JP3647303B2 - プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法に係る。より詳細には、負イオンを大量に発生させるとともに、当該負イオンを被処理体に入射させることによって、被処理体に対してエッチングやクリーニング等の不要物の除去を行うことが可能なプラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法に関する。本発明に係るプラズマ装置は、半導体素子や光学素子や磁気素子等の製造プロセスにおいて好適に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プラズマ処理装置において負イオンを生成するには、プラズマ温度を下げることが重要であると言われている。プラズマ温度と負イオン生成との関係については、例えば Basic Data of Plasma Physics（Sanborn C.Brown 著、AIP Press, 1993）に記述されている、電子エネルギーに対する粒子への電子の付着確率を見れば明らかとなる。この文献から、例えば塩素系のガス分子への電子付着解離の断面積は１ｅＶ付近でピークを持つことが分かる。一方、通常の半導体製造プロセスに使われるプラズマでは、電子温度は２〜５ｅＶであることから、負イオンの効率的な生成のためには、電子温度を適切な温度まで下げてやることが必要であると考えられる。
【０００３】
従来、負イオンを利用するプラズマ処理装置の代表例としては、例えば以下に示す２つが挙げられる。
（１）プラズマの時間的アフターグローを用いる方法
本法を利用した装置の一例としては、特開平8-181125号公報に開示された装置（図５（ａ））が挙げられる。図５（ａ）において、５０１はマイクロ波電源、５０２は磁場コイル、５０３は導波管、５１０は被処理体、５１２は被処理体の支持台、５１４はプラズマ、５３１は真空容器、５３２は高周波電源である。この方法では、マイクロ波電源５０１の発振を１０〜１００マイクロ秒の周期でパルス変調することにより生成したプラズマ５１４をオン／オフさせ、プラズマオフの期間にプラズマ温度をさげて負イオンを生成する。また、図５（ｂ）に示すように、プラズマ５１４のパルス変調と同期して被処理体５１０の支持台５１２に高周波電源５３２から高周波バイアスを印加することによって、正／負イオンを交互に被処理体５１０に引き込み、被処理体５１０の処理を行う。
（２）プラズマを空間的に下流に導く空間的アフターグローを用いる方法
図面としては例示しないが、この方法は、プラズマ生成領域から数十センチメートル下流に被処理体を設置し、下流に拡散して徐々に冷却され生成した負イオンを利用する方法である。
【０００４】
しかしながら、上記２つの方法には、以下に示す問題があった。
【０００５】
▲１▼パルス変調プラズマを用いる方法においては、プラズマがオンとなっている残り半周期では、正イオンが生成されているため、正／負イオン交互照射のエッチング装置としては高い効率をもつが、負イオンを優先的に用いてエッチングを行う場合には、処理時間の半分でしか負イオンを生成していないことから、高い効率を得ることは困難である。
【０００６】
▲２▼プラズマを空間的に下流に導くことにより、プラズマの温度を下げて負イオンを生成させる方法では、プラズマと真空容器壁との相互作用により、プラズマ密度自体が急激に低下するため、高密度に生成したプラズマを効率的に負イオンに転換することができない。
【０００７】
従って、従来の方法には、負イオンの大量発生、及び効果的な処理という点で改善すべき余地があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、負イオンを連続的にかつ高密度に生成するとともに、当該負イオンを被処理体に入射させることによって、被処理体に対してアッシング、エッチングやクリーニング等の不要物の除去を行うことが可能であり、その結果、高い処理速度や少ないチャージアップダメージを実現できる、プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマ処理装置は、真空容器と、前記真空容器内に処理体を支持する為の支持手段とを有するプラズマ処理装置において、プラズマ発生空間に第一のガスを導入する手段と、前記プラズマ発生空間内の前記第一のガスに電気エネルギーを供給してプラズマを発生させる手段と、前記プラズマ発生空間に連通する負イオン生成空間内に導入された前記プラズマに、第二のガスを混合して負イオンを生成する手段と、前記負イオンを引き出して前記被処理体に供給する手段と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明に係るプラズマ処理装置の構成及びその作用について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す模式的な断面図である。図１において、１０１は電気エネルギー供給源としてのマイクロ波電源、１０２はプラズマ発生空間、１０３は必要に応じて設けられる磁場コイル、１０４は第一のガス導入口、１０５は被処理体の処理室、１０６は第二のガス導入口、１０７は必要に応じて設けられる第一の予備グリッド電極、１０８は必要に応じて設けられる第二の予備グリッド電極、１０９はグリッド電極、１１０は被処理体、１１１は必要に応じて設けられる絶縁板、１１２は被処理体支持台、１１３はプラズマ、１１４は負イオン生成空間である。
【００１２】
図１のプラズマ処理装置では、以下の手順によって被処理体に対してプラズマ処理が行われる。
【００１３】
まず、第一のガスを導入する手段としての第一のガス導入口１０４よりプラズマ発生空間１０２の中にフッ素、塩素、臭素、沃素等のハロゲン元素を含むガス及び／又は酸素を含むガスを導入するとともに、必要に応じて磁場コイル１０３に電流を流してプラズマ発生空間１０２に磁場を印加する。同時に、マイクロ波電源１０１により電気エネルギーとしてのマイクロ波を供給することによって、プラズマ発生空間１０２内に第一のガスのプラズマを生成する。そして、プラズマ発生空間１０２から見て下流側に位置する被処理体の処理室１０５の負イオン生成空間１１４には生成されたプラズマが拡散する。ここで用いるプラズマの発生方法は、平行平板型、ＩＣＰ（Inductive Coupling Plasma）型、マグネトロ ン型、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）型、ヘリコン波型、表面波型、平板マルチスロットアンテナによる表面波干渉型、ＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）の何れでも良いが、プラズマ発生空間１０２から見て下流側に位置する処理室１０５の負イオン生成空間１１４に生成したプラズマを拡散させる際に、プラズマ密度が減少することを考えると、プラズマ密度は可能な限り高い方法が好ましい。
【００１４】
次に、処理室１０５に、第二のガスとして、フッ素、塩素、臭素、沃素等のハロゲンガス、或いはヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の不活性ガスから選択される少なくとも一種のガスを供給する。ここで供給する第二のガスは、プラズマ発生空間１０２から処理室１０５内の負イオン生成空間の中に拡散された第一のガスのプラズマより温度が低いガスであれば、分子、中性活性原子、イオン、電子の何れが含まれていても構わない。
【００１５】
負イオンが発生する過程は、以下の通りである。
【００１６】
前述した文献の Basic Data of plasma physics に記述されている、H.Healey Phil. Mag.26, 940(1938)の出典データを図６に示す。同図より、ハロゲン系分子への電子付着解離断面積は、約２ｅＶにピークを持つことが分かる。電子付着解離の反応式は以下の通りである。
【００１７】
反応式：Ｘ2＋ｅ-→Ｘ+＋Ｘ-＋ｅ-
ここで、Ｘはハロゲン元素を表す。
【００１８】
以上の反応により、負イオンが生成される。
【００１９】
また、M.V.Kurepa and D.S.Belic J.Phys.B:Molec. Phys. Vol.11, PP3719-3729(1978)には、更に低いエネルギーでの付着解離断面積のデータが記述されている。このデータを図７に示す。同図より、０ｅＶに近づくにつれ、２ｅＶでの付着解離断面積の１００倍にも達する非常に大きな付着解離断面積が得られることが分かる。以上の結果より、負イオンの効率的な生成のためには、電子温度をできる限り下げてやることが必要である。
