JP5640135B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被処理体の処理を行うプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの製造において、成膜やエッチング等の工程にプラズマ処理装置が広く用いられている。近年、デバイス高集積化による回路パターンの微細化やウエハ径の拡大に伴い、プラズマ処理装置に求められる性能もますます厳しくなっている。特にデバイスの構成材料の多様化に伴って、エッチングレシピも複雑となり長期量産安定性稼動は重要な課題となっている。

例えばプラズマ処理装置ではフッ化物や塩化物、さらには臭化物などの反応性ガスのプラズマを用いるために処理室壁面が化学的及び物理的に侵食される。そのためウエハ枚数増加に伴って、処理室内の化学組成や高周波の伝播が徐々に変化し、長期的に安定した処理が不可能となる場合がある。また、侵食されて処理室の壁部材とプラズマ中の活性なラジカルが化学反応を起こし、処理室内壁に異物として再付着する場合もある。内壁に再付着した異物はエッチングを繰り返すことで次第に厚さが増し、最悪の場合は異物がウエハ上に剥がれ落ちて製品不良を引き起こすことがある。

このような問題を解決するために、プラズマ処理装置ではプラズマに曝される処理室内部材の表面に、化学的に安定な陽極酸化処理（Ａｌ₂Ｏ₃：アルマイト）を施すことが行われてきた。通常このアルマイト膜は、数十μｍである。しかしながら、アルマイトではプラズマに対する耐性が十分なく、剥がれ易いことに加え、フッ化物を用いた処理によりＡｌＦが発生する。ＡｌＦは揮発性ガスではないので、クリーニング放電では除去することが難しく異物の原因となる。

壁の表面がアルマイトのような絶縁体である場合は、壁にまで拡散した電荷は壁と電子のやり取りすることができなくなる。このため、壁が絶縁体の場合の再結合では、壁表面で正電荷と負電荷が出会う必要が生じる。対の電荷と出会うことができなかった場合、その電荷は絶縁体の表面に蓄積される。これにより正あるいは負の電荷が蓄積された絶縁体表面は、その電位が上昇あるいは下降し、プラズマ内の電位分布を変化させる。この効果によりプラズマ内の電荷の輸送状態を変化させ、同種の電荷が更に蓄積されることを防止し、かつ対の電荷を引き寄せようとする。最終的に、絶縁体表面は正または負のある電位（絶縁体壁への正の電荷と負の電荷の拡散量が等しくなる）にチャージアップすることになる。

チャージアップしたプラズマに対して、絶縁体表面の突起物からプラズマに向かって電子を放出するという型の異常放電が発生する。

このような、絶縁体壁表面のチャージアップは有磁場プラズマ源ではより顕著となる。なぜなら、正イオンと電子の質量比が極端に異なるため、磁場を横切る拡散量がまったく異なることにより、絶縁体壁に正電荷と負電荷が等しく拡散できなくなるためである。この場合、絶縁体表面では磁場の効果を打ち消し、絶縁体表面に正電荷と負電荷が等しく拡散するようになるまで、絶縁体表面の電位が上昇しようとする。この時、アルマイトは完全な絶縁体ではなく、チャージアップ電圧が上昇すると、微小リーク電流が発生する。この効果によって、アルマイト表面の電位の上昇はある一定のレベルにとどまる。しかし、この電位上昇が、例えば１００Ｖを超えるような極端に高い電位になる場合、いくつかの付随した現象が発生する。

まず、プラズマ内の電位分布が変化することにより、プラズマが拡散し、あたかも、導電性壁を求めてプラズマが広がるような現象が生じる。プラズマが広がることにより、導電性の壁とプラズマが接触し、プラズマ電位上昇が解消される。しかし、プラズマ電位が解消されたとたんプラズマの広がりが解消されて急激に縮小し、再び小さな範囲でプラズマが発生すると同時に、プラズマの電位上昇が再開されてプラズマが広がる。つまり、プラズマの収縮拡大が繰り返される場合も生じる。いわゆるプラズマ不安定性である。

さらに絶縁体表面と裏面（設置された導体）間の電圧が絶縁体の耐電圧を越える場合、絶縁体膜の中で放電が生じて電気伝導性の経路が形成され、接地された導体壁から電荷を取り込むことにより、チャージアップを解消することがある。これは異常放電と呼ばれる現象の一つで、この放電により、壁材料の飛散や蒸発が生じる。飛散した壁材料は異物となり、また、蒸発した材料により製品が汚染される。このような異常放電は、絶縁体膜の電気的な弱点の部分で生じるが、完全に均質な絶縁体膜を形成することは技術的にほとんど不可能であり、この種の異常放電を管理することは困難である。

