(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成用の誘導アンテナを周囲に配置した放電管の一端にはガス導入口を備えたフランジが接続され、他端には内部に被処理物を載せるステージが設置された処理チャンバに接続され、該処理チャンバ内で被処理物の処理を行う誘導プラズマアッシング装置において、
前記放電管の内径が被処理物の外径に対して９５〜１２５％の大きさで構成され、かつ、
前記処理チャンバ内径あるいは処理チャンバ内での処理空間を規定する構造物の内径寸法が被処理物及びステージの径に対して１０２〜１２０％の大きさで構成され、かつ、
前記放電管内の主放電部から被処理物までの距離が被処理物の径の３０％から１２０％で構成され、かつ、
前記ステージの外径が被処理物の外径の１０３％以上の大きさで構成され、かつ、前記放電管の内径寸法よりも大きく構成され、かつ、
前記ガス導入口は、フランジに設けられた複数の小穴からなり、該小穴の分布がフランジ外周部に略リング状に配置されており、該ガス導入口からガスを導入し、８０〜２００
Ｐａ内の所定圧力で生成された酸素ラジカルにより外径３００mmの被処理物の処理を行うことを特徴とする誘導プラズマアッシング処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の誘導プラズマアッシング処理装置において、
前記ステージとチャンバ内上面あるいはその他の構造物との間の実質的な距離が全周に渡って等しく、かつ１０〜２５mmで構成されされていることを特徴とする誘導プラズマアッシング処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス、液晶ディスプレー用基板等の製造において有効なプラズマアッシング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化、半導体ウエハの大口径化や液晶ディスプレーの大面積化に伴い、これらの処理装置に求められる要求は、ますます厳しくなっており、装置コストの低減、スループット向上、被処理物の大面積化への対応、クリーン化等が、重要課題となっている。
【０００３】
プラズマエッチング処理装置では、前もってマスクとして回路パターン付きのフォトレジストを焼き付けたウエハ上の薄膜を、塩素やフッ素系のガスのプラズマ中のイオンやラジカルによって、パターンのエッチングを行う。エッチング処理後には、残フォトレジストを酸素プラズマによって生成される活性な酸素ラジカルによって灰化して除去する工程であるアッシング処理が行われる。アッシング処理においては、酸素ラジカルの生成レートは、電界強度に依存することから、従来は、強電界を発生する高周波容量結合型プラズマ源やマイクロ波プラズマ源が多く用いられてきた。これらのプラズマ源は、高周波電源、またはマイクロ波源によって、プラズマのイオンシース部、または、マイクロ波導入部で、数１０〜数１００Ｖ／ｍの電界を発生するため効率よくラジカルを生成できる。一方、高周波誘導結合型プラズマ源がアンテナに沿って生成する方位角方向の電界は、約５Ｖ／ｍ程度であり、酸素ラジカルの生成レートは、他のプラズマ源に比べて小さい。同一圧力下では、酸素ラジカル、酸素正イオン、いずれも、電界強度が大きいほど、生成レートが高いが、その電界強度への依存性が異なるため、酸素ラジカル生成レートと酸素イオンの生成レートの比は、プラズマ中の電界強度が小さいほど大きい。高周波誘導結合型プラズマ源では、酸素ラジカルの生成レートは、マイクロ波等に比べて低いものの、イオンが少ないために、チャージアップダメージの心配が少なく、プラズマ源をウエハに比較的近い所に設置できるし、イオン減衰構造の必要性が小さいので、その結果、酸素ラジカルの損失が少ない構造が可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
誘導結合プラズマアッシング装置では、イオンが少ない利点を生かして、プラズマ源をウエハに比較的近い所に設置できる。また、イオン減衰用の多孔板でプラズマを隔離する必要がない。しかし、その反面、ウエハ上でのアッシングレートの分布がプラズマの生成分布や流れの分布を強くうけるため、近年用いられるような大口径のウエハを用いる場合、アッシングレートの分布を均一化するのが困難であった。
