JP6203476B2 - 基板温度制御方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板温度制御方法及び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、真空処理チャンバー内に配置した基板（例えば、半導体ウエハ）にプラズマを作用させてエッチング処理や成膜処理を行うプラズマ処理が用いられている。

このようなプラズマ処理装置では、基板を載置する載置台に温調機構を設けて加熱又は冷却するとともに、載置台の基板載置面と、基板の裏面との間にヘリウム（Ｈｅ）ガス等の熱媒体となる伝熱ガス（所謂バックサイドガス）を供給して、載置台と基板との熱交換を促進する構成となっているものが知られている。

また、このようなプラズマ処理装置において、バックサイドガスとして熱伝導率の異なるガス、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの流量を個別に制御して供給する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

また、伝熱ガスの流量を間欠的に調整して、伝熱ガスの圧力を制御する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−３２７２７５号公報 特開２０００−２３２０９８号公報

上記のプラズマ処理装置のうち、載置台に高周波電力を印加する構造のプラズマ処理装置では、ヘリウム（Ｈｅ）ガス等の伝熱ガスの供給ライン内で放電が発生する虞がある。このため、伝熱ガスの供給ラインを絶縁体で覆うとともに、伝熱ガスの供給ラインの距離を長く細くし、あるいは邪魔板を挿入する等してコンダクタンスや電界強度を下げることが行われている。このようにコンダクタンスを低下させた結果、ヘリウム（Ｈｅ）ガス等の伝熱ガスを供給し難くなり、特に伝熱ガスの圧力が低い領域、例えば１３３０Ｐａ（１０Torr）以下の領域では、伝熱ガスの圧力を精度良く制御することが困難になり、このような伝熱ガスの低い圧力領域における基板の温度制御を精度良く行うことができず、実質的に温度制御範囲が限定されるという問題がある。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、伝熱ガスの低い圧力領域における基板の温度制御を精度良く行うことができ、温度制御範囲を拡張してプロセスマージンの拡大を図ることのできる基板温度制御方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明の基板温度制御方法の一態様は、真空処理チャンバー内に設置され、冷却又は加温される載置台の基板載置面に基板を載置し、当該基板の裏面と前記載置台の前記基板載置面との間に伝熱ガスを供給し、かつ、前記伝熱ガスの圧力を検出し、検出された圧力検出値と圧力設定値とを比較して、前記圧力検出値が前記圧力設定値となるように前記伝熱ガスの供給を制御しつつ、前記基板にプラズマを作用させてプラズマ処理するプラズマ処理装置における基板温度制御方法であって、前記伝熱ガスの圧力を前記プラズマ処理装置において安定した圧力制御ができる下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、前記プラズマ処理の最中に、前記圧力設定値を、前記下限圧力値以上の第１圧力設定値とする第１期間と、前記低圧力値より低い第２圧力設定値とする第２期間とを交互に繰り返すことを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置の一態様は、真空処理チャンバー内に設置され、冷却又は加温される載置台の基板載置面に基板を載置し、当該基板の裏面と前記載置台の前記基板載置面との間に伝熱ガスを供給して前記基板の温度を制御しつつ、前記基板にプラズマを作用させてプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記伝熱ガスの圧力を検出する圧力検出機構と、前記圧力検出機構で検出された圧力検出値と圧力設定値とを比較し、前記圧力検出値が前記圧力設定値となるように前記伝熱ガスの供給を制御する伝熱ガス供給制御機構とを具備し、前記伝熱ガス供給制御機構は、前記伝熱ガスの圧力を前記プラズマ処理装置において安定した圧力制御ができる下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、前記プラズマ処理の最中に、前記圧力設定値を、前記下限圧力値以上の第１圧力設定値とする第１期間と、前記低圧力値より低い第２圧力設定値とする第２期間とを交互に繰り返すことを特徴とする。

本発明によれば、伝熱ガスの低い圧力領域における基板の温度制御を精度良く行うことができ、温度制御範囲を拡張してプロセスマージンの拡大を図ることができる。

本発明の一実施形態に用いるプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示す図。 一実施形態に係る基板温度制御方法を説明するためのグラフ。 一実施形態に係る基板温度制御方法を説明するためのグラフ。 変形例に係る基板温度制御方法を説明するためのグラフ。 変形例に係るプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示す図。 変形例に係るプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示す図。 変形例に係るプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示す図。 変形例に係るプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示す図。 変形例に係るプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示す図。 変形例に係るプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示す図。 変形例に係るプラズマエッチング装置の要部概略構成を模式的に示す図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に使用するプラズマエッチング装置の構成を示すものである。まず、プラズマエッチング装置の構成について説明する。

