JPH02244624A

JPH02244624A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH02244624A
Application number: JP6462789A
Authority: JP
Inventors: Koji Koizumi; 小泉　浩治; Keizo Hirose; 圭三広瀬; Toshiharu Nishimura; 俊治西村
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1989-03-16
Filing date: 1989-03-16
Publication date: 1990-09-28

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、プラズマ処理装置に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）半導体製造装置に用いられるプラズマ処理装置、例えば
プラズマエツチング装置では、膜質や膜厚の均一性の向
上を図るため、減圧下での処理をおこなっている。

特に、４ＭＤＲＡＭ以降の量産型ドライエツチング方式
として、それぞれ平行に配置された上部電極、中間電極
、ウェハを載置する下部電極を真空容器内に設置し、中
間電極を接地し、上部、下部電極にＲＦ電源を接続した
トライオードエツチング方式が注目されている。

上記プラズマプロセスでは、プラズマの状態や被処理体
であるウェハの温度だけでなく、ガス流やその密度分布
が関係しており、これがウェハのエツチングレートの面
内均一性に大きく影響することが分かっている。

すなわち、エツチングガスは上部電極及び中間電極の開
口部をそれぞれ通過して、前記下部電極上のウェハに接
することになるが、上部電極中央上方にあるガス導入部
と、下部電極の周辺側方の下方にあるガス排出部との位
置関係から、特にウェハ表面上にてウェハ中心より周辺
に向かう流れが強く、このため密度分布が悪化してエツ
チングレートの面内均一性が良好でなかった。

そこで、本発明はエツチングレート又はデポジションレ
ート等のプラズマ処理の際の市内均一性を改善すること
を目的とし、被処理体に接するガスの密度分布を数値シ
ミュレーションによって解析し、上記均一性を改善でき
るプラズマ処理装置を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）第１の発明は、被処理体の被処理面に反応ガス流を形成
してプラズマ処理する装置において、上記ガス流を被処
理面の中央部に比較して周辺部で変速になるようにした
ことを特徴とする。

第２の発明は、エツチングガスの通過する開口部を有す
る第１．第２の電極と、被処理体を支持する第３の電極
とをそれぞれ離間して真空容器内に配置したプラズマエ
ツチング装置において、上記第１．第２の電極の一方も
しくは双方の開口部の開口率分布を、中心で小とし周辺
で大としたことを特徴とする。

第３の発明は、上記プラズマエツチング装置において、
上記真空容器内またはガス導入部にエツチングガスの流
速を低下させる手段を配置したことを特徴とする。

（作　用）第１の発明によれば、被処理体の中央部と周辺部とでガ
ス流を変速としているので、プラズマ処理の被処理体面
内均一性を悪化するガス流を弱めることができ、市内均
一性を高めることができる。

第２の発明よれば、第１の電極、第２の電極の中心側の
開口率分布が周辺に比べて低いので、被処理体の表面付
近の反応ガスは、その中心より周辺に向かうという従来
の流れの傾向が弱くなり、むしろ被処理体表面付近では
反応ガスの澱みが生ずる。このように、被処理体付近に
て反応ガスの上流　下流という区別を不明確にしたガス
の密度分布とすることで、反応ガスの被処理体面上での
密度の差を低減し、プラズマ処理の際の面内均一性を改
善している。

第３の発明によれば、真空室内の反応ガスの流速が弱め
られる。したがって、第１の電極あるいは第２の電極の
開口部を介して被処理体に接する反応ガスの強い流れが
緩和され、真空室内に拡散して被処理体の中心から周辺
に亘って比較的均一なガス密度を実現することができる
。これによってプラズマ処理の際の面内均一性を改善で
きる。

（実施例）以下、本発明を４ＭＤＲＡＭ用のプラズマエツチング装
置に適用した一実施例について、図面を参照して具体的
に説明する。

このドライエツチング装置は、第１図に示すように、そ
れぞれ平行に配置された第１の電極である上部電極１．
第２の電極であるグリッド（中間電極）２、及び第３の
電極である下部電極３の３つの電極を、真空容器である
チャンバー６内に有し、上記グリッド２を接地し、上部
電極１、下部電極３にそれぞれＲＦ電源４．５を接続し
たトライオードエツチング方式を採用している。

