JP3761474B2

JP3761474B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3761474B2
Application number: JP2002045545A
Authority: JP
Inventors: 秀之数見; 宗雄古瀬; 勉手束; 雅嗣荒井; 賢治前田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2003243376A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して被処理物を処理するプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを利用して被処理物特に絶縁膜を処理する際には、例えば、異なる２つのＲＦを対向する電極に印加する平行平板型プラズマ処理装置（従来技術１、例えば特開平８−３３９９８４号）を用いている。かかる装置においては、上部電極と下部電極とを処理室内の上下に対向させて配置し、各電極の少なくともいずれか一方に高周波電力を供給して、処理室内に導入した処理ガスを電離・解離させて生じたイオンやラジカルを用いて、ウエハを処理する。上部電極にはアルミニウムからなる冷却プレート及び冷媒循環路が設けられ、その上にはガスを処理室内に導入する拡散部材があり、その中にはガスを振分けるバッフル板が設けられている。ＲＦ電極の背面に永久磁石を備え、その永久磁石をリング状に配置したプラズマ処理装置が特開平８−２８８０９６号公報（従来技術２）に開示されている。また被処理体を載置する電極に対向するように平面アンテナ部材を設け、このアンテナ部材にμ波を供給し、また平面アンテナ部材の前面にスリット開口部を設けたプラズマ処理装置が特開平９−６３７９３号公報に記載されている(従来技術３)。また、特開平１０−１３４９９５号公報には、ＵＨＦ帯の高周波を同軸ケーブルによってディスク状のアンテナに供給した平行平板型ＵＨＦ−プラズマ装置が記載され、アンテナの直径を所定値ｎ／２・λ（ｎ：整数）に設定するプラズマ処理装置が開示されている（従来技術４）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１では、使用周波数の高周波数化に伴い、上部電極と金属性の冷却板の間、もしくは吐出し口（ガス吹出し口）の間にも高周波が浸透するようになる。浸透厚さは非常に薄い（１mm以下）ので、その間に高電界が発生して、いわゆる異常放電が起こり易くなる。一旦異常放電が起こると、吹出し穴径が拡大し、今度は内部にまでプラズマが発生し、異物の発生を引き起こしたり、上部電極が削れて所望の性能が維持できなくなる。このため、高周波数による高密度化が困難であるため、処理速度（エッチングレート）を上げられないという課題がある。
【０００４】
従来技術２では、永久磁石ではその大きさ程度に限定された箇所に局所的に磁場が形成される。磁場による閉じ込め効果を増そうとすると磁石近傍での磁場強度が強くなるため、この部分でプラズマ密度が高くなる。またＲＦ電極にはバイアスが印加され、イオンを引き込むので、スパッタリングが局所的に起こる。そのため電極の局所的消耗を招き、異物の増加，装置信頼性が低下するという課題がある。
【０００５】
従来技術３では、アンテナ部にスリットを設け、スリットの長さを（１／２〜１／１０）λ（λ：μ波の管内波長）程度にすることにより分布を調整するとしている。後述のように重要なのは、スリット位置及びアンテナ背面での寸法を特定しなければ、そこからのμ波の放射及び電界分布の調整が困難であるという課題がある。
【０００６】
従来技術４では、アンテナ中央が電界の腹に、アンテナ端が電界の節に相当するため、アンテナ直下での電界分布は必ず凸となる。そのためプラズマを均一にすることが困難という課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、ＶＨＦ帯もしくはＵＨＦ帯の高周波と磁場とを用いてプラズマを生成する方式において、広いパラメータ領域で、異常放電のない高密度，高均一の安定したプラズマを実現するプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの見方によれば、本発明は、真空容器と、該真空容器内部にあってガスが供給される処理室と、該処理室内に設けられ処理対象物を支持する支持電極と、ＵＨＦもしくはＶＨＦ帯の高周波を処理室に供給するディスク状アンテナとアンテナ横に配置された絶縁体で構成された放射口からなる高周波導入手段と、前記処理室に磁場を形成する磁場形成手段とを有し、ガスを処理室内に導入するシャワープレート電極とを有し、前記シャワープレート電極とディスク状アンテナから構成されるアンテナ部において、アンテナ導体部に誘電体とそれを囲う金属とからなる空間（電界制御空間と呼ぶ）を設けたことを特徴とする。この場合、前記電界制御空間に用いる誘電体の誘電率は、シャワープレート電極を構成する部材の誘電率より小さい方が好ましい効果が得られる。
