JPH04336423A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置等の製造工程
において使用されるＲＦバイアス印加型のプラズマ処理
装置に関し、特にウェハの迅速な加熱を可能とするべく
ウェハ・サセプタの構成が改良されたプラズマ処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進むに伴
い、金属配線のデザイン・ルールもサブミクロンさらに
はクォーターミクロンに微細化されようとしている。従
来、半導体装置における金属配線はアルミニウム（Ａｌ
）系材料によるものが主流である。しかし、Ａｌ系の金
属配線は、デザイン・ルールが　０．５μｍよりも微細
になるとエレクトロマイグレーション等により配線の信
頼性が劣化する上に、アスペクト比が１〜２と大きくな
り、その後の絶縁膜形成や平坦化等の一連のプロセスが
実施困難となる。かかる背景から、銅（Ｃｕ）系の金属
材料による配線形成が注目されている。Ｃｕはエレクト
ロマイグレーション耐性が高い上、電気抵抗率が約　１
．４μΩｃｍと低く、アルミニウムの半分程度に過ぎな
い。 したがって信頼性を損なうことなく金属配線層を薄膜化
することが可能となり、アスペクト比も軽減される。

【０００３】しかし、Ｃｕ系の金属材料のエッチングに
はまだ技術上の困難も多く、実用化を前に解決すべき課
題も多い。エッチング中にウェハの加熱を必要とするこ
とも、最大の課題のひとつである。Ｃｕはハロゲン化物
の室温近傍における蒸気圧が極めて低いために、Ａｌ系
等の金属配線層のエッチング・ガスとして従来から良く
知られているハロゲン系ガスを用いてエッチングを行お
うとしても、実用的なエッチング速度が得られない。そ
こで、ウェハを２００℃前後もしくはそれ以上に加熱し
、反応生成物の蒸気圧を高めて除去し易くする必要が生
ずるのである。たとえば、Ｊａｐａｎｅｓｅ　　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ第２８巻６号第Ｌ１０７０〜Ｌ１０７２ページ　（１
９８９年）　には、ウェハを２５０℃付近に加熱しなが
らＳｉＣｌ４とＮ２　の混合ガスによりＣｕ薄膜の反応
性イオンエッチングを行う技術が報告されている。この
技術によれば、気相中における反応生成物であるＳｉｘ
　Ｎｙ　を側壁保護に利用できるため、異方性加工が行
われるとされている。また本願出願人は先に特願平３−
４２２２号明細書において、酸化窒素系ガスであるＮ２
　Ｏと塩素系ガスであるＢＣｌ３　との混合ガスをエッ
チング・ガスとして用いることにより、Ｃｕを硝酸銅Ｃ
ｕ（ＮＯ３　）ｘ　の形で除去すると共に、蒸気圧の低
い塩化銅（特に塩化第一銅ＣｕＣｌ）を側壁保護に利用
することにより異方性加工を行う技術を提案している。 この場合にも、２００〜２５０℃程度のウェハ加熱が必
要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、Ｃｕ系
材料層をエッチングするためにはウェハを２００℃前後
、あるいはそれ以上に加熱する必要があるため、ウェハ
の加熱機構を有するプラズマ装置を使用することが前提
となる。従来、ウェハを加熱する方法としては、該ウェ
ハを載置するウェハ・サセプタ（あるいはウェハ・ステ
ージ）に電熱ヒータを内蔵させる方法が一般的である。 たとえば、特開昭６２−２８１３３１号明細書には、ダ
ウンフロー型マイクロ波プラズマ・アッシング装置のウ
ェハ・ステージを介してウェハを１００℃以上に加熱し
ながらレジスト・アッシングを行う方法が開示されてい
る。この技術は、Ｃｕを含むＡｌ系合金材料層をエッチ
ングした後に、ウェハ表面に残留する蒸気圧の低いＣｕ
Ｃｌｘ　を除去してアフタコロージョンを防止すること
を目的としている。すなわち、ウェハの加熱によりＣｕ
Ｃｌｘ　自身の蒸気圧を高め、あるいは該ＣｕＣｌｘ　
とエッチング種との反応を促進してより蒸気圧の低い化
合物に変化させることにより、レジストの除去と同時に
残留塩素を徹底的に除去しようとするものである。しか
しながら、上述のようにウェハ・ステージに埋設された
ヒータを用いてウェハ加熱を行う方法では昇温に時間が
かかり、実用的なスループットを達成することは困難で
ある。

