JP4828585B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、本発明は、プラズマによって、半導体ウエハ等の被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置に関する。
従来から、プラズマによって、半導体ウエハ等の被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法が多用されている。例えば、半導体装置の製造工程においては、被処理基板、例えば半導体ウエハに、微細な電気回路を形成するための技術として、半導体ウエハ上に形成された薄膜等を、プラズマを用いてエッチングし除去するエッチング装置が多用されている。
かかるエッチング装置では、例えば、内部を気密に閉塞可能に構成された処理チャンバー（エッチングチャンバー）内でプラズマを発生させるようになっている。そして、このエッチングチャンバー内に設けたサセプタ上に半導体ウエハを載置して、エッチングを行う。
また、上記プラズマを発生させる手段については、種々のタイプが知られている。そのうち、上下に対向するように設けられた一対の平行平板電極に高周波電力を供給してプラズマを発生させるタイプの装置では、平行平板電極のうちの一方、例えば、下部電極がサセプタを兼ねている。そして、この下部電極上に半導体ウエハを配置し、平行平板電極間に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、エッチングを行う。
また、かかるエッチング装置では、半導体ウエハの周囲を囲むように、リング状に形成されたフォーカスリングを配置し、このフォーカスリングによって、プラズマを半導体ウエハの表面に集中（フォーカス）させるよう構成されたものがある。
図１９は、上記のようにフォーカスリングを有するエッチング装置の要部断面構成を模式的に示すもので、同図に示すように、サセプタを兼ねる下部電極１５０の上面には、静電チャック１５１が設けられている。この静電チャック１５１は、樹脂あるいはセラミックス等からなる誘電体層１５１ａと、この誘電体層１５１ａ内に埋設された平板状の静電チャック用電極１５１ｂとから構成されている。
半導体ウエハＷは、上記静電チャック１５１上に吸着保持されるようになっており、この静電チャック１５１上に吸着保持された半導体ウエハＷの周囲を囲むように、フォーカスリング１５２が設けられている。なお、同図において１５３は、絶縁部材である。
しかしながら、このような従来のエッチング装置では、エッチング中に、プラズマの作用によって、半導体ウエハＷの電位と、フォーカスリング１５２の電位との間にかなりの電位差が生じ、かかる電位差によって、半導体ウエハＷの表面とフォーカスリング１５２との間で異常放電が生じる所謂表面アーキングが生じることがある。
上記表面アーキングは、例えば、導体層の上に絶縁体層が形成され、かかる絶縁体層をエッチングするような場合、例えば、シリコン酸化膜からなる絶縁体層をエッチングして、下層のメタル層からなる導体層に通じるコンタクトホールを形成する場合等に、エッチングによって膜厚が減少したシリコン酸化膜を破壊して、下層のメタル層とフォーカスリングとの間等で生じる場合が多い。
そして、かかる異常放電が生じると、半導体ウエハ中のシリコン酸化膜の多くの部分が破壊されてしまうため、その半導体ウエハの大部分の素子が不良となってしまう。また、これとともに、エッチングチャンバー内に金属汚染が生じ、そのまま続けてエッチング処理を行うことができず、エッチングチャンバー内のクリーニングが必要となる。このため、生産性が著しく低下してしまうという問題があった。
なお、上述した半導体ウエハと、フォーカスリングとの電位差を測定するため、表面に、下地層（絶縁層）と、この下地層上に形成されたメタル層と、このメタル層の上に絶縁層であるシリコン酸化膜層が形成された半導体ウエハを使用し、エッチングガスとして、Ｃ4Ｆ8（流量１０ｓｃｃｍ）、ＣＯ（流量５０ｓｃｃｍ）、Ａｒ（流量２００ｓｃｃｍ）、Ｏ2（流量５ｓｃｃｍ）の混合ガスを使用し、圧力５．９９Ｐａ（４５ｍＴｏｒｒ）、高周波電力１５００Ｗの条件で、シリコン酸化膜層をエッチングし、コンタクトホールを形成するエッチング工程を行った。このエッチング工程における半導体ウエハとフォーカスリングとの電位差を測定したところ、３０〜４０Ｖ程度あることが判明した。
このような電位差では、表面アーキングが発生する確率は、低いものの、例えば、半導体ウエハが下部電極に対して偏心して配置され、半導体ウエハの周縁部とフォーカスリングとの間隔が、局所的に近接して配置された場合や、何らかの原因によって、プラズマに偏りが生じた場合等の幾つかの他の要因により、表面アーキングが発生することがある。そして、前述したとおり、一旦表面アーキングが発生するとエッチングチャンバー内のクリーニング等を行わなければならないため、かかる表面アーキングの発生を、完全に防止することが望まれる。
また、プラズマ処理装置では、半導体ウエハ等にプラズマを作用させてエッチングなどの処理を行うことから、半導体ウエハ等の温度が不所望に上昇する可能性があり、このため、エッチング処理中の半導体ウエハ等を冷却するための温度制御機構を備えたものが多い。
図２０は、このような温度制御機構を備えた平行平板型のエッチング装置の要部を拡大して示すもので、同図に示すように、半導体ウエハＷは、下部電極（サセプタ）２００上に載置され、図示しない上部電極との間に印加される高周波電力等によって生起されたプラズマによりエッチング処理される。
この下部電極２００上には、半導体ウエハＷを吸着保持するための静電チャック８が設けられており、静電チャック用電極８ｂに高圧直流電圧を印加することによって、クーロン力またはジョンソンラーベック力で半導体ウエハＷを吸着する。
