JP6899035B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程において、酸化シリコン、窒化シリコン、低誘電率膜、ポリシリコン、アルミニウム等の材料に対し、プラズマを用いてエッチング等の処理を行うのに好適なプラズマ処理装置に係る。
半導体デバイスの製造プロセスでは、低温プラズマによるエッチングなどのプラズマ処理が広く用いられている。低温プラズマは例えば減圧下の反応容器内で上部電極と下部電極の二枚の電極が対向して配置された容量結合型の平行平板電極に高周波電力を印加することによって形成することができる。この平行平板型のプラズマ処理装置は半導体デバイスの製造プロセスにおいて多用されている。
平行平板型のプラズマ処理装置は、二枚の電極間に例えば半導体材料で構成されるウエハ（以下ウエハ）を載置し、所望のプロセスガスを導入した上で一方の電極に高周波電力を印加することでプラズマを生成し、ウエハへラジカルとイオンを供給することでプラズマ処理を行うようになっている。このようなプラズマによるエッチング加工は加工形状の異方性を制御できるため、加工精度の点で優位である。
半導体デバイスの加工寸法は微細化の一途を辿っており、加工精度の要求も高まる一方である。そのため、適度なガスの解離状態を維持しつつ低圧で高密度なプラズマを生成することが求められている。プラズマを生成するために印加する高周波電力の周波数は一般に１０ＭＨｚ以上であり、周波数が高いほど高密度なプラズマ生成に有利である。しかし、高周波数化すると電磁波の波長が短くなるため、プラズマ処理室内の電界分布が一様ではなくなってくる。電界分布はプラズマの電子密度に影響を与え、電子密度はエッチレートに影響を与える。エッチレートの面内分布の悪化は量産性を低下させてしまうので、高周波電力の周波数を高めるとともにエッチレートのウエハ面内の均一性を高めることが求められている。
そこで、例えば特許文献１（特開２００８−１６６８４４号公報）ではウエハの中心から外周に向かって発散する磁界を形成し、磁界と電界の相互作用によりプラズマ密度分布を均一化する技術が知られている。また、例えば特許文献２（特開２００４−２００４２９号公報）では複数のコイル毎にヨークを設け、局所的にプラズマ密度分布を制御し、均一化する技術が知られている。
特開２００８−１６６８４４号公報 特開２００４−２００４２９号公報
ＶＨＦ帯以上の高周波電力によるプラズマでは、外部磁場による分布制御を行う技術（例えば特許文献１、特許文献２）があるが、同心円状に全体的にプラズマ密度分布を凹凸に制御することと局所的に制御することの両立は困難であった。
そこで本発明では、従来技術の課題を解決して、プラズマ密度分布を中心高な分布と節分布を両方とも独立に制御することが可能にし、試料をプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができるプラズマ処理装置を提供する。
上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、プラズマ処理装置を、試料がプラズマ処理される真空容器と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、試料が載置される試料台と、真空容器の内部に磁場を形成させ真空容器の外側に配置された磁場形成部とを備え、磁場形成部は、第１のコイルと、第１のコイルより内側に配置され第１のコイルの直径より小さい直径の第２のコイルと、第１のコイル、真空容器の上方および側面を覆い第１のコイルが内部に配置された第１のヨークと、第２のコイルの周方向に沿って第２のコイルを覆い第２のコイルの下方側に開口部を有する第２のヨークとを具備させた。
また、上記した従来技術の課題を解決するために、本発明では、プラズマ処理装置を、 試料がプラズマ処理される真空容器と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、試料が載置される試料台と、真空容器の内部に磁場を形成させ真空容器の外側に配置された磁場形成部とを備え、磁場形成部は、第１のコイルと、第２のコイルと、第１のコイルを覆うとともに真空容器の上方および側面を覆い第１のコイルが内部に配置された第１のヨークと、第２のコイルを覆う第２のヨークとを具備し、第１のヨークの一方の端部から発した磁力線が第２のヨークを介して第１のヨークの他方の端部へ戻り、かつ第２のヨークから発した磁力線が第２のヨークへ戻るように第２のコイルと第２のヨークが構成されようにした。
本発明によれば、プラズマ密度分布を中心高な分布と節分布を両方とも独立に制御することが可能になり、試料台に載置された試料をプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置における外周コイルとミドルヨークにより発生する磁力線の分布状態を模式的に示す、外周コイルとミドルヨークを含む部分断面図である。 比較例で示した構成において電子密度分布のコイル電流値依存性を示すグラフである。 本発明の実施例で示した構成においてミドルコイル電流のON/OFFによる電子密度分布電子密度分布を示すグラフである。 本発明の第１の変形例における外周コイルとミドルヨーク及びその周辺の部分の構成を示す部分断面図である。 本発明の第２の変形例における外周コイルとミドルヨーク及びその周辺の部分の構成を示す部分断面図である。 本発明の第３の変形例における外周コイルとミドルヨーク及びその周辺の部分の構成を示す部分断面図である。 本発明の第４の変形例におけるミドルヨークとミドルコイルの構成を示す部分断面図である。 本発明の第５の変形例におけるミドルヨークとミドルコイルの構成を示す部分断面図である。 本発明の実施例の比較例として例示したプラズマ処理装置の概略の構成を示すブロック図である。
