(57)【要約】【課題】マルチポール磁場の状態をプラズマ処理プロセスの種類に応じて適切に設定することができ、良好な半導体処理を簡単且つ容易に行うことを可能にしたプラズマ処理装置を提供すること。【解決手段】被処理基板を収容する処理室と、該処理室内に設けられて前記被処理基板に所定のプラズマ処理を施すためのプラズマを発生させる機構と、永久磁石からなる磁石セグメントを複数個配列し、前記処理室外に設けられて前記処理室内の前記被処理基板の周囲に所定のマルチポール磁場を形成する磁場形成機構とを備えたプラズマ処理装置に関し、前記磁場形成機構と前記処理室との間に導電体のリングを配置し、該導電体のリングが該リングの垂直中心軸の回りに回転可能とした。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板を収容する処理室と、該処理室内に設けられて前記被処理基板に所定のプラズマ処理を施すためのプラズマを発生させる機構と、永久磁石からなる磁石セグメントを複数個配列し、前記処理室外に設けられて前記処理室内の前記被処理基板の周囲に所定のマルチポール磁場を形成する磁場形成機構とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記磁場形成機構と前記処理室との間に導電体のリングを配置し、該導電体のリングが該リングの中心軸の回りに回転可能である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、前記導電体のリングの回転数は制御可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のプラズマ処理装置を用いて、前記被処理基板にプラズマを作用させてエッチング処理を施すことを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に関し、特に、半導体ウエハ等の被処理基板にエッチング等のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【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、処理室内にプラズマを発生させ、この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、成膜等を行うプラズマ処理装置が知られている。
【０００３】
このようなプラズマ処理装置において、良好な処理を行うためには、プラズマの状態を、プラズマ処理に適した良好な状態に維持する必要があり、このため、従来からプラズマを制御するための磁場を形成する磁場形成機構を具備したプラズマ処理装置が用いられている。
【０００４】
磁場形成機構としては、被処理面を上方に向けて水平に配置した半導体ウエハ等の被処理基板に対し、その周囲を囲むようにＮ及びＳの磁極が交互に隣接するように配列し、半導体ウエハの上方には磁場を形成せず、ウエハ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。マルチポールの極数は４以上の偶数であり、好ましくは８から３２の間でウエハ周囲の磁場強度が処理条件に合うように極数が選ばれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、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、このマルチポール磁場によってプラズマの状態を制御しつつ、エッチング処理等のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置は公知である。しかしながら、本発明者等の研究によれば、プラズマ処理、例えば、プラズマエッチング等においては、マルチポール磁場の強度によりエッチング速度の面内均一性が変化することが判明した。
【０００６】
ここで、上述した磁場形成機構が、電磁石から構成されたものであれば、磁場の形成及び消滅等の制御は容易に行うことができる。しかし、電磁石を用いると消費電力が増大するという問題が生じるため、多くの装置では永久磁石を用いるのが一般的である。しかし、永久磁石を用いる場合、磁場を“形成する”或いは“形成しない”等の制御は、磁場形成手段自体を装置に取付けたり或いは装置から取外したりする必要があった。このため、磁場形成手段の着脱に大掛かりな装置を必要とするため作業に長時間を要するという問題があり、従って、半導体処理全体の作業効率を低下させるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、プラズマ処理プロセスの種類に応じて適切なマルチポール磁場の状態に制御、設定することができ、良好な半導体処理を簡単且つ容易に行うことを可能にしたプラズマ処理装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被処理基板を収容する処理室と、該処理室内に設けられて前記被処理基板に所定のプラズマ処理を施すためのプラズマを発生させる機構と、永久磁石からなる磁石セグメントを複数個配列し、前記処理室外に設けられて前記処理室内の前記被処理基板の周囲に所定のマルチポール磁場を形成する磁場形成機構とを備えたプラズマ処理装置であって、前記磁場形成機構と前記処理室との間に導電体のリングを配置し、該導電体のリングが該リングの垂直中心軸の回りに回転可能であることを特徴とする。