(57)【要約】【課題】イオン衝撃を緩和してダストの発生及び耐久性の低下を回避すると同時に、プラズマの拡散を抑制してプラズマ密度の均一性制御に優れた、高品質・高性能の半導体製造装置を提供する。【解決手段】真空チャンバー１の側壁部の中央に、凹部を有するホロープラズマ生成部８が直接形成されている。ホロープラズマ生成部８の凹部はウェーハＷの周方向に向かって開口されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧可能な処理室に、被処理基板を載置する平板電極と、該平板電極に対向配置される対向電極とが設けられ、前記平板電極には高周波電源が接続され、前記平板電極及び前記対向電極間に成膜ガスを供給すると共に前記平板電極に対し前記高周波電源より高周波電圧を印加してプラズマを生成するように構成された半導体製造装置において、
前記プラズマを生成したプラズマ空間の周辺部に、前記被処理基板の周方向に向かって開口する凹部を有するホロープラズマ生成手段が設けられたことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記ホロープラズマ生成手段の前記凹部が前記処理室の側壁部に直接形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記ホロープラズマ生成手段は前記処理室の側壁部近傍に配置されるパネル部材に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記パネル部材は上下方向に移動自在に設置されたことを特徴とする請求項３に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記パネル部材は、支持部と、この支持部に対し着脱自在なパネル部とから構成されたことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記ホロープラズマ生成手段は前記処理室の側壁部に対し着脱自在に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項７】
前記ホロープラズマ生成手段は前記被処理基板の周方向に均等に複数配置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項８】
前記ホロープラズマ生成手段はＳｉ系、セラミック及び石英のうち少なくとも１つを含む材料より構成されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理を行う半導体製造装置におけるプラズマポテンシャルの制御技術に係り、特に、プラズマポテンシャルの低減を図るべくホロープラズマ生成手段によって電子を補填する半導体製造装置に改良を加えたものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、プラズマ制御技術の進展は著しく、プラズマ利用の歴史が長い半導体製造分野では、更なる技術的向上が要請されている。プラズマ処理を行う半導体製造装置としては、例えば、成膜工程における反応性イオンエッチング装置(Reactive Ion Etching、以下ＲＩＥ装置とする)が知られている。
【０００３】
ＲＩＥ装置は、イオンの物理的なスパッタ効果と、ラジカルの化学的なエッチング効果とを持ち、これら二つの相乗効果によって、優れた異方性と、高い生産性を発揮することができる。そのため、半導体製造工程のエッチング装置として広く普及している。
【０００４】
ここで、ＲＩＥ装置の従来例について、図６の構成図を参照して具体的に説明する。図６のＲＩＥ装置は、容量結合型（Capacitively Coupled Plasma）である。
【０００５】
図６に示すように、処理室である真空チャンバー１内には、ＣＦ４、Ｃｌ２、ＳＦ６、ＳｉＣｌ４などのエッチングガス６が１〜１００Ｐａ台の圧力で導入されている。また、真空チャンバー１の底部にはカソード極となるカソードステージ２が配置されている。カソードステージ２の上面部には被処理基板であるウェーハＷが載置されている。
【０００６】
カソードステージ２にはブロッキングキャパシター４を介して、プラズマ発生手段としてＲＦやＶＨＦなどの高周波電源５が電気的に接続されている。また、カソードステージ２の上方にはアノード極３が対向配置されている。アノード極３及び真空チャンバー１は接地されている。さらに、真空チャンバー１底面部の側壁部付近にはエッチングガスを排気するための排気穴１０が設けられており、真空ポンプ（図示せず）に接続されている。
【０００７】
