基板処理装置

【課題】基板裏面への温度調整ガスの流量を調整することで基板全体を均一に温度調整することができる。
【解決手段】
基板処理装置は、処理容器に設けられた基板ホルダと、基板ホルダに基板を固定するための固定装置（静電吸着装置３など）と、基板ホルダ内部に設けられ、基板の裏面側に温度調整ガスを供給するための第１ガス配管（６）と、第１ガス配管（６）より基板の内側に設けられた第２ガス配管（７）と、第１ガス配管及び第２ガス配管に設けられ、温度調整ガスの流量を調整するための第１ガス調整部（８）及び第２ガス調整部（９）と、第１ガス調整部及び第２ガス調整部のガス流量を制御する制御部（１２，１３）と、プラズマ発生手段とを備え、制御部は、プラズマ発生手段が作動したときには、第１ガス調整部及び第２ガス調整部に対してそれぞれ異なるガス流量に変更しているように制御する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板処理装置に関して、特に基板の温度を面内均一に温度制御するための基板処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造工程において、基板表面を処理する基板処理装置として、スパッタリング装置、エッチング装置、ＣＶＤ装置などが知られている。これらの半導体製造装置では、被処理基板の表面が各種の作用に基づいて処理される。基板は、所要の圧力に減圧された処理チャンバ内に設けられた基板ホルダのステージ上に置かれて固定される。ステージ上に基板を固定する装置としては、静電吸着作用を利用した静電チャック、あるいは機械的機構を利用したクランプチャックなどが知られている。
【０００３】
例えばスパッタリング装置においてスパッタリング作用に基づいて基板の表面に薄膜を成膜するとき、基板を基板ホルダのステージ上に置いて、例えば静電チャックを用いて基板を固定する。基板を成膜処理する際には、薄膜の特性を制御するために基板温度を全面均一に保持することが必要である。このため、基板ホルダには加熱機構、冷却機構を内蔵して基板ホルダを予め所要の温度に保持し、基板ホルダのステージ上に固定された基板を加熱、冷却するようにしている。従来から、ステージに裏面ガス、例えばＡｒやＨｅを導入して基板を加熱、冷却している。裏面ガスは、熱伝導ガスであり、基板ホルダ側から基板へ、または基板から基板ホルダ側へ熱の伝導を円滑にかつ効率よく行い、基板の温度を全面均一に温度調整し目的温度に保持するためのものである。例えば、特許文献１には、処理される基板が置かれるステージと、このステージ上に置かれた前記基板を固定する固定装置を備える基板処理装置の基板保持装置において、前記基板の裏面側に基板温度調整ガスを供給するガス供給部と、前記ガス供給部から供給される前記基板温度調整ガスの流量を調整する調整部と、前記調整部による調整動作を制御し、前記基板の固定状態が維持される範囲で前記基板温度調整ガスの流量を瞬時的に大きく変化させることに基づき前記基板の温度調整時間を短縮する制御部と、を備える基板処理装置の基板保持装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５２２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の基板処理装置においては、部分的に発生する基板温度の不均一性を解消することができない。すなわち、従来の基板処理装置では、プラズマ発生手段が作動し、処理容器内においてプラズマが発生することに伴い、プラズマから入熱のため、基板中心部の温度が外周部より高くなり、基板全体での温度均一性を保つことが出来なかった。
