JPWO2011102083A1

JPWO2011102083A1 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

Info

Publication number: JPWO2011102083A1
Application number: JP2012500485A
Authority: JP
Inventors: 中村　敏幸; 敏幸中村; 修市山田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2013-06-17
Also published as: TW201145345A; WO2011102083A1

Abstract

高周波電源及びマッチングボックスの構成を変更することなく、真空チャンバ内のプラズマ密度分布を変化させることができるプラズマ処理装置プラズマ処理方法を提供する。真空チャンバ１と、真空チャンバ１の誘電体材料で形成される上壁１０の外側に、この上壁１０に沿って同心に配置した複数のアンテナコイル２ａ、２ｂと、各アンテナコイル２ａ、２ｂにマッチングボックス３を介して接続された高周波電源４とを備え、真空チャンバ１内に所定のガスを導入すると共に、高周波電源４からマッチングボックス３を介して各アンテナコイル２ａ、２ｂに高周波電力を供給し、真空チャンバ１内に誘導結合型のプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、複数のアンテナコイル２ａ、２ｂを上壁１０に直交する方向に相対移動させる移動手段Ｍを備える。

Description

本発明は、誘導結合型のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

従来、半導体デバイスの製造工程において、プラズマを用いて各種処理を行うことが知られている。このような処理を行うプラズマ処理装置では、処理速度の向上等のためプラズマの高密度化が図られている。高密度プラズマを発生し得るプラズマ処理装置の例として、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型のプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１記載のものでは、誘電体材料で構成された真空チャンバの上壁に沿って、径の異なる２本のアンテナコイルを同心に配置している。そして、真空チャンバ内に所定のガスを導入すると共に高周波電源からマッチングボックスを介して両アンテナコイルに高周波電力を投入すると、真空チャンバ内に形成される磁場の時間変化が起こり、それにより電場が誘導され、この電場により電子が加速されることで高密度のプラズマが真空チャンバ内に発生する。

上記種のプラズマ処理装置では、真空チャンバ内に導入するガスの種類等の処理条件や真空チャンバの使用状態が異なると、両アンテナコイルに同等の高周波電力を投入しても、そのときの電場強度分布が真空チャンバ内で変化し、これに起因してプラズマ密度分布が変化する。このような場合、上記プラズマ処理装置にてエッチングや成膜等の所定の処理を行うと、エッチング速度や成膜速度が処理すべき基板面内で不均一になるという問題がある。

このような問題を解決するため、上記特許文献１記載のものでは、両アンテナコイルに投入する高周波電力の相対的な割り当てを変更することで、真空チャンバ内の電場強度分布を変化させてプラズマ密度分布を改善することを提案している。

ところで、アンテナコイルへの高周波電力の投入時、マッチングボックスによりプラズマ負荷のインピーダンスと高周波電源のインピーダンスとを整合させてプラズマ負荷に対して安定して高周波電力が投入されるようにしている。然し、上記特許文献１記載のように、両アンテナコイルに投入する高周波電力の相対的な割り当てを変更すると、マッチングボックスでのインピーダンスの整合ポイントが広範囲に変化し得る。このように整合ポイントが広範囲に変化すると、マッチングボックスの整合範囲を広くしなければならず、マッチングボックスの制御が複雑になったり、分解能が落ちることで高周波電力の投入が不安定になるという問題がある。その上、可変コンデンサ等の部品が必要となって高周波電源の回路構成が複雑になるという問題もある。

特開２００８−２７０８１５号公報

本発明は、以上の点に鑑み、高周波電源及びマッチングボックスの構成を変更することなく、真空チャンバ内のプラズマ密度分布を変化させることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバと、この真空チャンバの誘電体材料で形成される所定の壁面の外側に、この壁面に沿って同心に配置した複数のアンテナコイルと、各アンテナコイルにマッチングボックスを介して接続された高周波電源とを備え、真空チャンバ内に所定のガスを導入すると共に、高周波電源からマッチングボックスを介して各アンテナコイルに高周波電力を供給し、真空チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、複数のアンテナコイルを前記壁面に直交する方向に相対移動させる移動手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数のアンテナコイルを真空チャンバの壁面に直交する方向に相対移動させる移動手段を備えるため、複数のアンテナコイルを壁面に直交する方向に相対移動させると、真空チャンバ内に発生する電場強度及び磁場強度の分布が局所的に変化して、真空チャンバ内でのプラズマ密度分布を局所的に変化させることができる。

