JP2008047915A - 表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度プラズマ化学的気相法において均一なデポジットを行うこと
【解決手段】基板の表面処理で使用するための表面処理装置が提供される。この表面処理装置は、プラズマソースと、使用の際に基板を取り付ける処理チャンバとを備え、処理チャンバはプラズマソースに作動的に接続され、表面処理装置はプラズマソースと処理チャンバとの間で使用するプラズマを透過するための透過プレートを有する。この透過プレートは、１つ以上の開口部を備え、１つ以上の開口部の物理的形状および／または１つ以上の開口部の分布で基板の表面で所定の処理パターンを形成するようになっている。一般に開口部の形状は、ウェーハの基板を横断して実質的に均一なデポジットを行うようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板を表面処理するための装置に関し、特に化学的気相法またはエッチング法を補助するために、高密度プラズマを利用する装置に関する。

化学的気相法（ＣＶＤ）およびプラズマエッチングは、半導体および集積回路業界で使用される周知の処理方法である。標準的なＣＶＤプロセスでは、特別な反応チャンバ内に半導体ウェーハを入れ、ウェーハの表面を種々の化学的物質に露出させ、化学的物質をキャリアガス内注入するか、またはガス状態で反応チャンバに注入する。化学的物質は一般に１つ以上の揮発性プリカーサを含み、これらプリカーサはウェーハの基板と反応したり、および／または基板上で分解したりし、半導体ウェーハの表面を変え、関係する物質の化学的特性に応じて必要な処理を行う。多くのプロセスでは、揮発性のガス状副産物も生じ、この副産物は反応チャンバを通過するガス流を使って除去される。表面反応は新しい材料を追加するか、または現在ある表面をエッチングすることができる。共通する処理操作は、ウェーハの基板上に材料の層をデポジットし、ウェーハ基板から材料の層をエッチングし、デバイスのコンポーネント、電気接続部、絶縁部、電荷バリアおよびその他の共通する回路要素を形成する。

近年、表面処理の質および／または処理レートを高めるために、ＣＶＤシステム内でプラズマ強化法が実施されている。これらプラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）シスは、１つ以上の化学的プリカーサの反応性を高めるためのガス状化学物質の解離およびイオン化によって一般に作動する。プラズマ内のエネルギー粒子に起因するこれら強化された反応性は、処理レートを高め、従来のＣＶＤシステムと比較したときに、より低い処理温度を使用できるようにする。プラズマ強化方法は、特にエッチングプロセスに対して有効である。

プラズマは平行プレート（ＰＰ）システムを使って反応チャンバ内で現場で発生させてもよいし、または反応チャンバおよび／または基板から離れた状態で発生させ、反応チャンバ内に移してもよい。図１０には標準的なＰＰシステムが示されており、第１プレート１０４は、ウェーハ１０３を取り付けるプラットフォームとして使用され、第２プレート１５０は第１プレート１０４の上方の平行平面内に位置する。双方のプレートは、単一チャンバ１１５内に位置し、シャワーヘッドと称されるアセンブリ内の上部第２プレート１５０内の孔１０６のアレイを通して、このチャンバ１１５内にプロセスガス混合物が注入される。一般に第２プレート１５０は、無線周波数（ＲＦ）電流源１６０により駆動され、これら２つのプレートの間の空間内で、注入されたガス混合物を使ってプラズマ１１３が発生される。シャワーヘッドの孔１０６は、これら孔の内部における強度の寄生プラズマの発生を制限するために、実際に製造できる程度に小さくなっている。ガス混合物の入口内でプラズマが生じると、強度の局部的プラズマが発生し、このプラズマは処理の均一性を乱し、ガス注入装置を劣化し得る。各孔は、通常細いチューブの形状をしており、直径に対する長さの比は少なくとも５対１となっている。

ＰＥＣＶＤおよびプラズマエッチングの分野における最近の進歩により、高密度（ＨＤ）プラズマを使用することが、次第に多くなっている。高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰＣＶＤ）またはエッチングシステムは、一般に発生するイオンまたは電子密度が１０１１ｃｍ−３より大きいシステムとなっている。これによっても、標準的な平行プレートシステムと比較した時に解離効率は、一桁の大きさだけ大きくなる。これらの強化されたプラズマ特性は、ＨＤＰＣＶＤプロセスの処理レートおよび／または質を更に高め、従来のＰＥＣＶＤと比較した時に、膜の水素含有量がより低くなり、より低い処理温度で高品質の膜が得られ、高アスペクト比特性の、空隙を生じないギャップ充填が可能となり、および自動平坦化が生じるという潜在的利点が得られる。

ＨＤＰＣＶＤの一般的実施方法は、プラズマ発生チャンバーを備えた、誘導結合されたプラズマ（ＩＣＰ）ソースを利用しており、このチャンバーのまわりには、誘導結合コイルが巻かれている。このコイルはプラズマ発生チャンバ内に電界を発生するよう、ＲＦ電源によって駆動され、こうして生じた電界プラズマクラウドを形成し、かつこのクラウドを点弧する。ここで（５５ｋＨｚより低い）低周波、高周波（１３.５６ＭＨｚ）またはマイクロ波周波数（ここではコイルはマイクロ波キャビティと置換される）（２.４５ＧＨｚ）を含む種々のＲＦ周波数を使用できる。プラズマソースを処理チャンバから離間して設けることにより、ＩＣＰシステムは処理チャンバ内での表面処理に影響することなく、高密度のプラズマを遠隔的に発生できるようにしている。

ＩＣＰ ＨＤＰＣＶＤシステム内には、一般に２つ以上のガスまたはガス混合物が注入される。ＩＣＰ発生チャンバ内に第１ガスまたはガス混合物を注入し、基板反応チャンバ内に第２ガスまたはガス混合物を注入する。発生した電界は、プラズマ発生チャンバ内の第１ガスのうちの電子を加速し、これによって個々のガス分子がイオン化し、個々の電子とガス分子とが衝突することにより、運動エネルギーの伝達が可能となる。米国特許第5,792,272号は、当技術分野で知られているＨＤ ＩＣＰ反応器の一例を開示している。

