JP5065725B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを利用して、半導体基板やガラス基板のエッチング処理又は成膜処理を行うプラズマ処理装置に関し、更に詳しくは、磁場ゼロの環状磁気中性線と交番電場とを結合させてプラズマを発生させるプラズマエッチング装置に関する。

近年、プラズマを利用して基板のエッチング処理を行うプラズマエッチング装置が広く知られている。この種のプラズマエッチング装置としては、プラズマを発生させるプラズマ源の構成に応じて幾つかの方式に分類され、中でも、真空槽内に形成した電場と磁場との結合によりプラズマを発生させるようにしたプラズマエッチング装置が知られている。例えば特許文献１には、図６に示すプラズマエッチング装置１０が開示されている。

図６において、１１は真空槽であり、内部に反応室１１ａを形成している。真空槽１１には真空ポンプ１７が接続され、真空槽１１の内部が所定の真空度に真空排気されている。反応室１１ａの周囲を構成する筒状容器１２は石英等の透明材料からなり、その外周側には、高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル１３と、この高周波コイル１３の外周側に３つの磁気コイル１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃからなる磁気コイル群１４がそれぞれ配置されている。

磁気コイル１４Ａと磁気コイル１４Ｃにはそれぞれ同一方向の電流が供給され、磁気コイル１４Ｂには他の磁気コイル１４Ａ，１４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、反応室１１ａにおいて、磁場ゼロの環状の磁気中性線１５が形成され、高周波コイル１３により磁気中性線１５に沿って誘導電場が印加されることで、放電プラズマが形成される。

また、真空槽１１の内部には、基板を支持するステージ１６が設置されている。このステージ１６は、バイアス電源ＲＦ４に接続されている。また、ステージ１６の対向電極として筒状容器１２の上部を閉塞する天板１８は、接地電位に接続されている。天板１８には、反応室１１ａへエッチングガスを導入するガス導入ヘッド１９が設けられている。

以上のような構成のプラズマエッチング装置１０においては、磁気コイル群１４に供給する電流の大きさによって磁気中性線１５の形成位置および形成径を調整することができる。具体的に、磁気コイル１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃに供給する電流をそれぞれＩ_A，Ｉ_B，Ｉ_Cとしたとき、Ｉ_A＞Ｉ_Cの場合は磁気中性線１５の形成位置は磁気コイル１４Ｃ側へ下がり、逆に、Ｉ_A＜Ｉ_Cの場合は磁気中性線１５の形成位置は磁気コイル１４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル１４Ｂに供給する電流Ｉ_Bを増していくと、磁気中性線１５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。従って、これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることが可能となる。

特開平７−２６３１９２号公報

しかしながら、上述した構成のプラズマエッチング装置１０において、磁気中性線１５の位置制御が可能であるのは、反応室１１ａの圧力が比較的低圧（例えば１．５Ｐａ以下）の場合に限られる。すなわち、反応室１１ａの圧力が高圧になるほど、磁気コイル群１４に対する電流制御によってプラズマ分布を調整することが困難になるという問題を有している。

一般に、プラズマエッチングは、エッチングガスの導入量が多いほど高いエッチングレートが得られる。実際的には、例えば２〜１０Ｐａ程度の圧力下でエッチング処理が行われている。従って、磁気中性線を利用したプラズマエッチング装置においては、反応室内の圧力が比較的高圧の場合にはプラズマ分布の調整が不可能であるため、磁気中性線１５の直下位置ではエッチングレートが高く、磁気中性線１５から離れた位置ではエッチングレートが低いというような面内不均一性が顕在化する。特に、エッチング処理と側壁保護膜の形成を交互に行うことによってＳｉ基板の表面に高アスペクト比の孔又は溝を形成するプラズマ処理工程においては、エッチング速度の面内のバラツキが大きくなり、所望とするエッチング分布を得ることができない。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、反応室内の圧力が比較的高圧の場合でもプラズマ分布の調整を行うことができるプラズマ処理装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のプラズマ処理装置は、反応室を形成する真空槽と、この真空槽の上部を閉塞する天板と、前記反応室の周囲に配置され第１の高周波電源に接続された第１のプラズマ源と、前記反応室に設置され所定のバイアス電源に接続された基板支持用のステージと、前記反応室へプロセスガスを導入するガス導入手段と、前記反応室に磁場ゼロの環状磁気中性線を形成する磁場形成手段とを備えたプラズマ処理装置であって、前記天板には、第２の高周波電源に接続されたプラズマ分布調整用の第２のプラズマ源が設置されていることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置においては、真空槽の上部を閉塞する天板に第２のプラズマ源を設置することによって、磁気中性線の径内方側において電場の形成密度を高めるようにしている。これにより、反応室の圧力が比較的高圧の場合においても、第２のプラズマ源によってプラズマ分布を調整することが可能となるとともに、基板に対するプラズマ処理の面内均一化を図れるようになる。

