JP5232512B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、被処理基板のエッチング処理に用いられるプラズマ処理装置に関し、とくに、被処理基板の所望の部分のみを選択的にエッチングして、残余の部分にエッチングの影響を及ぼすことのない局所プラズマエッチング装置に関する。

プラズマエッチング装置は、被処理基板の上方に配置した平行平板電極に多数のガス噴出孔を設け、このガス噴出孔からプラズマ化されたエッチングガスを基板全体に照射して、基板全面を同時にエッチングするのが一般的である。しかし近年、基板の所望の部分のみを局所的にエッチングする局所エッチングの技術の必要性が認識され、その研究開発が行われるようになってきた。

その理由の一つとして基板の大口径化があげられる。基板が大口径化すると、プラズマ設備のコストが大きくなるのみならず、基板全体に一様にプラズマを照射することが難しく、エッチング処理の均一性が保ちにくいという問題が生じる。このような不均一性が生じる原因の一つとして、反応ガスの流動の問題があげられる。すなわち、基板の周縁方向から排気が行われるので、ガス噴出孔から噴出した反応ガスの流動速度は、基板中心部に比べ基板周縁部に進むにつれて早くなるため、基板全体で反応ガスの流動速度を均一化することは難しい。この流動速度の不均一性により、基板上に生成するプラズマの密度が不均一になる。かかる不均一性は、基板が大口径になるほど著しくなるという問題である。

このような基板の大口径化に対応して、エッチング処理の均一化を図る手段として、局所プラズマを用いる方法が提案されている、例えば下記特許文献１には、局所プラズマを発生させ、その局所プラズマを適宜移動することにより、被処理体の処理範囲の全面に渡って、同一状態のプラズマを作用させるプラズマ処理装置及び処理方法が提案されている。
特許第３１８４６８２号公報

特許文献１のようなプラズマ処理装置には下記のような問題がある。図５は、従来のプラズマエッチング装置の問題点を説明するための図である。図に示すように、周囲がカバー２８の内部に一対の平行平板電極３３ａ，３３ｂが配設され、これに上部電源３５から第１の高周波電力が印加されている。平行平板電極３３ａ，３３ｂはその内部にガス流路を有し、電極内面には多数のガス噴出孔３６が設けられている。反応ガスは導入管３７から導入され、ガス噴出孔３６から対向する平行平板電極３３ａ，３３ｂの間の空間に吹き出し、高周波電力によりプラズマ化されて、シリコンウェハ等の被処理基板に向かって吹き付けられる。基板１５は、サセプタ２上に設けられた静電チャック１６により把持されており、サセプタ２には下部電源３８から第２の高周波電力が印加されている。

上述のようなプラズマ処理装置で局所エッチングを行なう際には、カバー２８の下側の部分（図のＡの部分）のみがエッチングされればよい。しかし、反応ガスはカバー２８の周縁から排気されて基板１５上を斜行するため、カバー２８の周囲の部分（図のＢの部分）も軽度にエッチングされることになる。

このＢ部分のエッチングはその反応の程度や範囲が不安定である。したがって、このようなプラズマ処理装置を走査して、基板全体のエッチングを行う場合に、不均一が発生する原因となるので、これを避ける必要がある。すなわち、所望の部分（Ａ部分）のみがエッチングされ、その周囲の部分がエッチングされない（又はその影響を受けないような）局所エッチングの手段が強く要請される。

そこで本発明の課題は、被処理基板のエッチング処理に用いられるプラズマ処理装置において、被処理基板の所望の部分のみを選択的にエッチングして、残余の部分にエッチングの影響を及ぼすことのないプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明は、気密に構成された処理室内の被処理基板を載置する載置台と対向して配置され、前記被処理基板に部分的にプラズマを作用させるための局所プラズマ発生器と、該局所プラズマ発生器を移動させる移動手段とを含むプラズマ処理装置において、前記局所プラズマ発生器は、その内部から流出するプラズマ化ガスの反応を相殺するガスを噴出する相殺ガス噴出機構を備えたことを特徴とする。これにより、被処理基板の所望の部分のみを選択的にプラズマ処理することができる。

前記プラズマ化ガスは、プラズマ化されたエッチングガスであり、前記相殺ガスは、堆積性ガスであることが好ましい。

また、前記局所プラズマ発生器内の圧力を前記処理室内の圧力よりも高圧に維持する手段を備えたことは好ましい。これにより、堆積性ガスの局所プラズマ発生器内部への流入を少なくすることができる。

