JP4219628B2 - プラズマ処理装置および基板載置台 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置およびそれに用いられる基板載置台に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）にプラズマを用いてエッチング、ＣＶＤ成膜等の所定の処理を施すプラズマ処理装置が利用されている。このようなプラズマ処理装置においては、真空の処理容器内に設けられた載置台または下部電極上にウエハを載置し、処理容器内にプラズマを発生させ、このプラズマによってウエハ表面に所定のプラズマ処理を施すようにしている。
【０００３】
上記のプラズマ処理装置において、ウエハを載置する載置台またはその中に埋設された下部電極に高周波電力を印加することにより載置台または下部電極に負の自己バイアス電圧（ＶDC）を生じさせ、この自己バイアス電圧によりプラズマ中のイオンをウエハに引き込んでプラズマ処理を促進する技術が知られている。この場合、自己バイアス電圧はウエハに入射するイオンの角度、エネルギ等を大きく左右し、例えばプラズマエッチングを行う場合には、自己バイアス電圧が大きすぎるとウエハ表面がダメージを受ける等の不都合が生じ、小さすぎるとイオンの作用が不十分となる。したがって、プラズマ処理を適切に行うためには、プラズマ処理中の自己バイアス電圧を検出し、その大きさを調節することが望ましい。
【０００４】
このため、特開平８−３３５５６７号公報には、ウエハが載置される下部電極と、ウエハ周辺にこの下部電極と導通した測定電極とを有し、下部電極に高周波電力を給電する給電経路において自己バイアス電圧を測定する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高周波電力が印加される電極の表面を絶縁体で被覆した構造の載置台を用いる場合には、上記公報のように高周波電力が印加される電極の給電経路において自己バイアス電圧を測定することは困難であり、絶縁体に亀裂等が生じて電極がプラズマに露出した場合に初めて自己バイアス電圧が検出される。したがって、このような載置台を用いる場合、自己バイアス電圧は絶縁体に亀裂等が生じたことを示すインターロック的に使用されているに過ぎないのが現状である。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、表面が絶縁体で被覆された構造の載置台を用いつつ、プラズマ処理中にその中の高周波電極の自己バイアス電圧を測定することが可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。また、その表面が絶縁体で被覆され、かつ、プラズマ処理中にその中の高周波電極の自己バイアス電圧を測定することが可能な基板載置台を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記基板載置台に高周波電力を印加する高周波電源と、前記基板載置台に設けられ、前記高周波電源と接続された高周波電極と、前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極とを具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【０００８】
また、本発明の第２の観点では、被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記基板載置台に高周波電力を印加する高周波電源と、前記基板載置台に設けられ、前記高周波電源と接続された高周波電極と、前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極と、前記処理容器内に形成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路とを具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【０００９】
また、本発明の第３の観点では、被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内に誘導電磁界を形成するアンテナと、前記アンテナに高周波電力を供給する第１の高周波電源と、前記基板載置台に高周波電力を印加する第２の高周波電源と、前記基板載置台に設けられ、前記第２の高周波電源と接続された高周波電極と、前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極と、前記処理容器内に形成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路とを具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１０】
また、本発明の第４の観点では、被処理基板にプラズマ処理を施す際に被処理基板が載置される、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された基板載置台であって、高周波電力が印加される高周波電極と、前記高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極とを具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とする基板載置台を提供する。
【００１１】
また、本発明の第５の観点では、被処理基板にプラズマ処理を施す際に被処理基板が載置される、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された基板載置台であって、高周波電力が印加される高周波電極と、前記高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極と、被処理基板にプラズマ処理を施す際にプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路と
を具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とする基板載置台を提供する。
【００１２】
以上のような構成の本発明によれば、高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極を具備するので、表面部分が絶縁体の基板載置台上に載置された被処理基板にプラズマ処理を施す際に、プラズマと前記露出電極とを接触させることができ、高周波電極の自己バイアス電圧を測定することができる。具体的には、容器内に生成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流から高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路を具備することにより、プラズマから前記露出電極を介して流れる電流からプラズマの自己バイアス電圧を測定することができる。
【００１３】
本発明において、前記基板載置台に載置された被処理基板の上方位置と前記露出電極とを繋ぐ導体と、この導体を保護する保護カバーとを有する着脱自在の測定治具をさらに具備し、前記自己バイアス電圧測定回路が、前記処理容器内に形成されたプラズマから前記導体および前記露出電極を介して流れる電流に基づいて高周波電極の自己バイアス電圧を測定するものとすることにより、被処理基板の存在位置におけるプラズマから自己バイアス電圧を測定することができ、測定精度をより高くすることができるとともに、その計測値を基準となる自己バイアス電圧値とすることができる。
【００１４】
また、前記露出電極は、処理装置内に露出されていればよいが、プラズマの基板へのダメージ等を考慮して基板周辺に配置し、その表面が前記載置台の表面と面一またはそれよりも奥まった位置に設けられていることが好ましい。特に、前記露出電極の表面を前記載置台の表面よりも奥まった位置に設けた場合には、プラズマ処理中に前記露出電極にスパッタが集中することを防止することができるのでより好ましい。
【００１５】
さらに、前記露出電極は、Ｔｉ，ＳｉＣ，Ｗ，Ｃｏ，Ｃｕ，ＮｉおよびＴａのうちいずれか１種からなることが好ましい。例えば、次工程でＴｉ，Ｗ，Ｃｏ，Ｃｕ，ＮｉおよびＴａのいずれかを含む膜を成膜する場合には、それと同じ金属で前記露出電極を構成することにより、前記露出電極がスパッタされることにより被処理基板へ与える不純物汚染等の悪影響を低減することができる。また、ＳｉＣで前記露出電極を構成した場合にはＳｉがスパッタされるが、被処理基板がシリコンウエハの場合にはＳｉ上にスパッタされたＳｉが堆積することになるので重大な問題とはならない。
【００１６】
さらにまた、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板の外縁部よりも外側に設けられていることが好ましい。さらにまた、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることが好ましい。これにより、前記露出電極の存在によって被処理基板の処理が面内不均一となることを防止することができる。なお、前記露出電極は、前記載置台の被処理基板が載置される上面側に設けることが好ましいが、これに限らず載置台の側面または下面側等、高周波電極の自己バイアス電圧を測ることができる可能性があれば設ける位置は問わない。
【００１７】
さらにまた、前記載置台に設けられ、前記基板載置台に載置された被処理基板を加熱する、表面が絶縁体で被覆された発熱体をさらに具備することが好ましく、この場合には前記高周波電極および前記発熱体は、いずれも前記絶縁体部材に埋設された構成とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプリクリーニング装置を備えたメタル成膜システムを示す概略構成図である。このメタル成膜システム１は、中央に搬送室１０が配置され、その周囲に２つのカセットチャンバー１１，１２，脱ガス用チャンバー１３、Ｔｉ成膜装置１４、本実施形態に係るプリクリーニング装置１５、ＴｉＮ成膜装置１６、Ａｌ成膜装置１７および冷却チャンバー１８が設けられたマルチチャンバータイプである。
【００１９】
このようなメタル成膜システム１においては、コンタクトホールまたはビアホールが形成された半導体ウエハ（以下、単にウエハという。）Ｗにバリア層を形成し、その上からＡｌ（アルミニウム）をホール内に埋め込みＡｌ層を形成してＡｌ配線の形成を行う。具体的には、まず搬送アーム１９により、カセットチャンバー１１からウエハＷを一枚取り出し、プリクリーニング装置１５に装入してエッチングを行いウエハＷの表面に形成されている自然酸化膜を除去する。次に、搬送アーム１９によりウエハＷを脱ガス用チャンバー１３に装入してウエハＷの脱ガスを行う。その後、ウエハＷをＴｉ成膜装置１４に装入してＴｉ膜の成膜を行い、さらにＴｉＮ成膜装置１６に装入してＴｉＮの成膜を行ってバリア層を形成する。次いで、Ａｌ成膜装置１７でＡｌ層を形成する。ここまでで所定の成膜は終了し、その後ウエハＷは冷却チャンバー１８で冷却され、カセットチャンバー１２に収容される。
【００２０】
このようにして、例えば、層間絶縁膜にパターン形成して不純物拡散領域に貫通するコンタクトホールが形成されたウエハＷ上に、この不純物拡散領域および層間絶縁膜上に形成されたバリア層と、このバリア層上に形成され、不純物拡散領域と導通する金属層とを有するデバイスが製造される。
【００２１】
次に、上記メタル成膜システム１に搭載されている本発明の一実施形態に係るプリクリーニング装置１５について詳細に説明する。図２は、プリクリーニング装置１５を示す概略断面図である。図２に示すように、プリクリーニング装置１５は、上部の開口した有底円筒状のチャンバー２１と、チャンバー２１の上方に後述するガス供給部４５およびガスケット４６を介して連続的に設けられた有蓋円筒状のベルジャー２２とからなる処理容器２０を有している。