以上の構成を有するＲＩＥ装置では、高周波電源５によって高周波電圧をカソードステージ（平板電極）２に印加すると、エッチングガス６がプラズマ化して、カソードステージ２及びアノード極（対向電極）３間にプラズマＰが発生する。このとき、プラズマＰの発生した空間に存在する電子は、活性ガスである陽イオンに比べて軽く高速で移動する。したがって、カソードステージ２とアノード極３に急速に電子が集まる。
【０００８】
アノード極３では接地されているので電位に変化はないが、カソードステージ２ではブロッキングキャパシター４によって直流電流が遮断されているので、カソードステージ２側には電子が溜まり、カソードステージ２はマイナス電位になる（陰極降下）。このマイナス電位によって、プラズマＰ中の活性ガスである陽イオンが引かれて、ウェーハＷ表面に垂直に入射する。これにより、微細加工に好適な異方性エッチングを行うことができる。
【０００９】
ところで、プラズマＰにおいて真空チャンバー１の壁面部に近接する部分は、シースＳと呼ばれる電位の急落領域となっている。このシースＳ部分では電位が急激に低下して電界が高くなるので、電子及び陽イオンは加速されてプラズマＰを離れて真空チャンバー１の壁面部に衝突して消滅する（図７参照）。
【００１０】
電子の速度は陽イオンよりも速いため、壁面部で消失する電子の量は、同じく壁面部で消失するイオンの量よりも多くなる。この結果、プラズマＰは電子を束縛しようと正の電位を持つようになる。そして、プラズマＰの生成と消失がバランスを取り、平衡状態になったときの電位がプラズマポテンシャルとなる。
【００１１】
図６に示したＲＩＥ装置におけるプラズマポテンシャルは、次の式（１）にて表すことができる。
【数１】
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【００１２】
一般に、半導体製造装置においてはレートを高めることが常に要求されているが、このニーズを満たすためにはシース電圧を大きくすることが有効である。このとき、上式（１）から明らかなように、プラズマポテンシャルは、シース電圧の大きさと、処理室である真空チャンバーの構成とによって決まるパラメーターなので、シース電圧が上昇すれば、必然的にプラズマポテンシャルも増加することになる。
【００１３】
但し、プラズマポテンシャルはイオンエナジの大きさにも関与しており、シース電圧を高めるべくプラズマポテンシャルを不用意に増加させると、イオン衝撃によるダスト面やライフ面で問題が生じる。イオンエナジとは、プラズマポテンシャルとアースフローティングポテンシャルとの差から導かれる値である。このイオンエナジが大きくなれば、対向電極であるアノード極３や真空チャンバー１壁面部へのイオン衝撃が増加する。
【００１４】
イオン衝撃の増加は、真空チャンバー１内に発生するダスト量が増やすだけでなく、イオンが衝突する部分の耐久性低下を招くおそれがある。そこで、イオンエナジに関してはこれを小さくすることが求められている。したがって、イオンエナジを低減する観点からは、プラズマポテンシャルは低くした方が望ましいと言える。
【００１５】
以上述べたように、高いレートを得るためにシース電圧を上昇させるとプラズマポテンシャルも大きくなり、それに比例してイオンエナジが増大する。したがって、処理室の壁面や対向電極に衝突するイオン衝撃も増加し、ダストの増大やパーツ寿命の短縮化といった弊害が起きた。
【００１６】
特に、図６に示したような容量結合型のＲＩＥ装置では、ダストが発生し易い。すなわち、ウェーハＷを載置したカソードステージ２側に高周波電圧を印加してプラズマＰを生成しているので、アノード極３側には大きな電圧がかからず、ここにエッチング生成物が堆積する。
【００１７】
アノード極３はカソードステージ２の上方に位置しているため、アノード極３へのイオン衝撃は、アノード極３側に堆積したエッチング生成物を振り落とすことになる。したがって、エッチング生成物がダストとなってカソードステージ２上のウェーハＷに降りかかるおそれがある。
【００１８】
以上のようなイオン衝撃による弊害を回避するために、イオンエナジ増大の原因であるプラズマポテンシャルを低下させることが重要となっている。プラズマポテンシャルを低下させる手法の１つとして、シース容量を変化させることが考えられるが、チャンバーの構成上、シース容量の変更は困難である。
【００１９】
例えば、アノードシース容量を増加させるとなると、アノードの面積を広くしなくてはならず、装置の設置面積が増大する。装置の設置面積の増大は、クリーンルーム面積における占有面積の増加につながるので、良好なパフォーマンスを得にくくなり、好ましくない。
【００２０】
