JP5309847B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板に対してプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置に関する。

半導体装置の製造工程においては、基板である半導体ウェハ（以下、ウェハという）に対してプラズマを用いてエッチング処理や成膜処理などのプラズマ処理を行う工程がある。
例えばエッチング処理を行う場合において、上記のパターンマスクの下層側には、具体的には例えば反射防止膜、アモルファスカーボン膜、シリコン酸化膜及びエッチングストップ膜などの互いに組成の異なる膜が上側からこの順番でシリコン膜上に積層されている。そこで、この多層膜に凹部を形成する時には、各々の膜毎にエッチングガスを切り替えると共に、このエッチングガスの流量や圧力などの処理条件を調整するようにしている。そのため、面内において各々の膜を均一にエッチングするためには、各々の膜の処理条件に応じて、ウェハの上方の処理領域における濃度分布が均一となるように処理ガスを供給すると共に、この処理ガスを均一にプラズマ化する必要がある。

このように処理ガスをプラズマ化してプラズマ処理を行う手法の一つとして、例えばマイクロ波を利用した方法が知られている。この方法は、例えば処理容器の天壁を誘電体例えば石英により構成すると共にこの天壁上にアンテナを設置して、マイクロ波発生手段からこのアンテナにマイクロ波を供給することによって、処理容器内においてマイクロ波により処理ガスをプラズマ化する手法であり、例えば電子温度が低いプラズマを得ることができる。

しかしながらこの手法では、ウェハに処理ガスを供給するにあたり、上記のように処理容器の天壁を誘電体で構成しているので、下面に多数のガス供給孔が形成されたガスシャワーヘッドを処理容器の天壁に設けることができない。つまり、このような誘電体は加工が難しいため、誘電体によりガスシャワーヘッドを構成するのは現実的には困難であるし、また加工が容易な金属からなるガスシャワーヘッドをアンテナの下側に設けると、このガスシャワーヘッドによりマイクロ波が遮断されてしまう。そのため、この装置では例えば処理容器の天壁の中央部にガス供給孔を形成し、このガス供給孔から処理容器内に処理ガスを供給するようにしているが、ウェハの面内において処理ガスの濃度分布が不均一となりやすく、具体的には処理領域の中央側では処理ガスの濃度が高く、逆に処理領域の周縁側では処理ガスの濃度が低くなってしまう傾向がある。従って、ウェハの近傍における処理ガスの濃度勾配を小さくするためには、例えば処理容器の天壁とウェハとを大きく離間させる必要があるので、処理容器が大型化してしまう。更に、処理容器の天壁が誘電体で構成されていることから、例えば処理容器の天壁の内部に冷却水を通流させるための冷媒流路を引き回すのは加工上困難であり、そのため当該天壁の温度調整が難しい。

そこで、マイクロ波を用いると共にウェハに処理ガスを均一に供給し、且つ処理ガスを均一にプラズマ化するために、例えば特許文献１に記載されているように、処理容器の中段位置（処理容器の天壁とウェハとの間の位置）に、下面に多数のガス供給孔が形成された誘電体例えば石英からなるガス供給部を設ける手法が検討されている。そして、処理容器の上方位置（天壁側）と下方位置（ウェハ側）とが連通するようにガス供給部に多数の開口部を形成して、処理容器の上方位置においてプラズマ生成用のガス例えばアルゴン（Ａｒ）ガスをマイクロ波によりプラズマ化し、ガス供給部の開口部を介してこのプラズマをウェハ側に下降させると共に、ガス供給部から処理ガスをウェハに向けて供給することにより、このガス供給部の例えば下方位置においてアルゴンガスのプラズマにより処理ガスをプラズマ化している。このように処理ガスを供給することで、処理容器の天壁の中央部から処理ガスを供給する場合よりも処理ガスの分布を均一化できると考えられるが、この手法では上記のガス供給部に開口部を形成しているので、当該開口部の下方側では処理ガスの量が少なくなるため、均一なプラズマが形成されずに例えばこの開口部の配列パターンがウェハに転写されてしまうおそれがある。

また、プラズマ処理を行う装置として平行平板型のプラズマ処理装置も知られており、この装置ではウェハを載置する載置台に対向するように金属製のガスシャワーヘッドを設けることができるが、載置台とガスシャワーヘッドとの間に流れる電流の道筋が複雑になるため、処理ガスを均一にプラズマ化することが困難である。
一方、特許文献２に示すように、平行平板型のプラズマ処理装置において、ガスシャワーヘッドに直流電圧を印加する方法も検討されている。この方法を用いることによって例えばエッチング処理の均一性が若干改善されるが、更に均一に処理できる手法が求められている。

また、既述のパターンマスクの開口径が小さくなるに従って処理の面内均一性が必要になっていくことから、配線構造の微細化が進むにつれてプラズマを更に均一に形成する必要がある。更に、現在の３００ｍｍ（１２インチ）サイズのウェハに代えて、４５０ｍｍ（１８インチ）といった大型のウェハが採用される場合には、このウェハに合わせた大きなプラズマを形成するために、プラズマを更に均一に形成する技術が必要となる。また、このような大型のウェハでは、周方向においてもプラズマ処理のばらつくおそれがあることから、径方向のプラズマの分布に加えて、周方向のプラズマの分布についても均一化する技術が必要とされる可能性がある。

特開２００８−１４０９９８（図２、段落００２７〜００２９） 特開２００６−２８６８１３（図１）

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板に対してプラズマ処理を行うにあたり、面内均一性の高い処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明のプラズマ処理装置は、
基板に対してプラズマにより処理を行うプラズマ処理装置において、
処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、
この載置台に対向するように設けられ、前記処理容器内に処理ガスを供給するための多数のガス吐出孔がその下面に形成された導電性部材からなるガスシャワーヘッドと、
前記ガスシャワーヘッドの下方空間を囲む領域において処理ガスをプラズマ化するためにマイクロ波が供給されるマイクロ波供給部と、
前記ガスシャワーヘッドに負の直流電圧を印加し、前記マイクロ波により形成された電界を処理領域の中央部側に引き込むための負電圧供給手段と、
前記処理容器内を真空排気するための手段と、を備えたことを特徴とする。