また、下部電極２００内には、冷却用の冷媒を循環させるための冷媒流路２１０が形成され、下部電極２００を所定温度に冷却可能とされている。さらに、この下部電極２００には、Ｈｅガス等の冷却用ガスを供給するためのガス流路２２０が形成されている。このガス流路２２０は、半導体ウエハＷとの熱交換が効率良く行われ、半導体ウエハＷを効率良く、かつ、精度良く温度制御するために、半導体ウエハＷの裏面と下部電極２００（静電チャック８）との間にＨｅガス等の冷却用ガスを供給するものである。なお、半導体ウエハＷの中央部と外周部とで、供給する冷却用ガスの圧力を変更可能とするため、上記のガス流路２２０は、外周部用ガス流路２２０ａと、中央部用ガス流路２２０ｂの２系統設けられている。
上記下部電極２００は、表面に陽極酸化処理（アルマイト処理）を施されたアルミニウム等の金属によって全体が略円板状になるよう形成されており、内部に上述した冷媒流路２１０及びガス流路２２０を設けるために、上部プレート２０１と、中間プレート２０２と、下部プレート２０３の３つの部材（いずれも略円板状に形成されている。）を接合して構成されている。そして、冷媒流路２１０は、中間プレート２０２の下面側から穿設された溝の開口部を下部プレート２０３によって閉塞することによって構成されている。
一方、ガス流路２２０は、下部電極２００内に形成されたガス溜め部２２１と、このガス溜め部２２１に載置台２００の下方からガスを導入するためのガス導入用円孔部２２２と、ガス溜め部２２１から半導体ウエハＷの裏面にガスを供給するための複数のガス供給用細孔部２２３とから構成されている。そして、上記のガス溜め部２２１は、上部プレート２０１の下面側から穿設された溝の開口部を中間プレート２０２によって閉塞することによって構成されている。
上記構成のエッチング装置では、冷媒流路２１０内に循環される冷媒によって、下部電極２００が所定温度に温度制御される。そして、ガス導入用円孔部２２２から一旦ガス溜め部２２１内に溜められ、このガス溜め部２２１からガス供給用細孔部２２３を通って半導体ウエハＷの裏面に供給される冷却用のガスの作用によって半導体ウエハＷを効率良く、かつ、精度良く温度制御することができるようになっている。
しかしながら、本発明者等が詳査したところ、図２０に示した構成のエッチング装置では、ガス供給用細孔部２２３を介して、半導体ウエハＷの裏面とガス溜め部２２１の底部等との間で、異常放電が発生することが見出だされた。
そして、このように、半導体ウエハＷの裏面側で放電が生じると、かかる放電によって各部材が損傷を受けるとともに、この放電が原因となって、半導体ウエハＷの表面に表面アーキングが発生することがある。すなわち、半導体ウエハＷの裏面側で生じた放電によって、半導体ウエハＷの内部の層間絶縁膜が絶縁破壊を起こし、この絶縁破壊を起こした部分に対してプラズマ等からの雷状の放電（表面アーキング）が発生する場合がある。
そこで、本発明の目的は、被処理基板に生じる不所望な放電の発生を防止して、従来に較べて生産性の向上を図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。
請求項１のプラズマ処理装置は、内部でプラズマを発生させる処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に設けられ、被処理基板が載置されるサセプタと、前記サセプタの周囲に、前記被処理基板の周りを囲むように配置されたフォーカスリングとを具備したプラズマ処理装置において、前記フォーカスリングが、少なくとも、前記プラズマ側に露出面を有し、導電性部材から構成された第１のリング部材と、前記第１のリング部材と微少間隔を設け、前記第１のリング部材と接触していない状態とされ、かつ、前記第１のリング部材より前記プラズマから離間された位置に設けられ、導電性部材から構成された第２のリング部材と、前記第１のリング部材が載置される第３のリング部材であって、前記第１のリング部材とその下方に配設された前記第２のリング部材との間に微少間隔を維持するよう構成され、絶縁性部材から構成された第３のリング部材とを具備したことを特徴とする。
請求項２のプラズマ処理装置は、請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記第３のリング部材が、前記第２のリング部材の外周側に設けられたことを特徴とする。
請求項３のプラズマ処理装置は、請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、前記第３のリング部材の上面の高さが、前記第２のリング部材の上面の高さより高いことを特徴とする。
請求項４のプラズマ処理装置は、請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、前記第１のリング部材及び前記第２のリング部材が、シリコン、炭化ケイ素、二酸化ケイ素のいずれかから構成され、前記第３のリング部材が、石英から構成されたことを特徴とする。
請求項５のプラズマ処理装置は、請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、前記第２のリング部材及び前記第３のリング部材は、アルミニウムからなる下部電極の周縁部に載置され、前記第３のリング部材は、前記下部電極の周囲に設けられた絶縁部材上に載置されたことを特徴とする。
本発明によれば、被処理基板に生じる不所望な放電の発生を防止して、従来に較べて生産性の向上を図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。
以下、本発明の詳細を図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、ダイポール型のマグネトロンプラズマエッチング装置の全体の概略構成を模式的に示すもので、図において１は、エッチングチャンバー（処理チャンバー）を示している。上記エッチングチャンバー１は、アルミニウム等から円筒状に形成され、内部を気密に閉塞可能に構成されている。エッチングチャンバー１の底部には、図示しない真空ポンプに接続された排気配管２が設けられ、エッチングチャンバー１内を所定の真空度まで排気可能に構成されている。
