JP4527432B2

JP4527432B2 - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

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Publication number: JP4527432B2
Application number: JP2004114247A
Authority: JP
Inventors: 征英岩崎; 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: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-04-08
Also published as: JP2005302878A; US20050224344A1; US7419567B2

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係わり、特に高周波放電を利用してプラズマを生成する枚葉式のプラズマ処理方法および装置に関する。

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマが多く利用されている。一般に、プラズマ処理装置においてプラズマを生成する方式は、グロー放電または高周波放電を利用するものと、マイクロ波を利用するものとに大別される。

一般に、高周波放電を利用する枚葉式のプラズマ処理装置では、減圧可能なチャンバ内に電極を兼ねた載置台またはサセプタを設置して、このサセプタの上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置する。そして、チャンバの室内を所定の真空度まで減圧してから処理ガスを導入し、室内のガス圧力が設定値になった時点で電極に高周波を印加する。そうすると、処理ガスが放電を開始し、ガスプラズマが発生する。このプラズマの下で基板の表面または被処理面に膜の微細加工処理（ドライエッチング等）や成膜処理（化学的気相成長等）等が施される。

高周波放電方式のプラズマ処理装置では、ガス圧力が低いと、ガス分子の密度が低いため、放電の開始（プラズマの着火）や維持が難しくなる。特に、平行平板型のプラズマ処理装置では、その傾向が顕著なだけでなく、電極間隔を狭くしても、あるいは電極間に印加するＲＦ電圧を低くしても、電子が電界から得るエネルギーひいてはガス分子または原子を電離させるエネルギーが少なくなって、放電が不安定になる傾向がある。しかしながら、プラズマプロセッシングの中には、低ガス圧、挟電極間隔あるいは低ＲＦ印加電圧を望ましい処理条件とするものもある。たとえば、異方性エッチングでは、良好な垂直エッチング形状を得るには低ガス圧が有利とされており、低圧領域での安定した放電開始特性および放電維持特性が求められている。

従来より、放電に適した特別の高圧条件の下で放電を開始し（たとえば特許文献１参照）、あるいは異種ガス条件または高ＲＦ印加条件の下で放電を開始し、放電が安定化してから本来の処理条件に切り換える方法（イグニションプラズマ方式）が知られている。また、マイクロ波やＵＶ光でプラズマ生成をアシストする方法も効果があることが知られている。
特開２００３−１２４１９８号公報

しかしながら、イグニションプラズマ方式は、本来の処理条件とは異なる条件を一定時間用いるため、プロセスへの影響やスループットの低下を招く不利点がある。また、マイクロ波やＵＶ光を用いる方法も、やはりプロセスへの影響が懸念されるだけでなく、装置が煩雑化したり装置コストが増大するという難点がある。結局、従来は、低圧プラズマのアプリケーションには、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)等のマイクロ波方式を用いるほかなかった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、簡易かつ低コストで高周波放電の開始を容易にし放電を安定に維持するプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、被処理基板上のプラズマを効果的に高密度に閉じ込めてプラズマ処理の反応速度や面内均一性を向上させるプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理方法は、減圧可能なチャンバ内に処理ガスを流し込むとともに高周波電界を形成して前記処理ガスのプラズマを生成し、前記チャンバ内の所定位置にほぼ水平に配置された被処理基板に前記プラズマの下で所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記チャンバ内のプラズマ生成空間のうちの前記基板の外周端よりも半径方向外側の周辺プラズマ領域にそれぞれの磁極面を向けて、前記周辺プラズマ領域の上方に、第１のＮ極および第１のＳ極が所定の間隔を置いて交互に環状に配置されるとともに、第２のＮ極および第２のＳ極が前記第１のＮ極および第１のＳ極よりも半径方向内側にて所定の間隔を置いて交互に環状に配置され、前記第１のＮ極、前記第１のＳ極、前記第２のＮ極および前記第２のＳ極によって、前記周辺プラズマ領域内に磁場が形成され、前記第１のＮ極から出た磁力線の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして円周方向隣の前記第１のＳ極に達し、前記第１のＮ極から出た磁力線の他の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして半径方向隣の前記第２のＳ極に達し、前記第２のＮ極から出た磁力線の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして円周方向隣の前記第２のＳ極に達し、前記第２のＮ極から出た磁力線の他の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして半径方向隣の前記第１のＳ極に達し、前記チャンバ内のプラズマ生成空間のうち前記基板の外周端よりも半径方向内側の主プラズマ領域では実質的に無磁場状態とする。

