特許 7644606 真空処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-04

(45)【発行日】2025-03-12

(54)【発明の名称】真空処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20250305BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20250305BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 101D

H05H1/46 C

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021010840

(22)【出願日】2021-01-27

(65)【公開番号】P2022114542

(43)【公開日】2022-08-08

【審査請求日】2023-07-10

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中谷 侑亮

(72)【発明者】

【氏名】園田 靖

(72)【発明者】

【氏名】田中 基裕

(72)【発明者】

【氏名】高崎 晃一

(72)【発明者】

【氏名】川那辺 哲雄

【審査官】小▲高▼ 孔頌

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１８６４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９３２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２９４４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１２２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１６３４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－０３２４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００４７５９５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１３１１３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０５－２８３３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７８２０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料台に載置された試料が真空処理され差圧が生じる２つの空間を有する処理室を備える真空処理装置において、
前記試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記２つの空間の間に配置された遮蔽板のコンダクタンスの実測値を基に前記差圧が推定され、
前記推定された差圧を用いて前記２つの空間の平均圧力が算出され、
前記遮蔽板の粘性流領域におけるコンダクタンスの算出式または分子流領域におけるコンダクタンスの算出式が所定の式を基に選択され、
前記選択された粘性流領域におけるコンダクタンスの算出式または分子流領域におけるコンダクタンスの算出式を用いて算出されたコンダクタンスにより前記差圧が算出され、
前記算出された差圧を用いて前記処理室の圧力が制御される制御部をさらに備え、
前記所定の式は、前記真空処理に用いられるガスの粘性と、前記ガスの分子量と、前記遮蔽板の厚さと、前記遮蔽板の貫通孔のサイズと、前記真空処理の温度とを基に決定された式であるとともに前記粘性流領域におけるコンダクタンスの算出式と前記分子流領域におけるコンダクタンスの算出式との交点における圧力より前記平均圧力が大きいかどうかを判定するための式であることを特徴とする真空処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載の真空処理装置において、
前記試料が含まれる前記空間の圧力が前記制御部により制御されることを特徴とする真空処理装置。

【請求項3】

請求項２に記載の真空処理装置において、
マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構をさらに備えることを特徴とする真空処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、真空処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造工程においては、半導体装置に含まれるコンポーネントの微細化や集積化への対応が求められている。例えば、集積回路やナノ電気機械システムにおいて、構造物のナノスケール化がさらに推進されている。

【0003】

通常、半導体デバイスの製造工程において、微細パターンを成形するためにリソグラフィ技術が用いられる。この技術は、レジスト層の上にデバイス構造のパターンを適用し、レジスト層のパターンによって露出した基板を選択的にエッチング除去するものである。その後の処理工程において、エッチング領域内に他の材料を堆積させれば、集積回路を形成できる。

【0004】

特に近年では、半導体デバイスに対し、市場からの省電力・高速化の要求が高まり、デバイス構造の複雑化・高集積化の傾向が顕著である。例えばロジックデバイスにおいては、積層させたナノワイヤでチャネルを構成したＧＡＡ（Ｇａｔｅ Ａｌｌ Ａｒｏｕｎｄ）の適用が検討されており、ＧＡＡのエッチング工程では、従来の異方性エッチングによる垂直加工に加え、ナノワイヤ形成のため等方性エッチングによる側方への加工が必要となる。

【0005】

ここで、異方性エッチングとは、イオンによりラジカルの反応を促進する、イオンアシスト反応を利用したエッチングであり、等方性エッチングとは、ラジカルのみによる表面反応を主体としたエッチングである。したがって、プラズマエッチング装置には、イオンとラジカルの両方を照射してエッチングを行う機能と、ラジカルのみを照射してエッチングを行う機能の両方が必要になりつつある。

