JP4098259B2

JP4098259B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP4098259B2
Application number: JP2004052808A
Authority: JP
Inventors: 宗雄古瀬; 匡規角谷; 雅嗣荒井; 裕穂北田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP2005243988A

Description

本発明は、半導体製造プロセス等の微細加工に適用されるプラズマ処理装置に係り、特に、保持ステージからの異物の放出が少なく、長期にわたり安定した微細加工が可能なプラズマ処理装置および処理方法に関する。

シリコンウエハなどの被加工板材（以下ウエハと記述）を加工して半導体デバイスを製作する半導体製造装置として、プラズマＣＶＤやプラズマエッチング装置などのプラズマ処理装置が広く使用されている。近年、デバイスの高集積化に伴い回路パターンは微細化の一途をたどっており、これらのプラズマ処理装置に要求される加工寸法の精度は、ますます厳しくなっている。さらに、デバイスの構成材料の多様化に伴って、エッチングレシピも複雑となり長期量産安定化も重要な課題となっている。例えば、プラズマ処理装置では、フッ化物や塩化物、さらには臭化物などの反応性ガスのプラズマを用いるために、処理室壁面や保持ステージ（静電吸着電極）が化学的及び物理的に侵食される。

特に、保持ステージは高周波が印加されるので顕著に侵食されてしまう。侵食された部材がプラズマ中に放出すると、ウエハ処理枚数の増加に伴って、処理室内の化学組成や高周波伝播が徐々に変化して、長期的に安定した処理が不可能となる場合がある。また、侵食された処理室の壁面部材とプラズマ中の活性なラジカルが化学反応を起こし、処理室内壁に異物として再付着する場合もある。内壁に再付着した異物は、エッチングを繰り返すことで次第に厚さが増し、最悪の場合は異物がウエハ上に剥がれ落ちて製品不良を引き起こすことがある。

このような問題を対処するために、プラズマ処理装置では、処理室内壁やステージなどの部材の表面に、化学反応に安定な陽極酸化処理（いわゆるアルマイト）を施す（一般に厚さは２０マイクロメータ）。また、耐プラズマ性材料として、高純度の焼結アルミナが用いられることが多い。しかしながら、近年ではアルミニウムの汚染低減も重要な課題となってきた。そこで、アルミナ以外の耐プラズマ性材料を被覆することも行われている。たとえば、特許文献１（従来技術１）の開示を挙げることができる。この従来技術１では、処理室内に配設されている部材の表面にフッ化イットリウム（ＹＦ_３）を形成、又は焼結したフッ化イットリウムを用いる方法が開示されている。

さらに、特許文献２（従来技術２）では、プラズマ処理装置の処理室壁面の少なくとも表面は周期律表第２Ａ属元素の単体又はその化合物からなる材料で被覆した構造が開示されている。
特開２００２−２５２２０９号公報特許第３４２６８２５号公報

上記従来技術において、従来から用いられてきたアルマイトでは長期間にわたり安定した処理を保証する目的からは、耐プラズマ性が不十分であった。さらに、アルマイトが削れて生じたアルミニウムによって被処理対象である半導体ウエハ表面に汚染が生じてしまうことが指摘されていた。

また、特許文献１、２等に開示された技術は、耐プラズマ性の観点からは有効ではあるが、部材の耐熱、耐久性や、高寿命および製作上の配慮がなされておらず、耐プラズマ性材料の効果を充分に引き出しているとは言いがたい。

例えば従来技術１〜２では、試料台内に配置された電極により静電吸着された半導体ウエハ等の試料に対して生じたプラズマの電位の不均一や偏りによって、特定の部分が他の部分よりも多くプラズマの入射を受けて削れてしまう。つまり、プラズマの入射が集中する部位が、部材の交換時期、ひいては装置の稼働率や効率に大きく影響を与え、他の部分では交換時期に達していなくとも交換を行わなければならず、部材の交換時期が来てしまうという問題点については考慮されていなかった。