また、本発明のプラズマ処理装置は、減圧可能なチャンバと、前記チャンバ内で被処理基板をほぼ水平に載置する下部電極と、前記下部電極の上方および周囲に設定されたプラズマ生成空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記プラズマ生成空間に高周波電界を形成する高周波電界形成機構と、前記チャンバ内のプラズマ生成空間のうち前記基板の外周端よりも半径方向外側の周辺プラズマ領域内に磁場を形成する磁場形成機構とを有し、前記磁場形成機構が、第１のＮ極、第１のＳ極、第２のＮ極および第２のＳ極を複数備え、前記周辺プラズマ領域にそれぞれの磁極面を向けさせて、前記周辺プラズマ領域の上方に、第１のＮ極および第１のＳ極を所定の間隔を置いて交互に環状に配置するとともに、第２のＮ極および第２のＳ極を前記第１のＮ極および前記第１のＳ極よりも半径方向内側にて所定の間隔を置いて交互に環状に配置し、前記第１のＮ極から出た磁力線の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして円周方向隣の前記第１のＳ極に達し、前記第１のＮ極から出た磁力線の他の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして半径方向隣の前記第２のＳ極に達し、前記第２のＮ極から出た磁力線の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして円周方向隣の前記第２のＳ極に達し、前記第２のＮ極から出た磁力線の他の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして半径方向隣の前記第１のＳ極に達し、前記チャンバ内のプラズマ生成空間のうち前記基板の外周端よりも半径方向内側の主プラズマ領域では実質的に無磁場状態とする。

本発明では、磁場形成機構により、プラズマ生成空間のうち基板の外周端よりも半径方向外側の周辺プラズマ領域内に略鉛直方向の面内でＵ字状に延びる複数系統の磁力線からなる磁場が形成される。これにより、高周波電界形成機構がプラズマ生成空間に高周波電界を形成すると、磁場の存在する周辺プラズマ領域内で最初に処理ガスが放電を開始し、そこから一瞬にプラズマ生成空間全体に放電が拡大して、放電ないしプラズマ生成が確立される。その後も、周辺プラズマ領域内で磁界が高周波放電をアシストするため、処理ガスの供給と高周波の印加が維持される限り、プラズマ生成空間全体で放電ないしプラズマ生成も安定に維持される。このように、周辺プラズマ領域内で磁場が高周波放電の開始のトリガとなり放電維持をアシストすることにより、たとえば低ガス圧力の条件下でも放電開始を容易にし放電を安定に維持することができる。一方で、磁場形成機構は周辺プラズマ領域より半径方向内側の主プラズマ領域を実質的に無磁場状態とすることができるので、電極上の基板に磁界が作用してダメージやストレスを与える可能性を回避または低減することができる。

また、本発明では、磁場形成機構により、周辺プラズマ領域内に、主プラズマ領域の周囲をカーテンのように取り囲む鉛直型の磁場が形成される。これにより、主プラズマ領域内のプラズマを外に逃がさずに内側に効果的かつ効率的に閉じ込めることが可能であり、主プラズマ領域内でプラズマの高密度化および均一化をはかり、ひいてはプラズマ処理の反応速度や面内均一性の向上をはかることができる。

また、本発明では、第１のＮ極、第１のＳ極、第２のＮ極および第２のＳ極の全部がチャンバの側壁よりも半径方向内側に位置する。このことにより、その内側配置の始点または終点に該当する磁極部材のサイズや設置数を必要最小限に抑えて周辺プラズマ領域内に高密度の磁場を形成することができる。

本発明の好適な一態様による平行平板型のプラズマ処理装置においては、前記チャンバ内に前記下部電極と所望のギャップを隔てて平行に上部電極が配置され、前記上部電極と前記下部電極と前記チャンバの側壁とで囲まれる空間内に前記プラズマ生成空間が設定され、前記処理ガス供給部により前記上部電極と前記下部電極との間に前記処理ガスが供給されるとともに、前記高周波形成機構により前記上部電極または前記下部電極に高周波が印加され、前記プラズマ生成空間内で前記処理ガスの高周波放電によるプラズマが生成される。この場合、好適な一態様として、磁場形成機構が、上部電極の周囲でチャンバの天井の壁の中に設けられる。

本発明の好適な一態様によれば、上記平行平板型のプラズマ処理装置において、前記磁場形成機構が、前記上部電極の周囲で、前記チャンバの天井の壁の中に設けられる。

本発明の好適な一態様においては、第１のＮ極と第１のＳ極とを足し合わせた磁極数（外側環状磁極列の総磁極数）と、第２のＮ極と第２のＳ極とを足し合わせた磁極数（内側環状磁極列の総磁極数）とが等しい。

本発明の好適な一態様においては、磁力線で互いに結ばれる第１のＮ極および第２のＳ極の各組は、チャンバの半径方向に並んで配置される。また、磁力線で互いに結ばれる第２のＮ極および第１のＳ極の各組も、チャンバの半径方向に並んで配置される。

