JP2008166853A - プラズマエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のプラズマ処理装置では、被処理体周辺部からのみ排気を行っているため、プラズマ処理に寄与する活性種や副生成ガスの面内分布が必ずしも均一にはならない。
【解決手段】被処理体８に対する対向面に複数のガス噴出口１８を備えるガス噴出手段を備え、前記被処理体８に処理を施すプラズマ処理装置において、２種類以上の互いに異なる流量比からなる混合ガスを、互いに異なる前記ガス噴出口から噴出させることで、被処理体に均一なプラズマ処理を施すことが可能となる。また、被処理体対向面にガス吸入口を設けることでも、処理体に均一なプラズマ処理を施すことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハやＬＣＤ基板などの被処理体にプラズマにより微細加工等の処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

半導体製造工程においては、半導体ウェハやＬＣＤ基板などの被処理体に所望の微細加工を施すため、処理室内に導入された反応性ガスを電磁波によりプラズマ化するプラズマエッチング装置が広く利用されている。

図７に、ＵＨＦを用いた平行平板型ＥＣＲプラズマエッチング装置の断面図を示す（例えば、特許文献１参照）。エッチング処理室１は内部に、平面アンテナ２、および処理台９が設置されている。平面アンテナ２には、高周波電源１１において生成したＵＨＦ帯電磁波、たとえば４５０ＭＨｚが整合器１３を通して導かれ、処理室内のガスをプラズマ化する。この時、ソレノイドコイル１７により磁場を発生させ、高効率放電を発生させることも可能となっている。

平面アンテナ２には、高周波電源１１とは異なる周波数の高周波、たとえば１３．５６ＭＨｚを高周波電源１２から高周波フィルター１４を介して導入し、バイアスを印加できる。平面アンテナ２へのバイアスにより、シャワープレート１０表面の表面反応によりプラズマを改質することができる。この表面反応を最適化するため、平面アンテナ２は温度調整手段を持つ。さらにシャワープレート１０の材料を選択することができる。たとえば、Ｓｉを選択することができる。

被処理体８は、処理台９に設けられた、静電チャックにより処理台９に固定される。処理台９は、さらに、被処理体の温度を調整するための温度調節手段を持つとともに、高周波電源１５から整合器１６を通して導入される高周波、たとえば８００ｋＨｚにより被処理体に高周波バイアスを印加させることが可能となっている。

さらに、処理台９にはフォーカスリング７が設置されている。このフォーカスリング７には高周波電源１５から発生させる高周波を分岐しバイアスを印加することができる。処理台９の位置は、平面アンテナ２からの距離が２０ｍｍから１５０ｍｍの範囲で固定することができる。ガスはガス導入口５に導入され、平面アンテナ２とシャワープレート１０に設けられたガス導入路を通り、シャワープレート１０に多数設けられたガス噴出口１８からエッチング処理室へ噴出される。

多数設けられたガス噴出口１８には、複数のマスフローコントローラにより流量と流量比を制御された１種類の混合ガスを分岐して流している。ガス排気は排気口１９にガス排気手段を接続し行う。

特開平９−３２１０３１号公報

プラズマ処理装置において、被処理体に対し均一なプラズマ処理を施すためには、導入したガスから生じ、プラズマ処理に関わるイオンやラジカルなどの活性種を被処理体の処理面全体にわたり均一な濃度で分布させるとともに、プラズマ処理により生成した副生成ガスをも処理面全体にわたり均一な濃度に保ちつつ迅速に排気する必要がある。

しかし、従来のプラズマ装置のように、被処理体周辺部よりのみ排気を行うだけでは、図８に示すように、シャワープレート中心部から噴出するガスと周辺部から噴出するガスにおいて、シャワープレートと被処理体間における滞在時間に差が生じ、活性種の濃度分布が被処理体の処理面全体にわたり均一にならない。同様に、被処理体表面や前記平面アンテナ表面で生じる副生成ガスも均一な分布とならない。加えて、平面アンテナ２と処理台１９の間隔が被処理体の長さに比べ小さく、かつ、ガス流量が大きい場合、被処理体中心部と周辺部でガスの圧力に差が生じる場合もある。以上より、好ましい処理条件を達成することが困難であった。

