JP2002222798A - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
に発生する直流電圧を、基板Wが置かれる第1の電極3
1に導く導通手段45を有する。これにより、直流電圧
が基板Wの表面及び裏面のいずれにも印加されることに
なるので、基板の両面が同電位となる。したがって、基
板Wの両面に大きな電位差が発生することによって起こ
る素子の破壊を防止できる。
Description
て所定の処理を行うプラズマ処理装置に関する。
イの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成
長、エッチング、またアッシング等の処理を行うため
に、プラズマ処理装置が多用されている。このプラズマ
処理装置の1つに、平行平板型と呼ばれるものがある。
以下、従来の平行平板型プラズマ処理装置について、こ
れをエッチング装置に適用した場合を例にして説明す
る。
例を示す図である。図10(a)に示すように、このエ
ッチング装置では、気密に閉塞自在な処理容器111の
内部が処理室112となっている。処理容器111の底
部には、処理室112内を所定の真空度に排気するため
の排気口113が設けられ、処理容器111の側壁に
は、処理室112内にプロセスガスを供給するためのガ
ス供給ノズル114が設けられている。処理室112内
には、一対の平行平板電極を構成する上部電極121と
サセプター131とが配置されている。上部電極121
には、プラズマを生成するための電力を供給する高周波
電源124が、給電棒122を介して接続されている。
なお、給電棒122にはマッチャー123が介装されて
いる。
131と上部電極121との間にバイアスを印加するた
めの電力を供給する高周波電源134が、給電棒132
を介して接続されている。なお、給電棒132にはマッ
チャー133が介装されている。また、サセプター13
1の載置面には静電チャック141が設けられている。
図10(b)に示すように、静電チャック141は、2
枚の絶縁フィルム141A,141B間に導電膜141
Cを挟み込んだ構成をしている。静電チャック141の
導電膜141Cは、処理容器111の外部に設けられた
可変直流高圧電源142に接続されている。さらに、サ
セプター131の載置面の周縁部には、静電チャック1
41を囲むように、環状のフォーカスリング143が設
けられている。
用の電源134に至る立体回路の回路図である。この図
において、C1 はプラズマバルクPの周囲のイオンシー
スSHにできる容量、C2 はウェーハW上に形成された
ゲート酸化膜にできる容量、C3 はウェーハWと静電チ
ャック141との隙間にできる容量、C4 ,C5 は静電
チャック141の絶縁フィルム141A,141Bにで
きる容量を示している。また、RはウェーハWの抵抗、
W′はウェーハW上に形成された素子又は配線を示して
いる。また、図12は、図11に示した立体回路の各部
における電圧変化を示す図である。ここで、図12
(a)はマッチャー133の高周波電源134側(図1
1のa点)の電圧変化、図12(b)はマッチャー13
3のサセプター131側(図11のb点)の電圧変化、
図12(c)はウェーハWの表面であるエッチング面
(図11のc点)の電圧変化をそれぞれ示している。
子とイオンの移動度の違いにより、イオンシースSHの
表面に負の直流電圧Vdcが発生する。この直流電圧Vdc
の値は、プロセス条件によっても異なるが、例えば−7
00V程度となることがある。この場合、バイアス用の
電源134から例えば図12(a)に示すように振幅7
50Vの交流電圧が出力されると、ウェーハWのエッチ
ング面(c点)の電圧は図12(c)に示すように、上
記交流電圧に直流電圧Vdcが重畳した電圧となる。しか
し、マッチャー133のサセプター131側(b点)の
電圧は、図12(b)に示すように電源134側とほぼ
同じであり、マッチャー133の両端間には直流電圧が
ほとんどかかっていないことが分かる。したがって、直
流電圧Vdcのほどんどは、ウェーハWから静電チャック
141にかかっていると言える。ここで、ウェーハWの
容量C2 は静電チャック141の容量C4 ,C5 と比較
して十分小さいので、ウェーハWの表裏には相当大きな
電圧がかかっていると言える。
Wの表裏に大きな電位差が発生すると、ウェーハW上に
形成されたゲート酸化膜等がダメージを受け、素子が破
壊される原因となる。この問題はプラズマ処理装置をエ
ッチング装置に適用した場合に限らず、プラズマ処理装
置に共通の問題である。本発明はこのような課題を解決
するためになされたものであり、その目的は、ウェーハ
