JP2650465B2 - 乾式薄膜加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はLSI製造装置に代表される半導体製造装置
のなかでとくに低温成膜を必要とする超LSI成膜工程に
用いるECR方式の乾式薄膜加工装置に関する。

〔従来の技術〕

低温成膜における膜質の向上を目的としてマイクロ波
と磁場との共鳴効果を用いたECR（電子サイクロトロン
共鳴）プラズマを用いたCVD,エッチング装置が研究され
ている。第８図および第９図にこの種の薄膜加工装置の
従来の構成例を示す。

マイクロ波共振器を兼ねるプラズマ生成室３と処理室
９とを真空排気しておき、プラズマ生成室３へ目的に応
じてN₂,O₂,Ar等のキャリアガス（プラズマ生成用ガス）
をガス供給手段４を通して流したところへマイクロ波を
導波管1,マイクロ波導入窓２を介して送り込む。マイク
ロ波共振器３の外部には励磁ソレノイド６が配置され、
共振器内部にECR条件を満たす磁場が発生しているとECR
プラズマが発生する。このプラズマが処理室９内に押し
出され半導体ウエハが載置される基板台10へ向かう空間
内にガス導入手段12を通してシランガスを送りこんでこ
のガスを上記プラズマにより活性化すると、発生した活
性種の作用により半導体ウエハ（以下単に基板とも記
す）11の表面にシリコン系薄膜が形成される。

このような従来装置において、シランガスの導入口は
第８図においてシランガス導入手段12として例示したポ
ート式を用いるか、もしくはポートからさらに装置内部
に向けて延びる管路を介してガスが供給される，第９図
に例示するシャワーリング15を設けるかのいずれかが従
来行われてきた。シャワーリング15の中空パイプで形成
した円環に周方向に間隔をおいてガス導入のための小孔
15aを形成したものである。

また、プラズマ生成室３の開口７と基板11との距離を
変化させ最適な薄膜形成条件とするため、基板台10は伸
縮継手13を介して処理室９に支承してある。

〔発明が解決しようとする課題〕

超LSIチップ製造に用いるウエハサイズは６インチな
いし８インチと大型化の傾向にあり、形成された薄膜膜
厚のウエハ面内分布の不均一度をこうした大口径ウエハ
に対しても±５％以内におさめることが一般的に要求さ
れている。薄膜形成速度はプラズマ密度および電子温度
によって主に決定されるためこれの面方向の均一化が重
要であるが、れらの均一化が成しとげられてもそれだけ
では成長速度を均一化することはできず、ガスの流れを
均一化することが不可欠である。従来用いられてきたガ
ス導入方法および真空排気方法ではガス流量の変動につ
れてガス流の均一性がくずれ、例えば成膜速度の向上と
膜厚分布改善の要求とが二律背反となるという欠点があ
った。

また、ウエハの大口径化に伴い、成長速度の均一化と
ともにパーティクル汚損の低減が強く要求されている。
従来の方式では、基板11以外のプラズマ生成室３や処理
室９の内壁に薄膜が形成され、一定の厚さに達すると剥
離してパーティクルとなり、これが基板11上に落下し堆
積するパーティクル汚損を避けることができず、大口径
化によって多量のLSIチップが生産できても、パーティ
クルによって不良の膜およびLSIチップが多量に発生す
るという欠点があった。

本発明の目的は、ガス流量が変動しても常時ガス流の
均一性が得られ、パーティクルが基板11の上に堆積しな
い乾式薄膜加工装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明においては、次の
手段をとるものとする。

（１）プラズマ生成室から膜形成用基板に至るプラズマ
流の経路を軸対称の同軸二重円筒状筒体で囲み、処理室
外から同軸二重円筒状筒体を経てプラズマ流の経路へ至
るガスの導入口を少なくとも４個、同軸二重円筒状筒体
内壁の回転対称な位置に設け、供給ガスの偏在化を防止
する。

（２）プラズマ生産室から膜形成用基板に至るプラズマ
流の経路とウエハ保持機構とを、前記同軸二重円筒状筒
体とは別の同軸二重円筒状筒体で囲み、プラズマ流の経
路から同軸二重円筒状筒体を経て処理室外へ至るガスの
真空排気口を２の整数倍個、少なくとも４個を同軸二重
円筒状筒体内壁の回転対称な位置に設け、基板近傍のガ
ス流を均一化する。