これに対し、ガス流量を増やす、ガス噴出口を設ける位置や面積を最適化するなどして、ガスがプラズマ処理に寄与する領域に滞在する時間を短くし、プラズマ処理を均一化する工夫がなされてきた。しかし、半導体製造工程における微細化や材料の多様化が進むことは明白であり、さらに均一な加工性能を、より多くの材料に対応できるように提供することが製造装置に必要となる。それに対し、前記解決手段では不十分であり、さらなる改善が必要である。

本発明者らは、このような技術的立脚点に立ち、本発明に至ったものであり、本発明の目的とするところは、より多種の材料において良好な形状と高速な加工が可能であり、かつ加工特性の良好な面内均一性を得ることが可能となるガス噴出方法とガス排気方法を備えたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。

本発明では、被処理体に対する対向面に複数のガス噴出口を備えるガス噴出手段を有し、ガス噴出手段により供給されるガスをプラズマ化して被処理体に処理を施すプラズマ処理装置において、少なくとも２種類の、互いに異なる流量比からなる混合ガスを、互いに異なるガス噴出口から噴出するガス噴出手段を有することを特徴とする。

また、本発明では、被処理体に対する対向面に複数のガス噴出口を備えるガス噴出手段を有し、ガス噴出手段により供給されるガスをプラズマ化し、被処理体に処理を施すプラズマ処理装置において、２種類以上の、互いに異なる流量の混合ガスを、互いに異なるガス噴出口から噴出するガス噴出手段を有することを特徴とする。

また、本発明では、被処理体に対する対向面に複数のガス噴出口を備えるガス噴出手段を備え、ガス噴出手段により供給されるガスをプラズマ化し、被処理体に処理を施すプラズマ処理装置において、被処理体を被処理体の中心を中心として、同心円状あるいは四角形状などのように２つ以上の領域に区分けし、該領域それぞれに対向する対向面から互いに異なる流量比もしくは流量の混合ガスを噴出するように、ガス噴出手段を構成したことを特徴とする。

このように、本発明は、先に述べた活性種濃度分布や副生成ガス濃度分布を、異なる流量や流量比からなる複数の混合ガスを導入することで均一化し、均一なプラズマ処理を行うことが可能となる。

さらに、本発明では、被処理体に対する対向面に一つまたは複数のガス吸入口を設けることで、ガスがプラズマ処理に寄与する領域に滞在する時間を極限まで均一化し、また、ガスの圧力分布を均一化し、プラスマ処理の均一性を改善させることが可能となる。

本発明に基づき、プラズマ処理に用いるガスの流量や流量比が異なる複数の混合ガスを用いることにより、プラズマ処理に寄与する活性種及び副生成ガス両方の面内濃度分布均一性を改善し、被処理体に均一なプラズマ処理を行うことが可能となる。

さらに、本発明によれば、被処理体対向面にガス吸入口を設けることで、プラズマ処理に寄与する活性種及び副生成ガス両方の面内濃度分布均一性を改善し、加えてガス圧力の面内分布均一性をも改善可能となり、被処理体に均一なプラズマ処理を行うことが可能となる。

（実施例１）
図１に、本発明の基本構成図を示す。図１は、ＵＨＦを用いた平行平板型ＥＣＲプラズマエッチング装置の断面図である。接地され、導電性材料、たとえばアルミニウムなどから成る円筒形のエッチング処理室１は、内部に、平面アンテナ２、絶縁体３、フォーカスリング７、被処理体８、処理台９、シャワープレート１０が設置されている。

平面アンテナ２は、導電性材料たとえばアルミニウムなどから成り、接地された処理室の外壁４とはセラミックなどの絶縁体３で隔てられている。この平面アンテナ２には高周波電源１１において生成したＵＨＦ帯電磁波、たとえば４５０ＭＨｚが整合器１３を通して導かれ、処理室内のガスをプラズマ化する。この時、ソレノイドコイル１７により磁場を発生させ、電磁波と磁場の相互作用により高効率放電を発生させることも可能となっている。

