JP2012156276A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の面方向について処理の均一性を向上させたプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】真空容器内部の処理室と、この処理室内部に配置される試料がその上に配置される試料台と、前記真空容器の上部に配置され電界が透過する誘電体製の円板部材と、この円板部材の上方に配置され前記電界が上方から導入される円筒形の空洞と、この空洞の中央上方に配置され内部を前記電界が伝播する導波管と、前記空洞を構成し前記導波管との連結部を含む中央部とこの中央部の外周部とで前記円板部材の上面から異なる高さを有する第一及び第二の空洞部と、これら第一，第二の空洞部の上方に配置されこれらの高さを調節する調節器と、前記処理の進行に伴って前記調節器に前記第一，第二の空洞部の高さを変更する指令を発信する制御器とを備えたプラズマ処理装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空容器内に配置された処理室内にマイクロ波の電界を導入して形成したプラズマを用いて処理室内に配置した半導体ウエハ等の基板状の試料を処理するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、処理室の上方に配置され電界を共振させる空洞部を備えたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

上記のようなマイクロ波を用いて試料をエッチング等処理するプラズマ処理装置においては、処理の対象物である試料、たとえば、半導体ウエハなどの基板の全面においてその処理が均等に行われることが求められる。このためには、試料の上方において形成されるプラズマは、その試料の面方向（半径方向、及び周方向）について密度，強度等特性が均一であることが好都合であり、このような均一なプラズマを生成することが求められてきた。均一な特性としては、各種のプラズマパラメータ、具体的には、電子密度，電子温度，空間電位などが挙げられる。

このような課題に対して、従来より処理室の上方に配置された空洞部を備え、処理室内に導入される電界が一端その空洞部において特定の特性を獲得した後処理室に導入される構成を備えたものが考えられてきた。つまり、このような空洞部において、処理室内に形成されるプラズマを上記パラメータに関して不均一を抑制できる電界の分布にすることで、上記課題を解決しようとすることが考えられてきた。

このような従来技術としては、特許第３２０８９９５号公報（特許文献１）に記載のように、プラズマを生成する処理室とマイクロ波を導入する導波管の間に空洞部を設け、空洞部内で特定の電界のモードに係る定在波を形成し均一なプラズマを生成するものが知られていた。この従来技術では、プラズマ生成部と略同径の空洞部を設け、空洞高さを最適に調整することでプラズマ界面と空洞部の間でＴＥ０１モードの定在波が励起され、このＴＥ０１モードにより周辺部のプラズマ密度を高くする。一方、導波管より直接導入されるＴＥ１１モードのマイクロ波は中心部のプラズマ密度を増加させることに寄与するので、これらの重ね合わせにより、均一なプラズマを生成することが開示されている。

また、特開平４−２１７３１８号公報（特許文献２）には、空洞部の高さを連続的に変化させる機構を設け、プラズマ密度に応じて高さを調整する技術が示されている。

特許第３２０８９９５号公報 特開平４−２１７３１８号公報

特許文献１においては、周辺部のプラズマ密度を向上させるＴＥ０１モードのマイクロ波の影響は処理条件により不十分となる場合があり、処理の条件に応じてプラズマの特性が不均一となってしまう点については考慮されていなかった。

すなわち、ＴＥ１１モードのマイクロ波の影響で、中心部のプラズマ密度が相対的に高くなることがあった。特に、処理圧力が相対的に高くなった場合には、例え本従来技術のようにＴＥ０１，ＴＥ１１モードの電界を重ね合わせたとしても周辺部のプラズマ密度が低くなり、結果としてプラズマの密度等の特性の均一性が得られなくなる虞が有るという問題については考慮されていなかった。

また、試料の径が大きくなるとこれに応じて処理室の大きさを拡大させた場合、処理室内に形成されるプラズマは周辺部での密度がより低くってしまい、プラズマの均一性が損なわれてしまう点について考慮されていなかった。

さらに、特許文献２においては、試料の径方向について同一の値となる空洞部の上端までの高さを上下方向に調整することによりプラズマの密度を向上させる点についてのみ考慮されているに過ぎず、径または周方向についてプラズマの不均一を抑制する上で必要な空洞部の高さを調節する態様については考慮されていなかった。

本発明の目的は、半導体ウエハ等の基板状の試料の径方向または周方向についてプラズマの特性ひいては処理の精度，性能の均一性を向上させたプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供することにある。

上記目的を達成する手段として、空洞部上面を同心円状に２つ以上に分割した上、中心側と周辺側が異なる空洞高さとなるようにし、かつ、それぞれの部分の高さを個別に調整できる手段を有するプラズマ処理装置とそれを用いた処理方法を提示する。

