JP3632564B2 - 半導体ウェハの製造方法およびプラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハの製造方法およびプラズマＣＶＤ装置に係り、特に半導体ウェハへの成膜と、この成膜工程によって生じる生成物の除去を効率的に行うようにした半導体ウェハの製造方法およびプラズマＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置は、円盤状のシリコン基板（以下半導体ウェハと称す）の表面に不純物を打ち込み、その表面にトランジスタや抵抗および容量などを形成した後、さらにその表面に絶縁膜や配線を形成していくことで製造される。
【０００３】
ところで半導体ウェハの表面に絶縁膜を形成したり、あるいは配線の基となるポリシリコンを堆積したりする方法としてＣＶＤ法（化学気相堆積法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 法）が知られており、中でもエネルギ源としてプラズマ放電を利用したプラズマＣＶＤ法が広く用いられている。
【０００４】
図４は、従来のプラスマＣＶＤ装置を用いた成膜工程を示す説明図である。同図（１）に示すように前記プラズマＣＶＤ法を実施するためのプラズマＣＶＤ装置１は、処理対象となる半導体ウェハ２を投入可能にするチャンバ３と、このチャンバ３の内部に設けられたプラズマ発生装置４とで構成される。なお当該プラズマ発生装置４は、一対の平板電極５と、これら平板電極５の間に高周波電圧を印加可能な電源装置６とで構成され、平板電極５の間にプラズマ放電を発生させるようにしている。
【０００５】
このように構成されたプラズマＣＶＤ装置１では、まずチャンバ３内に半導体ウェハ２を投入し、当該半導体ウェハ２をプラズマ発生装置４を構成する平板電極５の間に設置する。そしてチャンバ３内に半導体ウェハ２の表面に成膜したい構成元素を有した気体（以下、反応ガスと称す）７を導入させるとともに、プラズマ発生装置４を稼働させ平板電極５の間にプラズマを発生させ、半導体ウェハ２の表面への成膜を行う。
【０００６】
なお半導体ウェハ２への成膜が終了した後は、同図（２）に示すようにチャンバ３の内壁にも反応ガスのプラズマ化により生成物８が付着している。そしてこの生成物８は、次回以降の成膜工程の際、チャンバ３の壁面より剥がれ半導体ウェハ２の表面に堆積し障害となるおそれがあるので、１乃至２回の成膜工程の後、チャンバ３内にＰＦＣ（パーフルオロカーボンおよびそのフッ素の一部が水素に代替された化合物（ＨＦＣ））９を導入し、これをプラズマ化し生成物８の除去を行うようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前述したプラズマＣＶＤ装置では、以下に示すような問題があった。
【０００８】
すなわち前述のとおりプラズマＣＶＤ装置では（半導体ウェハの表面だけに成膜を行いたいのであるが）プラズマが発生する領域（以下、プラズマ発生領域と称す）はチャンバの内壁まで達し、このため次回以降の成膜工程に障害となる生成物がチャンバの内壁に付着してしまう。そしてチャンバに付着した生成物を除去するために成膜工程後、清掃工程としてＰＦＣを導入するようにしているが当該ＰＦＣは、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が二酸化炭素に対して数千〜数万倍と高い。このためチャンバの内壁に付着した生成物を除去するのに前記ＰＦＣを大量に使用するということは環境上好ましいものではなかった。
【０００９】
本発明は上記従来の問題点に着目し、成膜工程にて生じた生成物の除去を行うＰＦＣの使用量を低減させるとともに、その清掃時間の短縮を図るようにした半導体ウェハの製造方法およびプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体ウェハを取り囲むプラズマ発生領域をチャンバ内で縮小させれば、当該チャンバ内に生成物を付着させることが防止でき前記生成物の拡散防止が図れるので、清掃工程に用いるＰＦＣの使用量の低減と清掃時間の短縮を図れるという知見に基づいてなされたものである。
