JP2000315682A

JP2000315682A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2000315682A
Application number: JP11125637A
Authority: JP
Inventors: Keizo Hirose; 圭三広瀬
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 1999-05-06
Publication date: 2000-11-14
Anticipated expiration: 2019-05-06
Also published as: JP4322350B2

Abstract

(57)【要約】【課題】より微細化に対応可能な高密度プラズマを用
いたプラズマ処理において、電極表面における電界分布
の不均一を小さくしてプラズマ密度を均一化することが
可能なプラズマ処理装置を提供すること。【解決手段】被処理基板Wが収容されるチャンバー2内
に相対向するように第１および第２の電極21,5を配置
し、第１の電極21に高周波電源40を接続し、第１の電極
21の第２の電極5に対向する面の端部領域または第１の
電極21の周面に接触して、高周波電源40の周波数の高調
波を吸収する高調波吸収部材51を設け、第１および第２
の電極間に高周波電界を形成することにより処理ガスの
プラズマを形成し、このプラズマにより被処理基板Wに
プラズマ処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板等の基
板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体デバイスの製造プロセスに
おいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、エ
ッチングやスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等
のプラズマ処理が多用されている。

【０００３】このようなプラズマ処理を行うためのプラ
ズマ処理装置としては、種々のものが用いられている
が、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が
主流である。

【０００４】容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、
チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電
極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとと
もに、電極の一方に高周波を印加して電極間に高周波電
界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマ
を形成して半導体ウエハに対してプラズマ処理を施す。

【０００５】このような容量結合型平行平板プラズマ処
理装置により半導体ウエハ上の膜、例えば酸化膜をエッ
チングする場合には、チャンバー内を中圧にして、中密
度プラズマを形成することにより、最適ラジカル制御が
可能であり、それによって適切なプラズマ状態を得るこ
とができ、高い選択比で、安定性および再現性の高いエ
ッチングを実現している。

【０００６】しかしながら、近年、ＵＳＬＩにおけるデ
ザインルールの微細化がますます進み、ホール形状のア
スペクト比もより高いものが要求されており、酸化膜の
エッチング等において従来の条件では必ずしも十分とは
いえなくなりつつある。

【０００７】そこで、印加する高周波電力の周波数を上
昇させ、良好なプラズマの解離状態を維持しつつ、高密
度プラズマを形成することが試みられている。これによ
り、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成すること
ができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切
に対応することが可能となると考えられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者の
検討結果によれば、このように印加する高周波の周波数
を上昇させてプラズマを高密度化するとプラズマの非線
形性の特性が顕著に現れ、プラズマからの反射波に高調
波が発生しやすくなり、電極径がφ２５０〜φ３００の
場合には、このような高調波により電極表面に定在波が
生成され、電極表面の電界分布が不均一になることが判
明した。

【０００９】このように電界分布が不均一になるとプラ
ズマ密度が不均一となり、結果としてエッチングレート
分布が不均一となるため、上記電界分布不均一の原因を
取り除いてエッチングレート分布を均一にすることが必
要となる。

【００１０】しかしながら、従来、このような高密度プ
ラズマを用いた場合の問題点が必ずしも明確に認識され
ていたわけではなく、上記のような電界分布不均一を解
消しようとする試みは未だ十分にはなされていない。

【００１１】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、より微細化に対応可能な高密度プラズマを用
いたプラズマ処理において、電極表面における電界分布
の不均一を小さくしてプラズマ密度を均一化することが
可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、被処理基板が収容されるチャンバーと、
チャンバー内に相対向するように設けられた第１および
第２の電極と、前記第１の電極に高周波を印加する高周
波印加手段と、前記第１の電極の前記第２の電極に対向
する面の端部領域または前記第１の電極の周面に接触し
て配置され、リング状をなし、前記高周波印加手段の周
波数の高調波を吸収する高調波吸収部材と、前記チャン
バー内を所定の減圧状態に維持する排気手段と、前記チ
ャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入手段とを
具備し、前記第１または第２の電極に被処理基板を支持
させた状態で、前記第１および第２の電極間に高周波電
界を形成することにより処理ガスのプラズマを形成し、
このプラズマにより被処理基板にプラズマ処理を施すこ
とを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

【００１３】上述したように、電極に印加する高周波の
周波数を上昇させてプラズマを高密度化すると、プラズ
マからの反射波の高調波が発生しやすくなる。この高調
波が高周波電源へ戻るとき、電極と絶縁体との境目や給
電位置等で反射し、電極表面に定在波を発生させる。こ
の定在波は電極の中央で振幅が大きいから、定在波が電
極表面の電界分布に影響を及ぼし、電極近傍のプラズマ
に寄与することにより、電極中央部のシースが端部に比
較して薄くなり、不均一なプラズマが生成されることと
なる。