【０００５】
本発明は、３００ｍｍといった大口径の被処理物、半導体ウエハに対して、上記のような従来の誘導プラズマアッシング装置の問題点であるアッシングレート均一性の問題を克服することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、プラズマ源として、高周波誘導結合プラズマ源を用い、放電管内径、ラジカルの輸送距離、ステージ径等を、ある特定範囲の寸法にして、ウエハ位置でのラジカルの分布を最適化することによって実現される。誘導アンテナによって生成された酸素ラジカルは、上部から導入された酸素ガスの流れによって、下方に位置するウエハの位置に輸送されるが、このとき、酸素ラジカルは、固有の拡散係数で拡散しながら、また、放電管の表面では、固有の消失係数で失われながら、ガス流れによって輸送される。したがって、母ガスである酸素ガスの流速と、拡散と、放電管表面での損失をうまくバランスさせることによって、ウエハ面内において、均一で高いアッシングレートが得られ、かつ誘導プラズマの特徴としての低ダメージアッシングが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体デバイスの製造の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や、その他の被処理物のアッシング処理にも適用が可能であるが、ここでは、半導体デバイス製造用のプラズマアッシング処理装置を例にとって、実施例を示すことにする。
【０００８】
図１は、本発明のアッシング装置の構成を示す断面図である。図中の処理チャンバ１は、例えば、アルミニウム製の真空容器であり、真空排気手段２が接続される。また、処理チャンバ１中には、半導体ウエハ３を載せるためのステージ４が設置される。被処理物である半導体ウエハ３を搬入出するための搬送システム５より、処理チャンバ中に搬入されたウエハは、プッシュロッド６によって、ステージ上に運ばれて保持される。略円板形のステージ４は、内部にヒータ等の温度調節手段７を備える。
【０００９】
一方、処理チャンバ１の上部には、Ｏリング等の真空シールを介して、概略円筒形の、アルミナや石英などの絶縁体からなる放電管８が設置される。この放電管を取り囲むように、コイル形のアンテナ９が設置される。アンテナ９には、インピーダンス整合器１０を介して、高周波電源１１が接続される。高周波電源の周波数は、特に限定されないが、一般的には、数100kHzから数10MHzであり、商用周波数である13.56MHzが比較的実用的である。このアンテナ９に高周波電力を印加すると、まず、アンテナによって生成する電界によって直接電子が加速されて放電を開始し、さらに、電力を増大すると、アンテナに流れる電流によって誘導磁場が生じ、この誘導磁場を妨げるように、放電管内のアンテナ近くのプラズマに方位角方向の電界が生じ、電子が加速されて、プラズマが生成される。
【００１０】
放電管上部は、アッシング処理用のガス供給口１２を持つフランジ１３によってOリングシールで封じられる。ガスは、フランジに設けられた多数の小穴から放電管内に導入される。導入されたガスは、放電管内部を流れ、プラズマ生成部１４を横切ってステージ部に至る。フランジの中央部のみからガスを導入すると、中心が高い流速分布がかなり下の位置まで残ってしまう。したがって、ガス導入は、シャワー状に全面から吹出すか、あるいは、フランジの外周部からガスを導入する必要がある。吹出し位置では外周の流速が高くても、ガスの流れは、放電管の表面で抵抗を受けるので、やや下流側では全面から吹出したのとほぼ同一の流速分布になってしまうので、全面から導入した場合とそう変わらない流速分布が得られる。
【００１１】
放電管の下部には、必要に応じて、ウエハに入射する荷電粒子を減少させる目的とウエハ上のアッシングレートの分布を微調する目的で、多孔板１５が設置される。分布ならびにチャージアップダメージが問題とならない場合は、この多孔板１５は、特に設置されなくてもよい。
【００１２】