プラズマエッチング装置は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた真空処理チャンバー１を有している。この真空処理チャンバー１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。真空処理チャンバー１内には、被処理基板である半導体ウエハＷを水平に支持する載置台２が設けられている。

載置台２は、その基材２ａが導電性の金属、例えばアルミニウム等で構成されており、下部電極としての機能を有する。この載置台２は、絶縁板３を介して絶縁体の支持台４に支持されている。また、載置台２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング５が設けられている。さらに、載置台２及び支持台４の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材３ａが設けられている。

載置台２の基材２ａには、第１の整合器１１ａを介して第１の高周波電源１０ａが接続され、また、第２の整合器１１ｂを介して第２の高周波電源１０ｂが接続されている。第１の高周波電源１０ａは、プラズマ発生用のものであり、この第１の高周波電源１０ａからは所定周波数（２７ＭＨｚ以上例えば４０ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるようになっている。また、第２の高周波電源１０ｂは、イオン引き込み用（バイアス用）のものであり、この第２の高周波電源１０ｂからは第１の高周波電源１０ａより低い所定周波数（１３．５６ＭＨｚ以下、例えば３．２ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるようになっている。一方、載置台２の上方には、載置台２と平行に対向するように、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド１６が設けられており、シャワーヘッド１６と載置台２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。

載置台２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａを介在させて構成されており、電極６ａには直流電源１２が接続されている。そして電極６ａに直流電源１２から直流電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハＷが吸着されるよう構成されている。

載置台２の内部には、冷媒流路２ｂが形成されており、冷媒流路２ｂには、冷媒入口配管２ｃ、冷媒出口配管２ｄが接続されている。そして、冷媒流路２ｂの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、載置台２を所定の温度に制御可能となっている。

また、載置台２等を貫通するように、半導体ウエハＷの裏面側にヘリウムガス等の伝熱ガス（バックサイドガス）を供給するためのバックサイドガス供給配管３０が設けられている。図２に拡大して示すように、バックサイドガス供給配管３０は、絶縁体からなる基台４内において屈曲された屈曲部３０ａを有し、この屈曲部３０ａによって電界強度及びコンダクタンスを低下させ、これによってバックサイドガス供給配管３０内で放電が発生することを抑制できるようになっている。

バックサイドガス供給配管３０は、バックサイドガス供給源３００に接続されている。また、バックサイドガス供給配管３０には、圧力制御バルブ３０１が介挿されており、この圧力制御バルブ３０１の下流側から分岐する排気配管３０２が接続されている。排気配管３０２には、排気制御弁３０３が介挿されており、排気配管３０２の端部には図示しない排気装置が接続されている。また、バックサイドガス供給配管３０には、バックサイドガスの圧力を検出するための圧力計３０４が配設されている。

そして、圧力制御部３１０が、圧力計３０４による圧力検出値と、圧力制御部３１０に予め設定された圧力設定値とを比較して、圧力検出値と圧力設定値とが一致するように圧力制御バルブ３０１及び排気制御弁３０３の開度を調整し、バックサイドガスの圧力が所定の圧力（圧力設定値）となるように制御を行う。すなわち、これらのバックサイドガス供給源３００、圧力制御バルブ３０１、排気配管３０２、排気制御弁３０３、圧力計３０４、圧力制御部３１０等によって、伝熱ガス（バックサイドガス）供給制御機構が構成されている。

上記の冷媒流路２ｂ、冷媒入口配管２ｃ、冷媒出口配管２ｄ等の冷媒循環機構と、上記の伝熱ガス（バックサイドガス）供給制御機構により、載置台２の上面に静電チャック６によって吸着保持された半導体ウエハＷを、所定の温度に制御することができるようになっている。

上記したシャワーヘッド１６は、真空処理チャンバー１の天壁部分に設けられている。シャワーヘッド１６は、本体部１６ａと電極板をなす上部天板１６ｂとを備えており、絶縁性部材４５を介して真空処理チャンバー１の上部に支持されている。本体部１６ａは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板１６ｂを着脱自在に支持できるように構成されている。

