JP4877884B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを生成して所定の処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシング等の処理を行うために、プラズマ処理装置が多用されている。このプラズマ処理装置の１つに、平行平板型と呼ばれるものがある。以下、従来の平行平板型プラズマ処理装置について、これをエッチング装置に適用した場合を例にして説明する。
【０００３】
図１０は、かかるエッチング装置の一構成例を示す図である。図１０（ａ）に示すように、このエッチング装置では、気密に閉塞自在な処理容器１１１の内部が処理室１１２となっている。処理容器１１１の底部には、処理室１１２内を所定の真空度に排気するための排気口１１３が設けられ、処理容器１１１の側壁には、処理室１１２内にプロセスガスを供給するためのガス供給ノズル１１４が設けられている。
処理室１１２内には、一対の平行平板電極を構成する上部電極１２１とサセプター１３１とが配置されている。上部電極１２１には、プラズマを生成するための電力を供給する高周波電源１２４が、給電棒１２２を介して接続されている。
なお、給電棒１２２にはマッチャー１２３が介装されている。
【０００４】
一方、サセプター１３１には、サセプター１３１と上部電極１２１との間にバイアスを印加するための電力を供給する高周波電源１３４が、給電棒１３２を介して接続されている。なお、給電棒１３２にはマッチャー１３３が介装されている。
また、サセプター１３１の載置面には静電チャック１４１が設けられている。図１０（ｂ）に示すように、静電チャック１４１は、２枚の絶縁フィルム１４１Ａ，１４１Ｂ間に導電膜１４１Ｃを挟み込んだ構成をしている。静電チャック１４１の導電膜１４１Ｃは、処理容器１１１の外部に設けられた可変直流高圧電源１４２に接続されている。さらに、サセプター１３１の載置面の周縁部には、静電チャック１４１を囲むように、環状のフォーカスリング１４３が設けられている。
【０００５】
図１１は、プラズマバルクＰからバイアス用の電源１３４に至る立体回路の回路図である。この図において、Ｃ1 はプラズマバルクＰの周囲のイオンシースＳＨにできる容量、Ｃ2 はウェーハＷ上に形成されたゲート酸化膜にできる容量、Ｃ3 はウェーハＷと静電チャック１４１との隙間にできる容量、Ｃ4 ，Ｃ5 は静電チャック１４１の絶縁フィルム１４１Ａ，１４１Ｂにできる容量を示している。また、ＲはウェーハＷの抵抗、Ｗ′はウェーハＷ上に形成された素子又は配線を示している。
また、図１２は、図１１に示した立体回路の各部における電圧変化を示す図である。ここで、図１２（ａ）はマッチャー１３３の高周波電源１３４側（図１１のａ点）の電圧変化、図１２（ｂ）はマッチャー１３３のサセプター１３１側（図１１のｂ点）の電圧変化、図１２（ｃ）はウェーハＷの表面であるエッチング面（図１１のｃ点）の電圧変化をそれぞれ示している。
【０００６】
プラズマが生成されると、プラズマ内の電子とイオンの移動度の違いにより、イオンシースＳＨの表面に負の直流電圧Ｖdcが発生する。この直流電圧Ｖdcの値は、プロセス条件によっても異なるが、例えば−７００Ｖ程度となることがある。この場合、バイアス用の電源１３４から例えば図１２（ａ）に示すように振幅７５０Ｖの交流電圧が出力されると、ウェーハＷのエッチング面（ｃ点）の電圧は図１２（ｃ）に示すように、上記交流電圧に直流電圧Ｖdcが重畳した電圧となる。
しかし、マッチャー１３３のサセプター１３１側（ｂ点）の電圧は、図１２（ｂ）に示すように電源１３４側とほぼ同じであり、マッチャー１３３の両端間には直流電圧がほとんどかかっていないことが分かる。したがって、直流電圧Ｖdcのほどんどは、ウェーハＷから静電チャック１４１にかかっていると言える。ここで、ウェーハＷの容量Ｃ2 は静電チャック１４１の容量Ｃ4 ，Ｃ5 と比較して十分小さいので、ウェーハＷの表裏には相当大きな電圧がかかっていると言える。