また、プラズマポテンシャルを低下させるための別のアプローチとしては、真空チャンバーの側壁部にＤＣ電圧を印加して、プラズマの閉じ込み性を上げるといった手法も考えられる。しかし、この手法では、交流電圧を印加する高周波電源とは別に、ＤＣ電源を備える必要があり、構成が複雑化するといった不具合がある。
【００２１】
そこで従来では、プラズマポテンシャルの発生原理に基づき、チャンバー壁面部への衝突による電子の消失にてプラズマポテンシャルが決定されることに着目して、プラズマに電子を補給することでプラズマの正の電位を下げ、プラズマポテンシャルを低下させる技術が提案されている。このような従来例について図８を用いて説明する。
【００２２】
図８に示すように、対向電極であるアノード極３には、プラズマＰへの電子供給源として、ホローカソード７が設けられている。ホローカソード７とは、直径１０ｍｍ程度の中空陰極であって、いわゆるホローカソード現象により高密度のホロープラズマＨＰを生成するものである。
【００２３】
ホローカソード現象とは、次のようなメカニズムによって起きる現象である。すなわち、イオン衝撃でホローカソード７から２次電子が放出されると、放出された２次電子はシースによって半径方向に加速される。２次電子の平均自由行程がホローカソード７の内径Ｄよりも長い時、反対側の陰極面に近づく。
【００２４】
このとき、シース厚さｄｓがホローカソード７の内径Ｄの半径よりも小さければ、電子は反対側のシースで反射され、元の陰極面に向かって加速される。このようなシースでの反射による加速を繰り返すことで、高エネルギー電子の寿命は長くなり、電離回数が増えてプラズマ密度が高いホロープラズマＨＰを生成することができる。
【００２５】
このようなホロープラズマＨＰをホローカソード７が生成することによって、プラズマＰに電子を補給することができる。これにより、プラズマＰから電子が消失しても、プラズマＰでの正の電位の上昇を防ぐことができ、プラズマポテンシャルを低減することが可能となる。
【００２６】
以上のようにしてプラズマポテンシャルを低減することにより、イオンエナジを低下させ、イオン衝撃を緩和させることが可能である。これにより、ダストの抑制やパーツ寿命の延命化に寄与することができる。しかも、ホローカソード現象により高密度のホロープラズマＨＰを獲得しているので、エッチングガスを効率よく電離することが可能であり、高周波電源における消費電力低減にも貢献することができる。
【００２７】
上記のようなホローカソード現象を利用した公知例としては、特許文献１に記載の技術などが提案されている。特許文献１の技術は、カソード電極に凹部を形成してホロープラズマを生成するようにしたものである。
【特許文献１】特開２００１−１３５６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
しかしながら、これらの従来技術には次のような課題が指摘されていた。すなわち、対向電極であるアノード極側に、ホロープラズマの生成手段を設けると、高密度のプラズマが生成されることにより処理室の中央付近ではプラズマ密度がより高くなる。一方、プラズマは、処理室の壁面部に向かうと、プラズマ拡散が起きてプラズマ密度が低下するのが一般的である。
【００２９】
このため、プラズマは、中心部と周辺部とでプラズマ密度の格差が大きくなり、プラズマ密度の均一性が低下する。近年ではウェーハや液晶ディスプレイ用ガラス基板など被処理基板は、大面積化が進められており、イオン衝撃を低減した上で、高い精度で均一な密度を有するプラズマを制御可能な半導体製造装置が要請されている。
【００３０】
本発明は、上記の課題を解消するために提案されたものであり、その目的は、イオン衝撃を緩和してダストの発生及び耐久性の低下を回避すると同時に、プラズマの拡散を抑制してプラズマ密度の均一性制御に優れた、高品質・高性能の半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記の目的を達成するために、本発明は、減圧可能な処理室に、被処理基板を載置する平板電極と、該平板電極に対向配置される対向電極とが設けられ、前記平板電極には高周波電源が接続され、前記平板電極及び前記対向電極間に成膜ガスを供給すると共に前記平板電極に対し前記高周波電源より高周波電圧を印加してプラズマを生成するように構成された半導体製造装置において、前記プラズマを生成したプラズマ空間の周辺部に、前記被処理基板の周方向に向かって開口する凹部を有するホロープラズマ生成手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００３２】
