JP2004031447A

JP2004031447A - マグネトロンプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2004031447A
Application number: JP2002182009A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Sato; 佐東　英範; Daisuke Hayashi; 林　大輔
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: TW200402794A; AU2003242472A1; WO2004001831A1; CN100378923C; JP4236873B2; CN1663029A; TWI337761B

Abstract

【課題】チャンバー内のバッフルプレート下方へのプラズマリークや異常放電が生じ難いマグネトロンプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】被処理基板Ｗが装入され気密に保持されるチャンバー１と、チャンバー１内に互いに対向して設けられた上部電極２０および下部電極２と、これら電極２０，２の間に電界を形成する高周波電源１５と、チャンバー１内に処理ガスを供給する処理ガス供給系２３と、電極２０，２間の処理空間に、電界方向と直交しかつ一方向に向かう磁場を形成する磁場形成手段３０と、チャンバーの内壁と前記下部電極との間の空間を覆うように設けられたプラズマを遮断するためのバッフルプレート１０とを有し、バッフルプレート１０は、その垂直断面において、中央側から端部側に向かって上方に傾斜するように構成されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハのような被処理基板に対してマグネトロンプラズマ処理を施すマグネトロンプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、比較的低圧雰囲気にて高密度のプラズマを生成して微細加工のエッチングを行うマグネトロンプラズマエッチング装置が実用化されている。この装置は、永久磁石から漏洩した磁場を、磁束が半導体ウエハ（以下、単にウエハと記載）上を略水平に貫通するように印加するとともに、これに直交する高周波電界を印加して、その際に生じる電子のドリフト運動を利用して極めて高効率でエッチングするものである。
【０００３】
また、電子のドリフト運動に寄与するのは電界に垂直な磁場、すなわちウエハに対して水平な磁場であることから、ウエハに対してより均一な一様な水平磁場を形成して均一性の高いプラズマを形成するために、このような永久磁石としてダイポールリング磁石が用いられている。このダイポールリング磁石は、チャンバーの外側に複数の異方性セグメント柱状磁石をリング状に配置したものであり、これら複数の異方性セグメント柱状磁石の磁化の方向を少しずつずらして全体として一様な水平磁場を形成するものである。
【０００４】
ところで、このようなマグネトロンプラズマエッチング装置に限らず、プラズマ処理装置においては、チャンバー内の下部にプラズマが到達して異常放電が生じることを防止するために、ウエハを支持する支持テーブルとチャンバー壁との間のウエハ下方位置に円環状のバッフルプレートを設け、プラズマを遮断している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のマグネトロンプラズマエッチング装置に代表されるマグネトロンプラズマ処理装置の場合、ウエハの上面に水平磁場が形成されるように磁石が設計されるため、ウエハの支持位置よりも下方に設けられているバッフルプレートには磁力線がバッフルプレートに対して斜めに通過し、磁場の方向に沿って螺旋運動を行う電子がバッフルプレートの孔を通過しやすく、したがってバッフルプレートがプラズマを十分に遮断することができずにバッフルプレート下方へのプラズマリークや異常放電が生じてしまう。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、チャンバー内のバッフルプレート下方へのプラズマリークや異常放電が生じ難いマグネトロンプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、被処理基板が装入され気密に保持されるチャンバーと、前記チャンバー内に互いに対向して設けられた上部電極および下部電極と、これら上部電極および下部電極の間に電界を形成する電界形成手段と、前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、前記上部電極および下部電極の間の処理空間に、電界方向と直交しかつ一方向に向かう磁場を形成する磁場形成手段とを具備し、前記下部電極に被処理基板が支持された状態で該基板にマグネトロンプラズマ処理を施すマグネトロンプラズマ処理装置であって、前記チャンバーの内壁と前記下部電極との間の空間を覆うように設けられたプラズマを遮断するためのバッフルプレートを有し、前記バッフルプレートは、その垂直断面において、その存在位置における磁場の垂直方向の傾斜角度と略同一の角度で傾斜していることを特徴とするマグネトロンプラズマ処理装置を提供する。