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ウェーハＷの表裏に大きな電位差が発生すると、ウェーハＷ上に形成されたゲート酸化膜等がダメージを受け、素子が破壊される原因となる。この問題はプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した場合に限らず、プラズマ処理装置に共通の問題である。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ウェーハＷ等の基板の表裏にかかる電位差を小さくすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、所定の真空度を維持する容器と、この容器内にプラズマを生成するためのプラズマ源と、容器内に配置されプラズマによる処理がなされる基板が置かれる第１の電極と、この第１の電極における基板が置かれる載置面の周縁部に配置されたフォーカスリングと、プラズマが生成されたときにイオンシースに発生する直流電圧を第１の電極に導く導通手段とを備えたことを特徴とする。プラズマが生成されたときに発生する直流電圧を第１の電極に導くことにより、その直流電圧が基板の表面及び裏面のいずれにも印加されることになるので、基板の両面が同電位となる。
ここで、プラズマ源を、第１の電極と、容器内で第１の電極に対向配置された第２の電極のうち、プラズマを生成する第１の電力が供給される電極で構成してもよい。この場合、いわゆる平行平板型のプラズマ処理装置となる。
【０００９】
また、導通手段は、プラズマが生成されたときにプラズマが存在する空間に一端が露出すると共に他端が第１の電極に電気的に接続された導電性を有する部材により構成してもよい。
この場合、フォーカスリングに、前記プラズマが存在する空間と第１の電極とを連通する貫通孔を形成し、この貫通孔に導電性を有する部材を挿入するようにしてもよい。また、第１の電極の側面に延在する絶縁材料で形成されたインシュレータを更に備え、このインシュレーターに、前記プラズマが存在する空間と第１の電極とを連通する貫通孔を形成し、この貫通孔に導電性を有する部材を挿入するようにしてもよい。
また、導電性を有する部材の一端は、基板の材料を主成分とする材料で形成されてもよい。これにより、容器内の汚染を抑制できる。
【００１０】
また、導通手段は、フォーカスリングに形成された第１の電極側の面と第２の電極側の面との間を貫通する貫通孔により構成し、この貫通孔に面する第１の電極上の領域は導電性を有するようにしてもよい。
ここで、フォーカスリングに形成された貫通孔に面する第１の電極上の領域は、基板に含まれる材料を主成分とする材料で形成されてもよい。これにより、容器内の汚染を抑制できる。
【００１１】
また、フォーカスリングは、導体で形成され、導通手段は、フォーカスリングと第１の電極とが電気的に接続されることにより構成してもよい。
ここで、フォーカスリングと第１の電極との間に、直流電圧の透過量を調整するフィルタを介在させてもよい。このフィルタを調整することにより、フォーカスリングに印加された直流電圧の値を所望の値に調整して、基板の裏面に与えることができる。
また、第２の電力を第１の電極に供給する電源を更に備え、フィルタは、第２の電力の通過位相を調整して、第２の電力の位相を基板とフォーカスリングとの間で一致させる機能を有していてもよい。これにより、第１及び第２の電極間の全域に均一なバイアスを印加することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。ここでは、本発明によるプラズマ装置をエッチング装置に適用した場合を例にして説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。また、図２は、このエッチング装置の一部構成を拡大して示す断面図である。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、このエッチング装置では、気密に閉塞自在な円筒形状の処理容器１１の内部が処理室１２となっている。処理容器１２はアルミニウム等の導電材料で形成され、接地されている。処理容器１１の底部には、真空ポンプ（図示せず）に通ずる排気口１３が設けられており、処理室１１内を所望の真空度にすることができる。また、処理容器１１の側壁には、処理室１２内にＡｒ，Ｏ₂ ，Ｃ₄Ｈ₈等のプロセスガスを供給するガス供給ノズル１４が設けられている。