前記マイクロ波供給部は処理容器の周方向に沿って複数配置されていることが好ましい。
前記ガスシャワーヘッドの周囲における前記処理容器の天壁は、誘電体により構成され、
前記マイクロ波供給部は、この天壁の上方側に設けられていても良い。
前記ガスシャワーヘッドの周囲における前記マイクロ波供給部の下方の前記処理容器の天壁には開口部が形成され、
前記マイクロ波供給部は、前記開口部を塞ぐように前記処理容器に気密に設けられていても良い。

前記プラズマ処理装置は、
基板に対して行われる処理のレシピと前記負の直流電圧の大きさとを対応づけて記憶した記憶部と、
この記憶部から前記レシピに応じた前記負の直流電圧の大きさを読み出して制御信号を出力する制御部と、を備えていることが好ましい。
前記記憶部は、前記負の直流電圧の大きさに加えて前記マイクロ波供給部に供給されるマイクロ波の電力の大きさが前記レシピに対応づけて記憶され、
前記制御部は、前記負の直流電圧の大きさに加えて前記レシピに応じた前記マイクロ波の電力の大きさを読み出して制御信号を出力することが好ましい。
前記マイクロ波供給部は処理容器の周方向に沿って複数配置され、
前記記憶部は、前記複数のマイクロ波供給部に供給されるマイクロ波の電力の各々の大きさが前記レシピに対応づけて記憶され、
前記制御部は、前記レシピに応じて前記複数のマイクロ波供給部に供給されるマイクロ波の電力の各々の大きさを読み出して制御信号を出力することが好ましい。

本発明によれば、基板に対してプラズマ処理を行うにあたって、基板を載置する載置台に対向するように導電性部材からなるガスシャワーヘッドを設けて、基板に対して面内均一性の高いガスの供給を行う一方、ガスシャワーヘッドの下方空間を囲む領域に周方向に亘ってマイクロ波によりプラズマを発生させ、更にガスシャワーヘッドに負の直流電圧を印加してその下方に厚いＤＣシースを形成し、このＤＣシースを介して前記プラズマを中央部側に広げるようにしている。従ってマイクロ波を用いたプラズマ処理でありながらガスシャワーヘッドを用いているため均一性の高いガスの供給を行うことができ、しかもガスシャワーヘッドの下方側空間も含め基板の面に沿って均一性の高いプラズマを発生させることができるため、基板に対して面内均一性の高いプラズマ処理を行うことができる。また、ガスシャワーヘッドの下方空間を囲む領域に周方向に亘ってマイクロ波により均一なプラズマを発生させることができるので、更に面内均一性の高いプラズマ処理を行うことができる。

本発明のプラズマ処理装置をプラズマエッチング処理装置に適用した実施の形態について、図１〜図９を参照して説明する。
このプラズマエッチング処理装置は、真空チャンバからなる処理容器２１と、この処理容器２１内の底面中央に配設された載置台３と、を備えている。処理容器２１は電気的に接地されており、またこの処理容器２１の底面における載置台３の側方位置には排気口２２が形成されている。この排気口２２には、圧力調整手段である圧力調整バルブ２４ａを備えた排気管２４を介して真空ポンプ等を含む真空排気手段２３が接続されている。これらの圧力調整バルブ２４ａ及び真空排気手段２３により処理容器２１内を真空排気するための手段が構成される。処理容器２１の側壁には、ウェハＷの搬入出を行うための搬送口２５が設けられており、この搬送口２５はゲートバルブ２６により開閉可能に構成されている。

載置台３は、下部電極３１とこの下部電極３１を下方側から支持する支持体３２とからなり、処理容器２１の底面に絶縁部材３３を介して配設されている。載置台３の上部には静電チャック３４が設けられており、高圧直流電源３５からスイッチ３５ａによりこの静電チャック３４に電圧が印加されることによって、載置台３上にウェハＷが静電吸着される。
載置台３の内部には、温調媒体が通流する温調流路３７が形成されており、この温調媒体によってウェハＷの温度を調整するように構成されている。また、載置台３の内部には熱伝導性ガスをバックサイドガスとしてウェハＷの裏面に供給するためのガス流路３８が形成されており、このガス流路３８は載置台３の上面の複数箇所にて開口している。既述の静電チャック３４には、このガス流路３８に連通する複数の貫通孔３４ａが形成されており、上記のバックサイドガスは、この貫通孔３４ａを介してウェハＷの裏面側に供給される。

下部電極３１には、例えば周波数が２０ＭＨｚ、電力が０〜４０００Ｗのバイアス用の高周波電源３１ａが整合器３１ｂを介して接続されている。この高周波電源３１ａから供給される高周波バイアスは、後述するように、プラズマ中のイオンをウェハＷ側に引き寄せるためのものである。
また、この下部電極３１の外周縁上には、静電チャック３４を囲むようにフォーカスリング３９が配置されており、このフォーカスリング３９を介してプラズマが載置台３上のウェハＷに収束するように構成されている。

また、この載置台３に対向するように、処理容器２１の天壁の中央部には内側天板をなすガスシャワーヘッド４が配置されている。このガスシャワーヘッド４は、下面側が円形状に窪んだ例えばアルミニウムなどの導電性部材からなる電極部４２と、この電極部４２の下面側を覆うように設けられた導電性部材例えば多結晶シリコンからなる円板状のシャワープレートをなす支持部材４３と、から構成されている。導電性部材は、この例のように半導体であっても良いが、導体例えば金属であっても良い。この電極部４２と支持部材４３とにより区画される空間は、処理ガスが拡散するガス拡散空間４１をなす。

この電極部４２には、スイッチ５２を介して例えば０〜−２０００Ｖの負の直流電圧を印加するための直流電源５３が負電圧供給手段として接続されている。この直流電源５３は、プラズマの発生時にガスシャワーヘッド４の下方側の領域に電圧の大きさに応じた厚さのＤＣシースを形成するためのものであり、このＤＣシースによって後述のアンテナモジュール７１により処理領域の周縁部に形成される電界を当該処理領域の中央部側に引き寄せることができるように構成されている。

