JP2610100B2 - プラズマ装置、シールド装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ装置、シールド装置およびプラズマ処理方法

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JP2610100B2
JP2610100B2 JP5345822A JP34582293A JP2610100B2 JP 2610100 B2 JP2610100 B2 JP 2610100B2 JP 5345822 A JP5345822 A JP 5345822A JP 34582293 A JP34582293 A JP 34582293A JP 2610100 B2 JP2610100 B2 JP 2610100B2
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plasma
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shield
chamber
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J37/321Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
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  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイスの製造の
ためのプラズマ装置、シールド装置およびプラズマ処理
方法に関し、特にプラズマ処理プロセスにおいて、半導
体デバイスのスパッタ汚染を減らすことが可能なプラズ
マ装置、シールド装置およびプラズマ処理方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】多くのプラズマ・プロセスが、半導体デ
バイス製造中の層の付着や反応性エッチングに広く使用
されている。しかし、無線周波数(約13.56MHzのRF)誘
導プラズマ・ソースは高電子密度(ne>1011 cm-3)の
プラズマを生じること、従って、高いプロセス速度をも
たらすことが知られている。
【0003】米国特許3,705,091に記載されている1つ
の通常的な装置は、13MHzの無線周波数(以下radio fre
quency: RFと略す)の放射によって活動化するヘリカル
・コイルの中の低圧円筒容器の内側で高密度プラズマを
生じるものである。コイル構造が、放電を駆動するプラ
ズマ領域の内側で電界を誘導する。コイル上の高RF電位
が容器壁と容量結合を起こす。容量結合はプラズマから
の荷電粒子(電子とイオン)を誘電性容器壁に衝突さ
せ、誘電性容器壁のスパッタリングによるプロセス汚染
を起こす。さらに容量結合は誘導結合に較べてはるかに
効率が低い。
【0004】「電荷のないビームのためのRFプラズマ
発生器の開発」("Development ofR.F. Plasma Generat
ors for Neutral Beams", Journal of Vacuum Science
Technology, Vol. A3(3), pp.1218ー1221 (1985))に
は、永久磁石によって閉じこめられたプラズマに浸した
コイルを持つ誘導結合プラズマ・プロセスの記載があ
る。この装置は、コイルがプラズマと接触しているの
で、放電に対するある程度の容量結合を提示している。
【0005】欧州特許出願 0 379 828と米国特許4,948,
458は、ウィンドウとよばれる平坦形状の誘電体によっ
てプラズマから離されたスパイラル・コイルを使用し
た、誘導結合プラズマ・プロセスを記載している。ここ
でもコイル上の高い電位が、ある程度の容量結合を起こ
し、従って、誘電性のウィンドウのスパッタリングよる
プロセスの汚染を起こしている。
【0006】米国特許3,705,091には、コイルからの高
電界が接地にショートするように2つに割った円筒状接
地シールドを、コイルと真空容量の間に置くことが記載
されているが、これと同様のコイルとの螺旋状共振器が
米国特許4,918,031に記載されている。この構成では容
量結合は実質上なくなっている。しかし、この装置の円
