(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室と、プラズマ発生装置と、前記真空処理室にガスを供給する処理ガス供給手段と、該真空処理室内でエッチング処理される試料を保持する電極と、該真空処理室を減圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、
前記処理ガスは、プラズマ放電により重合膜が形成されるＣＦ系の組成のガスを含み、
前記真空処理室内を０．１Ｐａ〜１０Ｐａとして、該真空処理室内でプラズマ放電により前記処理ガスをプラズマ化して該プラズマにより前記試料のエッチング処理を行うと共に、
処理室を構成する側壁に保持され熱伝導性のよい非磁性金属材料に予め耐プラズマ性の表面処理が施された交換可能なジャケットにより構成され前記プラズマに接する前記真空処理室側壁内面の温度を、前記ジャケットの内部を循環する熱媒体により試料温度より低い２５℃〜５０℃の範囲で±１０℃以内の精度で、一定温度に制御して前記真空処理室側壁内面に重合膜を形成させ、該重合膜の堆積によって耐プラズマ性を有する保護膜を形成すること
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
真空処理室と、プラズマ発生装置と、前記真空処理室にガスを供給する処理ガス供給手段と、該真空処理室内でエッチング処理される試料を保持する電極と、該真空処理室を減圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記処理ガスはプラズマ放電により重合膜が形成されるＣＦ系の組成のガスを含み、
前記真空処理室内を０．１Ｐａ〜１０Ｐａとし、処理室を構成する側壁に保持され熱伝導性のよい非磁性金属材料に予め耐プラズマ性の表面処理が施された交換可能なジャケットにより構成されプラズマに接する前記真空処理室側壁内面の温度を、前記ジャケットの内部を循環する熱媒体により試料温度より低い２５℃〜５０℃の範囲で、±１０℃以内の精度で一定温度に制御して、該真空処理室内でプラズマ放電により前記処理ガスをプラズマ化し、前記プラズマにより前記試料のエッチング処理を行うと共に、前記真空処理室側壁内面に保護用の重合膜を形成させること
を特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置および処理方法に係り、特に半導体製造工程における微細なパターンを形成するのに好適なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程では、たとえば成膜、エッチング、アッシングなどの微細加工プロセスで、プラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理によるプロセスは、真空チャンバー（リアクタ）内部に導入されたプロセスガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、半導体ウエハ表面で反応させて微細加工を行うとともに、揮発性の反応生成物を排気することにより、所定の処理を行うものである。
【０００３】
このプラズマ処理プロセスでは、リアクタ内壁やウエハの温度、あるいは内壁への反応生成物の堆積状態がプロセスに大きな影響を及ぼす。また、リアクタ内部に堆積した反応生成物が剥離すると、発塵の原因となって、素子特性の劣化や歩留まりの低下につながる。
【０００４】
このため、プラズマ処理装置においては、プロセスを安定に保ちかつ異物の発生を抑制するために、リアクタ内部の温度や表面への反応生成物の堆積を制御することが重要である。
【０００５】
たとえば、特開平８―１４４０７２号公報には、シリコン酸化膜のドライエッチング工程における選択比を向上させる目的で、リアクタ内部の各部の温度を、エッチングステージの温度よりも１５０℃以上高い１５０℃以上３００℃以下（望ましくは２００℃以上２５０℃以下）の高温度値に±５℃以内の精度で制御保持するドライエッチング装置が記載されている。このようにリアクタ内面各部の温度を高温に加熱制御することで、リアクタ内面へのプラズマ重合物の付着量が減少し、半導体ウエハ上へのプラズマ重合物の付着量が増加して、選択比が向上する。
【０００６】
また、特開平５―２７５３８５号公報には、平行平板型のプラズマ処理装置において、クランプリング（被処理体保持手段）、フォーカスリング（プラズマ集中手段）の少なくとも一方に、プラズマ処理により生じる反応生成物が付着しない温度に昇温・維持させる加熱手段を設けた装置が記載されている。加熱手段としては抵抗発熱体を用いている。加熱により反応生成物の付着が防止できるので、反応生成物の剥離や、被処理体表面へのパーティクルの付着が低減される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、プラズマ処理装置では、チャンバー内壁面の温度や内壁表面への反応生成物の堆積の制御が重要である。
【０００８】
しかしながら、チャンバー内壁面、特に広い面積をもつ側壁面の温度を２００℃〜２５０℃程度以上の高温に設定すると、エッチング特性が内壁表面の温度に非常に敏感となり、プロセスの再現性・信頼性が低下しやすいという問題がある。
【０００９】
たとえば、Ｓ．Ｃ．  ＭｃＮｅｖｉｎ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｂ  １５（２）  Ｍａｒ／Ａｐｒ  １９９７，  ｐ．２１，  ’Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｈａｌｌｅｎｇｅ  ｏｆ  ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  ｏｘｉｄｅ  ｅｔｃｈｉｎｇ’  には、誘導結合型のプラズマにおいて、側壁温度が２００℃から１７０℃に変化すると酸化膜エッチレートが５％以上増加することが示されている。この理由としては、側壁温度の低下により、より多くの炭素が壁に吸着するようになり、ウエハー上への炭素の堆積が減少して、酸化膜エッチレートが増加したものと推測されている。このように、特に高密度プラズマでは、高温領域でプラズマがリアクタ内壁と強く相互作用するために、リアクタ内部の温度バランスの変化により、内壁表面への反応生成物の堆積や表面の組成変化が急速に進んで、エッチング特性の変化としてあらわれることになる。
