JP3868925B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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- H01J37/32155—Frequency modulation
- H01J37/32165—Plural frequencies
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特に安定した処理を続行することのできるプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＵＬＳＩ（Ultra Large Scale Integration)等の半導体素子の微細化、高集積化が急速に進められ、加工寸法が０．１３μｍのデバイスは間もなく量産化に移行し、０．１０μｍのデバイスも開発されつつある。また、ＬＳＩの高速化も急速に進展し、配線遅延を低減するため、Ｃｕ配線及び低誘電率膜が使用されるようになった。また、デバイス構造も複雑化し、更に使用する膜種も多様化している。
【０００３】
また、ウエハ１枚当りの取得可能なチップ個数を増やすためには、直径３００ｍｍ等の大口径ウエハを扱うことのできる製造ラインの構築が必要であり、これに伴いエッチング技術の高精度化、大口径対応が求められている。特に酸化膜のエッチングに際しては、配線のためのコンタクトホール形成、ダマシン形成のための有機あるいは無機の低誘電率膜の加工、さらには種々のマスク加工等が必要とされ工程が増加している。
【０００４】
デバイス寸法が０．１μｍ程度となると、（ＣＤ：Critical Dimension）値で、ナノレベルの寸法加工精度が求められる。また、エッチングに際して、対下地膜あるいは対レジスト膜に対して高い選択比を得ようとすると、エッチング反応が途中で停止する「エッチストップ」や加工する（エッチングする）穴径によってエッチング速度が異なる「ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)−ｌａｇ」が発生しやすくなる。すなわち、アスペクト垂直加工と高選択比との両立は困難になる。更に、加工膜種が異なれば使用する処理ガスも異なり、これに応じて処理室内のプラズマやラジカルの分布も変化する。このためプラズマやラジカルの制御手段も重要となる。
【０００５】
これら性能上の問題の外、処理に際して使用するフロロカーボンガスあるいはラジカル等が処理室内壁等に堆積することに起因する異物発生の抑制、あるいは処理室内壁を構成するシリコン板等の消耗品の交換コスト低減対策等も求められている。
【０００６】
特許文献１には、プラズマを利用して絶縁膜を処理する際、異なる２つのＲＦ（Radio Frequency）電圧を対向する電極に印加する平行平板型プラズマ処理装置が示されている。この装置においては、上部電極及び下部電極をそれぞれ処理室の上下に対向して配置し、上部電極あるいは下部電極の少なくともいずれか一方に高周波電力を供給して、処理室内に導入した処理ガスを電離・解離させ、生じたイオンあるいはラジカルを用いてウエハを処理する。
【０００７】
特許文献２には、ガスを処理室内に導入するガス穴を設けたシリコン板からなる上部電極と、この上部電極の背面にリング状に永久磁石を配置したプラズマ処理装置が示されている。
【０００８】
特許文献３には、有機系低誘電率膜加工用のプラズマ処理装置として、下部電極に１３．５６ＭＨｚの高周波を供給し、更に処理室周囲にコイルを配置し、該コイルに１３．５６ＭＨｚの高周波を供給するプラズマ処理装置において、誘電体壁の消耗を防ぐためコイルと誘電体壁の間に静電シールドを設けることが示されている。
【０００９】
また、非特許文献１には、被処理体を載置する電極に２種類の周波数の高周波（２ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ）を印加して、プラズマをウエハ載置側から生成し、ウエハと対向する面に配置したシリコン板に電圧が印加されないようにし、これにより前記シリコン板の消耗を防ぐようにしたプラズマ処理装置が示されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−３３９９８４号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平８−２８８０９６号公報
【００１２】
【特許文献３】
特開２０００−３６４８４号公報
【００１３】
【非特許文献１】
Lam Research社製のＲＩＥ装置Exelan2300の説明書
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１に示す装置では、使用周波数の高周波数化に伴い、上部電極と金属製の冷却板の間、あるいは吐出し口（ガス吹出し口）内に高周波が浸透することなる。浸透深さは非常に薄い（１ｍｍ以下）ため、この浸透部分に高電界印加されて、異常放電が発生しやすくなる。一旦、異常放電が起こると、吹出し穴径が拡大されて、より内部にまでプラズマが発生することになり、異物の発生原因となる。また、上部電極は高周波によって必然的に高電位となるので、プラズマによるスパッタにより削られることになる。このため高価な消耗品であるＳｉ製の上部電極の交換頻度が高くなることがある。
【００１５】
特許文献２に示す装置では、永久磁石の大きさ程度の限定された箇所に局所的に磁場が形成される。この磁場による閉じ込め効果を増加しようとすると前記永久磁石近傍での磁場が部分的に強くなり、この部分でのプラズマ密度が高くなる。またＲＦ電極にはバイアスを印加し、プラズマ中のイオンを引き込むので、スパッタリングが局所的に起こる。このため電極の局所的消耗を招き、異物発生量がが増加し、装置信頼性が低下する場合が生じる。
