JP2012151414A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理中に生じる石英系のダストの発生を従来に比して抑制することができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、プラズマ処理装置１０は、チャンバ１１内に処理対象保持手段とプラズマ生成手段とを備える。処理対象保持手段は、ウェハ１００が載置される支持テーブル２１と、支持テーブル２１上に載置されるウェハ１００の周囲に導電性材料からなるリング状のフォーカスリング２３が載置されるべきフォーカスリング載置領域の下部に設けられるリング状の石英製の下部インシュレータリング２２１と、下部インシュレータリング２２１上のフォーカスリング載置領域の外周に配置される上部インシュレータリング２２２と、を備える。上部インシュレータリング２２２は、イットリア製であり、下部インシュレータリング２２１上のフォーカスリング載置領域以外の全面を覆うリング状の構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置は、下部電極として機能し、ウェハを保持する基板保持部と、上部電極として機能し、ガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドと、がチャンバ内に対向して配置された構造を有する。このプラズマ処理装置では、シャワーヘッドからチャンバ内にガスを供給し、基板保持部に高周波電力を供給してプラズマを生成させ、基板保持部で保持されたウェハ上のたとえば酸化膜を除去する。

一般的に基板保持部は、ウェハが載置される領域に設けられ、静電チャック機構でウェハを保持する静電チャック部と、静電チャック部に載置されたウェハの外周を囲うように配置される環状のフォーカスリングと、フォーカスリングの外周を囲うように配置される環状のカバーリングと、を備えている。フォーカスリングは、シリコン（Ｓｉ）などの導電性材料から構成され、カバーリングは加工が容易な石英で構成されるのが一般的であった。

特開２００９−２２４３８５号公報

しかしながら、従来技術では、プラズマはフォーカスリングよりも広い領域に生成されるため、ウェハのエッチング時にカバーリングなどの基板保持部の構成部材がエッチングされてしまう。その結果、石英とエッチングガスとが反応したダスト（石英系のダスト）が発生してしまうという問題点があった。また、上記のような構成のプラズマ処理装置で処理対象とするものはウェハ上に形成されたシリコン酸化膜などの酸化膜であり、これらの酸化膜のエッチング時に、石英で構成されるカバーリングなどもエッチングされてしまい、交換頻度が高くなっているという問題点もあった。

本発明の一つの実施形態は、プラズマ処理中に生じる石英系のダストの発生を従来に比して抑制することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、チャンバ内に処理対象を保持する処理対象保持手段と、前記チャンバ内に導入されたガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、を備え、生成されたプラズマを用いて前記処理対象を処理するプラズマ処理装置が提供される。前記処理対象保持手段は、前記処理対象が載置される処理対象支持部材と、前記処理対象支持部材上に載置される前記処理対象の周囲に導電性材料からなるリング状のフォーカスリングが載置されるべきフォーカスリング載置領域の下部に設けられるリング状の石英製の下部インシュレータリングと、前記下部インシュレータリング上の前記フォーカスリング載置領域の外周に配置される上部インシュレータリングと、を備える。そして、前記上部インシュレータリングは、イットリア製であり、前記下部インシュレータリング上の前記フォーカスリング載置領域以外の全面を覆うリング状の構造を有する。

図１は、プラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、インシュレータリング付近の構造の一部拡大断面図である。 図３は、第１の実施形態によるインシュレータリングの構造の一例を示す斜視図である。 図４は、第１の実施形態によるインシュレータリングの構造の他の例を示す断面図である。 図５は、第２の実施形態によるプラズマ処理装置のインシュレータリング付近の構造の一部拡大断面図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかるプラズマ処理装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、プラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示す断面図であり、図２は、インシュレータリング付近の構造の一部拡大断面図であり、図３は、第１の実施形態によるインシュレータリングの構造の一例を示す斜視図であり、図４は、第１の実施形態によるインシュレータリングの構造の他の例を示す断面図である。ここでは、プラズマ処理装置１０として、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を例示している。

