JP2007266522A - Plasma treatment device and processing method employing it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイス製造やガラス基板などの上に微細加工を施す技術、半導体製造技術を応用したMEMS(Micro−ElectroMechanical Systems)やNEMS(Nano−Electro Mechanical Systems)あるいは液晶ディスプレイやマイクロマシンの作製、ナノテクノロジーやμ−TAS(Total Analysis System)に関する。本発明は特に、誘導結合型プラズマのプラズマ発生方法及びそのプラズマ発生方法を利用してプラズマを発生するプラズマ源及びそのプラズマ源を使用する加工装置(処理装置)および加工方法に関する。 The present invention relates to a technique for performing microfabrication on a semiconductor device manufacturing, a glass substrate, etc., a MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems) or NEMS (Nano-Electro Mechanical Systems) or a liquid crystal display or a micromachine, which applies the semiconductor manufacturing technique It relates to nanotechnology and μ-TAS (Total Analysis System). The present invention particularly relates to a plasma generation method for inductively coupled plasma, a plasma source that generates plasma using the plasma generation method, a processing apparatus (processing apparatus) using the plasma source, and a processing method.
近年、半導体集積回路やナノテクノロジーなどの分野では、その加工パターンが著しく微細化され、高精度・高選択比、ならびに高アスペクト比の加工が要求されている。かかる分野の加工においては、プラズマを用いた加工装置が広く採用されている。尚、ここで述べる「加工」とは、プラズマもしくはプラズマ中の粒子(これには、正イオン、負イオン、電子が含まれる)およびプラズマの発生や消滅によって生成されるラジカルや中性粒子を用いてエッチングを行うことを意味している。よって本出願においては、「エッチング」および「加工」という表記が混在しているが、何れも同様な意味である。
このようなプラズマを用いた加工装置(以下、本発明ではこれらをプラズマ処理装置とも言う)としては、真空容器中でプラズマを発生させ、プラズマにより生じた正イオン、ラジカル粒子等を利用して被処理物に対して加工を施す技術、例えば反応性イオンエッチング(RIE:ReactiveIon Etching)装置が用いられている。そして上記の真空容器中で発生させたプラズマを利用する加工技術においては、更に生産性を向上するために高密度なプラズマが必要とされており、電子サイクロトロン共鳴(ECR:Electorn Cyclotron Resonance)プラズマ、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)やICPから派生したTCP(Transformer Coupled Plasma)等のプラズマ発生方式が用いられている。これらのプラズマ発生方法を用いると、本来、プラズマが持つ性質である電磁波遮断の性質、いわゆるカットオフ周波数(プラズマ密度に依存して電磁波を遮断)を超えて電磁界がプラズマ内部まで浸透し、容易に1012/cm3を超える高密度プラズマを生成することができる。
プラズマ中のガスをパルス状にすることにより加工速度や加工精度、面内均一性などの加工特性を向上する技術としては、次のようなものがあった。
特開平5−299378号公報には、非平衡プラズマの発生および制御のために反応ガス媒体の圧力を周期的若しくは振動的に増減、変動させる手段を設ける技術が開示されている。この発明では、具体的に圧力を変動させる手段として、振動ダイヤフラムを使用している。つまり、振動ダイヤフラムでプラズマ生成室内の圧力を時間的に変化させることで非平衡プラズマを効果的に発生させ、常にイオン化率および活性度を高く維持し、加工速度を向上させ、エッチングや膜形成加工を効果的に行っている。
特開平7−226397号公報では、トレンチエッチングの際、側壁保護膜の異常な形成を防止するために、側壁保護膜形成用ガスの供給流量を、複数種のガス間でパルス状に繰り返し変化させる技術を開示している。これらを実施することによって、エッチング時の側壁保護膜の異常な形成を防止し、適正なエッチングが行われるようにしている。
特開平7−263353号公報では、プラズマ室と処理室とを分離した構造でエッチングを行う装置において、該処理装置を大口径化した場合、排気系の大幅な増強が必要であるという問題点、及びプラズマ室と処理室とを分離する電極がプラズマでスパッタリングされることにより電極物質による汚染が被処理物に生じるという問題点の解決のため、プラズマ室へパルス的にガスを供給するガス供給手段を備えたプラズマ処理装置を開示している。こうすることによって、プラズマ生成室と加工室との間の圧力差を維持したまま、大面積プラズマにより大口径の被加工物を均一に処理している。
特開2000−306884号公報では、シリコンウェハなどの被処理物に対してトレンチエッチングを行う際、エッチング反応で生成される反応生成物の排気効率がウェハの中央部においては周辺部に比べて著しく低下し、反応生成物が滞留し、被処理物表面にイオン・ラジカル等が到達しにくくなる一方、被処理物の周辺部ではウェハの口径に関係なく反応生成物が効率良く排気され、被処理物表面にイオン・ラジカル等が到達しやすくなり、エッチングが不均一となるという問題点を解決する技術を開示している。つまり、この発明では、バッファ室を通して所定のガスをパルス的に反応室に供給することにより、パルスガスバルブのOFF期間中に中心部のエッチング反応生成物の排気を促し、それによって被処理物付近での反応生成物の滞留を防止する技術を開示している。
プラズマをパルス状に発生することにより、プラズマ中で生じるイオン種や活性種がパルスの周期に対応して時間変化することが知られている。これは古くから、非定常プラズマとして研究されてきた。最近では、この非定常プラズマをプラズマプロセスに応用する研究が盛んになっている。例えば、プラズマへの電磁場の入力がされている場合、プラズマを構成する粒子は、電子と正イオンが支配的であるが、プラズマへの電磁場の入力を停止すると、残留ガスへの電子の付着が起こるため、負イオンを多く発生することが知られている(特開平9−139364号公報(特許第2842344号))。
As a processing apparatus using such plasma (hereinafter, also referred to as a plasma processing apparatus in the present invention), plasma is generated in a vacuum vessel, and the positive ions, radical particles, and the like generated by the plasma are used for coating. A technique for processing a processed material, for example, a reactive ion etching (RIE) apparatus is used. In the processing technology using the plasma generated in the above vacuum vessel, high-density plasma is required to further improve productivity, and electron cyclotron resonance (ECR) plasma, Plasma generation methods such as inductively coupled plasma (ICP: Inductively Coupled Plasma) and TCP (Transformer Coupled Plasma) derived from ICP are used. Using these plasma generation methods, the electromagnetic field penetrates into the plasma easily, exceeding the so-called cut-off frequency (which cuts off the electromagnetic wave depending on the plasma density). High density plasma exceeding 10 12 / cm 3 can be generated.
Techniques for improving processing characteristics such as processing speed, processing accuracy, in-plane uniformity, etc. by making the gas in the plasma into a pulse form include the following.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-299378 discloses a technique for providing means for increasing or decreasing or changing the pressure of a reactive gas medium periodically or vibrationally for generating and controlling non-equilibrium plasma. In the present invention, a vibration diaphragm is used as means for specifically varying the pressure. In other words, non-equilibrium plasma is effectively generated by temporally changing the pressure in the plasma generation chamber with a vibrating diaphragm, constantly maintaining high ionization rate and activity, improving the processing speed, etching and film formation processing Is effective.
In Japanese Patent Laid-Open No. 7-226397, in order to prevent abnormal formation of the sidewall protective film during trench etching, the supply flow rate of the sidewall protective film forming gas is repeatedly changed in a pulse shape among a plurality of types of gases. The technology is disclosed. By implementing these, abnormal formation of the sidewall protective film during etching is prevented, and proper etching is performed.
In JP-A-7-263353, in an apparatus for performing etching with a structure in which a plasma chamber and a processing chamber are separated, there is a problem that when the diameter of the processing apparatus is increased, a significant enhancement of the exhaust system is required. And a gas supply means for supplying gas in a pulsed manner to the plasma chamber in order to solve the problem that the electrode material that separates the plasma chamber and the processing chamber is sputtered by plasma and contamination by the electrode material occurs in the object to be processed The plasma processing apparatus provided with this is disclosed. By doing so, a large-diameter workpiece is uniformly processed by the large-area plasma while maintaining the pressure difference between the plasma generation chamber and the processing chamber.
In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-306884, when trench etching is performed on an object to be processed such as a silicon wafer, the exhaust efficiency of the reaction product generated by the etching reaction is significantly higher in the central portion of the wafer than in the peripheral portion. The reaction product stays down, making it difficult for ions and radicals to reach the surface of the workpiece, while the reaction product is efficiently exhausted at the periphery of the workpiece regardless of the wafer diameter. A technique for solving the problem that ions, radicals, etc. easily reach the surface of the object and etching becomes non-uniform is disclosed. That is, in the present invention, a predetermined gas is supplied to the reaction chamber in a pulsed manner through the buffer chamber, thereby urging the etching reaction product in the central portion during the OFF period of the pulse gas valve, and thereby in the vicinity of the object to be processed. A technique for preventing the retention of the reaction product is disclosed.
It is known that by generating plasma in a pulse form, ion species and active species generated in the plasma change with time in accordance with the pulse period. This has long been studied as an unsteady plasma. Recently, research on applying this unsteady plasma to a plasma process has become active. For example, when an electromagnetic field is input to the plasma, electrons and positive ions are dominant in the particles constituting the plasma. However, when the input of the electromagnetic field to the plasma is stopped, the attachment of electrons to the residual gas does not occur. Since this occurs, it is known that a large amount of negative ions is generated (Japanese Patent Laid-Open No. 9-139364 (Patent No. 2842344)).
特開平5−299378公報に開示されている技術では、プラズマ中に生成されるイオンやラジカルの量を意図的に制御できないため、ますます微細化の進む加工に対応できない。加えて、大口径化する被加工物の中心部と周辺部との間で加工均一性が確保できない。なぜならば、被加工物中心で発生した反応生成物を効果的に除去することができないからである。
特開平7−263353公報では、プラズマ生成室と加工室との間に圧力差を設けることで大面積の均一加工を実現しているが、その一方で加工速度は低下してしまう。
上述のように、従来のRIE装置を用いた場合、プラズマによる加工中に、被加工物たとえばウェハ表面に反応生成物が滞留することで、加工が妨げられるとう問題点があった。そこで上述の特開2000−306884公報で開示されているように、ガスをパルス的に導入することにより反応生成物の除去を促す技術が提案されているが、それだけでは十分とはいえない。なぜならば、今後ますます大口径化するウェハにおいては、中央部の反応性生物が排気されるまでの時間が長くなり、生産性が著しく低下することがあり、更には被処理物(本発明では被加工物とも言う)と反応生成物との間には、ファンデルワールス力や、分極に伴う電気的な相互作用により引力が発生する場合があり、このようなときには、ただ単にガスの導入を止めることにより被処理物表面での圧力を下げるだけでは、反応性生物の除去にとっては不十分だからである。加えて、今後、配線幅がより微細化されるが、より微細化された配線の間に反応性生物が入り込んだ場合、従来の方法では除去することが困難になってしまう。
そこで、本発明の目的は、被処理物が大口径化してもその中心部も含めて反応生成物を迅速に除去でき、ファンデルワールス力、電気的引力が作用(被加工物と反応生成物との間に)する場合、または配線が微細化した場合などのように従来においては反応生成物の迅速且つ十分な除去が極めて困難であったような場合においても迅速に十分に反応生成物を除去できるようにすることで、被加工物の均一で高精度な加工を実現し、しかも高い加工速度を維持できるプラズマ処理装置および加工方法を提供することにある。
In the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-299378, the amount of ions and radicals generated in the plasma cannot be intentionally controlled, so that it is not possible to cope with processing that is increasingly miniaturized. In addition, the processing uniformity cannot be ensured between the central portion and the peripheral portion of the workpiece having a large diameter. This is because the reaction product generated at the center of the workpiece cannot be effectively removed.
