JP2016082180A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ラジカルエッチングが行われるプラズマ処理装置において、加工速度のウエハ面内均一化と装置の価格低減を両立させることができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明は、試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室の外側に配置され誘導磁場を生成する複数の誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する一つの高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記高周波電源から供給された高周波電力を前記誘導コイルのそれぞれに時間的に異ならせながら分配する電力時分割器をさらに備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特にプラズマを用いたプラズマエッチング装置に関する。

本発明の対象である誘導コイルによりプラズマを発生させて用いたプラズマエッチング装置で、かつプラズマを周期的にオンオフする技術に関しては、特許文献１に開示され、真空チャンバの外周に複数個の誘導コイルを設けて、それぞれに高周波電源を接続し、かつ高周波電源を周期的にオンオフしてプラズマをパルス状に点灯させる技術が記載されている。

特許文献１に開示された先行技術の目的は、エッチング速度の高精度制御でプラズマをパルス状に点滅することで、被処理材料である半導体基板表面上に反応性生物層の生成と除去を繰り返し行い、原子層単位のエッチングを実現する。

また、特許文献２には、高周波電力が供給されて外側誘導電界を形成する渦巻き状をなす外側アンテナと、外側アンテナの内側に同心状に設けられ、高周波電力が供給されて内側誘導電界を形成する渦巻き状をなす内側アンテナとを有する高周波アンテナを備えた誘導結合プラズマ処理装置により、内側アンテナに相対的に大きな電流値の電流を流して内側アンテナに対応する部分に形成した内側誘導電界により局所的なプラズマを生成して処理を行う第１の処理と、外側アンテナに相対的に大きな電流値の電流を流して前記外側アンテナに対応する部分に形成した外側誘導電界により局所的なプラズマを生成して処理を行う第２の処理と、時間を異ならせて実施し、処理終了時点で基板に対して所望の処理分布が得られるようにすることが記載されている。さらに、特許文献３には、チャンバ内壁の堆積物を低減するためにファラデーシールドを設置する技術が記載されている。

特開２０１４−７４３２号公報 特開２０１３−１６２０３４号公報 特開２０００−３２３２９８号公報

半導体素子の製造に使用するプラズマエッチングには上述した先行技術の原子層エッチングのような高精度加工の他に、堆積している膜を等方的に除去するような選択性は必要だが精度を必要としない加工のニーズもある。後者はラジカルエッチングあるいはケミカルエッチングなどと呼ばれるが、本発明では以後、ラジカルエッチングと称する。

一方、半導体素子の製造ではコスト低減のために、加工装置の価格を低減するニーズも強くある。特にラジカルエッチング装置は高い精度を必要としないために加工装置を安価に製作する必要がある。さらにシリコンウエハの直径は、量産性向上、コスト削減のために大口径化が進んでいる。

現在主流は、直径３００ｍｍのウエハだが、近い将来４５０ｍｍへの移行も検討されている。一方、プラズマ処理装置では、ウエハの大口径化に伴い、処理特性のウエハ面内均一性が課題となる。プラズマを用いたプラズマエッチング装置では、エッチング速度と加工形状をウエハ面内で均一に保つことが必要で、ウエハ大口径化に伴い均一化技術は困難さを増している。

本発明は、ラジカルエッチングが行われるプラズマ処理装置において、加工速度のウエハ面内均一化と装置の価格低減を両立させ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、前記処理室の外側に配置され誘導磁場を生成する複数の誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する一つの高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記高周波電源から供給された高周波電力を前記誘導コイルのそれぞれに時間的に異ならせながら分配する電力時分割器をさらに備えることを特徴とする。

本発明は、ラジカルエッチングが行われるプラズマ処理装置において、加工速度のウエハ面内均一化と装置の価格低減を両立させることができる。

実施例１におけるプラズマ処理装置の全体構成図である。 電力時分割器の構成図である。 高周波電源から誘導コイルまでの各部分の電力波形を示す図である。 本発明のプラズマ処理装置によるエッチングレートのウエハ面内分布を示す図である。 実施例２におけるプラズマ処理装置の全体構成図である。 実施例３におけるプラズマ処理装置の全体構成図である。 実施例４におけるプラズマ処理装置の全体構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施形態について詳細に説明する。

本発明に係り、誘導磁場により生成されたプラズマを用いるラジカルエッチング装置の全体構成図を図１に示す。また、図１(ａ)は側面図であり、図1(ｂ)は上面からみた誘導コイルの配置を示す。処理室である真空容器は、真空チャンバ１０１と電磁波を通過する石英、あるいはセラミックの天板１０２から成り、内部に試料であるウエハ１０４が上面に載置される試料台１０３が配置されている。

天板１０２上には外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６が配置され、自動整合器１０９と電力時分割器１０８を介して高周波電源１０７に接続されている。外側の誘導コイル１０５および内側の誘導コイル１０６の他端は接地されている。真空容器内には処理目的に応じてＣＦ₄、ＮＦ₃、ＣＨＦ₃、ＳＦ₆、ハロゲン系ガス(例えばＣｌ₂)やＯ₂、Ｈ₂、Ｎ₂ガスなどが導入される。

