JP5367000B2

JP5367000B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5367000B2
Application number: JP2011065636A
Authority: JP
Inventors: 陽平山澤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP2011171750A

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特に２周波重畳印加方式の容量結合型プラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の微細加工または処理には、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマが利用されている。従来より、枚葉式のプラズマ処理装置、特にプラズマエッチング装置の中では、容量結合型のプラズマ処理装置が主流となっている。

一般に、容量結合型プラズマ処理装置は、真空チャンバとして構成される処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置し、両電極のいずれか一方に高周波を印加する。この高周波によって形成される電界により電子が加速され、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマが発生し、プラズマ中のラジカルやイオンによって基板表面に所望の微細加工（たとえばエッチング加工）が施される。

ところで、最近は、製造プロセスにおけるデザインルールの微細化につれてプラズマ処理に低圧下での高密度プラズマが要求されており、上記のような容量結合型のプラズマ処理装置では従来（一般に１３．５６ＭＨｚ）よりも格段に高い高周波数領域（４０ＭＨｚ以上）の周波数を用いるようになってきている。しかしながら、高周波放電の周波数が高くなると、高周波電源から給電棒を介して電極の背面または裏面に印加される高周波が表皮効果により電極表面を伝わって電極主面（プラズマと対向する面）に回り、電極主面上で高周波電流がエッジ部から中心部に向って流れる。このため、電極主面の中心部における電界強度がエッジ部における電界強度よりも高くなって、生成されるプラズマの密度も電極中心部側が電極エッジ部側より高くなり、プロセス特性が半径方向でばらつくという問題が顕著になってきている。

この問題に対処するため、高周波を印加する電極の主面にすり鉢状またはテーパ状の凹部を設けてその中に誘電体を埋め込むなどの工夫が行われている（たとえば特許文献１参照）。かかる電極構造によれば、プラズマ側に対して相対的に電極中心部側のインピーダンスが大きく電極エッジ部側のインピーダンスが低いため、電極エッジ部側における高周波電界が強められる一方で電極中心部側の高周波電界が弱められ、電界強度ないしプラズマ密度の均一性が改善される。また、ジュール熱による電力消費の増大を伴うが、電極主面の中心部に高抵抗部材を設ける電極構造も知られている（たとえば特許文献２参照）。

一方で、容量結合型プラズマ処理装置においては、プラズマの密度および異方性エッチングの選択性をそれぞれ個別的に最適化するために、基板を支持する下部電極にプラズマ生成に適した比較的高い周波数（一般に２７ＭＨｚ以上）の第１高周波とイオン引き込みに適した比較的低い周波数（一般に１３．５６ＭＨｚ以下）の第２高周波とを重畳して印加する下部２周波重畳印加方式も近年主流になりつつある（たとえば特許文献３参照）。

特開２００４−３６３５５２特開２０００−３２３４５６特開２０００−１５６３７０

しかしながら、上記のような下部２周波重畳印加方式を採る従来のプラズマ処理装置において、プラズマ生成用に高い高周波数領域（４０ＭＨｚ以上）を使用し、上記のように誘電体や高抵抗部材を埋め込んで電極中心部のインピーダンスを電極エッジ部のインピーダンスよりも相対的に高くする構造の下部電極を採用した場合は、下部電極の主面（上面）における電界強度分布がプラズマ生成用の周波数の高い高周波については均一性が向上する反面、イオン引き込み用の周波数の低い高周波については電極中心部側が電極エッジ部側よりも低くなり、却って均一性が低下する。このため、プラズマ密度の均一性を改善できてもそれと引き換えに異方性エッチング精度の均一性が低下するというトレードオフの問題があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、容量結合型の片側の電極に周波数の異なる２つの高周波（または直流と高周波）を印加する方式において両高周波（または直流と高周波）のそれぞれの作用または働きを同時に最適化できるようにしたプラズマ処理装置を提供する。

