(57)【要約】【課題】歩留まりを向上することのできるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】真空容器内部に配置され内部が減圧される処理室と、前記真空容器の上部を構成して前記処理室内に供給される電界が透過する誘電体製の板部材と、前記処理室内の下方に配置され処理対象のウエハが載せられる試料台と、前記板部材の下方で前記試料台の上面上方でこれに対向して配置され前記処理室の天井面を構成する誘電体製のシャワープレートであって前記ウエハを処理するためのプラズマの形成に用いられる処理ガスが前記処理室内に導入する貫通孔を有したシャワープレートと、このシャワープレートと前記板部材との間のすき間にこれらの少なくとも一方を加熱する希ガスを供給するガス供給ラインを備えたプラズマ処理装置。【選択図】  図１
2016136553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内部に配置され内部が減圧される処理室と、前記真空容器の上部を構成して前記処理室内に供給される電界が透過する誘電体製の板部材と、前記処理室内の下方に配置され処理対象のウエハが載せられる試料台と、前記板部材の下方で前記試料台の上面上方でこれに対向して配置され前記処理室の天井面を構成する誘電体製のシャワープレートであって前記ウエハを処理するためのプラズマの形成に用いられる処理ガスが前記処理室内に導入する貫通孔を有したシャワープレートと、このシャワープレートと前記板部材との間のすき間にこれらの少なくとも一方を加熱する希ガスを供給するガス供給ラインを備えたプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記ウエハを処理するためのプラズマの形成の前または後に前記希ガスを供給する機能を備えたプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記ウエハの処理中に前記シャワープレートの中央部に配置された前記貫通孔から前記処理室内に前記処理ガスを供給しつつ前記シャワープレートと前記板部材との間のすき間の前記中央部の外周側の領域に前記希ガスを供給する機能を備えたプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理装置であって、前記希ガスが前記外周側の領域に供給された後前記処理室内に導入されずに真空容器外に排出され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、プラズマ処理装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体基板等の表面処理を行うのに好適なプラズマ処理装置及びそのプラズマ処理装置を用いて半導体基板等の表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体素子は微細化により、リソグラフィーにより形成されたマスクを下層膜に転写するエッチング工程にはより高い精度の寸法精度、つまりＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）精度が要求されている。量産現場において、高いＣＤ制御性に加えて、ＣＤの再現性を確保することは重要な課題である。
【０００３】
一般にエッチング工程においてＣＤが変動する要因としては、エッチング処理室内壁に被処理材から発生した反応生成物が付着する、エッチング処理室内部材が長期的な使用により消耗する、エッチング処理室内部材の温度等が変動し、処理室内内壁等へのラジカルの付着確率が変化し、エッチング性能へ影響するプラズマ状態が変動する等の要因が挙げられる。
【０００４】
このようなエッチング処理室内部材の温度変動を抑制する技術として、特開２０１２−４９３９３号公報（特許文献１）に開示のものが知られていた。本従来技術には、誘電体窓（石英板）の上面に熱風（エアー）を吹きかけて誘電体窓を加熱し、誘電体窓の温度を一定に保つことにより、誘電体窓とシャワープレート間に流れるプロセスガスの温度変動を抑制することを可能としたプラズマ処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−４９３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術では、次の点について考慮が不十分であったため、問題が生じていた。すなわち、プロセスガスの温度変動を抑える上では石英板とシャワープレート両方の温度変動を抑えることが効果的である。
【０００７】
しかし、特許文献１の場合、誘電体窓とシャワープレート間は真空断熱されているため、誘電体窓のみを加熱してもシャワープレートには熱が伝わりにくく加熱されにくいという問題が有った。また、シャワープレートを直接加熱する手段を備えておらず、シャワープレートの温度が変動することによってプロセスガスの温度が変動してしまうという問題について考慮が不十分であった。
【０００８】
