JP2023161689A - プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、およびリモートプラズマ源 - Google Patents

プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、およびリモートプラズマ源 Download PDF

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Abstract

【課題】高速でオン・オフ可能な高密度のリモートプラズマを生成して、基板に対しプラズマ処理を行える技術を提供する。【解決手段】プラズマ処理装置は、チャンバーと、チャンバー内に設けられた基板支持部と、チャンバーの外側に設けられ、リモートプラズマを生成するリモートプラズマ源と、リモートプラズマ源で生成されたリモートプラズマをチャンバー内に導入するプラズマ導入部とを具備する。リモートプラズマ源は、内部に環状をなす空間を有し、その空間にプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、プラズマ生成容器にガスを供給するガス供給部と、プラズマ生成容器の環状をなす空間に沿って環状に設けられた、相対向する一対の電極と、一対の電極の間に高周波電界を形成するためのオン・オフ可能な高周波電源と、プラズマ生成容器の周囲にらせん状に設けられ、高周波電流が供給されて一対の電極の間にループ状の磁場を形成するコイルとを有する。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理装置、プラズマ処理方法、およびリモートプラズマ源に関する。
半導体デバイスの製造工程においては、基板である半導体ウエハに対しプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が用いられ、プラズマ処理装置として磁気を用いるものが知られている。例えば、特許文献１には、プラズマチャンバーが、閉回路におけるプラズマ電流循環を維持するために、閉経路を有するループ内部プラズマチャネルを形成するものとして画成されるトロイダルループであってもよいことが記載されている。また、特許文献２には、固有の非対称性がない電子ビーム源を有するプラズマリアクタに関する技術が記載され、複数の電力発生器の周波数を最適化して上部電極から空間に印加して容量結合プラズマを生成し、その際にコイルにより磁場を発生させてプラズマ密度を強化することが記載されている。さらに、特許文献３には、環状のプラズマ空間を複数のゾーンに分割して、ガスの吐出と排気を行う縦型のバッチ式処理装置において、プラズマ空間に容量結合プラズマを形成し得ること、プラズマ空間のプラズマをリモートプラズマとして使用し得ること、および、天板中央部はコイルの磁界が通過できるように石英で構成されることが記載されている。
特表２０２１－５３０６１６号公報 特開２０２１－１５３０５６号公報 特開２０１３－２０６７３２号公報
本開示は、高速でオン・オフ可能な高密度のリモートプラズマを生成して、基板に対しプラズマ処理を行える技術を提供する。
本開示の一態様に係るプラズマ処理装置は、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持する基板支持部と、前記チャンバーの外側に設けられ、リモートプラズマを生成するリモートプラズマ源と、前記リモートプラズマ源で生成された前記リモートプラズマを前記チャンバー内に導入するプラズマ導入部と、を具備し、前記リモートプラズマ源は、内部に環状をなす空間を有し、前記空間にプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器にガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成容器の前記環状をなす空間に沿って環状に設けられた、相対向する一対の電極と、前記一対の電極の間に高周波電界を形成するためのオン・オフ可能な高周波電源と、前記プラズマ生成容器の周囲にらせん状に設けられ、高周波電流が供給されて前記一対の電極の間にループ状の磁場を形成するコイルと、を有する。
本開示によれば、高速でオン・オフ可能な高密度のリモートプラズマを生成して、基板に対しプラズマ処理を行える技術が提供される。
