(57)【要約】【課題】加工形状の面内均一性向上及びチャージングダメージを低減したプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】処理室と、プラズマ生成のための高周波電源と、処理室にガスを供給する手段と、シャワープレートと、処理室を減圧する排気手段と、被処理体を戴置するステージと、フォーカスリングとを備えたプラズマ処理装置において、フォーカスリングの温度を調整できるようにし、処理室内のガス温度分布を計測する手段をそなえ、ガス温度分布の計測結果に基づき、被処理体面内のガス温度均一になるようにフォーカスリングの温度を制御できるようにした。【選択図】  図１
2008251866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室に処理ガスを供給する手段と、前記処理室を減圧する排気手段と、プラズマ生成用高周波電源と、前記被処理体を載置する載置電極とを有するプラズマ処理装置において、
前記載置電極の外周部に設置され温度調節されるリング状部材と、
前記処理室内のガス温度を測定する手段と、
測定された前記ガス温度から得られる前記処理室内の前記ガス温度の分布に基づいて、前記リング状部材の温度調節を制御する機能とを備えた
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理室を減圧する排気手段と、プラズマ生成用高周波電源と、前記被処理体を載置する載置電極と、前記載置電極に対向して設けられた上部電極とを備え、前記ガス供給手段は前記上部電極に設けられたシャワープレートを有するプラズマ処理装置において、
前記載置電極の外周部に設置され温度調節されるリング状部材と、
前記処理室内のガス温度を測定する手段と、
測定された前記ガス温度から得られる前記被処理体の処理面における前記ガス温度の分布に基づいて、前記リング状部材の温度調節を制御する機能とを備え、
前記シャワープレートの外周付近に、前記処理室内のガス温度を測定するためのプラズマ発光モニタが集光するための孔を有している
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
被処理体をプラズマ処理する処理室と、該処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理室を減圧する排気手段と、プラズマ生成のための高周波電源と、前記被処理体を戴置するための載置電極と、前記載置電極に対向して設けられた上部電極とを備え、前記ガス供給手段は前記上部電極に設けられたシャワープレートを有するプラズマ処理装置において、
前記処理室内のガス温度を測定する手段と、
前記処理室内のプラズマの発光強度を測定する手段と、
前記被処理体の外周部に設置され温度調節されるリング状部材と、
測定された前記ガス温度から得られる前記処理室内の前記ガス温度の分布に基づいて、前記リング状部材の温度調節を制御する機能と、
測定された前記プラズマの発光強度から得られる前記処理室内の前記発光強度分布に基づき前記処理室内の磁場強度分布の調整を行なう磁場強度分布調整機能と、
測定された前記プラズマの発光強度前記プラズマの発光強度から得られる前記処理室内のラジカル発光強度の分布に基づき、前記処理室に供給される処理ガスの組成を調整する供給ガス組成調整機能とを備えた
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記リング状部材としてのフォーカスリングの裏面に該フォーカスリングを冷却するためヘリウムガスを供給する手段と、
前記ガス温度の分布に基づいて該ヘリウムガスの圧力を制御し前記フォーカスリングの温度を調節する機能を具備する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記処理室内のガス温度を測定する手段として、プラズマ発光モニタにて集光したプラズマの発光スペクトルから前記処理室内のガス分子の回転温度を算出する手段を有している
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記ガス分子の回転温度を算出する手段は、前記プラズマ発光モニタで測定された前記処理室内のスペクトルプロファイルの測定データをメモリに保持する測定データ保持部と、予め計算により求められた回転温度計測用のガスの分子の回転温度に対応するスペクトルプロファイルのデータを保持するスペクトルプロファイルデータベースと、前記スペクトルプロファイルの測定値と前記スペクトルプロファイルのデータの比較から前記ガス分子の回転温度を推定する回転温度推定部を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記ガス温度を測定するためのプラズマ発光モニタが集光するための孔は、前記シャワープレート上でかつ前記被処理体の径方向に対応する位置に複数個設けられている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記リング状部材としてのフォーカスリングと、前記ガス供給手段の一部を構成するシャワープレートとを有し、
