JP2012049376A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のプラズマ処理では、プラズマ条件の変化に応じて処理室内部のガス流れ分布、反応生成物分布を制御することができない、制御できるガス流れ分布、反応生成物流れ分布の範囲が狭い、ステップエッチングにおいて、各ステップ間で高精度にガス流れ分布、反応生成物流れ分布を変化できないという課題がある。
【解決手段】第一のエッチングガス供給手段と第二のエッチングガス供給手段を設け、それぞれのエッチングガス供給手段を調整し、前記第二のエッチングガス供給手段をウエハ周辺に設置し、処理室内のエッチングガス流れ、反応生成物流れを制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法であり、特に半導体素子基板等の被処理材を、プラズマを用いてエッチング処理を施すのに好適なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関するものである。

半導体製造工程では、一般にプラズマを用いたドライエッチングが行われている。ドライエッチングを行うためのプラズマ処理装置は様々な方式が使用されている。

一般に、プラズマ処理装置は、真空処理室、これに接続されたガス供給装置、真空処理室内の圧力を所望の値に維持する真空排気系、被処理材であるウエハを載置する電極、真空処理室内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生手段などから構成されている。プラズマ発生手段によりシャワープレート等から真空処理室内に供給された処理ガスをプラズマ状態とすることで、ウエハ載置用電極に保持されたウエハのエッチング処理が行われる。

近年、半導体デバイスの集積度の向上に伴い、微細加工つまり加工精度の向上が要求されるとともに、エッチングレートの面内均一性あるいはエッチング形状におけるＣＤ値（Critical Dimension）の面内の均一性等の向上が要求されている。また被エッチング材料も単層膜から多層膜に変化し、各層膜あるいは膜の処理中にエッチング条件を変化させる多段ステップのエッチングが多用されるようになった。これは、エッチングレートやエッチング形状の面内均一性に影響を与える要因が各層膜を構成する材料特性で異なることに起因する。被エッチング材料の面内エッチングレートの均一性は、以下の影響を受けやすい。プラズマ密度分布、ラジカル分布、ガス流れ分布、被エッチング材料のエッチング処理中の面内温度分布、エッチング反応による反応生成物分布、処理室側壁の温度設定等。これらの分布の影響は各層膜の材料特性に依存し、プラズマエッチングの場合は、エッチング処理の条件（例えば、プラズマの励起電力、使用ガスの種類、使用ガスの混合比、ガス圧力、バイアスRF電力、電極あるいはリアクタ壁等の温度設定等）を各膜層の材料によって最適化する必要がある。よって多層膜のエッチングの完了時点でエッチングレートやエッチング形状（例えばＣＤ）の高精度の面内均一性を得ることは難しくなっている。さらに最近の半導体加工においては微細化に伴いエッチング特性の均一性はナノメートルまたはサブナノメートルのオーダーで要求されている。このため処理室内部のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を各加工ステップにおいて最適となるように制御する必要がある。

従来のプラズマ処理装置におけるエッチングガス供給手段としては、非特許文献１記載のように、ウエハの中心部の上方に設けられた処理室上面からのエッチングガス供給手段からのみエッチングガスを供給するものが一般的である。さらに、特許文献１には、プラズマ中のイオンやラジカルの面内均一性の改善を目的とした技術として、処理室上面の複数箇所からエッチングガスを導入する技術などが知られている（特開昭６２-２９０８８５号公報）。

特開昭６２-２９０８８５号公報

はじめての半導体製造装置（前田著、工業調査会、１９９９）

従来のプラズマ処理装置におけるエッチングガス供給手段では、処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御するために、処理室上面からのエッチングガス供給手段を用いるもの、処理室上面の複数箇所からエッチングガスを導入するものなどが知られている。

しかし処理室上面からエッチングガスを供給しても、処理室内部のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御できる範囲は極めて小さい。なぜなら処理室上面からのエッチングガス供給手段からのみエッチングガスを供給する場合、エッチングガスの濃度、また反応生成物濃度は、ウエハの中心部で高く、外周部で低くなることが多く、その濃度分布を変化させたり、また分布を反転させたりするようなガス流れ、反応生成物流れを形成することは難しい。さらにウエハ上に堆積させた各膜の種類によって処理ガス種、処理ガス圧力、プラズマ分布は大きく変化し、それに伴い各膜層に最適なガス流れ分布、反応生成物流れ分布も大きく変化するため、これらの制御範囲を広くしておく必要がある。処理室上面の複数箇所からエッチングガスを導入する装置でも、ウエハと処理室上面が離れているため、ウエハ近傍のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することは難しく、その制御範囲が極めて狭いという問題がある。