筒形の形状では、例えば半導体ウェーハのような大きな
エリアの基板上でのイオンや反応スペシスを効率的に使
うことができない。また、円筒形状では、例えば液晶デ
ィスプレイのような大きな基板の使用に供するためにス
ケールすることができない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従って、求められてい
るのは、汚染を減らすために容量結合をなくすことと、
コイルとプラズマとの間の高い誘導結合を維持し、大き
なエリアにスケールできるリアクタ形状でプロセス速度
の向上が図れる技術である。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、スパッタ汚染
を減らし、プラズマとの誘導結合を向上させる装置と方
法を提供することを目的とする。本発明は、隣接するス
パイラル形状またはヘリカル・コイル上の高い電位によ
って生成される容量性電界を接地に分路することによっ
て、誘電性ウィンドウのスパッタリングをなくす。これ
は、誘電性ウィンドウとコイルの間のシールドとよばれ
る、接地された導電性のエレメントを加えることにより
達成している。
【0009】本発明によるシールドは、コイルとプラズ
マの誘導結合に干渉しないようにし、コイルによって発
生する容量性電界を、プラズマとウィンドウの境界から
遠ざけて接地に向けて導くように設計されたものであ
る。
【0010】シールドに関する本発明の主たる利点は、
誘電性真空ウィンドウからのスパッタされた汚染物質を
減らすか無くすことにある。
【0011】さらに、シールドは、ヘリカル・コイルを
使った場合、プラズマ発生の均質性が向上できるような
具合に、プラズマを通して誘導性電界を導く。
【0012】本発明のもう1つの利点は、プラズマの中
のイオン生成を向上することにある。プラズマ中のイオ
ン生成の向上により、通常のプラズマ・プロセスによる
よりも、高いエッチ・レートを得ることができる。
【0013】
【実施例】図1は、本発明による、プラズマに基づく半
導体デバイス製造装置100の図式的な断面図である。
【0014】誘導結合プラズマ低圧CVD、あるいは、反
応性イオンエッチング装置の操作の一般的な記述は、先
述の欧州特許出願0 379 828および米国特許4,948,458に
記載されており、これらの開示は本明細書が参照し包含
する。
【0015】図1は、ワークピース106を保持する基
板ホールダ104を有する低圧プラズマ・プロセス・チ
ェンバ102を示す。適用可能な他のプロセスには、プ
ラズマ・エッチング、CVD、表面処理、原子およびラジ
カル・ソース、イオンビーム源、および、光源(可視、
UV、 真空UV)がある。ワークピース106は、具体的
には、1つまたはそれ以上のウェーハまたは同様のもの
である。プロセス・チェンバ102には、プロセス・ガ
ス入口108があり、ここから通常の技術によりプロセ
ス・ガスが入れられる。プラズマ110は低圧プロセス
・チェンバ102の内部で生成される。プロセス・チェ
ンバ102には永久磁石112があり、プロセス中のプ
ラズマの形状付けに使用される。
【0016】プロセス・チェンバ102の頂点に一般的
にマッチ箱とよばれるRFハウジング114が付けられて
いる。マッチ箱114の内側にスパイラル状のコイル1
16とRFインピーダンス調整回路118が納められてい
る。調整回路118はRFパワー入力120によって電力
が供給される。石英真空ウィンドウ(誘電性ウィンド
ウ)122がプロセス・チェンバ102と、操作中には
プラズマ110からRFコイル116を分離している。RF
コイル116はまたプロセス・チェンバ102から、導
電性シールド124と、RFコイル116と導電性シール
ド124に挟まれている絶縁層126(空気、ガス、真
空等)とによっても分離されている。
【0017】スパイラル・コイルは通常平坦形状であ
り、平坦形状コイルともよばれるが、本発明の記述で
は、単にコイル116とよぶ。図からわかるように、コ
イル116はプロセス・チェンバの外側に、マッチ箱の
内側に置かれている。コイル116は誘電性ウィンドウ
122に隣接しており、しかし誘電性ウィンドウ122
からは絶縁層126と導電性シールド124によって離
されている。米国特許4,948,458に記載されているよう
に、コイル116の平坦の形状が平坦なプラズマ110
を作り、ワークピース106がより均質に処理される。