【００２２】
チャンバー２１内には、その上部で被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ（基板載置台）２３が、円筒状の支持部材３２に支持された状態で配置されている。このサセプタ２３は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスのような絶縁体からなるサセプタ本体（絶縁体部材）２７中に、バイアス電圧を印加する下部電極２５と、Ｗ，Ｍｏ等からなる発熱体２６とが埋設されて構成されており、サセプタ本体２７と発熱体２６とでセラミックヒーターを構成している。発熱体２６には直流の電源４１が接続されており、電源４１から給電することにより発熱体２６を加熱状態として、ウエハＷを所定の温度に加熱することができる。
【００２３】
サセプタ２３の上方には、サセプタ２３に載置されたウエハＷのエッジを覆うように、石英、ＡｌＮ等の誘電体からなる環状のシャドウリング３０が設けられている。このシャドウリング３０は、その下面に接続された支持柱３３を介して環状部材３４に連結されており、環状部材３４には棒状の接続部材３６を介して昇降機構３７が接続されている。この昇降機構３７によって接続部材３６を昇降させることにより、環状部材３４、支持柱３３およびシャドウリング３０を一体的に昇降させることが可能である。また、接続部材３６の周囲はベローズ３５により囲繞されており、接続部材３６の近傍から内部への大気の浸入が防止されている。このシャドウリング３０は、ウエハＷのエッジをマスクするとともに、ウエハＷ表面上に均一な密度のプラズマを形成するためのフォーカスリングとしての機能をも有している。このシャドウリング３０は、チャンバー２１内にウエハＷを搬入し、サセプタ２３を貫通して上下駆動するウエハ支持ピン（図示せず）上に受け渡す際には所定位置まで上昇され、前記ウエハ支持ピン上にウエハＷが受け渡された後にウエハＷをサセプタ２３上に載置する際には、前記ウエハ支持ピンとともに下降される。
【００２４】
チャンバー２１とベルジャー２２の間には、環状のガス供給部４５およびガスケット４６が設けられており、このガス供給部４５内側の全周にわたって形成されたガス吐出孔より、ガス供給機構６０から供給されるガスが処理容器２０内に供給される。ガス供給機構６０は、Ａｒガスを供給するＡｒガス供給源６１、および、Ｈ２ガスを供給するＨ２ガス供給源６２を有している。Ａｒガス供給源６１には、ガスライン６３が接続され、このガスライン６３上にマスフローコントローラ６７とその前後の開閉バルブ６５，６９とが設けられている。また、Ｈ２ガス供給源６２にはガスライン６４が接続され、このガスライン６４上にマスフローコントローラ６８とその前後の開閉バルブ６６，７０とが設けられている。これらガスライン６３，６４はガスライン７１に接続され、このガスライン７１がガス供給部４５と接続されている。
【００２５】
ベルジャー２２は、例えば石英やセラミックス材料等の電気絶縁材料で形成されており、その外側にはプラズマ発生手段としてのコイル４２が巻回されている。コイル４２には、例えば４５０ｋＨｚの周波数を有する高周波電源４４が整合器４３を介して接続され、この高周波電源４４から整合器４３を介してコイル４２に高周波電力を供給することにより、電気絶縁材料を介してベルジャー２２内に誘導電磁界が形成され、これにより上記ガス供給機構６０から供給されたガスのプラズマが生成するようになっている。
【００２６】
上記下部電極２５には、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波電源３９が整合器３８を介して接続されており、上記のようにプラズマを生成した状態で、この高周波電源３９から下部電極２５に高周波電力を供給することにより、下部電極２５に所定のバイアス電圧が生じ、これによりウエハＷにイオンが引き込まれるように構成されている。図３は、整合器３８の回路図である。この整合器３８は、下部電極２５および高周波電源３９の間に介在して下部電極２５を浮遊電位とするブロッキングコンデンサ８１と、このブロッキングコンデンサ８１の下部電極２５側の端子に一端が接続され、下部電極２５からの電流より直流成分を取り出すコイル８２と、このコイル８２の他端に接続された抵抗８３およびコンデンサ８４と、抵抗８３に接続された電圧計８５とを有している。コンデンサ８４の他端は接地されている。このような構成により、整合器３８は、高周波電源３９からの高周波電力をブロッキングコンデンサ８１を介して下部電極２５に供給するとともに、下部電極２５からの電流に含まれる直流電流の電圧を電圧計８５によって測定し、その測定結果が表示装置４０に出力されるようになっている。
【００２７】
チャンバー２１の底壁には、排気管５０が接続されており、この排気管５０には真空ポンプを含む排気装置５１が接続されている。この排気装置５１を作動させることにより、処理容器２０内は所定の真空度に維持可能になっている。
【００２８】
さらに、チャンバー２１の側壁は開口４７を有しており、チャンバー２１の外側の開口４７と対応する位置にはゲートバルブ４８が設けられ、このゲートバルブ４８を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）とチャンバー２１内との間で搬送されるようになっている。
【００２９】
次に、上記サセプタ２３およびその近傍の構造について詳細に説明する。図４は、上記サセプタ２３およびその近傍を拡大して示す断面図であり、図５は平面図である。これらに示すように、サセプタ本体２７の上面にはウエハＷと略同型に凹部２４が形成されており、この凹部２４にウエハＷが載置されるようになっている。この凹部２４の下方にメッシュ状に形成された円盤状の下部電極２５が埋設され、さらにこの下部電極２５の下方に発熱体２６が埋設されている。また、サセプタ本体２７表面の凹部２４周辺には、下部電極２５に達する孔部２８が、凹部２４と略同心円上に等間隔で４箇所に設けられており、これら４箇所の孔部２８にはそれぞれ例えばＴｉのような金属からなる露出電極２９が下部電極２５と導通するように配設されている（図４参照）。この露出電極２９は下部電極２５の自己バイアス電圧を測定するために設けられている。そして、プラズマからこの露出電極２９を介して整合器３８に至る自己バイアス電圧測定回路９０が形成されている。この自己バイアス電圧測定回路９０については後述する。
【００３０】
露出電極２９は、その上面がサセプタ本体２７の上面よりも低くなるように配置されている。このようにすることで露出電極２９がスパッタされることが抑制され、ウエハＷの汚染が防止される。なお、露出電極２９の上面がサセプタ本体２７の上面と面一であってもよい。また、孔部２８の径は特に限定されるものではないが、小さすぎると後述するようにして自己バイアス電圧を測定することが困難となり、大きすぎるとスパッタされ、ウエハＷが汚染されるので、０．１〜１０ｍｍ径とすることが好ましい。より好ましくは０．５〜５ｍｍである。露出電極２９の形状は典型的には円形であるが、円形に限らず、矩形、三角形、楕円形等であってもよい。また、露出電極２９の位置はサセプタ本体２７の上面に限らず、サセプタ本体２７の側面や下面であってもよいし、支持部材３２の側面であってもよい。
【００３１】
また、前記シャドウリング３０のサセプタ２３に形成された孔部２８と対応する位置には、上下に貫通する貫通孔３１が設けられており、この貫通孔３１を介して孔部２８内の露出電極２９が処理容器２０内のプラズマにさらされるようになっている。
【００３２】
なお、シャドウリング３０の位置決め精度が必ずしも高くない場合には、シャドウリング３０の貫通孔３１と露出電極２９の位置がずれて、正確に自己バイアス電圧を測定し得ないおそれがある。このようなことを回避するためには、図６に示すように、露出電極２９の代わりに、孔部２８の上部で孔部２８よりも広くなるような頂部を有する露出電極２９′を設け、シャドウリング３０の貫通孔３１の下に露出電極２９′よりも幅広の座繰り部３１ａを設けることが好ましい。これにより、シャドウリング３０の位置が多少ずれても貫通孔の下に必ず露出電極２９′が存在する状態とすることができ、シャドウリング３０の位置が多少ずれても、精度良く自己バイアス電圧を測定することができる。
【００３３】
次に、このように構成されるプリクリーニング装置１５によりウエハＷ上に形成された自然酸化膜をエッチング除去する際の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ４８を開にして、メタル成膜システム１の搬送室１０に設けられた搬送アーム１９によりチャンバー２１内にウエハＷを装入し、シャドウリング３０を上昇させた状態でサセプタ２３から突出させたウエハ支持ピン（図示せず）上にウエハＷを受け渡す。次いで、前記ウエハ支持ピンおよびシャドウリング３０を下降させ、ウエハＷをサセプタ２３上に載置し、シャドウリング３０でウエハＷの外周縁部をマスクする。その後、ゲートバルブ４８を閉にして、排気装置５１により処理容器２０内を排気して所定の減圧状態にし、この減圧状態でＡｒガス供給源６１およびＨ２ガス供給源６２から処理容器２０内に所定流量でＡｒガスおよびＨ２ガスを導入しつつ、高周波電源４４からコイル４２への高周波電力の供給を開始してベルジャー２２内に誘導電磁界を形成して上記ガスのプラズマを生成させるとともに、高周波電源３９からサセプタ２３の下部電極２５に高周波電力を供給し、その際に下部電極２５に印加される自己バイアス電圧に基づいてプラズマ中のイオンがウエハＷに引き込まれ、これによりウエハＷ上の自然酸化膜がエッチング除去される。このエッチングは、発熱体２６によりウエハＷを２００〜５００℃に加熱した状態で行う。
【００３４】
この際に、自己バイアス電圧はウエハに入射するイオンの角度、エネルギ等を大きく左右し、自己バイアス電圧が大きすぎるとウエハ表面がダメージを受ける等の不都合が生じ、小さすぎるとイオンの作用が不十分となる。このため、本実施形態では、プラズマから露出電極２９，２９′を介して流れる電流に基づいて自己バイアス電圧測定回路９０により下部電極２５の自己バイアス電圧を測定する。
【００３５】
図７は、プリクリーニング装置１５によってプラズマエッチングを行っている際のプラズマ、サセプタ２３、整合器３８、および高周波電源３９の等価回路を示す回路図であり、この回路が上記自己バイアス電圧測定回路９０を構成する。図７に示すようにこの等価回路は、プラズマインピーダンスＺｐを有するプラズマ１００と、プラズマ１００と直列に接続され、サセプタ２３とプラズマとの界面に形成されたプラズマシース１０１と、このプラズマシース１０１と直列に接続されたサセプタ２３と、前述した整合器３８および高周波電源３９から構成されている。このプラズマシース１０１は、シース部分の容量を示すコンデンサ１０２と、この界面で電流の流れが制限されることを示すダイオード１０３と、シース部分でイオンが受ける抵抗を示す抵抗１０４とが並列に接続された回路として示されている。また、サセプタ２３は、サセプタ本体２７をプラズマおよび下部電極２５で挟んで構成されるコンデンサ１０６と、露出電極２９を示す抵抗１０７とが並列に接続された回路として示されている。
【００３６】