W等の基板の表裏にかかる電位差を小さくすることにあ
る。
るために、本発明のプラズマ処理装置は、所定の真空度
を維持する容器と、この容器内にプラズマを生成するた
めのプラズマ源と、容器内に配置されプラズマによる処
理がなされる基板が置かれる第1の電極と、この第1の
電極における基板が置かれる載置面の周縁部に配置され
たフォーカスリングと、プラズマが生成されたときにイ
オンシースに発生する直流電圧を第1の電極に導く導通
手段とを備えたことを特徴とする。プラズマが生成され
たときに発生する直流電圧を第1の電極に導くことによ
り、その直流電圧が基板の表面及び裏面のいずれにも印
加されることになるので、基板の両面が同電位となる。
ここで、プラズマ源を、第1の電極と、容器内で第1の
電極に対向配置された第2の電極のうち、プラズマを生
成する第1の電力が供給される電極で構成してもよい。
この場合、いわゆる平行平板型のプラズマ処理装置とな
る。
ときにプラズマが存在する空間に一端が露出すると共に
他端が第1の電極に電気的に接続された導電性を有する
部材により構成してもよい。この場合、フォーカスリン
グに、前記プラズマが存在する空間と第1の電極とを連
通する貫通孔を形成し、この貫通孔に導電性を有する部
材を挿入するようにしてもよい。また、第1の電極の側
面に延在する絶縁材料で形成されたインシュレータを更
に備え、このインシュレーターに、前記プラズマが存在
する空間と第1の電極とを連通する貫通孔を形成し、こ
の貫通孔に導電性を有する部材を挿入するようにしても
よい。また、導電性を有する部材の一端は、基板の材料
を主成分とする材料で形成されてもよい。これにより、
容器内の汚染を抑制できる。
成された第1の電極側の面と第2の電極側の面との間を
貫通する貫通孔により構成し、この貫通孔に面する第1
の電極上の領域は導電性を有するようにしてもよい。こ
こで、フォーカスリングに形成された貫通孔に面する第
1の電極上の領域は、基板に含まれる材料を主成分とす
る材料で形成されてもよい。これにより、容器内の汚染
を抑制できる。
れ、導通手段は、フォーカスリングと第1の電極とが電
気的に接続されることにより構成してもよい。ここで、
フォーカスリングと第1の電極との間に、直流電圧の透
過量を調整するフィルタを介在させてもよい。このフィ
ルタを調整することにより、フォーカスリングに印加さ
れた直流電圧の値を所望の値に調整して、基板の裏面に
与えることができる。また、第2の電力を第1の電極に
供給する電源を更に備え、フィルタは、第2の電力の通
過位相を調整して、第2の電力の位相を基板とフォーカ
スリングとの間で一致させる機能を有していてもよい。
これにより、第1及び第2の電極間の全域に均一なバイ
アスを印加することができる。
実施の形態を詳細に説明する。ここでは、本発明による
プラズマ装置をエッチング装置に適用した場合を例にし
て説明する。 (第1の実施の形態)図1は、本発明の第1の実施の形
態であるエッチング装置の構成を示す図である。また、
図2は、このエッチング装置の一部構成を拡大して示す
断面図である。
装置では、気密に閉塞自在な円筒形状の処理容器11の
内部が処理室12となっている。処理容器12はアルミ
ニウム等の導電材料で形成され、接地されている。処理
容器11の底部には、真空ポンプ(図示せず)に通ずる
排気口13が設けられており、処理室11内を所望の真
空度にすることができる。また、処理容器11の側壁に
は、処理室12内にAr,O2 ,C4H8等のプロセスガ
スを供給するガス供給ノズル14が設けられている。処
理室12内には、一対の平行平板電極を構成する第1の
電極としてのサセプター31と、第2の電極としての上
部電極21とが対向配置されている。サセプター31及
び上部電極21は、例えばアルミニウムで形成されてい
る。
波電源24が接続されている。この高周波電源24は、
処理室12内にプラズマを生成するための第1の電力を
供給する電源であり、周波数が10MHz以上で電力値
が数kW程度の電力を出力するものであればよい。ここ
では周波数が60MHz、電力値が2kWの電力を出力
するものとする。また、給電棒22の途中には、高周波
電源24と上部電極21とのインピーダンスを整合させ
るマッチャー23が介装されている。
して高周波電源34が接続されている。この高周波電源
34は、サセプター31と上部電極21との間にバイア
スを印加するための第2の電力を供給する電源である。
この第2の電力は、プラズマ励起用の第1の電力の周波
数よりも実質的に低い周波数で、電力値が数kW程度で
あればよい。ここでは周波数が2MHz、電力値が1.
