JP3222859B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えばプラズマ処理装置についていえ
ば、従来から例えば半導体製造プロセスにおいては、半
導体ウエハ（以下、「ウエハ」という）などの表面処理
を行うためにおいて多く使用されているが、その中でも
とりわけ所謂平行平板型のプラズマ処理装置は、均一性
に優れ、大口径ウエハの処理が可能である等の長所を有
し、また装置構成も比較的簡易であるから、数多く使用
されている。

【０００３】前記従来の一般的な平行平板型のプラズマ
処理装置は、処理室内の上下に電極が対向して平行に設
けられており、被処理体であるウエハは、例えば下側の
電極に載置され、例えばエッチング処理の場合には、こ
の処理室内にエッチングガスを導入すると共に、高周波
電力を前記電極に印加して電極間にプラズマを発生さ
せ、エッチングガスの解離によって生じたエッチャント
イオンによって、前記ウエハをエッチングするように構
成されている。かかる場合のエッチングガスは、上部電
極におけるウエハとの対向面に設けられた吐出部を構成
するガス拡散板の多数の孔からウエハに向けてそのまま
吐出されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のガ
ス拡散板では、例えばその周囲に例えば石英のシールド
リングや他の部材等があった場合に、エッチングレート
の向上に支障をきたしたり、また処理ガスの濃度分布に
微妙な影響を与えてエッチング処理の均一性を阻害する
おそれがあった。

【０００５】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、処理ガスをより円滑に被処理体に向けて吐出さ
せ、処理の高速化、均一化を図ることをその目的として
いる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】 前記目的を達成するた
め、請求項１によれば、減圧自在な処理室と、この処理
室の上下に上部電極と下部電極とを対向して有し、上部
電極側に設けた吐出部から処理室内に処理ガスを吐出さ
せると共に、前記上部電極と下部電極間にプラズマを発
生させ、前記下部電極上の被処理体に対して処理を施す
如く構成されたプラズマ処理装置において、前記被処理
体側に向けてテーパ状に開口したガス拡散ガイドを、前
記吐出部周縁に設け、前記下部電極の上端縁周縁部に
は、外方部へと傾斜降下するテーパ部を有するガス拡散
排気ガイドを設け，さらに前記ガス拡散排気ガイドは導
電性の材質からなり、かつ接地されていることを特徴と
する、プラズマ処理装置が提供される。

【０００７】

【０００８】

【０００９】 請求項２に記載したように、前記ガス拡
散排気ガイドを、下部電極の上端縁周縁部に設けられる
フォーカスリングと一体化してもよい。

【００１０】 また請求項３に記載したように、ガス拡
散ガイドのテーパ部とガス拡散排気ガイドのテーパ部と
を平行になるようにしてもよい。

【００１１】 またガス拡散ガイドのテーパ部が水平方
向とおりなす角度は、請求項４に記載したように、２５
゜〜３０゜であることが好ましい。また請求項５のよう
に，前記ガス拡散ガイドを導電性の材質で構成し，さら
に上部電極と絶縁して接地してもよい。

【００１２】（作用）本発明のプラズマ処理装置によれ
ば、被処理体側に向けてテーパ状に開口したガス拡散ガ
イドが、処理室内に処理ガスを吐出させる前記吐出部周
縁に設けてあり、また下部電極側には、フォーカスリン
グやガス拡散排気ガイドが、内側から外側に向けて下降
傾斜するように設けてあるので、ガス流通コンダクタン
スが低減し、処理ガスがより良好に被処理体に向けて吐
出されると共に、ガスの流通が円滑となり、好ましい処
理ガスの雰囲気の下で被処理体に対して処理が実施で
き、好ましい処理結果が得られる。

【００１３】また前記ガス拡散ガイドを前記上部電極を
囲むように配置し、かつ前記ガス拡散ガイド及び、フォ
ーカスリングや前記ガス拡散排気ガイドを導電性を有し
て接地するように構成すれば、さらに、電極間に発生す
るプラズマはこれら接地電極間に閉じこめられ、その結
果プラズマ密度が向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を添付図面に基づき説明すると、本実施の形態は、エ
ッチング処理装置に適用した例であって、図１は本実施
の形態にかかるエッチング処理装置１の断面を模式的に
示しており、このエッチング処理装置１における処理室
２は、気密に閉塞自在な酸化アルマイト処理されたアル
ミニウムなどからなる円筒形状に成形された処理容器３
内に形成され、当該処理容器３自体は接地されている。
前記処理室２内の底部にはセラミックなどの絶縁支持板
４を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下、
「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセ
プタ５が収容され、このサセプタ５が下部電極を構成し
ている。