【００１０】
さらに、高温領域では、上記のプラズマと内壁との相互作用が、温度変化に対して非常に敏感となる。たとえば、内壁面材料としてＳｉＯ２を用いた場合、  ＳｉＯ２のＦ原子によるエッチレートと壁温の間の熱力学的関係式が報告されており、（Ｄ．  Ｌ．Ｆｌａｍｍ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  ５０，  ｐ．６２１１  （１９７９））、この関係式を１５０℃以上の温度領域に適用すると、壁温度が２００℃から２５０℃以上では、エッチレートが指数関数的に急激に増加していく。
【００１１】
従って、このような高温領域では、温度制御は、たとえば±５℃以内と高い精度が要求される。しかしながら、内壁面は高密度なプラズマにさらされるわけであるから、壁面の温度をこのような高温領域で高精度に制御するのは容易ではない。また、これを実現するには、温度制御に、温度検出手段とヒータやランプなどの加熱手段を用いることになるが、温度制御の機構・手段がおおがかりになってしまう。さらに、このような高温領域では内壁面には反応生成物は堆積しないので、壁面はプラズマによりエッチングされて消耗する。したがって、内壁面の部品を定期的に交換する必要があり、消耗品のコスト上昇につながる。また、加熱に大きなエネルギーを要するので、エネルギー消費の観点からも好ましくない。
【００１２】
同様な問題は、ウエハや電極周囲のリングの加熱についてもあてはまる。リングを加熱して昇温することで反応生成物の付着は防止できるものの、抵抗発熱体などの加熱機構は装置構成を複雑にさせる。また、反応生成物の付着は防止できても、リングや内壁表面がプラズマでエッチングされて消耗すると、構成材料そのものが新たな発塵源となるおそれがある。さらにリングや内壁面の部品が消耗するとこれらを定期的に交換する必要があり、装置のランニングコスト上昇につながる。
【００１３】
こうした課題を解決するひとつの方法が、チャンバー内壁面をポリマーによる表面コーティング層で保護することである。たとえば、特開平７―３１２３６３には、ワークピース（被加工物）の支持台の温度をチャンバーの壁面よりも高い状態で維持して、チャンバー内壁面に表面コーティング層を形成させるプラズマエッチング装置が記載されている。そして、コンタミナント粒子をポリマーフィルム内に捕獲して蓄積することで、反応生成物によるコンタミナントのチャンバ内への残留蓄積を低減するとされている。
【００１４】
しかしながら、この場合には壁面の保護を目的とするものではなく、コンタミナント粒子の捕獲が目的である。また、チャンバー内壁面に表面コーティング層を形成させる際の温度は、ワークピース（被加工物）よりも５℃以上低い値と記述されているのみであり、温度の範囲と制御の精度については考慮がなされていない。また、圧力範囲も数百ｍｔｏｒｒ（数１０Ｐａ）の高圧力のレンジである。しかしながら、膜の堆積温度は、膜の組成や質を変化させ、膜の剥離強度や異物発生に影響すると推測される。また、堆積膜の温度変動は、熱膨張と収縮の繰り返しによりクラックの発生や剥離につながって、異物の原因となると予測され、温度制御の精度は重要な因子である。また、数十ｍｔｏｒｒ以下（数Ｐａ以下）の圧力範囲では、高イオンエネルギー化や分子の平均自由行程が長くなることで、膜堆積状況が異なると考えられる。さらに、上記の公知例ではコンタミナントをとりこんだコーティング層をプラズマ処理チャンバー壁面から除去する必要があり、これが装置のスループットや消耗品コストに直接影響するが、この点については考慮がなされていない。
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、リアクタ内部の温度と反応生成物の堆積を制御することにより、エッチング特性に経時的な変化を生じさせることなく、プロセスの再現性・信頼性を、長期間にわたってかつ低コストで維持できるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の課題について鋭意研究を重ねた結果、リアクタ内の圧力が数Ｐａ以下の領域で、リアクタ内壁面の温度をウエハよりも十分低い温度で、しかも一定温度に制御したときに、内壁面に強固な堆積膜であるコーティング膜が形成されることを見出した。さらに詳細な分析の結果、このコーティング膜は、膜形成時の温度が低いほどポリマー重合が進んでいること、および膜形成時の温度を一定に制御することでしっかりした層状の構造が形成されること、したがって膜表面の剥離や損傷がみられず発塵の原因とはならないことを知見した。
【００１７】
本発明は、次に掲げる装置を提供する。
【００１８】
本発明は、真空処理室と、プラズマ発生装置と、前記真空処理室にガスを供給する処理ガス供給手段と、該真空処理室内でエッチング処理される試料を保持する電極と、該真空処理室を減圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、前記処理ガスは、プラズマ放電により重合膜が形成されるＣＦ系の組成のガスを含み、前記真空処理室内を０．１Ｐａ〜１０Ｐａとして、該真空処理室内でプラズマ放電により前記処理ガスをプラズマ化して該プラズマにより前記試料のエッチング処理を行うと共に、処理室を構成する側壁に保持され熱伝導性のよい非磁性金属材料に予め耐プラズマ性の表面処理が施された交換可能なジャケットにより構成され前記プラズマに接する前記真空処理室側壁内面の温度を、前記ジャケットの内部を循環する熱媒体により試料温度より低い２５℃〜５０℃の範囲で±１０℃以内の精度で、一定温度に制御して前記真空処理室側壁内面に重合膜を形成させ、該重合膜の堆積によって耐プラズマ性を有する保護膜を形成することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１９】
