JP5663259B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理室装置でエッチング等の加工を施す試料台上のウエハに、試料台より下流側に存在する、半導体デバイスの欠陥となり得る微小異物を、ウエハ表面まで飛散させないようにすることをその目的とし、特に微小異物起因の半導体デバイスの不良を低減することを可能とする、プラズマ処理装置に関する。

従来から、半導体素子の表面にエッチング等の処理を行う手段として、半導体素子をプロセスプラズマ中で行うプラズマ処理装置が知られている。ここでは、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式と呼ばれる装置を例に、従来技術を説明する。この方式では、プラズマ処理室外部より磁場を印加したプラズマ処理室中で、電磁波を利用してプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数と電磁波の周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生することができる。このプラズマを用いて半導体デバイスを生産するウエハにエッチング等の処理を行う際は、半導体デバイス等の加工を施すウエハに、プロセスプラズマ中のイオンを加速して入射するために、ウエハには高周波電圧が印加される。また、ウエハにエッチング等の処理を施す際、エッチングプロセスで使用するプロセスガスには、塩素やフッ素などのハロゲン系のプロセスガスを使用することが多い。プラズマ処理装置では、プラズマ処理室の内部に導入されたプロセスガスを上記プラズマ発生手段によりプラズマ化し、ウエハ表面で反応させて微細な孔や溝などの加工、あるいは成膜などの処理を行うとともに、揮発性の反応生成物を効率良く排気することにより、所定の処理を行うものである。

このような従来のプラズマ処理装置においては、プラズマ処理に使用するプロセスプラズマで、プラズマ処理室内に配置されているアースが削られ、微小な異物が発生してしまう。また、エッチング等の処理を施す際、被エッチング材料とプロセスプラズマが反応した後に反応生成物が発生し、プラズマ処理室中に放出されることになる。反応生成物の一部は真空排気されるが、その他の反応生成物はプラズマ処理室内に堆積し、体積を増した後剥離し、プラズマ処理室内に放出される。プラズマ処理室内で発生した微小異物は、プラズマ処理室内に導入するガスの流れに沿ってプロセスガスと共に排気され、プラズマ処理室外へ取り除かれる。しかし、プラズマ処理室内で発生した微小異物の一部は、途中の真空容器壁に衝突することで方向が変わり、プロセスガスの流れに逆らい、ウエハ上まで飛散することがある。さらに、通常のプラズマ処理装置ではターボ分子ポンプを使用しているが、微小な異物はターボ分子ポンプの翼に衝突することで反射し、再びプラズマ処理室内に飛散することもある。例えば、特許文献１の特開平５−１６００７１記載の半導体製造装置では、真空ポンプの配管にポンプ側からプラズマ処理室側に微小異物が飛散しないように、壁から斜め下向きの形状で邪魔板を配置している。この実施例においては、エッチングによる反応生成物が逆流することを抑えるために、逆流防止弁やヒータを配置している。しかし、反応生成物の逆流を抑える逆流防止弁の角度等は規定されておらず、その効率等も確認できない。また、特許文献２の特開２００８−１８７０６２記載のプラズマ処理装置では、エッチングチャンバの構造自体を磁力線に対して平行とし、スパッタによる壁の削れを抑制している。さらに、エッチング等の処理を施すウエハを支持する試料台の横に邪魔板のようなアースが設置されており、アースとして作用する構造となっている。この特許の例では、試料台周りの邪魔板はアースとして作用すべく設計されており、試料台より下流側から反射する反応成生物や微小異物が、プラズマ処理室に入射することを防止することも考慮されているが、その圧力領域や微小異物の挙動に関しては考慮されていなかった。