プラズマ処理装置１０は、気密に構成されたたとえばアルミニウム製のチャンバ１１を有している。チャンバ１１内には、処理対象としてのウェハ１００を水平に支持するとともに、下部電極として機能する処理対象支持部材である支持テーブル２１が設けられている。支持テーブル２１の表面上には、図示しないがウェハ１００を静電吸着する静電チャック機構などの保持機構が設けられている。支持テーブル２１の側面および底面の周縁部を覆うように絶縁材料からなるインシュレータリング２２が設けられており、インシュレータリング２２で覆われた支持テーブル２１の上方の外周には、シリコンなどの導電性材料からなるフォーカスリング２３が設けられている。このフォーカスリング２３は、ウェハ１００のエッチング時に、電界がウェハ１００の周縁部で鉛直方向（ウェハ面に垂直な方向）に対して偏向しないように電界を調整するために設けられる部材である。

また、支持テーブル２１は、チャンバ１１内の中央付近に位置するように、チャンバ１１の中央付近の底壁から鉛直上方に筒状に突出する支持部１２上に、インシュレータリング２２を介して支持されている。インシュレータリング２２とチャンバ１１の側壁との間には、バッフル板２４が配置されている。バッフル板２４は、板の厚さ方向を貫通する複数のガス排出孔２５を有する。また、支持テーブル２１には、高周波電力を供給する給電線３１が接続されており、この給電線３１にブロッキングコンデンサ３２、整合器３３および高周波電源３４が接続されている。高周波電源３４からは所定の周波数の高周波電力が支持テーブル２１に供給される。

下部電極として機能する支持テーブル２１に対向するように、支持テーブル２１の上部に上部電極として機能するシャワーヘッド４１が設けられている。シャワーヘッド４１は、支持テーブル２１と平行に対向するように、支持テーブル２１から所定の距離を隔てたチャンバ１１の上部付近の側壁に固定される。また、シャワーヘッド４１は、支持テーブル２１よりも広い面積を有している。このような構造によって、シャワーヘッド４１と支持テーブル２１とは、一対の平行平板電極を構成している。さらに、シャワーヘッド４１には、板の厚さ方向に貫通する複数のガス供給路４２が設けられている。

チャンバ１１の上部付近には、プラズマ処理時に使用される処理ガスが供給されるガス供給口１３が設けられており、ガス供給口１３には配管を通じて図示しないガス供給装置が接続されている。

支持テーブル２１とバッフル板２４よりも下部のチャンバ１１にはガス排気口１４が設けられており、ガス排気口１４には配管を通じて図示しない真空ポンプが接続されている。

また、バッフル板２４とシャワーヘッド４１との間で区切られる領域のチャンバ１１の側壁には、プラズマ処理時に発生する反応生成物のチャンバ１１側壁への付着を防止するデポシールド４５が設けられている。さらに、チャンバ１１の所定の位置の側壁部には、ウェハ１００を出し入れする開口部１５が形成され、この開口部１５に対応するデポシールド４５の部分には、シャッタ４６が設けられている。シャッタ４６は、チャンバ１１の外部と内部との間を仕切る役割を有し、ウェハ１００を出し入れする際に、開口部１５とチャンバ１１内とを接続するように開かれる。

このように、チャンバ１１内の支持テーブル２１およびバッフル板２４と、シャワーヘッド４１とで仕切られた領域は、プラズマ処理室６１となり、シャワーヘッド４１で仕切られたチャンバ１１内の上部の領域は、ガス供給室６２となり、支持テーブル２１およびバッフル板２４で仕切られたチャンバ１１内の下部の領域はガス排気室６３となる。

ここで、図２に示されるように、インシュレータリング２２は、フォーカスリング２３を支持し、支持テーブル２１の周囲に配置されるリング状の下部インシュレータリング２２１と、下部インシュレータリング２２１の周縁部上に載置されるリング状の上部インシュレータリング２２２と、を含む。下部インシュレータリング２２１は石英によって構成されており、その上面部には、フォーカスリング２３を載置するフォーカスリング載置部２２１ａと、上部インシュレータリング２２２を載置する上部インシュレータリング載置部２２１ｂと、を有する。フォーカスリング載置部２２１ａと上部インシュレータリング載置部２２１ｂの上面は、それぞれ平坦化されており、この図の例では、上部インシュレータリング載置部２２１ｂの上面の方がフォーカスリング載置部２２１ａの上面に比して低く構成され、両者の間には段差が設けられている。

