JP3957719B2

JP3957719B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JP3957719B2
Application number: JP2005046655A
Authority: JP
Inventors: 克典鈴木; 孝之清水; 康次森; 宏悦青木; 悟平岡
Original assignee: Kawasaki Microelectronics Inc
Current assignee: Kawasaki Microelectronics Inc
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2005277400A

Description

本発明は、載置面上に載置された被処理基板の表面をプラズマによって処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

従来より、半導体集積回路等の半導体装置の製造にはドライエッチング等のプラズマ処理技術が数多く応用されている。ドライエッチング技術は、リソグラフィ技術により形成したフォトレジストパターンをマスクとして、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）などの被処理基板表面に形成された薄膜をプラズマ励起された反応ガスを用いて加工して、微細な電極や配線などの回路パターンを形成する技術である。

そのため、応用方法如何にかかわらず、プラズマ励起により活性化された反応ガスがプラズマ処理装置のチャンバ構成部品の一部に接触し、接触部分が侵食作用を受けることが避けられない。特に、シリコン酸化膜のエッチング加工を行うドライエッチング装置においては、Ｓｉ−Ｏが比較的高い結合エネルギーを持つため、使用する高周波パワーも大きくなり、それに応じてプラズマによる部品の損傷も激しくなる。

一般的に、シリコン酸化膜を加工するドライエッチング装置は、平行に対向した上部電極と下部電極に高周波を印加する形式の、いわゆる平行平板型ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｅｒ）が主流で、下部電極の載置面上にウエハを設置し、上部電極と下部電極との間にプラズマを集中させて、エッチング加工を行う。プラズマを集中させる目的で、上部電極、下部電極の周囲は石英製の環状体（以下、上部電極周囲の石英製の環状体を「シールドリング」、下部電極周囲の石英製の環状体を「フォーカスリング」という。）で覆われている。

また、半導体の微細化とともに、ドライエッチング時の加工精度向上が要求されており、近年のドライエッチング装置には、載置面上にウエハを固定する装置として静電チャックが搭載されるようになった。静電チャックを用いることにより、機械式のクランプと比較してウエハの表面温度の均一性を向上させ、加工精度を向上させることができる。なお、静電チャックはフッ化炭素系樹脂より成るもの、セラミックより成るものの２種に大別でき、シリコン酸化膜を加工するドライエッチング装置の場合、主としてフッ化炭素系樹脂より構成される静電チャックが用いられている。フッ化炭素系樹脂より成る静電チャックは、フッ化炭素系樹脂の中に導電性薄膜を挿入し、導電性薄膜に直流高電圧を印加して、導電性薄膜とウエハとの間にクーロン力を発生させ、ウエハを静電チャック上面に固定させる機構である。

図１０は、下部電極周辺を表す部分断面図である。同図に示すように、下部電極１１８の上面１１８ａには、例えばフッ化炭素系樹脂膜１２０ａと、その中に挿入された導電性薄膜１２０ｂとからなる静電チャック１２０が設けられている。フッ化炭素系樹脂膜１２０ａは、下部電極１１８の側面１１８ｂまで被覆されている。そして、下部電極１１８の周囲には、フォーカスリング１２４が着脱可能に配置されている。フォーカスリング１２４の内周側（ウエハ外周縁に隣接する側）には段差部１２４ａが設けられている。エッチング加工に際しては、ウエハＷが下部電極１１８の上面１１８ａ上に配置され、静電チャック１２０により吸着される。

以上に挙げたシリコン酸化膜のドライエッチング装置を構成する部品の中で、最もプラズマによる損傷の激しい部品は下部電極１１８周囲のフォーカスリング１２４である。フォーカスリング１２４を継続使用すると、徐々にその侵食が進む。侵食は、主としてフォーカスリング１２４の内周側の段差部１２４ａにおいて垂直方向に溝状に進行する。そして、図１１に示すように侵食が一定レベルに達すると、下部電極側面１１８ｂがプラズマに晒されるようになる。下部電極側面１１８ｂはフッ化炭素系樹脂膜１２０ａによって覆われているが、樹脂膜１２０ａは薄い。このため、下部電極側面１１８ｂがプラズマに晒されると、下部電極の側面１１８ｂ付近の温度が上昇し、下部電極上面１１８ａに静電チャック１２０を介し固着されているウエハの表面温度に影響を与えることになる。

前述のように、近年ますます微細化するエッチング加工において、温度管理は極めて重要なものとなっている。ところが、前述のように操業の経過とともに、下部電極へのプラズマ照射量が増加すると、特にウエハ端部においてウエハ表面温度の上昇を招き、所望のエッチング特性が維持できなくなるという問題が発生する。

それに加え、下部電極１１８が直接プラズマに晒されると、下部電極１１８の劣化が早まることになる。下部電極１１８は静電チャック１２０を固着した比較的複雑な構成なため、ドライエッチング装置の中でも特に高価な部品である。そのため、下部電極１１８の劣化はコスト面で大きな損失となる。

即ち、フォーカスリング１２４の侵食により、エッチング特性が変動するという問題と同時に、下部電極１１８の劣化が進行するという２つの問題を招くことになる。従ってフォーカスリング１２４は、侵食が過度に進行する前に、比較的短時間で交換、あるいは再生作業を施す必要があった。よって、再生費用や交換作業のために時間がかかり、半導体装置製造のコスト、及び、スループットの両面に影響を与えていた。

