プラズマ処理装置
【課題】中密度プラズマ領域のプラズマを用い、高い制御性を得るとともに大口径ウエハにおける処理の均一性を得る。
【解決手段】真空排気手段により排気される真空処理室と、該真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、前記真空処理室内に磁場を発生させるためのソレノイドコイルと、ヨークと、中央部あるいは外周部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の略１／４ 突出させて形成した誘電体製マイクロ波透過窓とを備えたプラズマ処理装置において、前記誘電体製マイクロ波透過窓は、平板部と、該平板部上に載置された突出部と、該突出部を平板部に位置決めする位置決め用凹凸部を備えた。
【解決手段】真空排気手段により排気される真空処理室と、該真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、前記真空処理室内に磁場を発生させるためのソレノイドコイルと、ヨークと、中央部あるいは外周部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の略１／４ 突出させて形成した誘電体製マイクロ波透過窓とを備えたプラズマ処理装置において、前記誘電体製マイクロ波透過窓は、平板部と、該平板部上に載置された突出部と、該突出部を平板部に位置決めする位置決め用凹凸部を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減圧した真空容器内部に形成された処理室内にマイクロ波を供給し、供給したマイクロ波による電界を用いてプラズマを生成して半導体ウエハ等の基板状の処理対象である試料を処理するプラズマ処理装置に係り、特に処理室内に供給した磁場との相互作用により形成したプラズマを用いて、ウエハの表面に処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの量産工程において、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ (Chemical Vapor Deposition)、プラズマアッシング等のプラズマ処理が広く用いられている。プラズマ処理は、減圧した状態の処理用ガスに高周波電力やマイクロ波電力を投入することで発生したイオンやラジカルを、ウエハに照射することで行われる。
【０００３】
エッチング用のプラズマ源には、半導体デバイスの微細化に対応して、低ガス圧力領域における良好なエッチング形状制御性と、ウエハ面内における処理の高均一性が求められている。特に、工業周波数である２．４５ＧＨｚで、電子サイクロトロン共鳴(Electron Cycrotolon Resonance:ECR)を利用した有磁場マイクロ波プラズマ源は、低圧力で高密度のプラズマを生成することができるため、１９９０年前後から盛んに研究・開発が行われてきた。
【０００４】
このようなマイクロ波プラズマ源を用いた処理装置の例として特許文献１、特許文献２が挙げられる。この従来技術の装置は、プラズマ生成室とウエハの処理室とが分離されており、プラズマ生成室でＥＣＲ効果を用いて発生させたプラズマを磁場を用いて処理室に引き出し、ウエハの処理を行うことが特徴である。マイクロ波は矩形導波管や円形導波管を用いてプラズマ生成室に導入され、導波管とプラズマ生成室の間は石英等のマイクロ波を透過する材質の窓で仕切られ、真空封止されている。
【０００５】
このような従来の技術では処理の不均一性が問題となる。これは、矩形導波管の基本モードである矩形ＴＥ１０モードや円形導波管の基本モードである円形ＴＥ１１モードでは、電界強度が周辺部に比べ中央部が強くなり、プラズマの密度、強度の分布が不均一になってしまうためである。
【０００６】
これを解消するため、特許文献１では、導波管とプラズマ生成室の入り口の間の窓部に凹レンズを設けることで中央部のマイクロ波を広げる技術が開示されている。また特許文献２では、前記窓部の中央部に凹部を、外周部に凸部を設けることで、中央部のマイクロ波電界を広げ、外周部にマイクロ波電界を集中させる技術が開示されている。
【０００７】
さらに、この窓部とプラズマ界面からの反射波を逆に利用した技術が、特許文献３に開示されている。特許文献３には、処理室がプラズマ生成室を兼ねており投入した電力を効率的に処理に用いることができる処理装置が開示されている。また、プラズマ生成室の上部に円筒空洞部を設けている。
【０００８】
前記円筒空洞部の中心には円形導波管が接続されており、マイクロ波は前記導波管から円形ＴＥ１１モードで円筒空洞部に導入される。ここで、円筒空洞部の天板から、真空を封止している石英天板とプラズマとの境界面までのマイクロ波に対する等価距離を円形ＴＥ０１モードの管内波長の１／２の整数倍とすることで、プラズマ境界面からの反射波と円筒空洞部の天板からの反射波が共振し、円筒空洞内に円形ＴＥ０１モードの定在波が形成される。この結果導入した円形ＴＥ１１モードと、共振モードであるＴＥ０１モードが重畳されたマイクロ波モードが円筒空洞内に発生する。円形ＴＥ１１モードの電界強度分布は中高分布であり、円形ＴＥ０１モードは外高分布であるため、円筒空洞内において両者が重畳されたマイクロ波モードの電界強度分布は略均一となる。これにより円筒空洞下部にあるプラズマ生成室（処理室）に均一で安定な高密度プラズマを発生させることができる。
【０００９】
さらに特許文献４には、円筒空洞共振部とエッチング処理室との間の、真空封じを行っている石英天板の厚さを、石英中のマイクロ波の波長の約１／２の整数倍とすることにより、ウエハ上のプラズマを高密度にする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平３−２４４１２３号公報
【特許文献２】特開平６−１２０１５５号公報
【特許文献３】特開平７−２３５３９４号公報
【特許文献４】特開平８−３１５９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
国際半導体技術ロードマップ(International Technologiy Roadmap for Semiconductors;ＩＴＲＳ）によれば、半導体デバイスの微細化とウエハの大口径化は今後も進み、２０１４年から２０１６年の間には２２ｎｍノード、４５０ｍｍ（１８インチ）ウエハを用いた量産が立ち上がると予想されている。またトランジスタ構造は、現在の主流であるプレーナ型（平面型）から、ダブルゲート型、トライゲート型等の３Ｄ構造を有したＦｉｎＦＥＴ型が主流になるものと予想される。これら将来の半導体デバイスの製造に用いられるプラズマ処理装置、特に微細化の要であるエッチング装置には、直径４５０ｍｍの広範囲に渡っての高い処理均一性と極限の微細加工性能が求められている。
【００１２】
特許文献３あるいは特許文献４に記載されているような高密度プラズマを用いる場合のはエッチング速度が速くなりすぎ、制御性、再現性を損なう虞が有る。また、マスク選択比あるいは下地選択比の低下、側壁荒れの問題も顕在化してくる。なお、ここで高密度プラズマとは、プラズマ密度で７．５ｅ１０ｃｍ−３ （２．４５ＧＨｚにおける無磁場でのプラズマのカットオフ密度）以上、ウエハ上のイオン電流密度で３ｍＡ／ｃｍ２程度以上のプラズマを指している。
【００１３】
特許文献３あるいは特許文献４に記載の技術では、プラズマ密度を下げるためにマイクロ波の電力を下げると、ＴＥ１１モードに起因したエッチングレートの中高分布となってしまう虞がある。円筒空洞がＴＥ０１モードの共振器として作用するためには、石英天板とプラズマとの境界面からの反射波が、ある程度必要になってくる。
【００１４】
マイクロ波はカットオフ密度以上の高密度プラズマ中を、無磁場では全く伝播できず、また、有磁場でも十分には伝播できない。このため、前記境界面で相当量が反射されることになる。この反射波と、円筒空洞の上部からの反射波の重ね合わせで、円筒空洞はＴＥ０１モードの共振器として作用できる。
【００１５】
これに対し、カットオフ密度以下の中密度プラズマ領域では、マイクロ波はプラズマ中を伝播できるため、前記境界面でその一部のみが反射される。その結果、中央部の電界強度が強い円形ＴＥ１１モードが支配的となり、エッチングレート分布も中高になってしまう。
