JP2019050281A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】一つの実施形態は、基板に対する加工精度を容易に向上できるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】一つの実施形態によれば、ステージとクラスタ生成機構とプラズマ生成機構とを有するプラズマ処理装置が提供される。ステージは、処理室内に配されている。ステージには、基板が載置される。クラスタ生成機構は、処理ガスをクラスタ化させクラスタガスを生成する。プラズマ生成機構は、処理ガス及びクラスタガスの少なくとも一方のプラズマを処理室内に生成する。プラズマ生成機構は、生成されたプラズマを用いて基板を処理する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、プラズマ処理装置に関する。
近年、半導体装置の微細化が進むことに伴い、半導体装置の加工技術における加工条件が多様化するとともに加工条件ごとに加工精度の向上が望まれている。それに伴い、プラズマ処理装置を用いたエッチング技術において、処理対象の基板に対する加工精度を向上することが望まれる。
特開平５−１０２０８３号公報 特許第２６３９１５８号公報 特開２０１６−１９２５３４号公報 特開２０１４−０６０２２１号公報
一つの実施形態は、基板に対する加工精度を容易に向上できるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、ステージとクラスタ生成機構とプラズマ生成機構とを有するプラズマ処理装置が提供される。ステージは、処理室内に配されている。ステージには、基板が載置される。クラスタ生成機構は、処理ガスをクラスタ化させクラスタガスを生成する。プラズマ生成機構は、処理ガス及びクラスタガスの少なくとも一方のプラズマを処理室内に生成する。プラズマ生成機構は、生成されたプラズマを用いて基板を処理する。
図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す図である。 図２は、実施形態におけるクラスタ生成機構の構成を示す図である。 図３は、実施形態におけるシャワーヘッドの構成を示す平面図である。 図４は、実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置の構成を示す図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかるプラズマ処理装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
（実施形態）
実施形態にかかるプラズマ処理装置について説明する。半導体装置の製造工程において、プラズマ処理装置は、処理ガスのプラズマを生成して処理ガスをイオン化し、処理ガスのイオン（反応性イオン）を基板上の被加工膜に照射することで、被加工膜に微細なエッチング加工を施す。半導体装置の微細化が進むことに伴い、プラズマ処理装置を用いたエッチング技術において、処理対象の基板に対する加工精度を向上することが望まれる。
例えば、微細寸法の穴を高アスペクト比で加工することが要求され得る。被加工膜の上にレジスト等で微細寸法の穴に対応したマスクパターンを形成し、マスクパターンをマスクとしてプラズマ処理装置を用いた被加工膜のエッチング加工を開始すると、レジスト又は被加工膜の表面に意図しないスパッタリングが発生することがある。レジスト又は被加工膜の表面にスパッタリングが発生すると、スパッタリングで除去された物質が加工箇所（微細寸法の穴）の内側面等に堆積され加工箇所（微細寸法の穴）が閉塞されてエッチング不足となり高アスペクト比の加工が困難になることがある。堆積された物質がエッチング除去されるように加工エネルギーを増加させると、加工寸法（穴の径）が広がってしまい、微細加工が困難になりやすい。
そこで、本実施形態では、プラズマ処理装置１にクラスタ生成機構を追加し、処理ガスのプラズマ処理とクラスタガスのプラズマ処理とをそれぞれ処理室内で行えるようにプラズマ処理装置１を構成することで、エッチング加工の精度向上を図る。
具体的には、プラズマ処理装置１は、図１に示すように構成され得る。図１は、プラズマ処理装置１の構成を示す図である。