【００２０】
上述したように、プラズマ発生空間１０２では主に正イオンと電子からなるプラズマ１１３が生成されている。そして、このプラズマ１１３を処理室１０５の負イオン生成空間１１４に導き、このプラズマ１１３の温度より温度の低いガスと混合することによって、プラズマの温度を、例えば１ｅＶ程度に急激に低下させる。その結果、プラズマを構成している電子の中性原子への付着確率が増加するため、中性原子と電子の結合や中性分子への電子の付着解離による負イオンの生成が、負イオン生成空間１１４で起こる。上記プラズマより温度の低いガスとしては、電気陰性度の高い負性ガス、例えばフッ素、塩素、臭素、沃素等のハロゲンガスが好ましく、このようなハロゲンガスのプラズマ中では、中性原子や分子と電子の結合が起こりやすく、負イオンが多量に生成され易い。従って、負イオン生成空間１１４の中には、負イオンが多量に含まれているプラズマが存在することになる。
【００２１】
以上のようにして生成された、負イオンを多量に含むプラズマより負イオンのみを優先的に取り出すために、１つの例では、真空容器中にグリッド電極１０９を設ける。そして、必要に応じて第一の予備グリッド電極１０６及び第二の予備グリッド電極１０８を設置する。又、グリッド電極を設けずに被処理体の支持台１１２に正の電圧を印加してもよいし、グリッド電極１０９のみとしてそれに正の電圧を印加してもよい。更に、第一、第二の予備グリッド電極それぞれにＶ1 、Ｖ2の正の電位を印加し、その電圧はＶ2＞Ｖ1＞Ｖp＞０となるようにする。ここで、Ｖpはプラズマポテンシャルであり、通常は数Ｖの値を示す。このような グリッド電極の配置により、負イオンはＶ2−Ｖp（ｅＶ）というエネルギーで加速され、２枚のグリッドに対して垂直方向かつ被処理体１１０の方向に引き出される。Ｖ1、Ｖ2の値を調節することにより、負イオンのエネルギーを任意に調整することが可能である。
【００２２】
このように負イオン引き出し用電極によって引き出された負イオンの下流方向に、被処理体１１０を載置した被処理体支持台１１２を設置する。
【００２３】
さらに、図１の場合、支持台１１２の直前に配されているグリッド電極１０９は２次電子捕獲の役目も担う。支持台１１２とグリッド電極１０９のそれぞれに正の電圧Ｖs、Ｖ3を印加し、Ｖ3＞Ｖs＞０となるように電圧値を設定する。ここで、Ｖsの電圧は、正の電圧であれば、定常的な直流電圧またはパルス状の直流 電圧の何れでも良い。
【００２４】
従って、プラズマ中より引き出された負イオンは、Ｖs−Ｖp（ｅＶ）のエネルギーを持って、被処理体１１０に入射する。また、被処理体１１０の表面より放出された二次電子は、Ｖ3−Ｖsの電位に加速されて二次電子捕獲用グリッドに捕獲され、被処理体１１０の表面に過剰の負の電荷がたまるのを防止することができる。ゆえに、本発明に係る装置では、Ｖ3、Ｖsの電位を調整することにより、被処理体への負イオンの入射エネルギーおよび基体表面からの二次電子放出量を任意に調整することが可能である。また、支持台１１２の上に直接被処理体１１０を設置すると、被処理体１１０の表面に蓄積した負電荷が被処理体１１０上に形成されたゲート酸化膜（不図示）を通して支持台１１２に流れ込み、結果としてゲート酸化膜の破壊をもたらす。この防止効果をより向上させるため、被処理体支持台１１２と被処理体１１０との間に絶縁性の板１１１を設置する。絶縁性の板１１１の材質としては、例えばアルミナ、窒化アルミなどが考えられるが、絶縁性であり且つプラズマ耐性が高い性質を有している材料は全て適用することが可能である。
【００２５】
本発明に係る装置を用い、被処理体を負イオンでプラズマ処理する利点は以下の通りである。
【００２６】
▲１▼負イオンが被処理体（例えば、必要に応じて各種の被膜が形成された半導体基板）に入射しても、入射エネルギーが１０ｅＶ以上あれば二次電子が放出されるため、被処理体の負への帯電は防げる。また、入射エネルギーが数十ｅＶ以上となり、一つの入射負イオンに対する二次電子の放出数が２個以上となった場合でも、正に帯電した被処理体に電子が引き戻される作用が働くため、帯電圧は数Ｖで飽和し、安定するという効果が期待できる。
【００２７】
▲２▼また、負イオンが入射した被処理体の表面の温度は、正イオンが入射した場合に比べて低いという利点がある。これは、正イオンが中性原子に戻る反応は１７ｅＶの発熱反応であるのに対し、負イオンが中性原子に戻る反応は３ｅＶの吸熱反応であることに起因している。その結果、負イオンが被処理体に入射しても、イオン入射点近傍での局所的な被処理体の表面温度が正イオン入射の時と比べて低くなるので、被処理体に対する熱的なダメージ（例えば結晶の乱れやフォトレジストマスクの変質など）を小さく抑えることができる。
【００２８】
上述したように、本発明に係るプラズマ処理装置では、負イオンを用いることにより、被処理体の表面の帯電がなく、ゲート酸化膜の静電破壊やイオンの曲がりによるエッチング形状異常のない、また、被処理体に対する熱的なダメージが少ない、良好なプラズマ処理が実現できる。
【００２９】
本発明に用いられるプラズマ化されるガス、即ち負イオンの源となる第一のガスは、ハロゲン元素を含むガス、酸素を含むガスである。
【００３０】
具体的には、Ｆ2，Ｃｌ2，Ｉ2，Ｂｒ2等のハロゲン元素単体のガス、ＣＦ4， Ｃ2Ｆ6，Ｃ3Ｆ8，ＣＣｌ2Ｆ2，ＣＢｒＦ3，ＣＣｌ4，Ｃ2Ｃｌ2Ｆ4，ＢＣｌ3，ＮＦ3等のハロゲン化合物ガス、Ｏ2，Ｏ3等の酸素を含むガスである。
【００３１】
又、第二のガスは、プラズマ化されて電子温度及びイオン温度が上昇している第一のガスのプラズマより温度が低ければよいのであるから、上記第一のガスと同じものや不活性ガス等が用いられる。そして、第一のガスのプラズマを１ｅＶ程度に急冷できるものが好ましい。
【００３２】
本発明に用いられる支持台やグリッド電極に与えられる電圧は、被処理体に負イオンを優先的に供給し得るに十分な電圧である。具体的には、支持台に印加される電圧は、好ましくは＋５０Ｖ〜＋２００Ｖ、より好ましくは＋８０Ｖ〜＋２００Ｖである。
【００３３】
グリッド電極に印加される電圧は、好ましくは＋２０Ｖ〜＋２００Ｖ、より好ましくは＋８０Ｖ〜＋２００Ｖである。
【００３４】
グリッド電極を図１のように複数にしたり、支持台とグリッド電極の両方に負イオン供給の為の電圧を印加する場合には、上述した相対関係を保つようにすることが、望ましい。
【００３５】
そして、本発明による処理としては、エッチング、アッシング、クリーニング等の不要物の除去処理である。
【００３６】
具体的には、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン等のシリコン及びシリコン化合物のエッチング、金属（合金も含む）、シリサイド等のエッチング、ホトレジストのアッシング、ホトレジストの変質硬化膜のアッシングやクリーニング、半導体や絶縁体やシリサイドや金属からなる表面上の異物のクリーニング、自然酸化膜の除去等である。
【００３７】
図２は、ゲート電極形成のためのドライエッチング工程の中のオーバーエッチングステップにおける基板の断面構造を示す模式図である。図２において、４２１は基板、４２３は絶縁膜、４２４は電極、４３１はホトレジストマスク、４３２は正イオン、４３３は負イオン、４３４は電子、４３５はノッチング、４３６は二次電子である。ここで、オーバーエッチングステップとは、電極４２４のエッチングがほとんど終了した後、ウエハ面内の均一性などの問題から、部分的に残留した僅かなゲート電極膜を完全に除去するために行う過剰な時間のエッチングのことである。
【００３８】
図２（ａ）は、正イオンを用いドライエッチングした場合を示す模式的な断面図である。交流電場１周期の間で正イオン４３２と電子４３４が交互に半導体基板４２１に入射することにより、基板４２１表面の帯電量を一定に保っている。しかし、電子４３４は正イオン４３２に比べて質量が軽くその軌道を容易に曲がられるため、図２（ａ）に示すように、断面形状の縦横比（アスペクト比）の大きい、即ち深い穴の底には電子４３４よりも正イオン４３２の到達量が多くなり、正に帯電してしまう。その結果、図２（ａ）に示すような密集した並んだ配線の一番外の配線では、配線のない領域との間に電位差が発生し、その電界でイオンが曲げられることにより、ノッチング４３５と呼ばれる形状異常が発生する。
