JP2004241614A

JP2004241614A - 半導体製造装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2004241614A
Application number: JP2003029387A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Horiuchi; 悟志堀内; Ken Adachi; 研足立; Tetsuya Komoto; 徹哉幸本
Original assignee: CV RES KK; CV RESEARCH KK; Sony Corp
Current assignee: CV RES KK; CV RESEARCH KK; Sony Corp
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】プラズマを誘導する半導体製造装置及び半導体装置の製造方法において、荷電粒子の密度分布を制御する機構を具備し、処理性能の良好な均一性を確保できる半導体製造装置及び半導体装置の製造方法を得る。
【解決手段】半導体基板１３にプラズマ処理を実施する反応室１７と、プラズマを生成するプラズマ生成部１とを有し、荷電粒子の密度分布が半導体基板１３へのプラズマ処理均一性に影響を及ぼす半導体製造装置１００において、反応室１７内に帯電機構を具備し、この帯電機構が荷電粒子の密度分布を反映した電場を形成するようにした。そして、この帯電機構としては、メッシュ体２５を用いる。また、メッシュ体２５は、帯電性の高い樹脂を帯電性の低い石英で複数の領域に分離した形状で形成した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子の密度分布が半導体基板へのプラズマ処理均一性に影響を及ぼす半導体製造装置及び半導体装置の製造方法において、電子密度分布を均一化することにより、プラズマ処理の良好な均一性を実現する半導体製造装置及び半導体装置の製造方法に関し、例えば、半導体デバイス、液晶表示装置、更には撮像素子等の製造に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩ等の半導体装置の高集積化や高性能化が進展するに伴い、半導体装置製造過程におけるプラズマＣＶＤ技術では微細パターンの埋め込み特性の向上や緻密で良好な膜質の形成が要求され、プラズマエッチング技術では高度な微細加工精度が要求されている。
【０００３】
この要求を満足するために、高密度プラズマの形成が可能なプラズマ発振機構を搭載し、高効率で所望の処理を行う半導体製造装置の開発が盛んに行われている。一般に半導体製造装置におけるプラズマ発生は高周波電磁波の印加によって行われるが、高密度プラズマの発生に伴っては、被処理基板の表面や、或いは該基板に形成された素子に損傷を与えることが懸念される。
【０００４】
これは所謂ＲＦダメージと呼ばれるもので、プラズマが持つ電荷による電気的な損傷と、イオンやラジカルの衝突による物理的な損傷とがある。これらの損傷を回避するために、プラズマ形成の高周波電磁場を印加するプラズマ発生部と、被処理基板を載置して所望のプラズマ処理を行う処理部とを、各々具備することで上記損傷を低減しつつ、プラズマ発生部でのプラズマを効率良く被処理基板に誘導して高効率の処理を実現する半導体製造装置が開発されている。
【０００５】
例えば、ヘリコン波プラズマ装置がその一例である。この半導体製造装置では、プラズマの誘導にコイルや永久磁石によって発生する磁場を活用している。これは荷電粒子、特に質量の小さい電子は、外部から印加された磁場の作用により運動を制限される特徴を活用している。この磁石による荷電粒子への作用は例えば「フレミングの法則」や「ローレンツ力」を始めとし、「ホイスル伝播」や「ミラー効果」など、多数の物理現象が知られている。
【０００６】
ここで、半導体製造装置に求められる重要な性能の一つに、被処理基板への処理性能の均一性が有る。例えば、より具体的には、ＣＶＤ装置であれば膜厚や膜質に、エッチング装置やアッシング装置であれば、エッチングレートやアッシングレートに、高い均一性が求められる。一般にプラズマを利用する半導体製造装置では、高密度プラズマを発生させる目的のみならず、均一性を確保する目的でも磁場の作用が広く活用されている。これは上記物理現象のように、荷電粒子の運動を磁場形成手段から遠隔に制御できる特徴による。
【０００７】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
【特許文献１】