【０００９】
また、前記アンテナ部に誘電体とそれを囲う金属とからなる電界制御空間を複数個設けてもよい。この場合、周方向の対称性を考えると、電界制御空間が同心円上に形成されることが望ましい。
【００１０】
また、前記電界制御空間にアンテナ導体とシャワープレートの間にアンテナ導体部と電気的に接触する第２のリング状金属を配置して、そのリングの径により電界分布を制御する。
【００１１】
さらには、前記アンテナの中央部にアンテナ導体と電気的に接触する金属棒と、その金属棒と電気的に接触する第３のディスク状導体を配置してもよい。ガスを供給するシャワープレートとして、ＳｉもしくはＳｉＣ，Ｃで構成される板状部材を配置し、板状部材を介してＵＨＦもしくはＶＨＦ帯の高周波を処理室内に供給するプラズマ装置としてもよい。
【００１２】
処理室内にＵＨＦ帯（ｆ＝４５０ＭＨｚ）の高周波を導入した時の、電界分布の様子を図７を用いて説明する。同軸ケーブルで供給された高周波は、アンテナ導体と外導体の間を同軸モードで伝播し、アンテナ横の誘電体を通して処理室に供給される。それと同時にアンテナ導体下にあるシャワープレート電極を通しても処理室に供給される。プラズマ密度はＵＨＦ：ｆ＝４５０ＭＨｚに対するカットオフ密度ｎ＝２.５×１０¹⁵ｍ^-3 よりも通常高いので、ＵＨＦ波プラズマ内に伝播できず、電極とプラズマの間に形成されるシースを伝播する。シースは１〜数mm程度であるため、シース内は高電界となる。またシャワープレート電極はＳｉ，ＳｉＣ等で構成されることがあるが、その場合、ＵＨＦもＳｉやＳｉＣ内にも浸透するためこの部分も高電界にさらされる。一方で、そこは従来技術１にもあるように、ガスの吹出し口ともなっている。そのためガスが高電界にさらされるために、そこでプラズマが生成され、さらには電極電位で加速されより内部にまでイオンが入射する。その結果、内部で異常放電が起こり、シャワープレートからの異物発生や破損といったことが起こると考えられる。
【００１３】
ここで、前記の誘電体と金属で囲われた電界制御空間をシャワープレートの上に設けると、そこにもＵＨＦは伝播する。図８は、電界制御空間として、半径ｒ＝５０mmの円盤状誘電体をアンテナ導体の中に埋め込んだ時のシース内の電界分布を示したものである。誘電体を入れたことによる電界低減効果に加え、アンテナ導体とプラズマの距離が実効的に長くなるので電界強度が小さくなる。また、電界制御空間を設けていない場合、シース内の電界はベッセル関数〜Ｊ₀(ｒ）の形で凸形状を示しているが、中央部に電界制御空間を設けることで、その部分の電界を局所的に変化させることが出来る。その結果、電界の均一化が実現される。また、図に示されているようにＵＨＦ電界には腹，節が明確に現れているが、電界制御空間を電界の腹の位置に、半径方向に複数個設けることにより電界分布を緩和して、半径方向の均一性を向上させる。また前記電界制御空間に、アンテナを導体とシャワープレートの間に位置する第２の金属リングを設けると、図９に模式的に示すように、シース中に現れる波は、電界制御空間を伝播して金属の囲いの部分で反射された波とシャワープレート電極を伝播する波との重ね合わせとなる。金属リングの径を変えることにより電界制御空間を伝播する波(定在波)の分布，強度を変えて、シース中に現れる電界を制御する。また、逆に中央部にディスク状アンテナを設けて、周辺部に開口部を設けることにより、その部分の電界強度に強弱を付けることができる。熱伝導性が良い金属を用いる方が、絶縁体を介してシャワープレートに接する構造よりも、アンテナとシャワープレートの温度を制御する（冷却する）観点からも望ましい。また、シャワープレート電極の部材としてはＳｉ，ＳｉＣやＣが、処理室内の異物や金属汚染低減、さらにはフロロカーボンから発生する過剰のＦを除去する観点からも望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
