JP2682190B2

JP2682190B2 - 乾式成膜装置

Info

Publication number: JP2682190B2
Application number: JP2060438A
Authority: JP
Inventors: 泰明長尾
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-09-01
Filing date: 1990-03-12
Publication date: 1997-11-26
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: JPH03174719A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は超LSI製造工程において、今後重要度が極
めて高くなるとされている，低温で絶縁膜を生成する乾
式成膜装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の超LSI製造工程においては、SiO₂,Si₃N₄等の絶
縁膜の生成に、反応室内に２枚の平板電極を対向させ、
ヒータを内蔵した一方の電極板上にウエーハを設置し、
対向する電極との間にRF電力（RFは50kHzないし数十MHz
の無線周波数を意味し、通常13.56MNzが使用される）を
印加し、低圧プラズマを発生させてウエーハ上に薄膜を
形成させる平行平板式プラズマCVD装置が用いられてき
た。

〔発明が解決しようとする課題〕

この乾式成膜装置である平行平板式プラズマCVD装置
を用いた絶縁膜の生成では、プラズマ状態のもとで化学
的に活性なイオン，ラジカルを利用するため、熱CVD装
置のように反応ガスを熱分解してウエーハ上に薄膜を気
相成長させるものと比べ、より低温で薄膜を形成させる
ことが可能であり、形成される薄膜の熱的損傷の低減，
下地層物質との間の反応の制御，非耐熱性基板への薄膜
形成が可能となり、また、熱力学的に反応が可能であっ
ても反応が著しく遅い場合、プラズマ励起状態が関与す
るために反応が促進されたり、熱力学的には通常困難と
考えられる反応が可能となる場合があるなど、多くの長
所を有する。しかし、この平行平板式でプラズマCVD装
置を超LSIの製造に適用しようとすると、Al配線のヒロ
ック，マイグレーション，断線等、品質管理上のさまざ
まな問題を生じることが分かってきた。

これらの問題を解決する有望な成膜方法としてECRプ
ラズマに代表される有磁場マイクロ波プラズマによる成
膜法が研究されており、この方法では膜形成が室温で行
われるため、膜性能に他にはない優れた特徴を有する。
この場合、ウエーハはプラズマにより加熱されるので、
室温成膜にはウエーハを冷却することが必要であり、こ
の冷却方法としてまず、第２図に基本構成を示す有磁場
マイクロ波プラズマCVD装置において、ウエーハ10が載
置されるウエーハ支持台31に装置外部から冷媒としてた
とえば冷却水を導き、ウエーハ10からウエーハ支持台31
に伝達された熱を冷却水で運び去る構成が考えられる。
しかし、装置の反応室17内はかなり高真空であり、また
ウエーハ10とウエーハ支持台31とは数点で接触している
に過ぎないため、熱伝達が悪く、ウエーハ支持台を冷却
する効果が現れにくい。

なお、第２図において、符号１はプラズマ室５内に磁
界を発生させるための励磁ソレノイド、２はプラズマ原
料ガスをプラズマ室５内に導入するための導入管路、３
はマイクロ波を伝達する導波管、４は導波管３内の大気
からプラズマ室５内を真空に隔離するマイクロ波窓、６
はプラズマ室５と反応室17とを開口を介して連通状態に
仕切るアパーチヤ、９は成膜原料ガスの導入管路、12は
プラズマ室５および反応室17を真空引きするための排気
ポートである。

そこで、ウエーハとウエーハ支持台との接触を良好に
するため、ウエーハ支持台を静電チャックとした場合に
は、静電チャックが一平面内で面方向に対向配置された
２枚の板状電極を絶縁物例えば酸化アルミセラミックス
内に埋設して円板状に形成され、電極の前面側で厚さが
0.1mmオーダの酸化アルミの層を介して平面度が約１μ
ｍの層表面にウエーハを全面接触状態に吸着する構成の
ため、熱の伝達が良好に行われ、静電チャックは有望な
冷却手段を提供する。しかし、成膜中にはウエーハに膜
形成に伴う圧縮応力が働き、この圧縮応力が静電チャッ
クの吸着能力を越えた場合、ウエーハが全面離脱する
か、中央部が凸状に部分離脱し熱伝達率が低下する問題
が生じる。さらに、製造技術上の制約から、直径が10イ
ンチに近い静電チャックを得ることは困難であり、適用
されるウエーハサイズにも限界が生じ、静電チャックに
代る新しいウエーハ冷却手段が求められていた。