より詳細には、上記目的は、真空容器内部に配置され内側でプラズマが形成される円筒形の処理室と、この処理室内部に配置され前記プラズマにより処理される試料がその上に配置される試料台と、前記真空容器の上部に配置され前記処理室内に前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の円板部材と、この円板部材の上方に配置され前記電界が上方から導入される円筒形の空洞と、この空洞の中央上方でこれと連結されて配置され内部を前記電界が伝播する導波管と、この導波管の端部に配置され前記電界を生成する手段と、前記空洞を構成し前記導波管との連結部を含む中央部とこの中央部の外周部とで前記円板部材の上面から異なる高さを有する第一及び第二の空洞部と、これら第一，第二の空洞部の上方に配置されこれらの高さを調節する調節器と、前記処理の進行に伴って前記調節器に前記第一，第二の空洞部の高さを変更する指令を発信する制御器とを備えたプラズマ処理装置により達成される。

また、前記第一の空洞部が前記導波管の外周に配置されこの空洞部の天井を構成して上下する第一のリング状の板部材を有し、前記第二の空洞部が前記第一のリング状の外周側に配置されこの空洞部の天井を構成して上下する第二のリング状の板部材と前記第一のリング状の板部材及び第二のリング状の板部材との間の段差の間で前記第１の空洞部の側壁を構成する円筒状の部材とを備えたことにより達成される。

さらにまた、前記試料台の前記試料が載置される上面が前記導波管と前記空洞との連結部の下方に配置され、前記段差が上方から見て前記試料台の外周縁より中央側に位置することにより達成される。

さらにまた、前記第一のリング状の板部材と前記円板部材との間の距離が前記第二のリング状の板部材と前記円板部材との間の距離より大きくされたことにより達成される。

さらにまた、前記試料の上面に配置された膜のオーバーエッチング処理の際の前記第一及び第二のリング状の板部材と前記円板部材との間の距離の比が前記膜のメインエッチング処理の際のこれらの距離の比より小さく調節されることにより達成される。

さらにまた、前記処理室内の圧力が高い処理のステップでの前記第一及び第二のリング状の板部材と前記円板部材との距離の比が圧力が低い処理のステップでのこれらの距離の比より小さく調節されることにより達成される。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を説明する縦断面図である。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置により処理されるウエハの上面に配置される膜構造の例を示す模式図である。 図２に示す膜構造を図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置によって処理する場合の動作の流れを示すフローチャートである。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の変形例の構成の概略を示す縦断面図である。 図２に示す本発明の実施例に係るプラズマ処理装置により処理されるウエハの上面に配置される膜構造の別の例を示す模式図である。 図１または図４に示す実施例に係るプラズマ装置が図５に示す膜構造をエッチング処理する場合の動作の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。この図において、プラズマ処理装置は、真空容器とその内部に処理室を備え、真空容器上方に配置した電界を伝播する管路を通して処理室内にマイクロ波帯の電界を導入するとともに処理室の外周（側方及び上方）に配置された磁場の発生装置からの磁界を導入して処理室内に供給された反応性ガスを励起してプラズマを形成するものである。処理室内の下部には半導体ウエハ等の試料を上面に載せる試料台が配置され、試料台状に載置，保持された試料がプラズマによってエッチング等の処理を施される。

図１に示すプラズマ処理装置の電界を伝播させる管路の端部に配置されたマグネトロン１０３で励起されたマイクロ波は、水平方向（図上左右方向）に延在する断面矩形状の管路を図上左向きに伝播し、これの端部で連結された断面が円形の円形導波管１０２に下向きに導入されて、その下端部に接続された水平方向の断面が円形空洞部に導入される。

当該空洞部は内部が円筒形の空間を備えた部分であって、その空間の下面は、マイクロ波帯の電界が透過できるセラミクス等の誘電体（例えば、石英）製の円形の窓部材で構成されている。その上部で天面を構成する天板の部分が同心円状に複数（本図では２つ）の領域に分割されている。さらにそれらの領域のうち中央側と周辺側は、天板と誘電体製窓部材との間の距離、つまり空洞部の高さが異なるものとなるよう構成される。即ち、空洞部の天板は同心円状に２つの領域となっており、これらの間には段差が配置された構成となっている。

このような段差を有して隣接して各々異なる高さを有する領域を備えた空洞部に円形導波管１０２を通り導入されたマイクロ波による電界は、まず、上側の空洞部分（第１の空洞部１２０）に導入される。第１の空洞部１２０に導入されたマイクロ波の電界は下側の空洞部分（第２の空洞部１０５）との間の境界の部分を含む両者の間の段差部分で反射し、第１の空洞部１２０内で定在波が生成される。そして、第１の空洞部１２０と第２の空洞部１０５との間の境界部分である段差部分の下端部では、偏在的に電界の強度が集中して高くなり誘電体製の窓部材または下方の処理室に配置された試料台上面或いはその上に載せられた試料の上面に垂直な方向の電界が生成される。

この試料等に垂直な方向の電界により第２の空洞部１０５にはＴＭ１１モードが励起される。このＴＭ１１モードによって、上記境界の位置に対応した処理室内の領域においてプラズマの密度が向上する。特に、このような境界部分を試料の中心から所定の半径の位置に配置することで、対応する試料の外周側（周辺領域）での周方向についてプラズマの均一性が向上する。