本発明は、真空処理室と、プラズマ発生装置と、前記真空処理室にガスを供給する処理ガス供給手段と、該真空処理室内でエッチング処理される試料を保持する電極と、該真空処理室を減圧する真空排気系とを有するプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、前記処理ガスはプラズマ放電により重合膜が形成されるＣＦ系の組成のガスを含み、前記真空処理室内を０．１Ｐａ〜１０Ｐａとし、処理室を構成する側壁に保持され熱伝導性のよい非磁性金属材料に予め耐プラズマ性の表面処理が施された交換可能なジャケットにより構成されプラズマに接する前記真空処理室側壁内面の温度を、前記ジャケットの内部を循環する熱媒体により試料温度より低い２５℃〜５０℃の範囲で、±１０℃以内の精度で一定温度に制御して、該真空処理室内でプラズマ放電により前記処理ガスをプラズマ化し、前記プラズマにより前記試料のエッチング処理を行うと共に、前記真空処理室側壁内面に保護用の重合膜を形成させることを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００２０】
本発明によれば、プラズマ放電により処理ガスの一部が重合して、処理室内壁面のプラズマに接する部分あるいは部品の表面に、ポリマーによる堆積層が形成される。そして、リアクタ内壁面の温度をウエハよりも十分低い温度で一定温度に制御することで、この堆積層のポリマー重合が進んでしっかりした層状の構造を形成することが可能となる。したがって内壁面がプラズマによりエッチングされて消耗することがないので、内壁面の部品交換の頻度が低減でき、ランニングコスト低下が可能となる。また、この堆積層は、膜の組成が緊密であるので、プラズマにさらされても、表面に剥離や損傷が生じないので、発塵の原因とはならない。
【００２１】
また、チャンバー内壁面の温度をウエハよりも低い温度領域に設定しているので、内壁面を２００℃以上の高温領域に設定した場合に比べて、プラズマと内壁面との相互作用が弱く、しかも温度変化に対して敏感とならない。このため、プロセスの再現性・信頼性が長期間にわたって低下しにくく、また温度制御の精度もたとえば±１０℃以内でよく、温度制御に複雑な機構を用いることなく比較的容易に実現することが可能となる。
【００２２】
また、内壁面に所定の値を超える重合膜が形成された場合にはこの膜を除去する必要がある。この膜除去プロセスをクリーニングではなく、装置を大気開放して重合膜が形成された処理室内壁面の構成部品を交換して装置は再び稼動させ、膜の除去はチャンバから取り出した後にウエットクリーニングなどでｅｘ−ｓｉｔｕに行って内壁面を再生することで、装置の不稼動時間を低減してスループットを低下させないとともに、部品の再生と繰り返し使用により消耗品コストを低減できる効果がある。また、処理中に重合膜の成長を抑制するプロセスを加えることで、装置の開放と清掃までの時間を延ばすことができる。
【００２３】
一方、本発明のさらに他の特徴によれば、リアクタ内部において、ウエハよりも十分に低い領域での温度制御が困難な部分あるいは構成部品については、その少なくとも一部分にバイアスが印加される構造を設け、かつ部品全体の熱容量を十分に小さくすることにより、ヒータやランプなどの複雑な機構を用いることなく部品全体が高温領域に制御できるので、反応生成物の過剰な堆積を抑制して反応生成物の剥離にともなう異物発生を低減できる。また、部品の表面積を小さくすることで、温度や表面状態が変動してもプロセスへの影響を抑制できる。さらに、上記の構成部品に印加されるバイアスの程度を調整して、温度を１００℃以上２５０℃以下、望ましくは１５０℃以上２００℃以下の範囲に設定することにより、およそ２５０℃以上の高温領域に設定した場合に比べて温度変化に対して敏感ではないので、構成部品の温度変動がプロセスに対して実質的に影響しないレベルに小さくできる利点がある。
【００２４】
本発明のさらに他の特徴によれば、処理室内部でプラズマに接する構成部品の温度を、赤外線照射とガス熱伝達を用いて、より能動的に高温領域で高精度に制御できるので、反応生成物の過剰な堆積を抑制して反応生成物の剥離にともなう異物発生を低減できるとともに温度や表面状態の変動を抑制してプロセスに対する影響を抑制できる。さらに、温度を１００℃以上２５０℃以下、望ましくは１５０℃以上２００℃以下の範囲で±１０℃以内の精度で、制御することにより、およそ２５０℃以上の高温領域に設定した場合に比べて、温度変化に対して敏感ではないので、構成部品の温度変動がさらに微細なプロセスに対しても実質的に影響しないレベルに小さくできる利点がある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を、有磁場ＵＨＦ帯電磁波放射放電方式のプラズマエッチング装置へ適用した実施例を示すもので、当該プラズマエッチング装置の断面模式図である。
【００２６】
図１において、処理室１００は、１０ー６Ｔｏｒｒ程度の真空度を達成可能な真空容器であり、その上部にプラズマ発生手段としての電磁波を放射するアンテナ１１０を、下部にはウエハなどの試料Ｗを載置する下部電極１３０を、それぞれ備えている。アンテナ１１０と下部電極１３０は、平行して対向する形で設置される。また、処理室１００の周囲には、電磁コイル１０１Ａ、１０１Ｂ、ヨーク１０１Ｃからなる磁場形成手段１０１が設置されており、所定の分布と強度をもつ磁場が形成される。そして、アンテナ１１０から放射される電磁波と磁場形成手段１０１で形成される磁場との相互作用により、処理室内部に導入された処理ガスをプラズマ化して、プラズマＰを発生させ、試料Ｗを処理する。
【００２７】