【００１５】前記サセプタ５の内部には、環状の冷媒室
６が設けられており、この冷媒室６には、温度調節用の
冷媒が冷媒導入管７を介して導入され、冷媒室６内を循
環して冷媒排出管８から排出される。そしてその間生ず
る冷熱は冷媒室６から前記サセプタ５を介して前記ウエ
ハＷに対して伝熱され、このウエハＷの処理面を所望す
る温度まで冷却することが可能である。

【００１６】またさらに前記サセプタ５には、例えばセ
ラミックヒータなどの加熱手段９が設けられており、処
理容器３外部に設置されている電源１０からの給電によ
って、サセプタ５を所望の温度に加熱するように構成さ
れている。従って、前記冷媒室６の冷熱とこの加熱手段
９とにより、ウエハＷは所定の温度に設定、維持するこ
とが可能である。

【００１７】また前記サセプタ５には、静電チャック１
１が設けら、処理容器３外部に設置されている直流高圧
電源１２からの直流高電圧の印加によって、ウエハＷ
は、静電チャック１１上面に吸着保持される。また前記
サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に保
持されたウエハＷを囲むように、ＳｉＯ_２からなる環状
のフォーカスリング１３が配置されている。このフォー
カスリング１３は、図示される如く内側から外側に向け
て下降傾斜するテーパがつけられている。

【００１８】前記サセプタ５の上方には、このサセプタ
５と平行に対向して、ギャップ長約２５mmで、上部電極
２１が、絶縁材２２を介して、処理容器３の上部に支持
されている。この上部電極２１は中空構造であり、また
サセプタ５との対向面に、多数の拡散孔２３を有し吐出
部も兼ねている。そしてこの上部電極２１の前記サセプ
タ５との対向面の周囲には、環状のガス拡散ガイド２４
が設けられている。このガス拡散ガイド２４はＳｉＯ_２
からなり、、上部電極２１の周囲を取り囲むようにして
支持されており、前記サセプタ５側に向けてテーパ状に
開口している。そして本実施の形態においては、そのテ
ーパ角度、即ち図２に示したように、テーパ部２４ａが
上部電極２１のサセプタ５との対向面とおりなす角度
（水平方向とのなす角度）θが、３０゜に設定してあ
る。

【００１９】前記上部電極２１の中央にはガス導入口２
５が設けられ、バルブ２６を介して処理ガス供給源と接
続されている。本実施の形態においては、バルブ２７、
マスフローコントローラ２８を介して、処理ガス供給源
２９からＣＦ_４ガスが、バルブ３０、マスフローコント
ローラ３１を介して、処理ガス供給源３２からは、ＣＨ
Ｆ_３ガスが、それぞれ前記拡散孔２３を通じて処理室２
内に供給自在となっている。

【００２０】処理室２内におけるサセプタ５の下部周囲
には、真空ポンプなどの真空引き手段４１に通ずる排気
管４２、４３等が接続されており、この処理室２内を、
５mmＴｏｒｒ〜１００mmＴｏｒｒ内の任意の減圧度にま
で真空引きすることが可能である。

【００２１】次にこのエッチング処理装置１の高周波電
力印加系について説明すると、まず下部電極となる前記
サセプタ５に対しては、例えば周波数が８００ｋＨｚの
相対的低周波を出力する相対的低周波電源５１からの電
力が、整合器５２を介して印加される。一方上部電極２
１に対しては、整合器５３を介して、周波数が例えば２
７ＭＨｚの相対的高周波電力を出力する相対的高周波電
源５４からの高周波が印加される構成となっている。

【００２２】また前記処理容器３の側部には、ゲートバ
ルブ６１を介してロードロック室６２が隣接している。
そしてこのロードロック室６２内には、被処理体である
ウエハＷを処理容器３内の処理室２との間で搬送する搬
送アームなどの搬送手段６３が設けられている。