また、特許文献１のようなプラズマ処理装置では、一般的にエッチング処理室上面を構成する誘電体窓の材料には耐プラズマ性、誘電率の観点から石英やアルミナといったセラミクスが材料として用いられる。しかし、このような材料は熱伝導率が低いため、誘電体窓部材単体で温度の不均一が生じやすく、例えば、誘電体窓中央側は温度が高く外周側は温度が低いといった分布が生じ易いことが知られている。
【０００９】
本発明者らの検討によれば、図５に示すようなアルミナ製の誘電体窓１３０の外周をステンレス製の真空容器１２９で支持される構造を有する誘導結合型プラズマエッチング装置において、プラズマの入熱が高いエッチング条件でエッチングした場合に誘電体窓１３０が破損する現象を確認しており、この現象を解明するためにプラズマ入熱がある場合の誘電体窓１３０の温度を検討した。
【００１０】
図５は、アルミナ製の誘電体窓１３０に５００Ｗ相当のプラズマ入熱を与えた場合に誘電体窓１３０の面内に発生する温度分布を示す。ここで、図中の横軸は、誘電体窓１３０の半径を、縦軸は誘電体窓１３０の温度を示す。尚、横軸の０ｍｍは、誘電体窓１３０の中心を示し、２００ｍｍは、誘電体窓１３０の最外周を示す。
【００１１】
上記結果によると誘電体窓１３０に高パワーのプラズマ入熱が加えられた場合、誘電体窓１３０の中央部の温度は高く、誘電体窓１３０の外周部へと近づくにつれて温度が徐々に低くなるような温度分布が誘電体窓１３０に発生していたことが分かっている。
【００１２】
今回、上記結果ではアルミナ製の誘電体窓を使用しているが、特許文献１では、誘電体窓の材質に石英を用いている。このため、石英はアルミナに比べて熱伝導率が更に低い（熱伝導率  石英：１．５Ｗ/ｍ・ｋ、アルミナ：２４．０Ｗ/ｍ・ｋ）ため、特許文献１の場合、誘電体窓単体でより温度分布が生じやすくなることが予想できる。
【００１３】
更に、近年の半導体業界では、生産性の向上・低コスト化の観点から４５０ｍｍウエハに対応したプラズマ処理装置の開発も開始されており、ウエハの大口径化に伴いプラズマ処理室を構成する主要パーツの大口径化も避けられない。このため、４５０ｍｍウエハ対応プラズマ装置では誘電体窓及びシャワープレートの大口径化により、その表面の方向または半導体ウエハ等の基板状の試料の表面の方向についての温度の不均一とその影響が試料の処理とその結果得られる加工後の形状に及ぼす影響が大きくなり、処理の歩留まりが損なわれてしまうという問題がより顕著に生じることが予想される。
【００１４】
そこで本発明の目的は、歩留まりを向上することのできるプラズマ処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的は、真空容器内部に配置され内部が減圧される処理室と、前記真空容器の上部を構成して前記処理室内に供給される電界が透過する誘電体製の板部材と、前記処理室内の下方に配置され処理対象のウエハが載せられる試料台と、前記板部材の下方で前記試料台の上面上方でこれに対向して配置され前記処理室の天井面を構成する誘電体製のシャワープレートであって前記ウエハを処理するためのプラズマの形成に用いられる処理ガスが前記処理室内に導入する貫通孔を有したシャワープレートと、このシャワープレートと前記板部材との間のすき間にこれらの少なくとも一方を加熱する希ガスを供給するガス供給ラインを備えたプラズマ処理装置により達成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、誘電体窓とシャワープレート単体の温度変動を抑制し、かつプロセスガスの温度変動を抑制することにより、ＣＤ変動を抑制しより生産性に優れ安定したプラズマ処理を可能とす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】
【００１７】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の講師の概略を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置において処理ガスを処理室に導入する部分の構成を拡大して模式的に示す図である。
【図３】図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置において処理ガスを処理室に導入する部分の構成を拡大して模式的に示す図である。
【図４】図１に示す実施例の別の変形例に係るプラズマ処理装置において処理ガスを処理室に導入する部分の構成を拡大して模式的に示す図である。
【図５】誘電体窓にプラズマ入熱を与えた場合の誘電体窓の面内に発生する温度分布の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の講師の概略を模式的に示す縦断面図である。特に、本実施例では、ＥＣＲ型マイクロ波プラズマエッチング装置について説明する。
【００２０】
本例のプラズマ処理装置は、円筒形の上部が開放された真空容器１０１の上部に、円板形状を有した石英等のマイクロ波の電界を透過可能な部材で構成された誘電体窓１０６が載せられ、その外周縁部の下面と真空容器１０１の円筒形状部上端面との間に挟まれて配置されるＯリング等のシール部材により内外が気密に封止される。誘電体窓１０１の下方には、真空容器１０１内の処理室１０７の天井面を構成し処理室１０７内に処理用のガスを導入するために中央部に複数の貫通孔が配置された円形を有したシャワープレート１０５が誘電体窓１０６との間にすき間を開けて配置されている。