【００１６】
このため、中密度プラズマ領域ではプラズマを均一に維持することができなくなってしまうという問題が有った。ここで中密度プラズマとは、プラズマ密度が概略７．５ｅ１０ｃｍ−３以下，１．２ｅ１０ｃｍ−３以上（ウエハ上のイオン電流密度で３０ｍＡ／ｃｍ２ 程度以下、０．５ｍＡ／ｃｍ２ 程度以上。なお、０．５ｍＡ／ｃｍ２は現実的な処理速度が得られる下限値である）のプラズマを指している。
さらには、４５０ｍｍウエハの処理に対応するために処理室の径や円筒空洞共振器の径を拡大すると、プロセス条件によっては空洞部で共振させたいモードである円形ＴＥ０１モード以外の高次モード、例えばＴＭ０１，ＴＥ２１，ＴＭ１１，ＴＥ３１ 等が発生し、処理の均一性を損なったり放電不安定性を引き起こしてしまう虞が有る。
【００１７】
また、特許文献３に記載の従来技術では、真空容器からの金属汚染をさけるために耐プラズマ性の材料で形成された円筒状の絶縁物カバーを真空容器内壁に設置している。前記絶縁物カバーは非常に高価な交換部品であり、装置のランニングコストを上昇させてしまう。また、絶縁物カバーは真空容器から真空断熱されてしまうため、その温度制御が難しいという問題もある。
【００１８】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、中密度プラズマ領域のプラズマを用い、高い制御性を得るとともに大口径ウエハにおける処理の均一性を得ることのできるプラズマ処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００２０】
真空排気手段により排気される真空処理室と、該真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、前記真空処理室内に磁場を発生させるためのソレノイドコイルと、ヨークと、中央部あるいは外周部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の略１／４ 突出させて形成した誘電体製マイクロ波透過窓とを備えたプラズマ処理装置において、前記誘電体製マイクロ波透過窓は、平板部と、該平板部上に載置された突出部と、該突出部を平板部に位置決めする位置決め用凹凸部を備えた。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、以上の構成を備えるため、中密度プラズマ領域のプラズマを用い、高い制御性を得るとともに大口径ウエハにおける処理の均一性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】ウエハ上のイオン電流密度分布のマイクロ波電力依存性を示す図である。
【図３】図１で示したマイクロ波透過窓と前記透過窓に設けた突出部の拡大図である。
【図４】マイクロ波透過窓側に凸部を設けた例を示す図である。
【図５】第２の実施形態を説明する図である。
【図６】マイクロ波透過窓と突出部の拡大図である。
【図７】突出部の外側のマイクロ波透過窓に凸部を設けた例を示す図である。
【図８】磁場形状とＥＣＲ面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の第１の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。まず、図１及び図２を用いて概略を説明した後、図３以降で、本実施形態の詳細を示す。
【００２４】
図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の縦断面図（概略）を示している。図１において、略円筒形の真空処理室１の下部には、ウエハ４を載置する基板ステージ５が備えられており、真空処理室１はコンダクタンス調節バルブ３１を介してターボ分子ポンプ３２により真空排気される構成となっている。前記真空処理室１の上部には略円板状の突出部９を備えた誘電体製のマイクロ波透過窓６が備えられており、その上部には円筒空洞７が備えられている。円筒空洞７の高さは、円筒空洞中で円形ＴＥ０１モードのマイクロ波が共振するように調整されている。
【００２５】
マイクロ波透過窓６の下部にはシャワープレート８が備えられており、図示しないガス供給系から導入された処理用のガスを真空処理室１に均一に分散させる構成となっている。また、前記円筒空洞７の上部には、円形導波管２１を介してマイクロ波導入系が接続されている。
【００２６】
本実施形態では、マイクロ波の周波数として、例えば、工業周波数である２．４５ＧＨｚを用いている。さらに真空処理室１の外部には、１系統ないし３系統の独立して制御、調節された電力が供給されるソレノイドコイル２と、ヨーク３とが備えられている。
【００２７】
本実施形態では、真空処理室１にシャワープレート８を介して処理用のガスを導入し、真空処理室１内の圧力をコンダクタンス調節バルブ３１により所望の値に調整した後、マイクロ波等の電波源から真空処理室１に電界を投入することで処理用のガスをプラズマ化する。この際、ソレノイドコイル２により真空処理室１内部にＥＣＲ共鳴を引き起こす強度である８７５ガウスの磁場を印加しておくことで、０．０５Ｐａから５Ｐａ程度の低圧力領域で安定したプラズマを生成することができる。
【００２８】
基板ステージ５にはウエハ４に高周波バイアス電力を印加するための手段が備えられており、この電力により基板ステージ５またはウエハ４上面にバイアス電位を形成することでプラズマ中のイオンをウエハ４に引き込みウエハ４の処理の高精度、高速化を図ることができる。
【００２９】
内部が略円筒形の真空処理室１はアルミニウム等の金属製であり、側壁の一部は接地されている。また、真空処理室１の内壁は、プラズマ耐性があり、かつデバイスの金属汚染の生起を抑制する絶縁材料、即ち、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化イットリウム（Ｙ２Ｆ３）、フッ化アルミニウム（Ａｌ２Ｆ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、石英（ＳｉＯ２）等の材料で、５０μｍないし５００μｍ程度の厚さでコーティングしてある。
【００３０】
また真空処理室１の内部の壁面を温度調節することで、量産時の処理安定性を向上させることができる。真空処理室１の温度の調節は、真空処理室１の内側に液体が流れる流路を形成しておき、チラー等で温調された液体を該流路に流すことで実現できる。なお、真空処理室１の側壁の大気側の箇所にヒーターを具備してもよい。
【００３１】
本実施例では、これらの温調手段により真空処理室１は３０℃から１００℃の間の所望の温度で温調される。また、真空処理室１の金属壁部分に白金温度計等の温度モニタ手段を埋め込み、温度モニタ手段からの出力をフィードバックして真空処理室１の温度を調節することで、さらなる処理の安定化が期待できる。
【００３２】
真空処理室１の下方には、ウエハ４を載置するための基板ステージ５が備えられている。基板ステージ５には１系統ないし５系統の温調手段４５が設けられている。また基板ステージ５は、図示しない伝熱ガス供給系と静電チャック機能を有しており、プラズマ処理中にウエハ４を静電気力で保持し、ウエハ４裏面にＨｅ等の伝熱ガスを供給することで、ウエハ４の温調を可能としている。温調手段を複数設けることにより、ウエハ４の温度分布をきめ細かく制御することができるため、径が４５０ｍｍのような大口径のウエハ４の処理に適した構成となっている。
【００３３】
さらに、基板ステージ５には、第一の整合器４２を介して第一の高周波バイアス電源４１が、さらに、第二の整合器４４を介して第二の高周波バイアス電源４３が備えられている。第一の高周波電源の周波数は第二の高周波バイアス電源の周波数よりも低く設定されており、第一の高周波バイアス電源４１の周波数は４００ｋＨｚないし４ＭＨｚの間から、第二の高周波バイアス電源４３の周波数は２ＭＨｚないし１３．５６ＭＨｚの間から適切に選択される。周波数の異なった２種類の高周波バイアス電源の電力比率を適切に調節することで、ウエハ４に入射するイオンのエネルギー分布を、より細かく制御できる。これにより、マスク選択比や下地選択比の向上が期待できるだけでなく、側壁荒れやノッチ形状、テーパー形状の抑制も期待できる。