5kWの電力であるとする。また、給電棒32の途中に
は、高周波電源34とサセプター31とのインピーダン
スを整合させるマッチャー33が介装されている。マッ
チャー23,33は例えば可変コンデンサで構成され
る。
ラミック等の絶縁材料で形成されたインシュレーター4
4を介して、処理容器11の底部に固定されている。こ
のインシュレータ44をサセプター31の側部に延在さ
せることにより、サセプター31の側方にプラズマが存
在できる空間が小さくなるので、上部電極21とサセプ
ター31との間の空間に効率よくプラズマを生成でき
る。
ャック41が設けられている。図1(b)に示すよう
に、静電チャック41は例えば、2枚の高分子ポリイミ
ドフィルム41A,41B間に、銅箔等の導電膜41C
を絶縁状態で挟み込んだ構成をしている。静電チャック
41の導電膜41Cは、処理容器11の外部に設けられ
た可変直流高圧電源42に接続されている。この電源4
2から導電膜41Cに高電圧を印加することにより、静
電チャック41の上面にウェーハ(基板)Wを静電力で
吸着保持することが可能となる。
面の周縁部には、静電チャック41を囲むように、環状
のフォーカスリング43が配置されている。フォーカス
リング43は、ウェーハWが載置されたときに、ウェー
ハWの上面がフォーカスリング43の上面と同じ高さに
なるように形成されている。プラズマはウェーハWのエ
ッジに集中する傾向にあるが、フォーカスリング43を
ウェーハWと見立てることで、プラズマがウェーハWの
エッジに集中することを抑制し、ウェーハWの全域でプ
ラズマをより均一に分布させることができる。フォーカ
スリング43は、処理室12内を汚染しないように、ウ
ェーハWの材料を主成分とする材料で形成される。例え
ばウェーハWがSiウェーハである場合、フォーカスリ
ング43はSi,SiO2 等で形成される。なお、フォ
ーカスリング43は導電性の有無を問わない。
面との間を貫通するネジ穴(貫通孔)が形成され、この
ネジ穴に対応するサセプター31上の位置にもネジ穴が
形成されている。これらのネジ穴にネジ45を通すこと
により、フォーカスリング43はサセプター31に固定
される。ネジ45についても、フォーカスリング43と
同様に、処理室12内を汚染しない材料で形成する必要
がある。したがって、例えばウェーハWがSiウェーハ
である場合には、Siにドープして導電性をもたせたも
のが使用される。あるいは、金属製のネジの表面をSi
で覆ったものを使用してもよい。少なくとも、プラズマ
と接触するネジ頭(ネジ45の一端)が、ウェーハWの
材料を主成分とする材料で形成されていればよい。
の動作について簡単に説明する。まず、ウェーハWを静
電チャック41上に固定した状態で、処理室12内を
2.7Pa程度の真空度にする。この真空度を維持しつ
つ、ガス供給ノズル14から処理室12内に、Ar,O
2 ,C4F8をそれぞれ400sccm,10sccm,8sccm,
の流量で導入する。この状態でプラズマ励起用の電源2
4から周波数が60MHz、電力値が2kWの電力を上
部電極21に供給すると、上部電極21とサセプター3
1との間の空間で放電が起こり、この放電によりAr,
O2 が電離してプラズマが生成される。
が2MHz、電力値が1.5kWの電力(電圧振幅75
0V)をサセプター31に供給して、上部電極21とサ
セプター31との間にバイアスを印加することにより、
プラズマのエネルギー及び異方性を制御しつつ、ウェー
ハWをエッチングをすることができる。一方、サセプタ
ー31及び上部電極21の電位はプラズマバルクPの電
位よりも低いので、サセプター31及び上部電極21は
プラズマバルクP中のイオンを引き寄せて電子を引き離
すように作用する。この結果、プラズマバルクPの周縁
に電界を伴ったイオンの層ができる。この層をイオンシ
ースSHという。このとき、イオンシースSHの表面
に、−700V程度の直流電圧Vdcが発生する。
の電源34に至る立体回路の回路図である。この図で
は、図11に相当する部分を同一符号で示している。図
