JP5503503B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理装置に関する。
従来から、半導体装置の製造工程等においては、半導体ウエハや液晶表示装置用ガラス基板等の基板を、プラズマを用いて処理するプラズマ処理装置、例えば、プラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置等が使用されている。
上記のプラズマ処理装置としては、例えば、処理チャンバー内に、基板が載置される載置台が設けられ、この載置台に基板を吸着するための静電チャックを配設したものが知られている。このように載置台に静電チャックを配設したプラズマ処理装置では、静電チャックをプラズマから保護するため、載置台の載置面の形状を凸状とし、この凸状の載置面の大きさを基板より僅かに小さくし、載置面に配設された静電チャックの吸着面がプラズマに晒されないように構成したものが知られている。
また、半導体ウエハ等の基板の周囲にフォーカスリングを設けた構成のプラズマ処理装置では、半導体ウエハ吸着用の静電チャックの他に、フォーカスリング吸着用の静電チャックを設け、フォーカスリングを載置台に吸着することによって、載置台内を循環する温調媒体によりフォーカスリングの温調も行うようにすることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
なお、例えば直径３００ｍｍの半導体ウエハを処理するプラズマ処理装置では、凸状に形成された載置台の載置面の直径（静電チャックの吸着面の直径）を例えば２９６ｍｍ〜２９８ｍｍ程度とし、静電チャックの吸着面が全て半導体ウエハに覆われた状態とすることによって、処理中に静電チャックの吸着面がプラズマに晒されないようにしている。なお、この場合、静電チャックの吸着面内に埋設された静電チャック用電極の直径は、吸着面の直径よりさらに小さくなっている。
また、薄板状のフォーカスリングを半導体ウエハと同一平面上に載置し、フォーカスリングのインピーダンスを半導体ウエハのインピーダンスに近づけるようにしたプラズマ処理装置も知れている（例えば、特許文献２参照。）。
上記のように、従来からプラズマ処理装置においては、基板を載置する載置台の載置面及びこの載置面に配設された静電チャックの吸着面の直径を、プラズマ処理する半導体ウエハの直径より小さくすることによって、静電チャックの吸着面がプラズマに晒されないようにすることが行われている。
しかしながら、上記構成のプラズマ処理装置では、半導体ウエハの周縁部が静電チャックに吸着されないので、半導体ウエハの周縁部の温度が他の部分に比べて高くなる傾向がある。このため、半導体ウエハの中央部と、周縁部との温度の差により、半導体ウエハの中央部と周縁部でプラズマ処理の状態が異なる場合がある。例えば、プラズマエッチングにより半導体ウエハ上に形成されたエッチング対象膜にホールを形成する場合は、ホールの抜け性が半導体ウエハの中央部と周縁部で異なったり、フォトレジストに対するエッチング対象膜の選択比が半導体ウエハの中央部と周縁部で異なる場合等がある。このため、プラズマ処理の面内均一性が悪化するという問題がある。なお、上述した特許文献２の技術は、インピーダンスに着目したものであり、温度については考慮されていない。
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、被処理基板の周縁部の温度上昇を抑制することによってプラズマ処理の面内均一性を向上させることができ、均一なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
本発明のプラズマ処理装置の一態様は、内部を気密に閉塞可能とされた処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、前記処理チャンバー内から排気するための排気機構と、前記処理ガスのプラズマを生成するためのプラズマ生成機構と、前記処理チャンバー内に設けられ、被処理基板と、当該被処理基板の周囲を囲むように配設されるフォーカスリングとが同一の平面に載置されるよう構成された載置台と、前記載置台の温度を調節する温調機構と、前記載置台の上面に配設され、前記フォーカスリングの下部にまで延在する吸着用電極を有する静電チャックとを具備し、前記静電チャックの前記吸着用電極は、前記被処理基板と前記フォーカスリングとの境界部分が下方に向けて屈曲された形状とされていることを特徴とする。
本発明によれば、被処理基板の周縁部の温度上昇を抑制することによってプラズマ処理の面内均一性を向上させることができ、均一なプラズマ処理を行う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、本実施形態に係るプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示すものである。プラズマエッチング装置１は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
プラズマエッチング装置１は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に成形された処理チャンバー２を有しており、この処理チャンバー２は接地されている。処理チャンバー２内の底部には、セラミックスなどの絶縁性の材料から円筒状に形成された支持部材３を介して、略円柱状のサセプタ（載置台）５が設けられている。
