JP5710318B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理装置に関する。
従来から、半導体装置の製造工程においては、処理チャンバー内の載置台に配置した基板（例えば、半導体ウエハ）に、プラズマを作用させて各種の処理、例えば、エッチングや成膜を行うプラズマ処理装置が使用されている。また、このようなプラズマ処理装置として、基板を載置する載置台に対向して処理チャンバーの天井部等に上部電極を配設し、下部電極としての載置台と一対の対向電極を構成した容量結合型のプラズマ処理装置が知られている。
上記の容量結合型のプラズマ処理装置としては、上部電極と下部電極との間に印加する高周波電力として、比較的に周波数の高いプラズマ生成用の第１の高周波電力と第１の高周波電力より周波数の低いイオン引き込み用の第２の高周波電力を、下部電極としての載置台に印加する構成のものが知られている。
さらに、下部電極に高周波電力を印加するとともに、上部電極に直流電圧を印加するよう構成されたプラズマ処理装置も知られている。また、このように上部電極に直流電圧を印加するプラズマ処理装置において、直流電圧用グランド部材として、載置台の周囲を囲むように導電性のリング状部材、例えば、シリコン製のリング状部材を、このリング状部材が処理チャンバー内に露出するよう設置することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
近年、半導体装置の製造分野では、多層膜構造の一括エッチングが主流となってきたため、１つの処理チャンバー内で複数のプラズマエッチング工程等を実施する必要性が生じている。このため、個々のプロセス条件に合ったより細かなプラズマの制御を可能とすることが求められている。
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べてより細かなプラズマの制御を可能とすることのできるプラズマ処理装置を提供しようとするものである。
本発明のプラズマ処理装置の一態様は、内部に処理空間を形成する処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に配設され、被処理基板が載置される載置台を兼ねた下部電極と、前記処理チャンバー内に、前記下部電極と対向するように配設された上部電極と、前記下部電極に高周波電力を印加するための高周波電源と、前記処理空間にプラズマ化される処理ガスを供給するための処理ガス供給機構と、前記処理チャンバーの内壁と前記下部電極の側面との間に形成された排気流路に配設され、通気穴を有する板状部材からなる排気プレートと、導電性材料から全体形状がリング状に形成され、少なくとも一部が前記処理空間に露出するように前記処理チャンバー内に配設され接地電位を形成するための第一のグランド部材と、前記排気プレートより下側の、前記処理チャンバーの下方に形成された排気空間内に、前記第一のグランド部材と対向するように設けられ、導電性材料から全体形状がリング状に形成され、少なくとも一部が前記排気空間に露出する、接地電位を形成するための第二のグランド部材と、前記第一及び第二のグランド部材の間で上下動させ、前記第一及び第二のグランド部材のいずれかと接触させて、前記第一及び第二のグランド部材の接地状態を調整可能とされた接地棒とを具備したことを特徴とする。
本発明によれば、従来に比べてより細かなプラズマの制御を可能とすることのできるプラズマ処理装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置１０の概略構成を示す縦断面図である。
プラズマエッチング装置１０は、気密に構成され、内部に処理空間ＰＳを形成する処理チャンバー１１を有している。この処理チャンバー１１は、円筒状とされ、例えば表面に陽極酸化被膜を形成されたアルミニウム等から構成されている。この処理チャンバー１１内には、被処理基板である半導体ウエハＷを水平に支持する円柱状の載置台１２が設けられている。
処理チャンバー１１の内壁側面は、側壁部材１３で覆われ、処理チャンバー１１の内壁上面は上壁部材１４で覆われている。側壁部材１３及び上壁部材１４は、例えば、アルミニウムからなり、その処理空間ＰＳに面する面はイットリアや所定の厚さを有する陽極酸化被膜でコーティングされている。処理チャンバー１１は電気的に接地されているため、側壁部材１３及び上壁部材１４の電位は接地電位である。
また、載置台１２は、導電性材料、例えば、アルミニウムからなる導電体部１５と、該導電体部１５の側面を覆う、絶縁性材料からなる側面被覆部材１６と、側面被覆部材１６の上に載置される、石英（Ｑｚ）からなるエンクロージャー部材１７と、絶縁性材料からなり、導電体部１５の下部に位置する載置台基部１５ａとを有する。
処理チャンバー１１の内部には、処理チャンバー１１の内壁と載置台１２の側面との間に、処理空間ＰＳ内に導入された処理ガスを、処理チャンバー１１の外へ排気する流路として機能する排気流路１８が形成されている。この排気流路１８には、多数の通気穴を有する板状部材である排気プレート１９が配置されている。この排気プレート１９によって、排気流路１８と、処理チャンバー１１の下部空間である排気空間ＥＳとが仕切られている。排気空間ＥＳには粗引き排気管２０及び本排気管２１が開口しており、粗引き排気管２０には図示しないドライポンプが接続され、本排気管２１には図示しないターボ分子ポンプが接続されている。これらのドライポンプ及びターボ分子ポンプによって、処理空間ＰＳを所定の圧力の減圧雰囲気に設定可能とされている。