前記フォーカスリングの幅は３cm以上であり、
前記シャワープレートの直径が前記被処理体の直径よりも６cm以上大きい
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
前記リング状部材としてのフォーカスリングを有し、
前記処理室のガス温度分布とプラズマ密度分布とラジカル密度分布の均一性を調整することによって被処理体面内の加工形状を均一にする
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
前記リング状部材の温度調節を制御する機能により得られる前記処理室のガス温度分布と、前記磁場強度分布調整機能により得られる前記処理室内のプラズマ密度分布と、前記供給ガス組成調整機能により得られる前記処理室内のラジカル発光強度分布のすべての分布を各々所定の値の範囲内で均一化する
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】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特に、半導体製造装置に適したプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
DRAMやマイクロプロセッサ等の半導体装置の製造工程において、プラズマエッチングやプラズマCVDが広く用いられている。プラズマを用いた半導体装置の加工における重要な要素に、加工形状の面内均一性、およびチャージングダメージの問題がある。
【０００３】
ここでエッチングを例に背景を説明する。図１５は、被処理体上のSiOC膜を、CHF３とCF４とN２の混合ガスを用いてエッチングするときのエッチングメカニズムを説明する図である。CF４やCHF３ガスはプラズマ中で解離し、CFやCF２などのラジカルが生成される。これらのラジカルが被処理体の表面に入射すると、ある確率で被処理体表面に付着し、CF系の堆積膜９２が形成される。また、プラズマ中ではイオンが生成され、高周波のバイアス電力を被処理体に印加するなどの方法によってイオンを加速して被処理体表面に入射させる。そして、堆積膜９２とSiOC膜９０（被エッチング層）の界面にイオンの入射エネルギーが付与されることにより、CF系の堆積膜と被エッチング層で化学反応が起こる。そしてSiF４やCOなどの揮発性ガスが反応生成物として発生しエッチングが進行する。もし堆積膜が厚くなりすぎると、イオンが被エッチング層と堆積膜の界面に到達する前に、イオンの入射エネルギーが堆積膜中で失われてしまう。その結果、被エッチング層と堆積膜の界面に十分なエネルギーを付与することが難しくなりエッチング反応が進行しなくなる。また、堆積膜が過度に薄いと被エッチング層と反応する堆積膜中のCやFが不足するため、エッチング速度が低下するなどの問題が生じる。さらに膜の組成が例えば極端にCが多い状態となってもエッチングの進行が低下したりストップすることがある。処理ガスに含まれる窒素は、堆積膜の厚さや組成を調整するためのものであり、プラズマ中で解離して生成した窒素原子は過剰に厚い堆積膜を除去したり、堆積膜中の過剰の炭素をCNx等の形で除去するなどの効果がある。
【０００４】
従って、被処理体面内でエッチング形状を均一にするためには、被処理体に入射するイオンの種類やフラックスやエネルギーが均一であること、及び被処理体表面に堆積した堆積膜の厚さや組成、及び堆積膜の厚さや組成を決定するラジカル（ここでは窒素やフッ素などの原子を含む）の分布が均一であることが必要であると考えられる。
【０００５】
特許文献１には、堆積膜の均一化を図るために、被処理体の中心付近と外周付近で処理ガスの組成を変えて処理室内に供給する方式が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、プラズマ処理される試料の周囲に配設された保護プレートの温度を調整する保護プレート温度調整手段を設け、保護プレートの温度を所要の一定温度に調整するものが開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献３には、処理装置において、回転温度計測を用いてガス温度を計測し、ガスの温度に基づいてラジカルの密度の計測値を補正することが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−４１０８８号公報
【特許文献２】特開平０７−３１０１８７号公報
【特許文献３】ＷＯ２００４−０８５７０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
被処理体面内でエッチング形状を均一にするために、被処理体に入射するイオンのフラックスを均一にする方法としては例えば、磁場によりプラズマの生成や輸送を制御する方法や、被処理体の中心付近と外周付近でプラズマを生成するための高周波電力の投入比率を制御する方法などがある。堆積膜の均一化については、例えば、供給ガスの組成を変える方式や、あるいは、被処理体面内の温度分布を調整しラジカルの付着確率を調整する方法などが考案されている。しかし、半導体装置の微細化の進行により、更なるエッチング形状の面内均一化が要求されるため、新たなエッチング形状の均一性制御手段が必要になる。
