JPWO2021130826A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

本発明の目的は、イオンの試料へのフラックスを低減した等方性エッチングとイオンを試料へ入射させる異方性エッチングとがいずれも同一チャンバ内で可能なプラズマ処理装置を提供することにある。そのために、本発明は、試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室の上方に配置された誘電体の第一の部材を介して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、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、前記試料が載置される試料台と、前記第一の部材と前記試料台との間に配置され貫通孔が形成された第二の部材とを備え、前記貫通孔は、前記第二の部材の中心から所定の距離以上の位置に形成され、前記第一の部材から前記第二の部材までの距離は、前記第一の部材と前記第二の部材の間に生成されるプラズマの密度がカットオフ密度以上となるような距離である。

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。
近年、半導体デバイス加工の高精度化に伴って、ドライエッチング装置には、イオンとラジカルの両方を照射して加工を行う機能と、ラジカルのみを照射して加工を行う機能の両方が必要になりつつある。
例えば、特許文献１には、「試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室内に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を備えるプラズマ処理装置において、前記プラズマより生成されたイオンの前記試料台への入射を遮蔽し前記試料台の上方に配置された遮蔽板と、前記遮蔽板の上方にプラズマを生成させる一方の制御または前記遮蔽板の下方にプラズマを生成させる他方の制御が選択的に行われる制御装置と、をさらに備える」と記載されている（特許文献１の請求項１）。
国際公開第２０１６／１９００３６号
特許文献１に記載のプラズマ処理装置では、遮蔽板を設ける上下方向位置が考慮されていないため、遮蔽板の上方のみにプラズマを生成させたい場合でも、高周波電源から発振されたマイクロ波が遮蔽板を透過して、遮蔽板の下方にもプラズマを発生させる可能性がある。このため、例えばラジカルのみを照射して加工を行いたい場合でも、遮蔽板の下方に発生したプラズマからイオンが試料へ照射されてしまう可能性がある。
本発明の目的は、イオンの試料へのフラックスを低減した等方性エッチングとイオンを試料へ入射させる異方性エッチングとがいずれも同一チャンバ内で可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室の上方に配置された誘電体の第一の部材を介して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、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、前記試料が載置される試料台と、前記第一の部材と前記試料台との間に配置され貫通孔が形成された第二の部材とを備え、前記貫通孔は、前記第二の部材の中心から所定の距離以上の位置に形成され、前記第一の部材から前記第二の部材までの距離は、前記第一の部材と前記第二の部材の間に生成されるプラズマの密度がカットオフ密度以上となるような距離である。
等方性エッチングする際に、電磁波供給装置により供給された電磁波がイオン遮蔽板の下方へ透過するのが抑制され、イオン遮蔽板の下方におけるプラズマの発生が抑えられるため、イオンの試料へのフラックスを低減した等方性エッチングとイオンを試料へ入射させる異方性エッチングがいずれも同一チャンバ内で行えるプラズマ処理装置を提供することが可能となる。
本実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図。 本実施形態のイオン遮蔽板の断面図。 イオン遮蔽板の変形例の１つを示す断面図。 試料の面内方向についてイオン電流を測定した結果を示す分布図。 誘電体窓とイオン遮蔽板との距離を変えてイオン電流を測定したときの分布図。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態に係るプラズマ処理装置は、試料がプラズマ処理される処理室１５と、処理室１５内に電磁波を供給する電磁波供給装置と、処理室１５内に磁場を形成する磁場形成機構と、処理室１５内にプロセスガスを供給するガス供給器１４と、を備えている。