処理室１００の側壁１０２には、側壁内面の温度を制御するジャケット１０３が交換可能に保持される。そして、ジャケット１０３の内部には熱媒体供給手段１０４から熱媒体が循環供給されて温度が制御される。ジャケットの温度は、０℃〜１００℃、望ましくは２０℃〜８０℃の範囲で、±１０℃以内の精度で制御される。一方、処理室１００は、真空室１０５に接続された真空排気系１０６により真空排気されて、処理室１００の内部が０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下、望ましくは０．５Ｐａ以上４Ｐａ以下の所定の処理圧力に調整される。処理室１００および真空室１０５はアース電位となっている。処理室１００の側壁１０２、ジャケット１０３は重金属を含まず熱伝導性のよいたとえばアルミニウムなどの非磁性金属材料として、表面に耐プラズマ性のアルマイトなどの表面処理を施してもよい。
【００２８】
電磁波を放射するアンテナ１１０は、円板状導電体１１１、誘電体１１２、誘電体リング１１３からなり、真空容器の一部としてのハウジング１１４に保持される。また、円板状導電体１１１のプラズマに接する側の面にはプレート１１５が設置され、さらにその外周にリング１１６が設置される。試料のエッチング、成膜等の処理を行なう処理ガスは、ガス供給手段１１７から所定の流量と混合比をもって供給され、円板状導電体１１１とプレート１１５に設けられた多数の孔を通して、所定の分布に制御されて、処理室１００に供給される。
【００２９】
円板状導電体１１１には、アンテナ電源１２１、アンテナ高周波電源１２２が、それぞれマッチング回路・フィルタ系１２３、１２４を介して接続され、またフィルタ１２５を通してアースに接続される。アンテナ電源１２１は、望ましくは３００  ＭＨｚから９００  ＭＨｚのＵＨＦ帯周波数の電力を供給し、アンテナ１１０からＵＨＦ帯の電磁波が放射される。一方、アンテナ高周波電源１２２は、円板状導電体１１１に、たとえば１００ｋＨｚ程度の低周波、あるいは数ＭＨｚから１０ＭＨｚ程度の高周波のバイアスを印加することで、円板状導電体１１１に接するプレート１１５の表面での反応を制御する。プレート１１５はウエハと対向しているので、処理プロセスにもっとも大きく影響するが、この面にバイアスを印加して反応生成物を堆積させないことで、装置プロセスが安定化する。また、たとえば、ＣＦ系のガスを用いた酸化膜エッチングにおいて、プレート１１５の材質を、高純度のシリコンやカーボンなどとすることで、プレート１１５の表面でのＦラジカルやＣＦｘラジカルの反応を制御して、ラジカルの組成比を調整する。プレート１１５の下面とウエハＷの距離（以下、ギャップと呼ぶ）は、３０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下、望ましくは５０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下とする。
【００３０】
円板状導電体１１１は、図示しない温度制御手段、すなわちその内部を循環する熱媒体により温度が所定の値に維持され、円板状導電体１１１に接するプレート１１５の表面温度が制御される。リング１１６は、アンテナ高周波電源１２２によるバイアスで加熱されて温度制御されるが、これについては後に詳しく述べる。
【００３１】
処理室１００の下部には、アンテナ１１０に対向して下部電極１３０が設けられている。下部電極１３０には、４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源１４１がマッチング回路・フィルタ系１４２を介して接続されて試料Ｗに印加するバイアスを制御するとともに、フィルタ１４３を介してアースに接続される。
【００３２】
下部電極１３０は、静電吸着装置１３１により、その上面、すなわち試料載置面にウエハなどの試料Ｗを載置保持する。静電吸着装置１３１は、その上面に静電吸着用誘電体層（以下、静電吸着膜と略称する）が形成されている。そして、静電吸着用の直流電源１４４とフィルタ１４５により数１００Ｖ〜数ｋＶの直流電圧を印加して、静電吸着膜を介して試料Ｗと静電吸着装置１１１との間に作用するクーロン力を発生させて、試料Ｗを下部電極１３０上に吸着・保持する。静電吸着膜としては、たとえば酸化アルミニウムや酸化アルミニウムにチタン酸化物を混合した誘電体を用いる。
【００３３】
さらに、試料Ｗは、その表面反応を制御するために、図示しない温度制御手段によりその表面温度が所定の温度に制御される。このために、下部電極１３０には、静電吸着装置１３１と試料Ｗの間の熱伝達性を高めるために、不活性ガス、たとえばＨｅガスが所定の流量と圧力に設定されて供給されている。これにより、ウエハの温度は、最高でおよそ１００℃〜１１０℃以下の範囲に制御される。
【００３４】
また、静電吸着装置１３１の上面の試料Ｗの外側部には、試料台リング１３２が設けられている。試料台リング１３２には、ＳｉＣなどのセラミクスやカーボン、シリコン、石英材料を用いる。試料台リング１３２は、アルミナなどの絶縁体１３３で、静電吸着装置１３１と絶縁される。さらに、試料台リング１３２に絶縁体１３３を介してバイアス電源１４１からのバイアス電力を一部漏洩させて加えることで、試料台リング１３２へのバイアス印加を調整して、その表面での反応を制御することも可能である。たとえば、ＣＦ系のガスを用いた酸化膜エッチングにおいて、試料台リング１３２の材質を高純度のシリコンとすれば、シリコンのスカベンジ作用により試料台リング１３２の表面でのＦラジカルやＣＦｘラジカルの反応を調整して、特にウエハ外周部でのエッチング均一性を向上することができる。試料台リング１３２は、バイアスにより加熱されるともに、伝熱ガスにより冷却されて、温度制御されるが、これについては後に詳しく述べる。
【００３５】
本実施例によるプラズマエッチング装置は以上のように構成されており、このプラズマエッチング装置を用いて、たとえばシリコン酸化膜のエッチングを行う場合の具体的なプロセスを、図１を用いて説明する。
【００３６】