本発明の好適な一態様によれば、第１のＮ極、第１のＳ極、第２のＮ極および第２のＳ極がそれぞれ磁石で構成される。この場合、周辺プラズマ領域側から見て各磁石の背面に接触または近接するようなヨークを設けるのが好ましい。隣接する磁石の間で背面側の磁極同士が該ヨークを介して磁気的に結合される。このような背面側の磁気回路を形成するうえで、該ヨークは全ての磁石にまたがって環状に連続的に延在するのが望ましい。

また、本発明の好適な一態様によれば、周辺プラズマ領域の上方で第１のＮ極、第１のＳ極、第２のＮ極および第２のＳ極の全部を一体に円周方向に回転させる磁極回転部が設けられる。このような磁場の回転により、外側磁石リングおよび内側磁石リングの磁極の極数が少なくても，磁場強度分布を円周方向で均一化することができる。

本発明のプラズマ処理方法またはプラズマ処理装置によれば、上記のような構成と作用により、簡易かつ低コストで高周波放電の開始を容易にし放電を安定に維持することができる。さらには、被処理基板上のプラズマを効果的に高密度に閉じ込めてプラズマ処理の反応速度や面内均一性を向上させることもできる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態によるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、平行平板型のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状の下部電極またはサセプタ１２が設けられている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部１４を介してチャンバ１０の底から垂直上方に延びる筒状支持部１６に支持されている。筒状保持部１４の上面には、サセプタ１２の上面を環状に囲むたとえば石英からなるフォーカスリング１８が配置されている。

チャンバ１０の側壁と筒状支持部１６との間には排気路２０が形成され、この排気路２０の入口または途中に環状のバッフル板２２が取り付けられるとともに底部に排気口２４が設けられている。この排気口２４に排気管２６を介して排気装置２８が接続されている。排気装置２８は、真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。

サセプタ１２には、プラズマ生成用の高周波電源３２が整合器３４および給電棒３６を介して電気的に接続されている。この高周波電源３２は、所望の高周波数たとえば６０ＭＨｚの高周波を下部電極つまりサセプタ１２に印加する。サセプタ１２と平行に向かい合って、チャンバ１０の天井部には、後述するシャワーヘッド３８が接地電位の上部電極として設けられている。高周波電源３２からの高周波によってサセプタ１２とシャワーヘッド３８との間の空間つまりプラズマ生成空間ＰＳに高周波電界が形成される。

ここで、プラズマ生成空間ＰＳは、サセプタ１２およびシャワーヘッド３８の外周端より半径方向内側の空間に限定されるものではなく、それよりも半径方向外側の空間に広がってチャンバ１０の内壁または側壁まで延在するものである。本発明では、プラズマ生成空間ＰＳのうち、サセプタ１２上に載置されている基板Ｗの外周端より半径方向内側の領域ＰＳ_Aを「主プラズマ領域」と称し、「主プラズマ領域」の外側つまり基板Ｗの外周端より半径方向外側の領域ＰＳ_Bを「周辺プラズマ領域」と称する。

サセプタ１２の上面には半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は導電膜からなる電極４０ａを一対の絶縁膜４０ｂ，４０ｃの間に挟み込んだものであり、電極４０ａには直流電源４２がスイッチ４３を介して電気的に接続されている。直流電源４２からの直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷをチャック上に吸着保持できるようになっている。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット４６より配管４８，５０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る。冷媒の温度によって静電チャック４０上の半導体ウエハＷの処理温度が制御される。さらに、伝熱ガス供給部５２からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン５４を介して静電チャック４０の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

天井部のシャワーヘッド３８は、多数のガス通気孔５６ａを有する下面の電極板５６と、この電極板５６を着脱可能に支持する電極支持体５８とを有する。電極支持体５８の内部にバッファ室６０が設けられ、このバッファ室６０のガス導入口６０ａには処理ガス供給部６２からのガス供給配管６４が接続されている。

チャンバ１０の天井部において、周辺プラズマ領域ＰＳ_Bの上方（好ましくはシャワーヘッド３８の周囲）には、環状または同心状に延在する磁場形成機構６６が設けられている。この磁場形成機構６６は、チャンバ１０内のプラズマ生成空間ＰＳにおける高周波放電の開始（プラズマの着火）を容易にし放電を安定に維持するために機能する。磁場形成機構６６の詳細な構成と作用は後に詳述する。

制御部６８は、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２８、高周波電源３２、静電チャック用のスイッチ４３、チラーユニット４６、伝熱ガス供給部５２および処理ガス供給部６２等の動作を制御するもので、ホストコンピュータ（図示せず）等とも接続されている。

このプラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ３０を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、サセプタ１２の上に載置する。次いで、直流電源４２より直流電圧を静電チャック４０の電極４０ａに印加して、半導体ウエハＷを静電チャック４０上に固定する。そして、処理ガス供給部６２よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２８によりチャンバ１０内の圧力を設定値にしたうえで、高周波電源３２より所定のパワーで高周波をサセプタ１２に供給する。シャワーヘッド３８より吐出されたエッチングガスはプラズマ生成空間ＰＳ内で放電してプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面がエッチングされる。