本体部１６ａの内部には、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄが設けられ、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄの下部に位置するように、本体部１６ａの底部には、多数のガス通流孔１６ｅが形成されている。ガス拡散室１６ｃ，１６ｄは、中央部に設けられたガス拡散室１６ｃと、周縁部に設けられたガス拡散室１６ｄとに２分割されており、中央部と周縁部とで独立に処理ガスの供給状態を変更できるようになっている。

また、上部天板１６ｂには、当該上部天板１６ｂを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔１６ｆが、上記したガス通流孔１６ｅと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆを介して真空処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給されるようになっている。なお、本体部１６ａ等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられており、プラズマエッチング処理中にシャワーヘッド１６を所望温度に冷却できるようになっている。

上記した本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄへ処理ガスを導入するための２つのガス導入口１６ｇ，１６ｈが形成されている。これらのガス導入口１６ｇ，１６ｈにはガス供給配管１５ａ，１５ｂが接続されており、このガス供給配管１５ａ，１５ｂの他端には、エッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給源１５が接続されている。ガス供給配管１５ａには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｃ、及び開閉弁Ｖ１が設けられている。また、ガス供給配管１５ｂには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｄ、及び開閉弁Ｖ２が設けられている。

そして、処理ガス供給源１５からプラズマエッチングのための処理ガスが、ガス供給配管１５ａ，１５ｂを介してガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給され、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄから、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆを介して真空処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給される。

上記した上部電極としてのシャワーヘッド１６には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１を介して可変直流電源５２が電気的に接続されている。この可変直流電源５２は、オン・オフスイッチ５３により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源５２の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ５３のオン・オフは、後述する制御部６０によって制御されるようになっている。なお、後述のように、第１の高周波電源１０ａ、第２の高周波電源１０ｂから高周波が載置台２に印加されて処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御部６０によりオン・オフスイッチ５３がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド１６に所定の直流電圧が印加される。

真空処理チャンバー１の側壁からシャワーヘッド１６の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１ａが設けられている。この円筒状の接地導体１ａは、その上部に天壁を有している。

真空処理チャンバー１の底部には、排気口７１が形成されており、この排気口７１には、排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより真空処理チャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、真空処理チャンバー１の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口７４が設けられており、この搬入出口７４には、当該搬入出口７４を開閉するゲートバルブ７５が設けられている。

図中７６，７７は、着脱自在とされたデポシールドである。デポシールド７６は、真空処理チャンバー１の内壁面に沿って設けられ、真空処理チャンバー１にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止する役割を有している。このデポシールド７６の半導体ウエハＷと略同じ高さ位置には、直流的にグランドに接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）７９が設けられており、これにより異常放電が防止される。

上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース６２と、記憶部６３とが設けられている。なお、図２に示した圧力制御部３１０も、制御部６０から制御される。

ユーザインターフェース６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

記憶部６３には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

次に、上記構成のプラズマエッチング装置における半導体ウエハＷの温度制御方法について説明する。前述したとおり、載置台２は、冷媒流路２ｂ内を循環する冷媒によって所定の温度に温度調整されている。載置台２上に載置され、固定された半導体ウエハＷには、プラズマＰが作用してその温度が上昇することから、多くの場合、載置台２は、冷却されている。そして、バックサイドガス供給配管３０を通じて、載置台２のウエハ載置面と半導体ウエハＷの裏面との間にヘリウムガス等のバックサイドガスを供給し、これらの間に一定圧力のバックサイドガスが存在することによって、半導体ウエハＷと載置台２との間の熱交換が促進され、この結果、プラズマ処理中の半導体ウエハの温度は所定の温度に保たれる。

したがって、バックサイドガスの圧力が高ければ、半導体ウエハＷの温度はより載置台２の温度に近くなり、一方、バックサイドガスの圧力が低くなると、半導体ウエハＷと載置台２との間の熱交換量が減少し、半導体ウエハＷの温度と載置台２の温度に差が生じる。例えば、載置台２が所定温度に冷却されている場合、バックサイドガスの圧力が高いほど、半導体ウエハＷの温度が低くなり、バックサイドガスの圧力を低くすると半導体ウエハＷの温度が高くなる。

縦軸を温度、横軸をバックサイドガスの圧力として図３のグラフに示す直線Ａが、上記の半導体ウエハＷの温度とバックサイドガスの圧力との関係を示している。圧力制御部３１０は、図３のグラフに示す直線Ａのように、必要とされる半導体ウエハＷの温度に基づいて決定されるバックサイドガスの圧力に基づき、バックサイドガスの圧力を調節して半導体ウエハＷの温度を制御する。このような制御は、所定の下限圧力値（図３のグラフの場合１３３０Ｐａ（１０Torr）以上の圧力の場合、換言すれば、図３のグラフに示す上限温度以下の設定温度の場合について行われる。

