JP2023115672A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１台の装置でラジカル照射とイオン照射の両方が実現でき、かつ、ラジカル照射による加工モードにおいて、試料表面でのラジカル分布を制御し、均一な加工が行えるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】試料がプラズマ処理される真空処理室１０４と、プラズマ生成のための高周波電力を供給するマグネトロン１０１と、処理室内に磁場を形成するソレノイド１０５と、試料が載置される試料台１２０と、試料台の上方に配置され複数の開口部を有する第一の遮蔽板１１０と、を備えるプラズマ処理装置であって、第一の遮蔽板の上側に配置され、第一の遮蔽板の上方の空間を、プラズマ処理装置の軸線を含む内側空間１０４－３と内側空間を取り巻く外側空間１０４－２とに分断する円筒状の遮蔽部１１１と、外側空間と内側空間に異なるガスを供給する第一のガス供給口１３０及び第二のガス供給口１３１と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

近年では、高まる半導体デバイスの省電力・高速化の要求に応えるため、デバイス構造の複雑化が顕著である。例えばロジックデバイスにおいては、積層したナノシートによってチャネルを構成するGAA(Gate All Around)構造のFET（GAA-FETという）が検討されている。GAA-FETのエッチング工程では、Finを形成する際の異方性エッチングに加え、ナノシートを形成する際に側方への加工を行う等方性エッチングが必要となる。

ここで、異方性エッチングは、イオンによりラジカルの反応を促進するイオンアシストエッチングを主体として進行する。したがって異方性エッチングは、ラジカルとイオンの両方を試料表面に照射することで実現する。一方、等方性エッチングは、ラジカルと試料の表面反応を主体としているため、ラジカルのみを試料表面に照射することで実現する。

このように、半導体デバイス加工に用いられるプラズマ処理装置には、イオンとラジカルの両方により異方性エッチングを行うモードと、ラジカルにより等方性エッチングを行うモードの両方が求められている。

このような要求に対し、特許文献１では、チャンバ内にイオンを遮蔽する遮蔽板を設置し、前記遮蔽板の下方(試料側)の領域でプラズマを生成することでイオンとラジカルの両方で試料を加工するモードを実現し、あるいは前記遮蔽板の上方でプラズマを生成することで、ラジカルのみで試料を加工するモードを実現したプラズマ処理装置が提案されている。

また、特許文献２では、複数の孔を設けた２枚以上の遮蔽板を、互いの孔が重ならないよう配置してプラズマ中のイオンを遮蔽し、ラジカルのみでの加工を可能としたプラズマ処理装置が開示されている。

特開２０１８－９３２２６号公報 特開２００６－８６４４９号公報

ところで、１つの試料から可能な限り多くのデバイスを作成するためには、エッチングレートの面内分布を制御し、１つの試料内における加工形状を均一にする必要がある。

ところが、特許文献１に示すプラズマ処理装置の場合、ラジカルのみによる加工モードにおいて、ラジカルが供給される遮蔽板の孔の位置が固定されているため、試料表面のラジカル分布を制御できず、加工形状が不均一になる可能性がある。

また、特許文献２ではイオンの遮蔽性を高めるために、複数の孔が形成された２枚以上の遮蔽板を、それぞれの遮蔽板の孔が互いに重ならないように配置しているが、ラジカルの分布を制御する機構は設けられておらず、加工形状が不均一になる可能性がある。

本発明は、上記した従来技術の課題に鑑みてなされ、１台の装置でラジカル照射とイオン照射の両方が実現でき、かつ、ラジカル照射による加工モードにおいて、試料表面でのラジカル分布を制御し、均一な加工が行えるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理装置の一つは、試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマ生成のための高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台の上方に配置され複数の開口部を有する第一の遮蔽板と、を備えるプラズマ処理装置において、前記第一の遮蔽板の上側に配置され、前記第一の遮蔽板の上方の空間を、前記プラズマ処理装置の軸線を含む内側空間と、前記内側空間を取り巻く外側空間とに分断する円筒状の遮蔽部と、前記外側空間と前記内側空間に異なるガスを供給する供給構造と、を有することにより達成される。

