JP2000208424A

JP2000208424A - 処理装置とその方法

Info

Publication number: JP2000208424A
Application number: JP11005114A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nishimura; 博司西村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜処理で、ダスト発生の少ない電極を用い
て、被処理体であるウエハ上へ処理ガスを高精度で均一
性の高い供給を行う。【解決手段】電極２１に孔設された各ガス供給孔２７
ａ、２７ｂ、２７ｃ……は、それぞれ電極２１の中心か
ら外側に向かって傾斜して設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体装
置等の製造に用いるプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＶａｐｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、熱ＣＶＤ、プ
ラズマエッチング等の薄膜処理装置とその処理方法で、
特に、半導体ウエハ等の被処理体表面への処理ガス供給
の高精度化及び高均一化を可能とし、かつ、ダスト発生
を極力抑え、被処理体表面ヘのダスト付着を減少させた
電極を用いた薄膜処理装置と薄膜処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造プロセスでは、金属薄
膜や絶縁膜の形成に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置や熱ＣＶ
Ｄ装置等の化学気相成長法を用いた薄膜処理装置、プラ
ズマエッチング・アッシング装置等の薄膜処理装置が用
いられている。

【０００３】これらの薄膜処理装置では、原料ガスとし
て、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガス、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒ
ａＥｔｈｙｌＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）ガ
ス、有機金属化合物のガス等を用い、これらの原料ガス
を反応室内に供給しウエハＷ上に絶縁膜や金属膜等の薄
膜や配線等の形成を行っている。

【０００４】一般に、プラズマＣＶＤ装置では、反応室
内に載置されたウエハＷと対向する位置に、高周波を印
加する上部電極が設置されている。この上部電極につい
て図面を参照して説明すると、図５（ａ）は上部電極の
表面の模式図で、図５（ｂ）は上部電極の側断面の模式
図であり、上部電極４１には原料ガスを反応室内に供給
するためのガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ……が高
密度で広範囲に配列して孔設されている。図中では、ガ
ス供給孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ……は均等に孔設され
ているが、このガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ……
の配列を、例えば上部電極４１の中心から周辺にかけ
て、中心部は疎に周辺部は密になるように調整して、ウ
エハＷの表面でガス濃度が均一になるように形成するこ
とが行なわれている。

【０００５】図６は、ガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４２
ｃ……の断面拡大図で、ガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４
２ｃ……は段差孔に形成されており、ガスの入口４３側
（図６で上方側）が径大でガスの出口４４側が径小に形
成されている。すなわち、上部ザグリ孔４５と下部貫通
孔４６からなるガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ……
は、上部電極４１の表面４７に対して鉛直方向に開口し
ており、そのため、図７（ａ）に断面図を、図７（ｂ）
に平面図を示すように、ガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４
２ｃ……を出たガス流れは、直下のウエハＷに対してほ
ぼ垂直流れとして噴出し衝突する。その際に、ガス供給
孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ……や上部電極４１の表面４
７で発生したパーティクルは、ウエハＷに向かうガスの
垂直流れに乗って輸送され、ウエハＷの表面に衝突後、
矢印で示す方向のようにウエハＷの表面上に沿ってウエ
ハＷの外側に向かって流れていく。

【０００６】この場合、ガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４
２ｃ……を出たガスは、ウエハＷの表面に衝突した際
に、その流速が急速に遅くなるため、ウエハＷの表面に
パーティクルが付着し易い状態となり、そのためウエハ
Ｗの表面にダストの付着が多くなる。

【０００７】また、ガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ
……の出口４４は上部電極４１の表面４７に対して鉛直
に開口しているため、出口４４の付近に堆積する堆積膜
はコーナの角の部分で剥がれ易く、パーティクルの発生
源にもなっている。

【０００８】これらの構成により、図示しない反応室内
で成膜時には、上部電極４１に高周波を印加してプラズ
マを形成し、かつ、ガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ
……から処理ガスを供給することで、ウエハＷ上に薄膜
を形成している。

【０００９】また、熱ＣＶＤ装置では、前述のプラズマ
ＣＶＤ装置と同様に、反応室内のウエハＷと対向する位
置に同様の電極を設け、さらに、ウエハＷの下部に図示
しない加熱機構が設けられている。薄膜処理時には、こ
の電極に高周波を印加せずに、ウエハＷを加熱機構で加
熱し、電極部のガス供給孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ……
から供給された原料ガスの熱分解により薄膜を形成して
いる。