電極部４２の中央部には、ガス拡散空間４１と連通する処理ガス供給路４５が形成されており、この処理ガス供給路４５の上流側には、ガス供給管４８を介して処理ガス供給系４９が接続されている。この処理ガス供給系４９は、ウェハＷに対して処理ガスを供給するためのものであり、この例では処理ガスとしてエッチング処理を行うためのエッチングガス例えばフロロカーボンガス、塩素（Ｃｌ_２）ガス、一酸化炭素（ＣＯ）ガス、臭化水素（ＨＢｒ）ガスあるいはＯ_３（オゾン）ガスなどをＡｒ（アルゴン）ガスなどの希釈ガスと共に処理容器２１内に供給できるように構成されている。また、この処理ガス供給系４９は、図示を省略しているが、例えばバルブや流量調整部が介設された複数の分岐路と、これらの分岐路の各々に接続され、上記のエッチングガスや希釈ガスが貯留されたガス源と、を備えており、エッチング処理を行う被エッチング膜の種類に応じて、所定のエッチングガスやＡｒガスを所望の流量比で供給できるように構成されている。

支持部材４３は、例えば上面の周縁に形成された図示しないシール部材などを介して電極部４２に気密に圧着されており、またガス拡散空間４１からウェハＷに対して高い面内均一性をもってガスを供給できるように、多数のガス吐出孔４４が配列されている。ここで、この例ではガスシャワーヘッド４は、例えば１２インチのウェハＷに対して、最外周のガス吐出孔４４がウェハＷの外縁よりも処理容器２１の中心側に寄った位置となるように設けられているが、この最外周のガス吐出孔４４がウェハＷの外縁と対向する位置となるように設けても良い。ガスシャワーヘッド４のサイズをどこまで小さくできるかについては、ウェハＷに対するガス供給の面内均一性の有効性が得られる範囲内ということになる。

処理容器２１の天壁部における既述のガスシャワーヘッド４を囲むリング状の領域は、外側天板６０をなし、誘電体例えば石英などにより構成されている。この外側天板６０とガスシャワーヘッド４とは、例えば当該外側天板６０の内周端にリング状に形成された図示しないシール部材などによって気密に圧着されており、また下端面の高さ位置が同じ高さとなるように固定されている。この外側天板６０は、外周端において処理容器２１の側壁により支持されており、処理容器２１の天壁（ガスシャワーヘッド４及び外側天板６０）が当該処理容器２１内に入り込んでガスシャワーヘッド４と載置台３とが近接するように、外周端の高さ位置が内周側よりも高くなるように形成されている。また、処理容器２１の側壁の上端部には、周方向に亘ってリング状の溝６１が形成されており、この溝６１内には、例えばＯリングなどのシール部材６２が収納されている。そして、例えば処理容器２１内の雰囲気が既述の真空排気手段２３により真空引きされると、外側天板６０が処理容器２１側に引きつけられて、シール部材６２を介して処理容器２１が気密に構成されることとなる。

この外側天板６０上には、図２にも示すように、周方向に亘って複数箇所例えば８ヶ所に等間隔となるようにマイクロ波供給部をなすアンテナモジュール７１が設けられている。このアンテナモジュール７１は、当該アンテナモジュール７１の下方側の領域つまりガスシャワーヘッド４の下方空間を囲む領域にマイクロ波の電界によりプラズマを発生させるためのものであり、マイクロ波出力部８０に各々が並列に接続されている。そして、アンテナモジュール７１にマイクロ波を供給し、後述するように、図６に示すようなスロット配置を取ることにより、周方向に亘って処理容器２１の周縁から中央及び中央から周縁に向かう電界Ｅｒが形成されることになる。これらの複数のアンテナモジュール７１によりアンテナユニット７０が構成される。

マイクロ波出力部８０は、図３にも示すように、例えば５００〜３０００Ｗの電力を供給するための電源部８１と、例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発振させるためのマイクロ波発振器８２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ８３と、マイクロ波を各アンテナモジュール７１に分配するための分配器８４と、を備えている。各々のアンテナモジュール７１は、分配器８４で分配されたマイクロ波を増幅するアンプ部７２と、インピーダンスを整合させるためのチューナ７３と、増幅されたマイクロ波を処理容器２１内に放射するアンテナ部７４と、を備えている。アンプ部７２は、位相器７５と、アンテナモジュール７１に供給するマイクロ波の電力レベルを各々のアンテナモジュール７１毎に調整するための可変ゲインアンプ７６と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ７７と、アンテナ部７４で反射してメインアンプ７７に戻る反射マイクロ波を分離するためのアイソレータ７８と、を備えている。

位相器７５は、スラグチューナによりマイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、このスラグチューナを調整することによりマイクロ波の放射特性を変調させることができる。このスラグチューナにより、位相器７５は例えば各アンテナモジュール７１毎にマイクロ波の位相を調整することで指向性を制御してプラズマ分布を変化させることや、例えば隣り合うアンテナモジュール７１、７１において後述のスロット１０１ａの向きを９０°ずつ変えることにより、隣り合うアンテナモジュール７１において９０°ずつマイクロ波の位相をずらして円偏波を得ることができるように構成されている。尚、このような放射特性の変調が不要な場合には位相器７５を設けなくても良い。

続いて、既述のアンテナモジュール７１の具体的な構成について説明する。チューナ７３とアンテナ部７４とは、図４に示すように、下側が外側に膨らんだ概略円筒形状で同軸管の外側導体をなす例えば金属製の筐体１００内に上側からこの順番で収納されている。下側のアンテナ部７４は、図５に示すように円弧状に２つのスロット１０１ａが相対向するように形成された概略円板状の平面スロットアンテナ１０１と、この平面スロットアンテナ１０１の上側に設けられ、真空雰囲気中でのマイクロ波の波長を短くしてプラズマの密度を調整するためのリング状の遅波材１０５と、平面スロットアンテナ１０１の下側に設けられた誘電体部材例えば石英やセラミックスなどからなる天板１０６と、を備えている。この平面スロットアンテナ１０１の上面の中央部には、同軸管の内側導体をなす金属棒１０２が遅波材１０５の内周側を介して上方に伸びるように接続されている。

