JP2000331995A - Ｃｃｐ反応容器の平板型ガス導入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】ガス導入孔のプラズマ強化エロージョンを抑制
することで、より長い寿命を持ち、より高い利用率を持
つガス導入プレートを備えたＣＣＰ反応容器の平板型ガ
ス導入装置を提供することにある。 【解決手段】ＣＣＰ反応容器内に設けられた平板型ガス
導入装置１４は上部電極１７と、複数のガス導入孔１９
ａを備えたガス導入プレート１９と、それらの間のガス
リザーバ２０とから構成される。上部電極１７は、上部
プレート１１の下面に個々に配置された複数のマグネッ
ト１８を有し、マグネット１８の各々はガス導入孔１９
ａの各々と対応させ、マグネット１８の磁軸が対応する
ガス導入孔１９の軸と一直線になるように配置されてい
る。この構造は、ガス導入孔１９ａの両側端部で生じる
プラズマで促進されるエロージョンを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＣＰ反応容器の
平板型ガス導入装置に関し、特に、ＣＣＰ反応容器に設
けられ、その寿命と利用効率を高めるためそのガス導入
孔のエロージョンを少なくし、または防止することので
きるガス導入プレートを備えた平板型ガス導入装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）反応容器
は半導体製造装置の産業において広範囲の応用で用いら
れている。ＣＣＰ反応容器は、（１）カソード電極とア
ノード電極の間の狭い隙間に起因するプラズマ反応容器
の低アスペクトレシオ、（２）プラズマのより良い半径
方向の均一性、（３）プラズマ開始が容易であること、
（４）より良いガス分布を作るシャワーヘッドタイプの
平板型ガス導入装置を用いることができること、のごと
き多くの利点を持っているため、大きな関心で注目され
ている。

【０００３】ＣＣＰ反応容器についての問題の１つは、
シャワーヘッドタイプの平板型ガス導入装置のガス導入
プレートにおいて非均一なエロージョンに関連すること
である。ガス導入プレートは複数のガス導入孔を有し、
これらのガス導入孔は、ガス導入プレートの他の領域に
比較しプラズマによってより高い割合でエロージョンを
受けやすい。ガス導入孔におけるエロージョンは、その
上側からと同様に、その下側からも起きる。このエロー
ジョンの生成のメカニズムは、以下において図４と図５
に従って詳細に説明される。

【０００４】図４はＣＣＰ反応容器１００の一例の簡略
化された図を示す。このＣＣＰ反応容器１００は上部プ
レート５１、底部プレート５２、円筒形側壁５３、上部
電極５４、そしてウェハーホルダ５５から構成されてい
る。上部電極５４はＣＣＰ反応容器１００の上側でリン
グ形絶縁体５６によって設けられており、ウェハーホル
ダ５５は平板形絶縁体５７によって支持されながら底部
プレート５０の上に設けられている。さらに、絶縁体プ
レート５８は上部プレート５１と上部電極５４の間に設
けられている。上部電極５４は金属で作られており、例
えばアルミニウムが用いられる。上部電極５４の下には
ガス導入プレート５９が存在する。上部電極５４とガス
導入プレート５９の間には、ガスリザーバと呼ばれる狭
い空間６０が存在する。ガスリザーバ６０の目的はガス
導入プレート５９の全面にわたって均一なガス分布を与
えることである。ガス導入プレート５９の材質はプラズ
マが応用されるタイプに依存しており、例えば、ドライ
エッチングの応用においてはカーボンあるいはＳｉが通
常用いられる。いくつかの他の応用において誘電体物
質、例えば石英あるいはセラミックが通常用いられる。
ガス導入プレート５９には、ガスリザーバ６０からプラ
ズマへプロセスガスを導入するための多数のガス導入孔
５９ａが存在する。ガス導入孔５９ａの直径は約０．５
ｍｍである。ガス導入孔５９ａの間隔は、通常のプラズ
マ源で、５ｍｍから２０ｍｍで変化し得る。しかしなが
ら、ガス導入孔５９ａの間の間隔の値に拘わらず、ガス
導入孔５９ａの間の等しい間隔が、通常、産業用プラズ
マ源の大部分において保持されている。すなわち、ガス
導入孔５９ａはガス導入プレート59の上に描かれた同一
の正方形の角部に作られる。ウェハーホルダ５５の上に
は、処理されるべきウェハー６１が存在する。ウェハー
６１はガス導入プレート５９に平行に対向している。