【００３９】
一方、図２（ｂ）は上記工程に負イオンを適用した場合である。図２（ｂ）に示すように、負イオン４３３は質量が大きいため、アスペクト比に依存せず均一に基板４２１表面に入射し、基板４２１表面は僅かに負に帯電する。負イオン入射により発生する二次電子４３６は、負に帯電した基板４２１表面に再付着することはなく、二次電子捕獲用グリッド（不図示）に捕獲され、基板４２１表面が大きく正または負に帯電することはない。このように、負イオンのみを用いた処理を行うことにより基板４２１表面が均一に負に帯電している状況では、局所的な電界の発生によりイオンの軌道が曲げられることはなく、形状異常のないゲート電極の加工が達成されると考えられる。
【００４０】
図３は、別の実施の形態によるプラズマ処理装置を示す。３０１は第一のマイクロ波電源、３０２はプラズマ発生空間、３０３は磁場コイル、３０４は第一のガス導入口、３０５は被処理体処理室、３０６は第二のガス導入口、３０７は第一の予備グリッド電極、３０８は第二の予備グリッド電極、３０９はグリッド電極、３１０は被処理体、３１１は絶縁板、３１２は被処理体支持台、３１３は第一のガスのプラズマ、３１４は負イオン生成空間、３２１は第二のマイクロ波電源、３２２は放電管、３２３は輸送管、３２４は第二の導波管、３２５は第二のガスのプラズマである。
【００４１】
図３の装置は、図１に示した装置の第二のガス導入口の部分に、プラズマを生成するための放電管３２２と、マイクロ波を供給するための第一のマイクロ波電源３２１及び第二の導波管３２４と、発生したプラズマ内のイオンを再結合させ、活性中性粒子のみを被処理体処理室に輸送するための輸送管３２３と、を付加的に設置した点が、図１の装置と異なる。
【００４２】
輸送管３２３の長さと太さは、プラズマ中の高エネルギーイオンや電子が消滅するに十分なサイズとする。
【００４３】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明をより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されることはない。
【００４４】
（実施例１）
本例では、図１に示す装置を用い、被処理体処理室１０５に導入する第二のガスをオン（供給）した時とオフ（供給遮断）した時のエッチング速度の変化を調べた。その際、プラズマ生成方式としてはＥＣＲ型のプラズマ源を、被処理体１１０としてはシリコン酸化膜上にノンドープの多結晶シリコン膜を堆積したウエハを用いた。
【００４５】
まず、被処理体１１０を、図１に示した装置の支持台１１２上に設置した。その後、排気系を介してプラズマ発生空間１０２及び処理室１０５を排気し、その真空度が５×１０-6Ｔｏｒｒとなるまで減圧した。その後、第一のガス導入口１０４よりプラズマ発生空間１０２内にＣｌ2ガス１００ｓｃｃｍを供給し、排気 系に設置されたスロットルバルブ（不図示）を調整して圧力を５ｍＴｏｒｒに設定した。
【００４６】
次に、磁場コイル１０３に電流を流してプラズマ発生空間１０２の磁場を８７５Ｇに設定し、マイクロ波電源１０１から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１ｋＷの電力で供給することにより、プラズマ発生空間１０２内にプラズマ１１３を発生させた。このようにして生成したプラズマ１１３は、磁場コイル１０３の拡散磁界に沿って、プラズマ発生空間１０２に連結されている被処理体処理室１０５側へと拡散する。ここで、被処理体処理室１０５に連結されている第二のガス導入口１０６より、Ｃｌ2ガス１００ｓｃｃｍを供給し、拡散したプラズマを冷却 することによって、負イオン生成空間１１４において負イオンを生成した。
【００４７】
また、負イオン生成空間１１４で生成した負イオンを取り出すため、第１の予備グリッド電極１０７に＋５０Ｖ、第２の予備グリッド電極１０８に＋７５Ｖの直流電圧を印加した。更に、被処理体支持台１１２には＋１００Ｖ、グリッド電極１０９には＋１０５Ｖの直流電圧を印加した。負イオン生成空間１１４におけるプラズマ電位は２〜６Ｖ程度であると考えられるため、上記電圧を各グリッドに印加した場合、被処理体１１０には１００ｅＶ近くのエネルギーで負イオンを入射させていることになる。
【００４８】
本実施例の効果を確認するため、第二のガスをオンした場合とオフした場合における、被処理体１１０の表面に設けた多結晶シリコン膜のエッチング速度を比較した。その結果、ガスをオフとした場合のエッチング速度はおよそ毎分７０ｎｍであったのに対し、ガスをオンとした場合のエッチング速度はおよそ毎分２９０ｎｍであり、ガスをオンした場合には４倍以上のエッチング速度が確認されたことから、大量の負イオンが生成され作用したものと考えられる。ゆえに、本実施例の装置は量産性の観点からも充分に満足できる装置であることが分かった。
【００４９】
（実施例２）
本例では、図１に示す装置を、半導体製造プロセスにおける多層配線の、異なる配線層間を接続するビアホール形成プロセスにおいて、上層金属配線を成膜する前のクリーニングプロセスに適用し、チャージアップダメージの有無を調べた。
【００５０】
シリコン基板表面のビアホール底には、自然酸化膜またはエッチングの際のイオン衝撃により導入される結晶欠陥が残留しているため、このまま第二層金属配線を形成すると、自然酸化膜や結晶欠陥によりビアホールの抵抗値が上昇し、回路遅延や配線の導通不良をもたらす。そこで、これらの残留物はクリーニング等により除去する必要があり、現在はプラズマを用いる方法が広く一般的に使われている。ここで問題となるのがプラズマによるチャージアップ現象である。このクリーニングを従来の正イオン処理で行った場合、プラズマより導入された正電荷は第一層金属配線を通ってゲート電極に流れ、最終的には、シリコン基板とゲート電極の間に存在するゲート酸化膜に電圧がかかる。その結果、この電圧が破壊電圧に達するとゲート酸化膜は静電破壊に至り、また破壊電圧以下でもゲート酸化膜に微少なトンネル電流が流れることにより、その寿命を著しく劣化させるという問題があった。
【００５１】
本例では、図４に示す断面構造を有する半導体基板に対して、図１の装置を用いてクリーニング処理を行った。
【００５２】
図４において、２２１はシリコン基板、２２２は素子分離絶縁膜、２２３はゲート酸化膜、２２４はゲート電極、２２５は第一層間酸化膜、２２６は第一層金属配線、２２７は第一層金属配線のバリアメタル、２２８は第一層金属配線の反射防止膜、２２９は第二層間酸化膜、２３０はドライエッチングにより形成したビアホール、２３１は反射防止膜表面の薄い酸化層、２４１は第二層金属配線である。
【００５３】
上記構造を有する半導体基板２２１を、図１に示した装置の支持台１１２上に設置した。その後、排気系を介してプラズマ発生空間１０２及び被処理体処理室１０５を排気し、その真空度が５×１０-6Ｔｏｒｒとなるまで減圧した。その後、プラズマ発生空間１０２内にＳＦ6ガス１５０ｓｃｃｍを供給し、排気系に設 置されたスロットルバルブを調整して圧力を１０ｍＴｏｒｒに設定した。
【００５４】
次に、磁場コイル１０３に電流を流してプラズマ発生空間１０２の磁場を８７５Ｇに設定し、マイクロ波電源１０１より２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１ｋＷの電力で供給することにより、プラズマ発生空間１０２内にプラズマ１１３を発生させた。このようにして生成したプラズマ１１３は、磁場コイル１０３の拡散磁界に沿って、プラズマ発生空間１０２に連結されている被処理体処理室１０５側へと拡散する。ここで、被処理体処理室１０５に連結されている第二のガス導入口１０６より、ＳＦ6ガス１５０ｓｃｃｍを供給し、拡散したプラズマを冷却 することによって、負イオン生成空間１１４においてフッ素負イオンを生成した。
【００５５】
また、負イオン生成空間１１４で生成した負イオンを取り出すため、第１の予備グリッド電極１０７に＋５０Ｖ、第２の予備グリッド電極１０８に＋７５Ｖの直流電圧を印加した。更に、半導体基板支持台１１２には＋１００Ｖ、グリッド電極１０９には＋１０５Ｖの直流電圧を印加した。負イオン生成空間１１４でのプラズマ電位は２〜６Ｖ程度であると考えられるため、上記電圧を各グリッドに印加した場合、半導体基板１１０には１００ｅＶ近くのエネルギーで負イオンを入射させていることになる。
【００５６】
