JP2003332305A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不所望なプラズマリークが発生することを抑
制することができ、安定したプラズマで安定したプラズ
マ処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供す
る。 【解決手段】 半導体ウエハＷが載置される載置台２の
周囲を囲むように設けられた排気リング３０が、下方に
向けて突出し、断面形状が略Ｕ字状となるように形成さ
れ、溝状空隙３１が形成されている。また、排気リング
３０は、真空チャンバ１と電気的に導通され、接地電位
とされている。高周波電源９から印加する高周波電力を
増大させると、プラズマＰが溝状空隙３１内に侵入する
ように容積が拡大し、これによって、プラズマリークが
発生することを抑制することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置のエッ
チング処理等に利用されるプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば半導体装置の製造分野
における半導体装置の微細な回路パターンの形成等に、
プラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置が多用さ
れている。

【０００３】図９は、このようなプラズマ処理装置の一
例として、従来のプラズマエッチング装置の概略構成を
模式的に示すもので、同図において、符号１は、材質が
例えばアルミニウム等からなり、内部を気密に閉塞可能
に構成され、プラズマ処理室を構成する真空チャンバを
示している。

【０００４】上記真空チャンバ１は、円筒状とされてお
り、接地電位に接続されている。また、真空チャンバ１
の内部には、被処理基板としての半導体ウエハＷを、被
処理面を上側に向けて略水平に支持する下部電極を兼ね
た支持台（サセプタ）２が設けられている。

【０００５】この支持台２は、例えばアルミニウム等の
材質で構成されており、セラミックなどの絶縁板３を介
して真空チャンバ１内に支持されている。また支持台２
の上方の外周には導電性材料または絶縁性材料で形成さ
れたフォーカスリング４が設けられている。

【０００６】また、支持台２の半導体ウエハＷの載置面
には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャッ
ク５が設けられている。この静電チャック５は、絶縁体
５ｂの間に電極５ａを配置して構成されており、電極５
ａには直流電源６が接続されている。そして電極５ａに
直流電源６から電圧が印加されることにより、クーロン
力によって半導体ウエハＷが吸着されるようになってい
る。

【０００７】さらに、支持台２には、冷媒を循環するた
めの冷媒流路（図示せず）と、冷媒からの冷熱を効率よ
く半導体ウエハＷに伝達するために半導体ウエハＷの裏
面にＨｅガスを供給するガス導入機構（図示せず）とが
設けられ、半導体ウエハＷを所望の温度に温度制御でき
るようになっている。

【０００８】また、支持台２のほぼ中央には、高周波電
力を供給するための給電線７が接続されており、この給
電線７にはマッチングボックス８及び高周波電源９が接
続されている。高周波電源９からは、支持台２に、周波
数が例えば１３．５６〜１５０ＭＨｚの範囲の高周波電
力が供給されるようになっている。

【０００９】さらに、支持台２の周囲には、支持台２を
囲むように環状に形成された板材からなる排気リング１
０が設けられている。この排気リング１０には、排気を
行うための複数の開口１０ａが形成されており、これら
の開口１０ａによって、支持台２の周囲から均一に排気
が行われ、真空チャンバ１内に均一なガス流が形成され
るようになっている。

【００１０】一方、支持台２の上方の真空チャンバ１の
天壁部分には、上部電極を兼ねたシャワーヘッド１１
が、支持台２と平行に対向する如く設けられており、こ
のシャワーヘッド１１は接地されている。したがって、
これらの支持台２およびシャワーヘッド１１は、一対の
電極として機能するようになっている。

【００１１】上記シャワーヘッド１１は、その下面に多
数のガス吐出孔１２が設けられており、且つその上部に
ガス導入部１３を有している。そして、その内部にはガ
ス拡散用空隙１４が形成されている。ガス導入部１３に
はガス供給配管１５が接続されており、このガス供給配
管１５の他端には、エッチング用の処理ガスを供給する
処理ガス供給系１６が接続されている。

【００１２】処理ガス供給系１６から供給される処理ガ
スは、ガス供給配管１５、ガス導入部１３を介してシャ
ワーヘッド１１のガス拡散用空隙１４に至り、ガス吐出
孔１２から吐出され、半導体ウエハＷに形成された膜の
エッチングに供されるようになっている。