また、上記の従来技術では、こうしたプラズマに晒される処理室内部の部材の形状について、その変形を十分に考慮して形状が決定されていなかった。

さらにまた、上記の従来技術では、処理室内に耐プラズマ性を有する部材を取り付ける作業を考慮した適切な構成については考慮が不十分であった。

本発明の目的は、長期間安定して被処理対象の試料を処理できるプラズマ処理装置を提供することにある。

また、本発明は、その内部にプラズマが形成される処理室と、該処理室の内側の下部に配置されその上に基板状の試料が載置される試料台と、該試料台に高周波電力を印加する電源と、前記試料台における前記試料が載置される面の外周側に配置されて前記試料台を覆うカバーとを有し、前記処理室内の前記試料台の上方の空間に生成したプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、前記カバーが、前記試料の外周端の直下方の部分と該部分の外周側で前記外周端の外周側に位置してその断面がテーパー状の部分、又は、前記試料の外周端の直下方の部分及び前記テーパー状の部分の少なくとも一部を被覆するＹ _２Ｏ _３、Ｙｂ _２Ｏ _３又はＹＦ _３を主成分とした材料あるいはこれらの混合材から構成された被膜であって、前記試料の外周端の直下方の部分が他の部分より厚くされた被膜を備えたプラズマ処理装置である。

本発明によれば、長期間安定して被処理対象の試料を処理できるプラズマ処理装置を得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明のプラズマ処理装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係るプラズマ処理装置の断面図である。図１に示すプラズマ処理装置は、処理室１００、その上部に電磁波を放射するアンテナ１０１を、下部には半導体ウエハＷなどの被処理体を載置する保持ステージ（試料台）１５０を備えている。アンテナ１０１は、真空容器の一部としてのハウジング１０５に保持され、アンテナ１０１と保持ステージ１５０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１０２が設置されている。保持ステージ１５０は、一般に静電吸着電極と呼ばれているものである。処理室１００は真空排気系１０３により、１００００分の１Ｐａの圧力の真空を達成できる真空容器である。被処理体のエッチング、成膜等の処理を行なう処理ガスは、図示しないガス供給手段から所定の流量と混合比をもって処理室１００内に供給され、真空排気系１０３と排気調整手段１０４により処理室１００内の圧力が制御される。一般に、プラズマ処理装置では、エッチング中の処理圧力を０．１Ｐａから１０Ｐａ以下の範囲に調整して使用することが多い。

アンテナ１０１には、マッチング回路１２２を介してアンテナ電源１２１が接続される。アンテナ電源１２１は、３００ＭＨｚから１ＧＨｚのＵＨＦ帯周波数の電力を供給するもので、本実施例ではアンテナ電源１２１の周波数を４５０ＭＨｚとしている。静電吸着電極１５０には、静電吸着用の高電圧電源１０６と、たとえば２００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源１０７がマッチング回路１０８を介して、それぞれ接続される。また、静電吸着電極１５０には、温度制御用の温調ユニット１０９が接続される。なお、本実施例では、バイアス電源１０７の周波数を２ＭＨｚとしている。

図２は、このプラズマ処理装置において、半導体ウエハＷの保持ステージとして使用される静電吸着電極１５０の一部断面による斜視図である。この図を用いて、静電吸着電極１５０の構造について詳細に説明する。図２に示すように、静電吸着電極１５０はアルミニウム製の電極ブロック１、誘電体膜２、それにアルミナ製の電極カバー３で構成される。電極ブロック１内には、温調ユニット１０９で所定の温度に管理された冷媒が循環する流路４が形成されている。アルミナ製の電極カバー３は、誘電体膜２を保護するためのカバーである。静電吸着電極１５０の大きさは、１２インチ（直径３００ｍｍ）の半導体ウエハＷを対象とした場合には、直径が３４０ｍｍで、全体の厚さが４０ｍｍである。電極ブロック１には、高電圧電源１０６とバイアス電源１０７がそれぞれ接続されている。誘電体膜２には、図２に示すように、ガス導入孔に連通して放射状に伸びる直線状のスリット２１と、これに連通した複数条の同心円状のスリット２２が設けてある。ガス導入孔５からは伝熱用のＨｅガスが導入され、スリットにより半導体ウエハＷの裏面に均一な圧力のＨｅガス（通常１０００Ｐａ程度）が充填される。本実施例に示す誘電体膜は、厚さは０．１ｍｍの溶射法で形成したアルミナセラミックスからなり、この誘電体膜２の材質や厚さは、この例に限られたものではなく、例えば合成樹脂の場合は、それに応じて０．１ｍｍから数ｍｍの厚さが選択できる。

本実施例によるプラズマ処理装置は以上のように構成されており、このプラズマエッチング装置を用いて、たとえばシリコンのエッチングを行う場合の具体的なプロセスを説明する。

