JP5268626B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイスを製造するプラズマ処理装置にかかり、特に、レジスト材料等で形成されたマスクパタン形状どおりにシリコンやシリコン酸化膜等の半導体材料をエッチングするドライエッチング技術に関する。
ドライエッチングは、真空排気手段を有する真空容器内に原料ガスを導入し、該原料ガスを電磁波によりプラズマ化して被加工試料にさらし、被加工試料表面のマスク部以外をエッチングすることで所望の形状を得る半導体微細加工方法である。被加工試料面内での加工均一性にはプラズマの分布，被加工試料面内の温度分布，供給ガスの組成および流量分布等が影響する。
特に平行平板型のプラズマ装置では、被加工試料の対面に配置されるシャワープレートから原料ガスが供給され、かつ被加工試料とシャワープレート間の距離も比較的短いことからシャワープレートから供給されるガス供給分布が、加工速度や加工形状等に影響する。
この特性を活用して、シャワープレートの中心部と周辺部で独立にガス組成や流量を制御することで加工形状等の被加工面内均一性を向上させているプラズマ処理装置が、例えば、特許文献１により提案されている。
図７に従来のシャワープレートを示す。
通常、シャワープレートガス供給面５上には複数のガス噴出し孔２を全て均等に配置し、かつ基本的に微細孔１個当たりから噴出するガスの組成や流量は同様であり被加工試料の単位面積あたりのガス供給状態が均等になるよう設計されている。
また、被加工試料面内の中心部と周辺部で大まかにガスの供給量を制御し、反応生成物等の影響を相殺して加工形状の均一化を実現している。
特許文献１に示されるガス供給分布構造においては、中心領域と周辺領域の２領域間では孔１個当たりから噴出するガス組成や流量は異なるが、それぞれの領域内の孔では同様な組成および流量のガスが噴出する構造となっている。
特開２００６−４１０８８号公報
シャワープレートに形成されるガス供給孔は、基本的に均等に配置されているため、被加工試料の外周部でガスの供給量が中心付近に比べ相対的に少なくなる傾向にある。
特に、狭ギャップ型の装置では、シャワープレートと被加工試料間の距離が短いため、このガス供給量の不均一に伴う被加工試料外周部での形状不均一が問題となる場合がある。
図３に、ウエハ（被加工試料）直径をＤ（３００mm），ウエハからシャワープレートまでの距離をＬとした時、アスペクト比（Ｄ／Ｌ）と相対ガス分子到達量との関係を示す。これは、シャワープレートの各ガス噴出し孔から均等に噴出したガス分子が等方拡散した場合を仮定し、また、ウエハに対面するガス噴出し孔がウエハ直径と同一径でかつ単位面積あたりの孔数が均一な場合を仮定して、対面するウエハに到達するガス分子の相対量を一次元で計算した結果である。
図３に示すように、ウエハ面に到達するガス分子の相対量はアスペクト比が大きくなるとウエハ外周部で不足気味となることが分かる。つまり、アスペクト比１以上、即ちウエハ直径がφ３００mmの場合、ウエハとシャワープレートの距離が３００mm以下の場合からウエハ端部でのガス供給量の相対的な不足が生じることが判った。実質的には、アスペクト比が２以上となると、供給量の差を許容できなくなることが判った。
図３で示した課題の解決方法として、シャワープレートに形成するガス噴出し孔の領域を被加工試料直径に対して拡大する方法が考えられる。
図４に、ガス噴出し領域径と相対ガス分子到達量との関係を示す。
これは、ウエハ直径を３００mm、シャワープレートには均等にガス噴出し孔が配置されており、ウエハとシャワープレート間の距離Ｌを２４mm（アスペクト比Ｄ／Ｌ＝１２.５）とした場合について計算した結果である。
図４に示すように、ガス噴出し孔領域の径を拡大する方法において、十分なガス供給均一性を得るためには、実質的に、ウエハ直径Ｄの約１.５倍以上、つまり、ガス噴出し孔領域径をφ４５０mm以上とする必要があることが判った。
つまり、ガス噴出し領域径の拡大では、シャワープレートの大型化に伴う装置の大型化を招くと共に、シャワープレートは一般的に消耗部品として定期的に交換される部品であるため、大型化による消耗品コストの増大が問題となり、現実的な解決策とはならない。
本発明の目的は、被加工試料の外周部で生じるシャワープレートからのガス供給不足を解決し、被加工試料での加工精度の面内均一性を向上させるプラズマ処理装置を提供することにある。
