(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却手段と加熱手段とを備えた試料台上に半導体基体を載置し、前記冷却手段と加熱手段とで試料台温度を調整して前記半導体基体の温度を調整しつつ、プラズマを発生させて前記半導体基体を処理するにあたり、
プラズマ発生前の前記半導体基体の温度を、前記冷却手段および前記加熱手段によりプラズマ処理に適した所定温度に調整し、
プラズマを発生させた際、前記加熱手段による加熱の度合いを予め設定した分下げ、プラズマの発生を終了した際、前記加熱手段による加熱の度合いを元に戻す
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記予め設定した分は、プラズマ発生による前記半導体基体の温度上昇分である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造に際して、主に薄膜形成に用いられる半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子デバイス部品などとなる半導体装置の製造では、その微細加工プロセスにおいて、ＣＶＤ装置やエッチング装置、スパッタ装置などの薄膜形成装置（半導体装置の製造装置）が広く用いられている。このような薄膜形成装置において例えばプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバー内にウエハ（半導体基体）を載置する試料台を有し、さらに該真空チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段を有したものとなっている。
【０００３】
このプラズマＣＶＤ装置においてその試料台には、通常ウエハの温度を制御するための温度制御手段が設けられている。温度制御手段には、高温加熱用としてはヒータによる加熱あるいはヒータとＡｒ等からなる高温ガスとを併用した加熱を行う機構が主に採用され、中低温ではこれら加熱機構とアルコールやフロン等を用いた冷却機構とを併用した機構が主に採用されている。
ところで、このようなプラズマＣＶＤ装置等の薄膜形成装置では、半導体装置の高集積化に伴う微細化パターンの実現のため、処理中のウエハ温度を高精度にしかも広範囲に制御することが強く要求されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に前記冷却機構では、温度制御の反応性が遅く急激な温度変化に対してその制御を追従させることが難しいため、前述した、ウエハ温度を高精度に制御するという要求に応えられないのが実状である。
また、例えばプラズマＣＶＤ装置の場合、仮に温度制御手段によってウエハを載置する試料台の温度を高精度に制御するようにしても、現状ではオープンループ制御であるため、プラズマを発生させた時点で起こる急激な温度上昇に対してはやはりこれに追従させることが困難である。
【０００５】
また、試料台として静電チャックを用いた場合では、通常ウエハと静電チャックとの間に熱伝導用の媒体ガス、例えばＨｅガスを供給するが、この媒体ガスは常温で供給されるため、試料台となる静電チャックの電極板の温度が極高温や極低温となるようにその温度制御を精密に行っても、媒体ガスが供給された時点で電極板の設定温度に誤差が生じてしまう。
また、電極板を低温にするためには、従来、熱媒体となる不凍液、アルコールもしくは高分子媒体等を、熱交換器を用いて所望する低温に調整し、この調整熱媒体を用いて電極板を冷却しているが、これら熱媒体は−７０℃とするのが限界であり、それ以下の低温にすると凝固したり粘性が高くなったりして循環しなくなってしまう。また、−７０℃以下の低温に関しては、例えば液体窒素（−１９０℃）やフロンガスの使用が考えられるが、媒体自体の温度制御が困難であり、これらを高精度な温度制御のために使用するのはやはり困難である。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特に半導体基体をプラズマ処理するに際して、半導体基体の温度を高精度に制御できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法では、冷却手段と加熱手段とを備えた試料台上に半導体基体を載置し、前記冷却手段と加熱手段とで試料台温度を調整して前記半導体基体の温度を調整しつつ、プラズマを発生させて前記半導体基体を処理するにあたり、プラズマ発生前の前記半導体基体の温度を、前記冷却手段および前記加熱手段によりプラズマ処理に適した所定温度に調整し、プラズマを発生させた際、前記加熱手段による加熱の度合いを予め設定した分下げ、プラズマの発生を終了した際、前記加熱手段による加熱の度合いを元に戻すことを前記課題の解決手段とした。