サセプタ５には、被処理基板としての半導体ウエハＷと、この半導体ウエハＷの周囲を囲む環状のフォーカスリング１５とが載置される。このフォーカスリング１５は、例えば、シリコン等から構成されており、エッチングの面内均一性を向上させる作用を有する。また、サセプタ５は、下部電極の役割を果たすものであり、サセプタ５には、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
サセプタ５の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し冷媒排出管９から排出される。そして、冷媒室７を循環する冷媒の冷熱がサセプタ５を介して半導体ウエハＷに対して伝熱され、これにより半導体ウエハＷが所望の温度に制御される。
サセプタ５は、その上側が平面状に成形され、その平面状の上側面に静電チャック１１が設けられている。図２に示すように、静電チャック１１は、絶縁層１１ａの間に導電層である吸着用電極１１ｂを介在させて構成されている。静電チャック１１は、サセプタ５の上側面全体を覆うように配設されており、吸着用電極１１ｂは、半導体ウエハＷの周縁部より外側に延在し、フォーカスリング１５の下部にまで至るように配設されている。この静電チャック１１の吸着用電極１１ｂには、図１に示す直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加される。これによって、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷ及びフォーカスリング１５を静電吸着する。
サセプタ５、静電チャック１１には、半導体ウエハＷの裏面に、伝熱媒体（例えばＨｅガス等）を供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱が静電チャック１１を介して半導体ウエハＷに伝達され半導体ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
上記のとおり、本実施形態のプラズマエッチング装置１では、サセプタ５の上側が、凸状ではなく、平面状に成形され、静電チャック１１の吸着用電極１１ｂが、半導体ウエハＷの周縁部より外側に延在し、フォーカスリング１５の下部にまで至るように配設されている。したがって、半導体ウエハＷが、その周縁部に至るまでその全体が静電チャック１１に吸着された状態となる。これによって、半導体ウエハＷの全体が、サセプタ５の冷熱によって温度調節され、半導体ウエハＷの周縁部の温度が上昇することを抑制することができる。
なお、本実施形態では、吸着用電極１１ｂがフォーカスリング１５の下部にまで延在しているので、１つの吸着用電極１１ｂによって半導体ウエハＷとシリコン製のフォーカスリング１５を静電気的に吸着することができる構造となっている。このように、サセプタ５の上面を、フォーカスリング１５の載置部まで含めて平面状とし、１つの吸着用電極１１ｂで半導体ウエハＷとフォーカスリング１５とを吸着する構造となっているので、別途フォーカスリング１５を吸着するための吸着用電極を形成する工程を必要とすることなく、容易にフォーカスリング１５の吸着構造を実現することができる。
静電チャック１１を構成する絶縁層１１ａ及び吸着用電極１１ｂは、サセプタ５を構成するアルミニウム等からなる基材に、溶射によって形成することができる。このように絶縁層１１ａ等を溶射によって形成すると、絶縁層１１ａがプラズマによって削られ、その厚さが減少した場合に、溶射による補修を行うことができる。また、半導体ウエハＷとフォーカスリング１５を吸着するための吸着用電極を一度の溶射で形成できるので安価にフォーカスリング１５の吸着構造を実現することができる。
絶縁層１１ａを構成する材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等のセラミックスを用いることができる。Ｙ２Ｏ３は、プラズマに対する耐性が高く、プラズマによって削られ難いという特性を有している。また、半導体ウエハと同質のシリコンを用いた場合、半導体ウエハが異質の物質によって汚染されることを防止することができる。また、フォーカスリング１５を構成する材料としてはシリコンや窒化シリコンを用いることができる。
図２に示すように、静電チャック１１上に半導体ウエハＷを載置した際、半導体ウエハＷの周縁部とフォーカスリング１５の内周部との間には、半導体ウエハＷの搬送精度等との関係から例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の間隔Ｃが形成されるようになっている。そして、この間隔Ｃの部分からプラズマが入り込み、この部分の静電チャック１１の絶縁層１１ａが特にプラズマによって削られる。そして、吸着用電極１１ｂの上部の絶縁層１１ａの厚さが薄くなり、絶縁耐性が得られなくなると、静電チャック１１をそれ以上使用することができなくなる。
このため、図３に示すように、吸着用電極１１ｂの、半導体ウエハＷとフォーカスリング１５との境界部分に位置する部分（間隔Ｃの下方に位置する部分）に、下方に向けて屈曲した形状とした屈曲部１１ｃを設けることが好ましい。このように、吸着用電極１１ｂに屈曲部１１ｃを設けることによって、絶縁耐性が得られなくなるまでの使用時間を長くすることができ、静電チャック１１の長寿命化を図ることができる。なお、吸着用電極１１ｂの上部の絶縁層１１ａの厚さは、例えば数百ミクロン程度であり、この場合屈曲部１１ｃにおいて数十ミクロンから百ミクロン程度吸着用電極１１ｂを下方に屈曲させることが好ましい。
