JP4357849B2

JP4357849B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4357849B2
Application number: JP2003040117A
Authority: JP
Inventors: 伸也西本; 俊樹高橋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2023-02-18
Also published as: JP2003332305A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置のエッチング処理等に利用されるプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば半導体装置の製造分野における半導体装置の微細な回路パターンの形成等に、プラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置が多用されている。
【０００３】
図９は、このようなプラズマ処理装置の一例として、従来のプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示すもので、同図において、符号１は、材質が例えばアルミニウム等からなり、内部を気密に閉塞可能に構成され、プラズマ処理室を構成する真空チャンバを示している。
【０００４】
上記真空チャンバ１は、円筒状とされており、接地電位に接続されている。また、真空チャンバ１の内部には、被処理基板としての半導体ウエハＷを、被処理面を上側に向けて略水平に支持する下部電極を兼ねた支持台（サセプタ）２が設けられている。
【０００５】
この支持台２は、例えばアルミニウム等の材質で構成されており、セラミックなどの絶縁板３を介して真空チャンバ１内に支持されている。また支持台２の上方の外周には導電性材料または絶縁性材料で形成されたフォーカスリング４が設けられている。
【０００６】
また、支持台２の半導体ウエハＷの載置面には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャック５が設けられている。この静電チャック５は、絶縁体５ｂの間に電極５ａを配置して構成されており、電極５ａには直流電源６が接続されている。そして電極５ａに直流電源６から電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハＷが吸着されるようになっている。
【０００７】
さらに、支持台２には、冷媒を循環するための冷媒流路（図示せず）と、冷媒からの冷熱を効率よく半導体ウエハＷに伝達するために半導体ウエハＷの裏面にＨｅガスを供給するガス導入機構（図示せず）とが設けられ、半導体ウエハＷを所望の温度に温度制御できるようになっている。
【０００８】
また、支持台２のほぼ中央には、高周波電力を供給するための給電線７が接続されており、この給電線７にはマッチングボックス８及び高周波電源９が接続されている。高周波電源９からは、支持台２に、周波数が例えば１３．５６〜１５０ＭＨｚの範囲の高周波電力が供給されるようになっている。
【０００９】
さらに、支持台２の周囲には、支持台２を囲むように環状に形成された板材からなる排気リング１０が設けられている。この排気リング１０には、排気を行うための複数の開口１０ａが形成されており、これらの開口１０ａによって、支持台２の周囲から均一に排気が行われ、真空チャンバ１内に均一なガス流が形成されるようになっている。
【００１０】
一方、支持台２の上方の真空チャンバ１の天壁部分には、上部電極を兼ねたシャワーヘッド１１が、支持台２と平行に対向する如く設けられており、このシャワーヘッド１１は接地されている。したがって、これらの支持台２およびシャワーヘッド１１は、一対の電極として機能するようになっている。
【００１１】
上記シャワーヘッド１１は、その下面に多数のガス吐出孔１２が設けられており、且つその上部にガス導入部１３を有している。そして、その内部にはガス拡散用空隙１４が形成されている。ガス導入部１３にはガス供給配管１５が接続されており、このガス供給配管１５の他端には、エッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給系１６が接続されている。
【００１２】
処理ガス供給系１６から供給される処理ガスは、ガス供給配管１５、ガス導入部１３を介してシャワーヘッド１１のガス拡散用空隙１４に至り、ガス吐出孔１２から吐出され、半導体ウエハＷに形成された膜のエッチングに供されるようになっている。
【００１３】
また、真空チャンバ１の下部には、排気ポート１７が形成されており、この排気ポート１７には排気系１８が接続されている。そして排気系１８に設けられた真空ポンプを作動させることにより真空チャンバ１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。
【００１４】
一方、真空チャンバ１の外側周囲には、真空チャンバ１と同心状に、環状の磁場形成機構（リング磁石）１９が配置されており、支持台２とシャワーヘッド１１との間の処理空間に磁場を形成するようになっている。この磁場形成機構１９は、回転機構２０によって、その全体が、真空チャンバ１の回りを所定の回転速度で回転可能とされている。
【００１５】
上記構成のプラズマエッチング装置では、上部電極を兼ねたシャワーヘッド１１と下部電極を兼ねた支持台２との間に高周波電源９によって高周波電力を印加し、これらの間に形成された処理空間内に処理ガスのプラズマを生起して、このプラズマによって半導体ウエハＷのエッチングを行う。
【００１６】