【００２１】
シャワープレート１０５と誘電体窓１０６との間のすき間には、真空容器１０１の外側に配置されガス管路で連結されたガス供給装置１０８からバルブ１１８、１１９を経由して処理ガスが供給され、当該すき間内で拡散した処理用ガスは、複数の貫通孔を通り処理室１０７内に上方から導入される。また、処理室１０７の底面には真空排気口が配置され、真空排気口と連通して真空容器１０１の下方に配置されたターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有する真空排気装置１０９と連結されている。
【００２２】
本例のプラズマ処理装置は、処理室１０７内に導入された処理ガスを励起してプラズマを生成するため、マイクロ波の電界が処理室１０７に供給される。この電界を伝送するため、誘電体窓１０６の上方には内部を電界が伝播する導波管１１０が配置されている。本例の導波管１１０は、誘電体窓１１０上方で上下方向に延在する断面円形の円筒形導波管とこの円筒形導波管の上端部でその一端側が連結された断面が矩形状の方形導波管とを備えている。
【００２３】
導波管１１０の内部に供給される電界は、第一の直流電源１０４の制御により第一の高周波電源１０３から発振される。また、第一の直流電源１０４はパルス発振器を備えるため、時間変調された間欠的な高周波または、連続的な高周波を発振することができる。
【００２４】
高周波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波（プラズマ生成用高周波）を使用する。処理室１０７の外周部には、磁場を形成する磁場発生用コイル１１１が設けてあり、第一の高周波電源１０３より発振された電力は、形成された磁場との相互作用により、処理室１０７内に高密度プラズマを生成する。尚、磁場発生用コイル１１１はヨークであるコイルケース１１２に覆われている。
【００２５】
また、処理室１０７内には、シャワープレート１０５に対向した下方に試料台１０２が配置されている。試料台１０２は、その上面が溶射等の方法により形成されたセラミクス等誘電体製の膜（図示せず）で被覆されており、内部に配置された金属製の膜状電極が高周波フィルタ１１６を介して第二の直流電源１１７が接続されている。当該膜状の電極に第二の直流電源１１７から供給された直流電流によって、誘電体製の膜上に載せられるウエハ１１３との間に静電気力による吸着力が形成される。
【００２６】
さらに、試料台１０２内部に配置された金属製の円板状の電極は、マッチング回路１１４を介してバイアス用高周波電源である第二の高周波電源１１５が接続され、処理室１０７内にプラズマが形成された状態で高周波電力が供給され、試料台１０２上に載せられたウエハ１１３の上面上方にプラズマの電位に応じてバイアス電位が形成される。なお、電極の内部には、温度調節器（図示しない）と接続され試料台１０２及びこれに載せられるウエハ１１３の温度を調節するための温度が調節された冷媒が内部を通流して熱交換する冷媒流路が配置されている。
【００２７】
真空容器１０１は、図示しない別の真空容器であって内部に配置されたロボットアーム等の搬送手段に載せられてウエハ１１３が搬送される搬送室を供えた真空搬送容器と、間にゲートバルブを挟んで連結されている。ロボットアームにより処理室１０７内に搬送された試料であるウエハ１１３は、試料台１０２上に受け渡されて、誘電体製の被膜上に載せられると、第二の直流電源１１７から当該被膜内に配置された膜状の電極に印加される直流電圧により形成された静電気力により、試料台１０２上の被膜上面上方でこれに吸着、保持される。
【００２８】
この状態で、処理室１０７内にガス供給装置１０８によりシャワープレート１０５の貫通孔を介して所定の種類と組成とに調節された処理ガスが供給された後、真空排気装置１０９の動作による排気の量と処理用ガスの供給の量とのバランスにより処理室１０７内が所定の真空度の圧力にされた後、導波管１１０を通して伝播されたマイクロ波の電界が誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５を透過して処理室１０７内に導入されるとともに、磁場発生用コイル１１１から処理室１０７内に磁場が供給されることで生起された相互作用により、処理用ガスが励起されプラズマが発生する。
【００２９】
この状態で、試料台１０２内の円板状の電極に第二の高周波電源１１５から高周波電力が供給されてバイアス電位がウエハ１１３上方に形成され、電位差に基づいてプラズマ内の荷電粒子をウエハ１１３表面へ誘引して衝突させ、ウエハ１１３上面に予め形成されたマスクを含む複数層の膜層から構成された膜構造の処理対象の膜のエッチングが開始される。また、第二の高周波電源１１５は、パルス発振器を備えるため、試料台１０２に、予め定められた周期でオンオフまたは高出力（大振幅）と低出力（小振幅）とを繰り返すように変調された間欠的な高周波電力、または連続した波形の高周波電力が印加される。
【００３０】
