JP2020038906A

JP2020038906A - プラズマ処理装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2020038906A
Application number: JP2018165343A
Authority: JP
Inventors: 貴志大橋; Takashi Ohashi
Original assignee: Kioxia Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-09-04
Also published as: US20200075296A1; JP7091196B2; US10784090B2

Abstract

【課題】プラズマ密度の対称性を容易に維持することができるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、プラズマ処理装置は、チャンバと、前記チャンバ内で基板を支持する基板ステージと、前記基板を処理するプラズマを、前記チャンバ内の前記基板上の空間で生成するプラズマ生成部と、電磁石部と、を備える。前記電磁石部は、前記チャンバの上部の天板上に設けられる複数の領域のそれぞれに、独立に移動可能に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラズマ処理装置および半導体装置の製造方法に関する。

チャンバの天板上に高周波アンテナと、２つの同心の電磁石と、を備えるプラズマ処理装置が知られている。

従来技術では、電磁石の位置を変えることができるが、円形状の電磁石ごと移動するので、プラズマ密度の対称性を維持することが難しい。

特許第４７０４６４５号公報

本発明の一つの実施形態は、プラズマ密度の対称性を容易に維持することができるプラズマ処理装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、プラズマ処理装置は、チャンバと、前記チャンバ内で基板を支持する基板ステージと、前記基板を処理するプラズマを、前記チャンバ内の前記基板上の空間で生成するプラズマ生成部と、電磁石部と、を備える。前記電磁石部は、前記チャンバの上部の天板上に設けられる複数の領域のそれぞれに、独立に移動可能に設けられる。

図１は、実施形態によるプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。図２は、実施形態によるプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示す上面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿った位置での基板のエッチングレートと電磁石部の位置との関係の一例を示す図である。図４は、図２のＡ−Ａ’線に沿った位置での基板のエッチングレートと電磁石部の位置との関係の一例を示す図である。図５は、実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を示すフローチャートである。図６は、実施形態によるプラズマ処理装置の構成の他の例を示す上面図である。

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および半導体装置の製造方法を詳細に説明する。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。

図１は、実施形態によるプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示す断面図であり、図２は、実施形態によるプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示す上面図である。ここでは、プラズマ処理装置がプラズマエッチング装置である場合を例に挙げて説明する。

プラズマ処理装置１０は、チャンバ１１と、基板ステージであるＥＳＣ（Electrostatic Chuck：静電チャック）１２と、上部電極１３と、交流電源１４と、プロセスガス供給部１５と、冷却材供給部１６と、制御部１９と、を備える。ＥＳＣ１２、上部電極１３、交流電源１４およびプロセスガス供給部１５は、プラズマ生成部の例である。冷却材供給部１６は、ガス供給部の例である。ＥＳＣ１２は、ＨＶ（High Voltage）電極（下部電極）２１と、絶縁膜２２と、ＥＳＣ基台２３と、ＨＶ電源２４と、ＥＳＣ電源２５とを備えている。

チャンバ１１は、例えば円筒状を有し、処理対象であるウェハなどの基板１００を収容する。ＥＳＣ１２は、チャンバ１１内の基板１００を保持する。上部電極１３がＥＳＣ１２外に設けられているのに対し、ＨＶ電極２１はＥＳＣ１２内に設けられている。ＨＶ電極２１は、絶縁膜２２で覆われており、ＥＳＣ基台２３上に設けられている。ＨＶ電源２４は、ＨＶ電極２１の電位を調整するための可変電圧源である。ＥＳＣ電源２５は、ＥＳＣ基台２３の電位を調整するための可変電圧源である。基板１００は、絶縁膜２２を介してＨＶ電極２１上に設置される。ＥＳＣ１２は、基板１００をＨＶ電極２１により静電的に吸着する。ＥＳＣ１２は、基板１００が設置される上面と、上面と対向する下面と、側面とを備えている。ＥＳＣ１２は、ＥＳＣ１２の上面に設けられた図示しない複数本のピンにより基板１００を上下移動させることができる。