【０００８】
マグネトロンプラズマ処理装置においては、通常、被処理基板の上面に水平磁場が形成されるように磁石が設計されるため、被処理基板の支持位置よりも下方に設置されることとなるバッフルプレートの存在位置において、磁場はチャンバー中央からチャンバー壁に向かって上昇する方向になるように傾斜して形成される。したがって、バッフルプレートを、その垂直断面において、その存在位置における磁場の垂直方向の傾斜角度と略同一の角度で傾斜するように構成して、バッフルプレートを磁場の方向に沿わせることにより、バッフルプレートに対する磁場の垂直成分が実質的に存在しない状態となり、磁場の向きに沿って螺旋運動する電子がバッフルプレートに形成された孔を通過し難くなってプラズマ遮断効果を高めることができる。したがって、プラズマリークや異常放電を生じ難くすることができる。
【０００９】
また、本発明のマグネトロンプラズマ処理装置において、前記チャンバーは略円筒状をなし、前記下部電極は略円柱状をなし、前記バッフルプレートは略コニカル状をなすように構成することができる。また、前記バッフルプレートは、円状、楕円状、またはスリット状の孔を形成することができる。さらに、前記磁場形成手段は、複数の異方性セグメント磁石を前記チャンバーの周囲にリング状に配置してなるダイポールリング磁石を有するものとすることができる。
【００１０】
なお、本明細書において、「垂直方向」とは、重力方向を指す。
【００１１】
【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マグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を示す断面図である。このエッチング装置は、気密に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状をなし、例えばアルミニウムからなるチャンバー（処理容器）１を有している。なお、チャンバー１は接地されている。
【００１２】
このチャンバー１内には、被処理体であるウエハＷを水平に支持し、下部電極として機能する支持テーブル２が設けられている。支持テーブル２は、例えばアルミニウムで構成されたコア部材２ａと、コア部材２ａの側部および底部を覆う絶縁部材３と、コア部材２ａおよび絶縁部材３を支持する導体からなる支持台４とを有している。
【００１３】
支持テーブル２の上面にはウエハＷを静電吸着して保持するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体からなり、その中に電極６ａが設けられている。電極６ａには直流電源１６が接続されており、この直流電源１６から電圧が印加されることにより、静電力例えばクーロン力によってウエハＷが吸着される。
【００１４】
支持テーブル２の上の静電チャック６の外周には、表面が静電チャック６に吸着されたウエハＷの表面と面一になるようにフォーカスリング５が設けられている。
【００１５】
支持テーブル２のコア部材２ａの内部には、冷媒室１７が設けられており、この冷媒室１７には、冷媒が冷媒導入管１７ａを介して導入され冷媒排出管１７ｂから排出されて循環し、その冷熱が支持テーブル２を介してウエハ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。また、チャンバー１が排気系１２により排気されて真空に保持されていても、冷媒室１７に循環される冷媒によりウエハＷを有効に冷却可能なように、冷却ガス、例えばＨｅガスが、ガス導入機構１８によりガス供給ライン１９を介して静電チャック６の表面とウエハＷの裏面との間に導入される。
【００１６】
上記支持テーブル２は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台４の下方の駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。
【００１７】
上記支持テーブル２とチャンバー１の内壁との間のウエハＷの下方位置には、コニカル状のバッフルプレート１０が設けられている。バッフルプレート１０は、支持テーブル２の外周の取り付け部材２４およびチャンバー１に取り付けられており、チャンバー１を介して接地されている。このバッフルプレート１０については後で詳述する。
【００１８】