平面アンテナ２には、高周波電源１１とは異なる周波数の高周波、たとえば１３．５６ＭＨｚを高周波電源１２から高周波フィルター１４を介して導入し、バイアスを印加できる。平面アンテナ２へのバイアスにより、シャワープレート１０表面の表面反応を利用しプラズマ中の活性種を制御することができる。この表面反応を最適化するため、平面アンテナ２は温度調整手段を持つ。この温度調整は、たとえば２０℃の冷媒を冷媒入り口６から流すことで実現できる。さらに、シャワープレート１０の表面の材料を選択することで活性種制御を最適化できる。たとえば、Ｓｉを選択することができる。

被処理体８は、処理台９に設けられた、静電チャックにより処理台９に固定される。処理台９は、高周波電源１５から整合器１６を通して導入される高周波、たとえば８００ｋＨｚにより被処理体８に高周波バイアスを印加させることが可能となっている。また、処理台９は、被処理体の温度を調整するための温度調節手段を持ち、例えば−２０℃の冷媒を流すことにより被処理体の表面反応を制御できる。

さらに、処理台９にはフォーカスリング７が設置されている。このフォーカスリング７には高周波電源１５から発生させる高周波を分岐しバイアスを印加することができる。処理台９の位置は、平面アンテナ２からの距離が２０ｍｍから１５０ｍｍの範囲で固定することができる。本実施例では３０ｍｍとした。

ガスは、平面アンテナ２とシャワープレート１０に設けられたガス導入路を通り、エッチング処理室へ噴出される。図２に平面アンテナ２とシャワープレート１０に設けられたガス導入路を示す。本実施例では、酸素ガス流量が異なる２種類の混合ガスをガス導入口５ａとガス導入口５ｂに供給した。ガス導入口５ａとガス導入口５ｂに供給した混合ガスは異なるマスフローコントローラで流量を制御している。

ガス導入口５ａに導入されたガスは、シャワープレート１０に設けられた多数のガス噴出口１８のうち、シャワープレートの中心から半径５０ｍｍまでの領域に設けられたガス噴出口から噴出される。また、ガス導入口５ｂから導入されたガスはシャワープレート１０に設けられたガス噴出口１８のうち、半径５５ｍｍから半径１４０ｍｍの領域に設けられたガス噴出口から噴出される。これら２つのガス流路はＯリング２０により隔離した。ガス排気は、排気口１９に排気手段を接続して行った。本実施例ではターボ分子ポンプとドライポンプを使用した。

ガス導入口５ａと５ｂに流量比が異なる混合ガスを導入することで、活性種濃度や副生成ガス濃度の不均一分布などにより生じるエッチング特性の不均一分布を改善し、均一なエッチングを行うことが可能となる。本実施例では、酸素流量が異なる混合ガスを用いた。これは、被処理体中心と被処理体周辺において、エッチング速度選択比（ｐ−ＴＥＯＳ／ホトレジスト）の均一性が悪く、周辺部で選択比が低下することに対応したものである。酸素が過剰に存在すると選択比を悪化させることは知られており、周辺部のみ導入ガスの酸素流量を少なくすることで選択比の低下を改善できる。同様に、均一性を改善させたい加工特性に対応するガスの流量を変化させれば、ホトレジスト選択比以外の加工特性を均一化できる。

図３に、本実施例（ケース１）と比較のため同じ流量の混合ガスを流した場合（ケース２）のｐ−ＴＥＯＳ／ホトレジスト選択比を示す。
設定条件としては、ガス圧力：２Ｐａ、４５０ＭＨｚ電力：８００Ｗ、１３．５６ＭＨｚ電力：８００Ｗ、８００ｋＨｚ電力：１８００Ｗであり、ガス流量（ｓｃｃｍ：standard cc / minute）は、以下の通りである。
ケース１）
ガス導入口５ａ： Ａｒ／Ｃ５Ｆ８／Ｏ２ ＝ ４００／１５／１２ｓｃｃｍ
ガス導入口５ｂ： Ａｒ／Ｃ５Ｆ８／Ｏ２ ＝ ４００／１５／１０ｓｃｃｍ
ケース２）
Ａｒ／Ｃ５Ｆ８／Ｏ２ ＝ ４００／１５／１２ｓｃｃｍ
図３からわかるように、本発明を用いることで均一性が改善できることがわかる。

