JP2019145397A

JP2019145397A - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2019145397A
Application number: JP2018029856A
Authority: JP
Inventors: 涼末光; Ryo Suemitsu; 貴志大橋; Takashi Ohashi
Original assignee: Toshiba Memory Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-08-29
Also published as: US10699882B2; US20190259582A1

Abstract

【課題】プラズマに印加する磁場を好適に制御することが可能な半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。【解決手段】一の実施形態によれば、半導体製造装置は、基板をプラズマにより処理する処理チャンバと、前記プラズマに印加する第１磁場を発生する第１環状コイルと、前記プラズマに印加する第２磁場を発生する第２環状コイルとを備える。前記装置はさらに、第１方向に流れる第１電流を前記第１環状コイルに供給して、前記第１環状コイルに前記第１磁場を発生させる第１電流供給部を備える。前記装置はさらに、前記第１方向と異なる第２方向に流れる第２電流を前記第２環状コイルに供給して、前記第２環状コイルに前記第２磁場を発生させる第２電流供給部を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。

プラズマに印加する磁場をコイルにより発生させる半導体製造装置では、コイルに電流を供給することで、コイルに磁場を発生させる。この場合、コイルの電流と磁場との関係が、コイルが設けられた電磁石のヒステリシスなどにより変化すると、プラズマに所望の磁場を印加できなくなることが問題となる。

特開２０１５−２０１５５８号公報

プラズマに印加する磁場を好適に制御することが可能な半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。

一の実施形態によれば、半導体製造装置は、基板をプラズマにより処理する処理チャンバと、前記プラズマに印加する第１磁場を発生する第１環状コイルと、前記プラズマに印加する第２磁場を発生する第２環状コイルとを備える。前記装置はさらに、第１方向に流れる第１電流を前記第１環状コイルに供給して、前記第１環状コイルに前記第１磁場を発生させる第１電流供給部を備える。前記装置はさらに、前記第１方向と異なる第２方向に流れる第２電流を前記第２環状コイルに供給して、前記第２環状コイルに前記第２磁場を発生させる第２電流供給部を備える。

第１実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図である。第１実施形態の電磁石の構成を模式的に示す平面図である。第１実施形態の電磁石のヒステリシスを説明するためのグラフである。第１実施形態の比較例の電磁石の構成を模式的に示す平面図である。第１実施形態の電磁石の作用を説明するための斜視図である。第１実施形態の比較例の電磁石の作用を説明するための斜視図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図である。

図１の半導体製造装置は、プラズマを用いてウェハ１０を処理するプラズマ処理装置であり、例えば、ドライエッチング装置やプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置である。図１の半導体製造装置は、処理チャンバ１１と、載置台１２と、ダミーリング１３と、第１高周波電源１４と、第１整合器１５と、第２高周波電源１６と、第２整合器１７と、上部電極１８とを備えている。

ウェハ１０は例えば、シリコンウェハ等の半導体ウェハであり、半導体ウェハ上に種々の膜が形成されていてもよい。ウェハ１０は、基板の一例である。図１は、ウェハ１０の表面に平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、ウェハ１０の表面に垂直なＺ方向とを示している。本明細書においては、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱うが、−Ｚ方向は、重力方向と一致していても一致していなくてもよい。

処理チャンバ１１は、プラズマにより処理するウェハ１０を収容するためのチャンバである。載置台１２は、処理チャンバ１１内に設けられており、ウェハ１０を支持するための基台１２ａと、ウェハ１０を静電力により吸着するための静電チャック１２ｂとを備えている。載置台１２は、プラズマ処理用の下部電極としても機能する。ダミーリング１３は、処理チャンバ１１内にて基台１２ａの上面の周縁に設けられており、基台１２ａ上のウェハ１０を包囲する位置に設けられている。

ウェハ１０は、処理チャンバ１１内に搬入されると、基台１２ａ上に載置され、静電チャック１２ｂにより吸着される。この状態において、ウェハ１０の中心軸Ｌは、基台１２ａや静電チャック１２ｂの中心軸とほぼ一致している。

第１高周波電源１４は、第１整合器１５を介して載置台１２に接続されており、プラズマ生成用の高周波電力を発生する。第１高周波電源１４は、例えば１００ＭＨｚの高周波電力を発生する。第１整合器１５は、第１整合器１５の出力インピーダンスと入力インピーダンスとを整合させるための回路を含んでいる。

