JP2011187902A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異物の発生を抑制するとともに処理ガスを被処理基板中心部から導入することにより、エッチングレートを向上する。
【解決手段】真空容器１０１、該真空容器内に配置され被処理材である試料を載置して保持する試料載置用電極１０２、アンテナコイルを備え、前記真空容器内に供給された処理ガスに前記アンテナコイルを介して高周波電界を供給してプラズマを生成し、生成されたプラズマを用いて前記試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料載置電極の試料載置面に対向して電界透過窓およびアンテナコイルを備え、前記電界透過窓は放射状に形成した複数の流路を備え、処理ガスを前記透過窓に形成した流路の外周側から供給して内周側から真空容器内に給気するとともに、前記試料載置電極の外周の前記真空容器内周側を通して排気する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特に、処理ガスを真空容器内に高濃度で安定して供給することのできるプラズマ処理技術に関する。

半導体デバイス製造分野において用いられる被エッチング材料としては、ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)あるいは論理回路ＩＣなどにはＳｉ、Ａｌ、ＳｉＯ２等の揮発性材料が用いられ、また、ＦＲＡＭ(Ferroelectric Random Access Memory)あるいはＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)などにはＦｅ等の不揮発性材料が用いられつつある。

不揮発性材料は、エッチング時に生成される反応生成物の融点が高いためエッチングが困難である。また、エッチングに生成される反応生成物の蒸気圧が低く、真空容器（真空処理室）内壁への付着係数が高いため、少数（数枚〜数百枚）の試料を処理するだけで真空容器内壁が反応生成物の堆積物によって覆われることになる。また、この堆積物は剥がれ落ちると異物を発生することになる。

前記反応生成物が堆積すると、誘導アンテナと反応容器内プラズマとの結合状態が変化し、エッチング速度やその均一性、エッチングの垂直性、エッチングにより生成された側壁に対する反応生成物の付着状況等が変化する。

なお、前記不揮発性材料の具体的な例としては、ＭＲＡＭあるいは磁気ヘッド等に用いる強磁性あるいは反強磁性材料としてのＦｅ，ＮｉＦｅ，ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ、あるいはＤＲＡＭのキャパシタ部やゲート部、ＦＲＡＭのキャパシタ部、ＭＲＡＭのＴＭＲ(Tunneling Magneto Resistive)素子部に用いられる貴金属材料のＰｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕが挙げられる。このほか、高誘電体材料のＡｌ２Ｏ３、ＨｆＯ３、Ｔａ２Ｏ３、強誘電体材料のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）、ＳＢＴ（タンタル酸ストロンチウムビスマス）等を挙げることができる。

また、導体デバイス製造分野において、半導体デバイスの製造工程としてＳｉやＳｉＯ２あるいはＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤ法によって成膜する技術が多用される。この技術においては、モノシラン等の重合性ガスをプラズマ中に入射して、ウエハ上に成膜する。このときに大量の重合膜がウエハ以外の反応容器の内壁に付着し、量産安定性を阻害する。 このように、プラズマＣＶＤ法により成膜する場合においても、反応容器内壁に重合膜が堆積し、厚く堆積しすぎると、内壁表面から重合膜が剥がれ落ち、前述の場合と同様にウエハに異物となって付着する。

このため、ＮＦ３等の激性特殊ガスを用いたプラズマクリーニング、あるいは、反応容器を開放して手作業により清掃を実施する必要がある。

また、半導体デバイス製造分野において、ＳｉＯ２のプラズマドライエッチング工程が多用される。このエッチングでは、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、ＣＯ、ＣＦ４、ＣＨＦ３等の弗化炭素がエッチングガスとして用いられる。プラズマ中でこれらのガスが反応して生成した反応生成物には、Ｃ、ＣＦ、Ｃ２Ｆ２等の遊離基が多く含まれ、これら遊離基が反応容器の内壁に堆積すると、前述の場合と同様に異物発生の原因となる。

