JP2020091942A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理時の電子密度のピーク位置を制御することによりプラズマ処理の均一性を高める。【解決手段】プラズマ処理装置は、処理容器と、下部電極と、環状部材と、内側上部電極と、外側上部電極と、処理ガス供給部と、第１高周波給電部と、第１の直流給電部と、を備える。下部電極は、処理容器内で被処理基板を載置する。環状部材は、下部電極の外周部上に載置される。内側上部電極は、下部電極の真向かいに配置される。外側上部電極は、処理容器内で内側上部電極から電気的に絶縁してその半径方向外側にリング状に配置される。第１高周波給電部は、処理ガスのプラズマを生成するための第１高周波を下部電極もしくは内側および外側上部電極に印加する。第１の直流給電部は、外側上部電極に可変の第１の直流電圧を印加する。外側上部電極は、処理空間に露出する面の少なくとも一部が処理空間に露出する内側上部電極の面よりも上方にある。【選択図】図２

Description

以下の開示は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

半導体製造において、プラズマを用いた処理（以下、プラズマ処理とも呼ぶ）が広く利用されている。半導体製造の歩留まりを上げ品質を向上させるために、処理対象である半導体ウエハの面内でプラズマの均一性を上げ、エッチング等のプラズマ処理の均一性を向上させることが検討されている。

たとえば、特許文献１では、エッチングレートの均一性を向上させるため、プラズマ処理装置内の上部電極を２つの部分に分割し、それぞれの部分に印加する直流電圧を独立に可変とした構成が提案されている。

特開２００９−２３９０１２号公報

本開示は、プラズマ処理時の電子密度のピーク位置を制御することによりプラズマ処理の均一性を高めることができる技術を提供する。

開示する実施形態において、プラズマ処理装置は、処理容器と、下部電極と、環状部材と、内側上部電極と、外側上部電極と、処理ガス供給部と、第１高周波給電部と、第１の直流給電部と、を備える。処理容器は真空排気可能である。下部電極は、処理容器内で被処理基板を載置する。環状部材は、下部電極の外周部上に載置される。内側上部電極は、処理容器内で下部電極の真向かいに配置される。外側上部電極は、処理容器内で内側上部電極から電気的に絶縁してその半径方向外側にリング状に配置される。処理ガス供給部は、内側および外側上部電極と下部電極との間の処理空間に処理ガスを供給する。第１高周波給電部は、高周波放電によって処理ガスのプラズマを生成するための第１高周波を下部電極もしくは内側および外側上部電極に印加する。第１の直流給電部は、外側上部電極に可変の第１の直流電圧を印加する。外側上部電極は、処理空間に露出する面の少なくとも一部が処理空間に露出する内側上部電極の面よりも上方にある。

開示する実施態様によれば、プラズマ処理時の電子密度のピーク位置を制御することによりプラズマ処理の均一性を高めることができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の一例を示す図である。 図２は、実施形態に係るプラズマ処理装置の上部電極の構造の一例をさらに詳細に示す図である。 図３Ａは、プラズマ処理におけるチルト角（アウターチルト）について説明するための図である。 図３Ｂは、プラズマ処理におけるチルト角（インナーチルト）について説明するための図である。 図４は、比較例１のプラズマ処理装置における外側上部電極の印加電圧と電子密度との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図５は、比較例１のプラズマ処理装置の処理空間内の電子密度分布のシミュレーション結果を説明するための図である。 図６は、チルト角の変動について説明するための図である。 図７は、電子密度のピーク位置をウエハ面外にした場合のチルト角の変動の改善効果について説明するための図である。 図８は、比較例１乃至比較例３および実施例１のプラズマ処理装置における電子密度の分布のシミュレーション結果について説明するための図である。 図９は、実施例１乃至４のプラズマ処理装置における電子密度の分布のシミュレーション結果について説明するための図である。 図１０は、実施形態に係るプラズマ処理装置によって得られるチルト角の変動の改善効果を示す実験結果の図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するプラズマ処理装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す各実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。

＜実施形態＞
実施形態に係るプラズマ処理装置においては、上部電極を内側上部電極および外側上部電極の２つの部分に分割して印加電圧を独立制御する。実施形態に係るプラズマ処理装置はさらに、外側上部電極の、処理空間に露出する面の少なくとも一部が、処理空間に露出する内側上部電極の面よりも上方に位置するように構成される。たとえば、外側上部電極には、処理空間に露出する内側上部電極の面よりも上方向に凹んだ凹部が設けられる。かかる凹部を設けることで、プラズマ処理が実行される処理空間を垂直方向に広げることができる。

かかる構造により、実施形態に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理時に処理空間内の電子密度のピークをウエハの外周上、さらに好ましくはウエハの外周よりも径方向外側に発生させる。電子密度のピークをウエハの外周上または外周よりも外側にすることで、ウエハ面内でのチルト角の変動が変曲点をもちにくくなる。このため、実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、外側上部電極に印加する電圧範囲を広く取ってチルティングの制御性を改善することができる。また、かかる構造によれば、ウエハのエッジ部より内側部分のチルティングの影響も抑制することができる。

