JP3411539B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理装置
および処理方法に係り、特に半導体製造工程における微
細なパターンを形成するのに好適なプラズマ処理装置お
よびプラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程では、エッチング・成膜
・アッシングなどの微細加工プロセスで、プラズマ処理
装置が広く用いられている。プラズマ処理によるプロセ
スは、真空処理室（リアクタ）内部に導入されたプロセ
スガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、半導体
ウエハ表面で反応させて微細加工を行うとともに、揮発
性の反応生成物を排気することにより、所定の処理を行
うものである。

【０００３】このプラズマ処理プロセスでは、リアクタ
内壁やウエハの温度、あるいは内壁への反応生成物の堆
積状態がプロセスに大きな影響を及ぼす。また、リアク
タ内部に堆積した反応生成物が剥離すると、発塵の原因
となって、素子特性の劣化や歩留まりの低下につなが
る。このため、プラズマ処理装置においては、プロセス
を安定に保ちかつ異物の発生を抑制するために、リアク
タ内部の温度や表面への反応生成物の堆積を制御するこ
とが重要である。

【０００４】たとえば、特開平８―１４４０７２号公報
には、シリコン酸化膜のドライエッチング工程における
選択比を向上させる目的で、リアクタ内部の各部の温度
を、エッチングステージの温度よりも１５０ ℃以上高
い１５０℃以上３００℃以下（望ましくは２００℃以上
２５０℃以下）の高温度値に±５℃以内の精度で制御保
持するドライエッチング装置が記載されている。このよ
うにリアクタ内面各部の温度を高温に加熱制御すること
で、リアクタ内面へのプラズマ重合物の付着量が減少
し、半導体ウエハ上へのプラズマ重合物の付着量が増加
して、選択比が向上する。

【０００５】また、特開平５―２７５３８５号公報に
は、平行平板型のプラズマ処理装置において、クランプ
リング（被処理体保持手段）、フォーカスリング（プラ
ズマ集中手段）の少なくとも一方に、プラズマ処理によ
り生じる反応生成物が付着しない温度に昇温・維持させ
る加熱手段を設けた装置が記載されている。加熱手段と
しては抵抗発熱体を用いている。加熱により反応生成物
の付着が防止できるので、反応生成物の剥離や、被処理
体表面へのパーティクルの付着が低減される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように真空処理室内壁面を加熱して２００℃〜２５０℃
程度以上の高温に設定すると、エッチング特性が内壁表
面の温度に非常に敏感となり、プロセスの再現性・信頼
性が低下しやすいという問題がある。

【０００７】たとえば、S.C. McNevin、 et al.、 J. V
ac. Sci. Technol. B １５(２) Mar/Apr １９９７、 p.
２１、 'Chemical challenge of submicron oxide etch
ing'には、誘導結合型のプラズマにおいて、側壁温度が
２００℃から１７０℃に変化すると酸化膜エッチレート
が５%以上増加すること、したがって安定したプロセス
特性を得るにはリアクタ内表面の温度をたとえば２５０
℃±２℃という高い精度に保つ必要があることが示され
ている。

【０００８】ところが、真空処理室の内壁面は高密度な
プラズマにさらされるわけであるから、壁面の温度をこ
のような高温領域で高精度に制御するのは容易ではな
い。温度制御には高精度なin-situ温度検出手段やヒー
タ・ランプなどの加熱手段を用いることになるが、温調
の機構・手段がおおがかりになり、装置が複雑化してコ
ストアップを招くことになる。また、２００℃以上の高
温領域では使用できる材料が制約を受ける問題もある。

【０００９】この点、本願出願人は、同一出願人に係わ
る特願平１０―１４７６７２号において、有磁場UHF帯
電磁波放射放電方式のプラズマエッチング装置をひとつ
の実施例として、真空処理室内壁面の温度を１００℃以
下の温度範囲に設定することで、プロセスが温度変化に
対して敏感とならず、±１０℃程度の温調精度でも安定
したプロセス再現性が得られることを開示している。

【００１０】また、同一出願において、プラズマに接す
る構成部品（あるいは内壁面）について、その少なくと
も一部分にバイアスを印加しかつ熱容量を小さくするこ
とで、構成部品の温度を１５０℃以上２５０℃以下とす
ることで、構成部品の温度変動がプロセスに対して実質
的に影響しないレベルに小さくできることを開示してい
る。

【００１１】さらに、本願出願人は、同一出願人に係わ
る特願平１１―２３２１３２において、試料の外側部に
もうけたシリコン製のフォーカスリングについて、デポ
が堆積しない強さ以上のバイアスを印加し、かつ表面温
度を１５０℃以上とすることで、シリコン表面での反応
の温度依存性が小さくなって安定化してプロセス再現性
が確保できることを開示している。

【００１２】しかしながら上記出願時点では、試料ウエ
ハに対向している上部アンテナ（または上部電極または
天版）に設置されたプレートについては、プロセス安定
性への影響が大きいものの、そのはたす役割について
は、バイアスを印加して反応生成物を堆積させないこと
でプロセスが安定化するとしたのみで、メカニズムを十
分に理解したり必要な条件を定量化したりするには至ら
なかった。

【００１３】そこで、かかる技術的立脚点に立ち、本発
明者らは上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結
果、試料ウエハに対向するプレートについて、プロセス
安定性の確保に必要とされる温度範囲や精度あるいはバ
イアス印加による表面状態の制御についての要件を見出
すに至り、本願発明に想到したものである。

【００１４】本発明は、この本発明者らが見出した知見
に基づいてなされたものであり、安定性・再現性にすぐ
れたプロセス特性が得られるプラズマ処理装置及び処理
方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、真空処理室
と、処理室にガスを供給する処理ガス供給手段と、該真
空処理室内で処理される試料を保持する電極と、該試料
に対向して設置されるプラズマ発生装置と、該真空処理
室を減圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置に
おいて、前記プラズマ発生装置の処理室側に設置された
シリコン製のプレートに対してVdc＝―５０V以上―３０
０V以下のバイアス電圧を印加し、かつ、前記プレート
の表面温度を１００℃以上２００℃以下の範囲とするこ
とを特徴とする。