以上の構成を有する本発明では、ホロープラズマ生成手段をプラズマ空間の周辺部に設け、凹部より被処理基板の周方向に向かってホロープラズマを生成するので、電子を補填してプラズマポテンシャルの低減化を図ることができる。しかも、処理室の壁面部付近でのプラズマ密度の低い部分に対して電子を供給しているので、プラズマの拡散を抑制してプラズマ密度の均一性を高めることが可能である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の半導体製造装置によれば、ホロープラズマ生成手段をプラズマ空間の周辺部に設けるといった極めて簡単な構成によりプラズマポテンシャルを低減化してイオン衝撃を緩和してダストの抑制及びパーツ寿命の延命化が可能となり、さらには優れたプラズマ密度の均一性制御を実現して、プラズマ処理の高品質化に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明に係る半導体製造装置の実施形態の一例について、図１〜図５を参照して具体的に説明する。なお、下記の実施形態は、図６に示した従来例と同様、半導体製造装置であるＲＩＥ装置に適用したものであり、図６に示した従来例と同一の部材に関しては、同一符号を付して説明は省略する。
【００３５】
（１）第１の実施形態
［構成］
図１〜図３を用いて第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態の構成図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は第１の実施形態における真空チャンバー１の壁面部付近の拡大図である。
【００３６】
図１及び図２に示すように、第１の実施形態の特徴は、真空チャンバー１の側壁部の中央に、凹部を有するホロープラズマ生成部８が直接形成されている点にある。ここで、ホロープラズマ生成部８の凹部はウェーハＷの周方向に向かって開口されている。
【００３７】
また、ホロープラズマ生成部８はカソードステージ２の上面部よりも上方で、且つアノード極３の下面部よりも下方に位置している（図１参照）。さらに、ホロープラズマ生成部８はウェーハＷの周方向に沿って均等に８つ配置されている（図２参照）。
【００３８】
なお、ホロープラズマ生成部８の位置を調節することにより、プラズマ密度分布の調整が可能であり、これによって均一化が得られると考えられる。例えば、アノード極３とカソードステージ２間の距離の１／２よりカソードステージ２寄りに配置することによってプラズマ密度分布を調整し、均一性が得られると考えられる。
【００３９】
［作用効果］
以上の構成を有する第１の実施形態では、ホロープラズマ生成部８の凹部がウェーハＷの周方向に向かってホロープラズマＨＰを生成するため、図３に示すように、真空チャンバー１壁面部付近からプラズマＰに向かって電子を供給する。
【００４０】
このため、プラズマＰを離れて真空チャンバー１の壁面部に衝突して消失した電子を補填することができ、プラズマＰのプラズマポテンシャルを低減化できる。したがって、イオンエナジを抑えてアノード極３へのイオン衝撃を減らすことが可能となる。これにより、アノード極３上にエッチング生成物が堆積していても、カソードステージ２上のウェーハＷに落下する心配がない。
【００４１】
また、イオン衝撃が減少したことで、構成部材の寿命を延ばすことができる。しかも、高密度のホロープラズマＨＰを得ているので、エッチングガスの電離を効率よく実施でき、高周波電源５の消費電力を低減することが可能である。
【００４２】
さらに、ホロープラズマ生成部８が電子供給を行う真空チャンバー１壁面部付近は、通常、プラズマの拡散が起きてプラズマ密度が低い領域である。本実施形態では、このようなプラズマ密度の低い部分に対し電子を供給するので、プラズマＰの拡散を抑えることができ、プラズマ密度の均一性を高めることが可能である。
【００４３】
したがって、第１の実施形態は、ウェーハＷが大面積であってもプラズマ密度の均一性を高いレベルで維持することができ、大面積化したウェーハＷを処理する半導体製造装置として好適である。さらに、第１の実施形態では、ホロープラズマ生成部８を真空チャンバー１に直接設けたので、部材数を削減できる。したがって、構成の簡略化及び装置の小型化を進めることが可能である。
【００４４】
（２）第２の実施形態
［構成］
続いて、図４、図５を用いて第２の実施形態について説明する。図４は第２の実施形態の構成図である。
【００４５】