このように本発明においては、真空チャンバ内に発生する電場強度及び磁場強度の分布を変化させるために、高周波電源やマッチングボックスの構成や投入する高周波電力に変更を加えることなく、アンテナコイルを相対移動させる構成としたため、インピーダンスの整合ポイントが広範囲に変化することはなく、安定して高周波電力を投入できる。その上、高周波電源の回路構成が複雑になることもない。そして、本発明をドライエッチング装置や成膜装置に適用すれば、処理条件や使用状況等に応じてプラズマ密度分布を適宜変更すれば、エッチング速度や成膜速度の基板面内での所望の分布を得ることができる。

なお、本発明における複数のアンテナコイルの構成には、径の異なるものを同心に配置して構成した場合だけでなく、同一形状又は形状の異なるものを壁面に沿って配置したときに複数の同心円が波紋状に拡がるように構成した場合等が含まれる。

また、複数の同心円が波紋状に拡がるように壁面に沿って複数のアンテナコイルを配置した場合には、前記移動手段は、各アンテナコイルの一部を局所的に相対移動し得る構成を採用することが好ましい。これにより、真空チャンバ内に発生する電場強度及び磁場強度の分布を局所的に変化させてプラズマ密度分布を変化させることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバと、真空チャンバの誘電体材料で形成される所定の壁面の外側に、この壁面に沿って配置された渦巻き状のアンテナコイルと、このアンテナコイルにマッチングボックスを介して接続された高周波電源とを備え、真空チャンバ内に所定のガスを導入すると共に、高周波電源からマッチングボックスを介してアンテナコイルに高周波電力を供給し、真空チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、アンテナコイルとアンテナコイルの中心を通って径方向に延びる直線とが交わる複数箇所のうち、中心から等距離の２箇所を前記壁面に直交する方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする。

なお、本発明において、中心から等距離とは、中心からの距離が厳密に一致していることを意味するのではなく、中心からの距離が実質的に等しいことを意味する。また、渦巻き状のアンテナコイルとは、一本のアンテナコイルを渦巻き状に巻回したものだけでなく、２本以上を繋ぎ合わせて構成したものであってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置を用い、真空チャンバ内に所定のガスを導入すると共に、高周波電源からマッチングボックスを介して各アンテナコイルに高周波電力を供給し、真空チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させ、このプラズマを用いて真空チャンバ内で処理基板に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、処理基板をプラズマ処理する際にアンテナコイルを全体的または部分的に所定の壁面に直交する方向に相対移動させることを特徴とする。

本発明を適用したドライエッチング装置の構成を模式的に示す断面図。図１のドライエッチング装置の平面図。内側及び外側アンテナコイルを相対移動させてエッチングした場合のエッチング速度の分布を示す図。アンテナコイルの変形例を示す平面図。アンテナコイルの他の変形例を示す平面図。追従手段の模式的断面図。

以下、図面を参照して、本発明をＩＣＰ型のドライエッチング装置に適用した実施形態を説明する。

図１を参照して、ドライエッチング装置は、真空雰囲気を形成可能な円筒形状の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の上壁１０は、石英やセラミックスなどの誘電体材料で形成されている。上壁１０の上側には、この上壁１０に沿って径の異なる２本のＣ形のアンテナコイル２ａ、２ｂが同心に配置されている。アンテナコイル２ａ、２ｂとしては、導電率が高い金属製の板材または中空円筒形状のものが用いられる。各アンテナコイル２ａ、２ｂの一端にはマッチングボックス３を介して第１の高周波電源４が接続されており、各アンテナコイル２ａ、２ｂの他端は接地されている。真空チャンバ１の相互に対向する側壁にはガス導入管５がそれぞれ接続されている。両ガス導入管５は、図示省略のマスフローコントローラを介してガス源に連通している。

