JPH0613344A

JPH0613344A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH0613344A
Application number: JP19320692A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ogasawara; 正宏小笠原; Teruaki Kubo; 輝明久保; Jun Yashiro; 潤屋代; Yoshifumi Tawara; 好文田原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1994-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】被処理体の面内に渡って加工形状の均一化を
図る。【構成】処理容器８内に対向させて平行に設けた電極
３６、４２の内の一方の電極、例えば上部電極４２を被
処理体Ｗに向けて突状に成形する。これにより、大口径
化に伴うエッチング加工形状を被処理体Ｗの面内に渡っ
て均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体製造工程においては、半
導体ウエハにエッチング等の所望の処理を施す場合に
は、プラズマ処理装置を用いる場合がある。このプラズ
マ処理装置は、例えば処理容器内に所定の間隙を隔てて
平行に対向させて設けられた上部電極と下部電極を有
し、これらの間に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源
を印加して両電極間にプラズマを発生させるようになっ
ている。そして、このプラズマを用いて下部電極上に吸
着保持されたウエハの表面にエッチング等のプラズマ処
理を施すようになっている。また、処理装置としては、
処理容器の天井部自体が上部電極として兼用されている
形式のものも知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的に
は、上部電極及び下部電極は共に平板状に成形されてお
り、これらの両電極間にプラズマを発生させるのである
が、ここに発生するプラズマ中のイオンや活性種の量が
ウエハ面内において均一にならず、また、これらのイオ
ンや活性種のエネルギ分布が十分に揃えられていないこ
とから、例えばウエハ表面にコンタクトホール等をエッ
チング形成する場合には、ウエハの中心部に位置するコ
ンタクトホールとウエハの周縁部に位置するコンタクト
ホールとの間において断面形状等に差異が生じ、コンタ
クトホールの形状が面内において均一にならないという
改善点があった。

【０００４】このようなエッチング形状の不一致は、ウ
エハの口径が小さく、しかも集積度の小さい例えば１Ｍ
ＤＲＡＭ以下の集積回路を形成する場合には、あまり問
題とはならなかったが、ウエハの大口径化に伴い、また
容量が１６ＭＤＲＡＭ、６４ＭＤＲＡＭと増加して微細
化傾向が著しくなるにつれて無視し得ない問題となって
きた。図６（Ａ）は、例えば１６ＭＤＲＡＭの集積回路
を製造するときに必要とされる直径０．５μｍアスペク
ト比４のコンタクトホールを形成したときのウエハセン
タのコンタクトホールの断面図を示し、図６（Ｂ）はそ
の時のウエハエッジのコンタクトホールの断面図を示
す。この図はシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）２上に塗布し
たレジスト４を保護膜としてプラズマエッチングした時
の状態を示す。図から明らかなように図６（Ａ）に示す
ウエハセンタのコンタクトホールのテーパ角α１は、図
６（Ｂ）に示すウエハエッジのコンタクトホールのテー
パ角α２よりも小さくなっており、ホール径すなわち加
工形状が異なってしまう。

【０００５】また、図７（Ａ）は例えば６４ＭＤＲＡＭ
の集積回路を製造するときに必要とされる直径０．４μ
ｍアスペクト比４のコンタクトホールを形成したときの
ウエハセンタのコンタクトホールの断面図を示し、図７
（Ｂ）はその時のウエハエッジのコンタクトホールの断
面図を示す。この場合には、図７（Ａ）に示すウエハセ
ンタのコンタクトホールのテーパ角α３は、図７（Ｂ）
に示すウエハエッジのコンタクトホールのテーパ角α４
よりも小さくなって、ホール径すなわち加工形状が異な
ることは勿論のこと、図７（Ａ）に示すようにホールの
底部６を十分に抜くことができないという問題点も発生
していた。

