JP4066214B2 - プラズマプロセス装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラズマプロセス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＲＡＭやＭＰＵなどのチップサイズの大型化に伴い、その基体として用いられるシリコン基板も大口径化される傾向にある。酸化膜やポリシリコンのエッチングは半導体生産において、最も重要な行程の１つであるが、以前使用されてきた通常の平行平板型のＲＩＥ装置では、１．０μｍ以下の微細なパターンの加工性に対して要求されるプラズマ性能（例えば、５０ｍＴｏｒｒ以下のプロセス圧力、１ｍＡ／ｃｍ²以上のイオン電流密度、１×１０ｃｍ^-3以上の電子密度）に答えられなかった。
【０００３】
この問題を解決するため、磁場を導入したプラズマ源が開発され、このプラズマ源を搭載した装置の一例として、ダイポールリングマグネット（以下ＤＲＭ）を利用したマグネトロンプラズマエッチング装置が公表されている（特開平６−３７０５６号公報）。
【０００４】
しかしながら、上記ＤＲＭを用いたマグネトロンプラズマ装置では低圧・高密度プラズマの生成は可能だが、基体上に生成するプラズマの高精度な制御は難しいという一面を持っている。すなわち、基体上に水平磁場を導入したことにより、基体上に対するプラズマ密度の均一化及びセルフバイアス電圧の均一化を図ることが困難であった。現状では磁場に勾配を持たせる工夫（特開昭６２−２１０６２号公報）やプロセス空間中に導入した磁場を回転させること（特開昭６１−２０８２２３号公報）により均一化を図る解決法が提案されていた。
【０００５】
しかしながら、特開昭６２−２１０６２号公報の記載技術の解決法はプロセス圧力などを変えた場合に勾配磁場の最適値が変化してしまうという問題があった。一方、特開昭６１−２０８２２３号公報の記載技術の解決法には、プロセス中にある基体に対して見かけ上プラズマの均一化が図られてはいるが、磁場を回転させるための機構が必要であり、プラズマ装置全体の小型化が難しいという課題があった。
【０００６】
この問題を解決するために、補助電極に高周波電力を印加することで均一水平磁場でプラズマを均一化する解決技術が示されている。この技術はプロセス圧力などを変えた場合でも補助電極に印加する高周波の電力を変化させることでプラズマの均一化を図ることが可能であり、また、磁場を回転させる必要もないため、プラズマ装置の小型化を図ることが可能であった。しかしながら、直径３００ｍｍ以上の基体を処理するプラズマ装置において圧力分布を数パーセント以内に抑えるために基体と上部電極の距離は３０ｍｍ以上に設定する必要がある。このような距離では補助電極に高周波を印加する効果が基体まで作用しないため、プラズマを均一化することが困難となってくる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、基体上の圧力分布を均一に保ったまま、磁場の印加手段を回転させることなく基体表面に対する生成プラズマ密度の均一化及びセルフバイアス電位の均一化を図ることが可能となり、基体に対して均一且つチャージアップダメージのないエッチングプロセスが可能なプラズマエッチング装置及び基体に対して均一且つ応力の発生しないスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマプロセス装置は、平行平板型の２つの電極I、および電極IIを備え、前記電極 I と電極 II は、チャンバ内の両底面部のいずれかに位置し、互いにその平面を平行とし、前記電極 I に被処理基体が配置され、プラズマ処理が行われる面に対して水平でかつ一方向性を有する磁場の印加手段を、チャンバの外部側面に設けたプラズマプロセス装置において、前記電極 I と電極 IIのいずれかの電極の外周部に補助電極を設置しており、前記補助電極が他方の電極と対向する面と反対側にプラズマを励起可能な空間が設けられており、前記補助電極に高周波電力を印加する手段を有していることを特徴とガス導入口と搬送室ガス排気口を有することを特徴とする。
【０００９】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、本発明範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
【００１０】
（実施例１）