処理室１２内には、一対の平行平板電極を構成する第１の電極としてのサセプター３１と、第２の電極としての上部電極２１とが対向配置されている。サセプター３１及び上部電極２１は、例えばアルミニウムで形成されている。
【００１４】
上部電極２１には給電棒２２を介して高周波電源２４が接続されている。この高周波電源２４は、処理室１２内にプラズマを生成するための第１の電力を供給する電源であり、周波数が１０ＭＨｚ以上で電力値が数ｋＷ程度の電力を出力するものであればよい。ここでは周波数が６０ＭＨｚ、電力値が２ｋＷの電力を出力するものとする。また、給電棒２２の途中には、高周波電源２４と上部電極２１とのインピーダンスを整合させるマッチャー２３が介装されている。
【００１５】
一方、サセプター３１には給電棒３２を介して高周波電源３４が接続されている。この高周波電源３４は、サセプター３１と上部電極２１との間にバイアスを印加するための第２の電力を供給する電源である。この第２の電力は、プラズマ励起用の第１の電力の周波数よりも実質的に低い周波数で、電力値が数ｋＷ程度であればよい。ここでは周波数が２ＭＨｚ、電力値が１．５ｋＷの電力であるとする。また、給電棒３２の途中には、高周波電源３４とサセプター３１とのインピーダンスを整合させるマッチャー３３が介装されている。マッチャー２３，３３は例えば可変コンデンサで構成される。
【００１６】
サセプター３１は、図２に示すように、セラミック等の絶縁材料で形成されたインシュレーター４４を介して、処理容器１１の底部に固定されている。このインシュレータ４４をサセプター３１の側部に延在させることにより、サセプター３１の側方にプラズマが存在できる空間が小さくなるので、上部電極２１とサセプター３１との間の空間に効率よくプラズマを生成できる。
【００１７】
また、サセプター３１の載置面には静電チャック４１が設けられている。図１（ｂ）に示すように、静電チャック４１は例えば、２枚の高分子ポリイミドフィルム４１Ａ，４１Ｂ間に、銅箔等の導電膜４１Ｃを絶縁状態で挟み込んだ構成をしている。静電チャック４１の導電膜４１Ｃは、処理容器１１の外部に設けられた可変直流高圧電源４２に接続されている。この電源４２から導電膜４１Ｃに高電圧を印加することにより、静電チャック４１の上面にウェーハ（基板）Ｗを静電力で吸着保持することが可能となる。
【００１８】
図２に示すように、サセプター３１の載置面の周縁部には、静電チャック４１を囲むように、環状のフォーカスリング４３が配置されている。フォーカスリング４３は、ウェーハＷが載置されたときに、ウェーハＷの上面がフォーカスリング４３の上面と同じ高さになるように形成されている。プラズマはウェーハＷのエッジに集中する傾向にあるが、フォーカスリング４３をウェーハＷと見立てることで、プラズマがウェーハＷのエッジに集中することを抑制し、ウェーハＷの全域でプラズマをより均一に分布させることができる。フォーカスリング４３は、処理室１２内を汚染しないように、ウェーハＷの材料を主成分とする材料で形成される。例えばウェーハＷがＳｉウェーハである場合、フォーカスリング４３はＳｉ，ＳｉＯ₂ 等で形成される。なお、フォーカスリング４３は導電性の有無を問わない。
【００１９】
フォーカスリング４３には、その上面と下面との間を貫通するネジ穴（貫通孔）が形成され、このネジ穴に対応するサセプター３１上の位置にもネジ穴が形成されている。これらのネジ穴にネジ４５を通すことにより、フォーカスリング４３はサセプター３１に固定される。
ネジ４５についても、フォーカスリング４３と同様に、処理室１２内を汚染しない材料で形成する必要がある。したがって、例えばウェーハＷがＳｉウェーハである場合には、Ｓｉにドープして導電性をもたせたものが使用される。あるいは、金属製のネジの表面をＳｉで覆ったものを使用してもよい。少なくとも、プラズマと接触するネジ頭（ネジ４５の一端）が、ウェーハＷの材料を主成分とする材料で形成されていればよい。