【００１４】これに対して、本発明においては、第１の
電極に高周波を印加するとともに、この第１の電極の第
２の電極に対向する面の端部領域または第１の電極の周
面に接触して、高周波印加手段の周波数の高調波を吸収
する高調波吸収部材を配置するので、プラズマから反射
した高調波は、電極を通り、高周波電源に戻る前にこの
高周波吸収部材に達し、そこで高調波は吸収される。し
たがって、高調波による定在波の発生を有効に防止する
ことができ、定在波に起因する電極表面における電界分
布の不均一を小さくしてプラズマ密度を均一化すること
が可能となる。

【００１５】前記高調波吸収部材として、周波数特性の
異なる高調波吸収部材を積層したものを用いることがで
きる。これにより、広い周波数帯の高調波を吸収するこ
とができる。また、前記高調波吸収部材としては、磁気
共鳴損失効果を有するものを用いることができ、その例
としてフェライトを含むものが挙げられる。さらに、前
記第１の電極に印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚ以
上とした場合に特に適している。すなわち、印加する高
周波の周波数が２７ＭＨｚ以上の場合にプラズマ密度が
高くなり、上記定在波の影響がより顕著になる。さらに
また、前記第２の電極に１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの高
周波を印加する高周波印加手段をさらに有することが好
ましい。

【００１６】

【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
形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図であ
る。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対
向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合
型平行平板エッチング装置として構成されている。

【００１７】このエッチング処理装置１は、例えば表面
がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウム
からなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有してお
り、このチャンバー２は接地されている。前記チャンバ
ー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、
被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」とい
う）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が
設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上に
は、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。
このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が
接続されている。

【００１８】前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室
７が設けられており、この冷媒室７には、例えば液体窒
素などの冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環
し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに
対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の
温度に制御される。

【００１９】前記サセプタ５は、その上中央部が凸状の
円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チ
ャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶
縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続
された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が
印加されることにより、例えばクーロン力によってウエ
ハＷを静電吸着する。

【００２０】そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台
４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、
被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨ
ｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されて
おり、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハ
Ｗに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるように
なっている。

【００２１】前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チ
ャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状
のフォーカスリング１５が配置されている。このフォー
カスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなって
おり、これによりエッチングの均一性が向上される。

【００２２】前記サセプタ５の上方には、このサセプタ
５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。こ
の上部電極２１は、サセプタ５との対向面を構成すると
ともに多数の吐出孔２４を有する電極板２３と、この電
極板２３を支持し、導電性材料、例えば表面がアルマイ
ト処理されたアルミニウムからなる水冷構造の電極支持
体２２とによって構成されている。この上部電極２１の
周面に沿ってリング状に絶縁材２５が設けられている。
また、電極板２３の下面端部領域から絶縁材２５の下面
にかけて、これらに接触するようにリング状の高調波吸
収部材５１が設けられており、この高調波吸収部材５１
ならびに電極２３の下面端部領域および絶縁材２５の周
面下部を覆うようにリング状の絶縁材５２が設けられて
いる。そして、上部電極２１は、この絶縁材５２により
チャンバー２に支持されている。なお、サセプタ５と上
部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間してい
る。

【００２３】高調波吸収部材５１は、プラズマから反射
した後述する高周波電源４０からの高調波を吸収しまた
は減衰させる機能を有しており、例えば磁気共鳴損失効
果を利用してこのような機能を実現する。このような磁
気共鳴損失効果を利用して高調波を吸収する材料として
はフェライトが挙げられ、高調波吸収部材５１としてフ
ェライトを含むものを好適に用いることができる。この
高調波吸収部材５１の厚さおよび材質を変化させること
により吸収する周波数帯を調整することが可能である。
また、異なる周波数特性を持つものを積層して高調波吸
収部材５１を構成することにより吸収する周波数帯を広
げることができる。このようにして所望の周波数の高調
波を吸収させて減衰させることにより、定在波を有効に
防止することができる。

【００２４】前記上部電極２１における電極支持体２２
にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口
２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこ
のガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフロー
コントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続
されている。処理ガス供給源３０から、プラズマ処理、
例えばエッチングのための処理ガスが供給される。