In Japanese Patent Laid-Open No. 7-263353, a large area of uniform processing is realized by providing a pressure difference between the plasma generation chamber and the processing chamber, but on the other hand, the processing speed decreases.
As described above, when the conventional RIE apparatus is used, there is a problem that the reaction product stays on the workpiece, for example, the wafer surface during the processing by the plasma, thereby preventing the processing. Therefore, as disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-306884, a technique for promoting the removal of reaction products by introducing gas in a pulsed manner has been proposed, but it is not sufficient alone. This is because, in the case of wafers that will become larger in diameter in the future, the time until the reactive organisms in the central part will be exhausted will become longer, and the productivity may be significantly reduced. In some cases, attractive force may be generated between van der Waals force and electrical interaction with polarization between the reaction product and the workpiece). In such a case, simply introduce gas. This is because it is insufficient to remove reactive organisms simply by reducing the pressure on the surface of the workpiece by stopping. In addition, the wiring width will be further reduced in the future. However, when reactive organisms enter between the more reduced wirings, it becomes difficult to remove them by the conventional method.
Therefore, the object of the present invention is to quickly remove the reaction product including the central part even if the workpiece has a large diameter, and the van der Waals force and the electric attractive force act (workpiece and reaction product). In the case where it is difficult to remove the reaction product quickly and sufficiently, such as when the wiring is miniaturized, the reaction product is quickly and sufficiently removed. An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus and a processing method capable of realizing uniform and high-precision processing of a workpiece and maintaining a high processing speed by enabling the removal.
本発明の上記目的を達成するため、特許請求の範囲の各請求項に記載の発明が提供される。
請求項1に記載の発明は、プラズマを生成するプラズマ生成室と、被加工物が設置される加工室と、時間的に間欠的にガスを導入するガス導入部とを備えたプラズマ処理装置であって、ガス導入部から加工用ガスを時間的に間欠的にプラズマ生成室内に導入することによって生じる衝撃波を利用して、被加工物の表面やその近傍に滞留する反応生成物を弾き出し、除去するように構成されていることを特徴とする。
一般的に、真空中(本発明の場合はプラズマ生成室内)にノズルやオリフィスを介していわゆる常温、常圧程度の(例えば、20℃、1気圧程度の)ガスを導入すると、ノズルやオリフィス出口においてガスの流速のマッハ数(流速と音速の速度の比)が1となる。ガスは下流に向かって更に膨張し、マッハ数が1を超える。この際、衝撃波が発生する。本発明において、加工用ガスの導入を時間的に、つまり経過時間に対して間欠的にした場合は、以下のようになる。加工用ガスを導入する前のプラズマ生成室内の圧力は、加工室下流に設けられた真空ポンプによって排気され、およそ10−5Pa台の高真空に保たれている。このような真空が保持されたプラズマ生成室内に加工用ガスを時間的に間欠的に導入することにより、プラズマ生成室内に衝撃波が時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に繰り返し発生する。
こうして発生した衝撃波は、以下のようにして伝播する。一例として、プラズマ生成室の形状を軸対称な円筒状とし、この下流側には被加工物が収容される加工室が配置され、更にその下流側に真空ポンプが配置された態様において説明する。なお、ここでは、衝撃波の伝播について述べるため、加工用ガスのことを単にガスと記述しているが、これは本発明におけるプラズマ処理装置に用いる加工用ガスのことである。プラズマ生成室の中心軸上で、かつ上流側にガス導入部を設置し、このガス導入部から時間的に間欠的にガスを導入し、前記ガス導入部とは反対方向である下流側へガスを排気する場合を考える。プラズマ生成室に時間的に間欠的にガスを導入することによって、ガス導入部出口で衝撃波が時間的に間欠的に繰り返し発生する。この衝撃波の一つ一つは、前記プラズマ生成室の中を、プラズマ生成室の中心軸に直交する薄い円盤状となって、数百m/secから数km/secの速度で下流に向かって伝播する。
ここで言う衝撃波とは、非常に短い時間内に発生する急峻なる正から負への圧力の変動のことである。より具体的には、次のように述べる事ができる。例えば、衝撃波とは、プラズマ生成室内のある一定位置で観測した場合、数msec程度以下の短い時間内において、圧力が数MPa(メガパスカル)程度に上昇し、その後の数十msec程度の時間において負圧に転じ、やがては時間的に間欠的にガスを導入する前の圧力と同じに戻ることである。また、圧力とは、ガス分子の運動量である事が知られている。すなわち、圧力には方向性がある(ベクトル量)。分子の運動と言う観点から見た衝撃波は、数MPaに相当する単位体積当たりの分子が、ごく薄い領域に圧力面(これを衝撃波面と言う)を形成し、この薄い圧力面がある一定方向に向かって揃ってマッハ数を超えた速度で伝播する現象である。なお、本発明における負圧とは、加工用ガスが時間的に間欠的に導入されたことによって発生した衝撃波の進行方向とは逆方向のガス流(ガス分子の流れ)のことである。
前記衝撃波がプラズマ生成室を通過し加工室内へと伝播して、加工室に収容された被加工物表面に達した際、該衝撃波の急峻なる圧力の変動によって被加工物表面や、その付近の反応生成物を弾き出し、前記反応生成物が被加工物表面やその付近から加工室内の空間中へ拡散することを促進する。なお、本発明における被加工物表面とは、例えば半導体用基板を例にとると、幾何学的な最表面だけでなく、レジストや微細配線などで形成された凹凸のある部分において、その凹凸内部の壁面、より具体的にはトレンチや微細配線などの側壁部の表面部も含んでいる。
ガスを時間的に間欠的に導入することによって、プラズマ生成室内に発生する衝撃波は、時間的に、つまり時間的に間欠的に繰り返し発生し、時間的に間欠的に被加工物に到達する。前期衝撃波は、トレンチや微細配線の内部にも反射を繰り返しながら底部まで到達する。よって被加工物表面やその付近に滞留する反応生成物は、時間的に間欠的に照射される衝撃波によって被加工物表面やその付近から時間的に間欠的に繰り返し弾き出される。こうして時間的に間欠的に被加工物表面やその付近から弾き出された前記反応生成物は、被加工物表面やその付近を離れ、加工室内の空間中へ拡散する。このため、加工の妨げとなる反応生成物を被加工物表面やその付近から迅速に十分に除去することが出来るので、加工速度および加工精度の向上、加工の均一性が保たれる。なお、前記衝撃波による被加工物である例えばウェハの破損や破壊は発生しない。なぜならば、ステージにより、被加工物が裏面全面から保持されており、例えば変形等のウェハを破損させる原因の発生が無いからである。すなわち、前記衝撃波による作用は、被加工物の表面のみに作用すると考えて差し支えない。
さらに、ガスを時間的に間欠的に導入することで、プラズマ生成時において次に示すようなメリットがある。一般に、プラズマ生成には、それに適したガスの圧力範囲がある。プラズマ化に適した圧力領域は、およそ0.1Paから20Pa程度の範囲である。衝撃波のように、最大圧力がMPa(メガパスカル)台に達するような圧力領域では、投入された放電電力に対してガスの圧力(密度)が高すぎるため、プラズマ化は困難である。しかし、圧力が上昇もしくは減少する過程では、プラズマ化に適した圧力領域を経る。このプラズマ化に適した圧力領域に入ったところで、プラズマが発生する。すなわち、衝撃波の前後でプラズマ化する圧力領域が存在し、その領域でプラズマが生成される。但し、衝撃波の直前の圧力上昇する時間が数msec以下と極端に短いため、衝撃波直前ではプラズマ生成ができない場合がある。従って実質的には衝撃波の後側にプラズマが生成している領域があると考えてよいから、ここでは、衝撃波による高圧部分が通過し、圧力が減じる段階について述べる。衝撃波が通過した直後、急速に圧力が減少し、プラズマ化に適した圧力領域に入り、プラズマが生成される。前記プラズマは、時間的に間欠的に加工用ガスがプラズマ生成室内に導入されるため、時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に生成される。これを、ガスパルスプラズマと呼ぶ。
しかし、更にその後に圧力が減じてしまうため、プラズマとして放電を維持できなくなる。つまり、ここでプラズマの発生と消滅が起きている。一般に、プラズマがエネルギーを失って消滅する過程をアフターグローと呼ぶが、ここでもその意味で用いる。アフターグロー中では、プラズマ中の電子がガス分子に衝突してエネルギーを失う。この電子がエネルギーを失う過程で、ラジカルや、塩素や酸素、フッ素系のガスのような負性ガスの場合には、負イオンを形成する。すなわち、衝撃波の前後で発生したプラズマ中には、イオンとラジカル、あるいは負性ガスにおける負イオンのような化学的活性種が混在した状態となる。
前記衝撃波を構成する負イオンなどの化学的活性種は、衝撃波の進行と共に被加工物表面に到達する。これら化学的活性種などの作用により、加工速度が向上する。即ち本発明によるプラズマ発生装置によれば、被加工物全面に反応性生物が皮膜状に形成された場合だけでなく、微細配線部やトレンチなどの側壁に付着した反応性生物も迅速且つ十分に除去可能であるため、全体的な加工速度の向上だけでなく、局所的な加工速度の不均一を是正し、加工精度も向上できるため、例えば半導体製造における生産ラインに導入した際に、製造される半導体素子の歩留まりが向上するというメリットがある。
なお、ここで加工用ガスを時間的に間欠的に導入するために用いるガス導入部は、パルスノズルを用いる事ができる。前記パルスノズルは、加工用ガスとの化学反応を避けるため、加工用ガスと接触する金属表面を化学的に安定な物質でコーティングされているか、より好ましくはテフロン(登録商標)などのフッ素系樹脂製であることが望ましい。具体的には、ガス導入部の構成部品において、加工用ガスが直接触れる流路はもちろんのこととして、バルブやバルブシートの材質は、テフロン(登録商標)などのフッ素系樹脂製であるか、テフロン(登録商標)やフッ素系樹脂でコーティングされたものであることが望ましい。
