JP2010157559A - プラズマ処置装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハ温度を短時間で変化させる場合においてもウエハ温度を均一に保持することのできるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空処理室と、該真空処理室内に配置された試料台と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入手段を備え、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し、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、基材の上部に配置され試料が載置される前記基材上面を加熱するヒータ２０４と、前記基材の上面の外周側であって前記基材の側面に沿って配置され前記ヒータと接続して電力を供給する給電路２０９を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処置装置に係り、特に被加工材である試料を載置する試料台を備えたプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置を用いて半導体ウエハを処理するに際しては、処理のスループット向上を図るため、例えば、半導体ウエハ上に積層された、フォトレジスト層、反射防止膜層、ハードマスク層、ポリシリコン層、メタル層等を連続して処理することが求められている。複数の膜を連続処理するためには、各処理ステップの間において、例えばエッチング条件としてのウエハ温度を秒オーダの短時間で変化させることが必要とされる。

このような要求を実現するためには、試料台にヒータを設け該ヒータにより急速に加熱することが必要である。また、前記試料台を十分に冷却することのできる冷媒流路を設ける必要がある。また、載置されたウエハを静電吸着により吸着保持することが必要である。

ヒータを備えた試料台としては種々のものが提案されている。例えば、特許文献１には、試料台の表面付近に発熱手段としてのヒータおよび静電吸着装置を備え、かつ試料台の基材内に冷却手段としての冷媒流路を備え、これらの発熱手段および冷却手段をそれぞれ独立に調整することで、ウエハ温度を短時間で変化させることのできる技術が開示されている。
特開２００７−６７０３６号公報

上記従来技術においては、スループット向上の観点からは、発熱手段はウエハ近傍に設置する方が有利であり、また冷媒による冷却能力は増大させる方が有利である。しかしながら、このような発熱手段および冷却手段を設置した場合、ウエハ温度分布はヒータあるいは冷媒流路の設置パターンを強く反映し、結果としてウエハ温度の均一性が損なわれ、最終的に得られるウエハの回路パタ−ンの線幅（ＣＤ；Critical Dimension）はウエハ面内で不均一となることがある。

ウエハ温度の面内不均一を解消するために、ヒータおよび冷媒流路のパターンを緻密にする方法が考えられる。しかし、この方法のみではウエハ温度を面内で完全に均一化することはできない。

一般に、試料台はヒータおよび吸着電極への給電部を備えている。前記給電部は試料台を構成する基材に貫通孔を設け、該貫通孔の内部に給電用のケーブルをひき通すことで形成される。このため、ヒータおよび冷媒流路は給電部を構成する前記貫通孔を避けて配置することが必要となる。ヒータあるいは冷媒流路の、前記給電部を回避する程度が増加すると、試料台の給電部付近におけるウエハ温度を制御する性能がその周囲より低下する。このため、給電部付近におけるウエハ温度の不均一を招き、製造される回路パターンの線幅はウエハ面内で不均一となる。

また、スループットの観点から、前記ヒータの加熱能力、すなわちヒータへの印加電力は大きいほど有利である。しかしながら、ヒータへの印加電力を増加すると、ヒータに電力を供給するケーブルの太さが増加する。このため、前記給電部においてケーブルをひき通すための貫通孔の径を増加させる必要がある。貫通孔の径を増加するとヒータおよび冷媒流路が給電部を回避する度合いが増す。このためウエハ温度不均一の問題が顕在化する。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、ウエハ温度を短時間で変化させる場合（印加熱量を急変する場合）においてもウエハ温度を均一に保持す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た試料台と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入手段を備え、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し、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、基材の上部に配置され試料が載置される前記基材上面を加熱するヒータと、前記基材の上面の外周側であって前記基材の側面に沿って配置され前記ヒータと接続して電力を供給する給電路を有する。

本発明は、以上の構成を備えるため、ウエハ温度を短時間で変化させる場合においてもウエハ温度を均一に保持することができる。

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エッチング装置を説明する図である。真空容器１０２の上部に石英製のシャワープレート１０３および石英製の蓋１０１を設置して真空処理室３を構成する。真空容器１０２の下方にはバルブ１０４を介して真空ポンプ１０５を接続する。また、真空容器下部には絶縁部材１０６を介して試料台２を配置する。

処理室３を構成する前記部材間には図示しないＯリング等のシール手段を挿入して密封しており、処理室３内の圧力は１００００分の１Ｐａ程度の高真空を維持することができる。

処理室３の上部には、シャワープレート１０３、蓋１０１および真空容器１０２で構成されたガス溜まりが配置され、このガス溜まりにはガス導入孔１０７を介して処理ガスが供給される。なお、ガス溜まり１０９の構成部材間には図示しないＯリング等のシール手段を挿入している。