3が図11と異なるのは、直流電圧Vdcをサセプター3
1に導く導通手段を有しているところである。この導通
手段は、フォーカスリング43をサセプター31に固定
するネジ45により構成される。このネジ45の一端
は、プラズマが生成されたときにプラズマの存在する空
間に露出し、他端はサセプター31に電気的に接続され
ている。このため、直流電圧Vdcはネジ45を介してサ
セプター32に与えられる。
ける電圧変化を示す図である。ここで、図4(a)はマ
ッチャー33の高周波電源34側(図3のa点)の電圧
変化、図4(b)はマッチャー33のサセプター31側
(図3のb点)の電圧変化、図4(c)はウェーハWの
表面であるエッチング面(図3のc点)の電圧変化をそ
れぞれ示している。上述したように、プラズマが生成さ
れると、−700V程度の直流電圧Vdcが発生する。こ
の直流電圧VdcはウェーハWのエッチング面に印加され
る(図4(c))と共に、ネジ45を介してサセプター
32にも印加される(図4(b))。これにより、ウェ
ーハWのエッチング面と裏面とが同電位となるので、両
面に大きな電位差が発生することによって起こる素子の
破壊を防止できる。なお、図1に示したエッチング装置
では、上部電極21にプラズマ励起用の第1の電力を供
給し、サセプター32にバイアス用の第2の電力を供給
するようにしたが、これとは逆に、サセプター32にプ
ラズマ励起用の第1の電力を供給し、上部電極21にバ
イアス用の第2の電力を供給するようにしてもよい。
2の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大
して示す断面図である。この図は、第1の実施の形態に
おける図2に相当するものであり、図2と同一部分又は
相当部分を同一符号で示している。インシュレーター4
4には、外周と内周との間を貫通する貫通孔が形成さ
れ、この貫通孔に対応するサセプター31側面の位置に
も孔が形成されている。これらの孔に導体線46を通
し、その一端をインシュレータ44の外部に露出させ、
他端をサセプター31に電気的に接続させる。この導体
線46も、図2に示したネジ45と同様に、処理室12
内の汚染防止を考慮して作成される。
サセプター31に導く導通手段を、インシュレーター4
4及びサセプター31の孔に挿入された導体線46で構
成している。上部電極21とサセプター31との間で生
成されたプラズマは、処理室12内に拡散し、インシュ
レーター44の外周に沿った領域にも存在する。この領
域のプラズマから導体線46を介してサセプター31に
直流電圧Vdcが与えられる。よって、ウェーハWの表裏
が同電位となるので、図1,図2に示したエッチング装
置と同様に、ウェーハWに形成された素子の破壊を防止
できる。
3の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大
して示す断面図である。この図は、第1の実施の形態に
おける図2に相当するものであり、図2と同一部分又は
相当部分を同一符号で示している。フォーカスリング4
3には、その上面と下面との間を貫通する貫通孔43A
が形成されている。このエッチング装置では、直流電圧
Vdcをサセプター31に導く導通手段を、この貫通孔4
3Aで構成している。上部電極21とサセプター31と
の間で生成されたプラズマは、貫通孔43A内に進入し
て、サセプター31の載置面と接触する。
性を有していれば、サセプター31に直流電圧Vdcが与
えられるので、上述と同様にウェーハWに形成された素
子の破壊を防止できる。ただし、サセプター31を形成
するアルミニウムはプラズマによって酸化されやすいの
で、プラズマによって容易に酸化されない導体板47
を、貫通孔43Aに面する載置面上の領域に配置してお
くとよい。このとき、処理室12内の汚染防止を考慮し
て、上記導体板47はウェーハWの材料を主成分とする
材料で形成する必要がある。例えばウェーハWがSiウ
ェーハである場合には、Siにドープして導電性をもた
せたものを使用できる。
4の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大
