JP2001250815A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents
プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法Info
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Abstract
提供する。 【解決手段】処理室100内に設けられたUHF帯アンテ
ナ110から放射される電磁波と、処理室100の周囲
に設置された磁場形成手段101で形成される磁場との
相互作用により、処理室内部にプラズマを発生してウエ
ハWを処理するプラズマ処理装置において、ウエハに対
向してアンテナに設置されたシリコン製のプレート11
5に対して、Vdc=−10 V〜−300 Vのバイアスを
印加し、シリコンの抵抗率を1Ω・cm以上10 Ω・cm以
下、特に5 Ω・cm程度として内部抵抗による自己発熱で
昇温させることで、プレート115の温度を100℃以
上200℃以下の範囲で±25℃以内の変動として、プ
ロセスの安定性・再現性を確保する。
Description
および処理方法に係り、特に半導体製造工程における微
細なパターンを形成するのに好適なプラズマ処理装置お
よびプラズマ処理方法に関する。
・アッシングなどの微細加工プロセスで、プラズマ処理
装置が広く用いられている。プラズマ処理によるプロセ
スは、真空処理室(リアクタ)内部に導入されたプロセ
スガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、半導体
ウエハ表面で反応させて微細加工を行うとともに、揮発
性の反応生成物を排気することにより、所定の処理を行
うものである。
内壁やウエハの温度、あるいは内壁への反応生成物の堆
積状態がプロセスに大きな影響を及ぼす。また、リアク
タ内部に堆積した反応生成物が剥離すると、発塵の原因
となって、素子特性の劣化や歩留まりの低下につなが
る。このため、プラズマ処理装置においては、プロセス
を安定に保ちかつ異物の発生を抑制するために、リアク
タ内部の温度や表面への反応生成物の堆積を制御するこ
とが重要である。
には、シリコン酸化膜のドライエッチング工程における
選択比を向上させる目的で、リアクタ内部の各部の温度
を、エッチングステージの温度よりも150 ℃以上高
い150℃以上300℃以下(望ましくは200℃以上
250℃以下)の高温度値に±5℃以内の精度で制御保
持するドライエッチング装置が記載されている。このよ
うにリアクタ内面各部の温度を高温に加熱制御すること
で、リアクタ内面へのプラズマ重合物の付着量が減少
し、半導体ウエハ上へのプラズマ重合物の付着量が増加
して、選択比が向上する。
は、平行平板型のプラズマ処理装置において、クランプ
リング(被処理体保持手段)、フォーカスリング(プラ
ズマ集中手段)の少なくとも一方に、プラズマ処理によ
り生じる反応生成物が付着しない温度に昇温・維持させ
る加熱手段を設けた装置が記載されている。加熱手段と
しては抵抗発熱体を用いている。加熱により反応生成物
の付着が防止できるので、反応生成物の剥離や、被処理
体表面へのパーティクルの付着が低減される。
ように真空処理室内壁面を加熱して200℃〜250℃
程度以上の高温に設定すると、エッチング特性が内壁表
面の温度に非常に敏感となり、プロセスの再現性・信頼
性が低下しやすいという問題がある。
ac. Sci. Technol. B 15(2) Mar/Apr 1997、 p.
21、 'Chemical challenge of submicron oxide etch
ing'には、誘導結合型のプラズマにおいて、側壁温度が
200℃から170℃に変化すると酸化膜エッチレート
が5%以上増加すること、したがって安定したプロセス
特性を得るにはリアクタ内表面の温度をたとえば250
℃±2℃という高い精度に保つ必要があることが示され
ている。
プラズマにさらされるわけであるから、壁面の温度をこ
のような高温領域で高精度に制御するのは容易ではな
い。温度制御には高精度なin-situ温度検出手段やヒー
タ・ランプなどの加熱手段を用いることになるが、温調
の機構・手段がおおがかりになり、装置が複雑化してコ
ストアップを招くことになる。また、200℃以上の高
温領域では使用できる材料が制約を受ける問題もある。
る特願平10―147672号において、有磁場UHF帯
電磁波放射放電方式のプラズマエッチング装置をひとつ
の実施例として、真空処理室内壁面の温度を100℃以
下の温度範囲に設定することで、プロセスが温度変化に
対して敏感とならず、±10℃程度の温調精度でも安定
したプロセス再現性が得られることを開示している。
る構成部品(あるいは内壁面)について、その少なくと
も一部分にバイアスを印加しかつ熱容量を小さくするこ
とで、構成部品の温度を150℃以上250℃以下とす
ることで、構成部品の温度変動がプロセスに対して実質
的に影響しないレベルに小さくできることを開示してい
る。
る特願平11―232132において、試料の外側部に
もうけたシリコン製のフォーカスリングについて、デポ
が堆積しない強さ以上のバイアスを印加し、かつ表面温
度を150℃以上とすることで、シリコン表面での反応