従って、コイル116が載る平面は誘電性ウィンドウ1
22と導電性シールド124に平行に置かれている。導
電性シールド124はマッチ箱114に直接接続するこ
とによって接地されており、マッチ箱114はプロセス
・チェンバ102に接続されている。
【0018】装置が作動中、導電性シールド124はコ
イル116によって生成された容量性電界を、誘電性ウ
ィンドウ122から遠ざけて接地されたマッチ箱114
の方に向けて誘導する。容量性電界を接地することによ
って、コイル116とプラズマ110の間の誘導結合と
の、容量性電界による干渉を実質的に減らすことができ
る。
【0019】次に、図2に関連して、導電性シールド1
24の基本的な形状について述べる。導電性シールド1
24は4個のシールド・エレメント230からなる。シ
ールド・エレメント230は、銅、アルミニウム、また
は同様の導電性金属で作られ、厚さは約0.01ー1mmのオー
ダである。
【0020】シールド・エレメント230はそれぞれマ
ッチ箱114の内壁に接続するための接地リード232
を有する。当業者にとっては、導電性シールド124を
接地させる他の同様の技術も使えよう。シールド・エレ
メント230はそれぞれに、内側エッジ234、2個の
サイドエッジ236、外側エッジ238がある。サイド
エッジ236と外側エッジ238がシールド124の外
周を画定する。
【0021】導電性シールド124の中央の開口部は図
2に示すように4個の内側エッジ234の末端によって
画定される。さらに、放射状のギャップ即ち隙間242
は隣接するシールド・エレメント230のサイドエッジ
236によって画定される。最後に、外側ギャップ24
4は外側エッジ238と、点線246で示したマッチ箱
114の内部壁とによって画定される。
【0022】次に、図2に関連して、シールド・エレメ
ント230の典型的な寸法について述べる。この寸法は
本発明の1つの望ましい具体化として示すものであっ
て、勿論、本発明の本質の範囲で、容量性シールド12
4とシールド・エレメント230の一般的な形を変更す
ることは可能である。
【0023】シールド・エレメント230はそれぞれ放
射状ギャップ242によって分離されているので、磁気
誘導フィールドがプラズマ領域に届くのを妨げるような
円環状の導電性経路は存在しない。
【0024】望ましい具体化として、内側エッジ234
と外側エッジ238との間の長さを定数xとして表す。
内側エッジ234と外側エッジ238のそれぞれの長さ
を定数yとzで表す。この具体化では、yは約2xに等
しく、zは約2yに等しい。内側エッジ234とサイド
エッジ236との間の角度αはおおよそ135°に等し
い。αを約135°に等しいとすると、サイドエッジ23
6はおよそ1.4xである。図2は、シールド・エレメン
ト230の接地リード232をマッチ箱114の内壁に
とりつけるための曲げの角度βを90°として示してい
る。上記の寸法は本発明の例として示すもので、この寸
法に限定するものではない。
【0025】本発明は正方形の基板を均質に処理するこ
とを目的としたものである。円形の基板を処理する場合
にはシールドの外周は円形になる。シールディングの形
によっていろいろな形の基板(ワークピース)の最適な
均質性のための誘導電界の形状が変わる。さらに当業者
は、ウィンドウ、シールディング、および、コイルが平
坦形状でなくてもよいことが理解されよう。ドーム状の
ワークピースを処理するには、半球形のウィンドウを使
うのがよい。この場合、シールディングは半球形でウィ
ンドウの形状に沿うのがよい。コイルもシールディング
の形状に沿うか、ヘリカル形状がよい。
【0026】図3は容量性シールド124と、コイル1
16によって作られたRF磁束ライン302を示す。図3
の(A)は、コイル116とシールド・エレメント23
0の断面図である。この図はまた中央開口240も示
し、この中央開口により、RF磁束ライン302が誘電性
ウィンドウ122を通り、プラズマ110(図示せず)
を生成することができる。外側ギャップ244により、
図示するように、RF磁束ライン302がコイル116に
戻ることができる。シールド・エレメント230は、3
04として図式的に示すように接地されている。図3の
(B)は、容量性シールド124を上から見た図であ
る。この図でも、RF磁束ライン302が中央開口240
