JP2015162266A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置。【解決手段】処理室内の処理対象の試料が載置される試料台の上方に配置され電界を供給する上部電極と、この上部電極に前記電界を形成するための第一の高周波電力を出力する第一の高周波電源と、前記試料台内部に配置され第二の高周波電力が供給される下部電極と、前記試料台の上部に配置され前記載置面を構成する誘電体製の膜の内部に配置され直流電力が供給される静電吸着用の電極と、前記絶縁層を挟んで前記下部電極の外周囲を囲んで配置され接地電位にされた導電板とを備え、前記絶縁層はバイアス用給電経路及び静電吸着用給電経路より小さなインピーダンスを有し、前記第一の高周波電力の電流が前記上部電極から前記試料台上面を介し前記導体板から前記処理室の内側壁面を構成する部材を通り前記高周波電源に戻る回路を流れるプラズマ処理装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上に載せられ吸着された半導体ウエハ等の処理対象の試料を当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理して半導体デバイスを製造するプラズマ処理装置に係り、特に試料表面に予め形成されたシリコンやシリコン酸化膜等の半導体や誘電体製の材料から構成された膜構造を当該試料台内部の電極に高周波域の電力を供給してバイアス電位を形成しつつ所望の形状にエッチングするプラズマ処理装置に関する。

上記のように半導体ウエハ等の基板状の試料に対してエッチング等の処理を行うプラズマ処理装置では、真空容器に連結されたターボ分子ポンプ等の真空ポンプを含む真空排気手段により真空容器内部に配置された処理室内を排気しつつ当該処理室内にプラズマを形成して試料の処理に用いられる処理用のガスを導入し、当該ガスを処理室内に供給した電界または磁界を用いて励起してプラズマ化し、試料の表面に予め配置された膜構造の樹脂製のレジストや酸化物等によるマスク以外の処理対象の膜をエッチングすることで所望の形状に加工することが行われる。プラズマを生成する構成としては、一般的に、誘導結合によるものや電子サイクロトロン共鳴或いは平行に配置された平板間での容量結合によるもの（マグネトロン方式含む）が主に用いられている。

誘導結合によるプラズマの生成には、主に１３．５６ＭＨｚの電界が用いられ、電子サイクロトロン共鳴によるものでは、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の電界が主に用いられる。また、これらの誘導結合方式および電子サイクロトロン共鳴方式では、プラズマの生成とは別に試料の表面へプラズマ中のイオンを誘引してエッチングの処理を促進するため高周波（ＲＦ）帯の電界が試料またはこれが載置される試料台の内部の電極に印加し、当該ＲＦ電力の大きさを調節して試料上方に形成されるバイアス電位の値を調節し試料の表面へ入射するイオンのエネルギーを所望のものに制御することで加工の形状を所期のものに近付けることが実施されてきた。

一方、平行平板によるものでは、従来からプラズマの生成に１３．５６ＭＨｚの電界が用いられてきたが、近年では、プラズマ密度の向上と低圧力域でのプラズマ生成を可能とするために、ＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）の電界が用いられるようになってきた。さらに、試料表面への入射イオンのエネルギーを独立に制御するＲＦ帯の電磁波もプラズマ生成とは別に用いられるようになってきた。

上記のバイアス電位を形成して入射イオンのエネルギーを調節するために供給される電界の周波数は、従来から数百ｋＨｚから数ＭＨｚが用いられてきた。このようなバイアス電位形成のための電界の周波数も、入射イオンのエネルギー制御性の観点からＭＨｚ帯以上のものが用いられる傾向にある。

このようなプラズマ処理装置では、一般的に処理中の試料の温度を加工に適切な範囲に調節するため、その温度が所定の範囲された試料台の上部の試料載置面を構成する誘電体製の膜上に試料を静電気力により静電吸着する膜状の電極が誘電体製の膜内に配置される。さらに、吸着された試料の裏面と上記載置面との間の空間に両者の熱伝達を促進するためにＨｅ等の熱伝達用のガスが載置面から供給される。

さらには、試料台の温度は当該試料台を構成する金属製の円板または円筒状の基材の内部に同心円或いは螺旋状に配置された流路内部にその温度を所定の範囲の相対にされた冷媒が供給され循環されることで行われるものが従来より知られている。また、冷媒による試料の温度の調節に加えて、試料台の上部に配置されたヒータからの加熱を用いることも従来から行われている。

このような従来技術の例としては、特開２００６−１１４７６７号公報（特許文献１）や特開２０１１−２５８６１４号公報（特許文献２）に記載のものが知られていた。特許文献１では、アルニミウム製の円筒状の真空チャンバ内のプラズマ処理室内に配置され半導体ウエハＷをその上面である載置面上に支持する支持テーブルを有し、支持テーブルの載置面には半導体ウエハＷを吸着するために絶縁体の間に電極を配置して構成された静電チャックが備えられて、電極に直流電源からの電圧が印加されてクーロン力により半導体ウエハＷが絶縁体上に吸着される。

さらに、支持テーブル内には冷媒を循環させるための冷媒流路と冷媒と半導体ウエハＷとの間の熱伝達の効率を良くするためのＨｅガスを半導体ウエハＷの裏面に供給するガス導入機構が備えられている。さらには、支持テーブルには高周波電源が電気的に接続され１３．５６〜１５０ＭＨｚの範囲の高周波電力が供給されとともに、プラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス電位形成のための５００ＫＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲の高周波電力を供給する高周波電源が電気的に接続されている。さらにまた、本従来技術では、支持テーブルの外周側面から外側のプラズマ処理室内部の空間に向かって延在して支持テーブルを囲んで配置された遮蔽板を備えており、この遮蔽板は支持テーブル上方の処理室内のプラズマが支持テーブルの下方の下流側の空間に向って拡散することを抑止するために設置されている。

