(57)【要約】【課題】ウエハ面内において均一な処理を行えるプラズマ処理装置を提供することにある。【解決手段】試料を処理する処理室と、前記処理室を減圧する真空排気手段と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理室内で処理される試料を保持する試料保持手段と、前記試料保持手段にバイアス電位を印加するバイアス印加手段と、前記試料保持手段に前記試料を静電吸着させる静電吸着手段と、前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを有するプラズマ処理装置において、前記試料保持手段の上面は段差を有しており、最上段には前記試料が載置され、前記試料の載置面よりも低い面には前記バイアス電位が印加可能な導電体からなるリング状部材が設けられ、かつ、前記リング状部材の上面は前記試料の上面と同一かあるいは低く、前記リング状部材の上面を誘電体からなる部材が覆ったプラズマ処理装置からなる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を処理する処理室と、前記処理室を減圧する真空排気手段と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理室内で処理される試料を保持する試料保持手段と、前記試料保持手段にバイアス電位を印加するバイアス印加手段と、前記試料保持手段に前記試料を静電吸着させる静電吸着手段と、前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを有するプラズマ処理装置において、
前記試料保持手段の上面は段差を有しており、最上段には前記試料が載置され、前記試料の載置面よりも低い面には前記バイアス電位が印加可能な導電体からなるリング状部材が設けられ、かつ、前記リング状部材の上面は前記試料の上面と同一かあるいは低く、前記リング状部材の上面を誘電体からなる部材が覆っ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、前記リング状部材の上面と前記試料の上面との差が７ｍｍ以下であり、かつ、前記リング状部材の内径と前記試料保持手段の最上段の外径との差が１０ｍｍ以下であ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に記載のプラズマ処理装置において、前記導電体からなるリング状部材の材質は、前記試料保持手段の母材と同一であ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に記載のプラズマ処理装置において、前記誘電体からなる部材の材質が、セラミックまたは石英であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記導電体からなるリング状部材の表面が、誘電体の被膜に覆われていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマ処理装置において、前記誘電体の被膜が、溶射被膜または陽極酸化膜であ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特にウエハ等の試料をウエハ面内において均一に処理するプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウエハなどの被加工板材（以下ウエハと表記する）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、プラズマＣＶＤ（化学蒸着）装置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。これらのプラズマ処理装置において、一般的にウエハの面内で均一な処理を行うことは非常に重要である。例えばプラズマＣＶＤ装置においては、ウエハ面内で可能な限り均一な成膜速度や膜組成が求められ、プラズマエッチング装置においては、ウエハ面内で可能な限り均一なエッチング速度や溝または穴の形状が求められる。もしも充分に均一な処理が実現できなければ、同一ウエハ内に形成される個々の半導体デバイスの性能にばらつきが生じたり、場合によっては不良を生じることになり、生産歩留まりの低下による半導体デバイスの価格上昇などにつながるおそれがある。
【０００３】
このような不均一のうち、特にウエハ外周端部付近における機械的、電磁気的、あるいは熱的な特異性などの要因により生じるウエハ処理の不均一のために、ウエハ外周端部付近で半導体チップを製作することが困難となる場合がある。この場合、チップの製作困難な領域にはチップを形成しないように設計するが、このようなデザインルール上でのウエハ外周端付近の不使用領域のことをエッジ・エクスクルージョン（以下Ｅ．Ｅ．と表記する）と呼び、このＥ．Ｅ．が半導体価格を決定するひとつの要因となる。