以上のような構成において、プラズマシース１０１の抵抗１０４にはイオン電流Ｉionが流れ、サセプタ２３においては電流の高周波成分はコンデンサ１０６を介して流れるとともに、コンデンサ１０６と並列に接続された露出電極２９に対応する抵抗１０７には直流のイオン電流Ｉion-Expoが流れ、高周波成分と直流のイオン電流Ｉion-Expoとが混合した状態となる。このように高周波成分と直流のイオン電流Ｉion-Expoとが混合した電流は整合器３８に至り、そのコイル８２によって高周波成分がカットされて直流のイオン電流Ｉion-Expoが取り出され、電圧計８５において露出電極２９に生じた自己バイアス電圧ＶDCExpoが測定され、それが表示装置４０に表示される。
【００３７】
ここで、露出電極２９上面の面積の合計をＡ１とすると、Ｉion-Expo＝ｅｎＳｕＢＡ１と表すことができる（ただし、ｎＳはプラズマシース端部のイオン濃度、ｕＢはイオンのボーム速度）。同様に、下部電極２５の面積をＡ２として、下部電極２５を流れる電流をＩion-electrodeとすると、Ｉion-electrode＝ｅｎＳｕＢＡ２と表すことができる。すなわち、Ｉion-electrode＝（Ａ２／Ａ１）Ｉion-Expoである。一方、抵抗１０７の抵抗をｒとし、抵抗８３の抵抗値をＲとすると、露出電極２９に生じた自己バイアス電圧ＶDCExpoは、ＶDCExpo＝（ｒ＋Ｒ）Ｉion-Expoと表すことができ、ｒに対してＲを十分に大きな値とすればＶDCExpo≒ＲＩion-Expoと近似することができる。また、下部電極２５に生じる自己バイアス電圧ＶDCelectrodeは、同様にＶDCelectrode＝ＲＩion-electrodeと表すことができる。これらの関係から、ＶDCelectorode＝Ｒ×（Ａ２／Ａ１）ＶDCExpo／Ｒ＝（Ａ２／Ａ１）ＶDCExpoとなる。
【００３８】
以上のようにして、自己バイアス電圧測定回路９０により露出電極２９に生じた自己バイアス電圧ＶDCExpoが測定され、その値が表示装置４０に表示される。そして、表示されたＶDCExpoの値に係数（Ａ２／Ａ１）を乗じることにより、下部電極２５に生じた自己バイアス電圧ＶDCelectrodeをリアルタイムで求めることができる。もちろん、演算装置を介在させて自己バイアス電圧ＶDCelectrodeが直接表示されるようにしてもよい。
【００３９】
このように本実施形態によれば、露出電極２９を介して、プラズマを生成している際の下部電極２５の自己バイアス電圧を測定することができる。したがって、測定された自己バイアス電圧が適正な値となるように高周波電源３９の出力を設定することにより、ウエハＷにダメージを与えることなく、プラズマを用いたプリクリーニングを適切に行うことができ、ＣｏＳｉ２膜、ＷＳｉ膜、Ｗ膜、Ｃｕ膜等の金属膜または金属シリサイド膜上の自然酸化膜を適切に除去することができる。
【００４０】
この場合に、このようなプラズマを用いたプリクリーニングを行っている際に、リアルタイムで下部電極２５の自己バイアス電圧を把握し、その値が適正な値となるように高周波電源３９の出力を制御するようにすることもできるし、また、予めダミーウエハを用いてプリクリーニングの際の高周波電源の出力と下部電極の自己バイアス電圧との関係、および下部電極の自己バイアス電圧とエッチングレート等のエッチング性との関係を求めておき、この関係から、適正なエッチングを行うことができる適正な自己バイアス電圧を求め、そのような適正な自己バイアス電圧になるように高周波電源３９の出力を設定して実際のプリクリーニング処理を行うようにしてもよい。このようにしてプリクリーニングすることにより、ＣｏＳｉ２膜、ＷＳｉ膜、Ｗ膜、Ｃｕ膜等の金属膜または金属シリサイド膜上の自然酸化膜を適切に除去することができる。さらに、上述のように下部電極の自己バイアス電極を測定してその値が適切な範囲から外れた場合に、その際のウエハＷを不良品としてピックアップすることもできる。
【００４１】
このようにしてプラズマによりプリクリーニングを行った後、排気装置５１の排気量ならびにＡｒガス供給源６１およびＨ２ガス供給源６２からのガス供給量を調節して処理容器２０内を搬送室１０と同等の真空度にするとともに、前記支持ピンをサセプタ２３から突出させてウエハＷを持ち上げ、ゲートバルブ４８を開にして搬送アーム１９をチャンバー２１内に進入させてウエハＷを取り出すことにより、プリクリーニング装置１５における工程は終了する。
【００４２】
このように本実施形態においては、プラズマ密度と自己バイアス電圧とを独立にコントロールすることができ、かつプラズマ密度を高くしつつ低バイアス電圧とすることが可能な誘導結合型プラズマを用いたプリクリーニング装置によって、下部電極の自己バイアス電圧を測定してイオン引き込みを適正に制御しつつウエハＷのプリクリーニングを行うので、ウエハＷにダメージを与えることなく高効率で自然酸化膜の除去を行うことができる。
【００４３】
次に、本実施形態のプリクリーニング装置１５を用いて上述のプロセスによりプリクリーニングを行う際に自己バイアス電圧を測定した結果を示す。
図８は、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００３Ｌ／ｍｉｎ（３ｓｃｃｍ）のプロセス条件で、高周波電源４４の出力（図８にはＩＣＰパワーと示す。以下の図９も同様。）を５０Ｗ、１００Ｗ、２５０Ｗ、５００Ｗ、７５０Ｗ、１０００Ｗとし、それぞれの出力において高周波電源３９の出力を５０〜５００Ｗと変化させた場合における、高周波電源３９の出力（図８にはバイアスパワーと示す。以下の図９も同様。）と測定された自己バイアス電圧（図８にはＶDCと示す。以下の図９以降も同様。）との関係を示すグラフである。
【００４４】
図９は、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００８Ｌ／ｍｉｎ（８ｓｃｃｍ）、Ｈ２ガス０．０１２Ｌ／ｍｉｎ（１２ｓｃｃｍ）のプロセス条件で、同様に種々の高周波電源４４の出力において、高周波電源３９の出力を変化させた場合における、高周波電源３９の出力と測定された自己バイアス電圧との関係を示すグラフである。
【００４５】
図８および図９に示すように、それぞれの高周波電源４４の出力において、高周波電源３９の出力と自己バイアス電圧との関係は直線状であり、その傾きは高周波電源４４の出力によって異なっている。
【００４６】
また、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００３Ｌ／ｍｉｎ（３ｓｃｃｍ）、高周波電源４４の出力５００Ｗのプロセス条件で、高周波電源３９の出力と自己バイアス電圧との関係を３回繰り返して調査した。その結果、３回の調査はいずれも図８に示した場合と同様の結果を示し、本実施形態において測定される自己バイアス電圧は再現性および信頼性に優れることが確認された。
【００４７】
次に、本実施形態において測定される自己バイアス電圧とエッチング速度およびエッチング均一性との関係を調査した結果を示す。
図１０は、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００３Ｌ／ｍｉｎ（３ｓｃｃｍ）、高周波電源４４の出力：５００Ｗ、処理時間：３０秒のプロセス条件で、高周波電源３９の出力を変化させて種々の自己バイアス電圧でプリクリーニングを２回行った場合における、自己バイアス電圧とエッチング速度との関係を示すグラフである。図１０より、自己バイアス電圧とエッチング速度とは比例しており、自己バイアス電圧の値を制御することによって、エッチング速度をコントロールすることができることがわかる。
【００４８】
また、この場合における初回と２回目とのそれぞれのプリクリーニングについて、エッチング量の最大値ｍａｘ、最小値ｍｉｎおよび平均値Ａｖｅを求め、｛（ｍａｘ−ｍｉｎ）／（２×Ａｖｅ）｝×１００（％）により算出された値でエッチング均一性を評価した。図１１は、横軸に自己バイアス電圧をとり、縦軸にエッチング均一性の評価値をとって両者の関係を示したグラフである。図１１より、自己バイアス電圧を高くすることにより優れたエッチング均一性が実現されることがわかる。さらに、それぞれの自己バイアス電圧における初回と２回目とのエッチング均一性の評価値の再現性をみると、自己バイアス電圧０Ｖで評価値に差がみられるが、自己バイアス電圧２０Ｖ以上では高い再現性で優れたエッチング均一性が得られている。したがって、自己バイアス電圧を２０Ｖ以上とすることにより、均一なエッチングが実現される。より好ましい自己バイアス電圧は５０Ｖ以上である。
【００４９】
以上のように、プリクリーニングのエッチング速度およびエッチング均一性は、自己バイアス電圧と密接な関係を有しており、したがって、自己バイアス電圧を測定し、その値を所望の値に制御することにより、プリクリーニングのエッチング速度およびエッチング均一性を所望にコントロールすることが可能であることが確認された。
【００５０】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
本実施形態は、従前の実施形態の装置と同様の露出電極を設けたプリクリーニング装置に測定治具を取り付けてウエハ表面上の自己バイアス電圧を測定可能としたものである。図１２は、図６に示す形態のサセプタ部分に本実施形態の測定治具を取り付けた状態を示す断面図であり、図１３は本実施形態に用いた測定治具を示す斜視図である。なお、本実施形態に係るプリクリーニング装置の他の部分は従前の実施形態と同じである。
【００５１】
図１２に示すように、測定治具１１０は、ウエハＷの周縁部とシャドウリング３０の貫通孔３１部分とに跨るように配置される。この測定治具１１０は着脱自在であり、自己バイアス電圧を測定する際に取り付けられ、実際のエッチングの際には取り外される。この測定治具１１０は、ウエハＷの表面と露出電極２９′を繋ぐ電極１１１と、この電極１１１を収容し保護するケーシング１１２とを有している。電極１１１は、ケーシング１１２に嵌め込まれた状態で固定されている。
【００５２】
電極１１１は屈曲した棒状をなし、ケーシング１１２の下方に露出し水平状態でウエハＷの表面上に位置されるウエハ接触部１１１ａと、シャドウリング３０の上方から貫通孔３１を介して露出電極２９′に至る露出電極接触部１１１ｂと、その間の中間部１１１ｃとを有している。中間部１１１ｃは、シャドウリング３０を逃げるように屈曲している。電極１１１の材質としてはＴｉが例示されるが、これに限るものではない。
【００５３】
ケーシング１１２は電極１１１を覆うように形成されており、図１３に示すように、ケーシング１１２内部に電極１１１を嵌め込んだ状態で電極１１１に沿って垂直に２分割された分割部を溶接または溶着し、電極１１１の露出部以外を遮蔽する構造となっている。これにより、より高い測定精度を得ることができる。このケーシング１１２は、電極１１１のウエハ接触部１１１ａに対応するウエハ側部１１２ａと、シャドウリング３０上に置かれるシャドウリング側部１１２ｂとを有している。ケーシング１１２はプラズマに耐性を有する材料、例えば石英で形成されている。
【００５４】
このような測定治具１１０を用いることにより、実際に自己バイアス電圧を求めたい位置であるウエハＷの存在位置のプラズマから電極１１１および露出電極１２９′を介して自己バイアス電圧を測定することができ、測定精度をより高くすることができるとともに、ウエハ近傍の電極により求めた自己バイアス電圧値の基準となる自己バイアス電圧値を得ることができる。この際には、上述の図７を参照して説明した手法に準じて下部電極の自己バイアス電圧を把握することができる。
【００５５】
次に、このような測定治具を用いた場合と測定治具を用いずに露出電極のみの場合とを比較した実験結果について説明する。
ここでは、上記実施形態のようにＡｌＮ製のサセプタ本体の上にウエハを載置し、シャドウリングを用いた場合と、図１４に示すようにシャドウリングを用いずに、ＡｌＮ製のサセプタ本体の上およびウエハの周囲に石英マスクを用いた場合について実験を行った。
【００５６】
