JP3364131B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理基板に対して、例えばＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）処理等の
プラズマ処理によりＳｉＯＦ膜やＳｉＯ₂ 膜等の薄膜を
形成するプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路の配線パタ−ンとしては主にア
ルミニウム配線が用いられ、これを絶縁するための層間
絶縁膜としてはＳｉＯＦ膜やＳｉＯ₂ 膜等が用いられて
いるが、これらの形成方法としては膜質が良好なことか
ら、マイクロ波と磁界とを組み合わせて高密度プラズマ
を発生させるＥＣＲプラズマ処理が採用される傾向にあ
る。

【０００３】このＥＣＲプラズマ処理を行う従来のプラ
ズマ処理装置について図９に挙げると、例えばこの装置
では、プラズマ生成室１Ａ内に、例えば２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波を導波管１１により透過窓１２を介して供
給すると共に、例えば８７５ガウスの磁界を主電磁コイ
ル１３と補助電磁コイル１４との組み合わせにより印加
して、マイクロ波と磁界との相互作用（電子サイクロト
ロン共鳴）によりＡｒガスやＯ₂ ガス等のプラズマガス
を高密度プラズマ化し、このプラズマにより成膜室１Ｂ
内に導入された例えばＳｉＨ₄ ガスやＳｉＦ₄ ガス等の
成膜ガスを活性化させてイオン種を形成して、載置台１
５上に載置された半導体ウエハ（以下「ウエハ」とい
う）Ｗに対して薄膜を形成している。

【０００４】前記導波管１１は、矩形導波管１１ａと、
下部側に向かって徐々に広がる円錐形導波管１１ｂとを
組み合わせて構成され、マイクロ波発生器１６により発
生し、矩形導波管１１ａ内をＴＥ₁₀モ−ドで伝送された
マイクロ波は、円錐形導波管１１ｂでＴＥ₁₁モ−ドに変
換され、そのまま円錐形導波管１１ｂ内をＴＥ₁₁モ−ド
で伝送されてプラズマ生成室１Ａ内に導入される。

【０００５】ここでＴＥ₁₁モ−ドについて図１０により
説明する。図１０（ａ）は例えば内径が２ａの円筒形導
波管の直径方向の断面図であり、図１０（ｂ）は図１０
（ａ）のＡ−Ａにおける断面図であるが、このモ−ドで
は図中実線で示す電界は、導波管の直径方向に存在して
いる。なお図中鎖線は磁界を示しており、図１０（ｂ）
中○は電界が紙面の内側に向かう様子、●は電界が紙面
の外側に向かう様子を夫々示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のプ
ラズマ処理装置では、マイクロ波はＴＥ₁₁モ−ドでプラ
ズマ生成室１Ａ内に導入されるので、ウエハ上方のある
断面の電気力線の密度は、中央部では高く、周縁部に近
付くに連れて小さくなってしまい、電界分布が不均一と
なっている。ここでプラズマ生成室１Ａで発生するプラ
ズマの密度は電界分布に略比例するので、プラズマ処理
によって形成される薄膜の膜厚は電界分布に対応して周
縁部で薄くなってしまい、膜厚について高い面内均一性
を確保することが困難になっている。

【０００７】一方米国特許公報5,234,526 号には、ＴＭ
₀₁モ−ドを利用したプラズマ処理装置が開示されてい
る。この装置は、ＴＥ₁₀モ−ドを伝送する矩形導波管の
端部を例えば内径が１０９ｍｍの円筒形導波管に接続し
て、マイクロ波をＴＭ₀₁モ−ドでプラズマ生成室に導入
するように構成されている。

【０００８】ここでＴＭ₀₁モ−ドについて図１１に基づ
いて説明すると、図１１（ａ）は例えば内径が２ａの円
筒形導波管の直径方向の断面図であり、図１１（ｂ）は
図１１（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。このモ−
ドでは図中実線で示す電界は、導波管の管壁から中心を
通ってまた管壁に戻るように、半波長毎に向きを変えな
がら管壁に沿って伝播する。この図においても鎖線は磁
界を示しており、図１１（ｂ）中○は電界が紙面の内側
に向かう様子、●は電界が紙面の外側に向かう様子を夫
々示している。