一方、バックサイドガスの圧力を、所定の下限圧力値（図３のグラフの場合１３３０Ｐａ（１０Torr））未満としなければならない場合、換言すれば、図３のグラフに示す上限温度以上の設定温度の場合、次のようなバックサイドガスの圧力制御による半導体ウエハＷの温度制御を行う。

バックサイドガスの圧力を下限圧力値未満の低圧力値、例えば６６５Ｐａ（５Torr）とし、半導体ウエハＷと載置台２との熱交換を抑制して半導体ウエハＷの温度をある程度高温に温度制御する必要がある場合、ガス圧力制御部３１０における圧力設定値を、低圧力値（６６５Ｐａ（５Torr））より高く、かつ、下限圧力値（１３３０Ｐａ（１０Torr））以上の第１圧力設定値とする第１期間と、低圧力値（６６５Ｐａ（５Torr））より低い第２圧力設定値とする第２期間とを交互に繰り返す。

縦軸を圧力、横軸を時間とした図４のグラフは、上記の第１圧力設定値を１３３０Ｐａ（１０Torr）とし、第２圧力設定値を０Ｐａとした場合の例を示すもので、第１圧力設定値とする第１期間及び第２圧力設定値とする第２期間は、例えば、０．０１秒から１０秒程度さらに好ましくは０．１秒から１０秒程度の間の短時間であり、これらの期間を交互に複数回繰り返す制御を行う。

これは次のような理由による。すなわち、前述したとおり、バックサイドガス供給配管３０は、載置台２に印加される高周波電力に起因する放電を防止するため、そのコンダクタンスが低く設定されており、低い圧力設定値にバックサイドガスの圧力を制御しようとすると安定した圧力制御を行うことが困難となる。一般的には、安定した圧力制御を行えるバックサイドガス圧は、１３３０Ｐａ（１０Torr）程度であり、この圧力未満の圧力では、安定した圧力制御を行うことができない。このため、安定した圧力制御を行える設定圧力とした第１期間と、目標とする圧力よりも低い圧力とする第２期間を交互に繰り返すことによって、多少の温度変動を許容しながら、平均した温度が所望の温度となるように、バックサイドガスの圧力を制御する。

これによって、従来では精度良い温度制御が困難なため、温度設定することができなかった高温領域の温度に半導体ウエハＷの温度を設定することができ、かつ、伝熱ガスの低い圧力領域における半導体ウエハＷの温度制御を精度良く行うことができる。また、温度制御範囲を拡張することによってプロセスマージンの拡大を図ることができる。

なお、このような半導体ウエハＷの温度制御を、載置台２の冷媒流路２ｂに流す冷媒の温度を変更して行うことも考えられるが、この冷媒の温度を変更して載置台２の温度を変更するには、時間がかかり、短時間で行うことはできない。このため、真空処理チャンバー１内で連続して複数種のプラズマ処理を行う際に、処理によって半導体ウハＷの設定温度を変更するような場合には適用することができない。

縦軸を圧力、横軸を時間とした図５のグラフは、伝熱ガスとして２種類のガス、例えば、ヘリウムガスとアルゴンガスを使用した変形例を示すものである。この図５のグラフに示すように、図４に示した伝熱ガスとしてのヘリウムガスの第２期間（第２設定圧力値０Ｐａ）の間に、熱伝達の仕事関数の異なる他の種類の伝熱ガス、例えばアルゴンガスを供給するようにしてもよい。なお、伝熱ガスとしては、ヘリウムガス、アルゴンガスの他、窒素（Ｎ_２）ガス、酸素（Ｏ_２）ガス等を用いてもよい。

また、上記した第１圧力設定値より低く第２圧力設定値より高い第３圧力設定値とする第３期間を設け、第１乃至第３期間を、第１期間、第２期間、第３期間の順、或いは、第１期間、第３期間、第２期間の順等として、順次繰り返すようにしてもよい。この場合、伝熱ガスとして、熱伝達の仕事関数の異なる３種のガスを使用し、第１乃至第３期間の各期間毎に異なる伝熱ガスを流すようにしてもよい。