【０００４】
そこで、従来よりプラズマ処理装置における処理のウエハ面内均一性については様々な検討がなされている。例えば、特開平７−６６１７４号公報には、ウエハを支持するペデスタルと共に使用され、プラズマシースがウエハの全表面にわたって均一となるように選択された「壁」と呼ばれている部分を有する絶縁または誘電性の材料からなる「輪」を用いることにより、ウエハ上における垂直でない電界線を無くすあるいは大幅に減らすことが述べられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−６６１７４号公報に記載されたプラズマ処理装置は、バッチ型エッチング装置であって、ペデスタルと称するウエハステージにウエハを保持クリップにて斜め方向に機械的に固定する方式の装置において好適な発明であって、近年、一般的に用いられるようになった装置、つまり、ウエハを一枚毎、自動搬送手段により搬送し、試料保持手段上に水平に載置し、静電吸着して保持すると共に、試料保持手段にバイアス電位を与える方式の装置に適用するには様々な困難があることが判っている。
【０００６】
また、特開平７−６６１７４号公報以外にも、試料保持手段周辺に導体または誘電体のリングを設置し、ウエハ上の電界に何らか影響を与えているものとして、特開平１１−７４０９９号公報、特開２００１−１８５５４２号公報等が知られている。しかし、何れの公報も、目的及び課題が異なっており、記載された構成を用いても、バイアス電位によるウエハ面に対して垂直でない電気力線をなくすか、または大幅に減らすことはできなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、このような問題点に鑑みてなされたもので、ウエハにバイアス電位を与えた場合の電界強度の分布がウエハの外周端まで均一、つまり、電気力線がウエハの外周端までウエハ面に対して概略垂直を保つことにより、ウエハの外周端部への電界の集中を防止または緩和することで、ウエハ面内において、均一な処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決する為に次のような手段を採用した。
試料を処理する処理室と、前記処理室を減圧する真空排気手段と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理室内で処理される試料を保持する試料保持手段と、前記試料保持手段にバイアス電位を印加するバイアス印加手段と、前記試料保持手段に前記試料を静電吸着させる静電吸着手段と、前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを有するプラズマ処理装置において、前記試料保持手段の上面は段差を有しており、最上段には前記試料が載置され、前記試料の載置面よりも低い面には前記バイアス電位が印加可能な導電体からなるリング状部材が設けられ、かつ、前記リング状部材の上面は前記試料の上面と同一かあるいは低く、前記リング状部材の上面を誘電体からなる部材が覆ったプラズマ処理装置。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例について、図を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明をプラズマエッチング装置に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。
【００１０】
図１において、処理室１００は１００００分の１Ｐａ程度の圧力の真空を達成できる真空容器であり、その上部に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。処理室１００の周囲には、例えば電磁コイルとヨークからなる磁場形成手段１０１が設置されている。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。
【００１１】
一方、処理室１００は、真空排気手段１０６により真空排気され、圧力制御手段１０７により圧力が制御される。処理圧力は、０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下の範囲に調整される。処理室１００はアース電位となっている。
【００１２】
