JP3173692B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハの処理工程において、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
の形成などのためにドライエッチングが行われている。
このドライエッチングを行う従来装置の代表的なものと
して平行平板型プラズマ処理装置が知られている。

【０００３】図５は平行平板型プラズマ処理装置を示す
図であり、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。また載置台１１の内部には、ウエハＷを冷
却するために冷媒溜１３が形成されている。１４は排気
管である。

【０００４】このようなプラズマ処理装置においては、
先ず載置台１１上にウエハＷを載置し、ガス供給部１２
から処理ガスを導入すると共に、電極１１、１２間に高
周波電源部により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ウエハＷの
エッチングが行われる。このときウエハＷは載置台１１
により冷却されるが、このように冷却する理由は、反応
性イオンにより被加工物を削っていったときに、反応性
イオンと被加工物との反応生成物が凹部の側壁に、ある
温度で付着固化するのでその温度にウエハを冷却して反
応生成物により側壁を保護するようにしているのであ
る。

【０００５】ところでデバイスのパターンの線幅が増々
微細化する傾向にあるが、上述の装置においてプラズマ
が発生しているときのチャンバ内の圧力が１００ｍＴｏ
ｒｒ〜１Ｔｏｒｒであり、このような高い圧力ではイオ
ンの平均自由工程が小さいので微細加工が困難である。
またウエハが大口径化しつつあるが、イオンの平均自由
工程が小さいと、広い面に亘ってプラズマ分布の高い均
一性を確保できないため、大口径のウエハに対して均一
な処理が困難であるという問題点もある。

【０００６】そこで最近において、欧州特許公開明細書
第３７９８２８号や特開平３−７９０２５号公報に記載
されているように、載置台１１に対向するチャンバ１の
上面を石英ガラスなどの絶縁材により構成すると共に、
この絶縁材の外側に平面状のコイルを固定し、このコイ
ルに高周波電流を流してチャンバ１内に電磁場を形成
し、この電磁場内に流れる電子を処理ガスの中性粒子に
衝突させてプラズマを生成する高周波誘導方式が検討さ
れつつある。

【０００７】この方式によれば、コイルの形状に従って
略同心円状の電界を誘導し、プラズマの閉じ込め効果が
あるので、従来の平行平板型プラズマ処理装置の場合に
比べて相当低い圧力でプラズマを発生させることがで
き、従って発生したプラズマ中のイオンの平均自由工程
が大きく、このためこのプラズマによるエッチング処理
は、微細加工に適している。そしてプラズマは高密度領
域から低密度領域へ拡散するが、イオンの平均自由工程
が大きいことからプラズマ密度分布は滑らかであり、ウ
エハ平面に並行な面におけるプラズマの均一性が高く、
大口径のウエハに対するプラズマ処理の面内均一性が向
上する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように高周波誘導
方式はパターンの線幅の微細化、ウエハの大口径化に適
したものとして注目されるものではあるが、プロセス圧
力が例えば１０-2Ｔｏｒｒ以下と相当低いため、このこ
とに伴ういくつかの問題がある。その一つとしてウエハ
の冷却の問題がある。即ちプロセス圧力が低いと載置台
１１からウエハＷへ十分に熱が伝わらない（つまりウエ
ハＷから載置台１１へ十分吸熱されない）のでウエハＷ
の冷却が不十分になる。このためエッチングされる膜の
側壁において反応生成物による保護効果が不十分にな
り、膜の凹部の側壁が削られてしまうが、デバイスのパ
ターンの線幅が非常に微細化しているので、このように
エッチング形状が悪くなるとデバイスの特性に悪影響を
与え、結局高周波誘導方式の利点が十分生かされなくな
ってしまうという問題がある。