上記方法で発生させたフッ素負イオンにて、被処理体１１０に対してクリーニング処理を３０秒間実施した後、被処理体１１０を真空に保持したまま金属配線成膜室（不図示）へと移動させ、第二層金属配線２４１の堆積を行った。更に、フォトレジストによるパターニング及びドライエッチング等の工程を経て、第二層金属配線２４１を形成し、半導体素子の特性を以下の通り評価した。
【００５７】
半導体素子の特性評価は、８インチのシリコンウエハ上に作製された１００個の評価用トランジスタを用い、そのトランジスタのゲート酸化膜が破壊に至るまでの電荷量Ｑbdを測定することで行った。その結果、従来の正イオンを用いたクリーニング処理ではＱbdが１０クーロンを下回る不良を示す素子が１００個中２個存在するのに対して、負イオンを用いた本発明の場合は、ゲート酸化膜の性能劣化を起す素子は全くないことが確認された。
【００５８】
（実施例３）
本例では、図２に示す装置を用い、プラズマを冷却する第二のガスを中性活性粒子とした場合について説明する。
【００５９】
上記装置を用いて、実施例１と同様に多結晶シリコン膜のエッチング速度測定を行った。その際、被処理体３１０としては、シリコン酸化膜上にノンドープの多結晶シリコン膜を堆積したウエハを用いた。
【００６０】
まず、被処理体３１０を、図２に示した装置の支持台３１２上に設置した。その後、排気系を介してプラズマ発生空間３０２及び処理室３０５を排気し、その真空度が５×１０-6Ｔｏｒｒとなるまで減圧した。その後、第一のガス導入口３０４よりプラズマ発生空間３０２内にＣｌ2ガス１００ｓｃｃｍを供給し、排気 系に設置されたスロットルバルブ（不図示）を調整して圧力を５ｍＴｏｒｒに設定した。
【００６１】
次に、磁場コイル３０３に電流を流してプラズマ発生空間３０２の磁場を８７５Ｇに設定し、第一のマイクロ波電源３０１から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１ｋＷの電力で供給することにより、プラズマ発生空間３０２内に第一のプラズマ３１３を発生させた。このようにして生成した第一のプラズマ３１３は、磁場コイル３０３の拡散磁界に沿って、プラズマ発生空間３０２に連結されている処理室３０５側へと拡散する。
【００６２】
一方、第二のガス導入口３０６より、放電管３２２内にＣｌ2ガス１００ｓｃ ｃｍを供給し、更に、第二のマイクロ波電源３２１より２５０Ｗのマイクロ波を供給して、放電管３２２内に第二のプラズマ３２５を発生させた。発生した第二のプラズマ３２５のうち、イオンは壁や粒子間での衝突により急速に再結合して消滅し、寿命の長い中性活性粒子のみが輸送管３２３を通って処理室３０５に到達し、上述したプラズマ発生空間３０２から処理室３０５側へと拡散した第一のプラズマ３１３を冷却することによって、負イオン生成空間３１４において負イオンを生成した。
【００６３】
また、負イオン生成空間３１４で生成した負イオンを取り出すため、第１の予備グリッド電極３０７に＋５０Ｖ、第２の予備グリッド電極３０８に＋７５Ｖの直流電圧を印加した。更に、支持台３１２には＋１００Ｖ、グリッド電極３０９には＋１０５Ｖの直流電圧を印加した。負イオン生成空間３１４におけるプラズマ電位は２〜６Ｖ程度であると考えられるため、上記電圧を各グリッド電極に印加した場合、被処理体３１０には１００ｅＶ近くのエネルギーで負イオンを入射させていることになる。
【００６４】
以上の手順で処理したウエハの、多結晶シリコン膜のエッチング速度を測定した結果、エッチング速度がおよそ毎分３５０ｎｍであることが分かった。すなわち、実施例１に示したガス分子を混合した場合（エッチング速度がおよそ毎分２９０ｎｍ）より、更に高いエッチング速度が図２の装置で得られることが明らかとなった。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、負イオンを大量に発生させるとともに、当該負イオンを被処理体に入射させることによって、被処理体に対してエッチングやクリーニング等を行うことが可能な、プラズマ処理装置を提供することができる。その際、本装置では大量の負イオンを優先的に用いていることから、チャージアップダメージの少ない、プラズマ処理が実現できる。また、本装置は、プラズマと当該プラズマより温度の低いガスとを混合することにより、多量の負イオンが生成され、負イオンによるエッチング速度も著しく改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】半導体基板の帯電の様子を説明する為の模式図である。
【図３】本発明に係るプラズマ処理装置の他の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明に係るプラズマ処理装置において、チャージアップダメージのないプラズマ処理が行われたことを確認するために用いた半導体素子からなる被処理体の断面構造を示す模式的な断面図である。
【図５】従来のプラズマ処理装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図６】ハロゲン系断面積の電子エネルギー依存性を示すグラフ。
【図７】塩素分子への断面積の電子エネルギー依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
１０１ マイクロ波電源、
１０２ プラズマ発生空間、
１０３ 磁場コイル、
１０４ 第一のガス導入口、
１０５ 被処理体の処理室、
１０６ 第二のガス導入口、
１０７ 第一の予備グリッド電極、
１０８ 第二の予備グリッド電極、
１０９ グリッド電極、
１１０ 被処理体、
１１１ 絶縁板、
１１２ 支持台、
１１３ プラズマ、
１１４ 負イオン生成空間、
２２１ シリコン基板、
２２２ 素子分離絶縁膜、
２２３ ゲート酸化膜、
２２４ ゲート電極、
２２５ 第一層間酸化膜、
２２６ 第一層金属配線、
２２７ 第一層金属配線のバリアメタル、
２２８ 第一層金属配線の反射防止膜、
２２９ 第二層間酸化膜、
２３０ ドライエッチングにより形成したビアホール、
２３１ 反射防止膜表面の薄い酸化層、
２４１ 第二層金属配線、
３０１ 第一のマイクロ波電源、
３０２ プラズマ発生空間、
３０３ 磁場コイル、
３０４ 第一のガス導入口、
３０５ 処理室、
３０６ 第二のガス導入口、
３０７ 第一の予備グリッド電極、
３０８ 第二の予備グリッド電極、
３０９ グリッド電極、
３１０ 被処理体、
３１１ 絶縁板、
３１２ 支持台、
３１３ 第一のプラズマ、
３１４ 負イオン生成空間、
３２１ 第二のマイクロ波電源、
３２２ 放電管、
３２３ 輸送管、
３２４ 第二の導波管、
３２５ 第二のプラズマ、
５０１ マイクロ波電源、
５０２ 磁場コイル、
５０３ 導波管、
５１０ 被処理体、
５１２ 被処理体支持台、
５１４ プラズマ、
５３１ 真空容器、
５３２ 高周波電源。
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法に係る。より詳細には、負イオンを大量に発生させるとともに、当該負イオンを被処理体に入射させることによって、被処理体に対してエッチングやクリーニング等の不要物の除去を行うことが可能なプラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法に関する。本発明に係るプラズマ装置は、半導体素子や光学素子や磁気素子等の製造プロセスにおいて好適に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プラズマ処理装置において負イオンを生成するには、プラズマ温度を下げることが重要であると言われている。プラズマ温度と負イオン生成との関係については、例えば Basic Data of Plasma Physics（Sanborn C.Brown 著、AIP Press, 1993）に記述されている、電子エネルギーに対する粒子への電子の付着確率を見れば明らかとなる。この文献から、例えば塩素系のガス分子への電子付着解離の断面積は１ｅＶ付近でピークを持つことが分かる。一方、通常の半導体製造プロセスに使われるプラズマでは、電子温度は２〜５ｅＶであることから、負イオンの効率的な生成のためには、電子温度を適切な温度まで下げてやることが必要であると考えられる。
【０００３】
従来、負イオンを利用するプラズマ処理装置の代表例としては、例えば以下に示す２つが挙げられる。
（１）プラズマの時間的アフターグローを用いる方法
