(57)【要約】      （修正有）【課題】ＥＣＲ方式で大口径ウエハをドライエッチングするような場合であっても、エッチング速度など処理特性のウエハ面内均一性を向上することができる半導体製造装置を提供する。【解決手段】チャンバ１０７と、チャンバ１０７の中にプラズマを生成するための電源１０１と、電源１０１からの電力をチャンバ内へ導く導波路１０２と、電源１０１を制御する電力制御部とを含む半導体製造装置において、前記電力をチャンバ１０７の外周部からチャンバ内へ導入するアンテナ１０４を有し、前記電力制御手段は、前記電力をオンした後、これにより発生したプラズマが定常状態に至る前にオフする、ことを周期的に繰り返す。【選択図】図１
2012044035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を真空にできるチャンバと、前記チャンバの中にプラズマを生成するための電源と、前記電源からの電力を前記チャンバ内へ導く導波路と、前記電源を含む装置全体を制御する制御部とを備えた半導体製造装置において、
前記電力を前記チャンバの外周部から前記チャンバ内へ導入する電力導入手段を更に有し、
前記制御部は、前記電力を周期的にオンオフする第１の制御手段を含むことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
内部を真空にできるチャンバと、前記チャンバの中にプラズマを生成するための電源と、前記電源からの電力を前記チャンバ内へ導く導波路と、前記電源を含む装置全体を制御する制御部と、前記チャンバ内に設けられた試料台とを備えた半導体製造装置において、
前記電力を前記チャンバの外周部から前記チャンバ内へ導入する電力導入手段を更に有し、
前記制御部は、前記電力を周期的にオンオフする第１の制御手段を含み、
前記電力導入手段は、前記電力を、前記試料台に載置される半導体ウエハの半径の２分の１より外側の部分から導入するものであることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体製造装置において、
前記電力導入手段は、外周部にスロットが設けられたアンテナ板であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の半導体製造装置において、
前記電力導入手段は、前記チャンバ上部中央に設けられた電力吸収体であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
前記プラズマは、磁場と電子サイクロトロン共鳴を利用して生成されるものであることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
前記制御手段は、前記電力をオンした後、発生したプラズマが定常状態に至る前に前記電力をオフするものであることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
前記制御手段は、前記電力をオフした後、プラズマ密度が定常時の２分の１以下に落ち込んでから前記電力をオンするものであることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
前記電力のオンからオフまでの時間は１５０ｍｓより短いことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
前記電力のオフからオンまでの時間は９ｍｓより長いことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１０】
請求項６記載の半導体製造装置において、
前記制御手段は、事前に取得されたデータを用いて前記電力のオフの制御を行うものであることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１１】
請求項７記載の半導体製造装置において、
前記制御手段は、事前に取得されたデータを用いて前記電力のオンの制御を行うものであることを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造装置に係り、特にプラズマを用いてドライエッチング等を行う半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを用いたドライエッチング装置で、プラズマを周期的にオンオフする技術に関しては、特開昭５９−４７７３３号公報(特許文献１)で知られている。ここでは、プラズマに周期的にオフ期間を設けてイオン入射による試料温度の上昇を抑えると同時に電子温度やラジカル種類の比を制御する技術が述べられている。また特開平１−１４９９６５号公報(特許文献２)にはプラズマを周期的にオンオフして、オフ期間のアフタグローでプラズマの組成が異なることを利用して、イオン、ラジカル他を時間的、空間的に任意に制御する方法が述べられている。同公知例にはパルス幅を１ｍｓ以下、周期を１０ｓ以下にすることも記載されている。また、特開平６−２６７９００号公報(特許文献３)には繰り返し周波数１０ＫＨｚ以上、パルスオフ時間１０μｓ以下にして、ラジカルの生成割合を制御してエッチングの選択性を向上する技術が記載されている。