他方、乾式成膜装置においては、ウエーハ前面側の空
間内で起こる気相反応により発生するごみがウエーハ表
面に付着し、サブミクロンルールの超LISにおいては歩
留りを極端に低下させる問題があり、これへの対応はウ
エーハの被成膜面を鉛直方向下向きとした，いわゆるフ
ェースダウンの状態でウエーハを搬送し、成膜すると効
果があることが分かってきており、そのための具体的装
置構成の実現も同時に求められる状況になってきてい
る。

この発明の目的は、成膜中のウエーハに生ずる内部応
力あるいは歪みに関係なくウエーハの全面接触状態に等
しい効果的な冷却と、さらに好ましくは大直径ウエーハ
までのフェースダウン成膜との二大目標が達成される乾
式成膜装置の構成を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕上記の目的を達成するために、本発明によれば、マイ
クロ波と磁界との共鳴効果によりプラズマ化されたガス
により反応性ガスを活性化してウエーハ上に薄膜を形成
する乾式成膜装置であって、ウエーハが載置される内部
に水冷のための空洞が設けられたウエーハ支持台の表面
が、ウエーハを周縁部で支持するためのリング状支持面
を残して凹に形成されるとともに、ウエーハの周縁部を
ウエーハ支持台に押圧する押圧手段と、外部から前記ウ
エーハ支持台の凹部にガスを導くためのガス導入管路と
を備え、ウエーハとウエーハ支持台凹部とにより形成さ
れる閉鎖空間にガスを導入してウエーハに発生した熱を
ガスを介してウエーハ支持台に伝達する構成とするもの
とする。ここで、ウエーハの周縁部をウエーハ支持台に
押圧する押圧手段をリング状の重量物とするとともに、
ウエーハとウエーハ支持台とにより形成される閉鎖空間
に導入されるガスがガス流量調整手段を介して導入され
た該閉鎖空間から外部へ洩れるガスを補いつつ該閉鎖空
間のガス圧力が所定の値を維持するようにガス流量調整
手段が制御される構成とすると好適である。

また、本発明によれば、マイクロ波と磁界との共鳴効
果によりプラズマ化されたガスにより反応性ガスを活性
化してウエーハ上に薄膜を形成する乾式成膜装置であっ
て、ウエーハが載置されるウエーハ支持台の表面が、ウ
エーハを周縁部で支持するためのリング状支持面を残し
て凹に形成されるとともに、ウエーハの周縁部をウエー
ハ支持台に押圧する押圧手段と、外部から前記ウエーハ
支持台の凹部にガスを導くためのガス導入管路とを備
え、ウエーハとウエーハ支持台凹部とにより形成される
閉鎖空間にガスを導入してウエーハに発生した熱をガス
を介してウエーハ支持台に伝達するとともに、ウエーハ
が載置されるウエーハ支持台の表面が、ウエーハが重力
に逆らって載置される，鉛直方向下向きの装着面として
形成され、ウエーハ周縁部をウエーハ支持台に押圧する
押圧手段が、それぞれ個別に鉛直方向に移動可能に固定
部材に取り付けられる複数の押圧片を周方向に配してリ
ング状に形成され、外部からの駆動操作により該複数の
押圧片の一部の個数がウエーハを上方へ引き上げて前記
装着面に接触状態に保持し、残りの個数がウエーハをば
ね力によりウエーハ支持台に押圧するように構成するも
のとする。ここでウエーハ支持台が鉛直方向に移動可能
に固定部材に取り付けられる構成とすると好適である。

