(57)【要約】【課題】本発明は、ウェハ上のラジカル量、ラジカル種、反応生成物量の径方向分布を制御できるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】本発明は、真空処理室と、プラズマ生成用高周波電力を供給する高周波電源と、試料が載置される試料台と、真空処理室へガスを供給するガス供給手段と、ガス供給手段から供給されたガスを真空処理室内へ供給するガス孔が中心から所定の半径の範囲に配置され試料台と対向するガス供給板と、真空処理室の側壁を構成するガス供給部とを備えるプラズマ処理装置において、前記ガス供給板へ供給されるガス流量と前記ガス供給部へ供給されるガス流量が同じ場合、前記ガス供給板から前記真空処理室内へ供給されるガスの流速が前記ガス供給部から前記真空処理室内へ供給されるガスの流速より速くなるように前記ガス孔の数と前記ガス孔の直径と前記所定の半径が規定されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料がプラズマ処理される真空処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記真空処理室へガスを供給するガス供給手段と、前記ガス供給手段から供給されたガスを前記真空処理室内へ供給するガス孔が中心から所定の半径の範囲に配置され前記試料台と対向するガス供給板と、前記真空処理室の側壁を構成するガス供給部とを備えるプラズマ処理装置において、
前記ガス供給板へ供給されるガス流量と前記ガス供給部へ供給されるガス流量が同じ場合、前記ガス供給板から前記真空処理室内へ供給されるガスの流速が前記ガス供給部から前記真空処理室内へ供給されるガスの流速より速くなるように前記ガス孔の数と前記ガス孔の直径と前記所定の半径が規定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理ガスをプラズマ化し、活性化した粒子の物理または化学反応により半導体の表面処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造のエッチング工程にプラズマ処理装置が用いられてきた。このプラズマ処理装置は、真空容器である処理室内に反応性ガスを導入し、高周波電力（以下，ソース電力）を印加することでプラズマを生成して下部電極に載置された被処理材（例えば、被エッチング材が積層されたシリコンウェハ）をエッチングする。
【０００３】
前記下部電極は、バイアス電力を印加することでエッチング速度，エッチング形状を制御可能である。半導体デバイス性能を決めるもっとも重要なパラメータの一つは，例えば、ゲート電極の幅や配線の幅といったＣｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ(以下、ＣＤと称する）と呼ばれるそのデバイス形状の代表寸法である。ゲート加工の例では、ゲート長と呼ばれるゲート構造の幅が半導体デバイスのスイッチング特性に直接影響するため、これを設計寸法通りに加工することが重要である。このようなことから半導体加工における形状制御指標としてＣＤが一般的に用いられている。
【０００４】
ＣＤ加工の例としてラインとスペースの繰り返しパターン等におけるライン幅のばらつき、チップ内の回路パターン粗密差による形状バラツキ、ウェハ面内のＣＤバラつき等が引き起こされる場合があり、これらのＣＤバラつきを抑制して高い製品歩留まりを達成することが要求される。ＣＤは、ウェハ温度、イオンエネルギー、反応副生成物の量、イオン・ラジカル量に影響を受ける。これに対し、従来、ウェハ面内のＣＤバラつきを抑制する手段としてウェハ温度制御、プラズマ生成用の高周波電力の電界分布制御技術等が用いられてきた。
【０００５】
例えば、基板面内でのエッチング形状の差を抑制する技術として特許文献１にはエッチングガスを基板６に対向する放電管３の上部から導入し、一方、反応生成物と同等な成分を有するガスを基板６の外周から導入する構造のマイクロ波プラズマエッチング装置が開示されている。また、特許文献２には、ガス噴射器は複数のガス噴射口を有し、複数のガス噴射口は独立して変化する流量で処理ガスを供給でき、これにより、チャンバ内の複数領域へのガスの流れを独立に調整が可能であり、多様な要求を満たすガス供給の変更を可能にするガス噴射システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６‐２７５５６４号公報
【特許文献２】特開２０１１‐２９６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体製造のエッチング工程では、様々な材料からなる積層膜が表面に成膜されたシリコンウェハを真空処理室内に導入された反応性ガスに高周波を印可することで生成されたプラズマに曝し、積層膜最上部のマスク層に露光・現像された回路パターンを下層に転写させるが、このパターン転写後のＣＤを設計仕様値通りに加工することが必要である。
【０００８】
真空処理室内のプラズマ空間分布やガス流れ等が真空処理室内の径方向または周方向に対して必ずしも均一でない場合があり、イオンやラジカルの衝突頻度やガス分子の滞在時間等がシリコンウェハ上で均一でないことによってＣＤバラつきが引き起こされるという問題があった。具体的な例ではウェハの外周部においてイオン・ラジカルの消費とそれに伴う反応生成物の放出量がウェハ最外端を境界に変化したり、圧力分布・ガス流速分布に従ってラジカルや反応生成物の空間分布が不均一となるなどしてＣＤばらつきが生じる結果となる。