【００１６】本発明の他の特徴は、前記プラズマ処理装
置におけるシリコン製のプレートの表面温度の変動を±
２５℃以内とすることを特徴とする。

【００１７】本発明の他の特徴は、前記プラズマ処理装
置において、前記プラズマ発生装置が３００ MHzから１
GHzの有磁場または無磁場UHF帯電磁波放射放電方式で
あって、前記シリコン製のプレートの抵抗率を１ Ω・cm
以上１０ Ω・cm以下の範囲とし、前記シリコン製のプレ
ートの厚みが５mm以上２０mm以下望ましくは１０mm以下
とした、ことを特徴とする。

【００１８】本発明によれば、試料に対向して設置され
たシリコン製のプレートに対する温調とバイアス印加に
より、シリコン表面における反応の温度依存性が小さく
なり、前記プレートの表面温度の±２５℃以内の範囲の
変動に対してプラズマ状態およびプロセス特性が安定化
するので、安定性・再現性にすぐれたプロセス特性をも
つプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を実現する
ことができる。

【００１９】また、本発明の他の特徴によれば、UHF帯
電磁波に対するシリコン製のプレート内部を伝播するUH
F帯電磁波の表皮厚さとシリコンプレートの厚さがほぼ
同等となってUHF帯電磁波による電流がプレート全体を
流れるのでシリコン自体の内部抵抗による自己発熱によ
りプレートが効率よく加熱できるので、シリコン製のプ
レートの表面温度を温度変動に対する表面反応の温度依
存性が小さくなる１００℃以上２００℃以下の範囲に設
定することが可能になり、プラズマ状態およびプロセス
特性が安定化するので、安定性・再現性にすぐれたプロ
セス特性をもつプラズマ処理装置およびプラズマ処理方
法を実現することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面に基づいて説明する。図１は、本発明を、有磁場Ｕ
ＨＦ帯電磁波放射放電方式のプラズマエッチング装置へ
適用した実施例を示すもので、当該プラズマエッチング
装置の縦断面の模式図である。

【００２１】図１において、処理室１００は、１０^ー６
Torr程度の真空度を達成可能な真空容器であり、その
上部に電磁波を放射するアンテナ１１０を、下部にはウ
エハなどの試料Ｗを載置する下部電極１３０を備えてい
る。アンテナ１１０と下部電極１３０は、平行して対向
する形で設置される。処理室１００の周囲には、たとえ
ば電磁コイルとヨークよりなる磁場形成手段１０１が設
置されている。そして、アンテナ１１０から放射される
電磁波と磁場形成手段１０１で形成される磁場との相互
作用により、処理室内部に導入された処理ガスをプラズ
マ化して、プラズマＰを発生させ、下部電極１３０に載
置された試料Ｗを処理する。

【００２２】一方、処理室１００は、真空室１０５に接
続された真空排気系１０６により真空排気され、圧力制
御手段１０７により圧力が制御される。処理圧力は、
０.１Pa以上１０ Pa以下、望ましくは０.５ Pa以上４ P
a以下の範囲に調整される。処理室１００および真空室
１０５はアース電位となっている。処理室１００の側壁
１０２には、温度制御機能をもつ側壁インナーユニット
１０３が交換可能に設置される。側壁インナーユニット
１０３は、熱媒体供給手段１０４から熱媒体が循環供給
されることにより処理室内表面の温度が制御される。あ
るいはヒータ加熱機構と温度検知手段によるフィードバ
ック制御により温度を制御してもよい。温度制御範囲
は、０ ℃〜１００ ℃、望ましくは２０ ℃〜８０ ℃
で、±１０ ℃以内の精度で制御される。処理室１００
の側壁１０２、側壁ユニット１０３は重金属を含まず熱
伝導性のよいたとえばアルミニウムなどの非磁性金属材
料として、表面に耐プラズマ性のアルマイトなどの表面
処理を施すのが望ましい。

【００２３】真空容器の上部に設置されるアンテナ１１
０は、円板状導電体１１１、誘電体１１２、誘電体リン
グ１１３からなり、真空容器の一部としてのハウジング
１１４に保持される。また、円板状導電体１１１のプラ
ズマに接する側の面にはプレート１１５が設置され、さ
らにその外側に外周リング１１６が設置される。円板状
導電体１１１は、図示しない温度制御手段、すなわちそ
の内部を循環する熱媒体により温度が所定の値に維持さ
れ、円板状導電体１１１に接するプレート１１５の表面
温度が制御される。試料のエッチング、成膜等の処理を
行う処理ガスは、ガス供給手段１１７から所定の流量と
混合比をもって供給され、円板状導電体１１１とプレー
ト１１５に設けられた多数の孔を通して、所定の分布に
制御されて、処理室１００に供給される。

【００２４】アンテナ１１０には、アンテナ電源１２０
として、アンテナ電源１２１、アンテナバイアス電源１
２２が、それぞれマッチング回路・フィルタ系１２３、
１２４を介して接続され、またフィルタ１２５を通して
アースに接続される。アンテナ電源１２１は、３００ M
Hzから１ GHzのUHF帯周波数の電力を供給する。円板状
導電体１１１の径をある特性長にしておくことで、たと
えばTM０１モードのような固有の励振モードが形成され
る。本実施例では、アンテナ電源１２１の周波数を４５
０ MHz、円板状導電体１１１の直径を３３０ mmとして
いる。