請求項2に記載の発明は、請求項1において示したプラズマ処理装置において、加工用ガスを導入するガス導入部を少なくとも二つ有しており、そのうちの少なくとも一つから加工用ガスを定常的に上記プラズマ生成室内に導入し、別の少なくとも一つからは上記ガスを時間的に間欠的に上記プラズマ生成室内に導入するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。
少なくとも二つあるガス導入部のうち一つのガス導入部からは、定常的に加工用ガスが導入される。これを、定常的ガス導入部と呼ぶ。また、少なくとも二つあるガス導入部のうち、別の一つのガス導入部からは、時間的に間欠的に加工用ガスが導入される。これを、間欠的ガス導入部と呼ぶ。なお、述べるまでもないが、定常的ガス導入部および間欠的ガス導入部は、おのおの一つである必要はなく、それぞれ複数個備えられていても良い。なお、ここでは簡略化のために、定常的ガス導入部と間欠的ガス導入部を、それぞれ一つずつ備えたプラズマ処理装置について述べる。
間欠的ガス導入部から、時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に加工用ガスを導入しただけでは、そのガスをプラズマ化できない場合がある。そこで、定常的ガス導入部から常に一定流量の加工用ガスをプラズマ生成室に導入し、間欠的ガス導入部から時間的に間欠的に加工用ガスをプラズマ生成室に導入することで、この問題を解決する。定常的ガス導入部から一定流量の加工用ガスをプラズマ生成室に導入し、プラズマ生成室内の圧力を0.1から数Pa程度に保ち、プラズマを時間的に連続して生成しておく。次に、間欠的ガス導入部から、加工用ガスを時間的に間欠的にプラズマ生成室に導入する。該時間的に間欠的に導入された加工用ガスによって、プラズマ生成室内に衝撃波が時間的に間欠的に繰り返し発生する。こうすることによって、間欠的ガス導入部から導入される加工用ガスだけではプラズマ化しなかった条件においても容易に確実にプラズマ化でき、さらには時間的に間欠的に繰り返す衝撃波の作用や効果を併せて得ることができる。また上記のように一定流量の加工用ガスを常時プラズマ化しておくことにより常時被加工物を加工できるので加工速度が向上できるという利点もある。
間欠的ガス導入部から導入される加工用ガスによって生じた衝撃波の作用や効果は、請求項1に関して説明した内容と同じである。なぜならば、プラズマ生成室内の圧力は、定常的ガス導入部から導入された加工用ガスによって加工用ガスを導入しない場合に比べて高くはなっているが、衝撃波の厚みが異なるだけで、最大圧力や圧力上昇時間または下降時間に大きな差異が無いためである。ゆえに、ここでは衝撃波の作用や効果についての詳細説明を省略する。
なお、定常的ガス導入部から導入されるガスと間欠的ガス導入部から導入されるガスとを、そのいずれも「加工用ガス」と同じ表記にしたが、これらの加工用ガスは同じ種類のガスであってもよいが、異種のガスであってもよい。
請求項3に記載の発明は、プラズマ生成室内に生成されるプラズマが、誘導結合型プラズマであることを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ処理装置である。
加工速度を向上するためには、ラジカルや負イオンなどの化学的活性種の量を増加させて、基板表面でのエッチング速度を高める必要がある。ラジカルや負イオンなどの化学的活性種の量を増加させるためには、プラズマ生成室内に高密度のプラズマを生成する必要がある。プラズマ生成室内に高密度のプラズマを生成するために、高密度プラズマである誘導結合型プラズマ(Inductivery Coupled Plasma:ICP)を用いることが出来る。この誘導結合型プラズマおよびその発生機構を用いることによって、プラズマ密度を高めることが出来るので、被加工物の表面やその付近の反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、加工速度自体の向上も併せて図ることが出来る。
なお、ここで述べる誘導結合型プラズマには、ICPのほか、TCP(Transformer Coupled Plasma)やそれに類似する方式も含んでいる。
請求項4に記載の発明は、上記プラズマはプラズマ生成用高周波電源を用いて生成されたプラズマであって、当該高周波電源を時間変調運転することにより、時間的に断続したパルス状に生成されたプラズマであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のプラズマ処理装置である。なお、時間変調運転とは、短い時間周期で電源出力のON/OFFを繰り返すプラズマ生成用高周波電源の運転方法を言う。なお、この短い時間周期のことを、変調周期もしくは変調周波数と言う。
一例として、プラズマ生成用高周波電源の発振周波数を13.56MHz、変調周波数を10kHz、出力のON/OFFの時間の比、即ちONとOFFの合計時間を基準値1としたときのON時間を0.5とした場合を考える。なお、前記出力のON/OFFの比をデューティー比と言い、以下、DRと略記する。DRが0.5であるから、電源出力がONになっている時間、およびOFFになっている時間は等しく、それぞれ50μsecである。つまり、先の50μsecでプラズマが生成され、次の50μsecでは放電維持のためのエネルギー投入が無く、アフターグローとなる。このように、プラズマ生成用高周波電源を時間変調運転して生成したプラズマを、パルスプラズマまたはパルス放電プラズマと呼び、プラズマ生成用高周波電源を連続波で用いて生成したプラズマを、連続波放電プラズマと呼び、互いを区別することがある。
請求項4で示したプラズマはパルスプラズマである。パルスプラズマは、プラズマを構成するイオン種や活性種が、その変調周期に応じた周期で変化している。これを塩素やSF6などのような負性ガスに適用すると、前記アフターグロー中に負イオンを多量に形成する。一般にプラズマを構成する粒子種は、電子と正イオンであるが、前述のように負性ガスを用いたパルスプラズマの場合、正イオンと負イオンで構成されるプラズマとなる。これをイオン−イオンプラズマと呼ぶ。イオン−イオンプラズマを利用すると、以下のような利点がある。一般に、プラズマによる加工は、ラジカルと被加工物との化学反応が生じている部位に、イオンを衝突させることで加速度的に加工を進めるのが特徴である。しかしながら、従来の反応性イオンエッチングに見られるような正イオンを使った場合、正イオンのエネルギーが大きすぎることや正イオンの電荷による帯電により、基板へのダメージが大きかった。そこへ負イオンを多量に含むイオン−イオンプラズマを用いてプラズマ加工を行うと、正イオンに代わって負イオンを用いることができる。負イオンは、ガス分子に電子が付着することによって生成されるため、運動エネルギーが小さい。ゆえに、負イオンを利用してプラズマ加工を行うと、基板へのダメージが低減できる。このように本発明によれば被加工物表面やその付近の反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、加工速度を大きく向上できるうえ被加工物へのダメージの少ない加工を行うことが出来る。
請求項5に記載の発明は、上記プラズマ生成室内に、一つまたは複数のプラズマ電位制御用の電位制御電極を備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のプラズマ処理装置である。
プラズマによる加工を行う際、生成されたプラズマ内のイオンにエネルギーを与えたり、エネルギーを減じることが必要となる場合がある。プラズマ中のイオンは、プラズマ電位程度のポテンシャルエネルギーを有している。被加工物をアース電位にした場合は、プラズマ電位とアース電位との差に相当するエネルギーが、イオンに与えられる。例えば一価の正イオンを考えた場合、プラズマ電位が100Vで、被加工物がアース電位であった場合、被加工物に到達する正イオンのエネルギーは、およそ100eV(エレクトロンボルトもしくは電子ボルト)になる。
プラズマの電位は、プラズマが接する壁との相互作用で決まる。一般にプラズマ生成室は石英のような誘電体で作られているから、プラズマ生成室壁面と接するプラズマの電位は浮動電位となる。浮動電位は、電子とイオンの壁面での消滅の数量比で決まる。しかしながら、プラズマに対して十分な大きさを持った導電体を、プラズマに接するように挿入すると、その導電体の電位にプラズマの電位が引きずられ、即ち影響を受けて、プラズマの電位がその導電体の電位とほぼ等しくなる。ゆえに、前記導電体に電圧を加えると、適切な電圧の値の範囲内でプラズマの電位を制御できる。ここでは、この電極を電位制御電極と呼ぶ。電位制御電極に適切な電位を印加すると、プラズマの電位を制御できる。すなわち、イオンのエネルギーを制御できる。従って、被加工物表面やその付近の反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、イオンのエネルギーを制御することによって、加工速度や加工精度を向上させたり、被加工物へのダメージを抑制することができる。あるいは、場合によってはイオンのエネルギーを意図的に高め、スパッタリングによる薄膜形成などの用途に用いることもできる。
該電位制御電極に接続される電源は、直流電源の他、交流電源若しくは1kHz乃至1MHzの高周波電源であっても良い。より好ましくは、1kHz乃至1MHzのバイポーラ電源を用いるのが良い。
請求項6に記載の発明は、前記電位制御電極の内、少なくとも1つは、平板状で前記プラズマ生成室と加工室とを仕切り、且つ、被加工物に対向するように設置されており、該少なくとも1つの電位制御電極は、被加工物に向かう方向に形成された複数の小孔を備え、前記小孔は、該小孔の中心軸を含む断面における形状が矩形状であるか、あるいは台形状に被加工物に向かって広がる形状であることを特徴とする請求項5に記載のプラズマ処理装置である。
本項のプラズマ処理装置は、請求項6に記載のプラズマ処理装置において、少なくとも1つの電位制御電極が平板状であり、これが上記プラズマ生成室と加工室とを仕切り、かつ被加工物に対向する位置に置かれている。該電位制御電極にてプラズマ生成室と加工室とを仕切ることにより、上記プラズマ生成室と加工室との両室間の圧力差を維持することが出来る。そして当該電位制御電極には被加工物に向けて複数の小孔が形成されており、これらの小孔からは、プラズマ中の荷電粒子、ラジカルや中性粒子のほか、プラズマ生成室でプラズマ化されなかったガス分子が放出される。換言すればこれらの小孔から上記の粒子や分子が被加工物に向かって照射される。
なお、該小孔は、被加工物に向かってまっすぐな形状、すなわち小孔の断面形状が矩形状であってもよいが、被加工物に向かって広がる形状、すなわち小孔の断面形状が台形状をしていてもよい。ここでいう「台形状」とは、通常の台形状のほか、ラバール管や超音速ノズル状の形状を含み、これらの形状は、プラズマ生成室内の圧力が数Paを越えるような比較的圧力が高い場合には、プラズマ生成質から加工室へのガスの流れを円滑にする効果があり、比較的圧力の高い領域において好ましい形状である。
該小孔がまっすぐな、あるいは広がる形状であることによって、該小孔から放出される各種粒子に、被加工物に向かう方向性を持たせることができる。こうすることによって該小孔から放出される粒子を効果的に被加工物に照射できるので、本発明によれば被加工物表面やその付近の反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、加工速度および加工精度が向上する。
請求項7に記載の発明は、プラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、ガス導入部からプラズマ生成室内に時間的に間欠的に加工用ガスを導入する導入工程と、上記時間的に間欠的に導入された加工用ガスをプラズマ化するプラズマ化工程と、上記プラズマ化した加工用ガスを被加工物に照射して被加工物を加工する加工工程と、上記加工工程で生成された反応生成物を、上記加工用ガスを時間的に間欠的に導入することによって発生した衝撃波により除去する除去工程と、を含むことを特徴とする被加工物の加工方法である。
時間的に間欠的に加工用ガスをガス導入部からプラズマ生成室内に導入することによって、プラズマ生成室内に時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に繰り返し衝撃波が発生する。前記導入された加工用ガスをプラズマ化する工程において、その衝撃波の前後に、しかし実質的には特に後側にプラズマが生成され、そのプラズマが衝撃波の伝播によって例えば半導体基板などの被加工物に向けて照射され、加工室内の被加工物へ到達し、加工が行われる。前記プラズマは、時間的に間欠的に加工用ガスがプラズマ生成室内に導入される事によって、時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に生成されたガスパルスプラズマである。
次に、衝撃波の伝播と衝撃波の効果、およびガスパルスプラズマによる加工に付いて述べる。
前記プラズマ生成室内に生成された衝撃波の第1波が、被加工物に到達する。この際、被加工物は加工が為されていないため、その表面もしくはその近傍に反応生成物が存在せず、前記衝撃波による反応性生物の弾き出し効果はない。しかし万が一、被加工物表面にサブミクロン程度以下の微細なゴミが付着していた場合、前記第1波の衝撃波によって、前記微細なゴミが弾き出される効果がある。