一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置におけるリモートプラズマ源の外観を示す斜視図である。 図１のプラズマ処理装置におけるリモートプラズマ源の原理を説明するための斜視図である。 図１のプラズマ処理装置におけるリモートプラズマ源の原理を説明するための断面図である。 プラズマ導入部の変形例を示す断面図である。 特許文献１の技術を本実施形態のリモートプラズマ源に対応させて示す図である。
以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。
図１は一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図、図２は図１のプラズマ処理装置におけるリモートプラズマ源の外観を示す斜視図、図３および図４は図１のプラズマ処理装置におけるリモートプラズマ源の原理を説明するための斜視図および断面図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００は、基板Ｗに対してプラズマ処理を行うものである。プラズマ処理は特に限定されないが、成膜処理、特にＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が好適なものとして例示される。基板Ｗは特に限定されないが、半導体ウエハが例示される。
プラズマ処理装置１００は、チャンバー１０と、基板支持部２０と、リモートプラズマ源３０と、プラズマ導入部４０と、制御部５０と、を有する。
チャンバー１０は、略円筒状をなし、金属、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の金属で構成されている。チャンバー１０の底部には、チャンバー１０内を排気し、チャンバー１０内を所望の真空雰囲気に圧力調整するための排気装置１１が接続されている。また、チャンバー１０の側壁には基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口１２が形成されており、この搬入出口１２はゲートバルブ１３により開閉可能となっている。
基板支持部２０は、チャンバー１０内の底部に設けられ、その上面に基板Ｗが支持（載置）される。基板支持部２０には、基板Ｗを搬送するために基板支持部２０の表面に対して突没するように昇降する昇降ピン（図示せず）が設けられている。また、基板支持部２０には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック、ヒータ等の温調機構が設けられていてもよい。
リモートプラズマ源３０は、プラズマ生成容器３１と、相対向する第１電極３２および第２電極３３と、ガス供給部３４と、高周波電源３５と、コイル３６とを有する。
プラズマ生成容器３１は、非磁性の金属、例えばアルミニウムからなり、チャンバー１０の上方におけるチャンバー１０の近傍位置に、基板Ｗの外周部に対応する位置に設けられる。プラズマ生成容器３１は、内部に環状をなす空間を有し、その空間にプラズマが生成される。プラズマ生成容器３１がアルミニウムからなる場合は、その表面に陽極酸化処理が施されていてもよい。プラズマ生成容器３１の底部には複数の孔３８が形成されている。
第１電極３２および第２電極３３は、プラズマ生成容器３１内の環状をなす空間に沿って環状に設けられ、相対向する一対の電極を構成する。図１の例では、第１電極３２が上部電極となり、第２電極３３が下部電極となっている。第１電極３２とプラズマ生成容器３１の天壁との間には絶縁部材３７が設けられている。
ガス供給部３４は、プラズマを生成するためのプラズマガスをプラズマ生成容器３１内に供給する。プラズマガスは特に限定されず、例えば、Ａｒガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、ＮＨ３ガスのいずれか、またはこれらの混合ガスを用いることができる。ガス供給部３４から、プラズマガス以外のガスを供給するようにしてもよい。このようなガスとしては、調圧ガスやパージガス、またはプラズマ処理のための処理ガスを挙げることができる。この場合の処理ガスはプラズマ化してもしなくてもよい。また、プラズマガスをパージガスとして用いてもよい。パージガスや処理ガスをガス供給部３４とは別個のガス供給部から供給してもよい。