【００２５】一方、アンテナバイアス電源１２２は、ア
ンテナ１１０に、数１０ kHzから数１０ MHzの範囲の周
波数のバイアス電力を印加することで、円板状導電体１
１１に接するプレート１１５の表面での反応を制御す
る。特に、プレート１１５の材質を高純度のシリコンと
することで、たとえばCF系のガスを用いた酸化膜エッチ
ングにおいて、プレート１１５の表面でのＦラジカルや
CFxラジカルの反応を制御してラジカルの組成比を調整
することができる。本実施例では、アンテナバイアス電
源１２２を、周波数１３.５６ MHz、電力は５０ Wから
６００ Wとしている。このときプレート１１５にはセル
フバイアスによりバイアス電圧Ｖdcが発生する。このＶ
dcの値は、プラズマ密度や圧力にもよるが、およそＶdc
＝−５０ Ｖ〜−３００ Ｖである。本実施例において
は、いわゆる平行平板型の容量結合方式のプラズマ装置
とは異なり、プレート１１５に発生するセルフバイアス
をプラズマ生成とは独立に制御できる点が特徴である。
特にバイアス電圧をＶdc ＝―１００ V程度以下の低い
値とすることで、シリコンの消耗を抑制してランニング
コストを低減したり、またシリコンのスパッタを抑制し
て試料Ｗ上へのエッチング残渣を低減することができ
る。

【００２６】プレート１１５の下面とウエハＷの距離
（以下、ギャップと呼ぶ）は、３０ mm以上１５０ mm以
下、望ましくは５０ mm以上１２０ mm以下とする。プレ
ート１１５は広い面積をもって試料Ｗと対向しているの
で、処理プロセスにもっとも大きく影響する。このプレ
ート１１５面へのバイアス印加と温度制御をある範囲と
することで表面反応を安定化させて再現性のよいプロセ
ス特性を得ることが本発明の主眼点であり、これは後に
詳しく説明することとする。

【００２７】処理室１００の下部には、アンテナ１１０
に対向して下部電極１３０が設けられている。下部電極
１３０には、たとえば４００ kHzから１３.５６ MHzの
範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源１４１がマ
ッチング回路・フィルタ系１４２を介して接続されて試
料Ｗに印加するバイアスを制御するとともに、フィルタ
１４３を介してアースに接続される。本実施例では、バ
イアス電源１４１の周波数を８００ kHzとしている。

【００２８】下部電極１３０は、静電吸着装置１３１に
より、その上面、すなわち試料載置面にウエハなどの試
料Ｗを載置保持する。静電吸着装置１３１は、その上面
に静電吸着用誘電体層（以下、静電吸着膜と略称する）
が形成されており、静電吸着用の直流電源１４４とフィ
ルタ１４５から数１００ V〜数kVの直流電圧を印加する
ことで、静電吸着力により、試料Ｗを下部電極１３０上
に吸着・保持する。静電吸着膜としては、たとえば酸化
アルミニウムや酸化アルミニウムにチタン酸化物を混合
した誘電体を用いる。また、静電吸着装置１３１は、図
示しない温度制御手段によりその表面が所定の温度に制
御される。そして、静電吸着装置１３１の表面には、不
活性ガス、たとえばHeガスが所定の流量と圧力に設定さ
れて供給されており、試料Ｗとの間の熱伝達性を高めて
いる。これにより、試料Ｗの表面温度を、たとえばおよ
そ１００ ℃〜１１０ ℃の範囲に精度よく制御すること
が可能となる。

【００２９】静電吸着装置１３１の上面の試料Ｗの外側
部には、高純度のシリコンで形成されたリング状の部材
であるフォーカスリング１３２が設けられている。フォ
ーカスリング１３２は絶縁体１３３により静電吸着装置
１３１と絶縁される。電極の外側には電極外周カバー１
３４を設けてある。絶縁体１３３、電極外周カバー１３
４にはアルミナや石英を用いるのが好適である。本実施
例においては、絶縁体１３３、電極外周カバー１３４に
はアルミナを用いている。このような構造により、フォ
ーカスリング１３２には、下部電極に印加されるバイア
ス電力を、絶縁体１３３を介して一部漏洩させて加える
ことができる。フォーカスリング１３２へのバイアス印
加の強さは、絶縁体１３３の誘電率および厚みにより適
度に調整できる。フォーカスリングは絶縁体１３３とは
真空断熱されていて熱的にはほぼ非接触であるので、プ
ラズマおよびバイアスにより加熱して効率よく昇温する
ことが可能である。さらに、フォーカスリング１３２の
材質をシリコンとすることで、フォーカスリング１３２
の表面でのシリコンのスカベンジ作用により、Ｆラジカ
ルやCFxラジカルの反応あるいはラジカル組成を調整す
ることで、特にウエハ外周部でのエッチング均一性を制
御することができる。

【００３０】本実施例によるプラズマエッチング装置は
以上のように構成されている。なお、上記実施例のう
ち、側壁部分の温調については、本願と同一の出願人に
係わる特願平１０―１４７６７２号で、また、フォーカ
スリングの構造と温調については、同一出願人に係わる
特願平１１―２３２１３２号でそれぞれ開示された内容
を採用することができる。

