(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高密度プラズマを使用してウェハを処理する半導体ウェハ処理装置において、
前記ウェハが載置される絶縁性基体と該基体の表面に設けられて前記ウェハに接触するバイアス電極と前記基体の表面下に埋め込まれた静電電極とにより構成された静電チャックと、
前記バイアス電極に交流電圧を印加する交流電源と、
この交流電源と前記バイアス電極との間に接続されたコンデンサと、
前記静電電極に直流電圧を印加する直流電源と
を有することを特徴とする半導体ウェハ処理装置。
【請求項２】
前記バイアス電極は前記基体の中央部に配置され、前記静電電極は前記バイアス電極の周囲に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェハ処理装置。
【請求項３】
前記静電電極として相互に電気的に分離された第１及び第２の静電電極を有し、前記直流電源として前記第１の静電電極に正の電圧を印加する第１の直流電源と前記第２の静電電極に負の電圧を印加する第２の直流電源とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ウェハ処理装置。
【請求項４】
前記コンデンサの容量値が２００ｐＦ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体ウェハ処理装置。
【請求項５】
前記コンデンサは可変容量型コンデンサであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体ウェハ処理装置。
【請求項６】
前記静電チャックには、前記バイアス電極を前記ウェハに向けて付勢する付勢手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体ウェハ処理装置。
【請求項７】
前記バイアス電極は、導電性ゴムにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体ウェハ処理装置。
【請求項８】
ウェハが搭載される絶縁性基体、該基体の表面に設けられてウェハに接触するバイアス電極及び前記基体の表面下に埋め込まれた静電電極により構成された静電チャックによりウェハを保持し、該ウェハに高密度プラズマを用いてプラズマ処理を施す半導体ウェハ処理方法であって、
前記静電電極に直流電圧を印加して前記ウェハを静電吸着しつつ、前記バイアス電極にコンデンサを介して交流電圧を印加することを特徴とする半導体ウェハ処理方法。
【請求項９】
前記プラズマ処理を終了する際に、前記コンデンサの容量値を時間とともに減少させ、その後、プラズマの生成を停止することを特徴とする請求項８に記載の半導体ウェハ処理方法。
【請求項１０】
前記プラズマ処理を終了する際に、前記コンデンサと前記バイアス電極との間を電気的に遮断し、その後、プラズマの生成を停止することを特徴とする請求項８に記載の半導体ウェハ処理方法。
【請求項１１】
前記プラズマ処理中の前記ウェハに印加されるセルフバイアス電圧の値を検出し、その検出したセルフバイアス電圧に応じて前記静電電極に印加する電圧値を調整することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の半導体ウェハ処理方法。
【請求項１２】
ウェハが搭載される絶縁性基体、該基体の表面に設けられてウェハに接触するバイアス電極及び前記基体の表面下に埋め込まれた静電電極により構成された静電チャックによりウェハを保持し、該ウェハに高密度プラズマを用いてプラズマ処理を施す半導体ウェハ処理方法であって、
前記バイアス電極を介して前記ウェハに特定の電位を印加し、前記静電電極に逆電位の直流電圧を印加して前記ウェハを前記静電チャックに吸着する工程と、前記バイアス電極にコンデンサを介して交流電圧を印加する工程とを有することを特徴とする半導体ウェハ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電式の静電チャック（ウェハサセプタ）によりウェハを保持して前記ウェハにプラズマ処理を施す半導体ウェハ処理装置及びその半導体ウェハ処理装置を用いた半導体ウェハ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いてウェハをエッチングする工程や薄膜を形成する工程において、ウェハを保持する方法として、その表面に排気孔が設けられた静電チャックによりウェハを真空吸着する方法や、ウェハを機械的にクランプする方法及び静電チャックによりウェハを電気的に吸着する方法などがある。このうち、静電チャックを用いた方法は、チャックがウェハのデバイス形成面に非接触であることや、真空中で使用できること及びウェハ全面に吸着力が作用するためウェハの温度制御性が優れていることなど、他の方法に比べて優れている。
【０００３】