の温度依存性が小さくなって安定化してプロセス再現性
が確保できることを開示している。
ハに対向している上部アンテナ(または上部電極または
天版)に設置されたプレートについては、プロセス安定
性への影響が大きいものの、そのはたす役割について
は、バイアスを印加して反応生成物を堆積させないこと
でプロセスが安定化するとしたのみで、メカニズムを十
分に理解したり必要な条件を定量化したりするには至ら
なかった。
明者らは上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結
果、試料ウエハに対向するプレートについて、プロセス
安定性の確保に必要とされる温度範囲や精度あるいはバ
イアス印加による表面状態の制御についての要件を見出
すに至り、本願発明に想到したものである。
に基づいてなされたものであり、安定性・再現性にすぐ
れたプロセス特性が得られるプラズマ処理装置及び処理
方法を提供することを目的とする。
と、処理室にガスを供給する処理ガス供給手段と、該真
空処理室内で処理される試料を保持する電極と、該試料
に対向して設置されるプラズマ発生装置と、該真空処理
室を減圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置に
おいて、前記プラズマ発生装置の処理室側に設置された
シリコン製のプレートに対してVdc=―50V以上―30
0V以下のバイアス電圧を印加し、かつ、前記プレート
の表面温度を100℃以上200℃以下の範囲とするこ
とを特徴とする。
置におけるシリコン製のプレートの表面温度の変動を±
25℃以内とすることを特徴とする。
置において、前記プラズマ発生装置が300 MHzから1
GHzの有磁場または無磁場UHF帯電磁波放射放電方式で
あって、前記シリコン製のプレートの抵抗率を1 Ω・cm
以上10 Ω・cm以下の範囲とし、前記シリコン製のプレ
ートの厚みが5mm以上20mm以下望ましくは10mm以下
とした、ことを特徴とする。
たシリコン製のプレートに対する温調とバイアス印加に
より、シリコン表面における反応の温度依存性が小さく
なり、前記プレートの表面温度の±25℃以内の範囲の
変動に対してプラズマ状態およびプロセス特性が安定化
するので、安定性・再現性にすぐれたプロセス特性をも
つプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を実現する
ことができる。
電磁波に対するシリコン製のプレート内部を伝播するUH
F帯電磁波の表皮厚さとシリコンプレートの厚さがほぼ
同等となってUHF帯電磁波による電流がプレート全体を
流れるのでシリコン自体の内部抵抗による自己発熱によ
りプレートが効率よく加熱できるので、シリコン製のプ
レートの表面温度を温度変動に対する表面反応の温度依
存性が小さくなる100℃以上200℃以下の範囲に設
定することが可能になり、プラズマ状態およびプロセス
特性が安定化するので、安定性・再現性にすぐれたプロ
セス特性をもつプラズマ処理装置およびプラズマ処理方
法を実現することができる。
図面に基づいて説明する。図1は、本発明を、有磁場U
HF帯電磁波放射放電方式のプラズマエッチング装置へ
適用した実施例を示すもので、当該プラズマエッチング
装置の縦断面の模式図である。
Torr程度の真空度を達成可能な真空容器であり、その
上部に電磁波を放射するアンテナ110を、下部にはウ
エハなどの試料Wを載置する下部電極130を備えてい
る。アンテナ110と下部電極130は、平行して対向
する形で設置される。処理室100の周囲には、たとえ
ば電磁コイルとヨークよりなる磁場形成手段101が設
置されている。そして、アンテナ110から放射される
電磁波と磁場形成手段101で形成される磁場との相互
作用により、処理室内部に導入された処理ガスをプラズ
マ化して、プラズマPを発生させ、下部電極130に載
置された試料Wを処理する。
続された真空排気系106により真空排気され、圧力制
御手段107により圧力が制御される。処理圧力は、
0.1Pa以上10 Pa以下、望ましくは0.5 Pa以上4 P
a以下の範囲に調整される。処理室100および真空室
105はアース電位となっている。処理室100の側壁
102には、温度制御機能をもつ側壁インナーユニット
103が交換可能に設置される。側壁インナーユニット
103は、熱媒体供給手段104から熱媒体が循環供給
されることにより処理室内表面の温度が制御される。あ
るいはヒータ加熱機構と温度検知手段によるフィードバ
ック制御により温度を制御してもよい。温度制御範囲
は、0 ℃〜100 ℃、望ましくは20 ℃〜80 ℃
で、±10 ℃以内の精度で制御される。処理室100
の側壁102、側壁ユニット103は重金属を含まず熱
伝導性のよいたとえばアルミニウムなどの非磁性金属材
料として、表面に耐プラズマ性のアルマイトなどの表面
処理を施すのが望ましい。
0は、円板状導電体111、誘電体112、誘電体リン
グ113からなり、真空容器の一部としてのハウジング
114に保持される。また、円板状導電体111のプラ
ズマに接する側の面にはプレート115が設置され、さ
らにその外側に外周リング116が設置される。円板状
導電体111は、図示しない温度制御手段、すなわちそ