本発明は、プラズマ処理装置を、（ａ）プラズマ生成域の径方向の磁束密度(Ｂｒ)が外周ほど大きくなるような可変の発散磁場を形成し、（ｂ）ウエハのミドル領域（Ｒ＝５０〜１００[ｍｍ]）プラズマ生成域のみのＢｒを可変にするように構成したものである。
（ａ）のために断面がＬ字型のヨークＡをプラズマ生成領域上方に配置して磁束が中央から外周側へ戻る経路をつくり、（ｂ）のためにウェハミドル領域直上に下方が開いたコの字型のヨークＢを設置するとともに内部にコイルＣを配置するようにした。
ヨークＡのイン側端部から出る磁束をヨークＢ経由でヨークＡのアウト側端部に戻し、ヨークＢの端部から出る磁束をヨークＢに戻すため、ヨークＡをヨークＢの上方かつ外周に配置するようにした。
この時の要件は、
・ヨークＡの断面はチャンバを覆うような位置でＬ字型であること
・ヨークＢはプラズマ生成域より上方に配置し、下方が開いたコの字形状であること
・ヨークＡとヨークＢは空間的に分断していること
・ヨークＢの半径方向の重心位置はヨークＡのそれよりも内周側にあること
・ヨークＢの半径方向の重心位置はウエハ上にあること
・ヨークＢの内部に一個以上のコイルが配置されていること
・ヨークＡの内部に隣接して一個以上のコイルが配置されていること
コイルＣは複数のコイルを左右に並べてもよい。複数並んだコイルのいずれに電流を流すかによってプラズマの電子密度が高まる半径位置を変化させることができる。
コの字型ヨークＢの半径方向の中心位置はＲ＝５０〜１００[ｍｍ]に配置させることが望ましい。より望ましくは高周波電力の波長λに対し、シャワープレートの比誘電率εとしたとき、Ｒ＝λ/ε/４*１０００[ｍｍ]とする。これは誘電体中を伝搬する高周波の実効的な波長の半分の長さで定在波が発生しやすいためである。
すなわち本発明は、プラズマ生成域の径方向の磁束密度(Ｂｒ)が外周ほど大きくなるような可変の発散磁場を形成し、なおかつウエハのミドル領域（Ｒ＝５０〜１００[ｍｍ]）プラズマ生成域のみのＢｒを可変にする。断面がＬ字型のヨークＡをプラズマ生成領域上方に配置して磁束が中央から外周側へ戻る経路をつくり、ウェハミドル領域直上に下方が開いたコの字型のヨークＢを設置するとともに内部にコイルＣを配置する。ヨークＡのイン側端部から出る磁束をヨークＢ経由でヨークＡのアウト側端部に戻し、ヨークＢの端部から出る磁束をヨークＢに戻すため、ヨークＡをヨークＢの上方かつ外周に配置したものである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。
ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置１００の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
図１に係るプラズマ処理装置１００は、ソレノイドコイルである外周コイル８１およびミドルコイル８３を用いた有磁場平行平板型のプラズマ処理装置である。本実施例のプラズマ処理装置１００は、真空容器１０を有し、この真空容器１０内部の空間であり処理対象の試料が載置され処理用のガスが供給されてプラズマが内部に形成される処理室４０が形成されている。
更に、プラズマ処理装置１００は、真空容器１０の上方に配置されて処理室４０の内部にプラズマを形成するための電界または磁界を生成する手段であるプラズマ形成部５０と、真空容器１０の下部と連結され処理室４０の内部を排気して減圧するターボ分子ポンプ等の真空ポンプを含む排気部４５と、全体を制御する制御部７０を備えている。
真空容器１０の処理室４０の内部には、その下方に配置された円筒形の試料台２を備え、この試料台２の上面は、その上に半導体ウエハ等の基板状の被処理試料３（以下、試料３と記す）が載せられる載置面１４１が形成されている。
この載置面１４１の上方には、この載置面１４１に対向して配置されてプラズマを形成するための高周波電力が供給される円板形状の上部電極４が設けられている。また、この上部電極４の試料３の側で試料台２の載置面１４１に対向して配置されると共に処理室４０の天井面を構成し当該処理室４０の内部にガスを分散して供給する貫通孔５１を複数備えた円板状のシャワープレート５とが配置されている。
シャワープレート５とその上方に配置されたアンテナである上部電極４とは、これらが真空容器1０に取り付けられた状態でこれらの間に隙間４１が形成される。隙間４１へは、これと連結された真空容器１０の外部のガス供給部６０と接続するガス導入ライン６から上部電極４内に施されたガス流路を介してガスが導入される。
ガス供給部６０は、供給するガスの種類に応じた複数のマスフローコントローラ６１を備えており、それぞれのマスフローコントローラ６１は、図示していないガスボンベと接続している。隙間４１に供給されたガスは、隙間４１の内部で分散された後、シャワープレート５の側の中央部を含むに領域に配置された複数の貫通孔５１を通り処理室４０の内部に供給される。
ガス供給部６０から、この複数の貫通孔５１を通り処理室４０の内部に供給されるガスとしては、試料３の処理に用いられる処理用のガス或いは処理には直接的には用いられないものの処理用のガスを希釈する、もしくは処理用のガスが供給されない間に処理室４０の内部に供給されて処理用のガスと入れ替えられる不活性ガスなどがある。
上部電極４の内部には、上部電極用冷媒流路７が形成されている。この上部電極用冷媒流路７には、冷媒の温度を所定の範囲に調節するチラー等の温度制御装置（図示せず）と連結された冷媒供給ライン７１が接続されている。冷媒供給ライン７１を介して温度制御装置（図示せず）から温度が所定の範囲に調節された冷媒が上部電極用冷媒流路７の内部に供給され循環することにより、熱交換されて上部電極４の温度が処理に適切な値の範囲内に調節される。
また、上部電極４は、導電性材料であるアルミまたはステンレス等で形成された円板状の部材で形成されており、その上面の中央部にプラズマ形成用の高周波電力が伝達される同軸ケーブル９１が電気的に接続されている。