本法を利用した装置の一例としては、特開平8-181125号公報に開示された装置（図５（ａ））が挙げられる。図５（ａ）において、５０１はマイクロ波電源、５０２は磁場コイル、５０３は導波管、５１０は被処理体、５１２は被処理体の支持台、５１４はプラズマ、５３１は真空容器、５３２は高周波電源である。この方法では、マイクロ波電源５０１の発振を１０〜１００マイクロ秒の周期でパルス変調することにより生成したプラズマ５１４をオン／オフさせ、プラズマオフの期間にプラズマ温度をさげて負イオンを生成する。また、図５（ｂ）に示すように、プラズマ５１４のパルス変調と同期して被処理体５１０の支持台５１２に高周波電源５３２から高周波バイアスを印加することによって、正／負イオンを交互に被処理体５１０に引き込み、被処理体５１０の処理を行う。
（２）プラズマを空間的に下流に導く空間的アフターグローを用いる方法
図面としては例示しないが、この方法は、プラズマ生成領域から数十センチメートル下流に被処理体を設置し、下流に拡散して徐々に冷却され生成した負イオンを利用する方法である。
【０００４】
しかしながら、上記２つの方法には、以下に示す問題があった。
【０００５】
▲１▼パルス変調プラズマを用いる方法においては、プラズマがオンとなっている残り半周期では、正イオンが生成されているため、正／負イオン交互照射のエッチング装置としては高い効率をもつが、負イオンを優先的に用いてエッチングを行う場合には、処理時間の半分でしか負イオンを生成していないことから、高い効率を得ることは困難である。
【０００６】
▲２▼プラズマを空間的に下流に導くことにより、プラズマの温度を下げて負イオンを生成させる方法では、プラズマと真空容器壁との相互作用により、プラズマ密度自体が急激に低下するため、高密度に生成したプラズマを効率的に負イオンに転換することができない。
【０００７】
従って、従来の方法には、負イオンの大量発生、及び効果的な処理という点で改善すべき余地があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、負イオンを連続的にかつ高密度に生成するとともに、当該負イオンを被処理体に入射させることによって、被処理体に対してアッシング、エッチングやクリーニング等の不要物の除去を行うことが可能であり、その結果、高い処理速度や少ないチャージアップダメージを実現できる、プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマ処理装置は、真空容器と、前記真空容器内に処理体を支持する為の支持手段とを有するプラズマ処理装置において、プラズマ発生空間に第一のガスを導入する手段と、前記プラズマ発生空間内の前記第一のガスに電気エネルギーを供給してプラズマを発生させる手段と、前記プラズマ発生空間に連通する負イオン生成空間内に導入された前記プラズマに、第二のガスを混合して負イオンを生成する手段と、前記負イオンを引き出して前記被処理体に供給する手段と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明に係るプラズマ処理装置の構成及びその作用について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す模式的な断面図である。図１において、１０１は電気エネルギー供給源としてのマイクロ波電源、１０２はプラズマ発生空間、１０３は必要に応じて設けられる磁場コイル、１０４は第一のガス導入口、１０５は被処理体の処理室、１０６は第二のガス導入口、１０７は必要に応じて設けられる第一の予備グリッド電極、１０８は必要に応じて設けられる第二の予備グリッド電極、１０９はグリッド電極、１１０は被処理体、１１１は必要に応じて設けられる絶縁板、１１２は被処理体支持台、１１３はプラズマ、１１４は負イオン生成空間である。
【００１２】
図１のプラズマ処理装置では、以下の手順によって被処理体に対してプラズマ処理が行われる。
【００１３】
まず、第一のガスを導入する手段としての第一のガス導入口１０４よりプラズマ発生空間１０２の中にフッ素、塩素、臭素、沃素等のハロゲン元素を含むガス及び／又は酸素を含むガスを導入するとともに、必要に応じて磁場コイル１０３に電流を流してプラズマ発生空間１０２に磁場を印加する。同時に、マイクロ波電源１０１により電気エネルギーとしてのマイクロ波を供給することによって、プラズマ発生空間１０２内に第一のガスのプラズマを生成する。そして、プラズマ発生空間１０２から見て下流側に位置する被処理体の処理室１０５の負イオン生成空間１１４には生成されたプラズマが拡散する。ここで用いるプラズマの発生方法は、平行平板型、ＩＣＰ（Inductive Coupling Plasma）型、マグネトロ ン型、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）型、ヘリコン波型、表面波型、平板マルチスロットアンテナによる表面波干渉型、ＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）の何れでも良いが、プラズマ発生空間１０２から見て下流側に位置する処理室１０５の負イオン生成空間１１４に生成したプラズマを拡散させる際に、プラズマ密度が減少することを考えると、プラズマ密度は可能な限り高い方法が好ましい。
【００１４】
次に、処理室１０５に、第二のガスとして、フッ素、塩素、臭素、沃素等のハロゲンガス、或いはヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の不活性ガスから選択される少なくとも一種のガスを供給する。ここで供給する第二のガスは、プラズマ発生空間１０２から処理室１０５内の負イオン生成空間の中に拡散された第一のガスのプラズマより温度が低いガスであれば、分子、中性活性原子、イオン、電子の何れが含まれていても構わない。
【００１５】
負イオンが発生する過程は、以下の通りである。
【００１６】
前述した文献の Basic Data of plasma physics に記述されている、H.Healey Phil. Mag.26, 940(1938)の出典データを図６に示す。同図より、ハロゲン系分子への電子付着解離断面積は、約２ｅＶにピークを持つことが分かる。電子付着解離の反応式は以下の通りである。
【００１７】
反応式：Ｘ2＋ｅ-→Ｘ+＋Ｘ-＋ｅ-
ここで、Ｘはハロゲン元素を表す。
【００１８】
以上の反応により、負イオンが生成される。
【００１９】
また、M.V.Kurepa and D.S.Belic J.Phys.B:Molec. Phys. Vol.11, PP3719-3729(1978)には、更に低いエネルギーでの付着解離断面積のデータが記述されている。このデータを図７に示す。同図より、０ｅＶに近づくにつれ、２ｅＶでの付着解離断面積の１００倍にも達する非常に大きな付着解離断面積が得られることが分かる。以上の結果より、負イオンの効率的な生成のためには、電子温度をできる限り下げてやることが必要である。
【００２０】
上述したように、プラズマ発生空間１０２では主に正イオンと電子からなるプラズマ１１３が生成されている。そして、このプラズマ１１３を処理室１０５の負イオン生成空間１１４に導き、このプラズマ１１３の温度より温度の低いガスと混合することによって、プラズマの温度を、例えば１ｅＶ程度に急激に低下させる。その結果、プラズマを構成している電子の中性原子への付着確率が増加するため、中性原子と電子の結合や中性分子への電子の付着解離による負イオンの生成が、負イオン生成空間１１４で起こる。上記プラズマより温度の低いガスとしては、電気陰性度の高い負性ガス、例えばフッ素、塩素、臭素、沃素等のハロゲンガスが好ましく、このようなハロゲンガスのプラズマ中では、中性原子や分子と電子の結合が起こりやすく、負イオンが多量に生成され易い。従って、負イオン生成空間１１４の中には、負イオンが多量に含まれているプラズマが存在することになる。
【００２１】