ＵＬＳＩ素子の微細化，高集積化が急速に進められ、それに応じてエッチング技術の高精度化，大口径対応が求められている。その中でも酸化膜や低誘電率絶縁膜を加工する絶縁膜エッチングでは、デバイス構造の複雑化，加工幅の微細化と並んで加工膜種の多様化に対応する必要が生じており、対レジストや対Si₃N₄に対する高選択比，垂直加工形状が求められている。ところが対下地や対レジストに対して高い選択比を得ようとすると、エッチング反応が途中で停止する‘エッチストップ’やＲＩＥ−lag が発生しやすく、高アスペクト垂直加工と高選択比との両立が益々困難になっている。絶縁膜エッチングでは、炭素とフッ素を含むフロロカーボンガスが用いられ、プラズマによって分解されたフロロカーボンラジカル(ＣｘＦｙ)の膜堆積とイオン入射によりエッチング反応が進行する。酸化膜，レジスト，Ｓｉ₃Ｎ₄上に堆積するフロロカーボン膜の膜厚や組成が異なることによって選択比が発現する。フロロカーボンラジカルとＦラジカルの密度比ＣｘＦｙ／Ｆが高い方が高選択比が得られると考えられているが、一方ＣｘＦｙの量や炭素の割合が増えるとエッチング反応が停止することがある。フロロカーボンラジカルの組成はプラズマの密度や電子温度のみならず、チャンバー壁での化学反応，リサイクリングによって支配される。また反応生成物やその解離物がエッチングを阻害する。そのため、酸化膜エッチングでは、ラジカルや反応生成物の解離を支配するプラズマの密度，温度を制御する必要があり、大口径均一処理のためには、その分布制御が必要となる。また、高スループットすなわち高エッチング速度を実現するためにはプラズマの高密度化が必須である。これらを実現するための本発明の実施の形態を、以下、参考例と実施例とを用いて説明する。
【００１５】
本発明の第１の実施例を図１に示す。プラズマ処理装置の処理室２はアルマイト処理されたアルミニウム等からなる処理容器内に形成され、処理室２内には被処理物（ウエハ）４を支持する支持台（電極）５とを備えた真空容器１を有し、処理室内に導入されたガス３は排気系６によって排気される。支持台の上にはウエハを載置するためのサセプタ７が配置される。サセプタ７の上には、Ｓｉ等からなるリング状のフォーカスリング８が配置され、フォーカスリング８はウエハの端部付近の均一性を確保するのに用いられる。処理室２の上部には、高周波を導入する手段が載置されている。ＵＨＦ・ＶＨＦ発生源９で発生されたＵＨＦ帯もしくはＶＨＦ帯の高周波は整合器１０及び伝送線路１１を通してアンテナ導体１２に供給される。アンテナ導体１２と導体壁１３の間には誘電体１４が充填されており、高周波は放射口１５を通して、処理室２に導入される。ＵＨＦもしくはＶＨＦ発生源９とは別のＲＦ発生源１６が設けられ、ＲＦ帯の高周波が同じくアンテナ導体１２に供給される。真空容器１の周囲には磁場形成手段１７があり、処理室２内に磁場を形成する。アンテナ導体１２には、アルミニウム等で構成されるバッフル板１８が配置され、ガスを分散させる。バッフル板の下にはシャワープレート電極１９が接続され、処理室２内に接する。シャワープレート電極にはガス穴１９ａが開けられており、これを介して、処理室２内にガス３が供給される。アンテナ導体１２及びバッフル板１８の下（処理室側）には、誘電体２０及びそれを取り囲む形で金属仕切板２１が配置されて、電界制御空間２２を形成する。金属仕切板２１はアンテナ導体１２及びバッフル板１８と電気的に接続されている。前記誘電体２０の誘電率は、シャワープレート電極１９の誘電率より小さい方が望ましい。本実施例を用いた場合の被処理物４の処理の様子を、酸化膜エッチングを例にして説明する。搬送手段（図示せず）によって被処理物４が処理室２内にある支持台５に搬送される。処理室２にフロロカーボンガス，Ｏ₂ ，Ａｒ等で構成されるガス３が供給され、内部の圧力が所定値に設定された後、ＵＨＦ・ＶＨＦ発生源９よりアンテナ導体１２及びシャワープレート電極１９に高周波が供給され、プラズマ及びその結果として各種ラジカルが生成される。その後、支持台５には高周波電力が供給され、被処理物にイオン引き込み電圧（バイアス）を発生させ、前記の各種ラジカルとイオンの入射によって酸化膜をエッチングする。この場合、シャワープレート電極１９の上に設けられた電界制御空間２２内にＵＨＦやＶＨＦが浸透することができるので、シャワープレート電極１９の下に発生する電界強度を小さくすることができる。また、例えば誘電体２０として石英を用い、電界制御空間の内径をφ１００程度、厚さを５ｔ以上にとると、その範囲の電界強度を２／３〜１／２程度に小さくすることになるので、元々凸分布を示す中央部のプラズマ密度分布を平坦にすることができ、結果として絶縁膜のエッチングレートが均一化される。
【００１６】
