JP3606198B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特にプラズマエッチング処理に好適なプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン酸化膜（以下、単に「酸化膜」と称する）やシリコン窒化膜あるいは低誘電率材料からなる膜（いわゆるＬｏｗ−ｋ材）などの絶縁膜（以後、これらを総称して「絶縁膜」と称する）のエッチング装置やエッチング方法に関する従来の技術は、特開昭５２−１１４４４４号公報に記載のように、主なエッチングガスとしてフレオンガスを用いたスパッタエッチングを基本としている。なお、エッチングガスはアルゴンで希釈したフッ素，炭素，水素，酸素などから構成されるガス種を使用するのが一般的であり、これらのエッチングガス種を最適な組成とするエッチング方法が種々提案されている。
【０００３】
酸化膜のエッチングはシリコンがフッ素と反応してフッ化シリコンが形成されて進行するが、酸化膜の下地であるポリシリコンや窒化シリコンとの選択エッチングを必要とする。したがって、酸化膜エッチングは進行するが下地材料のエッチングは停止されなければならない。解決方法の一つは、ＣＦ系ラジカルとイオンでエッチングする方法である。酸化膜表面ではＣＦ系ラジカル中のフッ素Ｆはシリコンと反応して気化する。また、ＣＦ系ラジカルの炭素Ｃは酸化膜中の酸素と反応して除去される。一方、ポリシリコンや窒化シリコン膜の表面では、ＣＦ系ラジカル中のフッ素Ｆとシリコンは反応して気化するが、これらの膜中に炭素Ｃと反応して気化する元素が含まれないため、炭素Ｃは表面にデポ膜として残留する。このデポ膜によりエッチングが抑制され、酸化膜と下地材との選択エッチングが可能となる。
【０００４】
酸化膜エッチングでは、このようなエッチングメカニズムを利用しているため、ＣＦ系ラジカル，Ｆラジカル，イオンの制御が重要である。一般には、プラズマ中のＦラジカルが過剰になるため、Ｆラジカルを強制的に消費して（スカベンジ）制御する方法が提案されている。例えば，特許第２５１９３８３号公報に記載されているように、シリコン窒化膜の上に形成された酸化膜のプラズマエッチングにおいて、Ｆラジカルをスカベンジするために処理室内にシリコン材料を設置する方法がある。その他、特開昭６３−９１２０号公報には、レジストをエッチングするラジカルのためのスカベンジ材料をウエハステージに設置することが開示されている。また、特開平５−２３４６９６号公報では、ウエハ外周にスカベンジ材であるシリコン窒化物を設置してバイアス印加する方法を開示している。バイアス印加に関しては、特開平５−３３５２８３号公報に示されているように、ウエハ周辺に導体（ウエハより低抵抗、例えば、ＳｉＣ，カーボン）を設置し、バイアスの均一化を図るものが知られている。このように、電極などにＦラジカルをスカベンジする材料を設置することが広く知られているが、電極周辺に設置したスカベンジ材や導体部材へのバイアスの印加方法については、単にバイアス印加の開示があるのみである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ウエハ載置面の外周部に設置した導体やスカベンジ材へのバイアス印加に伴う消耗や異物発生に関して、特に考慮されていなかった。
【０００６】
すなわち、電極に導体部材やスカベンジ部材を設置してバイアスを印加すると、これらの部材にイオンが入射することになる。しかし、入射イオンはこれら部材の上表面にのみ入射するわけではなく、四方八方から入射する。すなわち、試料台表面と垂直方向のみばかりではなく、条件が整えば、試料台面内方向（処理室壁面方向）からもイオンが入射する。したがって、これら部材へのイオン入射を制限するためには絶縁物から成るカバーを設けることが考えられる。しかし、通常カバー表面にも高周波バイアスが印加され、イオン照射によりカバーが消耗するし、スパッタによるデポ物が他の箇所に付着して異物が発生するなども起こり得る。したがって、これらを考慮しウエハ載置面外周部に設置した部材の消耗を抑制して寿命を延ばすとともに、異物発生を抑制した電極周辺部の構造としなければならない。