の内部を循環する熱媒体により温度が所定の値に維持さ
れ、円板状導電体111に接するプレート115の表面
温度が制御される。試料のエッチング、成膜等の処理を
行う処理ガスは、ガス供給手段117から所定の流量と
混合比をもって供給され、円板状導電体111とプレー
ト115に設けられた多数の孔を通して、所定の分布に
制御されて、処理室100に供給される。
として、アンテナ電源121、アンテナバイアス電源1
22が、それぞれマッチング回路・フィルタ系123、
124を介して接続され、またフィルタ125を通して
アースに接続される。アンテナ電源121は、300 M
Hzから1 GHzのUHF帯周波数の電力を供給する。円板状
導電体111の径をある特性長にしておくことで、たと
えばTM01モードのような固有の励振モードが形成され
る。本実施例では、アンテナ電源121の周波数を45
0 MHz、円板状導電体111の直径を330 mmとして
いる。
ンテナ110に、数10 kHzから数10 MHzの範囲の周
波数のバイアス電力を印加することで、円板状導電体1
11に接するプレート115の表面での反応を制御す
る。特に、プレート115の材質を高純度のシリコンと
することで、たとえばCF系のガスを用いた酸化膜エッチ
ングにおいて、プレート115の表面でのFラジカルや
CFxラジカルの反応を制御してラジカルの組成比を調整
することができる。本実施例では、アンテナバイアス電
源122を、周波数13.56 MHz、電力は50 Wから
600 Wとしている。このときプレート115にはセル
フバイアスによりバイアス電圧Vdcが発生する。このV
dcの値は、プラズマ密度や圧力にもよるが、およそVdc
=−50 V〜−300 Vである。本実施例において
は、いわゆる平行平板型の容量結合方式のプラズマ装置
とは異なり、プレート115に発生するセルフバイアス
をプラズマ生成とは独立に制御できる点が特徴である。
特にバイアス電圧をVdc =―100 V程度以下の低い
値とすることで、シリコンの消耗を抑制してランニング
コストを低減したり、またシリコンのスパッタを抑制し
て試料W上へのエッチング残渣を低減することができ
る。
(以下、ギャップと呼ぶ)は、30 mm以上150 mm以
下、望ましくは50 mm以上120 mm以下とする。プレ
ート115は広い面積をもって試料Wと対向しているの
で、処理プロセスにもっとも大きく影響する。このプレ
ート115面へのバイアス印加と温度制御をある範囲と
することで表面反応を安定化させて再現性のよいプロセ
ス特性を得ることが本発明の主眼点であり、これは後に
詳しく説明することとする。
に対向して下部電極130が設けられている。下部電極
130には、たとえば400 kHzから13.56 MHzの
範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源141がマ
ッチング回路・フィルタ系142を介して接続されて試
料Wに印加するバイアスを制御するとともに、フィルタ
143を介してアースに接続される。本実施例では、バ
イアス電源141の周波数を800 kHzとしている。
より、その上面、すなわち試料載置面にウエハなどの試
料Wを載置保持する。静電吸着装置131は、その上面
に静電吸着用誘電体層(以下、静電吸着膜と略称する)
が形成されており、静電吸着用の直流電源144とフィ
ルタ145から数100 V〜数kVの直流電圧を印加する
ことで、静電吸着力により、試料Wを下部電極130上
に吸着・保持する。静電吸着膜としては、たとえば酸化
アルミニウムや酸化アルミニウムにチタン酸化物を混合
した誘電体を用いる。また、静電吸着装置131は、図
示しない温度制御手段によりその表面が所定の温度に制
御される。そして、静電吸着装置131の表面には、不
活性ガス、たとえばHeガスが所定の流量と圧力に設定さ
れて供給されており、試料Wとの間の熱伝達性を高めて
いる。これにより、試料Wの表面温度を、たとえばおよ
そ100 ℃〜110 ℃の範囲に精度よく制御すること
が可能となる。
部には、高純度のシリコンで形成されたリング状の部材
であるフォーカスリング132が設けられている。フォ
ーカスリング132は絶縁体133により静電吸着装置
131と絶縁される。電極の外側には電極外周カバー1
34を設けてある。絶縁体133、電極外周カバー13
4にはアルミナや石英を用いるのが好適である。本実施
例においては、絶縁体133、電極外周カバー134に
はアルミナを用いている。このような構造により、フォ
ーカスリング132には、下部電極に印加されるバイア
ス電力を、絶縁体133を介して一部漏洩させて加える
ことができる。フォーカスリング132へのバイアス印
加の強さは、絶縁体133の誘電率および厚みにより適
度に調整できる。フォーカスリングは絶縁体133とは
真空断熱されていて熱的にはほぼ非接触であるので、プ
ラズマおよびバイアスにより加熱して効率よく昇温する
ことが可能である。さらに、フォーカスリング132の
材質をシリコンとすることで、フォーカスリング132
の表面でのシリコンのスカベンジ作用により、Fラジカ
ルやCFxラジカルの反応あるいはラジカル組成を調整す
ることで、特にウエハ外周部でのエッチング均一性を制
御することができる。