特開２００６−１１４７６７号公報

上記の従来技術は、以下の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。すなわち、特許文献１において、処理室内にプラズマを生成する場合、プラズマの形成用の高周波電源から出力されて処理室内に供給された高周波の電力により、処理室内には試料台の上方の処理室上部に配置された平板状のアンテナまたは電極と試料台とを介して接地されたプラズマの形成用の高周波電源との間に電流が流れる等価的な回路が形成されることになる。

このような高周波の電流は、アンテナや上部の電極の下方に一般的に配置される処理用のガスを分散するための導体または半導体のシャワープレート５およびプラズマ１１を介して試料台上の試料或いは試料台の導体製の側壁や基材を通してバイアス電位形成用の高周波電源を通ってアースに流れると回路上等価的に考えることができる。一方、上記静電吸着用の電極やヒータに電力を供給する電源の一端が電気的にアースと接続されているか或いは接地されている場合には、上記処理室内に供給されたプラズマ形成用の電力のうちの一部は、試料台に配置された膜状の静電吸着用の電極やヒータ及びこれらとコネクタを介して試料台下方に配置されこれらに電気的に接続された給電用の配線や経路を通って、上記静電吸着用の電極やヒータ用の電源を通りアースへ流入する。

このような給電経路へのプラズマの形成用の高周波電力の電流（以下、高周波電流）は、当該高周波電力に対して低域通過フィルタや高周波電力整合器を含む給電経路全体での入力インピーダンスを十分高く設定することで抑制することができる。しかしながら、プラズマ形成用の高周波電力にＶＨＦ帯域以上の高い周波帯のものを用いる場合には、各回路内や接続ケーブルの寄生容量や寄生インダクタンスが大きく影響してしまい、プラズマ形成用の高周波電力による高周波電流を安定して抑制できるだけの十分高い入力インピーダンスを実現することが困難となってしまう。

例えば、電極と低域通過フィルタとを接続するケーブルとして同軸ケーブルを用いた場合、一例ではそのケーブルの長さが１０ｃｍ程度でもケーブル芯線とシールド線間の静電容量がおよび１０ｐＦ程度の大きさを有しているため、２００ＭＨｚ前後のＶＨＦ帯の電流に対しに対しては約８０Ω程度の対アース間インピーダンスとなってしまう。さらに、低域通過フィルタ内の寄生インピーダンスも影響してしまう。このため、このようなケーブルを用いた給電経路における入力インピーダンスは、その経路上に配置された素子の特性、定数や配線の長さのバラツキの影響で大きく変動してしまうことになる。

このような経路を通り流れて回路を構成するプラズマ形成用の高周波電源からの電力は、その電極からアースまでの経路上における上記の入力インピーダンスのバラツキの影響により変動してしまい、この変動によりプラズマの形成に投入される電力に変動が生じることなる。このようなプラズマの形成に用いられる電力の変動は、試料を処理する条件の再現性を低下させ処理後に得られる加工後の形状の変動を大きくしてしまったり、或いはプラズマ処理装置の間での性能差（所謂、機差）を大きくしてしまい、処理の歩留まりや装置の信頼性を損なってしまったりしていたことについて、上記従来技術では考慮されていなかった。

本発明の目的は、処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記の目的は、真空容器内部に配置された処理室と、この処理室内部に配置されその上面に処理対象の試料が載置される試料台と、この試料台上方に配置され前記試料台の上面に対向して配置され当該処理室内にプラズマを形成するための電界を供給する上部電極と、この上部電極と電気的に接続され前記電界を形成するための第一の高周波電力を出力する第一の高周波電源と、前記試料台内部に配置され前記試料の処理中に前記第一の高周波電力より低い周波数の第二の高周波電力が供給される下部電極と、この下部電極と接続され前記第二の高周波電力をバイアス用給電経路を介して供給する第二の高周波電源と、前記試料台の上部に配置され前記載置面を構成する誘電体製の膜の内部に配置され前記下部電極の内部に配置された静電吸着用給電経路を介して直流電力が供給される静電吸着用の電極と、前記絶縁層を挟んで前記下部電極の外周囲を囲んで配置され前記試料台の外周側でプラズマと面するとともに接地電位にされた導電板とを備え、前記絶縁層は前記第一の高周波電力について前記バイアス用給電経路及び静電吸着用給電経路のインピーダンスより小さなインピーダンスを有し、前記第一の高周波電力の電流が前記上部電極から前記試料台上面を介し前記導体板から前記処理室の内側壁面を構成する部材を通り前記高周波電源に戻る回路を流れるプラズマ処理装置により達成される。

本発明により、プラズマ生成用電磁波は、被加工試料台側面から導体板を介して真空容器壁に流入する回路が形成され、被加工試料台部に接続される各種機能部の影響を少なくすることができる。これにより、被加工試料台部に接続される各種機能部の特性差によるプラズマ生成の変動を抑制し、再現性の低下や装置間差の発生を抑制することが可能となる。

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模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例の試料台の側壁の遮蔽板の近傍を拡大して示す縦断面図である。 本願発明の比較例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例におけるプラズマ形成用の高周波電流の流れを模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例の変形例の構成の概略を示す縦断面図である。 図１に示す実施例の別の変形例の構成の概略を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

本発明の実施例を図１，２，４を用いて説明する。図１は、本発明におけるプラズマ処理装置を示す。まず、図１における装置構成を説明する。

図１に係るプラズマ処理装置は、ソレノイドコイルである電磁コイル１を用いた有磁場平行平板型のプラズマ処理装置である。本実施例のプラズマ処理装置は、真空容器１０とその上方に配置され真空容器１０内部の空間であり処理対象の試料が載置され処理用のガスが供給されてプラズマが内部に形成される処理室とを有し、真空容器１０の上方に配置されて処理室の内部にプラズマを形成するための電界または磁界を生成する装置であるプラズマ形成部と、真空容器１０の下部と連結され処理室内部を排気して減圧するターボ分子ポンプ等の真空ポンプを含む排気装置とを備えている．

