JP4832222B2

JP4832222B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4832222B2
Application number: JP2006238434A
Authority: JP
Inventors: 賢稔三宅; 賢悦横川; 勝伊澤
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: JP2008060487A

Description

本発明は半導体製造に用いられるプラズマ処理装置に関する。

半導体装置の製造工程において、弱電離プラズマを用いたプラズマエッチング，プラズマＣＶＤ、或いはプラズマアッシングが用いられている。半導体製造工程における歩留りを向上させるには、これらのプラズマ処理に際して、異物粒子の発生を抑えることが重要である。半導体製造装置の微細化の進展に伴い、レジストの薄膜化に伴うエッチング時のレジストの消耗速度低減（選択比向上）や高アスペクト比ホール内部への十分なエッチャント供給等の要求から、堆積性の強い処理ガスがますます多用されることが予想される。

しかしながら、堆積性の強い処理ガスを用いると、プラズマ処理中に被処理体の裏面外周及び側面に堆積物が付着する。このため、前記堆積物が搬送時等に被処理体より剥がれ落ちた場合には、この堆積物は異物粒子として半導体の製造ラインを汚染し、歩留まり低下を引き起こすことになる。従って、前記堆積物の付着を未然に防ぐことが極めて重要となる。これまでにも被処理体裏面外周の堆積物付着防止に関する技術が考えられている。

このような技術の例としては、例えば、特開２００４−２００２１９号公報（特許文献１）に開示されるように、被処理体外周部にカバーを付けてエッチングを行なうことで被処理体外周部に堆積物が付着しないようにするものがある。また、特開２００５−277369号公報（特許文献２）では、環状部材の下側部材に誘電体を用い、電気力線の向きを変更することでウエハ裏面へのプラズマの回り込みを抑制し、被処理体外周部における堆積物の量を減少させる技術が考案されている。また、電極と電極用カバーとの密着性を良くし、且つ、交換時に電極側面にダメージを与えることなくプラズマ生成用電極を保護することが出来るプラズマ電極用カバーが考案されている。さらには、特開２００３−100713号公報では、内周部が周方向に分割された複数の部分を組み合わされることによってプラズマ生成用電極の側壁に密着する構造が開示されている。

特開２００４−２００２１９号公報特開２００５−２７７３６９号公報特開２００３−１００７１３号公報

上記の従来の技術では、被処理体の裏面の外周における堆積物を抑制するため、特殊な保護材を被処理体外周部に取り付けたり、外周部の部材の材質や形状を電気力線の分布に基づき設計したりする必要が有る。しかしながら、特殊な保護材を被処理体外周部に取り付ける場合には、保護材を設置したことによる被処理体外周部のエッチング形状の歪みが発生する恐れがある。

また、電気力線の分布から環状部材の材質や形状を適切に設計したとしても、依然として被処理体と環状部材との間に存在する隙間から堆積性の中性ラジカル等が流入して付着して異物となる恐れがある。また、プラズマ生成用電極側壁との密着性を向上させるプラズマ電極用カバーは、被処理体側面と環状部材との隙間を狭めることを目的としたものではなく、さらに処理室内で可動機構を持つものではない。上記従来の技術では、このような点について考慮されていなかった。

本発明の目的は、処理の均一性あるいは処理の歩留まりを向上することのできるプラズマ処理装置を提供することに有る。

上記目的は、真空容器内の処理室と、この処理室に処理ガスを供給する手段と、前記処理室を減圧する排気手段と、前記処理室内に配置されその上面に被処理体を載置する戴置台と、前記被処理体を前記載置台上に上下させる上下機構とを備え、前記載置台上方の空間にプラズマを形成して前記被処理体を処理するプラズマ処理装置において、前記載置台の前記被処理体の載置面の外周に配置され複数の部分から構成された環状の部材と、これら環状部材を移動して前記載置面上に載せられた前記被処理体の外周端と前記環状部材の内周端との間隔を０.５mm以下にする駆動手段とを備え、前記駆動手段の動作により前記環状部材がその外周側下端部を支点に内側が上下に移動可能に構成されたことにより達成される。

または、環状部材を移動して前記載置面上に載せられた前記被処理体の厚さ及び前記環状部材のフランジ部上方の内周縁と前記被処理体の外周端との間の距離の比が１.５以上にする駆動手段とを備えたことにより達成される。

