(57)【要約】【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。【選択図】図１
2010168663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、
前記反応容器の内部空間の少なくとも一部を横切るように設けられ、ターゲットプレートを固定可能な上部電極と、
前記反応容器の内部空間の少なくとも一部を横切って前記上部電極に向かい合うように設けられ、かつ、処理対象の基板を搭載可能な下部電極と、
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、
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、
前記プラズマシールドリング及びアース間に接続され、可変コンデンサとインダクタの直列接続からなり、前記高周波電力源の周波数で共振する共振回路と、
を備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）６１は下部電極５５の上に搭載され、下部電極は絶縁体６２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５０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】
なお、特許文献１には基板側にもプラズマを発生するために補助電極を設けた例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−００１７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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１００mTorr 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(species)
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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】
【００１７】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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１１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１２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１３．５６ＭＨｚで動作する。
【００２０】
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１２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１１は導線１９を通して接地されている。
【００２１】
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で満たされている。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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１２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。
【００２５】
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１２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１１の円筒形側壁１１ｃに流れる。
【００２６】
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３１，３２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。
【００２７】
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２０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。
【００２８】
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。
【符号の説明】
【００２９】
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
【図１】
2010168663.tif 000003
【図２】
2010168663.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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