JP2019160714A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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拓 岩瀬
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賢悦 横川
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Abstract

【課題】プラズマの径方向の均一性を向上させ、プラズマの生成の効率を向上させて、処理の歩留まりを向上させる。【解決手段】内部にプラズマが形成される処理室と、上面に処理対象の試料が載せて保持する試料台と、試料台に対向して配置された上部電極と、シャワープレートと、誘電体製の上部リング状プレートと、上部電極に高周波電力を印加する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、試料台は、上面の外周側を囲んで配置された誘電体製のサセプタリングと、このサセプタリングの外周側でサセプタリングの上面より低い位置に配置された誘電体製の下部リング状プレートとを備え、この下部リング状プレートの上面と試料の上面との高さの差を、上部電極と下部電極との距離Ｇｍｍ、第１の高周波電力の周波数ｆＨｚ、処理室内の圧力ＰＰａを用いた式−０．１Ｇ−０．０６ｆ−４．４ｌｎＰ＋２２の前後５ｍｍの範囲内の値に設定するようにした。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程において、真空容器内部の処理室内に配置された半導体ウエハ等の基板状の試料の上面に予め形成されたマスク層及び酸化シリコン、窒化シリコン、低誘電率膜、ポリシリコン、アルミニウム等の材料から構成された処理対象の膜層とを含む膜構造を当該処理室内に生成したプラズマを用いてエッチング等の処理を行うプラズマ処理装置なプラズマ処理装置に係り、特に、前記処理室内に配置され前記試料を上面上に保持する試料台と当該上面の上方に配置され前記プラズマを形成するための平板状のアンテナまたは電極とを備えたプラズマ処理装置に関する。
半導体デバイスの製造プロセスでは、半導体ウエハ上の処理対象の膜層を低温プラズマによってエッチングなどの処理するプラズマ処理が広く用いられている。低温プラズマは、例えば減圧下の真空容器内部の処理室の上下に配置されて対向する平板状の上部電極と下部電極とを備えた平行平板型の電極に高周波電力を印加することによって容量結合型のプラズマを生成される。このような平行平板型のプラズマ処理装置は半導体デバイスの製造プロセスにおいて多用されている。
平行平板型のプラズマ処理装置は、上下に対向して配置された平板状の電極のうち試料台の内部に配置された平板状の下部電極の上方の試料台の上面に半導体ウエハを載置し、所望のプロセスガスを処理室内に導入した上で、下部電極上方でこれに対向して配置された上部電極に高周波電力を供給して容量結合型のプラズマを生成し、下部電極上の半導体ウエハ上面上方に形成されるバイアス電位とプラズマの電位との差に応じて半導体ウエハ表面にプラズマ中のイオン等の荷電粒子やラジカル等活性種を誘引して供給することで、半導体ウエハ表面の処理対象の膜の処理が行われる。このようなプラズマによるエッチングでは処理の異方性を制御できるため加工精度の点で優位となる。
しかし、半導体デバイスの回路の寸法は微細化の一途を辿っており、回路を構成する膜層をエッチングして行われる加工の精度の要求も高まる一方である。そのため、処理室内に適度なガスの解離状態を維持しつつ低圧で高密度なプラズマを生成することが求められている。
プラズマを生成するために供給される高周波電力の周波数は一般に１０ＭＨｚ以上であり、周波数が高いほど高密度なプラズマ生成に有利である。しかし、周波数が高くなると電界の波長は短くなるため、プラズマ処理室内の電界分布の不均一が大きくなってしまう。
電界の分布はプラズマの電子密度に影響を与え、電子密度はエッチレートに影響を与える。エッチレートの面内分布の悪化は量産性を低下させてしまうので、高周波電力の周波数を高めるとともにエッチレートのウエハ面内の均一性を高めることが求められている。
このような課題に対して、プラズマの電子密度の均一性を高めるため、高周波電力の経路を制御する技術が従来から知られており、例えば、特開２０１５−１６２２６６号公報（特許文献１）のものが知られていた。この特許文献１に記載された従来技術では、真空容器内部の処理室内の下方に配置された試料台とその外側周囲を囲む処理室の側壁面との間の空間に接地電位にされたリング状の金属製の遮蔽板を配置して、プラズマを処理室内に形成するために試料台上面上方に配置された上部電極に供給される高周波電力の電流を、試料台上面から金属製の遮蔽板を通り処理室の側壁を構成して接地電位にされる部材を通る帰還経路を流して高周波電力の電源に戻す構成が開示されている。
この特許文献１に記載された従来技術では、このような構成により、試料台上面と上部電極との間の処理室内に形成されたプラズマをリング状の遮蔽板より上方の空間に閉じ込めると共に、処理室内の電界の分布が試料台の内部の静電チャックや下部電極用の給電経路を通る電力の影響を受けることを抑制することが図られている。