しかしながら、支持台２の周囲に設けられた排気リング１０には、排気系１８によって排気を行うための複数の開口１０ａが設けられている。このため、例えば高周波電源９から支持台２に供給する高周波電力を増大させてプラズマの密度が高くなった場合などに、処理空間内に形成されていたプラズマが排気リング１０の開口１０ａを通って、排気リング１０の下方の排気側へ漏れる所謂プラズマリークが発生することがある。
【００１７】
また、上記のようなプラズマリークは定常的に生じるものではなく、プラズマリークが起きたり起きなかったりするので、プラズマが不安定になり、安定したエッチング処理を行うことが困難になるという問題があった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、従来のプラズマ処理装置では、上部電極と下部電極との間に印加する高周波電力を増大させた場合などに、排気リングの開口等を通じて排気側にプラズマがリークするプラズマリークが発生することがあり、プラズマが不安定になって、安定したプラズマ処理を行うことが困難になるという問題があった。
【００１９】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたもので、不所望なプラズマリークが発生することを抑制することができ、安定したプラズマで安定したプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供しようとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項1記載の発明は、被処理基板を収容しプラズマ処理するための真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設けられ、前記被処理基板が載置される下部電極と、前記下部電極と対向するように前記真空チャンバ内に設けられた上部電極と、前記真空チャンバ内を排気するための排気手段とを具備し、前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電源から高周波電力を印加して、カソードとして作用する前記下部電極とアノードとして作用する前記上部電極との間に形成された処理空間内にプラズマを生起するプラズマ処理装置であって、前記真空チャンバ内に、前記処理空間内に形成された前記プラズマの容積が増大した際に侵入するためのプラズマ拡散用空隙であってアノード面の面積を増大させるプラズマ拡散用空隙を設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明は、請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記上部電極及び前記真空チャンバが接地電位とされ、前記下部電極に前記高周波電源が接続されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項２記載のプラズマ処理装置において、排気を行うための開口を有し、前記下部電極の周囲を囲むように環状に形成され、接地電位とされた排気リングを具備し、この排気リングによって、前記プラズマ拡散用空隙が形成されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項３記載のプラズマ処理装置において、前記排気リングの前記下部電極の周囲に配置された部分が、下側に向けて凸となる凸形状とされ、この凸形状部分が前記プラズマ拡散用空隙とされていることを特徴とする。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項２〜４いずれか一項記載のプラズマ処理装置において、前記真空チャンバの内壁に、当該内壁を所定形状に凹陥した凹陥部が設けられ、この凹陥部が前記プラズマ拡散用空隙とされていることを特徴とする。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項５記載のプラズマ処理装置において、前記凹陥部が溝状に形成され、複数設けられていることを特徴とする。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項５記載のプラズマ処理装置において、前記凹陥部がディンプル状に形成され、複数設けられていることを特徴とする。
【００２７】
請求項８の発明は、請求項１〜７いずれか一項記載のプラズマ処理装置において、前記真空チャンバの外側に、当該真空チャンバ内に磁場を形成するための磁場形成機構が設けられたことを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本発明をプラズマエッチング装置に適用した一実施形態の概略構成を示すもので、図９に示したプラズマエッチング装置と同一部分には、同一符号を付してある。
【００３０】
同図に示すように、本実施形態では、下部電極を兼ね、半導体ウエハＷが載置される載置台２の周囲を囲むように設けられた排気リング３０が、下方に向けて突出し、断面形状が略Ｕ字状となるように形成されており、実質的に載置台２の周囲に断面形状が略Ｕ字状の溝状空隙３１が形成されるように構成されている。そして、排気リング３０のＵ字状の部分の側壁部分及び底部の双方に、排気を行うための開口３０ａが形成されている。
【００３１】
また、上記排気リング３０は、真空チャンバ１と電気的に導通されており、真空チャンバ１は接地電位とされていることから、排気リング３０も接地電位とされている。
【００３２】
したがって、カソードである載置台２に対して、シャワーヘッド１１と真空チャンバ１の内壁部分と排気リング３０とがアノードとして作用するようになっており、かつ、排気リング３０の処理空間側に向く面の表面積が、前述した図９に示した装置の場合に比べて大きくなっている。このため、本実施形態では、アノード面の全体の面積が前述した図９に示した装置の場合に比べて大きくなっている。