本発明の第２の実施例を図２に示す。プラズマ処理装置に用いられる、アンテナの構成に着目している。図１記載の実施例において、アンテナ導体部１２に誘電体２０とそれを囲う金属仕切板２１とから構成される電界制御空間２２を半径方向に複数個配置したことを特徴とする。例えば図Ａに示した電界を例にとり、均一化する方法について述べる。便宜状、φ１００までをCenter、φ１００〜２００をMiddle、φ２００〜３００をEdgeと呼ぶ。今の場合の電界分布は、Center＞Edge＞Middleの順となっている。φ０〜１００（Centerと呼ぶ）に誘電体として５ｔの石英を充填し、それに加えφ２２０〜φ３００（Edge）の範囲に４ｔ程度の石英を充填する。φ１００〜φ２００(Middle)には金属リングを配置する。すると、φ０〜１００の範囲及びφ２００〜３００の範囲の電界強度を下げ、φ１００〜２００の範囲での電界強度に揃えることができるので、φ３００の範囲の電界の均一化を図ることができる。ここでは簡便性のため電界制御空間をCenter，Middleの２箇所に配置しているが、Center，Middle，Edgeの３箇所あるいは領域を細分化すれば、それ以上に配置してもよい。また各々に配置する誘電体の厚さｄや比誘電率εｒには任意の組合せがあるが、電界強度を下げたい箇所での、誘電体のεｒ／ｄの値を他より小さくすればよい。その箇所を変えてもよい。
【００１７】
本発明の第３の実施例を図３に示す。アンテナ導体とシャワープレート電極の間に、アンテナ導体部と電気的に接触する第２の金属リング２３を配置したことを特徴とする。アンテナ導体の横を通って伝播するＵＨＦ，ＶＨＦの電界はシャワープレート電極を介してシース部を伝播すると共に、一部は誘電体２０と金属仕切板２１，第２の金属リング２３で構成される電界制御空間２２内にも伝播し、誘電体２０を囲う金属仕切板２１で反射される。誘電体２０中を伝播する進行波と反射波とが干渉して定在波を形成する。この波は再び電界制御空間２２の下に位置するシャワープレート電極１９を介してシース中に供給される。先の電界分布を例にとり、平坦化する例を述べる。誘電体として石英(比誘電率３.８）、シャワープレート電極としてＳｉ(比誘電率１１.８）を用いたとすると、誘電体の半径として１５０mm,厚さ１０ｔ程度,第２の金属リングの内径を６０〜１００mm程度にすると良い。
【００１８】
本発明の第４の実施例を図４に示す。プラズマ処理装置に用いられる、アンテナの構成に着目している。図１〜図３記載の実施例において、上記第２の金属リング２３より内側に、新たに第２の金属仕切板２４をアンテナ導体１２と電気的に接触するように配置する。金属仕切板２４は、中心部での電界強度を上下するのに用い、この仕切板と上記第２の金属リング２３との間の開口部で波を強めたり弱めたりする。前記電界強度分布を例にとって、平坦化する例を述べる。まず、Centerを弱めるために第２の金属仕切板２４の内径は、５０mm程度とする。
Middle部を強めるために、第２の仕切板と電界制御空間の仕切板との距離を、管内波長の１／４λ：ｆ＝４５０ＭＨｚ、石英中では８８mm程度とする。第２の金属リング２３の内径を１００mm程度とすると、半径５０〜１００mmの範囲での電界を強めることができる。このようにすれば、半径１５０mm以内の電界を比較的均一にでき、プラズマの均一化，エッチングの均一化が図られる。
【００１９】
本発明の第５の実施例を図５に示す。プラズマ処理装置に用いられる、アンテナの構成に着目している。図１〜図３記載の実施例において、前記電界制御空間の中心に、第３のディスク状導体２５を配置したことを特徴とする。先の電界分布を例にとって説明する。誘電体として石英（比誘電率３.８）を用いたとすると、誘電体の半径として１５０mm，厚さ１０ｔ程度，第３のディスク状導体２５の径を５０mm程度、第２の金属リング２３の内径を８０〜１２０mm程度にする。このようにｒ＝５０〜１００に開口部を作ることで、その部分の電界強度を強くする。電界強度は、開口部の面積、言い換えればディスク状導体２５の径と第２の金属リング２３の内径を変えるか、もしくは誘電体の誘電率を変えてもよい。また中心の第３のディスク状導体２５と第２の金属リング２３との高さ（シャワープレート電極からの距離）は変えても良い。
【００２０】
本発明の第６の実施例を図６に示す。プラズマ処理装置に用いられる、アンテナの構成に着目している。シャワープレート電極１９として、Ｓｉ，ＳｉＣもしくはＣで構成される板状部材２６を配置する。板状部材２６を介してＵＨＦもしくはＶＨＦの高周波を処理室に供給する。誘電率はε＝εｒ−ｊεｉと書け、Ｓｉを例にすると、εｒ＝１１.８，εｉ〜ωε／η、ここでωは角周波数、ηは抵抗率である。εｒ≫εｉとなるように抵抗率を選べば、ＵＨＦ等を浸透させることができる。ｆ＝４５０ＭＨｚの場合では、η＝１〜１０Ωcm程度とすれば、誘電体として扱うことができ、また抵抗による熱損失も小さくなる。また、ＳｉはＬＳＩの部材として使われるので、それによる汚染の懸念は無い。Ｃや
