JP6204869B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、容量結合型のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
半導体デバイスの製造プロセスでは、処理ガスのプラズマを被処理基板たとえば半導体ウエハに作用させて、被処理基板にエッチング等の処理を施すプラズマ処理装置が用いられている。従来より、枚葉式のプラズマエッチングには容量結合型のプラズマエッチング装置が多く用いられている。
一般に、容量結合型のプラズマエッチング装置は、真空チャンバとして構成される処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に半導体ウエハを載置して、両電極間に高周波電力を印加する。そうすると、両電極の間で処理ガスの高周波放電によるプラズマが発生し、プラズマ中のラジカルやイオンによって基板表面に所望のパターンでエッチング加工が施される。
従来より、容量結合型のプラズマエッチング装置では、主に処理容器内のプラズマ密度分布を制御するために、処理容器内の処理空間を所定のルートで貫くような閉ループの磁力線または磁界を形成する磁界形成機構が用いられている。
たとえば、特許文献１には、処理容器の側壁の周囲（外）に異方性セグメント柱磁石からなる多数のダイポールリング磁石を環状に一定間隔で配置して、処理容器内の処理空間に一様な水平磁界を形成する磁界形成機構が開示されている。特許文献２には、水平方向に被処理基板の口径サイズよりも十分に離したＮ極とＳ極とを有する回転磁石を処理容器の天井の上に配置し、処理容器の中心軸を回転中心にして該回転磁石を回転させて処理容器内の処理空間に一様な水平磁界を形成する磁界形成機構が開示されている。また、特許文献３には、Ｎ極とＳ極とを鉛直方向に立てる多数の電磁石を処理容器の天井の上に放射状に配置し、処理容器内の処理空間に放射状の磁界を形成する磁界形成機構が開示されている。
特許第３３７５３０２号 特許第３０３７８４８号 特許第４１０７５１８号
ところで、半導体デバイスの製造工程においては、容量結合型のプラズマエッチング装置を用いて半導体ウエハ上に高アスペクト比でエッチング加工を施す場合に、特に高アスペクト比のコンタクトホールを形成する場合に、ウエハ面内の一部の領域（たとえばウエハ周辺部領域）でコンタクトホールが傾く現象（チルティング）が発生することがあり、これが歩留まり低下の原因になっている。
このようなチルティングが発生する要因の一つには、被処理基板の上でイオンシースとバルクプラズマとの界面に凹凸が生じ、この凹部と凸部との境目付近で上記界面に傾斜部分が生じることにある。つまり、イオンシースとバルクプラズマとの界面が傾斜していると、その付近でウエハに入射するイオンの角度（入射角）が垂直にならずに斜めに傾いて、エッチングホールまたはエッチング溝に傾きが生じる所謂チルティング（Tilting）が生じることになる。
特に、プラズマ処理装置の処理容器内では、被処理基板の外周縁部と、それよりも半径方向外側の部分とでは、その構造や材質が異なるため、上方に形成されるイオンシースの厚さに段差や変化が生じやすく、それによってイオンシースとバルクプラズマとの界面に凹凸が生じやすい。
また、或る型式の容量結合型プラズマエッチング装置において、処理空間のプラズマ密度ひいてはウエハ面内のエッチングレートがウエハ周辺部よりもウエハ中心部で相対的に高くなる傾向がある場合は、上部電極と下部電極との間の電極間ギャップがウエハ中心部よりもウエハ周辺部で狭くなるように、上部電極の周辺部（ウエハエッジの直上ないしそれよりも半径方向外側の部分）にテーパ状の傾斜部または段差状の突出部を設ける構成が採られている。しかしながら、このような電極面の勾配によって、電極表面に形成されるイオンシースにも半径方向に傾斜が生じる。さらには、電極間ギャップが不均一に存在していることも、イオンシースの厚さに影響を与える。たとえば、ウエハ中心部の上に形成されるイオンシースの厚さが、ウエハ周辺部の上に形成されるイオンシースの厚さと異なる場合には、半導体ウエハの或る領域たとえば中間部領域ではイオンが斜めに入射する割合が高くなり、チルティングが発生しやすくなる。
従来の容量結合型プラズマエッチング装置は、上記特許文献１，２，３に記載のような磁界形成機構を備えても、このようなチルティングを効果的に抑制することはできない。
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するとともに、従来に比べて生産効率の向上と生産コストの低減を図ることができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板に処理ガスのプラズマを作用させて処理を施すプラズマ処理装置であって、前記被処理基板を出し入れ可能に収容する処理容器と、前記処理容器内に配設され、前記被処理基板が載置される下部電極と、前記処理容器内に配設され、プラズマ生成空間を介して前記下部電極と対向する上部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に高周波電力を印加する高周波電源と、前記処理容器の上部または上方で前記下部電極の中心を上下方向に通過する中心軸線を中心とする１つまたは複数の環状コイルを有する電磁石と、前記電磁石の各環状コイルに励起電流を供給する電磁石励起回路と、前記被処理基板の上に形成されるイオンシースとバルクプラズマとの界面の勾配を制御するために、前記電磁石励起回路を通じて前記電磁石のいずれかの環状コイルを選択的に通電してその周囲に磁界を発生させる制御部とを有し、前記上部電極と前記下部電極との間の電極間ギャップが、前記下部電極の中心を通る鉛直の中心軸線に対して軸対称のプロファイルを有し、半径方向において前記中心軸線から前記下部電極上に載置される前記被処理基板のエッジの位置に対応する第１の位置まで延びる第１の領域では均一なギャップ幅を有し、前記第１の位置からそれより半径方向外側の第２の位置まで延びる第２の領域ではテーパ状に狭まるギャップ幅を有し、前記電磁石の環状コイルの１つが、前記第１の位置と上下方向で重なっており、前記被処理基板の周辺部の上でイオンシースとバルクプラズマとの界面の勾配を平坦化するために、前記第１の位置と上下方向で重なっている環状コイルを選択的に通電させる。
