JP6539986B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、処理ガスを励起させて被処理基板に対して処理を行うプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

半導体製造プロセスの一つとして反応ガスをプラズマ化してエッチング、成膜処理などを行うプラズマ処理がある。例えば枚葉式のプラズマ処理装置においては、その処理種別により、基板の面方向におけるプラズマ密度分布を適切なものに調整できるようにすることが要求されている。この要求は具体的には処理容器内の構造に基づく場合や後処理における基板面内の処理の偏りに対応する場合などがあり、このため、プラズマ密度分布を基板の面内全体で均一に処理することに限らず、基板の中央部と周縁部との間でプラズマ密度分布に差をつけることなどが挙げられる。

プラズマ処理装置におけるプラズマの発生手法の一つとしては、例えばアンテナに高周波電力を供給し、処理容器内に誘導電界を発生させて処理ガスを励起させる手法がある。例えば特許文献１には、縦型炉の反応容器の周囲にモノポールアンテナに相当するコイルを処理容器の周囲を囲むように設け、処理容器の内部に誘導電界を発生させて処理ガスを励起し、プラズマを発生させる手法が記載されている。このような構成は、基板の配列方向におけるプラズマ密度の調整は容易であるかもしれないが、基板の面内におけるプラズマ密度の調整という点では不向きな構成である。

特許文献２には、高周波を出力する高周波アンテナとしてコイル状の内側アンテナと、内側アンテナと同心となるコイル状の外側アンテナとを設け、各アンテナを夫々高周波の１／２波長の周波数で共振させる構成が記載されている。このプラズマ処理装置によれば、各アンテナにより夫々円形電場が形成されるため、プラズマの密度の面内分布をきめ細かく調整することができるが、内側アンテナと外側アンテナとに夫々高周波電源を設ける必要がある。

特許文献３には、処理容器の周囲をモノポールアンテナで囲んだプラズマ処理装置が記載されている。また特許文献４には、プラズマ密度を高めることにより半導体ウエハを効率的に処理する技術が記載されている。更に特許文献５には基板ホルダーと接地間にインピーダンス素子が接続されたプラズマ処理装置が記載されているが、いずれも本発明の課題を解決するものではない。

特許４１７８７７５号 特開２０１０‐２５８３２４号公報 特開２０１４‐０７５５７９号公報 特許２６１３００２号 特開平０８−０１７７９９号公報

本発明はこのような事情の下になされたものでありその目的は、高周波アンテナを利用してプラズマを発生させ、被処理基板に対して処理を行うプラズマ処理装置において、プラズマ密度の面内分布を調整することができる技術を提供することにある。

本発明のプラズマ処理装置は、真空雰囲気である処理容器内に供給された処理ガスを励起してプラズマを発生させ、処理容器内の載置部に載置された被処理基板に対して処理を行うプラズマ処理装置において、
前記載置部に載置される被処理基板の被処理面に対向するように配置された渦巻きコイルからなり、周波数可変電源からなる高周波電源に接続された高周波アンテナと、
前記高周波電源から高周波アンテナ側を見たときの回路の共振周波数を調整するための可変容量コンデンサを含むインピーダンス調整部と、
前記処理容器内の真空雰囲気と前記高周波アンテナが配置される空間とを気密に仕切る誘電体と、
前記高周波アンテナが配置される空間を囲むシールド部材と、を備え、
前記高周波アンテナは、一端部が接地されると共に他端部が高周波電源に接続された第１のアンテナ素子と、一端部に開放端を有すると共に他端部が前記第１のアンテナ素子に接続され、線路長が[｛λ（λは真空中の高周波の波長）／４｝＋ｎ（ｎは自然数）λ／２]に短縮率を乗じた長さ寸法であって、使用する電源周波数で共振するように設定された第２のアンテナ素子と、を備えることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理方法は、上述のプラズマ処理装置を用い、第１の共振周波数と第２の共振周波数との間の周波数の高周波を前記高周波電源から高周波アンテナに供給して、被処理基板に対して
プラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。

