专利名称：半导体处理用的立式等离子体处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体处理用的立式等离子体处理装置，例如涉及在半导体晶片等被处理基板上形成含有硅的绝缘膜等的薄膜的立式等离子体成膜装置。所谓半导体处理是指通过在晶片或LCD(液晶显示器Liquid Crystal Display)这样的FPD(平板显示器Flat Panel Display)用的玻璃基板等被处理基板上，以规定的图案形成半导体层、绝缘层、导电层等，为了在该被处理基板上制造半导体器件或包括与半导体器件连接的配线、电极等的结构物而实施的各种处理。
背景技术：
在构成半导体集成电路的半导体器件的制造中，在被处理基板、例如半导体(例如硅)晶片上实施成膜、蚀刻、氧化、扩散、改性、退火、自然氧化膜的除去等各种处理。US 2003/0224618 A1公开了立式(所谓间歇式)热处理装置的这种半导体处理方法。在这种方法中，首先将半导体晶片从晶盒移载到立式的晶舟上，分多层支撑。晶盒能够收容例如25块晶片，晶舟能够放置30～150块晶片。其次，将晶舟从处理容器的下方装入其内部的同时，气密地封闭处理容器。其次，在控制处理气体的流量、处理压力、处理温度等各种处理条件的状态下，进行规定的热处理。
近年来，伴随着半导体集成电路的更高集成化和高微细化的要求，希望减轻半导体器件制造工序中的热履历，提高器件的特性。在立式的处理装置中，也希望根据这种要求，改良半导体处理方法。例如，有在作为成膜处理的一种的CVD(化学气相沉积Chemical VaporDeposition)中，一边间歇地供给原料气体等，一边反复成膜1层或数层原子或分子级的厚度的层的方法(例如，特开平6-45256号公报，特开平11-87341号公报)。一般，这种成膜方法称为ALD(原子层沉积Atomic layer Deposition)，由此，即使不将晶片暴露在那样的高温下，也可进行目的处理。
另外，WO2004/066377(2004年12月15日)(与US 7,094,708 B2对应)公开了在进行ALD的立式处理装置中，利用等离子体的协助(assist)，更加降低处理温度的结构。采用这种装置，例如在使用作为硅烷系气体的二氯硅烷(DCS)和作为氮化气体的NH3形成氮化硅膜(SiN)的情况下，进行以下的处理。即在夹带清洗(purge)期间，交互地间歇地将DCS和NH3气体供给处理容器内。当供给NH3气体时，通过施加RF(高频)，生成等离子体，促进氮化反应。首先，通过将DCS供给处理容器内，在晶片表面上以分子级吸附一层或多层DCS。其余的DCS在清洗期间中被排除。其次，通过供给NH3生成等离子体，利用在低温下的氮化，形成氮化硅膜。反复进行这一系列的工序，完成规定厚度的膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对处理区域没有不利影响并能够提高等离子体的发生效率的半导体处理用的立式等离子体处理装置。
本发明的第一观点提供一种半导体处理用的立式等离子体处理装置，其包括具有收容隔着间隔堆起的多个被处理基板的处理区域的处理容器；在上述处理区域内支撑上述被处理基板的支撑部件；排出上述处理区域内的气体的排气系统；一体地附设在上述处理容器上并由具有绝缘性内面的壳体形成的气密的附属室，其中，上述附属室横跨与上述多个被处理基板对应的上下方向的长度而具有等离子体发生区域；用于在上述等离子体发生区域形成高频电场，并附设在上述处理容器上的电场形成机构；配设在上述处理区域与上述等离子体发生区域之间并具有绝缘性表面的分隔板，其中，上述分隔板具有横跨与上述多个被处理基板对应的上下方向的长度而形成的气体流路；和将处理气体供给上述附属室内的处理气体供给系统，其中，上述处理气体在通过上述等离子体发生区域时被激发，通过上述气体流路而被供给上述处理区域。
本发明的第二观点提供一种半导体处理用的立式等离子体处理装置，其包括具有收容隔着间隔堆起的多个被处理基板的处理区域的处理容器；在上述处理区域内支撑上述被处理基板的支撑部件；对上述处理区域内的上述被处理基板进行加热的加热器排出上述处理区域内的气体的排气系统；一体地附设在上述处理容器上并由具有绝缘性内面的壳体形成的气密的附属室，其中，上述附属室横跨与上述多个被处理基板对应的上下方向的长度而具有等离子体发生区域；用于在上述等离子体发生区域形成高频电场，并附设在上述处理容器上的电场形成机构；配置在上述处理区域与上述等离子体发生区域之间并具有绝缘性表面的分隔板，其中，上述分隔板具有横跨与上述多个被处理基板对应的上下方向的长度而形成的气体流路；用于在上述被处理基板上堆积薄膜，并有选择地将提供上述薄膜的主原料的第一处理气体和与上述第一处理气体反应的第二处理气体供给上述处理区域的处理气体供给系统，其中，上述第一和第二处理气体的至少一个在供给上述附属室内并通过上述等离子体发生区域时被激发，通过上述气体流路而被供给上述处理区域；和控制上述装置的运转的控制部，其中，上述控制部为了在上述被处理基板上形成上述薄膜而多次重复执行将上述第一处理气体供给上述处理区域和将上述第二处理气体供给上述处理区域。
本发明的其他目的和优点将在以下说明中阐明、通过以下说明部分变得明显、或可通过对本发明的实施而获知。本发明的目的和优点可通过以下具体指出的手段及组合而实现和获得。
结合在本说明书中且构成其一部分的附图，图解显示了本发明目前的优选实施例，与以上给出的总体说明和以下给出的优选实施例的详细说明一起，用于解释本发明的本质。