高周波電源３５は、第１電極３２および第２電極３３の間に高周波電界を形成するためのものであり、オン・オフ可能である。図１では、高周波電源３５から第１電極３２に高周波電力が供給され、第２電極３３が接地されているが、これに限るものではなく、第２電極３３に高周波電力を供給するようにしてもよい。高周波電源３５から供給される高周波の周波数は４５０ｋＨｚ～６０ＭＨｚであってよい。
コイル３６は、図２に示すように、環状をなすプラズマ生成容器３１の周囲にらせん状に巻き掛けられており、図３および図４に示すように、高周波電源（図示せず）から高周波電流Ｉが供給されることにより、コイル３６の中心を通るループ状の磁場Ｂが誘導される。コイル３６はプラズマ生成容器３１に巻き掛けられているので、このループ状の磁場をプラズマ生成容器３１内の第１電極３２および第２電極３３の間に、これらに沿って形成することができる。コイル３６の配置を調整することにより、第１電極３２および第２電極３３の間におけるループ状の磁場の位置を調整することができる。この時の磁場Ｂの強度は特に限定されず適宜設定することができる。例えば、３０Ｇ以上としてよい。
プラズマ生成容器３１内には、ガス供給部３４からプラズマガスが供給され、図３および図４に示すように、コイル３６により第１電極３２および第２電極３３の間にループ状の磁場Ｂが形成された状態で、高周波電源３５から高周波電力が供給される。これにより、ループ状の磁場Ｂの存在下で第１電極３２と第２電極３３との間に高周波電界Ｅが形成されて容量結合プラズマが生成される。そして、プラズマ電流（誘導電流）はループ状の磁場Ｂを周回するように流れ、Ｅ×Ｂドリフトによりプラズマ中の電子がプラズマ空間に集中され、プラズマ生成容器３１内に高密度のプラズマが生成される。生成されたプラズマは、底部の孔３８から下方に導かれる。このとき、第２電極３３はプラズマが通過しやすいようにパンチングメタルで形成することができる。
プラズマ導入部４０は、リモートプラズマ源３０によりプラズマ生成容器３１の底部に形成された孔３８に接続され、プラズマ生成容器３１からチャンバー１０に向けてプラズマを導くプラズマ流路４１と、プラズマ流路４１からプラズマが導かれ、チャンバー１０内の処理空間Ｓへプラズマを放出するシャワーヘッド４２とを有する。シャワーヘッド４２は、内部に拡散部４３を有し、底部に複数の吐出孔４４が形成されている。プラズマ生成容器３１で生成されたプラズマはイオンやラジカルを含んでいるが、イオンは流路４１およびシャワーヘッド４２の吐出孔４４を通過する間に流路の内壁などに衝突させることで抑制できるため、主にラジカルが処理空間Ｓに導入される。
図５に示すように、流路４１の代わりにプラズマ生成容器３１の側面に形成された孔３８´に接続された流路４１´を有する導入部４０´であってもよい。
リモートプラズマ源３０においては、コイル３６により磁場Ｂを常にプラズマ生成容器３１内に形成された状態とし、ガス導入に合わせて高周波電源３５をオン・オフ制御することによりプラズマ生成容器３１内のプラズマを高速でオン・オフすることができる。
制御部５０は、プラズマ処理装置１００の構成部である排気装置１１、リモートプラズマ源３０のガス供給部３４、高周波電源３５、コイル３６に高周波電流を供給する高周波電源（図示せず）等を制御する。制御部５０は、ＣＰＵを有する主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置とを有している。そして、記憶装置の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいてプラズマ処理装置１００の処理が制御される。
次に、このように構成されたプラズマ処理装置１００の動作について説明する。
まず、基板Ｗをチャンバー１０内に搬入し、基板支持部２０の上に載置する。そして、チャンバー１０内にガスを供給しつつ排気装置１１によりチャンバー１０内を排気して調圧し、所望の真空雰囲気とする。
そして、リモートプラズマ源３０でプラズマを生成し、そのプラズマを、プラズマ導入部４０を介してチャンバー１０に導入し、チャンバー１０内に配置された基板Ｗに対してプラズマ処理を行う。
リモートプラズマ源３０でリモートプラズマを生成するに際しては、環状をなすプラズマ生成容器３１の周囲にらせん状に巻き掛けられたコイル３６に高周波電流Ｉを供給することにより、コイル３６の中心を通るループ状の磁場Ｂを形成する。このループ状の磁場Ｂは、第１電極３２および第２電極３３の間に形成される。
