JP5909807B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、プラズマ処理装置とプラズマ処理方法とに関する。
半導体製造等におけるプラズマによる薄膜形成プロセスは、プラズマにより反応性に富む様々な活性種を容易に発生させることが出来るため、それら活性種を利用し、基板温度を上げることなく、高品質な薄膜の形成が可能である（例えば、特許文献１参照）。
特公平６−９１０１３号公報
ところで、プラズマで発生したイオンは、プラズマ電位で加速されてウエハ等の基板に衝突し、ダメージを与える可能性がある。また、処理チャンバの内壁へイオンが照射され、チャンバの内壁材料がスパッタされると、処理すべき基板が汚染される可能性もある。プラズマによる基板へのダメージを低減させるために、プラズマから基板を遠ざけると、活性種が失活してしまい、高品質な薄膜の形成が困難となる。
本発明の目的は、プラズマで発生したイオンの、衝突による基板のダメージや処理チャンバ内壁のスパッタによる基板の汚染を大幅に抑制しつつ、高品質な薄膜の形成を可能にするプラズマ処理装置および方法を提供することにある。
本発明のプラズマ発生装置は、ミラー磁場を形成するミラー磁場形成機構と、マイクロ波を供給するマイクロ波供給機構と、を有し、前記ミラー磁場と前記マイクロ波とによる電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成するとともに、前記ミラー磁場により所定の閉じ込め領域に当該プラズマを閉じ込めるプラズマ処理装置であって、
前記閉じ込め領域から活性化した中性のラジカルが処理すべき基体に選択的に到達するように、前記閉じ込め領域を通過する磁力線を横切る方向において前記基体を前記閉じ込め領域に対向させて配置する保持機構を有する、ことを特徴とする。
本発明のプラズマ処理方法は、ミラー磁場とマイクロ波とによる電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成するとともに、前記ミラー磁場により所定の閉じ込め領域に当該プラズマを閉じ込め、
前記閉じ込め領域から活性化した中性のラジカルが処理すべき基体に選択的に到達するように、前記閉じ込め領域を通過する磁力線を横切る方向において前記基体を前記閉じ込め領域に対向させて配置する、ことを特徴とする。
本発明によれば、プラズマの閉じ込め領域から活性化した中性のラジカルが処理すべき基体に選択的に到達するように、閉じ込め領域を通過する磁力線を横切る方向において基体を前記閉じ込め領域に対向させて配置することにより、プラズマからのイオン照射は可能な限り低減できるとともに、基体への活性種（中性のラジカル）の照射を最大化させることが可能となる。
本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係る成膜装置の概略を示す断面図。 本発明の基本原理を説明するための図。 ミラー磁場によるプラズマの閉じ込めを説明するための斜視図。 ミラー磁場の軸線上の磁場強度の分布の一例を示すグラフ。 電位調整用分割リングの構成を示す平面図。 本発明のプラズマ処理装置の他の実施形態に係るスパッタ装置の概略を示す断面図。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
第１実施形態
図１は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によるプラズマ生成を用いた成膜装置１を示している。後述するように、ミラー磁場閉じ込めプラズマを利用したALD（Atomic Layer Deposition）プロセスを行う装置である。処理チャンバ１０は、アルミニウム合金、ステンレス等の導電性材料で形成され、基準電位に接続されている。処理チャンバ１０の上部には、天板１１が設けられ、Ｎ２ガスを供給する供給装置１２および材料ガスＧを供給する供給装置１３が設けられている。処理チャンバ１０の底部には、ウエハＷを保持するステージ５０が設けられている。また、処理チャンバ１０には、図示しないが、処理チャンバ１０内の雰囲気を排気するための排気口が設けられ、この排気口に処理チャンバ１０の外部に設置された図示しない真空ポンプなどの排気装置が接続される。この排気装置により、処理チャンバ１０内は減圧される。