【０００９】このような装置では、例えば６インチのウ
エハを処理する場合には、円筒形導波管の内径が１０９
ｍｍであるため、ウエハの上方側のある断面における電
界分布の均一性は確保できる。しかしながら近年ウエハ
が８インチサイズから１２インチサイズへと大口径化す
る傾向にあり、このようにウエハが円筒形導波管の内径
よりも大きくなると、ウエハ周縁部と対向する導波管出
口の領域の電界強度が極端に小さくなってしまい、結局
膜厚の面内均一性が悪くなるという問題がある。

【００１０】本発明はこのような事情の下になされたも
のであり、その目的は、広い面積に亘って均一性の高い
プラズマを発生させることにより、プラズマ処理の面内
均一性を高めることができるプラズマ処理装置及びその
方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、高周
波を透過するための円形板状の透過窓が一端に設けられ
た円筒状の真空室を備え、被処理基板の載置台が内部に
設けられた真空容器と、前記真空容器内に磁界を形成す
るための磁界形成手段と、前記真空室内に高周波をＴＭ
モ−ド例えばＴＭ₀₁モ−ドで前記透過窓を介して供給す
るための高周波供給手段と、を備え、高周波と磁界との
電子サイクロトロン共鳴により処理ガスをプラズマ化
し、そのプラズマにより被処理基板に対して処理を行う
プラズマ処理装置において、前記真空室の内径をＤ１と
し、前記透過窓の高周波の出口部の口径をＤ２とする
と、０．７５≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８５であることを特徴
とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明のプラズマ処理装置
の一実施の形態を示す断面図であり、図２はその一部の
斜視図、図３はその主要部の拡大断面図である。図中２
は例えばアルミニウム等により形成された真空容器であ
る。この真空容器２は上方に位置してプラズマを発生さ
せる第１の真空室２１と、この下方に連通させて連結さ
れた第２の真空室２２とからなる。これらの真空室２
１、２２は円筒状に構成されており、第１の真空室２１
は内径Ｄ１が例えば２５０ｍｍ（図３参照）に設定さ
れ、第２の真空室２２は第１の真空室２１より内径が大
きくなるように設定されている。なお真空容器２は接地
されてゼロ電位となっている。

【００１３】この真空容器２の上端は開口されて、この
部分に高周波（マイクロ波）を透過する部材例えば窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）により形成され、直径Ａ１が２
３０ｍｍの円形板状の透過窓２３が気密に設けられてい
る。この透過窓２３は例えばアルミニウム製の支持リン
グ２４により外周縁を気密に支持されており、この透過
窓２３と支持リング２４とにより真空容器２内の真空状
態を維持するようになっている。

【００１４】前記支持リング２４は真空容器２の上端に
設けられており、透過窓２３の下面側に内周面が張り出
すように構成されていて、これにより第１の真空室２１
のマイクロ波の入口部は、内径がその他の部分によりも
狭くなるようになっている。例えばこの実施の形態で
は、透過窓２３のマイクロ波の出口側の口径Ｄ２つまり
第１の真空室２１のマイクロ波の入口部の内径Ｄ２は後
述の実験結果により２００ｍｍ程度に設定されており、
支持リング２４の透過窓２３の下方側の厚さは５ｍｍ程
度に設定されている。

【００１５】透過窓２３の外側には、プラズマ室２１内
に例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をＴＭモ−ド例え
ばＴＭ₀₁モ−ド等で供給するための導波管３が設けられ
ている。この導波管３は例えば図２に示すように、矩形
導波管３１の出口側端部を円筒形導波管３２の上部側側
部に直角に接続し、円筒形導波管３２の下端側を、下部
側に向かって徐々に広がるようにテ−パ状に形成された
円錐形導波管３３の上端部に接続して構成されている。

【００１６】円錐形導波管３３は例えば出口側開口の内
径Ａ２が２００ｍｍに設定されており、この出口側開口
端部は透過窓２３の上面に接続されている。また前記矩
形導波管３１の入口側端部はプラズマ発生用の高周波電
源部３４に接続されており、高周波電源部３４にて発生
したマイクロ波を導波管３で案内して透過窓２３からプ
ラズマ室２１内へ導入し得るようになっている。本実施
の形態では、高周波電源部３４と矩形導波管３１、円筒
形導波管３２、円錐形導波管３３とにより高周波供給手
段が構成されている。