特開平５−２６７２２３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、プラズマを利用する半導体製造装置においては、磁場による荷電粒子への「遠隔的作用」が広く活用されている。ここで、「遠隔的作用」とは、例えば半導体製造装置の反応室の外方に設けた磁場発生手段により反応室内の荷電粒子に対して遠隔的に作用させることをいう。しかしながら、近年のウェーハの大口径化に伴う装置の大型化によって、磁場を作用させる距離の延長が必要となり、この「遠隔的作用」によっては充分な均一性を確保することが困難となってきている。また、大口径化に伴って磁場発生手段自身も大掛かりな機構が必要となっている。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、プラズマを誘導する半導体製造装置及び半導体装置の製造方法において、荷電粒子の密度分布を制御する機構を具備し、処理性能の良好な均一性を確保できる半導体製造装置及び半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は、半導体基板にプラズマ処理を実施する反応室と、プラズマを生成するプラズマ生成部とを有し、荷電粒子の密度分布が前記半導体基板へのプラズマ処理均一性に影響を及ぼす半導体製造装置において、前記反応室内に帯電機構を具備し、該帯電機構が荷電粒子の密度分布を反映した電場を形成することを特徴とする。
【００１０】
この半導体製造装置では、プラズマを利用した半導体製造装置において、被処理基板への処理均一性が荷電粒子の分布に依存することに注目し、荷電粒子の不均一性による空間的な電位の差を利用して、電位分布を無くす方向に荷電粒子の運動を制御し、延いては被処理基板への所望の処理の均一性向上を実現する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体製造装置及び半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る半導体製造装置の概略構成を表す模式図、図２は図１に示したメッシュ体の平面図、図３は図２に示したメッシュ体の部分拡大図である。
【００１２】
本実施の形態では、半導体製造装置が例えばヘリコン波プラズマ装置１００である場合を例に説明する。
【００１３】
一般的なヘリコン波プラズマ装置１００の構造は、図１に示すように、内部にプラズマが生成されるプラズマ生成部（プラズマ生成チャンバ）１と、その外周に配置されるループ状の高周波アンテナ３と、インピーダンスを整合するためのインピーダンス整合手段５を介して接合され、高周波アンテナ３に数十ＭＨｚ帯の高周波電力を供給するための高周波電源７と、更にこのプラズマ生成チャンバ１の外周に配置した同心円上に２つのコイル９ａ、９ｂから成るヘリコン波プラズマ発生部１１を有し、プラズマ生成チャンバ１に接続され、内部に半導体基板である被処理基板１３を載置するための基板ステージ１５を収容する反応室（プラズマ拡散チャンバ）１７から構成されている。
【００１４】
コイル９ａ、９ｂは、図示しないＤＣ電源から電流供給を受ける。そして、内側に配置したコイル９ａは、主としてヘリコン波の伝播に寄与するヘリコン波伝播用磁場を発生させる。外側に配置したコイル９ｂは、主としてプラズマ拡散チャンバ１７内へのヘリコン波プラズマの輪送に寄与するプラズマ輪送用磁場を生成させるための手段となる。
【００１５】
ヘリコン波プラズマ発生部１１は、ヘリコン波からランダウ減衰の過程を通じたエネルギー輸送により電子を加速し、この電子が材料ガス分子に衝突することにより高密度でイオン、或いはラジカルを得るプラズマ発振機構である。従って、これを発生させるプラズマ装置内では、プラズマ生成チャンバ１内よりもプラズマ拡散チャンバ１７側に高いプラズマ密度を得る。
【００１６】
このため、被処理基板１３にプラズマ処理を行う場合、コイル９ａ、９ｂに印加する電流の向きは、内側のコイル９ａではプラズマ生成チャンバ１内で発生した電子をプラズマ拡散チャンバ１７へ導くための磁場を発生させる方向であり、外側のコイル９ｂではそれとは反対方向の磁場を発生させる方向となる。
【００１７】
更に、プラズマ拡散チャンバ１７の外周には、基板ステージ１５の近傍における発散磁界を収束させるために、補助磁界としてマルチ・カスプ磁場を生成するための手段である棒状永久磁石１９を具備している。これによりプラズマ拡散チャンバ１７内の荷電粒子が、内壁面に衝突してエネルギー損失することを防止している。
【００１８】
また、プラズマ拡散チャンバ１７は、内部に材料ガスを導入するためのガス導入手段２１と、内部を排気するための排気手段２３とを具備しており、更に図示しない各制御機構と、被処理基板１３の搬送手段とを有している。
【００１９】
ところで、被処理基板１３内での所望の処理の均一性は、材料ガスのイオン密度分布、或いはラジカル密度分布に起因し、これらの密度分布は上記の加速された電子の密度分布に強く依存すると言える。ヘリコン波プラズマ発生部１１では、被処理基板１３内での均一性は、コイル９ａ、９ｂ、及び棒状永久磁石１９による磁場に依存する。従って、制御は、コイル９ａ、９ｂに印加する電流による誘導磁場の磁束密度、及びそのバランス、つまりは磁場形状で行われる。