特開平５−１６００７１号公報 特開２００８−１８７０６２号公報

プラズマ処理室内で、エッチング等の処理を行うことにより発生する反応生成物や、エッチング等のプロセスにおいて、プラズマ処理室の壁をスパッタすることにより発生する微小異物は、エッチング等で使用するプロセスガスの流れに乗って、プロセスガスと一緒に排気される。特に、エッチング等のプロセス処理時は、プラズマ処理室内の圧力が上昇し、粘性流もしくは中間流領域であるためプロセスガスと共に排気される。しかし、プラズマ処理室より排気される微小異物の一部は、真空容器内壁に衝突しプラズマ処理室内に戻ることもある。さらに、プラズマ処理室内で生成した微小異物の一部は、真空排気に用いるターボ分子ポンプの翼に衝突して反射し、プラズマ処理室内に戻ることもある。プラズマ処理室内で発生した微小異物の一部は、これらの挙動を伴うことで、プロセスガスの流れに逆行してプラズマ処理室内に戻ってしまう。その結果、プロセス処理中にプラズマ処理室内に存在する微小異物量が多くなり、エッチング等の処理を行うウエハ上にも到達してしまう。ウエハ上に飛来した微小異物は、半導体デバイスのパターン欠陥の原因となるため、製品の歩留まりが低下し、プラズマ処理装置の生産性も低下してしまう。この問題を解決するためには、スパッタ起因の壁材料を主成分とする微小異物や、ウエハにエッチング等のプラズマ処理を施すことにより発生する、反応生成物を低減させることが考えられる。しかし、プラズマ処理装置を用いて半導体デバイスを製作する上で、半導体デバイスを作成するウエハへのプラズマ処理は必須であり、プロセスプラズマを使用すればプラズマはプラズマ処理室の壁にも接触することで、壁材料は削れ微小異物が発生することになる。さらに、半導体デバイスを作成する際に、ウエハをエッチングすることにより発生する反応生成物もなくすことは困難である。

半導体製造装置でプラズマを利用してエッチング等の処理を行う場合、プラズマ処理室は粘性流領域であるが、試料台とプラズマ処理室の間に異物の遮蔽板を設けると、異物の遮蔽板からターボ分子ポンプまでの間は分子流領域となる。本発明の、プラズマ処理室内のウエハを支持する試料台の下流側で、真空容器内の圧力が分子流（クヌーセン数＞１）の領域において、プラズマ処理室内で発生した微小異物の挙動に対応した異物の遮蔽板を設けることで、プラズマ処理室内で発生した微小異物が、プロセスガスのガス流れに沿って試料台より下流側に排気された後は、真空容器内壁やターボ分子ポンプの翼に衝突し、飛散することにより再びプラズマ処理室に戻ることはなくなる。その結果、エッチング等の処理を行う半導体デバイスにおいて、微小異物起因によるデバイス不良は低減する。これにより、本発明の異物の遮蔽板を設けたプラズマ処理装置を用いることで、半導体デバイスの生産性を向上するという目的を達成することが可能となる。

本発明の目的は、特にプラズマ処理室内で発生する微小異物起因による、半導体デバイスの生産性低下を防止するために、ウエハを支持する試料台より下流側の、真空容器内の圧力が分子流である領域に対応した、異物の遮蔽板を設けたものである。これにより、プロセスガスの流れに乗って異物の遮蔽板より下流側に至った微小異物は、真空容器内壁やターボ分子ポンプ翼等で反射しても、再び試料台上のウエハまで到達することはなくなる。すなわち、プラズマ処理装置のスループット向上という目的を達成するための、異物の遮蔽板を提供することが可能となる。

上記課題を解決するために、プラズマ処理装置で発生した微小異物が、プラズマ処理を施すウエハより下流側に位置する、真空排気装置であるターボ分子ポンプの翼や真空容器内壁で跳ね返ることで、試料台上のウエハ表面に至ることを防止する異物の遮蔽板を設置する。

プラズマ処理室内の異物の遮蔽板は、真空容器内の圧力が分子流の領域に設置し、遮蔽板を通過する磁力線に垂直となるような角度に配置されており、重力方向に対して一定の角度を持つように設計されている。異物の遮蔽板より下流側では真空容器内の圧力が分子流領域であるため、微小異物は荷電粒子と同様な挙動を示す。すなわち、分子流の領域に存在する微小異物は、磁力線の方向に沿って運動するため、異物の遮蔽板を磁力線と垂直に配置することで、真空容器内の壁やターボ分子ポンプの翼に衝突し反射する微小異物を、この異物の遮蔽板により効率的に排除することが出来る。

真空容器内の、異物の遮蔽板を通過する磁力線を制御するためには、磁場コイルに流す電流を制御することにより磁力線の方向を補正する手法や、磁場コイルで発生する磁力線を終端する磁場コイルのヨーク形状及び配置を最適に設計する手法を採用する。これらの手法を採用した結果、プラズマ処理室内で発生した微小異物が異物の遮蔽板より下流側領域に排気された場合、真空容器内壁やターボ分子ポンプ翼に衝突して真空容器上流側の方向に飛散する際も、異物の遮蔽板に進路を阻まれることで、エッチング等の処理を行うウエハ上に再び入射することはなくなる。