上記構成のプラズマ処理装置においては、電極間ギャップが被処理基板のエッジ位置から半径方向外側に向かってテーパ状に狭くなることにより、上部電極の傾斜部の直下でプラズマ密度が相対的に高くなるため、基板の周辺部の上ではイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩下がりに傾いて、その周辺部領域にイオンが外側から斜めに入射する割合が高くなり、たとえばプラズマエッチングの場合はチルティング角度が負の値になるようなチルティングが発生しやすい。しかし、他方で、上記の構成においては、電磁石のいずれかのコイルを励起（通電）すると、処理容器内ではその通電したコイルより半径方向内側にオフセットした領域でプラズマ密度が高くなり、プラズマ生成空間の当該コイルの直下の領域でプラズマ密度が低くなるような磁気効果が奏される。そして、電磁石の環状コイルの１つが、被処理基板のエッジと上下方向に重なっている。これにより、この環状コイルを選択的に通電させることにより、基板の周辺部領域の上でイオンシースとバルクプラズマとの界面を平坦化し、それによって基板の表面にイオンを垂直に入射させ、上記のようなチルティングを抑制することができる。
本発明のプラズマ処理方法は、本発明の上記プラズマ処理装置を用いて被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記電磁石のいずれかの環状コイルを選択的に通電してその周囲に磁界を発生させることにより、前記被処理基板の上および前記フォーカスリングの上に形成されるイオンシースとバルクプラズマとの界面の勾配を制御することを特徴とする。
本発明のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法によれば、上記のような構成および作用により、いわゆるチルティング現象を効果的に抑制することが可能であり、生産効率の向上と生産コストの低減を図ることができる。
本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図である。 図１のプラズマエッチング装置の要部の概略構成を模式的に示す図である。 電磁石によって形成される磁界の例を示す図である。 チルティングの発生状態を説明するための図である。 コイル３６を通電させた場合に得られたウエハ上のエッチングレート分布特性およびウエハ上のチルティング角度分布特性の測定結果を示すグラフ図である。 コイル３８を通電させた場合に得られたウエハ上のエッチングレート分布特性およびウエハ上のチルティング角度分布特性の測定結果を示すグラフ図である。 コイル４０を通電させた場合に得られたウエハ上のエッチングレート分布特性およびウエハ上のチルティング角度分布特性の測定結果を示すグラフ図である。 コイル４２を通電させた場合に得られたウエハ上のエッチングレート分布特性およびウエハ上のチルティング角度分布特性の測定結果を示すグラフ図である。 一変形例におけるプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図である。 別の変形例におけるプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図である。 別の変形例におけるプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図である。 別の変形例におけるプラズマエッチング装置の要部の構成を模式的に示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１に、一実施形態におけるプラズマ処理装置の概略断面構成を模式的に示す。このプラズマ処理装置１０は、容量結合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３００ｍｍ口径の半導体ウエハＷを出し入れ可能に収容する密閉可能な円筒状のチャンバ（処理容器）１２を有している。
チャンバ１２内の中央下部には、処理対象の半導体ウエハＷを載置する円板形状の載置台１４が配設されている。この載置台１４は、基台１４ａおよび静電チャック１４ｂを含んでいる。基台１４ａは、アルミニウム等の導電性の部材で構成されている。
基台１４ａの上面の周縁の領域には、半導体ウエハＷの周囲を囲むように、環状のフォーカスリング１６が設けられている。また、基台１４ａの上面の中央の領域には、円板形状の静電チャック１４ｂが設けられている。静電チャック１４ｂは、電極膜を封入した絶縁膜を有している。この電極膜には直流電源（図示せず）より直流電圧が供給され、それによって静電チャック１４ｂの発生する静電力により半導体ウエハＷを吸着して保持するようになっている。
静電チャック１４ｂの上に半導体ウエハＷが載置された状態では、半導体ウエハＷの中心を上下方向に通過する中心軸線Ｚは、基台１４ａおよび静電チャック１４ｂの中心軸線に略一致する。