図１に示すように、サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、処理チャンバー２の上部に支持されている。上部電極２１は、電極板２４と、この電極板２４を支持する導電性材料からなる電極支持体２５とによって構成されている。電極板２４は、例えば、導電体または半導体で構成され、多数の吐出孔２３を有する。この電極板２４は、サセプタ５との対向面を形成する。
上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、このガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されている。さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマエッチング処理のための処理ガスが供給される。
処理チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、処理チャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、処理チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開いた状態で半導体ウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、例えば、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数の高周波電力を出力するよう構成されている。このように周波数の高い高周波電力を上部電極２１に印加することにより、処理チャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができる。
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は、第１の高周波電源４０より低い周波数の高周波電力を出力するものであり、このような低い周波数の高周波電力を印加することにより、被処理基板である半導体ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数としては、２０ＭＨｚ以下の程度のものが用いられる（本実施形態では１３．５６ＭＨｚ）。
上記構成のプラズマエッチング装置１は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置１の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース部６２と、記憶部６３とが設けられている。
ユーザインターフェース部６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置１を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
記憶部６３には、プラズマエッチング装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース部６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置１での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
図１に示すプラズマエッチング装置１によって、半導体ウエハＷのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室から処理チャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、半導体ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、処理チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
その後、バルブ２８が開かれ、処理ガス供給源３０から所定の処理ガスが、マスフローコントローラ２９によってその流量を調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図１の矢印で示すように、半導体ウエハＷに対して均一に吐出される。
そして、処理チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。その後、第１の高周波電源４０から所定の周波数の高周波電力が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。
他方、第２の高周波電源５０から、上記の第１の高周波電源４０より低い周波数の高周波電力が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
このプラズマエッチングの際に、本実施形態のプラズマエッチング装置１では、半導体ウエハＷが周縁部まで静電チャック１１に吸着され、半導体ウエハＷの周縁部の温度が上昇することを抑制することができるので、従来に比べてプラズマエッチング処理の面内均一性を向上させることができ、均一なプラズマエッチング処理を行うことができる。
そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー２内から搬出される。
