JP5323628B2

JP5323628B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5323628B2
Application number: JP2009215586A
Authority: JP
Inventors: 八城飯塚; 祐希望月; 淳阿部
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: KR101672856B1; US8852386B2; TWI490942B; CN102024694A; CN102024694B; US20110061813A1; KR20110030360A; JP2011066202A; TW201126598A

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

従来から、半導体装置の製造分野等においては、半導体ウエハ等の基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドが用いられている。すなわち、例えば半導体ウエハ等の基板にプラズマエッチング処理を施すプラズマ処理装置では、処理チャンバー内に、基板を載置するための載置台が設けられており、この載置台と対向するように、シャワーヘッドが設けられている。このシャワーヘッドには、載置台と対向する対向面に、ガス吐出孔が複数設けられており、これらのガス吐出孔から基板に向けてガスをシャワー状に供給する。

上記したプラズマ処理装置では、処理チャンバー内のガスの流れを均一化するため、載置台の周囲から下方に排気を行う構成としたものが知られている。また、プラズマ処理の面内均一性を向上させるため、上記のシャワーヘッドに加えて、載置台の基板の周囲の部分に、基板に向けてガスを供給するガス吐出部を設けたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、シャワーヘッドの周囲から処理チャンバーの上方に向けて排気を行うよう構成されたプラズマ処理装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００６−３４４７０１号公報特許第２６６２３６５号公報

上記の従来の技術では、載置台（基板）の周囲から処理チャンバーの下方へ排気するか、又はシャワーヘッドの周囲から処理チャンバーの上方に向けて排気する構成となっている。このため、シャワーヘッドから供給されたガスが基板の中央部から周辺部に向けて流れる流れが形成され、基板の中央部と周辺部とで処理の状態に差が生じ易く、処理の面内均一性が低下するという問題があった。また、載置台（基板）の周囲又はシャワーヘッドの周囲に排気流路を設ける必要があるため、処理チャンバー内部の容積が、収容する基板よりもかなり大型になり、無駄な空間が多くなり装置全体の小型化を図ることが難しいという問題もあった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることができるとともに、処理チャンバー内の無駄な空間を削減して装置の小型化を図る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。

本発明のプラズマ処理装置は、内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドを具備したプラズマ処理装置であって、前記対向面に形成された排気のための複数の排気孔と、前記載置台の周縁部に沿って設けられ上下動可能とされた環状部材であって、上昇位置において前記載置台と前記シャワーヘッドと当該環状部材とによって囲まれた処理空間を形成する環状部材と、前記環状部材の内壁部分に開口し、前記処理空間内にガスを供給するための複数の環状部材側ガス吐出孔と、前記環状部材の内壁部分に開口し、前記処理空間内を排気するための複数の環状部材側排気孔と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることができるとともに、処理チャンバー内の無駄な空間を削減して装置の小型化を図ることのできるプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図。図１のプラズマ処理装置の要部構成を拡大して示す縦断面図。図１のプラズマ処理装置の要部構成を拡大して示す縦断面図。図１のプラズマ処理装置の要部構成を拡大して示す縦断面図。図１のプラズマ処理装置の環状部材を下降させた状態を示す縦断面図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマエッチング装置２００の断面構成を模式的に示す図であり、図２は、図１のプラズマエッチング装置２００に設けられたシャワーヘッド１００の構成を模式的に示す断面図である。このプラズマエッチング装置２００は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源（図示せず。）が接続された容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されている。

図２に示すように、シャワーヘッド１００は、下側部材１と、この下側部材１の上側に配置された上側部材２の２枚の板状部材を積層させた積層体１０から構成されている。これらの下側部材１及び上側部材２は、例えば、表面に陽極酸化処理を施したアルミニウム等から構成されている。このシャワーヘッド１００は、図１に示すように、プラズマエッチング装置２００の処理チャンバー２０１に、半導体ウエハ（基板）が載置される載置台２０２と対向するように配設される。すなわち、図２に示す下側部材１側が図１に示す載置台２０２と対向する対向面１４を形成するように配設される。