図１４（ａ）は従来の静電チャック（単板式静電チャック）を示す模式的断面図、図１４（ｂ）は従来の他の静電チャック（双極式静電チャック）を示す模式的断面図である。なお、図１４（ａ），（ｂ）において、２６はウェハを示す。単板式静電チャック２１は、図１４（ａ）に示すように、絶縁材料からなる円板状の基体２１ａと、この基体２１ａに埋め込まれた静電電極２１ｂとにより構成されている。そして、静電電極２１ｂは直流電源２２に接続されて、この直流電源２２により正の電圧が印加される。
【０００４】
一方、双極式静電チャック２３は、図１４（ｂ）に示すように、絶縁材料からなる円板状の基体２３ａと、この基体２３ａに埋め込まれた半円状の２つの静電電極２３ｂとにより構成されている。そして、一方の静電電極２３ｂには直流電源２４から正の電圧が印加され、他方の静電電極２３ｂには直流電源２５から負の電圧が印加される。
【０００５】
このように、従来の静電チャック２１，２３は、１又は複数の静電電極２１ｂ，２３ｂを有している。そして、これらの静電電極２１ｂ，２３ｂに正又は負の電圧を印加すると、ウェハ２６と静電電極２１ｂ，２３ｂとの間にクーロン力及びジョンソンラーベック力が作用し、プラズマ中でもウェハ２６をチャックに吸着することができる。
【０００６】
ところで、従来のプラズマ発生装置は、プラズマ密度が１０8 〜１０9 ／ｃｍ程度のものが主流であった。プラズマ中では、電子のほうがイオンよりも質量が小さく移動しやすいため、ウェハ２６は負に帯電される。従って、単板式静電チャックにおいては、静電電極に正の電圧を印加することによりウェハ２６を吸着することができる。また、双極式静電チャックにおいては、２つの静電電極２３ｂにそれぞれ正及び負の電圧を印加するので、プラズマ処理を開始する前であってもウェハ２６を静電チャックに吸着することができる。この場合に、通常、一方の静電電極２３ｂと他方の静電電極２３ｂとの電圧の絶対値は同じに設定されている。つまり、一方の静電電極２３ｂに＋２０００Ｖを印加するのであれば、他方の静電電極２３ｂに−２０００Ｖを印加する。
【０００７】
図１５は、前述した双極式静電チャックを備えた従来の平行平板型プラズマ発生装置を示す模式図である。
高周波電極３１及び対向電極３２は上下方向に対向して配置される。高周波（ＲＦ）電極３１は、マッチング回路３３を介して高周波電源３４に接続されており、この高周波電源３４から高周波電力が供給される。また、対向電極３２は接地に接続されている。
【０００８】
静電チャック２３は高周波電極３１上に搭載される。前述の如く、この静電チャック２３の一方の静電電極２３ｂは直流電源２４に接続されて正の電圧が印加され、他方の静電電極２３ｂは直流電源２５に接続されて負の電圧が印加される。なお、これらの高周波電極３１及び対向電極３２は、いずれもチャンバ（図示せず）内に収納されている。
【０００９】
このように構成されたプラズマ発生装置において、チャンバ内を例えばＡｒ（アルゴン）雰囲気とし、高周波電源３４からマッチング回路３３を介して高周波電極３１に周波数が３００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給すると、高周波電極３１と対向電極３２との間にプラズマが発生する。このプラズマにより、ウェハ２６の表面が垂直方向にエッチング（異方性エッチング）される。
【００１０】
図１６（ａ）は高周波電極３２（図１５のＡの位置）における電圧波形を示す波形図、図１６（ｂ）はウェハ２６（図１５のＢの位置）における電圧波形を示す波形図である。これらの図に示すように、ウェハ２６の電位（Ｂ）は、電源３４から供給される電圧波形（Ａ）が負側にシフトしている。この電圧のシフト量をセルフバイアス電圧という。セルフバイアスは、プラズマ中のイオンと電子との移動度が異なることにより発生する。
【００１１】
図１７は図１５に示すプラズマ発生装置の等価回路図である。抵抗Ｒはプラズマの抵抗、シースキャパシタンスＣｓは対向電極３２と高周波電極３１と両者の間のプラズマとにより構成されるコンデンサ、ブロッキングキャパシタンスＣｂは高周波電極３１とウェハ２６とにより構成されるコンデンサに対応している。この図１７において、プラズマの抵抗Ｒが極めて小さいとすると、シースキャパシタンスＣｓのインピーダンスがブロッキングキャパシタンスＣｂのインピーダンスよりも十分小さいとき（すなわち、Ｃｂ≫Ｃｓ）のときに、ウェハに大きな電圧振幅が与えられることがわかる。
【００１２】
ところで、近年、素子の微細化及びスループットの向上を図るために、プラズマ密度が１０10／ｃｍ以上の高密度プラズマ発生装置を使用することがある。この種の高密度のプラズマ発生装置としては、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）装置、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ発生装置）、ヘリコン等がある。
この種の高密度プラズマ発生装置においては、ウェハとプラズマとの間の容量（シースキャパシタンスンス；Ｃｓ）は増大する。これは、Ｃｓを規定するプラズマとウェハとの間のシース幅が、プラズマの密度の１／２乗に反比例することに起因する。このため、このような高密度プラズマ発生装置においては、Ｃｂ≫Ｃｓでなくなるので、ウェハに十分な電圧振幅を与えることが困難になる。これにより、エッチングレートが低下したり、ウェハ表面に対し垂直にエッチングすることが困難になるという問題点がある。
