JP2015015249A - プラズマ発生装置、プラズマ処理装置、プラズマ発生方法およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ励起領域の周辺に存在する電極等の部材材料が加速された電子によりスパッタされることを実質的に無くすことができるプラズマ発生装置を提供する。【解決手段】主面および背面を有するプラズマ形成用の電極と、周波数が２００ＭＨｚ以上の高周波電力を前記電極に供給する高周波供給部と、前記電極の前記背面側に設けられ、Ｎ極が前記背面に対向配置された第１の固定磁石５６とＳ極が前記背面に対向配置された第２の固定磁石５８とを含み、励起されるプラズマを前記主面付近に閉じ込めるためのループ状の磁場領域ＬＭＲを形成する磁場形成機構と、を有し、前記磁場形成機構の形成するループ状の磁場領域ＬＭＲは、前記主面に平行な方向に３０００ガウス以上の強磁場を有する。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、プラズマ発生装置およびこのプラズマ発生装置を用いたプラズマ処理装置と、プラズマ発生方法およびこのプラズマ発生方法を用いたプラズマ処理方法とに関する。

プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等のプラズマ処理プロセスでは、シリコンウエハ等の基板の表面に入射するイオン照射エネルギーを低く抑えてイオン照射ダメージを低減するために、電子温度の低いプラズマが求められている。一般に、プラズマ励起周波数を高くすると、プラズマ密度が増加し電子温度が低下する。そこで、通常の高周波電源の周波数である１３．５６ＭＨｚより高い３０〜３００ＭＨｚのＶＨＦ（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の高周波をプラズマ処理に用いることが行われている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平９−３１２２６８号公報 特開２００９−０２１２５６号公報

例えば、マイクロ波プラズマ技術においては、上記したようにプラズマ励起周波数を高くすれば、励起されたプラズマが拡散する拡散プラズマ領域におけるイオン照射エネルギーを十分に低下させることができ、シリコンウエハのイオン照射ダメージをほぼなくすことができる段階にきている。しかしながら、プラズマ励起領域においては、強いマイクロ波電界により電子が加速されるため、イオン照射エネルギーが数十ｅＶまで上昇してしまう。その結果、加速された電子より、電界形成用の電極や処理チャンバの内壁面等のプラズマ励起領域の周辺に存在する部材材料がスパッタされ、このスパッタされた材料がシリコンウエハに付着することによるコンタミネーションが発生する。

本発明の目的は、シリコンウエハ等の被処理体のイオン照射ダメージを無くすことができる程度にプラズマの電子温度を低下させることに加えて、プラズマ励起領域の周辺に存在する電極等の部材材料が加速された電子によりスパッタされることを実質的に無くすことができるプラズマ発生装置および方法を提供することにある。また、本発明の目的の一つは、このプラズマ発生装置および方法を用いた、プラズマ処理装置および方法を提供することにある。

本発明のプラズマ発生装置は、主面および当該主面とは反対の背面とを有するプラズマ形成用の電極と、周波数が２００ＭＨｚ以上の高周波電力を前記プラズマ形成用の電極に供給する高周波供給部と、前記電極の背面側に設けられ、Ｎ極が前記背面に対向配置された第１の固定磁石とＳ極が前記背面に対向配置された第２の固定磁石とを含み、前記第１の固定磁石のＮ極から出て前記電極を透過して前記第２の固定磁石のＳ極に入る磁力線を用いて、励起されるプラズマを前記主面付近に閉じ込めるためのループ状の磁場領域を形成する磁場形成機構と、を有し、前記磁場形成機構の形成するループ状の磁場領域は、前記主面に平行な方向に３０００ガウス以上の強磁場を有する、ことを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、上記のプラズマ発生装置を用いて、前記電極の主面に対向して配置される被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記電極は、プラズマ化すべき原料ガスを前記ループ状の磁場領域へ供給するための原料ガス供給部を、前記ループ状の磁場領域に対応する領域に備えることを特徴とする。

