JP2009158854A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマ処理面の任意の箇所のプラズマ密度を局所的に変化させることが可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】 本発明のプラズマ処理装置では、処理室内に設けられた上部電極と、この上部電極と対向するように設置された下部電極４を有する載置台３と、下部電極４と上部電極との間に高周波電力を供給する手段とを備えている。そして、載置台３には、下部電極４上に設けられ、かつその上面が被処理物の載置面１０ａを構成する絶縁体１０と、絶縁体１０内部に並設され、かつ液体または気体が供給される複数の空洞１１が設けられている。この複数の空洞１１のうちの任意の空洞１１に、その他の空洞１１の液体または気体と異なる比誘電率を有する液体または気体を供給することにより、任意の空洞１１上のプラズマ密度を変化させ、プラズマ処理の均一化を図る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プラズマを用いて被処理物を処理するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

半導体装置の製造に用いられるプラズマ処理装置においては、近年のシリコンウエハの大口径化に伴い、半導体装置の歩留まり向上のため、半導体ウエハ面内のプラズマ処理の均一性を向上させることが１つの課題となっている。

そこで、プラズマ処理装置の１つであるドライエッチング装置において、ドライエッチング装置の中心部に比べて周辺部の磁場の強度を強くすることにより、プラズマ密度を均一にすることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、被処理基板を載置するための載置台の下部電極と被処理基板の載置面との間に設ける絶縁体の厚さを、中央部と周辺部とで変えることにより、静電容量を変え、プラズマ密度を均一にすることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、これらの方法では、エッチング部分のプラズマ密度分布を変更することができるが、中央部分からエッジ部分の間の任意の箇所において、プラズマ密度を自由に変化させることができないという問題があった。
特開平７−１５３７４１ 特開平８−１８６０９４

本発明は、上記の問題を鑑みなされたもので、プラズマ処理面内の任意の箇所のプラズマ密度を局所的に変化させることが可能な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を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によるプラズマ処理装置は、処理室と、前記処理室内に設けられた上部電極と、前記処理室内に設けられ、かつ前記上部電極と対向するように設置された下部電極を有する載置台と、前記上部電極と前記下部電極との間に高周波電力を供給する手段とを備え、前記載置台が、前記下部電極上に設けられ、かつその上面が被処理物の載置面を構成する絶縁体と、前記絶縁体内部に並設され、液体または気体が供給される複数の空洞とを具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様によるプラズマ処理方法は、処理室内に設けられた上部電極と、前記処理室内に前記上部電極と対向するように設置された下部電極を有する載置台と、前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電力を供給する手段とを備え、前記載置台が、前記下部電極上に設けられ、かつその上面が被処理物の載置面を構成する絶縁体と、前記絶縁体内部に並設され、液体または気体が供給される複数の空洞と、を具備するプラズマ処理装置の前記載置台上に被処理物を載置し、前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電力を供給することにより前記処理室内にプラズマを生成し、前記被処理物を処理するプラズマ処理方法であって、前記複数の空洞に液体または気体を供給することによりプラズマ密度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、プラズマ処理面内の任意の箇所のプラズマ密度を局所的に制御することが可能な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ができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第一の実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面構成図である。

図１に示すように、処理室１は、減圧を行う機構と処理ガスを供給する機構とを備えており、処理室１内の上方には、上部電極２が絶縁・保持されている。一方、処理室１内の下方には、下部電極４を備え、かつ被処理物５を載置するための載置台３が上部電極２と対向して所定の間隔を保って設置されている。

この上部電極２と下部電極４との間には、高周波電源６に接続されており、両電極間に高周波電力を印加できる構成になっている。また、処理室１の側壁部には、ゲートバルブ７を介してガス供給管８が設けられ、処理室１内にプロセスガスが供給されるようになっている。また、そのガス供給管８と対向する側壁部には、ゲートバルブ７を介してガス排気管９が設けられ、処理室１内に供給されたプロセスガスは、排気ポンプ（図示せず）によってガス排気管９から排気される。

図２は、本実施形態の載置台３の平面図及び断面構成図を示している。図２に示すように、載置台３は、その内部に上部電極２と対向するように下部電極４が設置されている。この下部電極4の上部には、例えば、Ａｌ２Ｏ３等からなる厚さ数ｍｍ程度の絶縁体１０が設けられており、この絶縁体１０の上面が被処理物５を載置するための載置面１０ａとなっている。