【００２０】
しかしながら、磁場によるだけでは均一性を制御することが困難であり、概して被処理基板１３中央での密度が高く所望の処理の進行が被処理基板１３中央で早くなる傾向が見られる。より具体的には、例えば本実施の形態による半導体製造装置（ヘリコン波プラズマ装置１００）がエッチング装置であれば、被処理基板１３中央のエッチングレートが高く、周辺程低い傾向を示す。また、アッシング装置であれば、中央のアッシングシートが高く、周辺程低い傾向を示すことになる。
【００２１】
このような状況下では、被処理基板１３中央で所望の材料のエッチング、又はレジストのアッシングが終了した後も、周辺を含め全面での処理が完了するまで処理は継続するので、被処理基板１３中央では上記のＲＦダメージが増加する問題や、形状異常の問題などが発生する。また、半導体製造装置がＣＶＤ装置であれば、被処理基板１３中央の成膜レートが高く、周辺程低い傾向を示し、良好な膜厚均一性が得られない。
【００２２】
そこで、本実施の形態による半導体製造装置（ヘリコン波プラズマ装置１００）は、このような荷電粒子の密度分布を電場により解消する以下の構成を備えている。
【００２３】
即ち、ヘリコン波プラズマ装置１００ではコイルに印加する電流により発生する磁場の形状を制御し、電子密度分布の均一性向上を目指している。ここで、電子の密度分布に不均一が存在することに注目すると、プラズマ内部では電荷量に勾配が生じ電界が存在していると言える。上記の例では、この電界の向きは電子密度が低い外周から中央を向く反放射線状である。よって、負電荷の電子には中央から外周に向いた力が作用していることになる。このことは、電子密度の高い中央では、電子間相互に働くクーロン力が外周よりも強く、よって外周に発散する力が作用しているとも理解できる。
【００２４】
このような状況下、電子密度の不均一は電気的作用により自己均一化されることを期待したいところである。しかしながら、現実に電子にかかる力は非常に弱く、密度分布を変える程の作用は無い。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、電子密度分布により発生する電場を増幅する機構を具備することで、電子密度分布を均一化し、延いては被処理基板内の処理性能を均一にしている。
【００２６】
即ち、電子密度の不均一から発生する電場を増幅する機構として、帯電性を有る材料からなる図２に示す帯電機構（メッシュ体）２５を、プラズマ生成チャンバ１と被処理基板１３との間に設けている。このメッシュ体２５に発生した電子の一部が帯電することで、中央と周辺の電子密度に応じた電位差が生じる。この電位差は、帯電過程で増幅し、電子密度を均一化する作用が大きくなる。
【００２７】
また、この時、メッシュ体２５は、帯電性の高い材料と帯電性の低い材料により細かく分離することで、更に電位差は効率良く増幅される。例えば本実施の形態では、図３に示すように、樹脂２７と石英２９からなるメッシュ体２５を備えている。即ち、棒状の石英２９と十字型をした樹脂２７とを組み合わせてメッシュ体２５を構成している。このような構成とすることにより、樹脂２７に帯電した電子の拡散が抑制され、電場の発生効率が向上し、電子密度分布との応答性が向上する。
【００２８】
なお、本実施の形態では、石英２９を棒状に形成し、樹脂２７を十字型に形成することでメッシュ体２５を構成するが、これとは逆に、石英２９を十字型に形成し、樹脂２７を棒状に形成してもよく、要するに、メッシュ体２５は、帯電性の高い材料と帯電性の低い材料により細かく分離される構造であれば同様の作用効果を奏する。
【００２９】
ここで、選択する材料は被処理基板１３である半導体装置へのコンタミネーションが懸念される。特にエッチング装置やアッシング装置ではその懸念は大きいが、通常被処理基板表面にフォトレジストが有ることを考慮すると、有機物汚染の影響は問題無いと言える。
【００３０】
また、上記の帯電機構には、帯電した電荷を除電する機構を具備していることが望ましい。この除電機構は、例えば、スイッチを介してグランド電位に接地できるように構成する。従って、この除電機構のスイッチを開閉制御することで、帯電した電荷を任意に放電することが可能となる。なお、除電機構は、この例に限定されるものではなく、この他の構成として、例えば放電させたい時に、グランド電位に接地している導電性の構造物が、任意に接触できる機構を具備することでも、同様の目的を達成できる。
【００３１】
また、帯電が無い状態でプラズマを発生させた直後は、電子密度分布に作用する充分な電場は形成されていない。そこで、上記した半導体製造装置（ヘリコン波プラズマ装置１００）を用いた半導体装置の製造方法にあっては、被処理基板１３に対する所望のプラズマ処理の事前に、帯電機構を帯電させておくことで、より高い均一性を達成することが可能となる。このように、放電と事前帯電とを導入することで、安定した処理を実現することができる。