図１において、まず処理の対象物である半導体ウエハＷは、図示しない被処理体搬入機構から処理室１００に搬入された後、静電吸着電極１５０の上に載置・吸着され、必要に応じて静電吸着電極１５０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、半導体ウエハＷのエッチング処理に必要なガス、たとえば塩素と臭化水素と酸素が図示しないガス供給手段から供給され、所定の流量と混合比をもって処理室１００内に供給される。同時に、処理室１００は、真空排気系１０３および排気制御手段１０４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４５０ＭＨｚの電力供給により、アンテナ１０１から電磁波が放射される。そして、磁場形成手段１０２により処理室１００の内部に形成される１６０ガウス（４５０ＭＨｚ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内に効率良くプラズマＰが生成され、処理ガスが解離されてイオンやラジカルが発生する。さらに静電吸着電極１５０のバイアス電源１０７からのバイアス電力により、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、半導体ウエハＷの温度を制御しながらエッチングを行う。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。

なお、本発明によるプラズマ処理装置の実施形態としては、ここに示したＵＨＦを使用する方式に限らず、他の方式のプラズマ処理装置でも良い。

本実施例に示したプラズマ処理装置では、ウエハ処理枚数の増加に伴ってウエハ端部直下のアルミナ製電極カバー３で削れが進行する。その削れの状況について詳細に説明する。

図３に本実施例に係わる電極カバー３の削れの状況を示す。同図に示すように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の焼結体である電極カバー３では、ウエハＷの処理枚数の増加に伴って、図３中の矢印で示す範囲（ウエハＷ端部の直下）が著しく削られてしまう。また、図４に電極カバー表面の削れ量の分布を示す。同図に示すように、ウエハＷ端部直下が著しく削れ、その値は表面の他の部分の数倍に達する。削られた表面を詳細に観察すると、反応生成物などは認められず平滑な様相を示す。すなわち、静電吸着電極１５０では高周波が印加されるので、印加した高周波によるスパッタ現象によりウエハＷ端部直下で削れが生じる。また、ウエハＷ端部直下の領域で著しい侵食を受ける原因は、次のような３点の複合によるものと考えている。図５に、電極カバー表面の削れ原因を模式的に示す。同図に示すように、第１の要因は高周波の印加時に生じるウエハ端部での電界集中、第２に第１の要因と関係するが、電極カバー表面に形成されるイオンシース部の湾曲によるレンズ効果、第３に電極カバー３部のテーパ部に突入したイオンの跳ね返りによるためのイオン集中と考えている。なお、イオンシースは、プラズマ中の電子が高速で移動するので、取り残されたイオンにより生じる電場である。

以上のように、静電吸着電極１５０の保護カバーである電極カバー３は、プラズマエッチング中にイオンの突入により削れてしまう。ウエハ直下の電極カバー３が著しく削れると、静電吸着電極１５０に印加した高周波の分布が、特にウエハ端部で変化し、その結果エッチング特性も変化することがある。そのため、プラズマ処理装置では規定の削れ量に達した電極カバー３を頻繁に交換している。したがって、交換頻度が高ければ装置の稼働率が低下してしまうとともに、交換部品のコストもかかる。さらに、近年では、デバイスの極微細化と対応して、電極カバー３からスパッタされるアルミニウムの低減も重要な課題となっている。

そこで、本実施例に示す電極カバー３では、スパッタによる削れが少なく、かつ再生可能な構造としている。以下、その詳細について記述する。

図６に本実施例に係わる電極カバー３の断面を示す。電極カバー３の表面には、厚さＴ：２００マイクロメータのＹｂ_２Ｏ_３が被覆されている。Ｙｂ_２Ｏ_３のスパッタレートは、元素が重いためにアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）に比べ低い。一見すると、Ｙｂ_２Ｏ_３などの被覆１０を電極カバー３全面に施す又はこれらの材質を主成分とした焼結体を用いれば良いと考えられる。しかしながら、製法上の理由から、限られた範囲のみに、スパッタレートが低い耐プラズマ性材料を被覆した方が好ましい。

