JP5970268B2 - プラズマ処理装置および処理方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ処理装置および処理方法に係り、特にプラズマを用いた試料のエッチング処理において試料に高周波バイアスを印加しつつ試料を処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

半導体製造工程では、一般にプラズマを用いたドライエッチングが行われている。ドライエッチングを行うためのプラズマ処理装置は様々な方式が使用されている。

一方、近年の半導体デバイスの集積度の向上に伴い、微細加工つまり加工精度の向上が要求されるとともに、エッチングレートの面内均一性あるいはエッチング形状におけるＣＤ値（Critical Dimension）の面内の均一性等の向上が要求されている。

また、加工の微細化が進む半導体デバイスの製造工程では、エッチング特性の均一性はナノメートルまたはサブナノメートルのオーダーで要求されている。特に、多層膜のエッチングにおいては、多数のパラメータ（例えば、エッチング処理条件としてのプラズマの励起電力、使用ガスの種類、使用ガスの混合比、ガス圧力、バイアスＲＦ電力、電極あるいはリアクタ壁等の温度設定等）が処理結果としての加工形状に与える影響の度合いが深刻である。このため、多層膜のエッチングの完了時点でエッチングレートやエッチング形状（例えばＣＤ）の高精度の面内均一性を得ることは益々難しくなっている。

前述のようなエッチング処理において、特にウエハ外周部周辺においては電磁気学的、熱力学的な要因により処理の特性がウエハ中央部と比べて差異が大きくなってしまい、ウエハの面内で不均一さが顕著に現れ課題となっている。例えば、処理後に得られる外周部周辺の加工形状は中央側部分からの寸法の差が許容範囲外となってしまい、ウエハの外縁部では加工して得られた半導体デバイスを製品として出荷することができない。

このようなウエハ外縁部の半導体デバイス製造に不使用の領域はエッジ・エクスクルージョン（Ｅ.Ｅ.）と称され、近年のメモリデバイスの製造においては、このＥ.Ｅ.領域の大きさが半導体デバイスの価格を大きく左右する要因となっている。このため、特に近年では当該Ｅ.Ｅ.領域の縮小化が求められており、Ｅ.Ｅ.領域の半径方向の長さを２mm以下、さらには１mm以下にすることが要求されてきている。

このＥ.Ｅ.領域を少しでも小さくし、１枚のウエハから取得できるチップ数を多くするためのプラズマ処理装置におけるウエハ面内均一性の改善技術として、例えば、特許文献１，２のものが知られている。

特許文献１には、ウエハ面内において均一な処理を行うことを目的とし、試料を処理する処理室と、処理室を減圧する真空排気手段と、処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、処理室内で処理される試料を保持する試料保持手段と、試料保持手段にバイアス電位を印加するバイアス印加手段と、試料保持手段に試料を静電吸着させる静電吸着手段と、処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを有するプラズマ処理装置において、試料保持手段の上面は段差を有しており、最上段には試料が載置され、試料の載置面よりも低い面にはバイアス電位が印加可能な導電体からなるリング状部材が設けられ、かつ、リング状部材の上面は試料の上面と同一かあるいは低く、リング状部材の上面を誘電体からなる部材が覆ったプラズマ処理装置とすることが開示されている。

特許文献２には、ウエハ外周までエッチング形状を垂直に加工することを目的とし、プラズマを用いて半導体ウエハに処理を施すウエハ処理装置において、ウエハを積載するウエハステージは、ウエハ積載部となる凸型を有する導電性材料からなり高周波が印加される円盤とこの円盤の表面にセラミックス製誘電体膜を取り付けた構成であり、凸部はウエハの直径より小さな直径を有し、凸部の外周には、内径が凸部の直径より大きくかつウエハの直径よりも小さな、厚みが凸部の高さ以下の厚みを有する、少なくとも上面にセラミックス製誘電体膜を取り付けた導電性材料からなるリング状部材を配置したウエハ処置装置とすることが、開示されている。

特許第３８８１２９０号公報 特開２００５−２６００１１号公報

上記これらの従来技術は、Ｅ.Ｅ.領域を縮小するため、ウエハ外周部周辺の電磁気学的課題、特にウエハ上に形成される等電位面の湾曲を改善する技術に関するものである。これらの従来技術は、ウエハ外周側に高周波エッジリングと呼ばれるリング状の導電性部材を配置し、電力が供給される導電性部材による電界の分布の調節により、ウエハ上のプラズマイオンシース分布を中心から外周まで均一とすることにより、均一なエッチング結果が得られるようにする技術である。

発明者らは、上記従来の技術構成についてさらに検討を重ねた結果、ウエハ外周部周辺においてある程度の均一性の向上が認められるものの限界のあること及びその原因について以下の点が上げられることを知見として得た。

すなわち、特許文献１，２の構造では、試料台に印加される高周波バイアス電力が試料台の外周部に設けられるカバーリングを介してプラズマと結合することが前提とされ、ウエハ外周に配置された高周波エッジリングの上面高さを試料の上面と同一かそれよりも低く設定している。つまりカバーリングを介してバイアス電力がプラズマと結合し、カバーリング上面で厚みのあるプラズマイオンシースを形成することでウエハ外周部周辺の等電位面の湾曲を補正する構造となっている。

このようなカバーリングは、設計上の諸条件（性能上の形状、製作加工性、寿命等の観点）を考慮して材質、寸法（厚み）が決められ試料台の外周部に設けられる。しかしながら、エッチングプロセスを考慮し材料が限定される場合もあり、例え形状が最適であっても、場合によっては、印加された高周波バイアス電力がある有限の厚みをもって形成されたカバーリングを透過することができず、すなわち、カバーリングに供給されたバイアス用の電力とプラズマとが結合できず、カバーリング上面に所期のプラズマイオンシースを形成、すなわち、ウエハ面上のプラズマイオンシースと同等の厚さのプラズマイオンシースを形成することができない場合がある。

