JP2009141014A - プラズマ処理装置及び処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理装置において、静電吸着用電圧を印加することによりプラズマの着火性を向上させる。
【解決手段】真空処理室１１５と、該真空処理室内に配置され試料台１０１と、前記真空処理室内に高周波電力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極１０５を備え、前記生成されたプラズマにより前記試料台上に配置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台１０１は、試料載置面に絶縁された静電吸着用の電極を備え、前記アンテナ電極に高周波電力を供給してプラズマを生成させる前の所定期間に、前記静電吸着用の電極に所定の直流電圧を供給して充電してプラズマの着火性を向上させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特にプラズマ処理装置の着火性を向上させることのできるプラズマ処理技術に関する。

半導体デバイスの微細化に伴ない、プラズマ処理装置においては、装置の性能を向上させるために様々な条件でプラズマを生成することが求められている。しかし、処理圧力を低圧にするなどした処理条件によっては、プラズマが着火しない場合がある。

ウエハを載置する試料台である下部電極と該電極に対向する上部電極が、同一の真空処理室内に設置されるプラズマ処理装置の場合は、上部電極に高圧直流電圧を印加することでプラズマの着火性を改善する方法が知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−１２４１９８号公報

しかし、真空処理室内にウエハを載置する試料台である電極を有し、かつ該電極に対向する上部電極を真空処理室内に持たない装置においては、試料台にウエハを載置した状態でウエハを静電吸着するために直流電圧を印加しながら高周波電力を印加しても、処置室を低圧とする処理条件などではプラズマが着火しない場合が発生する。

このようにプラズマが着火しない場合、プラズマ処理開始に、短時間だけ処理条件を変えることによりプラズマ着火性を改善することができる。しかし、処理圧力やプロセスガス種の変更などは、瞬時に制御できないため、プラズマ処理の処理結果に及ぼす影響が大きく、装置性能を低下させることになる。

本発明でこれらの問題点に鑑みてなされたもので、プラズマの着火性を向上させることのできるプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

真空処理室と、該真空処理室内に配置され試料台と、 前記真空処理室内に高周波電力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極を備え、前記生成されたプラズマにより前記試料台上に配置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台は、試料載置面に絶縁された静電吸着用の電極を備え、前記アンテナ電極に高周波電力を供給してプラズマを生成させる前の所定期間に、前記静電吸着用の電極に所定の直流電圧を供給して充電してプラズマの着火性を向上させた。

本発明は、以上の構成を備えるため、プラズマ処理装置におけるプラズマの着火性を向上させることができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。図において処理室１１５は、例えば、表面を陽極酸化処理したアルミ製の真空容器である。処理室１１５は、処理室内の圧力を調整する圧力調整機構を備えた真空排気設備１０２、および被処理物である半導体ウエハを載置するための試料台１０１を備える。

処理室１１５は、高周波電源１０７より出力される高周波電力を処理室内に導入するアンテナ１０５を備え、石英板１０４およびシャワープレート１０３を経由して真空室内に高周波電力を導入する。高周波電源１０７の周波数は特に限定されないが、一般的には数百ｋＨｚから数百ＭＨｚである。

処理室１１５の周りには、ソレノイドコイル１０８、１０９、１１０を備え、これらのソレノイドコイルに図示しないコイル用直流電源から電流を供給することにより磁場を発生させる。また、処理室１１５には、マスフローコントローラ１１２、１１３、１１４およびバルブ１１１を経由し、さらにガス導入口１０６を介して石英板１０４とシャワープレート１０３の間にプロセスガスをを供給し、シャワープレートのガス穴１１６介して処理室内に導入する。

供給されるプロセスガスは、プラズマクリーニング、エッチング、除電などの処理内容にしたがって、マスフローコントローラ１１２、１１３、１１４を使い分けることにより選択的に供給される。プロセスガスを処理室に導入した後、高周波電力と磁場を相互作用させることによりプラズマを発生させる。

図２は、図１に示す試料台の構造を説明する図である。試料台は、誘電体材料２０４がコーティングされた金属材料の電極２１５を備え、前記電極２１５には、プラズマ２０１から被処理物である半導体ウエハ２０２に入射するイオンのエネルギを制御する目的で、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚの周波数のウエハバイアス電源２０９が接続されている。

また、誘電体材料２０４の中には、静電吸着用双極電極２０５，２０６が埋設されている。静電吸着双極電極２０５，２０６に、直流電源２１３、２１４により数百Ｖから数千Ｖの直流電圧を印加すると、静電気力によって被処理物の半導体ウエハ２０２は吸着されて保持される。