以上のような構成の高周波誘導結合プラズマアッシング処理装置において、半導体ウエハ上で均一なプラズマアッシング処理を実現するためには、ウエハ上に輸送される酸素ラジカルの密度分布を均一化する必要がある。ウエハ上のアッシングレートの分布は、酸素ラジカルの供給分布とほぼ一致することが確認されている。酸素ラジカルは、前述のように誘導アンテナによって、誘導アンテナ近傍（複数のアンテナターンの場合は、全てのターンのそのほぼ中程の位置）に、リング状に生成される。図２および図３においてアンテナ９の近傍にプラズマ生成部１４が生じる。図２は、酸素ラジカルの生成レートの放電管内での分布を示している。生成された酸素ラジカルは、上部から導入された酸素ガスの流れによって、下方に位置するウエハに輸送されるが、このとき、酸素ラジカルは、固有の拡散係数で拡散しながら、また、放電管の表面では、固有の消失係数で失われながら、ガス流れによって輸送される。したがって、母ガスである酸素ガスの流速と、拡散と、放電管表面での損失のバランスによって、ウエハ上に運ばれる酸素ラジカル密度の分布が決定される。図３は、これらのバランスとして得られた酸素ラジカル密度の放電管内での分布の一例を示している。
【００１３】
したがって、ウエハ上で均一なアッシングレートを得るには、放電部の幾何寸法が特に重要である。図４（ａ），（ｂ）に酸素ラジカル分布に影響を及ぼす主な寸法を示す。このうち、ウエハ位置での酸素ラジカル分布に対して、最も支配的なのは、放電管の内径Ａと主放電位置からの輸送距離Ｂである。図中の寸法Ｃ、Ｄ、Ｅの効果については後述する。我々は、アッシングの実験及び酸素ラジカル分布の計算から、均一なアッシングレートを得るための放電部寸法を割り出した。図５に、横軸を放電管内径Ａ、縦軸に輸送距離Ｂとしたときに、所定の酸素流量、高周波電力条件において、アッシングレート３ミクロン／分±１０％を満足する範囲を示した図である。高周波誘導プラズマ装置において、一般的に使用される圧力範囲は、８０−２００Ｐａ程度である。図５において、特定の条件に対して、十分な性能が得られる範囲は、ウエハサイズに対して、Ａ、Ｂがある特定の寸法範囲であることが分かる。この範囲に対して、Ｂ大のときは分布は中高になり、Ｂ小のときは、放電位置でのラジカルの生成分布を反映して分布はＭ型になり、１０％の均一性をはずれてしまう。また、Ａ小のときは、中高になり、Ａ大のときは、外高へ推移する一方、レートの絶対値が下がってしまい、やはり３ミクロン／分±１０％の範囲をはずれてしまう。また、例えば、圧力が２００Ｐａから８０Ｐａに変わると拡散がよくなるために、アッシングレート３ミクロン／分±１０％の範囲が、図の右下方向へシフトすると共に、低圧になることによってラジカル生成量が低下し、範囲が狭くなってしまう。実用的な圧力、流量、電力条件で、十分なアッシングレートと均一性が得られる範囲は実線で示され、ウエハの径に対して、放電管内径Ａは、９５％から１２５％、輸送距離Ｂは、３０％から１２０％である。
【００１４】
以上、内径Ａと輸送距離Ｂの関係について述べたが、ステージ外径Ｃ、ステージとチャンバの間の寸法Ｄ、チャンバ内径Ｅもアッシングレートの分布に影響する。
【００１５】
すなわち、上部から運ばれてきた酸素ラジカルがある程度、ウエハの位置で閉じ込められるような構造にしないと、全体的なレートが下がってしまうという問題が生じる。
【００１６】
まず、ステージ寸法Ｃであるが、Ｃがウエハの寸法に対して１００％に近いと、酸素ラジカルが下に流れ去ってしまうため、ウエハ外周のレートが下がってしまう。したがって、ステージ外径Ｃは、ウエハの径に対して少なくとも１０３％以上であることが望ましい。
【００１７】
次に、ステージとチャンバ上面との間の距離Ｄについて考える。まず、寸法Ｄでガス流れを絞るためには、図４（ａ）に示すように、Ａ＜Ｃが必要なことは言うまでもない。距離Ｄは、ウエハを搬入出するためには、ある程度確保せざるを得ない。しかしながら、Ｅ−Ａが大きい構造で、この距離Ｄを大きくとると、その部分に酸素ラジカルが逃げてしまうので、Ｄは搬送可能で、なおかつ流量、圧力が確保できる範囲でなるべく小さくする方がよい。図６に示すように、寸法Ｄを詰めるかわりに、リング状部材１６をいれた場合、この構造物とステージの間の距離がＤに相当すると考えられ、Ｄを詰めたのと結局は同じ事になる。また、この場合、このリングで十分にガス流れが絞れていれば（この部分のコンダクタンスが十分小さく支配的ならば）、ステージも、チャンバも、特に円形である必然性はない。 Ｄの値は、２５ｍｍ以下であることが望ましいが、ウエハの受け渡しには少なくとも１０ｍｍ程度必要であることから、ステージ２が上下方向に駆動しない限り、現実的なＤの値は、１０〜２５ｍｍ程度である。
