(57)【要約】【課題】フォーカスリングの内周面への反応生成物の堆積を抑制でき、また、フォーカスリング内周面のプラズマによる消耗を低減できるプラズマ処理装置を提供すること。【解決手段】処理室１５内部のプラズマ空間分布を制御するためにステージ１２に設置したフォーカスリング２０を、プラズマ密度の最も高い領域（ＥＣＲ面）１９よりも低い位置に配置することにより、フォーカスリング内周面２０ａが直接プラズマに曝されるのを回避して、当該内周面２０ａ上への反応生成物の堆積を抑制するとともにフォーカスリング２０の消耗を低減する。これにより、反応生成物の異物化による製品の歩留まり及び信頼性の低下が抑えられ、また、装置メンテナンス周期を延長させてスループットの向上を図ることができる。【選択図】        図１
2004200337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室と、この処理室の内部に設置され被処理基板を保持するステージと、このステージの上方に導入ガスのプラズマを生成するプラズマ発生手段と、前記ステージの外方に設けられた真空排気通路と、前記ステージ上に前記被処理基板を囲むように設置され前記プラズマの空間分布を制御するフォーカスリングとを備えたプラズマ処理装置において、
前記フォーカスリングを、プラズマ密度の最も高い領域よりも低い位置に配置した
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ発生手段が、前記処理室を画成する透明なベルジャと、このベルジャの周りに巻装された電磁コイルと、前記処理室にマイクロ波を導入するマイクロ波供給手段とを備えた電子サイクロトロン共鳴型であって、前記プラズマ密度の最も高い領域が、電子サイクロトロン運動の周波数と前記マイクロ波の周波数とが一致する空間高さにある
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記フォーカスリングの側面には、その周方向に沿って複数の貫通孔が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記フォーカスリングの内周面がテーパ形状をなしている
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記フォーカスリングの外周面がテーパ形状をなしている
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記フォーカスリングが絶縁性材料でなる
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に関し、更に詳しくは、プラズマの空間分布を制御するためのフォーカスリングを処理室内に備えたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＬＳＩ（大規模集積回路）やトランジスタ等の半導体装置の製造工程においてプラズマ処理装置が用いられている。このプラズマ処理装置として、例えば、ウェーハ上に形成された金属電極膜や絶縁酸化膜等の薄膜の全面または特定の場所を必要な厚さだけ除去するためにプラズマ中のラジカルと反応性イオンとの相乗効果によって薄膜をエッチングするプラズマエッチング装置がある。
プラズマエッチング装置には、種々の型式のものがあり、平行平板型、誘導結合型、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型等がある。以下、従来のプラズマエッチング装置として、ＥＣＲ型のプラズマエッチング装置を図５を参照して説明する。
【０００３】
図５は従来のＥＣＲ型プラズマエッチング装置１００の概略構成図である。ウェーハＷは、ＲＦ電源１０１に接続されるステージ１０２の上に保持されている。ステージ１０２は、ウェーハＷのエッチング中、ＲＦ電源１０１によって例えば数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚのＲＦ電圧が印加される。１０３はマイクロ波供給源であり、例えば石英からなる透明なベルジャ１０４で画成される処理室（反応室）１０５内にマイクロ波Ｍｗを供給する。