前記相殺ガス噴出機構は、前記局所プラズマ発生器の外周面に所定の間隔でガス送出管が添設されたものであることが好ましい。

前記ガス送出管のガス吐出口が、プラズマ処理時における前記被処理基板から前記局所プラズマ発生器の開口端までの高さよりも高い位置に設けられていることは好ましい。これにより、堆積性ガスの局所プラズマ発生器内部への流入を少なくすることができる。

前記相殺ガス噴出機構は、前記局所プラズマ発生器の外周面にスリット状のガス流路が設けられたものであってもよい。この場合において、前記ガス流路のガス吐出口が、プラズマ処理時における前記被処理基板から前記局所プラズマ発生器の開口端までの高さよりも高い位置に設けられていることは好ましい。これにより、堆積性ガスの局所プラズマ発生器内部への流入を少なくすることができる。

本発明は、気密に構成された処理室内の載置台に被処理基板を載置し、前記載置台と対向して局所プラズマ発生器を配置し、前記被処理基板に部分的にプラズマ化ガスを作用させる処理を、プラズマ未処理区域がなくなるまで繰り返し、前記被処理基板の全面をプラズマ処理する被処理基板のプラズマ処理方法において、前記局所プラズマ発生器の内部から前記処理室に流出する境界領域に前記プラズマ化ガスの反応を相殺する相殺ガスを噴出させプラズマ処理を行うことを特徴とする。これにより、被処理基板の所望の部分のみを選択的にプラズマ処理することができる。

前記プラズマ化ガスは、プラズマ化されたエッチングガスであり、前記相殺ガスは、堆積性ガスであることが好ましい。

前記局所プラズマ発生器内の圧力を前記処理室内の圧力よりも高圧に維持しプラズマ処理を行うことは好ましい。これにより、局所プラズマ発生器内への堆積性ガスの流入を防止することができる。

本発明により、被処理基板のエッチング処理に用いられるプラズマ処理装置において、被処理基板の所望の部分のみを選択的にエッチングして、残余の部分にエッチングの影響を及ぼすことのないプラズマ処理装置を提供することが可能になった。

以下に、本発明に基づくプラズマ処理装置をプラズマエッチング装置に適用した一実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、本発明の実施に用いられるプラズマエッチング装置の全体の概略構成を示す。図１において、チャンバー１は、例えばアルミニウム、ステンレス鋼等の材質からなり、内部を気密に密閉可能な円筒形のものである。このチャンバー１はアースに接地されている。

チャンバー１の内部には、被処理基板として例えば半導体ウェハ１５が載置される載置台（以下、サセプタ）２が設けられている。図１に示すサセプタ２は、半導体ウェハ１５と接触して熱交換を行うことにより、半導体ウェハ１５の温度を調節する熱交換プレートとして用いられる。サセプタ２は、アルミニウム等の導電性及び熱伝導性に富む材質からなり、下部電極を兼ねている。

サセプタ２は、セラミックス等の絶縁性の筒状保持部３に支持されている。筒状保持部３はチャンバー１の筒状支持部４に支持されている。筒状保持部３の上面には、サセプタ２の上面を環状に囲む石英等からなるフォーカスリング５が配置されている。

チャンバー１の側壁と筒状支持部４との間には、環状の排気路６が形成されている。この排気路６の入口又は途中に環状のバッフル板７が取り付けられる。排気路６の底部は排気管８を介して排気装置９に接続される。排気装置９は、真空ポンプを有しており、チャンバー１内の空間を所定の真空度まで減圧する。チャンバー１の側壁には、半導体ウェハ１５の搬入出口１０を開閉するゲートバルブ１１が取り付けられる。

サセプタ２には、プラズマ生成用の下部高周波電源１２が、整合器１３及び給電棒１４を介して電気的に接続される。下部高周波電源１２は、例えば２ＭＨｚ程度の低い周波数の電力をサセプタ２が兼ねる下部電極に供給する。

チャンバー１の天井部には、局所プラズマ発生器２３が固定具２４を介して、案内レール２５に取り付けられており、局所プラズマ発生器２３は半導体ウェハ１５に対して、縦横（ＸＹ方向）に相対位置を変えられるように構成されている。

また、局所プラズマ発生器２３には、処理ガス供給部２６からエッチングガスが供給される。一方、上部高周波電源２７から例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加され、これによりエッチングガスがプラズマ化される。なお、局所プラズマ発生器２３の構造の詳細については後述する。

サセプタ２の上面には、半導体ウェハ１５を静電吸着力で保持するために、セラミックス等の誘電体からなる静電チャック１６が設けられている。静電チャック１６の内部には、導電体例えば銅、タングステン等の導電膜からなる内部電極１７が埋め込まれている。