また、プラズマはプラズマ処理装置の処理室内に拡散して分布するため、処理室内での半導体ウエハ等の試料を処理する時間或いは処理室内にプラズマが生成される時間の累積値が大きくなるに伴って、プラズマとの相互作用による試料台の試料の載置面以外の箇所の表面にプラズマ由来の物質の付着や消耗や変質が進行してしまう虞があった。このような処理室内の表面の時間の経過に伴う変化は、プラズマを生成する効率や堆積物を除去するための清掃やプラズマによるクリーニングの時間が増加することにより全体としての試料の処理の効率が低下してしまうという問題が生じる。このような問題点の解決のため、プラズマの拡散を抑制して処理室内の特定の領域に閉じ込める技術として、例えば、特開平９−０２７３９６号公報（特許文献２）に開示のものが従来から知られていた。
特開２０１５−１６２２６６号公報 特開平９−２７３９６号公報
上記した従来技術は、次の点について考慮が不足していたため問題が生じていた。
すなわち、特許文献１では、プラズマ形成用の帰還経路を構成し試料台の外周側に配置されたリング状の遮蔽板により、高周波電力の電界の試料または試料台の周方向についての均一性が向上するものの、径方向の均一性の向上について考慮されていない。さらに、特許文献２は、高周波電力は２５から３０ＭＨｚの範囲内の周波数のものが用いられており、これより高い周波数帯域であるＶＨＦ帯の高周波電力により生成されるプラズマの分布の均一性を向上するための条件や構成については考慮されていなかった。
このため、特許文献１及び２に記載されている従来技術では、ＶＨＦ帯の周波数の高周波電力を用いて処理室内にプラズマを生成するプラズマ処理装置において、試料の径方向についての均一性が損なわれ、処理の歩留まりが損なわれる虞があった。本発明の目的は、プラズマの径方向の均一性を向上させ、プラズマの生成の効率を向上させて、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有る。
上記した課題を解決するために、本発明では、真空容器内部に配置され減圧された内側にプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の試料が載せられ保持される試料台と、試料台の上面の上方でこの上面に対向して処理室の内部に配置された円板状の上部電極と、この上部電極の試料台に面する側に設けられて処理室の内部に処理用ガスを供給するための多数の導入孔が形成されたシャワープレートと、このシャワープレートの外周側に配置され処理室の天井面を構成する誘電体製の上部リング状プレートと、上部電極に第１の高周波電力を印加する第１の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、試料台は、この試料台内部に配置され試料の処理中に第２の高周波電力が供給される円板または円筒状の下部電極と、試料が載せられる上面の外周側で上面を囲んで配置された誘電体製のサセプタリングと、このサセプタリングの外周側でサセプタリングの上面より低い位置に配置された誘電体製の下部リング状プレートとを備え、この下部リング状プレートの上面と試料の上面との高さ方向の距離が、上部電極と下部電極との距離Ｇｍｍ、第１の高周波電力の周波数ｆＭＨｚ、処理室内の圧力ＰＰａを用いた式−０．１×Ｇ−０．０６×ｆ−４．４×ｌｎＰ＋２２（但し、ｌｎは自然対数）の前後５ｍｍの範囲内の値に設定するようにした。
また、上記した課題を解決するために、本発明では、真空容器と、この真空容器の内側の下部で試料を載置する載置面を有してこの載置面の周囲を囲む誘電体製のサセプタリングを備えた試料台と、真空容器の内部を排気する排気部と、試料台と対抗して真空容器の内側の上部に配置された周囲を絶縁物で覆われた上部電極と、上部電極に高周波電力を印加する高周波電力印加部と、を備えたプラズマ処理装置において、試料台のサセプタリングの外周部に比誘電率が８０以下の誘電体の材料で形成されたリング状プレートを更に備え、このリング状プレートを、試料台の載置面に載置した試料の上面より高さ方向に低い位置で、かつ、高周波電力印加部から上部電極に高周波電力を印加して真空容器の内部で上部電極と試料台との間の空間にプラズマを発生させたときに、試料台の載置面に載置した試料の上面とほぼ同等な密度のプラズマが形成されるような高さ方向の位置に配置するようにした。
本発明によれば、電極中心部から外周部にかけて電子密度の均一性が極めて高いプラズマを生成することができるようになり、ウエハ面内で均一性の高いエッチレート分布を実現することができ、処理の歩留まりを向上させることができるようになった。
