JP3220528B2

JP3220528B2 - 真空処理装置

Info

Publication number: JP3220528B2
Application number: JP21469192A
Authority: JP
Inventors: 勉塚田; 裕野上
Original assignee: アネルバ株式会社
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 2001-10-22
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH0633270A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマを利用して半
導体デバイスのエッチングや成膜を行なう真空処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラズマを利用して、半導体デバ
イス製造のためにエッチングや成膜を行なう工程では、
平行平板電極を用いた真空処理装置が一般に用いられて
いた。しかし、エッチングの微細加工やダメ−ジの少な
い真空処理などの要求から、近年、電子サイクロトロン
共鳴（ＥＣＲ）やヘリコン波を利用した真空処理装置が
多く用いられるようになってきた。これらの真空処理装
置では、被処理基板を載置した基板載置台から離れたプ
ラズマ発生源において、低圧力でも非常に密度の高いプ
ラズマを発生させ、このプラズマを被処理基板近傍に拡
散させてプラズマ処理を行なっている。この場合、基板
載置台に、プラズマ発生源とは独立した高周波ないしは
直流電圧を印加して基板にバイアス電圧を与えることに
よって、基板に入射するイオンのエネルギ−を制御する
ことが可能であるため、ダメ−ジの少ないエッチング等
が可能となった。特に超ＬＳＩデバイス製造に用いるエ
ッチング装置では、被処理基板表面が絶縁物で被覆され
ている場合が多いため、イオンのエネルギ−の制御には
高周波を用いる場合が多かった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、電子サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ）やヘリコン波を利用したプラズ
マ発生源は、いずれもプラズマにさらされる部分に電極
がない、いわゆる無電極放電によりプラズマが生成され
るために、プラズマの空間電位が定まらない恐れがあっ
た。このため、基板載置台にバイアス電圧を誘起したと
きに、プラズマの空間電位がこのバイアス電圧の影響を
受けてしまう恐れがあった。その結果、せっかく基板載
置台にバイアス電圧を誘起してイオンの入射エネルギ−
をコントロ−ルしようとしても、うまくコントロ−ルで
きない場合があるとともに、極めて再現性の悪い結果し
か得られなかった。

【０００４】本発明は、上記のような従来の問題点を解
決するためになされたもので、本発明の目的は、基板載
置台とは独立にプラズマ発生源を備えた真空処理装置に
おいて、基板載置台にバイアス電圧を誘起しても、プラ
ズマ発生源で生じたプラズマの空間電位に影響を与えず
に、再現性良く基板入射イオンエネルギ−の制御を可能
とするとともに、プラズマの空間電位を独立に制御する
ことが可能な真空処理装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、真空に排
気できる容器内に設置した基板載置台で被処理基板を保
持し、基板載置台から離れた位置に設置されたプラズマ
発生源で、導入ガスのプラズマを発生させ、このプラズ
マを用いて基板を処理する真空処理装置において、プラ
ズマ発生源と基板載置台の間に、電位を制御可能な導電
体を設けたものである。本発明は、真空容器内でプラズ
マを用いて基板を処理する装置に適用できるものであ
り、例えば、プラズマを利用したエッチング装置や、プ
ラズマを利用した成膜装置に適している。

【０００６】第２の発明は、第１の発明におけるプラズ
マ発生源を、無電極放電によってプラズマを発生する形
式にしたものである。

【０００７】第３の発明は、第２の発明におけるプラズ
マ発生源をＥＣＲイオン源にしたものである。

【０００８】第４の発明は、第２の発明におけるプラズ
マ発生源をヘリコン波イオン源にしたものである。

【０００９】第５の発明は、第１の発明における導電体
を、両端が開放している中空体の形状にして、この中空
体の内部を通ってプラズマが拡散するようにしたもので
ある。中空体の形状としては、中空円筒、中空円板、頂
部が開口した中空の半球などが考えられる。