基台１４ａは、下部電極を構成している。この基台１４ａには、プラズマ生成用の高周波電力を発生する第１の高周波電源１８が、第１の整合器２０を介して電気的に接続されている。第１の高周波電源１８は、たとえば、周波数１００ＭＨｚの高周波電力を発生する。第１の整合器２０は、高周波電源１８の出力インピーダンスと基台（下部電極）１４ａ側の負荷インピーダンスとを整合させるための整合回路を有している。
この実施形態において、第１の高周波電源１８は、処理ガスの高周波放電に適した所望の周波数（たとえば５０ｋＨｚ）および所望のデューティ比（たとえば２０％）でプラズマ生成用の高周波電力をパルス状に出力できるようになっている。このように、パルス周波数の１サイクル内にプラズマ生成期間とプラズマ非生成期間とを設けることにより、半導体ウエハＷ上の特定の部位に電荷の蓄積が生じることを軽減できるようになっている。すなわち、プラズマ生成期間中にプラズマ中の電子密度の不均一さによって半導体ウエハＷ上の電子密度の高い特定の部位に電荷の蓄積が生じても、そのような電荷をプラズマ非生成期間中に周囲へ分散させて、電荷の蓄積を解消することができる。これによって、ウエハ表面で絶縁膜の破壊等が生じるのを防止することができる。
また、基台１４ａには、イオン引き込み用の高周波バイアス電力を発生する第２の高周波電源２２が、第２の整合器２４を介して電気的に接続されている。第２の高周波電源２２は、載置台１４上の半導体ウエハＷに入射するイオンのエネルギーを制御するのに適した周波数（たとえば３．２ＭＨｚ）の高周波電力を発生する。第２の整合器２４は、高周波電源２２の出力インピーダンスと下部電極側の負荷インピーダンスとを整合させるための整合回路を有している。
載置台（下部電極）１４の上方には、処理空間Ｓを介して載置台１４と対向するように、上部電極２６が配設されている。上部電極２６は、チャンバ１２の天板を構成しており、処理空間Ｓをその上方から画成している。上部電極２６は、その中心軸線が、載置台１４の中心軸線Ｚと略一致するように配置されている。
上部電極２６は、所定の処理ガスを処理空間Ｓ内にシャワー状に導入するシャワーヘッドの機能を兼ねている。この実施形態においては、上部電極２６には、バッファ室２６ａ、内部ガスライン２６ｂおよび複数のガス孔２６ｃが形成されている。バッファ室２６ａには、内部ガスライン２６ｂおよび外部ガスライン２８を介して処理ガス供給部３０が接続されている。上部電極２６のガス孔２６ｃはバッファ室２６ａから下方に延びて、処理空間Ｓに向けて開口している。一方、チャンバ１２の底部には、図示しないＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）およびＤＰ（Dry Pump）等の排気機構が接続されており、チャンバ１２内の処理空間Ｓを所定圧力の減圧雰囲気に維持できるようになっている。
上部電極２６の上部には、電磁石３２が配設されている。電磁石３２は、コア部材３４およびコイル３６，３８，４０，４２を有している。コア部材３４は、柱状部４４、複数の円筒部４６，４８，５０，５２およびベース部またはバックプレート部５４が一体形成された構造を有しており、軟磁性体から構成されている。バックプレート部５４は、水平に延びて略円板形状を有しており、その中心軸線は中心軸線Ｚに沿うように設けられている。柱状部４４および円筒部４６，４８，５０，５２は同心状に設けられ、バックプレート部５４の下面から下方に突出するように延びている。柱状部４４は、略円柱形状を有しており、その中心軸線が中心軸線Ｚに沿うように設けられている。この柱状部４４の半径Ｌ１（図２参照）は、たとえば３０ｍｍである。
円筒部４６，４８，５０，５２の各々は、中心軸線Ｚと平行に延びる円筒形状を有している。図２に示すように、円筒部４６，４８，５０，５２は、中心軸線Ｚを中心とする複数の同心円Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５に沿ってそれぞれ設けられている。より詳細には、円筒部４６は、半径Ｌ１よりも大きい半径Ｌ２の同心円Ｃ２に沿って配設されている。円筒部４８は、半径Ｌ２よりも大きい半径Ｌ３の同心円Ｃ３に沿って配設されている。円筒部５０は、半径Ｌ３よりも大きい半径Ｌ４の同心円Ｃ４に沿って配設されている。円筒部５２は、半径Ｌ４よりも大きい半径Ｌ５の同心円Ｃ５に沿って配設されている。
一例においては、半径Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は、それぞれ７６ｍｍ、１２７ｍｍ、１７８ｍｍ、２２９ｍｍである。また、コイル３６，３８，４０，４２の中心の位置は、それぞれ中心軸線Ｚから略５０ｍｍ，１００ｍｍ，１５０ｍｍ，２００ｍｍとなっている。
コア部材３４において、柱状部４４と最内周の円筒部４６との間には、下面の開いた環状の溝が形成されている。図１に示すように、この溝には、柱状部４４の外周面に沿って巻回されたコイル３６が収容されている。これにより、コイル３６の下面が露出し、コイル３６の内側面、外側面および上面がコア部材３４の柱状部４４、円筒部４６およびバックプレート部５４によって覆われている。
円筒部４６とその外隣の円筒部４８との間にも下面の開いた環状の溝が形成されている。この溝には、円筒部４６の外周面に沿って巻回されたコイル３８が収容されている。これにより、コイル３８の下面が露出し、コイル３８の内側面、外側面および上面がコア部材３４の円筒部４６，４８およびバックプレート部５４によって覆われている。
円筒部４８とその外隣の円筒部５０との間にも下面の開いた環状の溝が形成されており、この溝には円筒部４８の外周面に沿って巻回されたコイル４０が収容されている。これにより、コイル４０の下面が露出し、コイル４０の内側面、外側面および上面がコア部材３４の円筒部４８，５０およびバックプレート部５４によって覆われている。