また、エッチングチャンバー１の天井部には、下方を向くように上部電極３が設けられている。一方、エッチングチャンバー１の底部には、この上部電極３に対向するように、下部電極４が設けられている。
上記上部電極３は、内部が中空構造とされた円板状に形成されており、その下面側には、多数のガス供給孔３ａが設けられ、所謂シャワーヘッドを構成している。この上部電極３は、グランド電位に接地されている。この上部電極３の上記した中空部に連通するように、ガス導入管５が接続されている。そして、図示しないエッチングガス供給源から供給されたエッチングガスを、このガス導入管５によって、上部電極３内の中空部分に導入し、この中空部分から、ガス供給孔３ａを介して、エッチングチャンバー１内に、均一に分散させて供給する。
また、上記下部電極４は、エッチングチャンバー１の底部に設けられたセラミックス等からなる絶縁板６の上に設けられている。下部電極４は、導電性材料、例えばアルミニウム等から構成されている。また、下部電極４には、温調媒体導入管７ａ、温調媒体排出管７ｂ、及び温調媒体流路７ｃからなる温調媒体循環機構が設けられており、半導体ウエハＷを所望の温度に温調することができるよう構成されている。
さらに、下部電極４の上面には、静電チャック８が設けられており、この静電チャック８によって、半導体ウエハＷを下部電極４の上面に吸着保持するよう構成されている。すなわち、半導体ウエハＷは、実質的に下部電極４上に載置されるようになっており、この下部電極４が、所謂サセプタを兼ねる構成とされている。
また、上記静電チャック８に吸着保持された半導体ウエハＷの周囲を囲むように、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等からなり、リング状に形成されたフォーカスリング９が設けられている。さらに、下部電極４の周囲を囲むように、石英等からなる絶縁部材１０が設けられている。
一方、上述したエッチングチャンバー１の側壁の外側部分には、リング状に多数の永久磁石を配列して構成されたダイポール型永久磁石群２０が設けられている。このダイポール型永久磁石群２０は、図示しない回転駆動手段により、その周方向に例えば、２０回／分の回転速度で回転可能に構成されている。
また、上述した静電チャック８には、例えば２．４ＫＶ等の高圧の直流電圧を印加する静電チャック用電源３０が接続されており、下部電極４には、マッチング回路３１を介して、高周波電源３２が接続されている。
さらに、参考例では、フォーカスリング９の電位を制御するための電位制御用直流電源（直流電圧印加装置）３３が設けられており、この電位制御用直流電源３３によって、下部電極４に直流電圧を供給し、フォーカスリング９の電位を制御可能とされている。この、フォーカスリング９の電位の制御は、例えば、フォーカスリング９と半導体ウエハＷの電位との電位差が小さくなるように行われる。
図２は、上述した装置のフォーカスリング９付近の要部の構成を拡大して模式的に示すものである。同図に示すように、フォーカスリング９は、アルミニウム等からなる下部電極４の周縁部、及び、その周囲に設けられた絶縁部材１０上に載置されるように設けられている。
また、下部電極４の上面に設けられた静電チャック８は、樹脂あるいはセラミックス等からなる誘電体層８ａと、この誘電体層８ａ内に埋設された平板状の静電チャック用電極８ｂとから構成されている。
そして、前述した電位制御用直流電源３３からの直流電圧は、下部電極４に印加されるようになっている。この下部電極４に、例えば、−４００〜−６００Ｖの直流電圧を印加することによって、フォーカスリング９の電位を、半導体ウエハＷの電位との電位差が小さくなるよう制御できる。
図３は、上記電位制御用直流電源３３による電圧印加部分の回路構成を示すものである。本参考例においては、高周波電源３２から下部電極４に印加される高周波電力のマッチングをとるマッチング回路３１の出力部分に、抵抗Ｒを介して電位制御用直流電源３３が接続された構成となっている。なお、上記構成に限定されるものではなく、電位制御用直流電源３３の出力電圧が下部電極４に印加されるものであれば、その接続をどのようにしても良いことは、勿論である。
上記構成のダイポール型のマグネトロンプラズマエッチング装置では、被処理基板としての半導体ウエハＷを、図示していないゲートバルブを開け、図示していないロードロック室を介して、エッチングチャンバー１内に搬入する。そして、半導体ウエハＷを静電チャック８上に載置して、静電チャック８により半導体ウエハＷを吸着保持する。
ゲートバルブを閉じた後、排気配管２から排気を行うとともに、ガス導入管５からガス供給孔３ａを介してエッチングチャンバー１内に所定のエッチングガスを導入し、高周波電源３２から下部電極４に所定の高周波電力、例えば、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給し、エッチングガスをプラズマ化する。
これとともに、ダイポール型永久磁石群２０を回転させ、プラズマに磁場を作用させて均一化し、この均一化したプラズマによって、均一に半導体ウエハＷのエッチングを行う。また、上記エッチングの際に、電位制御用直流電源３３から下部電極４に直流電圧を印加することによって、フォーカスリング９の電位を制御し、これによって、フォーカスリング９と、半導体ウエハＷとの間で、表面アーキングが発生することを防止する。