さらに、ウエハ上に複数の材料を堆積させた積層膜をエッチング処理する場合には、各膜の材料に最適な条件（処理ガス種、処理ガス圧力、プラズマ分布、ウエハ処理温度など）で順次エッチング処理を行う必要がある。所望のエッチング処理を施すとき、あらかじめ決められた順序に従い、エッチング処理の各段階（以下ステップと呼ぶ）を順次、進めていくエッチング処理（以下ステップエッチングと呼ぶ）において、各膜の材料によって最適なエッチング処理条件は異なり、プラズマ処理中の各膜に最適なガス流れ分布、反応生成物流れ分布も大きく変化する。従来のように処理室上面からエッチングガスを供給する場合、処理室内部のガス流れ、反応生成物流れを制御できる範囲は極めて小さい。また処理室上面の複数箇所からエッチングガスを導入する装置でも、ウエハと処理室上面が離れているため、ウエハ近傍のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することは難しく、その制御範囲は極めて狭い。各ステップ間で各堆積膜に最適となるように、高精度にエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を変化させることができない。

一方、ウエハ径がΦ３００ｍｍと大きくなるとともに、ウエハ面内のプラズマ分布や反応生成物分布などが不均一になりやすくなってきている。この対応として、ガス流れ分布や反応生成物流れ分布を面内で均一にするのではなく、エッチング特性が均一になるように面内でガス流れ分布や反応生成物流れを制御する方法も必要とされている。すなわち、ウエハ近傍での高精度なガス流れ制御、反応生成物流れ制御も必要となってきている。

そこで本発明では、処理ガス種、処理圧力、プラズマ分布、ウエハ温度分布などの変化に応じてガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することができ、さらに制御できるガス流れ分布の範囲、反応生成物流れ分布の範囲を広くすることができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を供給することを目的とする。

さらに、ウエハ上の積層膜をプラズマ処理する際、あらかじめ決められた順序に従い、プラズマ処理の各ステップを順次、進めていくステップ処理において、各ステップ間で高精度にガス流れ分布、反応生成物流れ分布を変化させることを目的とする。

本発明では、処理ガス種、処理圧力、プラズマ分布、ウエハ温度分布などの変化に応じて処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れを制御し、さらに制御できるガス流れ分布の範囲、反応生成物流れ分布の範囲を広くするため、第一のエッチングガス供給手段と第二のエッチングガス供給手段を設け、それぞれの供給手段から導入されるエッチングガスを調整することで、処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を高精度に制御することができる。

また第一のエッチングガス供給手段は、１種類以上のエッチングガスを供給するための１種類以上のガスボンベと、前記１種類以上のエッチングガスを導入するための前記１種類以上のガスボンベに対応したガス配管とガスバルブと、前記１種類以上のエッチングガスの供給量を制御するための前記１種類以上のエッチングガスに対応した１種類以上のガス流量制御器と、前記１種類以上の供給量を制御されたエッチングガスを混合し処理室に導入するためのガス配管とから構成され、かつ前記第一のエッチングガス供給手段とは別に、第二のエッチングガス供給手段は、１種類以上のエッチングガスを供給するための１種類以上のガスボンベと、前記１種類以上のエッチングガスを導入するための前記１種類以上のガスボンベに対応したガス配管とガスバルブと、前記１種類以上のエッチングガスの供給量を制御するための前記１種類以上のエッチングガスに対応した１種類以上のガス流量制御器と、前記１種類以上の供給量を制御されたエッチングガスを混合し処理室に導入するためのガス配管とから構成される。

以上の構成により、それぞれのエッチングガス供給手段から導入されるエッチングガスの、それぞれのガス種、ガス流量、ガス混合比を制御できる。また第二のエッチングガス供給手段は、前記被処理材の載置用電極の周辺に設けられたサセプタに接続し、エッチングガスを前記被処理材の周辺からも導入できるようにしてもよく、より高精度に、より広い制御範囲で、処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することができる。

さらに、以上の手段により、ウエハ上の積層膜をエッチング処理する際、あらかじめ決められた順序に従い、エッチング処理の各ステップを順次、進めていくステップエッチングにおいても、各ステップ間で高精度に処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を変化させることが可能となる。

本発明のプラズマ処理装置および処理方法では、処理ガス種、処理圧力、プラズマ分布、ウエハ温度分布などの変化に応じて処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れを制御し、さらに制御できるガス流れ分布の範囲、反応生成物流れ分布の範囲を広くできるという効果がある。本発明では、第一のエッチングガス供給手段と第二のエッチングガス供給手段を設け、それぞれの供給手段から導入されるエッチングガスを調整することができ、処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することができるという効果がある。

また第一のエッチングガス供給手段は、１種類以上のエッチングガスを供給するための１種類以上のガスボンベと、前記１種類以上のエッチングガスを導入するための前記１種類以上のガスボンベに対応したガス配管とガスバルブと、前記１種類以上のエッチングガスの供給量を制御するための前記１種類以上のエッチングガスに対応した１種類以上のガス流量制御器と、前記１種類以上の供給量を制御されたエッチングガスを混合し処理室に導入するためのガス配管とから構成され、かつ前記第一のエッチングガス供給手段とは別に、第二のエッチングガス供給手段は、１種類以上のエッチングガスを供給するための１種類以上のガスボンベと、前記１種類以上のエッチングガスを導入するための前記１種類以上のガスボンベに対応したガス配管とガスバルブと、前記１種類以上のエッチングガスの供給量を制御するための前記１種類以上のエッチングガスに対応した１種類以上のガス流量制御器と、前記１種類以上の供給量を制御されたエッチングガスを混合し処理室に導入するためのガス配管とから構成される。これによりそれぞれのエッチングガス供給手段から導入されるエッチングガスの、それぞれのガス種、ガス流量、ガス混合比を制御できるという効果がある。また第二のエッチングガス供給手段は、前記被処理材の載置用電極の周辺に設けられたサセプタに接続し、エッチングガスを前記被処理材の周辺からも導入できるようにしてもよく、より高精度に、より広い制御範囲で、処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御できるという効果がある。