本発明においては、上記天板は、中央部に開口を有し、当該開口に対して上記第２のプラズマ源が誘電体を介して設置されている。このように、第２のプラズマ源を天板の所定領域に限って設置することによって、当該第２のプラズマ源によって形成される電場領域を磁気中性線の所望の径内方領域に限定でき、当該領域のプラズマ密度を高めることが可能となる。

第２のプラズマ源は、上記第２の高周波電源にアンテナを接続して構成されるＲＦ（Radio Frequency）アンテナ、あるいは、上記第２の高周波電源にコンデンサを介して接続された電極からなるＲＦ電極によって構成することができる。第２のプラズマ源をＲＦアンテナで構成する場合、上記誘電体は、石英などの透明材料からなる窓部材が好適に用いられる。

また、天板には高周波電源を接続することによって、天板が接地電位に接続される構成に比べて天板への膜付着に起因するダストの発生を抑制できる。また、この天板にスパッタ用ターゲットを設置することによって、エッチング処理のほかに成膜処理を実行するプラズマ処理装置を構成することが可能となる。この場合、天板に接続される高周波電源は、第２のプラズマ源に接続される第２の高周波電源でもよいし、当該第２の高周波電源とは異なる第３の高周波電源でもよい。前者の場合、第２の高周波電源に対する天板及び第２のプラズマ源の接続を選択的に切り替える切替手段を設置するのが好ましい。

本発明のプラズマ処理装置によれば、真空槽の上部を閉塞する天板に、プラズマ調整用の第２のプラズマ源を設置しているので、反応室の圧力が比較的高圧の場合においてもプラズマ分布を調整することが可能となり、基板に対するプラズマ処理の面内均一化を図れるようになる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態によるプラズマ処理装置２０の概略構成を示す側断面図である。本実施形態では、エッチング処理と側壁保護膜の形成を交互に行うことによって、Ｓｉ基板の表面に高アスペクト比の孔又は溝を形成するプラズマ処理装置に本発明を適用した例について説明する。

図１において、２１は真空槽であり、内部に反応室２１ａを形成している。真空槽２１には例えばターボ分子ポンプ等の真空ポンプ２７が接続され、真空槽２１の内部が所定の真空度に真空排気されている。

反応室２１ａの周囲を構成する筒状容器２２は石英等の透明材料からなり、その外周側には、第１の高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル２３と、この高周波コイル２３の外周側に３つの磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃからなる磁気コイル群２４がそれぞれ配置されている。ここで、高周波コイル２３は、本発明の「第１のプラズマ源」に対応し、磁気コイル群２４は、本発明の「磁場形成手段」に対応する。

磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向の電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ，２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、反応室２１ａにおいて、磁場ゼロの環状の磁気中性線２５が形成され、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿って誘導電場が印加されることで、反応室２１ａに放電プラズマが形成される。

反応室２１ａには、基板３０を支持するステージ２６が設置されている。ステージ２６は金属製で、コンデンサ３１を介してバイアス電源としての第４の高周波電源ＲＦ４に接続されている。ステージ２６に第４の高周波電源ＲＦ４を接続することで、基板バイアスによりイオンをステージ２６側に加速させ、基板３０上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高めることができる。

筒状容器２２の上部には、反応室２１ａへプロセスガスを導入するガス導入ノズル２９が設置されている。プロセスガスとしては、Ａｒ、Ｈｅ等の希ガスとエッチングガスが用いられる。エッチングガスとしては、エッチング対象物によって適宜選択され、例えばＳｉ系の材料をエッチングする場合には、ＳＦ系、ＣＦ系、ＣＨＦ系などのハロゲン系ガス又はこれと希ガスとの混合ガスが用いられる。

また、筒状容器２２の上部は天板２８で閉塞されている。天板２８は金属製で、ステージ２６の対向電極として構成されている。この天板２８には、コンデンサ３２を介してバイアス電源としての第３の高周波電源ＲＦ３が接続されている。高周波電源ＲＦ３は、エッチング領域の正イオンによるチャージアップを抑制し、高アスペクト比のエッチング加工を実現する。