に入り、外側ギャップ244と放射状ギャップ242を
通ってコイル116に戻ることが示されている。
【0027】コイル116の内側の末端が接地電位にあ
るので、コイル116の内側の内側巻き線の上のRF電位
は非常に小さい。従って、シールドの中央開口240に
よって、誘電性ウィンドウ122の中央をRF電位によっ
てスパッタリングする心配がなく、コイル116とプラ
ズマ110の間を誘導結合することができる。しかし、
中央開口が小さすぎる場合(約1インチ即ち約2.54セン
チ以下)には、プラズマ点弧が困難になり、誘導電界の
1部がシールドによってプラズマ領域から除外されてし
まう。
【0028】図4は、容量性シールディングをしたかし
ないかの違いのみで、他は全く同じ条件でエッチングし
た、ポリイミドでコーティングしたウェーハの写真であ
る。図4の(A)に示すシールドなしのプロセスで作っ
たウェーハは表面がざらざらである。この表面の荒さ
は、石英ウィンドウからスパッタリングによって付着さ
れたシリコンによるポリイミド表面のマイクロマスキン
グ現象による。
【0029】接地されたシールド・エレメントがある場
合には、ウェーハ上のポリイミドは図4の(B)に示す
ように滑らかである。ポリイミドの除去のエッチレート
は導電性シールドがある場合の方が速い。本発明による
導電性シールドがあってエッチングしたウェーハの平均
エッチ速度は0.75μm/分であった。同じ条件下で導電
性シールドがなかった場合、エッチ速度は0.55μm/分
であった。このエッチ速度の向上は、部分的にはマイク
ロマスキングがないことによるものであるが、プラズマ
からのイオン束のラングミュアのプローブ測定からも、
シールディングを使用した時にはイオン飽和束密度が増
えることがわかっている。
【0030】図5は、プラズマの中の対角線位置の関数
としてイオン飽和電流を測定し、シールディングの有無
の違いをプロットしたものである。シールディングをす
ると、イオン束が50%増加する。図6は図5のデータを
同じピーク値にノーマライズしたもので、イオン束の均
質性はシールドの有無によっては不利になるような影響
を受けないことを示す。
【0031】実際の結果および図4から図6に示したデ
ータから、本発明がスパッタ汚染を減らし、同時に、低
圧プラズマ・プロセスにおいてプロセスの速さを改良す
るのに有効であることが明らかである。
【0032】本発明のもう1つの具体化として、均質性
を向上するために、平坦形状でない誘導コイルのRF電界
の形状作りを行うために、導電性シールドを使用してい
る。例えばヘリカル・コイルが使われている場合であっ
ても、導電性シールドによる形状づくりを行うことによ
り、誘導電界がプラズマ中で均質性がより高まる。
【0033】本発明の導電性シールドと共にヘリカル・
コイルを使用したRF誘導プラズマとイオンソースを図7
に示す。米国特許3,705,091が示唆するような、コイル
の内部でプラズマを生成する方法よりも、本発明では、
接地された導電性シールド724を使って、ヘリカル・
コイル702の下で平坦なプラズマが生成される。
【0034】平坦なプラズマは、シリコン・ウェーハ
や、複数のチップのパッケージのような、プレーナ即ち
平坦なワークピースを扱うのに望ましい。均質性を向上
するために、より広い空間でも均質なプラズマを生成す
るために、RFフィールドの形が修正されるようにして、
形状付けされた導電性シールドがプラズマとコイルの末
端の間に使われる。従って、本発明は、大きなエリアを
持つ材料の、プラズマ・プロセスを均質に行うために使
うことができる。この具体化は、正方形の表面を持つエ
リアを均質に処理するために実行され、従って、正方形
でのプラズマの励起に最適化されている。しかし、本発
明の本質部分は他の形状にも適用可能である。
【0035】図7は、真空チェンバー102で生成され
た低圧(0.1ー100 mTorr)プラズマを示す。無線周波数
エネルギー(13.56MHz)が、電源706によって駆動さ
れるヘリカル・コイル702によって、真空チェンバ1
02の頂部の石英真空ウィンドウ122を通って放電領
域に導入される。チェンバ102とヘリカル・コイル7
02の末端部との両方とも接地されている。強い磁界
が、マッチ箱114の中の真空ウィンドウ122に隣接
するヘリカル・コイル702によって生成される。コイ
ルは、直径8インチのコイルの形の周りにまかれた1/
