源２８の角周波数をω₂、高周波電源２８から外側電極部９２に供給される電流をＩ₂、外側電極部９２とサセプタ２６との間の容量をＣ₂、外側電極部９２とサセプタ２６との間のインピーダンスをＺ₂とすると、外側電極部９２とサセプタ２６との間に印加される高周波電圧Ｖ₂は、次の（２）式で表される。
Ｖ₂＝Ｉ₂Ｚ₂≒Ｉ₂／ｊω₂Ｃ₂…（２）

上記構成からなるプラズマＣＶＤ装置においては、高周波電源２７から供給される高周波電力を大きくすると、内側電極部９１とサセプタ２６との間に形成されるプラズマの密度が高くなり、反対に、高周波電源２７から供給される高周波電力を小さくすると、内側電極部９１とサセプタ２６との間に形成されるプラズマの密度が低くなる。同様に、高周波電源２８から供給される高周波電力を大きくすると、外側電極部９２とサセプタ２６との間に形成されるプラズマの密度が高くなり、反対に、高周波電源２８から供給される高周波電力を小さくすると、外側電極部９２とサセプタ２６との間に形成されるプラズマの密度が低くなる。

したがって、高周波電源２７から内側電極部９１に供給される高周波電力と、高周波電源２８から外側電極部９２に供給される高周波電力とを個別に調整することにより、シャワーヘッド９とサセプタ２６との間に形成されるプラズマの密度を、内側電極部９１に対応する部分と外側電極部９２に対応する部分で独立に制御することが可能となる。また、ウエハＷ上に薄膜を形成する際の成膜速度は、シャワーヘッド９に供給される高周波電力にほぼ比例したものとなる。したがって、内側電極部９１に対応する部分と外側電極部９２に対応する部分で、ウエハＷ上での成膜速度を個別に制御することが可能となる。

具体例として、シャワーヘッド９全体に一様に同じレベルの高周波電力を供給してウエハＷ上に薄膜を形成したときに、ウエハＷの周縁部の膜厚が、ウエハ周縁部よりも内側部分（ウエハ中心寄り）の膜厚よりも薄くなってしまう場合は、高周波電源２７から内側電極部９１に供給される高周波電力よりも大きな高周波電力を、高周波電源２８から外側電極部９２に供給してウエハＷ上に薄膜を形成する。これにより、外側電極部９２とサセプタ２６との間に形成されるプラズマの密度を相対的に上げて成膜速度を速めることができる。したがって、ウエハＷの周縁部で膜厚を相対的に厚くして、ウエハ面内での膜厚の均一性を改善することができる。

また、シャワーヘッド９全体に一様に同じレベルの高周波電力を供給してウエハＷ上に薄膜を形成したときに、ウエハＷの周縁部の膜厚が、ウエハ周縁部よりも内側（ウエハ中心寄り）の膜厚よりも厚くなってしまう場合は、高周波電源２７から内側電極部９１に供給される高周波電力よりも小さな高周波電力を、高周波電源２８から外側電極部９２に供給してウエハＷ上に薄膜を形成する。これにより、外側電極部９２とサセプタ２６との間に形成されるプラズマの密度を相対的に下げて成膜速度を遅らせることができる。したがって、ウエハＷの周縁部で膜厚を相対的に薄くして、ウエハ面内での膜厚の均一性を改善することができる。

特に、ウエハ面内ではウエハＷの周縁部とそれよりも内側部分で、膜厚及び膜質などの成膜状態に差が生じやすいため、これに対応して上述のようにシャワーヘッド９を内側電極部９１と外側電極部９２に分割することにより、ウエハ面内での均一性改善に大きく寄与することができる。

また一般に、シャワーヘッド９全体に同一レベルの高周波電力を供給してウエハＷ上に薄膜を形成すると、プラズマの密度分布や材料ガスの流れ方などの影響で、ウエハＷの周縁部の膜厚が、ウエハ周縁部よりも内側部分の膜厚よりも薄くなる場合が多い。したがって、その場合は、図３に示すように、高周波電源２８から外側電極部９２に供給される高周波電力を上昇させて成膜速度を速めることにより、ウエハ面内での膜厚の均一性を改善することができる。

また、ウエハＷ上での成膜速度は、図４及び図５に示すように膜の屈折率や誘電率にも大きな影響を与えるため、上述のように高周波電力を調整することにより、ウエハ面内で屈折率や誘電率の均一性を改善することもできる。

また、高周波電源２７から内側電極部９１に供給される高周波電力と、高周波電源２８から外側電極部９１に供給される高周波電力とを適宜調整することにより、ウエハＷの周縁部とそれよりも内側部分で、薄膜の成膜状態（膜厚、膜質など）を個別に調整することもできる。

さらに、ウエハＷ上に薄膜を形成するにあたって、例えば、高周波電源２７の作動を停止して内側電極部９１に高周波電力を供給せず、高周波電源２８からのみ外側電極部９２に高周波電力を供給することにより、ウエハＷの周縁部だけに薄膜を形成することが可能となる。また、これと反対に、高周波電源２８の作動を停止して外側電極部９２に高周波電力を供給せず、高周波電源２７からのみ内側電極部９１に高周波電力を供給することにより、ウエハＷの周縁部を除く内側部分だけに薄膜を形成することが可能となる。