【0006】

例えば、エッチング深さを高精度に制御する原子層エッチングでは、ラジカルのみを試料に照射する第１ステップと、イオンを試料に照射する第２ステップとを交互に繰り返して、エッチング深さを制御する方法が検討されている。このエッチング方法は、第１ステップで試料表面にラジカルを吸着させた後、第２ステップで希ガスのイオンを照射して試料表面に吸着したラジカルを活性化させることでエッチング反応を生じさせて、エッチング深さを高精度に制御するものである。

【0007】

また、例えば多品種少量生産の量産工場において、イオンとラジカルの両方を照射する異方性エッチングと、ラジカルのみを照射する等方性エッチングの両方の機能を有するエッチング装置を設置することで、１台のエッチング装置で複数の工程を実行でき、それにより省スペースの実現とともに、設備コストを大幅に低減できる。

【0008】

このように、半導体デバイス加工で用いられるプラズマエッチング装置には、イオンとラジカルの両方を照射してエッチングを行う機能と、ラジカルのみを照射してエッチングを行う機能の両方が求められるようになっている。

【0009】

このような要求に対して、特許文献１において、イオンの入射を遮蔽する遮蔽板をチャンバ内に設置し、前記遮蔽板の下方でプラズマを生成することでイオンとラジカルの両方を照射するプラズマ処理を実行し、あるいは前記遮蔽板の上方でプラズマを生成することでラジカルのみによる処理を実行することが可能な装置が提案されている。

【0010】

また、特許文献２ではＦ、ＣＦ_２、ＣＯの中から適当にプラズマ分子を選択し、所定の波長の発光強度を測定することで、隔たり板により圧力センサーから隔離された半導体プロセス中のエッチングチャンバー内の真の圧力を従来より精密に監視し、エッチングプロセスを精密に制御して製品の歩留まりを大幅に向上する技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２０１８－０９３２２６号公報

【文献】特開２０００－１３３６４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

ところで、イオンとラジカルの両方を照射してエッチングを行う工程と、ラジカルのみを照射してエッチングを行う工程の双方を同一チャンバ内で高精度に実施するには、遮蔽板により分割された２つの空間において、遮蔽板のコンダクタンスによる圧力差を考慮する必要がある。

【0013】

ところが、特許文献１では、遮蔽板の下部にしか圧力測定器が接続されておらず、遮蔽板の上部空間の圧力を測定していないため、遮蔽板の上下における圧力差が考慮されないという課題がある。

【0014】

また、特許文献２の技術では、発光強度の変化が圧力以外のチャンバ内環境の変化に左右される可能性があり、正確に圧力を推定できない恐れがあるという課題がある。

【0015】

本発明は、遮蔽板に対し圧力計が接続されていない側の空間においても所望の圧力で真空処理を実施し、プロセス安定性を向上させるができる真空処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記課題を解決するために、代表的な本発明にかかる真空処理装置の一つは、
試料台に載置された試料が真空処理され差圧が生じる２つの空間を有する処理室を備える真空処理装置において、
前記試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記２つの空間の間に配置された遮蔽板のコンダクタンスの実測値を基に前記差圧が推定され、
前記推定された差圧を用いて前記２つの空間の平均圧力が算出され、
前記遮蔽板の粘性流領域におけるコンダクタンスの算出式または分子流領域におけるコンダクタンスの算出式が所定の式を基に選択され、
前記選択された粘性流領域におけるコンダクタンスの算出式または分子流領域におけるコンダクタンスの算出式を用いて算出されたコンダクタンスにより前記差圧が算出され、
前記算出された差圧を用いて前記処理室の圧力が制御される制御部をさらに備え、
前記所定の式は、前記真空処理に用いられるガスの粘性と、前記ガスの分子量と、前記遮蔽板の厚さと、前記遮蔽板の貫通孔のサイズと、前記真空処理の温度とを基に決定された式であるとともに前記粘性流領域におけるコンダクタンスの算出式と前記分子流領域におけるコンダクタンスの算出式との交点における圧力より前記平均圧力が大きいかどうかを判定するための式であることにより達成される。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、遮蔽板に対して圧力計が接続されていない側の空間においても所望の圧力で真空処理を実施でき、プロセス安定性を向上できる真空処理装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る真空処理装置の概略全体構成断面図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る遮蔽板を示す平面図である。