各々のアンテナモジュール７１では、図６に示すように２つのスロット１０１ａ、１０１ａが概略ガスシャワーヘッド４の径方向に相対向するように配置されている。尚、この図６ではスロット１０１ａの形状を概略的に示している。また、既述の図５に示したように、スロット１０１ａは、円弧状に形成することが好ましく、各々の平面スロットアンテナ１０１における数量としてはこの例のように２つあるいは周方向に等間隔に４つ設けることが好ましい。

天板１０６は、当該天板１０６内を介してマイクロ波出力部８０から供給されるマイクロ波を処理容器２１内に導入するためのものである。
チューナ７３は、内部に既述の金属棒１０２が上下に貫通するようにリング状に上下方向に離間して２つ設けられた誘電体例えば石英から構成されたスラグ１０８、１０８を備えている。これらのスラグ１０８、１０８は、筐体１００の外側から伸びる腕部１０９ａ、１０９ａにより、筐体１００の外部の駆動部１０９に昇降自在に接続されている。この駆動部１０９には、コントローラ１０９ｂが接続されており、このコントローラ１０９ｂは、後述の制御部７からの指令によって、マイクロ波出力部８０から下流側のアンテナモジュール７１を見たときのインピーダンスが例えば５０Ωとなるように、スラグ１０８、１０８の高さ位置（Ｌ１、Ｌ２）を各々のアンテナモジュール７１毎に調整するように構成されている。この図４に示すように、チューナ７３と既述の平面スロットアンテナ１０１とは、近接して配置されており、マイクロ波の１波長内に存在する集中定数回路を構成し、また共振器として機能する。

チューナ７３の上方には、金属棒１０２の上端側に接続されるように、非接触給電を行うための給電励起板１１０が設けられている。この給電励起板１１０は、プリント配線（ＰＣＢ）などからなる誘電体ボード１１５と、この誘電体ボード１１５の下側にリング状に設けられた誘電体例えば石英からなる誘電体部材１１２と、を備えている。誘電体ボード１１５の裏面側には、図７に示すように、外周から中心部側に向かって相対向するように伸びると共に先端部同士が離間する２本の例えば銅（Ｃｕ）等の導体からなるマイクロストリップライン１１６、１１６が形成されている。

誘電体ボード１１５の側周面におけるマイクロストリップライン１１６、１１６の端部には、各々コネクタ１１８、１１８が取り付けられており、これらのコネクタ１１８、１１８には、各々既述のアンプ部７２が接続されている。そのため、チューナ７３には、２つのコネクタ１１８、１１８から電力合成（空間合成）されてマイクロ波が給電されることになる。尚、これらのマイクロストリップライン１１６及びコネクタ１１８については、このように２組以外にも１組としても良いし、あるいは３組以上設けても良い。尚、図４中１１４はマイクロ波を反射するための反射板である。

誘電体部材１１２の下面には、例えばメッキなどにより形成され、既述の平面スロットアンテナ１０１と同様に２つのスロット１１３ａ、１１３ａが円弧状に相対向して形成された例えば銅からなる円板状のスロットアンテナ１１３が設けられている。各々のアンテナモジュール７１では、スロット１１３ａの向きが既述の図６に示した各スロット１０１ａと同じ向きとなるように配置されており、またスロット１１３ａの長さ寸法が例えば１／２×λｇ（λｇ：マイクロ波の管内波長）となるように形成されている。この誘電体部材１１２は、スロットアンテナ１１３と共に共振器として機能するものであり、中心部には誘電体ボード１１５の下面側とスロットアンテナ１１３とを接続するように中心導体１１７が上下に貫通して設けられている。尚、このスロット１１３ａは、周方向に等間隔に複数箇所例えば４ヶ所に配置しても良いし、また円弧状ではなく例えば直線的となるように形成しても良い。また、このスロット１１３ａを設けずに、マイクロ波の波長が１／４×λｇのモノポールアンテナとなるように電力を供給しても良い。尚、既述の図１は、図２におけるＡ−Ａ線で処理容器２１を切断した時の縦断面図を示しており、また図２では給電励起板１１０の描画を省略して示している。

図１では記載を省略しているが、既述のガスシャワーヘッド４は、冷却手段を備えている。この冷却手段は、具体的には例えば図８に示すように、電極部４２の内部において処理ガス供給路４５と干渉しないように蛇腹状に水平方向に引き回された温調流路３１０であり、この温調流路３１０内を所定の温度に温調された温調媒体例えば水が温調流体通流路３１１を介して通流することにより、当該ガスシャワーヘッド４を温調できるように構成されている。尚、図８（ａ）は、同図（ｂ）におけるＡ−Ａ線でガスシャワーヘッド４を切断した縦断面図を示している。
また、図９にも示すように、このプラズマエッチング処理装置には制御部７が接続されている。この制御部７はＣＰＵ１１、プログラム１２、作業用のワークメモリ１３及び記憶部であるメモリ１４を備えている。このメモリ１４には、エッチング処理を行う膜（被エッチング膜）の種類、エッチングガスの種類、ガス流量、処理圧力及びガスシャワーヘッド４の温度などの処理条件と、各々のアンテナモジュール７１に供給するマイクロ波の電力の大きさの値と、直流電源５３に印加する負の直流電圧の値と、が書き込まれる領域がレシピ毎に設けられている。

後述するように、ウェハＷ上には互いに種類の異なる多層の膜が積層されており、そのためこの多層膜に対してエッチング処理を行う場合には、各々の膜毎にエッチングガスの種類が異なり、また各々の膜毎にエッチングガスの流量や処理圧力なども異なる。従って、ウェハＷの面内において均一にエッチング処理を行うためには、各々の膜毎に面内においてエッチングガスを均一にプラズマ化する必要があり、特にウェハＷの径方向において均一なプラズマを形成する必要がある。そこで、本発明では、ガスシャワーヘッド４に印加する負の直流電圧の大きさを調整することによって、アンテナモジュール７１により処理領域の周縁部に形成される電界の強度と、この負の直流電圧により処理領域の中央部側に引き込む電界の強度と、を各々の膜毎に調整して、この電界により形成されるプラズマの量（濃度）を径方向において均一化するようにしている。