フォーカスリング載置部２２１ａ上には、フォーカスリング２３が載置される。上部インシュレータリング載置部２２１ｂ上には、上部インシュレータリング２２２が載置される。つまり、上部インシュレータリング２２２は、下部インシュレータリング２２１に設けられた段差に、はめ込まれるように載置される。このように、下部インシュレータリング２２１に設けられた段差に上部インシュレータリング２２２をはめ込むことで、上部インシュレータリング２２２の水平面内方向の意図しない変位が抑制される。上部インシュレータリング２２２は、下部インシュレータリング２２１上にただ載置されるだけでもよいし、固定部材で固定されてもよい。また、上部インシュレータリング２２２は、イットリアの焼結体で構成されるが、イットリア結晶粒子の中で、特にプラズマ耐性の高い結晶面がシャワーヘッド４１側に配置されるように配向させた焼結体を形成してもよいし、焼結体内の気孔を少なくし、密度を高めてプラズマ耐性を高めるようにしてもよい。

上部インシュレータリング２２２の幅は、下部インシュレータリング２２１の上部インシュレータリング載置部２２１ｂの幅よりも若干広く構成される。そのため、上部インシュレータリング２２２の側面部（外周部）は、下部インシュレータリング２２１の側面部（外周部）よりも外部に突出している。このような構成によって、プラズマ処理中に下部インシュレータリング２２１の側面までイオンやラジカルが飛来し難くすることができる。

支持テーブル２１の上面の外周部にも段差部２１１が設けられており、段差部２１１を構成する面は、下部インシュレータリング２２１のフォーカスリング載置部２２１ａの上面と同じ高さとなっている。そして、フォーカスリング２３は、支持テーブル２１の段差部２１１と下部インシュレータリング２２１のフォーカスリング載置部２２１ａとで支持される。また、フォーカスリング２３は、上部インシュレータリング２２２の内周側の側面と、支持テーブル２１の段差部２１１を構成する側面とによって半径方向の移動が抑制されるように固定される。つまり、フォーカスリング２３は、フォーカスリング載置部２２１ａの外周側に突出しないように、下部インシュレータリング２２１のフォーカスリング載置部２２１ａ上と支持テーブル２１の段差部２１１上に載置されるように設計されている。

なお、フォーカスリング２３の下部に、石英製の下部インシュレータリング２２１だけでなく、たとえばイットリア製の上部インシュレータリング２２２が一部入り込むような構造とすると、プラズマ処理時に電界が乱れてしまう。そのため、フォーカスリング２３の下部には、イットリア製のインシュレータリングを設けず、またイットリア製の上部インシュレータリング２２２が入り込まないような構造としている。また、支持テーブル２１に載置したウェハ１００の上面と、フォーカスリング２３の上面と、上部インシュレータリング２２２の上面とは、面一（つらいち）とすることでプラズマ処理時の電界の乱れを抑制することができる。この場合、上部インシュレータリング２２２は、下部インシュレータリング２２１の段差部に載置されるため、上部インシュレータリング２２２の厚さはフォーカスリング２３よりも厚くなっている。

図３に示されるように、上部インシュレータリング２２２はリング状（円筒状）を有している。また、図１や図２に示されるように、断面は略同じ厚さを有する。なお、図１と図２では、外周部の上部は丸みを帯びた構造を有しているが、図４に示されるように、断面が矩形状であってもよい。一般的にイットリアの焼結体は割れやすいため、図１〜図４に示されるように、細かな構造がない形状のものであることが望ましい。

