JP6277055B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマにより基板のエッチングや薄膜形成等の表面処理を行うプラズマ処理装置、特に誘導結合プラズマ処理装置に関する。
今日の半導体デバイス市場では、不揮発性ＲＡＭ(Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)市場が拡大している。中でもＦｅＲＡＭ(Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)やＭＲＡＭ(Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)などの不揮発性ＲＡＭは、低消費電力や高速動作の利点があるため各社で開発が進んでいる。
これらの量産には、ＦｅＲＡＭではＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)等、ＭＲＡＭではＣｏＦｅ等の不揮発性材料のエッチングが必要である。これらの材料をエッチングする手法として、半導体デバイス製造分野において、例えば、プラズマ処理室の外側に配置した誘導コイルに高周波電流を流すことにより、処理室内に挿入した処理ガスをプラズマ化する誘導結合型(Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ)のプラズマ装置が利用されている。
この誘導結合方式のプラズマ処理装置は、処理室の外側に配置した誘導コイルに高周波電流を流すことでプラズマに誘導電流を誘起し、プラズマにパワーを供給する方式である。比較的装置構成が簡易であることから、この方式が一般的に普及している。プラズマを利用するメリットは、高エネルギー電子による化学反応の促進と、高エネルギーイオンをウエハ表面の処理面に照射することで指向性ある処理が可能になることである。
この誘導結合方式のプラズマ処理装置として、特許文献１に記載のプラズマ処理装置が用いられている。特許文献１に記載の通り、プラズマ処理室には前記処理室の上部を構成する円錐形の誘電体のベルジャが設置されており、更にその上部にはプラズマ生成用の誘導コイルが設置されている。前記ベルジャと前記誘導コイルとの間には、円錐形のファラデーシールドが設置されており、これに高電圧を印加することにより前記ベルジャ内壁に付着する反応生成物の制御を可能とさせている。
また、類似のプラズマ処理装置として、特許文献２に記載のプラズマ装置が用いられている。特許文献２は、特許文献１と同様の構造で構成されており、誘電体のベルジャとプラズマ生成用の誘導コイルとの間に分割ファラデーシールドが設置されている。前記分割ファラデーシールドはそれぞれが独立で電圧制御が可能なため、より精密な反応生成物付着の制御を可能とさせている。これらを用いることで量産性とエッチング性能に優れたプラズマ処理装置を実現させている。
特開２００４−２３５５４５号公報 特開２０１１−２５３９１６号公報
近年、半導体デバイス製造分野において、被処理物であるウエハの大口径化や高集積化が求められている。それに伴い、プラズマ処理装置においては、ウエハを処理する上で生成されるプラズマの均一性やエッチング形状の垂直化が求められている。特に、不揮発性材料のエッチングにおいては、被エッチング材料の揮発性が低いため、エッチングによって発生した反応生成物がエッチング形状の側壁部に付着し、垂直形状が得られにくいことが分かっている。
図３には、エッチングの模擬図を示す。プラズマ１からイオン２１をウエハ３に引き込むために、電極用高周波電源７から高周波電力(周波数４００ｋＨｚから数１０ＭHz)を印加する。この時、高周波電力を数１０Ｗから数ｋＷを印加すると、ウエハ３とプラズマ１との間のシース領域３１に電界が生じ、電子に比べて質量が大きなイオンは主に電界の直流電圧成分Ｖｄｃ（Ｖ）で加速される。実際にイオンが応答する電界は、印加する高周波の周波数に依存し、数１００ｋＨｚであれば高周波成分の電界にも多少応答するが、一般的な高周波電源(１３．５６ＭＨｚ)の場合には直流電圧成分Ｖｄｃ(Ｖ)で加速される。電位差Ｖｄｃでウエハ方向に加速されるイオン速度Ｕは、