【００３４】
真空処理室１の上部には、マイクロ波透過窓６を介して円筒空洞７と電界を供給する電波であるマイクロ波の供給手段が連結されている。マイクロ波供給系は、円形導波管２１、円偏波発生器２２、矩形円形導波管変換部２３、矩形導波管２４、マイクロ波用自動整合器２５、アイソレータ２６、マグネトロン２７から構成されている。
【００３５】
マグネトロン２７より発振されたマイクロ波は矩形ＴＥ１０モードで矩形導波管２４を伝播し、矩形円形導波管変換部２３で円形ＴＥ１１モードに変換されて円筒空洞７に導入される。また、円偏波発生器２２で円形ＴＥ１１モードの偏波面を回転させ、右回り円偏波を発生させることにより、周方向での電界分布を均一化することができる。
【００３６】
また、マイクロ波用自動整合器２５で負荷とのマッチングを取ることにより、マイクロ波電力をプラズマ負荷に効率よく投入し、反射電力を抑えることができる。さらに、アイソレータ２６は、整合器２５で取りきれなかった反射波がマグネトロンに戻ることを防いでいる。
【００３７】
真空処理室１の外部に配置された１系統ないし３系統のソレノイドコイル２と、ヨーク３とにより、真空処理室１内部にＥＣＲ共鳴を引き起こす強度である８７５ガウスの磁場が印加される。
【００３８】
参考として、図８に磁場形状とＥＣＲ面の一例を示す。図中の点線１０１は磁力線を、実線１０２は８７５ガウスの等磁束密度面（今後、ＥＣＲ面と称する）を示している。
【００３９】
また、前記ソレノイドコイル２に流れる電流を適宜調節することで、真空処理室１内におけるＥＣＲ面の高さ、ＥＣＲ面の形状、磁力線の発散度合い等を調節することができる。 このように、ＥＣＲ共鳴を用いることにより、微細加工に有利な０．０５Ｐａから５Ｐａ程度の低圧力領域にて、安定したプラズマを生成することができる。また、ＥＣＲ高さＥＣＲ面の形状、磁力線の発散度合いを制御することにより、真空処理室１内のプラズマ密度分布を制御できる。
【００４０】
真空処理室１の上部には、略円板状をした誘電体製のマイクロ波透過窓６が備えられている。該マイクロ波透過窓の直径は前記真空処理室１の内径よりも若干大きくなっており、外周縁部の下面と真空処理室１の側壁の部材の上端部との間をこれらに挟まれたＯリング等でシールすることにより、真空処理室１内と外部の大気との間を気密に封止して内部の真空度を所望のものに維持している。マイクロ波透過窓６の材質としては、マイクロ波の損失が小さく、汚染を引き起こさない材質、例えば、石英、アルミナ、イットリア等の材質が望ましい。
【００４１】
前記マイクロ波透過窓６の下部には略円板状の誘電体製のシャワープレート８が備えられている。シャワープレート８の材質も、マイクロ波透過窓６の材質と同様に、マイクロ波の損失が小さく、汚染を引き起こさない材質、例えば、石英、アルミナ、イットリア等の材質が望ましい。本実施形態ではマイクロ波透過窓及びシャワープレート８の材質を石英とした。
【００４２】
シャワープレート８には直径０．１ｍｍないし０．８ｍｍ程度の小孔が、５ｍｍピッチないし２０ｍｍピッチ程度の間隔で開けられており、また、その厚さは５ｍｍないし１５ｍｍの間で使用者の処理に応じて適切に選択される。シャワープレート８とマイクロ波透過窓６の間には、０．１ｍｍないし１ｍｍ程度の図示しないガスバッファ室が設けられており、このガスバッファ室の外周部から導入された処理用のガスはガスバッファ室の全体に充満して行き渡り下方のガス孔から全体的に均等に真空処理室１内に流入させることができる。
【００４３】
また、本実施形態ではガスバッファ室とシャワープレートを内周部と外周部の２つの領域に分け、それぞれに別系統のガス供給系（図示せず）を接続し、内周部と外周部に流す処理用のガスの種類、組成、流量を適宜調節することで、ウエハ４に到達するラジカル種の分布を制御することが可能になる。これにより、より高いウエハ４面内の処理均一性を達成することができる。また、処理用のガスとしては、Ｃｌ２，ＨＢｒ，ＨＣｌ，ＣＦ４，ＣＨＦ３，ＳＦ６，ＢＣｌ３，Ｏ２，ＣＨ４等の反応性ガスの中から１種類ないしは４種類程度を、被エッチング膜の種類に応じて適切に選び、それぞれの流量や混合比が適切に調節される。また、これらの混合した反応性ガスに、ＡｒやＸｅ等の希釈ガスを適切な流量で加えても良い。
【００４４】
本実施形態で用いられる石英製のマイクロ波透過窓６の上面の中央部には、マイクロ波透過窓６と同じ材質である石英で、直径がウエハ４径の１／３から２／３の範囲の値で選択されたもので、高さが石英中を伝播するマイクロ波の波長の１／４にされた略円板状の突出部９が、円筒空洞７及びマイクロ波透過窓６と中心軸を合わせて配置されている。
【００４５】
前記突出部９を設けることにより、突出部９を透過して下方に伝播するマイクロ波の透過率を周囲の他の部分と比較し低下させることができる。前述したように、中密度程度のプラズマを想定した場合、円筒空洞７での円形ＴＥ０１モードの共振が十分に行われないため、中心部の電界強度が強い円形ＴＥ１１モードが主体となって真空処理室１に伝播する。したがって、本実施形態のように突出部９によってマイクロ波透過窓６の中央部におけるマイクロ波透過率を低減することにより、プラズマに投入されるマイクロ波の電界強度分布を均一化でき、ひいてはプラズマ分布を均一化できる。以下、マイクロ波透過率の調節について説明する。
【００４６】
マイクロ波は、ある媒質から他の媒質へと伝播する際には、その界面で必ず一部は反射する。また、両媒質の誘電率が大きく異なるときには、反射はより大きくなることは良く知られている。
【００４７】
本実施形態の場合、マイクロ波がプラズマに伝播していく過程の中でマイクロ波の反射界面となるのは、マイクロ波透過窓６及び突出部９の上面と、シャワープレート８の下面（プラズマとの境界面）の２箇所である。マイクロ波透過窓６の厚さを、この２箇所からの反射波を打ち消しあうような厚さ（仮に厚さＡとする）に設定すればマイクロ波の透過率は最大となり、また、マイクロ波透過窓６と突出部９の厚さを、前記した２箇所からの反射波が強めあうような厚さ（厚さＢとする）に設定すると、突出部９のマイクロ波の透過率は最小となる。ここで、厚さＡと厚さＢの差の絶対値は、マイクロ波透過窓６の媒質（石英）中のマイクロ波の波長λｗの１／４（石英中では１６ｍｍ）となる。
【００４８】
上記の説明では片方のマイクロ波の反射界面をシャワープレート８下面（プラズマとの境界面）としたが、実際はシャワープレート８の上部にはガスバッファ室があり、また、シャワープレート８直下のプラズマ密度も縦方向に分布を持っているため、シャワープレート８下面の反射境界の位置は明確には定まらない。したがって、前記した厚さＡと厚さＢとの差の絶対値を概ねλｗ／４とした上で、厚さＡを実験的に定めればよい。
【００４９】
図２は、ウエハ４上のイオン電流密度分布のマイクロ波電力依存性を示す図であり、図２（ａ）は突出部を設けない場合、図２（ｂ）は突出部を設けた場合を示す。なお、ウエハ径は３００ｍｍ、突出部は、マイクロ波透過窓６の中央部にφ１５０ｍｍの範囲で１６ｍｍ突出して形成した。事前に行った予備試験の結果、マイクロ波透過窓６の上面からシャワープレート８の下面までの距離は４２ｍｍである。
【００５０】
また、放電に用いたガスはＣｌ２／ＨＢｒ混合ガス、圧力は０．４Ｐａ、ＥＣＲ高さが６０ｍｍの磁場条件であり、マイクロ波電力を小（４００Ｗ、破線）， 中（８００Ｗ、実線），大（１２００Ｗ、一点破線）と変化させた際の結果である。
【００５１】
図２（ａ）に示したように、突出部を設けない例ではマイクロ波電力が１２００Ｗと大きい条件では比較的均一性は良好であるのに対し、マイクロ波電力を４００Ｗまで下げると著しい凸分布が発生することがわかる。また、投入したマイクロ波電力に対する、イオン電流密度分布のリニアリティーも小さいことがわかる。
【００５２】
これに対し図２（ｂ）に示したように、突出部を設けた例ではマイクロ波電力が１２００Ｗから４００Ｗの範囲にてイオン電流密度の均一性は良好であり、また、投入したマイクロ波電力に対する、イオン電流密度分布のリニアリティーも良好であることがわかる。 つまり、イオン電流密度で１ｍＡ／ｃｍ２から３ｍＡ／ｃｍ２程度の中密度領域のプラズマ密度を、マイクロ波パワーにて良好に制御できていることがわかる。
