JP2009026779A - 真空処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
被処理基板を冷却ガスを用い冷却する真空処理装置において、処理終了時に冷却ガスを真空処理室内に排気した場合、真空処理室の圧力が急激に上昇し、プラズマ分布及びガス組成の変化，チャージングダメージなどの問題が発生する。
【解決手段】
真空処理室を真空排気する高真空排気ポンプと、高真空排気ポンプの下流に接続された低真空排気ポンプと、被処理基板を載置する下部電極と、被処理基板と下部電極との間に冷却ガスを供給する手段とを有する真空処理装置において、冷却ガス供給手段は、冷却ガス供給系及び冷却ガス供給ガスラインを有し、冷却ガス供給ガスラインは、冷却ガスを排気する捨てガスラインに第一の捨てガスバルブを介し接続され、捨てガスラインは、第二の捨てガスバルブを介し高真空排気ポンプの直上に接続されると共に、第三の捨てガスバルブを介し高真空排気ポンプと低真空排気ポンプの間の排気ガスラインに接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は真空処理装置に係り、特に、半導体製造装置に適した真空処理装置に関するものである。

半導体デバイスを製造する際に、ウエハ上に形成されたトランジスタと金属配線間および金属配線間を電気的に接続するために、トランジスタ構造の上部および配線間に形成された層間絶縁膜の中に、プラズマを利用したドライエッチング方法でVia holeを形成し、Via hole内に、Ｃｕ等の電気伝導物質を充填して配線を形成する方法が広く用いられている。

ドライエッチング方法とは、真空処理室内に導入されたエッチングガスを外部から印加された高周波電力によりプラズマ化し、プラズマ中で生成された反応性ラジカルやイオンをウエハ上で反応させることで、マスクの施された被加工膜を選択的にエッチングする技術である。

半導体ウエハ（以下では被処理基板とする）をプラズマ処理する際には、被処理基板と被処理基板を載置する下部電極の間に冷却ガスをいれ、被処理基板を冷却する方法が用いられてきた。

ここでプラズマエッチングの処理方法の例を説明する。上記で説明したように、半導体のプラズマ処理を行うには、まず真空処理室内に希ガス，フロロカーボン系のガス，窒素等のエッチングガスを入れ、真空処理室圧力調整用可変バルブ，高真空排気ポンプ，低真空排気ポンプなどで構成される真空排気系で所定の圧力に制御したあとに、高周波電力を印加し、エッチングガスをプラズマ化する。プラズマ化したガス中のプラスイオン（以下イオン）を下部電極に設置した被処理基板に引き込むために、下部電極を通じて被処理基板に高周波電力を印加する。被処理基板に高周波電力を印加すると、被処理基板に負のセルフバイアス電位が発生する。その結果、プラズマ中のイオンが被処理基板に向かって入射してくる。入射してくるイオンと被処理基板の表面物質が物理及び化学反応することでエッチング処理が進行する。被処理基板に高周波電力を印加し、エッチング処理を行うため被処理基板の面内温度がエッチング時間と共に上昇してしまう。面内温度が上昇してしまうと、特に化学反応が変化する為に、エッチングレートの均一性の変化や、エッチング形状の変化，フォトレジストが焦げてしまうなどの問題が発生する。そこで被処理基板の温度上昇を防ぐために、下部電極内部に冷却した冷媒を流して、下部電極を冷却し、下部電極に吸着した被処理基板を冷却する。しかし真空処理室内では、被処理基板と下部電極の間は真空断熱されており、下部電極を冷却しただけでは被処理基板を十分に冷却できない。そこで被処理基板と下部電極の間に不活性の冷却ガスをいれ、冷却効率をあげている。

次に被処理基板の冷却方法をさらに具体的に説明する。下部電極には冷却ガスを流し込むための溝があらかじめ、形成されている。プラズマ処理が始まると、溝に冷却ガスが送り込まれてくる。被処理基板と下部電極は静電吸着力で吸着しており、また外周部はシールされているため、冷却ガスは殆どリークしない。通常、下部電極内部には冷却された冷媒が流れており、下部電極を冷却している。溝部に蓄積された冷却ガスは下部電極を冷却し、被処理基板を温度制御している。