まず、処理の対象物であるウエハＷは、図示していない試料搬入機構から処理室１００に搬入された後、下部電極１３０の上に載置・吸着される。そして、必要に応じて下部電極の高さが調整されて所定のギャップに設定される。ついで、処理室１００内は真空排気系１０６により真空排気されていく。一方、試料Ｗのエッチング処理に必要なガス、たとえばＣ４Ｆ８とＡｒが、ガス供給手段１１７から、所定の流量と混合比、たとえばＡｒ流量３００ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８流量９ｓｃｃｍをもって、アンテナ１１０のプレート１１５から処理室１００に供給される。同時に、処理室１００は真空排気系１０６により排気され、処理室１００の内部が所定の処理圧力、例えば１Ｐａになるように調整される。他方、磁場形成手段１０１により、所定の分布と強度の磁場が形成される。そして、アンテナ電源１２１によりアンテナ１１０からＵＨＦ帯の電磁波が放射され、磁場との相互作用により処理室１００内にプラズマＰが生成される。このプラズマＰにより、処理ガスを解離させてイオン・ラジカルを発生させ、さらにアンテナ高周波電源１２２、バイアス電源１４１を制御して、ウェハＷにエッチング等の処理を行う。そして、エッチング処理の終了にともない、電力および処理ガスの供給を停止してエッチングを終了する。
【００３７】
さて、本実施例におけるプラズマ処理装置は上記のように構成されているが、リアクタ内各部、特に側壁１０３の内面およびリング１１６、試料台リング１３２の温度制御および反応生成物の堆積制御について、具体的に説明していく。
【００３８】
まず側壁１０３について、図１により説明する。すでに説明したように、処理室１００の側壁１０２の内側にはジャケット１０３が保持され、熱媒体により温度制御が可能となっている。
【００３９】
本発明者らは、酸化膜エッチングを対象に、処理ガスとしてＣ４Ｆ８とＡｒの混合ガス系を用いて圧力２Ｐａで実験した結果、リアクタ内壁面の温度をウエハ温度（およそ１００℃程度）よりも十分低い温度である２５℃から８０℃の範囲で±１０℃以内の精度で一定温度に制御したときに、内壁面に強固なコーティング膜が形成されることを見出した。このような数十ｍｔｏｒｒ以下（数Ｐａ以下）の圧力範囲ではエネルギーの高いイオンが増加するので、膜堆積におけるイオンアシストの効果が高まって、緊密な膜が形成されると考えられる。堆積膜の状況は、側壁温度が低いと緻密で強固な膜が形成され、側壁温度が高いとやや粗い構造であった。この膜質変化を定量的に明らかにするために、側壁温度２５℃、５０℃、８０℃で堆積した膜の組成（元素濃度比）をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）で分析したところ、次のような結果であった。
【００４０】
0003583289.tif 000002
この結果からも明らかなように、側壁温度が低いほどカーボンリッチな膜質となっている。また、ここでは示していないが、Ｃ１ｓピークの分析から、側壁温度が低いほどカーボン同士の結合が進んでおり、ポリマー重合が進んでいることもわかっている。これが、マクロには緻密で強固な膜として観察されたと推測できる。
【００４１】
またこの実験時には、側壁面の温度は±１０℃以内の精度で制御されているので、膜の堆積中に温度変動にともなう内部応力が発生せず、膜構造が緻密になると予測される。電子顕微鏡による観察の結果、しっかりした層状の構造が形成されていることを確認した。この膜はきわめて緊密で強固であり、デポ堆積加速試験で試験的におよそ２００ミクロンの膜厚にまで堆積させても、テープ剥離や摩擦試験による膜のはがれは観察されなかった。さらに、この膜はプラズマに対しても高い耐性を示しており、プラズマ処理によっても膜表面の剥離や損傷がみられず、発塵の原因とはならないことを知見した。
【００４２】
このように、リアクタ内壁面の温度をウエハ温度よりも十分低い温度で一定に制御することで、内部に熱応力の発生しない強固な堆積膜をリアクタ側壁内面に形成することができる。この膜は十分な耐プラズマ性を有しており、反応生成物の剥離や試料表面へのパーティクルの付着が低減するので、リアクタ内壁の保護膜として作用する。したがって、側壁は消耗したり損傷したりしないので、側壁の部品交換の頻度が低減でき、ランニングコストの低下につながる。また、側壁が堆積膜で保護されるので、耐プラズマ性の高いＳｉＣなどのセラミクスを使う必要がなく、部品コストの低減が可能となる。また、特に側壁温度を常温〜約５０℃程度の範囲で制御すれば、側壁の加熱のためのエネルギーが少なくてすむので、省エネルギーにもつながる効果がある。側壁材料としては、重金属を含まずかつ熱伝導性のよい金属、たとえばアルミを用いればよい。
【００４３】
なお、堆積膜が存在しない初期状態では、アルミが露出しているために、プラズマからダメージを受けて表面が変質する可能性がある。そこでこれを防止するために、表面に高分子材料をコーティングしてもよい。あるいは、アルミ表面をたとえばアルマイト処理して、さらに、アルマイト処理で生じた微細な孔を高分子材料で封孔処理をしてもよい。もちろん、この封孔処理はアルミのアルマイト処理に限らずに適用できる。このように、高分子による膜をアルミ表面と堆積膜との界面に介在させることで、アルミ表面と堆積膜との密着性をまして、堆積膜を剥離させにくくする効果もある。また、プロセスによっては、膜が過剰に堆積する場合もありうるが、この場合は、ウエハ処理後に短時間のプラズマクリーニングを併用して膜の堆積を制御することで、膜の厚みを一定に保ってもよい。
【００４４】
次に、試料台リングについて説明する。すでに図１の実施例で説明したように、試料台リング１３２は、バイアス印加によりその表面での反応を制御することで、特にウエハ外周部でのエッチング特性を均一にできる。このとき、試料台リング１３２はバイアスにより加熱されるが、その表面における反応と膜の堆積を制御するために、印加バイアスと温度を制御する必要がある。しかも、静電吸着装置１３１を組込んだ下部電極に複雑な機構を組み込むことなく、印加バイアスならびに温度の制御が可能であることが望ましい。これは、漏洩バイアスの制御とバイアスによる加熱およびガス伝熱による冷却のバランスにより具現化できる。この実施例を、図２に示す下部電極１３０の断面図（右側半分）により説明する。
【００４５】