そこで、本発明は、プラズマ発生前後においても、基板全体の温度の均一性を向上させることができる基板処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る基板処理装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。即ち、基板処理装置は、処理容器と、処理容器に設けられた基板ホルダと、基板ホルダに基板を固定するための固定装置（静電吸着装置３など）と、基板ホルダ内部に設けられ、基板の裏面側に温度調整ガスを供給するための第１ガス配管（６）と、第１ガス配管（６）より内側に設けられ、基板の裏面側に温度調整ガスを供給するための第２ガス配管（７）と、第１ガス配管に設けられ、温度調整ガスの流量を調整するための第１ガス調整部（８）と、第２ガス配管に設けられ、前記温度調整ガスの流量を調整するための第２ガス調整部（９）と、第１ガス調整部及び第２ガス調整部のガス流量を制御する制御部（１２，１３）と、処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備え、
制御部は、プラズマ発生手段が作動したときには、第１ガス調整部及び第２ガス調整部に対してそれぞれ異なるガス流量に変更しているように制御することを特徴とする。
なお、「制御部は、プラズマ発生手段が作動したときには、第１ガス調整部及び第２ガス調整部に対してそれぞれ異なるガス流量に変更している」とは、プラズマ発生手段が作動する直前に、予めガス流量を変更していてもよいし、プラズマ発生手段が作動する同時に、ガス流量を変更していてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、基板裏面への温度調整ガスの流量を調整することによって基板全体を均一に温度調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】基板保持装置の実施形態を示す構成図である。
【図２】図１に示す基板ホルダの上面図である。
【図３】ホールへのアルミ充填された多層膜の一例である。
【図４】（ａ）裏面ガスを１系統制御によるＡｌの埋め込みのプロセスフロー（比較例）を示す。（ｂ）本発明に係る製造装置を用いたＡｌの埋め込みのプロセスフローを示す。
【図５ａ】図４（ａ）のフローで実施したアルミの埋設評価のＳＥＭ(２次電子顕微鏡)像を示す。
【図５ｂ】図４（ａ）のフローで実施したアルミの埋設評価のＳＥＭ(２次電子顕微鏡)像を示す。
【図６ａ】図４（ｂ）のプロセスフローで実施したＡｌの埋設評価のＳＥＭ像を示す。
【図６ｂ】図４（ｂ）のプロセスフローで実施したＡｌの埋設評価のＳＥＭ像を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１及び図２を参照して、本発明に係る基板処理装置の構成を説明する。
半導体製造工程に用いられる基板処理装置としては、主にスパッタリング装置、ＣＶＤ装置、エッチング装置などが挙げられる。基板処理装置は、処理容器内に処理基板を保持する基板保持装置を備えている。
図１は本発明に係る基板保持装置の実施形態を示す構成図である。本例における基板処理装置は、処理容器と、処理容器内にターゲットを搭載可能なカソードとを備えたスパッタリング装置である。
また、図示していないが、処理容器にはプラズマ発生手段が設けられている。このプラズマ発生手段は、処理容器内に被スパッタ面が露出するようにして設けられたターゲット（不図示）を有するカソード（不図示）と、ターゲットに所定の電圧を印加してスパッタ放電を生じさせることによりプラズマＰを発生させるスパッタ電源（不図示）とから構成されている。
図１には基板保持装置の概略構成図と、基板保持装置に搭載された基板に対して２系統から裏面ガスを導入するための構成が示されている。図２は、図１に示す基板ホルダの上面図である。
【００１０】
図１において、基板ホルダ１は、基板２を搭載するステージとして静電吸着装置３と、基板ホルダの全体を必要な温度に保つ温度制御（加熱・冷却）機構４とを備えている。静電吸着装置３は、外部電源からの電圧を利用して静電吸着力を作用させ、基板をステージ上に固定する。基板ホルダ１の表面には、複数の凹部（空所）５と、凹部（空所）５からガスを噴出するためのガス噴出口が形成されている。具体的には、ガス供給装置１４から供給されたガスは、途中で第１ガス配管６、及び第２ガス配管７に分岐し、基板ホルダ内部を通って、基板裏面に向かって噴出する。そして、図２に示すように、静電吸着装置３の表面には、基板外周側に裏面ガス（例えば、ＡｒやＮ_２）を供給するためのガス配管６の複数の噴出口６と、基板中心側に裏面ガスを供給するためのガス配管７の複数の噴出口７とが略均等に配置されている。
