JP2000345339A - スパッタ成膜応用のためのプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 均一な成膜が得られるようにしたプラズマス
パッタリング装置を提供する。 【解決手段】 本発明はターゲットプレートの半径線に
渡り均一のスパッタ速度を作り出すためにターゲットプ
レートの近傍で半径方向に均一なイオンとラジカルの密
度を提供することを企図している。この処理装置は、上
部電極１２と下部電極１３を含む反応容器１１と、上部
電極に固定されたターゲットプレート１４とから構成さ
れる。基板１５は下部電極の上に搭載される。さらに上
部電極に接続されかつＨＦまたはＶＨＦの領域で動作す
る高周波電源１６と、上部電極と下部電極の間で二次的
プラズマがその内側表面の前で生成されるようにしたプ
ラズマシールドリング２０とを備える。初期プラズマと
二次的プラズマの合成プラズマに基づいてターゲットプ
レートの下側に半径方向に均一なイオン密度とラジカル
密度が作り出され得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスパッタ成膜応用の
ためのプラズマ処理装置に関し、特に、ターゲットプレ
ートの下側空間で当該空間の周辺に二次的プラズマを生
成することにより半径方向に均一なプラズマを作ること
が可能なプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大面積の基板である単一ウェハー
処理に向かう傾向が、大きな面積に渡りイオンとラジカ
ルの均一な密度を提供できる大面積プラズマ源の発展を
増進してきた。特に、スパッタ成膜処理ではターゲット
物質の近傍において均一なプラズマ密度が非常に重要で
ある。この観点から従来のスパッタ成膜プラズマ源は、
大面積のターゲット材料と大面積の基板に関する限り、
その応用に制限を受けている。これらの困難性が、図４
を参照して、従来のスパッタ成膜プラズマ源の一例を用
いて詳細に説明される。

【０００３】図４は、半導体産業におけるスパッタ成膜
応用のために用いられる従来のプラズマ源の簡略化され
た図を示す。図４に示される反応容器５０は、上部プレ
ート５１と底部プレート５２と円筒形側壁５３によって
作られる。反応容器５０は、その内部に上部電極５４と
下部電極５５を含んでいる。上部電極と下部電極は、反
応容器５０の少なくとも主要部を横切って、お互いに並
行になっている。上部電極５４の大きさは下部電極５５
よりも僅かに大きくなっている。スパッタされることが
必要な物質で作られたターゲットプレート５６は、上部
電極５４の下面に固定されている。ターゲットプレート
５６の直径は、通常、上部電極５４の直径と同じである
か、または少し小さくなっている。上部電極５４とター
ゲットプレート５６は、それらを絶縁体５７の上に置く
ことによって、円筒形側壁５３から電気的に絶縁されて
いる。この絶縁体５７は円板形状となるように作られ、
その中央部分に段差を有する大きな孔を有し、この孔は
上部電極５４とターゲットプレート５６をセットするた
めに使用される。反応容器５０は、線５８で接地されて
いる。上部電極５４は整合回路６０を介して高周波電源
（an rf power source) ５９に電気的に接続されてい
る。高周波電源５９の周波数はＨＦまたはＶＨＦの領域
にある。高周波電力が高周波電源５９から上部電極５４
に印加されるとき、容量結合型のメカニズムによってタ
ーゲットプレート５６の下側にプラズマが生成される。

【０００４】処理されるべき基板（またはウェハー）６
１は下部電極５５の上に搭載され、下部電極は絶縁体６
２上に置かれることにより反応容器５０の他の部分から
電気的に絶縁されている。この絶縁体６２は底部プレー
ト５２に固定されている。下部電極５５には、高周波電
源から高周波電力が与えられてもよいし、与えられなく
てもよい。図４に示された構造によれば、下部電極５５
には整合回路６４を介して高周波電源６３から高周波電
力が供給されている。下部電極５５に高周波電源６３か
ら高周波電力が供給されているとき、整合回路６４を通
して高周波電流が流れる。下部電極５５に接続された高
周波電源６３の周波数は０．５ＭＨｚから１００ＭＨｚ
の範囲に存在する。

【０００５】プロセスガスまたはガスの混合物は、通
常、円筒形側壁５３に固定されたリング形管６５に形成
されたガス導入口６５を通して供給される。反応容器５
０の内部圧力はガス導出ポート６７に固定された可変オ
リフィスによって制御される。可変オリフィスの図示は
図において省略されている。

