JP4550507B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体製造に用いられるプラズマ処理装置に関する。
ＤＲＡＭやマイクロプロセッサ等の半導体装置の製造工程において、弱電離プラズマを用いたプラズマエッチングが広く用いられている。ここで、図１０を用いてＳｉＯＣ膜のエッチングを例にエッチングのメカニズムを説明する。処理ガスには、例えばＣＨＦ３とＣＦ４とＮ２の混合ガスを用いる。プラズマ中でＣＨＦ３とＣＦ４から解離したＣＦやＣＦ２などのラジカルは、ＳｉＯＣ５１とレジスト５２の上に堆積し堆積膜５３を形成する。そして、プラズマ中で生成されたイオンがバイアス電力によって加速されて被処理体に入射し、ＳｉＯＣ５１と堆積膜５３との界面にエネルギーが付与されることによりＳｉＯＣ５１と堆積膜５３とが反応しエッチングが進行する。
エッチング後の仕上がり形状は、被処理体に入射するイオンのエネルギーや種類のほか、堆積膜の厚さや組成に依存して決まる。例えば、堆積膜が過剰に厚くなる条件や、堆積膜中にＣなどのエッチングを阻害する成分が多くなる条件では、エッチング速度が低下するか、あるいは途中でエッチングが進行しなくなる。これは、被処理体に入射するイオンが堆積膜とＳｉＯＣの界面に到達しにくくなるためである。また、孔や溝の側面の堆積膜が過剰に厚くなると、孔や溝の側面のエッチングが過度に抑制されるため、孔や溝の底部が細くなったテーパ形状になる。逆に、堆積膜が過度に薄い場合は、ＳｉＯＣと反応する堆積膜が不足するためエッチング速度が低下する。堆積膜の厚さや組成は、図１０に示した例の場合、主にＣＨＦ３とＣＦ４から解離したＣＦやＣＦ２ラジカルなどの堆積と、エッチングにより発生した反応性生物の被処理体への再入射による堆積と、Ｎ２から解離したＮラジカルによる堆積膜の除去と、エッチングの進行に伴う堆積膜の消費との競合によって決まる。
以上、ＣＨＦ３とＣＦ４とＮ２を用いたＳｉＯＣ膜のエッチングを例にエッチングのメカニズムについて説明してきたが、ＳｉＯ２やＳｉＯＦ膜のエッチングでは、処理ガスには、例えば、Ａｒと、Ｃ４Ｆ６やＣ５Ｆ８などのＣＦ系ガスと、Ｏ２を用いる。この場合、Ｃ４Ｆ６やＣ５Ｆ８から解離したＣＦやＣＦ２などのラジカルが堆積膜生成に寄与し、Ｏ２から解離したＯラジカルが堆積膜除去の働きをする。
次に、プラズマ処理装置の概要を、図１１の例を用いて説明する。本装置は、平行平板型のプラズマエッチング装置で、処理室１には電磁波放射のための略円板状のアンテナ３と、被処理体２を載置するための電極４が平行に対向して設置されている。アンテナ３にはプラズマ生成のための電磁波放射電源５Ａが、整合器６Ａを介して接続されている。
アンテナ３の下部には、シャワープレート１１が設置されている。処理ガスはガスボンベ２０より供給され、ガス流量制御器１３で所定の流量で流れ、シャワープレート１１のガス孔を通して処理室１に導入される。また、プラズマ中のラジカル分布を制御するため、シャワープレート１１の内側と外側でお互いに組成や流量の異なる処理ガスを導入できるようになっている。電極４にはＲＦ電源５Ｃが整合器６Ｃを介して接続されており、被処理体２に入射するイオンを加速させ被処理体をエッチングする。
平行平板電極式ＲＩＥ装置において、大口径ウェハに対して均一なエッチング処理を行うために、エッチング処理室内にステージ電極とガス供給電極を対向して設置し、ガス供給電極のガス供給面は第１のガス供給領域と第２のガス供給領域と第３のガス供給領域に分かれており、各々に対して第１のガス流量制御系と第２のガス流量制御系と第３のガス流量制御系を用いて個別に制御するように構成し、第１のガス供給領域と第２のガス供給領域と第３のガス供給領域より、エッチングガスの流量および電離電圧の異なるガスの流量比を最適化してガス供給を行なうことが、既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、被処理体にプラズマエッチング処理を行う処理室と、処理ガスを供給するための第１のガス供給源と、第１の処理ガスとは別に設けられた第２のガス供給源と、処理ガスを前記処理室に導入する第１のガス導入口と、前記第１のガス導入口とは別に設けられた第２のガス導入口と、処理ガスの流量を調整する流量調節機と、処理ガスを複数に分割するガス分流器とを備え、ガス分流器と、第１または第２の少なくとも１つのガス導入口との間に、前記第２のガスを供給するようにしたプラズマエッチング装置により、処理ガスを２系統で供給することは、本願出願人らの出願になる特許出願（例えば、特許文献２参照）に提案されている。
特開２００２−１８４７６４号公報 特願２００３−２０６０４２号