【００５３】
図３は、図１で示したマイクロ波透過窓６と前記透過窓に設けた突出部９の拡大図である。突出部９は、マイクロ波透過窓６と一体で形成しても良く、別々の部品であっても良いが、突出部９を容易に交換可能とするため、マイクロ波透過窓６と一体化せず別々の部品としている。このことにより、プロセスに応じたプラズマ分布調整を柔軟に実現できる。しかし、マイクロ波透過窓６と突出部９の中心がずれた場合にはプラズマに偏心が生じ、結果として、例えばレート分布の偏心などプロセス性能を損なうことになる。
【００５４】
このため、突出部９を、マイクロ波透過窓６に中心軸を合わせて配置できるように、突出部９の中心軸周りに円柱状の凹部を設け、マイクロ波透過窓６の中心軸周りに凸部を設けておく。そして、マイクロ波透過窓６の上に突出部９を設置する際に、この凹凸部を合わせて設置することで中心軸を合わせることができる。これにより、プラズマの偏芯を抑制することが可能となる。また、突出部９を設置する際の属人的な位置ずれを抑制することができる。
ところで、マイクロ波透過窓６と突出部９はプラズマからの伝熱あるいはヒータ温調された真空処理室１からの伝熱により温度上昇する場合があり、またマイクロ波透過窓６と突出部９との間に空気層があることから温度差が生じ、熱膨張差により凹凸部の隙間が小さくなることが予想される。石英の熱膨張率は５×１０−７［Ｋ−１］程度であることから、凹凸部の径を１０ｍｍ、温度差を１００Ｋと想定すると熱膨張差はわずか、５×１０−４［ｍｍ］であり、熱膨張差を無視できるレベルであり、凹凸部の寸法公差の限界までマイクロ波透過窓６と突出部９の中心軸を合わせることが可能である。また、材質として石英でなく、アルミナやイットリアを採用した場合、熱膨張率は一桁大きくなる。
【００５５】
なお、突出部９を設置する際の視認性、作業性を考慮して、図４のように、マイクロ波透過窓６側に凸部を設けることも考えられる。例えば突出部９をはめ込むよう凸部をリング状に製作することができる。また突出部９の位置を一意に決められるように、凸部を３点程度設けることができる。上記同様に、熱膨張差の観点から検討すると、突出部９の径を１５０ｍｍ、温度差を１００Ｋと想定すると熱膨張差はわずか、７．５×１０−３［ｍｍ］であり、熱膨張率が一桁大きいアルミナやイットリアを採用した場合も含めて、高精度にマイクロ波透過窓６と突出部９の中心軸を合わせることが可能である。
【００５６】
図５は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。なお、図５において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５７】
本実施形態においては、誘電体のマイクロ波透過窓６の中央部に突出部９を設けるとともに、誘電体のマイクロ波透過窓６の外周部に、誘電体内でのマイクロ波の波長の１／４程度の厚さの、略円環状の部材であるリング状突出部１０を設ける。リング状突出部１０は、その内径がウエハ４の直径よりも大きく、外径がマイクロ波透過窓６とほぼ同一であり、マイクロ波透過窓６と内周及び外周の円の中心が同心となるように配置されている。
【００５８】
このようなリング状突出部１０を設けることにより、リング状突出部１０のマイクロ波透過率を他の部分と比較し低下させることができる、即ち、ウエハ４よりも外側の真空処理室１の内壁近傍の領域のマイクロ波強度を低下させることができ、このような領域で生成されるプラズマ密度を下げることができる。これにより、真空処理室１の内壁へのプラズマからのダメージを抑制し、内壁の消耗を抑制することができ、真空処理室１の寿命を長くすることができる。
【００５９】
また、真空処理室１の内側壁の削れに起因したパーティクルあるいは金属汚染の発生を抑制することができる。また、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に誘電体製のマイクロ波透過窓６の中央部に突出部９を設けてあるため、ウエハ４上のプラズマを中密度領域で均一に生成することができる。また、磁場の制御でプラズマ密度分布を制御することができる。
【００６０】
このように本実施形態によれば、中密度領域のプラズマを均一に、制御性良く生成できるだけでなく、真空処理室１の内壁の消耗を抑え、パーティクルや汚染の発生を抑制し、真空処理室１の寿命を延ばすことが可能となる。
【００６１】
図６は、マイクロ波透過窓６と突出部１０の拡大図である。突出部１０は、原理的にはマイクロ波透過窓６と同一の誘電体材料で一体で形成しても良く、別々の部品であっても良いが、突出部１０を容易に交換可能とし、プロセスに応じたプラズマ分布調整を柔軟に実現できるよう、マイクロ波透過窓６と一体化せず別々の部品としている。
【００６２】
また、この図の例では、突出部１０が、マイクロ波透過窓６と中心軸を合わせて配置できるように、突出部１０の内側で、かつ、マイクロ波透過窓６に凸部を設けている。
【００６３】
なお、突出部１０をはめ込むよう凸部をリング状に製作することができる。また、突出部１０の位置を一意に決められるように、凸部を３点程度設けることができる。なお、突出部９の位置決めのための実施例については図３において詳述しているため、図６では省略する。
【００６４】
熱膨張差の観点から検討すると、突出部１０の内径を５００ｍｍ、温度差を１００Ｋと想定すると熱膨張差はわずか、２．５×１０−２［ｍｍ］であり、この観点からは凹凸部の寸法公差までマイクロ波透過窓６と突出部９の中心軸を合わせることが可能である。ただし、熱膨張率が一桁大きいアルミナやイットリアを採用した場合、２．５×１０−１［ｍｍ］となる。
【００６５】
この場合、設置時に中心合わせをしたとしても、熱膨張時には同等の中心のずれが発生する可能性があり、この場合には、生成されるプラズマに偏心が生じ、結果として、例えばレート分布の偏心などプロセス性能を損なうことがある。
【００６６】
そこで、凹凸部の隙間を熱膨張差分としておけば、温度上昇に伴い隙間が狭まることから、従来は、突出部９設置初期に中心軸がずれていたり、初期にずれがなくとも熱膨張の過程でずれたりしても補正できなかったのに対して、言わば自動的に中心軸合わせが可能となる。
【００６７】
さらに、図７に示すように、突出部１０の外側のマイクロ波透過窓６に凸部を設ければ、熱膨張により外側の凸部と突出部１０の隙間は広がることから、常温時の隙間を公差まで小さくしても問題起こらない。また、内側の凸部と突出部１０の隙間を熱膨張差分としておけば、前述の通り、高温時には隙間が狭まることによって中心軸合わせが可能となり、低温時には、外側の凸部によって高精度に中心軸合わせが可能となる。
【符号の説明】
【００６８】
１ 真空処理室
２ ソレノイドコイル
３ ヨーク
４ ウエハ
５ 基板ステージ
６ マイクロ波透過窓
７ 円筒空洞
８ シャワープレート
９ 突出部
１０ リング状突出部
２１ 円形導波管
２２ 円偏波発生器
２３ 矩形円形導波管変換部
２４ 矩形導波管
２５ マイクロ波用整合器
２６ アイソレータ
２７ マグネトロン
３１ コンダクタンス調節バルブ
３２ ターボ分子ポンプ
４１ 第一のバイアス高周波電源
４２ 第一の整合器
４３ 第二のバイアス高周波電源
４４ 第二の整合器
４５ 温調ユニット
１０１ 磁力線
１０２ ＥＣＲ面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減圧した真空容器内部に形成された処理室内にマイクロ波を供給し、供給したマイクロ波による電界を用いてプラズマを生成して半導体ウエハ等の基板状の処理対象である試料を処理するプラズマ処理装置に係り、特に処理室内に供給した磁場との相互作用により形成したプラズマを用いて、ウエハの表面に処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの量産工程において、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ (Chemical Vapor Deposition)、プラズマアッシング等のプラズマ処理が広く用いられている。プラズマ処理は、減圧した状態の処理用ガスに高周波電力やマイクロ波電力を投入することで発生したイオンやラジカルを、ウエハに照射することで行われる。