【００１０】
ところで、エッチング中に何らかの原因で被処理体内に電流が発生し、その電流がある一定以上の大きさになると、被処理体に形成されたトランジスタ等が破壊されてしまう、いわゆるチャージングダメージ現象が発生する。被処理体内に電流が発生する原因の１つとして、被処理体の中心と外周でプラズマに対する電位が異なることが挙げられる。被処理体面内でプラズマに対する電位がばらつく要因の１つとして、被処理体面内でプラズマの電子温度がばらついていることが考えられる。
【００１１】
半導体装置の微細化の進展に伴い、更なる微細化に対応するためには加工形状のより高い面内均一性が要求されるが、プラズマ処理装置としては、これに加えて、チャージングダメージの発生しないことが必要となる。
【００１２】
特許文献１や特許文献２に開示された方法では、チャージングダメージ現象を確実に回避することは困難である。また、特許文献３には、ガスの回転温度を測定することが開示されているが、チャージングダメージに関しての配慮は示されていない。
【００１３】
本発明の目的は、微細化の要求に対処するために、プラズマの電子温度分布を均一にすることにより被処理体の加工形状の面内均一性を向上させると共に、チャージングダメージを低減し得るプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のプラズマ処理装置の代表的な構成例を挙げれば、次の通りである。すなわち、被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室に処理ガスを供給する手段と、前記処理室を減圧する排気手段と、プラズマ生成用高周波電源と、前記被処理体を載置する載置電極とを有するプラズマ処理装置において、前記載置電極の外周部に設置され温度調節されるリング状部材と、前記処理室内のガス温度を測定する手段と、測定された前記ガス温度から得られる前記処理室内の前記ガス温度の分布に基づいて、前記リング状部材の温度調節を制御する機能とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガス密度、ラジカル密度、電子温度、電子密度などのエッチング形状を決定する多数の要素についてそれぞれの要素がより均一な状態で、被処理体面内の加工寸法を均一にできるため、より微細な形状でも均一な加工が容易になる。さらに、電子温度を均一にした状態で加工寸法の面内分布を均一化できるためチャージングダメージを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の代表的な実施例によれば、処理室と、プラズマ生成のための高周波電源と、処理室にガスを供給する手段と、シャワープレートと、処理室を減圧する排気手段と、被処理体を戴置するステージと、フォーカスリングとを備えたプラズマ処理装置において、フォーカスリング裏面に冷却のためのヘリウムガスを供給することで、該ヘリウムガスの圧力によってフォーカスリングの温度を調整できるようにし、処理室内のガス温度分布を計測する手段を備え、ガス温度分布の計測結果に基づき、被処理体面内のガス温度均一になるようにフォーカスリングの温度を制御できるようにした。さらに、シャワープレートの直径及びフォーカスリングの幅を大きくし、またフォーカスリングを温調できるようにすることで処理室内のガス温度を均一にできるようにした。  
以下、本発明の第の実施例について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
まず、本発明の第１の実施例について図１〜図１２を参照して説明する。図１、図２は平行平板型UHF-ECRプラズマ処理装置の例を示している。図２はガス温度分布を制御する部分を中心に示したものであり、図１は図２では図示しなかった部分を中心に装置の概要を示している。図３はステージの外周部を示している。
【００１８】
１は処理室で、その内部にステージ（載置電極）４を備えている。ステージ４には被処理体２を戴置する部分の外周部にシリコン製のリング状部材（フォーカスリング）８を設置してある。このリング状部材（フォーカスリング）８は、後で述べるように、温度調節される。
【００１９】
処理室１の側壁の内部には、冷却手段として冷媒の循環する通路１９Ａが設けられ、この通路にサーキュレーター３６Ａから温調された絶縁性の冷媒が供給される。シャワープレート５に関しても、その温度上昇を抑えるため、アンテナ３に設けられた冷媒の循環する通路１９Ｂにサーキュレーター３６Ｂから温調された絶縁性の冷媒が供給され、アンテナを温調することによりアンテナの下部に取り付けられたガス分散板を温調し、さらにガス分散板とシャワープレートとの熱の伝達によりシャワープレートを温調する構造としている。またステージ４の下部には、温度調節（冷却）のためにフロリナート等の絶縁性の冷媒が流れる通路が設けられており（図示せず）、冷媒の温度は、被処理体の制御目標の温度よりも低い値になるように制御される。
【００２０】