図７に溶射法で生成した皮膜の断面様相を示す。溶射は、直径約２０マイクロメータの微粒子１１を高温に加熱しながら、高速で吹き付けて製作する方法で、一度に吹き付ける溶射膜の厚さは５０マイクロメータ程度であることが良い。これは、５０マイクロメータ未満やそれ以上であると、吹き付けムラの発生や膜質内の欠陥が多くなるためである。したがって、厚膜の溶射膜を形成するには、５０マイクロメータを基本として、スキャン数を増やし積み重ねる必要がある。また、溶射膜の密着強度は、図７に示すように表面の凹凸１２が大きいほど、アンカー効果も大きく密着強度も大きくなる。そのため、溶射膜を形成する表面には、アンカー効果を大きくするために凹凸（表面を任意の粗さに加工）を設けた方が良い。なお、この凹凸は研磨やブラストにより加工される。

一方、焼結体を用いる場合は、再生の点から不利である。たとえば、電極カバー全体を焼結体で作ると、再生が難しい。また、再生性を考慮して、電極カバーのウエハ端部のみを別部品とする構造も考えられる。その一例を図８に示す。図８に示すように、耐プラズマ性材料からなる電極カバーリング１３を設ければ良い。この場合は、ウエハが搭載される部分であるので、必然的にウエハに接触しない程度にすきまを確保するために、ｈ、ΦＤの寸法管理が重要であるとともに、接触面の工夫も必要である。しかしながら、電極カバーリング１３は小さな部品となってしまうので、ハンドリングには充分に気をつけなければならない。

以上の理由より、限られた範囲にのみ耐プラズマ性材料を皮膜した方が、量産性、ハンドリング性、再生の点から好ましい。

次に、被覆する範囲について説明する。図４に示したように、電極の保護カバーである電極カバー３は、ウエハ端部の直下が著しくエッチングされてしまう。したがって、著しく削れる部分を他の部分より厚くした方が、寿命の点から好ましい。この場合、溶射膜の厚さは、前述した理由により最低でも５０マイクロメータ以上であることが好ましい。また、溶射膜の密着強度を高くするために、被覆する表面に凹凸を設ける必要があることから、研磨やブラストされる範囲は量産性の点から最小限の方が良い。すなわち、少なくとも耐プラズマ性を被覆する範囲は、テーパーを有する部分よりウエハ側とし、かつウエハ端部直下の厚さは、他の表面より厚くした方が良い。これにより、量産性、再生に優れた長寿命のアースカバーとすることができる。

プラズマ処理装置では、耐プラズマ性材料として陽極酸化処理（アルマイト）や焼結体のアルミナを使用することが一般的であるが、これらの材料の耐プラズマ性は充分とは言いがたい。そこで、各種材料からエッチング処理装置の内壁材に適用しても、デバイスに影響を及ぼさないことを確認したＹｂ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３およびＹＦ_３と、現内壁材であるアルマイトの耐プラズマ性を評価した。さらに、アルマイト（非結晶のＡｌ_２Ｏ_３）焼結で製作したＡｌ_２Ｏ_３、溶射法で製作したＡｌ_２Ｏ_３の耐プラズマ性も併せて評価した。なお、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３およびＹＦ_３は、溶射法を用いた被覆膜とした。

耐プラズマ性の評価実験では、角２０ｍｍの大きさの試験片を供した。アルマイトおよび溶射の試験片は、厚さ５ｍｍの高純度のアルミニウム表面に０．２から０．５ｍｍの厚さに形成したものとし、焼結材のＡｌ２Ｏ３は厚さ０．５ｍｍのものとした。実験では、まず、試験片をウエハ上に導電性接着剤で貼り付けた。次に、前記ウエハをプラズマ処理装置内に搬入し、所定の時間プラズマを照射した。終了後、エッチングレートの測定および表面様相を観察した。なお、試験片の厚さが材質毎に異なるが、イオンの入射量は本実験の範囲では材質の厚さによらずイオンシースの抵抗と負荷した高周波のパワーで決まるので、影響が無い。

結果の一例として、図９に塩素ガスのプラズマでエッチングした際のエッチングレートを示す。同図は、図１に示したエッチング処理装置を用いて、圧力：０．５Ｐａ、Ｃｌ２流量：１５０ｍＬ／ｍｉｎ、ＵＨＦのパワー：５００Ｗ、静電吸着電極のＲＦパワー：１００Ｗとした条件でエッチングした結果である。図６より、アルマイト、焼結材のＡｌ_２Ｏ_３、溶射で製作したＡｌ_２Ｏ_３のエッチングレートには相違が認められずほぼ同程度であることがわかる。さらに、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３およびＹＦ_３のエッチングレートは、アルマイト、Ａｌ_２Ｏ_３に比べ、約１／３になっている。各試験片の試験前後の表面を電子顕微鏡で観察したが、試験片によらず平滑な様相を示し、化学的な反応が顕著に生じている様相は認められなかった。なお、フッ素系や塩素系の多種にわたる条件でも同様な結果が得られた。