【００１３】また、真空チャンバ１の下部には、排気ポ
ート１７が形成されており、この排気ポート１７には排
気系１８が接続されている。そして排気系１８に設けら
れた真空ポンプを作動させることにより真空チャンバ１
内を所定の真空度まで減圧することができるようになっ
ている。

【００１４】一方、真空チャンバ１の外側周囲には、真
空チャンバ１と同心状に、環状の磁場形成機構（リング
磁石）１９が配置されており、支持台２とシャワーヘッ
ド１１との間の処理空間に磁場を形成するようになって
いる。この磁場形成機構１９は、回転機構２０によっ
て、その全体が、真空チャンバ１の回りを所定の回転速
度で回転可能とされている。

【００１５】上記構成のプラズマエッチング装置では、
上部電極を兼ねたシャワーヘッド１１と下部電極を兼ね
た支持台２との間に高周波電源９によって高周波電力を
印加し、これらの間に形成された処理空間内に処理ガス
のプラズマを生起して、このプラズマによって半導体ウ
エハＷのエッチングを行う。

【００１６】しかしながら、支持台２の周囲に設けられ
た排気リング１０には、排気系１８によって排気を行う
ための複数の開口１０ａが設けられている。このため、
例えば高周波電源９から支持台２に供給する高周波電力
を増大させてプラズマの密度が高くなった場合などに、
処理空間内に形成されていたプラズマが排気リング１０
の開口１０ａを通って、排気リング１０の下方の排気側
へ漏れる所謂プラズマリークが発生することがある。

【００１７】また、上記のようなプラズマリークは定常
的に生じるものではなく、プラズマリークが起きたり起
きなかったりするので、プラズマが不安定になり、安定
したエッチング処理を行うことが困難になるという問題
があった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述したとおり、従来
のプラズマ処理装置では、上部電極と下部電極との間に
印加する高周波電力を増大させた場合などに、排気リン
グの開口等を通じて排気側にプラズマがリークするプラ
ズマリークが発生することがあり、プラズマが不安定に
なって、安定したプラズマ処理を行うことが困難になる
という問題があった。

【００１９】本発明はかかる従来の事情に対処してなさ
れたもので、不所望なプラズマリークが発生することを
抑制することができ、安定したプラズマで安定したプラ
ズマ処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供し
ようとするものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１記載
の発明は、被処理基板を収容しプラズマ処理するための
真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設けられ、前記
被処理基板が載置される下部電極と、前記下部電極と対
向するように前記真空チャンバ内に設けられた上部電極
と、前記真空チャンバ内を排気するための排気手段とを
具備し、前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電
源から高周波電力を印加して、前記下部電極と前記上部
電極との間に形成された処理空間内にプラズマを生起す
るプラズマ処理装置であって、前記真空チャンバ内に、
前記処理空間内に形成された前記プラズマの容積が増大
した際に侵入するためのプラズマ拡散用空隙を設けたこ
とを特徴とする。

【００２１】請求項２の発明は、請求項１記載のプラズ
マ処理装置において、前記上部電極及び前記真空チャン
バが接地電位とされ、前記下部電極に前記高周波電源が
接続されていることを特徴とする。

【００２２】請求項３の発明は、請求項２記載のプラズ
マ処理装置において、排気を行うための開口を有し、前
記下部電極の周囲を囲むように環状に形成され、接地電
位とされた排気リングを具備し、この排気リングによっ
て、前記プラズマ拡散用空隙が形成されていることを特
徴とする。

【００２３】請求項４の発明は、請求項３記載のプラズ
マ処理装置において、前記排気リングの前記下部電極の
周囲に配置された部分が、下側に向けて凸となる凸形状
とされ、この凸形状部分が前記プラズマ拡散用空隙とさ
れていることを特徴とする。

【００２４】請求項５の発明は、請求項２〜４いずれか
一項記載のプラズマ処理装置において、前記真空チャン
バの内壁に、当該内壁を所定形状に凹陥した凹陥部が設
けられ、この凹陥部が前記プラズマ拡散用空隙とされて
いることを特徴とする。

