(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内でプラズマを励起させ、前記容器内に置かれた被処理物の処理を前記プラズマで行い、前記プラズマによる処理を制御するために、高周波のバイアスを加えるプラズマプロセス用装置において、
前記容器内でプラズマを励起するプラズマ励起源と、
前記高周波のバイアスを加える高周波発生装置と、
前記容器内の底部に設けられ、前記高周波を絶縁し、かつ、断熱するために、絶縁性材料で作られている絶縁断熱手段と、
前記絶縁断熱手段に重ねて設けられ、前記高周波が加えられてバイアスを発生する複数のビア線によって電気的に接続されている二重構造の電極板を内部に備えるステージと、前記ステージを載せるように載置された、あるいは前記ステージ内に載置された、前記被処理物の温度を制御する温度調整手段とを具備した載置手段とを備えることを特徴とするプラズマプロセス用装置。
【請求項２】
前記温度調整手段は、冷却用の冷却媒体を供給する供給部からの冷却媒体を流す流路とを備えた冷却プレートであって、前記ステージを載せるように載置されており、前記冷却媒体によって前記ステージを冷却することを特徴とする請求項１記載のプラズマプロセス用装置。
【請求項３】
前記温度調整手段は、前記ステージ内に載置されたヒータであって、前記ヒータは、電源部からの電源供給によって発熱し、前記ステージを加熱することを特徴とする請求項1記載のプラズマプロセス用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理物に対して成膜やドライエッチングなどのプラズマプロセスを行うプラズマプロセス用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマプロセス用装置のような半導体装置は、被処理物として、例えば、シリコン基板であるウエハの処理を行う。そして、近年、プラズマプロセス用装置には、高速で性能の高い成膜やドライエッチングを行うことが求められている。同時に、プラズマプロセス用装置の占有面積を小型化して、初期投資および運転コストを抑えることが求められている。
【０００３】
プラズマプロセス用装置の一例が特開平０８−１４８４７８号公報に示されている。このようなプラズマプロセス用装置は、チャンバ内にステージを備え、このステージに載せられたシリコン基板に対して処理を行う。また、プラズマプロセス用装置には、加熱型と冷却型とがある。
【０００４】
冷却型の装置であるプラズマドライエッチング装置では、おもに冷却ステージが用いられている。被処理物表面に対して垂直方向のエッチング速度を平行方向に比べて大きくするため、すなわち、エッチング速度の異方性を高めるために、ステージに冷却媒体を供給する。この冷却媒体を用いた冷却によって、プラズマ照射で発生する、被処理物の熱を除去している。かつ、ステージの冷却は、エッチングマスクとなる有機レジストの焼け焦げを防ぐためにも必要である。同じように、プラズマ成膜装置においても、被処理物または薄膜に耐熱性がない場合、ステージの冷却が必要になる。
【０００５】
一方、加熱型の成膜装置であるプラズマＣＶＤ装置等では、おもに加熱ステージが用いられている。そして、被処理物であるシリコン基板の温度が、膜質の特性に重要なパラメータとなるため、シリコン基板の加熱が必要になる。このために、ステージ内部にヒータなどを埋め込み、シリコン基板の温度を制御している。
【０００６】
このようなプラズマプロセス用装置では、製造コストを低くするために、高密度プラズマを用いて、プロセス速度を高くしている。また、シリコン基板のサイズを直径２００［ｍｍ］から３００［ｍｍ］へと大口径化することによって、1枚の基板からとれるチップの数を増やし、生産性を上げようとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマプロセス用装置では、シリコン基板を処理するために投入したＲＦ(高周波)パワーのうち、プラズマに流れずに、寄生容量を介してチャンバ側に流れるＲＦ電流やマッチング回路による電力損失が全体の約６割程度あると報告されている。シリコン基板の大口径化に伴い、ＲＦバイアスの消費電力が増加した場合、寄生容量が電力ロスの大きな要因として問題点となっている。
【０００８】