また、遊離基が堆積膜からプラズマ中に再蒸発するとプラズマ中の化学組成が変化し、ウエハのエッチング速度が経時的に変化することになる。
従来のプラズマ処理装置としては、真空容器外周にコイル状のアンテナを設けた誘導型のプラズマ処理装置、あるいは真空容器内にマイクロ波を導入するプラズマ処理装置等が知られている。これらいずれの処理装置においても、不揮発性材料をエッチングする場合における真空容器内壁への堆積物の対策が十分でないため、前記大気開放を伴う手作業による洗浄を繰り返し行っている。前記手作業による洗浄は、洗浄を開始すると次の試料の処理開始までに６〜１２時間も要すことから装置の稼動効率が大幅に低下する。

特許文献１は、誘導結合型のプラズマ処理装置において、高周波透過用のウインドウ（透過窓）に電圧印加が可能なファラデーシールドを用い、ファラデーシールドに電圧を印加することで反応生成物（デポ）の付着を防ぎ、量産安定性を確保することが示されている。しかし、この文献の構造では、電圧印加用のファラデーシールドが邪魔をするため、プロセスガスは被処理基板の外周から供給しなければならない。また、プロセスガス導入孔は処理基板外周より更に外周に位置しているため、供給された処理ガスの殆どはそのまま排気される。このため、処理ガスの供給量に比して処理基板上でのガス濃度が希薄となりエッチングレートが低くなってしまう。

特許文献２に示されるように処理基板中心部の上部からガスを導入すれば、ガス濃度は濃密となりエッチングレートも改善されるが、特許文献２に示されるように電界中にガスの停留場所を作ると、ガス供給路内で異常放電が発生することがあり、このような場合にはスループットが低下する。

特開２００４−２３５５４５号公報 特開２００４−３５６５８７号公報

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、異物の発生を抑制し、また異常放電を抑制しエッチングレートを向上し装置のスループットを向上することのできるプラズマ処理技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

真空容器、該真空容器内に配置され被処理材である試料を載置して保持する試料載置電極、アンテナコイルを備え、前記真空容器内に供給された処理ガスに前記アンテナコイルを介して高周波電界を供給してプラズマを生成し、生成されたプラズマを用いて前記試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料載置電極の試料載置面に対向して電界透過窓およびアンテナコイルを備え、前記電界透過窓は放射状に形成した複数の流路を備え、処理ガスを前記透過窓に形成した流路の外周側から供給して内周側から真空容器内に給気するとともに、前記試料載置電極の外周の前記真空容器内周側を通して排気する。

本発明は、以上の構成を備えるため、異物の発生を抑制し、異常放電を抑制しエッチングレートを向上し装置のスループットを向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置を説明する図である。 処理ガスの供給機構を説明する図である。 ガス供給部に加わる電界を示す図である。 アンテナから発生する電界の強度分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 被処理基板上におけるプロセスガス濃度を比較して示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置を説明する図である。図１に示すように、プラズマエッチング装置は、アルミ等の導電体で構成された真空容器１０１、この真空容器１０１の内部に配置された基板（ウエハ）載置用電極１０２を有する。前記真空容器１０１の上部にはアルミナなどの誘電体で構成された電界透過用の窓（電界透過窓）１０３を備え、真空容器下流に取り付けた図示しない真空ポンプにより、真空が保持されている。電界透過窓１０３上部にはファラデーシールド１０４が配置され、さらにその上部にアンテナコイル１０５が設置してある。

前記ファラデーシールドにバイアス電圧を付与することにより、プラズマ中のイオンを引き込んで電界透過窓をスパッタして電界透過窓に反応生成物が付着するのを阻止することができる。

図２は、処理ガスの供給機構を説明する図である。処理ガス供給機構は図１に示す誘電体製の電界透過窓１０３に形成されている。すなわち、誘電体製の電界透過窓には、処理ガスを中心部に導入するための複数の流路２０１が放射状に設けられており、外周部から供給された処理ガスは電界透過窓の中央で合流し、シャワー孔２０２を通して真空処理容器１０１に供給される。なお、前記ガス流路の流路幅は、ガス供給部におけるガスの平均自由行程以下であることが望ましく、０．５〜１．０ｍｍ程度が好ましい。