【０００９】本発明は、このような事情の下になされた
ものであり、その目的とするところは、アンテナに高周
波電力を印加してプラズマを発生させるにあたり、被処
理体を所定温度に精度よく維持することができ、これに
より良好なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処
理方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決しようとする手段】本発明は、上面の一部
を除いてア−スに接続されたアルミニウムよりなるチャ
ンバ内に被処理体を搬入して載置台上の静電チャックに
載置する工程と、真空ポンプにより前記チャンバ内を所
定の真空雰囲気にする工程と、ガス供給管より所定のガ
スを前記チャンバ内に供給する工程と、前記載置台に対
向する平面状の渦巻きアンテナに高周波電圧を印加して
当該アンテナの周りに磁界を形成しアンテナの下方にプ
ラズマを生成する工程と、前記載置台とチャンバとの間
に前記渦巻きアンテナに印加する高周波電圧の周波数よ
りも低い周波数の高周波電圧を印加して、チャンバと載
置台との間で電界を形成する工程と、前記静電チャック
に直流電圧を印加して前記被処理体を静電吸着する工程
と、バックサイド用のガス供給路より被処理体裏面にガ
スを供給する工程と、前記被処理体がその裏面に供給さ
れたガスを通じて所定の温度に冷却された状態で当該被
処理体に対して処理を行う工程と、を含むことを特徴と
する。

【００１１】この発明は、例えば被処理体を所定の枚数
処理した後、ＣｌＦ3 ガスをチャンバ内に供給して反応
生成物をＣｌＦ3 ガスによりクリ−ニングする工程を更
に含む。

【００１２】

【作用】アンテナに高周波電流を流すことによりチャン
バ内に電磁界を形成してプラズマを発生させるため、か
なり低い圧力でプラズマが発生する。一方温度調整手段
の熱を、圧力調整された熱伝導用のガスを介して被処理
体に伝熱しているので効率よく安定して伝熱させること
ができ、被処理体を所定の温度に調整でき、プラズマの
処理が安定する。

【００１３】

【実施例】図１及び図２は本発明の実施例に用いられる
プラズマ処理装置、例えばエッチング装置の全体構成を
示す断面図、及び一部を破断した概略斜視図である。図
中２は、上面の一部を除いて例えばアルミニウムで構成
された気密構造のチャンバであり、このチャンバ２内の
中央底部には、例えばアルミニウムよりなる載置台３が
配置されている。

【００１４】前記載置台３は、上側部分である載置部３
１と、この載置部３１を支持する下側部分である支持部
３２とがボルト３３により分離可能に結合して構成され
ており、支持部３２とチャンバ２との間には絶縁体３４
が介装されている。前記載置部３１の上面には静電チャ
ックシート４がその上面を覆うように設けられている。
この静電チャックシート４は、例えば銅箔からなる静電
チャックシート用の電極である導電膜４１を例えばポリ
イミドフィルムからなる絶縁膜４２で両側から被覆して
構成され、導電膜４１は、チャンバ２の外部の直流電源
４３にスイッチ４４を介して電気的に接続されている。

【００１５】前記載置部３１には、上端が当該載置部３
１の上面に開口する複数のバックサイドガス（熱伝導用
のガス）のためのの孔部５１が形成されており、これら
孔部５１の下端は例えば通気室５２を介してバックサイ
ドガス用のガス供給路５３に連通している。また前記静
電チャックシート４にも図３に示すように各孔部５１に
対応した位置に穴４３が穿設され、孔部５１からのバッ
クサイドガスが静電チャックシート４の穴４３を通じて
ウエハＷの裏面に吹き付けられるようになっている。前
記ガス供給路５３は、バタフライバルブなどの圧力調整
器５４を介して図示しない例えばＨｅガスなどのガス供
給源に接続されている。

【００１６】そして前記通気室５２にはバックサイドガ
スの圧力を検出する圧力検出部５５が設けられ、本発明
装置の制御系に含まれるコントローラ５６は、圧力検出
部５５の圧力検出値にもとづいて、前記孔部５１からウ
エハＷの裏面へ向けて吹き出すバックサイドガスの圧力
が所定値例えば１０Ｔｏｒｒになるように、圧力調整器
５４例えばバタフライバルブの開度を調整する機能を有
している。この実施例では、コントローラ５６及び圧力
調整器５４は、バックサイドガスの圧力制御手段をなす
ものである。