第２高周波電源１６は、第２整合器１７を介して載置台１２に接続されており、イオン引き込み用の高周波電力（バイアス電力）を発生する。第２高周波電源１６は、第１高周波電源１４より周波数の低い高周波電力を発生し、例えば３．２ＭＨｚの高周波電力を発生する。第２整合器１７は、第２整合器１７の出力インピーダンスと入力インピーダンスとを整合させるための回路を含んでいる。

上部電極１８は、処理チャンバ１１内に設けられ、処理チャンバ１１の処理空間１１ａを介して載置台１２と対向している。上部電極１８の中心軸は、基台１２ａや静電チャック１２ｂの中心軸とほぼ一致している。上部電極１８は、ウェハ１０を処理する処理ガスを処理空間１１ａ内にシャワー状に導入するシャワーヘッドとしても機能する。上部電極１８は、処理ガスを溜めるバッファ室１８ａと、バッファ室１８ａに処理ガスを供給するガスライン１８ｂと、バッファ室１８ａから処理空間１１ａに処理ガスを供給する複数のガス孔１８ｃとを備えている。

第１および第２高周波電源１４、１６は、上部電極１８と載置台１２（下部電極）との間に高周波電力を供給することにより、処理チャンバ１１内で処理ガスからプラズマを発生させる。これにより、ウェハ１０がプラズマにより処理される。例えば、ウェハ１０上に膜が形成されたり、ウェハ１０上の膜がエッチングされたりする。

図１の半導体製造装置はさらに、上部電極１８の上方に電磁石２０を備えている。電磁石２０は、環状の形状を有する環状コイル２１〜２８と、磁性材料で形成されたコア部材３０とを備えている。コア部材３０は、柱状の形状を有する柱状部３１と、円筒形状を有する円筒部３２〜３９と、円板形状を有するベース部４０により構成されている。

環状コイル２１〜２８は、上部電極１８の上方にて互いに隣接して配置されている。本実施形態の環状コイル２１〜２８は、同心円状に配置されており、環状コイル２１〜２８の中心軸は、基台１２ａ、静電チャック１２ｂ、および上部電極１８の中心軸とほぼ一致している。環状コイル２１〜２８に電流が流れると、環状コイル２１〜２８の周りに磁場が発生する。

本実施形態では、環状コイル２１〜２８により処理空間１１ａ内に磁場が発生し、この磁場が処理空間１１ａ内のプラズマに印加される。これにより、プラズマ内のイオンや電子の軌道を制御することができ、処理空間１１ａ内のプラズマ密度分布を制御することができる。処理チャンバ１１内のウェハ１０は、このプラズマにより処理される。

柱状部３１は、環状コイル２１内に配置されている。円筒部３２は、環状コイル２１と環状コイル２２との間に配置され、円筒部３３は、環状コイル２２と環状コイル２３との間に配置されている。同様に、円筒部３４〜３８は、互いに隣接する環状コイル間に配置されている。円筒部３９は、環状コイル２８を包囲するように配置されている。ベース部４０は、環状コイル２１〜２８の上面を覆うように配置されている。本実施形態のコア部材３０は、強磁性材料で形成されており、磁性に関してヒステリシスを示す。

図１の半導体製造装置はさらに、第１電流供給部４１と、第２電流供給部４２と、制御部４３とを備えている。

第１電流供給部４１は、環状コイル２１〜２８のうちの第１環状コイルに第１電流を供給する。本実施形態において、第１電流は、＋Ｚ方向から見て時計回り（正方向）に流れる電流であり、第１電流が流れる第１環状コイルは、環状コイル２１、２３、２５、２７である。これにより、第１環状コイルの周りに第１磁場（正磁場）が発生し、処理チャンバ１１内のプラズマに第１磁場が印加される。時計回りは、第１方向の例である。図１の環状コイル２１、２３、２５、２７に付された符号「＋」は、これらが第１環状コイルであることを示している。

第２電流供給部４２は、環状コイル２１〜２８のうちの第２環状コイルに第２電流を供給する。本実施形態において、第２電流は、＋Ｚ方向から見て反時計回り（逆方向）に流れる電流であり、第２電流が流れる第２環状コイルは、環状コイル２２、２４、２６、２８である。これにより、第２環状コイルの周りに第２磁場（逆磁場）が発生し、処理チャンバ１１内のプラズマに第２磁場が印加される。反時計回りは、第２方向の例である。図１の環状コイル２２、２４、２６、２８に付された符号「−」は、これらが第２環状コイルであることを示している。