外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６に高周波電力を供給し、誘導結合により上記ガスのプラズマを生成する。誘導結合型のプラズマ処理装置では、一般にプラズマ密度は誘導コイル近傍で最も高くなり、この部分で発生したイオンとラジカルがウエハ１０４まで拡散する。プラズマ中のＦ、Ｃｌ、Ｏなどのラジカルによりウエハ１０４の表面処理を行う。プラズマ中にはイオンも発生してラジカルとイオンの比は圧力などに依存するが、本装置では、垂直方向と水平方向のエッチレートがほぼ同じである等方的加工を目的としているため、ガス圧力は主に１０Ｐａ以上の高圧側を用いる。

ウエハ面内の処理速度分布は、主に表面に入射するラジカル密度に依存して、ラジカル密度分布は天板１０２直下のプラズマ密度の分布に依存する。一方、プラズマ密度分布は誘導コイルの電力に依存する。従って本装置では外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６に流れる高周波電流でプラズマ密度の分布を制御することによりウエハ面内のエッチレート分布を制御する。

次に高周波電力の制御方法を説明する。従来の装置では外側の誘導コイル１０５と内側誘導コイル１０６のそれぞれに高周波電源を接続して、それぞれの電力を制御することでエッチレート分布を制御する。従って、高周波電源が複数個必要になり、装置は大型かつ高価になる。一方、本発明に係るプラズマ処理装置では、電力時分割器１０８により1つの高周波電源１０７の出力を外側の誘導コイル１０５と内側誘導コイル１０６に周期的なパルス状に時分割して供給する。また、時分割する時間の割合を変えることで、外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６に供給される電力の比を変える。

次に電力時分割器１０８の構成を図２に示す。電力時分割器１０８は、電力をオンオフする外ゲート回路２０２および内ゲート回路２０３と、ゲート回路２０２および内ゲート回路２０３のオンオフを決める信号を送信するタイミング制御器２０１からなる。図３に高周波電源から誘導コイルまでの各部分の電力波形を示す。波形３０１は、高周波電源１０７の出力波形であり、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数である。波形３０２、３０３はタイミング制御器２０１の出力波形であり、それぞれ、外ゲート回路２０２と内ゲート回路２０３を制御する信号である。

波形３０４、３０５は時分割された高周波電源出力であり、タイミング制御器２０１のパルス出力がオンの時にゲートが開いて高周波電力が通過し、オフの時に高周波電力は遮断される。この例では、外ゲート回路２０２がオンの時は内ゲート回路２０３がオフ、外ゲート回路２０２がオフの時は内ゲート回路２０３がオンするように制御している。内外両方ともオンあるいはオフの期間が存在しても構わないが、両方オン期間がある場合は、制御性が低下し、両方オフ期間があると電力使用効率が落ちるため、両者のオンオフを逆位相にする制御が最も良い。また、波形３０４、３０５は、それぞれ外側の誘導コイ１０５、内側の誘導コイル１０６に供給される高周波電力である。

図４に本発明の装置でプラズマエッチングしたｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチレートの直径が３００ｍｍであるウエハ面内分布を示す。エッチング条件は、ガス流量が５ｍｌ／ｍｉｎであるＡｒガスとガス流量が０．５ｍｌ／ｍｉｎであるＮＦ₃ガスの混合ガスを用い、圧力を１００Ｐａ、高周波電力を１ｋＷとした条件である。外側の誘導コイル１０５に供給される電力のデューティー比(1周期に対するオン時間の割合)をＤｏｕｔ、内側の誘導コイル１０６のデューティー比をＤｉｎとして、両者の割合を変化させた場合の分布の変化を図４に示す。また、周波数は１ｋＨｚである。

分布４０１は、Ｄｏｕｔ／Ｄｉｎ＝８５／１５、分布４０２は、Ｄｏｕｔ／Ｄｉｎ＝６５／４５、分布４０３は、Ｄｏｕｔ／Ｄｉｎ＝２０／８０に設定した場合のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のエッチレート分布である。外側の誘導コイル１０５に供給する電力の比率を増加させるとエッチレートは凹形で、内側の誘導コイル１０６に供給する電力の比率を増加させると凸型に制御できる。

以上、上述した通り、本発明は、真空チャンバ外周に複数の誘導コイルを設けるとともにそれらのコイルに一つの高周波電源から時分割して周期的に電力を供給することにより各コイルに電力を供給する時間の割合を変えることでき、このことによりプラズマ密度の空間分布を制御して、エッチング速度のウエハ面内均一性を制御することができる。また、本発明によれば、高周波電源の数を一つで均一性を向上できるので、装置の価格が大幅に抑えることができる。

次に高周波電源１０７とプラズマとの整合のとり方について説明する。図１に示すプラズマ処理装置では、プラズマからの反射を最小にするように自動的にインピーダンスを整合する自動整合器１０９が外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６のそれぞれに配置されて整合をとる構成になっている。