【００３３】
上記構成のプラズマエッチング装置におけるエッチング手順について説明すると、まず、真空チャンバ１に設けられた図示しないゲートバルブを開放し、このゲートバルブに隣接して配置されたロードロック室（図示せず）を介して、搬送機構（図示せず）により半導体ウエハＷを真空チャンバ１内に搬入し、支持台２上に載置する。そして、直流電源６から静電チャック５の電極５ａに所定の電圧を印加し、半導体ウエハＷをクーロン力により吸着する。
【００３４】
この後、搬送機構を真空チャンバ１外へ退避させた後、ゲートバルブを閉じ、排気系１８の真空ポンプにより排気ポート１７を通じて真空チャンバ１内を排気する。
【００３５】
真空チャンバ１内が所定の真空度になった後、真空チャンバ１内には、処理ガス供給系１６から、所定のプラズマエッチング用の処理ガスが、所定流量で導入され、真空チャンバ１内が所定の圧力、例えば１．３３〜１３３Ｐａに保持される。
【００３６】
そして、この状態で高周波電源９から、支持台２に、所定周波数、例えば１３．５６〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数の高周波電力を供給する。
【００３７】
この場合に、下部電極である支持台２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１１と下部電極である支持台２との間の処理空間には高周波電界が形成されるとともに、磁場形成機構１９による磁場が形成され、シャワーヘッド１１のガス吐出孔１２からこの処理空間に吐出された処理ガスは励起状態となって、図中に示すようにプラズマＰが発生する。そして、このプラズマＰによって半導体ウエハＷのエッチングが行われる。
【００３８】
また、上記の図１に示される状態から、さらに高周波電源９から印加する高周波電力を増大（パワーを増大）させると、プラズマＰの容積が増大する。このため、従来においては、プラズマＰの容積に対するアノード面積が不足することにより、プラズマＰが他のアノード面を求めて、排気リング３０の開口３０ａを通過する、いわゆるプラズマリークが発生する可能性が高かったが、本実施形態においては、図２に示すように、排気リング３０によって形成された溝状空隙３１内に侵入するようにプラズマＰの容積が拡大し、これによって、プラズマリークが発生することを抑制することができる。すなわち、プラズマＰが溝状空隙３１に廻り込み、アノード面積が増大することで、排気リング３０上にシース（電荷領域）が厚く形成され、プラズマＰや漏れ電子を遮断して、プラズマリークを抑制することができる。
【００３９】
なお、上記のように、高周波電力を増大させた場合にプラズマＰが排気リング３０によって形成された溝状空隙３１内に侵入するようにその容積が拡大可能とするためには、溝状空隙３１の開口面積と深さとの比を、適宜選択する必要がある。また、排気リング３０に設けられた排気のための開口３０ａの開口面積についても、プラズマＰのリークを防止するためには狭く設定する必要があるが、排気に必要なコンダクタンスとする必要もあるため、かかる開口面積も、適宜選択する必要がある。上記溝状空隙３１の開口面積と深さとの比、及び、開口３０ａの開口面積の設定値については、実際の実験等によってプラズマＰの挙動を観察して設定する必要がある。
【００４０】
以上のようにして、プラズマＰにより半導体ウエハＷに所定のエッチング処理が実行されると、高周波電源９からの高周波電力の供給を停止し、エッチング処理を停止して、上述した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷを真空チャンバ１外に搬出する。
【００４１】
以上説明したとおり、本実施形態においては、排気リング３０によって形成された溝状空隙３１が、高周波電源９から印加する高周波電力を増大させた場合などに、プラズマＰの容積が拡大して侵入するためのプラズマ拡散用空隙として作用する。したがって、高周波電力を増大させた場合などにおいても、プラズマリークの発生を抑制することができ、安定したプラズマによって安定したエッチング処理を行うことができる。
【００４２】
次に、図３を参照して他の実施形態について説明する。同図に示すように、この実施形態では、円筒状に形成された真空チャンバ１の内壁部分に、この内壁の全周に渡る環状の溝を形成するように、凹陥部１ａが形成されている。この凹陥部１ａは複数形成されており、これらの凹陥部１ａが、前述した溝状空隙３１と同様に、高周波電源９から印加する高周波電力を増大させた場合などに、プラズマＰの容積が拡大して侵入するためのプラズマ拡散用空隙として作用するように構成されている。
【００４３】
このように、真空チャンバ１の内壁部分に凹陥部１ａを形成することにより、プラズマ拡散用空隙として作用させることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、排気リング３０によって形成された溝状空隙３１に加えて、上記した凹陥部１ａが設けられているので、前述した実施形態よりさらにプラズマ拡散用空隙の体積を増やすことができ、また、アノード面の面積を増やすことができ、これによって、プラズマリークが発生する可能性をより一層抑制することができる。
【００４５】
上記の実施形態では、凹陥部１ａを、真空チャンバ１の内壁の全周に渡って形成された溝状のものとしたが、凹陥部の形状はかかる形状に限定されるものではなく、どのような形状のものでも良い。例えば、図４に示すように、円形のディンプル状の凹陥部１ｂを多数配列したものとしても良い。
【００４６】
また、前述した実施形態における排気リング３０の形状も、各種の変形が可能であり、例えば、図５〜８に示すような形状とすることができる。
【００４７】
