JP4454718B2

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Publication number: JP4454718B2
Application number: JP12687899A
Authority: JP
Inventors: 公輿石
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: JP2000323456A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板等の基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびそれに用いられる電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、エッチングやスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等のプラズマ処理が多用されている。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。
【０００４】
容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとともに、電極の少なくとも一方に高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成して半導体ウエハに対してプラズマ処理を施す。
【０００５】
このような容量結合型平行平板プラズマ処理装置により半導体ウエハ上の膜、例えば酸化膜をエッチングする場合には、チャンバー内を中圧にして、中密度プラズマを形成することにより、最適ラジカル制御が可能であり、それによって適切なプラズマ状態を得ることができ、高い選択比で、安定性および再現性の高いエッチングを実現している。
【０００６】
しかしながら、近年、ＵＳＬＩにおけるデザインルールの微細化がますます進み、ホール形状のアスペクト比もより高いものが要求されており、酸化膜のエッチング等において従来の条件では必ずしも十分とはいえなくなりつつある。
【０００７】
そこで、印加する高周波電力の周波数を上昇させ、良好なプラズマの解離状態を維持しつつ、高密度プラズマを形成することが試みられている。これにより、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成することができるので、さらなるデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者の検討結果によれば、このようなプラズマ処理装置においては、上部電極が導電体または半導体であるため、以下のような不都合が生じることが判明した。
【０００９】
上述したように高密度プラズマを形成するために印加周波数を上昇させると、高周波が印加される電極における表面のインダクタンスを無視することができなくなり、径方向での電界分布が不均一になる。
【００１０】
また、このようにプラズマを高密度化するとプラズマの非線形性の特性が顕著に現れ、プラズマからの反射波の高調波が増加する。そして、電極径がφ２５０〜φ３００となると、このような高調波により電極表面に定在波が生成され、やはり電極表面の電界分布が不均一になる。
【００１１】
このように電界分布が不均一になるとプラズマ密度が不均一となってエッチングレート分布が不均一となるため、上記いずれかの電界分布不均一の原因を取り除いてエッチングレート分布を均一にすることが必要となる。
【００１２】
しかしながら、従来、このような高密度プラズマを用いた場合の問題点が必ずしも明確に認識されていたわけではなく、上記のような電界分布不均一を解消しようとする試みは未だなされていない。
【００１３】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、より微細化に対応可能な高密度プラズマを用いたプラズマ処理において、電極表面における電界分布の不均一を小さくすることが可能なプラズマ処理装置およびそれに用いられる電極を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた電極板を備え、この電極板は、導電体または半導体で構成された外側部分と、誘電体部材で構成された中央部分とを有し、前記電極板の前記第２電極側の面は、前記外側部分と前記中央部分とが平らになるように形成され、前記第１の電極には、その前記第２の電極と反対側の面から高周波電力が印加されることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
前記誘電体部材からなる前記中央部分の直径は１０〜５０ｍｍであることが好ましい。
【００１５】
本発明の第２の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた電極板を備え、この電極板は、導電体または半導体で構成された外側部分と、高抵抗部材で構成された中央部分とを有し、前記電極板の前記第２電極側の面は、前記外側部分と前記中央部分とが平らになるように形成され、前記第１の電極には、その前記第２の電極と反対側の面から高周波電力が印加されることを特徴とするプラズマ処理装置が形成される。
前記高抵抗部材からなる前記中央部分の直径は５０〜２２０ｍｍであることが好ましい。
【００１６】
上記第１および第２の観点において前記高抵抗部材からなる前記中央部分の以下の（１）式で表されるスキンデップスδが、前記電極板の前記中央部分の厚さよりも大きいことが好ましい。
δ＝（２／ωσμ）^１／２ ……（１）
ただし、ω＝２πｆ（ｆ：周波数）、σ：導電率、μ：透磁率
また、前記電極板の前記外側部分および前記中央部分がいずれもＳｉからなり、ドーパントのドープ量を異ならせることにより前記外側部分と前記中央部分とを形成することが好ましい。
【００１７】
本発明の第３の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた、導電体または半導体で構成された電極板を備え、誘電体部材がこの電極板の第２の電極側と反対側の面の中央部に接するように設けられ、前記第１の電極には、その前記第２の電極と反対側の面から高周波電力が印加されることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１８】
本発明の第４の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられた、導電体または半導体で構成された電極板を備え、高抵抗部材がこの電極板の第２の電極側と反対側の面の中央部に接するように設けられ、前記第１の電極には、その前記第２の電極と反対側の面から高周波電力が印加されることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１９】
上記第３および第４の観点において、前記電極板は、以下の（１）式で表されるスキンデップスδが、電極板の厚さよりも大きいことが好ましい。
δ＝（２／ωσμ）^１／２ ……（１）
ただし、ω＝２πｆ（ｆ：周波数）、σ：導電率、μ：透磁率
また、前記誘電体部材または前記高抵抗部材の直径は５０〜２２０ｍｍであることが好ましい。
さらに、前記電極板の抵抗は１〜１００Ω・ｃｍであることが好ましい。
さらにまた、前記誘電体部材または前記高抵抗部材の全体は、前記電極板と電極支持体とで覆われていることが好ましい。
さらにまた、電極支持体にはガス供給管が接続され、前記電極板を介して処理ガスが供給されることが好ましい。
【００２０】
本発明の第５の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極は、第２の電極に対向するように設けられ、導電体または半導体で構成された電極板を備え、電磁波吸収効果を有する部材がこの電極板の第２の電極側と反対側の面の中央部に接するように設けられ、前記第１の電極には、その前記第２の電極と反対側の面の中央部から高周波電力が印加されることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００２１】
上記各プラズマ処理装置において、前記第１の電極に印加される高周波電力の周波数が２７ＭＨｚ以上であり、形成されるプラズマの密度が１×１０^１１個／ｃｍ^３以上であることが好ましい。
【００２２】
本発明の第６の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の第１の電極として用いられる電極であって、
第２の電極に対向するように設けられる電極板を備え、この電極板は、導電体または半導体で構成された外側部分と、誘電体部材で構成された中央部分とを有し、前記電極板の前記第２電極側の面は、前記外側部分と前記中央部分とが平らになるように形成され、該電極には、その前記第２の電極と反対側となる面から高周波電力が印加されることを特徴とする電極が提供される。
前記誘電体部材からなる前記中央部分の直径は１０〜５０ｍｍであることが好ましい。
【００２３】
本発明の第７の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の第１の電極として用いられる電極であって、
第２の電極に対向するように設けられる電極板を備え、この電極板は、導電体または半導体で構成された外側部分と、高抵抗部材で構成された中央部分とを有し、前記電極板の前記第２電極側の面は、前記外側部分と前記中央部分とが平らになるように形成され、該電極には、その前記第２の電極と反対側となる面から高周波電力が印加されることを特徴とする電極が提供される。
前記高抵抗部材からなる前記中央部分の直径は５０〜２２０ｍｍであることが好ましい。
【００２４】
上記第６および第７の観点において、前記高抵抗部材からなる前記中央部分の以下の（１）式で表されるスキンデップスδが、前記電極板の前記中央部分の厚さよりも大きいことが好ましい。
δ＝（２／ωσμ）^１／２ ……（１）
ただし、ω＝２πｆ（ｆ：周波数）、σ：導電率、μ：透磁率
また、前記電極板の前記外側部分および前記中央部分がいずれもＳｉからなり、ドーパントのドープ量を異ならせることにより前記外側部分と前記中央部分とを形成することが好ましい。
【００２５】
本発明の第８の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の第１の電極として用いられる電極であって、
第２の電極に対向するように設けられる、導電体または半導体で構成された電極板を備え、誘電体部材がこの電極板の第２の電極側となる面と反対側の面の中央部に接するように設けられ、該電極には、その前記第２の電極と反対側となる面から高周波電力が印加されることを特徴とする電極が提供される。
【００２６】
本発明の第９の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の第１の電極として用いられる電極であって、
第２の電極に対向するように設けられる、導電体または半導体で構成された電極板を備え、高抵抗部材がこの電極板の第２の電極側となる面と反対側の面の中央部に接するように設けられ、該電極には、その前記第２の電極と反対側となる面から高周波電力が印加されることを特徴とする電極が提供される。
【００２７】
上記第８および第９の観点において、前記電極板は、以下の（１）式で表されるスキンデップスδが、電極板の厚さよりも大きいことが好ましい。
δ＝（２／ωσμ）^１／２ ……（１）
ただし、ω＝２πｆ（ｆ：周波数）、σ：導電率、μ：透磁率
また、前記誘電体部材または前記高抵抗部材の直径は５０〜２２０ｍｍであることが好ましい。
さらに、前記電極板の抵抗は１〜１００Ω・ｃｍであることが好ましい。
さらにまた、前記誘電体部材または前記高抵抗部材の全体は、前記電極板と電極支持体とで覆われていることが好ましい。
さらにまた、電極支持体にはガス供給管が接続され、前記電極板を介して処理ガスが供給されることが好ましい。
【００２８】