さらに、ステージ４には被処理体を冷却するため、被処理体裏面にヘリウムガスを供給できるようになっており、且つ被処理体と内側部分と被処理体の外周部分を独立に温度調整できるようにするため、被処理体裏面の内側部分に設けられたガス流路１４Ａにヘリウムガスを供給するためのガスライン１３Ａと、被処理体裏面の外周部分に設けられたガス流路１４Ｂにヘリウムガスを供給するためのガスライン１３Ｂが設置されている。さらに、フォーカスリング８を冷却するため、フォーカスリングの裏面にもヘリウムガスを供給できるようにステージ４のフォーカスリング戴置面にガス流路１４Ｃを作り、そこにヘリウムガスを供給するためのガスライン１３Ｃを接続してある。
【００２１】
また、被処理体の内側と外周付近及びフォーカスリングの裏面に供給するヘリウムの流量をお互いに独立に制御するため、それぞれのヘリウムガスライン１３（Ａ，Ｂ，Ｃ）にマスフローコントローラー１２（Ａ，Ｂ，Ｃ）を設置してある。マスフローコントローラー１２は、主制御装置１００により制御される。
【００２２】
本装置にはエッチングやクリーニングの終点を判定するため、プラズマの発光を集光ヘッド４３−１にて横方向にプラズマ光を積分するかたちで集光し、分光器４１−１にて分光測定している。また、集光ヘッド４３−２によって集光したプラズマ光を分光器４１−２によって測定し、この測定結果を用いて処理室内のガス温度分布を端末８０にて求め、そのデータは主制御装置１００に送る。
【００２３】
ステージ４には被処理体、及びフォーカスリング８を静電吸着によってステージに固定するためDC電源２４がフィルタ２５−２を介して接続されている。ステージ４の部材はアルミを母材とし、アルミナまたはイットリアなどの溶射膜１８が形成されている。
【００２４】
処理室１の上部には電磁波放射ためのアンテナ３が、被処理体２を戴置するためのステージ４と平行に設置されている。アンテナ３にはプラズマ生成のため高周波のソース電源２０が整合器２２−１とフィルタ２５−１を介して接続されている。アンテナには、さらに、高周波バイアス電力を印加するためのバイアス電源２１−１が整合器２２−２とフィルタ２５−１を介して接続されている。フィルタ２５−１はプラズマ生成用の高周波電力がアンテナのバイアス用高周波電源２１−１に流れ込まないようにするためと、アンテナのバイアス高周波電力がプラズマ生成用のソース電源側に流入しないようにするためのものである。ステージ４には被処理体２に入射するイオンを加速するため、バイアス電源２１−２が整合器２２−３及びフィルタ２５−２を介して接続されている。
【００２５】
アンテナ３の下部には分散板６を介してシャワープレート５が設置されている。処理ガス源２９から供給された処理ガスはガス分散板内で分散され、シャワープレートに設けられたガス孔を介して処理室内に供給される。
【００２６】
処理室の外側には処理室内に磁場を生成するための、ソレノイドコイル２６とヨーク２７が設置されている。各ソレノイドコイル２６は、磁場制御装置２８により、磁場強度や磁場の分布(磁力線の方向)を制御可能に構成されている。
【００２７】
プラズマはアンテナ３から放射されるプラズマ生成のための高周波電力と磁場との相互作用による電子サイクロトロン共鳴により、処理室１内に効率的に生成される。また磁場制御装置２８により磁場強度や磁場分布を制御することでプラズマの生成分布とプラズマの輸送を制御することができ、プラズマ分布の均一性を制御できる。
【００２８】
なお、図４Ａに示すように、ガス分散板６は半径方向において内側と外側の２つの領域（６Ａ，６Ｂ）に分割してあり、処理ガス源２９から供給されるガスの流量や組成を被処理体の中心付近と外周付近で独立に制御することで被処理体面内の加工寸法を均一にできるようになっている。処理ガス源２９の具体的な構成例としては、例えば、特許文献１に開示されたガス流量調節器や分配器を用いることができる。
【００２９】
処理室１の側壁は接地してある。また、処理室１には、処理室内を減圧するためのターボ分子ポンプなどの排気手段１０がバタフライバルブ１１を介して取り付けられている。
【００３０】
ステージ４に印加するバイアス用高周波電力と、前記アンテナ３に印加するアンテナバイアス用高周波電力はお互いに同じ周波数とする。そしてアンテナ３に印加するアンテナバイアス用の高周波電力とステージ４に印加するバイアス用の高周波電力の位相差は位相制御器２３によって制御する。該位相差を１８０°とするとプラズマ閉じ込めが向上し、処理室１の側壁に入射するイオンのフラックス（単位時間、単位面積あたりの入射量）やエネルギーが減少する。これにより壁の消耗等に起因する異物の発生量を減少させたり、壁材料のコーティングなどの寿命を延ばしたりすることができる。
【００３１】
図４Ａに示すように、被処理体径方向のプラズマ発光分布を測定し、その測定結果からガスの温度やプラズマ密度分布を得るため、シャワープレートの孔を介して、複数の集光ヘッド４３−２によってプラズマの光を集光できるようになっている。このガス温度計測に基づいて処理室内のガスの回転温度を求め、これに基づき処理室内の温度状態を判定する。各集光ヘッド４３−２の集光用の孔としては、例えば、図４Ｂに示すように、被処理体径方向に複数個、シャワープレート５に設けられた多数のガス孔７の一部の孔に相当する位置に、集光用として専用の孔を設ければ良い。なお、複数個の集光ヘッド４３−２で得られた情報は、被処理体の面内におけるラジカル発光強度分布の計測に使用できる。