本発明によれば、１台の装置でラジカル照射とイオン照射の両方が実現でき、かつラジカル照射による加工モードにおいて、試料表面でのラジカル分布を制御し、均一な加工が行えるプラズマ処理装置を提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、実施形態１に係るプラズマ処理装置の概略全体構成を示す縦断面図である。 図２Ａは、実施形態１に係るプラズマ処理装置の円筒状の遮蔽部の構成を示す斜視図である。 図２Ｂは、実施形態１に係る遮蔽部を構成する遮蔽板の平面図である。 図３Ａは、遮蔽板上部の外周部でプラズマを生成した際に、試料表面でのラジカルフラックス分布のシミュレーション結果を示す図である。 図３Ｂは、遮蔽板上部の中央部でプラズマを生成した際に、試料表面でのラジカルフラックス分布のシミュレーション結果を示す図である。 図４は、実施形態２に係るプラズマ処理装置の概略全体構成を示す縦断面図である。 図５Ａは、実施形態２に係る遮蔽部を構成する第一の遮蔽板の平面図である。 図５Ｂは、実施形態２に係る遮蔽部を構成する第二の遮蔽板の平面図である。 図６は、プラズマ処理装置内の磁力線を模式的に示した図である。

以下、本発明を実施形態により説明する。なお、本明細書において、マグネトロン１０１側を上方とし、試料台１２０側を下方とする。

（実施形態１）
本発明の実施形態１にかかるプラズマ処理装置の概略全体構成断面図を図１に示す。本実施形態のプラズマ処理装置では、高周波電源であるマグネトロン１０１から導波管１０２および誘電体窓１０３を通って真空処理室１０４（下部領域１０４－１、上部外周領域１０４－２、上部中央領域１０４－３）に供給される周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波と、ソレノイドコイル１０５によって生成した静磁場によってサイクロトロン運動する電子とが電子サイクロトロン共鳴(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ、ＥＣＲ)することによりプラズマを生成できる構造になっている。

また試料１２１を載置した試料台１２０に、整合器１２２を介して高周波電源１２３が接続されている。真空処理室１０４の内部は、バルブ１２５を介してポンプ１２４に接続されており、バルブ１２５の開度によって真空処理室１０４内部の圧力を調節可能となっている。

また本プラズマ処理装置は、誘電体製の遮蔽板１１０によって、真空処理室１０４を下部領域１０４－１と上部領域(１０４－２および１０４－３)に分割しており、さらに誘電体製の円筒部材（円筒状の遮蔽部）１１１によって、該上部領域を、上部外周領域１０４－２と上部中央領域１０４－３に分割している。

本プラズマ処理装置では、マグネトロン１０１から導波管１０２および誘電体窓１０３を通って真空処理室１０４に供給されるマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、ソレノイドコイル（磁場形成機構）１０５によって生成される磁場強度０．０８７５Ｔの面でＥＣＲによりプラズマが生成される。上記のプラズマ生成面をＥＣＲ面と呼ぶ。

したがって、誘電体窓１０３と遮蔽板１１０の間にＥＣＲ面が位置するようにソレノイドコイル１０５の電流を調整すれば、遮蔽板１１０の上部領域（１０４－２および１０４－３）でプラズマを生成でき、イオンは遮蔽板１１０によってほとんど遮蔽されるため、試料１２１にラジカルのみを照射するラジカルモードが実現できる。このとき試料表面ではラジカルによる表面反応を主体とした等方性エッチングが進行する。

これに対し、遮蔽板１１０と試料１２１の間にＥＣＲ面が位置するようにソレノイドコイル１０５の電流を調整すれば、遮蔽板１１０より試料１２１側の下部領域１０４－１でプラズマを生成でき、試料１２１にラジカルとイオンの両方が供給できるＲＩＥモードが実現できる。このとき、試料表面ではイオンの照射によりラジカルの反応を促進する、イオンアシストエッチングを主体とした異方性エッチングが進行する。