このような場合にはウエハ外周周辺部のプラズマイオンシースが所望の厚みを持って形成されないので等電位面の湾曲を所望の形状に修正することが難しくなる。よって、Ｅ.Ｅ.領域においてウエハ外縁部及びその周囲での等電位面の湾曲を修正して、Ｅ.Ｅ領域のウエハ上面に向けて誘引されるプラズマからの荷電粒子の軌跡をウエハ上面に対して垂直を含む許容の範囲内にすることは難しい。このように、従来技術ではＥ.Ｅ.部のエッチングレートの均一性を充分に改善するにはまだ不充分であり、Ｅ.Ｅ.領域を更に小さくする点について充分に考慮されていなかった。

従来の技術を用いた構造を図５（ａ）に示す。試料台１１１はその縦断面が上部において上方に凸形状を有し、上面の直径はウエハ１１２の直径より数mm程度小さくなっている。試料台１１１の凸部の外周側は一段低くなった段差部（凹部）を有している。試料台１１１の凸部及び段差部の表面には図示を省略した静電吸着用の誘電体膜が形成されている。試料台１１１の段差部（凹部）の上面には、誘電体膜の上に凸部側面から距離を設けウエハ１１２の直径よりさらに大きい内径の導電性の高周波リング１１７ａが設けてある。高周波リング１１７ａの上面高さは、ウエハ１１２の上面と同一かあるいは低く設定されている。

また、試料台１１１の凸部外周側面と、高周波リング１１７ａを含む段差部（凹部）の上面及び試料台１１１の外周側面とがプラズマに接することを防止するため、誘電体材料で構成されたカバーリング１１８ａが載せられ段差部を覆って配置されている。カバーリング１１８ａはウエハ１１２の外周に対向する内側面の上部が上方に拡大するテーパ形状となっている。カバーリング１０５ａの内側下部、すなわち、テーパ部の下部分は試料台１１１の凸部外周に係合しウエハ載置面と同一高さかそれよりわずかに低く設定され、ウエハが試料台に載置されたとき、ウエハ裏面に位置する。

このカバーリング１１８ａを備えたことより、ウエハ１１２が配置されプラズマ処理される際に、試料台１１１の上面および側面は直接プラズマに接する面積が低減され、プラズマ起因の表面反応による電極表面のダメージや電極表面の消耗が抑制される。なお、カバーリング１１８ａは、石英やアルミナ等のセラミック材料といった耐プラズマを有した誘電体により構成されている。誘電体でなるカバーリング１１８ａは、試料台１１１に印加される高周波バイアスに対しては容量成分として働き、高周波バイアスにとってのインピーダンスは低下し、導体のような働きをすると考えられている。

プラズマが発生すると電子とイオンの質量差に起因して、プラズマと接する物質の表面にはプラズマイオンシースと呼ばれる空間電荷層が形成される。ウエハ１１２に試料台１１１を介して図示を省略した高周波電源からバイアス用の高周波電力が供給されることにより、プラズマ中の電子及びイオンが作用を受けより大きい負の電位を持つ、言い換えるとプラズマイオンシースの厚さがより厚いプラズマイオンシースが形成される。ここで、図に示された符号２０１ａは、プラズマイオンシース内の電界における等電位面を示す。符号２０２ａは電界によって引き込まれるイオンの軌道を示す。符号２０３ａはプラズマイオンシース領域、符号２０４ａはプラズマ領域を示す。

この場合、カバーリング１１８ａは高周波バイアスに対して導体であるため、高周波リング１１７ａの上面がウエハ１１２の上面と同一高さの場合、プラズマに対して高周波リング１１７ａ上のカバーリング１１８ａの上にもウエハ１１２上と同様のプラズマイオンシースが形成される。このため、図に示すように等電位面２０１ａはウエハ１１２に対しほぼ平行になり、これに伴ってイオンの軌道２０２ａはウエハ１１２対しほぼ垂直になる。これにより、ウエハ１１２の外周部周辺のエッチング処理形状が改善される。

しかしながら、ウエハ１１２外周の外側のプラズマイオンシース部でも、ウエハ１１２上面と同様のエネルギでカバーリング１１８ａへのイオン入射を受けるので、カバーリング１１８ａから異物が発生したり、カバーリング１１８ａの消耗が激しくなるという課題が残る。

また、カバーリング１１８ａの材質や厚さによっては、高周波バイアスに対して導体と見なせない場合があり、図５（ｂ）にこれを示す。図５（ａ）と同符号は同一部材を示し説明を省略する。図５（ｂ）が図５（ａ）と異なる点は、カバーリング１１８ｂが高周波電界を透過し得ない、または透過し難いものとなっている点である。この場合には、高周波リング１１７ａ上のカバーリング１１８ｂの上には高周波バイアスが透過しないため、プラズマ中の電子、イオンに対して作用を及ぼさない。このため、カバーリング１１８ｂ上のプラズマイオンシースの電位は、プラズマのみによるプラズマイオンシース電位となり、厚さの薄いプラズマイオンシースとなる。これにより、プラズマイオンシース内の電界における等電位面２０１ｂは、図に示すようにウエハ１１２外周部で下方に湾曲し低くなる。この等電位面の傾きに伴って、電界によって引き込まれるイオンの軌道２０２ｂはウエハ１１２の外周部周辺において外側から斜めに入射する軌道となってしまう。

これにより、ウエハ１１２の外周部周辺のエッチング処理形状が損なわれる。すなわち、ウエハ１１２の外周縁部ではイオンが垂直にウエハ１１２に入射せず、ある角度をもってウエハ１１２に入射するため、エッチング形状が垂直形状を維持できない。また、ウエハ１１２の中心側（外周部以外の領域）と比べ、ウエハ１１２の外周部（Ｅ.Ｅ.部）に入射するイオンの個数が多くなり、ウエハ１１２の外周部（Ｅ.Ｅ.部）のエッチングレートが増加する。このため、ウエハ１１２の外周部（Ｅ.Ｅ.部）でのエッチングレートとウエハ１１２の中央側部分のエッチングレートとが異なり、ウエハ１１２の面内の処理特性の均一性が損なわれることになる。