〔作用〕

乾式成膜装置を請求項１のように構成し、ウエーハと
ウエーハ支持台の凹部とにより形成される閉鎖空間に適
当な圧力のガス例えばHeガスを送り込むと、成膜時のイ
オン衝撃によりウエーハに発生した熱は、熱伝導率の大
きいHeガスと接触するウエーハ全面からHeガスを介して
ウエーハ支持台に伝達され、ウエーハ支持台が内部に水
冷のための空洞が設けられた構成であることとあいまっ
て、成膜中に歪みが発生してもこの歪みには関係なく良
好な熱伝達状態を維持することができる。また、この構
成において、ウエーハの周縁部をウエーハ支持台に押圧
する押圧手段をリング状の重量物とするとともに、ウエ
ーハとウエーハ支持台とにより形成される閉鎖空間に導
入されるガスがガス流量調整手段を介して導入され該閉
鎖空間から外部へ洩れるガスを補いつつ該閉鎖空間のガ
ス圧力が所定の値を維持するようにガス流量調整手段が
制御される構成とすれば、厳密な気密が保たれない閉鎖
空間から反応室内へリークするHeガスをガス流量調整手
段を介して補いつつ、熱伝達に十分にしてかつ、ウエー
ハ支持台に膜質向上の目的をもって印加されるRF電圧の
下でも火花放電を生じない範囲の一定ガス圧力に閉鎖空
間内を保つことができ、反応室内の構成を複雑化するこ
となく大サイズのウエーハまで、また成膜中の歪みに関
係なく、良好なウエーハ冷却が可能な成膜装置とするこ
とができる。

また、請求項３の構成によれば、静電チャックを用い
ることなくウエーハがその被成膜面を鉛直方向下向きと
したフェースダウンの状態でウエーハ支持台に装着され
るため、製造技術上の制約を受けることなく大直径のウ
エーハまでフェースダウンの状態でウエーハ支持台に装
着することができ、気相反応により生じたごみによる，
いわゆるパーティクル汚損を大直径ウエーハまで避ける
ことができる。また、ウエーハのウエーハ支持台への押
圧は、ばね力により行われるから、押圧手段をリング状
重量物とする場合と比べ、はるかに大きい押圧力が容易
に得られ、ウエーハとウエーハ装着面凹部とにより形成
される閉鎖空間からのガス洩れを実質的に防止すること
ができる。このため、例えば、この閉鎖空間を所定圧力
の冷媒ガスタンクと連通させた封じ切り状態として成膜
を行うことができ、冷媒ガス供給系が著しく簡素化され
る。このため、装置全体の構成を、押圧手段にリング状
重量物を用い、ガス補給系にガス流量調整手段を用いる
場合の構成と比べ、さほど複雑にすることなく前記フェ
ースダウン搬送，フェースダウン成膜が実現される。こ
こで、ウエーハ支持台が鉛直方向に移動可能に固定部材
に取り付けられる構成とすれば、ウエーハを上方へ引き
上げて装着面に接触状態に保持する方の押圧片に、重量
物であるウエーハ支持台のほぼ全重量をかけることがで
き、ウエーハが全周縁にわたり、ウエーハ支持台による
重量とばね力とによる押圧力を受け、閉鎖空間の気密性
がより向上し、ガス供給系の信頼性をさらに高めること
ができる。

〔実施例〕

第１図に本発明による有磁場マイクロ波プラズマCVD
法による乾式成膜装置構成の第１の実施例を示す。図に
おいて第２図と同一の部材には同一符号を付し、説明を
省略する。

ウエーハ10が載置されるウエーハ支持台11の表面は、
ウエーハ10を周縁部で支持するためのリング状支持面11
aを残して座ぐり加工により凹に形成され、この凹部と
ウエーハ10とで形成される扁平な円板状空隙14に冷媒ガ
スを送り込むためのガス導入管路18と、この円板状空隙
14に導入された冷媒ガスの圧力を圧力計22に伝達するた
めのガス圧測定ライン21とがウエーハ支持台11に接続さ
れている。また、ウエーハ支持台11の内部には水冷のた
めの空洞が設けられ、この空洞に冷却水導入管路19,冷
却水導出管路20が接続されている。ウエーハ支持台11は
カバー13とともに反応室内の気密を保ちつつ上下動がで
きるように金属ベローズ15がカバー13と反応室17の底面
との間に介装され、成膜に先立ってウエーハ支持台11を
図示の位置よりも下方へ降ろし、ウエーハ10の周縁部を
自重で押圧するリング状のウエーハ押え７がストッパ８
に乗った後ウエーハ支持台11をさらに降ろすことにより
ウエーハ押え７とウエーハ支持台の支持面11aとの間に
十分な空隙ができるような位置関係にストッパ８が設け
られている。

