JP2003273075A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体ウエハをプラズマ処理する際、ウエハの
温度の面内均一性を高めること。 【解決手段】 載置台４上に載置されたウエハをプラズ
マにより処理するにあたり、前記載置台４を、載置台本
体４１と、載置台本体４１表面に配列された多数のペル
チェ素子５とにより構成する。ペルチェ素子５の一面側
には平面状のプローブ６２を設け、この上にウエハＷを
載置し、前記素子５の他面側は載置台本体４１表面と接
触させる。プラズマを発生させると、プラズマの電子が
プローブ６２に捕獲され、これによりペルチェ素子５の
一面側が吸熱してウエハが冷却される。プラズマ密度が
大きいところではペルチェ素子５に捕獲される電子量が
多く、冷却効果が大きくなり、逆にプラズマ密度が小さ
いところでは冷却効果が小さくなるので、ウエハの面内
温度の均一性を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ハ等の基板に対してプラズマにより例えばエッチングを
行う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造プロセスにおいては、
例えばキャパシタや素子の分離、あるいはコンタクトホ
ールの形成等のために、ドライエッチングが行われてい
る。この処理を行う装置の一つに平行平板型プラズマ処
理装置がある。この装置は図６に示すように、例えば気
密なチャンバ１内に、下部電極を兼用する載置台１１が
配設されると共に、載置台１１の上方にこれと対向して
ガス供給部を兼用する上部電極１２が配設されている。
１３は排気管である。

【０００３】このようなプラズマ処理装置では、先ず載
置台１１上にウエハＷを載置し、ガス供給部１２からエ
ッチングガスを導入すると共に、電極１１，１２間に高
周波電源部Ｅ１から高周波電力を印加してプラズマを発
生させ、このプラズマ中の反応性イオンにより半導体ウ
エハ（以下「ウエハ」という）Ｗのエッチングが行われ
る。なおこのとき下部電極１１には高周波電源部Ｅ２に
よりバイアスが印加される。

【０００４】この際前記載置台１１の表面近傍領域に
は、例えば図７に示すような冷媒流路１４が配列されて
おり、ここに供給路１５、排出路１６を介して温度調整
された冷媒を循環通流させることにより、載置台１１表
面の温度が均一に維持されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところでエッチング時
のウエハ温度が、ウエハ面内において異なると、エッチ
ング処理の反応速度は温度に依存することから、エッチ
ング処理の面内均一性が悪化する。このためエッチング
処理時には、ウエハ温度の面内均一性が要求されるが、
ウエハ温度は載置台１１表面の温度やプラズマの密度に
より決定される。つまりプラズマ密度の大きい領域は小
さい領域に比べてウエハの温度が上昇するので、載置台
１１の表面温度の面内均一性と共に、発生するプラズマ
の密度の面内均一性が高いことが求められる。

【０００６】しかしながらプラズマ密度を、エッチング
処理毎にウエハ面内において均一に維持することは困難
であり、プラズマ密度の差によって載置台１１表面に生
じた温度差を、載置台１１側の温度制御により補償する
必要がある。しかしながら従来の温度調整された冷媒の
通流といった制御方法では、冷媒流路１４が設けられて
いる領域と設けられていない領域とがあり、また同じ温
度に調整された冷媒を通流させているので、載置台１１
の面内の細かい温度調整は困難である。

【０００７】これを解決するために、載置台１１面内に
おけるきめの細かい温度制御を行おうとすると、載置台
１１表面を細かいブロックに分割して夫々に冷媒流路を
設け、各ブロックの温度をモニターし、各ブロック毎に
制御ループを設けなくてはならないので、コスト高を招
き、現実的には極めて困難である。