【０００７】
本発明の目的は、ウエハを支持する試料台へのイオン入射量を抑制し、試料台がスパッタされて消耗することを防止すると共に、スパッタされてプラズマ処理装置内壁に付着した皮膜が異物発生源になることを防止して、プラズマ処理装置の部品寿命向上および稼働率向上を図ることのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、処理室内に設けられた電極に試料を静電吸着保持し、処理室内へのプラズマの生成とは独立に試料に高周波バイアスを印加して試料を処理するプラズマ処理装置において、電極に設けた静電吸着用の誘電体膜上で試料の外周部に円環状のプラズマ成分調整機能を有する円環状部材を位置させ、電極上に円環状部材を静電吸着保持可能に配置すると共に、円環状部材の外周端面に高周波抵抗部材を配置することにより、達成される。
【０００９】
また、上記目的は、真空処理室と、真空処理室内で処理される試料を載置するための試料台と、真空処理室内にプラズマ生成用のガスを供給するガス供給手段と、真空処理室内に供給されたガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、プラズマ生成手段とは独立に試料に高周波バイアスを印加するバイアス印加手段とを有するプラズマ処理装置において、試料台は試料を支持する略平坦な面とその周囲の外周面とから構成され、外周面には試料台をプラズマ損傷から保護するための絶縁物で成る保護部材と、導体とから成る円環状部材とを設置し、試料に高周波バイアスが印加された際に円環状部材にも高周波バイアスが印加されるように高周波回路を形成し、さらに円環状部材の最外周部側面に絶縁材料で成る高周波抵抗部材を設置することにより、達成される。
【００１０】
すなわち、試料台外周部に交換可能で導体からなるシリコンなどの円環状部材（スカベンジ部材）が設置してあり、試料（ウエハ）にバイアスを印加すると同時に円環状部材にもバイアスが印加される。さらに、円環状部材の外周部に石英などの絶縁材からなる高周波抵抗部材（サセプタ）を設置する。この高周波抵抗部材は、円環状部材の外周側面を覆うような配置あるいは構造を有し、円環状部材とプラズマ処理室内壁間の高周波インピーダンスが大きくなるように設置される。
【００１１】
さらに、高周波抵抗部材の下方には、電極が上下運動しても、電極内部に反応性生物やプラズマが回りこまないようにカバー（電極カバー）を設ける。すなわち、円筒状のカバーで直径の異なる複数のカバーを重ね合わせて設置し、電極が上下しても、それらがオーバーラップしてカバー機能が損なわれないようにする。カバーの端面は、石英などからなる高周波抵抗部材の内側に入り込むようにし、プラズマに直接曝されないようにする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１および図２により説明する。図１は本発明を適用したプラズマエッチング装置の構成を示す図であり、電子サイクロトロン共鳴を応用したプラズマ処理装置である。
【００１３】
真空容器であるエッチング室１の周囲に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）用磁場を発生するためのコイル２が設置されている。エッチング室１は真空室１５の上部開口部に設けられ、真空室１５の下部に取り付けられたウエハ載置電極が真空室内に位置する。エッチング室１上部にはウエハ載置電極に対向してガス供給板４が設けられている。エッチング用ガスは、ガス供給管３を通して供給され、直径が０．４ないし０．５ｍｍ程度の微細な穴が数１００個程度設けられたシリコンや炭化シリコンあるいはガラス状炭素からなるガス供給板４からエッチング室１に導入される。
【００１４】