従来より、プラズマによる侵食を受けるフォーカスリングについては、さまざまな提案がなされている。

特許文献１には、下部電極の側壁に近接する部分を覆う内周部と、内周部の外側に組み合わされるリング状の外周部とに分割され、かつ、内周部が周方向に分割された複数の部分からなり、複数の部分が組み合わされることによって下部電極の側壁に隣接するリング状の内周部が形成される電極用カバー（フォーカスリング）が開示されている。

特許文献２には、表面に、石英よりもプラズマに対して高い耐食性を有する絶縁膜が施されている石英部材（フォーカスリング）が開示されている。具体的には、プラズマに面する部分の石英部品の表面に、例えばアルミナ系セラミックスからなる、プラズマに対して高い耐食性を有する絶縁膜を形成することが開示されている。
特許文献３には、電極の周囲を覆うリングとして、試料外周に隣接する部分を覆うアルミナリングと、そのさらに外側を覆うフッ素樹脂リングとを配置することが開示されている。フッ素樹脂リングがプラズマによって消耗するのに対して、アルミナリングはプラズマによってエッチングされることがないため、アルミナリングの使用によって、長期間にわたりエッチングの均一性が保たれるとされている。
特開２００３−１００７１３特開平８−３３９８９５特開平２−１３０８２３

しかしながら、特許文献１に記載されたフォーカスリングは、あくまでも下部電極とフォーカスリングのクリアランスを減少させることを目的としたものであり、フォーカスリングの侵食の低減を目的としたものではない。

また、特許文献２に記載された、表面に石英よりもプラズマに対して高い耐食性を有する絶縁膜が施されている石英部材（フォーカスリング）では、もともと石英で形成された部材の表面に高い耐食性を有する絶縁膜を施すものであるため、部材の形状を有意に変化させるほどの膜厚に絶縁膜を形成することはできない。このため、絶縁膜を施すことによる耐食性向上効果には限界がある。
さらに、特許文献２における高い耐食性を有する絶縁膜には、プラズマから、被処理基板の表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子が照射される。同様に、特許文献３においても、プラズマから、被処理基板の表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子が、アルミナリングの一部分に照射される。このため、石英と高い耐食性を有する絶縁膜との、もしくは、フッ素樹脂とアルミナとの２次電子放出係数の差により、高い耐食性を有する絶縁膜もしくはアルミナリングを設けていない場合に比較してプラズマ特性が変化する。
従って、高い耐食性を有する絶縁膜もしくはアルミナリングを持たない従来の処理装置において使用されていたプラズマ放電条件を使用することはできない。このため、少なくとも、高い耐食性を有する絶縁膜やアルミナリングを持たない既存の処理装置の改造としては、採用しにくいという問題がある。

本発明は上記問題点を鑑み、従来のプラズマ処理装置において使用されていたプラズマ放電条件を実質的に変更することなく使用することを可能にしながら、プラズマによりフォーカスリングの侵食が進行した場合であっても、所望のエッチング特性を維持し、且つ、下部電極の劣化を抑制できるプラズマ処理装置、及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、載置面と、該載置面の外縁に連なる側面とを備えた下部電極を有し、該載置面に載置した被処理基板の表面をプラズマによって処理するプラズマ処理装置であって、前記載置面に載置された被処理基板の周囲を覆う、第１の材料からなるフォーカスリングと、前記下部電極の側面を覆う、前記第１の材料とは異なるセラミック材料からなり、その外縁が、前記載置面に載置した被処理基板の外縁の内側に位置する、側面保護リングとを備えることを特徴とするプラズマ処理装置を提供するものである。
また、本発明においては、前記第１の材料と前記セラミック材料とが異なる２次電子放出係数を有するのが典型的な実施形態である。さらに、前記プラズマによる前記セラミック材料の浸食速度が、前記第１の材料の浸食速度に比較して低いことが好ましい。

本発明においては、前記セラミック材料がアルミナであることが好ましい。また、前記第１の材料が石英であることが好ましい。

また、上記目的を達成するために、本発明は、載置面と、該載置面の外縁に連なる側面とを備えた下部電極の、該載置面に載置された被処理基板の表面を、該被処理基板の表面が面する空間にプラズマを生成することにより処理する方法であって、前記被処理基板の周囲を第１の材料からなるフォーカスリングで覆うとともに、前記下部電極の側面を、外縁が、前記載置面に載置した被処理基板の内側に位置するように、前記第１の材料とは異なるセラミック材料からなる側面保護リングで覆い、前記側面保護リングによって、前記プラズマが前記下部電極の側面に接触することを防止するとともに、前記被処理基板によって、該被処理基板の表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子が前記プラズマから前記側面保護リングに入射することを防止することを特徴とするプラズマ処理方法を提供するものである。
本発明においては、前記プラズマによる前記フォーカスリングの浸食が進む以前においては、前記被処理基板および前記フォーカスリングによって、前記プラズマが前記側面保護リングに接触することを防止し、前記プラズマによる前記フォーカスリングの浸食が進み、前記被処理基板および前記フォーカスリングによって前記プラズマが前記側面保護リングに接触することを防止できなくなった後においても、前記側面保護リングによって前記プラズマが前記下部電極の側面に接触することを防止するのが、典型的な実施形態である。

