JP2003068718A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ処理室へのガス導入手段となるシャ
ワープレートにおける異常放電を防止し、その寿命を延
ばすことができるプラズマ処理装置を提供すること。 【解決手段】 プラズマ処理室１に電磁波を投入する略
平板状のアンテナ部７に凹部を設けた。この凹部は、ア
ンテナ部７に近接して設けられプラズマ処理室１にガス
を導入するガス導入手段１２と対向する面の中央部に設
ける。凹部には誘電体１１を配置する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程において、アルミニウム、銅、白金等の金属材料
や、酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料や、低誘
電率膜（low-k膜）等の有機材料を、プラズマを用いて
エッチングを行うのに好適なプラズマ処理装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ＤＲＡＭや、マイクロプロセッサ、ＡＳ
ＩＣ等の半導体装置の製造工程において、弱電離プラズ
マを用いたプラズマプロセッシングが広く用いられてい
る。プラズマプロセスでは、プラズマにより生成したイ
オンや、ラジカルを、被処理ウエハに照射することによ
りウエハの処理を行っている。

【０００３】これらプラズマ装置用のプラズマ源として
古くから用いられてきたものに平行平板型プラズマ源が
ある。平行平板型プラズマは、プラズマと電源との結合
が容量的であることから、ＣＣＰ（Capacitive Coupled
Plasma）と呼ばれている。

【０００４】この平行平板型プラズマ源を利用したプラ
ズマ処理装置として、特開平７−２９７１７５号公報
に、狭電極平行平板タイプリアクタの上部電極に数十Ｍ
Ｈｚの高周波を印加することにより比較的高密度なプラ
ズマを生成させ、また、被処理ウエハを載置する下部電
極には数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの高周波バイアスを印加す
ることにより、被処理ウエハに入射するイオン量をコン
トロールするＩＥＭ（Ion Energy Modulation）方式も
のが開示されている。また、このようなプラズマ処理装
置の上部電極は、低アスペクトのプラズマ処理室に処理
用ガスを均一に導入するために、φ０．３〜０．８ｍｍ
程度の小さい穴が数百個あいたシャワープレート構造を
とることが多く、その材質としては、被処理ウエハに入
射するラジカル種を制御するために、シリコンが用いら
れることが多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のＩＥＭ
方式を用い、安定にプラズマを生成可能な圧力は数十Ｐ
ａ〜５Ｐａ程度であり、パターン寸法の更なる微細化に
対応していくのは困難である。微細処理のために、より
低圧で中〜高密度のプラズマを生成させるためにはプラ
ズマを励起する周波数を数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚまで上
げればよいが、この場合、周波数を上げると電磁波の波
長が短くなり、プラズマ処理室の寸法に近づいていく
と、プラズマ処理室内の電界分布が一様ではなくなって
くる。この電界分布は解析的にはＢｅｓｓｅｌ関数の重
ねあわせで表され、中心部が高い電界分布を持つことに
なる。

【０００６】このような状態でエッチング処理を行う
と、被処理ウエハ中央部のエッチング速度は速く、周辺
部のエッチング速度は遅くなってしまう。さらに、長時
間のエッチング処理（放電）を行うと、シャワープレー
ト構造を持つ上部電極のガス穴が消耗し異常放電が発生
するため、その寿命を縮めてしまう。

【０００７】一方、上記したエッチング速度の不均一さ
は外部から磁場を加えることによりある程度制御可能で
ある。たとえば、特開平０９−３２１０３１号公報に記
載されているように、周波数３００ＭＨｚから１ＧＨｚ
のＵＨＦ帯を用いたＵＨＦ−ＥＣＲ装置では、ＵＨＦ帯
の電磁波でプラズマを励起し、ＵＨＦ電界とソレノイド
コイルの作る外部磁場との相互作用を用い、エッチング
速度分布の制御を行うことができる。また、ＵＨＦ−Ｅ
ＣＲ装置では、比較的電子温度が低く、処理用ガスの解
離を最適な状態に保つことができる。

