(57)【要約】【課題】処理室の壁材から発生する異物の抑制による汚染発生が低減され、プラズマ分布の均一性にも寄与し、且つ処理室の寸法管理が緩やかで済むプラズマ処理装置を提供すること。【解決手段】処理室１００内側に配置された試料台１０９上に載置された試料を、処理室１００内に生成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置において、その処理室１００を内面形状が円錐形の内側壁部材で構成した上で、それを上下に２分割し、上側の内側壁部材１１６と下側の内側壁部材１２４で構成したもの。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器からなる処理室内に試料台を有し、前記試料台の上方の空間に電磁波の照射と磁界の印加によりプラズマを形成させ、前記試料台に載置したウエハを前記プラズマにより処理するプラズマ処理装置において、
前記処理室の前記ウエハの上方で前記プラズマに面した壁面が前記磁界の等磁場面に沿って下方に向かって末広がり状に傾斜した円錐形状の内側壁部材を設け、
このとき前記内側壁部材が上下に２分割された２個のリング状部材で構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２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記２個のリング状部材が各々異なった温度に制御されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記２個のリング状部材のうち、上側のリング状部材が外周に配置された略円筒形状の外周壁部材を備え、
当該外周壁部材は、その外周面に加熱手段が備えられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
前記試料台は、前記処理室内のガスの排気経路の真上に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造プロセス等の微細加工に適用されるプラズマ処理装置に係り、特にチャンバ内壁の削れを抑制して異物の発生と異物による汚染が低減できるようにしたプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウエハなどの被加工材(以下ウエハと記述)を加工して半導体デバイスを製作する半導体製造装置として、従来からプラズマＣＶＤやプラズマエッチング装置などのプラズマ処理装置が広く使用されているが、更に近年はデバイスの高集積化が進み、これに伴い回路パターンは微細化の一途を辿り、この結果、これらのプラズマ処理装置に要求される加工寸法の精度もますます厳しくなっている。しかも、近年はデバイスの構成材料も多様化し、これに伴ってエッチングレシピも複雑になり、この結果、長期量産安定化も重要な課題となっている。
【０００３】
例えばプラズマ処理装置の場合、フッ化物や塩化物、更には臭化物などの反応性ガスのプラズマが用いられるので処理室壁面が化学的及び物理的に侵食され、このためウエハ処理枚数の増加に伴って反応生成物が処理室内壁に付着する機会が多くなり、異物が発生したり、チャンバ内壁が削れたりして部品の寿命が短くなったりし、この結果、長期的に安定した処理が困難になってしまう虞がある。
【０００４】
そこで、このような問題に対処するため、或る従来技術では、プラズマ生成室の側壁に傾斜を持たせ、これにより荷電粒子が壁面に入射する入射角を小さくし、壁材からの異物による汚染発生が低減できるようにしたシステムについて提案している(例えば特許文献１、２参照)。
【特許文献１】特開平７−  ９４２９７号公報
【特許文献２】特開平８−１３８８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術は、プラズマ生成領域が円錐形状をなし、処理室は円筒形状になっているため、円筒形状の処理室内ではプラズマ密度が低くなり、ガス流によどみが生じ易くなって壁面でのデポ(異物堆積)が生じ易くなったり、エッチングのリサイクリング等、プラズマと処理室内壁面との間の相互作用が不均一になったたりし易くなる。そして、この場合、異物による汚染発生の可能性も生じてしまう。また、このように側壁が円筒形状の処理室の場合、ラジカルが壁に吸着され易くなってしまうことから、エッチングレートやＣＤ分布の均一性に影響を与えてしまう虞もしょうじてしまう。
【０００６】
