JP5639866B2

JP5639866B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5639866B2
Application number: JP2010269875A
Authority: JP
Inventors: 優作属; 西尾　良司; 良司西尾; 忠義川口
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: JP2012119593A; US20120138229A1

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に誘導結合型プラズマ処理装置に関するものである。

半導体デバイス製造分野においては、エッチングや表面処理に誘導結合型（Inductively Coupled Plasma）のプラズマ装置が利用されている。この装置は、真空容器の外側に数ターンの誘導コイルを配置し、高周波電流を流すことで、プラズマにパワーを供給し、プラズマを生成する。この時、誘導コイルとプラズマとの間では浮遊容量が発生するため、この影響で真空容器の局所的損傷が起こる。これを防ぐために、この間に導体のファラデーシールドを設置した装置が特許文献１に開示されている。

いかなる誘導結合型のプラズマ源であっても、誘導コイルの電流分布が不均一になることは避けられないため、誘導コイルの周方向に沿ってプラズマが不均一になることが知られている。この現象は、ウエハ上に拡散したプラズマの中心軸が誘導コイルの中心軸とずれるという偏芯の原因となっている。また、上記のプラズマ偏芯の別の要因として、磁場の影響が考えられ、磁場の影響を解決するものとして、プラズマ処理室全体を磁性体で囲み、磁場遮蔽を行う装置が特許文献２に開示されている。

特開２００７−１５８３７３号公報特開２００４−２２９８８号公報

また、発明者らも、磁場の影響によるウエハ上に拡散したプラズマ分布の偏芯が発生することを実験的に確認した。実験内容は、プラズマ処理室１の外周に約０.４ｍＴの磁石を設置してプラズマ処理を実施するというものである。この結果、磁石が持つ０.４ｍＴの微小な磁場によって、ウエハ上に拡散したプラズマ分布が大きく変動することが判明した。このことから、プラズマは、地磁気程度の微小な磁場であっても影響を受ける可能性があることがわかる。さらに、上記装置に搭載されている真空圧力計やモーターの磁場によって、同様の現象が起きる可能性もある。上述の磁場の影響によるウエハ上に拡散したプラズマの偏芯は、磁場の影響により発生したプラズマが、斜めにウエハ上に拡散したことによるものである。ウエハ上に拡散したプラズマが偏芯した状態でエッチングを行うと、エッチング処理の均一性や垂直性等が悪化する。現在、エッチング処理の高精度化や高速化の要求が高まっている中、安定したエッチング処理を行うには、磁場の影響は無視できない。また、磁場の影響を解決するために、特許文献２に開示された技術を用いると以下三つの問題が発生する。一つは、性能上の問題である。プラズマ処理室には、被処理物の搬送口や処理ガスの排気口などの開口が必要であり、実質的に磁場を遮蔽することは不可能である。また、磁性体で囲うことによって、誘導コイルから発生する誘導磁場が磁性体内部で誘導損失を起こし、プラズマ生成能力が低下する。二つめは、実装上の問題である。磁性体で覆うための大幅な設計変更が必要であり、組立時も重量物を扱う機会が増えるため、作業の危険度も増す。三つ目は、コスト上の問題である。特許文献２に開示された技術では、プラズマ処理室を覆うだけの磁性体が必要となり、莫大なコストがかかる。これら三つの問題は、量産装置にとって非常に深刻な問題となってしまう。また、上述のプラズマが斜めに拡散したことによるプラズマの偏芯は、上述の磁場の影響以外にもプラズマ処理室１内の排気偏芯でも発生し得る。このため、本発明では、上記３つの課題と排気偏芯による影響を解決するために、磁場を遮蔽するのではなく、磁場または排気偏芯によりウエハ上に拡散したプラズマの偏芯を補正することができるプラズマを発生させる手段を有するプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

本発明は、試料がプラズマ処理される真空処理室と、前記真空処理室の上方を気密に封止する誘電体封止窓と、前記真空処理室内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空処理室内に配置され、前記試料を載置する試料台と、前記真空処理室外に配置された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、前記プラズマと容量結合するファラデーシールドとを備えるプラズマ処理装置において、前記誘導コイルと前記誘電体封止窓との間に配置された偏芯補正手段をさらに備え、前記偏芯補正手段は、導体板を有し、前記導体板は、前記ファラデーシールドと導通されていることを特徴とする。

本発明の構成により、ウエハ上に拡散したプラズマの偏芯を補正することができ、所望のエッチング性能を得ることが可能となる。

本発明のプラズマ処理装置の断面図である。導体リングの設置箇所を示す図である。無磁場状態でのプラズマの拡散を示す図である。プラズマ処理室外からの磁場がある場合のプラズマの拡散を示す図である。導体リングを適用した時のプラズマの偏芯の補正を示す図である。導体リングの作用の概念を示す図である。導体リングの形状を示した図である。本発明による効果の検証結果を示す図である。