このような構成により、プロセスパラメータの自由度が
大きくとれ、また、プラズマエツチャーとＲＩ　Ｅ　（
Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）とを組み
合わせた形となっているので、両方の利点を引き出した
エツチングが可能となる。

また、本装置では、上部電極１とグリッド２との間の放
電で主にエッチャントの生成を行い、ここでの放電では
下部電極３上に載置したウェハ７に直接接触しないため
、ウェハ７にダメージを与えることなく大電力を加える
ことができ、高密度のプラズマの生成が可能となる。

また、グリッド２．下部電極３間での放電では、エッチ
ャントの生成とイオンエネルギーの制御とを行う。

このように、エッチャントの生成とイオンエネルギーの
制御を独立に行える点にトライオード方式の大きな利点
がある。

以下、本装置の各構成部材について説明する。

前記上部電極１は、シャワーヘッド状の形状となってい
て、中空容器の中央上端をガス導入口］ａとし、これと
対向する位置に多数の開口部］ｂを有している。尚、開
口率は８．８％となっている。また、上部電極】に冷却
液が循環する冷却方式が採用されている。

また、上記ＲＦ電源４からのＲＦ電力は、マツチングボ
ックス（図示せず）から銅板を介して電極に供給される
ようになっている。そして、この上部電極１は、絶縁リ
ングＩＣをスペーサとして挾み、前記グリッド２を取り
付けている。

グリッド２は、チャンバー６の内壁に直接接続され、チ
ャンバー６と一体にアースをとっている。

そして、このグリッド２は、所定範囲に開口部２ａを有
している。尚、開口率は６２．５％となっている。

この上部電極１とグリッド２とのギャップ間隔は、上記
絶縁リング１ｃを交換することにより調整可能である。

前記下＃電極３は、例えば８インチウェハが載置可能な
大きさとなっていて、８インチ以下の大きさのウェハ７
を使用する場合は、フォーカスリング（図示せず）を取
り付けることができる。

また、この下部電極３上にロードロックチャンバー８か
らウェハ７を設定するために、図示しないウェハリフト
が配置されている。なお、この下部電極３も上記上部電
極ｌと同様に冷却水を電極内に循環可能となっている。

さらに、この下部電極３へのＲＦ電力の供給は、下部電
極端子をチャンバー６の下部まで出し、そこにＲＦケー
ブルを接続することで実行している。

なお、上記下部電極３をマニュアルで上下させて、グリ
ッド２とのギャップを調整可能とすることもできる。

前記チャンバー６の下部には排気ボート１０が設けられ
、この排気ボート１０には圧力調整用のＡ、、Ｐ、Ｃ（
＾ｕｔｏ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　）バル
ブ１〕、コンダクタンスバルブ１２．ターボ分子ポンプ
（Ｔ、Ｍ、Ｐ）　１３及びロータリーポンプ（Ｒ，Ｐ）
１４がそれぞれ接続されている。また、上に己ロードロ
ックチャンバー８１こもバルブ１５を介してロータリー
ポンプ（Ｒ，Ｐ）１６が接続されている。

ガス供給系として、本実施例では複数種のエツチングガ
スを上記チャンバー６に導入できるようになっていて、
各ガス系の供給流量はマスフローコントローラ（Ｍ、Ｆ
、Ｃ）１８によって制御可能となっている。

次に、本発明の特徴的構成について説明する。

まず、第１．第２の発明を適用した例について説明する
と、第１図に示す上部電極１またはグリッド２の開口部
１ｂ、２ａの開口率分布を中心で小とし、周辺で大とす
るために、グリッド２の開口部２ａの中心部にシールを
施して、エツチングガス流のシミュレーションを拡散モ
デルとして取り扱って数値解析してみた。