さらに、図１０に静電吸着電極のＲＦパワーとアルマイトのエッチングレートの関係を示す。同図は、図９に示した条件を基本に、静電吸着電極のＲＦパワーを変化させた場合のレートの変化を示している。同図より、エッチングレートはＲＦパワーの増加に伴い速くなることがわかる。これは、エッチングレートがスパッタによる侵食で決まっているためである。したがって、アルマイト、焼結材のＡｌ_２Ｏ_３、溶射で製作したＡｌ_２Ｏ_３のエッチングレートに相違が認められなかったこと、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３およびＹＦ_３のエッチングレートが、Ａｌ_２Ｏ_３に比べ、１／３になったのはスパッタが主とした侵食作用がエッチングレートになっていたためである。このことは、重い元素ほど、電極カバー３の材質として最適であると言える。

図１１乃至図１３に、電極カバー３を再生する際の手順を示す。図１１に示すように、スパッタによりウエハ端部直下の表面が削れる。規定の削れ量、又は規定のウエハ処理枚数に達した電極カバーは、エッチング処理装置より取りはずす。次に、取り外した電極カバー３の表面の耐プラズマ性材料を研磨して、取り除く。この時、耐プラズマ性材料の除去と、次の溶射を考慮して充分なアンカー効果が働くよう、電極カバーの表面も粗す。次に、図１２に示すように、マスク１４を貼り付け、溶射処理を施す。最後に、図１３に示すように溶射面を研磨することで、再生処理品が完成する。

本発明の一実施例のプラズマ処理装置の断面図。本発明の一実施例に係る静電吸着電極の一部断面を示す斜視図。本発明の一実施例に係る電極カバーの拡大図。本発明の一実施例に係る電極カバーの削れ量を示すグラフ。電極カバー表面に削れが発生するメカニズムを説明する図。本発明の一実施例に係る耐プラズマ性材料を被覆した電極カバーの拡大図。本発明の一実施例に係る溶射法を説明する図。本発明の一実施例に係る耐プラズマ性材料からなる電極カバーリングを設けた電極カバーの拡大図。アルマイト、焼結で製作したＡｌ_２Ｏ_３、溶射法で製作したＡｌ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＹＦ_３の塩素プラズマ中におけるエッチングレートを比較した図。静電吸着電極のＲＦパワーとアルマイトのエッチングレートの関係を説明するグラフ。本発明の一実施例に係る電極カバーの再生手順を説明する図。本発明の一実施例に係る電極カバーの再生手順を説明する図。本発明の一実施例に係る電極カバーの再生手順を説明する図。

符号の説明

１…電極ブロック、２…誘電体膜、３…電極カバー、４…流路、５…ガス導入孔、１０…ＹＢ２Ｏ３溶射膜、１１…微粒子、１２…凹凸、１３…電極カバーリング、１４…マスク、２１…直線状のスリット、２２…同心円状のスリット
１００…処理室、１０１…アンテナ、１０５…ハウジング、１０２…磁場形成手段、１５０…静電吸着電極、Ｗ…半導体ウエハ、１０３…真空排気系、１０４…排気調整手段、１０６…高電圧電源、１０７…バイアス電源、１０８…マッチング回路、１０９…温調ユニット、１２１…アンテナ電源、１２２…マッチング回路、

Claims

その内部にプラズマが形成される処理室と、該処理室の内側の下部に配置されその上に基板状の試料が載置される試料台と、該試料台に高周波電力を印加する電源と、前記試料台における前記試料が載置される面の外周側に配置されて前記試料台を覆うカバーとを有し、前記処理室内の前記試料台の上方の空間に生成したプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、
前記カバーが、前記試料の外周端の直下方の部分と該部分の外周側で前記外周端の外周側に位置してその断面がテーパー状の部分、又は、前記試料の外周端の直下方の部分及び前記テーパー状の部分の少なくとも一部を被覆するＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３又はＹＦ_３を主成分とした材料あるいはこれらの混合材から構成された被膜であって、前記試料の外周端の直下方の部分が他の部分より厚くされた被膜を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。