しかしながら、ＨＤＰＣＶＤを使用する場合にいくつかの問題が生じる。代表的なＣＶＤシステムでは、ウェーハ基板の反応表面にわたってプラズマ種の分布を均一にするために、化学物質の流れダイナミクスを制御することによって、プロセスの均一性を得ている。ＨＤＰＣＶＤシステムでは、処理チャンバ内部のガスの分布は、プラズマが注入された任意のガスの流れダイナミクスと相互作用するので、制御が極めて困難である。

Ｅ.Ｒ.カイター氏およびＭ.Ｊ.クッシュナー氏は、プラズマ科学に関するＩＥＥＥトランザクション、第２７巻第２号、１９９９年４月に刊行された論文「三次元シミュレーションからの高プラズマ密度−化学的気相反応におけるラジカルな電子密度」において、ガス分布の問題について検討している。この論文の図には、低圧反応スペース内のガスフローパターンにより、特に膜のための一次材料を支持するガス化合物、一般的にはシリコン含有膜のためのシランＳｉＨ₄ のフローパターンによって、デポジションの均一性がどのように大きく影響されるかを明らかに示している。

薄膜のデポジションの均一性は、ウェーハ基板の直径にわたって約±３％の誤差を目標とする現在のデポジットプロセスでは、重要な性能上のパラメータである。従来技術では、関連するＲＦ誘導コイルを使って発生するプラズマをシェイピングするか、またはガス注入器の特定の配置を使用するかのいずれかにより、このレベルの均一性が得られている。

欧州特許出願第EP-0870072-A1号は、プラズマソースと基板との間の環状部においてガス注入ノズルを特定の配置にすることによって、プロセスの均一性を高めることができることを教示している。しかしながら、このような高い均一性は、ノズルの幾何学的形状を経験的に調節することによって得られており、このような調節は手間がかかり、ＨＤＰＣＶＤ反応装置を複雑に変更しなければならない。更に、ガス注入ノズルの数を増し、ノズルの幾何学的形状を変えることにより、処理チャンバ内で複雑な流れパターンを設定することが可能であるが、このことは処理の均一性に予測できない影響を与え得る。

米国特許第5,800,621-A号および同第5,401,350号は、ＲＦ誘導コイルの配置を定めることにより、ＩＣＰソースの均一性を調節する方法を教示している。しかしながら、これら方法はプラズマソースチャンバ内の電界パラメータの複雑なモデル化を必要とし、一般により大きいパワーを必要とし、かつより複雑な電子回路も必要とする。

すべてのＣＶＤプロセスを使用することによって生じる別の問題は、ウェーハ基板に塗布される化学薬品が、一般に更に処理チャンバのほとんどをコーティングすることである。従って、プラズマプロセスにより、現場でチャンバをクリーニングできる能力は、ＰＥＣＶＤおよびＨＤＰＣＶＤシステムに対して重要である。均一性を改善するための従来の多くの技術は、処理装置も複雑にしているので、現場でチャンバをクリーニングすること、およびこのような影響を受けた部品を修理したり、置換できる能力を更に困難にしている。

従って、ＩＣＰ ＨＤＰＣＶＤシステムにおけるプロセスの均一性を制御するフレキシブルな方法が望まれている。この解決案は、かかるシステムの構造に大きな影響を与えるものではなく、簡単なクリーニングおよびメンテナンスを可能にできるものであることが好ましい。

本発明の第１の様相によれば、プラズマソースと、前記プラズマソースに作動的に接続されており、使用時に基板を取り付ける処理チャンバとを備えた、基板の表面処理に使用するための表面処理装置であって、前記プラズマソースと前記処理チャンバとの間で使用するプラズマを透過するための透過プレートを有し、この透過プレートは１つ以上の開口部を備え、前記１つ以上の開口部の物理的形状および／または１つ以上の開口部の分布は、基板の表面での所定の処理パターンを形成するようになっている表面処理装置が提供される。

従来技術は透過プレートを使用することから離脱することを教示している。その理由は、励起し、イオン化したプラズマ種は固体表面と接触することによって迅速に急冷されるからである。従って、包括的なガス流を変えるのに使用するよう開発された技術は、プラズマ種の特性が極めて異なることに起因し、プラズマソースおよび接続された処理チャンバを必要とする状況で使用するには適していない。更に、ＰＥＣＶＤシャワーヘッドシステムはすべての点を犠牲に、シャワーヘッドを通過するプラズマを抑制するように設計されているが、透過プレートは大きな急冷を生じることなく、アクティブなプラズマ種がプレートを通過できるように設計されている。プレートの異なる部分を通過するプラズマ種の一部を変えることにより、表面処理の均一性を最適にするための簡単かつ効果的な手段が提供される。

プラズマソースと処理チャンバの間に取り付けられる透過プレートの特徴を制御することにより、本発明は基板の表面での処理を注意深く制御できるようになる。一般に、透過プレートは基板の表面を横断して均一な処理レートが得られるように、１つ以上の開口部の物理的形状および／または分布を定めるよう設計される。異なる処理パターンが必要とされる場合に、または処理プレートをクリーニングしたり、交換しなければならないときに、かかるプレートの取り外すことおよび交換することは簡単である。このことは、均一性を提供するための方法が本来的に完全なＨＤＰＣＶＤ装置向け専用となっている所定のノズルの幾何学的形状またはＲＦコイルコンフィギュレーションを使用することと対照的である。本発明では、異なるプラズマ種と共に使用するために透過プレートを変えることもできる。

透過プレートは、各円形開口部の直径が透過プレートの厚みよりも大となっている複数の円形開口部を含むことが好ましい。各開口部の直径と透過プレートの厚みの比は、一般に３対１よりも大とすべきである。このようにすることによって、プラズマを構成するアクティブなプラズマ種を破壊することなく、透過プレートを使用することが可能となる。透過プレートは実質的に円筒形のプラズマソースおよび処理チャンバに対して、形状が一般に円形となる。これらケースでは、プラズマソースとプラズマソースの下方に取り付けられる処理チャンバとは一般に軸方向に整合する。