【００３２】
そして、これらの操作は、例えば被処理基板１３の交換中に行うことで、生産性の悪化を伴わずに実現できる。更に連続に複数個のメッシュ体２５を具備することで、更に高い均一性を確保することも可能となる。
【００３３】
また、真空度やガス流量などの諸条件により、このメッシュ体２５が有効に作用する位置が決まるので、これらのメッシュ体２５は可動式で有ることが望ましい。
【００３４】
このように、上記の半導体製造装置によれば、プラズマ装置の電子密度分布を均一化することが可能となり、所望のプラズマ処理の均一性を向上させることができる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、中央の電流密度が高い状態を想定して説明したが、本技術はその電子分布にのみ有効なものではない。従って、例えば反対に外周方向電子密度が高い場合や、或るいは偏析する分布であっても、電位分布の傾向が再現するのであれば、有効に作用する技術である。
【００３６】
次に、本発明に係る半導体製造装置の第２の実施の形態を説明する。
図４は本発明に係る半導体製造装置の第２の実施の形態の概略構成を表す模式図、図５は図４に示した電極の平面図である。なお、図１に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
この実施の形態では、電子密度分布の不均一を解消する電場を電子密度分布自身で形成する技術を提案する。即ち、本実施の形態による半導体製造装置であるヘリコン波プラズマ装置２００は、プラズマ形成時に生じる電子密度分布の不均一性が電場による作用で均一化することに注目し、外部から電圧を印加できる電場発生機構３０を具備する。
【００３７】
上記のヘリコン波プラズマ装置１００において中央の電流密度が高い例では、帯電性の構造物の導入によって中央から外周に電子を拡散させることを目的としている。つまり周辺から中央への電場を誘導することで達成できた。そこで、本実施の形態による半導体製造装置２００では、図４に示すように、中央と周辺に、中央電極３１と周辺電極３３とを設置した。図５に示すように、周辺電極３３は、プラズマ拡散チャンバ１７の内周に沿う円環状に形成され、中央電極３１はこの周辺電極３３の中心に配置される。そして、中央電極３１と周辺電極３３とに所望の電場が発生するＤＣ電源３５を接続することで、電子密度を制御することが可能となる。この時、印加する電圧や印加方向は任意に変更できるものが望ましい。
【００３８】
次に、本発明に係る半導体製造装置の第３の実施の形態を説明する。
図６は本発明に係る半導体製造装置の第３の実施の形態の概略構成を表す模式図、図７は図６に示した容器の平面図、図８は図７に示した容器の部分拡大図である。なお、図１、図６に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
この実施の形態では、外部から電流を印加することで電子密度分布を制御する技術を提案する。即ち、本実施の形態による半導体製造装置であるヘリコン波プラズマ装置３００は、磁場の作用を利用する構成である磁場発生機構４１をプラズマ拡散チャンバ１７に有している。
【００３９】
磁場発生機構４１は、図７に示すように、中央電極３１と周辺電極３３とを設置し、中央電極３１を中心に、複数の円筒状の容器４３を半径方向に放射状に配設している。それぞれの容器４３には、磁場を発生させる手段としての磁性流体４５が封入されている。
【００４０】
磁性流体４５は、例えば液相中にマグネタイトなどの微細な金属酸化物磁性粒子をきわめて安定に分散させたもので、流動性を示し、磁場を印加することにより、液中の粒子を迅速にかつ可逆的に作動させることができる。また、流体の流動性、粘度などを迅速かつ可逆的に変化させることが可能であり、更には流動性を全く示さないゲル状態にまで変化する機能性を有する。金属酸化物磁性流体としては、マグネタイト粒子にオレイン酸を吸着させて、ケロシンに分散させた油ベースのものが知られている（特開昭５３−１７１１８号公報）。磁性流体に用いられる金属成分としては、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、マンガン、アルミニウム、銅、サマリウム、ネオジム等の金属、また鉄−ニッケル、鉄−コバルト、鉄−銅、鉄−コバルトーアルミニウム合金等の金属合金が挙げられる。
【００４１】
このヘリコン波プラズマ装置３００では、中心の中央電極３１に電流を流すと、磁性流体４５はフレミングの法則に従う磁場を形成する方向に配列する。すると、図８に示すように、容器４３の外部ではこの磁場を打ち消す方向に電子の移動が誘導される。
【００４２】