このように構成されたプラズマ処理装置１０での処理の概要について説明する。まず、支持テーブル２１上に処理対象であるウェハ１００が載置され、たとえば静電チャック機構によって固定される。ついで、ガス排気口１４に接続される図示しない真空ポンプでチャンバ１１内が真空引きされる。このとき、ガス排気室６３とプラズマ処理室６１との間は、バッフル板２４に設けられたガス排出孔２５によって接続されているので、ガス排気口１４に繋がる真空ポンプによってチャンバ１１内全体が真空引きされる。

その後、チャンバ１１内が所定の圧力に達すると、プラズマ処理室６１とガス供給室６２との間はシャワーヘッド４１のガス供給路４２によって接続されているので、図示しないガス供給装置からガス供給室６２に処理ガスが供給され、シャワーヘッド４１のガス供給路４２を介してプラズマ処理室６１に供給される。プラズマ処理室６１内の圧力が所定の圧力に達すると、チャンバ１１とシャワーヘッド４１（上部電極）を接地した状態で、支持テーブル２１（下部電極）に高周波電圧を印加して、プラズマ処理室６１内にプラズマ１１０を生成させる。プラズマ１１０は、下部電極である支持テーブル２１の上面とフォーカスリング２３とが配置される領域上に生成される。ここで、下部電極側には高周波電圧による自己バイアスにより、プラズマ１１０とウェハ１００との間に電位勾配が生じ、プラズマガス中のイオンがウェハ１００へと加速されることになり、異方性エッチング処理が行われる。

エッチング時に、ウェハ１００だけでなくフォーカスリング２３や上部インシュレータリング２２２もイオンやラジカルによってエッチングされる。酸化物のエッチングには一般的にＦ系ガスが用いられるが、たとえば一般的なプラズマ処理装置のようにインシュレータリングが石英で構成されている場合には、インシュレータリングのエッチングによってＳｉＦ₄などの反応性生物が発生する。このＳｉＦ₄は、蒸発し易く、たとえば一度チャンバ１１内壁（デポシールド４５）に付着した後蒸発し、ダストとして処理対象に付着してしまう虞がある。

一方、第１の実施形態によるイットリア製の上部インシュレータリング２２２では、エッチングによってＹＦ₃などの反応生成物が発生するが、この反応生成物はチャンバ１１内の構成部材、たとえばデポシールド４５などに到達し付着する。ＹＦ₃は蒸発し難いので、付着した反応生成物はチャンバ１１内の構成部材に堆積され、再蒸発せずにチャンバ１１内の構成部材を覆うようになり、エッチングされ難くなる。その結果、反応生成物がダストとしてたとえば処理対象に付着してしまうことを抑制することができる。このように、石英製のインシュレータリングではエッチング時にダストが発生してしまうので、第１の実施形態では、イットリア製の上部インシュレータリング２２２を用いてダストの発生を抑制している。

以上のように、第１の実施形態では、インシュレータリング２２を、フォーカスリング２３を支持する下部インシュレータリング２２１と、フォーカスリング２３の外周に設けられかつ下部インシュレータリング２２１がプラズマに暴露されないようにその上部に設けられるイットリア製の上部インシュレータリング２２２と、で構成した。これによって、プラズマ処理（エッチング処理）時に、石英製のインシュレータリングに比してダストの発生を抑制することができるという効果を有する。

また、イットリアはプラズマ耐性の高い材料であるので、プラズマ処理時にエッチングされ難く、インシュレータリング２２の寿命を石英製のインシュレータリングに比して延ばすことができるという効果も有する。一般的なプラズマ処理装置のようにインシュレータリングが石英で構成されている場合には、ウェハに形成された酸化膜のエッチングとともにインシュレータリングも略同じ割合でエッチングされてしまう。これに対して、第１の実施形態による石英製の下部インシュレータリング２２１上にイットリア製の上部インシュレータリング２２２を配置した構造のインシュレータリング２２では、たとえばプラズマに１，０００時間程度暴露した場合に数十μｍ程度しかエッチングされない。これは、石英製のインシュレータリングを使用した場合の数十分の一程度のエッチング量となる。そのため、石英製のインシュレータリングを使用する場合には、インシュレータリングの交換を頻繁に行わなければならないが、第１の実施形態による上部インシュレータリング２２２では、従来に比して数十倍の寿命を有し、交換頻度を数十分の一にすることが可能となる。また、イットリア製の上部インシュレータリング２２２を下部インシュレータリング２２１上に載せるだけでよいので、交換が容易であるという効果も有する。

