等离子体处理装置和成膜方法与流程

1.本发明涉及等离子体处理装置和成膜方法。


背景技术：

2.在成膜步骤时，在等离子体处理装置的内壁等附着并沉积所希望的膜。当所希望的膜的累积膜厚超过预先设定的阈值时，膜被剥离，在基片上产生的颗粒量与累积膜厚成比例地增加。
3.在达到预先决定的累积膜厚的时刻，通过干式清洁除去沉积于等离子体处理装置的内壁的膜，以使得在基片上产生的颗粒量不超过管理值。为了提高生产率，希望尽可能延长从一个干式清洁到下一个干式清洁的期间，即干式清洁周期。
4.在基片上产生的颗粒大多从等离子体生成部产生。作为减少在基片上产生的颗粒的方法之一，例如，专利文献1提出了控制在所成膜的膜中产生的应力的方法。但是，由于在成膜步骤中包含该膜应力控制步骤，会造成生产率降低。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本专利第4607637号公报


技术实现要素：

8.发明要解决的技术问题
9.本发明提供一种提高等离子体密度的技术。
10.用于解决技术问题的技术方案
11.依照本发明的一个方式，提供一种在基片形成膜的等离子体处理装置，其包括：设置于处理容器内的反应管；晶舟，其保持基片，并能够被送入和送出所述反应管内；等离子体生成部，其与所述反应管连通，从气体生成等离子体；气体供给部，其对所述等离子体生成部供给所述气体；电极设置部，其以夹着所述等离子体生成部的方式设置，并包括电极；rf电源，其与所述电极连接，对所述电极供给高频；线圈，其与所述电极隔开间隔地设置于所述电极设置部内；以及直流电源，其与所述线圈连接，对所述线圈供给直流电流。
12.发明效果
13.根据一个方面，能够提高等离子体密度。
附图说明
14.图1是表示实施方式的热处理装置的一个例子的剖面示意图。
15.图2是表示实施方式的电极设置部的一个例子的剖面示意图(图3的b-b剖面)。
16.图3是表示图1的a-a剖面的图。
17.图4是实施方式的线圈的立体概略图。
18.图5是实施方式的线圈所产生的磁场的预想生成图。
19.图6是实施方式的电极设置部的另一个例子的剖面示意图。
20.图7是表示实施方式的成膜方法的一个例子的流程图。
21.附图标记说明
[0022]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热处理装置
[0023]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反应管
[0024]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀ
处理容器
[0025]
14、15 喷射器
[0026]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀ
气体供给部
[0027]
26
ꢀꢀꢀꢀꢀ
高频电极
[0028]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀ
加热部
[0029]
42
ꢀꢀꢀꢀꢀ
加热器
[0030]
50
ꢀꢀꢀꢀꢀ
冷却部
[0031]
60
ꢀꢀꢀꢀꢀ
等离子体生成部
[0032]
61、62 线圈
[0033]
70
ꢀꢀꢀꢀꢀ
电极设置部
[0034]
90
ꢀꢀꢀꢀꢀ
控制装置。
具体实施方式
[0035]
以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行说明。在各附图中，有时对相同的结构部分标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
[0036]
[热处理装置]
[0037]
参照图1，作为实施方式的等离子体处理装置的一个例子，对具有等离子体生成部的热处理装置进行说明。图1是表示实施方式的热处理装置的一个例子的概略图。