アンテナ１１０は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、アンテナ１１０のプラズマに接する側の面にはシャワープレート１１５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、図示しないガス供給手段から所定の流量と混合比をもって供給され、シャワープレート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。
【００１３】
アンテナ１１０には、アンテナ電源１２１、アンテナバイアス電源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、３００ＭＨｚから１ＧＨｚのＵＨＦ帯周波数の電力を供給する。本実施例では、アンテナ電源１２１の周波数を４５０ＭＨｚとしている。一方、アンテナバイアス電源１２２　は、アンテナ１１０に数十ｋＨｚから数十ＭＨｚの範囲の周波数のバイアス電力を印加している。本実施例では、周波数を１３．５６ＭＨｚとしている。また、試料Ｗは直径３００ｍｍのウエハとする。
【００１４】
下部電極１３０には、例えば２００ｋＨｚ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。本実施例では、バイアス電源１４１の周波数を４００ｋＨｚとしている。
【００１５】
下部電極１３０はウエハステージ１３１を有し、その上面に、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。ウエハステージ１３１の材質はアルミニウムを母材としており、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。ウエハステージ１３１に静電吸着用の直流電源１４４とフィルタ１４５から数１００Ｖ〜数ｋＶの直流電圧を印加することで静電吸着力を発生させ、ウエハなどの試料Ｗを吸着・保持する。静電吸着膜として、例えばアルミナやアルミナにチタニアを混合した誘電体を用いる。また、ウエハステージ１３１は、図示しない温度制御手段によりその表面が所定の温度に制御される。そして、ウエハステージ１３１の表面には、不活性ガス、例えばＨｅガスが所定の流量と圧力に設定されて供給されており、試料Ｗとの間の熱伝達性を高めている。これにより、試料Ｗの表面温度を、例えばおよそ２０℃〜１１０℃の範囲に精度よく制御することが可能となる。ウエハステージ１３１の上面の直径は、試料Ｗの直径より１〜２ｍｍ程度小さい。これにより、ウエハステージ１３１上面の静電吸着膜は直接プラズマに曝されることがない、つまりプラズマによるダメージを防止できるため、長期間にわたる使用が保証される。
【００１６】
ウエハステージ１３１の上面は段差を有しており、最上段には試料Ｗが載置され、試料の載置面よりも低い面には、バイアス電位が印加可能な導電体からなるリング状部材である導体リング１３２が設けられている。このリング状部材の上面は試料の上面と同一あるいは低くすることが望ましい。
【００１７】
また、導体リング１３２の材質としてはアルミニウムを用いた。この理由としては、基本的にバイアス印加時に導体リング１３２の表面はウエハステージ１３１と同等の電位であることが必要であり、そのためウエハステージ１３１と導体リング１３２とは同等の電気的特性を有することが必要であるからである。また、ウエハステージ１３１及び導体リング１３２の温度が変化した場合、これらの部材の寸法は熱膨張あるいは収縮するが、もしもこれらが個別の材料から成り熱膨張係数が異なると、ウエハステージ１３１及び導体リング１３２の間に熱応力が発生し、不規則な変形を生じる可能性がある。導体リング１３２に不規則な変形が生じると、ウエハ外周部の電界の分布が変化する可能性があるので、導体リング１３２の材質はウエハステージ１３１と同程度の熱膨張係数を有する材質であることが好ましい。
【００１８】
導体リング１３２の表面には、必要に応じて陽極酸化処理（いわゆるアルマイト）や、溶射等の表面処理（溶射被膜）などの誘電体の被膜にて覆うことにより、異常放電やショートなどを防止する。
【００１９】
また、導体リング１３２の上面は、プラズマに曝され減肉することを防止する目的で、誘電体からなるカバーリング１３３によって覆われている。このカバーリング１３３はアルミナ等のセラミックや石英を用いるのが好適である。本実施例におけるカバーリング１３３には焼結により成形されたアルミナを用いた。
【００２０】
ここで、カバーリング１３３の高さに関しては注意が必要である。カバーリング１３３の最上面はウエハＷの上面と同一面か、または、ウエハＷの上面よりも高いことが望まれる。しかもそれらの高さの差は２ｍｍ以下であることが好ましい。これはカバーリング１３３の最上面がウエハＷの上面よりも低い場合、ウエハＷの外周上部に電界の集中が生じる場合があるからである。また、２ｍｍよりも高くなるとカバーリング１３３に付着した異物がウエハＷ上に落下する恐れがあるため好ましくない。
