中性粒子照射型ＣＶＤ装置
【課題】中性粒子ビームと平行に原料ガスをウェハに導入でき、ウェハ上に形成される膜の面内均一性を向上することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】コイル１８によって希ガスを励起してプラズマを発生させるプラズマ発生部１２から中性粒子を取り出して反応室１０内のウェハ１４に向けて導入できる複数の開口２２ａを有するカソード電極２２と、ウェハ１４の直上から前記中性粒子と平行に原料ガスをウェハに供給するガス供給部３１と、を具備するＣＶＤ装置とする。
【解決手段】コイル１８によって希ガスを励起してプラズマを発生させるプラズマ発生部１２から中性粒子を取り出して反応室１０内のウェハ１４に向けて導入できる複数の開口２２ａを有するカソード電極２２と、ウェハ１４の直上から前記中性粒子と平行に原料ガスをウェハに供給するガス供給部３１と、を具備するＣＶＤ装置とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に膜を堆積するＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置に係わり、例えば中性粒子を用いて基板上に膜を形成する中性粒子照射型ＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギーの電子やＵＶ光によるガスの解離を抑制して予定通りの分子構造を有する膜を形成することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced CVD）装置と異なり、イオンや紫外光が原料ガス及び堆積膜に照射されないため、極めて低エネルギーの照射を実現でき、原料ガスの分子構造を破壊せずに膜を合成することが可能である。特に、メトキシ基をもつＳｉ−ＯＣＨ３系ガスではＯとＣＨ３基の部分の結合エネルギーが最も弱く、この部分を選択的に切断してＳｉＯＣＨ３系Ｌｏｗ−ｋ膜を合成することが可能である。この手法は照射エネルギーが比較的低いためＳｉ−ＣＨ３結合は切れにくく、膜中に高濃度のＣＨ３を含有することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９００２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、中性粒子照射型ＣＶＤ装置において、原料ガスは、ウェハの側方から供給され、ウェハ表面上を流れながらウェハ表面に付着される。プラズマを生成するプラズマ室とウェハが配置される反応室の間に複数のアパーチャを有するカソード電極が配置され、電界で加速されたイオンが、このアパーチャを通過する過程で中性化され、ウェハ面に付着した原料に照射され、予定した分子構造を有する膜が形成される。
【０００６】
しかし、上記中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、原料ガスがウェハの側方から供給され、ガスの排出口側へ流れている。このため、ウェハ上に形成される膜は、原料ガスの供給部近傍側が、供給部から離れた側に比べて厚く成膜される。したがって、形成された膜の面内の均一性を確保することが困難であった。近時、ウェハの大口径化に伴い、この傾向は顕著となりつつある。
【０００７】
このため、一般的なＰＥ−ＣＶＤ装置のガス供給手段として用いられるシャワーヘッドを中性粒子照射型ＣＶＤ装置に適用することが考えられる。しかし、中性粒子ビームの入射方向がウェハ上面からウェハ表面に向かう方向であるため、ここにシャワーヘッドを設置することは困難である。
【０００８】
本発明の実施形態は、中性粒子ビームと平行に原料ガスをウェハに導入でき、ウェハ上に形成される膜の面内均一性を向上することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態に係る中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、希ガスを励起してプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマから中性粒子を取り出し、反応室内のウェハに導入する複数の第１の開口を有するカソード電極と、前記ウェハの直上から前記中性粒子と平行に原料ガスを前記ウェハに供給するガス供給部とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、中性粒子ビームと平行に原料ガスをウェハに導入でき、ウェハ上に形成される膜の面内均一性を向上することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の中性粒子照射型ＣＶＤ装置の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】図１に示すガス供給部を示す平面図。
【図３】図３（ａ）（ｂ）は、図２に示すパイプの断面図。
【図４】図２に示す第１、第２の開口の関係、及びカソード電極、ガス供給部、ウェハの位置関係を示す図。
【図５】本発明の第２の実施形態を示すものであり、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の一部のみを示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態を示すものであり、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の一部のみを示す断面図。
【図７】ガス供給部の第１の変形例を示す平面図。
【図８】ガス供給部の第２の変形例を示す平面図。
【図９】ガス供給部の第３の変形例を示す平面図。
【図１０】ガス供給部の第４の変形例を示す平面図。
【図１１】ガス供給部の第５の変形例を示す平面図。
【図１２】図１２（ａ）は、本発明の中性粒子照射型ＣＶＤ装置の第４の実施形態を示す断面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のカソード電極を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る中性粒子照射型ＣＶＤ装置を示している。図１において、ＣＶＤ反応室（以下、単に反応室と称す）１０の例えば上部には、中性粒子ビーム生成部１１が設けられている。
【００１４】
反応室１０内には、ステージ１３が設けられ、このステージ１３上に処理対象の基板としての半導体ウェハ（以下、ウェハと称す）１４が載置される。ステージ１３は図示せぬ温度制御装置を有し、ウェハ１４は所定の温度に制御される。反応室１０は、原料ガスが導入されるガス導入口１５と、排気機構１６を有している。反応室１０内は、排気機構１６により所定の圧力に保持される。原料ガスは、ガス導入口１５に連通されたガス供給部３１を介して、ステージ１３上のウェハ１４の直上に導かれ、後述する開口からウェハ上に噴出される。
【００１５】
中性粒子ビーム生成部１１は、例えば石英製のプラズマ室１２を有している。プラズマ室１２の上部には、ガス導入口１７が設けられ、このガス導入口１７より希ガス、例えばアルゴン、ヘリウム、クリプトンなどのうちの１つのガスがプラズマ室１２内に導入される。プラズマ室１２の周囲にはコイル１８が巻回されている。このコイル１８の一端は接地され、他端は高周波源１９に接続されている。プラズマ室１２の内部且つ上部には、上部電極としてのアノード電極２０が設けられ、このアノード電極２０は、スイッチＳＷ１を介して直流電源２１の正極、及び高周波源１９に接続されている。また、プラズマ室１２の下部、且つ反応室１０との境界部には、下部電極としてのカソード電極２２が設けられている。このカソード電極２２は、スイッチＳＷ２を介して直流電源２１の負極に接続されている。直流電源２１は可変電源であり、この直流電源２１により、アノード電極２０とカソード電極２２との間の電界が変化可能とされている。
【００１６】
カソード電極２２は、例えばカーボン製であり、複数の開口部（第１の開口）２２ａを有している。この開口部２２ａは、アスペクト比（カソード電極２２の厚みと開口部２２ａの直径との比）が例えば１０以上、２０以下の範囲に設定され、且つ、開口率（カソード電極２２の表面積に対する複数の開口部２２ａによる開口面積の比）が例えば５０％以下、３０％以上の範囲に設定されている。
【００１７】
カソード電極２２は、正の荷電粒子を中性化して通過させ、且つプラズマから発生される電子やＵＶ光あるいはフォトンを遮断する必要があるため、開口部２２ａのアスペクト比及び開口率が規定されている。
【００１８】
