JP3550466B2

JP3550466B2 - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JP3550466B2
Application number: JP22971596A
Authority: JP
Inventors: 哲郎小野; 賢悦横川; 直行小藤; 康後藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JPH1074730A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のプラズマ処理方法にかかわり、特にプラズマを用いた装置により半導体表面のエッチングを行うプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子のエッチングや成膜に現在広く用いられている装置は、プラズマを利用する装置である。その１つに、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式と呼ばれている装置がある。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生させる。磁場により電子はサイクロトロン運動をし、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。また磁場によりプラズマの壁への拡散が抑えられ、高密度のプラズマが発生できる。試料に入射するイオンを加速するために試料にはバイアス電圧が印加される。プラズマとなるガスには例えばエッチングを行なう場合には塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。エッチングのほかに膜の堆積などにもこの装置は使われている。
【０００３】
この装置では従来から色々な型が提案されており、例えば特開昭５３−４４７９５にてプラズマの発生電源の周波数を２．４５ＧＨｚとした例が知られている。さらに特開平２−１６７３１にはプラズマ発生電源の周波数を２ＧＨｚ以下１００ＭＨｚ以上とした例が知られている。
【０００４】
公知例の装置では、高密度のプラズマが発生できるのでエッチングなどの処理速度が速い利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体素子の製造工程ではクリーンルームの維持費用の増大により，製造装置には高いコストパフォーマンスが従来以上に要求されるようになっている。これを実現するために，装置には小形で低消費電力等が要求されるが，特に部品の交換などのメンテナンスの頻度が極力少ないことが重要となる。
【０００６】
特に，プラズマ発生電源の周波数帯域が１００ＭＨｚ以上１．２ＧＨｚ以下の領域でのＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式プラズマは，従来から多く用いられている２．４５ＧＨｚのＥＣＲプラズマより約２倍程度高いプラズマ密度が得られるために，試料のエッチング速度は高速であるものの，試料台がプラズマ中のイオンの入射によりスパッタされて消耗が激しいために試料台の交換頻度が高くなるという新たな問題点が、我々の研究で判明した。
【０００７】
本発明の目的はこの新しい課題を解決して、試料台交換の頻度が少なくかつ処理速度が高速なプラズマ処理方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
試料に印加するバイアス電源の出力を間欠的にするあるいはパルス状にするなどして，バイアス電源に変調をかけた。
【０００９】
図２（ａ）にプラズマ中のイオン１２にさらされている試料台９とその上に置かれている試料８近傍の図を示す。図２（ｂ）は試料台９に印加されるバイアス電源１０の電圧波形で連続的な出力を表す。。試料台９はほとんどの装置において、アルミナ、窒化シリコンなどのセラッミクあるいは石英などでできている。これらの物質はエネルギーの高いイオンの入射によりスパッタされ削られる。スパッタ速度はイオンの数に比例するので高密度プラズマでは試料台の消耗が速くなる。これが周波数帯域が１００ＭＨｚ以上１．２ＧＨｚ以下の領域でのＥＣＲプラズマを用いた装置で，試料台９の消耗が激しい理由である（点線で表されている部分が消耗した部分を表す）。イオン１２は試料台に印加されるバイアス電源１０の電圧により加速され試料８及び試料台９に入射する。試料台９にバイアスを印加しないと、イオンは加速されず、エネルギーが低いので試料台のスパッタはなくなる。
【００１０】
そこで図３（ｃ）に示すように試料台に印加するバイアスを例えば間欠的にオンオフすると、バイアスオンでイオン１２が試料台９に入射して試料台がスパッタされるが（図３（ａ））、バイアスオフではイオンが加速されないのでスパッタされず（図３（ｂ））、連続的にバイアスをかけた場合と比較して試料台の崩れ量はバイアスがオンオフされる１周期の中のオン時間に比例する。
【００１１】
