JPH04150022A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野１ 本発明は、半導体装置の電極・配線となる銅もしくは銅
合金膜もしくは銅の化合物を加工するドライエツチング
装置に関する。 【従来の技術】 平行平板型ドライエツチング装置を用いて銅薄膜を加工
する技術については、「ジャーナル・オブ・ジ・エレク
トロケミカル・ソサエティ、１３０巻、（１９８３年）
、第１７７７頁から第１７７９頁（Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｃｈｅｍ、　Ｓｏｃ。 、ｖｏｌ、１３０　Ｎｏ８　（１９８３）、ｐｐ１７７
７−１７７９）において詳しく論じられている。また、
網膜を微細加工した報告例としては第３６回応用物理学
関係連合講演会講演予稿行集、　（１９８９春季）、第
５７０頁、及び「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・ア
プライド・フィン９１，２８巻、　（１９８９年）、第
１０７０頁から第１０７２頁（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏ
ｕｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　
Ｖｏｌ、２８．　Ｎｏ、６．１９８９゜ｐｐ、　Ｌ１０
７０−Ｌ１０７２）が知られている。 上記従来技術では、銅をエツチングするための反応ガス
として四塩化炭素（ＣＣ１，）もしくは四塩化珪素（Ｓ
ｉＣ１４）等の塩素化合物を用いている。銅塩化物は蒸
気圧が低いので、プラズマ処理によって生成する銅塩化
物を基板表面から除去し、エツチング反応を進行させる
ために電極内に設置したヒータで２００℃以上の基板加
熱が必要である。

【発明が解決しようとする課題］ 上述したように、原理的には２００℃以上の基板加熱に
よって塩素系の反応ガスによる銅の反応性イオンエツチ
ングが可能である。ただし、半導体装置上に形成された
銅薄膜の微細加工においては、基板温度を精度良く制御
する方が好ましい。何故なら、エツチング中にプラズマ
によって基板が加熱され基板温度が上昇するため、（１
）温度上昇と共に中性ラジカルによるエツチング速度が
増大し等方性のエツチングに近づく、（２）加工マスク
として有機樹脂を使用することが耐熱性の点から困難に
なる等の問題が生じるからである。ただし、ドライエツ
チング装置では温度制御対象が高周波電力の印加される
電極であることから、以下に示すような技術課題がある
。 （１）エツチング中、基板はプラズマによって加熱され
る。基板がプラズマによって加熱される場合の時定数は
非常に小さいので、その時定数に即応できる電極構造及
び温度制御機構が必要である。同時に、電極加熱の高効
率化の面から電極がプラズマ室から断熱されおり、その
代わりに除熱手段を付加した構造等を考える必要がある
。 （２）電極には高周波電力が印加されるため、電極に隣
接するヒータや熱電対を介して電源や温度測定器に高周
波電力が伝わり誤動作を起こさないように防止機構が必
要である。 従来の電極加熱機構ではこの２つの項目が充分満足され
ていなかった。第２図に示すようにヒータとして抵抗発
熱体１４を用いた場合、高周波電力の漏れを防止するた
め、抵抗発熱体１４と電極板１１の間を絶縁する必要が
あるが、絶縁板１２を挿入することによって熱伝導性が
悪くなり温度制御の応答性が低下する。また、抵抗発熱
体１４と絶縁板１２、絶縁板１２と電極板１１の熱接触
を安定に確保しないと、電極温度の面内分布均一性が悪
くなったり、過熱による抵抗発熱体１４が断線すること
もある。 その対策として、第２図のように絶縁板１２に熱が流入
する前に金属性均熱ブロック１３で熱流束を分散し電極
温度の面内分布均一性向上を図っても良いが、均熱ブロ
ック１３により電極全体の熱容量が増大して温度制御の
応答性が低下してしまう。 上述したように、２００〜３００℃の領域では輻射によ
る放熱速度が小さいことから、加熱時のことを考えて電
極１１をプラズマ処理室１０から断熱した場合には、プ
ラズマ放電時の温度制御を図るため強制除熱機構が必要
となり、加熱手段とは別に強制除熱機構を付加すること
になって構造的には複雑となる。 本発明の目的は、平行平板型ドライエツチング装置の電
極熱容量を低減し、熱源と基板との間の熱伝導性を高め
ると同時に、熱接触等の不確実性要因を排除し、必要に
応じて強制除熱が可能で、プラズマ放電中の温度応答特
性が優れた高温エツチング電極及びエツチング方法を提
供することにある。さらに本発明は、目的とするエツチ
ング電極では、加熱・冷却機構を介して高周波電力が漏
れないように配慮されており、プラズマ放電が電極面内
で均一であって、必要とされるバイアス電圧が確保でき
、電極と加熱・冷却機構の間の高周波的絶ｉｔ（電気容
量）が充分大きいプラズマ処理装置を提供することにあ
る。 【課題を解決するための手段１ 上記目的は、電極板内に設けたガス流路に所定温度のガ
スを流し、ガス温度の制御によって電極の加熱もしくは
冷却を行うことにより達成される。 なお、電極とガス加熱用のヒータとを連結するパイプに
はセラミック等の耐熱性絶縁体とし、電気的に両者を分
離して高周波ノイズ等の弊害を防いだ。 【作用】 本発明の高温エツチング電極では加熱・冷却機構として
電極板にガス流路を設けるだけあるから、電極板の熱容
量を小さくできる。しがも、強制対流であるため熱接触
状態等の不確実性の問題は解決される。設定電極温度よ
りも高い温度で流入するガスは加熱作用を持ち、設定電
極温度よりも低い温度で流入するガスは除熱作用を持つ
。従って。 流入ガス温度で加熱から除熱まで一つの機構で連続的に
精度良く制御できる。 また、電極とガス加熱用のヒータの連結部分については
、セラミック材料等の絶縁管で電気的絶縁を図っておけ
ば良い。この様にして高周波電極を他の部分から電気的
に独立させることで、容易にエツチングに必要なバイア
ス電圧を確保することができる。