さらに、実施形態に係るプラズマ処理装置は、従来よりも大径のフォーカスリングを備えることが好ましい。たとえば、実施形態に係るプラズマ処理装置は、外側上部電極の凹部位置に対応した外径を有するフォーカスリングを備える。実施形態に係るプラズマ処理装置は、かかる構造により、処理空間内の電子密度のピークをさらにウエハの径方向外側に発生させることができる。以下、実施形態に係るプラズマ処理装置について、図面を参照して説明する。

なお本実施形態では一例として、ウエハの大きさは直径３００ｍｍ、半径１５０ｍｍとする。また、ウエハのエッジ部とは、ウエハの半径約１３５ｍｍから１５０ｍｍのリング状の部分を指す。

［実施形態のプラズマ処理装置の構成例］
図１は、第１の実施形態に係るプラズマ処理装置１の構成の一例を示す図である。このプラズマ処理装置は、下部２周波印加方式を採るカソードカップルの容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等からなる金属製の円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷ（以下、ウエハＷ）を載置する円盤状のサセプタ１２が下部電極として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状の第１の支持部１４がサセプタ１２を囲むように設けられている。チャンバ１０の底部上には、例えば石英等の絶縁材料で構成された略円筒状の第２の支持部１５が設けられている。第２の支持部１５は、チャンバ１０内において、チャンバ１０の底部から鉛直方向に延在している。第２の支持部１５は、サセプタ１２を支持する。第１の支持部１４および第２の支持部１５の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部（内壁部）１６とチャンバ１０の側壁との間に環状の排気路１８が形成されており、この排気路１８の入口にリング状のバッフル板（排気リング）２０が取り付けられ、排気路１８の底に排気口２２が設けられている。排気口２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。

サセプタ１２には、第１および第２の高周波電源３０，３２がマッチングユニット３４および給電棒３６を介して電気的に接続されている。ここで、第１高周波電源３０は、主としてプラズマの生成に寄与する周波数（通常４０ＭＨｚ以上）の第１高周波を出力する。第２高周波電源３２は、主としてサセプタ１２上のウエハＷに対するイオンの引き込みに寄与する周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の第２高周波を出力する。マッチングユニット３４には、第１高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための第１整合器と、第２高周波電源３２側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための第２整合器とが収容されている。

サセプタ１２の上には処理対象のウエハＷが載置され、このウエハＷを囲むようにフォーカスリング（環状部材とも呼ぶ）ＦＲが設けられている。フォーカスリングＦＲは、プロセスへの悪影響が少ない導電材たとえばＳi，ＳiＣ等からなり、消耗部品としてサセプタ１２の上面に着脱可能に取り付けられる。また、フォーカスリングＦＲの外周側には、フォーカスリングＦＲを囲むようにカバーリングＣＲが設けられている。カバーリングＣＲは、例えば石英等の絶縁体により構成される。カバーリングＣＲは、第１の支持部１４の上面をプラズマから保護する。

サセプタ１２の上面には、ウエハ吸着用の静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は、膜状または板状の誘電体の中にシート状またはメッシュ状の導電体を挟んでいる。該導電体にはチャンバ１０の外に配置される直流電源４２がオン・オフ切替スイッチ４４および給電線４６を介して電気的に接続されている。直流電源４２より印加される直流電圧により、クーロン力でウエハＷを静電チャック４０上に吸着保持することができる。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室４８が設けられている。この冷媒室４８には、チラーユニット（図示せず）より配管５０，５２を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック４０上のウエハＷの温度を制御できる。さらに、ウエハ温度の精度を一層高めるために、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５４およびサセプタ１２内部のガス通路５６を介して静電チャック４０とウエハＷとの間に供給される。

チャンバ１０の天井には、サセプタ１２と平行に向かい合って円盤状の内側（または中心）上部電極６０およびリング状の外側（または周辺）上部電極６２が同心状に設けられている。径方向の好適なサイズとして、内側上部電極６０の下面はウエハＷと同程度の口径（直径）を有し、外側上部電極６２はフォーカスリングＦＲと同程度の口径（内径・外径）を有している。なお、外側上部電極６２はフォーカスリングＦＲよりも口径が大きいことが好ましい。内側上部電極６０と外側上部電極６２は互いに電気的（より正確にはＤＣ的）に絶縁されている。図示の構成例では、両電極６４，６２の間に隙間が設けられている。他の例では、隙間にリング状の絶縁体が挿入されてもよい。

内側上部電極６０は、サセプタ１２と真正面に向かい合う電極板６４と、この電極板６４をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体６６（クーリングプレート）とを有している。電極板６４の材質は、プロセスへの悪影響が少なく、かつ良好なＤＣ印加特性を維持できるＳiあるいはＳiＣ等のシリコン含有導電材が好ましい。電極支持体６６はアルマイト処理されたアルミニウムで構成されてよい。電極板６４は、クランプ部材ＣＬ１に係止されることで電極支持体６６に固定されている。クランプ部材ＣＬ１はたとえばセラミックで形成される。

外側上部電極６２は、サセプタ１２と向かい合うように配置される。外側上部電極６２は、内側上部電極６０と同じ材質で構成されてよい。外側上部電極６２は、外周側に配置されたクランプ部材ＣＬ２によってチャンバ１０の天井側に固定される。クランプ部材ＣＬ２はたとえばセラミックで形成される。なお、図１には明示していないが、クランプ部材ＣＬ２は、隣り合う接地用部材９６（後述）との間に所定のクリアランスを有する。また、クランプ部材ＣＬ１と外側上部電極６２と電極板６４との間にも所定のクリアランスが設けられている。また、外側上部電極６２と接地用部材９６との間に所定のクリアランスを有する（図２参照）。