【０００８】
この製造方法によれば、プラズマを発生させた際前記加熱手段による加熱の度合いを予め設定した分下げ、プラズマの発生を終了した際前記加熱手段による加熱の度合いを元に戻すようにしたので、プラズマを発生させた際に起こる半導体基体の温度上昇分が加熱手段による加熱の度合いの低減分によって相殺され、これによりプラズマ処理中における半導体基体の温度が十分安定した状態となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は本発明における請求項１記載の製造方法に好適に用いられるプラズマ処理装置を示す図であり、図１において符号１はプラズマ処理装置である。このプラズマ処理装置１は、真空チャンバー２と、該真空チャンバー２内に配設された試料台３とを備えたものであり、真空チャンバー２の外に配設された高周波発生装置４ａと、電極板４ｂとからなるプラズマ発生手段によってプラズマＰを発生させ、試料台３上に載置されたウエハ（半導体基体）Ｗをプラズマ処理するものである。
【００１２】
真空チャンバー２には、真空ポンプ５とガス流量コントローラ６とが接続されており、これによって真空チャンバー２内の圧力は放電可能な圧力に調整可能となっている。試料台３は、温度ステージ７とこれの上に接着されたセラミクスヒータ（加熱手段）８とからなるものであり、セラミクスヒータ８上にウエハＷを載置させるものである。この試料台３には、その温度ステージ７内にアルコール等の冷熱媒体（以下、冷媒と略称する）を循環させて該温度ステージ７を所望温度に冷却するための冷却装置（冷却手段）９が接続されている。また、セラミクスヒータ８には、該ヒータ８の加熱の度合いを調整するための温度調節器１０が接続されている。
【００１３】
次に、このようなプラズマ処理装置１を用いたプラズマ処理方法に基づき、本発明における半導体装置の製造方法の一実施形態を説明する。
まず、ウエハＷを試料台３上に載置し、さらにその状態で真空ポンプ５を作動させ、真空チャンバー２内を真空にする。
次に、温度調節器１０を所定の温度となるように設定してセラミクスヒータ８に通電し、かつ冷却装置９を作動させて冷媒を循環させ、これにより試料台３上のウエハＷをプラズマ処理に適した所定温度に調整する。
【００１４】
次いで、ガス流量コントローラ６によって真空チャンバー２内を放電可能な圧力に調整し、さらにこの状態で高周波発生装置４ａにより真空チャンバー２内にプラズマＰを発生させる。すると、プラズマＰの発生によってウエハＷは該プラズマＰから熱が与えられる。このとき、従来のごとくセラミクスヒータ８による加熱、および冷却装置９による冷却を当初に設定した条件のままにしておくと、ウエハＷはプラズマＰから熱が与えられた分だけその温度が急激に上昇する。図２は、セラミクスヒータ８による加熱、および冷却装置９による冷却を当初に設定した条件のままにしておき、プラズマを発生させた（印加した）場合のウエハＷの温度を示すグラフであり、この図から分かるようにウエハＷは、プラズマＰを発生させると発生させる前の設定温度に対して温度がΔＴ上昇し、その後プラズマＰの発生を終了させると、時間の経過とともに温度が低下して元の設定温度となる。
【００１５】
しかして、本発明では、プラズマＰを発生させた際温度調節器１０を調節してセラミクスヒータ８の温度を下げ、その加熱の度合いを予め設定した分下げる。この予め設定した下げる分としては、図２に示したウエハＷの温度上昇分ΔＴに相当する熱量を相殺し得る温度、すなわちウエハＷの当初の設定温度に対し、該ウエハＷの温度が逆にΔＴ下降する温度とする。このようにしてプラズマＰの発生と同時にセラミクスヒータ８による加熱の度合いを下げると、該セラミクスヒータ８の温度は、図３に示すようにプラズマＰ発生前に比べその温度が急激に低下し、その後ほぼ一定の温度となる。
【００１６】
そして、プラズマＰを発生させた後所定の処理時間が経過したら、プラズマ発生を終了させると同時に温度調節器１０を再度調節し、セラミクスヒータ８の温度を元の設定温度にし、その加熱の度合いを元に戻す。すると、セラミクスヒータ８と冷却装置９、およびプラズマＰの発生によって温熱および冷熱が加えられたウエハＷは、特にプラズマＰの発生により与えられた熱量とプラズマＰ発生時にセラミクスヒータ８から与えられた熱量との和が、プラズマＰ発生以前およびプラズマＰ発生終了以降において、セラミクスヒータ８から与えられた熱量にほぼ一致することから、図４に示すようにプラズマ発生時（プラズマ印加時）、およびプラズマ発生を終了させたとき（プラズマ切り時）にわずかに温度変化を起こすのみで、全体的にはほぼ安定した状態でプラズマ処理に適した所定温度を維持する。