【００１３】
このような問題点を解消すべく、静電チャックの静電電極にバイアス電圧を印加する方式のプラズマ処理装置が開発されている。図１８は、この方式の従来の誘導結合プラズマ発生装置を示す模式図である。
図１８に示すように、チャンバ４１は、処理すべきウェハ２６を収納する処理室４１ａと、この処理室４１ａの上方に配設されて処理室４１ａに連通したプラズマ発生室４１ｂとにより構成されており、プラズマ発生室４１ｂには対向電極４２が配置されている。この対向電極４２は、マッチング回路４３を介して高周波電源４４に接続されている。
【００１４】
ウェハ２６は、処理室４１ａ内に配置された静電チャック２３上に載置される。この静電チャック２３の一方の静電電極２３ｂは直流電源２４の正極に接続され、他方の静電電極２３ｂは直流電源２５の負極に接続される。そして、これらの２つの静電電極２３ｂには、マッチング回路４５を介して交流電源４６から交流電圧（バイアス）が印加されるようになっている。
【００１５】
このプラズマ発生装置においては、静電電極２３ｂにバイアス電圧を印加するので、ブロッキングキャパシタンスを構成するウェハ２６及び静電電極２３ｂの間隔を小さくすることができる。従って、このプラズマ発生装置は、図１５に示す装置に比べてブロッキングキャパシタンスの容量値が大きくなる。これにより、ウェハ２６に高い電圧を印加することができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８に示す構造のプラズマ処理装置においては、以下に示す問題点がある。すなわち、近年、プラズマ密度をより一層高くすることが要望されており、これに対応するためにはブロッキングキャパシタンスの容量値を更に大きくすることが必要である。従来のプラズマ発生装置においては、一般的に、静電電極とウェハとの間の距離が約０．５〜１ｍｍに設定されているが、ブロッキングキャパシタンスの容量値を大きくしようとして両者の間の間隔を更に狭めると、静電チャックの耐電圧が低下して、静電チャックが破壊されることがある。
【００１７】
なお、特開平３−９５９５３号にはウェハに接触してウェハをバイアスする電極が設けられた静電チャックが提案されている。しかしながら、この静電チャックは、ウェハに高周波電圧を印加するものではない。すなわち、この静電チャックは、基本的には図１８に示す装置のものと同一であり、ブロッキングキャパシタンスの容量が小さく、ウェハに十分な電圧を印加することができない。
【００１８】
また、特開平４−２７９０４４号には、試料の周縁部におけるプラズマ中のイオンのエネルギーを制御するために周縁部に導電性部材を配設した静電チャックが提案されている。更に、特開平５−６７６７１号には、ウェハに正の電圧を印加するための電極が設けられた静電チャックが提案されている。しかし、これらの静電チャックにおいても、ウェハとチャック内部の導電体とによりブロッキングキャパシタンスを構成しており、上記の問題点を解消するものではない。
【００１９】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、高密度のプラズマを使用したプラズマ処理においても、ウェハに十分高い電圧を印加することができる半導体ウェハ処理装置及び半導体ウェハ処理方法を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題は、高密度プラズマを使用してウェハを処理する半導体ウェハ処理装置において、前記ウェハが載置される絶縁性基体と該基体の表面に設けられて前記ウェハに接触するバイアス電極と前記基体の表面下に埋め込まれた静電電極とにより構成された静電チャックと、前記バイアス電極に交流電圧を印加する交流電源と、この交流電源と前記バイアス電極との間に接続されたコンデンサと、前記静電電極に直流電圧を印加する直流電源とを有することを特徴とする半導体ウェハ処理装置により解決する。
【００２１】
また、上述した課題は、ウェハが搭載される絶縁性基体、該基体の表面に設けられてウェハに接触するバイアス電極及び前記基体の表面下に埋め込まれた静電電極により構成された静電チャックによりウェハを保持し、該ウェハに高密度プラズマを用いてプラズマ処理を施す半導体ウェハ処理方法であって、前記静電電極に直流電圧を印加して前記ウェハを静電吸着しつつ、前記バイアス電極にコンデンサを介して交流電圧を印加することを特徴とする半導体ウェハ処理方法により解決する。
【００２２】
更に、上記した課題は、ウェハが搭載される絶縁性基体、該基体の表面に設けられてウェハに接触するバイアス電極及び前記基体の表面下に埋め込まれた静電電極により構成された静電チャックによりウェハを保持し、該ウェハに高密度プラズマを用いてプラズマ処理を施す半導体ウェハ処理方法であって、前記バイアス電極を介して前記ウェハに特定の電位を印加し、前記静電電極に逆電位の直流電圧を印加して前記ウェハを前記静電チャックに吸着する工程と、前記バイアス電極にコンデンサを介して交流電圧を印加する工程とを有することを特徴とする半導体ウェハ処理方法により解決する。