さらに、反応室１０内のガスがプラズマ室１２内に流入することを防止するため、反応室１０とプラズマ室１２の圧力差を保持する必要がある。具体的には、反応室１０の圧力は、例えば１００ｍｍTorr以上に設定され、プラズマ室１２内の圧力は、例えば１Torr以上に設定される。したがって、反応室１０からプラズマ室１２へのガスの流入を抑制するため、プラズマ室１２と反応室１０の圧力差を１０倍以上に設定する必要がある。このような圧力差を保持するためには、カソード電極２２の開口部２２ａの開口率が３０％近傍であることが好ましい。
【００１９】
さらに、反応室１０内において、カソード電極２２とウェハ１４を載置するステージ１３との間には、前述したガス供給部３１が設けられている。このガス供給部３１は、プラズマと直接接触しない空間としての反応室１０内に設けられている。具体的には、ガス供給部３１は、反応室１０の側壁に保持されている。このガス供給部３１は、原料ガスをウェハ１４の直上からウェハ１４の表面に供給するとともに、中性粒子ビーム生成部１１により生成された中性粒子を妨げることなく、ウェハ１４の表面に導入可能な構成とされている。
【００２０】
図２は、ガス供給部３１の一例を示している。ガス供給部３１は、例えばリング状の第１のパイプ３１ａと、複数の第２のパイプ３１ｂにより構成されている。第１、第２のパイプ３１ａ、３１ｂは、例えば石英、セラミック、ステンレススチール材（ＳＵＳ）、カーボン、アルミニウム、又はこれらの複合材により形成することが可能である。
【００２１】
複数の第２のパイプ３１ｂは、第１のパイプ３１ａのリングの内側に網目状に配置されている。これら第２のパイプ３１ｂと第１のパイプ３１ａにより、複数の第２の開口３１ｃが形成されている。これら第２の開口３１ｃの開口面積は、カソード電極２２に設けられた第１の開口２２ａの開口面積より大きく形成されている。具体的には、第２の開口３１ｃの開口面積は、第１の開口２２ａの開口面積の例えば１０倍以上に設定されている。このため、中性粒子ビーム生成部１１により生成された中性粒子ビームは、第２の開口３１ｃを介して、ウェハ１４の表面に均一に導入可能とされている。
【００２２】
また、複数の第２のパイプ３１ｂの例えば交差部には、原料ガスを噴出する第３の開口３１ｄが設けられている。これら第３の開口３１ｄは、ウェハ１４に対向して配置され、ウェハ１４の直上からウェハ１４の表面に均一に原料ガスを供給可能とされている。
【００２３】
図２に示す例の場合、最も離れた第３の開口３１ｄ間の距離Ｌ１は、例えば２０ｍｍであり、最も近接した第３の開口３１ｄ間の距離Ｌ２は、例えば５０ｍｍである。しかし、これに限定されるものではなく、処理対象としてのウェハの口径に応じて設定可能である。
【００２４】
図３(ａ)は、第１のパイプ３１ａの断面を示し、図３（ｂ）は、第２のパイプ３１ｂの断面を示している。ガス導入口１５からガス供給部３１に導入された原料ガスは、第１、第２のパイプ３１ａ、３１ｂ内を流れる。
【００２５】
図３（ｂ）に示すように、第２のパイプ３１ｂの外径Ｌ３は、例えば１０ｍｍ以下であり、中性粒子の導入の妨げとならないよう極力小さいことが望ましい。また、第２のパイプ３１ｂの内径Ｌ４は、例えば５ｍｍ以上であり、ガス供給におけるコンダクタンスロスを低減するため、極力大きいことが望ましい。さらに、第３の開口部３１ｄの直径は、例えば０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以下に設定されている。これにより全ての第３の開口３１ｄから同流量のガスが流れるようにすることができる。すなわち、第２のパイプ３１ｂの内径Ｌ２と第３の開口３１ｄの直径の関係を上記のように定めることにより、第２のパイプ３１ｂは、第３の開口３１ｄに比べて１０倍以上のコンダクタンスを確保でき、第２のパイプ３１ｂ内の圧力損失を最小限に抑えることが可能である。
【００２６】
また、第３の開口３１ｄより噴出される原料ガスの噴出角度は、ウェハ１４の表面に対して例えば９０度から４５度の範囲である。
【００２７】
図４は、カソード電極２２、ガス供給部３１及びウェハ１４との位置関係を示しており、図４において図１乃至図３と同一部分には同一符号を付している。
【００２８】
図４において、ガス供給部３１の複数の第２のパイプ３１ｂは、カソード電極２２に設けられた第１の開口２２ａからウェハ１４に導入される中性粒子を妨げるものであってはならない。このため、上述したように、ガス供給部３１の第２の開口３１ｃの開口面積は、カソード電極２２の第１の開口２２ａの１０倍以上に設定されている。具体的には、第１の開口２２ａの直径Ｄ１が例えば１ｍｍである場合、矩形状の第２の開口３１ｃの一辺の長さＤ２は、１０ｍｍ以上の例えば４５ｍｍに設定される。
【００２９】
さらに、カソード電極２２とガス供給部３１との距離Ｌ５、及びガス供給部３１とウェハ１４との距離Ｌ６は、次のように設定される。すなわち、例えばカソード電極２２の厚みが例えば１０ｍｍで、第１の開口２２ａの直径が１ｍｍである場合において、第１の開口２２ａから噴出される中性粒子が、垂直方向に対して＋５度、−５度（９０度±５度）の広がりを有するもとのと仮定し、第２の開口３１ｃの開口面積が、第１の開口２２ａの開口面積の１０倍であると仮定した場合、ガス供給部３１とウェハ１４との距離Ｌ６は、カソード電極２２とガス供給部３１との距離Ｌ５との距離の２倍以上とする必要がある。具体的には、Ｌ５が１０ｍｍ以上である場合、Ｌ６が２０ｍｍ以上に設定される。
【００３０】
上記構成において、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の動作について説明する。
【００３１】
本実施形態の中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、中性粒子ビーム生成部１１において、希ガスを用いてエネルギーが制御された中性粒子ビームが生成される。この生成された中性粒子ビームは反応室１０内のプリカーサとしてのガスに照射され、ガスを構成する分子の解離を制御して重合させ、基板上に所望の分子構造を有する膜が形成される。
【００３２】
先ず、プラズマ室１２の圧力が例えば１Torr以上に設定され、プラズマ室１２内に希ガス、例えばアルゴンガスが導入される。この状態において、スイッチＳＷ１がオンとされ、高周波源１９より高周波電力がコイル１８に供給される。この高周波電力は、例えば周波数が１３．５６ＭＨｚ、電圧が５００Ｖ、電力が１ｋＷである。プラズマ室１２内の電子は、コイル１８により発生された高周波電界により加速されてアルゴンガスに衝突し、ガスが分解されてプラズマが発生される。
【００３３】
この状態において、スイッチＳＷ２がオンとされると、アノード電極２０とカソード電極２２との間に電界が発生され、プラズマ中の正の荷電粒子が電界により加速される。正の荷電粒子はカソード電極２２において電子が供給されて中性化され、中性粒子（ＮＢ）が生成される。この中性粒子は、複数の第１の開口２２ａを通過して反応室１０内に導かれる。このとき、プラズマ源で発生した電子やＵＶ光あるいはフォトンは、カソード電極２２によって遮蔽され反応室１０には到達しない。
【００３４】
反応室１０に導かれる中性粒子のエネルギーは、プラズマで発生したイオンの加速電圧によって制御され、この加速電圧は、直流電源２１を制御することにより可変される。この中性粒子は、ガス供給部３１の第２の開口３１ｃを通ってウェハ１４に導入される。ウェハ１４は、ステージ１３上に載置され、温度が制御されている。
【００３５】
一方、ガス導入口１５からガス供給部３１に供給された原料ガスは、第３の開口３１ｄからウェハ１４の上面に噴出される。すなわち、原料ガスは、ウェハ１４の直上に配置された第３の開口３１ｄから中性粒子ビームとほぼ平行にウェハ１４上に噴出される。原料ガスは、ｌｏｗ−ｋ膜のプリカーサとしての、例えばＤＭＤＭＯＳ（ジメチルジメトキシシラン）であり、このＤＭＤＭＯＳにプラズマ室１２の第１の開口２２ａから供給部３１の第２の開口３１ｃを介して導入された中性粒子が衝突される。中性粒子の衝突により、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーのアシストにより、基板に吸着されたガス分子の所定の結合の解離が促進され、活性化されたガスは、重合反応を起こしてウェハ１４上に順次堆積される。
【００３６】
このようにして、ＤＭＤＭＯＳをプリカーサとして、ウェハ１４上にＳｉＯＣからなるｌｏｗ−ｋ膜が堆積される。プリカーサとしては、ＤＭＤＭＯＳに限定されるものではなく、例えばＭＴＭＯＳ（メチルトリメトキシシラン）などのＳｉ系化合物を用いることも可能である。
【００３７】