下部電極１３０は、試料Ｗを静電吸着装置１３１により保持する。静電吸着装置１３１は、絶縁体１３４によりアース１３５と絶縁される。本実施例では、試料台リング１３２を、静電吸着装置１３１に対して絶縁体１３３を介して設置することにより、バイアス電源１４１から供給されるバイアス電力の一部を漏洩させて加える構造としている。印加されるバイアスは、絶縁体１３３の厚みや材質により調整できる。このようなバイアス印加構造とすることにより、下部電極１３０の内部で試料台リング１３２への配線構造を設けたり、試料台リング１３２に別のバイアス電源を接続したりする必要がない。
【００４６】
また、静電吸着装置１３１は、温調用熱媒体の循環（図示していない）により、所定の温度に維持されている。そして、試料Ｗと静電吸着装置１３１の表面の間には、伝熱用ガス（例えばＨｅガス等）の流路１３６が形成され、伝熱用ガスが導入されることで熱伝導が良好に保たれる。ここで、本実施例では、試料台リング１３２、絶縁体１３３、静電吸着装置１３１の間にも伝熱用ガスの流路１３６Ａ、１３６Ｂが形成される。そして、ウエハ冷却用伝熱ガスの一部が導入されて、接触部での熱伝導が良好に保たれる。このため、試料台リング１３２は、所定の温度に維持された静電吸着装置１３１との間の熱伝達が良好に保たれて、温度が安定に保たれる。この結果、試料台リング１３２へのバイアス印加による温度変動が抑制され、試料台リング１３２における表面反応や試料の処理特性が安定化できる。また同時に、バイアスによる加熱とイオンアシストにより反応生成物の堆積が防止できるので、反応生成物の剥離や、試料表面へのパーティクルの付着が低減される。
【００４７】
このように、試料台リングは、漏洩バイアスの印加とバイアスによる加熱とガス伝熱による冷却のバランスにより、簡単な構造で表面反応や温度と膜堆積の制御が可能となり、処理の長期安定化と異物の低減を図ることができる。
【００４８】
なお、本実施例では、伝熱用ガスにより熱伝達を確保したが、たとえば熱導電性シートなど、他の熱伝達手段を用いてもよい。
【００４９】
次に、アンテナ１１０について説明する。すでに図１の実施例で述べたように、円板状導電体１１１にはアンテナ高周波電源１２２が接続されて１００ｋＨｚ程度または数ＭＨｚから１０ＭＨｚ程度のバイアスが印加される。また、円板状導電体１１１の温度は熱媒体により所定の値に維持される。したがって、円板状導電体１１１に接するプレート１１５は、バイアスが印加されるとともにその表面温度も制御される。プレート１１５はウエハと対向しているので、処理プロセスにもっとも大きく影響するが、この面にバイアスを印加して反応生成物を堆積させず、さらにプレートの材質に高純度のシリコンを用いてスカベンジ作用による表面反応を用いることで、プロセスを安定化することができる。
【００５０】
一方、プレート１１５の外周部のリング１１６は、プレート１１５と同様にアンテナ高周波電源１２２によるバイアスで加熱し、さらにリング１１６の熱容量を小さくすることで温度変化の応答性を高めている。これを図３を用いて説明する。
【００５１】
図３は、リング１１６の温度制御方法を示した実施例である。本実施例では、リング１１６の形状を薄くして、かつプレート１１５にその一部分がかかり、かつ誘電リング１１３やプレート１１５との熱的な接触が少なくなるように構成されている。この場合、プレート１１５にアンテナ高周波電力を印加すると、プレート１１５へのバイアスにより、イオンが図中の矢印のようにリング１１６の表面に引き込まれる。本実施例では、ヒータやランプなどの加熱機構を用いていないので、機構が複雑にならない利点がある。
【００５２】
リング１１６のバイアス印加部分の幅ｗは、バイアスによる加熱が効率よく行えるように、たとえば１０ｍｍ以上とする。リング１１６の厚みは、バイアスで有効に加熱されるためにはたとえば６ｍｍ以下、望ましくは４ｍｍ以下とする。このように薄い形状とすることで、リング１１６の熱容量が小さくなる。この結果、リング全体をおよそ１００℃以上２５０℃以下、望ましくは１５０℃以上２００℃以下に加熱することが可能となる。この結果、反応生成物の堆積が抑制されて、反応生成物の剥離にともなう異物発生を低減できる。また、この温度範囲では、およそ２５０℃以上の高温領域に比べて表面反応の変化が温度変化に対して敏感ではないので、構成部品の温度変動がプロセスに対して実質的に影響しないレベルに小さくできる利点がある。
【００５３】
リング１１６の厚みは、デポ膜の堆積を抑制でき、しかもリング表面がイオンでスパッタされて消耗しないように、アンテナバイアスのパワー・周波数、リング１１６の材質、リング１１６への反応生成物の堆積速度などとのバランスで決定される。また、図中に示したように、バイアスが印加される部分以外は厚みを薄くして、リング全体の熱容量をさらに小さくしてもよい。このように、リング１１６の熱容量を小さくすることで、処理の初期段階の短い時間で応答性よく温度が上昇するので、処理特性への影響が小さい。また、リング１１６の内径ｄは、試料の直径よりも大きいことが望ましい。リアクタの内径は試料の１．５倍程度になるから、試料径３００ｍｍの場合は、リングの幅ｓはおよそ５０ｍｍから７０ｍｍとなり、その表面積はリアクタ内壁面全体に対してたとえば２０％以下と十分に小さくなる。このように、部品の表面積を小さくすることで、温度や表面状態が変動してもプロセスへの影響を抑制できる。しかもリング１１６はウエハよりも外周部に位置しているので、そのプロセスへの影響はさらに小さくなる。
【００５４】
ところで、上記の実施例は、プラズマによる受動的な加熱であるため、ある程度の温度変動はさけられない。この変動は現状のプロセスでは影響が顕在化しなくても、処理プロセスの微細化により、エッチング特性に影響を及ぼす可能性があり、この場合にはランプやヒータなどによる積極的な温度制御機構が必要となる。図４には、ランプ加熱による温度制御機構の実施例を示す。
【００５５】