【００１０】これらの薄膜処理装置では、形成される膜
の膜厚均一性、組成比や膜応力などの膜特性の均一性
は、熱ＣＶＤにおいては、処理ガスの供給状態や基板温
度均一性に、プラズマＣＶＤにおいては、処理ガスの供
給状態やプラズマの均一性に、それぞれ大きく依存す
る。

【００１１】そのため、一般に、処理ガスを均一に供給
するため、前述の電極（上部電極４１）にガス供給孔４
２ａ、４２ｂ、４２ｃ……を設け、かつ、ガス供給孔４
２ａ、４２ｂ、４２ｃ……を、例えば電極の表面で中心
部は疎に、周辺部は密となるように配列するなど、ガス
供給孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ……の配列に工夫を行っ
ている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述のように
ウエハに対向する電極にウエハの表面に対して垂直方向
のガス供給孔が設けられた薄膜処理装置では、膜厚の均
一性や膜特性の均一性に優れるという利点がある一方、
以下の大きな問題点が存在する。

【００１３】第１の問題点は、前述のガス供給孔の配列
は、使用する処理ガスや堆積条件により最適に配置する
必要があり、実際の電極を製作する際の孔加工の制約や
成膜特性上の制約から、孔径はφ＝直径０．５ｍｍから
φ＝１．０ｍｍ程度、孔間隔の最小間隔は２ｍｍから
１．０ｍｍ程度の範囲となり、配列の工夫だけでは調整
幅が狭く、処理条件を満足できない場合が生じる。

【００１４】第２の問題点は、電極がウエハの真上に位
置するため、ダストの発生が多くなる。特に、電極やガ
ス供給孔で生成したパーティクルやガス供給孔の付近に
堆積した堆積物の剥がれで生じたパーティクルが、落下
したりガス流れによって輸送されて、直下に対向するウ
エハに付着し易い。

【００１５】本発明は、これらの事情にもとづいてなさ
れたもので、その目的は、ダスト発生が少ない電極を用
いて、被処理体であるウエハの表面への処理ガスを高精
度で高均一に供給することを可能とした薄膜処理装置と
薄膜処理方法を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、被処理体を支持する支持部を備えた処理室
と、この処理室内の前記被処理体と対抗する位置に設け
られ、供給された処理ガスを拡散して前記処理室に供給
する複数のガス供給孔が配列して孔設された電極を具備
する処理装置において、前記電極に孔設された前記ガス
供給孔は、前記処理室に供給された処理ガスが前記被処
理体に対して渦巻き状の流れを形成するように形成され
ていることを特徴とする処理装置である。

【００１７】また請求項２の発明による手段によれば、
前記電極に孔設された前記ガス供給孔の処理ガス供給側
の面に形成された開口に対して、前記被処理体の対向面
に形成された開口は径方向外側、かつ、周方向にずれて
設けられていることを特徴とする処理装置である。

【００１８】また請求項３の発明による手段によれば、
前記電極の板厚は、前記電極の中心から外側に向かっ
て、徐々に薄くなるように設けられていることを特徴と
する処理装置である。

【００１９】また請求項４の発明による手段によれば、
前記電極に孔設された前記ガス供給孔のうち、前記電極
の中心部に設けられた前記ガス供給孔の孔径は、外周側
に設けられた前記ガス供給孔の孔径より大であることを
特徴とする処理装置である。

【００２０】また請求項５の発明による手段によれば、
前記電極に孔設された前記ガス供給孔は、前記電極の中
心部で密に、前記電極の外周部で粗に設けられているこ
とを特徴とする処理装置である。

【００２１】また請求項６の発明による手段によれば、
前記電極に孔設された前記ガス供給孔の前記被処理体の
対向面側は、面取り処理が施されていることを特徴とす
る処理装置である。

【００２２】また請求項７の発明による手段によれば、
被処理体を処理室内に搬入する工程と、前記処理室内に
複数のガス供給孔が孔設された電極を介して処理ガスを
渦巻き状に供給する工程と、供給された処理ガスを反応
させて前記被処理体を処理する工程とを有すことを特徴
とする処理方法である。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態をプラズ
マ処理装置に適用した場合を図面を参照して説明する。

【００２４】図１はプラズマ処理装置の概略断面図であ
る。このプラズマ処理装置の処理室１は、アルミニウム
等の材質で気密構造で電気的に接地され、底部にはセラ
ミック等の絶縁板２を介して支持台３が設けられてい
る。この絶縁板２は、処理室１と支持台３とを電気的に
絶縁している。