しかも近年は、被処理試料であるウエハに対する重金属等の不純物混入に対する要求が厳しくなっていて、耐プラズマ材料であるアルミナやアルマイトの主要元素であるアルミニウム、イットリアの主要成分であるイットリウム、鉄(Fe)、マグネシウム(Mg)などの微量含有金属の混入も無視できなくなっている。そこで、このような耐プラズマ部材の消耗を抑えることも必要になってきているが、従来技術では、こような要求に応えるのが難しくなっている。
【０００７】
また、従来技術では、チャンバ内壁の温度制御のための構成に関して配慮がされているとは言えず、このため、例えば内壁面の構造次第では壁面の表面温度が部分的に異なっている可能性があり、このため付着係数の高いガスを使用した場合は、壁面の温度が低いところにガスが付着し、ウエハ上のエッチングガスの分布に偏りが生じる可能性がある。
【０００８】
また、この内壁面は温度を上げる必要があり、このため内壁での熱膨張が多くなり、各壁面間で熱膨張を考慮した隙間を設ける必要があるが、このとき、当該隙間の寸法にバラツキがあると装置間でプラズマの状態が異なってしまう可能性があるため、従来技術では処理室に厳しい寸法管理が必要となる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、処理室の壁材から発生する異物の抑制による汚染発生が低減され、プラズマ分布の均一性にも寄与し、且つ処理室の寸法管理が緩やかで済むプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、真空容器からなる処理室内に試料台を有し、前記試料台の上方の空間に電磁波の照射と磁界の印加によりプラズマを形成させ、前記試料台に載置したウエハを前記プラズマにより処理するプラズマ処理装置において、前記処理室の前記ウエハの上方で前記プラズマに面した壁面が前記磁界の等磁場面に沿って下方に向かって末広がり状に傾斜した円錐形状の内側壁部材を設け、このとき前記内側壁部材が上下に２分割された２個のリング状部材で構成されていることにより達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内側壁部材が上下に２分割された２個のリング状部材で構成されているので、各部材間で熱膨張を考慮して隙間を設ける場合においても、厳しい寸法管理を低減することが可能になり、この結果、装置機差を抑え、コストの抑制が可能になる。
【００１２】
また、本発明によれば、プラズマ生成領域となる処理室が円錐形状にされているので、壁材からの異物の発生と汚染の発生が低減され、壁面で起こるデポやエッチングのリサイクリング等のプラズマと処理室内壁面との間の相互作用が均一化されるので、エッチングレートやＣＤ分布の均一性を改善することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明によるプラズマ処理装置について、図示の一実施の形態により詳細に説明する。まず、図１は、本発明の実施形態における処理室(処理チャンバ)を１００として示した縦断面図で、この場合、図示のように、この処理室１００は、上部の蓋部材１０１と中間にある内側チャンバ１２１、それに下部に支持ベース部材１２９を介して設けてある内側チャンバ１２２により真空容器として作られ、内部に試料台１０９が、支持梁１２８により設けられ、この試料台１０９に被加工材であるウエハを載置し、これにプラズマ処理を行うようになっている。このとき内側チャンバ１２１の外側には外側チャンバ１１９が設けられ、下部にある内側チャンバ１２２の回りには外側チャンバ１２０が設けられている。そして内側チャンバ１２２の中に真空室１２３が形成されている。また、試料台１０９には誘電体膜１３５と電極カバー１３６が設けてある。
【００１４】
そして、まず、真空容器の蓋を構成する蓋部材１０１には、その内側に配置されたアンテナ１０２と、このアンテナ１０２の下方に配置された天井部材とを含んで放電室部が配置されている。そして、この放電室部を囲んで、アンテナ１０２の側方と上方の双方に配置された磁場発生部１０３が設けられ、この磁場発生部１０３の上方には、２００ＭＨｚのＶＨＦ帯から１ＧＨｚのＵＨＦ帯までの周波数の電波(電磁波)を放射させるため、アンテナ１０２に高周波電力を供給するための高周波電力源部１０５が配置されている。
【００１５】
このとき、アンテナ１０２はＳＵＳ等の導電性部材で構成された蓋部材１０１の内側に配置されており、この蓋部材１０１とアンテナ１０２の間には、これらの間を絶縁すると共にアンテナ１０２から放射される電波を下方の天井部材側に伝導するために配置された誘電体１０６を有し、この天井部材には、アンテナ１０２から伝達されてきた電波を下方の処理室内側に伝導するため石英等の誘電体で構成された石英プレート１０７と、この石英プレート１０７の下方に配置され、外部からプロセスガスライン１１２を介して供給された処理用のプロセスガスを処理室の内側に分散して導入するための複数の孔が形成されたシャワープレート１０８が設けられている。