さらに、前記被処理基板が半導体基板であり、前記処理が、フロロカーボン系プラズマを用いた前記半導体基板の表面の絶縁膜のエッチングであることが好ましい。

本発明の処理装置によれば、側面保護リングの外縁を、被処理基板の外縁と略一致させるか、もしくは、内側に位置させる。また、本発明の処理方法によれば、被処理基板によって、該被処理基板の表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子がプラズマから側面保護リングに入射することを防止する。これにより、フォーカスリングとは異なる材料からなる側面保護リングで下部電極の側面を覆っても、プラズマ特性が影響を受けることを防止できる。従って、側面保護リングを持たない従来の装置で使われていたものと実質的に同一のプラズマ放電条件を使用することを可能にしながら、下部電極側面がプラズマによって損傷するのを防止することができる。これにより、プラズマによりフォーカスリングの侵食が進行した場合であっても、所望のエッチング特性を維持し、且つ、下部電極の劣化を抑制することができる。また、フォーカスリングの交換周期も長時間化することができるため、そのための手間を軽減することができ、低コスト化が可能である。

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を詳細に説明する。

図１は、本発明のプラズマ処理方法を適用するプラズマ処理装置の概略構成を示す一実施形態の断面図である。図１に示すように、プラズマ処理装置１０は、狭ギャップの平行平板構造を有し、高周波（ＲＦ）プラズマによってシリコン酸化膜などの酸化膜をエッチングする半導体装置製造用のドライエッチング装置である。被処理基板の半導体基板であるウエハＷを装着する処理槽（チャンバ）１２は、１０^−６Ｔｏｒｒ（１０^−４Ｐａ）程度の真空まで真空引き可能である。このチャンバ１２内にはさまざまな構成部品が設けられている。

チャンバ１２内の上部中央には、エッチングガスを導入可能なガス導入口１４が接続された上部電極１６が設置されている。また、チャンバ１２内の下部中央には、下部電極１８が設置されている。

下部電極１８は、アルマイト被覆されたアルミニウムからなるもので、そのウエハ載置面１８ａは、ウエハＷの寸法と略同一か、もしくはわずかに小さい寸法である。下部電極１８の内部には、外部チラー（図示せず）からの冷煤を循環させる循環路（図示せず）が設けられており、下部電極１８の上面１８ａを所望の温度に維持することが可能である。

また、下部電極１８のウエハ載置面１８ａ上にはウエハＷを吸着保持するための静電チャック２０が設けられている。この静電チャック２０は、金属薄膜２０ｂをフッ化炭素系樹脂膜２０ａに埋め込んだ構成のものであり、図２に示すように、フッ化炭素系樹脂膜２０ａは、下部電極１８の側面１８ｂまで被覆されている。ウエハＷは、外部高圧直流電源からの電圧が金属薄膜２０ｂに印加され、金属薄膜２０ｂとウエハＷとの間にクーロン力が発生することによって、静電チャック２０上面に吸着保持される。すなわち、静電チャック２０によって、下部電極１８のウエハ載置面１８ａ上にウエハＷが保持される。ここで、フォーカスリング２４の上面２４ｂは、載置面１８ａ上に保持されたウエハＷの上面と同程度の高さを有する。

また、下部電極１８内には、Ｈｅガスの流路が形成されている（図示せず）。静電チャック２０上に吸着保持されたウエハＷの裏面に対しＨｅガスを供給することによって、ウエハＷと下部電極１８との間の熱伝導効率を高めることが可能である。Ｈｅガス流路は２系統設置されており、この裏面Ｈｅガス圧力をウエハの中心部と端部、各々独立して操作することが可能である。

また、下部電極側面１８ｂには、その表面に被覆されたフッ化炭素系樹脂２０ａの表面を覆う、セラミック材料製の側面保護リング３０（以下「セラミックリング３０」とする。）が設けられている。なお、セラミックリング３０の詳細は後述する。

上部電極１６及び下部電極１８の周囲は、それぞれシールドリング２２、フォーカスリング２４により覆われている。シールドリングおよびフォーカスリングは、ともに平行平板電極間にプラズマを集中させる機能を有している。シールドリング２２およびフォーカスリング２４は、例えばメカニカルクリーニングの際に着脱可能となっている。

チャンバ１２の外には、下部電極１８及び上部電極１６の両方に高周波電力（ＲＦパワー）を印加するＲＦパワースプリッター２６と、ＲＦパワースプリッター２６に接続されるＲＦ電源２８とが設置される。これらによってチャンバ１２内にＲＦプラズマが生成され、ドライエッチングが行われる。本プラズマ処理装置１０のＲＦ印加方式は、上下部電極１６、１８にＲＦを印加するスプリット方式であるが、アノードカップリング方式、カソードカップリング方式、スプリット方式の中から択一的に選択可能である。

次に、本発明に係るセラミック材料製の側面保護リング３０（セラミックリング３０）について説明する。図２は、本発明に係るセラミックリング３０を配置した下部電極１８とフォーカスリング２４との関係を示す拡大図である。前述の通り、下部電極１８の側面１８ｂには、静電チャック２０を構成するフッ化炭素系樹脂膜２０ａの一部が回り込むように被覆され、その周囲にはフォーカスリング２４が配置されている。セラミックリング３０は環状体構造を有し、下部電極１８側面１８ｂのフッ化炭素系樹脂膜２０ａとフォーカスリング２４の内側面との間に、下部電極１８の側面１８ｂを覆うように挿入されている。本実施形態のセラミックリング３０は、ウエハＷの外縁の内側に収まる厚みである。以下、その理由について詳細に説明する。

