JPH0794480A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 導電性の下地基板上に絶縁性の被膜が形成さ
れた被処理基板Ｓの裏面及び外周部を外周リング１５等
によりプラズマから保護しつつ、被処理基板Ｓをプラズ
マ処理するプラズマ処理方法。 【効果】 下地基板にプラズマから荷電粒子が流入する
のを防止することができ、被処理基板の下地基板と表面
との間のチャージアップ分布の発生を抑制することがで
き、その結果、被処理基板の絶縁破壊等のチャージアッ
プダメージを低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理方法及びプ
ラズマ処理装置に関し、より詳細には、半導体素子製造
工程におけるプラズマ処理方法、及び前記プラズマ処理
等に用いられるプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】減圧又は低ガス圧下にある真空容器にマ
イクロ波を導入することによりガス放電を起こしてプラ
ズマを発生させ、該プラズマを基板表面に導いてエッチ
ングやレジスト除去等の処理を施す、又はＣＶＤ等によ
る薄膜形成を行うためのプラズマ処理装置は高集積半導
体素子等の製造において欠くことのできないものとなっ
ている。

【０００３】また、一層効率良くプラズマを発生させ、
又はプラズマを一定領域に封じ込めるために磁界を作用
させる有磁場マイクロ波プラズマ処理装置や電子サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cycrotron Resonanc
e）励起によりプラズマを発生させる装置は、低ガス圧
力領域で活性度の高いプラズマを発生させることができ
るという利点を有しており、将来的にも有望視されてい
る。

【０００４】上記した種々のプラズマ処理装置において
は、半導体基板等に、発生したプラズマ中のイオン、ラ
ジカル、電子等の作用を利用した種々の処理（以下、プ
ラズマ処理と記す）を施しているが、導電性の下地基板
上に絶縁性の被膜が形成されている半導体基板等にプラ
ズマ処理を施すと、基板表面と下地基板との間に電位差
（電圧）が発生し、これにより半導体基板等の性能を劣
化させるという問題があった。

【０００５】上記した半導体基板内に局部的に電圧が発
生する（チャージアップ分布）ことによる半導体基板の
劣化は、基板近傍においてプラズマ中のイオン又は電子
の分布が不均一になり、これら不均一な状態のイオン又
は電子が基板表面に付着するためであると考えられてき
た。

【０００６】前記した半導体のチャージアップ分布によ
る劣化を防止するために種々の提案がなされており、例
えば特開平５−２９２６９号公報においては、基板支持
台上に載置された被処理半導体基板の外周を囲むように
導電性リングが載置されたマグネトロンプラズマ処理装
置が開示されている。この発明においては、前記装置に
前記導電性リングが装備されたことにより、プラズマ生
成領域の外周部付近の電子を取り込み、被処理基板の外
周部の一部で電子密度が高くなるのを防止し、チャージ
アップ分布を低減させることができるという効果が得ら
れることが記載されている。

【０００７】また特開平３−２２４２２号公報において
は、半導体ウエハを保持するウエハ押えのプラズマにさ
らされる部分が絶縁膜、プラズマにさらされない内部が
導電材により構成されたプラズマエッチング装置が記載
されている。この発明においては、前記装置に前記構成
のウエハ押えが装備されたことにより、ウエハ押えを通
じて半導体ウエハの表面に存在するチャージを放電する
ことができるという効果が得られることが記載されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一方本発明者らは、上
記したようなプラズマ処理を施す装置において、実際に
半導体基板にエッチング等の処理を施す際に、どのよう
なメカニズムによりチャージアップが発生するかについ
て検討を行い、以下に説明するような知見を得た。

【０００９】図６は被処理基板にプラズマを照射するこ
とによりエッチング処理を施した際、前記被処理基板に
チャージアップ分布が発生する様子を模式的に示した概
念図である。

【００１０】図６に示しているように、被処理基板４０
を構成する下地基板４１の上には絶縁層４２が形成さ
れ、この絶縁層４２の上に積層された電極等の導電層４
３にエッチング処理が施され、所定のパターンが形成さ
れている。導電層４３の上には、エッチングにより所定
パターンの導電層４３を形成するため、レジスト層４５
が形成されている。