上記の本発明においては、ウエハ上の積層膜をエッチング処理する際、あらかじめ決められた順序に従い、エッチング処理の各ステップを順次、進めていくステップエッチングにおいても、各ステップ間で高精度に処理室内のガス流れ分布、反応生成物流れ分布を変化させることが可能となるという効果がある。

本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲエッチング装置の縦断面図。 本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲエッチング装置の縦断面図。 実施例におけるエッチングレート分布。 本発明のプラズマ処理方法の一例を説明するシーケンス図。 本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲエッチング装置の縦断面図。 （Ａ）（Ｂ） 本発明の一実施例に適用されるガス導入口の配置図。 （Ａ）（Ｂ） 本発明の一実施例に適用されるガス導入口部の斜視図。

（実施例１）
以下、本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）エッチング装置を図１により説明する。上部が開放された真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内にエッチングガスを封入するための誘電体窓１０３（例えば石英製）を設置することにより処理室１０４を形成する。また、真空容器１０１には真空排気口１０６を介し真空排気装置（図示省略）が接続されている。

プラズマを生成するための電力を処理室１０４に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を放射する導波管１０７（またはアンテナ）が設けられる。導波管１０７（またはアンテナ）へ伝送される電磁波は電磁波発生用電源１０９から発振させる。電磁波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２．４５GＨｚのマイクロ波を使用する。処理室１０４の外周部には、磁場を形成する磁場発生コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用電源１０９より発振された電力は、形成された磁場との相互作用により、処理室１０４内に高密度プラズマを生成する。

また、誘電体窓１０３に対向して真空容器１０１の下部にはウエハ載置用電極１１１が設けられる。ウエハ載置用電極１１１は電極表面が溶射膜（図示省略）で被覆されており、高周波フィルター１１５を介して直流電源１１６が接続されている。さらに、ウエハ載置用電源１１１には、マッチング回路１１３を介して高周波電源１１４が接続される。

処理室１０４内に搬送されたウエハ１１２は、直流電源１１６から印加される直流電圧の静電気力でウエハ載置用電極１１１上に吸着され、処理室１０４内に所望のエッチングガスを供給した後、真空容器１０１内を所定の圧力とし、処理室１０４内にプラズマを発生させる。ウエハ載置用電極１１１に接続された高周波電源１１４から高周波電力を印加することにより、プラズマからウエハへイオンを引き込み、ウエハ１１２がエッチング処理される。

次に、本実施例におけるエッチングガス供給手段１２０，１３０を図１により説明する。本実施例のプラズマ処理装置に用いられる第一のエッチングガス供給手段１２０には、処理室１０４にエッチングガスを導入するためのシャワープレート１０２（例えば石英製）と、第一のエッチングガスを供給する配管１２１、第一のエッチングガスを供給するバルブ１２２、第一のエッチングガスにおいてそれぞれのガスの供給量を制御するガス流量制御器１２３、第一のエッチングガスにおいてそれぞれのガスを供給するバルブ１２４、各ガスボンベ１２５が接続される。エッチングガスを導入するためのシャワープレート１０２は、真空容器１０１の上部に設けられることが多く、本実施例では、誘電体窓１０３の直下に設置してある。各ガスボンベ１２５は、１種類以上で複数のガスボンベで構成され、被処理材料（以下、実施例の説明においては、「ウエハ」として統一する）に最適な混合ガスが配管１２１により処理室１０４内に供給される。

また第二のエッチングガス供給手段１３０には、真空容器１０１下部のウエハ載置用電極１１１の周辺から処理室１０４にエッチングガスを導入するためのガス導入部１３６と、第二のエッチングガスを供給する配管１３１、第二のエッチングガスを供給するバルブ１３２、第二のエッチングガスにおいてそれぞれのガスの供給量を制御するガス流量制御器１３３、第二のエッチングガスにおいてそれぞれのガスを供給するバルブ１３４、各ガスボンベ１３５が接続される。本実施例では、ウエハ載置用電極１１１の周りに設置されたサセプタ１０５（例えば石英製）内にエッチングガスを導入するためのガス導入部１３６を設け、第二のエッチングガスを供給する配管が接続される。第二のエッチングガスは３系統のガスの混合ガスから構成され、１系統目はエッチングを促進させるガス（例えば、塩素ガス）、２系統目はエッチングを抑制させるガス（例えば、四フッ化炭素ガス）、３系統目はエッチングに影響を及ぼさない不活性ガス（例えば、アルゴンガス）としている。第一のエッチングガス供給手段１２０から導入されたエッチングガスは、シャワープレート１０２付近では、シャワープレートからウエハ１１２への方向のガス流線を持っているが、ウエハ１１２近傍ではウエハ１１２の中心からウエハ１１２の外周方向のガス流線を持つ。ウエハ１１２のエッチング反応は、ウエハ１１２近傍のエッチングガス雰囲気によってエッチング速度やエッチング形状が決定される。