内部電極１７には高電圧、例えば２５００Ｖ，３０００Ｖ等の直流電源（図示していない）がスイッチを介して電気的に接続されており、内部電極１７に直流電圧が印加されると、クーロン力又はジョンソン・ラーベック力により半導体ウェハ１５が静電チャック１６に吸着保持される。

サセプタ２の内部には、熱媒体（流体）流路１８が設けられる。この熱媒体流路１８には、温度調節ユニット１９より配管２０を介して、所定温度の熱媒体、例えば熱水又は冷水が循環供給される。

静電チャック１６と半導体ウェハ１５の裏面との間には、伝熱ガス供給部２１からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給管２２を介して供給され、この伝熱ガスは、静電チャック１６、すなわちサセプタ２と半導体ウェハ１５の間の熱伝導を促進させる。

図２は、本発明の第一の実施例における局所プラズマ発生器の構造を示した図であり、図２(ａ)はその外観斜視図、図２(ｂ)はその水平断面図、図２(ｃ)はその垂直断面図である。図２（ｄ）は、カバー２８の長さよりも堆積性ガス（以下、デポガス）供給管３１を短くしたときの垂直断面図である。

この局所プラズマ発生器は、誘導結合（ＩＣＰ）型のプラズマ発生装置で、長方形の箱型のカバー２８の上面に馬蹄形のコイル２９が配置されている。
反応ガス（以下、エッチングガス）は、カバー２８の天井部の中央付近に、所定の間隔で配置された複数の反応ガス導入管３０から、カバー２８で覆われた内部に導入される。そして、導入されたエッチングガスは、コイル２９に印加された高周波電力により、プラズマ化される。

カバー２８の下面は開口部となっており、その開口面積は半導体ウェハ１５の面積より小さい。カバー２８の内部に生成したプラズマエッチングガスは、半導体ウェハ１５に照射され、開口部の範囲内でウェハ１５の表面をエッチングする。

ここで、カバー２８の外側には、多数のデポガス供給管３１が配設されている。デポガス供給管３１は、カバー２８の側面に沿って、本実施例では直立に取り付けられている。

デポガス供給管３１は、カバー２８の外側面のほぼ全周に所定の間隔で配置されている。デポガス供給管３１の上部はデポガス供給ダクト３２に連結され、その下端が開放されている。すなわち、プラズマ化されていないデポガスが、開口部の周囲全周において、半導体ウェハ１５に向かって吹き付けられるようになっている。

ここで、本発明の特徴とするところは、局所プラズマ発生器２３の開口部の外周にカーテン状にデポガスを流すところにある。このデポガスの一部は、開口部から流出するプラズマ化したエッチングガスと混合され、プラズマガスの影響によりプラズマ化する。

プラズマ化したデポガスは、半導体ウェハ１５の表面に堆積することになるが、そこにエッチング効果を有するエッチングガスが流れてくる。その結果、カバー２８で囲われた領域、即ち、エッチング領域と非エッチング領域との境界領域において、プラズマガスとデポガスとが混合する。その結果、プラズマガスによるエッチング効果と、デポガスによる堆積効果とが相殺される。それにより所望の部分のみを選択的にエッチングして、その他の部分をエッチングすることがない。

プラズマ化したエッチングガスとデポガスの混合領域は、開口部の内側領域のエッチング処理に影響を与えないようにする必要がある。そのためには、デポガスの配管をカバー２８の外側に形成することが好ましい。また、局所プラズマ発生器２３の内部の圧力をその外側、即ちチャンバー１の圧力よりも高く維持することが好ましい。

反応ガスはカバー２８の周縁から排気されるから、カバー２８の下端と半導体ウェハ１５表面との間隙ｄを小さくすれば、プラズマ発生器の内部の圧力Ｐ１をその外側の圧力Ｐ２より容易に高く維持することができる。通常ｄは数ｍｍ〜２０ｍｍ程度にすることが好ましく、また、圧力は例えばＰ１を数十Ｔｏｒｒに、Ｐ２を数Ｔｏｒｒ程度に維持することが好ましい。

また、プラズマ化したエッチングガスによるエッチング効果と、デポガスによる堆積効果とが相殺されるのを適正にバランスさせるためには、デポガスの条件、例えば希釈率、デポガス流量、及び局所プラズマ発生器２３内外の圧力差の条件などを適正に調節する。

これにより、開口内の範囲にある半導体ウェハ１５の表面のみをエッチングし、開口部外の領域にエッチングの影響を及ぼさないようにすることができる。なお、プラズマガスと混合していないデポガスは、プラズマ化されることはないので、半導体ウェハ１５に堆積物を形成することは全く無い。