一方、処理チャンバー１１の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口４４が設けられている。この搬入出口４４には、当該搬入出口４４を開閉するゲートバルブ４６が設けられている。
載置台１２の導電体部１５には、第１の高周波電源２２が第１の整合器２３を介して接続されている。第１の高周波電源２２は、プラズマ発生用のものであり、比較的高い所定周波数（２７ＭＨｚ以上例えば４０ＭＨｚ）の高周波電力を導電体部１５に供給する。なお、第１の整合器２３は、導電体部１５からの高周波電力の反射を低減して高周波電力の導電体部１５への供給効率を高める。
また、導電体部１５には、さらに第２の高周波電源２４が第２の整合器２５を介して接続されている。第２の高周波電源２４は、イオン引き込み用（バイアス用）のものであり、第１の高周波電源２２が供給する高周波電力より低い所定周波数（１３．５６ＭＨｚ以下、例えば３．２ＭＨｚ）の高周波電力を導電体部１５に供給する。
載置台１２の上部には、誘電体内に電極板２６を収容した構造の静電チャック２７が配設されている。静電チャック２７の電極板２６には静電チャック用直流電源２８が電気的に接続されている。この静電チャック用直流電源２８から電極板２６に直流電圧が印加されることによって、半導体ウエハＷは、クーロン力又はジョンソン・ラーベック力によって静電チャック２７の上面に吸着保持されるようになっている。
また、載置台１２の上部には、載置台１２の上面に吸着保持された半導体ウエハＷの周りを囲うように環状のフォーカスリング２９が配設されている。このフォーカスリング２９は、シリコン（Ｓｉ）、シリカ（ＳｉＯ２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などからなる。また、フォーカスリング２９の周囲には、フォーカスリング２９の側面を保護する、石英からなる環状のカバーリング３０が配設されている。
載置台１２の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室３１が設けられている。この冷媒室３１には、チラーユニット（図示せず）から冷媒用配管３２を介して所定温度の冷媒、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）液が循環供給され、当該冷媒によって載置台１２の上面に吸着保持された半導体ウエハＷの処理温度が制御される。
載置台１２の上面の半導体ウエハＷが吸着保持される吸着面には、複数の伝熱ガス供給孔３３が開口している。これら複数の伝熱ガス供給孔３３は、載置台１２内部に配置された伝熱ガス供給ライン３４を介して図示しない伝熱ガス供給部に接続され、この伝熱ガス供給部は、伝熱ガスとして例えばヘリウム（Ｈｅ）ガスを、伝熱ガス供給孔３３を介して吸着面とウエハＷの裏面との間隙に供給する。
また、載置台１２には、載置台１２の上面から突出自在なリフトピンとしての複数のプッシャーピン３５が配置されている。これらのプッシャーピン３５は、半導体ウエハＷを吸着面に吸着保持してエッチング処理を施す際には、載置台１２内に収容される。そして、半導体ウエハＷを載置台１２に搬入・搬出する際には、プッシャーピン３５は吸着面から突出して半導体ウエハＷを載置台１２上に支持する。
処理チャンバー１１の天井部には、載置台１２と対向するように上部電極としての機能を有するシャワーヘッド３６が配設されている。このシャワーヘッド３６と載置台１２は、一対の電極（上部電極と下部電極）として機能するようになっている。シャワーヘッド３６はバッファ室３７が内部に形成された、絶縁性材料からなる円板状のクーリングプレート３８と、このクーリングプレート３８の下部に支持された上部電極板３９と、クーリングプレート３８の上部を覆う蓋体４０とを備えている。
上部電極板３９は、処理空間ＰＳにその下面が露出している。この上部電極板３９は、導電性材料、例えば、シリコン製とされており、円板状に形成されている。上部電極板３９の周縁部は絶縁性材料からなる環状のシールドリング４１によって覆われている。すなわち、上部電極板３９は、接地電位である処理チャンバー１１の壁部からクーリングプレート３８及びシールドリング４１によって電気的に絶縁されている。
また、上部電極板３９は、上部直流電源４２と電気的に接続されている。この上部直流電源４２から上部電極板３９に、負の直流電圧を印加することよって、処理空間ＰＳに直流電圧が印加される。
クーリングプレート３８のバッファ室３７には、処理ガス導入管４３が接続されている。この処理ガス導入管４３は、図示しない処理ガス供給部に接続されている。また、シャワーヘッド３６には、バッファ室３７を処理空間ＰＳに連通させる複数の貫通ガス孔４８が配設されている。シャワーヘッド３６は、処理ガス導入管４３からバッファ室３７へ供給された処理ガスを、貫通ガス孔４８を介して処理空間ＰＳへ供給する。