また、例えば可変ゲインアンプ７６により各々のアンテナモジュール７１に供給するマイクロ波の電力の大きさを各々の膜毎に調整することによって、このマイクロ波の電界により形成されるプラズマの量を周方向において均一化するようにしている。つまり、本発明では各々の膜毎にウェハＷの面内（径方向及び周方向）においてプラズマの量を均一化している。そのため、上記のメモリ１４には、例えば予め実験や計算を行って各々の膜（レシピ）毎にガスシャワーヘッド４に印加する電圧の値及び各々のアンテナモジュール７１に供給するマイクロ波の電力の大きさを求めておき、これらの値を各々のレシピ毎に記憶するようにしている。尚、このようにレシピ毎に予めこれらの値を求めておかなくとも、例えば処理を行う都度、計算して求めるようにしても良い。また、アンテナモジュール７１に供給するマイクロ波の電力の大きさを複数のレシピにおいて共通化して、負の直流電圧の大きさをレシピ毎に変えるようにしても良い。

上記のプログラム１２は、エッチング処理を行う膜毎にＣＰＵ１１を介してメモリ１４から既述のレシピを作業用のワークメモリ１３に読み出して、このレシピに応じてプラズマエッチング処理装置の各部に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させることでエッチング処理を行うように命令が組み込まれている。このプログラム（処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む）１２は、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体８に格納され、この記憶媒体８から制御部７にインストールされる。

次に、上記のプラズマエッチング処理装置の作用について、図１０〜図１４を参照して説明する。ここで、被処理基板である半導体ウェハ（以下「ウェハ」という）Ｗについて簡単に説明すると、このウェハＷは、例えば所定のパターンがパターニングされたフォトレジストマスク、例えば有機物からなる反射防止膜、アモルファスカーボン膜、絶縁膜（ＳｉＯ_２膜やＳｉＣＯＨ膜）あるいはＰｏｌｙ−Ｓｉ（多結晶シリコン）膜及び例えば無機膜からなるエッチングストップ膜などからなる積層膜が上側からこの順番でシリコン膜上に積層されて構成されている。

先ず、このウェハＷの表面に形成された被エッチング膜に応じたレシピをメモリ１４からワークメモリ１３に読み出す。この例においては、既述のように表層の被エッチング膜が例えば反射防止膜であることから、この膜に応じたレシピを読み出しておく。そして、真空雰囲気に保たれた真空搬送室から基板搬送手段（いずれも図示せず）により処理容器２１内にウェハＷを搬入して載置台３に載置して吸着保持した後、ゲートバルブ２６を閉じる。そして、真空排気手段２３により処理容器２１内を例えば圧力調整バルブ２４ａを全開にして引き切りの状態にすると共に、温調流路３７及びガス流路３８から所定の温度に温調されたバックサイドガスを供給してウェハＷを所定の温度に調整する。また、温調流体通流路３１１から所定の温度に温調された温調媒体を温調流路３１０内に通流させることにより、ガスシャワーヘッド４が所定の温度に温調されている。

続いて、マイクロ波出力部８０からアンテナモジュール７１に向けて所定の電力のマイクロ波例えば周波数が２．４５ＧＨｚ、電力が０〜４０００Ｗのマイクロ波を供給すると共に、載置台３に高周波電源３１ａからバイアス用の高周波を供給する。マイクロ波出力部８０のマイクロ波発振器８２から発振されたマイクロ波は、アンプ８３で増幅された後、分配器８４により各々のアンテナモジュール７１に分配される。そして、アンテナモジュール７１では、マイクロ波は可変ゲインアンプ７６及びメインアンプ７７で各々のアンテナモジュール７１毎に個別に増幅され、次いで２本のマイクロストリップライン１１６、１１６から出力されて合成された後、平面スロットアンテナ１０１を介して処理容器２１内に供給されることになる。

アンテナモジュール７１にマイクロ波を供給し、図６に示すようなスロット配置を取ることにより、ガスシャワーヘッド４の下方空間を囲む領域には、外側天板６０を介して周方向に亘ってウェハＷの径方向に水平な（処理領域の周縁部側からガスシャワーヘッド４の中心方向及び中心方向から周縁部側に向かう）電界Ｅｒが形成される。そして、ガスシャワーヘッド４に所定の大きさの例えば−５００Ｖの負の直流電圧を印加すると、この負の直流電圧により当該ガスシャワーヘッド４の下面に近接する位置には負の電界が形成される。

次いで、処理ガス供給系４９から処理容器２１内にエッチングガスと共に例えばＡｒガスを供給して処理容器２１内を所定の圧力例えば５．３Ｐａ（４０ｍＴｏｒｒ）に調整する。Ａｒガスは、低エネルギーで活性化されることから、エッチングガスと共に処理容器２１内に供給することが好ましい。これらのエッチングガスとＡｒガスとの混合ガスである処理ガスは、処理容器２１内に拡散していき、既述の電界Ｅｒによりアンテナモジュール７１の下方位置においてプラズマ化されてＡｒ^＋イオンやエッチングガス材料のイオン及び電子等を含むプラズマが生成する。そして、処理領域の周縁部側において生成したプラズマが処理容器２１内例えばガスシャワーヘッド４の中央部側に拡散していき、このプラズマにより当該中央部側のガスもプラズマ化されるので、処理領域では水平方向に亘ってプラズマ２が生成されることとなる。この時、ガスシャワーヘッド４に負の直流電圧を印加していない場合には、図１０に示すように、主にアンテナモジュール７１の下方位置においてプラズマが生成するので、中央部側のプラズマ密度は周縁部側よりも薄くなる。尚、この図１０においてプラズマ密度の高い領域には斜線を付してある。

しかし、この実施の形態では、既述のようにガスシャワーヘッド４には負の直流電圧を印加しているので、ガスシャワーヘッド４の下面に近接する領域には負の電界が形成されている。従ってこの直下に厚いＤＣシース１が形成され、このＤＣシース１は負の直流電圧の大きさに応じた厚さとなる。そして、図１１に示すように、電界Ｅｒがガスシャワーヘッド４の中央部側に向かってＤＣシース１内を浸透していくので、このことに基づいてウェハＷの面内に亘って均一性の高いプラズマが生成される。その理由については次のように推測することができる。