【００２１】
次に、本実施例の装置を用いた場合のウエハ上における電界分布均一化の効果について、具体的に説明する。
【００２２】
図２は、図１におけるウエハＷの外周部付近の拡大図である。図２におけるウエハＷの上面までの高さＨｗと導体リング１３２の上面までの高さＨｆとの差Ｈｗ−Ｈｆは、２．６ｍｍであり、導体リング内径Ｄｆとウエハステージ１３１の最上段の外径Ｄｓとの差Ｄｆ−Ｄｓは、０．３ｍｍである。また、導体リング１３２の表面にはアルマイト処理がなされている。これは、導体リング１３２の内周部分がプラズマと接し、エッチングされることを防止するためである。また、図２においてカバーリング１３３の内部にアースＥを設置したが、アースの位置は必ずしもカバーリングの内部である必要はなく、カバーリングの外側に設置しても良い。また、同図における下部電極１３０のバイアスは、ウエハステージ１３１と導体リング１３２を一体と見なした導体に印加される。
【００２３】
図３は、この時のバイアス電位が形成する電界の分布を解析により求めた結果である。図３から明らかなように、バイアス電位が形成する等電位面は中心付近からウエハＷの外周端に至るまでウエハＷの上面に対して概略平行となっている。
【００２４】
一方、図４は従来例であって、導体リングを用いない場合のウエハＷの外周部付近の拡大図を示す。さらに、図５には、図４の構成においてバイアス電位が形成する電界の分布を解析により求めた結果を示す。図５から明らかなように、バイアス電位が形成する等電位面の間隔はウエハＷの外周端付近で狭くなっており、電界が集中して強くなっていることが分かる。
【００２５】
このような電界分布の不均一は、図６及び図７のグラフよりさらに明確にすることができる。図６は、ウエハＷの中心からの距離ｒと、ウエハ上１ｍｍの高さの位置における電気力線とウエハ面のなす角度θとの関係を解析により求めた結果を示す図である。導体リング１３２を用いた場合の電気力線の角度はウエハ表面に対してほぼ直角であることが判る。一方、導体リングを用いない場合の電気力線の角度はウエハ外周端（１５０ｍｍ）に近付くにつれて小さくなり、ウエハ外周端付近では約６６°となる。
【００２６】
また、図７はウエハＷの中心からの距離ｒと、ウエハ上１ｍｍの高さの位置における電界強度Ｅの関係を解析により求めた結果を示す図である。導体リング１３２を用いた場合の電界強度Ｅは、ウエハの最外周に至るまでほぼ一定であることが判る。一方、導体リングを用いない場合の電界強度Ｅは、ウエハ外周端（１５０ｍｍ）に近付くにつれて、明らかに上昇変化していることが判る。このように、本発明を適用すれば、バイアス電位が形成する電気力線の角度を、ウエハ外周部においてもウエハ表面に対してほぼ直角にすることができるため、プラズマ中の帯電粒子を直角に引き込むことができる。これにより、ウエハ全面にわたってエッチング後の側壁形状が均一となることが判る。また、バイアス電位が形成する電界強度が、ウエハ外周部においても均一であるということは、プラズマ中の帯電粒子の運動エネルギーも均一となるため、エッチング速度に偏差を生じることはない。従って、本発明を適用すれば、Ｅ．Ｅ．の対象となる領域を低減できることが判る。
【００２７】
実際に、図２に示した導体リング１３２を用いたエッチング装置において、シリコンウエハのエッチングを行った。エッチング後に形成された溝の側壁形状及び溝の深さ、すなわちエッチング速度を検証した結果、ウエハ中央部から外周端部付近に至るまで非常に均一性の高いエッチングを達成することができた。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施例について、図を用いて詳細に説明する。
図８は、実施例１とは下部電極１３０の導体リング１３２及びカバーリング１３３の形状が異なる。図８におけるＨｗ−Ｈｆの差は０．６ｍｍであり、Ｄｆ−Ｄｓの差は３．５ｍｍである。図９は、この時のバイアス電位が形成する電界の分布を解析により求めた結果である。図９から明らかなように、バイアス電位が形成する等電位面は中心付近からウエハＷの外周端に至るまでウエハＷの上面に対して概略平行となる。この結果は図２に示した導体リング１３２を用いた場合の、図３に示した等電位面とほぼ同等である。
【００２９】
図１０は、ウエハＷの中心からの距離ｒと、ウエハ上１ｍｍの高さの位置における電気力線とウエハ面のなす角度θとの関係を解析により求めた結果を示す図である。導体リング１３２１を用いた場合の電気力線の角度はウエハ端部に至るまでウエハ表面に対してほぼ直角であり、導体リングを用いない場合における、電気力線の角度がウエハ端部で顕著に小さくなる傾向とは明確に異なる。また、図１１はウエハＷの中心からの距離ｒと、ウエハ上１ｍｍの高さの位置における電界強度Ｅとの関係を解析により求めた結果を示す図である。導体リング１３２１を用いた場合の電界強度は、ウエハの最外周に至るまでほぼ一定であるが、一方で、導体リングを用いない場合の電界強度Ｅは、ウエハ外周部で明らかに上昇する。