チャンバー１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１１が形成されており、この排気ポート１１には排気系１２が接続されている。そして排気系１２の真空ポンプを作動させることによりチャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバー１の下部１ｂの側壁上側には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ１３が設けられている。
【００１９】
支持テーブル２には、整合器１４を介してプラズマ形成用の高周波電源１５が接続されており、この高周波電源１５から１３．５６ＭＨｚ以上の所定の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ、４０ＭＨｚ）の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。一方、支持テーブル２に対向して上部電極として機能するシャワーヘッド２０が互いに平行に設けられており、このシャワーヘッド２０は接地されている。したがって、下部電極として機能する支持テーブル２および上部電極として機能するシャワーヘッド２０は一対の平行平板電極を構成している。
【００２０】
上記シャワーヘッド２０は、チャンバー１の天壁部分に設けられ、その下面に多数のガス吐出孔２２が形成されており、かつその上部にガス導入部２０ａを有し、内部には空間２１が形成されている。ガス導入部２０ａにはガス供給配管２３ａが接続されており、このガス供給配管２３ａの他端には、エッチングのための処理ガスを供給する処理ガス供給系２３が接続されている。処理ガス供給系２３から供給される処理ガスとしては、ハロゲン系ガス、Ａｒガス、Ｏ_２ガス等、通常この分野で用いられるガスを用いることができる。
【００２１】
そして、処理ガス供給系２３から所定の処理ガスがガス供給配管２３ａ、ガス導入部２０ａを介してシャワーヘッド２０の空間２１に至り、ガス吐出孔２２からチャンバー１内へ吐出される。
【００２２】
一方、チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、ダイポールリング磁石３０が配置されている。ダイポールリング磁石３０は、図２の水平断面図に示すように、複数の異方性セグメント柱状磁石３１がリング状の磁性体のケーシング３２に取り付けられて構成されている。この例では、円柱状をなす１６個の異方性セグメント柱状磁石３１がリング状に配置されている。図２中、異方性セグメント柱状磁石３１の中に示す矢印は磁化の方向を示すものであり、この図に示すように、複数の異方性セグメント柱状磁石３１の磁化の方向を少しずつずらして全体として一方向に向かう一様な水平磁場ＢがウエハＷの上に形成されるようになっている。
【００２３】
したがって、支持テーブル２とシャワーヘッド２０との間の空間には、図３に模式的に示すように、高周波電源１５により垂直方向の電界Ｅが形成され、かつダイポールリング磁石３０によりウエハＷの上に水平磁場Ｂが形成され、このように形成された直交電磁界によりマグネトロン放電が生成される。これによって高エネルギー状態のエッチングガスのプラズマが形成され、ウエハＷ上の所定の膜がエッチングされる。
【００２４】
次に、上記バッフルプレート１０について詳細に説明する。図４はバッフルプレート１０を一部切り取って示す斜視図であり、図５はバッフルプレート１０の一部を示す平面図であり、図６はバッフルプレート１０の取り付け状態を拡大して示す断面図である。このバッフルプレート１０は、金属、例えばアルミニウムにセラミックス、例えばアルミナを溶射して形成されており、プラズマに対する耐性を高めている。そして、このバッフルプレート１０は、中央に支持テーブルが挿入される円形の穴を有するとともにその面に円形をなす多数のガス通過孔１０ｂを有するコニカル状の本体１０ａと、チャンバー１の取り付け部１ｃの切り欠き部１ｄ（図６参照）に挿入されて取り付けられる外側取り付け部１０ｃと、支持テーブル２の周囲の取り付け部材２４に取り付けられる内側取り付け部１０ｄとを有している。
【００２５】
外側取り付け部１０ｃはボルト挿入孔１０ｅを有しており、この外側取り付け部１０ｃとチャンバーの取り付け部１ｃとは、チャンバー１の上部から挿入された複数のボルト２５により取り付けられている。一方、内側取り付け部１０ｄはボルト挿入孔１０ｆを有しており、この内側取り付け部１０ｄと取り付け部材２４とはボルト２６により取り付けられている。
【００２６】
バッファプレート１０は、上述のように本体１０ａがコニカル状をなしていることから、垂直断面において、中央側から端部側に向かって上方に角度θで傾斜するように構成されている。この場合に、この角度θは、図７の（ａ）に示すように、バッフルプレート１０の存在位置における磁場の傾斜角度（バッフルプレート１０を通過する磁力線の傾斜角度）と略同一になるように形成することが好ましい。
【００２７】