【００２３】
本発明においては、静電チャックに、ウェハと直接接触するバイアス電極が設けられており、バイアス電源からコンデンサを介してこのバイアス電極に交流電圧（バイアス電圧）を印加する。この場合、前記コンデンサがブロッキングキャパシタンスとして作用する。従って、ブロッキングキャパシタンスの容量値を任意に設定することができる。
【００２４】
ブロッキングキャパシタンスとして要求される容量値はプラズマ処理の内容やプラズマ密度等により異なるが、一般的に、２００ｐＦ以上であることが必要である。また、例えば、高密度プラズマにより６インチウェハを処理することを考慮すると、前記コンデンサの容量値は３０００ｐＦ以上とすることが好ましい。なお、ブロッキングキャパシタンスの容量値が大きいほど、バイアス電源のマッチングは合わせやすい。
【００２５】
また、前記コンデンサとして可変容量型コンデンサ（バリアブルコンデンサ）を用いると、処理の内容に応じてブロッキングキャパシタンスの容量値を調整することができる。
ところで、前記コンデンサの容量値が大きいと、プラズマ処理を終了したときにコンデンサに蓄積されていた電荷がウェハに流れて、ウェハ上の作成途中の素子が破壊されるおそれがある。そこで、上述の如く可変容量型コンデンサを使用した場合は、プラズマ処理を終了する直前に容量値を徐々に小さくして蓄電量を低減した後、プラズマ電源をオフにしてプラズマの生成を停止することが好ましい。また、前記コンデンサとして固定容量型コンデンサを使用する場合は、コンデンサとバイアス電極との間にスイッチを設け、プラズマ処理を終了する直前に前記スイッチをオフにし、その後プラズマ電源をオフにしてプラズマの生成を停止することが好ましい。これにより、コンデンサに蓄積された電荷による素子の破壊を確実に防止することができる。
【００２６】
本発明においては、バイアス電極を介してウェハに直接バイアス電圧を印加するので、ウェハとバイアス電極とが確実に接触していることが必要である。従って、バイアス電極の材料として弾力性を有する導電性ゴムを使用したり、バイアス電極をウェハに付勢するばね等の付勢部材を設けることにより、バイアス電極とウェハとの密着性を高めることが好ましい。
【００２７】
また、２つの静電電極を設け、一方に正の電圧を印加し、他方に負の電圧を印加する場合は、ウェハの電圧と各静電電極との電位差を同じとすることにより、チャック全面に亘って均一な吸着力でウェハを吸着することができる。例えば、ウェハが−５００Ｖにバイアスされている場合に、一方の静電電圧に＋５００Ｖを印加し、他方の静電電極に−１５００Ｖを印加すると、ウェハと各静電電極との電位差がいずれも１０００Ｖとなり、ウェハをその全面に亘って均一な吸着力で静電チャックに吸着することができて、温度制御性を向上させることができる。このため、バイアス電圧検出手段によりウェハの電圧を検出し、その検出結果に基づいて前記２つの静電電極にそれぞれ印加する正の電圧及び負の電圧を調整することが好ましい。
【００２８】
また、単板式静電チャックの場合に、予めウェハを帯電させておけば、プラズマを発生する前であってもウェハを静電チャックに吸着させることができる。本発明において、ウェハを静電チャック上に載置した状態でバイアス電極とウェハとが接触しているので、前記バイアス電極を介してウェハに直流電圧を印加すればウェハが帯電し、プラズマ処理を開始する前であってもウェハを静電チャックに吸着させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す模式図、図２はその処理装置の静電チャックを示す平面図、図３は静電チャック及び電源の接続を示す模式図である。
【００３０】
チャンバ１は、処理すべきウェハ６を収納する処理室１ａと、この処理室１ａの上方に配設されて処理室１ａに連通したプラズマ発生室１ｂとにより構成されており、プラズマ発生室１ｂには対向電極２が配置されている。この対向電極２は、マッチング回路３を介して高周波（ＲＦ）電源４に接続されている。
ウェハ６は、処理室１ａ内に配置された静電チャック５上に載置される。この静電チャック５は、セラミックス又は樹脂等の絶縁材料により形成された円板状の基体５ａと、この基体５ａの中央部に配設された導電材料からなる円形のバイアス電極５ｂと、基体５の表面下に埋め込まれた２つの扇状の静電電極５ｃとにより構成されている。静電電極５ｃは、図２に示すように、バイアス電極５の周囲を取り囲むように配置されている。
【００３１】
なお、バイアス電極５ｂは、例えば弾力性を有する導電性樹脂（ゴム）により形成することにより、静電吸着したウェハ６とバイアス電極５ｂとの密着性を良好なものとすることができる。また、バイアス電極５ｂが金属からなる場合は、例えば図４に示すように、基体５ａ内にスプリング５ｄを設け、このスプリング５ｄによりバイアス電極５ｂをウェハ６に付勢するようにしてもよい。
【００３２】
