JP4574174B2

JP4574174B2 - プラズマ処理装置及び電極

Info

Publication number: JP4574174B2
Application number: JP2004006679A
Authority: JP
Inventors: 大本　　豊; 茂白米; 主人高橋
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-01-14
Also published as: JP2005203490A

Description

本発明は、プラズマ処理装置及び電極であり、半導体集積回路の加工に用いられるプラズマ処理装置、特にドライエッチング装置に用いられる電極の構造に関する。

高度情報化社会を支える半導体デバイスは微細化、高集積化が急速に進み、その製造プロセスおよびプロセス装置に対しても性能要求が急速に高度化している。すなわち高集積化に伴う製造工程数の増加をコストに転嫁させないためのウエハの大口径化による大量生産の指向があり、また構造の微細化による寸法の高精度化の要求もあって、均一化のための補正調整技術が要求される。また、多様なデバイスニーズに伴う多品種デバイス生産への対応のため、柔軟に幅広いウインドウに対応する必要がある。しかも従来以上に、プロセス装置の信頼性を高めなければならない。

そのため、例えば特許文献１に示されるように、ウエハが載置される電極は真空チャンバに固定的に取り付けられており、上部電極との距離が固定となって処理プラズマの発生する空間容積を変える事ができなかった。特に多くのユーティリティーの供給が必要な電極では、べローズ等の可動部が多く必要で構造が複雑になり、信頼性の低下、また可動部分からの異物発生による歩留まり低下等の懸念から固定構造で用いられる事が多かった。
特開２００３−３４７３９５号公報

しかしながら、電極位置が固定された場合には、処理プラズマ空間容積が固定され、反応種の滞在時間の可変範囲が限定されてしまう。特に最近の半導体デバイスの微細化、その作成の為のウエハの大口径化に伴ってより広いプロセスウインドウが必要とされるようになるが、プラズマ空間の固定はその妨げとなっていた。また、多品種少量生産に対応する場合に必要となる広いプロセスウインドウの提供にも支障となっていた。

本発明の構成は電極を支持する電極軸中に、同心状にユーティリティ供給構造とそれらの絶縁、断熱構造を効率的に配する事を特徴とする。さらにはウエハと電極間の冷却ガス媒体の供給を電極軸外とする事を特徴としている。これらの手段によって、信頼性の低下、異物発生による歩留まり低下を避けて大きな電極上下ストロークを得、最新の半導体製造プロセスに対応可能な幅広いプロセスウインドウを提供可能とした。

すなわち、本発明は、真空処理室と、該真空処理室内にガスを供給する手段と、プラズマ生成手段と、ウエハを載置する電極とを備えるプラズマ処理装置において、前記電極の移動を可能とする上下運動軸を備えた構造と、該電極にバイアス電力を供給する電力印加軸と絶縁支持軸と接地軸とを備えた構造と、該電極を温調する媒体を輸送する電力印加軸と絶縁支持軸と接地軸とを備えた構造とを有する支持軸を備え、前記支持軸は、軸断面が同心円形状となり、軸中心から順に、高周波電源からの電力が印加される前記電力印加軸と、下端部及び電極接続部で絶縁材で支持された導体からなる前記絶縁支持軸と、電気的に接地される前記接地軸と、上下の運動を与えるための前記上下運動軸とを有し、前記電力印加軸の内側及び前記絶縁支持軸と前記接地軸の間は、前記媒体が輸送されるプラズマ処理装置である。

また、本発明は、前記支持軸は、軸中心に、高周波電源と接続され、前記電力印加軸との間に電位差が発生する中心導体軸を備えるプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、上記電力供給構造の絶縁が電極を温調する媒体によって行われるプラズマ処理装置である。