このプラズマエッチング装置では、チャンバ天井部の磁場形成機構６６が、プラズマ生成空間ＰＳのうち周辺プラズマ領域ＰＳ_Bに実質的な磁場を形成する。このことにより、高周波電源３２からの高周波がサセプタ１２に印加されると、磁場の存在する周辺プラズマ領域ＰＳ_B内で最初にエッチングガスが放電を開始し、そこから一瞬にプラズマ生成空間ＰＳ全体に放電が拡大して、グロー放電ないしプラズマ生成が確立される。その後も、周辺プラズマ領域ＰＳ_B内で磁界が高周波放電をアシストまたは維持するため、エッチングガスの供給と高周波の印加が維持される限り、プラズマ生成空間ＰＳ全体で放電ないしプラズマ生成も安定に維持される。

ここで、磁場が高周波放電の開始や維持に良く作用するのは、高周波電界の下でドリフト運動する電荷（主に電子）が磁場によって力（ローレンツ力）を受けることで、力の方向に加速度を生じて、ガス分子や原子を電離させるエネルギーを増すためである。なお、周辺プラズマ領域ＰＳ_Bでは、主としてチャンバ１０の内壁（天井部および側壁）と下部電極１２との間で高周波電界が形成される。

このように、周辺プラズマ領域ＰＳ_B内で磁場が高周波放電の開始のトリガとなり放電維持をアシストすることにより、低ガス圧力（たとえば１０mTorr以下）、挟電極間隔、低ＲＦ印加電圧の条件下でも放電開始を容易にし放電を安定に維持することができる。一例として、エッチングガスとしてＨＢｒを単ガスとして用いるポリシリコンのエッチングにおいて、従来はガス圧力を５mtorr以下にすると放電開始（プラズマ着火）が困難であったが、この実施形態によればガス圧力を５mtorr以下にしても確実に放電を開始し、安定に放電を維持できることが確認されている。

一方で、磁場形成機構６６は、主プラズマ領域ＰＳ_Aを実質的に無磁場状態とすることができる。このことにより、サセプタ１２上の半導体ウエハＷに磁界が作用してウエハ上のデバイスにダメージやストレスを与える可能性を回避または低減することができる。ここで、ウエハ上のデバイスにダメージやストレスを与えないような無磁場状態は、磁界強度の面で好ましくは地磁気レベル（たとえば０．５Ｇ）以下の状態であるが、５Ｇ程度でもプロセスに支障ない（実質的な無磁場状態といえる）場合がある。

図２〜図４に磁場形成機構６６の要部の構成を示す。図３は、図２（平面図）の中の一部（点線で囲んだ部分Ａ）を模式的に斜視図で示す。

図２および図３に示すように、磁場形成機構６６は、円周上に一定の間隔でＮ個のセグメント磁石Ｍを磁極の向きを交互に反転させて配置してなる外側磁石リング６６Ｍと、その内側で円周上に一定の間隔でＮ個のセグメント磁石ｍを磁極の向きを交互に反転させて配置してなる内側磁石リング６６ｍとを有している。図示の例は、Ｎ＝１８である。

外側磁石リング６６Ｍにおいて、各セグメント磁石Ｍは直方体の形状を有する永久磁石たとえば希土類磁石（サマリウムコバルト磁石、ネオジム磁石等）からなり、奇数番目の各セグメント磁石Ｍ_OはＮ極の面を下方に向けて配置され、偶数番目の各セグメント磁石Ｍ_EはＳ極の面を下方に向けて配置される。奇数番目の各セグメント磁石Ｍ_Oの下面（Ｎ極）から出た磁力線の一部Ｂ_Mは、略鉛直方向の面内で、直下の周辺プラズマ領域ＰＳ_Bに降りてから放物線を描くように上方へＵターンして円周方向隣の偶数番目のセグメント磁石Ｍ_Eの下面（Ｓ極）に達する。

一方、内側磁石リング６６ｍにおいては、各セグメント磁石ｍは直方体の形状を有する永久磁石たとえば希土類磁石（サマリウムコバルト磁石、ネオジム磁石等）からなり、奇数番目の各セグメント磁石ｍ_OはＳ極の面を下方に向けて配置され、偶数番目の各セグメント磁石ｍ_EはＮ極の面を下方に向けて配置される。偶数番目の各セグメント磁石ｍ_Eの下面（Ｎ極）から出た磁力線の一部Ｂ_mは、略鉛直方向の面内で、直下の周辺プラズマ領域ＰＳ_Bに降りてから放物線を描くように上方へＵターンして円周方向隣の奇数番目のセグメント磁石ｍ_Oの下面（Ｓ極）に達する。