图1是表示本发明的第一实施方式的立式等离子体处理装置(立式等离子体成膜装置)的截面图。
图2是表示图1所示装置的一部分的横截平面图。
图3是表示在图1所示的装置中使用的分隔板的图。
图4是表示在图1所示的装置中使用的气体激发部与分隔板的关系的图。
图5是表示在图1所示的装置中使用的变形例的气体激发部与分隔板的关系的图。
图6是表示在图1所示的装置中使用的另一变形例的气体激发部与分隔板的关系的图。
图7是表示由实验得出的从第二处理气体的气体分散喷嘴供给的NH3气流量与各区域的压力的关系的曲线图。
图8是表示由实验得出的等离子体发生区域的压力与等离子体密度的关系的曲线图。
图9是表示本发明的第二实施方式的立式等离子体处理装置(立式等离子体成膜装置)的截面图。
图10是表示在图9所示的装置中第二处理气体的气体分散喷嘴相对于处理容器的法兰的安装状态的图。
图11是表示由实验得出的从第二处理气体的气体分散喷嘴供给的NH3气流量与各区域的压力的关系的曲线图。
图12是表示由实验得出的RF电源的电压与等离子体密度的关系的曲线图。
图13是表示由实验得出的NH3气流量、等离子体发生区域的压力以及气体流导(conductance)的关系的曲线图。
图14是绘制图13中的数据的一部分的曲线图。
图15是表示由实验得出的石英壁的蚀刻量的压力依存性的曲线图。
具体实施例方式
本发明者等在开发本发明的过程中，研究了在上述的WO2004/066377中公开的立式等离子体处理装置中产生的问题点。结果，本发明者等得出以下所述的见解。
在WO2004/066377号公开的等离子体处理装置中，收纳晶片的处理区域和等离子体发生区域之间的气体流导非常大，两个区域的压力大致相同。将处理区域的压力设定为低值，使得在晶片上堆积的膜厚的面内均匀性和面间均匀性都高。由于这样，在该等离子体处理装置中，等离子体发生区域的压力从属于处理区域的压力为低值。但是，等离子体的发生效率依存于等离子体发生区域的压力，当压力过低时，发生效率降低。另外，当等离子体发生区域的压力低时，划分等离子体发生区域的石英等的壁面被由电场而加速的等离子体离子溅射而损伤。
通过增加作为等离子体用气体的NH3气的供给量，能够提高等离子体发生区域的压力(等离子体室内的压力)。然而，在上述等离子体处理装置中，当增加NH3气的供给量时，处理区域的压力也上升，堆积在晶片上的膜厚的面内均匀性和面间均匀性可能降低。另外，当增加NH3气的供给量时，浪费的气体消费量增大，运转成本大幅地上升。
以下，参照附图，说明根据这样的见解而构成的本发明的实施方式。在以下的说明中具有大致相同的功能和构成的构成元件用相同的符号表示，只在必要的情况下进行重复说明。
(第一实施方式)图1是表示本发明第一实施方式的立式等离子体处理装置(立式等离子体成膜装置)的截面图。图2是表示图1所示的装置的一部分的横截平面图。该成膜装置2具有处理区域，该处理装置能够选择地供给含有作为硅烷系气体的二氯硅烷(DCS)气体的第一处理气体、含有作为氮化气体的氨(NH3)气的第二处理气体、和由N2气等不活泼气体构成的清洗气体。成膜装置2在这种处理区域内，利用CVD在被处理基板上形成氮化硅膜。
成膜装置2具有处理容器4，该处理容器4在成膜装置内部规定处理区域5，并且其下端开口、具有天井、呈圆筒体。所述处理区域5收容隔着间隔堆起的多个半导体晶片(被处理基板)并进行处理。处理容器4的全体由例如石英形成。在处理容器4内的天井密封配置有石英制的天井板6。形成为圆筒体的岐管(manifold)8通过O形环等密封部件10，与处理容器4的下端开口连接。可以不另外设置岐管8，用圆筒状的石英制处理容器构成全体。
岐管8由例如不锈钢制成，支撑处理容器4的下端。通过岐管8的下端开口，石英制的晶舟12进行升降，由此，晶舟12相对于处理容器4进行装载/卸载。在晶舟12上，作为被处理基板，分多层载置多块半导体晶片W。例如，在本实施方式的情况下，在晶舟12的支柱12A上，可以以大致相等的间距，分多层支撑例如50～100块左右的直径为300mm的晶片W。
晶舟12通过石英制的保温筒14放置在工作台16上。工作台16支撑在旋转轴20上，该旋转轴20贯通开闭岐管8的下端开口的例如不锈钢制的盖体18。
在旋转轴20的贯通部上设置例如磁性流体密封22，气密地密封并可旋转地支撑旋转轴20。在盖体18的周边部和岐管8的下端部上，设置由例如O形环等构成的密封部件24，保持容器内的密封性。
旋转轴20安装在例如由晶舟升降机等升降机构25支撑的臂26的前端上。利用升降机构25一体地升降晶舟12和盖体18等。另外，可以将工作台16向盖体18侧固定设置，不使晶舟12旋转进行晶片W的处理。
用于将规定的处理气体供给处理容器4内的处理区域5的气体供给部与岐管8的侧部连接。气体供给部包括第二处理气体供给系统28、第一处理气体供给系统30和清洗气体供给系统32。第一处理气体供给系统30供给含有DCS(二氯硅烷)气体作为硅烷系气体的第一处理气体。第二处理气体供给系统28供给含有氨(NH3)气作为氮化气体的第二处理气体。清洗气体供给系统32供给不活泼气体例如N2气作为清洗气体。在第一处理气体和第二处理气体中可根据需要，混合适当量的载气，但以下为了容易说明，不提及载气。
具体地，第二处理气体供给系统28、第一处理气体供给系统30和清洗气体供给系统32分别具有向内侧贯通岐管8的侧壁、并向上方向弯曲延伸的由石英管构成的气体分散喷嘴34、36、38(参照图2)。在各气体分散喷嘴34、36、38上，以沿着其长度方向(上下方向)并且横跨晶舟12上的晶片W的全体的方式，隔着规定的间隔形成多个气体喷射孔34A、36A、38A。