【０００６】また、上述したようなウエハ面内における
加工形状の不均一化という問題について、エッチングす
べき対象物が異なった場合、例えば酸化膜上に形成した
ポリシリコンをエッチングする場合についてもウエハ面
内で加工形状を均一にすることができないという改善点
も有していた。本発明は、以上のような問題点に着目
し、これを有効に解決すべく創案されたものであり、そ
の目的は、被処理体に対向する電極を突状に形成するこ
とにより被処理体の面内に渡って加工形状の均一化を図
るプラズマ処理装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、処理容器内に相互に対向させて平行に
設けられた２つの電極のいずれか一方に被処理体を載置
して前記被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装
置において、前記被処理体に対向する電極は、前記被処
理体に向けて突状に形成したものである。

【０００８】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、平行に
設けた電極間にプラズマを発生させたときに、一方の電
極を突状に形成したことからエッチングに寄与するイオ
ンや活性種の量が被処理体の面内において均一に分布さ
れる様になる一つの手段であり、その結果、プラズマに
よる加工形状が面内において略同一となる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一
実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に
係るプラズマ処理装置の一実施例を示す断面図、図２は
図１に示すプラズマ処理装置の要部を示す要部拡大図で
ある。本実施例にあってはプラズマ処理装置としてプラ
ズマエッチング装置を例にとって説明する。図示するよ
うにこのプラズマエッチング装置は、例えばステンレス
等により円筒体状に成型された処理容器８と、この処理
容器８内で被処理体、例えば半導体ウエハＷを吸着保持
する静電チャック部１０と、処理容器８内のウエハ面と
平行する方向に磁界を発生させるためのマグネット部１
２と、処理容器８内にプラズマを発生させるための高周
波電源１４とにより主に構成されている。

【００１０】上記処理容器８は、天井部を有して下方が
開放された上側容器８Ａとその開放部を開閉可能に塞ぐ
底部８Ｂとよりなり、この上側容器８Ａの下部側壁には
排気口１６が形成されると共にこの排気口１６には真空
ポンプ１８が接続されており、処理容器８内を例えば１
０^-6Ｔｏｒｒ程度まで真空引きできるように構成され
る。また、上側容器８Ａの天井部にはエッチングガスを
供給するためのガス導入孔２０が形成されると共にこの
ガス導入孔２０には例えば塩素ガス等のエッチングガス
の供給源であるエッチングガス供給ユニット２２が接続
される。

【００１１】また、上記マグネット部１２は、処理容器
８内の電極間においてウエハ表面に平行な水平磁場を形
成する機能を有し、支持部材２４に支持された永久磁石
２６とこれを水平面内に回転させるモータ２８とにより
構成されている。上記静電チャック部１０は、上記底部
８Ｂ上に例えばセラミックス等により容器状に成型され
た電気絶縁部３０及び温度調整ブロック３２を介して処
理容器８内に位置されている。上記温度調整ブロック３
２には冷却流体等を循環させる流体通路３４が形成され
る。

【００１２】この静電チャック部１０内の導体には、周
縁部から絶縁されたリード４４により開閉スイッチ４６
を介して、例えば２ＫＶの高圧直流源４８へ接続されて
おり、ウエハＷをクーロン力により吸着保持し得るよう
に構成される。上記静電チャック部１０の下部には、プ
ラズマ用電極として、例えばアルミニウム等により成形
された肉厚な円板状の下部電極３６が設けられ、この下
部電極は、開閉スイッチ３８、コンデンサ４０を介して
前記高周波電源１４へ接続されている。また、処理容器
８の上側容器８Ａは接地されており、上部電極４２とし
て構成されている。従って、この上部電極４２と下部電
極３６とにより平行電極が構成されることになる。