プラズマ２０１によって加熱される半導体ウエハ２０２の温度を一定に保つため、電極２１５に形成した冷媒流路２０７の中には、チラー２１２によって温調された冷媒が流れる。低圧下では、接触面の熱伝達が悪いため、伝熱促進のためにＨｅ等の非反応性ガスが、マスフローコントローラ２１１、バルブ２１０、冷却ガス導入口を介して誘電体材料２０４に形成した冷却ガス溝２０３に充填される。半導体ウエハ載置面以外の試料台の表面は、絶縁材で形成したサセプタ２１６等によってプラズマあるいは反応性ガスから保護される。

図３は本実施形態にかかるプラズマ処理装置の処理シーケンスを説明する図、図４は従来のプラズマ処理装置の処理シーケンスを説明するである。

図３および図４は、プラズマ処理方法の一例として、クリーニングガス（ａ）、エッチングガス（ｂ）、除電放電用ガス（ｃ）、ソレノイドコイル１０８，１０９，１１０による磁場（ｄ）、高周波電源１０７の出力電力（ｅ）、ウエハ冷却ガス（ｆ）、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６へ供給する静電吸着用直流電圧（ｇ）、試料台１０１の上に載置された半導体ウエハ２０２の有無（ｈ）を示したタイムチャートである。

図３に示すように、本実施形態のプラズマ処理方法では、試料台１０１の上に半導体ウエハがない状態（ｈ）で直流電源２１３，２１４から静電吸着用双極電極２０５，２０６に静電吸着用直流電圧（ｇ）を印加し、条件設定した所定の電圧と時間が経過した後に前記静電吸着用直流電圧（ｇ）の印加を停止する。なお、このとき静電吸着用双極電極２０５，２０６に印加する静電吸着用直流電圧および時間は、図示しない制御装置に条件設定することより複数のステップで可変させることができる。

静電吸着用双極電極２０５，２０６への静電吸着用直流電圧（ｇ）の印加を終えた後、マスフローコントローラ１１２によって流量制御されたクリーニングガスが、バルブ１１１とプロセスガス導入口１０６を経由して、シャワープレート１０３のガス穴１１６より処理室へ導入（ａ）され、圧力調整機構を備えた真空排気設備１０２によって圧力調整が行なわれる。また、ソレノイドコイル１０８，１０９，１１０によって磁場（ｄ）を発生させ、高周波電源１０７からアンテナ１０５を経由して高周波電力（ｅ）を印加することで、磁場と高周波の相互作用によりプラズマを励起し、条件設定した所定のｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング（反応系中でのクリーニング）を行なう。その後、マスフローコントローラ１１２から供給するクリーニングガス（ａ）、ソレノイドコイルによる磁場（ｄ）、高周波電源１０７による高周波電力（ｅ）をそれぞれ停止してｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングを終了する。

ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング終了後、試料台１０１の上に半導体ウエハがない状態（ｈ）で、直流電源２１３，２１４から静電吸着用双極電極２０５，２０６に静電吸着用直流電圧（ｇ）を印加して、条件設定した電圧と時間が経過した後に静電吸着用直流電圧の印加を停止する。

静電吸着用双極電極２０５，２０６への静電吸着用直流電圧（ｇ）の印加を終えた後、ウエハ押し上げピン２１７を上昇させた状態で半導体ウエハ２０２を処理室の外から試料台１０１の上に搬入する。搬入が完了すると押し上げピンを下降させて、直流電源２１３，２１４から静電吸着用双極電極２０５，２０６に静電吸着用直流電圧（ｇ）を印加し、半導体ウエハ２０２を試料台１０１に静電吸着させる。その後、マスフローコントローラ２１１によって流量制御されたウエハ冷却用ガス（ｆ）が、バルブ２１０とウエハ冷却ガス導入路２０８を経由して、ウエハ冷却ガス溝２０３を伝わって半導体ウエハ２０２の裏面全体に導入されて一定圧力に制御される。

次に、マスフローコントローラ１１３によって流量制御されたエッチングガス（ｂ）がバルブ１１１とプロセスガス導入口１０６を経由して、シャワープレート１０３のガス穴１１６より処理室へ導入され、圧力調整機構を備えた真空排気設備１０２によって圧力調整が行なわれる。また、ソレノイドコイル１０８，１０９，１１０によって磁場（ｄ）を発生させて、高周波電源１０７よりアンテナ１０５を経由して高周波電力（ｅ）を処理室内に印加して、前記磁場と高周波電力の相互作用によってプラズマを励起することで半導体ウエハ２０２のエッチング処理を行なう。