ウェハなどの被処理体の面内において均一にエッチングするためには、被処理体の表面に入射するイオンの面内分布即ちプラズマ分布と、被処理体に堆積した堆積膜の厚さや組成を被処理体面内で均一にしなければならない。前述の従来のプラズマ処理装置は、被処理体面内で均一にプラズマ処理を行うため、プラズマ分布やラジカル分布を制御する手段を備えている。しかし、半導体装置の製造で重視される加工寸法には、加工深さとＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）があり、従来のプラズマ処理装置では加工深さの面内均一性とＣＤ寸法の面内均一性をそれぞれ独立して制御できなかった。ここで、ＣＤ寸法とは被処理体の微細パターンにおける溝の幅や、線の幅や、孔の径などを指す。そのため、例えば加工深さの面内均一性を高めると、ＣＤ寸法の面内均一性が悪化することがあり、シャワープレートの内側と外側に流す処理ガスの流量と組成や、バイアス電力や、放電電力などを少しずつ調節して、加工深さの面内均一性とＣＤ寸法の面内均一性を同時に満たす処理条件を見出さなければならない。
ＣＤ寸法は、加工深さと比べても堆積膜の厚さと組成に大きく依存しているため、堆積膜の厚さや組成を適切に制御することで、加工深さの均一性を変えずにＣＤ寸法の面内分布を均一にできれば望ましい。シャワープレートの内側のガス孔と外側のガス孔から導入するガスの組成や流量を制御する手法は、ラジカル分布制御の自由度が高いため、堆積膜の厚さや組成を適切に制御する手段として有望である。
本発明は、上記課題を考慮し、被処理体の加工深さの均一性とＣＤ寸法の均一性をそれぞれ独立して制御できる、すなわち加工深さの均一性を変えることなくＣＤ寸法を制御できるようにガスの供給系を最適化したプラズマ処理装置の提供を目的としている。
本発明のプラズマ処理装置は、処理室と、前記処理室に電磁波を放射するためのアンテナと、前記処理室内にガスを供給するためのシャワープレートと、前記シャワープレートに供給された前記ガスを分散させるガス分散板と、前記ガス分散板にガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内を減圧する真空排気手段と、被処理体を載置する電極と、前記アンテナに高周波電力を供給する電磁波放射電源とを有するプラズマ処理装置であって、前記ガス供給手段は、複数のガス供給源から供給されたガス種毎に設けられたガス流量調節器を有し、前記ガス分散板は、内側の領域と外側の領域に分割され、Ｏ ２ ガスおよびＮ ２ ガス以外の複数のガスからなる混合ガスである第１のガスの流量を所定のガス流量比に制御し、前記所定のガス流量比に制御されたガスを分配させる第一のガス分配手段と、Ｏ ２ ガスまたはＮ ２ ガス、あるいはＯ ２ ガスとＮ ２ ガスの混合ガスである第２のガスの流量を所定のガス流量比に制御し、前記所定のガス流量比に制御されたガスを分配させる第二のガス分配手段とを備え、前記第一のガス分配手段により分岐された一方の第１のガスが前記ガス分散板の内側の領域に、前記第一のガス分配手段により分岐された他方の第１のガスが前記ガス分散板の外側の領域にそれぞれ供給され、かつ、前記第二のガス分配手段により分岐された一方の第２のガスが前記ガス分散板の内側の領域に、前記第二のガス分配手段により分岐された他方の第２のガスが前記ガス分散板の外側の領域にそれぞれ供給されることによって、前記シャワープレートの内側領域と外側領域からそれぞれ供給される前記第２のガスの流量を前記第１のガスとは独立に制御できることを特徴とする。
さらに、本発明のプラズマ処理装置においては、前記処理室に磁場を生成させる磁場生成手段を有することを特徴とする。
さらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記アンテナは内側領域と外側領域に分割され、前記電磁波放射電源は、分配器により前記アンテナの内側領域と前記アンテナの外側領域にそれぞれ高周波電力を供給することを特徴とする。
またさらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記載置電極の内側領域に高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記載置電極の外側領域に高周波電力を供給する第二の高周波電源とを有することを特徴とする。
さらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記第一のガス分配手段は、ガス分配器を有することを特徴とする。
またさらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記第一及び第二のガス分配手段は、ガス分配器を有することを特徴とする。
またさらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記第一のガス分配手段は、ガス分配器を有し、前記第二のガス分配手段は、前記Ｏ ２ ガスまたはＮ ２ ガス、あるいはＯ ２ ガス及びＮ ２ ガスがそれぞれ複数のガス流量調整器で供給されることにより、前記Ｏ ２ ガスまたはＮ ２ ガス、あるいはＯ ２ ガス及びＮ ２ ガスを分配することを特徴とする。
またさらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記ガス分散板を複数の領域に仕切るためのＯ−リングを設け、前記Ｏ−リングにより前記ガス分散板が浮き上がらないように、ガス分散板をアンテナにネジでとめたことを特徴とする。
またさらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記ガス分散板には、第１のガス噴出口と、第２のガス噴出口とを設け、前記アンテナには、第１のガス流路と、第２のガス流路を設置し、前記ガス分散板にガスを供給するための前記第１のガス流路の出口、あるいは前記第２のガス流路の出口は、前記アンテナの略中心を中心点として略円周上に複数個設置されていることを特徴とする。
またさらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記シャワープレートに開けられたガス噴出口は、前記シャワープレートの略中心から同心円状に配置されていることを特徴とする。
このように、本発明では、処理室と、処理室に処理ガスを供給する手段と、処理室を減圧する真空排気手段と、被処理体を載置する電極と、電磁波放射電源とを有するプラズマ処理装置において、Ｏ ２ あるいはＮ ２ の組成比あるいは流量比が異なる少なくとも２種類の処理ガスを、互いに異なるガス導入口から導入することで、被処理体の面内における加工深さを均一に保ったまま、被処理体面内でＣＤ寸法を均一にできるようにする。
さらに、本発明では、Ｏ ２ とＮ ２ 以外の処理ガスを第１の処理ガスとして複数に分配し、分配した後の第１のガスに第２のガスとしてＯ ２ とＮ ２ を添加することで、互いにＯ ２ あるいはＮ ２ の組成や流量が異なる処理ガスを、互いに異なるガス導入口から処理室内に導入できるようにする。このとき、複数に分配した後の第１のガスに添加するＯ ２ あるいはＮ ２ の添加量に関わらず、第１の処理ガスが所定の流量比に分配できるように、第１のガスを複数に分配するためのガス分配器を用いる。
さらに、本発明では、複数に分配した第１のガスにＯ ２ あるいはＮ ２ を所定の流量比で添加するため、Ｏ ２ あるいはＮ ２ を、所定の流量比で分配するためのガス分配器を備えることとする。
さらに、本発明では、ガス分配器が正常に機能しているかをモニタするため、処理室内に設けられた第１のガス噴出口と前記ガス分配器との間、および、処理室内に設けられた第２のガス噴出口と前記ガス分配器の間に、ガス流量計を備えたことを特徴とする。
さらに、本発明では、前記ガス分配器が正常に動作するかをチェックできるようにするため、処理室内に設けられた第１のガス噴出口と前記ガス分配器の間、および、処理室内に設けられた第２のガス噴出口と前記ガス分配器との間に、処理室内を経由せずに処理ガスを排気するためのガスラインを接続したことを特徴とする。
さらに、本発明では、ガス分散板において、第２のガスを分散させる領域の形状をドーナツ状とし、ドーナツ状の領域にガスを均等に分散させるため、第２の処理ガスを分散板に噴出するためのガス噴出口を、略円周上に複数個配置したことを特徴とする。
以上説明したように、本発明では、Ｏ２あるいはＮ２の組成比あるいは流量比が異なる少なくとも２種類の処理ガスを、互いに異なるガス導入口から所定の流量および組成で処理室内に導入することによって、加工深さの面内均一性とは独立に、ＣＤ寸法を被処理体面内で均一にすることができる。これにより、被処理体面内における加工深さとＣＤ寸法の両方の均一性を高めることができる。
以下、本発明の第１の実施例について図面を参照して説明する。図１は、平行平板型のＥＣＲプラズマ処理装置において、本発明を適用した第１の実施例を示している。処理室１には、電磁波放射のための略円板状のアンテナ３と被処理体２を載置するための電極４が平行に対向して設置されている。アンテナ３には、プラズマ生成のための電磁波放射電源５Ａが、整合器６Ａを介して接続されている。該電磁波放射電源５Ａの周波数は、例えば１００〜４５０ＭＨｚとする。処理室１の外側には、コイル８とヨーク９が設置されており磁場を生成する。本装置は、磁場と電場の相互作用によりプラズマを効率よく生成するとともに、磁場分布を調節することでプラズマの生成位置やプラズマの輸送を制御できることが特徴である。