以上のようにして生成された、負イオンを多量に含むプラズマより負イオンのみを優先的に取り出すために、１つの例では、真空容器中にグリッド電極１０９を設ける。そして、必要に応じて第一の予備グリッド電極１０６及び第二の予備グリッド電極１０８を設置する。又、グリッド電極を設けずに被処理体の支持台１１２に正の電圧を印加してもよいし、グリッド電極１０９のみとしてそれに正の電圧を印加してもよい。更に、第一、第二の予備グリッド電極それぞれにＶ1 、Ｖ2の正の電位を印加し、その電圧はＶ2＞Ｖ1＞Ｖp＞０となるようにする。ここで、Ｖpはプラズマポテンシャルであり、通常は数Ｖの値を示す。このような グリッド電極の配置により、負イオンはＶ2−Ｖp（ｅＶ）というエネルギーで加速され、２枚のグリッドに対して垂直方向かつ被処理体１１０の方向に引き出される。Ｖ1、Ｖ2の値を調節することにより、負イオンのエネルギーを任意に調整することが可能である。
【００２２】
このように負イオン引き出し用電極によって引き出された負イオンの下流方向に、被処理体１１０を載置した被処理体支持台１１２を設置する。
【００２３】
さらに、図１の場合、支持台１１２の直前に配されているグリッド電極１０９は２次電子捕獲の役目も担う。支持台１１２とグリッド電極１０９のそれぞれに正の電圧Ｖs、Ｖ3を印加し、Ｖ3＞Ｖs＞０となるように電圧値を設定する。ここで、Ｖsの電圧は、正の電圧であれば、定常的な直流電圧またはパルス状の直流 電圧の何れでも良い。
【００２４】
従って、プラズマ中より引き出された負イオンは、Ｖs−Ｖp（ｅＶ）のエネルギーを持って、被処理体１１０に入射する。また、被処理体１１０の表面より放出された二次電子は、Ｖ3−Ｖsの電位に加速されて二次電子捕獲用グリッドに捕獲され、被処理体１１０の表面に過剰の負の電荷がたまるのを防止することができる。ゆえに、本発明に係る装置では、Ｖ3、Ｖsの電位を調整することにより、被処理体への負イオンの入射エネルギーおよび基体表面からの二次電子放出量を任意に調整することが可能である。また、支持台１１２の上に直接被処理体１１０を設置すると、被処理体１１０の表面に蓄積した負電荷が被処理体１１０上に形成されたゲート酸化膜（不図示）を通して支持台１１２に流れ込み、結果としてゲート酸化膜の破壊をもたらす。この防止効果をより向上させるため、被処理体支持台１１２と被処理体１１０との間に絶縁性の板１１１を設置する。絶縁性の板１１１の材質としては、例えばアルミナ、窒化アルミなどが考えられるが、絶縁性であり且つプラズマ耐性が高い性質を有している材料は全て適用することが可能である。
【００２５】
本発明に係る装置を用い、被処理体を負イオンでプラズマ処理する利点は以下の通りである。
【００２６】
▲１▼負イオンが被処理体（例えば、必要に応じて各種の被膜が形成された半導体基板）に入射しても、入射エネルギーが１０ｅＶ以上あれば二次電子が放出されるため、被処理体の負への帯電は防げる。また、入射エネルギーが数十ｅＶ以上となり、一つの入射負イオンに対する二次電子の放出数が２個以上となった場合でも、正に帯電した被処理体に電子が引き戻される作用が働くため、帯電圧は数Ｖで飽和し、安定するという効果が期待できる。
【００２７】
▲２▼また、負イオンが入射した被処理体の表面の温度は、正イオンが入射した場合に比べて低いという利点がある。これは、正イオンが中性原子に戻る反応は１７ｅＶの発熱反応であるのに対し、負イオンが中性原子に戻る反応は３ｅＶの吸熱反応であることに起因している。その結果、負イオンが被処理体に入射しても、イオン入射点近傍での局所的な被処理体の表面温度が正イオン入射の時と比べて低くなるので、被処理体に対する熱的なダメージ（例えば結晶の乱れやフォトレジストマスクの変質など）を小さく抑えることができる。
【００２８】
上述したように、本発明に係るプラズマ処理装置では、負イオンを用いることにより、被処理体の表面の帯電がなく、ゲート酸化膜の静電破壊やイオンの曲がりによるエッチング形状異常のない、また、被処理体に対する熱的なダメージが少ない、良好なプラズマ処理が実現できる。
【００２９】
本発明に用いられるプラズマ化されるガス、即ち負イオンの源となる第一のガスは、ハロゲン元素を含むガス、酸素を含むガスである。
【００３０】
具体的には、Ｆ2，Ｃｌ2，Ｉ2，Ｂｒ2等のハロゲン元素単体のガス、ＣＦ4， Ｃ2Ｆ6，Ｃ3Ｆ8，ＣＣｌ2Ｆ2，ＣＢｒＦ3，ＣＣｌ4，Ｃ2Ｃｌ2Ｆ4，ＢＣｌ3，ＮＦ3等のハロゲン化合物ガス、Ｏ2，Ｏ3等の酸素を含むガスである。
【００３１】
又、第二のガスは、プラズマ化されて電子温度及びイオン温度が上昇している第一のガスのプラズマより温度が低ければよいのであるから、上記第一のガスと同じものや不活性ガス等が用いられる。そして、第一のガスのプラズマを１ｅＶ程度に急冷できるものが好ましい。
【００３２】
本発明に用いられる支持台やグリッド電極に与えられる電圧は、被処理体に負イオンを優先的に供給し得るに十分な電圧である。具体的には、支持台に印加される電圧は、好ましくは＋５０Ｖ〜＋２００Ｖ、より好ましくは＋８０Ｖ〜＋２００Ｖである。
【００３３】
グリッド電極に印加される電圧は、好ましくは＋２０Ｖ〜＋２００Ｖ、より好ましくは＋８０Ｖ〜＋２００Ｖである。
【００３４】
グリッド電極を図１のように複数にしたり、支持台とグリッド電極の両方に負イオン供給の為の電圧を印加する場合には、上述した相対関係を保つようにすることが、望ましい。
【００３５】
そして、本発明による処理としては、エッチング、アッシング、クリーニング等の不要物の除去処理である。
【００３６】
具体的には、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン等のシリコン及びシリコン化合物のエッチング、金属（合金も含む）、シリサイド等のエッチング、ホトレジストのアッシング、ホトレジストの変質硬化膜のアッシングやクリーニング、半導体や絶縁体やシリサイドや金属からなる表面上の異物のクリーニング、自然酸化膜の除去等である。
【００３７】
図２は、ゲート電極形成のためのドライエッチング工程の中のオーバーエッチングステップにおける基板の断面構造を示す模式図である。図２において、４２１は基板、４２３は絶縁膜、４２４は電極、４３１はホトレジストマスク、４３２は正イオン、４３３は負イオン、４３４は電子、４３５はノッチング、４３６は二次電子である。ここで、オーバーエッチングステップとは、電極４２４のエッチングがほとんど終了した後、ウエハ面内の均一性などの問題から、部分的に残留した僅かなゲート電極膜を完全に除去するために行う過剰な時間のエッチングのことである。
【００３８】
図２（ａ）は、正イオンを用いドライエッチングした場合を示す模式的な断面図である。交流電場１周期の間で正イオン４３２と電子４３４が交互に半導体基板４２１に入射することにより、基板４２１表面の帯電量を一定に保っている。しかし、電子４３４は正イオン４３２に比べて質量が軽くその軌道を容易に曲がられるため、図２（ａ）に示すように、断面形状の縦横比（アスペクト比）の大きい、即ち深い穴の底には電子４３４よりも正イオン４３２の到達量が多くなり、正に帯電してしまう。その結果、図２（ａ）に示すような密集した並んだ配線の一番外の配線では、配線のない領域との間に電位差が発生し、その電界でイオンが曲げられることにより、ノッチング４３５と呼ばれる形状異常が発生する。
【００３９】
一方、図２（ｂ）は上記工程に負イオンを適用した場合である。図２（ｂ）に示すように、負イオン４３３は質量が大きいため、アスペクト比に依存せず均一に基板４２１表面に入射し、基板４２１表面は僅かに負に帯電する。負イオン入射により発生する二次電子４３６は、負に帯電した基板４２１表面に再付着することはなく、二次電子捕獲用グリッド（不図示）に捕獲され、基板４２１表面が大きく正または負に帯電することはない。このように、負イオンのみを用いた処理を行うことにより基板４２１表面が均一に負に帯電している状況では、局所的な電界の発生によりイオンの軌道が曲げられることはなく、形状異常のないゲート電極の加工が達成されると考えられる。
【００４０】
図３は、別の実施の形態によるプラズマ処理装置を示す。３０１は第一のマイクロ波電源、３０２はプラズマ発生空間、３０３は磁場コイル、３０４は第一のガス導入口、３０５は被処理体処理室、３０６は第二のガス導入口、３０７は第一の予備グリッド電極、３０８は第二の予備グリッド電極、３０９はグリッド電極、３１０は被処理体、３１１は絶縁板、３１２は被処理体支持台、３１３は第一のガスのプラズマ、３１４は負イオン生成空間、３２１は第二のマイクロ波電源、３２２は放電管、３２３は輸送管、３２４は第二の導波管、３２５は第二のガスのプラズマである。
【００４１】
図３の装置は、図１に示した装置の第二のガス導入口の部分に、プラズマを生成するための放電管３２２と、マイクロ波を供給するための第一のマイクロ波電源３２１及び第二の導波管３２４と、発生したプラズマ内のイオンを再結合させ、活性中性粒子のみを被処理体処理室に輸送するための輸送管３２３と、を付加的に設置した点が、図１の装置と異なる。