ｅ：電子の電荷(1.6022E-19C)
Ｍ：イオン質量
その際、マスク膜３５をカバーとして被エッチング膜３６がエッチングされる。このとき、イオンの方向はウエハ位置にほぼ垂直に入射する。エッチングが進行するに従い、側壁部３７に入射するイオンの入射角θｘが９０度に近づくため、スパッタ効率が急激に低下し、側壁部３７がテーパ形状になる。特に、不揮発性材料のエッチングにおいては、被エッチング材料の揮発性が低いため、エッチングによって反応した生成物が、側壁部３７に付着し、更にテーパ形状になり易い。テーパ形状になると、隣接パターンと接触しパターン間でショートするため、デバイス特性を悪化させてしまう。
このため本発明は、上記に挙げた問題に鑑み、不揮発性材料をプラズマエッチングするプラズマ処理装置において、エッチング形状の垂直化を可能にすることができるプラズマ処理装置を提供する。
本発明は、試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室の上方を気密に封止する誘電体窓と、前記誘電体窓の上方に配置された誘導アンテナと、前記誘導アンテナと前記誘電体窓の間に配置されプラズマと容量結合するファラデーシールドと、前記誘導アンテナに高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記ファラデーシールドに高周波電力を供給する第二の高周波電源を制御する制御装置とを備えるプラズマ処理装置において、前記ファラデーシールドは、スリットが配置された複数の第一の要素を有する第一のファラデーシールドと前記第一の要素の隣に配置されスリットが配置された複数の第二の要素を有する第二のファラデーシールドを具備し、前記第一の要素と前記第二の要素が互いに隣り合い、かつ格子状に配置されるように前記第一のファラデーシールドと前記第二のファラデーシールドが重ね合わせられ、前記第一の要素の各々は、第一の高周波電力が供給され、
前記第二の要素の各々は、第二の高周波電力が供給され、前記制御装置は、前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力をそれぞれ時間変調し、前記時間変調された第一の高周波電力の位相は、前記時間変調された第二の高周波電力の位相と異なることを特徴とする。
本発明により、不揮発性材料をプラズマエッチングするプラズマ処理装置において、エッチング形状の垂直化を可能にすることができる。
本発明に係るプラズマ処理装置の概略を示す断面図である。 各系統のファラデーシールドに印加される高周波電圧の位相とプラズマ分布の関係を示す模式図である。 ウエハに入射するイオンの入射角とエッチング形状の関係を示す模式図である。 ウエハに入射するイオンの速度ベクトルの関係とイオンの入射角を変化させた時のエッチング形状に対する効果を示す模式図である。 各系統のファラデーシールドに印加された高周波電圧を時間変化させた時の模式図である。 ２系統のファラデーシールドの構成を示す図である。 第１のファラデーシールドの構成を示す図である。 第２のファラデーシールドの構成を示す図である。 ３系統のファラデーシールドの構成を示す図である。 径方向のファラデーシールドの構成を示す図である。 周方向のファラデーシールドの構成を示す図である。
以下に本発明に係るプラズマ処理装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るプラズマ処理装置であるプラズマエッチング装置の断面を示す。
プラズマ１を生成し閉じ込める処理室２には、上方に絶縁材（例えば、石英、アルミナセラミック等）で形成された真空窓６と、被処理物であるウエハ３を載置する試料台４と、ガス供給管５と、下方には真空排気する排気口９が配置されている。真空窓６の外側にはコイル状の誘導アンテナ１０を配置しており、アンテナ用整合器１２を介して、高周波電力の供給源となるアンテナ用高周波電源１１に接続される。