上記積層体１０のうち、載置台２０２と対向する対向面１４を形成する下側部材１には、ガス吐出孔１１が多数形成されており、下側部材１と上側部材２との間には、これらのガス吐出孔１１に連通するガス流路１２が形成されている。これらのガス吐出孔１１は、図２中に矢印で示すように、基板（図２中下側）に向けてガスをシャワー状に供給するためのものである。なお、積層体１０の周縁部には、ガス流路１２内にガスを導入するためのガス導入部１２ａが設けられている。

また、上記積層体１０には、この積層体１０、すなわち、下側部材１と上側部材２とを貫通して、多数の排気孔１３が形成されている。これらの排気孔１３は、図２中に点線の矢印で示すように、基板側（図２中下側）から基板と反対側（図２中上側）に向けてガスの流れが形成されるように排気を行う排気機構を構成している。これらの排気孔１３は、直径が例えば１．２ｍｍ程度とされており、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。排気孔１３の数は、例えば１２インチ（３００ｍｍ）径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、２０００〜２５００個程度である。なお、本実施形態では、シャワーヘッド１００の外形は、被処理基板である半導体ウエハの外形に合わせて円板状に構成されている。

図１に示されるプラズマエッチング装置２００の処理チャンバー（処理容器）２０１は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等から円筒形状に形成されており、この処理チャンバー２０１は接地されている。処理チャンバー２０１内には、被処理基板としての半導体ウエハを載置し、かつ、下部電極を構成する載置台２０２が設けられている。この載置台２０２には、図示しない高周波電源等の高周波電力印加装置が接続されている。

載置台２０２の上側には、その上に半導体ウエハを静電吸着するための静電チャック２０３が設けられている。静電チャック２０３は、絶縁材の間に電極を配置して構成されており、この電極に直流電圧を印加することにより、クーロン力によって半導体ウエハを静電吸着する。また、載置台２０２には、温度調節媒体を循環させるための流路（図示せず。）が形成されており、静電チャック２０３上に吸着された半導体ウエハを所定の温度に温度調整できるようになっている。また、処理チャンバー２０１の側壁部には、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２０５が形成されている。

載置台２０２の上方に、載置台２０２と所定間隔を隔てて対向するように、図２に示したシャワーヘッド１００が配置されている。そして、シャワーヘッド１００が上部電極となり、載置台２０２が下部電極となる一対の対向電極が形成されている。

シャワーヘッド１００のガス導入部１２ａは、処理チャンバー２０１に設けられたガス供給部２０７に接続されている。ガス供給部２０７には、図示しないガス供給源から所定の処理ガス（エッチングガス）が供給される。

また、シャワーヘッド１００の上部には、筒状の排気管２１０が設けられており、この排気管２１０には、開閉制御弁及び開閉機構等を介してターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示せず。）が接続されている。

載置台２０２の周囲には、載置台２０２の周縁部に沿うように円環状に形成された環状部材２２０が設けられている。この環状部材２２０は、例えば絶縁性の被膜で覆われたアルミニウム等から構成されており、昇降機構２２１に接続され、上下動可能とされている。図１は、環状部材２２０を上昇位置とした状態を示しており、この状態では、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２０５は、環状部材２２０によって閉塞された状態となっている。そして、環状部材２２０を上昇位置とした状態では、載置台２０２の上方には、載置台２０２と、シャワーヘッド１００と、環状部材２２０とによって囲まれた処理空間２２２が形成されるようになっている。このように、上下動可能な環状部材２２０によって処理空間２２２を仕切ることにより、処理空間２２２を載置台２０２の上方のみに形成し、載置台２０２の周縁部から外側に向かって水平方向に拡がった無駄な空間が形成されることを抑制することができる。

図３に示すように、環状部材２２０は、上側環状部材２２０ａと、下側環状部材２２０ｂとを、複数のねじ２５０等で固着した構造となっている。そして、上側環状部材２２０ａには、その内周面に開口する複数の環状部材側排気孔２３０が設けられている。これらの環状部材側排気孔２３０は、上側環状部材２２０ａ内に設けられた環状排気路２３１に連通されており、処理空間２２２内を、環状部材側排気孔２３０及び環状排気路２３１を通じて排気するよう構成されている。

