JP2007150012A - プラズマ処理装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、プラチナ、イリジウム化合物の蒸気圧が高い物質のドライエッチングを行なったとき、真空容器内が低音であるため、これらの化合物が付着し、処理を重ねると剥がれが生じる。そのため、付着を防止するためにチャンバー壁にイオンを引き寄せる電極を追加する必要があった。
【解決手段】真空容器１のイオンを引き寄せる電極７に基板６を搬送できるようにし、複数の基板６をエッチングすることによって、真空容器１内部のエッチングできる表面積が増加し、パーティクル低減とスループット向上の両立ができる。
【選択図】図１

Description

本発明は反応性が乏しく、反応生成物がチャンバーへの付着を抑制し、パーティクルを低減するプラズマ処理装置および方法に関するものである。

半導体メモリ（記憶装置）において、メモリキャパシタ構造を変革することによって、キャパシタ容量を確保していたが、近年の微細化において構造だけの変革では要望される容量を確保することが難しくなった。そのため、キャパシタ容量材料にバリウム・ストロンチウム、チタン酸ジルコニウム鉛、タンタル酸ビスマス・ストロンチウムなど誘電率の高いセラミック系酸化膜が用いられるようになった。これらのセラミック系酸化膜物から酸素が脱離すると、その特性が大きく低下するため、キャパシタ電極として、酸素との反応が低い材料、例えば、ルテニウム、白金、イリジウム、ロジウムなどが用いられる。

また、半導体メモリには磁気抵抗メモリ、相変化メモリなどがあり、メモリ部分に強磁性体；Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどが用いられる。

図７に従来例のエッチング装置の構成図を示す。真空容器１の上部に誘電板５を介して誘導結合コイル４が設置されており、真空容器１内の電極７上に基板６を載置し、ガス導入配管１４から真空容器１内にフッ素系ガスを導入しつつ、圧力コントローラ１０で所定の圧力に制御し、真空容器１内にプラズマを発生させ、電極７上に載置された基板６、または基板６上の膜がエッチングされる。プラズマ発生には、高周波電源より誘導結合コイル４に高周波電力を印加し、プラズマを発生させる。真空容器１内のプラズマに存在しているイオンの引き込みのため、下部電極７に高周波電力を印加している。

この実験では、基板６上の被エッチング膜としてイリジウムを用いた。イリジウムとハロゲン系ガスとの化合物の蒸気圧が高いため、ポンプによって排気されず、真空容器内壁で固化し、図８のように反応生成物１６が堆積する。堆積が続くと膜内の内部応力に耐えきらなくなり、堆積膜が破断し、パーティクルとして基板に落下する（図８）。

その解決策のひとつを、図９で示す。特許文献１、２、および３のように、プラズマとコイル４の間に静電的に結合する電極（ファラデーシールド１５）が基板６上部に設置し、コイル４とプラズマ間の誘電板５に付着する反応生成物を除去するものがある。
特許第３４２０３９１号公報 特開２００４−２３５５４５号公報 特開２００３−２６４１８２号公報

通常の真空容器で貴金属などのハロゲン化合物の揮発性の高い材料をドライエッチングする場合は図７に示すような誘導結合プラズマでもよいが、貴金属などのハロゲン化合物の揮発性が低い材料のドライエッチングを実施する場合、図８のように誘電板５の真空側に被エッチング膜とエッチングガスとの反応生成物１６が堆積する。反応生成物１６が導電性であればコイル４の電磁波が誘電板５を通過できなくなり、プラズマ密度が徐々に低下し、基板６上の被エッチング膜または基板６自身のエッチングが進行されなくなる。また、この反応生成物１６が剥がれ、基板６上にパーティクルが発生する。

また、特許文献１、２、３は誘電板５上に付着した反応生成物１６の除去を目的としており、誘電板５が１０ｍｍ乃至４０ｍｍの厚みがあるためプラズマと容量結合をしようとする場合、非常に高い電圧が必要になり、電極用マッチング回路８またはコイル４の耐電圧に問題がある。また、誘電板５外周部はシースができないため、除去が不十分である（図９）。