静電チャック５のバイアス電極５ｂには可変容量型コンデンサ１０、マッチング回路１１及び交流電源（バイアス電源）１２がこの順で接続されている。また、２つの静電電極５ｃのうちの一方は直流電源７の正極に接続され、他方は直流電源８の負極に接続されている。
以下に、上述の如く構成された本実施の形態に係る半導体ウェハ処理装置を用いてウェハの表面をエッチングする方法について説明する。
【００３３】
まず、ウェハ６を静電チャック５上に載置する。その後、電源７から一方の静電電極５ｃに正の電圧（例えば、＋５００Ｖ）を印加するとともに、電源８から他方の他方の静電電極５ｃに負の電圧（例えば、−１５００Ｖ）を印加する。これにより、ウェハ６が静電チャック５に電気的に吸着される。
次に、真空ポンプ（図示せず）によりチャンバ１内を排気する。その後、チャンバ１内にＡｒ（アルゴン）等のガスを供給する。そして、交流電源１２からバイアス電極５ｂに周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの交流電力を供給するとともに、高周波電源４から対向電極２にマッチング回路３を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する。これにより、チャンバ１内のガスがプラズマ化し、プラズマ中のイオンがウェハ６に到達してウェハ６の表面が垂直方向にエッチングされる。
【００３４】
この場合、図５に示すように、バイアス電極６の電位（すなわち、ウェハの電位）を測定する電圧計１３を設けて、一方の静電電極５ｃとウェハ６との電位差と、他方の静電電極５ｃとウェハ６との電位差とが等しくなるように、交流電源７，８の電圧を調整することが好ましい。これにより、ウェハをその全面に亘って均一な吸着力で静電チャックに吸着することができて、ウェハ表面の温度を均一にすることができる。なお、この場合のバイアス電極６の電位とは、図１６に示すように、交流波形の中心電圧（バイアス電圧）をいう。
【００３５】
次いで、エッチングを終了する直前に、コンデンサ１０の容量値を徐々に小さくして最小の容量値までにした後、高周波電源４及び交流電源１２をオフにする。これにより、コンデンサ１０に蓄積されていた電荷がウェハ６に流れて作成途中の素子が破壊されてしまうことを確実に防止できる。
本実施の形態の半導体ウェハ処理装置においては、バイアス電極５ｂがウェハ６に接触しているので、コンデンサ１０がブロッキングキャパシタンスとして作用する。すなわち、本実施の形態においては、ブロッキングキャパシタンスの容量値をコンデンサ１０により最適な値に決定することができる。従って、高密度プラズマを使用したプラズマ処理においては、ブロッキングキャパシタンスのインピーダンスを大きくして、ウェハ６に高い電圧を印加することができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２の実施の形態に係る半導体ウェハ処理装置を示す模式図である。図６において、図１と同一物には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
本実施の形態においては、静電チャック５のバイアス電極５ｂとマッチング回路１１との間にスイッチ９及び容量固定型コンデンサ１０ａが接続されている。この実施の形態の半導体ウェハ処理装置においては、プラズマ処理を実施する際に、スイッチ９ａをオン状態にする。そして、第１の実施の形態と同様にチャンバ１内にプラズマを発生させて、ウェハの異方性エッチング等の処理を実施した後、バイアス電源１２及び高周波電源４をオフにする直前に、スイッチ９ａをオフにする。
【００３７】
本実施の形態においても、プラズマ処理を終了する直前にスイッチ９ａをオフにするので、コンデンサ１０ａに蓄積された電荷がウェハ６に流れて作成途中の素子を破壊することを防止できる。なお、次のプラズマ処理を開始する前に、コンデンサ１０ａに充電された電荷を接地に逃がすことが好ましい。
（第３の実施の形態）
図７は本発明の第３の実施の形態に係る半導体ウェハ処理装置を示す模式図、図８は同じくその静電チャックを示す平面図である。なお、本実施の形態は、単板式静電チャックを有する半導体ウェハ処理装置に適用した例である。また、図７において、図１と同一物には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３８】
静電チャック５は、絶縁材料により形成された円板状の基体５ａと、この基体５ａの中央部に配設された導電材料からなるバイアス電極５ｂと、基体５ａに埋め込まれたリング状の静電電極５ｅとにより構成されている。この静電電極５ｅは、図８に示すように、バイアス電極５ｂに対し同心円状に配置されている。
バイアス電極５ｂは可変容量型コンデンサ１０及びマッチング回路１１を介して交流電源１２に接続されている。また、このバイアス電極５ｂは、スイッチ１５を介して直流電源１６の負極に接続されている。
【００３９】