【００３１】次に、このプラズマエッチング装置を用い
て、たとえばシリコン酸化膜のエッチングを行う場合の
具体的なプロセスを、図１を用いて説明する。まず、処
理の対象物であるウエハＷは、図示していない試料搬入
機構から処理室１００に搬入された後、下部電極１３０
の上に載置・吸着され、必要に応じて下部電極の高さが
調整されて所定のギャップに設定される。ついで、処理
室１００内に試料Ｗのエッチング処理に必要なガス、た
とえばC４F８とArとO２が、ガス供給手段１１７からプ
レート１１５を通して、所定の流量と混合比をもって、
処理室１００に供給される。同時に、処理室１００は、
真空排気系１０６および圧力制御手段１０７により、所
定の処理圧力に調整される。次に、アンテナ電源１２１
からの４５０ MHzの電力供給により、アンテナ１１０か
ら電磁波が放射される。そして、磁場形成手段１０１に
より処理室１００の内部に形成される１６０ガウス（４
５０ MHzに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度）の
概略水平な磁場との相互作用により、処理室１００内に
プラズマＰが生成され、処理ガスが解離されてイオン・
ラジカルが発生する。さらにアンテナバイアス電源１２
２からのアンテナバイアス電力や下部電極のバイアス電
源１４１からのバイアス電力より、プラズマ中のイオン
やラジカルの組成比やエネルギーを制御して、ウェハＷ
にエッチング処理を行う。そして、エッチング処理の終
了にともない、電力・磁場および処理ガスの供給を停止
してエッチングを終了する。

【００３２】本実施例におけるプラズマ処理装置は上記
のように構成されている。次に、本実施例の装置による
プレート１１５の温度制御の方法について具体的に説明
し、ついでプレート１１５の温度設定に考察した後に、
プレート１１５の温度を測定した結果を示していく。

【００３３】まず、図２によりプレート１１５の温度制
御の方法、すなわち冷却と加熱の機構を説明する。図２
は、図１におけるアンテナ１１０の詳細断面図であり、
プレート１１５の温調の構造を示す。図１で説明したよ
うに、アンテナ１１０は、円板状導電体１１１、誘電体
１１２、誘電体リング１１３からなり、円板状導電体１
１１のプラズマに接する側の面にはプレート１１５が設
置される。プレート１１５は外周部において止めネジな
どにより円板状導電体１１１に固定される。

【００３４】まず、プレート１１５の冷却機構は次のと
おりである。プレート１１５の裏面に設置された円板状
導電体１１１は、熱媒体導入口１１８Ａから熱媒体が導
入されて内部を循環して導出口１１８Ｂから排出される
ことで、温度が所定の値に維持される。円板状導電体１
１１は熱伝導のよいアルミが好適である。熱媒体の温度
は常温付近のたとえば３０℃程度が好適である。一方、
円板状導電体１１１にはガス供給手段１１７から処理ガ
スが供給され、内部で分散されて、プレート１１５に設
けられた多数のガス孔を通して処理室１００内に処理ガ
スが供給される。したがって、処理中にはプレート１１
５と円板状導電体１１１の間には処理ガスが存在してい
る。プレート１１５はこのガス伝熱により円板状導電体
１１１から冷却されて温度が調整されることになる。さ
らに図２の実施例では、円板状導電体１１１のプレート
１１５に接する側の面に空間１１１Ａがもうけられてお
り、ここに処理ガスを蓄積させることで、円板状導電体
１１１とプレート１１５の間の熱伝達率を高くして、プ
レート１１５が効率よく冷却されるようにしている。な
お、ガス孔の直径は円板状導電体１１１がφ２ mm、プ
レート１１５がφ０.５ mmに設定している。

【００３５】一方、プレート１１５の加熱機構は、プラ
ズマＰからのプラズマ加熱、アンテナバイアスによるイ
オン加熱、さらにプレート１１５自体の自己発熱があ
る。プラズマ加熱は、いうまでもなくプラズマＰの中の
高温の電子やイオンによりプレート１１５が加熱される
ものである。

【００３６】イオン加熱は、プレート１１５にひきこま
れるイオンのエネルギーによる加熱である。アンテナ１
１０にはアンテナバイアス電源１２２により高周波のア
ンテナバイアスが印加され、セルフバイアスによりバイ
アス電圧Ｖdcが発生する。アンテナバイアスの電力は５
０ Wから６００ W程度で、このときプレート１１５には
およそＶdc＝−５０ V〜−３００ Vのセルフバイアスが
かかり、このエネルギーによりイオンが引き込まれてプ
レート１１５を加熱することになる。

【００３７】また、プレート１１５の自己発熱はプレー
ト１１５の材料であるシリコンのもつ内部抵抗による抵
抗加熱である。アンテナ電源１２１から供給されたUHF
帯周波数の電磁波（以下UHF波と略記する）は、誘電体
１１２の内部を１２１Ａのように伝播し、誘電体リング
１１３から処理室１００内に放射される（１２１Ｂ）と
ともに、プレート１１５を伝播してプレート１１５の表
面からも処理室１００内に放射される（１２１Ｃ）。

【００３８】ここで、UHF波がプレート１１５を伝播す
る状況はプレート１１５の材質であるシリコンの抵抗率
によって大きく変化する。シリコンの抵抗率はB（ボロ
ン）の添加量により調整可能であり、たとえばB濃度を
１０^１４程度とすると５ Ω・cm程度、Ｂ濃度を１０^１８
〜１０^１９とすることで０.０１ Ω・cm程度に設定する
ことができる。

【００３９】シリコンの抵抗率が５ Ω・cmの場合、UHF
周波数４５０ MHzの電磁波に対する表皮厚さ（スキンデ
プス）は約７ mmとなる。すなわちUHF波による電流は表
面から７ mm程度の深さの領域を伝播していく。一方、
プレート１１５の板厚は板の曲げ剛性や強度などから、
５ mmから２０ mm程度が好適であり、プレート１１５の
材料や製作に要するコストを勘案すると板厚は１０ mm
程度以下が望ましい。これはたかだかスキンデプスの２
倍程度である。したがって、UHF波による電流はプレー
トの内部全体を伝搬していくことになる。このとき、シ
リコンプレート１１５の抵抗率が５ Ω・cmと高いため
に、電流によるジュール熱が発生する。このような現象
はシリコンの抵抗率が１ Ω・cm〜１０ Ω・cmの範囲であ
るときに発生する。すなわち、UHF周波数４５０ MHzに
対してシリコンの抵抗率が１ Ω・cm〜１０ Ω・cmのとき
には、プレート内部を伝搬するUHF波の電流によってプ
レートは抵抗加熱により自己発熱して昇温することにな
る。