なお、本実施例においては、流量比が異なる混合ガスとして酸素流量が異なる混合ガスを使用したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、この他にも、弗化炭素、炭化水素、炭化珪素、窒素、水素、ＮＨ３、ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｆ２、Ｃｌ２、Ｈｅ、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノンなど、あらゆる種類のガスに適用することが可能である。本実施例において、流量比が異なる２種類の混合ガスを噴出させたが、本発明はこの構成に限定されない。本発明は、流量のみが異なるなど、数種類の混合ガスを噴出させる構成に適応可能である。

また、本実施例において、異なる混合ガスを噴出する領域をシャワープレートの中心から半径５０ｍｍと半径５５ｍｍから半径１４０ｍｍの同心円状の２領域に分けたが、本発明は、この構成に限定されない。例えば、被処理体を被処理体の中心を中心とする同心円状あるいは四角形状を境界とした２つ以上の領域に区分けし、該領域それぞれに対向する対向面から互いに異なる流量比もしくは流量の混合ガスを噴出するよう構成することで適用可能である。

本発明は、プラズマ処理方法や処理装置に適応させ、領域数と領域の範囲を最適化させることが可能である。さらに、本実施例ではプラズマ処理装置としてプラズマエッチング装置を例に挙げたが、本発明はこの構成に限定されない。本発明は、処理室にガスを導入し処理を行う各種装置や各種方法に適応可能である。

（実施例２）
本実施例では、実施例１の平面アンテナ２に施されたガス導入路を変更し、ガス導入路とガス吸入路を設けた。図４に、平面アンテナに設けたガス導入路及びガス吸入路を示す。

本実施例では、ガス導入口５ｂからガスを供給し、ガス吸入口５ｃからガスを吸入した。ガス導入口５ｂに供給した混合ガスはマスフローコントローラで流量を制御している。ガス導入口５ｂに導入されたガスは、シャワープレート１０に設けられた多数のガス噴出口１８のうち、シャワープレート１０の半径３０ｍｍから半径１４０ｍｍまでの領域に設けられたガス噴出口から噴出される。また、シャワープレート１０の中心から半径２５ｍｍまでの領域に設置されたガス噴出口１８からは、ガスが吸入され、ガス吸入口５ｃを通り排気される。ガス吸入領域とガス噴出領域はＯリング２０により隔離した。

図５に排気方法を示す。処理室１は通常の排気口である排気口１９から排気設備により排気を行った。本実施例ではターボ分子ポンプとドライポンプを用いた。さらに、ガス吸入口５ｃをターボ分子ポンプの直上にバイパス配管させることにより、ガス吸入口５ｃから排気を行った。

被処理体周辺部からのみ排気していた従来装置に比べ、シャワープレート中心付近から排気を行う本実施例では、エッチング処理に寄与する活性種や副生成ガス濃度分布をより均一化することが可能となり、さらに中心付近と周辺とのガス圧力差をも緩和させることが可能となる。この結果、エッチング特性の面内均一性を改善することが可能となる。

図６に、本実施例の場合（ケース３）と、比較のためガス吸入口５ｃとガス導入口５ｂから同じ混合ガスを流し、ガス排気口１９からのみ排気を行った場合（ケース４）のエッチング速度選択比（ｐ−ＴＥＯＳ／ホトレジスト）を示す。

設定条件としては、ガス圧力：２Ｐａ、４５０ＭＨｚ電力：８００Ｗ、１３．５６ＭＨｚ電力：８００Ｗ、８００ｋＨｚ電力：１８００Ｗであり、ガス流量は、Ａｒ／Ｃ５Ｆ８／Ｏ２ ＝ １２００／２０／２２ｓｃｃｍである。

図６の本実施例により、より均一なエッチングが可能となったことがわかる。なお、本実施例においては、ガス吸入口５ｃからの排気を通常の排気設備にバイパス配管させることで行ったが、本発明はこの構成に限定されない。本発明はこの他にも、ガス吸入口５ｃに独立のターボ分子ポンプを接続するなど、排気手段であればあらゆる構成をとることが可能である。本実施例において、ガス吸入とガス噴出を行う領域を、シャワープレートの中心から半径２５ｍｍと半径３０ｍｍから半径１４０ｍｍの２領域にわけたが、本発明はこの構成に限定されない。

