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、Nガス、COガス、Oガスを含むことができる。他のガスは、Clガス、SF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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