【００２５】請求項６の発明は、請求項５記載のプラズ
マ処理装置において、前記凹陥部が溝状に形成され、複
数設けられていることを特徴とする。

【００２６】請求項７の発明は、請求項５記載のプラズ
マ処理装置において、前記凹陥部がディンプル状に形成
され、複数設けられていることを特徴とする。

【００２７】請求項８の発明は、請求項１〜７いずれか
一項記載のプラズマ処理装置において、前記真空チャン
バの外側に、当該真空チャンバ内に磁場を形成するため
の磁場形成機構が設けられたことを特徴とする。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を、実施の形
態について図面を参照して説明する。

【００２９】図１は、本発明をプラズマエッチング装置
に適用した一実施形態の概略構成を示すもので、図９に
示したプラズマエッチング装置と同一部分には、同一符
号を付してある。

【００３０】同図に示すように、本実施形態では、下部
電極を兼ね、半導体ウエハＷが載置される載置台２の周
囲を囲むように設けられた排気リング３０が、下方に向
けて突出し、断面形状が略Ｕ字状となるように形成され
ており、実質的に載置台２の周囲に断面形状が略Ｕ字状
の溝状空隙３１が形成されるように構成されている。そ
して、排気リング３０のＵ字状の部分の側壁部分及び底
部の双方に、排気を行うための開口３０ａが形成されて
いる。

【００３１】また、上記排気リング３０は、真空チャン
バ１と電気的に導通されており、真空チャンバ１は接地
電位とされていることから、排気リング３０も接地電位
とされている。

【００３２】したがって、カソードである載置台２に対
して、シャワーヘッド１１と真空チャンバ１の内壁部分
と排気リング３０とがアノードとして作用するようにな
っており、かつ、排気リング３０の処理空間側に向く面
の表面積が、前述した図９に示した装置の場合に比べて
大きくなっている。このため、本実施形態では、アノー
ド面の全体の面積が前述した図９に示した装置の場合に
比べて大きくなっている。

【００３３】上記構成のプラズマエッチング装置におけ
るエッチング手順について説明すると、まず、真空チャ
ンバ１に設けられた図示しないゲートバルブを開放し、
このゲートバルブに隣接して配置されたロードロック室
（図示せず）を介して、搬送機構（図示せず）により半
導体ウエハＷを真空チャンバ１内に搬入し、支持台２上
に載置する。そして、直流電源６から静電チャック５の
電極５ａに所定の電圧を印加し、半導体ウエハＷをクー
ロン力により吸着する。

【００３４】この後、搬送機構を真空チャンバ１外へ退
避させた後、ゲートバルブを閉じ、排気系１８の真空ポ
ンプにより排気ポート１７を通じて真空チャンバ１内を
排気する。

【００３５】真空チャンバ１内が所定の真空度になった
後、真空チャンバ１内には、処理ガス供給系１６から、
所定のプラズマエッチング用の処理ガスが、所定流量で
導入され、真空チャンバ１内が所定の圧力、例えば１．
３３〜１３３Ｐａに保持される。

【００３６】そして、この状態で高周波電源９から、支
持台２に、所定周波数、例えば１３．５６〜１５０ＭＨ
ｚの範囲の周波数の高周波電力を供給する。

【００３７】この場合に、下部電極である支持台２に高
周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャ
ワーヘッド１１と下部電極である支持台２との間の処理
空間には高周波電界が形成されるとともに、磁場形成機
構１９による磁場が形成され、シャワーヘッド１１のガ
ス吐出孔１２からこの処理空間に吐出された処理ガスは
励起状態となって、図中に示すようにプラズマＰが発生
する。そして、このプラズマＰによって半導体ウエハＷ
のエッチングが行われる。

【００３８】また、上記の図１に示される状態から、さ
らに高周波電源９から印加する高周波電力を増大（パワ
ーを増大）させると、プラズマＰの容積が増大する。こ
のため、従来においては、プラズマＰの容積に対するア
ノード面積が不足することにより、プラズマＰが他のア
ノード面を求めて、排気リング３０の開口３０ａを通過
する、いわゆるプラズマリークが発生する可能性が高か
ったが、本実施形態においては、図２に示すように、排
気リング３０によって形成された溝状空隙３１内に侵入
するようにプラズマＰの容積が拡大し、これによって、
プラズマリークが発生することを抑制することができ
る。すなわち、プラズマＰが溝状空隙３１に廻り込み、
アノード面積が増大することで、排気リング３０上にシ
ース（電荷領域）が厚く形成され、プラズマＰや漏れ電
子を遮断して、プラズマリークを抑制することができ
る。