近年の基板の大口径化によって、装置の設置面積が大きくなり、クリーンルームなど多大な投資が必要である。

本発明は、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、白金、レニウム、ビスマス、ストロンチウム、バリウム、ジルコニウム、鉛、ニオブ、鉄、ニッケル、カルシウム、マンガン、金、銀、銅のうち少なくとも１つの元素を含む薄膜が形成されている基板６、またはこれらの元素のうち少なくとも１つを含む材料からなる基板６のエッチングにおいて、処理枚数にかかわらず、エッチングレートの変動が少なく安定的に処理できるプラズマ処理方法および方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の発明であるプラズマ処理方法は、真空容器内にガスを導入しつつ排気しながら任意の圧力に制御し、真空容器内に配置された複数の基板をそれぞれ載置する電極に高周波電力を印加することによって、真空容器内にプラズマを発生させ基板を処理するプラズマ処理方法において、複数の基板は対向して配置され、かつ、複数の基板間にプラズマを発生させることで複数の基板を同時に処理する点に特徴がある。

このとき、複数の電極の電位と夫々の電極からマッチング回路に流れる電流をモニタリングし、電流値から高周波電力の出力を変化すると共に、電圧値から電極に印加する高周波電力の出力を変化させると好適である。

また、基板に含まれる材料或いは基板上に形成された材料を、白金，インジウム，鉄，銅，銀，ストロンチウム，ビスマス，レニウム，カルシウム，マンガン，ルテニウムの少なくとも１つの材料を含むものとしてもよい。

また、基板を静電吸着力によってそれぞれの電極に固定しても好適である。

また、このとき電極間の距離を１０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下にしたら好適である。

更に、ガスは塩素原子，フッ素原子の少なくとも一方を含むものとしてもよい。

また、本発明の第２の発明であるプラズマ処理装置は、真空維持することが可能な真空容器と、真空容器内に設けられかつ基板を載置する複数の電極と、複数の電極に高周波電力を印加する電源と、真空容器内にガスを供給しつつ排気するガス供排気手段とを有するプラズマ処理装置において、複数の電極は対向して設けられ、かつ、複数の電極はそれぞれ異なる電源に接続された点に特徴がある。

このとき、複数の電極の電位と夫々の電極からマッチング回路に流れる電流をモニタリングし、電流値から高周波電力の出力を変化すると共に、電圧値から電極に印加する高周波電力の出力を変化させると好適である。

また、電極間の距離を１０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下にしたら更に好適である。

以上のように、２枚を同時にエッチングすることによって、一方の基板に対向する側にデポが付着せず、パーティクル除去手段が不要となる。また、ドライエッチング装置は枚葉で処理されるので近年の大口径化に対応して装置全体の大きさが肥大化しているため、今回の手法を用いた場合、装置全体の大きさを半減できる。

以下、図１を用いて本発明の実施形態を説明する。

（実施の形態１）
真空容器１の上部に誘電板５を介して誘電結合コイル４が設置されており、真空容器１内の電極７上に基板６を載置し、ガス導入配管１４から真空容器１内にフッ素系ガスを導入しつつ、ターボ分子ポンプ１１で排気しながら、圧力コントローラ１０で所定の圧力に制御し、真空容器１内にプラズマを発生させ、電極７上に載置された基板６、または基板６上の膜がエッチングされる。

プラズマ発生には、任意の周波数の誘導結合コイル印加用高周波電源２より誘導結合コイル４に所定の高周波電力を印加し、プラズマを発生させる。真空容器１内のプラズマに存在しているイオンの引き込みのため、任意の周波数の高周波電源より下部電極７に所定の高周波電力を印加している。ここで電極７は２つあり、電極７はそれぞれエッチング面を対向している。プラズマの発生は対向する電極７の間に発生し、基板６表面の被エッチング物をエッチング処理する。

なお、電極７の個数は２個以上でも使用可能である。また、電極７が偶数この場合は電極それぞれの法線ベクトルの角度が９０°乃至２７０°であることが望ましい。

真空容器１内にガスを導入する穴またはスリットは電極７の周辺に配置しており、その方向は対向する電極７の方向を向いている、もしくは、基板６側面の壁面の２つの電極７の中点付近から円周状にガス導入口を設けてもよい（図２）。また、２つの電極７上の圧力、ガス流量が同一条件になるように電極７の個数に応じてターボ分子ポンプ１１を有することが望ましい。真空容器１からターボ分子ポンプへはウェハ周辺に１つまたは複数の排気口を有し、ガスを排気する。ガスは電極７周辺から基板下面を通り、真空容器１とターボ分子ポンプ１１の間にある圧力コントローラ１０によって真空容器１内を任意の圧力に制御する。