第１および第２電流供給部４１、４２の例は、電磁石２０を制御するコントローラユニットである。本実施形態では、第１電流供給部４１は、第１および第２電流のうちの第１電流のみを供給し、第２電流供給部４２は、第１および第２電流のうちの第２電流のみを供給する。また、本実施形態では、第１電流供給部４１は、環状コイル２１〜２８のうちの環状コイル２１、２３、２５、２７のみに第１電流を供給し、第２電流供給部４２は、環状コイル２１〜２８のうちの環状コイル２２、２４、２６、２８のみに第２電流を供給する。即ち、本実施形態では、環状コイル２１、２３、２５、２７は、専ら第１電流が流れる第１環状コイルとして使用され、環状コイル２２、２４、２６、２８は、専ら第２電流が流れる第２環状コイルとして使用される。

処理空間１１ａ内では、環状コイル２１、２３、２５、２７により第１磁場が発生し、環状コイル２２、２４、２６、２８により第２磁場が発生する。その結果、第１磁場および／または第２磁場が、処理空間１１ａ内のプラズマに印加される。処理チャンバ１１内のウェハ１０は、このプラズマにより処理される。

なお、本実施形態の電磁石２０は、複数の第１環状コイル（環状コイル２１、２３、２５、２７）と複数の第２環状コイル（環状コイル２２、２４、２６、２８）とを交互に備えているが、その他の配置で環状コイル２１〜２８を備えていてもよい。例えば、環状コイル２１〜２４を第１環状コイルとし、環状コイル２５〜２８を第２環状コイルとする配置を採用してもよい。

制御部４３は、半導体製造装置の種々の動作を制御する。例えば、制御部４３は、第１高周波電源１４、第２高周波電源１６、第１電流供給部４１、および第２電流供給部４２を動作させるタイミングを制御する。制御部４３の例は、プロセッサ、電気回路、コンピュータなどである。

本実施形態の制御部４３は、第１電流供給部４１から第１環状コイルに第１電流を供給するタイミングと、第２電流供給部４２から第２環状コイルに第２電流を供給するタイミングとを制御する。例えば、第１および第２環状コイルに第１および第２電流を同時に供給してもよいし、第１および第２環状コイルに第１および第２電流を交互に供給してもよい。このような制御の詳細については、後述する。

図２は、第１実施形態の電磁石２０の構成を模式的に示す平面図である。

本実施形態の電磁石２０は、図２に示すように、正方向に流れる第１電流が供給される複数の第１環状コイル（環状コイル２１、２３、２５、２７）と、逆方向に流れる第２電流が供給される複数の第２環状コイル（環状コイル２２、２４、２６、２８）とを交互に備えている。

よって、本実施形態では、プラズマに正磁場と逆磁場とを印加することができる。これにより、プラズマに２方向の磁気力を印加することが可能となる。例えば、プラズマに１方向の磁気力しか印加できない場合には、プラズマが処理チャンバ１１の壁面等に衝突して消滅することを抑制しにくい。一方、本実施形態によれば、プラズマに２方向の磁気力を印加することで、プラズマを２方向に移動させることが可能となる。これにより、プラズマが処理チャンバ１１の壁面等に衝突しにくくなるように、プラズマの運動を制御することが可能となる。

この場合、ある環状コイルに第１電流を供給した後に第２電流を供給すると、この環状コイルの電流と磁場との関係が変化してしまう場合がある。例えば、第１の時点では電流Ｉにより磁場Ｈが発生したのに、第２の時点では電流Ｉにより磁場Ｈ’（≠Ｈ）が発生する場合がある。その結果、プラズマの運動を適切に制御することが難しくなる。

環状コイルの電流と磁場との関係が変化する原因の一例は、電磁石２０を形成している材料のヒステリシスである。本実施形態では、コア部材３０が強磁性材料で形成されていることから、環状コイルの電流と磁場との関係は、コア部材３０のヒステリシスの影響を受ける。これは、電磁石２０内のその他の部材（例えば環状コイルの鉄心）が強磁性材料で形成されている場合にも同様である。