[0038]
热处理装置1具有处理容器10和反应管3。处理容器10具有大致圆筒形状。反应管3配置在处理容器10的内侧。反应管3具有有顶的大致圆筒形状。反应管3例如由石英等耐热材料形成。反应管3收纳基片。热处理装置1由反应管3和处理容器10形成双层结构。
[0039]
热处理装置1具有岐管13、喷射器14、15、盖体16、气体出口19等。岐管13具有大致圆筒形状。岐管13支承反应管3的下端。岐管13例如由不锈钢形成。
[0040]
多层地载置有多个(例如25个～150个)基片w的晶舟18从岐管13的下方被插入(装载)到反应管3内。这样，在反应管3内，在成膜时，沿上下方向具有间隔地将多个基片w大致水平地收纳。晶舟18例如由石英形成。晶舟18具有3根杆6(在图1中仅显示2根)，由形成于杆6的槽(未图示)支承多个基片w。基片w例如可以是半导体晶片。另外，晶舟18被送入(装载)到反应管3内，在基片w形成了所希望的膜后，将晶舟18从反应管3送出(卸载)。
[0041]
晶舟18隔着由石英形成的保温筒17载置于工作台5上。工作台5被支承在贯通金属(不锈钢)制的盖体16的旋转轴7上，盖体16对岐管13的下端的开口进行开闭。
[0042]
在旋转轴7的贯通部设置有磁性流体密封件，将旋转轴7气密地密封，且以可旋转的方式对其进行支承。在盖体16的周边部与岐管13的下端之间设置有用于保持处理容器10内的气密性的密封部件8。
[0043]
旋转轴7安装于例如由晶舟升降器等升降器构(未图示)支承的臂2的前端，将晶舟
18与盖体16一体地升降，对处理容器10内插入和取出。另外，也可以将工作台5固定设置于盖体16侧，以不使晶舟18旋转的方式对基片w进行处理。
[0044]
热处理装置1具有向处理容器10内供给处理气体、吹扫气体等规定的气体的气体供给部20。气体供给部20具有作为气体供给管的喷射器14、15。喷射器14、15例如由石英形成，向内侧贯通岐管13的侧壁而向上方弯曲并在垂直方向上延伸。在喷射器14、15的垂直部分，遍及与晶舟18的基片支承范围对应的上下方向的长度，分别以规定间隔形成有多个气孔14a、15a。各气孔14a、15a沿水平方向喷出气体。喷射器14、15例如由石英形成，由贯通岐管13的侧壁地设置的石英管构成。另外，在图1的例子中，示出了喷射器14、15为1个的情况，但喷射器14、15也可以为多个。
[0045]
从原料气体供给源21经由气体配管向喷射器14供给用于成膜的含硅气体。在本实施方式中，举出供给二氯硅烷(sih2cl2)的例子进行说明，但含硅气体不限于此。在气体配管设置有流量控制器22和开闭阀v0。二氯硅烷从原料气体供给源21被输出，被流量控制器22控制其流量，通过开闭阀v0的开闭来开启/截止向反应管3内的供给。
[0046]
喷射器15的垂直部分设置在等离子体生成部60内。从氨气供给源23经由气体配管向喷射器15供给氨(nh3)气。在气体配管设置有流量控制器25和开闭阀v1。nh3气体从氨气供给源23被输出，被流量控制器25控制其流量，通过开闭阀v1的开闭来开启/截止向等离子体生成部60内的供给。nh3气体被等离子体生成部60等离子体化而被供给至反应管3内。另外，从氢气供给源24经由气体配管向喷射器15供给氢(h2)气。在气体配管设置有流量控制器25和开闭阀v2。h2气体从氢气供给源24被输出，被流量控制器25控制其流量，通过开闭阀v2的开闭来开启/截止向等离子体生成部60内的供给。h2气体在等离子体生成部60中被等离子体化而被供给至反应管3内。
[0047]