一方、加工対象である試料は次に説明するようにバイアスのオフ時間が生じてもエッチング速度はそれに比例して遅くならない。図４はプラズマ中の試料８の断面を拡大した図である。試料８は通常Ｓｉなどの半導体あるいはＡｌ，Ｗなどの金属で，エッチングを行わない部分はレジスト１４でおおわれている。半導体や金属などの試料８では、プラズマ中で生成した塩素やフッ素などのハロゲンの活性ラジカル１３が試料８に吸着してそこにイオン１２が入射し、そのエネルギーで化学反応が促進しエッチングされる。これをイオンアシストエッチングと呼ぶ。イオンアシストエッチングではエッチング速度は加速されたイオン１２の量とともに試料に吸着するラジカル１３の量にも依存する。そしてラジカル１３の吸着はイオン加速がない，すなわちバイアスがオフの方が効率的に起こる。従って、図４（ａ）に示すように，バイアスオフの時に効率的にラジカル１３が試料８に吸着する。次に図４（ｂ）のようにバイアスオンの時にイオン１３が加速されて試料８に入射して効率的に化学反応が生じ，エッチンが進行する。試料がシリコン酸化物のような場合でも試料台をアルミナなどのよりイオンアシストエッチされにくいものにすることで，試料のエッチング速度の低下を抑えてかつ試料台のスパッタを抑えることができる。
【００１２】
以上の作用により、試料に印加するバイアスをオンオフすると、試料台の削れ量だけが少なくなり試料のエッチング速度はそれほど小さくならない。従って、試料の処理速度を落とさずに試料台の消耗を減らし、試料台交換のメンテナンス頻度を少なくすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下実施例を図１により説明する。図１（ａ）はプラズマエッチング装置の全体構成図である。プラズマ用電源１から導波管２と導入窓３を介して真空容器４内に電磁波が導入される。電磁波の周波数は９１５ＭＨｚであり、真空容器４の材質は金属で内面に絶縁コーティングしてある。導入窓の材質は石英、窒化シリコン、セラミックなど電磁波を透過する物質である。電磁石６、７の磁場強度は３２５Ｇａｕｓｓである。この磁場強度でプラズマ５中の電子のサイクロトロン運動が電磁波の周波数と共鳴するために、効率よく電磁波のエネルギーがプラズマに供給され高密度のプラズマができる。この周波数領域で従来多く用いられている２．４５ＧＨｚのマイクロ波よりも約２倍高いプラズマ密度が得られ、エッチング速度もそれに従い高くなる。試料８は試料台９の上に設置される。試料に入射するイオンを加速するために、バイアス電源１０が試料台９に接続されている。通常バイアス電源の周波数は２０ＭＨｚ以下にする。図１（ｂ）はバイアス電源１０の電圧波形１１を示す。本発明に従い，電圧はある適当な間隔でオンオフされる。
【００１４】
この装置で半導体素子の配線材料に多く用いられるアルミニウムをエッチングした結果を次に述べる。エッチングのガスにはＣｌ２とＢＣｌ３の混合ガスを用いた。真空容器４内部の圧力を２Ｐａとした。プラズマ用電源１の出力を６００Ｗとした。バイアス電源１０の出力は８０Ｗで，周波数は８００Ｋｈｚ，オンオフの繰り返し周波数は１ＫＨｚでオン時間とオフ時間の比を５０％とした。このときアルミニウムのエッチ速度は１．２ｍｍ／ｍｉｎであった。この値はバイアス電源を連続出力とした場合より１０％低い値ではあるが、電極の消耗量は、バイアス電源を連続的にした場合と比較して約２分の１に抑えられた。さらにこれらの値を従来の２．４５ＧＨｚのプラズマ用電源を用いた場合と比較すると、エッチ速度は約１．５倍で電極消耗量は同程度であった。すなわち本発明により装置のスループットが上がる。
【００１５】
次に、バイアス電源１０のオンオフ時間比を述べる。電極９の消耗量はオン時間にほぼ比例するのでオン時間を短くした方が電極寿命は長くなる。しかし、図５に示すようにオン時間があまり短くなるとエッチ速度が低下する。１サイクル中にオン時間が占める割合の最適値は１０％から６０％である。
【００１６】
（実施例２）
次に本発明のさらなる効果を述べる。本実施例では装置構成は図１と同じで、ガスに希ガスを加えて、たとえばＡｒ（１００ｃｃ）＋Ｃｌ２（８０ｃｃ）＋ＢＣｌ３（２０ｃｃ）とする。圧力を実施例１と同じ２Ｐａとすると、塩素ラジカルの量はＡｒが混合した分減少して、イオンはアルゴンイオンが多くを占めるようになる。このガス系ではＣｌやＢの割合が減少するので真空容器４の腐食や汚れが少なくなる。従って、清掃メンテナンスの頻度が少なくなる利点がある。一方、図４に示すようにバイアス電源をオンオフすることにより、オフのサイクルで塩素ラジカル１３を十分に試料８に吸着（図４（ａ））させた後に、バイアス電源をオンしてイオンアシストエッチング（図４（ｂ））できるので、希ガスを添加することによるエッチ速度の低下を抑えることができる。
【００１７】
（実施例３）
図６はプラズマ用電源１４とバイアス電源１９を変えた実施例である。この実施例ではプラズマ用電源１４として５００ＭＨｚの周波数を用いている。かつバイアス電源１９はパルス状に変調してある。電磁波を真空容器４に導入する手段として同軸ケーブル１５と円盤状アンテナ１６を用いている。容器上蓋１８は同軸線１５を真空中に導入する部分である。アンテナ１６の前面にはアンテナの消耗を防ぐための石英板１７が置かれている。この石英板１７の厚さはアンテナから放射される電磁波を透過する様に調整されている。同軸ケーブル１５は導波管より小型である利点がある。バイアス電源１９の出力を図６（ｂ）のようにパルス状にすると，正のパルスオンで電子が試料８に入射して，パルスオフでイオンが入射する。イオンは電子を中和するために同じ量入射するので，オフのサイクルを長くするとイオンが加速されなくなる時間が生じる。このために図３で述べたように試料台がスパッタされず，装置のメンテナンス性が上がる。