本発明のプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を載置して支持する下部電極と、前記処理容器内で前記下部電極と平行に向かい合って配置され、シャワーヘッドを兼ねる第１の上部電極と、前記下部電極側から見て前記第１の上部電極の背後に配置される第２の上部電極と、前記処理容器内に前記シャワーヘッドを介して処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の上部電極に直流電圧を印加する第１の給電部と、前記第２の上部電極にプラズマ生成用の高周波を印加する第２の給電部とを有する。

上記の装置構成においては、シャワーヘッドを兼ねてプラズマ空間（処理空間）に臨む第１の上部電極には直流電圧を印加し、第１の上部電極の背後に配置される第２の上部電極にはプラズマ生成用の高周波を印加するので、第１の上部電極には直流電圧の作用（たとえばプラズマポテンシャルを制御する作用、あるいはプラズマ密度を上昇させる作用）に最適な電極構造をもたせ、第２の上部電極には高周波放電によりプラズマを生成する作用に最適な電極構造をもたせることができる。

また、本発明の好適な一態様によれば、第２の上部電極の下面に凹部が形成され、その凹部に誘電体が埋め込まれる。この場合、誘電体の厚さが電極中心部から電極エッジ部に向って次第に小さくなる構成が好ましい。かかる電極構造によれば、プラズマ密度を高めるために第２の上部電極に印加する高周波の周波数を相当高くした場合に、第２の上部電極における表皮効果をキャンセルして上記高周波に基づくプラズマ空間内の高周波電界を電極半径方向において均一化させ、ひいてはプラズマ空間のプラズマ密度を電極半径方向において均一化させることができる。

また、第２の上部電極からプラズマ空間に向って高周波が放出されるに際して、第１の上部電極にうず電流が流れ、このうず電流によって生成される磁界が第２の上部電極からの高周波の直進を妨げるように働く。そこで、本発明の好適な一態様においては、そのようなうず電流を抑制するために、第１の上部電極が抵抗率の高い材質（たとえばタングステンまたはシリコン）からなる構成が採られる。
また、本発明の好適な一態様においては、第１の給電部が可変直流電源を有しており、第１の上部電極に印加する直流電圧の電圧値を任意に可変できるようになっている。

本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のように、容量結合型の片側の電極に周波数の異なる２つの高周波（または直流と高周波）を印加する方式において、該片側電極を上下に２分割して両高周波（または直流と高周波）を別々に印加するようにしたので、両高周波（または直流と高周波）のそれぞれの作用または働きを同時に最適化することができる。

本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。実施形態の一変形例におけるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。本発明の別の実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明の第１の実施形態によるプラズマエッチング装置の構成を示す。このプラズマエッチング装置は、下部２周波重畳印加方式の容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼からなる金属製の円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０の底面には、たとえばセラミックからなる環状の絶縁部材１２を介して下部電極と基板保持台を兼ねるサセプタ１４が設けられる。このサセプタ１４は、本発明における第１および第２の下部電極をそれぞれ構成する上部サセプタ電極１６および下部サセプタ電極１８を有している。

上記環状絶縁部材１２の上に環状または円筒状の給電体２０が配置され、この円筒給電体２０の上部に上部サセプタ電極１６が略水平に取り付けられる。この上部サセプタ電極１６は、被処理基板たとえば半導体ウエハＷより一回り大きな口径を有する円形の平板電極であり、後述する理由から好ましくは抵抗率の高い導電材料たとえばタングステン（Ｗ）あるいはシリコン（Ｓｉ）などで構成されている。環状絶縁部材１２は、伝送損失の少ない低抵抗率の材質たとえばアルミニウムからなる。

上部サセプタ電極１６には、第１高周波電源２２が整合器２４、給電棒２６および円筒給電体２０を介して電気的に接続されている。第１高周波電源２２は、サセプタ１４上に保持される半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みに主として寄与する所定の周波数たとえば２ＭＨｚの第１高周波を所望のパワーで出力する。この第１高周波電源２２からの第１高周波（２ＭＨｚ）は、整合器２４、給電棒２６および円筒給電体２０を通って上部サセプタ電極１６に供給される。そして、上部サセプタ電極１６の主面（上面）より上方のプラズマ空間ＰＳに向けて放出されるようになっている。