プラズマ処理装置１は、処理室９０、ガス供給制御部５０、クラスタ生成機構４０、下部電極１０、シャワーヘッド３０、プラズマ生成機構２０、排気制御部６０、及びコントローラ８０を備える。
処理室９０は、その内部でプラズマＰＬが発生されるための室であり、処理容器２により形成されている。処理容器２は、ガス供給制御部５０から処理室９０へ処理ガス及び／又はクラスタガスが供給可能なように構成されているとともに、処理室９０から排気制御部６０へ処理済の処理ガス及び／又はクラスタガスが排気可能なように構成されている。
ガス供給制御部５０は、処理ガス及び／又はクラスタガスの処理室９０への供給量（処理室９０へ供給する処理ガス及び／又はクラスタガスの流量）を制御する。具体的には、ガス供給制御部５０は、複数のガス供給管５４ａ，５４ｂ、複数の開閉弁５１ａ，５１ｂ、複数の流量制御器５３ａ，５３ｂ、複数の開閉弁５２ａ〜５２ｃ、複数のガス供給管５５ａ〜５５ｃ、開閉弁５４、及びガス供給管５６を有する。
クラスタ生成機構４０は、開閉弁５１ａが開状態になった際にガスボンベ９１から開閉弁５１ａ経由で処理ガスＡを受ける。クラスタ生成機構４０は、処理ガスＡをクラスタ化させクラスタガスを生成する。処理ガスＡは、例えば、不活性ガス又は他のガスを含むことができる。不活性ガスは、Ａｒガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２ガス、Ｏ２ガスを含むことができる。他のガスは、Ｃｌ２ガス、ＳＦ６ガスを含むことができる。
例えば、クラスタ生成機構４０は、図２に示すように構成されている。図２は、クラスタ生成機構４０の構成を示す図である。クラスタ生成機構４０は、ノズル４１、スキマー４２、及び真空容器４３を有する。ノズル４１及びスキマー４２は、真空容器４３内に配されている。真空容器４３内は、排気制御部６０等により真空排気される。
ノズル４１は、原子又は分子を比較的高圧（例えば、数気圧）に加圧して噴射ノズルの小孔から噴出させる。ノズル４１から噴出された処理ガスＡの超音速噴流は、断熱膨張過程で熱運動が並進運動に変換されて温度が下がる。これにより、原料ガスの原子又は分子がファンデルワールスカによって数百〜数千個の原子（分子）の集団の集まりとなり、電気的に中性なクラスタガスが生成される。クラスタガスの進行方向には、スキマー４２が配置されている。スキマー４２は、ノズル４１から噴出された処理ガスＡのうちクラスタガスに濃縮加工されなかったガス分子を部分的に分割し、クラスタガスを下流側へ送る。
図１に示すクラスタ生成機構４０は、生成されたクラスタガスを流量制御器５３ａへ排出する。
ガス供給制御部５０において、複数のガス供給管５４ａ、５４ｂには、それぞれ、ガスボンベ９１，９２から処理ガスＡ、処理ガスＢが供給される。複数の開閉弁５１ａ，５１ｂは、それぞれ、コントローラ８０により制御される。これにより、開閉弁５１ａは、所定のタイミングで開状態になることにより、処理ガスＡをクラスタ生成機構４０へ供給する。開閉弁５１ｂは、所定のタイミングで開状態になることにより、処理ガスＢを流量制御器５３ｂへ供給する。複数の流量制御器５３ａ，５３ｂは、それぞれ、コントローラ８０により制御され、供給されたクラスタガス、処理ガスＢの流量を制御する。複数の開閉弁５２ａ〜５２ｃは、それぞれ、コントローラ８０により制御され、所定のタイミングで開状態になることにより、流量制御器５３ａから供給されたクラスタガスをガス供給管５５ａ〜５５ｃ及びシャワーヘッド３０経由で処理室９０へ供給する。開閉弁５４は、コントローラ８０により制御され、所定のタイミングで開状態になることにより、流量制御器５３ｂから供給された処理ガスＢをガス供給管５６及びシャワーヘッド３０経由で処理室９０へ供給する。
下部電極１０は、絶縁材（図示せず）を介して処理容器２から絶縁されるように、処理室９０内の底面側に配されている。下部電極１０には、シリコンウエーハ等の被処理基板ＷＦが載置される。下部電極１０は、ステージ１１及び電極１２を有する。ステージ１１は、電極１２を覆っている。電極１２は、プラズマ生成機構２０から電力が供給され、ステージ１１を介して電力を被処理基板ＷＦまで供給する。ステージ１１及び電極１２は、それぞれ、例えばステンレス、アルミ等の金属で形成されている。