【００４０】一方、シリコンの抵抗率がたとえば０.０
１ Ω・cmと低い場合には、UHF周波数４５０ MHzに対す
る表皮厚さ（スキンデプス）はおよそ０.１ mm〜０.５
mm程度となる。この場合、UHF波による電流はプレート
１１５の最表面を伝播していくことになり、電流が最表
面に集中することと、シリコンの抵抗率が低いことによ
り、プレート１１５には自己発熱はほとんど生じない。
このように、プレート１１５の自己発熱はプレート１１
５の材料であるシリコンの抵抗率により大きく発熱量が
変化することになる。

【００４１】ここまでにおいて、図１の実施例における
シリコンプレート１１５の冷却と昇温の機構とを明らか
にした。プレート１１５の温度は、これらの機構をバラ
ンスさせて所定の値に制御することになるわけである。
そこで、次にプレート１１５の温度設定について考えて
いく。

【００４２】定性的に考えれば、プレート１１５の温度
が低いと、プレートの表面には反応生成物が堆積しやす
くなり、表面状態が経時的に変化したり堆積した反応生
成物が剥離して異物源となることが容易に推察できる。
しかしそれだけでなく、特にプレート１１５の温度が１
００℃以下と低い場合には、シリコン表面での反応状態
の温度変化への依存性が大きくなることを本発明者らは
見出した。これを図３を用いて説明する。

【００４３】図３は、シリコンプレートの表面反応とし
て消耗レートをとって、シリコンプレートの消耗レート
に対するバイアス印加量・表面温度の影響を評価した結
果を示す。これは、図１の実施例の装置において、シリ
コンの消耗レートを定量化する目的で行った実験の結果
である。実験は、放電１時間（放電ON（３分）／OFF
（１分）を２０サイクル繰り返した）の後にシリコンの
削れ量を段差計で測定することで、シリコンの消耗レー
ト（エッチングレート）を評価した。パラメータとして
は、シリコンにかかるバイアス電圧（Ｖdc）およびシリ
コンの温度をとった。シリコンの温度は温調の温度やガ
ス圧力などで設定し、表面にはりつけたサーモラベルで
表面温度を測定した。

【００４４】図３からわかるように、シリコンの温度が
５０℃〜７０℃と低い場合はバイアス電圧の絶対値（Ｖ
dcの絶対値｜Ｖdc｜）が小さくなるにしたがってシリコ
ンの消耗レートが減少するのに対して、シリコンの温度
が１００℃〜１０５℃、あるいは１２５℃〜１３０℃と
高い場合は｜Ｖdc｜が小さくなってもシリコンの消耗レ
ートはほぼ一定である。これは定性的には、シリコン表
面の温度が低いとシリコン表面へのデポレートが増加す
るので、｜Ｖdc｜の大小によりイオンのシリコン表面へ
の到達量が影響をうけるためにシリコン消耗レートの｜
Ｖdc｜への依存性が大きくなるのに対して、シリコンの
温度が高いとデポレートが低下するため、｜Ｖdc｜が小
さくともシリコン表面のエッチング反応が進行するもの
と理解される。

【００４５】また、図３について別の見方をすると、｜
Ｖdc｜が小さいとき、たとえばＶdc＝−１６０ Ｖで
は、シリコンの消耗レートが５０℃〜７０℃と１００℃
〜１０５℃とで大きく異なっており、シリコンの消耗が
表面温度の変化に大きく依存することを示している。こ
の傾向は、｜Ｖdc｜が５０ V程度と小さくなるとさらに
顕著になるものと考えられる。一方、｜Ｖdc｜が３００
Ｖ以上では、温度の変化の影響を受けにくくなってい
る。これは、Ｖdcが低いとシリコン表面のデポ膜がイオ
ンにより除去されにくくデポレートの温度依存性の影響
をうけやすいが、Ｖdcが高いとシリコン表面のデポ膜が
イオンにより除去されやすいためにシリコン表面での反
応の温度に対する依存性が小さくなるものと推察する。

【００４６】この結果から、シリコンの消耗レートはバ
イアス印加量（｜Ｖdc｜）が大きく温度が高い条件でバ
イアス印加量や温度変化の影響を受けにくくなることが
わかる。このことから、これらの両方の条件が満足され
るウインドウでシリコンの表面における反応の安定化が
可能になることが理解される。上記の結果をまとめる
と、Ｖdc＝−５０ V〜−３００ Vでは、シリコンプレー
トの表面温度を１００℃以上とすることで、シリコンプ
レートの表面反応がバイアス印加量や表面温度の影響を
うけにくくなることがわかる。

【００４７】一方、プレート１１５の温度が高すぎる
と、プレート１１５の材質であるシリコンと円板状導電
体１１１の材質であるアルミの熱膨張率の差により、プ
レート１１５と円板状導電体１１１の接触面においてす
べりが生じたり、プレート１１５が割れたりする。この
限界温度は、装置の設計裕度によっても異なるが、およ
そ２００℃から２５０℃程度と考えられることから、円
板状導電体１１１との温度差を考えると、プレート１１
５の温度はおよそ１５０℃付近、最高でも２００℃程度
に設定するのが望ましい。

【００４８】上記の検討により、プロセス安定性の観点
から、本実施例においてシリコン製のプレート１１５に
生じるセルフバイアスＶdcがＶdc＝−５０ Ｖ〜−３０
０ Ｖの場合には、プレート１１５の表面温度を１００
℃以上２００℃以下の範囲、望ましくは１５０℃付近に
設定するのが好適である。本実施例においては、シリコ
ンプレート１１５の抵抗率・厚み、円板状導電体１１１
の冷媒温度と冷却効率、ガス孔の大きさなどの設計パラ
メータを最適化することでプレート１１５の温度を所定
の値に調整している。