【００１６】
特許文献３に示す装置では、処理室の側面にコイルを巻回し、誘導結合によりプラズマを生成する。このとき前記コイルに印加する電圧が上昇することによって生ずる処理容器の局所的な壁削れを静電シールド（ファラデーシールド）に遮蔽している。このため、前記静電シールドの開口部と開口部でない箇所では遮蔽効果が不均一となる。また、プラズマの着火性が悪化することがある。
【００１７】
非特許文献１に示す装置では、ウエハ側から異なる高低２種類の高周波を供給し、ウエハ側に高密度プラズマを生成するため、エッチングレートの増大を見込むことができる。一方、プラズマあるいはラジカルはウエハ載置面に対向する面にも広がっていくため、対向する壁（あるいはシリコン板面）にもアタックする。このため前記対向面に削れや膜堆積が起きる。
【００１８】
また、プラズマと壁との電位差によりイオンが壁に入射することになるため、プラズマ電位はウエハ載置電極から供給する低周波数側の電位に伴って変動する。またこの変動するプラズマ電位と壁との電位差でイオンが壁に入射することになるため、ウエハ電位と独立して、壁に入射するイオンのエネルギーを制御することは困難となる。このため壁の削れや堆積を制御することが困難となることがある。
【００１９】
このように、平行平板型のプラズマ処理装置では、高周波を印加する電極そのものが高電圧となることがある。また、ウエハ載置電極側からプラズマを生成する装置では、アースとなる対向電極とプラズマ電位との差でアース電極がエッチングされることになる。
【００２０】
ウエハと対向する面に形成した前記対向電極には、異物発生の観点から、また、Ｆ（フッ素）ラジカルのスカベンジ（気相中のＦラジカルがＳｉに吸着してＳｉＦｘという形になってＦが減少する）の観点からシリコン板が用いられる。この場合、前記シリコン板は早期に消耗されることになる。シリコン板は高価であるため、シリコン板の消耗量の低減は製造コスト低減からも必要となる。
【００２１】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、メンテナンス周期を増大しして安定した処理を続行することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００２３】
処理ガスの導入手段及び真空排気手段を備えた真空処理容器と、前記真空処理容器の外周壁の外周側に形成したシールド電極と、高周波電力を前記真空処理容器内に放射するアンテナ電極及び試料台を備えた試料載置装置と、前記シールド電極の外周側に巻回された励磁用コイルを備えたプラズマ処理装置であって、前記シールド電極をインピーダンス素子を介して接地すると共に、前記アンテナ電極には第１の高周波電力を供給し、前記試料台及び前記励磁用コイルには前記第１の高周波電力よりも低周波の高周波電力を供給し、前記シールド電極には前記第１の高周波電力よりも低周波の高周波電力を供給された前記励磁用コイルを介してシールド電圧を付与する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。プラズマ処理装置を構成する真空処理容器１の内部には石英等の誘電体１４の壁を備え、これらにより処理室２を形成する。また、処理室２の内部には被処理物である試料（ウエハ）４を載置するアンテナ電極５１及び試料台５を備える。処理ガスは前記処理室２の上部から導入し、導入した処理ガス３は排気系６によって排気される。試料台５のウエハ載置面の外周側にはサセプタ７を配置する。アンテナ電極５１にはプラズマ生成のために使用する第１の高周波（ＵＨＦあるいはＶＨＦ）電源８及びイオンを引き込むために使用する前第１の記高周波電源８より低い周波数の第２の高周波電源９を供給する。
【００２５】
第１の高周波電源８及び第２の高周波電源９は、それぞれ同軸導波路１０を介して試料台５及びアンテナ電極５１に供給する。試料台５と金属壁１１の間には誘電体１２を充填し、両者を電気的に絶縁する。また、試料台５は冷却手段１３を備え、該手段に冷媒を流すことにより試料台５の温度を制御することができる。処理室２を構成する誘電体１４の外側には、第２の電極（シールド電極）１５を配置し、これに第３の高周波電源１６を接続する。第３の高周波電源１６は、前記の第２の高周波電源と同じ周波数であってもよい。
【００２６】
前記プラズマ処理装置を用いて行うウエハ処理を、酸化膜のエッチングを例に説明する。まず、図示しない搬送手段によって試料４を処理室２内のアンテナ電極５１上に搬送する。処理室２内にはフロロカーボンガス、Ｏ２、Ａｒ等からなる処理ガス３を導入し、処理室２内の圧力を所定値に設定した後、第１の高周波電源８電力を同軸導波路１０を介してアンテナ電極５１に供給する。第１の高周波電源８は誘電体１２を通り、サセプタ７を介して処理室２内に放射されて処理室２内にプラズマを生成する。
【００２７】
前記プラズマの生成により処理ガスは解離されてフロロカーボンラジカルＣＦｘ、ＣｘＦｙあるいはＯが発生し、前記フロロカーボンラジカルはウエハ上に堆積する。第２の高周波電源９がアンテナ電極５１に印加されている場合、試料４上にはシースが形成され、これにより試料４上に堆積しているフロロカーボン膜にイオンが入射してエッチングが進行する。エッチングにより発生した反応生成物はフロロカーボンラジカルと同様に処理室２の壁となる誘電体１４に付着する。
【００２８】
誘電体１４の外側には第２の電極１５を設けてある。ここに印加する電圧を調整することにより誘電体１４の表面の電位をプラズマ電位より若干低い値に設定することができる。誘電体１４の表面電位をこのように設定すると、低エネルギーのイオンを誘電体１４に入射させることができ、この低エネルギーのイオン入射により前記反応生成物やラジカルが誘電体１４表面に付着するのを抑制することができる。すなわち真空処理容器内表面を誘電体１４で被覆し、更に第２の電極１５に電圧を印加して誘電体１４の内壁表面に電界を印加することにより、反応生成物やラジカルが内壁に付着するのを防止すると共に、絶えず誘電体１４壁表面をリフレッシュするので、異物の発生を有効に抑制することができる。