シャワーヘッド３０は、ステージ１１に対向するように配されており、下部電極１０に対する上部電極として機能し得る。シャワーヘッド３０は、例えばステンレス、アルミ等の金属で形成されている。シャワーヘッド３０は、電気的に接地されている。シャワーヘッド３０と処理容器２とで囲まれて形成される空間は、処理ガスＢが拡散するための拡散室９２として機能し得る。
シャワーヘッド３０は、複数の導入孔（複数の第１の導入孔）３１及び複数の導入孔（複数の第２の導入孔）３２を有する。各導入孔３１は、拡散室９２に対して閉塞されているとともにガス供給管５５ａ〜５５ｃと処理室９０とを連通させている。これにより、各導入孔３１は、クラスタガスを処理室９０へ供給可能である。すなわち、ガス供給管５４ａ、開閉弁５１ａ、クラスタ生成機構４０、流量制御器５３ａ、開閉弁５２ａ〜５２ｃ、ガス供給管５５ａ〜５５ｃ、導入孔３１を含む経路は、クラスタガスを処理室９０に導入する導入経路（第１の導入経路）を構成している。
各導入孔３２は、拡散室９２と処理室９０とを連通させている。拡散室９２には、ガス供給管５６が連通されている。これにより、各導入孔３２は、処理ガスＢを処理室９０へ供給可能である。すなわち、ガス供給管５４ｂ、開閉弁５１ｂ、流量制御器５３ｂ、開閉弁５４、ガス供給管５６、拡散室９２、導入孔３２を含む経路は、処理ガスＢを処理室９０に導入する導入経路（第２の導入経路）を構成している。
プラズマ生成機構２０は、処理室９０内における下部電極１０から隔てられた空間９１にクラスタガス及び／又は処理ガスＡのプラズマＰＬを発生させる。具体的には、プラズマ生成機構２０は、高周波電源２３、整合回路２２を有する。整合回路２２は、整合回路２２に対する高周波電源２３側のインピーダンスと、整合回路２２に対する電極１２側のインピーダンスとが均等になるようにインピーダンスの調整（インピーダンス整合）を行なう。インピーダンス整合が取れた状態において、高周波電源２３から下部電極１０に高周波電圧が供給される。これにより、シャワーヘッド３０及び下部電極１０の間に高周波電界が形成される。
排気制御部６０は、処理室９０の圧力および処理ガスの排気量を制御する。具体的には、排気制御部６０は、圧力センサ６１、排気管６３、圧力コントローラ６２、排気管６４、及び真空ポンプ６５を有する。圧力センサ６１は、処理室９０内の圧力を検知し、その圧力の値の情報を圧力コントローラ６２へ供給する。圧力コントローラ６２は、排気管６３を介して処理室９０に接続されているとともに、排気管６４を介して真空ポンプ６５に接続されている。圧力コントローラ６２は、開度を調整可能な調整弁（図示せず）を有し、圧力センサ６１から供給された圧力の値に応じて、処理室９０内の圧力が目標値になるように、調整弁の開度を制御する。これにより、処理室９０の圧力および処理ガスの排気量が制御される。
コントローラ８０は、プラズマ処理装置１における各部を全体的に制御する。具体的には、コントローラ８０は、ＣＰＵ８１及び記憶部８２を有する。記憶部８２は、レシピ情報を記憶している。ＣＰＵ８１は、記憶部８２に記憶されたレシピ情報の各処理条件に従い、プラズマ生成機構２０、ガス供給制御部５０、排気制御部６０を制御する。これにより、被処理基板ＷＦのプラズマ処理が行われる。
例えば、コントローラ８０は、第１の導入経路によりクラスタガスが処理室９０に導入されている状態で、高周波電源２３から下部電極１０に高周波電圧が供給され、シャワーヘッド３０及び下部電極１０の間に高周波電界が形成されるように制御する。この高周波電界により、処理室９０内における下部電極１０から隔てられた空間９１にクラスタガスのプラズマＰＬが発生する。この際、プラズマＰＬ領域と下部電極１０の間に電位勾配があるシース領域も形成され、プラズマＰＬ中にラジカルとともに生成されたイオンが被処理基板ＷＦ表面（下部電極１０側）へ加速されることで、被処理基板ＷＦの表面処理が行われ得る。
このとき、単原子に比べて非常に大きい原子数に依り構成されるクラスタガスに対して運動エネルギーが与えられるので、クラスタガスを構成する各原子に等価的に与えられるエネルギーが非常に小さくなる。したがって、クラスタガスを被処理基板ＷＦの表面に照射することで、低ダメージで、被処理基板ＷＦの表面処理を行うことができる。