上部電極１３は、ＨＶ電極２１の上方に設けられている。例えば上部電極１３は、ＨＶ電極２１と平行となるように配置される。プロセスガス供給部１５からのプロセスガスを上部電極１３とＨＶ電極２１との間の空間に供給できるように、上部電極１３には貫通孔が設けられている。例えば、上部電極１３は、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を有する板状部材によって構成される。プラズマ処理装置１０は、上部電極１３とＨＶ電極２１との間にプラズマを発生させ、プラズマを基板１００の表面Ｓ１側に供給し、プラズマにより基板１００を処理する。具体的には、プラズマを用いたドライエッチングにより基板１００の表面Ｓ１がエッチングされる。

交流電源１４は、上部電極１３に交流電流を供給する。これにより、上部電極１３とＨＶ電極２１との間にプラズマが発生する。

プロセスガス供給部１５は、プラズマ生成用のプロセスガスをチャンバ１１内に供給する。上部電極１３およびＨＶ電極２１は、交流電源１４からの交流電流を用いてプロセスガスからプラズマを生成する。

冷却材供給部１６は、ＥＳＣ１２に設けられた複数の流路１２ａを介して基板１００に冷却材を供給する。冷却材は、希ガス等の不活性ガスであり、例えばヘリウム（Ｈｅ）ガスである。

制御部１９は、プラズマ処理装置１０の動作を制御する。制御部１９は例えば、チャンバ１１の動作、ＥＳＣ１２の動作、交流電源１４のオン／オフまたは電流、プロセスガス供給部１５のオン／オフまたはプロセスガス供給量、冷却材供給部１６のオン／オフまたは冷却材供給量などを制御する。

また、本実施形態のプラズマ処理装置１０は、チャンバ１１の天板１１ａ上に、複数の電磁石部３０−１〜３０−４を有する。天板１１ａ上は、仕切部材３５によって、複数の領域Ｒ１〜Ｒ４に分割されており、各領域Ｒ１〜Ｒ４に電磁石部３０−１〜３０−４が配置される。また、各領域Ｒ１〜Ｒ４は同じ面積を有している。チャンバ１１が円筒状を有している場合には、天板１１ａは円板状を有しており、各領域Ｒ１〜Ｒ４は、同じ扇形形状を有している。例えば、領域がｎ個（ｎは２以上の整数）に分割される場合には、扇形形状の領域の中心角は、３６０／ｎ度となる。すなわち、仕切部材３５が設けられた天板１１ａは、中心に対してｎ回回転対称の構成を有する。図１の場合には、ｎ＝４であり、仕切部材３５が設けられた天板１１ａは４回回転対称の構成を有する。

電磁石部３０−１〜３０−４は、平面視上円弧状を有する台車部３１と、台車部３１上に配置されるコイル３２と、台車部３１上に配置され、コイル３２で発生される磁場の強さを制御するプラズマ制御部（Plasma Control Unit）３３と、を有する。台車部３１は、天板１１ａの半径方向に移動可能な構成を有する。例えば、台車部３１は、車輪と、車輪に設けられる駆動機構と、を有し、制御部１９からの指示によって移動可能である。

図２に示されるように、天板１１ａの中心を通る１つの軸をＸ軸とし、天板１１ａの中心を通り、天板１１ａの面内でＸ軸に直交する１つの軸をＹ軸とし、天板１１ａ上の位置を、ＸＹ座標を用いて表すものとする。各台車部３１の所定の位置（例えば中心位置）Ｐ１〜Ｐ４の天板１１ａ上での位置を、各電磁石部３０−１〜３０−４の位置とする。

制御部１９は、エッチング処理の結果、基板面内でエッチングレートにばらつきが存在する場合には、エッチングレートが基板面内で均一となるように、電磁石部３０−１〜３０−４を移動させる。

図３と図４は、図２のＡ−Ａ’線に沿った位置での基板のエッチングレートと電磁石部の位置との関係の一例を示す図である。これらの図で、（ａ）はＡ−Ａ’線に沿った位置でのエッチングレートを示し、（ｂ）は電磁石部の配置の一例を示す図である。

図３（ｂ）に示される位置に電磁石部３０−１〜３０−４を配置して、所定の強さの磁場を発生させてプラズマ処理（エッチング処理）を行った場合に、図３（ａ）に示されるエッチングレートＥＲ１が得られたものとする。エッチングレートＥＲ１は、基板１００上（Ａ−Ａ’線上）で均一ではなく、位置Ａ１の付近でエッチングレートが低くなっている。一般的に、エッチングレートが低い位置でのプラズマ密度は小さい。そのため、エッチングレートが低い位置に電磁石部３０−１〜３０−４を配置することで、その位置でのプラズマ密度が上昇し、エッチングレートを高めることができる。そこで、このような場合には、電磁石部３０−３を位置Ａ１’から位置Ａ１に移動させることで、エッチングレートＥＲ２に示されるように、エッチングレートの低かった部分を、その他のエッチングレートの高い部分に合わせることができる。