なお、本実施形態では遮蔽板１１０および円筒部材１１１は誘電体製であり、マイクロ波は遮蔽板１１０より試料側の下部領域１０４－１まで伝搬することができる。

また本プラズマ処理装置では、真空処理室１０４の内周面に形成され上部外周領域１０４－２にガスを供給する第一のガス供給口１３０と、誘電体窓１０３の外周から内部を通って中央下面で開口し上部中央領域１０４－３にガスを供給する第二のガス供給口１３１と、を有する供給構造が配設されている。第一のガス供給口１３０と第二のガス供給口１３１とは互いに独立しており、異なるガス源（不図示）に接続されているため、上部外周領域１０４－２と上部中央領域１０４－３に異なった種類のガスを供給できる。この異なるガスを供給する供給構造によって、ラジカルモードの場合において試料１２１に照射されるラジカルの分布を制御できる。以下に、ラジカル分布の制御方法について説明する。

第一のガス供給口１３０から上部外周領域１０４－２にラジカルを生成するエッチングガスを供給し、第二のガス供給口１３１から上部中央領域１０４－３に希ガスを供給し、遮蔽板１１０よりも上方の領域でＥＣＲによりプラズマを生成する。このとき、希ガスはラジカルを生成しないため、ラジカルは開口部１４１のみから試料１２１に供給され、エッチングレートを試料１２１の外周部分で高めることができる。

これに対し、第一のガス供給口１３０から上部外周領域１０４－２に希ガスを供給し、第二のガス供給口１３１から上部中央領域１０４－３にラジカルが生成するエッチングガスを供給し、遮蔽板１１０よりも上方の領域でＥＣＲによりプラズマを生成する。このとき、ラジカルは開口部１４０のみから試料１２１に供給されるため、エッチングレートを試料１２１の中央部分で高めることができる。

図２Ａ，２Ｂに、本実施形態にかかる遮蔽部の構造を示す。ここで、図２Ａは円筒部材１１１の斜視図であり、図２Ｂは遮蔽板１１０の平面図である。

図２Ａに示すように、円筒部材１１１は、内径Ｒ１、外径Ｒ２、高さｈ１の円筒構造を有している。

図２Ｂに示すように、遮蔽板１１０は円盤状の構造をしている。遮蔽板１１０の中心を基準として、円筒部材１１１の内径Ｒ１よりも小さい径Ｒ３の内側の領域に１つ以上の開口部（貫通孔）２０１が形成され、円筒部材１１１の外径Ｒ２よりも大きい径Ｒ４の外側の領域に１つ以上の開口部（貫通孔）２０２が形成されている。周方向に並んだ開口部２０１の最小外接円径が、径Ｒ３に等しく、周方向に並んだ開口部２０２の最大内接円径が、径Ｒ４に等しいと好ましい。

遮蔽板１１０は、径Ｒ１から径Ｒ２の間の上面の領域に同心に形成された、深さｈ２の環状の溝２０３を有する。溝２０３は、円筒部材１１１の端部に係合して遮蔽板１１０に設置した際のずれを防止する。

円筒部材１１１の高さｈ１と、遮蔽板１１０の溝２０３における誘電体窓側の面からの深さｈ２と、遮蔽板１１０の誘電体窓側の面と誘電体窓１０３の遮蔽板側の面との距離ｈ３（図１）との間には、ｈ１－ｈ２＝ｈ３の関係がある。したがって、溝２０３に円筒部材１１１の下端を係合させ、また誘電体窓１０３の下面に円筒部材１１１の上端を当接させて設置することで、誘電体窓１０３と遮蔽板１１０の間の空間が、円筒部材１１１によってちょうど二つの空間（プラズマ処理装置の軸線を含む内側空間（上部中央領域１０４－３）、及び前記内側空間を取り巻く外側空間（上部外周領域１０４－２））に分断される。

あるいは円筒部材１１１と遮蔽板１１０は、一体形成されていてもよい。その場合円筒部材１１１の高さｈ１と、遮蔽板１１０の誘電体窓側の面と誘電体窓１０３の遮蔽板側の面との距離ｈ３との間には、ｈ１＝ｈ３の関係があり、誘電体窓１０３と遮蔽板１１０の間の空間が円筒部材１１１によってちょうど二つの空間に分断される。