セラミックリング３０は、フォーカスリング２４の侵食が進むにつれて直接プラズマ照射を受けるため、耐久性や機械的強度を考えた場合、より厚いことが好ましい。しかし、セラミックリング３０を厚くすることで、ウエハＷ端部より外側にセラミックリング３０が露出するようになると、ウエハＷの表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子が、プラズマからセラミックリング３０の表面（側面）に入射するようになる。このような場合、セラミックリング３０と石英製のフォーカスリング２４との材料の違いから生じる２次電子放出係数の違いから、プラズマ特性が変動する。それに伴いエッチング特性も変位するのため、エッチング特性を全く別個のものにチューニングする必要がある。さらに、エッチング工程によっては、セラミックリング３０からの微小放出物が半導体装置自体の電気特性をシフトさせる危険性もある。これらを回避するために、下部電極１８の載置面１８ａの寸法をウエハＷの寸法に比較して小さくし、セラミックリングの外縁が、ウエハＷの外縁と略一致するか、もしくは、その内側に位置するようにするのが好ましい。

なお、下部電極側面１８ｂのフッ化炭素系樹脂膜２０ａの被覆は必須ではない。また、フォーカスリング２４の材質は石英に限定されるわけではない。例えば、シリコンをフォーカスリング２４の材料として使用することが可能である。また、使用可能温度の高い各種のエンジニアリングプラズチック（スーパーエンジニアリングプラスチックとも呼ばれる）も使用可能である。例えば、ＤｕＰｏｎｔ社製のベスペル（商品名）、ＣｅｌａｎｅｓｅＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社製のセラゾール（商品名）を例示することができる。
側面保護リング３０の材質はセラミックであればよく、例えばアルミナを好適例として挙げることができる。アルミナ以外には、窒化アルミニウム、窒化シリコン、炭化シリコン等を側面保護リング３０の材料として使用することができる。また、少なくとも、半導体集積回路製造における配線工程に使用するプラズマ処理装置においては、ジルコニア、ＹＡＧ（Y₃Al₅O₁₂）、窒化チタン等も使用することができる。さらに、これらのセラミック材料の固溶体、例えば、アルミナと酸化シリコンとの固溶体、アルミナと窒化シリコンとの固溶体、等を使用することができる。これらのセラミック材料は、各種の添加物を含むものであっても良い。
上記のフォーカスリング２４の材料は、それぞれ異なるプラズマ浸食速度を有する。側面保護リング３０の材料も、それぞれ異なるプラズマ浸食速度を有する。浸食速度は、エッチングガス、放電条件、等のプラズマ条件によっても異なる。さらに、実際のフォーカスリング２４もしくは側面保護リング３０を形成する材料の浸食速度は、それらの部品のプラズマ処理装置１０内での取り付け位置によっても異なる。
しかし、一般的には、上記のセラミック材料は、フォーカスリング２４に使用される材料に比較して低いプラズマ浸食速度を有する。

プラズマ処理装置１０においてエッチング加工を行うに際しては、チャンバ１２内を所定の真空度に排気した後、ガス導入口１４からフロロカーボン系のエッチングガスを導入し、電極１６、１８間の空間に一定圧力のエッチングガス雰囲気を形成する。この一定圧力のエッチングガス雰囲気に対して、ＲＦパワースプリッター２６から両電極１６、１８間に高周波電力を供給することにより、フロロカーボン系プラズマが生成され、このプラズマからウエハＷ表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子により、下部電極１８の載置面１８ａ上のウエハＷの表面がエッチング加工される。

この時、プラズマ処理装置１０では、本発明のプラズマ処理方法に従って、フォーカスリング２４の材料よりもプラズマによる侵食速度が低いセラミックリング３０を下部電極１８の側面１８ｂに備えているので、プラズマによりフォーカスリング２４の侵食が進行した場合であっても、下部電極側面１８ｂがプラズマによって損傷するのを防止することができる。このため、ウエハ端部の表面温度の上昇を抑えることができ、所望のエッチング特性を維持することができる。また、フォーカスリング２４の交換周期も長時間化することができるため、そのための手間を軽減することができ、低コスト化が可能である。また、セラミックリング３０があることにより、メカニカルクリーニングの時のフォーカスリング２４の着脱の際に、下部電極側面１８ｂのフッ化炭素系樹脂膜２０ａが物理的損傷を受けるのを回避できる。

ここで、プラズマによるフォーカスリング２４の浸食が進む以前においては、ウエハＷおよびフォーカスリング２４によって、プラズマがセラミックリング３０に、そしてさらに下部電極１８の側面１８ｂに接触するのを防止することができる。一方、プラズマによるフォーカスリング２４の浸食が進み、ウエハＷおよびフォーカスリング２４によってプラズマがセラミックリング３０に接触することを防止できなくなった後にも、セラミックリング３０によって、プラズマが下部電極１８の側面１８ｂに接触するのを防止することができる。

また、本実施形態のプラズマ処理装置１０のように、下部電極１８の載置面１８ａの寸法をウエハＷの寸法に比較して小さくするとともに、セラミックリング３０の厚さ（下部電極１８の側面１８ｂに垂直な方向の寸法）を、その外縁が、ウエハＷの外縁と一致するか、もしくは内側に位置するように設定している。これにより、フォーカスリング２４が浸食された後であっても、ウエハＷの表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子が、プラズマからセラミックリング３０に対して入射するのを防止することができる。
セラミックリング３０の外縁をウエハＷの外縁の内側に位置させれば、セラミックリング３０の全体に対して、ウエハＷの表面に垂直な方向に加速された加速粒子の入射を防止することができる。
セラミックリング３０の寸法を、下部電極１８に取り付けた場合にその外縁がウエハＷの外縁と一致するように設計した場合、現実には、ウエハＷおよびセラミックリング３０の寸法誤差および取り付け位置の誤差によって、セラミックリング３０の外周部の一部分は、ウエハＷの外縁よりも外側にはみ出す。すなわち、フォーカスリング３０の外縁は、ウエハＷの外縁と略一致した状態にしかならない。そして、セラミックリング３０の、ウエハＷの外縁から外側にはみ出した部分には、加速された荷電粒子が入射する。しかし、それ以外の部分のセラミックリング３０の表面に対する加速された荷電粒子の入射は防止できる。従って、セラミックリング３０をウエハＷの外縁から外側にはみ出すような寸法に設計した場合に比較すると、加速された荷電粒子が入射する部分の面積をはるかに小さくすることができる。
従って、セラミックリング３０を形成するセラミック材料の２次電子放出係数と、フォーカスリング２４の材料の２次電子放出係数とが、互いに異なる場合であっても、セラミックリング３０がプラズマ特性に顕著な影響を与えることはない。このため、セラミックリング３０を有する本発明のプラズマ処理装置１０においても、セラミックリング３０を持たない従来のプラズマ処理装置で使用されていたプラズマ放電条件を、実質的に変更することなく、使用することができる。