以上のように構成されている。なお、上記実施例のう
ち、側壁部分の温調については、本願と同一の出願人に
係わる特願平10―147672号で、また、フォーカ
スリングの構造と温調については、同一出願人に係わる
特願平11―232132号でそれぞれ開示された内容
を採用することができる。
て、たとえばシリコン酸化膜のエッチングを行う場合の
具体的なプロセスを、図1を用いて説明する。まず、処
理の対象物であるウエハWは、図示していない試料搬入
機構から処理室100に搬入された後、下部電極130
の上に載置・吸着され、必要に応じて下部電極の高さが
調整されて所定のギャップに設定される。ついで、処理
室100内に試料Wのエッチング処理に必要なガス、た
とえばC4F8とArとO2が、ガス供給手段117からプ
レート115を通して、所定の流量と混合比をもって、
処理室100に供給される。同時に、処理室100は、
真空排気系106および圧力制御手段107により、所
定の処理圧力に調整される。次に、アンテナ電源121
からの450 MHzの電力供給により、アンテナ110か
ら電磁波が放射される。そして、磁場形成手段101に
より処理室100の内部に形成される160ガウス(4
50 MHzに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度)の
概略水平な磁場との相互作用により、処理室100内に
プラズマPが生成され、処理ガスが解離されてイオン・
ラジカルが発生する。さらにアンテナバイアス電源12
2からのアンテナバイアス電力や下部電極のバイアス電
源141からのバイアス電力より、プラズマ中のイオン
やラジカルの組成比やエネルギーを制御して、ウェハW
にエッチング処理を行う。そして、エッチング処理の終
了にともない、電力・磁場および処理ガスの供給を停止
してエッチングを終了する。
のように構成されている。次に、本実施例の装置による
プレート115の温度制御の方法について具体的に説明
し、ついでプレート115の温度設定に考察した後に、
プレート115の温度を測定した結果を示していく。
御の方法、すなわち冷却と加熱の機構を説明する。図2
は、図1におけるアンテナ110の詳細断面図であり、
プレート115の温調の構造を示す。図1で説明したよ
うに、アンテナ110は、円板状導電体111、誘電体
112、誘電体リング113からなり、円板状導電体1
11のプラズマに接する側の面にはプレート115が設
置される。プレート115は外周部において止めネジな
どにより円板状導電体111に固定される。
おりである。プレート115の裏面に設置された円板状
導電体111は、熱媒体導入口118Aから熱媒体が導
入されて内部を循環して導出口118Bから排出される
ことで、温度が所定の値に維持される。円板状導電体1
11は熱伝導のよいアルミが好適である。熱媒体の温度
は常温付近のたとえば30℃程度が好適である。一方、
円板状導電体111にはガス供給手段117から処理ガ
スが供給され、内部で分散されて、プレート115に設
けられた多数のガス孔を通して処理室100内に処理ガ
スが供給される。したがって、処理中にはプレート11
5と円板状導電体111の間には処理ガスが存在してい
る。プレート115はこのガス伝熱により円板状導電体
111から冷却されて温度が調整されることになる。さ
らに図2の実施例では、円板状導電体111のプレート
115に接する側の面に空間111Aがもうけられてお
り、ここに処理ガスを蓄積させることで、円板状導電体
111とプレート115の間の熱伝達率を高くして、プ
レート115が効率よく冷却されるようにしている。な
お、ガス孔の直径は円板状導電体111がφ2 mm、プ
レート115がφ0.5 mmに設定している。
ズマPからのプラズマ加熱、アンテナバイアスによるイ
オン加熱、さらにプレート115自体の自己発熱があ
る。プラズマ加熱は、いうまでもなくプラズマPの中の
高温の電子やイオンによりプレート115が加熱される
ものである。
れるイオンのエネルギーによる加熱である。アンテナ1
10にはアンテナバイアス電源122により高周波のア
ンテナバイアスが印加され、セルフバイアスによりバイ
アス電圧Vdcが発生する。アンテナバイアスの電力は5
0 Wから600 W程度で、このときプレート115には
およそVdc=−50 V〜−300 Vのセルフバイアスが
かかり、このエネルギーによりイオンが引き込まれてプ
レート115を加熱することになる。
ト115の材料であるシリコンのもつ内部抵抗による抵
抗加熱である。アンテナ電源121から供給されたUHF
帯周波数の電磁波(以下UHF波と略記する)は、誘電体
112の内部を121Aのように伝播し、誘電体リング
113から処理室100内に放射される(121B)と
ともに、プレート115を伝播してプレート115の表
面からも処理室100内に放射される(121C)。
る状況はプレート115の材質であるシリコンの抵抗率
によって大きく変化する。シリコンの抵抗率はB(ボロ
ン)の添加量により調整可能であり、たとえばB濃度を
1014程度とすると5 Ω・cm程度、B濃度を1018
〜1019とすることで0.01 Ω・cm程度に設定する
ことができる。
周波数450 MHzの電磁波に対する表皮厚さ(スキンデ
プス)は約7 mmとなる。すなわちUHF波による電流は表