本発明の第１０の観点によれば、チャンバー内に第１および第２の電極を互いに平行に設け、前記第２の電極に被処理基板を支持させた状態で、減圧下に保持されたチャンバー内に処理ガスを導入しつつ上記第１および第２の電極間に高周波電界を形成して処理ガスのプラズマを生成し、このプラズマにより被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に第１の電極として用いられる電極であって、
第２の電極に対向するように設けられる、導電体または半導体で構成された電極板を備え、電磁波吸収効果を有する部材がこの電極板の第２の電極側となる面と反対側の面の中央部に接するように設けられ、該電極には、その前記第２の電極と反対側となる面から高周波電力が印加されることを特徴とする電極が提供される。
【００２９】
上記各電極において、印加される高周波電力の周波数が２７ＭＨｚ以上であり、プラズマの密度が１×１０^１１個／ｃｍ^３以上で使用されることが好ましい。
【００３０】
上記本発明の第１、第２、第６、第７の観点によれば、第１の電極の中央部分が誘電体部材または高抵抗部材で構成されることにより、誘電体部材の場合には、その容量成分により電極板のプラズマと接する面の径方向のインダクタンス成分を打ち消すことができ、位相によるインピーダンスの変化をほとんどなくすることができるので、また高抵抗部材の場合には、そこでより多くの高周波電力がジュール熱として消費されるので、電極板のプラズマと接する面の中央部の電界強度を低下させることができ、電極板の表面からプラズマへ供給される電界が均一となってプラズマ密度を均一にすることができる。
【００３１】
上記本発明の第３、第４、第８、第９の観点によれば、電極板の第２の電極側と反対側の面の中央部に接するように誘電体部材または高抵抗部材を設け、かつ誘電体部材または高抵抗部材に高周波電力が供給されるようにすることにより、誘電体部材の場合には、その容量成分により電極板のプラズマと接する面の径方向のインダクタンス成分を打ち消すことができ、位相によるインピーダンスの変化をほとんどなくすることができるので、また高抵抗部材の場合には、そこでより多くの高周波電力がジュール熱として消費されるので、いずれも電極板のプラズマと接する面の中央部の電界強度を低下させることができ、電極板の表面からプラズマへ供給される電界が均一となってプラズマ密度を均一にすることができる。また、電極板を２体化する必要がなく、従来と同様の一体的な導体または半導体からなる電極板を使用することができる。
【００３３】
上記本発明の第５の観点および第１０の観点によれば、電極板の第２の電極側と反対側の面の中央部に接するように電磁波吸収効果を有する部材が設けられており、このような電磁波吸収効果を有する部材は高周波を吸収する機能を有するので、この電磁波吸収効果を有する部材によりプラズマからの高調波を吸収することができる。これにより電極板のプラズマと接触する面に形成されていた定在波が解消され、電極板のプラズマと接触する面の電界分布が均一となり、プラズマ密度を均一にすることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００３５】
このプラズマ処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。前記チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００３６】
前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、例えば液体窒素などの冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
【００３７】
前記サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００３８】
そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００３９】
前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなっており、これによりエッチングの均一性が向上される。
【００４０】
前記サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２５を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２４を有する電極板２３と、この電極板２３を支持し、導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体２２とによって構成されている。この電極２１の詳細な構成については後述する。なお、サセプタ５と上部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間している。
【００４１】
前記上部電極２１における電極支持体２２にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、このガス供給管２７には、バルブ２８、およびマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマ処理、例えばエッチングのための処理ガスが供給される。
【００４２】
処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばフロロカーボンガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）やハイドロフロロカーボンガス（Ｃ_ｐＨ_ｑＦ_ｒ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ_２を添加してもよい。
【００４３】
前記チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００４４】
上部電極２１には、整合器４１を介して第１の高周波電源４０が接続されており、その際の給電は上部電極２１の上面中央部に接続された給電棒３３により行われる。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、２７〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この例では、高周波電源４０として６０ＭＨｚのものを用いている。
【００４５】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は１〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。この例では、第２の高周波電源５０として２ＭＨｚのものを用いている。
【００４６】
次に、上部電極２１の構成について詳細に説明する。
上部電極２１の電極板２３は、通常、ＳｉやＳｉＣ等の導電体または半導体で構成されており、高周波電源４０から給電棒３３を介して供給される高周波電流が高周波数化すると、表皮効果により電極の極表面にしか電力が供給されず、図２に示すように、電力は給電棒３３の表面、電極支持体２２の上面、電極支持体２２の側面、電極板２３の側面を通ってプラズマ接触面である電極板２３の下面に達する。この場合に、給電棒３３は上部電極２１の中心に存在しているため、電極板２３下面のエッジ部ではどこも電力が同じ位相であり、図３に示すように、電極板２３のエッジ部から同位相で中心方向へ徐々に電力が供給されるため、電極板２３の中心とエッジ部とで位相差ｄ／λ（λは電極表面波の波長、ｄは電極の半径）が生じる。印加周波数が高くなると、電極板２３下面の径方向のインダクタンス（ＬωｊΩ）を無視できなくなり、上記位相差による干渉作用によって、電極板２３下面の中央部分のインピーダンスが低くなるため、電極板２３下面の中心部分の電界強度がエッジ部分の電界強度よりも高くなる。また、中心位置はプラズマと接しているため、ＲＦ等価回路的には開放端となっている。したがって、プラズマへ供給される電界分布が定在波的となり、プラズマ密度の不均一を生じる。
【００４７】
このようなプラズマ密度の不均一を解消するために、第１の例では、図４に示すように、電極板２３を、例えば５０ｍΩ・ｃｍ程度の低抵抗の導電体または半導体からなる外側部分６１と、誘電体からなる中央部分６２とにより構成する。このように誘電体により中央部分６２を構成することにより、その部分においてプラズマとの間の容量成分が付加されることとなる。ここで、インピーダンスＺは
Ｚ＝Ｌω−（１／Ｃω）ｊ（ただし、ω＝２πｆ（ｆ：周波数））
で表すことできるから、誘電体部材６２の容量Ｃにより、インピーダンスＺにおける径方向のインダクタンス成分（Ｌω）を容量成分（−１／Ｃω）で打ち消すことができる。したがって、電極板２３下面中央部において位相によるインピーダンスＺの大きさの変化をほとんどなくすことができ、電極板２３下面中央部の電界強度が低下し、電極下面からプラズマへ印加される電界が均一になってプラズマ密度を均一にすることができる。
【００４８】
なお、この際の誘電体からなる中央部分６２の径は、電極２１の直径が３００ｍｍφの場合には、１０〜５０ｍｍφが好ましい。また、中央部分６２を構成する誘電体６２の誘電率は、Ｌωを打ち消すことができる大きさであればよく、例えば誘電率３程度のポリイミド系樹脂を適用することができる。さらに、外側部分６１としては、従来から電極板材料として使用されているＳｉ、ＳｉＣ等の導体または半導体を用いることができる。
【００４９】
次に、上部電極２１の第２の例について説明する。
第２の例では、図５に示すように、電極板２３を、例えば５０ｍΩ・ｃｍ程度の低抵抗の導電体または半導体からなる外側部分６３と、例えば１〜１００Ω・ｃｍの相対的に抵抗が高い高抵抗部材からなる中央部分６４とにより構成する。このように高抵抗部材で中央部分６４を構成することにより、その部分で電力が供給される部分の厚さ、いわゆるスキンデップスδが変化する。つまり、スキンデップスδは、
δ＝（２／ωσμ）^１／２（ただし、σ：導電率、μ：透磁率）
と表すことができ、抵抗が大きくなって導電率σが低下するとスキンデップスδが大きくなる。そして、高抵抗部材６４のスキンデップスδがその厚さよりも大きくなると、図６に示すように高抵抗部材６４において高周波電力がその裏面にも供給されることとなり、高周波電力が高抵抗部材６４の裏面側から下面に達するまでの間にジュール熱となって放出されることとなる。これにより、電極板２３下面中央部において電界強度が低下することとなる。したがって、電極板２３の下面の電界強度が均一となり、結果として電極下面からプラズマへ印加される電界が均一になってプラズマ密度を均一にすることができる。
【００５０】
なお、この際の高抵抗部材からなる中央部分６４の直径は、電極２１の直径が３００ｍｍφの場合に５０〜２２０ｍｍφであることが好ましい。中央部分６４を構成する高抵抗部材は、ボロン等のドーパントの量を調整するだけで抵抗を調整することができることからＳｉで構成することが好ましい。また、外側部分６３としては、従来から電極板材料として使用されているＳｉ、ＳｉＣ等の導体または半導体を用いることができるが、電極板２３全体をＳｉで構成し、ドーパント、例えばボロンのドープ量を変化させることにより外側部分６３および高抵抗部材６４を形成することがより簡便である。
【００５１】
次に、上部電極２１の第３の例について説明する。
この例では、図７に示すように、電極板２３の裏面側中央に接するように誘電体部材６５を設けている。ここでは電極板２３として例えば１〜１００Ω・ｃｍの範囲の高抵抗の導電体または半導体を用い、スキンデップスδが電極板２３の厚さよりも厚くなるようにする。これにより、高周波電力は電極板２３の裏面側にも供給されるようになり、このように誘電体部材６５を電極板２３の裏面中央部に配置することにより、その部分においてプラズマとの間の容量成分が付加されることとなる。したがって、第１の例と同様、インピーダンスＺにおける径方向のインダクタンス成分（Ｌω）を容量成分（−１／Ｃω）で打ち消すことができる。このため、電極板２３下面中央部において位相によるインピーダンスＺの大きさの変化が小さくなり、電極板２３下面中央部の電界強度が低下し、電極下面からプラズマへ印加される電界が均一になってプラズマ密度を均一にすることができる。この例の場合には、第１および第２の例のように電極板２３を２体化する必要がなく、従来と同様の一体的な導体または半導体からなる電極板を使用することができる。