前記第1波の衝撃波の直後に第1のガスパルスプラズマが被加工物に到達し、これにより被加工物は、所定の加工が行われる。
続いて第2波の衝撃波が被加工物に到達する。被加工物表面やその付近に滞留していた反応生成物が第2波の衝撃波によって弾き出され、迅速かつ十分に除去される。その直後に第2のガスパルスプラズマが到達して被加工物が加工される。その際、第2波の衝撃波によって、被加工物表面やその近傍から反応生成物が除去されている為、設計図どおりの高精度加工が行われる。以降、第2波の衝撃波による効果と第2のガスパルスプラズマによる加工が、時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に繰り返される。
なお、ガスパルスプラズマ中には、プラズマの生成消滅過程で生じたラジカルや負性ガスを使った場合には負イオンが多量に生成されており、これらも併せて被加工物表面へ到達することによって、加工速度が向上する。
請求項8に記載の発明は、少なくとも2つのガス導入部を備えたプラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、少なくとも2つあるガス導入部のうち、少なくとも1つのガス導入部からプラズマ生成室内に定常的に加工用ガスを導入し、別の少なくとも1つのガス導入部から時間的に間欠的に加工用ガスを導入する導入工程と、上記定常的に導入された加工用ガスと上記時間的に間欠的に導入された加工用ガスとをプラズマ化するプラズマ化工程と、上記プラズマ化した加工用ガスを被加工物に照射して被加工物を加工する加工工程と、上記加工工程で生成された反応生成物を、加工用ガスを時間的に間欠的に導入することによって発生した衝撃波により除去する除去工程と、を含むことを特徴とする被加工物の加工方法である。
ここでは、説明の簡略化のために、定常的ガス導入部と間欠的ガス導入部をそれぞれ1つづつ備えたプラズマ処理装置における加工方法について述べる。
定常的ガス導入部からは、一定の流量の加工用ガスがプラズマ生成室に継続して導入されており、このガスにより時間的に連続したプラズマを生成する。前記定常的に導入された加工用ガスによって定常的連続的に被加工物が加工されるが、被加工物表面やその付近に反応性生物が滞留し、加工特性を悪化させることがある。なお、本発明における被加工物表面とは、例えば半導体用基板を例にとると、幾何学的な最表面だけでなく、レジストや微細配線などで形成された凹凸のある部分において、その凹凸内部の壁面、より具体的にはトレンチや微細配線などの側壁部の表面部も含んでいる。
そこに、間欠的ガス導入部から時間的に間欠的に加工用ガスを導入する。これによって、プラズマ生成室内には、時間的に間欠的に繰り返し衝撃波が発生する。この衝撃波は加工室内へと伝播し、被加工物に到達して、前記反応生成物を、被加工物表面から弾き出し、あるいは引き剥がすことによって、加工の局所的な遅延、すなわち加工の不均一の原因である反応生成物を迅速且つ十分に除去するから、加工速度の向上と加工精度の向上が実現できる。加工精度は、被加工物全面にわたるような全体的なものと、例えば微細配線内部のような局所的なものとがある。例えば現在の半導体製造ラインで最も問題となっているのは、微細配線内部のような局所的なものであることが多く、こうした部分に反応生成物が残留することが、半導体素子の歩留まりを大きく左右する要因となっている。よって、本発明によれば、微細配線内部に残留する反応生成物も迅速かつ十分に除去できるので、例えば半導体製造において、半導体素子の歩留まりを向上する事ができる。
加えて、請求項7で示した間欠的ガスの導入だけではプラズマが生成されない場合においても、定常的ガス導入部から導入した加工ガスによってプラズマを連続的に生成しておくことで、間欠的ガス導入部から導入した加工ガスに対しても確実にプラズマ化出来るから、上記の問題を解決できる。
請求項9に記載の発明は、上記プラズマとして誘導結合型プラズマを用いることを特徴とする請求項7または8に記載の被加工物の加工方法である。
加工速度を向上するためには、ラジカルや負イオンなどの化学的活性種の量を増加させて、被加工物(例えば半導体基板など)の表面でのエッチング速度を高める必要がある。ラジカルや負イオンなどの化学的活性種の量を増加させるためには、プラズマ生成室内に高密度のプラズマを生成する必要がある。プラズマ生成室内に高密度のプラズマを生成するために、高密度プラズマである誘導結合型プラズマ(Inductivery Coupled Plasma:ICP)を用いることが出来る。上述したように、誘導結合型プラズマ発生機構によって高密度のプラズマを発生することが出来るので、被加工物表面及びその近傍に滞留する反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、加工速度を向上した加工方法を得ることが出来る。
請求項10に記載の発明は、被加工物の加工に用いるプラズマが、プラズマ生成用高周波電源を用いて生成されたプラズマであって、該高周波電源を時間変調運転することにより、時間的に断続したパルス状に生成されたプラズマであることを特徴とする請求項7乃至9のいずれかに記載の被加工物の加工方法である。
時間変調運転で生成されたプラズマ中には、通常の運転によって生じる正イオンのほかに、ラジカルや負性ガスを使うと負イオンが多量に生成される。これらラジカルや負イオンが衝撃波の伝播によって被加工物に到達し、被加工物表面及びその近傍に滞留する反応生成物を迅速且つ十分に除去するばかりでなく、加工速度と加工精度を向上させ、さらに被加工物へのダメージを低減する加工方法が得られる。
請求項11に記載の発明は、上記プラズマ生成室内に、1つまたは複数の電位制御電極を備えて、プラズマの電位を制御することを特徴とする請求項7乃至10のいずれかに記載の被加工物の加工方法である。
電位制御電極に適正な電圧を印加すると、プラズマ電位を制御することができるので、そのプラズマ中のイオンのエネルギーを制御することができる。イオンのエネルギーを制御することができれば、被加工物へのダメージを抑制した加工方法が得られる。例えば、電位制御電極に印加する電圧をプラス1kV乃至マイナス1kV、好ましくはプラス500V乃至マイナス500V,より好ましくはプラス100V乃至マイナス100Vの範囲に限れば、被処理物上に形成されたデバイスなどに対する、イオンなどによるダメージを避ける加工方法を得ることが出来る。従って本発明の加工方法を用いれば、反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、被加工物のダメージを抑制した加工を行うことが出来る。
請求項12に記載の発明は、前記電位制御電極の内、少なくとも1つの電位制御電極として平板状電位制御電極を備えたプラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、該電位制御電極の設置位置としては、プラズマ生成室と加工室とを仕切り且つ被加工物に対向する位置に設置し、該電位制御電極の態様としては、被加工物に向かう方向に形成された複数の小孔を備え、前記小孔は該小孔の中心軸を含む断面における形状が矩形状であるか、あるいは台形状に被加工物に向かって広がる形状である態様の電位制御電極を用い、これによって前記プラズマ生成室内から放出される粒子に被加工物に向かう方向性を持たせて照射すること、を特徴とする請求項7乃至11のいずれかに記載の被加工物の加工方法である。
上述したようなプラズマ生成室と加工室とを仕切る位置に上述したような小孔を備えた平板状の電位制御電極を設置して被加工物を加工する方法によれば、上記小孔からプラズマ中の粒子やラジカル、中性粒子に方向性を持たせて被加工物に向けて照射することができるため、より高速で高精度な加工が可能となる。
In order to achieve the above object of the present invention, the invention described in each of the claims is provided.
The invention described in
Generally, when a so-called normal temperature or normal pressure (for example, about 20 ° C., about 1 atm) gas is introduced into a vacuum (in the case of the present invention, a plasma generation chamber) via a nozzle or orifice, the nozzle or orifice exit. , The Mach number of the gas flow rate (ratio of the flow velocity to the speed of sound) is 1. The gas expands further downstream and the Mach number exceeds 1. At this time, a shock wave is generated. In the present invention, when the processing gas is introduced temporally, that is, intermittently with respect to the elapsed time, the following occurs. The pressure in the plasma generation chamber before introducing the processing gas is exhausted by a vacuum pump provided downstream of the processing chamber, and is approximately 10 -5 It is kept at high vacuum of Pa level. By intermittently introducing the processing gas into the plasma generation chamber in which such a vacuum is maintained, a shock wave is repeatedly generated in the plasma generation chamber in terms of time, that is, intermittently with respect to the elapsed time.
The shock wave thus generated propagates as follows. As an example, a description will be given of an embodiment in which the shape of the plasma generation chamber is an axisymmetric cylindrical shape, a processing chamber for storing a workpiece is disposed on the downstream side, and a vacuum pump is further disposed on the downstream side. Here, in order to describe the propagation of shock waves, the processing gas is simply referred to as gas, but this is the processing gas used in the plasma processing apparatus of the present invention. A gas introduction part is installed on the upstream side of the central axis of the plasma generation chamber, and the gas is intermittently introduced from the gas introduction part in time, and the gas is introduced to the downstream side opposite to the gas introduction part. Consider the case of exhausting. By introducing the gas intermittently into the plasma generation chamber in time, a shock wave is repeatedly generated in time intermittently at the gas introduction portion outlet. Each of the shock waves forms a thin disk shape perpendicular to the central axis of the plasma generation chamber and travels downstream at a speed of several hundred m / sec to several km / sec. Propagate.