図１に実施例１に係るプラズマプロセス装置は、平行平板型の２つの電極Ｉ１０２およびＩＩ１０５を備え、前記電極Ｉ１０２の前記電極ＩＩ１０５と対向する面または前記電極ＩＩ１０５の前記電極Ｉ１０２と対向する面の上にはプラズマを用いて処理が行われる基体を設置しており、前記基体のプラズマ処理が行われる面に対して水平でかつ一方向性を有する磁場の印加手段１１０（ダイポールリングマグネット）を設けたプラズマプロセス装置において、前記電極Ｉ１０２の外周部に補助電極１０７を設置しており、前記補助電極１０７が電極ＩＩ１０５と対向する面と反対側にプラズマを励起可能な空間１１１が設けられており、前記補助電極１０７は高周波印加手段１０９を有している。
【００１１】
本例では、図１に示した平行平板型プラズマエッチング装置を用い、補助電極の下部にプラズマ空間が存在するか否かで電極Ｉに高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加した際に生成したセルフバイアス電位及びプラズマ密度分布を調べた。
【００１２】
図１に示すチャンバ１００はアルミニウム製であり、１０１は排気手段であり、ターボ分子ポンプ（セイコー精機製ＳＴＰ１０００）を用いてチャンバ１０１内部を減圧としている。また、ガス導入手段１１２によりアルゴンガスを導入し、所望のチャンバ１０１内を所望の圧力に設定している。電極Ｉ１０２は整合回路１０３を介して周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源１０４を接続している。また電極ＩＩ１０５はアースに接地してある。また、電極Ｉはプラズマのセルフバイアス電位およびイオン電流密度を測定するためのプローブ１０６が１７個所設置してある。電極Ｉ１０２を上部より見たものを図２に示す。補助電極１０７は整合回路１０８を介して周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源１０９が設置してある。また補助電極１０７は取り外し可能な構造とした。図１の１１０は磁場印加手段であり１２０Ｇａｕｓｓの平行磁場を電極Ｉ１０２の上に印加している。１１１はプラズマが励起可能な空間である。
【００１３】
図４は、セルフバイアス電位を測定した結果である。補助電極１０７を設置せず、プラズマが励起可能な空間１１１が存在しない場合すなわち従来のプラズマプロセス装置と同じ構造では電極Ｉ上のＥ極側でセルフバイアス電位が負に大きかったものが、補助電極１０７設置し、プラズマ励起可能な空間が存在する場合では電極Ｉ上のＥ極側のセルフバイアス電位が小さくなり、全体としてセルフバイアス電位が均一になることが分かる。
【００１４】
図５は、イオン電流密度によりプラズマ密度を測定した結果である。補助電極下部にプラズマ空間が設けてある場合、Ｅ極側で下がっていたプラズマ密度を均一にすることができる。
【００１５】
（実施例２）
本例では補助電極に電極Ｉの高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）と同じ周波数で位相が１８０度異なるの高周波電力を印加した場合のプラズマ電位および電極ＩＩの消耗率を測定した。他の点は実施例１と同様である。
【００１６】
図６は、補助電極に１３．５６ＭＨｚを同位相で印加した場合と逆位相で印加した場合のプラズマ電位を示す。同位相で印加した場合は３５Ｖであったプラズマ電位が逆位相にすることで１５Ｖにすることができる。
【００１７】
図７は、電極ＩＩがプラズマによりスパッタされて消耗しまう量を測定したものを示す。プラズマを２４時間励起した後、電極ＩＩの厚さの変化を測定した。１３．５６ＭＨｚを同位相で印加した場合では厚みが２４μｍ減少し、逆位相で印加した場合は１μｍ減少した。
【００１８】
この結果から、電極Ｉと逆位相の高周波電力を補助電極に印加することでプラズマ電位を下げ、その結果、電極ＩＩや真空容器の消耗を抑えることができる。
【００１９】
（実施例３）
本例では補助電極に電極Ｉの高周波電極（１３．５６ＭＨｚ）よりも高い周波数（１００ＭＨｚ）の高周波電力を印加した場合の補助電極の消耗率を測定した。
【００２０】
他の点は実施例２と同様である。
【００２１】
図８は、補助電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加した場合と１００ＭＨｚを印加した場合の補助電極がプラズマでスパッタされて消耗した量を測定したものを示す。
【００２２】
