JP2001358130A

JP2001358130A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2001358130A
Application number: JP2000181163A
Authority: JP
Inventors: Akito Kawachi; 昭人河内; Hidetsugu Setoyama; 英嗣瀬戸山; Koji Ishiguro; 浩二石黒
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2001-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】電荷の蓄積に伴う放電を防止すること。【解決手段】基板３６を支持する基板ホルダ３８の周
囲を覆う基板ホルダカバー４６内に電極５８、６０を設
置し、電極５８、６０間に、開閉器６４を介して、電圧
発生器６６からパルス電圧１００または高周波電圧１０
１を印加し、Ｃ１、Ｃ２のインピーダンスを小さくする
ことで、基板ホルダカバー４６の表面に蓄積された電荷
をＣ１、Ｃ２を通して除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理装置
に係り、特に、半導体製造工程において、プラズマエッ
チング、イオンドーピング、プラズマＣＶＤ成膜、スパ
ッタ成膜など、プラズマを用いてウエハなどの被処理物
に処理を施すに好適なプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ウエハなどの基板にプラズマ処理
を施すプラズマ処理装置においては、プラズマ処理室を
形成する真空容器内に基板を配置するとともに基板を基
板ホルダで保持し、基板ホルダまたは基板ホルダ内の電
極に高周波電圧を印加することが行なわれている。基板
ホルダなどに高周波電圧を印加すると、プラズマ中の正
イオンよりも動きの速い電子が基板に引き付けられて負
のセルフバイアス電圧が発生する。この負のセルフバイ
アス電圧により、プラズマ中の正イオンには方向性が与
えられるので、方向性を有する正イオンが基板中に入射
させることで、基板に緻密な膜を形成したり、高アスペ
クト比の層間絶縁膜などを形成したりすることができ
る。

【０００３】プラズマの雰囲気中でウエハなどの基板に
プラズマによる処理を行っているときには、真空容器内
のものはプラズマにさらされることになる。このため、
基板ホルダを固定するための基板ホルダ固定部がアルミ
ニウムなどで構成されていると、イオンによる衝撃によ
りスパッタを生じ、スパッタによる金属が基板ホルダに
当たって基板ホルダが損傷したり、スパッタによる金属
が基板に混入して金属汚染が発生することがある。この
ため、基板ホルダ固定部を、アルミナなどの絶縁物で構
成されたカバーで覆う構成が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、プラズマ処理装
置は、処理対象である基板のサイズの大型化に伴って大
型化しつつある。例えば、従来、８インチサイズのウエ
ハであったのに対して、１２インチサイズのウエハを処
理する装置が計画されている。このように、基板サイズ
が大型化した場合、次のような問題点が発生することが
判明した。ここで、プラズマ処理装置として、配線間の
層間絶縁膜形成を行うバイアスＥＣＲプラズマＣＶＤ装
置を用いたときについて説明する。

【０００５】一般に配線間の埋込成膜を行うときには、
高周波電圧を基板ホルダに印加し、基板に負のセルフバ
イアス電圧を発生させるようになっている。基板に負の
セルフバイアス電圧が発生すると、プラズマ中の正イオ
ンに方向性を与えることができ、数１０Ｖ〜数１００Ｖ
程度からなる大きなエネルギーでアルゴンなどのガスを
基板に入射させることが可能になる。その結果、スパッ
タ効率が向上し、処理ガスによる成膜とアルゴンガスの
入射によるエッチング（成膜した部分を叩くエッチン
グ）を同時に行うことができるので、高速で、高アスペ
クト比の層間絶縁膜の形成が可能になる。

【０００６】ところで、基板ホルダ固定部を覆うための
カバーは、絶縁物であるアルミナで製作されているた
め、プラズマにさらされるとカバー自身の静電容量によ
り電荷が蓄積される。また同様に、プラズマ処理室内の
アルミナなど絶縁物で構成されたものについても電荷が
蓄積される。