第一のエッチングガスのウエハ１１２近傍でのガス流線に影響を与えられるように、第二のエッチングガスは、第二のエッチングガスを導入するためのガス導入部１３６からウエハ１１２の中心方向へ向かう流線を持つようにする。つまり第二のエッチングガスを導入するためのガス導入部１３６は、図６（Ａ）に示すように、第二のエッチングガスをウエハに対して概略平行方向にウエハ外周から概略中心方向へ吹き出すような形状が望ましい。よって本実施例では、サセプタ１０５の内径部の全周にスリット状の開口を設けている。また、図６（Ｂ）に示すように、スリット状の開口部から導入されるガスを中心方向から傾けて放射させる構成とすることで、開口部の内側近傍におけるガス溜まりを防止するよう構成してもよい。

本実施例では図１に示すように、サセプタ１０５内にガス導入部１３６を設けているが、サセプタ１０５とガス導入部１３６を独立させウエハ載置用電極１１１の周辺に設けても同様の効果が得られる。また第一のエッチングガス供給手段１２０と第二のエッチングガス供給手段１３０において、それぞれガスボンベ１２５，１３５を独立に設けてあるが、各ガスボンベからの配管を分岐し、第一のエッチングガスを供給する手段１２０と第二のエッチングガスを供給する手段１３０に接続してもよい。さらに第二のエッチングガスを供給する配管は３系統に限られず、複数のガス配管を接続してもよい。

ガス導入部１３６の一例は、その斜視図を図７（Ａ）に示すが、ウエハにおけるエッチングレートやエッチング形状の均一性を著しく低下させない限り、スリット状の開口を全周に設ける必要はなく、１個以上複数のスリット状の開口部や１個以上複数のホール状開口部を設けてもよい。

さらに図２に示すように、第二のエッチングガス供給手段１３０を接続しているサセプタ内にコンダクタンスを与えるためのガスだまり２０１を設けてもよく、この場合サセプタの開口部において第二のエッチングガス供給手段１３０から導入されたエッチングガスが全周方向に均一に噴出すという効果がある。その一例は、その斜視図を図７（Ｂ）に示す。また第二のエッチングガス供給手段１３０はサセプタ１０５に１箇所から接続する必要はなく、１個以上複数の接続箇所を設けてもよい。この場合もサセプタの開口部から導入されるエッチングガスの均一性が向上し、処理室１０４内部のガス流れ分布、反応生成物流れ分布の周方向均一性が向上するという効果が得られる。

サセプタ１０５の材料は、石英材に限られるものではない。例えば、アルミナ材といったセラミックス材でも同様の効果を得られる。さらにサセプタ１０５はその内部に第二のエッチングガス供給手段１３０から導入されたエッチングガスを流す流路を形成する必要があるが、この流路を形成するため、サセプタ１０５の構造は、複数の部品からなる構造でも、さらには複数の部品を貼り合わせた構造でもよい。

サセプタ１０５の構造が複数の部品からなる場合は、部材のコストを下げられる効果があり、また複数の部品を貼り合わせた構造の場合には、第二のエッチングガス供給手段１３０から導入されたエッチングガスを流す流路からのガスの漏れを少なくし、またサセプタの開口部から導入するガスの周方向均一性を向上するという効果が得られる。

上記の本発明の実施例では、第一のエッチングガスの供給手段１２０におけるシャワープレート１０２のエッチングガス導入穴の配置を同心円の円環状、または円形状としている。さらに第二のエッチングガスの供給手段１３０におけるガス導入部１３６の配置も同心円の円環状としている。同心円の円環状、円形状とすることで、エッチングガス流れ分布をウエハ１１２に対して中心軸対称とすることができ、例えばウエハ面内のエッチングレート分布、エッチング形状（CDを含む）を制御しやすいという効果がある。

また第二のエッチングガス供給手段１３０から導入されたエッチングガスをサセプタ１０５の内径部から導入できるように内径部に設けた開口部の位置が、径方向においてウエハ１１２の最外周の位置よりも大きく、さらに径方向にウエハ１１２の最外周の位置から1ｍｍから３０ｍｍ以内の位置とすることで、高精度に処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御できるという効果がある。第二のエッチングガス供給手段１３０のガス導入部１３６がウエハ１１２から例えば３０ｍｍ以上に遠くなると、ウエハ１１２近傍のエッチングガス流れ、反応生成物流れを制御できない。

