JP2010062195A - プラズマ処理装置及び試料載置電極 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータを用いた温度制御電極において機械的信頼性を確保しつつ運用レンジの拡大と高速応答性、および周方向の均一性を改善した電極を提供する。
【解決手段】プラズマエッチング装置の試料載置電極の電極基材を２層構造とし、冷媒部を持つ第１層は純Ｔｉ材またはＡｌ材としとし、第２層はＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）で構成してヒータで加熱した場合に温度ムラが少なく、電極に載置したウエハの加工寸法精度が低下を少なくする。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置に関わり、特に、被エッチング試料が多層膜で構成されている場合に一貫でエッチング処理を図るのに好適な試料載置電極に関するものである。

ヒータ内蔵電極の従来技術の一例は、図３に示すように従来電極と同様、冷媒流路を有する純チタン（以下、「Ｔｉ」と記載する。）基材の上部に溶射法によってヒータ層、吸着層で構成する多層膜を積層して構成した構造が提案されている。基材に純Ｔｉを用いるのはＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする上層溶射膜との線膨張係数がほぼ等しく、電極温度の変化によって生じる熱応力を軽減することが主な目的である。
特開２００７−８８４１１号公報

しかしながら、純Ｔｉの熱伝導率は１７Ｗ／ｍ／Ｋ（ワットパーメートルケルビン）程度であるため、例えば３００ｍｍウエハを対象とした場合、冷媒温度２０℃設定で７０℃に保持しようとした場合、定常ヒータ電力として約３ｋＷ必要で、エッチング対象の膜が次の膜になって高い温度を必要とする場合に昇温時のエッチング開始待ち時間が長く、単位時間当たりのエッチング処理枚数が少ないという課題があった。

また、ヒータで加熱した場合に生じる大きな熱フラックスに対して、冷媒溝での熱交換レートのわずかな違いがウエハでの温度ムラとして現れ、加工寸法精度が低下してしまうという問題があった。

本発明の目的はヒータを用いた温度制御電極において機械的信頼性を確保しつつ運用レンジの拡大と高速応答性および周方向の均一性を改善した電極を提供することにある。

本発明のプラズマ処理装置は、内部が減圧排気される処理室と、前記処理室に設けられ被処理基板が載置される試料載置電極と前記処理室内にプラズマを発生させるための電磁波発生装置と、前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と前記処理室内を排気する為の真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、前記試料載置電極は冷媒溝を有する基材層とヒータ加熱層ならびに静電吸着層を有し、該基材層は冷媒溝を有する純チタン基材層の上部にチタン合金層を有することを特徴とする。

また、本発明の試料載置電極は、内部が減圧排気される処理室と、前記処理室に設けられ被処理基板が載置される試料載置電極と前記処理室内にプラズマを発生させるための電磁波発生装置と、前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と前記処理室内を排気する為の真空排気系とを有するプラズマ処理装置用の試料載置電極であって、冷媒溝を有する基材層とヒータ加熱層ならびに静電吸着層を有し、該基材層は冷媒溝を有する純チタン基材層の上部にチタン合金層を有することを特徴とする。

本発明では、上記課題を解決するための手段として、例えば、電極基材を２層構造とし、冷媒部を持つ第１層は純Ｔｉ材とし、第２層はＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）で構成することができる。（「Ａｌ」はアルミニウム、「Ｖ」はバナジウムを示す。）

さらに他の手段として、電極基材を２層構造とし、冷媒部を持つ第１層はＡｌ材とし、第２層はＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）で構成することができる。

本発明のプラズマエッチング装置の試料載置電極によれば、ヒータで加熱した場合に温度ムラが少なく、電極に載置したウエハの加工寸法精度の低下が少なくなる。

半導体集積回路の集積度が高くなるにつれて素子構造の微細化が進み、従来は単層膜で構成されていた素子が、特性向上の要求に対応するため複数の膜種で積層化されることが多くなった。例えば過去、配線工程ではそれまでアルミニウム単層で構成されていた配線材料が、デバイスとしての信頼性向上と加工時の露光解像度の要求を満たすため上層膜と下層膜を例えば窒化チタンとし積層することが広く行われている。さらに最近ではトランジスタの高速化、低消費電力化の要求でゲート電極に対しても積層構造が採用されるようになっている。さらにリソグラフィーの解像度を高めるため積層レジストを用いることも一般化してきている。