一部の実施例では、透過プレート上の１つ以上の同心状開口部のリングに複数の開口部が分布し、１つ以上の同心状開口部のリングの中心は、透過プレートの中心となっている。これらケースでは、各同心状開口部のリング内の複数の開口部の回転角方向の間隔または同心状開口部のリングの各ペアの間の径方向の間隔は、基板の表面上に所定の処理パターンを形成するようになっている。

プラズマソースは誘導結合されたプラズマを発生し、プラズマチャンバと、ＲＦ駆動された誘導結合コイルを備えることが好ましい。ＲＦソースに対する一般的な駆動パラメータは１３.５６ＭＨｚの周波数、および１〜３ｋＷのパワーである。

一般にこの装置は、２つのガスまたはガス混合物供給部を使用する。すなわちプラズマソースに対する第１ガスまたはガス混合物供給部と、処理チャンバに対する第２ガスまたはガス混合物供給部を使用する。基板の代表的な表面処理は、基板の表面に材料をデポジットしたり、またはこの表面から材料を除去することを含む。一部の実施例では、１つ以上の開口部の物理的形状および／または１つ以上の開口部の分布が、基板の幅を横断する材料の実質的に均一なデポジットレートまたは材料の除去レートを提供するようになっている。

透過プレートの熱劣化を防止するために、更に熱サイクルを通過することによる透過プレートからの粒子のフレーキングを制限するために、プレートの熱伝導率は一般に１００Ｗｍ−１ｋ−１より大であり、プレートは低熱抵抗路を介して外部チャンバと熱接続される。透過プレートは金属または金属合金プレートのいずれかを含むことができる。これとは異なり、より高い温度で作動できる、より低い熱膨張係数を有する、より低い熱伝導率の材料、例えばアルミナセラミックスを使用してもよい。エッチングのために塩素を含むガス混合物と共に透過プレートを使用する場合、アルミナが好ましい。アノード酸化アルミニウムまたは反応性プラズマに対してより不活性な材料がコーティングされた金属、例えばプラズマ噴射アルミナを使用し、プラズマに対する不活性を有する改良された潜熱伝導率の有利な効果を組み合わせることもできる。

本発明の第２の様相によれば、使用時に透過プレートがプラズマソースと処理チャンバとの間に取り付けられ、前記プラズマソースから前記処理チャンバへのプラズマの透過を可能にする１つ以上の開口部を備えた、前記処理チャンバ内に取り付けられた基板の表面処理に使用するための透過プレートを製造するための方法であって、
ａ）プラズマソースと透過プレートを有しない処理チャンバとを使用し、前記基板の半径ｒに対する前記基板上の表面処理の処理レートを測定するステップと、
ｂ）前記測定されたプロセスレートにプロセスレート関数ｄ（ｒ）を適合するステップと、
ｃ）ｄ（ｒ）×Ｔ（ｒ）が定数となるように、前記透過プレートの中心からの半径の関数としてプラズマ透過関数Ｔ（ｒ）を計算するステップと、
ｄ）前記透過プレートに対して測定されたプラズマ透過関数が、プラズマ透過関数Ｔ（ｒ）に対して最良に適合するように、１つ以上の開口部の物理的形状および／または１つ以上の開口部の分布に対する開口部の構造を定めるステップと、
ｅ）前記ステップｄ）で定義された開口部の構造を使用して、透過プレートを製造するステップとを備える、透過プレートを製造するための方法が提供される。

この方法に従うことにより、新しいか、または異なる処理条件に応答して、新しい透過プレートを迅速かつ容易に形成できる。
本発明の第３の様相によれば、
ａ）前記透過プレートの一方の側で、第１ガスまたはガス混合物を前記プラズマソース内に注入するステップと、
ｂ）前記透過プレートの反対側の前記処理チャンバ内に第２ガスまたはガス混合物を注入するステップと、
ｃ）測定された処理レートに応答し、前記２つの注入されるガスのガスフロー比を調節するステップとを備えた上記装置を作動させる方法が提供される。

双方のガス混合物は、貴ガスを含むことができ、双方のガス供給部は同一の貴ガスを注入してもよい。この方法は、均一性を更に高め、透過プレートはプラズマソースへの望ましくない反応ガス種の移動を制限する。

本発明を良好に理解できるようにするために、以下、添付図面を参照し、本発明について説明する。

図１は、高密度プラズマ化学的気相（ＨＤＰＣＶＤ）システムの略図である。このシステムは、２つの主要部品、すなわちプラズマソース１と、処理チャンバ２とから成る。プラズマソースは静電シールド１０によって囲まれた垂直軸線を有する円筒形の絶縁チューブから構成されたプラズマチャンバ８を備える。一般に絶縁材料として石英またはアルミナが使用される。円筒形チューブ８の頂部には一組のガスの入口９が設けられており、これらガスの入口は、軸方向に対称的に分布しており、第１ガスまたはガス混合物がプラズマ発生に使用されるプラズマチャンバ内に注入するのに使用される。この第１ガス混合物はアルゴンのような貴ガスを含むことが好ましい。このガスまたはガス混合物は、プラズマソース１内でイオン化され、励起され、次に流れと拡散の組み合わせにより処理チャンバ２へ運搬される。

このプラズマチャンバ８を、水冷式無線周波数（ＲＦ）コイルアンテナ７が囲んでおり、このアンテナは、プラズマチャンバ８内にプラズマを発生する際に使用するための誘電結合コイルを形成している。このＲＦコイル７は、マッチングユニット（図示せず）を介して１３.５６ＭＨｚの３ｋＷのＲＦ発生器に接続されている。ＲＦコイル７を通過する電流は、プラズマチャンバ８の軸線に沿ってＲＦ磁束を有効に発生し、発生したこの磁束は更にプラズマチャンバ８内にＲＦ電界を誘導する。こうして誘導された電界は、注入されたガスクラウド内で電子を加速し、プラズマチャンバ内に高密度のプラズマを発生する。誘導結合されたＲＦコイル７を制御することにより、オペレータはプラズマチャンバ８内でのプラズマの解離および入射イオンの密度を制御できる。図７では、陰領域１３により、最大強度のプラズマが示されている。

