JPH08186094A

JPH08186094A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH08186094A
Application number: JP6326840A
Authority: JP
Inventors: Katsushi Hanada; 克司花田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【構成】処理容器１９と、この処理容器１９内に設けら
れた上部電極１２および試料台を兼ねた下部電極２１
と、これら上部電極１２と下部電極２１との間に高周波
を印加する手段２９とを備え、前記下部電極２１が電極
本体２１ｂとその試料載置面を被覆する絶縁体２１ａと
からなり、前記絶縁体２１ａの厚みが試料載置面の中心
から周辺に向かうに従って薄くなっていることを特徴と
するプラズマ処理装置。【効果】ウエハ面内のプラズマ処理の均一性を安定して
高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の製造に用いら
れるプラズマ処理装置、例えば、シリコン酸化膜、ポリ
シリコン、アルミニウム合金等のエッチングに用いられ
るプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造に用いられるプラズマ処理
装置においては、半導体の歩留まり向上のため、そのウ
エハ面内のプラズマ処理の均一性を向上させることが、
常に重要な課題となっている。

【０００３】図４は上部電極と下部電極とを有する平行
平板型の従来のプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図
である。処理室１１の上方には、金属製のシールプレー
ト１３に固定された上部電極１２がシールド部材１７及
び１８で絶縁、支持されている。上部電極１２の上部に
は冷媒循環路１５が形成され、上部電極１２を冷却する
ようになっている。

【０００４】処理室１１の下方には、上部電極１２に対
向して所定の距離を保って、ウエハを載置する試料台を
兼ねた下部電極２１がベースプレート２３上に配設され
ている。下部電極２１の内部には恒温流体循環路２２が
形成されており、ウエハの温度制御を可能としている。
下部電極２１はシールド部材２５で周囲を覆われ、また
シールド部材２４で処理容器１９と絶縁されている。

【０００５】下部電極２１と上部電極１２との間には高
周波電源２９が接続され、両電極間に高周波を印加しプ
ラズマが生成する構成になっている。高周波電源の周波
数としては１３．５６ＭＨｚ、２ＭＨｚ、４００ｋＨｚ
等が用いられる。

【０００６】シールプレート１３と上部電極１２との間
には拡散空間が形成されている。この拡散空間内に多数
の孔が形成された２枚のバッフル板１４ａ、１４ｂが設
けられている。プロセスガスは、ガス供給源（図示せ
ず）からプロセスガス供給路１６を介して供給され、拡
散空間内の２枚のバッフル板１４ａ、１４ｂで拡散、均
一化されて、上部電極１２に形成された多数の孔１２ａ
から処理室１１に供給される。こうして供給されたプロ
セスガスは、ウエハのプラズマ処理に用いられた後、排
気ポンプ（図示せず）によって排気路２６から排気され
る。

【０００７】このように構成されたプラズマ処理装置を
用いてウエハ１にプラズマ処理を施す場合について説明
する。搬送アーム（図示せず）によってウエハ１を下部
電極２１上に搬送する。上部電極部分全体を降下させ、
電極間距離を設定する。既に所定の圧力まで排気した処
理室１１内にプロセスガス供給路１６を介してプロセス
ガスを供給し、所定の圧力に設定する。そして、高周波
電源２９により下部電極２１と上部電極１２との間に高
周波電力を印加しプラズマを生成させ、ウエハ１にプラ
ズマ処理を施す。

【０００８】しかし、この平行平板型の従来のプラズマ
処理装置においては、ウエハ周辺部に比べウエハ中心部
のプラズマ処理の処理速度が大きくなり、ウエハ面内の
プラズマ処理の均一性が悪化しやすいという問題があっ
た。

【０００９】そこで、バッフル板１４ａ、１４ｂの孔の
分布を中心より周辺の孔の数を増加させ、ウエハ周辺部
へのプロセスガスの供給を増加させることにより、プラ
ズマ処理のウエハ面内均一性を向上させることが提案さ
れている。