他の条件と比較をとるために、シールの有無。

シールの位置のみを変えた下記の１〜４の各ケースにつ
いてシミュレーションを実施した。

ケースト・・シールが無い場合（比較例）ケース２・・
・シールをグリッド２の周辺部に施した場合（比較例）ケース３・・・シールをグリッド２の中心部に施した場
合（第１の発明の一態様）ケース４・・・シールを上部電極の周辺部に施した場合
（比較例）上記各条件で、圧力０．　１〜０．　５Ｔｏｒｒ、ガス
流１００〜５００ｓｅｃｍにて数値実験したところ、ウ
ェハ７上のガスの密度は下記の通りであった。

（以下、余白）ここでの密度は、解析領域中の最小値を引いて、さらに
この密度基の最大値で割って規格化した値を示している
。また均一性の計算においてはガスの密度の最小値が０
でないための修正を行っている。

上記表より明らかなように、電極の周辺をシルした場合
（ケース２，４）には、シールがない場合（ケース］）
に比べてかえって均一性が悪化してしまうが、シールを
電極中心部に設け、開口率分布として中心を小とし、周
辺を大とした場合（ケース３）には、シールが無い場合
（ケース１）に比べて均一性が改善されることが確認で
きた。

尚、上記解析は粘性を考慮しない拡散モデルにて行った
が、別個に実施した粘性流解析でも、はぼ同様な結果を
得ることができた。

これは、第２図（Ａ）に流束（流速×密度）分布を示す
ように、ウェハ７の表面付近ではガス流の上流、下流と
いう区別が少なくなり、上記領域にてエツチングガスの
澱みを生ずるからである。

シールが無い場合には、同図（Ｂ）に示すように、上部
電極１−、グリッド２の中心側からウェハ７の中心に向
けて流れるガスが、さらにウェハ７表面にて、その中心
より周辺に流れる傾向が強くなり、流れの上流であるウ
ェハ７の中心で密度が高く、下流であるウェハ７の周辺
のガス密度が低くなり、両者間での密度差がかなり大き
かった。この傾向は、シールを電極周辺につけた場合に
さらに助長されるので、上記のような表の結果が生じて
いる。

このように、電極の周辺と中心とで開口率分布に差を付
ける方法としては、上記実験ではぞの簡易な手法として
シールを電極中央に施すものとした。これに限らず、電
極の中心１周辺で開口部ｌｂ、２ａの大きさ、数等を異
ならせるものてもよい。

次に、第３の発明の特徴的構成について説明する。

第３の発明は、例えば真空容器であるチャンバー６ある
いはこのチャンバー６へのガス導入口１ａに、エツチン
グガスのガス流速を低下させる手段を設けることである
。このためには、第３図（Ａ、　）に示すように、前記
ガス導入口１ａ内に多孔性の拡散板２０を設けるか、同
図（Ｂ）に示すように上部電極１内に同様な拡散板２２
を設ける等の構成を挙げることができる。

この上記各拡散板２０．２２は、この拡散板をガスの流
れの抵抗として作用させることで、ここを通過した後の
ガス流速を低下させるものである。

この構成の作用は下記の通りである。

例えばガスを粘性流として取り扱って数値解析する場合
のガスの密度をρとした場合、実際の密度ｎは、ｎ−ｎｌ−ｌ０Ｘり　　（Ｍ’　ｐ）−（１）と求めら
れ、密度比は密度比−ｅｘｐ　　（Ｍ’δρ）　　　　・・・（２）
として求められる。

上記各式で、Ｍはガス導入口１ａ付近でのガス流速を音
速で割ったマツハ数であり、δρは密度ρのウェハ７上
での最大値と最少値との差を示している。

ここで、ガス導入口Ｊａ付近の流速を、熱速度でガスが
流入する場合の系の代表的な速度であるＭ−１とすると
、上記式（２）でＪ１算される密度比は数値上かなり大
きくなってしまう。この速度が例えば１／２になれば密
度比は］／４となり、すなわちガス流速が音速に比べて
小さくなればその２乗の割合で密度比が小さくなること
が分かる。