【００２５】処理ガスとしては、従来用いられている種
々のものを採用することができ、例えばフロロカーボン
ガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）やハイドロフロロカーボンガス（Ｃ_ｐ
Ｈ_ｑＦ_ｒ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適
に用いることができる。他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ
_２を添加してもよい。

【００２６】前記チャンバー２の底部には排気管３１が
接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接
続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの
真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を
所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで
真空引き可能なように構成されている。また、チャンバ
ー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、こ
のゲートバルブ３２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）との間で搬送されるよう
になっている。

【００２７】上部電極２１には、整合器４１を介して第
１の高周波電源４０が接続されており、その際の給電は
上部電極２１の上面中央部に接続された給電棒３３によ
り行われる。また、上部電極２１にはローパスフィルタ
ー（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波
電源４０は、２７ＭＨｚ以上の周波数を有しており、こ
のように高い周波数を印加することによりチャンバー２
内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成す
ることができ、低圧条件下のプラズマ処理が可能とな
る。この例では、高周波電源４０として６０ＭＨｚのも
のを用いている。

【００２８】下部電極としてのサセプタ５には、第２の
高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合
器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は
１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲の周波数を有してお
り、このような範囲の周波数を印加することにより、被
処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることな
く適切なイオン作用を与えることができる。この例で
は、２ＭＨｚのものを用いている。

【００２９】次に、以上のように構成されるプラズマエ
ッチング装置１における処理動作について説明する。ま
ず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開
放された後、図示しないロードロック室からチャンバー
２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。
そして、高圧直流電源１３から直流電圧が印加されるこ
とによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着
される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装
置３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真
空引きされる。

【００３０】その後、バルブ２８が開放されて、処理ガ
ス供給源３０から処理ガスがマスフローコントローラ２
９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２
７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の内部へ導入
され、さらに電極板２３の吐出孔２４を通って、図１の
矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出され、
チャンバー２内の圧力が所定の値に維持される。

【００３１】そして、その後、高周波電源４０から２７
ＭＨｚ以上、例えば６０ＭＨｚの高周波が上部電極２１
に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極と
してのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガス
が解離してプラズマ化し、このプラズマにより、ウエハ
Ｗに対してエッチング処理が施される。

【００３２】他方、高周波電源５０からは、１００ｋＨ
ｚ〜１０ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚの高周波が下部電極で
あるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中
のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシスト
によりエッチングの異方性が高められる。

【００３３】このように、上部電極２１に印加する高周
波の周波数を２７ＭＨｚ以上とすることにより、プラズ
マ密度を上げることができるが、これだけでは、プラズ
マからの反射波の高調波により電極板２３下面に定在波
が生成されることによって、電極板２３下面での電界の
不均一が生じる。

【００３４】すなわち、２７ＭＨｚ以上の高周波を使用
した場合、プラズマで印加周波数のｎ倍の高調波が発生
しやすくなり、この高調波が上部電極２１から高周波電
源に戻るとき、図２に示すように、上部電極２１と絶縁
材２５との境目のＡ，Ｂで示す部分や、給電位置である
Ｃで示す部分等で反射し、これらと上部電極２１の中心
であるＤで示す位置との間で定在波を発生させる。この
定在波の波長がある高調波の波長λの１／４倍、すなわ
ちλ／４と一致する場合は、上部電極２１の中心付近で
プラズマ密度が高くなり、不均一なプラズマを生成させ
る原因となる。例えば、高周波電源４０として周波数６
０ＭＨｚのものを使用した場合、波長は５ｍであり、Ａ
−Ｄ間距離を約０．１４ｍとすると、計算上Ａ−Ｄ間で
９次の高調波が発生しやすくなる。高周波経路材料の誘
電率の１／２乗に比例する波長短縮率を考慮すると３〜
６次程度の高調波が発生しやすくなる。ただし、Ａ−Ｄ
間の距離が約０．０７ｍの場合には、１３．５６ＭＨｚ
の高周波でも同様の問題が生じると考えられる。

【００３５】これに対して、上述のように電極板２３の
下面端部領域から絶縁材２５の下面にかけて、これらに
接触するようにリング状の高調波吸収部材５１を設ける
ことにより、高周波電源４０に戻る高調波を吸収してこ
のようなプラズマの不均一の原因となる定在波の形成を
有効に防止することができる。なお、このように高調波
吸収部材５１をリング状とすることにより、高調波吸収
効果を高めることができるので好ましいが、その形状は
リング状に限るものではない。また、この高調波吸収部
材５１を図３に示すように上部電極２１の周面に設けて
も同様の効果を得ることができる。