つまり、後述の実施例からも分かるように、ＤＣシース１によりガスシャワーヘッド４の周縁の電界Ｅｒが中央部側に強く引き寄せられていくので、ガスシャワーヘッド４の下方位置においても強度の強い電界が形成される。そのため、ガスシャワーヘッド４から吐出された処理ガスは、当該ガスシャワーヘッド４の下方に引き寄せられた電界により瞬時にプラズマ化される。一方、この電界により処理ガスがプラズマ化されなかった場合でも、例えば処理ガスがアンテナモジュール７１の下方位置に到達すると、当該下方位置における強度の強い電界Ｅｒによりプラズマ化されていく。更に、プラズマ化されなかった処理ガスが例えば下方側からＤＣシース１の下端位置に到達すると、いわばＤＣシース１から電界のエネルギーを処理ガスが吸収することによってプラズマ化されていく。

そして、このプラズマ２が下方へと通流していき、例えばプラズマ２中の電子が処理ガスに衝突すると、処理ガスがプラズマ化され、またこのプラズマ化により生成した電子が順次処理ガスに衝突していくことによって、図１２に示すように次々とプラズマ化が進行してプラズマ２が高密度化されていく。こうしてアンテナモジュール７１により生成された電界ＥｒがいわばＤＣシース１を介してガスシャワーヘッド４の下方側に広がっていくと共に、この電界により形成されたプラズマ２が下方側に向かう排気流に乗ってウェハＷ上に下降し、ウェハＷの面内（径方向及び周方向）に亘って均一性の高いプラズマ２が形成されることとなる。

また、図１３に示すように、プラズマ中のプラスのイオン例えば上記のＡｒ^＋イオンがＤＣシース１の負の電界に強く引き寄せられてガスシャワーヘッド４に衝突し、この衝突によりガスシャワーヘッド４から２次電子が発生して、ＤＣシース１内においてこの２次電子が加速されて下方側に飛び出し、この２次電子により処理ガスがプラズマ化される場合もある。このため、ウェハＷの上方のプラズマ２は、密度が更に高くなり、また面内において更に均一化していくことになる。

そして、図１４に示すように、このプラズマ中のイオンが高周波電源３１ａによる高周波バイアスによってウェハＷ側に引き寄せられ、垂直性の高いエッチング処理が進行していくこととなる。こうして、反射防止膜の下層のアモルファスカーボン膜が露出するまで、当該反射防止膜のエッチング処理を行う。
その後、処理ガスの供給を停止すると共に、アンテナモジュール７１へのマイクロ波の供給とガスシャワーヘッド４への負の直流電圧の印加とを停止する。そして処理容器２１内を真空排気して、続いてエッチング処理を行う膜であるアモルファスカーボン膜に応じたレシピをメモリ１４から読み出し、このアモルファスカーボン膜のエッチング処理を行う。しかる後、アモルファスカーボン膜の下層側の膜に対して、同様に順次レシピを読み出してエッチング処理を行っていく。

上述の実施の形態によれば、処理容器２１の天壁の中央部に導電性部材からなるガスシャワーヘッド４を設けて、ウェハＷに対して面内均一性の高いガスの供給を行う一方、ガスシャワーヘッド４の下方空間を囲む領域に複数のアンテナモジュール７１により周方向に亘って均一なプラズマを発生させ、更にガスシャワーヘッド４に負の直流電圧を印加してその下方にＤＣシース１を形成し、このＤＣシース１を介して前記プラズマ２を中央部側に広げるようにしている。従って、マイクロ波を用いたプラズマ２でありながらガスシャワーヘッド４を用いているため均一性の高いガスの供給を行うことができ、しかもガスシャワーヘッド４の下方側空間も含めてウェハＷの面に沿って均一性の高いプラズマ２を発生させることができるため、ウェハＷに対して面内均一性の高いプラズマ処理、この例ではエッチング処理を行うことができる。そして、ガスシャワーヘッド４に印加する負の直流電圧によりＤＣシース１の厚さを調整することによって、また各々のアンテナモジュール７１に供給するマイクロ波の電力を調整することによって、処理レシピに応じて面内均一性の高い適切なプラズマ２を容易に得ることができる。マイクロ波を用いたプラズマ２は、このプラズマエッチング処理装置のように処理容器２１の天板（外側天板６０）の上にアンテナモジュール７１を設けるだけでプラズマ２を発生させることができるので、装置構成が簡易でコスト的にも有利であるが、特に大型の基板に対してはガスの供給等の点で不利とされていることから、上述のプラズマエッチング処理装置はプラズマ処理を行う上で非常に有効である。

また、上述の装置は、Ａｒ^＋イオンの衝撃によっていわばスパッタのようにガスシャワーヘッド４が物理的に削られてしまうことも考えられるが、ガスシャワーヘッド４の下面がシリコンから構成されているので、コンタミのおそれがない。更にまた、ガスシャワーヘッド４から均一にエッチングガスを供給しているので、当該ガスシャワーヘッド４と載置台３とを近接させることができ、処理容器２１の高さを抑えることができる。また、支持部材４３に温調流路３１０を引き回すことにより、レシピに応じてガスシャワーヘッド４の温度を調整することができる。

また、上記の例においては、アンテナモジュール７１を外側天板６０の上方に設置するようにしたが、図１５に示すように、外側天板６０に周方向に亘って等間隔に複数箇所例えば８ヶ所に例えば円形の開口部１２０を形成し、この開口部１２０内にアンテナモジュール７１を気密に埋設するようにしても良い。この場合には、例えば開口部１２０の上端側を下端側よりも一回り大きく円形に切り欠くことによって当該下端側に環状の係合段部１２１を形成し、例えばＯ−リングなどを介してこの係合段部１２１の段面とアンテナモジュール７１の下端の周縁である被係合面とを係合させてアンテナモジュール７１を気密に保持しても良い。
このような構成のプラズマエッチング処理装置においても、上記の例と同様に面内に亘ってプラズマが均一に形成され、同様の効果が得られる。