【００１１】上記したように被処理基板４０に導電層４
３を形成するため、プラズマ処理装置内に載置された被
処理基板４０にプラズマ４４を照射してエッチング等の
プラズマ処理を施すと、プラズマ処理を施している間
に、被処理基板４０のプラズマ４４に接している導電層
４３にはプラズマ４４中から荷電粒子が流入して帯電す
る。図６においては、導電層４３にイオンが流入して正
（＋）に帯電しているが、通常はプラズマ４４の状態や
被処理基板４０の状態により帯電状態（＋、−）やその
大きさも異なる。

【００１２】この導電層４３の帯電状態に対応して、又
はその他プラズマ４４の状態等を反映して下地基板４１
にもプラズマ４４から荷電粒子が流れ込み、導電層４３
と下地基板４１との間に電位差が生じる。

【００１３】このように被処理基板４０の周囲に発生し
たプラズマ４４から、被処理基板４０の表面部分である
導電層４３及び絶縁層４２の下地部分となる下地基板４
１の両方に荷電粒子が流れ込み、両者の間に電位差（電
圧）が生じることにより、プラズマ照射中又は照射後に
被処理基板４０に絶縁破壊が生じたり、被処理基板４０
の耐電圧が低下することになる。

【００１４】被処理基板４０にプラズマ４４を照射する
と、実際には上記したようなメカニズムにより被処理基
板４０にチャージアップ分布が生じると考えられるが、
特開平５−２９２６９号公報において開示されたマグネ
トロンプラズマ処理装置や、特開平３−２２４２２号公
報において開示されたプラズマエッチング装置において
は、被処理基板４０の表面に流れ込むプラズマ４４中の
荷電粒子量を制御することのみが試みられてきており、
被処理基板４０の下地となる導電性の下地基板４１に流
れ込む荷電粒子については殆ど考慮が払われていなかっ
た。

【００１５】そのため、前記した従来のプラズマ処理装
置においては、この導電性の下地基板４１の周囲に空間
が存在し、この空間からプラズマ４４中の荷電粒子が下
地基板４１に流れ込み、被処理基板４０にチャージアッ
プ分布が発生し、被処理基板４０の劣化（チャージアッ
プダメージ）等が生じるという課題があった。

【００１６】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであり、プラズマ照射により被処理基板に生ずるチ
ャージアップダメージを低減することができるプラズマ
処理方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的と
している。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプラズマ処理方法は、導電性の下地基板
上に絶縁性の被膜が形成された被処理基板の裏面及び外
周部をプラズマから保護しつつ、前記被処理基板をプラ
ズマ処理することを特徴としている（１）。

【００１８】また本発明に係るプラズマ処理装置は、被
処理基板にプラズマにより処理が施されるプラズマ処理
装置において、前記被処理基板の裏面に密接する試料保
持台と前記被処理基板の外周部に密接する外周リングと
を備えていることを特徴としている（２）。

【００１９】さらに本発明に係るプラズマ処理装置は、
被処理基板にプラズマにより処理が施されるプラズマ処
理装置において、試料保持台に前記被処理基板とほぼ同
一形状の凹部が形成されていることを特徴としている
（３）。

【００２０】本発明に係るプラズマ処理方法において
は、プラズマ処理を施す際に前記被処理基板の裏面及び
外周部をプラズマから保護するが、保護の方法は特に限
定されず、例えば上記（２）又は上記（３）記載のプラ
ズマ処理装置のように、前記被処理基板の裏面に密接す
る前記試料保持台と前記被処理基板の外周部に密接する
外周リングを備えたプラズマ処理装置を用いてもよく、
前記試料保持台に前記被処理基板とほぼ同一形状の凹部
が形成されているプラズマ処理装置を用いてもよい。ま
た、例えば絶縁性の樹脂等で被処理基板の外周部及び裏
面部分を被覆すること等により保護してもよく、さら
に、例えば前記被処理基板の形状とほぼ同一の形状の凹
部が形成された保護ケースに被処理基板を載置した後、
これを試料保持台にセットしてプラズマ処理を施しても
よい。