天板２８は、中央部に開口２８ａを有している。この開口２８ａには、誘電体からなる窓部材３３が設置されている。窓部材３３は、例えば石英、透光性セラミックス等の透明材料で形成されている。そして、この窓部材３３には、第２の高周波電源ＲＦ２に接続されたプラズマ発生用のループ状のＲＦアンテナ３４が設置されている。ＲＦアンテナ３４は、反応室２１ａに発生したプラズマの密度分布を調整するための第２のプラズマ源を構成する。

本実施形態では、ＲＦアンテナ３４のループ径は、磁気コイル群２４によって形成される環状磁気中性線２５の直径よりも小さくなるように設定されているとともに、ＲＦアンテナ３４のループ中心が磁気中性線２５の中心とほぼ一致するように窓部材３３に設置されている。ＲＦアンテナ３４のループ径は適宜選択され、磁気中性線２５の径内方領域において所望のプラズマ分布が得られる大きさに設定される。

窓部材３３の上方には、ステージ２６上の基板３０の被処理面を検出するセンサ４１が設置されている。このセンサ４１は、ＣＣＤ等の固体撮像素子やフォトカプラー等の光学式検出器で構成される。窓部材３３をセンサ４１の検出窓として用いることで、基板を横方向からモニタする場合と異なり、基板３０のエッチング深さをリアルタイムで検出することが可能となる。例えば、基板表面のレジスト膜を全面除去したい場合に、面内でどのようにレジスト膜が除去されていくかがリアルタイムで確認できるようになる。

天板２８の反応室２１ａと対向する側の面には、スパッタ用のターゲット３５が設置されている。ターゲット３５は、反応室２１ａに形成されたプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物は、ステージ２６上の基板３０の表面に堆積される。本実施形態では、ターゲット３５の構成材料として合成樹脂材料、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が用いられている。なお、ターゲット３５の構成材料は合成樹脂材料に限られず、金属、シリコン、セラミックス等の単質材又はこれらの複合材を用いることが可能である。

以上のように構成される本実施形態のプラズマ処理装置２０においては、反応室２１ａにエッチングガスのプラズマを発生させることで、ステージ２６上の基板３０の表面をエッチングする。基板３０の表面には予め所定形状のレジストパターンが形成されており、当該レジストパターンの開口部においてエッチングが進行する。一方、反応室２１ａに希ガスのプラズマを発生させることで、天板２８に設置したターゲット３５をスパッタし、そのスパッタ物を基板３０の表面及びエッチングパターンの底部及び側壁部に付着させる。これらエッチング処理およびスパッタ処理を交互に行うことによって、基板３０の表面に高アスペクト比の孔又は溝を高精度に形成することが可能となる。

図２は、エッチングガス、希ガスの導入タイミングと高周波電源ＲＦ１〜ＲＦ４の印加タイミングとの関係を示すタイミングチャートである。本例では、エッチングガスとしてＳＦ₆ガスが用いられ、希ガスとしてＡｒガスが用いられている。

ＲＦ１及びＲＦ４は高周波アンテナ２３及びステージ２６に常に印加されている。高周波アンテナ２３への電力供給時は磁気コイル群２４に対しても所定の電力供給が行われる。したがって、反応室２６ａには、磁気中性線２５に沿って高密度なプラズマが形成されるとともに、プラズマ中のイオンがステージ２６側へ周期的に引き込まれる。

基板３０のエッチング処理時（時間ｔ１〜ｔ２）、反応室２１ａにエッチングガス（ＳＦ₆）が導入され、当該エッチングガスのプラズマが形成される。このときの反応室２１ａの圧力は、例えば２Ｐａ〜１０Ｐａに設定される。このような比較的高圧の減圧雰囲気下では、磁気コイル群２４に対する電流供給制御を行ってもプラズマ分布の調整は不可能である。そこで、第２のプラズマ源であるＲＦアンテナ３４へ高周波電源ＲＦ２を印加することにより、磁気中性線２５の径内方位置におけるプラズマ密度が高められるようにプラズマ分布が調整される。これにより、基板３０の面内におけるエッチング速度の均一性が高められる。