【０００９】
このような課題を踏まえて本発明は、ウェハ上のラジカル量、ラジカル種、反応生成物量の径方向分布を制御できるプラズマ処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、試料がプラズマ処理される真空処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記真空処理室へガスを供給するガス供給手段と、前記ガス供給手段から供給されたガスを前記真空処理室内へ供給するガス孔が中心から所定の半径の範囲に配置され前記試料台と対向するガス供給板と、前記真空処理室の側壁を構成するガス供給部とを備えるプラズマ処理装置において、前記ガス供給板へ供給されるガス流量と前記ガス供給部へ供給されるガス流量が同じ場合、前記ガス供給板から前記真空処理室内へ供給されるガスの流速が前記ガス供給部から前記真空処理室内へ供給されるガスの流速より速くなるように前記ガス孔の数と前記ガス孔の直径と前記所定の半径が規定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、シリコンウェハ上のラジカル量，ラジカル種，反応生成物量の径方向分布を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るプラズマエッチング装置の構成の概略を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係るシャワープレートの図である。
【図３】貫通穴配置領域を変えた場合の貫通穴配置領域径と貫通穴から吹き出すガスの流速の関係を示す図である。
【図４】真空処理容器側壁からガスを供給する箇所の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下，本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係るプラズマ処理装置の真空処理室周りの構成の概略を示す縦断面図である。プラズマ生成用高周波電源、例えば、マイクロ波電源１０１から発振されたマイクロ波は、方形導波管１０２を用いて伝送され、方形円形導波管変換器１０３により、円形導波管１０４に接続される。また、自動整合器１０５により反射波を自動的に抑制することができる。マイクロ波源としては例えば、発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロンを用いた。
【００１５】
円形導波管１０４は、空洞共振部１０６に接続される。空洞共振部１０６は、マイクロ波電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する機能を持つ。空洞共振部１０６の下部には、マイクロ波導入窓１０７及びシャワープレート１０８を介して真空容器１０９によって構成される真空処理室１１０がある。真空処理室１１０へ伝送されたマイクロ波とソレノイドコイル１１１によって形成される磁場とのの相互作用であるＥＣＲ共鳴によって真空処理室内に反応性ガスのプラズマが生成される。
【００１６】
ＥＣＲ共鳴とは、前記ソレノイドコイルが形成する磁場の磁力線に沿って電子が回転しながら移動するところにその回転の周期に対応した周波数のマイクロ波がプラズマに入射することにより電子を選択的に加熱することを言い、プラズマの効果的な加熱法である。また、静磁場を用いる他の利点として静磁場の分布を変化させることによりＥＣＲ共鳴が発生する位置を制御することができ、プラズマ発生領域を制御することができる。
【００１７】
さらにプラズマは、磁力線に対して垂直な方向に拡散が抑制されることが知られており、プラズマの拡散を制御し、プラズマの損失を低減することができる。これらの効果により、プラズマの分布を制御することができ、従ってプラズマ処理の均一性を高めることができる。電磁石に通電する電流を変えることにより静磁場の分布を制御することができる。
【００１８】
複数のガス源１１２から供給される反応性ガスは、ガス供給制御装置１１３内でそれぞれの流量に制御されて第一のガス配管１２２または第二のガス配管１２３により真空処理室に供給され、試料台である下部電極１１４に対向する面に設置されたシャワープレート１０８または真空処理室側壁上端部に配置されたガスリング１２４を介して真空処理室に供給される。また、真空処理室内のガスは、ターボ分子ポンプ１１５（以下、ＴＭＰと称する）から排気される。ＴＭＰの上流部に配置された排気コンダクタンス制御弁１１６は、圧力計１１７の測定値が所望の値となるようにフィードバック制御され、その開度が調整される。
【００１９】
試料、例えば、シリコンウェハ（以下，ウェハと称する）は、静電吸着により下部電極１１４に吸着保持される。さらにＲＦ電源１１８より下部電極１１４にプラズマ生成用高周波電源の周波数より低い例えば周波数４００ｋＨｚの高周波バイアスが整合器１１９を介して印加されることによって処理性能の制御、処理速度の向上が可能である。また、分光器１２０は、光ファイバ１２１によって真空処理室１１０に接続され、真空処理室１１０内に生成されたプラズマの発光を分光して波長毎の発光強度を記録可能である。
【００２０】