特に、シャワープレート直径の拡大を最小限に抑制し、被加工試料面内へのガス供給均一性を改善することで加工特性の被加工試料面内均一性の向上と消耗品コストの低減を両立するプラズマ処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、前記真空容器内に設けられ被加工試料を載置する試料台と、前記試料台に対向し前記被加工試料直径よりも大きな直径のガス供給面を有するガス供給手段とを有し、前記被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記ガス供給手段のガス供給面の前記被加工試料に面する領域には複数の同一直径のガス噴出し孔が配置されており、前記ガス噴出し孔は、前記被加工試料直径よりも内側である内側領域内においてその孔数密度が全体で均等に配置され、前記被加工試料直径の１倍から１.１倍の範囲であって前記内側領域に隣接した外側領域内において前記内側領域内における前記ガス噴出し孔の孔数密度の１.５倍から４倍の範囲内の孔数密度で配置されたことを特徴とする。

また、真空容器と、前記真空容器内に設けられ被加工試料を載置する試料台と、前記試料台に対向し前記被加工試料直径よりも大きな直径のガス供給面を有するガス供給手段とを有し、前記被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記ガス供給手段のガス供給面の前記被加工試料に面する領域には複数の同一直径のガス噴出し孔が配置されており、前記被加工試料直径の１倍から１.１倍の範囲内に前記被加工試料直径よりも内側にあるガス噴出し孔直径の１．１倍から１．５倍の範囲内の直径の値で複数の前記ガス噴出し孔を配置した特徴とする。
本発明によれば、装置の大型化や交換部品であるシャワープレートの大型化を伴わずに被加工試料全面で均等なガス供給分布が得られ、被加工試料の加工速度および加工形状の均一化が達成できる。
以下、本発明の実施の形態を用いて説明する。
本発明の第一の実施例を図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施例になるプラズマ処理装置の断面図を示す。プラズマ処理装置は、真空容器２４内に被加工試料７を載置する静電吸着機能付の電極１５（試料台）と試料台に対向して設けられたシャワープレート１（ガス供給手段）を有している。また、プレート８および分散プレート１１を組み込んだ導体製のアンテナ１２に放電用高周波電源１３から２００MHzの高周波電力を供給し、シャワープレート１から供給したガスを放電空間１４でプラズマ化する。また被加工試料７には静電吸着機能付の電極１５を介して、高周波電源１６から４MHzの高周波電圧が印加されており、被加工試料７表面にプラズマからイオンを加速して入射する構造となっている。また、アンテナ１２には、放電用の２００MHzの高周波電力に重畳して独立に高周波電源１７から４MHzの高周波電圧が印加されており、シャワープレート１表面にプラズマから入射するイオンのエネルギーをプラズマ生成および被加工試料のバイアス状態とは独立に制御している。また、アンテナ１２および静電吸着機能付の電極１５は、絶縁性の液体冷却循環機能２１および２２によりそれぞれ独立に温度制御されている。
シャワープレート１はシリコンで形成されている。シャワープレートの上段には、シャワープレートと同様な位置でかつシャワープレート１に形成されているガス噴出し孔２より若干大きい孔が形成されたプレート８が配置されている。さらにその上段にはガス供給部９からのガスを分散させるガス分散層１０を形成する分散プレート１１が配置されている。ガス供給部９は、被加工試料７の内側領域用と外側領域用にそれぞれ独立にもうけられており、流量およびガス組成を被加工試料７の内外で独立に制御できる構造となっている。また該内側領域と外側領域は、それぞれのガス噴出し孔２の形成領域面積がほぼ等しくなる位置を境界としている。なお、本実施例では、内側領域と外側領域の２つの領域に分けた装置で説明するが、領域を分けなくても良いし、３つ以上に分けても良い。
図１では、直径３００mmのシリコンウエハを被加工試料とした装置構成であり、シャワープレート１に形成されるガス噴出し孔の中心は、φ３１４mmの範囲内に形成されている。この３１４mmの内、内側のφ２００mm領域が内側領域、それより外側が外側領域となっている。ガス分散層１０も内外で独立しており、それぞれの領域で均一にガスが分散する構造となっている。
図２は、シャワープレート１の表面図で、ガス噴出し孔２の配置を示している。ガス噴出し孔２の直径は０.５mm、シャワープレート１のガス噴出し孔２が形成されている領域の厚さは１０mmである。シャワープレートガス供給面５上に形成されるガス噴出し孔２の直径は全て等しい。シャワープレート中心３から等しい間隔（１０mmピッチ）で同心円状にガス噴出し孔が形成されている。また各円周上のガス噴出し孔の数は、中心から外周付近までは、円周にほぼ比例する数の孔が形成されている。よって中心から外周付近までは、シャワープレートの単位面積当たりのガス噴出し孔数がほぼ等しい配置となっている。シャワープレートガス供給面５の直径は被加工試料７の直径よりも大きくしている。