なお、本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法は、上記実施形態のように、半導体基板表面のエッチング加工を行う半導体装置製造用のドライエッチング装置に限定されず、基板載置面を備えた電極を有する従来公知のどのようなプラズマ処理装置に対しても適用可能である。すなわち、半導体装置製造用以外のプラズマ処理装置にも適用可能であるし、この場合、被処理基板は半導体基板に限定されない。また、反応ガスもフロロカーボン系のものに限定されるわけではない。

［比較例１］
本実施形態のプラズマ処理装置１０のセラミックリング３０の効果を確認するための比較例として、まず、セラミックリング３０を装着していない従来の形態のプラズマ処理装置を使用して、エッチング加工を実施した。

図３に、従来の形態のプラズマ処理装置において、累積ＲＦ放電時間の経過によるフォーカスリング１２４の垂直方向（載置面１１８ａに載置されたウエハＷの表面に対して垂直な方向）の侵食量の変化を示す。このグラフにおいて、フォーカスリング１２４が、１ｍｍ程度侵食された状態が図１１の形態に相当する。即ち、図１１の形態は、累積ＲＦ放電３００時間程度で形成される。フォーカスリング１２４が、図１１の形態になると、所望のエッチング特性を維持できなくなるという問題が発生した。

まず初めに、フォーカスリング１２４の侵食量とウエハＷ表面の温度との関係を調べるために、プラズマ放電状況下で、ウエハ縁部より５ｍｍの部位の表面温度の測定を実施した。ドライエッチング用の処理ガスとしては、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８のエッチャントガスとＣＯ，Ａｒとの混合ガスを用いた。ウエハ表面の温度測定を実施した際のプラズマの放電条件を表１に示す。また、温度測定以外の時のプラズマ放電条件を表２に示す。

この測定結果を、図４に示す。図４は、累積ＲＦ放電時間（同一のフォーカスリング１２４を使用して行ったＲＦ放電の累積時間）の経過によるウエハＷ端部の表面温度の変化を示す。このグラフから、フォーカスリング１２４に対する累積ＲＦ放電時間が３００時間を超過すると、ウエハＷ端部の表面温度が上昇することがわかった。
図１１に示されるように、下部電極１１８の側面１１８ｂはフッ化炭素系樹脂膜１２０ａによって覆われているため、プラズマに直接さらされるのではなく、フッ化炭素系樹脂膜１２０ａを介して、間接的にプラズマにさらされるのみである。しかし、フッ化炭素系樹脂膜１２０ａは薄いため、プラズマから供給される熱が容易に下部電極に１１８に伝わる。また、下部電極１１８には表１に示す温度の冷煤を循環させているが、側面１１８ｂと循環経路との間にはある程度の距離がある。このため、フォーカスリング２４が侵食され、下部電極１１８の側面１１８ｂにプラズマが接触すると、側面１１８ｂ近傍の温度が上昇する。これによって、ウエハＷ端部の温度が上昇する。

次に、フォーカスリング１２４に対する累積ＲＦ放電時間の増大に伴う、ウエハＷ端部での微細ホールエッチングレートの変化を調べるために、図５に示すウエハＷ表面にドライエッチング加工を実施した。エッチング時のプラズマ放電条件は表１と同じである。また、エッチングレート測定時以外の時のプラズマ放電条件は表２と同じである。ここで、表１の放電条件は、表２の放電条件に比較して、より微細なホールのエッチングに適した条件であり、基板温度の影響を強く受ける特性を有する。

図５に示すウエハＷの構成は、シリコン基板Ｓ１上に二酸化シリコン膜Ｓ２を２．０μｍの厚さに形成し、さらにその上にフォトレジストによるマスクパターンＭを１．２μｍの厚さに形成したものである。マスクには、０．３０μｍのホール形状Ｈを閉口したものを用いた。ドライエッチング用の処理ガスとしては、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８のエッチャントガスおよびＣＯ，Ａｒの混合ガスを用いた。ウエハＷのエッチングを一定時間で停止し、０．３０μｍホールの削れ量からエッチングレートを算出した。また、エッチングレート測定は、ウエハＷの最端部から５ｍｍの領域で実施した。

この測定結果を、図６に示す。図６は、フォーカスリング１２４に対する累積ＲＦ放電時間の増大に伴う、二酸化シリコン膜のエッチングレートの変化を示したものである。このグラフから、フォーカスリング１２４に対する累積ＲＦ放電時間が３００時間を超過すると、ウエハＷ端部のエッチングレートが顕著に低下することがわかった。即ち、同一のフォーカスリング１２４を使ったＲＦ放電の累積時間が一定時間を越えると、フォーカスリング１２４が劣化し、下部電極側面１１８ｂへのプラズマ照射量が増加する。そのため、ウエハＷ端部表面の温度が上昇し、エッチングレートの低下を招き、所望のエッチング特性を維持できなくなる。

