JP4527431B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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て放電を安定に維持する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、前記チャンバ内で前記下部電極と所望のギャップを隔てて平行に設けられる上部電極と、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、前記上部電極または前記下部電極にプラズマ生成用の高周波を印加して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のみに、この領域内を磁力線が通過し、かつ前記磁力線の始点および終点の双方が前記チャンバの側壁よりも半径方向内側に位置するような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、前記第１および第２の磁極を共に下向きで前記周辺プラズマ領域の上方に配置しており、前記磁場において、前記始点の第１の磁極から出た前記磁力線が前記周辺プラズマ領域内に降りてからＵターンして前記終点の第２の磁極に達し、前記磁力線の始点および終点をそれぞれ与える第１および第２の磁極の双方が磁石であって、前記第１および第２の磁極の間では、半径方向外側に配置される方の磁気量が半径方向内側に配置される方の磁気量よりも大きく、前記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。

本発明の対象である平行平板型のプラズマ処理装置においては、チャンバ内に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、上部電極と下部電極とチャンバの側壁とで囲まれる空間内にプラズマ生成空間が設定され、高周波形成機構により上部電極または下部電極のいずれかにプラズマ生成用の高周波が印加され、処理ガス供給部により上部電極と下部電極との間に処理ガスが流し込まれる。
本発明では、上記のような平行平板型のプラズマ処理装置において、磁場形成機構が、プラズマ生成空間のうち周辺プラズマ領域のみに実質的な磁場を形成する。これにより、プラズマプロセッシングの際には、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て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、チャンバ内の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のみに、この領域内を磁力線が通過し、かつ磁力線の始点および終点の双方がチャンバの側壁よりも半径方向内側に位置するような磁場を形成する。ここで、磁場形成機構は、第１および第２の磁極を共に下向きで前記周辺プラズマ領域の上方に配置しており、上記磁場において、始点の第１の磁極から出た磁力線が周辺プラズマ領域内に降りてからＵターンして終点の第２の磁極に達する。このような磁極配置構造によれば、処理容器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、周辺プラズマ領域内に好適なプロファイル（つまり、主プラズマ領域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に近い位置で強い磁場が得られるようなプロファイル）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。
また、本発明は、上記のように磁力線の始点および終点をそれぞれ与える第１および第２の磁極を共に下向きで周辺プラズマ領域の上方に配置して周辺プラズマ領域内で磁力線をＵターンさせる磁力線ループ構造により、周辺プラズマ領域内の磁束密度を高められると同時に、主プラズマ領域側への磁力線の流入を効果的に防止することができる。そして、第１および第２の磁極の間では、半径方向外側に配置される方の磁気量が半径方向内側に配置される方の磁気量よりも大きいので、上記磁力線ループ構造の作用効果を一層高めることができる。

また、本発明では、磁場形成機構により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（プラズマの拡散方向に直交する磁場）を形成する。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。

本発明の好適な一態様によれば、第１の磁極と第２の磁極とはチャンバの半径方向に所望の間隔を置いて配置される。また、第１および第２の磁極のうち、一方がＮ極で、他方がＳ極であり、両磁極がチャンバの天井の壁の中に設けられる。始点の第１の磁極から出た磁力線の一部は、周辺プラズマ領域内に降りて、基板よりも低い高さ位置でＵターンして終点の第２の磁極に達する。そして、周辺プラズマ領域内に、チャンバの半径方向において、基板の外周端とチャンバの側壁との中間の或る位置で最大かつ極大となるような磁場強度分布が得られる。

別の好適な一態様においては、円周方向における磁場強度分布を均一化するために第１および第２の磁極を一体に円周方向に回転させる。

本発明の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て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に限定して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では実質的に無磁場状態を形成する。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程度でも支障ない（実質的な無磁場状態といえる）場合がある。