図１５は、処理容器内２０の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、誘導結合プラズマ生成用の高周波電源４４の出力：５００Ｗとした時の、高周波電源３９のバイアスパワーと測定された自己バイアス電圧との関係を示す図である。この図に示すように、これらの関係はいずれも直線に近似されることが確認された。また、ＡｌＮ製サセプタ本体上に直接ウエハを載せてシャドウマスクを用いた場合には、測定治具を用いた場合も用いない場合もほぼ同様の関係を示した。ただし、石英マスクを用いた場合には、同じバイアスパワーでも自己バイアス電圧の絶対値が小さくなることが確認された。
【００５７】
図１６は、石英マスクを用いた場合において、横軸に測定治具を用いずに露出電極を用いた場合の自己バイアス電圧（露出電極ＶDC）をとり、縦軸に測定治具を用いてウエハ存在位置で測定した自己バイアス電圧（測定治具ＶDC）をとってこれらの関係を示す図である。この図に示すようにこれらの間には直線関係があることがわかる。したがって、常にモニタすることができる露出電極を用いた自己バイアス電圧値から、ウエハ存在位置での自己バイアス電圧を求めることができる。
【００５８】
図１７は、ＡｌＮ製サセプタ本体上に直接ウエハを載せてシャドウリングを用いた場合と石英マスクを用いた場合とにおいて、それぞれ測定治具を用いた場合と用いない場合とでの測定された自己バイアス電圧とエッチング速度との関係を示す図である。ここでは、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００３Ｌ／ｍｉｎ（３ｓｃｃｍ）、誘導結合プラズマ生成用の高周波電源４４のパワーを５００Ｗとし、高周波電源３９のバイアスパワーを変化させることによって自己バイアス電圧を変化させた。この図に示すように、ＡｌＮ製サセプタ本体上に直接ウエハを載せてシャドウマスクを用いた場合には、測定治具を用いた場合も用いなかった場合も、ほぼ同様の関係を示した。また、測定治具を用いてウエハ存在位置で自己バイアス電圧を測定した場合には、石英マスクを用いた場合も用いなかった場合も、ほぼ同様の関係を示した。これに対して測定治具を用いなかった場合には、石英マスクを用いた場合と用いなかった場合とで、結果が異なっていた。つまり、ウエハの存在位置で自己バイアス電圧を測定した場合には、その値とエッチングレートとの関係は、ウエハの下地にかかわらないが、測定治具を用いない場合には、ウエハの下地によってその関係が変化した。
【００５９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、サセプタ本体２７をＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスで構成し、シャドウリング３０を石英、ＡｌＮ等で構成した場合について示したが、サセプタ本体２７を石英、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等で構成してもよいし、シャドウリング３０をＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等で構成してもよい。ただし、これらの部材にＡｌを含む材料を用いた場合にはＡｌがスパッタされ、ＳｉＣやＳｉ３Ｎ４を用いた場合にはＳｉがスパッタされるため、石英を用いることが好ましい。また、上記実施形態では、メタル成膜システム１においてプリクリーニング後にＴｉ成膜装置１４でＴｉ成膜を行うため、プラズマによりスパッタされる露出電極２９をＴｉで構成したが、プリクリーニング後の成膜プロセスに応じて露出電極２９はＷ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔａ、ＳｉＣのいずれで構成してもよい。さらに、本発明におけるサセプタ２３は上記構成に限らず、例えば電極の上面のみを絶縁体で被覆した構造であってもよい。さらにまた、上記実施形態では露出電極２９を下部電極２５とは別個に設けた場合について示したが、露出電極を別個に設けずに、サセプタ本体２７の孔部２８の底部において下部電極２５を露出させ、この下部電極２５の露出した部分を露出電極として用いてもよい。
【００６０】
さらにまた、希ガスとしてＡｒを用いた場合について示したが、これに限られるものではなく、Ｎｅ、Ｈｅを用いてもよい。測定治具についても上記形態に限るものではない。
【００６１】
さらにまた、上記実施形態では本発明をメタル成膜システム１に搭載されたプリクリーニング装置１５に適用した場合を示したが、通常のプラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ成膜装置、プラズマアッシング装置等に適用することも可能であり、プラズマの種類も上記のような誘導結合型プラズマに限られず、容量結合型プラズマであってもよい。さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について説明したが、これに限らず液晶表示装置用ガラス基板等、他の基板であってもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極を具備するので、表面部分が絶縁体の基板載置台上に載置された被処理基板にプラズマ処理を施す際に、プラズマと前記露出電極とを接触させることができ、高周波電極の自己バイアス電圧を測定することができる。具体的には、容器内に生成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流からプラズマの自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路を具備することにより、プラズマから前記露出電極を介して流れる電流から高周波電極の自己バイアス電圧を測定することができる。したがって、基板載置台がその表面を絶縁体で被覆された構造でありながら、自己バイアス電圧を測定しつつプラズマ処理を行うことの可能なプラズマ処理装置およびそれに用いられる基板載置台が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法が適用されるプリクリーニング装置を備えたメタル成膜システムを示す概略構成図。
【図２】図１に示したプリクリーニング装置の概略断面図。
【図３】図２に示した整合器を構成する回路の一例を示す回路図。
【図４】図２におけるサセプタおよびその近傍を示す断面図。
【図５】図２におけるサセプタおよびその近傍を示す平面図。
【図６】露出電極およびシャドウリングの変形例を説明するためのサセプタおよびその近傍を示す拡大断面図。
【図７】図２に示したプリクリーニング装置でプリクリーニングを行っている状態の等価回路を示す回路図。
【図８】下部電極に印加される高周波電源の出力と測定された自己バイアス電圧との関係を示すグラフ。
【図９】別のプロセス条件とした場合における、下部電極に印加される高周波電源の出力と測定された自己バイアス電圧との関係を示すグラフ。
【図１０】自己バイアス電圧とエッチング速度との関係を示すグラフ。
【図１１】自己バイアス電圧とエッチング均一性との関係を示すグラフ。
【図１２】図６に示す形態のサセプタ部分に測定治具を取り付けた状態を示す断面図。
【図１３】図１２の測定治具を示す斜視図。
【図１４】シャドウリングの代わりに石英マスクを用いた状態を示す断面図。
【図１５】測定治具を用いた場合と用いない場合とにおいて、下部電極に印加されるバイアスパワーと自己バイアス電圧との関係を示すグラフ。
【図１６】測定治具を用いずに露出電極を用いて測定した自己バイアス電圧と、測定治具を用いてウエハ存在位置で測定した自己バイアス電圧との関係を示すグラフ。
【図１７】測定治具を用いた場合と用いない場合とにおける自己バイアス電圧とエッチング速度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１；メタル成膜システム
１５；プリクリーニング装置
２０；処理容器
２１；チャンバー
２２；ベルジャー
２３；サセプタ
３８；整合器
２４；凹部
２５；下部電極
２６；発熱体
２７；サセプタ本体
２８；孔部
２９，２９′；露出電極
３０；シャドウリング
３１；貫通孔
３８；整合器
３９；イオン引き込み用の高周波電源
４０；表示装置
４１；電源
４２；コイル
４３；整合器
４４；誘導結合プラズマ生成用の高周波電源
１１０；測定治具
１１１；電極
１１２；ケーシング
Ｗ；ウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置およびそれに用いられる基板載置台に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）にプラズマを用いてエッチング、ＣＶＤ成膜等の所定の処理を施すプラズマ処理装置が利用されている。このようなプラズマ処理装置においては、真空の処理容器内に設けられた載置台または下部電極上にウエハを載置し、処理容器内にプラズマを発生させ、このプラズマによってウエハ表面に所定のプラズマ処理を施すようにしている。
【０００３】
上記のプラズマ処理装置において、ウエハを載置する載置台またはその中に埋設された下部電極に高周波電力を印加することにより載置台または下部電極に負の自己バイアス電圧（ＶDC）を生じさせ、この自己バイアス電圧によりプラズマ中のイオンをウエハに引き込んでプラズマ処理を促進する技術が知られている。この場合、自己バイアス電圧はウエハに入射するイオンの角度、エネルギ等を大きく左右し、例えばプラズマエッチングを行う場合には、自己バイアス電圧が大きすぎるとウエハ表面がダメージを受ける等の不都合が生じ、小さすぎるとイオンの作用が不十分となる。したがって、プラズマ処理を適切に行うためには、プラズマ処理中の自己バイアス電圧を検出し、その大きさを調節することが望ましい。
【０００４】
このため、特開平８−３３５５６７号公報には、ウエハが載置される下部電極と、ウエハ周辺にこの下部電極と導通した測定電極とを有し、下部電極に高周波電力を給電する給電経路において自己バイアス電圧を測定する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高周波電力が印加される電極の表面を絶縁体で被覆した構造の載置台を用いる場合には、上記公報のように高周波電力が印加される電極の給電経路において自己バイアス電圧を測定することは困難であり、絶縁体に亀裂等が生じて電極がプラズマに露出した場合に初めて自己バイアス電圧が検出される。したがって、このような載置台を用いる場合、自己バイアス電圧は絶縁体に亀裂等が生じたことを示すインターロック的に使用されているに過ぎないのが現状である。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、表面が絶縁体で被覆された構造の載置台を用いつつ、プラズマ処理中にその中の高周波電極の自己バイアス電圧を測定することが可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。また、その表面が絶縁体で被覆され、かつ、プラズマ処理中にその中の高周波電極の自己バイアス電圧を測定することが可能な基板載置台を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記基板載置台に高周波電力を印加する高周波電源と、前記基板載置台に設けられ、前記高周波電源と接続された高周波電極と、前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極とを具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【０００８】