【図3】図３は、本発明の実施形態に係る真空処理方法を示すフローチャートである。

【図4】図４は、本発明の実施形態に係る構成を示すフローチャートのうちステップＳ１０３の詳細を説明する概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本発明にかかる「真空処理」には、プラズマ処理が含まれる。

【0020】

［実施形態］
本発明の実施形態に係る真空処理装置の概略全体構成断面図を図１に示す。本実施形態の真空処理装置では、マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源であるマグネトロン１０３から誘電体窓１１１を介して真空処理室１１７に供給される２．４５ＧＨｚのマイクロ波と、処理室内に磁場を形成する磁場形成機構であるソレノイドコイル１０８の作る磁場との電子サイクロトロン共鳴(ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ、ＥＣＲ)によって、真空処理室１１７内にプラズマを生成することができる。このような真空処理装置を、ＥＣＲプラズマ処理装置という。

【0021】

また、試料台１１５に載置した試料１１６に、整合器１２３を介して高周波電源１２４が接続されている。真空処理室１１７の内部は、バルブ１２１を介してポンプ１２２に接続されており、バルブ１２１の開度によって内部圧力を調節できるようになっている。

【0022】

また、本真空処理装置は、真空処理室１１７の内部に図２に示す誘電体製の遮蔽板１１３を有する。遮蔽板１１３には同じ孔径の貫通孔１３１が外周部に一様に配置されている。本実施形態で「一様」とは、径の差が等しい同心円（半径ゼロである場合を含む）を描いたときに、同じ円上に中心点を有する貫通孔１３１が周方向に等しいピッチで配置されていることをいう。遮蔽板１１３により、真空処理室１１７内を、第１の空間１１８と第２の空間１１９とに分割して(仕切って)おり、第２の空間１１９にのみ圧力計１２５が接続されている。このため第２の空間１１９の圧力は測定可能だが、第１の空間１１８は圧力測定が行われない。

【0023】

本実施形態で用いた真空処理装置は、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、磁場強度０．０８７５Ｔの面付近でプラズマを生成できるという特性を有する。このため、プラズマ生成領域が遮蔽板１１３と誘電体窓１１１の間（第１の空間１１８）に位置するように磁場を調整すれば、遮蔽板１１３の誘電体窓１１１側でプラズマを生成でき、発生したイオンは遮蔽板１１３をほとんど通過できない（イオンを遮蔽する)ことから、ラジカルのみを試料１１６に照射することができる。この時、試料１１６では、ラジカルのみによる表面反応を主体とした等方性エッチングが進行する。

【0024】

これに対し、プラズマ生成領域が遮蔽板１１３と試料１１６の間（第２の空間１１９）に位置するように磁場を調整すれば、遮蔽板１１３より試料１１６側でプラズマを生成でき、イオンとラジカルの両方を試料１１６に供給できる。この時、試料１１６ではイオンによりラジカルの反応を促進する、イオンアシスト反応を利用した異方性エッチングが進行する。

【0025】

なお、遮蔽板１１３の高さ位置に対するプラズマ生成領域の高さ位置の調整あるいは切り替え（上方か下方か）、それぞれの高さ位置を保持する期間の調整等は、ソレノイドコイル１０８の磁場を制御する制御装置１２０を用いて行うことができる。

【0026】

図３は本発明の実施形態に係る真空処理方法を示すフローチャートである。以下、本フローチャートに沿って説明する。なお、本実施形態にかかる真空処理装置は、図３に示すフローチャートに従って処理を実行する制御装置（不図示）を備える。