図２の構成では、外側領域の外周部の総ガス噴出し孔数は内側領域の約２倍となっている。よって、外側領域に内側領域の約２倍の流量を流すことで、内側および外側領域両方のガス噴出し孔１個当たりから噴出するガス流量は等しくなる。
以上の構成から、被加工試料７の内側および外側のそれぞれでは各ガス噴出し孔２から噴出するガスは、流量およびガス組成がほぼ等しく、被加工試料７表面に供給されるガス状態（流量および組成）分布はガス噴出し孔の密度で決まる構成となっている。なお、本実施例では、ガス噴出し孔１個当たりから噴出するガス流量を等しくした装置で説明するが、例えば、反応生成物起因によるデポ分布を補正する目的で、例えば、酸素流量を内側領域と外側領域で変える場合もあり、必ずしも、ガス噴出し孔１個当たりから噴出するガス流量を等しくする必要はない。
本実施例では、対向する被加工試料７の端部に相当する位置、つまり、ガス噴出し孔の最外周二周分の位置の円周上の単位長さに対する孔数密度を他の円周上の孔数密度に比べ約二倍としている。その他の位置に形成されたガス噴出し孔同士のピッチが１０mmであるのに対し、最外周二周分の位置にあるガス噴出し孔同士のピッチは７mmとなっている。
この結果、被加工試料端部に位置するガス噴出し孔の孔数密度は他の領域に比べ約２.８５倍（円周方向の密度（２倍）×径方向の密度（１０mm／７mm））多くなっている。
即ち、被加工試料７の内側領域では、ガス噴出し孔２が均等に等しい密度で配置されているため均一なガス供給が行われるが、外側領域では、被加工試料７の端部に位置するガス噴出し孔密度が高いため他の領域より多いガスが被加工試料端部に供給されることになる。
図５に、本発明のシャワープレートと従来のシャワープレートにおけるウエハ端部での相対ガス分子到達量の計算結果を示す。
図５では、ウエハ直径Ｄがφ３００mm、ウエハとシャワープレート間の距離Ｌが２４mm（アスペクト比Ｄ／Ｌ＝１２.５）とした。
図５に示すように、本発明のシャワープレートでは、ウエハ端部付近でのガス供給量不足が補われウエハ全面で均等なガス供給ができることが確認できる。一方、従来のシャワープレートでは、ウエハ端部付近でガス供給量が中心部に比べ相対的に少なくなっている。これは、シャワープレートから供給されたガスがウエハ周辺から排気され際、円周長の長いウエハ端部では、中心部に比べ排気速度が速くなることが原因と考えられる。また、中心領域では、外周部から噴出したガスも等方拡散により到達するが、ガス噴出し孔の最外周に位置する領域は、それより外側からのガス供給がないことが原因と考えられる。
これにより、本発明のシャワープレートを用いれば、均等なガス供給が可能となり、エッチング特性の均一化に有効であることが判る。
特に、狭ギャップの対向電極構造で、エッチング特性がガスの圧力よりも供給されるガス流量に大きく依存するエッチングメカニズム（フロロカーボン系ガスによるシリコン酸化膜エッチング等）では、エッチング速度やエッチング形状のウエハ面内での差を抑制できる。
図６に、本発明のシャワープレートと従来のシャワープレートにおける、ＴＥＯＳ膜のエッチングレート分布を示す。
本発明のシャワープレートを用いた場合は、内側領域及び外側領域の全てのガス噴出し孔一個当たりから噴出するガス供給量を等しくするため、ガス噴出し孔数比（約２倍）に従って、外側領域のガス流量を内側領域に比べ約２倍の流量（内側流量はＡｒ＝５００sccm，Ｃ4Ｆ8＝１５sccm，Ｏ2＝１５sccm，外側流量はＡｒ＝１０００sccm，Ｃ4Ｆ8＝３０sccm，Ｏ2＝３０sccm）とした。
一方、従来のシャワープレートを用いた場合は、内側領域と外側領域でほぼガス噴出し孔数が等しいため、同様なガス流量を供給（内側及び外側流量はＡｒ／Ｃ4Ｆ8／Ｏ2の混合ガスで、Ａｒ＝５００sccm，Ｃ4Ｆ8＝１５sccm，Ｏ2＝１５sccm）している。
図６に示すように、従来のシャワープレートを用いた場合では、ウエハ端部のエッチング速度が低下しており、エッチングレート均一性が８％程度であったが、本発明のシャワープレートを用いた場合は、ウエハ中心領域のエッチング速度には影響を与えず、ウエハ端部のエッチング速度は増加しており、エッチングレート均一性は３％程度と改善されていた。
本発明は、エッチング特性に合わせてガス噴出し孔密度を変えることで、加工対象やプロセス条件にとって最適なガス供給分布を選択することが可能である。
