JP4044368B2 - プラズマ処理方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体等の電子デバイスやマイクロマシンなどの製造に利用されるドライエッチング、スパッタリング、プラズマCVD等のプラズマ処理方法及び装置に関し、特にVHF帯またはUHF帯の高周波電力を用いて励起したプラズマを利用するプラズマ処理方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体等の電子デバイスの微細化に対応するために、高密度プラズマの利用が重要であることについては、例えば特開平8−83696号公報で述べられているが、最近は電子密度が高くかつ電子温度の低い、低電子温度プラズマが注目されるようになっている。
【0003】
すなわち、Cl2 やSF6 等のように負性の強いガス、言い換えれば、負イオンが生じ易いガスをプラズマ化したときは、電子温度が3eV程度以下になると、電子温度が高いときに比べてより多量の負イオンが生成される。この現象を利用すると、正イオンの入射過多によって微細パターンの底部に正電荷が蓄積されることによって起きる、ノッチと呼ばれるエッチング形状異常を防止することができ、極めて微細なパターンのエッチングを高精度に行なうことができる。
【0004】
また、シリコン酸化膜等の絶縁膜のエッチングを行なう際に一般的に用いられるCx Fy やCx Hy Fz (x,y,zは自然数)等の炭素及びフッ素を含むガスをプラズマ化したとき、電子温度が3eV程度以下になると、電子温度が高いときに比べてガスの解離が抑制され、特にF原子やFラジカル等の生成が抑えられる。F原子やFラジカル等はシリコンをエッチングする速度が速いため、電子温度が低い方が対シリコンエッチング選択比の大きい絶縁膜エッチングが可能になる。
【0005】
また、電子温度が3eV程度以下になると、イオン温度やプラズマ電位も低下するので、プラズマCVDにおける基板へのイオンダメージを低減することができる。
【0006】
このような電子温度の低いプラズマを生成できる技術として現在注目されているのが、VHF帯又はUHF帯の高周波電力を用いるプラズマ源である。
【0007】
図6に、本発明者等が既に提案している板状アンテナ式プラズマ処理装置を示す。図6(a)、(b)において、真空容器1内にガス供給装置2から所定のガスを導入しつつ排気ポンプ3により排気を行い、真空容器1内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源4により100MHzの高周波電力を、アンテナ5と真空容器1との間に挟まれかつアンテナ5と外形寸法がほぼ等しい誘電板6に設けられた貫通穴7を介してアンテナ5に供給すると、真空容器1内にプラズマが発生し、基板電極8上に載置された基板9に対してエッチング、堆積、表面改質等のプラズマ処理を行なうことができる。
【0008】
このとき、図6(a)に示すように、基板電極8にも基板電極用高周波電源10により高周波電力を供給することで、基板9に到達するイオンエネルギーを制御することができる。
【0009】
アンテナ5の表面は、絶縁カバー11により覆われている。また、図6(b)に示すように、アンテナ5とアンテナ5の周辺部に設けられた導体リング13との間に溝状の空間からなるプラズマトラップ14が設けられており、アンテナ5から放射された電磁波がこのプラズマトラップ14で強められる。
【0010】
更に、低電子温度プラズマでは、ホローカソード放電が起き易い傾向があるため、固体表面で囲まれたプラズマトラップ14においては、高密度のプラズマ(ホローカソード放電)が生成しやすくなる。したがって、真空容器1内では、プラズマ密度がプラズマトラップ14で最も高くなり、拡散によって基板9近傍までプラズマが輸送される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図6に示した従来の構成では、エッチングレートの均一性は得られても、低圧でプラズマを生成することが難しく、また低圧でプラズマを生成可能な場合は、エッチングレートの均一性を得ることが難しいという問題があった。
【0012】
図7に、図6のプラズマ処理装置において、プラズマトラップの溝幅を変化させた場合のポリシリコン膜エッチングレートを測定した結果を示す。エッチング条件は、HBr/Cl2 /O2 混合ガスを使用し、ガス流量はそれぞれ100sccm、100sccm、2sccm、アンテナに印加する高周波電力は1000W、基板電極に対するバイアス用の高周波電力は15W、圧力は1.5Paである。
【0013】
図7から、プラズマトラップの溝幅を大きくするほど、エッチングレートの分布がフラットから山形に変化し、エッチングレート均一性が悪化するのが分かる。一方、プラズマの着火性は溝幅が大きいほど良好で、エッチングレート均一性が良好な溝幅では圧力を4Pa以上にしないとプラズマが着火しない。
【0014】
これは、プラズマ放電がアンテナとアースで構成されるプラズマトラップで発生し、パッシェンの法則によって規定されるプラズマの着火性はプラズマトラップの溝幅に著しく影響を受けるものと考えられる。また、プラズマの着火性が良好な溝幅を有するプラズマトラップでアンテナを構成した場合、プラズマトラップ周辺のプラズマ密度が大きくなり過ぎるため、拡散によってプラズマが基板近傍まで輸送されても、基板近傍で十分に均一なプラズマを得ることが難しくなるものと考えられる。