【０００７】上記従来技術においては、アルミナ製のカ
バーなど、プラズマ処理室内のアルミナなど絶縁物に蓄
積される電荷について配慮されておらず、絶縁物に電荷
が蓄積されると、絶縁物と基板、基板ホルダ固定部間の
電位差により、放電が発生し、放電に伴って異物が発生
したり、異物が基板内に混入して金属汚染が発生したり
することがある。

【０００８】本発明の目的は、電荷の蓄積に伴う放電を
防止することができるプラズマ処理装置を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、被処理物を収納するとともにガスを収納
する真空容器内にプラズマを生成し、前記被処理物に対
してプラズマによる処理を施すプラズマ処理装置におい
て、前記真空容器に配置されて前記プラズマに晒される
もののうち絶縁物で構成されたものに蓄積された電荷を
除去する電荷除去手段を備えてなることを特徴とするプ
ラズマ処理装置を構成したものである。

【００１０】また、被処理物を収納するとともにガスを
収納する真空容器内にプラズマを生成してプラズマによ
る処理を被処理物に施すものにおいて、真空容器に配置
されてプラズマに晒されるもののうち絶縁物で構成され
たものに、パルス電圧または高周波電圧の印加により、
絶縁物に蓄積された電極を除去する複数の電極を設ける
構成を採用することもできる。

【００１１】また、本発明は、被処理物を収納するとと
もに前記被処理物に対して処理を施すプラズマ処理室を
形成する真空容器と、前記真空容器内に配置されて前記
被処理物を保持する保持手段と、前記真空容器内にガス
を導入するガス導入手段と、前記プラズマ処理室内にプ
ラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内
に配置されて前記保持手段の周囲を覆う保護手段と、前
記ガス導入手段と前記保護手段のうち絶縁物で構成され
たものに蓄積された電荷を除去する電荷除去手段とを備
えてなるプラズマ処理装置を構成したものである。

【００１２】前記プラズマ処理装置のうち電荷除去手段
を有するものを構成するに際しては、以下の要素を付加
することができる。

【００１３】（１）前記電荷除去手段は、前記絶縁物内
に設けられた複数の電極と、前記複数の電極にパルス電
圧または高周波電圧を印加する電圧発生器とから構成さ
れてなる。

【００１４】（２）前記複数の電極間の電圧を計測する
電圧計を備えてなる。

【００１５】（３）前記複数の電極間の電圧を計測する
電圧計と、前記複数の電極と前記電圧発生器とを結ぶ回
路を開閉する開閉器とを備え、前記開閉器は前記電圧計
の計測による電圧が設定電圧以上になったことを条件に
回路を閉じてなる。

【００１６】また、本発明は、被処理物であるウエハに
処理を施すプラズマ処理装置として、前記いずれかのプ
ラズマ処理装置を半導体製造行程に用いて半導体製造装
置とすることもできる。

【００１７】前記した手段によれば、真空容器に配置さ
れてプラズマに晒されるもののうち絶縁物で構成された
ものに蓄積された電荷を除去するようにしたため、絶縁
物に蓄積された電荷に伴って放電が発生するのを防止す
ることができ、放電に伴って異物が被処理物に混入した
り、被処理物が金属によって汚染されたりするのを防止
することができる。さらに、蓄積された電荷に伴う放電
を防止できるため、被処理物や被処理物を保持するもの
が損傷するのを防止することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す
プラズマ処理装置の全体構成を示す断面図である。図１
において、プラズマ処理装置１０は、真空容器として、
円筒形状の側壁１２、側壁１２の上部側を閉塞する天板
１４、側壁１２の底部側に絶縁物１６を介して連結され
た円筒形状のベースプレート１８を備えており、真空容
器内にプラズマ処理室２０が形成され、ベースプレート
１８が真空排気装置２２に接続されてプラズマ処理室２
０内が真空排気されている。