喷嘴34、36、38通过气体供给管路(气体通路)42、44、46，分别与NH3气、DCS气体和N2气的气体源28S、30S、32S连接。在气体供给管路42、44、46上配置开闭阀42A、44A、46A和质量流量控制器这样的流量控制器42B、44B、46B。这样，可分别控制NH3气、DCS气体和N2气的流量进行供给。
在处理容器4的侧壁的一部分上，沿着其高度方向配设气体激发部50。在与气体激发部50相对的处理容器4的相反侧，为了真空排气其内部气氛，配置通过向上下方向削去处理容器4的侧壁而形成的细长的排气口52。
具体地，气体激发部50具有通过沿着上下方向、以规定的宽度削去处理容器4的侧壁而形成的上下细长的开口。该开口由具有气体流路55的分隔板54封闭，并由气密地与处理容器4的外壁接合的石英制的盖56覆盖。盖56作成截面凹部状并且具有上下细长的形状，以便在处理容器4的外侧突出。
利用这种构成，形成从处理容器4的侧壁突出并且一侧与处理容器4内连接的气体激发部50。即气体激发部50的内部空间通过分隔板54的气体流路55，与处理容器4内的处理区域5连通。分隔板54形成上下方向充分长，以便能够在高度方向覆盖保持在晶舟12上的全部晶片W。
在盖56的两侧壁的外侧面上，沿着其长度方向(上下方向)互相对置地配设细长的一对电极58。等离子体发生用的高频电源60通过供电线路62与电极58连接。通过将例如13.56MHz的高频电压施加在电极58上，在一对电极58之间形成用于激发等离子体的高频电场。另外，高频电压的频率不限于13.56MHz，使用其他频率例如400kHz等也可以。
第二处理气体的气体分散喷嘴34在晶舟12上的最下一级的晶片W的下面的位置上，向处理容器4的半径方向外方弯曲，贯通分隔板54。然后，气体分散喷嘴34在气体激发部50内的最里面(最偏离处理容器4的中心的部分)的位置上，垂直立起。如图2所示，气体分散喷嘴34设置在由一对相对的电极58夹持的区域(高频电场最强的位置)，即向主要的等离子体实际发生的等离子体发生区域PS的外侧偏离的位置上。含有从气体分散喷嘴34的气体喷射孔34A喷射的NH3气的第二处理气体，向着等离子体发生区域PS喷射，在这里被激发(分解或活化)，在这种状态下，通过分隔板54的气体流路55，被供给到晶舟12上的晶片W。
在盖56的外侧安装覆盖它并由例如石英制成的绝缘保护盖64。在绝缘保护盖64的内侧即与电极58相对的部分上配设由制冷剂通路构成的冷却机构(图中没有示出)。通过使作为制冷剂的例如冷却的氮气在制冷剂通路中流动，对电极58进行冷却。另外，在绝缘保护盖64的外侧，为了覆盖其并防止高频泄漏配设屏蔽物(图中没有示出)。
在气体激发部50的分隔板54的外侧附近、即分隔板54的外侧(处理容器4内)的两侧互相对置地垂直立起、配设第一处理气体和清洗气体的气体分散喷嘴36、38。从形成在气体分散喷嘴36、38上的气体喷射孔36A、38A，向处理容器4的中心方向，分别喷射含有DCS气体的第一处理气体和由N2气构成的清洗气体。气体喷射孔36A、38A配置在晶舟12上的多个晶片W的各个之间，以形成与晶片W平行的气体流的方式，在水平方向大致均匀地分别供给第一处理气体(含有DCS)和清洗气体(N2)。
另一方面，在与气体激发部50相对地设置的排气口52上，利用焊接安装覆盖该排气口并由石英构成的形成截面“コ”字形的排气口盖部件66。排气口盖部件66沿着处理容器4的侧壁向上方延伸，在处理容器4的上方形成气体出口68。配置有真空泵等的真空排气系统GE与气体出口68连接。真空排气系统GE具有与气体出口68连接的排气通路84，从其上游侧依次配设阀单元(开度调整用阀)86、真空泵88、除去不需要物质的除害单元89。
以包围处理容器4的方式，配置对处理容器4内的气氛和晶片W进行加热的加热器70。在处理容器4内的排气口52附近，配置用于控制加热器70的热电偶(图中没有示出)。
另外，成膜装置2具有由控制装置全体的运转的计算机等构成的主控制部48。主控制部48根据预先存储在它所附带的存储部中的成膜处理的处理方案、例如所形成的膜的膜厚或组成，进行后述的成膜处理。在该存储部中作为预先控制数据还存储处理气体的流量与膜的膜厚或组成的关系。因此，主控制部48，根据这些存储的处理方案或控制数据，控制升降机构25，气体供给系统28、30、32，排气系统GE(包括阀单元86)，气体激发部50和加热器70等。
图3是表示分隔板54的图。图4是表示气体激发部50与分隔板54的关系的图。在图4中，以横截平面图表示气体激发部50，以正面图表示分隔板54。在本实施方式中，处理容器4、分隔板54、气体激发部50的盖56由相同的绝缘性材料(这里为石英)制成，通过焊接互相连接。分隔板54固定在形成于处理容器4中的开口的划分壁上，盖56固定在处理容器4的外侧。
在分隔板54上形成连通等离子发生区域SP和处理区域5的气体流路55。如图3和图4所示，气体流路55由多个圆形的气体扩散孔55A构成。气体扩散孔55A沿着分隔板54的长度方向(上下方向)，并且以横跨晶舟12上的晶片W的全体的方式，隔着规定的间隔，沿着二个垂直列进行配列。气体扩散孔55A以与晶舟12上的多个晶片W的间距相同的间距P1，位于晶片W的各个之间而形成。气体扩散孔55A在水平方向大致均匀地使由等离子体活化的第二处理气体(含有NH3)通过，以形成与晶片W平行的气体流。