【0015】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、均一なプラズマを生成させることができるプラズマトラップの溝幅でかつ基板処理を行なう低圧領域でも着火性が良く、均一にかつ効率的にプラズマ処理を行なうことができるプラズマ処理方法及び装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理方法は、真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に載置された基板に対向して配設された対向電極に、周波数50MHz〜3GHzの高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記対向電極の周辺部に設けられている導体リングと誘電体リングの積層体と、絶縁カバーで覆われている前記対向電極との間に溝状の空間が形成され、この溝状の空間にて構成されている、若しくは前記対向電極と前記対向電極の周辺部に設けられている導体リングとの間の溝状の空間にて構成されている環状でかつ溝状のプラズマトラップの少なくとも1箇所にプラズマトラップとは溝幅の異なる異形溝部を形成することで基板処理時の圧力でプラズマを発生させて基板を処理するものであり、異形溝部を設けることでプラズマトラップの溝幅を均一な処理ができるように設定しても異形溝部で着火性を向上でき、基板処理を行なう低圧領域でも確実に着火させ、均一にかつ効率的にプラズマ処理を行なうことができる。
【0017】
また、本発明のプラズマ処理装置は、真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に載置された基板に対向して配設された対向電極に、周波数50MHz〜3GHzの高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理装置であって、前記対向電極の周辺部に設けられている導体リングと誘電体リングの積層体と、絶縁カバーで覆われている前記対向電極との間に溝状の空間が形成され、この溝状の空間にて構成されている、若しくは前記対向電極と前記対向電極の周辺部に設けられている導体リングとの間の溝状の空間にて構成されている環状でかつ溝状のプラズマトラップの少なくとも1箇所にプラズマトラップとは溝幅の異なる異形溝部を設けたことを特徴とするものであり、上記プラズマ処理方法を実施してその効果を奏することができる。
【0018】
また、好適には、プラズマトラップの溝幅は3mm〜50mmとし、異形溝部の溝幅は0.4mm〜30mmとするのが好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明のプラズマ処理装置の第1の実施形態について、図1、図2を参照して説明する。
【0020】
図1において、真空容器1内にガス供給装置2から所定のガスを導入しつつ排気装置としてのポンプ3により排気を行い、真空容器1内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源4により100MHzの高周波電力を、アンテナ5と真空容器1との間に挟まれかつアンテナ5と外形寸法がほぼ等しい誘電板6に設けられた貫通穴7を介してアンテナ5に供給すると、真空容器1内にプラズマが発生し、基板電極8上に載置された基板9に対してエッチング、堆積、表面改質等のプラズマ処理を行なうことができる。
【0021】
このとき、図1に示すように、基板電極8にも基板電極用高周波電源10により高周波電力を供給することで、基板9に到達するイオンエネルギーを制御することができる。
【0022】
アンテナ5の表面は、絶縁カバー11により覆われている。また、アンテナ5とアンテナ5の周辺部に設けられた導体リング13との間に溝状の空間が形成され、誘電板6と誘電板6の周辺部に設けられた誘電体リング12との間にも溝状の空間が形成され、これら溝状の空間にてプラズマトラップ14が構成されている。アンテナ5から放射された電磁波がこのプラズマトラップ14で強められる。15は真空容器1内に対して基板9を出し入れする基板移載室である。
【0023】
さらに、図2に示すように、プラズマトラップ14の1箇所に、導体リング13側に異形部を形成することによってプラズマトラップ14の溝幅とは異なる溝幅とされた異形溝部16が設けられている。図2(a)は異形溝部16の溝幅をプラズマトラップ14より広幅にした例、図2(b)は異形溝部16の溝幅をプラズマトラップ14より狭幅にした例である。すなわち、プラズマ処理の均一性が確保されるプラズマトラップ14の溝幅は、アンテナ5に投入する高周波電力の周波数やその他のプロセス条件、例えばガス種、処理する基板9の材料、真空容器1内の圧力、投入電力等によって変化する一方、異形溝部16の溝幅に関しては、パッシェンの法則により周波数f(MHz)と溝幅d(mm)の積が所定値になるように設定することで着火性の効率が最も良くなるため、プラズマトラップ14の溝幅に対して異形溝部16の溝幅が広くなる場合もあれば、逆に狭くなる場合もあるためである。
【0024】
以上の構成によれば、基板9に対向して設けられる環状でかつ溝状のプラズマトラップ14の1箇所に異形溝部16を形成しているので、プラズマトラップ14の溝幅を均一な処理ができるように設定しつつ、1Pa以下の基板処理時の低圧領域でも異形溝部16で確実にプラズマを着火することができ、真空容器1内の圧力を変更することなくそのまま基板9を均一に処理することができ、均一にかつ効率的にプラズマ処理を行なうことができる。
【0025】
(第2の実施形態)
次に、本発明のプラズマ処理装置の第2の実施形態について、図3を参照して説明する。
【0026】
上記第1の実施形態では、導体リング13側に異形部を形成することで異形溝部16を設けたが、本実施形態ではアンテナ5及びその絶縁カバー11側に異形部を形成することで異形溝部16を設けている。また、図3(a)、(b)はそれぞれ図2(a)、(b)に対応するものである。本実施形態においても、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【0027】
(第3の実施形態)
次に、本発明のプラズマ処理装置の第3の実施形態について、図4を参照して説明する。
【0028】
上記第1、第2の実施形態では、、導体リング13側又はアンテナ5側に異形部を形成することで異形溝部16を設けたが、本実施形態では導体リング13側及びアンテナ5側の両側に異形部を形成することで異形溝部16を設けている。また、図4(a)、(b)はそれぞれ図2(a)、(b)に対応するものである。本実施形態においても、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【0029】