【００５２】
なお、この際の誘電体部材６５の径は、電極２１の直径が３００ｍｍφの場合には、５０〜２２０ｍｍφが好ましい。また、誘電体部材６５の誘電率は、Ｌωを打ち消すことができる大きさであればよく、例えば誘電率３程度のポリイミド系樹脂を適用することができる。
【００５３】
次に、上部電極２１の第４の例について説明する。
この例では、図８に示すように、電極板２３の裏面側中央に接するように高抵抗部材６６を設けている。ここでは電極板２３として例えば１〜１００Ω・ｃｍの範囲の高抵抗のものを用い、スキンデップスδが電極板２３の厚さよりも厚くなるようにする。これにより、高周波電力は電極板２３の裏面側にも供給されるようになり、このように高抵抗部材６６を電極板２３の裏面中央部に配置することにより、その部分に供給された高周波電力が高抵抗部材６６においてジュール熱として放出され、これにより、電極板２３下面中央部において電界強度が低下することとなる。したがって、電極板２３の下面の電界強度が均一となり、結果として電極下面からプラズマへ印加される電界が均一になってプラズマ密度を均一にすることができる。この例の場合にも、第１および第２の例のように電極板２３を２体化する必要がなく、従来と同様の一体的な導体または半導体からなる電極板を使用することができる。
【００５４】
なお、この際の高抵抗部材６６の直径は、電極２１の直径が３００ｍｍφの場合に５０〜２２０ｍｍφであることが好ましい。高抵抗部材６６はＳｉで構成することによりボロン等のドーパントの量を調整するだけで抵抗を調整することができるので好ましい。
【００５５】
次に、上部電極２１の第５の例について説明する。
この例では、図９に示すように、電極板２３の下面に絶縁層６７を形成している。この絶縁層６７は、例えばセラミックスの溶射等により形成することができるが、その形成方法は問わない。このように絶縁層６７を形成することにより、プラズマと電極板２３とが絶縁層６７を介して容量結合することとなる。したがって、ＲＦ等価回路的には、電極板２３とプラズマとの間に多数のコンデンサーが並列に存在している状態となり、結果として電極板２３下面の径方向のインダクタンス成分（Ｌω）を絶縁層６７の容量成分（−１／Ｃω）で打ち消すことができる。したがって、電極板２３下面において位相によるインピーダンスＺの大きさの変化をほとんどなくすことができ、電極下面からプラズマへ印加される電界が均一になってプラズマ密度を均一にすることができる。
【００５６】
なお、この際の絶縁層６７は、インダクタンス成分（Ｌω）を打ち消すことができる程度の容量となるように、その材料および厚さが設定される。
【００５７】
ところで、上部電極２１の電極板２３下面の電界分布が不均一になるのは、上述のような印加周波数を上昇させた際の電極表面のインダクタンスの径方向の変化に起因するばかりでなく、プラズマの非線形性の特性が顕著に現れ、プラズマからの反射波の高調波が増加し、このような高調波により電極表面に定在波が生成されることによっても生じる。
【００５８】
つまり、プラズマからの反射波には多数の高調波が含まれており、これら高調波はさらに給電棒３３のインダクタンス成分のため反射されるが、電極径が２５０〜３００ｍｍφとなると、高調波の中にはこれと定在波を形成する波長のものが含まれているため、電極板２３の下面に定在波が形成されて電極板２３表面中心部で電界強度が大きくなってしまう。
【００５９】
そこで、上部電極２１の第６の例では、図１０に示すように、電極板２３裏面側の中央部に接するように、例えばフェライト焼結体のような、電磁波吸収効果を有する部材６８を設ける。このような電磁波吸収効果を有する部材６８は高周波を吸収する機能を有するから、この部材６８によりプラズマからの高調波を吸収する。これにより定在波が解消され、電極板２３下面の電界分布が均一となり、プラズマ密度を均一にすることができる。この場合に、電磁波吸収効果を有する部材６８としては、プラズマからの高調波は吸収するが、高周波電源４０からの印加周波数は吸収しない特性を有するものを用いる。部材６８の吸収周波数領域は、材料および組成によって調整することができる。
【００６０】
以上の第１〜第６の例の上部電極は、印加周波数が２７ＭＨｚ以上で、プラズマ密度が１×１０^１１個／ｃｍ^３以上の高密度の場合に特に有効である。
【００６１】
次に、以上のような上部電極２１を備えたプラズマ処理装置１における処理動作について、ウエハＷに形成された酸化膜をエッチングする場合を例にとって説明する。
【００６２】
まず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室からチャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、高圧直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気機構３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００６３】
その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から処理ガスがマスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の内部へ導入され、さらに電極板２３の吐出孔２４を通って、図１の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出され、チャンバー２内の圧力が所定の値に維持される。
【００６４】
そして、その後、第１の高周波電源４０から２７〜１５０ＭＨｚ、例えば６０ＭＨｚの高周波が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。
【００６５】
他方、第２の高周波電源５０からは、１〜４ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚの高周波が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
【００６６】
このように、上部電極２１に印加する高周波の周波数を２７ＭＨｚよりも高くすることにより、プラズマ密度を上げることができるが、従来の上部電極構造では、上述したように、印加周波数を上昇させた際の電極表面のインダクタンスの径方向の変化によって、または、プラズマからの反射波の高調波により電極板２３下面に定在波が生成されることによって、電極板２３下面での電界の不均一が生じる。これに対して、上部電極２１を上記第１〜第６の例に示す構造にすることによって、これら電極板２３下面での電界の不均一の原因のいずれかを解消することができるので、電極板２３下面での電界分布を従来よりも均一にすることができ、プラズマ密度をより均一化することができる。すなわち、上記上部電極構造を採用することにより、印加する高周波の周波数が上昇し、プラズマ密度が上昇した際に生じる特有の問題を解消することができ、高密度でありながら均一なプラズマを形成することができる。したがって、エッチングの均一性が向上し、一層のデザインルールの微細化に適切に対応することが可能となる。特に、印加周波数が２７ＭＨｚ以上で、プラズマ密度が１×１０^１１個／ｃｍ^３以上の場合に上記問題が生じやすく、以上のような上部電極構造はこのような場合に特に有効である。
【００６７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、上下電極に高周波を印加したが、上部電極のみに高周波を印加するタイプであってもよい。また、上部電極に２７〜１５０ＭＨｚの高周波を印加した場合について示したが、この範囲に限るものではない。さらに、被処理基板として半導体ウエハを用い、これにエッチングを施す場合について説明したが、これに限らず、処理対象としては液晶表示装置（ＬＣＤ）基板等の他の基板であってもよく、またプラズマ処理もエッチングに限らず、スパッタリング、ＣＶＤ等の他の処理であってもよい。さらに、上記実施形態で示した上部電極の複数の例のいくつかを併用することも可能である。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、印加周波数を上昇させた際の電極板のプラズマ接触面のインダクタンスの径方向の変化による電界の不均一、または、プラズマからの反射波の高調波により電極板のプラズマ接触面に定在波が生成されることによって生じる電界の不均一を解消することができるので、電極板のプラズマ接触面での電界分布を従来よりも均一にすることができ、高密度プラズマにおけるプラズマ密度をより均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエッチング装置を示す断面図。
【図２】従来の上部電極における高周波電力の供給系路を模式的に示す断面図。
【図３】従来の上部電極における高周波電力の供給系路を模式的に示す底面図。
【図４】上部電極の第１の例を模式的に示す断面図。
【図５】上部電極の第２の例を模式的に示す断面図。
【図６】上部電極の第２の例の高周波電力の経路を模式的に示す図。
【図７】上部電極の第３の例を模式的に示す断面図。
【図８】上部電極の第４の例を模式的に示す断面図。
【図９】上部電極の第５の例を模式的に示す断面図。
【図１０】上部電極の第６の例を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１；エッチング装置
２；チャンバー
５；サセプタ（第２の電極）
６；ハイパスフィルタ
２１；上部電極（第１の電極）
２３；電極板
３０；処理ガス供給源
３５；排気装置
４０；第１の高周波電源
４２；ローパスフィルタ
４１，５１；整合器
５０；第２の高周波電源
６１，６３；外側部分
６２；誘電体部材からなる中央部分
６４；高抵抗部材からなる中央部分
６５；誘電体部材
６６；高抵抗部材
６７；絶縁層
６８；電磁波吸収効果を有する部材
Ｗ；半導体ウエハ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus for performing plasma processing on a substrate such as a semiconductor substrate and an electrode used therefor.
[0002]
[Prior art]
For example, in a semiconductor device manufacturing process, plasma processing such as etching, sputtering, and CVD (chemical vapor deposition) is frequently used for a semiconductor wafer that is a substrate to be processed.
[0003]
Various plasma processing apparatuses for performing such plasma processing are used. Among them, a capacitively coupled parallel plate plasma processing apparatus is the mainstream.
[0004]