面から7 mm程度の深さの領域を伝播していく。一方、
プレート115の板厚は板の曲げ剛性や強度などから、
5 mmから20 mm程度が好適であり、プレート115の
材料や製作に要するコストを勘案すると板厚は10 mm
程度以下が望ましい。これはたかだかスキンデプスの2
倍程度である。したがって、UHF波による電流はプレー
トの内部全体を伝搬していくことになる。このとき、シ
リコンプレート115の抵抗率が5 Ω・cmと高いため
に、電流によるジュール熱が発生する。このような現象
はシリコンの抵抗率が1 Ω・cm〜10 Ω・cmの範囲であ
るときに発生する。すなわち、UHF周波数450 MHzに
対してシリコンの抵抗率が1 Ω・cm〜10 Ω・cmのとき
には、プレート内部を伝搬するUHF波の電流によってプ
レートは抵抗加熱により自己発熱して昇温することにな
る。
1 Ω・cmと低い場合には、UHF周波数450 MHzに対す
る表皮厚さ(スキンデプス)はおよそ0.1 mm〜0.5
mm程度となる。この場合、UHF波による電流はプレート
115の最表面を伝播していくことになり、電流が最表
面に集中することと、シリコンの抵抗率が低いことによ
り、プレート115には自己発熱はほとんど生じない。
このように、プレート115の自己発熱はプレート11
5の材料であるシリコンの抵抗率により大きく発熱量が
変化することになる。
シリコンプレート115の冷却と昇温の機構とを明らか
にした。プレート115の温度は、これらの機構をバラ
ンスさせて所定の値に制御することになるわけである。
そこで、次にプレート115の温度設定について考えて
いく。
が低いと、プレートの表面には反応生成物が堆積しやす
くなり、表面状態が経時的に変化したり堆積した反応生
成物が剥離して異物源となることが容易に推察できる。
しかしそれだけでなく、特にプレート115の温度が1
00℃以下と低い場合には、シリコン表面での反応状態
の温度変化への依存性が大きくなることを本発明者らは
見出した。これを図3を用いて説明する。
て消耗レートをとって、シリコンプレートの消耗レート
に対するバイアス印加量・表面温度の影響を評価した結
果を示す。これは、図1の実施例の装置において、シリ
コンの消耗レートを定量化する目的で行った実験の結果
である。実験は、放電1時間(放電ON(3分)/OFF
(1分)を20サイクル繰り返した)の後にシリコンの
削れ量を段差計で測定することで、シリコンの消耗レー
ト(エッチングレート)を評価した。パラメータとして
は、シリコンにかかるバイアス電圧(Vdc)およびシリ
コンの温度をとった。シリコンの温度は温調の温度やガ
ス圧力などで設定し、表面にはりつけたサーモラベルで
表面温度を測定した。
50℃〜70℃と低い場合はバイアス電圧の絶対値(V
dcの絶対値|Vdc|)が小さくなるにしたがってシリコ
ンの消耗レートが減少するのに対して、シリコンの温度
が100℃〜105℃、あるいは125℃〜130℃と
高い場合は|Vdc|が小さくなってもシリコンの消耗レ
ートはほぼ一定である。これは定性的には、シリコン表
面の温度が低いとシリコン表面へのデポレートが増加す
るので、|Vdc|の大小によりイオンのシリコン表面へ
の到達量が影響をうけるためにシリコン消耗レートの|
Vdc|への依存性が大きくなるのに対して、シリコンの
温度が高いとデポレートが低下するため、|Vdc|が小
さくともシリコン表面のエッチング反応が進行するもの
と理解される。
Vdc|が小さいとき、たとえばVdc=−160 Vで
は、シリコンの消耗レートが50℃〜70℃と100℃
〜105℃とで大きく異なっており、シリコンの消耗が
表面温度の変化に大きく依存することを示している。こ
の傾向は、|Vdc|が50 V程度と小さくなるとさらに
顕著になるものと考えられる。一方、|Vdc|が300
V以上では、温度の変化の影響を受けにくくなってい
る。これは、Vdcが低いとシリコン表面のデポ膜がイオ
ンにより除去されにくくデポレートの温度依存性の影響
をうけやすいが、Vdcが高いとシリコン表面のデポ膜が
イオンにより除去されやすいためにシリコン表面での反
応の温度に対する依存性が小さくなるものと推察する。
イアス印加量(|Vdc|)が大きく温度が高い条件でバ
イアス印加量や温度変化の影響を受けにくくなることが
わかる。このことから、これらの両方の条件が満足され
るウインドウでシリコンの表面における反応の安定化が
可能になることが理解される。上記の結果をまとめる
と、Vdc=−50 V〜−300 Vでは、シリコンプレー
トの表面温度を100℃以上とすることで、シリコンプ
レートの表面反応がバイアス印加量や表面温度の影響を
うけにくくなることがわかる。
と、プレート115の材質であるシリコンと円板状導電
体111の材質であるアルミの熱膨張率の差により、プ
レート115と円板状導電体111の接触面においてす
べりが生じたり、プレート115が割れたりする。この
限界温度は、装置の設計裕度によっても異なるが、およ
そ200℃から250℃程度と考えられることから、円
板状導電体111との温度差を考えると、プレート11
5の温度はおよそ150℃付近、最高でも200℃程度
に設定するのが望ましい。
から、本実施例においてシリコン製のプレート115に