さらに、前記被処理体が載せられた上下機構の動作に応じて前記駆動手段の動作により前記環状部材がその外周側下端部を支点に内側が上下に移動可能に構成されたことにより達成される。

また、前記駆動手段の動作により前記環状部材が前記被処理体が前記載置面に載せられた状態で内側に移動可能に構成されたことにより達成される。

さらにまた、前記環状部材がその内周端部に前記被処理体の下方に入り込むフランジ部を備えたことにより達成される。

煩雑な作業工程の追加によるスループットの大幅な低下や被処理体と環状部材との隙間から中性ラジカル等付着性の物質が進入することを抑制し、被処理体裏面の外周及び側面での異物源の堆積を防止することが出来る。また、環状部材を可動にすることで０.５mm以下にする。複数に分割された部品からなる環状部材を真空中において可動とすることにより、環状部材と被処理体側面とのクリアランスを極めて狭くし、被処理体の裏面外周及び側面への堆積物付着を防止することが出来る。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

本発明の実施例を図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本図において、真空容器により構成される処理室１０１には電磁波放射のためのアンテナ１０３が設置されている。アンテナ１０３には処理室１０１内にプラズマを生成するための電界を供給する高周波電源１０６が整合器１０７を介して接続されている。アンテナ１０３の下方には、処理室101の天井面を構成するシャワープレート１０９が配置されており、処理ガスがシャワープレート１０９に配置された複数のガス孔を介して下方の処理室１０１内部に導入される。

さらに、処理室１０１内をに減圧するため、例えば、処理室１０１下方にターボ分子ポンプ等の排気手段１０８が、および排気手段１０８と処理室１０１との間に処理室１０１内を所定の圧力値に調節するためのバルブ（図示せず）が配置されている。処理室１０１内部には、半導体ウエハ等の基板状の被処理体１０２を戴置するための略円筒形の戴置台１０４が設置されている。この戴置台１０４の上面には被処理体１０２を吸着するための静電チャック用電極１０５と被処理体１０２を載置台１０４の上方に持ち上げるためのプッシャーピン（図示せず）が設置されている。また、戴置台１０４上面の静電チャック用電極１０５の外周側の箇所には、環状部材１１０が設置されている。

排気手段１０８により減圧された処理室１０１内に被処理体１０２を搬送して載置した後、載置台１０４とシャワープレート１０９との間に処理ガスを導入しつつ、高周波電源１０６から電界を供給してこれを利用して処理ガスを励起してプラズマを形成する。このプラズマを用い載置台１０４上に吸着保持された被処理体１０２の表面を処理して、所望の形状に加工する。この処理に際して処理室内に生成された反応生成物やプラズマ中の荷電粒子や活性種等の粒子は、排気手段１０８により処理室１０１外に排出される。

図２は、図１に示す実施例の環状部材の構成の概略を示す上面図である。環状部材110は、被処理体１０２を上に持ち上げるためのプッシャーピン２０１を備えた戴置台１０４上面に配置され被処理体１０２の載置面を構成して静電チャック用電極１０５を内部に含む略円形の誘電体膜１０５′の外周側の部分に、その周縁に沿って配置されている。さらに、その周縁の周方向について複数の部分に分割されており、これらの分割された部分を組み合わせることで構成されている。

図３は、図２に示す環状部材の各ピースの構成の概略を示す斜視図である。環状部材
１１０の各ピース１１０ａの内周縁下部には、内周側に突出したフランジ部３０１配置され、このフランジ部３０１上で被処理体１０２の外周端部を保持できるよう構成されている。また、環状部材１１０ａ上面の内周側には、被処理体１０２をピース１１０ａの内周側へ誘導するためのガイドピン３０２が配置されている。ここでは、円筒状のガイドピンを例として図示しているが、直方体等であっても同様の効果が期待できることは言うまでも無い。

また、図３（ｂ）に示すように、ピース１１０ａ内周縁の上部の側壁には、ピース110aと被処理体１０２外周端部との密着性の向上と過度な負荷によるピース１１０ａまたは被処理体１０２の損傷を抑制するためシリコンゴム等の弾性を有した材料により構成された保護膜３０３が装着されている。