【０００３】
またプラズマにマイクロ波の電力を伝達する手段としては、特開平５−１９０５０１号公報(特許文献４)や特開２００９−２５９８６３号公報(特許文献５)にて導体板にスロット上の穴を多数開けるスロットアンテナが知られている。この方法で高密度のプラズマを発生できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−４７７３３号公報
【特許文献２】特開平１−１４９９６５号公報
【特許文献３】特開平６−２６７９００号公報
【特許文献４】特開平５−１９０５０１号公報
【特許文献５】特開２００９−２５９８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体素子の製造に使用するＳｉウエハの径は量産性向上、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、半導体製造装置では、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。プラズマを用いたドライ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。
【０００６】
ドライエッチング装置で均一性を向上するためには、エッチング速度や形状に直接影響を与えているチャンバ内のプラズマ密度を均一に保つ必要がある。プラズマの密度を均一化する方法の一つとして、特許文献５に記載されているアンテナの形状を最適化する方法が考えられる。たとえば、ウエハ大口径化に伴い、ウエハ周囲側のエッチング速度が中心付近と比較して遅くなる場合には、電界を放射するスロットの数を外周部に多く設けて、外周部のプラズマ密度が強くなるように設計すればよい。
【０００７】
しかし、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance: 以後ＥＣＲと呼ぶ）方式のエッチング装置ではスロットアンテナの配置を変えても、プラズマ密度の分布を大きく変えることはできなかった。特許文献５に記載されている装置は、表面波を利用してプラズマを発生させている。これはスロットから放射される電磁波がスロット近傍で強いプラズマを発生させて電磁波エネルギーが大部分アンテナの近傍、表面に極近い部分で消費される方式である。この方式ではスロットアンテナ近傍で強いプラズマが発生するので、スロットアンテナの配置によりプラズマ密度分布が変わる。
【０００８】
一方、ＥＣＲ方式の装置では、プラズマ中に強い磁場を印加する。電界は磁場に影響されてプラズマ中を伝播しチャンバ側壁やチャンバ底から反射した電界と合成され、チャンバ内に定在波を形成する。同時に電子のサイクロトロン運動の周波数と導入する電界の周波数が一致する箇所、たとえば商用装置に多く用いられている２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマを発生すると磁場強度が８７５Ｇｕａｓｓの箇所で電磁波が多く吸収されるので、この箇所でプラズマ密度が強くなる。定常状態ではプラズマは壁方向に拡散して壁に衝突してイオンと電子が再結合する。これらの現象が総合されて、ＥＣＲ装置ではプラズマ密度の分布は中心部で高くなり、チャンバ外周部で低くなる傾向がある。このために、エッチング速度の分布も中心部で大きく、外周部で低くなりやすい。以上がＥＣＲ方式の装置ではプラズマ密度がアンテナ配置にはあまり影響を受けない原因と考えられる。
【０００９】
本発明の目的は、大口径ウエハをＥＣＲ方式でドライエッチングするような場合であっても、エッチング速度など処理特性のウエハ面内均一性を向上することができる半導体製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では上記目的を達成するために、ドライエッチングするような半導体製造装置において、プラズマを発生する電力をチャンバ外周部から供給する電力導入手段と、前記電力のオンオフを周期的に繰り返す制御手段を有する。更に、前記制御手段は、プラズマが発生して拡散して定常状態に落ち着く前に前記電力をオフしてプラズマを消すものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、チャンバ外周部で発生したプラズマが拡散して定常状態（中心部で密度が高くなる）にいたる前までの状態のみを繰り返して点灯することが可能となり、中心部で高くなる傾向があるＥＣＲ方式であっても処理特性のウエハ面内均一性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例に係るドライエッチングを行う半導体製造装置の概略全体構成図である。
【図２】図１に示した半導体製造装置の要部（アンテナ板）概略平面図である。
【図３】図１に示した半導体製造装置を用いてｐｏｌｙ  Ｓｉをエッチングしたときのエッチング速度のウエハ面内分布図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る、半導体製造装置で用いるアンテナ板の概略平面図である。