上記第１の実施形態によれば、カソード電極２１の第１の開口２２ａは、イオンを加速して中性化し、ガス供給部３１の第３の開口３１ｄは、第１の開口２２ａの下方に設けられ、ウェハ１４の直上から中性粒子ビームとほぼ平行に原料ガスをウェハ１４に均一に供給している。しかも、ガス供給部３１に設けられた第２の開口３１ｃの開口面積は、第１の開口２２ａの開口面積の１０倍以上に設定されている。このため、第１の開口２２ａから照射される中性粒子ビームの照射進路を妨げることなく、中性粒子ビームをウェハ１４上に導入できる。したがって、ウェハ１４の表面上に均一に原料ガスを供給することができるとともに、ウェハ１４の表面上に中性粒子を均一に照射することができるため、ウェハ１４の表面上に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００３８】
また、上記構成によれば、原料ガスをウェハ表面に均一に供給することができるとともに、中性粒子ビームを十分に導入することが可能であるため、ウェハの大口径化に対応でき、例えば３００ｍｍのウェハに対して、均一な膜厚を有する膜を形成することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態を示している。図５において、プラズマ室１２等は省略している。
【００４０】
第１の実施形態において、ガス供給部３１は、反応室１０の側壁に保持されていた。これに対して、第２の実施形態において、ガス供給部３１は、例えば３本の支持体４１により支持されている（図５には、２本のみを示している）。これら支持体４１は、例えばガス供給部３１と同様に、例えばセラミック、石英、ステンレススチール（ＳＵＳ）により形成可能である。これら支持体４１は、パイプ形状であり、一端が反応室１０の底部に配置され、他端がガス供給部３１の第１のパイプ３１ａに設けられている。すなわち、パイプ状の支持体４１は、ガス供給部３１の第１のパイプ３１ａに連通され、これらパイプ４１を介して原料ガスがガス供給部３１に導入される。
【００４１】
上記第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００４２】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態を示している。第３の実施形態は、第２の実施形態に示す各支持体４１が昇降機構を有している。すなわち、支持体４１は、例えば径の異なる２つの第１、第２のパイプ４１ａ、４１ｂにより構成されており、第１のパイプ４１ａに第２のパイプ４１ｂが挿入されている。第１のパイプ４１ａは、第２のパイプ４１ｂに対して、図示矢印Ａ、Ｂ方向に昇降可能とされている。具体的には、例えば第１のパイプ４１ａは、第２のパイプ４１ｂに対して螺合されている。この状態において、図示せぬ動力により、第２のパイプ４１ｂがその軸芯周りに、図示矢印Ｃ、Ｄ方向に回転されると、第１のパイプ４１ａが第２のパイプ４１ｂに対して図示矢印Ａ、Ｂ方向に移動される。
【００４３】
昇降機構は、上記構成に限定されるものではなく、例えばリニアモータを用いて第１のパイプ４１ａを第２のパイプ４１ｂに対して移動することも可能である。
【００４４】
上記第３の実施形態によれば、第２のパイプ４１ｂに対して第１のパイプ４１ａを移動可能とすることにより、ウェハ１４とガス供給部３１との距離、ガス供給部３１とカソード電極２２との距離を調整することができる。このため、ガス供給部３１をウェハ１４とカソード電極２２との間の最適位置に設定することが可能である。したがって、ウェハ１４に形成される膜の均一性を一層向上させることが可能である。
【００４５】
また、ガス供給部３１をウェハ１４に対して移動させることが可能である。このため、ウェハ１４をステージ１３に対して搬送する際、所要のスペースを形成することが可能である。
【００４６】
図７乃至図１１は、ガス供給部３１の変形例を示している。図７乃至図１１において、第１、第２のパイプ３１ａ、３１ｂの材料、およびパイプの径、第３の開口３１ｄの開口面積は、第１の実施形態と同様である。
【００４７】
図２に示すガス供給部３１は、第２のパイプ３１ｂを網目状に配置し、第２のパイプ３１ｂの交差部に第３の開口３１ｄを形成した。
【００４８】
（第１の変形例）
これに対して、図７に示す第１の変形例において、ガス供給部３１の第２のパイプ３１ｂは、複数の第２のパイプ３１ｂが平行に配置され、各第２のパイプ３１ｂのウェハ１４と対向する位置に第３の開口３１ｄが形成されている。隣接する第２のパイプ３１ｂ同士、及び第２のパイプ３１ｂと第１のパイプ３１ａとが形成する第２の開口３１ｃの開口面積は、第１の開口２２ａの開口面積の１０倍以上に設定されている。
【００４９】
上記第１の変形例によっても、原料ガスをウェハ１４の直上よりウェハ１４の表面に均一に供給することができる。しかも、第２の開口３１ｃの開口面積を第１の実施形態に比べて大きくすることができる。このため、中性粒子ビームをウェハ１４に効率良く導入することが可能であり、ウェハ１４上に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００５０】
（第２の変形例）
図８に示す第２の変形例において、第２のパイプ３１ｂは、直線状のパイプ３１ｂ−１とリング状のパイプ３１ｂ−２とにより構成されている。直線状のパイプ３１ｂ−１は、第１のパイプ３１ａの直径に対応して配置され、リング状のパイプ３１ｂ−２は、第１のパイプ３１ａと同心円状に配置される。直線状のパイプ３１ｂ−１とリング状のパイプ３１ｂ−２、及び第１のパイプ３１ａは、連通されている。リング状の第１、第２のパイプ３１ａ、３１ｂ−２には、ウェハ１４に対向して複数の第３の開口３１ｄが設けられ、直線状のパイプ３１ｂ−１の長手方向中央部には、ウェハ１４の中央部に対向して第３の開口３１ｄが形成されている。
【００５１】
第２の変形例によっても、リング状の第１、第２のパイプ、３１ａ、３１ｂ−２、及び直線状の第２のパイプ３１ｂ−１に設けられた第３の開口３１ｄから、原料ガスをウェハ１４の直上からウェハ１４表面に均一に供給することが可能である。しかも、第２のパイプ３１ｂ−２をリング状とすることにより、第２の開口３１ｃの開口面積を第１の実施形態に比べて大きくすることができる。このため、中性粒子ビームをウェハ１４に効率良く導入できる。したがった、ウェハ１４の表面に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００５２】
（第３の変形例）
図９に示す第３の変形例において、第２のパイプ３１ｂは、複数の直線状のパイプ３１ｂ−３、及び３１ｂ−４により構成されている。これらパイプ３１ｂ−３、３１ｂ−４は、第１のパイプ３１ａの内側に放射状に配置されている。すなわち、複数のパイプ３１ｂ−３の一端は第１のパイプ３１ａに設けられ、複数のパイプ３１ｂ−３の他端は、ウェハ１４の上方で、ウェハ１４の中心から等しい位置に配置されている。また、複数のパイプ３１ｂ−３に設けられた第３の開口３１ｄは、ウェハ１４の表面に対向されている。
【００５３】
さらに、第２のパイプ３１ｂ−４は、リング状の第１のパイプ３１ａの半径にほぼ等しい長さを有している。この第２のパイプ３１ｂ−４の一端は、第１のパイプ３１ａに設けられ、他端は、ウェハ１４の中央部に位置されている。この第２のパイプ３１ｂ−４の他端に設けられた第３の開口３１ｄは、ウェハ１４の中央部に対向されている。
【００５４】
上記第３の変形例によっても、原料ガスをウェハ１４の直上からウェハ１４に均一に供給することが可能である。しかも、第２の開口３１ｃの開口面積を第１の実施形態に比べて大きくすることが可能であるため、ウェハ１４の表面に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００５５】
上記第１乃至第３の変形例は、第１乃至第３の実施形態に適用可能である。
【００５６】
（第４の変形例）
図１０は、第４の変形例を示すものである。第４の変形例は、第３の開口３１ｄの変形例であり、第４の変形例を、第１の変形例に示すガス供給部３１に適用した場合を示している。
【００５７】
図１０において、各第２のパイプ３１ｂには、複数の第３の開口３１ｄが設けられている。すなわち、第２のパイプ３１ｂの長手方向には、所定間隔あけて２つずつ第３の開口３１ｄが設けられている。２つの第３の開口３１ｄは、第２のパイプ３１ｂの長手方向の同一位置に配置されている。すなわち、図１０にＥで示すように、第２のパイプ３１ｂのウェハ１４と対向する位置には、第２のパイプ３１ｂの軸芯回りに所定間隔あけて、２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２が設けられている。２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２の開口方向は、鉛直線に対して例えば１５度乃至２０程度傾斜されている。
【００５８】