プラズマ処理を行う場合は、第一のエッチングガス供給手段の各バルブ１２４を開け、各ガスボンベ１２５からエッチング用ガス（例えば、塩素ガス、臭化水素ガス、四フッ化メタンガス、三フッ化メタン、二フッ化メタン、アルゴンガス、ヘリウムガス、酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、アンモニア、八フッ化プロパン、三フッ化窒素、六フッ化硫黄ガス、メタンガス、四フッ化シリコンガス、四塩化シリコンガス等）を供給し、所望のエッチングガス混合比となるようそれぞれのガス流量制御器１２３を制御する。第二のエッチングガス供給手段１３０も同様に各バルブ１３４を開け、各ガスボンベ１３５からエッチング用ガス（例えば、塩素ガス、臭化水素ガス、四フッ化メタンガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、酸素ガス、窒素ガス、六フッ化硫黄ガス、メタンガス、CHF３ガス、NF3ガス、SiF4ガス、SiCl4ガス等）を供給し、所望のエッチングガス混合比となるようにそれぞれのガス流量制御器１３３を制御する。

従来のプラズマ処理装置のように第一のエッチングガス供給手段１２０しか設けられていない場合、処理室１０４内部のガス流れ、反応生成物流れを高精度に制御することは困難である。これに対して、本実施例のプラズマ処理装置のように第二のエッチングガス供給手段１３０を設けることで、処理室１０４内部のガス流れ、反応生成物流れを各加工ステップで最適に制御することができる。また処理室内部のガス流れ、反応生成物流れを高精度に制御できるため、被エッチング材料面内のエッチングレート、エッチング形状の分布を凸分布や凹分布といったように、任意に制御することが可能となる。

また、本実施例においては、エッチングガスの供給手段を第一と第二の２系統としたが、２系統以上の複数のエッチングガス供給手段を設けることにより、さらに高精度にウエハ面内のエッチングレート、エッチング形状（ＣＤを含む）を制御することが可能となる。

次に、図３で実際のエッチングレート結果を示す。本実施例においては、被エッチング材料をポリシリコン膜とし、エッチングガスとして例えば、塩素ガス、四フッ化メタンガス、アルゴンガスが用いられる。曲線３０１は、第一のエッチングガス供給手段１２０のみを用いてエッチングした場合のエッチングレートのウエハ面内分布、つまり均一性を示す。曲線３０２は、第二のエッチングガス供給手段１３０より塩素ガスを導入し、それ以外のエッチングガスを第一のエッチングガス供給手段１２０より導入した場合のエッチングレートのウエハ面内分布を示す。曲線３０３は、第二のエッチングガス供給手段１３０より四フッ化メタンガスを導入し、それ以外のエッチングガス、塩素ガスおよび、アルゴンガス、を第一のエッチングガス供給手段１２０より導入した場合のエッチングレートのウエハ面内分布を示す。

曲線３０１が示すように、第一のエッチングガス供給手段１２０のみを用いてエッチングガスを供給した場合、ウエハ面内のエッチングレートはほぼ均一な分布となっている。これに対して、曲線３０２が示すようにエッチングレート性能においてエッチングレートを促進させる特性を持つガス（例えば塩素ガス）をウエハ外周より導入すると、ウエハ外周部のエッチングレートが増加している。さらに曲線３０３が示すようにエッチングレート性能においてエッチングレートを抑制させる特性を持つガス（例えば四フッ化メタンガス）をウエハ外周より導入すると、ウエハ外周部のエッチングレートが低下している。第二のエッチングガス供給手段１３０を用いてエッチングガスを供給することでエッチングレートのウエハ面内での均一性分布を制御できることがわかる。

本実施例では、第二のエッチングガス供給手段１３０を用いて所望のエッチングガスを所望の流量で導入することができ、処理室１０４内部のガス流れを任意に制御できるという効果がある。また処理室１０４内部のガス流れを任意に制御することで、処理室１０４内部の反応生成物流れも高精度に制御することができるという効果がある。図３のエッチングレート結果では、エッチングレートを促進させる特性を持つガスまたは抑制させる特性を持つガスをそれぞれ第二のエッチングガス供給手段１３０のみから導入したが、それぞれのガスを第一のエッチングガス供給手段１２０と第二のエッチングガス供給手段１３０から任意のガス流量で供給しても、エッチングレートのウエハ面内での均一性分布を制御することができる。さらに直接ウエハ表面での化学反応に寄与しない不活性ガス（例えばアルゴンガス）を第二のエッチングガス供給手段１３０から導入してもエッチングレートのウエハ面内での均一性分布を制御できる。これは不活性ガスを第二のエッチングガス供給手段１３０から供給することによる第一のエッチングガス供給手段１２０より導入されたエッチングガスの処理室内部ガス流れ、反応生成物流れが変化するためと考えられる。

実際のエッチングにおいてはプラズマ分布、ウエハ面内の温度分布や反応生成物の分布の影響により、エッチングレートの均一性を曲線３０１のように面内で均一にしても、エッチング形状、例えば線幅（ＣＤ）がウエハ面内で均一にならない場合がある。むしろ曲線２０２や曲線２０３のようにウエハ面内のエッチングレート分布を凹分布あるいは凸分布とした場合にウエハ面内のエッチング形状、例えば線幅（ＣＤ）が均一となる場合もある。このような場合においても、本実施例では、第二のエッチングガス供給手段１３０を用いて所望のエッチングガスを所望の流量で導入することでウエハ面内のエッチングレート分布を任意に制御でき、ウエハ面内のエッチング特性、特にエッチング形状や線幅（ＣＤ）をウエハ面内で高制度に均一化できるという効果がある。