【０００４】
一方、処理室１０５においては、ガス導入管１０６から導入されるプロセスガスの放電により生成される電子が、電磁コイル１０７により生成される磁場と処理室１０５の空間高さによって決まる周波数でサイクロトロン運動をしており、これがプラズマ中の解離反応を促進し、ラジカル化およびイオン化を促進する。
ステージ１０２上にはウェーハＷを囲むように絶縁性材料でなるフォーカスリング１１０が設置されている。フォーカスリング１１０は、処理室１０５内のプラズマを処理室１０５の中心部に凝集させる機能を有する。なお、１０８は処理室１０５を排気するための排気通路である。
【０００５】
ＥＣＲ型プラズマエッチング装置は、一般に、マイクロ波供給源１０３から供給されるマイクロ波の周波数（例えば２．４５ＧＨｚ）と電子サイクロトロン運動の周波数とが一致する処理室１０５内の空間において共鳴が起こる。この位置では電子エネルギーが最大となり、プラズマ密度が最も高いプラズマ領域を構成する。この共鳴位置１０９は、ＥＣＲ面と呼ばれる。
【０００６】
処理室内でプラズマの空間分布を制御する目的で使用されるフォーカスリングは、その材質が絶縁性材料であれば、図５に示すようにプラズマを処理室１０５の中心に凝集させる機能を有し、逆に導電性材料であれば、プラズマを処理室１０５の外方側へ向けて空間的に広げる機能を有する。
【０００７】
例えば、ウェーハＷの外周部においてエッチングレートが高い場合には、エッチングレートの面内均一性を改善するため、絶縁性材料でなるフォーカスリング１１０を使用する。これにより、プラズマ空間がウェーハＷの中心部に狭まるために、ウェーハ外周部においてプラズマ密度が低下してそのエッチングレートが低下し、エッチングレートの面内均一性が高まる。特に、ウェーハ外周部と中心部とでのエッチングレート差が大きい場合は、フォーカスリング１１０の高さ（厚さ）を大きくすることで、ウェーハ中心部へのプラズマフォーカス効果が高くなり、エッチングレートの面内均一性改善効果も大きくなる。
【０００８】
ところで、フォーカスリング１１０の内周面１１０ａには、プラズマ処理反応過程でウェーハＷ上の被エッチング膜とプロセスガスとの反応生成物が堆積する。この堆積物の厚さが大きくなると、残留応力によりフォーカスリング内周面１１０ａから剥がれて異物化し、ウェーハＷの表面に付着して歩留まり及び信頼性の低下を招く。特に、フォーカスリング１１０が高くなるとその内周面の面積も増大するので、異物による影響はきわめて高くなる。
【０００９】
例えば、酸化膜をエッチングするのにＣＦ系のエッチングガスを使用する場合が多いが、ＣＦ系ラジカルは堆積性が強いのでフォーカスリング１１０の内周面１１０ａに付着、堆積し易い。また、配線プラグに使用されているタングステン膜をエッチングするのにフッ素系のエッチングガスを使用する場合が多いが、タングステン膜の下地であるバリアメタル材として用いられるＴｉＮ膜と、エッチャントであるフッ素系ガスとが反応し、チタンフッ素系の堆積物が生成されることになる。
【００１０】
この問題点に対する改善策として、フォーカスリングの内周面をテーパ状にすれば、プラズマプロセス中におけるＲＦ電圧の印加作用によりテーパ状のフォーカスリング内周面へのイオンの入射頻度を増大させることができるので、当該内周面に付着した堆積物を物理的スパッタリング反応により除去、排気する効率を高めて、フォーカスリング内周面への反応生成物の堆積を抑制できるものと考えられる。
なお、フォーカスリングの内周面をテーパ状にした構成が開示された先行技術文献として、以下のものがある。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−３３５３０６号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０８４９２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フォーカスリングの内周面を単にテーパ状に形成するだけでは、このフォーカスリング内周面に対する十分な異物の堆積抑制効果が得られないことが判明した。