図２を用いエッチング処理終了時の従来の冷却ガス排気シーケンスを説明する。エッチング処理が終了した後に、下部電極２１５から被処理基板２１６をはがす為の除電処理が始まる。この除電処理の間は、真空処理室２００内にはエッチングガスや高周波電力は供給され続けており、プラズマはまだ存在している。この除電処理の間に冷却ガスを被処理基板２１６と下部電極２１５の間から排気しなければならない。被処理基板２１６と下部電極２１５の間にある冷却ガスは捨てガスライン２０６を通り、真空処理室２００内に排気される。これは被処理基板２１６と下部電極２１５の間の圧力が、静電吸着力が切れる前までに十分に減圧されていないと、静電吸着力が切れた際に、被処理基板２１６が冷却ガスの圧力で下部電極２１５から剥がれ被処理基板２１６が破損する恐れがある。そのため冷却ガスを高真空排気ポンプ２０１及び低真空排気ポンプ２０２で排気し、十分に減圧してから、静電吸着力を切る必要がある。

通常エッチング中は、冷却ガスの圧力は数ｋＰａ、また真空処理室２００内は数Ｐａ程度の圧力に設定している。このような状況で除電処理時に、被処理基板２１６と下部電極２１５の間にある冷却ガスを真空処理室２００内に一気に排気すると、真空処理室２００の圧力が急激に上昇してしまう。エッチング処理条件が低圧であればあるほど、冷却ガスを排気した時にチャンバーの中に与える影響は大きい。この急激な圧力変化の為に、エッチングガスの組成や、プラズマの分布などが変化し、チャージングダメージなどの問題が発生する。

チャージングダメージとは、半導体ウエハにプラズマ処理を行う場合に起きる様々な帯電現象のうち、半導体基板のゲート絶縁膜の破壊や劣化につながる現象である。ゲート絶縁膜は半導体回路中で電流の流れを制御するためのものであり、ゲート絶縁膜が破壊されてしまうと、その半導体回路は使用できなくなってしまう。そのためゲート絶縁膜をチャージングダメージから守ることは重要である。

チャージングダメージによる歩留まりの低下を避けるためにはエッチング終了時に冷却ガスを真空処理室２００内に排気することによって引き起こされる、プラズマ分布の変化やガスの組成の変化など、過渡的なプラズマの変化を抑制することが必要である。

従来までの装置構成（例えば、特許文献１の図１参照）では冷却ガスを高真空排気ポンプ近辺に排気しているが、通常、排気される冷却ガス（以下、捨てガスと呼ぶ）の真空処理室内の圧力伝播の速度は、高真空排気ポンプの排気速度より大きいため、やはり真空処理室内の急激な圧力上昇に対しては、不十分である。高真空排気ポンプに直上に排気しているが、どうしても真空処理室内に冷却ガスが拡散してしまい、プラズマ分布が影響を受けてしまう。

特開２００２−３６７９６５号公報

本発明の特徴は冷却ガスを排気した際に生じる真空処理室内の急激な圧力変化によって引き起こされる、プラズマ分布の変化や、ガス組成の変化，チャージングダメージなどの問題を、冷却ガスを高真空排気ポンプと低真空排気ポンプの間に排気することで、上記の問題を解決することにある。

本発明は、真空処理室と、真空処理室を真空排気する高真空排気ポンプと、高真空排気ポンプの下流に接続された低真空排気ポンプと、被処理基板を載置する下部電極と、被処理基板と下部電極との間に冷却ガスを供給する冷却ガス供給手段とを有する真空処理装置において、冷却ガス供給手段は、冷却ガス供給系及び冷却ガス供給ガスラインを有し、冷却ガス供給ガスラインは、冷却ガスを排気するための捨てガスラインに第一の捨てガスバルブを介して接続され、捨てガスラインは、第二の捨てガスバルブを介して高真空排気ポンプの直上に接続されると共に、第三の捨てガスバルブを介して高真空排気ポンプと低真空排気ポンプとの間の排気ガスラインに接続することによって達成される。