また、本発明の第２の観点では、被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記基板載置台に高周波電力を印加する高周波電源と、前記基板載置台に設けられ、前記高周波電源と接続された高周波電極と、前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極と、前記処理容器内に形成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路とを具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【０００９】
また、本発明の第３の観点では、被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内に誘導電磁界を形成するアンテナと、前記アンテナに高周波電力を供給する第１の高周波電源と、前記基板載置台に高周波電力を印加する第２の高周波電源と、前記基板載置台に設けられ、前記第２の高周波電源と接続された高周波電極と、前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極と、前記処理容器内に形成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路とを具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１０】
また、本発明の第４の観点では、被処理基板にプラズマ処理を施す際に被処理基板が載置される、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された基板載置台であって、高周波電力が印加される高周波電極と、前記高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極とを具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とする基板載置台を提供する。
【００１１】
また、本発明の第５の観点では、被処理基板にプラズマ処理を施す際に被処理基板が載置される、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された基板載置台であって、高周波電力が印加される高周波電極と、前記高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極と、被処理基板にプラズマ処理を施す際にプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路と
を具備し、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とする基板載置台を提供する。
【００１２】
以上のような構成の本発明によれば、高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極を具備するので、表面部分が絶縁体の基板載置台上に載置された被処理基板にプラズマ処理を施す際に、プラズマと前記露出電極とを接触させることができ、高周波電極の自己バイアス電圧を測定することができる。具体的には、容器内に生成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流から高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路を具備することにより、プラズマから前記露出電極を介して流れる電流からプラズマの自己バイアス電圧を測定することができる。
【００１３】
本発明において、前記基板載置台に載置された被処理基板の上方位置と前記露出電極とを繋ぐ導体と、この導体を保護する保護カバーとを有する着脱自在の測定治具をさらに具備し、前記自己バイアス電圧測定回路が、前記処理容器内に形成されたプラズマから前記導体および前記露出電極を介して流れる電流に基づいて高周波電極の自己バイアス電圧を測定するものとすることにより、被処理基板の存在位置におけるプラズマから自己バイアス電圧を測定することができ、測定精度をより高くすることができるとともに、その計測値を基準となる自己バイアス電圧値とすることができる。
【００１４】
また、前記露出電極は、処理装置内に露出されていればよいが、プラズマの基板へのダメージ等を考慮して基板周辺に配置し、その表面が前記載置台の表面と面一またはそれよりも奥まった位置に設けられていることが好ましい。特に、前記露出電極の表面を前記載置台の表面よりも奥まった位置に設けた場合には、プラズマ処理中に前記露出電極にスパッタが集中することを防止することができるのでより好ましい。
【００１５】
さらに、前記露出電極は、Ｔｉ，ＳｉＣ，Ｗ，Ｃｏ，Ｃｕ，ＮｉおよびＴａのうちいずれか１種からなることが好ましい。例えば、次工程でＴｉ，Ｗ，Ｃｏ，Ｃｕ，ＮｉおよびＴａのいずれかを含む膜を成膜する場合には、それと同じ金属で前記露出電極を構成することにより、前記露出電極がスパッタされることにより被処理基板へ与える不純物汚染等の悪影響を低減することができる。また、ＳｉＣで前記露出電極を構成した場合にはＳｉがスパッタされるが、被処理基板がシリコンウエハの場合にはＳｉ上にスパッタされたＳｉが堆積することになるので重大な問題とはならない。
【００１６】
さらにまた、前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板の外縁部よりも外側に設けられていることが好ましい。さらにまた、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることが好ましい。これにより、前記露出電極の存在によって被処理基板の処理が面内不均一となることを防止することができる。なお、前記露出電極は、前記載置台の被処理基板が載置される上面側に設けることが好ましいが、これに限らず載置台の側面または下面側等、高周波電極の自己バイアス電圧を測ることができる可能性があれば設ける位置は問わない。
【００１７】
さらにまた、前記載置台に設けられ、前記基板載置台に載置された被処理基板を加熱する、表面が絶縁体で被覆された発熱体をさらに具備することが好ましく、この場合には前記高周波電極および前記発熱体は、いずれも前記絶縁体部材に埋設された構成とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプリクリーニング装置を備えたメタル成膜システムを示す概略構成図である。このメタル成膜システム１は、中央に搬送室１０が配置され、その周囲に２つのカセットチャンバー１１，１２，脱ガス用チャンバー１３、Ｔｉ成膜装置１４、本実施形態に係るプリクリーニング装置１５、ＴｉＮ成膜装置１６、Ａｌ成膜装置１７および冷却チャンバー１８が設けられたマルチチャンバータイプである。
【００１９】
このようなメタル成膜システム１においては、コンタクトホールまたはビアホールが形成された半導体ウエハ（以下、単にウエハという。）Ｗにバリア層を形成し、その上からＡｌ（アルミニウム）をホール内に埋め込みＡｌ層を形成してＡｌ配線の形成を行う。具体的には、まず搬送アーム１９により、カセットチャンバー１１からウエハＷを一枚取り出し、プリクリーニング装置１５に装入してエッチングを行いウエハＷの表面に形成されている自然酸化膜を除去する。次に、搬送アーム１９によりウエハＷを脱ガス用チャンバー１３に装入してウエハＷの脱ガスを行う。その後、ウエハＷをＴｉ成膜装置１４に装入してＴｉ膜の成膜を行い、さらにＴｉＮ成膜装置１６に装入してＴｉＮの成膜を行ってバリア層を形成する。次いで、Ａｌ成膜装置１７でＡｌ層を形成する。ここまでで所定の成膜は終了し、その後ウエハＷは冷却チャンバー１８で冷却され、カセットチャンバー１２に収容される。
【００２０】
このようにして、例えば、層間絶縁膜にパターン形成して不純物拡散領域に貫通するコンタクトホールが形成されたウエハＷ上に、この不純物拡散領域および層間絶縁膜上に形成されたバリア層と、このバリア層上に形成され、不純物拡散領域と導通する金属層とを有するデバイスが製造される。
【００２１】
次に、上記メタル成膜システム１に搭載されている本発明の一実施形態に係るプリクリーニング装置１５について詳細に説明する。図２は、プリクリーニング装置１５を示す概略断面図である。図２に示すように、プリクリーニング装置１５は、上部の開口した有底円筒状のチャンバー２１と、チャンバー２１の上方に後述するガス供給部４５およびガスケット４６を介して連続的に設けられた有蓋円筒状のベルジャー２２とからなる処理容器２０を有している。
【００２２】
チャンバー２１内には、その上部で被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ（基板載置台）２３が、円筒状の支持部材３２に支持された状態で配置されている。このサセプタ２３は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスのような絶縁体からなるサセプタ本体（絶縁体部材）２７中に、バイアス電圧を印加する下部電極２５と、Ｗ，Ｍｏ等からなる発熱体２６とが埋設されて構成されており、サセプタ本体２７と発熱体２６とでセラミックヒーターを構成している。発熱体２６には直流の電源４１が接続されており、電源４１から給電することにより発熱体２６を加熱状態として、ウエハＷを所定の温度に加熱することができる。
【００２３】
サセプタ２３の上方には、サセプタ２３に載置されたウエハＷのエッジを覆うように、石英、ＡｌＮ等の誘電体からなる環状のシャドウリング３０が設けられている。このシャドウリング３０は、その下面に接続された支持柱３３を介して環状部材３４に連結されており、環状部材３４には棒状の接続部材３６を介して昇降機構３７が接続されている。この昇降機構３７によって接続部材３６を昇降させることにより、環状部材３４、支持柱３３およびシャドウリング３０を一体的に昇降させることが可能である。また、接続部材３６の周囲はベローズ３５により囲繞されており、接続部材３６の近傍から内部への大気の浸入が防止されている。このシャドウリング３０は、ウエハＷのエッジをマスクするとともに、ウエハＷ表面上に均一な密度のプラズマを形成するためのフォーカスリングとしての機能をも有している。このシャドウリング３０は、チャンバー２１内にウエハＷを搬入し、サセプタ２３を貫通して上下駆動するウエハ支持ピン（図示せず）上に受け渡す際には所定位置まで上昇され、前記ウエハ支持ピン上にウエハＷが受け渡された後にウエハＷをサセプタ２３上に載置する際には、前記ウエハ支持ピンとともに下降される。
【００２４】
チャンバー２１とベルジャー２２の間には、環状のガス供給部４５およびガスケット４６が設けられており、このガス供給部４５内側の全周にわたって形成されたガス吐出孔より、ガス供給機構６０から供給されるガスが処理容器２０内に供給される。ガス供給機構６０は、Ａｒガスを供給するＡｒガス供給源６１、および、Ｈ２ガスを供給するＨ２ガス供給源６２を有している。Ａｒガス供給源６１には、ガスライン６３が接続され、このガスライン６３上にマスフローコントローラ６７とその前後の開閉バルブ６５，６９とが設けられている。また、Ｈ２ガス供給源６２にはガスライン６４が接続され、このガスライン６４上にマスフローコントローラ６８とその前後の開閉バルブ６６，７０とが設けられている。これらガスライン６３，６４はガスライン７１に接続され、このガスライン７１がガス供給部４５と接続されている。
【００２５】
ベルジャー２２は、例えば石英やセラミックス材料等の電気絶縁材料で形成されており、その外側にはプラズマ発生手段としてのコイル４２が巻回されている。コイル４２には、例えば４５０ｋＨｚの周波数を有する高周波電源４４が整合器４３を介して接続され、この高周波電源４４から整合器４３を介してコイル４２に高周波電力を供給することにより、電気絶縁材料を介してベルジャー２２内に誘導電磁界が形成され、これにより上記ガス供給機構６０から供給されたガスのプラズマが生成するようになっている。