真空チャンバ１の底部中央には、プラズマ処理される基板Ｓが保持される基板ステージ６が設けられている。また、基板ステージ６の上面には基板電極が設けられ、ブロッキングコンデンサ７を介して第２の高周波電源８が接続されている。そして、プラズマ処理中、基板Ｓに対して所定のバイアス電位を印加できるようになっている。なお、図１中、９は、図示省略したターボ分子ポンプ、ロータリポンプ及びコンダクタンス可変バルブ等からなる真空排気手段に接続された排気管である。

次に、上記エッチング装置を用いた基板のエッチング方法を説明すると、先ず、基板ステージ６に基板Ｓを保持させる。この状態で真空チャンバ１を真空引きした後、真空チャンバ１内で処理すべき基板に応じて適宜選択された所定のガス（エッチングガス）を、ガス導入管５を介して導入する。そして、第１の高周波電源４からマッチングボックス３を介して各アンテナコイル２ａ、２ｂに所定の高周波電力を投入する。これと同時に、基板に対して第２の高周波電源８を介してバイアス電圧を印加する。これにより、両アンテナコイル２ａ、２ｂを流れる電流の向きや電流値に応じて真空チャンバ１内に磁場及び電場が形成され、真空チャンバ１内に誘導結合型のプラズマが形成される。そして、プラズマ中で電離したガスイオンがバイアス電位により基板Ｓに向けて引き込まれることで、基板Ｓがエッチングされる。

ここで、プロセスガスの種類、エッチング時の真空チャンバ１内の圧力（排気速度やプロセスガス導入量等に基づく）等のプロセス条件や真空チャンバ１の内壁面への反応副生成物の付着等の真空チャンバ１の使用状態が変わると、真空チャンバ１内に発生する磁場強度及び電場強度の分布が変化し、これに起因して、プラズマ密度分布が変化する。このような場合、エッチング速度が基板面内において変化してしまう。

本実施形態では、内側に位置するアンテナコイル（以下、「内側アンテナコイル」とする）２ａと外側に位置するアンテナコイル（以下、「外側アンテナコイル」とする）２ｂとを上壁１０に直交する方向（図１中の上下方向）に相対移動させる移動手段Ｍを設けることとした。以下、移動手段Ｍの構成について詳述する。

移動手段Ｍは、図１及び図２に示すように、アンテナコイル２ａ、２ｂを保持する保持部２１ａ、２１ｂと、保持部２１ａ、２１ｂの上面に連結した駆動軸２２ａ、２２ｂと、この駆動軸２２ａ、２２ｂを上動または下動する駆動部２３ａ、２３ｂとから構成される。この場合、内側アンテナコイル２ａを保持する保持部２１ａは所定長さの板材で構成され、その両端が、内側アンテナコイル２ａの径方向２箇所でネジ止めされている。また、外側アンテナコイル２ｂを保持する保持部２１ｂは板片で構成され、板片２１ｂが、外側アンテナコイル２ｂの周方向で所定間隔を存して２箇所に設けられている。また、駆動部２３ａ、２３ｂは、多段式エアシリンダやステッピングモータでそれぞれ構成される。

エッチング処理する際に（例えば、エッチング処理に先立って）、いずれかの駆動部２３ａ、２３ｂにより駆動軸２２ａ、２２ｂを上動または下動し、内側アンテナコイル２ａ及び外側アンテナコイル２ｂを上下方向で相対移動させ、上壁１０と内側アンテナコイル２ａの間隔Ｇ１と上壁１０と外側アンテナコイル２ｂの間隔Ｇ２を相互に変化させる。これにより、真空チャンバ１内に発生する磁場強度及び電場強度が局所的に変化し、上記のようにして真空チャンバ１内にプラズマを発生させると、真空チャンバ１内のプラズマ密度分布が変化する。これにより、エッチング速度の基板面内での均一性を向上させることができる。尚、相対移動させる量は、予め実験で取得しておけばよい。