ガス供給板４の上方にはＵＨＦ帯のマイクロ波を放射する円板状のアンテナ５が設けられている。マイクロ波は電源６からマッチング回路７，導入軸８を介してアンテナ５へ給電され、さらにアンテナ５の上方の空間での共振電界が誘電体９を通ってエッチング室１に導入される。マイクロ波の周波数は、プラズマの電子温度を０．２５ｅＶ から１ｅＶ程度の低温度にできる帯域に選定し、３００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲で、この場合、４５０ＭＨｚである。
【００１５】
また、誘電体９は石英を使用したが、石英の他にアルミナや窒化アルミなどのセラミックスやポリイミドなどの耐熱性ポリマーで誘電損失の小さいものが使用できる。なお、アンテナ５は、図示を省略した冷媒供給システムおよび冷媒流路によって、温度調節された冷媒を供給することにより、温度調節される。
【００１６】
ガス供給板４の下方にはウエハ載置電極１０が設けられ、ウエハ１１が静電吸着により支持される。１２は静電吸着のために直流高電圧を印加する電源である。また、プラズマ中のイオンをウエハ１１に引き込むため、高周波電源１３からウエハ載置電極１０に高周波バイアスが印加される。
【００１７】
なお、ウエハ載置電極１０は、ウエハ受け渡し操作や電極間距離（ガス供給板４とウエハ載置電極１０の間の距離）を設定するための上下機構（図示省略）を有する。また、ウエハ載置電極１０は温度調節のための冷媒温度調節器（図示省略）および冷媒を流す流路（図示省略）が設けられている。
【００１８】
また、エッチング室内壁１４は、温度制御された冷媒を内壁１４に導入することで一定の温度、この場合、３０℃に温度調節されている。
【００１９】
エッチング室１につながる真空室１５には、排気速度が２０００から３０００Ｌ／ｓ程度のターボ分子ポンプ１６が設置されている。また、ターボ分子ポンプ１６の開口部には排気速度調整用の圧力調整バルブ１７が設置され、エッチングに適した流量と圧力を達成するために排気速度が調節される。さらに、大気開放時などにターボ分子ポンプを運転したまま隔離するためのストップバルブ１８やエッチング室１の圧力測定および圧力制御用の真空計１９も設けられている。
【００２０】
次に、プラズマエッチング装置のウエハ載置電極部の詳細を図２に示す。ウエハ載置電極１０は、電極ベース１０１、電極絶縁板１０２、電極アース板１０３の積層構造となっている。電極ベース１０１には、図示を省略した冷媒循環流路が設けられており、温度調節されている。また、静電吸着のための高電圧や高周波バイアスが電源１２や高周波電源１３から印加される。さらに、電極ベース
１０１のウエハ載置面１０１ａには、静電吸着用の絶縁膜１０４が形成されている。絶縁膜１０４は、ウエハ載置面１０１ａの外周部にも形成され電極の保護部材としても働き、リング１０５とサセプタ１０６が設置される。
【００２１】
円環状部材であるリング１０５は、サセプタ１０６の上に配置されるとともに、電極ベース１０１の外周面１０１ｂにおいて静電吸着により固定される。これにより、処理時のリング１０５はしっかり固定されると共に、組立時のリング
１０５の固定が不要になって、装置構成を簡素化できる。サセプタ１０６の内側には絶縁環１０７が設置され、さらに絶縁環１０７とサセプタ１０６の間に挟まるようにして電極カバー１０８が設置される。本実施例では、電極カバー１０８の端面は、サセプタ１０６の内側に入り込むようになっており、端面が直接プラズマに曝されることのない構造となっている。
【００２２】
リング１０５は、プラズマ中の過剰フッ素をスカベンジする効果を付与するため、シリコンや窒化シリコンあるいはガラス状炭素からなり、この場合は、シリコンでなる。サセプタ１０６は、絶縁物材料であれば種々の材料が使用できるが、本実施例ではプラズマに曝されて消耗することと、プラズマ中にフッ素が含まれる場合はアルミナを用いるとフッ化アルミニウムが生成されて異物になる可能性があることを考慮し、サセプタ１０６は石英としてある。絶縁環１０７は絶縁材料とし、ここではアルミナとした。電極カバー１０８は、アルミニウム合金などの電気良導体から製作されており、電極アース板１０３に電気的に接続され、プラズマ損傷を防止するため、電極カバー表面に陽極酸化皮膜が形成されている。なお、プラズマ損傷を防止するための保護膜として、陽極酸化皮膜の他にポリイミドコーティングや溶射による酸化アルミナ皮膜形成なども有効である。