この半導体ウェハ処理装置によりウェハ６をプラズマ処理する場合は、まず、ウェハ６を静電チャック５上に載置した後、スイッチ１５をオンにすることにより、バイアス電極５ｂを介してウェハ６を負に帯電させる。そして、直流電源７により静電電極５ｃを正の電圧を印加する。これにより、ウェハ６が静電チャック５に電気的に吸着される。その後、スイッチ１５をオフにする。この場合に、スイッチ１５をオフにしても、ウェハ６は十分負に帯電しているので、ウェハ６は静電チャック５に電気的に吸着された状態を維持する。
【００４０】
その後、第１の実施の形態と同様に、真空ポンプ（図示せず）によりチャンバ１内を排気した後、チャンバ１内にＡｒ等のガスを供給する。そして、交流電源１２からバイアス電極５ｂに高周波電力を供給するとともに、高周波電源４から対向電極２にマッチング回路３を介して例えば周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する。これにより、チャンバ１内のガスがプラズマ化し、プラズマ中のイオンがウェハ６に到達してウェハ６の表面がエッチングされる。
【００４１】
本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができるのに加えて、プラズマ処理を開始する前にバイアス電極５ｂを介してウェハ６を負に帯電するので、単板式の静電チャックでもプラズマ処理を開始する前にウェハを静電チャックに吸着できるという利点がある。
以下、本発明に係る半導体ウェハ処理装置を用いて、最適な処理条件を得るべく種々の条件でプラズマ処理を実施した結果について説明する。
【００４２】
（実施例１）
まず、ブロッキングキャパシタンスの容量値とウェハに印加されるバイアス電圧との関係について調べた。すなわち、図１の半導体ウェハ処理装置を使用して、可変容量型コンデンサ１０の容量値を調整するか、又は可変容量型コンデンサに替えて固定容量型コンデンサを使用し、ブロッキングキャパシタンスＣｂの容量値を２００ｐＦ、６００ｐＦ、１５００ｐＦ、３０００ｐＦ又は２００ｎＦとした。そして、ウェハをプラズマ処理した。このとき、コンデンサ１０とマッチング回路１１との接続点（以下、Ａ点という）と、バイアス電極５ｂとコンデンサ１０との接続点（以下、Ｂ点という）との電圧（ｐ−ｐ電圧）を測定し、両者の比（Ｂ／Ａ）を求めた。なお、高周波電源の周波数は１３．５６ＭＨｚ、チャンバ内に導入したガスはＡｒ（アルゴン）で圧力は４mTorr である。また、バイアス電源の周波数は１００ｋＨｚ、投入電力はＡ点の電圧が振幅値（ｐ−ｐ値）で１０００Ｖになるように調整した。また、比較のために、図１８に示す従来のプラズマ処理装置（従来例）についても、Ａ点（マッチング回路４５と静電電極２３ｂとの接続点）及びＢ点（ウェハ２６の表面）における電圧の比を求めた。
【００４３】
図９は横軸にプラズマ発生電力をとり、縦軸にＡ点における電圧振幅とＢ点における電圧振幅との比をとって、ブロックキャパシタンスが２００ｐＦ〜２００ｎＦのときのプラズマ発生電力と電圧振幅比との関係を示す図である。この図９から明らかなように、従来の装置や、ブロッキングキャパシタンスＣｂが１５００ｐＦ以下のときは、プラズマ発生電力の増加に伴ってＢ点の電圧／Ａ点の電圧との比が小さくなる。すなわち、従来のプラズマ発生装置やブロッキングキャパシタンスＣｂが１５００ｐＦ以下のプラズマ発生装置では、バイアス電源により高い電圧が供給されているにもかかわらず、ウェハには低い電圧しか印加されない。プラズマ発生電力を大きくすると、これに比例してプラズマ密度は上昇する。つまり、プラズマ発生電力が大きいほど、ウェハには電圧が印加されにくくなる。
【００４４】
一方、ウェハに３０００ｐＦ以上のコンデンサを介してバイアス電圧を印加すると、ブロッキングキャパシタンスＣｂでの電圧降下は少なくなり、ウェハに十分な電圧を印加することができる。
このことから、特にプラズマ発生電力が大きい場合は、コンデンサの値を３０００ｐＦ以上とすることが好ましいことがわかる。
【００４５】
（実施例２）
次に、プラズマ処理の終了方法による素子破壊のおそれの有無について調べた。すなわち、図１〜図３に示す装置を使用してウェハをプラズマ処理した。このときの高周波電源の電源周波数は１３．５６ＭＨｚ、投入電力は２ｋＷ、チャンバ内のガスはＡｒ、圧力は４mTorr 、処理時間は１０分間、バイアス電源の周波数は１００ｋＨｚである。また、可変容量型コンデンサ１０の容量値は２００ｎＦに調整した。
【００４６】
そして、プラズマ処理を終了する直前に、可変容量型コンデンサ１０の値を最小にしてからプラズマをオフにした場合（実施例）と、２００ｎＦのままでプラズマをオフにした場合（比較例）とで素子破壊のおそれの有無を調べた。すなわち、プラズマ処理後、ウェハはリフトピンといわれる棒で静電チャックの下から突き上げてチャックから離脱させる。この静電チャックからウェハを離脱するときにコンデンサ１０の容量値を最小にしてからプラズマをオフにした場合は、何ら異常は認められなかった。しかし、コンデンサ１０の容量値を２００ｐＦのままでプラズマをオフにした場合は、ウェハを静電チャックから離脱する際に放電（火花、スパーク状）が発生した。これは、プラズマ処理中にコンデンサに電荷が蓄積され、ウェハを静電チャックから離脱するときに放電が発生したものである。このような放電によりウェハに大電流が流れて作成中のデバイスが破壊されるおそれがある。