処理チャンバ１０の一側壁には、プラズマ生成室１７Ａを画定するための筒状部材１８Ａが処理チャンバ１０と連通するように設置され、処理チャンバ１０の他側壁には、プラズマ生成室１７Ａに対向する対向端部室１７Ｂを画定するための筒状部材１８Ｂが処理チャンバ１０と連通するように設置されている。プラズマ生成室１７Ａおよび対向端部室１７Ｂの中心軸線は、水平方向に延びる軸線ＡＸと一致している。図面左側の筒状部材１８Ｂの外側端部はプレート１９により密閉されている。図面右側の筒状部材１８Ａの外側端部には、導波管１５が接続され、筒状部材１８Ａと導波管１５との間には、酸化アルミニウム等の誘電体材料で形成されたマイクロ波ＭＷのための入射窓１６が設けられている。筒状部材１８Ａおよび１８Ｂの外周側には、ミラー磁場を形成するための電流コイル３０Ａ，３０Ｂが設けられている。筒状部材１８Ａおよび１８Ｂの処理チャンバ１０側の端部には、円形の開口をもつプレートからなる、処理チャンバ１０内でのプラズマＰＬの存在領域を画定するためのリミッター部材２０Ａ，２０Ｂが設置されている。リミッター部材２０Ａと２０Ｂとは、筒状部材１８Ａと筒状部材１８Ｂとの間の中間位置Ｍ２に関して対照に配置されている。対向端部室１７Ｂ内には、軸線ＡＸを中心軸にもつ、電位調整用分割リング４０が設けられている。電位調整用分割リング４０は、図５に示すように、円盤状の電極４１、この外側に同心に配置されたリング状の電極４２および４３からなる。
ここで、本発明の基本コンセプトについて図１〜図４を参照して説明する。本発明では、図３に示すように、２つの電流コイル３０Ａ，３０Ｂに同じ向きに電流Ｉ０を流してミラー磁場ＭＦを形成する。これに加えて、導波管１５を通じて図２に示すように、プラズマを生成するためにマイクロ波ＭＷを供給する。ここで、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、磁場強度８７５ガウスで電子とサイクロトロン共鳴し、この共鳴点ＲＰ付近でプラズマＰＬが生成される。共鳴点ＲＰがプラズマ生成室１７Ａ内に配置されるように、各種条件が設定さている。共鳴点ＲＰ付近で生成されたプラズマＰＬは、ミラー磁場ＭＦの磁力線ＭＬに拘束され、磁力線ＭＦＬの方向には自由に運動できる。図４に示すように、軸線ＡＸ上の磁場強度は、２つの電流コイル３０Ａ，３０Ｂの軸線方向の中央位置Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂで最大となり、軸線ＡＸ上の位置Ｍ１Ａと位置Ｍ１Ｂとの中間位置Ｍ２で最小となる。磁力線ＭＦＬに沿って運動するプラズマＰＬを構成する電子は、いわゆる磁気ミラー効果により２つの最大磁場部（Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂ）の間でバウンス運動をすることで、２つの最大磁場部（Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂ）の間に閉じ込められる。具体的には、プラズマＰＬは、ミラー磁場ＭＦの磁場強度の高い領域からミラー磁場ＭＦの磁場強度の低い領域に向かって加速されるが、磁場強度が高くなるにつれて減速し、やがて、最大磁場部（Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂ）に近づくと跳ね返される。このため、プラズマＰＬは、所定の閉じ込め領域ＰＣＲに閉じ込められる。本発明では、図２に示すように、閉じ込め領域ＰＣＲを通過する磁力線ＭＦＬを横切る方向Ｄ１，Ｄ２において、閉じ込め領域ＰＣＲから活性化した中性のラジカルが処理すべきウエハＷに選択的に到達するように、ウエハＷを閉じ込め領域ＰＣＲに対向させて配置する。好適には、ウエハＷは位置Ｍ２の下方に配置される。図２に示すウエハＷの表面と閉じ込め領域ＰＣＲの外延（最大外周位置）との距離Ｌが、プラズマＰＬ中の荷電粒子が閉じ込め領域ＰＣＲに閉じ込められた状態で、閉じ込め領域ＰＣＲから活性化した中性のラジカルのみが活性を失うことなく処理すべきウエハＷに到達するように設定される。これにより、プラズマからのウエハＷへのイオン照射を大幅に減らしつつ、ウエハＷへの中性の活性種の照射を最大化することが可能となる。
