JP5661513B2

JP5661513B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5661513B2
Application number: JP2011046769A
Authority: JP
Inventors: 勇貴保坂; 直一古谷; 充敬大秦
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: US9589771B2; KR101894598B1; US20120222814A1; JP2012186223A; KR20120100815A

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プラズマを作用させてエッチング処理や成膜処理を施すプラズマ処理装置が用いられている。

このようなプラズマ処理装置では、処理チャンバーの周囲に設けた磁石によって処理空間内に磁場を形成し、処理空間内のプラズマを制御することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、処理チャンバーから排気する部位に磁石によって磁場を形成し、ガスの通過を可能としつつプラズマの通過を阻止してプラズマを処理空間内に閉じ込める技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−８６５８０号公報特表２００３−５１４３８６号公報

上述したとおり、従来のプラズマ処理装置では、処理空間内に形成した磁場によってプラズマを制御したり、プラズマを閉じ込めることが行われている。

しかし、半導体装置の製造分野では、近年多層膜構造の一括エッチングが主流となってきたため、１つの処理チャンバー内で複数の工程を実施する必要性が生じている。このため、個々のプロセス条件に合ったより細かなプラズマの制御を可能とすることが求められている。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べてより細かなプラズマの制御を可能とす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。

本発明に係るプラズマ処理装置は、内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドを備えたプラズマ処理装置であって、前記シャワーヘッドの前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、前記反対側の面側の前記排気孔と連通した排気空間内に、前記反対側の面と平行に配設された導電性材料からなる環状の板体と、前記板体を移動させて前記排気孔との距離を変更するための移動手段と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べてより細かなプラズマの制御を可能とす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。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す縦断面図。図１のプラズマ処理装置の要部構成を模式的に示す図。図１のプラズマ処理装置の要部構成を模式的に示す図。

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、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマエッチング装置２００の断面構成を模式的に示すものである。

図１に示すように、プラズマエッチング装置２００は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に形成された処理チャンバー（処理容器）２０１を有しており、この処理チャンバー２０１は接地されている。処理チャンバー２０１内には、被処理基板としての半導体ウエハを載置し、かつ、下部電極を構成する載置台２０２が設けられている。この載置台２０２には、一又は複数の図示しないプラズマ形成用電源が接続されている。

載置台２０２の上側には、その上に半導体ウエハを静電吸着するための静電チャック２０３が設けられている。静電チャック２０３は、絶縁材の間に電極を配置して構成されており、この電極に直流電圧を印加することにより、クーロン力によって半導体ウエハを静電吸着する。また、載置台２０２には、温度調節媒体を循環させるための流路２０４が形成されており、静電チャック２０３上に吸着された半導体ウエハを所定の温度に温度調整できるようになっている。また、処理チャンバー２０１の側壁部には、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２０５が形成されており、ここには、開口２０５を気密に閉塞するための開閉機構２０６が設けられている。

載置台２０２の上方に、載置台２０２と所定間隔を隔てて対向するように、シャワーヘッド１００が配置されている。そして、シャワーヘッド１００が上部電極となり、載置台２０２が下部電極となる一対の対向電極が形成されている。

図２に示すように、シャワーヘッド１００は、下側部材１と、この下側部材１の上側に配置された上側部材２の２枚の板状部材を積層させた積層体１０から構成されている。これらの下側部材１及び上側部材２は、例えば、表面に陽極酸化処理を施したアルミニウム等から構成されている。

積層体１０のうち、載置台２０２と対向する対向面１４を形成する下側部材１には、ガス吐出孔１１が多数形成されており、下側部材１と上側部材２との間には、これらのガス吐出孔１１に連通するガス流路１２が形成されている。これらのガス吐出孔１１は、図１，２中に矢印で示すように、基板（図１，２中下側）に向けてガスをシャワー状に供給するためのものである。なお、積層体１０の周縁部には、ガス流路１２内にガスを導入するためのガス導入部１２ａが設けられている。

また、積層体１０には、この積層体１０、すなわち、下側部材１と上側部材２とを貫通して、排気孔１３が多数形成されている。これらの排気孔１３は、図１，２中に点線の矢印で示すように、基板側（図中下側）から基板と反対側（図中上側）に向けてガスの流れが形成されるように排気を行う排気機構を構成している。排気孔１３は、図２に示す下側部材１部分に形成された細径部分１３ａの直径が例えば０．５〜１．５ｍｍ程度とされており、上側部材２部分に形成された大径部分１３ｂの直径が例えば２．０〜５．０ｍｍ程度とされている。