【００２９】
図２は、本発明の他の実施形態を説明する図である。図に示ように、プラズマ処理装置の真空処理容器を構成する誘電体１４壁の外周にコイル１７を配置し、コイル１７に第３の高周波電源１６を供給する。第３の高周波電源１６は前記の第２の高周波と同じ周波数であってもよい。コイル１７と前記誘電体１４の間及び誘電体１４壁の上面部に金属製のファラデーシールド１８を設ける。ファラデーシールド１８には、可変容量のコンデンサ１９もしくは可変容量のインダクタンスを接続する。ファラデーシールド１８の側面部１８ａは金属片と開口部とが交互に並ぶ簾状の構造とし、ファラデーシールド１８の天井部１８ｂは開口部１８１を備えた形状とするか、あるいは開口部１８１を備えない形状とすることができる。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
プラズマを生成して試料に処理を施しているとき、例えば前記可変容量コンデンサ１９の容量を調整するとファラデーシールド１８に印加される電圧を調整することができ、これにより、誘電体１４壁に対するラジカルや反応生成物の付着を抑制することができる。
【００３１】
ファラデーシールド１８の開口部に対向する誘電体１４の内壁面はシールド電圧が印加され難い。このため、試料の処理中に前記ファラデーシールド１８を回転させて開口部と金属部とを入れ替えるようにすると、誘電体１４壁が不均一に削られたり、反応生成物が誘電体１４壁に不均一に堆積することを防ぐことができる。
【００３２】
また、真空処理容器の天井部１８ｂをファラデーシールドで完全に覆ってしまうと、天井部のプラズマ中にはＴＭ０１モードの定在波が立ち、プラズマ密度が凸分布となることがある。このような場合には、ファラデーシールド１８ｂの中心部に前記開口部１８１を設けるか、あるいは窪み１８２を設けると良い。
【００３３】
図３（ａ）、図３（ｂ）は、本発明の更に他の実施形態を説明する図である。図３（ａ）は、図１に示す第２の高周波電源９の出力を、電力分割器２０及び位相調整器２１を介して第２の電極（シールド電極）１５に供給した例を示す図、図３（ｂ）は、図２に示す第２の高周波電源９の出力を、電力分割器２０及び位相調整器２１を介して前記コイル１７に供給した例を示す図である。なお、これらの図において図１、２に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３４】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第３の高周波１６の代わりに、第２の高周波電源を第２の電極１５あるいはコイル１７に供給する。また、第２の高周波電源の出力をアンテナ電極５１と第２の電極１５とに分割して供給する電力分割器２０と位相調整器２１はそれらを調整することにより、アンテナ電極５１と第２の電極１５あるいはアンテナ電極５１とコイル１７に印加する電圧の比及び位相差を調整することができる。
【００３５】
これにより、第２の電極（シールド電極）１５あるいはシールド電極１８に印加する電圧を調整することができる。
【００３６】
例えば、第２の高周波電源９の電圧とシールド電極の電圧の位相差が１８０°の場合は、試料がイオンを引き込んでいるとき、誘電体１４壁の電位がプラズマ電位と同じになり、プラズマは壁を叩かなくなる。一方、試料側の電位が正となるときは、誘電体１４壁の電位が相対的に低くなりイオンを引き込むことになる。
【００３７】
すなわち、誘電体１４壁へのラジカルや反応生成物の「堆積」と「除去」の時間を制御することにより誘電体１４壁への膜の堆積を抑制することができる。なお、位相差を０°とすると、試料にイオンを引きこんでいるとき誘電体１４壁もイオンを引き込むことになる。
【００３８】
処理ガスとしてフロロカーボンガスを用いた場合、解離で生じたフロロカーボンラジカルが試料や壁に付着する。また、イオン入射の際フロロカーボン膜からもラジカルが発生する。試料４と誘電体１４壁が同位相で振れると、プラズマ中のフロロカーボンの量が位相差１８０°の場合よりも多くなる（損失が少なくなる）。このため、エッチャントの量が増えてエッチングの効率が良くなることが期待される。ここでは、位相差０°と１８０°について説明したが、使用するガスの種類や、発生するラジカルあるいは反応生成物の量に応じて、試料４及び誘電体１４壁に印加する電圧及び位相差を変化させるとよい。
【００３９】
図４は、本発明の更に他の実施形態を説明する図である。第１の高周波電源８としてＵＨＦあるいはＶＨＦの高周波電源を用いる場合、周波数が高いことによって顕著な凸型のプラズマ分布となることがある。これは、試料４の上面のシース内で定在波（ＴＭ０１モード）が形成されるためである。
【００４０】
そこで、アンテナ電極５１の表面に円板状の空隙２２を設ける。空隙２２部分には放電を抑制するため誘電体２３を充填しても良い。空隙２２の径は、第１の高周波電源周波数における定在波の節間の距離程度に設定し、厚みｄは、その実効距離ｄ＊＝ｄ／√εｒ、（但しεｒ：誘電体の比誘電率）が使用する試料の厚さ程度となるように設定する。これによって、均一なプラズマを生成し、また高周波電位を試料に均一に印加することができる。
【００４１】
図５は、本発明の更に他の実施形態を説明する図であり、図５（ａ）はプラズマ処理装置を示す図、図５（ｂ）は壁材とラジカルとの結合エネルギーを説明する図である。
【００４２】