異常放電はこれだけでなく、例えば正と負にそれぞれ帯電した絶縁体壁間でも生じるしプラズマ発光用の高周波との相互作用の結果、絶縁体壁表面で発生する場合もある。

以上説明したようなプラズマ不安定性や異常放電は絶縁体壁の状態によって発生の規模や頻度が異なるため、同じように作った装置を同じ運転条件で動作させた場合でもプラズマ不安定性異常放電に差が生じる。つまり装置間性能差の原因となり、量産時には問題となる。また装置が経験した履歴によっても壁の状態が異なるため、経時変化の問題としても重要である。

このような放電不安定を改善させる方法として、特許文献１には、壁削れが比較的大きいウエハ保持電極に近い位置でのプラズマの浮遊電位（又はプラズマ密度）よりもプラズマ浮遊電位（又はプラズマ密度）が高い位置に導電材からなるＤＣアースを設置したものが開示されている。これにより効率的に均一なプラズマを形成することができ、プラズマ処理の面内均一性が高く、かつチャージアップダメージが生じ難い容量結合型のプラズマ処理装置を得ることができるとされている。

特開２００５−１８３８３３号公報

近年、回路パターンの微細化に伴い、微小異物の歩留まりに対する悪影響が無視できなくなり、異物抑制を非常に重視する傾向がある。このため、化学的に安定しているため耐プラズマ性が高く、異物が発生し難い酸化イットリウム（イットリア：Ｙ₂Ｏ₃）が真空処理室内表面材料として用いられるようになってきた。イットリア膜は、通常、金属材料に溶射で形成し、その膜厚は数百μｍである。しかしながら、真空処理室内壁をアルマイトからイットリアにすることにより、壁の絶縁性はより強化されて直流アース面積が減少することになった。このため、前述のプラズマの不安定性や異常放電などの問題がより顕在化するようになった。内壁表面のアルマイトからイットリアへの変更による直流アース不足から、プラズマから外への逃げ場が無い為、プラズマのチャージアップを引き起こす。そのため、プラズマの空間電位が上昇する。そのことにより放電不安定が起こり、真空容器内壁の耐電圧が弱いところで局所的にアーク放電が発生する。また、イットリアなど酸化物絶縁体は電子放出能が高く、チャージアップしたプラズマに対して絶縁体表面の突起部からプラズマに向かって電子を放出するという型の異常放電も発生する。

以上述べたような絶縁体壁による異常放電やプラズマ不安定性は、従来からあった問題ではあるが、現状ではより深刻な問題となっている。

特許文献１のように、直流アースを設置したものでは、直流アースを経てプラズマから電流が流れるものの、プラズマの空間電位自体が特定の電位に制御されるわけでない。プラズマ処理装置内壁の絶縁性の強化に伴い、プラズマ空間電位も処理室内の僅かな環境変化にさえ大きく左右される状況になっており、プラズマが直流アースに接触しない場合１００Ｖを超えるような高い電位になることも容易にありうる。

本発明の目的は、上記ＤＣアース不足による異常放電やプラズマ不安定性の問題を解決し、プラズマの空間電位の上昇を抑え、そのことにより起こる放電不安定を抑制することができるプラズマ処理装置を提供することである。

本発明は、内部にプラズマが生成され、前記プラズマに晒される壁面に耐プラズマ性保護膜が形成されている真空容器と、プラズマ生成用高周波電力が供給される上部電極と、前記真空容器の外側に設けられ、磁場を生成する磁場形成手段と、前記真空容器の下部を構成し、接地されたベースフランジと、前記真空容器内に設けられるとともに前記上部電極と対向し、被加工試料を載置する下部電極と、前記下部電極を上下駆動する上下駆動機構と、前記下部電極が有する接地電位部に固定され、前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第１のカバーと、前記ベースフランジに固定され前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第２のカバーとを備えるプラズマ処理装置において、前記第２のカバーは、導体からなり、直流アースとして用いられ、前記第２のカバーのプラズマに晒される表面は、前記導体が露出し、前記被加工試料を前記真空容器内に搬送させる通路である搬送通路と、前記搬送通路の前記真空容器内に近い開口部を開閉し、前記真空容器の内壁一部を構成するプロセスバルブと、前記搬送通路の前記プロセスバルブにより開閉される開口部と反対側にある開口部を開閉するゲートバルブをさらに備え、前記プロセスバルブは、導体からなるとともに接地されて直流アースとして用いられ、前記プロセスバルブのプラズマに晒される表面は、前記導体が露出していることを特徴とする。