本例のプラズマ処理装置は、ガス供給装置１０９から供給される処理ガスは、バルブ１１８とバルブ１１９を介した２つのガスラインに分岐されて、誘電体窓１０６及びこれとシャワープレート１０５の間のすき間に分かれて供給される。バルブ１１８側のガスラインに流れる処理ガスは、誘電体窓１０６に形成されたガス溝を経由して、誘電体窓１０６とシャワープレート１０５との間のすき間であってシャワープレート１０５の中央部にその周囲のリング状の空間と区画されて配置された円板または円筒形の空間内に供給され、ここからシャワープレート１０５の中央部に配置された貫通孔を通して処理室１０７内に上方から導入される。
【００３１】
また、バルブ１１９側のガスラインに流れる処理ガスは、誘電体窓１０６と真空容器１０１の円筒形状部の上端面との間に挟さまれて配置されたガス導入リング１２７内のリング状のガス経路を通して、誘電体窓１０６とシャワープレート１０５の間のすき間であって外周側のリング状の空間に流入する。バルブ１１９側のガスラインからの処理ガスはこのリング状の空間の内部で拡散した後、当該リング状の空間と連通したシャワープレート１０５の外周側の下面にリング状に配置された複数の貫通孔を通して処理室１０７内に上方から導入される。
【００３２】
また、上記２つに分岐したガスライン各々には、希ガス（例えば窒素）を供給するガス供給装置１２６が温調可能なヒータ１２０、１２５、バルブ１２０と１２１、１２２と１２３を介して接続されている。この時、これらのガスラインの各々には、ヒータ１２０及びヒータ１２５により加熱された高温の不活性ガスがバルブ１２０，１２２の開閉を調節することで独立して供給される。このため、これらのガスラインでは配管が熱くなる可能性があるため、配管に断熱材を巻くことが望ましい。
【００３３】
本実施例のプラズマ処理装置は、上記構成を備えたことにより、誘電体窓１０６とシャワープレート１０５との間の空間には、中央側と外周側との各々にヒータで所望の温度に調節された不活性ガスが供給され、誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５の温度を所望の範囲内の値にすることができ、これらの温度の変動が抑制される。更に、上記構成により中央側と外周側をそれぞれ個別に温調することにより、誘電体窓１０６とシャワープレート１０５をより精度良く温調することが可能となる。
【００３４】
次に、ガスの供給の態様について、以下に説明する。図２は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置において処理ガスを処理室に導入する部分の構成を拡大して模式的に示す図である。特に、誘電体窓１０６とシャワープレート１０５との空間に不活性ガスを供給する時のバルブの開閉状態を示している。
【００３５】
一般的にウエハ１１３表面の膜層をエッチング処理するプラズマ処理装置では、ＣＤの変動を抑制できるように安定したプラズマを生成するため、予め、処理の開始前に処理室１０７内表面を加熱して処理中の温度に近い値のものにすることが行われる。予め温度を処理中のものに近い値にして処理を開始することにより、処理中の処理室１０７の内表面の温度の変化を低減して加工形状が所期のものからズレてしまうことを抑制する。例えば、プラズマ処理中における誘電体窓の温度は８０℃〜１００℃にすることが考えられる。
【００３６】
本実施例においても、処理の開始前に高温の不活性ガスを誘電体窓１０６とシャワープレート１０５との間の空間に供給することにより、プラズマ処理の処理前に誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５を所望の温度の範囲に加熱することができる。図２に示すとおり、処理ガスを供給するためのガス供給装置１０８側のバルブ１１８、１１９を閉じた状態で、不活性ガスのガス供給装置１２６に連結されたガスライン上のバルブ１２０，１２１，１２２，１２３を開けることにより、２つのガスラインを通して不活性ガスを供給する。
【００３７】
このような所定の温度にされた希ガスの供給を、プラズマを形成して任意のステップの処理を開始する前および当該処理のステップを終了して後で次のステップの処理を開始前に実施する。このような、プラズマによる処理の前後に処理室１０７の内壁を構成する誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５の加熱をすることにより、誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５の温度の変動を抑制でき、かつプロセスガスの温度変動を抑制できることにより、再現性と信頼性の高い処理を実現するプラズマ処理装置を提供できる。
【００３８】
次に、図１の実施例において、プラズマ処理の処理中に高温の不活性ガスを供給する形態について図面を用いて、以下に説明する。
【００３９】
図３にプラズマ処理中に誘電体窓１０６とシャワープレート１０５の中央部と外周部を温調する機能を備えたプラズマ処理装置の詳細図を示す。図３は、図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置において処理ガスを処理室に導入する部分の構成を拡大して模式的に示す図である。尚、実施例１と同じ符号のものは、実施例１と同様の構成及び機能を有するため、説明を省略する。