アンテナ３の下部には、分散板１０を介してシャワープレート１１が設置されている。該シャワープレート１１の材料は、Ｓｉである。アンテナ３には、電磁波放射電源５Ａの他に、ＲＦ電源５Ｂが整合器６Ｂを介して接続されており、プラズマ分布やＦなどのラジカル分布を制御することができる。該ＲＦ電源５Ｂの周波数は、数百ｋＨｚ〜十数ＭＨｚとする。
本装置では、アンテナの上部を大気とするため、アンテナ３や石英部品２８をＯ−リング２１によってシールしている。
電極４には、被処理体２に入射するイオンのフラックスやイオンの入射エネルギーを制御するため、ＲＦ電源５Ｃが整合器６Ｃを介して接続されている。該ＲＦ電源は、ＲＦ電源５Ｂと同じ周波数とし、位相制御機７によりＲＦ電源６ＢとＲＦ電源６Ｃで発生するＲＦ電力を逆位相にすることで、プラズマの閉じ込めを向上させることができる。電極４は、上下に可動でき、アンテナ３と電極４の距離によって、プラズマの分布とラジカル分布を制御することができる。
電極４の内部には、被処理体２の温度を制御するため冷媒が流れるようになっている（図示せず）。さらに、被処理体２の裏面と電極の間に被処理体を冷却するためのヘリウムを流すため、電極４の表面にはヘリウムを流すための溝が作られている。また、被処理体の外周と内側において被処理体の温度を独立に制御するため、電極の内側と外周でヘリウムの流路が仕切られている。そして、電極の内側に流すヘリウムの導入路１６−１と、電極の外周に流すヘリウムの導入路１６−２から、お互いに異なる流量のヘリウムを電極の内側と外周に流すことができるようになっている。
被処理体２を電極４に静電吸着によって固定させるため、電極４にはダイポール電源（図示せず）が接続されている。また、処理室はアース電位にしてある。
処理ガスは、電磁波放射アンテナ３とガス分散板１０とシャワープレート１１を通して処理室１に供給される。シャワープレート１１には複数個のガス孔が開けてあり、該ガス孔の配置は、例えば直径３００ｍｍの範囲に１０ｍｍ間隔で略同心円状に開けてある。
ガス分散板１０は、プラズマ中のラジカル分布を制御するため、略リング状の仕切り１２で仕切られており、該略リング状の仕切り１２の内側に位置するシャワープレート１１のガス孔（以後「内側のガス孔」と呼ぶ）と該略リング状の仕切り１２の外側に位置するシャワープレート１１のガス孔（以後「外側のガス孔」と呼ぶ）から、お互いに組成や流量の異なる処理ガスを処理室１に導入できるようにしてある。該略リング状の仕切り１２には、例えばＯ−リングを用い、該リング状の仕切りの内径は、５０ｍｍから２５０ｍｍ程度とする。
処理室１に導入する処理ガスは、例えばＡｒ、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ４、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、ＣＯ、Ｏ２、Ｎ２とする。該処理ガスのうち、Ａｒと、ＣＨ４と、Ｃ４Ｆ６と、Ｃ４Ｆ８と、Ｃ５Ｆ８と、ＣＨＦ３と、ＣＨ２Ｆ２と、ＣＯは、それぞれガス流量調節器１３−１〜１３−８において所定の流量で流れ、第１のガス分配器１４−１に到達する。該第１のガス分配器１４−１に到達したガスを第１のガスとする。該第１のガスは、該第１のガス分配器１４−１において、内側のガス孔から導入する第１のガスと外側のガス孔から導入する第１のガスに所定の流量比で分配される。
Ｏ２とＮ２は、それぞれガス流量調節器１３−９、１３−１０において所定の流量で流れ、第２のガス分配器１４−２に到達する。該第２のガス分配器１４−２に到達したガスを第２のガスとする。第２のガスは、第２のガス分配器１４−２によって所定の流量比で分配され、一方は、ガスの合流点１５−１で内側のガス孔から導入する第１のガスに混合され、他方は、ガスの合流点１５−２において外側のガス孔から導入する第１のガスに混合される。
処理室１には、該処理室１を減圧するため、ターボ分子ポンプ２５がゲートバルブ２４を介して接続されており、処理ガスを流した状態で、処理室１を所定の圧力に維持することができる。該ターボ分子ポンプ２５の排気側には、ドライポンプ２６が接続されている。
次に、加工深さとＣＤ寸法をウェハ面内で均一にする手順について、ＳｉＯＣ膜の深孔エッチングを例に述べる。第１のガスにはＣＦ４とＣＨＦ３を用い、ガス流量調節器１３−２とガス流量調節器１３−６においてＣＦ４とＣＨＦ３の流量をそれぞれ２０ｃｃｍとした。第２のガスにはＮ２を用い、ガス流量調節器１３−１０において流量を１００ｃｃｍとした。