図２にも示すように、処理チャンバー１１内の、排気プレート１９より上側の処理空間ＰＳ内には、第一のグランド部材としての上側接地リング６１（グランド電極）が配設されている。上側接地リング６１は、導電性材料、例えば、シリコン又は炭化ケイ素又はアルミニウムの無垢材から全体形状が環状に形成されており（図３参照。）、その外側面が、処理空間ＰＳに露出するように、内側部分が側面被覆部材１６内に埋設されるように配設されている。
上側接地リング６１の下方であって、排気プレート１９より下側の排気空間ＥＳ内には、上側接地リング６１と上下に対向するように、第二のグランド部材としての下側接地リング６２（グランド電極）が配設されている。下側接地リング６２は、上側接地リング６１と同様に、導電性材料、例えば、シリコン又は炭化ケイ素又はアルミニウムの無垢材から全体形状が環状に形成されており（図３参照。）、その外側面が、排気空間ＥＳに露出するよう、内側部分が側面被覆部材１６内に埋設されるように配設されている。
なお、上側接地リング６１及び下側接地リング６２は、一部材によって環状に構成してもよく、複数の分割された部材を組み合わせて全体形状が環状になるように構成してもよい。
上側接地リング６１と、下側接地リング６２との間には、側面被覆部材１６内に形成された円孔６５の内部に収容されるように、接地電位に接続された接地棒６６が配設されている。接地棒６６は、駆動機構６７によって上下動自在とされており、上側接地リング６１と接触し下側接地リング６２とは非接触の状態と、下側接地リング６２とは接触し上側接地リング６１とは非接触の状態の、２つの状態に設定できるようになっている。図１に示すように、本実施形態では、この接地棒６６は、載置台１２の周囲の１８０°離れた位置に１つずつ合計２つ配設されている。しかし、接地棒６６の数は、１つでも、３つ以上であってもよい。
上記接地棒６６が、上側接地リング６１と接触し下側接地リング６２とは非接触の状態では、上側接地リング６１が電気的に接地され、下側接地リング６２が電気的に浮遊状態（フローティング状態）となる。また、接地棒６６が、下側接地リング６２と接触し上側接地リング６１とは非接触の状態では、下側接地リング６２が電気的に接地され、上側接地リング６１が電気的に浮遊状態（フローティング状態）となる。
上側接地リング６１及び下側接地リング６２は、上部直流電源４２から上部電極板３９に直流電圧が印加される際には、この直流電圧のグランド電極として機能する。すなわち、この場合、上部電極板３９から放出された電子が接地電位とされた上側接地リング６１又は下側接地リング６２に到達し、これによって、処理空間ＰＳ内に直流電流が流れるようになっている。
したがって、接地棒６６を上側に位置させ、上側接地リング６１が電気的に接地され、下側接地リング６２が電気的に浮遊状態とされた設定の場合は、排気プレート１９より下側の排気空間ＥＳ内にプラズマが漏れることが抑制され、処理空間ＰＳ内のプラズマ密度が高い状態となる。
一方、接地棒６６を下側に位置させ、上側接地リング６１が電気的に浮遊状態とされ、下側接地リング６２が電気的に接地された設定の場合は、排気プレート１９より下側の排気空間ＥＳ内にプラズマが漏れることが促進され、処理空間ＰＳ内のプラズマ密度が低い状態となる。このように、接地棒６６を上下動させることによって、プラズマの状態をより細かく制御できるようになっている。
なお、上部電極板３９に直流電圧が印加されない場合、上側接地リング６１及び下側接地リング６２は、プラズマに対するグランド電極として機能する。
上記構成のプラズマエッチング装置１０では、処理空間ＰＳに高周波電力を供給することにより、該処理空間ＰＳにおいてシャワーヘッド３６から供給された処理ガスから高密度のプラズマを生成し、さらに、処理空間ＰＳの直流電流によって、生成されたプラズマを所望の状態に保ち、該プラズマによってウエハＷにエッチング処理を施す。
次に、上記構成のプラズマエッチング装置で、半導体ウエハＷに形成された薄膜をプラズマエッチングする手順について説明する。まず、ゲートバルブ４６が開かれ、半導体ウエハＷが図示しない搬送ロボット等により、図示しないロードロック室を介して搬入出口４４から処理チャンバー１１内に搬入され、載置台１２上に載置される。この後、搬送ロボットを処理チャンバー１１外に退避させ、ゲートバルブ４６を閉じる。そして、図示しない真空ポンプにより粗引き排気管２０及び本排気管２１を介して処理チャンバー１１内が排気される。
処理チャンバー１１内が所定の真空度になった後、処理チャンバー１１内にはシャワーヘッド３６を介して所定の処理ガス（エッチングガス）が導入され、処理チャンバー１１内が所定の圧力に保持され、この状態で第１の高周波電源２２から載置台１２に、周波数が例えば４０ＭＨｚの高周波電力が供給される。また、第２の高周波電源２４からは、イオン引き込みのため、載置台１２に周波数が例えば３．２ＭＨｚの高周波電力（バイアス用）が供給される。このとき、静電チャック用直流電源２８から静電チャック２７の電極板２６に所定の直流電圧（例えば、プラス２５００Ｖの直流電圧）が印加され、半導体ウエハＷは、クーロン力又はジョンソン・ラーベック力により静電チャック２７に吸着される。