本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の遮蔽板の平面図である。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の遮蔽板の変形例の平面図である。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置における電子密度均一性の遮蔽板比誘電率依存性を示すグラフである。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置における試料台に載置した試料の表面と遮蔽板の表面の高さの差ｈを説明する試料台の上方の端部付近の断面図である。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置における電子密度均一性の遮蔽板位置依存性を示すグラフである。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置と比較例における電子密度分布の比較を示すグラフである。
本発明は、プラズマの高密度領域を制限することで、プラズマの生成効率を高め、投入電力が同じでもエッチングレートを向上させるようにしたものである。また、堆積物の蓄積する領域を狭めるようにして、チャンバ内クリーニング効率を高めて、異物量を低減させるようにしたものである。さらに、プラズマ中の電子密度分布を均一化して、エッチングレート分布の均一性を改善したものである。
本発明の実施の形態を、以下に図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置１００の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
図１に係るプラズマ処理装置１００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１００は、真空容器１０を有し、この真空容器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４０が形成されている。更に、プラズマ処理装置１００は、真空容器１０の上方に配置されて処理室４０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手段であるプラズマ形成部５０と、真空容器１０の下部と連結され処理室４０の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部６０とを備えている。
真空容器１０の処理室４０の内部には、その下方に配置された円筒形の試料台２を備え、この試料台２の上面は、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２０１が形成されている。この載置面２０１の上方には、この載置面２０１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が設けられている。また、この上部電極４の試料３の側で試料台２の載置面２０１に対向して配置されると共に処理室４０の天井面を構成し当該処理室４０の内部にガスを分散して供給する貫通孔５１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４１が形成される。隙間４１へは、これと連結された真空容器１０の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ガスが導入される。隙間４１に供給されたガスは、隙間４１の内部で分散された後、シャワープレート５の側の中央部を含むに領域に配置された複数の貫通孔５１を通り処理室４０の内部に供給される。
この複数の貫通孔５１を通り処理室４０の内部に供給されるガスとしては、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４０の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などがある。
上部電極４の内部には、上部電極用冷媒流路７が形成されている。この上部電極用冷媒流路７には、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（図示せず）と連結された冷媒供給ライン７１が接続されている。冷媒供給ライン７１を介して温度制御装置（図示せず）から温度が所定の範囲に調節された冷媒が上部電極用冷媒流路７の内部に供給され循環することにより、熱交換されて上部電極４の温度が処理に適切な値の範囲内に調節される。
また、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形成されており、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９１が電気的に接続されている。上部電極４には、同軸ケーブル９１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（以下、高周波電源８と記す）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４０の内部に電界が放出される。本実施例では、高周波電源８から上部電極４に印加されるプラズマ形成用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。
さらに、真空容器１０の外部であって処理室４０の上部の上方と側方とを囲む位置には、電磁コイル１が配置されている。この電磁コイル１により発生する磁界が、処理室４０の内部に形成される。