【図５】図４に示したアンテナ板におけるスロット設置範囲とプラズマ密度均一性の関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る、半導体製造装置で用いる他のアンテナ板の概略平面図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係る、半導体製造装置で用いる他のアンテナ板の概略平面図である。
【図８】本発明の第３の実施例に係るドライエッチングを行う半導体製造装置の概略全体構成図である。
【図９】図８に示した半導体製造装置の要部（石英板部分）の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
第１の実施例について、図１〜図４を用いて説明する。  
図１、図２にそれぞれ本実施例に係るＥＣＲ方式のドライエッチング装置の全体構成図とそれに用いるスロットアンテナ板の平面図を示す。プラズマ電源１０１から放出された電磁波が導波管１０２、空洞共振部１０３、アンテナ板１０４と石英板１０６を介してチャンバ（真空容器）１０７中へ放出される。アンテナ板１０４には図２のように外周部にスロット１０５が入っている。
【００１５】
ドライエッチングのプロセスにおいては、チャンバ１０７内はエッチングガスが一定の圧力で保持されており、電磁波によりガスがプラズマ化して反応性イオンがウエハ１１０に入射することでエッチングが進行する。なお、ここではウエハの直径を３００ｍｍとしたが、それ以上の直径のウエハを用いることができる。ウエハ１１０を保持する試料台１０９には、入射イオンを加速するためのバイアス電源１１１が接続されている。この装置では電磁コイル１０８によりチャンバ１０７内に磁場を発生する。プラズマ中の電子サイクロトロン運動の周波数と、プラズマ電源１０１の周波数が一致するように磁場強度を設定すると、電子サイクロトロン共鳴が生じて電力が効率よくプラズマに吸収されて、低圧にて高いプラズマ密度を維持することができる。なお図では真空排気ポンプやガス導入系、装置全体を制御する制御部等は省略している。
【００１６】
試料台１０９に時間応答が速いプラズマ密度計測用のプローブを設置してプラズマ密度の時間変化を測定した。その結果、試料台１０９の外周部ではプラズマ密度が約５０ｍｓで定常値になるが、ウエハ中心部は定常値に至るまで約１５０ｍｓかかることが判明した。定常状態ではウエハ中心部のプラズマ密度が外周部より高くなる。これはマイクロ波電力をチャンバの外周部から導入しているので、瞬間的には外周部でプラズマ密度が高くなるが約１５０ｍｓ後には、発生したプラズマが磁場を横切って拡散して定常状態になることを意味している。一方、マイクロ波電力をオフすると外周部でプラズマ密度は約４ｍｓで半減し、８ｍｓ後に０になった。ウエハ中心部では９ｍｓで密度が半減して、１８ｍｓ後で０になった。なお、マイクロ波電力は９０％以上が外周部からチャンバ内へ導入されることが望ましい。
【００１７】
以上の結果から、マイクロ波を外周から導入すると同時に、定常状態になる前にプラズマをオフして、この点滅を周期的に繰り返せば、パルスのオン時間とオフ時間の調整により、プラズマ密度を制御できることが分かる。そこで、プラズマを発生する電力のオンオフを周期的に繰り返す制御手段(図示せず)を設けた。また、前記制御手段を、プラズマをオンしてからプラズマが定常状態に落ち着く前に前記電力をオフしてプラズマを消すものとした。なお、この制御手段は前記制御部(図示せず)に設けた。
【００１８】
プラズマを発生する電力をチャンバ外周部から供給する電力導入手段と、前記電力のオンオフを周期的に繰り返す制御手段とを設けることにより均一性が改善される。更に、この制御手段により、プラズマが発生して拡散して定常状態に落ち着く前に前記電力をオフしてプラズマを消すことにより、より均一性を向上することができる。
【００１９】
図３に図１に示す装置の試料台１０９上での飽和イオン電流（Ｉｃｆ）分布をプローブで測定した結果をしめす。試料台１０９の半径は１８０ｍｍで、直径３００ｍｍのウエハに対応する。放電のガスはＨＢｒ  １５０ｍｌ／ｍｉｎ  ／Ｏ２  ５ｍｌ／ｍｉｎ、圧力０．４Ｐａとした。マイクロ波の電力を連続４００Ｗとパルス放電でピーク電力８００Ｗ、繰り返し周波数２０Ｈｚ、デューティー比５０％（平均マイクロ波電力４００Ｗ）の比較をすると、均一性は連続放電時で±３５．５％、パルス放電時で５％以内となった。つまり、マイクロ波電力をチャンバ１０７の外周部から導入するだけではプラズマ密度は均一化されず、マイクロ波電力のパルス化と合わせて初めて均一化される。このパルス条件ではマイクロ波電力のオン時間が５０ｍｓ、オフ時間が５０ｍｓになり、先に述べたようにプラズマが定常状態に達する前にプラズマをオフしており、予想した効果が表れていることがわかる。また、プラズマ密度の時間変化の計測より、プラズマのオン時間は１５０ｍｓより短くして、オフ時間はプラズマ密度がある程度まで低下する時間以上長くすればよいことが分かる。実験的にはオフ時間はプラズマ密度が５０％以下に低下する時間以上にすれば、均一化の効果が表れることがわかった。プラズマを発生する電力オフ後、プラズマ密度が定常時の２分の１以下に落ち込んでからオンする制御は前記制御手段により行うことができる。以上のプラズマが定常状態に達するまでの時間は、ガスの圧力他の条件により異なるが、概念的には、マイクロ波電力を外周から導入して、かつ、プラズマが定常状態になる前にプラズマをオフして、これを繰り返せば、均一性を向上できる。またオンオフ時間の調整により、均一性を制御できる。また、あるガス種や圧力における最適なオンオフ時間は上記の値を目安としてエッチング速度の均一性などをモニタしながら実験的に決定できる。