【００１８】
チャンバ内径Ｅについては、Ｄが十分小さく、ステージとの間で、ガス流れが十分に絞れていれば、大きくても問題はない。しかしながら、Ａ≧Ｃであったり、搬送空間の問題からＤをあまり小さくできない場合には、Ｅの寸法をウエハ径ならびに、Ｃに比較的近い寸法にして、その部分で、ガス流れを絞る必要がある。したがって、Ｅは、ウエハ径及びステージ径Ｃに対して、１０２〜１２０％の範囲の寸法であることが望ましい。
【００１９】
いずれにしても、アッシングする圧力条件において、酸素ガス流量が確保できる範囲で、Ｄあるいは、Ｅ−Ｃを小さくして、酸素ラジカルをウエハに対してフォーカスした方が、アッシングレートの絶対値、特にウエハ外周部でのアッシングレートを上げることができる。
【００２０】
今までの説明においては、放電管として、ストレート管で説明してきたが、均一な管径でない放電管、例えば、テーパ形状の放電管でも特に変わりはない。このとき、テーパがきつすぎると、図７に示すように、ガスの流速分布が中心部のみで速くなってしまう。したがって、圧力及び流速条件にもよるが、使用可能なテーパ角は、管の中心軸に対して、せいぜいθ＝３０°程度である。前述のＡ，Ｂ、あるいはＣ、Ｄ、Ｅの寸法の関係は、このθ＜３０°の範囲で成立する。使用可能なテーパ管の実例を図８、９に示す。またテーパ管を用いたときは、内径Ａとして、平均的な管内径Ａ‘を用いることにより、今まで、説明してきたストレート管の時の内径と輸送距離の管径に置き換えることができる。また、テーパではなく、曲面（Ｒ）を用いる場合は、図１０に示すように、実質的にカーブを持たせる範囲を結んで角度θを考えればよい。
【００２１】
以上、本発明の実施の形態を半導体デバイス製造用のプラズマアッシング装置を例にとって示したが、本発明は、半導体デバイスの処理のみならず、液晶ディスプレイ基板の処理や、その他の被処理物のアッシング処理全般に適用が可能である。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のプラズマアッシング処理装置によれば、高周波誘導プラズマ源を採用し、酸素ラジカルの流れを最適化することにより、大面積の被処理物に対しても、低チャージアップダメージで、高速かつ均一なプラズマアッシング処理が可能になり、装置のスループットが向上する。また、その結果、製造される半導体デバイスの質が向上するという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す図。
【図２】酸素ラジカルの生成レートの分布を示す図。
【図３】酸素ラジカル密度の分布を示す図。
【図４】レートの分布に影響する放電部の寸法を示す図。
【図５】レート均一な寸法範囲を説明する図。
【図６】角度のきついテーパ管における流速分布を示す図。
【図７】テーパ形状の放電管の実施例を示す図。
【図８】放電管の第一の実施例を示す図。
【図９】放電管の第二の実施例を示す図。
【図１０】放電管の第三の実施例を示す図。
【符号の説明】
１…処理チャンバ、２…真空排気手段、３…半導体ウエハ、４…ステージ、５…搬送システム、６…プッシュロッド、７…温度調節手段、８…放電管、９…アンテナ、１０…インピーダンス整合器、１１…高周波電源、１２…ガス供給口、１３…フランジ、１４…プラズマ生成部、１５…多孔板、１６…リング状部材。
【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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【図９】
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【図１０】
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