以上の実施形態の説明では、異形溝部16の形状が半円状の例のみを示したが、図5(a)に示す三角形状や、図5(b)に示す蟻溝状や図5(c)に示す矩形状などの多角形であってもよい。またその角部に丸みを有した形状であってもよい。また、上記実施形態の説明では、異形溝部16をプラズマトラップ14の1箇所にのみ設けた例を示したが、複数箇所に設けてもよい。
【0030】
また、上記実施形態では、アンテナ5に供給する高周波電力の周波数が100MHzの例を示したが、50MHz〜3GHzの周波数域で、同様の作用効果が得られる。
【0031】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理方法及び装置によれば、基板に対向して設けられる環状でかつ溝状のプラズマトラップの少なくとも1箇所に異形溝部を形成し基板処理時の圧力でプラズマを発生させて基板を処理するようにしたので、プラズマトラップの溝幅を均一な処理ができるように設定しつつ、基板処理を行なう低圧領域でも異形溝部で確実に着火でき、均一にかつ効率的にプラズマ処理を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマ処理装置の第1の実施形態の縦断面図である。
【図2】同実施形態におけるアンテナ部の2つの構成例を示す断面図と反応室側の表面図である。
【図3】本発明のプラズマ処理装置の第2の実施形態におけるアンテナ部の2つの構成例を示す断面図と反応室側の表面図である。
【図4】本発明のプラズマ処理装置の第3の実施形態におけるアンテナ部の2つの構成例を示す断面図と反応室側の表面図である。
【図5】アンテナ部におけるスリット形状の各種変形例を示す反応室側の表面図である。
【図6】従来例のプラズマ処理装置を示し、(a)は縦断面図、(b)はアンテナ部の断面図と反応室側の表面図である。
【図7】従来例のプラズマ処理装置によってプラズマトラップの溝幅を変化させて処理したポリシリコン膜のエッチングレートのウェハ面内分布図である。
【符号の説明】
1 真空容器
2 ガス供給装置
4 アンテナ用高周波電源
5 アンテナ
9 基板
14 プラズマトラップ
16 異形溝部
Claims (8)
- 真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に載置された基板に対向して配設された対向電極に、周波数50MHz〜3GHzの高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記対向電極の周辺部に設けられている導体リングと誘電体リングの積層体と、絶縁カバーで覆われている前記対向電極との間に溝状の空間が形成され、この溝状の空間にて構成されている環状でかつ溝状のプラズマトラップの少なくとも1箇所にプラズマトラップとは溝幅の異なる異形溝部を形成することで基板処理時の圧力でプラズマを発生させて基板を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
- 真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に載置された基板に対向して配設された対向電極に、周波数50MHz〜3GHzの高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記対向電極と前記対向電極の周辺部に設けられている導体リングとの間の溝状の空間にて構成されている環状でかつ溝状のプラズマトラップの少なくとも1箇所にプラズマトラップとは溝幅の異なる異形溝部を形成することで基板処理時の圧力でプラズマを発生させて基板を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
- プラズマトラップの溝幅が3mm〜50mmであることを特徴とする請求項1又は2記載のプラズマ処理方法。
- 異形溝部の溝幅が0.4mm〜30mmであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1つに記載のプラズマ処理方法。
- 真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に載置された基板に対向して配設された対向電極に、周波数50MHz〜3GHzの高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理装置であって、前記対向電極の周辺部に設けられている導体リングと誘電体リングの積層体と、絶縁カバーで覆われている前記対向電極との間に溝状の空間が形成され、この溝状の空間にて構成されている環状でかつ溝状のプラズマトラップの少なくとも1箇所にプラズマトラップとは溝幅の異なる異形溝部を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
- 真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に載置された基板に対向して配設された対向電極に、周波数50MHz〜3GHzの高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理装置であって、前記対向電極と前記対向電極の周辺部に設けられている導体リングとの間の溝状の空間にて構成されている環状でかつ溝状のプラズマトラップの少なくとも1箇所にプラズマトラップとは溝幅の異なる異形溝部を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
- プラズマトラップの溝幅を3mm〜50mmとしたことを特徴とする請求項5又は6記載のプラズマ処理装置。
- 異形溝部の溝幅を0.4mm〜30mmとしたことを特徴とする請求項5〜7の何れか1つに記載のプラズマ処理装置。
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