また、直流電圧または高周波を印加するステージの場合、直流電圧または高周波を絶縁するために、アルミナセラミックスとコバールを溶射したものが一般的に用いられている。そこで、真空シールや断熱の機能も果たしているが、シリコン基板の大口径化に伴い、先に述べた寄生容量の問題や強度および断熱について、ステージ構造の問題点がある。また、高密度のマイクロ波励起プラズマの場合、プラズマシースが従来の平行平板や誘導結合方式などで励起されたプラズマよりも薄い。このため、従来の方式でＲＦバイアスを印加すると、給電した近傍付近のみにバイアスがかかり、面内で均一にかからない可能性がある。このために、歩留まりの悪化等が発生する。
【０００９】
本発明の目的は、このような問題点を解決するために、消費する電力のロスを少なくし、また、プロセス時間の短縮や歩留まりの向上を可能にするプラズマプロセス用装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマプロセス用装置は、容器内でプラズマを励起させ、前記容器内に置かれた被処理物の処理を前記プラズマで行い、前記プラズマによる処理を制御するために、高周波のバイアスを加えるプラズマプロセス用装置において、前記容器内でプラズマを励起するプラズマ励起源と、前記高周波のバイアスを加える高周波発生装置と、前記容器内の底部に設けられ、前記高周波を絶縁し、かつ、断熱するために、絶縁性材料で作られている絶縁断熱手段と、前記絶縁断熱手段に重ねて設けられ、前記高周波が加えられてバイアスを発生する複数のビア線によって電気的に接続されている二重構造の電極板を内部に備えるステージと、前記ステージを載せるように載置された、あるいは前記ステージ内に載置された、前記被処理物の温度を制御する温度調整手段とを具備した載置手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、前記温度調整手段は、冷却用の冷却媒体を供給する供給部と、前記前記載置手段に設けられると共に、前記供給部からの冷却媒体を流す流路とを備え、前記載置手段は、前記電極を内部に備えるステージと、前記ステージと前記絶縁断熱手段との間に配置されると共に前記流路を内部に備え、前記供給部からの冷却媒体によって前記ステージを冷却する冷却プレートとを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、前記温度調整手段は、加熱用の電源を供給する電源部と、前記載置手段内に設けられると共に、前記電源部からの電源供給で発熱するヒータとを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、前記絶縁断熱手段の材料が石英あるいはアルミナセラミックスであることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
［発明の実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。実施の形態１では、冷却ステージを有するプラズマプロセス用装置である冷却ステージ搭載型プラズマプロセス用装置に本発明が適用されている。この冷却ステージ搭載型プラズマプロセス用装置は、直径２００［ｍｍ］のシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜をドライエッチングする。
【００１６】
この冷却ステージ搭載型プラズマプロセス用装置は、容器本体１、マイクロ波発生部２、ガス供給システム３、排気システム４、供給部として冷却システム５、高周波供給部６および冷却ステージ部７を備えている。
【００１７】
容器本体１は、プロセスを行う容器であり、チャンバなどである。容器本体１内にシリコン基板が置かれると、容器本体１が密閉される。つまり、容器本体１は、開閉可能な密閉容器である。
【００１８】
容器本体１には、マイクロ波発生部２が設置されている。マイクロ波発生部２は、マイクロ波発生装置２Ａ、導波管２Ｂおよびラジアルラインスロットアンテナ２Ｃを備えている。マイクロ波発生装置２Ａで発振、増幅された２．４５［ＧＨｚ］のマイクロ波が導波管２Ｂを経て、ラジアルラインスロットアンテナ２Ｃに加えられる。ラジアルラインスロットアンテナ２Ｃは、容器本体１内の天井に設置されている。ラジアルラインスロットアンテナ２Ｃによって、マイクロ波が平面状に、かつ、均一に放射される。これによって、ラジアルラインスロットアンテナ２Ｃの下側には、プラズマ１００が励起される。