また、捨てガスラインが冷却ガス供給ガスラインよりも体積が大きいことを特徴としている。

本発明の構成とすることで、真空処理室内の急激な圧力上昇を抑制でき、チャージングダメージなどの種々の問題を解決できる。

本発明での実施形態を図１を用い説明する。エッチング処理を行うための真空処理室１００を備え、図示はしていないが、真空処理室１００内にエッチングガスを供給するためのガス供給系と、エッチングガスをプラズマ化するための高周波電源を備え、真空処理室１００を所定の圧力に調圧するための真空処理室圧力調整用可変バルブ１０９，高真空排気ポンプ１０１，低真空排気ポンプ１０２から構成される真空排気系を備えている。低真空排気ポンプ１０２は十分に排気能力が大きいものとする。また被処理基板１１６を載置するための下部電極１１５と、図示はしていないが下部電極１１５にプラズマを引き込む為の高周波電源と、被処理基板１１６を下部電極１１５と吸着させるための直流電源を備えている。また被処理基板１１６と下部電極１１５との間に冷却ガスを供給するための冷却ガス供給系１０３と冷却ガス供給ガスライン１１１，１１７を備えている。本発明を実施するために、冷却ガスを高真空排気ポンプ１０１と低真空排気ポンプ１０２の間に排気するための捨てガスライン１１８を備えた。また、高真空排気ポンプ１０１と低真空排気ポンプ１０２の間の圧力をモニタするための高真空排気ポンプ背圧圧力計１１３と、被処理基板１１６と下部電極１１５との間で冷却ガスの圧力のモニタするための裏面圧力計１１２と、捨てガスライン１１８の圧力をモニタする為の捨てガスライン圧力計１２１を備えた。更に、冷却ガスを真空処理室圧力調整用可変バルブ１０９と高真空排気ポンプ１０１との間に排気するための捨てガスライン１１９を備えた。ここで、捨てガスライン１１８は冷却ガスを供給するための冷却ガス供給ガスライン１１７より十分に体積が大きいものとする。

捨てガスライン１１８体積は、高真空排気系の背圧が最大吸気口圧力を超えないように決定する。通常、エッチング処理中、被処理基板１１６と下部電極１１５の間の圧力は、３ｋＰａ以下であるが、ここではＰ１（Ｐａ）まで裏面圧力がかかるとする。またエッチング処理中の高真空排気系の背圧をＰ３とし、エッチング処理中の捨てガスライン１１８の圧力をＰ２とする。冷却ガス供給ガスライン１１７の体積をＶ１、捨てガスライン１１８の体積をＶ２、排気ガスライン１２０の体積をＶ３とする。また高真空排気系の最大排気口圧力をＰｍａｘとする。捨てガスライン１１８の体積は
Ｖ２＞｛（−Ｐｍａｘ（Ｖ１＋Ｖ３）＋Ｐ１Ｖ１＋Ｐ３Ｖ３）
＋（(Ｐｍａｘ(Ｖ１＋Ｖ３)²)−４（２(Ｐｍａｘ−Ｐ２)）(ＰｍａｘＶ１Ｖ３
−Ｐ３Ｖ１Ｖ３))^1/2｝／(２(Ｐｍａｘ−Ｐ２)) …（１）
の関係を満たす必要がある。

前述した冷却ガスを真空処理室１００内に排気する際に生じる急激な圧力変化のメカニズムから考えると、冷却ガスを十分に減圧した状態で排気すれば、真空処理室１００内の急激な圧力変化を抑制できる。

以下、図１とフローチャート（図３）を用いて本発明の実施例を説明する。

通常のエッチング中は、冷却ガス供給バルブ１０４を開き、冷却ガス供給系１０３から冷却ガスを冷却ガス供給ガスライン１１１と冷却ガス供給ガスライン１１７を通過し、被処理基板１１６と下部電極１１５の間に供給する。また捨てガスバルブ１０５と捨てガスバルブ１０６を閉じ、捨てガスバルブ１０７を開け、捨てガスライン１１８と捨てガスライン１１９を高真空排気を行う。このため捨てガスライン１１８と捨てガスライン１１９は真空処理室程度の圧力程度に減圧されている。