【００１３】そして、上側容器８Ａの天井部と兼用され
る上部電極４２は、上記ウエハＷに向けて図示例にあっ
ては下方向へ突状に形成される。具体的には、上部電極
４２の突部５０は、ウエハＷの中心点０に向けて突出さ
れた球体の一部として構成され、その先端部、すなわち
下端部は水平方向に平坦に切断されたように第１の平坦
面５２として形成される。この第１の平坦面５２の外周
に連続する部分は、上部電極４２の半径方向外方へ向か
うに従ってウエハＷとの間の距離が次第に大きくなるよ
うな曲面５４として構成される。特に、本実施例におい
てはこの曲面５４は、所定の大きさの半径の球の一部と
して構成される。この曲面５４の終端Ｐ２は、これに対
向するウエハＷの円周端５６よりも僅かな距離だけ内
側、すなわち半径方向内方に位置されている。

【００１４】この曲面５４の終端Ｐ２に連続する部分、
すなわちウエハＷの周縁部に対向する部分は平坦になさ
れて第２の平坦面５８として形成され、そのまま上側容
器８Ａの天井部表面に連続することになる。上部電極４
２の突部５０の最適形状は、後述するように多数の実験
結果により導き出されるが、第１の平坦面５２の半径Ｒ
１をウエハＷの半径Ｒの５５％±５％の範囲内の大きさ
に設定し、第２の平坦面５８の開始点、すなわち曲面５
４の終端Ｐ２の半径Ｒ２は、ウエハＷの半径Ｒの９０％
±５％の範囲内に設定するのが好ましい。

【００１５】また、曲面５４の曲率は、例えばウエハと
して８インチの大きさのものを用いた場合には例えば半
径９８ｍｍ程度に設定し、この時、上部電極４２の第１
の平坦面５２の中心とウエハＷとの間の距離（ギャッ
プ）Ｌ１を例えば１４ｍｍ程度に設定すると共に第２の
平坦面５８とウエハＷとの間の距離Ｌ２を例えば３８ｍ
ｍに設定するのが好ましい。これらの距離の値は、ウエ
ハの大きさに対応させて適宜変更するのは勿論である。

【００１６】そして、上記突部５０を含んだ上部電極４
２には多数のガス導入孔２０が、上部電極４２の途中ま
で例えば１５ｍｍ程度のピッチでもって多数形成される
と共に各ガス導入孔２０の下端部には、図２に示すよう
に下方の処理空間に連通する直径０．５ｍｍ程度のガス
噴射孔６０が形成されており、処理空間にエッチングガ
スを供給するようになっている。尚、図１中において６
２は、ガス供給路６４を介して静電チャック部１０とウ
エハＷとの間に、例えばＨｅ、Ｏ₂ 、Ａｒ、Ｎ₂ 等の熱
伝達ガスを供給するための熱伝達ガス供給ユニットであ
る。

【００１７】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、図示しないゲードベン等
を介して処理容器８内へ搬入されたウエハＷは、静電チ
ャック部１０上に載置されて、ここに静電チャックされ
て吸着保持される。そして、エッチングガス供給ユニッ
ト２２からエッチングガスを容器内へ供給しつつ真空ポ
ンプ１８によって処理容器８内を真空引きする。そし
て、容器内圧力を例えば１０^-1〜１０^-3Ｔｏｒｒ程度に
維持しつつ高周波電源１４により上部及び下部電極４
２、３６間に高周波を印加し、プラズマを発生させてウ
エハＷに対してプラズマ処理を施す。

【００１８】この時、処理容器８の上方の永久磁石２６
を回転させて電極間に水平磁場を形成することにより、
ここに存在する電子がサイクロン運動を行い、電子がエ
ッチングガスの分子に衝突することによって分子の解離
が加速されてプラズマ化が促進される。そして、発生し
たプラズマ等がウエハ表面に作用し、エッチングが行わ
れる。この場合、プラズマ放電中において活性化された
分子やイオンなどの活性種がウエハＷの表面に作用する
ことになるが、本実施例にあっては上部電極４２の下面
にウエハＷに突き出た突部５０が形成されているので上
記活性種等がウエハ表面全域に渡って略均等に作用する
ことになる。このために、エッチングによって形成され
るコンタクトホール等の加工形状をウエハ面内に渡って
揃えて均一化することができる。例えば、ウエハセンタ
部のコンタクトホールとウエハエッジ部のコンタクトホ
ールの断面形状を比較した場合、従来装置を使用した場
合にあっては、図６及び図７に示したようにそれぞれの
ホールのテーパ角αは明らかに大きく異なっていて加工
形状が異なるが、本発明の装置を使用した場合には、図
３に示すようにＳｉＯ₂ 膜２上に形成したレジスト４を
保護膜としてコンタクトホール６６を形成したとき、コ
ンタクトホール６６のテーパ角α５は、コンタクトホー
ルの形成場所に関係なく、すなわち、コンタクトホール
６６がウエハのセンタ部、ミドル部、エッジ部のどこに
形成されようが約８７°以上に維持することができ、加
工形状をウエハ面内に渡って均一化することができた。