【００４７】
比較例では、ウェハを離脱する際に、セルフバイアス電圧が５００Ｖであるとすると、コンデンサ１０には、
５００（Ｖ）×２００（ｐＦ）＝１×１０-4（Ｃ）
の電荷が蓄積される。この電荷量は放電を発生するのに十分な電荷量である。
このことから、プラズマ処理を終了する際には、可変容量型コンデンサの容量値を小さくしたり、又はスイッチによりコンデンサとバイアス電極との間を電気的に遮断した後、プラズマ電源をオフにすることが好ましいことがわかる。
【００４８】
（実施例３）
次に、双極式静電チャックを用いたプラズマ処理装置において、各静電電極に印加する直流電圧とウェハ表面の温度分布との関係を調べた。すなわち、図１〜図３に示す装置及び図１８に示す装置を使用して、次の実験を行った。
周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電源４を用いてプラズマを発生させた。このときの投入電力は２ｋＷ、ガスはＡｒ、圧力は４mTorr 、プラズマ処理時間は１分間である。また、バイアス電源１２の周波数は１００ｋＨｚであり、セルフバイアス電圧は−５００Ｖである。また、コンデンサ１０の容量値は２００ｐＦに調整した。
【００４９】
そして、２つの静電電極に電圧を印加する２つの直流電源Ａ，Ｂの電圧を下記表１に示す値にしてウェハをプラズマ処理し、プラズマ処理直後のウェハ表面における温度分布をサーモグラフィを用いて調べた。
【００５０】
【表１】
0003847363.tif 000002
【００５１】
これらの実施例、従来例及び比較例について、温度分布を測定した結果を図１０（ａ）〜（ｄ）に示す。但し、図１０（ａ）は従来例１の温度分布、図１０（ｂ）は従来例２の温度分布、図１０（ｃ）は実施例の温度分布、図１０（ｄ）は比較例の温度分布を示す。
これらの図から明らかなように、従来例１，２は殆ど差がない。これらは、静電吸着の原理に起因する。すなわち、静電吸着力は、距離が同じならば２つの導体（半導体）間の電位差によって強さが決定される。この場合に、ウェハには−５００Ｖのセルフバイアス電圧が印加されている。従来例１の場合、直流電源Ａが接続されている電極とウェハとの間の電位差は１５００Ｖ、直流電源Ｂが接続されている電極とウェハとの間の電位差は５００Ｖである。つまり、ウェハ面内に吸着力の分布がある。吸着力に分布があると、ウェハの冷却性能にむらができて、比較的大きな温度のばらつきが発生する。
【００５２】
一方、実施例の場合は、直流電源Ａが接続されている電極とウェハとの間の電位差は１０００Ｖ、直流電源Ｂが接続されている電極とウェハとの間の電位差は１０００Ｖで、両者の電位差は同じである。これにより、ウェハ面内に吸着力のむらがなく、均一な温度分布を得ることができる。更に、比較例は直流電源Ａが接続されている電極とウェハとの電位差は０Ｖ、直流電源Ｂが接続されている電極とウェハとの電位差は２０００Ｖであり、吸着力が著しく異なる。このため、この比較例では、温度のばらつきが比較的大きい。
【００５３】
このことから、ウェハのバイアス電圧を測定し、その測定結果に基づいて、一方の静電電極とウェハとの電位差と、他方の静電電極とウェハとの電位差とを等しくすることが好ましいことがわかる。
（実施例４）
次に、静電チャックの構造と温度分布との関係を調べた。すなわち、実施例として図２に示す静電チャックと、比較例として図１１に示す静電チャックとを用いてウェハ処理したときの温度分布をサーモグラフィを用いて測定した。
【００５４】
図１１に示すように、比較例の静電チャック１７は、基体１７ａの中央部に埋め込まれた２つの半円状の静電電極１７ｃと、これらの静電電極１７ｃを取り囲むリング状のバイアス電極１７ｂとを有している。そして、図１２に示すように、バイアス電極１７ｂには交流電源１２からマッチング回路１１及びコンデンサ１０を介して交流電圧が印加され、一方の静電電極１７ｃには直流電源７から正の電圧が印加され、他方の静電電極１７ｃには直流電源８から負の電圧が印加される。
【００５５】
これらの実施例及び比較例の静電チャックを用いて、ウェハにプラズマ処理を施した。高周波電源の周波数は１３．５６ＭＨｚ、投入電力は２ｋＷ、ガスはＡｒ、圧力は４mtorr 、プラズマ処理時間は１分間である。また、ウェハのバイアス電圧の周波数は１００ｋＨｚ、セルフバイアスはー５００Ｖ、ブロッキングキャパシタンスＣｂの容量は２００ｎＦである。２つの静電電極にはそれぞれ＋５００Ｖ及び−１５００Ｖの電圧を印加した。そして、プラズマ処理直後の温度分布をサーモグラフィにより調べた。
【００５６】
図１３にその結果を示す。但し、図１３（ａ）は図２に示す静電チャック（実施例）を用いたときの温度分布、図１３（ｂ）は図１１に示す静電チャック（比較例）を用いたときの温度分布を示す。この図１３から明らかなように、図２の静電チャックでは均一な温度分布が得られたが、図９の静電チャックでは温度分布が均一ではなく、周縁部が温度が高くなっている。これは、バイアス電極上の部分には吸着力が働かないため、ウェハ周縁部の温度が上昇しやすくなるためである。このことから、静電チャックは図２に示すように、中央部にバイアス電極が配置され、このバイアス電極と取り囲むように静電電極が配置されていることが好ましいことがわかる。