透過プレートが適当に整合した孔を有することを条件に、レーザー干渉計により、基板表面を観察するための検査ポート１４を設けることができる。頂部プレート１６と、サイドカバー１５と、プレートソースのベースプレート１７は、ＲＦコイル７からのＲＦ放射線を収納するための密閉体を形成している。

プラズマソース１の下方には、プラズマチャンバ８と軸方向に整合する処理チャンバ２が位置する。この処理チャンバ２は、ヘリウムでアシストされた熱伝達により、冷却または加熱される２０５ｍｍの直径の下方電極から製造された基板テーブル４を一般に備える。このテーブルは電気的にアースしてもよいし、または基板表面におけるイオン衝撃エネルギーを制御するために、別個のＲＦ電源から給電してもよい。この基板テーブル４の上にウェーハ基板３が載せられており、この基板はモジュラー式クランピング機構５を使って所定の位置に更に保持できるようになっている。処理チャンバ２は、基板テーブル４の下方に取り付けられたポンピングポート１１を介し、機械式ポンプにより支持されたターボ分子ポンプを使用する吸引により、一般に低圧力または真空に維持されている。この例では、ポンピングポート１１は、２００ｍｍの直径の高コンダクタンスのポンピングポートとなっている。処理チャンバ２の頂部において環状体６内にガスノズルのリングが設けられており、このノズルを通してガスまたはガス混合物が注入される。シリコン化合物をデポジットするためのプロセスでは、このガス混合物内にシランのようなシリコン支持ガスが含まれる。アルゴンのような貴ガスがこの混合部の一部を形成することが好ましい。

使用に際し、ＩＣＰコイルに適当なＲＦ電流を提供することにより、プラズマソース１の内部にプラズマ１３が発生される。従来のシステムでは、処理チャンバ２に直接プラズマソース１が接続され、基板テーブル４にＲＦバイアスを加えることにより、ウェーハ基板３の上のイオン衝撃エネルギーが制御される。しかしながら、本明細書の導入部で説明した、カイター氏およびクッシュナー氏の論文から分かるように、これら従来のシステムはウェーハ基板３上で不均一な処理レートを発生する。

従って、均一性を得るために、プラズマソース１と処理チャンバ２との間に透過プレートが取り付けられ、透過プレート１２を通してプラズマ１３が駆動され、これによりプラズマクラウド内の電子の分布が変わる。本発明では、透過プレートによりプラズマの流れを遮断すると、流れの構成が変わるようになっている。

次に図１の装置を参照し、透過プレート上の開口部の形状および／または配置を定めるための方法について説明する。まず、設定表面のプロセスを選択し、よって図１の装置をセットアップし、この場合、透過プレート１２をアセンブリから外しておく。次に、基板テーブル４の上にテストウェーハ基板３を載せ、プラズマソース１内でプラズマを発生させる。次にこのプラズマを使って透過プレートが存在しない状態でウェーハに材料をデポジットし、その結果生じるウェーハ基板３を分析する。テストウェーハ基板３を使用し、透過プレート１２の好ましい効果が生じない場合のＨＤＰＣＶＤプロセスにおけるデポジットレートを測定できる。このデータから、図６および９と同じように、ウェーハの半径に対するデポジットレートのグラフをプロットできる。一旦実験データをプロットし、任意の半径ｒでデポジットレートを計算できるよう、データに対してデポジットレートの関数ｄ（ｒ）を適合することができる。立方スプラインまたは多項曲線に対して適用される最小平均二乗誤差方法を含むが、この方法だけに限定されない公知の任意のデータ適合技術を使用できる。

デポジットレート関数ｄ（ｒ）を適合した後に、透過プレートの半径ｒの関数として、透過プレートを通過するプラズマ透過関数を発生するように、透過プレートに対する透過関数Ｔ（ｒ）を計算する。これら双方の関数は、透過プレートと基板ウェーハとが軸方向に整合していると見なす。ｄ（ｒ）×Ｔ（ｒ）＝１となるように、透過関数Ｔ（ｒ）を計算する。すなわちデポジットレート関数の逆数となるように透過関数を計算する。必要な透過関数Ｔ（ｒ）が一旦計算されると、この透過関数Ｔ（ｒ）に最良に適合する実際のプラズマ透過分布となるように、一組の開口部を発生または計算することができる。このことは、標準的なプラズマフローモデルおよび方程式を使って実験的または理論的に行うことができる。例えば作動条件が公知である場合、プラズマが基板テーブルに向かって移動するときのプラズマの速度を計算し、プラズマの流れに関するプラズマのフラックスのパラメータを提供できる。次に、透過関数Ｔ（ｒ）がプラズマのフラックスに比例するものと見なすことができる。標準的な計算により、透過プレートの環状面積当たりの開口部の面積の値を計算することができ、よってこれら面積条件を最良に満たすような開口部の形状を計算できる。

図１２には、上記関数の適合の一例が示されている。種々の径方向の位置における必要とされるプラズマの透過度、すなわちプラズマ透過の目安を分析するためのスタートポイントとして、１０個の同じ幅の同心バンドに分割された透過プレートを使用する。各同心バンドに対する理想的なプラズマ透過度は、塗りつぶされていないバー１２１で示されており、透過プレートが存在しないときのウェーハ基板上のデポジットレートから導かれる。図２に示され、１０個の同心バンドを横断するように位置する同じ直径の孔の一連の簡単なリングに基づく設計も開発し、当技術分野で公知の方程式を使ってプラズマ透過度を計算する。次に、理想的な透過度に最良に適合する計算されたプラズマ透過度を有するデザインを選択する。選択されたデザインの透過度は影の付いたバー１２０内に示されており、均一な表面プロセスに対して必要とされる理想的な透過度に良好に適合する。単一の中心孔を設けるか、省略するかの二者択一が行われるため、中心では適合が欠如しているに過ぎない。