あるいは、例えば、コントローラ８０は、第２の導入経路により処理ガスＢが処理室９０に導入されている状態で、高周波電源２３から下部電極１０に高周波電圧が供給され、シャワーヘッド３０及び下部電極１０の間に高周波電界が形成されるように制御する。この高周波電界により、処理室９０内における下部電極１０から隔てられた空間９１に処理ガスＢのプラズマＰＬが発生する。この際、プラズマＰＬ領域と下部電極１０の間に電位勾配があるシース領域も形成され、プラズマＰＬ中にラジカルとともに生成されたイオンが被処理基板ＷＦ表面（下部電極１０側）へ加速されることで、被処理基板ＷＦの異方性エッチングが行われ得る。
あるいは、例えば、コントローラ８０は、第１の導入経路によりクラスタガスが処理室９０に導入されているとともに第２の導入経路により処理ガスＢが処理室９０に導入されている状態で、高周波電源２３から下部電極１０に高周波電圧が供給され、シャワーヘッド３０及び下部電極１０の間に高周波電界が形成されるように制御する。この高周波電界により、処理室９０内における下部電極１０から隔てられた空間９１にクラスタガス及び処理ガスＢのプラズマＰＬが発生する。この際、プラズマＰＬ領域と下部電極１０の間に電位勾配があるシース領域も形成され、プラズマＰＬ中にラジカルとともに生成されたイオンが被処理基板ＷＦ表面（下部電極１０側）へ加速されることで、被処理基板ＷＦの異方性エッチングが行われ得るとともに被処理基板ＷＦの表面処理が行われ得る。
例えば、被加工膜に微細寸法の穴のエッチング加工を行う際に、レジスト又は被加工膜の表面のスパッタリングで除去された物質が加工箇所（微細寸法の穴）の内側面等に堆積されたとしても、クラスタガスによる表面処理で低ダメージで堆積物を除去でき、加工箇所（微細寸法の穴）が閉塞されることなく処理ガスＢによる異方性エッチングを継続できる。これにより、微細寸法の穴を高アスペクト比で加工することができる。
次に、シャワーヘッド３０における複数の導入孔３１及び複数の導入孔３２の平面配置について説明する。複数の導入孔３１及び複数の導入孔３２は、それぞれ、図３に示すように、シャワーヘッド３０におけるステージ１１に対向する主面３０ａ内において２次元的に配されている。図３は、シャワーヘッドの構成を示す平面図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）では、クラスタガスを導入するための各導入孔３１の配置位置が斜線のハッチングが施された矩形で示され、処理ガスＢを導入するための各導入孔３２の配置位置が中空の矩形で示されている。
例えば、図３（ａ）に示すように、主面３０ａ内に同心円状の複数の領域ＲＧ１〜ＲＧ４を設け、各導入孔３１の配置と各導入孔３２の配置とを中心側から交互に行うようにしてもよい。すなわち、領域ＲＧ１に導入孔３１を配置し、領域ＲＧ２に導入孔３２を配置し、領域ＲＧ３に導入孔３１を配置し、領域ＲＧ４に導入孔３２を配置する。これにより、クラスタガスによる表面処理を被処理基板ＷＦの表面の全面に対して略均一に行うことができる。あるいは、クラスタガスによる表面処理を被処理基板ＷＦの表面における任意の場所に対して選択的に行うことができる。
あるいは、例えば、図３（ｂ）に示すように、主面３０ａ内を周辺の領域ＲＧ１２とその内側の領域ＲＧ１１とに分け、各導入孔３１を周辺の領域ＲＧ１２に選択的に配置してもよい。各導入孔３２は、内側の領域ＲＧ１１に配置される。これにより、クラスタガスによる表面処理を被処理基板ＷＦの表面における周辺領域に行うことができる。
あるいは、例えば、図３（ｃ）に示すように、主面３０ａ内に同心円状の複数の領域ＲＧ２１〜ＲＧ２４を設け、各領域ＲＧ２１〜ＲＧ２４内で導入孔３１の配置と導入孔３２の配置とを交互に行ってもよい。すなわち、領域ＲＧ２１に導入孔３１を配置し、領域ＲＧ２２内で導入孔３１と導入孔３２とを環状に交互に配置し、領域ＲＧ２３内で導入孔３１と導入孔３２とを環状に交互に配置し、領域ＲＧ２４内で導入孔３１と導入孔３２とを環状に交互に配置する。これにより、クラスタガスによる表面処理を被処理基板ＷＦの表面の全面に対して略均一に行うことができる。あるいは、クラスタガスによる表面処理を被処理基板ＷＦの表面における任意の場所に対して選択的に行うことができる。