なお、裏面ガスは、基板ホルダ１の熱が基板２に効率よく伝達されるようにするためのガスであり、アルゴンガスやヘリウムガス等が用いられている。温度制御（加熱・冷却）機構４は、静電吸着装置３を所望の温度にし、さらに基板２を望ましい温度に設定し保持するための機構である。また、本例では、ガス配管が二つに分岐して、第１ガス配管６、第２ガス配管７としたが、これに限定されるものではなく、三つ以上に分岐してもよい。
【００１１】
ガス配管６，７は基板ホルダ１の静電吸着装置３と加熱機構４の内部を通って設けられている。また外周側のガス配管６には、ガス配管６を流れる裏面ガスの流量を制御するガス調整部（マスフローコントローラ、以下、ＭＦＣと略す）８が設けられている。また中心側のガス配管７にはガス配管７を流れる裏面ガスの流量を制御するガス調整部（ＭＦＣ）９が設けられている。このように、第１ガス配管６，第２ガス配管７には、それぞれ独立して第１ガス調整部８，第２ガス調整部９が設けられているので、基板の中心側と外周側へのガス流量を個別に制御することができる。
【００１２】
第１ガス調整部８，第２ガス調整部９は第１ガス配管６，第２ガス配管７を流れる裏面ガスの流量を制御する。また第１ガス圧力検出部（隔膜真空計）１０，第２ガス圧力検出部１１は第１ガス配管６，第２ガス配管７に通って基板裏面に噴出する、それぞれ裏面ガスの圧力を測定する。これによって裏面ガスの圧力状態が常時モニタされる。第１ガス圧力検出部１０，第２ガス圧力検出部１１による測定で得られた裏面ガスの圧力に係る信号は、制御部１２，１３に入力される。制御部１２，１３は成膜中の裏面ガスの導入においてその圧力を制御する機能を有している。
【００１３】
具体的には、制御部１２は、基板の中心部におけるガス圧力を測定するための圧力検出部１１からの圧力を常時モニタリングしている。制御部１２は、予め圧力の上限値（例えば１０５０Ｐａ）と下限値（例えば９８０Ｐａ）を記憶しており、隔膜真空計１１からの圧力がこの上限値に達した時には、ＭＦＣ９を制御して、ガス流量を抑制するように制御する。一方、制御部１２は、隔膜真空計１１からの圧力がこの下限値に達した時には、ＭＦＣ９を制御して、ガス流量を増大させるように制御する。
【００１４】
同様に、制御部１３は、基板の外周部におけるガス圧力を測定するための圧力検出部１０からの圧力を常時モニタリングしている。制御部１３は、予め圧力の上限値（例えば１０３０Ｐａ）と下限値（例えば９５０Ｐａ）を記憶しており、圧力検出部１０からの圧力が上限値に達した時には、ＭＦＣ９を制御して、ガス流量を抑制するように制御する。一方、制御部１２は、圧力検出部１１からの圧力が下限値に達した時には、ＭＦＣ９を制御して、ガス流量を増大させるように制御する。
このように、本発明に係る基板処理装置によれば、基板の中心部と外周部における圧力をそれぞれ独立に制御することで、基板全体の温度均一性を向上させることができる。
【００１５】
上述したように、上記ガス配管６，７から導入される裏面ガスは上記制御部１２，１３のＡＰＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｒｅｓｓｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌ）機構によって個別にガス圧力を制御することができる。裏面ガスは基板２の外周部と中心部の裏面側から導入されガス圧力はそれぞれ任意に設定できるため、ガス圧力の高い方がガス圧力の低い方と比べて熱伝達速度が速く、より強く加熱または冷却することができる。このガス圧力をそれぞれ最適な値にすることで成膜前の基板温度を面内均一に制御することが可能となる。
【００１６】
