(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板が収容されるチャンバーと、
チャンバー内に相対向するように設けられた第１および第２の電極と、
前記第１の電極に高周波を印加する高周波印加手段と、
前記第１の電極の前記第２の電極に対向する面の端部領域または前記第１の電極の周面に接触して配置され、前記高周波印加手段の周波数の高調波を吸収する高調波吸収部材と、
前記チャンバー内を所定の減圧状態に維持する排気手段と、
前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入手段と
を具備し、
前記第１または第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、前記第１および第２の電極間に高周波電界を形成することにより処理ガスのプラズマを形成し、このプラズマにより被処理基板にプラズマ処理を施すことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記高調波吸収部材は、周波数特性の異なる高調波吸収部材を積層したものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記高調波吸収部材は、磁気共鳴損失効果を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記高調波吸収部材は、フェライトを含むことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記第１の電極に印加する高周波の周波数は２７ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記第２の電極に１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの高周波を印加する高周波印加手段をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板等の基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、エッチングやスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等のプラズマ処理が多用されている。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。
【０００４】
容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとともに、電極の一方に高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成して半導体ウエハに対してプラズマ処理を施す。
【０００５】
このような容量結合型平行平板プラズマ処理装置により半導体ウエハ上の膜、例えば酸化膜をエッチングする場合には、チャンバー内を中圧にして、中密度プラズマを形成することにより、最適ラジカル制御が可能であり、それによって適切なプラズマ状態を得ることができ、高い選択比で、安定性および再現性の高いエッチングを実現している。
【０００６】
しかしながら、近年、ＵＳＬＩにおけるデザインルールの微細化がますます進み、ホール形状のアスペクト比もより高いものが要求されており、酸化膜のエッチング等において従来の条件では必ずしも十分とはいえなくなりつつある。
【０００７】
そこで、印加する高周波電力の周波数を上昇させ、良好なプラズマの解離状態を維持しつつ、高密度プラズマを形成することが試みられている。これにより、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となると考えられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者の検討結果によれば、このように印加する高周波の周波数を上昇させてプラズマを高密度化するとプラズマの非線形性の特性が顕著に現れ、プラズマからの反射波に高調波が発生しやすくなり、電極径がφ２５０〜φ３００の場合には、このような高調波により電極表面に定在波が生成され、電極表面の電界分布が不均一になることが判明した。
【０００９】
このように電界分布が不均一になるとプラズマ密度が不均一となり、結果としてエッチングレート分布が不均一となるため、上記電界分布不均一の原因を取り除いてエッチングレート分布を均一にすることが必要となる。
【００１０】
しかしながら、従来、このような高密度プラズマを用いた場合の問題点が必ずしも明確に認識されていたわけではなく、上記のような電界分布不均一を解消しようとする試みは未だ十分にはなされていない。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、より微細化に対応可能な高密度プラズマを用いたプラズマ処理において、電極表面における電界分布の不均一を小さくしてプラズマ密度を均一化することが可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、被処理基板が収容されるチャンバーと、
チャンバー内に相対向するように設けられた第１および第２の電極と、
前記第１の電極に高周波を印加する高周波印加手段と、
前記第１の電極の前記第２の電極に対向する面の端部領域または前記第１の電極の周面に接触して配置され、リング状をなし、前記高周波印加手段の周波数の高調波を吸収する高調波吸収部材と、
前記チャンバー内を所定の減圧状態に維持する排気手段と、
前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入手段と
を具備し、
前記第１または第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、前記第１および第２の電極間に高周波電界を形成することにより処理ガスのプラズマを形成し、このプラズマにより被処理基板にプラズマ処理を施すことを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１３】
上述したように、電極に印加する高周波の周波数を上昇させてプラズマを高密度化すると、プラズマからの反射波の高調波が発生しやすくなる。この高調波が高周波電源へ戻るとき、電極と絶縁体との境目や給電位置等で反射し、電極表面に定在波を発生させる。この定在波は電極の中央で振幅が大きいから、定在波が電極表面の電界分布に影響を及ぼし、電極近傍のプラズマに寄与することにより、電極中央部のシースが端部に比較して薄くなり、不均一なプラズマが生成されることとなる。