この状態で、プラズマ生成容器３１内にガス供給部３４からプラズマガスを供給するとともに、高周波電源３５から第１電極３２に高周波電力を供給して第１電極３２と第２電極３３との間に高周波電界Ｅを形成する。これにより、プラズマ生成容器３１内で高周波電界Ｅによりプラズマガスが励起され、容量結合プラズマが生成される。このとき、コイル３６により形成されたループ状の磁場ＢによりＥ×Ｂドリフトが生じ、プラズマ中の電子がプラズマ空間に集中して、プラズマ生成容器３１内に生成されたプラズマは高密度となる。
プラズマ生成容器３１に生成された高密度のプラズマは、孔３８から下方に導かれ、プラズマ導入部４０を構成するプラズマ流路４１およびシャワーヘッド４２を介してチャンバー１０の処理空間Ｓに至り、基板Ｗにプラズマ処理が施される。
このとき、イオンはプラズマ流路４１およびシャワーヘッド４２の吐出孔４４を通過する間に流路の内壁などに衝突させることで抑制できるため、ラジカルを主体とする高密度のプラズマが基板Ｗに供給され、基板Ｗに対して低ダメージで高効率のプラズマ処理が施される。
また、本実施形態では、コイル３６によって形成されたループ状の磁場を維持したまま、高周波電源３５のオン・オフによりプラズマ生成容器３１内のプラズマをオン・オフすることができる。このため、磁場を利用した高密度のプラズマでありながら、高速でプラズマをオン・オフすることが可能となる。
特許文献１には磁気を利用したトロイダルループによる高密度プラズマを生成することが開示されているが、トロイダルループの場合は、磁気を用いてプラズマを形成する。図６は特許文献１の技術を本実施形態のリモートプラズマ源に対応させて示す図である。図６に示すように、一対の円環状のヨーク９１および９２を周回する磁界Ｈ（磁場Ｂ）を発生させることにより、ヨーク９１および９２の間に誘導電流が円環状に発生し、これがプラズマ電流となってトロイダルループ（トロイダルプラズマ）が形成される。このように磁場によりプラズマを生成させる場合は、プラズマの高速なオン・オフは困難である。
これに対して、本実施形態の場合は、磁場を利用した高密度のプラズマでありながら、高周波電源３５のオン・オフによりプラズマ生成容器３１内のプラズマを高速でオン・オフすることができる。
これを利用して、リモートプラズマ源３０で上述したようにプラズマを生成し、生成されたプラズマをチャンバー１０に導入して基板Ｗに対してプラズマ処理を行う工程と、プラズマをオフした状態でチャンバー１０に処理ガスを供給して基板Ｗに対してプラズマを用いない処理を行う工程とを行うことができる。そして、これらの工程は、高密度のリモートプラズマを高速でオン・オフすることにより繰り返し行うことができる。高速でのプラズマのオン・オフを利用する処理としては、例えば、ＰＥＡＬＤを挙げることができる。
本実施形態のプラズマ処理装置１００を用いてＰＥＡＬＤを行う場合には、例えば、以下のように行うことができる。すなわち、高周波電源３５をオフとし、プラズマをオフとした状態で原料ガスを処理空間Ｓに導入して基板Ｗに吸着させる工程と、リモートプラズマ源３０で生成したプラズマを処理空間Ｓに導入して基板に吸着された原料ガスと反応させて膜を形成する工程を、チャンバーのパージを挟んで繰り返し行う。プラズマにより原料ガスを反応させる際に、ガス供給部３４からプラズマガスの他に処理ガスとして反応ガスを導入してもよい。
ＰＥＡＬＤを実現するためには、使用する原料ガスおよび反応ガスの反応性やレジデンスタイムから、適切な圧力は５００ｍＴｏｒｒ（６６．５Ｐａ）以上となり、使用されるプラズマは容量結合プラズマに限定されてしまう。ＰＥＡＬＤではラジカルを主体とする高密度のプラズマを用いることが好適であるが、より効率よくラジカルを生成させるためには、高周波パワーを印加するだけでなく、生成した容量結合プラズマを高密度で維持する技術が必要となる。
本実施形態においては、容量結合プラズマを用いたリモートプラズマを生成する際に、一対の電極間に環状の磁場を形成してプラズマ空間に電子を集中させるため、生成した容量結合プラズマを高密度で維持することができ、ＰＥＡＬＤに適したものとなる。
また、本実施形態によれば、リモートプラズマ源３０のプラズマ生成容器３１は、処理対象である基板Ｗが配置されたチャンバー１０に近い位置に配置されているので、プラズマ生成容器３１で生成されたプラズマからラジカルを効率よくチャンバー１０の処理空間Ｓに供給することができる。