本実施例においては、誘電体リング１１３Ａの一部が、上記リング１１６と同様の構造１１６Ａでバイアスが印加できるように構成されており、さらに誘電体リング１１３Ａのプラズマに近い側に、赤外光・遠赤外光を吸収するたとえばアルミナ薄膜などの赤外吸収体１５１が形成されている。そして、赤外線放射手段１５２から赤外光・遠赤外光が放射され、赤外透過窓１５３、誘電体リング１１３Ａを通過して、赤外吸収体１５１で吸収され、リング１１６を加熱する。赤外吸収体１５１は赤外線により遠隔的に加熱できるので、赤外線吸収体１５１を誘電体リング１１３Ａのプラズマに近い側に設置することで、誘電体リング１２３のプラズマにさらされる表面の温度をより高精度に制御することが可能となる。また、加熱機構に赤外線の吸収を用いているため、発熱抵抗体による加熱に比べて応答性がよい利点がある。さらに、バイアス印加部１１６Ａにより、誘電体リング１１３Ａはバイアスによっても加熱されるので、温度の応答性が向上する。
【００５６】
一方、赤外線放射手段１５２はホルダ１５４に設置されるが、ホルダ１５４と誘電体リング１１３Ａの間には隙間が設けられ、その隙間にガス供給手段１５５を通して、温度制御用の伝熱ガスが供給される。伝熱ガスは、真空封止手段１５６Ａ、１５６Ｂで封止される。このガス伝熱により、誘電体リング１１３Ａはホルダ１５４を通して放熱される。したがって、たとえば処理開始時にはバイアスとランプにより加熱し、処理中にはガス伝熱により放熱させることで、温度制御の精度が向上する。この結果、誘電体リング１２３の温度をおよそ１００℃から２５０℃、望ましくは１５０℃から２００℃の範囲で±５〜１０℃程度の精度で制御できる。この温度では、膜の堆積が減少するため、膜の剥離による異物発生が抑制される。また、誘電体リング１１３Ａの表面状態が温度に対して依存性が大きくない領域であるので、表面状態が変化せず、長期的に安定したプラズマ処理が可能となる。
【００５７】
上記の図３、図４の実施例はいずれも、プラズマに接するリング１１６、誘電体リング１１３Ａを加熱して膜の堆積を減少させるものであったが、プラズマに接するリングを、図１で説明した側壁内面と同様に、ウエハ温度よりも低い温度に一定に制御して安定な堆積膜を形成することも可能である。図５は、この実施例を示し、誘電体リング１１３Ｂを、冷媒による温度制御で２０℃〜１００℃程度の範囲で制御するものである。
【００５８】
この実施例では、誘電体リング１１３Ｂに設けられた冷媒流路１６１に、熱媒体供給手段１６２から温度制御用の冷媒が供給される。冷媒は、封止手段１６３で封止される。誘電体リング１１３Ｂの温度は、図示していない温度コントローラや温度検出器により、所定の値に維持する。このような構成により、プラズマ処理時に、誘電体リング１１３Ｂの温度を２０℃〜１００℃程度の範囲に維持することができる。このため、誘電体リング１２３の表面に安定した強固な反応生成物の膜が堆積するので、誘電体リング１２３の表面が削られて消耗することはない。また、プロセスによって膜が過剰に堆積する場合は、プラズマクリーニングを併用して、膜を一定の厚みに保ってもよい。
【００５９】
なお、前記の各実施例は、いずれも有磁場ＵＨＦ帯電磁波放射放電方式のプラズマ処理装置の場合であったが、放射される電磁波はＵＨＦ帯以外にも、たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波や、あるいは数１０ＭＨｚから３００ＭＨｚ程度までのＶＨＦ帯でもよい。また、磁場はかならずしも必須ではなく、たとえば無磁場マイクロ波放電でもよい。さらに、上記以外にも、たとえば磁場を用いたマグネトロン型のプラズマ処理装置や平行平板型の容量結合方式プラズマ処理装置、あるいは誘導結合型のプラズマ処理装置などに、前記の各実施例を適用できる。
【００６０】
図６は、本発明を、磁場を用いたＲＩＥ装置（マグネトロンＲＩＥ装置やＭａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＲＩＥ装置）に適用した例である。真空容器としての処理室１００は、側壁１０２と、ウエハなどの試料Ｗを載置する下部電極１３０と、これに対向して接地される上部電極２０１を備え、また真空容器内に所定のガスを導入するガス供給手段１１７と、真空容器内を減圧排気する真空排気系１０６と、前記下部電極と上部電極の間に電界を発生させる電界発生手段２０３と、真空容器内に磁界を発生させる磁界発生手段２０２を備えている。磁界発生手段２０２は、複数の永久磁石またはコイルが処理室１００の外周にリング状に配置され、処理室内部に電極に対してほぼ平行な磁場を形成する。そして、電極間に発生する電界により処理ガスをプラズマ化して、プラズマＰを発生させ、試料Ｗを処理する。さらに、マグネトロンＲＩＥでは、磁界発生手段２０２により電界とほぼ直交する方向に磁場が形成されるので、電子とプラズマ中の分子・原子との衝突頻度が高まって、プラズマ密度が増加し、高いエッチング特性が得られる。
【００６１】
本実施例では、図１で述べた実施例と同様に、側壁１０２に側壁内面の温度を制御するジャケット１０３が交換可能に保持され、ジャケット１０３の内部に熱媒体供給手段１０４から熱媒体が循環供給されて、ジャケットの温度が０℃〜約１００℃、望ましくは２０℃〜約８０℃の範囲で、±１０℃以内の精度で制御される。ジャケット１０３は、たとえばアルマイト処理を施したアルミニウムで構成する。
【００６２】
このような構成により、リアクタ内壁面をウエハ温度よりも十分低い温度で一定に制御できるので、リアクタ側壁内面に強固な堆積膜を形成できる。この膜は十分な耐プラズマ性を有しており、リアクタ内壁の保護膜として作用し、反応生成物の剥離や試料表面へのパーティクルの付着が低減する。したがって、側壁は消耗したり損傷したりしないので、側壁の部品交換の頻度が低減でき、ランニングコストの低下につながるとともに、耐プラズマ性の高いＳｉＣなどのセラミクスを使う必要がなく、部品コストの低減が可能となる。
【００６３】
また、本実施例では、図１、図２で述べた実施例と同様に、試料台リング１３２に、電界発生手段２０３から供給されるバイアス電力の一部を漏洩させる構造とし、さらにガス伝熱により冷却することで、試料台リング１３２における表面反応や試料の処理特性が安定化できる。また同時に、バイアスによる加熱とイオンアシストにより反応生成物の堆積が防止できるので、反応生成物の剥離や試料表面へのパーティクルの付着が低減される。