【００１３】
すなわち、図５に示す従来のプラズマエッチング装置１００のように、フォーカスリング１１０の内周面１１０ａがプラズマ密度の最も高いＥＣＲ面１０９に近接して設置されていると、ＥＣＲ面１０９におけるプラズマ中のラジカルとフォーカスリング内周面１１０ａの構成材料との反応が促進されて、その反応生成物が内周面１１０ａに堆積してしまう。
【００１４】
例えば、フォーカスリングの材質にアルミナセラミックスを使用した場合、アルミナ主成分であるアルミニウム（Ａｌ）元素とプロセスガスに用いられる塩素（Ｃｌ２）やフッ素（Ｆ）とが反応することにより、ＡｌＣｌ（Ａｌ−Ｃｌ結合エネルギー：１１８ｋｃａｌ／ｍｏｌ）やＡｌＦ（Ａｌ−Ｆ結合エネルギー：１５９ｋｃａｌ／ｍｏｌ）といった反応生成物が形成され異物化するケースが挙げられる。ＡｌＣｌ及びＡｌＦは上記のとおり結合エネルギーが高いため、反応生成物として生成されやすい。特に、ＡｌＦは昇華性が低い生成物であるためウェーハに付着しやすい。
【００１５】
特に、フォーカスリングの内周面をテーパ化した場合においては、プロセスガスと被エッチング膜との反応生成物のフォーカスリング内周面への堆積が抑制される一方で、逆の観点で言えばプロセスガスと被エッチング膜との反応生成物がフォーカスリング内周面に堆積されないため当該内周面が反応生成物で保護されることなく直にプラズマに曝されることになり、プロセスガスと当該内周面との反応が促進され、フォーカスリングの消耗がひどくなる。例えば、フォーカスリングを石英で構成した場合、石英材質中のＳｉとフッ素（Ｆ）ガス等が反応し、フォーカスリングが著しく消耗される。
【００１６】
また、上記反応生成物が透明なベルジャ１０４に付着してベルジャ１０４表面が曇ると、マイクロ波供給源１０３からベルジャ１０４内に導入されるマイクロ波Ｍｗが不安定となり、発振器側のマイクロ波供給源１０３と負荷側のベルジャ１０４内の処理室１０５との間でインピーダンス不整合が起こり、プラズマが不安定になる。
【００１７】
以上のように、従来のプラズマエッチング装置においては、プラズマの空間分布を制御するために設置したフォーカスリングに関して、その内周面に対する反応生成物の堆積とプラズマによる消耗が懸念されている。その結果、堆積した反応生成物のウェーハへの付着が製品の歩留まり及び信頼性の低下をもたらし、また、フォーカスリングの交換頻度の増大による生産性の低下が大きな問題となっている。
【００１８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、フォーカスリングの内周面への反応生成物の堆積を抑制でき、また、当該内周面のプラズマによる消耗を低減できるプラズマ処理装置を提供することを課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するに当たり、本発明のプラズマ処理装置は、フォーカスリングをプラズマ密度の最も高い領域よりも低い位置に配置することを特徴としている。すなわち、フォースリングをプラズマ密度の最も高い領域よりも低い位置に配置することにより、フォーカスリングの内周面が直接プラズマに曝されるのを回避して、当該内周面上への反応生成物の堆積を抑制するとともに当該内周面の消耗を低減するようにしている。
【００２０】
これに加えて、フォーカスリングの内周面をテーパ状に形成することにより、プラズマ中のイオンのスパッタ作用により当該内周面に付着した反応生成物の除去、排気効果が促進され、これにより、当該反応生成物の異物化を抑止して製品の歩留まり及び信頼性の低下を防ぐことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施の形態によるプラズマ処理装置としてＥＣＲ型のプラズマエッチング装置の概略構成を示している。
【００２３】