また、従来のプラズマ処理装置では、フォーカスリング１２４が侵食され、図１１の形態になると、下部電極１１８自体へも悪影響を与える。下部電極１１８の側面１１８ｂには、フッ化炭素系樹脂膜１２０ａの一部が回り込むように配置されているが、フッ化炭素系樹脂１２０ａはプラズマ耐性が不十分であり、プラズマ照射により変質しやすい。さらにメカニカルクリーニング時のフォーカスリング着脱の際の、物理的な損傷も避けられない。

この結果、フォーカスリング１２４の侵食量が大きくなると、フッ化炭素系樹脂膜１２０ａが少なくとも部分的に消失し、下部電極側面１１８ｂへプラズマが直接照射されるようになる。この結果、下部電極側面１１８ｂのアルマイト被覆が劣化し、絶縁破壊された箇所に異常放電（アーキング）が発生する。異常放電が発生した下部電極１１８は、継続使用が不可能となるため、装置を停止し、新しい下部電極１１８に交換する必要が生じる。

以上に述べたとおり、セラミックリング３０を装着していない従来のプラズマ処理装置では、フォーカスリング１２４が侵食されると、エッチングレートの変動、及び、下部電極１１８の損傷を招くため、累積ＲＦ放電時間が３００時間を超過したフォーカスリングは（目視では、垂直方向に１ｍｍ程度侵食された状態）、交換、破棄、あるいは再生修理をする必要があった。

図１に示すプラズマ処理装置１０を使用して、図５に示すウエハＷ表面の二酸化シリコン膜のドライエッチング加工を実施し、エッチングレートの変化を観測した。ここでは、アルミナ製のセラミックリング３０を使用した。セラミックリング３０の幅（下部電極１８の側面１８ｂに対して垂直な方向の厚さ）は、セラミックリング３０の高さ（下部電極側面１８ｂに対して平行な方向の寸法）の全体において２ｍｍとし、図２に示されるように、セラミックリング３０の外縁がウエハＷの外縁の内側に収まるようにした。具体的には、下部電極１８の載置面１８ａの寸法（直径）を、ウエハＷの直径に比較して約６ｍｍ小さくし、セラミックリング３０の外縁がウエハＷの外縁よりも約１ｍｍ内側に位置するようにした。フォーカスリング２４は、内周側（電極１８側）の段差部２４ａが、あらかじめ垂直方向に、前述の従来のプラズマ処理装置における寿命である１ｍｍの３倍の３ｍｍまで侵食されているものを、すなわち、累積ＲＦ放電時間が約９００時間に相当するものを使用した。

エッチング時のプラズマ放電条件を、表３に示す。またエッチング時以外のプラズマ放電条件は表２と同等である。

ここで、セラミックリング３０を装着した場合、表１の放電条件では、ウエハの最端部から５ｍｍ程度までの領域で、表面温度が約５℃低下する。これは、従来の状態と比較して下部電極１８の側面１８ｂにプラズマが直接照射されないこと、及び、セラミックリング３０とフォーカスリング２４の熱伝導率の差が寄与している。特に、セラミックリング３０を構成するセラミック材料（本実施例においてはアルミナ）の熱伝導率がフォーカスリング２４の材料である石英のそれと比較して２０倍以上あるため、ウエハ端部の冷却効果が向上する。そのため、ウエハＷの表面温度を面内均一に調整する必要があり、表３に示すように、ウエハ裏面Ｈｅ圧力を端部のみ約３Ｔｏｒｒ下げた条件で、エッチングレートの測定を実施した。

この時のフォーカスリング２４に対する累積ＲＦ放電時間の経過に伴う二酸化シリコンエッチングレートの変化を、図７に示す。図７に示すとおり、垂直方向の侵食量が３ｍｍのフォーカスリング２４をさらに４００時間使用しても、０．３０μｍホールのエッチングレートは変動しなかった。このことから、セラミックリング３０を装着することにより、フォーカスリング２４の侵食量に係らず、ウエハＷ表面温度を常に面内均一に保つことができ、エッチングレートの安定性を確保できたことがわかる。さらに、この効果により、下部電極１８の寿命延命、及びフォーカスリング２４の寿命延命が実現できることが分かった。なお、セラミックリング３０を装着することによって、ウエハＷ裏面Ｈｅ圧力については調整が必要であったが、それ以上の条件については、セラミックリング３０を装着しない場合の条件である表１の条件と同一にすることができた。これから、セラミックリング３０の装着がプラズマ特性に対して有意の影響を与えていないことが分かる。本実施例では、最初から侵食が進んだフォーカスリング２４を使用しているため、セラミックリング３０に対するプラズマの照射は起きる。しかし、セラミックリング３０の外縁がウエハＷの外縁の内側に収まっているため、ウエハＷの表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子がプラズマからセラミックリング３０に入射することは防止される。このため、プラズマ特性を顕著に変動させることはない。

次に、図１に示すプラズマ処理装置を使用し、図５に示すウエハＷの表面のエッチング加工を実施した。なお、セラミックリング３０の幅は２ｍｍとした。また、劣化のないフォーカスリング２４を二個用意し、ＲＦの印加時間が５０時間経過する毎に、メカニカルクリーニングのためにフォーカスリング２４を交換しながら、ランニング試験を実施した。

