特開 2022-179495 プラズマ処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022179495

(43)【公開日】2022-12-02

(54)【発明の名称】プラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20221125BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20221125BHJP

   C23C 4/06 20160101ALI20221125BHJP

   C23C 4/11 20160101ALI20221125BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 101D

H01L21/302 101G

H05H1/46 C

C23C4/06

C23C4/11

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022143028

(22)【出願日】2022-09-08

(62)【分割の表示】P 2018166773の分割

【原出願日】2018-09-06

(71)【出願人】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】一野 貴雅

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 浩平

(72)【発明者】

【氏名】中本 和則

(72)【発明者】

【氏名】横川 賢悦

(57)【要約】

【課題】プラズマ処理装置において、被処理ウェハの外周部近傍までプラズマ処理の均一性を向上させて、１枚のウェハから製造できる良品デバイスの数をより多くする。
【解決手段】プラズマ処理装置を、真空容器と、この真空容器の内部で被処理試料を載置する電極基材とこの電極基材の外周部分を覆う絶縁性の材料で形成されたサセプタリングとこのサセプタリングに覆われて電極基材の外周を囲むように配置されて上面と電極基材の外周と対向する面の一部に薄膜電極が形成された絶縁リングとを備えた載置台と、この載置台の電極基材に第１の高周波電力を印加する第１の高周波電力印加部と、絶縁リングに形成された薄膜電極に第２の高周波電力を印加する第２の高周波電力印加部と、真空容器の内部で載置台の上部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、第１の高周波電力印加部と第２の高周波電力印加部とプラズマ発生手段とを制御する制御部とを備えて構成した。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器と、
前記真空容器の内部で被処理試料を載置する電極基材と前記電極基材の外周部分を覆う絶縁性の材料で形成されたサセプタリングと前記サセプタリングに覆われて前記電極基材の外周を囲むように配置されて上面と前記電極基材の外周と対向する面の一部に薄膜電極が形成された絶縁リングとを備えた載置台と、
前記載置台の前記電極基材に第１の高周波電力を印加する第１の高周波電力印加部と、
前記絶縁リングに形成された前記薄膜電極に第２の高周波電力を印加する第２の高周波電力印加部と、
前記真空容器の内部で前記載置台の上部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記第１の高周波電力印加部と前記第２の高周波電力印加部と前記プラズマ発生手段とを制御する制御部と
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項2】

請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記薄膜電極は、表面を誘電体の膜で覆われていることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項3】

請求項２記載のプラズマ処理装置であって、前記薄膜電極はタングステンの膜で形成されており、前記誘電体の膜がアルミナで形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4】

請求項３記載のプラズマ処理装置であって、前記薄膜電極の前記タングステンの膜は、
タングステンを前記絶縁リングの表面に溶射することにより成形されたものであることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項5】

請求項３記載のプラズマ処理装置であって、前記薄膜電極の表面を覆う前記アルミナの膜は、前記絶縁リングの前記タングステンの膜が形成された部分を覆ってアルミナを溶射することにより成形されたものであることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項6】

請求項１乃至５の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、前記絶縁リングの前記薄膜電極が形成された部分のうち前記絶縁リングの上面と前記電極基材の外周と対向する面とが交わる部分は、丸みを帯びた面で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7】

請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記載置台は、中央部分に対して周辺部分が凹んだ段差形状を有しており、前記絶縁リングは、前記載置台の周辺部の凹んだ段差形状部分に搭載された状態で前記サセプタリングに覆わ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１記載のプラズマ処理装置であって、前記プラズマ発生手段は、
前記真空容器の上部に前記載置台と対抗して配置されて誘電体材料で形成された誘電体窓と、
前記真空容器の上部から前記誘電体窓を介して前記真空容器の内部に高周波電力を供給する電力供給部と、
前記真空容器の外部に配置されて前記真空容器の内部に磁界を発生させる磁界発生部と、
を備え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、プラズマ処理装置に係り、特に、プラズマを発生させて半導体基板などをエッチング処理するプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの集積度の向上に伴い、回路構造が微細化し、製造プロセスが複雑化している。このような状況で、半導体デバイスの単価の上昇を抑えるために、１枚のウェハから取れる半導体デバイスの収率を上げることが要求され、被処理ウェハの外周縁まで性能の良い半導体デバイスが歩留まりよく製造できるようにすることが求められている。

【0003】

このような要求に対して、プラズマ処理装置においては、プラズマ処理装置で処理されることにより被処理ウェハ上に形成される半導体デバイスの性能が、被処理ウェハの面内で中心から周辺部にかけて均一であることが求められている。

【0004】

プラズマ処理装置であるエッチング装置においては、回路パターンの微細化に伴って、ナノメートル、サブナノメートルオーダーの加工均一性の精度が要求されている。このような、ナノメートル、サブナノメートルオーダーの加工均一性の精度を被処理ウェハの全面に渡って確保できるようにするためには、加工精度が低下しやすい被処理ウェハの外周部近傍におけるプラズマ処理の精度を向上させることが重要になる。