The shock wave referred to here is a steep change in pressure from positive to negative that occurs within a very short time. More specifically, it can be stated as follows. For example, when the shock wave is observed at a certain position in the plasma generation chamber, the pressure rises to about several MPa (megapascal) within a short time of about several msec or less, and after that, about several tens of msec. It turns to a negative pressure and eventually returns to the same pressure as before the introduction of gas intermittently. Moreover, it is known that the pressure is the momentum of gas molecules. That is, the pressure has directionality (vector quantity). The shock wave viewed from the viewpoint of molecular motion is that molecules per unit volume corresponding to several MPa form a pressure surface (this is called a shock wave surface) in a very thin region, and this thin pressure surface is in a certain direction. It is a phenomenon that propagates at a speed exceeding the Mach number. The negative pressure in the present invention is a gas flow (gas molecule flow) in a direction opposite to the traveling direction of the shock wave generated by intermittently introducing the processing gas.
When the shock wave passes through the plasma generation chamber and propagates into the machining chamber and reaches the workpiece surface accommodated in the machining chamber, the shock wave has a steep pressure fluctuation and the workpiece surface or the vicinity thereof. The reaction product is ejected, and the reaction product is promoted to diffuse from the surface of the workpiece or the vicinity thereof into the space in the processing chamber. Note that the surface of the workpiece in the present invention is, for example, a semiconductor substrate, in addition to the geometrical outermost surface, in the uneven portion formed by resist, fine wiring, etc. Wall surfaces, more specifically, surface portions of side walls such as trenches and fine wiring.
By introducing the gas intermittently in time, the shock wave generated in the plasma generating chamber is repeatedly generated in time, that is, intermittently in time, and reaches the workpiece intermittently in time. The first shock wave reaches the bottom while repeatedly reflecting inside the trench and fine wiring. Therefore, the reaction product staying on or near the workpiece surface is repeatedly ejected intermittently from the workpiece surface or the vicinity thereof by the shock wave irradiated intermittently. In this way, the reaction product ejected intermittently from the surface of the workpiece and its vicinity intermittently leaves the surface of the workpiece and its vicinity and diffuses into the space in the processing chamber. For this reason, the reaction product that hinders the processing can be quickly and sufficiently removed from the surface of the workpiece and the vicinity thereof, so that the processing speed and processing accuracy are improved and the processing uniformity is maintained. Note that, for example, a wafer which is a workpiece by the shock wave is not damaged or broken. This is because the workpiece is held from the entire back surface by the stage, and there is no cause of damage to the wafer such as deformation. That is, it can be considered that the action by the shock wave acts only on the surface of the workpiece.
Further, by introducing the gas intermittently in time, there are the following merits at the time of plasma generation. In general, plasma generation has a suitable gas pressure range. The pressure region suitable for plasmatization is in the range of about 0.1 Pa to 20 Pa. In a pressure region where the maximum pressure reaches the MPa (Mega Pascal) range, such as a shock wave, the gas pressure (density) is too high with respect to the input discharge power, so that it is difficult to make it into plasma. However, in the process of increasing or decreasing the pressure, it passes through a pressure region suitable for plasmatization. Plasma is generated when it enters a pressure region suitable for this plasma formation. That is, there is a pressure region that is converted into plasma before and after the shock wave, and plasma is generated in that region. However, since the pressure rise time immediately before the shock wave is extremely short, such as several milliseconds or less, plasma generation may not be possible immediately before the shock wave. Therefore, since it may be considered that there is a region where plasma is generated substantially behind the shock wave, here, a stage in which the high pressure portion due to the shock wave passes and the pressure is reduced will be described. Immediately after the shock wave passes, the pressure rapidly decreases, enters a pressure region suitable for plasmatization, and plasma is generated. Since the processing gas is intermittently introduced into the plasma generation chamber in time, the plasma is generated in time, that is, intermittently with respect to the elapsed time. This is called gas pulse plasma.
However, since the pressure is further reduced thereafter, the discharge cannot be maintained as plasma. In other words, the generation and extinction of plasma occurs here. In general, the process of plasma losing energy and extinguishing is called afterglow. In the afterglow, electrons in the plasma collide with gas molecules and lose energy. In the process of losing energy, negative electrons such as radicals, chlorine, oxygen, and fluorine-based gases are formed in the process of losing energy. That is, in the plasma generated before and after the shock wave, chemically active species such as ions and radicals or negative ions in the negative gas are mixed.
Chemically active species such as negative ions constituting the shock wave reach the workpiece surface as the shock wave progresses. The processing speed is improved by the action of these chemically active species. That is, according to the plasma generating apparatus of the present invention, not only when the reactive organism is formed in a film shape on the entire surface of the workpiece, but also the reactive organism attached to the side wall such as the fine wiring portion or the trench is quickly and sufficiently obtained. Since it can be removed, not only the overall processing speed can be improved, but also the local processing speed non-uniformity can be corrected and the processing accuracy can be improved. There is a merit that the yield of the semiconductor device is improved.
Here, a pulse nozzle can be used as the gas introduction part used for intermittently introducing the processing gas in terms of time. In order to avoid a chemical reaction with the processing gas, the pulse nozzle has a metal surface that is in contact with the processing gas coated with a chemically stable substance, or more preferably a fluororesin such as Teflon (registered trademark). It is desirable to be made. Specifically, in the component parts of the gas introduction part, the material of the valve and the valve seat is made of a fluorine-based resin such as Teflon (registered trademark) as well as the flow path directly touched by the processing gas. It is desirable that it is coated with Teflon (registered trademark) or fluorine resin.
According to a second aspect of the present invention, the plasma processing apparatus of the first aspect has at least two gas introduction portions for introducing a processing gas, and the processing gas is constantly supplied from at least one of them. In the plasma processing apparatus, the gas is introduced into the plasma generation chamber and the gas is introduced into the plasma generation chamber intermittently in time from at least one other.
A processing gas is constantly introduced from one of the at least two gas introduction portions. This is called a steady gas introduction part. In addition, the processing gas is intermittently introduced in time from another one of the at least two gas introduction portions. This is called an intermittent gas introduction part. Needless to say, the stationary gas introduction part and the intermittent gas introduction part do not have to be one each, and a plurality of them may be provided. Here, for simplification, a plasma processing apparatus provided with one stationary gas introduction part and one intermittent gas introduction part will be described.
If the processing gas is only introduced intermittently from the intermittent gas introduction part in time, that is, with respect to the elapsed time, the gas may not be converted into plasma. Therefore, this problem can be solved by always introducing a constant flow of processing gas into the plasma generation chamber from the stationary gas introduction section and intermittently introducing the processing gas into the plasma generation chamber from the intermittent gas introduction section. To solve. A processing gas having a constant flow rate is introduced into the plasma generation chamber from the stationary gas introduction section, the pressure in the plasma generation chamber is maintained at about 0.1 to several Pa, and plasma is generated continuously in time. Next, the processing gas is intermittently introduced into the plasma generation chamber temporally from the intermittent gas introduction unit. Due to the processing gas introduced intermittently in time, shock waves are repeatedly generated in the plasma generation chamber intermittently in time. In this way, plasma can be easily and reliably generated even under conditions that have not been converted to plasma only by the processing gas introduced from the intermittent gas inlet, and further, the action and effect of shock waves that are intermittently repeated in time are also combined. Can be obtained. Further, there is an advantage that the processing speed can be improved because the workpiece can be always processed by constantly converting the processing gas at a constant flow rate into plasma as described above.
The action and effect of the shock wave generated by the processing gas introduced from the intermittent gas introduction part is the same as the contents described in the first aspect. This is because the pressure in the plasma generation chamber is higher than the case where the processing gas is not introduced by the processing gas introduced from the stationary gas introduction unit, but the maximum pressure is different only in the thickness of the shock wave. This is because there is no significant difference in the pressure rise time or the fall time. Therefore, detailed description of the action and effect of the shock wave is omitted here.
Note that the gas introduced from the stationary gas introduction part and the gas introduced from the intermittent gas introduction part both have the same notation as “processing gas”, but these processing gases are of the same type. A gas may be used, but a different gas may be used.
A third aspect of the present invention is the plasma processing apparatus according to the first or second aspect, wherein the plasma generated in the plasma generation chamber is inductively coupled plasma.
In order to improve the processing speed, it is necessary to increase the etching rate on the substrate surface by increasing the amount of chemically active species such as radicals and negative ions. In order to increase the amount of chemically active species such as radicals and negative ions, it is necessary to generate a high-density plasma in the plasma generation chamber. In order to generate high-density plasma in the plasma generation chamber, inductively coupled plasma (ICP) which is high-density plasma can be used. By using this inductively coupled plasma and its generation mechanism, the plasma density can be increased, so that not only the surface of the workpiece and reaction products in the vicinity thereof can be removed quickly and sufficiently, but also the processing speed itself. Improvements can also be made.
The inductively coupled plasma described here includes not only ICP but also TCP (Transformer Coupled Plasma) and similar systems.
According to a fourth aspect of the present invention, the plasma is generated using a high frequency power source for plasma generation, and is generated in a pulse form intermittent in time by performing time modulation operation of the high frequency power source. The plasma processing apparatus according to any one of
As an example, the ON frequency when the oscillation frequency of the high frequency power source for plasma generation is 13.56 MHz, the modulation frequency is 10 kHz, and the output ON / OFF time ratio, that is, the total time of ON and OFF is set to the
The plasma shown in
The invention according to
When processing by plasma, it may be necessary to give energy to ions in the generated plasma or to reduce energy. Ions in the plasma have potential energy about the plasma potential. When the workpiece is set to the ground potential, energy corresponding to the difference between the plasma potential and the ground potential is given to the ions. For example, when monovalent positive ions are considered, when the plasma potential is 100 V and the workpiece is at ground potential, the energy of positive ions reaching the workpiece is approximately 100 eV (electron volts or electron volts). Become.
The potential of the plasma is determined by the interaction with the wall in contact with the plasma. Since the plasma generation chamber is generally made of a dielectric material such as quartz, the plasma potential in contact with the plasma generation chamber wall surface is a floating potential. The floating potential is determined by the quantity ratio of annihilation on the wall surface of electrons and ions. However, if a conductor having a sufficient size with respect to the plasma is inserted so as to be in contact with the plasma, the potential of the plasma is dragged to the potential of the conductor, that is, the potential of the plasma is affected. It becomes almost equal to the body potential. Therefore, when a voltage is applied to the conductor, the plasma potential can be controlled within a range of an appropriate voltage value. Here, this electrode is called a potential control electrode. When an appropriate potential is applied to the potential control electrode, the plasma potential can be controlled. That is, the ion energy can be controlled. Therefore, not only can the reaction product on and near the workpiece surface be removed quickly and sufficiently, but the ion energy can be controlled to improve the machining speed and machining accuracy, and to damage the workpiece. Can be suppressed. Alternatively, in some cases, the energy of ions can be intentionally increased and used for applications such as thin film formation by sputtering.
The power source connected to the potential control electrode may be a DC power source, an AC power source, or a 1 kHz to 1 MHz high frequency power source. More preferably, a bipolar power supply of 1 kHz to 1 MHz is used.