【０００６】

【発明が解決すべき課題】図４において、符号Ｈによっ
て示されるターゲットプレート５６と下部電極５５との
間の隙間（電極ギャップ）は、通常、スパッタ成膜処理
の間、約５０ｍｍまたは５０ｍｍより小さい状態に保持
される。内部圧力は、通常、１０mTorr から１００mTor
r の範囲に維持される。狭い電極ギャップでのこの圧力
範囲で、圧力の勾配が電極の中心と端の間で作られる。
基板６１の直径が小さい場合、例えば１５０ｍｍである
場合に、たとえこの圧力勾配が無視できたとしても、例
えば直径が３００ｍｍまで増加されるとすると、それは
制限的な要因となる。圧力の勾配のため、プラズマ密度
を表す半径方向の分布形状（profile ）は、電極の中心
部でピークを示し、電極の端部に向かって減衰する。半
径線方向に渡るプラズマ密度の変化が、上部電極５４と
ターゲットプレート５６に関して、図５に模式的に示さ
れる。さらにプラズマは、主に電子とイオンの種(speci
es) の側壁５３での損失を生じた。それ故に、側壁５３
の近傍においてプラズマ密度は減少する。このことはプ
ラズマの半径方向の不均一性の増加という結果をもたら
す。

【０００７】さらに上記のプラズマの不均一性は次の理
由によって促進される。高周波電流は、通常、上部電極
５４の上側の中心部に供給される。この高周波電流は上
部電極５４の端部に向かって半径方向に流れ、それから
上部電極５４の下面の中心部に向かって流れる。それ故
に、上部電極５４の下面の中心領域は、より高い電力密
度となる。このことが、上部電極５４の中心部でより高
いプラズマ密度という結果をもたらす。

【０００８】前述のプラズマの不均一性に対応して、タ
ーゲットプレート５６のスパッタリング速度が、その中
心部でより高いスパッタリング速度を持つように、不均
一になる。このことが、基板６１の表面での不均一成膜
という結果をもたらす。

【０００９】本発明の目的は、ターゲットプレートの半
径線に渡り均一なスパッタ速度を作り出すためにターゲ
ットプレートの近傍で半径方向に均一なイオンとラジカ
ルの密度を与えることができ、それによってウェハー表
面において半径方向に均一な膜を得ることができるスパ
ッタ成膜応用のためのプラズマ処理装置を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
め、本発明に係るプラズマ処理装置は、反応容器の内部
空間の少なくとも一部を横切るよう互いに向かい合う上
部電極と下部電極を含む反応容器と、上部電極に固定さ
れたターゲットプレートを備えている。この構造におい
て、処理されるべき基板は下部電極の上に搭載され、ス
パッタリングプロセスによって処理される。さらに上記
プラズマ処理装置は、上部電極に接続され、ＨＦまたは
ＶＨＦの領域で動作する高周波電源と、上部電極と下部
電極の間で配置された金属で作られ、直接的にアースに
接続されず、その内側表面の前に二次的プラズマが生成
されるプラズマシールドリングを備えている。

【００１１】上記の構造によって、初期プラズマと二次
的プラズマの合成プラズマに基づいてターゲットプレー
トの下側に半径方向に均一なイオン密度およびラジカル
密度が作られる。

【００１２】上記プラズマ処理装置において、さらに、
プラズマシールドリングは、直列に接続された可変コン
デンサとインダクタからなる共振回路（Ｌ−Ｃ回路）を
介してアースに接続されている。

【００１３】上記のプラズマ処理装置において、さら
に、プラズマシールドリングは高周波電力が供給される
ように高周波電源に接続されている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、好ましい実施形態が、添
付された図面に従って説明される。実施形態の説明を通
して本発明の詳細が明らかにされる。