ＳｉＣについても、使用ガスがＣとＦからなるフロロカーボンであるので、好適である。
【００２１】
上記のように構成した本発明の実施例においては、ＵＨＦもしくはＶＨＦを処理室に導入するアンテナ部について、アンテナ導体と誘電体及び仕切板，金属ディスクから構成される電界制御空間を設け、１）仕切板，金属ディスクの位置を調整することで、所望の位置の電界強度を変化させて、均一化させる。２）シャワープレート電極に発生する電界強度を下げることによって、ガス導入口に発生する異常放電を低減する。この電界制御手段と磁場発生手段の組み合わせによって、圧力やガス種，パワー等のプロセスパラメータの変化に対応して、プラズマ分布を制御することが可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、ＶＨＦもしくはＵＨＦ帯の高周波と磁場とを用いてプラズマを生成する方式において、広いパラメータ領域で、異常放電のない、高密度，高均一のプラズマを実現するプラズマ処理装置が提供できる。その結果、高処理速度，大口径ウエハの均一加工が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】本発明に用いられるアンテナ構成についての第２の実施例を説明する図である。
【図３】本発明に用いられるアンテナ構成についての第３の実施例を説明する図である。
【図４】本発明に用いられるアンテナ構成についての第４の実施例を説明する図である。
【図５】本発明に用いられる高周波の放射口についての第５の実施例を説明する図である。
【図６】本発明に用いられる高周波の放射口についての第６の実施例を説明する図である。
【図７】比較例でのＵＨＦ電界分布を示す図である。
【図８】比較例と本発明の電界分布比較を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施例の作用を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施例の効果を示す図である。
【符号の説明】
１…真空容器、２…処理室、３…ガス、４…被処理物、５…支持台（電極）、６…排気系、７…サセプタ、８…フォーカスリング、９…ＵＨＦ・ＶＨＦ発生源、１０…整合器、１１…伝送線路、１２…アンテナ導体、１３…導体壁(導波路)、１４，２０…誘電体、１５…高周波導入手段（放射口）、１６…ＲＦ発生源、１７…磁場形成手段、１８…バッフル板、１９…シャワープレート電極、１９ａ…ガス穴、１９ｂ，２６…板状部材（Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｃ）、２１…金属仕切板、２２…電界制御空間、２３…第２の金属リング、２４…第２の金属仕切板、２５…第３のディスク状導体。

Claims

真空容器と、該真空容器内部にあってガスが供給される処理室と、該処理室内に設けられ処理対象物を支持する支持電極と、ＵＨＦ帯もしくはＶＨＦ帯の高周波を処理室に供給するアンテナ部及び放射口と、前記処理室に磁場を形成する磁場形成手段とを有し、ディスク状アンテナ導体部とガスを供給するシャワープレートから構成されるアンテナ部のうち、前記ディスク状アンテナ導体部に誘電体とそれを囲う金属とを有する電界制御空間を複数個有するプラズマ処理装置。
請求項１において、前記誘電体とそれを囲う金属とを有する電界制御空間に、前記金属と電気的に接続するリング状金属を配置したプラズマ処理装置。
請求項２において、上記リング状金属より内側に、新たに金属仕切板をアンテナ導体部と電気的に接続するように配置したプラズマ処理装置。
請求項１又は２において、前記アンテナ部の中央部にアンテナ導体部と電気的に接続する金属棒と、該金属棒と電気的に接続するディスク状導体を配置したプラズマ処理装置。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、ガスを供給するシャワープレートとして、Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｃの少なくとも一つで構成される板状部材を配置し、該板状部材を介してＵＨＦ帯もしくはＶＨＦ帯の高周波を処理室に供給するプラズマ処理装置。