すなわち、図５に示す例では、排気リング３００は、断面形状が略Ｌ字状とされ、その底面および側面のそれぞれに開口３００ａが形成された構成とされている。このように断面形状が略Ｌ字状の排気リング３００とすることによっても、実質的に溝状のプラズマ拡散用空隙を形成することができる。
【００４８】
また、図６に示す例では、厚板状の排気リング３１０とし、この排気リング３１０を貫通する複数の開口３１０ａを形成することによって、この開口３１０ａ内をプラズマ拡散用空隙とすることができる。
【００４９】
また、図７に示す例は、図６と同様に、厚板状の排気リング３２０とし、排気リング３２０を貫通する平面視溝形状の開口３２０ａを複数形成して、開口幅を絞りつつ、十分に深い貫通孔のプラズマ拡散用空隙を形成している。この形態によれば、プラズマ中の電子を貫通孔（開口３２０ａ）の内壁面に積極的に衝突させることができ、貫通孔にプラズマを閉じ込めるように、プラズマリークを効果的に防止することができる。
【００５０】
また、図８に示す例は、２枚の排気リング３３０，３４０を上下に離間させて配置し、上側の排気リング３３０を通過したプラズマを、２枚の排気リング３３０，３４０間で補足するようにしている。つまり、２枚の排気リング３３０，３４０に挟まれる空間が、プラズマ拡散用空隙として機能する。なお、上側の排気リング３３０の開口３３０ａの開口面積と、下側の排気リング３４０の開口３４０ａの開口面積を互いに相違させることによって、排気コンダクタンスと排気リング３３０，３４０を通過するプラズマリーク量を制御することができる。
【００５１】
なお、上記の各実施形態では、本発明をエッチング装置に適用した場合について説明したが、本発明はかかる例に限定されるものではなく、例えば成膜装置などのあらゆるプラズマ処理装置に適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、不所望なプラズマリークが発生することを抑制することができ、安定したプラズマで安定したプラズマ処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図。
【図２】図１のプラズマエッチング装置におけるプラズマの変化の様子を示す図。
【図３】本発明の他の実施形態のプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図。
【図４】凹陥部の他の例を拡大して示す図。
【図５】排気リングの他の例の要部構成を模式的に示す図。
【図６】排気リングの他の例の要部構成を模式的に示す図。
【図７】排気リングの他の例の要部構成を模式的に示す図。
【図８】排気リングの他の例の要部構成を模式的に示す図。
【図９】従来のプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
Ｗ……半導体ウエハ、Ｐ……プラズマ、１……真空チャンバ、２……載置台（下部電極）、９……高周波電源、１１……シャワーヘッド（上部電極）、１２……ガス吐出孔、１９……磁場形成機構、３０……排気リング、３１……溝状空隙。

Claims

被処理基板を収容しプラズマ処理するための真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に設けられ、前記被処理基板が載置される下部電極と、
前記下部電極と対向するように前記真空チャンバ内に設けられた上部電極と、
前記真空チャンバ内を排気するための排気手段とを具備し、
前記下部電極と前記上部電極との間に高周波電源から高周波電力を印加して、カソードとして作用する前記下部電極とアノードとして作用する前記上部電極との間に形成された処理空間内にプラズマを生起するプラズマ処理装置であって、
前記真空チャンバ内に、前記処理空間内に形成された前記プラズマの容積が増大した際に侵入するためのプラズマ拡散用空隙であってアノード面の面積を増大させるプラズマ拡散用空隙を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記上部電極及び前記真空チャンバが接地電位とされ、前記下部電極に前記高周波電源が接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２記載のプラズマ処理装置において、排気を行うための開口を有し、前記下部電極の周囲を囲むように環状に形成され、接地電位とされた排気リングを具備し、この排気リングによって、前記プラズマ拡散用空隙が形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項３記載のプラズマ処理装置において、前記排気リングの前記下部電極の周囲に配置された部分が、下側に向けて凸となる凸形状とされ、この凸形状部分が前記プラズマ拡散用空隙とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２〜４いずれか一項記載のプラズマ処理装置において、前記真空チャンバの内壁に、当該内壁を所定形状に凹陥した凹陥部が設けられ、この凹陥部が前記プラズマ拡散用空隙とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項５記載のプラズマ処理装置において、前記凹陥部が溝状に形成され、複数設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項５記載のプラズマ処理装置において、前記凹陥部がディンプル状に形成され、複数設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１〜７いずれか一項記載のプラズマ処理装置において、前記真空チャンバの外側に、当該真空チャンバ内に磁場を形成するための磁場形成機構が設けられたことを特徴とするプラズマ処理装置。