【００２０】
次に、図１，図２に示したエッチング装置の動作について簡単に説明する。
まず、ウェーハＷを静電チャック４１上に固定した状態で、処理室１２内を２．７Ｐａ程度の真空度にする。この真空度を維持しつつ、ガス供給ノズル１４から処理室１２内に、Ａｒ，Ｏ₂ ，Ｃ₄Ｆ₈をそれぞれ４００sccm，１０sccm，８sccm，の流量で導入する。
この状態でプラズマ励起用の電源２４から周波数が６０ＭＨｚ、電力値が２ｋＷの電力を上部電極２１に供給すると、上部電極２１とサセプター３１との間の空間で放電が起こり、この放電によりＡｒ，Ｏ₂ が電離してプラズマが生成される。
【００２１】
そして、バイアス用の電源３４から周波数が２ＭＨｚ、電力値が１．５ｋＷの電力（電圧振幅７５０Ｖ）をサセプター３１に供給して、上部電極２１とサセプター３１との間にバイアスを印加することにより、プラズマのエネルギー及び異方性を制御しつつ、ウェーハＷをエッチングをすることができる。
一方、サセプター３１及び上部電極２１の電位はプラズマバルクＰの電位よりも低いので、サセプター３１及び上部電極２１はプラズマバルクＰ中のイオンを引き寄せて電子を引き離すように作用する。この結果、プラズマバルクＰの周縁に電界を伴ったイオンの層ができる。この層をイオンシースＳＨという。このとき、イオンシースＳＨの表面に、−７００Ｖ程度の直流電圧Ｖdcが発生する。
【００２２】
図３は、プラズマバルクＰからバイアス用の電源３４に至る立体回路の回路図である。この図では、図１１に相当する部分を同一符号で示している。図３が図１１と異なるのは、直流電圧Ｖdcをサセプター３１に導く導通手段を有しているところである。この導通手段は、フォーカスリング４３をサセプター３１に固定するネジ４５により構成される。このネジ４５の一端は、プラズマが生成されたときにプラズマの存在する空間に露出し、他端はサセプター３１に電気的に接続されている。このため、直流電圧Ｖdcはネジ４５を介してサセプター３２に与えられる。
【００２３】
図４は、図３に示した立体回路の各部における電圧変化を示す図である。ここで、図４（ａ）はマッチャー３３の高周波電源３４側（図３のａ点）の電圧変化、図４（ｂ）はマッチャー３３のサセプター３１側（図３のｂ点）の電圧変化、図４（ｃ）はウェーハＷの表面であるエッチング面（図３のｃ点）の電圧変化をそれぞれ示している。
上述したように、プラズマが生成されると、−７００Ｖ程度の直流電圧Ｖdcが発生する。この直流電圧ＶdcはウェーハＷのエッチング面に印加される（図４（ｃ））と共に、ネジ４５を介してサセプター３２にも印加される（図４（ｂ））。これにより、ウェーハＷのエッチング面と裏面とが同電位となるので、両面に大きな電位差が発生することによって起こる素子の破壊を防止できる。
なお、図１に示したエッチング装置では、上部電極２１にプラズマ励起用の第１の電力を供給し、サセプター３２にバイアス用の第２の電力を供給するようにしたが、これとは逆に、サセプター３２にプラズマ励起用の第１の電力を供給し、上部電極２１にバイアス用の第２の電力を供給するようにしてもよい。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大して示す断面図である。この図は、第１の実施の形態における図２に相当するものであり、図２と同一部分又は相当部分を同一符号で示している。
インシュレーター４４には、外周と内周との間を貫通する貫通孔が形成され、この貫通孔に対応するサセプター３１側面の位置にも孔が形成されている。これらの孔に導体線４６を通し、その一端をインシュレータ４４の外部に露出させ、他端をサセプター３１に電気的に接続させる。この導体線４６も、図２に示したネジ４５と同様に、処理室１２内の汚染防止を考慮して作成される。
【００２５】
このエッチング装置では、直流電圧Ｖdcをサセプター３１に導く導通手段を、インシュレーター４４及びサセプター３１の孔に挿入された導体線４６で構成している。上部電極２１とサセプター３１との間で生成されたプラズマは、処理室１２内に拡散し、インシュレーター４４の外周に沿った領域にも存在する。この領域のプラズマから導体線４６を介してサセプター３１に直流電圧Ｖdcが与えられる。よって、ウェーハＷの表裏が同電位となるので、図１，図２に示したエッチング装置と同様に、ウェーハＷに形成された素子の破壊を防止できる。