以上のように第一のエッチングガス供給手段１２０と第二のエッチングガス供給手段１３０を用いることで、本実施例のように構成された装置では、ウエハ面内のエッチングレート分布を任意に制御することが可能となる。これにより、所望のエッチング形状を得るとき、あらかじめ決められた順序に従い、エッチング処理の各ステップを順次進めていくステップエッチングにおいて、各ステップでのウエハ面内のエッチングレート分布を最適化することが可能となる。これにより、高精度のエッチング処理が可能となり、装置稼働率向上、デバイスの歩留まりを向上できるという効果がある。

本実施例では、被エッチング材料をポリシリコン膜とし、エッチングガスとして例えば、塩素ガス、四フッ化メタンガス、アルゴンガスを用いたが、被エッチング材料としては、ポリシリコン膜だけでなく、フォトレジスト膜、反射防止有機膜、反射防止無機膜、有機系材料、無機系材料、シリコン酸化膜、窒化シリコン酸化膜、窒化シリコン膜、Low-k材料、High-k材料、アモルファスカーボン膜、Si基板、メタル材料等においても同等の効果が得られる。

またエッチングを促進するガスとしては、例えば、塩素ガス、臭化水素ガス、四フッ化メタンガス、三フッ化メタン、二フッ化メタン、酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、アンモニア、八フッ化プロパン、三フッ化窒素、六フッ化硫黄ガス、メタンガス、四フッ化シリコンガス、四塩化シリコンガス等が使用でき、エッチングを抑制するガスとしては、例えば、塩素ガス、臭化水素ガス、四フッ化メタンガス、三フッ化メタン、二フッ化メタン、酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、アンモニア、八フッ化プロパン、三フッ化窒素、六フッ化硫黄ガス、メタンガス、四フッ化シリコンガス、四塩化シリコンガス等が使用でき、不活性ガスとしては、例えばアルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、キセノンガス、ラドンガス等が使用できる。

また、このようなエッチング処理装置においては、ウエハ上に複数の材料を堆積させ形成した積層膜をエッチング処理することが多い。各膜の材料によって最適なプラズマ処理条件は異なり、プラズマ処理中のウエハ面内のエッチング性能分布は大きく変化する。特にＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）のウエハ面内分布は、プラズマ処理中のエッチングガス流れ分布、反応生成物分布に強く依存し影響を受けやすい。このため、複数の材料を堆積させ形成した積層膜のプラズマ処理では、各膜の材料によって最適なプラズマ処理条件の各ステップを順次、進めていくステップエッチングが有効となる。本実施例のように構成された装置では、第一のエッチングガス供給手段１２０と第二のエッチングガス供給手段１３０を用いることで、ウエハ面内のエッチングレート分布を任意に制御することが可能となるため、ステップエッチングにおける各ステップに対応して高精度に処理室１０４内のガス流れ、反応生成物流れを制御できる。つまり、所望のＣＤ分布となるよう制御することができるという効果がある。

前述の積層膜をステップエッチング処理する場合の一実施例を図４により説明する。図４は、本発明のプラズマ処理方法の一例を説明するシーケンス図である。まず、ウエハ載置用電極１１１にウエハ１１２を載置する（ステップＳ４０１）。次に、処理室１０４内にエッチングガスを導入する。第一または第二のエッチングガス供給手段を用いて、所望のエッチングガスを所望の流量、処理室１０４内に導入し、処理室内のガス流れ分布または反応生成物流れ分布となるようにする。（ステップＳ４０２）。次に、処理室１０４内にプラズマを発生させ、ウエハ１１２がエッチング処理される（ステップ４０４）。ウエハ上の積層膜をエッチング処理する場合、各膜の材料により最適なプラズマ処理条件は異なる。よって各膜に最適なプラズマ処理条件で各ステップを順次進めるステップエッチングの場合（ステップ４０５）、各ステップにおけるプラズマ処理中のウエハ面内のガス流れ分布、反応生成物流れ分布も大きく変化するため、各ステップに対応して高精度にガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御する必要がある。つまり、次の膜をエッチング処理するために、第一または第二のエッチングガス供給手段１２０，１３０から導入されるエッチングガスそれぞれのエッチングガス種、流量、混合比を再度所望の値に調節しなければならない。次のステップエッチングに移行する場合は、最初に、プラズマを停止させ（ステップ４０５、必ずしも停止させる必要はなく、停止しなくても同等の効果が得られる）、処理室１０４内部のエッチングガスを排気または維持する（ステップ４０６）。次に再度、第一または第二のエッチングガス供給手段１２０，１３０を用いて、所望のエッチングガスを所望の流量、処理室１０４内に導入し、処理室内のガス流れ分布または反応生成物流れ分布となるようにする。すべてのステップエッチング処理が終了した場合（ステップ４０４）は、静電吸着用電極への直流電圧の印加を停止し（ステップ４０７）、プラズマを停止（ステップＳ４０８）、エッチングガスを排気する（ステップＳ４０９）。最後にウエハ１１２をウエハ載置用電極１１１から取り外して処理室外に搬出する（ステップＳ４１０）。上述のプラズマ処理方法では、ステップエッチング処理を施す場合、ステップ間でプラズマを停止（ステップＳ４０６）していたが、必ずしもステップ間でプラズマを停止させる必要はなく、プラズマ処理を継続したまま、第一または第二のエッチングガス供給手段１２０，１３０より導入されるエッチングガス種、流量、混合比を変化させてもよい。

