JP2013033816A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、処理チャンバーの上部開口を覆うように設けられ、誘電体窓を備えた上蓋と、処理チャンバー外の誘電体窓の上部に配設された高周波コイルと、誘電体窓の内側に位置するように上蓋に支持され、処理ガスを供給するガス供給機構とを有し、ガス供給機構は、誘電体窓の周縁に沿って配設された周縁側ガス流路と、周縁側ガス流路に基端部が接続され、誘電体窓の中央方向に向かって延在する板体からなり、内部に配設され周縁側ガス流路に接続されたガス流路と、当該ガス流路に接続された複数のガス吐出口とを有する複数のフィン状ガス供給部とを具備し、フィン状ガス供給部は、延在方向に沿った回転軸の回りに回転可能とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

従来から、半導体装置の製造分野等においては、半導体ウエハ等の基板に、成膜処理やエッチング処理等の処理を行う装置として、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いるプラズマ処理装置が知られている。

ＩＣＰを用いたプラズマ処理装置の処理ガス供給構造としては、処理室の上部に高周波コイルを設けたプラズマ処理装置では、例えば、基板の周囲の、高周波コイルと基板の間の空間に、環状の中空管からなる処理ガス供給機構を設け、中空管の内側に設けた複数のガス吹き出し口から基板の上部の空間に処理ガスを噴出させる方式のものが知られている
（例えば、特許文献１参照。）。

上記のように処理室の上部に高周波コイルを設けたプラズマ処理装置の場合、基板の上部に処理ガス導入するための大きな構造物が存在すると、その構造物に遮られるように基板の処理状態が不均一になる虞がある。このため、処理ガスを噴出させる部位が制約され、均一に処理ガスを供給して、処理の面内均一性を向上させることが難しいという問題があった。

また、ＩＣＰを用いたプラズマ処理装置では、処理ガス供給機構とは別に、処理室の外部に静電界をシールドするファラデーシールドを設ける技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−８５４１３号公報 特開２０１０−１２５２０号公報

上述したとおり、従来のプラズマ処理装置では、ガスを噴出させる部位が制約されるため、処理ガスの供給状態を制御して処理の面内均一性を向上させることが難しいという問題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置を提供しようとするものである。

本発明のプラズマ処理装置は、処理チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させて基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記処理チャンバーの上部開口を覆うように設けられ、誘電体窓を備えた上蓋と、前記処理チャンバー外の前記誘電体窓の上部に配設された高周波コイルと、前記誘電体窓の内側に位置するように前記上蓋に支持され、処理ガスを供給するガス供給機構とを有し、前記ガス供給機構は、前記誘電体窓の周縁に沿って配設された周縁側ガス流路と、当該周縁側ガス流路に基端部が接続され、前記誘電体窓の中央方向に向かって延在する板体からなり、内部に配設され前記周縁側ガス流路に接続されたガス流路と、当該ガス流路に接続された複数のガス吐出口とを有する複数のフィン状ガス供給部とを具備し、前記フィン状ガス供給部は、延在方向に沿った回転軸の回りに回転可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るプラズマエッチング装置の縦断面構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の上面構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部縦断面構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部縦断面構成を示す図。 本発明の第２実施形態に係るプラズマエッチング装置の上面構成を示す図。 図７のプラズマエッチング装置の要部構成を示す図。 図７のプラズマエッチング装置の要部構成を示す図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置１の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、プラズマエッチング装置１は、処理チャンバー１０を具備している。処理チャンバー１０は、表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から略円筒状に構成されており、上部に開口を有する容器状に形成された処理チャンバー本体１１と、この処理チャンバー本体１１の上部開口を覆うように配設された上蓋１２とからその主要部が構成されている。

上蓋１２には、石英等からなる誘電体窓１３が設けられており、処理チャンバー１０の外側の、誘電体窓１３の上部近傍に位置するように、高周波コイル１４が設けられている。この高周波コイル１４は、図示しない高周波電源に接続されており、この高周波電源から所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力が供給されるようになっている。