【０００５】高周波（ｒｆ）電力源６２は整合回路６３
を介して上部電極５４に接続されている。高周波電力源
６２は通常１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲における周
波数で動作する。高周波電力が上部電極５４に与えられ
るとき、プラズマが容量結合型メカニズムによってガス
導入プレート５９とウェハーホルダ５５の間に生成され
る。しかしながら、プラズマ発生領域は、電子加熱過程
が主としてちょうどガス導入プレート１９の下側に存在
するシース電圧の発振で起きるので、ガス導入プレート
５９の近傍に存在することになる。それ故に、プラズマ
密度は、ガス導入プレート５９に接近するに従って高く
なり、気相での再結合と両極性拡散が原因で下流に向か
って次第に減少する。

【０００６】

【発明が解決すべき問題】上記のごとく、ガス導入プレ
ート５９に関連する主たる問題は、プラズマに基づくガ
ス導入孔５９ａでのより高いエロージョン速度である。
このエロージョンはガス導入プレート５９の低い利用効
率という結果をもたらす。エロージョンのメカニズムが
以下に説明される。

【０００７】プラズマは、通常、現在の産業における利
用の大部分において、低い圧力で生成され、例えば、１
０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲である。しかし
ながら、ガスを導入孔５９ａの端部５９ａ−１において
少しばかり高いガス圧力があり、そしてガスリザーバ６
０の内部で、さらに高いガス圧力となっている。プラズ
マ密度は圧力に依存して変化する。高い圧力では、プラ
ズマ密度はより高くなる。容量結合型プラズマにおいて
高周波電極は一般的に自己バイアス電圧を持っている。
上記の場合において、ガス導入プレート５９は高周波電
極として機能し、そしてそれ故に自己バイアス電圧を有
する。ガス導入プレート５９で発生する自己バイアス電
圧の値と極性は、多くのパラメーター、例えば、カソー
ド（ガス導入プレート）とアノード（プラズマが接触す
るすべての接地された表面）の表面の面積比、高周波電
力源６２の動作周波数、プラズマ密度などに依存する。
実際の応用で用いられるプラズマ源の大部分において、
高周波電極は負の自己バイアス電圧が発生する。この負
の自己バイアス電圧のために、プラズマの中の正のイオ
ンはガス導入プレート５９に向かって加速し、そしてそ
の表面に衝突する。これらのイオンは加速の過程によっ
てより高いエネルギを取得し、こうしてガス導入プレー
ト５９の上でのイオンの衝突がガス導入プレート５９で
のスパッタリングの原因となる。上で説明したように、
スパッタリングのダメージは、ガス導入孔５９ａでより
高くなる。これは、これらの場所においてより高いプラ
ズマ密度があるからである。この工程は、ガス導入プレ
ート５９の他の領域に比較して、ガス導入孔５９ａのエ
ロージョンが拡大されることの原因となり、このことが
ガス導入孔５９ａの直径を拡大するという結果をもたら
す。ガス導入孔の直径の増加に伴って、プラズマは、ガ
ス導入孔５９ａの壁での電子の多重反射によってガス導
入孔５９ａに閉じ込められる傾向にある。従って、ガス
導入孔５９ａでのエロージョン速度はプラズマ発生時間
中に加速する。この過程は、図５に示すごとく、長い動
作時間の経過後、その下側端部５９ａ−１に円錐形をし
たガス導入孔６４を作り出す。

