JP3796265B2

JP3796265B2 - プラズマ処理方法、プラズマ処理装置、半導体装置の製造方法及びマイクロ波分散板

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Publication number: JP3796265B2
Application number: JP10101797A
Authority: JP
Inventors: 成則尾▲崎▼; 雅司井上; 征英岩▲崎▼
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2017-04-03
Also published as: JPH10284293A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品や半導体素子の製造工程におけるエッチングや薄膜形成等の処理をプラズマを利用して行うプラズマ処理技術に関し、特に、プラズマの励起に利用されるマイクロ波の電界強度分布を均一化するマイクロ波分散板を利用したプラズマ処理技術及び、当該マイクロ波分散板の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ処理装置においては、微量の反応ガスを含む真空容器内にマイクロ波を導入し、当該真空容器内でガス放電を生起させてプラズマを生成する。そして、このプラズマを試料基板の表面に照射することによって、エッチング及び薄膜形成等の処理が行われる。このようなプラズマ処理装置は、高集積半導体素子の製造に欠かせないものとして、その研究が進められている。特に、プラズマの励起に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonace）を利用したＥＣＲプラズマ処理装置は、低ガス圧領域下で活性度の高いプラズマを生成できる装置として有望視されている。
【０００３】
ところで、プラズマ処理装置における処理品質の向上のためには、プラズマが試料の全範囲にわたって均等な密度を有することが重要である。特に、近年開発の進んでいる直径３００ｍｍの半導体ウエハのように試料の処理面積が大きくなると、その試料上におけるプラズマ（特にイオン）の強度分布を均一に保つことが今まで以上に重要となる。仮に、真空容器内で生成されるプラズマ粒子の分布が不均一であると、試料上において高イオン密度領域と低イオン密度領域とが形成され、エッチング処理においては、異方性を悪化させる等の不都合が生じる。また、試料上で電位差が生じて電流が流れ、当該試料上に形成される半導体素子を破壊するという事態も生じかねない。一方、ＣＶＤ処理においては、半導体基板等の試料上のイオン電流密度が不均一であると、当該基板上に生成される膜厚の偏りなどが生じて均一な成膜が困難になる。そして、最終的にはプラズマ処理を経て製造される半導体装置の性能劣化につながる。
【０００４】
そこで、従来においては、所定形状のスリットが形成されたマイクロ波分散板を真空容器のマイクロ波導入側の端面に配置し、真空容器に導入されるマイクロ波の電界強度分布の均一化を図っていた。例えば、特開平２−２０９４８４に開示されているように、円盤状のマイクロ波分散板（スロット板）の一部に開口部を形成し、当該開口部を介してマイクロ波を真空容器内に導入するようになっている。マイクロ波が分散板に入射すると、導体である分散板の中に電界が生じ、開口部からその電界が漏れ出すため、この開口部がアンテナ（所謂スロットアンテナ）のように作用する。これによって、真空容器内に導入されるマイクロ波の伝播モードや強度分布が変化し、均一なプラズマ生成を行うことが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、漏洩電界は分散板の開口部内で均一となるのが理想的であるが、実際には開口部の加工精度等の原因により、開口部の一部に集中してしまう場合がある。すなわち、開口部の断面をマイクロ波の進行方向と完全に平行且つ平坦に成形できれば、漏洩電界は開口部内で均一になる。しかしながら、開口部の加工寸法の公差が大きい場合には、開口部の面積が不均一となり、分散板における漏洩電界分布が理想の状態からずれてしまう。すなわち、漏洩電界が開口部面積が最も小さい部分に集中する。このため、同一の設計仕様で加工、製造された分散板であっても、マイクロ波の反射率が各々大きく異なり、複数の装置間でのプラズマ再現性が悪いという問題がある。そして、プラズマの再現性の低下は、最終的に製造される半導体装置の品質の安定性を損なうことにつながる。
【０００６】
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、同一仕様で製造された異なるマイクロ波分散板を使用した装置間におけるプラズマ再現性の向上を図り得るプラズマ処理方法を提供することを第１の目的とする。
【０００７】
また、同一仕様で製造された異なるマイクロ波分散板に対し、プラズマ再現性の優れたプラズマ処理装置を提供することを本発明の第２の目的とする。