本発明のプラズマ発生方法は、主面および当該主面とは反対の背面とを有するプラズマ形成用の電極に、周波数が２００ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、前記電極の背面側に設けられ、Ｎ極が前記背面に対向配置された第１の固定磁石とＳ極が前記背面に対向配置された第２の固定磁石とを含む磁場形成機構を用いて、前記第１の固定磁石のＮ極から出て前記電極を透過して前記第２の固定磁石のＳ極に入る磁力線を用いて、励起されるプラズマを前記主面付近に閉じ込めるためのループ状の磁場領域を形成し、前記ループ状の磁場領域が、前記主面に平行な方向に３０００ガウス以上の強磁場を有するように、前記ループ状の磁場領域を形成する、ことを特徴とする。

本発明のプラズマ処理方法は、上記のプラズマ発生方法を用いて、前記電極の主面に対向して配置される被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、前記電極の前記ループ状の磁場領域に対応する領域に設けられた原料ガス供給部から、プラズマ化すべき原料ガスを前記ループ状の磁場領域へ供給する、ことを特徴とする。

本発明では、プラズマ形成用の電極に、周波数が２００ＭＨｚ以上の高周波電力を供給してプラズマを励起し、励起されたプラズマを電極の主面に形成したループ状の磁場領域に閉じ込める。そして、ループ状の磁場領域を主面に平行な方向の磁場強度が３０００ガウス以上の強磁界を有するものとすることで、プラズマを磁力線に強く巻き付かせてプラズマ密度をさらに高めることができ、その結果、閉じ込められたプラズマの電子温度をプラズマ励起領域周辺に配置されたプラズマ形成用の電極等の部材をスパッタしない程度まで低下させることができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す断面図。 図１の円IIＡ内の拡大図。 シャワープレートのガス供給孔の配列を示す図。 図１の装置の磁場形成機構の構成を示す平面図。 磁場形成機構の他の例を示す平面図。 磁場形成機構のさらに他の例を示す平面図。 固定磁石とループ状磁場領域との関係を示す断面図。 主面に形成されるループ状磁場領域の水平磁場強度分布を示すグラフ。 給電部の構造を示す図１のVI-VI線の断面図。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

ここで、本発明の基本原理を説明する。本発明では、シリコンウエハ等の被処理体のイオン照射によるダメージを除去するために、従来から実施されてきたプラズマ励起周波数の高周波化を行う。これに加えて、磁場による閉じ込め効果を利用して、供給される高周波電力をプラズマの加速のためではなく、プラズマ密度を増加させるためのエネルギーに転換する。ここで、本発明者らは、プラズマ閉じ込めのための磁場領域が、電極の主面に平行な方向の磁場（以下、水平磁場と呼ぶ。）の強度が３０００ガウス以上の強磁場を有するものにすることにより、プラズマが磁力線に強く巻き付くことでプラズマ閉じ込め効果が向上してプラズマ密度が高まり、プラズマ励起領域のプラズマの電子温度をプラズマ形成用の電極やその周辺の部材のスパッタが実質的に発生しない程度まで下げることができることを新たに見出した。プラズマ密度が高まるということは、投入された高周波電力がプラズマ密度の上昇に消費されて、プラズマの電子温度が下がることを意味する。本発明のプラズマ発生装置は、これに限定されるわけではないが、「水平方向強磁界印加高周波励起プラズマ装置」とも呼ぶことができるものである。

本実施形態に係るプラズマ処理装置（以下、装置１という。）は、図１に示すように、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の各種プラズマ処理に用いられる。装置１は、密閉空間２０１を画定する金属製の処理チャンバ２００、処理チャンバ２００内に設置された窒化アルミニウム等から形成されたシリコンウエハ等の基板Ｗを載置するためのステージ２２０、ステージ２２０の上方に設けられたプラズマ形成用の電極１０、電極１０に設置された磁場形成機構５０、電極１０に電気的に接続された給電部６０、処理チャンバ２００の上蓋２０２上に設けられた整合器７０、および、電源１００を有する。ステージ２２０は、回転軸線Ｃを中心に基板Ｗを回転可能になっている。

処理チャンバ２００は、アルミニウム合金、ステンレス等の導電性材料で形成され、基準電位に接続されている。処理チャンバ２００の底部には、処理チャンバ２００内の雰囲気を排気するための排気口２０５が設けられ、この排気口２０５に処理チャンバ２００の外部に設置された図示しない真空ポンプなどの排気装置が接続される。この排気装置により、密閉空間２０１は減圧される。

