JP4480946B2

JP4480946B2 - マグネトロンプラズマ用磁場発生方法

Info

Publication number: JP4480946B2
Application number: JP2003046097A
Authority: JP
Inventors: 一幸手塚; 慎司檜森; 一也永関; 浩二宮田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP2004259760A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理基板に、マグネトロンプラズマを作用させてエッチング等の処理を施すためのマグネトロンプラズマ用磁場発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体装置の製造分野においては、処理室内にマグネトロンプラズマを発生させ、このマグネトロンプラズマを処理室内に配置した被処理基板、例えば半導体ウエハ等に作用させて、所定の処理、例えば、エッチング、成膜等を行う装置が用いられている。
【０００３】
このようなマグネトロンプラズマを発生させるためのマグネトロンプラズマ用磁場発生装置としては、被処理面を上方に向けて水平に配置された半導体ウエハ等の被処理基板に対し、その周囲に半導体ウエハ等を囲むように、Ｎ，Ｓの磁極が交互に隣接して配置されるよう多数配列し、半導体ウエハの上方には磁場を形成せず、その周囲を囲むように、マルチポール磁場を形成するマルチポール型のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３３８９１２号公報（第４−５頁、第１−２図）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、従来から、処理室内の半導体ウエハ等の被処理基板の周囲に、所定のマルチポール磁場を形成し、マグネトロンプラズマを発生させてエッチング処理等を行うためのマグネトロンプラズマ用磁場発生装置が知られている。
【０００６】
ところで、近年では、半導体ウエハ等の被処理基板は、例えば１２インチ径等と次第に大型化される傾向にあり、このような大型の被処理基板の処理を可能としつつ、従来から使用されている例えば８インチ径等の被処理基板の処理を可能とする等、大きさの異なる被処理基板に対応可能とすることが求められる。
【０００７】
しかしながら、上記のようなマルチポール磁場を用いたマグネトロンプラズマ用磁場発生装置では、前述したとおり、半導体ウエハ等の被処理基板の上方には磁場を形成せず、その周囲を囲むように、つまり、被処理基板のサイズに合わせたマルチポール磁場を形成するため、大きさの異なる被処理基板に対応することが困難であった。
【０００８】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、異なった大きさの被処理基板に対応したマルチポール磁場を容易に形成することができ、異なった大きさの被処理基板に対して、夫々良好な処理を行うことのできるマグネトロンプラズマ用磁場発生方法を提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被処理基板を収容して所定の処理を施すための処理室の外側に設けられ、磁石セグメントを複数配列して環状に構成され、前記処理室内の前記被処理基板の周囲に前記処理室側に磁極が向いているマルチポール磁場を形成するマグネトロンプラズマ用磁場発生装置を用いたマグネトロンプラズマ用磁場発生方法であって、所定サイズの前記被処理基板を処理する際には、周方向に沿って所定間隔で配列された所定数の磁極を有するマルチポール磁場を形成し、前記所定サイズよりも小さいサイズの前記被処理基板を処理する際には、周方向に沿って前記所定間隔より広い間隔で配列された前記所定数より少ない数の磁極を有し磁力線が前記処理室の内部まで入り込んだマルチポール磁場を形成することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生方法であって、前記磁石セグメントが永久磁石から構成され、前記磁石セグメントを垂直方向の回転軸の回りに回転させて当該磁石セグメントの磁極の方向を変更することにより、前記マルチポール磁場の磁極の数を増減することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生方法であって、前記磁石セグメントが永久磁石から構成され、前記磁石セグメントと前記処理室との間に、磁性体からなる磁場制御部材を挿入して、前記処理室内に形成されるマルチポール磁場の状態を制御することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生方法であって、前記磁石セグメントが、電磁石から構成されたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明を、半導体ウエハのエッチングを行うマグネトロンプラズマエッチング装置に適用した実施の形態の構成の概略を模式的に示すものであり、同図において、符号１は、材質が例えばアルミニウム等からなり、内部を気密に閉塞可能に構成され、処理室を構成する円筒状の真空チャンバを示している。