また、この絶縁体１０内には、複数個の空洞１１が同心円状に、かつ周方向に並設されている。ここでは、４個の空洞１１が設けられ、中央から周辺方向に向かって順に、第一、第二、第三、及び第四の空洞１１−１、１１−２、１１−３、１１−４の４個の空洞１１が設けられている。これらの空洞１１には、液体または気体を供給及び排出するライン１２がそれぞれ設けられ、異なった比誘電率を有する液体または気体がそれぞれ供給され、また排出されるように構成されている。ここでは、各空洞１１に対してライン１２は１個で、液体または気体の供給と排出とを行うようになっているが、ライン１２を２個設けて液体または気体を一方のラインより供給し、かつ他方のラインより排出するようにし、空洞１１内を循環させるように構成しても良い。また、空洞１１は絶縁体１０の内部に直接形成しても良く、絶縁体１０の内側に高誘電性の絶縁膜を介して形成しても良い。

上記構造のプラズマ処理装置を用いて被処理物にプラズマ処理を施す場合について説明する。まず、本実施形態のプラズマ処理装置では、処理室１内の載置台３上に被処理物５を載置し、ゲートバルブ７を開状態にして排気管９より処理室１内を減圧した後、ゲートバルブ７を開状態にしてガス供給管８より処理室１内にプロセスガスを導入し、上部電極２と下部電極４との間に高周波電力を供給し、処理室1内にプラズマを発生させてプラズマ処理を行なう。プラズマ処理後は、ゲートバルブ７を開状態にして排気管９よりプロセスガスを排気し、処理室１内の圧力を大気圧程度まで上昇させる。

上記プラズマ処理に際しては、第一、第二、第三、及び第四の空洞１１−１、１１−２、１１−３、１１−４のうちの任意の個所の空洞１１内に所定の比誘電率を有する液体または気体をそれぞれ供給しておく。例えば、任意の箇所の空洞１１内の液体または気体の比誘電率を、他の箇所の空洞１１内の液体または気体の比誘電率よりも低く設定することによって、任意の箇所の空洞１１の静電容量が他の箇所の空洞１１の静電容量よりも低くなり、任意の箇所の電場の強度が強くなり、任意の箇所におけるプラズマ密度を他の箇所よりも高くでき、プラズマ処理を均一化することができる。

特に、ドライエッチングにおいては、プラズマ密度とエッチングレートは必ずしも相関はなく、プラズマ密度を完全に面内均一になるようにドライエッチング装置を構成したとしても、エッチングパラメータによっては、処理室内の温度や、側壁に付着した堆積物の影響をぬぐいきれないために、エッチングレート等の面内均一性が悪いくなる場合がある。例えば、ウエハ上の加工膜の任意の箇所において、エッチングレートが異なる場合がある。この場合について、図３及び図４を用いて説明する。

図３は載置台３の４個の空洞１１内に何も液体が供給されていない（４個の空洞１１内が比誘電率１の空気２３の状態）の場合の加工膜を模式的に示している。なお、図３は加工膜２１及びレジスト２２部分を誇張して示している。

すなわち、図３に示すように、ウエハ２０上に形成されたシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜２１を、レジスト２２をマスクにしてドライエッチングした結果、例えば、第三の空洞１１−３直上のＳｉＯ２膜２１のエッチングレートが遅い場合、図４に示すように、載置台３の第三の空洞１１−３に比誘電率３０のメタノール２４を供給し、第一、第二及び第四の空洞１１−１、１１−２、１１−４には、比誘電率８０の水２３を供給する。これにより、第三の空洞１１−３の静電容量が第一、第二及び第四の空洞１１−１、１１−２、１１−４の静電容量よりも小さくなり、電場の強度が大きくなる。従って、第三の空洞１１−３直上のＳｉＯ２膜２１のエッチングレートのみを大きくでき、ウエハ２０全体にわたって均一にエッチングすることができる。

また、ドライエッチングにおいては、ウエハ上の加工膜が途中で変わり、加工条件が変化する場合、最適な加工条件にすることが必要である。この場合について、図５及び図６を参照して説明する。

図５は、ウエハ２０上に積層された第１の加工膜のＳｉＯ２膜２１に対するドライエッチング加工を説明するための模式図で、図６は、ＳｉＯ２膜２１に引続き第２の加工膜のシリコン窒化（ＳｉＮ）膜２７に対するドライエッチング加工を説明するための模式図である。図５及び図６も、図３及び図４と同様にウエハ表面部のみを拡大して示している。