更に、本発明は、前記導電体のリングの回転数を変化させてマルチポール磁場の強度を制御可能とするものであり、更にまた、本発明に係るプラズマ処理装置では、前記被処理基板にプラズマを作用させてエッチング処理を施すことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係る実施の形態を、半導体ウエハのエッチングを行うプラズマエッチング装置に適用した場合の構成を模式的に示したものである。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る円筒状の真空チャンバであり、プラズマ処理室を構成する。この真空チャンバ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なっ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、その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。
【００１１】
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で支持されている。また支持テーブル２の上方の外周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。
【００１２】
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。電極６ａに電源１３から電圧を印加することにより、半導体ウエハＷを支持テーブル２にクーロン力によって吸着させる。
【００１３】
さらに、支持テーブル２には冷媒を循環させるための冷媒流路（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を所望の温度に制御できるようになっている。
【００１４】
上記支持テーブル２と支持台４はボールねじ７を含むポ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。
【００１５】
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が接続している。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（好ましくは１３．５６〜１００ＭＨｚ）の範囲内の高周波電力、例えば１００ＭＨｚの高周波電力が支持テーブル２に供給される。
【００１６】
また、エッチングレートを高くするためには、プラズマ生成用の高周波とプラズマ中のイオンを引き込むための高周波とを重畳させることが好ましく、イオン引き込み（バイアス電圧制御）用の高周波電源（図示せず）としては周波数が５００ＫＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲のものが用いられる。なお、この周波数はエッチング対象がシリコン酸化膜の場合は３．２ＭＨｚ、ポリシリコン膜や有機材料膜の場合は１３．５６ＭＨｚが好ましい。
【００１７】
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及びベローズ８を介して、真空チャンバ１と電気的に導通している。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と平行に対向するように設けられており、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。
【００１８】
シャワーヘッド１６には多数のガス吐出孔１８が設けられており、シャワーヘッド１６の上部にガス導入部１６ａが設けられている。シャワーヘッド１６と真空チャンバ１の天壁のあいだ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が接続しており、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が接続している。
【００１９】
反応ガスとしては、例えば、ハロゲン系（フッ素系、塩素系）或いは水素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ガス等の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上部のガス拡散用空隙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給される。
【００２０】
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が接続している。この排気系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内を所定の真空度にまで減圧することができる。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。
【００２１】
一方、真空チャンバ１の上部１ａの外側周囲には、環状の磁場形成機構（リング磁石）２１が真空チャンバ１と同心状に配置されており、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。この磁場形成機構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好ましくは１０〜２０ｒｐｍで回転可能である。