In the invention according to
The plasma processing apparatus according to this aspect is the plasma processing apparatus according to
The small hole may have a straight shape toward the work piece, that is, the cross-sectional shape of the small hole may be a rectangular shape, but the shape widened toward the work piece, that is, the cross-sectional shape of the small hole may be It may have a shape. The “trapezoidal shape” here includes not only the normal trapezoidal shape but also the shape of a Laval tube or a supersonic nozzle, and these shapes have a relatively high pressure such that the pressure in the plasma generation chamber exceeds several Pa. If it is high, there is an effect of smoothing the gas flow from the plasma product to the processing chamber, which is a preferable shape in a relatively high pressure region.
By making the small holes straight or wide, various particles emitted from the small holes can have a direction toward the workpiece. In this way, the particles emitted from the small holes can be effectively irradiated onto the workpiece, and according to the present invention, not only the surface of the workpiece and the reaction products in the vicinity thereof can be removed quickly and sufficiently. , Machining speed and machining accuracy are improved.
The invention according to
By intermittently introducing the processing gas into the plasma generation chamber from the gas introduction portion in time, a shock wave is repeatedly generated in the plasma generation chamber in time, that is, intermittently with respect to the elapsed time. In the step of converting the introduced processing gas into plasma, plasma is generated before and after the shock wave, but substantially in particular on the rear side, and the plasma is applied to a workpiece such as a semiconductor substrate by the propagation of the shock wave. Is irradiated toward the workpiece in the machining chamber, and machining is performed. The plasma is a gas pulse plasma generated intermittently in time, that is, intermittently with respect to elapsed time, by intermittently introducing a processing gas into the plasma generation chamber.
Next, propagation of shock waves, effects of shock waves, and processing by gas pulse plasma will be described.
A first wave of the shock wave generated in the plasma generation chamber reaches the workpiece. At this time, since the workpiece is not processed, there is no reaction product on the surface or in the vicinity thereof, and there is no effect of ejecting reactive organisms by the shock wave. However, in the unlikely event that fine dust of about submicron or less adheres to the surface of the workpiece, there is an effect that the fine dust is ejected by the shock wave of the first wave.
Immediately after the shock wave of the first wave, the first gas pulse plasma reaches the workpiece, whereby the workpiece is subjected to predetermined machining.
Subsequently, the second shock wave reaches the workpiece. The reaction product staying on the surface of the workpiece or in the vicinity thereof is ejected by the shock wave of the second wave and quickly and sufficiently removed. Immediately thereafter, the second gas pulse plasma reaches and the workpiece is processed. At this time, since the reaction product is removed from the surface of the workpiece or the vicinity thereof by the second shock wave, high-accuracy machining as per the design drawing is performed. Thereafter, the effect by the shock wave of the second wave and the processing by the second gas pulse plasma are repeated intermittently with respect to time, that is, the elapsed time.
In the gas pulse plasma, a large amount of negative ions are generated when radicals or negative gases generated during the generation and extinction process of the plasma are used, and these also reach the workpiece surface. As a result, the processing speed is improved.
The invention according to
Here, for simplification of description, a processing method in a plasma processing apparatus provided with one stationary gas introduction part and one intermittent gas introduction part will be described.
A processing gas having a constant flow rate is continuously introduced into the plasma generation chamber from the stationary gas introduction unit, and a temporally continuous plasma is generated by this gas. Although the workpiece is constantly and continuously processed by the processing gas that is constantly introduced, reactive organisms may stay on or near the surface of the workpiece and deteriorate the processing characteristics. Note that the surface of the workpiece in the present invention is, for example, a semiconductor substrate, in addition to the geometrical outermost surface, in the uneven portion formed by resist, fine wiring, etc. Wall surfaces, more specifically, surface portions of side walls such as trenches and fine wiring.
There, the processing gas is intermittently introduced in time from the intermittent gas introduction part. As a result, shock waves are repeatedly generated in the plasma generation chamber intermittently in time. This shock wave propagates into the processing chamber, reaches the workpiece, and ejects or peels off the reaction product from the surface of the workpiece, thereby causing a local delay in processing, that is, non-uniform processing. Since the reaction product which is the cause is quickly and sufficiently removed, it is possible to improve the processing speed and the processing accuracy. The processing accuracy includes an overall one that covers the entire surface of the workpiece and a local one that is, for example, inside the fine wiring. For example, the current problem in semiconductor manufacturing lines is often the local area such as the inside of fine wiring, and the reaction products remaining in such areas greatly increase the yield of semiconductor devices. It is a factor that influences. Therefore, according to the present invention, the reaction product remaining in the fine wiring can be quickly and sufficiently removed, so that, for example, in semiconductor manufacturing, the yield of semiconductor elements can be improved.
In addition, even when the plasma is not generated only by the introduction of the intermittent gas as shown in
The invention described in
In order to improve the processing speed, it is necessary to increase the etching rate on the surface of the workpiece (for example, a semiconductor substrate) by increasing the amount of chemically active species such as radicals and negative ions. In order to increase the amount of chemically active species such as radicals and negative ions, it is necessary to generate a high-density plasma in the plasma generation chamber. In order to generate high-density plasma in the plasma generation chamber, inductively coupled plasma (ICP) which is high-density plasma can be used. As described above, high-density plasma can be generated by the inductively coupled plasma generation mechanism, so that not only the reaction product staying on and near the workpiece surface can be removed quickly and sufficiently, but also the processing speed. Can be obtained.
According to a tenth aspect of the present invention, the plasma used for processing the workpiece is plasma generated using a high frequency power source for generating plasma, and the high frequency power source is time-modulated to perform intermittent operation. 10. The processing method for a workpiece according to
In plasma generated by time-modulated operation, in addition to positive ions generated by normal operation, a large amount of negative ions is generated when radicals or negative gases are used. These radicals and negative ions reach the workpiece by the propagation of shock waves, not only quickly and sufficiently remove the reaction products staying on and near the workpiece surface, but also improve the processing speed and processing accuracy, Furthermore, the processing method which reduces the damage to a workpiece is obtained.
The invention described in claim 11 is characterized in that one or more potential control electrodes are provided in the plasma generation chamber to control the potential of the plasma. It is a processing method of a workpiece.
When an appropriate voltage is applied to the potential control electrode, the plasma potential can be controlled, so that the energy of ions in the plasma can be controlled. If the ion energy can be controlled, a processing method in which damage to the workpiece is suppressed can be obtained. For example, if the voltage applied to the potential control electrode is limited to a range of plus 1 kV to minus 1 kV, preferably plus 500 V to minus 500 V, more preferably plus 100 V to minus 100 V, for a device formed on the object to be processed, etc. A processing method that avoids damage caused by ions or the like can be obtained. Therefore, if the processing method of the present invention is used, not only the reaction product can be removed quickly and sufficiently, but also processing with reduced damage to the workpiece can be performed.
The invention according to claim 12 is a processing method of a workpiece using a plasma processing apparatus having a plate-like potential control electrode as at least one of the potential control electrodes, the potential control electrode Is installed at a position that separates the plasma generation chamber from the processing chamber and faces the workpiece, and the potential control electrode has a plurality of small holes formed in the direction toward the workpiece. The small hole uses a potential control electrode of a mode in which the shape in a cross section including the central axis of the small hole is a rectangular shape or a shape that spreads toward the workpiece in a trapezoidal shape, thereby 12. The processing method for a workpiece according to
According to the method of processing a workpiece by installing a flat plate-like potential control electrode having a small hole as described above at a position separating the plasma generation chamber and the processing chamber as described above, plasma is generated from the small hole. Since the particles, radicals, and neutral particles inside can be directed toward the workpiece while being directed, processing at higher speed and higher accuracy is possible.
本発明によれば、被加工物表面やその付近に滞留した反応生成物を迅速にかつ十分に除去できるから、均一性の高いエッチングを高速で行うことが出来る。さらに本発明によれば大口径(大面積)の被加工物に対しても、また被加工物と反応生成物との間にファンデルワールス力や電気的引力が作用するような被加工物または配線が微細化された半導体ウェハ等の被加工物に対しても同様な効果を得ることが出来るため、主に半導体素子の歩留まり向上による半導体素子の生産性を向上する事ができる。 According to the present invention, the reaction product staying on or near the workpiece surface can be quickly and sufficiently removed, so that highly uniform etching can be performed at high speed. Furthermore, according to the present invention, a workpiece having a large caliber (large area) or a work in which van der Waals force or electric attractive force acts between the workpiece and the reaction product, or Since a similar effect can be obtained for a workpiece such as a semiconductor wafer in which the wiring is miniaturized, the productivity of the semiconductor element can be improved mainly by improving the yield of the semiconductor element.