して示す断面図である。この図は、第1の実施の形態に
おける図2に相当するものであり、図2と同一部分又は
相当部分を同一符号で示している。フォーカスリング4
3は、導体で形成されている。例えばウェーハWがSi
ウェーハである場合には、Siにドープして導電性をも
たせたものが使用される。このフォーカスリング43は
フィルタ48を介して給電棒32に接続されている。こ
のフィルタ48は、直流電圧の透過量を調整するフィル
タである。このエッチング装置では、直流電圧Vdcをサ
セプター31に導く導通手段を、フォーカスリング43
とフィルタ48と給電棒32との電気的接続により構成
している。
マ分布が不均一である場合に、フォーカスリング43上
に発生する直流電圧Vdcf が、ウェーハW上に発生する
直流電圧Vdcw よりも絶対値が大きくなる場合がある。
このような場合には、フィルタ48の透過量を調整し、
Vdcf を減衰させVdcw と等しくして、給電棒32に供
給するようにする。これにより、ウェーハWのエッチン
グ面と裏面とが同電位となるので、両面に大きな電位差
が発生することによって起こる素子の破壊を防止でき
る。
の電力の通過位相を調整する機能を有している。直流電
圧に対する透過特性を変化させると、第2の電力の通過
位相が変化して、第2の電力の位相がウェーハWとフォ
ーカスリング43との間で異なることになる。この場
合、ウェーハW上とフォーカスリング43上とで電位差
が生じ、サセプター31上の全域で均一なバイアスを印
加することができなくなる。しかし、フィルタ48の上
述した機能を用いて第2の電力の通過位相を調整し、第
2の電力の位相をウェーハWとフォーカスリング43と
の間で一致させることにより、サセプター31上の全域
で均一なバイアスを印加することができる。なお、フィ
ルタ48の透過特性と位相特性は、プロセス条件等の変
更に応じて最適値に調整できるように、可変とすること
が望ましい。
が供給される平行平板電極の一方をプラズマ源とする平
行平板型エッチング装置を例にして説明したが、図8に
示すように第1の電力が供給されるコイル61をプラズ
マ源とする誘導結合プラズマエッチング装置(ICPエ
ッチング装置)や、図9に示すような処理室12内にマ
イクロ波MWを供給するラジアルアンテナ71などのア
ンテナをプラズマ源とするマイクロ波エッチング装置な
ど、他のプラズマ源を用いるエッチング装置にも本発明
を適用できる。なお、図8,図9において、図1,図2
と同一部分又は相当部分には同一符号が付してある。1
6は誘電体窓、17はマイクロ波MW漏洩防止用のシー
ルド材、72は導波路、73はマイクロ波発生器であ
る。また、本発明は、エッチング装置のみならず、プラ
ズマCVD装置やアッシング装置など、他のプラズマ処
理装置に適用してもよいことは言うまでもない。
処理装置は、プラズマが生成されたときにイオンシース
に発生する直流電圧を、基板が置かれる第1の電極に導
く導通手段を有するものである。この直流電圧を第1の
電極に導くことにより、直流電圧が基板の表面及び裏面
のいずれにも印加されることになるので、基板の両面が
同電位となる。したがって、基板の両面に大きな電位差
が発生することによって起こる素子の破壊を防止でき
る。
装置の構成を示す図である。
大して示す断面図である。
立体回路の回路図である。
化を示す図である。
装置の一部構成を拡大して示す断面図である。
装置の一部構成を拡大して示す断面図である。
装置の一部構成を拡大して示す断面図である。
ング装置の構成を示す切り欠き図である。
置の構成を示す断面図である。
に適用した場合の一構成例を示す図である。
る立体回路の回路図である。
圧変化を示す図である。
ガス供給ノズル、21…上部電極(第2の電極)、2
2,32…給電棒、23,33…マッチャー、24,3
4…高周波電源、31…サセプター(第1の電極)、4
1…静電チャック、41A,41B…高分子ポリイミド
フィルム、41C…導電膜、42…可変直流高圧電源、