【０００３】
エッチング用のプラズマ源には、半導体デバイスの微細化に対応して、低ガス圧力領域における良好なエッチング形状制御性と、ウエハ面内における処理の高均一性が求められている。特に、工業周波数である２．４５ＧＨｚで、電子サイクロトロン共鳴(Electron Cycrotolon Resonance:ECR)を利用した有磁場マイクロ波プラズマ源は、低圧力で高密度のプラズマを生成することができるため、１９９０年前後から盛んに研究・開発が行われてきた。
【０００４】
このようなマイクロ波プラズマ源を用いた処理装置の例として特許文献１、特許文献２が挙げられる。この従来技術の装置は、プラズマ生成室とウエハの処理室とが分離されており、プラズマ生成室でＥＣＲ効果を用いて発生させたプラズマを磁場を用いて処理室に引き出し、ウエハの処理を行うことが特徴である。マイクロ波は矩形導波管や円形導波管を用いてプラズマ生成室に導入され、導波管とプラズマ生成室の間は石英等のマイクロ波を透過する材質の窓で仕切られ、真空封止されている。
【０００５】
このような従来の技術では処理の不均一性が問題となる。これは、矩形導波管の基本モードである矩形ＴＥ１０モードや円形導波管の基本モードである円形ＴＥ１１モードでは、電界強度が周辺部に比べ中央部が強くなり、プラズマの密度、強度の分布が不均一になってしまうためである。
【０００６】
これを解消するため、特許文献１では、導波管とプラズマ生成室の入り口の間の窓部に凹レンズを設けることで中央部のマイクロ波を広げる技術が開示されている。また特許文献２では、前記窓部の中央部に凹部を、外周部に凸部を設けることで、中央部のマイクロ波電界を広げ、外周部にマイクロ波電界を集中させる技術が開示されている。
【０００７】
さらに、この窓部とプラズマ界面からの反射波を逆に利用した技術が、特許文献３に開示されている。特許文献３には、処理室がプラズマ生成室を兼ねており投入した電力を効率的に処理に用いることができる処理装置が開示されている。また、プラズマ生成室の上部に円筒空洞部を設けている。
【０００８】
前記円筒空洞部の中心には円形導波管が接続されており、マイクロ波は前記導波管から円形ＴＥ１１モードで円筒空洞部に導入される。ここで、円筒空洞部の天板から、真空を封止している石英天板とプラズマとの境界面までのマイクロ波に対する等価距離を円形ＴＥ０１モードの管内波長の１／２の整数倍とすることで、プラズマ境界面からの反射波と円筒空洞部の天板からの反射波が共振し、円筒空洞内に円形ＴＥ０１モードの定在波が形成される。この結果導入した円形ＴＥ１１モードと、共振モードであるＴＥ０１モードが重畳されたマイクロ波モードが円筒空洞内に発生する。円形ＴＥ１１モードの電界強度分布は中高分布であり、円形ＴＥ０１モードは外高分布であるため、円筒空洞内において両者が重畳されたマイクロ波モードの電界強度分布は略均一となる。これにより円筒空洞下部にあるプラズマ生成室（処理室）に均一で安定な高密度プラズマを発生させることができる。
【０００９】
さらに特許文献４には、円筒空洞共振部とエッチング処理室との間の、真空封じを行っている石英天板の厚さを、石英中のマイクロ波の波長の約１／２の整数倍とすることにより、ウエハ上のプラズマを高密度にする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平３−２４４１２３号公報
【特許文献２】特開平６−１２０１５５号公報
【特許文献３】特開平７−２３５３９４号公報
【特許文献４】特開平８−３１５９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
国際半導体技術ロードマップ(International Technologiy Roadmap for Semiconductors;ＩＴＲＳ）によれば、半導体デバイスの微細化とウエハの大口径化は今後も進み、２０１４年から２０１６年の間には２２ｎｍノード、４５０ｍｍ（１８インチ）ウエハを用いた量産が立ち上がると予想されている。またトランジスタ構造は、現在の主流であるプレーナ型（平面型）から、ダブルゲート型、トライゲート型等の３Ｄ構造を有したＦｉｎＦＥＴ型が主流になるものと予想される。これら将来の半導体デバイスの製造に用いられるプラズマ処理装置、特に微細化の要であるエッチング装置には、直径４５０ｍｍの広範囲に渡っての高い処理均一性と極限の微細加工性能が求められている。
【００１２】
特許文献３あるいは特許文献４に記載されているような高密度プラズマを用いる場合のはエッチング速度が速くなりすぎ、制御性、再現性を損なう虞が有る。また、マスク選択比あるいは下地選択比の低下、側壁荒れの問題も顕在化してくる。なお、ここで高密度プラズマとは、プラズマ密度で７．５ｅ１０ｃｍ−３ （２．４５ＧＨｚにおける無磁場でのプラズマのカットオフ密度）以上、ウエハ上のイオン電流密度で３ｍＡ／ｃｍ２程度以上のプラズマを指している。
【００１３】
特許文献３あるいは特許文献４に記載の技術では、プラズマ密度を下げるためにマイクロ波の電力を下げると、ＴＥ１１モードに起因したエッチングレートの中高分布となってしまう虞がある。円筒空洞がＴＥ０１モードの共振器として作用するためには、石英天板とプラズマとの境界面からの反射波が、ある程度必要になってくる。
【００１４】
マイクロ波はカットオフ密度以上の高密度プラズマ中を、無磁場では全く伝播できず、また、有磁場でも十分には伝播できない。このため、前記境界面で相当量が反射されることになる。この反射波と、円筒空洞の上部からの反射波の重ね合わせで、円筒空洞はＴＥ０１モードの共振器として作用できる。
【００１５】
これに対し、カットオフ密度以下の中密度プラズマ領域では、マイクロ波はプラズマ中を伝播できるため、前記境界面でその一部のみが反射される。その結果、中央部の電界強度が強い円形ＴＥ１１モードが支配的となり、エッチングレート分布も中高になってしまう。
【００１６】
このため、中密度プラズマ領域ではプラズマを均一に維持することができなくなってしまうという問題が有った。ここで中密度プラズマとは、プラズマ密度が概略７．５ｅ１０ｃｍ−３以下，１．２ｅ１０ｃｍ−３以上（ウエハ上のイオン電流密度で３０ｍＡ／ｃｍ２ 程度以下、０．５ｍＡ／ｃｍ２ 程度以上。なお、０．５ｍＡ／ｃｍ２は現実的な処理速度が得られる下限値である）のプラズマを指している。
さらには、４５０ｍｍウエハの処理に対応するために処理室の径や円筒空洞共振器の径を拡大すると、プロセス条件によっては空洞部で共振させたいモードである円形ＴＥ０１モード以外の高次モード、例えばＴＭ０１，ＴＥ２１，ＴＭ１１，ＴＥ３１ 等が発生し、処理の均一性を損なったり放電不安定性を引き起こしてしまう虞が有る。
【００１７】
また、特許文献３に記載の従来技術では、真空容器からの金属汚染をさけるために耐プラズマ性の材料で形成された円筒状の絶縁物カバーを真空容器内壁に設置している。前記絶縁物カバーは非常に高価な交換部品であり、装置のランニングコストを上昇させてしまう。また、絶縁物カバーは真空容器から真空断熱されてしまうため、その温度制御が難しいという問題もある。
【００１８】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、中密度プラズマ領域のプラズマを用い、高い制御性を得るとともに大口径ウエハにおける処理の均一性を得ることのできるプラズマ処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００２０】