第２の実施形態では、真空チャンバー１の壁面部に近接して上下方向に移動自在なパネル部材９が設置されている。パネル部材９はパネル部９ａとこれを支持する支持部９ｂとから構成されている。パネル部材９が上限位置にある時、パネル部９ａに設けられたホロープラズマ生成部８はカソードステージ２の上面部とアノード極３の下面部との間に位置し（図４の状態）、パネル部材９が下限位置にある時、パネル部９ａはカソードステージ２の上面部よりも下方に位置するようになっている（図５の状態）。
【００４６】
パネル部９ａのウェーハＷの周方向に向かい合う面に、凹部を有するホロープラズマ生成部８が形成されている。ホロープラズマ生成部８には凹部として３本の溝が設けられている。また、パネル部９ａはＳｉ系、セラミック及び石英のうち少なくとも１つを含む材料より構成されている。
【００４７】
［作用効果］
以上の構成を有する第２の実施形態は、前記第１の実施形態と同様、イオン衝撃の緩和によるダストの抑制及びパーツ寿命の延命化、さらには優れたプラズマ密度均一性の向上といった作用効果を持つが、これらに加えて、次のような独自の作用効果を有している。
【００４８】
すなわち、第２の実施形態においてはパネル部９ａをＳｉ系、セラミック及び石英のうち少なくとも１つを含む材料より構成したので、金属汚染を確実に抑えることができる。しかも、第２の実施形態では、真空チャンバー１とは別部材であるパネル部材９にホロープラズマ生成部８を形成している。このため、ホロープラズマ生成部８と真空チャンバー１を別々に作成することができる。したがって、ホロープラズマ生成部８の構成材料の選定が容易であり、コスト的にも安価で済む。
【００４９】
また、第２の実施形態ではパネル部材９が下降してパネル部９ａが下限位置にある時、パネル部９ａはカソードステージ２の上面部よりも下方に位置するので、カソードステージ２とアノード極３との間の空間をパネル部９ａが塞ぐことがない。したがって、真空チャンバー１内のメンテナンス作業性が向上するといった利点がある。
【００５０】
（３）他の実施形態
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、各部材の形状や材質などは適宜変更可能である。例えば、ホロープラズマ生成部８の開口部の直径は、シース厚さの２倍以上が必要であるが、その具体的な内径寸法は、放電電圧や真空チャンバー１の大きさ、あるいはエッチングガスの種類などによって、適宜選択可能である。
【００５１】
また、ホロープラズマ生成部８の設置数も適宜変更可能であって、凹部を連続させて環状溝としても良い。さらに、ホロープラズマ生成部８の凹部は単なる円筒形状でもよいし、開口部に向かって狭くなる円錐台状、あるいは開口部に向かって広くなる円錐台状でも構わない。
【００５２】
また、第２の実施形態の変形例として、パネル部材９においてパネル部９ａを支持部９ｂに対して着脱自在としてもよい。このような実施形態によれば、パネル部９ａを取り外して洗浄することができるため、ホロープラズマ生成部８のメンテナンス性が良好となる。
【００５３】
また、可動式壁は真上から見ると真空チャンバーの壁に沿った円形でもよいが、複数の扇状に形成したものを合わせた形状でもよい。その場合、合わせた部分に異常放電が起こらないことを計算し、距離を離すものとする。また、実施形態ではカソードステージ２上にウェーハを直接載置したが、静電チャック等のウェーハを吸着する機構を介してカソードステージ２上に間接的に載置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の構成図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】第１の実施形態における真空チャンバー壁面部付近の拡大図。
【図４】本発明に係る第２の実施形態の構成図。
【図５】本発明に係る第２の実施形態の構成図（パネル部材が下降した状態）。
【図６】一般的な容量結合型ＲＩＥ装置の構成図。
【図７】従来の真空チャンバー壁面部付近の拡大図。
【図８】ホローカソードを有する容量結合型ＲＩＥ装置の構成図。
【符号の説明】
【００５５】
１…真空チャンバー
２…カソードステージ
３…アノード極
４…ブロッキングキャパシター
５…高周波電源
６…エッチングガス
７…ホローカソード
８…ホロープラズマ生成部
９…パネル部材
９ａ…パネル部
９ｂ…支持部
１０…排気穴
Ｄ…ホローカソード７の内径
ｄｓ…シース厚さ
ＨＰ…ホロープラズマ
Ｐ…プラズマ
Ｓ…シース
Ｗ…ウェーハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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