プラズマ処理室内のプロセスガスを効率良く排気するためには、真空排気経路の断面積を広くすることが必要である。プロセス処理中のプラズマ処理室内では粘性流もしくは中間流の領域であり、発生した微小異物はプロセスガスの流れに沿って、異物の遮蔽板より下流側に排気されている。これまでに設置されている異物の遮蔽板は、プロセスガスの排気を効率よく行いながら、微小異物がプラズマ処理室内に入ることを防止するように設計されている。すなわち、異物の遮蔽板も含めて、真空容器全体が粘性流の領域で設計されていた。その結果、異物の遮蔽板より下流側の真空雰囲気は分子流領域であることが考慮されておらず、微小異物も荷電粒子と同様の挙動を示すことに配慮されていなかった。異物の遮蔽板とターボ分子ポンプの間との領域に存在する微小異物が、真空容器側壁やターボ分子ポンプ翼に衝突し、試料台より上流側へ飛散することを防止する場合、分子流領域の荷電粒子の動きを考慮した異物の遮蔽板としなくてはならない。

上記の問題を解決するために、分子流領域の微小異物が荷電粒子と同様の挙動であることに着目し、真空中の荷電粒子は磁力線に沿った方向に動く特性を利用した。すなわち、真空室内に設置する異物の遮蔽板で、プラズマ処理室内に微小異物の流入を防止するためには、異物の遮蔽板を、遮蔽面を通過する磁力線に対して垂直にすることが最も効果的である。また、異物の遮蔽板に磁力線を垂直に入射させるためには、磁場コイルに流す電流値の制御を行うことも重要である。さらに、磁力線の終端となるヨークの形状も制御する必要がある。異物の遮蔽板に磁力線を垂直に入射することにより、異物の遮蔽板からターボ分子ポンプに至る領域に存在する微小異物が、真空容器の壁に衝突することにより、プラズマ処理室内に至ることはなくなる。

本発明によれば、プラズマ処理室内で発生した微小異物が、プロセスガスによって半導体デバイスを製作するウエハを保持する試料台より下流側に配置された、異物の遮蔽板より下流側に排出された後、真空容器内壁やターボ分子ポンプ翼に反射し、再びプラズマ処理室内に侵入し、半導体デバイスを作成中の試料台上のウエハに至り、半導体デバイスの生産性を低下するようなことはなくなる。また、異物の遮蔽板の遮蔽面は、プラズマ処理室内の磁力線に垂直となるように配置するため、異物の遮蔽板からターボ分子ポンプに至る領域に存在する微小異物は、確実に異物の遮蔽板に捕捉されることが出来る。

プラズマエッチング装置の構成図の例である。 異物の遮蔽板の詳細図である。 異物の遮蔽板に入射する微小粒子のモデルである。

以下、本発明の実施例を図により説明する。

本実施例では、プロセスプラズマを利用して半導体デバイスを製作する、異物の遮蔽板を有するプラズマエッチング装置の使用例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施に係るプラズマ処理装置の、構成の概略を示す縦断面図である。図中の高周波電源１１１、直流電源１１４、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バイアス電源１１７、排気ゲートプレート１１８、コンダクタンス可変バルブ１１９、排気ポンプ１２０は、それぞれ図示しないコントローラによって動作を制御されている。真空容器１００の内部には、プラズマ処理室１０１が配置され、その上部にはプラズマ処理室１０１内に電磁波を放射して電解を供給する高周波アンテナ１０８が、下部にはウエハなどの非処理対象である基板状の試料がその上面に載置される試料台１１３が備えられている。さらに真空容器１００は、プラズマ処理室１０１と、ウエハ１２８を真空容器１００内に搬送する搬送用ロボットを有する搬送室とを開放あるいは閉鎖して、両者間を連通、遮断するゲートバルブを備えている。

プラズマ処理室１０１の上部にはプロセスプラズマ１０２が形成される。また、プラズマ処理室１０１の上方には、シャワープレート１０３、石英プレート１０６、さらには高周波アンテナ１０８が配置され、高周波アンテナ１０８、プラズマ処理室１０１の側方および上方で前記プラズマ処理室１０１を囲むように配置したソレノイドコイル１１０、ソレノイドコイル１１０を囲むように設置したヨーク１０９およびアンテナ１０８の下方に配置した天井部材を備える。ソレノイドコイル１１０の上方には、アンテナ１０８に高周波を供給する、高周波電源１１１が配置されている。シャワープレート１０３の下方には、放電室内側壁部材１１２が備えられる。放電室内側壁部材１１２は、シャワープレート１０３の下面に接して配置され、真空容器１００内に生成するプラズマに面してプラズマ処理質１０１をプロセスプラズマ１０２から保護する材料で構成されている。