【０００８】
また、同一仕様で製造された異なるマイクロ波分散板を使用した装置間におけるプラズマ再現性の向上を図ることにより、半導体装置の品質の安定化を向上させることのできる半導体装置の製造方法を提供することを本発明の第３の目的とする。
【０００９】
更に、同一仕様で製造された異なるマイクロ波分散板間において、マイクロ波の反射率の安定化を図り、プラズマ再現性の向上に寄与し得るマイクロ波分散板を提供することを本発明の第４の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、真空容器（１２，１４）内に導入されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて真空容器（１２，１４）内に配置された試料（１０）に対して所定の処理を施すプラズマ処理方法において、マイクロ波分散板（１８）を介してマイクロ波を真空容器（１２，１４）に導入する。そして、マイクロ波がマイクロ波分散板（１８）の開口部（４４）を通過する際に生じる漏洩電界を、開口部（４４）内のマイクロ波進行方向の所定位置に集中させる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、真空容器（１２，１４）内に導入されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて真空容器（１２，１４）内に配置された試料（１０）に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置において、真空容器（１２，１４）に導入されるマイクロ波の進行方向と直交する断面において、当該マイクロ波の通過範囲を規制する開口部（４４）を有するマイクロ波分散板（１８）を備える。そして、マイクロ波分散板（１８）の開口部（４４）のマイクロ波進行方向の所定位置に、開口部（４４）の面積が最も小さくなる最小面積部を形成する。
【００１２】
本発明の第３の態様は、真空容器（１２，１４）内に導入されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて真空容器（１２，１４）内に配置された半導体基板（１０）に対して所定の処理を施すプラズマ処理工程を含む半導体装置の製造方法において、マイクロ波分散板（１８）を介してマイクロ波を真空容器（１２，１４）に導入する。そして、マイクロ波がマイクロ波分散板（１８）の開口部（４４）を通過する際に生じる漏洩電界を、開口部（４４）内のマイクロ波進行方向の所定位置に集中させる。
【００１３】
本発明の第４の態様は、真空容器（１２，１４）内に導入されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて真空容器（１２，１４）内に配置された試料（１０）に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置に使用され、真空容器（１２，１４）に導入されるマイクロ波の進行方向と直交する断面において、当該マイクロ波の通過範囲を規制する開口部（４４）を有するマイクロ波分散板（１８）において、開口部（４４）のマイクロ波進行方向の所定位置に、当該開口部（４４）の面積が最小になる最小面積部を形成する。
【００１４】
【作用】
以上のように、本発明においては、マイクロ波がマイクロ波分散板（１８）に入射すると、分散板（１８）の中に電界が生じ、開口部（４４）からその電界が漏れ出す。このような漏洩電界は、予め設定された最小面積部分に集中する。最小面積部はマイクロ波の進行方向の所定位置に形成されているため、常に一定の位置に漏洩電界が集中することになる。これにより、同一の設計仕様で加工、製造されたマイクロ波分散板（１８）において、当該分散板でのマイクロ波の反射率が安定し、真空容器（１２，１４）内でのプラズマの再現性が向上する。その結果、異なる装置で製造される半導体装置の品質の平均化を図ることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明する。本実施例は、半導体装置の製造工程の一部であるシリコンウエハのプラズマ処理に本発明の技術的思想を適用したものである。
【００１６】
【実施例】
図１は、本発明の第１実施例にかかるプラズマ処理装置の構成を示す。本実施例のプラズマ処理装置は、直径３００ｍｍのシリコンウエハ１０に対してエッチング等の所定のプラズマ処理を行うものであり、プラズマを生成する中空円筒形状のプラズマ生成室１２と、プラズマ生成室１２に連通した反応室１４とを備えている。本装置で処理される試料としては、直径３００ｍｍのシリコンウエハ１０以外にも直径２００ｍｍのウエハやＬＣＤ用ガラス基板等、均一なプラズマ処理が要求される各種の試料を対象とすることが出来る。プラズマ生成室１２の上部には、マグネトロン等のマイクロ波発振器（図示せず）に接続された円形導波管１６が接続されている。