更に、本発明は、上記支持軸は、電圧の異なる２系統以上のバイアス電力供給構造を有するプラズマ処理装置である。

また、本発明は、上記ウエハと電極間への伝熱媒体ガスの供給を上記支持軸外から行うプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、上記伝熱媒体ガスの供給は、２系統以上の制御されたガス媒体を供給する構造を有するプラズマ処理装置である。

更に、本発明は、プラズマ処理装置に使用され、ウエハを載置する電極であって、電極の移動を可能とする上下運動軸を備えた構造と、電極にバイアス電力を供給する電力印加軸と絶縁支持軸と接地軸とを備えた構造と、電極を温調する媒体を輸送する電力印加軸と絶縁支持軸と接地軸とを備えた構造とを有する支持軸を設け、前記支持軸は、軸断面が同心円形状となり、軸中心から順に、高周波電源からの電力が印加される前記電力印加軸と、下端部及び電極接続部で絶縁材で支持された導体からなる絶縁支持軸と、電気的に接地される前記接地軸と、上下の運動を与えるための前記上下運動軸とを有し、前記電力印加軸の内側及び前記絶縁支持軸と前記接地軸の間は、前記媒体が輸送されるプラズマ処理装置用電極である。

本発明によれば、大口径のウエハで半導体集積回路を高い歩留まりで生産できる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明のプラズマ処理装置及び電極の一実施例について、図１、図２を使って説明する。図１はＵＨＦ−ＥＣＲを用いたプラズマエッチング装置の概略断面図である。ここで１０１は真空処理室で、石英窓１０２はＵＨＦ電磁界を真空処理室１０１内に通過させるために設けられ、電極１０３は石英窓１０２に対向して真空処理室１０１内に配置され、半導体集積回路が形成されるウエハ１０４を載置し、バイアス電圧を発生させるための高周波電源１０５が接続されている。また、電極１０３にはウエハ１０４を冷却するための冷却液を循環供給する温調液循環器１０６が接続されている。アンテナ１０７は石英窓１０２に連結されＵＨＦ電源１１０からの電磁界を真空処理室１０１内に導入する。ソレノイドコイル１０８は真空処理室１０１内に磁場を形成する。ガス分散板１０９はエッチングレシピにしたがってマスフローコントローラ１１１から供給されたガスを真空処理室内１０１に分散させ均一に導入する。

電極１０３は電極軸（支持軸）１２１に接続され、電極軸１２１は真空処理室１０２の底部に設けられたフランジ１１２の穴部から真空外に導き出されている。電極軸１２１とフランジ１１２はベアリング１２２によって接している。また、電極軸１２１は上部べローズ１２３と下部べローズ１２４によって、電極の上下動とプッシャ１２５によるウエハに対する上下動を真空中に導入する。

電極軸１２１の周りにはコイル形状をしたフッ素樹脂からなるフレキシブルチューブ１２６および１２７が設けられ、電極１０３とウエハ１０４の間の熱媒となるヘリウムガスを真空外から電極に輸送する。フレキシブルチューブ１２６および１２７にはそれぞれ調整された量のヘリウムガスが流れるようになっている。

図２に電極軸の詳細構造を示す。中心にある第１軸（中心導体軸）２０１は導体からなり、高周波電源１０５と接続されて電極に対し高周波電力を輸送する役目を果たす。第１軸２０１と第１軸２０１を取り囲むように配置された第２軸（電力印加軸）２０２の間の空間は、電極を冷却する冷却液を循環させる温調液循環器に接続され、冷却液を電極に輸送する役目を果たす。第２軸２０２は高周波電源１０５から分岐され、調整回路により制御された電力を電極に輸送する。第１軸２０１に対し、第２軸２０２には調整された電力が印加されるため、両軸の間には電位差が発生するが、冷却液に絶縁性の高い冷却液を使用する事によって、両軸の間で異常な放電の発生等の電流漏洩を防止することができる。