【００２６】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大して示す断面図である。この図は、第１の実施の形態における図２に相当するものであり、図２と同一部分又は相当部分を同一符号で示している。
フォーカスリング４３には、その上面と下面との間を貫通する貫通孔４３Ａが形成されている。このエッチング装置では、直流電圧Ｖdcをサセプター３１に導く導通手段を、この貫通孔４３Ａで構成している。上部電極２１とサセプター３１との間で生成されたプラズマは、貫通孔４３Ａ内に進入して、サセプター３１の載置面と接触する。
【００２７】
プラズマが接触した載置面上の領域が導電性を有していれば、サセプター３１に直流電圧Ｖdcが与えられるので、上述と同様にウェーハＷに形成された素子の破壊を防止できる。ただし、サセプター３１を形成するアルミニウムはプラズマによって酸化されやすいので、プラズマによって容易に酸化されない導体板４７を、貫通孔４３Ａに面する載置面上の領域に配置しておくとよい。このとき、処理室１２内の汚染防止を考慮して、上記導体板４７はウェーハＷの材料を主成分とする材料で形成する必要がある。例えばウェーハＷがＳｉウェーハである場合には、Ｓｉにドープして導電性をもたせたものを使用できる。
【００２８】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大して示す断面図である。この図は、第１の実施の形態における図２に相当するものであり、図２と同一部分又は相当部分を同一符号で示している。
フォーカスリング４３は、導体で形成されている。例えばウェーハＷがＳｉウェーハである場合には、Ｓｉにドープして導電性をもたせたものが使用される。このフォーカスリング４３はフィルタ４８を介して給電棒３２に接続されている。このフィルタ４８は、直流電圧の透過量を調整するフィルタである。このエッチング装置では、直流電圧Ｖdcをサセプター３１に導く導通手段を、フォーカスリング４３とフィルタ４８と給電棒３２との電気的接続により構成している。
【００２９】
例えば、サセプター３１上におけるプラズマ分布が不均一である場合に、フォーカスリング４３上に発生する直流電圧Ｖdcf が、ウェーハＷ上に発生する直流電圧Ｖdcw よりも絶対値が大きくなる場合がある。このような場合には、フィルタ４８の透過量を調整し、Ｖdcf を減衰させＶdcw と等しくして、給電棒３２に供給するようにする。これにより、ウェーハＷのエッチング面と裏面とが同電位となるので、両面に大きな電位差が発生することによって起こる素子の破壊を防止できる。
【００３０】
また、フィルタ４８は、バイアス用の第２の電力の通過位相を調整する機能を有している。直流電圧に対する透過特性を変化させると、第２の電力の通過位相が変化して、第２の電力の位相がウェーハＷとフォーカスリング４３との間で異なることになる。この場合、ウェーハＷ上とフォーカスリング４３上とで電位差が生じ、サセプター３１上の全域で均一なバイアスを印加することができなくなる。しかし、フィルタ４８の上述した機能を用いて第２の電力の通過位相を調整し、第２の電力の位相をウェーハＷとフォーカスリング４３との間で一致させることにより、サセプター３１上の全域で均一なバイアスを印加することができる。
なお、フィルタ４８の透過特性と位相特性は、プロセス条件等の変更に応じて最適値に調整できるように、可変とすることが望ましい。
【００３１】
以上では、プラズマを生成する第１の電力が供給される平行平板電極の一方をプラズマ源とする平行平板型エッチング装置を例にして説明したが、図８に示すように第１の電力が供給されるコイル６１をプラズマ源とする誘導結合プラズマエッチング装置（ＩＣＰエッチング装置）や、図９に示すような処理室１２内にマイクロ波ＭＷを供給するラジアルアンテナ７１などのアンテナをプラズマ源とするマイクロ波エッチング装置など、他のプラズマ源を用いるエッチング装置にも本発明を適用できる。なお、図８，図９において、図１，図２と同一部分又は相当部分には同一符号が付してある。１６は誘電体窓、１７はマイクロ波ＭＷ漏洩防止用のシールド材、７２は導波路、７３はマイクロ波発生器である。