図２および図３に磁場形成機構６６の構成と作用を示す。図２に示すように、磁場形成機構６６は、チャンバ半径方向に一定の間隔を置いて並置された一対のセグメント磁石Ｍ_i，ｍ_iで１組の磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］を構成し、好ましくはＮ組（Ｎは２以上の整数）の磁場形成ユニット［Ｍ₁，ｍ₁］，［Ｍ₂，ｍ₂］，‥‥，［Ｍ_N，ｍ_N］を円周方向に一定の間隔を置いて並べている。

各磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］において、半径方向外側のセグメント磁石Ｍ_iは、直方体の形状を有し、Ｎ極の面を下方に向けて配置される。一方、半径方向内側のセグメント磁石ｍ_iは、直方体の形状を有し、Ｓ極の面を下方に向けて配置される。両セグメント磁石Ｍ_i，ｍ_iは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）で構成されてよい。

このような磁極配置構造によれば、外側セグメント磁石Ｍ_iの下面（Ｎ極）から出た磁力線Ｂ_iは、直下の周辺プラズマ領域ＰＳ_B内に降りてから放物線を描くように上方へＵターンして内側セグメント磁石ｍ_iの下面（Ｓ極）に達する。隣の磁場形成ユニット［Ｍ_i+1，ｍ_i+1］においても、上記磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］から円周方向に所定の角度間隔（たとえばＮ＝２４の場合は１５゜）だけ離れた位置で、上記と同様のループを有する磁力線Ｂ_i+1が形成される。

図３に示すように、各磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］の上には、外側セグメント磁石Ｍ_iの背面または上面（Ｓ極）と内側セグメント磁石ｍ_iの背面または上面（Ｎ極）とを磁気的に結合するためのヨーク７０が設けられている。この背面ヨーク構造により、内側セグメント磁石ｍ_iの背面（Ｎ極）から出た磁力線Ｂ_iの大部分はヨーク７０の中を通って外側セグメント磁石Ｍ_iの背面（Ｓ極）に達するようになっている。ヨーク７０は、全ての磁場形成ユニット［Ｍ₁，ｍ₁］，［Ｍ₂，ｍ₂］，‥‥，［Ｍ_N，ｍ_N］をカバーするようにリング状に形成されてよい。

このように、各磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］において、外側セグメント磁石Ｍ_iの下面（Ｎ極）より出た磁力線Ｂ_iが、直下の周辺プラズマ領域ＰＳ_B内に降りてから四方に発散することなく上方へＵターンして内側セグメント磁石ｍ_iの下面（Ｓ極）に達する点が重要である。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_iと内側セグメント磁石ｍ_iとの間では、相対的に、基板Ｇから遠い前者Ｍ_iの磁気量（磁極強度）を大きくし、基板Ｇに近い後者ｍ_iの磁気量（磁極強度）を小さくするのが好ましい。

また、この実施形態においては、磁場形成機構６６の各部（特に各磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］）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ユニット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。

図４Ａおよび図４Ｂ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に設定し、電極間隔（ギャップ）を２５ｍｍに設定している。図４Ａ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４Ｂ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。図中、実線は上記のような磁場形成機構６６で得られる特性（実施例）を示し、点線は磁場形成機構６６において各内側セグメント磁石ｍ_iを省いた場合の特性（参考例）を示す。

図４Ａおよび図４Ｂから明らかなように、参考例では、外側セグメント磁石Ｍ_iの下面（Ｎ極）より出た磁力線Ｂ_iが四方に発散しやすいため、磁場は周辺プラズマ領域ＰＳ_B内に留まらず、主プラズマ領域ＰＳ_Aにも及んでいる。これに対して、実施例では、上記のように外側セグメント磁石Ｍ_iの下面（Ｎ極）より出た磁力線Ｂ_iが四方に発散せずにＵターンして内側セグメント磁石ｍ_iに吸収されるため、磁場は周辺プラズマ領域ＰＳ_B内に留まり、主プラズマ生成領域ＰＳ_Aには殆ど及ばない。実際、実施例の磁場形成機構６６によれば、主プラズマ領域ＰＳ_Aで磁場強度を地磁気レベル（たとえば０．５Ｇ）以下まで減衰させることが可能である。また、周辺プラズマ領域ＰＳ_B内ではピーク値で４０Ｇ〜４５０Ｇ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を得ることができる。