処理チャンバー１０の内部には、誘電体窓１３の下方に位置するように、半導体ウエハＷ等の基板を載置するための載置台１５が設けられている。載置台１５の基板載置面には、半導体ウエハＷ等の基板を吸着するための図示しない静電チャック等が設けられている。また、この載置台１５には、バイアス電圧印加のための図示しない高周波電源が接続されている。載置台１５の周囲には、下方に向けて排気するための環状の排気空間１６が設けられており、排気空間１６は、排気装置（図示せず。）と連通されている。

また、処理チャンバー本体１１の側壁部分には、処理する半導体ウエハＷ等の基板を搬入、搬出するための図示しない搬入・搬出口が設けられており、この搬入・搬出口には、ゲートバルブ等の図示しない開閉機構が設けられている。

誘電体窓１３の内側には、処理ガス供給機構３０が配設されている。この処理ガス供給機構３０は、図２にも示すように、誘電体窓１３の周縁に沿って配設され、円環状に構成された環状部材３１を具備しており、この環状部材３１の内部には、周方向に沿って周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂが形成されている。

本実施形態では、環状部材３１の内部に同心状に２つの周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂが形成された構成となっている。これは、例えば処理チャンバー１０の中央部と周縁部とで、処理ガスの供給系を分けることができるようにするためである。しかし、周縁側ガス流路の数は、２つに限られるものではなく、１つとしても、３つ以上としてもよい。

図３に示すように、周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂには、ガス供給部４０ａ，４０ｂが夫々接続されている。また、これらのガス供給部４０ａ，４０ｂは、夫々図示しない処理ガス供給源に接続されている。

図５は、ガス供給部４０ａ，４０ｂの構成を拡大して示すものである。図５に示すように、上蓋１２内には、上蓋１２の外側と内側とを連通するように２つのガス流路４１（図５には１つのみ示す。）が形成されており、このガス流路４１の外側開口部には、ガス供給部４０ａ，４０ｂが接続されている。また、ガス流路４１の内側開口部には、接続機構４２が配設されており、この接続機構４２によって環状部材３１と接続され、周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂのいずれか一方とガス流路４１とが連通されている。

図１及び図２に示すように、環状部材３１の内周側には、複数のフィン状ガス供給部３３が配設されている。図４（ａ）に側面概略構成、図４（ｂ）に下面概略構成を示すように、これらのフィン状ガス供給部３３は、その全体形状が略長方形状の板体から構成されており、その基端側に円筒状に構成された基端部３３ａが配設されている。そして、この基端部３３ａが、環状部材３１の内周面に配設された円穴３９（図３に示す。）に挿入されて回転自在に係止され、先端側が誘電体窓１３の中央方向に向かって延在するように配設されている。

フィン状ガス供給部３３の内部には、その長手方向に沿ってガス流路３４が形成されており、このガス流路３４は、基端部３３ａにおいて周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂのいずれか一方又は双方と連通される構成となっている。本実施形態において、フィン状ガス供給部３３は、誘電体、例えば、石英又はセラミックス等から構成されている。

また、フィン状ガス供給部３３の下側面には、複数のガス吐出口３５が形成されており、ガス流路３４は、これらのガス吐出口３５と連通されている。さらに、基端部３３ａには、環状部材３１との間を気密に封止するための複数（３つ）のＯリング３６と、ガス流路３４と周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂとを連通させるための２つの連通用開口３７が配設されている。

なお、連通用開口３７を１つのみ設け、周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂのいずれか一方とのみと連通するように構成し、周縁側ガス流路３２ａにのみ連通するものと、周縁側ガス流路３２ｂにのみ連通するものの２種類のフィン状ガス供給部３３を配設した構成としてもよい。