【００１８】
なお、プラズマ用電源１４からの電力導入法とバイアス電源のオンオフ方法の組み合わせは任意で，以上の実施例に限らない。
【００１９】
（実施例４）
図７は、図１あるいは図６に示す装置のバイアス電源の出力波形の別実施例で，数百ＫＨｚから数十ＭＨｚの高周波電圧２１を数ＫＨｚ程度の変調波２２で振幅変調したものである。このバイアス電源でも，振幅が小さいときにイオンの加速がなくなり，作用で述べたように電極寿命が延びる。
【００２０】
（実施例５）
図８は別実施例で、プラズマ用電源２３もオンオフ変調した装置である。プラズマ用電源の周波数は９１５ＭＨｚで，バイアス電源１０は２ＭＨｚである。両者を１ＫＨｚの周波数でオンオフしてかつ両者を同期させている。プラズマ用電源２３をオンオフするとオフ期間にイオンとラジカル量がある時定数で減衰する。その期間にあわせて同期をとり、バイアス電源の出力１１をオン、のタイミングは図８（ｂ）のようにプラズマ用電源２３の出力２４がオフする少し前からバイアス電源１０をオンすると、試料８に入射するイオンとラジカル量のより細かい調整が可能となり、条件あわせに自由度が増加する利点がある。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明では高密度プラズマを用いたドライエッチング装置でイオンのスパッタによる電極の消耗を低減することができる。したがって，装置の試料台交換のメンテナンスに頻度を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明を適用したエッチング装置の構成図であり、（ｂ）はバイアス電源１０の出力波形である。
【図２】（ａ）はエッチング装置の試料台近傍の拡大図であり、（ｂ）は従来方式のバイアス電源１０の電圧波形を示す。
【図３】（ａ）はエッチング装置の試料台近傍の拡大図でバイアスオンの際の状態を示し、（ｂ）はバイアスオフの際の状態を示し、（ｃ）は本発明によるバイアス電源１０の電圧波形を示す。
【図４】（ａ）は試料台上の試料断面の拡大図でバイアスオフ時の状態を示し、（ｂ）はバイアスオン時の試料断面図の状態を示し、（ｃ）は本発明によるバイアス電源１０の電圧波形を示す。
【図５】試料（メタル）のエッチング速度と試料台の削れ速度を表す。
【図６】（ａ）は本発明を適用した５００Ｍｈｚのプラズマ電源を用いたエッチング装置の構成図であり、（ｂ）はパルス状に変調した電源１９のバイアス出力波形である。
【図７】試料台に印加するバイアス電圧の波形の別の例を示す。
【図８】（ａ）は本発明を適用したエッチング装置の構成図であり、（ｂ）はバイアス出力波形とプラズマ用電源をオンオフ変調した実施例を示す。
【符号の説明】
１…プラズマ用電源、２…導波管、３…導入窓、４…真空容器、５…プラズマ、６…磁石、７…磁石、８…試料、９…試料台、１０…バイアス電源、１１ー電圧波形、１２…イオン、１３…ラジカル、１４…レジスト、１５…同軸ケ…ブル、１６…アンテナ、１７…石英板、１８…容器上蓋、１９…バイアス電源、２０…電圧波形、２１…高周波電圧、２２…変調波、２３…プラズマ用電源、２４…電磁波出力波形。

Claims

周波数が１００ＭＨｚ以上で１．２ＧＨｚ以下の電磁波を用いプラズマ中で活性ラジカルが生成されるエッチングガスに希ガスを添加してプラズマ化し、該プラズマ中のイオンにおいて前記希ガスのイオンが多く占めるように前記希ガスを加え、試料が配置された試料台に周波数２０ＭＨｚ以下のバイアスを印加するとともに１サイクル中にオン時間の占める割合を１０％から６０％にして該バイアスのオンオフを繰返し、バイアスオフ時にて前記活性ラジカルを試料に吸着させるとともにイオンによる試料台のスパッタを防止し、バイアスオン時にイオンを加速してイオンアシストエッチングによってレジストをマスクとして試料に形成した所望の膜をエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
周波数が１００ＭＨｚ以上で１．２ＧＨｚ以下の電磁波を用いプラズマ中で活性ラジカルが生成されるエッチングガスに希ガスを添加してプラズマ化し、該プラズマ中のイオンにおいて前記希ガスのイオンが多く占めるように前記希ガスを加え、アルミナ製の試料台にイオンアシストエッチングによってエッチングされる材料の半導体や金属膜が形成された試料を配置し、前記試料台に周波数２０ＭＨｚ以下のバイアスを印加するとともに該バイアスのオンオフを繰返し周波数１ｋＨｚで１サイクル中にオン時間の占める割合を１０％から６０％にして繰返し、バイアスオフ時にラジカルを試料に吸着させるとともにイオンによる前記アルミナ製の試料台のスパッタを防止し、バイアスオン時にイオンを加速してイオンアシストエッチングによって試料に形成した所望の半導体や金属膜をエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。