【００１４】
これに対して、本発明においては、第１の電極に高周波を印加するとともに、この第１の電極の第２の電極に対向する面の端部領域または第１の電極の周面に接触して、高周波印加手段の周波数の高調波を吸収する高調波吸収部材を配置するので、プラズマから反射した高調波は、電極を通り、高周波電源に戻る前にこの高周波吸収部材に達し、そこで高調波は吸収される。したがって、高調波による定在波の発生を有効に防止することができ、定在波に起因する電極表面における電界分布の不均一を小さくしてプラズマ密度を均一化することが可能となる。
【００１５】
前記高調波吸収部材として、周波数特性の異なる高調波吸収部材を積層したものを用いることができる。これにより、広い周波数帯の高調波を吸収することができる。また、前記高調波吸収部材としては、磁気共鳴損失効果を有するものを用いることができ、その例としてフェライトを含むものが挙げられる。さらに、前記第１の電極に印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚ以上とした場合に特に適している。すなわち、印加する高周波の周波数が２７ＭＨｚ以上の場合にプラズマ密度が高くなり、上記定在波の影響がより顕著になる。さらにまた、前記第２の電極に１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの高周波を印加する高周波印加手段をさらに有することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００１７】
このエッチング処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。前記チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００１８】
前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、例えば液体窒素などの冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
【００１９】
前記サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００２０】
そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００２１】
前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなっており、これによりエッチングの均一性が向上される。
【００２２】
前記サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、サセプタ５との対向面を構成するとともに多数の吐出孔２４を有する電極板２３と、この電極板２３を支持し、導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体２２とによって構成されている。この上部電極２１の周面に沿ってリング状に絶縁材２５が設けられている。また、電極板２３の下面端部領域から絶縁材２５の下面にかけて、これらに接触するようにリング状の高調波吸収部材５１が設けられており、この高調波吸収部材５１ならびに電極２３の下面端部領域および絶縁材２５の周面下部を覆うようにリング状の絶縁材５２が設けられている。そして、上部電極２１は、この絶縁材５２によりチャンバー２に支持されている。なお、サセプタ５と上部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間している。
【００２３】
高調波吸収部材５１は、プラズマから反射した後述する高周波電源４０からの高調波を吸収しまたは減衰させる機能を有しており、例えば磁気共鳴損失効果を利用してこのような機能を実現する。このような磁気共鳴損失効果を利用して高調波を吸収する材料としてはフェライトが挙げられ、高調波吸収部材５１としてフェライトを含むものを好適に用いることができる。この高調波吸収部材５１の厚さおよび材質を変化させることにより吸収する周波数帯を調整することが可能である。また、異なる周波数特性を持つものを積層して高調波吸収部材５１を構成することにより吸収する周波数帯を広げることができる。このようにして所望の周波数の高調波を吸収させて減衰させることにより、定在波を有効に防止することができる。
【００２４】
前記上部電極２１における電極支持体２２にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマ処理、例えばエッチングのための処理ガスが供給される。
【００２５】
処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）やハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよい。
【００２６】
前記チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００２７】
上部電極２１には、整合器４１を介して第１の高周波電源４０が接続されており、その際の給電は上部電極２１の上面中央部に接続された給電棒３３により行われる。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、２７ＭＨｚ以上の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この例では、高周波電源４０として６０ＭＨｚのものを用いている。
【００２８】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。この例では、２ＭＨｚのものを用いている。
【００２９】
次に、以上のように構成されるプラズマエッチング装置１における処理動作について説明する。
まず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室からチャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、高圧直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００３０】