【０００８】しかし、ＵＨＦ−ＥＣＲ装置においても、
長時間の放電を行った際の上部シャワープレートのガス
穴の消耗は避けられない。ガス穴が消耗してくると、シ
ャワープレート中央部付近から異常放電が発生し、シャ
ワープレートを交換する必要が生じる。とくに、ラジカ
ル種制御の目的でシャワープレートの材質を高価なシリ
コンにした場合、シャワープレートの交換頻度はランニ
ングコストに直結する。

【０００９】そこで本発明は、プラズマ処理室へのガス
導入手段となるシャワープレートにおける異常放電を防
止し、その寿命を延ばすことができるプラズマ処理装置
を提供することを課題としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ処理
室に電磁波を投入する略平板状のアンテナ部に凹部を設
けたことによってその課題を達成した。この凹部は、ア
ンテナ部に近接して設けられプラズマ処理室にガスを導
入するガス導入手段と対向する面の中央部に設けること
が好ましい。

【００１１】ガス導入手段（シャワープレート）のガス
穴が消耗した際、シャワープレートの中央部付近のガス
穴から異常放電が発生するが、これは先に述べた中央部
付近の高い電界強度に起因するものである。そこで、ア
ンテナ部の中央部に凹部を設けることにより、中央部付
近の電界強度を低下させ、異常放電を防止することがで
きる。したがって、高価な交換部品であるシリコンシャ
ワープレートの寿命を延ばすことができ、ランニングコ
ストの低減ができる。

【００１２】シャワープレートのガス穴消耗による異常
放電の発生メカニズムを図３を用いて説明する。図３は
シャワープレートと、シャワープレート裏にあるアンテ
ナ部のガス分散板部分を拡大した模式図である。図３
（ａ）に示すように放電時間０時間の場合はガス穴は消
耗しておらず、異常放電は発生しない。何枚ものウエハ
の処理を行い、トータルの放電時間が約１００時間程度
になると、図３（ｂ）に示すようにプラズマに接する部
分のガス穴径がだんだん広がってくる。さらに、放電時
間が延び、図３（ｃ）に示すようにプラズマにより発生
したイオンがシャワープレートのガス穴を通り抜け、ガ
ス分散板に到達するようになると、このイオンを火種と
して異常放電が発生する可能性が高くなる。

【００１３】異常放電の発生要因として上記したイオン
以外に、シャワープレートとガス分散板間の電界強度が
挙げられる。ガス分散板のガス穴とシャワープレートの
ガス穴の接続部に存在する微小な隙間での電界強度が大
きいと、火種であるイオンをトリガにしてシャワープレ
ート裏で継続して異常放電が起きる。この電界強度が小
さいと、ガス穴が消耗しトリガとなるイオンが入射して
も異常放電は起きにくくなる。すなわち、ガス分散板の
ガス穴とシャワープレートのガス穴の接続部に存在する
微小な隙間での電界強度を弱めることができれば、異常
放電に対するマージンが広がり、シャワープレートの寿
命を延ばすことができる。

【００１４】電界強度を弱める方法としては、ガス導入
手段としてのシャワープレートと対向する略平面状のア
ンテナ部に凹部を設けることが効果的であり、これによ
り、異常放電を効果的に防止することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明のプラズマ処理装置をエッ
チング装置に適用した例によって、本発明の実施の形態
を説明する。

【００１６】＜第一の実施形態＞図１は、本発明による
ＵＨＦ型ＥＣＲプラズマエッチング装置の縦断面図であ
る。同図において、プラズマ処理室１の内部に、ウエハ
載置用ステージ２と、ウエハ３と、このウエハ３とは電
気的に絶縁された、略円環状のフォーカスリング４とが
設置されている。また、プラズマ処理室１の内壁を一定
の温度に保つための第一の温調装置５が設置されてい
る。

【００１７】プラズマ処理室１の外側には、電子サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ）をプラズマ処理室１内に起こす
ための磁場を発生させるために、コイル６が設置されて
いる。