図３は、シャワーヘッド１００を上方から見た平面構成を示している。この図３に示すように、排気孔１３は、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。排気孔１３の数は、例えば１２インチ（３００ｍｍ）径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、２０００〜２５００個程度である。なお、図３に示すように、本実施形態では、シャワーヘッド１００の外形は、被処理基板である半導体ウエハの外形に合わせて円板状に構成されている。また、図３に示すように、シャワーヘッド１００の上方には、後述する板体１６ａ、板体１６ｂが配設されている。

図１に示すように、シャワーヘッド１００のガス導入部１２ａは、処理チャンバー２０１に設けられたガス供給部２０７に接続されている。ガス供給部２０７には、図示しないガス供給機構から所定の処理ガス（エッチングガス）が供給される。

また、シャワーヘッド１００の上部には、筒状体２１０が設けられており、この筒状体２１０には、開閉制御弁及び開閉機構等を介してターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示せず。）が接続されている。このように、筒状体２１０の内側が排気路となっており、この筒状体２１０の内側の排気路内に、導電性材料（例えば、シリコン、炭化ケイ素、アルミニウムの無垢材）から環状に形成された複数（本実施形態では２つ）の板体１６ａ、板体１６ｂがシャワーヘッド１００の裏面（載置台２０２と対向する対向面１４とは反対側の面）１５と対向するように配設されている。これらの板体１６ａ、板体１６ｂは、図３に示すように同心状に配設されている。

シャワーヘッド１００の周縁部に位置するように設けられた板体１６ａは、連結部材１７ａを介して図１中左側に示される駆動機構１６１ａに接続されている。そして、板体１６ａは、この駆動機構１６１ａによって板体１６ｂとは独立に上下動可能とされている。

一方、板体１６ａより中央部に設けられた板体１６ｂは、連結部材１７ｂを介して、図１中右側に示される駆動機構１６１ｂに接続されている。そして、板体１６ｂは、この駆動機構１６１ｂによって板体１６ａとは独立に上下動可能とされている。

また、板体１６ａには切り換えスイッチ１８ａが電気的に接続され、板体１６ｂには、切り換えスイッチ１８ｂが電気的に接続されている。これらの切り換えスイッチ１８ａ、切り換えスイッチ１８ｂによって、板体１６ａ、板体１６ｂを電気的に接地された状態と、浮遊状態（フローティング状態）とに設定できるようになっている。

上記のように板体１６ａ、板体１６ｂは、駆動機構１６１ａ、駆動機構１６１ｂによって上下動し、シャワーヘッド１００の排気孔１３との間の距離を調節できるようになっている。また、切り換えスイッチ１８ａ、切り換えスイッチ１８ｂによって電気的な状態を接地された状態と、浮遊状態（フローティング状態）とに設定できるようになっている。これによって、処理チャンバー２０１内のシャワーヘッド１００と載置台２０２との間の処理空間内から、シャワーヘッド１００の裏面１５側の排気空間へのプラズマのリーク状態を調整することができる。

すなわち、例えば、板体１６ａ、板体１６ｂを、図１中下方に位置させて排気孔１３に近接させた際には、物理的に及び電気的に排気孔１３からのプラズマのリークを抑制した状態となる。一方、板体１６ａ、板体１６ｂを、図１中上方に位置させて排気孔１３から離間させた際には、排気孔１３からのプラズマのリークをより許容した状態となる。また、板体１６ａ、板体１６ｂと排気孔１３との距離が離れるほど、プラズマのリーク領域が拡大するようにプラズマの状態を制御できる。

さらに、例えば板体１６ａを図１中上方に位置させて排気孔１３から離間させ、板体１６ｂを図１中下方に位置させて排気孔１３に近接させた際には、シャワーヘッド１００の中央部ではプラズマのリークを抑制した状態となり、シャワーヘッド１００の周縁部ではプラズマのリークを許容した状態となる。これによって、中央部と周縁部とで夫々部分的にプラズマ密度等のプラズマの状態を制御できる。

例えば、処理空間における周縁部のプラズマ密度等は、中央部に比べて低下する傾向になる場合が多い。このような場合、例えば、周縁部におけるプラズマのリークを生じさせ、中央部におけるプラズマのリークを生じさせないようにすれば、処理空間内の中央部の電子やイオンが周縁部方向に移動し、処理空間内におけるプラズマ密度等の均一化を図ることができる。

また、プラズマの制御のため、処理空間内のプラズマに直流電圧を印加する場合、例えば、処理空間内に直流電極を配置してこの直流電極に直流電圧を印加した場合は、板体１６ａ、板体１６ｂを、接地電位に接続し、直流電圧に対する接地電極として作用させることもできる。

プラズマエッチング装置２００によって、半導体ウエハのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハは、開口２０５から処理チャンバー２０１内へと搬入され、静電チャック２０３上に載置される。そして、半導体ウエハが静電チャック２０３上に静電吸着される。次いで、開口２０５が閉じられ、真空ポンプ等によって、処理チャンバー２０１内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）が、ガス供給部２０７からシャワーヘッド１００のガス導入部１２ａに供給され、この処理ガスは、シャワーヘッド１００のガス流路１２を経てガス吐出孔１１からシャワー状に載置台２０２上の半導体ウエハに供給される。