【００２１】次に、上記（２）記載のプラズマ処理装置
において用いられる外周リングは、例えばプラズマ処理
を施す際に用いるガス種、プラズマ密度、あるいはプラ
ズマ処理の種類、例えばＣＶＤ、エッチング、アッシン
グ等、それぞれの条件において変化しないような安定な
材質を適宜選択することにより、プラズマ処理を安定し
て施すことができる。前記被処理半導体基板の表面に入
射するイオンのエネルギーを高めるために前記試料保持
台に設けた電極に高周波電圧を印加することがあるが、
外周リングを絶縁体にする事で該外周リングへの高周波
電圧の印加は防止され、高エネルギーイオンのスパッタ
リングによる外周リングからの不純物放出は防止され
る。またエッチング等の様に表面での化学反応が重要な
場合、外周リングの材質をその化学反応を考慮したもの
にすることで、エッチング等の処理を安定して施すこと
ができる。

【００２２】上記した種々の点を考慮すると、外周リン
グの材質は絶縁性を有するものか、又は被処理基板と同
じ材質のものが好ましく、具体的には、例えばアルミ
ナ、ジルコニア等の酸化物セラミックス、ＡｌＮ、Ｓｉ
₃ Ｎ₄ 等の非酸化物セラミックス、フッ素樹脂、シリコ
ーン樹脂、ポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂、Ｓｉ等の基
板材料等が挙げられる。そして、実際にはプラズマ処理
装置の目的や処理条件を考慮して、前記物質の中から適
切な材料を選定すればよい。

【００２３】また、前記被処理基板の裏面に密接する試
料保持台に関しては、試料の裏面と同様の形状の表面を
有する試料保持台が好ましい。被処理基板の裏面は、通
常平坦であるので、試料保持台の表面も平坦であればよ
いが、密着性を増すために静電チャックやその他の手段
を備えた試料保持台がより好ましい。

【００２４】（３）記載のプラズマ処理装置においても
同様に、プラズマ処理装置の試料保持台が被処理基板と
密着するように構成されたものが好ましい。

【００２５】

【作用】本発明に係るプラズマ処理方法によれば、導電
性の下地基板上に絶縁性の被膜が形成された被処理基板
の裏面及び外周部をプラズマから保護しつつ、前記被処
理基板にプラズマ処理を施すので、下地基板にプラズマ
から荷電粒子が流入できなくなり、被処理基板の下地基
板と表面との間のチャージアップ分布が発生しにくくな
り、被処理基板の絶縁破壊等のチャージアップダメージ
が低減される。

【００２６】また本発明に係るプラズマ処理装置によれ
ば、被処理基板にプラズマにより処理が施されるプラズ
マ処理装置において、前記被処理基板の裏面に密接する
試料保持台と前記被処理基板の外周部に密接する外周リ
ングとを備えているので、下地基板にプラズマから荷電
粒子が流入できなくなり、被処理基板の下地基板と表面
との間のチャージアップ分布が発生しにくくなり、被処
理基板の絶縁破壊等のチャージアップダメージが低減さ
れる。

【００２７】さらに本発明に係るプラズマ処理装置によ
れば、被処理基板にプラズマにより処理が施されるプラ
ズマ処理装置において、試料保持台に前記被処理基板と
ほぼ同一形状の凹部が形成されているので、（２）記載
のプラズマ処理装置と同様に、下地基板にプラズマから
荷電粒子が流入できなくなり、被処理基板の下地基板と
表面との間のチャージアップ分布が発生しにくくなり、
被処理基板の絶縁破壊等のチャージアップダメージが低
減される。

【００２８】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るプラズマ処理
装置を用いたプラズマ処理方法の実施例を図面に基づい
て説明する。なお、比較例として従来のプラズマ処理装
置を用いたプラズマ処理方法についても説明する。