外側磁石リング６６Ｍと内側磁石リング６６ｍとの間では、外側磁石リング６６Ｍにおける奇数番目の各セグメント磁石Ｍ_Oの下面（Ｎ極）から出た磁力線の一部Ｂ_Cが、略鉛直方向の面内で、直下の周辺プラズマ領域ＰＳ_Bに降りてから放物線を描くように上方へＵターンして内側磁石リング６６ｍにおける半径方向隣の奇数番目のセグメント磁石ｍ_Oの下面（Ｓ極）に達する。また、内側磁石リング６６ｍにおける偶数番目の各セグメント磁石ｍ_Eの下面（Ｎ極）から出た磁力線の一部Ｂ_Cが、略鉛直方向の面内で、直下の周辺プラズマ領域ＰＳ_Bに降りてから放物線を描くように上方へＵターンして外側磁石リング６６Ｍにおける半径方向隣の偶数番目のセグメント磁石Ｍ_Eの下面（Ｓ極）に達する。

図４に示すように、外側磁石リング６６Ｍおよび内側磁石リング６６ｍの上にはヨーク７０が設けられている。このヨーク７０を介して、円周方向または半径方向で隣り合うセグメント磁石Ｍ_O，Ｍ_E，ｍ_O，ｍ_Eの背面（上面）側の磁極が磁気的に結合される。詳細には、外側磁石リング６６Ｍにおける偶数番目の各セグメント磁石Ｍ_Eの背面（Ｎ極）から出た磁力線は、ヨーク７０の中を通って円周方向隣の奇数番目のセグメント磁石Ｍ_Oの背面（Ｓ極）または半径方向隣の内側磁石リング６６ｍにおける偶数番目のセグメント磁石ｍ_Eの背面（Ｓ極）に達する。また、内側磁石リング６６ｍにおける奇数番目の各セグメント磁石ｍ_Oの背面（Ｎ極）から出た磁力線は、ヨーク７０の中を通って円周方向隣の偶数番目のセグメント磁石ｍ_Eの背面（Ｓ極）または半径方向隣の外側磁石リング６６Ｍにおける奇数番目のセグメント磁石Ｍ_Oの背面（Ｓ極）に達する。

このように、この磁場形成機構６６においては、外側磁石リング６６Ｍにより、周辺プラズマ領域ＰＳ_B内でこのリング６６Ｍの径に対応する円周に沿って磁力線Ｂ_Mが略鉛直方向の面内で延びる外側のマルチポール磁場が形成される。さらに、内側の磁石リング６６ｍにより、周辺プラズマ領域ＰＳ_B内でこのリング６６ｍの径に対応する円周に沿って磁力線Ｂ_mが略鉛直方向の面内で延びる内側のマルチポール磁場が形成される。そして、外側磁石リング６６Ｍと内側の磁石リング６６ｍとにより、外側マルチポール磁場と内側マルチポール磁場との間で半径方向に磁力線Ｂ_Cが略鉛直方向の面内で延びるマルチポールの磁場が形成される。

このような磁力線ループ構造により、周辺プラズマ領域ＰＳ_B内の磁束密度を高められると同時に、主プラズマ領域ＰＳ_A側への磁力線の流入を効果的に防止することができる。かかる磁力線ループ構造の作用効果を一層高めるために、外側セグメント磁石Ｍと内側セグメント磁石ｍとの間では、相対的に、基板Ｇから遠い前者Ｍの磁気量（磁極強度）を大きくし、基板Ｇに近い後者ｍの磁気量（磁極強度）を小さくするのが好ましい。本発明の作用効果において、上記３種類の鉛直型磁場Ｂ_M，Ｂ_m，Ｂ_Cの中で外側円周方向のＢ_Mと半径方向のＢ_Cが重要であり、内側円周方向のＢ_mはそれほど重要ではなく無視できるほど小さくても構わない。

また、この実施形態においては、磁場形成機構６６の各部（特に磁石リング６６Ｍ，６６ｍ）が周辺プラズマ領域ＰＳ_Bの上方つまりチャンバ１０の側壁よりも半径方向内側に配置されている点も重要である。このような磁極配置構造によれば、チャンバ１０の側壁の外に磁場形成機構を配置する構成と比較して、チャンバ中心に対する半径距離および周回距離が格段に短いため、周辺プラズマ領域ＰＳ_B内に好適なプロファイルの磁場を形成するための磁石または磁極の個数および磁気量（サイズまたは体積に比例）を大幅に少なくすることが可能であり、磁場形成機構６６の装備に伴なう装置サイズおよびコストの増大を必要最小限に抑えることができる。

ここで、周辺プラズマ領域ＰＳ_B内に形成される磁場の好適なプロファイルとは、主プラズマ領域ＰＳ_Aに磁気的な影響を及ぼすことなく、できるだけ主プラズマ領域ＰＳ_Aに近い位置で強い磁場が得られるようなプロファイルである。この実施形態では、外側磁石リング６６Ｍおよび内側磁石リング６６ｍにおける磁石Ｍ，ｍの磁気量、個数（極数）Ｎ等を適宜選択することで所望の磁場プロファイルを得ることができる。