エッチング終了時にプラズマを励起した状態を継続しながらマスフローコントローラ１１３より供給されるエッチングガス（ｂ）を停止し、マスフローコントローラ１１４によって流量制御されるガスを除電放電用ガス（ｃ）に切り替え、静電吸着用双極電極２０５，２０６に印加する静電吸着用直流電圧（ｇ）をＯＦＦして、静電吸着された半導体ウエハ２０２および試料台１０２に帯電した電荷を除電して静電気力を取り除く。条件設定された所定の条件で除電を終えた後、マスフローコントローラ１１４から供給する除電ガス（ｃ）とソレノイドコイル１０８，１０９，１１０による磁場（ｄ）、高周波電源１０７による高周波電力（ｅ）をそれぞれ停止して除電を終了する。

除電終了後、ウエハ押上げピン２１７を上昇させて、半導体ウエハ２０２を試料台１０１の上から処理室の外へ搬出する。

このように、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングあるいはエッチングで放電（ｅ）する前に、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６に直流電圧（ｇ）を印加して再び直流電圧をＯＦＦすることで、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングやエッチング処理などのプラズマ着火が向上する。

なお、本実施形態によれば、半導体ウエハ２０２を試料台１０１に載置する前に静電吸着用双極電極２０５，２０６に直流電圧を印加する。このため前記電圧を印加したときに試料台１０１に異物を付着させやすい。しかし、被処理物である半導体ウエハ２０２を試料台１０１に載せる前にｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングを行なうことで試料台１０１に付着した異物を処理室外へ排出することができるため、試料台１０１に付着した異物がウエハ２０２のエッチングを阻害することを回避することができる。

図４は、非エッチング中に静電吸着直流電圧を印加しない従来の例を示す図である。図３に示す本実施形態の方法と図４に示す従来の方法を用いて、プラズマの着火性を確認したところ、図４に示す従来の方法では、処理圧力が０．２Ｐａと低圧のときにはプラズマが着火しないが、図３に示す本実施形態の方法では、再現性よくプラズマが着火することを確認できた。なお、ウエハ２０２を試料台１０１に搬送するときには静電吸着用双極電極２０５，２０６に印加する静電吸着用直流電圧をＯＦＦにしているので、ウエハ２０２の搬送には支障がない。また、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６への静電吸着用直流電圧の印加については、放電する条件によって印加時間と印加電圧を適宜に設定するとよい。

図５は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置を用いた処理（クリーニング処理およびエッチング処理）を説明する図である。

まず、試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２がないことを確認する（ステップ１０１）。このとき、試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２がある場合は、ウエハ押上げピン２１７を上昇または下降させながら、搬送装置により半導体ウエハ２０２を試料台１０１の上から処理室外へ搬出する（ステップ１０２）。ウエハ押上げピン２１７が、試料台１０１の表面上に飛び出してなく下がっていることを確認する（ステップ１０３）。このとき、ウエハ押上げピン２１７が下がっていない場合は、ウエハ押上げピン２１７を下げる（ステップ１０４）。

試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２がないこと、およびウエハ押上げピン２１７が下がっていることを確認した後、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６に直流電源２１３，２１４から静電吸着用直流電圧を印加する（ステップ１０５）。静電吸着用直流電圧が設定値であることを確認し（ステップ１０６）、静電吸着用直流電圧の印加時間が設定時間を経過したことを確認する（ステップ１０７）と、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６への静電吸着用直流電圧の印加を停止する（ステップ１０８）。静電吸着用双極電極２０５，２０６へ静電吸着用直流電圧の印加を終えた後、試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２がない状態でｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングを行なう。

Ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニング終了後、再び試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２がないことを確認する（ステップ１１０）。このとき、試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２がある場合は、ウエハ押上げピン２１７を上昇または下降させながら、搬送装置によりウエハ２０２を試料台１０１の上から処理室外へ搬出する（ステップ１１１）。試料台１０１に組み込まれたウエハ搬送用のウエハ押上げピン２１７が、試料台１０１の表面上に飛び出してなく下がっていることを確認する（ステップ１１２）。このとき、ウエハ押上げピン２１７が下がっていない場合は、ウエハ押上げピン２１７を下げる（ステップ１１３）。

試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２がないこと、およびウエハ押上げピン２１７が下がっていることを確認した後、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６に静電吸着用直流電圧を印加する（ステップ１１４）。静電吸着用直流電圧が設定値であるか確認し（ステップ１１５）、静電吸着用直流電圧の印加時間が設定時間を経過したことを確認すると（ステップ１１６）、静電吸着用直流電圧の印加を停止する（ステップ１１７）。試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６への静電吸着用直流電圧の印加を終えた後、ウエハ押上げピン２１７を上昇または下降させながら、搬送装置により試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２を搬入する（ステップ１１８）。

試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２を載置した状態で静電吸着用双極電極２０５，２０６に静電吸着用直流電圧を印加すると、試料台１０１に半導体ウエハ２０２が静電吸着されてしまう。このため、半導体ウエハ２０２を試料台１０１の上に載置してエッチングして除電するとき以外において、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６に直流電圧を印加する場合には、試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２が載置されていないことを確認する必要がある。もしも、半導体ウエハ２０２が試料台１０１の上に載置されている場合には、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６へ静電吸着用直流電圧を印加する前に半導体ウエハ２０２を処理室１０１から搬出する。