【0027】

ステップＳ１０１において、真空処理レシピ作成を開始する。
ステップＳ１０２において、所望のガス種・ガス流量・圧力計が接続されていない第１の空間１１８の圧力ｐ１を指定する。
ステップＳ１０３において、実測値のデータベースを基に、遮蔽板上下空間（第１の空間１１８と第２の空間１１９）の間に生じる差圧Δｐを推定する。本ステップの詳細を、図４を用いて説明する。

【0028】

図４は本発明の実施形態に係る構成を示すフローチャートのうち、ステップＳ１０３の推定の詳細を説明する概略図である。

【0029】

図４は横軸に圧力、縦軸に遮蔽板のコンダクタンスを取ったグラフである。点線はＡｒガスにおけるコンダクタンスの実測値であり、この実測値を含むデータベースを基にレシピに入力したガスＢにおけるコンダクタンスを推定する。流体の流れは大きく分けて粘性流・中間流・分子流の３つに分けられる。これらは流体の平均自由工程λと遮蔽板１１３が有する貫通孔１３１の直径２ａの大小関係で分類される。一般に平均自由工程λは、次式（数１）で表される。

【0030】

【数1】

【0031】

ここでＲは気体定数、Ｔは温度、Ｎ_Ａはアボガドロ数、Ｄは流体の分子直径、Ｐは圧力である。２ａ＞＞λが成り立つ時、粘性流となり、２ａ≒λが成り立つ時、中間流となり、２ａ＜＜λが成り立つ時、分子流となる。分子流と粘性流の領域についてはコンダクタンス計算式よりコンダクタンスを算出可能だが、中間流領域については近似式を求めるのが困難である。

【0032】

そこで、Ａｒガスにおけるコンダクタンスの実測値に、以下の値（数２）を乗算することで、ガスＢの分子流領域でのコンダクタンスを推定する。

【0033】

【数2】

【0034】

またＡｒガスにおけるコンダクタンスの実測値に、以下の値（数３）を乗算することで、ガスＢの粘性流領域でのコンダクタンスを推定する。

【0035】

【数3】

【0036】

ここで数２、および数３中のＭ_Ａｒはアルゴンの分子量、Ｍ_ＢはガスＢの分子量、η_Ａｒはアルゴンの粘性係数、η_ＢはガスＢの粘性係数である。

【0037】

これらの推定したコンダクタンスのグラフの交点よりも低圧側では分子流での推定値を使用し、高圧側では粘性流での推定値を使用する。これによりガスＢを用いた場合のコンダクタンスＣを推定する。

【0038】

差圧Δｐは次式（数４）のとおり、ガス流量ＱをコンダクタンスＣで除算することにより求められる。

【0039】

【数4】

【0040】

なお、ガスＢは単体のガス（Ａｒを含む）を用いても複数のガスの混合ガスを用いても良い。例えば２種のガスｉ、ガスｊの混合ガスを用いる場合は、式（数５）により分子量を算出し、式（数６）から式（数８）より粘性係数を算出する。

【0041】

【数5】

【0042】

【数6】

【0043】

【数7】

【0044】

【数8】

【0045】

ここでＭ_ｉ、Ｍ_ｊはそれぞれガスｉ、ガスｊの分子量、ｙ_ｉ、ｙ_ｊはそれぞれガスｉ、ガスｊのモル分率、η_ｉ、η_ｊはそれぞれガスｉ、ガスｊの粘性係数である。ここでは２種のガスを用いる場合について説明したが、３種以上の混合ガスを用いても良い。３種以上の混合ガスの場合は式（数５）には第３項以降を追加し、式（数６）についてはある２種のガスの混合ガスでの計算結果に３種目以降のガスのパラメータを追加することを繰り返せば良い。

【0046】

図３のフローチャートにおいて、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で推定した差圧Δｐから、遮蔽板上下空間（第１の空間１１８と第２の空間１１９）の平均圧力ｐを算出する。その後、ステップＳ２０１で、次式（数９）が成立するかどうかを判別する。