本実施形態においては誘電体１４壁表面を、ＺｒＯ２、あるいはＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３の溶射膜によってコーティングする。また、アース２４材料の表面もＺｒＯ２、あるいはＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３を溶射膜によりコーティングする。図４（ｂ）は、壁材とラジカルとの結合エネルギーを分子軌道法によって求めた計算値を示す。結合エネルギーが正はラジカルが壁に吸着すること、負は吸着しないことを示し、その大小が吸着力の大小に対応する。また、ＳｉＯ−は壁材が石英であり、吸着サイトがＯであることを、ＡｌＯはアルミナを、ＺｒＯ−はジルコニアを表す。
【００４３】
アース材料として、アルミ−アルマイトコーティングを使用する場合を想定すると、次のようになると考えられる。Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３とＦが反応してＡｌＦｘが発生し、プラズマ中に放出される。ＡｌＦ３、ＡｌＦ２、ＡｌＦがそれぞれ１．５２ｅＶ、５．５８ｅＶ、３．４９ｅＶの結合エネルギーで壁の石英に吸着する。また、ＳｉＯに付着したＡｌＦの上にさらにＡｌＦが吸着する場合の結合エネルギーは０．５０ｅＶと弱く吸着する。一方、エッチングで生成する代表的な反応生成物であるＳｉＦ４はＡｌＦの上には堆積できない。ここでＡｌＦの上にＡｌＦが弱く結合するのが問題で、試料の処理を重ねていくにつれて石英からＡｌＦが脱離して異物となる。
【００４４】
また、エッチャントとなるＣＦ２はＡｌＯに３．７８ｅＶで結合するが、そのときＡｌ−ＯＣＦ２の間の結合エネルギーは０．７１ｅＶと非常に小さくなる。これは、イオンが入射すると容易にＡｌＯ（アルミナＡｌ２Ｏ３）のＯを抜き去ることになり、エッチングされることを示している。
【００４５】
一方、ＺｒＯ２の場合、ＣＦ２が吸着するが（３．７８ｅＶ）、このときＺｒ−ＯＣＦ２間の結合エネルギーは、１．７８ｅＶと高く、前記アルミ−アルマイトの場合よりも、イオン入射によって容易にエッチングされないことを示している。同様にＹ２Ｏ３の場合も、ＣＦｘの付着で容易にＯがとれることはないので、ＺｒＯ２にＹ２Ｏ３を加えて化合物表面を安定化させても良い。なお、誘電体壁１４にＺｒＯ２をコーティングする例を示したが、場合によっては誘電体は石英のままで、アース材２４にのみＺｒＯ２あるいはＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３コーティングとしても良い。
【００４６】
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、ＶＨＦあるいはＵＨＦ帯の高周波を用いてプラズマを生成するプラズマ処理装置において、壁となる誘電体表面の電位あるいはその位相を制御することによって、ラジカルあるいは反応生成物の付着及びプラズマによるスパッタを防ぎ、壁材等の消耗品コスト（ＣＯＣ）を低減することができる。また、アンテナ電極に対向する前記誘電体表面には電極を設けない。このため真空処理容器の外周壁に形成したシールド電極電位を調整することにより壁面電位を最適に設定することができる。これにより、壁からの異物発生を低減することができ、メンテナンス周期を増大することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、メンテナンス周期を増大しして安定した処理を続行することのできるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】本発明の他の実施形態を説明する図である。
【図３】本発明の更に他の実施形態を説明する図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態を説明する図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
１ 真空処理容器
２ 処理室
３ 処理ガス
４ 試料（ウエハ）
５ 試料台
６ 排気系
７ サセプタ
８ 第１の高周波電源
９ 第２の高周波電源
１０ 同軸導波管
１１ 金属壁
１２ 誘電体
１３ 冷却手段
１４ 誘電体
１５ 第２の電極
１６ 第３の高周波電源
１７ コイル
１８，１８ａ，１８ｂ ファラデーシールド
１９ 可変コンデンサ
２０ 電力分割器
２１ 位相調整器
２２ 空隙（電界制御空間）
２３ 誘電体
２４ アース
５１ アンテナ電極（第１の電極）
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特に安定した処理を続行することのできるプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＵＬＳＩ（Ultra Large Scale Integration)等の半導体素子の微細化、高集積化が急速に進められ、加工寸法が０．１３μｍのデバイスは間もなく量産化に移行し、０．１０μｍのデバイスも開発されつつある。また、ＬＳＩの高速化も急速に進展し、配線遅延を低減するため、Ｃｕ配線及び低誘電率膜が使用されるようになった。また、デバイス構造も複雑化し、更に使用する膜種も多様化している。
【０００３】
また、ウエハ１枚当りの取得可能なチップ個数を増やすためには、直径３００ｍｍ等の大口径ウエハを扱うことのできる製造ラインの構築が必要であり、これに伴いエッチング技術の高精度化、大口径対応が求められている。特に酸化膜のエッチングに際しては、配線のためのコンタクトホール形成、ダマシン形成のための有機あるいは無機の低誘電率膜の加工、さらには種々のマスク加工等が必要とされ工程が増加している。
【０００４】