この説明では誘導結合プラズマを用いているが、プラズマ源は電子サイクロトロン共鳴、マイクロ波プラズマ、平行平板型プラズマであっても同様の効果を発揮する。

誘導結合プラズマを用いることで真空容器外周にコイル４を設置しているが、図３のように複数のコイル４をそれぞれ独立させ、誘導結合コイル印加用高周波電源２および誘導結合コイル用マッチング回路３を配置させても良い。または、複数のコイルを並列に接続し、１つの誘導結合コイル印加用高周波電源２および誘導結合コイル用マッチング回路３を配置させても良い。

２つの基板６の固定は基板６および電極７に静電荷を与え、クーロンカにより吸着させる。処理を安定させるために基板６が遠心力で固定されるように真空容器を回転させてもよい。プラズマの分布を補正するために基板自身を回転させてもよい。

下部電極７に電極印加用高周波電源９よりそれぞれ同時に高周波電力を与え、同時に基板６をエッチング処理する。電極印加用高周波電源は通信機能を持ち、ほぼ同じ動作をする。

放電開始信号を与えた時間からの遅延は、電極用マッチング回路８の整合時間を含め５秒以内である。プラズマ処理を行う基板上または基板に含まれる材料は、プラチナ、イリジウム、鉄、銅、銀、ストロンチウム、ビスマス、レニウム、カルシウム、マンガン、ルテニウムが少なくとも１つを含む。

プラズマ放電が維持されること、反応生成物の排気を促進させるために、真空容器内の２つの電極７の距離は１０ｍｍ乃至１５０ｍｍであることが望ましい。

真空容器の壁が１００℃以下でプラズマによる温度上昇が＋１０℃以下となるように容器内に冷媒を循環させ、反応生成物が薄財の熱膨張による応力発生で剥がれないようにしている。

実施例の説明ではフッ素ガス系ガスを導入していたが、本発明では導入するガスは塩素原子、フッ素原子の少なくともいずれかを含むことが望ましい。また、Ｎｉ、ＲｕはＣＯＯＨ基、ＣＯ基の蒸気圧が比較的低いためＣＯＯＨ基、ＣＯ基を含んだガスでもよい。

真空容器１周辺の誘電板５に２つの電極の形状を図４のように櫛状にし、電極印加用高周波電源９および電極用マッチング回路８を接続し、プラズマ発生用の電磁波を供給しつつ、誘電板５に付着する反応生成物を除去することも可能である。

通常のロット処理枚数は奇数の場合が多いため、ロット処理枚数が偶数になるようにダミーの基板を搬送系内に保管することが望ましい。その基板は、任意の基板でもよいが、通常被エッチング膜と同材質が望ましい。

２つの電極７それぞれにそれぞれの電極印加用高周波電源９および電極用マッチング回路８が接続されている、または、２つの電極７に共通の電極印加用高周波電源９および電極用マッチング回路８が接続されていてもよい。

電極７に印加する電極印加用高周波電源９は一方の電極に高周波電力を印加し、他方の電極には高周波電源を印加しない方法でも使用可能である。高周波電源を印加しない電極上に載置される基板は反応生成物を付着させるための基板となる。

基板搬送に関して、電極が基板に対して法線方向、基板下面側に移動し、基板交換室で基板を交換する（図５）。

（実施の形態２）
図６に実施の形態２を示す。基本的な構成は実施形態１の図１と同じであるため、詳細説明は省略する。

図６のように、電極７と電極用マッチング回路８間に電極用電圧モニタ１７と電極用電流モニタ１８を接続し、電流モニタによってプラズマからのエネルギーの注入量を測定し、プラズマ発生用高周波電源出力フィードバック回路１９を通じて、誘導結合コイル印加用高周波電源２の高周波電力の出力をフィードバックし、電圧モニタによってイオンの入射エネルギーを測定し、電極用高周波電源フィードバック回路を通じて、電極印加用高周波電源９の高周波電力の出力をフィードバックする。プラズマからの注入量は単位時間当たりに流れる電荷であり、その総量がプラズマから流れる電荷となる。