【００１９】また、この本実施例の装置を用いて図４に
示すようにＳｉ基板６８上のＳｉＯ₂ 層７０上に形成さ
れたポリシリコン層７２にレジスト７４を保護膜として
エッチング処理を施したところ、図４（Ａ）に示すよう
にウエハのセンター部、ミドル部、エッジ部共にポリシ
リコン層７２に対するサイドエッチはほとんど見られ
ず、加工形状をウエハ面内に渡って均一化できた。これ
に対して、従来装置を用いた場合には、エッジ部の形状
は図４（Ａ）に示す形状だが、センター部は図４（Ｂ）
に示すようにポリシリコン層７２に対してサイドエッチ
７６が形成されている様にウエハ面内で加工形状が不均
一であった。このように、上部電極４２を突状に形成す
ることにより、プラズマにより発生するイオンや活性種
の量及びエッチングに関与するエネルギーがウエハ面内
で均一化されたため、その結果として加工形状をウエハ
面内に渡って均一化できたと考えられる。

【００２０】ここで、上部電極４２の突部５０の最適化
形状を得るための実験結果を表１に基づいて説明する。

【００２１】

【表１】

【００２２】上記表１は、従来の平行平板マグネトロン
エッチング装置において、平板の上部電極と平板の下部
電極上に載置したウエハとの間の距離Ｌ１を１４ｍｍ〜
３７ｍｍまで段階的に徐々に変化させてエッチング処理
を施してコンタクトホールを形成したとき、ウエハの中
心点から各コンタクトホールまでの距離の相異に応じて
コンタクトホールのテーパ角がどのように変化するかを
実験により示すデータである。尚、実験には８インチウ
エハを用い、コンタクトホール径を０．５μｍアスペク
ト比４に設定した。また、反応条件としては、容器内圧
力を４０ｍＴｏｒｒに維持し、高周波電源の出力を１６
００Ｗに設定し、エッチングガスとしてはＣＨＦ₃ ／Ｃ
Ｏをそれぞれ３０／１７０ＳＣＣＭの流量で供給し、上
部電極の温度、側壁の温度及び下部電極の温度はそれぞ
れ６０℃、６０℃及び２０℃に維持し、５０％のオーバ
エッチングを行った。

【００２３】表１においてボーイングとはホール断面形
状が弓状に曲がった状態を示し、空白部分は、テーパ角
が大幅に小さくなっている部分を示す。また、斜線部分
は良好な値を示した部分を示す。尚、コンタクトホール
のテーパ角は８７°〜９０°を望み、ボーイング形状は
好ましくない。表１から明らかなように、斜線部分に注
目するとウエハの中心点からコンタクトホールまでの距
離が０ｍｍ〜５５ｍｍ程度までの範囲は、ギャップＬ１
の値は１４ｍｍが良好であり（図１の第１の平坦面５２
に対応する）、距離が５５ｍｍから更に大きくなるに従
ってギャップＬ１の値を１７ｍｍ、２２ｍｍと次第に大
きく設定するのが良好であり（図１の曲面５４に対応す
る）、更に距離が９０ｍｍ程度に達するとギャップＬ１
の値を３７ｍｍに設定して平坦にするのが良好である
（図１の第２の平坦面５８に対応する）。