【００１７】
円形導波管１６とプラズマ生成室１２との間には、図２に示す所謂スロットアンテナとして機能するマイクロ波分散板１８及びマイクロ波導入窓２０が配置されている。マイクロ波分散板１８は、図２に示すように、円盤状に成形された導体板４２の外周部近傍に８つのスリット（開口部）４４が等間隔に形成されている。これらのスリット４４をマイクロ波が透過することによって、プラズマ生成室１２に導入されるマイクロ波の電界強度分布の均一化が図れるようになっている。すなわち、マイクロ波分散板１８は、プラズマ生成室１２及び反応室１４から成る真空容器に導入されるマイクロ波の進行方向と直交する断面において、当該マイクロ波の通過範囲を規制する。導体板４２はアルミニウム、銅、ステンレス等の導体によって成形することができる。
【００１８】
マイクロ波分散板１８の下方に配置されたマイクロ波導入窓２０は、石英ガラス等のマイクロ波透過物質からなり、プラズマ生成室１２を気密に封止するように設計されている。プラズマ生成室１２の外側には、円形導波管１６の接続部を含み、これらを同心円状に囲む様に３段のメインコイル２２，２４，２６が配置されている。メインコイル２２，２４，２６の下方には、１段のサブコイル２８が配置されている。これらのメインコイル２２，２４，２６とサブコイル２８は、電流供給部４０から必要な電流の供給を受け、プラズマ生成室１２内に磁束密度８７５ガウスの軸方向磁界を印加し、ＥＣＲ現象を引き起こすようになっている。
【００１９】
プラズマ生成室１２に連通された反応室１４内には、静電吸着等の固定手段によってシリコンウエハ１０を保持する試料台３２が設置されている。反応室１４の側壁には、プラズマ生成室１２及び反応室１４のガスを排気する排気管３４が設けられており、当該排気管３４からの真空排気によりプラズマ生成室１２と反応室１４を高真空状態に維持できるようになっている。
【００２０】
反応室１４には、プラズマ生成に必要な反応ガスを供給するためのガス供給管３６が設けられている。また、図示しないが、プラズマ生成室１２の周囲にはクーラントパスが形成され、このクーラントパスを循環する冷却水（クーラント）によってプラズマ生成室１２を冷却するようになっている。
【００２１】
次に、本実施例の全体的な動作について説明する。本実施例の装置を用い、半導体製造工程の一部として、シリコンウエハ１０上に形成されたポリシリコン膜のエッチングを行う場合には、まず、処理対象となるシリコンウエハ１０を試料台３２上に固定する。その後、排気管３４からの真空排気により、プラズマ生成室１２及び反応室１４の内圧を所定圧にまで減圧する。次に、ガス供給管３６からプラズマ生成室１２及び反応室１４内に反応ガス（Ｃｌ₂）を導入し、プラズマ生成室１２及び反応室１４の内圧を１×１０^-3Torr 前後に保つ。
【００２２】
その後、メインコイル２２，２４，２６及びサブコイル２８の通電によりプラズマ生成室１２の内部に磁界を形成すると共に、円形導波管１６からマイクロ波導入窓２０及びマイクロ波分散板１８を経てプラズマ生成室１２内にマイクロ波を導入する。このマイクロ波は、周波数ｆ=２．４５ＧＨｚ（波長λ=約１２．２ｃｍ）、パワー１０００Ｗ以上に設定される。
【００２３】
プラズマ生成室１２内にマイクロ波が導入されると、ＥＣＲ面１００において反応ガスを共鳴励起し、プラズマを生成する。メインコイル２２，２４，２６及びサブコイル２８により形成される磁界は、反応室１４側に向かうに従って磁束密度が低下する発散磁界であり、プラズマ生成室１２で生成されたプラズマは、この発散磁界の作用により反応室１４に引き出され、試料台３２上のシリコンウエハ１０表面に照射されて、エッチングが行われる。
【００２４】
一方、本実施例の装置を用いてシリコンウエハ１０への薄膜形成を行う場合には、以上の各手順に加え、ガス供給管３６を経て所定の原料ガスを導入し、当該ガスにより生成されたプラズマをシリコンウエハ１０に照射する。これによりシリコンウエハ１０の表面には、原料ガスの反応により生成される物質の薄膜が形成される。上記のように、エッチング又は薄膜形成処理が行われたシリコンウエハ１０は、他のプロセス処理を行った後に各チップ毎にカッティングされ、ボンディングやパッケージング等の工程を経てＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイスとなる。
【００２５】
次に、上述した本実施例のマイクロ波分散板１８の詳細な構成について、図２を参照して説明する。上述したように、マイクロ波分散板１８は、厚み３ｍｍの導体板４２の外周部に８つの矩形スリット４４を形成することによって構成されている。各スリット４４は、マイクロ波の入射側に約６０ｍｍ×１０ｍｍの最小面積部を有し、射出側に約６６ｍｍ×１６ｍｍの最大面積部を有する構成となっている。最小面積部から最大面積部は滑らかなテーパ状に成形されており、最小面積部以外の部分に鋭角な突出部が存在しないように加工されている。スリット４４の加工精度は±０．２ｍｍとなっている。