【００１７】第１の真空室２１を区画する側壁の上部側
には、例えばプラズマガスを供給するためのガスノズル
４１が周方向に沿って均等に配置して設けられると共
に、このガスノズル４１には図示しないプラズマガス源
が接続されており、第１の真空室２１内の上部にＡｒガ
スやＯ₂ ガス等のプラズマガスをムラなく均等に供給し
得るようになっている。なお図中ガスノズル４１は図面
の煩雑化を避けるため２本しか記載していないが、実際
にはそれ以上設けている。

【００１８】一方前記第２の真空室２２の上部即ち第１
の真空室２１と連通している部分には、リング状の成膜
ガス供給部４２が設けられており、内周面にはガス供給
口４２ａが形成されている。この成膜ガス供給部４２に
は他端側が図示しない成膜ガス源に接続されたガス供給
管４３の一端側が接続されていて、例えばＳｉＨ₄ ガス
やＳｉＦ₄ ガス等の成膜ガスが前記ガス供給口４２ａか
ら噴出するようになっている。

【００１９】前記第１の真空室２１を区画する側壁の外
周には、これに接近させて当該真空室２１を囲むよう
に、例えばリング状の主電磁コイル５１が配置されると
共に、第２の真空室２２の下方側にはリング状の補助電
磁コイル５２が配置され、これらにより第１の真空室２
１から第２の真空室２２に亘って上から下に向かう磁界
例えば８７５ガウスの磁界Ｂを形成し得るようになって
いる。

【００２０】また第２の真空室２２内にはウエハＷを載
置するための載置台６が処理位置とウエハＷの受け渡し
位置の間で昇降自在に設けられている。この載置台６は
例えばアルミニウム製の本体６１の上に、ヒ−タと電極
とを内蔵した誘電体プレ−ト６２を設けてなり、表面は
静電チャックとして構成されている。前記電極には静電
チャック用の図示しない直流電源が接続されていると共
に、ウエハＷにイオンを引込むためのバイアス電圧を印
加するように高周波電源部６３が接続されている。さら
に成膜室２２の底部には排気管２５が接続されている。

【００２１】次に上述のプラズマ処理装置を用いて、被
処理基板であるウエハＷ上に例えばＳｉＯＦ膜よりなる
層間絶縁膜を形成する方法を説明する。先ず真空容器２
の側壁に設けた図示しないゲ−トバルブを開いて図示し
ない搬送ア−ムにより、例えば表面にアルミニウム配線
が形成された例えば８インチサイズのウエハＷを図示し
ないロ−ドロック室から搬入して載置台６上に載置す
る。

【００２２】続いてゲ−トバルブを閉じて内部を密閉し
た後、載置台６を処理位置まで上昇させ、排気管２５に
より内部雰囲気を排出して所定の真空度まで真空引き
し、ガスノズル４１からプラズマガス例えばＡｒガス及
びＯ₂ ガスを所定の流量で導入すると共に、成膜ガス供
給部４２から成膜ガス例えばＳｉＦ₄ ガスを所定の流量
で導入する。そして真空容器２内を例えば０．１５Ｐａ
のプロセス圧力に維持し、かつ高周波電源部６３により
載置台６に１３．５６ＭＨｚ，２５００Ｗのバイアス電
圧を印加すると共に、載置台６の表面温度を例えば４０
０℃に設定する。

【００２３】第１の真空室２１内には、高周波電源部３
４からの２．４５ＧＨｚ，２７００Ｗの高周波（マイク
ロ波）Ｍが、先ず矩形導波管３１内をＴＥ₁₁モ−ドで伝
送された後、矩形導波管３１と円筒形導波管３２の接続
部付近でＴＭ₀₁モ−ドに変換され、そのまま円錐形導波
管３３内を電界領域を広げながらＴＭ₀₁モ−ドで伝送さ
れて真空容器２の天井部に至り、透過窓２３を介して第
１の真空室２１内に導入される。

【００２４】一方真空容器２内には主電磁コイル５１と
補助電磁コイル５２とにより磁界Ｂが形成され、磁界Ｂ
の強さが８７５ガウスとなったポイントで、磁界とマイ
クロ波との相互作用により電子サイクロトロン共鳴が生
じ、この共鳴によりプラズマガスがプラズマ化され、且
つ高密度化される。なおプラズマガスを用いることによ
りプラズマが安定する。