【0005】

エッチング処理装置においては、被処理ウェハの外周部近傍で、電磁気学的、熱力学的な要因により、処理されるパターンの加工形状精度などのエッチング処理の特性が、被処理ウェハの中央部分に対して外周部近傍のほうがばらつきが大きくなりやすい。このことは、被処理ウェハのサイズ（外径）が大きくなるほど顕著に現れる。その結果、プラズマエッチング処理による被処理ウェハの外周部近傍の加工形状が中央部近傍の加工精度に対してばらつきの許容範囲を超えてしまい、被処理ウェハの外周部近傍に形成された半導体デバイスを製品として出荷することができなくなってしまうようなケースが発生する。

【0006】

このような、被処理ウェハの外周部近傍の加工形状が中央部近傍の加工精度に対してばらつきの許容範囲を超えてしまうことを防止するための手段として、特許文献１には、被処理ウェハを載せる基板電極の周囲に、基板電極と同電位の高周波リングを設置して、高周波バイアス電力の変更の影響を低減し、被処理ウェハの外周部近傍の加工特性を改善して処理の均一性を向上させることのできるプラズマ処理装置について記載されている。

【0007】

また、特許文献２には、被処理ウェハを載せる試料台の基材の周囲に、試料台の基材とは電気的に絶縁された状態で導体リングを設置し、試料台の基材に印加する高周波電力とは別の電源から導体リングに高周波電力を供給する構成が記載されている、

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１４－１７２９２号公報

【特許文献2】特開２０１６－２２５３７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

エッチング処理装置においては、被処理ウェハをプラズマで処理するときに、被処理ウェハを載置する基板電極の外周部近傍に形成される電界の形状がプラズマ処理の均一性に影響を及ぼす。特許文献１に記載された方法では、基板電極と高周波リングとが同電位であるために、基板電極に印加する高周波電力がある条件の場合には基板電極の外周部近傍に形成される電界を理想的に状態に調整できても、基板電極に印加する高周波電力の条件を変えた場合には、基板電極の外周部近傍に形成される電界を高周波リングで調整することが難しく、被処理ウェハを外周部近傍まで均一に処理を施すことは難しい。

【0010】

一方、ウェハ外周部の電界が歪むと、ウェハの表面とその上のプラズマ領域との境界のシース領域に形成される電界の等電位面に不均一や形状の傾きが生じる。シース領域において、イオンは問う電位面に対して直角な方向に力を受けるので、等電位面がウェハの面に対して傾いていると、ウェハに入射するイオンが等電位面の傾きに応じた斜め方向の力を受けた状態でウェハに入射する。その結果、ウェハ上に形成されるパターンの形状に分布が生じてしまったり、ウェハ外周部の絶縁体で形成されたリングの消耗が加速する等の問題が生じる。

【0011】

これに対して、特許文献２に記載された構成では、試料台の基材（基板電極）の外周部に発生するシース領域における電界の傾きを補正する為に、試料台の基材の外周部に配置した絶縁体のリングの上に導体リング（高周波リング電極）を配置し、この導体リングに試料台の基材に印加する高周波電力とは別の制御された高周波電力を印加する構成となっている。

【0012】

しかし、誘電体を挟んで試料台の基材と導体リングとにそれぞれ異なる電源から高周波電力を印加した場合、試料台の基材と導体リングとの間に発生する容量結合によっては、試料台の基材に印加する高周波電力と導体リングに印加する高周波電力との間に干渉が発生して、比較的電力が小さい導体リングに印加する高周波電力が制御不能になってしまい、試料台の基材に載置されたウェハ外周部の電界が歪んでしまう可能性がある。

【0013】

本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、基板電極に印加する高周波電力を変化させても高周波リング電極に印加する高周波電力を安定して制御できるようにして、基板電極の外周部近傍のシース領域に形成される電界の形状がプラズマ処理の均一性に及ぼす影響を小さくし、被処理ウェハの外周部近傍までプラズマ処理の均一性を向上させて、１枚のウェハから製造できる良品デバイスの数をより多くすることができるようにするものである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記した課題を解決するために、本発明では、プラズマ処理装置を、真空容器と、この真空容器の内部で被処理試料を載置する電極基材とこの電極基材の外周部分を覆う絶縁性の材料で形成されたサセプタリングとこのサセプタリングに覆われて電極基材の外周を囲むように配置されて上面と電極基材の外周と対向する面の一部に薄膜電極が形成された絶縁リングとを備えた載置台と、この載置台の電極基材に第１の高周波電力を印加する第１の高周波電力印加部と、絶縁リングに形成された薄膜電極に第２の高周波電力を印加する第２の高周波電力印加部と、真空容器の内部で載置台の上部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、第１の高周波電力印加部と第２の高周波電力印加部とプラズマ発生手段とを制御する制御部とを備えて構成した。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、被処理ウェハの中心部分から外周部近傍までプラズマ処理の均一性を向上させることができ、１枚のウェハから取得できる良品デバイスの数（良品の歩留まり）をより多くすることができるようになった。