一方、円形導波管１０２の直下方に位置する（円形導波管１０２の管部の下方に投影された領域を含む）領域に上方から導入される、つまり直接的にＴＥ１１モードのマイクロ波の電界が導入される箇所では、当該電界が中心のプラズマ密度の増大に寄与するため、周辺部のプラズマの密度の上昇と重ね合わされて全体としてプラズマの密度分布の均一性が向上する。

また、発明者らの検討によれば、周辺側の領域の空洞部の高さを中央部よりも低くすることによりＴＭ１１モードの影響が増大して、対応する周辺部のプラズマ密度が増加する。一方、中心側の空洞高さを低くすることにより、ＴＥ１１モードの影響が増大し、中心部のプラズマ密度が増加するという知見が得られた。以下の実施例では、上記の知見に基づいて、中央側，周辺側の複数の同心状に配置された領域での空洞部の高さをそれぞれ可変に調節して試料の処理の条件に適切な相対的配置の位置にすることで、プラズマの密度の分布ひいては処理の均一性を向上させ再現性と精度の高い処理を実現させることができる。

例えば、処理室内での圧力が高い条件で処理を行う場合に中心部のプラズマ密度が高くなる傾向がある場合には、周辺部のプラズマ密度を向上させるため周辺側の空洞高さを低く、中央側の空洞高さを高く配置する。処理圧力が低い場合はその逆を実施する。

このような中央側，周辺側の領域の各々の空洞部の天面は、中心部と周辺部それぞれのプラズマの発光強度を測定することにより、プラズマの密度分布を検出し、それに応じて高さ方向の位置を変化させてもよい。また、空洞部上面の分割数は２つに限らず３つ以上であってもよい。たとえば、３つに分割した場合はＴＭ１１モードに加えＴＭ１２モードが励起され、中心部，中間部，周辺部の３箇所のプラズマ密度を独立して変化させることができる。

以下、図１乃至図３を用いて、本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を説明する縦断面図である。

本図において、マイクロ波帯の電界は断面が矩形状の導波管の一端（図面状右端）部に配置されたマグネトロン１０３により発振，励起されて、導波管上に配置されたアイソレータ１１３，自動整合器１１２の部分を通過して図上左側に向けて伝播する。矩形の導波管の他端（図上左端）部で導波管は上下方向に延在する断面が円形の円形導波管１０２と矩形−円形変換導波管１１４を挟んで接続されている。矩形−円形変換導波管１１４において、図上右側から左側に向けて伝播してきた電界は、向きを下方に変えて上下方向（本実施例では垂直方向）にその管の軸が延在する円形導波管１０２内部に導入される。

円形導波管１０２は、その上端部で矩形−円形変換導波管１１４と接続され、上記のように下端部で真空容器上方に配置された円筒形の空洞部とその中央部で接続される。円形導波管１０２上の上下端部の間の箇所には円偏波発生器１２１が実装され、円形導波管１０２に導入されたマイクロ波は円偏波となり空洞部に導入される。つまり、電界の伝播する方向について右または左回りに電界を回転させて下方に伝播させる。このことにより、空洞部及び石英製の窓部材１０６の下方で真空容器内に配置された処理室１２２内でのプラズマ密度、強度の周方向の不均一さが低減される。

空洞部の内部の円筒形の空間に合わせて空洞部の上面は概略として円形を有しており、天井面を構成する部材は空間の中心から半径方向について異なる距離の範囲に対応する領域に円形またはリング形状の天板が配置されている。本実施例では、２つの領域を分けられて配置され、各々中央天板１１１ａと周辺天板１１１ｂにより構成される。

中央天板１１１ａは、円筒形を有する空洞部の上面の中央部分を構成するリング状の板部分とこの板部の内周側の端部から上下方向に延在して円形導波管１０２の内部と連結さえされた円柱導体１１１ａ′を備えている。これらは一体としてリング状の板部分の上面と接続されたパルスモータ１０１ａ等の駆動装置を用いて上下方向に動かされて誘電体製の窓部材１０６との間の距離（高さ）を可変に調節される構成となっている。

円柱導体１１１ａ′は、その円筒形の外側壁が円形導波管１０２の内側に挿入されてその内壁面と重なり合うように配置されている。つまり、中央天板１１１ａの板部が最も低い位置に移動した場合にも、円柱導体１１１ａ′の上端部の外側壁は円形導波管１０２の下端部の内側壁面と相互に接するかわずかなすき間を空けて対向して重なり合うように配置されている。両者は、電気的に空洞部内を一つの空間にするように接するか、一つの空間として見なせる程度に近接して連結されている。

また、周辺天板１１１ｂは空洞部上面の周辺部分を構成するリング状の板部分とこの板部分の内周縁部から上下方向に延在してこの板部と中央天板１１１ａのリング状の板部の外周縁部との間で段差を成して連結する円柱導体１１１ｂ′を備えて構成されている。これらは一体としてリング状の板部分の上面と接続されたパルスモータ１０１ｂ等の駆動装置を用いて上下方向に動かされて誘電体製の窓部材１０６との間の距離（高さ）を可変に調節される構成となっている。