【００２５】生成したプラズマは第１の真空室２１から
第２の真空室２２に向けてプラズマ流として流れ込んで
いき、ここに供給されているＳｉＦ₄ ガスはこのプラズ
マ流により活性化（プラズマ化）されて、活性種（プラ
ズマ）を形成する。一方プラズマイオンはバイアス電圧
によりウエハＷに引き込まれ、ウエハＷ表面のパタ−ン
（凹部）に堆積されたＳｉＯＦ膜の角をプラズマイオン
のスパッタエッチング作用により削り取って間口を広げ
ながら、ＳｉＯＦ膜が成膜されて凹部内に埋め込まれ
る。

【００２６】このようなプラズマ処理装置では、第１の
真空室２１の内径を、マイクロ波の入口部では２００ｍ
ｍとし、直ぐ下方側で２５０ｍｍに急激に大きくしてい
るので、形成されるＳｉＯＦ膜の膜厚をウエハＷの面内
においてほぼ均一とすることができる。

【００２７】この理由は次のように推察される。即ちマ
イクロ波は既述のように円錐形導波管３３内を電界領域
を広げながら伝送され、透過窓２３を介してＴＭ₀₁モ−
ドで第１の真空室２１内に導入されるが、第１の真空室
２１内では内径が急激に大きくなっているので、この部
分でマイクロ波の伝播が乱される。これによりＴＭ₀₁モ
−ドで導波管３と第１の真空室２１の入口部を管壁に沿
って伝播してきたマイクロ波は、この急激に大きくなる
部分で乱されて、例えば図４に示すような高次モ−ド例
えばＴＭ₀₂モ−ドを発生し、そのモ−ドのまま第１の真
空室２１内を伝送していくと考えられる。

【００２８】そしてこのような高次モ−ドでは、管壁の
みならず、真空容器２の中央部分にも電界が発生するの
で、ウエハＷから見ると、ウエハＷに対向する面内のほ
ぼ全体に電界が存在することになる。このため当該面内
において広い面積に亘って均一なプラズマ領域を確保す
ることができ、この結果プラズマにより形成されるＳｉ
ＯＦ膜の膜厚がウエハＷの面内においてほぼ均一になる
と推察される。

【００２９】ここでこのような高次モ−ドの発生は、後
述の実験結果により、第１の真空室２１の内径Ｄ１と入
口部の内径Ｄ２との大きさの比に関係があると推察され
る。即ちＤ２／Ｄ１が大きすぎると、つまり内径Ｄ２に
比べて内径Ｄ１があまり大きくならないと、マイクロ波
の伝播の乱れが小さすぎ、結局ＴＭ₀₁モ−ドのまま伝送
してしまうと考えられる。

【００３０】このＴＭ₀₁モ−ドではマイクロ波は円錐形
導波管３３の管壁に沿って電界領域を広げながら伝播し
ていくので、円錐形導波管３３の上端側に比べて内径が
大きい第１の真空室２１では、電界は内壁部分では存在
するものの、中央部分には存在しない。このため電界強
度が中央部分でかなり小さくなってしまうので、プラズ
マ密度の面内均一性を高めることは困難となると考えら
れる。

【００３１】一方Ｄ２／Ｄ１が小さすぎると、つまり急
激に内径Ｄ１を大きくし過ぎると、マイクロ波の伝播が
内径Ｄ１が大きくなる部分で乱れ過ぎ、軸対称でないモ
−ドが励起されやすく、やはりプラズマ密度の面内均一
性が悪くなると考えられる。

【００３２】続いて本発明者らが膜厚の面内均一性との
関係でＤ２／Ｄ１の最適化を図るために行った実験例に
ついて説明する。上述の図１に示すプラズマ処理装置を
用い、Ａｒガス及びＯ₂ ガスを所定の流量で内径Ｄ１＝
２５０ｍｍの第１の真空室２１内に導入すると共に、Ｓ
ｉＦ₄ ガスを所定の流量で第２の真空室２２内に導入
し、高周波電力を２５００Ｗ、バイアス電力を２７００
Ｗ、成膜温度を４００℃、真空容器２内の圧力を０．１
５Ｐａとして、第１の真空室２１の入口側の内径Ｄ２の
大きさを変えて、上述の実施の形態と同様のプロセス条
件によりＳｉＯＦ膜を８インチサイズのウエハＷ上に成
膜し、膜厚の面内均一性を測定した。ここで膜厚の面内
均一性はオプティプロ−ブにより測定した。また第１の
真空室２１の内径Ｄ１を２７５ｍｍ、３００ｍｍとした
場合においても同様の実験を行った。