本発明によれば、真空容器内に接地された導体部品を直流アースとして設置し、導体部品からアースへ流れる電流を０Ａ付近になるように制御することにより、プラズマの空間電位が上昇することによって起こる放電不安定を抑えことができる。このことは放電不安定に基づく異常放電の発生や異物の発生を抑えることにつながり、これにより長期量産安定稼動を可能にする効果がある。

本発明の第１の実施例のプラズマ処理装置の概略図である。 従来の装置において測定されたプラズマ電位を示す図である。 本発明の第１の実施例のプラズマ処理装置の導体の設置位置を示した図である。 図３の装置において測定されたプラズマ電位を示す図である。 本発明の第２の実施例のプラズマ処理装置の導体の設置位置を示した図である。 図５の装置において測定されたプラズマ電位を示す図である。 本発明の第３の実施例のプラズマ処理装置の導体の設置位置を示した図である。 図７の装置において測定されたプラズマ電位を示す図である。

以下、各実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

本発明の第１の実施例を、図１で説明する。

まず、図１に、本発明の第１の実施形態になるプラズマ処理装置の断面図を示す。プラズマ処理装置は、真空容器である真空処理室１と、この真空処理室内に設けられ、被加工試料であるウエハ３を保持するウエハ載置面を備えた下部電極２と、この下部電極２に対向して設けられプラズマと接する部分が導電性材料からなる上部電極９と、この上下の電極に対する高周波電源部と、磁場形成手段と、処理ガス供給系等を有している。真空処理室１の下部を構成しているベースフランジ（図示せず）が接地されている。下部電極２のウエハ載置面の周縁には、フォーカスリング４が設けられ、下部電極２を上下駆動させる上下駆動機構（図示せず）を有している。磁場形成手段はヨーク５と、コイル６で構成されている。処理ガス供給手段はガス供給系１０と、ガス分散板８とを有している。真空処理室１にはこの真空処理室を減圧排気する真空ポンプが接続されている。高周波電源部は
、アンテナ７と、第１高周波電源１１と、第１整合器１２と、第２高周波電源１３と、第２整合器１４と、フィルタ回路１５と、第３高周波電源１６と、第３整合器１７と、位相調整ユニット１８と、アンテナ外周リング１９と、アンテナ蓋部２１と、フィルタ回路２２と、フィルタ回路２５とを有している。また、下部電極２にはフィルタ回路２３を介して、静電チャック電源２４が接続されている。下部電極２は可動式であるために保護カバーとして下部電極２が有す接地電位部に固定され、円筒形状の第１のカバーである下部電極上カバー２７，ベースフランジに固定され、円筒形状の第２のカバーである下部電極下カバー２８が設置されている。プラズマと接する真空処理室１の側壁部は内外の二重壁構造となっており、側壁部の外壁は金属材料例えばアルミニウムで構成され、側壁部の内壁は耐プラズマ性保護膜で構成されている。ウエハ３はゲートバルブ２９，プロセスバルブ２６を通り下部電極２に設置される。

上記のように構成された装置において、真空処理室１の内部を減圧した後、ガス供給系１０によりエッチングガスを真空処理室内に導入し所望の圧力に調整する。磁場形成手段のコイル６とヨーク５により真空処理室１内の下部電極２と上部電極９間には磁場が形成される。そして、高周波電源部の第１高周波電源１１により発振された、例えば周波数２００ＭＨｚの高周波電力を、アンテナ７及びアンテナ外周リング１９を介して真空処理室１に導入する。真空処理室１内に導入された高周波電力による電界は、処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。特に、電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば、プラズマ生成用の高周波電源の周波数が２００ＭＨｚの場合は約７０Ｇ）を処理室内の下部電極２と上部電極９間に形成した場合、効率良く高密度のプラズマを生成することができる。

本構成の装置では、２００ＭＨｚの第１高周波電源１１によって主としてプラズマを生成し、第３高周波電源１６によってプラズマ組成あるいはプラズマ分布を制御し、第２高周波電源１３によってプラズマ中のイオンがウエハへ入射するエネルギーを制御している。