【００１７】前記載置部３１の上には、ウエハＷを囲む
ような環状のフォーカスリング６が配設される。このフ
ォーカスリング６は、反応性イオンを引き寄せない絶縁
性の材質から構成され、反応性イオンを内側のウエハＷ
に効果的に引き寄せる役割をもっている。

【００１８】前記支持部３２の内部には、載置台３を介
してウエハＷを冷却するために、冷却媒体を循環させる
冷媒溜３５が形成され、これには導入管３６Ａと排出管
３６Ｂとが設けられていて、導入管３６Ａを介して冷媒
溜３５内に供給された冷却媒体例えば液体窒素は排出管
３６Ｂを介して装置外部へ排出される。この冷却媒体の
循環系は、本実施例ではウエハＷの温度調整手段をなす
ものである。ここで既述したバックサイドガスの圧力を
調整するにあたっては、例えば支持部３２に温度センサ
３７を設け、この温度センサ３７の温度検出値と前記圧
力検出値とにもとづいて圧力調整器５４を調整してもよ
く、この場合載置台３の温度が上昇したときにバックサ
イドガスの圧力を高くして載置台３からウエハＷへの伝
熱効果を高める（ウエハＷの吸熱効果を高める）ように
してもよい。

【００１９】前記載置台３に対向するチャンバ２の上面
は絶縁材例えば石英ガラス板２１により構成され、この
石英ガラス２１の上面には平面状のコイル例えば渦巻き
コイルからなる高周波アンテナ７が固着されている。こ
の高周波アンテナ７の両端子（内側端子及び外側端子）
間には、プラズマ生成用の高周波電源部７１よりマッチ
ング回路７２を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波
電圧が印加される。これによりアンテナ７に高周波電流
が流れ、後述するようにアンテナ７直下のチャンバ２内
空間でプラズマが生成されることとなる。

【００２０】また前記載置台３とアースとの間には、当
該載置台３に、高周波アンテナ７に印加される高周波電
圧の周波数より低い周波数例えば４００ＫＨｚのバイア
ス電圧を与えるために、高周波電源部２２が接続されて
いる。そしてチャンバ２はアースに接続されており、こ
のため載置台３とチャンバ２との間に電界が形成され、
この結果チャンバ２内のプラズマ中の反応性イオンのウ
エハＷに対する垂直性が増すこととなる。

【００２１】前記チャンバ２の側面上部にはガス供給管
２３が接続されている。このガス供給管２３よりチャン
バ２内に供給される処理ガスは加工の種類によって異な
り、例えばエッチング加工の場合にはＣＨＦ3 やＣＦ4
等のエッチングガスが供給される。図示の例では１本の
ガス供給管２３だけ示されているが、処理ガスの種類に
応じた本数のガス供給管がチャンバ２に接続すればよ
い。

【００２２】前記チャンバ２の底面には、複数の排気管
８１の一端がチャンバ２の周方向に等間隔な位置に接続
されている。図示の例では２本の排気管８１の一端がチ
ャンバ２の軸に対称に接続されている。そしてこれら排
気管８１の他端側は、図２に示すようにバタフライバル
ブなどの圧力調整器８２及び真空ポンプ８３が介装され
た共通の排気管８４に接続されている。またこの実施例
では排気系は、真空引き初期には緩やかに排気してパー
ティクルを巻き上げないように、またある程度真空引き
した後例えばチャンバ２内の圧力が数１００ｍＴｏｒｒ
になった後は急速に排気するように、チャンバ２内に設
けられた圧力検出部８５よりの圧力検出値にもとづいて
排気コントローラ８６が圧力調整器８２を調整するよう
に構成されている。