円柱導体１１１ｂ′は、その円筒形を有する内側壁面が中央天板１１１ａの外周縁の部分と接するか微小なすき間を挟んで水平方向に対向して連結されて配置されている。これらはその位置が高さ方向に重なり合うように配置されており、中央天板１１１ａの板部が最も高い位置に位置し、周辺天板１１１ｂの板部が最も低い位置にされた場合にも、円柱導体１１１ｂ′の内側壁は中央天板１１１ａの外縁と接するか微小なすき間を介して対向するように構成される。また、中央天板１１１ａの板部分は周辺天板１１１ｂの板部分より低い位置にならない、つまり、空洞部内の空間の窓部材１０６からの距離（高さ）は、中央部が周辺部と同じかより大きいように配置される。

本実施例の周辺天板１１１ｂの外周側に位置してその上下する外周縁と接するか微小なすき間を介して水平方向に対向する円筒形状の金属製の部材は、真空容器の上方に配置されて空洞部の側壁面を構成する。本実施例では、当該側壁面を構成する部材は処理室１２２またはこれを構成する真空容器の上部で処理室１２２内のプラズマ１０７が形成される円筒形の空間部（放電部）の円筒形の外周側壁と略同径の円柱形状で構成され、周辺天板１１１ｂの板部の外周縁部分と連結されている。この側壁部材の上端部の高さ位置（窓部材１０６上面からの距離）も周辺天板１１１ｂの板部が最も高い位置に移動した場合にも周辺天板１１１ｂの外周部分と連結される。

本実施例の空洞部は、上記の通り段差を有して連結されて空洞部の半径方向について隣接する中央天板１１１ａ及び周辺天板１１１ｂに対応する領域によって構成される部分に複数に分けられる。中央天板１１１ａ板部分と周辺天板１１１ｂの円柱導体１１１ｂ′部分で構成される上方の円柱状（円筒状）の空間を第１の空洞部１２０と呼ぶ。さらに、周辺天板１１１ｂのリング状の板部分と空洞部の空間の側面を構成する円柱状の側壁部材の内側壁で構成される下方の円柱状（円筒状）の空間を第２の空洞部１０５と呼ぶ。

空洞部は、前者の下面と後者の上面とが接続されて連なり、上下方向に両者が隣接して１つの空間として構成されている。空洞部の天面は、中央天板１１１ａの板部で構成される第１の空洞部１２０の天面と周辺天板１１１ｂの板部で構成される第２の空洞部１０５の天面との間において円柱導体１１１ｂ′で構成される段差を有しており、その円筒形の中心軸からの半径方向について階段状に高さを変化させている。この段差部によって第１の空洞部１２０、及び第２の空洞部１０５内部での電界の分布に差異が形成される。

なお、周辺天板１１１ａの円柱導体１１１ａ′は、円形導波管１０２の内側側壁と連結されて内部に挿入され、円形導波管１０２内部を下方に向けて伝播してきた電界は、円筒形状の円柱導体１１１ａ′内側の空間を下方に伝播して上記第１の空洞部１２０の上端部に導入される。円柱導体１１１ａ′は円形導波管１０２の延長部分として機能する管路であり、その下端部は第１の空洞部１２０の中央の上端部と接続されていることになる。

円形導波管１０２（円柱導体１１１ａ′の内部の管路）から第１の空洞部１２０に導入されたマイクロ波の電界は、第１の空洞部１２０と第２の空洞部１０５との境界を含む円柱導体１１１ｂ′の内側壁面で反射して第１の空洞部１２０内で定在波が生成される（図１の一点鎖線矢印）。そして、第１の空洞部１２０と第２の空洞部１０５の境界部分である円柱導体１１１ｂ′の下端部において窓部材１０６またはその下方の処理室１２２内に配置されるウエハステージ１０９上面の載置面またはその上に載せられたウエハ１０８に垂直な方向の電界が生成され、このウエハに垂直な方向の電界によりＴＭ１１モードが励起される。

処理室１２２内の下部に配置されたウエハステージ１０９上にウエハ１０８が載せられて静電吸着によって保持された状態で処理室１２２内に処理用の反応性ガス（プロセスガス）が図示しないガス導入経路から窓部材１０６の下面とすき間を空けて配置され処理室１２２の天井面を構成するシャワープレートの複数の導入孔から導入され、マイクロ波帯の上記電界と磁場形成手段であるソレノイドコイル１０４で生成される静磁界との電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）により、反応性ガスの粒子が励起されてプラズマ１０７が形成される。円筒形を有してその中心軸が処理室１２２の中心軸に合致させて配置されたウエハステージ１０９内部には導電体製の図示しない電極が配置され、この電極には高周波を発生するＲＦ電源１１０が電気的に接続されている。プラズマ１０７が形成された状態でＲＦ電源１１０から電極に高周波が印加されウエハ１０８上面上方にバイアス電位が形成されて、プラズマ１０７とバイアス電位との電位差によってプラズマ１０７内の荷電粒子がウエハ１０８上面の方向に誘引されてこれらの間の衝突による相互作用によりウエハ１０８上面に配置された処理対象の膜のエッチングがすすめられる。