【００２６】
上記下部電極２５には、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波電源３９が整合器３８を介して接続されており、上記のようにプラズマを生成した状態で、この高周波電源３９から下部電極２５に高周波電力を供給することにより、下部電極２５に所定のバイアス電圧が生じ、これによりウエハＷにイオンが引き込まれるように構成されている。図３は、整合器３８の回路図である。この整合器３８は、下部電極２５および高周波電源３９の間に介在して下部電極２５を浮遊電位とするブロッキングコンデンサ８１と、このブロッキングコンデンサ８１の下部電極２５側の端子に一端が接続され、下部電極２５からの電流より直流成分を取り出すコイル８２と、このコイル８２の他端に接続された抵抗８３およびコンデンサ８４と、抵抗８３に接続された電圧計８５とを有している。コンデンサ８４の他端は接地されている。このような構成により、整合器３８は、高周波電源３９からの高周波電力をブロッキングコンデンサ８１を介して下部電極２５に供給するとともに、下部電極２５からの電流に含まれる直流電流の電圧を電圧計８５によって測定し、その測定結果が表示装置４０に出力されるようになっている。
【００２７】
チャンバー２１の底壁には、排気管５０が接続されており、この排気管５０には真空ポンプを含む排気装置５１が接続されている。この排気装置５１を作動させることにより、処理容器２０内は所定の真空度に維持可能になっている。
【００２８】
さらに、チャンバー２１の側壁は開口４７を有しており、チャンバー２１の外側の開口４７と対応する位置にはゲートバルブ４８が設けられ、このゲートバルブ４８を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）とチャンバー２１内との間で搬送されるようになっている。
【００２９】
次に、上記サセプタ２３およびその近傍の構造について詳細に説明する。図４は、上記サセプタ２３およびその近傍を拡大して示す断面図であり、図５は平面図である。これらに示すように、サセプタ本体２７の上面にはウエハＷと略同型に凹部２４が形成されており、この凹部２４にウエハＷが載置されるようになっている。この凹部２４の下方にメッシュ状に形成された円盤状の下部電極２５が埋設され、さらにこの下部電極２５の下方に発熱体２６が埋設されている。また、サセプタ本体２７表面の凹部２４周辺には、下部電極２５に達する孔部２８が、凹部２４と略同心円上に等間隔で４箇所に設けられており、これら４箇所の孔部２８にはそれぞれ例えばＴｉのような金属からなる露出電極２９が下部電極２５と導通するように配設されている（図４参照）。この露出電極２９は下部電極２５の自己バイアス電圧を測定するために設けられている。そして、プラズマからこの露出電極２９を介して整合器３８に至る自己バイアス電圧測定回路９０が形成されている。この自己バイアス電圧測定回路９０については後述する。
【００３０】
露出電極２９は、その上面がサセプタ本体２７の上面よりも低くなるように配置されている。このようにすることで露出電極２９がスパッタされることが抑制され、ウエハＷの汚染が防止される。なお、露出電極２９の上面がサセプタ本体２７の上面と面一であってもよい。また、孔部２８の径は特に限定されるものではないが、小さすぎると後述するようにして自己バイアス電圧を測定することが困難となり、大きすぎるとスパッタされ、ウエハＷが汚染されるので、０．１〜１０ｍｍ径とすることが好ましい。より好ましくは０．５〜５ｍｍである。露出電極２９の形状は典型的には円形であるが、円形に限らず、矩形、三角形、楕円形等であってもよい。また、露出電極２９の位置はサセプタ本体２７の上面に限らず、サセプタ本体２７の側面や下面であってもよいし、支持部材３２の側面であってもよい。
【００３１】
また、前記シャドウリング３０のサセプタ２３に形成された孔部２８と対応する位置には、上下に貫通する貫通孔３１が設けられており、この貫通孔３１を介して孔部２８内の露出電極２９が処理容器２０内のプラズマにさらされるようになっている。
【００３２】
なお、シャドウリング３０の位置決め精度が必ずしも高くない場合には、シャドウリング３０の貫通孔３１と露出電極２９の位置がずれて、正確に自己バイアス電圧を測定し得ないおそれがある。このようなことを回避するためには、図６に示すように、露出電極２９の代わりに、孔部２８の上部で孔部２８よりも広くなるような頂部を有する露出電極２９′を設け、シャドウリング３０の貫通孔３１の下に露出電極２９′よりも幅広の座繰り部３１ａを設けることが好ましい。これにより、シャドウリング３０の位置が多少ずれても貫通孔の下に必ず露出電極２９′が存在する状態とすることができ、シャドウリング３０の位置が多少ずれても、精度良く自己バイアス電圧を測定することができる。
【００３３】
次に、このように構成されるプリクリーニング装置１５によりウエハＷ上に形成された自然酸化膜をエッチング除去する際の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ４８を開にして、メタル成膜システム１の搬送室１０に設けられた搬送アーム１９によりチャンバー２１内にウエハＷを装入し、シャドウリング３０を上昇させた状態でサセプタ２３から突出させたウエハ支持ピン（図示せず）上にウエハＷを受け渡す。次いで、前記ウエハ支持ピンおよびシャドウリング３０を下降させ、ウエハＷをサセプタ２３上に載置し、シャドウリング３０でウエハＷの外周縁部をマスクする。その後、ゲートバルブ４８を閉にして、排気装置５１により処理容器２０内を排気して所定の減圧状態にし、この減圧状態でＡｒガス供給源６１およびＨ２ガス供給源６２から処理容器２０内に所定流量でＡｒガスおよびＨ２ガスを導入しつつ、高周波電源４４からコイル４２への高周波電力の供給を開始してベルジャー２２内に誘導電磁界を形成して上記ガスのプラズマを生成させるとともに、高周波電源３９からサセプタ２３の下部電極２５に高周波電力を供給し、その際に下部電極２５に印加される自己バイアス電圧に基づいてプラズマ中のイオンがウエハＷに引き込まれ、これによりウエハＷ上の自然酸化膜がエッチング除去される。このエッチングは、発熱体２６によりウエハＷを２００〜５００℃に加熱した状態で行う。
【００３４】
この際に、自己バイアス電圧はウエハに入射するイオンの角度、エネルギ等を大きく左右し、自己バイアス電圧が大きすぎるとウエハ表面がダメージを受ける等の不都合が生じ、小さすぎるとイオンの作用が不十分となる。このため、本実施形態では、プラズマから露出電極２９，２９′を介して流れる電流に基づいて自己バイアス電圧測定回路９０により下部電極２５の自己バイアス電圧を測定する。
【００３５】
図７は、プリクリーニング装置１５によってプラズマエッチングを行っている際のプラズマ、サセプタ２３、整合器３８、および高周波電源３９の等価回路を示す回路図であり、この回路が上記自己バイアス電圧測定回路９０を構成する。図７に示すようにこの等価回路は、プラズマインピーダンスＺｐを有するプラズマ１００と、プラズマ１００と直列に接続され、サセプタ２３とプラズマとの界面に形成されたプラズマシース１０１と、このプラズマシース１０１と直列に接続されたサセプタ２３と、前述した整合器３８および高周波電源３９から構成されている。このプラズマシース１０１は、シース部分の容量を示すコンデンサ１０２と、この界面で電流の流れが制限されることを示すダイオード１０３と、シース部分でイオンが受ける抵抗を示す抵抗１０４とが並列に接続された回路として示されている。また、サセプタ２３は、サセプタ本体２７をプラズマおよび下部電極２５で挟んで構成されるコンデンサ１０６と、露出電極２９を示す抵抗１０７とが並列に接続された回路として示されている。
【００３６】
以上のような構成において、プラズマシース１０１の抵抗１０４にはイオン電流Ｉionが流れ、サセプタ２３においては電流の高周波成分はコンデンサ１０６を介して流れるとともに、コンデンサ１０６と並列に接続された露出電極２９に対応する抵抗１０７には直流のイオン電流Ｉion-Expoが流れ、高周波成分と直流のイオン電流Ｉion-Expoとが混合した状態となる。このように高周波成分と直流のイオン電流Ｉion-Expoとが混合した電流は整合器３８に至り、そのコイル８２によって高周波成分がカットされて直流のイオン電流Ｉion-Expoが取り出され、電圧計８５において露出電極２９に生じた自己バイアス電圧ＶDCExpoが測定され、それが表示装置４０に表示される。
【００３７】
ここで、露出電極２９上面の面積の合計をＡ１とすると、Ｉion-Expo＝ｅｎＳｕＢＡ１と表すことができる（ただし、ｎＳはプラズマシース端部のイオン濃度、ｕＢはイオンのボーム速度）。同様に、下部電極２５の面積をＡ２として、下部電極２５を流れる電流をＩion-electrodeとすると、Ｉion-electrode＝ｅｎＳｕＢＡ２と表すことができる。すなわち、Ｉion-electrode＝（Ａ２／Ａ１）Ｉion-Expoである。一方、抵抗１０７の抵抗をｒとし、抵抗８３の抵抗値をＲとすると、露出電極２９に生じた自己バイアス電圧ＶDCExpoは、ＶDCExpo＝（ｒ＋Ｒ）Ｉion-Expoと表すことができ、ｒに対してＲを十分に大きな値とすればＶDCExpo≒ＲＩion-Expoと近似することができる。また、下部電極２５に生じる自己バイアス電圧ＶDCelectrodeは、同様にＶDCelectrode＝ＲＩion-electrodeと表すことができる。これらの関係から、ＶDCelectorode＝Ｒ×（Ａ２／Ａ１）ＶDCExpo／Ｒ＝（Ａ２／Ａ１）ＶDCExpoとなる。
【００３８】
以上のようにして、自己バイアス電圧測定回路９０により露出電極２９に生じた自己バイアス電圧ＶDCExpoが測定され、その値が表示装置４０に表示される。そして、表示されたＶDCExpoの値に係数（Ａ２／Ａ１）を乗じることにより、下部電極２５に生じた自己バイアス電圧ＶDCelectrodeをリアルタイムで求めることができる。もちろん、演算装置を介在させて自己バイアス電圧ＶDCelectrodeが直接表示されるようにしてもよい。
【００３９】
このように本実施形態によれば、露出電極２９を介して、プラズマを生成している際の下部電極２５の自己バイアス電圧を測定することができる。したがって、測定された自己バイアス電圧が適正な値となるように高周波電源３９の出力を設定することにより、ウエハＷにダメージを与えることなく、プラズマを用いたプリクリーニングを適切に行うことができ、ＣｏＳｉ２膜、ＷＳｉ膜、Ｗ膜、Ｃｕ膜等の金属膜または金属シリサイド膜上の自然酸化膜を適切に除去することができる。
【００４０】
この場合に、このようなプラズマを用いたプリクリーニングを行っている際に、リアルタイムで下部電極２５の自己バイアス電圧を把握し、その値が適正な値となるように高周波電源３９の出力を制御するようにすることもできるし、また、予めダミーウエハを用いてプリクリーニングの際の高周波電源の出力と下部電極の自己バイアス電圧との関係、および下部電極の自己バイアス電圧とエッチングレート等のエッチング性との関係を求めておき、この関係から、適正なエッチングを行うことができる適正な自己バイアス電圧を求め、そのような適正な自己バイアス電圧になるように高周波電源３９の出力を設定して実際のプリクリーニング処理を行うようにしてもよい。このようにしてプリクリーニングすることにより、ＣｏＳｉ２膜、ＷＳｉ膜、Ｗ膜、Ｃｕ膜等の金属膜または金属シリサイド膜上の自然酸化膜を適切に除去することができる。さらに、上述のように下部電極の自己バイアス電極を測定してその値が適切な範囲から外れた場合に、その際のウエハＷを不良品としてピックアップすることもできる。