上記のヘリコン波プラズマ装置３００において、中央での電流密度が高い例では、中央から外周に電子を拡散させることを目的としている。図８に示すように、容器４３外部の電子は容器４３内部に印加する電流方向で制御することができる。磁性流体４５には磁化率の高い材料を採用することが望ましい。また、中央電極３１に印加する電流を可変にすることで、外部に発生する磁場強度を制御することが可能となる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、円筒状の容器４３が放射状に配設される場合を例に説明したが、磁場発生機構４１は、二つの容器４３が中央電極３１を挟み直径方向に直線状に設けられるものであってもよい。更に、磁場発生機構４１は、上記した複数の容器４３を周辺電極３３の内側に放射状に配設したものを、図６の上下方向に同軸上で多段状に複数設置するものであってもよく、このような構成とすることで、電子密度分布のより高い均一性を得ることができるようになる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、プラズマ装置の電子密度分布を均一化することが可能となり、所望のプラズマ処理の均一性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体製造装置の概略構成を表す模式図である。
【図２】図１に示したメッシュ体の平面図である。
【図３】図２に示したメッシュ体の部分拡大図である。
【図４】本発明に係る半導体製造装置の第２の実施の形態の概略構成を表す模式図である。
【図５】図４に示した電極の平面図である。
【図６】本発明に係る半導体製造装置の第３の実施の形態の概略構成を表す模式図である。
【図７】図６に示した容器の平面図である。
【図８】図７に示した容器の部分拡大図である。
【符号の説明】
１…プラズマ生成部、１３…被処理基板（半導体基板）、１７…プラズマ拡散チャンバ（反応室）、２５…メッシュ体（帯電機構）、２７…樹脂、２９…石英、３０…電場発生機構（ＤＣ電源により電場を発生させる機構）、４１…磁場発生機構（磁場を発生させる手段）、４３…容器、４５…磁性流体、１００，２００，３００…半導体製造装置

Claims

半導体基板にプラズマ処理を実施する反応室と、プラズマを生成するプラズマ生成部とを有し、荷電粒子の密度分布が前記半導体基板へのプラズマ処理均一性に影響を及ぼす半導体製造装置において、
前記反応室内に帯電機構を具備し、該帯電機構が荷電粒子の密度分布を反映した電場を形成することを特徴とする半導体製造装置。
請求項１記載の帯電機構が、メッシュ体であることを特徴とする半導体製造装置。
請求項２記載のメッシュ体が、帯電性の高い樹脂を帯電性の低い石英で複数の領域に分離した形状であることを特徴とする半導体製造装置。
請求項１記載の帯電機構に、除電機構を備えたことを特徴とする半導体製造装置。
請求項１記載の帯電機構を、連続に複数具備することを特徴とする半導体製造装置。
半導体基板にプラズマ処理を実施する反応室と、プラズマを生成するプラズマ生成部とを有し、荷電粒子の密度分布が前記半導体基板へのプラズマ処理均一性に影響を及ぼす半導体製造装置において、
前記反応室内にＤＣ電源により電場を発生させる機構を備えることを特徴とする半導体製造装置。
半導体基板にプラズマ処理を実施する反応室と、プラズマを生成するプラズマ生成部とを有し、荷電粒子と磁場の相互作用を利用した半導体製造装置において、
前記磁場を発生させる手段として、磁性流体を用いたことを特徴とする半導体製造装置。
請求項７記載の半導体製造装置において、
前記磁場を発生させる磁場発生機構を有し、該磁場発生機構が、前記磁性流体を封入した容器と、該容器の内部に電流を印加する手段とから成ることを特徴とする半導体製造装置。
請求項８記載の電流を印加する手段は、印加電流量及び極性を任意に変更可能であることを特徴とする半導体製造装置。
請求項８記載の電流を印加する手段は、プラズマ中の電子の一部を捕獲する電極とグランド電位との間に可変抵抗を設置して成ることを特徴とする半導体製造装置。
請求項１〜１０記載の半導体製造装置が、ヘリコン波プラズマ装置であることを特徴とする半導体製造装置。
請求項１記載の半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記帯電機構への帯電を、所望のプラズマ処理の事前に実施しておくことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項４記載の半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記除電機構による除電を、所望のプラズマ処理が終了する毎に実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。