シャワープレート５は、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。これにより、高周波電源８から上部電極４にプラズマ形成用の高周波電力が印加された状態で、上部電極４により形成された電界がシャワープレート５を透過することができる。
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（登録商標）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から電気的に絶縁されている。同様に、シャワープレート５の周囲には、石英等の誘電体で構成される絶縁リング１３が配置されており、シャワープレート５は、真空容器１０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、真空容器１０の上部を構成する蓋部材（図示を省略）に固定されており、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、図示していない真空容器であって減圧された内部を試料３が搬送される搬送容器と連結されて、これらの間には、試料３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３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４０の内部の試料台２の下方であって真空容器１０の下部には、処理室４０の内部を排気する排気部６０と連通する排気用の開口４２が配置されている。この排気用の開口４２と排気部６０の図示していない真空ポンプとの間でこれらを連結する排気の経路４３の内部には、板状のバルブである圧力調整バルブ２６が配置されている。この圧力調整バルブ２６は、排気の経路４３の断面を横切って配置された板状のバルブであり、この板状のバルブが軸回りに回転して流路に対する断面積を増減させる。
圧力調整バルブ２６の回転の角度を調節することにより、処理室４０からの排気の流量または速度を増減することができる。処理室４０の内部の圧力は、シャワープレート５の貫通孔５１から供給されるガスの流量または速度と排気用の開口４２から排気部６０の側に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、制御部７０により調節される。
次に、試料台２の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４０の下方の中央部に配置された円筒形状の台であって、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２８によりバイアス用高周波電源２０と当該給電経路２８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ている。バイアス用高周波電源２０から基材２ａに印加されるバイアス用高周波電力は、高周波電源８から上部電極４に印加されるプラズマ生成用高周波電力とは異なる周波数（本例では４ＭＨｚ）である。また、給電経路２８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及びバイアス用高周波電源２０と接続されている。
高周波電源８から上部電極４にプラズマ生成用高周波電力を印加して試料台２とシャワープレート５との間にプラズマ１１を発生させた状態で、バイアス用高周波電源２０から基材２ａに高周波電力を供給することにより、基材２ａには、バイアス電位が発生する。このバイアス電位により、プラズマ１１中のイオン等の荷電粒子は、試料３の上面または載置面２０１に誘引される。すなわち、基材２ａは、上部電極４の下方において、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、図示していないチラー等の温度制御装置により所定の温度に調整された冷媒を循環して通流させるための冷媒流路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、静電吸着膜１４が配置されている。静電吸着膜１４は、アルミナあるいはイットリア等の誘電体の材料で形成されており、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を内蔵している。タングステン電極１５の裏面には、基材２ａを貫通して配置された給電経路２７が接続されている。タングステン電極１５は、この給電経路２７により、抵抗またはコイル等の素子３２及び接地された低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）１６を介して直流電源１７と電気的に接続されている。
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。
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、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、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。