In the capacitively coupled parallel plate plasma processing apparatus, a pair of parallel plate electrodes (upper and lower electrodes) are arranged in a chamber, a processing gas is introduced into the chamber, and a high frequency is applied to at least one of the electrodes between the electrodes. A high-frequency electric field is formed on the semiconductor wafer, and a plasma of a processing gas is formed by the high-frequency electric field to perform plasma processing on the semiconductor wafer.
[0005]
When etching a film on a semiconductor wafer, such as an oxide film, with such a capacitively coupled parallel plate plasma processing apparatus, optimum radical control is possible by forming a medium density plasma with the chamber inside at an intermediate pressure. Thus, an appropriate plasma state can be obtained, and etching with high stability and reproducibility is realized with a high selection ratio.
[0006]
However, in recent years, design rules in USLI have been increasingly miniaturized, and a higher hole shape aspect ratio has been demanded. Conventional etching conditions are not necessarily sufficient.
[0007]
Thus, attempts have been made to form high-density plasma while increasing the frequency of the applied high-frequency power and maintaining a good plasma dissociation state. As a result, appropriate plasma can be formed under a lower pressure condition, and it is possible to appropriately cope with further miniaturization of design rules.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the examination result of the present inventor, in such a plasma processing apparatus, since the upper electrode is a conductor or a semiconductor, it has been found that the following inconvenience occurs.
[0009]
As described above, when the applied frequency is increased in order to form a high-density plasma, the surface inductance of the electrode to which the high frequency is applied cannot be ignored, and the electric field distribution in the radial direction becomes nonuniform.
[0010]
In addition, when the plasma is densified in this way, the non-linear characteristic of the plasma appears remarkably, and the harmonics of the reflected wave from the plasma increase. When the electrode diameter becomes φ250 to φ300, a standing wave is generated on the electrode surface due to such harmonics, and the electric field distribution on the electrode surface is also nonuniform.
[0011]
If the electric field distribution becomes non-uniform in this way, the plasma density becomes non-uniform and the etching rate distribution becomes non-uniform. Therefore, the etching rate distribution can be made uniform by removing one of the causes of the non-uniform electric field distribution. Necessary.
[0012]
However, the problems in the case of using such high-density plasma have not been clearly recognized in the past, and no attempt has been made to eliminate the above-described uneven electric field distribution.
[0013]
The present invention has been made in view of such circumstances, and in plasma processing using high-density plasma that can cope with further miniaturization, a plasma processing apparatus capable of reducing non-uniformity of electric field distribution on the electrode surface And it aims at providing the electrode used therefor.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, in a state where a first electrode and a second electrode are provided in parallel in a chamber, and a substrate to be processed is supported by the second electrode. Then, while introducing the processing gas into the chamber held under reduced pressure, a high frequency electric field is formed between the first and second electrodes to generate plasma of the processing gas, and this plasma generates a predetermined plasma on the substrate to be processed. A plasma processing apparatus for performing processing,
  The first electrode includes an electrode plate provided to face the second electrode. The electrode plate includes an outer portion made of a conductor or a semiconductor, and a dielectric portion.With woodHaving a central portion configured;The surface on the second electrode side of the electrode plate is formed so that the outer portion and the central portion are flat,A high-frequency power is applied to the first electrode from a surface opposite to the second electrode. A plasma processing apparatus is provided.
  The diameter of the central portion made of the dielectric member is preferably 10 to 50 mm.
[0015]
  According to a second aspect of the invention,The first and second electrodes are provided in parallel in the chamber, and the first gas is introduced into the chamber held under reduced pressure while the substrate to be processed is supported by the second electrode. A plasma processing apparatus for generating a plasma of a processing gas by forming a high-frequency electric field between the second electrode and the second electrode, and performing a predetermined plasma processing on the substrate to be processed by the plasma,
The first electrode includes an electrode plate provided to face the second electrode. The electrode plate includes an outer portion made of a conductor or a semiconductor and a central portion made of a high resistance member. And the second electrode side surface of the electrode plate is formed such that the outer portion and the central portion are flat, and the first electrode includes the second electrode and the second electrode. A plasma processing apparatus is formed in which high frequency power is applied from the opposite surface.