本発明は、接地されると共に高周波電源に接続された第１のアンテナ素子と、開放端を有すると共に線路長が[｛λ（λは真空中の高周波の波長）／４｝＋ｎ（ｎは自然数０、１、２…）λ／２]に短縮率を乗じた長さ寸法であって、使用する電源周波数で共振するように設定された第２のアンテナ素子とを組み合わせて構成した高周波アンテナを用いている。このため第１の共振周波数及び第２の共振周波数の間で高周波の周波数を調整することにより、基板の面内におけるプラズマ密度分布を調整することができる。

本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。 プラズマ処理装置における高周波アンテナを示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る高周波アンテナに生じる共振周波数を示す特性図である。 モノポールアンテナを示す説明図である。 モノポールアンテナに生じる共振周波数を示す特性図である。 本発明の実施の形態に他の例に係る高周波アンテナを示す説明図である。 本発明の実施の形態に他の例に係る高周波アンテナを示す説明図である。 本発明の実施の形態に他の例に係る高周波アンテナを示す説明図である。 実施例１における共振周波数を示す特性図である。 実施例２−１〜２−４におけるプラズマを示す写真である。 実施例２−１〜２−４における規格化プラズマ密度を示す特性図である。

本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置について説明する。図１に示すようにプラズマ処理装置は、渦巻きコイル、例えば面状の渦巻きコイルからなるＲＦアンテナ（高周波アンテナ）を用いるプラズマエッチング装置として構成されており、接地された例えばアルミニウムまたはステンレス製の処理容器１０を備えている。処理容器１０の側面には、被処理基板である半導体ウエハ（以下ウエハ）Ｗを受け渡すための搬入出口１１が設けられており、搬入出口１１には、搬入出口を開閉するゲートバルブ１３が設けられている。

処理容器１０の底面における中央部には、被処理基板であるウエハＷを載置する載置部と、高周波電極と、を兼用する円筒形のサセプタ１２が絶縁体で構成された支持部１４を介して設けられている。サセプタ１２には、ＲＦバイアス用の高周波電源３０が整合器３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。この高周波電源３０は、ウエハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定周波数（１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波を出力できるように構成されている。整合器３２は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主にサセプタ、プラズマ、処理容器）側のインピーダンスとの間で整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路で構成されている。

サセプタ１２の上面には、ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック３６が設けられ、静電チャック３６の径方向外側にウエハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング３８が設けられる。サセプタ１２の内部には、たとえば周方向に延びる環状の冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット（図示せず）より配管４６，４８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によって静電チャック３６上のウエハＷの処理温度を制御できる。また静電チャック３６の上面には、サセプタ１２内部に設けられたガス供給路６０の一端が開口し、ガス供給路６０の他端側には、伝熱ガスたとえばＨeガスを静電チャック３６の上面とウエハＷの裏面との間に供給する電熱ガス供給機構６１が接続されている。また、サセプタ１２には、外部の搬送アームとの間でウエハＷを受け渡すための図示しない昇降ピンが、サセプタ１２を垂直方向に貫通し、静電チャック３６の表面から突没するように設けられている。

またサセプタ１２の周囲と処理容器の内壁との間は、パンチングプレートで構成された環状のバッフル板３９で塞がれている。また処理容器１０の底面におけるバッフル板３９の下方には、排気口１５が形成されており、排気口１５には、排気管１６を介して真空排気部１７が設けられている。

処理容器１０の側壁の内部における搬入出口１１の上方には、側壁の全周に亘って、環状の処理ガス供給路１８が形成されている。処理ガス供給路１８の内周側には、全周に亘って処理容器１０の内部に向かって開口した複数の処理ガス供給口１９が形成されている。処理ガス供給路１８には、ガス供給管２０を介して処理ガスを供給するための処理ガス供給機構２１が接続されている。処理ガスについては、プラズマ処理装置が例えばエッチング装置であれば、ＣｌＦ_３やＦ_２などのエッチングガスが用いられ、プラズマ処理装置が例えば成膜装置であれば、アンモニアガス、オゾンガスなどの窒化あるいは酸化用のガスが用いられる。