プラズマ処理室１０１下方にある試料台１１３は円筒形状であり、試料台１１３上面は誘電体膜に被覆されている。試料台１１３内部には、同心円状もしくは螺旋状に図示しない流路が配置されており、この流路に温調ユニット１１５により温度または流量を調節された冷媒が導入され、試料台１１３温度が調節されている。ウエハ１２８は試料台１１３上面に載置された状態で、プラズマからの入熱を受けるが、試料台１１３の温度を調節することで、試料台１１３に載置されたウエハ１２８の温度を調節する。また、試料台１１３は、ウエハ１２８を試料台１１３に静電気にて吸着させるための直流電源１１４および処理中に試料台１１３に載置されたウエハ１２８表面にイオンを加速させるためのＲＦバイアス電源１１７を備えている。

試料台１１３の下方には、プラズマ処理室１０１内のガスやプラズマ、反応性生成物を排気するための空間と開口部を備えている。この排出は、前記開口を開閉する排気ゲートプレート１１８、開口に連通する通路上のコンダクタンス可変バルブ１１９および排気ポンプ１２０の動作により調整される。このような、プラズマ処理装置に対して、所定の処理を施される対象のウエハ１２８は、プラズマ処理室１０１と搬送室の間の、ゲートバルブ開の状態で搬送用ロボットに載せられてプラズマ処理室１０１内に搬送され、試料台１１３上面に載置される。ウエハ１２８搬送用のロボットが、プラズマ処理室１０１の外に移動した後、プラズマ処理室１０１と搬送室の間のゲートバルブを閉鎖し、次に、直流電源１１４からの直流電圧により、試料台１１３上面の載置面上に載置されているウエハ１２８を静電気で吸着し、保持しウエハ１２８を所定の温度に制御する。

次に、エッチング等の処理を行うためのガスがプロセスガス供給元より処理ガス供給配管を介して、シャワープレート１０３に形成された多数の孔を通してプラズマ処理室１０１内へ供給され、アンテナ１０８およびソレノイドコイル１１０から供給される電界、磁界により処理ガスがプラズマ化し、プロセスプラズマ１０２としてウエハ１２８上方に形成される。さらに、ＲＦバイアス電源１１７により、試料台１１３に高周波電力が印加され、ウエハ１２８上面上方に形成されたＲＦバイアスによるバイアス電位とプラズマ電位との電位差によりプラズマ中のイオンをウエハ１２８上に引き込み、エッチング等の反応をアシストしつつ、エッチング等のプラズマ処理が開始される。プラズマ処理の終了後、プラズマおよびＲＦバイアスの供給電源が停止され、直流電源１１４からの直流電圧の供給も停止され、静電気力が低下し、ウエハ１２８は除去される。その後、プラズマ処理室１０１と搬送室の間のゲートバルブを開き、搬送用ロボットにより処理済のウエハ１２８をプラズマ処理室１０１外に搬出し、搬出終了後、ゲートバルブを再び閉鎖する。

次に、本実施例の要部である、試料台１１３とプラズマ処理室１０１の間に配置する、プラズマ処理室１０１内で発生した微小異物を低減するための、異物の遮蔽板２０１について説明する。本実施例では、異物の遮蔽板２０１の傾きは、ソレノイドコイル１１０およびヨーク１０９により、プラズマ処理室１０１内に形成される磁力線２０２にほぼ垂直（微小異物の入射角度が１０度以下）な向きとなるように設計されている。プラズマ処理室１０１内は粘性流もしくは中間流領域であるため、プラズマ処理室１０１内の微小異物は、ソレノイドコイル１１０およびヨーク１０９により形成される磁力線２０２が、真空容器１００内にある異物の遮蔽板２０１に垂直であっても並行であっても、プロセスガスの流れに沿って移動し、異物の遮蔽板２０１より下流側に排気される。