【００２０】
以上示したように、本実施例によれば、プラズマを発生する電力をチャンバ外周部から供給する電力導入手段と前記電力のオンオフ周期的に繰り返す制御手段を設けることにより、大口径ウエハをＥＣＲ方式でドライエッチングするような場合であっても、エッチング速度など処理特性のウエハ面内均一性を向上することができる半導体製造装置を提供することができる。また、前記制御手段により、プラズマが発生して拡散して定常状態に落ち着く前に前記電力をオフしてプラズマを消すことで、より均一性を向上することができる。また、前記制御手段により、前記電力オフ後、プラズマ密度が定常時の２分の１以下に落ち込んでから前記電力をオンすることは均一性向上に有効である。更に、これらのオンオフを制御するに際し、事前に測定したデータを用いることにより、効果的に均一性を向上させることができる。
【００２１】
また以上の実施例ではμ波電力のパルス化において、オフ時にはμ波を０Ｗにする場合を述べたが、必ずしも完全に０Ｗにする必要はない。本質的にはオフ時のμ波電力をオン時の電力より小さくしてプラズマ密度がピーク時の５０％以下になるようにすればよい。本実施例の条件ではオン時のμ波８００Ｗに対してオフ時のマイクロ波を２００Ｗ以下にしてやれば、完全に０Ｗにするのと同じ均一性改善が得られた。オフ時の電力を何Ｗ以下に設定すればよいかはガスや圧力などの条件により異なるので、個々の条件において予め均一性のデータを取得し、そのデータに基づいて値を決定すればよい。
【実施例２】
【００２２】
第２の実施例について図４〜図７を用いて説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。なお、本実施例で用いた半導体製造装置はアンテナを除き実施例１に示したものと同様である。
【００２３】
本実施例では、アンテナに設けるスロットの設置範囲を変更した例について述べる。図４はアンテナの概略平面図で、アンテナ板４０１にスロット４０２が半径ｒ以上の範囲に複数段に分かれて設置されている。図５は半径ｒとプラズマ密度均一性の関係を示す図である。ガスはＣｌ２  １５０ｍｌ／ｍｉｎ／Ｏ２  ３ｍｌ／ｍｉｎ、圧力０．６Ｐａで、マイクロ波電力をパルス放電でピーク電力１０００Ｗ、繰り返し周波数２０Ｈｚ、デューティー比５０％（平均マイクロ波電力５００Ｗ）とした。
【００２４】
試料台１０９の半径は１８０ｍｍで、直径３００ｍｍのウエハに対応する。均一性は半径ｒが７０ｍｍ以上でドライエッチングに適用できる目安である１０％以下になった。すなわち、ウエハ半径の約２分の１以上の外周部からマイクロ波を導入すると均一性が確保できる。ウエハ直径が４５０ｍｍに対応する装置では、半径１１０ｍｍ以上の範囲からマイクロ波電力を導入すればよい。
【００２５】
図６はアンテナの別実施例でアンテナ板６０１に同心円状のスロット６０２が入っている。また図７では長方形状のスロット７０２が平行にアンテナ板７０１の外周同心円状に配置されている。いずれのアンテナにおいても、外周からマイクロ波を導入するスロット形状とその配置は他にも各種あるが、スロットをウエハ半径の２分の１以上の範囲に設置することで、同様な効果が得られる。
【００２６】
以上示したように、本実施例によれば、直径が３００ｍｍ以上の大口径ウエハをＥＣＲ方式でドライエッチングするような場合であっても、エッチング速度など処理特性のウエハ面内均一性を向上することができる半導体製造装置を提供することができる。また、アンテナに設けるスロットはウエハ半径の２分の１以上の範囲に設置することにより、実用的な均一性が得られる。
【実施例３】
【００２７】
第３の実施例について図８〜図９を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。
【００２８】
図８は本実施例に係るドライエッチングを行う半導体製造装置の概略全体構成図であり、マイクロ波電力を外周導入する別の例を示す。図９に本半導体製造装置で用いる石英板１０６部分の概略平面図を示す。ここでは、石英板１０６の中央部にフェライトやグラファイトなどのマイクロ波吸収体８０１を配置している。この構造では、中心部のマイクロ波が吸収されることにより、電界強度が弱くなり、放電点灯時には外周部のプラズマ密度が大きくなる。マイクロ波吸収体でのマイクロ波の吸収量が９０％以上(透過量が１０％以下)なら実用上使用することができる。本マイクロ波吸収体を用いることにより、実施例１と同様に放電をパルス化することで、プラズマ密度の均一性を改善できる。この場合、マイクロ波吸収体の設置範囲をウエハ半径の２分の１以上にすればよい。