図１に示すように搬送によりゲートバルブ２９，プロセスバルブ２６を開きウエハ３を下部電極２のウエハ載置面上に設置し、上述のようにプラズマを生成した後、第３高周波電源１６より上部電極９へ、第２高周波電源１３より下部電極２へ、それぞれ高周波電力が供給されウエハ３にエッチング処理がされる。

このとき位相調整ユニット１８により第２高周波電源１３と第３高周波電源１６の位相は逆位相になるように制御される。また、静電チャック電源２４により直流電圧が数百Ｖかけられることによりウエハ３をウエハ載置面に静電吸着させる。

真空処理室１の側壁表面（内壁表面）は、絶縁膜で覆われている。絶縁膜は絶縁体であれば何でもよいがＹ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＳｉＣ，ボロンカーバイト，アルマイト等の炭化物，酸化物もしくは窒化物等の絶縁体セラミックが望ましい。

ウエハ処理中は上部電極９と下部電極２に印加する高周波バイアスは位相調整ユニット１８により逆位相になるよう制御され、交流電流によるプラズマの空間電位の上昇を抑えている。

上述のエッチング処理装置を用いて、プラズマ電位をＤＣプローブによって測定したところ図２に示すようにプラズマ電位が上昇し５０Ｖ以上の領域で異常放電が発生していることがわかった。図２のプラズマ電位が５０Ｖ以上になり一瞬電位が下がったところが異常放電が発生し一時的にプラズマ電位が下がったことを示している。

図３に示すように、プラズマからの直流電流が真空処理室１の側壁を経て直流アースに流入するのを可能にするために、プロセスバルブ２６を導体とし、処理室内のプラズマと直接接触する位置に設置される。

本発明では、プラズマからアースまで直流電流が流れることにより、プラズマのチャージアップが解消されプラズマ空間電位の上昇を抑制する。

プラズマのチャージアップを解消するためには、プラズマからプロセスバルブ２６を介してアースへチャージアップをもたらす余剰電流が直流電流度なって流れればよい。上述のように直流電流を流すためには、プラズマの空間電位よりプロセスバルブ２６の電位が低くければ良い。

また、プロセスバルブ２６等の導体部品の幅はできる限り広いほうが、スパッタが集中し難くなるので、幅はできる限り広いほうが望ましい。加えて導体部品の材料は、導電性材料ならば何でもよいが、Ｓｉ，ＳｉＣ，導電性セラミック，Ａｌ，Ａｌ化合物、が望ましい。

また、コストパフォーマンスを考慮し、プロセスバルブ２６は交換可能な構造とした。

図４に示すように本実施例によれば、真空容器の内壁一部を構成する接地された導体を直流アースとして設置し、導体からアースへ流れる電流を０Ａ付近になるように制御することにより、プラズマの空間電位が上昇することによって起こる放電不安定を抑えことができる。このことは放電不安定に基づく異常放電の発生や異物の発生を抑えることにつながり、これによりプラズマ処理装置を、長期にわたり量産できかつ安定して稼動できるようにする効果がある。

次に、第１の実施例を改良したプラズマ処理装置の第２の実施例を、図５，図６で説明する。

まず、第１の実施例の課題について説明する。プロセスバルブ２６をアース化した影響で処理室内で均一であったプラズマが不均一になる現象が発生した。これは、プラズマ中の電荷がアースであるプロセスバルブ２６に移動したことにより処理室内のプラズマの分布が変化した。このことから真空容器の内壁一部をアース化することよりプラズマに対し環状にある方が望ましい。

そこで、第１の実施例を改良した第２の実施例として、図５，図６のように、プラズマに対して環状部品として下部電極上カバー２７を導体部品とした。

はじめに図５のように導電性のあるＡＬ素材の下部電極上カバー２７を取り付けた。図６に示すように下部電極上カバー２７はプラズマに接することによりプラズマ電位を下げる結果となり、また第１の実施例の時に生じたプラズマ不均一現象は解消された。しかしながら本実施例ではウエハとアース部品が近いことから重金属汚染の懸念点があることがわかり、上記のことからウエハとアース部品は離すことが望ましい。

第２の実施例を改良したプラズマ処理装置の第３の実施例を、図７，図８で説明する。図７のように導電性のあるＡＬ素材の下部電極下カバー２８を取り付けた。下部電極下カバー２８は下部電極上カバー２７同様、図８に示すようにプラズマに接することによりプラズマ電位を下げる結果となりプラズマ電位の上昇による異常放電は抑制でき、異物発生を阻止する結果となった。さらにウエハとアース部品が離れていることにより重金属汚染の問題点は改善された結果となった。