その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から処理ガスがマスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の内部へ導入され、さらに電極板２３の吐出孔２４を通って、図１の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出され、チャンバー２内の圧力が所定の値に維持される。
【００３１】
そして、その後、高周波電源４０から２７ＭＨｚ以上、例えば６０ＭＨｚの高周波が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化し、このプラズマにより、ウエハＷに対してエッチング処理が施される。
【００３２】
他方、高周波電源５０からは、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚの高周波が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
【００３３】
このように、上部電極２１に印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚ以上とすることにより、プラズマ密度を上げることができるが、これだけでは、プラズマからの反射波の高調波により電極板２３下面に定在波が生成されることによって、電極板２３下面での電界の不均一が生じる。
【００３４】
すなわち、２７ＭＨｚ以上の高周波を使用した場合、プラズマで印加周波数のｎ倍の高調波が発生しやすくなり、この高調波が上部電極２１から高周波電源に戻るとき、図２に示すように、上部電極２１と絶縁材２５との境目のＡ，Ｂで示す部分や、給電位置であるＣで示す部分等で反射し、これらと上部電極２１の中心であるＤで示す位置との間で定在波を発生させる。この定在波の波長がある高調波の波長λの１／４倍、すなわちλ／４と一致する場合は、上部電極２１の中心付近でプラズマ密度が高くなり、不均一なプラズマを生成させる原因となる。例えば、高周波電源４０として周波数６０ＭＨｚのものを使用した場合、波長は５ｍであり、Ａ−Ｄ間距離を約０．１４ｍとすると、計算上Ａ−Ｄ間で９次の高調波が発生しやすくなる。高周波経路材料の誘電率の１／２乗に比例する波長短縮率を考慮すると３〜６次程度の高調波が発生しやすくなる。ただし、Ａ−Ｄ間の距離が約０．０７ｍの場合には、１３．５６ＭＨｚの高周波でも同様の問題が生じると考えられる。
【００３５】
これに対して、上述のように電極板２３の下面端部領域から絶縁材２５の下面にかけて、これらに接触するようにリング状の高調波吸収部材５１を設けることにより、高周波電源４０に戻る高調波を吸収してこのようなプラズマの不均一の原因となる定在波の形成を有効に防止することができる。なお、このように高調波吸収部材５１をリング状とすることにより、高調波吸収効果を高めることができるので好ましいが、その形状はリング状に限るものではない。また、この高調波吸収部材５１を図３に示すように上部電極２１の周面に設けても同様の効果を得ることができる。
【００３６】
このような高調波吸収部材５１としてフェライト焼結体を用いた場合、上述したように磁気共鳴損失効果により高調波を吸収して減衰させることができる。この場合に、厚さによって減衰させることができる周波数帯がシフトし、厚さが半分になると減衰可能周波数は２倍程度となる。例えば、厚さ７ｍｍ（ＴＤＫ製ＩＢ−００３）では図４に示すように２００〜８００ＭＨｚの高調波を２０ｄＢ減衰させることができる。また、厚さ４．５ｍｍ（ＴＤＫ製ＩＢ−００４）では図５に示すように７００ＭＨｚ〜３ＧＨｚの高調波を２０ｄＢ減衰させることができる。また、異なる周波数特性を持つフェライトを積層することにより減衰可能周波数帯を広げることが可能であり、例えば上記ＩＢ−００３およびＩＢ−００４を積層した場合には、２００ＭＨｚ〜３ＧＨｚの広い周波数帯の高調波を減衰させることができる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、上部電極に２７ＭＨｚ以上の高周波を印加した場合について示したが、本発明は２７ＭＨｚより低い場合にも有効である。また、上下電極に高周波を印加したが、上部電極のみに周波数の高い高周波を印加するタイプであってもよい。さらに、下部電極に周波数の高い高周波を印加するタイプの装置にも適用することができ、この場合には、下部電極の上部電極に対向する面の端部領域または下部電極の周面に接触して高調波吸収部材を配置すればよい。さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを用い、これにエッチングを施す場合について説明したが、これに限らず、処理対象としては液晶表示装置（ＬＣＤ）基板等の他の基板であってもよく、またプラズマ処理もエッチングに限らず、スパッタリング、ＣＶＤ等の他の処理であってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の電極に高周波を印加するとともに、この第１の電極の第２の電極に対向する面の端部領域または第１の電極の周面に接触して、高周波印加手段の周波数の高調波を吸収する高調波吸収部材を配置するので、プラズマから反射した高調波は、電極を通り、高周波電源に戻る前にこの高周波吸収部材に達し、そこで高調波は吸収される。したがって、高調波による定在波の発生を有効に防止することができ、定在波に起因する電極表面における電界分布の不均一を小さくしてプラズマ密度を均一化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す断面図。
【図２】高周波印加電極に定在波が形成される原因を説明するための模式図。
【図３】高調波吸収部材の配置の他の例を示す断面図。
【図４】高調波吸収部材として厚さ７ｍｍのフェライト焼結体を用いた場合の反射減衰量の周波数特性を示すグラフ。
【図５】高調波吸収部材として厚さ４．５ｍｍのフェライト焼結体を用いた場合の反射減衰量の周波数特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１；プラズマエッチング装置
２；チャンバー
５；サセプタ
６；ハイパスフィルタ
２１；上部電極
２３；電極板
３０；処理ガス供給源
３５；排気装置
４０，５０；高周波電源
４１，５１；整合器
４２；ローパスフィルタ
５１；高調波吸収部材
Ｗ；半導体ウエハ
【図１】
0004322350.tif 000002
【図２】
0004322350.tif 000003
【図３】
0004322350.tif 000004
【図４】
0004322350.tif 000005
【図５】
0004322350.tif 000006