処理ガス１０８は、まずガス溜まり１０９に導入され、次いでシャワープレート１０３に設けた多数の貫通孔１１０を通り、処理室３内にシャワー状に導入される。処理ガス１０８としては、プロセス毎に単一のガス、あるいは複数種のガスを所定の流量比で混合したガスが用いられる。

処理室３の上方には、円盤状のアンテナ１１１を設置する。アンテナ１１１には高周波電源１１４を、高周波をオン・オフするスイッチ１１３、および高周波印加の際のインピーダンスの整合をとるための整合器１１２を介して接続し、アンテナ１１１に高周波電圧を印加して電磁波を生成する。処理室３に導入された電磁波は真空真空容器の周囲に設置したコイル１１５によって生じる磁場との相互作用により、処理室内に高密度のプラズマを生成する。

試料台２は、絶縁部材１０６を介して真空真空容器１０２の下部に配置する。試料台の周囲には円板状のフォーカスリング１１８を設置し、処理室３内に生じるプラズマから試料台を保護する。フォーカスリングの材質としては、例えば石英が好適である。

なお、前記試料台の温度は、その半径方向で任意に調整可能であることが望ましく、例えば、その中央側で高く外周側で低く設定することにより、反応生成物の再付着による影響を相殺してエッチングレートを均一に保持することができる。

図２は、試料台２の詳細を示す横断面図である。試料台２は、チタン製の基材４と、基材４の上面に溶射によって形成した溶射膜２００を備える。チタン製の基材４は、冷却手段としての冷媒用の流路５を備えており、チラーなどの温調器（温度調節器）６と接続して温調した冷媒を流路５に流すことができる。

基材４は整合器１１７を通して高周波電源１１６と接続しており、バイアス電圧を印加することでプラズマ中のイオンをウエハに引き込んで異方性エッチングを行う。なお、基材４の材質としては、本実施形態においてはチタンとしたが、必ずしもチタンに限定されるものではなく、適度な強度があればどのような金属でも使用でき、たとえばステンレス、アルミ、アルミ合金などを用いることができる。

試料台２の上面に形成された溶射膜２００は７層構造をしており、基材側から、第１のセラミックス層２０１、給電体層２０２、第２のセラミックス層２０３、ヒータ層２０４、第３のセラミックス層２０５、吸着電極層２０６、第４のセラミックス層２０７を備えている。

層状に形成された給電体２０２は溶射形成した層間給電体２１１を介してヒータ２０４あるいは吸着電極２０６と電気的に接続している。試料台２の側面およびウエハ吸着面外側面において、溶射膜２００は３層構造としており、基材外側から、第５のセラミックス層２０８、給電体２０９、第６のセラミックス層２１０を備えている。

加熱手段としてのヒータ２０４はヒータ電源８と接続している。本実施形態においてはヒータ２０４は、内ヒータ２０４ａおよび外ヒータ２０４ｂの２系統を備え、プラズマ処理中のウエハに対してその半径方向に最適な温度分布を実現することができる。静電吸着電極２０６は２枚とし、内電極２０６ａおよび外電極２０６ｂを備えたダイポール型とし、それぞれの電極は図示しない直流電源に接続する。直流電源から電極２０６ａ，２０６ｂに電圧を印加することによりウエハを静電吸着することができる。なお、本実施形態においてはダイポール型の静電吸着電極を用いたが、必ずしもダイポール型である必要はなく、モノポール型であってもよい。また、静電吸着以外の吸着方法であってもよい。

ヒータ２０４に電力を供給するための給電部７は、試料台の吸着面の外側に設けている。すなわちウエハ半径をＷとすれば給電部設置位置の半径ｒは、ｒ＞Ｗに設定している。また、吸着電極２０６に電力を供給するための給電部は図示していないものの前記ヒータ用給電部と同様にその半径位置ｒは、ｒ＞Ｗに設定している。これらのヒータおよび吸着電極用の給電部７は、内ヒータおよび外ヒータ２０４ａ、２０４ｂ用に４箇所（７ａ，７ｆ，７ｃ，７ｄ）、吸着電極２０６用に２箇所（７ｂ，７ｅ）、の合計６箇所である（図３，４，５参照）。