変更できる透過プレートの変数は、単位面積当たりの開口部の数、開口部の形状、円形開口部が使用されている場合の各開口部の直径、楕円開口部が使用されている場合の各開口部の長軸および短軸、またはこれらの任意の組み合わせを挙げることができるが、これらだけに限定されるものではない。図２〜５に示されるような同心リング配置を使用して、単位面積当たりの開口部の数を更に定めることができ、ここでは、開口部の密度は、同心リング３０〜３５の径方向のスペースおよび一組の円形開口部２１の同心スペースによって決まる。

透過関数から開口部の形状を開発することは、一般に開口部の形状に関する制限が関係している。例えば円形の開口部を使用する場合、かかる開口部の直径は透過プレートを通過するプラズマの流れの効率を保証するために、透過プレートの厚みよりも大きくなっていなければならない。実験的テストとモデル化により、プレートの厚みに対する開口部の直径の比を少なくとも３対１にすると、必要な透過レートが得られ、アクティブなプラズマ種の破壊と再結合を防止できることが分かっている。壁に接触することなく、厚みａのプレート内の半径Ｒの単一の円形の孔を通過するガス粒子の一部を計算し、これを図１１に示した。この計算では、平均自由行路は、孔の寸法と比較して長いと見なす。図は、孔のアスペクト比（半径対厚み）が少なくとも３対１の場合に壁との潜在的な急冷に遭遇することなく、プラズマ種の少なくとも５０％が透過し、アスペクト比が１.５対１の場合、少なくとも３０％が透過することを、図は示している。直径パラメータの代わりに、関連する幅および長さのパラメータと共に、円形でない開口部を使用する場合、レートの厚みに対する同様な開口部の幅の比、および／またはプレートの厚みに対する開口部の長さの比に従わなければならない。

図２〜５には、この方法を使用して設計された、採用できる透過プレートのコンフィギュレーションの例が示されている。各透過プレートは円形ディスク２０を備え、このディスクにはプラズマソース１から処理チャンバ２へのプラズマの通過を可能にする複数の円形開口部２１が設けられている。上記設計プロセスの範囲内で、図３〜５において、暗い影によってハイライト表示された所定の開口部２３、２４および２６をのぞくことにより、その結果得られる処理レートを透過プレート１２が存在する場合に得られる処理レートから変えることができる。

図２は、中心の円形開口部３６、半径が次第に増加する６つの同心開口リング、すなわち均一に離間した３９個の円形開口部２１を備えた外側の第１同心開口リング３０と、均一に離間した３９個の円形開口部２１を備えた第２同心開口リング３１と、均一に離間した２８個の円形開口部２１を備えた第３同心開口離間３２と、均一に離間した１８個の円形開口部２１を備えた第４同心開口リング３３と、均一に離間した１２個の円形開口部２１を備えた第５の同心開口リング３４と、均一に離間した６個の円形開口部２１を備えた第６の同心開口リング３５、および中心開口部３６を備えた基本的な開口部の分布を示す。このパターンは、プレートのエッジの近くの透過を最大にするという制限を更に課し、一定の孔の直径を１０ｍｍにし、横方向の熱伝導および機械的な安定性のために適当な量の金属を残した状態で、上記透過プレートの設計方法を使用して導いたものである。

最初の３つの同心開口リング３０、３１、３２は、第１の均一ラジアルスペース４０を有する。すなわち外側の第１同心リング３０内の円形開口部の中心から、第２同心リング３１内の円形開口部の中心までの距離は、第２の同心リング３１内の円形開口部の中心から第３同心リング３２内の円形開口部の中心までの距離に等しい。内側同心開口部のリング３３、３４、３５および中心開口部３６は、第１の均一な径方向のスペース４０よりも大きい第２の均一な径方向のスペース４１を有する。３つの外側の同心開口部のリング３０、３１、３２内の円形開口部の回転角方向のスペース４２は、同心リングに対して最大の開口部の密度を有する第２の同心開口部のリング３１と共に変化する。内側の同心開口部のリング３３、３４、３５も、回転角方向のスペースが変化し、この場合、最小の回転角方向のスペースは、３つの外側の同心開口部のリング３０、３１、３２の最大の回転角方向のスペースよりも大きく、円形開口部の回転角方向のスペースは、同心開口部のリングの半径が小さくなるにつれて増加する。

円形ディスク２０は一般に３〜５ｍｍの間の厚みを有するよう、アルミ合金No.６０８２から製造される。適当な透過レートにするために、円形開口部２１の直径はプレートの厚みよりも大きく、一般に図示されている透過プレートに対しては、プレートの厚みに対する開口部の直径の比は３対１よりも大きい。従って、上記アルミ合金を使用する場合、円形開口部の直径は９〜１５ｍｍの間にあり、この場合、すべての開口部の直径は９ｍｍよりも大であることが好ましい。しかしながら、開口部の直径を５ｍｍよりも大にした場合、好ましい透過特性を示し始める。

図６のグラフには、ＳｉＮ_x をデポジットする際に、図１の装置と共に使用されたときの、図２〜５に示された各透過プレートのコンフィギュレーションの効果が示されている。ライン６１は、装置に透過プレート１２が存在しないときの１００ｍｍ幅のウェーハの直径にわたってデポジットレートがどのように変化するかを示している。従来技術で見られるように、透過プレートが存在したにことによってエッジよりもウェーハの中心により多くの材料がデポジットされることが明瞭である。これによってデポジットパターンが不均一となり、こんことは、下流側の半導体および集積回路の処理に好ましくない結果をもたらすことがあり得る。

図２に示されるような透過プレートを使用すると、図６内のライン６２で示されるようなウェーハ基板にわたるデポジットレートのプロフィルを改善できる。６個の同心開口部のリングの径方向のスペースおよび回転角方向のスペースを変えたことは、内側の同心開口部のリング３３〜３５よりも外側の３つの同心開口部のリング３０、３１、３２で、より多くの量のプラズマを透過できることを意味する。これらパラメータを変えることにより、同心リングの面積当たりのプラズマ透過率を変えることができ、次に、このことにより、基板３が透過プレート１２と軸方向に整合していると仮定した場合に、ウェーハ基板３の対応する同心面積内のデポジットレートを変えることができる。例えば第２同心開口部のリング３１内で同心開口部の密度が最大となるので、透過プレート１２に垂直なプラズマ密度および速度が均一であると仮定した場合、同心単位面積当たりのプラズマのプラズマフラックスも最大となる。実際の使用では、プラズマ密度は透過プレート１２の直径にわたり、プラズマチャンバ８内で変化するので、円形開口部２１を配置することによって生じる開口部の密度を変えることは、プレートの処理チャンバ２側のプラズマ密度をより均一に発生することに役立つ。しかしながら、図２に示された透過プレート１２は、ウェーハ基板３にわたるデポジットレートの一部の不均一性も発生させ、この透過プレート１２は実験的に、または関数の適合を更に実施するかのいずれかにより、設計方法を繰り返すことによって最適にできる。