真空容器１０の内部の処理室内には、その下方に配置された円筒形を有した試料台２とその上面を構成してその上に半導体ウエハ等の基板状の試料３が載せられる載置面の上方でこれに対向して配置されてプラズマを形成するための高周波電力が供給される円板形状の上部電極４と、この上部電極４の試料３側で試料台２の載置面に対向して配置されると共に処理室の天井面を構成し当該処理室内にガスを分散して供給する貫通孔を複数備えた円板状のシャワープレート５とが配置されている。シャワープレート５とその上方に配置されたアンテナである上部電極４とは、これらが真空容器1０に取り付けられた状態でこれらの間に隙間が形成されるように配置されており、処理室内に供給される試料３の処理に用いられる処理用のガス或いは処理には直接的には用いられないものの処理用のガスを希釈したり処理用のガスが供給されない間に処理室内部に供給されて処理用のガスと入れ替えられる不活性ガスは、上記隙間と連結された真空容器１０外部のガス導入ライン６から上部電極４内に施されたガス流路を介して当該隙間に供給されその内部で分散された後、シャワープレート５の中央部を含むに領域に配置された複数の貫通孔を通り処理室内部に供給される。

上部電極４は導電性材料であるアルミまたはステンレス等で形成された円板状の部材であってその上面の中央部にプラズマ形成用の高周波電力が伝達される同軸ケーブルが電気的に接続されており、冷媒の温度を所定の範囲に調節するチラー等の温度制御装置と連結され当該冷媒が供給される上部電極用冷媒流路７を内部に有してその内部を冷媒が循環しつつ熱交換することによって上部電極４の温度が処理に適切な値の範囲内に調節されている。本実施例のシャワープレート５は、上記高周波電力が印加されてその表面に形成またはこれから放出される電界が透過する石英等の誘電体やシリコン等の半導体で構成されている。

上部電極４には、同軸ケーブルを介してこれと電気的に接続された放電用高周波電源８からプラズマ形成用の高周波電力が放電用高周波電力整合器９を介して供給され、上部電極４の表面からシャワープレート５を透過して処理室内に電界が放出される。さらに、本実施例では、真空容器１０の外部であって処理室の上部の上方と側方とを囲んで配置された電磁コイル１が形成する磁界が処理室内部に供給される。

当該磁界と上記高周波の電界との相互作用により、処理室内部に供給された処理用のガスまたは不活性ガスの原子または分子が励起されてプラズマ１１が処理室内に形成される。本実施例では、プラズマを形成するための高周波電力として超高周波帯（ＶＨＦ帯）域の周波数である２００ＭＨｚの電力を用いた。

また、上部電極４はその上方や側方に配置されて石英やテフロン等の誘電体で構成されリング状の上部電極絶縁体１２により真空容器１０の上部を構成して真空容器１０を開閉する蓋部材から電気的に絶縁されている。また、同様にシャワープレート５周辺には石英等の誘電体で構成される絶縁リング１３が配置されて蓋部材から絶縁されている。これら上部電極絶縁体１２と絶縁リング１３と上部電極４、シャワープレート５とは、蓋部材の開閉の動作の際に蓋部材と一体として回動する。

円筒形を有した真空容器１０はその側壁が、図示しない真空容器であって減圧された内部を試料２が搬送される搬送容器と連結されて、これら間には試料２が出し入れされる通路の開口としてのゲートが配置され、真空容器１０内部で試料２の処理がされる場合に、ゲートを閉塞して真空容器１０内部を気密に封止するゲートバルブが配置されている。

処理室内の試料台２の下方の真空容器１０の下部には、処理室内部を排気する真空ポンプと連通する排気用の開口が配置され、排気口と真空ポンプとの間でこれらを連結する排気の経路の内部にはその流路を横切って配置された軸回りに回転して断面積を増減させる板状のバルブである圧力調整バルブ２６が配置されており、その回転の角度が調節されることにより処理室からの排気の流量または速度が増減される。処理室内部の圧力は、シャワープレート５の貫通孔から供給されるガスの流量または速度と排気用の開口から排出されるガスや粒子の流量または速度とのバランスにより、所望の値の範囲内となるように、図示しない制御装置により調節される。

次に、試料台２周辺の構造に関して説明する。本実施例の試料台２は処理室の下方の中央部に配置された円筒形を有した台であって、その内部に円筒形または円板形状を有した金属製の基材２ａを備えている。本実施例の基材２ａは、同軸ケーブルを含む給電経路によりバイアス用高周電源２０と当該給電経路上に配置されたバイアス用高周波電力整合器２１を介して電気的に接続され、プラズマ生成用高周波電力とは別に異なる周波数（本例では４ＭＨｚ）の高周波電力が供給される。

基材２ａに供給された高周波電力によって、プラズマ中のイオン等荷電粒子を試料３の上面または試料載置面に誘引するためのバイアス電位がこれらの上方に形成される。すなわち、上部電極４の下方において基材２ａはバイアス用高周波電力が印加される下部電極として機能する。また、基材２ａの内部には、基材２ａまたは試料載置面の温度を試料３の処理に適した温度に調節するために供給される所定の温度の冷媒が内部を循環して通流する冷媒流路１９が多重の同心状または螺旋状に配置されている。

基材２ａの上面には、その内部に試料３を静電吸着させるための直流電力が供給されるタングステン電極１５を内蔵したアルミナあるいはイットリア等の誘電体製の静電吸着膜１４が配置されている。ダンステン電極１５はその裏面が基材２ａを貫通する貫通孔の内部に配置された給電経路２７を介して直流電源１７と電気的に接続されている。

また、基材２ａの下方であって試料台２の内部の給電経路２７上には抵抗またはコイル等の素子３２が配置され、当該素子３２は接地されたバイアス用高周波電力整合器２１及びこれを介してバイアス用高周波電源２０と同じく同軸ケーブルを備えた給電経路によって接続されている。さらに、貫通孔の下方であって試料台２の内部の給電経路２７上には抵抗またはコイル等の素子３２が配置され、当該素子３２は接地された低域通過フィルタ１６を介して直流電源１７と接続されている。