43…フォーカスリング、43A…貫通孔、44…イン
シュレータ、45…ネジ(導電性を有する部材)、46
…導体線(導電性を有する部材)、47…導体板、48
…フィルタ、C…容量、P…プラズマバルク、R…抵
抗、SH…イオンシース、W…ウェーハ(基板)。
Claims (11)
- 【請求項1】 所定の真空度を維持する容器と、この容
器内にプラズマを生成するためのプラズマ源と、前記容
器内に配置され前記プラズマによる処理がなされる基板
が置かれる第1の電極と、この第1の電極の周縁部に配
置されたフォーカスリングとを備えたプラズマ処理装置
において、 前記プラズマが生成されたときにイオンシースに発生す
る直流電圧を前記第1の電極に導く導通手段を備えたこ
とを特徴とするプラズマ処理装置。 - 【請求項2】 請求項1記載のプラズマ処理装置におい
て、 前記容器内で前記第1の電極に対向配置された第2の電
極を更に備え、 前記プラズマ源は、前記第1及び第2の電極のうち前記
プラズマを生成する第1の電力が供給される電極から構
成され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又は2記載のプラズマ処理装置
において、 前記導通手段は、前記プラズマが生成されたときに前記
プラズマが存在する空間に一端が露出すると共に他端が
前記第1の電極に電気的に接続された導電性を有する部
材により構成されることを特徴とするプラズマ処理装
置。 - 【請求項4】 請求項3記載のプラズマ処理装置におい
て、 前記フォーカスリングに前記空間と前記第1の電極とを
連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に前記導電性を
有する部材が挿入されていることを特徴とするプラズマ
処理装置。 - 【請求項5】 請求項3記載のプラズマ処理装置におい
て、 前記第1の電極の側面に延在する絶縁材料で形成された
インシュレータを更に備え、 このインシュレーターに前記空間と前記第1の電極とを
連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に前記導電性を
有する部材が挿入されていることを特徴とするプラズマ
処理装置。 - 【請求項6】 請求項4又は5記載のプラズマ処理装置
において、 前記導電性を有する部材の前記一端は、前記基板の材料
を主成分とする材料で形成されていることを特徴とする
プラズマ処理装置。 - 【請求項7】 請求項1又は2記載のプラズマ処理装置
において、 前記導通手段は、前記フォーカスリングに形成された前
記第1の電極側の面と前記第2の電極側の面との間を貫
通する貫通孔により構成され、この貫通孔に面する前記
第1の電極上の領域は導電性を有していることを特徴と
するプラズマ処理装置。 - 【請求項8】 請求項7記載のプラズマ処理装置におい
て、 前記フォーカスリングに形成された貫通孔に面する前記
第1の電極上の領域は、前記基板に含まれる材料を主成
分とする材料で形成されていることを特徴とするプラズ
マ処理装置。 - 【請求項9】 請求項1又は2記載のプラズマ処理装置
において、 前記フォーカスリングは、導体で形成され、 前記導通手段は、前記フォーカスリングと前記第1の電
極とが電気的に接続されることにより構成されることを
特徴とするプラズマ処理装置。 - 【請求項10】 請求項9記載のプラズマ処理装置にお
いて、 前記フォーカスリングと前記第1の電極との間に接続さ
れ、前記直流電圧の透過量を調整するフィルタを有する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 【請求項11】 請求項10記載のプラズマ処理装置に
おいて、 第2の電力を前記第1の電極に供給する電源を更に備
え、 前記フィルタは、前記第2の電力の通過位相を調整し
て、前記第2の電力の位相を前記基板と前記フォーカス
リングとの間で一致させることを特徴とするプラズマ処
理装置。
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