上部電極４には、同軸ケーブル９１を介してこれと電気的に接続された放電用高周波電源８（以下、高周波電源８と記す）からプラズマ形成用の高周波電力が放電用高周波電力整合器９を介して供給され、上部電極４の表面からシャワープレート５を透過して処理室４０の内部に電界が放出される。本実施例では、高周波電源８から上部電極４に印加されるプラズマ形成用の高周波電力として、超高周波帯（ＶＨＦ帯）域の周波数である２００ＭＨｚの電力を用いた。
さらに、真空容器１０の外部であって処理室４０の上部の上方と側方とを囲む位置には、外周ヨーク８２で覆われた電磁コイルである外周コイル８１と、ミドルヨーク８４で覆われた電磁コイルであるミドルコイル８３が配置されている。この外周コイル８１とミドルコイル８３により発生する磁界が、処理室４０の内部に形成される。
シャワープレート５は、石英等の誘電体やシリコン等の半導体で構成されている。これにより、高周波電源８から上部電極４にプラズマ形成用の高周波電力が印加された状態で、上部電極４により形成された電界がシャワープレート５を透過することができる。
また、上部電極４は、その上方や側方に配置されて石英やテフロン（登録商標）等の誘電体で構成されリング状の上部電極絶縁体１２により、真空容器１０から電気的に絶縁されている。同様に、シャワープレート５の周囲には、石英等の誘電体で構成される絶縁リング１３が配置されており、シャワープレート５は、真空容器１０から絶縁されている。これら上部電極絶縁体１２と絶縁リング１３と上部電極４、シャワープレート５とは、真空容器１０の上部を構成する蓋部材（図示を省略）に固定されており、蓋部材の開閉の動作の際に蓋部材と一体として回動する。
円筒形を有した真空容器１０は、その側壁が、図示していない真空容器であって減圧された内部を試料３が搬送される搬送容器と連結されて、これらの間には、試料３が出し入れされる通路の開口としてのゲートが配置され、真空容器１０内部で試料３の処理がされる場合に、ゲートを閉塞して真空容器１０内部を気密に封止するゲートバルブが配置されている。
処理室４０の内部の試料台２の下方であって真空容器１０の下部には、処理室４０の内部を排気する排気部４５と連通する排気用の開口４２が配置されている。この排気用の開口４２と排気部４５の図示していない真空ポンプとの間でこれらを連結する排気の経路４３の内部には、板状のバルブである圧力調整バルブ４４が配置されている。この圧力調整バルブ４４は、排気の経路４３の断面を横切って配置された板状のバルブであり、この板状のバルブが軸回りに回転して流路に対する断面積を増減させる。
制御部７０で圧力調整バルブ４４の回転の角度を調節することにより、処理室４０からの排気の流量または速度を増減することができる。処理室４０の内部の圧力は、シャワープレート５の貫通孔５１から供給されるガスの流量または速度と排気用の開口４２から排気部４５の側に排出されるガスや粒子の流量または速度とのバランスにより、所望の値の範囲内となるように、制御部７０により調節される。
次に、試料台２の周辺の構造に関して説明する。本実施例の試料台２は、処理室４０の下方の中央部に配置された円筒形状の台であって、その内部に円筒形または円板形状を有した金属製の基材２ａを備えている。
本実施例の基材２ａは、同軸ケーブルを含む給電経路２８によりバイアス用高周波電源２０と当該給電経路２８上に配置されたバイアス用高周波電力整合器２１を介して電気的に接続されている。バイアス用高周波電源２０から基材２ａに印加されるバイアス用高周波電力は、高周波電源８から上部電極４に印加されるプラズマ生成用高周波電力とは異なる周波数（本例では４ＭＨｚ）である。また、給電経路２８上には、抵抗またはコイル等の素子３２が配置され、当該素子３２は接地されたバイアス用高周波電力整合器２１及びバイアス用高周波電源２０と接続されている。
高周波電源８から上部電極４にプラズマ生成用高周波電力を印加して試料台２とシャワープレート５との間にプラズマ１１を発生させた状態で、バイアス用高周波電源２０から基材２ａに高周波電力を供給することにより、基材２ａには、バイアス電位が発生する。このバイアス電位により、プラズマ１１中のイオン等の荷電粒子は、試料３の上面または載置面１４１に誘引される。すなわち、基材２ａは、上部電極４の下方において、バイアス用高周波電力が印加される下部電極として機能する。
また、基材２ａの内部には、チラー等の温度制御装置１９１により所定の温度に調整された冷媒を循環して通流させるための冷媒流路１９が多重の同心状または螺旋状に配置されている。
基材２ａの上面には、静電吸着膜１４が配置されている。静電吸着膜１４は、アルミナあるいはイットリア等の誘電体の材料で形成されており、その内部に、試料３を静電吸着させるための直流電力が供給されるタングステン電極１５を内蔵している。タングステン電極１５の裏面には、基材２ａを貫通して配置された静電吸着用給電経路２７が接続されている。タングステン電極１５は、この静電吸着用給電経路２７により、抵抗またはコイル等の素子３２及び接地された低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）１６を介して直流電源１７と電気的に接続されている。
本実施例の直流電源１７及びバイアス用高周波電源２０は、その一端側の端子は接地されるかアースに電気的に接続されている。
より高い周波数の電流の流れを妨げてフィルタリング（濾過）する低域通過フィルタ１６、及びバイアス用高周波電力整合器２１は、直流電源１７およびバイアス用高周波電源２０に、高周波電源８からのプラズマ形成用の高周波電力が流入するのを抑制するために配置されている。