この実施形態では、上部電極（６０，６２）とサセプタ１２との間に設定される処理空間ＰＳに処理ガスを供給するために、内側上部電極６０にシャワーヘッドを兼用させている。より詳細には、電極支持体６６の内部にガス拡散室７２を設け、このガス拡散室７２からサセプタ１２側に貫ける多数のガス吐出孔７４を電極支持体６６および電極板６４に形成している。ガス拡散室７２の上部に設けられるガス導入口７２ａには、処理ガス供給部７６からのガス供給管７８が接続されている。なお、内側上部電極６０だけでなく外側上部電極６２にもシャワーヘッドを設ける構成としてもよい。

チャンバ１０の外には、たとえば−２０００〜＋１０００Ｖの範囲で可変の直流電圧ＶC，ＶEをそれぞれ出力できる２つの可変直流電源８０，８２が配備されている。

一方の可変直流電源８０の出力端子は、オン・オフ切替スイッチ８４およびフィルタ回路８６を介して内側上部電極６０に電気的に接続されている。フィルタ回路８６は、可変直流電源８０より出力される第１直流電圧ＶCを内側上部電極６０に印加する一方で、サセプタ１２から処理空間ＰＳおよび内側上部電極６０を通って直流給電ライン８８に入ってきた高周波を接地ラインへ流して可変直流電源８０側へは流さないように構成されている。

他方の可変直流電源８２の出力端子は、オン・オフ切替スイッチ９０およびフィルタ回路９２を介して外側上部電極６２に電気的に接続されている。フィルタ回路９２は、可変直流電源８２より出力される第２直流電圧ＶEを外側上部電極６２に印加する一方で、サセプタ１２から処理空間ＰＳおよび外側上部電極６２を通って直流給電ライン９４に入ってきた高周波を接地ラインへ流して可変直流電源８２側へは流さないように構成されている。

また、チャンバ１０内で処理空間ＰＳに面する適当な箇所としてたとえば外側上部電極６２の半径方向外側にたとえばＳi，ＳiＣ等の導電性部材からなるリング状の接地用部材（直流接地電極）９６が取り付けられている。接地用部材９６は、たとえばセラミックからなるリング状の絶縁体９８に取り付けられるとともにチャンバ１０壁にも接続されており、チャンバ１０を介して常時接地されている。プラズマ処理中に可変直流電源８０，８２より上部電極（６０，６２）に直流電圧（ＶC，ＶE）を印加すると、プラズマを介して上部電極（６０，６２）と接地用部材９６との間で直流の電子電流が流れるようになっている。

このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２６、高周波電源３０，３２、静電チャック用のオン／オフ切替スイッチ４４、処理ガス供給部７６、ＤＣ印加用のオン・オフ切替スイッチ８４，９０、チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）は、たとえばマイクロコンピュータからなる制御部（図示せず）によって制御される。

このプラズマ処理装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象のウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。そして、処理ガス供給部７６よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値に調節する。さらに、第１および第２高周波電源３０、３２をオンにして第１高周波（４０ＭＨｚ以上）および第２高周波（１３．５６ＭＨｚ以下）をそれぞれ所定のパワーで出力させ、これらの高周波をマッチングユニット３４および給電棒３６を介してサセプタ１２に印加する。また、スイッチ４４をオンにし、静電吸着力によって、静電チャック４０とウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈeガス）を閉じ込める。シャワーヘッド６０より吐出されたエッチングガスは両電極１２，（６０，６２）間で高周波の放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによってウエハＷ表面の被加工膜が所望のパターンにエッチングされる。

プラズマ処理装置１は、サセプタ１２に４０ＭＨｚ以上というプラズマ生成に適した比較的高い周波数の第１高周波を印加することにより、プラズマを好ましい解離状態で高密度化し、より低圧の条件下でも高密度プラズマを形成することができる。それと同時に、サセプタ１２に１３．５６ＭＨｚ以下というイオン引き込みに適した比較的低い周波数の第２高周波を印加することにより、ウエハＷの被加工膜に対して選択性の高い異方性のエッチングを施すことができる。もっとも、プラズマ生成用の第１高周波は如何なるプラズマプロセスでも必ず使用されるが、イオン引き込み用の第２高周波はプロセスによっては使用されないことがある。

このプラズマ処理装置１においては、内側上部電極６０と外側上部電極６２のそれぞれ二つの可変直流電源８０，８２により第１および第２直流電圧VC, VEを同時に印加する。二つの直流電圧VC, VEの組み合わせを適宜選択することにより、プラズマ処理の均一性を向上させることができる。

［上部電極の構造の一例］
図２は、実施形態に係るプラズマ処理装置１の上部電極６０，６２の構造の一例をさらに詳細に示す図である。なお、図２においては特に図示しないが、各部材間には所定のクリアランスが設けられるものとする。