【００３０】
図８に示した導体リング１３２１を用いたエッチング装置で実際にシリコンウエハのエッチングを行った。エッチング後に形成された溝の側壁形状及び溝の深さ、すなわちエッチング速度を検証した結果、ウエハ中央部から外周端部付近に至るまで非常に均一性の高いエッチングを達成することができた。
【００３１】
次に、本発明の他の実施例について、図を用いて簡単に説明する。
図１２及び図１３は、実施例１とは下部電極１３０の導体リング１３２及びカバーリング１３３の形状が異なる。図１２におけるＨｗ−Ｈｆの差は６ｍｍであり、Ｄｆ−Ｄｓの差は０．６ｍｍである。また、図１３におけるＨｗ−Ｈｆの差は１．６ｍｍであり、Ｄｆ−Ｄｓの差は８ｍｍである。これらの実施例において、実際にシリコンウエハのエッチングを行い、エッチング後に形成された溝の側壁形状及び溝の深さ、すなわちエッチング速度を検証した結果、ウエハ中央部から外周端部付近に至るまで非常に均一性の高いエッチングを達成することができた。
【００３２】
次に、Ｈｗ−Ｈｆの差及びＤｆ−Ｄｓの差の許容値について、更なる検討を行った。
図１４は、Ｈｗ−Ｈｆの差と、Ｄｆ−Ｄｓの差と、電気力線とウエハ面のなす角度θとの関係を示す図である。また、別に実施した詳細な実験における測定結果から、直径３００ｍｍのウエハにおいて、ウエハ中心からの距離ｒが１４９ｍｍで、ウエハ上１ｍｍの点のθが８５°以上９５°以下の時、エッチング結果が良好となることがわかっている。そこで、図１４において、θが８５°以上９５°以下の範囲となるＨｗ−Ｈｆ及びＤｆ−Ｄｓの範囲を検討すると、Ｈｗ−Ｈｆ≦７かつＤｆ−Ｄｓ≦１０となる範囲が好適な範囲であることが判った。
【００３３】
上述の通り、本発明を適用すれば、ウエハを一枚毎、自動搬送手段により搬送し、試料保持手段上に水平に載置し、静電吸着して保持すると共に、試料保持手段にバイアス電位を与える方式の装置に対し、ウエハ上の電界強度の分布がウエハの外周端まで均一、となり、ウエハ面内において、均一な処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供することができる。また、本発明の構成によれば、従来技術において用いられていた、ウエハ上面よりも高い位置にある「壁」を有していないため、「壁」に付着した異物がウエハ上に落下するという不具合も低減できる。
【００３４】
なお、本発明は、上述した実施例１乃至実施例３に記載されたプラズマエッチング装置への適用に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したプラズマエッチング装置の断面模式図。
【図２】図１におけるウエハＷの外周部付近の拡大図。
【図３】図２の構成においてバイアス電位が形成する電界の分布を解析により求めた結果を示す図。
【図４】従来例におけるウエハＷの外周部付近の拡大図。
【図５】図４の構成においてバイアス電位が形成する電界の分布を解析により求めた結果を示す図。
【図６】ウエハ中心からの距離と、電気力線とウエハ面のなす角度θとの関係を示す図。
【図７】ウエハ中心からの距離と、電界強度Ｅとの関係を示す図。
【図８】本発明の他の実施例を適用したプラズマエッチング装置のウエハＷの外周部付近の拡大図。
【図９】図８の構成においてバイアス電位が形成する電界の分布を解析により求めた結果を示す図。
【図１０】ウエハ中心からの距離と、電気力線とウエハ面のなす角度θとの関係を示す図。
【図１１】ウエハ中心からの距離と、電界強度との関係を示す図。
【図１２】本発明の他の実施例を適用したプラズマエッチング装置のウエハＷの外周部付近の拡大図。
【図１３】本発明の他の実施例を適用したプラズマエッチング装置のウエハＷの外周部付近の拡大図。
【図１４】Ｈｗ−Ｈｆと、Ｄｆ−Ｄｗと、電気力線とウエハ面のなす角度θとの関係を示す図。
【符号の説明】
１００…処理室、１０６…真空排気手段、１１０…アンテナ、１２１…アンテナ電源、１２２…アンテナバイアス電源、１３０…下部電極、１３１…ウエハステージ、１３２…導体リング、１３３…カバーリング、１４１…下部電極用バイアス電源、１４４…静電吸着用直流電源。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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