図５Ａおよび図５Ｂに、一実施例によるプラズマ生成空間ＰＳ内の磁界強度分布を示す。この実施例では、被処理基板Ｗとして３００ｍｍ口径の半導体ウエハを想定し、チャンバ１０の内径を約２６０ｍｍ、電極間隔（ギャップ）を２５ｍｍに設定し、極数Ｎをパラメータ（Ｎ＝２６，２８，３０，３２）にしている。図５Ａは、上部電極３８の下面の高さ位置（電極ギャップトップ位置：Ｚ＝２５ｍｍ）における径方向の磁場強度分布（円周方向の平均値）を示す。図５Ｂは、サセプタ１２上に載置される半導体ウエハＷの上面の高さ位置（電極ギャップボトム位置：Ｚ＝０ｍｍ）における径方向の磁場強度分布（円周方向の平均値）を示す。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、周辺プラズマ領域ＰＳ_B（Ｒ＞１５０ｍｍ）内では、ピーク値が８０Ｇ〜８００Ｇであり、高周波放電の開始をトリガし放電維持をアシストするのに十分な磁場強度が得られる。

一方で、図５Ａに示すように、電極ギャップトップ位置（Ｚ＝２５ｍｍ）では、磁極の極数Ｎを変えても径方向の各位置で磁場強度は殆ど変わらないことがわかる。しかし、図５Ｂに示すように、電極ギャップボトム位置（Ｚ＝０ｍｍ）では、極数Ｎを増やすほど、径方向の各位置で磁場強度が減少し、特にウエハエッジ（Ｒ＝１５０ｍｍ）付近で磁場強度を限りなく零に近づけられることがわかる。この実施例では、Ｎ＝３０（極）以上にすると、ウエハエッジ（Ｒ＝１５０ｍｍ）位置の磁場強度を地磁気レベル（０．５Ｇ）以下に減衰させられることが確認されている。

なお、この実施形態の磁場形成機構６６において内側磁石リング６６ｍを省いて外側磁石リング６６Ｍだけの構成にした場合は、概念的に図５Ａおよび図５Ｂで点線（参考例）で示すように主プラズマ領域ＰＳ_A（Ｒ≦１５０ｍｍ）にも実質的な磁場が及ぶようになる。これは、外側磁石リング６６Ｍの下面Ｎ極の磁石Ｍより出た磁力線の一部が、上方へＵターンせずに半径方向内側へ発散して主プラズマ領域ＰＳ_Aに入るためである。この実施形態のように、外側磁石リング６６Ｍに内側磁石リング６６ｍを組み合わせることで、主プラズマ領域ＰＳ_Aで実質的な無磁場状態を効率よく確実に形成することができる。

なお、図５Ａおよび図５Ｂの磁場強度分布は電極間ギャップトップ位置（Ｚ＝２５ｍｍ）および電極間ギャップボトム位置（Ｚ＝０ｍｍ）におけるものであるが、電極間の中間部（０ｍｍ＜Ｚ＜２５ｍｍ）では図５Ａ、図５Ｂの中間の磁場強度分布が得られることが容易に理解されよう。

本発明の別の観点として、この実施形態では、磁場形成機構６６により主プラズマ領域ＰＳ_Aの周囲をカーテンのように取り囲む鉛直方向に延びる磁場（プラズマの拡散方向に直交する磁場）Ｂを形成することができる。このようなカーテン型の鉛直磁場Ｂによれば、図６に模式的に示すように、主プラズマ領域ＰＳ_A内のプラズマＰＲを外に逃がさずに内側に効果的かつ効率的に閉じ込めることが可能であり、主プラズマ領域ＰＳ_A内のプラズマＰＲを高密度化および均一化し、ひいては半導体ウエハＷ上のプラズマエッチング特性を向上させることができる。

たとえば、周辺プラズマ領域ＰＳ_Bに磁場を形成しない場合、酸化膜系プロセス（たとえばシリコン酸化膜のエッチング）では図６の一点鎖線ＥＲ_Aのようにウエハ中心側に対してウエハエッジ側で相対的にエッチング速度が落ち込む傾向があり、ポリ系プロセス（たとえばポリシリコンのエッチング）では図６の点線ＥＲ_Bのようにウエハエッジ側に対してウエハ中心側で相対的にエッチング速度が落ち込む傾向がある。この実施形態のように磁場形成機構６６により周辺プラズマ領域ＰＳ_Bにカーテン型の鉛直磁場Ｂを形成することで、酸化膜系プロセスではウエハ中心側のエッチング速度に対してウエハエッジ側のエッチング速度を相対的に大幅アップさせて実線ＥＲ_Sのように面内均一性を向上させ、ポリ系プロセスではウエハエッジ側のエッチング速度に対してウエハ中心側のエッチング速度を相対的に大幅アップさせて実線ＥＲ_Sのように面内均一性を向上させることができる。