虽然未图示，但也可以设置从吹扫气体供给源经由气体配管供给吹扫气体的喷射器。在气体配管设置有流量控制器和开闭阀。由此，吹扫气体从吹扫气体供给源经由气体配管以规定的流量被供给至反应管3内。作为吹扫气体，例如能够利用氮(n2)、氩(ar)等非活性气体。另外，也可以从喷射器14、15中的至少一者供给吹扫气体。在本实施方式中，从喷射器14、15供给吹扫气体。依照该结构，气体供给部20向等离子体生成部60内供给氨气、氢气和吹扫气体。另外，气体供给部20向反应管3内供给二氯硅烷和吹扫气体。处理气体例如包含成膜气体、清洁气体、吹扫气体。在本实施方式中，成膜气体是用于形成氮化硅(sin)膜的气体，包含二氯硅烷等含硅气体、氨气和氢气。
[0048]
而且，热处理装置1具有排气部30、加热部40、冷却部50、控制装置90等。供给到处理容器10内的处理气体经由气体出口19被排气部30排出。气体出口19形成于岐管13。排气部30包括排气装置31、排气配管32和压力控制器33。排气装置31例如是干泵、涡轮分子泵等真空泵。排气配管32将气体出口19、压力控制器33和排气装置31连接。压力控制器33插设于排气配管32，通过调整排气配管32的流导(conductance，流动性)来控制处理容器10内的压力。压力控制器33例如是自动压力控制阀。
[0049]
加热部40包括隔热件41、加热器42和外皮43。隔热件41具有大致圆筒形状，设置在外管12的周围。隔热件41以氧化硅和氧化铝为主要成分而形成。加热器42是发热体的一个例子，设置于隔热件41的内周。加热器42呈线状或者面状地设置于处理容器10的侧壁，以使得能够在处理容器10的高度方向上分成多个分区(zone)地进行温度控制。外皮43以覆盖隔
热件41的外周的方式设置。外皮43保持隔热件41的形状，并且对隔热件41进行加强。外皮43由不锈钢等金属形成。另外，为了抑制加热部40对外部的热影响，也可以在外皮43的外周设置水冷套(未图示)。该加热部40根据对加热器42供给的功率来决定加热器42的发热量，由此，将处理容器10内加热至所希望的温度。
[0050]
冷却部50向处理容器10供给冷却流体，对处理容器10内的晶片w进行冷却。冷却流体例如可以是空气。冷却部50例如在热处理后使晶片w急速降温时朝向处理容器10供给冷却流体。冷却部50具有流体流路51、吹出孔52、分配流路53、流量调节部54、排热口55。
[0051]
流体流路51在隔热件41与外皮43之间沿高度方向形成有多个。流体流路51例如是在隔热件41的外侧沿周向形成的流路。吹出孔52从各流体流路51贯通隔热件41而形成，向外管12与隔热件41之间的空间吹出冷却流体。
[0052]
分配流路53设置于外皮43的外部，将冷却流体分配并供给至各流体流路51。流量调节部54插设于分配流路53，调整向流体流路51供给的冷却流体的流量。
[0053]
排热口55设置在比多个吹出孔52靠上方的位置，将供给到外管12与隔热件41之间的空间的冷却流体排出到热处理装置1的外部。排出到热处理装置1的外部的冷却流体例如被热交换器冷却而再次向分配流路53供给。但是，排出到热处理装置1的外部的冷却流体也可以不被再利用地排出。
[0054]
控制装置90控制热处理装置1的动作。控制装置90例如可以是计算机。进行热处理装置1的整体的动作的计算机的程序存储于存储介质。存储介质例如可以是软盘、光盘、硬盘、闪存、dvd等。
[0055]
[等离子体生成部和电极设置部]
[0056]
在反应管3的侧壁的一部分形成有等离子体生成部60。等离子体生成部60经由设置于反应管3的开口81与反应管3连通。关于等离子体生成部60和电极设置部的结构的一个例子，在图1的基础上，参照图2和图3进行说明。图2是表示实施方式的电极设置部70的一个例子的剖面示意图，表示图3的b-b剖面及匹配电路27、rf电源28、直流电源63。图3是表示图1的a-a剖面的图。
[0057]
如图1～图3所示，等离子体生成部60在反应管3的侧壁的一部分沿着反应管3的长度方向(垂直方向)设置，从气体生成等离子体。参照图3，等离子体生成部60具有沿着反应管3的长度方向从反应管3呈矩形形状突出的等离子体分隔壁60a(参照图4)。等离子体分隔壁60a焊接于反应管3，等离子体生成部60的内部空间经由开口81(参照图1、图3)与反应管3连通。