また、高周波リング部での等電位面の高さがウエハ上面と同一かあるいは低くなっているので、試料台に供給する高周波バイアスの電力が変われば、ウエハ上のプラズマイオンシース電位がそれに伴い変化し、ウエハ外周の外側のプラズマイオンシース電位との差がそのままプラズマイオンシース内の等電位面、すなわち、ウエハ上方の全体の等電位面の形状に影響を与え、高周波バイアス電力の変更が必要なプロセスでは、加工条件の設定がより難しくなる。

本発明の目的は、高周波バイアス電力の変更の影響を低減し、エッジ・エクスクルージョン（Ｅ.Ｅ.）領域の加工特性を改善して処理の均一性を向上させることのできるプラズマ処理装置および処理方法を提供することにある。

上記目的は、処理ガスが供給され所定圧力に減圧排気された処理室内にプラズマを生成するとともに前記処理室内に設けた試料台に高周波バイアスを印加して前記試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理装置において、前記高周波バイアスが印加される前記試料台の前記試料外周の外側に配置されその上面の高さが前記試料台上に配置された前記試料より高い導体リングであって前記高周波バイアスが印加されてその上面が前記試料と同電位にされる導体リングと、当該導体リングの上方及び内周側を覆ってその上方に形成されるプラズマイオンシースを実質的にプラズマ生成のみによるものとする誘電体カバーとを備え、前記試料の処理中の前記導体リング上面の前記プラズマイオンシースの上端の高さが前記試料台に配置された試料上面のプラズマイオンシースの上端の高さより低くされたことにより達成される。

また、上記目的は、真空容器内に配置されその内部が減圧される処理室と、この処理室内に配置されその上面に載せられた処理対象のウエハを保持する試料台と、前記試料台内に配置され高周波電源と接続されて高周波バイアス電力が印加される電極とを有し、前記高周波バイアス電力を印加しつつ前記処理室内に形成したプラズマを用いて前記ウエハを処理するプラズマ処理装置であって、前記試料台の前記ウエハを保持する面の外周側でこれを囲んで配置された段差部に配置され、前記試料台内の電極に印加された高周波バイアス電力が印加されその上面が前記試料と同電位にされる導電体製のリング状部材であって前記上面の高さが前記試料台上に載せられた前記ウエハ上面より高いリング状部材と、当該リング状部材の上面及び内周側を覆って前記段差部に配置され誘電体材料により構成されたカバーとを備え、前記プラズマが前記処理室内に形成された状態で前記リング状部材に印加される前記高周波バイアス電力は前記プラズマに印加されないものであって、前記ウエハの処理中の前記リング状部材上方の前記プラズマイオンシースの上端の高さが前記試料台上の前記ウエハの上面上方のプラズマイオンシースの上端の高さより低くされたことにより達成される。

また、上記目的は、処理ガスが供給され所定圧力に減圧排気された処理室内にプラズマを生成するとともに前記処理室内に設けた試料台に高周波バイアスを印加して前記試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理方法において、前記試料台に配置された試料の外周を囲んで外側に配置されその上面の高さが前記試料上面より高くされた導体製のリング状部材であって前記高周波バイアスが印加されてその上面が前記試料と同電位にされる導体製のリング状部材の前記上面上方に形成されるプラズマイオンシースを実質的にプラズマ生成のみによるプラズマイオンシース電位とし、前記試料の処理中において前記リング状部材の上方に形成されるプラズマイオンシース内の最下部の等電位面の高さを前記試料上面に形成されるプラズマイオンシースのものより高くし、最上部の高さを前記試料上面に形成されるものより低くして、前記試料を処理することにより達成される。

また、上記目的は、内部が減圧される処理室内に配置された試料台の上面に処理対象のウエハを載せて保持し、前記処理室内にプラズマを形成し、高周波電源から高周波バイアス電力を前記試料台内に配置された電極に印加しつつ前記ウエハを処理するプラズマ処理方法であって、前記試料台が、前記ウエハを保持する面の外周側でこれを囲んで配置された段差部に配置され、前記試料台内の電極に印加された高周波バイアス電力が印加されてその上面が前記試料台上面に載せられた前記ウエハと同電位にされる導電体製のリング状部材と、前記リング状部材の上面及び内周側を覆って前記段差部に配置され誘電体材料により構成されたカバーとを備え、かつ、前記リング状部材の上面が前記ウエハ上面より高くされたものであって、前記プラズマが前記処理室内に形成された状態で前記リング状部材に印加される前記高周波バイアス電力は前記プラズマに印加されない状態で、前記リング状部材の上方に形成されるプラズマイオンシースの上端の高さを前記ウエハ上面上方に形成されるプラズマイオンシースの上端の高さより低くして前記ウエハを処理することにより達成される。

本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す装置における試料台のウエハ外縁部近傍の電界分布を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す装置のウエハ外周端と高周波リング内周縁との距離に対する試料台の上面から高周波リング上面までの高さの関係（下限値）を示すグラフである。 図１に示す装置によりウエハを処理した場合の外周部のエッチングレート分布を示すグラフである。 従来の技術によるプラズマ処理装置における試料台のウエハ外縁部近傍の電界分布を模式的に示す縦断面図である。

本発明は、高周波バイアスが印加される試料台のウエハ外周の外側に形成されるプラズマイオンシースを実質的にプラズマ生成のみによるプラズマイオンシース電位とし、ウエハ外周外側のプラズマイオンシース内の電界による等電位面の高さをウエハ上面より高くする。すなわち、ウエハ外周外側のプラズマイオンシースの厚さを高周波バイアス電力の大小に係わらず一定にして、この状態でウエハ上面よりも等電位面を高くしウエハ外周部での等電位面の落ち込みを抑制する。これにより、高周波バイアス電力の変更の影響が少なくウエハ外周部（Ｅ.Ｅ.領域）に入射するイオンの入射角度を実質的に垂直に維持する。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