デバイス寸法が０．１μｍ程度となると、（ＣＤ：Critical Dimension）値で、ナノレベルの寸法加工精度が求められる。また、エッチングに際して、対下地膜あるいは対レジスト膜に対して高い選択比を得ようとすると、エッチング反応が途中で停止する「エッチストップ」や加工する（エッチングする）穴径によってエッチング速度が異なる「ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)−ｌａｇ」が発生しやすくなる。すなわち、アスペクト垂直加工と高選択比との両立は困難になる。更に、加工膜種が異なれば使用する処理ガスも異なり、これに応じて処理室内のプラズマやラジカルの分布も変化する。このためプラズマやラジカルの制御手段も重要となる。
【０００５】
これら性能上の問題の外、処理に際して使用するフロロカーボンガスあるいはラジカル等が処理室内壁等に堆積することに起因する異物発生の抑制、あるいは処理室内壁を構成するシリコン板等の消耗品の交換コスト低減対策等も求められている。
【０００６】
特許文献１には、プラズマを利用して絶縁膜を処理する際、異なる２つのＲＦ（Radio Frequency）電圧を対向する電極に印加する平行平板型プラズマ処理装置が示されている。この装置においては、上部電極及び下部電極をそれぞれ処理室の上下に対向して配置し、上部電極あるいは下部電極の少なくともいずれか一方に高周波電力を供給して、処理室内に導入した処理ガスを電離・解離させ、生じたイオンあるいはラジカルを用いてウエハを処理する。
【０００７】
特許文献２には、ガスを処理室内に導入するガス穴を設けたシリコン板からなる上部電極と、この上部電極の背面にリング状に永久磁石を配置したプラズマ処理装置が示されている。
【０００８】
特許文献３には、有機系低誘電率膜加工用のプラズマ処理装置として、下部電極に１３．５６ＭＨｚの高周波を供給し、更に処理室周囲にコイルを配置し、該コイルに１３．５６ＭＨｚの高周波を供給するプラズマ処理装置において、誘電体壁の消耗を防ぐためコイルと誘電体壁の間に静電シールドを設けることが示されている。
【０００９】
また、非特許文献１には、被処理体を載置する電極に２種類の周波数の高周波（２ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ）を印加して、プラズマをウエハ載置側から生成し、ウエハと対向する面に配置したシリコン板に電圧が印加されないようにし、これにより前記シリコン板の消耗を防ぐようにしたプラズマ処理装置が示されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−３３９９８４号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平８−２８８０９６号公報
【００１２】
【特許文献３】
特開２０００−３６４８４号公報
【００１３】
【非特許文献１】
Lam Research社製のＲＩＥ装置Exelan2300の説明書
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１に示す装置では、使用周波数の高周波数化に伴い、上部電極と金属製の冷却板の間、あるいは吐出し口（ガス吹出し口）内に高周波が浸透することなる。浸透深さは非常に薄い（１ｍｍ以下）ため、この浸透部分に高電界印加されて、異常放電が発生しやすくなる。一旦、異常放電が起こると、吹出し穴径が拡大されて、より内部にまでプラズマが発生することになり、異物の発生原因となる。また、上部電極は高周波によって必然的に高電位となるので、プラズマによるスパッタにより削られることになる。このため高価な消耗品であるＳｉ製の上部電極の交換頻度が高くなることがある。
【００１５】
特許文献２に示す装置では、永久磁石の大きさ程度の限定された箇所に局所的に磁場が形成される。この磁場による閉じ込め効果を増加しようとすると前記永久磁石近傍での磁場が部分的に強くなり、この部分でのプラズマ密度が高くなる。またＲＦ電極にはバイアスを印加し、プラズマ中のイオンを引き込むので、スパッタリングが局所的に起こる。このため電極の局所的消耗を招き、異物発生量がが増加し、装置信頼性が低下する場合が生じる。
【００１６】
特許文献３に示す装置では、処理室の側面にコイルを巻回し、誘導結合によりプラズマを生成する。このとき前記コイルに印加する電圧が上昇することによって生ずる処理容器の局所的な壁削れを静電シールド（ファラデーシールド）に遮蔽している。このため、前記静電シールドの開口部と開口部でない箇所では遮蔽効果が不均一となる。また、プラズマの着火性が悪化することがある。
【００１７】
非特許文献１に示す装置では、ウエハ側から異なる高低２種類の高周波を供給し、ウエハ側に高密度プラズマを生成するため、エッチングレートの増大を見込むことができる。一方、プラズマあるいはラジカルはウエハ載置面に対向する面にも広がっていくため、対向する壁（あるいはシリコン板面）にもアタックする。このため前記対向面に削れや膜堆積が起きる。
【００１８】
また、プラズマと壁との電位差によりイオンが壁に入射することになるため、プラズマ電位はウエハ載置電極から供給する低周波数側の電位に伴って変動する。またこの変動するプラズマ電位と壁との電位差でイオンが壁に入射することになるため、ウエハ電位と独立して、壁に入射するイオンのエネルギーを制御することは困難となる。このため壁の削れや堆積を制御することが困難となることがある。
【００１９】
このように、平行平板型のプラズマ処理装置では、高周波を印加する電極そのものが高電圧となることがある。また、ウエハ載置電極側からプラズマを生成する装置では、アースとなる対向電極とプラズマ電位との差でアース電極がエッチングされることになる。
【００２０】
ウエハと対向する面に形成した前記対向電極には、異物発生の観点から、また、Ｆ（フッ素）ラジカルのスカベンジ（気相中のＦラジカルがＳｉに吸着してＳｉＦｘという形になってＦが減少する）の観点からシリコン板が用いられる。この場合、前記シリコン板は早期に消耗されることになる。シリコン板は高価であるため、シリコン板の消耗量の低減は製造コスト低減からも必要となる。