真空排気手段により排気される真空処理室と、該真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、前記真空処理室内に磁場を発生させるためのソレノイドコイルと、ヨークと、中央部あるいは外周部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の略１／４ 突出させて形成した誘電体製マイクロ波透過窓とを備えたプラズマ処理装置において、前記誘電体製マイクロ波透過窓は、平板部と、該平板部上に載置された突出部と、該突出部を平板部に位置決めする位置決め用凹凸部を備えた。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、以上の構成を備えるため、中密度プラズマ領域のプラズマを用い、高い制御性を得るとともに大口径ウエハにおける処理の均一性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】ウエハ上のイオン電流密度分布のマイクロ波電力依存性を示す図である。
【図３】図１で示したマイクロ波透過窓と前記透過窓に設けた突出部の拡大図である。
【図４】マイクロ波透過窓側に凸部を設けた例を示す図である。
【図５】第２の実施形態を説明する図である。
【図６】マイクロ波透過窓と突出部の拡大図である。
【図７】突出部の外側のマイクロ波透過窓に凸部を設けた例を示す図である。
【図８】磁場形状とＥＣＲ面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の第１の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。まず、図１及び図２を用いて概略を説明した後、図３以降で、本実施形態の詳細を示す。
【００２４】
図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の縦断面図（概略）を示している。図１において、略円筒形の真空処理室１の下部には、ウエハ４を載置する基板ステージ５が備えられており、真空処理室１はコンダクタンス調節バルブ３１を介してターボ分子ポンプ３２により真空排気される構成となっている。前記真空処理室１の上部には略円板状の突出部９を備えた誘電体製のマイクロ波透過窓６が備えられており、その上部には円筒空洞７が備えられている。円筒空洞７の高さは、円筒空洞中で円形ＴＥ０１モードのマイクロ波が共振するように調整されている。
【００２５】
マイクロ波透過窓６の下部にはシャワープレート８が備えられており、図示しないガス供給系から導入された処理用のガスを真空処理室１に均一に分散させる構成となっている。また、前記円筒空洞７の上部には、円形導波管２１を介してマイクロ波導入系が接続されている。
【００２６】
本実施形態では、マイクロ波の周波数として、例えば、工業周波数である２．４５ＧＨｚを用いている。さらに真空処理室１の外部には、１系統ないし３系統の独立して制御、調節された電力が供給されるソレノイドコイル２と、ヨーク３とが備えられている。
【００２７】
本実施形態では、真空処理室１にシャワープレート８を介して処理用のガスを導入し、真空処理室１内の圧力をコンダクタンス調節バルブ３１により所望の値に調整した後、マイクロ波等の電波源から真空処理室１に電界を投入することで処理用のガスをプラズマ化する。この際、ソレノイドコイル２により真空処理室１内部にＥＣＲ共鳴を引き起こす強度である８７５ガウスの磁場を印加しておくことで、０．０５Ｐａから５Ｐａ程度の低圧力領域で安定したプラズマを生成することができる。
【００２８】
基板ステージ５にはウエハ４に高周波バイアス電力を印加するための手段が備えられており、この電力により基板ステージ５またはウエハ４上面にバイアス電位を形成することでプラズマ中のイオンをウエハ４に引き込みウエハ４の処理の高精度、高速化を図ることができる。
【００２９】
内部が略円筒形の真空処理室１はアルミニウム等の金属製であり、側壁の一部は接地されている。また、真空処理室１の内壁は、プラズマ耐性があり、かつデバイスの金属汚染の生起を抑制する絶縁材料、即ち、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化イットリウム（Ｙ２Ｆ３）、フッ化アルミニウム（Ａｌ２Ｆ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、石英（ＳｉＯ２）等の材料で、５０μｍないし５００μｍ程度の厚さでコーティングしてある。
【００３０】
また真空処理室１の内部の壁面を温度調節することで、量産時の処理安定性を向上させることができる。真空処理室１の温度の調節は、真空処理室１の内側に液体が流れる流路を形成しておき、チラー等で温調された液体を該流路に流すことで実現できる。なお、真空処理室１の側壁の大気側の箇所にヒーターを具備してもよい。
【００３１】
本実施例では、これらの温調手段により真空処理室１は３０℃から１００℃の間の所望の温度で温調される。また、真空処理室１の金属壁部分に白金温度計等の温度モニタ手段を埋め込み、温度モニタ手段からの出力をフィードバックして真空処理室１の温度を調節することで、さらなる処理の安定化が期待できる。
【００３２】
真空処理室１の下方には、ウエハ４を載置するための基板ステージ５が備えられている。基板ステージ５には１系統ないし５系統の温調手段４５が設けられている。また基板ステージ５は、図示しない伝熱ガス供給系と静電チャック機能を有しており、プラズマ処理中にウエハ４を静電気力で保持し、ウエハ４裏面にＨｅ等の伝熱ガスを供給することで、ウエハ４の温調を可能としている。温調手段を複数設けることにより、ウエハ４の温度分布をきめ細かく制御することができるため、径が４５０ｍｍのような大口径のウエハ４の処理に適した構成となっている。
【００３３】
さらに、基板ステージ５には、第一の整合器４２を介して第一の高周波バイアス電源４１が、さらに、第二の整合器４４を介して第二の高周波バイアス電源４３が備えられている。第一の高周波電源の周波数は第二の高周波バイアス電源の周波数よりも低く設定されており、第一の高周波バイアス電源４１の周波数は４００ｋＨｚないし４ＭＨｚの間から、第二の高周波バイアス電源４３の周波数は２ＭＨｚないし１３．５６ＭＨｚの間から適切に選択される。周波数の異なった２種類の高周波バイアス電源の電力比率を適切に調節することで、ウエハ４に入射するイオンのエネルギー分布を、より細かく制御できる。これにより、マスク選択比や下地選択比の向上が期待できるだけでなく、側壁荒れやノッチ形状、テーパー形状の抑制も期待できる。
【００３４】
真空処理室１の上部には、マイクロ波透過窓６を介して円筒空洞７と電界を供給する電波であるマイクロ波の供給手段が連結されている。マイクロ波供給系は、円形導波管２１、円偏波発生器２２、矩形円形導波管変換部２３、矩形導波管２４、マイクロ波用自動整合器２５、アイソレータ２６、マグネトロン２７から構成されている。
【００３５】
マグネトロン２７より発振されたマイクロ波は矩形ＴＥ１０モードで矩形導波管２４を伝播し、矩形円形導波管変換部２３で円形ＴＥ１１モードに変換されて円筒空洞７に導入される。また、円偏波発生器２２で円形ＴＥ１１モードの偏波面を回転させ、右回り円偏波を発生させることにより、周方向での電界分布を均一化することができる。
【００３６】
また、マイクロ波用自動整合器２５で負荷とのマッチングを取ることにより、マイクロ波電力をプラズマ負荷に効率よく投入し、反射電力を抑えることができる。さらに、アイソレータ２６は、整合器２５で取りきれなかった反射波がマグネトロンに戻ることを防いでいる。
【００３７】
真空処理室１の外部に配置された１系統ないし３系統のソレノイドコイル２と、ヨーク３とにより、真空処理室１内部にＥＣＲ共鳴を引き起こす強度である８７５ガウスの磁場が印加される。
【００３８】
参考として、図８に磁場形状とＥＣＲ面の一例を示す。図中の点線１０１は磁力線を、実線１０２は８７５ガウスの等磁束密度面（今後、ＥＣＲ面と称する）を示している。
【００３９】
また、前記ソレノイドコイル２に流れる電流を適宜調節することで、真空処理室１内におけるＥＣＲ面の高さ、ＥＣＲ面の形状、磁力線の発散度合い等を調節することができる。 このように、ＥＣＲ共鳴を用いることにより、微細加工に有利な０．０５Ｐａから５Ｐａ程度の低圧力領域にて、安定したプラズマを生成することができる。また、ＥＣＲ高さＥＣＲ面の形状、磁力線の発散度合いを制御することにより、真空処理室１内のプラズマ密度分布を制御できる。
【００４０】