【０００８】本発明は、このような事情のもとになされ
たものであり、高い被処理基板の面内温度均一性を確保
した状態でプラズマ処理を行う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】本発明は、導電性の処理
容器の内部にて、載置台上に載置された被処理基板をプ
ラズマにより処理するプラズマ処理装置において、前記
載置台は、載置台本体と、この載置台本体表面に、一面
側が被処理基板側に向き、他面側が前記載置台本体と接
触するように平面的に配列され、前記処理容器の内部に
て発生したプラズマの電子を捕獲して、前記一面側が吸
熱する熱電効果を生じる多数の熱電交換素子と、を備
え、前記プラズマにより前記熱電効果を発生させて前記
被処理基板の熱を吸熱し、当該被処理基板の温度を制御
することを特徴とする。

【００１０】このような構成では、プラズマ密度が高
く、被処理基板の温度上昇が大きい領域では、熱電交換
素子に捕獲される電子の量が多いので、熱電交換素子の
吸熱による被処理基板の冷却効果が大きく、一方プラズ
マ密度が低く、被処理基板の温度上昇が小さい領域で
は、熱電交換素子に捕獲される電子の量が少ないので、
熱電交換素子による被処理基板の冷却効果が小さい。こ
のようにプラズマ密度に応じて熱電交換素子の冷却効果
を制御できるので、温度測定を行い、この結果に基づい
て制御を行うといった面倒な制御ループを用いずに、プ
ラズマ処理時の被処理基板の温度の高い面内均一性を確
保することができる。

【００１１】ここで前記熱電交換素子は、前記プラズマ
の電子を捕獲するための導電性の平面状の電極を備える
ようにしてもよいし、前記熱電交換素子としてはペルチ
ェ素子を用いることができる。また前記被処理基板の裏
面側が前記熱電素子の一面側と接触するように、当該被
処理基板の外端縁近傍領域を押圧する保持部材を備える
ようにしてもよい。さらにプラズマによる処理は、例え
ば表面にレジストマスクが形成された被処理基板に対す
るエッチングが挙げられる。この発明は、例えば載置台
は下部電極を兼用し、前記載置台の上方には、当該載置
台上の被処理基板の略全面に対向するガス供給領域が形
成されたガスシャワーヘッドを兼用する上部電極が設け
られ、この上部電極及び下部電極間に電圧を印加して前
記上部電極から供給された処理ガスをプラズマ化する装
置に適用することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係るプラズマ処理
装置の実施の形態について図面を参照して説明する。図
１は本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置を示
す概略断面図である。図中２は導電性の処理容器、例え
ばアルミニウムにより円筒状に形成された処理容器であ
り、接地されている。この処理容器２内には、ガス供給
部であるガスシャワーヘッドを兼用した上部電極３と、
被処理基板であるウエハＷの載置台４とが互いに対向し
て設けられている。

【００１３】前記上部電極（ガスシャワーヘッド）３
は、上部側にガス供給管３１が接続されると共にウエハ
Ｗの略全面に対向する領域に亘って多数のガス噴射孔３
２が形成されており、ガス供給管３１から供給された処
理ガスをガス拡散板３３により拡散してガス噴射孔３２
を介して処理雰囲気内に均一に供給するように構成され
ている。

【００１４】この上部電極３には後述のバイアス用の高
周波成分の侵入を阻止するためのローパスフィルタ３４
を介して、例えば６０ＭＨｚの周波数を有する電力を供
給するための高周波電源部３５に接続されている。上部
電極３の周囲には、環状の石英により構成されたシール
ドリング３６が上部電極３の外周部に嵌め込まれるよう
に設けられている。

【００１５】前記処理容器２の側壁部には被処理基板例
えば半導体ウエハＷ（以下「ウエハＷ」という）を搬入
及び搬出するために開口部２１，２２が形成されてお
り、これら開口部２１，２２の外側には、前記開口部２
１，２２を開閉するためのゲートバルブ２３，２４が夫
々設けられている。

【００１６】前記載置台４は、例えばアルミニウムから
なる円柱状の載置台本体４１と、この載置台本体４１の
上面に設けられた多数の熱電交換素子をなすペルチェ素
子５と、を備えており、処理容器２の下部に設けられた
昇降機構４２により昇降自在に構成されている。前記昇
降機構４２の周囲と処理容器２の底部の内壁との間には
ベローズ体４３が設けられ、これにより処理容器２内に
発生したプラズマが載置台４の下に入り込まないように
なっている。

