JP4576200B2 - 基板処理装置及び基板処理装置におけるアーキング発生監視方法 - Google Patents
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Description
例えば、トランジスタ周りのFEOL(Front End Of Line)において、高速応答性、特にゲート電極の高速応答性が要求されている。この要求から、ゲート電極の構造や材料選択にも改善が積み重ねられており、タングステン等のメタルとポリシリコンとを合金化させたポリサイド型のゲート電極から、ポリシリコンの上にメタルを積層したポリメタル型のゲート電極に変化してきている。この理由は、WSiなどのポリサイドでは、静電容量が小さくならず、結果的に高速応答ができないからである。また、ポリサイド型のゲート電極では、高温処理により合金化させたポリサイド(いわゆるサリサイド)が採用されるが、サリサイドは抵抗を小さくすることができないため、やはり高速応答性に欠ける問題があるからである。
タングステンのような高融点金属の場合、薄膜は、大きな内部応力を持った状態で堆積し易い。薄膜は、多くの場合、基板の表面の全域に作成される。この際、基板の周縁から裏面に一部回り込むようにして堆積する場合もある。このように基板の周縁に堆積した膜や裏面に回り込んで堆積した膜は、後工程で基板が取扱われる際に剥離し、パーティクル(基板を汚損する微粒子の総称)を発生させる可能性が高い。特に、タングステン薄膜のような内部応力の高い膜の場合、この可能性が高い。シリコン膜や酸化シリコン膜のような基板と同系統の材料の薄膜の場合には、基板を汚損する可能性は低いとも言えるが、タングステンのような金属膜の場合、回路の短絡など、汚損の可能性は高い。
しかしながら、発明者の研究によると、シャドーリングのように、基板の周縁に接近させて配置された部材があると、アーキングと呼ばれる異常放電が発生し、基板が深刻な損傷を受けることが判明した。
本願の発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、アーキングの発生を効果的に防止した基板処理プロセスを実現する方法及び装置を提供する技術的意義を有する。
前記プロセスチャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーと、
前記基板ホルダーに保持された基板の周辺に接近して配置された部材と、
前記プロセスチャンバー内を排気する排気系と、
前記プロセスチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入系と、
導入されたガスにエネルギーを与えてガス放電を生じさせてプラズマを形成するプラズマ形成手段とを備えており、
前記基板ホルダーには、載置された基板を静電吸着する静電吸着機構が設けられており、この静電吸着機構は、前記基板ホルダーの基板載置面を成すよう設けられた誘電体プレートと、該誘電体プレートに誘電分極させるよう前記基板ホルダーに設けられた吸着電極と、該吸着電極に静電吸着用の電圧を印加する吸着電源とを備えており、
基板載置面である前記誘電体プレートの表面の一部を覆うようにして導電膜が形成されており、この導電膜は基板の裏面に接触するものであってアースから絶縁されており、
さらに、
前記導電膜の電位を測定する電圧計と、
基板の表面に沿って異常な電流が流れることにより生ずる欠陥であるアーキングの発生を、前記電圧計の測定値の急激な変動から判断する判断手段と
が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項2記載の発明は、前記請求項1の構成において、前記所定の処理は、前記プロセスチャンバー内で基板に対してスパッタリングにより薄膜作成処理を行なうものであって、
前記基板の周辺に接近して配置された部材は、基板の周縁から所定の距離の領域への薄膜の堆積を防止するシャドーシールドであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項3記載の発明は記請求項2の構成において、、前記薄膜作成処理は、タングステンよりも内部応力が低くて基板への付着性が高い材料の下地膜が作成されている基板の表面にタングステン薄膜をスパッタリングにより作成するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項4記載の発明は、前記請求項1乃至3いずれかの構成において、前記導電膜の厚さは、0.5μm以上2μm以下であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項5記載の発明は、前記請求項1乃至4いずれかの構成において、前記基板ホルダーの基板保持面には凹部が設けられており、この凹部内に熱交換用ガスを導入して基板ホルダーと基板との間の熱交換効率を高める熱交換用ガス導入系が設けられており、前記導電膜はこの凹部を形成する凸部の上面に設けられているとともに前記導電膜の厚さはこの凹部の深さの10%以内となっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項6記載の発明は、プロセスチャンバー内にプラズマを形成し、基板ホルダー上に基板を載置して保持しながらプラズマにより基板を処理する基板処理装置におけるアーキング発生監視方法であって、