【００１９】側壁１２の中ほどにはほぼ円筒状の導波部
２４が側壁１２と一体となって形成されており、導波部
２４には、マイクロ波発生器（図示省略）からマイクロ
波が導入されるようになっている。この導波部２４内に
は、石英で構成されてマイクロ波を透過するマイクロ波
透過窓２６が挿入され、真空を封止するようになってい
る。さらに導波部２４の外周側には複数の永久磁石２８
が固定されており、天板１４の外周側には永久磁石３０
が複数個分散して配置されている。そして、マイクロ波
発生器から、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波
部２４、マイクロ波透過窓２６を介してプラズマ処理室
２０内に導入されると、導波部２４の上下に配置された
永久磁石２８によって形成される磁場強度８７５Ｇａｕ
ｓｓの電子サイクロトロン共鳴磁場により電子が生成加
熱され、電子との衝突によりプラズマ処理室２０内にプ
ラズマが生成されるようになっている。生成されプラズ
マは、永久磁石３０の磁力線に沿ってプラズマ処理室２
０内に拡散する。すなわち、導波部２４、マイクロ波透
過窓２６、永久磁石２８、３０はプラズマ生成手段の１
要素として構成されている。

【００２０】側壁１２の底部側には円環状のガス導入リ
ング３２が配設されており、ガス導入リング３２の内周
側には複数のガス導入管３４が分散して配置されてい
る。ガス導入リング３２、ガス導入管３４はガス導入手
段として構成されており、プラズマ処理室２０内には、
ガス導入リング３２、ガス導入管３４を介して、処理ガ
スとして、例えば、ＳｉＨ_４が導入されるようになって
いる。またプラズマ処理室２０内には、他のガス導入手
段として、プラズマ処理室２０内にＯ_２、Ａｒなどのガ
スを導入するガス導入管（図示省略）が設けられてい
る。プラズマ処理室２０内にプラズマが生成されている
ときに、ＳｉＨ_４、Ｏ_２、Ａｒなどのガスが導入される
と、電離プラズマがＳｉＨ_４と反応し、解離して生成さ
れたＳｉＨ_３、ＳｉＨ_２などのラジカル作用によって反
応生成物として、例えばＳｉＯ_２が生成され、この反応
生成物が、被処理物としての基板３６に堆積するように
なっている。

【００２１】基板３６はウエハで構成されて円盤形状に
形成されており、この基板３６は基板ホルダ３８上に載
置されている。基板ホルダ３８は、基板３６とほぼ同じ
大きさの円盤形状に形成されており、基板ホルダ固定部
４０上に接着によって固定されている。基板ホルダ固定
部４０は基板ホルダ３８よりも大きい円盤形状に形成さ
れており、絶縁物４２を介して基板ホルダ支持材４４に
ボルトなどを用いて固定されている。基板ホルダ支持材
４４は、その一端がベースプレート１８の側壁に固定さ
れて、基板３６、基板ホルダ３８、基板ホルダ固定部４
０、絶縁物４２全体を支持するようになっている。さら
に基板ホルダ３８の周囲、基板ホルダ固定部４０全体を
覆う基板ホルダカバー４６が基板ホルダ支持材４４に固
定されている。基板ホルダカバー４６は、例えば、アル
ミナを用いて構成されており、アルミニウムを用いて構
成された基板ホルダ固定部４０にＡｒなどのイオンが混
入して基板ホルダ固定部４０がスパッタされ、基板ホル
ダ固定部４０から異物が発生するのを防止するための保
護手段として構成されている。基板ホルダ固定部４０内
には基板ホルダ３８に対応した領域に複数の高周波電極
４８が分散して配置されている。各高周波電極４８は、
周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を発生する高周波
電源５０に接続されている。なお、各高周波電極４８を
基板ホルダ３８内に内蔵することも可能である。