【００１６】
そして、このシャワープレート１０８の下方で、試料台１０９の上方に形成された空間が放電室１１０となっていて、ここにシャワープレート１０８を通って導入されたプロセスガスに、アンテナ１０２から供給された電波と磁場発生部１０３から供給された磁場が相互作用し、これにより放電室１１０内にプラズマが形成される。このため、石英プレート１０７とシャワープレート１０８との間には微小な空間が形成されており、この空間に上記したプロセスガスライン１１２からプロセスガスが先ず供給され、シャワープレート１０８の孔を通って放電室１１０に流入される。
【００１７】
このとき、上記した空間は、プロセスガスがシャワープレート１０８の複数の孔から分散して放電室１１０に流入させるためのバッファ室１１１を構成していることになる。そして、このときプロセスガスは、プロセスガスライン１１２とプロセスガス遮断バルブ１１３を経由して流量を調節する制御器１１４から処理室内に供給される。そして、このとき、この実施形態では、複数の孔からプロセスガスを分散して放電室１１０に導入されるようにした上で、更にこれらの孔を、主として試料台１０９上に試料が載置される位置に対向した位置に配置しておくようにしてあり、これにより、プロセスガスがより均一となるように分散できるバッファ室１１１の働きと共に、プラズマの密度の均一化が更に図られていることになる。
【００１８】
また、蓋部材１０１の下方で石英プレート１０７及びシャワープレート１０８の外周側には下部リング１１５が配置されている。そして、この下部リング１１５の内部には、バッファ室１１１にプロセスガスを通流するため、ガスライン１１２と連通したガス通路が設けられている。一方、シャワープレート１０８の下方には、真空容器の内側でプラズマに面して放電室１１０の空間を区画するリング状の内側壁部材１１６、１２４が備えられている。このとき内側壁部材１１６の外周側にはこれを取り囲んで配置された放電室外側壁部材１１７が備えられており、この放電室の内側壁部材１１６の外側の壁面と外側壁部材１１７の内側の壁面とが対向して接触している。
【００１９】
ここで、この実施形態においては、プラズマを安定に生成させるため、詳しくは後述するが、プラズマが生成される領域にある内側壁部材を磁場発生部１０３による磁力線の形成方向に沿って壁面を傾斜させ、上側部分では、下方に向かって僅かに広がるほぼ円筒形状の内側壁部材１１６とし、下側部分は、下方に向かって広がる円錐形状にした内側壁部材１２４で構成したものである。そして、外側壁部材１１７の外周面にはヒータ１４０を巻き付け配置させ、これにより外側壁部材１１７の温度を調節することにより、これに接触した内側壁部材１１６の壁面温度の制御が得られるようにしてある。このときヒータ１４０にはヒータカバー１４２が設けてある。
【００２０】
ところで、このように内側壁部材１１６を円錐(テーパー)形状にした場合、処理チャンバの径を有効的に広げるには、外側壁部材１１７も円錐形状にした方が効率的である。しかし、この場合、壁面の傾斜を緩やかにすればする程、その分、ヒータ１４０の固着が難しくなる。そしてヒータ１４０がしっかり接触していない場合は、ヒータが焼き切れてしまう可能性がある。そこで、ヒータ１４０と外側壁部材１１７との接触を良くし、効率良く伝熱させるため、図示のように、外側壁部材１１７のヒータ１４０が取付けられる外周側を円筒形状にしてある。また、この外側壁部材１１７の外周側には、その下面に接触した状態で放電室ベースプレート１１８が配置してあるが、このベースプレート１１８内には空間が設けてあり、ここに熱交換媒体１４１が通流されるようにしてある。
【００２１】
ところで、通常、プラズマ生成領域にある内側壁部材は、外側壁部材１１７の内側から下側まで取り付けられることになる。しかし、この場合、部材が大きくなるため、熱膨張により内側壁部材の寸法が大きく変化することになる。そして、これに伴いシャワープレート１０８と内側壁部材の隙間が大きく変化し、寸法の違いによりプラズマが変わる可能性がある。これは寸法公差を厳しくすることで改善は可能であるが、その場合、上記したように、コストに影響が現われてしまう。従って、これを改善するためにも、この実施形態のように、内側壁部材を二分割にした構造の方が、メンテナンスの面及び寸法公差の面で、より一層、効果的である。
【００２２】