以下、本発明の一実施例について添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明のプラズマ処理装置の断面図を示す。プラズマ処理室１は、内部にプラズマ生成部を形成する絶縁材料（例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミック等の非導電性材料）からなる平行平板の誘電体封止窓であるウィンドウ１ａと、ウエハである試料２を載置する試料台３を内部に配置するチャンバ１ｂとから成る。ウィンドウ１ａの外側には、誘導コイル４が配置される。誘導コイル４は、それぞれが２ターンの内周コイル４ａと外周コイル４ｂの２系統に分かれており、図中に示す矢印に沿って電流が流れる。また、ウィンドウ１ａと誘導コイル４の間には、プラズマ５と静電容量的に結合する平板状のファラデーシールド６が設けられており、誘導コイル４とファラデーシールド６は、整合器であるマッチングボックス７を介して第一の高周波電源８に直列に接続される。また、マッチングボックス７の内部には可変コンデンサとコイルが搭載されている。このため、内周コイル４ａと外周コイル４ｂの２系統に分岐して独立に電流を流すことが可能であり、この電流とファラデーシールド６に印加する電圧を制御することができる。また、マッチングボックス内には、第一の高周波電源８から発生する、例えば、１３.５６ＭＨｚ，２７.１２ＭＨｚ等の高周波電力の反射を抑えるためのコンデンサも搭載されている。

ガス供給装置９から処理ガスがプラズマ処理室１内に供給される一方で、排気装置１０によってプラズマ処理室１内の圧力を所定の圧力に減圧排気される。ガス供給装置９よりプラズマ処理室１に処理ガスを供給し、該処理ガスを誘導コイル４により発生する誘導磁場とファラデーシールド６により発生する電場の作用によってプラズマを生成する。試料台３には、第二の高周波電源１１が接続される。プラズマ５中に存在するイオンを試料２上に引き込むために、第二の高周波電源１１からバイアス電力を試料台３に印加する。ファラデーシールド６は、たて縞状のスリットを有する金属導体からなり、ウィンドウ１ａに重なる形で配置される。これによって、誘導コイル４とプラズマ５間の浮遊容量によって生じるウィンドウ１ａの局所損傷を防止する機能や、マッチングボックス７にて積極的に制御された大きさの均一な容量結合をプラズマに与えることで、プラズマ処理室１内壁を最適状態に保つ機能を有する。

本発明の導体リング１２は、図２に示すように誘導コイル４とファラデーシールド６の間に設置され、更にファラデーシールド６と導通するように設置されている。本実施例では、導体リング１２は誘導コイル４とファラデーシールド６の間に設置されているが、誘導コイル４とウィンドウ１ａの間に設置されても、誘導コイル４とファラデーシールド６の間に設置された場合と同様の機能を果たすことができる。

以上、上述した本発明のプラズマ処理装置により、誘導コイル４より発生する誘導磁場以外の磁場の影響による試料２上に拡散したプラズマの偏芯を補正するようなプラズマを生成することができる。これは以下に示すような本発明の作用によるものである。図３に示すように誘導コイル４より発生する誘導磁場以外の磁場による影響がない場合は、発生したプラズマ５ａは真っすぐに試料２上に拡散するため、プラズマの偏芯は見られない。次に図４に示すように誘導コイル４より発生する誘導磁場以外の磁場による影響がある場合は、発生したプラズマ５ａは斜めに拡散するため、試料２上に拡散したプラズマは偏芯する。このため、図５に示すように本発明のプラズマ処理装置により、試料２上に拡散したプラズマの偏芯を補正するプラズマ５ｂを発生させることができるため、試料２上に拡散したプラズマの偏芯を改善できる。尚、上記の試料２上に拡散したプラズマの偏芯を補正したプラズマとは、斜めに拡散した時に試料２上のプラズマが偏芯しないように、予め上記偏芯を補正できるようなプラズマのことである。次に上述の試料２上に拡散したプラズマの偏芯を補正するプラズマを発生させる手段について説明する。図６に示すようにリング状の導体である導体リング１２が誘導コイル４とファラデーシールド６の間にあるため、導体リング１２の円周上に沿って、誘導コイルから発生した誘導磁場を打ち消す方向に誘導電流１３ａが流れる。また、導体リング１２はファラデーシールド６と導通しているため、さらに誘導電流１３ｂも流れる。このため、プラズマ密度を低下させたい位置または試料２上に拡散したプラズマの偏芯箇所に誘導電流１３ａと誘導電流１３ｂが流れるように、導体リング１２をファラデーシールド６上で誘導コイル４の中心軸から偏芯させた位置に設置すると、誘導コイル４とプラズマ間の相互インダクタンスを変化させることによって、試料２上に拡散したプラズマの偏芯を補正するプラズマを発生させることができる。さらに、本発明は上述した作用により、試料２上に拡散したプラズマの偏芯を改善しているため、排気偏芯の影響による試料２上に拡散したプラズマの偏芯に対しても上述の磁場による試料２上に拡散したプラズマの偏芯の場合と同様の効果が得られる。また、本実施例では、導体リング１２をファラデーシールド６と導通させているが、誘導電流が流れるための閉ループが形成できるものと導通していれば良いので、例えば、チャンバ１ｂ，マッチングボックス７のカバー等と導通させても良い。次に導体リング１２の形状の例を、図７に示す。本発明の導体リング１２は、図７（ａ）のようなリング状の形状で例えばアルミニウム，ステンレスのような導体から製作されている。また、リング状の形状は、図７（ａ）の形状に限定されるものではなく、例えば、図７（ｂ）に示すような櫛歯形状の導体リングでも良い。又は本発明の導体リングは例えばファラデーシールド６と導通させているため、必ずしもリング形状でなくても良い。そのため、図７（ｃ）に示すような分割された導体リングでも良い。また、複数あるいは複種類の導体リングを同時に使用してもよい。また、導体リング１２は、プラズマ分布のあらゆる偏芯位置に対応できるように独立で設置するものとする。これにより、導体リングのみの設置が容易となり、プラズマ処理装置間の機差に応じた調整が可能となる。