【０００８】同様にして、ガス導入孔５９ａの上側端部
５９ａ−２で発生したマイクロプラズマはガス導入孔５
９ａの上側のエロージョンの原因となる。これらのエロ
ージョンの過程のために、図５に示すごとくその上側端
部５９ａ−２に円錐形のガス導入孔６５が形成される。
ガス導入プレート５９の寿命はガス導入孔５９ａにおけ
る侵食される上側端部と下側端部とがつながるという条
件によって制限される。この理由によって、長い寿命を
保つために、通常、より厚い、約１０ｍｍのガス導入プ
レートがＣＣＰ反応容器１００に使用される。しかしな
がら、ガス導入プレート５９は、ガス導入孔５９ａのエ
ロージョンがその寿命を決定するので、非常に低い利用
効率を持つこととなる。

【０００９】さらに、プラズマの生成においてポリマー
堆積性の混合ガス(a polymer deposition gas chemistr
y)が用いられる場合に、上部電極５４の下面の個所にポ
リマーの堆積６５が観察され、図５に示されるごとくそ
れはガス導入孔５９ａのちょうど上に存在する。ポリマ
ー堆積６５は次の２つの理由（１）と（２）に基づいて
いる。（１）ガス導入孔５９ａの上側端部５９ａ−２で
発生したマイクロプラズマのためポリマー堆積ラジカル
が形成される。（２）ガス導入プレート５９の下の主プ
ラズマで生成されたポリマー堆積ラジカルはガス導入孔
５９ａを介して拡散し得る。この拡散の工程は、プラズ
マ発生時間中でのガス導入孔の直径の増加に伴って増加
することになる。ポリマー堆積６６によって形成される
層の厚みが、それが剥がれてプラズマ中へ微細なパーテ
ィクルとしての放出される程度に厚くなる前に、ＣＣＰ
反応容器１００におけるプラズマによるウェハー６０へ
の工程は停止されるべきである。プラズマにおける微細
なパーティクルの存在は不良デバイスの原因となる。

【００１０】本発明の目的は、ガス導入孔のプラズマ強
化エロージョンを抑制することで、より長い寿命を持
ち、より高い利用効率を持つガス導入プレートを備えた
ＣＣＰ反応容器の平板型ガス導入装置を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によるＣＣＰ反応
容器の平板型ガス導入装置は、上記目的を達成するため
に、次のように構成される。

【００１２】ＣＣＰ反応容器内に設けられる平板型ガス
導入装置は、上部電極、複数のガス導入孔を備えたガス
導入プレート、それらの間のガスリザーバから構成され
る。この平板型ガス導入装置において、さらに、上部電
極は上部プレートの下面に分離されて位置する複数のマ
グネットを有し、そして複数のマグネットの各々はガス
導入孔の各々に対応して配置され、複数のマグネットの
いずれのマグネット軸も対応するガス導入孔の軸に一致
するようになっている。上記構造によれば、マグネット
の各々は対応するガス導入孔の両端部に生じるプラズマ
によって促進されるエロージョンを防止する。

【００１３】上記のＣＣＰ反応容器の平板型ガス導入装
置において、好ましくは、複数のマグネットは、複数の
マグネットが隣り合う２つのマグネットの間で磁界が原
因で相互作用が生じるように接近して配置される場合、
ＣＣＰ反応容器の内部に向かう二者択一の極性を備えて
ガス導入孔の上方に配置される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、添付された図面に従って
好適な実施形態が説明される。この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であろう。

【００１５】本発明の実施形態は、図１と図２に従って
説明される。図１は平板型ガス導入装置の発明された構
成を備えるＣＣＰ反応容器１０の簡略された図を示す。
ＣＣＰ反応容器１０は、上部プレート１１と、底部プレ
ート１２と、円筒形側壁１３とからなり、その内部に平
板型ガス導入装置１４と基板ホルダ１５を備えている。
平板型ガス導入装置１４は、円筒形側壁１３の上側部分
にリング絶縁体１６を介して固定されている。平板型ガ
ス導入装置１４は、上部電極１７、複数のマグネット１
８とガス導入プレート１９から構成されている。