【００１０】第６の発明は、第１の発明における導電体
の少なくともプラズマにさらされる部分の材質を、グラ
ファイト、熱分解カ−ボン、ガラス状カ−ボン、導電性
炭化珪素、導電化したシリコンからなる群から選ばれた
いずれか一つにしたものである。導電化したシリコンと
は、純粋なシリコンに不純物をドープして導電性を高め
たものである。

【００１１】第７の発明は、第１の発明における導電体
を接地したものである。

【００１２】第８の発明は、第１の発明における導電体
を直流電源または高周波電源に接続したものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、プラズマ発生源と基板載置台
の間に、電位を制御可能な導電体を設けているので、こ
の導電体にプラズマが接することにより、プラズマ発生
源で発生したプラズマの空間電位は、この導電体の電位
に依存するようになり、導電体の電位に応じたある一定
の値に定まる。基板入射イオンエネルギーは、プラズマ
の電位と基板電位との電位差に依存するので、本発明を
用いてプラズマ電位を制御できるようになれば、基板入
射イオンエネルギーの制御性及び再現性を高めることが
でき、高精度の基板処理が可能になる。

【００１４】また、プラズマ発生源として、ＥＣＲイオ
ン源やヘリコン波イオン源などの、無電極放電でプラズ
マを発生させる形式を用いると、導電体を利用してプラ
ズマの浮遊電位を制御することが容易になる。

【００１５】また、導電体の少なくともプラズマにさら
される部分の材質を、グラファイト、熱分解カ−ボン、
ガラス状カ−ボン、導電性炭化珪素、導電化されたシリ
コンのいずれか一つにすると次の利点がある。これらの
材質は、エッチング装置などで使用されるハロゲン系ガ
スのプラズマに対して、プラズマによって当該材質がエ
ッチングされる性質の方が、プラズマによって当該材質
上に膜が堆積する性質よりも優位となるので、当該材質
で形成した導電体上に膜が堆積することがない。もし、
導電体上に膜が堆積してしまうと、その膜は一般に導電
性とは限らないので、プラズマの電位を制御することが
できなくなる恐れがある。一般に、金属製の導電体を用
いると、その上への膜の堆積の方が優位になるので、こ
の観点からは、金属製の導電体を用いるのは好ましくな
い。金属製の導電体上に膜が堆積しない場合でも、金属
がスパッタされ、基板に取り込まれて、膜のタメージの
原因となる。さらに、グラファイト、熱分解カ−ボン、
ガラス状カ−ボンなどの炭素系材料を導電体として用い
ると、これらがエッチングされても、ＣＯ₂やＣＨ₄など
の形で排気できる可能性がある。また、導電化したシリ
コンを導電体として用いると、基板としてＳｉウェーハ
を使う場合は、導電体がエッチングされても基板に対す
る不純物とならない利点もある。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の一実施例の正面断面図であ
る。この真空処理装置は、ヘリコン波イオン源をプラズ
マ発生源として用いたドライエッチング装置である。円
筒状で石英製のヘリコン波イオン源１０が拡散チャンバ
１２の上方に取り付けられている。ヘリコン波イオン源
１０の周囲にはアンテナ１４が設置されており、ソ−ス
プラズマ用高周波電源１６から高周波が印加される。さ
らに、ヘリコン波イオン源１０の周囲には磁場発生用の
励磁コイル１８が設置されており、ヘリコン波イオン源
１０の軸方向に磁界を発生する。拡散チャンバ１２はア
ルミニウム製であり、拡散チャンバ１２の大気側外周部
には永久磁石装置２０を配置してある。拡散チャンバ１
２の内部には基板載置台２２が設置されており、バイア
ス用高周波電源２４に接続されている。基板載置台２２
上にはウェーハ２３が載置されている。さらに、基板載
置台２２の上方のヘリコン波イオン源１０に近い部分に
は、ガラス状カ−ボンで作られた、中空円筒状の導電体
２６が設置されている。この導電体２６には、プラズマ
電位コントロ−ル用電源２８が接続されている。