【００２９】
以上示したように、本実施例によれば、大口径ウエハをＥＣＲ方式でドライエッチングするような場合であっても、エッチング速度など処理特性のウエハ面内均一性を向上することができる半導体製造装置を提供することができる。
【００３０】
以上の実施例では、ＥＣＲ方式のドライエッチング装置を例に説明したが、本発明はたとえばヘリコン波のプラズマ中の伝搬を利用したプラズマ源など、電界をプラズマ中に伝搬させる方式のプラズマ源に適用して、同様の効果を得ることができる。また、電磁波の周波数は２．４５ＧＨｚに限らず、たとえばＵＨＦ帯の電磁波を用いても同様の効果がある。また、プラズマ源の利用範囲はドライエッチングに限らず、ケミカルベーパーデポジション（ＣＶＤ）などに用いるプラズマ源でも同様に均一性を改善ができる。
【００３１】
以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。  
（１）  内部を真空にできるチャンバと、前記チャンバの中にプラズマを生成するための電源と、前記電源からの電力を前記チャンバ内へ導く導波路と、前記電源を含む装置全体を制御する制御部とを備えた半導体製造装置において、
前記電力を前記チャンバの外周部から前記チャンバ内へ導入する手段を更に有し、
前記制御部は、前記電力を周期的にオンオフする制御手段を含むことを特徴とする半導体製造装置。  
（２）  内部を真空にできるチャンバと、前記チャンバの中にプラズマを生成するための電源と、前記電源からの電力を前記チャンバ内へ導く導波路と、前記電源を含む装置全体を制御する制御部と、前記チャンバ内に設けられた試料台とを備えた半導体製造装置において、
前記電力を前記チャンバの外周部から前記チャンバ内へ導入する電力導入手段を更に有し、
前記制御部は、前記電力を周期的にオンオフする制御手段を含み、
前記電力導入手段は、前記電力を、前記試料台に載置される半導体ウエハの半径の２分の１より外側の部分から導入するものであることを特徴とする半導体製造装置。  
（３）  上記（１）又は（２）に記載の半導体製造装置において、
前記電力導入手段は、外周部にスロットが設けられたアンテナ板であることを特徴とする半導体製造装置。  
（４）  上記（１）又は（２）に記載の半導体製造装置において、
前記電力導入手段は、前記チャンバ上部中央に設けられた電力吸収体であることを特徴とする半導体製造装置。  
（５）  上記（１）乃至（４）のいずれか一に記載の半導体製造装置において、
前記プラズマは、磁場と電子サイクロトロン共鳴とを利用して生成されるものであることを特徴とする半導体製造装置。  
（６）  上記（１）乃至（５）のいずれか一に記載の半導体製造装置において、
前記制御手段は、前記電力をオンした後、発生したプラズマが定常状態に至る前に前記電力をオフするものであることを特徴とする半導体製造装置。  
（７）  上記（１）乃至（６）のいずれか一に記載の半導体製造装置において、
前記制御手段は、前記電力をオフした後、プラズマ密度が定常時の２分の１以下に落ち込んでから前記電力をオンするものであることを特徴とする半導体製造装置。  
（８）  上記（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の半導体製造装置において、
前記電力のオンからオフまでの時間は１５０ｍｓより短いことを特徴とする半導体製造装置。  
（９)  上記（１）乃至（５）のいずれか一に記載の半導体製造装置において、
前記電力のオフからオンまでの時間は９ｍｓより長いことを特徴とする半導体製造装置。  
（１０）  上記（６）記載の半導体製造装置において、
前記制御手段は、事前に取得されたデータを用いて前記電力のオフの制御を行うものであることを特徴とする半導体製造装置。  
（１１）  上記（７）記載の半導体製造装置において、
前記制御手段は、事前に取得されたデータを用いて前記電力のオンの制御を行うものであることを特徴とする半導体製造装置。
【符号の説明】
【００３２】
１０１：プラズマ電源、１０２：導波管、１０３：空洞共振部、１０４，４０１，６０１，７０１：アンテナ板、１０５，４０２，６０２，７０２：スロット、１０６：石英板、１０７：チャンバ、１０８：電磁コイル、１０９：試料台、１１０：ウエハ、１１１：バイアス電源、８０１：マイクロ波吸収体。
【図１】
2012044035.tif 000003
【図２】
2012044035.tif 000004
【図３】
2012044035.tif 000005
【図４】
2012044035.tif 000006
【図５】
2012044035.tif 000007
【図６】
2012044035.tif 000008
【図７】
2012044035.tif 000009
【図８】
2012044035.tif 000010
【図９】
2012044035.tif 000011