【００４９】次に、実施例１の装置において、シリコン
製のプレート１１５の温度を実測した結果を図４から図
６を用いて説明する。

【００５０】図４は、連続処理試験におけるプレート１
１５および円板状導電体１１１の温度変動を示す。処理
試験は、装置が予熱されていない状態からはじめて、放
電３分ON／１分OFFを連続的に繰り返した。シリコンプ
レート１１５の抵抗率は５ Ω・cmである。処理条件は 処理条件Ａ： エッチングガス組成：Ar / C４F８ / O２ = ４００ /
１５ / ９ sccm、ガス圧力：２.０ Pa、 ギャップ：７
０ mm 電力：アンテナ／アンテナバイアス／下部バイアス =
１０００ W／ ４００W／ ６００ W とした。温度は、蛍光温度計をプレート１１５のプラズ
マ側の面に直接取り付けて測定しており、内壁面の温度
そのものを精度よく測定できることを確認している。連
続処理試験開始とともに、プレート１１５の温度は急速
に上昇し、放電開始後３分程度で１００℃をこえて、ほ
ぼ定常状態に達する。この間に、円板状導電体１１１の
温度は、徐々に上昇し約６０分後に７０℃程度に上昇す
る。しかしながら、この間においてプレート１１５は入
熱と出熱がバランスしており、プレート１１５の温度は
ほぼ１１０℃から１２０℃付近で一定に推移している。
また、６０分以降はアンテナバイアス電源の出力を４０
０ Wから２００ Wに低下させているが、このときにはプ
レート１１５の温度は約１０℃程度下がっている。この
温度差がイオン加熱の効果を示している。

【００５１】次に、時間スケールをよりこまかくとって
放電のON／OFFにともなう温度変動をみた結果を図５に
示す。図５では定常状態におけるプレート１１５の温度
を示している。放電ON（Discharge ON）によりプレート
１１５の温度は１１０℃から３分後に１２０℃に上昇す
る。処理終了により放電OFF（Discharge OFF）とともに
温度上昇はとまるが、その後も温度は下がることなくほ
ぼ一定値を示し、次の処理のために処理ガスが導入され
る（Gas Introduction）と温度が低下する。これは処理
終了とともに処理ガスの供給が停止するために、プレー
ト１１５と円板状導電体１１１の間のガス伝熱がなくな
るためである。このことからもガス伝熱によるプレート
の冷却の効果が大きいことがわかる。

【００５２】次に、図６により、シリコンの抵抗率が異
なる場合の結果を説明する。図６はシリコンプレート１
１５の抵抗率が０.０１ Ω・cmと低い場合のプレート１
１５の温度変化の測定結果である。処理条件は図４の抵
抗率５Ω・cmの場合と同一であるが、図４の結果にくら
べて定常温度が約７０℃と低くなっている。これはシリ
コンの内部抵抗による自己発熱の有無の差によるもので
ある。また、この７０℃という温度は、図４に示した円
板状導電体１１１の飽和温度とほぼ同等である。このこ
とは、本実施例の構造によりプラズマ加熱およびバイア
ス加熱による温度上昇に対して効率的な冷却が可能であ
ることを示している。

【００５３】しかしながら、定常温度で約７０℃の温度
領域は図３で説明したように、バイアス電圧の変動によ
りシリコンの消耗レート、すなわち表面での反応状態が
変化する領域である。また、バイアス電圧を低くした場
合には表面に反応生成物が堆積しやすくなり、堆積膜の
剥離による異物発生が生じる可能性がある。このよう
に、この温度領域はプロセス再現性および異物抑制の観
点から好ましい温度範囲ではない。一方、円板状導電体
１１１は熱伝導のよいアルミで構成されており循環冷媒
で温調しているので、その温度は図４で示したように定
常状態でも７０℃程度に維持される。したがってシリコ
ン製のプレート１１５の温度を円板状導電体１１１より
も高く維持する必要がある。このためには、プレート１
１５のシリコンの内部抵抗による自己発熱は、複雑な加
熱機構を必要とせずにプレート１１５自体を効率よく加
熱してプレート１１５の温度を所定の値に設定できる利
点がある。

【００５４】また、先に述べたように抵抗率が０.０１
Ω・cmと低いと表皮厚さ（スキンデプス）が０.１ mm 〜
０.５ mm程度となるが、この場合UHF波による電流がプ
レート１１５の最表面に集中することになるために、シ
リコン表面でのミクロなエロージョンが発生することが
ある。本発明者らは検討の結果、エロージョンを発生さ
せないためには、抵抗率はおよそ１Ω・cm以上であるこ
とが必要であることを見出している。

【００５５】一方、プレート１１５の抵抗率が高すぎる
場合には、UHF波がプレート１１５の内部を伝播する際
の損失が大きくなり、プレート１１５の中心付近から放
射されるUHF波の強度が低下するためにプラズマ分布が
変化してしまう。この現象を起こさないためには、プレ
ート１１５の抵抗率は２０Ω・cmが好適であり、１０Ω・
cm以下が望ましい。

【００５６】以上の理由により、UHF波の周波数４５０
MHzに対しては、プレート１１５のシリコンの抵抗率は
１Ω・cm以上２０ Ω・cm以下が好適であり、１０ Ω・cm
以下が望ましく、特に５ Ω・cm程度が最適であることが
結論される。

【００５７】次に、プラズマ処理中のプレート１１５の
温度変動がプラズマケミストリやエッチング特性に及ぼ
す影響から、プレート１１５の温調に要求される精度を
考察する。