上記第４の変形例によれば、ガス供給部３１の各第２のパイプ３１ｂに所定間隔あけて２つずつ第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２を設けている。このため、原料ガスをウェハ１４に対して、一層均一に供給することが可能である。したがって、形成される膜の膜厚をさらに均一化することが可能である。
【００５９】
（第５の変形例）
図１１は、第５の変形例を示している。第５の変形例は、第４の変形例をさらに変形したものである。すなわち、第４の変形例において、２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２は、各第２のパイプ３１ｂの長手方向の同一位置に配置した。これに対して、第５の変形例において、２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２は、各第２のパイプ３１ｂの長手方向の異なる位置に配置されている。第４の変形例と同様に、２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２の開口方向は、鉛直線に対して例えば１５度乃至２０程度傾斜されている。
【００６０】
上記第５の変形例によれば、各第２のパイプ３１ｂに設けられた第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２は、第２のパイプ３１ｂの長手方向に離れて配置されている。このため、ウェハ１４に対して、一層原料ガスを均一に供給することが可能であり、形成される膜の膜厚を均一化することができる。
【００６１】
上記第４、第５の変形は、第１乃至第３の実施形態、及び第１乃至第３の変形例に適用することが可能である。
【００６２】
（第４の実施形態）
図１２（ａ）（ｂ）は、第４の実施形態を示している。第１乃至第３の実施形態は、カソード電極２２とウェハ１４との間にガス供給部３１を設けた。これに対して、第４の実施形態は、カソード電極２２にガス供給部３１を組み込んだ構成としている。
【００６３】
すなわち、図１２（ａ）において、カソード電極５１は、多孔質の導電材料、例えば多孔質グラファイトにより構成されている。このカソード電極５１には、プラズマ室１２により発生されたプラズマから中性粒子を取り出して反応室１０内のウェハに導入する複数の第１の開口５１ａが形成されている。さらに、カソード電極５１内には、ガス供給部を構成する例えば複数のリング状のパイプ５１ｂが同心円状に形成されている。これら複数のパイプ５１ｂは、ガス導入口５２に連通されている。複数のパイプ５１ｂは、多孔質材料内に形成されている。このため、これらパイプ５１ｂ内に導入された原料ガスは、パイプ５１ｂに設けられた複数の孔から反応室１０内に導入される。
【００６４】
上記構成のカソード電極５１は、例えば次のようにして形成される。先ず、複数のパイプ５１ｂを構成する複数のリング状の溝と、これら溝を繋ぎ、ガス導入口５２を構成する直線状の溝が、カソード電極５１を構成する多孔質グラファイトからなる第１の部材５１−１の上面側に形成される。この後、カバーとしての多孔質グラファイトからなる第２の部材５１−２が第１の部材５１−１の上面に取着される。これにより、複数のパイプ５１ｂとこれらに連通されたガス導入口５２が形成される。次に、複数のパイプ５１ｂの間に位置する領域に、第１、第２の部材５１−１，５１−２を貫通する複数の第１の開口５１ａが形成される。このようにして、カソード電極５１が形成される。
【００６５】
尚、複数の第１の開口５１ａの内面及び第２の部材５１−２の表面に導電性の膜を形成して、これらの部分の孔を閉塞し、複数のパイプ５１ｂの底部のみに孔が存在することが好ましい。
【００６６】
上記構成において、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の動作について説明する。
【００６７】
図１２（ａ）に示す構成において、カソード電極５１とウェハ１４との距離は、例えば２０ｍｍに設定される。この状態において、第１の実施形態と同様に、プラズマ室１２において、プラズマが発生される。プラズマ中の正の荷電粒子が、アノード電極２０とカソード電極２２との間電界により加速される。正の荷電粒子はカソード電極２２において電子が供給されて中性化され、中性粒子（ＮＢ）が生成される。この中性粒子は、複数の第１の開口５１ａを通過して反応室１０内に導かれる。
【００６８】
一方、ガス導入口５２から複数のパイプ５１ｂに供給された原料ガスは、カソード電極５１の下面に形成された複数の孔から反応室１０内に導入される。すなわち、カソード電極５１の下面から反応室１０内に導入される原料ガスは、ウェハ１４の直上から中性粒子ビームと平行にウェハ１４の表面に導入される。原料ガスは、中性粒子の衝突により、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーのアシストにより、基板に吸着されたガス分子の所定の結合の解離が促進され、活性化されたガスは、重合反応を起こしてウェハ１４上に順次堆積される。
【００６９】
上記第４の実施形態によれば、カソード電極５１は、多孔質材料により形成され、中性粒子を反応室１０内に導入する複数の第１の開口５１ａを有するとともに、その内部に原料ガスを導入する複数のパイプ５１ｂを有し、複数のパイプ５１ｂに形成された複数の孔から原料ガスを反応室１０に導入している。このため、第４の実施形態によっても、第１乃至第３の実施形態と同様に、ウェハ１４の直上から中性粒子ビームと平行に原料ガスをウェハ１４の表面に導入することができる。したがって、ウェハ１４上に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００７０】
尚、第４の実施形態は、導電性の多孔質材料によりカソード電極を形成したが、これに限定されるものではなく、例えば複数のパイプ５１ｂのウェハ１４と対向する面に、複数の開口を形成してもよい。この場合、多孔質材料に代えて、他の導電性材料を使用することができる。
【００７１】
また、第１乃至第４の実施形態において、ガス流路は、ガス導入口１５、５２の１系統の場合を示している。しかし、これに限定されるものではなく、ガス流路系統を、２系統以上で構成しても良い。ガス流路系統を、２系統以上で構成した場合、複数のガスを同時に均一に供給することが出来る。
【００７２】
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０…反応室、１４…ウェハ、１２…プラズマ室、２２、５１…カソード電極、２２ａ…第１の開口、３１…ガス供給部、３１ａ…第１のパイプ、３１ｂ、３１ｂ−１，３１ｂ−２、３１ｂ−３，３１ｂ−４…第２のパイプ、３１ｃ…第２の開口、３１ｄ、３１ｄ−１，３１ｄ−２…第３の開口、４１…支持体、４１ａ、４１ｂ…第１、第２のパイプ、５１ａ…第１の開口、５１ｂ…パイプ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に膜を堆積するＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置に係わり、例えば中性粒子を用いて基板上に膜を形成する中性粒子照射型ＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギーの電子やＵＶ光によるガスの解離を抑制して予定通りの分子構造を有する膜を形成することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced CVD）装置と異なり、イオンや紫外光が原料ガス及び堆積膜に照射されないため、極めて低エネルギーの照射を実現でき、原料ガスの分子構造を破壊せずに膜を合成することが可能である。特に、メトキシ基をもつＳｉ−ＯＣＨ３系ガスではＯとＣＨ３基の部分の結合エネルギーが最も弱く、この部分を選択的に切断してＳｉＯＣＨ３系Ｌｏｗ−ｋ膜を合成することが可能である。この手法は照射エネルギーが比較的低いためＳｉ−ＣＨ３結合は切れにくく、膜中に高濃度のＣＨ３を含有することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９００２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、中性粒子照射型ＣＶＤ装置において、原料ガスは、ウェハの側方から供給され、ウェハ表面上を流れながらウェハ表面に付着される。プラズマを生成するプラズマ室とウェハが配置される反応室の間に複数のアパーチャを有するカソード電極が配置され、電界で加速されたイオンが、このアパーチャを通過する過程で中性化され、ウェハ面に付着した原料に照射され、予定した分子構造を有する膜が形成される。
【０００６】