プラズマ放電条件は、通常時には、表２に示すものを用いた。また、一定間隔で実施する０．３０μｍ径エッチングレート測定時には、表３のものを用いた。

図８に、累積ＲＦ放電時間（１個のセラミックリング３０を使用するとともに、２個のフォーカスリング２４を交互に使用して行ったＲＦ放電の累積時間）の経過に伴う０．３０μｍホール部のエッチングレートの変化を示す。このグラフから、セラミックリング３０を装着することにより累積ＲＦ時間が１２００時間に達した場合、すなわち各フォーカスリング２４に対する累積ＲＦ時間が従来例の寿命である３００時間の２倍である６００時間に達した場合においても、０．３０μｍホール部エッチングレートは微小変動に抑えることができることが分かる。なお、本ランニング試験実施により下部電極１８に損傷を与えることはなかった。本実施例においては、下部電極１８とは別の部品としてセラミックリング３０を用意し、使用開始時に装着した。しかし、フォーカスリング２４に比較して外径が小さく、軽量であるため、装着は容易であり、装着時に下部電極側面１８ｂのフッ化炭素系樹脂膜２０ａを損傷させることは無かった。また、メカニカルクリーニングの際に脱着する必要もない。

さらに、図９に、本実施例による累積ＲＦ時間（１個のセラミックリングに対する累積ＲＦ放電時間）の増大に伴うセラミックリング３０の侵食量（厚さの減少量、すなわち、下部電極１８の側面１８ｂに垂直な方向の寸法の減少量）の変化を示す。より具体的には、図９には、セラミックリング３０上端近傍の、最も大きく浸食される部分の浸食量を示した。このグラフから、セラミックリング３０の厚みが２ｍｍあれば、少なくとも累積ＲＦ時間１２００時間では、プラズマが下部電極１８の側面１８ｂに接触するのを防止するシールド効果が十分保てることが分かる。
図９から、累積ＲＦ放電時間が３００時間程度までの範囲では、下部電極１８の側面１８ｂに垂直な方向のセラミックリング３０の浸食量から求めたセラミック材料の浸食速度は、約２５ｎｍ／ｍｉｎであることが分かる。これに対して、図３から、同一の累積ＲＦ放電時間の範囲における、載置面１８ａに保持されたウエハＷの表面に垂直な方向のフォーカスリング２４の浸食量から求めた石英の浸食速度は、約５６ｎｍ／ｍｉｎであることが分かる。従って、側面１８ｂに垂直な方向のセラミックリング３０の浸食量から求められるセラミック材料の浸食速度は、ウエハＷの表面に垂直な方向のフォーカスリング２４の浸食量から求められる石英の浸食速度の、約１／２以下であると言える。
図９からさらに、累積ＲＦ放電時間が増大するに従って、セラミックリング３０の浸食量が飽和する傾向が見られる。すなわち、セラミックリング３０の浸食速度は累積ＲＦ放電時間の増大に伴って減少する。このように、セラミックリング３０の浸食速度がフォーカスリング２４の浸食速度に比較して小さいことにより、フォーカスリング２４が顕著に浸食された後においても、セラミックリング３０の使用を長い時間にわたって継続することができる。
ここで、図３および図９に示されたデータから算出したセラミック材料および石英の浸食速度、およびその間の比率は、材料特性のみによって決まる値ではなく、プラズマ処理装置１０内でのフォーカスリング２４およびセラミックリング３０の配置にも依存した値である。実際、下部電極１８の載置面１８ａ上に載置したウエハＷ表面の酸化アルミ膜のエッチング速度から求めたアルミナの浸食速度は、同じく載置面１８ａ上に載置したウエハＷ表面の二酸化シリコン膜のエッチング速度から求めた石英の浸食速度の、約１／３０であった。
言うまでもなく、実際のセラミックリング３０の使用可能時間は、実際にプラズマ処理装置１０に取り付けた状態のセラミックリング３０の浸食速度によって決定される。

本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。例えば、上記の実施例においては、従来のプラズマ処理装置との比較のため、側面１８ｂにフッ化炭素系樹脂膜２０ａの被覆を有する下部電極１８を用いた。従来のプラズマ処理装置においては、フォーカスリング１２４の浸食が進むと下部電極の側面１１８ｂがプラズマにさらされるため、樹脂の中では高いプラズマ耐性を有するフッ化炭素系樹脂膜が、側面１１８ｂを被覆するために利用される。しかし、本発明のプラズマ処理装置１０においては、セラミックリング３０によって、フォーカスリング２４の侵食が進んだ場合においても下部電極１８の側面１８ｂにプラズマが接触することを防止できる。このため、側面１８ｂの被覆のためにフッ化炭素系以外の様々な樹脂膜を利用することが可能である。さらに、樹脂膜２０ａを設けなくても、設けた場合と同様の、フォーカスリング２４および下部電極１８の寿命を実現することができる。
上記実施例ではフッ化炭素系樹脂により成る静電チャック２０を備えた下部電極１８を利用した。しかし、セラミックにより成る静電チャックを備えた下部電極１８を有するプラズマ処理装置においても同様に適用可能である。この場合にも、フッ化炭素系樹脂により成る静電チャックを設ける場合と同様に、下部電極側面１８ｂのセラミックによる被覆は必須ではない。しかし、側面１８ｂのセラミック被覆を設けた場合には、セラミックリング３０によって、フォーカスリング２４の侵食が進んだ場合においても下部電極１８の側面１８ｂのセラミック被覆にプラズマが接触することを防止できる。さらに、下部電極の側面１８ｂに直接形成するセラミック被覆とは異なり、セラミックリング３０は、下部電極１８とは別の部品として用意されるため、消耗が進んだ場合には新品に交換することができる。従って、下部電極側面１８ｂのセラミック被覆の寿命を飛躍的に延長することができる。
上記実施例においては、高さ方向（下部電極側壁１８ｂに沿う方向）の全体において一定の厚さ（下部電極の側壁１８ｂに対して垂直な方向の寸法）を有するセラミックリング３０を利用した。従って、セラミックリング３０の全体が載置面１８ａに載置されたウエハＷの外縁内に位置する。しかしながら、本発明においては、これ以外の様々な形状のセラミックリング３０を利用することができる。例えば、特許文献３に示されたアルミナリングのように、フォーカスリング２４の下において外側に広がる形状を持つことも可能である。セラミックリング３０のこのように広がった部分に対しても、フォーカスリング２４がその厚さの全体にわたって浸食されない限り、被処理基板の表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子が入射することは無い。従って、セラミックリング３０の広がった部分がプラズマ特性に影響を与えることはない。
このように、セラミックリング３０の一部分が被処理基板の外縁の外側にあることも、フォーカスリング２４もしくはその他の構成部品によって、その部分への加速された荷電粒子の照射が防止されるのであれば、許容される。すなわち、セラミックリング３０の、フォーカスリング２４もしくはその他の部品が消耗した場合に加速された荷電粒子の照射を受ける部分の外縁が、被処理基板Ｗの外縁と略一致するか、内側にあれば、それ以外の部分が被処理基板Ｗの外縁の外側にあることは許容される。