【００１６】上部電極１７は非磁性金属、例えばアルミ
ニウムによって作られている。ガス導入プレート１９は
導電性物質または非導電性物質で作られている。導電性
物質としてはアルミニウム、カーボン、あるいは不純物
を加えたシリコンが使用され、そして非導電性物質とし
ては水晶あるいはセラミックが使用される。当該物質の
タイプは本質的にプラズマ工程のタイプによって決定さ
れる。ガス導入プレート１９の厚みは通常１０ｍｍまた
はそれより小さい。ガス導入プレート１９の直径はプラ
ズマ工程を受けるウェハーの直径の大きさによって決定
される。

【００１７】上部電極１７とガス導入プレート１９の間
にはガスリザーバ２０として狭いスペースすなわちすき
間が存在する。ガスリザーバ２０のすき間幅は通常約１
ｍｍである。多数のガス導入孔がガス導入プレート１９
を通して作られている。ガス導入孔１９の直径は通常約
０．５〜０．６ｍｍである。当該ガスの均一の分布を持
つために、ガス導入孔１９ａは互いに等しい間隔で作ら
れている。最も普通の実施は、ガス導入孔１９ａはガス
導入プレート１９の上に描かれた同一の正方形の角部に
作られるいうことである。隣り合う２つの孔１９ａの間
の間隔が重要なことではなく、それは５〜３０ｍｍで変
わり得る。ガス導入孔の個数は例えば５５〜２００であ
り、好ましくは約１２４である。

【００１８】上部電極１７の下面には複数の孔２１がマ
グネット１８を挿入する目的で作られている。孔２１は
マグネット１８の形に依存して正方形あるいは円筒形の
形状である。孔２１の大きさはマグネット１８の大きさ
よりもわずかばかり大きくなっており、通常０．５ｍｍ
程度大きくなっている。

【００１９】マグネット１８の形と大きさは重要なこと
ではない。マグネット１８の断面形状は正方形または円
形である。もしマグネットの断面形状が円形である場合
には、その直径は５ｍｍから２０ｍｍで変わり得る。も
しマグネットの断面形状が正方形である場合には、それ
に相当する大きさが採用される。同様にマグネットの高
さは重要なことではなく、２ｍｍから２０ｍｍで変わり
得る。しかしながら、より大きな高さを持つマグネット
を用いることもできる。通常、ガス導入プレート１９の
厚みの増大に伴って、マグネット１８の高さも、マグネ
ット１８によって作られる磁界２２がガス導入孔１９ａ
のかなりの体積部分を通過するようにするため、同様に
増加する。

【００２０】複数のマグネット１８の位置はそれぞれ正
確にガス導入孔１９ａの上方でなければならない。すな
わち、ガス導入孔１９ａの垂直な軸とこれに対応するマ
グネット１８は実質的に同じものでなければならない。
このことはマグネットの磁軸が対応するガス導入孔の軸
に対して一直線になることを意味している。それ故にマ
グネットの個数はガス導入孔の個数と同じである。他の
条件は、各マグネット１８の磁極の一つがプラズマの方
に向けられているいうことである。マグネット１８の磁
界の強さは同様に重要なことではなく、５０ガウスから
１キロガウスの範囲で変えられる。

【００２１】マグネット１８の配置の仕方は、それらの
大きさ、磁界の強さ、間隔に依存して、２つの異なる方
法がある。１つのマグネットから隣の他のマグネットへ
放射される磁界２２の影響がない場合には、マグネット
１８は、プラズマに向く磁極がランダムの順序になるよ
うに任意に設られる。この条件を有するためには、マグ
ネット１８の間隔がより大きくならなければならない、
またはマグネット１８の大きさがより小さくならなけれ
ばならない、または上記条件の両方が必要とされる。こ
の場合の磁界２２の磁束線２２ａのパターンが図２に示
される。

【００２２】１つのマグネットから放射される磁界２２
が隣のマグネットを通過する場合には他のマグネット配
置が選択される。すなわち、隣り合う２つのマグネット
の間で磁界が原因で相互作用が生じるようにマグネット
が接近して配置される場合である。この条件を持つため
には、マグネット１８の間の間隔がより小さくならなけ
ればならないか、あるいはマグネットの大きさおよび／
または磁界の強さがより大きくならなければならない。
この場合には、マグネット１８は二者択一の極性を持つ
ように設けられなければならない。マグネット１８のこ
の構成で作られる磁界２２の磁束線２２ａのパターンは
図３に示される。