図示しないウエーハハンドリング機構によりウエーハ
10をウエーハ支持台11に載置したのち、ウエーハ支持台
11を上下動機構により上昇させ、成膜位置で停止させた
とき、ウエーハ押え７がストッパ８から離れ、ウエーハ
押え７の自重がウエーハ10の周縁にかかり、この結果、
ウエーハ10とウエーハ支持台11との間に円板状空隙14が
形成される。

第１図の例では、ウエーハ10とウエーハ支持台11との
間にシール材を設けていないため、冷媒ガスの一部は反
応室17内へ洩れる。従って冷媒ガスは反応室でのプロセ
スに害のないガスを用いる。ガスの圧力は熱伝達が十分
に行われ、かつウエーハの裏面にかかるガス圧によって
ウエーハが割れない程度（通常約1Torr）にとり、この
圧力が空隙14内で一定に保たれるよう、空隙14のガス圧
力を圧力計22で検出し、ガス流量調整手段であるマスフ
ローコントローラ（以下MFCと記す）23を通過する冷媒
ガスの流量を制御する。MFCは圧力計22から与えられる
信号電圧に比例したガス流量を通過させるから、空隙14
のガス圧力が反応室17へのガス洩れにより低下して所定
の圧力に対して不足する分のガス補給を、MFCのフルス
ケール流量を与える信号電圧をE_O（通常5V），空隙14の
ガス圧力に比例した信号電圧をE_Pとして、信号電圧:k₁E
_O−k₂E_P（k₁,k₂は定数）を与えて行うことにより、ガス
圧を一定に保つことができる。

第３図ないし第８図は本発明の第２の実施例を示すも
ので、ウエーハのウエーハ支持台（以下にはウエーハ装
着台と記す）への装着開始から成膜準備完了までの各段
階におけるウエーハ装着台周辺の状態を視角を変えて描
いたものである。また、第９図はこの実施例による乾式
成膜装置の全体構成を示す図であり、第１図ないし第８
図と同一の部材には同一の符号が付されている。以下、
この装置の操作を説明する。

まず、反応室17にウエーハが存在しないとき、ウエー
ハ装着台44はロードロック室51内で水平移動するべく待
機中のウエーハ搬送ハンド45により高い位置にストッパ
46,47を係合させて静止させておく。ストッパ46はウエ
ーハ装着台44に固定して取りつけた落下防止片，ストッ
パ47は反応室17の側壁面に取り付けられ、水平方向に可
動であるが垂直方向には移動しない落下防止片である。

ウエーハをウエーハ装着台44の装着面44aに押圧する
押圧手段は、リングを４分割して得られる押圧片32,33,
34,35にそれぞれ面に垂直方向にシャフト36,37,…,43を
立設させて形成され、反応室17の外部からこれらのシャ
フトを介して各押圧片を個別に上下動できるように構成
されている。そこで、まず、外部の操作でこれらシャフ
トを介して全押圧片を搬送ハンド45より低い位置に静止
させておく。

この状態からウエーハ49を装着台44に装着するには、
まず、ゲートバルブ48を開け、ウエーハハンド45に乗せ
たウエーハの面の中心点がウエーハ装着台44の中心を通
る鉛直線上にあるようにウエーハハンド45を水平移動さ
せる。シャフト40,42の間隔はウエーハ49が接触せぬよ
う十分開いた設計としておく必要がある。

次に、図示しない上下駆動機構を用いてシャフト36,3
7および38,39を気密を保ちつつほぼ同時に引き上げるこ
とにより、押圧片32,35をほぼ同一レベルを保ちながら
上昇させる。