直流電源１７からの直流電力、或いはバイアス用高周波電源２０からの高周波電力は、損失なくそれぞれ静電吸着膜１４および試料台２に供給されるが、試料台２側から直流電源１７およびバイアス用高周波電源２０に流入するプラズマ形成用の高周波電力は低域通過フィルタ１６またはバイアス用高周波電力整合器２１を介してアースに流される。なお、図１中のバイアス用高周波電源２０からの給電経路２８上には、低域通過フィルタ１６は図示されていないが、同様な効果を有する回路が図示するバイアス用高周波電力整合器２１内に内蔵されている。
このような構成では、試料台２から直流電源１７およびバイアス用高周波電源２０側を見た場合の高周波電源８からの電力のインピーダンスは、相対的に低くされる。本実施例では、抵抗またはコイル等のインピーダンスを高める素子３２を、給電経路上で電極と低域通過フィルタ１６及びバイアス用高周波電力整合器２１との間に挿入して配置することで、試料台２の基材２ａ側から直流電源１７或いはバイアス用高周波電源２０側を見たプラズマ形成用の高周波電力のインピーダンスを高く（本実施例では１００Ω以上に）している。
図１に示す実施例は、静電吸着膜１４の内部に配置されたタングステン電極１５を複数備えており、これらのうち一方と他方とが異なる極性を有するように直流電圧が供給される両極性の静電吸着を行うものとなっている。このため、載置面１４１を形成する静電吸着膜１４が、試料３と接触する面の面積を２等分されたか又はこれと見做せる程度に近似した範囲内の値でタングステン電極１５が異なる極性を有する２つの領域に分けられ、それぞれに独立した値の直流電力が供給されて、異なる値の電圧に維持される。
静電吸着されて接触している静電吸着膜１４と試料３の裏面との間には、配管１８１を介してヘリウム供給手段１８よりヘリウムガスが供給される。これにより、試料３と静電吸着膜１４との間の熱伝達の効率が向上し、基材２ａの内部の冷媒流路１９との熱の交換量を増大させることができ、試料３の温度を調節する効率を高めている。
基材２ａの下方には、テフロン（登録商標）等で形成された円板状の絶縁板２２が配置されている。これにより、接地されるかアースと電気的に接続され接地電位にされた基材２ａは、下方の処理室４０を構成する部材から電気的に絶縁されている。さらに、基材２ａの側面の周囲には、アルミナ等の誘電体製のリング状の絶縁層２３が、基材２ａを囲むようにして配置されている。
基材２ａの下方で、これと接続されて配置された絶縁板２２の周囲、及びその上方で基材２ａを囲むようにして配置され絶縁層２３の周囲には、接地されるかアースと電気的に接続され接地電位にされた導電性材料から構成された導電板２９が配置されている。導電板２９は、上方から見て円形かこれと見做せる程度の近似した形状を有した板部材である。導電板２９と基材２ａとの間には絶縁層２３が介在しており、導電板２９と基材２ａとは、電気的に絶縁されている。
リング状の絶縁層２３の上方には、石英などの誘電体もしくはシリコンなどの半導体で構成されたサセプタリング２５が配置されている。サセプタリング２５が試料３の周囲に配置され、基材２ａをサセプタリング２５と絶縁層２３とで覆うことで、試料３の外端部周辺の反応生成物の分布を制御し、プロセス性能の均一化を行っている。
このように、試料台２は、基材２ａと、タングステン電極１５を内部に備えた静電吸着膜１４、基材２ａを載せて基材２ａと真空容器１０との間を電気的に絶縁する絶縁板２２、絶縁材料で形成されて基材２ａの周囲を囲む絶縁層２３、基材２ａの上面と静電吸着膜１４の側面を覆うサセプタリング２５、および、絶縁板２２の外周部と絶縁層２３の外周部とを覆う導電板２９を備えて構成されている。
サセプタリング２５の外周側には、サセプタリング２５に接するように配置された同心円状の板状の遮蔽板２４が取り付けられている。遮蔽板２４は、処理室４０の内部に形成されるプラズマ１１の発生領域が、試料台２の側面にまで拡大するのを防いで、試料台２の上部に偏らせるためのものであって、謂わば、閉じ込めるために配置されたものである。板状の遮蔽板２４には、ガスや粒子を上下方向に通過させるために、複数の孔２４１が形成されている。
基材２ａには温度計測器３５が埋め込まれており、基材２ａの温度を計測する。試料３の表面に図示していない温度計測器を設置した状態で、図示していない加熱手段で試料３を加熱して試料３の温度を変化させて、そのときの図示していない温度計測器で計測した試料３の表面温度と基材２ａに埋め込まれた温度計測器３５で計測された基材２ａの温度との関係を予めデータベース化して記憶しておく。処理室４０の内部にプラズマ１１を発生させて試料３を実際に処理している時にこのデータベースを参照することにより、基材２ａに埋め込まれた温度計測器３５で計測した基材２ａの温度から、プラズマ処理中の試料３の温度を推定することができる。
本実施例に係るプラズマ処理装置１００においては、外周コイル８１の付近には断面形状がＬ字型の外周ヨーク８２が外周コイル８１を取り囲むように配置されている。また、外周ヨーク８２の内側にはミドルコイル８３と、ミドルコイル８３を取り囲むように断面がコの字型のミドルヨーク８４が配置されている。断面形状がＬ字型の外周ヨーク８２と断面がコの字型のミドルヨーク８４は、互いに接触しないように配置されている。
ミドルヨーク８４は、ミドルコイル８３に電力を印加して磁界を発生させたときに、ミドルヨーク８４から発生する磁束が、試料台２に載置された試料３の上部のプラズマ１１が生成する領域に発散するように下方が開いたコの字型となっている。
外周コイル８１、外周ヨーク８２、ミドルコイル８３、ミドルヨーク８４の形状および配置は、試料台２に載置された試料３の上部のプラズマ１１を生成する領域の径方向の磁束密度(Br)が外周ほど大きくなるような可変の発散磁場を形成し、試料３のミドル領域（例えば、試料３が直径Φ３００ｍｍのウエハである場合には、Ｒ＝５０〜１００[ｍｍ]の領域）におけるプラズマ生成域のＢｒを可変にする目的で決定される。