例えば、図５に示すように、レジスト２２をマスクにしてＳｉＯ２膜２１をドライエッチング加工する際には、最も均一性の良い条件が、第一の空洞１１−１に比誘電率８０の水２３、第二の空洞１１−２に比誘電率３０のメタノール２５、第三の空洞１１−３に比誘電率２０のエタノール２４、第四の空洞１１−４に比誘電率１の空気２６をそれぞれ供給することであったとする。その条件で、引続きＳｉＮ膜２７の加工を行うと、ＳｉＯ２膜２１とエッチングレートが異なるため、ＳｉＮ膜２７を、面内均一に加工を行うことができない。

そのため、図６に示すように、ＳｉＮ膜２７加工の条件で、最も均一性の良い条件、例えば第一の空洞１１−１及び第二の空洞１１−２に比誘電率８０の水２３、第三の空洞１１−３に比誘電率３０のメタノール２５、第四の空洞１１−４に比誘電率２０のエタノール２４に切り替えてそれぞれ供給する。

この各空洞１１に対する液体または気体の切り替えは、既存の液体または気体を排気ポンプでライン１２から外部に全て排出して新たな供給予定の液体または気体で各空洞１１内を一旦、濯いだ後、各空洞１１内に所定の液体または気体を供給することにより行う。こうすることにより、異なった種類の液体または気体が混ざることによる比誘電率の変化を抑えることができるため望ましい。

上記した実施形態では、載置台３の絶縁体１０内に複数個の空洞１１を設け、これらの空洞１１内に異なった比誘電率を有する液体または気体をそれぞれ供給できるようになっている。従って、プラズマ処理面内の任意の個所のプラズマ密度を局所的に制御することが可能で、被処理物面内のプラズマ処理の均一化を高めることができる。

また、従来では、加工膜が変わった場合に、再度エッチングレートを均一にすることが困難であるが、本実施形態では、プラズマ生成中でも、空洞１１内の液体または気体を所定の比誘電率を有する液体または気体を切り替えることで、容易に比誘電率を変化させることができる。

なお、上記実施形態では、被処理物と同心の円周方向に４個の空洞を設けたが、４個に限定されるものではなく、処理条件や加工材料に合わせて任意に変更して実施することができる。

（第二の実施形態）
図７は本発明の第ニの実施形態に係る載置台３の平面図及び断面構成図で、図８は図７の載置台３の拡大断面図を示している。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、載置台３０の絶縁体３１内に複数列、例えば第１及び第２列の空洞３３、３４を載置面に３１ａ対して垂直方向に備えている点である。

すなわち、図８に示すように、載置台３０は、絶縁体３１内に第一の空洞３３−１、第二の空洞３３−２、第三の空洞３３−３、及び第四の空洞３３−４が水平方向に並設され、第１の列をなしている。この第１の列上に第五の空洞３４−１、第六の空洞３４−２、第七の空洞３４−３、及び第八の空洞３４−４が水平方向に並設され、第２の列をなしている。この第２の列の第五の空洞３４−１、第六の空洞３４−２、第七の空洞３４−３、及び第八の空洞３４−４は、第１の列の第一の空洞３３−１、第二の空洞３３−２、第三の空洞３３−３、及び第四の空洞３３−４上にそれぞれ対応して配設されている。その他の構成は第一に実施形態と同じである。

次に、上記構造のプラズマ処理装置を用いて被処理物に対してドライエッチング加工する場合について図９及び図１０を用いて説明する。

図９は、載置台３０の第１及び第２列の空洞３３、３４内に何も液体または気体が供給されていない場合の加工状態を模式的に示している。

すなわち、図９に示すように、ウエハ４０上に形成された加工膜のＷＮ膜４１を、レジスト４２をマスクにしてドライエッチングした結果、例えば、第二の空洞３３−２及び第七の空洞３４−２直上のＷＮ膜４１のエッチングレートが遅い場合で、しかも単一の材料で、エッチングレートを均一にするための適当な比誘電率を有す液体または気体がない場合でも、図１０に示すように、例えば、第二の空洞３３−２には比誘電率１の空気２６を、第七の空洞３４−２には比誘電率３０のメタノール２５を供給し、メタノールと空気の比誘電率を組み合わせることにより最適な比誘電率を得る。これにより、第二の空洞３３−２及び第七の空洞３４−２直上のＷＮ膜４１のエッチングレートのみ大きくでき、ウエハ４０全体にわたって均一にエッチングすることができる。