【００２９】図１は実施例に係るプラズマ処理装置を模
式的に示した断面図であり、図中１１はプラズマ生成室
を示している。プラズマ生成室１１周壁は２重構造に構
成されており、その内部には冷却水の流通室１１ａが形
成され、また上部壁中央には石英ガラス板１１ｂにより
封止されたマイクロ波導入口１１ｃが形成され、さらに
下部壁中央にはマイクロ波導入口１１ｃと対向する位置
にプラズマ引き出し窓１１ｄが形成されている。マイク
ロ波導入口１１ｃには他端が図示しないマイクロ波発振
器に接続された導波管１２の一端が接続され、またプラ
ズマ引き出し窓１１ｄに臨ませて試料室１３が配設され
ている。さらにプラズマ生成室１１及びこれに接続され
た導波管１２の一端部にわたってこれらを囲繞する態様
でこれらと同心状に励磁コイル１４が配設されている。

【００３０】一方試料室１３内にはプラズマ引き出し窓
１１ｄと対向する位置に試料保持台１７が配設され、試
料保持台１７上にはウエハ等の被処理基板Ｓが図示しな
い静電チャックにより着脱可能に載置され、被処理基板
Ｓはその外周に密着して配設された外周リング１５によ
り固定されている。この外周リング１５及び被処理基板
Ｓが載置された試料保持台１７の構造は図２において、
詳しく説明する。さらに試料室１３の下部壁には、図示
しない排気装置に接続される排気口１３ａが形成されて
いる。

【００３１】なお、図中、１１ｇはプラズマ生成室１１
に連なる反応ガス供給系を示しており、１３ｇは試料室
１３に連なる反応ガス導入口を示しており、１１ｈ、１
１ｉは冷却水の供給系、排出系を示している。

【００３２】図２は、図１に示したプラズマ処理装置に
おいて、被処理基板Ｓが載置された試料保持台１７及び
被処理基板Ｓを保護する外周リング１５を模式的に示し
た断面図である。

【００３３】図２に示しているように、基台２０の上に
試料台２１が載置されており、この試料台２１には被処
理基板温度制御用の冷却水を循環させるための流路２２
が形成されている。この流路２２には導入管２３及び導
出管２４が接続されており、冷却液が導入管２３から流
路２２を通って導出管２４から排出されるように構成さ
れている。試料台２１の上方には静電チャック２５が載
置されており、この静電チャック２５の上部に被処理基
板Ｓが載せられるようになっている。静電チャック２５
は、例えばセラミックス等から構成された絶縁体２６内
部に電極層２７が埋設された格好で形成されており、こ
の電極層２７には電極棒２８が接続されている。この静
電チャック２５の電極層２７には、被処理基板Ｓを載置
する際に静電的な吸着力を発生させるために直流電圧が
印加され、またプラズマが照射される際には、高周波が
印加される。

【００３４】また、この試料保持台１７の上には、アル
ミナ製の外周リング１５が配設されている。この外周リ
ング１５は、二つに分割され、それぞれの一端部が図示
しないピンにより開閉できる状態で固定されており、被
処理基板Ｓを載置する際や取り出す際には開くことがで
きるようになっている。従って、被処理基板Ｓを静電チ
ャックに２５載置する際には、外周リング１５を開き、
被処理基板Ｓを静電チャック２５に載置した後、外周リ
ング２５を閉じる。外周リング１５の固定されていない
他端は、外周リング１５を閉じた後、お互いが磁石等で
簡単に接続、固定できる構造となっている。そして、こ
の外周リング１５を閉じることにより、外周リング１５
が被処理基板１９の外周部に接するような構造となって
いるので、プラズマ処理中には被処理基板Ｓの外周部、
及び表面外周部にプラズマが照射されるのを防止するこ
とができる。

【００３５】また、パーティクル等の発生を考慮して、
外周リング１５を被処理基板１９の上方からかぶせるよ
うな構成等にしても構わない。

【００３６】このように構成されたプラズマ処理装置に
あっては、プラズマ生成室１１及び試料室１３内を所定
の真空度に設定した後、プラズマ生成室１１内に反応ガ
ス供給系１１ｇを通じて所要のガス圧力が得られるよう
にガスを供給し、励磁コイル１４により磁界を形成しつ
つマイクロ波導入口１１ｃを通じてプラズマ生成室１１
内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、プラズマ生
成室１１を空洞共振器としてガスを共鳴励起し、プラズ
マを生成させる。生成したプラズマは励磁コイル１４に
より形成される試料室１３側に向かうに従い磁束密度が
低下する発散磁界によって試料室１３内の被処理基板Ｓ
周辺に投射され、試料室１３内の被処理基板Ｓ表面をプ
ラズマ処理するようになっている。