【００３２】
集光ヘッド４３−２で集めたプラズマ光は光ファイバーで伝送され、分光器４１−２で分光測定される。集光ヘッド４３−２で集めた光は複数のファイバーに分かれているため、例えばマルチプレクサー４４にて、測定するチャンネルを切り替えて、分光器に伝送できるようになっている。もちろん、マルチプレクサーを用いず、ファイバーを並べて、分光器に設置されたCCDにチャンネル１次元、波長１次元の合計２次元の像として測定する方法でもよい。また、分光器４１−１は、例えば波長分解能が１nm以上と多少精度が悪くても広い波長範囲の計測ができるほうが望ましい。ただし、ガス温度を計測するのに用いる分光器４１−２は、１nm以下（例えば０.１nm）の高い波長分解能を有する分光器を用いるのが望ましい。
【００３３】
分光器４１−１、４１−２で測定されたデータは主制御装置１００に送られて処理されて、その結果得られたデータに基づいて、マスフローコントローラー１２、ソース電源２０、バイアス電源２１、磁場制御装置２８、処理ガス源２９、サーキュレーター３６、位相制御器３９などが制御される。
【００３４】
図５に、プラズマ処理装置の制御装置１００のブロック図を示す。制御装置１００は、分光器４１−１及び分光器４１−２で測定された処理室１内のスペクトルプロファイルの測定データをメモリに保持する測定データ保持部１１０と、予め計算により求められた回転温度計測用ガス毎にその分子の複数の回転温度に対応するスペクトルプロファイルのデータを保持するスペクトルプロファイルデータベース１２０と、スペクトルプロファイルの測定値とスペクトルプロファイルのデータの比較からガス分子の回転温度を推定する回転温度推定部１３０を備えている。
【００３５】
また、推定されたガス分子の回転温度に基づき処理室内のガス温度の分布を推定するガス温度分布推定手段１４０、推定されたガス温度分布に基づきフォーカスリングの温度調節を行なうフォーカスリング温度調節部１５０、測定されたプラズマの発光強度のデータに基づき処理室内の発光強度の分布を推定するプラズマ発光強度分布推定手段１６０、得られた発光強度分布に基づき磁場制御装置２８を制御して処理室内の磁場強度分布の調整を行なう磁場強度分布調整部１７０、測定されたプラズマの発光強度のデータに基づき処理室内のラジカル発光強度の分布を求めるラジカル発光強度分布演算手段１８０、及び、得られたラジカル発光強度分布に基づき処理ガス源２９を制御して処理室に供給される処理ガスの組成を調整する供給ガス組成調整部１９０で構成されている。
【００３６】
次に、ガス温度の推定に用いる回転温度の計測方法について述べる。図６は一例として、窒素分子のスペクトルプロファイルの計算値（スペクトルプロファイルデータベース１２０に保持された値）と測定値（測定データ保持部１１０の値）との比較を示したものである。放電ガスは窒素とCF４の混合ガスを用いた。図６の(ａ)は波長が３３４〜３３８nmの範囲、図６の（ｂ）は図６の（ａ）の波長が３３５〜３３７nmの範囲を拡大して示したものである。丸印は測定値を示している。計算値は、窒素分子の回転温度を仮定して求めたものであり、回転温度は３００K（太線）、４２７K（中線）、６００K（細線）の３つの場合について示した。
【００３７】
図６から分かるように、窒素分子の回転温度により、スペクトルのプロファイルが変化する。図６の例では、測定したスペクトルプロファイルは、回転温度を４２７Kと仮定したときのスペクトルプロファイルの計算値とよく一致している。制御装置１００の回転温度推定部１３０では、測定したスペクトルプロファイルと、計算で求めたスペクトルプロファイルを比較し、最も一致する（ベストフィット）回転温度を探すことにより、分子の回転温度（ここでは４２７K）を求める。このようにして求めた分子の回転温度は、バックグラウンドのガスの温度とみなすことができる。
【００３８】
対して、希ガス等を添加していると、バックグラウンドのガスの温度と分子の回転温度で絶対値に差が生じることが多いが、ガス温度分布の測定値からガス温度が均かどうかの判断は可能である。
【００３９】
次に、ガス温度分布の計測結果の例を図７に示す。図７中のガス温度分布Aはフォーカスリング８やサセプタ１６などのパーツ温度が低い状態での計測結果、ガス温度分布Bはフォーカスリングやサセプタ等の温調せず、プラズマによって加熱されたときのガス温度分布の例を示している。フォーカスリングの温度は実測では例えば２００℃くらいにまで上昇するが、被処理体については被処理体裏面に供給したヘリウムの冷却により例えばほぼ６０℃で面内で均一である。またシャワープレートはシャワープレートとガス分散板の間に流れる処理ガスによる冷却によりほぼ均一の温度分布になっている。従って、図７の温度分布Bで被処理体外周部のガス温度が高いのは、被処理体のすぐ隣に設置してあるフォーカスリングの温度が上昇によるものである。フォーカスリングの温度が上昇すると、フォーカスリング近傍のガス温度が上昇するわけであるが、その影響は被処理体外周から５０mm程度内側まで及んでいることがわかる。特に被処理体外周から３０mm程度内側までの範囲では影響が大きい。もし、フォーカスリングを温調して被処理体の温度と同程度にしても、フォーカスリングの幅が例えば２０mmであり、且つフォーカスリングの外側に設置してあるサセプタに等に冷却機構が無い場合、サセプタによるガスの過熱の影響が被処理体の外周から３cm程度内側の領域まで及ぶことになる。