この時、アンテナモジュール７１の下方側の領域と処理領域とが連通していることから、例えば外側天板６０を金属例えばアルミニウムにより構成しても良い。また、外側天板６０の下方位置における処理容器２１内にアンテナモジュール７１を設置するようにしても良い。この場合にも外側天板６０を例えば導電性部材例えば金属により構成しても良い。これらの例のように外側天板６０を導電性部材により構成する場合には、外側天板６０とガスシャワーヘッド４との間に絶縁部材を介在させることが好ましい。
また、図示を省略するが、外側天板６０を上側部分と誘電体からなる下側部分との分割構造体として構成すると共に、この下側部分に例えば周方向に複数の凹部を等間隔に形成して、この凹部内にアンテナモジュール７１を収納しても良い。この場合においても、上記の例と同様の作用が得られ、エッチングガスが均一にプラズマ化されて面内において均一にエッチング処理が行われることとなる。

上記の例においては、ガスシャワーヘッド４に印加する負の直流電圧の値を調整して径方向におけるプラズマ密度を均一化するようにしたが、負の直流電圧を所定の値に固定して、アンテナモジュール７１に供給するマイクロ波の電力の大きさを調整して径方向におけるプラズマ密度を均一化するようにしても良い。また、上記の例では各々のアンテナモジュール７１に供給するマイクロ波の電力を周方向に亘って調整して、周方向におけるプラズマの量についても均一化するようにしたが、例えば周方向におけるプラズマの量のばらつきが極めて小さい場合には、各々のアンテナモジュール７１に同じ電力のマイクロ波を供給しても良い。更に、周方向におけるプラズマ２の濃度を均一化するにあたり、マイクロ波の位相を調整しても良いし、マイクロ波の位相と共にマイクロ波の電力の大きさを調整しても良い。

更にまた、上記の例においては周方向に亘って複数箇所にアンテナモジュール７１を設けるようにしたが、例えば処理容器２１の天壁（ガスシャワーヘッド４及び外側天板６０）の上方を覆うようにマイクロ波供給部としてアンテナ部２００を設けるようにしても良い。このような例について、図１６及び図１７を参照して説明する。尚、既述の図１に示すプラズマエッチング処理装置と同じ構成の部材については同じ符号を付して説明を省略する。

このアンテナ部２００は、例えば厚さが１ｍｍ程度の銅板から構成され、平面形状が円形で下面側が円形に開口する偏平なアンテナ本体２０１と、このアンテナ本体２０１の下面側の開口部を塞ぐように設けられ、例えば円偏波を発生させるための多数のスロット２０２が形成された平面アンテナ部材（スロット板）２０３と、を備えている。これらのアンテナ本体２０１とスロット部材２０３とは導体からなり、偏平な中空の円形導波管を構成している。そして、平面アンテナ部材２０３の下面は、処理容器２１の上面（ガスシャワーヘッド４及び外側天板６０）に密接されている。

上記のスロット２０２は、図１７に示すように、略Ｔ字状に僅かに離間させて配置した一対のスロット２０２ａ，２０２ｂを１組として、周方向に沿って例えば同心円状や渦巻き状に形成されている。このようにスロット２０２ａとスロット２０２ｂとを相互に略直交するような関係で配列しているので、２つの直交する偏波成分を含む円偏波が放射されることになる。この際スロット対２０２ａ，２０２ｂを後述の遅相板２０４により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で配列することにより、マイクロ波が平面アンテナ部材２０３より略平面波として放射される。
平面アンテナ部材２０３とアンテナ本体２０１との間には、前記円形導波管内のマイクロ波の波長を短くするために、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の低損失誘電体材料により構成された遅相板２０４が介設されている。これらのアンテナ本体２０１、平面アンテナ部材２０３及び遅相板２０４によりラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna）が構成されている。

このアンテナ部２００の上面には、同軸導波管２０５を介してマイクロ波発生手段２０６が接続され、アンテナ部２００に例えば周波数が２．４５ＧＨｚあるいは８．３ＧＨｚのマイクロ波が供給されるようになっている。同軸導波管２０５は外側の導波管２０６Ａと内側の中心導体２０６Ｂとにより構成されており、導波管２０６Ａはアンテナ本体２０１に接続され、中心導体２０６Ｂは遅相板２０４に形成された開口部を介して平面アンテナ部材２０３に接続されている。

このプラズマエッチング処理装置では、マイクロ波発生手段２０６から例えば２．４５ＧＨｚ，５００〜３０００Ｗのマイクロ波を供給すると、このマイクロ波は、ＴＭモード或いはＴＥモード或いはＴＥＭモードで同軸導波管２０５内を伝搬してアンテナ部２００の平面アンテナ部材２０３に到達し、図１８に示すように、平面アンテナ部材２０３の中心部から周縁領域に向けて放射状に伝搬されると共に、スロット対２０２ａ，２０２ｂから外側天板６０を介して処理容器２１内に向けて放出される。そのため、ガスシャワーヘッド４の下方空間を囲む周縁領域に周方向に亘って均一な電界Ｅｒが形成される。
そして、既述の例と同様に直流電源５３に例えば０〜−２０００Ｖの負の直流電圧を印加することにより、この電界Ｅｒはガスシャワーヘッド４の下方に形成されたＤＣシース１に強く引き寄せられて、既述の例と同様に面内（周方向及び径方向）に亘ってプラズマが均一に形成され、垂直性の高いエッチング処理が進行していくことになる。そのため、このプラズマエッチング処理装置においても、既述の例と同様の効果が得られる。

この場合においても、既述の図１５に示したように外側天板６０に周方向に亘って開口部１２０を形成するようにしても良いし、あるいは外側天板６０を設けずにいわばガスシャワーヘッド４を囲むようにリング状の開口部を形成し、アンテナ部２００にガスシャワーヘッド４を固定すると共に、アンテナ本体２０１の下面の周縁と処理容器２１の上面の周縁とを気密に接触させるようにしても良い。
ここで、ガスシャワーヘッド４において処理領域側のシャワープレート（支持部材４３）だけを導電性部材により構成し、このシャワープレートと直流電源５３とを導電路で接続してシャワープレートに負の電圧を印加する場合も本発明の技術範囲に含まれる。