また、円筒部５０とその外隣（最外周）の円筒部５２との間にも下面の開いた環状の溝が形成されており、この溝には円筒部５０の外周面に沿って巻回されたコイル４２が収容されている。これにより、コイル４２の下面が露出し、コイル４２の内側面、外側面および上面がコア部材３４の円筒部５０，５２およびバックプレート部５４によって覆われている。
上記したとおり、電磁石３２において、半径Ｌ４，Ｌ５は半導体ウエハＷの半径１５０ｍｍよりも大きい。したがって、図１に示すように、最外周のコイル４２は、半導体ウエハＷの外周エッジよりも径方向外側に位置し、少なくともその一部がフォーカスリング１６の上方に位置するよう配設されている。また、最内周のコイル３６は、半導体ウエハＷの中心部の上方に位置するように配設されている。また、中心軸線Ｚから見て２番目のコイル３８は、半径方向において半導体ウエハＷの中間部と周辺部とに跨るように配設されている。そして、中心軸線Ｚから見て３番目のコイル４０は、半径方向において半導体ウエハＷの周辺部と外側とに跨るように配設されている。
コイル３６，３８，４０，４２の各々の両端は、電磁石励起回路５６に電気的に接続されている。電磁石励起回路５６は、後述する制御部６０の制御の下でコイル３６，３８，４０，４２のいずれか１つを択一的に任意の励起電流で通電させることができるだけでなく、任意の組み合わせで複数のコイルを同時に共通または個別の任意の励起電流で通電させることができる。
上記構成の電磁石３２によれば、コイル３６，３８，４０，４２のうち１つ以上のコイルに電流を供給することにより、中心軸線Ｚに対して径方向に沿った水平磁界成分ＢHを有する磁界Ｂを処理空間Ｓにおいて形成することができる。図３に、電磁石３２によって形成される磁界の例を示す。
図３の（ａ）には、中心軸線Ｚに対して半平面内における電磁石３２の断面および中心軸線Ｚから２番目のコイル３８に電流が供給されたときの磁界Ｂが示されている。図３の（ｂ）には、コイル３８に電流が供給されたときの水平磁界成分ＢHの強度分布が示されている。
また、図３の（ｃ）には、中心軸線Ｚに対して半平面内における電磁石３２の断面および最外周のコイル５４に励起電流が供給されたときの磁界Ｂが示されている。図３の（ｄ）には、コイル５４に電流が供給されたときの水平磁界成分ＢHの強度分布が示されている。図３の（ｂ）および（ｄ）に示すグラフにおいては、横軸は中心軸線Ｚの位置を０ｍｍとしたときの径方向の位置を示しており、縦軸は水平磁界成分ＢHの強度（磁束密度）を示している。
電磁石３２のコイル３８に電流を供給すると、図３の（ａ）に示すような磁界Ｂが形成される。すなわち、柱状部４４および円筒部４６の下端から出て下方の処理空間Ｓを経由して円筒部４８，５０，５２の下端に入るような磁力線ループを有する磁界Ｂが形成される。この磁界Ｂの磁力線ループは、ヨーク部材３４の中では、円筒部４８，５０，５２の下端よりバックプレート部５４を回って柱状部４４および円筒部４６に戻る。
このような磁界Ｂの水平磁界成分ＢHの径方向の強度分布は、図３の（ｂ）に示すように、コイル３８のコイル導体の中心部の下方においてピークを有する強度分布となる。一例においては、コイル３８のコイル導体の中心の位置は、軸線Ｚから約１００ｍｍの位置であり、直径３００ｍｍのウエハＷが処理される場合には、径方向においてウエハＷの中心とエッジの中間位置である。
また、電磁石３２のコイル４２に電流を供給すると、図３の（ｃ）に示すような磁界Ｂが形成される。すなわち、柱状部４４および円筒部４６，４８，５０の下端から出て下方の処理空間Ｓを経由して最外周の円筒部５２の下端に入るような磁力線ループを有する磁界Ｂが形成される。この磁界Ｂの磁力線ループは、ヨーク部材３４の中では、円筒部５２の下端よりバックプレート部５４を回って柱状部４４および円筒部４６，４８，５０に戻る。
このような磁界Ｂの水平磁界成分ＢHの径方向の強度分布は、図３の（ｄ）に示すように、コイル４２のコイル導体の中心部の下方においてピークを有する強度分布となる。一例においては、コイル４２の中心の位置は、軸線Ｚから約２００ｍｍの位置であり、直径３００ｍｍ（半径１５０ｍｍ）のウエハＷが処理される場合には、径方向においてウエハＷのエッジの外側、つまりフォーカスリング２６の位置である。
このプラズマエッチング装置１０において、制御部６０は、１つまたは複数のマイクロコンピュータを含み、外部メモリまたは内部メモリに格納されるソフトウェア（プログラム）およびレシピ情報にしたがって、装置内の各部、特に高周波電源１８，２２、整合器２０，２４、処理ガス供給部３０、電磁石励起回路５６、排気装置等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）を制御する。
また、制御部６０は、キーボード等の入力装置や液晶ディスプレイ等の表示装置を含むマン・マシン・インタフェース用の操作パネル（図示せず）および各種プログラムやレシピ、設定値等の各種データを格納または蓄積する外部記憶装置（図示せず）等とも接続されている。この実施形態では、制御部６０が１つの制御ユニットとして示されているが、複数の制御ユニットが制御部６０の機能を並列的または階層的に分担する形態を採ってもよい。
このプラズマエッチング装置１０において、載置台１４上の半導体ウエハＷにエッチング加工を施すときは、処理ガス供給部３０よりシャワーヘッド（上部電極）２６を介してチャンバ１２内の処理空間Ｓに処理ガスつまりエッチングガスを供給し、第１の高周波電源１８からの高周波電力を載置台（下部電極）１４に与えて、上部電極２６と載置台１４との間に高周波電界を発生させる。これにより、処理空間Ｓにおいて処理ガスの高周波放電によるプラズマが生成される。そして、処理ガスを構成する分子または原子がプラズマ中で解離ないし電離して生成されたラジカルおよびイオンにより、半導体ウエハＷの表面の被処理膜にエッチングマスクで規定される所定パターンのエッチング加工を施すことができる。また、第２の高周波電源２０から下部電極としての載置台１４に与える高周波バイアスの電力を調整することにより、半導体ウエハＷに入射するイオンのエネルギーを制御することができる。