エッチング終了時に、まず冷却ガス供給系１０３から供給される冷却ガスを遮断するために冷却ガス供給バルブ１０４を閉じる（ステップ１）。また捨てガスバルブ１０７を閉じる（ステップ２）。そして捨てガスバルブ１０５を開放し（ステップ３）、被処理基板１１６と下部電極１１５の間に溜まっている冷却ガスと、冷却ガス供給ガスライン１１７に溜まっている冷却ガスを、捨てガスライン１１８に拡散させる。エッチング終了時まで捨てガスライン１１８は高真空排気されており、被処理基板１１６と下部電極１１５の間の裏面圧と比較すると十分に圧力は低い。その為に、冷却ガスが捨てガスライン１１８に拡散してくる。裏面圧力計１１２と、捨てガスライン圧力計１２１の圧力が等圧になるのを確認し、また捨てガスラインの圧力が高真空排気ポンプ背圧圧力計１１３の圧力より高いことを確認したら、捨てガスバルブ１０５を閉じる（ステップ４）。ここで捨てガスライン１１８の圧力が高真空排気ポンプの最大排気口圧力Ｐｍａｘより、小さくなるように、捨てガスライン１１８の体積を（１）式をみたすようにする必要がある。次に、捨てガスバルブ１０６を開放し（ステップ５）、冷却ガスを高真空排気ポンプ１０１と低真空排気ポンプ１０２の間に排気する。捨てガスライン１１８の体積は（１）式を満たしておれば、高真空排気系の圧力が最大排気口圧力まで上がることはない。

捨てガスライン１１８を低真空排気ポンプ１０２で真空排気し、高真空排気ポンプ背圧圧力計１１３の圧力と捨てガスライン圧力計１２１の圧力が等圧になるのを確認し、捨てガスバルブ１０６を閉じる（ステップ６）。そして捨てガスバルブ１０５を開け（ステップ７）、冷却ガス供給ガスライン１１７に残留している冷却ガスを捨てガスライン１１８に拡散させる。その後に、捨てガスバルブ１０７を開け（ステップ８）、真空処理室１００と、冷却ガス供給ガスライン１１７と、捨てガスライン１１８と、被処理基板１１６と下部電極１１５の間の空間に残っている冷却ガスを高真空排気ポンプ１０１で真空排気を行う。

本実施例では、まず冷却ガスを高真空排気ポンプ１０１と低真空排気ポンプ１０２の間に排気することで、冷却ガスが真空処理室１００内に排気されることを防ぐ。これにより、真空処理室１００内の急激な圧力上昇、ガス組成の変化やプラズマ分布の変化を防ぐことができる。また捨てガスライン１１８の体積を、冷却ガス供給ガスライン１１７と被処理基板１１６と下部電極１１５の間に空間の体積より十分に大きくとっているため、高真空排気ポンプ１０１の背圧の急激な上昇を抑制することができる。

捨てガスバルブ１０６を閉じ、捨てガスバルブ１０７を開け、高真空排気ポンプ１０１と低真空排気ポンプ１０２で真空引きをするのは、被処理基板１１６と下部電極１１５の間の圧力を真空処理室１００内の圧力と等しくするためである。静電吸着力を供給する電力を切るタイミングで、被処理基板１１６と下部電極１１５の間の冷却ガスの圧力が、被処理基板１１６の自重の圧力と真空処理室１００の圧力より高いと、被処理基板１１６が下部電極１１５から剥がれ、ウエハが破損する恐れがある。そのため捨てガスバルブ１０６を閉じ、捨てガスバルブ１０７を開け真空処理室圧力調整用可変バルブ１０９と高真空排気ポンプ１０１の間に冷却ガスを排気し、高真空排気を行い、被処理基板１１６と下部電極１１５の間の圧力を真空処理室１００の圧力と等しくする。そうすることで被処理基板１１６が下部電極１１５から剥がれるのを防ぐことができる。また初めに冷却ガスを捨てガスライン１１８で排気し、その後に捨てガスバルブ１０７を開け高真空排気ポンプ１０１直上の捨てガスライン１１９で排気したことにより、冷却ガスによる真空処理室内での圧力の急激な上昇を抑制できる。

以下、図１（本発明の冷却ガス排気シーケンスを説明する図）と図４（フローチャート）を用いて本発明の実施例を説明する。

通常のエッチング中は、冷却ガス供給バルブ１０４を開き、冷却ガス供給系１０３から冷却ガスを冷却ガス供給ガスライン１１１と冷却ガス供給ガスライン１１７を通過し、被処理基板１１６と下部電極１１５の間に供給する。また捨てガスバルブ１０５と捨てガスバルブ１０６を閉じ、捨てガスバルブ１０７を開け、捨てガスライン１１８と捨てガスライン１１９を高真空排気を行う。このため捨てガスライン１１８と捨てガスライン１１９は真空処理室程度の圧力に減圧されている。

