JPH07335633A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 マイクロ波導入窓４５と試料保持部４２ａと
の間に設けられ、マイクロ波透過孔を有するア−スされ
た電極手段である金属板１１の内部にガスバッファ室１
１ａが設けられ、金属板１１の試料保持部４２ａと対向
する面にガスバッファ室１１ａから試料保持部４２ａへ
向かってガスを吹き出させるための複数の小孔１３が形
成されているプラズマ処理装置。 【効果】 小孔１３から試料Ｓの処理面に対して反応ガ
スを垂直かつ均一に吹き出させて前記反応ガスを効率よ
く試料Ｓの処理面に直接的に到達させることができるの
で、前記反応ガスの利用効率を向上させることができ、
エッチレ−トの均一性及び選択比の均一性等、処理の均
一性を向上させることができる。

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に関
し、より詳細にはプラズマを利用して半導体素子基板等
の試料に対してエッチングまたは薄膜形成等の処理を施
すプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】減圧、低ガス圧力下にある真空容器内
に、マイクロ波を導入することによりガス放電を起こさ
せてプラズマを生成させ、該プラズマを試料としての基
板の表面に照射することによりエッチングや薄膜形成等
の処理を行なわせるプラズマ処理装置は、高集積半導体
素子等の製造に欠かせないものとしてその研究開発が進
められている。特に、プラズマの生成と生成されたプラ
ズマ中のイオンの加速とをそれぞれ独立に制御できるよ
うなプラズマ処理装置は、ドライエッチング技術および
薄膜形成における埋め込み技術において望まれるように
なってきている。

【０００３】図４は従来のプラズマ処理装置４００を示
したものであり、プラズマの生成とプラズマ中のイオン
の加速とをそれぞれ独立に制御することができるプラズ
マエッチング装置を模式的に示した断面図である。図中
４０は中空直方体形状の反応器を示している。反応器４
０はアルミニウム、ステンレス等の金属により形成さ
れ、その周囲壁は二重構造となっており、該二重構造の
内部には冷却水の通路となる空洞５０が形成されてい
る。空洞５０の内側には反応室４１が形成されており、
また反応器４０の上部はマイクロ波の透過性を有してお
り、誘電損失が小さくかつ耐熱性を有する、例えば石英
ガラスまたはＡｌ₂ Ｏ₃ 等の耐熱性板を用いて形成され
たマイクロ波導入窓４５によって気密状態に封止されて
いる。

【０００４】反応器４０の上方にはマイクロ波導入窓４
５と所定の間隔をおいて対向し、マイクロ波導入窓４５
を覆い得る大きさの誘電体線路４４が配設されている。
この誘電体線路４４は誘電損失の小さいフッ素樹脂、ポ
リスチレン、ポリエチレン等の誘電体材料で形成された
誘電体層４４ａと誘電体層４４ａの上面に配設されたＡ
ｌ等の金属板４４ｂとで構成されている。誘電体線路４
４にはマイクロ波発振器４７より導波管４６を介してマ
イクロ波が導入されるようになっており、誘電体線路４
４の終端は金属板４４ｂで封止されている。

【０００５】反応室４１の内部には処理対象物である試
料Ｓを保持するための試料保持部４２ａを有する試料台
４２が設けられており、試料保持部４２ａには試料Ｓ表
面にバイアス電圧を発生させるための高周波電源４３が
接続されている。さらに試料保持部４２ａには、静電チ
ャック等による試料Ｓの吸着機構（図示せず）および循
環冷媒等による試料Ｓの冷却機構（図示せず）も配設さ
れている。試料Ｓに対向するマイクロ波導入窓４５の下
面には、反応器４０を介してア−ス５２に接続された金
属板５１が密接して配設されており、金属板５１にはマ
イクロ波が反応室４１内に進入できるように多数のスリ
ットまたは孔５１ａが形成されている。この金属板５１
は高周波電源４３が供給されるカソード（試料保持部４
２ａ）に対するアノードとなり、カソード上に載置され
た試料Ｓに対して明確なバイアス電圧を発生させること
ができるようになっている。

【０００６】また反応器４０の下部壁には反応室４１を
真空に排気するための排気装置（図示せず）に接続され
た排気管４９が連結されており、反応器４０の一側壁に
は反応室４１内にプラズマ生成に必要なガスを供給する
ためのガス供給管４８が接続されている。