【００１７】
したがって、このようなプラズマ処理方法、すなわち半導体装置の製造方法にあっては、プラズマ処理中におけるウエハＷの温度を十分安定させることができることから、例えばこの方法をエッチングに適用した場合に繰り返しの精度を向上させることができ、かつこの場合にプロセス中の温度上昇が抑えられてレジストのダメージを減少させることができる。また、ウエハＷの温度が安定した条件下でプロセスを行えるため、温度上昇によるエッチングレートの増減がなくなり、プロセスの制御性を向上させることができる。
【００１８】
図５は本発明の製造装置の第１実施形態例を示すもので、図５において符号１１はプラズマ処理装置（半導体装置の製造装置）である。このプラズマ処理装置１１は、図１に示したプラズマ処理装置１と同様に真空チャンバー１２と、該真空チャンバー１２内に配設された静電チャックからなる試料台１３とを備えたものであり、真空チャンバー１２の外に配設された高周波発生装置１４を有したプラズマ発生手段によってプラズマＰを発生させ、試料台１３上に載置されたウエハ（半導体基体）Ｗをプラズマ処理するものである。
【００１９】
真空チャンバー１２には、真空ポンプ等からなる排気装置１５とガス供給器１６とが接続されている。試料台１３は、ウエハＷを載置しこれを保持するための絶縁体からなる静電チャック１７と、静電チャック１７を介してウエハＷを冷却するための冷却ジャケット（冷却手段）１８とを備えて構成されたもので、静電チャック１７に誘電分極が発生する導体１９を有し、該導体１９に高圧電源２０を接続したものである。冷却ジャケット１８にはチラー（冷凍機）２１が接続されており、該チラー２１から冷媒が循環されることによって該冷却ジャケット１７は、前述したようにウエハＷを冷却するものとなっている。また、この試料台１３には、図示しないもののその内部あるいは表面部、例えば静電チャック１７と冷却ジャケット１８との間に図１に示したセラミックヒータ８のようなヒータ（加熱手段）が設けられており、このヒータには図１に示した温度調整器１０と同様の温度調整器（図示略）が接続されている。
【００２０】
また、この試料台１３には、高周波やマイクロ波によって発生させるプラズマＰの影響をうけない蛍光式の光ファイバ温度計（温度検知手段）２２が取り付けられている。この光ファイバ温度計２２は、そのセンサ部（図示略）がウエハＷに直接接触し、これによりウエハＷの温度を直接検知するよう試料台１３の上面に臨んで配設されており、これによって光ファイバ温度計２２は自然（正常）な状態でのウエハＷの温度を連続的に測定することができるようになっている。また、この光ファイバ温度計２２には、該温度計２２で検知された温度に基づく出力信号を受け、前記ウエハＷの温度を所定の温度に保持するよう、チラー２１から冷却ジャケット１８に循環させる冷媒の温度を調整する制御装置（制御手段）２３が接続され、さらに、同様に出力信号を受け、前記ウエハＷの温度を所定の温度に保持するよう、前記の図示しないヒータの温度調整器が接続されている。
【００２１】
このような構成のプラズマ処理装置１１によってウエハＷをプラズマ処理するには、図１に示したプラズマ処理装置１による場合と同様に、まず、ウエハＷを試料台１３の静電チャック１７上に載置してこれを保持し、さらにその状態で排気装置１５を作動させ、真空チャンバー１２内を真空にする。
次に、チラー２１を作動させて冷媒を冷却ジャケット１８に循環させ、かつ試料台１３に設けた前記ヒータに通電し、これにより試料台３上のウエハＷをプラズマ処理に適した所定温度に調整する。
【００２２】
次いで、ガス供給器１６によって真空チャンバー１２内を放電可能な圧力に調整し、さらにこの状態で高周波発生装置１４により真空チャンバー１２内にプラズマＰを発生させる。すると、プラズマＰの発生によってウエハＷは該プラズマＰから熱が与えられ、図２に示したごとくその温度が上昇する。しかして、このプラズマ処理装置１１では、ウエハＷの温度上昇が光ファイバ温度計２２で連続的に検知されており、このようにウエハＷの温度上昇を検知すると光ファイバ温度計２２は、検知した温度を電気信号としてこれを出力する。すると、制御装置２３およびヒータに接続された温度調整器はこの出力信号を受け、チラー２１から循環させる冷媒の冷却度合いを高め、またヒータの加熱度合いを低めるように、すなわちウエハＷの温度上昇分を相殺できる程度にまで冷媒及び／又はヒータの温度を下げるように、チラー２１及び／又はヒータを制御する。