一方、デポガスが何らかの理由により、局所プラズマ発生器２３内に入ってしまうと、デポガスがプラズマ化され、局所プラズマ発生器２３内のエッチングガスと反応し、エッチング処理に悪影響を及ぼすことが懸念される。そこで、図２（ｄ）に示すように、デポガスの吐出口をカバー２８の下端よりも半導体ウェハ１５の表面からみて上に設けることにより、それを防ぐことができる。

図３は、本発明の第二の実施例における局所プラズマ発生器の構造を示した図で、図３(ａ)はその水平断面図、図３(ｂ)はその垂直断面図である。また、図３（ｃ）は、カバー２８の長さよりもデポガス供給管３１を短くしたときの垂直断面図である。

この局所プラズマ発生器２３は、容量結合（ＣＣＰ）型のプラズマ発生装置で、長方形の箱型カバー２８の内部に、一対の平行平板電極３３ａ，３３ｂが配置されている。かかる一対の平行平板電極３３ａ，３３ｂの構造が図２に示す第一の実施例とは異なるが、カバー２８の天井部の中央付近に配置された複数の反応ガス導入管３０から、エッチングガスが導入されることは、図２の実施例と同じである。

カバー２８の内部に導入されたエッチングガスは、電極３３ａ，３３ｂに印加された高周波電力によりプラズマ化される。カバー２８の内側にある半導体ウェハ１５の表面が局部的にエッチングガスによりエッチングされることは第一の実施例と同じである。

また、カバー２８の側面に沿って、所定の間隔で多数のデポガス供給管３１が直立に配設されており、プラズマ化されていないデポガスが、開口部の周囲ほぼ全周において、半導体ウェハ１５に向かって吹き付けられるようになっていることも第一の実施例と同じである。

図３に示す局所プラズマ発生器２３の場合においても、図２に示す第一の実施例と同様に、開口部内にある半導体ウェハ１５の表面のみが一様にエッチングされ、開口部の外側の領域にはエッチングの影響を及ぼさない。

一方、デポガスが何らかの理由により、局所プラズマ発生器２３内に入ってしまうと、デポガスがプラズマ化され、局所プラズマ発生器２３内のエッチングガスと反応し、エッチング処理に悪影響を及ぼすことが懸念される。そこで、図３（ｃ）に示すように、デポガスの吐出口をカバー２８の下端よりも半導体ウェハ１５の表面からみて上に設けることにより、それを防ぐことができる。

図４は、本発明の第三の実施例における局所プラズマ発生器２３の構造を示した図であり、図４(ａ)はその水平断面図、図４(ｂ)はその垂直断面図である。図４（ｃ）は、カバー２８の長さよりもデポガス供給管３１を短くしたときの垂直断面図である。

この局所プラズマ発生器２３も、容量結合（ＣＣＰ）型のプラズマ発生装置で、長方形の箱型のカバー２８の内部に一対の平行平板電極３３ａ，３３ｂが配置されている点、及びカバー２８の天井部の中央に配置された複数の反応ガス導入管３０から、反応ガス（エッチングガス）が導入される点は、図３に示す第二の実施例と同様である。

しかし、この例では、デポガス供給管３１は設けられておらず、これに代わって、スリット状のデポガス流路３４が設けられている。すなわち、カバー２８の側面全周に幅がほぼ一定なスリット状のデポガス流路３４が設けられているところに特徴がある。そして、スリット状のデポガス流路３４の下端は、カバー２８の開口部とほぼ同じ高さまで延びている。

デポガスは、デポガス供給ダクト３２から、デポガス流路３４を経て、開口部の外周にカーテン状に流出する。これより、デポガス供給管３１を多数配置するのと同様の効果が得られる。なお、局所プラズマ発生器２３が、図２に示すような誘導結合（ＩＣＰ）型のプラズマ発生装置である場合にも、デポガス供給管３１を多数配置することに代えて、図４に示すような、スリット状のデポガス流路３４を設けてもよい。

一方、デポガスが何らかの理由により、局所プラズマ発生器２３内に入ってしまうと、デポガスがプラズマ化され、局所プラズマ発生器２３内のエッチングガスと反応し、エッチング処理に悪影響を及ぼすことが懸念される。そこで、図４（ｃ）に示すように、デポガスの吐出口をカバー２８の下端よりも半導体ウェハ１５の表面からみて上に設けることにより、それを防ぐことができる。