円柱導体１１１ｂ′の下端部は空洞部またはこれと同径かこれと見なせる程度に近似した径を有する処理室１２２の中心軸から所定の半径の距離に円周状に配置されており、窓部材１０６の直下方の箇所を含む処理室１２２内のこの所定の半径の距離の領域にはＴＭ１１モードの電界に影響されたプラズマが強く形成され、この領域では所定の値の半径の周方向について密度や強度の均一性に優れたプラズマが形成されることになる。なお、窓部材１０６の下面とウエハステージ１０９の上面の載置面とは平行またはこれと見なせる程度に相対的な配置にされている。

一方、円形導波管１０２内部を伝播してきたマイクロ波の電界はＴＥ１１モードを有しており、円形導波管１０２の直下方でその投影面を含む空洞部または円形の窓部材１０６或いはこれとほぼ同形の円筒状の処理室１２２の面積を中心に含む空間の電界の分布ではＴＥ１１モードの電界が支配的または強い影響を与えている。つまり、処理室１２２内には窓部材１０６を透過して、上記ＴＭ１１モードのマイクロ波の電界と円形導波管１０２より直接導入されるＴＥ１１モードのマイクロ波の電界が導入される。そして、処理室１２２内部での電界の密度，強度はその中心軸からの半径方向についてＴＥ１１モードの電界に強く影響されたプラズマが形成される領域と、その半径方向外周側でＴＭ１１モードの電界に影響されたプラズマが形成される領域とが存在する。

これらの異なるモードの電界が重ね合わされたことによって生起されたプラズマの密度及び強度の分布は、半径方向について均一性が向上されたものとなる。つまり、中央側においてＴＥ１１モードの電界で形成されたプラズマが強く形成され、外周側においてＴＭ１１モードの電界で形成されたプラズマが強く形成され、相互に強度，密度が低下する領域を補完しあうことでウエハ１０８上方においてその面方向のプラズマの密度，強度等の特性の均一性が向上される。

なお、本実施例での円柱導体１１１ｂ′の空洞部の中心軸、つまり処理室１２２または円筒形のウエハステージの中心軸からの距離は、ウエハステージ１０９の上面の外周縁までの距離（ウエハステージ１０９上面の半径）の値以下、望ましくはウエハ１０８の半径の値以下にされている。このような構成により、上記ＴＭ１１モードの電界に強く影響されたプラズマの密度や強度の分布はウエハ１０８の外周縁まで均一性が高く維持される。

図２は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置により処理されるウエハ１０８の上面に配置される膜構造の例を示す模式図である。本例では、当該膜構造からエッチング処理により半導体デバイスの回路を形成する例を示している。

図２（ａ）はエッチング処理前、図２（ｂ）は処理後の膜構造の断面を示す。処理前の状態として、シリコン基板２０１の上に酸化膜２０２、および、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３が形成されている。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３の上には回路パターンが転写されたレジスト２０４が存在する。図１に示すマイクロ波プラズマエッチング装置により、レジスト２０４に覆われていない部分のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３が除去され、図２（ｂ）に示す処理後の状態となる。このとき酸化膜２０２は除去されない。

図３は、図２に示す膜構造を図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置によって処理する場合の動作の流れを示すフローチャートである。本図のステップ３０１において、処理室１２２内に図示しないロボットアーム等の搬送装置に載せられてウエハ１０８がウエハステージ１０９上の載置面上に載せられ、静電吸着によって載置面上で吸着保持される。この状態でｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３の大部分を除去するいわゆるメインエッチの処理が実施される。

本実施例では、ステップ３０２において、下面が空洞部の天面を構成する中央天板１１１ａ、および、周辺天板１１１ｂの各板部の高さがプラズマ処理装置の使用者によって入力されて指令が発信されて設定される。各高さは、処理室１２２内で所望のプラズマの密度，強度等の特性の分布が得られるように予め実験等で得られた値が図示しないプラズマ処理装置の制御部内の記憶装置に記憶されたデータが制御部の演算器により読み出されて入出力インターフェースを介してパルスモータ１０１ａ，１０１ｂ等の駆動装置に送信されてこれらの動作により設定される。

ステップ３０３において、処理室１２２内にシャワープレートの導入孔からプロセスガスが導入され、この流量，速度と処理室１２２下方の排気口からの処理室１２２内の排気の流量，速度とのバランスが調節されて、処理室１２２の内部の圧力が所望の値の範囲内に設定される。排気口からの排気は、真空容器下面に連結された図示しない真空ポンプにより行われ、処理中にも行われる真空ポンプの動作によって排気された処理室１２２内のプラズマ，ガス，生成物等の粒子は、プラズマ処理装置の外部或いはこれが設置される建屋の外部に排出される。

ステップ３０４において、マイクロ波帯の電界が円形導波管１０２から空洞部を通り窓部材１０６を介して処理室１２２内に導入され、さらにソレノイドコイル１０４からの磁界が処理室１２２内に供給され、これらの相互作用によりプロセスガスが励起されてプラズマ１０７が形成される。ステップ３０５において高周波電力がウエハステージ１０９に供給されＲＦバイアスがウエハ１０８上に形成され、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３のエッチングが開始される。