以下、本発明に係るプラズマ処理装置および加工方法の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a plasma processing apparatus and a processing method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態におけるプラズマ処理装置9の全体構成を示す図である。図1に示すように、プラズマ処理装置9は、内部でプラズマを発生させるプラズマ生成室1を有し、半導体基板、ガラス、有機物、セラミックなどを素材とする被加工物6が配置される加工室5とを有する真空装置である。この真空装置は、プラズマ生成用の時間変調機能を付与された高周波電源4と、プラズマの電位を制御するための電位制御電極103と、加工用ガスを時間的に間欠的に導入するためのガス導入部(パルスノズル)101と、ガスを排気するための真空ポンプ8と、そして被加工物6を保持するためのステージ7とを有する。
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a
プラズマ生成室1の外周には誘導結合型のコイル2が配置されている。このコイル2は、例えば8mmφ程度の外径を有する銅製の水冷パイプをコイル状に2ターン巻いたものである。このコイル2を、プラズマ生成室1の外周を取り巻くように設置する。このコイル2は、マッチングボックス3を介して高周波電源4に接続されており、本例では、13.56MHzの高周波電圧がコイル2に印加される。なお、プラズマ生成に使用される高周波電源4の発振周波数は、13.56MHzに限定されるものではなく、100kHzから10GHzまでの範囲の周波数を、加工プロセスに応じで適宜、選択することができる。
An inductively coupled
プラズマ生成室1に加工用ガスを流し(導入し)、上記コイル2と高周波電源4から供給される高周波電力とによってプラズマ生成室1内にプラズマが発生する。コイルに高周波電流を流すことでプラズマ生成室1内に磁界が生じ、磁界の時間変化が電界を誘導し、その電界で電子が加速されてプラズマが生成される。これを、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductivery Coupled Plasma)と言う。なお、ここで示したコイル2のターン数(巻き数)は2に限るものではなく、プラズマ生成室1の大きさやプロセス条件によって、1乃至20ターン程度の中から適宜選択することができる。被加工物6がφ300mmウェハであった場合には、1乃至3ターンであることが好ましい。
A processing gas is flowed (introduced) into the
プラズマ生成室1の上部には、ガスを導入するガス導入部がある。このガス導入部は、時間的に、即ち時間経過に対して間欠的に加工用ガスをプラズマ生成室1内に導入するために、パルスノズル101を採用している。このパルスノズル101は、図示していないガス供給配管を介して図示していないガス供給源に接続されている。この図示していないガス供給源からはSF6,CHF3,CF4,Cl2,Ar,O2,N2,C4F8,CF3I,C2F6などの加工用ガスが、パルスノズル101を通してプラズマ生成室1に供給される。
In the upper part of the
パルスノズル101から時間的に間欠的に導入された加工用ガスは、プラズマ生成室1内で衝撃波206を形成する。衝撃波206は、プラズマ生成室1または加工室5内の一定の観測点で観測した場合、ミリ秒以下のごく短い時間内に、例えばその直前まで10−5Pa程度であったその観測点の圧力が数MPaという高圧まで一気に上昇し、その直後に負圧に転じ、やがては時間的に間欠的に加工用ガスが導入される前の圧力(本発明出願においては絶対圧力が10−5Pa台から1Pa程度の真空状態であって時間的に間欠的にガスが導入されることによりプラズマ生成室1や加工室5などの内圧が変動している状態以外での圧力)に戻る現象であり、プラズマ処理装置9として観測すればパルスノズル101の出口から加工室5に向かって超音速で進行する高い圧力面を有する波面と言える。これが衝撃波206である。
The working gas introduced intermittently from the
次に、図2を用いて、プラズマ生成質1内に発生する衝撃波206とガスパルスプラズマ102について説明する。前記衝撃波206において、プラズマ化するのに適した圧力領域になる部分が、プラズマ生成用の高周波電源4から投入された高周波電力によりプラズマ化される。これをガスパルスプラズマ202と呼ぶ。なお、前記ガスパルスプラズマ202は、図1における時間的に間欠的に生成されるガスパルスプラズマ102の内の一つを表したものである。このガスパルスプラズマ202は、略円盤状の領域を有するプラズマであって、その前縁側には衝撃波206を形成して伝播する。ガスパルスプラズマ202中には、イオンのほかに連続放電によるプラズマでは得られない多量のラジカルや負性ガスを用いた場合には、多量の負イオンが生成される。このラジカルや負イオンが、衝撃波206に引き続くガスパルスプラズマ202の伝播によって被加工物に到達し、化学的反応が起こる。この化学反応が起こっている部位に、次の衝撃波206が到達し、被加工物表面やその近傍に滞留する反応生成物を弾き出す。続いてガスパルスプラズマ202が被加工物表面に到達し、該ガスパルスプラズマ202中のイオンのエネルギーによって加工速度が著しく向上する。このように、衝撃波206による反応生成物の弾き出しの後、ラジカルによる化学反応とイオンによる加工促進とを繰り返すことにより、より高速で高精度な加工が可能となる。
Next, the shock wave 206 and the
さらに、プラズマ生成室1内に発生した衝撃波206には、次に示すような効果がある。パルスノズル101からプラズマ生成室1内に導入された加工用ガスは、パルスノズル出口で超音速に達し、プラズマ生成室1内でさらに膨張して衝撃波206を形成する。この衝撃波206の圧力は数MPaに達し、伝播速度は数km/secに達する。この衝撃波206が被加工物6に到達し、被加工物表面や該表面に形成された微細配線内部に滞留する反応生成物を弾き出すから、反応生成物の一般的な除去方法である自然昇華に対してより一層高速かつ十分な除去が可能となる。なお、ここで述べる滞留とは、反応生成物が被加工物表面や微細配線などの構造物に物理的に付着するか、ファンデルワールス力や電気的引力等でひきつけられていたり、あるいは漂っている場合も含んでいる。この衝撃波206が被加工物表面に到達すると、衝撃波206の超高圧によって被加工物表面に滞留している反応生成物が弾き出される。その後、被加工物表面において急速に圧力が減じ、負圧になると、弾き出された反応生成物が、被加工物表面からプラズマ生成室側へ向けて引き離される。被加工物6から引き離された反応生成物は加工室5内に拡散し、加工室5に設けられた真空ポンプ8によってプラズマ処理装置の外部へ排気される。すなわち、プラズマ生成室1内に形成された衝撃波206によって、被加工物6から反応生成物を効率良く、十分に取り除くことができる。
Further, the shock wave 206 generated in the
なお、パルスノズル101は、被加工物6に向かって設置するのが好ましい。なぜならば、衝撃波206が被加工物6に直接、当たるようにするためである。必ずしもプラズマ生成装置の中心軸上に無くても良いが、プラズマ生成室1や加工室5の内壁での反射波の影響を防ぐために、プラズマ生成室1の中心軸上に配置するのが好ましい。
The
以上に述べたように、本発明におけるプラズマ処理装置9においては、衝撃波206およびガスパルスプラズマ202により、被加工物表面やその近傍に滞留する反応生成物を効率よく十分に除去できるため、高速でかつ高精度な加工が可能となる。なぜならば、反応生成物が被加工物表面やその近傍に残留していると、局所的に加工が妨げられるため、例えばアスペクト比の高い加工等の高精度加工が困難であったが、本発明によれば、前記反応生成物を十分に除去できるため、上記のような高速でかつ高精度な加工が可能となる。
As described above, in the
時間的に間欠的に導入する加工用ガスの導入条件は、一例を用いて説明すれば、例えば以下のとおりである。直径300mm半導体基板を加工する処理装置にあって、プラズマ生成室の内径が350mmであるような場合、加工用ガスを時間的に間欠的に導入する周期をガスの導入周期と言い、ガスの導入周期は、実効排気速度が1000L/secの真空ポンプ8を搭載したプラズマ処理装置9において、1Hz乃至1kHzが好ましく、より好ましくは10Hzから100Hzである。
The conditions for introducing the processing gas introduced intermittently over time will be described as follows, for example. In a processing apparatus for processing a semiconductor substrate having a diameter of 300 mm, when the inner diameter of the plasma generation chamber is 350 mm, the period for intermittently introducing the processing gas is called the gas introduction period, and the introduction of the gas The period is preferably 1 Hz to 1 kHz, and more preferably 10 Hz to 100 Hz, in the
次に、絶対流量を決めるパルスノズル101の開時間をガスパルス幅と呼び、ガスパルス幅は、0.1msec乃至10msecであり、より好ましくは0.5msec乃至2msecである。ガス導入周期の内、一回のガス導入を1ガスパルスと呼び、1ガスパルス当たりのガス量は、標準状態(0℃、1気圧)において0.5cm3乃至100cm3であり、より好ましくは1cm3乃至10cm3である。
Next, the opening time of the
また、図1において、プラズマ生成室1内部の上端には、導電体で形成された電位制御電極103が配置されている。前記電位制御電極103としては、プラズマ生成室1内に生成されたガスパルスプラズマ102または202の電位を制御するという要件を満たしていれば良いので、必ずしもプラズマ生成室1の上部にある必要は無い。例えば、プラズマ生成室1内壁に沿う形で円筒状もしくは矩形状であっても良く、必ずしもプラズマ生成室1内壁に沿う形でなくても良い。
In FIG. 1, a
電位制御電極103は、電位制御電源104に接続されている。電位制御電極103は、パルスノズル101を貫通させる以外には穴のない金属やシリコン、グラファイトであってもよく、あるいは多数の穴をあけられていて、そこからガスをパルス状に導入するように形成されていても良い。ちなみにその場合には、ガスの導入周期、ガスパルス幅などを制御する機構が別途必要となる場合がある。電位制御電源104に電圧を印加することで、設置されている被加工物6を配置したステージ7との間に所定の電圧を印加することができる。接続する電位制御電源104としては、直流の場合は、逆電流を流すことができるバイポーラ電源を用いることが好ましい。これは、イオンより電子の移動度が高いために逆電流が流れることがあり、これによる電源の破損を防ぐためである。電位制御電極103に直流電圧を加えることで、プラズマ中の荷電粒子に一定方向のエネルギーを与えることができる。例えば、正イオンに対しては、電位制御電極103に正の電圧を印加すると、その分だけプラズマ電位が上昇し、プラズマ電位とステージ7(接地電位)の差分のエネルギーを持って、被加工物に正イオンが入射する。また、負イオンに対しては、電位制御電極103に負の電圧を印加すると、その分だけプラズマ電位が下がり、プラズマ電位とステージ7(接地電位)の差分のエネルギーを持って、被加工物に負イオンが入射する。この時、電位制御電極103に印加する電圧を、交流電源または周波数変調運転されたバイポーラ電源、あるいは高周波電源に置き換えた場合、正イオンと負イオンを交互に照射することができる。これは、ゲートPolyシリコン酸化膜加工など半導体製造プロセスに特に有効で、この際に印加する交流あるいは高周波の周波数は、1Hzから10MHz程度までの広い範囲で利用可能である。好ましくは1kHzから5MHzであり、より好ましくは100kHzから1MHzである。なお、ステージに交流電圧や高周波を印加して基板ダメージを軽減する方法を用いても良い。
The
本発明における第2の実施形態を図3に示す。図3に示すように、図1のプラズマ処理装置9に対して、間欠的ガス導入部(パルスノズル301)のほかに、常に一定量の加工用ガスを別途、導入するための定常的ガス導入部305を具備している。定常的ガス導入部305から定常的にガスを導入することで定常的にプラズマを生成しておき、パルスノズル301からガスを時間的に間欠的に併せて導入する。時間的に間欠的に導入された加工用ガスによってプラズマ生成室1内には、時間的に間欠的に繰り返し衝撃波206が発生し、加工室5の中へと伝播する。この衝撃波によって、被加工物表面や微細配線内に滞留する反応生成物の除去が効率良く十分に行なわれる。
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 3, in addition to the intermittent gas introduction part (pulse nozzle 301), a steady gas introduction for always introducing a constant amount of processing gas separately from the
なお、電位制御電極303については、図1で説明した内容と同一なため、詳細な説明は省略する。 The potential control electrode 303 is the same as that described with reference to FIG.