本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態の概略構成を示す断面図である。図１に示すプラズマ処理装置において、セラミックリングを配置した下部電極とフォーカスリングとの関係を表す拡大図である。従来のプラズマ処理装置において、フォーカスリングの侵食量と累積ＲＦ放電時間の関係を示したグラフである。従来のプラズマ処理装置において、ウエハ端部の温度とフォーカスリングに対する累積ＲＦ放電時間の関係を示したグラフである。処理対象のウエハＷの構造を示した縦断面図である。従来のプラズマ処理装置において、ウエハ端部での二酸化シリコン膜のエッチングレートとフォーカスリングに対する累積ＲＦ放電時間の関係を示したグラフである。本発明のプラズマ処理装置において、二酸化シリコンエッチングレート（ウエハ端部）とフォーカスリングに対する累積ＲＦ放電時間との関係を示したグラフである。本発明のプラズマ処理装置において、ウエハ端部での二酸化シリコン膜のエッチングレートと累積ＲＦ時間の関係を示したグラフである。セラミックリングの侵食量とセラミックリングに対する累積ＲＦ放電時間の関係を示したグラフである。従来のプラズマ処理装置において、プラズマによる侵食を受けていないフォーカスリングと下部電極の関係を表す拡大図である。従来のプラズマ処理装置において、プラズマに侵食されたフォーカスリングと下部電極の関係を表す拡大図である。

符号の説明

１０プラズマ処理装置
１２処理チャンバ
１４ガス導入口
１６上部電極
１８，１１８下部電極
２０，１２０静電チャック
２２シールドリング
２４，１２４フォーカスリング
２６ＲＦパワースプリッター
２８ＲＦ電源
３０セラミックリング
Ｗウエハ
Ｈホールパターン
Ｍフオトレジストマスクパターン
Ｓ１Ｓｉ基板
Ｓ２二酸化シリコン膜

Claims

載置面と、該載置面の外縁に連なる側面とを備えた下部電極を有し、該載置面に載置した被処理基板の表面をプラズマによって処理するプラズマ処理装置であって、
前記載置面に載置された被処理基板の周囲を覆う、第１の材料からなるフォーカスリングと、
前記下部電極の側面を覆う、前記第１の材料とは異なるセラミック材料からなり、その外縁が、前記載置面に載置した被処理基板の外縁の内側に位置する、側面保護リングとを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記第１の材料と前記セラミック材料とが、異なる２次電子放出係数を有す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。
前記プラズマによる前記セラミック材料の浸食速度が、前記第１の材料の浸食速度に比較して低いことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
前記セラミック材料がアルミナであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
前記第１の材料が石英であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
載置面と、該載置面の外縁に連なる側面とを備えた下部電極の、該載置面に載置された被処理基板の表面を、該被処理基板の表面が面する空間にプラズマを生成することにより処理する方法であって、
前記被処理基板の周囲を第１の材料からなるフォーカスリングで覆うとともに、
前記下部電極の側面を、外縁が、前記載置面に載置した被処理基板の外縁の内側に位置するように、前記第１の材料とは異なるセラミック材料からなる側面保護リングで覆い、
前記側面保護リングによって、前記プラズマが前記下部電極の側面に接触することを防止するとともに、
前記被処理基板によって、該被処理基板の表面に対して垂直な方向に加速された荷電粒子が前記プラズマから前記側面保護リングに入射することを防止することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記プラズマによる前記フォーカスリングの浸食が進む以前においては、前記被処理基板および前記フォーカスリングによって、前記プラズマが前記側面保護リングに接触することを防止し、
前記プラズマによる前記フォーカスリングの侵食が進み、前記被処理基板およびフォーカスリングによって前記プラズマが前記側面保護リングに接触することを防止できなくなった後においても、前記側面保護リングによって前記プラズマが前記側面に接触することを防止することを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理方法。
前記側面保護リングの外縁を、前記載置面に載置した被処理基板の外縁の内側に位置させることを特徴とする請求項６または７に記載のプラズマ処理方法。
前記被処理基板が半導体基板であり、前記処理が、フロロカーボン系プラズマを用いた前記半導体基板の表面の絶縁膜のエッチングであることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載のプラズマ処理方法。