【００２４】表１に示した斜線部分に基づいて規定され
る形状の上部電極、すなわち図１及び図２に示す形状の
上部電極を用いて実際にウエハに対してエッチング処理
を施したところ、前述のようにウエハ面内に渡って加工
形状の均一なコンタクトホールを得ることができた。本
実施例における第１の平坦面５２の半径Ｒ１の大きさ及
び第２の平坦面５８の半径の大きさＲ２は単に例示した
に過ぎず、ウエハ径等に応じて変動させる。また、突部
５０の曲面５４は球体の一部として構成されているがこ
れに限定されず、上部電極の下面とウエハとの間の距離
を、ウエハ中心からその半径方向外方に行くに従って同
一である部分を含めて順次大きくなるように設定するの
であるならば、上部電極の形状は問わない。例えば突部
５０の曲面５４を円錐の一部として断面直線状に形成し
てもよいし、また、図示例とは逆に上方向へ湾曲するよ
うに構成してもよいし、その形状は問わない。

【００２５】更には、図示例のように上部電極４２の一
部に突部５０を形成するのではなく、図５に示すよう
に、上部電極自体を、所定の半径の球体の一部となるよ
うにして上部電極４２の下面全域を曲面形状に成形する
ようにしてもよい。また、本発明は、上部電極４２にガ
ス噴射孔を設けない形式の装置にも適用し得るし、上部
電極と処理容器の天井部とを兼用しない別構造の形式の
装置にも適用し得る。上記実施例にあっては、本発明を
プラズマエッチング装置に適用した場合について説明し
たが、これに限定されず、プラズマＣＶＤ装置、スパッ
タリング装置、アッシング装置等にも適用し得るのは勿
論である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような優れた作用効果を発揮することができる。電極
を被処理体に向けて突状に形成することにより、プラズ
マによる加工形状を被処理体の面内に渡って均一化する
ことができる。従って、被処理体の大口径化及び加工の
微細化傾向に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を示
す断面図である。

【図２】図１に示すプラズマ処理装置の要部を示す要部
拡大図である。

【図３】本発明の装置を用いて形成されるコンタクトホ
ールを示す断面図である。

【図４】本発明の装置と従来の装置とによりポリシリコ
ンをエッチングしたときの状態を比較するための比較図
である。

【図５】本発明の他の実施例の要部を示す拡大断面図で
ある。

【図６】従来のエッチング装置により形成されたコンタ
クトホールを示す断面図である。

【図７】従来のエッチング装置により形成されたコンタ
クトホールを示す断面図である。

【符号の説明】

８処理容器８Ａ上側容器１４高周波電源２０ガス導入孔３６下部電極（電極）４２上部電極（電極）５０突部５２第１の平坦面５４曲面５８第２の平坦面６６コンタクトホールＲ１第１の平坦面の半径Ｒ２第２の平坦面の開始点の半径Ｗ半導体ウエハ（被処理体） α５テーパ角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田原好文東京都新宿区西新宿２丁目３番１号東京エレクトロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理容器内に相互に対向させて平行に設
けられた２つの電極のいずれか一方に被処理体を載置し
て前記被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置
において、前記被処理体に対向する電極は、前記被処理
体に向けて突状に形成されることを特徴とするプラズマ
処理装置。
【請求項２】前記被処理体に対向する電極は、その中
央においては前記被処理体の半径の半分程度までは第１
の平坦面として形成され、更に、半径方向外方に向かう
に従って前記被処理体との間の距離が大きくなるような
曲面として形成され、前記被処理体の周縁部に対向する
部分は第２の平坦面として形成されることを特徴とする
請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記電極の第１の平坦面の半径は、前記
被処理体の半径の５５％±５％の範囲内の大きさに設定
され、前記第２の平坦面の開始点の半径は、前記被処理
体の半径の９０％±５％の範囲内の大きさに設定される
ことを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。