【００５８】図２の実施例においては、円板状導電体１
１１のプレート１１５に接する側の面にもうけられた空
間１１１Ａに蓄積された処理ガスにより、円板状導電体
１１１とプレート１１５の間の熱伝達効率を向上させて
プレート１１５の温調精度を確保している。この結果、
図４、図５に示したように、放電ON／OFF時のプレート
１１５の温度は１１５℃付近で±５℃程度の変動におさ
えられている。図３の結果からも容易に推測されるよう
に、温度変動を±５℃程度とすれば、プレート１１５の
表面反応は十分に安定させることができると考えられ
る。そして、バイアスが印加された条件では、温度変動
がもっと大きくとも、具体的には±２５℃程度であって
もプロセスの安定化が可能であると推察できる。このこ
とを実験的に確認した結果を図７から図９により説明す
る。

【００５９】図７に実験に用いた第２の実施例の構造を
示す。図２に示した第１の実施例とほぼ同様の構造であ
るが、 プレート１１５の温度変動の抑制および冷却に
効果が大きい円板状導電体１１１とプレート１１５の間
の空間を設けない構造として、プレート１１５の温度を
あげるとともに温度変動を許容している点が図２の実施
例と異なる。プレート１１５の表面温度の設計値は、１
５０℃付近で±２５℃程度の変動を想定している。さら
に、外周リング１１６を厚くして内側をテーパ形状とす
ることで、UHF波１２１Ｂの放射効率をあげてプラズマ
生成効率を向上させるとともに、プラズマＰの拡散を抑
制して、プラズマＰの密度を向上させている。

【００６０】この場合のプレート１１５の温度変動を図
８に示す。処理条件は、図３の説明で示したのと同等の
条件を用いている。この場合、処理開始後６０分の定常
状態において、放電ONによりプレート１１５の温度は１
２５℃から１６５℃へと上昇する。すなわち、放電のON
／OFFにともなって、およそ±２０℃の温度変動が生じ
ている。このような温度変動が生じているときのプラズ
マおよびプラズマ中のケミストリの状態の変化（あるい
は安定性）をプラズマ発光および放電特性の時間変化に
より調べた結果を図９により説明する。

【００６１】図９は、放電ONの１サイクルにおけるプラ
ズマ発光および放電電圧Bias-Vpp、アンテナバイアスAn
t.-Vdcの時間変化を示す。プラズマ発光は、 CF (２３
０.５nm)、CF２ (２８０ nm)、Ar (４１９.８ nm)を示
している。発光のCF、CF２はラジカルすなわちプラズマ
中のケミストリの状態を、Arはイオン密度を、それぞれ
示すと考えられる。また、放電電圧Bias-Vppはプラズマ
密度を表している。アンテナバイアスAnt.-Vdcはシリコ
ンプレート１１５表面でのFスカベンジ反応、すなわち
プラズマケミストリに影響する。図９の結果でわかるよ
うに、発光CF、CF２、Arおよび放電電圧Bias-Vpp、アン
テナバイアスAnt.-Vdcはいずれも放電ON中で安定してお
り、プレート１１５の温度変動の影響はまったくみられ
ない。このことから、±２５℃程度の温度変動に対して
も、プラズマおよびケミストリの状態は安定しているこ
とが確認された。なお、放電OFF直前の変動は試料ウエ
ハの静電吸着を解除する除電ステップによるもので、温
度変動に起因するものではない。

【００６２】さらに、図７の実施例の装置を用いてプロ
セスの安定性を確認した結果を図１０に示す。図１０
は、フラットサンプルでのエッチング量およびエッチン
グレートのエッチング時間に対する依存性を測定した結
果である。プレート１１５の温度変動がエッチング特性
に影響している場合にはエッチング量の線形性やエッチ
ングレートの変動として現れてくることになる。しかし
ながら、図１０でわかるように、エッチング量はエッチ
ング時間に比例して増加しており、エッチングレートも
エッチング時間によらずに安定している。これらのこと
から、プレート１１５の±２５℃程度の温度変動に対し
て、プラズマ状態だけでなく、エッチング特性も安定し
ていることが確認できた。

【００６３】上記は、１枚のウエハのエッチング処理中
のプロセス安定性を示すものであるが、もちろん１ロッ
ト２５枚のウエハを連続処理しても、また数ロットのウ
エハ処理を連続しても、同様に安定したプロセス再現性
が得られることはいうまでもない。さらに本実施例のプ
ラズマエッチング装置により、数１０００枚のウエハ連
続処理を酸化膜のホールやSAC（自己整合コンタクト）
プロセスについて実施した結果、放電１００時間以上に
わたって、安定して再現性のよいエッチング特性を得ら
れることを確認している。

【００６４】なお、前記の各実施例は、いずれも有磁場
UHF帯電磁波放射放電方式のプラズマ処理装置の場合で
あり、UHF波の周波数は４５０ MHzに固定して説明して
きたが、もちろん周波数はこれに限定されるものではな
い。また、放射される電磁波はUHF帯の３００ MHzから
１ GHzの以外にも、たとえば２.４５ GHzのマイクロ波
や、あるいは数１０ MHzから３００ MHz程度までのVHF
帯でもよい。また、磁場強度は、４５０ MHzに対する電
子サイクロトロン共鳴磁場強度である１６０ガウスの場
合について説明したが、必ずしも共鳴磁場を用いる必要
はなく、これよりも強い磁場やあるいは逆に数１０ガウ
ス以下の弱い磁場を用いてもよい。さらには、磁場を用
いない例えば無磁場放電でもよい。また、プロセスガス
の吹き出しはプレート１１５から行う必要はなく、たと
えば側壁からガスを導入してもよい。さらに、上記以外
にも、たとえば磁場を用いたマグネトロン型のプラズマ
処理装置や平行平板型の容量結合方式プラズマ処理装
置、あるいは誘導結合型のプラズマ処理装置などに、前
記の各実施例を適用できる。