【００１９】
容器本体１には、ガス供給システム３が設置されている。ガス供給システム３は、原料ガスを供給するガス供給装置３Ａと、原料ガスを容器本体１内に流す供給管３Ｂとを備えている。ガス供給システム３によって、容器本体１には、プラズマ１００を励起させるために必要な原料ガスが供給される。
【００２０】
プラズマ１００の励起に際して、余剰の原料ガスと反応副生成ガスとが発生する。これらのガスを排気するのが、容器本体１に設置されている排気システム４である。排気システム４は、容器本体１内のガスを流す排気管４Ａと、ガスを排気する排気装置４Ｂとを備えている。排気システム４によって、余剰の原料ガスと反応副生成ガスとが排気され、かつ、容器本体１内が減圧される。
【００２１】
容器本体１には、冷却システム５と高周波供給部６とが設置されている。冷却システム５は、配管５Ａ，５Ｂと冷却装置５Ｃとを備えている。冷却装置５Ｃは、気化された冷却媒体を配管５Ｂから回収すると、この冷却媒体を液化し、配管５Ａに送る。冷却媒体は、冷却ステージ部７に供給される。高周波供給部６は、高周波発生装置６Ａと整合器６Ｂとを備えている。高周波発生装置６Ａは、高周波を発生する。高周波発生装置６Ａからの高周波は、整合器６Ｂと配線６Ｃとを経て冷却ステージ部７に加えられる。
【００２２】
容器本体１内には、冷却ステージ部７が設置されている。冷却ステージ部７は、ステージ７Ａ、冷却プレート７Ｂおよび絶縁断熱手段として絶縁断熱用プレート７Ｃを備えている。実施の形態１では、ステージ７Ａと冷却プレート７Ｂとが載置手段を構成する。冷却ステージ部７では、ステージ７Ａ、冷却プレート７Ｂおよび絶縁断熱用プレート７Ｃが順に重ねられている。
【００２３】
ステージ７Ａは、シリコン基板を載せるためのものである。ステージ７Ａは、１×１０8［Ω・ｃｍ］以上の体積抵抗をもつ材料で作られている。また、ステージ７Ａには、高周波供給部６からの高周波がバイアスとして加えられる。高周波のバイアスを加えるために、ステージ７Ａ内には、二層構造の電極が設けられている。この二層構造の電極については、次の実施の形態２で詳しく述べる。２．４５［ＧＨｚ］のマイクロ波で励起されたプラズマ１００に対して、ステージ７Ａに高周波バイアスを印加することによって、プラズマ１００からステージ７Ａに入射するイオンエネルギが調整される。
【００２４】
ステージ７Ａの下部には、冷却プレート７Ｂが設置されている。冷却プレート７Ｂには、冷却システム５の配管５Ａ，５Ｂが取り付けられて、冷却システム５からの冷却媒体が冷却プレート７Ｂ内の流路７０１を流れ、冷却プレート７Ｂが冷却される。この結果、ステージ７Ａも冷却されることになる。ステージ７Ａの冷却のために、冷却プレート７Ｂは、熱伝導度が高い材料で作られている。
【００２５】
冷却プレート７Ｂの下部と容器本体１の底部との間には、絶縁断熱用プレート７Ｃが設置されている。絶縁断熱用プレート７Ｃは、高周波を絶縁するために誘電率が低く、かつ、断熱のために熱伝導度が小さい材料で作られている。このような材料として、石英（酸化珪素）、アルミナセラミックス等がある。また、絶縁断熱用プレート７Ｃは、断熱を効率的にするために、冷却プレート７Ｂなどに比べて厚く作られている。なお、絶縁断熱用プレート７Ｃの代わりに、絶縁断熱用フランジを用いてもよい。絶縁断熱用プレート７Ｃによって、ステージ７Ａに印加された高周波が絶縁され、かつ、冷却プレート７Ｂが容器本体１側と断熱される。
【００２６】
実施の形態１によって、寄生容量によるＲＦパワーの電力ロスと、シリコン基板の温度を制御する低温循環チラーである冷却システム５の電力ロスとを低減することができる。またシース容量の大きな(シースの薄い)プラズマに対して、シリコン基板内で均一にＲＦバイアスを印加することができる。
【００２７】
［発明の実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。実施の形態２では、加熱ステージを有するプラズマプロセス用装置である加熱ステージ搭載型プラズマプロセス用装置に本発明が適用されている。この加熱ステージ搭載型プラズマプロセス用装置は、直径２００［ｍｍ］のシリコン基板上にダイヤモンド薄膜を成膜する。
【００２８】