次に、本発明の効果を確認するため、上記ドライエッチング装置を用いて次の実験を行った。

先ず、エッチングすべき基板Ｓとしてφ３００ｍｍのシリコンウエハ、エッチングガスとして塩素ガスを用いることとした。そして、エッチング条件として、塩素ガスを流量１００ｓｃｃｍ、エッチング時の作動圧力を０．５Ｐａ、内側アンテナコイル２ａ及び外側アンテナコイル２ｂの双方に投入する高周波電力（周波数１３．５６ＭＨｚ）を３００Ｗ、基板電極６に投入するバイアス電力（周波数１２．５ＭＨｚ）を８００Ｗとした。

実験開始時、２つのアンテナコイル２ａ、２ｂを上壁１０に当接させて上壁１０とアンテナコイル２ａ、２ｂの間隔Ｇ１、Ｇ２の双方をゼロとし、上記条件でエッチングした（比較例）。また、外側アンテナコイル２ｂを上壁１０に当接させた状態で、移動手段Ｍにより内側アンテナコイル２ａを上動して、間隔Ｇ１を８ｍｍ（発明１）、１６ｍｍ（発明２）、２４ｍｍ（発明３）にそれぞれ変更し、他のシリコンウエハに対して同一のエッチング条件でエッチングした。

図３は、上記条件にてエッチングしたときのエッチング速度の分布を測定した結果を示すものである。エッチング速度の測定点は、シリコンウエハの中心を通る線上の５点（図１中の左方向を−方向として、−１４５ｍｍ、−７５ｍｍ、０ｍｍ（基板中心）、７５ｍｍ、１４５ｍｍ）とした。

上記実験によれば、比較例のものでは、基板中心でのエッチング速度が局所的に高くなっており、結果として、基板面内でのエッチング速度が不均一となっていることが判る。それに対して、発明１〜発明３のように、内側アンテナコイル２ａを上動させて間隔Ｇ１を変化させると、エッチング速度が比較例の結果から変化していることが判る。そして、発明１では、基板面内でのエッチング速度の均一性を著しく向上できたことが判る。

なお、特に実験例を示して説明しないが、エッチング条件や真空チャンバの使用状態が変わると、真空チャンバ１内に発生する磁場強度及び電場強度の分布が変化することも判明した。このような場合には、例えば、同一のエッチング装置を用いてガスの種類を変えて基板をエッチングするような場合には、エッチングガスの種類毎に、エッチング条件に応じて所望のエッチング速度の均一性が得られる間隔Ｇ１、Ｇ２を予め求めておき、求めた間隔Ｇ１、Ｇ２となるように内側アンテナコイル２ａ及び外側アンテナコイル２ｂを相対移動させればよい。また、真空チャンバ１の使用状態に応じて自動的に内側アンテナコイル２ａ及び外側アンテナコイル２ｂが相対移動するように構成してもよい。

以上、本発明をエッチング装置に適用した実施形態を説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。本発明は、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法にて成膜するような場合にも適用することができる。

また、上記実施形態では、上壁１０に沿って径の異なるＣ形の内側アンテナコイル２ａ及び外側アンテナコイル２ｂを配置し、内側アンテナコイル２ａまたは外側アンテナコイル２ｂをそれぞれ一体（全体的）に上動または下動させることで相対移動するものを例に説明しているが、これに限定されるものではない。

変形例に係るアンテナコイルとしては、図４に示すように、同一形状の３本のアンテナコイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃを上壁に沿って組み合わせて配置したときに径の異なる２つの同心円が波紋状に拡がるようにしたものを用いることができる。各アンテナコイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃを保持する保持部２１ｃとしては、円板状の基部２１１とこの基部の外周端から径方向外側にのびるように設けた支持片２１２とから構成したものが用いられ、支持片２１２の先端がアンテナコイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃの内周円を構成する部分にそれぞれネジ止めされている。この場合、アンテナコイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃの外周円を構成する部分は、固定部材２４を用いて真空チャンバ１の上壁１０に固定されている。これにより、駆動部２３ｃにより駆動軸２２ｃを上動または下動させれば、アンテナコイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃの内周円を構成する部分が一体に移動するようになる。