処理容器１０の天板部分には、例えば石英板などで構成された誘電体窓２２がその上方の大気雰囲気と処理容器１０内の真空雰囲気とを気密に仕切るように、静電チャック３６に対向して設けられている。誘電体窓２２の上面側には、渦巻き状の平面コイルで構成された高周波アンテナ５が、サセプタ１２の上面と誘電体窓２２を介して対向するように、この例では誘電体窓２２の上に載置されている。高周波アンテナ５が配置されている空間は、接地されているシールド部材であるシールドボックス９により囲まれている。

図２も参照して説明すると、高周波アンテナ５の内端部６には、配線５３を介して周波数可変電源である高周波電源５０が接続されている。配線５３における高周波電源５０と高周波アンテナ５の内端部６との間には、高周波電源５０と直列に第１の可変容量コンデンサ５５が設けられている。高周波電源５０と第１の可変容量コンデンサ５５との接続点と接地電極との間は、高周波電源５０に対して並列に第２の可変容量コンデンサ５６が設けられている。高周波アンテナ５における外端部７は開放端になっており、内端部６と外端部７との間の部位（以下「中間部位」という）８は配線５４を介して第３の可変容量コンデンサ５７を介して接地されている。図１及び図２では、導電路を配線５３、５４として記載しているが、具体的にはシールドボックス９内においては帯状の銅板により高周波アンテナ５とシールドボックス９の端子部とが接続され、シールドボックス９の外側においては同軸ケーブルが用いられている。

高周波アンテナ５の内端部６から中間部位８までの線路長は特に限定されないが、例えば１ｍ程度の長さ寸法に設定されている。高周波アンテナ５の中間部位８から外端部７までの線路長は、当該部分にて定在波が立って大きな高周波エネルギーが出力されるようにするために（λ／４）＋ｎ（ｎは自然数０、１、２、…）λ／２の長さ寸法、例えばλ／４に設定されている。λは真空中の電磁波の波長であり、従って高周波アンテナ５における線路長の特定については、厳密には短縮率が考慮される。このため線路長が（λ／４）＋ｎ（ｎは自然数０、１、２、…）λ／２の長さ寸法に設定されるとは、厳密には線路長が[｛λ／４｝＋ｎ（ｎは自然数０、１、２、…）λ／２]に短縮率を乗じた長さ寸法に設定されるという意味である。短縮率は、渦巻きコイルの巻き方や高周波アンテナ５が配置される周囲の状況の影響を受けて変化する。なお、以下の説明では、説明の簡略化を図るために「短縮率を乗じた」という表現については略記することとする。

即ち、高周波アンテナ５の中間部位８から外端部７までの線路長は、λ／４の長さ寸法であって、使用する電源周波数で共振するように設定されていればよい。そしてλ／４の長さ寸法に線路長が設定されているとは、更に述べれば、後述の２つの共振点の周波数の間の高周波及びその近傍の周波数の高周波に対して、中間部位８から外端部７までに対応するプラズマ強度がウエハＷを処理するために十分な大きさが得られる程度の有効な定在波が立っていると認められる程度の長さ寸法に上記の線路長が設定されていればよいということである。

この例では、高周波アンテナ５における内端部６から中間部位８までが、第１の高周波アンテナ素子５１を構成し、この部分は電磁誘導により電界を発生させるためのコイルであると言うことができる。また中間部位８から外端部７までが第２の高周波アンテナ素子５２を構成しており、この部分はモノポールアンテナからなるヘリカルアンテナであると言うことができる。

高周波電源５０から高周波アンテナ５を含む回路を見ると、高周波電源５０をなす周波数可変電源の周波数可変範囲において、図３に示すように２個の共振周波数（共振点）が存在する。図３は、高周波電源５０の周波数可変範囲内において、第１〜３の可変容量コンデンサ５５〜５７の各容量をある値に固定し、周波数を変えていったときの反射率変化の例を模式的に示している。また第１〜３の可変容量コンデンサ５５〜５７を調整することにより、図３中に矢印で示した反射率を変えることができる。これにより第１の高周波アンテナ素子５１の高周波エネルギーと、第２の高周波アンテナ素子５２の高周波エネルギーと、の相対的なパワーバランスを調整することができる。