しかしながら、半導体ウエハＷ上に高アスペクト比でエッチング加工を施す場合には、特に高アスペクト比のコンタクトホールを形成する場合には、ウエハ面内の一部の領域でコンタクトホールが傾く現象（チルティング）が発生することがある。
図４に、半導体ウエハＷにプラズマエッチングによりホールやライン形状を形成した場合の径方向に沿った断面の拡大図の例を模式的に示す。なお、図４において、左側が半導体ウエハＷの中心方向、右側がフォーカスリング（半導体ウエハＷの周縁部）の方向となっている。
図４に示すように、プラズマエッチングによりホールや溝を形成した場合、イオンが半導体ウエハＷに対して斜めに入射し、エッチング状態に半導体ウエハＷに対して傾きが生じると、形成されたホールや溝の上端部における空間の中心の位置（上端部空間中心）と、底部における空間の中心の位置（底部空間中心）とに径方向にずれが生じ、これらを結んだ線Ａ１が、上端部空間中心から下した垂線Ａ２に対して傾いた状態となる。
このような状態が、チルティングが発生した状態であり、この線Ａ１と垂線Ａ２とのなす角度（以下、「チルティング角度」という。）を測定することによって、チルティングの発生状態を定量的に評価することができる。このようなチルティングは、微細化の進展やたとえば３次元ＮＡＮＤにおける多層化の進展において大きな課題となっている。
ここで、この実施形態のプラズマエッチング装置を用いて、半導体ウエハＷ表面の絶縁膜にチルティングを実質的に発生せずに高アスペクト比のホールを形成するプラズマエッチングのアプリケーションにおいて、電磁石３２のコイル３６，３８，４０，４２の中の１つを選択的に通電させた場合の作用を説明する。なお、この実験における主なエッチング条件は、次のとおりである。
チャンバ内圧力：５．３２Ｐａ（４０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ4Ｆ8／Ｃ4Ｆ6／Ａｒ／Ｏ2＝３５／１０／４００／２０ｓｃｃｍ
第１の高周波：周波数１００ＭＨｚ、電力３００Ｗ、パルス周期５０ｋＨｚ、デューティー比２０％
第２の高周波：周波数３．２ＭＨｚＭＨｚ、電力１００００Ｗ
処理時間：６０秒
図５に、最内周のコイル３６に電流を流して１５Ｇの磁界を形成した場合に得られたウエハ上のエッチングレート分布特性およびチルティング角度分布特性の測定結果をそれぞれ示す。
図５に示すように、エッチングレート分布特性は、コイル３６より半径方向内側にオフセットした中心部の領域（約０〜２０ｍｍ）で高く盛り上がり、コイル３６の直下の領域（約３０〜７０ｍｍ）ではウエハ中心側からウエハエッジ側にかけて落ち込む傾向を示した。
このエッチングレート分布特性から、コイル３６を励起（通電）すると、処理空間Ｓ内のプラズマ密度は、中心部の領域（約０〜２０ｍｍ）で相対的に高く、コイル３６の直下の領域（約３０〜７０ｍｍ）で相対的に低いことがわかる。一般に、処理空間Ｓ内の或る場所に磁場が存在していると、その付近では、電子がローレンツ力を受けてドリフト運動することにより、処理ガスの分子や原子との電離衝突を多く繰り返す結果、プラズマ密度が高くなる。検証の結果、プラズマ密度を左右する磁場の作用が、コイル３６より半径方向内側にオフセットした中心部の領域（約０〜２０ｍｍ）でポジティブに働き、コイル３６の直下の領域（約３０〜７０ｍｍ）ではネガティブに働いていることがわかった。
また、チルティング角度分布特性は、図示のように、ウエハＷの中心から０ｍｍ、３０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１４５ｍｍのそれぞれの位置で、−０．６，０．４，２．７，１．３，０．３，１．９、−０．３度（ｄｅｇ）であった。すなわち、コイル３６より半径方向内側の領域でチルティング角度が負の値（−０．６度）を示す箇所（０ｍｍ）が存在し、コイル３６の直下からウエハエッジ位置付近にかけての領域（約３０〜１２５ｍｍ）でチルティング角度が正の値を示した。なお、ウエハエッジ位置（１５０ｍｍ）ではチルティング角度が負の値（−０．３度）であった。しかし、ウエハエッジ位置は、コイル３６から相当離れていて、コイル３６によって形成される磁場の影響を殆ど受けないので、チルティング角度が負の値（−０．３度）になるのは別の要因と考えられる。
このチルティング角度分布特性から、ウエハＷないしフォーカスリング１６上に形成されるイオンシースのプロファイルを推定または同定することができる。すなわち、イオンは電子に比べて格段に重いうえ運動速度が小さいため、処理空間Ｓ内はもちろんイオンシース内でもイオンが磁場から受けるローレンツ力ないし加速度は無視できるほど小さい。つまり、イオンがウエハＷの表面に入射するときの運動速度（ベクトル）は、イオンシース内の電界（ベクトル）によって決まるといえる。また、イオンシース内の電界（ベクトル）の方向は、イオンシースの平坦度または傾斜度に依存し、ウエハＷの表面が平坦であると仮定すると、イオンシースとバルクプラズマとの界面の平坦度または傾斜度に依存する。
したがって、上記のように、コイル３６の直下の位置（６０ｍｍ）でチルティング角度が正の値（２．７度）を示したことからすると、図５に一点鎖線ＳＨで示すようにその付近ではウエハＷ上でイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩上がりに傾いている、換言すればプラズマ密度が右肩下がりに傾いていると、推測することができる。このことは、上記のような図５のエッチングレート分布特性ともよく符合している。