（３）ウエハ保持機構を静電チャックを用いて構成する
とともに、静電チャックの吸着面に吸着，保持されたウ
エハの被成膜面が鉛直方向下向きもしくは鉛直方向とな
るような方向に装置を構成する。

〔作用〕

ECRプラズマの動作圧力は通常約１〜５ミリトール近
傍であり、圧力領域としては粘性流と分子流との中間の
性質が現れる領域に属する。従って、ガス分子に働く力
としては、荷電粒子に対しては電子の磁場拡散効果にと
もなうクーロン引力，中性分子（原子団）に対しては弾
性衝突の力が主たるものである。こうした系において膜
の成長速度をウエハ内で均一に保つためには、プラズマ
の輸送される空間においてガス粒子の密度分布を均一に
保つことが重要である。

前記の手段（１）より、同軸二重円筒状筒対の内壁に
形成されたガス導入口から噴出するガスのガス量は、噴
出ガスのガス源を構成するガス導入口背後のガス空間
が、同軸二重円筒状筒体の内筒と外筒との間に形成さ
れ、ガス導入口の断面積と対比して十分大きい容積を有
するため、このガス空間に外部からガスを送入する管路
の大きさや外筒との接続位置が変っても、各ガス導入口
の間で実質的な差を生じない。

また、手段（２）により、同軸二重円筒状筒体の内壁
に形成される真空排気口は、ウエハへの成膜速度を早め
るためにガスを多量に供給して処理室内を一定の低圧力
に保持する必要から、さほど小さくはできないが、この
真空排気口は２の整数倍個，少なくとも４個が内壁の回
転対称の位置に形成されるから、これらの真空排気口
を、同軸二重円筒状筒体の外筒に設けられる真空排気口
をっ通る該筒体の直径の両側に左右対称となるように配
されることができ、ウエハ前面側の比較的遠方に均一に
供給されたガスがウエハ近傍でも均一に排気され、プラ
ズマ生成室からウエハに至るプラズマ流の全経路でガス
流密度の分布が均一となる。

さらに、手段（３）により、ウエハの保持に機械的な
可動部を必要としない静電チャックを用い、ウエハの被
成膜面が鉛直方向下向きもしくは鉛直方向となる方向の
装置とすることにより、ウエハ保持部から発生するパー
ティクルは皆無となり、また、プラズマ生成室や同軸二
重円筒状筒体の内壁に形成された薄膜が剥離したとして
も、パーティクルはウエハ上には一切堆積しない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例による乾式薄膜加工装置の
構成を薄膜加工の基準段階で示す図であり、第２図は第
１図に示す装置の動作中の状態を示す。図中、第８図お
よび第９図と同一の部材には同一符号を付し、説明を省
略する。

図において、被処理基板11を処理室９へ搬送する搬送
機構先端部の支持台18に支持された基板11は、処理面を
鉛直方向下向きにして搬送され、以下に詳細を説明する
静電チャック16を固着した基板台10の下降によって、基
板11は静電チャック16に吸着される。吸着後、支持台18
は退避し、基板台10の更なる下降によって、薄膜加工位
置である第２図の状態で処理が開始される。

静電チャック16は、通常、半円状の２枚の板状電極を
同一平面内に直径側を対向させて並べ、これを酸化アル
ミセラミックスなどの固体誘電体内に埋め込んでなる平
板状のものであり、この両電極間に直流高圧電源19から
電圧が印加される。また、この実施例では、静電チャッ
ク16,基板台10を主要構成要素とするウエハ保持機構を
軸線方向に細孔27が貫通し、薄膜加工完了後に加圧気体
源22から電磁弁21,絞り弁20を介して加圧気体を静電チ
ャック16と基板11との接触間隙に送り込み、基板を静電
チャックから離脱させて搬送機構の支持台18に落下させ
るようにしている。

処理室９の内側には、プラズマ生成室３と基板11の間
に同軸二重円筒状筒体（以下筒体と略記する）24が該筒
体の軸線をプラズマ生成室３の軸線と一致させて配置さ
れている。この筒体24は処理室９を貫通してガスライン
12に接続され、内壁面には回転対称の位置にガス導入口
24aが複数個形成されており、ガスの流れを整えるガイ
ドの役割を果たすとともに処理室９の壁面への膜の付着
を防止する防着筒として機能する。第６図は第２図のＣ
−Ｃ断面を示したものであり、ガスライン12と左右対称
に８個のガス導入口24aが形成されている。ガス流が分
子流になるか粘性流になるかは管路の圧力と管路径で決
まる。従って、ガスライン12から導入された反応ガスが
筒体24の内部で粘性流となり、周方向に低速で均一に流
れて処理室９に導入できるように、ガス導入口24aを絞
ってオリフィスとし、管路を筒体の内部空間で構成して
管路径を大きくする工夫がしてある。実験の結果ではガ
ス導入口24aは少なくとも４個必要である。