図３に概念的に示されるように、中心開口部２３を省略することにより、透過プレート１２の円形ディスク２０内の円形開口部２１の分布を変えると、ライン６３が示すように、基板ウェーハの中心におけるピークのデポジットレートが低下する。この理由は、透過プレート１２には中心開口部２３がもはや存在しないので、プラズマチャンバ８の中心近くに存在するプラズマは、処理チャンバ２に垂直に進入することはできず、よって処理チャンバの中心近くにプラズマの不足が発生し、透過プレートの下方の、ウェーハ基板３の中心における化学的反応レートが低下するからである。

円形開口部２１の分布を更に変えることにより、例えば円形ディスク２０内にどの開口部を残すか、どの開口部を排除するかを選択することにより、ウェーハを横断するデポジットレートを更に変えることができる。図４に示された開口部の文法は、中心開口部２９を排除し、影領域２４によって概念的に示された同心開口部のリング３５の開口部を除いている。このようなコンフィギュレーションの結果生じるデポジットレートのプロフィルは、図６におけるライン６５で示されており、更にスムーズになっている。しかしながら、このパターンはウェーハ基板３の中心のデポジットレートを過度に減少させ、ｍ形状のデポジットレートのプロフィルを生じさせるので、まだ最適ではない。図５の透過プロフィルによって最適なデポジットレートのパターンが得られる。このパターンは、ライン６４が示すように、ウェーハの表面を横断して実質的に均一なデポジットレートを提供する。このコンフィギュレーションでは、同心開口部のリング３５の円形開口部の半分が残っており、中心開口部２３および影の付いた開口部２６だけが除かれている。実験のテストは、ＳｉＮ_xデポジットにおいて、（７ｍｍのエッジを除き）±１.５０％の厚みの均一性が得られることが分かった。このテストにおけるすべての透過プレートは、３ｍｍのプレート厚みを使用し、１０ｍｍの直径の孔を使用した。

透過プレート１２から所定の開口部を除いたり、残したりするように選択することに加え、またはその代わりに、所定の開口部の直径を変えることもできる。例えば同心開口部のリング４２と同じように、円形開口部２１を一連の同心円として配置する場合、各同心リング内の開口部の各組の直径は、各同心リングの半径が減少するにつれ小さくなる。このことは、図４および５に示された分布に同様な効果を及ぼす。これら図では、プレートの半径を横断する開口部の直径の変化のレートは、基板ウェーハ３を横断するデポジットレートを変えている。これとは異なり、一連の同心リングに基づく同様な設計は、楕円形状の開口部を使用できる。各同心円の半径が減少するにつれ、各開口部の長軸をデクリメントでき、この結果、外側の同心円は広い、すなわち長い楕円パターンとなり、より中心の同心円ではほぼ円形の楕円パターンが生じる。このことは再び、デポジットをより均一にすることに役立つ変更されたデポジットレートを発生させる。

ウェーハ基板３に材料をデポジットすることに関連して、これまでの分布および配置について説明したが、ウェーハ基板から材料をエッチングしたり、除いたりするのにも、本装置を同じように使用できる。これらケースでは、当技術分野で公知のように、アクティブにされたプラズマ１３は化学的プリカーサをアクティブにし、かつ解離させる手段となり、このようにアクティブにされ、解離されたプリカーサはウェーハ基板３の表面にある材料を除くように反応する。

図７には図５の装置の三次元モデルが示されている。使用に際し、プラズマソース１の外側チャンバ１５の上部表面またはベースプレート１７に対するプレートのエッジの近くの３つのポイント７０に透過プレート１２を取り付ける。この取り付けは、ベースプレート１７の温度の２０℃内に透過プレート１２を維持するよう、低熱抵抗路を提供するように構成される。このことはソース内で３ｋＷのプラズマを作動させる間、プレートの中心における温度を測定することによって実証されている。プレートの温度は決して７０℃を越えることはなかった。アルミ合金No.６０８２はプラズマ１３に接触する透過プレートの領域から離間するように熱を伝える高レベルの熱伝導率度を有しており、この透過プレートは発生する熱を更に散逸させるよう、同様な熱伝導率の材料から製造された外側チャンバの断面に一般に熱結合されている。透過プレート１２の温度変化を最小にすることにより、温度プレート１２から粒子のフレーキングを生じることなく、ウェーハ基板３上により多くの材料をデポジットできる。更に、透過プレートの温度を制御することにより、透過プレートとアクティブなプラズマとの間の好ましくない相互作用も低減できる。アルミ合金の代わりに他の金属または金属合金を使用できるが、かかる金属または金属合金は１００Ｗ^-1Ｋ^-1よりも高い熱伝導率を有する。これとは異なり、透過プレート１２をアルミナシ−トまたは別のセラミックから製造できる。アルミナ製透過プレートは、等価的なアルミニウム透過プレートよりも大きい温度上昇を生じさせる。その理由は、アルミナの熱伝導率はアルミニウムの熱伝導率の約１０分の１であるからである。しかしながら、アルミナの熱膨張係数はアルミナの熱膨張係数の約３分の１であるので、アルミナの熱膨張係数は最も一般的にデポジットされる絶縁層に、より良好にマッチングするので、熱サイクルによってデポジットされた材料の深刻なフレーキング現象を生じさせない。