【００１７】前記ペルチェ素子５は、例えば図２に示す
ように、多数の素子５を平面的に散在するかまたは隣接
するように配列され（この例ではペルチェ素子５が互い
に隣接して設けられている）、これらペルチェ素子５
は、後述するように一面側が載置台４に載置されるウエ
ハ側を向き、他面側が前記載置台本体４１の表面に接触
するように設けられている。ペルチェ素子５同士の間
は、例えば隣接するペルチェ素子５との間の電子の移動
を抑えるために薄い絶縁体６１により区画されており、
ペルチェ素子５の上下両側には、例えば図４に示すよう
に、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の高熱伝導の
セラミック等よりなる絶縁板６３，６４が設けられてい
る。さらにペルチェ素子５の上面側に設けられた絶縁板
６３の上面側には、金属もしくは炭素（Ｃ）、導電性プ
ラスチック等の導電性の箔材よりなり平面状の電極をな
すプローブ６２が設けられていて、これによりペルチェ
素子５にプラズマ中の電子がトラップされるようになっ
ている。このプローブ６２は図示の便宜上平板状に表し
ているが、各ペルチェ素子５毎に設けられるものであ
り、各ペルチェ素子５と接続されている。

【００１８】ここでペルチェ素子５について簡単に説明
すると、この素子は熱電モジュールの一種であり、素子
の両面に温度差が生じ、低温側で吸熱、高温側で発熱が
おこる半導体素子をいい、例えば図３に示すように、Ｎ
型半導体５１とＰ型半導体５２との一面側を導体５３に
て接合し、この対を直列に接続した構造である。

【００１９】このペルチェ素子５による熱の授受につい
て簡単に説明する。素子５の一面側例えば導体５３側を
温度調整の対象物に接触させ、Ｎ型半導体５１とＰ型半
導体５２の両者に所定の電圧を印加すると、電子がＮ型
半導体５１内に移動する際は外部よりエネルギーを奪
い、出ていく際にはエネルギーを放出する。これにより
Ｎ型半導体５１からＰ型半導体５２に向けて電子が移動
するときには、前記素子の一面側（導体５３側）では吸
熱が行われ、他面側（例えば導体５３が設けられていな
い側）からは（吸熱された熱量＋ジュール熱）に相当す
る熱量が発熱されることになり、反対にＰ型半導体５２
からＮ型半導体５１に向けて電子が移動するときには、
前記素子の一面側では発熱され、他面側では吸熱され
る。従って発熱側の熱を効率よく放散させると、熱は吸
熱側（低温側）から発熱側（高温側）へ連続的に移動し
ていく。またこの際移動する電子の量に応じて、吸熱
（発熱）される熱量が変化する。

【００２０】この例では、例えばペルチェ素子５を、図
４に示すように、導体５３の上面に絶縁板６３とプロー
ブ６２とがこの順に設けられて、プローブ６２の上面に
ウエハＷが載置され、絶縁板６４が載置台本体４１表面
に接触するように配設し、前記プローブ６２とペルチェ
素子のＮ型半導体５１とが、図３に示すように、コンデ
ンサと抵抗よりなるハイパスフィルタ６５を介して電気
的に接続され、Ｐ型半導体５２は電源部６６を介して接
地され、前記ハイパスフィルタ６５は例えば２ＭＨｚの
周波数を有するバイアス用の電圧を供給する高周波電源
部６７に接続されるように回路が形成されている。なお
Ｐ型半導体５２は接地するようにしてもよいし、Ｎ型半
導体５１とＰ型半導体５２の配列に応じて電源部６６の
接続が適宜選択される。