電極１０は、導電性の板状部材で形成され、非磁性材料、例えば、表面に陽極酸化膜が形成されたアルミニウム合金で形成されている。電極１０は、外周部を酸化アルミニウム等の絶縁体で形成された保持部材８０で保持され、ステージ２２０に対向する側に平面からなる主面１０ａと主面１０ａとは逆に背面１０ｂを備えている。保持部材８０は、処理チャンバ２００の上部に固定され、電極１０との間はＯリング８２でシールされ、処理チャンバ２００との間はＯリング８４でシールされている。電極１０は、図２Ａに示すように、背面１０ｂに、磁場形成機構５０の後述する固定磁石５６，５８を埋め込むための溝１１が形成され、主面１０ａ側には、例えば、ＳｉＨ₄、Ｎ₂、Ｏ₂、Ｎ₂Ｏ等の原料ガスを供給するためのガス流路１２が形成され、内部には電極１０の過熱を防ぐための冷却水が通過する冷却水流路１４が形成されている。ガス流路１２の主面１０ａ側には、シャワープレート２０が、主面１０ａと面一となるように電極１０に一体的に設けられている。すなわち、シャワープレート２０の表面は、主面１０ａの一部を構成している。シャワープレート２０は、電極１０と同じ材料で形成されている。シャワープレート２０には、ガス供給孔２１が多数形成されており、ガス供給孔２１は、図２Ｂに示すように配列されており、例えば、孔径０．２ｍｍ、ピッチ０．５ｍｍで圧力５００ｍＴｏｒｒ，ガス流量１０００ｓｃｃｍの条件か５ｍ／ｓのガス流速でガスを供給可能である。なお、シャワープレート２０の配置については後述する。

磁場形成機構５０は、平板状に形成されたヨーク５２と、ヨーク５２の下面に設けられた第１の固定磁石としての磁石５６および第２の固定磁石としての磁石５８とを有する。ヨーク５２は、鉄で形成されており、下面以外の表面がアルミニウム合金等で形成された導電性カバー５３で覆われている。これは、抵抗が比較的高い鉄製のヨーク５２に高周波電流が流れると発熱によるエネルギー損失が生じることから、アルミニウム合金等の抵抗の低い材料でヨーク５２を覆うことで、これを防ぐためである。

磁石５６，５８は、板状磁石からなり、強い磁界を安定して発生させるために、Ｓｍ−Ｃｏ系焼結磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石等の残留磁束密度、保磁力、エネルギー積の高い磁石が用いられる。磁石５６，５８は、図２Ａに示す電極１０の背面側に形成された溝１１に埋め込まれている。磁石５６，５８の表面には、フッ化炭素樹脂（商品名：テフロン（登録商標））等の絶縁材料が被覆されており、電極１０と磁石５６，５８との間は電気的に絶縁されている。各磁石５６，５８はその表面に垂直な方向に磁化されている。磁石５６は、Ｎ極が電極１０の背面１０ｂに対向配置され、図３Ａに示すように、Ｙ軸方向に延在するとともにＸ軸方向に等間隔で配列されている。磁石５８は、Ｓ極が電極１０の背面１０ｂに対向配置され、隣り合う２つの磁石５６の間に配置されるとともにＹ軸方向に沿った複数の長手部５８ａと、複数の長手部５８ａの両端部を互いに接続する連結部５８ｂとからなる。磁石５６と磁石５８の長手部５８ａとの間は、一定のギャップが形成されている。磁石５６と磁石５８の連結部５８ｂとの間にも、一定のギャップが形成されている。なお、図３Ａにおいて、Ｘ軸方向の両端部の２つの長手部５８ａの幅は、他の長手部５８ａの幅よりも狭くなっている。磁石５６は、例えば、幅が２０ｍｍ、長さが３３０ｍｍの寸法を有し、磁石５８は、例えば、Ｘ軸方向の全幅が４１０ｍｍ、Ｙ軸方向の全幅が３９０ｍｍ、両端以外の長手部５８ａの幅が２０ｍｍ、両端の長手部５８ａの幅が１５ｍｍ、連結部５８ｂの幅が１０ｍｍの寸法を有する。