また、処理室９の内側には、プラズマ生成室３と基板
11との間で筒体24よりも基板寄りに同軸二重円筒状筒体
（以下筒体と略記する）25が該筒体の軸線をプラズマ生
成室３の軸線と一致させて配置されている。この筒体25
の内部空間はリング状の棚25eにより空間25aと空間25c
との２つの空間に仕切られ、基板11降りの空間25cの内
壁面に真空排気口25dが複数個形成されるとともに、以
下に説明するように、棚25eに両空間25a,25cを連通させ
る複数の孔が形成され、この筒体25もガスの流れを整え
るガイドの役割を果たすとともに処理室９の壁面への膜
の付着を防止する膨着筒として機能する。第４図は第２
図のＡ−Ａ断面を示したものであり、第２図および第４
図において、筒体25内の空間25aは処理室９に形成され
た真空排気路9aと連通しており、この真空排気路9aの排
出端に真空排気ポンプ23が取り付けられている。さら
に、筒体25内の空間25aは真空排気口25bを経て筒体内の
空間25cおよび真空排気口25dと連通しており、真空排気
ポンプ23によって処理室９の内部が算空引きできる。同
一の性能を有する真空排気ポンプ23に対して真空排気口
25bを左右対称にそれぞれ２個配置し、各真空排気口25b
に対して真空排気口25dを左右対称にそれぞれ１個配置
することによって、円周状に８個の真空排気口が等分に
配置できる。成膜速度を早めるためにはガスを多量に流
して一定の低圧力にキープする必要があり、図において
は、真空排気速度を大きくするため、真空排気路9a,筒
体25の空間25a,真空排気口25b,空間25c,真空排気口25d
は可能な限り大きくし、真空排気ポンプを２台使用して
いる。

このように、筒体25の内部空間を棚25eにより２つの
空間に仕切る理由は、この棚25eがないと、ポンプ23の
中心を結ぶ直線を挟んで左右対称の位置に真空排気口25
dを形成した場合、排気の流れが真空ポンプ23に近い方
の真空排気口に集中し、前記直線と直角の方向に流れの
よどみが生じて基板上の薄膜加工速度が基板面の周方向
に差異を生じるためである。しかし、棚25eを設ける
と、真空排気口25dから排気されたガスは直接真空ポン
プ23へ向かうことができず、棚面に沿って迂回しなけれ
ばならないから、排気されるガスは基板まわりで均一に
流れ、基板面の薄膜加工速度の均一性が大きく向上す
る。そして、このような棚の形成あるいは棚効果の付与
は特に同軸二重円筒構造とすることにより容易に可能と
なる。

第３図は上記実施例の変形例による乾式薄膜加工装置
の構成を示すものであり、第５図に第３図のＢ−Ｂ断面
を、第７図に第３図のＤ−Ｄ断面を示す。第２図のもの
と異なる点は、真空排気ポンプ23を１台使用して真空排
気ポンプ23の中心を通る筒体直径を挟んで真空排気口25
bを左右対称に２個配置し、この真空排気口25bを結ぶ直
線を挟んで真空排気口25dを左右対称にそれぞれ２個配
置することによって、周方向回転対称の位置に４個の真
空排気口を配置したことと、ガスライン12の延長線を挟
んで左右対称に４個のガス導入口24aを形成したことと
である。実験の結果では総ガス流量は少ないものの、第
２図のものと同様に良好なガス流の均一性が得られ、ま
た、ガス流の均一性を得るためには真空排気口25dは少
なくとも４個必要であることが判明した。

以上の実施例では、基板11の被処理面を鉛直方向下向
きとして薄膜加工を行う場合の装置の方向を示したが、
装置の方向を水平とし、基板11の被処理面を鉛直方向と
しても、プラズマ流や、プラズマ流の経路に導入された
ガスの流れが鉛直下方へ曲がるようなことはなく、上記
実施例と同様に均一な薄膜加工が可能である。これは、
プラズマ流が、励磁ソレノイド６（第1,2,3図）の作る
磁力線に沿って生じ、また、プラズマ流の経路に導入さ
れたガスはプラズマによりイオン化もしくは中性分子，
原子の状態で活性化されつつプラズマ流の方向に流れを
強制されるからである。