【００１８】
上記真空チャンバ１は、小径の上部１ａと大径の下部１ｂからなる段付きの円筒形状とされており、接地電位に接続されている。また、真空チャンバ１の内部には、被処理基板としての半導体ウエハＷを、被処理面を上側に向けて略水平に支持する支持テーブル（サセプタ）２が設けられている。
【００１９】
この支持テーブル２は、例えばアルミニウム等の材質で構成されており、セラミックなどの絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また支持テーブル２の上面の外周部分には導電性材料または絶縁性材料で形成されたフォーカスリング５が設けられている。
【００２０】
また、支持テーブル２の半導体ウエハＷの載置面には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は、絶縁体６ｂの間に電極６ａを配置して構成されており、電極６ａには直流電源１３が接続されている。そして電極６ａに電源１３から電圧が印加されることにより、例えばクーロン力等によって半導体ウエハＷが吸着されるようになっている。
【００２１】
さらに、支持テーブル２には、冷媒を循環するための冷媒流路（図示せず）と、冷媒からの冷熱を効率よく半導体ウエハＷに伝達するために半導体ウエハＷの裏面にＨｅガスを供給するガス導入機構（図示せず）とが設けられ、半導体ウエハＷを所望の温度に温度制御できるようになっている。
【００２２】
上記支持テーブル２と支持台４は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台４の下方の駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われ、ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。
【００２３】
また、支持テーブル２のほぼ中央には、高周波電力を供給するための給電線１２が接続されている。この給電線１２にはマッチングボックス１１及び高周波電源１０が接続されている。高周波電源１０からは、１３．５６〜１５０ＭＨｚの範囲、好ましくは１３．５６〜１００ＭＨｚの範囲、例えば１００ＭＨｚの高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。
【００２４】
さらに、フォーカスリング５の外側にはバッフル板１４が設けられている。バッフル板１４は、支持台４、ベローズ８を介して真空チャンバ１と電気的に導通している。
【００２５】
一方、支持テーブル２の上方の真空チャンバ１の天壁部分には、シャワーヘッド１６が、支持テーブル２と平行に対向する如く設けられており、このシャワーヘッド１６は接地されている。したがって、これらの支持テーブル２およびシャワーヘッド１６は、一対の電極として機能するようになっている。
【００２６】
上記シャワーヘッド１６は、その下面に多数のガス吐出孔１８が設けられており、且つその上部にガス導入部１６ａを有している。そして、その内部にはガス拡散用空隙１７が形成されている。ガス導入部１６ａにはガス供給配管１５ａが接続されており、このガス供給配管１５ａの他端には、エッチング用の反応ガス及び希釈ガス等からなる処理ガスを供給する処理ガス供給系１５が接続されている。
【００２７】
反応ガスとしては、例えばハロゲン系のガス等を用いることができ、希釈ガスとしては、Ａｒガス、Ｈｅガス等、通常この分野で用いられるガスを用いることができる。このような処理ガスが、処理ガス供給系１５からガス供給配管１５ａ、ガス導入部１６ａを介してシャワーヘッド１６のガス拡散用空隙１７に至り、ガス吐出孔１８から吐出され、半導体ウエハＷに形成された膜のエッチングに供されるようになっている。
【００２８】
また、真空チャンバ１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１９が形成されており、この排気ポート１９には排気系２０が接続されている。そして排気系２０に設けられた真空ポンプを作動させることにより真空チャンバ１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。さらに、真空チャンバ１の下部１ｂの側壁上側には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ２４が設けられている。
【００２９】
一方、真空チャンバ１の上部１ａの外側周囲には、真空チャンバ１と同心状に、環状のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置（リング磁石）２１が配置されており、支持テーブル２とシャワーヘッド１６との間の処理空間の周囲に磁場を形成するようになっている。このマグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１は、回転機構２５によって、その全体が、真空チャンバ１の回りを所定の回転速度で回転可能とされている。
【００３０】