由分隔板54使等离子体发生区域SP和处理区域5之间的气体流导降低。这样，压力不会对处理区域5有不利影响，能够将等离子体发生区域SP的压力设定得高。为了这个目的，气体流路55的开口率设定为7.3％以下，优选为2.0％以下。所谓开口率以气体流路55总和的面积与气体激发部(附属室)50相对于处理容器4的面的面积(与分隔板54的面积大致相同)的比率定义。
具体地说，将气体激发部(附属室)50的宽度L1设定为25～35mm左右，将深度L2设定为45～60mm左右，将上下方向的长度设定为500～1000mm左右。气体扩散孔55A的直径D1根据孔数而定，例如为5mm以下，优选为1mm左右。当该直径D1小于1mm时，由于容易发生由电场集中引起的空心阴极放电，所以不优选。
通过将等离子体发生区域SP的压力设定得比较高，能够提高等离子体的发生效率。另外，由于可较高地维持等离子体发生区域SP的压力，这样，分子的平均自由程短。由此，能够抑制划分气体激发部50的壁面被等离子体离子溅射。
另外，分隔板54起到减少从等离子体发生区域SP侵入处理区域5的离子等的带电粒子的量的作用。这样，可使活性种更优先地作用于形成在晶片W上的膜。从这个观点来看，可将第二处理气体的气体分散喷嘴34的气体喷射孔34A在垂直方向配置在分隔板54的气体扩散孔55A的各个之间。气体喷射孔34A在偏离于气体扩散孔55A的高度位置上，向着分隔板54，在水平方向大致均匀地供给第二处理气体(含有NH3)。
图5是表示变形例的气体激发部50与分隔板54的关系的图。图6是表示另一变形例的气体激发部50与分隔板54的关系的图。在图5、图6中，以横截平面图表示气体激发部50，以正面图表示分隔板54。在图5的变形例中，气体流路55以沿着分隔板54的长度方向(上下方向)并且横跨晶舟12上的晶片W的全体的方式，由隔着规定的间隔，沿着一个垂直列而形成的气体扩散孔55A构成。在图6的变形例中，气体流路55以沿着分隔板54的长度方向(上下方向)并且横跨晶舟12上的晶片W的全体的方式，由隔着规定的间隔、沿着一个垂直列形成的、上下方向长的槽(slit)55B构成。
其次，说明利用图1所示的装置进行的成膜方法(所谓ALD(原子层沉积Atomic Layer Deposition)成膜)。概略地说，在该成膜方法中，将含有作为硅烷系气体的二氯硅烷(DCS)气体的第一处理气体和含有作为氮化气体的氨(NH3)气的第二处理气体有选择地供给收容晶片W的处理区域5内，利用CVD，在晶片W上形成氮化硅膜。
首先，将保持有多块例如50～100块的300mm尺寸的晶片W的常温的晶舟12装入设定为规定温度的处理容器4内。其次，将处理容器8内真空排气，维持至规定的处理压力，同时，使晶片温度上升，待机至稳定在成膜用的处理温度为止。其次，分别对含有DCS气体的第一处理气体、含有NH3气的第二处理气体和由N2气构成的清洗气体进行流量控制，并间歇地从气体分散喷嘴36、34、38供给。
具体地讲，从气体分散喷嘴36的气体喷射孔36A，供给含有DCS气体的第一处理气体，使得形成与晶舟12上的多块晶片W平行的气体流。这时，DCS气体的分子或者由其分解产生的分解生成物的分子或原子吸着在晶片上。
另一方面，从气体分散喷嘴34的气体喷射孔34A供给含有NH3气的第二处理气体，使得向着隔板54形成水平的气体流。第二处理气体在通过一对电极58之间的等离子体发生区域PS时，有选择地被激发，一部分成为等离子体。此时，生成例如N*、NH*、NH2*、NH3*等的自由基(活性种)(记号“*”表示自由基)。这些自由基从气体激发部50的分隔板54的气体流路55向着处理容器4的中心流出，在层流状态下供给晶片W相互之间。
上述自由基与附着在晶片W表面上的DCS气体的分子等反应，由此，在晶片W上形成氮化硅膜。与此相反，在晶片W的表面附着有自由基的地方，DCS气体流动，在这种情况下，也产生同样的反应，在晶片W上形成氮化硅膜。
另外，在供给含有DCS气体的第一处理气体的工序之后和供给含有NH3气的第二处理气体的工序之后，将由N2气构成的清洗气体供给处理区域5内。从气体分散喷嘴38的气体喷射孔38A，以形成与晶舟12上的多块晶片W平行的气体流的方式，供给清洗气体。利用该清洗气体流除去残留在处理区域5内的DCS气体或其分解成分，或者NH3气或其分解成分。
具体地，在该实施方式的成膜方法中，交互地重复第一～第四工序T1～T4。即多次重复由第一～第四工序T1～T4构成的循环，通过层叠每个循环中形成的氮化硅膜的薄膜，得到最终厚度的氮化硅膜。
在第一工序T1中，将第一处理气体(含有DCS)供给处理区域5，另一方面，停止将第二处理气体(含有NH3)和清洗气体(N2)供给处理区域5。在第二工序T2中，将清洗气体供给处理区域5，另一方面，停止将第一和第二处理气体供给处理区域5，在第三工序T3中，将第二处理气体供给处理区域5，另一方面，停止将第一处理气体和清洗气体供给处理区域5。另外，在第三工序T3中，从中途接通RF电源60，在气体激发部50中使第二处理气体等离子体化，由此只在子工序T3b期间，在激发第二处理气体的状态下，供给处理区域5。在第四工序T4中，将清洗气体供给处理区域5，另一方面，停止将第一和第二处理气体供给处理区域5。在第一工序至第四工序中，处理区域5通过排气通路84，利用真空排气系统GE继续真空排气。
第一工序T1设定约1～120秒、例如约5秒，第二工序T2设定约1～30秒、例如约5秒，第三工序T3设定约1～120秒、例如约10秒，子工序T3b设定约1～120秒、例如约8秒，第四工序T4设定约1～30秒、例如约5秒。另外，通常由第一～第四工序T1～T4的一个循环形成的膜厚为0.05～0.11nm左右。因此，如果目标膜厚例如为70nm，则要重复600个左右这样的循环。但是，这些时间或厚度只不过是简单地表示一个例子，不限于这个数值。