The diameter of the central portion made of the high resistance member is preferably 50 to 220 mm.
[0016]
  In the first and second aspects, it is preferable that a skin depth δ represented by the following formula (1) of the central portion made of the high resistance member is larger than the thickness of the central portion of the electrode plate.
δ = (2 / ωσμ)^1/2...... (1)
Where ω = 2πf (f: frequency), σ: conductivity, μ: permeability.
  Also, the electrode plateSaidOuter part andSaidAll the central parts are made of Si, and the doping amount of the dopant is varied.SaidWith the outer partSaidIt is preferable to form a central portion.
[0017]
  According to a third aspect of the present invention,The first and second electrodes are provided in parallel in the chamber, and the first gas is introduced into the chamber held under reduced pressure while the substrate to be processed is supported by the second electrode. A plasma processing apparatus for generating a plasma of a processing gas by forming a high-frequency electric field between the second electrode and the second electrode, and applying a predetermined plasma processing to the substrate to be processed by the plasma,
  The first electrode includes an electrode plate made of a conductor or a semiconductor provided so as to face the second electrode, and a dielectric portionMaterialThe electrode plate is provided so as to be in contact with the central portion of the surface opposite to the second electrode side, and high frequency power is applied to the first electrode from the surface opposite to the second electrode. A plasma processing apparatus is provided.
[0018]
  According to the fourth aspect of the present invention, the first and second electrodes are provided in parallel in the chamber, and the chamber held under reduced pressure in a state where the substrate to be processed is supported by the second electrode. A plasma processing apparatus for generating a plasma of a processing gas by forming a high-frequency electric field between the first and second electrodes while introducing a processing gas into the substrate, and performing a predetermined plasma processing on the substrate to be processed by the plasma. And
The first electrode includes an electrode plate made of a conductor or a semiconductor provided so as to face the second electrode, and the high resistance member is disposed on the opposite side of the electrode plate from the second electrode side. A plasma processing apparatus is provided, wherein the plasma processing apparatus is provided so as to be in contact with a central portion of a surface, and high-frequency power is applied to the first electrode from a surface opposite to the second electrode.
[0019]
  In the third and fourth aspects, the electrode plate preferably has a skin depth δ represented by the following formula (1) larger than the thickness of the electrode plate.
δ = (2 / ωσμ)^1/2...... (1)
Where ω = 2πf (f: frequency), σ: conductivity, μ: permeability.
The diameter of the dielectric member or the high resistance member is preferably 50 to 220 mm.
Furthermore, the resistance of the electrode plate is preferably 1 to 100 Ω · cm.
Furthermore, it is preferable that the whole of the dielectric member or the high resistance member is covered with the electrode plate and the electrode support.
Furthermore, it is preferable that a gas supply pipe is connected to the electrode support, and the processing gas is supplied through the electrode plate.
[0020]
  Of the present inventionFifth viewpointAccording to the method, the first and second electrodes are provided in parallel in the chamber, and the processing gas is introduced into the chamber held under reduced pressure in a state where the substrate to be processed is supported by the second electrode. A plasma processing apparatus for forming a plasma of a processing gas by forming a high-frequency electric field between the first and second electrodes and applying a predetermined plasma processing to the substrate to be processed by the plasma,
  The first electrode is provided so as to face the second electrode, and includes an electrode plate made of a conductor or a semiconductor, and a member having an electromagnetic wave absorption effect is opposite to the second electrode side of the electrode plate. A high frequency power is applied to the first electrode from the central portion of the surface opposite to the second electrode, the plasma processing apparatus being provided so as to be in contact with the central portion of the side surface Is provided.
[0021]
  Each plasma aboveprocessingIn the apparatus, the frequency of the high-frequency power applied to the first electrode is 27 MHz or more, and the density of plasma formed is 1 × 10¹¹Piece / cm³The above is preferable.
[0022]
  Of the present inventionSixth viewpointAccording to the method, the first and second electrodes are provided in parallel in the chamber, and the processing gas is introduced into the chamber held under reduced pressure in a state where the substrate to be processed is supported by the second electrode. An electrode used as a first electrode of a plasma processing apparatus for forming a plasma of a processing gas by forming a high-frequency electric field between the first and second electrodes and applying a predetermined plasma processing to the substrate to be processed by the plasma. Because
  An electrode plate is provided so as to face the second electrode. The electrode plate includes an outer portion made of a conductor or a semiconductor, and a dielectric portion.With woodHaving a central portion configured;The surface on the second electrode side of the electrode plate is formed so that the outer portion and the central portion are flat,The electrode is provided with high-frequency power applied from a surface opposite to the second electrode.
  The diameter of the central portion made of the dielectric member is preferably 10 to 50 mm.
[0023]
  According to the seventh aspect of the present invention, a chamber that is held under reduced pressure in a state where first and second electrodes are provided in parallel in a chamber, and a substrate to be processed is supported by the second electrode. In the plasma processing apparatus, a high-frequency electric field is formed between the first and second electrodes while a processing gas is introduced into the processing gas to generate plasma of the processing gas, and a predetermined plasma processing is performed on the substrate to be processed by the plasma. An electrode used as one electrode,
An electrode plate provided so as to face the second electrode, the electrode plate having an outer portion made of a conductor or a semiconductor and a central portion made of a high-resistance member; The surface on the second electrode side is formed so that the outer portion and the central portion are flat, and high frequency power is applied to the electrode from the surface opposite to the second electrode. An electrode is provided.
  The diameter of the central portion made of the high resistance member is preferably 50 to 220 mm.
[0024]
  In the sixth and seventh aspects, the skin depth δ represented by the following formula (1) of the central portion made of the high resistance member is preferably larger than the thickness of the central portion of the electrode plate. .
δ = (2 / ωσμ)^1/2...... (1)
Where ω = 2πf (f: frequency), σ: conductivity, μ: permeability.
  Also, the electrode plateSaidOuter part andSaidAll the central parts are made of Si, and the doping amount of the dopant is varied.SaidWith the outer partSaidIt is preferable to form a central portion.
[0025]
  Of the present inventionEighth viewpointAccording to the method, the first and second electrodes are provided in parallel in the chamber, and the processing gas is introduced into the chamber held under reduced pressure in a state where the substrate to be processed is supported by the second electrode. An electrode used as a first electrode of a plasma processing apparatus for forming a plasma of a processing gas by forming a high-frequency electric field between the first and second electrodes and applying a predetermined plasma processing to the substrate to be processed by the plasma. Because
  A dielectric part comprising an electrode plate made of a conductor or a semiconductor provided to face the second electrodeMaterialThe electrode plate is provided so as to be in contact with the central portion of the surface on the opposite side to the surface on the second electrode side, and high frequency power is applied to the electrode from the surface on the opposite side to the second electrode. An electrode is provided.
[0026]
  According to the ninth aspect of the present invention, the chamber is held under reduced pressure in a state where the first and second electrodes are provided in parallel in the chamber, and the substrate to be processed is supported by the second electrode. In the plasma processing apparatus, a high-frequency electric field is formed between the first and second electrodes while a processing gas is introduced into the processing gas to generate plasma of the processing gas, and a predetermined plasma processing is performed on the substrate to be processed by the plasma. An electrode used as one electrode,
An electrode plate made of a conductor or a semiconductor is provided so as to face the second electrode, and the high resistance member is provided at the center of the surface opposite to the surface on the second electrode side of the electrode plate. An electrode is provided, wherein the electrode is provided so as to be in contact with the electrode, and high-frequency power is applied to the electrode from a surface opposite to the second electrode..
[0027]
  In the eighth and ninth aspects, the electrode plate preferably has a skin depth δ represented by the following formula (1) larger than the thickness of the electrode plate.