図３Ａに、図１の上部外周領域１０４－２でＯ_２をプラズマ化した場合のウェハ面内のＯラジカルフラックス分布を示し、図３Ｂに、上部中央領域１０４－３でＯ_２をプラズマ化した場合のウェハ面内のＯラジカルフラックス分布を示し、それぞれ縦軸がＯラジカルフラックスの値、横軸がウェハの径方向位置(中心を０とする）を示している。図においてＯラジカルフラックスは、平均値によって規格化した値を示している。また、グラフに示した均一性は、ウェハ中心(ウェハ径０ｍｍ)でのＯラジカルフラックスΓｍと、ウェハ端(ウェハ径１４０ｍｍ)でのラジカルフラックスΓｅと、ウェハ面内でのＯラジカルフラックスの平均値Γａを用いて、以下の式（１）により表わされる。
(均一性)＝(Γｍ－Γｅ)／(Γａ) （１）

（１）式に従えば、Ｏラジカルフラックスがウェハ外周部で高い場合、均一性は負の値になり、それとは逆にＯラジカルフラックスがウェハ中心部で高い場合、均一性は正の値になし、その絶対値が小さいほど均一性が高くなる。

図３Ａより、図１の上部外周領域１０４－２でＯ_２をプラズマ化した場合、ラジカルフラックスの面内分布が負になりウェハ外周部でエッチングが促進されることがわかる。これに対し、図３Ｂより、図１の上部中央領域１０４－３でＯ_２をプラズマ化した場合、ラジカルフラックスの面内分布が正になりウェハ中心部でエッチングが促進されることがわかる。

図３Ａ、３Ｂから、エッチングガスの供給先を、図１の上部外周領域１０４－２と上部中央領域１０４－３のいずれかに切り替えることにより、エッチングレートのウェハ面内分布の制御が可能であることが確認された。

（実施形態２）
本発明の実施形態２にかかるプラズマ処理装置の概略全体構成断面図を図４に示す。(第一の)遮蔽板１１０および第二の遮蔽板１１２を除く構成は、図１を用いて説明した実施形態１と同様であるため説明を省略する。

実施形態２では、実施形態１のプラズマ処理装置に対して、さらに円筒部材１１１の内側に第二の遮蔽板１１２を固定して、第一の遮蔽板１１０に対し同軸に配設する。第二の遮蔽板１１２によって、円筒部材１１１の内側空間が、第二の遮蔽板１１２の上側の中央上段領域（上段空間）１０４－４と、第二の遮蔽板１１２の下側の中央下段領域（下段空間）１０４－５とに分断される。

図５Ａ，５Ｂに本実施形態にかかる遮蔽部の構造を示す。ここで、図５Ａは第一の遮蔽板１１０の平面図であり、図５Ｂは第二の遮蔽板１１２の平面図である。

図５Ａに示すように、第一の遮蔽板１１０は円盤状の構造をしている。第一の遮蔽板１１０の中心を基準として、円筒部材１１１の内径Ｒ１よりも小さい径Ｒ３の内側の領域に１つ以上の開口部（貫通孔）３０１が形成され、円筒部材１１１の外径Ｒ２よりも大きい径Ｒ４よりも外側の領域に１つ以上の開口部（貫通孔）３０２が形成されている。ここで、開口部３０１は、径Ｒ３の単一円形であって、第一の遮蔽板１１０と同心であることが望ましいが、それに限られない。

また図５Ｂに示すように、第一の遮蔽板１１０と同軸に配置される第二の遮蔽板１１２は円盤状の構造をしている。第二の遮蔽板１１２の中心を基準として、径Ｒ３より大きい径Ｒ５の外側の領域に１つ以上の開口部３０３が形成されているが、径Ｒ３よりも中央側には開口部は形成されていない。周方向に並んだ開口部３０３の最大内接円径が、径Ｒ５に等しいと好ましい。