【００４０】
そのため、フォーカスリングやシャワープレートの大きさも重要である。これを、図８を用いて説明する。図８のaは、フォーカスリングの幅を示しており、この幅は望ましくは３cm以上、例えば５cmとするのが良い。ただし、サセプタがプラズマの過熱により高温にならないような工夫があれば、フォーカスリングの幅は５cmよりも短くてもよい。また処理室の内径があまり大きくないなどの理由でフォーカスリング大きくできない場合でも、できればフォーカスリングの幅を３cm以上とするのが望ましい。
【００４１】
また、図８のbは、シャワープレートの直径またはシャワープレートの露出径を示している。この直径は、被処理体の直径に対して少なくとも３０mmの２倍、即ち、被処理体の直径が３００mmである場合には、シャワープレートの直径または露出径は３６０mm程度以上にするのが望ましい。さらに、処理室の内径等の制約が無ければ、シャワープレートの直径は４００mm以上とするのが望ましい。ただし、フォーカスリング外側に設置してある石英リング等に冷却機能等が備えられている場合は、シャワープレート直径は上記直径よりも小さくてもよい。
【００４２】
次に、図９乃至図１２を用いて、本実施例により被処理体面内の加工寸法を均一化する方法の一例を説明する。
【００４３】
図９は、本実施例のプラズマ処理装置における被処理体のエッチング処理条件の均一性制御のフローの一例である。まず初期状態として、ガスの温度分布は不均一であるが、磁場によるプラズマ分布制御機能（１７００）と２系統ガス供給機能（１９００）により被処理体面内の加工形状が概ね均一である状態になっているものと仮定する。
【００４４】
この場合、プラズマの発光強度分布を測定すると、発光強度の広い波長範囲での積分値は概ね図１０Ａのように被処理体の外周や被処理体よりもやや外側で大きくなっている場合がある。発光強度は簡単には「ガス密度×電子温度×電子密度」に依存すると考えられるため、発光強度が被処理体外周付近で高くなる主要因としては、プラズマ密度（ここでは電子密度及びイオン密度を指すものとする）が被処理体外周付近で高いか、あるいは電子温度が被処理体外周付近で高いかのどちらかの可能性が考えられる（ガス密度は後に述べるように被処理体の外周で低くなっている）。エッチング形状の面内均一性がよい場合、イオンフラックスの面内分布は概ね均一になっていると考えられる。従って、イオン密度、即ちプラズマ密度分布は、図１０Ｂに示すように被処理体面上で概ね均一であると予測され、発光強度が被処理体外周付近で高くなる主要因は、図１０Cに示すように電子温度が被処理体外周付近で高いためと考えられる。
【００４５】
一方、ラジカルの密度は簡単には「電子密度×電子温度×ラジカルの生成元となるガスの密度」によって決まると考えることができるため、電子温度が不均一であれば、ラジカル密度が不均一となり、結果として被処理体の加工形状の面内均一性も不均一になる恐れがある。そこで、次に電子温度が図１０Ｃのように不均一であるにもかかわらず被処理体面内で加工寸法が均一になる理由について述べる。
【００４６】
図１１Ａは、被処理体のやや外側を含め被処理体直上の窒素分子の回転温度分布の計測結果を示している。処理ガスに添加した窒素ガスの回転温度は、アルゴンなどの希ガスを添加していないなどある一定の条件を満たせば、バックグラウンドのガス温度と等しいとみなすことができる。即ち、図１１Ａはガス温度の分布を示しており、ガス温度は被処理体の外周部で高くなっている。処理室内では一般にガスの圧力は概ね均一であることから、被処理体面内でもガスの圧力はほぼ均一である。ガスの圧力がほぼ均一であるにもかかわらず、ガス温度が不均一である場合、ガスの密度分布が不均一となる。これは「ガス密度∝ガス圧力／ガス温度」の関係式による。即ち、図１１Ｂに示すように、ガス温度が高い被処理体外周付近ではガス密度が低くなる。
【００４７】
ここで既に述べたようにラジカル密度は簡単には「電子密度×電子温度×ガス密度」に依存すると考えることができるため、ガス密度分布が不均一であると、ラジカルの密度分布は不均一となる可能性が高い。しかし、図１１Ｂに示したようにガス密度が低い被処理体外周付近では、図１０Ｃに示したように電子温度が高いため、結果として、ガス温度の不均一と電子温度の不均一が補い合って、図１１Ｃに示したようにラジカル密度分布の均一性が得られていると考えられる。
【００４８】
しかしながら、図１０Ｃのような電子温度分布の不均一はチャージングダメージの原因となりうるため、電子温度は均一である方が望ましい。また、半導体装置の微細化が進んでおり、今後より厳しい加工形状の面内均一性が要求されることになるが、図１０と図１１の例で示したような、ある要素の不均一を別の要素の不均一で補って、結果として加工形状を面内で均一にしている方式では、いずれ限界が来ることは明白である。