図４（ｂ）に示される位置に電磁石部３０−１〜３０−４を配置して、所定の強さの磁場を発生させてプラズマ処理（エッチング処理）を行った場合に、図４（ａ）に示されるエッチングレートＥＲ３が得られたものとする。エッチングレートＥＲ３は、基板１００上（Ａ−Ａ’線上）で均一ではなく、位置Ａ２の部分でエッチングレートが高くなっている。一般的に、エッチングレートが高い位置でのプラズマ密度は大きい。そのため、エッチングレートが高い位置から電磁石部３０−１〜３０−４をずらして配置することで、その位置でのプラズマ密度が減少し、エッチングレートを低下させることができる。そこで、このような場合には、電磁石部３０−３を位置Ａ２から基板の周縁部側の位置Ａ２’に異動させることで、エッチングレートＥＲ４に示されるように、エッチングレートの高かった部分を、その他のエッチングレートの低い部分に合わせることができる。

エッチングレートの面内でのばらつきは、例えば基板１００の種類とエッチング条件で異なる。基板１００の種類は、例えば基板１００上に配置されている膜の種類、厚さなどである。そこで、基板１００の種類とエッチング条件の組み合わせごとに、エッチングレートが面内で均一になる電磁石部３０−１〜３０−４の位置を予め求めておき、電磁石部位置情報として保存しておく。電磁石部位置情報は、基板１００の種類およびエッチング条件と電磁石部３０−１〜３０−４の位置とを対応付けた情報である。制御部１９は、これから処理する基板１００の種類とエッチング条件に応じて、電磁石部位置情報を参照して、電磁石部３０−１〜３０−４の位置を制御する。なお、通常は、電磁石部３０−１〜３０−４は、同心円上に配置されるような位置となるが、局所的に同心円上からずれて電磁石部３０−１〜３０−４の一部が配置されることもある。電磁石部位置情報は、例えば制御部１９に設けられる記憶部に記憶される。

つぎに、このような構成のプラズマ処理装置１０での処理方法について説明する。図５は、実施形態による半導体装置の製造方法の手順の一例を示すフローチャートである。まず、制御部１９は、処理対象の基板１００の種類とエッチング条件を取得し、基板１００の種類とエッチング条件に対応する電磁石部３０−１〜３０−４の位置を電磁石部位置情報から取得する（ステップＳ１１）。ついで、制御部１９は、取得した電磁石部３０−１〜３０−４の位置に基づいて、電磁石部３０−１〜３０−４を移動させる（ステップＳ１２）。

その後、処理対象の基板１００を基板ステージであるＥＳＣ１２上に載置する（ステップＳ１３）。ついで、プロセスガス供給部１５から基板１００と上部電極１３との間にプロセスガスを供給し、交流電源１４から上部電極１３に交流電流を供給し、各電磁石部３０−１〜３０−４に電流を流して所定の強さの磁場を発生させ、上部電極１３とＨＶ電極２１との間にプラズマを生成させる（ステップＳ１４）。その後、基板１００をプラズマ処理、この例ではプラズマエッチング処理する（ステップＳ１５）。このようにして基板１００がプラズマ処理され、半導体装置が製造される。以上で、処理が終了する。

なお、上記した説明では、中心角が９０度の扇形形状の領域Ｒ１〜Ｒ４に電磁石部３０−１〜３０−４が配置される場合を示したが、実施形態がこれに限定されるものではない。天板１１ａを中心角が３６０／ｎ度のｎ個（ｎは２以上の整数）の扇形形状の領域Ｒ１〜Ｒｎに分割し、それぞれの領域Ｒ１〜Ｒｎに電磁石部を配置してもよい。分割する数ｎを大きくすればするほど、局所的な磁場の強さを制御することができる。また、上記した説明では、各領域Ｒ１〜Ｒ４に配置される電磁石部３０−１〜３０−４の数は１つであったが、電磁石部３０−１〜３０−４を複数配置してもよい。