本発明において、エッチングガスやデポガスの種類を限定する必要はないが、通常前者には、フッ素系（Ｆ系）、塩素系（Ｃｌ系）、酸素系（Ｏ_２系）がある。絶縁膜のエッチングにはＦ系が、シリコンにはＣｌ系が、有機膜にはＯ_２系が主に用いられる。デポガスとしては、フルオロカーボン系（ＣＦ系）、ハイドロフルオロカーボン系（ＣＨＦ系）とＨＢｒ系があげられる。

本発明で用いるエッチングガスとデポガスの組合せをとくに限定する必要はないが、一般的にはＦ系のエッチングガスにはＣＨＦ系のデポガス、Ｃｌ系のエッチングガスにはＣＦ系又はＨＢｒ系のデポガス、Ｏ_２系のエッチングガスにはＣＦ系のデポガスが好適である。

デポガスは単体で用いてもよいが、一般的には不活性ガスで希釈して用いることが好ましい。不活性ガスとしてはＡｒが一般的であるが、ＨｅやＸｅを用いることもできる。不活性ガスによるデポガスの希釈率は、例えば不活性ガス／デポガスを１０〜５０倍にすることが好ましい。

本発明の実施に用いられるプラズマ処理装置の一例を示す断面概要図である。 本発明の第一実施例における局所プラズマ発生器の構造を示す図である。 本発明の第二実施例における局所プラズマ発生器の構造を示す図である。 本発明の第三実施例における局所プラズマ発生器の構造を示す図である。 従来のプラズマエッチング装置の問題点の説明図である。

符号の説明

１ チャンバー
２ サセプタ（載置台）
３ 筒状保持部
４ 筒状支持部
５ フォーカスリング
６ 排気路
７ バッフル板
８ 排気管
９ 排気装置
１０ 半導体ウェハの搬入出口
１１ ゲートバルブ
１２ 下部高周波電源
１３ 整合器
１４ 給電棒
１５ 半導体ウェハ（基板）
１６ 静電チャック
１７ 内部電極
１８ 熱媒体流路
１９ 温度調節ユニット
２０ 配管
２１ 伝熱ガス供給部
２２ 伝熱ガス供給管
２３ 局所プラズマ発生器
２４ 固定具
２５ 案内レール
２６ 処理ガス供給部
２７ 上部高周波電源
２８ カバー
２９ コイル
３０ 反応ガス導入管
３１ デポガス供給管
３２ デポガス供給ダクト
３３ａ，３３ｂ 平行平板電極
３４ デポガス流路
３５ 上部電源
３６ ガス噴出孔
３７ 反応ガス導入管
３８ 下部電源

Claims (8)

1. 気密に構成された処理室内の被処理基板を載置する載置台と対向して配置され、前記被処理基板に部分的にプラズマを作用させるための局所プラズマ発生器と、該局所プラズマ発生器を移動させる移動手段とを含むプラズマエッチング処理装置において、
   前記局所プラズマ発生器は、その内部から流出するプラズマ化されたエッチングガスを被処理基板に供給する開口を備え、
   前記開口の外側周囲には堆積性ガスを噴出する堆積性ガス噴出機構を備えたことを特徴とするプラズマエッチング処理装置。
2. 前記局所プラズマ発生器内の圧力を前記処理室内の圧力よりも高圧に維持する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング処理装置。
3. 前記堆積性ガス噴出機構は、前記局所プラズマ発生器の外周面に所定の間隔でガス送出管が添設されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマエッチング処理装置。
4. 前記ガス送出管のガス吐出口が、プラズマエッチング処理時における前記被処理基板から前記局所プラズマ発生器の開口端までの高さよりも高い位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマエッチング処理装置。
5. 前記堆積性ガス噴出機構は、前記局所プラズマ発生器の外周面にスリット状のガス流路が設けられたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマエッチング処理装置。
6. 前記ガス流路のガス吐出口が、プラズマエッチング処理時における前記被処理基板から前記局所プラズマ発生器の開口端までの高さよりも高い位置に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のプラズマエッチング処理装置。
7. 気密に構成された処理室内の載置台に被処理基板を載置し、前記載置台と対向して局所プラズマ発生器を配置し、前記被処理基板に部分的にプラズマ化されたガスを作用させる処理を、プラズマ未処理区域がなくなるまで繰り返し、前記被処理基板の全面をプラズマエッチング処理する被処理基板のプラズマエッチング処理方法において、
   前記局所プラズマ発生器の内部から前記処理室に流出する境界領域に堆積性ガスを噴出させプラズマエッチング処理を行うことを特徴とするプラズマエッチング処理方法。
8. 前記局所プラズマ発生器内の圧力を前記処理室内の圧力よりも高圧に維持しプラズマエッチング処理を行うことを特徴とする請求項７に記載のプラズマエッチング処理方法。

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