図３は、第１実施形態の電磁石２０のヒステリシスを説明するためのグラフである。

図３において、横軸は磁場Ｈを示し、縦軸は磁束密度Ｂを示す。符号Ｃ１は初期化曲線を示し、符号Ｃ２はヒステリシス曲線を示す。図３はさらに、保持力Ｈ_０と、残留磁束密度Ｂ_０と、飽和磁束密度Ｂ_Ｓと、飽和磁束密度Ｂ_Ｓに対応する磁場Ｈ_Ｓとを示している。

矢印Ａ１は、強磁性材料の磁束密度が＋Ｂ_Ｓである場合に、強磁性材料に印加する磁場Ｈを正値からゼロに向かって変化させていく様子を示している。この場合、磁場Ｈがゼロになると、磁束密度は＋Ｂ_０になる。一方、矢印Ａ２は、強磁性材料の磁束密度が−Ｂ_Ｓである場合に、強磁性材料に印加する磁場Ｈを負値からゼロに向かって変化させていく様子を示している。この場合、磁場Ｈがゼロになると、磁束密度は−Ｂ_０になる。

このように、磁場Ｈがゼロになると、矢印Ａ１の場合には磁束密度は＋Ｂ_０になり、矢印Ａ２の場合には磁束密度は−Ｂ_０になる。その結果、環状コイルの電流と磁場との関係が、矢印Ａ１の場合と矢印Ａ２の場合とで一致しなくなってしまう。

そこで、本実施形態では、正磁場は専ら正磁場用の環状コイル（第１環状コイル）に発生させ、逆磁場は専ら逆磁場用の環状コイル（第２環状コイル）に発生させる。よって、本実施形態によれば、第１環状コイルについては矢印Ａ１の場合の電流と磁場との関係のみを利用し、第２環状コイルについては矢印Ａ２の場合の電流と磁場との関係のみを利用することが可能となる。これにより、各環状コイルに所望の磁場を発生させることが可能となり、プラズマの運動を適切に制御することが可能となる。

なお、矢印Ａ１の場合において、磁場Ｈを正値から負値に向かって変化させ、その後に磁場Ｈを負値からゼロに変化させれば、矢印Ａ２の場合と同じ磁束密度を得ることが可能である。しかし、このような制御は無駄が大きいし、さらには、プラズマを一旦消火する必要が生じる。その結果、半導体製造工程のスループットを向上させる連続放電ができなくなり、半導体装置を製造する上で好ましくない。そのため、本実施形態では、第１環状コイルと第２環状コイルを使い分ける方法を採用している。

本実施形態の環状コイル２１〜２８は、同心円状に配置され、複数の第１環状コイルと複数の第２環状コイルとを交互に含んでいる。このような構成には例えば、磁場を対称性よく発生させることができ、プラズマの運動を適切に制御しやすいという利点がある。しかしながら、本実施形態の環状コイル２１〜２８の構成はこれに限られるものではなく、その他の構成を採用してもよい。また、本実施形態の環状コイル２１〜２８は、等間隔に配置されているが、非等間隔に配置されていてもよい。

なお、本実施形態の制御部４３は、第１および第２環状コイルに第１および第２電流を同時に供給してもよいし、第１および第２環状コイルに第１および第２電流を交互に供給してもよい。後者の場合には例えば、プラズマを２方向に交互に運動させて、プラズマの衝突を効果的に抑制することが可能となる。一方、前者の場合には例えば、同時に駆動させる第１環状コイルの本数と第２環状コイルの本数を調整することで、プラズマの様々な運動を実現することが可能となる。第１および第２電流の供給方法は、上記の方法に限られるものではなく、その他の方法を採用してもよい。

図４は、第１実施形態の比較例の電磁石２０の構成を模式的に示す平面図である。

本比較例の電磁石２０は、第１環状コイルである環状コイル２１、２３、２５、２７のみを備えている。よって、本比較例では、プラズマに正磁場と逆磁場とを印加することができず、プラズマが処理チャンバ１１の壁面等に衝突することを抑制しにくい。一方、環状コイル２１、２３、２５、２７に第１電流だけでなく第２電流も供給すると、上述のヒステリシスの問題が発生する。

本実施形態によれば、第１環状コイルと第２環状コイルを使い分けることで、ヒステリシスの問題に対処しつつ、プラズマの衝突を抑制することが可能となる。

図５は、第１実施形態の電磁石２０の作用を説明するための斜視図である。

図５は、環状コイル２１に供給される第１電流Ｉ_２１と、第１電流Ｉ_２１により発生する第１磁場Ｈ_２１と、環状コイル２２に供給される第２電流Ｉ_２２と、第２電流Ｉ_２２により発生する第２磁場Ｈ_２２とを示している。