図２に示すように、実施形態においては、処理空間ＰＳに露出する外側上部電極６２の面の少なくとも一部は、処理空間ＰＳに露出する内側上部電極６０の面よりも上方に位置する。例えば外側上部電極６２は、上方に向けて凹んだ凹部６８ｄを有する。

図２に示すように、内側上部電極６０の電極板６４は、クランプ部材ＣＬ１によって電極支持体６６に固定されている。クランプ部材ＣＬ１の下方に内側上部電極６０の外周を囲むように外側上部電極６２が配置される。外側上部電極６２は、外周側でクランプ部材ＣＬ２により絶縁体６３に固定されている。クランプ部材ＣＬ１およびＣＬ２は、プラズマ処理の熱による各部材の熱膨張等を考慮し、内側上部電極６０および外側上部電極６２をネジ等で止め付けるのではなく係止する形状に構成されている。さらに、外側上部電極６２の外周側かつクランプ部材ＣＬ２の下方から径方向外側へ延びるように接地用部材９６が配置されている。接地用部材９６の外周側はチャンバ１０の側壁へとつながる。

上部電極６０，６２の下方には、サセプタ１２が配置されている。サセプタ１２上の静電チャック４０の外周部には、フォーカスリングＦＲが載置される。フォーカスリングＦＲの外周側にはカバーリングＣＲが配置されており、カバーリングＣＲの下には第１の支持部１４、筒状支持部１６が延びている。

図２の外側上部電極６２は、径方向内側が径方向外側よりもチャンバ１２の天井側に凹み、凹部６８ｄを形成している。凹部６８ｄはたとえば、上部電極６０，６２の径約３４０ｍｍ〜３８５ｍｍの範囲内に環状の溝として形成される。また、凹部６８ｄはたとえば、内側上部電極６０の電極板６４の面から３ｍｍ程度凹んだ形状として形成される。また、外側上部電極６２の外周側は、径方向外側に向けて徐々に処理空間ＰＳ側に突出するテーパ形状となっている。テーパ形状はたとえば、径約３８５ｍｍ〜４０５ｍｍの位置に形成される。テーパ形状の外周側は内側上部電極６０の電極板６４の表面よりも処理空間ＰＳ側に張り出した形状となっている。外側上部電極６２のテーパ形状はそのままなだらかに接地用部材９６の表面に連なっている。

また、図２の例では、内側上部電極６０の電極板６４は外周部において、内周側から外周側に向けて処理空間ＰＳから遠ざかるテーパ形状を有する。電極板６４のテーパ形状はそのままなだらかに外側上部電極６２の凹部６８ｄの表面に連なっている。

このように、図２の構造においては、内側上部電極６０のテーパ形状と、外側上部電極６２の凹部６８ｄにより、フォーカスリングＦＲの上方において、処理空間ＰＳが垂直方向に広がっている。このため、フォーカスリングＦＲの上方にプラズマが入り込みやすい広い空間が形成されている。

このように、実施形態に係るプラズマ処理装置１においては、外側上部電極６２の凹部６８ｄによって、プラズマが形成される処理空間ＰＳの垂直方向長さが長くなる。そして、外側上部電極６２の凹部６８ｄの径方向外側に形成されたテーパ形状により、フォーカスリングＦＲの外周側で処理空間ＰＳの垂直方向長さが狭められている。このように、実施形態によれば、フォーカスリングＦＲの上にプラズマが集まりやすい広い空間を形成している。また、実施形態によれば、フォーカスリングＦＲの径方向外側で処理空間ＰＳを垂直方向に狭くすることで、プラズマをサセプタ１２上に閉じ込める。

外側上部電極６２のかかる構造により、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１は、プラズマのピーク位置を制御し、プラズマ処理の均一性を高めることができる。以下、本実施形態のかかる効果について説明する。

＜実施形態の効果＞
まず、実施形態に係る外側上部電極６２の構造によって得られる効果の説明の前提として、プラズマ処理におけるチルト角（アウターチルト、インナーチルト）について説明する。

［チルト角（アウターチルト、インナーチルト）の説明］
同じプラズマ処理装置を用いて異なるウエハにプラズマ処理たとえばエッチング処理を行ったときに、処理対象であるウエハのエッジ部に形成されるパターンの角度が変動する場合があることが知られている。

図３Ａは、プラズマ処理におけるチルト角（アウターチルト）について説明するための図である。図３Ａは、ウエハＷに対してエッチングを施す場合に生じるアウターチルトを示している。ウエハＷの外周には、フォーカスリングＦＲが配置されている。フォーカスリングＦＲの上面はウエハＷの上面より高くなっている。この場合に、プラズマ処理において生成されるイオンシースＳ１の境界面ＢＲ１は、ウエハＷのエッジ部において径方向内側に向けて低くなることがある。イオンシースＳ１の境界面ＢＲ１の傾きに応じて、ウエハＷのエッジ部に入射するイオンＩの入射方向は、ウエハＷの上面から下面に向けてウエハＷの中心からエッジ方向に傾斜する角度を成す。このため、エッチングにより形成されるパターンは、ウエハＷの上面から下面に向けて中心から径方向外側に向けて傾く。かかる傾きの角度をチルト角と呼ぶ。また、ウエハＷのエッジ部において上面から下面に向けて中心から径方向外側に向けて傾いた角度でパターンが形成されることをアウターチルトと呼ぶ。