次に、本発明による効果をエッチングレートにより検証した結果について説明する。図８は検証結果を示す図であり、以下のエッチングレート測定は、特にプラズマの偏芯が顕著に出るφ２００mm用誘導結合プラズマエッチング装置を用いて、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の薄膜試料を塩素系ガス（Ｃｌ₂ガスとＢＣｌ₃ガスの混合ガス）でエッチングしたときのエッチングレートの試料面内分布である。また、エッチングレートの試料面内分布を示したグラフは、試料上の指定されたポイントを膜厚測定機を用いて処理前後で測定し、エッチングレートの試料面内分布を等高線で示したものである。この等高線は、色が薄い部分ほどエッチングレートが速く、逆に濃い部分はエッチングレートが遅いことを示す。また、本発明による効果は、エッチングレートの試料面内各点の平均値，エッチングレートの試料面内均一性，偏芯率をそれぞれ算出して、検証した。尚、偏芯率は試料２上に拡散したプラズマの偏芯の度合いを表す指標であり、偏芯率が小さい値であるほど、偏芯していないことを示す。

まず、従来のプラズマ処理装置では、図８（ａ）に示すように、エッチングレートの試料面内分布は図の右下のレート速度が速い。これは、磁場の影響により、プラズマが右下に偏芯したためである。次に従来のプラズマ処理装置の外周に磁石を設置したときのエッチングレートの試料面内分布を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に示す箇所にそれぞれＮ極とＳ極の磁石（０.４ｍＴ）を設置して、エッチングレート測定を実施した結果、エッチングレートの速い箇所は右上に移動した。磁石を設置することで誘導磁場の分布が変化したためである。また、上述により、あらゆる箇所に磁場が発生している場合でも、エッチングレートの試料面内分布の結果から試料２上に拡散したプラズマの偏芯位置を推定できる。上記の偏芯位置の推定結果を基に導体リング１２を設置することで、試料２上に拡散したプラズマの偏芯を改善できる。次に、本発明を適用した場合のエッチングレートの試料面内分布の結果は図８（ｃ）に示すように、偏芯率が８.６％から２.７％に改善されたことに伴い、エッチングレートの試料面内均一性が８.３％から５.８％へと改善することができた。

また、本実施例では、試料２上に拡散したプラズマの偏芯箇所の推定にエッチングレートの試料面内分布の測定例で説明したが、プローブによるプラズマ分布測定，イオン電流フラックス測定等でも試料２上に拡散したプラズマの偏芯箇所の推定は可能である。

以上、上述した通り、本発明のプラズマ処理装置は、試料上に拡散したプラズマの偏芯を補正するプラズマを発生させる偏芯補正手段を有することにより、磁場の影響またはプラズマ処理室内の排気偏芯による試料上に拡散したプラズマの偏芯を改善できる。

１プラズマ処理室
１ａウィンドウ
１ｂチャンバ
２試料
３試料台
４誘導コイル
４ａ内周コイル
４ｂ外周コイル
５プラズマ
６ファラデーシールド
７マッチングボックス
８第一の高周波電源
９ガス供給装置
１０排気装置
１１第二の高周波電源
１２導体リング
１３誘導電流

Claims

試料がプラズマ処理される真空処理室と、前記真空処理室の上方を気密に封止する誘電体封止窓と、前記真空処理室内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空処理室内に配置され、前記試料を載置する試料台と、前記真空処理室外に配置された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、前記プラズマと容量結合するファラデーシールドとを備えるプラズマ処理装置において、
前記誘導コイルと前記誘電体封止窓との間に配置された偏芯補正手段をさらに備え、
前記偏芯補正手段は、導体板を有し、
前記導体板は、前記ファラデーシールドと導通されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
試料がプラズマ処理される真空処理室と、前記真空処理室の上方を気密に封止する誘電体封止窓と、前記真空処理室内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空処理室内に配置され、前記試料を載置する試料台と、前記真空処理室外に配置された誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、前記プラズマと容量結合するファラデーシールドとを備えるプラズマ処理装置において、
前記誘導コイルと前記誘電体封止窓との間に配置された偏芯補正手段をさらに備え、
前記偏芯補正手段は、リング状の導体を有し、
前記導体は、前記ファラデーシールドと導通されていることを特徴とするプラズマ処理装置。