【００１１】
すなわち請求項１に記載の半導体ウェハの製造方法は、半導体ウェハが装着されたチャンバに反応ガスを導入するとともに前記半導体ウェハを内包する複数の環状部材の間隔を狭め当該環状部材の内側に形成されたプラズマ封止領域内でプラズマ化した前記反応ガスにより前記半導体ウェハの成膜をなす成膜工程と、
半導体ウェハを取り除いた前記チャンバにＰＦＣを導入させるとともに前記環状部材の間隔を前記成膜工程時よりも拡開させ前記プラズマ封止領域を拡大し前記成膜工程にて前記環状部材に付着した生成物をプラズマ化した前記ＰＦＣにて除去する清掃工程とを有することを特徴としている。請求項１に係る半導体ウェハの製造方法によれば、成膜工程時、一定の間隔をおいて環状部材を積層させその中央部に半導体ウェハを設置しておく。そして環状部材に内包された領域をプラズマ封止領域として設定すれば、チャンバ内に導入された反応ガスは、環状部材の隙間からプラズマ封止領域に進入し、当該プラズマ封止領域でプラズマ化がなされ半導体ウェハへの成膜を行う。そしてプラズマ処理を行った反応ガスは、再び隙間よりプラズマ封止領域外へと抜け出す。ところでプラスマとは原子の中にいる電子が電子殻から飛び出し、これら電子や原子が高速で運動している状態である（全体としてほぼ電気的に中性である）。このため複数の環状部材を一定の間隔に保つようにしておけば（隙間が形成されるよう環状部材を配置しておけば）、高速で移動する電子や原子がプラズマ封止領域の外部に飛び出ようとすると、電子や原子は隙間を形成する環状部材に衝突し、そのエネルギが失われることとなりプラズマが消滅する。故にプラズマがプラズマ封止領域を構成する環状部材を超えて拡散することを防止することができ、プラズマ封止領域の外部に位置するチャンバ内壁に反応による生成物が付着するのを防止することができる。なおプラズマ反応はプラズマ封止領域内で集中して行われるため半導体ウェハにおける成膜速度を向上させることも可能になる。
【００１２】
なお清掃工程においては、チャンバの内壁に清掃を行う必要がなく、プラズマ封止領域についてのみ生成物の除去を行うようにすればよい。ここで環状部材の間隔を成膜工程時より広げるようにすれば、ＰＦＣのプラズマ粒子は、環状部材の間隔が広がった分だけ外方まで到達するので成膜工程時に対し遠方までエネルギが保たれることとなり、プラズマ封止領域が成膜工程時よりも拡大する。このため成膜工程時に環状部材に付着した生成物を確実に除去することができる。また生成物の付着はプラズマ封止領域だけで生じるので、生成物の除去に用いるＰＦＣの使用量の低減を図ることができるとともに、生成物を除去する時間すなわち清掃時間の短縮を図ることができることはいうまでもない。
【００１３】
そして半導体ウェハを内包する複数の環状部材の形状は、円形に限定されるものでは無くＣＶＤ対象物の形状に合わせて、平面四角形状に代表されるように様々な形状を適用させることが可能である。
【００１４】
請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置は、反応ガスとＰＦＣとを導入可能とするチャンバを設けるとともに当該チャンバ内にプラズマ発生手段を設け、前記チャンバ内に設置される半導体ウェハへの成膜をなすプラズマＣＶＤ装置であって、前記チャンバ内に前記半導体ウェハを内包可能な環状部材を設けこれをプラズマ封止領域とするとともに前記環状部材に間隔調整部を設け、前記プラズマ封止領域内に導入された前記反応ガスをプラズマ化し前記半導体ウェハへの成膜をなした後に、前記プラズマ封止領域内に導入された前記ＰＦＣをプラズマ化し前記プラズマ封止領域に付着した生成物を除去可能にしたことを特徴としている。