生じるセルフバイアスVdcがVdc=−50 V〜−30
0 Vの場合には、プレート115の表面温度を100
℃以上200℃以下の範囲、望ましくは150℃付近に
設定するのが好適である。本実施例においては、シリコ
ンプレート115の抵抗率・厚み、円板状導電体111
の冷媒温度と冷却効率、ガス孔の大きさなどの設計パラ
メータを最適化することでプレート115の温度を所定
の値に調整している。
製のプレート115の温度を実測した結果を図4から図
6を用いて説明する。
15および円板状導電体111の温度変動を示す。処理
試験は、装置が予熱されていない状態からはじめて、放
電3分ON/1分OFFを連続的に繰り返した。シリコンプ
レート115の抵抗率は5 Ω・cmである。処理条件は 処理条件A: エッチングガス組成:Ar / C4F8 / O2 = 400 /
15 / 9 sccm、ガス圧力:2.0 Pa、 ギャップ:7
0 mm 電力:アンテナ/アンテナバイアス/下部バイアス =
1000 W/ 400W/ 600 W とした。温度は、蛍光温度計をプレート115のプラズ
マ側の面に直接取り付けて測定しており、内壁面の温度
そのものを精度よく測定できることを確認している。連
続処理試験開始とともに、プレート115の温度は急速
に上昇し、放電開始後3分程度で100℃をこえて、ほ
ぼ定常状態に達する。この間に、円板状導電体111の
温度は、徐々に上昇し約60分後に70℃程度に上昇す
る。しかしながら、この間においてプレート115は入
熱と出熱がバランスしており、プレート115の温度は
ほぼ110℃から120℃付近で一定に推移している。
また、60分以降はアンテナバイアス電源の出力を40
0 Wから200 Wに低下させているが、このときにはプ
レート115の温度は約10℃程度下がっている。この
温度差がイオン加熱の効果を示している。
放電のON/OFFにともなう温度変動をみた結果を図5に
示す。図5では定常状態におけるプレート115の温度
を示している。放電ON(Discharge ON)によりプレート
115の温度は110℃から3分後に120℃に上昇す
る。処理終了により放電OFF(Discharge OFF)とともに
温度上昇はとまるが、その後も温度は下がることなくほ
ぼ一定値を示し、次の処理のために処理ガスが導入され
る(Gas Introduction)と温度が低下する。これは処理
終了とともに処理ガスの供給が停止するために、プレー
ト115と円板状導電体111の間のガス伝熱がなくな
るためである。このことからもガス伝熱によるプレート
の冷却の効果が大きいことがわかる。
なる場合の結果を説明する。図6はシリコンプレート1
15の抵抗率が0.01 Ω・cmと低い場合のプレート1
15の温度変化の測定結果である。処理条件は図4の抵
抗率5Ω・cmの場合と同一であるが、図4の結果にくら
べて定常温度が約70℃と低くなっている。これはシリ
コンの内部抵抗による自己発熱の有無の差によるもので
ある。また、この70℃という温度は、図4に示した円
板状導電体111の飽和温度とほぼ同等である。このこ
とは、本実施例の構造によりプラズマ加熱およびバイア
ス加熱による温度上昇に対して効率的な冷却が可能であ
ることを示している。
領域は図3で説明したように、バイアス電圧の変動によ
りシリコンの消耗レート、すなわち表面での反応状態が
変化する領域である。また、バイアス電圧を低くした場
合には表面に反応生成物が堆積しやすくなり、堆積膜の
剥離による異物発生が生じる可能性がある。このよう
に、この温度領域はプロセス再現性および異物抑制の観
点から好ましい温度範囲ではない。一方、円板状導電体
111は熱伝導のよいアルミで構成されており循環冷媒
で温調しているので、その温度は図4で示したように定
常状態でも70℃程度に維持される。したがってシリコ
ン製のプレート115の温度を円板状導電体111より
も高く維持する必要がある。このためには、プレート1
15のシリコンの内部抵抗による自己発熱は、複雑な加
熱機構を必要とせずにプレート115自体を効率よく加
熱してプレート115の温度を所定の値に設定できる利
点がある。
Ω・cmと低いと表皮厚さ(スキンデプス)が0.1 mm 〜
0.5 mm程度となるが、この場合UHF波による電流がプ
レート115の最表面に集中することになるために、シ
リコン表面でのミクロなエロージョンが発生することが
ある。本発明者らは検討の結果、エロージョンを発生さ
せないためには、抵抗率はおよそ1Ω・cm以上であるこ
とが必要であることを見出している。
場合には、UHF波がプレート115の内部を伝播する際
の損失が大きくなり、プレート115の中心付近から放
射されるUHF波の強度が低下するためにプラズマ分布が
変化してしまう。この現象を起こさないためには、プレ
ート115の抵抗率は20Ω・cmが好適であり、10Ω・
cm以下が望ましい。
MHzに対しては、プレート115のシリコンの抵抗率は
1Ω・cm以上20 Ω・cm以下が好適であり、10 Ω・cm
以下が望ましく、特に5 Ω・cm程度が最適であることが
結論される。
温度変動がプラズマケミストリやエッチング特性に及ぼ
す影響から、プレート115の温調に要求される精度を
考察する。
11のプレート115に接する側の面にもうけられた空