本実施の形態のプラズマエッチング装置１０は、例えば石英でなる透明なベルジャ１４によって画成される処理室（反応室）１５と、この処理室１５の内部に設置され被処理基板としてのウェーハＷを保持するステージ１２と、このステージ１２の周囲に設けられた真空排気通路１８と、ステージ１２の上方に導入ガスのプラズマを生成するプラズマ発生手段とを備えている。
【００２４】
ステージ１２は、ウェーハＷを保持するチャック機構を備えている。このチャック機構としては、例えば、静電式、メカニカル式、クランプ式、真空式など、何れの型式のものも適用可能である。なお、ウェーハ表面の被エッチング膜上にはエッチング領域を定めるレジストパターンが形成されているが、これに限られない。
【００２５】
ステージ１２にはＲＦ電源１１が接続されており、エッチング中はこのＲＦ電源１１によって例えば数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの周波数のＲＦ電圧が供給される。
２２はブロッキングコンデンサで、ステージ１２を直流的に浮遊電位としプラズマに対して負に自己バイアスさせる。
【００２６】
ステージ１２の上方にプラズマを生成するプラズマ発生手段は、ベルジャ１４と、このベルジャ１４の周りに巻装された電磁コイル１７と、処理室１５にマイクロ波Ｍｗを供給するマグネトロン等のマイクロ波供給源１３と、ステージ１２の外方に環状に配置されたガス導入管１６とを備えている。
【００２７】
これにより、処理室１５内において、ガス導入管１６から導入されるプロセスガスの放電により生成される電子が、電磁コイル１７により生成される磁場と処理室ぬえの空間高さによって決まる周波数でサイクロトロン運動をし、これがプラズマ中の解離反応を促進してラジカル化及びイオン化を促進する。そして、マイクロ波供給源１３から供給されるマイクロ波Ｍｗの周波数（例えば２．４５ＧＨｚ）と、電子サイクロトロン運動の周波数が一致する処理室１５内の空間において共鳴が起こり、プラズマ密度が最も高い領域すなわちＥＣＲ面１９を形成する。
【００２８】
ガス導入管１６から供給されるプロセスガスとしては、ウェーハＷ表面の被エッチング膜の種類によって適宜選定される。例えば、被エッチング膜が酸化膜又は窒化膜である場合にはＣＦ4等のＣＦ系ガスやＯ2ガスが用いられ、被エッチング膜がタングステン膜である場合にはＳＦ6等のフッ素系ガスやＡｒガスが用いられる。
【００２９】
ステージ１２の上には、プラズマの空間分布を制御するための環状のフォーカスリング２０がウェーハＷの周囲を囲むように設置されている。フォーカスリング２０は本実施の形態では絶縁性材料からなり、処理室１５内に生成されるプラズマを処理室１５の中央部に凝集する作用を行う。フォーカスリング２０の構成材料としては、例えば、ベスペル材、石英、アルミアルマイト等が適用される。
【００３０】
なお、フォーカスリング２０はステージ１２の上に支持部材２１を介して設置されているが、これに限らず、ステージ１２の上に直接、フォーカスリング２０を設置するようにしてもよい。
【００３１】
本実施の形態では、フォーカスリング２０の高さは、処理室１５内に形成されるプラズマ空間のうちそのプラズマ密度の最も高い領域であるＥＣＲ面１９よりも低い位置に配置されている。
【００３２】
これにより、ＥＣＲ面１９とフォーカスリング内周面２０ａとの距離を従来よりも離隔して、フォーカスリング構成材料とプロセスガスとの反応生成物がフォーカスリング内周面２０ａへ堆積することを抑制する。また、フォーカスリング内周面２０ａのプラズマによる消耗を抑え、フォーカスリング２０の高寿命化を図るようにしている。
【００３３】
なお、これらフォーカスリング２０（の上端）とＥＣＲ面１９との間の高さｈの調整は、目的とする高さを有するフォーカスリングを選定するか、あるいは、ＥＣＲ面１９の空間高さ位置を制御することによって行うことができる。特に、本実施の形態のようなＥＣＲ型プラズマエッチング装置においては、電磁コイル１７に供給する電流値を制御することによってステージ１２上面からのＥＣＲ面１９の空間高さを容易に調整することができる。
【００３４】
フォーカスリング２０とＥＣＲ面１９との間の高さｈは、例えば、１ｃｍ以上４ｃｍ以下の範囲が好ましいことが、本発明者の実験によって確認されている。