本実施例の構成では、外周ヨーク８２をミドルヨーク８４の上方で一部がオーバーラップし、かつ外周に配置している。このような構成とすることにより、図２に模式的に示すように、外周コイル８１に電流を流すことにより発生する磁場により外周ヨーク８２のイン側端部８２０１から出る磁力線８２１０で表される磁束をミドルヨーク８４経由で外周ヨーク８２のアウト側端部８２０２に戻すことができる。さらに、ミドルコイル８３に電流を流すことにより発生する磁場により、ミドルヨーク８４の端部８４０１から出る磁力線８２２０で表される磁束を、外周ヨーク８２を経由してミドルヨーク８４に戻すことができる。なお、図２において、磁力線８２１０と８２２０とで表した磁束は、共に、外周コイル８１とミドルコイル８３とに同時に電流を流した場合に発生する磁束の状態を示している。
これにより、断面形状がＬ字型の外周ヨーク８２とコの字型のミドルヨーク８４によって形成された磁界は、中心から外周に向かって滑らかに発散する磁束を形成し、プラズマの電子密度分布(以下、単にプラズマ密度分布とも記す)の凹凸（濃淡）を制御可能となる。また、コの字型のミドルヨーク８４は断面形状がＬ字型の外周ヨーク８２に対して空間的に分離されているために、ミドルヨーク８４は外周ヨーク８２に対して比較的独立した磁束ループを形成することができ、図４に示したように、ミドル領域のプラズマ密度分布の制御が可能になる。
その結果、試料台２の上部のプラズマ１１が発生する領域において磁場の制御を比較的精度良く行うことができ、試料台２に載置した試料３の近傍での電子密度の分布を、比較的精度良く制御することが可能になる。
次に比較例について説明する。図１０に本発明の実施例に対する比較例としてのプラズマ処理装置２００を示す。比較例のプラズマ処理装置２００の全体的な構成は図１で説明した実施例で説明したプラズマ処理装置１００と同様な部分には同じ番号を付して、説明の重複を避ける。図１０に示したプラズマ処理装置２００は、ヨークとコイルの構成が図１で説明した実施例におけるミドルコイル８３、ミドルヨーク８４を備えていない点において、異なる。
図１０に示した比較例のヨーク８０の構造は断面がＬ字型となっており、その内側にコイル１を外側と内側の二か所に配置している。これは、特許文献１に記載されているプラズマ処理装置におけるヨーク５及びコイル６の構成に類似している。
ヨーク８０とコイル１の構成を図１０の比較例に示したような構成とした場合、コイル１とヨーク８０が形成する静磁場は、ヨーク８０の内側端部と外側端部を繋ぐ磁気回路を形成する。この静磁場は、外周に向かって磁束が発散する垂下型の磁場を形成する。
図１０に示した本発明の比較例の構成でプラズマの電子密度分布を計算した結果を、図３に示す。コイル１の電流値を７Ａから１０Ａまで変えて、それぞれ計算を行った。図３において、３０１乃至３０４は、それぞれコイル１の電流値７Ａ、８Ａ，９Ａ、１０Ａの場合の試料台２の半径方向のプラズマの電子密度分布を示している。コイル１の電流値によって、電子密度分布３０１のような内周高ないし電子密度分布３０４のような外周高の電子密度分布を形成可能なことがわかる。しかし、電子密度分布３０１乃至３０４で示されるように、いずれの電流値でも、半径位置３１０で示される半径１００ｍｍの周辺の電子密度が局所的に高まることはない。
一方、図１に示した本発明の実施例の構成におけるプラズマの電子密度分布を計算した結果を図４に示す。図１に示した構成において、外周コイル８１に電流を流した上で、ミドルコイル８３に電流を流した場合の電子密度分布４０１と、ミドルコイル８３に電流を流さない場合の電子密度分布４０２を計算した。ミドルコイル８３のＯＮ/ＯＦＦに対応して、半径位置３１０で示される半径１００ｍｍの周辺の位置で、電子密度分布４０１が４１１の位置で局所的に増加させることが可能なことがわかる。
試料３が直径Φ３００ｍｍのウエハである場合には、ミドルヨーク８４の半径方向の中心位置はＲ＝５０〜１００[ｍｍ]に配置させることが望ましい。より望ましくは高周波電力の波長λに対し、シャワープレート５の比誘電率εとしたとき、Ｒ＝λ/ε/４*１０００[ｍｍ]とする。これは誘電体中を伝搬する高周波の実効的な波長の半分の長さで定在波が発生しやすいためである。
上記に説明したように、本実施例では、断面形状がＬ字型の外周ヨーク８２をプラズマ生成領域上方に配置して磁束が中央から外周側へ戻る経路をつくり、ウェハミドル領域直上に下方が開いたコの字型のミドルヨーク８４を設置するとともに内部にミドルコイル８３を配置した。外周ヨーク８２のイン側端部８２０１から出る磁束をミドルヨーク８４経由で外周ヨーク８２のアウト側端部８２０２に戻し、ミドルヨーク８４の端部８４０１から出る磁束をミドルヨーク８４に戻すために、外周ヨーク８２をミドルヨーク８４の上方かつ外周に配置する構成とした。
これにより、本実施例によるプラズマ処理装置１００では、制御部７０で外周コイル８１に印加する電流を制御して、真空容器１０内部で試料台２に載置された試料３の上方のプラズマ１１を生成する領域において、試料３の径方向の磁束密度(Ｂｒ)が外周ほど大きくなるような可変の発散磁場を形成し、なおかつ制御部７０でミドルコイル８３に印加する電流を制御して、試料３の上方のプラズマ１１を生成する領域におけるミドル領域（Ｒ＝５０〜１００[mm]）のＢｒを可変にすることができる。
本実施例の図１に示したような外周コイル８１とミドルコイル８３及び外周ヨーク８２とミドルヨーク８４の配置とすることにより、断面形状がＬ字型の外周ヨーク８２とコの字型のミドルヨーク８４によって形成された磁界は、中心から外周に向かって滑らかに発散する磁束を形成し、プラズマ密度分布の凹凸を制御可能となる。また、コの字型のミドルヨーク８４はＬ字型の外周ヨーク８２と比較的独立した磁束ループを形成し、図４に示したように、ミドル領域のプラズマ密度分布の制御が可能になる。