基材４の表面近傍には、基材４にくぼみを設けて温度測定手段としての熱電対９を配置している。温調器６、ヒータ電源８、および熱電対９は制御機器１０に接続し、温調器６、ヒータ電源等の各種温調機器類を熱電対の指示値に基づいてフィードバック制御することにより、ウエハ１温度を任意に調節することができる。ウエハ１の温度調節は、主に試料台２の温度調節によってなされるため、ウエハと試料台間の熱抵抗は小さい方がよい。このためウエハ裏面と試料台の間に存在するわずかな隙間に冷却ガス１１を、例えば１０００Ｐａオーダの圧力で導入しウエハ裏面と試料台の熱伝達を向上させている。前記冷却ガス１１としては、プロセスに影響を及ぼさないものであれば種類は問わないが、例えばヘリウムが好適である。

このように、給電部を構成する貫通孔の半径位置（ｒ）を、緻密なパターン（パターン間隔＜貫通孔径）のヒータあるいは冷媒流路が配置されるウエハ半径位置（Ｗ）より大きく設定する。すなわち給電部を構成する貫通孔を、ヒータおよび冷媒流路を避けて配置し、ヒータと給電部あるいは吸着電極と給電部間は前記給電体２０３を介して接続する。このため、ヒータおよび冷媒流路は、給電部を構成する貫通孔を避けて（不均等な形状に）配置する必要はなくなり、ヒータおよび冷媒流路によるウエハ温度調整をより均一に行うことができる
図３は、試料台２上に配置したセラミック層間に配置した給電体２０２のパターン例を示す断面図である。給電体２０９ａ，２０９ｂ，２０９ｆは、それぞれ給電体２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｆを介して層間給電体２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｆと電気的に接続している。

図４は、試料台２上に配置したセラミック層間に配置したヒータ２０４のパターン例を示す断面図である。ヒータ２０４はその発熱密度が面内で均一となるようにパターン配置している。ウエハ搬送用押上装置１２は、前記ヒータのパターンが局所で不規則とならないよう、ヒータ２０４の隙間に設置している。内ヒータ２０４ａに対しては、層間給電体２１１ａ，２１１ｆを通して電力を供給する。外ヒータ２０４ｂに対しては、給電部７ｃ，７ｄと電気的に接続した給電体２０９ｃ，２０９ｄを通して電力を供給する。内電極２０６ａ用の層間給電体２１１ｂは、前記ヒータのパターンが局所で不規則とならないよう、ヒータ２０４の隙間に設置している。なお、図４では、同心円状に配置された複数の半円状の薄膜抵抗体のパターンを直列接続してヒータパターンを形成したが、ヒータパターンは半円状のパターンに限られるものではなく、例えば直線と円弧の組み合わせからなるパターンであっても良い。

図５は、試料台２上に配置したセラミック層間に配置した吸着電極２０６のパターン例を示す断面図である。内電極２０６ａに対しては、層間給電体２１１ｂを通して電力を供給する。外電極２０６ｂに対しては給電部７と電気的に接続した給電体２０９ｅを通して電力を供給する。

図６は、試料台２の冷媒流路５のパターン例を示す断面図である。冷媒流路５は吸熱性能が面内で均一となるようにパターン配置している。ウエハ搬送用押上装置１２は、前記冷媒流路パターンが局所で不規則とならないよう、冷媒流路５の隙間に設置している。

図７、図８および図９は、試料台の外周付近に溶射形成した給電体の構造を示す横断面図である。

図７は、内ヒータ２０４ａおよび内電極２０６ａに対する給電体を示す。内ヒータ２０４ａに対しては、給電部７ａ，給電体２０９ａ，給電体２０２ａ、層間給電体２１１ａ、および給電部７ｆ，給電体２０９ｆ，給電体２０２ｆ，層間給電体２１１を介して給電する。同様に内電極２０６ａに対しては、給電部７ｂ，給電体２０９ｂ，給電体２０２ｂ、層間給電体２１１ｂを介して給電する。

図８は、外ヒータ２０４ｂに対する給電体を示す。外ヒータ２０４ｂに対しては、給電部７ｃ、７ｄおよび給電体２０９ｃ、２０９ｄを介して給電する。

図９は、外電極２０６ｂに対する給電体を示す。外電極２０６ｂに対しては、給電部７ｅ，給電体２０９ｅを介して給電する
図１０は、給電部７の構造の詳細を示す。試料台２を構成する基材４に貫通孔３０１を設け、貫通孔３０１の内壁に絶縁材としてのセラミックスパイプ３０２を埋め込み、セラミックスパイプ３０２一端に金属製のソケット３０３を埋め込んでいる。ソケット３０３の上面は溶射形成した給電体２０９と電気的に接続している。ソケット３０３の開放端側にケーブル３０４と電気的に接続した金属製のプラグ３０５を差し込む。以上の構造により、ケーブル３０４と給電体２０９を電気的に接続することができる。