【００３６】このような高調波吸収部材５１としてフェ
ライト焼結体を用いた場合、上述したように磁気共鳴損
失効果により高調波を吸収して減衰させることができ
る。この場合に、厚さによって減衰させることができる
周波数帯がシフトし、厚さが半分になると減衰可能周波
数は２倍程度となる。例えば、厚さ７ｍｍ（ＴＤＫ製Ｉ
Ｂ−００３）では図４に示すように２００〜８００ＭＨ
ｚの高調波を２０ｄＢ減衰させることができる。また、
厚さ４．５ｍｍ（ＴＤＫ製ＩＢ−００４）では図５に示
すように７００ＭＨｚ〜３ＧＨｚの高調波を２０ｄＢ減
衰させることができる。また、異なる周波数特性を持つ
フェライトを積層することにより減衰可能周波数帯を広
げることが可能であり、例えば上記ＩＢ−００３および
ＩＢ−００４を積層した場合には、２００ＭＨｚ〜３Ｇ
Ｈｚの広い周波数帯の高調波を減衰させることができ
る。

【００３７】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
ることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の
形態では、上部電極に２７ＭＨｚ以上の高周波を印加し
た場合について示したが、本発明は２７ＭＨｚより低い
場合にも有効である。また、上下電極に高周波を印加し
たが、上部電極のみに周波数の高い高周波を印加するタ
イプであってもよい。さらに、下部電極に周波数の高い
高周波を印加するタイプの装置にも適用することがで
き、この場合には、下部電極の上部電極に対向する面の
端部領域または下部電極の周面に接触して高調波吸収部
材を配置すればよい。さらにまた、被処理基板として半
導体ウエハを用い、これにエッチングを施す場合につい
て説明したが、これに限らず、処理対象としては液晶表
示装置（ＬＣＤ）基板等の他の基板であってもよく、ま
たプラズマ処理もエッチングに限らず、スパッタリン
グ、ＣＶＤ等の他の処理であってもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１の電極に高周波を印加するとともに、この第１の電
極の第２の電極に対向する面の端部領域または第１の電
極の周面に接触して、高周波印加手段の周波数の高調波
を吸収する高調波吸収部材を配置するので、プラズマか
ら反射した高調波は、電極を通り、高周波電源に戻る前
にこの高周波吸収部材に達し、そこで高調波は吸収され
る。したがって、高調波による定在波の発生を有効に防
止することができ、定在波に起因する電極表面における
電界分布の不均一を小さくしてプラズマ密度を均一化す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング
装置を示す断面図。

【図２】高周波印加電極に定在波が形成される原因を説
明するための模式図。

【図３】高調波吸収部材の配置の他の例を示す断面図。

【図４】高調波吸収部材として厚さ７ｍｍのフェライト
焼結体を用いた場合の反射減衰量の周波数特性を示すグ
ラフ。

【図５】高調波吸収部材として厚さ４．５ｍｍのフェラ
イト焼結体を用いた場合の反射減衰量の周波数特性を示
すグラフ。

【符号の説明】

１；プラズマエッチング装置２；チャンバー５；サセプタ６；ハイパスフィルタ２１；上部電極２３；電極板３０；処理ガス供給源３５；排気装置４０，５０；高周波電源４１，５１；整合器４２；ローパスフィルタ５１；高調波吸収部材Ｗ；半導体ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基板が収容されるチャンバーと、チャンバー内に相対向するように設けられた第１および
第２の電極と、前記第１の電極に高周波を印加する高周波印加手段と、前記第１の電極の前記第２の電極に対向する面の端部領
域または前記第１の電極の周面に接触して配置され、前
記高周波印加手段の周波数の高調波を吸収する高調波吸
収部材と、前記チャンバー内を所定の減圧状態に維持する排気手段
と、前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入手
段とを具備し、前記第１または第２の電極に被処理基板を支持させた状
態で、前記第１および第２の電極間に高周波電界を形成
することにより処理ガスのプラズマを形成し、このプラ
ズマにより被処理基板にプラズマ処理を施すことを特徴
とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記高調波吸収部材は、周波数特性の異
なる高調波吸収部材を積層したものであることを特徴と
する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記高調波吸収部材は、磁気共鳴損失効
果を有することを特徴とする請求項１または請求項２に
記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記高調波吸収部材は、フェライトを含
むことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装
置。
【請求項５】前記第１の電極に印加する高周波の周波
数は２７ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１な
いし請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装
置。
【請求項６】前記第２の電極に１００ｋＨｚ〜１０Ｍ
Ｈｚの高周波を印加する高周波印加手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１
項に記載のプラズマ処理装置。