他の領域でも、チルティング角度が正の値を示す位置では、その付近のウエハＷ上でイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩上がりに傾いている、つまりプラズマ密度が右肩下がりに傾いていると、推定してよい。また、チルティング角度が負の値を示す位置では、その付近のウエハＷ上でイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩下がりに傾いている、つまりプラズマ密度が右肩上がりに傾いていると、推定してよい。
図６に、コイル３８に電流を流して１５Ｇの磁界を形成した場合に得られたウエハ上のエッチングレート分布特性およびチルティング角度分布特性の測定結果をそれぞれ示す。
図６に示すように、エッチングレート分布特性は、コイル３８より半径方向内側にオフセットした領域（約３０〜６０ｍｍ）で高く盛り上がり、コイル３８の直下の領域（約８０〜１１０ｍｍ）ではウエハ中心側からウエハエッジ側にかけて落ち込む傾向を示した。
このことから、コイル３８を励起（通電）すると、処理空間Ｓ内のプラズマ密度を左右する磁場の作用が、コイル３８より半径方向内側にオフセットした中心部寄りの領域（約３０〜６０ｍｍ）でポジティブに働き、コイル３６の直下の領域（約８０〜１１０ｍｍ）ではネガティブに働いていることがわかる。
また、チルティング角度分布特性は、図示のように、ウエハＷの中心から０ｍｍ、３０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１４５ｍｍのそれぞれの位置で、−０．４，−２．３，−２．２，１．０，０．８，１．１、０．０度（ｄｅｇ）であった。すなわち、コイル３８の半径方向内側でチルティング角度が負の値（−２．３度，−２．２度）を示す箇所（３０ｍｍ，６０ｍｍ）が存在し、コイル３８の直下およびそれより半径方向外側の全ての領域（約１００〜１５０ｍｍ）でチルティング角度が正または零の値を示した。
このようにコイル３８の直下の位置（１００ｍｍ）でチルティング角度が正の値（１．０度）を示したことからすると、図６に一点鎖線ＳＨで示すようにその付近ではウエハＷ上でイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩上がりに傾いている、つまりプラズマ密度が右肩下がりに傾いていると、推測することができる。また、コイル３８より半径方向内側にオフセットした中心部寄りの位置（３０ｍｍ，６０ｍｍ）で負の値（−２．３度，−２．２度）を示したことから、一点鎖線ＳＨで示すようにその付近ではウエハＷ上でイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩下がりに傾いている、つまりプラズマ密度が右肩上がりに傾いていると、推測することができる。したがって、チルティング角度が負の値から正の値に反転する辺り（７０ｍｍ付近）でプラズマ密度が極大になっていると、推測することができる。
図７に、コイル４０に電流を流して１５Ｇの磁界を形成した場合に得られたウエハ上のエッチングレート分布特性およびチルティング角度分布特性の測定結果をそれぞれ示す。
図７に示すように、エッチングレートの分布特性は、コイル４０の半径方向内側の近傍の領域（約８０〜１１０ｍｍ）で高く盛り上がり、コイル４０の直下の領域（約１３０ｍｍ〜）ではウエハ中心側からウエハエッジ側にかけて落ち込む傾向を示した。
このことから、コイル４０を励起（通電）すると、処理空間Ｓ内のプラズマ密度を左右する磁場の作用が、コイル４０より半径方向内側にオフセットしたウエハ中間部上の領域（約８０〜１１０ｍｍ）でポジティブに働き、コイル４０の直下の領域（約１３０ｍｍ〜）ではネガティブに働いていることがわかる。
また、チルティング角度は、図示のように、ウエハＷの中心から０ｍｍ、３０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１４５ｍｍのそれぞれの位置で、０．５，−０．６，−１．７，−１．９，０．０，３．２、０．５度（ｄｅｇ）であった。すなわち、コイル４０より半径方向内側でチルティング角度が負の値（−０．６度，−１．７度，−１．９度）を示す領域（３０ｍｍ，６０ｍｍ，８０ｍｍ）が存在し、コイル４０の直下およびそれより半径方向外側の全ての領域（約１２５ｍｍ〜１５０ｍｍ）でチルティング角度が正の値を示した。
このようにコイル４０の直下付近の位置（１２５ｍｍ，１４５ｍｍ）でチルティング角度が正の値（３．２度、０．５度）を示したことからすると、図７に一点鎖線ＳＨで示すようにその付近ではウエハＷ上でイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩上がりに傾いている、つまりプラズマ密度が右肩下がりに傾いていると、推測することができる。また、コイル４０より半径方向内側にオフセットしたウエハ中間部上の位置（６０ｍｍ，８０ｍｍ）で負の値（−１．７度，−１．９度）を示したことから、一点鎖線ＳＨで示すようにその付近ではウエハＷ上でイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩下がりに傾いている、つまりプラズマ密度が右肩上がりに傾いていると、推測することができる。したがって、チルティング角度が負の値から正の値に反転する辺り（１００ｍｍ付近）でプラズマ密度が極大になっていると推測することができる。
図８Ｂに、コイル４２に電流を流して１５Ｇの磁界を形成した場合に得られたウエハ上のエッチングレート分布特性の測定結果およびチルティング角度分布特性の測定結果をそれぞれ示す。
図８に示すように、エッチングレート分布特性は、コイル４２の半径方向内側の近傍の領域（約１１０〜１４０ｍｍ）で高く盛り上がる傾向を示した。