上記マグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１は、図２に示すように、図示しない支持部材により支持された永久磁石からなる複数（図２では３６個）の磁石セグメント２２から構成されている。これらの磁石セグメント２２は、２つの磁石セグメント２２によって１つの磁極を構成し、合計１８個の磁極が形成されるように、かつ、真空チャンバ１側に向くこれらの磁極がＳ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，…と交互に並ぶように配列されている。なお、図２中、各磁石セグメント２２の磁極の向きは、矢印の向きで示してある。
【００３１】
すなわち、マグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１において、図２に示す状態では、隣接する磁極（２つの磁石セグメント２２によって構成されている。）同士の向きが互いに逆向きになるように配置されており、従って、磁力線（図２に一部のみ図示する。）が隣接する磁極間に形成され、処理空間の周辺部、即ち真空チャンバ１の内壁近傍では所定強度の磁場が形成され、半導体ウエハＷの上部では実質的に無磁場状態となるようにマルチポール磁場が形成されている。
【００３２】
なお、上述した半導体ウエハＷの上部における実質的に無磁場状態とは、本来０Ｔであることが望ましいが、半導体ウエハＷの配置部分にエッチング処理に影響を与える磁場が形成されず、実質的に半導体ウエハＷの処理に影響を及ぼさない値であればよい。
【００３３】
さらに、本実施の形態においては、上記マグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１の各磁石セグメント２２は、図示しない磁石セグメント回転機構により、マグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１内において、垂直方向の軸を中心に、回転自在とされ、かつ、各磁石セグメント２２を取り外し自在とされている。そして、異なった径の半導体ウエハＷを処理する際に、マグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１によって形成されるマルチポール磁場の状態を変更可能とされている。
【００３４】
すなわち、前述したとおり、図２に示す状態は、１８個の磁極が形成されるようになっている。そして、この状態では、１２インチ径の半導体ウエハＷの周辺部のみにマルチポール磁場が形成されるようになっており、１２インチ径の半導体ウエハＷの処理を行う場合に、かかる設定とされる。
【００３５】
そして、仮に、８インチ径の半導体ウエハＷを処理する場合に、上記の状態のマルチポール磁場を使用すると、磁場と半導体ウエハＷとの距離が離れてしまうため、プラズマの閉じ込め効果が弱くなってしまう。
【００３６】
このため、例えば、図３に示すように、幾つかの磁石セグメント２２の向きを変更するとともに、中間部分の磁石セグメント２２を取り外す（間引く）ことによって（間引いた磁石セグメント２２は図中点線で示す。）、磁極の数を１２個に減少させる。これによって、隣接する磁極間に形成される磁力線（図３に一部のみ図示する。）が、図２に示した状態よりも真空チャンバ１の内部にまで入り込んだ状態となり、８インチ径の半導体ウエハＷの周辺部にまでマルチポール磁場が形成された状態となる。したがって、この状態で、８インチ径の半導体ウエハＷに良好なエッチング処理を施すことができる。
【００３７】
なお、上記の場合、磁極間に位置する磁石セグメント２２を取り外すようにしたが、例えば、図４に示すように、磁極間に位置する磁石セグメント２２を、円周方向に、かつ、磁力線の向かう方向に向くように回転させるようにすれば、磁極間に位置する磁石セグメント２２を取り外すことなく、磁極の数を減少させることができる。
【００３８】
また、例えば、図５に示すように、磁石セグメント２２を回転させることなく、磁石セグメント２２を取り外すだけでも、磁極の数を例えば、６個に減少させることができ、磁場がより真空チャンバ１の内部にまで入り込んだ状態とすることができる。
【００３９】
また、上記のように、磁石セグメント２２を取り外す換わりに、磁石セグメント２２と真空チャンバ１との間（図５に点線で示される磁石セグメントと真空チャンバとの間）に、例えば、鉄板等の磁性体を配置することによっても、図５に示す場合と同様に、実質的な磁極の数を減少させることができ、磁場が真空チャンバ１の内部にまで入り込んだ状態とすることができる。
【００４０】
さらに、マグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１は、例えば、図６に示すように、上側に設けられた上部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ａと、下側に設けられた下部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ｂ等の複数に分けられた構成とすることもできる。そして、かかる構成の場合、図中矢印で示すように、上部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ａと下部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ｂとを、上下方向に近接、離間するように移動させることにより、真空チャンバ１内に形成されるマルチポール磁場の強度を変更することができる。