【００１７】図２は永久磁石装置２０の配置図であり、
（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線矢示図であ
る。この永久磁石装置２０は、その平面図で見ると、円
周状等配に２４本の永久磁石ユニット２１が、相隣り合
う磁極が互いに逆極性になるように並べてある。また、
各永久磁石ユニット２１は、（Ｂ）に示すように、複数
の永久磁石片２５を垂直方向に重ねてある。この永久磁
石装置２０によって拡散チャンバ１２内にカスプ磁界を
形成している。

【００１８】次に、図１のエッチング装置の動作を説明
する。まず拡散チャンバ１２を真空に排気し、ロ−ドロ
ック室（図示せず）を経由して、被エッチング基板であ
るウェーハ２３を基板載置台２２に搬送する。ウェーハ
２３の表面には、あらかじめポリＳｉの膜が成膜されて
おり、さらに、フォトレジストでパタ−ニングされてい
る。次に、ロ−ドロック室と拡散チャンバ１２との間に
あるゲ−トバルブ（図示せず）を閉じて、反応性ガスで
ある塩素ガスをガス導入管２９から導入し、拡散チャン
バ１２に接続されたプロセスガス排気ポンプ（図示せ
ず）で排気する。拡散チャンバ１２とプロセスガス排気
ポンプの中間にはコンダクタンスを制御するためのスロ
ットルバルブ（図示せず）が接続されており、この開度
を制御することにより、拡散チャンバ１２内の圧力を一
定に保つ。本実施例では圧力を２ｍＴｏｒｒに設定し
た。

【００１９】次に、バイアス用高周波電源２４をオンに
し、同時に、ソ−スプラズマ用高周波電源１６とプラズ
マ電位コントロ−ル用電源２８もオンにし、塩素ガスの
反応性プラズマを発生させる。プラズマは、ヘリコン波
イオン源１０の周囲に巻かれたアンテナ１４に誘起され
た高周波電界によりヘリコンモ−ドで発生する。このプ
ラズマは、拡散チャンバ１２内に拡散してウェーハ２３
の表面に到達する。プラズマが拡散する途中において、
拡散チャンバ１２の内壁に電子が衝突して電子が消失す
る事態を防ぐため、拡散チャンバ１２の外周部に配置し
た永久磁石装置２０によってカスプ磁界を発生させてい
る。このカスプ磁界により、電子は拡散チャンバ１２の
内部に戻され、その結果、プラズマの消失が少ない状態
でプラズマがウェーハ２３に輸送される。ウェーハ２３
にはバイアス用高周波電源２４によってセルフバイアス
電圧が誘起されているため、プラズマ中のイオンはウェ
ーハ２３に向かって加速され、ウェーハ２３の表面のポ
リＳｉを異方性度を高めてエッチングすることが可能で
ある。

【００２０】イオンの基板入射エネルギ−は、（１）異
方性度と、（２）基板に与えるダメ−ジの程度と、
（３）基板とフォトレジストとの間ないしは基板と下地
との間でのエッチング速度の比（選択比）、をコントロ
−ルする重要な因子であり、この基板入射エネルギーを
コントロールすることが微細エッチングプロセスでは重
要である。そして、イオンの基板入射エネルギ−は、プ
ラズマの空間電位とウェーハ２３の表面に誘起されたセ
ルフバイアス電圧との差によって決まる。本実施例で
は、拡散チャンバ１２内に拡散されたプラズマは導電体
２６に接触するため、導電体２６の電位によりプラズマ
の空間電位が決定される。したがって、プラズマ電位コ
ントロ−ル用電源２８により導電体２６の電位をコント
ロ−ルすることで、ウェーハ２３に入射するイオンのエ
ネルギ−を制御でき、制御性に優れたエッチングが可能
となる。