また、図４は、図３に示す本実施例に係る環状部材の変形例を示す斜視図である。図４(ａ)に示すピース１１０ｂは、載置台１０４上に配置された状態で隣り合うピースの下方に入り込んで、その上方に隣接するピースが載せられて覆われる下部突起４０１を、該隣接するピースと対向する周方向の一端面の下部に有している。また、このピース１１０ｂの周方向の他端面の上部には、隣接するピースと組み合わされてその上方に載せられて覆う上部突起４０２を備えている。このような構成により、環状部材１１０の各ピースの接続部におけるピースの端面同士の隙間からイオンやラジカル等の処理室内の粒子が環状部材１１０の裏面に回りこむことを抑制することが出来る。

また、図４（ｂ）に示すピース１１０ｂの様に、隣接するピースと対向する面である接合面にシリコンゴム等の弾性を有した材料による保護膜４０３が装着されていても良い。このような構成により、環状部材１１０の密着性の向上と接合面を保護することが出来る。また、環状部材１１０は、図４（ａ）に示すような下部突起４０１や上部突起４０２の隣接するピースと対向、当接する面に図４（ｂ）に示すような保護膜４０３を組み合わせたものであっても良い。

次に、上記環状部材を用いたプラズマ処理装置を用いて被処理体１０２を戴置台１０４に載置する際の動作について図５を用いて説明する。図５は、図１に示す実施例における被処理体を載置台に載置する動作の流れを示す模式図である。この図において、図５(ａ)は図示しない被処理体１０２の搬送装置から載置台１０４に配置された図２に示すプッシャーピン２０１と同等のプッシャーピン２０２上端に被処理体１０２を載せた状態を示す図である。この状態で環状部材１１０は、誘電体膜１０５′または被処理体１０２の径方向外周側の下部を支点に径方向内側端部を上方に持ち上げて傾斜させている。この際、フランジ部３０１上方の環状部材１１０内周縁の径は、被処理体１０２の径よりも大きくなっている。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の状態からプッシャーピン２０２が下降して、環状部材110内周下部にあるフランジ３０１上端部で被処理体１０２を保持した状態を示している。この際、プッシャーピン２０２が被処理体１０２裏面に接触していてもよい。

図５（ｃ）は、さらに下方へプッシャーピン２０２が下降する動作と連動して、環状部材１１０がその径方向外周下部を支点として径方向内側が下方に移動し、被処理体１０２を誘電体膜１０５′面上に載置する。この際、被処理体１０２が処理に適切な位置からずれている場合には、ガイドピン３０２により適切な位置へ被処理体１０２を誘導することが出来る。そして、静電チャック用電極１０５に所定の電圧を印加する事によって被処理体１０２を誘電体膜１０５′上に吸着保持する。その後、更に環状部材１１０の内周部を下方へ移動させることで、被処理体１０２の外周端部の側面と環状部材１０２のフランジ部３０１上方の内周縁部の側面との距離を短くすることが出来る。

上記の実施例では、被処理体１０２のプッシャーピン２０２による下降に連動し、環状部材１１０がその外周部下端を支点として移動する例を示したが、被処理体１０２の上昇に連動し、環状部材１１０を下降の場合と逆方向に回転移動できるようにしている。ここで、被処理体１０２を載置台１０４上の載置時の被処理体１０２と環状部材１１０との位置関係を図６に示す。従来の技術では、搬送してプッシャーピン２０２上に載せた際に生じるずれを考慮し、環状部材１１０の内周縁の径は被処理体の径よりも大きく設計されている。一方、上記実施例の環状部材１１０はこれを上下に回転させて内周端部（フランジ部３０１）を移動させる可動機構を備えており、環状部材１１０の内径の大きさを変化させることを可能にすることで、環状部材１１０内周端と被処理体１０２外周端との距離Ｄを０.５mm以下とすることが出来る。

前述したように、従来の技術では、環状部材１１０内周は被処理体よりも大きく設計されているため、環状部材１１０内周と被処理体外周との距離Ｄは約１mmとなっている。発明者らの検討によれば、この状態で被処理体をプラズマ処理した場合の被処理体１０２外周端の裏面における堆積物の厚さは１５０ｎｍ程度となり、これが剥がれ落ち、異物として生産ラインを汚染する原因となっている。また、堆積物が剥がれ落ちるのを避けるためには、堆積物の厚さを１００ｎｍ以下に抑える必要があるという知見を得ており、これを実現するためには堆積物を３分の２以下に低減する必要となる。