【００４２】
輸送管３２３の長さと太さは、プラズマ中の高エネルギーイオンや電子が消滅するに十分なサイズとする。
【００４３】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明をより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されることはない。
【００４４】
（実施例１）
本例では、図１に示す装置を用い、被処理体処理室１０５に導入する第二のガスをオン（供給）した時とオフ（供給遮断）した時のエッチング速度の変化を調べた。その際、プラズマ生成方式としてはＥＣＲ型のプラズマ源を、被処理体１１０としてはシリコン酸化膜上にノンドープの多結晶シリコン膜を堆積したウエハを用いた。
【００４５】
まず、被処理体１１０を、図１に示した装置の支持台１１２上に設置した。その後、排気系を介してプラズマ発生空間１０２及び処理室１０５を排気し、その真空度が５×１０-6Ｔｏｒｒとなるまで減圧した。その後、第一のガス導入口１０４よりプラズマ発生空間１０２内にＣｌ2ガス１００ｓｃｃｍを供給し、排気 系に設置されたスロットルバルブ（不図示）を調整して圧力を５ｍＴｏｒｒに設定した。
【００４６】
次に、磁場コイル１０３に電流を流してプラズマ発生空間１０２の磁場を８７５Ｇに設定し、マイクロ波電源１０１から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１ｋＷの電力で供給することにより、プラズマ発生空間１０２内にプラズマ１１３を発生させた。このようにして生成したプラズマ１１３は、磁場コイル１０３の拡散磁界に沿って、プラズマ発生空間１０２に連結されている被処理体処理室１０５側へと拡散する。ここで、被処理体処理室１０５に連結されている第二のガス導入口１０６より、Ｃｌ2ガス１００ｓｃｃｍを供給し、拡散したプラズマを冷却 することによって、負イオン生成空間１１４において負イオンを生成した。
【００４７】
また、負イオン生成空間１１４で生成した負イオンを取り出すため、第１の予備グリッド電極１０７に＋５０Ｖ、第２の予備グリッド電極１０８に＋７５Ｖの直流電圧を印加した。更に、被処理体支持台１１２には＋１００Ｖ、グリッド電極１０９には＋１０５Ｖの直流電圧を印加した。負イオン生成空間１１４におけるプラズマ電位は２〜６Ｖ程度であると考えられるため、上記電圧を各グリッドに印加した場合、被処理体１１０には１００ｅＶ近くのエネルギーで負イオンを入射させていることになる。
【００４８】
本実施例の効果を確認するため、第二のガスをオンした場合とオフした場合における、被処理体１１０の表面に設けた多結晶シリコン膜のエッチング速度を比較した。その結果、ガスをオフとした場合のエッチング速度はおよそ毎分７０ｎｍであったのに対し、ガスをオンとした場合のエッチング速度はおよそ毎分２９０ｎｍであり、ガスをオンした場合には４倍以上のエッチング速度が確認されたことから、大量の負イオンが生成され作用したものと考えられる。ゆえに、本実施例の装置は量産性の観点からも充分に満足できる装置であることが分かった。
【００４９】
（実施例２）
本例では、図１に示す装置を、半導体製造プロセスにおける多層配線の、異なる配線層間を接続するビアホール形成プロセスにおいて、上層金属配線を成膜する前のクリーニングプロセスに適用し、チャージアップダメージの有無を調べた。
【００５０】
シリコン基板表面のビアホール底には、自然酸化膜またはエッチングの際のイオン衝撃により導入される結晶欠陥が残留しているため、このまま第二層金属配線を形成すると、自然酸化膜や結晶欠陥によりビアホールの抵抗値が上昇し、回路遅延や配線の導通不良をもたらす。そこで、これらの残留物はクリーニング等により除去する必要があり、現在はプラズマを用いる方法が広く一般的に使われている。ここで問題となるのがプラズマによるチャージアップ現象である。このクリーニングを従来の正イオン処理で行った場合、プラズマより導入された正電荷は第一層金属配線を通ってゲート電極に流れ、最終的には、シリコン基板とゲート電極の間に存在するゲート酸化膜に電圧がかかる。その結果、この電圧が破壊電圧に達するとゲート酸化膜は静電破壊に至り、また破壊電圧以下でもゲート酸化膜に微少なトンネル電流が流れることにより、その寿命を著しく劣化させるという問題があった。
【００５１】
本例では、図４に示す断面構造を有する半導体基板に対して、図１の装置を用いてクリーニング処理を行った。
【００５２】
図４において、２２１はシリコン基板、２２２は素子分離絶縁膜、２２３はゲート酸化膜、２２４はゲート電極、２２５は第一層間酸化膜、２２６は第一層金属配線、２２７は第一層金属配線のバリアメタル、２２８は第一層金属配線の反射防止膜、２２９は第二層間酸化膜、２３０はドライエッチングにより形成したビアホール、２３１は反射防止膜表面の薄い酸化層、２４１は第二層金属配線である。
【００５３】
上記構造を有する半導体基板２２１を、図１に示した装置の支持台１１２上に設置した。その後、排気系を介してプラズマ発生空間１０２及び被処理体処理室１０５を排気し、その真空度が５×１０-6Ｔｏｒｒとなるまで減圧した。その後、プラズマ発生空間１０２内にＳＦ6ガス１５０ｓｃｃｍを供給し、排気系に設 置されたスロットルバルブを調整して圧力を１０ｍＴｏｒｒに設定した。
【００５４】
次に、磁場コイル１０３に電流を流してプラズマ発生空間１０２の磁場を８７５Ｇに設定し、マイクロ波電源１０１より２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１ｋＷの電力で供給することにより、プラズマ発生空間１０２内にプラズマ１１３を発生させた。このようにして生成したプラズマ１１３は、磁場コイル１０３の拡散磁界に沿って、プラズマ発生空間１０２に連結されている被処理体処理室１０５側へと拡散する。ここで、被処理体処理室１０５に連結されている第二のガス導入口１０６より、ＳＦ6ガス１５０ｓｃｃｍを供給し、拡散したプラズマを冷却 することによって、負イオン生成空間１１４においてフッ素負イオンを生成した。
【００５５】
また、負イオン生成空間１１４で生成した負イオンを取り出すため、第１の予備グリッド電極１０７に＋５０Ｖ、第２の予備グリッド電極１０８に＋７５Ｖの直流電圧を印加した。更に、半導体基板支持台１１２には＋１００Ｖ、グリッド電極１０９には＋１０５Ｖの直流電圧を印加した。負イオン生成空間１１４でのプラズマ電位は２〜６Ｖ程度であると考えられるため、上記電圧を各グリッドに印加した場合、半導体基板１１０には１００ｅＶ近くのエネルギーで負イオンを入射させていることになる。
【００５６】
上記方法で発生させたフッ素負イオンにて、被処理体１１０に対してクリーニング処理を３０秒間実施した後、被処理体１１０を真空に保持したまま金属配線成膜室（不図示）へと移動させ、第二層金属配線２４１の堆積を行った。更に、フォトレジストによるパターニング及びドライエッチング等の工程を経て、第二層金属配線２４１を形成し、半導体素子の特性を以下の通り評価した。
【００５７】
半導体素子の特性評価は、８インチのシリコンウエハ上に作製された１００個の評価用トランジスタを用い、そのトランジスタのゲート酸化膜が破壊に至るまでの電荷量Ｑbdを測定することで行った。その結果、従来の正イオンを用いたクリーニング処理ではＱbdが１０クーロンを下回る不良を示す素子が１００個中２個存在するのに対して、負イオンを用いた本発明の場合は、ゲート酸化膜の性能劣化を起す素子は全くないことが確認された。
【００５８】
（実施例３）
本例では、図２に示す装置を用い、プラズマを冷却する第二のガスを中性活性粒子とした場合について説明する。
【００５９】
上記装置を用いて、実施例１と同様に多結晶シリコン膜のエッチング速度測定を行った。その際、被処理体３１０としては、シリコン酸化膜上にノンドープの多結晶シリコン膜を堆積したウエハを用いた。
【００６０】
まず、被処理体３１０を、図２に示した装置の支持台３１２上に設置した。その後、排気系を介してプラズマ発生空間３０２及び処理室３０５を排気し、その真空度が５×１０-6Ｔｏｒｒとなるまで減圧した。その後、第一のガス導入口３０４よりプラズマ発生空間３０２内にＣｌ2ガス１００ｓｃｃｍを供給し、排気 系に設置されたスロットルバルブ（不図示）を調整して圧力を５ｍＴｏｒｒに設定した。