以上のように、実施形態では、プラズマ処理装置１がクラスタ生成機構４０を有し、処理ガスのプラズマ処理とクラスタガスのプラズマ処理とをそれぞれ処理室９０内で行えるように構成されている。具体的には、プラズマ生成機構２０は、処理ガス及びクラスタガスの少なくとも一方をイオン化させ、ステージ１１は、イオン化された処理ガス及びクラスタガスの少なくとも一方を被処理基板ＷＦ側へ引き込む電極として機能する。これにより、被加工膜に微細なエッチング加工を行いながら表面のスパッタリング等で発生した堆積物をクラスタガスによる表面処理で低ダメージで除去でき、エッチング加工を継続できる。これにより、エッチング加工の精度を容易に向上できる。
なお、処理ガスＢを処理ガスＡと共通化できる場合、図４に示すように、プラズマ処理装置１０１におけるガス供給制御部１５０が構成されてもよい。図４は、プラズマ処理装置１０１の構成を示す図である。すなわち、ガスボンベ９２が省略され、ガス供給制御部１５０におけるガス供給管５４ａ，５４ｂがガス供給管５４ａに共通化され、バルブボックス５７及びガス供給管５８が追加される。バルブボックス５７は、コントローラ８０により開閉が制御される。これにより、処理ガスの使用量を節約できる。
また、実施形態では、プラズマ処理装置１が平行平板型ＲＩＥ装置である場合について例示的に説明しているが、プラズマ処理装置１が他の方式のＲＩＥ装置である場合についても実施形態の考え方を適用可能である。例えば、プラズマ処理装置１は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｐｌａｓｍａ）型ＲＩＥ装置、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型ＲＩＥ装置であっても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１，１０１ プラズマ処理装置、２０ プラズマ生成機構、４０ クラスタ生成機構。

Claims (7)

  1. 処理室内に配され、基板が載置されるステージと、
    処理ガスをクラスタ化させクラスタガスを生成するクラスタ生成機構と、
    前記処理ガス及び前記クラスタガスの少なくとも一方のプラズマを前記処理室内に生成し、生成されたプラズマを用いて前記基板を処理するプラズマ生成機構と、
    を備えたプラズマ処理装置。
  2. 前記プラズマ生成機構は、前記処理ガス及び前記クラスタガスの少なくとも一方をイオン化させ、
    前記ステージは、前記イオン化された前記処理ガス及び前記クラスタガスの少なくとも一方を前記基板側へ引き込む電極として機能する
    請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記クラスタガスを前記処理室に導入する第１の導入経路と、
    前記処理ガスを前記処理室に導入する第２の導入経路と、
    をさらに備えた
    請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記第１の導入経路は、前記クラスタ生成機構を経由し、
    前記第２の導入経路は、前記クラスタ生成機構を経由しない
    請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記クラスタガスを前記処理室に導入する第１の導入孔と前記処理ガスを前記処理室に導入する第２の導入孔とを有するシャワーヘッドをさらに備えた
    請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記シャワーヘッドは、複数の前記第１の導入孔と複数の前記第２の導入孔とを有し、
    前記複数の第１の導入孔と前記複数の第２の導入孔とは、それぞれ、前記シャワーヘッドにおける前記ステージに対向する主面内において２次元的に配されている
    請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記第１の導入経路を介した前記クラスタガスの前記処理室への導入と前記第２の導入経路を介した前記処理ガスの前記処理室への導入とを並行して行うコントローラをさらに備えた
    請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。
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