4インチの銅のチューブからなっている。図7は、ま
た、ワークピース106を支持している基板ホールダ1
04を、シールド708によって保護することも可能で
あることを示している。
【0036】図8は、ヘリカル・コイルとともに使う導
電性シールド724を示す。シールド724は、いまま
で述べてきたシールド124と作動も構造も類似してい
る。導電性シールド724は、シールド・エレメント8
30、接地リード832、内側エッジ834、サイドエ
ッジ836、外側エッジ838、中央開口部840、放
射性ギャップ842、外側ギャップ844を有する。
【0037】磁束ラインがヘリカル・コイルを通ってル
ープし、プラズマ領域を、プラズマに電界を誘導しなが
ら通って行く。コイルだけによって生成されたフィール
ドは均質性に欠ける欠点がある。均質性は、コイルとプ
ラズマとの間の接地された導電性シールドによって向上
される。ヘリカル・コイル702によって生成されたRF
磁束は、プラズマ110の中央領域を強制的に通る。磁
束の帰り道は、プラズマの内部、シールドの形状付けさ
れた導電部分の外側の周囲にある。電界の形、従って、
プラズマ生成の均質性は、導電性部分の形によって制御
される。コイルの形は重要でなく、いろいろな形の螺旋
状でよい。さらに均質性を増すには、プラズマの磁気閉
じこめが使用できる。
【0038】ヘリカル・コイルの接地された末端はプラ
ズマの近くに位置しており、従ってコイルとプラズマと
の間の容量性電界は、スパイラル・コイルで生成された
容量性電界にくらべて非常に小さく、従って、導電性シ
ールド724の接地は必要でない場合もある。
【0039】本発明によって生成されたプラズマの均質
性は、図9に示すように、通常のスパイラル・カプラよ
りも向上している。約20cmを超えるスパイラル・カプラ
の対角線方向の均質性は19%だが、同じ条件下で、本発
明による導電性シールドを持つヘリカル・コイルは11%
の均質性を達成する。測定したイオン束は、約20mA cm
-2で、両方のデバイスで殆ど同じである。
【0040】
【発明の効果】本発明は、以上に説明したように、誘導
結合プラズマ・プロセスによる半導体デバイスの製造に
関する装置と方法を提供するもので、スパッタリングに
よる汚染を実質的になくし、大きなエリアにスケールで
きるリアクタ形状で、プロセス速度の向上を可能にする
技術である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による、プラズマに基づく半導体デバイ
ス製造装置の図式的断面図。
【図2】図1に示した典型的なシールド装置を上から見
た図。
【図3】図3は本発明の導電性シールドの周囲を通る磁
束ラインを図形的に表した図。
【図4】図4の(A)は容量性シールドなし、(B)は
容量性シールドありの、他は同条件下でエッチングされ
た、ポリイミドでコーティングされたウェーハの写真。
【図5】対角線位置の関数としてイオン飽和電流を測定
し、プロットしたグラフ。
【図6】図5のデータを同じピーク値に対してノーマラ
イズし、イオン束均質性を示すグラフ。
【図7】ヘリカル・コイルに適用する本発明のもう1つ
の具体化を示す。
【図8】ヘリカル・コイル具体化に使用する導電性シー
ルドを上から見た図。
【図9】本発明具体化と通常のスパイラル・コイルとの
間の対角線方向の均質性の比較を示す。
【符号の説明】
100 半導体デバイス製造装置 102 低圧プラズマ・プロセス・チェンバ 104 基板ホールダ 106 ワークピース 108 プロセス・ガス入口 110 プラズマ 112 永久磁石 114 RFハウジング 116 コイル 120 RFパワー入力口 122 石英真空ウィンドウ(誘電性ウィン
ドウ) 124、724 導電性シールド 126 絶縁層(空気、ガス等) 230、830 シールド・エレメント 232、832 接地リード 234、834 内側エッジ 236 サイド・エッジ 238、838 外側エッジ 240、840 中央開口 242、842 放射状ギャップ 244、844 外側ギャップ 302 RF磁束ライン 304 接地 702 ヘリカル・コイル 708 シールド装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H05H 1/46 H05H 1/46 L (72)発明者 シー. リチャード グアルニエリ アメリカ合衆国 10589 ニューヨーク 州 ソマーズ アンナロックドライブ (72)発明者 ジェフリー エイ. ホップウッド アメリカ合衆国 10509 ニューヨーク 州 ブルースター セブンフィールズレ イン 404 (56)参考文献 特開 平5−275383(JP,A)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高密度プラズマを生成するプラズマ装置