ここで、図４に概略的に示すように、磁石５６のＮ極から出る磁力線の一部ＭＦＬは、磁石５６のＮ極と磁石５８のＳ極とが隣り合わせになっていることから、電極１０を透過して電極１０の主面１０ａを通過し、再び、電極１０を透過して、隣り合う磁石５８のＳ極に入る。この磁力線ＭＦＬは、磁石５６の全周囲に形成され、これにより、図３Ａｎｉ点線で示す領域に、励起されるプラズマを主面１０ａ付近に閉じ込めるためのループ状の磁場領域ＬＭＲが形成される。本発明では、磁場領域ＬＭＲは、主面１０ａに平行な方向に３０００ガウス以上の強磁場を有するように、磁場形成機構５０が構成される。主面１０ａに平行な方向の磁場を水平磁場と呼ぶ。図５のグラフは、電極１０の主面１０ａから垂直方向に８ｍｍ離れた位置のＸ軸上の水平磁場の強度分布を示している。磁場領域ＬＭＲは、水平磁場強度が３０００ガウスを越える領域に形成される。ループ状の磁場領域ＬＭＲの幅は、例えば、１０ｍｍ程度である。そして、上記したシャワープレート２０は、このループ状の磁場領域ＬＭＲに対向する位置に設けられる。これにより、プラズマ化すべき原料ガスをループ状の磁場領域ＬＭＲに直接的に供給可能となる。

電源１００は、同軸ケーブル１０１を通じて２００ＭＨｚ以上の高周波電力を整合器７０および給電部６０を通じて電極１０に供給する。本実施形態では、２００ＭＨｚの高周波電力を供給する。給電部６０は、整合器７０と電気的に接続された受電ロッド６６、受電ロッド６６と電気的に接続された導電板６２、導電板６２に電気的に接続された給電ロッド６８、および、位相調整板６４を有する。図６に示すように、導電板６２は、その中央部に受電ロッド６６が接続されるとともに、中央部から八方向に分岐する第１および第２の分岐部６２ａ，６２ｂを有する。各第１および第２の分岐部６２ａ，６２ｂの先端部には、それぞれ給電ロッド６８の一端が接続されている。給電ロッド６８の他端は、電極１０の背面１０ｂに電気的に接続されている。受電ロッド６６および導電板６２は、例えば、銅合金で形成され、給電ロッド６８は、例えば、アルミニウム合金で形成されている。４つの第１の分岐部６２ａは、電気的に等しい長さを有し、４つの第２の分岐部６２ａは、電気的に等しい長さを有するとともに、第１の分岐部６２ａよりも短い。位相調整板６４は、例えば、石英等の誘電体で形成され、４つの第２の分岐部６２ａ上に設けられている。位相調整板６４は、第２の分岐部６２ｂに供給される高周波電力の位相を調整して、８箇所に設けられた給電ロッド６８に同位相の高周波電力を供給するために設けられている。

装置１では、２００ＭＨｚの高周波電力が整合器７０および給電部６０を通じて電極１０に供給されると、電極１０の主面１０ａ付近でプラズマが励起される。主面１０ａ付近のプラズマ励起領域、特に、シャワープレート２０上には、ループ状の磁場領域ＬＭＲが形成されていることから、励起されたプラズマは、ループ状の磁場領域ＬＭＲによってシャワープレート２０の表面付近に閉じ込められ、ループに沿って移動する。そして、シャワープレート２０のガス供給孔２１から供給される原料ガスは、プラズマ化される。このとき、ループ状の磁場領域ＬＭＲの水平磁場強度が３０００ガウス以上とすることにより、プラズマが磁力線に強く巻き付き、プラズマ閉じ込め効果が向上してプラズマ密度が高まる。その結果、磁場領域ＬＭＲに閉じ込められたプラズマの電子温度を、電極１０、その周辺に配置された部材、処理チャンバ２００の内壁面のスパッタが実質的に発生しない程度まで下げることができることが分かった。これにより、プラズマ処理される基板Ｗ上に、スパッタされた材料が付着することがなくなり、成膜品質を改善できることが分かった。