また、真空窓６と誘導アンテナ１０の間には、第１のファラデーシールド１８、第２のファラデーシールド１９が格子状に配置されており(図６参照)、各々のファラデーシールドが接触しないように、絶縁板１７（例えば、石英、アルミナセラミック等）で格子を造り、それに配置する。
第１のファラデーシールドおよび第２のファラデーシールドには、それぞれ独立に第１の高周波電源１３と第２の高周波電源１５が接続され、各高周波電源には、各系統に印加する電圧、又は位相を制御する第１の電源制御装置１４と第２の電源制御装置１６を接続する。第１の電源制御装置１４と第２の電源制御装置１６は制御装置２０により操作される。
ここで、図５を用いて、高周波電源の電圧を時間変化させる方法を説明する。図５(ａ)では、波形発信器５１から例えば矩形波形であるＶ０(ｔ)を位相シフター５２に与える。位相シフター５２から各系統に位相の異なる信号を、第１の電源制御装置１４と第２の電源制御装置１６に与える。各電源制御装置に入力された信号を、第１の高周波電源１３と第２の高周波電源１５に与えることにより、図５(ｂ)に示すように各系統間の高周波電源が交互に出力するよう矩形波形により時間変調させることができる。このような手法により各系統のファラデーシールドに印加する電圧及び位相差を時間変化させることができる。
尚、図５(ｂ)は、第１のファラデーシールド１８に印加され時間変調された電圧Ｖ１及び第２のファラデーシールド１９に印加され時間変調された電圧Ｖ２を示す。また、波形発信器５１により発生させる波形Ｖｏ(ｔ)は、矩形波に限定されず、三角波、パルス状、正弦波等でも良い。
時間変調させるための繰り返し周波数は、少なくとも処理時間(数秒から数分)の間に1Ｈｚ以上で、プラズマの分布変化が追随する程度に低周波であることを考慮し最大５０ｋＨz以下が適当である。プラズマ分布変化のスピードは移動速度の遅いイオン速度で制限される。ここで、プラズマ分布の時間変化の特長的時間を簡単に見積もる。分布変化するときのイオンの速度はボーム速度と呼ばれる（２）式で表される。
ｋ : Boltzmann constant(1.3807E-23Ｊ／Ｋ)
ｅ : 電子の電荷(1.6022E-19Ｃ)
Ｔｅ : 電子温度（Ｋ）
Ｍ :イオンの質量（ｋｇ）
イオンの種類をエッチング処理で一般に用いられる塩素（質量数３５）を用い、電子温度として５ｅＶ(58000Ｋ)を例に計算すると、ボーム速度はUB＝3700(ｍ/ｓ)となる。本発明におけるプラズマ分布が時間的に変化する特長的距離Lは約0.1（ｍ）とすると、イオンが移動して分布が変化する特長的時間TはT=L/UBで見積もられT=２７μｓとなり、応答可能な周波数としては３７ｋHz(１/２７μ)となる。
したがって、この周波数より高い周波数ではイオンが分布変化に追随できないことになる。そのため、プラズマ生成位置を時間的に変化させるためのファラデーシールドに印加する電圧の出力又は位相は、時間変調の繰り返し周波数を数十ｋＨｚ以下にする必要がある。応答する周波数はイオンの種類（質量）に依存するため酸素では５５ｋHzとなり、電子温度にも依存するが、応答周波数の限界周波数としては概略５０ｋHzと見積もれる。また、時間変調用波形は、正弦波が基本であるが整合回路の制御が可能な範囲で任意である。
さらに、これまで、２系統を例に説明したが、３系統以上の場合も同様に各系統間の位相差の時間変化のタイミングをずらすことで、高周波の吸収位置が順次時間変化する。例えば、３系統で有れば１２０度、４系統で有れば９０度、６系統で有れば６０度ずらせば良い。すなわち、自然数をＮとする場合、Ｎ系統であれば(３６０／Ｎ)度ずらせば良い。
上記プラズマ装置によるプラズマの生成方法は、高周波アンテナ１０に高周波電力を印加し、真空窓６の下側に誘導電流が流れることで電子が加熱されプラズマが生成、維持される。また、ファラデーシールドに高周波電圧を印加することで、容量結合のプラズマを形成する。一方、被処理部であるウエハ３には高周波電源７が電極用整合器８を介して接続されており、ウエハ３に高周波（例えば、４００ｋＨｚから数１０ＭＨｚ）を印加することでプラズマからイオンが引き出されウエハ３を照射する。