図３Ｂは、プラズマ処理におけるチルト角（インナーチルト）について説明するための図である。図３Ｂの例では、フォーカスリングＦＲの上面がウエハＷの上面より低くなっている。この場合、プラズマ処理において形成されるイオンシースＳ２の境界面ＢＲ２は、ウエハＷのエッジ部においてウエハＷの中心から径方向外側に向けて徐々に低くなることがある。イオンシースＳ２の境界面ＢＲ２に応じて、プラズマ中のイオンＩの入射方向は、ウエハＷの上面から下面に向けてウエハＷの径方向外側から中心に向けて傾く。このため、エッチングにより形成されるパターンは、ウエハＷの上面から下面に向けて径方向外側から中心に向けて傾いた角度に形成される。このように、ウエハＷのエッジ部において上面から下面に向けて径方向外側から中心に向けて傾いた角度でパターンが形成されることをインナーチルトと呼ぶ。

［電子密度のピーク位置とチルト角との関係］
ところで、イオンシースの厚みは、電子密度（Ｎｅ）、電子温度（Ｔｅ）、直流電圧（Ｖｄｃ）により決定される。たとえば、電子密度が低いほど、また、電子温度が高いほど、イオンシースは厚くなる。そして、Ｎｅ，Ｔｅが一定の場合には、直流電圧の値が高いほど、イオンシースは厚くなる。

図４は、比較例１のプラズマ処理装置における外側上部電極ＯＵＴＥＲの印加電圧と電子密度との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図５は、比較例１のプラズマ処理装置の処理空間内の電子密度分布のシミュレーション結果を説明するための図である。比較例１のプラズマ処理装置の外側上部電極は、実施形態のように内側上部電極の面よりも上方に凹んだ表面を有さず、外周に向けて処理空間側に張り出す構成となっている（図５参照）。

図４に示すように、比較例１のプラズマ処理装置では、外側上部電極ＯＵＴＥＲに印加される直流電圧の値に関わらず、ウエハＷ（直径３００ｍｍ）の半径約１２５ｍｍの位置で電子密度がピークとなる。そして、ピーク位置から径方向内側および外側に向けて電子密度は低くなっている。このため、ウエハＷのエッジ付近で電子密度の値に変曲点が生じている。

図５の（Ａ）は、外側上部電極ＯＵＴＥＲへの印加電圧が０Ｖの場合を示す。図５の（Ｂ）は、外側上部電極ＯＵＴＥＲへの印加電圧が−５００Ｖの場合を示す。図５の（Ｃ）は、外側上部電極ＯＵＴＥＲへの印加電圧が−１０００Ｖの場合を示す。図５の（Ｄ）は、外側上部電極ＯＵＴＥＲへの印加電圧が−１５００Ｖの場合を示す。図５は、処理空間ＰＳのうち特にウエハＷのエッジ部近傍すなわち、外側上部電極ＯＵＴＥＲとフォーカスリングＦＲに挟まれる位置を中心に電子密度の分布を示している。また、図５中、色の濃いハッチング部分ほど電子密度が高いことを意味する。

図５から、印加電圧の値に関わらず、処理空間ＰＳ内でプラズマはウエハＷのエッジ部に集まっていることが分かる。また、外側上部電極ＯＵＴＥＲの直下ではプラズマの密度が低くなっている。ここで、外側上部電極ＯＵＴＥＲの直下でプラズマ密度が低くなる理由は、この部分では処理空間ＰＳが垂直方向に狭くなっているためと考えられる。つまり、プラズマは広い空間に集まる傾向を有すると考えられる。

図５の比較例１のプラズマ処理装置では外側上部電極ＯＵＴＥＲの下で載置台側すなわちウエハＷ側の構造物との間に形成される空間がウエハＷ中心側と比較して狭くなっている。このため、プラズマがより広い空間（ウエハＷ中心側）へと逃げるように挙動していると考えられる。図５の（Ａ）〜（Ｄ）から分かるように、印加電圧の絶対値に関わらず、外側上部電極ＯＵＴＥＲの下方でいったん電子密度が低くなり、外側上部電極ＯＵＴＥＲの径方向外側で再び電子密度が高くなっている。また、図４から分かるように、電子密度のピーク値は、印加される直流電圧の絶対値に伴い変化している。

図６は、チルト角の変動について説明するための図である。図６の上部に示すように、ウエハＷの径方向外側を囲むようにフォーカスリングＦＲが配置されているとする。そして、上部電極に電圧を印加すると、電子密度（プラズマ）のピーク位置がほぼウエハＷのエッジ部上となったとする。この場合、ウエハＷのエッジ部上においてイオンシースは薄くなる。このため、電子密度のピーク位置より径方向外側に向かってはアウターチルトが発生し、電子密度のピーク位置より径方向内側に向かってはインナーチルトが発生する。

図６の下部は、図６の上部の例と比較して、電子密度のピークがウエハＷの径方向内側に移動した場合を示す。電子密度のピーク位置の移動とともにイオンシースが薄くなる位置もウエハＷの径方向内側に移動する。すると、図６の上部の例と比較した場合、インナーチルトが生じる位置はウエハＷの径方向内側に移動し、図６の上部の例ではチルトが生じていなかったウエハＷのエッジ部においてアウターチルトが発生する。またアウターチルトが生じていた位置でチルト角が大きくなる。また、図６の上部の例ではインナーチルトが生じていた位置ではインナーチルトの角度が変動する。またインナーチルトがアウターチルトに変化する位置もありうる。このように、電子密度のピーク位置が変動するとチルト角の変動が大きくなる。