本実施例の直流電源１７及びバイアス用高周波電源２０は、その一端側の端子は接地されるかアースに電気的に接続されている。低域通過フィルタ１６及びバイアス用高周波電力整合器２１は、直流電源１７およびバイアス用高周波電源２０に放電用高周波電源８からのプラズマ形成用の高周波電力が流入するのを抑制するために配置されている。より高い周波数の電流の流れを妨げてフィルタリング（濾過）する低域通過フィルタ１６により直流電源１７からの直流電力或いはバイアス用高周波電源２０からの高周波電力は損失なくそれぞれ静電吸着膜１４および試料台２に供給されるが、試料台２側から直流電源１７およびバイアス用高周波電源２０に流入するプラズマ形成用の高周波電力は低域通過フィルタ１６またはバイアス用高周波電力整合器２１を介してアースに流される。なお、図１中のバイアス用高周波電源２０からの給電の経路上には低域通過フィルタ１６は図示されていないが、同様な効果を有する回路が図示するバイアス用高周波電力整合器２１内に内蔵されている。

このような構成では、試料台２から直流電源１７およびバイアス用高周波電源２０側を見た場合の放電用高周波電源８からの電力のインピーダンスは相対的に低くされる。本実施例では、抵抗またはコイル等のインピーダンスを高める素子３２を給電経路上で電極と低域通過フィルタ１６及びバイアス用高周波電力整合器２１との間に挿入して配置することで、試料台２の基材２ａ側から直流電源１７或いはバイアス用高周波電源２０側を見たプラズマ形成用の高周波電力のインピーダンスを高く（本実施例では１００Ω以上に）している。

図１に示す実施例は、静電吸着膜１４の内部に配置されたタングステン電極１５を複数備えており、これらのうち一方と他方とが異なる極性を有するように直流電圧が供給される両極性の静電吸着を行うものとなっている。このため、静電吸着膜１４と試料３との接触面の面積を２等分されたか又はこれと見做せる程度に近似した範囲内の値でタングステン電極１５が２つ領域に分けられて配置されて、それぞれに独立した値の直流電力が供給されて、異なる値の電圧に維持される。接触した静電吸着膜１４と試料３の裏面との間には、ヘリウム供給手段１８よりヘリウムガスが供給され、試料３と静電吸着膜１４との間の熱伝達を向上させ、基材２ａ内部の冷媒流路１９との熱の交換量を増大し試料３の温度を調節する効率を高めている。

基材２ａの下方には、テフロン等で形成される円板状の絶縁板２２が配置され、接地されるかアースと電気的に接続され接地電位にされた基材２ａが下方の部材から絶縁されている。さらに、基材２ａの側面の周囲にはこれを囲んで接続されて配置されアルミナ等の誘電体製のリング状の絶縁層２３が配置されている。基材２ａの下方でこれと接続されて配置された絶縁板２２の下方と周囲及びその上方の絶縁層２３の周囲には、接地されるかアースと電気的に接続され接地電位にされた導電性材料から構成された導電板２９が配置されてる。

導電板２９は、上方から見て円形かこれと見做せる程度の近似した形状を有した板部材であって、その中央部に、絶縁板２２、絶縁層２３を挟んで基材２ａが内側に配置され、基材２ａの下面と側面とが囲まれて配置された凹み部を備えている。また、凹み部の外周側の位置には中央側から外周側に水平方向に延在する板状のフランジ部である遮蔽板２４を有している。遮蔽板２４は、処理室内の試料台２の上方に形成されるプラズマを処理室内部の上部に偏らせて、謂わば、閉じ込めるために配置されたものであり、板状のフランジ部にガスや粒子を上下方向に通過させるため複数の孔を備えている。

さらに、試料台２の上部の静電吸着膜１４の略円形を有した試料載置面の外周側の箇所には、石英等の耐プラズマ性を有した誘電体で構成されるリング状のサセプタ２５が、基材２ａの外周部の上面上方に載せられ試料載置面を囲んで配置されている。サセプタ２５は、その外周縁部は絶縁層２３の上面に載せられてこれを覆って配置されている。

図３は、図１に示す実施例の構成の一部を備えない比較例としてのプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。本図に示すプラズマ処理装置は、本実施例に係るプラズマ処理装置における遮蔽板２４及び絶縁層２３、並びに素子３２を備えていないものであって、他の構成は図１に示す構成と同等のものである。なお、図１，２の実施例と同等の構成についてはその説明を省略している。

また、プラズマ処理装置におけるプラズマ形成用高周波電力の電流が流れる経路を模式的に示す縦断面図である。図３では、点線を用いて放電用高周波電流の流れる経路３２８を模式的に示している。

この図に示すプラズマ処理装置において、真空容器１０の内部には、処理室内にプラズマを形成するための高周波電力が上部電極４からシャワープレート５を経て処理室に形成された誘電体としてのプラズマ１１を挟んだ試料台２に流れる電流の流れる経路が構成される。図３のように、素子３２を備えておらず、タングステン電極１５への給電経路２７或いは基材２ａへの給電経路のインピーダンスが相対的に小さなものにおいては、図３中に破線で記した放電用高周波電流の流れる経路３２８で示すように、放電用高周波電源８より出力された高周波電力の電流は、試料３が載置される試料台２に流入した後、高周波であるため試料台２の載置面上面または試料３を伝播し、外周側に配置されたサセプタ２５部から金属製の基材２ａの側面から基材２ａの下面と絶縁板２２との間（基材２ａの下面の表面）を伝播してして基材２ａ下面中央まで到達する。さらに、試料台２の下方の真空容器を構成する部材の内側表面を通って真空容器１０の上部に配置されたプラズマ形成用の高周波電力の給電経路である同軸ケーブルを介して放電用高周波電源に到達する閉じた回路が形成される。