試料台１０１の上に半導体ウエハ２０２を搬入した後、試料台１０１に組み込まれたウエハ搬送用のウエハ押上げピン２１７が、試料台１０１の表面上に飛び出してなく下がっていることを確認する（ステップ１１９）。このとき、ウエハ押上げピン２１７が下がっていない場合は、ウエハ押上げピン２１７を下げる（ステップ１２０）。その後、エッチング処理（ステップ１２１）を行ない、さらに試料台１０１に静電吸着された半導体ウエハ２０２の吸着力を除去する除電（ステップ１２２）を行なって、ウエハ押上げピン２１７を上昇または下降させながら半導体ウエハ２０２を搬送装置により試料台１０１の上から処理室の外へ搬出する（ステップ１２３）。

以上説明したように、本実施形態によれば、真空容器内の試料台にウエハを保持してプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置において、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングあるいはエッチングで放電する前に、試料台１０１に埋設された静電吸着用双極電極２０５，２０６に直流電圧を印加して再び直流電圧をＯＦＦすることで、ｉｎ−ｓｉｔｕクリーニングやエッチング処理などのプラズマ着火を向上することができる。

すなわち、静電吸着用電極（双電極が望ましい）への給電により、ウエハ吸着用の誘電体膜に電荷を蓄積しておき、この蓄積された電荷により形成された電位が処理室内に供給された電界内の電子の移動量を大きくして、着火性を向上させることになる。

なお、プラズマを生成するに際しては、通常、弱い強度のプラズマを生成した状態からプラズマの強度を上昇させて強強度のプラズマを生成させる（強度を強強度に設定しておいてプラズマを生成させることは装置の特性を悪化させることから通常は行われない）。このようにプラズマの強度を上昇させて強強度のプラズマを生成する場合、初期の弱い強度のプラズマでは正常な処理を施すことができないため、通常プラズマの点火時にはバイアスを印加しない。

本実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。 図１に示す試料台の構造を説明する図である。 プラズマ処理装置の処理シーケンスを説明する図である。 従来のプラズマ処理装置の処理シーケンスを説明する図である。 プラズマ処理装置を用いた処理（クリーニング処理およびエッチング処理）を説明する図である。

符号の説明

１０１ 試料台
１０２ 真空排気設備
１０３ シャワープレート
１０４ 石英板
１０５ アンテナ
１０６ プロセスガス導入口
１０７ 高周波電源
１０８，１０９，１１０ ソレノイドコイル
１１１ バルブ
１１２，１１３，１１４ マスフローコントローラ
１１５ 処理室
１１６ ガス穴
２０１ プラズマ
２０２ 半導体ウエハ
２０３ ウエハ冷却ガス溝
２０４ 誘電体材料
２０５，２０６ 静電吸着用双極電極
２０７ 冷媒流路
２０８ ウエハ冷却ガス導入路
２０９ ウエハバイアス電源
２１０ バルブ
２１１ 冷却ガス用マスフローコントローラ
２１２ チラー
２１３，２１４ 静電吸着用直流電源
２１５ 電極
２１６ サセプタ
２１７ ウエハ押上げピン

Claims (5)

1. 真空処理室と、
   該真空処理室内に配置され試料台と、
   前記真空処理室内に高周波電力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極を備え、
   前記生成されたプラズマにより前記試料台上に配置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記試料台は、試料載置面に絶縁された静電吸着用の電極を備え、前記アンテナ電極に高周波電力を供給してプラズマを生成させる前の所定期間に、前記静電吸着用の電極に所定の直流電圧を供給して充電してプラズマの着火性を向上させ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、
   前記静電吸着用の電極は、正電圧および負電圧が供給される少なくとも２つの電極を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 真空処理室と、
   該真空処理室内に配置され試料台と、
   前記真空処理室内に高周波電力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極を備え、
   前記生成されたプラズマにより前記試料台上に配置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において、
   前記アンテナ電極に高周波電力を供給してプラズマを生成させる前の所定期間に、前記試料台に形成された静電吸着用の電極に所定の直流電圧を供給して前記電極を充電してプラズマの着火性を向上させたことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項３記載のプラズマ処理方法において、
   前記静電吸着用の電極は、正電圧および負電圧が供給される少なくとも２つの電極を備えたことを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 請求項３記載のプラズマ処理方法において、
   静電吸着用の電極に直流電圧を印加する電源はアンテナ電極に高周波電力を供給する前に遮断することを特徴とするプラズマ処理方法。

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