【００６５】また、前記の各実施例は、いずれも処理対
象が半導体ウエハであり、これに対するエッチング処理
の場合であったが、本発明はこれに限らず、例えば処理
対象が液晶基板の場合にも適用でき、また処理自体もエ
ッチングに限らず、たとえばスパッタリングややＣＶＤ
処理に対しても適用可能である。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、ウエハに対向してアン
テナに設置されたシリコン製のプレート１１５に対し
て、Ｖdc＝−１０ V〜−３００ Vのバイアスを印加し、
温度を１００℃以上２００℃以下の範囲で±２５℃以内
の変動とすることで、プレート１１５における表面反応
が温度変動によらずに安定するので、プロセス特性の安
定性・再現性にすぐれたプラズマ処理装置およびプラズ
マ処理方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を有磁場UHF帯電磁波放射放電方式のプ
ラズマエッチング装置へ適用した、第１の実施例の縦断
面模式図である。

【図２】第１の実施例によるアンテナ構造の実施例の縦
断面模式図である。

【図３】第１の実施例におけるプレートの消耗レートを
評価した結果を示す図である。

【図４】第１の実施例におけるプレートの温度変動を示
す図である。

【図５】第１の実施例における定常状態でのプレートの
温度変動を示す図である。

【図６】第１の実施例においてプレートの抵抗率が異な
る場合の温度変動を示す図である。

【図７】本発明を有磁場UHF帯電磁波放射放電方式のプ
ラズマエッチング装置へ適用した、第２の実施例の縦断
面模式図である。

【図８】第２の実施例におけるプレートの温度変動を示
す図である。

【図９】第２の実施例におけるプラズマ発光、放電電
圧、アンテナバイアスの時間変化を示す図である。

【図１０】第２の実施例においてエッチング量およびエ
ッチングレートのエッチング時間に対する依存性を測定
した結果を示す図である。

【符号の説明】

１００…処理室、１０１…磁場形成手段、１０２…処理
室側壁、１０３…側壁インナーユニット、１０４…ガス
供給手段、１０５…真空室、１０６…真空排気系、１１
０…アンテナ、１１０…円板状導電体、１１２…誘電
体、１１３…誘電体リング、１１５…プレート、１１６
…温度制御手段、１１７…ガス供給手段、１２１…アン
テナ電源、１２２…アンテナバイアス電源、１３０…下
部電極、１３１…静電吸着装置、１３２…フォーカスリ
ング、１３３…絶縁体、１４１…バイアス電源、１４２
…静電吸着装置、１４３…絶縁体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 １０１Ｂ (72)発明者 田村 智行 山口県下松市大字東豊井794番地 株式 会社 日立製作所 笠戸事業所内 (56)参考文献 特開 平11−97430（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−181044（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−340149（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 B01J 19/08 C23C 16/509 C23F 4/00 H01L 21/31 H05H 1/46

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空処理室と、該真空処理室にガスを供給
   する処理ガス供給手段と、該真空処理室内で処理される
   試料を保持する電極と、前記試料に対向して該真空処理
   室に設置されるプラズマ発生装置と、該真空処理室を減
   圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置におい
   て、 前記プラズマ発生装置は処理室内室内の前記試料に対向
   する面に設置されたシリコン製のプレートを有し、該シ
   リコン製のプレートに対してVdc＝−５０V以上−３００
   V以下のバイアス電圧を印加すると共に前記プレートの
   表面温度を１００℃以上２００℃以下の範囲で温度の変
   動を±２５℃以内に維持してプロセスの安定性を図るこ
   とを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のプラズマ処理装置におい
   て、前記プラズマ発生装置が３００MHzから１ GHzの有
   磁場または無磁場UHF帯電磁波放射放電方式であること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項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、前記シリコン製のプレートの抵抗率を１
   Ω・cm以上２０Ω・cm以下の範囲、望ましくは１０Ω・cm
   以下、さらに好ましくは５Ω・cm程度とし、かつ前記シ
   リコン製のプレートの厚みが５mm以上２０mm以下、望ま
   しくは１０mm以下とすることを特徴とするプラズマ処理
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のプラ
   ズマ処理装置において、 導電体と誘電体を含み前記真空容器の壁の一部を構成す
   るアンテナを有し、該アンテナは、前記導電体のプラズ
   マに接する側の面に前記シリコン製のプレートが設置さ
   れ、該導電体は内部を循環する熱媒体により温度が所定
   の値に維持される温度制御手段を有することを特徴とす
   るプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 真空処理室と、該真空処理室にガスを供給
   する処理ガス供給手段と、該真空処理室内で処理される
   試料を保持する電極と、前記試料に対向して該真空処理
   室に設置されるプラズマ発生装置と、該真空処理室を減
   圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置を用いて
   試料を処理するプラズマ処理方法において、 前記試料に対向する面に設置された前記シリコン製のプ
   レートに対してVdc＝−５０V以上−３００V以下のバイ
   アス電圧を印加すると共に、前記プレートの表面温度を
   １００℃以上２００℃以下の範囲で温度の変動を±２５
   ℃以内に維持してプロセスの安定性を図りつつ、前記プ
   ラズマ発生装置により発生するプラズマにより前記試料
   を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
6. 【請求項６】 真空処理室内に設けられたUHF帯アンテナ
   から放射される電磁波と、前記真空処理室の周囲に設置
   された磁場形成手段で形成される磁場との相互作用によ
   り、前記真空処理室内部にプラズマを発生して試料を処
   理するプラズマ処理方法において、 前記試料に対向して前記アンテナに設置されたシリコン
   製のプレートに対して、Ｖdc＝−１０ V〜−３００ Vの
   バイアスを印加すると共に、該シリコン製のプレートの
   抵抗率を１Ω・cm以上１０ Ω・cm以下として内部抵抗に
   よる自己発熱で昇温させて前記プレートの温度を１００
   ℃以上２００℃以下の範囲で±２５℃以内に維持してプ
   ロセスの安定性を図りつつ、前記プラズマにより前記試
   料を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。