なお、図４Ａおよび図４Ｂ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４Ａ、図４Ｂ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。

このように、各磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］において、外側セグメント磁石Ｍ_iの下面（Ｎ極）より出た磁力線Ｂ_iが、直下の周辺プラズマ領域ＰＳ_B内に降りてから四方に発散することなく上方へＵターンして内側セグメント磁石ｍ_iの下面（Ｓ極）に達する点が重要である。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_iと内側セグメント磁石ｍ_iとの間では、相対的に、基板Ｇから遠い前者Ｍ_iの磁気量（磁極強度）を大きくし、基板Ｇに近い後者ｍ_iの磁気量（磁極強度）を小さくするのが好ましい。

本発明の別の観点として、この実施形態では、上記のように、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５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内でプラズマＰＲの高密度化および均一化をはかり、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５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５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６および図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、磁場形成ユニット［Ｍ₁，ｍ₁］，［Ｍ₂，ｍ₂］，‥‥，［Ｍ_N，ｍ_N］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を介して磁場形成ユニット［Ｍ₁，ｍ₁］，［Ｍ₂，ｍ₂］，‥‥，［Ｍ_N，ｍ_N］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、磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］の数が少なくても，磁場強度分布を円周方向で均一化することができる。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。

図８および図９に、磁場形成機構６６の別の実施例を示す。この実施例は、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の周囲のチャンバ天井部）に１つまたは複数の磁石＜Ｍ_i＞を配置するとともに、周辺プラズマ領域ＰＳ_Bの下方たとえば排気路２０ないしバッフル板２２付近に磁性体Ｋを配置する。図８の構成例では磁性体Ｋを排気路２０内の筒状支持部１６に取り付け、図９の構成例では磁性体Ｋを排気路２０内のチャンバ側壁部に取り付けている。磁石＜Ｍ_i＞は、たとえば図２〜図７の外側セグメント磁石Ｍ_iに相当するものでよく、たとえばＮ極の面を下方に向けて配置される。磁性体Ｋは、複数のセグメント磁性体を円周方向に一定間隔を置いて配置したものでもよく、あるいは単体のリング状磁性体からなるものでもよく、材質は金属系、フェライト系、セラミック系等のいずれであってもよい。

このような磁極配置構造によれば、磁石＜Ｍ_i＞の下面（Ｎ極）から出た磁力線Ｂ_iは、直下の周辺プラズマ領域ＰＳ_Bを上から下に横切って磁性体Ｋに達する。磁性体Ｋは磁力線Ｂ_iを受け取ることで磁化し、その表面がＳ極となる。図８および図９の構成例では、磁石＜Ｍ_i＞からの磁力線Ｂ_iを可及的に磁性体Ｋに向けるために磁石＜Ｍ_i＞の背面（上面）および側面を包囲するヨーク８０を設けている。特に、主プラズマ領域ＰＳ_A寄りのサイドヨーク部８０ａは、磁石＜Ｍ_i＞の下面（Ｎ極）から主プラズマ領域ＰＳ_A側に出た磁力線を取り込んで磁石＜Ｍ_i＞の上面または背面（Ｓ極）へ帰還させ、主プラズマ領域ＰＳ_Aへ行かないようにする働きがある。

図８および図９の実施例において、磁石＜Ｍ_i＞の上下の極性を反転させて下面をＳ極とする変形や、磁石＜Ｍ_i＞と磁性体Ｋのそれぞれの配置位置を相互に入れ換える変形等が可能である。また、磁石＜Ｍ_i＞の個数増加や体積増大ひいては装置の大型化を伴なうが、図１０に示すように磁石＜Ｍ_i＞をチャンバ１０の側壁の外に配置する構成も可能である。あるいは、磁石＜Ｍ_i＞をチャンバ１０の側壁の内側に配置して、磁性体Ｋをチャンバ側壁の外に配置する構成も可能である。