【００２５】支持台３の内部には、冷却ジャケットなど
の冷却室４が設けられ、この冷却室４には、支持台３を
所望の温度に冷却するための冷媒が循環可能なように、
冷媒を導入する冷媒導入管５と冷媒を排出する冷媒排出
管６が接続されている。

【００２６】支持台３の上面には、アルミニウム等の材
質からなる下部電極７が着脱可能に設けられている。こ
の下部電極７の上面には、被処理体である、例えば半導
体のウエハＷをクーロン力により吸着保持する静電チャ
ック８が設けられている。この静電チャック８は、例え
ば電解箔銅からなる導電層８ａを両側から、例えばポリ
イミドフイルムやセラミックからなる絶縁層８ｂで挟ん
で接着剤により接着された構成となっている。導電層８
ａには、供給リード線９を介して処理室１の外部に設け
られた直流電源１０が接続され、この直流電源１０によ
り導電層８ａに静電チャック用の直流電圧を印加する
と、分極によるクーロン力よってウエハＷは静電チヤツ
ク８上に吸着保持される。そして、下部電極７には、処
理室１の外部に設けられている高周波電源１ｌからの、
例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力が、マッチ
ング回路１２、ブロッキングコンデンサ１３をそれぞれ
介して、電力供給線１４によって供給される。

【００２７】支持台３および下部電極７には、冷却室４
の温度をウエハＷに伝達する伝熱媒体、例えば不活性ガ
スのへリウムガスを伝熱ガス供給源１５から供給するた
めの伝熱ガス供給路１６が設けられている。この伝熱ガ
ス供給路１６は、下部電極７の内部に設けられた伝熱ガ
ス分散室１７を介して、下部電極７および静電チャック
８内を貫通して多数設けられた伝熱ガス流出路１８に通
じている。すなわち、伝熱ガス供給源１５からの伝熱ガ
スは、伝熱ガス供給路１６を通り、一旦、伝熱ガス分散
室１７に入り、その後、伝熱ガス流出路１８にそれぞれ
分岐し、静電チャック８表面上に設けられた伝熱ガス吹
き出し口１９より静電チャック８の上面に載置されたウ
エハＷの裏面に供給される構成となっている。そして、
このようにウエハＷの裏面に供給される伝熱ガスは、下
部電極７の熱を効率良くウエハＷに伝達する。

【００２８】すなわち、処理室１の内部が真空雰囲気で
あっても、ウエハＷに支持台３の熱を伝達することがで
きる。また、より効率よく支持台３の熱をウエハＷに伝
達するためには、支持台３と下部電極７との間の間隙に
上記と同様に伝達ガスを供給することが望ましい。

【００２９】また、下部電極７の上端周縁部には、ウエ
ハを囲むようにして環状のフォーカスリング２０が設け
られている。このフォーカスリング２０は、絶縁材料も
しくは導電性材料、例えばＳｉＣやＣなどから選択して
設けられ、プラズマ領域を調整するために用いられる。

【００３０】一方、処理室１の内部の上方には、この処
理室１とは電気的に絶縁されている、図２に断面側面図
を示すような上部電極２１が配設されている。この上部
電極２１の内部には処理ガス拡散室２２が形成され、こ
の処理ガス拡散室２２の中央部には、ゲートバルプ２３
を介してガス供給管２４が接続されている。そして、こ
のガス供給管２４は、ガス供給源２５に接続されてお
り、このガス供給源２５とゲートバルプ２３の間には、
マスフローコントローラ２６が設けられ所望の流量の所
定の処理ガスを処理ガス拡散室２２に供給できるように
なっている。

【００３１】上部電極２１の下側には、処理ガス拡散室
２２内から処理ガスを処理室内に導入するためのガス供
給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……が形成されている。

【００３２】このガス供給孔は、図３（ａ）及び（ｂ）
に示すように、処理ガス拡散室２２側（図中上面側）の
開口に対してウエハＷへの対向側（図中下面側）の開口
が径方向外側で、かつ、周方向にずれている。つまり、
ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……が所定方向に傾
斜して設けられている。

【００３３】従って、この同方向に傾斜したガス供給孔
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……を通過したガス流れは、図
４（ａ）に側面図を、（ｂ）に平面図を示すように、直
下のウエハＷに対して渦巻き状になり、かつ、ウエハＷ
の中心から外側へ向かう流れが形成される。従って、こ
のガス流はウエハＷに流れの方向に対して垂直には衝突
しない。そのため、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ
……を出たガスの流速を極力減速されずにすむ。