【００１５】第１の実施形態が図１と図２に従って説明
される。プラズマ処理装置は上部プレート１１ａと底部
プレート１１ｂと円筒形側壁１１ｃからなる反応容器１
１を備える。反応容器１１は反応容器１１の内部空間の
少なくとも一部を横切るように互いに並行に対向させら
れた上部電極１２と下部電極１３を備えており、上部電
極１２の下側に固定されたターゲットプレート１４を備
えている。隙間Ｈがターゲットプレート１４と下部電極
１３の間で電極ギャップとして、または上部電極と下部
電極間のギャップとして定義されている。基板（または
ウェハー）１５は処理されるべき基板であり、これは下
部電極１３の上に搭載されている。下部電極１３の直径
は、通常、基板の直径に等しい。上部電極１２の直径
は、通常、下部電極１３の直径よりも１０〜５０ｍｍ大
きくなっている。上部電極１２の厚みは重要なことでは
なく、通常、５〜２０ｍｍの厚みを有する金属が用いら
れている。ターゲットプレート１４の直径は上部電極１
２の直径と等しいか、または少しばかり小さくなるよう
に選択されている。高周波電源１６によって生成された
高周波電流は整合回路１７を通して上部電極１２の上側
の中心部に供給される。高周波電源１６の動作周波数は
ＶＨＦまたはＨＦの領域の範囲に含まれ、代表的に１
３．５６ＭＨｚで動作する。

【００１６】上部電極１２とターゲットプレート１４
は、それらを円板形状を有する絶縁体（支持ステージ）
１８の上に配置することにより、円筒形側壁部５３から
電気的に絶縁されている。この絶縁体１８は、その中心
部分に段差を備えた大きな孔を有している。上部電極１
２とターゲットプレート１４は当該大きな孔の中にセッ
トされ、その段差によって支持されている。反応容器１
１は導線１９を通して接地されている。

【００１７】プラズマシールドリング２０は、金属、通
常ではアルミニウムで作られ、絶縁体１８の下面に固定
されている。プラズマシールドリング２０の内径は、上
部電極１２の直径よりも１０ｍｍから５０ｍｍより大き
くなるように決められている。プラズマシールドリング
２０の高さは重要な事項ではなく、上部電極と下部電極
の間のギャップ、すなわち図１に示された前述の電極ギ
ャップＨを考慮して選択される。スパッタリングプロセ
スの種類に依存してプラズマシールドリング２０の高さ
は上部電極と下部電極の間のギャップよりもより高い
か、あるいは、より低くくなる。プラズマシールドリン
グ２０の厚みは重要な事項ではなく、通常、１ｍｍから
５ｍｍの範囲に存在する。プラズマシールドリング２０
の外側と円筒形側壁１１ｃの内側との間の空間は、これ
は本質的な条件ではないけれども、通常、誘電体（絶縁
体）２１で満たされいる。プラズマシールドリング２０
は、直列に接続されたインダクタ（Ｌ）２２と可変コン
デンサ（Ｃ）２３を介して電気的に接地されている。参
照数字２４は誘電体２１と絶縁体１８を通過する導電線
を示し、これはプラズマシールドリング２０と可変コン
デンサ２３を接続している。インダクタ２２の一端は反
応容器１１の上部プレート１１ａに接続されている。イ
ンダクタ２２と可変コンデンサ２３の各々の値は、上部
電極１２に印加される高周波の周波数でＬ−Ｃ回路を共
振させるように選択される。

【００１８】プロセスガスまたはガスの混合物は、円筒
形側壁１１ｃに固定されたリング形管２６に作られたい
くつかのガス導入ポート２５を通して、反応容器１１の
中に導入される。反応容器１１はガス導出ポート２７を
通して真空にされている。反応容器１１の内部圧力は、
ガス導出ポート２７に設けられた可変オリフィスを用い
ることによって、１０mTorr から１００mTorr の範囲で
維持されている。可変オリフィスは図において示されて
いない。

【００１９】下部電極１３は、絶縁材料で作られたステ
ージ２８の上にそれを配置することによって、反応容器
１１の残りの部分から電気的に絶縁されている。ステー
ジ２８の直径はプラズマシールドリング２０の直径より
も５〜２０ｍｍ小さくなるようになっている。スパッタ
リングプロセスの種類に依存して、下部電極１３は導電
性ワイヤを介して電気的に接地されている。さらに、も
し下部電極１３が浮遊状態にあるならば、高周波電流は
供給されてもよいし、供給されなくてもよい。もし下部
電極１３に対し高周波電源２９から高周波電流が供給さ
れるならば、高周波電流は整合回路３０を介して流れ
る。下部電極１３とステージ２８からなる合成構造は、
反応容器１１の底部プレート１１ｂに固定され、あるい
は電極ギャップＨを調整するために動き得るようにされ
る。