プラズマを２４時間励起した後、補助電極の厚さの変化を測定した。１３．５６ＭＨｚの高周波電力を補助電極に印加した場合では厚みが０．２２５ｍｍ減少し、１００ＭＨｚで印加した場合は０．０１１ｍｍ減少した。
【００２３】
この結果から、電極Ｉよりも十分高い周波数の高周波電力を補助電極に印加することで真補助電極の消耗を抑えることができる。
【００２４】
（実施例４）
本例は電極Ｉと補助電極を電気的に短絡して、補助電極に接続する高周波電源を省略した例である。
【００２５】
図９に示す９０１は電極Ｉであり、９０２は補助電極である。９０３は高周波電源であり、整合回路９０４を介して電極Ｉと補助電極に接続してある。９０５は短絡板であり、アルミニウムなどの導電性の材料であるが、この材料に限定されるわけではない。また、電極Ｉと補助電極を一体としてもよいことはいうまでもない。
【００２６】
その他の点は実施例１と同様である。
【００２７】
１０は電極Ｉと補助電極を電気的に短絡して、補助電極に接続する高周波電源を省略した場合とおのおのに高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）を印加した場合のセルフバイアス電圧分布を測定したものである。２つともほぼ同様な結果であることが分かる。同様な効果を得ながら高周波電源が１つ省略できるため、装置全体が簡略化することが可能である。
【００２８】
（実施例５）
本例は電極Ｉと補助電極をコンデンサにより電気的に結合し、補助電極に接続する高周波電源を省略した場合のプラズマ密度分布を調べたものである。
【００２９】
図１１に示す１１０１は電極Ｉであり、１１０２は補助電極である。１１０３は高周波電源であり、整合回路１１０４を介して電極Ｉに接続してある。１１０５はコンデンサであり、電極Ｉと補助電極の間に設けてある。他の点は実施例１と同様である。
【００３０】
図１２は電極Ｉと補助電極をコンデンサー（２０ｐＦ）で接続した場合と、短絡の場合のプラズマ密度をイオン電流により測定したものである。
【００３１】
この結果より、短絡した場合よりもコンデンサーで接続した場合のほうがプラズマ密度をより均一にすることができることが分かる。
【００３２】
（実施例６）
本例は補助電極の下面が導入される磁場に平行にした場合、セルフバイアス電位を最も均一にできる補助電極に印加する高周波電力を調べたものである。
【００３３】
図１３は補助電極の側面図である。１３００は磁場印加手段であり、１３０１は補助電極であり、１３０２は磁場印加手段により印加される磁場の磁力線を示す。
【００３４】
その他の点は実施例１と同様である。
【００３５】
図１４は補助電極の下面が導入される磁場に平行にした場合と平行でない場合のセルフバイアス電位を最も均一にできる補助電極に印加する高周波電力を調べたものである。
【００３６】
磁場に平行でない場合、セルフバイアス電位に均一にできる補助電極に印加する高周波電力は２００Ｗであったが 磁場に平行である場合は、１００Ｗであった。補助電極の下面を磁場に平行にすることで少ない高周波電力でセルフバイアス電位を均一化することが可能である。
【００３７】
（実施例７）
図１５は本発明のプラズマプロセス装置をプラズマエッチング装置に適応した一例を示す模式的な断面図である。
【００３８】
図１５において１５００はチャンバ、１５０１は電極Ｉ、１５０２は電極ＩＩ、１５０３は補助電極、１５０４は磁場印加手段、１５０５および１５０６は高周波電源、１５０７及び１５０８は整合回路、１５０９は被処理基体、１５１０は電極ＩＩに内蔵されたプロセスガスを導入する機構、１５１１は排気手段である。チャンバ１５００および電極ＩＩ１５０２はアルミニウム製であり、表面はフッ化処理を行いフッ化アルミニウムを形成させ保護膜としているが、この材料の組み合わせに限定されるわけではない。
【００３９】
チャンバ１５００は排気手段１５１１により減圧容器として機能する。補助電極１５０３は炭化シリコンを用いたが、アルミニウムなどの導電性材料およびこれらの表面に絶縁膜を形成したものでもかまわない。磁場印加手段１６０４は１２０Ｇａｕｓｓの均一磁場ダイポールリングマグネットを用いた。
【００４０】
高周波電源１５０５は１３．５６ＭＨｚの高周波電源で整合回路１５０７を介して電極Ｉ１５０１に接続されている。高周波電源１５０６も１３．５６ＭＨｚの高周波電源であるが、高周波電源１５０５と同期させて逆位相となるように整合回路１５０８を介して補助電極１５０２に接続されている。
【００４１】