図４にも示すように、上記環状排気路２３１は上側環状部材２２０ａ内に環状に形成されており、環状排気路２３１に連通する環状部材側排気孔２３０は、環状部材２２０の円周方向に沿って所定間隔で均一に形成されている。そして、図３に示すように、下側環状部材２２０ｂに設けられた１又は複数の排気部２３２を介して下方から排気されるよう構成されている。なお、図３は、処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２０５が形成された部分の断面構成を示しており、上側環状部材２２０ａの傾斜した外側面２２０ｃを開口２０５の内側端部２０５ａに当接させることによって、開口２０５を閉塞するよう構成されている。また、下側環状部材２２０ｂは、上側環状部材２２０ａより径方向の幅が大きくなっており、その内周側及び外周側は上側環状部材２２０ａから突出した状態となっている。そして、この突出した部位の上側面を、処理チャンバー２０１のフランジ部２０１ａに当接させることによって、処理空間２２２内を電気的に閉じた回路とする構造となっている。なお、下側環状部材２２０ｂのフランジ部２０１ａとの当接部には、例えば、スパイラル状に形成された導電性部材等からなり、これらの間を確実に電気的に接続するための外周側電気的接続部材２２３ａ、内周側電気的接続部材２２３ｂが設けられている。内周側電気的接続部材２２３ｂは、環状部材２２０の高周波のリターンを目的としたものであり、外周側電気的接続部材２２３ａは、上部電極であるシャワーヘッド１００の高周波のリターンを目的としたものである。

また、図４に示すように、上側環状部材２２０ａには、その内周面に開口する複数の環状部材側吐出孔２４０が設けられている。これらの環状部材側吐出孔２４０は、環状部材２２０の円周方向に沿って所定間隔で均一に形成されており、上側環状部材２２０ａ内に設けられた縦穴部２４１を介して、下側環状部材２２０ｂ内に形成された環状ガス流路２４２に連通されている。環状ガス流路２４２は、図３にも示すように、下側環状部材２２０ｂ内に環状に形成されており、図４に示すように、下側環状部材２２０ｂ及び上側環状部材２２０ａ内を通じて設けられた１又は複数の処理ガス供給部２４３を介して、外部から処理ガスを供給する処理ガス供給機構２４４と接続されている。そして、処理ガス供給機構２４４から供給された処理ガスを、上側環状部材２２０ａの各部に設けられた環状部材側吐出孔２４０から、処理空間２２２内に供給するよう構成されている。なお、図４に示す環状部材側吐出孔２４０は、略水平に形成した場合を示しているが、水平方向から所定角度を持つように環状部材側吐出孔２４０を形成し、例えば、上方から下方に向けて、つまり基板の表面に向けて処理ガスを供給するようにしてもよい。

上記の通り、プラズマエッチング装置２００では、上下動可能とされた環状部材２２０を具備しているので、処理空間２２２を載置台２０２の上方のみに形成することができ、水平方向外側に拡がった無駄な空間が形成されることを抑制することができる。これによって消費される処理ガスの削減等を図ることができる。また、環状部材２２０から処理ガスの供給及び排気を行うので、処理空間２２２内の処理ガスの状態を、より細かく制御することができ、均一な処理を行うことができる。

さらに、処理空間２２２の物理的な形状が対称となり、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２０５が存在することによる非対称な形状の影響がプラズマに加わることを抑制することができるので、より均一な処理を行うことができる。さらに、環状部材２２０の上下動によって、開口２０５の開閉を行うことができるので、別途に開閉機構を設ける場合に比べて構成を簡素化することができる。

上記構成のプラズマエッチング装置２００によって、半導体ウエハのプラズマエッチングを行う場合、まず、図５に示すように、環状部材２２０を下降させ、開口２０５が開いた状態とする。この状態で、半導体ウエハを、開口２０５から処理チャンバー２０１内へと搬入し、半導体ウエハを静電チャック２０３上に載置して、静電チャック２０３上に静電吸着する。

次いで、環状部材２２０を上昇させることによって開口２０５を閉じ、半導体ウエハの上方に処理空間２２２を形成した状態とし、真空ポンプ等によって、処理チャンバー２０１内の処理空間２２２を所定の真空度まで真空引する。