この加熱ステージ搭載型プラズマプロセス用装置は、容器本体１、マイクロ波発生部２、ガス供給システム３、排気システム４、高周波供給部６、加熱システム１１および加熱ステージ部１２を備えている。なお、図２では、図１と同じ機能をもつ部材に同じ番号を付けて、その説明を省略している。
【００２９】
容器本体１には、実施の形態１の冷却システム５の代わりに、加熱システム１１が設置されている。加熱システム１１は、配線１１Ａ，１１Ｂと電源装置１１Ｃとを備えている。電源装置１１Ｃは、配線１１Ａ，１１Ｂを経て加熱用の電源を加熱システム１１に加える。電源としては、直流または交流が用いられる。
【００３０】
容器本体１には、実施の形態１の冷却ステージ部７の代わりに、加熱ステージ部１２が設けられている。加熱ステージ部１２は、載置手段として加熱ステージ１２Ａ、絶縁断熱用プレート１２Ｂおよび支持フランジ１２Ｃを備えている。加熱ステージ部１２では、加熱ステージ１２Ａ、絶縁断熱用プレート１２Ｂおよび支持フランジ１２Ｃが順に重ねられている。実施の形態２では、絶縁断熱用プレート１２Ｂと支持フランジ１２Ｃとが絶縁断熱手段を構成する。
【００３１】
加熱ステージ１２Ａの内部には、図３に示すように、加熱システム１１からの電源が供給されるヒータ電極１２１が埋め込まれている。ヒータ電極１２１は、供給された電源による抵抗加熱で加熱ステージ１２Ａの温度を上げる。この結果、加熱ステージ１２Ａに載せられたシリコン基板が昇温される。
【００３２】
また、加熱ステージ１２Ａの内部には、高周波バイアスを加えるために電極が設けられている。この電極の一例を図４に示す。図４の電極は、二層構造の電極であり、円形の電極板１２２と、電極板１２２の径より大きい円形の電極板１２３とを備えている。電極板１２２，１２３は、メッシュになっている。これによって、加熱ステージ１２Ａがヒータ電極１２１で加熱された場合、加熱ステージ１２Ａと電極板１２２との熱膨張率の違いから、電極板１２２，１２３の応力が加熱ステージ１２Ａに働くことが軽減される。電極板１２３は、複数のビア配線１２４によって電極板１２２と電気的に接続されている。ビア配線１２４は、円柱状の導体である。ビア配線１２４の配置の様子を図５に示す。ビア配線１２４は、電極板１２３に対して均一に分散するように配置されている。
【００３３】
電極板１２２に加えられた高周波は、複数のビア配線１２４を経て電極板１２３に供給される。これによって、高周波は、プラズマ１００側の高周波電極である電極板１２３へ伝わり、プラズマへ面内で均一に流れる。これは、次のような理由による。つまり、従来では、プラズマと電極と間のキャパシタンスが小さかったので、電極の抵抗またはインダクタンスの影響がなく、高周波が電極で均一化されて、プラズマに流れる。しかし、高密度低温プラズマでは、プラズマと電極との間のキャパシタンスが大きい。このために、電極に対する供給点の付近から、高周波がプラズマに流れてしまう。したがって、電極板１２２とプラズマ側に位置する電極板１２３とを複数のビア配線１２４で接続し、複数の供給点になるビア配線１２４から高周波を供給すると、高周波が電極板１２３の面内からプラズマに対して均一に流れる。
【００３４】
加熱ステージ１２Ａの下部には、絶縁断熱用プレート１２Ｂが設置されている。絶縁断熱用プレート１２Ｂは、実施の形態１の絶縁断熱用プレート７Ｃと同じように、高周波を絶縁するために誘電率が低く、かつ、断熱のために熱伝導度が小さい材料で作られている。絶縁断熱用プレート１２Ｂによって、加熱ステージ１２Ａに印加された高周波が絶縁され、かつ、高温になった加熱ステージ１２Ａを容器本体１側と断熱する。なお、絶縁断熱用プレート１２Ｂの代わりに、絶縁断熱用フランジを用いてもよい。
【００３５】
支持フランジ１２Ｃは、絶縁断熱用プレート１２Ｂを支持するためのものである。
【００３６】
実施の形態２によって、寄生容量によるＲＦパワーの電力ロスと、加熱ステージ１２Ａ内のヒータ電極１２１の電力ロスとを低減することができる。また、シース容量の大きなプラズマに対して、シリコン基板面内で均一にＲＦバイアスすることができる。
【００３７】
【実施例】
以下、実施の形態１の冷却ステージ搭載型プラズマプロセス用装置の冷却ステージ部７を使用した具体例について説明する。この実施例では、冷却ステージ部７のステージ７Ａに３００［Ｗ］のＲＦバイアスを印加して、シリコン酸化膜のドライエッチングプロセスを行った。プロセス条件は次の通りである。
【００３８】
マイクロ波電源出力：２．４５［ＧＨｚ］／１５００［Ｗ］