【００２３】本実施の形態にかかるエッチング処理装置
１の主要部は以上のように構成されており、例えばシリ
コンのウエハＷの酸化膜に対してエッチング処理する場
合の作用等について説明すると、まずゲートバルブ６１
が開放された後、搬送手段６３によってウエハＷがロー
ドロック室６２から処理室２内へと搬入され、サセプタ
５の静電チャック１１上に載置された後、搬送手段６３
が待避し、ゲートバルブ６１が閉鎖される。次いで処理
室２内が真空引き４１によって減圧されていき、所定の
減圧度になった後、処理ガス供給源２９からはＣＦ_４ガ
スが供給され、処理ガス供給源３２からはＣＨＦ_３ガス
が供給され、処理室２の圧力が、例えば１０mmＴｏｒｒ
に設定、維持される。

【００２４】そして上部電極２１に対して相対的高周波
電源５４から周波数が２７ＭＨｚの相対的高周波が印加
され、またサセプタ５に対して相対的低周波電源５１か
ら周波数が８００ｋＨｚの相対的低周波が印加され、上
部電極２１とサセプタ５との間にプラズマが発生し、こ
の発生したプラズマによって処理室２内の前記処理ガス
が解離し、その際に生ずるフッ素ラジカルによってウエ
ハＷ表面のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）がエッチングさ
れていくのである。

【００２５】次に前記エッチング処理装置１を用いて実
際に、６インチのシリコンのウエハＷ表面の酸化膜（Ｓ
ｉＯ_２）をエッチングした際の結果について説明する。
まず処理室２内の圧力は、既述の如く１０mmＴｏｒｒに
設定した。そしてＣＦ_４ガスとＣＨＦ_３ガスの流量比
は、２５／７５ｓｃｃｍとした。温度については、処理
室２内底部を２０゜Ｃ、同上部を３０゜Ｃ、側部を４０
゜Ｃに設定した。そして上部電極２１に対しては２００
０Ｗ、サセプタ５に対して８００Ｗの電力を夫々印加し
た。

【００２６】かかる条件の下でウエハＷに対してエッチ
ングした結果、図３のグラフに示したような結果が得ら
れた。図３のグラフは、ウエハＷの中心から直径方向
（Ｘ方向、Ｙ方向）に外方にずらせた位置でのエッチン
グレートを示しているが、同グラフからわかるように、
中心から５０mm離れた位置でも、エッチングレートは、
Ｘ方向、Ｙ方向とも、夫々４０００オングストローム／
ｍｉｎを越えており、測定点平均でも、４０７２オング
ストローム／ｍｉｎを確保できた。またエッチングレー
トの均一性（Ｕ）に関しては、Ｕ（％）＝（ＥＲmax−
ＥＲmin）／２・ＥＲave×１００で表してみると、Ｕ＝
６．３（％）であった。但し、ＥＲmaxは、ウエハＷ上
の最大エッチングレート、ＥＲminはウエハＷ上の最小
エッチングレート、ＥＲaveは平均エッチングレートで
ある。

【００２７】前記結果を従来と比較するために、本実施
の形態にかかるエッチング処理装置１から、他の構成は
そのままにしてガス拡散ガイド２４のみを取り去った構
成にかかるエッチング処理装置を用い、前記各種条件と
全く同一条件の下で、ウエハＷに対してエッチング行
い、その結果を図４のグラフに示した。この図３のグラ
フと図４のグラフとを比較すれば、まず本実施の形態の
方が従来よりも、エッチングレートが向上しており、ウ
エハＷ全般に渡って約１０００オングストローム／ｍｉ
ｎもエッチングレートが高くなっていることが確認でき
る。ちなみに図３における測定点平均でのエッチングレ
ートは３１４２オングストローム／ｍｉｎであり、実際
上、本実施の形態の方が平均でも約１０００オングスト
ローム／ｍｉｎエッチングレートが高くなっている。

【００２８】次に均一性についても一見してわかるよう
に、図３のグラフの方が図４のグラフよりもグラフの傾
斜が緩やかであり、均一性に関しても前記実施の形態の
方が優れていることが確認できる。実際、前記従来のエ
ッチング処理装置によるエッチングにおける前記均一性
（Ｕ）の定義で得られる均一性（Ｕ）は、１２．３％で
あった。既述したように本実施の形態のそれは６．３％
であったから、この点からも本実施の形態によって均一
性が向上したことが確認できる。またＸ方向、Ｙ方向に
ずれた位置でのエッチングレートの差についても、本実
施の形態の方が従来よりも差がなくなっており、ウエハ
Ｗ全般において均一性が向上していることがわかる。さ
らにガス拡散ガイド２４を設けただけで、前記したエッ
チングレート、均一処理性の改善がみられるので、既存
の装置に対しても簡単な装置改変だけで本発明を実施す
ることが可能になっている。