その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）を、ガス供給部２０７からシャワーヘッド１００のガス導入部１２ａに供給する。この処理ガスは、シャワーヘッド１００のガス流路１２を経てガス吐出孔１１からシャワー状に載置台２０２上の半導体ウエハに供給される。これとともに、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）を、ガス供給部２４４から環状部材２２０の環状ガス流路２４２に供給する。この処理ガスは、環状部材２２０の縦穴部２４１を経て環状部材側ガス吐出孔２４０から載置台２０２上の半導体ウエハに向けて供給される。

そして、処理チャンバー２０１内の圧力が、所定の圧力に維持された後、載置台２０２に所定の周波数，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加される。これにより、上部電極としてのシャワーヘッド１００と下部電極としての載置台２０２との間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。このプラズマによって、半導体ウエハに所定のエッチング処理が行われる。

上記エッチング処理において、シャワーヘッド１００のガス吐出孔１１及び環状部材２２０の環状部材側ガス吐出孔２４０から供給された処理ガスは、シャワーヘッド１００に分散して多数形成された排気孔１３及び環状部材２２０に形成された環状部材側排気孔２３０から排気されるので、処理チャンバー２０１の下部から排気を行う場合のように、半導体ウエハの中央部から周辺部に向かうようなガスの流れが形成されることがない。このため、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。これによって、プラズマの状態を均一化することができ、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。すなわち、処理の面内均一性を向上させることができる。

そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の印加及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハが処理チャンバー２０１内から搬出される。

上記したとおり、本実施形態のプラズマエッチング装置２００によれば、シャワーヘッド１００及び環状部材２２０から処理ガスの供給及び排気を行う構成となっているので、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。これによって、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。

また、上記のプラズマエッチング装置２００では、シャワーヘッド１００に設けた排気孔１３及び環状部材２２０に設けた環状部材側排気孔２３０から排気を行うので、従来の装置のように、載置台２０２の周囲又はシャワーヘッド１００の周囲に排気経路を設ける必要がない。このため、処理チャンバー２０１の径をより被処理基板である半導体ウエハの外径に近づけることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。また、真空ポンプを、処理チャンバー２０１の上方に設けており、処理チャンバー２０１の処理空間により近い部分から排気するので、効率良く排気することができ、さらに、２つの排気系を設けているので、１つの真空ポンプの容量を少なくすることができ、さらに小型化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。例えば、上記実施形態では、載置台（下部電極）に１つの周波数の高周波電力を供給する場合について説明したが、上部電極と下部電極に夫々異なった周波数の高周波電力を印加するタイプの装置や、下部電極に周波数の異なった複数の高周波電力を印加するタイプの装置等に対しても同様にして適用することができる。

１１……ガス吐出孔、１３……排気孔、１００……シャワーヘッド、２００……プラズマエッチング装置、２０１……処理チャンバー、２０２……載置台、２２０……環状部材、２２１……昇降機構、２２２……処理空間、２３０……環状部材側排気孔、２４０……環状部材側供給孔。

Claims

内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドを具備したプラズマ処理装置であって、
前記対向面に形成された排気のための複数の排気孔と、
前記載置台の周縁部に沿って設けられ上下動可能とされた環状部材であって、上昇位置において前記載置台と前記シャワーヘッドと当該環状部材とによって囲まれた処理空間を形成する環状部材と、
前記環状部材の内壁部分に開口し、前記処理空間内にガスを供給するための複数の環状部材側ガス吐出孔と、
前記環状部材の内壁部分に開口し、前記処理空間内を排気するための複数の環状部材側排気孔と、
を具備し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であって、
前記処理チャンバー側壁の、前記載置台と前記シャワーヘッドとの間の位置に前記基板を搬入・搬出するための開閉自在な開口部が設けられ、前記環状部材を下降させた状態で前記基板の搬入・搬出を行うよう構成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１又は２記載のプラズマ処理装置であって、
前記環状部材が絶縁性の被膜に覆われたアルミニウムから構成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記環状部材側ガス吐出孔の少なくとも一部が、水平方向に対して所定角度を設けて形成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。