【００２１】プラズマの空間電位とウェーハ２３の表面
に誘起されたセルフバイアス電圧との差をどれぐらいの
値に設定するかは、プロセス条件によって異なる。例え
ば、ポリシリコンを塩素ガスのプラズマでエッチングす
る場合には、ウェーハ２３の電位よりもプラズマの電位
を５０〜１００Ｖだけ高くする。

【００２２】導電体２６の全部またはプラズマに接する
内面部分は、導電性材料であるガラス状カ−ボンで作ら
れているため、プラズマの電位は、導電体２６の電位に
よって定まるある値となる。プラズマの電位は、通常、
導電体２６の電位より１０〜３０Ｖだけ高い値となり、
ウェーハ２３に誘起されるバイアス電圧の影響をほとん
ど受けない。このため、ウェーハ２３に入射するイオン
のエネルギ−を極めて正確にコントロ−ルしながら、ほ
とんどダメ−ジが生じないエッチングが可能である。さ
らには、導電体２６の材料であるガラス状カーボンの上
にはプラズマによって堆積物が形成されることがないの
で、その導電性は常に保たれる。また、ガラス状カ−ボ
ンは、ほとんど金属不純物を含まない材質であるため、
その表面がプラズマでエッチングされても、ウェーハ２
３を汚染することもない。

【００２３】プラズマ電位はプラズマ電位コントロ−ル
用電源２８を用いてコントロ−ルすることが可能である
が、この電源２８を用いずに、単に導電体２６を接地し
ておくだけでもよい。このようにしても、プラズマの空
間電位は、ウェーハ２３に生じるセルフバイアス電圧の
影響を受けることがなく、極めて再現性の良いエッチン
グが可能となる。導電体２６を接地するとプラズマ電位
は１０〜３０Ｖになるので、基板入射イオンのエネルギ
ーを所望の値にするには、ウェーハ２３のバイアス電圧
を制御する。例えば、プラズマ電位よりもウェーハ２３
のバイアス電圧を５０〜１００Ｖだけマイナス側にす
る。その結果、ウェーハ２３のバイアス電圧は接地電位
よりも数十Ｖだけマイナス側になる。もし、ウェーハ２
３のバイアス電圧を接地電位付近にしたいときには、や
はり、プラズマ電位コントロール用電源２８を必要とす
ることになる。

【００２４】図３は導電体２６の形状の各種の例を示し
た斜視図である。（Ａ）は中空円筒であり、図１の実施
例で使用したものである。（Ｂ）は中空円板であり、
（Ｃ）は頂部が開口した中空半球である。いずれの導電
体においても中空の内部をプラズマが通過することにな
る。

【００２５】図４は本発明の別の実施例の正面断面図で
ある。この装置は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）
イオン源３０をプラズマ発生源として用いたドライエッ
チング装置である。ＥＣＲイオン源３０が拡散チャンバ
１２の上方に取り付けられている点と、導電体２６がポ
リＳｉ製であって接地されている点とが、図１の実施例
と大きく異なり、その他の点は図１の実施例とほぼ同じ
である。図１の装置と同等の部分には同じ符号を付けて
ある。

【００２６】図４の装置の動作を説明する。まず、ＥＣ
Ｒイオン源３０の周囲に巻かれた励磁コイル３２を励磁
して、ＥＣＲイオン源３０の内部の下方にＥＣＲ共鳴に
必要な磁場（この場合には８７５ガウス）を発生させ
る。次に、マグネトロン３４により２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波を発生させ、これを導波管３６を通してＥＣＲ
イオン源３０に供給する。このとき、ＥＣＲ共鳴条件の
満たされた領域を中心に濃いプラズマが発生する。ＥＣ
Ｒイオン源３０の内壁は、重金属がスパッタリングされ
てウェーハ２３に付着するのを防ぐために、その全面を
石英ガラス３８で覆っている。このため、プラズマの空
間電位は非常に不安定になり易いが、本実施例のよう
に、導電体２６を拡散チャンバ１２内に設置してあるこ
とにより、プラズマの空間電位を、接地電位より１０数
Ｖだけ高い値に安定に維持することが可能であった。そ
の結果、シリコン酸化膜に対して６０以上の選択比を得
ながら、異方性度の高いポリＳｉのエッチングが、極め
て再現性良く行なうことができた。