【0016】

また、本発明によれば、ウェハ外周部に配置されたリング状部材の寿命を延ばすことが出来、部品交換の頻度を少なくしてプラズマ処理装置の装置稼働率を上げることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の概略の構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置のウェハ載置用電極の構成を示す断面図である。

【図3】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置のウェハ載置用電極の周辺部の詳細な構成を示す断面図である。

【図4】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置のウェハ載置用電極の絶縁リングとリング電極の構成を示す断面図である。

【図5】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置のウェハ載置用電極の周辺部におけるプラズマシースの状態を示すウェハ載置用電極の周辺部の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明では、基板電極の周囲を取り囲むようにして設置したリング電極の制御性を向上させるために、リング電極を、誘電体の表面に薄膜で形成して基板電極からの距離をできるだけ大きく設定して基板電極とリング電極との間に発生する容量結合を小さくするようにした。その結果、基板電極とリング電極とに別々の電源からそれぞれ高周波電力を印加したときに、比較的距離が近い基板電極とリング電極との間に発生する容量結合による高周波電力の干渉の程度を小さくすることができ、リング電極による表面電位の制御性を向上させることを可能にした。

【0019】

これにより、基板電極の外周部近傍に形成されるシース領域がプラズマ処理の均一性に及ぼす影響を小さくし、被処理ウェハの外周部近傍まで均一にプラズマ処理ができるようにして、１枚のウェハから取得できる良品デバイスの数をより多くすることができるようにしたものである。

【0020】

また、本発明では、基板電極とリング電極との間の距離をできるだけ大きくして、２つの電極の間の容量結合を低減するために、リング電極を、基板電極を取り巻く絶縁性の材料で形成したリング状部材の表面に導電性の膜を溶射して形成したが、プラズマ処理中にこの導電性の溶射膜で異常放電が発生するのを防ぐ為に、この導電性の溶射膜の上に絶縁性材料の膜を溶射して形成し、この絶縁性材料の膜で導電性の溶射膜を覆った構造とした。

【0021】

また、このリング電極が絶縁リングの表面の試料台、ウェハと平行な面だけでなく、ウェハ外周部に設けられた絶縁性のリングとウェハに対して対向する斜めの部分まで延びていることを特徴とする。

【0022】

このような構造とすることにより、ウェハ外周部のシース領域の電界の歪を低減することが出来るようにして、被処理ウェハの外周部近傍までプラズマ処理の均一性を向上させて、１枚のウェハから製造できる良品デバイスの数をより多くすることができるようにしたものである。

【0023】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。

【0024】

ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

【実施例0025】

図１に、本実施例に係るプラズマ処理装置として、ＥＣＲ（Ｅｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）条件を満たす磁場中にマイクロ波を供給して高密度のプラズマを発生させて被処理ウェハを処理するプラズマ処理装置であるプラズマエッチング装置１００の例を示す。プラズマエッチング装置１００は、プラズマが形成される処理室１０４を内部に備えた真空容器１０１、この真空容器１０１の上部を密閉する誘電体窓１０３を備え、誘電体窓１０３で密封された真空容器１０１の内部に処理室１０４が形成される。誘電体窓１０３は、石英などで形成されている。

【0026】

真空容器１０１の下部には排気口１１０が配置され、図示していない真空排気手段と接続している。一方、真空容器１０１の上部を密閉する誘電体窓１０３の下方には、処理室１０４の天井を構成する円板状のシャワープレート１０２が設けられている。誘電体窓１０３とシャワープレート１０２との間に、図示していないガス供給手段からエッチング処理用のガスを供給するガス供給部１０２ａが配置されている。シャワープレート１０２には、ガス供給部１０２ａから供給されたエッチング処理用のガスを処理室１０４に供給するための複数のガス導入穴１０２ｂが形成されている。シャワープレート１０２は、例えば石英などの誘電体で形成されている。

【0027】

また、真空容器１０１の外部には、真空容器１０１の内部に供給するマイクロ波電力を発生させるためのマイクロ波電源１０６と、このマイクロ波電源１０６と真空容器１０１の上部とを接続して、マイクロ波電源１０６で発生したマイクロ波を真空容器１０１まで搬送する搬送経路を形成する導波管１０５が取り付けられている。マイクロ波電源１０６で発生するマイクロ波としては、例えば周波数２.４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する。

【0028】

真空容器１０１の外部で真空容器１０１の上方、及び真空容器１０１の外周で誘電体窓１０３が設置された部分の周辺には、それぞれ磁場を形成する磁場発生コイル１０７が配置されている。磁場発生コイル１０７は、磁場発生コイル用電源１０７ａに接続している。

【0029】

真空容器１０１の内部で、処理室１０４の下部には、試料台を形成するウェハ載置用電極（第１の電極）１２０が設けられている。ウェハ載置用電極１２０は、図示していない懸架手段により真空容器１０１の内部で支持されている。