そこで、この実施形態では、まず、ベースプレート１１８にヒンジ１４３を配置し、ベースプレート１１８に外側壁部材１１７を取付ける。そして、この外側壁部材１１７をベースにして、これの上側と下側から内側壁部材１１６と内側壁部材１２４を設置させる構造にしたものであり、これにより部材が小さくできるので、取付けと取外しに際して取扱いが容易になる。また、内側壁部材１１６が膨張した場合、この内側壁部材１１６は外側壁部材１１７の上側にあるため、設置面を境界にして上下方向に伸びることができ、これによりシャワープレート１０８と内側壁部材１１６の隙間が熱膨張による影響を受けてしまうのを抑えることができる。
【００２３】
従って、この実施形態によれば、シャワープレート１０８と内側壁部材１１６との隙間の差によるプラズマへの影響が低減されることになり、且つ寸法管理の厳しい部材の個数が少なくなるので、複数の装置の間においてもコストの抑制が可能となり、装置間でのコスト差も抑えられることになる。
【００２４】
次に、中間にある内側チャンバ１２１について説明すると、ここには試料台１０９かあり、そのブロックの下方には下側の内側チャンバ１２２が配置されている。そして、この内側チャンバ１２２の中央側部分には、試料台１０９の周囲に流れている内側チャンバ１２１内のガスが通流する部分となる開口が設けてあり、排気バルブ１３１を介して排気手段となる排気ポンプ１３２に連通している。このとき、排気バルブ１３１は、内側チャンバ１２２の内側の空間と排気ポンプ１３２の間を連通させ、或いは遮断させることができるように作られた板状のシャッターを複数備えていて、このシャッターを回動させることにより排気通路面積を調節して排気流量や速度を調節する働きをする。
【００２５】
従って、この実施形態の場合、排気手段が試料台１０９の下方で、特に直下に配置されていることになり、この結果、内側チャンバ１２１内で試料台１０９の上方の空間内にあるプラズマや処理ガス、反応生成物は試料台１０９の周囲から下方の内側チャンバ１２２内の空間を介して排気バルブ１３１に至るという短い排気経路を流れて排気されることになり、この結果、短時間で効果的な排気処理が可能になる。
【００２６】
更に詳しく説明すると、図２において、まず処理の対象物である半導体ウエハＷは、図示してない搬送ユニットから処理室１００の中に搬入された後、試料台１０９の静電吸着電極１３４の上に載置され、高電圧電源１３７から印加されている直流高電圧により静電吸着される。ついで、半導体ウエハＷのエッチング処理に必要なガス、例えばハロゲン系のガスがプロセスガスライン１１２から所定の流量のもとで、所定の混合比を保って処理室１００内に供給される。このとき、処理室１００の中は、排気ポンプ１３２と排気バルブ１３１により、所定の処理圧力に調整される。
【００２７】
ところで、このようなエッチング処理装置では、高周波の電界と磁場コイルの磁界との相互作用により、処理室内に導入されたプロセスガスが効率良くプラズマ化される。そして、このときのエッチング処理にあたっては、ウエハに入射するプラズマ中のイオンの入射エネルギーを高周波バイアスによって制御し、所望のエッチング形状が得られるようにする。
【００２８】
そこで、高周波電力源部１０５からアンテナ１０２に高周波数電力を供給し、アンテナ１０２から電磁波が放射されるようにする。そうすると、この電磁波が、磁場発生部１０３により処理室１００の内部に形成される概略水平な磁場と相互作用し、処理室１００内に効率良くプラズマＰが生成される。そして、このプラズマＰか生成されたことによりプロセスガスが解離されて、イオンやラジカルが発生する。このとき静電吸着電極１３４には、更にマッチング回路１３９を介して、バイアス電源１３８からバイアス電力が供給され、これにより半導体ウエハＷの温度を制御しながらエッチングを行う。
【００２９】
ここで、この実施形態に係るプラズマ処理装置では、磁場発生部１０３により、図２に示すような磁力線２０１が形成される。そのため、アンテナ１０２より印加された高周波と磁力線２０１により、シャワープレート１０８の直下には密度の高いプラズマが生成される。更に、このとき生成されたプラズマＰは磁力線２０１によって拘束されるので、磁力線２０１の延長上にある耐プラズマ性材料で被覆されている内側壁部材１１６の表面のプラズマの密度が高くなり、この結果、効果的なエッチングが得られることになる。
【００３０】
しかもこのとき、この実施形態では、図示のように、内側壁部材１１６、１２４の壁面が磁力線２０１と略平行になるように形成してある。具体的には、上記したように、磁場発生部１０３による磁力線の形成方向に沿って壁面を傾斜させ、上側部分では、下方に向かって僅かに広がるほぼ円筒形状の内側壁部材１１６とし、下側部分は、下方に向かって広がる円錐形状にした内側壁部材１２４で構成してある。これにより荷電粒子が内壁に入射する角度が小さくなり、この結果、壁面に働くスパッタ作用が抑制され、従って、壁面が削られるのを抑えることができる。