このことから、コイル４２を励起（通電）すると、処理空間Ｓ内のプラズマ密度を左右する磁場の作用が、コイル４２より半径方向内側にオフセットしたウエハ周辺部上の領域（約１１０〜１４０ｍｍ）でポジティブに働いていることがわかる。
また、チルティング角度分布特性は、図示のように、ウエハＷの中心から０ｍｍ、３０ｍｍ、６０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１４５ｍｍのそれぞれの位置で、０．０，０．１，０．１，−０．５，−０．１，−０．６、−１．８度（ｄｅｇ）であった。すなわち、コイル４２より半径方向内側でチルティング角度が負の値（−０．５度，−０．１度，−０．６度、−１．８度）を示す領域（６０ｍｍ，８０ｍｍ，１２５ｍｍ，１４５ｍｍ）が存在した。
このように、コイル４２より半径方向内側にオフセットしたウエハ周辺部上の位置（１４０ｍｍ）で負の値（−１．８度）を示したことから、一点鎖線ＳＨで示すようにその付近ではウエハＷ上でイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩下がりに傾いている、つまりプラズマ密度が右肩下がりに傾いていると、推測することができる。
上記のように、電磁石３２のコイル３６，３８，４０，４２の中の１つを選択的に通電させると、半導体ウエハＷ上では、その通電したコイルつまり処理空間Ｓ内に磁界を形成するコイルより半径方向内側に幾らかオフセットした領域で、エッチングレートつまりプラズマ密度が相対的に高くなり、それによって負のチルティング角度が発生しやすくなり、当該コイルと上下方向で重なる真下の領域では、エッチングレートつまりプラズマ密度が相対的に低くなり、それによって正のチルティング角度が発生しやすいことがわかる。
このことから、上記実施形態のプラズマエッチング装置（図１）の一変形例として、たとえば図９に示すように、上部電極２６と下部電極（載置台）１４との間の電極間ギャップが、半径方向の少なくとも一箇所または一領域で連続的に変化する場合に、電磁石３２をチルティングの発生を抑制するのに有効利用することができる。
図９の例では、上部電極２６と下部電極（載置台）１４間の電極間ギャップが３００ｍｍ口径の半導体ウエハＷのエッジの直上付近（φ＝１５０ｍｍ）から半径方向外側に向かって一定の角度でテーパ状に狭くなっている。上部電極２６は、下部電極（載置台）１４上に載置されている半導体ウエハＷの中心部と平行に向き合う第１の下面領域２６ｅと、半導体ウエハＷの周辺部と斜めに向かい合う第２の下面領域２６ｆとを含んでいる。このように電極間ギャップが半導体ウエハＷのエッジ位置（φ＝１５０ｍｍ）付近から半径方向外側に向かってテーパ状に狭くなる場合は、上部電極２６の傾斜部２６ｆの直下でプラズマ密度が相対的に高くなるので、ウエハＷの上ではイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩下がりに傾く。このことから、半導体ウエハＷの周辺部領域ではイオンが外側から斜めに入射する割合が高くなり、チルティング角度が負の値になる（図４において−方向に傾く）ようなチルティングが発生しやすくなる。
このような場合には、電磁石３２において中心軸線Ｚから見て３番目のコイル４０を選択的に通電させて処理空間Ｓに磁界Ｂを形成する形態を好適に採ることができる。この場合、上述したように、コイル４０を通電させて処理空間Ｓに磁界Ｂを形成することにより、コイル４０より半径方向内側にオフセットしたウエハ中間部領域の上でプラズマ密度を高くし、コイル４０の直下の領域でプラズマ密度を低くするような磁気効果が奏される。これにより、半導体ウエハＷの周辺部領域の上でイオンシースとバルクプラズマとの界面を平坦化し、それによってウエハＷの表面にイオンを垂直に入射させること、つまりチルティングを抑制することが可能となる。こうして、半導体ウエハＷに対するエッチングプロセスの歩留まりを向上させ、ひいては生産効率の向上と生産コストの低減を図ることができる。
上記実施形態のプラズマエッチング装置（図１）の別の変形例として、図１０に示すように、上部電極２６と下部電極（載置台）１４との間の電極間ギャップが半径方向の少なくとも一箇所または一領域でステップ状に変化する場合にも、上記と同様に電磁石３２をチルティング発生の抑制に有効利用することができる。
図１０の例では、上部電極２６は、半導体ウエハＷと第１のギャップＧ１を介して平行に向き合う第１の下面領域２６ｇと、第１のギャップＧ１より小さい第２のギャップＧ２を介して平行に向き合う第２の下面領域２６ｈとを含んでいる。ここで、第１の下面領域２６ｇと第２の下面領域２６ｈとの境界２７は、半導体ウエハＷのエッジ位置（φ＝１５０ｍｍ）付近に設けられている。このような場合にも、電極間ギャップが半導体ウエハＷのエッジ位置（φ＝１５０ｍｍ）付近で狭くなることにより、ウエハＷのエッジ付近の上ではイオンシースとバルクプラズマとの界面が半径方向において右肩下がりに傾いて、イオンが外側から斜めに入射する割合が高くなり、チルティング角度が負の値になる（図４において−方向に傾く）ようなチルティングが発生しやすくなる。
このような場合にも、上記と同様に、電磁石３２においてコイル中心から３番目のコイル４０を選択的に通電させて処理空間Ｓに磁界Ｂを形成する形態を採ることにより、半導体ウエハＷのエッジ付近の上でイオンシースとバルクプラズマとの界面を平坦化し、それによってウエハＷのエッジ付近にイオンを垂直に入射させること、つまりチルティングを抑制することができる。

［他の実施形態または変形例］
本発明は上記の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは、勿論である。