次に第２軸２０２を取り囲む第３軸（絶縁支持軸）２０３は導体からなり、その下端部および電極接続部で絶縁材で支持されている。これにより第３軸２０３は周囲の電界によって決まる電位に保たれる。一方、第２軸２０２の周囲には、ほぼ第２軸２０２と接する位置に絶縁管２１１が設置され第２軸２０２と第３軸２０３の間に生じる電位差による放電、リーク電流の発生を防止する。また、第２軸２０２と第３軸２０３の間は空気層となっている。

第３軸２０３を取り囲むように設けられた第４軸（接地軸）２０４との間の空間には、第１軸２０１と第２軸２０２との間の空間から電極に導入された冷却液を電極から温調循環器に戻すために冷却液を輸送する役割を果たす。戻りの冷却液は電極での吸熱によって供給時に比較して温度が高くなっているが、第３軸２０３と第２軸２０２の間が前述のように空気層によって断熱されているため第１軸２０１と第２軸２０２間を流れている供給冷却液に熱を伝えて電極の冷却効率を低下させることはない。また、第４軸２０４は電気的に接地され、第１軸２０１および第２軸２０２と同軸導波管を形成する事によって、第１軸２０１および第２軸２０２に流れる高周波電流の外部空間への輻射を防止し、かつ高周波電流を効率良く電極に伝える事ができる。

第４軸２０４を囲むように設けられた第５軸２０５は、電極上でウエハを搬送の為に上下するためプッシャ２０６に上下の運動を与えるための軸で、ベアリング２１２によって第４軸２０４が接触支持している。

第４軸２０４は電極に上下方向の運動を導入するための軸で、真空処理室フランジ１１２にベアリング１２２により接触支持された第５軸２０５に、ベアリング２１２によって接触支持されている。

図３に本実施例により電極ウエハ面内の電力を調整した場合の効果を示す。電極面内の電力を調整しない場合は図３ａ）に示すようにウエハ面内でエッチング速度に外高の分布を生じていた。本実施例の電極軸を使って電極ウエハ対向面中央部には第１軸２０１を接続し、ウエハ対向面外周部には第２軸２０２を使って第１軸２０１よりも相対的に低い密度で電力を供給する事を行った。この場合のエッチング速度の分布は図３ｂ）に示すように外高の分布が補正され均一なエッチング速度分布を得る事ができた。

図４はウエハと電極の間の熱媒であるヘリウムガスを、それぞれ制御された２系統で供給した場合の効果を図解したものである。１系統供給の場合は図４ａ）に示すように、ウエハの中央部と周辺部で加工寸法に大きな差が生じていた。一方、本実施例を用いてフレキシブルチューブ１２６から供給されるヘリウムガスを電極の概中央部から放出し、フレキシブルチューブ１２７からは、フレキシブルチューブ１２６から供給されるものに対して増量されたヘリウムガスを電極３の概周辺部から調節する事によってウエハの温度に面内で差を生じさせた。その結果、ウエハ中心部と外周部の加工形状は図４ｂ）に示すように改善される結果が得られた。

次に電極を（電極支持軸の軸方向に）上下する事によってプラズマ容積を変え下地の異なるウエハに対し、その選択比を最適化する事を実施した。カーボン添加シリコン酸化膜をエッチング加工する試料Ａの場合、下地のシリコンカーバイドに対する選択比は電極間距離が５０ｍｍ、３０ｍｍの場合でそれぞれ１２、２０であった。一方、シリコンカーバイドをエッチング加工しなければならない試料Ｂの場合、下地のカーボン添加シリコンカーバイドに対する選択比は、前者の場合からエッチングガス調整等を行って、電極間距離が５０ｍｍ、３０ｍｍの場合で選択比はそれぞれ８、３であった。本実施例により試料Ａの場合は電極間距離３０ｍｍ、試料Ｂの場合は電極間距離５０ｍｍでエッチングする事により必要な下地残膜量を維持してエッチング加工する事ができた。