また、本図の例では遮蔽板２４を備えておらず、基材２ａ側壁または下面を伝播するプラズマ形成用の高周波電力は、テフロン当の絶縁性の材料によって囲まれてその側方または下方の面が覆われた基材２ａの側壁から外周側に電流の経路が形成されることが抑制されている。このため基材２ａ下面に流入した高周波電流は、基材２ａ下面に貫通されている静電吸着用のタングステン電極１５への直流電力の給電経路２７であるケーブルを介してケーブルの下方に接続された低域通過フィルタ１６、或いは基材２ａ下面に接続されたバイアス用高周波電力の給電経路である同軸ケーブルを通りバイアス用高周波電力整合器２１に向けて流れることになる。

また、試料台２の上面に流入したプラズマ形成用の高周波電力の電流の一部は、静電吸着膜１４内部のタングステン電極１５から直接、その給電経路２７に流れ下方の接地された低域通過フィルタ１６に流入する。これら低域通過フィルタ１６およびバイアス用高周波電力整合器２１に流入するプラズマ形成用高周波電力の電流の量は、当該高周波電力に対して低域通過フィルタ１６およびバイアス用高周波電力整合器２１（これらと接続されて電力が供給される給電経路２７等のケーブル類を含む）の入力インピーダンスを十分高く設定することで抑制されるが、放電用高周波にＶＨＦ帯以上の周波帯を用いる場合には電流の流れる回路や接続ケーブル上での寄生容量や寄生インダクタンスが大きく影響し、十分高い入力インピーダンス（本実施例では、放電用高周波に２００ＭＨｚを用いたので、２００ＭＨｚに対して１００Ω以上の入力インピーダンス）を安定に実現することが困難となる。

例えば、試料台２と低域通過フィルタ１６を接続するケーブルに同軸ケーブルを用いた場合、そのケーブル長さが１０ｃｍ程度でもケーブル芯線とシールド線間の静電容量が１０ｐＦ程度は有り、２００ＭＨｚに対しては約８０Ω程度の対アース間インピーダンスとなる。さらに、低域通過フィルタ１６内の寄生インピーダンスも影響するので、２００ＭＨｚに対して１００Ω以上の入力インピーダンスを実現するのは極めて難しい。またその入力インピーダンスは各回路内の素子定数のバラツキや配線の取り回しの影響で比較的大きく変動する。

よって、放電用高周波電源８から出力されてプラズマ１１に投入される電力は、プラズマ形成用の高周波電力に対する低域通過フィルタ１６およびバイアス用高周波電力整合器２１（それらを試料台２に接続するケーブルを含む）の入力インピーダンス或いは静電吸着用の電極であるタングステン電極１５に対する給電経路２７やウエハ３処理中のバイアス電位を形成する下部電極としての基材２ａへの給電経路のインピーダンスのバラツキの影響により変動が生じることになる。このように比較例では、実効的にプラズマ１１を介して流れる電流の量が変動することにより顕れるプラズマ１１に投入される電力の変動がウエハ３の処理の条件の再現性を低下させたり装置間での性能差を生起したりする要因となる。

以下、図１及び２を併用して説明する。上記の通り、本実施例は、試料台２の基材２ａの側壁外周に接続してこれを囲んで配置され、比誘電率の高い（比誘電率４以上）のセラミクス等誘電体の材料から構成されるリング状の絶縁層２３を備えている。また、基材２ａおよびリング状の絶縁層２３とこれらの下面に接して下方に配置された円板状の絶縁板２２とを中央部の凹み部の内側に有し、絶縁板２２と絶縁層２３との側面を凹み部の側壁が囲んで配置された接地電位の導電板２９、及びその外周側の部位であって中央側から外周側に延在し真空容器１０の処理室内壁面にその先端が近接または接触している遮蔽板２４とを備えている。また、本実施例の導体板２９は、図示していないが接地されるかアースと電気的に接続されて接地電位にされている。

導電板２９は導電性の材料から構成されているが、プラズマに面する遮蔽板２４は少なくとも、アルミニウム等の導電性の材料から構成された部材とその表面に陽極酸化処理され形成されたアルマイト皮膜またはセラミクス等の誘電体の材料が溶射されて形成された皮膜とを有している。また、上記の通り、遮蔽板２４には、複数のガス通過孔３０が形成されており、シャワープレート５から供給されたプロセスガスや処理室内のプラズマ或いは生成物の粒子がガス通過孔３０の内側を通過して試料台２下方の排気用の開口に向けて試料台２の外周側の処理室内空間を流れる構成となっている。

さらに、静電吸着用の直流電源１７とタングステン電極１５との間を電気的に接続する給電経路２７およびバイアス用高周波電源２０と基材２０ａとの間でこれらを電気的に接続する同軸ケーブルを含む給電経路状には抵抗またはコイルを含む素子３２が配置されている。本実施例では、給電経路２７上において低域通過フィルタ１６とタングステン電極１５との間に配置される素子３２を１０００Ωの抵抗で構成されたものとし、バイアス用電源２０と基材２ａとの間の給電経路上であってバイアス用高周波電力整合器２１と基材２ａとの間に配置される素子３２を０．５μＨ（プラズマ形成用高周波電力に用いる２００ＭＨｚの電力に対して６２８Ωのインピーダンスを有するもの）のインダクタンスを有するもの、例えばコイルを含む素子とした。

本実施例では、図２において円板状または円筒状の基材２ａの側面とアース電位の導電板２９の凹み部の側壁との間に配置される絶縁層２３のリング状の部分の厚さ及び高さ（図２中のｔ１およびｈ）、および４以上の値を有する比誘電率を備えた材料で構成される絶縁層２３部の静電容量Ｃが式（１）の近似式より約５００ｐＦになるようｔ１、ｈおよび絶縁層２３の比誘電率が選択される。具体的には、絶縁層２３に比誘電率が約１０のアルミナが用いられ、T１が約３．５MM、ｈが２０MMという構成を備えたものにされた。なお、基材２ａと導体板２９との間に配置された絶縁板２２は、基材２ａと導体板２９との間の給電経路以外での絶縁を実現するために絶縁層２３と比して高いインピーダンスを備える（相対的に小さな静電容量を備える）材料や厚さ等の寸法が選択されて配置される。

