JP2015204418A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングレートを増大させるため、負イオンを効率的に生成する。【解決手段】プラズマ処理装置１０は、反応ガスが収容された反応室と、この反応室内の反応ガスをプラズマ化するプラズマ生成部３０と、前記反応室内に生じたプラズマのプラズマ浮遊電位を測定する電極４６と、プラズマ浮遊電位に対しマイナスのバイアス電圧を印加する電子放出源４０とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

シリコンウエハ等の試料表面にエッチング処理や成膜処理を施すため、高周波コイルまたは高周波電極によって電界を発生させて、別途供給されたガス分子をプラズマ化するプラズマ発生装置が知られている。プラズマ化により生成された正イオンは、反応容器に載置された半導体ウエハの表面に衝突し、エッチング反応や成膜反応を引き起こす。半導体ウエハは高周波電圧が印加されており、電子と正イオンの入射量が等しくなるように、全体として電子によって負にチャージアップし、負のセルフバイアス電圧が発生している。

特公平２−２３０２１号公報 特公平５−３５５３７号公報 特開平８−１３８５９８号公報

このようなプラズマ処理装置では、次のような問題があった。エッチングによって形成された深い溝や孔には正イオンは加速されて入射するが電子は入射できない現象が生じる。このとき、溝や孔の底部は正に帯電し、正イオンの軌道が曲げられ、エッチング形状の異常が生じる。これに対し、負イオンを用いることで、溝や孔の底部を中性化しエッチング形状を制御できることが知られている。このため、負イオンを適切に生成するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法が必要とされている。

本発明の実施形態のプラズマ処理装置は、反応ガス及び被処理物が収容された反応室と、この反応室内の反応ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、前記反応室内に生じたプラズマのプラズマ浮遊電位を測定する電極と、前記プラズマ浮遊電位に対しマイナスのバイアス電圧を印加する電子放出源とを備えている

第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す断面図。 同プラズマ処理装置に組み込まれた電子放出源を模式的に示す断面図。 衝突断面積と電子エネルギの関係を示す図。 電子エネルギ分布関数の変化を示す図。 第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置の要部を模式的に示す断面図。 第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置の要部を模式的に示す断面図。 同プラズマ処理装置における電源と可変電圧部の電圧と負イオン密度の関係を示す説明図。 電子放出源の変形例を模式的に示す断面図。

図１は第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０を模式的に示す断面図、図２はプラズマ処理装置１０に組み込まれた電子放出源４０を模式的に示す断面図、図３は衝突断面積と電子エネルギの関係を示す図である。なお、図中Ｗは半導体ウエハ等の被処理物を示している。

プラズマ処理装置１０は、プラズマ発生部２０と、このプラズマ発生部２０に隣接配置された処理部６０とを備えている。

プラズマ発生部２０は、反応ガス（ハロゲン、酸素ガス等）が収容され、真空容器等から構成された反応室２１と、この反応室２１内の反応ガスをプラズマ化するプラズマ生成部３０と、反応室２１の壁面に設けられた電子放出源４０とを備えている。

プラズマ生成部３０は、電源３１と、この電源３１から電力が供給されるコイル３２とを備えている。コイル３２は反応室２０を囲んで配置されている。

電子放出源４０は、熱電子放出源であって、図２に示すように、反応室２１側に開口した有底筒状の容器４１と、この容器４１内に配置された熱フィラメント４２を備えている。この熱フィラメント４２には、電圧計４３と、マイナスの電位を印加する可変電圧部４４と、電流源４５とが接続され、電圧計４３と可変電圧部４４との間には、反応室２１側に露出したプローブ４６とが接続されている。

プローブ４６により検出されたプラズマ浮遊電位ＶＦＬに基づいて、所定値のマイナスのバイアス電位が熱フィラメント４２に印加される。このときバイアス電圧は、負イオン生成が最大となるような電圧に設定する。さらに熱フィラメント４２の反応室２１側には引き出し電極４７が配置されており、可変電圧部４８により所定の電圧が印加されている。

処理部６０は、真空容器等からなる処理室６１と、被処理物である半導体ウエハＷを戴置する処理台６２とを備えている。

このように構成されたプラズマ処理装置１０は、次のようにして処理が行われる。すなわち、反応室２１及び処理室６１を減圧し、反応ガスを充填する。次に、電源３１からコイル３２に所定の周波数・電流・電圧の電力を供給する。これにより反応ガスが励起され、プラズマＰが発生する。