【００６１】
次に、磁場コイル３０３に電流を流してプラズマ発生空間３０２の磁場を８７５Ｇに設定し、第一のマイクロ波電源３０１から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１ｋＷの電力で供給することにより、プラズマ発生空間３０２内に第一のプラズマ３１３を発生させた。このようにして生成した第一のプラズマ３１３は、磁場コイル３０３の拡散磁界に沿って、プラズマ発生空間３０２に連結されている処理室３０５側へと拡散する。
【００６２】
一方、第二のガス導入口３０６より、放電管３２２内にＣｌ2ガス１００ｓｃ ｃｍを供給し、更に、第二のマイクロ波電源３２１より２５０Ｗのマイクロ波を供給して、放電管３２２内に第二のプラズマ３２５を発生させた。発生した第二のプラズマ３２５のうち、イオンは壁や粒子間での衝突により急速に再結合して消滅し、寿命の長い中性活性粒子のみが輸送管３２３を通って処理室３０５に到達し、上述したプラズマ発生空間３０２から処理室３０５側へと拡散した第一のプラズマ３１３を冷却することによって、負イオン生成空間３１４において負イオンを生成した。
【００６３】
また、負イオン生成空間３１４で生成した負イオンを取り出すため、第１の予備グリッド電極３０７に＋５０Ｖ、第２の予備グリッド電極３０８に＋７５Ｖの直流電圧を印加した。更に、支持台３１２には＋１００Ｖ、グリッド電極３０９には＋１０５Ｖの直流電圧を印加した。負イオン生成空間３１４におけるプラズマ電位は２〜６Ｖ程度であると考えられるため、上記電圧を各グリッド電極に印加した場合、被処理体３１０には１００ｅＶ近くのエネルギーで負イオンを入射させていることになる。
【００６４】
以上の手順で処理したウエハの、多結晶シリコン膜のエッチング速度を測定した結果、エッチング速度がおよそ毎分３５０ｎｍであることが分かった。すなわち、実施例１に示したガス分子を混合した場合（エッチング速度がおよそ毎分２９０ｎｍ）より、更に高いエッチング速度が図２の装置で得られることが明らかとなった。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、負イオンを大量に発生させるとともに、当該負イオンを被処理体に入射させることによって、被処理体に対してエッチングやクリーニング等を行うことが可能な、プラズマ処理装置を提供することができる。その際、本装置では大量の負イオンを優先的に用いていることから、チャージアップダメージの少ない、プラズマ処理が実現できる。また、本装置は、プラズマと当該プラズマより温度の低いガスとを混合することにより、多量の負イオンが生成され、負イオンによるエッチング速度も著しく改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】半導体基板の帯電の様子を説明する為の模式図である。
【図３】本発明に係るプラズマ処理装置の他の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明に係るプラズマ処理装置において、チャージアップダメージのないプラズマ処理が行われたことを確認するために用いた半導体素子からなる被処理体の断面構造を示す模式的な断面図である。
【図５】従来のプラズマ処理装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図６】ハロゲン系断面積の電子エネルギー依存性を示すグラフ。
【図７】塩素分子への断面積の電子エネルギー依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
１０１ マイクロ波電源、
１０２ プラズマ発生空間、
１０３ 磁場コイル、
１０４ 第一のガス導入口、
１０５ 被処理体の処理室、
１０６ 第二のガス導入口、
１０７ 第一の予備グリッド電極、
１０８ 第二の予備グリッド電極、
１０９ グリッド電極、
１１０ 被処理体、
１１１ 絶縁板、
１１２ 支持台、
１１３ プラズマ、
１１４ 負イオン生成空間、
２２１ シリコン基板、
２２２ 素子分離絶縁膜、
２２３ ゲート酸化膜、
２２４ ゲート電極、
２２５ 第一層間酸化膜、
２２６ 第一層金属配線、
２２７ 第一層金属配線のバリアメタル、
２２８ 第一層金属配線の反射防止膜、
２２９ 第二層間酸化膜、
２３０ ドライエッチングにより形成したビアホール、
２３１ 反射防止膜表面の薄い酸化層、
２４１ 第二層金属配線、
３０１ 第一のマイクロ波電源、
３０２ プラズマ発生空間、
３０３ 磁場コイル、
３０４ 第一のガス導入口、
３０５ 処理室、
３０６ 第二のガス導入口、
３０７ 第一の予備グリッド電極、
３０８ 第二の予備グリッド電極、
３０９ グリッド電極、
３１０ 被処理体、
３１１ 絶縁板、
３１２ 支持台、
３１３ 第一のプラズマ、
３１４ 負イオン生成空間、
３２１ 第二のマイクロ波電源、
３２２ 放電管、
３２３ 輸送管、
３２４ 第二の導波管、
３２５ 第二のプラズマ、
５０１ マイクロ波電源、
５０２ 磁場コイル、
５０３ 導波管、
５１０ 被処理体、
５１２ 被処理体支持台、
５１４ プラズマ、
５３１ 真空容器、
５３２ 高周波電源。
Claims (12)
- 真空容器と、前記真空容器内に処理体を支持する為の支持手段とを有するプラズマ処理装置において、
プラズマ発生空間に第一のガスを導入する手段と、
前記プラズマ発生空間内の前記第一のガスに電気エネルギーを供給してプラズマを発生させる手段と、
前記プラズマ発生空間に連通する負イオン生成空間内に導入された前記プラズマに、第二のガスを混合して負イオンを生成する手段と、
前記負イオンを引き出して前記被処理体に供給する手段と、
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記プラズマを発生させる手段は、平行平板型、ＩＣＰ型、マグネトロン型、ＥＣＲ型、ヘリコン波型、表面波型、平板マルチスロットアンテナによる表面波干渉型、ＲＬＳＡ型から選択される電気エネルギー供給源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。
- 前記第一のガスは、塩素、フッ素、臭素、沃素から選択される少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第二のガスは、ハロゲン元素を含むガス及び不活性ガスのうち少なくともいずれか一種を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第二のガスは、活性中性粒子、電子及びイオンのうち少なくともいずれか一種を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記負イオンを引き出して被処理体に供給する手段は、正の電圧が印加されるグリッド電極及び／又は正の電圧が印加される前記支持手段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。
- 前記負イオン生成空間内に発生しているプラズマのポテンシャルＶpと、前記グリッド電極に印加した正の電圧Ｖgとの関係が、Ｖg＞Ｖp＞０であることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
- 前記被処理体に対して、正の直流電圧又はパルス状電圧を印加する手段を有す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。
- 前記支持手段と前記被処理体とを電気的に絶縁する手段を有することを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
- 前記被処理体から放出される二次電子を捕獲する手段を有す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。
- 前記支持手段に対して印加される正の電圧Ｖsと、前記グ リッド電極に印加する正の電圧Ｖgとの関係が、Ｖg＞Ｖs＞０であることを特徴 とする請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
- 請求項１に記載のプラズマ処理装置を用いて被処理体を処理するプラズマ処理方法。
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