【００５７】
なお、本発明は、プラズマエッチング処理以外にも、プラズマを用いた成膜処理等に適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ウェハに接触するバイアス電極が設けられた静電チャックを使用し、交流電源からコンデンサを介して前記バイアス電極に交流電圧を印加するので、ブロッキングキャパシタンスのインピーダンスを任意に設定することができる。これにより、高密度プラズマを使用した半導体ウェハ処理工程において、ウェハに高い電圧を印加することができて、プラズマエッチングの際のエッチングレートが大きくなり、より垂直に異方性エッチングが可能になる。
【００５９】
また、前記バイアス電極が静電チャックの中央部に配設され、この静電チャックの周囲に静電電極を配置した静電チャックを使用することにより、プラズマ処理時のウェハ表面の温度分布を均一にすることができる。これにより、均一な特性の素子を形成できるという効果を奏する。
更に、前記コンデンサとして可変容量型コンデンサを使用し、プラズマ処理終了直前に前記コンデンサの容量値を小さくした後、プラズマ電源をオフにすることにより、コンデンサに蓄積された電荷による素子の破壊を防止することができる。また、前記コンデンサと前記バイアス電圧との間にスイッチを設け、プラズマ処理を終了する直前に前記スイッチをオフにし、その後プラズマ電源をオフにしても、上記の場合と同様に、素子の破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体ウェハ処理装置の静電チャックを示す平面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る半導体ウェハ処理装置の静電チャック及び電源の接続を示す模式図である。
【図４】静電チャックの他の例を示す模式図である。
【図５】ウェハの電位を測定する電圧計の接続を示す模式図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る半導体ウェハ処理装置を示す模式図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る半導体ウェハ処理装置を示す模式図である。
【図８】第３の実施の形態に係る半導体ウェハ処理装置の静電チャックを示す平面図である。
【図９】プラズマ発生電力と電圧振幅比との関係を示す図である。
【図１０】プラズマ処理後のウェハ表面の温度分布を示す図である。
【図１１】比較例の静電チャックを示す平面図である。
【図１２】比較例の静電チャックの接続を示す模式図である。
【図１３】プラズマ処理後のウェハ表面の温度分布を示す図である。
【図１４】（ａ）は従来の単板式静電チャックを示す模式的断面図、（ｂ）は従来の双極式静電チャックを示す模式的断面図である。
【図１５】双極式静電チャックを備えた従来の平行平板型プラズマ発生装置を示す模式図である。
【図１６】（ａ）は高周波電極における電圧波形を示す波形図、（ｂ）はウェハにおける電圧波形を示す波形図である。
【図１７】図１５に示すプラズマ発生装置の等価回路図である。
【図１８】従来の誘導結合プラズマ発生装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１，４１  チャンバ
２，３２，４２  対向電極
３，１１，３３，４３，４５  マッチング回路
４，１６，３１，４４  高周波電源
５，１７  静電チャック
５ａ，１７ａ，２１ａ，２３ａ  基体
５ｂ，１７ｂ  バイアス電極
５ｃ，５ｅ，１７ｃ，２１ｂ，２３ｂ  静電電極
６，２６  ウェハ
７，８，２２，２４，２５  直流電源
１０，１０ａ  コンデンサ
１２，３４，４６  交流電源
１５  スイッチ
【図１】
0003847363.tif 000003
【図２】
0003847363.tif 000004
【図３】
0003847363.tif 000005
【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】
0003847363.tif 000010
【図９】
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【図１０】
0003847363.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0003847363.tif 000016
【図１５】
0003847363.tif 000017
【図１６】
0003847363.tif 000018
【図１７】
0003847363.tif 000019
【図１８】
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