前記基板ホルダーに保持された基板の周辺に接近して配置された部材と、
前記基板ホルダーには載置された基板を静電吸着する静電吸着機構とが設けられており、
前記静電吸着機構は、前記基板ホルダーの基板載置面を成すよう設けられた誘電体プレートと、該誘電体プレートに誘電分極させるよう前記基板ホルダーに設けられた吸着電極と、該吸着電極に静電吸着用の電圧を印加する吸着電源とを備えた基板処理装置において、
基板載置面である前記誘電体プレートの表面の一部を覆うようにして形成されていて基板に接触する導電膜の電位を測定し、基板の表面に沿って異常な電流が流れることにより生ずる欠陥であるアーキングの発生を、測定された電位の急激な変動から判断するという構成を有する。
また、請求項2記載の発明によれば、アーキングが発生し易い、シャドーシールドを備えたスパッタリング装置において上記効果を得ることができる。
また、請求項3記載の発明によれば、アーキングが発生し易いタングステン薄膜の作成装置において、アーキングの発生が監視されるので、アーキングが発生した際に枚葉処理中止等の適切な処置を施すことができ、引き続き処理を続けることで他の基板についてもアーキングが発生することによる損害の増大を未然に防ぐことができる。
また、請求項4記載の発明によれば、上記請求項1乃至3いずれかの効果に加え、アーキング発生監視の信頼性が高く、また静電吸着が不安定になる問題もない。
また、請求項5記載の発明によれば、上記請求項1乃至4いずれかの効果に加え、静電吸着が不安定になる問題がない。
図1は、本願発明の第一の実施形態に係る基板処理装置の正面断面概略図である。図1に示す装置は、排気系11を有するプロセスチャンバー1と、プロセスチャンバー1内に設けられたカソード2と、成膜される基板9をプロセスチャンバー1内の所定位置に保持するための基板ホルダー3とを備えている。
プロセスチャンバー1は、基板9の出し入れのためのゲートバルブ10を備えた気密な真空容器である。排気系11は、所定の真空ポンプを備え、プロセスチャンバー1内を5×10−6Pa程度の真空圧力まで排気できるよう構成される。
ターゲット21には、スパッタ放電用の電圧を印加するスパッタ電源23が接続されている。スパッタ電源23には、負の直流電圧又は高周波電圧を出力するものが使用される。また、ターゲット21に対して磁石ユニット22全体を相対的に回転させてエロージョンを均一にする回転機構(不図示)が設けられている。
基板ホルダー3の基板保持面を平坦面としても完全な平坦面にはできず微視的には粗さがあり、基板9との界面には微細が空間が形成される。この空間は処理中は真空圧力であり熱交換効率が悪いので、一定の形状の凹部(図1中不図示)が基板保持面にを設けられる。熱交換用ガス導入系36は、この凹部内に熱交換用のガスを導入して昇圧する構成となっている。
防着シールド61は、カソード2と基板ホルダー3との間の空間を取り囲む円筒状である。防着シールド61の表面には堆積した薄膜の剥離を防止する凹凸が設けられている。また、防着シールド61は、交換可能に設けられており、所定回数の成膜処理の後、交換される。
d1は、シャドー効果(膜堆積防止効果)を適切に得る観点で重要である。d1が大きくなると、シャドー効果が充分に得られず、マージンに膜が堆積し易い。d1があまりにも小さくなると、シャドーシールド62が基板9に接触し易くなり、基板9の配置位置の精度やシャドーシールド62の寸法精度、配置位置精度等の要求があまりにも高くなってしまう。また、シャドーシールド62表面への膜堆積の結果、シャドーシールド62と基板9とが堆積膜を介してつながってしまう問題もある。この場合、基板9を基板ホルダー3から取り去る際に、膜が破断してパーティクルを発生させるおそれもある。従って、d1は、0.2mm以上2mm以下とすることが好ましい。
また、d2は、周縁からどの程度の距離の領域への膜堆積を防止するかにより適宜決定される。例えばこの距離は1.5〜3mmであり、基板9が直径300mmの半導体ウェーハである場合、シャドーシールド62の内径は、296〜294mmとされる。
基板ホルダー3の基板保持面への導電膜の形成は、アーキングに関する発明者らの研究に基づくものである。本願の発明者らは、アーキングの発生メカニズムを突き止めるための実験を行った。実験は、アーキングの発生が頻繁に見られるタングステン薄膜を作成しながら行った。図3は、アーキングの発生メカニズムを突き止めるために行ったタングステン薄膜の作成実験について示した断面概略図である。