押圧片32,35はまずウエーハ49をウエーハ搬送ハンド4
5からすくい取ったのちこれをウエーハ装着台44に押圧
し、これによってガス冷却用凹部50は閉鎖空間となる。
押圧をさらに強めることにより、ウエーハ装着台44は重
量が下から支えられることにより押し上げられ、このた
め、固定ストッパ46は可動ストッパ17から浮き上がる。
この状態を横から見た断面図が第５図、下から見た断面
図が第６図である。その後ウエーハ搬送ハンド45を引
き、ゲートバルブ48を閉じる。ただし、この位置で下か
らプラズマを照射するとゲートバルブ48に膜が付着して
開閉動作や気密保持などに悪影響が出るため、ウエーハ
装着台をゲートバルブより下に降ろす必要がある。その
ためには、可動ストッパ47を気密を保ちつつ外側に引
き、固定ストッパ46の動きを自由にしたのち、図示しな
い上下駆動機構を用いてシャフト36,37,38,39を平等に
下降させる。押圧片32,33,34,35が同一平面内に位置す
るところよりさらに一定の距離だけ下降させると、押圧
片33,34はウエーハ装着台44の重力を受けて一緒に下降
し、シャフト40,41,42,43の上部にあらかじめ取り付け
ておいたばね25が圧縮されてその反作用により押圧片3
3,34もウエーハ49の周縁部を押圧する、この状態を横か
ら見た断面図が第７図、下から見た断面図が第８図であ
る。

この状態になると、ウエーハ49はその全周縁をウエー
ハ装着台44とばね25とにより強く押圧されるため、ガス
冷却用凹部50は実質気密に閉鎖され冷却媒体ガスを流入
させることができる。このようにして、水冷されたウエ
ーハ装着台44とウエーハ49との間には良好な熱伝導が確
保され、プラズマ照射による低温成膜が可能となる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明請求項１の構成によれ
ば、成膜時にイオン衝撃によりウエーハ表面に発生した
熱は、前記閉鎖空間に導入された冷媒ガスと接触するウ
エーハ全面から冷媒ガスを介してウエーハ支持台に伝達
され、このウエーハ支持台を内部に冷却のための空洞を
設けたものとして、支持台を冷却することにより、成膜
中にウエーハに歪みが生じてもこの歪みには関係なくウ
エーハからの良好な熱伝達状態が維持される。また、こ
の構成は製造技術上の制約を受けることなく単純な工作
技術により可能であるから、大サイズウエーハの冷却も
何らの問題なく可能となる。そして、この構成におい
て、ウエーハの周縁部をウエーハ支持台に押圧する押圧
手段をリング状の重量物とするとともに、ウエーハとウ
エーハ支持台とにより形成される閉鎖空間に導入される
ガスがガス流量調整手段を介して導入された該閉鎖空間
から外部へ洩れるガスを補いつつ該閉鎖空間のガス圧力
が所定の値を維持するようにガス流量調整手段が制御さ
れる構成とすることにより、反応室内の構成を複雑化す
ることなく、従って運用も容易な成膜装置とすることが
できる。本発明の装置により直径が８インチの大口径ウ
エーハにプラズマを照射し、同時に膜質向上のためのRF
電圧をウエーハに印加してイオン衝撃を与えて成膜した
場合にも十分な冷却効果が得られ、本発明による装置構
成により、低温成膜を特長とする有磁場マイクロ波プラ
ズマCVD法による乾式成膜装置の利点を引き出しうるこ
とが確認された。