DCS气体的流量在50～2000sccm的范围内、例如为1000sccm(1slmstandard liter per minute)。NH3气的流量在100～5000sccm的范围内、例如为3000sccm。N2气的流量在300～5000sccm的范围内、例如3000sccm。处理温度为低于通常的CVD处理的温度，具体地讲，在250～700℃的范围内，优选在350～600℃的范围内。当处理温度低于250℃时，不发生反应，几乎没有膜堆积。当处理温度高于700℃时，形成膜质差的由CVD产生的堆积膜，同时，对已经形成的金属膜等有热损伤。
处理压力(处理区域5的压力)设定在0.2～1Torr(27～133Pa(1Torr＝133.3Pa))范围内。这样，能够提高由等离子体成膜形成的膜厚的面内均匀性和面间均匀性。当处理压力超过1.0Torr时，活性种的失活急剧地增多。另一方面，在处理压力小于0.2Torr的情况下，成膜速度在实用水平以下。
与此相对，等离子体发生区域SP的压力(气体激发部(附属室)50的压力)例如设定在0.7～5.0Torr(93～667Pa)范围内。通过将等离子体发生区域SP的压力维持较高，能够提高等离子体发生效率，提高等离子体密度。当等离子体发生区域SP的压力超过5.0Torr时，等离子体的燃烧急剧地恶化。另一方面，在该压力小于0.7Torr的情况下，等离子体的发生效率急剧地降低。
利用分隔板54，等离子体发生区域SP与处理区域5之间的气体流导变低，因此压力不会对处理区域5有不利影响，可以将等离子体发生区域SP的压力设定得高。换句话说，可将等离子体发生区域SP维持在适合等离子体的高效率发生的压力，同时，将处理区域5维持在生产率高并且适合得到良好的面间和面内均匀性的压力。
(等离子体发生区域和处理区域的压力)使用图1所示的装置，关于等离子体发生区域SP与处理区域5的压力的关系，进行实验。如图3所示，在该实验中，作为分隔板54的气体流路55，横跨晶片W的全体，隔着规定的间隔，沿着二个垂直列形成气体扩散孔55A。扩散孔55A的直径D1设定为0.7mm，相对于分隔板54的扩散孔55A的开口率为0.4％。处理容器4内以最大120升/秒的排气速度进行抽真空。
图7是表示由该实验得到的从第二处理气体的气体分散喷嘴34供给的NH3气流量与各区域的压力的关系的曲线图。在图7中，横轴表示NH3气流量(slm)，纵轴表示压力(Torr)。另外，特性线A表示处理区域5的压力，特性线B表示等离子体发生区域SP的压力。如图7所示，等离子体发生区域SP的压力比处理区域5的压力高很多。另外，越增加气体的供给量，二者间的压力差越大。另外，在不设置分隔板54的情况下(现有装置)，等离子体发生区域SP和处理区域5的压力大致相同，如特性线A。
(等离子体发生效率)使用图1所示的装置，关于等离子体发生区域SP的压力与等离子体密度的关系，进行实验。在该实验中，设定加热器70的加热温度为450℃。等离子体发生用的RF电源60设定为不同的三个值150、200、250瓦。作为参照，在不设置分隔板54的情况下(现有装置)，等离子体发生区域的压力与处理区域相同，为0.6Torr。等离子体的密度以等离子体压力换算进行测定。
图8是表示由该实验得出的等离子体发生区域的压力与等离子体密度的关系的曲线图。在图8中，横轴表示等离子体发生区域SP的压力(Torr)，纵轴表示等离子体密度(cm-3Torr换算)。另外，特性线C1表示150瓦的情况，特性线C2表示200瓦的情况，特性线C3表示250瓦的情况。如图8所示，各特性线C1、C2、C3的峰值比不设分隔板54的情况(现有装置Ref＝0.6Torr)高很多。特别是在特性线C3的情况下，等离子体密度大致为不设分隔板54的情况的2倍。因此，可确认，通过设置分隔板54，能够提高等离子体发生效率。
在特性线C1、C2的情况下，当等离子体发生区域的压力大致为0.9Torr时，等离子体密度显示峰值。在这种情况下，当压力低于0.9Torr时，等离子体密度急剧减小，当压力高于0.9Torr时，等离子体密度缓慢减小。在特性线C3的情况下，当等离子体发生区域的压力大致为1.1Torr时，等离子体密度显示峰值。在这种情况下，当压力低于1.1Torr时，等离子体密度比先前的特性线C1、C2急剧降低，当压力高于1.1Torr时，等离子体密度比先前的特性线C1、C2更缓慢减小。
当以各峰值的80％的等离子体密度作为下限值时，等离子体发生区域的压力范围如下。即在电力150瓦的特性线C1的情况下，压力的范围优选为0.7～2.0Torr，更优选为0.8～1.4Torr。在电力为200瓦的特性线C2的情况下，压力的范围优选为0.7～2.2Torr，更优选为0.8～1.5Torr。在电力为250瓦的特性线C3的情况下，压力的范围优选为0.7～4Torr，更优选为0.8～2.5Torr。另外，当压力超过5.0Torr时，等离子体的燃烧困难。
从上述结果可知，根据投入的RF电力，等离子体密度、即等离子体发生效率以1Torr的附近作为峰值变动。另外，确认通过将等离子体发生区域SP内的压力设定在0.7～5.0Torr的范围内，能够维持高的等离子体发生效率。