【００２１】このように前記プローブ６２は下部電極の
役割をなすものであり、これにより載置台４は下部電極
を兼用することとなる。そしてこの載置台４では電子が
プローブ６２によりトラップされてＮ型半導体５１から
Ｐ型半導体５２に向けて移動していくと前記回路が形成
され、プローブ６２と接触する絶縁板６３側（一面側）
が吸熱され、載置台本体４１と接触する絶縁板６４側
（他面側）が発熱する。

【００２２】またペルチェ素子５とプローブ６２の間に
ハイパスフィルタ６５を介在させることにより、プラズ
マの高周波成分によりペルチェ素子５が破壊されないよ
うに、前記高周波成分のペルチェ素子５への侵入を抑
え、またこのハイパスフィルタ６５により上部電極３へ
の高周波成分の侵入も抑えている。

【００２３】さらにペルチェ素子５は絶縁体６１により
区画されているので、隣接するペルチェ素子５への電子
の移動が抑えられ、各ペルチェ素子５毎に精密な温度制
御を行うことができる。この際絶縁体６１は薄く、熱容
量が小さいので、熱容量が大きい載置台本体４１側から
見ると、載置台本体４１との間の熱の授受は載置台本体
４１表面面内においてほぼ均一とみなされる。なおペル
チェ素子５の大きさや数、配列パターンや、絶縁体６１
の厚さ等は、適宜選択されるものであり、例えば予め所
定の温度分布を得るための実験を行うことにより設定さ
れる。

【００２４】前記プローブ６２の上面には半導体ウエハ
（以下「ウエハ」という）Ｗが載置されるようになって
おり、載置台４の周囲には、前記プローブ６２上面に載
置されたウエハＷの外端縁近傍領域を押圧して当該ウエ
ハＷを前記プローブ６２に接触させた状態で保持するた
めの、昇降機構７１により昇降自在に構成された保持機
構７が設けられている。

【００２５】さらに前記載置台本体４１には、例えば載
置台本体４１表面近傍領域に図示しない冷媒流路が形成
されており、この冷媒流路には冷媒の供給路４４及び冷
媒の排出路４５を介して温度調整された冷媒が循環供給
され、これにより前記載置台本体４１表面が所定の温度
に維持されるようになっている。

【００２６】前記処理容器２の例えば底壁のベローズ体
４３の外側には、排気管２５を介して真空排気手段であ
る真空ポンプ２６が接続されており、処理容器２内の処
理ガスは載置台４の周囲から排気されるようになってい
る。

【００２７】次に前記プラズマ処理装置の作用について
説明する。先ず例えばゲートバルブ２３を開放し、図示
しないロードロック室からウエハＷを処理容器２内に搬
入して、載置台４のプローブ６２上に載置し、ゲートバ
ルブ２３を閉じる。このときウエハＷの受け渡しは、図
示しないアームと載置台４側に設けられた図示しない昇
降ピンとの協同作用により行われ、予め昇降機構７１に
より受け渡し位置よりも上方側に位置させていて保持機
構７を、ウエハが載置台４上に載置されてから下降させ
ることにより当該保持機構７によりウエハの外端縁近傍
領域を押圧して、ウエハＷ裏面側をプロ−ブ６２表面に
接触させた状態で保持する。この際搬入されるウエハＷ
は、例えば表面のレジスト膜に所定のパターンが形成さ
れたレジストマスクが形成されたものであり、エッチン
グされる膜は例えばシリコン酸化膜である。そして昇降
機構４２により載置台４を上昇させて上部電極２に接近
させる。

【００２８】次いで排気管２５を介して真空ポンプ２６
により処理容器２内を所定の真空雰囲気に排気する一
方、ガス供給管３１により処理ガスであるエッチングガ
ス例えばＣ5Ｈ8ガス、Ａｒガス及びＯ2ガスの混合ガス
を所定の流量で導入し、このエッチングガスを上部電極
３のガス噴射孔３２を介して均一に拡散させる。