また、他の変形例に係るアンテナコイルとしては、図５に示すように、１本のアンテナコイルを渦巻き状に巻回して構成したものを用いることができる。このような場合には、アンテナコイル２０と、アンテナコイル２０の中心Ｏを通り径方向にのびる直線Ｌとが交わる箇所のうち、中心Ｏから等間隔となる位置Ｐ１、Ｐ２に、所定長さの保持部２１の両端部をネジ止めしておく。そして、駆動部２３により上動または下動する駆動軸２２を保持部２１に連結する。これにより、渦巻き状に巻回されたアンテナコイル２０の一部を他の部分に対して上動または下動させることで、真空チャンバ１内に発生する磁場強度及び電場強度が局所的に変化させることができる。なお、２本のアンテナコイルを用いて真空チャンバ１の上壁１０に沿って渦巻き状にアンテナコイルが配置されるようにすることができ、このような場合には、内側部分と外側部分との連結箇所に移動手段を設けて内側部分と外側部分とを相対移動可能に構成しておけばよい。

さらに、上記実施形態では、外側アンテナコイル２ｂを上動または下動させるために２個の移動手段Ｍを設けたものを例に説明したが、移動手段の数はアンテナコイルの種類や径に応じて適宜変更される。また、移動手段の一方を追従手段から構成することもできる。追従手段３０としては、図６に示すように、外側アンテナコイル２ｂの自重をキャンセルする力でアンテナコイル２ｂを上方向に付勢する板バネやコイルバネ等からなる弾性手段３１から構成すればよい。この場合、エッチング装置の所定位置３４に固定された支持部材３３に外側アンテナコイル２ｂの一部を、弾性手段３１と支持部材３２を介して吊設しておく。そして、例えば、移動手段により外側アンテナコイル２ｂの対向する部分を上動したとき、外側アンテナコイル２ｂが自重によって傾くと、この自重をキャンセルする力で外側アンテナコイル２ｂが付勢されて外側アンテナコイル２ｂが略水平に保持される。これによれば、アンテナコイルを相対移動させる駆動部を少なくでき、低コスト化を図ることができる。

１…真空チャンバ、２ａ…内側アンテナコイル、２ｂ…外側アンテナコイル、３…マッチングボックス、４…第１の高周波電源、２０…アンテナコイル、Ｍ…移動手段。

Claims

真空チャンバと、この真空チャンバの誘電体材料で形成される所定の壁面の外側に、この壁面に沿って同心に配置した複数のアンテナコイルと、各アンテナコイルにマッチングボックスを介して接続された高周波電源とを備え、真空チャンバ内に所定のガスを導入すると共に、高周波電源からマッチングボックスを介して各アンテナコイルに高周波電力を供給し、真空チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、複数のアンテナコイルを前記壁面に直交する方向に相対移動させる移動手段を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記移動手段は、各アンテナコイルの一部を局所的に相対移動し得ることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
真空チャンバと、真空チャンバの誘電体材料で形成される所定の壁面の外側に、この壁面に沿って配置された渦巻き状のアンテナコイルと、このアンテナコイルにマッチングボックスを介して接続された高周波電源とを備え、真空チャンバ内に所定のガスを導入すると共に、高周波電源からマッチングボックスを介してアンテナコイルに高周波電力を供給し、真空チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、アンテナコイルとアンテナコイルの中心を通って径方向に延びる直線とが交わる複数箇所のうち、中心から等距離の２箇所を前記壁面に直交する方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置を用い、真空チャンバ内に所定のガスを導入すると共に、高周波電源からマッチングボックスを介して各アンテナコイルに高周波電力を供給し、真空チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させ、このプラズマを用いて真空チャンバ内で処理基板に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、処理基板をプラズマ処理する際にアンテナコイルを全体的にまたは部分的に所定の壁面に直交する方向に相対移動させることを特徴とするプラズマ処理方法。