透過プレート１２は、３つの接続ポイント７０によって外部チャンバによって接続されているだけであるので、種々の操作のために透過プレート１２を容易に設置したり取り外したりできる。例えばプレートが劣化を示し始めた場合に、新しい分布にしたり、プレートを交換したりすることができる。ＳｉＯ_xまたはＳｉＮ_x膜をデポジットする際に、透過プレート１２を現場でクリーニングするために、プレートに累積したデポジット物を除去するようなフッ素含有プラズマを使用することができる。

前に説明したように、異なる処理技術または異なる化学的気相法を使用するときには、透過プレート１２を交換しなければならないことがある。例えば図７に示された透過プレートは、ＳｉＮ_xのデポジット用に設計されているが、ＳｉＯ_xのデポジットに使用する際には、デポジットを開始するのにプラズマを低く活性化するだけでよい。従って、図８は、ＳｉＯ_xのデポジットで使用するためのＳiＯ_xの透過プレート８２を示している。ＳｉＯ_x透過プレート８２は、プレートの中心円形部分８４内に開口部が存在しない状態の円形開口部２１の３つの同心リング８５、８６、８７を含む。図９には、このプレートを使用したときの基板ウェーハを横断する、上記の結果得られる、北から南へのデポジットレベル９１および西から東へのデポジットレベル９２が示されている。図８に示された透過プレートを使用するときには、１００ｍｍのウェーハ基板３を横断するように±１.４３％の均一性（７ｍｍのエッジを除く）を得ることができる。この値は、図２に示されるような変更されていない透過プレートを使用したときに得られる均一性のばらつき、すなわち一般的には±３.５％の半分である。透過プレートを使用しない場合、非均一性はより大きくなる。

経験的な観察では、透過プレート１２からの膜のフレーキングを生じることなく、透過プレート１２を使用したときには少なくとも５ミクロン、多くても２０ミクロンの基板上の全デポジット厚みが実証されている。

透過プレートがある場合、異なるプロセスガスをどこに注入するかを選択することにより、表面プロセスのステップを個別に定めることが可能になる。シランのようなガスは高密度プラズマ内に、すなわちプラズマチャンバ１内に注入してはならないことが分かっている。これらガスは、容易に解離し、これらガスが接触する次の表面に接着するような材料を発生するからである。透過プレート１２はＨＤＰ領域へのかかるガスの進入を制限し、プラズマソース領域をよりクリーンに維持するのに役立つ。更に、プレートの上部に貴ガスを注入すると、基板に向かってイオンおよび励起したプラズマ種を流すことができ、一方、プレートの下方に注入すると、より多くの余分なイオンの衝突を加えることなく、他のプラズマ種の拡散を変えるのに役立つ。透過プレートの上部に注入される貴ガスは、透過プレートの下方でガス混合物と共に注入される貴ガスと同一のものでもよい。図１３にはこのプロセスの効果の一例が示されている。この図は、プラズマソース１にアルゴンを注入することによるＳｉＯ₂のデポジットの均一性の変化を示している。均一性は最大デポジットレートと最小デポジットレートの差として測定され、この目安はプラズマソースへのアルゴンガスの流入が増加するにつれ、減少する。

要約すれば、多数の実施例を参照し、これまで本発明を説明したが、本発明は下記のような従来技術に対する多数の利点を提供できる。
・新しい透過分布に変更するために、透過プレート１２を容易に取り外し可能となっていること。
・ＳｉＯ_xまたはＳｉＮ_x膜をデポジットするときに、フッ素を含むプラズマにより、現場で透過プレート１２をクリーニングできること。
・取り付けプレート１２の取り付けポイントで外部チャンバに良好に熱接続するだけで、透過プレート１２の温度を制御できること。
・本発明を使用すると、透過プレート１２からの膜フレーキングを生じることなく、少なくとも５ミクロン、多くて２０ミクロンの全デポジット厚みが得られることが実証されていること。
・従来の複雑なガスノズルおよびＲＦコイル構造と比較して、透過プレート１２をより簡単かつ経済的にできること。

本発明に係わる表面処理装置を示す。 本発明に係わる第１の可能な透過プレートの開口部のコンフィギュレーションを示す。 本発明に係わる第２の可能な透過プレートの開口部のコンフィギュレーションを示す。 本発明に係わる第３の可能な透過プレートの開口部のコンフィギュレーションを示す。 本発明に係わる第４の可能な透過プレートの開口部のコンフィギュレーションを示す。 デポジットレートに対する透過レートの開口部のコンフィギュレーションの効果を示すグラフである。 本発明に係わる透過プレートの３Ｄモデルの図である。 本発明に係わるＳｉＯｘのデポジットで使用するための、透過プレートの３Ｄモデルの第２の図である。 図８に示されるような透過プレートを使用するときの、デポジットの厚みの効果を示すグラフである。 従来の平行プレートＰＥＣＶＤシステムを示す。 透過率に対する、半径対厚みのアスペクト比を変えたときの効果を示すグラフである。 実際のプラズマ透過尺度と理想的なプラズマ透過尺度との適合を示すグラフであり、透過度は透過プレートの半径を横断するように測定されたものである。 デポジット均一度に対する透過プレートの上方での、アルゴンガスを注入した効果を示すグラフである。

符号の説明

１ プラズマソース
２ 処理チャンバ−
３ ウェーハ基板
４ 基板テーブル
７ ＲＦコイル
８ プラズマチャンバ
９ ガスの入口
１１ ポンピングポート
１４ 検査ポート
１５ カバーポート
１６ 頂部プレート
１７ ベースプレート
２１ 開口部
３０〜３５ リング

Claims (34)