(分隔板54的开口率)使用图1所示的装置，关于分隔板54的开口率、等离子体发生区域SP和处理区域5之间的压力差的关系，进行实验。所谓开口率是指气体流路55的面积的总和与分隔板的面积的比率。在该实验中，使在分隔板54上形成的气体流路55的大小等作各种变化，设定不同的开口率。向设定为各开口率的分隔板54，从气体分散喷嘴34供给气体，测定等离子体发生区域SP与处理区域5之间的压力差。
其结果，开口率达到100％(没有分隔板)～7.3％左右几乎不产生压力差。然而，当开口率为7.3％以下时逐渐产生压力差。因此，希望气体流路55(扩散孔55A)的开口率为7.3％以下。另外，当开口率过小时，由于流入处理区域5内的活性种(含有气体)少，其下限为0.3％左右。
(第二实施方式)图9是表示本发明的第二实施方式的立式等离子体处理装置(立式等离子体成膜装置)的截面图。第二实施方式的成膜装置2X，除了第二处理气体的气体分散喷嘴34X的配设结构不同以外，与第一实施方式的成膜装置2结构相同。因此，以下，以不同点为中心，说明第二实施方式的成膜装置2X。
成膜装置2X的处理容器4X不具有图1所示的不锈钢制的岐管8，全体由圆筒体的石英制的容器构成。在处理容器4X的下端开口部一体地形成在半径方向外方延伸的厚壁圆环状法兰92。在法兰92的周围安装有例如不锈钢制的圆环状增强部件94。第二处理气体的气体分散喷嘴34X利用该法兰92安装。气体分散喷嘴34X的多个气体喷射孔34A的形式与第一实施方式的成膜装置2相同。
图10是表示第二处理气体的气体分散喷嘴相对于处理容器的法兰的安装状态的图。如图10所示，气体分散喷嘴34X由石英制的直管状的喷嘴本体100和安装在喷嘴本体100的下端部的石英制的容器状的气体头102构成。在气体头102的侧部上形成开口部104。在处理容器4X的法兰92的下部以与增强部件94的贯通孔匹配的方式，形成安装凹部106。
在安装凹部106的天井部的中心形成开口部107，同时在划分气体激发部50的盖56的底部56A上也形成开口部108。这些开口部107、108的位置匹配。辅助插通管110垂直地连接固定，使得开口部107、108连通。在本实施方式中，处理容器4X、气体激发部50的盖56、辅助插通管110由相同的绝缘性材料(这里为石英)制成，利用焊接互相连接。
辅助插通管110的内径设定成比喷嘴本体100的外径大。喷嘴本体100从法兰92下方插通到辅助插通管110内，配置在气体激发部50内。在气体头102收容到安装凹部106内的状态下，通过挡板(retainer)112，从其下方，利用螺钉部件114压紧固定。挡板112具有由例如氟树脂(特氟隆注册商标)和不锈钢制成的弹性结构。
即气体分散喷嘴34X，从法兰92的下方，相对于气体激发部50可插入或脱出。为了保持安装凹部106内的气密性，在气体头102的上侧和下侧等适当的地方设置由O形环等构成的密封部件116、118。利用这种结构，气体分散喷嘴34X可以不通过处理容器4X内，直接插入气体激发部50内或从其脱出。
在法兰92的侧部和增强部件94的侧部，以连通安装凹部106的方式形成贯通孔120。在贯通孔120的途中形成有阶梯部120A，第二处理气体供给系统28的不锈钢制的气体管路42的前端部插入到阶梯部120A。在气体管路42的前端配设O形环等密封部件122，将安装凹部106内保持为气密状态。在气体管路42内流通的NH3气通过气体头102流入喷嘴本体100内。在增强部件94中，沿着其周方向形成用于流通制冷剂的二根制冷剂通路124。通过将制冷剂供给制冷剂通路124，可在晶片热处理时冷却法兰92附近。
如上所述，气体分散喷嘴34X不经由处理容器4X内从法兰92的下方侧直接插通气体激发部50内。由于这样，在分隔板54上不必设置成为增大流导的原因的喷嘴插通用的开口。由于这样，压力对处理区域5没有不利影响，可以将等离子体发生区域SP的压力设定得高。
(等离子体发生区域和处理区域的压力)使用图9所示的装置，关于等离子体发生区域SP与处理区域5的压力的关系，进行实验。在该实验中，如图5所示，作为分隔板54的气体流路55，横跨晶片W的全体，隔着规定的间隔，沿着一个垂直列，形成气体扩散孔55A。扩散孔55A的直径D1设定为1mm，相对于分隔板54的扩散孔55A的开口率为0.3％。处理容器4X内设定为25℃，以30升/秒的排气速度连续地抽真空。
图11是表示由该实验得出的从第二处理气体的气体分散喷嘴34X供给的NH3气流量与各区域的压力的关系的曲线图。在图11中，横轴表示NH3气流量(slm)，纵轴表示压力(Torr)。另外，特性线A表示处理区域5的压力，特性线B表示等离子体发生区域SP的压力。如图11所示，等离子体发生区域SP的压力比处理区域5的压力高很多。另外，气体的供给量越多，两者之间的压力差越大。在不设置分隔板54的情况下(现有装置)，等离子体发生区域SP和处理区域5的压力大致相同，如特性线A那样。
(等离子体发生效率)使用图9所示的装置，关于等离子体发生用的RF电源60的电压与等离子体密度的关系，进行实验。在该实验中，将加热器70的加热温度设定为450℃。将等离子体发生区域SP的压力(气体激发部50内的压力)设定为不同的三个值0.58、0.99、3.16Torr。等离子体密度以等离子体压力换算进行测定。
图12是表示由该实验得出的RF电源的电压与等离子体密度的关系的曲线图。在图12中，横轴表示RF电源60的电压(kV)，纵轴表示等离子体密度(cm-3Torr换算)。另外，特性线C1表示0.58Torr的情况，特性线C2表示0.99Torr的情况，特性线C3表示3.16Torr的情况。如图12所示，在各特性线C1、C2、C3中，根据RF电压增加，各特性线C1、C2、C3的等离子体密度大致为二次函数地增加。即压力越高，等离子体密度的上升程度越大。因此，可确认等离子体发生区域SP的压力设定得越高，等离子体密度越增加，等离子体发生效率越高。