【００２２】基板ホルダ支持材４４の底部側にはほぼＬ
字型に形成され基板昇降部５２が昇降自在に配置されて
いる。この基板昇降部５２と接触してカム５４が回転自
在に配置されている。このカム５４はパイプ５６を介し
て、ベースプレート１８外に配置されたエアシリンダ
（図示省略）に接続されており、エアシリンダからのエ
アにしたがってカム５４が回転するようになっている。
そしてカム５４の回転に応じて基板昇降部５２が鉛直方
向に沿って昇降するようになっている。また、基板昇降
部５２の上部側は、基板ホルダ固定部４０、基板ホルダ
３８に昇降自在に配置された複数のピン（図示省略）に
連結されており、各ピンは基板昇降部５２の昇降に応じ
て昇降するようになっている。基板昇降部５２が上昇し
たときには複数のピンに支持された状態で基板３６が基
板ホルダ３８から離れて上方に移動し、基板昇降部５２
が下降したときには、各ピンに支持された基板３６が下
降して基板ホルダ３８上に配置されるようになってい
る。

【００２３】また、基板ホルダカバー４６内には、図２
に示すように、複数の電極５８、６０が内蔵されてい
る。各電極５８、６０は基板ホルダ３８の周囲に渡って
ほぼ円環状に配置されており、電極５８はリード線６
０、開閉器６４を介して電圧発生器６６に接続され、電
極６０は接地されている。またリード線６２には電極５
８、６０間の電圧を計測する電圧計６８が接続されてい
る。電圧発生器６６は、開閉器６４が閉じたときに、パ
ルス電圧１００または高周波電圧１０１を電極５８、６
０間に印加するようになっている。すなわち、電極５
８、６０、開閉器６４、電圧発生器６６は、基板ホルダ
カバー４６内に蓄積され電荷を除去する電荷除去手段の
１要素として構成されている。

【００２４】また、図３および図４に示すように、ガス
導入リング３２、カム５４を絶縁物で構成した場合、ガ
ス導入リング３２、カム５４内にそれぞれ電極５８、６
０を設け、電極６０を接地し、電極５８を開閉器６４を
介して電圧発生器６６に接続し、電極５８、６０間の電
圧が設定電圧以上になったときに、電圧発生器６６から
電極５８、６０間にパルス電圧１００または高周波電圧
１０１を印加するようになっている。

【００２５】上記構成において、導波部２４からマイク
ロ波透過窓２６を介してプラズマ処理室２０内にマイク
ロ波が入射されると、永久磁石２８が形成する電子サイ
クロトロン共鳴磁場により電子が生成加熱され、この電
子との衝突によりプラズマ処理室２０内にプラズマが生
成される。そして電離プラズマがプラズマ処理室２０内
のガス、例えば、ＳｉＨ_４と反応し、解離して生成され
たＳｉＨ_３、ＳｉＨ_２などのラジカル作用で、反応生成
物としてＳｉＯ_２が基板３６上に堆積され、基板３６上
に、例えば、層間絶縁膜が形成される。このとき、電子
サイクロトロン共鳴により放出され高エネルギーの電子
は、このラジカルへの解離を促進させるように作用す
る。さらに、高周波電極４８に高周波電圧を印加するこ
とで、基板３６に負のバイアス電位が与えられ、プラズ
マ中の正イオン（Ａｒ）に方向性を与えるとともに、基
板３６の成膜面への正イオンの衝撃により緻密な膜を形
成させ、高速で高アスペクト比の埋め込み成膜処理を行
うことができる。

【００２６】ところで、プラズマ処理室２０内の基板ホ
ルダカバー４６、ガス導入リング３２、基板昇降用のカ
ム５４を絶縁物で構成した場合、その静電容量により電
荷が蓄積される。このため、そのままにすると、絶縁物
と基板３６、基板ホルダ固定部４０間の電位差により放
電が発生し、放電に伴って異物が発生したり、異物が基
板３６に混入する金属汚染が発生したりすることにな
る。