【００２９】なお前記実施の形態にかかるエッチング処
理装置１は、上部電極２１と下部電極となるサセプタ５
に異なった周波数の高周波電力を印加する構成であった
が、本発明は他の印加方式のエッチング処理装置に対し
てももちろん適用可能である。例えば図５に示したよう
に、処理容器７１及びサセプタ７２が接地され、上部電
極７３に対して高周波、例えば１３．５６ＭＨｚを印加
する、いわゆるプラズマ・エッチング（ＰＥ）方式のエ
ッチング処理装置７４、図６に示したように、上部電極
８１及び処理容器８２が接地され、サセプタ８３に対し
て前記高周波電力が印加されるリアクティブ・イオン・
エッチング（ＲＩＥ）方式のエッチング処理装置８４、
さらには図７に示したように、処理容器９１だけは接地
し、上部電極９２、下部電極９３に対して、単一の高周
波電源９４からの同一周波数の電力を、変圧器９５を介
して位相を１８０゜ずらせて交互に印加するいわゆるパ
ワースプリット方式のエッチング処理装置９６に対して
も、夫々処理ガス供給源Ｇから各処理容器７１、８２、
９１内に処理ガスを吐出する吐出部を有する各上部電極
７３、８１、９２の周囲に、テーパ状の環状のガス拡散
ガイドＨを設ければ、エッチングレート及び均一性を向
上させることが可能である。

【００３０】さらに前記実施の形態にかかるエッチング
処理装置１においては、下部電極となるサセプタ５の周
縁部にフォーカスリング１３を設置した構成であった
が、これに代えて例えば図８に示したように、ガス拡散
排気ガイド１０１を設けてもよい。このガス拡散排気ガ
イド１０１は、全体が環状形態を有し、その上面、即ち
上部電極２１側に、外方部へと傾斜降下するテーパ部１
０１ａを有する構成である。かかる構成のガス拡散排気
ガイド１０１を用いれば、排気側のガスコンダクタンス
が低減し、前記ガス拡散ガイド２４と相俟って、処理室
２内でのガスの流通が一層円滑になり、その結果、さら
にエッチングレート及び均一性の向上を図ることが可能
である。

【００３１】なお図８におけるガス拡散排気ガイド１０
１のテーパ部１０１ａは、前記ガス拡散ガイド２４のテ
ーパ部２４ａと平行になるようにそのテーパ角度が設定
されているが、必ずしもそのように平行になるようにテ
ーパ角度を設定する必要はない。またこのガス拡散排気
ガイド１０１は、前出フォーカスリング１３と併用して
もよい。その場合には、ガス拡散排気ガイドをフォーカ
スリングの外周に接地すればよい。またフォーカスリン
グと一体化した形状としてもよい。

【００３２】前記したようなガス拡散排気ガイド１０１
は、もちろん前記実施の形態にかかるエッチング処理装
置１に限らず、図５に示したプラズマ・エッチング（Ｐ
Ｅ）方式のエッチング処理装置７４、図６に示したリア
クティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）方式のエッチ
ング処理装置８４、さらには図７に示したパワースプリ
ット方式のエッチング処理装置９６に対しても、もちろ
ん適用可能である。

【００３３】ところで今日デバイスの高集積化に伴っ
て、エッチング処理についてもより微細なエッチング処
理、例えば穴径が０．３μｍのコンタクトホールを形成
する処理が必要となってきている。これを実現するため
には、プラズマ密度をより高密度化する必要があるが、
本発明によれば、前記したようなエッチングレート、均
一化の向上を図りつつ容易にこれを実現することが可能
である。

【００３４】即ち前記実施の形態におけるエッチング処
理装置１におけるガス拡散ガイド２４を導電性の材質で
構成すると共に、上部電極２１と絶縁してこれを接地さ
せる。そして図８に示した、ガス拡散排気ガイド１０１
についても、導電性の材質で構成してサセプタ５と絶縁
してこれを接地させる。かかる構成によれば、上部電極
２１とサセプタ５との間に発生したプラズマがこれらガ
ス拡散ガイド２４とガス拡散排気ガイド１０１との間で
閉じこめられ、その拡散が防止される。従って、その分
プラズマ密度は向上し、より微細なエッチング処理が可
能になるのである。なおこのようなプラズマ閉じこめ構
成も、前出各プラズマ・エッチング（ＰＥ）方式のエッ
チング処理装置７４、リアクティブ・イオン・エッチン
グ（ＲＩＥ）方式のエッチング処理装置８４、パワース
プリット方式のエッチング処理装置９６に対しても、も
ちろん適用可能である。