【００２２】
磁場形成機構２１は、図２に示すように、支持部材（図示せず）により支持された複数の磁石セグメント２２（図２の場合は１６個）を主要構成要素とし、この複数の磁石セグメント２２を、真空チャンバ１側に向く磁極がＳ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，…となるように配置している。セグメント磁石２２の外周は磁気効率を上げるために磁性体（例えば鉄）のリング２３で囲まれていることが好ましい。
【００２３】
すなわち、磁場形成機構２１において、図２に示す状態では、隣り合う磁石セグメント２２の磁石の向きが径方向で互いに逆向きになるように配置されている。従って、チャンバ１内には磁力線が図示のように隣接する磁石セグメント２２間に形成され、処理空間の周辺部、即ち真空チャンバ１の内壁近傍では例えば０．０２〜０．２Ｔ（２００〜２０００Ｇ）、好ましくは０．０３〜０．０４５Ｔ（３００〜４５０Ｇ）の磁場が形成され、半導体ウエハＷの中心部はマルチポール磁場が弱く形成されている。
【００２４】
なお、このように磁場の強度範囲が規定されるのは、磁場強度が強すぎると磁束洩れの原因となる場合があり、弱すぎるとプラスズマ閉じ込めによる効果が得られなくなる場合があるためである。従って、このような数値は、装置の構造（材料）によって決まる一例であって、必ずしもこの数値範囲に限定されるものではない。
【００２５】
また、上述した半導体ウエハＷの中心部における磁場が弱いとは、本来ゼロＴ（テスラ）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、実質的にウエハ処理に影響を及ぼさない値であればよい。図２に示す状態では、ウエハ周辺部に例えば磁束密度４２０μＴ（４．２Ｇ）以下の磁場が印加されており、これによりプラズマを閉じ込める機能が発揮される。
【００２６】
さらに、本実施の形態においては、上記磁場形成機構２１と真空チャンバ１の間にアルミニウム等でできた非磁性体の導電体リング２６を配置し、回転機構２７によりこの導電体リング２６を所定の回転数（好ましくは３０〜３００ｒｐｍ）で回転できるようになっている。ここでいう回転数とは上記磁場形成機構２１との相対的な速度をいう。
【００２７】
導電体リング２６が回転すると、磁場形成機構２１からの磁束が導電体リング２６を鎖交することにより導電体リング内部に磁束が通るのを妨げるように渦電流が発生し、この結果、導電体リング２６の内側の磁場強度は導電体リング２６の回転数に応じて弱められる。
【００２８】
つまり、導電体リング２６の回転数を変化させればチャンバ１内の磁場強度を制御できる。図３は縦軸を磁場強度、横軸を真空チャンバ１内に配置した半導体ウエハＷの中心からの距離とし、導電体リング２６が回転していない場合のチャンバ１内の磁場強度０．０３３Ｔ（３３０Ｇ）から、導電体リング２６の回転数を２００ｒｐｍに上げて０．０１７Ｔ（１７０Ｇ）とした状態までを示している。
【００２９】
このように、本実施の形態においては、導電体リング２６の回転数を制御することによって、真空チャンバ１内の半導体ウエハＷの周囲にマルチポール磁場を形成する状態と、真空チャンバ１内の半導体ウエハＷの周囲に実質的にマルチポール磁場を非常に弱くした状態（好ましくは約半分程度）にまで設定できるよう構成されている。
【００３０】
したがって、例えば、上述したシリコン酸化膜等のエッチングを行う場合は、真空チャンバ１内の半導体ウエハＷの周囲にマルチポール磁場を形成してエッチングを行い、これによって半導体ウエハＷの面内のエッチングレートの均一性を向上させることができる。一方、上述した有機系の低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ）等のエッチングを行う場合は、真空チャンバ１内の半導体ウエハＷの周囲にマルチポール磁場を実質的に形成しないで（弱めて）エッチングを行い、これによって半導体ウエハＷの面内のエッチングレートの均一性を向上させることができる。
【００３１】
図４〜図６は、縦軸をエッチングレート（エッチング速度）とし、横軸を半導体ウエハの中心からの距離として、半導体ウエハＷ面内のエッチングレートの均一性を調べた結果を示す。図４〜図６の各図において、曲線Ａは真空チャンバ１内に０．０３Ｔ（３００Ｇ）のマルチポール磁場を形成した場合、曲線Ｂは真空チャンバ１内に０．０８Ｔ（８００Ｇ）のマルチポール磁場を形成した場合示している。
【００３２】
図４はＣ４Ｆ８ガスでシリコン酸化膜をエッチングした場合、図５はＣＦ４ガスでシリコン酸化膜をエッチングした場合、図６はＮ２とＨ２を含む混合ガスで有機系低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ）をエッチングした場合を示している。図４及び図５に示すように、Ｃ４Ｆ８やＣＦ４ガス等のＣとＦを含むガスでシリコン酸化膜をエッチングする場合は、真空チャンバ１内にマルチポール磁場を弱い状態でエッチングを行った方が、エッチングレートの面内均一性を向上させることができることが判る。また、図６に示すように、Ｎ２とＨ２を含む混合ガスで有機系低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ）をエッチングした場合は、真空チャンバ１内にマルチポール磁場が弱い状態でエッチングを行った方が、エッチングレートの面内均一性を向上させることができることが判る。