試料台２の製作手順の一例を説明する。まず、基材４に、給電部用の貫通孔３０１を設けてセラミックスパイプ３０２とソケット３０３を装着する。次に、基材４に、第１のセラミックス層２０１および第５のセラミックス層２０８を溶射する。次に、内ヒータ２０４ａおよび内電極２０６ａに対する給電体２０２を溶射する。次に、セラミックス層２０３を溶射する。次に、内ヒータ２０４ａ用の層間給電体２１１、ヒータ層２０４、および外ヒータ２０４ｂ用の給電体２０９を溶射する。次に、第３のセラミックス層２０５を溶射する。次に、内電極２０６ａ用の層間給電体２１１、吸着電極２０６、ならびに外ヒータ２０４ｂ用の給電体２０９を溶射する。最後に、第４のセラミックス層２０７および第６のセラミックス層２１０を溶射する。

図１１は、第２の実施形態を説明する図である。本実施形態では、基材４の表面に溝を設け、この溝内に、第１のセラミックス層２０１および給電体２０２を形成した点で第１の実施形態と異なる。この例においても、ヒータ２０４あるいは静電吸着電極に電力を供給するための給電部７は、試料台の吸着面の外側に設けられ、図示しない給電部７からのヒータ用あるいは静電吸着用の電力は溝内に設けた給電体２０２を介して給電される。

このように、給電部を構成する貫通孔の半径位置（ｒ）を、緻密なパターンでヒータあるいは冷媒流路が配置されるウエハ半径位置（Ｗ）より大きく設定する。すなわち給電部を構成する貫通孔を、ヒータおよび冷媒流路を避けて配置し、ヒータと給電部あるいは吸着電極と給電部間は前記溝内に形成した給電体を介して接続する。このため、ヒータおよび冷媒流路は、給電部を構成する貫通孔を避けて（不均等な形状に）配置する必要はなくなり、ヒータおよび冷媒流路をによるウエハ温度をより均一に調整することができる。

図１２は、比較例を示す図である。この例においては、図１１に示す第２の実施形態において、ヒータ２０４および吸着電極２０６に電力を供給するための給電部７の半径位置ｒがｒ＜Ｗとなるように設定してある。このため、ヒータおよび冷媒流路は給電部を構成する貫通孔を避けて配置しなければならない。

図１３は、図２に示す本実施形態にかかる試料台と、図１２に示す比較例にかかる試料台を用いて連続処理を行った場合（最高温度ステップ時）におけるウエハの温度分布およびＣＤ分布の測定結果を示す図である。

図１３に示すように、本実施形態においては、ウエハ温度およびＣＤのいずれにおいてもその周方向バラツキが径によらず小さい。また、本実施形態においては、ウエハ温度が周方向で均一であったために、ウエハ面内で均一なＣＤを得ることができた。一方、比較例においては、ウエハ温度およびＣＤのいずれにおいても周方向のバラツキに径方向で分布が生じた。このように、比較例においては、吸着面直下に存在する給電部によってウエハ温度が不均一となり、ウエハ面内でＣＤ不均一が生じる。

以上の説明では、加熱手段としてのヒータ２０４は２系統としたが、必ずしも２系統である必要はなく、１系統あるいは３系統以上であってもよい。また、基材４の表面に溶射によってセラミック層を７層形成するとしたが、必ずしも７層とする必要はなく、ウエハ吸着面近傍に加熱手段と、ウエハを静電吸着するための電極とを備え、かつ前記加熱手段と前記電極がそれぞれ基材と絶縁して配置されていれば、どのような構造であってもよい。また、冷却手段としての冷媒流路５は１系統としたが、必ずしも１系統である必要はなく、複数系統を備えていてもよい。また、温度測定手段として熱電対９を用いたが、必ずしも熱電対を使用するに限るわけではなく、白金抵抗体や蛍光温度計、放射温度計を使用することができる。

また、溶射セラミックス２０１、２０３、２０５、２０７、２０８、および２１０、ならびにセラミックパイプ３０２の材質は、絶縁性を維持することができ、かつプラズマ耐性があればどのような材質であってもよいが、例えばアルミナやイットリアが好適である。また、ヒータ２０４、吸着電極２０６、ならびに給電体２０２、２０９、２１１の材質としては、どのような金属でもよいが、例えばタングステンやニッケルなどが好適である。