上記の各例においては、プラズマ処理としてエッチング処理を例に挙げて説明したが、本発明のプラズマエッチング処理装置を例えばプラズマを用いたＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を利用した成膜処理装置に適用しても良いし、アッシング装置に適用しても良い。例えば成膜装置においては、成膜ガスの種類やガス流量、圧力などの処理条件に応じてガスシャワーヘッド４に印加される負の直流電圧の大きさが調整されてレシピに記憶され、面内において均一な成膜速度で成膜処理が行われることとなる。

既述の図１に示すようにアンテナモジュール７１を設置すると共に、ガスシャワーヘッド４に負の直流電圧を印加した時に、処理容器２１内に形成される電界Ｅｒ（ＴＭモードの電界）の密度分布がどのように変化するか確認するために、電磁界計算ソフト例えばＣＯＭＳＯＬを用いてシミュレーション（計算）を行った。
アンテナモジュール７１には１．８ＧＨｚ、２０００Ｗのマイクロ波を供給した場合について計算を行った。また、ガスシャワーヘッド４に負の直流電圧を印加することにより、ガスシャワーヘッド４の下方側に形成されるＤＣシース１の厚さが１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとなる場合について夫々計算を行った。そして、処理容器２１の中央から右半分について、プラズマ（処理ガス）に吸収される電界強度を調べた。この吸収電界強度によって、ＤＣシース１の下方側のプラズマの電子密度を評価することができる。

（計算結果）
図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、ＤＣシース１の厚さが１ｍｍから５ｍｍに増えることによって、ＤＣシース１の下方側における吸収電界強度が処理容器２１の中央部側まで大きくなることから、電界ＥｒがウェハＷの中央部側に向かって長く伸びて、面内におけるプラズマ密度が均一化されることが分かった。また、同図（ｃ）に示すように、このＤＣシース１の厚さを増やしていくことにより、つまりガスシャワーヘッド４に印加する負の直流電圧を大きくしていくことにより、アンテナモジュール７１の下方側に形成される電界ＥｒがウェハＷの中央部側に向かって更に引き寄せられて伸びていくことが分かった。

本発明のプラズマ処理装置の一例を示す縦断面図である。 上記のプラズマ処理装置のガスシャワーヘッドを上方から見た斜視図である。 本発明のアンテナモジュール及びマイクロ波出力部の役割を示す概略である。 上記のアンテナモジュールの一例を示す縦断面図である。 上記のアンテナモジュールの平面スロットアンテナを示す平面図である。 上記の各々のアンテナモジュールにおける平面スロットアンテナのスロットの配置を示す平面図である。 上記のアンテナモジュールのプリント配線基板を示す平面図である。 上記のガスシャワーヘッドの冷却手段の一例を示す概略図である。 上記のプラズマ処理装置の制御部を示す概略図である。 上記のプラズマ処理装置においてエッチングガスがプラズマ化されていく様子を表した模式図である。 上記のプラズマ処理装置においてエッチングガスがプラズマ化されていく様子を表した模式図である。 上記のプラズマ処理装置においてエッチングガスがプラズマ化されていく様子を表した模式図である。 上記のプラズマ処理装置においてエッチングガスがプラズマ化されていく様子を表した模式図である。 上記のプラズマ処理装置においてエッチングガスがプラズマ化されていく様子を表した模式図である。 上記のプラズマ処理装置の他の例を示す縦断面図である。 上記のプラズマ処理装置の他の例を示す縦断面図である。 上記の他の例におけるアンテナ部を示す斜視図である。 上記の他の例のプラズマ処理装置においてエッチングガスがプラズマ化されていく様子を表した模式図である。 本発明の実施例の結果を示す特性図である。

符号の説明

Ｗ ウェハ
１ ＤＣシース
２ プラズマ
３ 載置台
４ ガスシャワーヘッド
２１ 処理容器
５３ 直流電源
６０ 外側天板
７１ アンテナモジュール
８０ マイクロ波出力部

Claims (7)

1. 基板に対してプラズマにより処理を行うプラズマ処理装置において、
   処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、
   この載置台に対向するように設けられ、前記処理容器内に処理ガスを供給するための多数のガス吐出孔がその下面に形成された導電性部材からなるガスシャワーヘッドと、
   前記ガスシャワーヘッドの下方空間を囲む領域において処理ガスをプラズマ化するためにマイクロ波が供給されるマイクロ波供給部と、
   前記ガスシャワーヘッドに負の直流電圧を印加し、前記マイクロ波により形成された電界を処理領域の中央部側に引き込むための負電圧供給手段と、
   前記処理容器内を真空排気するための手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記マイクロ波供給部は処理容器の周方向に沿って複数配置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. 前記ガスシャワーヘッドの周囲における前記処理容器の天壁は、誘電体により構成され、
   前記マイクロ波供給部は、この天壁の上方側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記ガスシャワーヘッドの周囲における前記マイクロ波供給部の下方の前記処理容器の天壁には開口部が形成され、
   前記マイクロ波供給部は、前記開口部を塞ぐように前記処理容器に気密に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
5. 基板に対して行われる処理のレシピと前記負の直流電圧の大きさとを対応づけて記憶した記憶部と、
   この記憶部から前記レシピに応じた前記負の直流電圧の大きさを読み出して制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記記憶部は、前記負の直流電圧の大きさに加えて前記マイクロ波供給部に供給されるマイクロ波の電力の大きさが前記レシピに対応づけて記憶され、
   前記制御部は、前記負の直流電圧の大きさに加えて前記レシピに応じた前記マイクロ波の電力の大きさを読み出して制御信号を出力することを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記マイクロ波供給部は処理容器の周方向に沿って複数配置され、
   前記記憶部は、前記複数のマイクロ波供給部に供給されるマイクロ波の電力の各々の大きさが前記レシピに対応づけて記憶され、
   前記制御部は、前記レシピに応じて前記複数のマイクロ波供給部に供給されるマイクロ波の電力の各々の大きさを読み出して制御信号を出力することを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。

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