【００３７】上記した実施例に係るプラズマ処理装置を
用いて、被処理基板Ｓのチャージアップダメージを評価
するため、ＭＯＳキャパシタが形成された被処理基板Ｓ
上にアルゴンプラズマを照射し、ＭＯＳキャパシタの耐
電圧を調べた。プラズマ生成条件は、マイクロ波電力が
１．２ｋＷ、導入したアルゴンガスの圧力が０．６Ｔｏ
ｒｒであり、試料保持台には４００ｋＨｚの高周波電圧
を３００Ｗの電力で印加した。また、被処理基板Ｓを吸
着させるために、静電チャック内の電極２０に４００Ｖ
の直流電圧を印加した。

【００３８】図３は、上記条件のプラズマ処理を施した
際のＭＯＳキャパシタが形成された被処理基板Ｓの耐電
圧分布を示した平面図であり、図３に示されている数字
は、被処理基板Ｓ上に形成されたＭＯＳキャパシタの耐
電圧を示しており、各数字はその一つ一つがＭＯＳキャ
パシタの各素子の耐電圧に対応している。

【００３９】なお比較例として、図２に示した外周リン
グ１５を用いず、被処理基板を直接試料保持台に載置す
る従来のプラズマ処理装置を用いた場合についても、実
施例の場合と同様の実験を行った。結果を実施例と同様
に図４に示す。

【００４０】図４からわかるように比較例に係るプラズ
マ処理装置により被処理基板Ｓにプラズマ処理を施した
場合には、被処理基板Ｓの中央部及び周辺部分では絶縁
破壊が認められた。

【００４１】一方実施例に係るプラズマ処理装置を用い
た場合には、被処理基板Ｓ上のＭＯＳキャパシタ素子に
耐電圧の劣化は認められなかった。

【００４２】このように上記実施例に係るプラズマ処理
装置を用いて、被処理基板Ｓにプラズマ処理を施した場
合、下地基板にプラズマから荷電粒子が流入するのを防
止することができ、被処理基板の下地基板と表面との間
のチャージアップ分布の発生を抑制することができ、そ
の結果、被処理基板の絶縁破壊等のチャージアップダメ
ージを低減することができる。

【００４３】次に、多結晶Ｓｉからなる外周リング１５
が備えられた別の実施例に係るプラズマ処理装置を用
い、１μｍの酸化膜が形成されたＳｉ基板にエッチング
処理を施した。エッチング処理を行う際は、エッチング
ガスとして、Ｃ₄ Ｈ₈ ：２５ｓｃｃｍ、Ｏ₂ ：１３ｓｃ
ｃｍを供給し、圧力が１ｍＴｏｒｒ、マイクロ波電力が
１．３ｋＷ、試料保持台１７に印加した高周波が４００
ｋＨｚ、エッチング時間が３分の条件でエッチング処理
を施した。

【００４４】その結果、エッチング処理を安定して施す
ことができ、得られた被処理基板Ｓもチャージアップに
よる耐電圧の劣化は認められなかった。

【００４５】次に、試料保持台に被処理基板とほぼ同一
形状の凹部が形成されたプラズマ処理装置の実施例につ
いて説明する。

【００４６】図５は静電チャックに凹部が形成された試
料保持台を模式的に示した断面図である。この実施例に
係るプラズマ処理装置では、静電チャック３２に凹部３
１が形成された試料保持台３０が用いられている他は、
図１に示したプラズマ処理装置と同様に構成されてい
る。また、試料保持台３０の構成も静電チャック３２に
凹部３１が形成されている他は、図２に示した試料保持
台１７の構成と同様である。従って、ここでは静電チャ
ック３２に形成された凹部３１に関連することのみを以
下に簡単に説明する。