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態では、プラズマのオン・オフを切り替えるプラズマ処理としてＰＥＡＬＤを例にとって説明したが、これに限るものではない。また、上記実施形態では、プラズマ導入部として、プラズマ流路とシャワーヘッドとを有するものを例示したが、プラズマ導入部がシャワーヘッドを用いない構造であってもよい。また、上記実施形態では、処理空間Ｓに主にラジカルを供給する場合を例示したが、基板のエッチングを促進するなどの効率化を図るためにイオンも処理空間Ｓに供給するようにしてもよい。
１０；チャンバー
１１；排気装置
２０；基板支持部
３０；リモートプラズマ源
３１；プラズマ生成容器
３２；第１電極
３３；第２電極
３４；ガス供給部
３５；高周波電源
３６；コイル
４０；プラズマ導入部
４１；プラズマ流路
４２；シャワーヘッド
５０；制御部
１００；プラズマ処理装置
Ｗ；基板
Ｓ；処理空間

Claims (19)

  1. チャンバーと、
    前記チャンバー内に設けられた、基板を支持する基板支持部と、
    前記チャンバーの外側に設けられ、リモートプラズマを生成するリモートプラズマ源と、
    前記リモートプラズマ源で生成された前記リモートプラズマを前記チャンバー内に導入するプラズマ導入部と、
    を具備し、
    前記リモートプラズマ源は、
    内部に環状をなす空間を有し、前記空間にプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、
    前記プラズマ生成容器にガスを供給するガス供給部と、
    前記プラズマ生成容器の前記環状をなす空間に沿って環状に設けられた、相対向する一対の電極と、
    前記一対の電極の間に高周波電界を形成するためのオン・オフ可能な高周波電源と、
    前記プラズマ生成容器の周囲にらせん状に設けられ、高周波電流が供給されて前記一対の電極の間にループ状の磁場を形成するコイルと、
    を有するプラズマ処理装置。
  2. 前記ガス供給部から前記プラズマ生成容器にプラズマガスを供給しつつ、前記コイルにより前記一対の電極の間に前記ループ状の磁場を形成した状態で、前記高周波電源をオンにして前記一対の電極間にプラズマを生成し、生成された前記プラズマを前記チャンバーに導入して前記基板に対してプラズマ処理を行う、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記プラズマ生成容器は、前記チャンバーの上方における前記チャンバーの近傍位置に設けられる、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記プラズマ導入部は、前記プラズマ生成容器から前記チャンバーに向けて前記プラズマを導くプラズマ流路と、前記プラズマ流路から前記プラズマが導かれ、前記チャンバー内へ前記プラズマを吐出するシャワーヘッドとを有する、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記流路は、前記プラズマ生成容器の底部または側面に形成された孔に接続される、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記一対の電極は上部電極と下部電極を有し、前記下部電極はパンチングメタルで構成される、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記コイルにより形成されたループ状の磁場を維持しつつ、前記高周波電源を高速でオン・オフすることにより、前記プラズマ生成容器内の前記プラズマを高速でオン・オフする、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記プラズマ生成容器内の前記プラズマを高速でオン・オフすることにより、前記チャンバー内でＰＥＡＬＤを行う、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記高周波電源の周波数は、４５０ｋＨｚ～６０ＭＨｚであり、前記ループ状の磁場の強さは３０Ｇ以上である、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  10. チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた、基板を支持する基板支持部と、前記チャンバーの外側に設けられ、リモートプラズマを生成するリモートプラズマ源と、前記リモートプラズマ源で生成された前記リモートプラズマを前記チャンバー内に導入するプラズマ導入部と、を具備するプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