【００２７】そこで、本実施形態においては、図２ない
し図４に示すように、基板ホルダカバー４６、ガス導入
リング３２、カム５４にそれぞれ電極５８、６０を設
け、電圧計６８の計測による電圧が一定値以上になった
とき、あるいは任意の時間に開閉器６４を閉じて電圧発
生器６６から電極５８、６０間にパルス電圧１００また
は高周波電圧１０１を印加し、基板ホルダカバー４６、
ガス導入リング３２、カム５４に蓄積された電荷を除去
することとしている。ここで、Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ
基板ホルダカバー４６表面と電極５８間、２枚の電極５
８、６０間の静電容量を示し、Ｃ３、Ｃ４は、それぞれ
ガス導入リング３２表面と電極５８間、２枚の電極５
８、６０間の静電容量を示し、Ｃ５、Ｃ６は、それぞれ
カム４５表面と電極５８、２枚の電極５８、６０間の静
電容量を示す。

【００２８】次に、基板ホルダカバー４６、ガス導入リ
ング３２、カム５４に電荷が蓄積されたときに、電極５
８、６０間にパルス電圧１００または高周波電圧１０１
を印加することで電荷が除去できる理由について説明す
る。図５は、基板ホルダカバー４６に電荷が蓄積された
ときの電気的等価回路を示す。

【００２９】プラズマ処理中、プラズマに晒される基板
ホルダ４６には、静電容量Ｃ１により電荷が蓄積され
る。静電容量Ｃ１に蓄積される電荷量Ｑは、電圧計６８
の計測による電圧値Ｖにより、Ｑ＝Ｃ１Ｖで与えられ
る。ここで、Ｑが一定の電荷量を超えたとき、すなわ
ち、電圧値Ｖが一定値以上あるいは一定値を超えたとき
に、電圧の周波数ｆが大となる立上りの急峻なパルス電
圧１００または高周波電圧１０１を電極５８、６０間に
印加する。この結果、Ｃ１、Ｃ２のインピーダンスは、
それぞれ１／ｊωＣ１、１／ｊωＣ２（ただし、ω＝２
πｆ）で与えられるため、高周波数の電圧印加によって
Ｃ１、Ｃ２のインピーダンスを小さくすることができ
る。Ｃ１、Ｃ２のインピーダンスが小さくなると、プラ
ズマ処理中に基板ホルダカバー４６の表面に蓄積された
電荷を、Ｃ１、Ｃ２を通して除去することが可能にな
る。また同様に、ガス導入リング３２に蓄積された電荷
をＣ３、Ｃ４を通して除去することができ、カム５４の
表面に蓄積された電荷をＣ５、Ｃ６を通して除去するこ
とができる。

【００３０】また、前記実施形態においては、基板ホル
ダカバー４６、ガス導入リング３２、カム５４に電極５
８、６０を設けて電荷を除去するものについて述べた
が、他の要素でも絶縁物で電荷が蓄積されるものには電
極５８、６０を設け、電極間にパルス電圧１００または
高周波電圧１０１を印加することで電荷を除去すること
ができる。

【００３１】このように、本実施形態においては、基板
ホルダカバー４６、ガス導入リング３２、カムなどプラ
ズマ処理室２０内の絶縁物に電極５８、６０を設置し、
これら電極間にパルス電圧１００または高周波電圧１０
１を印加することによって、絶縁物に蓄積された電荷を
除去するようにしたため、絶縁物と導体部（基板３６）
間の放電を防止することができる。これにより、放電に
伴って異物が発生したり、異物が基板３６に混入する金
属汚染が発生したるするのを防止することが可能にな
る。