しかし、上記中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、原料ガスがウェハの側方から供給され、ガスの排出口側へ流れている。このため、ウェハ上に形成される膜は、原料ガスの供給部近傍側が、供給部から離れた側に比べて厚く成膜される。したがって、形成された膜の面内の均一性を確保することが困難であった。近時、ウェハの大口径化に伴い、この傾向は顕著となりつつある。
【０００７】
このため、一般的なＰＥ−ＣＶＤ装置のガス供給手段として用いられるシャワーヘッドを中性粒子照射型ＣＶＤ装置に適用することが考えられる。しかし、中性粒子ビームの入射方向がウェハ上面からウェハ表面に向かう方向であるため、ここにシャワーヘッドを設置することは困難である。
【０００８】
本発明の実施形態は、中性粒子ビームと平行に原料ガスをウェハに導入でき、ウェハ上に形成される膜の面内均一性を向上することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態に係る中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、希ガスを励起してプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部により発生されたプラズマから中性粒子を取り出し、反応室内のウェハに導入する複数の第１の開口を有するカソード電極と、前記ウェハの直上から前記中性粒子と平行に原料ガスを前記ウェハに供給するガス供給部とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、中性粒子ビームと平行に原料ガスをウェハに導入でき、ウェハ上に形成される膜の面内均一性を向上することが可能な中性粒子照射型ＣＶＤ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の中性粒子照射型ＣＶＤ装置の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】図１に示すガス供給部を示す平面図。
【図３】図３（ａ）（ｂ）は、図２に示すパイプの断面図。
【図４】図２に示す第１、第２の開口の関係、及びカソード電極、ガス供給部、ウェハの位置関係を示す図。
【図５】本発明の第２の実施形態を示すものであり、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の一部のみを示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態を示すものであり、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の一部のみを示す断面図。
【図７】ガス供給部の第１の変形例を示す平面図。
【図８】ガス供給部の第２の変形例を示す平面図。
【図９】ガス供給部の第３の変形例を示す平面図。
【図１０】ガス供給部の第４の変形例を示す平面図。
【図１１】ガス供給部の第５の変形例を示す平面図。
【図１２】図１２（ａ）は、本発明の中性粒子照射型ＣＶＤ装置の第４の実施形態を示す断面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のカソード電極を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る中性粒子照射型ＣＶＤ装置を示している。図１において、ＣＶＤ反応室（以下、単に反応室と称す）１０の例えば上部には、中性粒子ビーム生成部１１が設けられている。
【００１４】
反応室１０内には、ステージ１３が設けられ、このステージ１３上に処理対象の基板としての半導体ウェハ（以下、ウェハと称す）１４が載置される。ステージ１３は図示せぬ温度制御装置を有し、ウェハ１４は所定の温度に制御される。反応室１０は、原料ガスが導入されるガス導入口１５と、排気機構１６を有している。反応室１０内は、排気機構１６により所定の圧力に保持される。原料ガスは、ガス導入口１５に連通されたガス供給部３１を介して、ステージ１３上のウェハ１４の直上に導かれ、後述する開口からウェハ上に噴出される。
【００１５】
中性粒子ビーム生成部１１は、例えば石英製のプラズマ室１２を有している。プラズマ室１２の上部には、ガス導入口１７が設けられ、このガス導入口１７より希ガス、例えばアルゴン、ヘリウム、クリプトンなどのうちの１つのガスがプラズマ室１２内に導入される。プラズマ室１２の周囲にはコイル１８が巻回されている。このコイル１８の一端は接地され、他端は高周波源１９に接続されている。プラズマ室１２の内部且つ上部には、上部電極としてのアノード電極２０が設けられ、このアノード電極２０は、スイッチＳＷ１を介して直流電源２１の正極、及び高周波源１９に接続されている。また、プラズマ室１２の下部、且つ反応室１０との境界部には、下部電極としてのカソード電極２２が設けられている。このカソード電極２２は、スイッチＳＷ２を介して直流電源２１の負極に接続されている。直流電源２１は可変電源であり、この直流電源２１により、アノード電極２０とカソード電極２２との間の電界が変化可能とされている。
【００１６】
カソード電極２２は、例えばカーボン製であり、複数の開口部（第１の開口）２２ａを有している。この開口部２２ａは、アスペクト比（カソード電極２２の厚みと開口部２２ａの直径との比）が例えば１０以上、２０以下の範囲に設定され、且つ、開口率（カソード電極２２の表面積に対する複数の開口部２２ａによる開口面積の比）が例えば５０％以下、３０％以上の範囲に設定されている。
【００１７】
カソード電極２２は、正の荷電粒子を中性化して通過させ、且つプラズマから発生される電子やＵＶ光あるいはフォトンを遮断する必要があるため、開口部２２ａのアスペクト比及び開口率が規定されている。
【００１８】
さらに、反応室１０内のガスがプラズマ室１２内に流入することを防止するため、反応室１０とプラズマ室１２の圧力差を保持する必要がある。具体的には、反応室１０の圧力は、例えば１００ｍｍTorr以上に設定され、プラズマ室１２内の圧力は、例えば１Torr以上に設定される。したがって、反応室１０からプラズマ室１２へのガスの流入を抑制するため、プラズマ室１２と反応室１０の圧力差を１０倍以上に設定する必要がある。このような圧力差を保持するためには、カソード電極２２の開口部２２ａの開口率が３０％近傍であることが好ましい。
【００１９】
さらに、反応室１０内において、カソード電極２２とウェハ１４を載置するステージ１３との間には、前述したガス供給部３１が設けられている。このガス供給部３１は、プラズマと直接接触しない空間としての反応室１０内に設けられている。具体的には、ガス供給部３１は、反応室１０の側壁に保持されている。このガス供給部３１は、原料ガスをウェハ１４の直上からウェハ１４の表面に供給するとともに、中性粒子ビーム生成部１１により生成された中性粒子を妨げることなく、ウェハ１４の表面に導入可能な構成とされている。
【００２０】
図２は、ガス供給部３１の一例を示している。ガス供給部３１は、例えばリング状の第１のパイプ３１ａと、複数の第２のパイプ３１ｂにより構成されている。第１、第２のパイプ３１ａ、３１ｂは、例えば石英、セラミック、ステンレススチール材（ＳＵＳ）、カーボン、アルミニウム、又はこれらの複合材により形成することが可能である。
【００２１】
複数の第２のパイプ３１ｂは、第１のパイプ３１ａのリングの内側に網目状に配置されている。これら第２のパイプ３１ｂと第１のパイプ３１ａにより、複数の第２の開口３１ｃが形成されている。これら第２の開口３１ｃの開口面積は、カソード電極２２に設けられた第１の開口２２ａの開口面積より大きく形成されている。具体的には、第２の開口３１ｃの開口面積は、第１の開口２２ａの開口面積の例えば１０倍以上に設定されている。このため、中性粒子ビーム生成部１１により生成された中性粒子ビームは、第２の開口３１ｃを介して、ウェハ１４の表面に均一に導入可能とされている。
【００２２】
また、複数の第２のパイプ３１ｂの例えば交差部には、原料ガスを噴出する第３の開口３１ｄが設けられている。これら第３の開口３１ｄは、ウェハ１４に対向して配置され、ウェハ１４の直上からウェハ１４の表面に均一に原料ガスを供給可能とされている。
【００２３】
図２に示す例の場合、最も離れた第３の開口３１ｄ間の距離Ｌ１は、例えば２０ｍｍであり、最も近接した第３の開口３１ｄ間の距離Ｌ２は、例えば５０ｍｍである。しかし、これに限定されるものではなく、処理対象としてのウェハの口径に応じて設定可能である。
【００２４】
図３(ａ)は、第１のパイプ３１ａの断面を示し、図３（ｂ）は、第２のパイプ３１ｂの断面を示している。ガス導入口１５からガス供給部３１に導入された原料ガスは、第１、第２のパイプ３１ａ、３１ｂ内を流れる。