また、本発明は、エッチング装置のみならず、プラズマＣＶＤ装置やアッシング装置など、他のプラズマ処理装置に適用してもよいことは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマが生成されたときにイオンシースに発生する直流電圧を、基板が置かれる第１の電極に導く導通手段を有するものである。この直流電圧を第１の電極に導くことにより、直流電圧が基板の表面及び裏面のいずれにも印加されることになるので、基板の両面が同電位となる。したがって、基板の両面に大きな電位差が発生することによって起こる素子の破壊を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図２】 図１に示したエッチング装置の一部構成を拡大して示す断面図である。
【図３】 プラズマバルクからバイアス用の電源に至る立体回路の回路図である。
【図４】 図３に示した立体回路の各部における電圧変化を示す図である。
【図５】 本発明の第２の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大して示す断面図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大して示す断面図である。
【図７】 本発明の第４の実施の形態であるエッチング装置の一部構成を拡大して示す断面図である。
【図８】 本発明に適用可能な誘導結合プラズマエッチング装置の構成を示す切り欠き図である。
【図９】 本発明に適用可能なマイクロ波エッチング装置の構成を示す断面図である。
【図１０】 従来のプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した場合の一構成例を示す図である。
【図１１】 プラズマバルクからバイアス用の電源に至る立体回路の回路図である。
【図１２】 図１１に示した立体回路の各部における電圧変化を示す図である。
【符号の説明】
１１…処理容器、１２…処理室、１３…排気口、１４…ガス供給ノズル、２１…上部電極（第２の電極）、２２，３２…給電棒、２３，３３…マッチャー、２４，３４…高周波電源、３１…サセプター（第１の電極）、４１…静電チャック、４１Ａ，４１Ｂ…高分子ポリイミドフィルム、４１Ｃ…導電膜、４２…可変直流高圧電源、４３…フォーカスリング、４３Ａ…貫通孔、４４…インシュレータ、４５…ネジ（導電性を有する部材）、４６…導体線（導電性を有する部材）、４７…導体板、４８…フィルタ、Ｃ…容量、Ｐ…プラズマバルク、Ｒ…抵抗、ＳＨ…イオンシース、Ｗ…ウェーハ（基板）。

Claims (1)

1. 所定の真空度を維持する容器と、この容器内にプラズマを生成するためのプラズマ源と、前記容器内に配置され前記プラズマによる処理がなされる基板が置かれる第１の電極と、この第１の電極の周縁部に配置されたフォーカスリングとを備えたプラズマ処理装置において、
   前記プラズマが生成されたときにイオンシースに発生する直流電圧を前記第１の電極に導く導通手段と、
   前記フォーカスリングと前記第１の電極との間に接続され、前記直流電圧の透過量を調整するフィルタと、
   第２の電力を前記第１の電極に供給する電源とを更に備え、
   前記フォーカスリングは、導体で形成され、
   前記導通手段は、前記フォーカスリングと前記第１の電極とが電気的に接続されるように構成され、
   前記フィルタは、前記導通手段に含まれ、前記第２の電力の通過位相を調整して、前記第２の電力の位相を前記基板と前記フォーカスリングとの間で一致させる
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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