【0030】

ウェハ載置用電極１２０の詳細を、図２に示す。ウェハ載置用電極１２０は、導電性の材料で形成された電極基材１０８、誘電体材料で形成された絶縁プレート１５１、導電性の材料で形成された接地プレート１５２が積み重ねられた状態になっている。電極基材１０８の上面は、中央部分に対して周辺部分が１段低くなっており、中央部分の上面１２０ａに対して、１段低い周辺部分には面１２０ｂが形成されている。

【0031】

電極基材１０８と絶縁プレート１５１の周囲及び電極基材１０８の面１２０ｂは、誘電体材料で形成された下部サセプタリング１１３、上部サセプタリング１３８、絶縁リング１３９で覆われている。上部サセプタリング１３８は、電極基材１０８の面１２０ｂに設置された絶縁リング１３９の上面および側面を覆っている。

【0032】

絶縁プレート１５１、下部サセプタリング１１３、上部サセプタリング１３８、絶縁リング１３９を形成する誘電体材料としては、セラミックス、又は石英などが用いられる。

【0033】

電極基材１０８の上面１２０ａは誘電体膜１４０で被覆されており、誘電体膜１４０の表面が、処理対象である試料（半導体ウェハ）１０９を載置する載置面１４０ａとなっている。載置面１４０ａは、図1に示すように、シャワープレート１０２及び誘電体窓１０３と対向している。

【0034】

ウェハ載置用電極１２０の上面１２０ａに形成された誘電体膜１４０の内部には、図３に示すように、複数の静電吸着用電極（導電体膜）１１１が形成されている。この静電吸着用電極１１１は、給電線１２６１により、真空容器１０１の外部に配置された高周波フィルタ１２５を介して、直流電源１２６と接続されている。給電線１２６１は、接地プレート１５２の部分では絶縁パイプ１２６２の内部を通り、電極基材１０８の部分では絶縁パイプ１２６３の内部を通ることで、接地プレート１５２及び電極基材１０８と絶縁されている。

【0035】

図３に示した構成では、静電吸着用電極１１１は、高周波フィルタ１２５を介して一つの直流電源１２６と接続された単極の構成になっているが、直流電源１２６を複数用いて複数の静電吸着用電極（導電体膜）１１１に異なる極性の電位を与える双極の構成にしても良い。

【0036】

ウェハ載置用電極１２０の電極基材１０８は、給電線１２４１により、整合器１２９を介して第１の高周波電源１２４と接続している。第１の高周波電源１２４の一端は、接地されている。給電線１２４１は、接地プレート１５２の部分では絶縁パイプ１２４２の内部を通ることで、接地プレート１５２と絶縁されている。

【0037】

また、電極基材１０８の内部には、電極基材１０８を冷却するために、図示していない冷媒供給手段から供給される冷媒を流すための冷媒流路１５３が、電極基材１０８の中心軸周りに螺旋状に形成されている。冷媒流路１５３に、図示していない冷媒供給手段から配管１５４を介して冷媒が供給、及び回収されることにより、冷媒が冷媒流路１５３の内部を循環する。

【0038】

ウェハ載置用電極１２０の上面１２０ａ（電極基材１０８の上面）の外径は、載置面１４０ａに載置する試料（半導体ウェハ）１０９の外径寸法よりも少し小さめに形成されている。その結果、図２及び図３に示すように、試料（半導体ウェハ）１０９を載置面１４０ａに載置した状態では、試料（半導体ウェハ）１０９の外周部分が少し載置面１４０ａよりもはみ出すようになる。

【0039】

また、ウェハ載置用電極１２０の上面１２０ａの周りの外周部の面１２０ｂは、上面１２０ａよりも一段低く形成されている。この外周部の面１２０ｂには、図２に示すように、上部サセプタリング１３８と絶縁リング１３９が載っている。また、ウェハ載置用電極１２０の側面から、その下側の絶縁プレート１５１の側面に渡って、下部サセプタリング１１３で覆われている。上部サセプタリング１３８と下部サセプタリング１１３とで、電極基材１０８の外周面と外周部の面１２０ｂとを覆っている。

【0040】

また、上部サセプタリング１３８と絶縁リング１３９とで囲まれた領域には、絶縁リング１３９が、ウェハ載置用電極１２０の外周部の面１２０ｂ上に、ウェハ載置用電極１２０の側面を取り囲むように配置されている。絶縁リング１３９の上面と内側の面の一部には、リング電極１７０が形成されている。

【0041】

リング電極１７０の詳細を、図４に示す。リング電極１７０は、絶縁リング１３９の上面及び基材電極１０８の側に面した内側の面の一部に形成された薄膜電極１７１と、この薄膜電極１７１の表面を覆う誘電体膜１７２の薄膜とで構成されている。薄膜電極１７１は、給電線１２７１により、図２及び図３に示すように、負荷インピーダンス可変ボックス１３０と整合器１２８を介して第２の高周波電源１２７と接続している。給電線１２７１は、接地プレート１５２の部分では絶縁パイプ１２７２の内部を通り、電極基材１０８の部分では絶縁パイプ１２７３の内部を通ることで、接地プレート１５２及び電極基材１０８と絶縁されている。