【００２６】
図３は、従来形式のマイクロ波分散板４６の構成を示す。この分散板４６は、本実施例の分散板と同様に、厚み３ｍｍの導体板４８の外周部に８つの矩形スリット５０を形成することによって構成されている。各スリット５０は、±０．５ｍｍの公差を持って６０ｍｍ×１０ｍｍに成形されている。マイクロ波進行方向におけるスリット５０の面積は均一であることが望ましいが、実際には０．５ｍｍの公差の範囲内で凹凸が存在する。
【００２７】
次に、マイクロ波分散板における反射電力と、シリコンウエハ１０上でのイオン電流密度について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、図２に示す設計仕様で加工、製造された５枚のマイクロ波分散板１８を用いた場合の当該分散板１８における反射電力とシリコンウエハ１０上でのイオン電流密度を示す。図５は、図３に示す従来の設計使用で加工、製造された５枚のマイクロ波分散板４６を用いた場合の反射電力とイオン電流密度を示す。この実験は、反応ガスとして５０sccm のＣｌ₂を用い、プラズマ生成室１２及び反応室１４内の圧力を１×１０^-3Torr に保ち、マイクロ波入射電力を１５００Ｗとした条件の下で行われた。各図において、棒グラフが反射電力を示し、折れ線グラフがイオン電流密度を示す。
【００２８】
図４及び図５より分かるように、本実施例のマイクロ波分散板１８を用いた場合、従来のマイクロ波分散板４６を用いた場合に比べて、マイクロ波分散板１８での反射電力及びシリコンウエハ１０上でのイオン電流密度共に安定している。このため、常に均一なプラズマをシリコンウエハ１０に対して照射することができ、プラズマ処理の品質が安定する。その結果、最終生成品である半導体装置の品質が安定することになる。なお、上記テストにおいては、本実施例のマイクロ波分散板１８の方が高い精度（±０．２ｍｍ）でスリット４４を加工しているが、同じ加工精度（±０．５ｍｍ）であっても概ね同様の効果が得られる。すなわち、本発明はスリットの加工精度に依らず、スリット内の所定の位置に意図的に最小面積部を形成することによって達成されるものである。
【００２９】
図６は、本実施例のマイクロ波分散板１８を用いた場合の、スリット４４周辺の漏洩磁界の様子を示す。図のように、漏洩磁界はスリット４４の最小面積部である底面付近に集中する。すなわち、本実施例では、スリット４４内の一定位置を意図的に最小面積化し、そこに漏洩磁界を集中させることによって、反射電力の安定化を図っている。
【００３０】
図７及び図８は、本発明の他の実施例にかかるマイクロ波分散板５２，５８のスリット５６，６２周辺の断面構造をそれぞれ示す。図７に示すマイクロ波分散板５２は、導体板５４に形成されたスリット５６の厚み方向の中央付近に最小面積部を形成している。その結果、マイクロ波の進行方向に対するスリット５６の中央付近に電界が集中している。一方、図８に示すマイクロ波分散板５８は、導体板６０に形成されたスリット６２の上面付近に最小面積部を形成しており、マイクロ波の入射側の端面に電界が集中している。これら他の実施例においても、上述した実施例と同様の作用効果を得られることは言うまでもない。
【００３１】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された本発明の技術的思想としての要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、同一の仕様で製造された複数の分散板間に対し、各分散板でのマイクロ波の反射率が安定するため、これらの分散板を用いた装置におけるプラズマの再現性が向上するという効果がある。その結果、異なる装置で製造される半導体装置の品質の平均化を図ることが可能となる。ここで、半導体装置としては、トランジスタのような半導体素子自体や、ＲＡＭ等の完成された半導体デバイス（ＩＣ，ＬＳＩ）等を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例にかかるプラズマ処理装置の概略構成を示す概念図である。
【図２】図２は図１に示すプラズマ処理装置に使用されるマイクロ波分散板の構成を示し、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が（Ａ）図のＢーＢ方向の拡大断面図、（Ｃ）が（Ａ）図のＣーＣ方向の拡大断面図である。
【図３】図３は従来のマイクロ波分散板の構成を示し、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が（Ａ）図のＢーＢ方向の拡大断面図、（Ｃ）が（Ａ）図のＣーＣ方向の拡大断面図である。
【図４】図４は本発明の実施例の作用を説明するためのグラフであり、同じ仕様で加工、製造された複数のマイクロ波分散板に対する反射電力及びイオン電流密度の変動（相違）を示す。
【図５】図５は従来のマイクロ波分散板の作用を説明するためのグラフであり、同じ仕様で加工、製造された複数のマイクロ波分散板に対する反射電力及びイオン電流密度の変動（相違）を示す。