【００１８】ウエハ３に対向する位置には、アンテナ部
７が配置されている。アンテナ部７は、ＵＨＦ帯の電磁
波を放射するための略円板状のアンテナ本体７ａと、処
理用のガスを後述するシャワープレートに均一に供給す
るためのガス供給手段としてのガス分散板７ｂとから構
成されている。アンテナ本体７ａとガス分散板７ｂはい
ずれも導電体からなる。また、アンテナ部７とプラズマ
処理室１の天井との間にはアンテナ裏誘電体９が配置さ
れている。

【００１９】図２には、アンテナ部の詳細を示す。ガス
分散板７ｂには、直径が０．３〜１．５ｍｍ程度の微細
な穴が数百個程度開けられており、また、ガス分散板７
ｂとアンテナ本体７ａとの間は処理用ガスのバッファ室
７ｃとなっている。ガス分散板７ｂの下部には、直径が
０．３〜０．８ｍｍ程度の微細な穴が数百個開けられた
ガス導入手段としてのシャワープレート１２が配置され
ている。処理用ガスは、ガス供給系１０（図１参照）か
ら、所定の流量に調節された後、バッファ室７ｃ、ガス
分散板７ｂ、シャワープレート１２を経てプラズマ処理
室１に導入される。シャワープレート１２の材質は、プ
ラズマ処理室１内に汚染を引き起こさないようにするた
めに、シリコン、石英、ポリイミド、酸化アルミ、窒化
アルミ、カーボンまたはシリコンカーバイトとすること
が好ましく、とくに、プラズマとの表面反応を積極的に
利用し、プラズマ中のラジカル種の制御を行うために、
シリコンとすることがより好ましい。シリコンの抵抗率
は、０．５Ωｃｍより大きくすることが好ましい。シリ
コンの抵抗率が小さくなると、表皮効果によりシャワー
プレートの表面のみを高周波電流が流れるようになり、
アンテナ部の中央部に設けた凹部による中央部付近の電
界低減効果が現れなくなってしまうからである。

【００２０】ガス分散板７ｂの中央部には図２（ａ）も
しくは（ｂ）に示すように、直径４０〜１２０ｍｍ、深
さ３〜１０ｍｍ程度の凹部が設けられており、この凹部
には電界強度を制御するためにアンテナ中央誘電体１１
が配置されている。アンテナ中央誘電体１１には直径が
０．３〜１．５ｍｍ程度のガス穴が開けられている。ガ
ス分散板７ｂ及びアンテナ中央誘電体１１に開ける穴の
径は、組み立て時のガス穴の位置のずれを吸収するよう
に、図２（ｃ）もしくは（ｄ）に示すようにシャワープ
レート１２のガス穴径よりも若干大きくするか、シャワ
ープレート１２に接する部分に面取りを施している。ま
た、アンテナ中央誘電体１１はプラズマ処理室１内の汚
染を引き起こさないようにするために、ポリイミド、石
英、テフロン等の材質を用いることが望ましい。

【００２１】図１に戻り、アンテナ本体７ａには、プラ
ズマを生成させるための電力を処理室に投入するための
ＵＨＦ電源１３が、第一の整合器１４を介して接続され
ている。また、ガス分散板７ｂとアンテナ本体７ａを対
向アース電極として機能させるため、アンテナ本体７ａ
はフィルタ１５を介して接地されている。フィルタ１５
は、プラズマを励起するためのＵＨＦ帯の電磁波は通さ
ず、ウエハバイアスに用いる帯域の周波数のみを通すよ
うに設計されている。

【００２２】ＵＨＦ電源１３の周波数は、処理用ガスの
過剰な解離を防くために、プラズマの電子温度を低くで
きるよう、１００ＭＨｚから５００ＭＨｚの帯域が望ま
しい。本実施形態では、４５０ ＭＨｚ付近の周波数を
用いた。

【００２３】ウエハ載置用ステージ２には、第二の整合
器１６を介して第二の高周波電源１７が接続されてお
り、ウエハ３に高周波バイアスをかけることにより、プ
ラズマにより生成したイオンをウエハ３に引き込むこと
ができる。同時に、フォーカスリング４にも高周波バイ
アスをかけることができるようになっている。フォーカ
スリング４にかける高周波バイアスにより、エッチング
に寄与するラジカルの量を制御することができる。フォ
ーカスリング４の材質としては、シリコン、炭素、炭化
珪素、石英等が好ましい。