さらに、図１および図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置は、直径３００ｍｍのウエハをエッチング処理するものであり、試料台２内部の円筒形を有した基材２ａの外径（図２のｄ１）は３３０ｍｍとした。ここで、εは絶縁層２３の比誘電率（ε=１０）を示す。また式（１）中のｄ１，ｔ１，ｈの単位はｃｍで、Ｃの単位はＦである。実際のＣの値は、各部の寸法精度や絶縁層２３と試料台２側面やアース電位の導体部２９間に存在する隙間の影響等により多少変化するが、大まかには式（１）で見積もることができる。

Ｃ＝８．８５４×１０^-14×（ε（π（ｄ１＋ｔ１／２）ｈ／ｔ１)・・・・（１）

図１および図２に図示した本実施例では、求められるＣの値を用いて試料台２側面からその周辺に配置されるアース電位の導体部２９に至る放電用高周波ｆ（本実施例では２００ＭＨｚ）のインピーダンスＺは式（２）より約１．６Ω程度となる。

Ｚ＝１／（２πｆＣ）・・・（２）

図４中に示されるように、このような構成において、アース電位の導電板２９の一部を構成する遮蔽板２４が試料台２の側壁から外周側に延在してその先端が円筒形の処理室の内側壁面に接するかその僅かな隙間を開けた近傍の位置に配置されていることで、放電用高周波電源８から出力され上部電極４及びシャワープレート５を通り処理室内に供給されプラズマ１１を介して試料３を載置面上に載せた試料台２に流れ込んだプラズマ形成用の高周波電力の電流は、試料台２側面から接地電位にされた遮蔽板２４の表面およびこれにシースを介して接するプラズマ１１を介して処理室の内側壁を構成する真空容器１０の部材に流入する。真空容器１０の側壁部材を流れる当該電流は、真空容器１０の上部を構成する金属製の蓋部材を通って放電用高周波電源８に電気的に接続された同軸ケーブルとこの上に配置された放電用高周波電力整合器９を介して放電用高周波電源８さらにはアース（接地電極）まで流れることになり、プラズマ形成用高周波電力の電流の流れる閉じた経路４２８が形成される。

試料台２に接続される静電吸着用の給電経路２７やバイアス用高周波電力の給電経路の入力インピーダンスは、前記のように各々１０００Ωの抵抗素子および０．５μＨ（２００ＭＨｚに対して６２８Ωのインピーダンス）のインダクタンスを有する素子３２が、低域通過フィルタ１６とタングステン電極１５との間またはバイアス用高周波電力整合器２１と基材２ａとの間で導体板２９の凹み部の内側において絶縁板２２に内蔵され直列に配置されている。図１、図２および図４に記載した本実施例では、試料台２または基材２ａの側面から遮蔽板２４を介して真空容器１０の側壁部材を通り構成されるプラズマ形成用高周波電力の電流の流れる経路４２８のインピーダンスの大きさが、上記の給電経路の入力インピーダンスに対して１／３００〜１／５００程度の値にされる。

本実施例では、試料台２から遮蔽板２４（またはプラズマ１１）を介した電流の経路でのインピーダンスは、絶縁層２３でのインピーダンスが支配的になる。上記のｄ１，ｔ１，ｈ，Ｃの値を備えた本実施例では、インピーダンスは２Ω程度以下となるので、絶縁層２３のインピーダンスは素子３２のおよそ１／３００の値となって著しく小さなものとなる。このことにより、プラズマ形成用高周波電力の電流は、相対的に十分に小さなインピーダンスを有する試料台２から遮蔽板２４を通り真空容器１０に流れる経路４２８に、安定して流れることになる。

このように、本実施例では、放電用高周波電源８からの出力として供給用のケーブルを通り上部電極４からシャワープレート５を介して処理室内に供給され試料台２または試料３の上面に流入した２００ＭＨｚのプラズマ形成用の高周波電力の電流は、試料台２または試料３の上面を通り基材２ａの側壁面から絶縁層２３を介して導体板２９の凹み部の側壁に伝達され、遮蔽板２４またはこれに面するプラズマ１１を介して遮蔽板２４の先端部から処理室内壁面に伝達されて元の放電用高周波電源８に戻る閉じた回路を安定して流れ、試料台２の上部のタングステン電極１５に接続された給電経路２７や基材２ａに接続された給電経路に流れることが抑制される。このような電流パスを形成できることで試料の処理の再現性の低下や装置間差の発生を抑制することが可能となる。

本実施例では、試料台２に接続される各種回路に直列に挿入する抵抗またはインダクタンス素子のインピーダンスを６２８〜１０００Ω程度としたが、放電用周波数に対して１００Ω以上でも同様の効果がある。また絶縁層２３を介する試料台２側面とアース電位の導体部２９間の静電容量を設定し、そのインピーダンスを放電用周波数に対して１．６Ω程度としたが１０Ω以下でも同様の効果はある。

また、静電吸着用の直流電源１７に接続される抵抗またはインダクタンス素子を１０００Ωの抵抗素子とした。これは、静電吸着膜が通常１ＭΩ以上の抵抗をもっており、直列に抵抗を挿入しても十分静電吸着膜に直流電源１７の直流電位を与えることができるからである。よって、挿入する抵抗は静電吸着膜の抵抗値の１／１０程度（１ＭΩの場合は１００ｋΩ）までの抵抗挿入が可能である。

静電吸着回路に挿入する素子に抵抗を用いないで放電用高周波に対して１００Ω以上のインピーダンスとなるインダクタンス阻止を挿入しても同様な効果がある。一方、バイアス用電源２０に接続される抵抗またはインダクタンス素子に抵抗を用いると電力損失を生じる。

よって、バイアス用電源２０の接続回路に挿入する素子は電力損失の無いインダクタンス素子が望ましい。本発明ではバイアス用電源２０の接続回路に挿入するインダクタンス素子の値を０．５μＨとしたが、放電用高周波に対して１００Ω程度のインピーダンスとなる０．０８μＨ以上のインダクタンス素子でも同様な効果がある。