イオン等の荷電粒子のウエハ１０８上の膜構造との衝突を用いて処理対象膜のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３の除去が進行しマスクであるレジスト２０４の形状に沿って溝または孔等の所期の形状に対象膜の加工が行われる。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３の大部分が除去され下方の膜である酸化膜２０２が露出するか露出する少し前まで到達したことが検出されると、ステップ３０７、および、ステップ３０８により、ＲＦバイアス、および、マイクロ波の電界，磁界の供給がＯＦＦ（停止）され、一旦プラズマ１０７が消失される。

次に、上記のメインエッチの処理の後、酸化膜２０２上に残るＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３をさらに除去する、所謂オーバーエッチの処理が実施される。まず、ステップ３１０により中央天板１１１ａと周辺天板１１１ｂの各板部の高さが変更される。この高さについても、予め実験等により得られた値を記憶しておいたデータが読み出されて指令信号として中央天板１１１ａ，周辺天板１１１ｂの移動によって設定される。

この際、オーバーエッチの処理では、下地の膜となる酸化膜２０２とＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３の間の選択比を高くする必要があることから、本実施例では処理室１２２内の処理中の圧力を高くする。本実施例では、このような条件で均一性の高いプラズマを生成するためメインエッチの際の中央部及び周辺部の空洞高さの配置に対して、周辺天板１１１ｂの高さを低くする。

このようにメインエッチの場合より中央天板１１１ａの板部の高さより周辺天板１１１ｂの高さを低くする、つまり、第１の空洞部１２０の天面と窓部材１０６の上面との距離と第２の空洞部１０５の天面と窓部材１０６の上面との距離との比率は、メインエッチの際よりオーバーエッチの方が高くされる。このことにより、圧力がメインエッチの際よりも高くされるオーバーエッチの条件においてもプラズマの均一性を向上させることができる。

ステップ３１０により空洞部の中央部及び周辺部でのその高さが変更された後、ステップ３１１によりプロセスガスが導入され処理室１２２内の圧力が調整される。ステップ３１２によりマイクロ波による電界及び磁界が導入され、プロセスガスからプラズマ１０７が形成される。その後、ステップ３１３においてＲＦ電源からの電力によりＲＦバイアス電位が形成され、オーバーエッチングが実施されｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３がその溝，孔等の加工形状の隅部から除去される。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が除去された後、ステップ３１５、および、ステップ３１６により、ＲＦバイアス、および、マイクロ波の電界，磁界がＯＦＦ（停止）され、プラズマ１０７が消去されて、オーバーエッチが終了する。ステップ３１７においてプロセスガスが排気された後、ステップ３１８においてウエハが搬出される。

〔変形例１〕
次に、本発明の変形例を図４を用いて説明する。図４は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の変形例の構成の概略を示す縦断面図である。本図において、図１乃至図２において説明した構成と同等の構成については、説明を省略する。

本変形例においては、空洞部の天面を構成する中央天板１１１ａ，周辺天板１１１ｂの各板部に処理中に処理室１２２内部の発光を検出するための検出器が配置されている。半径方向について異なる位置、特に第１の空洞部１２０及び第２の空洞部１０５の領域に対応する空洞部の天面の位置においてプラズマの密度，強度に相関する発光の強度等のパラメータが図示しない制御部において検出され、これに基づいて中央天板１１１ａ，周辺天板１１１ｂの各板部の窓部材１０６上面からの高さが調節される。

より詳細には、図４に示す変形例において、光ファイバ１１５ａ，１１５ｂに接続された分光器１１６ａ，１１６ｂの各々が中央天板１１１ａ部のリング状の板部、および周辺天板１１１ｂのリング状板部に配置され、各板部の開口を通して窓部材１０６上方から処理室１２２内に形成された処理中のプラズマの発光の強度を検知する。当該発光の強度は一般的にプラズマの密度に比例すると見なされるため、各分光器１１６ａ，１１６ｂから出力され検出された発光の強度から、各部でのプラズマの密度，強度の値または比率が検出される。

本変形例では、中央天板１１１ａに対応する中央部のプラズマと周辺天板１１１ｂに対応する周辺部のプラズマの密度とが各々検出され、比較され、その結果から制御部内の演算器が記憶装置内に予め記憶されたプログラムまたはデータのテーブル等から処理室１２２内の半径方向についてのプラズマの密度や強度の分布が所期のものに近づけるに適切な中央天板１１１ａ、周辺天板１１１ｂの各板部の適切な高さの値を算出する。算出された高さの値を実現するための指令信号が制御部の入出力インターフェースからパルスモータ１０１ａ，１０１ｂ等の駆動装置に対して発信され、これらの動作が調節されて、当該空洞部の中央，周辺（外周）部の高さが実現される。