以下、本発明の実施例を図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本実施例のプラズマ処理装置は、マイクロ波によるＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）を用いてプラズマ（マイクロ波ＥＣＲプラズマ）を形成するエッチング処理装置を示している。

プラズマ処理装置は、この場合、次のように構成されている。内部が円筒形状の真空容器１０１の上部開口には、円板形状の例えば石英製の誘電体窓１０２が設けられる。誘電体窓１０２の下側には、エッチング用のガスを導入するための複数の貫通孔が設けられた誘電体製（例えば石英製）のシャワープレート１０３が配置されている。シャワープレート１０３と誘電体窓１０２との間にはガスの供給路が形成され、ガス供給装置１０４が連結されている。真空容器１０１下方には、真空排気口１０５が配置され真空排気装置１０６が接続されている。

誘電体窓１０２の上方には、真空容器１０１内にマイクロ波電磁界を伝搬する導波管１０７が配置されている。導波管１０７の端部には、マイクロ波を発振するマグネトロン１０８が配置されている。真空容器１０１の外周部には、内部に磁場を形成する磁場発生コイル１０９が配置されている。マグネトロン１０８で発振された電磁界は、導波管１０７を伝播して他方の端部に形成した共振用の拡大導波管部で所定の電界モードにされた後、誘電体窓１０２及びシャワープレート１０３を透過してシャワープレート１０３と試料台１１１との間に形成された処理室１１０に導入される。

マイクロ波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２.４５GHzのマイクロ波が使用される。処理室１１０に導入されたマイクロ波の電界は、磁場発生コイル１０９による磁場との相互作用よって、シャワープレート１０３を介して処理室１１０に供給されたエッチング用ガスを励起して処理室１１０にプラズマを生成させる。

真空容器１０１の内部には、誘電体窓１０２に対向し、シャワープレート１０３の下方に処理室１１０を形成するよう間隔を設けて試料台１１１が配置されている。試料台１１１は、その上面が溶射によって形成された誘電体材料の皮膜（図示省略）で被覆されており、その皮膜の上面に処理対象の試料、この場合、ウエハ１１２が載置され保持される。ウエハ１１２が載置される載置面は誘電体窓１０２及びシャワープレート１０３に対向している。

試料台１１１は、その上面がウエハ径より僅かに小さい外径で実質的に円形の平面を有する凸部形状に形成されている。図示を省略しているが、凸部の上面の誘電体製の皮膜の内部には導電体材料から構成された膜状の静電吸着用の電極が配置されている。静電吸着用の電極には高周波フィルター回路１１５を介して直流電源１１６が接続されている。さらに、試料台１１１は略円筒形状を成し真空容器１０１と軸を合せて配置され、誘電体製の皮膜の下が高周波バイアス印加用の電極となっている。高周波バイアス印加用の電極には、マッチング回路１１３を介して高周波電源１１４が電気的に接続されている。この場合、高周波電源１１４から供給される高周波バイアス電力は、数百Hz〜５０MHz程度の範囲、より好ましくは４００Hz〜４０MHzの範囲の周波数を有している。

図２に試料台１１１のウエハ載置部周辺の詳細構造を示す。本図において、図５（ａ）（ｂ）と同符号は同一部材を示し、説明を省略する。本図が図５（ｂ）と異なる点は、図５（ｂ）の高周波リング１１７ａの上面高さがウエハ１１２の上面と同一かあるいは低く設定されているのに対し、本図では高周波リング１１７の上面の高さをウエハ１１２上面よりも高くした点であり、試料台１１１のウエハ載置面から高さｈの距離を有する。また、高周波リング１１７の内径は試料台１１１の凸部の外径よりも大きく、さらにウエハ１１２の外周から距離ｄを有して配置される。高周波リング１１７は、上方から見て試料台１１１の凸部を囲うように円形または複数の円弧が連結された形状を成して配置される。この高周波リング１１７の材質は導電性を有した金属、例えばアルミニウムを用いることができる。高周波リング１１７の表面には、必要に応じて表面反応や異常放電等を抑制するための陽極酸化処理（アルマイト等）や溶射といった誘電体の皮膜で被覆する表面処理が施される。

高周波リング１１７が導電性であることで、試料台１１１に印加された高周波バイアス電力は高周波リング１１７（導体リング）にも伝えられ、高周波リング１１７（導体リング）の上面に生じる電位は試料台１１１の凸部の上面の電位と同じとなる。

試料台１１１と高周波リング１１７を同電位とするために、この場合は、高周波電源１１４と接続された試料台１１１の電極部材と高周波リング１１７との間を電気的に接続している。電気的な接続を行う手段としては、両者の導電性部材同士を接続（メタルタッチ）させる、高周波リング１１７を試料台１１１に導電性部材により構成されたボルトで締結させる、両者の間にこれらの表面と接触する導電性部材を配置する等の複数方法がある。なお、高周波リング１１７は、この場合、試料台１１１の電極と電気的に接続したが、高周波電力に対して導通される構成であれば良く、高周波電力が透過する絶縁材料がこれらの間に配置されていても良い。さらにまた、高周波リング１１７として別部材にすることなく試料台１１１の凸部の外側、すなわち、段差部（凹部）の一部をリング状に突出させた一体型としても良い。

高周波リング１１７を覆って、試料台１１１の凸部外側の段差部に、高周波リング１１７からの高周波バイアスを実質的に透過しない材料又は厚さを有する誘電体製のリング状部材であるカバーリング１１８（誘電体カバー）が配置される。この場合、カバーリング１１８は石英で構成されている。なお、カバーリング１１８のウエハ１１２に面する内周側は、図５（ｂ）のカバーリング１１８ｂと同形状である。