【００２１】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、メンテナンス周期を増大しして安定した処理を続行することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００２３】
処理ガスの導入手段及び真空排気手段を備えた真空処理容器と、前記真空処理容器の外周壁の外周側に形成したシールド電極と、高周波電力を前記真空処理容器内に放射するアンテナ電極及び試料台を備えた試料載置装置と、前記シールド電極の外周側に巻回された励磁用コイルを備えたプラズマ処理装置であって、前記シールド電極をインピーダンス素子を介して接地すると共に、前記アンテナ電極には第１の高周波電力を供給し、前記試料台及び前記励磁用コイルには前記第１の高周波電力よりも低周波の高周波電力を供給し、前記シールド電極には前記第１の高周波電力よりも低周波の高周波電力を供給された前記励磁用コイルを介してシールド電圧を付与する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。プラズマ処理装置を構成する真空処理容器１の内部には石英等の誘電体１４の壁を備え、これらにより処理室２を形成する。また、処理室２の内部には被処理物である試料（ウエハ）４を載置するアンテナ電極５１及び試料台５を備える。処理ガスは前記処理室２の上部から導入し、導入した処理ガス３は排気系６によって排気される。試料台５のウエハ載置面の外周側にはサセプタ７を配置する。アンテナ電極５１にはプラズマ生成のために使用する第１の高周波（ＵＨＦあるいはＶＨＦ）電源８及びイオンを引き込むために使用する前第１の記高周波電源８より低い周波数の第２の高周波電源９を供給する。
【００２５】
第１の高周波電源８及び第２の高周波電源９は、それぞれ同軸導波路１０を介して試料台５及びアンテナ電極５１に供給する。試料台５と金属壁１１の間には誘電体１２を充填し、両者を電気的に絶縁する。また、試料台５は冷却手段１３を備え、該手段に冷媒を流すことにより試料台５の温度を制御することができる。処理室２を構成する誘電体１４の外側には、第２の電極（シールド電極）１５を配置し、これに第３の高周波電源１６を接続する。第３の高周波電源１６は、前記の第２の高周波電源と同じ周波数であってもよい。
【００２６】
前記プラズマ処理装置を用いて行うウエハ処理を、酸化膜のエッチングを例に説明する。まず、図示しない搬送手段によって試料４を処理室２内のアンテナ電極５１上に搬送する。処理室２内にはフロロカーボンガス、Ｏ２、Ａｒ等からなる処理ガス３を導入し、処理室２内の圧力を所定値に設定した後、第１の高周波電源８電力を同軸導波路１０を介してアンテナ電極５１に供給する。第１の高周波電源８は誘電体１２を通り、サセプタ７を介して処理室２内に放射されて処理室２内にプラズマを生成する。
【００２７】
前記プラズマの生成により処理ガスは解離されてフロロカーボンラジカルＣＦｘ、ＣｘＦｙあるいはＯが発生し、前記フロロカーボンラジカルはウエハ上に堆積する。第２の高周波電源９がアンテナ電極５１に印加されている場合、試料４上にはシースが形成され、これにより試料４上に堆積しているフロロカーボン膜にイオンが入射してエッチングが進行する。エッチングにより発生した反応生成物はフロロカーボンラジカルと同様に処理室２の壁となる誘電体１４に付着する。
【００２８】
誘電体１４の外側には第２の電極１５を設けてある。ここに印加する電圧を調整することにより誘電体１４の表面の電位をプラズマ電位より若干低い値に設定することができる。誘電体１４の表面電位をこのように設定すると、低エネルギーのイオンを誘電体１４に入射させることができ、この低エネルギーのイオン入射により前記反応生成物やラジカルが誘電体１４表面に付着するのを抑制することができる。すなわち真空処理容器内表面を誘電体１４で被覆し、更に第２の電極１５に電圧を印加して誘電体１４の内壁表面に電界を印加することにより、反応生成物やラジカルが内壁に付着するのを防止すると共に、絶えず誘電体１４壁表面をリフレッシュするので、異物の発生を有効に抑制することができる。
【００２９】
図２は、本発明の他の実施形態を説明する図である。図に示ように、プラズマ処理装置の真空処理容器を構成する誘電体１４壁の外周にコイル１７を配置し、コイル１７に第３の高周波電源１６を供給する。第３の高周波電源１６は前記の第２の高周波と同じ周波数であってもよい。コイル１７と前記誘電体１４の間及び誘電体１４壁の上面部に金属製のファラデーシールド１８を設ける。ファラデーシールド１８には、可変容量のコンデンサ１９もしくは可変容量のインダクタンスを接続する。ファラデーシールド１８の側面部１８ａは金属片と開口部とが交互に並ぶ簾状の構造とし、ファラデーシールド１８の天井部１８ｂは開口部１８１を備えた形状とするか、あるいは開口部１８１を備えない形状とすることができる。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
プラズマを生成して試料に処理を施しているとき、例えば前記可変容量コンデンサ１９の容量を調整するとファラデーシールド１８に印加される電圧を調整することができ、これにより、誘電体１４壁に対するラジカルや反応生成物の付着を抑制することができる。
【００３１】
ファラデーシールド１８の開口部に対向する誘電体１４の内壁面はシールド電圧が印加され難い。このため、試料の処理中に前記ファラデーシールド１８を回転させて開口部と金属部とを入れ替えるようにすると、誘電体１４壁が不均一に削られたり、反応生成物が誘電体１４壁に不均一に堆積することを防ぐことができる。
【００３２】