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からの給電経路２８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、載置面２０１を形成する静電吸着膜１４が、試料３と接触する面の面積を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が異なる極性を有する２つの領域に分けられ、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。
静電吸着されて接触している静電吸着膜１４と試料３の裏面との間には、配管１８１を介してヘリウム供給手段１８よりヘリウムガスが供給される。これにより、試料３と静電吸着膜１４との間の熱伝達の効率が向上し、基材２ａの内部の冷媒流路１９との熱の交換量を増大させることができ、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た円板状の絶縁板２２が配置されている。これにより、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は、下方の処理室４０を構成する部材から電気的に絶縁されている。さらに、基材２ａの側面の周囲には、アルミナ等の誘電体製のリング状の絶縁層２３が、基材２ａを囲むようにして配置されている。
基材２ａの下方で、これと接続されて配置された絶縁板２２の周囲、及びその上方で基材２ａを囲むようにして配置され絶縁層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が配置されている。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る。導電板２９と基材２ａとの間には絶縁層２３が介在しており、導電板２９と基材２ａとは、電気的に絶縁されている。
リング状の絶縁層２３の上方には、石英などの誘電体もしくはシリコンなどの半導体で構成されたサセプタリング２５が配置されている。サセプタリング２５が試料３の周囲に配置され、基材２ａをサセプタリング２５と絶縁層２３とで覆うことで、試料３の外端部周辺の反応生成物の分布を制御し、プロセス性能の均一化を行っている。
このように、試料台２は、基材２ａと、タングステン電極１５を内部に備えた静電吸着膜１４、基材２ａを載せて基材２ａと真空容器１０との間を電気的に絶縁する絶縁板２２、絶縁材料で形成されて基材２ａの周囲を囲む絶縁層２３、基材２ａの上面と静電吸着膜１４の側面を覆うサセプタリング２５、および、絶縁板２２の外周部と絶縁層２３の外周部とを覆う導電板２９を備えて構成されている。
サセプタリング２５の外周側には、サセプタリング２５に接するように配置された同心円状の板状の遮蔽板２４が取り付けられている。遮蔽板２４は、処理室４０の内部に形成されるプラズマ１１の発生領域が、試料台２の側面にまで拡大するのを防いで、試料台２の上部に偏らせるためのものであって、謂わば、閉じ込めるために配置されたものである。板状の遮蔽板２４には、ガスや粒子を上下方向に通過させるために、複数の孔２４１もしくはスリット２４２が形成されている。
図２Ａ及び図２Ｂは、遮蔽板２４の平面図を示している。
図２Ａは、遮蔽板２４に孔２４１を満遍なく配置した遮蔽板の形態を示し、図２Ｂは、遮蔽板２４−１に均等にスリット２４２を設けて、各スリット２４２の間を複数個所で支えた遮蔽板の形態を示している。本実施例では図２Ａの形態を用いている。遮蔽板２４は誘電体で形成するのが好ましく、誘電体を構成する材料の比誘電率によってプロセス性能の均一化の度合いが変化する。
このような構成において、排気部６０で処理室４０の内部を排気しながらシャワープレート５の複数の貫通孔５１から処理室４０の内部に処理用のガスまたは不活性ガスを供給した状態で、電磁コイル１により処理室４０の内部に磁界を形成し、高周波電源８から上部電極４に高周波電力を印加する。これにより、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４０の内部に形成される。
図３に示したグラフ３００は、遮蔽板２４を構成する材料の比誘電率とプラズマの径方向の電子密度均一性の関係を示す。グラフ３００の各黒点３０１は、ある比誘電率を持つ材料で遮蔽板２４を構成した場合に発生するプラズマの径方向の電子密度の分布を示している。ここで、縦軸の電子密度均一性は、本実施例の形態を基にプラズマの電子密度分布を解析し、試料台２に載置した試料３とシャワープレート５の中間で真空容器１０の中心（試料台２の中心）から処理室４０の内壁に向かって２３０ｍｍまでの範囲における均一性を導出した結果を百分率で表したものである。遮蔽板２４を構成する材料の比誘電率が高い場合、プラズマ１１に接することで分極しやすいので壁の電位が高くなり、シースが厚くなる。
シャワープレート５で覆われた上部電極４と試料台２との間の電極間の距離を一定とすると、シースが厚くなると一般にプラズマの電子密度は減少する。遮蔽板２４の領域で電子密度が減少すると、静電吸着膜１４に吸着された試料３の上面から遮蔽板２４の上面に亘る領域における電子密度均一性が低下することになる。