さらに第１の可変容量コンデンサ５５はインピーダンス整合回路の役割を備えており、第３の可変容量コンデンサ５７と共に、２個の共振周波数を調整するためのインピーダンス調整部に相当する。２個の共振周波数の一方及び他方は、夫々第１の高周波アンテナ素子５１及び第２の高周波アンテナ素子５２に起因するものであるが、いずれの共振周波数が第１の高周波アンテナ素子５１及び第２の高周波アンテナ素子５２に起因しているかは把握できていない。

第２の可変容量コンデンサ５６は、高周波電源５０から高周波アンテナ５側を見たときの反射率を調整する役割を有するものである。しかしながら反射率を調整することにより第１の可変容量コンデンサ５５及び第３の可変容量コンデンサ５７により調整したインピーダンスが変わることから、第２の可変容量コンデンサ５６も共振周波数を調整する役割も持っている。従ってこの例では、第１〜３の可変容量コンデンサ５５〜５７は共振周波数を調整するインピーダンス調整部に相当すると言うこともできる。

高周波アンテナ５とシールドボックス９との距離を変えることで両者間の容量が変わるので、第１の共振周波数及び第２の共振周波数は、例えば昇降機構を含む高周波アンテナ５の高さ調整機構を設けることや、シールドボックス９内にシールドボックスに電気的に接続したプレートを設けて、その高さ位置を変更することによっても調整することができる。この例では高周波アンテナ５の高さ調整機構やグランド接続されたプレートを設けていないことから、第１の可変容量コンデンサ５５及び第３の可変容量コンデンサ５７により（あるいは第１〜３の可変容量コンデンサ５５〜５７により）共振周波数が調整される。

このように２つの共振周波数が互いに近くに現れているため、高周波電源５０の周波数を２つの共振周波数の間に設定することにより、概略的な言い方をすれば、その周波数と２つの共振周波数の各々との距離（周波数差）に応じて、第１の高周波アンテナ素子５１の高周波エネルギーと第２の高周波アンテナ素子５２の高周波エネルギーとが分配される。そして２つの共振周波数は第１〜３の可変容量コンデンサ５５〜５７により調整することができ、また第１の高周波アンテナ素子５１及び第２の高周波アンテナ素子５２は、平面的に見れば内、外の配置関係となっていることから、第１〜３の可変容量コンデンサ５５〜５７により、ウエハＷ上の周縁部と中央部との間でプラズマ密度分布を調整できることになる。

ここで図４に示す周知のモノポールアンテナ１００において触れておくと、アンテナ素子１０１の中間部位の接地点Ｐから開放端側の共振周波数とアンテナ素子の中間部位の接地点Ｐから高周波電源側の共振周波数とが等しいことから、図５に示すように共振周波数は１つしか現れない。

続いてプラズマ処理装置の作用について説明する。先ず事前にウエハＷの処理に応じて、インピーダンス調整部により高周波アンテナ５における共振周波数を調整する。この場合、使用する高周波の周波数を決めておいて共振周波数を調整してもよいし、共振周波数と高周波の周波数との両方を調整してもよい。これにより第１の共振周波数及び第２の共振周波数の間において、高周波アンテナ５に供給される周波数の位置が調整される。

例えばウエハＷの周縁側のエッチング速度あるいは成膜速度をウエハＷの中央部側のエッチング速度あるいは成膜速度よりも高くしたい場合、あるいはその逆の場合がある。このようなプロセスごとの要請に対応してウエハＷの面内における適切なプラズマ密度分布が得られるように、各可変容量コンデンサ５５〜５７の調整位置とウエハＷの処理の面内分布の状態との関係を事前に把握しておき、適切な調整位置を見つけておく。具体的には第１〜３の可変容量コンデンサ５５〜５７にアクチェータを設けて自動で容量調整を行うことができるようにし、適切な調整位置をプロセスレシピの中に書き込んでおく。こうすることによって、プロセスレシピを制御部にて選択することによりあるいは上位コンピュータから取り込むことにより、そのプロセスレシピに見合うプラズマ密度分布が形成されることになる。