図７に、この実施形態における磁場形成機構６６の一変形例を示す。この変形例は、磁場形成機構６６において、外側磁石リング６６Ｍおよび内側磁石リング６６ｍをチャンバ１０の中心（半導体ウエハＷの中心Ｏ）を通る鉛直線Ｇの回りに一定速度で回転運動させる構成としている。図示の例では、ガイド７２に沿って回転可能に構成されたリング形の内歯車７４にヨーク７０を介して外側磁石リング６６Ｍおよび内側磁石リング６６ｍを取り付け、内歯車７４に外歯車７６を介して電気モータ７８の回転駆動軸を接続している。このような回転磁場機構により、外側磁石リング６６Ｍおよび内側磁石リング６６ｍにおける磁極の極数Ｎが少なくても，磁場強度分布を円周方向で均一化することができる。特に、鉛直磁場の作用で磁場形成機構６６直下のチャンバ天井部に堆積膜が付着する場合は、そのような磁場強度分布の均一化により、堆積膜の付着具合や膜厚を円周方向で均一化することができる。

上記の実施形態では、外側磁石リング６６Ｍにおいて奇数番目の各セグメント磁石Ｍ_OはＮ極を下に向け、偶数番目の各セグメント磁石Ｍ_EはＳ極を下に向ける配置構成とし、内側磁石リング６６ｍにおいて奇数番目の各セグメント磁石ｍ_OはＳ極を下に向け、偶数番目の各セグメント磁石ｍ_EはＮ極を下に向ける配置構成とした。しかし、各磁石Ｍ_O，Ｍ_E，ｍ_O，ｍ_Eの磁極の向きをそれぞれ反転させ、Ｍ_OはＳ極を、Ｍ_EはＮ極を、ｍ_OはＮ極を、ｍ_EはＳ極をそれぞれ下に向ける配置構成も可能である。

上記実施形態における平行平板型のプラズマエッチング装置（図１）は、プラズマ生成用の１つの高周波電力をサセプタ１２に印加する方式であった。しかし、図示省略するが、本発明は上部電極３８側にプラズマ生成用の高周波電力を印加する方式や、上部電極３８とサセプタ１２とに周波数の異なる第１および第２の高周波電力をそれぞれ印加する方式（上下高周波印加タイプ）や、サセプタ１２に周波数の異なる第１および第２の高周波電力を重畳して印加する方式（下部２周波重畳印加タイプ）などにも適用可能であり、広義には減圧可能な処理容器内に少なくとも１つの電極を有するプラズマ処理装置に適用可能である。また、本発明とイグニションプラズマ方式を併用することももちろん可能である。

また、本発明の適用可能なプラズマ源は平行平板型に限るものではなく、他の任意の高周波放電方式たとえばヘリコン波プラズマ方式のものであってもよい。さらに、本発明は、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理装置にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の構成を示す断面図である。実施形態における磁場形成機構の要部の構成を示す平面図である。実施形態における磁場形成機構の要部の構成を示す斜視図である。実施形態における磁場形成機構の要部の構成を示す断面図である。一実施例におけるプラズマ生成空間内の磁界強度分布を示すグラフ図である。一実施例におけるプラズマ生成空間内の磁界強度分布を示すグラフ図である。実施形態における磁場形成機構の一作用を模式的に示す略断面図である。実施形態における磁場形成機構の一変形例の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０チャンバ
１２サセプタ（下部電極）
２０排気路
２８排気装置
３２高周波電源
３８シャワーヘッド（上部電極）
６２処理ガス供給部
６６磁場形成機構
６６Ｍ外側磁石リング
６６ｍ内側磁石リング
７０ヨーク
７８電気モータ