下部サセプタ電極１８は、抵抗率の低い導電材料たとえばアルミニウムからなる円形の略平板電極である。周囲（１６，２０）から電気的に絶縁された状態で環状絶縁部材１２の内側かつ上部サセプタ電極１６の直下に配置される。図示のように、下部サセプタ電極１８の主面（上面）には電極中心が底になるようなテーパ状の凹部が形成され、この凹部に誘電体２８が埋め込まれている。かかる電極構造は、電極径方向における電界強度ないしプラズマ密度の均一性を向上させるためのものであり、上記特許文献１（特開２００４−３６３５５２）記載の技術を用いている。下部サセプタ電極１８と環状絶縁部材１２、上部サセプタ電極１６との間の隙間は、放電を防止するために、たとえばセラミックからなる筒状絶縁体３０および円板形絶縁体３２で塞いでおくのが好ましい。

下部サセプタ電極１８には、第２高周波電源３４が整合器３６および給電棒３８を介して電気的に接続されている。第２高周波電源３４は、プラズマの生成に主として寄与する所定の周波数たとえば４０ＭＨｚの高周波を所望のパワーで出力する。この第２高周波電源３４からの第２高周波（４０ＭＨｚ）は、整合器３６および給電棒３８を通って下部サセプタ電極１８に供給される。そして、下部サセプタ電極１８の主面（上面）より上方のプラズマ空間ＰＳに向けて放出されるようになっている。

上部サセプタ電極１６の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は導電膜からなる電極４２を一対の絶縁層または絶縁シート４４の間に挟み込んだものであり、電極４２には直流電源４６が電気的に接続されている。直流電源４６からの直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷをチャック上に吸着保持できるようになっている。静電チャック４０の周囲には、エッチングの均一性を向上させるためのたとえばシリコンからなるフォーカスリング４８が配置されている。環状絶縁部材１２および円筒状給電体２０の外周面にはたとえば石英からなる円筒状の内壁部材５０が貼り付けられている。

サセプタ１４に載置される半導体ウエハＷの温度を制御するために、上部サセプタ電極１６の内部に冷媒室または冷媒通路（図示せず）を設け、外付けのチラーユニット（図示せず）より該冷媒通路に所定温度の冷媒たとえば冷却水を循環供給する構成も可能である。また、同じく半導体ウエハＷの温度を制御するために、伝熱ガス供給機構（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスをガス供給ライン（図示せず）を介して静電チャック４０の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給する構成も可能である。

チャンバ１０の天井には、サセプタ１２と平行に向かい合って接地電位の上部電極を兼ねるシャワーヘッド５２が設けられている。このシャワーヘッド５２は、多数のガス通気孔５４ａを有する下面の電極板５４と、この電極板５４を着脱可能に支持する電極支持体５６とを有する。電極板５４はたとえばＳi，ＳiＣからなり、電極支持体５６はたとえばアルマイト処理されたアルミニウムからなる。電極支持体５６の内部にガス室５８が設けられ、このガス室５８にはガス供給管６０を介して処理ガス供給源６２が接続されており、ガス供給管６０にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６４および開閉バルブ６６が設けられている。処理ガス供給源６２より所定の処理ガスがガス室５８に導入されると、電極板５４のガス噴出孔５４ａよりサセプタ１４上の半導体ウエハＷに向けて処理ガスがシャワー状に噴出されるようになっている。

サセプタ１４とチャンバ１０の側壁との間に形成される環状の空間は排気空間となっており、この排気空間の底にはチャンバ１０の排気口６８が設けられている。この排気口６８に排気管７０を介して排気装置７２が接続されている。排気装置７２は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０の室内、特にプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口７４を開閉するゲートバルブ７６が取り付けられている。

このプラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ７６を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。そして、処理ガス供給源６２より所定の処理ガスつまりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置７２による真空排気でチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１高周波電源２２よりそれぞれ所定のパワーで第１高周波（２ＭＨｚ）を上部サセプタ電極１６に印加すると同時に、第２高周波電源３４よりそれぞれ所定のパワーで第２高周波（４０ＭＨｚ）を下部サセプタ電極１８に印加する。また、直流電源４６より直流電圧を静電チャック４０の電極４２に印加して、半導体ウエハＷを静電チャック４０上に固定する。上部電極またはシャワーヘッド５２より吐出されたエッチングガスは処理空間ＰＳで高周波の放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面の膜がエッチングされる。