【００１０】また、ウエハが載置される電極と対向し高
周波電力が供給される対向電極の電極面を所定の曲率に
より凹状、凸状または凹凸状に形成することにより、ウ
エハ上に作成される薄膜の膜厚分布を均一化させるプラ
ズマＣＶＤ装置（実開昭62-37919号公報に記載）が提案
されている。さらに、同様の構成とすることにより、エ
ッチング速度の均一性を向上させるドライエッチング装
置（特開平2-106925号公報に記載）も提案されている。

【００１１】一方、図５に示す試料台を兼ねた下部電極
を静電チャックとしたプラズマ処理装置が知られてい
る。このプラズマ処理装置においては、下部電極２１は
試料載置面側が平坦な電極本体２１ｂとその試料載置面
を所定の厚みで被覆する絶縁膜２１ａとから形成され
る。電極本体２１ｂはスイッチ２７を介して直流電源２
８に接続されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
バッフル板１４ａ、１４ｂの孔の分布を中心より周辺の
孔の数が多くなるようにして、ウエハ周辺部へのプロセ
スガスの供給を増加させる方法には、以下の問題があ
る。プラズマ処理における反応とガス流れの関係は非常
に複雑であり、コンピュータによる数値計算においても
必ずしも現実を定量的に説明できるところまでは至って
いない。このため、この方法は孔の分布を変えたバッフ
ル板を多数用意して、ウエハ面内の均一性が向上する条
件を試行錯誤的に求めるものとなる。プラズマ処理の条
件によってバッフル板の最適な孔の分布が異なるので、
この方法は必ずしも安定した方法とはいえない。

【００１３】また、上記のウエハが載置される電極と対
向し高周波電力が供給される対向電極の電極面を所定の
曲率により凹状、凸状または凹凸状に形成する方法に
は、以下の問題がある。ウエハが載置される電極ではな
く対向電極の電極面の形状により制御するものであるの
で、効果が小さく、プラズマ処理の条件によっては、形
状を大きく変化させる必要がある。

【００１４】また、上記の試料台を兼ねた下部電極を静
電チャックとしたプラズマ処理装置は、下部電極を電極
本体と絶縁体とから構成するものである。しかし、試料
の吸着のみを目的としたものであるので、絶縁体の厚み
は一定であり、プラズマ処理の均一性の向上を図るもの
ではなかった。

【００１５】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、ウエハ面内のプラズマ処理の均一性を安定して
高めるプラズマ処理装置を提供することを目的としてい
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプラズマ処理装置は、例えば図１に示す
ように処理容器１９と、この処理容器内に設けられた上
部電極１２および試料台を兼ねた下部電極２１と、これ
ら上部電極１２と下部電極２１との間に高周波を印加す
る手段２９とを備えたプラズマ処理装置において、前記
下部電極２１が電極本体２１ｂとその試料載置面を被覆
する絶縁体２１ａとからなり、前記絶縁体２１ａの厚み
が試料載置面の中心から周辺に向かうに従って薄くなっ
ていることを要旨としている。

【００１７】

【作用】プラズマ生成時、下部電極の電極本体上の絶縁
体部分は両側を導体に挟まれたコンデンサと考えること
ができるので、この絶縁体の膜厚をｄとすると、この絶
縁体部分の単位面積当たりのインピーダンスＸｃは次式
で表される。

【００１８】Ｘｃ＝１／２πｆＣ＝ｄ／２πｆε_rε₀ ｆは高周波の周波数、Ｃは単位面積当たりの静電容量、
ε_rは比誘電率、ε₀は真空の誘電率である。

【００１９】上記した構成に依れば、絶縁体の厚みｄが
中心から周辺に向かうに従って薄くなっているので、中
心から周辺に向かうに従って、単位面積当たりの絶縁体
のインピーダンスＸｃは厚みｄに比例して減少するとと
もに電極本体とウエハとの距離が小さくなる。この結
果、ウエハ周辺部への高周波の印加が強まり、ウエハ周
辺部のプラズマ密度が増加し、ウエハ周辺部のプラズマ
処理速度が増加し、ウエハ面内のプラズマ処理の均一性
が向上する。