上述のように構成された装置では、図示を省略された搬送装置により真空容器１０１内にウエハ１１２が搬入され試料台１１１上に配置される。試料台１１１上に配置・保持されたウエハ１１２は処理室１１０に生成されたプラズマ及び試料台１１１に印加された高周波バイアスによってエッチング処理される。

この際、試料台１１１の上方の処理室１１０にプラズマが形成されるとともに、高周波電源１１４から試料台１１１の高周波バイアス印加用の電極に高周波電力が印加され、試料台１１１上面の誘電体膜を介してウエハ１１２に高周波バイアスが印加されると、ウエハ１１２とプラズマとの間にプラズマイオンシースが形成されて、ウエハ１１２上に自己バイアス電位が生じる。この自己バイアス電位の作用によってプラズマ中のイオン（荷電粒子）がウエハ１１２上面に向けて引き込まれ、ウエハ１１２に衝突してウエハ１１２に形成された被処理膜がエッチング処理される。なお、図示していないが、エッチング処理が行われている間はウエハ１１２の裏面と所定温度に冷却された試料台１１１との間にヘリウム等の熱伝達を促進するための伝熱用ガスが導入されている。

本装置の高周波リング１１７（導体リング）とカバーリング１１８（誘電体カバー）によれば、処理室１１０にプラズマが生成され、試料台１１１に高周波バイアスが印加されることで、図２に示すようなプラズマ領域２０４とプラズマイオンシース領域２０３が形成される。すなわち、ウエハ１１２上には高周波バイアスの作用を受けて電位差の大きい、言い換えると厚さの厚いイオンシースができ、ウエハ１１２外周部であって高周波リング１１７に対応するカバーリング１１８上は高周波バイアスの影響を受けない電位差の小さい、言い換えると厚さの薄いイオンシースができる。このイオンシース内の等電位面を符号２０１で示す。このプラズマイオンシース領域２０３では等電位面２０１に対して垂直方向にイオンが加速され、それによって符号２０２に示すイオン軌道となる。等電位面２０１の間隔はウエハ１１２上では間隔が広く、カバーリング１１８上では間隔が狭くなる。このため、高周波リング１１７の上面高さｈがウエハ上面よりも低いと、上方の等電位面でのウエハ外周部での落ち込み（湾曲）が大きくなる。

ここで、ウエハ１１２の上面より高周波リング１１７の上面の高さを高くすることにより、ウエハ１１２の外周部での等電位面全体の落ち込み、言い換えると、等電位面の湾曲が抑制（緩和）される。また、本実施例では、ウエハ１１２外周と高周波リング１１７との間に間隔ｄを有するため間隔ｄの間で等電位面の位置が下がるが、高周波リング１１７上面の高さを高くすることによりこれを改善でき、ウエハ１１２の上面に対し平行に近付くよう改善される。例えば、ウエハ１１２の外周縁付近での等電位面の湾曲を抑制しウエハ１１２と平行になるようにするために、本実施例の高周波リング１１７の上面の高さは、試料台１１１の上面からの高さｈがウエハ１１２上面より高く５.０mm以下にされる。

なお、高周波リング１１７の上面がウエハ１１２の上面より低い場合、ウエハ１１２の外周縁近傍での等電位面の垂れ下がり（落ち込み）は抑制できず、ウエハ１１２最外周において、ウエハ１１２と前記等電位面を平行に近づけることは困難となる。高周波リング１１７の内径は、ウエハ１１２の外径に対して所定の距離以下にすることで、ウエハ１１２の外周縁近傍の等電位面の垂れ下がりを抑制することができる。この場合、高周波リング１１７の内周縁とウエハ１１２の外周縁との間隔ｄは１.０mm以上１０mm以下にされている。これは、１.０mmより小さいと異常放電が生じやすくなり、１０mmを越えると等電位面の落ち込みが大きくなり高周波リングの効果が期待できなるためである。

隙間ｄの間で等電位面２０１が試料台１１１の段差部（凹部）に向かって（図面の下方向）にわずかながら湾曲されるため、ウエハ１１２の外周縁では等電位面２０１がわずかに湾曲し、これによりウエハ１１２に入射するイオン等荷電粒子の軌道２０２もウエハに対して垂直でなくなりわずかに傾くことになる。隙間の間隔ｄが大きくなると等電位面２０１の湾曲も増加するため、軌道２０２をより垂直に近付けるためには試料台１１１の上面から高周波リング１１７の上面の高さｈを増加させる必要がある。

高周波リング１１７の上面を覆うカバーリング１１８の誘電体部材の厚さは、この場合、１.０mm以上５.０mm以下の範囲にされている。これは、高周波バイアス電力が印加される高周波リング１１７上方のカバーリング１１８の厚みを１.０mmより小さくすると、高周波バイアスの電力がカバーリング１１８を透過しプラズマと結合してしまう点、また誘電体材料であるカバーリング１１８の強度、加工性の点から望ましくない。また、５.０mm以上では、カバーリング１１８がウエハ１１２に対し段差となりウエハ面上のガス流れに影響を及ぼし、エッチング処理に伴いウエハから発生する反応生成物の滞留といった問題が発生しやすくなる。この段差を形成する上限としては、ウエハ１１２表面に対するカバーリング１１８の上面の高さは１０mm以下が望ましい。

本実施例では、ウエハ１１２外周と高周波リング１１７との間に間隔ｄを有するためにウエハ外周部でウエハ１１２近傍の等電位面の位置が僅かに下がる。また、カバーリング１１８上のプラズマイオンシースが薄くなる。このため、高周波リング１１７の上面をウエハ１１２上面よりも高くし、ウエハ外周部であってウエハ１１２近傍の等電位面を持ち上げるとともに、プラズマイオンシース領域２０３の上方の等電位面の落ち込みを少なくする。これにより、ウエハ１１２外周部のプラズマイオンシース領域２０３の上部で等電位面に対して直角方向に、言い換えると外側から斜めに入射して加速されるイオンの傾きが小さくなる。すなわち、ウエハ１１２近傍の等電位面がウエハ１１２に平行に近付き、プラズマイオンシース領域２０３内で加速されるイオンはその入射方向がよりウエハ１１２の処理面に対して実質的に垂直になる。