次に、リミッター部材２０Ａ，２０Ｂの役割について説明する。上記した閉じ込め領域ＰＣＲの外延の位置が不確定であると、ウエハＷに荷電粒子が入射する可能性がある。荷電粒子は磁力線に拘束されることから、移動するプラズマの移動軌跡の外延は、リミッター部材２０Ａ，２０Ｂの開口の縁部の位置で画定される。すなわち、リミッター部材２０Ａ，２０Ｂを設置することで、閉じ込め領域ＰＣＲの外延をより精密にコントロールすることができる。リミッター部材２０Ａ，２０Ｂの形成材料は、特に限定されないが、プラズマ生成室１７Ａで生成されたプラズマがリミッター部材２０Ａ，２０Ｂに衝突し、リミッター部材２０Ａ，２０Ｂの形成材料がスパッタされ、このスパッタされた材料がウエハＷに付着する可能性もある。このため、リミッター部材２０Ａ，２０Ｂを処理すべき基体であるウエハＷの形成材料を含む材料、または成膜する薄膜に含まれる材料、例えば、シリコン等を含む材料で形成することも可能である。また、リミッター部材２０Ａ，２０Ｂの表面を例えば、シリコン等を含む材料でコーティングしてもよい。同様に、筒状部材１８Ａ，１８Ｂの内壁面１８ｆにもプラズマが衝突して筒状部材１８Ａ，１８Ｂの形成材料がスパッタされ、このスパッタされた材料がウエハＷに付着する可能性もある。このため、筒状部材１８Ａ，１８Ｂの形成材料またはコーティング材料をウエハＷの形成材料を含む材料、例えば、シリコン等を含む材料で形成してもよい。
次に、電位調整用分割リング４０の役割について説明する。ミラー磁場でプラズマを閉じ込めると、軸線ＡＸを中心とする径方向（軸線ＡＸに直交する方向）に電位勾配が形成され、閉じ込め領域ＰＣＲに閉じ込められたプラズマＰＬが径方向に拡散しやすくなることが知られている。このため、例えば、電位調整用分割リング４０の中心部に位置する電極４１をマイナスの電位に、電極４２を基準電位に、最外周に配置された電極４３をプラスの電位に接続する。これにより、閉じ込め領域ＰＣＲに閉じ込められたプラズマＰＬに生じる径方向の電位勾配と逆向きの電位勾配を与え、閉じ込め領域ＰＣＲに閉じ込められたプラズマＰＬの電位を平坦化する。これにより、プラズマＰＬが径方向に拡散することを抑制できて、ウエハＷの荷電粒子によるダメージの発生をより一層抑制できる。
本実施形態の成膜装置は、ミラー磁場閉じ込めプラズマを利用したALD（Atomic Layer Deposition）プロセスを行う装置である。ALDにより窒化アルミ（AlN）を成膜する手順の一例について説明する。シリコンからなるウエハＷを処理チャンバ１０に搬送し、ステージ５０は300℃に加熱した。電流コイル３０Ａ，３０Ｂには360Aの電流を流し、最大磁場部（Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂ）で1500ガウス、ミラー磁場中央部（Ｍ２）で300ガウスの磁場を発生させた。
次に、処理チャンバ１０内に材料ガスＧであるトリメチルアルミ[Al(CH)3、以下TMA]を流量1sccmで1秒間導入した。処理チャンバ１０内の圧力は1Torrとした。これにより、ウエハＷ表面や処理チャンバ１０の内壁面にTMAを吸着させた。次に、N2ガスを処理チャンバ１０内の圧力を1Torrとして500sccm、1分間流し、処理チャンバ１０内に吸着せずに残留しているTMA成分を除去した。
次に、N2を500sccm流したまま、圧力を3mTorrとし、2.45GHzのマイクロ波ＭＷを処理チャンバ１０内に導入し、電子サイクロトロン共鳴により、窒素プラズマを90秒間励起した。マイクロ波パワーは600Wとした。この間、N2+イオンやN+イオン、及び電子はミラー磁場に閉じ込められ、ウエハＷにはほとんど到達しない。一方、窒素プラズマ中で発生した中性で活性なN原子ラジカルはウエハＷ上に到達し、吸着したTMAと反応する。CH基がCNガスやHNガス等で揮発するとともに、表面に窒化アルミAlN薄膜が形成された。TMAの導入からN2プラズマ処理までを1サイクルとし、200サイクル繰り返すことで、20nm程度の窒化アルミ薄膜を形成できた。