ガス通過孔１０ｂは、プラズマが極力通過し難く、かつ十分な排気コンダクタンスを確保できるように、その径およびアスペクト比が決定される。例えば、径が１．７ｍｍ、高さ（すなわちバッフルプレート１０の厚さ）が３ｍｍに設定される。ガス通過孔１０ｂの形状は、円形に限らず、楕円形であってもよいし、スリット状であってもよい。なお、図６に示すように、絶縁部材３は、部材３ａ，３ｂ，３ｃに３分割されている。
【００２８】
次に、このように構成されるマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置の動作について説明する。
【００２９】
まず、ゲートバルブ１３を開にしてこのような構造を有するウエハＷをチャンバー１内に搬入し、支持テーブル２に載置した後、支持テーブル２を図示の位置まで上昇させ、排気系１２の真空ポンプにより排気ポート１１を介してチャンバー１内を排気する。
【００３０】
そして処理ガス供給系２３からエッチング用の所定の処理ガスをチャンバー１内に導入し、チャンバー内の圧力を例えば１．３３〜１３．３Ｐａ程度に保持し、高周波電源１５から支持テーブル２に１３．５６ＭＨｚ以上の所定の高周波電力を供給する。この際に、ウエハＷは、直流電源１６から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加されることにより例えばクーロン力により静電チャック６に吸着保持されるとともに、上部電極であるシャワーヘッド２０と下部電極である支持テーブル２との間に高周波電界が形成される。ウエハＷの上面にはダイポールリング磁石３０により水平磁場Ｂが形成されているので、ウエハＷが存在する電極間の処理空間には直交電磁界が形成され、これによって生じた電子のドリフトによりマグネトロン放電が生成される。そしてこのマグネトロン放電により形成されたエッチングガスのプラズマによりウエハＷの所定の膜がエッチングされる。
【００３１】
この場合に、一方向に向かう水平磁場は、垂直断面で見た場合に、図７の（ａ），（ｂ）に示すように、ウエハＷ上面では磁束の向きが水平になっているが、ウエハＷから垂直方向に離れるに従って、垂直成分が増加する。
【００３２】
このような状況において、従来のように水平に配置したバッフルプレート１０′の場合には、図７の（ｂ）に示すように、磁力線がバッフルプレートに対して斜めに通過し、バッフルプレート１０の存在位置において、磁場の垂直成分が比較的多く存在するため、磁場に沿って螺旋運動を行う電子がバッフルプレート１０′の孔を通過しやすく、したがってバッフルプレート１０′がプラズマを十分に遮断することができずにバッフルプレート１０′下方へのプラズマリークや異常放電が生じてしまう。
【００３３】
これに対して、本実施形態ではバッフルプレート１０の本体１０ａをコニカル状として、バッフルプレート１０を、その垂直断面において、中央側から端部側に向かって上方に傾斜するように構成したので、図７（ａ）に示すように、バッフルプレート１０が磁力線の向き、すなわち磁場の向きに沿って配置されることとなり、エッチング処理の際に磁束に沿って螺旋運動する電子がバッフルプレートに形成された孔を通過し難くなってプラズマ遮断効果を高めることができる。したがって、プラズマリークや異常放電を生じ難くすることができる。
【００３４】
この場合に、バッフルプレート１０の傾斜角θはそこを通過する磁力線の垂直方向の傾斜角度、つまりバッフルプレート１０の存在位置における磁場の垂直方向の傾斜角度と略同一の角度で傾斜していることが好ましい。これにより、バッフルプレート１０に対する磁場の垂直成分が実質的に存在しない状態となり、プラズマ遮断効果を一層高くすることができる。
【００３５】
次に、磁場の向きのシミュレーションにより最適なバッフルプレートの配置を求めた結果について説明する。ここでは、３００ｍｍウエハ用の装置について、ウエハ中心での磁束密度を１２０００μＴ（１２０Ｇａｕｓｓ）に設定した。その結果を図８に示す。図８の（ａ）は、ウエハ上面の垂直位置をＺ＝０とし、厚さ中心がＺ＝−５０（ｍｍ）となるようにバッフルプレートを水平に配置した場合であるが、この場合には、バッフルプレートの存在位置における磁場は垂直成分が比較的大きく、プラズマ遮蔽効果が小さいことが把握される。これに対して、図８の（ｂ）に示すように、バッフルプレートの中央側部分を下げて傾斜させ、θを２３．８５°にすれば、磁場の傾斜角度と略同一となることが確認された。
【００３６】
この結果を基に、実際にこのような傾斜角度を有するコニカル状のバッフルプレートを作成し、これを装置に組み込んでマグネトロンプラズマ試験を行ったところプラズマリークがほとんど発生せず、バッフルプレート下方での異常放電もほとんど発生しないことが確認された。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施形態ではダイポールリング磁石を用いたが、チャンバー内を横切る磁場が形成されれば、磁場形成手段として必ずしもダイポールリング磁石を用いなくてもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、チャンバーを円筒状、支持テーブルを円柱状、バッフルプレートをコニカル状に形成したが、これに限るものではなく、バッフルプレートは本発明の傾斜が形成されていれば、チャンバーおよび支持テーブルの形状に適合して種々の形状をとることができる。