（第２の実施形態）
一般的な石英製のインシュレータリングを用いてたとえばＲＩＥ装置で酸化膜をエッチングする場合には、ウェハ上に形成された酸化膜のエッチングとともに、インシュレータリングも同時にエッチングされてしまう。特に、半導体装置の製造においては、酸化膜としてシリコン酸化膜が多く用いられ、シリコン酸化膜をエッチングする際には、同じ組成（ＳｉＯ₂）のインシュレータリングも同様にエッチングされてしまうことになる。このとき、フォーカスリングに近い側ほどエッチング量が多くなり、プラズマ処理時間の経過とともに、インシュレータリングの上面の高さは、外周部からフォーカスリング側に向かって低くなる。つまり、エッチング量は、プラズマが生成される領域に近いほど多く、プラズマが生成される領域から離れるにしたがって少なくなる。

図５は、第２の実施形態によるプラズマ処理装置のインシュレータリング付近の構造の一部拡大断面図である。第２の実施形態では、上部インシュレータリング２２２を、フォーカスリング２３側ほど厚くなるように構成している。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。

第２の実施形態によれば、エッチングされやすい箇所ほど上部インシュレータリング２２２の厚さを厚くしているので、第１の実施形態に比して、さらに上部インシュレータリング２２２の寿命を延ばすことができるという効果を有する。

なお、上記した説明では、プラズマ処理装置１０としてＲＩＥ装置を例に挙げて説明したが、アッシング装置、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching）装置、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置などの処理装置全般や半導体製造装置全般に、上記した実施形態を適用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…プラズマ処理装置、１１…チャンバ、１２…支持部、１３…ガス供給口、１４…ガス排気口、１５…開口部、２１…支持テーブル、２２…インシュレータリング、２３…フォーカスリング、２４…バッフル板、２５…ガス排出孔、３１…給電線、３２…ブロッキングコンデンサ、３３…整合器、３４…高周波電源、４１…シャワーヘッド、４２…ガス供給路、４５…デポシールド、４６…シャッタ、６１…プラズマ処理室、６２…ガス供給室、６３…ガス排気室、１００…ウェハ、１１０…プラズマ、２１１…段差部、２２１…下部インシュレータリング、２２１ａ…フォーカスリング載置部、２２１ｂ…上部インシュレータリング載置部、２２２…上部インシュレータリング。

Claims (6)

1. チャンバ内に処理対象を保持する処理対象保持手段と、前記チャンバ内に導入されたガスをプラズマ化するプラズマ生成手段と、を備え、生成されたプラズマを用いて前記処理対象を処理するプラズマ処理装置において、
   前記処理対象保持手段は、
   前記処理対象が載置される処理対象支持部材と、
   前記処理対象支持部材上に載置される前記処理対象の周囲に導電性材料からなるリング状のフォーカスリングが載置されるべきフォーカスリング載置領域の下部に設けられるリング状の石英製の下部インシュレータリングと、
   前記下部インシュレータリング上の前記フォーカスリング載置領域の外周に配置される上部インシュレータリングと、
   を備え、
   前記上部インシュレータリングは、イットリア製であり、前記下部インシュレータリング上の前記フォーカスリング載置領域以外の全面を覆うリング状の構造を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記フォーカスリング載置領域は、前記処理対象支持部材の外周部と前記下部インシュレータリングの内周部上にわたって配置されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記下部インシュレータリングは、前記フォーカスリング載置領域の外周部付近で、上面が低くなる段差部を有し、
   前記上部インシュレータリングは、前記下部インシュレータリングの前記段差部にはめ込まれるように載置されることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記上部インシュレータリングの外周部は、前記下部インシュレータリングの外周部よりも突出して形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記上部インシュレータリングは、半径方向で同じ厚さを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記上部インシュレータリングは、外周部から前記フォーカスリング載置領域側に向けて厚さが厚くなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
   

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