しかし加えて、定常的なガス導入方法については、さらに以下の方法が適用できる。電位制御電極303とプラズマ生成室1との間に僅かな隙間を設け、この僅かな隙間からプラズマ生成室1内にガスを導入できる。あるいは、電位制御電極303に多数の穴を開けるか多孔質(ポーラス状)の材料で製作し、ガスを電極全面から均一にプラズマ生成室1内へ導入することもできる。
However, in addition, the following method can be further applied to the steady gas introduction method. A slight gap is provided between the potential control electrode 303 and the
定常的に導入するガス流量は1sccm乃至500sccmが好ましく、より好ましくは5sccm乃至50sccmである。ガスを導入する条件は、図1において説明した内容と同じであるが、定常的にガスを導入することによってプラズマ生成室1および加工室5内の圧力が高くなるので、パルス状に導入するガス導入周期およびガスパルス幅および1ガスパルス当たりのガス量をそれぞれあるいは単独に10%乃至50%減ずるか、実効排気速度が1500L/sec乃至3000L/secの排気ポンプを用いるか、あるいはそれらを組み合わせて用いるのが良い。
The gas flow rate to be constantly introduced is preferably 1 sccm to 500 sccm, more preferably 5 sccm to 50 sccm. The conditions for introducing the gas are the same as those described with reference to FIG. 1. However, since the pressure in the
本発明における第3の実施形態を図4に示す。本実施形態は、プラズマ生成室1の上部に設けられた電位制御電極403に加え、図1に示したプラズマ処理装置9のプラズマ生成室1の下流に、もう一つの電位制御電極405を配したものである。このもう一つの電位制御電極405を、電位制御下部電極と呼ぶことにする。電位制御電源404は、その一方の極が上部に設けられた電位制御電極403へ、他の極が電位制御下部電極405へ、それぞれ接続される。こうすることによって、電位制御電極403と電位制御下部電極405との間に電位差を発生させ、プラズマ中の荷電粒子にエネルギーを与えることができる。本例では、電位制御電源404を一台使用した例を示したが、電位制御電極403と電位制御下部電極405へ、それぞれ独立した電源を接続して用いてもよい。これら電位制御電源には、直流電源を用いることもできるが、バイポーラ電源を用いるのが好ましい。なぜならばプラズマ中の電子の移動度がイオンよりも大きいために、逆電流が流れ込むことがあり、直流電源の場合、これを損傷してしまう可能性があるからである。あるいは、これら電位制御電源には交流電源や高周波電源を用いることも可能である。
A third embodiment of the present invention is shown in FIG. In the present embodiment, in addition to the
電位制御下部電極405の材質は、金属やグラファイトなどの導体を用いればよい。それらの表面は、腐食防止処理やスパッタ防止処理を施すと、なお良い。 The material of the potential control lower electrode 405 may be a conductor such as metal or graphite. It is even better if these surfaces are subjected to corrosion prevention treatment or spatter prevention treatment.
次に、電位制御下部電極の構造例を示す。図5には、メッシュ状の電位制御下部電極501の例を示す。なお、メッシュ状とは、網の目状のことを言う。前記メッシュ状の電位制御株電極50は、プラズマ生成室1内に生成されるプラズマの密度が、例えば1011cm−3未満の比較的薄いプラズマを用いる場合に有効である。メッシュの間隔は、プラズマ密度にも依るが、細かいメッシュを用いると、衝撃波206の効果作用が薄れてしまう。よってメッシュ間隔は、数メッシュ/インチ乃至100メッシュ/インチ程度のものを用いるのが良い。
Next, a structural example of the potential control lower electrode is shown. FIG. 5 shows an example of a mesh-like potential control
図6には、板状で多数の穴が開けられた電位制御下部電極601の例を示す。電位制御下部電極は、これらいずれの形状であってもよいし、これらに類似する全ての形状を取ることができる。
FIG. 6 shows an example of a potential control
また、図6に示した電位制御下部電極601の内、電位制御下部電極601に開けられた小孔602の形状が、図7に示すように被加工物に向かってまっすぐな形状をしている場合(小孔701の場合)、この穴701の中でイオンと残留ガス分子との電荷交換により、高速中性原子(分子を含む)を得ることができる。この高速中性原子(分子を含む)は、被加工物へ向かって方向性を持つため、加工速度および加工精度がそれぞれ向上する。また、図8に示すように、多数開けられた小孔が被加工物に向かって台形状に広がるような形状をしていても(小孔801の場合)、ラバール管の原理により、ラジカルに被加工物へ向かって方向性を持たせる効果が得られるため、加工速度および加工精度がそれぞれ向上する。
In addition, among the potential control
次に、本実施形態におけるプラズマ処理装置の動作について図1を参照して説明する。本実施形態では、一例として被加工物として半導体基板を取り上げ、当該半導体基板のシリコン酸化膜上に形成されたPolyシリコンをエッチング(ゲートエッチング)する場合を例に説明する。 Next, the operation of the plasma processing apparatus in the present embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, a semiconductor substrate is taken as an example of a workpiece, and a case where poly silicon formed on a silicon oxide film of the semiconductor substrate is etched (gate etching) will be described as an example.
まず、排気ポンプを作動させることにより、プラズマ生成室1および加工室5を真空排気した後に、パルスノズル101から例えばSF6ガスをプラズマ生成室1に導入する。そして、例えば13.56MHzの高周波電圧を高周波電源によって50μ秒間コイルに印加する。この高周波電圧の印加によってプラズマ生成室1内には高周波電界が形成される。プラズマ生成室1内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、プラズマ生成室1内に高密度プラズマが生成される。このときに形成されるプラズマは、主として正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。
First, the
そして、高周波電源による高周波電圧の印加を50μ秒間停止する。プラズマ生成室1内に生成されたプラズマは、エネルギーの入力が絶たれ、拡散と共に自然消滅の過程に移行する。これをアフターグローと言う。高周波電源による高周波電圧を上記の通り50μ秒間停止した後は、再び高周波電源4による50μ秒間の高周波電圧の印加によってプラズマ源内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、高周波電圧の印加(50μ秒間)と印加の停止(50μ秒間)を交互に繰り返す。この高周波電圧の印加の停止時間(50μ秒間)は、プラズマ中の電子が、残留している処理ガスに付着して、負イオンが生成されるのに要する時間よりも十分に長く、且つプラズマ中の電子密度が低下してプラズマが消滅するよりも十分に短い時間であり、高周波電圧の印加時間(50μ秒間)は、この高周波電圧の印加を停止している間に低下したプラズマ中の電子のエネルギーを回復させるのに十分な時間である。これをパルスプラズマ、あるいはパルス変調プラズマと呼ぶ。
Then, the application of the high frequency voltage by the high frequency power supply is stopped for 50 μsec. The plasma generated in the
パルスプラズマにおいてSF6ガスのような負性ガスを用いた場合、アフターグロー中の電子は、非弾性衝突を経て電子温度が低下し、残留ガス分子に付着して負イオンを生成する。すなわち、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。これを特に、イオン−イオンプラズマと呼ぶ。なお、ここでは、高周波電圧の印加の停止時間を50μ秒に設定する例について述べたが、50μ秒乃至100μ秒に設定することで、プラズマ中に正イオンのみならず負イオンを多量に生成することができる。 When a negative gas such as SF 6 gas is used in the pulsed plasma, electrons in the afterglow undergo an inelastic collision, the electron temperature decreases, and adhere to residual gas molecules to generate negative ions. That is, plasma in a state where negative ions coexist with positive ions can be efficiently formed. This is particularly called ion-ion plasma. Although an example in which the stop time of high-frequency voltage application is set to 50 μs has been described here, a large amount of negative ions as well as positive ions is generated in the plasma by setting it to 50 μs to 100 μs. be able to.
ここで、図1において、電位制御電源104により−50Vの電圧を電位制御電極103に印加すると、電位制御電極103と被加工物6を保持したステージ7との間に電位差が生じる。従って、プラズマ源内の負イオンは、この電位差によってステージに向けて加速される。
Here, in FIG. 1, when a voltage of −50 V is applied to the
プラズマで活性化されたフッ素原子あるいはフッ素イオンは加工室5の内部に放射される。このフッ素原子等は、ステージに載置された被加工物6(半導体基板)に照射される。照射されたフッ素原子等は、被加工物6の被加工層(Polyシリコン層)において、Si+4F→SiF4↑という熱的化学反応により、SiF4として自発的に昇華する。このようにしてマスクで覆われていないPolyシリコン層エッチングが進行する。ここで、マスクは有機物から構成されたレジストである。
The fluorine atoms or fluorine ions activated by the plasma are emitted into the
加工室5には、被加工物6(ウェーハ即ち半導体基板)を保持するステージ7が配置されており、このステージ7の上面に被加工物6が載置されている。加工室5にはガスを排出するための排気ポンプ(真空ポンプ8)が接続されている。なお、加工室5と真空ポンプ8との間には図示していないゲートバルブなどのバルブを配置することが好ましい。この真空ポンプ8によって加工室5は所定の圧力に維持される。ここで用いる真空ポンプ8は、腐食防止処理を施したネジ溝ターボ分子ポンプやドライポンプを用いるのが好ましい。また、加工室5内には、エッチング状態を計測してエッチング終点を検出する終点検出部を配置することが好ましい。この終点検出部としては、例えば四重極質量分析器を用いることができるが、より好ましくはレーザ干渉やエリプソメトリなどを利用し、オン・ウェハ・モニタリング(ウェハ上のその場観察)を行うのが良い。
In the
なお、上述した実施形態においては、ICP型コイルを用いて高密度のプラズマを形成することが好ましい態様ではあるが、TCP(Transformer Coupled Plasma)やECR(Electron Cyclotron Resonance)、ヘリコン波、マイクロ波等を用いてプラズマを生成することとしてもよい。また、前記プラズマを生成する高周波電源の発振周波数も、先に述べた13.56MHzに限られるものではなく、加工プロセスに応じて1MHz乃至20GHzのいずれかの周波数を用いることができるし、周波数変調を行って用いても良い。 In the above-described embodiment, it is preferable to form a high-density plasma using an ICP type coil. However, TCP (Transformer Coupled Plasma), ECR (Electron Cyclotron Resonance), helicon wave, microwave, etc. It is good also as producing | generating a plasma using. Further, the oscillation frequency of the high-frequency power source that generates the plasma is not limited to 13.56 MHz described above, and any frequency from 1 MHz to 20 GHz can be used depending on the machining process, and frequency modulation is possible. May be used.
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。 Although one embodiment of the present invention has been described so far, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be implemented in various forms within the scope of the technical idea.
1 プラズマ生成室
2 コイル(プラズマ生成用)
3 マッチングボックス
4 高周波電源(プラズマ生成用)
5 加工室
6 被加工物
7 ステージ
8 真空ポンプ
9 プラズマ処理装置
101,301,401 パルスノズル
102,202,302,402 ガスパルスプラズマ
103,303,403 電位制御電極
104,304,404 電位制御電源
206 衝撃波
305 定常的にガスを導入するガス導入部
405 電位制御下部電極
501 メッシュ状をした電位制御下部電極
601 板状をした電位制御下部電極
602 板状をした電位制御下部電極に開けられた複数の小孔とそれを上面から見た拡大図
701 被加工物に向かってまっすぐな構造をした、電位制御下部電極の複数の小孔とその断面の拡大図
801 被加工物に向かって台形状に広がる構造をした、電位制御下部電極の複数の小孔とその断面の拡大図
1
3
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012517671A (en) * | 2009-02-08 | 2012-08-02 | エーピー ソルーションズ, インコーポレイテッド | Plasma source and method for removing material from a substrate using pressure waves |
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-
2006
- 2006-03-30 JP JP2006092789A patent/JP2007266522A/en active Pending
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