【００２３】
次に、本実施例を用いたプラズマエッチングの例を示す。ウエハ１１の表面にはシリコン酸化膜が形成されており、下地は窒化シリコンでマスクはフォトレジストである。エッチングガスとして、ＡｒとＣ_４Ｆ_８，Ｏ_２の混合ガスを使用し、ガス流量はそれぞれ５００，１０，５ｍＬ／ｍｉｎ である。圧力は２Ｐａである。ＵＨＦマイクロ波電源６の出力を１ｋＷとし、ウエハ１１へのバイアス印加用高周波電源１３の出力を６００Ｗとした。
【００２４】
はじめに、高真空に排気された状態のエッチング室１に、図示を省略した搬送室内の搬送アームによってウエハ１１が搬入され、ウエハ載置電極１０の上に受け渡される。搬送アームが後退してエッチング室１と搬送室間のバルブが閉じられた後、ウエハ載置電極１０が上昇して、エッチングに適した位置で停止する。停止位置は、ウエハ１１とガス供給板４との距離（電極間距離）を３０ｍｍから
１２０ｍｍの間で設定可能であり、例えば、７０ｍｍである。
【００２５】
次に、コイル２に通電し、ＵＨＦマイクロ波４５０ＭＨｚの共鳴磁場０．０１６Ｔ を、ガス供給板４とウエハ載置電極１０の間に発生させる。マイクロ波電源６を動作させると、電子サイクロトロン共鳴により、ＥＣＲ領域に強いプラズマが発生する。
【００２６】
エッチング特性を均一化するため、ウエハ１１への入射イオン密度を均一にする必要があるが、ＥＣＲ位置を磁場コイル２で自由に調節することができるため、最適なイオン密度分布が得られる。本実施例では、ＥＣＲ領域の形状をウエハ１１側に凸の状態に調整し、ＥＣＲ領域はガス供給板４から５０ｍｍの位置（ウエハ１１から２０ｍｍ）に形成させた。
【００２７】
ＵＨＦマイクロ波によるプラズマが発生した後、静電吸着用直流電源１２から高電圧がウエハ載置電極１０に印加され、ウエハ１１が静電吸着される。静電吸着されたウエハ１１の裏面にヘリウムガスが導入され、冷媒により温度調節されたウエハ載置電極１０のウエハ載置面１０１ａとウエハ間でヘリウムガスを介してウエハの温度調節が行われる。この場合、ウエハ載置電極１０の冷媒温度は、５０℃に設定される。
【００２８】
次に、高周波電源１３を動作させ、ウエハ載置電極１０に高周波バイアスを印加する。これにより、ウエハ１１にプラズマ中からイオンが垂直に入射する。酸化膜エッチングでは高エネルギーイオン入射が不可欠であり、この場合、高周波バイアス電圧Ｖｐｐ（最大ピークと最小ピーク間の電圧）は１４００Ｖに設定されている。
【００２９】
バイアス電圧がウエハ１１に印加されると同時にエッチングが開始される。酸化膜をエッチングし、かつオーバーエッチングを適宜追加した後、高周波電源
１３の電源を停止することで、エッチングが終了する。この場合、所定のエッチング時間で終了する場合と、あるいは、図示していないが、反応生成物のプラズマ発光強度変化をモニターしてエッチング終点を判定し、適切なオーバーエッチングを実施した後、エッチングを終了する場合と、の両者がある。
【００３０】
次に、静電吸着したウエハ１１をウエハ載置電極１０から脱着する工程が必要である。除電ガスとしてアルゴンや実際にエッチングに使用するガス種などが使用される。静電吸着電圧の供給を停止して給電ラインをアースに接続した後、マイクロ波の放電を維持しながら１０秒間程度の除電時間を設ける。これにより、ウエハ１１上の電荷がプラズマを介してアースに放出され、静電吸着力が消失する。この状態になってウエハ１１が脱着できる。除電工程が終了すると、除電ガスを供給停止するとともにマイクロ波電源６も停止させる。さらに、コイル２への通電も停止する。次に、ウエハ載置電極１０の高さを、ウエハ受け渡し位置まで下降させる。
【００３１】