第１電流Ｉ_２１は、＋Ｚ方向から見て時計回りに流れ、第２電流Ｉ_２２は、＋Ｚ方向から見て反時計回りに流れるため、図５に示す第１および第２磁場Ｈ_２１、Ｈ_２２は、互いに逆向きに生じている。本実施形態では、第１磁場Ｈ_２１の向きを正方向、第２磁場Ｈ_２２の向きを逆方向と呼んでいる。このような第１および第２磁場Ｈ_２１、Ｈ_２２により、プラズマの衝突を抑制することが可能となる。

図６は、第１実施形態の比較例の電磁石２０の作用を説明するための斜視図である。

図６は、環状コイル２１に供給される第１電流Ｉ_２１と、第１電流Ｉ_２１により発生する第１磁場Ｈ_２１と、環状コイル２３に供給される第１電流Ｉ_２３と、第１電流Ｉ_２３により発生する第１磁場Ｈ_２３とを示している。この場合には、プラズマに１方向の磁気力しか印加できないため、プラズマが処理チャンバ１１の壁面等に衝突することを抑制しにくい。

以上のように、本実施形態の半導体製造装置は、正方向に流れる第１電流が供給される１本以上の第１環状コイル（環状コイル２１、２３、２５、２７）と、逆方向に流れる第２電流が供給される１本以上の第２環状コイル（環状コイル２２、２４、２６、２８）とを備えている。よって、本実施形態によれば、電流と磁場との関係を維持しつつプラズマを適切に制御できるなど、プラズマに印加する磁場を好適に制御することが可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１０：ウェハ、１１：処理チャンバ、１１ａ：処理空間、
１２：載置台、１２ａ：基台、１２ｂ：静電チャック、
１３：ダミーリング、１４：第１高周波電源、１５：第１整合器、
１６：第２高周波電源、１７：第２整合器、１８：上部電極、
１８ａ：バッファ室、１８ｂ：ガスライン、１８ｃ：ガス孔、２０：電磁石、
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８：環状コイル、３０：コア部材、
３１：柱状部、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９：円筒部、
４０：ベース部、４１：第１電流供給部、４２：第２電流供給部、４３：制御部

Claims

基板をプラズマにより処理する処理チャンバと、
前記プラズマに印加する第１磁場を発生する第１環状コイルと、
前記プラズマに印加する第２磁場を発生する第２環状コイルと、
第１方向に流れる第１電流を前記第１環状コイルに供給して、前記第１環状コイルに前記第１磁場を発生させる第１電流供給部と、
前記第１方向と異なる第２方向に流れる第２電流を前記第２環状コイルに供給して、前記第２環状コイルに前記第２磁場を発生させる第２電流供給部と、
を備える半導体製造装置。
前記処理チャンバ内に設けられ、前記基板を支持する下部電極と、
前記処理チャンバ内に設けられ、前記下部電極と対向する上部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に電力を供給して、前記処理チャンバ内に前記プラズマを発生させる電源と、
をさらに備える請求項１に記載の半導体製造装置。
前記第１および第２環状コイルとして、交互に配置された複数の第１環状コイルと複数の第２環状コイルとを備える、請求項１または２に記載の半導体製造装置。
前記第１電流供給部は、前記第１および第２環状コイルのうちの前記第１環状コイルのみに前記第１電流を供給し、
前記第２電流供給部は、前記第１および第２環状コイルのうちの前記第２環状コイルのみに前記第２電流を供給する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
前記第１電流供給部から前記第１環状コイルに前記第１電流を供給するタイミングと、前記第２電流供給部から前記第２環状コイルに前記第２電流を供給するタイミングとを制御する制御部をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
前記第１および第２環状コイルは、磁性に関してヒステリシスを示す材料で形成された電磁石を構成している、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
前記第１および第２環状コイルは、同心円状に配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
処理チャンバ内に基板を搬入し、
第１方向に流れる第１電流を第１電流供給部から第１環状コイルに供給して、前記第１環状コイルに第１磁場を発生させ、
前記第１方向と異なる第２方向に流れる第２電流を第２電流供給部から第２環状コイルに供給して、前記第２環状コイルに第２磁場を発生させ、
前記第１および第２磁場の少なくともいずれかが印加されたプラズマにより、前記処理チャンバ内の前記基板を処理する、
ことを含む半導体装置の製造方法。