【００４７】静電チャック３２に形成された凹部３１の
形状は、ほぼ被処理基板Ｓの形状とほぼ同じであり、こ
の凹部３１の中に被処理基板Ｓを載置することができ
る。被処理基板Ｓを取り出す際には、図示しない離脱用
ノックピンを使用する。

【００４８】このように図５に示した形状の凹部３１が
形成された静電チャック３２に被処理基板Ｓを載置して
プラズマ処理を施すと、下地基板にプラズマから荷電粒
子が流入するのを防止することができ、被処理基板Ｓの
下地基板と表面との間のチャージアップ分布の発生を抑
制することができ、その結果、被処理基板Ｓの絶縁破壊
等のチャージアップダメージを低減することができる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るプラズ
マ処理方法にあっては、導電性の下地基板上に絶縁性の
被膜が形成された被処理基板の裏面及び外周部をプラズ
マから保護しつつ、前記被処理基板をプラズマ処理する
ので、下地基板にプラズマから荷電粒子が流入するのを
防止することができ、被処理基板の下地基板と表面との
間のチャージアップ分布の発生を抑制することができ、
その結果、被処理基板の絶縁破壊等のチャージアップダ
メージを低減することができる。

【００５０】また上記（２）記載のプラズマ処理装置に
よれば、被処理基板にプラズマにより処理が施されるプ
ラズマ処理装置において、前記被処理基板の裏面に密接
する試料保持台と前記被処理基板の外周部に密接する外
周リングとを備えているので、下地基板にプラズマから
荷電粒子が流入するのを防止することができ、被処理基
板の下地基板と表面との間のチャージアップ分布の発生
を抑制することができ、その結果、被処理基板の絶縁破
壊等のチャージアップダメージを低減することができ
る。

【００５１】さらに上記（３）記載のプラズマ処理装置
によれば、被処理基板にプラズマにより処理が施される
プラズマ処理装置において、試料保持台に前記被処理基
板とほぼ同一形状の凹部が形成されているので、（２）
記載のプラズマ処理装置と同様に、下地基板にプラズマ
から荷電粒子が流入するのを防止することができ、被処
理基板の下地基板と表面との間のチャージアップ分布の
発生を抑制することができ、その結果、被処理基板の絶
縁破壊等のチャージアップダメージを低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置を模式
的に示した断面図である。

【図２】図１に示した実施例に係るプラズマ処理装置に
おいて、被処理基板が載置される試料保持台を模式的に
示した断面図である。

【図３】実施例に係るプラズマ処理装置を用いてＭＯＳ
キャパシタが形成された被処理基板にプラズマ処理を施
した際の被処理基板の耐電圧分布を示した平面図であ
る。

【図４】比較例に係るプラズマ処理装置を用いてＭＯＳ
キャパシタが形成された被処理基板にプラズマ処理を施
した際の被処理基板の耐電圧分布を示した平面図であ
る。

【図５】別の実施例に係るプラズマ処理装置において、
被処理基板が載置される試料保持台を模式的に示した断
面図である。

【図６】従来のプラズマ処理装置において、被処理基板
にプラズマを照射することにより導電層のエッチング処
理を行った際、前記被処理基板にチャージアップ分布が
発生する様子を模式的に示した概念図である。

【符号の説明】

Ｓ 被処理基板 １５ 外周リング １７、３０ 試料保持台 ３１ 凹部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性の下地基板上に絶縁性の被膜が形
   成された被処理基板の裏面及び外周部をプラズマから保
   護しつつ、前記被処理基板をプラズマを用いて処理する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】 被処理基板にプラズマにより処理が施さ
   れるプラズマ処理装置において、前記被処理基板の裏面
   に密接する試料保持台と前記被処理基板の外周部に密接
   する外周リングとを備えていることを特徴とするプラズ
   マ処理装置。
3. 【請求項３】 被処理基板にプラズマにより処理が施さ
   れるプラズマ処理装置において、試料保持台に前記被処
   理基板とほぼ同一形状の凹部が形成されていることを特
   徴とするプラズマ処理装置。