【００２０】以下にプラズマの生成メカニズムと半径方
向のプラズマ密度の分布形状(profile) の変化が説明さ
れる。動作の間、第１に、容量結合型メカニズムによっ
てターゲットプレート１４の下側にプラズマが作られ
る。そのとき、可変コンデンサ２３の値は、上部電極１
２に印加される高周波電力の周波数でＬ−Ｃ回路が共振
するまで変化させられる。

【００２１】もしプラズマシールドリングがないとする
と、上部電極１２に与えられる高周波電流は上部電極１
２から円筒形側壁１１ｃへ流れ、反応容器１１内に生成
されたプラズマを通して円筒形側壁１１ｃは電気的に接
地される。下部電極１３上に配置された基板１５を通し
て流れる高周波電流の一部は、下部電極１３の電気的状
態に依存する。例えば、もし下部電極１３が接地されて
いるとすると、基板１５を通してより高い高周波電流が
流れ、もし下部電極１３が浮遊状態にあるとすると、基
板１５を通して流れる高周波電流は最少化されるか、ま
たは全く流れない。通常のスパッタリングプラズマ処理
装置において、下部電極１３は、上部電極１２に与えら
れる高周波電流に対して高いインピーダンスを示す。そ
れ故に、上部電極１２に与えられるほとんどすべての高
周波電流は、生成されたプラズマを通して、反応容器１
１の円筒形側壁１１ｃに流れる。

【００２２】前述のプラズマシールドリング２０が設け
られることで、上記の状態は変化する。プラズマシール
ドリング２０に付設されたＬ−Ｃ回路の共振周波数が上
部電極１２に与えられた高周波電流の周波数に等しくな
る場合、高周波電流の大部分は上部電極１２からプラズ
マシールドリング２０へ流れる。さらに、この条件にお
いて、プラズマシールドリング２０は異なる周波数を有
する他の交流電流に対して高いインピーダンスを示す。
さらに、コンデンサ２３が存在することによって、プラ
ズマシールドリング２０はｄｃ電流（直流電流）に対し
て絶縁体として作用する。これらの属性のため、プラズ
マシールドリング２０は、上部電極１２に与えられた周
波数と等しい周波数を持つ高周波電流が供給される二次
的電極として作用する。上部電極１２とプラズマシール
ドリング２０のそれぞれを流れる高周波電流の位相差は
１８０°である。従ってプラズマシールドリング２０の
内側表面の前に二次的プラズマが生成される。この二次
的プラズマ３１の半径方向の分布形状(profile) が、タ
ーゲットプレート１４の下側に生成される初期のプラズ
マ３２の半径方向の分布形状と比較しつつ、図２に示さ
れる。図２に示されたプラズマ密度の半径方向の分布形
状３１，３２は上部電極１２とターゲットプレート１４
に関して与えられている。これらの２つのプラズマ３
１，３２において、イオン、電子、ラジカルの拡散は、
ターゲットプレート１４の下側で合成プラズマとして半
径方向に均一なプラズマを作る。結果としてもたらされ
たプラズマ密度の分布形状３３が、同様に、図２におい
て模式的に示される。このように、ターゲットプレート
１４の下側の空間を取り囲むように配置され、インダク
タ２２と可変コンデンサ２３からなるＬ−Ｃ回路に電気
的に接続されたプラズマシールドリング２０の存在はタ
ーゲットプレート１４の下側に半径方向に均一なプラズ
マ３３を作り出す。