【0042】

マイクロ波電源１０６、磁場発生コイル用電源１０７ａ、第１の高周波電源１２４、直流電源１２６、第２の高周波電源１２７は、それぞれ制御部１６０に接続しており、制御部１６０に記憶されたプログラムに従って制御される。

【0043】

このような構成において、まず、ウェハ載置用電極１２０の上面１２０ａに、図示していない試料供給手段を用いて、試料（半導体ウェハ）１０９を載置する。次に、真空容器１０１を密閉した状態で、制御部１６０で図示していない排気手段を動作させて排気口１１０から真空容器１０１の内部を真空排気する。

【0044】

真空排気することにより真空容器１０１の内部が所定に圧力に到達したら、制御部１６０で図示していないガス供給手段を動作させて、ガス供給部１０２ａから誘電体窓１０３とシャワープレート１０２との間の空間にエッチング処理用のガスを所定の流量で供給する。誘電体窓１０３とシャワープレート１０２との間の空間に供給されたエッチング処理用のガスは、シャワープレート１０２に形成された複数のガス導入穴１０２ｂを通って、処理室１０４に流れる。

【0045】

次に、エッチング処理用のガスが供給されて処理室１０４の内部が所定の圧力に維持された状態で、制御部１６０で直流電源１２６を制御して、給電線１２６１を介して静電吸着用電極（導電体膜）１１１に直流の電圧を印加する。これにより静電吸着用電極（導電体膜）１１１を覆う誘電体膜１４０の表面（載置面１４０ａ）に静電気が発生し、試料（半導体ウェハ）１０９が誘電体膜１４０の表面（載置面１４０ａ）に静電吸着される。

【0046】

試料（半導体ウェハ）１０９が誘電体膜１４０の表面（載置面１４０ａ）に静電吸着された状態で、図示していないガス供給手段が制御部１６０により制御されて、ウェハ載置用電極１２０の表面に形成された誘電体膜１４０の表面（載置面１４０ａ）と試料（半導体ウェハ）１０９との間に、ウェハ載置用電極１２０の側から伝熱用のガス（例えばヘリウム（Ｈｅ）など）を供給する。

【0047】

また、制御部１６０で図示していない冷媒供給手段を制御して配管１５４から冷媒流路１５３に冷媒を供給し回収して冷媒流路１５３の内部に冷媒を循環させることにより、電極基材１０８が冷却される。

【0048】

この冷却された電極基材１０８の上に載置された試料（半導体ウェハ）１０９が誘電体膜１４０の表面に静電吸着され、エッチング処理用のガスが供給されて処理室１０４の内部が所定の圧力になった状態で、制御部１６０で磁場発生コイル用電源１０７ａを制御して、処理室１０４の内部に所望の磁場を発生させる。更に、制御部１６０でマイクロ波電源１０６を制御してマイクロ波を発生させ、この発生させたマイクロ波を、導波管１０５を介して真空容器１０１の内部に供給する。

【0049】

ここで、磁場発生コイル用電源１０７ａにより処理室１０４の内部に発生させた磁場は、マイクロ波電源１０６から供給されたマイクロ波に対してＥＣＲ条件を満たすような強度に形成されている。これにより、処理室１０４の内部に供給されたエッチング処理用のガスが励起されて、エッチング処理用のガスの高密度なプラズマが生成される。

【0050】

一方、制御部１６０で第１の高周波電源１２４を制御して高周波電力を発生させ、整合器１２９を介して電極基材１０８に第１の高周波電力を印加することにより、プラズマ１１６に対して電極基材１０８にバイアス電位が発生する。制御部１６０で第１の高周波電源１２４を制御して電極基材１０８に発生するバイアス電位を調整することにより、比較的高い密度のプラズマ１１６から電極基材１０８の側に引き込まれるイオン化したエッチングガスなどの荷電粒子のエネルギーをコントロールすることができる。

【0051】

このエネルギーがコントロールされたエッチング処理用のガスによる荷電粒子が電極基材１０８の上に載置された試料（半導体ウェハ）１０９の表面に衝突する。ここで、試料（半導体ウェハ）１０９の表面は、エッチング処理用のガスに反応しない材料又は反応しにくい材料でマスクパターンが形成されており、試料（半導体ウェハ）１０９の表面のこのマスクパターンで覆われていない部分がエッチングされる。

【0052】

エッチング処理中は、処理室１０４の内部に導入されたエッチング処理用のガスやエッチング処理により発生した反応性生物の粒子が、図示していない真空排気手段により排気口１１０から外部に排気される。

【0053】

また、エッチング処理中、エッチング処理用のガスによる荷電粒子が表面に衝突した試料１０９は熱を発生する。試料１０９で発生した熱は、ウェハ載置用電極１２０の表面に形成された誘電体膜１４０と試料１０９との間に図示していないガス供給手段から供給された伝熱用のガスにより、試料１０９の裏面の側から、冷媒流路１５３の内部を流れる冷媒により冷却された電極基材１０８の側に伝達される。これにより、試料１０９の温度が所望の温度範囲内に調節される。この状態で、試料１０９の表面に対してエッチング処理が行われることにより、試料１０９に熱的なダメージを与えることなく試料１０９の表面に所望のパターンが形成される。