図３は、ガス供給部に加わる電界を示す図である。容器中に印加される電界と異常放電とは大きな関係がある。異常放電は、ガス供給路内などで、印加された電界により加速された電子がガス流路中で放電を起こすことで生じる。なお、前記ガス供給路は、ガス供給時には真空処理室内に比して高圧となっており、放電が生起しやすくなっている。

ここで、ガス流路を、印加される電界の方向と並行に設定すると、電界による電子の加速距離が長くなり、異常放電が発生しやすい。しかし、前述のような本発明の装置構成においては、電界はプラズマ生成用のアンテナに沿って、円周方向に生じる。また、ガス供給路は被処理基板中心部から放射状に配置されている。このため、電子は加速される前に流路内壁に到達するため、異常放電の発生を防ぐことができる。

図４は、アンテナから発生する電界の強度分布を示す図である。アンテナから生じる電界はアンテナの距離に反比例するため、図４に示すように、電界強度はアンテナ直下で最大となる。つまり、処理基板中心部では電界強度は弱まり、ガス供給部で異常放電は発生し難くなっている。

図５は、本発明の第２の実施形態を示す図である。この図の例では、誘電体製の電界透過窓１０３には、放射状に貫通孔５０１が形成されており、貫通孔５０１には導体管が挿通されている。なお、導体管を挿通するに換えて貫通孔５０１の内部を導体によりコーティングしても良い。

このように導体で囲まれた流路を通して処理ガスを真空処理室内に供給する。この際、流路は導電体で包囲されているため、ガス供給路は電界から遮蔽されることになる。このため流路内での異常放電は抑制される。

このように、処理ガスを、異常放電を生起することなく試料載置電極の中心部から供給することができる。また、被処理基板上のガス濃度を濃くすることができエッチングレートを増加させることができる。

図６は、特許文献１による方法と、本発明による方法で処理ガスを供給した場合における処理基板上におけるプロセスガス濃度を比較した図である。図６に示すように処理ガスの濃度は、処理ガスを外周から供給する特許文献１の方法よりも、処理ガスを中央から供給する本発明の方法の方が全体の平均値で１．２倍程度濃くなっている。このようにガスの濃度が濃くなるためエッチングレートの向上が期待できる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、反応生成物による異物発生を抑制することが可能であり、また、処理ガスを被処理基板中心部から導入することにより、エッチングレートを向上し、装置のスループットを向上することができる。また、異常放電を抑制することができる。

１０１ 真空容器
１０２ 被処理基板載置電極
１０３ 電界透過窓
１０４ ファラデーシールド
１０５ アンテナコイル
２０１ ガス流路
２０２ シャワー孔
５０１ ガス流路

Claims (6)

1. 真空容器、該真空容器内に配置され被処理材である試料を載置して保持する試料載置電極、アンテナコイルを備え、前記真空容器内に供給された処理ガスに前記アンテナコイルを介して高周波電界を供給してプラズマを生成し、生成されたプラズマを用いて前記試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記試料載置電極の試料載置面に対向して電界透過窓およびアンテナコイルを備え、
   前記電界透過窓は放射状に形成した複数の流路を備え、処理ガスを前記透過窓に形成した流路の外周側から供給して内周側から真空容器内に給気するとともに、前記試料載置電極の外周の前記真空容器内周側を通して排気することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記電界透過窓の外側面には、所定のバイアス電圧が印加されるファラデーシールドを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記流路はアンテナコイルにより印加される電界の方向と直交することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記流路の幅は、前記処理ガスの平均自由行程以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 前記流路の内面は導電体で構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 真空容器内に配置され被処理材である試料を載置して保持する試料載置電極と、アンテナコイルを備え、前記真空容器内に供給された処理ガスに前記アンテナコイルを介して高周波電界を供給してプラズマを生成し、生成されたプラズマを用いて前記試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において、
   前記試料載置電極の試料載置面に対向して電界透過窓およびアンテナコイルを備え、
   前記電界透過窓は放射状に形成した複数の流路を備え、処理ガスを前記透過窓に形成した流路の外周側から供給して内周側から真空容器内に給気し、前記試料載置電極の外周の前記真空容器内周側を通して排気することを特徴とするプラズマ処理方法。

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