環状部材１１０内周と被処理体１０２外周との隙間をトレンチと見立てれば、被処理体１０２の厚さｔが０.８mm の場合、従来の技術では環状部材１１０内周と被処理体１０２外周との距離Ｄが約１mmであるからアスペクト比は０.８となる。ここで、図７に、トレンチにおけるアスペクト比と底面到達フラックスの関係を検討した結果を示す。本図は、堆積の影響が最も大きいと考えられる付着係数が１.０の堆積性ラジカルについて考察したものである。図７の結果より、アスペクト比が高くなればなるほど底面に到達するフラックスは指数関数的に減少することを表している。従来の技術ではアスペクト比が０.８であることから、被処理体１０２表面に入射するフラックスを１とすると被処理体１０２裏面に到達するフラックスは約０.４７となる。このフラックスを３分の２以下にすれば、被処理体１０２裏面外周の堆積物の厚さも３分の２以下に出来ると予想され、これを実現するためにはアスペクト比を１.５以上とする必要がある。

例えば、被処理体の厚さｔが０.８mm の場合、環状部材１１０内周と被処理１０２体外周との距離Ｄを０.５３mm以下とすることにより、堆積物が剥がれ落ちることを避けることが出来る。よって、実用上、環状部材１１０内周と被処理体１０２外周との距離Ｄは、０.５mm 以下とすることにより、十分な効果が得られることが期待できる。なお上記では、環状部材１１０内周端と被処理体１０２外周端との間に隙間が存在する前提で議論を進めたが、環状部材１１０内周端と被処理体１０２外周端が密着状態にある場合には、より効果的にプラズマ処理中に被処理体１０２の裏面外周及び側面にプラズマやラジカル等が回り込むことや堆積物の付着を防止することが出来ることは言うまでも無い。

図８は、図５に示す実施例の動作の変形例を示す図である。図８（ａ）は、図５と同様に図示しない被処理体１０２の搬送装置からプッシャーピン２０２上に被処理体１０２を設置した状態である。この時、環状部材１１０は、被処理体１０２の径方向外側に移動しており、環状部材１１０上部内径は、被処理体１０２よりも大きくされている。また、環状部材１１０は、被処理体１０２の載置台１０４の載置面上での載置時に被処理体１０２外周端と環状部材１１０内周端部の側面との間隔が０.５mm 以下となる位置までバネ等の付勢手段やアクチュエータ、エアシリンダといった駆動手段により移動する機構を備えている。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の状態からプッシャーピン２０２が下降し、被処理体１０２を静電チャック用電極１０５を有する誘電体膜１０５′上に載置した状態を示している。この状態で、環状部材１１０のフランジ部３０１上方の内周端縁は、被処理体１０２の外周端より外側に位置している。図８（ｃ）は、環状部材１１０が被処理体１０２の径方向内側に移動してフランジ部３０１が被処理体１０２外周部下方に入り込んで覆われた状態を示している。この際、被処理体１０２が設置位置に対してずれが発生した場合、ガイドピン３０２により適切な位置へ被処理体を誘導することが出来る。そして、静電チャック用電極１０５に所定の電圧を印加する事によって被処理体１０２を吸着保持する。その後、更に環状部材１１０を径方向内側へ移動させ、環状部材１１０のフランジ部３０１上部の内周端部側面と被処理体１０２外周端部側面との距離Ｄを０.５mm以下とする。

この構成により、前述した様にプラズマ処理中に被処理体１０２の裏面外周及び側面にプラズマやラジカル等が回り込むことや堆積物の付着を低減することが出来る。また、被処理体１０２の厚さｔと環状部材１１０内周−被処理体１０２外周端間の距離Ｄとのアスペクト比が１.５以上である場合や、環状部材１１０内周と被処理体１０２外周が密着状態にある場合にも、同様の効果を期待することが出来る。

なお、上記の実施例では、環状部材１１０の構造および機構について説明したが、本実施例に開示の発明は、これらに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更にも適用できる。また、上記の実施例では、プラズマの生成手段が被処理体１０２の対面に配置された電極に被処理体１０２と別の高周波電力を印加してプラズマを生成する手段について説明したが、プラズマの生成が被処理体１０２の載置台１０４に高周波電力を印加することでプラズマを生成する手段あるいはプラズマ生成手段が誘導結合方式または磁場と高周波電界の相互作用によってプラズマが生成されることを特徴とするプラズマ処理装置であっても同様の効果が得られることは言うまでも無い。