また、図４に示したように、印加する直流電圧の絶対値の変動に伴い電子密度のピーク値も変動する。このため、印加電圧の絶対値を変動させて制御を行う場合、ウエハＷの同じ位置でチルト角の方向（インナーチルトかアウターチルトか）だけでなくチルト角の量も変動する。このため、ウエハＷ間の処理品質を均一にするためには、外側上部電極に印加できる直流電圧の制御範囲が制限される。

図７は、電子密度のピーク位置をウエハ面外にした場合のチルト角の変動の改善効果について説明するための図である。実施形態に係るプラズマ処理装置１は、外側上部電極６２に凹部６８ｄを形成することにより、電子密度のピーク位置をウエハＷのエッジ部の外周側、さらに好ましくはウエハＷのエッジ部よりも径方向外側に発生させる。図７を参照し、電子密度のピーク位置がウエハＷの径方向外側に生じた場合の効果について説明する。

図７の上方の例は、図６の上方の例と同様である。ただし、図７の上方の例では、プラズマの電子密度のピークはウエハＷ面内ではなく、ウエハＷの径方向外側に位置する。電子密度のピーク位置がウエハＷの径方向外側に位置するため、ウエハＷのエッジ近傍ではインナーチルトが生じるが、エッジ近傍以外の位置には大きな影響はない。

図７の下方の例では、生成されるプラズマの電子密度のピーク位置はウエハＷの径方向内側に移動している。しかし、図７の下方の例では、電子密度のピーク位置はウエハＷ面上には位置していない。このため、ウエハＷのエッジ近傍ではインナーチルトは生じるが、アウターチルトは生じない。このように、電子密度のピークをウエハＷの外側よりも径方向外側に生じさせる制御を行うことで、ピークがウエハＷの中心方向にずれた場合でもチルト角のインナーからアウターへの変化を抑制することができる。

［外側上部電極の凹部の効果］
図８は、比較例１乃至比較例３および実施例１のプラズマ処理装置における電子密度の分布のシミュレーション結果について説明するための図である。

実施例１のプラズマ処理装置は、上記凹部６８ｄを有する外側上部電極６２を備える。ただし、実施例１のプラズマ処理装置は、上記大径のフォーカスリングＦＲは備えていない。実施例１のプラズマ処理装置のフォーカスリングは、比較例１乃至比較例３のプラズマ処理装置と同様、内径約３００ｍｍ、外径約３６０ｍｍである。

比較例１乃至比較例３のプラズマ処理装置は、それぞれ外側上部電極の内径および外径を大きくすることで、電子密度のピークを外周側に発生させることを意図したものである。

比較例１乃至比較例３のプラズマ処理装置の構成の違いは以下の通りである。
・比較例１
外側上部電極の大きさ：内径約３４０ｍｍ、外径約４００ｍｍ
外側上部電極の下面位置：内側上部電極の下面よりもサセプタ側に約５ｍｍ突出
外側上部電極とフォーカスリングとの位置関係：外側上部電極の内周側端部はフォーカスリングの径方向中央よりも外側

・比較例２
外側上部電極の大きさ：内径約３７０ｍｍ、外径約４００ｍｍ
外側上部電極の下面位置：内側上部電極の下面よりもサセプタ側に約５ｍｍ突出（比較例１と同様）
外側上部電極とフォーカスリングとの位置関係：外側上部電極の内径がフォーカスリングの外径よりも大きい

・比較例３
外側上部電極の大きさ：内径約４００ｍｍ、外径約４３０ｍｍ
外側上部電極の下面位置：内側上部電極の下面よりもサセプタ側に約５ｍｍ突出（比較例１，２と同様）
外側上部電極とフォーカスリングとの位置関係：外側上部電極の内径がフォーカスリングの外径よりも大きい

なお、比較例１乃至比較例３のプラズマ処理装置においては、外側上部電極の大きさの変更に伴い、内側上部電極の大きさ（径）を調整している。

実施例１のプラズマ処理装置の構成は以下の通りである。
・外側上部電極の大きさ：内径約３４０ｍｍ、外径約４００ｍｍ
・凹部の位置：外側上部電極の内径約３４０ｍｍの位置から約３８０ｍｍの位置
外周側のテーパ位置は、径約３８０ｍｍ〜約４００ｍｍの位置

上記のように構成した実施例１および比較例１〜比較例３のプラズマ処理装置における電子密度の分布をシミュレーションにより調べた結果が図８である。図８に示すように、比較例１においては、電子密度のピークは径方向約１２５ｍｍの位置に生じている。比較例２においては、比較例１と比較してピーク位置はやや径方向外側にずれているが、エッジ（半径１５０ｍｍの位置）よりも径方向内側にある。比較例３においても、比較例１，２と比較してピーク位置はほとんど変化していない。