このような構成によって、ガス供給部４０ａ，４０ｂから周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂに供給された処理ガスを、ガス流路３４を介して、処理チャンバー１０内に分散して配置されたガス吐出口３５から吐出させ、処理チャンバー１０内に均一に処理ガスを供給することができるようになっている。なお、各フィン状ガス供給部３３は、高周波コイル１４に対して直交する方向に延在するよう配設されているので、フィン状ガス供給部３３の陰になることによって、載置台１５上に載置された半導体ウエハに、プラズマ処理の不均一な部分が発生することを抑制することができる。

また、図２（ａ）に上面構成、図２（ｂ）に先端部の側面構成を拡大して示すように、フィン状ガス供給部３３は、環状部材３１に対して、その延在方向（長手方向）に沿った回転軸の回りに夫々独立に回転可能とされている。すなわち、図２（ａ），（ｂ）において、左側部分には、各フィン状ガス供給部３３をその側面が略垂直になった状態（立てた状態）を示し、右側部分には、各フィン状ガス供給部３３をその側面が垂直から略４５°回転させた状態（寝かせた状態）を示している。なお、各フィン状ガス供給部３３の回転は、処理チャンバー１０を大気開放した際に手作業によって行ってもよく、回転駆動機構を設けて随時行えるようにしてもよい。

このように各フィン状ガス供給部３３を回転させることにより、図２（ａ）に示すように、誘電体窓１３の上部から処理チャンバー１０の内部を見たときに、フィン状ガス供給部３３によって遮られて見えない領域の面積を変更できるようになっている。すなわち、高周波コイル１４から見たときに、載置台１５上に載置された半導体ウエハＷが見える部分（高周波コイル１４からの高周波に直接晒される部分）の面積を変更することができるようになっている。

また、各フィン状ガス供給部３３を回転させることにより、ガス吐出口３５から吐出させる処理ガスの噴き出し方向を変更することができる。したがって、この処理ガスの噴き出し方向を最適な状態に調整することによって、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。

なお、図２（ａ）に示すように上側から見たときに、隣接するフィン状ガス供給部３３が重なり合っているために、載置台１５上の半導体ウエハＷが見えない状態であっても、図２（ｂ）に示すように、隣接するフィン状ガス供給部３３の間には、間隙が形成されている。したがって、例えば、一枚の板状の誘電体で半導体ウエハＷが見えないように覆った場合に比べて、高周波コイル１４からの高周波は、処理チャンバー１０内のプラズマが発生する空間内に入り易いようになっている。

また、本実施形態では、フィン状ガス供給部３３の表面に、導電性薄膜が形成されており、フィン状ガス供給部３３がファラデーシールドとしての機能を果たすようになっている。このため、図６に示すように、上蓋１２には、フィン電極配線５０が埋設されており、フィン電極配線５０の先端部には、固定継手５１が配設されている。また、環状部材３１の外周部には、各フィン状ガス供給部３３の導電性薄膜と電気的に接続された環状のフィン連結板５２が配設されており、このフィン連結板５２の所定部位に電極端子５３が配設されている。そして、固定継手５１が押さえナット５４によって、電極端子５３に固定されることによって。各フィン状ガス供給部３３の導電性薄膜とフィン電極配線５０とが電気的に接続されている。

このような機構によって、各フィン状ガス供給部３３の表面に形成された導電性薄膜がフィン電極配線５０と電気的に接続され、図示しない切換機構によって、フィン電極配線５０を接地電位、フローティング、所定電位のいずれかに接続することによって、各フィン状ガス供給部３３の表面に形成された導電性薄膜の電位を切り換えることができるようになっている。このような電位の切り替えと、各フィン状ガス供給部３３の回転位置を調整することによって、ファラデーシールドとしての機能を、プラズマ処理に適した状態に設定できるようになっている。

なお、本実施形態では、フィン状ガス供給部３３の表面に導電性薄膜を形成した構成としたが、フィン状ガス供給部３３の表面ではなく、内部に導電性薄膜を形成したり、内部に導電性部材を挟み込んだ構成としてもよい。この場合、石英等からなる２枚の板体の間に導電性部材を挟み込み、これらの板体を拡散接合等によって接合した構成とすることができる。なお、板体の一方又は双方の内側面に溝を形成しておくことによって、２枚の板体を接合してガス流路３４等を形成することかできる。