【００２５】
図３（ｂ）に示すように、第２のパイプ３１ｂの外径Ｌ３は、例えば１０ｍｍ以下であり、中性粒子の導入の妨げとならないよう極力小さいことが望ましい。また、第２のパイプ３１ｂの内径Ｌ４は、例えば５ｍｍ以上であり、ガス供給におけるコンダクタンスロスを低減するため、極力大きいことが望ましい。さらに、第３の開口部３１ｄの直径は、例えば０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以下に設定されている。これにより全ての第３の開口３１ｄから同流量のガスが流れるようにすることができる。すなわち、第２のパイプ３１ｂの内径Ｌ２と第３の開口３１ｄの直径の関係を上記のように定めることにより、第２のパイプ３１ｂは、第３の開口３１ｄに比べて１０倍以上のコンダクタンスを確保でき、第２のパイプ３１ｂ内の圧力損失を最小限に抑えることが可能である。
【００２６】
また、第３の開口３１ｄより噴出される原料ガスの噴出角度は、ウェハ１４の表面に対して例えば９０度から４５度の範囲である。
【００２７】
図４は、カソード電極２２、ガス供給部３１及びウェハ１４との位置関係を示しており、図４において図１乃至図３と同一部分には同一符号を付している。
【００２８】
図４において、ガス供給部３１の複数の第２のパイプ３１ｂは、カソード電極２２に設けられた第１の開口２２ａからウェハ１４に導入される中性粒子を妨げるものであってはならない。このため、上述したように、ガス供給部３１の第２の開口３１ｃの開口面積は、カソード電極２２の第１の開口２２ａの１０倍以上に設定されている。具体的には、第１の開口２２ａの直径Ｄ１が例えば１ｍｍである場合、矩形状の第２の開口３１ｃの一辺の長さＤ２は、１０ｍｍ以上の例えば４５ｍｍに設定される。
【００２９】
さらに、カソード電極２２とガス供給部３１との距離Ｌ５、及びガス供給部３１とウェハ１４との距離Ｌ６は、次のように設定される。すなわち、例えばカソード電極２２の厚みが例えば１０ｍｍで、第１の開口２２ａの直径が１ｍｍである場合において、第１の開口２２ａから噴出される中性粒子が、垂直方向に対して＋５度、−５度（９０度±５度）の広がりを有するもとのと仮定し、第２の開口３１ｃの開口面積が、第１の開口２２ａの開口面積の１０倍であると仮定した場合、ガス供給部３１とウェハ１４との距離Ｌ６は、カソード電極２２とガス供給部３１との距離Ｌ５との距離の２倍以上とする必要がある。具体的には、Ｌ５が１０ｍｍ以上である場合、Ｌ６が２０ｍｍ以上に設定される。
【００３０】
上記構成において、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の動作について説明する。
【００３１】
本実施形態の中性粒子照射型ＣＶＤ装置は、中性粒子ビーム生成部１１において、希ガスを用いてエネルギーが制御された中性粒子ビームが生成される。この生成された中性粒子ビームは反応室１０内のプリカーサとしてのガスに照射され、ガスを構成する分子の解離を制御して重合させ、基板上に所望の分子構造を有する膜が形成される。
【００３２】
先ず、プラズマ室１２の圧力が例えば１Torr以上に設定され、プラズマ室１２内に希ガス、例えばアルゴンガスが導入される。この状態において、スイッチＳＷ１がオンとされ、高周波源１９より高周波電力がコイル１８に供給される。この高周波電力は、例えば周波数が１３．５６ＭＨｚ、電圧が５００Ｖ、電力が１ｋＷである。プラズマ室１２内の電子は、コイル１８により発生された高周波電界により加速されてアルゴンガスに衝突し、ガスが分解されてプラズマが発生される。
【００３３】
この状態において、スイッチＳＷ２がオンとされると、アノード電極２０とカソード電極２２との間に電界が発生され、プラズマ中の正の荷電粒子が電界により加速される。正の荷電粒子はカソード電極２２において電子が供給されて中性化され、中性粒子（ＮＢ）が生成される。この中性粒子は、複数の第１の開口２２ａを通過して反応室１０内に導かれる。このとき、プラズマ源で発生した電子やＵＶ光あるいはフォトンは、カソード電極２２によって遮蔽され反応室１０には到達しない。
【００３４】
反応室１０に導かれる中性粒子のエネルギーは、プラズマで発生したイオンの加速電圧によって制御され、この加速電圧は、直流電源２１を制御することにより可変される。この中性粒子は、ガス供給部３１の第２の開口３１ｃを通ってウェハ１４に導入される。ウェハ１４は、ステージ１３上に載置され、温度が制御されている。
【００３５】
一方、ガス導入口１５からガス供給部３１に供給された原料ガスは、第３の開口３１ｄからウェハ１４の上面に噴出される。すなわち、原料ガスは、ウェハ１４の直上に配置された第３の開口３１ｄから中性粒子ビームとほぼ平行にウェハ１４上に噴出される。原料ガスは、ｌｏｗ−ｋ膜のプリカーサとしての、例えばＤＭＤＭＯＳ（ジメチルジメトキシシラン）であり、このＤＭＤＭＯＳにプラズマ室１２の第１の開口２２ａから供給部３１の第２の開口３１ｃを介して導入された中性粒子が衝突される。中性粒子の衝突により、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーのアシストにより、基板に吸着されたガス分子の所定の結合の解離が促進され、活性化されたガスは、重合反応を起こしてウェハ１４上に順次堆積される。
【００３６】
このようにして、ＤＭＤＭＯＳをプリカーサとして、ウェハ１４上にＳｉＯＣからなるｌｏｗ−ｋ膜が堆積される。プリカーサとしては、ＤＭＤＭＯＳに限定されるものではなく、例えばＭＴＭＯＳ（メチルトリメトキシシラン）などのＳｉ系化合物を用いることも可能である。
【００３７】
上記第１の実施形態によれば、カソード電極２１の第１の開口２２ａは、イオンを加速して中性化し、ガス供給部３１の第３の開口３１ｄは、第１の開口２２ａの下方に設けられ、ウェハ１４の直上から中性粒子ビームとほぼ平行に原料ガスをウェハ１４に均一に供給している。しかも、ガス供給部３１に設けられた第２の開口３１ｃの開口面積は、第１の開口２２ａの開口面積の１０倍以上に設定されている。このため、第１の開口２２ａから照射される中性粒子ビームの照射進路を妨げることなく、中性粒子ビームをウェハ１４上に導入できる。したがって、ウェハ１４の表面上に均一に原料ガスを供給することができるとともに、ウェハ１４の表面上に中性粒子を均一に照射することができるため、ウェハ１４の表面上に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００３８】
また、上記構成によれば、原料ガスをウェハ表面に均一に供給することができるとともに、中性粒子ビームを十分に導入することが可能であるため、ウェハの大口径化に対応でき、例えば３００ｍｍのウェハに対して、均一な膜厚を有する膜を形成することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態を示している。図５において、プラズマ室１２等は省略している。
【００４０】
第１の実施形態において、ガス供給部３１は、反応室１０の側壁に保持されていた。これに対して、第２の実施形態において、ガス供給部３１は、例えば３本の支持体４１により支持されている（図５には、２本のみを示している）。これら支持体４１は、例えばガス供給部３１と同様に、例えばセラミック、石英、ステンレススチール（ＳＵＳ）により形成可能である。これら支持体４１は、パイプ形状であり、一端が反応室１０の底部に配置され、他端がガス供給部３１の第１のパイプ３１ａに設けられている。すなわち、パイプ状の支持体４１は、ガス供給部３１の第１のパイプ３１ａに連通され、これらパイプ４１を介して原料ガスがガス供給部３１に導入される。
【００４１】
上記第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００４２】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態を示している。第３の実施形態は、第２の実施形態に示す各支持体４１が昇降機構を有している。すなわち、支持体４１は、例えば径の異なる２つの第１、第２のパイプ４１ａ、４１ｂにより構成されており、第１のパイプ４１ａに第２のパイプ４１ｂが挿入されている。第１のパイプ４１ａは、第２のパイプ４１ｂに対して、図示矢印Ａ、Ｂ方向に昇降可能とされている。具体的には、例えば第１のパイプ４１ａは、第２のパイプ４１ｂに対して螺合されている。この状態において、図示せぬ動力により、第２のパイプ４１ｂがその軸芯周りに、図示矢印Ｃ、Ｄ方向に回転されると、第１のパイプ４１ａが第２のパイプ４１ｂに対して図示矢印Ａ、Ｂ方向に移動される。
【００４３】
昇降機構は、上記構成に限定されるものではなく、例えばリニアモータを用いて第１のパイプ４１ａを第２のパイプ４１ｂに対して移動することも可能である。