(NH3流量、等离子体发生区域的压力和气体流导)使用图9所示的装置，关于NH3气流量、等离子体发生区域SP的压力与分隔板54的气体流路55的流导的关系，进行实验。在该实验中，处理区域5的压力维持为0.1Torr，同时，温度维持为450℃。分隔板54的气体流路55的开口率设定为不同的三个值0.85％、0.54％、0.31％(流导分别与15.2×10-5、9.26×10-5、4.96×10-5m3/sec对应)。另外，NH3气流量设定为不同的二个值2.0、4.0slm。
图13是表示由该实验得出的NH3气流量、等离子体发生区域SP的压力与气体流导的关系的曲线图。在图13中，横轴表示NH3气流量(slm)，纵轴表示等离子体发生区域SP的压力(Torr)。另外，特性线E1表示开口率为0.85％(15.2×10-5m3/sec)的情况，特性线E2表示开口率为0.54％(15.2×10-5m3/sec)的情况，特性线E3表示开口率为0.31％(4.96×10-5m3/sec)的情况。图14是绘制图13中的数据的一部分的曲线图。在图14中，横轴表示等离子体发生区域SP和处理区域5之间的气体流导(m3/sec)，纵轴表示等离子体发生区域SP的压力(Torr)。另外，特性线F1表示NH3流量为2.0slm的情况，特性线F2表示NH3流量为4.0slm的情况。
如图13所示，当增加NH3气的流量时，等离子体发生区域SP的压力大致直线地上升。为了将等离子体发生区域SP的压力维持在2～5Torr范围内，该流量，在特性线E1的情况下，优选设定在1.5～6slm左右的范围内，在特性线E2的情况下，优选设定在0.5～3slm左右的范围内，在特性线E3的情况下，优选设定在0.2～1.2slm左右的范围内。
(石英壁蚀刻量的压力依存性)使用图9的装置，关于划分气体激发部50的石英制的盖56的蚀刻量的压力依存性，进行实验。在该实验中，分别设定RF(高频)功率为500W(瓦)，N2气供给量(代替NH3供给)为4slm，处理时间为10min。气体激发部50内的压力(等离子体发生区域SP的压力)设定为不同的三个值0.5、2.0、5.0、10.0Torr。
图15是表示由该实验得出的石英壁蚀刻量的压力依存性的曲线图。在图15中，纵轴表示石英壁被蚀刻的厚度(nm)。如图15所示，越增加气体激发部50内的压力，蚀刻量越少。特别是，在压力2～5Torr的范围内，蚀刻量在30nm以下，显示良好的结果。
(变形例)在上述第二实施方式中，第二处理气体的气体分散喷嘴34X从气体激发部50的下方可装卸地插入。代替这样，气体分散喷嘴34X可以从气体激发部50的上方可装卸地插入。
在上述第一和第二实施方式中，不使提供薄膜的主原料的第一处理气体(含有DCS)等离子体化，使与第一处理气体反应的第二处理气体(含有NH3)等离子体化。但是，根据CVD类型的不同有只使提供薄膜的主原料的气体等离子体化的情况，或者使提供薄膜的主原料的气体和与它反应的气体两者等离子体化的情况。将等离子体发生区域SP和处理区域5的压力都分别设定在最适的压力范围内也可以。
另外，本发明在上述等离子体成膜处理以外的等离子体处理、例如等离子体蚀刻处理、等离子体氧化扩散处理、等离子体改性处理等中也可利用。另外，本发明在上述半导体晶片以外的被处理基板、例如玻璃基板、陶瓷基板等中也可利用。
其他优点和改型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的更广泛的实施方式不局限于在此显示和说明的具体细节和代表性的实施例。因此，可进行不同的改型，而不脱离由所附权利要求及其等效物所确定的总体发明构思的实质和范围。
权利要求
1.一种半导体处理用的立式等离子体处理装置，其特征在于，包括具有收容隔着间隔堆起的多个被处理基板的处理区域的处理容器；在所述处理区域内支撑所述被处理基板的支撑部件；排出所述处理区域内的气体的排气系统；一体地附设在所述处理容器上并由具有绝缘性内面的壳体形成的气密的附属室，其中，所述附属室横跨与所述多个被处理基板对应的上下方向的长度而具有等离子体发生区域；用于在所述等离子体发生区域形成高频电场，并附设在所述处理容器上的电场形成机构；配设在所述处理区域与所述等离子体发生区域之间并具有绝缘性表面的分隔板，其中，所述分隔板具有横跨与所述多个被处理基板对应的上下方向的长度而形成的气体流路；和将处理气体供给所述附属室内的处理气体供给系统，其中，所述处理气体在通过所述等离子体发生区域时被激发，通过所述气体流路而被供给所述处理区域。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述处理容器、所述附属室的壳体和所述分隔板由相同的绝缘性材料制成，并且利用焊接互相连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述气体流路具有横跨所述多个被处理基板在上下方向隔着间隔配列的多个气体扩散孔，使得形成与所述多个被处理基板平行的气体流。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述多个气体扩散孔的各孔位于所述多个被处理基板的相邻两个基板之间。