上記半導体ウエハＷとして、表面に、下地層（絶縁層）と、この下地層上に形成されたメタル層と、このメタル層の上に絶縁層であるシリコン酸化膜層が形成された半導体ウエハＷを使用し、エッチングガスとして、Ｃ4Ｆ8（流量１０ｓｃｃｍ）、ＣＯ（流量５０ｓｃｃｍ）、Ａｒ（流量２００ｓｃｃｍ）、Ｏ2（流量５ｓｃｃｍ）の混合ガスを使用し、圧力２．６６Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）、高周波電力２４００Ｗの条件で、上記半導体ウエハＷのシリコン酸化膜層をエッチングし、コンタクトホールを形成するエッチング工程を行った。
なお、上記のエッチング条件は、通常のエッチング条件（７５ｍＴｏｒｒ，１５００Ｗ）より、圧力が低く、高周波電力が高く設定されており、表面アーキングが発生し易い条件である。
上記エッチングにおいて、電位制御用直流電源３３からの直流電圧の印加を行わずにエッチングを行った場合、半導体ウエハＷとフォーカスリング９との電位差は、約４０Ｖとなり、４０％の頻度（１０枚の半導体ウエハＷを処理する際に４枚の半導体ウエハＷ）で表面アーキングが発生した。
一方、この参考例のエッチング工程において、電位制御用直流電源３３から−５００Ｖの直流電圧を印加しつつエッチングを行った場合、半導体ウエハＷとフォーカスリング９との電位差は、２０Ｖ以下となり、表面アーキングの発生率は０％となった。
以上の結果から明らかなとおり、電位制御用直流電源３３から直流電圧を印加することによって、半導体ウエハＷとフォーカスリング９との電位差を減少させることができ、また、表面アーキングの発生を防止することができる。
なお、上記の例において、電位制御用直流電源３３からの最適な印加電圧を調べるため、印加電圧を＋３０００〜−３０００Ｖの間で変更してエッチングを行った。この結果、印加電圧を、−４００〜−６００Ｖの間とした場合に、最良の結果、つまり、半導体ウエハＷとフォーカスリング９との電位差が２０Ｖ以下、表面アーキングの発生率が０％、を得ることができた。
次に、他の参考例について説明する。図４は、下部電極（サセプタ）４及び半導体ウエハＷの断面構造を拡大して模式的に示すものである。同図に示すように、下部電極４には、半導体ウエハＷの裏面に冷却用のガス（ヘリウムガス等）を供給するためのガス流路４ａ等が設けられている。したがって、このガス流路４ａの部分には、静電チャック８が設けられていない。また、同様に、半導体ウエハＷを下部電極４上に支持するための支持部材（例えば、ピン）が設けられた部分にも、ピン等を配置するための孔が設けられており、この孔の部分には静電チャック８が設けられていない。
このため、上記ガス流路４ａなどの上部に位置する半導体ウエハＷの部分は、下部に静電チャック８（静電チャック用電極８ｂ）が設けられている半導体ウエハＷの部分とは、電気的に異なった状態となっている。図５は、上記ガス流路４ａの上部に位置する半導体ウエハＷの部分の電位を模式的に示すものである。同図に示すように、半導体ウエハＷの表面は、プラズマの状態によって決まる一定の電位（Ｖｄｃ）となっており、この電位（Ｖｄｃ）は、通常の場合、例えば、−４００Ｖ〜−６００Ｖ程度である。
一方、下部電極４は、直流電圧を重畳しない場合、接地電位となっている。このため、半導体ウエハＷの表面と下部電極４との間には、４００Ｖ〜６００Ｖ程度の電位差があり、半導体ウエハＷの各部の電位は、図中点線で示すような電位となる。
これに対して、下部電極４に直流電圧（ＨＶ）を重畳した場合、半導体ウエハＷの表面と下部電極４との間の電位差は、図中実線で示すように低減され、半導体ウエハＷの各部における電位差も低減される。このため、半導体ウエハＷ内の層間絶縁膜に加わる垂直方向の電位差も低減され、絶縁破壊が生じる可能性を大幅に低減することができる。
また、下部電極４に直流電圧を重畳しない場合、図６に実線で示すように、接地電位となっている下部電極４と半導体ウエハＷの裏面との間（ガス流路４ａ（バックガス）の部分）に電位差が生じており、ここで放電が生じる可能性がある。
そして、上記のバックガスの部分で放電が生じると、図６に実線で示す半導体ウエハＷの各部の電位が、バックガスの部分のインピーダンスが低下することによって、同図に点線で示すように変化し、半導体ウエハＷの裏面と接地電位との電位差が低下する。このため、半導体ウエハＷ内の層間絶縁膜にかかる垂直方向の電位差が大きくなり、絶縁破壊が起きる可能性が高くなる。
また、上記のような層間絶縁膜の絶縁破壊が起きなくとも、このような放電が生じると、下部電極４や半導体ウエハＷが損傷を受ける。このため、かかる半導体ウエハＷの裏面側で生じる放電も、防止することが必要となる。
このため、下部電極４には、プラズマの状態によって決まる半導体ウエハの表面電位（Ｖｄｃ）に応じた直流電圧を重畳することが好ましい。また、上記のように下部電極４に直流電圧を重畳すると、図７に矢印で示すように、この重畳した直流電圧に起因して、下部電極４から半導体ウエハＷを横切って微量な直流電流が流れる。しかしながら、このように半導体ウエハＷを横切って直流電流が流れると、半導体ウエハＷの層間絶縁膜に損傷を与える可能性がある。
このため、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して接地電位に接続されたサセプタ電位モニタ３４を設け、このサセプタ電位モニタ３４を通じて、下部電極（サセプタ）４に重畳した直流電圧に起因する直流電流がグランドに流れるようにすることが好ましい。
このように、サセプタ電位モニタ３４を通じて直流電流がグランドに流れるようにすることにより、半導体ウエハＷを横切って直流電流が流れることを防止することができる。なお、抵抗Ｒ１としては、例えば５ＭΩ程度の抵抗値を持つ抵抗が使用され、抵抗Ｒ２としては、例えば２０ＫΩ程度の抵抗値を持つ抵抗が使用される。