【図６】図６は、本発明の実施例にかかるマイクロ波分散板のスリット近傍の漏洩電界を示す拡大断面図である。
【図７】図７は、本発明の他の実施例にかかるマイクロ波分散板のスリット近傍の漏洩電界を示す拡大断面図である。
【図８】図８は、本発明の他の実施例にかかるマイクロ波分散板のスリット近傍の漏洩電界を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１０・・・シリコンウエハ（試料）
１２・・・プラズマ生成室
１４・・・反応室
１８,５２，５８・・・マイクロ波分散板
２２，２４，２６・・・メインコイル
２８・・・サブコイル
４４,５６，６２・・・スリット（開口部）

Claims

真空容器内に導入されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて前記真空容器内に配置された試料に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置において、
前記真空容器に導入される前記マイクロ波の進行方向と直交する断面において、当該マイクロ波の通過範囲を規制する開口部を有するマイクロ波分散板を備え、
前記マイクロ波分散板において、前記開口部の面積が最も小さくなる最小面積部が前記マイクロ波分散板における前記マイクロ波の射出側端面に形成され、
前記マイクロ波分散板の開口部の厚み方向の断面形状が前記最小面積部を頂点としてテーパ状に成形され、
前記開口部内側において、前記最小面積部以外の部分に鋭角な突出部が存在しないことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記真空容器内において前記マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴を励起するための磁場を印加する励磁コイルを備えたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
真空容器内に導入されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて前記真空容器内に配置された試料に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置において、
前記真空容器に導入される前記マイクロ波の進行方向と直交する断面において、当該マイクロ波の通過範囲を規制する開口部を有するマイクロ波分散板を備え、
前記マイクロ波分散板において、前記開口部の面積が最も小さくなる最小面積部が前記マイクロ波分散板の厚み方向の略中央に形成され、
前記マイクロ波分散板の開口部の厚み方向の断面形状が前記最小面積部を頂点としてテーパ状に成形され、
前記開口部内側において、前記最小面積部以外の部分に鋭角な突出部が存在しないことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記真空容器内において前記マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴を励起するための磁場を印加する励磁コイルを備えたことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
真空容器内に導入されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて前記真空容器内に配置された試料に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置に使用され、前記真空容器に導入される前記マイクロ波の進行方向と直交する断面において、当該マイクロ波の通過範囲を規制する開口部を有するマイクロ波分散板において、
前記開口部の面積が最も小さくなる最小面積部が前記マイクロ波分散板における前記マイクロ波の射出側端面に形成され、
前記開口部の厚み方向の断面形状が前記最小面積部を頂点としてテーパ状に成形され、
前記開口部内側において、前記最小面積部以外の部分に鋭角な突出部が存在しないことを特徴とするマイクロ波分散板。
真空容器内に導入されたマイクロ波によって生成されるプラズマを用いて前記真空容器内に配置された試料に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置に使用され、前記真空容器に導入される前記マイクロ波の進行方向と直交する断面において、当該マイクロ波の通過範囲を規制する開口部を有するマイクロ波分散板において、
前記開口部の面積が最も小さくなる最小面積部が前記マイクロ波分散板の厚み方向の略中央に形成され、
前記開口部の厚み方向の断面形状が前記最小面積部を頂点としてテーパ状に成形され、
前記開口部内側において、前記最小面積部以外の部分に鋭角な突出部が存在しないことを特徴とするマイクロ波分散板。