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述多个气体扩散孔沿着多个垂直列进行配列。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述气体流路具有上下方向长的槽。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述处理气体供给系统具有为了供给所述处理气体可装卸地与所述附属室连接的喷嘴。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述喷嘴具有在所述附属室内沿上下方向延伸，同时，横跨与所述多个被处理基板对应的上下方向的长度隔着间隔形成的多个气体喷射孔。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述附属室从所述处理容器向侧方突出设置，所述处理容器在下部具有法兰，辅助插通管气密地连接在所述附属室与所述法兰之间，所述喷嘴从所述法兰的下方，通过所述辅助插通管而插入所述附属室内。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述法兰、所述附属室的壳体和所述辅助插通管由相同的绝缘性材料制成，并且利用焊接互相连接。
11.一种半导体处理用的立式等离子体处理装置，其特征在于，包括具有收容隔着间隔堆起的多个被处理基板的处理区域的处理容器；在所述处理区域内支撑所述被处理基板的支撑部件；对所述处理区域内的所述被处理基板进行加热的加热器排出所述处理区域内的气体的排气系统；一体地附设在所述处理容器上并由具有绝缘性内面的壳体形成的气密的附属室，其中，所述附属室横跨与所述多个被处理基板对应的上下方向的长度而具有等离子体发生区域；用于在所述等离子体发生区域形成高频电场，并附设在所述处理容器上的电场形成机构；配设在所述处理区域与所述等离子体发生区域之间并具有绝缘性表面的分隔板，其中，所述分隔板具有横跨与所述多个被处理基板对应的上下方向的长度而形成的气体流路；用于在所述被处理基板上堆积薄膜，并有选择地将提供所述薄膜的主原料的第一处理气体和与所述第一处理气体反应的第二处理气体供给所述处理区域的处理气体供给系统，其中，所述第一和第二处理气体的至少一个在供给所述附属室内并通过所述等离子体发生区域时被激发，并通过所述气体流路而被供给所述处理区域；和控制所述装置的运转的控制部，其中，所述控制部为了在所述被处理基板上堆积所述薄膜而多次重复执行将所述第一处理气体供给所述处理区域和将所述第二处理气体供给所述处理区域。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述处理容器、所述附属室的壳体和所述分隔板由相同的绝缘性材料制成，并且利用焊接互相连接。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述气体流路具有横跨所述多个被处理基板在上下方向隔着间隔配列的多个气体扩散孔，使得形成与所述多个被处理基板平行的气体流。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于所述多个气体扩散孔的各孔位于所述多个被处理基板的相邻两个基板之间。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述气体流路具有上下方向长的槽。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述控制部，在所述薄膜的堆积中，将所述处理区域的压力设定为0.2～1Torr，将所述等离子体发生区域的压力设定为0.7～5Torr并且高于所述处理区域。
17.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述处理气体供给系统具有为了供给所述第一和第二处理气体中的至少一种可装卸地与所述附属室连接的喷嘴。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于所述喷嘴具有在所述附属室内沿上下方向延伸，同时，横跨与所述多个被处理基板对应的上下方向的长度隔着间隔而形成的多个气体喷射孔。
19.如权利要求17所述的装置，其特征在于所述附属室从所述处理容器向侧方突出设置，所述处理容器在下部具有法兰，辅助插通管气密地连接在所述附属室与所述法兰之间，所述喷嘴从所述法兰的下方，通过所述辅助插通管而插入所述附属室内。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于所述法兰、所述附属室的壳体和所述辅助插通管由相同的绝缘性材料制成，并且利用焊接互相连接。
全文摘要
本发明涉及半导体处理用的立式等离子体处理装置，其包括一体地附设在处理容器上并由具有绝缘性内面的壳体形成的气密的附属室。附属室横跨与多个被处理基板对应的上下方向的长度而具有等离子体发生区域。在处理区域与等离子体发生区域之间配设具有绝缘性表面的分隔板。分隔板具有横跨与多个被处理基板对应的上下方向的长度而形成的气体流路。处理气体在通过等离子体发生区域时被激发，通过气体流路而被供给处理区域。
文档编号C23C16/44GK101042992SQ20071008946
公开日2007年9月26日 申请日期2007年3月23日 优先权日2006年3月24日
发明者松浦广行, 高桥俊树, 佐藤润, 相川胜芳, 石井胜利 申请人:东京毅力科创株式会社