【０００５】迅速な昇温を行うためには赤外線ランプ加
熱が有効であり、既存の装置としてはたとえばＣＶＤ装
置に適用した例がみられる。これは、装置外部に設置さ
れた赤外線ランプの光をＣＶＤチャンバの壁面の一部に
設けられた石英窓を介して導入し、まずウェハ・サセプ
タの裏面に赤外光を照射してこれを加熱し、その上に載
置されたウェハをウェハ・サセプタからの熱伝導により
二次的に加熱するというものである。しかし、この方式
を通常のエッチング装置に適用し、かつＲＦバイアス印
加を行おうとすると、やはり実用的なスループットを達
成することは難しい。それは、既存の装置ではＲＦバイ
アス印加を行うためにウェハ・サセプタが金属性のブロ
ック状部材等により構成されており、このためにウェハ
・サセプタの昇温とそれに続くウェハの昇温に多くの時
間を費やすからである。そこで本発明は、迅速なウェハ
の昇温とＲＦバイアス印加とが共に可能なウェハ・サセ
プタを具備するプラズマ処理装置を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理装
置は、上述の目的を達成するために提案されるものであ
る。すなわち、本願の第１の発明にかかるプラズマ処理
装置は、ウェハ・サセプタにＲＦバイアスが印加される
型式の装置であって、前記ウェハ・サセプタが赤外線を
透過する板状部材と、該板状部材に接触保持されＲＦ電
源に接続される導電性の有孔電極板から構成され、かつ
前記ウェハ・サセプタのウェハ載置面の反対側からウェ
ハを加熱する赤外線加熱機構を備えてなることを特徴と
するものである。

【０００７】本願の第２の発明にかかるプラズマ処理装
置は、ウェハ・サセプタの構成が第１の発明とやや異な
り、赤外線を透過する一対の板状部材と、該一対の板状
部材に挾持されＲＦ電源に接続される導電性の有孔電極
板から構成されてなることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】本願の第１の発明にかかるプラズマ処理装置で
は、ウェハ・サセプタの実質的な本体が赤外線に対して
透明な板状部材により構成され、しかもＲＦバイアス印
加用の電極が導電性の有孔板状部材により構成されてい
る。この構成によれば、ウェハ・サセプタの裏側から赤
外線加熱機構により照射された赤外光は、上記板状部材
と有孔電極板の孔部を通過して直接にウェハの裏面に到
達してこれを加熱することができ、ウェハ・サセプタの
昇温を待つ必要がない。したがって、ＲＦバイアス印加
と迅速なウェハ加熱とが同時に可能となる。以上は、本
願の第１の発明および第２の発明に共通の作用であるが
、第２の発明では有孔電極板を赤外線を透過する板状部
材で挾持する構成とすることにより、プラズマ処理の一
層のクリーン化を可能としている。すなわち、この構成
によれば有孔電極板とウェハとが直接に接触することが
ないので、ウェハの傷付きやパーティクルの発生が抑制
される。また、有孔電極板がプラズマに直接曝されるこ
とがないので、所定のプロセスが終了した後に随時行わ
れるプラズマ・クリーニング等の工程においても、スパ
ッタ作用等による有孔電極板の劣化を防止することがで
きる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００１０】実施例１ 本実施例は、本願の第１の発明を適用してＲＦバイアス
印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置を
構成した例である。この構成を、図１を参照しながら説
明する。この装置は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発
生するマグネトロン１、マイクロ波を導く矩形導波管２
および円形導波管３、上記マイクロ波を利用してＥＣＲ
放電により内部でＥＣＲプラズマＰを生成させるための
石英製のベルジャー４、上記円形導波管３の一部と上記
ベルジャー４を周回するように配設され８７５Ｇａｕｓ
ｓの磁束密度を達成できるソレノイド・コイル５、上記
ベルジャー４に接続される試料室６、エッチング・ガス
を矢印Ｂ１　，Ｂ２　方向から上記ベルジャー４へ供給
する第１のガス導入管７、ウェハ８を載置するウェハ・
サセプタ１１、該ウェハ・サセプタ１１にＲＦバイアス
を印加するために、直流成分を遮断するためのブロッキ
ング・コンデンサ１５を介して接続されるＲＦ電源１６
等から構成されている。上記ベルジャー４および試料室
６の内部は、図示されない真空系統により図中矢印Ａ方
向に高真空排気されている。