また、エッチング処理においては、プロセス条件によって高周波バイアス電力が変更される。高周波バイアス電力が大きければプラズマイオンシースが厚くなり、電力が小さくなればプラズマイオンシースが薄くなる。これに伴い、高周波バイアスの電力が大きければウエハ１１２上の内側外側のプラズマイオンシース幅の差が大きくなるので、ウエハ１１２外周部のプラズマイオンシース領域２０３の上部で等電位面に対して垂直方向に入射するイオンの斜め成分の傾きは大きくなる。また、高周波バイアス電力が小さければウエハ１１２上の内側外側のプラズマイオンシース幅の差が小さくなるので、ウエハ１１２外周部のプラズマイオンシース領域２０３の上部で等電位面に対して垂直方向に入射するイオンの斜め成分の傾きは小さくなる。よって、高周波バイアスの電力が小さい場合には、ウエハ１１２上面に入射するイオンはほぼ垂直になるが、高周波バイアス電力が大きくなると、ウエハ１１２上面に入射するイオンは傾き成分を持ちやすくなる。

本実施例では、図２に示すように高周波リング１１７の上面をウエハ１１２上面よりも高くすることにより、高周波リング１１７の上面がウエハ１１２上面と同一の場合に比べ、プラズマイオンシース領域２０３のウエハ１１２上の等電位面の高さと高周波リング１１７上の等電位面の高さとの差が小さくなるので、高周波バイアス電力の変更の影響を低減できる。

これらを考慮しさらに、ウエハ１１２外周縁近傍の電界解析やエッチングレートの評価から高周波リング１１７の上面の最適な高さの範囲を求め、本発明者の検討により前述の高周波リング１１７に係る高さｈと間隔ｄの関係が明らかになった。これを図３に示す。高周波リング１１７の内周縁とウエハ１１２の外周縁との間の間隔ｄをＸ軸に取り、試料台１１１の上面から高周波リング１１７の上面の高さｈをＹ軸に取ると、ウエハ１１２外周縁上方の等電位面をウエハ１１２上面に並行に近づけるための高周波リング１１７の上面高さｈの最適値は、間隔ｄに比例して変化し、この場合、間隔ｄの増加寸法に対し１／２の傾きで高さｈの増加寸法を変化させれば良いことが分かった。この最適値を線３０１に示す。

なお、間隔ｄに対し高周波リングの高さｈが最適値より低い場合には、高周波バイアス電力が大きくなるとウエハ１１２外周部のプラズマイオンシース領域２０３の上方の等電位面が外側に向かって落ち込むときの傾斜角が大きくなる方向となり、すなわちウエハ１１２外周部の等電位面の湾曲が大きくなって、傾きを持って入射するイオンがウエハ１１２外周部に多く集まる傾向となる。このため、ウエハ１１２外周部でのエッチングレートが高くなるように作用する。これに対し、間隔ｄに対し高周波リングの高さｈが最適値より高い場合には、高周波バイアス電力が小さくなるとウエハ１１２外周部のプラズマイオンシース領域２０３の下方の等電位面が外側に向かって持ち上がる方向の傾斜角となり、ウエハ１１２上面に向けて入射するイオンがウエハ１１２外周の外側に導かれて、ウエハ１１２外周部に入射するイオンが少なくなる傾向となる。このため、ウエハ１１２外周部でのエッチングレートは下がるように作用する。

このように最適化した高周波リング１１７及びカバーリング１１８を備えたプラズマ処理装置を用いてウエハ１１２を処理した場合のエッチングレート結果の一例を図４に示す。この場合、被エッチング材料を窒化シリコン膜とし、エッチングガスとして例えば、四フッ化メタンガス、酸素ガス、トリフルオロメタンガスを用いた。

曲線４０１は、図５（ｂ）に示す従来のウエハ周辺部の構造によりエッチングした場合のエッチングレートの面内分布、特にウエハ外周部（Ｅ.Ｅ.部）を示す。曲線４０２は、本実施例の構造によりエッチングした場合のエッチングレートの面内分布、特にウエハ外周部（Ｅ.Ｅ.部）を示す。

曲線４０１に示すように、従来構造によりエッチングした場合、ウエハ１１２の周辺部のエッチングレートが急増し、ウエハ１１２面内の均一性が低下している。これに対して、曲線４０２が示すように本実施例の構造とすることで、ウエハ１１２の周辺部のエッチングレートの急増が抑制され、ウエハ１１２面内のエッチングレート均一性が改善されることが示されている。

以上、本実施例によれば、試料台に配置されるウエハの上面より高い上面を有する高周波リング１１７と、高周波バイアスを実質的にプラズマに透過させないカバーリング１１８を用いることにより、高周波バイアスが印加される試料台のウエハ外周外側に形成されるプラズマイオンシースを実質的にプラズマ生成のみによるプラズマイオンシース電位とし、ウエハ外周外側のプラズマイオンシースの厚さを高周波バイアス電力の大小に係わらず一定にして、この状態でウエハ上面よりも等電位面を高くしている。これにより、高周波リング上面の高さがウエハ上面と同一の場合に比べ、プラズマイオンシース領域のウエハ上の等電位面の高さと高周波リング上の等電位面の高さとの差を小さくでき、高周波バイアス電力の変更の影響を低減できるとともに、ウエハ外周部での等電位面の落ち込みを抑制できる。これにより、高周波バイアス電力の変更の影響が少なくウエハ外周部（Ｅ.Ｅ.領域）に入射するイオンの入射角度を実質的に垂直にでき、エッジ・エクスクルージョン（Ｅ.Ｅ.）領域の加工特性を改善して処理の均一性を向上させることができる。