また、分光器は、制御部１２５に接続され、制御部１２５は、分光器が検出したプラズマ発光の変化の特徴を抽出してエッチングの終点を判定し、プラズマ処理を終了させる機能を持つ。さらに真空処理室１１０、下部電極１１４、ＴＭＰ１１５は、それぞれ略円筒形であり、その円筒の軸を同一とする。下部電極は、梁によって真空処理室に支持されている。
【００２１】
以上の構成は、全て制御部１２５に接続され、適切なシーケンスで動作するようにそのタイミング及び動作量を制御される。動作シーケンスの詳細パラメータは、レシピと呼ばれ，予め設定されたレシピに基づいて動作する。
【００２２】
本実施例では、前記シャワープレート１０８と前記ガスリング１２４とからそれぞれ任意なガスを供給する機能によりＣＤ分布制御を可能とする，最適な装置構成の例を説明する。すでに説明した図１に示されたものと同一の符号を付された構成と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００２３】
ガス供給制御装置１１３は、ガス種毎に第一のガス配管１２２または第二のガス配管１２３を選択してガスを供給可能な構成となっており、第一のガス配管１２２は、シャワープレート１０８に接続され、第二のガス配管１２３は、ガスリング１２４に接続され，各々から任意のガス組成とガス流量とでガス真空処理室内に導入することが可能である。
【００２４】
図２を用いて本実施例のシャワープレート１０８の構造を説明する。図２に示すようにシャワープレート１０８は、例えば、石英などの誘電体で構成された円板であり、ガスを真空処理室内に供給するための複数の貫通穴が配置され、この貫通穴は、中心軸に平行であり、各々の貫通穴が等間隔となるように円板上に均等に配置されている。図２の斜線部の貫通穴配置領域２０１は、前記の貫通穴がシャワープレートと同心円となる領域内に配置される場合における貫通穴の配置される領域を示している。
【００２５】
図３に各貫通穴径と穴数とを一定にして貫通穴配置領域を変えた場合の貫通穴配置領域径と貫通穴から吹き出すガスの流速の関係を示す。図３に示すように貫通孔配置領域径と貫通孔から噴出すガスの流速は反比例する。このため、貫通穴配置領域の範囲径を小さくした場合、圧損を最小限として各貫通穴にガスを供給することが可能となり、高速にガスを吹き出すことが可能になる。詳細については、後述するように本実施例のシャワープレートから高速にガスを吹き出すことが望ましく、ＣＤ分布制御の効果のためには、貫通穴が直径２０ｍｍ以下の領域に配置されるのが望ましい。また、配置される貫通穴の最適な穴数と穴径については後述する。
【００２６】
次に図４を用いてガスリング１２４の真空処理室内での最適な配置方法を説明する。図４のガス穴４０１は、ガスを真空処理室に導入するためのガス穴であり、ガスの吹き出し流速とガス流量の周方向均一性がＣＤ分布制御効果を最大化するためにガスリング１２４から供給されるガスは、プラズマ化されラジカル生成に寄与しなければならない。
【００２７】
上述のようにＥＣＲ共鳴によるプラズマ生成は、そのプラズマ生成位置を制御可能であるが、ガスリング１２４に配置されたガス吹き出し口は、特に真空処理室の高さ方向に対してプラズマ生成領域より上方、例えば、シャワープレート１０８の下面より５０ｍｍ以内であることが望ましい。このときガスリング１２４より真空処理室に供給されたガス分子は、ＥＣＲ発生位置を必ず通過し効果的にラジカルを生成可能である。
【００２８】
以上の実施例において、マイクロ波ＥＣＲ放電を利用したエッチング装置を例に説明したが、他の放電（有磁界ＵＨＦ放電、容量結合型放電、誘導結合型放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、トランスファー・カップルド放電）を利用したドライエッチング装置においても本実施例と同様の作用効果がある。また、本実施例では、エッチング装置について説明したが、プラズマ処理を行うその他のプラズマ処理装置、例えば、プラズマＣＶＤ装置またはプラズマＰＶＤ装置についても本実施例と同様の作用効果がある。
【符号の説明】
【００２９】
１０１            マイクロ波電源
１０２            方形導波管
１０３            方形円形導波管変換器
１０４            円形導波管
１０５            自動整合器
１０６            空洞共振部
１０７            マイクロ波導入窓
１０８            シャワープレート
１０９            真空容器
１１０            真空処理室
１１１            ソレノイドコイル
１１２            ガス源
１１３            ガス供給制御装置
１１４            下部電極
１１５            ターボ分子ポンプ
１１６            コンダクタンス制御弁
１１７            圧力計
１１８            ＲＦ電源
１１９            整合器
１２０            分光器
１２１            光ファイバ
１２２            第一のガス配管
１２３            第二のガス配管
１２４            ガスリング
１２５            制御部
２０１            貫通穴配置領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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