請求項２に係るプラズマＣＶＤ装置によれば、成膜工程時、隙間間隔調整部を稼働させ、一定の間隔をおいて積層された環状部材に内包された領域をプラズマ封止領域として構成しておけば、チャンバ内に導入された反応ガスは、環状部材の隙間からプラズマ封止領域に進入し、当該プラズマ封止領域でプラズマ化がなされ半導体ウェハへの成膜を行う。そしてプラズマ処理を行った反応ガスは、再び隙間よりプラズマ封止領域外へと抜け出す。ところでプラスマとは原子の中にいる電子が電子殻から飛び出し、これら電子や原子が高速で運動している状態である（全体としてほぼ電気的に中性である）。このため複数の環状部材を一定の間隔に保つようにしておけば（隙間が形成されるよう環状部材を配置しておけば）、高速で移動する電子や原子がプラズマ封止領域の外部に飛び出ようとすると、電子や原子は隙間を形成する環状部材に衝突し、そのエネルギが失われることとなりプラズマが消滅する。故にプラズマがプラズマ封止領域を構成する環状部材を超えて拡散することを防止することができ、プラズマ封止領域の外部に位置するチャンバ内壁に反応による生成物が付着するのを防止することができる。なおプラズマ反応はプラズマ封止領域内で集中して行われるため半導体ウェハにおける成膜速度を向上させることも可能になる。
【００１５】
なお清掃工程においては、チャンバの内壁に清掃を行う必要がなく、プラズマ封止領域についてのみ生成物の除去を行うようにすればよい。ここで隙間間隔調整部を再度稼働させ、環状部材の間隔を成膜工程時より広げるようにすれば、環状部材の間隔が広がった分だけ外方まで到達するので成膜工程時に対し遠方までエネルギが保たれることとなり、プラズマ封止領域が成膜工程時よりも拡大する。このため成膜工程時に環状部材に付着した生成物を確実に除去することができる。また生成物の付着はプラズマ封止領域だけで生じるので、生成物の除去に用いるＰＦＣの使用量の低減を図ることができるとともに、生成物を除去する時間すなわち清掃時間の短縮を図ることができることはいうまでもない。
【００１６】
請求項３に記載のプラズマＣＶＤ装置は、前記環状部材は、螺旋状のバネ部材からなることを特徴としている。請求項３に係るプラズマＣＶＤ装置によれば、隙間間隔調整部を昇降機構とし螺旋状のバネ部材の端部に配置すれば、前記昇降機構を上下させることで前記バネ部材が伸縮し、当該バネ部材の側面に形成される隙間の間隔を調整することができる。このため複雑な機構を設けずとも隙間間隔の調整を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る半導体ウェハの製造方法およびプラズマＣＶＤ装置に好適な具体的実施の形態を図面を参照した詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す説明図であり、図２は、プラズマＣＶＤ装置の内部構造を示した部品展開図である。
【００１９】
これらの図に示すように、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置１０では、処理対象となる半導体ウェハ１２を取り込み可能なチャンバ１４が設けられており、このチャンバ１４には配管１６を介して半導体ウェハ１２の表面に成膜したい構成元素を有した気体（以下、反応ガスと称す）が充填された第１ガスボンベ１８と、配管２０を介してＰＦＣが充填された第２ガスボンベ２２が取り付けられている。なお前述した配管１６および配管２０にはその途中に開閉バルブ２４、開閉バルブ２６が取り付けられており、これら開閉バルブの開閉動作によりチャンバ１４内に任意のガスを導入可能にしている。
【００２０】
一方、チャンバ１４の後段側からも配管２８が引き出され、その配管途中には真空ポンプ３０が設けられている。そして前記真空ポンプ３０を稼働させることでチャンバ１４への吸引をなし、当該チャンバ１４内を任意の減圧状態にすることができる。また真空ポンプ３０の吸引動作により、第１カスボンベ１８や第２ガスボンベ２２から送り込まれたガスを後段側へと送り出し、チャンバ１４内をガスが通過できるようにしている。
【００２１】