【００２３】次に上述実施例の作用について説明する。
先ず図示しない搬送アームにより被処理体例えばウエハ
Ｗをチャンバ２内に搬入して静電チャックシート４上に
載置する。そして真空ポンプ８３により排気管８１を介
して、既述したように排気初期時には緩やかに、またあ
る程度真空排気した後は急速に排気し、チャンバ２内を
所定の真空雰囲気にすると共に、冷媒例えば液体窒素を
導入管３６Ａを介して冷媒溜３５に導入し、排出管３６
Ｂを介して排出することにより載置台３を冷却する。続
いてガス供給管２３より例えばＣＦ4 ガスなどのエッチ
ングガスをチャンバ２内に供給しながら排気管８１より
真空排気してチャンバ２内を例えば数ｍ〜数１０ｍＴｏ
ｒｒの真空度に維持すると共に、高周波アンテナ７に高
周波電源部７１より高周波電圧を印加する。この高周波
電圧の印加により高周波アンテナ７に高周波電流が流れ
ると、アンテナ導体の周りに交番磁界が発生し、その磁
束の多くはアンテナ中心部を縦方向に通って閉ループを
形成する。このような交番磁界によってアンテナ７の直
下で概ね同心円状に円周方向の交番電界が誘起され、こ
の交番電界により円周方向に加速された電子が処理ガス
の中性粒子に衝突することでガスが電離してプラズマが
生成される。

【００２４】一方静電チャックシート４の導電膜４１
に、スイッチ４４をオンにして直流電圧を印加すると、
プラズマ及びチャンバ２を介して導電路が形成され、こ
れにより静電チャックシート４の表面に静電気が発生し
てウエハＷが静電チャックシート４に吸着される。そし
てバックサイドガス用のガス供給路５３よりバックサイ
ドガス例えばＨｅガスを既述したように圧力制御して例
えば１０Ｔｏｒｒの圧力でウエハＷの裏面側に吹き付け
ると、ウエハＷの裏面及び静電チャックシート４の表面
は完全な平面ではなく凹凸があるため、その隙間にバッ
クサイドガスが流れる。この結果冷媒により冷却された
載置台３の熱がバックサイドガスを通じてウエハＷに伝
熱され（この熱はいわば冷却熱であり、熱エネルギーは
ウエハＷ側から載置台３側に流れることになる）、ウエ
ハＷは例えば４０〜８０℃に冷却される。

【００２５】このようにウエハＷが冷却された状態で、
プラズマ中の反応性イオンがウエハＷの表面に入射して
被加工物質と化学反応を起こしてエッチング処理が行わ
れる。一方ウエハＷの温度は、エッチング処理時の反応
生成物が付着する温度に維持されているため、エッチン
グされている凹部の側壁に反応生成物が付着して当該側
壁を保護し、この状態で反応性イオンが底部を削ってい
くので垂直性のよいエッチング形状が得られる。

【００２６】ここで上述のように高周波アンテナ７によ
り発生したプラズマは密度が濃く、しかも非常に低い圧
力で発生するため微細パターンに従って反応性イオンよ
り削ることができる。ここにバックサイドガスを圧力制
御して、チャンバ２内の圧力、ウエハＷの設定すべき温
度及び冷媒の温度（あるいはこれに対応する載置台３の
温度）に見合った圧力でバックサイドガスをウエハＷと
載置台３との間に供給することにより、ウエハＷと載置
台３との間が非常に低圧であるため熱伝導が悪くても、
冷媒の冷却熱が載置台３からバックサイドガスを介して
ウエハＷに伝わり、ウエハＷを所定温度に正確に冷却す
ることができるため、凹部の側壁を確実に保護でき、こ
の結果高周波アンテナ７を利用したプラズマ処理の利点
を十分に生かすことができ、微細パターンを良好にエッ
チングすることができる。

【００２７】以上において上述のように排気口をチャン
バ２の軸に対称に配置し、圧力調整器８２により２段排
気すれば、排気流が均一になり、またパーティクルの巻
き上げを抑えることができるので好ましい構成である
が、この排気系については、図４に示すように載置台４
の周壁とチャンバ２の側壁との間に、底面に排気管が接
続されたバッファ室を形成するようにケース体８７を設
け、このケース体８７の上面に、周方向に沿って等間隔
にメカニカルシャッタ８８を備えた排気穴８９を形成す
るように構成してもよい、このように構成すれば、シャ
ッタ８８の開度を調整することにより２段あるいは３段
以上の段階的な排気を行うことができる。なおケース体
８７を用いなくともケース体の上面部分以外はチャンバ
２の壁部を利用してバッファ室を形成してもよいし、ま
たバッファ室を形成せずにチャンバ２の底壁の排気口に
メカニカルシャッタを設けるようにしてもよい。