下地膜91は、プロセスチャンバー1とは別のプロセスチャンバー内で、シャドーシールド62のような部材は使用せず、周縁を含む基板9の表面の全領域に作成される。下地膜91は、図3に示すように、基板9の裏面に少し回り込んで堆積する場合もある。下地膜91は、内部応力が低く基板9への付着性が高いので、剥離によるパーティクル発生の問題がタングステン薄膜92の場合に比べて少ない。従って、後工程に先だって除去する必要が無い場合が多い。
発明者らは、アーキングの発生メカニズムを突き止めるため、タングステン薄膜作成の際に基板9の表面電位を測定することを意図した。表面電位を直接測定することは困難であるため、基板ホルダー3の基板保持面に導電膜71を形成し、この導電膜71に基板9を接触させた状態でシリコン製の基板9を載置し、その際の導電膜71の電位を電圧計72により測定した。
基板ホルダー3に保持された基板9の表面は、基板ホルダー3の表面と実質的に同電位となり、電荷が誘起される。基板9の表面電位には、静電吸着用の電圧による電位の他、絶縁電位(浮遊電位)の分も含まれる。即ち、アースから絶縁された導体の表面がプラズマに触れると、イオンと比較した電子の相対的な移動度の高さから、導体の表面は数V〜数十V程度の負の電位を帯びる。アーキング発生時の基板9の電位にはこの絶縁電位の分も含まれる。
このように電位を帯びつつ保持された基板9への成膜処理が進行する過程で、スパッタ粒子は基板9のみならずシャドーシールド62の表面にも達するため、シャドーシールド6の表面にも膜60が堆積することが避けられない。スパッタ粒子は、基板9とシャドーシールド62との間の隙間にも入り込むため、シャドーシールド62の基板9との対向面(下面)にも膜60が少しずつ堆積する。
図1に示すように、アーキングモニタは、基板ホルダー3の基板保持面である誘電体プレート31の表面の一部を覆うようにして形成された導電膜71と、導電膜71のアースに対する電圧を測定する電圧計72と、電圧計72の測定値の急激な変動から判断する判断手段73と、アーキングの発生を記憶する記憶手段74と、アーキングの発生を表示する表示部75とから主に構成されている。
導電膜71が誘電体プレート31の全てを覆ってしまうと基板9の静電吸着が不可能になるので、一部を覆うものとされる。「一部」とは、具体的には、導電膜71が覆う領域は基板9の裏面の全域に対して10%までとすべきである。これを越えると、静電吸着は不可能とまではいかないが、吸着が不安定となる。
尚、導電膜71は、凸部302の表面のみを覆うようにして形成される場合もあるが、凹部301内も覆うよう形成される場合もある。その場合には、凸部302と凹部301との段差の部分で途切れないよう形成されることは勿論である。尚、導電膜71の具体的な例としては、前述したチタンと窒化チタンとの積層膜の場合、それぞれ1000オングストロームの厚さ(計2000オングストローム)とした例が挙げられる。
尚、導電膜71と電圧計72とをつなぐため、基板ホルダー3内に配線が配設されている。図7に示すように、誘電体プレート31を貫通するようにして導体部711が設けられており、配線はこの導体部711を介して導電膜71に導通されている。
プロセスチャンバー1内は、予め所定の真空圧力に排気系11により排気されている。基板9は、不図示の搬送ロボットにより一枚ずつプロセスチャンバー1に搬送され、基板ホルダー3に載置されて保持される。基板9が基板ホルダー3に保持された時点から、アーキングモニタの動作が開始される。即ち、基板ホルダー3上の導電膜71の電位の電圧計72による計測が開始される。
基板9の搬入後、ゲートバルブ10が閉められ、ガス導入系4によりプロセスチャンバー1内にガスが導入される。ガス流量及び圧力が所定の値に維持されていることを確認した上で、スパッタ電源23が動作し、スパッタ放電を始動させる。これにより、ターゲット21がスパッタされ、基板9の表面に薄膜が堆積する。
尚、本実施形態において、シャドーシールド62はアースされた金属製の部材であったが、これは必須の要件ではない。例えば、何らかの理由でシャドーシールド62が正電位にバイアスされているような場合、アーキングは発生し易くなる。この場合にも、アーキングモニタの構成は極めて効果的である。
図8に示す装置の大きな特徴点は、アーキングの発生を防止するための手段を備えていることである。この点も、発明者らの研究の成果である。
誘電体プレート31や吸着電極32以外の基板ホルダー3を構成する他の部材やプロセスチャンバー1等は、安全のため、アースされている。何らかの原因でこれらの部材のいずれかと導電膜71又はシャドーシールド62が短絡されると、導電膜71及びシャドーシールド62は地絡してしまう。地絡が生ずると、電荷がアースに流れてしまい、基板9の静電吸着ができなくなる。また、基板ホルダー3の基板保持面が地絡すると、基板ホルダー3とカソード2との間の空間電界が変化し、基板処理の再現性が低下する問題もある。
尚、シャドーシールド62は金属製であるとして説明されたが、少なくとも基板9を臨む表面が金属製であれば足りる。従って、中空状のシャドーシールドや、絶縁体の表面を金属で覆った構造のシャドーシールドを使用しても良い。