ここで、処理室１５は、上部に開口部を有する円筒状の容器であり、その内部に、誘電体窓２１（第一の部材）、イオン遮蔽板２２（第二の部材）及び試料台２４等が設けられている。また、電磁波供給装置は、誘電体窓２１を介してプラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する第１の高周波電源であるマグネトロン１０と、処理室１５の開口部に連結された導波管１１と、を含む。さらに、磁場形成機構は、処理室１５の外周に配置された複数のソレノイドコイル１３と、更にこのソレノイドコイル１３の外周を囲むように配置されたヨーク１２と、で構成される。
また、処理室１５内の上方には、誘電体で形成された円板状の窓部である誘電体窓２１が設けられおり、電磁波を透過させつつ処理室１５内を気密に封止している。ここで、処理室１５は、バルブ１６を介してポンプ１７に接続されており、このバルブ１６の開度を調整することで、誘電体窓２１より下方の空間に減圧処理室２３が形成される。
そして、処理室１５内の下部には、処理対象の試料２５を載置する試料台２４が水平に設けられている。この試料台２４には、整合器１８を介して、第２の高周波電源である高周波電源１９が接続されている。なお、この高周波電源１９の他、第１の高周波電源であるマグネトロン１０、ガス供給器１４及びポンプ１７等は、制御装置２０に接続されており、この制御装置２０が、実行される処理工程に応じてこれらを制御する。
さらに、誘電体窓２１と試料台２４との間には、誘電体窓２１及び試料台２４と対向するように、円板状の誘電体で形成されたイオン遮蔽板２２が設けられている。このイオン遮蔽板２２は、減圧処理室２３を、上下２つの領域、すなわち、誘電体窓２１とイオン遮蔽板２２とで区画される上部領域２３Ａと、イオン遮蔽板２２から下方の下部領域２３Ｂと、に分割している。そして、ガス供給器１４のガス供給管の一端が、上部領域２３Ａに連通しており、この上部領域２３Ａにプロセスガスが供給される。また、このイオン遮蔽板２２には、プロセスガスを下部領域２３Ｂへ導入するための複数の貫通孔２２ａが形成されている。
次に、上述のプラズマ処理装置においてエッチング処理を行う動作について説明する。まず、電磁波供給装置を構成するマグネトロン１０で発振されたマイクロ波が、導波管１１を介して、処理室１５内の減圧処理室２３へ伝送される。このとき、この減圧処理室２３内には、磁場形成機構によって磁場が形成されており、かつ、ガス供給器１４によってプロセスガスが導入されている。よって、減圧処理室２３内では、電磁波と磁場との相互作用による電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）により、プロセスガスがプラズマ化される。なお、電磁波としては、周波数が例えば２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波を使用する。また、本実施形態のようなＥＣＲプラズマ処理装置では、ＥＣＲ面と呼ばれる磁場強度が８７５Ｇａｕｓｓとなる面付近で、プラズマが生成される。
そして、本実施形態のプラズマ処理装置では、制御装置２０によって磁場形成機構を制御することにより、上部領域２３Ａにプラズマを生成させる等方性ラジカルエッチングモードと、下部領域にプラズマを生成させる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）モードと、を切り替えられるようになっている。なお、本実施形態では、ラジカルのみを試料に照射する等方性エッチングについて説明するが、中性ガスのみを試料に照射するする等方性エッチングであっても良い。
例えば、等方性ラジカルエッチングモードの場合には、ＥＣＲ面が上部領域２３Ａに位置するように磁場形成機構を制御し、上部領域２３Ａにプラズマを生成する。このときプラズマ中には、ラジカルやイオン等が存在しており、イオンもラジカルと共にイオン遮蔽板２２の貫通孔２２ａを通過する。しかし、本実施形態のイオン遮蔽板２２は、図１に示すように、その中心Ｏからの距離が所定の距離Ｒより大きい位置のみに、貫通孔２２ａが形成されているため、試料に到達するイオンを大幅に低減できる。したがって、等方性ラジカルエッチングモードでは、上部領域２３Ａで生成したプラズマのうち、基本的にラジカルのみが試料２５に到達し、エッチングを行う。
図２は、本実施形態のイオン遮蔽板２２の断面図である。図２に示す通り、本実施形態のイオン遮蔽板２２は、中心Ｏから所定の距離Ｒ以上の領域に、貫通孔２２ａが形成されている。なお、後述のように、所定の距離Ｒよりも内径側を遮蔽することが重要であり、所定の距離Ｒ以上の位置に設ける貫通孔２２ａの形状、大きさ及び配置等は、様々な変形例が考えられる。
図３は、イオン遮蔽板２２の変形例の１つを示す断面図である。この変形例では、イオン遮蔽板２２が、中心Ｏから所定の距離Ｒ以上の半径を有する円形状遮蔽部２２ｂと、この円形状遮蔽部２２ｂから外径側へ放射状に延びる複数の放射状遮蔽部２２ｃと、複数の放射状遮蔽部２２ｃの間に形成される複数の貫通部２２ｄと、で構成される。この変形例のイオン遮蔽板２２は、貫通部２２ｄの総面積が広いため、多くのラジカルを試料２５に照射したい場合に適している。