これら積層構造をエッチングで一貫加工する場合には、処理ウエハ温度が同じでは各材料がエッチングガスと反応して作られる反応生成物の蒸気圧が異なり側壁保護膜の付着量が異なって寸法加工精度の低下をきたすため、各層のエッチング時にウエハ温度を変更することが行われるようになった。さらに反応生成物分布の径方向の不均一分布によって生じる加工寸法の径方向偏差を、ウエハ温度を径方向に変化させることで補正し加工寸法精度を向上させることが行われるようになった。特にゲート長がトランジスタの電気特性に直接影響を与えるゲート電極加工では、高い精度の温度制御が求められるようになった。

加えてこれら各層のエッチング毎にウエハ温度を変更するにあたっては、生産性を高める上で温度の変更を高速で行い、待ち時間を出来るだけ少なくすることが望まれる。

本発明は特にこの工業的な要求に対応することを目的としてなされたものであり、その構成、使用方法、効果を以下、実施例によって説明する。

図１は本発明を実施したエッチング装置を示すものである。マイクロ波源１０１により出力されたマイクロ波は導波管１０４により伝送される。処理室１１１には図示していない真空排気系とガス導入系が接続され、プラズマ処理に適した雰囲気、圧力に保持することが出来る。投入されたマイクロ波により、処理室１１１内のガスがプラズマ化され被処理試料（以下「ウエハ」と呼ぶ）１１２に所定のプラズマ処理を行うことが出来る。なお、プラズマの生成手段はマイクロ波ではなく、高周波を用いた誘導結合または高周波を用いた静電結合によるプラズマ生成手段でも良い。

ウエハ１１２は試料載置電極１１３上に設置され、自動整合器１１４を介してバイアス電源１１５によるバイアス電位を加えることが出来る。これによりプラズマ中のイオンを被処理基板に引き込み、プラズマエッチングを実行する。 試料載置電極１１３の上部には後述するＴｉ合金層２２３が設けられている。

電極には試料と電極表面の熱伝導を確実にするＨｅ（ヘリウム）導入系１１６、静電チャックのための直流電源１１７、ヒータ温度制御のためのヒータ電源１１８、電極本体基材を冷却するために冷媒を温調循環させる温調器１１９が接続されている。また、電極には電極中の複数個所の温度をモニタし、ヒータ電源への出力指令値を決めるウエハ温度制御部１２０が接続される。

電極１１３内部の詳細構造を図２を用いて説明する。電極本体は純Ｔｉ等の金属で構成される基材部２２１があり、その中には基材冷却のための冷媒が流れる冷媒溝２２２がある。この冷媒溝は電極上部での温度均一性を出来るだけ確保するためにほぼ等間隔に配置されている。冷媒溝を流れる冷媒はフロン系の冷媒で、冷凍能力５ｋＷの温調器によって毎分１０Ｌの流量で循環する。

基材部２２１の上部にはＴｉ合金からなるＴｉ合金層２２３が設けられている。本実施例では第１、第２の実施例ともにＴｉ合金としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を用いた。Ｔｉ合金層は厚さ４ｍｍ〜８ｍｍの範囲が好適であり、本実施例では６ｍｍとした。

Ｔｉ合金層の上面にはプラズマ溶射法によってウエハ吸着機能、ヒータ機能を有する多層薄膜０１２４を形成した。上層はウエハ吸着機能層で内部にタングステンよりなる双極の電極を有する。下層のヒータ機能層は試料台の中央部、ミドル部、エッジ部の３領域に分かれており、それぞれに対して１．５ｋＷの電源が接続されヒータの発熱量を独立に制御することで径方向のウエハ温度分布を制御することが出来る。

なお、比較のために本発明で取り上げた従来技術におけるヒータ電極の構造を図３に示す。純Ｔｉで構成される基材部とその上部に図２と同様の構成のヒータ機能とウエハ吸着機能を有する多層薄膜がある。

以下、上記に述べた本発明の電極の効果について定量的に説明する。説明は以下に述べる数値計算によって確認した。数値計算は電極基材、ウエハ、電極基材上部の多層誘電体溶射薄膜と該薄膜内に埋め込まれたタングステンヒータ層、ウエハと電極表面との間に存在するＨｅ層の各層を半径方向８４メッシュ、高さ方向１４メッシュに分割し、軸対称二次元の熱伝導方程式を数値計算するものである。

なお、この数値計算手法は別途実験データとベンチマークされており計算は一定の信頼度を有する。Ｈｅ圧力は断らない限り１．５ｋＰａ一定とした。静電吸着によるウエハの電極への押し付け力は約１０ｋＰａとした。また冷媒の温度は断らない限り２０℃とした。