1. プラズマソースと、
   前記プラズマソースに作動的に接続されており、使用時に基板を取り付ける処理チャンバとを備えた、基板の表面処理に使用するための表面処理装置において、
   前記プラズマソースと前記処理チャンバとの間で使用するプラズマを透過するための透過プレートを有し、この透過プレートは１つ以上の開口部を備え、前記１つ以上の開口部の物理的形状および／または１つ以上の開口部の分布は、基板の表面での所定の処理パターンを形成するようになっていることを特徴とする表面処理装置。
2. 前記透過プレートは、複数の円形開口部を備える請求項１記載の表面処理装置。
3. 各円形開口部の直径は、前記透過プレートの厚みより大である請求項２記載の表面処理装置。
4. 透過プレートの厚みに対する開口部の直径の比は、３対１より大である請求項３記載の表面処理装置。
5. 各円形開口部の直径は、５ｍｍより大である請求項２乃至４の何れか１項に記載の表面処理装置。
6. 各円形開口部の直径は、９ｍｍより大である請求項５記載の表面処理装置。
7. 前記透過プレートは、形状が円形である請求項１乃至６の何れか１項に記載の表面処理装置。
8. 前記透過プレート上の１つ以上の同心開口部のリング内に複数の開口部が分布しており、前記１つ以上の同心状開口部のリングの中心は、透過プレートの中心となっている請求項７記載の表面処理装置。
9. 各同心開口部のリング内の複数の開口部の同心状スペースは、前記基板の表面に所定の処理パターンを形成するようになっている請求項８記載の表面処理装置。
10. 前記透過プレートには複数の同心状開口部のリングが配置されており、同心状開口部のリングの各ペアの間の径方向のスペースは、前記基板の表面に所定の処理パターンを形成するようになっている請求項８又は９に記載の表面処理装置。
11. 前記プラズマソースは、誘導結合されたプラズマである請求項１乃至１０の何れか１項に記載の表面処理装置。
12. 前記プラズマソースは、プラズマチャンバと、誘導結合されたコイルとを備える請求項１１記載の表面処理装置。
13. 前記誘導結合されたコイルは、無線周波数（ＲＦ）ソースに接続されている請求項１２記載の表面処理装置。
14. 前記ＲＦソースは、１３.５６ＭＨｚでＲＦ電流を供給する請求項１３記載の表面処理装置。
15. 前記プラズマソースへの第１ガス供給部と、前記処理チャンバへの第２ガス供給部とを更に備える請求項１乃至１４の何れか１項に記載の表面処理装置。
16. 前記基板の表面処理は、前記基板の表面に材料をデポジットすることを含む請求項１乃至１５の何れか１項に記載の表面処理装置。
17. 前記１つ以上の開口部の物理的形状および／または前記１つ以上の開口部の分布は、前記基板の幅にわたってデポジットレートを実質的に均一にするようになっている請求項１６記載の表面処理装置。
18. 前記基板の前記表面処理は、前記基板の表面から材料を除去することを含む請求項１乃至１７の何れか１項に記載の表面処理装置。
19. 前記１つ以上の開口部の物理的形状および／または前記１つ以上の開口部の分布は、前記基板の幅にわたって材料の除去レートを実質的に均一にするようになっている請求項１８記載の表面処理装置。
20. 前記透過プレートの前記熱伝導率は、１００Ｗｍ−１Ｋ−１より大である請求項１乃至１９の何れか１項に記載の表面処理装置。
21. 前記透過プレートは、低熱抵抗路を介して前記処理チャンバに熱接続されている請求項１乃至２０の何れか１項に記載の表面処理装置。
22. 前記透過プレートは、金属または金属合金プレートを含む請求項１乃至２１の何れか１項に記載の表面処理装置。
23. 前記透過プレートは、プラズマによる攻撃に耐えることができる層でコーティングされた金属または金属合金プレートを備える請求項２２記載の表面処理装置。
24. 前記透過プレートは、セラミックプレートを備える請求項１乃至２０の何れか１項に記載の表面処理装置。
25. 前記透過プレートは、アルミナプレートを備える請求項２４記載の表面処理装置。
26. 前記プラズマチャンバおよび前記処理チャンバは、実質的に円筒形のチャンバを備える請求項１２乃至１４の何れか１項に記載の表面処理装置。
27. 前記プラズマチャンバと前記処理チャンバとは軸方向に整合している請求項２６記載の表面処理装置。
28. 前記処理チャンバの上方に前記プラズマソースが取り付けられている請求項１乃至２７の何れか１項に記載の表面処理装置。
29. 使用時に透過プレートがプラズマソースと処理チャンバとの間に取り付けられ、前記プラズマソースから前記処理チャンバへのプラズマの透過を可能にする１つ以上の開口部を備えた、前記処理チャンバ内に取り付けられた基板の表面処理に使用するための透過プレートを製造するための方法であって、
    ａ）プラズマソースと透過プレートを有しない処理チャンバとを使用し、前記基板の半径ｒに対する前記基板上の表面処理の処理レートを測定するステップと、
    ｂ）前記測定されたプロセスレートにプロセスレート関数ｄ（ｒ）を適合するステップと、
    ｃ）ｄ（ｒ）×Ｔ（ｒ）が定数となるように、前記透過プレートの中心からの半径の関数としてプラズマ透過関数Ｔ（ｒ）を計算するステップと、
    ｄ）前記透過プレートに対して測定されたプラズマ透過関数が、プラズマ透過関数Ｔ（ｒ）に対して最良に適合するように、１つ以上の開口部の物理的形状および／または１つ以上の開口部の分布に対する開口部の構造を定めるステップと、
    ｅ）前記ステップｄ）で定義された開口部の構造を使用して、透過プレートを製造するステップとを有することを特徴とする透過プレートを製造するための方法。
30. 前記ステップｄ）で定義された前記開口部は、厚みに対する所定の幅の比を有する請求項２９記載の方法。
31. ａ）前記透過プレートの一方の側で、第１ガスまたはガス混合物を前記プラズマソース内に注入するステップと、
    ｂ）前記透過プレートの反対側の前記処理チャンバ内に第２ガスまたはガス混合物を注入するステップと、
    ｃ）測定された処理レートに応答し、前記２つの注入されるガスのガスフロー比を調節するステップとを有することを特徴とする請求項１に記載の装置を作動させる方法。
32. 前記第１混合ガスと前記第２混合ガスは、貴ガスを含む請求項３１記載の方法。
33. 前記第１混合ガスと前記第２混合ガスは、同一の貴ガスを含む請求項３２記載の方法。
34. 前記透過プレートの温度を外部チャンバの温度の２０℃の範囲内に維持する請求項３１乃至３３の何れか１項に記載の方法。

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