被処理体１５０９はシリコンウエーハであり、表面にシリコン酸化膜およびパターンを形成したレジストが形成されている。
【００４２】
１５１０はプロセスガスを導入する手段であり、シャワープレートと呼ばれる、小さな孔を多数設けた構造とし、均一に被処理体１５０９にプロセスガスを導入できるようにした。また用いたプロセスガスはキセノン、八フッ化四炭素、一酸化炭素及び酸素の混合ガスを用いた。また、チャンバ内の圧力が３０ｍＴｏｒｒとなるようにガス流量を設定した。排気手段１５１１はスクリュー分子ポンプ（ダイキン製ＤＭＳ３００）３台によりチャンバ１５００内部を減圧可能とした。
【００４３】
図１６に本例のプラズマエッチング装置を用いてシリコン酸化膜のエッチングレートの被処理基体面内分布を示す。従来のプラズマエッチング装置の場合は被処理基体の中央部と周辺部で１０００Å程度の差があるが、本発明ではほとんど差が認められなかった。
【００４４】
（実施例８）
図１７は本発明のプラズマプロセス装置をスパッタ装置に適応した一例を示す模式的な断面図である。
【００４５】
図１７において１７００はチャンバ、１７０１は電極Ｉ、１７０２は電極ＩＩ、１７０３は補助電極、１７０４は磁場印加手段、１７０５、１７０６、１７０７は高周波電源、１７０８、１７０９、１７１０は整合回路、１７１１は被処理基体、１７１２はプロセスガスを導入する機構、１７１３は排気手段、１７１４は直流電源、１７１５はローパスフィルタである。
【００４６】
チャンバ１７００はアルミニウム製であり、表面はフッ化処理を行いフッ化アルミニウムを形成させ保護膜としているが、この材料の組み合わせに限定されるわけではなく、水分などプロセスガス以外のガス放出の極力少ない材料が好ましい。チャンバ１７００は排気手段１７１１により減圧容器として機能する。
【００４７】
電極Ｉ１７０１はターゲット材であり、本例ではタンタルを用いているが、被処理体１７０９の表面に成膜するための材料を用いる。電極ＩＩ１７０２は被処理体１７１１を設置している。補助電極１７０３はタンタルを用いた。アルミニウムなどの導電性材料およびこれらの表面に絶縁膜を形成したものでもかまわないが、電極Ｉ１７０９と同じ材質が好ましい。
【００４８】
磁場印加手段１７０６は１２０Ｇａｕｓｓのダイポールリングマグネットを用いた。高周波電源１７０５は４０ＭＨｚの高周波電源で整合回路１７０８を介して電極Ｉ１７０１に接続されている。高周波電源１７０６も４０ＭＨｚの高周波電源であるが、高周波電源１７０５と同期させて逆位相となるように整合回路１７０７を介して補助電極１７０２に接続されている。また高周波電源１７０７は１３．５６ＭＨｚの高周波電源であり整合回路１７１０を介して電極ＩＩ１７０２に接続されている。直流電源１７１４はローパスフィルタ１７１５を介して電極Ｉに接続されている。
【００４９】
被処理体１７１１はシリコンウエーハであり、表面にシリコン酸化膜を形成されている。
【００５０】
１７１２はプロセスガスを導入する手段でありキセノンガスを用いた。チャンバ内の圧力が１０ｍＴｏｒｒとなるようにガス流量を設定した。排気手段１７１１はターボ分子ポンプ（セイコー精機製ＳＴＰ２２００）によりチャンバ１７００内部を減圧可能とした。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、基体上の圧力分布を均一に保ったまま、磁場の印加手段を回転させることなく基体表面に対する生成プラズマ密度の均一化及びセルフバイアス電位の均一化を図ることが可能となり、基体に対して均一かつチャージアップダメージのないエッチングプロセスが可能なプラズマエッチングおよび基体に対して均一且つ応力の発生しないスパッタ成膜を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る、補助電極を設置し、電極ＩＩと対向する面と反対側にプラズマを励起可能な空間を設けたプラズマプロセス装置の断面模式図である。
【図２】実施例１に係る、電極Ｉを電極ＩＩ側から見た平面図である。
【図３】実施例１に係る、補助電極を電極ＩＩ側から見た平面図である。
【図４】実施例１に係る、電極Ｉ上におけるプラズマのセルフバイアス電位の分布を測定したグラフである。
【図５】実施例１に係る、電極Ｉ上におけるプラズマのイオン電流密度の分布を測定したグラフである。
【図６】実施例２に係る、プラズマ電位を測定したグラフである。
【図７】実施例２に係る、電極ＩＩの消耗量を測定したグラフである。