【００２０】また、ウエハから離れている上部電極では
なくウエハが載置される下部電極の構造を変化させるの
で、ウエハのプラズマ処理の均一化の効果が大きい。

【００２１】また、試料台を兼ねた下部電極を電極本体
と絶縁体との２層構造とするので、下部電極の試料載置
面の平坦度をウエハを試料台に密着して載置できる状態
に保ったまま、絶縁体の厚みに併せて下部電極の電極本
体とウエハとの距離を自由に変化させることができる。
この結果、プラズマ処理の均一化を達成する条件選択が
容易になる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明に係るプラズマ処理装置の実施
例を図面に基づいて説明する。

【００２３】図１は本発明に係るプラズマ処理装置の一
実施例を示す模式的縦断面図である。処理室１１はアル
ミニウム製の処理容器１９で形成されている。

【００２４】処理室１１の上方には、アルミニウム製の
シールプレート１３に固定されたアルミニウム製の上部
電極１２がアルミナ製のシールド部材１７及び１８で絶
縁、保持されている。上部電極１２の上部には、冷媒循
環路１５が形成されており、上部電極１２を冷却するよ
うになっている。

【００２５】処理室１１の下方には、上部電極１２に対
向して所定の距離を保って試料台を兼ねた下部電極２１
がベースプレート２３上に配設されている。下部電極２
１は静電チャックを兼ねており、アルミニウム製の電極
本体２１ｂとそれを被覆するアルミナ製の絶縁体２１ａ
とから形成されている。電極本体２１ｂにはスイッチ２
７を介して直流電源２８に接続されている。電極本体２
１ｂの内部には恒温流体循環路２２が形成されており、
下部電極２１を介してウエハ１を所定温度に保持できる
構成となっている。下部電極２１は試料載置面以外の周
囲をテフロン（登録商標）製のシールド部材２５で覆わ
れ、またアルミナ製のシールド部材２４によって処理容
器１９と絶縁されている。

【００２６】下部電極２１と上部電極１２との間には高
周波電源２９が接続され、両電極間に高周波を印加でき
る構成になっている。本実施例の装置においては高周波
電源２９の周波数は１３．５６ＭＨｚのものとした。

【００２７】シールプレート１３と上部電極１２との間
には拡散空間が形成され、この拡散空間内に多数の孔が
形成された２枚のバッフル板１４ａ、１４ｂが設けられ
ている。プロセスガスは、ガス供給源（図示せず）から
プロセスガス供給路１６を介し供給され、拡散空間内の
２枚のバッフル板１４ａ、１４ｂで拡散、均一化され、
上部電極１２に形成された多数の孔１２ａから処理室１
１に供給される。このようにして供給されたプロセスガ
スは、排気ポンプ（図示せず）によって排気路２６から
排気される。

【００２８】このように構成されたプラズマ処理装置を
用いてウエハにプラズマ処理を施す場合について説明す
る。搬送アーム（図示せず）によってウエハ１を下部電
極２１上に搬送し、リフトピン（図示せず）を用いて、
下部電極２１上に載置する。

【００２９】上部電極部分全体を降下させ、電極間距離
を設定する。既に所定の圧力まで排気された処理室１１
内にプロセスガス供給路１６を介してＡｒ等の不活性ガ
スを供給し、所定の圧力に設定する。そして、高周波電
源２９により下部電極２１と上部電極１２との間に高周
波電力を印加しプラズマを発生させ、スイッチ２７をオ
ンにして電極本体２１ｂに直流電圧を印加する。する
と、プラズマを介してウエハ１が接地され、ウエハ１に
電荷が供給されて、ウエハ１が下部電極２１上に吸着さ
れる。

【００３０】そして、高周波電力の印加を止め、Ａｒ等
の不活性ガスに代えてプロセスガスをプロセスガス供給
路１６を介して導入する。プロセスガスは拡散空間内に
設けられた２枚のバッフル板１４ａ、１４ｂで均一に拡
散されて、上部電極１２の孔１２ａより均一に供給され
る。そして、高周波電源２９により下部電極２１と上部
電極１２との間に高周波電力を印加してプラズマを発生
させ、ウエハ１にプラズマ処理を施す。