【００２３】図２と図３で示されたマグネット配置の両
方において、磁界２２はガス導入孔１９ａを通過してい
る。さらに、磁界２２の方向はほとんど垂直方向であ
り、特にガス導入孔１９ａの上側端部では垂直になって
いる。磁界２２の方向は、ガス導入孔１９ａの下側端部
では垂直方向から少し偏移している。当該偏差の程度は
ガス導入プレート１９の厚みと磁界２２の強さに依存す
る。しかしながら、適当な磁界２２の強さとガス導入プ
レート１９の厚みを選択することによって、ガス導入孔
１９ａの下側端部でより高い磁界強度が得られる。

【００２４】さらに、前述の基板ホルダ１５は平板型絶
縁体３１を介して底部プレート１２に設けられる。基板
ホルダ１５は電気的に底部プレート１２から絶縁されて
いる。基板ホルダ１５の上には水平な状態で処理される
べき基板３２が搭載されている。この場合において、例
えば、基板の直径は２００ｍｍであり、ウェハーホルダ
１５と平板型絶縁体３１の直径は３００ｍｍである。ま
た上部電極１７と上部プレート１１の間にも平板型絶縁
体３３がある。上部電極１３は整合回路３５を介して高
周波電力源３４と接続されている。整合回路３５からの
電力供給経路は、上部電極１７に接続された上部プレー
ト１１と平板型絶縁体３３を経由して通過する。これに
よって上部電極は高周波電力源から高周波電力を供給さ
れる。

【００２５】次に、ガス導入孔１９ａにおけるエロージ
ョンの減少が説明される。いったんプラズマが容量結合
型メカニズムによって作られると、ガス導入プレートに
おける負の直流（ｄｃ）バイアス電圧のため、ガス導入
プレート１９の上にほとんど連続的なイオンの衝突が生
じる。しかしながら、第１の実施形態においてはガス導
入孔１９ａの各々の上方にマグネット１８が存在する。
マグネット１８による磁界は、対応するガス導入孔１９
ａの周りだけでなく、プラズマの中にもわずかに浸透す
る。この磁界２２での電子はサイクロトロン回転を受
け、もし磁界２２が強いときには、電子は磁界鏡面反射
過程によって反射される。これらの理由によって、ガス
導入プレート１９の他の領域に比較して、ガス導入孔１
９ａのそれぞれの周りでは電子の衝突がより少なくな
る。このことは、もしガス導入プレート１９が絶縁物質
で作られているならば、ガス導入孔１９ａの周りの負の
直流電圧は相対的により小さくなるということを示して
いる。こうして、ガス導入孔１９ａの周りに衝突するイ
オンは、より少ないエネルギを得る。このことがガス導
入孔１９ａにおけるエロージョンを防止しまたは少なく
する。

【００２６】磁界２２の存在において、イオンも同様に
サイクロトロン回転を受ける。もし磁界２２の強度が低
い場合、あるいはイオンのエネルギが低い場合には、イ
オンのサイクロトロンの半径は大きくなる。例えば１０
０ガウスの磁界において０．０２６エレクトロンボルト
（ｅＶ）のアルゴンイオン（Ａｒ⁺ ）のサイクロトロン
半径はおよそ１．４ｃｍである。当該サイクロトン回転
のため、イオンはガス導入孔１９ａから離れるように移
動する。もしガス導入孔１９ａにおける磁界２２が十分
に強い場合には、イオンであっても反射によりプラズマ
へ戻される。この過程は、たとえガス導入プレートが導
電性物質で作られる場合であっても、ガス導入孔１９ａ
の上およびその周りでのイオン線束を減少させる。

【００２７】前述の事実と相互関係を持つ他の理由は、
プラズマ密度がマグネット１８の間（またはガス導入孔
１９ａの間）で増加し、磁極で減少するということであ
る。それ故に、ガス導入孔１９ａの周りのイオン密度は
低くなり、それによってガス導入孔１９ａの周りでのイ
オンの流速も低くなる。このことはガス導入孔１９ａに
おけるエロージョンの減少という結果をもたらす。