【００３４】また、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ
……の出口３１や上部電極２１の表面３２で発生したパ
ーティクルは、形成された渦巻き状のガス流れに沿っ
て、ウエハＷ上から速やかに排出される。また、従来の
方法に比べ、ウエハＷの表面に直接向うガス流れの成分
は少ないため、ウエハＷにガス流れによって輸送される
パーティクル量は従来方法より少なくなる。

【００３５】また、上部電極２１は、図３に示したよう
に、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……のウエハＷ
対向面側の開口は、面取り加工が施され、Ｒ形状又はＣ
形状であるので、出口３１のコーナ部の角が従来方法よ
り緩くなり、この出口３１付近に堆積する堆積膜が剥が
れにくい構造となっている。そのため、この部分でのパ
ーティクルの発生は少なくなる。

【００３６】また、上部電極２１は、図３（ａ）の
ｄ_０、ｄ_１、ｄ_２に示すように、板厚が図示したよう
に、上部電極２１中心から周辺に向かって、階段状の段
差で薄く形成されている。この段差は、それぞれ０．１
ｍｍ程度である。なお、段差は３段階ではなくてもよ
く、また、段差の代りにスロープで形成してもよい。

【００３７】また、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ
……の直径は、例えば中心付近がφ＝１．０ｍｍ、中間
領域がφ＝０．８ｍｍ、周辺領域がφ＝０．６ｍｍのよ
うに周辺部にいくに従って小さく形成されている。

【００３８】一般に、直径ｒ、長さｌ、の孔を通過する
ガス量Ｑは、孔前後の差圧をＰとすると、Ｑ∝Ｐ×ｒ^４
／ｌで表現できる。したがって、上部電極２１の単位面
積あたりのＤ；ガス供給量は、単位面積あたりのガス供
給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の総面積（孔個数）の
他に、一つのガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の
直径と長さにも依存することになる。したがって、従来
技術では、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の配
列のみを変化させて、単位面積あたりのガス供給孔２７
ａ、２７ｂ、２７ｃ……の総面積を変化させることによ
ってガスの供給量を制御していたが、本実施の形態で
は、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の配列の他
に、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の長さと直
径を上部電極２１の中心部と周辺部で変えることで、ガ
ス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……を通過するガス
量、すなわちガスの供給量を制御している。これによ
り、より高精度に広範囲にわたってガスの供給量を調整
することが可能となる。

【００３９】図３及び図４（ａ）は、ガス供給孔２７
ａ、２７ｂ、２７ｃ……の直径を変えずに、ガス供給孔
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の長さのみを変えた場合を
図示している。

【００４０】上述の各実施の形態の構成によれば、プラ
ズマ処理装置にの処理において、膜厚均一性や膜特性の
均一性に優れ、かつ、ウエハＷにパーティクルの付着が
従来の構造の電極に比較して低減されることを確認でき
た。

【００４１】なお、上述の実施の形態では、ガス供給孔
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の孔径を中心部から周辺部
にいくに従って小さくするように変化させたが、ガス供
給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の孔径は変化させず
に、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……の配列によ
る調整を行うこともできる。すなわち、この場合は単位
面積あたりの孔数を変化させるもので、例えば、中心付
近は、直径φ＝０．８ｍｍのガス供給孔２７ａ、２７
ｂ、２７ｃ……を５個／１００ｍｍ^２の割合で配列し、
中間領域では直径φ＝０．８ｍｍのガス供給孔２７ａ、
２７ｂ、２７ｃ……を７．５個／１００ｍｍ^２の割合で
配列し、周辺領域では直径φ＝０．８ｍｍのガス供給孔
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……を１０個／１００ｍｍ^２の
割合で配列する。

【００４２】また、単位面積あたりのガス供給孔２７
ａ、２７ｂ、２７ｃ……の数を変える配列としては、以
下の方法でも可能である。すなわち、（ａ）ガス供給孔
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……を格子状に配列し、格子の
大きさを変える、（ｂ）格子の面心にも配置し、格子の
大きさと面心のガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……
の有無で変える、（ｃ）格子状でなく中心から所定の半
径の円によって、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ…
…をその円周上に配置する。そして中心領域ではこの円
を５個、中間領域では１０個、周辺領域では１５個おき
にガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……を円周上に配
置する等である。