図６は、実施形態によるプラズマ処理装置の構成の他の例を示す上面図である。この図に示されるように、天板１１ａ上には、同心上に２つの円環状の電磁石が配置されている。円環状の電磁石は、複数に分割されており、図６の例では４つに分割されている。中心角が９０度の扇形形状の領域Ｒ１には、内側に電磁石部３０−１ａが配置され、外側に電磁石部３０−１ｂが配置される。また、領域Ｒ２には、内側に電磁石部３０−２ａが配置され、外側に電磁石部３０−２ｂが配置され、領域Ｒ３には、内側に電磁石部３０−３ａが配置され、外側に電磁石部３０−３ｂが配置され、領域Ｒ４には、内側に電磁石部３０−４ａが配置され、外側に電磁石部３０−４ｂが配置される。内側の電磁石部３０−１ａ〜３０−４ａが１つの円環状の電磁石３０ａを構成し、外側の電磁石部３０−１ｂ〜３０−４ｂが１つの円環状の電磁石３０ｂを構成している。電磁石部３０−１ａ〜３０−４ａ，３０−１ｂ〜３０−４ｂは、それぞれ円形の天板１１ａの半径方向に移動可能に構成されている。なお、同心上に３つ以上の電磁石が配置されていてもよい。このように１つの領域に複数の電磁石部を配置することで、より精密な磁場の制御を行うことが可能になる。

また、上記した説明では、平行平板型のプラズマ処理装置を例に挙げたが、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）型のプラズマ処理装置に上記の実施形態を適用してもよい。さらに、プラズマ処理装置１０としてプラズマエッチング装置を例に挙げたが、プラズマを用いる成膜処理、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置などに上記した実施形態を適用してもよい。

実施形態では、プラズマ処理装置１０のチャンバの天板１１ａ上を面積の等しい複数の扇形の領域Ｒ１〜Ｒ４に分割し、各領域Ｒ１〜Ｒ４に天板１１ａの半径方向に移動可能な電磁石部３０−１〜３０−４を配置した。そして、プラズマ処理時に基板１００上のプラズマ密度が均一となるように、電磁石部３０−１〜３０−４を移動させた。これによって、基板１００上で、プラズマ密度が均一でない部分が存在しても、電磁石部３０−１〜３０−４を移動させることによって、基板１００全体でプラズマ密度が均一となるように磁場を調整することができ、プラズマ密度の対称性を容易に維持することができる。その結果、基板１００に対するプラズマ処理、例えばエッチング処理または成膜処理の結果が均一になるという効果を有する。

また、天板１１ａ上の各領域Ｒ１〜Ｒ４には、電磁石部３０−１〜３０−４以外の部材が設けられない。そのため、電磁石部３０−１〜３０−４の移動が妨げられず、電磁石部３０−１〜３０−４の移動を容易にすることができる。

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。

１０プラズマ処理装置、１１チャンバ、１１ａ天板、１２ａ流路、１３上部電極、１４交流電源、１５プロセスガス供給部、１６冷却材供給部、１９制御部、２１ＨＶ電極、２２絶縁膜、２３ＥＳＣ基台、２４ＨＶ電源、２５ＥＳＣ電源、３０−１〜３０−４電磁石部、３１台車部、３２コイル、３５仕切部材、１００基板。

Claims

チャンバと、
前記チャンバ内で基板を支持する基板ステージと、
前記基板を処理するプラズマを、前記チャンバ内の前記基板上の空間で生成するプラズマ生成部と、
前記チャンバの上部の天板上に設けられる複数の領域のそれぞれに、独立に移動可能に設けられる電磁石部と、
を備えるプラズマ処理装置。
前記電磁石部は、コイルと、前記コイルで発生される磁場の強さを制御するプラズマ制御部と、前記コイルおよび前記プラズマ制御部を載置する台車部と、を有する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
それぞれの前記領域には、１つの前記電磁石部が設けられる請求項１に記載のプラズマ処理装置。
それぞれの前記領域には、複数の前記電磁石部が設けられる請求項１に記載のプラズマ処理装置。
チャンバ内で基板ステージ上に基板を支持させ、
前記基板の種類とエッチング条件に対応した電磁石部の位置に基づいて、前記チャンバの上部の天板上に設けられる複数の領域に配置される電磁石部を移動させ、
前記チャンバ内の前記基板上の空間で、前記基板を処理するプラズマを生成させ、
前記基板をプラズマ処理する半導体装置の製造方法。