ステージ高周波電力出力：１３．５６［ＭＨｚ］／３００［Ｗ］
プロセスガス：Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ｏ2／Ａｒ
＝１０／５０／５／２００［ｓｃｃｍ］
プロセス圧力：４０［ｍＴｏｒｒ］
基板：０．８［μｍ］フオトレジスト(φ０．１５［μｍ］ホールパターン形成)／１．６［μｍ］シリコン酸化膜／０．７５［ｍｍ］シリコン基板
基板ステージ温度：２０［℃］に制御
冷却媒体：フッ素系不活性液体ガルデンＨＴ−１１０(アウジモンド社製)
【００３９】
このプロセス条件によって、従来のステージ構造では、次のようになった。すなわち、８インチ基板内において、シリコン酸化膜のエッチングレートは、中心で約４００［ｎｍ］／［ｍｉｎ］、中心から９０［ｍｍ］の位置で３８０［ｎｍ］／［ｍｉｎ］のように、面内でのばらつきがあった。
【００４０】
しかし、本発明の装置を用いることにより、中心、中心から９０［ｍｍ］の位置で、同一条件で両者とも約５５０［ｎｍ］／［ｍｉｎ］という結果が得られた。５５０［ｎｍ］／［ｍｉｎ］という結果は、従来のステージ構造で５００［Ｗ］のＲＦバイアスを印加した場合の、ウェハ中心のエッチングレートと同等であり、面内のばらつきがなくなっている。この結果から、絶縁断熱用プレート７Ｃの採用によって、効率的にＲＦパワーをプラズマに供給でき、かつ、二層構造の高周波電極によって、面内で均一に高周波を印加できることが確認された。
【００４１】
また、実施の形態２の加熱ステージ搭載型プラズマプロセス用装置の加熱ステージ部１２を用い、加熱ステージ１２Ａを２００［℃］に保った状態での、電源装置１１Ｃの出力結果について説明する。従来装置で８インチのステージを２００［℃］に保った状態で、ヒータの消費電力が約４０［Ｗ］程度であった。しかし、本発明では、絶縁断熱用プレート１２Ｂを用いることによって、約２０［Ｗ］となり、断熱性が向上したことが確認された。
【００４２】
以上、実施の形態１，２と実施例とについて説明したが、本発明がこれに限定されることはない。例えば、実施の形態１，２では、プラズマによる処理を制御するために、高周波のバイアスを用いたが、直流電圧によるバイアスを用いてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、絶縁によってバイアス用の高周波が寄生容量によって容器側に流れることを防止し、かつ、断熱によって温度調節に用いた冷熱が逃げることを防ぐので、消費する電力のロスを少なくすることができ、しかも、プロセス時間の短縮や歩留まりの向上を可能にする。この結果、装置のランニングコストを低く抑えることができる。
【００４４】
また、埋め込み電極をプラズマ側から順に二層構造にすることで、シース容量の大きなプラズマに対して被処理物面内で均一に高周波バイアスが印加できるようになり、オーバーエッチ時間の短縮や歩留まりの向上が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図３】実施の形態２の加熱ステージの断面を示す断面図である。
【図４】実施の形態２の加熱ステージに設置されている電極を示す斜視図である。
【図５】実施の形態２の加熱ステージに用いられているビア配線の配置を示す平面図である。
【符号の説明】
１  容器本体
２  マイクロ波発生部
２Ａ  マイクロ波発生装置
２Ｂ  導波管
２Ｃ  ラジアルラインスロットアンテナ
３  ガス供給システム
３Ａ  ガス供給装置
３Ｂ  供給管
４  排気システム
４Ａ  排気管
４Ｂ  排気装置
５  冷却システム
５Ａ，５Ｂ  配管
５Ｃ  冷却装置
６  高周波供給部
６Ａ  高周波発生装置
６Ｂ  整合器
６Ｃ，１１Ａ，１１Ｂ  配線
７  冷却ステージ部
７Ａ  ステージ
７Ｂ  冷却プレート
７Ｃ  絶縁断熱用プレート
１１  加熱システム
１１Ｃ  電源装置
１２  加熱ステージ部
１２Ａ  加熱ステージ
１２Ｂ  絶縁断熱用プレート
１２Ｃ  支持フランジ
７１，７２  電極板
１００  プラズマ
１２１  ヒータ電極
１２２，１２３  電極板
１２４  ビア配線
７０１  流路
【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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