なお、電極の動作信頼性、あるいは生産歩留まり低下の大きな要因である異物発生についても長期の試験の結果、従来の固定電極構造と比較して遜色のない結果が得られた。これは冷却液を輸送するチューブを電極軸内に内蔵化することによるメリットで、冷却液の内圧に耐える事のできる剛性の高い金属フレキシブルチューブを用いた場合は、その温度が低い事で真空処理室からのデポの付着によって膜が生成しやすく、さらに電極上下によるその膜の剥離によって多くの異物を発生すると考えられる。本発明の場合はヘリウムを輸送する配管にフレキシブルチューブを用いているが、このチューブには高い内圧がかからないので柔らかく、デポの付着しにくい四フッ化エチレン樹脂を用いたため異物の発生量が増加しなかったと思われる。

実施例を説明するプラズマ処理装置の断面図。実施例を説明するプラズマ処理装置の電極支持軸の断面図。実施例によるエッチング速度分布の改善効果を説明する図。実施例によるエッチング形状改善効果を説明する図。

符号の説明

１０１…真空処理室
１０３…電極
１０４…ウエハ
１２１…電極支持軸
１２３…べローズ
１２３、１２４…べローズ
１２６、１２７…コイルチューブ

Claims

真空処理室と、該真空処理室内にガスを供給する手段と、プラズマ生成手段と、ウエハを載置する電極とを備えるプラズマ処理装置において、
前記電極の移動を可能とする接地管と上下運動管から成る上下運動軸を備えた構造と、該電極にバイアス電力を供給する中心導体軸と調整電力供給管から成る電力印加軸と絶縁支持管と前記接地管とを備えた構造と、該電極を温調する冷却媒体を輸送する前記電力印加軸と前記絶縁支持管と前記接地管とを備えた構造とを有する支持軸を備え、前記支持軸は、軸断面が円筒多重構造の同心円形状となり、軸中心から順に、高周波電源からの電力が印加される中心導体軸と調整電力供給管から成る電力印加軸と、下端部及び電極接続部で絶縁材で支持された導体からなる前記絶縁支持管と、電気的に接地され、電極に上下の運動を与えるための前記接地管と、プッシャに上下の運動を与えるための前記上下運動管とを有し、
前記電力印加軸の前記調整電力供給管の内側及び前記調整電力供給管との間に断熱作用を担う空気層が形成された前記絶縁支持管と前記接地管の間は、前記電力供給構造の絶縁が担保される前記冷却媒体が輸送される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、
前記支持軸は、電圧の異なる２系統以上のバイアス電力供給構造を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記ウエハと電極間への伝熱媒体ガスの供給を前記支持軸外から行うことを特徴とする
プラズマ処理装置。
プラズマ処理装置に使用され、ウエハを載置するプラズマ処理装置用電極において、
前記電極の移動を可能とする接地管と上下運動管から成る上下運動軸を備えた構造と、該電極にバイアス電力を供給する中心導体軸と調整電力供給管から成る電力印加軸と絶縁支持管と前記接地管とを備えた構造と、該電極を温調する冷却媒体を輸送する前記電力印加軸と前記絶縁支持管と前記接地管とを備えた構造とを有する支持軸を備え、前記支持軸は、軸断面が円筒多重構造の同心円形状となり、軸中心から順に、高周波電源からの電力が印加される中心導体軸と調整電力供給管から成る電力印加軸と、下端部及び電極接続部で絶縁材で支持された導体からなる前記絶縁支持管と、電気的に接地され、電極に上下の運動を与えるための前記接地管と、プッシャに上下の運動を与えるための前記上下運動管とを有し、
前記電力印加軸の前記調整電力供給管の内側及び前記調整電力供給管との間に断熱作用を担う空気層が形成された前記絶縁支持管と前記接地管の間は、前記電力供給構造の絶縁が担保される前記冷却媒体が輸送されることを特徴とするプラズマ処理装置用電極。