なお、上記の調査の対象とした具体的なプロセスは、被処理体１０２上面に配置された絶縁膜にコンタクトホール等を形成するプロセスであり、ガス系がＣ₄Ｆ₆／Ｏ₂／Ａｒ＝３０／３０／５００ccm、圧力が約２Ｐａ、被処理体としての半導体ウエハの設定温度が−２０℃、ウエハバイアスが約１８００Ｗの条件で行なった。ガス種，ガス流量，圧力，ウエハの設定温度およびウエハバイアスがこの条件から大きく逸脱しない範囲において、同様の効果が得られることは言うまでも無い。また、プラズマの原料ガスにフロロカーボン系ガスを主成分とするプロセスにおいて、被処理体１０２であるシリコン基板上の
ＳｉＯ₂，ＳｉＣ，ＳｉＯＣ，ＳｉＯＣＨ，ＳｉＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄ のいずれか一つを主原料とする膜をエッチング処理するプロセスに適用できることは勿論である。なお、エッチングに用いる絶縁膜は、該プラズマ処理装置を用いて被処理体１０２であるシリコン基板上のＳｉＯ₂，ＳｉＣ，ＳｉＯＣ，ＳｉＯＣＨ，ＳｉＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄ の二種類以上の多層構造をエッチング処理することにも適用できることは勿論である。さらに、プラズマの原料ガスに塩素ガスを主成分とするプロセスにおいて、Ｓｉ，Ａｌ，Ｗのいずれか一つをエッチングすることにも適用できることは勿論である。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図１に示す実施例の環状部材の構成の概略を示す上面図である。図２に示す環状部材の各ピースの構成の概略を示す斜視図である。図３に示す本実施例に係る環状部材の変形例を示す斜視図である。図１に示す実施例における被処理体を載置台に載置する動作の流れを示す模式図である。被処理体を載置台上に載置時の被処理体と環状部材との位置関係を示す断面図である。トレンチにおけるアスペクト比と底面到達フラックスの関係を検討した結果を示すグラフである。図５に示す実施例の動作の変形例を示す図である。

符号の説明

１０１…処理室、１０２…被処理体、１０３…アンテナ、１０４…載置台、１０５…静電チャック用電極、１０６…高周波電源、１０７…整合器、１０８…排気手段、１０９…シャワープレート、１１０…環状部材、２０１，２０２…プッシャーピン、３０１…フランジ部、３０２…ガイドピン、３０３，４０３…保護膜、４０１…下部突起部、４０２…上部突起部。

Claims

真空容器内の処理室と、この処理室に処理ガスを供給する手段と、前記処理室を減圧する排気手段と、前記処理室内に配置されその上面に被処理体を載置する戴置台と、前記被処理体を前記載置台上に上下させる上下機構とを備え、前記載置台上方の空間にプラズマを形成して前記被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
前記載置台の前記被処理体の載置面の外周に配置され複数の部分から構成された環状の部材と、これら環状部材を移動して前記載置面上に載せられた前記被処理体の外周端と前記環状部材の内周端との間隔を０.５mm以下にする駆動手段とを備え、
前記駆動手段の動作により前記環状部材がその外周側下端部を支点に内側が上下に移動可能に構成されたプラズマ処理装置。
真空容器内の処理室と、この処理室に処理ガスを供給する手段と、前記処理室を減圧する排気手段と、前記処理室内に配置されその上面に被処理体を載置する戴置台と、前記被処理体を前記載置台上に上下させる上下機構とを備え、前記載置台上方の空間にプラズマを形成して前記被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
前記載置台の前記被処理体の載置面の外周に配置され複数の部分から構成された環状の部材と、これら環状部材を移動して前記載置面上に載せられた前記被処理体の厚さ及び前記環状部材のフランジ部上方の内周縁と前記被処理体の外周端との間の距離の比が１.５以上にする駆動手段とを備え、
前記駆動手段の動作により前記環状部材がその外周側下端部を支点に内側が上下に移動可能に構成されたプラズマ処理装置。
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、前記被処理体が載せられた上下機構の動作に応じて前記駆動手段の動作により前記環状部材がその外周側下端部を支点に内側が上下に移動可能に構成されたプラズマ処理装置。
請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、前記駆動手段の動作により前記環状部材が前記被処理体が前記載置面に載せられた状態で内側に移動可能に構成されたプラズマ処理装置。
請求項１乃至４の何れかに記載のプラズマ処理装置において、前記環状部材がその内周端部に前記被処理体の下方に入り込むフランジ部を備えたプラズマ処理装置。