図６は本発明の第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の主要部の構成を示す側断面図である。この第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置では、上記第１実施形態と比較して、特に高周波電力供給手段の構成が異なるものとなっている。すなわち、図６においては、上述のように分割されたシャワーヘッド９の内側電極部９１及び外側電極部９２に対して高周波電力を供給するために、共通（単一）の高周波電源２９を備えたものとなっている。

また、高周波電源２９の出力端子から延びる電気配線は途中で二股状に分岐している。そして、一方の分岐配線はそのまま内側電極部９１に電気的に接続され、他方の分岐配線は可変抵抗３０を介して外側電極部９２に電気的に接続されている。可変抵抗３０は、高周波電源３０から内側電極部９１及び外側電極部９２に供給される高周波電力を可変調整する調整手段に相当するものである。

ここで、高周波電源２９の角周波数をω、この高周波電源２９から供給される電流Ｉ（Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂）のうち、内側電極部９１に供給される電流をＩ₁、外側電極部９２に供給される電流をＩ₂、内側電極部９１とサセプタ２６との間の容量をＣ₁、外側電極部９２とサセプタ２６との間の容量をＣ₂、内側電極部９１とサセプタ２６との間のインピーダンスをＺ₁、可変抵抗３０を含めて外側電極部９２とサセプタ２６との間のインピーダンスをＺ₂、可変抵抗３０の抵抗値をＲとすると、内側電極部９１とサセプタ２６との間に印加される高周波電圧Ｖ₁は次の（３）式で表され、外側電極部９２とサセプタ２６との間に印加される高周波電圧Ｖ₂は次の（４）式で表される。
Ｖ₁＝Ｉ₁Ｚ₁≒Ｉ₁／ｊωＣ₁…（３）
Ｖ₂＝Ｉ₂Ｚ₂≒Ｉ₂Ｒ＋Ｉ₂／ｊωＣ₂…（４）
但し、Ｖ₁＝Ｖ₂

これにより、外側電極部９２とサセプタ２６との間に印加される高周波電圧Ｖ₂は、可変抵抗３０の抵抗値Ｒを大きくすると、これにしたがって大きくなり、逆に可変抵抗３０の抵抗値Ｒを小さくすると、これにしたがって小さくなる。よって、外側電極部９２に供給される高周波電力Ｐ₂は、可変抵抗３０の抵抗値を変化させることによって任意に調整可能となる。この場合の高周波電力Ｐ２と可変抵抗３０の抵抗値の関係は、次の（５）式で表される。
Ｐ₂＝Ｉ₂Ｖ₂＝Ｉ₂・Ｉ₂Ｚ₂≒Ｉ₂・Ｉ₂Ｒ＋Ｉ₂・Ｉ₂／ｊωＣ₂…（５）

また、可変抵抗３０の抵抗値を変化させると、内側電極部９１に供給される高周波電力Ｐ₁は、次の（６）式にしたがって変化する。
Ｐ₁＝Ｉ₁Ｖ₁＝Ｉ₁・Ｉ₁Ｚ₁≒Ｉ₁・Ｉ₁／ｊωＣ₁…（６）

上記構成からなるプラズマＣＶＤ装置においては、可変抵抗３０の抵抗値を適宜設定することにより、共通の高周波電源２９を用いて、内側電極部９１と外側電極部９２にそれぞれ異なる高周波電力を供給することができる。したがって、シャワーヘッド９を複数の電極部に分割した場合に、各々の電極部ごとに高周波電源を用意しなくても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施形態においては、サセプタ２６に対向するシャワーヘッド９の電極部分を、径方向で内側、外側の２つに分割するものとしたが、これを３つ又はそれ以上の個数で分割してもよい。また、分割する方向も径方向に限らず、任意の方向（例えば、円周方向など）で分割することも可能である。

1…プラズマＣＶＤ装置、9…シャワーヘッド（上部電極）、２６…サセプタ（下部電極）、２７，２８，２９…高周波電源、３０…可変抵抗、９１…内側電極部、９２…外側電極部、９３…絶縁部材、Ｗ…ウエハ

Claims

平行平板電極を構成する上部電極と下部電極のうち、前記下部電極に被処理基板を載置するとともに、前記上部電極に高周波電力を供給して前記下部電極との間にプラズマを生成し、前記被処理基板上に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
前記上部電極を、前記下部電極に対向する部位が、前記下部電極に載置される前記被処理基板の周縁部に対応する外側電極部と、前記被処理基板の前記周縁部よりも内側に対応する内側電極部とに分割し、
前記上部電極全体に一応に同じレベルの電圧を供給して、前記被処理基板に薄膜を形成したときに、前記被処理基板の前記周縁部の膜厚が、前記周縁部よりも内側部分の膜厚よりも薄くなってしまう場合には、前記内側電極部に供給される高周波電力よりも大きな高周波電力を前記外側電極部に供給して、前記被処理基板上に薄膜を形成し、
前記上部電極全体に一応に同じレベルの電圧を供給して、前記被処理基板に薄膜を形成したときに、前記被処理基板の前記周縁部の膜厚が、前記周縁部よりも内側部分の膜厚よりも厚くなってしまう場合には、前記内側電極部に供給される高周波電力よりも小さな高周波電力を前記外側電極部に供給して、前記被処理基板上に薄膜を形成する
薄膜形成方法。