【0054】

この試料１０９の表面のエッチング処理は、プラズマ１１６から試料１０９の表面に入射するエッチング処理用のガスなどの荷電粒子の入射量及び入射方向が試料１０９の表面全体に亘って均一であれば、試料１０９の表面はほぼ均一に処理が行われる。

【0055】

しかし、実際には、ウェハ載置用電極１２０は、導電性の材料で形成された電極基材１０８がプラズマ１１６に曝されないようにするために、電極基材１０８の外周部分は、誘電体材料で形成された下部サセプタリング１１３、上部サセプタリング１３８、絶縁リング１３９で覆われており、電極基材１０８の中央部分と外周部分とでは、プラズマ１１６との間に形成されるシース領域１１７の形状や電界の分布に差異が生じる。

【0056】

このように、電極基材１０８の中央部分と外周部分とシース領域１１７の形状や電界の分布に差異が生じることにより、ウェハ載置用電極１２０に載置した試料１０９の上面には、上部サセプタリング１３８から比較的離れた中央部と上部サセプタリング１３８に比較的近い周辺部で、試料１０９とプラズマ１１６との間のシース領域１１７に発生する電界が一様ではなく、分布が生じてしまう。その結果、試料１０９の中心部付近と周辺部付近とでエッチング処理の条件（荷電粒子の入射量及び入射方向）が異なって均一なエッチング処理が行われず、試料１０９の面内で、エッチング処理に分布が生じてしまう。

【0057】

これに対して、本実施例においては、図４に示したように、電極基材１０８の周囲に配置した絶縁リング１３９の表面の上面と内側の面の一部に薄膜電極１７１を形成し、これに第２の高周波電源１２７から整合器１２８と負荷インピーダンス可変ボックス１３０を介して高周波電力を印加することにより、試料１０９の表面の中央部と周辺部で発生する電界の分布の差異をできるだけ小さくするようにした。

【0058】

第２の高周波電源１２７は、電極基材１０８に高周波電力を印加する第１の高周波電源１２４とは異なる電源であり、薄膜電極１７１へは、電極基材１０８に印加する高周波電力とは独立した電力が印加される。

【0059】

ここで、特許文献２には、誘電体で形成されたサセプタリングで表面が覆われた導体リングに高周波電源から高周波電力を印加することにより、ウェハの外周部分または外周縁部に高周波を効率よく寄与させることが記載されている。

【0060】

しかし、導体リングと金属製の基材との間には、容量結合が発生する。この導体リングと基材との間の容量結合により発生する結合容量Ｃは、その間に介在する絶縁体の誘電率及び厚さによって変わるが、導体リングにある程度の厚みを与えて形成しているので、導体リングに高さ方向の位置が限定されている場合、導体リングの厚み分だけ介在する絶縁体の厚さを薄くしなければならない。従って、導体リングと基材との間の結合容量Ｃを小さくするには、絶縁体の厚みに起因する限界がある。

【0061】

その結果、特許文献２の構成では、導体リングと電極である基材とに別々の高周波電源から高周波電力を独立して印加した場合、導体リングに印加される比較的小さい高周波電力は、導体リングと基材との間の容量結合により電極である基材に印加される比較的大きい高周波電力の影響を受けてしまい、導体リングの周囲に形成する電界の制御性が低下して、所望の電界分布を得られなくなってしまう可能性がある。

【0062】

これに対して、本実施例では、図４に示すように、特許文献２に記載されている導体リングに相当する機能を、誘電体で形成された絶縁リング１３９の表面に形成したリング電極１７０で実現させるようにした。即ち、本実施例では、絶縁リング１３９の表面に、リング電極１７０として薄膜電極１７１を形成してその表面を誘電体膜１７２で覆う構成としたことにより、特許文献２に記載された構成に対して、特許文献２の導体リングの厚さに相当する分だけ、本実施例では電極基材１０８の外周部の面１２０ｂとの間隔を大きく取れるような構成にした。

【0063】

これにより、本実施例における薄膜電極１７１と電極基材１０８の外周部の面１２０ｂとの間の結合容量Ｃを、特許文献２に記載された構成における導体リングと基材の本実施例における面１２０ｂに相当する部分との間の結合容量よりも小さくすることができる。

【0064】

その結果、本実施例においては、薄膜電極１７１と電極基材１０８とに、別々の高周波電源から高周波電力を独立して印加した場合、薄膜電極１７１に印加される比較的小さい高周波電力において、薄膜電極１７１と電極基材１０８との間の容量結合による電極基材１０８に印加される比較的大きい高周波電力の影響を小さくすることができるので、薄膜電極１７１の周囲に形成する電界を安定して制御することが可能になる。