図８は、上記サセプタ電位モニタ３４によって、下部電極４に加わっている電圧を測定した結果を示すもので、高周波電力を８００Ｗから２３５０Ｗまで変化させ、下部電極４に重畳させる直流電圧を０Ｖから−１０００Ｖまで変化させた場合について示している。同図内に太線で仕切って示すように、太線より下の領域（左下側の領域）では、下部電極４に重畳している直流電圧値よりも大きな電圧値が測定された。したがって、この領域では、半導体ウエハＷと下部電極４との間で、異常放電が生じているものと推測される。一方、太線より上の領域では、下部電極４に重畳している直流電圧と同じ電圧値が測定された。したがって、この領域では、上記のような異常放電が生じていないものと推測される。
ただし、重畳する直流電圧が半導体ウエハＷ上の電位（Ｖｄｃ）と比べてあまりにも大きいと、逆にまた異常放電が生じてしまう可能性がある。図８により、高周波電力が高い場合は、下部電極４に重畳する直流電圧も高める必要があることが分かる。また、高周波電力が２３５０Ｗまでの場合は、−５００Ｖ程度の直流電圧を印加すれば良いことが分かる。また、図９は、高周波電力と半導体ウエハの表面電位（−Ｖｄｃ）との関係を測定した結果を示すグラフである。同図において、縦軸は表面電位（−Ｖｄｃ（Ｖ））、横軸は高周波電力（Ｗ）を示している。この図９に示されるとおり、高周波電力が大きくなると、半導体ウエハの表面電位（−Ｖｄｃ）も大きくなる。
したがって、上記図８、図９の結果から、半導体ウエハの表面電位（−Ｖｄｃ）に応じた値の直流電圧を、下部電極（サセプタ）４に重畳することによって、半導体ウエハＷと下部電極（サセプタ）４との間の異常放電が防止でき、さらに、半導体ウエハＷの表面での表面アーキングを防止できることが分かる。
なお、高周波電力と半導体ウエハＷの表面電位（−Ｖｄｃ）との関係を予めテーブルデータとして記憶しておき、高周波電力を印加する際に、そのテーブルデータに基づいて、下部電極４に重畳する直流電圧を決めるのが好まし形態である。
図１０は、他の参考例に係るプラズマエッチング装置の要部の構成を拡大して模式的に示すものである。同図に示すように、フォーカスリング４１は、アルミニウム等からなるサセプタを兼ねる下部電極４２とアルミニウム等の導電金属からなるピン４３により電気的に接続されて、下部電極４２側の電荷がピン４３を介してフォーカスリング４１側に給電されている。なおピン４３は、フォーカスリング４１と下部電極４２の対向面に穿設した盲孔に、各端を埋め込むことにより、フォーカスリング４１と下部電極４２とを電気的に接続している。
従来のプラズマエッチング装置では、フォーカスリング４１と下部電極４２間にはわずかな間隙が設けられていたが、本参考例では、ピン４３を介して下部電極４２の電荷がフォーカスリング４１側に供給されて、フォーカスリング４１の電位が制御されるように作用している。図１０に示した参考例は、フォーカスリング４１が下部電極４２とピン４３により電気的に接続されている点を除いて、図２等に示された参考例と同一構成であるので、図１０に示された他の構成については図２と対応する部分に同一の符号を付して重複する説明は省略する。
なお、ピン４３は、本実施形態ではアルミニウム（Ａｌ）で構成されているが、他の導電性の材料を用いても差し支えない。
この参考例について、第１の実施形態におけると同一の条件で効果を測定したところ、ピン４３がない従来の装置に比べて、半導体ウエハＷとフォーカスリング４１との電位差が減少し、表面アーキングの発生率も減少していることが認められた。
図１１は、他の参考例に係るプラズマエッチング装置の要部構成を拡大して示すものである。同図に示すように、半導体ウエハＷが載置される下部電極（サセプタ）４上には、半導体ウエハＷを吸着保持するための静電チャック８が設けられている。この静電チャック８は、タングステン等からなる静電チャック用電極８ｂを、例えば、Ａｌ2Ｏ3等のセラミックス溶射膜等からなる誘電体層８ａ内に配置した構成とされている。そして、静電チャック用電極８ｂに高圧直流電圧を印加することによって、クーロン力またはジョンソンラーベック力で半導体ウエハＷを吸着するようになっている。
また、下部電極４内には、冷却用の冷媒を循環させるための冷媒流路７ｃと、Ｈｅガス、Ａｒガス、ＳＦ6ガス、Ｃｌ2ガス等の冷却用ガスを供給するためのガス流路１２０が形成されている。このガス流路１２０は、半導体ウエハＷの中央部と外周部とで、供給する冷却用ガスの圧力を変更可能とするため、外周部用ガス流路１２０ａと、中央部用ガス流路１２０ｂの２系統設けられている。
上記下部電極４は、表面に陽極酸化処理（アルマイト処理）を施されたアルミニウム等の金属によって全体が略円板状になるよう形成されており、上部プレート１０１と、中間プレート１０２と、下部プレート１０３の３つの部材（いずれも略円板状に形成されている。）を接合して構成されている。そして、冷媒流路７ｃは、中間プレート１０２の上面側から穿設された溝の開口部を上部プレート１０１によって閉塞することによって構成されている。
一方、ガス流路１２０は、下部電極４内に形成されたガス溜め部１２１と、このガス溜め部１２１に下部電極４の下方からガスを導入するためのガス導入用円孔部１２２と、ガス溜め部１２１から半導体ウエハＷの裏面にガスを供給するための複数のガス供給用細孔部１２３とから構成されている。
上記ガス溜め部１２１は、下部プレート１０３の上面側から穿設された溝の開口部を中間プレート１０２によって閉塞することによって構成されており、このガス溜め部１２１と下部電極４の載置面とを連通するように、中間プレート１０２及び上部プレート１０１を通じて複数のガス供給用細孔部１２３が形成されている。したがって、上記のガス溜め部１２１は、下部電極４内において冷媒流路７ｃの下部に位置するように設けられている。
また、下部電極４の載置面には、上記のガス供給用細孔部１２３に対応して、冷却用ガスを拡散させるための複数の細溝１２４が形成されている。
なお、上述したガス供給用細孔部１２３には、バリが形成されないよう注意する必要がある。すなわち、ドリル等にてガス供給用の細孔をプレートの一端側より穿設する際に、プレートの端面側においてバリが発生する恐れがあるが、プレートの端面側に予め細孔と同等またはそれより大きい径の孔を形成しておくことにより、端面側にバリを形成することがないので、バリによる異常放電を防止することができる。