【0047】

【数9】

【0048】

ここで、Ｌは遮蔽板厚、ａは貫通孔１３１の半径、Ｋは後述するクラウジング係数である。

【0049】

なお、式（数９）は、後述の粘性流領域のコンダクタンス算出式と、分子流領域のコンダクタンス算出式の交点の圧力よりも平均圧力が大きいかどうかを判定する式であり、数９の右辺が所定の圧力閾値となる。

【0050】

式（数９）が成立する場合、ステップＳ１０５で粘性流領域のコンダクタンス算出式よりコンダクタンスを算出する。なお、粘性流領域のコンダクタンス算出式は次式（数１０）で表される。

【0051】

【数10】

【0052】

一方、式（数９）が成立しない場合、ステップＳ１０６で分子流領域のコンダクタンス算出式よりコンダクタンスを算出する。なお、分子流領域のコンダクタンス算出式は次式（数１１）で表される。

【0053】

【数11】

【0054】

ここでＣ１は分子流領域でのオリフィスのコンダクタンスと呼ばれ、次式（数１２）で表される。

【0055】

【数12】

【0056】

ここで、Ａは貫通孔１３１の総面積である。
また、式（数１１）中のＫはクラウジング係数と呼ばれ、次式（数１３）で表される。

【0057】

【数13】

【0058】

ここでｘは次式（数１４）のとおり、遮蔽板厚Ｌと貫通孔１３１の直径２ａの比である。

【0059】

【数14】

【0060】

式（数９）は、式（数１０）の右辺と式（数１１）の右辺を等号で結び、平均圧力ｐについて解いた結果得られるものである。

【0061】

ステップＳ１０７において、ステップＳ１０５あるいはステップＳ１０６で算出したコンダクタンスＣ’から、第１の空間１１８と第２の空間１１９との差圧Δｐ’を算出する。差圧Δｐ’は次式（数１５）のとおり、流量ＱをコンダクタンスＣ’で除算することにより求められる。

【0062】

【数15】

【0063】

ステップＳ１０８において、レシピ上の圧力値を、圧力計が接続されていない第１の空間１１８の所望の圧力ｐ１から、ステップＳ１０７で算出した差圧Δｐ’を減算もしくは加算した値ｐ２に置き換える。この時、第１の空間１１８が第２の空間１１９に対し、ガス流れの上流に位置する場合、レシピ上の圧力値を所望の第１の空間１１８の圧力から差圧Δｐ’を減算した値に置き換え、下流に位置する場合、加算した値に置き換える。

【0064】

ステップＳ１０９において、真空処理シーケンスを開始する。
ステップＳ１１０において、第２の空間１１９に接続された圧力計１２５の値を読み取る。

【0065】

その後、ステップＳ２０２で、圧力計１２５の値がステップＳ１０８で置き換えた値ｐ２に到達したかどうかを判定する。圧力計１２５の値が値ｐ２に到達していないと判定した場合、ステップＳ１１１において、圧力計１２５の実測値とステップＳ１０８で置き換えた値ｐ２の差を算出し、その差に応じて圧力制御弁の開度をフィードバック制御し(試料１１６を含む空間の圧力制御を行い)、ステップＳ１１０へと戻る。

【0066】

一方、圧力計１２５の値が値ｐ２に到達したと判定した場合、ステップＳ１１２に進み真空処理を開始し、所定の真空処理時間が経過後、ステップＳ１１３に進み真空処理を終了する。以上が本発明の実施形態に係る構成を示すフローチャートの説明である。

【0067】

上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0068】

１０３…マグネトロン、１０８…ソレノイドコイル、１１１…誘電体窓、１１３…遮蔽板、１１５…試料台、１１６…試料、１１７…真空処理室、１１８…第１の空間、１１９…第２の空間、１２０…制御装置、１２１…バルブ、１２２…ポンプ、１２３…整合器、１２４…高周波電源、１２５…圧力計、１３１…遮蔽板１１３の貫通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】