【００３９】
さらに、上記実施形態では、本発明をマグネトロンプラズマエッチング装置に適用した例について示したが、これに限らず他のプラズマ処理にも適用することができる。すなわち、処理ガスをエッチング用ガスから公知のＣＶＤ用ガスに変えることによりマグネトロンプラズマＣＶＤ装置とすることもできるし、チャンバー内に被処理体と対峙するようにターゲットを配置することにより、マグネトロンプラズマスパッタリング装置とすることもできる。さらにまた、被処理基板として半導体ウエハの場合について示したが、これに限るものではなく、液晶表示装置（ＬＣＤ）用基板等他の基板であってもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バッフルプレートを、その垂直断面において、中央側から端部側に向かって上方に傾斜するように構成したので、バッフルプレートを磁場の方向に沿わせることが可能となり、磁場に沿って螺旋運動する電子がバッフルプレートに形成された孔を通過し難くなってプラズマ遮断効果を高めることができる。したがって、プラズマリークや異常放電を生じ難くすることができる。
【００４１】
また、バッフルプレートの傾斜角度をバッフルプレートの存在位置における磁場の垂直方向の傾斜角度と略同一の角度とすることにより、バッフルプレートに対する磁場の垂直成分が実質的に存在しない状態となり、プラズマ遮断効果を一層高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るマグネトロンＲＩＥプラズマエッチング装置を示す断面図。
【図２】図１の装置のチャンバーの周囲に配置された状態のダイポールリング磁石を模式的に示す水平断面図。
【図３】チャンバー内に形成される電界および磁界を説明するための模式図。
【図４】図１の装置のバッフルプレートを一部切り取って示す斜視図。
【図５】図１の装置のバッフルプレートの一部を示す平面図。
【図６】図１の装置のバッフルプレートの取り付け状態を拡大して示す断面図。
【図７】本発明の実施形態に用いられたバッフルプレートの配置と磁束の向きとを示す模式図図、および従来のバッフルプレートの配置と磁束の向きとを示す模式図。
【図８】磁場の向きのシミュレーション結果と、従来のバッフルプレートの配置および本実施形態における最適なバッフルプレートの配置とを示す図。
【符号の説明】
１；チャンバー
２；支持テーブル（下部電極）
３；絶縁部材
５；フォーカスリング
６；静電チャック
１０；バッフルプレート
１２；排気系
１５；高周波電源
１７；冷媒室
１８；ガス導入機構
２０；シャワーヘッド（上部電極）
２３；処理ガス供給系
３０；ダイポールリング磁石
Ｗ；半導体ウエハ

Claims

被処理基板が装入され気密に保持されるチャンバーと、
前記チャンバー内に互いに対向して設けられた上部電極および下部電極と、
これら上部電極および下部電極の間に電界を形成する電界形成手段と、
前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、
前記上部電極および下部電極の間の処理空間に、電界方向と直交しかつ一方向に向かう磁場を形成する磁場形成手段と
を具備し、前記下部電極に被処理基板が支持された状態で該基板にマグネトロンプラズマ処理を施すマグネトロンプラズマ処理装置であって、
前記チャンバーの内壁と前記下部電極との間の空間を覆うように設けられたプラズマを遮断するためのバッフルプレートを有し、
前記バッフルプレートは、その垂直断面において、その存在位置における磁場の垂直方向の傾斜角度と略同一の角度で傾斜していることを特徴とするマグネトロンプラズマ処理装置。
前記チャンバーは略円筒状をなし、前記下部電極は略円柱状をなし、前記バッフルプレートは略コニカル状をなしていることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンプラズマ処理装置。
前記バッフルプレートは、円状、楕円状、またはスリット状の孔が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネトロンプラズマ処理装置。
前記磁場形成手段は、複数の異方性セグメント磁石を前記チャンバーの周囲にリング状に配置してなるダイポールリング磁石を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマグネトロンプラズマ処理装置。