【００１１】以上がＥＣＲエッチング装置の一般的な構
成要素であるが、本発明で使用する装置においては以下
の工夫が加えられている。これを、図２を参照しながら
説明する。まず上記ウェハ・サセプタ１１は、該ウェハ
・サセプタ１１の実質的な本体をなす円形の石英板１０
に、ＲＦバイアスを印加するための円形の金属メッシュ
電極９が嵌合された構成を有する。ここで、上記金属メ
ッシュ電極９はウェハ８の直下に置かれるメッシュ部９
ａとこれを支持する枠部９ｂからなり、実用的な装置構
成では上記枠部９ｂにＲＦバイアス印加用の配線が接続
される。これにより、ウェハ８には負の自己バイアスが
発生する。上記メッシュ部９ａの直径は、ＥＣＲプラズ
マＰとの直接接触を避けるためにウェハ８の直径よりも
やや小とされている。上記試料室６の底面には石英窓１
２が設けられており、装置外部に配設される赤外線ラン
プ１３の光を採り入れて上記ウェハ・サセプタ１１をウ
ェハ載置面の裏側から加熱できるように構成されている
。上記赤外線ランプ１３の背面側には反射板が設けられ
ており、赤外線ランプ１３の光を平行光として効率良く
入射させることができる。また、昇温時と保温時とでウ
ェハ温度制御を容易とするために、上記赤外線ランプ１
３の点灯本数はスイッチ（図示せず。）により適宜切り
換え可能とされている。かかる構成において、赤外線ラ
ンプ１３から発した赤外光は石英窓１２、石英板１０、
メッシュ部９ａの隙間を順次通過してウェハ８を背面側
から照射し、該ウェハ８を加熱するわけである。この際
の加熱は、従来のようなウェハ・サセプタからの熱伝導
による二次的な加熱ではなく、赤外光の直接照射により
行われるため、極めて迅速である。

【００１２】さらに、上記ベルジャー４の頂部には円形
導波管３を通過した第２のガス導入管１９が開口されて
いる。この第２のガス導入管１９は、装置外部に設置さ
れるバブラー１７に矢印Ｃ方向から適当なガスを送入し
て液体１８を気化させることにより発生させたエッチン
グ・ガスをベルジャー４内に導入するためのものである
。通常の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置で
は、前述の第１のガス導入管７に相当する部分のみがガ
ス導入管として配設されている。これに対し、上述のよ
うにマイクロ波共振空間を通過するごとく第２のガス導
入管１９を配設すれば、エッチング・ガスはマイクロ波
で励起されながら供給されるため、エッチング速度を向
上させることができる。

【００１３】ここで、上述の有磁場マイクロ波プラズマ
・エッチング装置を用いた実際のプロセス例について説
明する。エッチング・サンプルとして使用したウェハ８
は、層間絶縁膜上にＣｕ層がスパッタリング等により形
成され、さらに該Ｃｕ層の表面に所定の形状にパターニ
ングされた耐熱性のエッチング・マスクが形成されてな
るものである。このエッチング・マスクは、たとえばＣ
ＶＤで堆積させた酸化シリコン層をレジスト・マスクを
用いてパターニングすることにより形成したが、ＳＯＧ
（スピン・オン・グラス）やＳｉＮを用いて構成しても
良い。このウェハ８を上述の装置のウェハ・サセプタ１
１上にセットし、上記第２のガス導入管１９からＨＮＯ
３　、第１のガス導入管７からＢＣｌ３を導入して上記
Ｃｕ層のエッチングを行った。このときの条件は、一例
としてＨＮＯ３　流量５０ＳＣＣＭ、ＢＣｌ３　流量２
０ＳＣＣＭ、ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）、マ
イクロ波パワー８５０Ｗ、ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ
（２ＭＨｚ）とした。ただし、上記ＨＮＯ３　流量には
、ＨＮＯ３　水溶液のバブリングに使用したＮＯ２　の
流量が含まれている。また、赤外線ランプ１３により、
ウェハ８を約２００℃に加熱した。このとき、ウェハ８
は極めて速やかに昇温した。上述のエッチング過程では
、ＢＣｌ３　の還元作用によりＣｕ層表面の自然酸化膜
が除去されると共にＣｕ層の表面にＣｕＣｌｘ　Ｏｙ　
，Ｃｕ（ＮＯ３　）ｘ　等が生成した。一方、プラズマ
中にはＢ＋　，ＢＣｌｘ　＋　，Ｃ　　ｌｘ　＋　，Ｏ
ｘ　＋　等のイオンも生成しており、金属メッシュ電極
９の枠部９ｂを介して印加されるＲＦバイアスによりウ
ェハ８へ向かって加速されている。これらのイオンがＣ
ｕ層の表面に生成した生成物をスパッタ除去する機構に
もとづき、エッチングは速やかに進行した。またこのと
き、蒸気圧の低い塩化銅がパターン側壁部に堆積して側
壁保護効果を発揮するため、良好な異方性形状を有する
Ｃｕ配線が形成された。