すなわち、ウエハ上面より高い上面を有する高周波リング１１７とすることにより、ウエハ１１２上の等電位面がウエハ１１２外周縁部及びその外周側で高周波リング１１７との間において下側への湾曲角度を小さくすることができ、すなわち、湾曲が抑制され、ウエハ１１２の上面と平行に近付けることができる。言い換えると、高周波リング１１７上の等電位面をウエハ１１２の外周近傍でウエハ面上のそれよりも高い位置に持ち上げることで、ウエハ１１２上の等電位面がウエハ１１２外周縁部及びその外周側で高周波リング１１７との間において下側へ落ち込む湾曲角度を小さくすることができる。また、高周波バイアスをプラズマに透過しないカバーリング１１８を用いることにより、カバーリング１１８上のプラズマイオンシース厚さを薄くできる。これらにより、ウエハ１１２外周の外側の等電位面を高周波バイアスに対して一定に（固定）でき、高周波リング１１７上面の高さをプロセス条件、特に高周波バイアス電力に影響されず設定しやすくなる。

これにより、図２に示すように、ウエハ１１２の中心部から外周縁部にかけて等電位面２０１がウエハ１１２に対して平行に保たれ、等電位面に対して垂直に入射するイオンの軌道２０２をウエハ１１２の外周縁部外側までウエハ１１２に対してその上面で実質的に垂直にできる。よって、ウエハ１１２の中心部から外周縁部に入射するイオンの個数を均一にすることができ、ウエハ１１２の面内でエッチングレートを均一にできる。すなわち、ウエハ１１２の中心部から外周縁部（Ｅ.Ｅ.部）でのエッチングレートの均一性が改善できる。

また、ウエハ１１２の外周縁部でもイオンが垂直にウエハ１１２に入射し、エッチング形状が垂直形状となる。これにより、エッチング形状を高精度に制御でき、ウエハ１１２の外周縁部の半導体デバイスの電気的特性や性能が損なわれることが抑制され、歩留まりを向上させるという効果がある。

また、本実施例によれば、ウエハ１１２上の電位と高周波リング１１７の表面電位はいつも等しくなり、ウエハ１１２に対するプロセス条件、特に高周波バイアス電力が変化してもウエハ１１２外周部の等電位面の湾曲が抑制できる。つまりプロセス条件が変化しても高周波リング１１７の寸法をその都度最適化しなくても、ウエハ１１２外周部付近の等電位面をウエハ１１２に平行にすることができ、プラズマ処理の効率が向上する。

また、本実施例では、高周波リング１１７に印加される高周波バイアス電力が、カバーリング１１８を介してプラズマと結合して誘電体部材の表面にプラズマイオンシースを形成しないように、カバーリング１１８の誘電体部材の厚さや材料（誘電率）が決められている。これにより、本実施例の高周波リング１１７の上方のカバーリング１１８の表面には、高周波バイアスを印加した際に形成されるプラズマイオンシースではなく、プラズマの生成のみによるプラズマ電位程度のプラズマイオンシースが形成される。このプラズマイオンシースの厚さは、高周波バイアス電力を試料台１１１に供給しない状態で処理室１１０にプラズマを形成したときに、ウエハ１１２の上面に形成されるプラズマイオンシースの厚さと同じものとなる。これにより、カバーリング１１８上面に対するプラズマ中のイオンによるスパッタ現象やエッチング現象が減じられ、カバーリング１１８の消耗が少なくなって寿命が延びる。

なお、上記の実施例において、試料台１１１内の電極部材に供給される高周波バイアス電力のウエハ１１２が載置される載置面及びウエハ１１２を介したプラズマへのインピーダンスと高周波リング３０３及びその上方の誘電体製のカバーリング１０５とを介したプラズマへのインピーダンスの比が後者が前者の５倍以上である場合には、後者のプラズマとの結合がない、すなわち、実用上高周波リング３０３からの高周波バイアス電力がプラズマに透過しないと見なすことができる。

また、本実施例は、処理ガスが供給されるとともに内部が減圧排気され該処理ガスのプラズマが生成される処理室を形成する真空容器と、この処理室内に配置されその上面に処理対象のウエハを保持する試料台と、試料台のウエハ保持部を構成し高周波電源と接続されて高周波バイアス電力が印加される凸状の電極とを有し、高周波バイアス電力を印加しつつ処理室内に生成したプラズマを用いてウエハを処理するプラズマ処理装置において、電極のウエハ保持面の外周側に形成された段差部に電極の凸部を囲んで配置され、電極に印加された高周波バイアス電力が印加される導電体製のリング状部材と、リング状部材の上面及び内周側を覆って段差部に配置された誘電体材料で成るカバーとを備え、該カバーは高周波バイアス電力が印加されるリング状部材からプラズマへの高周波電力の透過を実質的に遮断するものであって、リング状部材の上面を試料台に配置されるウエハ上面より高くしたプラズマ処理装置を特徴とする。

また、本実施例は、内部が減圧される処理室内に配置された試料台の上面に処理対象のウエハを載せて保持し、処理室内に処理ガスのプラズマを形成し、高周波電源から高周波バイアス電力を試料台に印加しつつウエハを処理するプラズマ処理方法において、試料台のウエハ保持面の外周側に形成した段差部にその内側となる凸部を囲んでウエハ保持面に保持されるウエハの上面より高い上面を有する導電体製のリング状部材およびリング状部材の上面及び内周側を覆う誘電体材料で成るカバーを配置し、試料台を介してウエハに高周波バイアスを印加するとともに、試料台を介してリング状部材に印加される高周波バイアスのプラズマ側への透過をカバーによって遮断してウエハを処理するプラズマ処理方法を特徴とする。