図５は、さらに低コスト化を図るために、自動整合器１０９の数を1つにして電力時分割器１０８の前段に配置した構成である。この構成では外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６の２つの誘導コイルを一体とみなして整合をとる。内側の誘導コイル１０６と外側の誘導コイル１０５の電力分配比率を変えるとプラズマの負荷が変わるが、この変化に対して総合的に整合をとる。

プラズマの負荷は、厳密には外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６へ電力を切り替える周波数に応じて時間変化するが、周波数がある程度大きくなると、整合はその周波数に追従する必要が無くなり、時間的に平均した負荷値に整合すれば問題なくなる。この場合は、プラズマが着火して安定状態になった状態でとった整合状態で固定して、以後、プラズマ処理中はその状態に固定する方法でも安定処理ができる。

実験の結果、電力時分割の周波数を５００Ｈｚ以上にすれば、平均状態での整合状態を固定して運用できる。周波数の条件は、高周波電源１０７の周波数の１００分の１程度である。周波数が高すぎて一周期に入る高周波電力の波形数が少なくなると不安になる。また、ラジカルエッチングでは高い制御性は求められないので、自動整合器１０９を配置しない運用も可能である。

図６は、実施例１と異なる本発明に係るプラズマ処理装置を示す。本装置も誘導磁場により生成されたプラズマを用いるラジカルエッチング装置であるが、誘導コイルの配置が異なる。真空チャンバ６０１は、石英、セラミックなどの電磁波を透過する材料からなり、その外側を上下に2本の誘導コイルが巻いてある。実施例１と同様に高周波電源１０７と自動整合器１０９と電力時分割器１０８が上側の誘導コイル６０２と下側の誘導コイル６０３に接続されている。

上下の誘導コイルに供給する高周波電力の比率を制御することで、ウエハ面内のエッチレート均一性を制御できる。また、上側の誘導コイル６０２と下側の誘導コイル６０３で生成されるプラズマは、ウエハからの距離が異なる。下側の誘導コイル６０３で生成されたプラズマは、ウエハ外周に近いので、外周のレートが高くなる傾向がある。一方、上側の誘導コイル６０２は、プラズマの拡散距離が長いので、真空チャンバ６０１の内壁に衝突して消滅する確率が高くなり、壁から離れた中心付近でプラズマ密度が高くなる傾向がある。

従って、両者に供給する高周波電力の比率を制御することで、実施例１と同様にウエハ面内のエッチレート均一性を制御できる。また、実施例１ないし３における誘導コイルの数は２つに限らない。３本以上にして電力時分割器を各誘導コイルに接続すればより高精度に分布制御できる。

図７に上述した各実施例と異なる実施形態を示す。本実施例では、真空チャンバ１０１の内壁の堆積物を除去するためにプラズマと容量結合する容量結合アンテナであるファラデーシールド７０１を外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６の外側に設けている。また、ファラデーシールド７０１には、可変インピーダンス７０２を介して高周波電源１０７から高周波電圧が印加される。

この高周波電界による容量結合で真空チャンバ１０１内面にプラズマが生成される。容量結合で生成されるプラズマは、外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６で生成されるプラズマが弱く、堆積が生じやすい部分を補う目的のため、真空チャンバ１０１の内面全体に均一に発生させることが望ましい。

このため、ファラデーシールド７０１には、誘導コイルの時間分割された電流とは別に、常に一定の電圧を印加するように構成されている。可変インピーダンス７０２は、ファラデーシールド７０１と外側の誘導コイル１０５と内側の誘導コイル１０６に流れる電流を調整するために設けてある。

以上の構成により、真空チャンバ１０１の内壁の堆積を低減でき、長期的に安定した連続のプラズマ処理ができる。

１０１ 真空チャンバ
１０２ 天板
１０３ 試料台
１０４ ウエハ
１０５ 外側の誘導コイル
１０６ 内側の誘導コイル
１０７ 高周波電源
１０８ 電力時分割器
１０９ 自動整合器
２０１ タイミング制御器
２０２ 外ゲート回路
２０３ 内ゲート回路
６０１ 真空チャンバ
６０２ 上側の誘導コイル
６０３ 下側の誘導コイル

Claims (4)

1. 試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室の外側に配置され誘導磁場を生成する複数の誘導コイルと、前記誘導コイルに高周波電力を供給する一つの高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
   前記高周波電源から供給された高周波電力を前記誘導コイルのそれぞれに時間的に異ならせながら分配する電力時分割器をさらに備え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、
   前記高周波電源から供給された高周波電力の反射を低減し前記高周波電源と前記電力時分割器の間に配置された整合器をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記電力時分割器は、５００Ｈｚから前記高周波電源の周波数を１００で除した値までの範囲の周波数で前記高周波電源から供給された高周波電力を前記誘導コイルのそれぞれに時間的に異ならせながら分配し、
   プラズマ処理中の前記整合器の整合位置は、プラズマ処理中のプラズマが安定した時点の整合位置に固定してプラズマ処理が行われることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記処理室の外側に配置され前記プラズマと容量結合する容量結合アンテナをさらに備え、
   前記容量結合アンテナは、前記高周波電源から高周波電力を供給されることを特徴とするプラズマ処理装置。