【０００７】上記のように構成されたプラズマ処理装置
４００にあっては、以下のようにして試料Ｓ表面にエッ
チング処理が施される。まず、排気管４９から排気を行
って反応室４１内を所要の圧力に設定し、その後ガス供
給管４８から反応ガスを供給する。また冷却水を冷却水
導入口５０ａから供給し、冷却水排出口５０ｂから排出
することによって空洞５０内に循環させる。次に、マイ
クロ波発振器４７においてマイクロ波を発振させ、導波
管４６を介して誘電体線路４４に導入する。すると誘電
体線路４４下方に電界が形成され、形成された電界がマ
イクロ波導入窓４５を透過しア−スされた金属板５１の
スリット又は孔を抜けて反応室４１内においてプラズマ
を発生する。同時に、前記プラズマ中のイオンの異方性
および加速エネルギーを制御するため、高周波電源４３
により試料Ｓが載置されている試料保持部４２ａに高周
波電界を印加し、試料Ｓ表面にバイアス電圧を発生させ
る。このバイアス電圧により、イオンを試料Ｓに対して
垂直に入射させるとともに、試料Ｓに入射するイオンの
エネルギーを制御しながら、エッチング条件の最適化を
行う。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このようなプラズマ処
理装置にあっては、反応ガスはガス供給管４８を介して
反応器４０の一側壁から反応室４１の内部に導入されて
おり、試料Ｓ方向に直接的に供給されてはいなかった。
そのために、反応ガスの利用効率を上げることが困難
で、また試料Ｓの処理面に対するガスの流れが不均一と
なり、エッチレ−トの均一性及び選択比の均一性等、処
理の均一性を向上させることが困難であった。

【０００９】本発明はこのような課題に鑑み発明された
ものであって、反応ガスの利用効率を上げることがで
き、また反応ガスの流れを均一化することでエッチレ−
トの均一性及び選択比の均一性等、処理の均一性を向上
させることができるプラズマ処理装置を提供することを
目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波発振器
と、マイクロ波を伝送する導波管と、該導波管に接続さ
れた誘電体線路と、該誘電体線路に対向配置されるマイ
クロ波導入窓を有する反応器と、該反応器内に設けられ
た試料保持部と、該試料保持部に高周波電界または直流
電界を印加する手段と、前記マイクロ波導入窓と前記試
料保持部との間に設けられ、マイクロ波透過孔を有する
アースされた電極手段とを備えるプラズマ処理装置にお
いて、前記電極手段の内部にガスバッファ室が設けら
れ、前記電極手段の前記試料保持部と対向する面に前記
ガスバッファ室から前記試料保持部へ向かってガスを吹
き出させるための複数の孔が形成されていることを特徴
としている。

【００１１】

【作用】プラズマ処理装置において反応ガスの利用効率
や処理の均一性を向上させるためには、反応ガスを試料
の処理面に対して垂直に入射させることが望ましい。ま
た特にＣＶＤや堆積膜を使って選択比を大きくするＳｉ
Ｏ₂ エッチング処理の場合には、反応ガスの流れによっ
て処理の均一性が大きな影響を受ける。上記構成に係る
プラズマ処理装置にあっては、前記電極手段の内部にガ
スバッファ室が設けられ、前記電極手段の前記試料保持
部と対向する面に前記ガスバッファ室から前記試料保持
部へ向かってガスを吹き出させるための複数の孔が形成
されているので、反応ガスは前記ガスバッファ室に一旦
導入された後、前記複数の孔から前記試料保持部に保持
された試料の処理面に対して垂直かつ均一に供給され
る。これにより、反応ガスが効率よく前記試料の処理面
に直接的に到達し、反応ガスが前記試料の処理面にたど
り着くまでに回り道をして側壁等で消耗されムダになる
ことがないので、従来のプラズマ処理装置に比べて反応
ガスの利用効率を向上させることが可能になり、また試
料の処理面に対する反応ガスの流れを均一にすることが
可能となるので、エッチレ−トの均一性及び選択比の均
一性等、処理の均一性を向上させることが可能になる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明に係るプラズマ処理装置の実施
例を図面に基づいて説明する。図１は実施例に係るプラ
ズマ処理装置１００を模式的に示した断面図である。図
１に示した実施例に係るプラズマ処理装置１００の構成
が図４に示した従来のプラズマ処理装置４００の構成と
異なっているのは、以下の点である。すなわちプラズマ
処理装置４００の場合、マイクロ波透過孔を有するア−
スされた電極手段として金属板５１がマイクロ波導入窓
４５の下面に当接して配設されていたが、プラズマ処理
装置１００の場合、前記電極手段として内部にガスバッ
ファ室１１ａが形成された金属板１１がマイクロ波導入
窓４５の下面に当接して配設され、ガスバッファ室１１
ａにガス供給管４８が接続されている点である。その他
の構成は図４に示した従来のプラズマ処理装置４００の
構成と同じであるのでその詳細な説明はここでは省略
し、以下、金属板１１の構成についてのみ図２に基づい
て説明する。