【００４４】
上記第３の実施形態によれば、第２のパイプ４１ｂに対して第１のパイプ４１ａを移動可能とすることにより、ウェハ１４とガス供給部３１との距離、ガス供給部３１とカソード電極２２との距離を調整することができる。このため、ガス供給部３１をウェハ１４とカソード電極２２との間の最適位置に設定することが可能である。したがって、ウェハ１４に形成される膜の均一性を一層向上させることが可能である。
【００４５】
また、ガス供給部３１をウェハ１４に対して移動させることが可能である。このため、ウェハ１４をステージ１３に対して搬送する際、所要のスペースを形成することが可能である。
【００４６】
図７乃至図１１は、ガス供給部３１の変形例を示している。図７乃至図１１において、第１、第２のパイプ３１ａ、３１ｂの材料、およびパイプの径、第３の開口３１ｄの開口面積は、第１の実施形態と同様である。
【００４７】
図２に示すガス供給部３１は、第２のパイプ３１ｂを網目状に配置し、第２のパイプ３１ｂの交差部に第３の開口３１ｄを形成した。
【００４８】
（第１の変形例）
これに対して、図７に示す第１の変形例において、ガス供給部３１の第２のパイプ３１ｂは、複数の第２のパイプ３１ｂが平行に配置され、各第２のパイプ３１ｂのウェハ１４と対向する位置に第３の開口３１ｄが形成されている。隣接する第２のパイプ３１ｂ同士、及び第２のパイプ３１ｂと第１のパイプ３１ａとが形成する第２の開口３１ｃの開口面積は、第１の開口２２ａの開口面積の１０倍以上に設定されている。
【００４９】
上記第１の変形例によっても、原料ガスをウェハ１４の直上よりウェハ１４の表面に均一に供給することができる。しかも、第２の開口３１ｃの開口面積を第１の実施形態に比べて大きくすることができる。このため、中性粒子ビームをウェハ１４に効率良く導入することが可能であり、ウェハ１４上に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００５０】
（第２の変形例）
図８に示す第２の変形例において、第２のパイプ３１ｂは、直線状のパイプ３１ｂ−１とリング状のパイプ３１ｂ−２とにより構成されている。直線状のパイプ３１ｂ−１は、第１のパイプ３１ａの直径に対応して配置され、リング状のパイプ３１ｂ−２は、第１のパイプ３１ａと同心円状に配置される。直線状のパイプ３１ｂ−１とリング状のパイプ３１ｂ−２、及び第１のパイプ３１ａは、連通されている。リング状の第１、第２のパイプ３１ａ、３１ｂ−２には、ウェハ１４に対向して複数の第３の開口３１ｄが設けられ、直線状のパイプ３１ｂ−１の長手方向中央部には、ウェハ１４の中央部に対向して第３の開口３１ｄが形成されている。
【００５１】
第２の変形例によっても、リング状の第１、第２のパイプ、３１ａ、３１ｂ−２、及び直線状の第２のパイプ３１ｂ−１に設けられた第３の開口３１ｄから、原料ガスをウェハ１４の直上からウェハ１４表面に均一に供給することが可能である。しかも、第２のパイプ３１ｂ−２をリング状とすることにより、第２の開口３１ｃの開口面積を第１の実施形態に比べて大きくすることができる。このため、中性粒子ビームをウェハ１４に効率良く導入できる。したがった、ウェハ１４の表面に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００５２】
（第３の変形例）
図９に示す第３の変形例において、第２のパイプ３１ｂは、複数の直線状のパイプ３１ｂ−３、及び３１ｂ−４により構成されている。これらパイプ３１ｂ−３、３１ｂ−４は、第１のパイプ３１ａの内側に放射状に配置されている。すなわち、複数のパイプ３１ｂ−３の一端は第１のパイプ３１ａに設けられ、複数のパイプ３１ｂ−３の他端は、ウェハ１４の上方で、ウェハ１４の中心から等しい位置に配置されている。また、複数のパイプ３１ｂ−３に設けられた第３の開口３１ｄは、ウェハ１４の表面に対向されている。
【００５３】
さらに、第２のパイプ３１ｂ−４は、リング状の第１のパイプ３１ａの半径にほぼ等しい長さを有している。この第２のパイプ３１ｂ−４の一端は、第１のパイプ３１ａに設けられ、他端は、ウェハ１４の中央部に位置されている。この第２のパイプ３１ｂ−４の他端に設けられた第３の開口３１ｄは、ウェハ１４の中央部に対向されている。
【００５４】
上記第３の変形例によっても、原料ガスをウェハ１４の直上からウェハ１４に均一に供給することが可能である。しかも、第２の開口３１ｃの開口面積を第１の実施形態に比べて大きくすることが可能であるため、ウェハ１４の表面に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００５５】
上記第１乃至第３の変形例は、第１乃至第３の実施形態に適用可能である。
【００５６】
（第４の変形例）
図１０は、第４の変形例を示すものである。第４の変形例は、第３の開口３１ｄの変形例であり、第４の変形例を、第１の変形例に示すガス供給部３１に適用した場合を示している。
【００５７】
図１０において、各第２のパイプ３１ｂには、複数の第３の開口３１ｄが設けられている。すなわち、第２のパイプ３１ｂの長手方向には、所定間隔あけて２つずつ第３の開口３１ｄが設けられている。２つの第３の開口３１ｄは、第２のパイプ３１ｂの長手方向の同一位置に配置されている。すなわち、図１０にＥで示すように、第２のパイプ３１ｂのウェハ１４と対向する位置には、第２のパイプ３１ｂの軸芯回りに所定間隔あけて、２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２が設けられている。２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２の開口方向は、鉛直線に対して例えば１５度乃至２０程度傾斜されている。
【００５８】
上記第４の変形例によれば、ガス供給部３１の各第２のパイプ３１ｂに所定間隔あけて２つずつ第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２を設けている。このため、原料ガスをウェハ１４に対して、一層均一に供給することが可能である。したがって、形成される膜の膜厚をさらに均一化することが可能である。
【００５９】
（第５の変形例）
図１１は、第５の変形例を示している。第５の変形例は、第４の変形例をさらに変形したものである。すなわち、第４の変形例において、２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２は、各第２のパイプ３１ｂの長手方向の同一位置に配置した。これに対して、第５の変形例において、２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２は、各第２のパイプ３１ｂの長手方向の異なる位置に配置されている。第４の変形例と同様に、２つの第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２の開口方向は、鉛直線に対して例えば１５度乃至２０程度傾斜されている。
【００６０】
上記第５の変形例によれば、各第２のパイプ３１ｂに設けられた第３の開口３１ｄ−１、３１ｄ−２は、第２のパイプ３１ｂの長手方向に離れて配置されている。このため、ウェハ１４に対して、一層原料ガスを均一に供給することが可能であり、形成される膜の膜厚を均一化することができる。
【００６１】
上記第４、第５の変形は、第１乃至第３の実施形態、及び第１乃至第３の変形例に適用することが可能である。
【００６２】
（第４の実施形態）
図１２（ａ）（ｂ）は、第４の実施形態を示している。第１乃至第３の実施形態は、カソード電極２２とウェハ１４との間にガス供給部３１を設けた。これに対して、第４の実施形態は、カソード電極２２にガス供給部３１を組み込んだ構成としている。
【００６３】
すなわち、図１２（ａ）において、カソード電極５１は、多孔質の導電材料、例えば多孔質グラファイトにより構成されている。このカソード電極５１には、プラズマ室１２により発生されたプラズマから中性粒子を取り出して反応室１０内のウェハに導入する複数の第１の開口５１ａが形成されている。さらに、カソード電極５１内には、ガス供給部を構成する例えば複数のリング状のパイプ５１ｂが同心円状に形成されている。これら複数のパイプ５１ｂは、ガス導入口５２に連通されている。複数のパイプ５１ｂは、多孔質材料内に形成されている。このため、これらパイプ５１ｂ内に導入された原料ガスは、パイプ５１ｂに設けられた複数の孔から反応室１０内に導入される。
【００６４】