図４の上図は従来例である基材を純Ｔｉ材で構成した場合での、３０℃⇔７０℃での中央部、ミドル部及びエッジ部におけるウエハ温度上昇／下降応答性を示したものであり、下図は、中央部、ミドル部及びエッジ部におけるヒータパワーの供給状況を示したものである。中央部での応答性を大きい点線で示し、ミドル部での応答性を細線で示し、エッジ部での応答性を小さい点線で示している。従来例でのウエハ温度上昇／下降応答性は比較的緩やかで、上昇速度は１．７５℃／Ｓ、下降速度は１．２７℃／Ｓであった。

図５の上図は、本発明の実施例１の第１の電極の中央部、ミドル部及びエッジ部におけるウエハ温度上昇／下降応答性を示したものであり、下図は、中央部、ミドル部及びエッジ部におけるヒータパワーの供給状況を示したものである。本発明の実施例１の第１の電極での温度上昇速度は２．８５℃／Ｓ、同じく下降速度は１．５８℃／Ｓで、図４の従来技術での結果に比較して大きく改善されていることがわかる。また、ウエハの最高到達温度（１５００Ｗ印加）についても、従来例での計算では９４．５℃であったものが１２０．４℃まで増加し、同出力の電源で運用レンジを広くすることが可能となった。

以上のように、純Ｔｉ基材の上部にＴｉ合金層を設置することにより、Ｔｉ合金層の下地が純Ｔｉ基材であり、純Ｔｉ基材内に冷媒溝が均一にほぼ等間隔で配置される場合には、ウエハ温度上昇／下降応答性を向上させることが可能となった。

なお、例えば、電極には図６に示すようにヒータへの給電シャフト、静電吸着膜への給電シャフト、ウエハ搬送のためのプッシャピン用のシャフトなど縦シャフトが必要であり、冷媒溝層での干渉を避けるため冷媒溝の間隔を不等間隔に配置せざるを得ない場合があり、この場合には、ヒータ発熱密度が均一であっても冷却レートの差でウエハ温度が不均一になる場合がある。

この例を、図７に示す。図７は図６において、冷媒溝が均等に並んでいるＡ−Ａ断面と、冷媒溝が不均等に並んでいるＢ−Ｂ断面でそれぞれ温度分布を計算したものである。図７（Ａ）は、図６におけるＡ−Ａ断面での温度分布（冷媒溝均等配置の場合）を示し、図７（Ｂ）は、図６におけるＢ−Ｂ断面での温度分布（冷媒溝不均等配置の場合）を示している。図７（Ａ）の冷媒溝が均等に分布した部分では電極表面（ウエハ表面）温度は均一であるが、図７（Ｂ）の冷媒溝が偏っているＢ−Ｂ断面部分では温度差が１．２℃と不均一が生じている。

したがって、本発明の第１の電極の場合は冷媒溝の不均等配置をできるだけ避けるように設計することも必要である。なお、従来技術の場合（図８）も図８（Ｂ）の冷媒溝が不均等に配置された場合には同様の状況となり温度差が１．４℃の不均一が生じる。従ってこの場合ウエハ温度を均一化させるためには冷媒溝のレイアウトを変更したり、ヒータ発熱密度に分布を持たせて補正するなどの方策を必要とした。

図９は、本発明の第２の実施例の電極の断面構造を示す図である。冷媒溝９２２を配置する層９２１はＡｌ（アルミニウム）で構成し、その上にＴｉ合金層９２３が設けられている。なお、Ｔｉ合金層９２３の上部には多層薄膜が形成されている

図１０は、本発明の第２の実施例の解析結果（応答性）を示す図である。昇温速度は２．２８℃／Ｓ、降温速度は１．２１℃／Ｓと、図５に示した第１の発明より低下する。これはＡｌの熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ／Ｋと大きいことによってＴｉ合金の熱伝導率の効果を相殺する方向に働くことによる。

本計算ではＴｉ合金層の厚さを図５と同じ６ｍｍとして計算したがこれを８ｍｍにすることで昇温速度が向上することを確認している。

図１１は、本発明の第２の実施例の電極において図７と同様に冷媒溝の配置に不均一がある場合のウエハの温度分布を示す。ウエハ表面での温度不均一は±０．５℃となり、縦シャフトの干渉による冷媒溝の配置に不均一があっても、ウエハ温度均一化のためのその他の対策を必要としない程度の性能を実現することができた。