他方、実施例１については、電子密度のピークがほぼエッジ（半径１５０ｍｍの位置）まで移動している。なお、実施例１においては、凹部６８ｄは、内側上部電極の面と比較してチャンバ１２の天井方向に３ｍｍ程度凹んだ形状とした。また、凹部６８ｄは、径約３４０ｍｍ〜３８５ｍｍの位置に形成した。また、外側上部電極６２のテーパ形状は、径約３８５ｍｍ〜４０５ｍｍの位置に形成した。また、テーパ形状の傾斜角度は約３０°とした。ただし、凹部６８ｄの大きさはこれに限定されない。

［フォーカスリングの大径化の効果］
図９は、実施例１乃至実施例４のプラズマ処理装置における電子密度の分布のシミュレーション結果について説明するための図である。実施例１乃至実施例４のプラズマ処理装置の構成は以下の通りである。

・実施例１（図８の実施例１と同じ）
フォーカスリングの大きさ：内径約３００ｍｍ、外径約３６０ｍｍ
外側上部電極の構造：実施形態の凹部６８ｄを備える
・実施例２（大径ＦＲ）
フォーカスリングの大きさ：内径約３００ｍｍ、外径約３８０ｍｍ
外側上部電極の構造：実施形態の凹部６８ｄを備える（実施例１と同じ）
・実施例３（小径ＦＲ）
フォーカスリングの大きさ：内径約３００ｍｍ、外径約３３０ｍｍ
外側上部電極の構造：実施形態の凹部６８ｄを備える（実施例１，２と同じ）
・実施例４（大径ＦＲ、大径・上方突出ＣＲ）
フォーカスリングの大きさ：内径約３００ｍｍ、外径３８０ｍｍ
外側上部電極の構造：実施形態の凹部６８ｄを備える（実施例１〜３と同じ）
カバーリング（ＣＲ）の構造：外径を実施例１〜３よりも拡大（約４６０ｍｍ）
ＣＲの外周端が上方向に突出
（実施例１〜３よりもＣＲ端の処理空間の上下方向長さが短い）

実施例２，３のプラズマ処理装置は、フォーカスリングの大きさ、特に外径を変化させることで電子密度の分布に影響が出るか確認することを意図したものである。実施例３のプラズマ処理装置は、フォーカスリングの外径を小さくし、フォーカスリングとカバーリングの間に溝を設けて上方の構造物との間隔を長くした。また、実施例４のプラズマ処理装置は、カバーリングＣＲの構成が電子密度に影響するかを確認することを意図したものである。実施例２，３のプラズマ処理装置はそれぞれ、フォーカスリングの外径が実施例１よりも大きいものと小さいものである。また、実施例４のプラズマ処理装置は、フォーカスリングの大きさは実施例２と同じであるが、カバーリングの外径を大きくして外周端を上方向に突出させることで、プラズマをウエハ面内に閉じ込めることを意図している。

上記のように構成した実施例１乃至４のプラズマ処理装置における電子密度の分布をシミュレーションにより調べた結果が図９である。図９に示すように、実施例３のようにフォーカスリングの外径を小さくした場合、ピーク位置は実施例１とほとんど変わらない。また、実施例４の場合、実施例３と比較してピーク位置がややウエハＷのエッジよりになっているが、ウエハＷの面内に位置している。これに対して、実施例２の場合、ピーク位置はウエハＷのエッジよりも径方向外側に移動している。このことから、フォーカスリングの外径を大きくすることで、電子密度のピークをウエハＷの径方向外側へ移動させることができることが分かる。また、上記実施例１はフォーカスリングの外径が３６０ｍｍ、実施例２はフォーカスリングの外径が３８０ｍｍである。このことから、電子密度のピークを移動させるためにはたとえば、フォーカスリングの外径は好ましくは３６０ｍｍ〜３８０ｍｍ、さらに好ましくは３７０ｍｍ〜３８０ｍｍ程度と考えられる。

［チルト角の変動の抑制］
図１０は、実施形態に係るプラズマ処理装置によって得られるチルト角の変動の改善効果を示す実験結果の図である。図１０は、比較例１のプラズマ処理装置と、実施例２のプラズマ処理装置各々においてエッチングを行い、チルト角の変動を調べたものである。

まず、ウエハのエッジ（端）から内側に３ｍｍの位置において、印加電圧の値を変動させながらチルト角を測定した。なお、印加電圧は全て負の電圧であるが、図１０においてはその絶対値を記載している。比較例１の場合、アウターチルトおよびインナーチルトが発生し、チルト角の値は約０．４３度の範囲で変動した。実施例２の場合、印加電圧の絶対値が４００Ｖから１１５０Ｖの間、チルト角の変動は変曲点を持たなかった。ウエハのエッジから内側に５ｍｍ、１５ｍｍ、３５ｍｍのいずれの場合も同様であり、比較例１ではチルト角の変動に変曲点が発生したのに対して、実施例２は印加電圧を変えてもチルト角の変動は特にエッジから１５ｍｍ、３５ｍｍの位置でなだらかであった。このように、実施例２によれば、印加電圧を変動させた場合でもチルト角の変動トレンドが変曲点を持ちにくいことが確認できた。また、ウエハのエッジ部以外の部分についてもチルティングの影響が低減することが確認できた。