[0058]
如图3所示，在反应管3内设置有硅前体(例如二氯硅烷sih2cl2)供给用的喷射器14。气体供给部20的原料气体供给源21从在垂直方向上形成有多个的气孔14a向反应管3内供给二氯硅烷气体。
[0059]
在等离子体生成部60的内部设置有nh3气体和h2气体供给用的喷射器15。气体供给部20的氨气供给源23从在垂直方向上形成有多个的气孔15a向等离子体生成部60内供给nh3气体，氢气供给源24从在垂直方向上形成有多个的气孔15a向等离子体生成部60内供给h2气体。
[0060]
在与开口81相对的反应管3的侧壁下部设置有用于对反应管3内进行真空排气的排气口19(参照图1、图3)，对从喷射器14、15供给的气体进行排气。
[0061]
如图3所示，电极设置部70以夹着等离子体生成部60的方式设置，在内部具有高频电极26和线圈61、62。电极设置部70与等离子体生成部60的等离子体分隔壁60a中的相对的等离子体分隔壁60a1、60a2相邻地设置。由2个构成1对的高频电极26以隔着等离子体生成部60的方式设置于等离子体生成部60的两侧的壁60a1、60a2。等离子体生成部60是真空空间，电极设置部70是大气空间。
[0062]
图2表示设置于等离子体生成部60的一个电极设置部70的高频电极26和线圈61、62。如图2所示，高频电极26沿着相对的等离子体分隔壁60a1、60a2(以下，也称为壁60a1、60a2)中的一者在长度方向上延伸。高频电极26与在另一个电极设置部70沿着壁60a1、60a2中的另一者在长度方向上延伸的高频电极26成为一对。线圈61、62沿着壁60a1、60a2卷绕(参照图4)。
[0063]
一对高频电极26经由匹配电路27与rf电源28连接，从rf电源28供给高频(rf)。等离子体生成部60利用高频的电功率使nh3气体等离子体化，生成用于在等离子体生成部60内使膜氮化的活性种。另外，等离子体生成部60利用高频的电功率使h2气体等离子体化，在等离子体生成部60内生成氢(h)自由基。
[0064]
线圈61、62与高频电极26隔开间隔地设置。如图2所示，线圈61、62与直流电源63连接。直流电源63向线圈61、62供给直流电流。
[0065]
如图3所示，在电极设置部70内埋入石英等绝缘部件36，使沿着等离子体分隔壁60a的相对的壁60a1、60a2设置的一对高频电极26与线圈61、62电绝缘。
[0066]
线圈61、62沿着相对的壁60a1、60a2卷绕1个以上。图4是磁场施加用的线圈61、62的立体概略图。2个线圈61、62卷绕在等离子体生成部60的外侧。远离反应管3的为线圈61，靠近反应管3的为线圈62。如图4所示，线圈61和线圈62在等离子体生成部60的下方连结，整体成为一体的线圈。将直流电源63与这些线圈连接，从直流电源63供给直流电流。另外，从rf电源28对高频电极26施加高频。由此，对生成等离子体的等离子体生成部60的内部施加磁场。也可以将线圈61与线圈62分离，分别单独地与专用的直流电源连接。在图4中，线圈61、62沿着壁60a1、60a2卷绕1匝，但线圈61、62也可以卷绕多匝。
[0067]
图5表示实施方式的线圈61、62所产生的磁场的预想生成图。通过增大等离子体生成部60中的等离子体密度，实现所需的反应活性种的生成量的增大，而能够缩短成膜时的等离子体处理步骤的时间。因此，在本实施方式中，为了增大等离子体密度、增大反应活性种的生成量，在高频电极26(平行平板电极)的附近设置线圈61、62。而且，使直流电流在线圈61、62中流动而产生磁场。而且，使所产生的磁场作用于利用高频从nh3气体和h2气体生成的等离子体。
[0068]