エッチング終了時に、まず冷却ガス供給系１０３から供給される冷却ガスを遮断するために冷却ガス供給バルブ１０４を閉じる（ステップ９）。また捨てガスバルブ１０７を閉じる（ステップ１０）。そして捨てガスバルブ１０５を開放し（ステップ１１）、裏面圧力計１１２と、捨てガスライン圧力計１２１の圧力が等圧になるのを確認し、捨てガスバルブ１０５を閉じる（ステップ１２）。冷却ガス供給ガスライン１１７に溜まっている冷却ガスを、捨てガスライン１１８に拡散させる。エッチング終了時まで捨てガスライン１１８は高真空排気されており、被処理基板１１６と下部電極１１５の間の裏面圧と比較すると十分に圧力は低い。その為に、冷却ガスが捨てガスライン１１８に拡散してくる。その後、裏面圧力計１１２と捨てガスライン圧力計１２１が等圧になるのを確認してから、捨てガスライン圧力計１２１の圧力が、高真空排気ポンプ背圧圧力計１１３の圧力より低いことを確認したら、捨てガスバルブ１０７を開き（ステップ１３）、捨てガスライン１１８を高真空排気する。捨てガスライン１１８の圧力が排気ガスライン１２０より圧力が低いと、排気ガスライン１２０から捨てガスライン１１８に排気ガスが逆流してくるからである。捨てガスライン１１８の圧力が真空処理室１００と等圧になるのを確認して、捨てガスバルブ１０５を開け（ステップ１４）、真空処理室１００と、捨てガスライン１１８と、冷却ガス供給ガスライン１１７と、被処理基板１１６と下部電極１１５の間の空間に残っている冷却ガスを排気する。

本実施例では、冷却ガスを高真空排気ポンプ１０１の直上に排気するが、捨てガスライン１１８で一旦減圧して排気するので真空処理室に与える影響は小さい。その結果、真空処理室の処理圧の上昇や、ガス組成の変化，プラズマ分布の変化などを抑制することができる。

以上の構成を採用することで、エッチング終了時の真空処理室内の急激な圧力上昇を抑制でき、プラズマの分布の変化，ガスの組成の変化，チャージングダメージなどを抑制することができる。

本発明の冷却ガス排気シーケンスを説明する図。 従来の冷却ガス排気シーケンスを説明する図。 実施例１を説明するフローチャート。 実施例２を説明するフローチャート。

符号の説明

１００，２００ 真空処理室
１０１，２０１ 高真空排気ポンプ
１０２，２０２ 低真空排気ポンプ
１０３，２０３ 冷却ガス供給系
１０４，２０４ 冷却ガス供給バルブ
１０５，１０６，１０７，２０５ 捨てガスバルブ
１０８，１１０，２０７，２０８ バルブ
１０９，２０９ 真空処理室圧力調整用可変バルブ
１１１ 冷却ガス供給ガスライン
１１２，２１２ 裏面圧力計
１１３，２１０ 高真空排気ポンプ背圧圧力計
１１４，２１３ 真空処理室内圧力計
１１５，２１５ 下部電極
１１６，２１６ 被処理基板
１１７，２１１，２１４ 冷却ガス供給ガスライン
１１８，１１９，２０６ 捨てガスライン
１２０ 排気ガスライン
１２１ 捨てガスライン圧力計

Claims (2)

1. 真空処理室と、前記真空処理室を真空排気する高真空排気ポンプと、前記高真空排気ポンプの下流に接続された低真空排気ポンプと、被処理基板を載置する下部電極と、前記被処理基板と前記下部電極との間に冷却ガスを供給する冷却ガス供給手段とを有する真空処理装置において、
   前記冷却ガス供給手段は、冷却ガス供給系及び冷却ガス供給ガスラインを有し、前記冷却ガス供給ガスラインは、前記冷却ガスを排気するための捨てガスラインに第一の捨てガスバルブを介して接続され、
   前記捨てガスラインは、第二の捨てガスバルブを介して前記高真空排気ポンプの直上に接続されると共に、第三の捨てガスバルブを介して前記高真空排気ポンプと前記低真空排気ポンプとの間の排気ガスラインに接続されていることを特徴とする真空処理装置。
2. 請求項１に記載の真空処理装置において、前記捨てガスラインは、前記冷却ガス供給ガスラインよりも体積が大きいことを特徴とする真空処理装置。

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