間111Aに蓄積された処理ガスにより、円板状導電体
111とプレート115の間の熱伝達効率を向上させて
プレート115の温調精度を確保している。この結果、
図4、図5に示したように、放電ON/OFF時のプレート
115の温度は115℃付近で±5℃程度の変動におさ
えられている。図3の結果からも容易に推測されるよう
に、温度変動を±5℃程度とすれば、プレート115の
表面反応は十分に安定させることができると考えられ
る。そして、バイアスが印加された条件では、温度変動
がもっと大きくとも、具体的には±25℃程度であって
もプロセスの安定化が可能であると推察できる。このこ
とを実験的に確認した結果を図7から図9により説明す
る。
示す。図2に示した第1の実施例とほぼ同様の構造であ
るが、 プレート115の温度変動の抑制および冷却に
効果が大きい円板状導電体111とプレート115の間
の空間を設けない構造として、プレート115の温度を
あげるとともに温度変動を許容している点が図2の実施
例と異なる。プレート115の表面温度の設計値は、1
50℃付近で±25℃程度の変動を想定している。さら
に、外周リング116を厚くして内側をテーパ形状とす
ることで、UHF波121Bの放射効率をあげてプラズマ
生成効率を向上させるとともに、プラズマPの拡散を抑
制して、プラズマPの密度を向上させている。
8に示す。処理条件は、図3の説明で示したのと同等の
条件を用いている。この場合、処理開始後60分の定常
状態において、放電ONによりプレート115の温度は1
25℃から165℃へと上昇する。すなわち、放電のON
/OFFにともなって、およそ±20℃の温度変動が生じ
ている。このような温度変動が生じているときのプラズ
マおよびプラズマ中のケミストリの状態の変化(あるい
は安定性)をプラズマ発光および放電特性の時間変化に
より調べた結果を図9により説明する。
ズマ発光および放電電圧Bias-Vpp、アンテナバイアスAn
t.-Vdcの時間変化を示す。プラズマ発光は、 CF (23
0.5nm)、CF2 (280 nm)、Ar (419.8 nm)を示
している。発光のCF、CF2はラジカルすなわちプラズマ
中のケミストリの状態を、Arはイオン密度を、それぞれ
示すと考えられる。また、放電電圧Bias-Vppはプラズマ
密度を表している。アンテナバイアスAnt.-Vdcはシリコ
ンプレート115表面でのFスカベンジ反応、すなわち
プラズマケミストリに影響する。図9の結果でわかるよ
うに、発光CF、CF2、Arおよび放電電圧Bias-Vpp、アン
テナバイアスAnt.-Vdcはいずれも放電ON中で安定してお
り、プレート115の温度変動の影響はまったくみられ
ない。このことから、±25℃程度の温度変動に対して
も、プラズマおよびケミストリの状態は安定しているこ
とが確認された。なお、放電OFF直前の変動は試料ウエ
ハの静電吸着を解除する除電ステップによるもので、温
度変動に起因するものではない。
セスの安定性を確認した結果を図10に示す。図10
は、フラットサンプルでのエッチング量およびエッチン
グレートのエッチング時間に対する依存性を測定した結
果である。プレート115の温度変動がエッチング特性
に影響している場合にはエッチング量の線形性やエッチ
ングレートの変動として現れてくることになる。しかし
ながら、図10でわかるように、エッチング量はエッチ
ング時間に比例して増加しており、エッチングレートも
エッチング時間によらずに安定している。これらのこと
から、プレート115の±25℃程度の温度変動に対し
て、プラズマ状態だけでなく、エッチング特性も安定し
ていることが確認できた。
のプロセス安定性を示すものであるが、もちろん1ロッ
ト25枚のウエハを連続処理しても、また数ロットのウ
エハ処理を連続しても、同様に安定したプロセス再現性
が得られることはいうまでもない。さらに本実施例のプ
ラズマエッチング装置により、数1000枚のウエハ連
続処理を酸化膜のホールやSAC(自己整合コンタクト)
プロセスについて実施した結果、放電100時間以上に
わたって、安定して再現性のよいエッチング特性を得ら
れることを確認している。
UHF帯電磁波放射放電方式のプラズマ処理装置の場合で
あり、UHF波の周波数は450 MHzに固定して説明して
きたが、もちろん周波数はこれに限定されるものではな
い。また、放射される電磁波はUHF帯の300 MHzから
1 GHzの以外にも、たとえば2.45 GHzのマイクロ波
や、あるいは数10 MHzから300 MHz程度までのVHF
帯でもよい。また、磁場強度は、450 MHzに対する電
子サイクロトロン共鳴磁場強度である160ガウスの場
合について説明したが、必ずしも共鳴磁場を用いる必要
はなく、これよりも強い磁場やあるいは逆に数10ガウ
ス以下の弱い磁場を用いてもよい。さらには、磁場を用
いない例えば無磁場放電でもよい。また、プロセスガス
の吹き出しはプレート115から行う必要はなく、たと
えば側壁からガスを導入してもよい。さらに、上記以外
にも、たとえば磁場を用いたマグネトロン型のプラズマ
処理装置や平行平板型の容量結合方式プラズマ処理装
置、あるいは誘導結合型のプラズマ処理装置などに、前
記の各実施例を適用できる。
象が半導体ウエハであり、これに対するエッチング処理