そして、処理チャンバー２０１内の圧力が、所定の圧力に維持された後、載置台２０２にプラズマ生成用の高い周波数の高周波電力として例えば４０ＭＨｚの高周波電力が印加される。これにより、上部電極としてのシャワーヘッド１００と下部電極としての載置台２０２との間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。また、これと同時に、イオン引き込み用（バイアス用）の低い周波数の高周波電力として例えば３．２ＭＨｚの高周波電力が載置台２０２に印加される。これによって、プラズマから引き出されたイオン等によって、半導体ウエハに所定のエッチング処理が行われる。

上記エッチング処理において、シャワーヘッド１００のガス吐出孔１１からシャワー状に供給された処理ガスは、シャワーヘッド１００に分散して多数形成された排気孔１３から排気されるので、処理チャンバー２０１の下部から排気を行う場合のように、半導体ウエハの中央部から周辺部に向かうようなガスの流れが形成されることがない。このため、半導体ウエハ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、前述したとおり、板体１６ａ及び板体１６ｂの位置の調整と、電気的な状態の変更によって、処理チャンバー２０１の処理空間内のプラズマを、筒状体２１０の内側の排気空間内にリークさせないようにし、或いは筒状体２１０の内側の排気空間内にリークさせることによって、処理空間内のプラズマの状態を制御することができる。これによって、処理空間内のプラズマを均一化することができ、半導体ウエハ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。

このようなプラズマの制御は、処理チャンバー２０１内のプラズマの状態を計測する計測手段、例えば、プラズマの発光状態からプラズマの状態を検知するプラズマモニターによる計測結果に基づいて、駆動機構１６１ａ，１６１ｂによる板体１６ａ及び板体１６ｂの移動、及び切り換えスイッチ１８ａ、切り換えスイッチ１８ｂの切り換え制御する制御機構を設けることによって、自動的に行うこともできる。

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、半導体ウエハが処理チャンバー２０１内から搬出される。

以上説明したとおり、本実施形態のプラズマエッチング装置２００によれば、処理空間内のプラズマの状態を、プロセス条件によってより細かく制御することができる。

また、上記のプラズマエッチング装置２００では、シャワーヘッド１００に設けた排気孔１３から排気を行うので、従来の装置のように、載置台２０２の周囲又はシャワーヘッド１００の周囲に排気経路を設ける必要がない。このため、処理チャンバー２０１の径をより被処理基板である半導体ウエハの外径に近づけることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。また、真空ポンプを、処理チャンバー２０１の上方に設けており、処理チャンバー２０１の処理空間により近い部分から排気するので、効率良く排気することができ、真空ポンプの容量を少なくしてさらに小型化を図ることができる。

以上、本発明を、実施形態について説明したが、本発明はかかる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、上記実施形態では、２つの板体１６ａ、板体１６ｂを配設した例について説明したが、板体の数は２つに限られるものではなく、幾つであってもよく、板体の形状も環状のものに限られるものではない。

１１……ガス吐出孔、１３……排気孔、１６ａ，１６ｂ……板体、１７ａ，１７ｂ……連結部材、１８ａ，１８ｂ……切り換えスイッチ、１００……シャワーヘッド、１６１ａ，１６１ｂ……駆動機構、２００……プラズマエッチング装置、２０１……処理チャンバー、２０２……載置台。

Claims

内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドを備えたプラズマ処理装置であって、
前記シャワーヘッドの前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、
前記反対側の面側の前記排気孔と連通した排気空間内に、前記反対側の面と平行に配設された導電性材料からなる環状の板体と、
前記板体を移動させて前記排気孔との距離を変更するための移動手段と、
を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
前記板体の電気的な状態を切り替えるための切り替えスイッチを具備した
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２記載のプラズマ処理装置であって、
前記切り替えスイッチは、前記板体を電気的に接地された状態と浮遊状態とに切り替えるよう構成された
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
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、
同心状に配設された複数の前記板体を具備し、これらの板体は、夫々異なった前記移動手段に接続されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２又は３項記載のプラズマ処理装置であって、
同心状に配設された複数の前記板体を具備し、これらの板体は、夫々異なった前記移動手段に接続され、かつ、異なった前記切り替えスイッチに接続されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１〜５いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記板体が、シリコン、炭化ケイ素、アルミニウムの無垢材のいずれか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。
請求項１〜６いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記処理チャンバー内に発生させたプラズマに対して直流電圧を印加する直流電圧印加機構を具備し、前記板体が当該直流電圧に対するグランド電極として作用する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。