【００４１】
また、上部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ａ及び下部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ｂと、真空チャンバ１との間に、夫々磁性体（例えば鉄等から円筒状に構成されている。）３０ａ，３０ｂを配置し、これらの磁性体３０ａ，３０ｂを図中矢印で示すように、上下方向に近接、離間するように移動させることによっても、真空チャンバ１内に形成されるマルチポール磁場の強度を変更することができる。この場合、上部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ａ及び下部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ｂと磁性体３０ａ，３０ｂの双方を移動させるようにしても良い。
【００４２】
このように磁性体３０ａ，３０ｂを配置することによって、上部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ａ、下部側マグネトロンプラズマ用磁場発生部２１ｂのみを上下動させる場合よりも少ない移動距離で磁場の強度を変更することができる。
【００４３】
磁石セグメント２２として永久磁石を使用した場合、上記のような構成とすることにより、磁場の強度を変更することができ、かかる磁場の強度の変更は、必要に応じて、例えば、プロセスの途中等においても行うことができる。また、上記のように磁性体３０ａ，３０ｂを配置した場合、これらの磁性体３０ａ，３０ｂを近接させる方向に移動させ、これらが接触した状態とすることにより、真空チャンバ１内を略無磁場の状態とすることができる。
【００４４】
なお、上記のような磁石セグメント２２の数、及び磁極の数は、一例であり、これらの数は、適宜変更可能であることは、勿論である。また、上記の例では、２個の磁石セグメント２２によって１つの磁極を構成するようにしたが、１個の磁石セグメント２２によって１つの磁極を構成するようにしても良く、また３個以上の磁石セグメント２２によって１つの磁極を構成するようにしても良い。
【００４５】
また、上記の例では、磁石セグメント２２として、永久磁石を用いた場合について説明したが、磁石セグメント２２としては、永久磁石に限ることなく、電磁石も用いることができる。この場合、磁石セグメント２２を回転させる換わりに電磁石に通電する電流の方向を変更し、また、磁石セグメント２２を取り外す換わりに電磁石への通電を止めることによって、上述した場合と同様にマルチポール磁場の状態を変更することができる。
【００４６】
次に、このように構成されたマグネトロンプラズマエッチング装置における処理について説明する。
【００４７】
まず、ゲートバルブ２４を開放し、このゲートバルブ２４に隣接して配置されたロードロック室（図示せず）を介して、搬送機構（図示せず）により半導体ウエハＷが真空チャンバ１内に搬入され、予め所定の位置に下降されている支持テーブル２上に載置される。そして、直流電源１３から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加され、半導体ウエハＷはクーロン力等により吸着される。
【００４８】
この後、搬送機構を真空チャンバ１外へ退避させた後、ゲートバルブ２４を閉じ、支持テープル２を図１に示される位置まで上昇させると共に、排気系２０の真空ポンプにより排気ポート１９を通じて真空チャンバ１内が排気される。
【００４９】
真空チャンバ１内が所定の真空度になった後、真空チャンバ１内には、処理ガス供給系１５から所定の処理ガスが、例えば１００〜１０００ｓｃｃｍの流量で導入され、真空チャンバ１内が所定の圧力、例えば１．３３〜１３３Ｐａ（１０〜１０００ｍＴｏｒｒ）、好ましくは２．６７〜２６．７Ｐａ（２０〜２００ｍＴｏｒｒ）程度に保持される。
【００５０】
そして、この状態で高周波電源１０から、支持テーブル２に、周波数が１３．５６〜１５０ＭＨｚ、例えば１００ＭＨｚ、電力が１００〜３０００Ｗの高周波電力が供給される。この場合に、上述のようにして下部電極である支持テーブル２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１６と下部電極である支持テーブル２との間の処理空間には高周波電界が形成され、これにより処理空間に供給された処理ガスがプラズマ化されて、そのプラズマにより半導体ウエハＷ上の所定の膜がエッチングされる。
【００５１】
この時、前述したとおり、処理を行う半導体ウエハＷの大きさ（径）により、予めマグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１の各磁石セグメント２２を所定の配列状態に設定しておき、真空チャンバ１内に所定のマルチポール磁場を形成した状態としておく。