また、冷却用ガスが不必要に廻り込まないように、プレート等の接合部には、Ｏリングなどのシール部材が設けられ、充分なシール性を確保する目的で、そのシール面は、凹凸形状とされている。この凹凸形状のシール面は、アルマイトが付かない箇所において、異常放電が生じる恐れがあるので、このシール面の表面粗さ（Ｒａ）は０．５以下とするのが好ましい。
また、タングステンを溶射して静電チャック用電極８ｂを形成する際、ガス供給用細孔部１２３の側面やガス溜め部１２１の底面等に、タングステンが付着してしまうが、予めガス供給用細孔部１２３やガス溜め部１２１等の内面にＳｉコーティングを施すことによって、付着したタングステンを純水による超音波洗浄にて容易に除去することができる。図１２は、上記の細溝１２４の形成パターンの一例を示すもので、図１２に示す例では、細溝１２４は同心状に合計９本形成されている。これら９本の細溝１２４のうち、最も外側に形成された１本の細溝１２４は前述した外周部用ガス流路１２０ａに接続されている。また、残りの８本の細溝１２４は、径方向に形成された細溝１２４によって、２本ずつ連通された形状となっており、これらの細溝１２４は、中央部用ガス流路１２０ｂに接続されている。
なお、細溝１２４の形成パターンは、上記の例に限定されるものではなく、冷却用ガスが均一に半導体ウエハＷの裏面に供給されるようなものであれば、どのようなものでも良い。
そして、本参考例において、上記の細溝１２４の深さ（図中ｄ１で示す。）は１ｍｍ以下、例えば約１００μｍとされており、載置面とガス溜め部１２１の底部との距離（図中ｄ２で示す。）は、１０ｍｍ以上、例えば約２５ｍｍとされている。これは以下の理由による。
すなわち、図１３は、縦軸を放電開始電圧、横軸を距離×圧力として、２点間の放電開始電圧と距離×圧力との関係を示すもので、これらの関係は、一般にパッシェンカーブと言われているＶ字状の曲線で表される。そして、例えば１３３〜２６６Ｐａ程度の圧力でＨｅガス等の冷却用ガスを流す場合、上記のパッシェンカーブの最下点となる距離は、数ミリ（例えば約４ｍｍ）となる。
このため、ｄ１を１ｍｍ以下（例えば約１００μｍ）とし、ｄ２を１０ｍｍ以上（例えば約２５ｍｍ）とすることにより、これらの間で放電が生じ難い状態とすることができる。
上記構成の参考例では、冷媒流路７ｃ内に循環される冷媒によって、下部電極４が所定温度に温度制御されるが、冷媒流路７ｃが、図２０に示した装置の場合より、下部電極４の載置面に近い位置に設けられているので、半導体ウエハＷの温度をより効率的にかつ精度良く制御することができる。
また、ガス導入用円孔部１２２からガス溜め部１２１内に導入され、ここに一旦溜められた冷却用ガスが、ガス溜め部１２１から各ガス供給用細孔部１２３を通って半導体ウエハＷの裏面に供給され、かつ、この冷却用ガスは細溝１２４内を通って拡散することにより、半導体ウエハＷの裏面の広い範囲に渡って均一に供給される。このため、冷却用ガスの作用によって、半導体ウエハＷの温度をより効率的にかつ精度良く制御することができる。
また、前述したとおり、パッシェンカーブの最下点となる距離の近傍位置に、半導体ウエハＷの裏面と対向するような面が形成されないように、ガス流路１２０が構成されているので、これらの間に、不所望な放電が発生する可能性を低減することができる。
以上のような、半導体ウエハＷの裏面との距離の関係は、半導体ウエハＷを支持して昇降させるための基板支持部材、例えばピンについても適用することができる。以下に他の参考例を示す。
すなわち、図１４に示すように、下部電極４内には、半導体ウエハＷを支持して昇降させるための基板支持部材として、例えばピン４ｂが複数（通常３本程度）設けられている。そして、このピン４ｂを下部電極４上に突出させることにより、半導体ウエハＷを下部電極４の上方に支持できるようになっている。
図１５に示すように、各ピン４ｂは、その下端部がエッチングチャンバー１の外部で上下動プレート６１の各支持部６２に固着されており、この上下動プレート６１は例えばパルスモータなどの駆動機構６３によって上下動自在になるように構成されている。したがってこの駆動機構６３を作動させて上記上下動プレート６１を上下動させると、それに伴って上記各ピン４ｂが上昇、下降し、これらの各ピン４ｂの上端面は、静電チャック８の表面から突出したり、伝熱媒体流路５９内に納まったりするようになっている。尚、この駆動機構６３としてエアシリンダ等を用いてもよい。
上記上下動プレート６１の各支持部６２と、上記エッチングチャンバー１の底部外側面との間には、ベローズ６４がそれぞれ設けられており、これら各ベローズ６４によって、上記各ピン４ｂの上下動経路となる上記伝熱媒体流路５９は、大気に対して気密構造となっている。上記伝熱媒体流路５９は、エッチングチャンバー１の外部から絶縁板６、下部電極４内を通じて導入されているガス供給管６５と通じており、流量制御機構を備えた別設のガス供給装置６６によって、例えばＨｅガスをこのガス供給管６５内に流すと、当該Ｈｅガスには、前出冷却冷媒の冷熱が下部電極４を介して熱伝導される。そしてそのようにして冷却されたＨｅガスは、上記伝熱媒体流路５９を通じて上記静電チャック８の表面にまで達し、その結果半導体ウエハＷを所定温度、例えば１５０℃〜−５０℃までの任意の温度に調整できる構成となっている。
上記のようなピン４ｂと、半導体ウエハＷの裏面との間においても、放電が発生する可能性があるため、あるエッチング条件のもとで、ピン４ｂの頂部と半導体ウエハＷの裏面との距離ｄ３も、上述したと同様な距離（１ｍｍ以下（例えば約１００μｍ）、又は１０ｍｍ以上（例えば約２５ｍｍ））とすることが好ましい。
なお、上記のようなパッシェンカーブは、ガス圧やガス種によって変化するので、冷却ガスの種類やガス圧によって、適宜選択する必要があり、ピン４ｂの頂部と半導体ウエハＷの裏面との電位差が、パッシェンカーブで求められる放電開始電圧より十分低くなるような条件を選択する必要がある。