前記では、コイルが単独である場合を記述したが、双方の電極用電流モニタ１８の値が大きく開いたとき、図３のように多数のコイルに印加する高周波電力を調整することも可能である。具体的には、一方の電極７の電流モニタ１８の電流値が高く、他方の電極の電流モニタ１８の電流値が低い場合、高い電流値側のコイルに印加する高周波電源の設定値を下げ、低い電流値側のコイルに印加する高周波電源の設定値を上げる。複数のコイルにそれぞれ高周波電源とマッチング回路を接続している説明をしたが、単一の高周波電源によって分岐回路によって高周波電力を各々のコイルに分波することも可能である。

また、イオンの入射エネルギーは電極の電圧値に比例する。誘導結合コイル印加用高周波電源２のフィードバック方法として、２つの電極からマッチング回路方法に流れる電流値をモニタし、２つの電流値の平均値になるように誘導結合コイル印加用高周波電源２の高周波電力を調整する。電極印加用高周波電源のフィードバックの方法として、２つの電極の電圧をモニタし、２つの電極の電圧の平均になるように電極印加用高周波電源９の高周波電力を調整する。

本発明のプラズマ処理装置および方法は、歩留り向上と生産性向上においてパーティクルの増加を抑制することができ、主に半導体製造に用いられるが、圧電素子を用いたマイクロマシン製造の用途にも適用できる。

本発明で用いたプラズマ処理装置の概略図 本発明で用いたプラズマ処理装置のガス排気系、ガス導入の概略図 本発明で用いたプラズマ処理装置の誘導結合コイルの概略図 本発明で用いたプラズマ処理装置の櫛型電極の概略図 本発明で用いる基板搬送の概略図 本発明で用いたフィードバック制御用プラズマ処理装置の概略図 従来のプラズマ処理装置の概略図 従来のプラズマ処理装置の反応生成物堆積の概略図 従来のプラズマ処理装置のファラデーシールドに電力を供給する真空容器の概略図

符号の説明

１ 真空容器
２ 誘導結合コイル印加用高周波電源
３ 誘導結合コイル用マッチング回路
４ 誘導結合コイル
５ 誘電板
６ 基板
７ 電極
８ 電極用マッチング回路
９ 電極印加用高周波電源
１０ 圧力コントローラ
１１ ターボ分子ポンプ
１４ ガス導入配管
１５ ファラデーシールド
１６ 反応生成物
１７ 電極用電圧モニタ
１８ 電極用電流モニタ
１９ プラズマ発生用高周波電源出力フィードバック回路
２０ 電極印加用高周波電源出力フィードバック回路

Claims (9)

1. 真空容器内にガスを導入しつつ排気しながら任意の圧力に制御し、真空容器内に配置された複数の基板をそれぞれ載置する電極に高周波電力を印加することによって、真空容器内にプラズマを発生させ基板を処理するプラズマ処理方法において、複数の基板は対向して配置され、かつ、複数の基板間にプラズマを発生させることで複数の基板を同時に処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 複数の電極の電位と夫々の電極からマッチング回路に流れる電流をモニタリングし、電流値から高周波電力の出力を変化すると共に、電圧値から電極に印加する高周波電力の出力を変化させることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
3. 基板に含まれる材料或いは基板上に形成された材料は、白金，インジウム，鉄，銅，銀，ストロンチウム，ビスマス，レニウム，カルシウム，マンガン，ルテニウムの少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理方法。
4. 基板を静電吸着力によってそれぞれの電極に固定したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のプラズマ処理方法。
5. 電極間の距離が１０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のプラズマ処理方法。
6. ガスは塩素原子，フッ素原子の少なくとも一方を含むものであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のプラズマ処理方法。
7. 真空維持することが可能な真空容器と、真空容器内に設けられかつ基板を載置する複数の電極と、複数の電極に高周波電力を印加する電源と、真空容器内にガスを供給しつつ排気するガス供排気手段とを有するプラズマ処理装置において、複数の電極は対向して設けられ、かつ、複数の電極はそれぞれ異なる電源に接続されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 複数の電極の電位と夫々の電極からマッチング回路に流れる電流をモニタリングし、電流値から高周波電力の出力を変化すると共に、電圧値から電極に印加する高周波電力の出力を変化させることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装置。
9. 電極間の距離が１０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ処理装置。

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