【００４９】
そこで本実施例では、まず、フォーカスリングの温度調節処理１５００を行なう。ここでは、ガス温度分布を計測し、ガス温度分布が不均一であればガス温度を均一にするようにフォーカスリング裏面のヘリウムガス圧を変更する。まず、回転温度推定部１３０により得られたガス分子の回転温度の推定値に基づき、ガス温度分布推定手段１４０でガス温度の分布を推定する（１５０２）。次に、ガス温度の分布が被処理体の面内において均一であるかの判定を行なう（１５０４）。ガス温度の分布が均一でない場合は、フォーカスリング温度調節部１５０によりフォーカスリングの裏面へ供給するヘリウムガスの流量を調節して、図１２Ａのようにガス温度の分布の均一化を図る（１５０６）。これによりガス密度分布は図１２Ｂのように均一になる。ただし、この段階では電子温度分布が図１０Ｃのように不均一なままであるため、イオンフラックス分布も図１０Ｃの電子温度分布と同じような不均一な分布になってしまう。
【００５０】
そこで次に、ガス温度分布が所定の範囲で均一になれば、次のプラズマ分布制御のステップ１７００に進む。ここでは、全発光強度の分布よりプラズマ分布を推定し、プラズマ分布が不均一であれば、磁場強度を調整してプラズマ分布が均一になるようにする。すなわち、プラズマの発光強度のデータに基づき発光強度分演算定手段１６０で処理室内の発光強度の分布を推定する（１７０２）。そして、発光強度分布が被処理体の面内において均一であるかの判定を行なう（１７０４）。プラズマの発光強度分布が均一でない場合は、磁場強度分布調節部１７０により処理室内の磁場強度分布の調整を行ない、図１２Ｃのようにプラズマ密度分布を均一にする（１７０６）。
【００５１】
次に、この状態では、電子温度分布やガス密度分布が不均一なときにラジカル分布が均一になるように２系統ガス供給システムが設定されたままになっているため、電子温度や電子密度を均一にした際には、ラジカル分布が不均一になっている恐れがある。そこで、次の２系統ガス供給制御のステップ１９００に進む。ここでは、各種ラジカルや原子の密度分布をそれぞれに対応した波長の発光強度分布より算出し、不均一であればシャワープレートの内側と外側から供給数ガスの組成比や流量比を調整するようにする。すなわち、プラズマの発光強度のデータに基づきラジカル発光強度分布演算手段１８０で処理室内の各種ラジカルや原子の密度分布をそれぞれに対応した波長の発光強度分布より算出する（１９０２）。そして、各種のラジカル発光強度分布が被処理体の面内において均一であるかの判定を行なう（１９０４）。均一でない場合は、供給ガス組成調整部１９０によりシャワープレートの内／外（６Ａ、６Ｂ）へ供給する処理ガスの組成を調節して、各種ラジカルの発光強度の均一化を図り、図１２Ｄに示したように各種ラジカルの密度分布を均一にする（１９０６）。そして、再びガス温度分布、プラズマ分布、ラジカル分布をチェックし、すべて所定の値の範囲内で均一であれば均一性制御を終了する。
【００５２】
図９の例は、ガス温度分布→プラズマ分布→ラジカル分布の順に調整を行ったが、必ずしもこの順番に限定する必要はなく、例えば、ガス温度分布、プラズマ分布、ラジカル分布等のうち、最も均一性の悪いものを優先して分布調整を行ってもよい。
【００５３】
次に、フォーカスリングの温度調節機能によるガス温度分布の制御方法について説明する。集光部４３-２によって集光したプラズマ光を用いて処理室内のガス温度分布を端末装置８０にて求める。そして、被処理体外周部のガス温度が被処理体中心付近のガス温度より高ければ、マスフローコントローラー１２によりフォーカスリングの裏面１４Ｃに供給するヘリウムガスの圧力を増加させ、フォーカスリング８の温度を下げるようにする。逆に、被処理体の外周でガス温度が低くなった場合にはフォーカスリングの裏面に供給するヘリウムガスの流量を減らし、フォーカスリングの温度を高くすればよい。処理室１の側壁に処理室内壁を温調するための冷媒の流路１９Ａが設けてある場合は、ここを流れる冷媒の温度をサーキュレーター３６で調整してもよい。またヒーター等で処理室内壁を温調できるようになっている場合は、ヒーターの温調を調整してもよい。
【００５４】
なお、リング状部材としてフォーカスリングに代えて、ステージの被処理体外周部に設置され温度調節される部材、例えばフォーカスリングの外側に設置されるサセプタや電極カバーに対して、上記フォーカスリングの温度調節機能と同じ温度調節機能を持たせても良い。
【００５５】
本実施例によれば、制御装置１００により、ガス温度、プラズマの発光強度、各種ラジカルの発光強度が被処理体の面内ですべて均一となるように制御される。このような状態で被処理体のエッチング処理を行なうことにより、微細化に対応した加工形状の高い面内均一性が得られると共に、チャージングダメージの発生が抑制される。
【００５６】
このように、本実施例によれば、電子温度、電子密度、ガス密度、ラジカル密度などエッチング形状を決定する要素の均一性について、特定の要素の不均一を別の要素の不均一で補うのではなく、すべて均一となるように制御することで、微細化に対応した加工形状の面内均一性を得ることができる。また、チャージングダメージの発生が抑制される。