【図８】実施例３に係る、補助電極の消耗量を測定したグラフである。
【図９】実施例４に係る、電極Ｉと補助電極を電気的に短絡して補助電極に接続する公衆は電源を省略した一例である。
【図１０】実施例４に係る、電極Ｉ上におけるプラズマのセルフバイアス電位の分布を測定したグラフである。
【図１１】実施例５に係る、電極Ｉと補助電極をコンデンサにより電気的に結合し、補助電極に接続する公衆は電源を省略した一例である。
【図１２】実施例５に係る、電極Ｉ上におけるプラズマのイオン電流密度の分布を測定したグラフである。
【図１３】実施例６に係る、補助電極の側面図である。
【図１４】実施例６に係る、セルフバイアス電位の分布を最も均一にできる補助電極に印加する高周波電力を測定したグラフである。
【図１５】実施例７に係る、プラズマエッチング装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図１６】実施例７に係る、シリコン酸化膜のエッチング速度を測定したグラフである。
【図１７】実施例８に係る、スパッタ装置の一例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１００ チャンバ、
１０１ 排気手段、
１０２ 電極Ｉ、
１０３ 整合回路、
１０４ 高周波電源、
１０５ 電極ＩＩ、
１０６ プローブ、
１０７ 補助電極、
１０８ 整合回路、
１０９ 高周波電源、
１１０ 磁場印加手段、
１１１ プラズマが励起可能な空間、
１１２ ガス導入手段、
９０１ 電極Ｉ、
９０２ 補助電極、
９０３ 高周波電源、
９０４ 整合回路、
９０５ 短絡板、
１１０１ 電極Ｉ、
１１０２ 補助電極
１１０３ 高周波電源、
１１０４ 整合回路、
１１０５ コンデンサ、
１３００ 磁場印加手段、
１３０１ 補助電極、
１３０２ 磁力線、
１５００ チャンバ、
１５０１ 電極Ｉ、
１５０２ 電極ＩＩ、
１５０３ 補助電極、
１５０４ 磁場印加手段、
１５０５ 高周波電源、
１５０６ 高周波電源、
１５０７ 整合回路、
１５０８ 整合回路、
１５０９ 被処理基体、
１５１０ ガス導入手段、
１５１１ 排気機構、
１７００ チャンバ、
１７０１ 電極Ｉ、
１７０２ 電極ＩＩ、
１７０３ 補助電極、
１７０４ 磁場印加手段、
１７０５ 高周波電源、
１７０６ 高周波電源、
１７０７ 高周波電源、
１７０８ 整合回路、
１７０９ 整合回路、
１７１０ 整合回路、
１７１１ 被処理基体、
１７１２ ガス導入手段、
１７１３ 排気機構、
１７１４ ローパスフィルタ、
１７１５ 直流電源。

Claims (7)

1. 平行平板型の２つの電極I、および電極IIを備え、前記電極 I と電極 II は、チャンバ内の両底面部のいずれかに位置し、互いにその平面を平行とし、
   前記電極 I に被処理基体が配置され、プラズマ処理が行われる面に対して水平でかつ一方向性を有する磁場の印加手段を、チャンバの外部側面に設けたプラズマプロセス装置において、前記電極 I と電極 IIのいずれかの電極の外周部に補助電極を設置しており、前記補助電極が他方の電極と対向する面と反対側にプラズマを励起可能な空間が設けられており、前記補助電極に高周波電力を印加する手段を有していることを特徴とするプラズマプロセス装置。
2. 前記電極Iに接続されている高周波電力の周波数ｆ１と前記補助電極に印加する高周波電力の周波数ｆ２は、同じ周波数で逆位相であることを特徴とする請求項１記載のプラズマプロセス装置。
3. 前記電極Iに接続されている高周波電力の周波数ｆ１とｆ２≫ｆ１なる周波数ｆ２の高周波電力を前記補助電極に印加することを特徴とする請求項１記載のプラズマプロセス装置。
4. 前記電極Iと前記補助電極を電気的に短絡していることを特徴とする請求項１記載のプラズマプロセス装置。
5. 前記電極Iと前記補助電極がコンデンサを介して電気的に結合していることを特徴とする請求項１記載のプラズマプロセス装置。
6. 前記補助電極の下面は前記磁場印加手段により導入される磁場に平行であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のプラズマプロセス装置。
7. 前記磁場印加手段はダイポールリングマグネットであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のプラズマプロセス装置。

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