また、本実施形態では、上記したように、ステージ２２０上の基板Ｗは、回転軸線Ｃを中心に回転可能になっている。このとき、図３Ａに示すように、円盤状の基板Ｗの中心を回転軸線Ｃに対して例えば１０ｍｍ程度偏心させて回転させると、円盤状の基板Ｗは円ＭＷの領域内を移動する。これにより、磁場領域ＬＭＲを縦長のループ状にしたとしても、基板Ｗ上に形成される膜の均一性を確保できる。

上記実施形態では、磁場形成機構５０の磁石５６，５８をラダー状に配置した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。３０００ガウス以上の強磁場を形成できるものであればいずれの構成も採用できる。例えば、図３Ｂに示すように、第１の固定磁石として、円柱状の磁石５６Ａおよび環状の磁石５６Ｂ，５６Ｃを同心に配置し、第２の固定磁石として、環状の磁石５８Ａおよび５８Ｂを磁石５６Ａと磁石５６Ｂと磁石５６Ｃとの間に配置する構成も採用可能である。また、図３Ｃに示すように、第１の固定磁石としての磁石１５６（１５６ａ，１５６ｂ）と、第２の固定磁石としての磁石１５８とを、酸化アルミニウム等の絶縁体５９（５９ａ，５９ｂ）で分離することも可能である。具体的には、複数の磁石１５６ａの間、磁石１５６ａと１５６ｂとの間、および、複数の磁石１５８の間に絶縁体５９ａ，５９ｂを挿入する。

上記実施形態では、プラズマ処理としてプラズマＣＶＤを例示したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、プラズマエッチング等の他のプラズマ処理にも適用可能である。

上記実施形態では、本発明のプラズマ発生装置をプラズマ処理に用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、電極等をスパッタしない程度に電子温度が低くかつ高密度のプラズマの発生が必要な状況に応用できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ プラズマ処理装置
１０ 電極
１０ａ 主面
１０ｂ 背面
２０ シャワープレート
２１ ガス供給孔
５０ 磁場形成機構
５６ 磁石（第１の固定磁石）
５８ 磁石（第２の固定磁石）
７０ 整合器
１００ 電源
２００ 処理チャンバ
ＬＭＲ ループ状の磁場領域
ＭＦＬ 磁力線
ＰＬ プラズマ

Claims (4)

1. 主面および当該主面とは反対の背面とを有するプラズマ形成用の電極と、
   周波数が２００ＭＨｚ以上の高周波電力を前記プラズマ形成用の電極に供給する高周波供給部と、
   前記電極の背面側に設けられ、Ｎ極が前記背面に対向配置された第１の固定磁石とＳ極が前記背面に対向配置された第２の固定磁石とを含み、前記第１の固定磁石のＮ極から出て前記電極を透過して前記第２の固定磁石のＳ極に入る磁力線を用いて、励起されるプラズマを前記主面付近に閉じ込めるためのループ状の磁場領域を形成する磁場形成機構と、を有し、
   前記磁場形成機構の形成するループ状の磁場領域は、前記主面に平行な方向に３０００ガウス以上の強磁場を有し、
   前記電極の主面に対向して配置される被処理体を前記ループ状の磁場領域に対して処理中に移動させる移動機構を有する、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記電極は、プラズマ化すべき原料ガスを前記ループ状の磁場領域へ供給するための原料ガス供給部を、前記ループ状の磁場領域に対応する領域に備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 主面および当該主面とは反対の背面とを有するプラズマ形成用の電極に、周波数が２００ＭＨｚ以上の高周波電力を供給し、
   前記電極の背面側に設けられ、Ｎ極が前記背面に対向配置された第１の固定磁石とＳ極が前記背面に対向配置された第２の固定磁石とを含む磁場形成機構を用いて、前記第１の固定磁石のＮ極から出て前記電極を透過して前記第２の固定磁石のＳ極に入る磁力線を用いて、励起されるプラズマを前記主面付近に閉じ込めるためのループ状の磁場領域を形成し、
   前記ループ状の磁場領域が、前記主面に平行な方向に３０００ガウス以上の強磁場を有するように、前記ループ状の磁場領域を形成し、
   前記電極の主面に対向して配置される被処理体を前記ループ状の磁場領域に対して処理中に移動させる、
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 前記電極の前記ループ状の磁場領域に対応する領域に設けられた原料ガス供給部から、プラズマ化すべき原料ガスを前記ループ状の磁場領域へ供給する、ことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理方法。
   

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