【００４０】
図３に示すように、処理ガスを供給するためのガス供給装置１０８に連結され分岐した２つのガスライン上のバルブ１１８を開、バルブ１１９を閉、希ガスを供給するガス供給装置１２６に連結された２つのガスラインであってバルブ１１８が配置された処理ガス用のガスラインに接続された一方のガスライン上に配置されたバルブ１２０及び１２１を開、バルブ１１９が配置された処理ガス用のガスラインに接続された他方のガスライン上に配置されたバルブ１２２およびバルブ１２３を閉とする。この開閉の制御により、誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５の間のすき間の中央部の周囲から区画された領域内にはプラズマ処理用の処理用ガスが、この外周側のリング状の領域内には高温の希ガスが供給される。
【００４１】
このような処理ガスと希ガスとの供給を処理室１０７内にプラズマを形成している状態で実施する。このことにより、プラズマ処理を実施しながら誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５の温度の変動を抑制でき、かつ処理ガスの温度が変動することを抑制でき、信頼性と再現性とを高めたプラズマ処理を実現できる。
【００４２】
更に、プラズマを形成してウエハ１１３を処理している最中にプラズマに曝されるシャワープレート１０５及びその上方の誘電体窓１０６の温度を調節する構成であるため、プラズマを形成する処理の前後での誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５を加熱は不要となり、装置全体のスループットが向上し、より生産性に優れたプラズマ処理装置を提供できる。
【００４３】
本変形例の場合、プラズマ処理中に処理ガスと同時に高温の不活性ガスを処理室１０７内に供給することになるため、高温の不活性ガスの影響によりプラズマ状態が変化し、プラズマ処理に何かしらの悪影響を及ぼす可能性が懸念される。そこで、高温の不活性ガスを処理室１０７内に供給することなく、プラズマ処理中に誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５の温調を可能とした例について説明する。
【００４４】
図４に、プラズマ処理中に誘電体窓１０６とシャワープレート１０５の中央部と外周部を温調する機能を備えたプラズマ処理装置の詳細図を示す。図４は、図１に示す実施例の別の変形例に係るプラズマ処理装置において処理ガスを処理室に導入する部分の構成を拡大して模式的に示す図である。尚、図１乃至３と同じ符号のものは、これらに示されたものと同様の構成及び機能を有するため、説明を省略する。
【００４５】
図４に示すように、処理ガスを供給するためのガス供給装置１０８側のバルブ１１８を開、バルブ１１９を閉、不活性ガス側のバルブ１２０、バルブ１２１を開、バルブ１２２、バルブ１２３を閉とすることにより、誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５の間のすき間の中央部の領域にプラズマ処理用のプロセスガスを、外周側の領域に処理室１０７の処理中の温度より高い温にされた希ガスが供給される。ガス導入リング１２８の一箇所から外周側の領域に導入された高温の希ガスは、図の通り、処理室１０７内に供給されることなく、別の箇所からガス導入リング１２８内に排出され、真空容器１０１の外部に流出する。
【００４６】
このような処理ガスと希ガスとをプラズマ処理中に供給する構成により、プラズマ処理を実施しながら誘電体窓１０６及びシャワープレート１０５の温度の変動が抑制され、かつ処理ガスの温度の変動を抑制することにより、再現性と信頼性の高い処理を実現可能なプラズマ処理装置を提供できる。更に、高温の希ガスはプラズマを形成した状態で処理室１０７内に供給されず、ウエハ１１３の処理中に処理室１０７内の条件の変動を抑制でき、より安定したプラズマを生成して歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供できる。
【符号の説明】
【００４７】
１０１…真空容器
１０２…試料台
１０３…第一の高周波電源
１０４…第一の直流電源
１０５…シャワープレート
１０６…誘電体窓
１０７…処理室
１０８…ガス供給装置
１０９…真空排気装置
１１０…導波管
１１１…磁場発生用コイル
１１２…コイルケース
１１３…ウエハ
１１４…マッチング回路
１１５…第二の高周波電源
１１６…高周波フィルタ
１１７…第二の直流電源
１１８…バルブ
１１９…バルブ
１２０…バルブ
１２１…バルブ
１２２…バルブ
１２３…バルブ
１２４…ヒータ
１２５…ヒータ
１２６…不活性ガス供給装置
１２７…ガス導入リング
１２８…ガス導入リング
１２９…真空容器
１３０…誘電体窓。
【図１】
2016136553.tif 000003
【図２】
2016136553.tif 000004
【図３】
2016136553.tif 000005
【図４】
2016136553.tif 000006
【図５】
2016136553.tif 000007