除電ガス供給を停止した後、エッチング室１は、圧力調整バルブ１７を全開にして高真空排気される。高真空排気が完了した時点で、搬送室との間のバルブを開け、搬送アームを挿入してウエハ１１を受け取り、搬出する。次のエッチングがある場合は、新しいウエハを搬入し、再び上述の手順に従ってエッチングが実施される。
【００３２】
以上がエッチング工程の代表的な流れであり、この処理が繰り返し実施される。ウエハ処理枚数が増すにつれて、エッチング室１の内部（内壁など）やウエハ載置電極１０に、デポ膜が形成される。また、バイアスが印加される箇所にはプラズマ中のイオンが入射するため、イオンアシストによってデポ膜形成が促進される。あるいは、デポ膜が形成されずに、その部材表面がスパッタされて消耗する場合もある。
【００３３】
ウエハ載置電極１０の中で、サセプタ１０６はプラズマ損傷を受けやすい部材である。また、電極カバーもプラズマ損傷を受ける場合がある。ただし、電極カバー１０８の全領域ではなく、上部端面が最もプラズマによりスパッタされやすい。これは、先端が突出している部分にはシースが集中しやすく、イオンも集中して入射するためである。したがって、電極カバー１０８のような電気的に導電体である部材は、シースが集中する端面をプラズマに曝さないようにすることが必要であり、本実施例に示したように電極カバー１０８上端部を絶縁材のサセプタ１０６で覆った構造が耐プラズマ対策として有効である。本実施例の場合、電極カバー１０８の端面が消耗しないので、寿命が延びるという効果とともに、電極カバー表面が損傷して異物になる現象が抑制されるという効果もある。
【００３４】
また、酸化膜エッチングでは過剰フッ素をシリコン製のリング１０５でスカベンジしている。そのため、リング１０５には、ウエハ１１と同様な高周波バイアスが印加される。したがって、リング１０５の表面にイオンが垂直入射するが、リング１０５の端面では、図１，図２の水平方向からもイオンが入射する。高周波バイアスは、石英やアルミナなどの絶縁物が部材とプラズマ間にあっても、絶縁物を通して作用する。従来の電極の場合、スカベンジの作用を生じさせる電極カバーの端面がプラズマに曝されるので、端面にも高周波バイアスが印加され、プラズマを介してバイアス回路を形成しやすい。
【００３５】
一方、本実施例のリング１０５の端面は、サセプタ１０６でカバーされていて、直接プラズマに曝されない。したがって、リング１０５と内壁１４の間のインピーダンスが大きくなっている。そのため、バイアス高周波回路はリング１０５とアンテナ５（ガス供給板４を含む）との間で形成される。その結果、ウエハ
１１と同じレベルのバイアスがリング１０５にも印加され、ウエハ外周部でのバイアスの不均一化を防止することができる。さらに、リング１０５の端面が消耗されにくく、寿命も長い。また、サセプタ１０６には弱いバイアスが印加されるため、デポ膜が形成されることがなく、異物発生が抑制されるという効果もある。
【００３６】
本発明の他の実施例を図３に示す。本図において、図２と同符号は同一部材を示し説明を省略する。本図が図２と異なる点は、サセプタ１０６ａ端面をリング１０５の端面と合わせ、リング１０５とサセプタ１０６ａ両者の端面にカバー１０９を設置した点である。また、リング１０５の内側裏面をバイアス調整リング１１０を介して電気的に接続している点である。
【００３７】
カバー１０９はプラズマによりスパッタ損傷される可能性があるので、石英としてあり、カバー１０９を設けると以下の利点がある。サセプタ１０６が消耗して交換しなければならない場合、図２の実施例では、サセプタ１０６を交換しなければならないので、部品の価格が高い。サセプタ１０６のほとんどが消耗していなくても交換しなければならないが、カバー１０９を採用することで、消耗した部分のみを交換することができる。また、カバー１０９はサセプタ１０６に比較して低価格である。
【００３８】