【００２３】
したがって、このようにウエハＷの温度上昇を光ファイバ温度計２２で連続的に検知し、検知結果を連続的にフィードバックしてチラー２１及び／又はヒータを制御することから、プラズマＰを発生させ、さらにプラズマ処理が終了してプラズマＰの発生を終了させても、ウエハＷの温度は図６に示すように当初に調整した所定温度を維持したままとなる。
よって、このプラズマ処理装置１１にあっては、プラズマ処理中においてもウエハＷの温度を一定にすることができ、これによりプラズマ処理そのものを安定して行うことができる。
【００２４】
なお、前記プラズマ処理装置１１では、本発明における冷却手段となるチラー２１、および本発明における加熱手段となるヒータの両方を試料台１３に備えたが、本発明においては、冷却手段のみを備えた構成としてもよい。
また、前記プラズマ処理装置１１においては、本発明における制御手段として、チラー２１から冷却ジャケット１８に循環させる冷媒の温度を調整する制御装置を設けたが、本発明はこれに限定されることなく、例えば試料台１３に供給する冷媒の流量を制御する流量制御機構をチラー２１に設けておき、これを本発明における制御手段としてもよい。
【００２５】
図７は本発明の製造装置の第２実施形態例を示すもので、図７において符号３０はプラズマ処理装置（半導体装置の製造装置）である。このプラズマ処理装置３０が図５に示したプラズマ処理装置１１と異なるところは、試料台１３を構成する静電チャック１７の上面に、ウエハＷと静電チャック１７との間で真空断熱が起こるのを防ぐべく、熱伝導用の媒体ガスを流すための溝（図示略）を形成し、該溝にＨｅ等の媒体ガスを供給するようにした点と、該溝に供給するに先立ってこの媒体ガスの温度を調整するようにした点である。
すなわち、このプラズマ処理装置３０には、静電チャック１７に配管３１を介して媒体ガス供給手段３２が接続されており、さらに配管３１にはマスフローコントローラー３３が取り付けられている。また、配管３１には、これを流れる媒体ガスの温度を調整するための温度調整装置（媒体ガス調整手段）３４が設けられている。
【００２６】
媒体ガス供給手段３２は、この例ではＨｅが高圧充填されたボンベによって構成されている。温度調整装置３４は、配管３１をコイル状に周回する管部３４ａと、該管部３４ａに冷媒あるいは熱媒を循環させる調整装置本体３４ｂとからなるものであり、調整装置本体３４ｂで予め設定温度に調整された冷媒（熱媒）が管部３４ａを流れることにより、配管３１を介して配管３１内を流れる媒体ガスの温度を調整するものである。
【００２７】
このような構成のプラズマ処理装置３０にあっては、温度調整装置３４によって媒体ガスの温度を、プラズマ処理に際してのウエハＷの設定温度に近い温度としておくことにより、プラズマ処理を行う際ウエハＷの温度の急激な変化を抑えることができ、これにより前述した光ファイバ温度計２２と制御装置２３及び／又は温度調整器とによる温度制御によって、ウエハＷの温度を十分に安定させることができる。
【００２８】
図８は本発明の製造装置の第３実施形態例を示すもので、図８において符号４０は、特に極低温でのプラズマ処理に好適なプラズマ処理装置（半導体装置の製造装置）である。このプラズマ処理装置３０が図５に示したプラズマ処理装置１１と異なるところは、チラー２１に代えて冷媒供給装置４１を設け、この冷媒供給装置４１から冷却ジェケット１８に冷媒を循環させるようにした点である。
【００２９】
冷媒供給装置４１は、フロン混合冷媒システムや液体窒素循環システム、極低温圧縮空気システムなどによって構成されたものであり、この冷媒供給装置４１と冷却ジャケット１８との間には、冷媒供給装置４１からの冷媒の往路となるフィード配管４２と、冷媒供給装置４１への冷媒の復路となるリターン配管４３とが設けられている。また、フィード配管４２とリターン配管４３との間にはバイパス配管（バイパス路）４４が設けられている。
フィード配管４２にはメインバルブ４５が、バイパス配管４４にはバイパスバルブ４６がそれぞれ設けられている。これらバルブ４５、４６は、市販の極低温仕様の電動コントロールバルブからなっており、これによってフィード配管４２、あるいはバイパス配管４４に極低温の冷媒が流れても何等支障がないようになっている。また、これらバルブ４５、４６は、その開閉の度合いが本発明における制御手段となる制御装置４７によって制御されるようになっている。
【００３０】