プラズマ処理装置が稼働すると、被処理基板であるウエハＷが、外部の搬送アームと昇降ピンとの協働作用により、静電チャック３６に載置される。次いでゲートバルブ１３を閉じた後、静電チャック３６とウエハＷとの間に伝熱ガスを供給すると共に静電チャック３６の吸着を開始してウエハＷを保持し、冷却水の通流などによりウエハＷの温度を設定温度に設定する。

次いで処理容器１０内に処理ガスを処理ガス供給口１９から供給すると共に、排気口１５から真空排気を行い処理容器１０内の圧力を所定の圧力に調整する。その後高周波電源５０をオンにして高周波アンテナ５に高周波を入力する。またサセプタ１２側の高周波電源３０をオンにしてイオン引き込み制御用の高周波を、給電棒４３を介してサセプタ１２に印加する。
処理容器１０内には、第１の高周波アンテナ素子５１である誘導コイルに基づいて形成された磁場と第２の高周波アンテナ素子５１の定在波に基づいて形成された磁場とにより処理ガスが励起されてプラズマが発生し、ウエハＷの処理が行われる。

上述の実施の形態は、誘導結合プラズマを用いたプラズマ処理装置において、
内端部６に高周波電源５０を接続し、外側端部である中間部位８を接地した第１の高周波アンテナ素子５１と、外端部７が開放端であり、線路長がλ／４である第２の高周波アンテナ素子５２とを組み合わせて構成した渦巻き状の高周波アンテナ５を用いている。そして第１から第３の可変容量コンデンサ５５〜５７を調整することにより、第１の高周波アンテナ素子５１及び第２の高周波アンテナ素子５２のいずれかに対応する第１及び第２の共振周波数が調整される。このため第１の高周波アンテナ素子５１と第２の高周波アンテナ素子５２とに分配される高周波エネルギーの割合が調整できるのでウエハＷの面内におけるプラズマ密度分布を調整することができる。

また本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置は、図１、及び図２に示した高周波アンテナ５に代えて、図６に示すように高周波アンテナ５の第１の高周波アンテナ素子５１の内端部６が接地され、中間部位８が高周波電源５０に接続されていてもよい。また高周波アンテナ５は、図７に示すように高周波アンテナ５の外端部７に高周波電源５０が接続され、内端部６が開放端となり、内端部６から中間部位８までの線路長が（λ／４）＋ｎ（ｎは整数）λ／２の長さ寸法に構成され、中間部位８が接地されていてもよい。この例では高周波アンテナ５における内端部６から中間部位８までの内側の部位が第２の高周波アンテナ素子５２を構成し、中間部位８から外端部７までの外側の部位が第１の高周波アンテナ素子５１を構成する。

さらに第２の高周波アンテナ素子５２を高周波アンテナ５の内側の部位、第１の高周波アンテナ素子５１を高周波アンテナ５の外側の部位に構成した例において、図８に示すように外端部７が接地され、中間部位８に高周波電源５０が接続されていてもよい。なお、図６〜図８では、シールドボックスを省略して図示している。即ち、図６〜図８に示した高周波アンテナ５は、高周波電源５０に接続される位置、接地される位置または開放端の位置について、図１、図２などに示した先の実施形態の高周波アンテナ５とは異なるだけであり、先の実施形態と同様にシールドボックス９に格納されている。
また高周波アンテナ５である渦巻きコイルは、面状であることに限られるものではなく、中央部と周縁部との高さ位置が異なり、上から見ると渦巻きをなしている渦巻きコイルであってもよい。
さらに高周波アンテナ５の巻方向は、高周波アンテナ５を上から見て内端部６から外端部７に向かって、時計まわりに巻かれていてもよく、反時計回りにまかれていてもよい。