このようにフィン状ガス供給部３３の内部に導電性の部分を設ければ、プラズマエッチングの際に、導電性材料による汚染が発生することを防止することができる。なお、フィン状ガス供給部３３をファラデーシールドとして機能させない場合は、導電性薄膜の形成や、導電性部材の挟み込みは、行わなくてもよい。

上記構成の処理ガス供給機構３０では、高周波コイル１４の直近にガス拡散室が無い構造となっているため、ガス拡散室内における放電の発生対策を行う必要がない。また、半導体ウエハＷの中央部及び周辺部に限定されることなく、処理ガスの噴出位置を半導体ウエハＷの径方向の任意の複数の位置に設定することができるので、処理ガスを半導体ウエハＷの上方の処理空間に均一に供給して、処理の面内均一性の向上を図ることができる。また、所望により処理ガスを処理空間内に不均一に供給してプラズマ処理の状態を任意に制御することもできる。

上記構成のプラズマエッチング装置１によって、半導体ウエハＷのプラズマエッチングを行う場合、図示しない開閉機構を開き、図示しない搬入・搬出口から処理チャンバー１０内に半導体ウエハＷを搬入し、載置台１５に載置して静電チャックにより吸着する。

次いで、図示しない開閉機構を閉じ、図示しない真空ポンプ等によって、処理チャンバー１０内を所定の真空度となるまで真空引する。

その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）を、処理ガス供給機構３０によって処理チャンバー１０内に供給する。この際、処理ガス導入部４０ａ，４０ｂから導入された処理ガスが、周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂ、及びガス流路３４を介して、処理チャンバー１０内に分散して配置されたガス吐出口３５から吐出する。

そして、処理チャンバー１０内の圧力が、所定の圧力に維持された後、高周波コイル１４に所定の周波数の高周波電力が印加される。これにより、処理チャンバー１０内の半導体ウエハＷの上方の処理空間内には、エッチングガスのＩＣＰプラズマが発生する。また、必要に応じて、載置台１５に、図示しない高周波電源からバイアス用の高周波電圧が印加され、ＩＣＰプラズマによる半導体ウエハＷのプラズマエッチングが行われる。

この時、処理ガス供給機構３０により、処理チャンバー１０内の分散された複数箇所から処理ガスを供給するので、半導体ウエハＷに供給される処理ガスをより均一化することができる。また、処理ガス供給機構３０のフィン状ガス供給部３３は、高周波コイル１４と直交する方向に延在するよう構成されているので、誘電体窓１３を介して処理空間に誘導される電磁場が遮られて半導体ウエハＷの処理状態が不均一になることも抑制することができる。これによって、プラズマの状態を均一化することができ、半導体ウエハＷの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。すなわち、処理の面内均一性を向上させることができる。

そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の印加及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー１０内から搬出される。

次に、図７〜９を参照して第２実施形態に係るプラズマエッチング装置１ａについて説明する。第２実施形態では、上述した第１実施形態の処理ガス供給機構３０を、処理ガス供給機構３０ａとした点が第１実施形態と相違している。

図７に示すように、第２実施形態では、処理ガス供給機構３０ａが、第１実施形態と同様な大きさのフィン状ガス供給部３３と、これより長さの短いフィン状ガス供給部１３３とを組み合わせて構成されている。すなわち、フィン状ガス供給部３３と、長さの短いフィン状ガス供給部１３３とが交互に配設されて処理ガス供給機構３０ａが構成されている。

図８（ａ）に側面概略構成、図８（ｂ）に下面概略構成を示すように、フィン状ガス供給部１３３は、その全体形状が略長方形状の板体から構成されており、その基端側に円筒状に構成された基端部１３３ａが配設されている。そして、この基端部１３３ａが図７に示した環状部材３１の内周面に配設された円穴３９に挿入されて回転自在に係止され、先端側が誘電体窓１３の中央方向に向かって延在するように配設されている。