【００３３】この結果を図５〜図８に示すが、ここで図
５は第１の真空室２１の内径Ｄ１が２５０ｍｍの場合、
図６は２７５ｍｍの場合、図７は３００ｍｍの場合を夫
々示しており、図８においては△が２５０ｍｍ、○が２
７５ｍｍ、□が３００ｍｍを夫々示している。

【００３４】この結果により、第１の真空室２１の内径
Ｄ１の大きさにかかわらず、内径Ｄ１に対する入口部の
内径Ｄ２の大きさの比（Ｄ２／Ｄ１）が０．８付近のと
きに、ＳｉＯＦ膜の膜厚の面内均一性が最も良くなり、
この値を離れるに連れて面内均一性が悪化することが認
められた。

【００３５】これにより第１の真空室２１にて広い面積
に亘って均一性の高いプラズマを発生させるためには、
第１の真空室２１の内径Ｄ１と第１の真空室２１の入口
部内径Ｄ２との間には最適な関係が存在することが確認
され、膜厚の面内均一性を２０％以下にするためには、
０．７５≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８５程度にすればよいこと
が認められた。

【００３６】以上において、本発明ではＴＭモ−ドを伝
送する導波管は実施の形態に記載した構成に限らず、矩
形導波管と内径の異なる複数の円筒形導波管を組み合わ
せた構成のものであってもよいし、ＴＭモ−ドの高次モ
−ドは、ＴＭ₀₂モ−ドに限らず、ＴＭ₀₃モ−ド等であっ
てもよい。また本発明はＳｉＯＦ膜の成膜処理に限られ
るものではなく、例えばＳｉＯ₂ 膜やＣＦ膜（フッ素添
加カ−ボン膜）等の成膜処理に適用してもよいし、エッ
チング処置等に適用するようにしてもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明のプラズマ処理装置によれば、広
い面積に亘って均一性の高いプラズマを発生させること
ができるので、プラズマ処理の面内均一性を高めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施の形態を示
す断面図である。

【図２】前記プラズマ処理装置で用いられる導波管の一
例を示す斜視図である。

【図３】前記プラズマ処理装置のマイクロ波の入口部付
近の断面図である。

【図４】マイクロ波の伝播を説明するための断面図であ
る。

【図５】Ｄ１＝２５０ｍｍの場合のＤ２／Ｄ１と膜厚の
面内均一性との関係を示す特性図である。

【図６】Ｄ１＝２７５ｍｍの場合のＤ２／Ｄ１と膜厚の
面内均一性との関係を示す特性図である。

【図７】Ｄ１＝３００ｍｍの場合のＤ２／Ｄ１と膜厚の
面内均一性との関係を示す特性図である。

【図８】Ｄ２／Ｄ１と膜厚の面内均一性との関係を示す
特性図である。

【図９】従来のプラズマ処理装置を示す断面図である。

【図１０】ＴＥ₁₁モ−ドを説明するための断面図であ
る。

【図１１】ＴＭ₀₁モ−ドを説明するための断面図であ
る。

【符号の説明】

２ 真空容器 ２１ 第１の真空室 ２２ 第２の真空室 ２３ 透過窓 ２４ 支持リング ３ 導波管 ３１ 矩形導波管 ３２ 円筒形導波管 ３３ 円錐形導波管 ３４ 高周波電源部 ５４ 主電磁コイル ６ 載置台 Ｗ 半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−45098（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−119100（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−34238（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−104096（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−142196（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−236297（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−150031（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 C23C 16/50 H01L 21/205 H01L 21/31 C23F 4/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波を透過するための円形板状の透過
   窓が一端に設けられた円筒状の真空室を備え、被処理基
   板の載置台が内部に設けられた真空容器と、前記真空容
   器内に磁界を形成するための磁界形成手段と、前記真空
   室内に高周波をＴＭモ−ドで前記透過窓を介して供給す
   るための高周波供給手段と、を備え、高周波と磁界との
   電子サイクロトロン共鳴により処理ガスをプラズマ化
   し、そのプラズマにより被処理基板に対して処理を行う
   プラズマ処理装置において、 前記真空室の内径をＤ１とし、前記透過窓の高周波の出
   口部の口径をＤ２とすると、０．７５≦Ｄ２／Ｄ１≦
   ０．８５であることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記ＴＭモ−ドはＴＭ₀₁モ−ドであるこ
   とを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。