【００３９】なお、上記のように、高周波電力を増大さ
せた場合にプラズマＰが排気リング３０によって形成さ
れた溝状空隙３１内に侵入するようにその容積が拡大可
能とするためには、溝状空隙３１の開口面積と深さとの
比を、適宜選択する必要がある。また、排気リング３０
に設けられた排気のための開口３０ａの開口面積につい
ても、プラズマＰのリークを防止するためには狭く設定
する必要があるが、排気に必要なコンダクタンスとする
必要もあるため、かかる開口面積も、適宜選択する必要
がある。上記溝状空隙３１の開口面積と深さとの比、及
び、開口３０ａの開口面積の設定値については、実際の
実験等によってプラズマＰの挙動を観察して設定する必
要がある。

【００４０】以上のようにして、プラズマＰにより半導
体ウエハＷに所定のエッチング処理が実行されると、高
周波電源９からの高周波電力の供給を停止し、エッチン
グ処理を停止して、上述した手順とは逆の手順で、半導
体ウエハＷを真空チャンバ１外に搬出する。

【００４１】以上説明したとおり、本実施形態において
は、排気リング３０によって形成された溝状空隙３１
が、高周波電源９から印加する高周波電力を増大させた
場合などに、プラズマＰの容積が拡大して侵入するため
のプラズマ拡散用空隙として作用する。したがって、高
周波電力を増大させた場合などにおいても、プラズマリ
ークの発生を抑制することができ、安定したプラズマに
よって安定したエッチング処理を行うことができる。

【００４２】次に、図３を参照して他の実施形態につい
て説明する。同図に示すように、この実施形態では、円
筒状に形成された真空チャンバ１の内壁部分に、この内
壁の全周に渡る環状の溝を形成するように、凹陥部１ａ
が形成されている。この凹陥部１ａは複数形成されてお
り、これらの凹陥部１ａが、前述した溝状空隙３１と同
様に、高周波電源９から印加する高周波電力を増大させ
た場合などに、プラズマＰの容積が拡大して侵入するた
めのプラズマ拡散用空隙として作用するように構成され
ている。

【００４３】このように、真空チャンバ１の内壁部分に
凹陥部１ａを形成することにより、プラズマ拡散用空隙
として作用させることができる。

【００４４】また、本実施形態では、排気リング３０に
よって形成された溝状空隙３１に加えて、上記した凹陥
部１ａが設けられているので、前述した実施形態よりさ
らにプラズマ拡散用空隙の体積を増やすことができ、ま
た、アノード面の面積を増やすことができ、これによっ
て、プラズマリークが発生する可能性をより一層抑制す
ることができる。

【００４５】上記の実施形態では、凹陥部１ａを、真空
チャンバ１の内壁の全周に渡って形成された溝状のもの
としたが、凹陥部の形状はかかる形状に限定されるもの
ではなく、どのような形状のものでも良い。例えば、図
４に示すように、円形のディンプル状の凹陥部１ｂを多
数配列したものとしても良い。

【００４６】また、前述した実施形態における排気リン
グ３０の形状も、各種の変形が可能であり、例えば、図
５〜８に示すような形状とすることができる。

【００４７】すなわち、図５に示す例では、排気リング
３００は、断面形状が略Ｌ字状とされ、その底面および
側面のそれぞれに開口３００ａが形成された構成とされ
ている。このように断面形状が略Ｌ字状の排気リング３
００とすることによっても、実質的に溝状のプラズマ拡
散用空隙を形成することができる。

【００４８】また、図６に示す例では、厚板状の排気リ
ング３１０とし、この排気リング３１０を貫通する複数
の開口３１０ａを形成することによって、この開口３１
０ａ内をプラズマ拡散用空隙とすることができる。

【００４９】また、図７に示す例は、図６と同様に、厚
板状の排気リング３２０とし、排気リング３２０を貫通
する平面視溝形状の開口３２０ａを複数形成して、開口
幅を絞りつつ、十分に深い貫通孔のプラズマ拡散用空隙
を形成している。この形態によれば、プラズマ中の電子
を貫通孔（開口３２０ａ）の内壁面に積極的に衝突させ
ることができ、貫通孔にプラズマを閉じ込めるように、
プラズマリークを効果的に防止することができる。