真空処理室１の上部には、略円板状をした誘電体製のマイクロ波透過窓６が備えられている。該マイクロ波透過窓の直径は前記真空処理室１の内径よりも若干大きくなっており、外周縁部の下面と真空処理室１の側壁の部材の上端部との間をこれらに挟まれたＯリング等でシールすることにより、真空処理室１内と外部の大気との間を気密に封止して内部の真空度を所望のものに維持している。マイクロ波透過窓６の材質としては、マイクロ波の損失が小さく、汚染を引き起こさない材質、例えば、石英、アルミナ、イットリア等の材質が望ましい。
【００４１】
前記マイクロ波透過窓６の下部には略円板状の誘電体製のシャワープレート８が備えられている。シャワープレート８の材質も、マイクロ波透過窓６の材質と同様に、マイクロ波の損失が小さく、汚染を引き起こさない材質、例えば、石英、アルミナ、イットリア等の材質が望ましい。本実施形態ではマイクロ波透過窓及びシャワープレート８の材質を石英とした。
【００４２】
シャワープレート８には直径０．１ｍｍないし０．８ｍｍ程度の小孔が、５ｍｍピッチないし２０ｍｍピッチ程度の間隔で開けられており、また、その厚さは５ｍｍないし１５ｍｍの間で使用者の処理に応じて適切に選択される。シャワープレート８とマイクロ波透過窓６の間には、０．１ｍｍないし１ｍｍ程度の図示しないガスバッファ室が設けられており、このガスバッファ室の外周部から導入された処理用のガスはガスバッファ室の全体に充満して行き渡り下方のガス孔から全体的に均等に真空処理室１内に流入させることができる。
【００４３】
また、本実施形態ではガスバッファ室とシャワープレートを内周部と外周部の２つの領域に分け、それぞれに別系統のガス供給系（図示せず）を接続し、内周部と外周部に流す処理用のガスの種類、組成、流量を適宜調節することで、ウエハ４に到達するラジカル種の分布を制御することが可能になる。これにより、より高いウエハ４面内の処理均一性を達成することができる。また、処理用のガスとしては、Ｃｌ２，ＨＢｒ，ＨＣｌ，ＣＦ４，ＣＨＦ３，ＳＦ６，ＢＣｌ３，Ｏ２，ＣＨ４等の反応性ガスの中から１種類ないしは４種類程度を、被エッチング膜の種類に応じて適切に選び、それぞれの流量や混合比が適切に調節される。また、これらの混合した反応性ガスに、ＡｒやＸｅ等の希釈ガスを適切な流量で加えても良い。
【００４４】
本実施形態で用いられる石英製のマイクロ波透過窓６の上面の中央部には、マイクロ波透過窓６と同じ材質である石英で、直径がウエハ４径の１／３から２／３の範囲の値で選択されたもので、高さが石英中を伝播するマイクロ波の波長の１／４にされた略円板状の突出部９が、円筒空洞７及びマイクロ波透過窓６と中心軸を合わせて配置されている。
【００４５】
前記突出部９を設けることにより、突出部９を透過して下方に伝播するマイクロ波の透過率を周囲の他の部分と比較し低下させることができる。前述したように、中密度程度のプラズマを想定した場合、円筒空洞７での円形ＴＥ０１モードの共振が十分に行われないため、中心部の電界強度が強い円形ＴＥ１１モードが主体となって真空処理室１に伝播する。したがって、本実施形態のように突出部９によってマイクロ波透過窓６の中央部におけるマイクロ波透過率を低減することにより、プラズマに投入されるマイクロ波の電界強度分布を均一化でき、ひいてはプラズマ分布を均一化できる。以下、マイクロ波透過率の調節について説明する。
【００４６】
マイクロ波は、ある媒質から他の媒質へと伝播する際には、その界面で必ず一部は反射する。また、両媒質の誘電率が大きく異なるときには、反射はより大きくなることは良く知られている。
【００４７】
本実施形態の場合、マイクロ波がプラズマに伝播していく過程の中でマイクロ波の反射界面となるのは、マイクロ波透過窓６及び突出部９の上面と、シャワープレート８の下面（プラズマとの境界面）の２箇所である。マイクロ波透過窓６の厚さを、この２箇所からの反射波を打ち消しあうような厚さ（仮に厚さＡとする）に設定すればマイクロ波の透過率は最大となり、また、マイクロ波透過窓６と突出部９の厚さを、前記した２箇所からの反射波が強めあうような厚さ（厚さＢとする）に設定すると、突出部９のマイクロ波の透過率は最小となる。ここで、厚さＡと厚さＢの差の絶対値は、マイクロ波透過窓６の媒質（石英）中のマイクロ波の波長λｗの１／４（石英中では１６ｍｍ）となる。
【００４８】
上記の説明では片方のマイクロ波の反射界面をシャワープレート８下面（プラズマとの境界面）としたが、実際はシャワープレート８の上部にはガスバッファ室があり、また、シャワープレート８直下のプラズマ密度も縦方向に分布を持っているため、シャワープレート８下面の反射境界の位置は明確には定まらない。したがって、前記した厚さＡと厚さＢとの差の絶対値を概ねλｗ／４とした上で、厚さＡを実験的に定めればよい。
【００４９】
図２は、ウエハ４上のイオン電流密度分布のマイクロ波電力依存性を示す図であり、図２（ａ）は突出部を設けない場合、図２（ｂ）は突出部を設けた場合を示す。なお、ウエハ径は３００ｍｍ、突出部は、マイクロ波透過窓６の中央部にφ１５０ｍｍの範囲で１６ｍｍ突出して形成した。事前に行った予備試験の結果、マイクロ波透過窓６の上面からシャワープレート８の下面までの距離は４２ｍｍである。
【００５０】
また、放電に用いたガスはＣｌ２／ＨＢｒ混合ガス、圧力は０．４Ｐａ、ＥＣＲ高さが６０ｍｍの磁場条件であり、マイクロ波電力を小（４００Ｗ、破線）， 中（８００Ｗ、実線），大（１２００Ｗ、一点破線）と変化させた際の結果である。
【００５１】
図２（ａ）に示したように、突出部を設けない例ではマイクロ波電力が１２００Ｗと大きい条件では比較的均一性は良好であるのに対し、マイクロ波電力を４００Ｗまで下げると著しい凸分布が発生することがわかる。また、投入したマイクロ波電力に対する、イオン電流密度分布のリニアリティーも小さいことがわかる。
【００５２】
これに対し図２（ｂ）に示したように、突出部を設けた例ではマイクロ波電力が１２００Ｗから４００Ｗの範囲にてイオン電流密度の均一性は良好であり、また、投入したマイクロ波電力に対する、イオン電流密度分布のリニアリティーも良好であることがわかる。 つまり、イオン電流密度で１ｍＡ／ｃｍ２から３ｍＡ／ｃｍ２程度の中密度領域のプラズマ密度を、マイクロ波パワーにて良好に制御できていることがわかる。
【００５３】
図３は、図１で示したマイクロ波透過窓６と前記透過窓に設けた突出部９の拡大図である。突出部９は、マイクロ波透過窓６と一体で形成しても良く、別々の部品であっても良いが、突出部９を容易に交換可能とするため、マイクロ波透過窓６と一体化せず別々の部品としている。このことにより、プロセスに応じたプラズマ分布調整を柔軟に実現できる。しかし、マイクロ波透過窓６と突出部９の中心がずれた場合にはプラズマに偏心が生じ、結果として、例えばレート分布の偏心などプロセス性能を損なうことになる。
【００５４】
このため、突出部９を、マイクロ波透過窓６に中心軸を合わせて配置できるように、突出部９の中心軸周りに円柱状の凹部を設け、マイクロ波透過窓６の中心軸周りに凸部を設けておく。そして、マイクロ波透過窓６の上に突出部９を設置する際に、この凹凸部を合わせて設置することで中心軸を合わせることができる。これにより、プラズマの偏芯を抑制することが可能となる。また、突出部９を設置する際の属人的な位置ずれを抑制することができる。
ところで、マイクロ波透過窓６と突出部９はプラズマからの伝熱あるいはヒータ温調された真空処理室１からの伝熱により温度上昇する場合があり、またマイクロ波透過窓６と突出部９との間に空気層があることから温度差が生じ、熱膨張差により凹凸部の隙間が小さくなることが予想される。石英の熱膨張率は５×１０−７［Ｋ−１］程度であることから、凹凸部の径を１０ｍｍ、温度差を１００Ｋと想定すると熱膨張差はわずか、５×１０−４［ｍｍ］であり、熱膨張差を無視できるレベルであり、凹凸部の寸法公差の限界までマイクロ波透過窓６と突出部９の中心軸を合わせることが可能である。また、材質として石英でなく、アルミナやイットリアを採用した場合、熱膨張率は一桁大きくなる。
【００５５】