【実施例】

（実施例１） 本実施例で用いたエツチング装置の高温電極部を第１図
に示す。 電極は円筒形をしており、半導体基板を載せるための熱
伝導の良い電極天板２０と、それを支えるための熱伝導
の悪い電極側板２２を溶接で一体化しである。電極天板
２０は矩形断面をした管状の加熱ガス通路２１と電極温
度測定用熱電対１６と基板温度測定用熱電対２４を挿入
する孔を加工した銅板で、その表面は酸化や腐食を防止
するためにニッケル層で覆われている。ニッケルは塩素
プラズマによって殆どエツチングされないので電極天板
２１の腐食を長期間防止する上、被エツチング材料であ
る銅のエツチングに悪影響を及ぼさない。ただし、耐久
性はやや劣るが電極を石英等のセラミックで被覆しても
良い。電極側板２２はステンレス製で。 −層熱伝導を悪くするため円周に沿って溝２３を彫り薄
肉化した。この電極構造によって、電極天板１１の面内
温度分布の均一化を図った。電極とプラズマ処理室１０
の間の真空シールは電極側板２２の下部で○リングによ
り気密シールしその周囲を水冷パイプ２５で冷却した。 加熱用ガスとして用いた室温の空気は、流量調節バルブ
２６と流量計２７を通してガス加熱用ヒータ２８に供給
した。ただし、除熱量を大きく取りたい場合は、ガス加
熱用ヒータ２８に供給するガスを室温以下にすれば良い
。このためのガス冷却器３５を設けても良い。電極天板
２０内の溝２１とガス加熱用ヒータ２８はセラミック製
連結管２９でつないだ。 電極の温度制御は次の様にした。ガス加熱用ヒータ２８
に供給するガスの流量は常に一定とした。 電極温度は、高周波フィルタ３ｏを備え、絶縁管１５で
直流的に絶縁された電極温度測定用熱電対１６で測定し
た。ＰＩＤ制御器３２に電極温度測定用熱電対１６の電
圧を入力し、出力信号でガス加熱ヒータ２８に電力を供
給する電源３３を制御してガスの温度を調節した。また
、電極の温度は電極温度測定用熱電対１６が接続されて
いる温度表示器３１で読み取った。電極上に基板１８が
載っている場合は、高周波フィルタ３０の一人力を基板
温度測定用熱電対２４とすることにより制御精度が向上
する。 セラミック製連結管２９の詳細を第３図に示す。 ステンレス管３６．３７は、セラミック製内管３８を差
し込んでつないだ。ガス温度の変化に伴う熱膨張・収縮
によってセラミック製内管３８が割れないように単純に
差し込んであるだけなので高温になるとステンレス管３
６．３７が膨張してセラミック製内管３８との間に隙間
が生じる。そこで、加熱ガスがなるべく漏れないように
セラミック製外管３９で包んで二重管構造とし、セラミ
ック製内管３８とセラミック製外管３９の間に電極板加
熱用熱風と同じ圧力まで加圧したガスを少量流した。 本実施例の装置を使って、電極温度を制御した場合の実
施結果の一例を具体的に述べる。 電極天板２０の直径をφ２００＋ｉｎ＋、加熱ガス通路
２１の断面積を１６＋ｍ２とした。最大出力ＩＫＷのガ
ス加熱ヒータ２８に室温の空気を１０００　／＋ｗｉｎ
の流量で供給し、最高温度８００℃の加熱空気が得られ
るようにした。本電極により最高４００℃の基板加熱が
可能で、設定温度２００〜３００℃の範囲ではプラズマ
放電中も温度変動を±５℃以内に抑えることができた。 このエツチング装置を用いて、基板温度２５０℃の条件
で、四塩化珪素を１０１０５ｅ供給し、ガス圧力０゜８
Ｐａ、放電電力０．４８１１１／ｃ１１２のプラズマ放
電を行ったところ、３００ｎｎ／耐ｎのエツチング速度
で最小配線幅０．８μ論の銅配線を半導体基板上に形成
することができた。 （実施例２） 第４図に本実施例の電極とガスの接触方式を示す。電極
天板２０の裏面にフィン状の溝４０を彫りガスとの接触
面積を広げた。ガスはノズル４１から吹き付けた。 （実施例３） 実施例１ではＰＩＤ制御器３２でガス加熱用ヒータ２８
のための電源３３を制御したが、本実施例ではガス加熱
用ヒータ２８のヒータ電力を一定もしくはゼロとしＰＩ
Ｄ制御器３２で流量調節バルブ２６の開度を自動制御し
、電極天板２０の温度を制御した。特に１ｋＷ／ｃｍ２
に近い高電力放電時では、大きな電極冷却能力が必要と
・されるため１本実施例による制御が有効であった。 以上、平行平板型ドライエツチング装置の電極として説
明したが、同じ構造の電極をマイクロ波プラズマエツチ
ング装置の基板電極として用いても良い。 また、本トライエツチング装置は銅薄膜の加工のみなら
ず、室温よりも低いガスを供給しガス加熱ヒータで温度
調節することで、室温以下のドライエツチングにも適用
可能である。 熱電対１６．２４を光フアイバー式温度計とすれば高周
波フィルタ３０は必要ない。