δ = (2 / ωσμ)^1/2...... (1)
Where ω = 2πf (f: frequency), σ: conductivity, μ: permeability.
The diameter of the dielectric member or the high resistance member is preferably 50 to 220 mm.
Furthermore, the resistance of the electrode plate is preferably 1 to 100 Ω · cm.
Furthermore, it is preferable that the whole of the dielectric member or the high resistance member is covered with the electrode plate and the electrode support.
Furthermore, it is preferable that a gas supply pipe is connected to the electrode support, and the processing gas is supplied through the electrode plate.
[0028]
  Of the present inventionTenth aspectAccording to the method, the first and second electrodes are provided in parallel in the chamber, and the processing gas is introduced into the chamber held under reduced pressure in a state where the substrate to be processed is supported by the second electrode. An electrode used as a first electrode in a plasma processing apparatus for forming a plasma of a processing gas by forming a high-frequency electric field between the first and second electrodes and applying a predetermined plasma processing to the substrate to be processed by the plasma. Because
  An electrode plate made of a conductor or a semiconductor is provided so as to face the second electrode, and a member having an electromagnetic wave absorption effect is provided on a surface opposite to the surface on the second electrode side of the electrode plate. An electrode is provided which is provided so as to be in contact with a central portion, and to which high-frequency power is applied from a surface opposite to the second electrode.
[0029]
In each of the above electrodes, the frequency of the applied high frequency power is 27 MHz or more, and the plasma density is 1 × 10 5.¹¹Piece / cm³It is preferable to be used as described above.
[0030]
  Of the present inventionFirst, second, sixth and seventh viewpointsThe central portion of the first electrode isDielectric material or high resistance materialIn the case of a dielectric member, it is possible to cancel the inductance component in the radial direction of the surface of the electrode plate in contact with the plasma by the capacitance component, and almost no change in impedance due to the phase can be eliminated. Therefore, in the case of a high resistance member, more high frequency power is consumed as Joule heat there, so that the electric field strength at the center of the surface of the electrode plate in contact with the plasma can be reduced, and the surface of the electrode plate Since the electric field supplied from the plasma to the plasma becomes uniform, the plasma density can be made uniform.
[0031]
  Of the present inventionThird, fourth, eighth and ninth viewpointsAccording to the present invention, the electrode plate is in contact with the central portion of the surface opposite to the second electrode side.Dielectric material or high resistance materialBy providing the high frequency power to the dielectric member or the high resistance member, in the case of the dielectric member, the capacitive component cancels out the radial inductance component of the surface of the electrode plate in contact with the plasma. In the case of a high-resistance member, more high-frequency power is consumed as Joule heat, so that both of them are in contact with the plasma of the electrode plate. The electric field intensity at the center of the surface can be reduced, and the electric field supplied to the plasma from the surface of the electrode plate can be made uniform, so that the plasma density can be made uniform. Further, there is no need to make two electrode plates, and an electrode plate made of an integral conductor or semiconductor similar to the conventional one can be used.
[0033]
  Of the present invention5th viewpoint and 10th viewpointAccording to the above, the member having the electromagnetic wave absorption effect is provided so as to be in contact with the central portion of the surface opposite to the second electrode side of the electrode plate, and the member having the electromagnetic wave absorption effect absorbs the high frequency. Since it has a function, harmonics from plasma can be absorbed by the member having the electromagnetic wave absorption effect. As a result, the standing wave formed on the surface of the electrode plate in contact with the plasma is eliminated, the electric field distribution on the surface of the electrode plate in contact with the plasma becomes uniform, and the plasma density can be made uniform.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention. The plasma processing apparatus 1 is configured as a capacitively coupled parallel plate etching apparatus in which electrode plates are opposed in parallel in the vertical direction, and a plasma forming power source is connected to one of them.
[0035]
The plasma processing apparatus 1 has achamber 2 formed into a cylindrical shape made of aluminum, for example, whose surface is anodized (anodized), and thechamber 2 is grounded. A substantially cylindrical susceptor support 4 for placing an object to be processed, for example, a semiconductor wafer (hereinafter referred to as “wafer”) W, is provided at the bottom of thechamber 2 via an insulating plate 3 such as ceramic. Further, asusceptor 5 constituting a lower electrode is provided on the susceptor support 4. A high pass filter (HPF) 6 is connected to thesusceptor 5.
[0036]
A refrigerant chamber 7 is provided inside the susceptor support 4, and a refrigerant such as liquid nitrogen is introduced into the refrigerant chamber 7 through arefrigerant introduction pipe 8 and circulated, and the cold heat is Heat is transferred to the wafer W via thesusceptor 5, whereby the processing surface of the wafer W is controlled to a desired temperature.
[0037]
Thesusceptor 5 is formed in a disc shape having a convex upper center portion, and an electrostatic chuck 11 having substantially the same shape as the wafer W is provided thereon. In the electrostatic chuck 11, an electrode 12 is interposed between insulating materials, and a DC voltage of, for example, 1.5 kV is applied from aDC power source 13 connected to the electrode 12. Electrostatic adsorption.
[0038]
The insulating plate 3, the susceptor support 4, thesusceptor 5 and the electrostatic chuck 11 are supplied with a gas for supplying a heat transfer medium, for example, He gas, to the back surface of the wafer W, which is an object to be processed. Apassage 14 is formed, and the cold heat of thesusceptor 5 is transmitted to the wafer W through the heat transfer medium so that the wafer W is maintained at a predetermined temperature.
[0039]
Anannular focus ring 15 is disposed at the upper peripheral edge of thesusceptor 5 so as to surround the wafer W placed on the electrostatic chuck 11. Thefocus ring 15 is made of a conductive material such as silicon, which improves the etching uniformity.
[0040]
Anupper electrode 21 is provided above thesusceptor 5 so as to face thesusceptor 5 in parallel. Theupper electrode 21 is supported on the upper portion of thechamber 2 via an insulatingmaterial 25, constitutes an opposing surface to thesusceptor 5, and has anelectrode plate 23 having a number of discharge holes 24, and theelectrode plate 23. Theelectrode support 22 has a water-cooling structure made of a conductive material, for example, aluminum whose surface is anodized. The detailed configuration of theelectrode 21 will be described later. Thesusceptor 5 and theupper electrode 21 are separated from each other by about 10 to 60 mm, for example.
[0041]
Agas inlet 26 is provided in theelectrode support 22 in theupper electrode 21, and agas supply pipe 27 is connected to thegas inlet 26. Thegas supply pipe 27 includes avalve 28, and A processinggas supply source 30 is connected via themass flow controller 29. A processing gas for plasma processing, for example, etching is supplied from the processinggas supply source 30.
[0042]
As the processing gas, various conventionally used gases can be employed. For example, fluorocarbon gas (C_xF_y) And hydrofluorocarbon gas (C_pH_qF_rA gas containing a halogen element such as) can be suitably used. In addition, noble gases such as Ar and He and N₂May be added.
[0043]
Anexhaust pipe 31 is connected to the bottom of thechamber 2, and anexhaust device 35 is connected to theexhaust pipe 31. Theexhaust device 35 includes a vacuum pump such as a turbo molecular pump, and is configured so that the inside of thechamber 2 can be evacuated to a predetermined reduced pressure atmosphere, for example, a predetermined pressure of 1 Pa or less. Further, agate valve 32 is provided on the side wall of thechamber 2, and the wafer W is transported between adjacent load lock chambers (not shown) with thegate valve 32 opened. ing.
[0044]
A first highfrequency power supply 40 is connected to theupper electrode 21 via amatching device 41, and power supply at that time is performed by apower supply rod 33 connected to the center of the upper surface of theupper electrode 21. Further, a low pass filter (LPF) 42 is connected to theupper electrode 21. The first high-frequency power source 40 has a frequency in the range of 27 to 150 MHz. By applying such a high frequency, a high-density plasma can be formed in a preferable dissociated state in thechamber 2. And plasma processing under low pressure conditions becomes possible. In this example, a highfrequency power supply 40 of 60 MHz is used.