特に、上部電極２６と下部電極（載置台）１４との間の電極間ギャップのプロファイルあるいは上部電極２６の下面の凹凸形状については、上記実施形態の外にも種種の形態が可能であり、それに応じて電磁石３２においてコイル３６，３８，４０，４２の中の１つまたは複数を選択的に通電させる方式も種種の形態が可能である。
上記のように、本発明のプラズマ処理装置においては、電磁石３２のコイル３６，３８，４０，４２を選択的に通電させることにより、チャンバ１２の処理空間Ｓで生成されるプラズマの密度分布を半径方向で任意に制御することができる。図１２に示すプラズマエッチング装置は、このような電磁石３２のプラズマ密度制御機能に鑑みて、シャワーヘッド（上部電極）２６のガスバッファ室をリング状の隔壁７０により半径方向で複数（たとえば４つ）の独立した小ガス室２６(1)，２６(2)，２６(3)，２６(4)に分割している。平面視では、中心部の小ガス室２６(1)は円形であり、他の小ガス室２６(2)，２６(3)，２６(4)は中心部の小ガス室２６(1)の半径方向外側に異なる径で環状に分布している。これらの独立した小ガス室２６(1)，２６(2)，２６(3)，２６(4)から、処理ガスを独立したガス種、混合比および流量で処理空間Ｓ内に導入できるように構成している。
したがって、これらの独立した小ガス室２６(1)，２６(2)，２６(3)，２６(4)から同一処理ガスを処理空間Ｓ内に供給する場合は、それぞれのガス流量の比を制御することで、電磁石３２による上記の磁気効果から独立して、コイル処理空間Ｓ内で生成されるラジカルの密度分布を半径方向で任意に制御することができる。それによって、たとえば、エッチングレートに関してウエハ上の面内均一性を容易に向上させることが可能となる。
上記実施形態の容量結合型プラズマエッチング装置は、下部２周波波印加方式を採っており、チャンバ１２内の載置台（下部電極）１４にプラズマ生成用の第１の高周波電源１８とイオン引き込み用の第２の高周波電源２２とを接続している。しかし、図１１に示すように、上部電極２６にプラズマ生成用の第１の高周波電源１８を接続し、載置台（下部電極）１４にイオン引き込み用の第２の高周波電源２２を接続する構成にも本発明は適用可能である。
本発明は、プラズマエッチング装置に限定されず、容量結合型のプラズマＣＶＤ装置、プラズマ酸化装置、プラズマ窒化装置など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、有機ＥＬ、太陽電池用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。
１０ プラズマエッチング装置
１２ チャンバ（処理容器）
１４ 載置台
２６ 上部電極
１８ （プラズマ生成用）の第１の高周波電源
２０ （イオン引き込み用）の第２の高周波電源
３２ 電磁石
３４ ヨーク部材
３６，３８，４０，４２ コイル
４４ 柱状部
４６，４８，５０，５２ 円筒部
５４ バックプレート部
５６ コイル励起回路
６０ 制御部

Claims (4)

  1. 被処理基板に処理ガスのプラズマを作用させて処理を施すプラズマ処理装置であって、
    前記被処理基板を出し入れ可能に収容する処理容器と、
    前記処理容器内に配設され、前記被処理基板が載置される下部電極と、
    前記処理容器内に配設され、プラズマ生成空間を介して前記下部電極と対向する上部電極と、
    前記上部電極と前記下部電極との間に高周波電力を印加する高周波電源と、
    前記処理容器の上部または上方で前記下部電極の中心を上下方向に通過する中心軸線を中心とする１つまたは複数の環状コイルを有する電磁石と、
    前記電磁石の各環状コイルに励起電流を供給するための電磁石励起回路と、
    前記被処理基板の上に形成されるイオンシースとバルクプラズマとの界面の勾配を制御するために、前記電磁石励起回路を通じて前記電磁石のいずれかの環状コイルを選択的に通電してその周囲に磁界を発生させる制御部と
    を有し、
    前記上部電極と前記下部電極との間の電極間ギャップが、前記下部電極の中心を通る鉛直の中心軸線に対して軸対称のプロファイルを有し、半径方向において前記中心軸線から前記下部電極上に載置される前記被処理基板のエッジの位置に対応する第１の位置まで延びる第１の領域では均一なギャップ幅を有し、前記第１の位置からそれより半径方向外側の第２の位置まで延びる第２の領域ではテーパ状に狭まるギャップ幅を有し、
    前記電磁石の環状コイルの１つが、前記第１の位置と上下方向で重なっており、
    前記被処理基板の周辺部の上でイオンシースとバルクプラズマとの界面の勾配を平坦化するために、前記第１の位置と上下方向で重なっている環状コイルを選択的に通電させる、
    プラズマ処理装置。
  2. 複数の前記環状コイルは、同じ面内で同心状に配置される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記電磁石は、各々の前記コイルの下面を除いてその内周面、外周面および上面を覆うヨークを有する、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置を用いて被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
    前記被処理基板の上でイオンシースとバルクプラズマとの界面の勾配を平坦化することによって、プラズマエッチングにより前記被処理基板上の被エッチング材に形成されるパターンにチルティングが発生することを抑制することを特徴とするプラズマ処理方法。
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