【００２４】高周波バイアスの周波数は、ＵＨＦ−ＥＣ
Ｒにより生成したプラズマ分布にあまり影響を与えない
ように、４００ｋＨｚから３ＭＨｚの間で選定される。
この程度の周波数であれば、バイアスによるプラズマ生
成は無視でき、投入した電力のほとんどをウエハ３にイ
オンを引き込むことに利用できる。本実施形態では８０
０ｋＨｚの周波数を用いた。

【００２５】また、ウエハ載置用ステージ２には、エッ
チングを行う間、ウエハ温度を一定に保つことができる
ように、第二の温調装置１８が設置されている。

【００２６】プラズマ処理室１には、排気速度が１００
０から３０００Ｌ／ｓ程度のターボ分子ポンプ１９と、
コンダクタンス調節バルブ２０が設置されており、処理
用ガスを流した状態で、プラズマ処理室１を所定の圧力
にすることができる。また、プラズマ処理室１を大気開
放する際に、プラズマ処理室１とターボ分子ポンプ１９
とを隔離するためのバルブ２１を設置している。

【００２７】以上のような構成のプラズマ処理装置を用
いてエッチング処理をおこなうと、従来ではトータル放
電時間数百時間でシャワープレートの寿命がつき、シャ
ワープレート中央部から異常放電が発生し、シャワープ
レートを交換しなくてはならなかったのに対し、トータ
ル放電時間が従来の約１．５倍を超えても異常放電は観
測されなかった。すなわち、シャワープレートの寿命を
約１．５倍程度まで延ばすことができる。

【００２８】図４には、 図２（ａ）に示した本発明の
実施形態と、中央部に凹部のない単なる平面状の従来例
における電極直下の電界強度の数値シミュレーションの
結果を示す。本図からわかるように、本発明の実施形態
（中央凹アンテナ）では、中心部の電界強度が低下して
いる。この結果からしても、本発明ではシャワープレー
ト中央部付近の異常放電に対するマージンが広がり、シ
ャワープレートの寿命を延ばすことができることがわか
る。

【００２９】また、電界分布の変化はエッチング結果の
均一性に影響を与えるが、これは外部から磁場を加える
ことにより補正可能である。また、磁場を加えないプラ
ズマ処理装置であっても、電界分布の均一性は従来例
（平面アンテナ）に比べてむしろ向上しており、より均
一なエッチング処理を行うことができる。

【００３０】＜第二の実施形態＞第一の実施形態ではＵ
ＨＦ−ＥＣＲ装置を例に説明を行ったが、本発明はＵＨ
Ｆ−ＥＣＲ装置に限定されるものではない。次に本発明
の第二の実施形態について述べる。

【００３１】図５は本発明の第二の実施形態を示す縦断
面図であり、狭ギャップ平行平板タイプのプラズマ源を
用いたプラズマエッチング装置を示している。簡略化の
ために第一の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し
説明を省略する。

【００３２】アンテナ部としての上部アンテナ７には第
一の整合器１４を介して第一の高周波電源２２が接続さ
れている。第一の高周波電源２２の周波数は数Ｐａ以下
の圧力でも中〜高密度のプラズマを生成できるよう１３
ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の周波数を用いている。また
図５において詳細は省略しているが、上部アンテナ７に
も図２に示した第一の実施形態と同様にその中央部に凹
部を設け、凹部にはアンテナ中央誘電体１１が配置され
ている。

【００３３】ウエハ載置用ステージ２には、第二の整合
器１６を介して第二の高周波電源１７が接続されてお
り、ウエハ３に高周波バイアスをかけることにより、プ
ラズマにより生成したイオンをウエハ３に引き込むこと
ができる。ウエハ３にかける高周波バイアスの周波数
は、上部アンテナ７の電界で生成したプラズマ分布にあ
まり影響を与えないように、４００ｋＨｚから３ＭＨｚ
の間で選定される。この程度の周波数であれば、バイア
スによるプラズマ生成は無視でき、投入した電力のほと
んどをウエハ３にイオンを引き込むことに利用できる。