この領域における電子密度分布の均一性の目安を１０％とした場合、図３より、電子密度均一性を１０％以下とするためには、遮蔽板２４として、比誘電率が８０以下の材料を用いなければならないことがわかる。このような条件を満たす材料として、例えば、石英（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）などが挙げられる。本実施例では石英を用いた。
本実施例のプラズマ処理装置の形態において遮蔽板２４の設置位置には好適な範囲が存在する。図４Ａに示すように、試料台２の静電吸着膜１４の上に載置した試料３の上面の高さを基準とし、遮蔽板２４の上面との相対位置（高さの差）をｈと定義する。例えば、試料３の上面よりも遮蔽板２４の上面が１ｍｍ低ければｈ＝−１ｍｍとなる。
プラズマの径方向の電子密度均一性の遮蔽板位置ｈ依存性を図４Ｂに示す。遮蔽板２４の高さ（試料３の表面と遮蔽板２４との高さの差：ｈ）によって、シャワープレート５で覆われた上部電極４と試料台２との間の電極間に閉じ込められるプラズマの体積が変化し、プラズマの体積が変化することによって電子密度が変動する。
本実施例の形態においては、図４Ｂに示すように、遮蔽板２４の位置ｈ＝−３ｍｍの場合に電子密度均一性がもっとも良いことがわかる。この遮蔽板２４の高さ(位置)ｈの好適な値は、主に処理室４０内の圧力Ｐ（Ｐａ）、上下電極間ギャップ距離（上部電極４の試料台２と対向する面と、試料台２の静電吸着膜１４の上部電極４と対向する面との間隔）Ｇ（ｍｍ）、放電周波数ｆ（ＭＨｚ）の影響を受けることがわかった。
解析的に電子密度分布と装置パラメータの相関を求め、均一性が高まるようにスケーリングを行い導出した結果、次式で表現することができることがわかった。但し、次式でlｎは、自然対数を表す。

ｈ＝−０．１×Ｇ−０．０６×ｆ−４．４×ｌｎＰ＋２２ （数１）

さらに図４Ｂより、電子密度の均一性を１０％以下とするためには、ｈは、（数１）で求められた値±５ｍｍの範囲内にあればよいことがわかる。本実施例では、Ｇ＝４０（ｍｍ）、Ｐ＝８（Ｐａ）、ｆ＝２００（ＭＨｚ）とした。
本実施例の効果を比較するために、本実施例で説明したプラズマ処理装置１００において、遮蔽板２４を用いない場合（比較例１）と、遮蔽板２４を導体で構成した場合（比較例２）とについて、電子密度分布の解析結果を比較した結果を図５に示す。図５においては、試料３であるウェハの半径を１５０ｍｍ（０．１５ｍ）とし、試料３の外側０．２３ｍまでの領域の電子密度分布を求めた。
図５に示した結果より、遮蔽板２４を用いない比較例１の場合では、外周に向かって電子密度が高まっており、均一性が悪くなっている。一方、遮蔽板２４を導体で構成した比較例２の場合では、やや外周よりの遮蔽板が設置されている領域で電子密度が高まっており、均一性が悪くなっている。これに対して、本実施例で説明した遮蔽板２４を用いた場合は、試料３の外側０．２３ｍまでの領域で比較的均一な電子密度分布となっていることがわかる。
比較例１の場合では、試料台２の外周部のプラズマ体積が大きく、磁場による加熱効率が高いために、試料台２の外周部においてプラズマの電子密度が高まりやすいと考えられる。比較例２の場合では、遮蔽板を導体とすることで遮蔽板に電界集中が発生し、遮蔽板で局所的な電子密度の増加が起こっていると考えられる。
本実施例によれば、試料台２に載置した試料（ウエハ）３の外側に、試料（ウエハ）３の高さに対して一定の範囲内に遮蔽板２４を設けたことにより、電極間に発生させるプラズマの電子密度分布を、試料（ウエハ）３の外側の広い領域に渡って比較的均一にすることができるようになった。
これにより、プラズマの生成効率を高めることができ、投入電力が同じでもエッチングレートを向上させることができるようになった。また、堆積物の蓄積する領域が狭められるため、チャンバ内クリーニング効率が高まり、異物量を低減することができるようになった。更に、試料（ウエハ）３上での電子密度分布が均一化するので、エッチングレート分布の均一性を改善することができるようになった。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、公知の他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１・・・電磁コイル ２・・・試料台 ２ａ・・・基材 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 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・・・サセプタリング ２６・・・圧力調整バルブ ２７・・・給電経路 ２９・・・導電板 ３０・・・ガス通過孔 ３２・・・素子 ５０・・・プラズマ形成部 ６０・・・排気部 ７０・・・制御部 １００・・・プラズマ処理装置。

Claims (10)