【００２８】そしてまた酸化シリコンやポリシリコンな
どのシリコン系の膜をエッチングする場合、ハロゲンと
シリコンとの化合物が反応生成物として排気管内壁など
の排気系に付着するが、このようなエッチング処理にお
いては、所定の枚数を処理した後、ＣｌＦ 3ガスを処理
ガス供給管より例えば流量１０〜５０００ｓｃｃｍ、圧
力０．１〜１００Ｔｏｒｒ、でチャンバ内に供給して排
気すれば、排気系に付着した反応生成物をこのＣｌＦ 3
ガスによりクリーニングすることができる。上述実施例
では、プラズマ処理としてエッチング処理の例を挙げて
説明したが、本発明はプラズマＣＶＤ装置、プラズマア
ッシング装置、プラズマスパッタ装置など他のプラズマ
処理装置にも適用することができる。そして載置台に設
けられる温度調整機構としては冷媒溜に限らず、加熱手
段であってもよく、またバックサイドガスとしては、Ｈ
ｅガスに限らず、Ｎ2 （窒素）ガスなどであってもよ
い。なお高周波アンテナは、例えば表面を耐食処理して
チャンバ内に設けるようにしてもよいし、被処理体とし
ては半導体ウエハに限らず、ＬＣＤ基板などであっても
よい。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、低圧下で密度の高いプ
ラズマを発生できる高周波アンテナを用いたプラズマ処
理方法において、被処理体を所定温度に高精度に設定で
き、従って良好な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】本発明の実施例の全体構成を示す断面図であ
る。

【図２】本発明の実施例の全体構成の概略を示す概略斜
視図である。

【図３】載置台の一部を示す分解斜視図である。

【図４】排気系の他の例を示す概略斜視図である。

【図５】従来のプラズマ処理装置を示す断面図である。

【符号の説明】

２ チャンバ ２１ 石英ガラス板 ３ 載置台 ４ 静電チャックシート ４１ 導電膜 ４２ 絶縁膜 ５３ バックサイドガスのガス供給路 ５４ 圧力調整器 ５５ 圧力検出部 ５６ コントローラ ７ 高周波アンテナ ８１ 排気管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23C 16/507 H01L 21/68

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上面の一部を除いてア−スに接続された
   アルミニウムよりなるチャンバ内に被処理体を搬入して
   載置台上の静電チャックに載置する工程と、 真空ポンプにより前記チャンバ内を所定の真空雰囲気に
   する工程と、 ガス供給管より所定のガスを前記チャンバ内に供給する
   工程と、前記載置台に対向する平面状の渦巻き アンテナに高周波
   電圧を印加して当該アンテナの周りに磁界を形成しアン
   テナの下方にプラズマを生成する工程と、 前記載置台とチャンバとの間に前記渦巻きアンテナに印
   加する高周波電圧の周波数よりも低い周波数の高周波電
   圧を印加して、チャンバと載置台との間で電界を形成す
   る工程と、 前記静電チャックに直流電圧を印加して前記被処理体を
   静電吸着する工程と、 バックサイド用のガス供給路より被処理体裏面にガスを
   供給する工程と、 前記被処理体がその裏面に供給されたガスを通じて所定
   の温度に冷却された状態で当該被処理体に対して処理を
   行う工程と、を含むことを特徴とするプラズマ処理方
   法。
2. 【請求項２】 被処理体を所定の枚数処理した後、Ｃｌ
   Ｆ3 ガスをチャンバ内に供給して反応生成物をＣｌＦ3
   ガスによりクリ−ニングする工程を含むことを特徴とす
   る請求項１記載のプラズマ処理方法。