図１〜図７の実施例でも種々の変形が可能である。たとえば、各磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］において、外側セグメント磁石Ｍ_iの上下の極性および内側セグメント磁石ｍ_iの上下の極性をそれぞれ反転させて、外側セグメント磁石Ｍ_iの下面をＳ極とし、内側セグメント磁石ｍ_iの下面をＮ極とする構成も可能である。また、片側のセグメント磁石（通常は内側セグメント磁石ｍ_i）を磁性体で代用することも可能である。また、磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］を周辺プラズマ領域ＰＳ_Bの下方に配置する構成、たとえば片方（Ｍ_i）をサセプタ１２側に取り付けて他の片方（ｍ_i）をチャンバ１０の側壁に取り付ける構成等も可能である。さらには、磁石の個数増加や体積増大ひいては装置の大型化を伴なうが、図１１に示すように外側セグメント磁石Ｍ_iをチャンバ１０の側壁の外に配置する構成も可能である。また、各磁場形成ユニット［Ｍ_i，ｍ_i］において、両磁石Ｍ_i，ｍ_iを半径方向以外の方向に並べて配置する構成も可能である。

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。

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平行平板型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。 図６の変形例の要部を示す平面図である。 一実施例による磁場形成機構の要部の構成を示す断面図である。 一実施例による磁場形成機構の要部の構成を示す断面図である。 一変形例による磁場形成機構の要部の構成を示す断面図である。 一変形例による磁場形成機構の要部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
７０ ヨーク
７８ 電気モータ
８０ ヨーク
Ｍ_i 外側セグメント磁石
ｍ_i 外側セグメント磁石
＜Ｍ_i＞ 磁石
Ｋ 磁性体

Claims (10)

1. 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、
   前記チャンバ内で前記下部電極と所望のギャップを隔てて平行に設けられる上部電極と、
   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、
   前記上部電極または前記下部電極にプラズマ生成用の高周波を印加して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のみに、この領域内を磁力線が通過し、かつ前記磁力線の始点および終点の双方が前記チャンバの側壁よりも半径方向内側に位置するような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、前記第１および第２の磁極を共に下向きで前記周辺プラズマ領域の上方に配置しており、
   前記磁場において、前記始点の第１の磁極から出た前記磁力線が前記周辺プラズマ領域内に降りてからＵターンして前記終点の第２の磁極に達し、
   前記磁力線の始点および終点をそれぞれ与える第１および第２の磁極の双方が磁石であって、前記第１および第２の磁極の間では、半径方向外側に配置される方の磁気量が半径方向内側に配置される方の磁気量よりも大きく、
   前記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。
2. 前記第１および第２の磁極のうち、一方がＮ極で、他方がＳ極である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１および第２の磁極が前記チャンバの天井の壁の中に設けられている、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記磁場において、前記始点の第１の磁極から出た前記磁力線の一部が、前記周辺プラズマ領域内に降りて、前記基板よりも低い高さ位置でＵターンして前記終点の第２の磁極に達する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記周辺プラズマ領域内の磁場の強度は、前記チャンバの半径方向において、前記基板の外周端と前記チャンバの側壁との中間の或る位置で最大かつ極大となる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第１の磁極と前記第２の磁極とを前記チャンバの半径方向に所望の間隔を置いて並置する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記第１および第２の磁極がそれぞれ円周方向に所定の間隔を置いて多数配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記第１および第２の磁極を一体に円周方向に回転させる磁極回転部を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記周辺プラズマ領域側から見て前記磁石の背面に接触または近接してヨークを設ける、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記主プラズマ領域寄りの前記磁石の側面に接触または近接してヨークを設ける、請求項９に記載のプラズマ処理装置。

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