ここで、所定の距離Ｒの根拠について図１を用いて説明する。図１の破線で示す磁力線Ｍは、磁場形成機構により形成された磁場の磁力線のうち、試料２５の外端部Ｘと接する磁力線である。また、図１の点Ｙは、この磁力線Ｍがイオン遮蔽板２２と交差する点を示したものである。そして、中心Ｏから点Ｙまでの距離をａとし、貫通孔の半径をｃとする。さらに、貫通孔２２ａを通過したイオンは、磁場形成機構により形成された磁力線に沿って、サイクロトロン運動するが、そのときのラーモア半径をｂとする。なお、ラーモア半径ｂは、磁束密度をＢ、これに垂直な方向のイオンの速度をｖ、イオンの質量をｍ、イオンの電荷をｑとすると、ｍｖ／ｑＢで表される。例えば、本実施形態でＸｅ＋イオンを用いた場合、ラーモア半径は約１０ｍｍとなる。
このような条件下で、本実施形態では、所定の距離Ｒを（ａ＋ｂ＋ｃ）とした。すると、所定の距離Ｒよりも外径側の貫通孔２２ａから下部領域２３Ｂに移動したイオンは、すべて試料２５の外端部Ｘよりも外側に逸れる形となる。このように、貫通孔２２ａ通過後のイオンのサイクロトロン運動も考慮して、所定の距離Ｒを決定することにより、イオンの質量が大きくラーモア半径も大きい場合でも、等方性ラジカルエッチングモードにおける、試料２５へのイオンのフラックスを極力少なくできる。
図４は、本実施形態と複数の比較例の場合において、直径３００ｍｍの試料２５の面内方向について、Ｘｅガスをプラズマ化したときに流れ込むイオン電流の値を測定して、その分布を示したものである。ここで、比較例１は、所定の距離Ｒより若干内径側にも貫通孔を設けた例、比較例２は、比較例１よりも更に内径側にも貫通孔を設けた例、比較例３は、イオン遮蔽板自体を無くした例、となっている。図４に示すように、本実施形態では、試料２５の全域でイオン電流が非常に小さくなっているのに対し、比較例１では試料２５の外端部でイオン電流が大きく、比較例２では試料２５の外側寄りの部分でイオン電流が大きく、比較例３では試料２５の全域でイオン電流が大きくなっていることが分かる。つまり、比較例では、試料２５へのイオンのフラックスが抑制できないことが分かる。
なお、本実施形態では、イオン遮蔽板２２の中心Ｏからの距離が所定の距離Ｒより小さい位置には、貫通孔を全く設けない構成としたが、イオンが通過し難い貫通孔であれば一定程度設けても構わない。イオンが通過し難い貫通孔としては、例えば、鉛直方向に対して斜めに形成された貫通孔や、アスペクト比の高い細長の貫通孔などが考えられる。いずれにしても、イオン遮蔽板２２に形成された開口部の総面積の９０％以上が、所定の距離Ｒよりも外側の貫通孔で占められていれば、イオンのフラックスを十分低減できる。また、本実施形態では、所定の距離Ｒを（ａ＋ｂ＋ｃ）としているが、（ｂ＋ｃ）以上すなわちイオンのラーモア半径と貫通孔２２ａの半径との和以上とすれば、一定程度の効果が期待できる。
さらに、イオン遮蔽板２２の中心Ｏからの距離ではなく、イオン遮蔽板２２の外縁からの距離で、貫通孔２２ａの位置を規定しても良い。例えば、イオン遮蔽板２２の外縁から所定の距離Ｓまでの領域に、複数の開口部を円周方向に沿って形成するようにしても良い。この場合も、上記所定の距離Ｓの位置より内径側には、開口部を形成しないのが望ましい。
ところで、等方性ラジカルエッチングモードにおいて、上部領域２３Ａに発生したプラズマ中のイオンを、上述のような貫通孔２２ａの配置を有するイオン遮蔽板２２を用いて遮蔽しても、下部領域２３Ｂにプラズマが発生してしまったら、下部領域２３Ｂのプラズマ中のイオンが試料２５へ到達する可能性がある。このため、本実施形態では、誘電体窓２１からイオン遮蔽板２２までの距離を、上部領域２３Ａに生成されるプラズマの密度がカットオフ密度以上となるような距離とした。具体的には、誘電体窓２１からイオン遮蔽板２２までの距離を５５ｍｍ以上とした。これにより、マイクロ波がイオン遮蔽板２２よりも下方に透過に難くなり、結果として下部領域２３Ｂでのプラズマの生成を抑制することが可能となる。
図５は、誘電体窓２１からイオン遮蔽板２２までの距離を実験的に変えたときに、試料２５中の複数個所へ流れ込むイオン電流を測定し、その平均値を示したものである。図５に示す結果から、誘電体窓２１からイオン遮蔽板２２までの距離は５５ｍｍ以上とすれば、上部領域２３Ａのみでプラズマを生成できることが分かる。
次に、ＲＩＥモードの場合について説明する。この場合、ＥＣＲ面が下部領域２３Ｂに位置するように磁場形成機構を制御し、下部領域２３Ｂにプラズマを生成する。ここで、本実施形態では、誘電体窓２１だけでなく、イオン遮蔽板２２も誘電体で形成されているので、導波管１１から供給されたマイクロ波が、下部領域２３Ｂへ導入され易くなっている。誘電体窓２１やイオン遮蔽板２２の具体的な材料としては、マイクロ波を効率よく透過し、かつ、耐プラズマ性を有する石英を用いるのが望ましが、アルミナ、イットリアなどであっても良い。なお、平板のイオン遮蔽板２２の下方には、石英等の更なる板状部材を設けないのが望ましい。