本実施形態によれば、第２のプラズマ源であるＲＦアンテナ３４を天板２８の所定領域に限って設置するようにしているので、当該第２のプラズマ源によって形成される電場領域を磁気中性線２５の所望の径内方領域に限定でき、当該領域のプラズマ密度を高めることが可能となる。

また、窓部材３３にＲＦアンテナ３４が設置されることによって、窓部材３３への膜の付着を抑えられ、これにより窓部材３３の透光性を安定に維持し、センサ４１を用いたエッチングプロセスの連続モニタを行うことが可能となる。

一方、側壁保護膜の形成時（時間ｔ２〜ｔ３）においては、エッチングガスの導入は停止され、希ガスのみのプラズマが形成される。また、ＲＦアンテナ３４に対する高周波電源ＲＦ２の投入が停止され、代わりに、天板２８に対してバイアス電源ＲＦ３が印加される。バイアス電源ＲＦ３の印加により、天板２８に対するプラズマ中のイオンのスパッタ作用が得られる。これにより、天板２８に付着したエッチングガスの反応生成物が除去されると同時に、ターゲット３５がスパッタされてそのスパッタ物が基板３０のエッチングパターンの底部および側壁部に付着し保護膜を形成する。

この側壁保護膜の形成工程では、反応室２１ａの圧力が例えば０．１Ｐａ〜１．５Ｐａに設定される。このような比較的低圧の減圧雰囲気下では、磁気コイル群２４に対する電流制御のみによって磁気中性線２５の形成領域の調整すなわちプラズマ分布の調整が可能となる。具体的には、磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに供給する電流をそれぞれＩ_A，Ｉ_B，Ｉ_Cとしたとき、Ｉ_A＞Ｉ_Cの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、Ｉ_A＜Ｉ_Cの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル１４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに供給する電流Ｉ_Bを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。従って、これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることが可能となり、基板３０の面内に対する保護膜の成膜速度の均一性が高められる。

保護膜の形成が所定時間行われた後、再び、反応室２１ａへエッチングガスが導入され、上述したのと同様なエッチング処理が再び行われる。このとき、エッチング初期段階において、基板３０の表面およびエッチングパターンの底部に形成された保護膜は、プラズマ中のイオンのスパッタ作用により除去される。当該イオンは基板に対してほぼ垂直に入射するため、エッチングパターンの側壁部に付着した保護膜は完全に除去されることなく残留する。

以上のようにして、基板３０の表面に対して高アスペクト比の深掘り加工が行われる。本実施形態によれば、エッチング処理時は第２のプラズマ源を用いてプラズマ分布を調整することでエッチングレートの面内均一性を高めるようにし、また、保護膜成膜時は磁気コイル群２４に対する電流制御でプラズマ分布を調整することで成膜レートの面内均一性を高めるようにしているので、基板３０の面内において高精度な深掘り加工を実現することが可能となる。

図３は、第２のプラズマ源（ＲＦアンテナ３４）の設置の有無によるエッチング速度の面内（Ｘ−Ｙ方向）均一性を示す一実験結果である。実験条件は以下のとおりである。
［実験条件］
・ＲＦ１：１３．５６ＭＨｚ、３ｋＷ
・ＲＦ２：１２．５ＭＨｚ、０．５ｋＷ
・ＲＦ３：１２．５ＭＨｚ、０．５ｋＷ
・エッチングガス：ＳＦ₆＋Ａｒ
・エッチング圧力：１０Ｐａ
・基板サイズ：８インチ

図３の結果から明らかなように、第２のプラズマ源が無い場合、基板の外周側でエッチング速度が高い。これは、磁気中性線の形成位置に対応したプラズマ分布が生じていることを示している。これに対し、第２のプラズマ源を設置することで、エッチング速度の面内均一性が改善されることがわかる。これは、第２のプラズマ源の設置により、磁気中性線の径内方側（基板中央側）において電場の形成密度が高められ、その結果、基板外周部のエッチング速度が低下し、かつ基板中心部のエッチング速度が高められたことに起因する。

図４は、本発明の他の実施形態によるプラズマ処理装置の要部の概略構成図である。図示するプラズマ処理装置は、ＲＦアンテナ（第２のプラズマ源）３４の高周波電源ＲＦ２を天板２８のバイアス電源に兼用した構成を備えている。この場合、高周波電源ＲＦ２と天板２８（コンデンサ３２）及びＲＦアンテナ３４との間に、切替手段としてのスイッチ３６が接続される。スイッチ３６は、高周波電源ＲＦ２に対する天板２８及びＲＦアンテナ３４の接続を選択的に切り替える機能を有する。