【発明の効果】

本発明の平行平板型ドライエツチング装置によって、プ
ラズマ放電中も電極の温度変動を±５℃以内に抑えるこ
とができた。このため、放電中の温度上昇を抑えラジカ
ルによるサイドエツチングを抑制することができた。ま
た、２５０℃の熱処理を施したフォトレジストを加工マ
スクとしてもエツチング中に変質することがなくなった
。

【図面の簡単な説明】

ぐｉ緘 第１図は、本発明の平行平板型ドライエツチング装置の
電極構造を示す縦断面図、第２図は従来の平行平板型ド
ライエツチング装置の電極構造を示す縦断面図、第３図
は、電極とガス加熱ヒータをつなぐセラミック製連結管
の詳細を示す縦断面図、第４図は、本発明の他の実施例
の平行平板型ドライエツチング装置の電極構造を示す縦
断面図である。 符号の説明 １０・・プラズマ処理室　　１１・・・電極１２・・・
絶縁板　　　　　　１３・・・均熱ブロック１４・・・
抵抗発熱体　　　　１５・・・絶縁管１６・・・電極温
度測定用熱電対 １７・・・シールド板　　　　１８・・基板２０・・・
電極天板　　　　　２１・・・加熱ガス通路２２・・・
電極側板　　　　　２３・・溝２４・・・基板温度測定
用熱電対 ２５・・・水冷パイプ　　　　２６・・・流量調節バル
ブ２７・・・流量計　　　　　　２８・・・ガス加熱用
ヒータ２９・・・セラミック製連結管 ３０・・・高周波フィルタ　　３１・・・温度表示器３
２・・・ＰＩＤ制御器　　　３３・・・電源３４・・・
排気管　　　　　　３５・・・ガス冷却器３６・・・ス
テンレス管　　　３７・・・ステンレス管３８・・・セ
ラミック製内管　３９・・・セラミック製外管Ｙ 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放電電極の温度を制御するための手段として、温度
   調節したガスを電極内部に強制対流させることを特徴と
   するプラズマ処理装置。 ２、放電電極及び温度制御機構が、ガスを対流させるた
   めの管状の加熱ガス通路、溝もしくはフィンを備えた電
   極板と、その温度測定手段と、放電電極に対し電気的に
   絶縁されたガス加熱用ヒータと、測定した電極温度をガ
   ス加熱用ヒータもしくはガス流量調節バルブにフィード
   バックするための制御器から構成されていること特徴と
   するプラズマ処理装置。 ３、上記ガス加熱用ヒータに供給するためのガスを冷却
   する冷却器を付加したことを特徴とする請求項２記載の
   プラズマ処理装置。 ４、上記放電電極板に設けられた加熱ガス対流用の管と
   ガス加熱用ヒータとの接続部分を絶縁体の二重管構造と
   し、加熱ガスを内管に流し、内管からのガス漏れを防止
   するための加圧ガスを内管と外管の間に流すことを特徴
   とする請求項２記載のプラズマ処理装置。 ５、上記放電電極の形状が円筒形であって、半導体基板
   を載せるための熱伝導の良い材料からなる天板と、それ
   を支える熱伝導の悪い材料からなる側板を溶接で一体化
   してあり、電極とプラズマ室は電気的に絶縁可能な状態
   で気密シールされており、その部分が水冷パイプで冷却
   してあることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理
   装置。 ６、上記放電電極の天板がニッケル層で被覆された銅板
   であることを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理装
   置。 ７、上記プラズマ処理装置において、電極温度を２２０
   ℃から３００℃までの所定の温度に設定し、プラズマ放
   電中の電極温度の変動を±５℃以内とすることを特徴と
   するドライエッチング方法。