一方、プラズマＰが生じると、プローブ４６によりプラズマＰのプラズマ浮遊電位ＶＦＬが計測される。このプラズマ浮遊電位ＶＦＬに対し、可変電圧部４４により所定値のマイナスのバイアス電位（−５〜１０Ｖ）を印加して、熱フィラメント４２から電子を放出する。放出された電子は、可変電圧部４８により所定の電圧が印加された引き出し電極４６によって引き出されて、プラズマＰ内に導入される。

プラズマＰには、反応ガスを構成する原子が正イオン及び負イオンとなって存在するが、プラズマＰ中に導入された電子により、負イオンの生成に寄与するエネルギ成分を持った電子が増大し、負イオンの密度が高まった状態で維持される。

このようにして、正イオンに加えて、十分な量の負イオンを供給することにより、正イオンによるチャージアップを防止できる。このためチャージアップによって発生する異常な加工形状を抑制する事が可能となる。

電子放出源４０に印加されるプラズマ浮遊電位ＶＦＬに対するマイナスのバイアス電圧ＶＢについて、その電圧範囲（１５〜４０Ｖ）を最適とした理由は以下の通りである。

図１における可変電圧部４４の電圧をＶＡ、プローブ４６の電位をＶＰＲ、プラズマＰの電位をＶＰＬとすると、プラズマＰに入射する電子のエネルギεは次のように与えられる。

ε＝ＶＡ−（ＶＰＬ−ＶＰＲ） ［ｅＶ］ …（１）
また，プローブ４６の電位ＶＰＲはプラズマの浮遊電位ＶＦＬと等しいため、
ＶＰＲ＝ＶＦＬ …（２）
である。（１）式と（２）式から、次の（３）式を得る。

Ｖ＝ε＋（ＶＰＬ−ＶＦＬ） ［ｅＶ］ …（３）
ＶＰＬ−ＶＦＬはイオンフラックスと電子フラックスのバランスで決定され、一般的に（４）式のように与えられる。

ＶＰＬ−ＶＦＬ
＝（ｋＴｅ／ｅ）ｌｎ［（ＭｉＴｅ）／（ＭｅＴｉ）］^１／２ …（４）
ここで，ｋはボルツマン定数，ｅは電気素量，Ｔｅは電子温度，Ｔｉはイオン温度，Ｍｉはイオン質量，Ｍｅは電子質量である。

半導体プロセスで用いられるプラズマでは、Ｔｅ＝２〜４ｅＶ，Ｔｉ＝０．０３〜０．０５ｅＶであることを考慮すると，ＶＰＬ−ＶＦＬは１０〜３０Ｖとなる。一方，負イオンを電子付着で生成するためには，図３に示すように、電子エネルギε＝５〜１０ｅＶであることが望ましい。これらと（３）式から，ＶＡ＝１５〜４０［Ｖ］とすることで、電子付着による負イオン生成を効率的に行うことができる。

図４におけるＸは電子導入を行わなかった場合の電子エネルギの分布、Ｙは電子導入を行った場合の電子エネルギの分布を示している。

このように第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０においては、電子放出源４０を用いて負イオンを高密度化することで、エッチング溝底でのチャージアップを抑制し、加工形状の異常を防ぐことができる。

図５は、第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０Ａの要部を模式的に示す断面図。なお、図５において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

プラズマ処理装置１０Ａは、電子放出源４０の代わりに電子放出源７０を備えている。電子放出源７０は、熱電子放出源であって、一端側が反応室２１側に開口した曲管状の容器７１と、この容器７１の他端側に配置された熱フィラメント７２を備えている。この熱フィラメント７２には、電圧計７３と、マイナスの電位を印加する可変電圧部７４とが接続され、電圧計７３と可変電圧部７４との間には、反応室２１側に露出したプローブ７５とが接続されている。また、可変電圧部７４と熱フィラメント７２との間には、可変電圧部７６が取り付けられ、さらに可変電圧部７６は、容器７１内に配置された引出電極７７に接続されている。また、容器７１には図面に対して垂直方向に磁界Ｑがかけられている。

なお、プローブ７５により検出されたプラズマ浮遊電位ＶＦＬに基づいて、所定値のマイナスのバイアス電位が熱フィラメント７２に印加される。このときバイアス電圧は、負イオン生成が最大となるような電圧に設定する。

また、容器７１の一端側には電子減速部７９が設けられている。

このように構成されたプラズマ処理装置１０Ａでは、電子放出源７０の熱フィラメント７２から電子が放出される。放出された電子は、引出電極７７によって反応室２１側に引き出される共に、磁界Ｑによって容器７１に沿って曲げられ、電子減速部７９によって所定の電圧に低下させた後、反応室２１内に放出される。