チャンバ１４の内部には、プラズマ発生装置３２が設けられている。当該プラズマ発生装置３２は、チャンバ１４内の上下に設けられた一対の平板電極３４と、これら平板電極３４の間に高周波電圧を印加可能な電源装置３６とで構成され、平板電極３４の間にプラズマ放電を発生させるようにしている。
【００２２】
なお設置電位側となる平板電極３４（図中下側の平板電極３４）の上面には、半導体ウェハ１２を搭載するためのステージ３８が取り付けられている。ここでステージ３８には、その表面からボスを突出させステージ３８と半導体ウェハ１２との間に隙間を形成させる持上機構と、半導体ウェハ１２をステージ３８の表面に密着させるための吸引機構とが設けられている。さらに図示しないがチャンバ１４の外部にはステージ３８上に伸張を可能とする把持アームが設けられており、前記持上機構によって形成されたステージ３８と半導体ウェハ１２との隙間に把持アームを挿入し、半導体ウェハ１２の取り込み／取り出しを行えるようにしている。
【００２３】
ところで設置電位側となる平板電極３４（図中下側の平板電極３４）の周囲４箇所には、チャンバ１４の天井方向に伸張をなすシリンダ装置４０が設けられており、チャンバ１４の天井４２からは前記シリンダ装置４０のロッド４４に軸心を一致させるようアンカーガイド４６が設けられている。なおシリンダ装置４０においては、後述する螺旋バネが半導体ウェハ１２の取り込み／取り出しをなす把持アームと干渉しないようにする目的から、ロッド４４をステージ３８の上面より高い位置まで伸張できるようにしている。
【００２４】
そして前記シリンダ装置４０のロッド４４先端と、アンカーガイド４６の先端との間には、両部材を連結するように環状部材となる螺旋バネ４８が取り付けられている。当該螺旋バネ４８は、その内径が平板電極３４の外径よりも若干大きく設定されており、螺旋バネ４８内に平板電極３４を取り込み可能にしている。またバネ全長も少なくとも一対の平板電極３４を覆うだけの長さに設定されている。なお螺旋バネ４８は一定の幅を有した断面四角形の部材を螺旋状に形成したもので、その側面に形成される隙間は一定間隔になっている。
【００２５】
ここで環状部材となる螺旋バネの形状は、ＣＶＤ対象物の外径にあわせて設定すればよい。すなわちＣＶＤ対象物が円形の半導体ウェハである場合には円形に設定すればよく、またＣＶＤ対象物がノートパソコンの液晶パネルを切り出す四角形状の基板である場合は、これにあわせて螺旋バネの形状を四角形に設定すればよい。
【００２６】
このように構成されたプラズマＣＶＤ装置１０を用いて、半導体ウェハ１２の表面に成膜を形成する手順を説明する。
【００２７】
図３は、半導体ウェハへの成膜手順を示す工程説明図である。同図に示すように、まず吸引機構を用いてステージ３８の表面に半導体ウェハ１２を密着固定させた後、開閉バルブ２４を開き反応ガス５０をチャンバ１４内に導入させ、既に稼働している真空ポンプ３０の吸引力によって反応ガス５０がチャンバ１４内を通過するようにする。なおこの状態では、反応ガス５０は螺旋バネ４８の側面に形成される隙間５２から、螺旋バネ４８の内側と一対の平板電極３４とで形成されるプラズマ封止領域５４に進入し、反対側の隙間５２より排出される状態になっている。
【００２８】
そしてプラズマ封止領域５４を反応ガス５０が通過する状態になった後、電源装置３６を稼働させ、一対の平板電極３４の間でプラズマ放電を発生させる。なおこのプラズマ放電の際、シリンダ装置４０におけるロッド４４を伸張させておき隙間５２の間隔（図中ｔ１寸法）を狭めておく。
【００２９】
このような状態でプラズマ放電をさせると、プラズマ封止領域５４を通過する反応ガス５０がプラズマ化し、これによって半導体ウェハ１２の表面に絶縁層となる酸化膜や、配線となる多結晶シリコン、金属シリサイド膜、合金膜などが形成される。
【００３０】