[0045]
A second highfrequency power supply 50 is connected to thesusceptor 5 as the lower electrode, and amatching unit 51 is interposed in the power supply line. The second high-frequency power supply 50 has a frequency in the range of 1 to 4 MHz. By applying a frequency in such a range, the second high-frequency power supply 50 is appropriate without damaging the wafer W that is the object to be processed. An ionic effect can be imparted. In this example, a 2 MHz power supply is used as the second highfrequency power supply 50.
[0046]
Next, the configuration of theupper electrode 21 will be described in detail.
Theelectrode plate 23 of theupper electrode 21 is usually made of a conductor or semiconductor such as Si or SiC. When the high-frequency current supplied from the high-frequency power supply 40 through thepower feed rod 33 is increased, the skin effect is caused. Electric power is supplied only to the electrode pole surface, and as shown in FIG. 2, the electric power passes through the surface of thepower feed rod 33, the upper surface of theelectrode support 22, the side surface of theelectrode support 22, and the side surface of theelectrode plate 23. It reaches the lower surface of theelectrode plate 23 which is a contact surface. In this case, since thepower feed rod 33 is present at the center of theupper electrode 21, the power is in the same phase at the edge portion on the lower surface of theelectrode plate 23. As shown in FIG. Since electric power is gradually supplied toward the center in the same phase, a phase difference d / λ (λ is the wavelength of the electrode surface wave and d is the radius of the electrode) is generated between the center and the edge portion of theelectrode plate 23. When the applied frequency is increased, the radial inductance (LωjΩ) on the lower surface of theelectrode plate 23 cannot be ignored, and the impedance of the central portion of the lower surface of theelectrode plate 23 decreases due to the interference action due to the phase difference. The electric field strength at the center portion is higher than the electric field strength at the edge portion. Further, since the center position is in contact with the plasma, it is an open end in terms of the RF equivalent circuit. Therefore, the electric field distribution supplied to the plasma becomes a standing wave, and the plasma density becomes non-uniform.
[0047]
In order to eliminate such plasma density non-uniformity, in the first example, as shown in FIG. 4, theelectrode plate 23 is made of anouter portion 61 made of a low-resistance conductor or semiconductor of about 50 mΩ · cm, for example. And acentral portion 62 made of a dielectric. By configuring thecentral portion 62 with the dielectric as described above, a capacitive component between the plasma and the plasma is added at that portion. Where impedance Z is
Z = Lω− (1 / Cω) j (where ω = 2πf (f: frequency))
Therefore, due to the capacitance C of thedielectric member 62, the radial inductance component (Lω) in the impedance Z can be canceled by the capacitance component (−1 / Cω). Therefore, the change in the magnitude of the impedance Z due to the phase can be almost eliminated in the central portion of the lower surface of theelectrode plate 23, the electric field strength at the central portion of the lower surface of theelectrode plate 23 is reduced, and the electric field applied to the plasma from the lower surface of the electrode is uniform. Thus, the plasma density can be made uniform.
[0048]
In this case, the diameter of thecentral portion 62 made of a dielectric is preferably 10 to 50 mmφ when the diameter of theelectrode 21 is 300 mmφ. Further, the dielectric constant of the dielectric 62 constituting thecentral portion 62 is not limited as long as Lω can be canceled, and for example, a polyimide resin having a dielectric constant of about 3 can be applied. Further, as theouter portion 61, a conductor or semiconductor such as Si or SiC that has been conventionally used as an electrode plate material can be used.
[0049]
Next, a second example of theupper electrode 21 will be described.
In the second example, as shown in FIG. 5, theelectrode plate 23 has a relatively low resistance of, for example, 1 to 100 Ω · cm, for example, with anouter portion 63 made of a low-resistance conductor or semiconductor of about 50 mΩ · cm, for example. Acentral portion 64 made of a high resistance member is used. By configuring thecentral portion 64 with the high resistance member in this way, the thickness of the portion to which power is supplied, that is, the so-called skin depth δ changes. That is, skin depth δ is
δ = (2 / ωσμ)^1/2(However, σ: conductivity, μ: permeability)
When the resistance increases and the conductivity σ decreases, the skin depth δ increases. When the skin depth δ of thehigh resistance member 64 becomes larger than its thickness, high frequency power is also supplied to the back surface of thehigh resistance member 64 as shown in FIG. From the back side to the bottom surface, it is released as Joule heat. As a result, the electric field strength is reduced at the central portion of the lower surface of theelectrode plate 23. Therefore, the electric field strength on the lower surface of theelectrode plate 23 becomes uniform, and as a result, the electric field applied to the plasma from the lower surface of the electrode becomes uniform, and the plasma density can be made uniform.
[0050]
In this case, the diameter of thecentral portion 64 made of the high resistance member is preferably 50 to 220 mmφ when the diameter of theelectrode 21 is 300 mmφ. The high resistance member constituting thecentral portion 64 is preferably composed of Si because the resistance can be adjusted only by adjusting the amount of dopant such as boron. Theouter portion 63 may be a conductor or semiconductor such as Si or SiC that has been conventionally used as an electrode plate material, but theentire electrode plate 23 is made of Si, and the dopant, for example, the doping amount of boron It is simpler to form theouter portion 63 and thehigh resistance member 64 by changing.
[0051]
Next, a third example of theupper electrode 21 will be described.
In this example, as shown in FIG. 7, adielectric member 65 is provided so as to be in contact with the center of the back side of theelectrode plate 23. Here, a high resistance conductor or semiconductor in the range of 1 to 100 Ω · cm, for example, is used as theelectrode plate 23 so that the skin depth δ is thicker than the thickness of theelectrode plate 23. As a result, the high-frequency power is supplied also to the back surface side of theelectrode plate 23. By disposing thedielectric member 65 in the center of the back surface of theelectrode plate 23 in this way, the portion between theelectrode plate 23 and the plasma is provided. A capacitive component is added. Therefore, as in the first example, the radial inductance component (Lω) in the impedance Z can be canceled by the capacitance component (−1 / Cω). For this reason, the change in the magnitude of the impedance Z due to the phase becomes small at the center of the lower surface of theelectrode plate 23, the electric field strength at the center of the lower surface of theelectrode plate 23 decreases, and the electric field applied to the plasma from the lower surface of the electrode becomes uniform. The plasma density can be made uniform. In the case of this example, there is no need to make twoelectrode plates 23 as in the first and second examples, and an electrode plate made of an integral conductor or semiconductor similar to the conventional one can be used.
[0052]
In this case, the diameter of thedielectric member 65 is preferably 50 to 220 mmφ when the diameter of theelectrode 21 is 300 mmφ. Thedielectric member 65 may have a dielectric constant that can cancel Lω. For example, a polyimide resin having a dielectric constant of about 3 can be applied.
[0053]
Next, a fourth example of theupper electrode 21 will be described.
In this example, as shown in FIG. 8, ahigh resistance member 66 is provided so as to be in contact with the center of the back side of theelectrode plate 23. Here, theelectrode plate 23 having a high resistance in the range of 1 to 100 Ω · cm, for example, is used so that the skin depth δ is larger than the thickness of theelectrode plate 23. As a result, the high frequency power is also supplied to the back surface side of theelectrode plate 23, and thehigh resistance member 66 is arranged at the center of the back surface of theelectrode plate 23 in this way, so that the high frequency power supplied to that portion is provided. Is released as Joule heat in thehigh resistance member 66, thereby reducing the electric field strength at the central portion of the lower surface of theelectrode plate 23. Therefore, the electric field strength on the lower surface of theelectrode plate 23 becomes uniform, and as a result, the electric field applied to the plasma from the lower surface of the electrode becomes uniform, and the plasma density can be made uniform. Also in this example, there is no need to make twoelectrode plates 23 as in the first and second examples, and an electrode plate made of an integral conductor or semiconductor similar to the conventional one can be used.