本変形例では、中央部に比較し周辺部の発光強度が弱い場合、コントローラ１１７によりパルスモータ１０１ｂを駆動し、周辺天板１１１ｂを下げて周辺部のプラズマ密度を増加させる。一方、周辺部に比較し中央部の発光強度が弱い場合は、コントローラ１１７によりパルスモータ１０１ａを駆動し、中央天板１１１ａを下げて中央部のプラズマ密度を増加させる。

〔変形例２〕
図５は、図２に示す本発明の実施例に係るプラズマ処理装置により処理されるウエハ１０８の上面に配置される膜構造の別の例を示す模式図である。本例でも、当該膜構造からエッチング処理により半導体デバイスの回路を形成する例を示しており、多層膜構造の半導体デバイスの回路の例である。図５（ａ）はエッチング処理前、図５（ｂ）は処理後のものを示す。

エッチング処理の前の状態として、シリコン基板２０１の上に下方から高誘電率膜２０８，メタルゲート材２０７，ゲート材２０９，マスク材２０６，反射防止膜２０５が配置されており、反射防止膜２０５の上には回路パターンが転写されたレジスト２０４が存在する。上記のような多層膜構造の半導体回路のエッチング処理においては、各膜材料のエッチング処理に対し、それぞれ最適なガス系、および、処理圧力が異なる。このような膜構造を処理する場合に、本変形例では、ガス系、および、処理圧力の違いに対し、空洞部の中央側，外周側部分の各部の高さを最適なに調節して形成されるプラズマの密度，強度の均一性を向上して高精度なエッチング処理を実施する。

図６は、図１または図４に示す実施例に係るプラズマ装置の図５に示す膜構造をエッチング処理する場合の動作の流れを示すフローチャートである。まず、ステップ６０１において、図３に示す実施例と同様に、ウエハ１０８が処理室１２２内に搬送されて内部のウエハステージ１０９上面に載置される。

次に、ステップ６０２において、中央天板１１１ａと周辺天板１１１ｂの各リング状の板部の高さが、使用者から入力されるかまたは制御部内の演算器により算出されて各板部の駆動手段に対して動作の指令が発信され設定される。この高さは、次のステップ６０３において、プラズマの高い均一性が得られるような条件として予め実験等により得られた値である。

その後、ステップ６０３において、Ｏ₂ガスとＡｒガスの混合ガスが処理室１２２内に導入され処理圧力１.０Ｐａで、電界，磁界の供給によってプラズマが形成されＲＦ電力のウエハステージ１０９へ供給されて、反射防止膜２０５をエッチングが開始される。これと並行してレジスト２０４の横幅を細らせるための処理が実施される。

続いて、ステップ６０４において、中央天板１１１ａと周辺天板１１１ｂの各リング状の板部の高さが変更される。この高さの値も次のステップ３０５の処理において均一性の高いプラズマが得られる条件を予め実験等で検出した値に係るものである。

その後、ステップ６０５において、プロセスガスの種類，組成が変えられて、ＨＢｒガスとＯ₂ガスとＡｒガスの混合ガスが処理室１２２内に導入され、処理室１２２内の圧力が０.４Ｐａでプラズマが形成され、下地のマスク材２０６が露出するまで反射防止膜２０５のエッチング処理が行われる。

周辺天板１１１ｂの板部の高さはステップ６０３におけるものと比べてステップ６０５におけるものの方が高くされる。或いは、第１の空洞部１２０の天面と窓部材１０６の上面との距離と第２の空洞部１０５の天面と窓部材１０６の上面との距離との比率は、ステップ６０３におけるものよりステップ６０５におけるものの方が低くされる。

続いて、ステップ６０６において、中央天板１１１ａと周辺天板１１１ｂの各リング状の板部の高さが変更される。この高さについても、次のステップ６０７の処理において均一の高いプラズマが得られるよう予め実験等により得られた値である。

ステップ６０７において、プロセスガスの種類，組成が変えられて、ＳＦ₆ガスとＣＨＦ₃ガスとＡｒガスの混合ガスが処理室１２２内に導入されて処理圧力１.２Ｐａでプラズマが形成されて、ゲート材２０９が露出するまでマスク材２０６がエッチングされる。周辺天板１１１ｂの板部の高さはステップ６０５におけるものと比べてステップ６０７におけるものの方が低くされる。或いは、第１の空洞部１２０の天面と窓部材１０６の上面との距離と第２の空洞部１０５の天面と窓部材１０６の上面との距離との比率は、ステップ６０５におけるものよりステップ６０７におけるものの方が高くされる。

続いて、ステップ６０８において、中央天板１１１ａと周辺天板１１１ｂの各リング状の板部の高さが変更される。この高さについても、次のステップ６０９の処理において均一なプラズマが得られるよう予め実験等により得られた高さである。

ステップ６０９において、ＣＦ₄ガスとＣｌ₂ガスとＮ₂ガスの混合ガスを用いて処理圧力０.４Ｐａで、メタルゲート材２０７が露出するまでゲート材２０９がエッチングされる。周辺天板１１１ｂの板部の高さはステップ６０７におけるものと比べてステップ６０９におけるものが高くされる。或いは、第１の空洞部１２０の天面と窓部材１０６の上面との距離と第２の空洞部１０５の天面と窓部材１０６の上面との距離との比率は、ステップ６０７におけるものよりステップ６０９におけるものの方が低くされる。