次に本発明に係るファラデーシールドの形状及び配置を図６に示す。図７に示す第１のファラデーシールド１８と図８に示す第２のファラデーシールド１９の配置は、プラズマ分布をウエハ面内で２次元的に変化させることを目的に２系統のファラデーシールドを格子状に配置した。ファラデーシールド間の接続は導体板等の配線７１を用いた。また、２系統のファラデーシールドは、各ファラデーシールドが接触しないように、絶縁板１７（石英、アルミナセラミック等）で隔離した状態で配置した。第１のファラデーシールド１８の電圧及び位相は第１の電源制御装置１４により制御され、第２のファラデーシールド１９の電圧及び位相は、第２の電源制御装置１６により制御される。また、第１のファラデーシールド１８及び第２のファラデーシールド１９のそれぞれは、高周波アンテナ１０の高周波電圧がプラズマ１に容量的に結合することを遮蔽するために、径方向にスリットが配置されている。
次に上述したプラズマ処理装置においてエッチング形状の垂直化を可能にすることができる理由について説明する。図２は、各系統のファラデーシールドに印加する電圧の位相とプラズマ分布の関係を示す。第１のファラデーシールド１８と第２のファラデーシールド１９に印加される電圧の位相差が０度の場合、図２(ａ)に示すように真空窓６の下側全面に容量結合によるプラズマ１が生成される。一方、位相差が１８０度では、図２(ｂ)に示すように第１のファラデーシールド１８と第２のファラデーシールド１９の交互に電圧が印加されるため、印加されたファラデーシールドの真空窓６の下面に容量結合のプラズマが交互に生成される。
このように、第１のファラデーシールド１８と第２のファラデーシールド１９のそれぞれに印加された電圧の位相差により、プラズマ分布を制御することができる。図２(ｂ)のように生成されたプラズマの場合、生成されたプラズマには密度勾配が生じる。ここで、生成されたイオン２１は、プラズマ密度の勾配に比例した両極性電界Ｅで加速されるので、密度分布の等高線に直角方向の速度方向に加速され広がる。なお、両極性電界Ｅは(３)式で表される。
ｋ : Boltzmann constant (1.3807E-23 J/K)
ｅ : 電子の電荷 (1.6022E-19 C)
Te : 電子温度
ｎ : 電子密度
次に、本発明のプラズマ処理装置によるシース中のイオンの挙動及びエッチング形状に関して説明する。図４(ａ)は、イオンがシース領域に入る時の速度ベクトルを示す。シース中のイオンの速度ベクトルＵinは、プラズマの密度勾配により拡散された両極性電界Ｅによる速度ベクトルとシース間の直流電圧成分Ｖｄｃ(Ｖ)による速度ベクトルの和で決定される。シースに入る直前のイオンの速度をＵ0、シースへの入射角をθ0、シース間の直流電圧成分Ｖｄｃ(Ｖ)でウエハ方向に加速されるイオンの速度をＵとすると、ウエハ３に入射するときの角度θinは、(４)式で表わされる。
ここで、電子温度として５ｅＶ(58000Ｋ)、ファラデーシールドに電圧を印加して生成されたプラズマの電子密度を１．０Ｅ１１（１／ｃｍ３）、ファラデーシールドに電圧を印加していない領域の電子密度を１．０Ｅ７（１／ｃｍ３）、直流成分のＶｄｃを１００〜３００（Ｖ）とした場合を例に計算すると、シース中のウエハへの入射角θ0は８．７〜２４．７度となる。一方、従来のエッチング形状は約８０度程度のテーパ角であるため、上記のイオンの入射角は、十分、エッチング形状を垂直にすることができる入射角と考える。
次にエッチングの模式図を図４(ｂ)に示す。(４)式で表わされる入射角でウエハ３に入射するイオンは、被エッチング膜３６に入射する入射角θｘが９０度より小さくなるため、スパッタ効率は低下しない。このため、第１のファラデーシールド１８及び第２のファラデーシールド１９のそれぞれに印加する電圧、及び位相を適正化することによってエッチング形状の垂直化を可能にする。