【0065】

また、薄膜電極１７１の表面を誘電体膜１７２で覆うことにより、処理室１０４の内部にプラズマを発生させ、薄膜電極１７１に第１の高周波電源１２７から第２の高周波電力を印加したときに、薄膜電極１７１で異常放電が発生するのを防止することができ、試料１０９の周辺部におけるシース領域の形状やシース領域の電界の分布に乱れの発生を防止できる。

【0066】

薄膜電極１７１は、絶縁リング１３９の表面に、タングステン（Ｗ）を溶射してタングステンの薄膜を形成する。また、誘電体膜１７２は、絶縁リング１３９の表面のタングステンの薄膜が溶射された部分を覆うようにしてアルミナを溶射してアルミナの薄膜により形成する。

【0067】

また、絶縁リング１３９の上面とこの上面に接続する内側の側面が交わる部分１７３を、図４に示すように角部に丸みをつけたＲ形状にした。薄膜電極１７１を、この角部に丸みをつけたＲ形状にした部分を含んで絶縁リング１３９の上面とこの上面に接続する内側の側面に形成したことにより、薄膜電極１７１に高周波電力を印加したときに、角部に丸みをつけたＲ形状にした部分に電界が集中するのを防ぐことができる。このように電界の集中を防いだことにより、試料１０９の周辺部におけるシース領域の形状やシース領域の電界の分布に影響を与えない、又は影響を少なくすることができる。

【0068】

このようにして形成したリング電極１７０の薄膜電極１７１に、制御部１６０で第２の高周波電源１２７を制御して、負荷インピーダンス可変ボックス１３０と整合器１２８を介して給電線１２７１により第２の高周波電力を印加する。同時に、第１の高周波電源１２４から整合器１２９を介して給電線１２４１により電極基材１０８に第１の高周波電力を印加する。

【0069】

ここで、薄膜電極１７１と電極基材１０８の外周部の面１２０ｂとの間の容量結合により発生する結合容量Ｃは、電極基材１０８の外周部の面１２０ｂに対向する薄膜電極１７１の面積に比例し、電極基材１０８の外周部の面１２０ｂと薄膜電極１７１との間隔に反比例する。

【0070】

図４に示したリング電極１７０の構成において、絶縁リング１３９の左側側面１３９１の上部にも薄膜電極１７１が形成されているが、この部分において薄膜電極１７１が電極基材１０８の側面と対向する部分の面積は、電極基材１０８の外周部の面１２０ｂと対向する部分の面積と比べて十分に小さいので、薄膜電極１７１と電極基材１０８との間に形成される容量結合は、薄膜電極１７１と電極基材１０８の外周部の面１２０ｂとの間の容量結合による結合容量Ｃで支配されると見做すことができる。

【0071】

このような構成にして制御部１６０で第２の高周波電源１２７を制御することにより、図５に示すように、ウェハ載置用電極１２０の外周部近傍において、試料１０９の周辺部から上部サセプタリング１３８に亘る部分のプラズマ１１６領域と試料１０９との間に形成されるシース領域１１７を、第１の高周波電力の影響による形状の時間的変化を少なくして、安定して形成することができる。

【0072】

また、薄膜電極１７１は、絶縁リング１３９の角部が丸められた部分を含めて絶縁リング１３９の上面と内側の面に形成されているので、電界の集中を発生することがなく、ウェハ載置用電極１２０に載置された試料１０９の外周部簿電界のひずみを低減することができる。その結果、試料１０９の上面に形成されるプラズマ１１６のシース領域１１７の電界分布を、試料１０９の中心部分から周辺部分にかけてほぼ均一にすることができる。

【0073】

これにより、プラズマ１１６から試料１０９の中心部分から周辺部分にかけて入射する荷電粒子の入射方向をほぼ同じ方向にすることができ、試料１０９上でエッチングされて形成されるパターンの形状の、試料１０９中心部付近と周辺部付近とでのばらつきを抑えることができる。

【0074】

また、電界の集中をなくしたことにより、上部サセプタリング１３８の局部的な消耗が発生しなくなり、上部サセプタリング１３８の寿命を延ばすことができる用になった。その結果、上部サセプタリング１３８の交換の頻度を減らすことができ、プラズマエッチング装置１００の装置稼働率を上げることができるようになった。

【0075】

上記した実施例においては、リング電極１７０を、誘電体で形成された絶縁リング１３９の表面に、タングステン（Ｗ）を溶射して導体薄膜を形成し、その上に、誘電体膜１７２をアルミナを溶射して形成する構成について説明したが、タングステン（Ｗ）を溶射して形成した導体薄膜に替えて、絶縁リング１３９の表面に沿って成形した薄い金属の板を用い、その表面にアルミナを溶射したものを用いても良い。

【0076】

本実施例によれば、ウェハ外周部まで均一にプラズマ処理を実施できるので、ウェハを面内で均一に処理することができるようになり、半導体素子の歩留まり向上を図ることができる。

【0077】

また、ウェハ載置用電極１２０の電極基材１０８の外周部に配置されてプラズマに直接曝される上部サセプタリング１３８において、電界の集中を防止できるので、上部サセプタリング１３８の寿命を延ばすことが出来る。