【００６４】
図７は、本発明を、平行平板型プラズマ処理装置に適用した例である。真空容器としての処理室１００は、側壁１０２と、ウエハなどの試料Ｗを載置する下部電極１３０と、これに対向する上部電極２１０、および上部電極２１０に電力を供給して電極間に電界を発生させる電界発生手段２２１とを備えている。所定の処理ガスが処理室１００内にガス供給手段１１７より供給され、真空排気系１０６で真空容器内が減圧排気される。そして、電極間に発生する電界により処理ガスをプラズマ化して、プラズマＰを発生させ、試料Ｗを処理する。上部電極２１０は、電極板２１１が絶縁体２１２、２１３で絶縁されてハウジング２１４に保持される。また、電極板２１１のプラズマに接する側の面にはプレート２１５が、その外周にはシールドリング２１６が設置される。シールドリング２１６は、絶縁体２１２、２１３をプラズマから保護すると同時に、試料台リング１３２と対をなして、プラズマＰを処理室１００に封じ込めることでプラズマ密度を向上させて、高いエッチング特性を得る。
【００６５】
本実施例では、図１で述べた実施例と同様に、側壁１０２の内面の温度がジャケット１０３により０℃〜約１００℃、望ましくは２０℃〜約８０℃の範囲で、±１０℃以内の精度で制御されるため、耐プラズマ性を有する堆積膜が形成されてリアクタ内壁の保護膜として作用し、パーティクルの低減や側壁の部品交換の頻度の低減が可能となる。また、試料台リング１３２についても漏洩バイアス印加構造とガス冷却により、表面反応や試料の処理特性が安定化でき、反応生成物の堆積を防止してパーティクル発生が低減される。さらにシールドリング２１６は、図３の実施例と同様に、その形状が薄く、かつプレート１１５に対してシールドリング２１６の一部分がかかり、かつ他部品との熱的な接触が少なくなるように構成されている。このため、プレート１１５に電力を印加すると、シールドリング２１６がセルフバイアスによるイオンにより加熱され、反応生成物の堆積が抑制されて、異物発生を低減できる。
【００６６】
図８は、本発明を、誘導結合型のプラズマ処理装置に適用した例である。真空容器としての処理室１００は、側壁１０２と、ウエハなどの試料Ｗを載置する下部電極１３０と、天板２３０とを備えており、真空排気系１０６で減圧排気される。天板２３０の上部には、誘導放電用コイル２３１が配置され、高周波電源２３２から高周波電力を供給する。処理ガスはガス供給手段１１７より供給され、誘導放電用コイル２３１による誘導放電でプラズマ化されて、プラズマＰが発生し、試料Ｗを処理する。誘導結合型のプラズマ処理装置では、天板にシリコンを用いてプロセスを安定化させたり、たとえばファラデーシールドや磁場などの手段でプラズマと壁との相互作用を抑制することで、側壁をウエハよりも低温としても高いエッチング特性が安定して得られる。
【００６７】
本実施例では、図１で述べた実施例と同様に、側壁１０２の内面の温度がジャケット１０３により０℃〜約１００℃、望ましくは２０℃〜約８０℃の範囲で、±１０℃以内の精度で制御される。このため、耐プラズマ性を有する堆積膜が形成されてリアクタ内壁の保護膜として作用し、パーティクルの低減や側壁の部品交換の頻度の低減が可能となる。また、試料台リング１３２についても漏洩バイアス印加構造とガス冷却により、表面反応や試料の処理特性が安定化でき、反応生成物の堆積を防止してパーティクル発生が低減される。
【００６８】
なお、前記の各実施例は、いずれも処理対象が半導体ウエハであり、これに対するエッチング処理の場合であったが、本発明はこれに限らず、例えば処理対象が液晶基板の場合にも適用でき、また処理自体もエッチングに限らず、たとえばスパッタリングややＣＶＤ処理に対しても適用可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、リアクタ内部の温度と壁面の状態を制御することにより、エッチング特性に経時的な変化を生じさせることなく、プロセスの再現性・信頼性を、長期間にわたって低コストで維持できるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例になる、プラズマエッチング装置の断面模式図である。
【図２】本発明の一実施例である、試料台リングの温度制御方法を示す図である。
【図３】本発明の一実施例である、リングの温度制御方法を示す図である。
【図４】本発明の一実施例である、赤外ランプによるリングの温度の制御方法を示す図である。
【図５】本発明の一実施例である、冷媒によるリングの温度制御方法を示す図である。
【図６】本発明の一実施例になる、有磁場ＲＩＥプラズマエッチング装置の断面模式図である。
【図７】本発明の一実施例になる、平行平板型プラズマエッチング装置の断面模式図である。
【図８】本発明の一実施例になる、誘導結合型プラズマエッチング装置の断面模式図である。
【符号の説明】
１００…処理室、１０１…磁場形成手段、１０２…処理室側壁、１０３…ジャケット、１０４…ガス供給手段、１０５…真空室、１０６…真空排気系、１１０…アンテナ、１１０…円板状導電体、１１２…誘電体、１１３…誘電体リング、１１５…プレート、１１６…温度制御手段、１１７…ガス供給手段、１２１…アンテナ電源、１２２…アンテナ高周波電源、１３０…下部電極、１３１…静電吸着装置、１３２…試料台リング、１３３…絶縁体、１４１…バイアス電源、１５１…赤外吸収体、１５２…赤外線放射手段、１５３…赤外透過窓、１５５…ガス供給手段、１４２…静電吸着装置、１４３…絶縁体、１４７…冷媒流路、
【図１】
0003583289.tif 000003
【図２】
0003583289.tif 000004
【図３】
0003583289.tif 000005
【図４】
0003583289.tif 000006
【図５】
0003583289.tif 000007
【図６】
0003583289.tif 000008
【図７】
0003583289.tif 000009
【図８】
0003583289.tif 000010