以上、言い換えると本発明により、シースに入射する前にイオンに水平方向のエネルギーを与えることができ、このことにより、シースへ斜めにイオンを入射させることができる。さらにこの斜めにシースへ入射したイオンにより、側壁部３７のスパッタ効率を低下させないため、不揮発性材料の垂直エッチングを可能とする。
以上、本実施例では、２系統のファラデーシールドを用いた場合であったが、次に３系統のファラデーシールドを用いた場合について図９を参照しながら説明する。第１のファラデーシールド９７、第２のファラデーシールド９８及び第３のファラデーシールド９９は、それぞれ正六角形のファラデーシールドを基本要素とするファラデーシールドである。また、第１のファラデーシールド９７、第２のファラデーシールド９８及び第３のファラデーシールド９９のそれぞれの基本要素である正六角形のファラデーシールドをハニカム状に配置する。
また、第１の高周波電源９１、第２の高周波電源９３及び第３の高周波電源９５の出力は、それぞれ、第１の電源制御装置９２、第２の電源制御装置９４、第３の電源制御装置９６により電圧、又は位相を制御されて第１のファラデーシールド９７、第２のファラデーシールド９８及び第３のファラデーシールド９９のそれぞれへ供給される。さらに第１のファラデーシールド９７、第２のファラデーシールド９８及び第３のファラデーシールド９９は、高周波アンテナ１０の高周波電圧がプラズマ１に容量的に結合することを遮蔽するために、それぞれ径方向にスリットが配置されている。
また、本発明に係る各系統のファラデーシールドを構成する基本要素の形状および配置は、ファラデーシールドが２、４系統の場合は四角形として格子状に配置するのが好ましい。また、３系統の場合は、各系統のファラデーシールドを構成する基本要素の形状を六角形とし、ハニカム状に配置するのが好ましい。さらに、６系統の場合は各系統のファラデーシールドを構成する基本要素の形状を三角形とし、この三角形を六角形状に配置し、それをさらにハニカム状に配置するのが好ましい。
また、実際、各系統のファラデーシールドを構成する基本要素の形状と配置にプラズマ分布は依存するため、各系統のファラデーシールドを構成する基本要素の形状と配置によりエッチングの性能を制御できる。このため、ファラデーシールドの系統数を大きくすることで、均一化なエッチング形状が得られる。
例えば、本実施例ではファラデーシールドを構成する基本要素を格子状、又はハニカム状に配置させたが、図１０のＡ断面のようにエッチング形状が径方向でテーパ形状である場合には、図１０に示すようにファラデーシールドを径方向だけに配置してプラズマの生成位置を径方向に時間変化さても良い。中心の第１のファラデーシールド１０１は円形で、その外側にはドーナツ状の第２のファラデーシールド１０２、第２のファラデーシールド１０２の外側に第３のファラデーシールド１０３，第３のファラデーシールド１０３の外側に第４のファラデーシールド１０４を配置している。
第１のファラデーシールド１０１及び第３のファラデーシールド１０３への給電は、第１の電源制御装置１４により電圧、又は位相を制御して第１の高周波電源１３を介して行われる。また、第２のファラデーシールド１０２及び第４のファラデーシールド１０４への給電は、第２の電源制御装置１６により電圧、又は位相を制御して第２の高周波電源１５を介して行われる。
また、図１１のＢ断面のようにエッチング形状が周方向でテーパ形状の場合には、図１１に示すように各系統のファラデーシールドを周方向に配置し、プラズマの生成位置を周方向に時間変化さても良い。各系統のファラデーシールドの形状は扇形で、図１１に示すファラデーシールドは、４つの扇形の第１のファラデーシールド１１１と４つ扇形の第２のファラデーシールド１１２を交互に配置されて構成されたファラデーシールドである。
また、各系統のファラデーシールドへの給電は、隣り合った各系統のファラデーシールドの一方に第１の高周波電源１３から行われ、隣り合った各系統のファラデーシールドの他方に第２の高周波電源１５から行われる。尚、第１の高周波電源１３からは第１の電源制御装置１４により電圧、又は位相を制御して各系統のファラデーシールドへ電圧が供給され、第２の高周波電源１５からは第２の電源制御装置１６により電圧、又は位相を制御して各系統のファラデーシールドへ電圧が供給される。