以上より、本実施例によれば、プラズマ密度分布の中心高な分布と節分布を両方とも独立に制御することが可能になり、試料台に載置された試料をプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
また、本実施例によれば、同心円状に全体的にプラズマ密度を凹凸に制御しつつ、Φ３００ｍｍウエハの中周領域（Ｒ＝５０〜１００ｍｍ）のプラズマ密度を独立に制御することができ、Φ３００ｍｍのウエハをプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
［変形例１］
本発明の実施例の第１の変形例を、図５を用いて説明する。図５には、図１で説明したプラズマ処理装置１００において、Ｌ字型の外周ヨーク８２とコの字型のミドルヨーク８４とその周辺に相当する部分の構成を示す。
図５の構成で、図１に示した構成と異なる点は、図１のＬ字型の外周ヨーク８２を、Ｌ字型の外周ヨーク８２１に置き換えた点である。図１のＬ字型の外周ヨーク８２では、イン側端部８２０１がコの字型のミドルヨーク８４と重なっていたのに対して、図５に示した本変形例の構成においては、Ｌ字型の外周ヨーク８２１のイン側端部８２１１がコの字型のミドルヨーク８４と重なっていない点である。すなわち、Ｌ字型の外周ヨーク８２１のイン側端部８２１１の径がコの字型のミドルヨーク８４の外径よりも大きく、Ｌ字型の外周ヨーク８２１のイン側端部８２１１がコの字型のミドルヨーク８４の近傍に配置されている。
Ｌ字型の外周ヨーク８２１とコの字型のミドルヨーク８４とを図５に示したような関係にしても、外周コイル８１に電流を流すことにより発生する磁場により外周ヨーク８２１のイン側端部８２１１から出る磁束をミドルヨーク８４経由で外周ヨーク８２１のアウト側端部８２１２に戻すことができる。さらに、ミドルコイル８３に電流を流すことにより発生する磁場によりミドルヨーク８４の端部８４０１から出る磁束を外周ヨーク８２１を経由してミドルヨーク８４に戻すことができる。
これにより、Ｌ字型の外周ヨーク８２１とコの字型のミドルヨーク８４によって形成された磁界は、中心から外周に向かって滑らかに発散する磁束を形成し、プラズマ分布の凹凸を制御可能となる。また、コの字型のミドルヨーク８４はＬ字型の外周ヨーク８２１と比較的独立した磁束ループを形成し、図４に示したように、ミドル領域のプラズマ密度分布の制御が可能になる。
本変形例のようなコイル・ヨーク配置とすることにより、Ｌ字型のヨークとコの字型ヨークによって形成された磁界は中心から外周に向かって滑らかに発散する磁束を形成し、プラズマ密度分布の凹凸を制御可能となる。また、コの字型ヨークはＬ字型ヨークと比較的独立した磁束ループを形成し、ミドル領域のプラズマ密度分布の制御が可能になる。
その結果、試料台２の上部のプラズマ１１が発生する領域において磁場の制御を比較的精度良く行うことができ、試料台２に載置した試料３の近傍での電子密度の分布を、比較的精度良く制御することが可能になり、試料台２に載置された試料３をプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
また、本変形例によれば、同心円状に全体的にプラズマ密度を凹凸に制御しつつ、Φ３００ｍｍウエハの中周領域（Ｒ＝５０〜１００ｍｍ）のプラズマ密度を独立に制御することができ、Φ３００ｍｍのウエハをプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
［変形例２］
本発明の実施例の第２の変形例を、図６を用いて説明する。図６には、図１で説明したプラズマ処理装置１００において、Ｌ字型の外周ヨーク８２とコの字型のミドルヨーク８４とその周辺に相当する部分の構成を示す。
図６の構成で、図１に示した構成と異なる点は、図１のＬ字型の外周ヨーク８２を、変形例１の場合と同様にＬ字型の外周ヨーク８２１に置き換え、さらに、コの字型のミドルヨーク８４１に置き換えた点である。
図１のＬ字型の外周ヨーク８２１では、イン側端部８２０１がコの字型のミドルヨーク８４と重なっていたのに対して、図６に示した本変形例の構成においては、変形例１の場合と同様にＬ字型の外周ヨーク８２１のイン側端部８２１１がコの字型のミドルヨーク８４１と重なっていない。
さらに、ミドルコイル８３の高さ方向の位置を、外周ヨーク８２１のイン側端部８２１１付近における外周コイル８１の高さとほぼ同等にする一方、コの字型のミドルヨーク８４１の端部８４１１の位置が図１で説明した実施例におけるコの字型のミドルヨーク８４の端部８４０１の位置と同じ位置となるように、コの字型のミドルヨーク８４１の端部８４１１を長く突き出した形状にしている。
Ｌ字型の外周ヨーク８２１とコの字型のミドルヨーク８４１とを図６に示したような関係にしても、外周コイル８１に電流を流すことにより発生する磁場により外周ヨーク８２１のイン側端部８２１１から出る磁束をミドルヨーク８４１経由で外周ヨーク８２１のアウト側端部８２１２に戻すことができる。さらに、ミドルコイル８３に電流を流すことにより発生する磁場によりミドルヨーク８４１の端部８４１１から出る磁束を外周ヨーク８２１を経由してミドルヨーク８４１に戻すことができる。
これにより、Ｌ字型の外周ヨーク８２１とコの字型のミドルヨーク８４１によって形成された磁界は、中心から外周に向かって滑らかに発散する磁束を形成し、プラズマ密度分布の凹凸を制御可能となる。また、コの字型のミドルヨーク８４１はＬ字型の外周ヨーク８２１と比較的独立した磁束ループを形成し、図４に示したように、ミドル領域のプラズマ密度分布の制御が可能になる。
本変形例によれば、図６に示したようなコイル・ヨーク配置とすることにより、Ｌ字型のヨークとコの字型ヨークによって形成された磁界は中心から外周に向かって滑らかに発散する磁束を形成し、プラズマ密度分布の凹凸を制御可能となる。また、コの字型ヨークはＬ字型ヨークと比較的独立した磁束ループを形成し、ミドル領域のプラズマ密度分布の制御が可能になる。