    前記リモートプラズマ源として、環状をなす空間を有し、前記空間にプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器にガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成容器の前記環状をなす空間に沿うように相対向して環状に設けられた一対の電極と、前記一対の電極の間に高周波電界を形成するためのオン・オフ可能な高周波電源と、前記プラズマ生成容器の周囲にらせん状に設けられ、高周波電流が供給されて前記一対の電極の間にループ状の磁場を形成するコイルと、を有するものを設けることと、
    前記ガス供給部から前記プラズマ生成容器にプラズマガスを供給しつつ、前記コイルにより前記一対の電極の間に前記ループ状の磁場を形成した状態で、前記高周波電源をオンにして前記一対の電極間にプラズマを生成し、生成された前記プラズマを前記チャンバーに導入して前記基板に対してプラズマを用いた処理を行うことと、
    を有する、プラズマ処理方法。
  11. 前記高周波電源をオフにして前記プラズマ生成容器内でのプラズマをオフした状態で前記チャンバーに処理ガスを供給して前記基板に対してプラズマを用いない処理を行うことをさらに有する、請求項１０に記載のプラズマ処理方法。
  12. 前記コイルにより形成されたループ状の磁場を維持しつつ、前記高周波電源を高速でオン・オフすることにより、前記プラズマ生成容器内の前記プラズマを高速でオン・オフし、前記プラズマを用いない処理を行うことと、前記プラズマを用いた処理を行うこととを交互に繰り返す、請求項１１に記載のプラズマ処理方法。
  13. 前記プラズマを用いない処理においては、処理ガスとして原料ガスを供給して前記基板に吸着させ、前記プラズマを用いた処理においては、前記基板に吸着された原料ガスを反応させて膜を形成し、
    前記プラズマを用いない処理を行うことと、前記プラズマを用いる処理を行うこととを交互に繰り返してＰＥＡＬＤを行う、請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
  14. 基板を配置したチャンバー内に、基板に対してプラズマ処理を行うためのプラズマを導入するリモートプラズマ源であって、
    環状をなす空間を有し、前記空間にプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、
    前記プラズマ生成容器にガスを供給するガス供給部と、
    前記プラズマ生成容器の前記環状をなす空間に沿って環状に設けられた、相対向する一対の電極と、
    前記一対の電極の間に高周波電界を形成するためのオン・オフ可能な高周波電源と、
    前記プラズマ生成容器の周囲にらせん状に設けられ、高周波電流が供給されて前記一対の電極の間にループ状の磁場を形成するコイルと、
    を有するリモートプラズマ源。
  15. 前記ガス供給部から前記プラズマ生成容器にプラズマガスを供給しつつ、前記コイルにより前記一対の電極の間に前記ループ状の磁場を形成した状態で、前記高周波電源をオンにして前記一対の電極間にプラズマを生成する、請求項１４に記載のリモートプラズマ源。
  16. 前記プラズマ生成容器は、前記チャンバーの上方における前記チャンバーの近傍位置に設けられる、請求項１４または請求項１５に記載のリモートプラズマ源。
  17. 前記プラズマ生成容器の底部または側面に形成された孔を介して前記チャンバーに前記プラズマを導入する請求項１６に記載のリモートプラズマ源。
  18. 前記一対の電極は上部電極と下部電極を有し、前記下部電極はパンチングメタルで構成される、請求項１７に記載のリモートプラズマ源。
  19. 前記コイルにより形成されたループ状の磁場を維持しつつ、前記高周波電源を高速でオン・オフすることにより、前記プラズマ生成容器内の前記プラズマを高速でオン・オフする、請求項１４または請求項１５に記載のリモートプラズマ源。
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