【0078】

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、公知の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0079】

１００ プラズマエッチング装置
１０１ 真空容器
１０２ シャワープレート
１０２ａ ガス供給部
１０３ 誘電体窓
１０４ 処理室
１０６ マイクロ波電源
１０７ 磁場発生コイル
１０７ａ 磁場発生コイル用電源
１０８ 電極基材
１０９ 試料
１１０ 排気口
１１１ 静電吸着用電極
１１３ 下部サセプタリング
１２０ ウェハ載置用電極
１２４ 第１の高周波電源
１２７ 第２の高周波電源
１３８ 上部サセプタリング
１３９ 絶縁リング
１４０ 誘電体膜
１６０ 制御部
１７０ リング電極
１７１ 薄膜電極
１７２ 誘電体膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2022-09-22

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【請求項1】

真空容器内部の処理室内に配置された試料台上面に試料を載置して、当該試料台上方の前記処理室内にプラズマを形成して前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、
前記試料の処理中に、前記試料台の前記上面の下方の当該試料台の内部に配置され導電性の材料で構成された第１の電極に第１の高周波電力を供給すると共に、
前記試料が載置される上面の外周側でこれを囲む部分を覆う絶縁性の材料で形成されたサセプタリングに覆われた絶縁リングであって、前記第１の電極の外周を囲むように配置された絶縁リングの上面及び前記試料台の上面の外周と対向する面の一部に配置された薄膜電極に第２の高周波電力を供給するプラズマ処理方法。

【請求項2】

請求項１記載のプラズマ処理方法であって、前記第１の高周波電力の大きさは前記第２の高周波電力より大きいプラズマ処理方法。

【請求項3】

請求項１または２記載のプラズマ処理方法であって、前記薄膜電極のうち前記絶縁リングの上面を覆う部分の面積が前記試料台の上面の外周と対向する面の一部に配置された面積より大きくされたプラズマ処理方法。

【請求項4】

請求項１または２記載のプラズマ処理方法であって、前記絶縁リングの前記薄膜電極が形成された部分のうち前記絶縁リングの上面と前記電極基材の外周と対向する面とが交わる部分は、丸みを帯びた面で接続されているプラズマ処理方法。

【請求項5】

請求項１記載のプラズマ処理方法であって、前記試料台の上部は、前記上面を含む中央部分に対してその周辺部分が凹んだ段差形状を有して、前記絶縁リングおよび薄膜電極は、前記絶縁リングが前記試料台の前記段差形状部分に搭載された状態で前記サセプタリングに覆われているプラズマ処理方法。

【請求項6】

請求項１記載のプラズマ処理方法であって、
前記プラズマを、前記真空容器の上部に前記試料台の上面と対向して配置され誘電体材料で形成された誘電体窓の上方から前記処理室内部にプラズマ形成用の高周波電界を供給しつつ、前記真空容器の外部に配置されて前記処理室内部に磁界を供給して、形成するプラズマ処理方法。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0001】

本発明は、プラズマ処理方法に係り、特に、プラズマを発生させて半導体基板などをエッチング処理するプラズマ処理方法に関する。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0014】

上記した課題を解決するために、本発明では、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上面に試料を載置して、当該試料台上方の前記処理室内にプラズマを形成して前記試料を処理するプラズマ処理方法において、前記試料の処理中に、前記試料台の前記上面の下方の当該試料台の内部に配置され導電性の材料で構成された第１の電極に第１の高周波電力を供給すると共に、前記試料が載置される上面の外周側でこれを囲む部分を覆う絶縁性の材料で形成されたサセプタリングに覆われた絶縁リングであって、前記第１の電極の外周を囲むように配置された絶縁リングの上面及び前記試料台の上面の外周と対向する面の一部に配置された薄膜電極に第２の高周波電力を供給するようにした。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0041】

リング電極１７０の詳細を、図４に示す。リング電極１７０は、絶縁リング１３９の上面及び電極基材１０８の側に面した内側の面の一部に形成された薄膜電極１７１と、この薄膜電極１７１の表面を覆う誘電体膜１７２の薄膜とで構成されている。薄膜電極１７１は、給電線１２７１により、図２及び図３に示すように、負荷インピーダンス可変ボックス１３０と整合器１２８を介して第２の高周波電源１２７と接続している。給電線１２７１は、接地プレート１５２の部分では絶縁パイプ１２７２の内部を通り、電極基材１０８の部分では絶縁パイプ１２７３の内部を通ることで、接地プレート１５２及び電極基材１０８と絶縁されている。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0065】

また、薄膜電極１７１の表面を誘電体膜１７２で覆うことにより、処理室１０４の内部にプラズマを発生させ、薄膜電極１７１に第２の高周波電源１２７から第２の高周波電力を印加したときに、薄膜電極１７１で異常放電が発生するのを防止することができ、試料１０９の周辺部におけるシース領域の形状やシース領域の電界の分布に乱れの発生を防止できる。