また、リング１０５へのバイアス印加を、電極ベース１０１から直接負荷するのではなく、バイアス調整リング１１０を介して印加している。バイアス調整リング１１０を金属導体で製作すれば、図２に示した直接バイアス印加と同じになる。しかし、アルミナなどの誘電体で製作すると、リング１０５への印加バイアスは直接バイアス印加より低減される。さらに、そのレベルは、バイアス調整リング１１０の誘電率と厚さに依存して変化する。すなわち、リング１０５へのバイアス印加量を調整できる。
【００３９】
以上のように、リング１０５へのバイアス印加回路が内壁１４との間に形成されると、内壁１４のプラズマ損傷も発生しやすい。したがって、リング１０５へのバイアスはフッ素スカベンジを効果的に行うために必要であるが、内壁１４とバイアス回路を形成しにくい構造としなければならない。本実施例のリング１０５とサセプタ１０６，１０６ａの構造は、その主旨に沿うものであり、電極カバー１０８の端面の損傷を抑制することも異物低減の観点から重要である。
【００４０】
なお、本実施例では、ＵＨＦ−ＥＣＲプラズマエッチング装置を例として説明したが、他のプラズマ源でも何等問題はなく、ＵＨＦ−ＥＣＲプラズマエッチング装置に限定されるものではない。したがって、ウエハ載置電極に高周波バイアスを印加する方式のプラズマ処理装置であれば、プラズマ発生方式に関係なく、本発明を適用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、ウエハ載置電極のサセプタ消耗および電極カバーの消耗を抑制することができ、寿命が延び、かつ異物発生が抑制できるという効果がある。また、高周波バイアスが印加されるリングと内壁との間のインピーダンスが大きくなるサセプタ構造としたため、内壁の損傷が抑制されるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したプラズマエッチング装置の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１の装置のウエハ載置電極部の詳細を示す部分縦断面図である。
【図３】図２のウエハ載置電極部の他の実施例を示す部分縦断面図である。
【符号の説明】
１…エッチング室、２…コイル、３…ガス供給管、４…ガス供給板、５…アンテナ、６…電源、７…マッチング回路、８…導入軸、９…誘電体、１０…ウエハ載置電極、１１…ウエハ、１２…電源、１３…高周波電源、１４…内壁、１５…真空室、１６…ポンプ、１７…圧力調整バルブ、１８…ストップバルブ、１９…真空計、１０１…電極ベース、１０１ａ…ウエハ載置面、１０１ｂ…外周面、
１０２…電極絶縁板、１０３…電極アース板、１０４…絶縁膜、１０５…リング、１０６，１０６ａ…サセプタ、１０７…絶縁環、１０８…電極カバー、１０９…カバー、１１０…バイアス調整リング。

Claims (2)

1. 真空処理室と、前記真空処理室内で処理される試料を載置するための試料台と、前記真空処理室内にプラズマ生成用のガスを供給するガス供給手段と、前記真空処理室内に供給されたガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、前記プラズマ生成手段とは独立に前記試料に高周波バイアスを印加するバイアス印加手段と、前記試料台に前記試料を静電吸着させるための静電吸着電源とを有するプラズマ処理装置において、
   前記試料台の上面には静電吸着用の誘電体膜を形成し、前記試料台の試料載置面外周部には前記高周波バイアスが印加され、かつ、前記試料台に静電吸着されるように導体から成りプラズマの成分を調整するための円環状部材を配置し、前記円環状部材の外周部側面に絶縁材料で成る高周波抵抗部材を配置し、前記高周波抵抗部材と前記試料台側面との間に絶縁材で成る絶縁環を配置し、前記静電吸着用の誘電体膜と前記円環状部材との間には前記高周波バイアスを調整するための誘電体を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記円環状部材は、シリコンあるいは炭化シリコンあるいはガラス状炭素のいずれかで成ることを特徴とするプラズマ処理装置。

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