以上、上述した本発明に係るプラズマ処理装置を用いて２系統以上のファラデーシールドに印加する電圧又は位相を時間的に変化させることで、ウエハに入射するイオンの入射角を適正化し、入射角を適正化したイオンによりエッチング形状の垂直化を可能にする。
１ プラズマ
２ 処理室
３ ウエハ
４ 試料台
５ ガス供給管
６ 真空窓
７ 電極用高周波電源
８ 電極用整合器
９ 排気口
１０ 誘導アンテナ
１１ アンテナ用高周波電源
１２ アンテナ用整合器
１３ 第１の高周波電源
１４ 第１の電源制御装置
１５ 第２の高周波電源
１６ 第２の電源制御装置
１７ 絶縁板
１８ 第１のファラデーシールド
１９ 第２のファラデーシールド
２０ 制御装置
２１ イオン
３１ シース領域
３５ マスク膜
３６ 被エッチング膜
３７ 側壁部
５１ 波形発信器
５２ 位相シフター
７１ 配線
９１ 第１の高周波電源
９２ 第１の電源制御装置
９３ 第２の高周波電源
９４ 第２の電源制御装置
９５ 第３の高周波電源
９６ 第３の電源制御装置
９７ 第１のファラデーシールド
９８ 第２のファラデーシールド
９９ 第３のファラデーシールド
１０１ 第１のファラデーシールド
１０２ 第２のファラデーシールド
１０３ 第３のファラデーシールド
１０４ 第４のファラデーシールド
１１１ 第１のファラデーシールド
１１２ 第２のファラデーシールド

Claims (4)

  1. 試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室の上方を気密に封止する誘電体窓と、前記誘電体窓の上方に配置された誘導アンテナと、前記誘導アンテナと前記誘電体窓の間に配置されプラズマと容量結合するファラデーシールドと、前記誘導アンテナに高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記ファラデーシールドに高周波電力を供給する第二の高周波電源を制御する制御装置とを備えるプラズマ処理装置において、
    前記ファラデーシールドは、スリットが配置された複数の第一の要素を有する第一のファラデーシールドと前記第一の要素の隣に配置されスリットが配置された複数の第二の要素を有する第二のファラデーシールドを具備し、
    前記第一の要素と前記第二の要素が互いに隣り合い、かつ格子状に配置されるように前記第一のファラデーシールドと前記第二のファラデーシールドが重ね合わせられ、
    前記第一の要素の各々は、第一の高周波電力が供給され、
    前記第二の要素の各々は、第二の高周波電力が供給され、
    前記制御装置は、前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力をそれぞれ時間変調し、
    前記時間変調された第一の高周波電力の位相は、前記時間変調された第二の高周波電力の位相と異な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、
    前記第一の要素の各々および前記二の要素の各々は、四角形の形状であ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、
    前記時間変調された第一の高周波電力の位相と前記時間変調された第二の高周波電力の位相の差は、１８０度であ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、
    前記第一の高周波電力を時間変調するための繰り返し周波数は、１ないし５０ｋＨｚの範囲内の周波数であり、
    前記第二の高周波電力を時間変調するための繰り返し周波数は、１ないし５０ｋＨｚの範囲内の周波数であることを特徴とするプラズマ処理装置。
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