図４のグラフは、直径３００ｍｍ（半径１５０ｍｍ）の半導体ウエハに、６０秒間プラズマを作用させてエッチングを行った際の半導体ウエハ各部の温度を測定した結果を示している。図４の縦軸は温度、横軸はウエハ中心からの距離を示しており、点線（マーク◆）は従来の装置の場合、実線（マーク△）、一点鎖線（マーク×）、二点鎖線（マーク□）は、本実施形態の場合を示している。また、実線（マーク△）は、Ａｌ２Ｏ３の溶射皮膜のＥＳＣと厚さ１．４ｍｍのシリコンフォーカスリングを用いた場合、一点鎖線（マーク×）は、Ｙ２Ｏ３の溶射皮膜のＥＳＣと厚さ１．４ｍｍのシリコンフォーカスリングを用いた場合、二点鎖線（マーク□）は、Ｙ２Ｏ３の溶射皮膜のＥＳＣと厚さ２．０ｍｍのシリコンフォーカスリングを用いた場合である。
点線（マーク◆）の従来の装置の場合とは、図６に示すように、載置台（サセプタ）１０５が、中央部が上方に突出した凸状に形成され、絶縁層１１１ａと導電層である吸着用電極１１１ｂとからなる静電チャック１１１の径が、半導体ウエハＷの径より小さい径とされ、フォーカスリング１１５が載置台（サセプタ）１０５の周囲に形成された段部に配設された構成の場合である。
図４に示されるように、従来の装置の場合、半導体ウエハＷの周縁部の温度が大きく上昇しているのに対して、本実施形態では、半導体ウエハＷの周縁部の温度の上昇を抑制できていることがわかる。
図５（ａ）、（ｂ）のグラフは、従来の装置と、本実施形態のプラズマエッチング装置（Ａｌ２Ｏ３の溶射皮膜のＥＳＣと厚さ１．４ｍｍのシリコンフォーカスリングを使用）でプラズマエッチングを行った際の、半導体ウエハの各部におけるフォトレジストのエッチングレートを測定した結果を示している。これらのグラフにおいて、縦軸はエッチングレート、横軸はウエハ中心からの距離を示している。また、点線はＸ軸に沿った位置におけるエッチングレート、実線はこれと直交するＹ軸に沿った位置におけるエッチングレートを示している。
図５（ａ）に示すように、従来の装置の場合、半導体ウエハＷの周縁部においてフォトレジストのエッチングレートが急激に上昇している。これに対して、図５（ｂ）に示すように、本実施形態の場合、半導体ウエハＷの周縁部においてフォトレジストのエッチングレートが上昇することを抑制することができた。これによって、フォトレジストと、例えばエッチング対象のシリコン酸化膜等との選択比が、半導体ウエハＷの周縁部において低下してしまうことを抑制することができる。なお、図５（ａ）に示す従来の装置の場合、面内の平均エッチングレートは、５７．４ｎｍ／ｍｉｎ（面内の均一性±１０％）であり、図５（ｂ）に示す実施形態の場合、面内の平均エッチングレートは、５７．８ｎｍ／ｍｉｎ（面内の均一性±６．１％）であり従来の装置の場合に比べて面内の均一性を向上させることができた。よって、半導体ウエハＷの周縁部の温度上昇を抑制することでフォトレジストの選択比の面内均一性を向上させることができる。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、プラズマエッチング装置は、図１に示した平行平板型の上下部高周波印加型に限らず、下部電極にのみ１又は２周波の高周波電力を印加するタイプのプラズマエッチング装置等に適用することができる。また、プラズマエッチング装置に限らず、例えば成膜装置等、プラズマを使用する処理装置であれば、本発明を適用することができる。
１……プラズマエッチング装置、２……処理チャンバー、５……サセプタ、１１……静電チャック、１１ａ……絶縁層、１１ｂ……吸着用電極、１５……フォーカスリング、Ｗ……半導体ウエハ。
Claims (4)
- 内部を気密に閉塞可能とされた処理チャンバーと、
前記処理チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理チャンバー内から排気するための排気機構と、
前記処理ガスのプラズマを生成するためのプラズマ生成機構と、
前記処理チャンバー内に設けられ、被処理基板と、当該被処理基板の周囲を囲むように配設されるフォーカスリングとが同一の平面に載置されるよう構成された載置台と、
前記載置台の温度を調節する温調機構と、
前記載置台の上面に配設され、前記フォーカスリングの下部にまで延在する吸着用電極を有する静電チャックと
を具備し、
前記静電チャックの前記吸着用電極は、前記被処理基板と前記フォーカスリングとの境界部分が下方に向けて屈曲された形状とされている
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であって、
前記静電チャックは、絶縁層の間に前記吸着用電極を介在させた構造を有し、前記絶縁層及び前記吸着用電極は、溶射によって形成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１又は２記載のプラズマ処理装置であって、
前記プラズマ生成機構は、前記載置台と、当該載置台と対向するよう配設された上部電極との間に高周波電力を供給して前記処理ガスのプラズマを生成する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記静電チャックの絶縁層がＹ２Ｏ３又はＡｌ２Ｏ３からなる溶射皮膜である
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
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