本実施例で示したようなプラズマ処理方法では、第一のエッチングガス供給手段１２０と第二のエッチングガス供給手段１３０を用いることで、ウエハ面内のエッチングレート分布を任意に制御することが可能となるため、ステップエッチングにおける各ステップに対応して高精度に処理室内のガス流れ、反応生成物流れを制御でき、所望のエッチング形状、特に所望のエッチングＣＤ分布となるようプラズマ処理することができるという効果がある。

またウエハ周辺部の構造、例えばサセプタ１０５内径部とウエハ１１２最外周との隙間では、プラズマ処理を行うことで堆積物が形成される場合がある。このような堆積物はデバイスの製造工程において歩留まりの低下を招く可能性がある。たとえば異物等として処理室１０４内に拡散し、ウエハまたはデバイスの表面に付着することで、その性能を著しく低下させる。しかし、本実施例によれば、サセプタ１０５内径部とウエハ１１２最外周との隙間に第二のエッチングガス供給手段１３０を用いてエッチングガスを前記隙間に流すことができ、堆積物の形成を抑制させることができる。これによりエッチング処理において、エッチング性能の安定性向上、さらに歩留まりの向上という効果がある。

以上の実施例ではマイクロ波ＥＣＲ放電を利用したエッチング装置を例に説明したが、他の放電（有磁場ＵＨＦ放電、容量結合型放電、誘導結合型放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、トランスファー・カップルド放電）を利用したドライエッチング装置においても同様の作用効果がある。また上記各実施例では、エッチング装置について述べたが、プラズマ処理を行うその他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置等についても同様の作用効果がある。

（実施例２）
本実施例の第２の実施例を図５を用いて説明する。本図が図１と異なる点を以下に説明する。下記相違点以外は実施例１と実質的に同一である。

本実施例のプラズマ処理装置では、処理室１０４、ウエハ１１２、ウエハ載置用電極１１１、真空排気口１０６、真空排気装置（図示省略）は同軸に配置されている。これにより処理室１０４内部のガス流れ分布、反応生成物流れ分布は軸対称となる。よって本発明による第一と第二のエッチングガス供給手段１２０、１３０によって導入されたエッチングガスによって制御される処理室１０４内部のガス流れ分布、反応生成物流れ分布も軸対称となり、従来の装置と比較しさらに高精度にガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御可能となり、ウエハ面内のエッチングレート分布、エッチング形状の分布（CDを含む）を高精度にかつ広範囲に制御できるという効果がある。

１０１・・・真空容器、１０２・・・シャワープレート、１０３・・・誘電体窓、１０４・・・処理室、１０５・・・サセプタ、１０６・・・真空排気口、１０７・・・導波管、１０９・・・電磁波発生用電源、１１０・・・磁場発生コイル、１１１・・・ウエハ載置用電極、１１２・・・ウエハ、１１３・・・マッチング回路、１１４・・・高周波電源、１２０・・・第一のエッチングガス供給手段、１２１・・・配管、１２２・・・ガスバルブ、１２３・・・流量調整器、１２４・・・ガスバルブ、１２５・・・ガスボンベ、１３０・・・第二のエッチングガス供給手段、１３１・・・配管、１３２・・・ガスバルブ、１３３・・・流量調整器、１３４・・・ガスバルブ、１３５・・・ガスボンベ、１３６・・・ガス導入口、２０１・・・ガスだまり、３０１、３０２、３０３・・・エッチングレート分布。

Claims (18)

1. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へガスを供給する装置と、前記処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材であるウエハを温度調節された電極上に静電気力により吸着して固定する手段から成るプラズマ処理装置において、
   前記処理室にエッチングガスを供給する第一のエッチングガス供給手段と、該第一のエッチングガス供給手段とは別に設けられた第二のエッチングガス供給手段を設け、前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へガスを供給する装置と、前記処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材を温度調節された電極上に静電気力により吸着して固定する手段から成るプラズマ処理装置において、
   １種類以上のエッチングガスを供給するための１種類以上のガスボンベと、前記１種類以上のエッチングガスを導入するための前記１種類以上のガスボンベに対応したガス配管とガスバルブと、前記１種類以上のエッチングガスの供給量を制御するための前記１種類以上のエッチングガスに対応した１種類以上のガス流量制御器と、前記１種類以上の供給量を制御されたエッチングガスを混合し処理室に導入するためのガス配管とガスバルブからなる第一のエッチングガス供給手段が設けられ、
   該第一のエッチングガス供給手段とは別に、１種類以上のエッチングガスを供給するための１種類以上のガスボンベと、前記１種類以上のエッチングガスを導入するための前記１種類以上のガスボンベに対応したガス配管とガスバルブと、前記１種類以上のエッチングガスの供給量を制御するための前記１種類以上のエッチングガスに対応した１種類以上のガス流量制御器と、前記１種類以上の供給量を制御されたエッチングガスを混合し処理室に導入するためのガス配管とガスバルブからなる第二のエッチングガス供給手段が設けられ、
   前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へガスを供給する装置と、前記処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材を温度調節された電極上に静電気力により吸着して固定する手段から成るプラズマ処理装置において、
   前記処理室内にガスを供給する装置がエッチングガスを供給する第一のエッチングガス供給手段と、該第一のエッチングガス供給手段とは別に設けられた第二のエッチングガス供給手段から構成され、該第二のエッチングガス供給手段を前記被処理材の載置用電極の周辺に設けられたサセプタに接続し、エッチングガスを前記被処理材の周辺からも導入できるようにし、
   前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第二のエッチングガス供給手段から導入されたエッチングガスを被処理材に対して概略平行方向でかつ被処理材の外周から概略中心方向に導入することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１から３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一のエッチングガス供給手段を前記処理室上面に設け、前記第一のエッチングガス供給手段から導入されたエッチングガスが被処理材に対向する前記処理室上面から供給されることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１から３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一のエッチングガス供給手段と前記第二のエッチングガス供給手段においてそれぞれエッチングガス供給手段に接続されるエッチングガスボンベを前記第一のエッチングガス供給手段と前記第二のエッチング供給手段において共通のものとしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項１から３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記処理室、前記第一のエッチングガス供給手段と前記第二のエッチングガス供給手段、前記プラズマ発生手段、被処理材載置用電極、および真空排気手段を前記処理室の中心軸に対して同軸上に配置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項１から３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置において、
   あらかじめ決められた順序に従い、前記被処理材にプラズマ処理の各段階を順次進める場合に、各段階で前記第一のエッチングガス供給手段と前記第二のエッチングガス供給手段を調整し、
   前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を各段階で制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
   前記第二のエッチングガス供給手段から導入されたエッチングガスを前記サセプタの内径部から導入できるように該内径部の全周に１個以上複数の概略スリット状の開口、あるいはホール状の開口を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
    前記第二のエッチングガス供給手段から導入されたエッチングガスを前記サセプタの内径部から導入できるように前記内径部に設けた開口部の位置が、径方向において被処理材の最外周の位置よりも大きく、さらに被処理材の最外周の位置から径方向に１ｍｍから３０ｍｍ以内の位置とすることを特徴とするプラズマ処理装置。
11. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
    前記サセプタ内部にガスだまりを設け、前期第二のエッチングガス供給手段を前記ガスだまりに接続することを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
    前記サセプタが複数の部材からなることを特徴とするプラズマ処理装置。
13. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
    前記サセプタが複数の部材を貼合わせた構造であることを特徴とするプラズマ処理装置。
14. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へガスを供給する装置と、前記該処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材を温度調節された電極上に静電気力により吸着して固定する手段から成るプラズマ処理装置において、
    前記処理室にエッチングガスを供給する第一のエッチングガス供給手段と、該第一のエッチングガス供給手段とは別に設けられた１個以上の複数のエッチングガス供給手段とを設け、前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
15. 真空排気装置により処理室内部を減圧し、該処理室内へガスを供給し、前記処理室内部にプラズマを発生させ、被処理材を温度調節された電極上に静電気力により吸着して前記被処理材をプラズマ処理する方法において、
    前記処理室にエッチングガスを供給する第一のエッチングガス供給手段と、該第一のエッチングガス供給手段とは別に設けられた第二のエッチングガス供給手段を用い、前記第一のエッチングガス供給手段と、前記第二のエッチングガス供給手段とのそれぞれのエッチングガス種、エッチングガス流量、エッチングガスの流量比を調整し、
    前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
16. 真空排気装置により処理室内部を減圧し、該処理室内へガスを供給し、前記処理室内部にプラズマを発生させ、被処理材を温度調節された電極上に静電気力により吸着して前記被処理材をプラズマ処理する方法において、
    前記処理室にエッチングガスを供給する第一のエッチングガス供給手段と、該第一のエッチングガス供給手段とは別に設けられた第二のエッチングガス供給手段を用い、該第二のエッチングガス供給手段から導入されるエッチングガスとして被処理材のエッチングを促進または抑制させるガス、および不活性ガスを導入し、
    前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
17. 請求項１６記載のプラズマ処理方法において、
    あらかじめ決められた順序に従い、前記被処理材のプラズマ処理の各段階を順次進める場合に、前記第一のエッチングガス供給手段と前記第二のエッチングガス供給手段を各段階で調整することにより、前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れ分布を各段階で制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
18. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へガスを供給する装置と、前記処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材を温度調節された電極上に静電気力により吸着して固定する手段から成るプラズマ処理装置において、
    前記処理室内のエッチングガス流れ分布、反応生成物流れを制御することで、被処理材のエッチングレート分布やエッチング形状分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。

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