以上の構成によってイオン遮蔽性が向上する理由を、以下に説明する。
磁場が存在する場合には、イオンは磁力線に沿って移動することが知られている。図６は、図１のプラズマ処理装置における磁力線の形状を説明するための断面図である。磁力線４００はプラズマ処理装置内で縦方向に存在しており、誘電体窓１０３から試料１２１側に向かうにつれて磁力線の間隔が広がっている。

したがって、上部外周領域１０４－２から開口部１４１を介して下部領域１０４－１に供給されたイオンは、磁力線に沿って真空処理室１０４の内壁に当たり消失する。

これに対して、上部中央領域１０４－３から開口部１４０を介して下部領域１０４－１に供給されたイオンは、磁力線に沿って試料１２１に入射してしまう。これを避けるには、開口部１４０のイオン遮蔽性を高めることが望ましい。

本実施形態によれば、図５に示した構成の第一の遮蔽板１１０と第二の遮蔽板１１２を併設することで、中央上段領域１０４－４にてプラズマが形成されたとき、図４に示した第二の遮蔽板１１２の開口部１４２を介して中央下段領域１０４－５に供給されたイオンは、磁力線に沿って円筒部材１１１および第一の遮蔽板１１０の上面に吸収される。このため、第一の遮蔽板１１０の開口部１４０からはラジカルを含む中性粒子のみが下部領域１０４－１に供給され、イオンの遮蔽性を高めることができる。

１０１・・マグネトロン、１０２・・導波管、１０３・・誘電体窓、１０４・・真空処理室、１０４－１・・下部領域、１０４－２・・上部外周領域、１０４－３・・上部中央領域、１０４－４・・中央上段領域、１０４－５・・中央下段領域、１０５・・ソレノイドコイル、１１０・・遮蔽板（第一の遮蔽板）、１１１・・円筒部材、１１２・・第二の遮蔽板、１２０・・試料台、１２１・・試料、１２２・・整合器、１２３・・高周波電源、１２４・・ポンプ、１２５・・バルブ、１３０・・第一のガス供給口、１３１・・第二のガス供給口、１４０・・開口部、１４１・・開口部、１４２・・開口部、２０１・・開口部、２０２・・開口部、２０３・・溝

Claims (7)

1. 試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマ生成のための高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台の上方に配置され複数の開口部を有する第一の遮蔽板と、を備えるプラズマ処理装置において、
   前記第一の遮蔽板の上側に配置され、前記第一の遮蔽板の上方の空間を、前記プラズマ処理装置の軸線を含む内側空間と、前記内側空間を取り巻く外側空間とに分断する円筒状の遮蔽部と、
   前記外側空間と前記内側空間に異なるガスを供給する供給構造と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の遮蔽板は、その中心を基準として、前記円筒状の遮蔽部の内径Ｒ１よりも小さい径Ｒ３の内側の領域に１つ以上の前記開口部を有し、前記円筒状の遮蔽部の外径Ｒ２よりも大きい径Ｒ４の外側の領域に１つ以上の前記開口部を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の遮蔽板は、前記円筒状の遮蔽部の端部が嵌合する環状の溝を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の遮蔽板の上側に誘電体窓が配置されており、前記円筒状の遮蔽部は、前記第一の遮蔽板と前記誘電体窓の空間を、前記外側空間と前記内側空間とに分断することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 前記内側空間に配置されることにより前記内側空間を上段空間と下段空間とに分断する、複数の開口部を有する第二の遮蔽板、を有す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。
6. 請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の遮蔽板は、その中心を基準として、前記円筒状の遮蔽部の内径Ｒ１よりも小さい径Ｒ３の内側の領域に１つ以上の前記開口部を有し、前記円筒状の遮蔽部の外径Ｒ２よりも大きい径Ｒ４の外側の領域に１つ以上の前記開口部を有し、
   前記第二の遮蔽板は、その中心を基準として、前記径Ｒ３より大きい径Ｒ５の外側の領域に前記開口部を有し、前記径Ｒ３よりも中央側には開口部を有しないことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の遮蔽板は、前記径Ｒ３の内側の領域に単一の前記開口部を有する、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

Images