【００２３】次に、本発明の第２実施形態が図３を参照
して説明される。図３は、第２実施形態の断面図を示
す。プラズマシールドリング２０に接続されるＬ−Ｃ回
路を高周波電源４１と整合回路４２で置き換えることを
除いて、第２実施形態におけるすべての他の構成は、第
１実施形態で与えられた構成と同じである。それ故に、
図３において、第１実施形態で説明された要素と同一の
要素にはそれぞれ同じ参照番号が与えられ、ここではそ
れらの詳細な説明は省略される。第２実施形態では、以
下において、プラズマシールドリング２０とその電気的
接続のみが議論される。第２実施形態におけるプラズマ
シールドリング２０の大きさは、第１実施形態で説明さ
れたように変り得る。プラズマシールドリング２０は整
合回路４２を介して高周波電源４１に接続されている。
高周波電流の周波数の増大はプラズマシールドリング２
０における自己バイアス電圧を減少させるので、プラズ
マシールドリング２０に接続される高周波電源４１の周
波数は好ましくはＶＨＦの領域にある。さらにプラズマ
シールドリング２０に印加される高周波電力は、低い
値、通常、約３００Ｗに維持される。この値はプラズマ
シールドリング２０の自己バイアス電圧に依存する。す
なわち、プラズマシールドリング２０の自己バイアス電
圧は好ましくはプラズマシールドリングの材料のスパッ
タリングに必要とされるしきい値電圧よりも低い値に維
持される。プラズマシールドリング２０に接続された高
周波電源４１の高周波の周波数は、上部電極１２に与え
られる高周波の周波数と異なることも可能である。

【００２４】プラズマシールドリングへの高周波電力の
容量結合型のメカニズムによって結果的にプラズマシー
ルドリング２０の内側表面にプラズマを生成させる。こ
のプラズマの半径方向の分布形状は第１実施形態におけ
るプラズマシールドリング２０の近傍に生成された二次
的プラズマ３１に類似している。それ故に、第１実施形
態で説明した現象に類似して、第２実施形態においても
ターゲットプレート１４の下側に半径方向に均一なプラ
ズマが作られる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によるプラズマ処理装置は、前述
した構造を有するプラズマシールドリングを備えるた
め、ターゲットプレートの下側に半径方向に均一なプラ
ズマを作り出し、このことは上部電極に固定されたター
ゲットプレートのスパッタリング速度を半径方向につい
て均一にする。このことは、基板の上に堆積される膜の
厚みの均一性を改善し、ターゲットプレートの利用効率
を高めるという結果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】この図は本発明の第１実施形態の断面図を示
し、反応容器の内部構造を示している。

【図２】この図はターゲットプレートの下側とプラズマ
シールドリングの内側表面の近傍に生成されたプラズマ
の半径方向のプラズマ密度の分布形状の変化を示す。

【図３】この図は本発明の第２実施形態の断面図を示
す。

【図４】この図はスパッタ成膜応用のために用いられる
従来のプラズマ処理装置の断面図を示す。

【図５】この図は従来のプラズマ処理装置のターゲット
プレートの下側で生成される半径方向のプラズマ密度の
分布形状の変化を示す。

【参照符号の説明】

１１ 反応容器 １１ｃ 円筒形側壁 １２ 上部電極 １３ 下部電極 １４ ターゲットプレート １５ 基板（ウェハー） １６，２９，４１ 高周波電源 １７，３０，４２ 整合回路 １８ 絶縁体（支持ステージ） ２０ プラズマシールドリング ２１ 誘電体（絶縁体） ２２ インダクタ ２３ 可変コンデンサ ２８ ステージ ３１ 初期プラズマの半径方向のプラズマ
密度分布形状 ３２ 二次的プラズマの半径方向のプラズ
マ密度分布形状 ３３ 合成プラズマの半径方向のプラズマ
密度分布形状

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沼沢 陽一郎 東京都府中市四谷５丁目８番１号 アネル バ株式会社内 Ｆターム(参考） 4K029 DC20 DC28 DC35 5F103 AA08 BB23 RR06

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部空間の少なくとも一部を横切って互
   いに向かい合う上部電極と下部電極を含む反応容器と、
   前記上部電極に固定されるターゲットプレートからな
   り、ここで前記下部電極の上に搭載される基板はスパッ
   タリングプロセスで処理され、 ＨＦまたはＶＨＦの領域で動作する、前記上部電極に接
   続された高周波電力源と、 内側表面の前に二次的プラズマが生成されるように前記
   上部電極と前記下部電極の間に配置されたプラズマシー
   ルドリングと、 からなることを特徴とするスパッタ成膜応用のためのプ
   ラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記プラズマシールドリングは、可変コ
   ンデンサとインダクタの直列接続からなる共振回路を通
   してアースに接続されることを特徴とする請求項１記載
   のスパッタ成膜応用のためのプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記プラズマシールドリングは、高周波
   電力を供給するように高周波電力源に接続されることを
   特徴とする請求項１記載のスパッタ成膜応用のためのプ
   ラズマ処理装置。