【００３１】ウエハ１の脱離は、以下のように行われ
る。高周波電力の印加を止め、スイッチ２７をオフにし
て電極本体２１ｂへの直流電圧の印加を止める。プロセ
スガスに代えてＡｒ等の不活性ガスを供給し、所定の圧
力に設定する。高周波電源２９により下部電極２１と上
部電極１２との間に高周波電力を印加しプラズマを発生
させる。すると、プラズマを介してウエハ１が接地さ
れ、ウエハ１から電荷が除電されて、ウエハ１の下部電
極２１への吸着力が消失する。そして、リフトピン（図
示せず）を用いてウエハ１を押し上げ、搬送アーム（図
示せず）によってウエハ１を搬出する。

【００３２】本実施例においては、下部電極２１の電極
本体２１ｂを、アルミニウムを用いて試料載置面側の形
状が凹状となるように形成した。そして、電極本体２１
ｂの凹状部を埋めるようにして、アルミナを溶射した
後、研削処理によって試料載置面を平坦化して絶縁体２
１ａを形成した。

【００３３】このプラズマ処理装置において、電極本体
２１ｂと絶縁体２１ａの断面形状を変化させた下部電極
２１を用いて、６インチのシリコンウエハ上のシリコン
熱酸化膜のエッチング速度の均一性を測定した。電極本
体２１ｂと絶縁体２１ａの断面形状は、図２に示す絶縁
体の試料載置面中心の厚みａ（μｍ）と、絶縁体の試料
載置面周辺部（中心から半径５０ｍｍの位置）の厚みｂ
（μｍ）とにより変化させた。エッチング条件を表１
に、その測定結果を表２に示す。例１、例２が本発明例
である。そして、例３は絶縁体の厚みが一定のものであ
り、図５に示した従来の静電チャックを用いた従来例に
あたる。平均エッチング速度は、ウエハ面内のエッチン
グ速度の単純平均により求めた。エッチング速度の均一
性Ｒuni は、ウエハ面内のエッチング速度の最大値Ｒma
x 、最小値Ｒmin を求め、次式により計算したものであ
る。

【００３４】Ｒuni ＝１００×（Ｒmax −Ｒmin ）／（Ｒmax ＋Ｒmin ）（％）

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】表２の測定結果よりわかるように、絶縁体
の厚みを中心から周辺に向かうに従って薄くすることに
より、エッチング速度の均一性を向上できた。厚みの変
化が１００μｍ程度でも十分に効果があることが確認で
きた。

【００３８】なお、凹形状はなめらかな曲線が望ましい
が、階段状でも良く、この形状はエッチング速度の分布
を見ながら決めれば良い。

【００３９】なお、本実施例においては、電極本体２１
ｂの試料載置面側を凹とすることにより、下部電極の中
心部と周辺部の絶縁体の厚みを変化させた。これに対し
て、図３に示すように電極本体２１ｂの試料載置面側は
従来通り平坦とし、絶縁体２１ａの厚みを中心部が厚く
なるように形成しても良い。ただし、この場合試料載置
面は凸形状になり、余りに凸過ぎるとウエハが吸着しな
いあるいはウエハ上に形成された薄膜が剥離する等の問
題が生じる。したがって、この場合には中心と周辺での
厚みの差を７００μｍ以下とすることが好ましい。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係るプラ
ズマ処理装置は、ウエハ面内のプラズマ処理の均一性を
安定して高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のプラズマ処理装置を示す模式
的縦断面図である。

【図２】本発明の実施例のプラズマ処理装置の下部電極
部分を示す模式的縦断面図である。

【図３】本発明の別の実施例のプラズマ処理装置の下部
電極部分を示す模式的縦断面図である。

【図４】従来のプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図
である。

【図５】従来のプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図
である。

【符号の説明】

１ウエハ１１処理室１２上部電極１２ａ孔１３シールプレート１４ａバッフル板１４ｂバッフル板１６プロセスガス供給路１９処理容器２１下部電極２１ａ絶縁体２１ｂ電極本体２２恒温流体循環路２３ベースプレート２６排気路２７スイッチ２８直流電源２９高周波電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理容器と、この処理容器内に設けられた
上部電極および試料台を兼ねた下部電極と、これら上部
電極と下部電極との間に高周波を印加する手段とを備え
たプラズマ処理装置において、前記下部電極が電極本体
とその試料載置面を被覆する絶縁体とからなり、前記絶
縁体の厚みが試料載置面の中心から周辺に向かうに従っ
て薄くなっていることを特徴とするプラズマ処理装置。