【００１３】図２（ａ）は金属板１１をマイクロ波導入
窓４５側から見たところを示した斜視図であり、図２
（ｂ）は金属板１１の試料保持部４２ａに対向する面を
示した底面図である。図２（ａ）に示したように金属板
１１にはマイクロ波導入窓４５に当接する側の面と試料
保持部４２ａに対向する側の面とを貫通するスリット状
のマイクロ波透過孔１２が形成され、また金属板１１の
一側面の中央部には、ガス供給管４８に接続されガスバ
ッファ室１１ａにガスを導入するためのガス導入口１１
ｂが形成されている。一方、金属板１１の試料保持部４
２ａと対向する面にはガスバッファ室１１ａに導入され
たガスを試料Ｓの処理面に向けて吹き出す小孔１３が多
数形成されている。小孔１３は所定の直径（例えば、１
ｍｍ程度）を有している。

【００１４】金属板１１はＡｌ等の導電性材料で形成さ
れ、かつ反応器４０を介してア−ス５２に接続されてい
るので、金属板１１は高周波電源４３が印加される試料
保持部４２ａ（カソ−ド電極）に対するアノ−ド電極と
して作用する。また金属板１１にはマイクロ波透過孔１
２が形成されているので、マイクロ波がマイクロ波導入
窓４５およびマイクロ波透過孔１２を介して反応室４１
に導入される。また金属板１１の一側面の中央部にはガ
ス供給管４８に接続されるガス導入口１１ｂが形成さ
れ、試料台４２に対向する面には所定の直径を有する小
孔１３が多数形成されているので、ガス供給管４８から
供給されたガスは一旦ガスバッファ室１１ａにためられ
た後、小孔１３から試料Ｓの処理面に向けて吹き出され
る。

【００１５】以上説明したことから分かるように実施例
に係るプラズマ処理装置１００にあっては、ア−ス５２
に接続された金属板１１が高周波電源４３が印加される
試料保持部４２ａ（カソ−ド電極）に対する対向電極
（アノ−ド電極）として作用するので、従来のプラズマ
処理装置４００の場合と同様に、プラズマポテンシャル
を安定させ、試料Ｓ表面に安定したバイアス電圧を発生
させることができる。これによりプラズマ中のイオンエ
ネルギ−を適正化することができると共に、試料Ｓの処
理面に対してイオンを垂直に照射することができる。加
えて、プラズマ処理装置１００にあっては所定の直径を
有する多数の小孔１３からガスが吹き出されるので、試
料Ｓの処理面に対して垂直かつ均一にガスを吹き出させ
ることができ、前記処理面に対するガス流れを均一に保
つことができる。これにより、プラズマ処理装置１００
を用いればプラズマ処理装置４００を用いる場合に比べ
て、ガスの利用効率を向上させることができ、エッチレ
−トの均一性及び選択比の均一性等、処理の均一性を向
上させることができる。上記した内容を具体的数値で実
証する。

【００１６】図１に示したプラズマ処理装置１００を用
いてシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）のエッチングを行っ
た。試料Ｓとしては８インチのシリコンウエハ上にＳｉ
Ｏ₂膜を１μｍ形成したものを用いた。放電用ガスとし
ては、ＣＦ₄ 、ＣＨＦ₃ 、Ａｒをそれぞれ３０ｓｃｃ
ｍ、３０ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ流し、ガス圧力は３
０ｍＴｏｒｒで行った。マイクロ波は周波数２．４５Ｇ
Ｈｚのものを用い、電力１ｋＷでプラズマを発生させ
た。また、試料保持部４２ａには周波数４００ｋＨｚの
高周波を６００Ｗの電力で供給した。そして図４に示し
たプラズマ処理装置４００を用いて上記と同様の条件で
ＳｉＯ₂ 膜のエッチングを行った場合を比較例とし、そ
の結果と比較した。該比較結果を図３に示す。

【００１７】図３（ａ）はプラズマ処理装置１００にお
ける結果を示したグラフであり、図３（ｂ）はプラズマ
処理装置４００における結果を示したグラフである。図
３（ａ）および図３（ｂ）において、〇印で示したグラ
フはＳｉＯ₂ 膜のエッチレ−トを示しており、△印で示
したグラフはＳｉに対する選択比を示している。なお横
軸はシリコンウエハの中心（＝０ｍｍ）からの距離を示
している。