本実施例による絶縁層２３を介して形成される試料台２側面とアース電位の導体板２９間の静電容量は大きいほど（インピーダンスは小さいほど）プラズマ形成用高周波電力の電流のパスを形成する点では優位であるが、バイアス用高周波電源にも同様に作用するため、あまり静電容量を大きくするとバイアス用高周波電源の無効電流が増加し、電力損失が増加し望ましくない。本実施例では、バイアス用高周波電源２０に４ＭＨｚを用いている。

よって、バイアス用の高周波電力からみた試料台２側面とアース電位の導体板２９間のインピーダンスは８０Ω程度となる。このバイアス用の高周波電力に対する試料台２側面とアース電位の導体部間のインピーダンスは５０Ω程度以上が望ましく、それ以下になると特に高電圧振幅（例えば電圧振幅１０００Ｖ以上）を印加する場合、無効電流による損失が相対的に大きくなり電力印加効率の低下や高周波電力経路の発熱に伴う故障の原因となる。以上より絶縁層２３を介する試料台２側面とアース電位の導体部間のインピーダンスは、放電用高周波に対しては１０Ω以下、バイアス用高周波に対しては５０Ω以上となるよう設定するのが望ましい。

図１中に示す本発明による抵抗またはインダクタンス素子３２は、試料台２、特にバイアス用の高周波電源が供給される導体製の材料である基材２ａ或いは静電吸着用の直流電力が印加されるタングステン電極１５に出来るだけ近接して配置することが望ましい。プラズマの形成にＶＨＦ帯以上の周波数の高周波電力を用いる場合には僅かな寄生容量や寄生インダクタンスによりその高周波電力に対するインピーダンスが大きく変化する。このことから、長い同軸ケーブル等で試料台２と抵抗またはインダクタンス素子３２を接続するとケーブルの対地容量等が放電用高周波に対するインピーダンスの支配要因となり、目的とするインピーダンスを確保するのが困難となるからである。

図１、図２に示す実施例では、放電用高周波電源８に２００ＭＨｚ、バイアス用高周波電源２０に４ＭＨｚを用いたが、放電用高周波電源ではＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）以上、バイアス用高周波電源では１００ｋＨｚ〜１４ＭＨｚの範囲の周波数を用いても同様の効果がある。また、絶縁層２３にアルミナを用いたが、他に石英、イットリア、窒化アルミ等の絶縁材を用いても良く、何れの場合でも絶縁層２３を介する基材２ａ側面とアース電位の導体板２９の間のインピーダンスをプラズマ形成用の高周波電力に対しては１０Ω以下、バイアス用高周波電力に対しては５０Ω以上に調節することで、上記の作用を奏することができる。

上記実施例の変形例２を図５に示す。図５では図１の実施例１で用いた遮蔽板２４を備えていない場合の例を示している。

すなわち、本例の試料台２の側壁を形成する導体板２９は、図１の実施例が備える円筒形の試料台２外周側において中央から外周側の方向に延在する遮蔽板２４を備えていない。つまり、試料台２の側壁の外周側の空間であって試料台２の側壁と処理室の内側壁との間の空間には接地電位にされてプラズマ１１と接する導体製の部材は配置されていない。プラズマ１１は試料台２の側壁及び処理室の内側側壁と接するものとなる。

また、本例においても、上部電極４からシャワープレート５から処理室内に供給され誘電体としてのプラズマ１１を介して試料台２またはウエハ３の上面に流れると見做せるプラズマ形成用の高周波電力の電流は、基材２ａの側面から当該側面と絶縁板２２の外周縁部のリング状の上部部材を挟んで配置された試料台２の側壁を構成する導体板２９に流れる。本例においても、絶縁板２２の外周縁部のリング状の上部部材の材料やその厚さ等寸法が適切に選択された結果、プラズマ形成用の高周波電力に対する当該上部部材の入力インピーダンスが、給電経路２７或いは基材２ａとバイアス用高周波電源２０との間の給電経路のものと比しておよそ１／３００かそれ以下にされている。このことにより、試料台２からこれに接続された直流電源１７、バイアス用高周波電源２０にこれらの給電経路を通りプラズマ形成用の高周波電力の電流が流れることが抑制されている。

なお、試料台２から放電用高周波電源８に戻るプラズマ形成用高周波電力の電流が流れる経路（パス）は、試料台２の側壁である導体板２９と接続された真空容器１０の下部であって処理室の下面（内側側壁面）を構成する部材の表面から処理室の内側壁面を通り、図１の実施例と同様に真空容器１１の上部を構成する部材の内側面からこれに連結れた放電用高周波電源８と上部電極４とを接続する同軸ケーブル等の給電経路から放電用高周波電源８に戻るものとなる。このような電流を流すパスを構成する部材としては、図１に示す遮蔽板２４でなくとも良く、図５に示す例のようにプラズマ１１に面する導体板２９や真空容器１１の一部であって処理室の内側壁を構成する導体製の部材によって、図１の実施例と同様な作用を奏することが可能となる。なお、本例においても、導体板２９、真空容器１１は接地されてアースと同じ電位にされている。

次に、上記の実施例の別の変形例を図６に示す。図６の実施例では図１に示すプラズマ処理装置において、絶縁層２２と絶縁材２３とが上下に配置された構成に代えて、絶縁材２３の配置された箇所に絶縁層２２が配置されて１つの部材として構成され、接地電位にされた導体板２９の凹み部の内側と基材２ａの下面との間を電気的に接続する回路上にコンデンサ３１を配置した構成を備えている。

本例において,コンデンサ３１は上方から見て試料台２内の基材２ａの辺に均等またはこれと見做せる程度に近時した値の角度を為す位置に４個を配置した。コンデサ３１の総容量は４００ｐＦ（１個辺り１００ｐＦ）のものが使用されている。図６の例は、図１に開示した試料台２の側面構造で必要なインピーダンスが確保できない場合の構造である。