    であって、 開口窓と基板が裁置される基板ホルダとが設けられたプ
    ロセス・チャンバと、 開口窓に設けられた誘電性ウィンドウと、 誘電性ウィンドウのチャンバ外側面上に設けられた導電
    性シールドと、 導電性シールドが設けられた誘電性ウィンドウのチャン
    バ外側面上に設けられた絶縁層と、 絶縁層のチャンバ外側面上に設けられたコイルと、 高周波電源とを有し、 高周波電源の一端とコイルの一端とプロセス・チャンバ
    と導電性シールドとグランドとが電気的に接続されると
    共に、高周波電源の他端とコイルの他端とが電気的に接
    続され、さらに、導電性シールドが誘電性ウィンドウの
    外周より内側に位置する外周部分と中央開口とを持つこ
    とを特徴とするプラズマ装置。
  2. 【請求項2】 コイルにより作られた磁束が導電性シー
    ルドの中央開口を通ってプロセス・チャンバ内に入り、
    そして、この磁束が導電性シールドの外周部分と誘電性
    ウィンドウの外周との間のギャップを通ってコイルに戻
    ることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ装置。
  3. 【請求項3】 導電性シールドが放射状ギャップを持つ
    ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ装置。
  4. 【請求項4】 コイルがヘリカル・コイルであることを
    特徴とする請求項1に記載のプラズマ装置。
  5. 【請求項5】 プロセス・チャンバが低圧チャンバであ
    ることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ装置。
  6. 【請求項6】 高密度プラズマを生成するプラズマ装置
    のプロセス・チャンバの開口窓にあるシ−ルド装置であ
    って、 開口窓に設けられた誘電性ウィンドウと、 誘電性ウィンドウのチャンバ外側面上に設けられた導電
    性シールドと、 導電性シールドが設けられた誘電性ウィンドウのチャン
    バ外側面上に設けられた絶縁層と、 絶縁層のチャンバ外側面上に設けられたコイルと、 高周波電源とを有し、 高周波電源の一端とコイルの一端とプロセス・チャンバ
    と導電性シールドとグランドとが電気的に接続されると
    共に、高周波電源の他端とコイルの他端とが電気的に接
    続され、さらに、導電性シールドが誘電性ウィンドウの
    外周より内側に位置する外周部分と中央開口とを持つこ
    とを特徴とするシ−ルド装置。
  7. 【請求項7】開口窓と基板が裁置される基板ホルダとが
    設けられたプロセス・チャンバと、 開口窓に設けられた誘電性ウィンドウと、 誘電性ウィンドウのチャンバ外側面上に設けられた導電
    性シールドと、 導電性シールドが設けられた誘電性ウィンドウのチャン
    バ外側面上に設けられた絶縁層と、 絶縁層のチャンバ外側面上に設けられたコイルと、 高周波電源とを有し、 高周波電源の一端とコイルの一端とプロセス・チャンバ
    と導電性シールドとグランドとが電気的に接続されると
    共に、高周波電源の他端とコイルの他端とが電気的に接
    続され、さらに、導電性シールドが誘電性ウィンドウの
    外周より内側に位置する外周部分と中央開口とを持つプ
    ラズマ装置を用いてワークピースをプラズマ処理するこ
    とを特徴とするプラズマ処理方法であって、 ワークピースを基板ホルダに裁置し、そして、プロセス
    ・チャンバ内に導入したプロセス・ガスをプラズマ化す
    ることによりワークピースをプラズマ処理することを特
    徴とするプラズマ処理方法。
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