【００１８】プラズマ処理装置１００を用いた場合、Ｓ
ｉＯ₂ 膜の平均エッチレートとして４５０ｎｍ／ｍｉ
ｎ、８インチのシリコンウエハにおけるエッチレート均
一性は±５％、Ｓｉに対する選択比の均一性は±５％を
得た。これに対してプラズマ処理装置４００を用いた場
合、ＳｉＯ₂ 膜の平均エッチレートは４００ｎｍ／ｍｉ
ｎであり、８インチのシリコンウエハにおけるエッチレ
−ト均一性は±５％であったが、Ｓｉに対する選択比の
均一性は±１５％であった。これはＳｉＯ₂ 膜のエッチ
ングは、イオンがバイアス電圧によってエネルギ−を
得、そのエネルギ−によってエッチングが進むため、プ
ラズマとバイアス電圧の分布が均一であれば均一なエッ
チング分布が得られるのに対し、Ｓｉは中性ラジカルに
よる化学反応でエッチングが進むので、バイアスの影響
は小さく、分布はガス流れによるためと考えられる。

【００１９】なお、上記実施例はプラズマ処理装置１０
０をエッチング装置に適用した場合ついて説明したが、
なんらこれに限るものではなく、例えば薄膜形成装置等
にも適用することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るプラズ
マ処理装置にあっては、前記電極手段の内部にガスバッ
ファ室が設けられ、前記電極手段の前記試料保持部と対
向する面に前記ガスバッファ室から前記試料保持部へ向
かって反応ガスを吹き出させるための複数の孔が形成さ
れているので、反応ガスを一度前記ガスバッファ室に導
入したのち前記複数の孔から吹き出させることにより、
前記試料の処理面に対して垂直かつ均一に反応ガスを吹
き出させることができる。これにより、効率よく反応ガ
スを前記試料の処理面に直接的に到達させることができ
るので、反応ガスが前記試料の処理面にたどり着くまで
に回り道をして側壁等で消耗されムダになるのを防止
し、反応ガスの利用効率を向上させることができる。ま
た前記試料の処理面に対する反応ガスの流れを均一にす
ることができ、エッチレ−トの均一性及び選択比の均一
性等、処理の均一性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置を示し
た模式的断面図である。

【図２】（ａ）は電極手段である金属板１１を示した斜
視図であり、（ｂ）は電極手段である金属板１１の試料
保持部４２ａに対向する面を示した底面図である。

【図３】（ａ）は実施例に係るプラズマ処理装置におけ
るＳｉＯ₂ 膜のエッチレ−トとＳｉＯ₂ 膜のＳｉに対す
る選択比とを示したグラフであり、（ｂ）は従来のプラ
ズマ処理装置におけるＳｉＯ₂ 膜のエッチレ−トとＳｉ
Ｏ₂ 膜のＳｉに対する選択比とを示したグラフである。

【図４】従来のプラズマ処理装置を示した模式的断面図
である。

【符号の説明】

１１ 金属板（ア−スされた電極手段） １１ａ ガスバッファ室 １１ｂ ガス導入口 １２ マイクロ波透過孔 １３ 小孔 ４０ 反応器 ４１ 反応室 ４２ 試料台 ４２ａ 試料保持部 ４３ 高周波電源 ４４ 誘電体線路 ４４ａ 誘電体層 ４４ｂ 金属板 ４５ マイクロ波導入窓 ４６ 導波管 ４７ マイクロ波発振器 ４８ ガス供給管 ４９ 排気管 ５０ （冷却水通路となる）空洞 ５２ ア−ス Ｓ 試料 １００、４００ プラズマ処理装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波発振器と、マイクロ波を伝送
   する導波管と、該導波管に接続された誘電体線路と、該
   誘電体線路に対向配置されるマイクロ波導入窓を有する
   反応器と、該反応器内に設けられた試料保持部と、該試
   料保持部に高周波電界または直流電界を印加する手段
   と、前記マイクロ波導入窓と前記試料保持部との間に設
   けられ、マイクロ波透過孔を有するアースされた電極手
   段とを備えたプラズマ処理装置において、 前記電極手段の内部にガスバッファ室が設けられ、前記
   電極手段の前記試料保持部と対向する面に前記ガスバッ
   ファ室から前記試料保持部へ向かってガスを吹き出させ
   るための複数の孔が形成されていることを特徴とするプ
   ラズマ処理装置。