【００５０】また、図８に示す例は、２枚の排気リング
３３０，３４０を上下に離間させて配置し、上側の排気
リング３３０を通過したプラズマを、２枚の排気リング
３３０，３４０間で補足するようにしている。つまり、
２枚の排気リング３３０，３４０に挟まれる空間が、プ
ラズマ拡散用空隙として機能する。なお、上側の排気リ
ング３３０の開口３３０ａの開口面積と、下側の排気リ
ング３４０の開口３４０ａの開口面積を互いに相違させ
ることによって、排気コンダクタンスと排気リング３３
０，３４０を通過するプラズマリーク量を制御すること
ができる。

【００５１】なお、上記の各実施形態では、本発明をエ
ッチング装置に適用した場合について説明したが、本発
明はかかる例に限定されるものではなく、例えば成膜装
置などのあらゆるプラズマ処理装置に適用することがで
きる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
不所望なプラズマリークが発生することを抑制すること
ができ、安定したプラズマで安定したプラズマ処理を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のプラズマエッチング装置
の概略構成を模式的に示す図。

【図２】図１のプラズマエッチング装置におけるプラズ
マの変化の様子を示す図。

【図３】本発明の他の実施形態のプラズマエッチング装
置の概略構成を模式的に示す図。

【図４】凹陥部の他の例を拡大して示す図。

【図５】排気リングの他の例の要部構成を模式的に示す
図。

【図６】排気リングの他の例の要部構成を模式的に示す
図。

【図７】排気リングの他の例の要部構成を模式的に示す
図。

【図８】排気リングの他の例の要部構成を模式的に示す
図。

【図９】従来のプラズマエッチング装置の概略構成を模
式的に示す図。

【符号の説明】 Ｗ……半導体ウエハ、Ｐ……プラズマ、１……真空チャ
ンバ、２……載置台（下部電極）、９……高周波電源、
１１……シャワーヘッド（上部電極）、１２……ガス吐
出孔、１９……磁場形成機構、３０……排気リング、３
１……溝状空隙。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理基板を収容しプラズマ処理するた
   めの真空チャンバと、 前記真空チャンバ内に設けられ、前記被処理基板が載置
   される下部電極と、 前記下部電極と対向するように前記真空チャンバ内に設
   けられた上部電極と、 前記真空チャンバ内を排気するための排気手段とを具備
   し、 前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電源から高
   周波電力を印加して、前記下部電極と前記上部電極との
   間に形成された処理空間内にプラズマを生起するプラズ
   マ処理装置であって、 前記真空チャンバ内に、前記処理空間内に形成された前
   記プラズマの容積が増大した際に侵入するためのプラズ
   マ拡散用空隙を設けたことを特徴とするプラズマ処理装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記上部電極及び前記真空チャンバが接地電位とされ、
   前記下部電極に前記高周波電源が接続されていることを
   特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のプラズマ処理装置におい
   て、 排気を行うための開口を有し、前記下部電極の周囲を囲
   むように環状に形成され、接地電位とされた排気リング
   を具備し、この排気リングによって、前記プラズマ拡散
   用空隙が形成されていることを特徴とするプラズマ処理
   装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記排気リングの前記下部電極の周囲に配置された部分
   が、下側に向けて凸となる凸形状とされ、この凸形状部
   分が前記プラズマ拡散用空隙とされていることを特徴と
   するプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 請求項２〜４いずれか一項記載のプラズ
   マ処理装置において、 前記真空チャンバの内壁に、当該内壁を所定形状に凹陥
   した凹陥部が設けられ、この凹陥部が前記プラズマ拡散
   用空隙とされていることを特徴とするプラズマ処理装
   置。
6. 【請求項６】 請求項５記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記凹陥部が溝状に形成され、複数設けられていること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 請求項５記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記凹陥部がディンプル状に形成され、複数設けられて
   いることを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 【請求項８】 請求項１〜７いずれか一項記載のプラズ
   マ処理装置において、 前記真空チャンバの外側に、当該真空チャンバ内に磁場
   を形成するための磁場形成機構が設けられたことを特徴
   とするプラズマ処理装置。