【００２９】こうして処理容器２内を例えば数十ｍＴｏ
ｒｒの真空度に維持すると共に、上部電極３及び載置台
４の間に高周波電源部３３から例えば６０ＭＨｚの高周
波電圧を与え、これによりエッチングガスをプラズマ化
する。更に例えばこの時点から１秒以下のタイミングを
あけて、載置台４に高周波電源６７から例えば２ＭＨｚ
のバイアス用の高周波電圧を印加する。

【００３０】一方発生したプラズマ中の反応性イオン
は、高周波バイアスのかかっているウエハＷ表面に高い
垂直性をもって入射し、これによりウエハ表面に形成さ
れたレジストマスク及びその下のシリコン酸化膜が所定
の選択比でエッチングされる。この際プラズマ中の電子
は、ウエハを介してプローブ６２にトラップされ、これ
により上述の回路が形成される。こうしてペルチェ素子
５では、Ｎ型半導体５１からＰ型半導体５２に向けて電
子が移動し、図５に示すように、ペルチェ素子５の一面
側（絶縁体６３側）では吸熱が起こり、絶縁体６３及び
プローブ６２を介してウエハＷが吸熱により冷却され、
他面側（絶縁体６４側）では発熱する。

【００３１】ところで載置台４の載置台本体４１は、予
め所定温度に調整された冷媒が循環供給されて載置台本
体表面が例えば−１０℃〜２００℃程度の温度になるよ
うに制御されている。一方処理容器２内では、プラズマ
によって発生する熱により載置台４表面が載置台本体４
１表面よりも温度が高い状態であるので、前記ペルチェ
素子５では前記他面側の熱が載置台本体４１に向けて移
動していき、これにより前記一面側を介してウエハＷが
冷却される。

【００３２】ここでウエハＷの温度は、プラズマの密度
に依存し、プラズマ密度が高い領域ではイオンボンバー
ドの影響などで温度が高く、プラズマ密度が低い領域で
は温度が低い。一方ペルチェ素子５にトラップされる電
子は、プラズマの密度に依存し、プラズマ密度が高い領
域ではトラップされる電子が多く、プラズマ密度が低い
領域ではトラップされる電子が少ない。また上述のペル
チェ素子５では、トラップされる電子が多い領域ほど、
電流が大きくなってペルチェ効果による冷却効果が大き
いので温度が低くなり、トラップされる電子が少ない領
域ほど、電流が小さくなってペルチェ効果による冷却効
果が小さいので温度が高い。

【００３３】従って上述のペルチェ素子５を用いること
により、プラズマ密度が高く、プラズマによるウエハの
温度上昇が大きい領域では、ペルチェ効果によるウエハ
の温度低下を大きくし、プラズマ密度が低く、プラズマ
によるウエハの温度上昇が小さい領域では、ペルチェ効
果によるウエハの温度低下を小さくすることができ、結
果としてウエハの面内温度の均一性を高めることができ
る。

【００３４】従って載置台４面内を細かいゾーンに分割
して、夫々の領域の温度を検出し、この検出値に基づい
てフィードバックして各領域毎に制御ループを設けて温
度制御を行わなくても、ペルチェ素子５の各素子ではプ
ラズマからプローブ６２に入射される電子量に応じて自
動的に温度制御動作を行うので、制御領域を多数設けた
きめ細かい制御を行うことができ、温度測定を行ない、
これをフィードバックしてウエハ温度を制御するといっ
た面倒な制御ループを用いることなく、ウエハ面内温度
を自動追従的に制御することができる。

【００３５】このように本実施の形態ではプラズマ密度
に応じてペルチェ素子の冷却能力がが変化するため、プ
ラズマによる不均一なウエハ面内温度がペルチェ素子の
冷却温度によって補償され、プラズマ密度が不均一であ
ってもウエハの面内温度を均一にすることができる。

【００３６】この際、厳密にはペルチェ素子５を設けた
領域と設けない領域との間で、載置台本体４１とウエハ
Ｗとの間の熱の流れ方に差異が生じることも考えられる
が、ペルチェ素子５を設けることにより、プラズマ密度
の面内不均一により生じるウエハ面内温度分布のバラツ
キが緩和され、結果的にウエハの面内温度均一性を向上
させることができる。