また、本発明請求項３の構成によれば、例えば、リン
グを構成する複数の押圧片中の対向する押圧片を用いて
ウエーハをウエーハ装着面に保持させることができるた
め、静電チャックを用いることなく大直径のウエーハま
でフェースダウン搬送，フェースダウン成膜が可能とな
り、ウエーハ被成膜面のパーティクル汚損が防止され
る。そして、ウエーハのウエーハ装着面への押圧が、大
きい押圧力を容易に得ることのできるばね力により行わ
れ、ウエーハとウエーハ装着面凹部とにより形成される
閉鎖空間が実質気密に保たれるため、冷媒ガスの供給系
がガス流量調整手段等を必要とすることなく簡素に構成
され、装置全体としての構造をさほど複雑化することな
く前記フェースダンウン搬送，成膜を実現させることが
できる。また、ウエーハ支持台が鉛直方向に移動可能に
固定部材に取り付けられる構成とすることにより、ウエ
ーハを上方へ引き上げて装着面に接触状態に保持する方
の押圧片に、重量物であるウエーハ支持台のほぼ全重量
をかけることができ、ウエーハが全周縁にわたり、ウエ
ーハ支持台による重量とばね力とによる押圧力を受け、
閉鎖空間の気密性がより向上し、ガス供給系の信頼性を
さらに高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による乾式成膜装置の構
成を示す縦断面図、第２図は本発明が対象とする乾式成
膜装置の基本構成を示す従断面図、第３図ないし第８図
は本発明の第２の実施例による乾式成膜装置のウエーハ
装着台へのウエーハ装着開始から成膜準備完了に到る各
段階でのウエーハ装着台周辺の状態を示す図であって、
第３図および第４図は装着待機状態を，第５図および第
６図は装着途中の状態を，第７図および第８図は成膜準
備完了の状態を示すそれぞれ従断面図および横断面図、
第９図は第２の実施例による乾式成膜装置の全体構成を
示す図である。 1:励磁ソレノイド、7:ウエーハ押え（押圧手段）、10,4
9:ウエーハ、11,31:ウエーハ支持台、14:空隙（閉鎖空
間）、18:ガス導入管路、21:ガス圧測定ライン、25:ば
ね、32,33,34,35:押圧片、36,37,38,39,40,41,42,43:シ
ャフト、44:ウエーハ装着台（ウエーハ支持台）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波と磁界との共鳴効果によりプラ
ズマ化されたガスにより反応性ガスを活性化してウエー
ハ上に薄膜を形成する乾式成膜装置であって、ウエーハ
が載置される内部に水冷のための空洞が設けられたウエ
ーハ支持台の表面が、ウエーハを周縁部で支持するため
のリング状支持面を残して凹に形成されるとともに、ウ
エーハの周縁部をウエーハ支持台に押圧する押圧手段
と、外部から前記ウエーハ支持台の凹部にガスを導くた
めのガス導入管路とを備え、ウエーハとウエーハ支持台
凹部とにより形成される閉鎖空間にガスを導入してウエ
ーハに発生した熱をガスを介してウエーハ支持台に伝達
することを特徴とする乾式成膜装置。
【請求項２】請求項第１項に記載の乾式成膜装置におい
て、ウエーハの周縁部をウエーハ支持台に押圧する押圧
手段をリング状の重量物とするとともに、ウエーハとウ
エーハ支持台とにより形成される閉鎖空間に導入される
ガスがガス流量調整手段を介して導入された該閉鎖空間
から外部へ洩れるガスを補いつつ該閉鎖空間のガス圧力
が所定の値を維持するようにガス流量調整手段が制御さ
れる構成としたことを特徴とする乾式成膜装置。
【請求項３】マイクロ波と磁界との共鳴効果によりプラ
ズマ化されたガスにより反応性ガスを活性化してウエー
ハ上に薄膜を形成する乾式成膜装置であって、ウエーハ
が載置されるウエーハ支持台の表面が、ウエーハを周縁
部で支持するためのリング状支持面を残して凹に形成さ
れるとともに、ウエーハの周縁部をウエーハ支持台に押
圧する押圧手段と、外部から前記ウエーハ支持台の凹部
にガスを導くためのガス導入管路とを備え、ウエーハと
ウエーハ支持台凹部とにより形成される閉鎖空間にガス
を導入してウエーハに発生した熱をガスを介してウエー
ハ支持台に伝達するとともに、ウエーハが載置されるウ
エーハ支持台の表面が、ウエーハが重力に逆らって載置
される，鉛直方向下向きの装着面として形成され、ウエ
ーハ周縁部をウエーハ支持台に押圧する押圧手段が、そ
れぞれ個別に鉛直方向に移動可能に固定部材に取り付け
られる複数の押圧片を周方向に配してリング状に形成さ
れ、外部からの駆動操作により該複数の押圧片の一部の
個数がウエーハを上方へ引き上げて前記装着面に接触状
態に保持し、残りの個数がウエーハをばね力によりウエ
ーハ支持台に押圧するように構成されていることを特徴
とする乾式成膜装置。
【請求項４】請求項第３項に記載の乾式成膜装置におい
て、ウエーハ支持台が鉛直方向に移動可能に固定部材に
取り付けられていることを特徴とする乾式成膜装置。