まず、内側のガス孔から導入する処理ガスと外側のガス孔から導入する処理ガスをお互いに同じ組成にし、磁場によるプラズマ分布制御を行わないでエッチングを行った。ガス供給系におけるガスの流れを図３に示す。第１のガス分配器１４−１では、ＣＦ４とＣＨＦ３の混合ガス４０ｃｃｍを、２０ｃｃｍずつ均等に分配し、第２のガス分配器１４−２では、Ｎ２を５０ｃｃｍずつ均等に分配している。この場合の加工深さおよび孔底のＣＤ寸法のウェハ面内分布を図２（Ａ）に示す。エッチング速度がウェハ中心部で高くウェハ外周部で低くなり、ウェハ中心ではウェハ外周に比べて孔が深く、孔底のＣＤ寸法は小さくなっている。
次に、ウェハ面内において加工深さを均一にするため、磁場によりプラズマ分布制御を行った。このときの加工深さおよび孔底のＣＤ寸法のウェハ面内分布を図２（Ｂ）に示す。磁場を加えることにより、エッチング速度の面内分布を均一にすることができ、加工深さの面内分布を均一にできることが分かる。一方で、ウェハ中心で孔底のＣＤ寸法は小さいままであり、これはウェハ中心部で堆積膜が過剰に厚いか、あるいはエッチング阻害物の堆積量が多いと推測される。
次に、図４に示すように、磁場によりプラズマ分布制御を行いながら、ＣＦ４とＣＨＦ３については内側のガス孔と外側のガス孔からそれぞれ１０ｃｃｍずつ均等に処理室に導入し、堆積膜除去に寄与するＮ２は内側のガス孔と外側のガス孔からそれぞれ８０ｃｃｍと２０ｃｃｍの流量で導入するようにした。このとき、第１のガス分配器１４−１ではＣＦ４とＣＨＦ３の混合ガス４０ｃｃｍを、２０ｃｃｍずつ均等に分配し、第２のガス分配器１４−２においてはＮ２を８：２の流量比で分配している。即ち、第１のガス分配器１４−１と第２のガス分配器１４−２によって、内側のガス孔と外側のガス孔から処理室内に供給するＣＦ４およびＣＨＦ３の流量を変えずに、内側のガス孔から供給するとＮ２と外側のガス孔から処理室内に供給するＮ２の流量比を制御している。この場合の加工深さおよび孔底のＣＤ寸法のウェハ面内分布を図２（Ｃ）に示す。図２（Ｂ）との比較からわかるように、加工深さの面内均一性を変えずにウェハ面内における孔底のＣＤ寸法を均一にできることが分かる。
上記の説明では、第１のガス分配器１４−１では第１のガスを均等に分配しているが、図２（Ｂ）の状態でさらに第１のガス分配器１４−１のガス分配比を調節し、内側のガス孔から供給する第１のガスと外側のガス孔から供給する第１のガスの流量比を制御することで、加工深さの均一性を高めることができる。ただし、第１のガス分配器１４−１の分配比を調整して加工深さの均一性を高めると、ＣＤ寸法の面内均一性が変化することがあるため、第１のガス分配器１４−１における第１のガスの分配比は、ＣＤ寸法の面内分布を均一にする前に調節するのが望ましい。
以上、ＳｉＯＣの加工において、加工深さは磁場により均一にし、孔底のＣＤ寸法は内側のガス孔と外側のガス孔から導入するＮ２の流量比を調節することで均一にできることを示した。ＳｉＯ２やＳｉＯＦのエッチングにおいては、例えばＡｒとＣ４Ｆ８などのＣＦ系ガスとＯ２を用いるが、この場合は第２のガス分配器１４−２において、Ｏ２の分配比を調節することで、ウェハ面内での加工深さを均一に保ったまま、孔底などのＣＤ寸法をウェハ面内で均一にすることができる。
次に、ガス分配器の動作の確認方法について述べる。第１のガス分配器１４−１と処理室１との間にガス流量計２２−１、２２−２が設置され、第２のガス分配器１４−２と処理室１との間にガス流量計２２−３、２２−４が設置されている。例えば、第１のガスを流した状態で、ガス流量計２２−１，２２−２の流量比と、第１のガス分配器１４−１で設定したガス分配比を比較することで、第１のガス分配器１４−１が正常に動作しているかをチェックすることができる。
また、第１のガスを流さないで、第２のガスを流し、ガス流量計２２−３，２２−４の流量比と第２のガス分配器１４−２で設定したガス分配比を比較することで、第２のガス分配器１４−２が正常に動作しているかをチェックすることができる。
さらに、第１のガス分配器１４−１および第２のガス分配器１４−２の下流で処理室１の上流側にバルブ２３−１，２３−２を設け、この弁の上流側でかつガス流量計２２−３，２２−４の下流側で、バルブ２３−３，２３−４を設けたガス配管を分岐させ、処理ガスを処理室内１を経由せずに、例えば、ドライポンプ２６で排気できるようにすることで、ガス分配器の動作をチェックできるようにしてある。第１のガス分配器１４−１を例に、以下に、その動作チェック手順を説明する。