由2个线圈61、62形成的磁场具有图5中箭头所示的磁场的方向和范围。在图4和图5的例子中，直流电流从下向上向跟前侧的线圈61、62流动，在上部向里侧流动，在里侧的线圈61、62中从上向下流动。由此，生成图5所示的磁场。但是，直流电流的方向也可以相反。等离子体p中的电子受到磁场的影响而进行圆周运动(或回旋运动)。由此，能够增加电子与等离子体p中的中性粒子碰撞的次数(碰撞频率)。由此，即使在对高频电极26供给相同功率的高频的情况下，在形成有磁场的本实施方式中，与未形成磁场的情况相比，能够提高等离子体p的密度。
[0069]
图5所示的a点、b点和c点位于等离子体生成部60的中央部(从壁60a1、60a2起大致
layer deposition：原子层沉积)法的成膜步骤。但是，成膜方法不限于利用ald法的成膜。例如，能够应用于利用cvd法的成膜。
[0081]
在成膜步骤时沉积于热处理装置1的处理容器10的内壁等的sin膜的累积膜厚超过预先设定的阈值时，sin膜被剥离而在基片上产生的颗粒量与累积膜厚成比例地增加。例如，在将反应管3内保持为500℃～600℃，使用等离子体通过ald法形成sin膜的情况下，有时累积膜厚在1.0μm左右超过颗粒增加量的管理值。
[0082]
在达到预先决定的累积膜厚的时刻，通过干式清洁除去在热处理装置1的处理容器10的内壁成膜的sin膜，以使得在基片上产生的颗粒量不超过管理值。之后，重复实施sin膜的通过ald法的成膜步骤，直至达到再决定的累积膜厚为止。将从处理容器10的干式清洁至下一次干式清洁的期间称为“干式清洁周期”，通常用累积膜厚(μm)表示其长度。近年来，为了提高热处理装置1的运转率，干式清洁周期的延长成为重要课题之一。
[0083]
在热处理装置1中的通过ald法的sin膜的成膜的情况下，多为在基片上产生的颗粒主要从设置于基片附近的等离子体生成部60产生。认为成膜于等离子体生成部60的sin膜的一部分因等离子体的作用而被剥离，作为微小的颗粒附着于基片w的表面。
[0084]
减少在基片w上产生的颗粒的方法有若干种，作为有效的方法之一，有控制在被成膜的sin膜中产生的应力的方法。在该情况下，为了控制在sin膜中产生的应力，在ald步骤顺序(ald循环)中增加氢自由基吹扫步骤(hydrogen radical purge，hrp)。
[0085]
但是，当增加hrp步骤时，会产生ald循环时间变长，生产率降低的技术问题。因此，为了兼顾生产率和膜应力控制，换言之，为了缩短ald循环时间并且维持、提高hrp的效果，使用能够增大等离子体密度、使所需的反应活性种的生成量增大的热处理装置1来进行成膜。
[0086]
使用热处理装置1的sin膜的ald循环按照(1)由使用等离子体辅助的氨气的等离子体进行的氮化、(2)真空吹扫、(3)硅前体的流动、(4)真空吹扫、(5)hrp的顺序反复进行步骤(1)～(5)。需要说明的是，作为(3)硅前体的流动的一个例子，例如使二氯硅烷气体在反应管3内流动，产生热反应。(3)中不使用等离子体。
[0087]
为了提高生产率，缩短使用(1)和(5)的等离子体的步骤的时间是有效的。为此，增大等离子体生成部60中的等离子体密度，增大所需的反应活性种的生成量。已知当为了增大所需的反应活性种的生成量而单纯地增大施加的高频电功率时，颗粒的产生量与其成比例地增加。因此，在本实施方式的热处理装置1中，并非通过使高频电功率增大的方法，而是通过对所生成的电容耦合的等离子体p施加直流磁场来实现提高生产率的目的。以下，参照图7，对本实施方式的成膜方法进行说明。图7是表示实施方式的成膜方法的一个例子的流程图。图7的成膜方法由控制装置90控制。
[0088]
当本处理开始时，控制装置90向线圈61、62供给直流电流，使等离子体生成部60产生磁场。另外，从喷射器15供给nh3气体，对高频电极26施加高频电功率。由此，利用高频电功率从nh3气体生成等离子体。由此，在反应管3内，执行将基片w暴露于从等离子体生成部60送入的nh3气体的等离子体，使基片w上的膜氮化的氮化步骤(步骤s1)。另外，含氮气体不限于nh3气体，也可以是n2气体等。