プラズマ処理室１０１から真空容器１００側に移動した微小異物は、異物の遮蔽板２０１より下流では分子流領域であり、微小異物は荷電粒子と同じ挙動を示すため、壁やターボ分子ポンプの翼に衝突した場合、上流側のプラズマ処理室１０１に向かうものも存在するが、この分子流領域では処理室内を通る磁力線２０２に拘束される。微小異物は磁力線２０２に拘束されて移動するため、異物の遮蔽板２０１の表面を、この遮蔽面を通る磁力線２０２が垂直となるように配置すれば、異物の遮蔽板２０１とターボ分子ポンプの間に存在する微小異物を効率良く捕集し、プラズマ処理室１０１内に入らないようにすることが出来る。異物の遮蔽板２０１に磁力線２０２が直行して入射しない場合は、ソレノイドコイル１１０の電流値を制御することや、ソレノイドコイルの周りに設けられているヨーク１０９の形状を変更することで対応することが可能である。

図２は、図１の実施例において、異物の遮蔽板２０１を磁力線２０２に垂直となるように配置した例を拡大した断面図である。分子流領域で微小異物を捕獲するためには、異物の遮蔽板２０１の表面を荒れた状態にすることや、表面を冷却することで、一旦入射した微小異物が再び放出されることを防止することが可能となる。異物の遮蔽板２０１の表面に凹凸を付けて荒らす場合、溶射処理等を行うことで対応が出来る。上記手法を用いて半導体エッチング装置の、異物の遮蔽板２０１の表面を処理することで、一旦捕捉された微小異物が再び脱離することは無いと考えられる

図３は、図２の異物の遮蔽板２０１に入射する微小粒子のモデルである。分子流領域では、微小異物２０３が荷電粒子と同様の挙動を示すため、異物の遮蔽板２０１をその場の磁力線２０２の向きに対して垂直に配置することで、微小異物２０３の捕集を効率良く行うことが出来る。また、異物の遮蔽板２０１より上流側では、微小異物２０３は磁力線２０２に拘束されることはなく、ガス流れに沿って下流側に排気されることになる。

１００ 真空容器
１０１ プラズマ処理室
１０２ プロセスプラズマ
１０３ シャワープレート
１０６ 石英プレート
１０８ 高周波アンテナ
１０９ ヨーク
１１０ ソレノイドコイル
１１１ 高周波電源
１１２ 放電室内側壁
１１３ 試料台
１１４ 直流電源
１１５ 温調ユニット
１１７ ＲＦバイアス電源
１１８ 排気ゲートプレート
１１９ コンダクタンス可変バルブ
１２０ 排気ポンプ
１２８ ウエハ
１２９ 処理室底面
２０１ 異物の遮蔽板
２０２ 磁力線
２０３ 微小異物

Claims (7)

1. プラズマ発生装置と、減圧可能な真空容器と、真空容器にガスを供給するガス供給装置と、プラズマ処理を施すウエハを保持する試料台と、試料台上に支持されたウエハに高周波を印加する装置と、真空排気装置より成るエッチング処理装置において、その装置で発生した微小異物が、プラズマ処理を施すウエハより下流側に位置する前記真空排気装置としてのターボ分子ポンプやプラズマ処理を施すウエハより下流側に位置するプラズマ処理室壁で跳ね返ることで、ウエハ表面に至ることを防止する異物の遮蔽板を設け、この遮蔽板を試料台より下流側に設置し、該遮蔽板の下流側に分子流領域とし、その分子流領域に存在する異物の入射角が１０度以下となるよう前記遮蔽板の面の向きを磁力線の方向に対して垂直と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、前記異物の遮蔽板の角度は、当該異物の遮蔽板の中心位置における磁力線の方向に対して垂直としたことを特徴とし、少なくとも２枚以上の異物の遮蔽板で構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２記載のプラズマ処理装置において、前記異物の遮蔽板の材質は、ハロゲン系のプロセスプラズマに対して耐性のある材料としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、前記異物の遮蔽板に使用する材質として、ＳｉＯ２（石英）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナセラミックス）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３の石英もしくは焼結体から成ることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、前記異物の遮蔽板に使用する材質として、ステンレス鋼、アルミ合金、チタン合金の材料を使用する場合は、表面に溶射皮膜、陽極酸化皮膜の耐プラズマ性を有する材料で被覆することを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項２記載のプラズマ処理装置において、前記異物の遮蔽板において、磁力線の向き補正用の磁場コイルを設け、磁力線の方向を制御することで、異物の遮蔽板の面の向きを磁力線の方向に対して垂直としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項２記載のプラズマ処理装置において、前記異物の遮蔽板において、磁力線の向き補正用のヨークを設け、磁力線の方向を制御することで、異物の遮蔽板の面の向きを磁力線の方向に対して垂直としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
   

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