本発明は、プラズマ処理方法や処理装置に適応させ、領域数と領域の範囲を最適化させることが可能である。さらに、本実施例ではプラズマ処理装置としてプラズマエッチング装置を例に挙げたが、本発明はこの構成に限定されない。本発明は、処理室にガスを導入し処理を行う各種装置や各種方法に適応可能である。

本発明の実施例１の基本構成図を示す概略的な断面図。 図１に示すプラズマエッチング装置の平面アンテナとシャワープレート部分を示す断面図。 実施例１において得られた選択比分布を示す図。 本発明の実施例２において構成される平面アンテナとシャワープレート部分を示す断面図。 実施例２における排気方法を示す図。 実施例２において得られた選択比分布を示す図。 従来のエッチング装置を示す概略的な断面図。 従来のエッチング装置におけるシャワープレートと被処理体の間のガス流れを示す概略図。

符号の説明

１…処理室、２…平面アンテ、３…絶縁体、４…処理室外壁、５、５ａ、５ｂ、…ガス導入口、５ｃ…ガス吸入口、６…冷媒入り口、７…フォーカスリング、８…被処理体、９…処理台、１０…シャワープレート、１１、１２、１５…高周波電源、１３、１６…整合器、１４…高周波フィルター、１７…コイル、１８…ガス噴出口、１９…ガス排気口、２０…Ｏリング。

Claims (6)

1. 被処理体をエッチング処理する真空処理室を備えたプラズマエッチング装置であって、
   前記真空処理室内に配置され前記被処理体を載置すると共に第１の高周波電源から高周波バイアスが印加される試料台と、
   導電性材料からなり、前記試料台に対向して前記真空処理室の上部に配置された平面状の電極と、
   該平面状の電極の前記真空処理室側に該真空処理室に面して設けられたガスシャワープレートと、
   第２の高周波電源から整合器を介して前記平面状の電極の中央付近に高周波の電磁波を導く手段と、
   前記第２の高周波電源とは異なる第３の高周波電源から前記整合器を介して前記平面状の電極の中央付近にバイアスを印加する手段と、
   前記真空処理室の下部に接続され該真空処理室内を排気する排気手段とを備え、
   前記平面状の電極と前記ガスシャワープレートとの間に、前記被処理の中心を中心として中央側空間及び外側空間が同心円状に形成されており、
   前記平面状の電極は、前記高周波の電磁波を導く手段よりも外側の位置で前記中央側空間及び前記外側空間に各々流量比の異なるプラズマ生成用の混合ガスを導入するガス導入口を備えており、
   前記ガスシャワープレートは、前記被処理体の中心部上方に相当する位置に配置され前記中央側空間に連通する複数のガス噴出口から前記真空処理室内へ前記混合ガスが噴出する第１のガス噴出領域と、前記第１のガス噴出領域の外周側に配置され前記外側空間に連通する複数のガス噴出口から前記真空処理室内へ前記第１のガス噴出領域とは流量比の異なる前記混合ガスが噴出する第２のガス噴出領域とを備えている
   ことを特徴とするプラズマエッチング装置。
2. 請求項１において、前記ガスシャワープレートがシリコン製であることを特徴とするプラズマエッチング装置。
3. 請求項１において、前記中央側空間と前記外側空間はＯリングにより隔離されていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
4. 請求項１において、前記真空処理室の外壁が接地されており、
   前記平面状の電極は、前記試料台とは反対の側に位置する絶縁体を介して前記外壁に保持されており、前記高周波の電磁波を導く手段よりも外側の位置で前記絶縁体を貫通して設けられたガス導入路から前記中央側空間及び前記外側空間に各々流量比の異なるプラズマ生成用の混合ガスを導入する第１、第２のガス導入口を備えていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
   前記平面状の電極は、
5. 請求項１において、前記真空処理室の外壁が接地されており、前記平面状の電極は、前記試料台とは反対の側に位置する絶縁体を介して前記外壁に保持されており、前記ガスシャワープレートがシリコン製であり、前記中央側空間と前記外側空間はＯリングにより隔離されていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
6. 請求項１において、前記ガスシャワープレートの前記第１のガス噴出領域と前記第２のガス噴出領域から各々、均一性を改善させたい加工特性に対応した前記流量比の異なる混合ガスを導入すると共に、前記バイアスにより前記ガスシャワープレートの表面反応を利用してプラズマ中の活性種を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置。

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