この容量結合型プラズマエッチング装置は、サセプタ１４の下部サセプタ電極１８に４０ＭＨｚというプラズマ生成に適した比較的高い周波数の第２高周波を印加することにより、プラズマを好ましい解離状態で高密度化し、より低圧の条件下でも高密度プラズマを形成することができる。それと同時に、サセプタ１４の上部サセプタ電極１６に２ＭＨｚというイオン引き込みに適した比較的低い周波数の第１高周波を印加することにより、サセプタ１４の上方の半導体ウエハＷに対して選択性の高い異方性のエッチングを施すことができる。

次に、この実施形態のプラズマエッチング装置において本発明の特徴部分であるサセプタ１４の作用を詳細に説明する。

上記したように、サセプタ１４は上部サセプタ電極１６と下部サセプタ電極１８とに上下に２分割されており、上部サセプタ電極１６には第１高周波電源２２からの第１高周波（２ＭＨｚ）が印加され、下部サセプタ電極１８には第２高周波電源３４からの第２高周波（４０ＭＨｚ）が印加される。

ここで、上部サセプタ電極１６は単一材質かつ一定板厚の平板電極である。周波数の低い第１高周波（２ＭＨｚ）の電流が上部サセプタ電極１６の主面を流れる際の表面厚さは厚く（表皮効果は小さく）、電極中心部に偏ることなく電極主面の各位置からほぼ均一にプラズマ空間ＰＳへ放出される。これにより、第１高周波（２ＭＨｚ）によってサセプタ１４上に形成される高周波電界の強度分布を電極半径方向においてほぼ均一化することができる。よって、該高周波電界に追従して半導体ウエハＷに入射するイオンの引き込み量をウエハ面内の各部で均一化させ、ひいては異方性エッチングの形状または選択性の面内均一性を向上させることができる。

一方、下部サセプタ電極１８は、上記のように電極主面（上面）にテーパ状の凹部を形成し、この凹部に誘電体２８を埋め込んでいる。周波数が相当高くて表皮厚さの薄い（表皮効果の大きい）第２高周波（４０ＭＨｚ）の電流に対しては電極中心への集中を抑制する作用が効いて、電極主面の各位置からほぼ均一にプラズマ空間ＰＳへ放出させる。これにより、第２高周波（４０ＭＨｚ）によってサセプタ１４上に形成される高周波電界の強度分布を電極半径方向においてほぼ均一化することができる。よって、高周波電界による加速でプラズマ空間ＰＳ内のガス分子に衝突する高周波電流または電子電流の大きさひいてはプラズマの密度をウエハ直上で均一化させ、ひいてはエッチングレートの面内均一性を向上させることができる。

なお、下部サセプタ電極１８からプラズマ空間ＰＳに向って高周波電流が放出されるに際して、上部サセプタ電極１６にうず電流が流れ、このうず電流によって生成される磁界が下部サセプタ電極１８からの高周波の直進を妨げるように働く。このことから、この実施形態では、上部サセプタ電極１６を抵抗率の高い材質で構成することで、うず電流を抑制し、下部サセプタ電極１８からプラズマ空間ＰＳに向って放出される高周波が上部サセプタ電極１６で受ける影響を少なくしている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、上記した実施形態における下部サセプタ電極１８の電極構造は一例にすぎない。下部サセプタ電極１８においては、電極径方向における電界強度ないしプラズマ密度の均一性を向上させるためにたとえば上記特許文献１に開示されるような種々の電極構造を採ることが可能であり、特に本発明においては上部サセプタ電極１６から独立しているので、一層自由な電極構造を採ることが可能である。

たとえば、図２に示すように、下部サセプタ電極１８をリング状に形成し、下部サセプタ電極１８よりプラズマ空間ＰＳに向って放出させる第２高周波を電極中心部で相対的かつ積極的に弱める構成とすることも可能である。また、下部サセプタ電極１８をこのようにリング状に形成することで、上部サセプタ電極１６に接続する給電棒２６を下部サセプタ電極１８の中心開口に通すこともできる。この場合、給電棒２６と下部サセプタ電極１８の内周面との間の隙間を円筒状の絶縁体７８で塞いでよい。