まず、バルブ２３−１とバルブ２３−４を開け、バルブ２３−２とバルブ２３−３を閉じ、内側のガス孔から供給する処理ガスは、そのまま処理室１に導入され、通常は外側のガス孔から導入する処理ガスは、処理室１内を経由せずにドライポンプ２６で排気されるようにしておく。そしてゲートバルブ２４とバルブ２３−５を閉じ、例えば、Ａｒガス５００ｃｃｍを流す。第１のガス分配器１４−１におけるガス配分比は、例えばａ：ｂに設定する。処理室１の容積と圧力の上昇速度から内側のガス孔から処理室１に導入されたＡｒガスの流量を計算でき、求めた値をＡとする。
次に、バルブ２３−２とバルブ２３−３をあけ、バルブ２３−１と、バルブ２３−４を閉じ、通常は内側のガス孔から供給する処理ガスは、処理室１に導入しないでドライポンプ２６で排気し、外側のガス孔から導入する処理ガスはそのまま処理室１に導入されるようにしておく。そして、Ａｒガス５００ｃｃｍを流し、第２のガス分配器１４−１の流量比をａ：ｂのままにしておく。このときの処理室１の容積と圧力上昇速度からＡｒガスの流量を計算し、求めた流量値をＢとする。そして、Ａ：Ｂとａ：ｂの比を比較することで、第１のガス分配器１４−１が正常に動作しているかを確認できる。
以上、第１の実施例を説明したが、第１の実施例のようなガスの供給制御は、ガス分配器を用いなくても可能である。そこで、次に、第２の実施例を、図５を用いて説明する。図５において、図１と重複する部分の説明は省略する。本実施例では、１つの処理ガス毎に、内側のガス孔からの供給量を調節するためガス流量調節器１３−１１〜１３−２０と、外側のガス孔からの供給量を調節するためのガス流量調節器１３−１〜１３−１０を備えている。図１との比較からわかるように、ガス流量調節器１３の必要台数がガス分配器１４を用いた場合と比べて多くなるが、図１と同様なガス供給制御が可能である。
上記の第１および第２の実施例は、磁場によるプラズマ分布制御の自由度の大きい平行平板型のＥＣＲプラズマ処理装置に本発明を適用した場合について示したものであるが、本発明は、磁場以外の手段によってプラズマ分布の均一性を制御する方式のプラズマ処理装置にも広く適応できる。
その例として、次に、本発明の第３の実施例について説明する。図６は、ＣＣＰ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式のプラズマ処理装置に本発明を適用した場合について示している。本装置は、例えば１０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの周波数の電磁波を電磁波放射アンテナから放出させ、電極間に発生する高周波電界によりプラズマを生成している。電磁波放射アンテナは例えば内側のアンテナ３−１と外側のアンテナ３−２の２つに分割してあり、高周波電力の分配器１７によって内側のアンテナ３−１と外側のアンテナ３−２から放射する高周波電力の比を変えることでプラズマ分布制御の自由度を高めている。処理室１には被処理体２を載置する電極４が設置され、被処理体２に入射するイオンのフラックスやイオンの入射エネルギーを制御するため高周波電源５Ｃが整合器６Ｃを介して電極４に接続されている。図６に示した第３の実施例では、ガス流量調節器とガス分配器１４−１，１４−２の組み合わせは第１の実施例と同じとなっているが、第２の実施例と同じようなガス供給系にしてもよい。
図７にガス分散板１０を、内側のガス孔から処理室内に導入する処理ガスを分散させるための領域と、外周のガス孔から処理室内に導入する処理ガスを分散させるための領域の２つに分割している部分を拡大して示す。第３の実施例では、２枚のガス分散板１０−１、１０−２を積み重ねて用いて、処理ガスを分散させている。ガス分配板１０−１，１０−２は、リング状仕切り（例えばＯ−リング）１２−１，１２−２を用いてそれぞれ２つの領域に仕切られている。またＯ−リングの厚みにより、ガス分配板１０−１、１０−２が撓まないようにするため、例えば、アルミ製のスペーサ３３を介してねじ３２によって、ガス分散板１０−１，１０−２をアンテナ３にねじ止めしている。また、ガス分散板１０−１、１０−２とアンテナ３は、内側アンテナ３−１と外側アンテナ３−２でお互いにパワーの異なる高周波電力を印加できるようにするため、絶縁物３１によって分離されている。
次に、図６と処理室の上方から見たときのアンテナ３の形状を示す図８を用いて、アンテナ３へのガスの供給と高周波電力の入力について説明する。内側のアンテナ３−１に供給する高周波電力は、内側のアンテナ３−１の略中央に配置された電力接続部３４−１を介して印加される。外側のアンテナ３−２に供給する高周波電力は、外側のアンテナ３−２の略円周上に配置された電力接続部３４−２を介して供給される。