上記構成のカソード電極５１は、例えば次のようにして形成される。先ず、複数のパイプ５１ｂを構成する複数のリング状の溝と、これら溝を繋ぎ、ガス導入口５２を構成する直線状の溝が、カソード電極５１を構成する多孔質グラファイトからなる第１の部材５１−１の上面側に形成される。この後、カバーとしての多孔質グラファイトからなる第２の部材５１−２が第１の部材５１−１の上面に取着される。これにより、複数のパイプ５１ｂとこれらに連通されたガス導入口５２が形成される。次に、複数のパイプ５１ｂの間に位置する領域に、第１、第２の部材５１−１，５１−２を貫通する複数の第１の開口５１ａが形成される。このようにして、カソード電極５１が形成される。
【００６５】
尚、複数の第１の開口５１ａの内面及び第２の部材５１−２の表面に導電性の膜を形成して、これらの部分の孔を閉塞し、複数のパイプ５１ｂの底部のみに孔が存在することが好ましい。
【００６６】
上記構成において、中性粒子照射型ＣＶＤ装置の動作について説明する。
【００６７】
図１２（ａ）に示す構成において、カソード電極５１とウェハ１４との距離は、例えば２０ｍｍに設定される。この状態において、第１の実施形態と同様に、プラズマ室１２において、プラズマが発生される。プラズマ中の正の荷電粒子が、アノード電極２０とカソード電極２２との間電界により加速される。正の荷電粒子はカソード電極２２において電子が供給されて中性化され、中性粒子（ＮＢ）が生成される。この中性粒子は、複数の第１の開口５１ａを通過して反応室１０内に導かれる。
【００６８】
一方、ガス導入口５２から複数のパイプ５１ｂに供給された原料ガスは、カソード電極５１の下面に形成された複数の孔から反応室１０内に導入される。すなわち、カソード電極５１の下面から反応室１０内に導入される原料ガスは、ウェハ１４の直上から中性粒子ビームと平行にウェハ１４の表面に導入される。原料ガスは、中性粒子の衝突により、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギーのアシストにより、基板に吸着されたガス分子の所定の結合の解離が促進され、活性化されたガスは、重合反応を起こしてウェハ１４上に順次堆積される。
【００６９】
上記第４の実施形態によれば、カソード電極５１は、多孔質材料により形成され、中性粒子を反応室１０内に導入する複数の第１の開口５１ａを有するとともに、その内部に原料ガスを導入する複数のパイプ５１ｂを有し、複数のパイプ５１ｂに形成された複数の孔から原料ガスを反応室１０に導入している。このため、第４の実施形態によっても、第１乃至第３の実施形態と同様に、ウェハ１４の直上から中性粒子ビームと平行に原料ガスをウェハ１４の表面に導入することができる。したがって、ウェハ１４上に均一な膜厚を有する膜を形成することが可能である。
【００７０】
尚、第４の実施形態は、導電性の多孔質材料によりカソード電極を形成したが、これに限定されるものではなく、例えば複数のパイプ５１ｂのウェハ１４と対向する面に、複数の開口を形成してもよい。この場合、多孔質材料に代えて、他の導電性材料を使用することができる。
【００７１】
また、第１乃至第４の実施形態において、ガス流路は、ガス導入口１５、５２の１系統の場合を示している。しかし、これに限定されるものではなく、ガス流路系統を、２系統以上で構成しても良い。ガス流路系統を、２系統以上で構成した場合、複数のガスを同時に均一に供給することが出来る。
【００７２】
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０…反応室、１４…ウェハ、１２…プラズマ室、２２、５１…カソード電極、２２ａ…第１の開口、３１…ガス供給部、３１ａ…第１のパイプ、３１ｂ、３１ｂ−１，３１ｂ−２、３１ｂ−３，３１ｂ−４…第２のパイプ、３１ｃ…第２の開口、３１ｄ、３１ｄ−１，３１ｄ−２…第３の開口、４１…支持体、４１ａ、４１ｂ…第１、第２のパイプ、５１ａ…第１の開口、５１ｂ…パイプ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希ガスを励起してプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
前記プラズマ発生部により発生されたプラズマから中性粒子を取り出し、反応室内のウェハに導入する複数の第１の開口を有する電極と、
前記ウェハの直上から前記中性粒子と平行に原料ガスを前記ウェハに供給するガス供給部と
を具備することを特徴とする中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記ガス供給部は、前記電極と前記ウェハとの間に設けられ、前記電極の第１の開口から導入された前記中性粒子を通過させる複数の第２の開口と、前記原料ガスを吐出する複数の第３の開口を有することを特徴とする請求項１記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記第２の開口は、前記第１の開口の１０倍以上の開口面積を有することを特徴とする請求項２記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記電極と前記ガス供給部との距離は、１０ｍｍ以上に設定され、前記ガス供給部と前記ウェハとの距離は、２０ｍｍ以上に設定されることを特徴とする請求項３記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項５】
前記ガス供給部は、第１の直径を有するリング状の第１のパイプと、前記第１の連通され、前記複数の第３の開口を有する前記第１の直径より小さい第２の直径を有する少なくとも１つの第２のパイプを具備することを特徴とする請求項４記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記電極は、多孔質材料により形成され、前記原料ガスが導入されるパイプを有し、前記パイプ内の原料ガスは、多孔質材料の孔から前記ウェハに供給されることを特徴とする請求項１記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項１】
希ガスを励起してプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
前記プラズマ発生部により発生されたプラズマから中性粒子を取り出し、反応室内のウェハに導入する複数の第１の開口を有する電極と、
前記ウェハの直上から前記中性粒子と平行に原料ガスを前記ウェハに供給するガス供給部と
を具備することを特徴とする中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記ガス供給部は、前記電極と前記ウェハとの間に設けられ、前記電極の第１の開口から導入された前記中性粒子を通過させる複数の第２の開口と、前記原料ガスを吐出する複数の第３の開口を有することを特徴とする請求項１記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記第２の開口は、前記第１の開口の１０倍以上の開口面積を有することを特徴とする請求項２記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記電極と前記ガス供給部との距離は、１０ｍｍ以上に設定され、前記ガス供給部と前記ウェハとの距離は、２０ｍｍ以上に設定されることを特徴とする請求項３記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項５】
前記ガス供給部は、第１の直径を有するリング状の第１のパイプと、前記第１の連通され、前記複数の第３の開口を有する前記第１の直径より小さい第２の直径を有する少なくとも１つの第２のパイプを具備することを特徴とする請求項４記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記電極は、多孔質材料により形成され、前記原料ガスが導入されるパイプを有し、前記パイプ内の原料ガスは、多孔質材料の孔から前記ウェハに供給されることを特徴とする請求項１記載の中性粒子照射型ＣＶＤ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１４４７８６（Ｐ２０１２−１４４７８６Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９８１（Ｐ２０１１−４９８１）
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（３９６０２３９９３）株式会社半導体理工学研究センター (150)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（３９６０２３９９３）株式会社半導体理工学研究センター (150)
【Ｆターム（参考）】
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