また、本発明は上部電極側に高周波を印加する方式にも適用可能である。たとえば、図３に示す変形例は、上部電極８０およびサセプタ（下部電極）８２に周波数の異なる高周波をそれぞれ印加する方式の容量結合型プラズマエッチング装置において、上部電極８０に本発明を応用したものである。この上部電極８０は、プラズマ空間ＰＳを挟んで直下のサセプタ８２と対向する第１上部電極８４と、この第１上部電極８４の背後または上方に配置されている第２上部電極８６とを有している。

より詳細には、第１上部電極８４は、シャワーヘッドを兼ねた電極構造を有しており、リング状の誘電体８８によってチャンバ９０から電気的に絶縁された状態つまりフローティング状態で取り付けられている。この第１上部電極８４には可変直流電源９２より直流電圧が印加される。また、第１上部電極８４の内部またはガス室にはガス供給管６０を介して処理ガス供給源６２が接続される。

第２上部電極８６は、上記実施形態における下部サセプタ電極１８と同様の電極構造を有するものでよく、逆さの向きで（下方を向いて）配置される。また、周囲を絶縁体９４で囲まれており、第１上部電極８４やチャンバ９０から電気的に絶縁されている。この第２上部電極８６には高周波電源９６より整合器（図示せず）を介してプラズマ生成用の高周波（たとえば６０ＭＨｚ）が印加される。

サセプタ８２は、通常の円板形に形成され、その上面に半導体ウエハＷを保持する電極構造を有しており、高周波電源９８より整合器（図示せず）を介してイオン引き込み用の高周波（たとえば１３．５６ＭＨｚ）を印加される。

このプラズマエッチング装置においては、第２上部電極８６よりプラズマ空間ＰＳに向けて放出される高周波（６０ＭＨｚ）によって電極半径方向において均一化されたプラズマを生成することができる。また、プラズマ生成用の高周波（６０ＭＨｚ）から独立してサセプタ８２よりプラズマ空間ＰＳに向けて放出される高周波（１３．５６ＭＨｚ）によって電極半径方向においてほぼ均一に半導体ウエハＷにイオンを引き込むことができる。

第１上部電極８４は、上記した実施形態と同様に、たとえばタングステンやシリコンなどの高抵抗率の材質からなり、第２上部電極８６からプラズマ空間ＰＳに向う高周波（６０ＭＨｚ）を妨害しないようにしてよい。また、直流電源９２より印加される直流電圧により、たとえばプラズマに種々の作用（たとえばプラズマポテンシャルを制御する作用、プラズマ密度を上昇させる作用）を加えることができる。

本発明は、上記実施形態のようなプラズマエッチングに限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

１０チャンバ
１４サセプタ
１６上部サセプタ電極
１８下部サセプタ電極
２２第１高周波電源
３０，３２絶縁体
３４第２高周波電源
５２上部電極（シャワーヘッド）
６２処理ガス供給源
８０上部電極
８２サセプタ
８４第１上部電極
８６第２上部電極
９０チャンバ
９２可変直流電源
９６，９８高周波電源

Claims

真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を載置して支持する下部電極と、
前記処理容器内で前記下部電極と平行に向かい合って配置され、シャワーヘッドを兼ねる第１の上部電極と、
前記下部電極側から見て前記第１の上部電極の背後に配置される第２の上部電極と、
前記処理容器内に前記シャワーヘッドを介して処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記第１の上部電極に直流電圧を印加する第１の給電部と、
前記第２の上部電極にプラズマ生成用の高周波を印加する第２の給電部と
を有するプラズマ処理装置。
前記第２の上部電極の下面に凹部が形成され、その凹部に誘電体が埋め込まれている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記誘電体の厚さが電極中心部から電極エッジ部に向って次第に小さくなる、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記第１の上部電極がタングステンまたはシリコンからなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記第１の給電部は可変直流電源を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。