【００３２】また、放電を防止することにより、基板ホ
ルダ３８や基板３６が損傷するのを防止することができ
る。

【００３３】さらに、本発明は、プラズマエッチング装
置、スパッタ成膜装置など、高周波電源を用いたプラズ
マ処理装置に適用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
真空容器に配置されてプラズマに晒されるもののうち絶
縁物で構成されたものに蓄積された電荷を除去するよう
にしたため、絶縁物に蓄積された電荷に伴って放電が発
生するのを防止することができ、放電に伴って異物が被
処理物に混入したり、被処理物が金属によって汚染され
たりするのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すプラズマ処理装置の
全体構成を示す断面図である。

【図２】基板ホルダと基板ホルダカバーの構成を示す断
面図である。

【図３】ガス導入リングの要部拡大断面図である。

【図４】基板昇降用カムの構成を示す要部断面図であ
る。

【図５】基板ホルダカバーの電気的等価回路図である。

【符号の説明】

１０プラズマ処理装置１２側壁１４天板１６絶縁物１８ベースプレート２０プラズマ処理装置２２真空排気装置２４導波部２６マイクロ波透過窓２８、３０永久磁石３２ガス導入リング３４ガス導入間３６基板３８基板ホルダ４０基板ホルダ固定部４２絶縁物４４基板ホルダ支持材４６基板ホルダカバー４８高周波電極５０高周波電源５２基板昇降部５４基板昇降用カム５６パイプ５８、６０電極６２リード線６４開閉器６６電圧発生器６８電圧計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石黒浩二茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分事業所内Ｆターム(参考） 4K029 CA05 DC28 DC29 DC35 4K030 FA02 GA02 JA17 KA14 KA28 KA39 KA41 5F004 AA16 BB12 BB13 BB23 CA03 CA05 CB05 5F045 EH20 EM03 GB15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理物を収納するとともにガスを収納
する真空容器内にプラズマを生成し、前記被処理物に対
してプラズマによる処理を施すプラズマ処理装置におい
て、前記真空容器に配置されて前記プラズマに晒される
もののうち絶縁物で構成されたものに蓄積された電荷を
除去する電荷除去手段を備えてなることを特徴とするプ
ラズマ処理装置。
【請求項２】被処理物を収納するとともにガスを収納
する真空容器内にプラズマを生成し、前記被処理物に対
してプラズマによる処理を施すプラズマ処理装置におい
て、前記真空容器に配置されて前記プラズマに晒される
もののうち絶縁物で構成されたものに、パルス電圧また
は高周波電圧の印加により前記絶縁物に蓄積された電荷
を除去する複数の電極を設けてなることを特徴とするプ
ラズマ処理装置。
【請求項３】被処理物を収納するとともに前記被処理
物に対して処理を施すプラズマ処理室を形成する真空容
器と、前記真空容器内に配置されて前記被処理物を保持
する保持手段と、前記真空容器内にガスを導入するガス
導入手段と、前記プラズマ処理室内にプラズマを生成す
るプラズマ生成手段と、前記真空容器内に配置されて前
記保持手段の周囲を覆う保護手段と、前記ガス導入手段
と前記保護手段のうち絶縁物で構成されたものに蓄積さ
れた電荷を除去する電荷除去手段とを備えてなるプラズ
マ処理装置。
【請求項４】前記電荷除去手段は、前記絶縁物内に設
けられた複数の電極と、前記複数の電極にパルス電圧ま
たは高周波電圧を印加する電圧発生器とから構成されて
なる請求項１または３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記複数の電極間の電圧を計測する電圧
計を備えてなる請求項４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】前記複数の電極間の電圧を計測する電圧
計と、前記複数の電極と前記電圧発生器とを結ぶ回路を
開閉する開閉器とを備え、前記開閉器は前記電圧計の計
測による電圧が設定電圧以上になったことを条件に回路
を閉じてなる請求項４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】被処理物であるウエハに処理を施すプラ
ズマ処理装置として請求項１乃至６のうちいずれか１項
に記載のプラズマ処理装置を半導体製造工程に用いてな
る半導体製造装置。