以上の構成により、スイッチ３６による切替操作でＲＦアンテナ３４に対する電力投入と天板２８に対する電力投入を選択的に切り替えることが可能となるので、エッチング処理と成膜処理を交互に行うプラズマ処理装置において、電力の切替えを容易かつ的確に行うことが可能となる。また、電力設置コストの低減と制御回路の簡素化を図ることが可能となる。

図５は、本発明の更に他の実施形態によるプラズマ処理装置の要部の概略構成図である。図示するプラズマ処理装置は、第２のプラズマ源をＲＦアンテナに代えて、ＲＦ電極３７で構成した例を示している。ＲＦ電極３７は金属製で、誘電体３８を介して天板２８の開口２８ａ内に設置されているとともに、コンデンサ３９及びスイッチ３６を介して高周波電源ＲＦ２に接続されている。なお、高周波電源ＲＦ２は、ＲＦ電極３７及び天板２８に対して共通とする場合に限られず、ＲＦ電極３７に対して専用の高周波電源で構成されていても構わない。

本実施形態のプラズマ処理装置は、図１に示したようにＲＦアンテナ３４による誘導結合（ＩＣＰ）方式のプラズマ源を構成する例に代えて、ステージ２６を対向電極とする容量結合（ＣＣＰ）方式のプラズマ源を構成している。この例によっても、反応室２１ａにおいて形成されるプラズマの密度分布の調整を行うことが可能であり、エッチングレートの面内均一性の向上を図れるようになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、基板に対してエッチング処理と成膜処理を交互に施して高アスペクト比の孔又は溝を形成するプラズマ処理装置を例に挙げて説明したが、勿論、基板のエッチング処理に特化したプラズマエッチング装置にも本発明は適用可能である。

本発明の実施形態によるプラズマ処理装置の概略構成を示す側断面図である。 図１のプラズマ処理装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。 図１のプラズマ処理装置の作用を説明するエッチングレートの面内分布の一例である。 本発明の他の実施形態によるプラズマ処理装置の要部の概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態によるプラズマ処理装置の要部の概略構成図である。 従来のプラズマエッチング装置の概略構成を示す側断面図である。

符号の説明

２０ プラズマ処理装置
２１ 真空槽
２３ 高周波コイル（第１のプラズマ源）
２４ 磁気コイル群（磁場形成手段）
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
２７ 真空ポンプ
２８ 天板
２９ ガス導入ノズル（ガス導入手段）
３０ 基板
３３ 窓部材（誘電体）
３４ ＲＦアンテナ（第２のプラズマ源）
３５ ターゲット
３６ スイッチ（切替手段）
３７ ＲＦ電極（第２のプラズマ源）
３８ 誘電体
４１ センサ
ＲＦ１ 第１の高周波電源
ＲＦ２ 第２の高周波電源
ＲＦ３，ＲＦ４ バイアス電源

Claims (7)

1. 反応室を形成する真空槽と、
   中央部に開口を有し、前記開口に誘電体が設置された、前記真空槽の上部を閉塞する天板と、
   前記反応室の周囲に配置され第１の高周波電源に接続された第１のプラズマ源と、
   前記反応室に設置され所定のバイアス電源に接続された基板支持用のステージと、
   前記反応室へプロセスガスを導入するガス導入手段と、
   前記反応室に磁場ゼロの環状磁気中性線を形成する磁場形成手段と、
   前記開口に前記誘電体を介して設置され、第２の高周波電源に接続された、前記磁気中性線の径内方位置におけるプラズマ密度が高められるようにプラズマ分布を調整可能な第２のプラズマ源と、
   を備えたプラズマ処理装置。
2. 前記誘電体は透明材料からなり、前記第２のプラズマ源は、ＲＦアンテナである
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記誘電体を介して真空槽内部の基板の被処理面を光学的にモニタするセンサを備えた
   請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第２のプラズマ源は、ＲＦ電極である
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記天板は、前記第２の高周波電源とは異なる第３の高周波電源に接続されている
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記天板および前記第２のプラズマ源は、切替手段を介して前記第２の高周波電源に接続されており、前記切替手段は、前記第２の高周波電源に対する前記天板及び前記第２のプラズマ源の接続を選択的に切り替える
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記天板の前記反応室と対向する側の面には、スパッタ用ターゲットが設置されている
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。

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