なお、第１図，第２図，第３図および第８図における
符号14は、励磁ソレノイド６と協力して基板に到達する
プラズマの基板上密度分布を均一にするための磁場を形
成する補助ソレノイドである。

〔発明の効果〕 以上に述べたように、本発明においては、プラズマ生
成室から被成膜基板に至るプラズマ流の経路を軸対称の
同軸二重円筒体で囲み、この同軸二重円筒状筒体の内壁
面を貫通するガス導入口を回転対称な位置に４個以上設
けてガス流の偏在化をさけ、さらにこの同軸二重円筒状
筒体の基板寄りに同軸に配した別の同軸二重円筒状筒体
の内壁面を貫通してガスを排出するための真空排気口を
回転対称な位置に４個以上の偶数固設けてガス流を均一
化したため、プラズマ輸送路におけるガス粒子密度の均
一化が図られ、これにより、プラズマ輸送路にガスを多
量に供給しかつ真空排気量を増して薄膜加工速度を上げ
ながら基板上の加工速度分布の均一性を確保することが
できる。さらに、ウエハ保持に機械的な摺動面のない静
電チャックを使用し、薄膜加工をする際に基板の被処理
面が鉛直方向下向き，あるいは鉛直方向となる方向に装
置を構成することにより、パーティクル汚損も防止され
た高品質の薄膜加工が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による乾式薄膜加工装置の構
成を薄膜加工の準備段階で示す縦断面図、第２図は第１
図に示す装置の動作中の状態を示す縦断面図、第３図は
第１図に示す実施例の変形例を示す縦断面図、第４図は
第２図のＡ−Ａ断面を示した横断面図、第５図は第３図
のＢ−Ｂ断面を示した横断面図、第６図は第２図のＣ−
Ｃ断面を示した横断面図、第７図は第３図のＤ−Ｄ断面
を示した横断面図、第８図および第９図は従来の乾式薄
膜加工装置の構成を示す縦断面図である。 1:導波管（マイクロ波導波管）、3:プラズマ生成室（通
過形共振器）、4:ガス供給手段、6:励磁ソレノイド、9:
処理室、10:基板台、11:基板（半導体ウエハ）、12:ガ
ス導入手段、13:伸縮継手、16:静電チャック、24:同軸
二重円筒状筒体、24a:ガス導入口、25:同軸二重円筒状
筒体、25d:真空排気口、100:ウエハ保持機構。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波発振器とマイクロ波導波管と通
   過形共振器とからなるマイクロ波立体回路を有し、前記
   通過形共振器の内部において磁場とマイクロ波の交番電
   界との相互作用により該通過形共振器内に導入されたガ
   スをプラズマ化し、このプラズマを用いて前記通過形共
   振器の反マイクロ波導波管側に配された処理室内へ導入
   されたガスを活性化して該処理室内の半導体ウエハ上に
   薄膜を形成し、または生成膜のエッチングなどの薄膜加
   工を行う乾式薄膜加工装置において、処理室内の半導体
   ウエハを保持し通過形共振器の軸線方向に移動可能なウ
   エハ保持機構と；処理室内で通過形共振器と半導体ウエ
   ハとの間に通過形共振器と同軸になるように配置され、
   前記プラズマにより活性化されるガスを処理室内に導入
   するためのガス導入口が少なくとも４個、内壁の回転対
   称の位置に設けられた同軸二重円筒状筒体と；処理室内
   で前記同軸二重円筒状筒体の反通過形共振器側に通過形
   共振器と同軸に配置されて通過形共振器と半導体ウエハ
   との間および前記ウエハ保持機構を囲い、処理室内にガ
   スを導入しつつ処理室内が一定圧力に保たれるようにガ
   スを処理室から排出するための真空排気口が２の整数倍
   個，少なくとも４個が内壁の回転対称の位置に設けられ
   た同軸二重円筒状筒体と；を備えていることを特徴とす
   る乾式薄膜加工装置。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載の乾式薄膜加工装置で
   あって、ウエハ保持機構が、固体誘電体内に埋設された
   電極と該固体誘電体の表面に接する導電性または半導電
   性の薄板状被処理物との間に静電力を作用させて被処理
   物を吸着，保持する静電チャックを用いて構成され、か
   つ、吸着，保持された薄板状被処理物の被処理面が鉛直
   方向下向き、または鉛直方向となる向きに通過形共振器
   を備えていることを特徴とする乾式薄膜加工装置。