本例は、コンデンサ３１を基材２ａとアース電位の導体板２９の凹み部との間にこれらを電気的に接続して配置されたことで、図１に示す実施例と同様の作用を奏することができる。また、コンデンサ３１を円筒形を有する試料台２の周方向について相互に中心について均等な角度を為す箇所に配置することで、プラズマ形成用の高周波電力が試料台２から流出する経路またはこれらの経路から流れ出る電力の量に周方向についての偏りが生じることを抑制している。

また、複数が配置されたコンデンサ３１の総容量は、図１に示した実施例における絶縁層２３が有するものと同じインピーダンスの値またはこれに近時したものとすることにより、当該実施例と同様に、プラズマ形成用高周波電力は放電用高周波電源８から出力されて基材２ａからコンデンサ３１と遮蔽板２４とを介して処理室側壁から元の放電用高周波電源８に戻る閉じた回路を安定して流れ、試料台２の上部のタングステン電極１５に接続された給電経路２７や基材２ａに接続された給電経路に流れることが抑制され、試料の処理の再現性の低下や装置間差の発生を抑制することが可能となる。また、図７に示す例では、コンデンサ３１の総容量を４００ｐＦとしたが、その容量は実施例で示したように２００ＭＨｚのプラズマ形成用高周波電力に対して１０Ω以下で且つバイアス用高周波電力に対して５０Ω以上のインピーダンスとなるものであれば良く、またコンデンサ以外の素子でも良い。

図１、図５、図６に示す例では、試料台２に接続される静電吸着用の直流電源１７およびバイアス用高周波電源２０からの給電用経路上に抵抗またはコイル等を備えた素子３２を挿入したが、試料台２がヒータを備えると共にこれに給電するための経路を備える場合には、上記例と同様にその経路上に素子３２を配置することで、上記作用を奏することができる。

以上の通り、上記の実施例によれば、半導体装置の製造装置、特にリソグラフィー技術によって形成されたエッチング用の回路パターンをマスクとして、下方の膜構造のエッチング処理を行うプラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置において、広い範囲の圧力におけるプラズマ生成特性で優位なＶＨＦ帯以上の高周波にてプラズマを生成する場合に、プラズマ生成用高周波電力の電流が影響を抑制し、安定したプラズマの生成を実現できる。このことにより、プラズマ処理装置における処理の再現性の低下や装置間差の発生を抑制することができる。

１…電磁コイル、
２…試料台、
３…試料、
４…上部電極、
５…シャワープレート、
６…ガス導入ライン、
７…上部電極用冷媒流路、
８…放電用高周波電源、
９…放電用高周波電力整合器、
１０…真空容器、
１１…プラズマ、
１２…上部電極絶縁体、
１３…絶縁リング、
１４…静電吸着膜、
１５…タングステン電極、
１６…低域通過フィルタ、
１７…直流電源、
１８…ヘリウム供給手段、
１９…冷媒流路、
２０…バイアス用高周波電源、
２１…バイアス用高周波電力整合器、
２２…絶縁板、
２３…絶縁層、
２４…遮蔽板、
２５…サセプタ、
２６…圧力調整バルブ、
２７…給電経路、
２８…プラズマ形成用高周波電力の電流の流れる経路、
２９…導体板、
３０…ガス通過孔、
３１…コンデンサ、
３２…素子。

Claims (8)

1. 真空容器内部に配置された処理室と、この処理室内部に配置されその上面に処理対象の試料が載置される試料台と、この試料台上方に配置され前記試料台の上面に対向して配置され当該処理室内にプラズマを形成するための電界を供給する上部電極と、この上部電極と電気的に接続され前記電界を形成するための第一の高周波電力を出力する第一の高周波電源と、前記試料台内部に配置され前記試料の処理中に前記第一の高周波電力より低い周波数の第二の高周波電力が供給される下部電極と、この下部電極と接続され前記第二の高周波電力をバイアス用給電経路を介して供給する第二の高周波電源と、前記試料台の上部に配置され前記載置面を構成する誘電体製の膜の内部に配置され前記下部電極の内部に配置された静電吸着用給電経路を介して直流電力が供給される静電吸着用の電極と、前記絶縁層を挟んで前記下部電極の外周囲を囲んで配置され前記試料台の外周側でプラズマと面するとともに接地電位にされた導電板とを備え、
   前記絶縁層は前記第一の高周波電力について前記バイアス用給電経路及び静電吸着用給電経路のインピーダンスより小さなインピーダンスを有し、前記第一の高周波電力の電流が前記上部電極から前記試料台上面を介し前記導体板から前記処理室の内側壁面を構成する部材を通り前記高周波電源に戻る回路を流れるプラズマ処理装置。
   
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
   前記バイアス用給電経路上に配置され前記第二の高周波電源からの電力を整合する接地された整合器または静電吸着用給電経路上に配置され高い周波数の電流を妨げる接地された低域通過フィルタを備えたプラズマ処理装置。
   
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記バイアス用給電経路または静電吸着用給電経路上に配置された素子を備え、当該給電経路の前記素子を含めた前記前記第１の高周波電力についてのインピーダンスが前記絶縁層の前記第一の高周波電力についてのインピーダンスより大きくされたプラズマ処理装置。
   
4. 請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記バイアス用給電経路上で前記整合器と前記下部電極との間に配置された素子または前記静電吸着用給電経路上で前記低域通過フィルタと前記静電吸着用電極との間に配置された素子を備え、当該給電経路の前記素子を含めた前記前記第一の高周波電力についてのインピーダンスが前記絶縁層の前記第一の高周波電力についてのインピーダンスより大きくされたプラズマ処理装置。
   
5. 請求項３または４に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記下部電極の下方に配置されて当該下部電極を絶縁する絶縁板を備え、前記素子が前記絶縁板内部に配置されたプラズマ処理装置。
   
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記バイアス用給電経路または静電吸着用給電経路のインピーダンスが１００Ω以上にされたプラズマ処理装置。
   
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の高周波電力の周波数が３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚのＶＨＦ帯のものであるプラズマ処理装置。
   
8. 請求項７に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記第二の高周波電力の周波数が１００ｋＨｚ以上１４ＭＨｚ以下であるプラズマ処理装置。