上述のようにして下部電極である載置台１２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド３６と下部電極である載置台１２との間には電界が形成される。この電界により、半導体ウエハＷが存在する処理空間ＰＳには放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハＷ上に形成された薄膜がエッチング処理される。
また、プラズマ処理中に上部直流電源４２からシャワーヘッド３６に直流電圧を印加することができるので次のような効果がある。すなわち、プロセスによっては、高い電子密度でかつ低いイオンエネルギーであるプラズマが要求される場合がある。このような場合に直流電圧を用いれば、半導体ウエハＷに打ち込まれるイオンエネルギーが抑えられつつプラズマの電子密度が増加されることにより、半導体ウエハＷのエッチング対象となる膜のエッチングレートが上昇すると共にエッチング対象の上部に設けられたマスクとなる膜へのスパッタレートが低下して選択性が向上する。
この時、シャワーヘッド３６に印加される直流電圧に対する接地電極として作用する上側接地リング６１及び下側接地リング６２の電気的状態を、駆動機構６７によって接地棒６６を上下に移動させることによって変更し、プラズマ密度の高い状態とプラズマ密度の低い状態のいずれかに設定することができる。すなわち、例えば、多層膜構造の一括エッチングのため、処理チャンバー１１内で複数の工程を実施するような場合、プラズマ密度の高い条件でエッチング処理を行う工程と、プラズマ密度の低い条件でエッチング処理を行う工程とを実施しなければならない場合がある。このような場合に、接地棒６６を上下に移動させることによって、工程毎に適切なプラズマ密度の状態に設定して、所望のエッチング処理を実施することができる。
そして、上記したエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給、直流電圧の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー１１内から搬出される。
以上説明したとおり、本実施形態によれば、上側接地リング６１及び下側接地リング６２の電気的状態を、接地棒６６を上下に移動させることによって変更し、従来に比べてより細かなプラズマの制御を行うことができる。なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。
Ｗ……半導体ウエハ、１０……プラズマエッチング装置、１１……処理チャンバー、１２……載置台（下部電極）、３６……シャワーヘッド（上部電極）、４２……上部直流電源、６１……上側接地リング（第一のグランド部材）、６２……下側接地リング（第二のグランド部材）、６６……接地棒。
Claims (5)
- 内部に処理空間を形成する処理チャンバーと、
前記処理チャンバー内に配設され、被処理基板が載置される載置台を兼ねた下部電極と、
前記処理チャンバー内に、前記下部電極と対向するように配設された上部電極と、
前記下部電極に高周波電力を印加するための高周波電源と、
前記処理空間にプラズマ化される処理ガスを供給するための処理ガス供給機構と、
前記処理チャンバーの内壁と前記下部電極の側面との間に形成された排気流路に配設され、通気穴を有する板状部材からなる排気プレートと、
導電性材料から全体形状がリング状に形成され、少なくとも一部が前記処理空間に露出するように前記処理チャンバー内に配設され接地電位を形成するための第一のグランド部材と、
前記排気プレートより下側の、前記処理チャンバーの下方に形成された排気空間内に、前記第一のグランド部材と対向するように設けられ、導電性材料から全体形状がリング状に形成され、少なくとも一部が前記排気空間に露出する、接地電位を形成するための第二のグランド部材と、
前記第一及び第二のグランド部材の間で上下動させ、前記第一及び第二のグランド部材のいずれかと接触させて、前記第一及び第二のグランド部材の接地状態を調整可能とされた接地棒と
を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
前記上部電極に直流電圧を印加するための直流電源を具備し、前記第一及び第二のグランド部材は、直流電源から印加される直流電圧に対するグランド電極として作用することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１又は２記載のプラズマ処理装置であって、
前記第一及び第二のグランド部材が、シリコン、炭化ケイ素、アルミニウムの無垢材のいずれかから形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記第一及び第二のグランド部材が、前記下部電極の周囲を囲むように配設されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記接地棒が複数配設されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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