[実施例１]
本発明の実施の形態の効果を確認するために以下の試験を行った。本発明の実施の形態である図１に示したプラズマ処理装置を用い、高周波電源５０から供給される高周波の周波数を１０〜６０ＭＨｚの範囲で変化させ、高周波電源５０側から反射率を観測した。
図９はこの結果を示し、高周波電源５０の周波数と反射率とを示す特性図である。この結果によれば、高周波電源５０の周波数可変領域において、２２ＭＨｚと２５ＭＨｚとの２つの周波数において、反射率が低下していることがわかる。従って本発明のプラズマ処理装置に用いられる高周波アンテナ５を用いた回路は２つの共振周波数が存在することがわかる。

[実施例２]
また本発明の実施の形態として図１に示したプラズマ処理装置を用い、可変容量コンデンサ５５、５６、５７の容量を変化させたときの処理容器１０内におけるプラズマの電子密度について調べた。可変容量コンデンサ５５、５６、５７の容量を調整した例を夫々、実施例２−１〜２−４とした。

図１０は、実施例２−１〜２−４において、処理容器１０内に励起されたプラズマを示す写真であり、図１１は実施例２−１〜２−４において処理容器１０の中心からの距離を横軸に示し、電子密度Ｎｅを電子密度Ｎｅの最大値ＮｅＭａｘで規格化した規格化Ｎｅの値を縦軸に示した特性図である。この結果によれば、実施例２−１では、中心部付近における規格化Ｎｅの値が高くなっているが、実施例２−２では、実施例２−１と比較して外側の領域で規格化Ｎｅの値が高くなっている。また実施例２−３、２−４では、中心よりも外側の位置において規格化Ｎｅの値が最も高くなっていた。
この結果によれば、可変容量コンデンサ５５、５６、５７の容量を変化させることにより、処理容器１０内に形成されるプラズマ密度の面内分布を変えることができることがわかる。

５ 高周波アンテナ
９ シールドボックス
１０ 処理容器
１２ サセプタ
１７ 真空排気部
２１ 処理ガス供給機構
２２ 誘電体窓
５０ 高周波電源
５１ 第１の高周波アンテナ素子
５２ 第２の高周波アンテナ素子
５５〜５７ 第１〜第３の可変容量コンデンサ
Ｗ ウエハ

Claims (5)

1. 真空雰囲気である処理容器内に供給された処理ガスを励起してプラズマを発生させ、処理容器内の載置部に載置された被処理基板に対して処理を行うプラズマ処理装置において、
   前記載置部に載置される被処理基板の被処理面に対向するように配置された渦巻きコイルからなり、周波数可変電源からなる高周波電源に接続された高周波アンテナと、
   前記高周波電源から高周波アンテナ側を見たときの回路の共振周波数を調整するための可変容量コンデンサを含むインピーダンス調整部と、
   前記処理容器内の真空雰囲気と前記高周波アンテナが配置される空間とを気密に仕切る誘電体と、
   前記高周波アンテナが配置される空間を囲むシールド部材と、を備え、
   前記高周波アンテナは、一端部が接地されると共に他端部が高周波電源に接続された第１のアンテナ素子と、一端部に開放端を有すると共に他端部が前記第１のアンテナ素子に接続され、線路長が[｛λ（λは真空中の高周波の波長）／４｝＋ｎ（ｎは自然数）λ／２]に短縮率を乗じた長さ寸法であって、使用する電源周波数で共振するように設定された第２のアンテナ素子と、を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記高周波電源から高周波アンテナ側を見たときの回路は、高周波の周波数を変えていったときに、前記インピーダンス調整部の調整に応じた第１の共振周波数及び第２の共振周波数が現れるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記インピーダンス調整部は、前記高周波電源と高周波アンテナとの間において当該高周波電源に対して直列に接続された可変容量コンデンサと、前記第２のアンテナ素子の他端部と接地部位との間に設けられた可変容量コンデンサと、を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 高周波の反射率を調整するための可変容量コンデンサが前記高周波電源に対して並列に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３に記載のプラズマ処理装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置を用い、第１の共振周波数と第２の共振周波数との間の周波数の高周波を前記高周波電源から高周波アンテナに供給して、被処理基板に対してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。