[0054]
The diameter of thehigh resistance member 66 at this time is preferably 50 to 220 mmφ when the diameter of theelectrode 21 is 300 mmφ. Thehigh resistance member 66 is preferably made of Si because the resistance can be adjusted only by adjusting the amount of dopant such as boron.
[0055]
Next, a fifth example of theupper electrode 21 will be described.
In this example, as shown in FIG. 9, an insulatinglayer 67 is formed on the lower surface of theelectrode plate 23. The insulatinglayer 67 can be formed by, for example, ceramic spraying, but the formation method is not limited. By forming the insulatinglayer 67 in this way, the plasma and theelectrode plate 23 are capacitively coupled via the insulatinglayer 67. Therefore, in terms of the RF equivalent circuit, a large number of capacitors exist in parallel between theelectrode plate 23 and the plasma, and as a result, the radial inductance component (Lω) on the lower surface of theelectrode plate 23 is changed to the insulatinglayer 67. Can be canceled out by the capacitance component (−1 / Cω). Therefore, almost no change in the magnitude of the impedance Z due to the phase can be eliminated on the lower surface of theelectrode plate 23, and the electric field applied to the plasma from the lower surface of the electrode can be made uniform, so that the plasma density can be made uniform.
[0056]
Note that the material and thickness of the insulatinglayer 67 at this time are set so as to have a capacity that can cancel out the inductance component (Lω).
[0057]
By the way, the electric field distribution on the lower surface of theelectrode plate 23 of theupper electrode 21 is not only due to the change in the radial direction of the inductance of the electrode surface when the applied frequency is raised, but also the plasma. This non-linearity characteristic appears remarkably, and the harmonics of the reflected wave from the plasma increase, and the standing waves are generated on the electrode surface by such harmonics.
[0058]
In other words, the reflected wave from the plasma includes a large number of harmonics, and these harmonics are further reflected due to the inductance component of thepower supply rod 33. When the electrode diameter is 250 to 300 mmφ, Includes a wave having a wavelength that forms a standing wave, so that a standing wave is formed on the lower surface of theelectrode plate 23 and the electric field strength is increased at the center of the surface of theelectrode plate 23.
[0059]
Therefore, in the sixth example of theupper electrode 21, as shown in FIG. 10, amember 68 having an electromagnetic wave absorption effect, such as a ferrite sintered body, is provided so as to be in contact with the central portion on the back surface side of theelectrode plate 23. . Since themember 68 having such an electromagnetic wave absorption effect has a function of absorbing a high frequency, themember 68 absorbs harmonics from the plasma. As a result, the standing wave is eliminated, the electric field distribution on the lower surface of theelectrode plate 23 becomes uniform, and the plasma density can be made uniform. In this case, as themember 68 having an electromagnetic wave absorption effect, a member having a characteristic that absorbs harmonics from plasma but does not absorb applied frequency from the highfrequency power supply 40 is used. The absorption frequency region of themember 68 can be adjusted by the material and composition.
[0060]
The upper electrodes of the above first to sixth examples have an applied frequency of 27 MHz or more and a plasma density of 1 × 10.¹¹Piece / cm³This is particularly effective in the case of the above high density.
[0061]
Next, the processing operation in the plasma processing apparatus 1 including theupper electrode 21 as described above will be described by taking as an example the case of etching an oxide film formed on the wafer W.
[0062]
First, after thegate valve 32 is opened, the wafer W that is an object to be processed is loaded into thechamber 2 from a load lock chamber (not shown) and placed on the electrostatic chuck 11. The wafer W is electrostatically adsorbed on the electrostatic chuck 11 by applying a DC voltage from the high-voltageDC power supply 13. Next, thegate valve 32 is closed, and the inside of thechamber 2 is evacuated to a predetermined degree of vacuum by theexhaust mechanism 35.
[0063]
Thereafter, thevalve 28 is opened, and the processing gas from the processinggas supply source 30 is introduced into theupper electrode 21 through the processinggas supply pipe 27 and thegas inlet 26 while its flow rate is adjusted by themass flow controller 29. Further, as shown by an arrow in FIG. 1 through thedischarge hole 24 of theelectrode plate 23, the wafer W is uniformly discharged, and the pressure in thechamber 2 is maintained at a predetermined value.
[0064]
Then, a high frequency of 27 to 150 MHz, for example, 60 MHz is applied to theupper electrode 21 from the first highfrequency power supply 40. As a result, a high-frequency electric field is generated between theupper electrode 21 and thesusceptor 5 as the lower electrode, and the processing gas is dissociated into plasma.
[0065]
On the other hand, a high frequency of 1 to 4 MHz, for example, 2 MHz is applied from the second highfrequency power supply 50 to thesusceptor 5 that is the lower electrode. Thereby, ions in the plasma are drawn to thesusceptor 5 side, and the anisotropy of etching is enhanced by ion assist.
[0066]
As described above, the plasma density can be increased by setting the frequency of the high frequency applied to theupper electrode 21 to be higher than 27 MHz. However, in the conventional upper electrode structure, as described above, when the applied frequency is increased. When the standing wave is generated on the lower surface of theelectrode plate 23 by the change in the radial direction of the inductance of the electrode surface of the electrode or by the harmonic of the reflected wave from the plasma, the electric field nonuniformity occurs on the lower surface of theelectrode plate 23. . On the other hand, since theupper electrode 21 has the structure shown in the first to sixth examples, any of the causes of the nonuniformity of the electric field on the lower surface of theelectrode plate 23 can be eliminated. The electric field distribution on the lower surface of theplate 23 can be made more uniform than before, and the plasma density can be made more uniform. That is, by adopting the above upper electrode structure, it is possible to eliminate the peculiar problems that occur when the frequency of the applied high frequency is increased and the plasma density is increased, and a uniform plasma is formed despite the high density. be able to. Therefore, the uniformity of etching is improved, and it becomes possible to appropriately cope with further miniaturization of design rules. In particular, the applied frequency is 27 MHz or more and the plasma density is 1 × 10.¹¹Piece / cm³The above problem is likely to occur in the above case, and the upper electrode structure as described above is particularly effective in such a case.
[0067]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, a high frequency is applied to the upper and lower electrodes, but a type in which a high frequency is applied only to the upper electrode may be used. Moreover, although the case where the high frequency of 27-150 MHz was applied to the upper electrode was shown, it does not restrict to this range. Further, the case where a semiconductor wafer is used as a substrate to be processed and etching is performed has been described. The plasma processing is not limited to etching, and may be other processing such as sputtering and CVD. Furthermore, some of the plurality of examples of the upper electrode shown in the above embodiment can be used in combination.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the electric field is uneven due to a change in the radial direction of the inductance of the plasma contact surface of the electrode plate when the applied frequency is increased, or due to harmonics of reflected waves from the plasma. Since it is possible to eliminate the non-uniformity of the electric field caused by the generation of standing waves on the plasma contact surface of the electrode plate, the electric field distribution on the plasma contact surface of the electrode plate can be made more uniform than before, The plasma density in the high-density plasma can be made more uniform.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an etching apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a high-frequency power supply system in a conventional upper electrode.
FIG. 3 is a bottom view schematically showing a high-frequency power supply system in a conventional upper electrode.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a first example of an upper electrode.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a second example of the upper electrode.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a path of high-frequency power in a second example of the upper electrode.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a third example of the upper electrode.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a fourth example of the upper electrode.
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a fifth example of the upper electrode.
FIG. 10 is a sectional view schematically showing a sixth example of the upper electrode.
[Explanation of symbols]
1: Etching equipment
2; chamber
5: Susceptor (second electrode)
6; High-pass filter
21: Upper electrode (first electrode)
23: Electrode plate
30; processing gas supply source
35; exhaust system
40; first high frequency power supply
42; low-pass filter
41, 51; matching device
50; second high-frequency power supply
61, 63; outer part
62; central portion made of a dielectric member
64; central portion made of a high resistance member
65; dielectric member
66; high resistance member
67; Insulating layer
68; Member having electromagnetic wave absorption effect
W: Semiconductor wafer