また、ＲＩＥモードで下部領域２３Ｂにプラズマを生成させると、ラジカルとイオンの両方が試料２５に到達し、エッチング処理が行われる。なお、高周波電源１９から試料台２４に高周波電力を供給することで、下部領域２３Ｂ内のプラズマ中のイオンが加速される。このため、制御装置２０で高周波電源１９を制御することにより、イオン照射のエネルギーを数１０ｅＶから数ｋｅＶまで調整することが可能である。
１０・・・マグネトロン、１１・・・導波管、１２・・・ヨーク、１３・・・ソレノイドコイル、１４・・・ガス供給器、１５・・・処理室、１６・・・バルブ、１７・・・ポンプ、１８・・・整合器、１９・・・高周波電源、２０・・・制御装置、２１・・・誘電体窓、２２・・・イオン遮蔽板、２２ａ・・・貫通孔、２３・・・減圧処理室、２３Ａ・・・上部領域、２３Ｂ・・・下部領域、２４・・・試料台、２５・・・試料

Claims (10)

  1. 試料がプラズマ処理される処理室と、
    前記処理室の上方に配置された誘電体の第一の部材を介して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、
    前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、
    前記試料が載置される試料台と、
    前記第一の部材と前記試料台との間に配置され貫通孔が形成された第二の部材とを備え、
    前記貫通孔は、前記第二の部材の中心から所定の距離以上の位置に形成され、
    前記第一の部材から前記第二の部材までの距離は、前記第一の部材と前記第二の部材の間に生成されるプラズマの密度がカットオフ密度以上となるような距離であ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、
    前記所定の距離は、イオンのラーモア半径を基に規定された距離であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第一の部材から前記第二の部材までの距離は、５５ｍｍ以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記所定の距離の値は、前記イオンのラーモア半径と前記貫通孔の半径の和であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
    前記所定の距離の値は、前記イオンのラーモア半径と前記貫通孔の半径の和であ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、
    前記高周波電力は、マイクロ波の高周波電力であり、
    前記第二の部材は、石英の平板であり、
    前記貫通孔は、前記第二の部材の中心から前記所定の距離までの間に形成されていないことを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 試料がプラズマ処理される処理室と、
    前記処理室の上方に配置された誘電体の第一の部材を介して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、
    前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、
    前記試料が載置される試料台と、
    前記第一の部材と前記試料台との間に配置された第二の部材とを備え、
    前記第二の部材は、前記第二の部材の外縁から所定の距離までの領域に複数の開口部が円周方向に沿って形成され、
    前記第一の部材から前記第二の部材までの距離は、前記第一の部材と前記第二の部材の間に生成されるプラズマの密度がカットオフ密度以上となるような距離であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
    前記所定の距離は、イオンのラーモア半径を基に規定された距離であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 請求項８に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第一の部材から前記第二の部材までの距離は、５５ｍｍ以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  10. 請求項９に記載のプラズマ処理装置において、
    前記高周波電力は、マイクロ波の高周波電力であり、
    前記第二の部材は、石英の平板であり、
    前記開口部は、前記第二の部材の中心から前記所定の距離までの間に形成されていないことを特徴とするプラズマ処理装置。
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