続いて、ステップ６１０において、中央天板１１１ａと周辺天板１１１ｂの各リング状の板部の高さが変更される。この高さについても、次のステップ６１１の処理において均一なプラズマが得られるよう予め実施される実験等により得られた高さである。

ステップ６１１において、Ｃｌ₂ガスとＣＨＦ₃ガスとＮ₂ガスの混合ガスを用いて処理圧力０.５Ｐａで、高誘電率膜２０８が露出するまでメタルゲート材２０７がエッチングされる。周辺天板１１１ｂの板部の高さはステップ６０９におけるものと比べてステップ６１１におけるものの方が低くされる。或いは、第１の空洞部１２０の天面と窓部材１０６の上面との距離と第２の空洞部１０５の天面と窓部材１０６の上面との距離との比率は、ステップ６０９におけるものよりステップ６１１におけるものの方が高くされる。

尚、ここでは省略したが、ステップ６０３，６０５，６０７，６０９，６１１のエッチング処理の前後においては、図３に示した実施例と同様に、マイクロ波の電界、ソレノイドコイル１０４からの磁界、ＲＦ電源１１０からの電力によるバイアス電位のＯＮとＯＦＦ、および、プロセスガスの導入と排気が実施される。

以上の変形例によれば、図１の実施例に係るプラズマ処理装置を用いた図６に示す多層膜構造のエッチング処理において、ガス系、および、処理圧力の違いに対し、最適な空洞高さの分布を設定してエッチング処理を進めることにより、ウエハ１０８の面内方向においてプラズマの密度，強度等特性の均一性を向上させ、処理の再現性，精度を向上させることができる。

上記実施例に示したプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法により、処理圧力などの放電条件を変更した場合においても個々の空洞高さを調整することによりプラズマ密度のプラズマ特性の不均一が低減される。これにより、試料の面方向について均一性の向上した処理結果が得られる。

１０１ａ，１０１ｂ パルスモータ
１０２ 円形導波管
１０３ マグネトロン
１０４ ソレノイドコイル
１０５ 第２の空洞部
１０６ 窓部材
１０７ プラズマ
１０８ ウエハ
１０９ ウエハステージ
１１１ａ 中央天板
１１１ｂ 周辺天板
１１４ 矩形−円形変換導波管
１１５ａ，１１５ｂ 光ファイバ
１１６ａ，１１６ｂ 分光器
１１７ コントローラ
１２０ 第１の空洞部
１２１ 円偏波発生器
１２２ 処理室
２０１ シリコン基板
２０２ 酸化膜
２０３ ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜
２０４ レジスト
２０５ 反射防止膜
２０６ マスク材
２０７ メタルゲート材
２０８ 高誘電率膜
２０９ ゲート材

Claims (6)

1. 真空容器内部に配置され内側でプラズマが形成される円筒形の処理室と、この処理室内部に配置され前記プラズマにより処理される試料がその上に配置される試料台と、前記真空容器の上部に配置され前記処理室内に前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の円板部材と、この円板部材の上方に配置され前記電界が上方から導入される円筒形の空洞と、この空洞の中央上方でこれと連結されて配置され内部を前記電界が伝播する導波管と、この導波管の端部に配置され前記電界を生成する手段と、前記空洞を構成し前記導波管との連結部を含む中央部とこの中央部の外周部とで前記円板部材の上面から異なる高さを有する第一及び第二の空洞部と、これら第一，第二の空洞部の上方に配置されこれらの高さを調節する調節器と、前記処理の進行に伴って前記調節器に前記第一，第二の空洞部の高さを変更する指令を発信する制御器とを備えたプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記第一の空洞部が前記導波管の外周に配置されこの空洞部の天井を構成して上下する第一のリング状の板部材を有し、前記第二の空洞部が前記第一のリング状の外周側に配置されこの空洞部の天井を構成して上下する第二のリング状の板部材と前記第一のリング状の板部材及び第二のリング状の板部材との間の段差の間で前記第１の空洞部の側壁を構成する円筒状の部材とを備えたプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記試料台の前記試料が載置される上面が前記導波管と前記空洞との連結部の下方に配置され、前記段差が上方から見て前記試料台の外周縁より中央側に位置するプラズマ処理装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記第一のリング状の板部材と前記円板部材との間の距離が前記第二のリング状の板部材と前記円板部材との間の距離より大きくされたプラズマ処理装置。
5. 請求項４に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記試料の上面に配置された膜のオーバーエッチング処理の際の前記第一及び第二のリング状の板部材と前記円板部材との間の距離の比が前記膜のメインエッチング処理の際のこれらの距離の比より小さく調節されるプラズマ処理装置。
6. 請求項４に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記処理室内の圧力が高い処理のステップでの前記第一及び第二のリング状の板部材と前記円板部材との距離の比が圧力が低い処理のステップでのこれらの距離の比より小さく調節されるプラズマ処理装置。

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