これによりプラズマ処理装置を、長期にわたり量産できかつ安定して稼動できるようにする効果がある。

また、上記の効果は、それぞれの実施形態だけではなく、各実施形態の組合せでも効果がある。

１ 真空処理室
２ 下部電極
３ ウエハ
４ フォーカスリング
５ ヨーク
６ コイル
７ アンテナ
８ ガス分散板
９ 上部電極
１０ ガス供給系
１１ 第１高周波電源
１２ 第１整合器
１３ 第２高周波電源
１４ 第２整合器
１５，２２，２３，２５ フィルタ回路
１６ 第３高周波電源
１７ 第３整合器
１８ 位相調整ユニット
１９ アンテナ外周リング
２１ アンテナ蓋部
２４ 静電チャック電源
２６ プロセスバルブ
２７ 下部電極上カバー
２８ 下部電極下カバー
２９ ゲートバルブ

Claims (3)

1. 内部にプラズマが生成され、前記プラズマに晒される壁面に耐プラズマ性保護膜が形成されている真空容器と、プラズマ生成用高周波電力が供給される上部電極と、前記真空容器の外側に設けられ、磁場を生成する磁場形成手段と、前記真空容器の下部を構成し、接地されたベースフランジと、前記真空容器内に設けられるとともに前記上部電極と対向し、被加工試料を載置する下部電極と、前記下部電極を上下駆動する上下駆動機構と、前記下部電極が有する接地電位部に固定され、前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第１のカバーと、前記ベースフランジに固定され前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第２のカバーとを備えるプラズマ処理装置において、
   前記第２のカバーは、導体からなり、直流アースとして用いられ、
   前記第２のカバーのプラズマに晒される表面は、前記導体が露出し、
   前記被加工試料を前記真空容器内に搬送させる通路である搬送通路と、前記搬送通路の前記真空容器内に近い開口部を開閉し、前記真空容器の内壁一部を構成するプロセスバルブと、前記搬送通路の前記プロセスバルブにより開閉される開口部と反対側にある開口部を開閉するゲートバルブをさらに備え、
   前記プロセスバルブは、導体からなるとともに接地されて直流アースとして用いられ、
   前記プロセスバルブのプラズマに晒される表面は、前記導体が露出していることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第１のカバーは、導体からなり、直流アースとして用いられ、
   前記第１のカバーのプラズマに晒される表面は、前記導体が露出し、
   前記被加工試料を前記真空容器内に搬送させる通路である搬送通路と、前記搬送通路の前記真空容器内に近い開口部を開閉し、前記真空容器の内壁一部を構成するプロセスバルブと、前記搬送通路の前記プロセスバルブにより開閉される開口部と反対側にある開口部を開閉するゲートバルブをさらに備え、
   前記プロセスバルブは、導体からなるとともに接地されて直流アースとして用いられ、
   前記プロセスバルブのプラズマに晒される表面は、前記導体が露出していることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 内部にプラズマが生成され、前記プラズマに晒される壁面に耐プラズマ性保護膜が形成されている真空容器と、プラズマ生成用高周波電力が供給される上部電極と、前記真空容器の外側に設けられ、磁場を生成する磁場形成手段と、前記真空容器の下部を構成し、接地されたベースフランジと、前記真空容器内に設けられるとともに前記上部電極と対向し、被加工試料を載置する下部電極と、前記下部電極を上下駆動する上下駆動機構と、前記下部電極が有する接地電位部に固定され、前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第１のカバーと、前記ベースフランジに固定され前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第２のカバーとを備えるプラズマ処理装置において、
   前記第１のカバーは、導体からなり、直流アースとして用いられ、
   前記第１のカバーのプラズマに晒される表面は、前記導体が露出し、
   前記被加工試料を前記真空容器内に搬送させる通路である搬送通路と、前記搬送通路の前記真空容器内に近い開口部を開閉し、前記真空容器の内壁一部を構成するプロセスバルブと、前記搬送通路の前記プロセスバルブにより開閉される開口部と反対側にある開口部を開閉するゲートバルブをさらに備え、
   前記プロセスバルブは、導体からなるとともに接地されて直流アースとして用いられ、
   前記プロセスバルブのプラズマに晒される表面は、前記導体が露出していることを特徴とするプラズマ処理装置。