その結果、試料台２の上部のプラズマ１１が発生する領域において磁場の制御を比較的精度良く行うことができ、試料台２に載置した試料３の近傍でのプラズマ密度の分布を、比較的精度良く制御することが可能になり、試料台２に載置された試料３をプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
また、本変形例によれば、同心円状に全体的にプラズマ密度を凹凸に制御しつつ、Φ３００ｍｍウエハの中周領域（Ｒ＝５０〜１００ｍｍ）のプラズマ密度を独立に制御することができ、Φ３００ｍｍのウエハをプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
［変形例３］
本発明の実施例の第３の変形例を、図７を用いて説明する。図７には、図１で説明したプラズマ処理装置１００において、Ｌ字型の外周ヨーク８２とコの字型のミドルヨーク８４とその周辺に相当する部分の構成を示す。
図７の構成で、図１に示した構成と異なる点は、図１のＬ字型の外周ヨーク８２を、Ｌ字型の外周ヨーク８２２に置き換えた点である。図１のＬ字型の外周ヨーク８２では、イン側端部８２０１がコの字型のミドルヨーク８４と一部重なっていたのに対して、図７に示した本変形例の構成においては、Ｌ字型の外周ヨーク８２２のイン側端部８２２１がコの字型のミドルヨーク８４２全体を覆うように重なっている点である。
Ｌ字型の外周ヨーク８２２とコの字型のミドルヨーク８４２とを図７に示したような関係にすることで、外周コイル８１に電流を流すことにより発生する磁場により外周ヨーク８２２のイン側端部８２２１から出る磁束をミドルヨーク８４２経由で外周ヨーク８２２のアウト側端部８２２２に戻すことができる。さらに、ミドルコイル８３に電流を流すことにより発生する磁場によりミドルヨーク８４２の端部８４２１から出る磁束を外周ヨーク８２２を経由してミドルヨーク８４２に戻すことができる。
本変形例によれば、図７に示したようなコイル・ヨーク配置とすることにより、Ｌ字型の外周ヨーク８２２とコの字型のミドルヨーク８４２によって形成された磁界は、中心から外周に向かって滑らかに発散する磁束を形成し、プラズマ密度分布の凹凸を制御可能となる。また、コの字型のミドルヨーク８４２はＬ字型の外周ヨーク８２２に対して比較的独立した磁束ループを形成し、図４に示したように、ミドル領域のプラズマ密度分布の制御が可能になる。
その結果、試料台２の上部のプラズマ１１が発生する領域において磁場の制御を比較的精度良く行うことができ、試料台２に載置した試料３の近傍での電子密度の分布を、比較的精度良く制御することが可能になり、試料台２に載置された試料３をプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
また、本変形例によれば、同心円状に全体的にプラズマ密度を凹凸に制御しつつ、Φ３００ｍｍウエハの中周領域（Ｒ＝５０〜１００ｍｍ）のプラズマ密度を独立に制御することができ、Φ３００ｍｍのウエハをプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
［変形例４］
本発明に実施例の第４の変形例として、図１で説明したプラズマ処理装置１００において、ミドルコイル８３とコの字型のミドルヨーク８４と組み合わせの変形例を図８に示す。この場合、外周コイル８１と外周ヨーク８２とは、図１で説明した実施例の構成と同じであるので、説明を省略する。
図８に示した本変形例においては、実施例１で説明したミドルコイル８３を二つに分離して、第一のミドルコイル８３１と第二のミドルコイル８３２とで構成し、それらをコの字型ミドルヨーク８４３で覆うように形成した。
なお、外周ヨークについては、実施例１で説明した外周ヨーク８２のほかに、変形例１で説明したような外周ヨーク８２２又は変形例３で説明した外周ヨーク８２２を用いてもよい。
実施例１で説明したミドルコイル８３を第一のミドルコイル８３１と第二のミドルコイル８３２とで構成することにより、何れのミドルコイルに電流を流すかによって試料台２の上部のプラズマ１１が発生する領域における磁場をより細かく制御することができ、プラズマの電子密度が高まる半径位置を調整することができる。
その結果、試料台２の上部のプラズマ１１が発生する領域において磁場の制御を比較的精度良く行うことができ、試料台２に載置した試料３の近傍での電子密度の分布を、比較的精度良く制御することが可能になり、試料台２に載置された試料３をプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
なお、図８に示した構成では第一のミドルコイル８３１と第二のミドルコイル８３２とを備えた構成を示したが、ミドルコイルの数は３以上であってもよい。
また、本変形例によれば、同心円状に全体的にプラズマ密度を凹凸に制御しつつ、Φ３００ｍｍウエハの中周領域（Ｒ＝５０〜１００ｍｍ）のプラズマ密度を独立に制御することができ、Φ３００ｍｍのウエハをプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
［変形例５］
本発明に実施例の第５の変形例として、図１で説明したプラズマ処理装置１００において、ミドルコイル８３とコの字型のミドルヨーク８４と組み合わせの変形例を図９に示す。この場合、外周コイル８１と外周ヨーク８２とは、図１で説明した実施例の構成と同じであるので、説明を省略する。
図９に示した本変形例においては、実施例１で説明したミドルコイル８３とコの字型のミドルヨーク８４に組合せを二つにして、第一のミドルコイル８３３と第一のコの字型のミドルヨーク８４４の組合せと、第二のミドルコイル８３４と第二のコの字型のミドルヨーク８４４の組合せで構成した。
なお、外周ヨークについては、実施例１で説明した外周ヨーク８２のほかに、変形例１で説明したような外周ヨーク８２２又は変形例３で説明した外周ヨーク８２２を用いてもよい。