Claims

減圧可能なチャンバ内に処理ガスを流し込むとともに高周波電界を形成して前記処理ガスのプラズマを生成し、前記チャンバ内の所定位置にほぼ水平に配置された被処理基板に前記プラズマの下で所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記チャンバ内のプラズマ生成空間のうちの前記基板の外周端よりも半径方向外側の周辺プラズマ領域にそれぞれの磁極面を向けて、前記周辺プラズマ領域の上方に、第１のＮ極および第１のＳ極が所定の間隔を置いて交互に環状に配置されるとともに、第２のＮ極および第２のＳ極が前記第１のＮ極および前記第１のＳ極よりも半径方向内側にて所定の間隔を置いて交互に環状に配置され、
前記第１のＮ極、前記第１のＳ極、前記第２のＮ極および前記第２のＳ極によって、前記周辺プラズマ領域内に磁場が形成され、
前記第１のＮ極から出た磁力線の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして円周方向隣の前記第１のＳ極に達し、
前記第１のＮ極から出た磁力線の他の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして半径方向隣の前記第２のＳ極に達し、
前記第２のＮ極から出た磁力線の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして円周方向隣の前記第２のＳ極に達し、
前記第２のＮ極から出た磁力線の他の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして半径方向隣の前記第１のＳ極に達し、
前記チャンバ内のプラズマ生成空間のうち前記基板の外周端よりも半径方向内側の主プラズマ領域では実質的に無磁場状態とする、
プラズマ処理方法。
前記チャンバ内に上部電極と下部電極とを所望のギャップを隔てて平行に配置され、
前記上部電極と前記下部電極と前記チャンバの側壁とで囲まれる空間内に前記プラズマ生成空間が設定され、
前記下部電極の上に前記基板が載置され、前記上部電極と前記下部電極との間に前記処理ガスを供給されるとともに前記上部電極または前記下部電極に高周波が印加され、前記プラズマ生成空間内で前記処理ガスの高周波放電によるプラズマが生成される、
請求項１に記載のプラズマ処理方法。
前記第１のＮ極と前記第１のＳ極とを足し合わせた磁極数が、前記第２のＮ極と前記第２のＳ極とを足し合わせた磁極数に等しい、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法。
前記磁力線で互いに結ばれる前記第１のＮ極および前記第２のＳ極の各組は、前記チャンバの半径方向に並んで配置され、
前記磁力線で互いに結ばれる前記第２のＮ極および前記第１のＳ極の各組は、前記チャンバの半径方向に並んで配置される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
減圧可能なチャンバと、
前記チャンバ内で被処理基板をほぼ水平に載置する下部電極と、
前記下部電極の上方および周囲に設定されたプラズマ生成空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記プラズマ生成空間に高周波電界を形成する高周波電界形成機構と、
前記チャンバ内のプラズマ生成空間のうち前記基板の外周端よりも半径方向外側の周辺プラズマ領域内に磁場を形成する磁場形成機構と
を有し、
前記磁場形成機構が、第１のＮ極、第１のＳ極、第２のＮ極および第２のＳ極を複数備え、前記周辺プラズマ領域にそれぞれの磁極面を向けさせて、前記周辺プラズマ領域の上方に、第１のＮ極および第１のＳ極を所定の間隔を置いて交互に環状に配置するとともに、第２のＮ極および第２のＳ極を前記第１のＮ極および前記第１のＳ極よりも半径方向内側にて所定の間隔を置いて交互に環状に配置し、
前記第１のＮ極から出た磁力線の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして円周方向隣の前記第１のＳ極に達し、
前記第１のＮ極から出た磁力線の他の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして半径方向隣の前記第２のＳ極に達し、
前記第２のＮ極から出た磁力線の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして円周方向隣の前記第２のＳ極に達し、
前記第２のＮ極から出た磁力線の他の一部が前記周辺プラズマ領域に降りてからその中またはその下方でＵターンして半径方向隣の前記第１のＳ極に達し、
前記磁場形成機構が、前記チャンバ内のプラズマ生成空間のうち前記基板の外周端よりも半径方向内側の主プラズマ領域では実質的に無磁場状態とする、
プラズマ処理装置。
前記チャンバ内に前記下部電極と所望のギャップを隔てて平行に上部電極が配置され、前記上部電極と前記下部電極と前記チャンバの側壁とで囲まれる空間内に前記プラズマ生成空間が設定され、前記処理ガス供給部により前記上部電極と前記下部電極との間に前記処理ガスが供給されるとともに、前記高周波形成機構により前記上部電極または前記下部電極に高周波が印加され、前記プラズマ生成空間内で前記処理ガスの高周波放電によるプラズマが生成される、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
前記第１のＮ極と前記第１のＳ極とを足し合わせた磁極数が、前記第２のＮ極と前記第２のＳ極とを足し合わせた磁極数に等しい、請求項５または請求項６に記載のプラズマ処理装置。
前記磁力線で互いに結ばれる前記第１のＮ極および前記第２のＳ極の各組は、前記チャンバの半径方向に並んで配置され、
前記磁力線で互いに結ばれる前記第２のＮ極および前記第１のＳ極の各組は、前記チャンバの半径方向に並んで配置される、
請求項５〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記磁場形成機構が、前記上部電極の周囲で、前記チャンバの天井の壁の中に設けられる、請求項５〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記第１のＮ極、前記第１のＳ極、前記第２のＮ極および前記第２のＳ極がそれぞれ磁石で構成される、請求項５〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記周辺プラズマ領域側から見て各磁石の背面に接触または近接するヨークを設ける、請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
前記ヨークが、全ての前記磁石にまたがって連続的に延在する、請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
前記周辺プラズマ領域の上方で前記第１のＮ極、前記第１のＳ極、前記第２のＮ極および前記第２のＳ極の全部を一体に円周方向に回転運動させる磁極回転部を有する、請求項５〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。