制御装置４７は、光ファイバ温度計２２に接続されたもので、図５に示したプラズマ処理装置１１における制御装置２３と同様に、光ファイバ温度計２２で検知された温度に基づく出力信号を受け、前記試料台１３の温度を所定の温度に保持するように制御するものである。ただし、この制御装置４７は、前記制御装置２３のごとくチラー２１を制御するのでなく、前記メインバルブ４５、バイパスバルブ４６を制御するものとなっている。すなわちこの制御装置４７は、プラズマ処理に際してプラズマＰが発生し、これによりウエハＷの温度が上昇したら、メインバルブ４５およびバイパスバルブ４６の開度を調節して冷媒供給手段４１からの冷媒の供給量を多くし、また何等かの理由によりウエハＷの温度が下降したら、バルブ４５、４６の開度を逆に調節して冷媒の供給量を少なくするように制御するものである。なお、このプラズマ処理装置４０においても、図５に示したプラズマ処理装置１１と同様に本発明における加熱手段となるヒータ（図示略）と、これの温度調整を行う温度調整器とが設けられており、したがって、前記制御装置４７による制御は単独でなされ、あるいはヒータの温度調整器と共になされるようになっている。
【００３１】
したがってこのプラズマ処理装置４０にあっても、プラズマ処理中にウエハＷの温度を一定にすることができ、これによりプラズマ処理そのものを安定して行うことができる。また、フロンや液体窒素、圧縮空気等の冷媒のごとく、熱交換器を用いることではその冷却度、すなわち温度を簡単に調節できないものを用いても、流量をコントロールすることによってその冷却度を調節できるようにしたので、例えば−７０℃以下といった極低温にも、ウエハＷの温度を正確に調整することができる。
【００３２】
なお、以上の説明においては、プラズマ処理の具体的内容について特に述べていないが、前記プラズマ処理装置１、１１、３０、４０は、それぞれプラズマエッチング処理やプラズマＣＶＤ処理など、従来の公知のプラズマ処理に適用できるのはもちろんである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の半導体装置の製造方法は、プラズマを発生させた際前記加熱手段による加熱の度合いを予め設定した分下げ、プラズマの発生を終了した際前記加熱手段による加熱の度合いを元に戻すようにし、これによりプラズマを発生させた際に起こる半導体基体の温度上昇分を加熱手段による加熱の度合いの低減分によって相殺するようにしたものであるから、プラズマ処理中における半導体基体の温度を十分安定した状態にすることができ、これによりプラズマ処理そのものを安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法に好適に用いられるプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】温度制御しないときのウエハ温度を示すグラフ図である。
【図３】セラミクスヒータの制御パターンを示すグラフ図である。
【図４】セラミクスヒータを制御したときのウエハ温度を示すグラフ図である。
【図５】本発明における半導体装置の製造装置の第１実施形態例を示す概略構成図である。
【図６】図５に示した製造装置でプラズマ処理した際のウエハ温度を示すグラフ図である。
【図７】本発明における半導体装置の製造装置の第２実施形態例を示す概略構成図である。
【図８】本発明における半導体装置の製造装置の第３実施形態例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１、１１、３０、４０  プラズマ処理装置    ２、１２  真空チャンバー
３、１３  試料台    ４ａ、１４  高周波発生装置    ７  温度ステージ
８  セラミクスヒータ（加熱手段）    ９  冷却装置（冷却手段）
１０  温度調節器    １７  静電チャック
１８  冷却ジャケット（冷却手段）    ２１  チラー
２２  光ファイバ温度計    ２３  制御装置（制御手段）
３２  媒体ガス供給手段    ３４  温度調整装置    ４１  冷媒供給手段
４２  フィード配管    ４３  リターン配管    ４４  バイパス配管
４５  メインバルブ    ４６  バイパスバルブ    ４７  制御装置
【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】
0003931357.tif 000006
【図６】
0003931357.tif 000007
【図７】
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【図８】
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