【００１４】実施例２ 本実施例は、本願の第２の発明を適用してＲＦバイアス
印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置を
構成した例である。この構成を、図３を参照しながら説
明する。ただし、図３において図２と共通の部分につい
ては同一番号を付して説明する。本実施例における有磁
場マイクロ波プラズマ・エッチング装置の概略的な構成
は実施例１で前述したとおりであるが、ウェハ・サセプ
タ２１は実施例１とは異なり、金属メッシュ電極９が一
対の石英板１０，２０に挾持された構成とされている。 図３（ａ）はエッチング中のウェハ・サセプタ２１の使
用状態、図３（ｂ）は周辺部材を含めた上記ウェハ・サ
セプタ２１の分解斜視図である。すなわち、本実施例で
は石英板２０がウェハ８と金属メッシュ電極９との間に
介在されることにより、メッシュ部９ａがウェハ８と直
接に接触せずに済む。これにより、該メッシュ部９ａの
表面凹凸によるウェハ８の裏面の傷付きやパーティクル
汚染が効果的に防止できる。また、プラズマ・クリーニ
ング中にメッシュ部９ａがＥＣＲプラズマＰに曝される
ことがないので、メッシュ部９ａ自身の劣化も防止する
ことができる。この装置を前述と同様、Ｃｕ層のエッチ
ングに用いた場合にも、ＲＦバイアス印加と迅速なウェ
ハ加熱を行いながら良好なエッチングを行うことができ
た。

【００１５】以上、本発明を２つの実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、たとえば上記ウェハ・サセプタ１１，２
１を構成する金属メッシュ電極９のメッシュ部９ａは、
スリット状の開口を有する部材、あるいはいわゆるパン
チング・メタルのように多数の小孔を有する板状部材等
を用いて構成されていても良い。要は、赤外光を通過さ
せてウェハ８背面に均一に照射できる形状に構成されて
いれば良い。上記ウェハ・サセプタ１１，２１を構成す
る板状部材としては石英板１０，２０を使用したが、他
の赤外線透過材料としてサファイア板や不純物を含有し
ない高抵抗Ｓｉ基板等を使用することもできる。赤外線
ランプの形状，設置本数，配置等は、均一なウェハ加熱
が可能であれば特に限定されるものではない。さらに、
本発明が適用される装置は上述の有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置に限られず、平行平板型ＲＩＥ（
反応性イオン・エッチング）装置やマグネトロンＲＩＥ
装置等の各種ドライエッチング装置、さらにあるいは高
温バイアス・スパッタリング装置等であっても良い。

【００１６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のプラズマ処理装置ではウェハ・サセプタがその実質
的な本体となる板状部材とＲＦバイアス印加用の有孔電
極板とから構成され、しかもこれら両者が材料の選択も
しくは形状の工夫により赤外線を透過させ得るようにな
されている。したがって、ウェハを裏面から迅速に加熱
することができ、しかもこの加熱を従来から行われてい
るＲＦバイアス印加を何ら妨げることなく行うことがで
きる。本発明のプラズマ処理装置は、ＲＦバイアス印加
とウェハの高温加熱とを要するＣｕ配線加工やバイアス
・スパッタリング等のプロセスに特に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の第１の発明を適用した有磁場マイクロ波
プラズマ・エッチング装置の一構成例を示す概略断面図
である。

【図２】図１に示される有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置のウェハ・サセプタおよびその周辺部材の
構成を示す分解斜視図である。

【図３】本願の第２の発明を適用した有磁場マイクロ波
プラズマ・エッチング装置のウェハ・サセプタおよびそ
の周辺部材の一構成例を示す図であり、（ａ）は概略断
面図、（ｂ）は分解斜視図である。

【符号の説明】

８　　　　　　　　・・・ウェハ ９　　　　　　　　・・・金属メッシュ電極９ａ　　　
　　　・・・メッシュ部 ９ｂ　　　　　　・・・枠部 １０，２０・・・石英板 １１，２１・・・ウェハ・サセプタ １２　　　　　　・・・石英窓 １３　　　　　　・・・赤外線ランプ １６　　　　　　・・・ＲＦ電源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ウェハ・サセプタにＲＦバイアスが印
   加されるプラズマ処理装置において、前記ウェハ・サセ
   プタが赤外線を透過する板状部材と、該板状部材に接触
   保持されＲＦ電源に接続される導電性の有孔電極板から
   構成され、かつ前記ウェハ・サセプタのウェハ載置面の
   反対側からウェハを加熱する赤外線加熱機構を備えてな
   ることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】　　ウェハ・サセプタにＲＦバイアスが印
   加されるプラズマ処理装置において、前記ウェハ・サセ
   プタが赤外線を透過する一対の板状部材と、該一対の板
   状部材に挾持されＲＦ電源に接続される導電性の有孔電
   極板から構成され、かつ前記ウェハ・サセプタのウェハ
   載置面の反対側からウェハを加熱する赤外線加熱機構を
   備えてなることを特徴とするプラズマ処理装置。