[0089]
接着，控制装置90从喷射器14、15供给ar气体等非活性气体，利用排气装置31对反应管3内进行排气，执行真空吹扫步骤(步骤s3)。
[0090]
接着，控制装置90使sih2cl2气体从喷射器14流入反应管3内，产生热反应(步骤s5)。此时不使用等离子体。由此，将基片w暴露于包含硅的成膜气体，形成sin膜。接着，控制装置90从喷射器14、15供给ar气体等非活性气体，利用排气装置31对反应管3内进行排气，执行真空吹扫步骤(步骤s7)。
[0091]
接着，控制装置90向线圈61、62供给直流电流，使等离子体生成部60产生磁场。另外，从喷射器15供给h2气体，对高频电极26施加高频电功率。由此，利用高频电功率从h2气体生成等离子体，将基片w暴露于所生成的h2气体的等离子体(步骤s9)。由此，执行氢自由基吹扫(hrp)步骤。由此，控制在所成膜的sin膜中产生的应力。其结果，能够通过膜中的应力的控制而使在基片w上产生的颗粒减少。
[0092]
接着，控制装置90从喷射器14、15供给ar气体等非活性气体，利用排气装置31对反应管3内进行排气，执行真空吹扫步骤(步骤s11)。另外，也可以省略步骤s11。
[0093]
接着，控制装置90判断是否反复了预先设定的规定次数(步骤s13)。在控制装置90判断为未反复规定次数时，返回步骤s1，依次反复步骤s1～s11。在控制装置90判断为在步骤s13中反复了规定次数时，结束本处理。
[0094]
依照本实施方式的成膜方法，在步骤s1和步骤s9中生成等离子体。此时，对设置在沿着等离子体生成部60配置的电极设置部70的高频电极26供给高频电功率，向设置于电极设置部70的线圈61、62供给直流电流。
[0095]
由此，能够在维持成膜性能的状态下，将步骤s1的时间(氮化时间)缩短约10～20％，将步骤s9的时间(hrp时间)缩短约10～30％。成膜性能是指膜质、膜厚均匀性、ald循环速率(在步骤s1～s11的1个循环中生成的膜的厚度)。
[0096]
另外，在本实施方式中，使用配置有线圈61、62的热处理装置1。由此，与不配置线圈61、62的热处理装置相比，能够将干式清洁周期的时间延长至1.5倍左右。其结果，能够使热处理装置1的运转率上升。另外，能够削减用于品质管理的工时和材料成本。
[0097]
如以上所说明的那样，依照本实施方式的等离子体处理装置和成膜方法，能够提高在等离子体生成部60中生成的等离子体密度。另外，能够在成膜方法中抑制颗粒的产生，并且提高生产率。例如，在利用ald法的本实施方式的成膜方法中使用的成膜用的方案的时间(ald循环时间)的范围内，能够缩短利用nh3气体的等离子体的氮化时间和基于h2气体的等离子体的hrp时间。由此，能够提高生产率，并且使在被成膜的sin膜中产生的应力最优，由此能够抑制颗粒的产生。由此，能够将干式清洁周期延长至现状的1.5倍左右。
[0098]
本次公开的实施方式的等离子体处理装置和成膜方法在所有方面都是例示而不应该认为是限制性的。实施方式在不脱离发明范围(权利要求书)及其主旨的情况下能够以各种方式进行变形和改良。上述多个实施方式所记载的内容在不矛盾的范围内能够采取其他构成，而且能够在不矛盾的范围内进行组合。
[0099]
本成膜方法不限于sin膜的成膜，也可以在其他成膜时使用。另外，例如，本成膜方法也能够用于所希望的膜的表面处理，能够改变膜的表面状态。例如，将形成有氧化硅膜(sio2)的基片w送入等离子体处理装置，生成nh3气体的等离子体，对基片w进行等离子体处理时，氧化硅膜的表面氮化。依照实施方式的等离子体处理装置，能够提高nh3气体的等离子体的密度，由此，能够缩短表面处理的时间。