なお、突出部９を設置する際の視認性、作業性を考慮して、図４のように、マイクロ波透過窓６側に凸部を設けることも考えられる。例えば突出部９をはめ込むよう凸部をリング状に製作することができる。また突出部９の位置を一意に決められるように、凸部を３点程度設けることができる。上記同様に、熱膨張差の観点から検討すると、突出部９の径を１５０ｍｍ、温度差を１００Ｋと想定すると熱膨張差はわずか、７．５×１０−３［ｍｍ］であり、熱膨張率が一桁大きいアルミナやイットリアを採用した場合も含めて、高精度にマイクロ波透過窓６と突出部９の中心軸を合わせることが可能である。
【００５６】
図５は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。なお、図５において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５７】
本実施形態においては、誘電体のマイクロ波透過窓６の中央部に突出部９を設けるとともに、誘電体のマイクロ波透過窓６の外周部に、誘電体内でのマイクロ波の波長の１／４程度の厚さの、略円環状の部材であるリング状突出部１０を設ける。リング状突出部１０は、その内径がウエハ４の直径よりも大きく、外径がマイクロ波透過窓６とほぼ同一であり、マイクロ波透過窓６と内周及び外周の円の中心が同心となるように配置されている。
【００５８】
このようなリング状突出部１０を設けることにより、リング状突出部１０のマイクロ波透過率を他の部分と比較し低下させることができる、即ち、ウエハ４よりも外側の真空処理室１の内壁近傍の領域のマイクロ波強度を低下させることができ、このような領域で生成されるプラズマ密度を下げることができる。これにより、真空処理室１の内壁へのプラズマからのダメージを抑制し、内壁の消耗を抑制することができ、真空処理室１の寿命を長くすることができる。
【００５９】
また、真空処理室１の内側壁の削れに起因したパーティクルあるいは金属汚染の発生を抑制することができる。また、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に誘電体製のマイクロ波透過窓６の中央部に突出部９を設けてあるため、ウエハ４上のプラズマを中密度領域で均一に生成することができる。また、磁場の制御でプラズマ密度分布を制御することができる。
【００６０】
このように本実施形態によれば、中密度領域のプラズマを均一に、制御性良く生成できるだけでなく、真空処理室１の内壁の消耗を抑え、パーティクルや汚染の発生を抑制し、真空処理室１の寿命を延ばすことが可能となる。
【００６１】
図６は、マイクロ波透過窓６と突出部１０の拡大図である。突出部１０は、原理的にはマイクロ波透過窓６と同一の誘電体材料で一体で形成しても良く、別々の部品であっても良いが、突出部１０を容易に交換可能とし、プロセスに応じたプラズマ分布調整を柔軟に実現できるよう、マイクロ波透過窓６と一体化せず別々の部品としている。
【００６２】
また、この図の例では、突出部１０が、マイクロ波透過窓６と中心軸を合わせて配置できるように、突出部１０の内側で、かつ、マイクロ波透過窓６に凸部を設けている。
【００６３】
なお、突出部１０をはめ込むよう凸部をリング状に製作することができる。また、突出部１０の位置を一意に決められるように、凸部を３点程度設けることができる。なお、突出部９の位置決めのための実施例については図３において詳述しているため、図６では省略する。
【００６４】
熱膨張差の観点から検討すると、突出部１０の内径を５００ｍｍ、温度差を１００Ｋと想定すると熱膨張差はわずか、２．５×１０−２［ｍｍ］であり、この観点からは凹凸部の寸法公差までマイクロ波透過窓６と突出部９の中心軸を合わせることが可能である。ただし、熱膨張率が一桁大きいアルミナやイットリアを採用した場合、２．５×１０−１［ｍｍ］となる。
【００６５】
この場合、設置時に中心合わせをしたとしても、熱膨張時には同等の中心のずれが発生する可能性があり、この場合には、生成されるプラズマに偏心が生じ、結果として、例えばレート分布の偏心などプロセス性能を損なうことがある。
【００６６】
そこで、凹凸部の隙間を熱膨張差分としておけば、温度上昇に伴い隙間が狭まることから、従来は、突出部９設置初期に中心軸がずれていたり、初期にずれがなくとも熱膨張の過程でずれたりしても補正できなかったのに対して、言わば自動的に中心軸合わせが可能となる。
【００６７】
さらに、図７に示すように、突出部１０の外側のマイクロ波透過窓６に凸部を設ければ、熱膨張により外側の凸部と突出部１０の隙間は広がることから、常温時の隙間を公差まで小さくしても問題起こらない。また、内側の凸部と突出部１０の隙間を熱膨張差分としておけば、前述の通り、高温時には隙間が狭まることによって中心軸合わせが可能となり、低温時には、外側の凸部によって高精度に中心軸合わせが可能となる。
【符号の説明】
【００６８】
１ 真空処理室
２ ソレノイドコイル
３ ヨーク
４ ウエハ
５ 基板ステージ
６ マイクロ波透過窓
７ 円筒空洞
８ シャワープレート
９ 突出部
１０ リング状突出部
２１ 円形導波管
２２ 円偏波発生器
２３ 矩形円形導波管変換部
２４ 矩形導波管
２５ マイクロ波用整合器
２６ アイソレータ
２７ マグネトロン
３１ コンダクタンス調節バルブ
３２ ターボ分子ポンプ
４１ 第一のバイアス高周波電源
４２ 第一の整合器
４３ 第二のバイアス高周波電源
４４ 第二の整合器
４５ 温調ユニット
１０１ 磁力線
１０２ ＥＣＲ面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空排気手段により排気される真空処理室と、該真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、前記真空処理室内に磁場を発生させるためのソレノイドコイルと、ヨークと、中央部あるいは外周部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の略１／４ 突出させて形成した誘電体製マイクロ波透過窓とを備えたプラズマ処理装置において、
前記誘電体製マイクロ波透過窓は、平板部と、該平板部上に載置された突出部と、該突出部を平板部に位置決めする位置決め用凹凸部を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記位置決め用凹凸部を構成する凸部を平板部の中央に形成し、凹部を前記突出部に形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記位置決め用凹凸部を構成する凸部を平板部の外周側に形成し、かつ、前記凸部と突出部の隙間を、プラズマ処理時の平板部と突出部の熱膨張差分以上設けたことを特徴としするプラズマ処理装置。
【請求項１】
真空排気手段により排気される真空処理室と、該真空処理室にガスを供給するためのガス供給手段と、プラズマを生成するためのマイクロ波電力供給手段と、ウエハを載置するための基板ステージと、前記基板ステージを介してウエハに高周波バイアス電力を印加するための高周波バイアス電源と、前記真空処理室内に磁場を発生させるためのソレノイドコイルと、ヨークと、中央部あるいは外周部を、他の部分に対して、誘電体中のマイクロ波の波長の略１／４ 突出させて形成した誘電体製マイクロ波透過窓とを備えたプラズマ処理装置において、
前記誘電体製マイクロ波透過窓は、平板部と、該平板部上に載置された突出部と、該突出部を平板部に位置決めする位置決め用凹凸部を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記位置決め用凹凸部を構成する凸部を平板部の中央に形成し、凹部を前記突出部に形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記位置決め用凹凸部を構成する凸部を平板部の外周側に形成し、かつ、前記凸部と突出部の隙間を、プラズマ処理時の平板部と突出部の熱膨張差分以上設けたことを特徴としするプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３４２３５（Ｐ２０１２−１３４２３５Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３２９６（Ｐ２０１０−２８３２９６）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]