【００３５】なお前記したエッチング処理装置１は、被
処理体が半導体ウエハの場合について説明したが、それ
に限らず本発明は、例えばＬＣＤ基板を処理対象とする
エッチング処理装置として構成することももちろん可能
である。

【００３６】

【発明の効果】 本発明のプラズマ処理装置によれば、
ガス流通コンダクタンスが低減し、処理ガスがより円滑
に被処理体に向けて吐出され、濃度分布を均一化するの
で、処理の高速化、均一化を図ることが可能である。ま
た例えばエッチング処理の場合には、エッチングレート
の向上、エッチングの均一化を図ることができる。しか
も既存の装置に対しても、簡単な装置改変だけで本発明
を実施することが可能になっている。また特に請求項５
の発明によれば，プラズマの拡散が防止され，プラズマ
密度が向上するという効果がさらに得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかるエッチング処理装
置の断面説明図である。

【図２】図１のエッチング処理装置におけるガス拡散ガ
イドの要部拡大説明図である。

【図３】図２のエッチング処理装置を用いてシリコンウ
エハの酸化膜のエッチングを行ったときの、ウエハの径
方向にずれた位置とエッチングレートとの関係を示すグ
ラフである。

【図４】ガス拡散ガイドを持たない従来のエッチング処
理装置を用いてシリコンウエハの酸化膜のエッチングを
行ったときの、ウエハの径方向にずれた位置とエッチン
グレートとの関係を示すグラフである。

【図５】プラズマ・エッチング（ＰＥ）方式のエッチン
グ処理装置の上部電極周囲にガス拡散ガイドを設けた実
施の形態の断面説明図である。

【図６】リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）
方式のエッチング処理装置の上部電極周囲にガス拡散ガ
イドを設けた実施の形態の断面説明図である。

【図７】パワースプリット方式のエッチング処理装置の
上部電極周囲にガス拡散ガイドを設けた実施の形態の断
面説明図である。

【図８】図１のエッチング処理装置におけるサセプタ上
のフォーカスリングに代えてガス拡散排気ガイドを接地
した様子を示す断面説明図である。

【符号の説明】

１ エッチング処理装置 ２ 処理室 ３ 処理容器 ５ サセプタ １３ フォーカスリング ２１ 上部電極 ２３ 拡散孔 ２４ ガス拡散ガイド ２４ａ テーパ部 ２５ ガス導入口 ２９、３２ 処理ガス供給源 ５１ 相対的低周波電源 ５４ 相対的高周波電源 Ｗ ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平6−252963 (32)優先日 平成６年９月20日(1994．9．20) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−29940 (32)優先日 平成７年１月25日(1995．1．25) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） 前置審査

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧自在な処理室と、この処理室の上下
   に上部電極と下部電極とを対向して有し、上部電極側に
   設けた吐出部から処理室内に処理ガスを吐出させると共
   に、前記上部電極と下部電極間にプラズマを発生させ、
   前記下部電極上の被処理体に対して処理を施す如く構成
   されたプラズマ処理装置において、 前記被処理体側に向けてテーパ状に開口したガス拡散ガ
   イドを、前記吐出部周縁に設け、 前記下部電極の上端縁周縁部には、外方部へと傾斜降下
   するテーパ部を有するガス拡散排気ガイドを設け， さらに前記ガス拡散排気ガイドは 導電性の材質からな
   り、かつ接地されていることを特徴とする、プラズマ処
   理装置。
2. 【請求項２】 前記ガス拡散排気ガイドは、下部電極の
   上端縁周縁部に設けられるフォーカスリングと一体化さ
   れていることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ
   処理装置。
3. 【請求項３】 ガス拡散ガイドのテーパ部とガス拡散排
   気ガイドのテーパ部とは平行であることを特徴とする、
   請求項１又は２のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 ガス拡散ガイドのテーパ部が水平方向と
   おりなす角度が２５゜〜３０゜であることを特徴とす
   る、請求項１，２又は３のいずれかに記載のプラズマ処
   理装置。
5. 【請求項５】 前記ガス拡散ガイドは，導電性の材質で
   構成され，さらに上部電極と絶縁されて接地されている
   ことを特徴とする，請求項１，２、３又は４のいずれか
   に記載のプラズマ処理装置。