ｈの大きさが１ｃｍ以下だとフォーカスリング内周面２０ａへの反応生成物の堆積抑制効果が小さくなり、また、ｈの大きさが４ｃｍ以上になるとフォーカスリング２０によるプラズマの空間分布制御が困難となるからである。
【００３５】
次に、フォーカスリング２０の構成の詳細について説明する。
【００３６】
本実施の形態において、フォーカスリング２０の内周面２０ａ及び外周面２０ｂはそれぞれテーパ形状をなしており、フォーカスリング２０の断面が背の高い台形状を呈している。これら内周面２０ａ及び外周面２０ｂのテーパ角は、鉛直線に対して例えば２０°程度に設定される。
【００３７】
フォーカスリング内周面２０ａをテーパ形状に構成するのは、プラズマプロセス中におけるＲＦ電圧の印加によって、フォーカスリング内周面２０ａへのイオンの入射頻度を増大させるためである。これにより、図３に模式的に示すようにフォーカスリング内周面２０ａに付着した反応生成物をイオンの物理的スパッタ反応により効率的に除去、排気することが可能となり、フォーカスリング内周面２０ａへの反応生成物の堆積抑制が図られる。
【００３８】
また、フォーカスリング内周面２０ａだけでなく外周面２０ｂをもテーパ形状に構成するのは、処理室１５内の排気作用を促すためである。すなわち、排気通路１８がフォーカスリング２０の外周部下側に位置しているため、フォーカスリング２０の内方空間から排気経路１８までの排気経路が制限されることに鑑みたもので、フォーカスリング内周面２０ａ及び外周面２０ｂをテーパ状に形成することによって、フォーカスリング２０の内方空間から排気通路１８への排気の流れをスムーズにして、異物としてウェーハＷに付着する確率を低減させるようにしている。
【００３９】
なお、プラズマの空間分布をウェーハＷのより中央部側へ凝集させる目的でフォーカスリング２０の高さを大きくした場合にも、このような構成は効果的である。
【００４０】
更に、フォーカスリング２０の外周面２０ｂをテーパ状に形成することによって、ガス導入管１６から供給されるプロセスガスを処理室１５の中央部へスムーズに導いて、プラズマを安定して生成させるようにしている。
【００４１】
上述のように、プロセスガスの効率的な供給を図るため、本実施の形態では更に、図２に明示するように、フォーカスリング２０の側面に対し、その周方向に沿って複数の貫通孔２０ｃを形成している。これらの貫通孔２０ｃは、好適には、等角度間隔で、ガス導入管１６のガス導入口と同じ高さ位置に形成される。これらの貫通孔２０ｃは、プロセスガスの供給経路となるだけでなく、フォーカスリング２０の内方空間から排気通路１８への排気経路をも構成している。
【００４２】
次に、以上のように構成される本実施の形態の作用について説明する。
【００４３】
ガス導入管１６から供給されたプロセスガスは、電磁コイル１７への高周波通電により発生する磁場とマイクロ波供給源１３からのマイクロ波Ｍｗとによりプラズマ化される。ウェーハＷ表面の被エッチング膜はプラズマ中のラジカルと化学的に反応し、更に、ステージ１２へ周期的に印加される負電位を受けてウェーハＷ上へ流入するプラズマ中のイオンによるスパッタ作用でエッチングされる。
【００４４】
処理室１５内のプラズマは、フォーカスリング２０によってウェーハＷの中央側に凝集される。プラズマ密度の最も高いＥＣＲ面１９は、例えば電磁コイル１７へ通電される高周波電流を制御することによって、フォーカスリング２０の頂部よりもｈだけ高い位置に形成されている。
【００４５】
したがって、フォーカスリング２０の内周面２０ａはＥＣＲ面１９に対し従来よりも離隔した位置にあるので、フォーカスリング内周面２０ａとプロセスガスとにより生成される反応生成物の堆積が抑制されるとともに、フォーカスリング内周面２０ａのプラズマ照射による消耗が低減される。これにより、フォーカスリングの耐久性を高めることができる。
【００４６】
また、フォーカスリング内周面２０ａとプロセスガスとによる反応生成物のベルジャ１４内面への付着も抑制されるので、ベルジャ１４の失透によるマイクロ波供給源１３とベルジャ１４内との間のインピーダンス不整合を回避でき、プラズマを安定して生成することができる。