本発明により、通常のプラズマ処理に比べ、イオン衝撃ダメージを低減させることができ、高耐圧で、リーク電流の少ない高品質な窒化アルミ薄膜が形成可能となった。
なお、本発明は、本実施例で示した窒化アルミに限らず、ALDで通常用いられる有機金属ガスを用い、様々な窒化膜を形成することが可能である。また、窒化膜の場合、プラズマ励起ガスはN2では無く、例えばNH3でも良くまた希ガスを混ぜても良い。または酸素と酸窒を含むガスでプラズマ励起をすれば酸窒化膜となるし、O2ガス、またはO2ガスと希ガスでプラズマにすることで、酸化膜を形成することも可能である。
第２実施形態
図６に本発明のプラズマ処理装置の他の実施形態に係るスパッタ装置を示す。なお、図６において、図１に示す装置と同様の構成部分には同一の符号を付している。このスパッタ装置は、ミラー磁場閉じ込めプラズマをスパッタプロセスに適用したものである。処理チャンバ１０の天板１１１には、バッキングプレート１２２の下面に保持されたマグネトロンスパッタ源としてのターゲットＴＧが設けられている。ターゲットＴＧは、バッキングプレート１２２を介してＤＣ電源２００が接続されている。また、処理チャンバ１０の側壁には、Ａｒガス又はＮ２ガスを処理チャンバ１０内に導入するための供給装置１１３が設けられている。
処理チャンバ１０の上部に、マグネトロンスパッタ源が搭載されている。バッキングプレート１２２に金属ハフニウム（Hf）製のターゲットＴＧが接着されている。バッキングプレート１２２内には図示しない永久磁石を設置し、ターゲットＴＧ表面において、500ガウスのターゲットＴＧの表面に平行な水平磁界を形成した。処理チャンバ１０内にN2ガスを導入し、圧力を5mTorrとし、ターゲットＴＧにDC電力300Wを3秒投入し、ウエハＷ上へ膜厚1nm程度のHfN薄膜を反応性スパッタにより形成した。
スパッタ成膜時には、成膜表面にマグネトロンプラズマからのイオンが照射され、膜中にダメージが誘起される。次に、600Wの2.45GHzのマイクロ波ＭＷをミラー磁場部に投入し、窒素プラズマを励起した。これにより、Hf薄膜を窒化した。この窒化プロセスでは成膜表面へのイオン衝撃ダメージはスパッタ成膜時に比べて充分少ないので、この窒化プロセスで、スパッタ成膜時に発生したダングリングボンド等のダメージ部分を窒化し、ダメージを低減することが可能である。Hf成膜から窒化を1サイクルとして、20回繰り返し、高耐圧で、リーク電流の少ない高品質なHfN薄膜が形成可能となった。
なお、本実施例ではスパッタ成膜とミラー磁場プラズマプロセスを交互に行ったが、スループットを上げるために、スパッタ成膜とミラー磁場プラズマプロセスを同時に行っても、単純な反応性スパッタプロセスに比べれば、膜中のダメージは低減できることがわかった。
上記実施形態では、閉じ込め領域ＰＣＲは、位置Ｍ２において最大直径をもち、電流コイル３０Ａ、３０Ｂに向けて直径が減少していく場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるわけではない。例えば、閉じ込め領域ＰＣＲの形状を修正するための磁場を形成し、処理すべき基体の形状や大きさに応じて閉じ込め領域ＰＣＲの形状を変更することも可能である。
上記実施形態では、処理すべき基体としてウエハＷを例に挙げて説明したが、例えば、大画面ディスプレイ用のガラス基板など、各種の基体に本発明を適用可能である。
上記実施形態では、電位調整用部材として電位調整用分割リング４０を例に挙げたが、これに限定されるわけではなく、閉じ込め領域ＰＣＲのプラズマの電位勾配を調整できる手段であれば採用可能である。
上記実施形態では、ミラー磁場を形成するために、電流コイルを用いたが、これに代えて、永久磁石を採用することも可能である。
上記実施形態では、ステージ５０は静止しているが、閉じ込め領域ＰＣＲに対してステージ５０を移動させながら処理を行うことも可能である。
上記実施形態では、プラズマ生成室を一箇所に設けて、このプラズマ生成室にマイクロ波を導入する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、プラズマ生成室１７Ａに加えて、対向端部室１７Ｂをプラズマ生成室とすることも可能である。この場合には、対向端部室１７Ｂに新たに導波管を接続するとともに、対向端部室１７Ｂと新たな導波管との間に入射窓を設け、この入射窓を通じてマイクロ波を導入する。なお、電位調整用分割リング４０は、除去する。