【００４１】
このようにしてプラズマによりプリクリーニングを行った後、排気装置５１の排気量ならびにＡｒガス供給源６１およびＨ２ガス供給源６２からのガス供給量を調節して処理容器２０内を搬送室１０と同等の真空度にするとともに、前記支持ピンをサセプタ２３から突出させてウエハＷを持ち上げ、ゲートバルブ４８を開にして搬送アーム１９をチャンバー２１内に進入させてウエハＷを取り出すことにより、プリクリーニング装置１５における工程は終了する。
【００４２】
このように本実施形態においては、プラズマ密度と自己バイアス電圧とを独立にコントロールすることができ、かつプラズマ密度を高くしつつ低バイアス電圧とすることが可能な誘導結合型プラズマを用いたプリクリーニング装置によって、下部電極の自己バイアス電圧を測定してイオン引き込みを適正に制御しつつウエハＷのプリクリーニングを行うので、ウエハＷにダメージを与えることなく高効率で自然酸化膜の除去を行うことができる。
【００４３】
次に、本実施形態のプリクリーニング装置１５を用いて上述のプロセスによりプリクリーニングを行う際に自己バイアス電圧を測定した結果を示す。
図８は、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００３Ｌ／ｍｉｎ（３ｓｃｃｍ）のプロセス条件で、高周波電源４４の出力（図８にはＩＣＰパワーと示す。以下の図９も同様。）を５０Ｗ、１００Ｗ、２５０Ｗ、５００Ｗ、７５０Ｗ、１０００Ｗとし、それぞれの出力において高周波電源３９の出力を５０〜５００Ｗと変化させた場合における、高周波電源３９の出力（図８にはバイアスパワーと示す。以下の図９も同様。）と測定された自己バイアス電圧（図８にはＶDCと示す。以下の図９以降も同様。）との関係を示すグラフである。
【００４４】
図９は、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００８Ｌ／ｍｉｎ（８ｓｃｃｍ）、Ｈ２ガス０．０１２Ｌ／ｍｉｎ（１２ｓｃｃｍ）のプロセス条件で、同様に種々の高周波電源４４の出力において、高周波電源３９の出力を変化させた場合における、高周波電源３９の出力と測定された自己バイアス電圧との関係を示すグラフである。
【００４５】
図８および図９に示すように、それぞれの高周波電源４４の出力において、高周波電源３９の出力と自己バイアス電圧との関係は直線状であり、その傾きは高周波電源４４の出力によって異なっている。
【００４６】
また、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００３Ｌ／ｍｉｎ（３ｓｃｃｍ）、高周波電源４４の出力５００Ｗのプロセス条件で、高周波電源３９の出力と自己バイアス電圧との関係を３回繰り返して調査した。その結果、３回の調査はいずれも図８に示した場合と同様の結果を示し、本実施形態において測定される自己バイアス電圧は再現性および信頼性に優れることが確認された。
【００４７】
次に、本実施形態において測定される自己バイアス電圧とエッチング速度およびエッチング均一性との関係を調査した結果を示す。
図１０は、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００３Ｌ／ｍｉｎ（３ｓｃｃｍ）、高周波電源４４の出力：５００Ｗ、処理時間：３０秒のプロセス条件で、高周波電源３９の出力を変化させて種々の自己バイアス電圧でプリクリーニングを２回行った場合における、自己バイアス電圧とエッチング速度との関係を示すグラフである。図１０より、自己バイアス電圧とエッチング速度とは比例しており、自己バイアス電圧の値を制御することによって、エッチング速度をコントロールすることができることがわかる。
【００４８】
また、この場合における初回と２回目とのそれぞれのプリクリーニングについて、エッチング量の最大値ｍａｘ、最小値ｍｉｎおよび平均値Ａｖｅを求め、｛（ｍａｘ−ｍｉｎ）／（２×Ａｖｅ）｝×１００（％）により算出された値でエッチング均一性を評価した。図１１は、横軸に自己バイアス電圧をとり、縦軸にエッチング均一性の評価値をとって両者の関係を示したグラフである。図１１より、自己バイアス電圧を高くすることにより優れたエッチング均一性が実現されることがわかる。さらに、それぞれの自己バイアス電圧における初回と２回目とのエッチング均一性の評価値の再現性をみると、自己バイアス電圧０Ｖで評価値に差がみられるが、自己バイアス電圧２０Ｖ以上では高い再現性で優れたエッチング均一性が得られている。したがって、自己バイアス電圧を２０Ｖ以上とすることにより、均一なエッチングが実現される。より好ましい自己バイアス電圧は５０Ｖ以上である。
【００４９】
以上のように、プリクリーニングのエッチング速度およびエッチング均一性は、自己バイアス電圧と密接な関係を有しており、したがって、自己バイアス電圧を測定し、その値を所望の値に制御することにより、プリクリーニングのエッチング速度およびエッチング均一性を所望にコントロールすることが可能であることが確認された。
【００５０】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
本実施形態は、従前の実施形態の装置と同様の露出電極を設けたプリクリーニング装置に測定治具を取り付けてウエハ表面上の自己バイアス電圧を測定可能としたものである。図１２は、図６に示す形態のサセプタ部分に本実施形態の測定治具を取り付けた状態を示す断面図であり、図１３は本実施形態に用いた測定治具を示す斜視図である。なお、本実施形態に係るプリクリーニング装置の他の部分は従前の実施形態と同じである。
【００５１】
図１２に示すように、測定治具１１０は、ウエハＷの周縁部とシャドウリング３０の貫通孔３１部分とに跨るように配置される。この測定治具１１０は着脱自在であり、自己バイアス電圧を測定する際に取り付けられ、実際のエッチングの際には取り外される。この測定治具１１０は、ウエハＷの表面と露出電極２９′を繋ぐ電極１１１と、この電極１１１を収容し保護するケーシング１１２とを有している。電極１１１は、ケーシング１１２に嵌め込まれた状態で固定されている。
【００５２】
電極１１１は屈曲した棒状をなし、ケーシング１１２の下方に露出し水平状態でウエハＷの表面上に位置されるウエハ接触部１１１ａと、シャドウリング３０の上方から貫通孔３１を介して露出電極２９′に至る露出電極接触部１１１ｂと、その間の中間部１１１ｃとを有している。中間部１１１ｃは、シャドウリング３０を逃げるように屈曲している。電極１１１の材質としてはＴｉが例示されるが、これに限るものではない。
【００５３】
ケーシング１１２は電極１１１を覆うように形成されており、図１３に示すように、ケーシング１１２内部に電極１１１を嵌め込んだ状態で電極１１１に沿って垂直に２分割された分割部を溶接または溶着し、電極１１１の露出部以外を遮蔽する構造となっている。これにより、より高い測定精度を得ることができる。このケーシング１１２は、電極１１１のウエハ接触部１１１ａに対応するウエハ側部１１２ａと、シャドウリング３０上に置かれるシャドウリング側部１１２ｂとを有している。ケーシング１１２はプラズマに耐性を有する材料、例えば石英で形成されている。
【００５４】
このような測定治具１１０を用いることにより、実際に自己バイアス電圧を求めたい位置であるウエハＷの存在位置のプラズマから電極１１１および露出電極１２９′を介して自己バイアス電圧を測定することができ、測定精度をより高くすることができるとともに、ウエハ近傍の電極により求めた自己バイアス電圧値の基準となる自己バイアス電圧値を得ることができる。この際には、上述の図７を参照して説明した手法に準じて下部電極の自己バイアス電圧を把握することができる。
【００５５】
次に、このような測定治具を用いた場合と測定治具を用いずに露出電極のみの場合とを比較した実験結果について説明する。
ここでは、上記実施形態のようにＡｌＮ製のサセプタ本体の上にウエハを載置し、シャドウリングを用いた場合と、図１４に示すようにシャドウリングを用いずに、ＡｌＮ製のサセプタ本体の上およびウエハの周囲に石英マスクを用いた場合について実験を行った。
【００５６】
図１５は、処理容器内２０の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、誘導結合プラズマ生成用の高周波電源４４の出力：５００Ｗとした時の、高周波電源３９のバイアスパワーと測定された自己バイアス電圧との関係を示す図である。この図に示すように、これらの関係はいずれも直線に近似されることが確認された。また、ＡｌＮ製サセプタ本体上に直接ウエハを載せてシャドウマスクを用いた場合には、測定治具を用いた場合も用いない場合もほぼ同様の関係を示した。ただし、石英マスクを用いた場合には、同じバイアスパワーでも自己バイアス電圧の絶対値が小さくなることが確認された。
【００５７】
図１６は、石英マスクを用いた場合において、横軸に測定治具を用いずに露出電極を用いた場合の自己バイアス電圧（露出電極ＶDC）をとり、縦軸に測定治具を用いてウエハ存在位置で測定した自己バイアス電圧（測定治具ＶDC）をとってこれらの関係を示す図である。この図に示すようにこれらの間には直線関係があることがわかる。したがって、常にモニタすることができる露出電極を用いた自己バイアス電圧値から、ウエハ存在位置での自己バイアス電圧を求めることができる。
【００５８】
図１７は、ＡｌＮ製サセプタ本体上に直接ウエハを載せてシャドウリングを用いた場合と石英マスクを用いた場合とにおいて、それぞれ測定治具を用いた場合と用いない場合とでの測定された自己バイアス電圧とエッチング速度との関係を示す図である。ここでは、処理容器２０内の圧力：６６．５ｍＰａ（０．５ｍＴｏｒｒ）、発熱体２６の加熱温度：２００℃、処理ガス流量：Ａｒガス０．００３Ｌ／ｍｉｎ（３ｓｃｃｍ）、誘導結合プラズマ生成用の高周波電源４４のパワーを５００Ｗとし、高周波電源３９のバイアスパワーを変化させることによって自己バイアス電圧を変化させた。この図に示すように、ＡｌＮ製サセプタ本体上に直接ウエハを載せてシャドウマスクを用いた場合には、測定治具を用いた場合も用いなかった場合も、ほぼ同様の関係を示した。また、測定治具を用いてウエハ存在位置で自己バイアス電圧を測定した場合には、石英マスクを用いた場合も用いなかった場合も、ほぼ同様の関係を示した。これに対して測定治具を用いなかった場合には、石英マスクを用いた場合と用いなかった場合とで、結果が異なっていた。つまり、ウエハの存在位置で自己バイアス電圧を測定した場合には、その値とエッチングレートとの関係は、ウエハの下地にかかわらないが、測定治具を用いない場合には、ウエハの下地によってその関係が変化した。
【００５９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、サセプタ本体２７をＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスで構成し、シャドウリング３０を石英、ＡｌＮ等で構成した場合について示したが、サセプタ本体２７を石英、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等で構成してもよいし、シャドウリング３０をＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等で構成してもよい。ただし、これらの部材にＡｌを含む材料を用いた場合にはＡｌがスパッタされ、ＳｉＣやＳｉ３Ｎ４を用いた場合にはＳｉがスパッタされるため、石英を用いることが好ましい。また、上記実施形態では、メタル成膜システム１においてプリクリーニング後にＴｉ成膜装置１４でＴｉ成膜を行うため、プラズマによりスパッタされる露出電極２９をＴｉで構成したが、プリクリーニング後の成膜プロセスに応じて露出電極２９はＷ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔａ、ＳｉＣのいずれで構成してもよい。さらに、本発明におけるサセプタ２３は上記構成に限らず、例えば電極の上面のみを絶縁体で被覆した構造であってもよい。さらにまた、上記実施形態では露出電極２９を下部電極２５とは別個に設けた場合について示したが、露出電極を別個に設けずに、サセプタ本体２７の孔部２８の底部において下部電極２５を露出させ、この下部電極２５の露出した部分を露出電極として用いてもよい。