以上の実施例では、マイクロ波ＥＣＲ放電を利用したエッチング装置を例に説明したが、他の放電（有磁場ＵＨＦ放電、容量結合型放電、誘導結合型放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、トランスファー・カップルド放電）を利用したドライエッチング装置においても同様の作用効果がある。また上記実施例では、エッチング装置について述べたが、高周波バイアスを用いたプラズマ処理を行うその他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置等についても同様の作用効果がある。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１０１ 真空容器
１０２ 誘電体窓
１０３ シャワープレート
１０４ ガス供給装置
１０５ 真空排気口
１０６ 真空排気装置
１０７ 導波管
１０８ マグネトロン
１０９ 磁場発生コイル
１１０ 処理室
１１１ 試料台
１１２ ウエハ
１１３ マッチング回路
１１４ 高周波電源
１１５ 高周波フィルター回路
１１６ 直流電源
１１７，１１７ａ 高周波リング
１１８，１１８ａ，１１８ｂ カバーリング
２０１，２０１ａ，２０１ｂ 等電位面
２０２，２０２ａ，２０２ｂ イオン軌道
２０３，２０３ａ，２０３ｂ プラズマイオンシース領域
２０４，２０４ａ，２０４ｂ プラズマ領域

Claims (10)

1. 処理ガスが供給され所定圧力に減圧排気された処理室内にプラズマを生成するとともに前記処理室内に設けた試料台に高周波バイアスを印加して前記試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理装置において、
   前記高周波バイアスが印加される前記試料台の前記試料外周の外側に配置されその上面の高さが前記試料台上に配置された前記試料より高い導体リングであって前記高周波バイアスが印加されてその上面が前記試料と同電位にされる導体リングと、当該導体リングの上方及び内周側を覆ってその上方に形成されるプラズマイオンシースを実質的にプラズマ生成のみによるものとする誘電体カバーとを備え、前記試料の処理中の前記導体リング上面の前記プラズマイオンシースの上端の高さが前記試料台に配置された試料上面のプラズマイオンシースの上端の高さより低くされたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 真空容器内に配置されその内部が減圧される処理室と、この処理室内に配置されその上面に載せられた処理対象のウエハを保持する試料台と、前記試料台内に配置され高周波電源と接続されて高周波バイアス電力が印加される電極とを有し、前記高周波バイアス電力を印加しつつ前記処理室内に形成したプラズマを用いて前記ウエハを処理するプラズマ処理装置であって、
   前記試料台の前記ウエハを保持する面の外周側でこれを囲んで配置された段差部に配置され、前記試料台内の電極に印加された高周波バイアス電力が印加されその上面が前記試料と同電位にされる導電体製のリング状部材であって前記上面の高さが前記試料台上に載せられた前記ウエハ上面より高いリング状部材と、当該リング状部材の上面及び内周側を覆って前記段差部に配置され誘電体材料により構成されたカバーとを備え、前記プラズマが前記処理室内に形成された状態で前記リング状部材に印加される前記高周波バイアス電力は前記プラズマに印加されないものであって、前記ウエハの処理中の前記リング状部材上方の前記プラズマイオンシースの上端の高さが前記試料台上の前記ウエハの上面上方のプラズマイオンシースの上端の高さより低くされたプラズマ処理装置。
3. 請求項２記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状部材の上面が前記ウエハ上面より高く５.０mm以下の範囲で高くされているプラズマ処理装置。
4. 請求項２乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状部材がその内周縁部に沿った表面にテーパー状の形状を有し、前記リング状部材の内周縁は前記ウエハの外周縁より１.０mm以上１０mm以下の範囲で大きいプラズマ処理装置。
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状部材の上面の上方の前記カバーの誘電体材料の厚さが１.０mm以上５.０mm以下の範囲であるプラズマ処理装置。
6. 処理ガスが供給され所定圧力に減圧排気された処理室内にプラズマを生成するとともに前記処理室内に設けた試料台に高周波バイアスを印加して前記試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理方法において、
   前記試料台に配置された試料の外周を囲んで外側に配置されその上面の高さが前記試料上面より高くされた導体製のリング状部材であって前記高周波バイアスが印加されてその上面が前記試料と同電位にされる導体製のリング状部材の前記上面上方に形成されるプラズマイオンシースを実質的にプラズマ生成のみによるプラズマイオンシース電位とし、前記試料の処理中において前記リング状部材の上方に形成されるプラズマイオンシース内の最下部の等電位面の高さを前記試料上面に形成されるプラズマイオンシースのものより高くし、最上部の高さを前記試料上面に形成されるものより低くして、前記試料を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 内部が減圧される処理室内に配置された試料台の上面に処理対象のウエハを載せて保持し、前記処理室内にプラズマを形成し、高周波電源から高周波バイアス電力を前記試料台内に配置された電極に印加しつつ前記ウエハを処理するプラズマ処理方法であって、
   前記試料台が、前記ウエハを保持する面の外周側でこれを囲んで配置された段差部に配置され、前記試料台内の電極に印加された高周波バイアス電力が印加されてその上面が前記試料台上面に載せられた前記ウエハと同電位にされる導電体製のリング状部材と、前記リング状部材の上面及び内周側を覆って前記段差部に配置され誘電体材料により構成されたカバーとを備え、かつ、前記リング状部材の上面が前記ウエハ上面より高くされたものであって、
   前記プラズマが前記処理室内に形成された状態で前記リング状部材に印加される前記高周波バイアス電力は前記プラズマに印加されない状態で、前記リング状部材の上方に形成されるプラズマイオンシースの上端の高さを前記ウエハ上面上方に形成されるプラズマイオンシースの上端の高さより低くして前記ウエハを処理するプラズマ処理方法。
8. 請求項７記載のプラズマ処理方法であって、前記リング状部材の上面が前記ウエハ上面より高く５.０mm以下の範囲で高くされるプラズマ処理方法。
9. 請求項７乃至８のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、前記リング状部材がその内周縁部に沿った表面にテーパー状の形状を有し、前記リング状部材の内周縁は前記ウエハの外周縁より１.０mm以上１０mm以下の範囲で大きいプラズマ処理方法。
10. 請求項７乃至９のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、前記リング状部材の上面の上方の前記カバーの誘電体材料の厚さが１.０mm以上５.０mm以下の範囲であるプラズマ処理方法。