フィン状ガス供給部１３３の内部には、その長手方向に沿ってガス流路１３４が形成されている。また、フィン状ガス供給部１３３の下側面には、複数（２つの）のガス吐出口１３５が形成されており、ガス流路１３４は、これらのガス吐出口１３５と連通されている。さらに、基端部１３３ａには、環状部材３１との間を気密に封止するための複数（３つ）のＯリング３６と、ガス流路１３４と周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂのうち内周側の周縁側ガス流路３２ｂとを連通させるための連通用開口１３７が配設されている。

一方、図９に示すように、長さの長いフィン状ガス供給部３３は、基端部３３ａにおいて周縁側ガス流路３２ａ，３２ｂのうち、外側の周縁側ガス流路３２ａと連通用開口３７を介して連通される構成となっている。このような構成とすることによって、フィン状ガス供給部１３３には、内周側の周縁側ガス流路３２ｂから処理ガスを供給し、フィン状ガス供給部３３には、外周側の周縁側ガス流路３２ａから処理ガスを供給するようになっている。なお、上記の構成以外は、前述した第１実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。

第２実施形態では、長さの長いフィン状ガス供給部３３の間に、長さの短いフィン状ガス供給部１３３を配設した構成となっている。したがって、第１実施形態よりもフィン状ガス供給部の数が多くなっており、それに従って、ガス吐出口１３５の数も多くなっている。これにより、より均一化して処理ガスを処理チャンバー１０内に供給することができ、処理の面内均一性をより向上させることができる。また、フィン状ガス供給部３３が周縁側ガス流路３２ａに接続され、フィン状ガス供給部１３３が周縁側ガス流路３２ｂに接続されているので、フィン状ガス供給部３３とフィン状ガス供給部１３３とによって、処理ガスの供給状態を異ならせるよう制御することができるので、よりきめ細かく処理ガスの供給状態を調整することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。例えば、フィン状ガス供給部の種類は１又は２に限られるものではなく、３以上としてもよい。

１……プラズマエッチング装置、１０……処理チャンバー、１１……処理チャンバー本体、１２……上蓋、１３……誘電体窓、１４……高周波コイル、１５……載置台、３０……処理ガス供給機構、３１……環状部材、３２ａ，３２ｂ……周縁側ガス流路、３３……フィン状ガス供給部、３３ａ……基端部。

Claims (8)

1. 処理チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させて基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、
   前記処理チャンバーの上部開口を覆うように設けられ、誘電体窓を備えた上蓋と、
   前記処理チャンバー外の前記誘電体窓の上部に配設された高周波コイルと、
   前記誘電体窓の内側に位置するように前記上蓋に支持され、処理ガスを供給するガス供給機構とを有し、
   前記ガス供給機構は、
   前記誘電体窓の周縁に沿って配設された周縁側ガス流路と、
   当該周縁側ガス流路に基端部が接続され、前記誘電体窓の中央方向に向かって延在する板体からなり、内部に配設され前記周縁側ガス流路に接続されたガス流路と、当該ガス流路に接続された複数のガス吐出口とを有する複数のフィン状ガス供給部とを具備し、
   前記フィン状ガス供給部は、延在方向に沿った回転軸の回りに回転可能とされている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
   前記フィン状ガス供給部が、誘電体から構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２記載のプラズマ処理装置であって、
   前記フィン状ガス供給部が、石英又はセラミックスから構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
   前記フィン状ガス供給部に導体部が配設されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項４記載のプラズマ処理装置であって、
   前記導体部が、切換手段により、接地、フローティング、所定電位のいずれかに設定可能とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項４又は５記載のプラズマ処理装置であって、
   前記導体部は、前記フィン状ガス供給部の表面に導電性膜を形成して構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項４又は５記載のプラズマ処理装置であって、
   前記導体部は、前記フィン状ガス供給部の内部に導体が収容されて構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項１〜７いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
   前記フィン状ガス供給部が、駆動機構により回転可能とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。

Images