以上説明したように、本実施形態によれば、ヒータに電力を供給するための給電部を試料台の吸着面の外側に設ける。すなわちウエハ半径をＷとすれば給電部設置位置の半径ｒをｒ＞Ｗに設定している。また、吸着電極に電力を供給するための給電部も前記ヒータ用給電部と同様にその半径位置ｒをｒ＞Ｗに設定している
このように、給電部を構成する貫通孔の半径位置（ｒ）を、緻密なパターンでヒータあるいは冷媒流路が配置されるウエハ半径位置（Ｗ）より大きく設定する。このように給電部を構成する貫通孔を、ヒータおよび冷媒流路を避けて配置し、ヒータと給電部あるいは吸着電極と給電部間は前記給電体を介して接続する。このため、ヒータおよび冷媒流路を給電部を構成する貫通孔を避けて（不均等な形状に）配置する必要はなくなり、ヒータおよび冷媒流路によるウエハ温度をより均一に調整することができる。また、ウエハ温度を短時間で変化させる場合においてもウエハ温度を均一に保持することができる。

第１の実施形態にかかるプラズマエッチング装置を説明する図である。 試料台の詳細を示す横断面図である。 給電体のパターン例を示す断面図である ヒータのパターン例を示す断面図である。 吸着電極のパターン例を示す断面図である。 冷媒流路のパターン例を示す断面図である。 内ヒータおよび内電極に対する給電体を示す図である。 外ヒータに対する給電体を示す図である。 外電極に対する給電体を示す図である。 給電部の構造の詳細を示す図である。 第２の実施形態を説明する図である。 比較例を示す図である。 ウエハの温度分布およびＣＤ分布の測定結果を比較例と比較して示す図である。

符号の説明

１ ウエハ
２ 試料台
３ 処理室
４ 基材
５ 冷媒流路
６ 温度調節器
７ 給電部
８ ヒータ電源
９ 熱電対
１０ 制御装置
１１ 冷却ガス
１２ ウエハ搬送用押上装置
１３ 冷却ガス導入孔
１０１ 蓋
１０２ 真空容器
１０３ シャワープレート
１０４ バルブ
１０５ 真空ポンプ
１０６ 絶縁部材
１０７ ガス導入孔
１０８ 処理ガス
１０９ ガス溜まり
１１０ シャワープレート貫通孔
１１１ アンテナ
１１２ 整合器
１１３ スイッチ
１１４ 高周波電源
１１５ コイル
１１６ 高周波電源
１１７ 整合器
１１８ フォーカスリング
２００ 溶射膜
２０１ 第１のセラミックス層
２０２ 給電体
２０３ 第２のセラミックス層
２０４ ヒータ
２０５ 第３のセラミックス層
２０６ 吸着電極
２０７ 第４のセラミックス層
２０８ 第５のセラミックス層
２０９ 給電体
２１０ 第６のセラミックス層
２１１ 層間給電体
３０１ 給電部貫通孔
３０２ セラミックパイプ
３０３ ソケット
３０４ ケーブル
３０５ プラグ

Claims (7)

1. 真空処理室と、該真空処理室内に配置された試料台と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入手段を備え、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し、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、基材の上部に配置され試料が載置される前記基材上面を加熱するヒータと、前記基材の上面の外周側であって前記基材の側面に沿って配置され前記ヒータと接続して電力を供給する給電路を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処置装置において、
   前記基材内部には、熱交換媒体の流路を備えたことを特徴とするプラズマ処置装置。
3. 真空処理室と、該真空処理室内に配置された試料台と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入手段を備え、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し、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、熱交換媒体の流路を備えた基材と、該基材上に積層した複数の絶縁材層と、該絶縁材層の間にそれぞれ配置した給電体層、ヒータ層、および静電吸着電極層と、前記基材上に載置される試料の外周よりも外周側に配置した給電部と、前記絶縁材層を貫通して給電体層とヒータ層あるいは給電体層と静電吸着電極を接続する層間給電体を備え、
   前記給電部、給電体層、層間給電体を介して前記ヒータ層または静電吸着電極に給電することを特徴とするプラズマ処置装置。
4. 請求項３記載のプラズマ処置装置において、
   前記ヒータ層は、試料の中央部分を加熱する内ヒータおよび試料の外周部分を加熱する外ヒータを備えたことを特徴とするプラズマ処置装置。
5. 請求項３記載のプラズマ処置装置において、
   前記静電吸着電極層は、試料の中央部分に電圧を印加する内電極および試料の外周部分に電圧を印加する外電極を備えたことを特徴とするプラズマ処置装置。
6. 請求項３記載のプラズマ処置装置において、
   前記試料の温度はその中央側で高く外周側で低く調整することを特徴とするプラズマ処置装置。
7. 請求項３記載のプラズマ処置装置において、
   前記ヒータ層を形成するヒータのパターン間隔は給電部を構成する貫通孔の径よりも小であることを特徴とするプラズマ処置装置。