【００３１】
次に、この実施形態による壁部材の温度制御について説明する。ここでは、まず、ヒータ１４０と熱交換媒体１４１による熱の伝わり方について、図３により説明する。この場合、ヒータ１４０は外側壁部材１１７に接触しているため、実線で示すように、外側壁部材１１７を通して伝熱する。このとき外側壁部材１１７と内側壁部材１１６は、特に上部で接触しているため、上側から伝熱する。また、外側壁部材１１７は下側の内側壁部材１２４にも接触しているため、内側壁部材１２４にも伝熱する。ここで外側壁部材１１７はベースプレート１１８にも接触しているが、この場合、ヒータ１４０から離れ、且つ部材を薄い構造にしてあるため熱が伝わり難く、このためベースプレート１１８の温度は低い状態になっている。
【００３２】
一方、熱交換媒体１４１による熱の伝わり方は、この熱交換媒体１４１がベースプレート１１８内を流れていることから、まず内側壁部材１２４に伝熱され、内側壁部材１２４が冷却され、更にその下側にある内側チャンバ１２１が冷却される。ここで、内側壁部材１２４は、ヒータ１４０からの熱と熱交換媒体１４１からの熱をどちらからも取り入れることができ、この結果、ヒータ１４０の温度と熱交換媒体１４１の温度を調節することで温調が可能である。
【００３３】
従って、この実施形態によれば、内側壁部材１１６と内側壁部材１２４、それに内側チャンバ１２１をそれぞれ異なった温度に制御できることになり、それらの表面とプラズマやこれに含まれる粒子、ガス、反応生成物の間での相互作用が制御され、この結果、ウエハに寄与するエッチャントやデポの調節が可能になり、エッチングレートやＣＤ分布の均一性の改善を可能にすることができる。
【００３４】
ところで、以上の実施形態では、内側壁部材を内側壁部材１１６と内側壁部材１２４に分割しているが、このときメンテナンスの容易性の観点からすれば、内側壁部材を一体型にすることも考えられる。しかして、この場合、当該内側壁部材が円錐形状であることから、外側壁部材１１７の下方から当該外側壁部材１１７に嵌合させる必要があるが、このとき外側壁部材１１７にはヒータのケーブルが接続されているため、取り外しが困難である。そこで、この場合は外側壁部材１１７を動力により可動式にするのが好ましい。
【００３５】
参考例として示すと、まず図４は、磁場発生部１０３が可動部材４０１に設置され、モータにより上下移動が可能にしてある装置の場合を示したもので、この場合は可動部材４０１にクリップ４０２を設けておき、これにベースプレート１１８を係合させることにより、一体型内側壁部材４０３から外側壁部材１１７を持ち上げ、取り外せるようにした場合の一例であり、図５は、ベースプレート１１８を可動部材５０１に取付けることにより、一体型内側壁部材４０３から外側壁部材１１７を持ち上げ、取り外した後、可動部材５０１を軸にして回転させ、内側壁部材４０３の上方から側方に取り出せるようにした場合の一例である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態の一部を拡大して示した断面図である。
【図３】本発明の実施形態による熱の伝わり方を説明するための一部拡大断面図である。
【図４】プラズマ処理装置の一参考例を示す一部拡大による断面図である。
【図５】プラズマ処理装置の他の一参考例を示す一部拡大による断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００：処理室(処理チャンバ)
１０１：蓋部材
１０２：アンテナ
１０３：磁場発生部
１０５：高周波電力源部
１０６：誘電体
１０７：石英プレート
１０８：シャワープレート
１０９：試料台
１１０：放電室
１１１：バッファ室
１１２：プロセスガスライン
１１３：プロセスガス遮断バルブ
１１４：制御器
１１５：下部リング
１１６：内側壁部材
１１７：外側壁部材
１１８：ベースプレート
１１９、１２０：外側チャンバ
１２１、１２２：内側チャンバ
１２３：真空室
１２４：内側壁部材
１２８：支持梁
１２９：支持ベース部材
１３１：排気バルブ
１３２：排気ポンプ
１３４：静電吸着電極
１３５：誘電体膜
１３６：電極カバー
１３７：高電圧電源
１３８：バイアス電源
１３９：マッチング回路
１４０：ヒータ
１４１：熱交換媒体
１４２：ヒータカバー
１４３：ヒンジ
２０１：磁力線
４０１
５０１：モータ
４０２：クリップ
４０３：一体型内側壁部材
Ｐ：プラズマ
Ｗ：半導体ウエハ
【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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