【００２８】さらに、ガス導入孔１９ａの上側端部で、
磁界２２は強く、ほとんど垂直方向に存在する。これは
電子の横方向の動きを防止する。電子の横方向の動きが
なければ、この領域において安定したプラズマを作るこ
とはできない。こうして、ガスリザーバ２０におけるマ
イクロプラズマの発生が防止される。ガスリザーバ２０
においてプラズマが存在しないので、ガス導入孔１９ａ
の上側端部のエロージョンは生じない。

【００２９】上で説明したように、ガス導入孔１９ａの
エロージョンは、ガス導入孔１９ａの各々の上側に個々
のマグネット１８を配置することによって減じられ、あ
るいは防止される。さらに、ガス導入孔のエロージョン
がより少なくなり、あるいはなくなるので、ガス導入プ
レート１９の厚みを減少させることができる。さらにガ
スリザーバの領域においてプラズマが生じないので、上
部電極１７の下面における膜堆積が最少化される。こう
して、上部電極中１７の下面に堆積される前述のポリマ
ー層によって問題となった汚染問題もまた最少化され
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明によるＣＣＰ反応容器の平板型ガ
ス導入装置は、複数のマグネットとに関連するガス導入
プレートを持ち、ガス導入孔のエロージョンを防止しあ
るいは最小化することができる。これは、ガス導入プレ
ートの寿命とその利用効率を増大するという結果をもた
らす。

【図面の簡単な説明】

【図１】この図は、発明された構成とガス導入プレート
を備える容量結合型プラズマ源の断面図を示す。

【図２】この図は、互いに影響を与えない程度に十分に
離れた２つのマグネットから放射される磁束線の断面図
を示す。

【図３】この図は、お互いに接近して存在する２つのマ
グネットから放射される磁束線の断面図を示し、１つの
マグネットの磁束線は他のマグネットを通過する。

【図４】この図は、従来の容量結合型プラズマ源の断面
図を示す。

【図５】この図は、従来のプラズマ源における侵食され
たガス導入孔の断面の拡大図を示す。

【参照符号の説明】

１０ ＣＣＰ反応容器 １１ 上部プレート １２ 底部プレート １３ 円筒形側壁 １４ ガス導入装置 １５ 基板ホルダ １７ 上部電極 １８ マグネット １９ ガス導入プレート １９ａ ガス導入孔 ２０ ガスリザーバ ２２ 磁界

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 EA06 FA03 KA08 KA17 KA30 KA34 KA46 5F004 AA00 AA06 AA15 BA04 BA08 BA13 BB07 BB11 BB18 BB28 BC08 CA06 DA23 5F045 AA08 AA19 AC16 AE17 BB14 DP03 DQ10 EF01 EF05 EF11 EH05 EH14 EH16

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部電極と、複数のガス導入孔を備えた
   ガス導入プレートと、前記それらの間に設けられたガス
   リザーバとからなるＣＣＰ反応容器の平板型ガス導入装
   置において、前記上部電極は、前記上部プレートの下面
   に分離されて配置された複数のマグネットを有し、前記
   マグネットの各々は前記マグネットのうちのいずれの磁
   軸が前記の対応するガス導入孔の軸に一致するように前
   記ガス導入孔の各々に対応して配置され、そこにおいて
   前記の各マグネットは前記の対応するガス導入孔でのプ
   ラズマで強化されたエロージョンを防止することを特徴
   とする平板型ガス導入装置。
2. 【請求項２】 隣り合う２つの前記マグネットの間で磁
   界により相互作用が生じるように前記マグネットが接近
   して配置されるとき、前記の複数のマグネットは、ＣＣ
   Ｐ反応容器の内部に対向する二者択一の極性を有し、前
   記ガス導入孔の上方に配置されることを特徴とする請求
   項１記載のＣＣＰ反応容器の平板型ガス導入装置。