内側のガス孔から処理室内に導入する処理ガスは、電力接続部３４−１を避けて設けられたガス導入口３５−１から内側のアンテナ３−１の内部に導入し、アンテナ内に設けられたガスの流路２７−１を通ってアンテナの略中央部に設けたガス噴出口３６−１からガス分散板１０―１上に噴出される。外側のガス孔から処理室内に導入する処理ガスは、外側のアンテナ３−２の上部から、アンテナのガス導入口３５−２から導入され、外側のアンテナ３−２内部に設けられたガスの流路２７−２を通ってガス噴出口３６−２からガス分散板１０−１の上部外周側に噴出される。外側のガス孔から処理室内に導入される処理ガスが、シャワープレートの外側のガス孔から均等に処理室内に導入されるようにするため、外側のガス孔から処理室内に導入する処理ガスをアンテナ内部に導入するためのガス導入口３５−２は略同心円状に複数個配置されている。そして、外側のガス孔から処理室内に導入する処理ガスを、ガス分散板１０−１の外側領域で均等に分散させるため、外側のガス孔から処理室内に導入する処理ガスをガス分散板に噴出させるためのガス噴出口３６−２は外側のアンテナ３−２に略円周上に複数個配置されているものとする。
本装置において、被処理体面内で均一にエッチングするためには、最初に、例えば、内側アンテナ３−１と外側アンテナ３−２から放射される高周波電力のパワー比を調節するなどにより、加工深さを被処理体面内で均一にする。そして、内側のガス孔と外周のガス孔から処理室内に導入するＯ２あるいはＮ２ガスの流量比を調節すれば、被処理体面内において加工深さを均一に保ったまま、被処理体面内におけるＣＤ寸法を均一にすることができる。
次に、第４の実施例を、図９を用いて説明する。本実施例の装置では、周波数の異なる２つの高周波電源５Ａと高周波電源５Ｃがそれぞれ整合器６Ａと整合器６Ｃを介して電極４に接続されている。本装置は、高周波電源５Ａと高周波電源５Ｃから出力された高周波電力によってプラズマを生成すると共に、高周波電源５Ａの出力電力と高周波電源５Ｃの出力電力のバランスによってプラズマの分布を制御することができる。
本装置において、被処理体面内で均一にエッチングを行うためには、例えば高周波電源５Ａの出力電力と高周波電源５Ｃの出力電力のバランスを調節することによりプラズマ分布制御を行い、加工深さを処理体面内で均一にする。そして、天板のガス噴出口３６-１，３６-２を経由してシャワープレート１１の内側のガス孔と外側のガス孔から処理室１に供給するＯ２あるいはＮ２の流量比を調節することにより、加工深さを被処理体面内で均一に保ったまま、ＣＤ寸法を被処理体面内で均一にすることができる。
以上、各種プラズマ源について本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらのプラズマ源への適用に限定されることはなく、他のプラズマ処理装置などに広く適用することができる。
本発明を平行平板型ＥＣＲプラズマ処理装置に適用した第１の実施例の概略図。 被処理体面内の加工深さの均一性と被処理体面内のＣＤ寸法の均一性を独立して制御できることを説明する図。 内側のガス孔と外側のガス孔で同じ組成のガスを導入するときのガス供給系におけるガスの流れを説明する図。 内側のガス孔からのＮ２の導入量を外側のガス孔からのＮ２の導入量より多くしたときのガス供給系におけるガスの流れを説明する図。 本発明を平行平板型ＥＣＲプラズマ処理装置に適用した第２の実施例の概略図。 ＣＣＰプラズマ処理装置に本発明を適用した第３の実施例の説明図。 図６の部分拡大図。 アンテナの構造を説明する図。 ＣＣＰプラズマ処理装置に本発明を適用した第４の実施例の説明図。 エッチングのメカニズムを説明する図。 従来の平行平板型プラズマ処理装置を説明する図。
符号の説明
１：処理室、２：被処理体、３：電磁波放射アンテナ、４：被処理体載置電極、５Ａ：電磁波放射電源、５Ｂ：電磁波放射アンテナに接続されたＲＦ電源、５Ｃ：被処理体載置電極に接続されたＲＦ電源、６Ａ：電磁波放射電源のための整合器、６Ｂ：電磁波放射アンテナに接続されたＲＦ電源のための整合器、６Ｃ：被処理体載置電極に接続されたＲＦ電源のための整合器、７：位相制御器、８：磁場コイル、９：ヨーク、１０：ガス分散板、１１：シャワープレート、１２：ガス分散板の仕切り、１３：ガス流量調節器、１４：ガス分配器、１５：ガス配管の合流点、１６…冷却用ヘリウムの導入路、１７：高周波電力分配器、５１：ＳｉＯＣ、５２：レジスト、５３：堆積膜、２０：ガスボンベ、２１：Ｏ−リング、２２：流量計、２３：バルブ、２４：ゲートバルブ、２５：ターボ分子ポンプ、２６：ドライポンプ、２７：ガス流路、２８：石英部品、３１：絶縁物、３２：ねじ、３３：スペーサ、３４：電力接続部、３５：アンテナにおけるガス導入口、３６：アンテナ（天板）におけるガス噴出口