【００３７】以上において本発明は、載置台にペルチェ
素子に設け、このペルチェ素子に電子をトラップしてウ
エハの温度制御を行う構成であれば、上述の実施の形態
に限らず、例えばプローブ６２を全てのペルチェ素子５
の共通のプローブとして機能するものとして設けてもよ
いし、例えばウエハを載置台に保持する機構としては、
例えばウエハを静電吸着力により保持する静電チャック
などの機構を用いるようにしてもよく、この場合にはペ
ルチェ素子の一面側に静電チャックが設けられる。また
ペルチェ素子５の大きさや配列パターンは適宜選択され
るものであり、例えばペルチェ素子５を設けた領域と設
けない領域との間で発生する載置台本体４１とウエハＷ
との間の熱の流れ方に差異を抑えるように決定される。

【００３８】さらに本発明ではプラズマ処理としてエッ
チング処理を例に挙げて説明したが、例えばレジストを
灰化するアッシング処理にも適用することができる。ま
たプラズマの発生手法としては本発明の構成に限らず、
コイル型の高周波アンテナにより高周波電力を印加する
ことによりプラズマを発生させるものであってもよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、被処理基板の面内温度
の高い均一性を確保した状態でプラズマ処理を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一実施の形態
における全体構造を示す概略断面図である。

【図２】前記プラズマ処理装置の載置台に設けられたペ
ルチェ素子を配列例を示す平面図である。

【図３】前記ペルチェ素子の配線例を示す説明図であ
る。

【図４】前記ペルチェ素子が設けられた載置台の要部を
示す断面図である。

【図５】前記ペルチェ素子の作用を説明するための説明
図である。

【図６】従来のプラズマ処理装置を説明するための断面
図である。

【図７】従来のプラズマ処理装置の下部電極に設けられ
た冷媒流路の一例を示す平面図である。

【符号の説明】

２ 処理容器 ２６ 真空ポンプ ３ 上部電極 ３１ ガス供給管 ３５ 高周波電源部 ４ 載置台 ４１ 載置台本体 ５ ペルチェ素子 ５１ Ｎ型半導体 ５２ Ｐ型半導体 ６１ 絶縁体 ６２ プローブ ６３ ハイパスフィルタ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性の処理容器の内部にて、載置台上
   に載置された被処理基板をプラズマにより処理するプラ
   ズマ処理装置において、 前記載置台は、載置台本体と、この載置台本体表面に、
   一面側が被処理基板側に向き、他面側が前記載置台本体
   と接触するように平面的に配列され、前記処理容器の内
   部にて発生したプラズマの電子を捕獲して、前記一面側
   が吸熱する熱電効果を生じる多数の熱電交換素子と、を
   備え、 前記プラズマにより前記熱電効果を発生させて前記被処
   理基板の熱を吸熱し、当該被処理基板の温度を制御する
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記熱電交換素子は、前記プラズマの電
   子を捕獲するための導電性の平面状の電極を備えること
   を特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記熱電効果はペルチェ効果であり、前
   記熱電交換素子はペルチェ素子であることを特徴とする
   請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 前記被処理基板の裏面側が前記熱電素子
   の一面側と接触するように、当該被処理基板の外端縁近
   傍領域を押圧する保持部材を備えることを特徴とする請
   求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 プラズマによる処理は表面にレジストマ
   スクが形成された被処理基板に対するエッチングである
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の
   プラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 載置台は下部電極を兼用し、前記載置台
   の上方には、当該載置台上の被処理基板の略全面に対向
   するガス供給領域が形成されたガスシャワーヘッドを兼
   用する上部電極が設けられ、この上部電極及び下部電極
   間に電圧を印加して前記上部電極から供給された処理ガ
   スをプラズマ化することを特徴とする請求項１ないし５
   のいずれかに記載のプラズマ処理装置。