以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１ 成膜装置
１０ 処理チャンバ
１５ 導波管
１６ 入射窓
１７Ａ プラズマ生成室
１７Ｂ 対向端部室
１８Ａ，１８Ｂ 筒状部材
２０ リミッター部材
３０Ａ，３０Ｂ 電流コイル
４０ 電位調整用分割リング
４１，４２，４３ 電極
５０ ステージ
２００ ＤＣ電源
ＲＰ 共鳴点
ＰＣＲ 閉じ込め領域
Ｗ ウエハ（基体）

Claims (4)

  1. ミラー磁場を形成するミラー磁場形成機構と、マイクロ波を供給するマイクロ波供給機構と、を有し、前記ミラー磁場と前記マイクロ波とによる電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成するとともに、前記ミラー磁場により所定の閉じ込め領域に当該プラズマを閉じ込めるプラズマ処理装置であって、
    前記閉じ込め領域を通過する磁力線を横切る方向において前記基体を前記閉じ込め領域に対向させて配置する保持機構を有し、
    共鳴点が前記閉じ込め領域の所定の軸線方向における一端部に形成されるとともに当該共鳴点付近でプラズマが生成されるように、マイクロ波を前記閉じ込め領域の一端側から前記所定の軸線方向に沿って供給するための導波管を有し、
    前記閉じ込め領域に閉じ込められたプラズマに生じる径方向の電位勾配と逆向きの電位勾配を与えて電位を平坦化して、プラズマが径方向に拡散してプラズマ中の荷電粒子が基体に到達するのを抑制するための電位調整用部材を前記閉じ込め領域の前記所定の軸線方向における他端部側に有し、
    前記基体の表面と前記閉じ込め領域の外延との距離が、プラズマ中の荷電粒子が前記閉じ込め領域に閉じ込められた状態で、当該閉じ込め領域から活性化した中性のラジカルが活性を失うことなく処理すべき基体に選択的に到達するように設定される、
    ことを特徴とするプラズマ処理装置。」
  2. 前記閉じ込め領域の前記磁力線を横切る方向における外延を画定するリミッター部材をさらに有し、
    前記リミッター部材は、前記閉じ込め領域内の磁場強度の最小点と前記共鳴点との間の位置に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記プラズマ生成空間を画定する壁面を有し、
    前記壁面の少なくとも一部の形成材料が、前記基体の形成材料を含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. ミラー磁場とマイクロ波とによる電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成するとともに、前記ミラー磁場により所定の閉じ込め領域に当該プラズマを閉じ込め、
    前記閉じ込め領域から活性化した中性のラジカルが処理すべき基体に選択的に到達するように、前記閉じ込め領域を通過する磁力線を横切る方向において前記基体を前記閉じ込め領域に対向させて配置し、
    前記マイクロ波を、前記閉じ込め領域の一端側から所定の軸線方向に沿って供給して共鳴点を前記閉じ込め領域の前記所定の軸線方向における一端部に形成し、当該共鳴点付近でプラズマを生成し、
    前記閉じ込め領域に閉じ込められたプラズマが径方向に拡散してプラズマ中の荷電粒子が基体に到達するのを抑制するために、電位調整部材を前記閉じ込め領域の前記所定の軸線方向における他端部側に設け、前記閉じ込め領域に閉じ込められたプラズマに生じる径方向の電位勾配と逆向きの電位勾配を与えて電位を平坦化し、
    前記基体の表面と前記閉じ込め領域の外延との距離を、プラズマ中の荷電粒子が前記閉じ込め領域に閉じ込められた状態で、当該閉じ込め領域から活性化した中性のラジカルが活性を失うことなく処理すべき基体に選択的に到達するように設定する、
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
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