本実施形態によれば、載置台３０の載置面３１ａに対して垂直方向に空洞３３の第１の列と空洞３４の第２の列の複数列を備えているので、第１及び第２の列の空洞３３、３４に供給する異なる比誘電率の液体または気体を組み合わせるにより任意のプラズマ密度を形成し、エッチングレートを調整することが可能になる。従って、ウエハ面内のエッチングの均一性をより向上できる。

なお、本実施形態では、各列に被処理物と同心の円周方向に４個の空洞を設けたが、４個に限定されるものではなく、処理条件や加工材料に合わせて任意の個数に変更して実施することができる。

また、空洞の列を被処理物の載置面に対して垂直方向に２列を設けたが、２列に限定されるものではなく、処理条件や加工材料に合わせて任意の列に変更して実施することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。

本発明の第一の実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示した断面図。 本発明の第一の実施形態に係るプラズマ処理装置の載置台を模式的に示した平面図及び断面構成図。 本発明の第一の実施形態に係るプラズマ処理装置において空洞内が大気状態の場合のシリコン酸化膜のドライエッチング加工の状態を模式的に示した断面図。 本発明の第一の実施形態に係るプラズマ処理装置において空洞内に所定の液体または気体を供給した場合のシリコン酸化膜のドライエッチング加工の状態を模式的に示した断面図。 本発明の第一の実施形態に係るプラズマ処理装置において空洞内が大気状態の場合のシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のドライエッチング加工の状態を模式的に示した断面図。 本発明の第一の実施の形態に係るプラズマ処理装置において空洞内に所定の液体または気体を供給した場合のシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のドライエッチング加工の状態を模式的に示した断面図。 本発明の第二の実施の形態に係るプラズマ処理装置の載置台を模式的に示した平面図及び断面構成図。 図７の載置台を拡大して示した断面図。 本発明の第二の実施形態に係るプラズマ処理装置において空洞内が大気状態の場合のシリコン酸化膜のドライエッチング加工の状態を模式的に示した断面図。 本発明の第二の実施形態に係るプラズマ処理装置において空洞内に所定の液体または気体を供給した場合のシリコン酸化膜のドライエッチング加工の状態を模式的に示した断面図。

符号の説明

１ 処理室
２ 上部電極
３、３０ 載置台
４ 下部電極
５ 被処理物
６ 高周波電源
７ ゲートバルブ
８ ガス供給管
９ 排気管
１０、３１ 絶縁体
１０ａ、３１ａ 載置面
１１、３３、３４ 空洞
１２ ライン
１１−１、３３−１ 第一の空洞
１１−２、３３−２ 第二の空洞
１１−３、３３−３ 第三の空洞
１１−４、３３−４ 第四の空洞
２０、４０ ウエハ
２１ ＳｉＯ２膜
２２、４２ レジスト
２３ 水
２４ エタノール
２５ メタノール
２６ 空気
２７ ＳｉＮ膜
３４−１ 第五の空洞
３４−２ 第六の空洞
３４−３ 第七の空洞
３４−４ 第八の空洞
４１ ＷＮ膜

Claims (5)

1. 処理室と、
   前記処理室内に設けられた上部電極と、
   前記処理室内に設けられ、かつ前記上部電極と対向するように設置された下部電極を有する載置台と、
   前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電力を供給する手段と、
   を備え、
   前記載置台が、前記下部電極上に設けられ、かつその上面が被処理物の載置面を構成する絶縁体と、
   前記絶縁体内部に並設され、かつ液体または気体が供給される複数の空洞と、
   を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記空洞が、液体または気体を供給または排出するラインを少なくとも１つさらに備えることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記空洞が、前記被処理物と同心の円周形状に、かつ周方向に備えられていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記空洞が、前記被処理物の載置面に対して垂直方向に複数列備えられていることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
5. 処理室内に設けられた上部電極と、前記処理室内に前記上部電極と対向するように設置された下部電極を有する載置台と、前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電力を供給する手段とを備え、前記載置台が、前記下部電極上に設けられ、かつその上面が被処理物の載置面を構成する絶縁体と、前記絶縁体内部に並設され、液体または気体が供給される複数の空洞と、を具備するプラズマ処理装置の前記載置台上に被処理物を載置し、前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電力を供給することにより前記処理室内にプラズマを生成し、前記被処理物を処理するプラズマ処理方法であって、
   前記複数の空洞に液体または気体を供給することにより、プラズマ密度を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。

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