【００５２】
なお、マルチポール磁場を形成すると、真空チャンバ１の側壁部（デポシールド）の磁極に対応する部分が局部的に削られる現象が生じるおそれがある。これに対して、モータ等の駆動源を備えた回転機構２５により、マグネトロンプラズマ用磁場発生装置２１を真空チャンバ１の周囲で回転させることにより、真空チャンバ１の壁部に対して磁極が移動するため、真空チャンバ１の壁部が局部的に削られることが防止される。
【００５３】
そして、所定のエッチング処理が実行されると、高周波電源１０からの高周波電力の供給が停止され、エッチング処理が停止されて、上述した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが真空チャンバ１外に搬出される。
【００５４】
なお、上記実施の形態においては、本発明を半導体ウエハのエッチングを行うマグネトロンプラズマエッチング装置に適用した場合について説明したが、本発明はかかる場合に限定されるものではない。例えば、半導体ウエハ以外の基板を処理するものであっても良く、エッチング以外の処理、例えばＣＶＤ等の成膜処理装置にも適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、異なった大きさの被処理基板に対応したマルチポール磁場を容易に形成することができ、異なった大きさの被処理基板に対して、夫々良好な処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るマグネトロンプラズマ用磁場発生装置が配置されたマグネトロンプラズマ処理装置の全体概略構成を示す図。
【図２】図１のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置の概略構成を示す図。
【図３】図２のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置の磁極数を変更した状態を説明するための図。
【図４】図２のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置の磁極数を変更した状態を説明するための図。
【図５】図２のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置の磁極数を変更した状態を説明するための図。
【図６】本発明のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置の他の実施形態の要部概略構成を示す図。
【符号の説明】
Ｗ……半導体ウエハ、１……真空チャンバ、２……支持テーブル、３……絶縁板、４……支持台、５……フォーカスリング、６……静電チャック、７……ボールねじ、８……ベローズ、９……ベローズカバー、１０……高周波電源、１１……マッチングボックス、１２……給電線、１３……、１４……バッフル板、１５……処理ガス供給系、１６……シャワーヘッド、１７……ガス拡散用空隙、１８……ガス吐出孔、１９……排気ポート、２０……排気系、２１……マグネトロンプラズマ用磁場発生装置、２２……磁石セグメント、２４……ゲートバルブ、２５……回転機構。

Claims

被処理基板を収容して所定の処理を施すための処理室の外側に設けられ、磁石セグメントを複数配列して環状に構成され、前記処理室内の前記被処理基板の周囲に前記処理室側に磁極が向いているマルチポール磁場を形成するマグネトロンプラズマ用磁場発生装置を用いたマグネトロンプラズマ用磁場発生方法であって、
所定サイズの前記被処理基板を処理する際には、周方向に沿って所定間隔で配列された所定数の磁極を有するマルチポール磁場を形成し、
前記所定サイズよりも小さいサイズの前記被処理基板を処理する際には、周方向に沿って前記所定間隔より広い間隔で配列された前記所定数より少ない数の磁極を有し磁力線が前記処理室の内部まで入り込んだマルチポール磁場を形成する
ことを特徴とするマグネトロンプラズマ用磁場発生方法。
請求項１記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生方法であって、
前記磁石セグメントが永久磁石から構成され、前記磁石セグメントを垂直方向の回転軸の回りに回転させて当該磁石セグメントの磁極の方向を変更することにより、前記マルチポール磁場の磁極の数を増減することを特徴とするマグネトロンプラズマ用磁場発生方法。
請求項１又は２記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生方法であって、
前記磁石セグメントが永久磁石から構成され、前記磁石セグメントと前記処理室との間に、磁性体からなる磁場制御部材を挿入して、前記処理室内に形成されるマルチポール磁場の状態を制御することを特徴とするマグネトロンプラズマ用磁場発生方法。
請求項１記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生方法であって、
前記磁石セグメントが、電磁石から構成されたことを特徴とするマグネトロンプラズマ用磁場発生方法。