【００２７】上述の二つの実施例では、イオン源として
ヘリコン波イオン源とＥＣＲイオン源とを用いたが、他
のイオン源を用いてもよい。また、導電体の形状は、図
３に示す形状以外のものでもよい。導電体の材質は、導
電性物質であって、かつ、重金属汚染が少ない物質であ
ればよく、例えば、グラファイトであっても、熱分解カ
−ボンであっても、炭化珪素であってもよい。また、導
電体の取付位置は、拡散チャンバ内、あるいはイオン源
内の、プラズマにさられている位置であればどこでもよ
い。また、導電体に印加する電圧は高周波であってもよ
く、その周波数は、任意に選択することが可能である。

【００２８】上述の二つの実施例はエッチング装置に関
するものであるが、アモルファスシリコンやシリコン窒
化膜の成膜等に用いるプラズマＣＶＤ装置にも本発明を
応用できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明では、プラズマ発生源と基板載置
台の間に、電位を制御可能な導電体を設けることによっ
て、プラズマの空間電位を安定させることができる。こ
れによって、基板入射イオンエネルギーを再現性良くコ
ントロ−ルすることが可能となる。本発明をエッチング
装置に適用すれば、高異方性と高選択比とを満足する条
件で、極めて再現性良く基板をエッチングすることが可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の正面断面図である。

【図２】（Ａ）は永久磁石装置の平面図、（Ｂ）は
（Ａ）のＢ−Ｂ線矢示図である。

【図３】導電体の各種の形状を示す斜視図である。

【図４】本発明の別の実施例の正面断面図である。

【符号の説明】

１０…ヘリコン波イオン源１２…拡散チャンバ２２…基板載置台２３…ウェーハ２４…バイアス用高周波電源２６…導電体２８…プラズマ電位コントロール用電源３０…ＥＣＲイオン源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23F 4/00 C23C 16/50 H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空に排気できる容器内に設置した基板
載置台で被処理基板を保持し、基板載置台から離れた位
置に設置されたプラズマ発生源で、導入ガスのプラズマ
を発生させ、このプラズマを用いて基板を処理する真空
処理装置において、プラズマ発生源と基板載置台の間
に、電位を制御可能な導電体を設けたことを特徴とする
真空処理装置。
【請求項２】前記プラズマ発生源が無電極放電によっ
てプラズマを発生する形式であることを特徴とする請求
項１記載の真空処理装置。
【請求項３】前記プラズマ発生源がＥＣＲイオン源で
あることを特徴とする請求項２記載の真空処理装置。
【請求項４】前記プラズマ発生源がヘリコン波イオン
源であることを特徴とする請求項２記載の真空処理装
置。
【請求項５】前記導電体は両端が開放している中空体
の形状をしており、この中空体の内部を通ってプラズマ
が拡散することを特徴とする請求項１記載の真空処理装
置。
【請求項６】前記導電体の少なくともプラズマにさら
される部分の材質が、グラファイト、熱分解カ−ボン、
ガラス状カ−ボン、導電性炭化珪素、導電化したシリコ
ンからなる群から選ばれたいずれか一つであることを特
徴とする請求項１記載の真空処理装置。
【請求項７】前記導電体が接地されていることを特徴
とする請求項１記載の真空処理装置。
【請求項８】前記導電体が直流電源または高周波電源
に接続されていることを特徴とする請求項１記載の真空
処理装置。