【００４３】さらに別の形態としては、等間隔の同心円
上に、その円周上にあるガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２
７ｃ……の数を変えることでもよい、すなわち、前述の
格子状でなく正三角形を考え、ガス供給孔２７ａ、２７
ｂ、２７ｃ……をその頂点に配置し、正三角形の大きさ
を変える等により行うことができる。

【００４４】上述の構成によれば、ウエハＷに対向する
ように設置された上部電極２１のガス供給孔２７ａ、２
７ｂ、２７ｃ……から処理ガスを供給する際に、ガス供
給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……がウエハＷに対して所
定の角度を形成しているため、ウエハＷの表面でガス流
れが渦巻き状になり、かつ、ガス流速が減速されずにウ
エハＷから外側へ向かう流れとなるため、発生したパー
ティクルがウエハＷに対して速やかに排出される。その
結果、ウエハＷの表面へのダスト付着の少ないガス供給
が可能となった。

【００４５】また、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ
……の出口３１がＲ加工等の面取り加工が施こされてい
るので、上部電極２１の表面に堆積する堆積膜がガス供
給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ……のコーナー部で剥がれ
にくく、上部電極２１からのパーティクルの発生が少な
くなった。

【００４６】さらに、ガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７
ｃ……の配列調整とガス供給孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃ
……の長さの調整を同時に行うことで、ガス供給孔２７
ａ、２７ｂ、２７ｃ……の配列調整のみによる従来の方
法より広範囲に処理ガスの流量を制御することが可能と
なった。

【００４７】

【発明の効果】本発明により、半導体製造における薄膜
処理装置と処理方法において、高精度で高均一な堆積特
性が得られ、かつ、ダスト発生が少なくウエハ上へのダ
スト付着が軽減された。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ処理装置の概略断面図。

【図２】本発明の上部電極の断面側面図。

【図３】本発明の上部電極のガス供給孔の説明図で、
（ａ）はその断面図、（ｂ）はその平面模式図。

【図４】本発明の上部電極のガス供給孔を通過したガス
流れの説明図で、（ａ）はその側断面図、（ｂ）はその
平面図。

【図５】（ａ）は従来の上部電極の表面の模式図、
（ｂ）は従来の上部電極の側断面の模式図。

【図６】従来のガス供給孔の拡大した側断面図。

【図７】従来の上部電極のガス供給孔を通過したガス流
れの説明図で、（ａ）はその側断面図、（ｂ）はその平
面図。

【符号の説明】

１…処理室、７…下部電極、２１、４１…上部電極、２
７ａ、２７ｂ、２７ｃ…ガス供給孔、Ｗ…ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体を支持する支持部を備えた処理
室と、この処理室内の前記被処理体と対抗する位置に設
けられ、供給された処理ガスを拡散して前記処理室に供
給する複数のガス供給孔が配列して孔設された電極を具
備する処理装置において、前記電極に孔設された前記ガス供給孔は、前記処理室に
供給された処理ガスが前記被処理体に対して渦巻き状の
流れを形成するように形成されていることを特徴とする
処理装置。
【請求項２】前記電極に孔設された前記ガス供給孔の
処理ガス供給側の面に形成された開口に対して、前記被
処理体の対向面に形成された開口は径方向外側、かつ、
周方向にずれて設けられていることを特徴とする請求項
1記載の処理装置。
【請求項３】前記電極の板厚は、前記電極の中心から
外側に向かって、徐々に薄くなるように設けられている
ことを特徴とする請求項1記載の処理装置。
【請求項４】前記電極に孔設された前記ガス供給孔の
うち、前記電極の中心部に設けられた前記ガス供給孔の
孔径は、外周側に設けられた前記ガス供給孔の孔径より
大であることを特徴とする請求項1記載の処理装置。
【請求項５】前記電極に孔設された前記ガス供給孔
は、前記電極の中心部で密に、前記電極の外周部で粗に
設けられていることを特徴とする請求項1記載の処理装
置。
【請求項６】前記電極に孔設された前記ガス供給孔の
前記被処理体の対向面側は、面取り処理が施されている
ことを特徴とする請求項1記載の処理装置。
【請求項７】被処理体を処理室内に搬入する工程と、
前記処理室内に複数のガス供給孔が孔設された電極を介
して処理ガスを渦巻き状に供給する工程と、供給された
処理ガスを反応させて前記被処理体を処理する工程とを
有すことを特徴とする処理方法。