タングステン薄膜の作成方法の発明の実施形態としては、上述した実験におけるものが該当する。下地膜91としては、窒化チタンの他、チタンと窒化チタンの積層膜やタンタルと窒化タンタルの積層膜を下地膜91とする場合もある。
上記各実施形態において、シャドーシールド62は円環状であったが、これは基板9が円形であったためで、方形の基板の場合、方形のリング状のシャドーシールドが採用されることもある。また、リング状以外のシャドーシールドが採用されることもある。例えば、基板の周縁に沿った領域のうちの特定の領域のみ薄膜堆積を防止すれば良い場合、その領域に合わせて部分的に遮蔽するシャドーシールドの構成が採用されることもある。
11 排気系
2 カソード
21 ターゲット
3 基板ホルダー
31 誘電体プレート
32 吸着電極
33 吸着電源
35 ヒータ
36 熱交換用ガス導入系
4 ガス導入系
5 移動機構
62 シャドーシールド
71 導電膜
72 電圧計
73 判断手段
74 記憶手段
75 表示部
76 短絡用配線
77 絶縁検出用電圧計
9 基板
92 タングステン薄膜
Claims (6)
- プロセスチャンバー内で基板に対してプラズマを利用して所定の処理を行う基板処理装置であって、
前記プロセスチャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーと、
前記基板ホルダーに保持された基板の周辺に接近して配置された部材と、
前記プロセスチャンバー内を排気する排気系と、
前記プロセスチャンバー内に所定のガスを導入するガス導入系と、
導入されたガスにエネルギーを与えてガス放電を生じさせてプラズマを形成するプラズマ形成手段とを備えており、
前記基板ホルダーには、載置された基板を静電吸着する静電吸着機構が設けられており、この静電吸着機構は、前記基板ホルダーの基板載置面を成すよう設けられた誘電体プレートと、該誘電体プレートに誘電分極させるよう前記基板ホルダーに設けられた吸着電極と、該吸着電極に静電吸着用の電圧を印加する吸着電源とを備えており、
基板載置面である前記誘電体プレートの表面の一部を覆うようにして導電膜が形成されており、この導電膜は基板の裏面に接触するものであってアースから絶縁されており、
さらに、
前記導電膜の電位を測定する電圧計と、
基板の表面に沿って異常な電流が流れることにより生ずる欠陥であるアーキングの発生を、前記電圧計の測定値の急激な変動から判断する判断手段と
が設けられていることを特徴とする基板処理装置。 - 前記所定の処理は、前記プロセスチャンバー内で基板に対してスパッタリングにより薄膜作成処理を行なうものであって、
前記基板の周辺に接近して配置された部材は、基板の周縁から所定の距離の領域への薄膜の堆積を防止するシャドーシールドであることを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記薄膜作成処理は、タングステンよりも内部応力が低くて基板への付着性が高い材料の下地膜が作成されている基板の表面にタングステン薄膜をスパッタリングにより作成するものであることを特徴とする請求項2に記載の基板処理装置。
- 前記導電膜の厚さは、0.5μm以上2μm以下であることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の基板処理装置。
- 前記基板ホルダーの基板保持面には凹部が設けられており、この凹部内に熱交換用ガスを導入して基板ホルダーと基板との間の熱交換効率を高める熱交換用ガス導入系が設けられており、前記導電膜はこの凹部を形成する凸部の上面に設けられているとともに前記導電膜の厚さはこの凹部の深さの10%以内となっていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の基板処理装置。
- プロセスチャンバー内にプラズマを形成し、基板ホルダー上に基板を載置して保持しながらプラズマにより基板を処理する基板処理装置におけるアーキング発生監視方法であって、
前記基板ホルダーに保持された基板の周辺に接近して配置された部材と、
前記基板ホルダーには載置された基板を静電吸着する静電吸着機構とが設けられており、
前記静電吸着機構は、前記基板ホルダーの基板載置面を成すよう設けられた誘電体プレートと、該誘電体プレートに誘電分極させるよう前記基板ホルダーに設けられた吸着電極と、該吸着電極に静電吸着用の電圧を印加する吸着電源とを備えた基板処理装置において、
基板載置面である前記誘電体プレートの表面の一部を覆うようにして形成されていて基板に接触する導電膜の電位を測定し、基板の表面に沿って異常な電流が流れることにより生ずる欠陥であるアーキングの発生を、測定された電位の急激な変動から判断することを特徴とする基板処理装置におけるアーキング発生監視方法。
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