なお、純ＴｉとＡｌでは線膨張係数が異なり、これらの部材をブレージングなどの方法により強固に融着する場合において、広い温度範囲で使用する場合には、繰り返し熱応力によりＡｌ部の応力集中部に疲労破壊が生じる場合がある。そのような使用条件の場合には、両層間を応力緩和が可能なブレージング材あるいは金属含有接着剤で接合し、応力を緩和することによって疲労破壊の発生を抑制する。

図１は、本発明の実施例として用いたプラズマエッチング装置の模式断面図である。 図２は、本発明の第１の実施例の電極の構成を示す図である。 図３は、従来技術の電極の構成を示す図である。 図４は、従来技術の電極を用いた場合のウエハ温度の過渡応答を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施例によるウエハ温度の過渡応答を示す図である。 図６は、電極の冷媒溝の配置を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施例で冷媒溝が不均一となった場合のウエハ温度分布である。 図８は、従来技術の電極で冷媒溝が不均一となった場合のウエハ温度分布である。 図９は、本発明の第２の実施例の電極の構成を示す図である。 図１０は、本発明の第２の実施例によるウエハ温度の過渡応答を示す図である。 図１１は、本発明の第２の実施例で冷媒溝が不均一となった場合のウエハ温度分布である。

符号の説明

１０１ マイクロ波源
１０４ 導波管
１１１ 処理室
１１２ 被処理基板（ウエハ）
１１３ 試料載置電極
１１４ 自動整合器
１１５ バイアス電源
１１６ Ｈｅ供給系
１１７ 直流電源
１１８ ヒータ電源
１１９ 温調器
１２０ 制御器
２２１ 純Ｔｉ基材部
２２２ 冷媒溝
２２３ Ｔｉ合金層
２２４ 多層薄膜
９２１ Ａｌ基材部
９２２ 冷媒溝
９２３ Ｔｉ合金層
９２４ 多層薄膜

Claims (10)

1. 内部が減圧排気される処理室と、前記処理室に設けられ被処理基板が載置される試料載置電極と前記処理室内にプラズマを発生させるための電磁波発生装置と、前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と前記処理室内を排気する為の真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、前記試料載置電極は冷媒溝を有する基材層とヒータ加熱層ならびに静電吸着層を有し、該基材層は冷媒溝を有する純チタン基材層の上部にチタン合金層を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 内部が減圧排気される処理室と、前記処理室に設けられ被処理基板が載置される試料載置電極と前記処理室内にプラズマを発生させるための電磁波発生装置と、前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と前記処理室内を排気する為の真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、前記試料載置電極は冷媒溝を有する基材層とヒータ加熱層ならびに静電吸着層を有し、該基材層は冷媒溝を有するアルミニウム基材層の上部にチタン合金層を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、前記試料載置電極の冷媒溝は、前記アルミニウム基材層に不均一に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、前記試料載置電極のチタン合金層は下地の基材層とブレージングもしくは金属含有接着剤で接合されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、前記試料載置電極のチタン合金層は少なくともアルミニウムとバナジウムを含むチタン合金により形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 内部が減圧排気される処理室と、前記処理室に設けられ被処理基板が載置される試料載置電極と前記処理室内にプラズマを発生させるための電磁波発生装置と、前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と前記処理室内を排気する為の真空排気系とを有するプラズマ処理装置用の試料載置電極において、冷媒溝を有する基材層とヒータ加熱層ならびに静電吸着層を有し、該基材層は冷媒溝を有する純チタン基材層の上部にチタン合金層を有することを特徴とする試料載置電極。
7. 内部が減圧排気される処理室と、前記処理室に設けられ被処理基板が載置される試料載置電極と前記処理室内にプラズマを発生させるための電磁波発生装置と、前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と前記処理室内を排気する為の真空排気系とを有するプラズマ処理装置用の試料載置電極において、冷媒溝を有する基材層とヒータ加熱層ならびに静電吸着層を有し、該基材層は冷媒溝を有するアルミニウム基材層の上部にチタン合金層を有することを特徴とする試料載置電極。
8. 請求項７に記載の試料載置電極において、前記冷媒溝は、前記アルミニウム基材層に不均一に配置されていることを特徴とする試料載置電極。
9. 請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の試料載置電極において、前記チタン合金層は下地の基材層とブレージングもしくは金属含有接着剤で接合されていることを特徴とする試料載置電極。
10. 請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の試料載置電極において、前記チタン合金層は少なくともアルミニウムとバナジウムを含むチタン合金により形成されていることを特徴とする試料載置電極。

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