次に、本発明において、ガス噴出し孔の孔数密度の最適化と孔数密度を増加させる領域の最適化について説明する。
図８に、シャワープレートのφ２８０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量の計算結果を示す。
図９に、シャワープレートのφ２９０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量の計算結果を示す。
図１０に、シャワープレートのφ３００付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量の計算結果を示す。
図１１に、シャワープレートのφ３２０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量の計算結果を示す。
図１２に、シャワープレートのφ３３０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量の計算結果を示す。
図１３に、シャワープレートのφ３４０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量の計算結果を示す。
図１４に、シャワープレートのφ３６０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量の計算結果を示す。
図８，図９に示すように、ウエハ直径よりも内側の領域で、ガス噴出し孔密度を増加させウエハ端部のガス供給量を増加させると、内側のガス供給量が増加するものの、若干、改善されることが判った。
一方、図１０〜図１４に示すように、ウエハ直径またはそれよりも外側の領域で、ガス噴出し孔密度を増加させウエハ端部のガス供給量を増加させると、ウエハ領域内で均一なガス供給分布を得られることが判った。
しかし、図１３，図１４に示すように、φ３４０mm以上の領域に追加する場合には、その追加位置のガス噴出し孔密度の必要増加倍数が４倍以上となるため、ガス供給量も増加させる必要がある。よって、ガス消費量の増加や装置の排気能力に余分な負担をかけることになる。
このことから、図１０〜図１２に示すように、φ３００からφ３３０mm程度、即ち、ウエハ直径の１倍から１.１倍程度の範囲でのガス噴出し孔数密度増加が望ましい。
また、ガス噴出し孔密度の増加は、加工対象やプロセス条件により変わるが、１.５倍から４倍の範囲で増加させると、エッチング特性の均一性を最適化すると共に、ガスの消費量を抑えることができる。
本発明の第２の実施例を図１５を用いて説明する。
図１５は、本発明の実施例２となるシャワープレート１の表面図である。
本実施例では、対向するウエハ端部に相当する位置のガス噴出し孔２７を、他の部分に位置する孔径に対して１.３倍（中心部の孔径を０.５mmとすると外周部の孔径は０.６５mm）とし、孔数密度は均等とした。実施例１では、同一径のガス噴出し孔４の孔数密度でウエハ端部へのガス供給量を調整したが、実施例２では、孔径で調整することとした。
シャワープレートのガス噴出し孔をガスが通過する際のコンダクタンスは孔径の３〜４乗に比例して増加する（分子流の場合は３乗、粘性流の場合は４乗）。実際には、分子流と粘性流の中間的な値（中間流は３.５乗）になる。
よって、同じ孔数密度でも孔径を拡大することで孔数密度を増加させたのと同様の効果が得られる。
実施例２では、孔数密度は等しく外周部の孔径を他の領域の１.３倍とすることで、外周部のガス供給量を約２.８５倍に向上することができる。
実施例１と同様に孔径の拡大量は加工対象やプロセス条件により変えることができる。ガス噴出し孔密度を１.５倍から４倍の範囲に増加、即ち、ガス供給量を１.５倍から４倍に増加させるためには、孔径を１.１倍（１.５の（１／３.５）乗＝１.１２３）から１.５倍（４の（１／３.５）乗＝１.４８６）の範囲とすることで、エッチング特性の均一性を最適化することができる。
また、ガス噴出し孔径を拡大する領域は、実施例１同様にウエハ直径の１倍から１.１倍程度の範囲が好適となる。
本発明は、半導体装置の製造装置、特にリソグラフィー技術によって描かれたパタンをマスクに半導体材料のエッチング処理を行うプラズマエッチング装置に関する。本発明により、被加工試料であるシリコンウエハ端部での加工特性，特に加工速度の均一性および加工形状の均一性を向上させることが可能となる。以上の本発明の効果により、シリコンウエハ端部での良品取得率が高まり、エッチング装置の歩留まり向上が図れる。