ここで平板電極３４からエネルギを得てプラズマ化した反応ガス５０は、拡散作用により螺旋バネ４８の隙間５２に進入するが、反応ガス５０のプラズマ粒子は狭い隙間５２を通過する際、螺旋バネ４８の表面に衝突を繰り返すのでプラズマ粒子自体のエネルギが失われる。故に隙間５２を通過した後は、反応ガス５０はプラズマの状態から通常の気体の状態に戻るので、螺旋バネ４８の外側すなわちチャンバ１４の内壁に反応ガス５０による生成物が付着するのを防止することができる。
【００３１】
またプラズマが存在する領域すなわちプラズマ封止領域５４は、同図（１）においてＡ寸法で示されており、この範囲内でプラズマ反応は集中して行われることから半導体ウェハ１２における成膜速度を向上させることができる。
【００３２】
そして半導体ウェハ１２の表面に成膜を任意の膜厚まで形成した後は、開閉バルブ２４を閉じ反応ガス５０のチャンバ１４内への導入を停止させるとともに、電源装置３６の稼働を停止させ成膜工程を終了させる。その後はシリンダ装置４０のロッド４４を伸張させ、ロッド４４の先端の高さをステージ３８の上方まで移動させる。このようにロッド４４を伸張させれば螺旋バネ４８が圧縮され、ステージ３８の側方から伸張される把持アームが螺旋バネ４８に干渉せずに成膜形成後の半導体ウェハ１２をチャンバ１４の外部に取り出すことができる。
【００３３】
このように半導体ウェハ１２をチャンバ１４の外部に取り出した後は、シリンダ装置４０のロッド４４を成膜工程時よりも引き込み、螺旋バネ４８を成膜工程時の間隔（ｔ１）より広く設定する。この時の隙間５２の間隔をｔ２とし同図（２）に示す。なお同図（２）は、螺旋バネ４８に付着した反応ガス５０による生成物５６の除去を行う清掃工程を示している。同図（２）に示すように清掃工程時は、隙間５２の間隔を成膜工程時よりも広くする（ｔ２＞ｔ１）。そしてこの状態から開閉バルブ２６を開きＰＦＣ５８をチャンバ１４内に導入させるとともに電源装置３６を稼働させプラズマ封止領域５４にＰＦＣ５８のプラズマを発生させる。なお前記隙間５２の拡開に伴いプラズマ封止領域５４は図中Ｂ寸法に示されるように拡大する。
【００３４】
ここで隙間５２の拡大に対応してプラズマ封止領域５４が拡大する理由は下記の通りである。
【００３５】
前述のとおり隙間５２を通過するプラズマ粒子は、前記隙間５２を形成する螺旋バネ４８に衝突を繰り返してエネルギを失っていくが、隙間５２の間隔が広くなると螺旋バネ４８への衝突の回数が減り、その分だけプラズマ粒子は外方へと移動する。このため隙間５２の間隔を広げるとプラズマ粒子が存在する領域すなわちプラズマ封止領域５４が拡大するのである。
【００３６】
このようにプラズマ封止領域５４を拡大すれば、当該プラズマ封止領域５４が狭かった際に螺旋バネ４８に付着した生成物５６は全て拡大したプラズマ封止領域５４内に含まれることとなり、プラズマ化したＰＦＣ５８に接する。故に螺旋バネ４８に付着した生成物５６はプラズマ化したＰＦＣ５８に反応し、チャンバ１４外部へと排出される。そして前述した清掃作業は、プラズマ封止領域５４のみに対して行われることから、清掃時間およびＰＦＣ５８の使用量を低減することができる。
【００３７】
なお前述した清掃工程が終了すれば、シリンダ装置４０のロッド４４の伸張により螺旋バネ４８を圧縮させ、把持アームによって新たな成膜対象となる半導体ウェハ１２をステージ３８に搭載する。そして新たな半導体ウェハ１２をステージ３８上に搭載した後はロッド４４を引き込み、螺旋バネ４８の隙間５２を同図（１）に示すｔ１寸法に設定し、その後成膜工程を行うようにすればよい。
【００３８】
このように成膜工程と清掃工程とを繰り返し行うようにすれば、チャンバ１４の内側全体を清掃する必要が無くなり、清掃時間の短縮と清掃に用いるＰＦＣ５８の使用量の低減を図ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体ウェハが装着されたチャンバに反応ガスを導入するとともに前記半導体ウェハを内包する複数の環状部材の間隔を狭め当該環状部材の内側に形成されたプラズマ封止領域内でプラズマ化した前記反応ガスにより前記半導体ウェハの成膜をなす成膜工程と、半導体ウェハを取り除いた前記チャンバにＰＦＣを導入させるとともに前記環状部材の間隔を前記成膜工程時よりも拡開させ前記プラズマ封止領域を拡大し前記成膜工程にて前記環状部材に付着した生成物をプラズマ化した前記ＰＦＣにて除去する清掃工程とを有するようにしたり、