また、真空処理容器の天井部１８ｂをファラデーシールドで完全に覆ってしまうと、天井部のプラズマ中にはＴＭ０１モードの定在波が立ち、プラズマ密度が凸分布となることがある。このような場合には、ファラデーシールド１８ｂの中心部に前記開口部１８１を設けるか、あるいは窪み１８２を設けると良い。
【００３３】
図３（ａ）、図３（ｂ）は、本発明の更に他の実施形態を説明する図である。図３（ａ）は、図１に示す第２の高周波電源９の出力を、電力分割器２０及び位相調整器２１を介して第２の電極（シールド電極）１５に供給した例を示す図、図３（ｂ）は、図２に示す第２の高周波電源９の出力を、電力分割器２０及び位相調整器２１を介して前記コイル１７に供給した例を示す図である。なお、これらの図において図１、２に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３４】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第３の高周波１６の代わりに、第２の高周波電源を第２の電極１５あるいはコイル１７に供給する。また、第２の高周波電源の出力をアンテナ電極５１と第２の電極１５とに分割して供給する電力分割器２０と位相調整器２１はそれらを調整することにより、アンテナ電極５１と第２の電極１５あるいはアンテナ電極５１とコイル１７に印加する電圧の比及び位相差を調整することができる。
【００３５】
これにより、第２の電極（シールド電極）１５あるいはシールド電極１８に印加する電圧を調整することができる。
【００３６】
例えば、第２の高周波電源９の電圧とシールド電極の電圧の位相差が１８０°の場合は、試料がイオンを引き込んでいるとき、誘電体１４壁の電位がプラズマ電位と同じになり、プラズマは壁を叩かなくなる。一方、試料側の電位が正となるときは、誘電体１４壁の電位が相対的に低くなりイオンを引き込むことになる。
【００３７】
すなわち、誘電体１４壁へのラジカルや反応生成物の「堆積」と「除去」の時間を制御することにより誘電体１４壁への膜の堆積を抑制することができる。なお、位相差を０°とすると、試料にイオンを引きこんでいるとき誘電体１４壁もイオンを引き込むことになる。
【００３８】
処理ガスとしてフロロカーボンガスを用いた場合、解離で生じたフロロカーボンラジカルが試料や壁に付着する。また、イオン入射の際フロロカーボン膜からもラジカルが発生する。試料４と誘電体１４壁が同位相で振れると、プラズマ中のフロロカーボンの量が位相差１８０°の場合よりも多くなる（損失が少なくなる）。このため、エッチャントの量が増えてエッチングの効率が良くなることが期待される。ここでは、位相差０°と１８０°について説明したが、使用するガスの種類や、発生するラジカルあるいは反応生成物の量に応じて、試料４及び誘電体１４壁に印加する電圧及び位相差を変化させるとよい。
【００３９】
図４は、本発明の更に他の実施形態を説明する図である。第１の高周波電源８としてＵＨＦあるいはＶＨＦの高周波電源を用いる場合、周波数が高いことによって顕著な凸型のプラズマ分布となることがある。これは、試料４の上面のシース内で定在波（ＴＭ０１モード）が形成されるためである。
【００４０】
そこで、アンテナ電極５１の表面に円板状の空隙２２を設ける。空隙２２部分には放電を抑制するため誘電体２３を充填しても良い。空隙２２の径は、第１の高周波電源周波数における定在波の節間の距離程度に設定し、厚みｄは、その実効距離ｄ＊＝ｄ／√εｒ、（但しεｒ：誘電体の比誘電率）が使用する試料の厚さ程度となるように設定する。これによって、均一なプラズマを生成し、また高周波電位を試料に均一に印加することができる。
【００４１】
図５は、本発明の更に他の実施形態を説明する図であり、図５（ａ）はプラズマ処理装置を示す図、図５（ｂ）は壁材とラジカルとの結合エネルギーを説明する図である。
【００４２】
本実施形態においては誘電体１４壁表面を、ＺｒＯ２、あるいはＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３の溶射膜によってコーティングする。また、アース２４材料の表面もＺｒＯ２、あるいはＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３を溶射膜によりコーティングする。図４（ｂ）は、壁材とラジカルとの結合エネルギーを分子軌道法によって求めた計算値を示す。結合エネルギーが正はラジカルが壁に吸着すること、負は吸着しないことを示し、その大小が吸着力の大小に対応する。また、ＳｉＯ−は壁材が石英であり、吸着サイトがＯであることを、ＡｌＯはアルミナを、ＺｒＯ−はジルコニアを表す。
【００４３】
アース材料として、アルミ−アルマイトコーティングを使用する場合を想定すると、次のようになると考えられる。Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３とＦが反応してＡｌＦｘが発生し、プラズマ中に放出される。ＡｌＦ３、ＡｌＦ２、ＡｌＦがそれぞれ１．５２ｅＶ、５．５８ｅＶ、３．４９ｅＶの結合エネルギーで壁の石英に吸着する。また、ＳｉＯに付着したＡｌＦの上にさらにＡｌＦが吸着する場合の結合エネルギーは０．５０ｅＶと弱く吸着する。一方、エッチングで生成する代表的な反応生成物であるＳｉＦ４はＡｌＦの上には堆積できない。ここでＡｌＦの上にＡｌＦが弱く結合するのが問題で、試料の処理を重ねていくにつれて石英からＡｌＦが脱離して異物となる。
【００４４】
また、エッチャントとなるＣＦ２はＡｌＯに３．７８ｅＶで結合するが、そのときＡｌ−ＯＣＦ２の間の結合エネルギーは０．７１ｅＶと非常に小さくなる。これは、イオンが入射すると容易にＡｌＯ（アルミナＡｌ２Ｏ３）のＯを抜き去ることになり、エッチングされることを示している。
【００４５】