これは、たとえ密度ρの最大１最小の差δρが所定値で
あったとしても、ガス導入口１．　ａ付近でのガスの流
速が音速に比べて低ければ、密度差を小さくできること
を意味している。

これを現象的に説明すれば、チャンバー６内でのエツチ
ングガスの流速が小さくなれば、第２図（Ｂ）のように
ウェハ７の近傍で上流、下流の明確な流れが抑制され、
チャンバー６内の全域にガスが拡散し密度がより均一に
なる傾向があるので、ウェハ７の表面付近でのガス密度
の分布が改善され、エツチングレートの面内均一性が向
上することになる。

以上の作用、効果は、上部電極１の開口１ｂに達する以
前のガス流速が充分低下したものであれば、上部電極〕
、グリッド２の各開口１ｂ、２ａにて充分に拡散され、
より効果的に得ることができる。

なお、上記効果を得るためには、ウェハ６の近傍にて流
速が低くガスが拡散するものであっても良く、例えば上
部電極１とグリッド２との間に、あるいはグリッド２の
下方に同様な拡散板等の流速を低下させる手段を設ける
ものでも良い。ただし、この間ではプラズマが生成され
るので、これを阻害しない構成を採用する必要がある。

また、流速を低下させる手段としては上記のような拡散
板２０．２２に限らず、このような流速低下手段の開口
率分布として、第２の発明を適用することも可能である
。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

本発明を他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ
等に適用できることは説明するまでもない。

［発明の効果］以上説明したように、第１の発明によれば被処理体の中
央部と周辺部とでガス流を変速としているので、プラズ
マ処理の際の面内均一性を悪化するガス流を抑制できる
。

第２の発明によれば、ガスが通過する電極の開口率分布
として、中心部を小とし周辺を大とする構成を採用する
ことで、被処理体表面付近にてガスの澱みを生じさせ、
ガス密度の差を少なくすることで、例えばエツチングレ
ート又はデポジションレート等の面内均一性を向上する
ことができる。

第３の発明によれば、真空室内でのガスの流速を低下さ
せることで、被処理体の表面付近でのガスの明確な強い
流れを生じさせずに、全域に拡散させることにより、密
度差をなくしてエツチングレートまたはデポジションレ
ート等の面内均一性を向」−１することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明が適用されるプラズマエツチング装置
の概略断面図、第２図（Ａ）は、第１．第２の発明を適用した際の、真
空室内でのガスの流束分布を説明するための概略説明図
、同図（Ｂ）は、ウェハ表面イ・１近にて上流、下流が
明確に生ずる従来装置でのガスの流束分布を説明するた
めの概略説明図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は、第３の発明
を適用した各実施例を説明するための概略断面図である
。第１図Ｑ１・・・第１の電極（上部電極）、２・・第２の電極（グリッド）、３・・・第３の電極（下部電極）、６・・・真空容器、７・・・被処理体、２０．２２・・
・拡散板。代理人　弁理士　井　」二　　−（他１名）第図（Ａ）ウェハ７、ｅウニ八用達ＣＢ）ウニへ丁七・ウニ八用達第図（Ａ）（Ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被処理体の被処理面に反応ガス流を形成してプラ
ズマ処理する装置において、上記ガス流を被処理面の中央部に比較して周辺部で変速
になるようにしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
（２）反応ガスの通過する開口部を有する第１、第２の
電極と、被処理体を支持する第３の電極とをそれぞれ離
間して真空容器内に配置したプラズマ処理装置において
、上記第１、第２の電極の一方もしくは双方の開口部の開
口率分布を、中心で小とし周辺で大としたことを特徴と
するプラズマ処理装置。
（３）反応ガスの通過する開口部を有する第１、第２の
電極と、被処理体を支持する第３の電極とをそれぞれ離
間して真空容器内に配置したプラズマ処理装置において
、上記真空容器内またはガス導入部にエッチングガスの流
速を低下させる手段を配置したことを特徴とするプラズ
マ処理装置。