Claims (10)

  1. 処理室と、前記処理室に電磁波を放射するためのアンテナと、前記処理室内にガスを供給するためのシャワープレートと、前記シャワープレートに供給された前記ガスを分散させるガス分散板と、前記ガス分散板にガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内を減圧する真空排気手段と、被処理体を載置する電極と、前記アンテナに高周波電力を供給する電磁波放射電源とを有するプラズマ処理装置であって、
    前記ガス供給手段は、複数のガス供給源から供給されたガス種毎に設けられたガス流量調節器を有し、
    前記ガス分散板は、内側の領域と外側の領域に分割され、
    Ｏ ２ ガスおよびＮ ２ ガス以外の複数のガスからなる混合ガスである第１のガスの流量を所定のガス流量比に制御し、前記所定のガス流量比に制御されたガスを分配させる第一のガス分配手段と、
    Ｏ ２ ガスまたはＮ ２ ガス、あるいはＯ ２ ガスとＮ ２ ガスの混合ガスである第２のガスの流量を所定のガス流量比に制御し、前記所定のガス流量比に制御されたガスを分配させる第二のガス分配手段とを備え、
    前記第一のガス分配手段により分岐された一方の第１のガスが前記ガス分散板の内側の領域に、前記第一のガス分配手段により分岐された他方の第１のガスが前記ガス分散板の外側の領域にそれぞれ供給され、かつ、前記第二のガス分配手段により分岐された一方の第２のガスが前記ガス分散板の内側の領域に、前記第二のガス分配手段により分岐された他方の第２のガスが前記ガス分散板の外側の領域にそれぞれ供給されることによって、
    前記シャワープレートの内側領域と外側領域からそれぞれ供給される前記第２のガスの流量を前記第１のガスとは独立に制御できることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記処理室に磁場を生成させる磁場生成手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記アンテナは内側領域と外側領域に分割され、
    前記電磁波放射電源は、分配器により前記アンテナの内側領域と前記アンテナの外側領域にそれぞれ高周波電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記載置電極の内側領域に高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記載置電極の外側領域に高周波電力を供給する第二の高周波電源とを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記第一のガス分配手段は、ガス分配器を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記第一及び第二のガス分配手段は、ガス分配器を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記第一のガス分配手段は、ガス分配器を有し、前記第二のガス分配手段は、前記Ｏ ２ ガスまたはＮ ２ ガス、あるいはＯ ２ ガス及びＮ ２ ガスがそれぞれ複数のガス流量調整器で供給されることにより、前記Ｏ ２ ガスまたはＮ ２ ガス、あるいはＯ ２ ガス及びＮ ２ ガスを分配することを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記ガス分散板を複数の領域に仕切るためのＯ−リングを設け、前記Ｏ−リングにより前記ガス分散板が浮き上がらないように、ガス分散板をアンテナにネジでとめたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記ガス分散板には、第１のガス噴出口と、第２のガス噴出口とを設け、前記アンテナには、第１のガス流路と、第２のガス流路を設置し、前記ガス分散板にガスを供給するための前記第１のガス流路の出口、あるいは前記第２のガス流路の出口は、前記アンテナの略中心を中心点として略円周上に複数個設置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  10. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記シャワープレートに開けられたガス噴出口は、前記シャワープレートの略中心から同心円状に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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