このように、第一のミドルコイル８３３と第一のコの字型のミドルヨーク８４４の組合せと、第二のミドルコイル８３４と第二のコの字型のミドルヨーク８４４の組合せで構成することにより、何れのミドルコイルに電流を流すかによって試料台２の上部のプラズマ１１が発生する領域における磁場をより細かく制御することができ、プラズマの電子密度が高まる半径位置の調整をより細かく行うことができる。
その結果、試料台２の上部のプラズマ１１が発生する領域において磁場の制御を比較的細かく行うことができ、試料台２に載置した試料３の近傍での電子密度の分布を、より細かく制御することが可能になり、試料台２に載置された試料３をプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
なお、図９に示した構成では、ミドルコイルとミドルヨークの組合せが２組の場合について示したが、ミドルコイルとミドルヨークの組合せの数は３以上であってもよい。
また、本変形例によれば、同心円状に全体的にプラズマ密度を凹凸に制御しつつ、Φ３００ｍｍウエハの中周領域（Ｒ＝５０〜１００ｍｍ）のプラズマ密度を独立に制御することができ、Φ３００ｍｍのウエハをプラズマ処理する場合において、処理の均一性をより高い精度で確保することができる。
本発明は、例えば、半導体デバイスの製造ラインにおいて、半導体ウエハをプラズマ中でエッチング処理して半導体ウエハ上に微細なパターンを形成する、エッチング装置に利用することができる。
２…試料台、２ａ…基材、３…試料、４…上部電極、５…シャワープレート、８…放電用高周波電源、１０…真空容器、１１…プラズマ、１２…上部電極絶縁体、１３…絶縁リング、２２…絶縁板、２３…絶縁層、２４…遮蔽板、２５…サセプタリング、３０…ガス通過孔、４０…処理室、４５…排気部、５０…プラズマ形成部、７０…制御部、８１…外周コイル、８２，８２１，８２２…外周ヨーク、８３，８３１，８３２，８３３，８３４…ミドルコイル、８４，８４１，８４２，８４３，８４４，８５４…ミドルヨーク、１００…プラズマ処理装置

Claims (9)

  1. 試料がプラズマ処理される真空容器と、
    プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、
    前記試料が載置される試料台と、
    前記真空容器の内部に磁場を形成させ前記真空容器の外側に配置された磁場形成部とを備え、
    前記磁場形成部は、第１のコイルと、前記第１のコイルより内側に配置され前記第１のコイルの直径より小さい直径の第２のコイルと、前記第１のコイル、前記真空容器の上方および側面を覆い前記第１のコイルが内部に配置された第１のヨークと、前記第２のコイルの周方向に沿って前記第２のコイルを覆い前記第２のコイルの下方側に開口部を有する第２のヨークとを具備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１のヨークは、前記第２のヨークと電気的に接触しない位置に配置されてい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２のヨークは、前記第１のヨークの内部に配置されてい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、
    平面図における前記第２のヨークの外径は、平面図における前記試料の直径以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第２のコイルは、一方のコイルと前記一方のコイルの直径より大きい直径の他方のコイルを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第２のヨークは、前記一方のコイルを覆う一方のヨークと、前記他方のコイルを覆う他方のヨークとを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記磁場形成部を制御する制御部をさらに備え、
    前記制御部は、前記試料の径方向の磁束密度が前記試料の外周ほど大きくなるような発散磁場が形成されるように前記第１のコイルに流れる電流を制御するとともに前記試料の径方向の中間領域における磁束密度が所望の値となるように前記第２のコイルに流れる電流を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 試料がプラズマ処理される真空容器と、
    プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、
    前記試料が載置される試料台と、
    前記真空容器の内部に磁場を形成させ前記真空容器の外側に配置された磁場形成部とを備え、
    前記磁場形成部は、第１のコイルと、第２のコイルと、前記第１のコイル、前記真空容器の上方および側面を覆い前記第１のコイルが内部に配置された第１のヨークと、前記第２のコイルを覆う第２のヨークとを具備し、
    前記第１のヨークの一方の端部から発した磁力線が前記第２のヨークを介して前記第１のヨークの他方の端部へ戻り、かつ前記第２のヨークから発した磁力線が前記第２のヨークへ戻るように前記第２のコイルと前記第２のヨークが構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第１のヨークの一方の端部から発した磁力線が前記第２のヨークを介して前記第１のヨークの他方の端部へ戻り、かつ前記第２のヨークから発した磁力線が前記第２のヨークへ戻るように前記第２のコイルと前記第２のヨークが構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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