本発明を適用したプラズマ処理装置の断面図である。 本発明の第１の実施例にかかるシャワープレートの概略図である。 ウエハ直径Ｄと、ウエハとシャワープレート間距離Ｌの比（Ｄ／Ｌ）によるウエハ表面での相対ガス分子到達量分布の説明図である。 ウエハ直径に対するガス噴出し領域径の効果を示す図である。 本発明における効果を説明する図である。 本発明における効果を説明する図である。 従来のシャワープレートの概略図である。 シャワープレートのφ２８０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量を示す図である。 シャワープレートのφ２９０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量を示す図である。 シャワープレートのφ３００付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量を示す図である。 シャワープレートのφ３２０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量を示す図である。 シャワープレートのφ３３０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量を示す図である。 シャワープレートのφ３４０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量を示す図である。 シャワープレートのφ３６０付近にガス噴出し孔密度を増加させた場合のウエハ表面での相対ガス分子到達量を示す図である。 本発明の第２の実施例にかかるシャワープレートの概略図である。
符号の説明
１ シャワープレート
２ ガス噴出し孔
３ シャワープレート中心
４，２７ シャワープレート外周部位置のガス噴出し孔
５ シャワープレートガス供給面
６ シャワープレート固定用ネジ孔部
７ 被加工試料
８ プレート
９ ガス供給部
１０ ガス分散層
１１ 分散プレート
１２ アンテナ
１３ 放電用高周波電源
１４ 放電空間
１５ 静電吸着機能付の電極
１６，１７ 高周波電源
１８，１９，２０ 自動整合器
２１，２２ 絶縁性の液体冷却循環機能
２３ シリコン製フォーカスリング
２４ 真空容器
２５ 絶縁材
２６ アース板

Claims (4)

  1. 真空容器と、前記真空容器内に設けられ被加工試料を載置する試料台と、前記試料台に対向し前記被加工試料直径よりも大きな直径のガス供給面を有するガス供給手段とを有し、前記被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
    前記ガス供給手段のガス供給面の前記被加工試料に対向する領域には複数の同一直径のガス噴出し孔が配置されており、
    前記ガス噴出し孔は、前記被加工試料直径よりも内側である内側領域内においてその孔数密度が全体で均等に配置され、前記被加工試料直径の１倍から１.１倍の範囲であって前記内側領域に隣接した外側領域内において前記内側領域内における前記ガス噴出し孔の孔数密度の１.５倍から４倍の範囲内の孔数密度で配置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 真空容器と、前記真空容器内に設けられ被加工試料を載置する試料台と、前記試料台に対向し前記被加工試料直径よりも大きな直径のガス供給面を有するガス供給手段とを有し、前記被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
    前記ガス供給手段のガス供給面の前記被加工試料に面する領域には複数の同一直径のガス噴出し孔が配置されており、
    前記ガス噴出し孔は、前記被加工試料直径の１倍から１.１倍の範囲の外側領域内において、前記被加工試料直径よりも内側であって前記外側領域に隣接した内側領域内にける同じ値にされたガス噴出し孔直径の１．１倍から１．５倍の範囲内の直径の値で複数配置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記ガス供給面と前記試料台の前記試料が載置される面との間の距離が２４ｍｍにされたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
    前記被加工試料直径をＤ、前記被加工試料から前記ガス供給面までの距離をＬとした時、アスペクト比（Ｄ／Ｌ）が２以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
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