上記のように、実施形態に係るプラズマ処理装置は、処理容器と、下部電極と、環状部材と、内側上部電極と、外側上部電極と、処理ガス供給部と、第１高周波給電部と、第１の直流給電部と、を備える。処理容器は、真空排気可能に構成される。下部電極は、処理容器内で被処理基板を載置する。環状部材は、下部電極の外周部上に載置される。内側上部電極は、処理容器内で前記下部電極と対向して配置される。外側上部電極は、処理容器内で内側上部電極から電気的に絶縁してその半径方向外側にリング状に配置される。処理ガス供給部は、内側および外側上部電極と下部電極との間の処理空間に処理ガスを供給する。第１高周波給電部は、高周波放電によって前記処理ガスのプラズマを生成するための第１高周波を前記下部電極もしくは前記内側および外側上部電極に印加する。第１の直流給電部は、外側上部電極に可変の第１の直流電圧を印加する。外側上部電極は、処理空間に露出する面の少なくとも一部が前記処理空間に露出する前記内側上部電極の面よりも上方にある。このため、実施形態に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理時の電子密度のピーク位置を制御し、電子密度のピークを被処理基板の外周上または外周よりも径方向外側に生じさせることができる。このため、実施形態に係るプラズマ処理装置は、ウエハのエッジ部のみチルティングの制御性を改善するとともに、エッジ部以外のチルティングの影響を低減することができる。このため、実施形態に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理の均一性を高めることができ、さらに、チャンバのＭＴＢＷＣ（Mean Time between Wet Cleaning）を改善することができる。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置において、外側上部電極の外周部は、径方向外側に向けて前記処理空間側に突出するテーパ形状を有する。このため、プラズマ処理装置は、外側上部電極の外周側において処理空間の垂直方向長さを狭くすることで、プラズマをウエハ面上に閉じ込めることができる。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置において、内側上部電極の外周部は、内周側から外周側に向けて処理空間から遠ざかるテーパ形状を有する。このため、プラズマ処理装置は、外側上部電極の構造と併せて、ウエハのエッジ部近傍の処理空間を広くすることができ、電子密度のピーク位置を制御することができる。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置はさらに、クランプ部材と、接地用部材とを備える。クランプ部材は、外側上部電極を保持する。接地用部材は、クランプ部材よりも処理空間側に配置される。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置において、外側上部電極はたとえば、内側上部電極の表面から約３ｍｍ凹んだ底面を有する凹部を有する。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置において、環状部材の外径はたとえば、３６０ｍｍから３８０ｍｍの範囲内である。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置はさらに、内側上部電極に可変の第２の直流電圧を印加する第２の直流給電部を備える。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置はさらに、被処理基板にプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波を下部電極に印加する第２高周波給電部を備える。

上記実施形態に係るプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法によれば、プラズマ処理時の電子密度のピーク位置を被処理基板の外周上または外周よりも径方向外側に生じさせることができる。

今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１ プラズマ処理装置
１０ チャンバ（処理容器）
１２ サセプタ（下部電極）
２６ 排気装置
３０ 第１高周波電源（第１高周波給電部）
３２ 第２高周波電源（第２高周波給電部）
６０ 内側上部電極（シャワーヘッド）
６２ 外側上部電極
６８ｄ 凹部
７６ 処理ガス供給部
８０ 可変直流電源（第２の直流給電部）
８２ 可変直流電源（第１の直流給電部）
ＣＲ センターリング
ＦＲ フォーカスリング
Ｉ イオン
Ｗ ウエハ
Ｓ１，Ｓ２ イオンシース

Claims (9)

1. 真空排気可能な処理容器と、
   前記処理容器内で被処理基板を載置する下部電極と、
   前記下部電極の外周部上に載置される環状部材と、
   前記処理容器内で前記下部電極と対向して配置される内側上部電極と、
   前記処理容器内で前記内側上部電極から電気的に絶縁してその半径方向外側にリング状に配置される外側上部電極と、
   前記内側および外側上部電極と前記下部電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   高周波放電によって前記処理ガスのプラズマを生成するための第１高周波を前記下部電極もしくは前記内側および外側上部電極に印加する第１高周波給電部と、
   前記外側上部電極に可変の第１の直流電圧を印加する第１の直流給電部と、
   を有するプラズマ処理装置であって、
   前記外側上部電極は、前記処理空間に露出する面の少なくとも一部が前記処理空間に露出する前記内側上部電極の面よりも上方にあることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記外側上部電極の外周部は、径方向外側に向けて前記処理空間側に突出するテーパ形状を有する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記内側上部電極の外周部は、内周側から外周側に向けて前記処理空間から遠ざかるテーパ形状を有する請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記外側上部電極を保持するクランプ部材と、
   前記クランプ部材よりも前記処理空間側に配置される接地用部材と、
   をさらに備える請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記外側上部電極は、前記内側上部電極の表面から約３ｍｍ凹んだ底面を有する凹部を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記環状部材の外径は、３６０ｍｍから３８０ｍｍの範囲内である請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記内側上部電極に可変の第２の直流電圧を印加する第２の直流給電部をさらに備える請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記被処理基板にプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波を前記下部電極に印加する第２高周波給電部をさらに備える請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置を用いて、プラズマ処理時の電子密度のピークを前記被処理基板の外周上または外周よりも径方向外側に生じさせるプラズマ処理方法。

Images