【００６０】
さらにまた、希ガスとしてＡｒを用いた場合について示したが、これに限られるものではなく、Ｎｅ、Ｈｅを用いてもよい。測定治具についても上記形態に限るものではない。
【００６１】
さらにまた、上記実施形態では本発明をメタル成膜システム１に搭載されたプリクリーニング装置１５に適用した場合を示したが、通常のプラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ成膜装置、プラズマアッシング装置等に適用することも可能であり、プラズマの種類も上記のような誘導結合型プラズマに限られず、容量結合型プラズマであってもよい。さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について説明したが、これに限らず液晶表示装置用ガラス基板等、他の基板であってもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極を具備するので、表面部分が絶縁体の基板載置台上に載置された被処理基板にプラズマ処理を施す際に、プラズマと前記露出電極とを接触させることができ、高周波電極の自己バイアス電圧を測定することができる。具体的には、容器内に生成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流からプラズマの自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路を具備することにより、プラズマから前記露出電極を介して流れる電流から高周波電極の自己バイアス電圧を測定することができる。したがって、基板載置台がその表面を絶縁体で被覆された構造でありながら、自己バイアス電圧を測定しつつプラズマ処理を行うことの可能なプラズマ処理装置およびそれに用いられる基板載置台が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマ処理方法が適用されるプリクリーニング装置を備えたメタル成膜システムを示す概略構成図。
【図２】図１に示したプリクリーニング装置の概略断面図。
【図３】図２に示した整合器を構成する回路の一例を示す回路図。
【図４】図２におけるサセプタおよびその近傍を示す断面図。
【図５】図２におけるサセプタおよびその近傍を示す平面図。
【図６】露出電極およびシャドウリングの変形例を説明するためのサセプタおよびその近傍を示す拡大断面図。
【図７】図２に示したプリクリーニング装置でプリクリーニングを行っている状態の等価回路を示す回路図。
【図８】下部電極に印加される高周波電源の出力と測定された自己バイアス電圧との関係を示すグラフ。
【図９】別のプロセス条件とした場合における、下部電極に印加される高周波電源の出力と測定された自己バイアス電圧との関係を示すグラフ。
【図１０】自己バイアス電圧とエッチング速度との関係を示すグラフ。
【図１１】自己バイアス電圧とエッチング均一性との関係を示すグラフ。
【図１２】図６に示す形態のサセプタ部分に測定治具を取り付けた状態を示す断面図。
【図１３】図１２の測定治具を示す斜視図。
【図１４】シャドウリングの代わりに石英マスクを用いた状態を示す断面図。
【図１５】測定治具を用いた場合と用いない場合とにおいて、下部電極に印加されるバイアスパワーと自己バイアス電圧との関係を示すグラフ。
【図１６】測定治具を用いずに露出電極を用いて測定した自己バイアス電圧と、測定治具を用いてウエハ存在位置で測定した自己バイアス電圧との関係を示すグラフ。
【図１７】測定治具を用いた場合と用いない場合とにおける自己バイアス電圧とエッチング速度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１；メタル成膜システム
１５；プリクリーニング装置
２０；処理容器
２１；チャンバー
２２；ベルジャー
２３；サセプタ
３８；整合器
２４；凹部
２５；下部電極
２６；発熱体
２７；サセプタ本体
２８；孔部
２９，２９′；露出電極
３０；シャドウリング
３１；貫通孔
３８；整合器
３９；イオン引き込み用の高周波電源
４０；表示装置
４１；電源
４２；コイル
４３；整合器
４４；誘導結合プラズマ生成用の高周波電源
１１０；測定治具
１１１；電極
１１２；ケーシング
Ｗ；ウエハ
Claims (17)
- 被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
前記基板載置台に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記基板載置台に設けられ、前記高周波電源と接続された高周波電極と、
前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極と
を具備し、
前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
前記基板載置台に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記基板載置台に設けられ、前記高周波電源と接続された高周波電極と、
前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極と、
前記処理容器内に形成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路と
を具備し、
前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 被処理基板を収容して処理ガスのプラズマで処理する処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、かつ、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された、被処理基板が載置される基板載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
前記処理容器内に誘導電磁界を形成するアンテナと、
前記アンテナに高周波電力を供給する第１の高周波電源と
前記基板載置台に高周波電力を印加する第２の高周波電源と、
前記基板載置台に設けられ、前記第２の高周波電源と接続された高周波電極と、
前記基板載置台に露出して設けられ、前記高周波電極と接続された露出電極と、
前記処理容器内に形成されたプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路と
を具備し、
前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記基板載置台に載置された被処理基板の表面と前記露出電極とを繋ぐ導体と、この導体を保護する保護カバーとを有する着脱自在の測定治具をさらに具備し、前記自己バイアス電圧測定回路は、前記処理容器内に形成されたプラズマから前記導体および前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のプラズマ処理装置。
- 前記露出電極は、その表面が前記絶縁体部材の表面と面一またはそれよりも奥まった位置に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記露出電極は、Ｔｉ，ＳｉＣ，Ｗ，Ｃｏ，Ｃｕ，ＮｉおよびＴａのうちいずれか１種からなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板の外縁部よりも外側に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記基板載置台に設けられ、前記基板載置台に載置された被処理基板を加熱する、表面が絶縁体で被覆された発熱体をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記高周波電極および前記発熱体は、いずれも前記絶縁体部材に埋設されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
- 被処理基板にプラズマ処理を施す際に被処理基板が載置される、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された基板載置台であって、
高周波電力が印加される高周波電極と、
前記高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極と
を具備し、
前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とする基板載置台。 - 被処理基板にプラズマ処理を施す際に被処理基板が載置される、少なくとも表面部分が絶縁体部材で構成された基板載置台であって、
高周波電力が印加される高周波電極と、
前記高周波電極と接続され、露出して設けられた露出電極と、
被処理基板にプラズマ処理を施す際にプラズマから前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定する自己バイアス電圧測定回路と
を具備し、
前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板と同心の円周上に等間隔で複数箇所に設けられていることを特徴とする基板載置台。 - 載置された被処理基板の表面と前記露出電極とを繋ぐ導体と、この導体を保護する保護カバーとを有する着脱自在の測定治具をさらに具備し、前記自己バイアス電圧測定回路は、前記処理容器内に形成されたプラズマから前記導体および前記露出電極を介して流れる電流に基づいて前記高周波電極の自己バイアス電圧を測定することを特徴とする請求項１１に記載の基板載置台。
- 前記露出電極は、その表面が前記絶縁体部材の表面と面一またはそれよりも奥まった位置に設けられていることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の基板載置台。
- 前記露出電極は、Ｔｉ，ＳｉＣ，Ｗ，Ｃｏ，Ｃｕ，ＮｉおよびＴａのうちいずれか１種からなることを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の基板載置台。
- 前記露出電極は、前記基板載置台に載置された被処理基板の外縁部よりも外側に設けられていることを特徴とする請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載の基板載置台。
- 前記基板載置台に載置された被処理基板を加熱する、表面が絶縁体で被覆された発熱体をさらに具備することを特徴とする請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載の基板載置台。
- 前記高周波電極および前記発熱体は、いずれも前記絶縁体部材に埋設されていることを特徴とする請求項１６に記載の基板載置台。
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