  1. 真空容器の内部に配置され減圧された内側にプラズマが形成される処理室と、前記処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の試料が載せられ保持される試料台と、前記試料台の前記上面の上方で前記上面に対向して前記処理室の内部に配置された円板状の上部電極と、前記上部電極の前記試料台に面する側に設けられて前記処理室の内部に処理用ガスを供給するための多数の導入孔が形成されたシャワープレートと、前記シャワープレートの外周側に配置され前記処理室の天井面を構成する誘電体製の上部リング状プレートと、
    前記上部電極に第１の高周波電力を印加する第１の高周波電源と
    を備えたプラズマ処理装置であって、
    前記試料台は、前記試料台の内部に配置され前記試料の処理中に第２の高周波電力が供給される円板または円筒状の下部電極と、前記試料が載せられる前記上面の外周側で前記上面を囲んで配置された誘電体製のサセプタリングと、前記サセプタリングの外周側で前記サセプタリングの上面より低い位置に配置された誘電体製の下部リング状プレートとを備え、
    前記下部リング状プレートの上面と前記試料の上面との高さ方向の距離が、前記上部電極と前記下部電極との距離Ｇｍｍ、前記第１の高周波電力の周波数ｆＭＨｚ、前記処理室内の圧力ＰＰａを用いた式−０．１×Ｇ−０．０６×ｆ−４．４×ｌｎＰ＋２２（但し、ｌｎは自然対数）の前後５ｍｍの範囲内の値にされたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記シャワープレートの下面と前記上部リング状プレートの下面とが上下方向について同じ位置に配置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記下部リング状プレートを構成する誘電体材料の比誘電率が８０以下であることを特徴と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、
    前記下部リング状プレートが前記試料台の上方の前記処理室内の粒子が通過する複数の貫通孔を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項１乃至４の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記真空容器の上方または外周側でこれを囲んで配置され前記処理室内に磁界を供給する磁界発生器を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 請求項１乃至５の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記第１の高周波電力がＶＨＦ帯の周波数を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 真空容器と、
    前記真空容器の内側の下部で試料を載置する載置面を有して前記載置面の周囲を囲む誘電体製のサセプタリングを備えた試料台と、
    前記真空容器の内部を排気する排気部と、
    前記試料台と対抗して前記真空容器の内側の上部に配置された周囲を絶縁物で覆われた上部電極と、
    前記上部電極に高周波電力を印加する高周波電力印加部と、
    を備えたプラズマ処理装置であって、
    前記試料台の前記サセプタリングの外周部に比誘電率が８０以下の誘電体の材料で形成されたリング状プレートを更に備え、前記リング状プレートは、前記試料台の前記載置面に載置した前記試料の上面より高さ方向に低い位置で、かつ、前記高周波電力印加部から前記上部電極に高周波電力を印加して前記真空容器の内部で前記上部電極と前記試料台との間の空間にプラズマを発生させたときに、前記試料台の前記載置面に載置した前記試料の上面とほぼ同等な密度のプラズマが形成されるような高さ方向の位置に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 請求項７記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状プレートには前記上部電極と前記試料台との間の空間に発生させた前記プラズマが流れ出ない程度の大きさの孔又はスリットが複数形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 請求項７記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状プレートは、前記高周波電力印加部から前記上部電極に高周波電力を印加して前記真空容器の内部で前記上部電極と前記試料台との間の空間にプラズマを発生させたときに、前記試料台の前記載置面に載置した前記試料の上面から前記リング状プレートにかけて、電子密度の分布が１０％以下のプラズマが形成されるような前記高さ方向の位置に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  10. 請求項７記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状プレートは、石英又はアルミナ又はイットリアのいずれかで形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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