このように第２の実施形態に係るプラズマ処理装置１０Ａにおいても、上述したプラズマ処理装置１０と同様の効果を得ることができる。また、熱フィラメント７２を反応室２１から離間させることができるため、プラズマＰに曝されることがなく、寿命を長くすることができる。さらに、適当な磁界Ｑをかけることで熱フィラメント７２を配置する位置の自由度が大きくなり、プラズマ処理装置１０Ａの設置スペースを節約することが可能となる。

図６は、第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置１０Ｂの要部を模式的に示す断面図、図７は、電源３１と可変電圧部４４の電圧と、負イオン濃度の関係を示す説明図である。なお、図６において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

プラズマ処理装置１０Ｂは、電源３１及び可変電圧部４４に対して、パルス制御及び電圧制御を行うコントローラ８０が接続されている。コントローラ８０は、電源３１に対して所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦを行うように制御を行うと共に、可変電圧部４４に対して所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦを行うように制御を行う。

このように構成されたプラズマ処理装置１０Ｂでは、電子放出源４０の熱フィラメント４２から電子が放出される。放出された電子は、反応室２１内に放出される。

一方、コントローラ８０によって、電源３１及び可変電圧部４４が制御されている。この制御の具体例としては、図７に示すように、電源３１と可変電圧部４４の電圧を同相で１００μＳ毎にＯＮ−ＯＦＦ制御する。これにより、電源３１のみの負イオンの密度変化（実線Ｇ１）に比べ、可変電圧部４４の電圧が加わることで負イオンの密度変化（破線Ｇ２）はその変動幅が少なくなる。このため、安定した負イオンの供給が可能となる。

このように第３の実施形態に係るプラズマ処理装置１０Ｂにおいても、上述したプラズマ処理装置１０と同様の効果を得ることができる。また、より安定した負イオンの供給が可能となる。

図８は、上述した電子放出源４０の代わりに適用できる電子放出源１４０を模式的に示す説明図である。電子放出源１４０は電界放出源であって、反応室２１側に開口した有底筒状の容器１４１と、この容器１４１内に配置されたエミッタ１４２を備えている。このエミッタ１４２には、電圧を印加する電源部１４３と、可変電圧部１４４とが接続され、電源部１４３と可変電圧部１４４との間には、反応室２１側に露出したプローブ１４５とが接続されている。プローブ１４５により検出されたプラズマ浮遊電位ＶＦＬに基づいて、所定値のマイナスのバイアス電位がエミッタ１４２に印加される。このときバイアス電圧は、負イオン生成が最大となるような電圧に設定する。さらにエミッタ１４２の反応室２１側には引き出し電極１４７が配置されており、可変電圧部１４８により所定の電圧が印加されている。

このように構成された電子放出源１４０においては、前述した場合と同様に反応室２１内にプラズマＰが生ずると、プローブ１４５により検出されたプラズマ浮遊電位ＶＦＬに基づいて、可変電圧部１４４により所定値のマイナス電位（−５〜１０ｅＶ）を印加して、エミッタ１４３から電子を放出する。放出された電子は、可変電圧部１４８により所定の電圧が印加された引き出し電極１４７によって引き出されて、プラズマＰ内に導入される。

このように構成された電子放出源１４０を用いたプラズマ処理装置１０であっても、前述した電子放出源４０と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…プラズマ処理装置、２０…プラズマ発生部、３０…プラズマ生成部、４０，７０，１４０…電子放出源、６０…処理部、Ｗ…半導体ウエハ。

Claims (5)

1. 反応ガス及び被処理物が収容された反応室と、
   この反応室内の反応ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、
   前記反応室内に生じたプラズマのプラズマ浮遊電位を測定する電極と、
   前記プラズマ浮遊電位に対しマイナスのバイアス電圧を印加する電子放出源とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記電子放出源は、熱電子放出又は電界放出を行うものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記電子放出源から放出された電子は、磁場又は電界の少なくとの一方によって軌道を曲げられ、又は、加減速された後に、前記反応室に導入されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記プラズマ生成部はＯＮ／ＯＦＦ制御可能であると共に、そのタイミングに合わせて前記電子放出源におけるマイナスのバイアス電圧を変化させるものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 反応室内の反応ガスをプラズマ化し、
   前記反応室内に生じたプラズマのプラズマ浮遊電位を測定し、
   前記プラズマ浮遊電位に対しマイナスのバイアス電圧を印加して、前記反応室内の被処理物を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。

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