【００３４】以上のような構成のプラズマ処理装置を用
いてエッチング処理を行った際も、長時間放電した際の
ガス穴の消耗と、中央部の高い電界分布に起因したシャ
ワープレート１２中央部での異常放電の抑制効果は認め
られた。さらに、上部アンテナ７中央の凹部により中央
部の高い電界分布が緩和され、エッチング処理の均一性
も向上した。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば以下
の効果を奏する。

【００３６】アンテナ中央部に凹部を設けることにより
中央部の高い電界分布を緩和することができる。これに
より長時間放電を行いガス穴が消耗した際にガス導入手
段としてのシャワープレート中央付近から発生する異常
放電を抑制することができ、シャワープレートの寿命を
延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ処理装置の第一の実施形
態を示す縦断面図である。

【図２】アンテナ部の詳細を示す縦断面図である。

【図３】シャワープレートのガス穴消耗を示す模式図で
ある。

【図４】アンテナ部下部の電界強度の数値シミュレーシ
ョン結果を示す図である。

【図５】本発明によるプラズマ処理装置の第二の実施形
態を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１：プラズマ処理室、２：ウエハ載置用ステージ、３：
ウエハ、４：フォーカスリング、５：第一の温調装置、
６：コイル、７：アンテナ部、７ａ：アンテナ本体、７
ｂ：ガス分散板（ガス供給手段）、７ｃ：バッファ室、
９：アンテナ裏誘電体、１０：ガス供給系、１１：アン
テナ中央誘電体、１２：シャワープレート（ガス導入手
段）、１３：ＵＨＦ電源、１４：第一の整合器、１５：
フィルタ、１６：第二の整合器、１７：第二の高周波電
源、１８：第二の温調器、１９：ターボ分子ポンプ、２
０：コンダクタンス調節バルブ、２１：バルブ、２２：
第一の高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒井 雅嗣 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 手束 勉 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 5F004 AA01 AA16 BA04 BA06 BB11 BB13 BB28 BB32

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ処理室に電磁波を投入する略平
   板状のアンテナ部と、前記アンテナ部に近接して設けら
   れプラズマ処理室にガスを導入するガス導入手段とを備
   えたプラズマ処理装置において、前記アンテナ部に凹部
   を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプラズマ処理装置におい
   て、前記アンテナ部の凹部は、前記ガス導入手段と対向
   する面に設けられたことを特徴とするプラズマ処理装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のプラズマ処理装
   置において、前記アンテナ部の凹部は、アンテナ部の中
   央部に設けられたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載のいずれかのプラズ
   マ処理装置において、前記アンテナ部の凹部に誘電体を
   装着したことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載のプラズマ処理装置におい
   て、前記アンテナ部の凹部に充填した誘電体にガス導入
   用の小穴を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 請求項４または５記載のプラズマ処理装
   置において、前記アンテナ部の凹部に装着する誘電体の
   材質を石英、ポリイミド、酸化アルミ、窒化アルミ、シ
   リコンまたはテフロン（登録商標）にしたことを特徴と
   するプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６記載のいずれかのプラズ
   マ処理装置において、前記ガス導入手段のプラズマに接
   触する部分がシリコン、石英、ポリイミド、酸化アル
   ミ、窒化アルミ、カーボンまたはシリコンカーバイトか
   らなるシャワープレートであることを特徴とするプラズ
   マ処理装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載のプラズマ処理装置におい
   て、シャワープレートの材質がシリコンであって、この
   シリコンの抵抗率が０．５Ωｃｍより大きいことを特徴
   とするプラズマ処理装置。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８記載のいずれかのプラズ
   マ処理装置において、前記アンテナ部は、前記ガス導入
   手段にガスを供給するガス供給手段を有することを特徴
   とするプラズマ処理装置。
10. 【請求項１０】 請求項９記載のプラズマ処理装置にお
    いて、前記ガス供給手段は、前記ガス導入手段へのガス
    供給用の小穴を設けたガス分散板を有することを特徴と
    するプラズマ処理装置。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０記載のいずれかのプ
    ラズマ処理装置であって、アンテナ部が被処理ウエハの
    径よりも大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。