例えばコンタクトホールやビアへの配線形成のためのアルミニウム合金によるスパッタリングにおいても成膜中の基板温度の制御は非常に重要である。ホールやビアへのアルミニウム充填のためには基板温度を約４００度にする必要がある。４００度よりも低温になるとアルミニウムの流動性が確保できずホール内にボイドと呼ばれる空隙が形成されてしまう。また４００度よりも高温になるとアルミニウム充填前に形成されるSeedと呼ばれる低温で形成されたアルミニウム層が凝集してしまい、アルミニウム充填の妨げとなる。
【００１７】
図３及び図４を参照して、本発明に係る基板処理装置を用いた製造方法を説明する。
図３は、本製造方法によるホールへのアルミニウム充填された多層膜の一例である。
図４（ａ）に裏面ガスを１系統制御によるアルミニウムの埋め込みのプロセスフロー（比較例）を示す。
ステップＳ２０１においては、基板ホルダに配置されたシリコン基板２を加熱することにより、脱ガス処理（Ｄｅｇａｓ）を行う。
ステップＳ２０３においては、前述したシリコン基板２の上に、チタンからなるバリアメタル層３２のスパッタ成膜を行う。バリアメタル層３２は、基板２のシリコンがアルミニウム３３、３４へ拡散するのを防止するための層である。
ステップＳ２０５においては、低温(例えば-２０℃)でアルミニウム３３をスパッタ成膜して、バリアメタル層３２上にＳｅｅｄ層としてのアルミニウム層３３を形成する。
ステップＳ２０６においては、スパッタ成膜前に基板温度が均一になるように裏面ガスを外周部のガス配管６のみから導入し、基板を４００℃以上に維持する。このとき、中心側のガス配管７からのガス導入は停止している。
ステップＳ２０７においては、Ｓ２０５で作成したアルミニウム３３をＳｅｅｄ層にして、高温(例えば４００℃)でアルミニウム３４をスパッタ成膜することで、ホールやビアへアルミニウムの充填を行う。このとき、前述のステップＳ２０６から引き続いて、基板裏面ガスは外周部のガス配管６のみから導入して、基板温度を４００℃に維持する。このときガス圧力は８６５Ｐａとした。
しかし、上記例では、ステップＳ２０７において、プラズマ発生手段が作動し、処理容器内においてプラズマが発生することに伴い、プラズマから入熱のため、基板中心部の温度が外周部より高くなり、基板全体での温度均一性を保つことが出来なかった。これは基板温度分布はスパッタ成膜前と、スパッタ成膜中とで異なってしまうことに起因する。つまりスパッタリング装置においては成膜前の基板の温度分布は、基板ホルダと基板との熱の伝熱によって決定されるのに対して、成膜中の基板の温度分布はプラズマ、基板ホルダ、基板との熱の伝達に変わるためである。
【００１８】
図４（ｂ）は、本発明に係る製造装置を用いたＡｌの埋め込みのプロセスフローを示す。
ステップＳ２０１、ステップＳ２０３、及びステップＳ２０５は、図４（ａ）に示すプロセスフローと同一なので、説明は省略する。
ステップＳ２０６においては、スパッタ成膜前に基板温度が均一になるように裏面ガスを外周部のガス配管６のみから導入する（第１温度制御工程）。このとき、中心側のガス配管７からのガス導入は停止している。
ステップＳ２０８においては、処理容器内にプラズマを発生させ、高温(例えば４００℃)でアルミニウム３４をスパッタ成膜することで、ホールやビアへアルミニウムの充填を行う（成膜工程）。この際、スパッタ成膜中の基板温度が均一になるように裏面ガスを中心部のガス配管７、および外周部のガス配管６から導入しながら、基板温度を均一に制御する（第２温度制御工程）。つまり、プラズマ発生手段が作動ししているときには、制御部１２、１３は、ＭＦＣ８，９を制御して、裏面ガスの導入を変化させ、前述した第１温度制御工程とは異なる第２温度制御工程を実行する。このとき、例えば中心部の圧力を８６５Ｐａ、外周部の圧力を１０００Ｐａとするように、ＭＦＣ８とＭＦＣ９が異なる流量になるように制御する。こうすることで基板の外周側と内周側の温度を均一に保つことができる。