図６〜１２は、圧力計３０４の他の実施形態の構成を示すものである。前述したとおり、載置台２には高周波電力が印加されるため、この載置台２の近傍でバックサイドガスの圧力を検出することは困難である。しかし、より載置台２の半導体ウエハＷの載置面に近い部位でバックサイドガスの圧力を検出すれば、より正確にバックサイドガスの圧力を検出してより正確にバックサイドガスの圧力を制御することができる。

図６に示す圧力計３０４ａは、載置台２の部分のバックサイドガス供給配管３０の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜６０１を設け、この隔膜６０１の変位をレーザー光６０２で読み取るレーザー変位計を設けた構成としたものである。

図７に示す圧力計３０４ｂは、載置台２の部分のバックサイドガス供給配管３０の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜６０１を設け、この隔膜６０１に対して音波又は電磁波６０３を当て、隔膜６０１の変位を共振周波数によって読み取る構成としたものである。

図８に示す圧力計３０４ｃは、載置台２の部分のバックサイドガス供給配管３０の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜６０１を設け、この隔膜６０１に対して光６０４を当て、光６０４が隔膜６０１から反射し戻ってきた位置をＣＣＤ６０５によって検出することによって隔膜６０１の変位を読み取る構成としたものである。

図９に示す圧力計３０４ｄは、載置台２の部分のバックサイドガス供給配管３０の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜６０１を設けるとともに、参照面６０６を設け、隔膜６０１と参照面６０６との距離差を、レーザー又は電磁波６０７を用いたレーザー干渉計又は電磁波の干渉計で測定し、隔膜６０１の変位を読み取る構成としたものである。

図１０に示す圧力計３０４ｅは、載置台２の部分のバックサイドガス供給配管３０の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜６０１を設け、この隔膜６０１の変位を、隔膜６０１の部分に接続された導管６０９内の液体６０８の液面の上下で読み取る構成としたものである。

図１１に示す圧力計３０４ｆは、載置台２の部分のバックサイドガス供給配管３０の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜６０１を設け、この隔膜６０１の変位を、測定回路６１０によって測定するようにしたものである。測定回路６１０は、太陽電池６１１を備えており、この太陽電池６１１に外部に設けた光源６１２から光を照射して電源を得るようになっている。また、測定信号は光ファイバー６１３によって外部に導出するようになっている。これによって、載置台２に印加される高周波電力の影響を受け難い構造となっている。

図１２に示す圧力計３０４ｇは、図１１に示した圧力計３０４ｆの太陽電池６１１をペルチェ素子６２０に換え、ペルチェ素子６２０に熱を加えることによって電源を得るようにしたものである。他の部分については、圧力計３０４ｆと同様であるので重複した説明は省略する。

以上の圧力計３０４ａ〜３０４ｇのように、載置台２の部分のバックサイドガス供給配管３０の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜６０１を設け、この隔膜６０１の変位を読み取ることによって、バックサイドガスの圧力を精度良く検出することができ、バックサイドガスの圧力を精度良く制御することができる。

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７５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７４から真空処理チャンバー１内に搬入され、載置台２上に載置される。この後、搬送ロボットを真空処理チャンバー１外に退避させ、ゲートバルブ７５を閉じる。そして、排気装置７３の真空ポンプにより排気口７１を介して真空処理チャンバー１内が排気される。

真空処理チャンバー１内が所定の真空度になった後、真空処理チャンバー１内には処理ガス供給源１５から所定の処理ガス（エッチングガス）が導入され、真空処理チャンバー１内が所定の圧力に保持される。この時、処理ガス供給源１５からの処理ガスの供給状態を、中央部と周縁部とで異ならせることができ、また、処理ガスの全体の供給量のうち、中央部からの供給量と周縁部からの供給量との比率を所望の値に制御することができる。

そして、この状態で第１の高周波電源１０ａから載置台２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１０ｂからは、イオン引き込みのため、載置台２の基材２ａ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、直流電源１２から静電チャック６の電極６ａに所定の直流電圧が印加され、半導体ウエハＷはクーロン力により静電チャック６に吸着される。

上述のようにして下部電極である載置台２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１６と下部電極である載置台２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。このエッチング処理の最中に、本実施形態では、従来では精度良い温度制御が困難なため、温度設定することができなかった高温領域の温度に半導体ウエハＷの温度を設定することができ、かつ、伝熱ガスの低い圧力領域における半導体ウエハＷの温度制御を精度良く行うことができる。また、温度制御範囲を拡張することによってプロセスマージンの拡大を図ることができる