一方、ＺｒＯ２の場合、ＣＦ２が吸着するが（３．７８ｅＶ）、このときＺｒ−ＯＣＦ２間の結合エネルギーは、１．７８ｅＶと高く、前記アルミ−アルマイトの場合よりも、イオン入射によって容易にエッチングされないことを示している。同様にＹ２Ｏ３の場合も、ＣＦｘの付着で容易にＯがとれることはないので、ＺｒＯ２にＹ２Ｏ３を加えて化合物表面を安定化させても良い。なお、誘電体壁１４にＺｒＯ２をコーティングする例を示したが、場合によっては誘電体は石英のままで、アース材２４にのみＺｒＯ２あるいはＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３コーティングとしても良い。
【００４６】
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、ＶＨＦあるいはＵＨＦ帯の高周波を用いてプラズマを生成するプラズマ処理装置において、壁となる誘電体表面の電位あるいはその位相を制御することによって、ラジカルあるいは反応生成物の付着及びプラズマによるスパッタを防ぎ、壁材等の消耗品コスト（ＣＯＣ）を低減することができる。また、アンテナ電極に対向する前記誘電体表面には電極を設けない。このため真空処理容器の外周壁に形成したシールド電極電位を調整することにより壁面電位を最適に設定することができる。これにより、壁からの異物発生を低減することができ、メンテナンス周期を増大することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、メンテナンス周期を増大しして安定した処理を続行することのできるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】本発明の他の実施形態を説明する図である。
【図３】本発明の更に他の実施形態を説明する図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態を説明する図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
１ 真空処理容器
２ 処理室
３ 処理ガス
４ 試料（ウエハ）
５ 試料台
６ 排気系
７ サセプタ
８ 第１の高周波電源
９ 第２の高周波電源
１０ 同軸導波管
１１ 金属壁
１２ 誘電体
１３ 冷却手段
１４ 誘電体
１５ 第２の電極
１６ 第３の高周波電源
１７ コイル
１８，１８ａ，１８ｂ ファラデーシールド
１９ 可変コンデンサ
２０ 電力分割器
２１ 位相調整器
２２ 空隙（電界制御空間）
２３ 誘電体
２４ アース
５１ アンテナ電極（第１の電極）
Claims (8)
- 処理ガスの導入手段及び真空排気手段を備えた真空処理容器と、
前記真空処理容器の外周壁の外周側に形成したシールド電極と、
高周波電力を前記真空処理容器内に放射するアンテナ電極及び試料台を備えた試料載置装置と、
前記シールド電極の外周側に巻回された励磁用コイルを備えたプラズマ処理装置であって、
前記シールド電極をインピーダンス素子を介して接地すると共に、前記アンテナ電極には第１の高周波電力を供給し、前記試料台及び前記励磁用コイルには前記第１の高周波電力よりも低周波の高周波電力を供給し、前記シールド電極には前記第１の高周波電力よりも低周波の高周波電力を供給された前記励磁用コイルを介してシールド電圧を付与したことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記シールド電極の前記励磁コイルに面する部分に励磁コイルと略直交する方向にスリットを設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
- 請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記シールド電極の前記励磁コイルに面する部分に励磁コイルと略直交する方向にスリットを設け、前記シールド電極の前記真空処理容器上面の中央部分に開口または窪みを設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
- 請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記アンテナ電極及び前記励磁コイル間を電力分割器及び位相調整器を介して接続したことを特徴とするプラズマ処理装置。
- 請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記アンテナ電極の中央部には、プラズマ処理中に載置した試料の上面に形成される定在波の節となる位置を径とする円板状の空隙を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
- 請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記アンテナ電極の中央部には、プラズマ処理中に載置した試料の上面に形成される定在波の節となる位置を径とする円板状の誘電体層を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
- 請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記真空処理容器は誘電体製であり、内壁面にＺｒＯ ２ の溶射膜を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
- 請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記真空処理容器は誘電体製であり、内壁面にＹ ２ Ｏ ３ の溶射膜を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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