またプラズマＣＶＤ装置を、反応ガスとＰＦＣとを導入可能とするチャンバを設けるとともに当該チャンバ内にプラズマ発生手段を設け、前記チャンバ内に設置される半導体ウェハへの成膜をなすプラズマＣＶＤ装置であって、前記チャンバ内に前記半導体ウェハを内包可能な環状部材を設けこれをプラズマ封止領域とするとともに前記環状部材に間隔調整部を設け、前記プラズマ封止領域内に導入された前記反応ガスをプラズマ化し前記半導体ウェハへの成膜をなした後に、前記プラズマ封止領域内に導入された前記ＰＦＣをプラズマ化し前記プラズマ封止領域に付着した生成物を除去可能にしたことから、成膜工程にて生じた生成物の除去を行うＰＦＣの使用量を低減させるとともに、その清掃時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す説明図である。
【図２】プラズマＣＶＤ装置の内部構造を示した部品展開図である。
【図３】半導体ウェハへの成膜手順を示す工程説明図である。
【図４】従来のプラスマＣＶＤ装置を用いた成膜工程を示す説明図である。
【符号の説明】
１………プラズマＣＶＤ装置
２………半導体ウェハ
３………チャンバ
４………プラズマ発生装置
５………平板電極
６………電源装置
７………成膜したい構成元素を有した気体
８………生成物
９………ＰＦＣ
１０………プラズマＣＶＤ装置
１２………半導体ウェハ
１４………チャンバ
１６………配管
１８………第１ガスボンベ
２０………配管
２２………第２ガスボンベ
２４………開閉バルブ
２６………開閉バルブ
２８………配管
３０………真空ポンプ
３２………プラズマ発生装置
３４………平板電極
３６………電源装置
３８………ステージ
４０………シリンダ装置
４２………天井
４４………ロッド
４６………アンカーガイド
４８………螺旋バネ
５０………成膜したい構成元素を有した気体
５２………隙間
５４………プラズマ封止領域
５６………生成物
５８………ＰＦＣ

Claims (3)

1. 半導体ウェハが装着されたチャンバに反応ガスを導入するとともに前記半導体ウェハを内包する複数の環状部材の間隔を狭め当該環状部材の内側に形成されたプラズマ封止領域内でプラズマ化した前記反応ガスにより前記半導体ウェハの成膜をなす成膜工程と、
   半導体ウェハを取り除いた前記チャンバにＰＦＣを導入させるとともに前記環状部材の間隔を前記成膜工程時よりも拡開させ前記プラズマ封止領域を拡大し前記成膜工程にて前記環状部材に付着した生成物をプラズマ化した前記ＰＦＣにて除去する清掃工程とを有することを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
2. 反応ガスとＰＦＣとを導入可能とするチャンバを設けるとともに当該チャンバ内にプラズマ発生手段を設け、前記チャンバ内に設置される半導体ウェハへの成膜をなすプラズマＣＶＤ装置であって、前記チャンバ内に前記半導体ウェハを内包可能な環状部材を設けこれをプラズマ封止領域とするとともに前記環状部材に間隔調整部を設け、前記プラズマ封止領域内に導入された前記反応ガスをプラズマ化し前記半導体ウェハへの成膜をなした後に、前記プラズマ封止領域内に導入された前記ＰＦＣをプラズマ化し前記プラズマ封止領域に付着した生成物を除去可能にしたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
3. 前記環状部材は、螺旋状のバネ部材からなることを特徴とする請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置。

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