また、前述したとおり、プラズマ処理中にシャワーヘッド１６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薄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薄膜へのスパッタレートが低下して選択性が向上する。

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が真空処理チャンバー１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、伝熱ガスの低い圧力領域における基板の温度制御を精度良く行うことができ、温度制御範囲を拡張してプロセスマージンの拡大を図ることのできる基板温度制御方法及びプラズマ処理装置を提供することができる。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。

Ｗ……半導体ウエハ、１……真空処理チャンバー、２……載置台、３０……バックサイドガス供給配管、３００……バックサイドガス供給源、３０１……圧力制御バルブ、３０２……排気配管、３０３……排気制御弁、３０４……圧力計、３１０……圧力制御部。

Claims (9)

1. 真空処理チャンバー内に設置され、冷却又は加温される載置台の基板載置面に基板を載置し、当該基板の裏面と前記載置台の前記基板載置面との間に伝熱ガスを供給し、かつ、前記伝熱ガスの圧力を検出し、検出された圧力検出値と圧力設定値とを比較して、前記圧力検出値が前記圧力設定値となるように前記伝熱ガスの供給を制御しつつ、前記基板にプラズマを作用させてプラズマ処理するプラズマ処理装置における基板温度制御方法であって、
   前記伝熱ガスの圧力を前記プラズマ処理装置において安定した圧力制御ができる下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、
   前記プラズマ処理の最中に、前記圧力設定値を、前記下限圧力値以上の第１圧力設定値とする第１期間と、前記低圧力値より低い第２圧力設定値とする第２期間とを交互に繰り返す
   ことを特徴とする基板温度制御方法。
2. 請求項１記載の基板温度制御方法であって、
   前記第１期間及び前記第２期間は、０．０１秒から１０秒の範囲である
   ことを特徴とする基板温度制御方法。
3. 請求項１又は２記載の基板温度制御方法であって、
   前記伝熱ガスが、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスのいずれかである
   ことを特徴とする基板温度制御方法。
4. 請求項１又は２記載の基板温度制御方法であって、
   前記伝熱ガスが、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスのうちのいずれか２種のガスであり、前記第１期間と前記第２期間では、当該２種のガスを交互に供給する
   ことを特徴とする基板温度制御方法。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載の基板温度制御方法であって、
   前記載置台に設けられ前記伝熱ガスの圧力に応じて変形する隔膜と、当該隔膜の変形量を検出する検出機構とを具備した圧力計で前記伝熱ガスの圧力を検出する
   ことを特徴とする基板温度制御方法。
6. 請求項１〜５いずれか１項記載の基板温度制御方法であって、
   前記伝熱ガスの圧力を前記下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、
   前記第１期間と、前記第２期間と、前記第１圧力設定値より低く前記第２圧力設定値より高い第３圧力設定値とする第３期間とを順次繰り返す
   ことを特徴とする基板温度制御方法。
7. 請求項６記載の基板温度制御方法であって、
   前記伝熱ガスが、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスのうちのいずれか３種のガスであり、前記第１期間と前記第２期間と前記第３期間では、当該３種のガスを順次供給する
   ことを特徴とする基板温度制御方法。
8. 真空処理チャンバー内に設置され、冷却又は加温される載置台の基板載置面に基板を載置し、当該基板の裏面と前記載置台の前記基板載置面との間に伝熱ガスを供給して前記基板の温度を制御しつつ、前記基板にプラズマを作用させてプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
   前記伝熱ガスの圧力を検出する圧力検出機構と、
   前記圧力検出機構で検出された圧力検出値と圧力設定値とを比較し、前記圧力検出値が前記圧力設定値となるように前記伝熱ガスの供給を制御する伝熱ガス供給制御機構と
   を具備し、前記伝熱ガス供給制御機構は、
   前記伝熱ガスの圧力を前記プラズマ処理装置において安定した圧力制御ができる下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、
   前記プラズマ処理の最中に、前記圧力設定値を、前記下限圧力値以上の第１圧力設定値とする第１期間と、前記低圧力値より低い第２圧力設定値とする第２期間とを交互に繰り返す
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項８記載のプラズマ処理装置であって、
   前記圧力検出機構は、
   前記載置台に設けられ前記伝熱ガスの圧力に応じて変形する隔膜と、
   当該隔膜の変形量を検出する検出機構と
   を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。

Images