なお、この「プラズマ発生手段が作動ししているときには、制御部１２、１３は、ＭＦＣ８，９を制御」するとは、プラズマ発生手段が作動する直前に、予めガス流量を変更していてもよいし、プラズマ発生手段が作動する同時に、ガス流量を変更していてもよい。

【００１９】
図５及び図６を参照して、上述の製造方法により製造された半導体デバイスを説明する。
図５に図４（ａ）のフローで実施したアルミの埋設評価のＳＥＭ(２次電子顕微鏡)像を示す。図５ａは基板の中心部分であり、図５ｂは基板外周部(基板の外周端から約１０ｍｍの位置)の画像である。これは基板ステージの中心部分のガス噴出口７からの裏面ガス供給を０（ゼロ）として成膜した場合の結果である。
図５ａに示すように、裏面ガスを中心部や外周部の１系統からガスを導入すると成膜中の基板温度を面内均一性に保つことが出来ず、結果としてアルミニウムの充填不良を起こしてしまっていた。
【００２０】
図６に、図４（ｂ）のプロセスフローで実施したアルミニウムの埋設評価のＳＥＭ像を示す。本実験形態では成膜前の温度を均一にするために、２系統の内1系統へのガス導入もしくは圧力を高めに設定することで、温度の均一性を良好なものとした。成膜中には上記１系統の圧力を増加するために、裏面圧力を他方と同じ圧力まで上昇させて成膜中の温度均一性を均等にしたものである。図６ａと図６ｂの両方で埋設が完了しており、本方式を用いることで成膜基板温度を面内均一に制御でき、アルミニウム配線の形成において良好な結果が得られるようになった。
【００２１】
前述の実施形態では、基板ホルダ１に静電吸着装置３によって基板２を固定したが、、基板固定装置は、静電吸着装置に限定されず、例えば機械的なクランプ機構を用いることができる。
【符号の説明】
【００２２】
１基板ホルダ基板
２基板基板ホルダー
３静電吸着装置搬送用ロボット
４温度制御（加熱・冷却）機構支持部
５凹部（空所）基板保持部
６固定爪第１ガス配管
７第２ガス配管可動爪
８第１ガス調整部緩衝機構
９第２ガス調整部基板カセット（カセットと表記）
１０第１ガス圧力検出部
１１第２ガス圧力検出部
１２，１３制御部可動爪用駆動機構（駆動機構と表記）

【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器と、
前記処理容器に設けられた基板ホルダと、
前記基板ホルダに基板を固定するための固定装置と、
前記基板ホルダ内部に設けられ、該基板の裏面側に温度調整ガスを供給するための第１ガス配管と、
前記第１ガス配管より内側に設けられ、該基板の裏面側に温度調整ガスを供給するための第２ガス配管と、
前記第１ガス配管に設けられ、前記温度調整ガスの流量を調整するための第１ガス調整部と、
前記第２ガス配管に設けられ、前記温度調整ガスの流量を調整するための第２ガス調整部と、
前記第１ガス調整部及び前記第２ガス調整部のガス流量を制御する制御部と、
前記処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備え、
前記制御部は、前記プラズマ発生手段が作動したときには、前記第１ガス調整部及び前記第２ガス調整部に対してそれぞれ異なるガス流量に変更しているように制御することを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】
前記第１ガス配管及び前記第２ガス配管のそれぞれに設けられた、前記温度調整ガスの圧力を測定するための第１ガス圧力検出部及び第２ガス圧力検出部と、を備え、
前記制御部は、前記第１ガス圧力検出部及び前記第２ガス圧力検出部から検出された圧力に基づき、前記温度調整ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載の基板処理装置を用いた半導体の製造方法であって、
基板裏面に温度調整ガスを供給することにより、基板温度を制御する第１温度制御工程と、
前記第１温度制御工程後にプラズマを発生させて、基板に成膜処理を行なう成膜工程と、
前記成膜工程中に、基板に対して前記第１温度制御工程とは異なる温度制御を行なう第２温度制御工程とを含むことを特徴とする半導体の製造方法。

【図５ａ】