このように、ピン４ｂの頂部と、半導体ウエハＷの裏面との距離ｄ３を、パッシェンカーブの最下点近傍とならないようにすることによって、半導体ウエハＷの裏面とピン４ｂとの間で異常放電が発生することを防止することができる。そして、かかる半導体ウエハＷの裏面側の異常放電を防止することによって、半導体ウエハＷの表面側で生じる表面アーキングの発生も防止することができる。
また、図１５では、制御部７１が高周波電源３２や駆動機構６３、流量制御機構を備えたガス供給装置６６と電気的に繋がれている。制御部７１は、パッシェンカーブに基づいて、半導体ウエハＷの表面電位、半導体ウエハ裏面とピン４ｂとの間の距離及び圧力のうちの少なくともいずれか一つを制御して、半導体ウエハＷの裏面側の異常放電を防止することができる。
なお、半導体ウエハＷ表面の電位は、印加する高周波電力に対応して決まる関係なので、高周波電源３２を制御することにより、半導体ウエハＷ表面の電位、すなわち、半導体ウエハＷの裏面とピン４ｂの頂部との間の電位差を制御することができる。
また、図１５の例では、ピン４ｂが挿通されている箇所は、伝熱媒体流路５９であるが、伝熱媒体流路５９とは異なる、ピン４ｂを上下動させるためのみに使用する孔部であってもよい。この場合、伝熱媒体流路５９からのＨｅガスは静電チャック８上の溝を通り、ピン４ｂを上下動させるためにのみ使用する孔部に伝わる。従って、半導体ウエハ裏面とピン４ｂとの間の圧力は、実質的に伝熱媒体流路５９における圧力と等しくなる。
ところで、静電チャック用電極８ｂと直流電源３０との接続部は、図１６に示すように、下部電極４に形成された透孔５０に、ＨＶピン５１を挿入してその先端部に設けられた導電部５２を静電チャック用電極８ｂに接触させるよう構成されている。また、ＨＶピン５１の周囲を囲むように設けられた絶縁材は、絶縁材５３ａと、絶縁材５３ｂの２つに分割されており、これらの間に接着剤が充填される空隙５４が形成されるようになっている。そして、先端側の絶縁材５３ａは、エポキシ系の接着剤５５で下部電極４及びＨＶピン５１に固定されており、後端側の絶縁材５３ｂは、シリコン系の接着剤５６で下部電極４及びＨＶピン５１に固定されている。
このように、２種類の接着剤を使用することにより、接着力の強いエポキシ系の接着剤５５でＨＶピン５１を確実に固定することができるとともに、シリコン系の接着剤５６で確実に真空封止を行うことができる構成となっている。また、空隙５４内にシリコン系の接着剤５６が充填されることによって、さらに確実に真空封止を行うことができる構成となっている。
次に、図１７、１８を参照して、本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成について説明する。
図１７、１８は、本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置のフォーカスリング９付近の要部の構成を模式的に示すものである。図１７はフォーカスリング９の要部を拡大して示す縦断面図であり、図１８はフォーカスリング９の全体を示す平面図である。
同図に示すように、フォーカスリング９は、上面がプラズマ側に向く様に設けられた上側リング９ａと、この上側リング９ａの下部の内側に設けられた内側リング９ｂと、内側リング９ｂの外側に設けられた外側リング９ｃの３つのリング状部材から構成されている。また、上記の３つのリング状部材のうち、上側リング９ａと、内側リング９ｂは、シリコン、炭化ケイ素、二酸化ケイ素等から構成されており、残りの外側リング９ｃは、絶縁性の部材、例えば、石英等から構成されている。
そして、外側リング９ｃの上面の高さが、内側リング９ｂの上面の高さより僅かに高くなるようにその寸法が設定されており、これによって、外側リング９ｃの上に上側リング９ａ載置した際に、上側リング９ａの下面と、内側リング９ｂの上面との間に僅かな間隙（例えば０．０２５ｍｍ〜０．０７５ｍｍ程度の間隙）が形成されるよう構成されている。これは、上側リング９ａと内側リング９ｂが接触して同電位にならないようにするためである。
上記構成のフォーカスリング９は、アルミニウム等からなる下部電極４の周縁部、及び、その周囲に設けられた絶縁部材１０上に載置されるように設けられている。
上記構成のフォーカスリング９を具備したプラズマエッチング装置では、エッチングの際に、プラズマの作用等によって、半導体ウエハＷ及びフォーカスリング９に電荷が蓄積して電位差を生じるが、上述したとおり、本実施の形態におけるフォーカスリング９は、上側リング９ａと、内側リング９ｂと、外側リング９ｃの３つのリング状部材から構成されている。
したがって、フォーカスリングが一体的に構成されたものに比べて、絶縁性の部材からなる外側リング９ｃを挿入したことによりフォーカスリング全体としてのインピーダンスが増加する。
また、上側リング９ａと内側リング９ｂの電位差（Ｖｔｂ）は、前記した上側リング９ａと半導体ウエハＷとの電位差（Ｖｔｗ）より大きく、さらにまた、上側リング９ａと半導体ウエハＷとのギャップ長（ｄｔｗ）と、上側リング９ａと内側リング９ｂとのギャップ長（ｄｔｄ）とを比較すると、ｄｔｄ＜＜ｄｔｗとなるように構成されている。このため、放電が発生する場合も、上側リング９ａと半導体ウエハＷとの間では発生せず、上側リング９ａと内側リング９ｂの間において確実に発生する。
つまり、上側リング９ａと内側リング９ｂの間において確実に放電が発生するようになっているので、上側リング９ａと半導体ウエハＷとの間で放電（表面アーキング）が発生することを確実に防止できるようになっている。