の場合であったが、本発明はこれに限らず、例えば処理
対象が液晶基板の場合にも適用でき、また処理自体もエ
ッチングに限らず、たとえばスパッタリングややCVD
処理に対しても適用可能である。
テナに設置されたシリコン製のプレート115に対し
て、Vdc=−10 V〜−300 Vのバイアスを印加し、
温度を100℃以上200℃以下の範囲で±25℃以内
の変動とすることで、プレート115における表面反応
が温度変動によらずに安定するので、プロセス特性の安
定性・再現性にすぐれたプラズマ処理装置およびプラズ
マ処理方法を提供することができる。
ラズマエッチング装置へ適用した、第1の実施例の縦断
面模式図である。
断面模式図である。
評価した結果を示す図である。
す図である。
温度変動を示す図である。
る場合の温度変動を示す図である。
ラズマエッチング装置へ適用した、第2の実施例の縦断
面模式図である。
す図である。
圧、アンテナバイアスの時間変化を示す図である。
ッチングレートのエッチング時間に対する依存性を測定
した結果を示す図である。
室側壁、103…側壁インナーユニット、104…ガス
供給手段、105…真空室、106…真空排気系、11
0…アンテナ、110…円板状導電体、112…誘電
体、113…誘電体リング、115…プレート、116
…温度制御手段、117…ガス供給手段、121…アン
テナ電源、122…アンテナバイアス電源、130…下
部電極、131…静電吸着装置、132…フォーカスリ
ング、133…絶縁体、141…バイアス電源、142
…静電吸着装置、143…絶縁体
Claims (7)
- 【請求項1】真空処理室と、該真空処理室にガスを供給
する処理ガス供給手段と、該真空処理室内で処理される
試料を保持する電極と、前記試料に対向して該真空処理
室に設置されるプラズマ発生装置と、該真空処理室を減
圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置におい
て、 前記プラズマ発生装置は処理室内側に設置されたシリコ
ン製のプレートを有し、該シリコン製のプレートに対し
てVdc=―50V以上―300V以下のバイアス電圧を印
加し、かつ、前記プレートの表面温度を100℃以上2
00℃以下の範囲とすることを特徴とするプラズマ処理
装置。 - 【請求項2】請求項1に記載のプラズマ処理装置におい
て、前記シリコン製のプレートの表面温度の変動を±2
5℃以内とすることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 【請求項3】請求項1ないし2のいずれかに記載のプラ
ズマ処理装置において、前記プラズマ発生装置が300
MHzから1 GHzの有磁場または無磁場UHF帯電磁波放射
放電方式であることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 【請求項4】請求項1ないし3のいずれかに記載のプラ
ズマ処理装置において、前記シリコン製のプレートの抵
抗率を1 Ω・cm以上20 Ω・cm以下の範囲、望ましくは
10 Ω・cm以下、さらに好ましくは5 Ω・cm程度とし、
かつ前記シリコン製のプレートの厚みが5mm以上20mm
以下、望ましくは10mm以下とすることを特徴とするプ
ラズマ処理装置。 - 【請求項5】請求項1ないし4のいずれかに記載のプラ
ズマ処理装置において、 導電体と誘電体を含み前記真空容器の壁の一部を構成す
るアンテナを有し、該アンテナは、、前記導電体のプラ
ズマに接する側の面に前記シリコン製のプレートが設置
され、該導電体は内部を循環する熱媒体により温度が所
定の値に維持される温度制御手段を有することを特徴と
するプラズマ処理装置。 - 【請求項6】真空処理室と、該真空処理室にガスを供給
する処理ガス供給手段と、該真空処理室内で処理される
試料を保持する電極と、前記試料に対向して該真空処理
室に設置されるプラズマ発生装置と、該真空処理室を減
圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置を用いて
試料を処理するプラズマ処理方法において、 前記シリコン製のプレートに対してVdc=―50V以上―
300V以下のバイアス電圧を印加し、かつ、前記プレ
ートの表面温度を100℃以上200℃以下の範囲と
し、前記プラズマ発生装置により発生するプラズマによ
り前記試料を処理することを特徴とするプラズマ処理方
法。 - 【請求項7】真空処理室内に設けられたUHF帯アンテナ
から放射される電磁波と、前記真空処理室の周囲に設置
された磁場形成手段で形成される磁場との相互作用によ
り、前記真空処理室内部にプラズマを発生して試料を処
理するプラズマ処理方法において、 前記試料に対向して前記アンテナに設置されたシリコン
製のプレートに対して、Vdc=−10 V〜−300 Vの
バイアスを印加し、該シリコン製のプレートの抵抗率を
1Ω・cm以上10 Ω・cm以下として内部抵抗による自己
発熱で昇温させて前記プレートの温度を100℃以上2
00℃以下の範囲で±25℃以内に制御し、前記プラズ
マにより前記試料を処理することを特徴とするプラズマ
処理方法。
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