【実施例２】
【００５７】
本発明の第２の実施例を、図１３を例に説明する。図１３は、フォーカスリング８の裏面とステージの間に石英等のスペーサー９を挿入しているタイプのステージの外周付近を示している。この場合、フォーカスリングを静電吸着によってステージに固定することが難しいため、例えば、スペーサー９とフォーカスリング８をステージ４にねじで固定するようにした。またスペーサー９には該スペーサーの裏側と表側を貫通するガスの流路を設けることでフォーカスリングとスペーサー、及びスペーサーとステージの間に冷却のためのヘリウムガスを供給できるようにした。また特にフォーカスリングの幅が３０mmよりも小さいときは、ウエハ外周のガス温度が上がらないようするためにはサセプタの温度上昇を防ぐことが重要であるため、フォーカスリングの外側に設置されたサセプタとステージの間にもヘリウムガスを供給できるようにした。また、低流量のヘリウムガスで高い圧力を維持するため、O-リングによってガスの漏れ出しを防ぐことが望ましい。またフォーカスリングの電位を調整するためDC等の電力を印加できるようにするのが望ましい。
【００５８】
本実施例でも、ガス温度分布その他エッチング形状を決定する各要素を被処理体の面内均一にすることにより、加工形状の面内均一性向上及びチャージングダメージ低減が可能になる。
【実施例３】
【００５９】
本発明の第３の実施例を、図１４を例に説明する。図１４はフォーカスリング裏面に冷却のためのガスを供給しない場合のステージ外周部分を示したものである。本実施例ではフォーカスリングとステージの間にガスの代わりにグリスを入れるようにした。そしてグリスが漏れ出ないようにするため、O-リングを設置し、ねじで抑えるようにした。サセプタを冷却する場合も同様するとよい。
【００６０】
本実施例でも、ガス温度分布その他エッチング形状を決定する各要素を被処理体の面内均一にすることにより、加工形状の面内均一性向上及びチャージングダメージ低減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明を適用した第１の実施例になるプラズマ処理装置の要部を示すための略縦断面図である。
【図２】第１の実施例の、図１に示さなかった部分を説明するためのプラズマ処理装置の略縦断面図である。
【図３】第１の実施例における、第１の実施例におけるステージ外周部を説明するための概略図である。
【図４Ａ】第１の実施例における、シャワープレートの構造及び集光ヘッドの配置を説明する図である。
【図４Ｂ】第１の実施例における、集光ヘッドの集光用の孔の配置を説明する図である。
【図５】第１の実施例におけるプラズマ処理装置の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】分子の回転温度を評価する方法を説明する図である。
【図７】ガス温度分布の計測結果例を示す図である。
【図８】フォーカスリング及びシャワープレートの大きさを説明する図である。
【図９】本発明におけるウエハ面内の加工寸法を均一化するための制御手順を説明する図である。
【図１０Ａ】プラズマの発光強度分布の例を説明する図である。
【図１０Ｂ】プラズマ密度の分布の例を説明する図である。
【図１０Ｃ】電子温度の分布の例を説明する図である。
【図１１Ａ】ガス温度の分布の例を説明する図である。
【図１１Ｂ】ガス密度の分布の例を説明する図である。
【図１１Ｃ】各種ラジカルの密度分布の例を説明する図である。
【図１２Ａ】本発明を適用した場合のガス温度分布の例を説明する図である。
【図１２Ｂ】本発明を適用した場合のガス密度分布の例を説明する図である。
【図１２Ｃ】本発明を適用した場合のプラズマ密度分布の例を説明する図である。
【図１２Ｄ】本発明を適用した場合の、各種ラジカルの密度分布の例を説明する図である。
【図１３】本発明を適用した第２の実施例を説明する図である。
【図１４】本発明を適用した第３の実施例を説明する図である。
【図１５】エッチングのメカニズムを説明する図である。
【符号の説明】
【００６２】
１：処理室、２：被処理体、３：アンテナ、４：ステージ、５：シャワープレート、６：分散板、７：ガス孔、８：フォーカスリング、９：スペーサー、１０：排気手段、１１：バタフライバルブ、１２：マスフローコントローラー、１３：ガスライン、１４：ガスの流路、１６：サセプタ、１８：溶射膜、１９：冷媒の流路、２０：ソース電源、２１：バイアス電源、２２：整合器、２３：位相制御器、２４：DC電源、２５：フィルタ、２６：コイル、２７：ヨーク、３６：サーキュレーター、３７：ねじ、３８：O-リング、３９：グリス、４０：光ファイバー、４１：分光器、４２：マルチプレクサー、４３：集光部、８０：パソコン、８１：制御コンピューター、９０：SiOC膜、９１：レジスト、９２：堆積膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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