【００４７】
更に、テーパ形状のフォーカスリング外周面２０ｂ及びその貫通孔２０ｃを介してプロセスガスがスムーズにプラズマ空間に導入されるので、これによりガスの供給効率が高まり、エッチング速度を向上させて、装置の処理能力を高めることができる。
【００４８】
一方、ウェーハＷに対するエッチング処理の進行に伴って発生する、プロセスガスと被エッチング膜との反応生成物は、排気通路１８を介して装置外部へ排気される。このとき、テーパ形状のフォーカスリング内周面２０ａ及び外周面２０ｂ、更にその貫通孔２０ｃを介して反応生成物がスムーズに排気されるので、ウェーハＷ上の付着が抑制され、製品の歩留まり及び信頼性の低下を抑えることができる。また、装置のクリーニングメンテナンス周期の延長によるスループットの向上も図ることができる。
【００４９】
また、ウェーハＷの周囲を囲むフォーカスリング２０の内周面２０ａにその反応生成物が付着しても、ステージ１２に向かって照射されるプラズマ中のイオンのスパッタ作用によって早期にフォーカスリング内周面２０ａから当該反応生成物が除去されるので（図３参照）、付着した反応生成物の堆積による異物化を阻止することができ、製品の歩留まり及び信頼性の低下を防ぐことができる。
【００５０】
特に、ステージ１２に印加されるＲＦ電圧が高い条件下でエッチングを行う際には、イオン及びラジカルが垂直方向にステージ１２側に引き込まれ、テーパ化されたフォーカスリング内周面２０ａへのイオン及びラジカル供給が促進されるため、物理的スパッタリングによる堆積物除去効果が大きい。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５２】
例えば以上の実施の形態では、フォーカスリング２０の断面形状が背の高い台形状を呈する構成としたが、例えば図４に示すように、フォーカスリング２０の頂部２０ｔを円弧状に形成したものも適用可能である。
【００５３】
また、以上の実施の形態では、プラズマ処理装置としてプラズマエッチング装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えばＥＣＲ型プラズマＣＶＤ装置等の成膜装置など、プラズマ空間分布の制御を目的としてフォーカスリングが設置される全てのプラズマ処理装置に対して、本発明は適用可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のプラズマ処理装置によれば、フォーカスリングをプラズマ密度の最も高い領域よりも低い位置に配置したので、フォーカスリングの内周面が直接プラズマに曝されるのを回避して当該内周面上への反応生成物の堆積を抑制できるとともに、フォーカスリングの耐久性を高めることができる。
【００５５】
これにより、被処理基板上への異物の付着による製品の歩留まり及び信頼性の低下を抑制できるとともに、装置メンテナンス周期の延長化によるスループットの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係るフォーカスリングの全体を示す部分破断斜視図である。
【図３】本発明に係るフォーカスリングの一作用を説明する断面図である。
【図４】本発明に係るフォーカスリングの構成の変形例を示す断面図である。
【図５】従来のプラズマ処理装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０…プラズマエッチング装置、１２…ステージ、１３…マイクロ波供給源、１４…ベルジャ、１５…処理室、１６…ガス導入管、１７…電磁コイル、１８…排気通路、１９…ＥＣＲ面、２０…フォーカスリング、２０ａ…内周面、２０ｂ…外周面、２０ｃ…貫通孔、Ｍｗ…マイクロ波、Ｗ…ウェーハ
【図１】
2004200337.tif 000003
【図２】
2004200337.tif 000004
【図３】
2004200337.tif 000005
【図４】
2004200337.tif 000006
【図５】
2004200337.tif 000007