上記半導体ウエハＷとして、表面に、下地層（絶縁層）と、この下地層上に形成されたメタル層と、このメタル層の上に絶縁層であるシリコン酸化膜層が形成された半導体ウエハＷを使用し、エッチングガスとして、Ｃ4Ｆ8（流量１０ｓｃｃｍ）、ＣＯ（流量５０ｓｃｃｍ）、Ａｒ（流量２００ｓｃｃｍ）、Ｏ2（流量５ｓｃｃｍ）の混合ガスを使用し、圧力５．９９Ｐａ（４５ｍＴｏｒｒ）、高周波電力１５００Ｗの条件で、上記半導体ウエハＷのシリコン酸化膜層をエッチングし、コンタクトホールを形成するエッチング工程を行った。
上記エッチングにおいて、半導体ウエハＷ、上側リング９ａ、内側リング９ｂの電位を夫々測定したところ、半導体ウエハＷの電位が−３９７Ｖ、上側リング９ａの電位が−３９３Ｖ、内側リング９ｂの電位が−４１４Ｖであった。このエッチングにおいて、表面アーキングは、全く生じることがなかった。
以上の結果から明らかなとおり、本実施形態においては、フォーカスリング９を、上側リング９ａと、内側リング９ｂと、外側リング９ｃの３つのリング状部材から構成することによって、表面アーキングの発生を防止することができた。
すなわち、本実施形態では、前述した電位制御用直流電源３３を用いることなく、フォーカスリング９の電位を、表面アーキングの発生し難い電位に制御することができる。なお、上記実施形態では、フォーカスリング９を、上側リング９ａと、内側リング９ｂと、外側リング９ｃの３つのリング状部材から構成したが、フォーカスリングは最低２つに分割されていればよく、例えば、上側リング９ａと、内側リング９ｂに相当する２つのリング状部材から構成することもできる。また、内側リング９ｂと、外側リング９ｃの構成を入れ替えて、外側に導電性のリング状部材、内側に絶縁性のリング状部材を配置することも可能である。
なお、上記実施形態では、本発明をダイポール型のマグネトロンプラズマエッチング装置に適用した場合について説明したが、他のタイプのプラズマ処理は勿論、プラズマ成膜装置、プラズマスパッタ装置、プラズマアッシング装置等のプラズマエッチング装置以外のプラズマ装置に対しても、同様に適用することができる。
本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、半導体装置の製造を行う半導体製造産業等において使用することが可能である。したがって、本発明は産業上の利用可能性を有する。
プラズマエッチング装置の全体の概略構成を模式的に示す図。 図１の装置の要部を拡大して模式的に示す図。 電位制御用直流電源による電圧印加部分の回路構成を示す図。 図１の装置の要部を拡大して模式的に示す図。 半導体ウエハ内の各部の電位を示す図。 放電が生じた際の半導体ウエハ内の各部の電位を示す図。 サセプタ電位モニタの構成を示す図。 サセプタ電位モニタによる測定結果を示す図。 高周波電力とウエハ表面の電位との関係を示す図。 他の参考例に係るプラズマエッチング装置の要部を拡大して模式的に示す図。 他の参考例に係るプラズマエッチング装置の要部を拡大して模式的に示す図。 図１１のプラズマエッチング装置の要部構成を模式的に示す図。 パッシェンカーブを説明するための図。 図１１のプラズマエッチング装置の要部を拡大して模式的に示す図。 他の参考例に係るプラズマエッチング装置の全体の概略構成を模式的に示す図。 図１５のプラズマエッチング装置の要部を拡大して模式的に示す図。 本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置の要部を拡大して模式的に示す図。 図１７のプラズマエッチング装置の要部構成を模式的に示す図。 従来のプラズマ処理装置の要部を拡大して模式的に示す図。 従来のプラズマ処理装置の要部を拡大して模式的に示す図。
符号の説明
４……下部電極、９……フォーカスリング、９ａ……上側リング、９ｂ……内側リング、９ｃ……外側リング、Ｗ……半導体ウエハ。

Claims (5)

  1. 内部でプラズマを発生させる処理チャンバーと、
    前記処理チャンバー内に設けられ、被処理基板が載置されるサセプタと、
    前記サセプタの周囲に、前記被処理基板の周りを囲むように配置されたフォーカスリングとを具備したプラズマ処理装置において、
    前記フォーカスリングが、少なくとも、前記プラズマ側に露出面を有し、導電性部材から構成された第１のリング部材と、
    前記第１のリング部材と微少間隔を設け、前記第１のリング部材と接触していない状態とされ、かつ、前記第１のリング部材より前記プラズマから離間された位置に設けられ、導電性部材から構成された第２のリング部材と、
    前記第１のリング部材が載置される第３のリング部材であって、前記第１のリング部材とその下方に配設された前記第２のリング部材との間に微少間隔を維持するよう構成され、絶縁性部材から構成された第３のリング部材と
    を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記第３のリング部材が、前記第２のリング部材の外周側に設けられたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、
    前記第３のリング部材の上面の高さが、前記第２のリング部材の上面の高さより高いことを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
    前記第１のリング部材及び前記第２のリング部材が、シリコン、炭化ケイ素、二酸化ケイ素のいずれかから構成され、
    前記第３のリング部材が、石英から構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
    前記第２のリング部材及び前記第３のリング部材は、アルミニウムからなる下部電極の周縁部に載置され、前記第３のリング部材は、前記下部電極の周囲に設けられた絶縁部材上に載置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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