【００３３】
以上のとおり、本実施の形態においては、導電体リング２６を回転させることにより、真空チャンバ１内のマルチポール磁場の状態を容易に制御することができ、実施するプロセスによって、最適なマルチポール磁場の状態で良好な処理を行うことができる。
【００３４】
尚、導電体リング２６の材質はアルミニウムに限定されるものでなく、導電率の良好な非磁性体、例えば、銅或いは真鍮などでも構わない。リングの厚みは、渦電流が十分発生して機械的な強度が十分に得られる寸法であって、例えば、５〜２０ｍｍ程度とすればよい。
【００３５】
次に、上述のように構成された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。
【００３６】
先ず、ゲートバルブ２４を開放し、このゲートバルブ２４に隣接して配置したロードロック室を介して搬送機構（共に図示せず）により半導体ウエハＷを真空チャンバ１内に搬入し、予め所定の位置に下降されている支持テーブル２上に載置する。次いで、直流電源１３から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧を印加すると、半導体ウエハＷはクーロン力により支持テーブル２に吸着される。
【００３７】
その後、搬送機構を真空チャンバ１の外部に退避させた後、ゲートバルブ２４を閉じて支持テーブル２を図１に示す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介して真空チャンバ１の内部を排気する。
【００３８】
真空チャンバ１の内部が所定の真空度になった後、真空チャンバ１内に処理ガス供給系１５から所定の処理ガスを、例えば１００〜１０００ｓｃｃｍの流量で導入し、真空チャンバ１内を所定の圧力、例えば１．３３〜１３３　Ｐａ（１０〜１０００　ｍＴｏｒｒ）、好ましくは２．６７〜２６．７　Ｐａ（２０〜２００　ｍＴｏｒｒ）程度に保持する。
【００３９】
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の高周波電力を供給する。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に高周波電力を印加することにより、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。
【００４０】
この時、上述したように、導電体リング２６の回転をゼロ或いは所定の回転数（例えば３０〜３００ｒｐｍ）で回転させ、真空チャンバ１内に所定の強度のマルチポール磁場を形成、若しくは、実質的に真空チャンバ１内にマルチポール磁場を略半分にした状態に設定する。
【００４１】
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（例えば図２のＰで示す部分）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、磁場形成機構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を防止することができる。
【００４２】
所定のエッチング処理を実行すると、高周波電源１０から高周波電力の供給を停止して、エッチング処理を停止した後、上述した手順とは逆の手順で半導体ウエハＷを真空チャンバ１から外部に搬出する。
【００４３】
なお、上述の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、本発明はこのような場合に限定されるものではない。例えば、本発明は、半導体ウエハ以外の基板を処理する装置に応用可能であり、更には、エッチング以外のプラズマ処理、例えばＣＶＤ等の成膜処理装置にも適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、プラズマ処理プロセスの種類に応じて適切なマルチポール磁場の状態を容易に制御、設定することができ、良好なプラズマ処理を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるプラズマ処理装置の概略を示す図。
【図２】本発明の実施の形態を更に詳しく説明するための概略図。
【図３】図１及び図２に示した導電体リングの回転とチャンバ内の磁場強度の関係を示す図。
【図４】本発明の実施の形態によるエッチング速度の半導体ウエハの面内分布と磁場との関係の一例を示す図。
【図５】本発明の実施の形態によるエッチング速度の半導体ウエハの面内分布と磁場との関係の一例を示す図。
【図６】本発明の形態によるエッチング速度の半導体ウエハの面内分布と磁場との関係の一例を示す図。
【符号の鋭明】
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…直流電源、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…磁場形成機構、２２（２２ａ，２２ｂ）…磁石セグメント、２４…ゲートバルブ、２５…磁場発生機構の回転機構、２６…導電体リング、２７…導電体リングの回転機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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