JP4083716B2

JP4083716B2 - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4083716B2
Application number: JP2004221638A
Authority: JP
Inventors: 一郎中山; 智洋奥村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JP2005020017A

Description

本発明は、半導体および薄膜回路の製造過程におけるドライエッチング、スパッタリング、プラズマＣＶＤ等に利用できるプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関するものである。

近年、半導体素子の微細化に対応して、ドライエッチング技術においては高アスペクト比の加工等を実現するために、またプラズマＣＶＤ技術においては高アスペクト比の埋め込み等を実現するために、より高真空でプラズマ処理を行うことが求められている。

例えば、ドライエッチングの場合においては、高真空において高密度プラズマを発生させると、基板表面に形成されるイオンシース中でイオンが中性ラジカル粒子と衝突する確率が少なくなるために、イオンの方向性が基板に向かって揃い、また電離度が高いために基板に到着するイオン対中性ラジカルの入射粒子束の比が大きくなる。このことから、高真空において高密度プラズマを発生することによってエッチング異方性が高められ、高アスペクト比の加工が可能となる。

一方、基板に到達するイオンエネルギーを制御することも重要である。高真空で高密度プラズマを発生させるためにイオンエネルギーが大きくなると、加工すべき薄膜とレジストや下地との選択比が低下したり、基板に物理的・電気的ダメージを与えることがある。逆にイオンエネルギーが小さいと、エッチングレートが低下する。したがって、最適なエッチングを安定して行うためには、イオンエネルギーの制御が必要となる。

また、プラズマＣＶＤの場合においては、高真空において高密度プラズマを発生させると、イオンによるスパッタリング効果によって微細パターンの埋め込み・平坦化作用が得られ、高アスペクト比の埋め込みが可能になる。この場合にも、ダメージが生じず、しかも十分なスパッタリングレートが得られるような膜堆積を行うには、イオンエネルギーの制御が重要である。

従来の一般的な平行平板型のプラズマ処理装置の構成を、図３を参照して説明する。図３において、真空容器１１内に基板１３を載置する下部電極１２と上部電極１４とを配設し、これら電極１２、１４間に高周波電源１５にて高周波電圧を印加することによって真空容器１１内にプラズマを発生させるように構成されている。

この方式では、真空度が高くなるにつれてイオン密度が急激に減少するため、高真空において高密度プラズマを発生することが難しく、十分な処理速度が得られず、また高周波電圧の印加が１か所であるため、プラズマとイオンエネルギーを独立して制御することができず、高周波電圧を無理に高くしてプラズマ密度を高くしようとすると、イオンエネルギーが大きくなって基板にダメージを与えることになる。

この平行平板型のプラズマ処理装置に対して、高真空において高密度プラズマを発生させることができるプラズマ処理装置の１つとして、真空容器の外側に配設したコイルに高周波電圧を印加することによって真空容器内にプラズマを発生させる高周波誘導方式のプラズマ処理装置がある。この方式のプラズマ処理装置は、真空容器内に高周波磁界を発生させ、その高周波磁界によって真空容器内に誘導電界を発生させて電子の加速を行い、プラズマを発生させるもので、コイル電流を大きくすれば高真空においても高密度プラズマを発生することができ、十分な処理速度を得ることができる。

高周波コイルとしては、主として図４に示すような円筒型と、図５に示すような平板型が知られている。図４、図５において、１６は円筒型コイル、１７は平板型コイルであり、１８はコイル用高周波電源である。なお、真空容器１１、電極１２、基板１３、電極用高周波電源１５は、図３と同様である。

図４、図５において、真空容器１１内に適当なガスを導入しつつ排気を行い、真空容器１１内を適当な圧力に保ちながら、コイル用高周波電源１８により高周波電圧をコイル１６、１７に印加すると、真空容器１１内にプラズマが発生し、電極１２上に載置された基板１３に対してエッチング、膜堆積、表面改質等のプラズマ処理を行うことができる。このとき、図４、図５に示すように、電極１２にも電極用高周波電源１５により高周波電圧を印加することにより、基板１３に到達するイオンエネルギーをある程度制御することができる。

しかしながら、図４、図５に示した従来の高周波コイルを用いた誘導結合型プラズマ処理方式では、プラズマ密度分布の均一性が乏しく、基板の全面に均一な処理を行うことができないという問題がある。また、加工すべき薄膜とレジストや下地との選択比も低いという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、比較的高真空において高密度プラズマを発生することができ、かつプラズマ密度分布の均一性及び選択性に優れたプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

本願の第１発明のプラズマ処理方法は、真空容器内にガスを導入しつつ排気し、前記真空容器内の圧力を保ちながら、前記真空容器内の電極に対向して配設された誘導結合プラズマ源と容量結合プラズマ源が複合されたプラズマ源に高周波電力を印加することで前記電極に載置された基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記プラズマ源は平面渦巻き状コイルで構成され、かつ、前記コイルの一端を接地するとともに、前記コイルの一端と他端との間の位置に高周波電力が印加され、さらに前記誘導結合プラズマ源は前記電極の基板載置部の周縁部より外側に配置され、かつ、前記容量結合プラズマ源は、前記電極の基板載置部を跨いで配置されたことを特徴とする。

本願の第２発明のプラズマ処理装置は、真空容器内に基板を載置する電極と、前記電極に高周波電圧を印加する電極用高周波電源と、前記電極に対向して配設された誘導結合プラズマ源と容量結合プラズマ源が複合されたプラズマ源と、前記プラズマ源に高周波電圧を印加するコイル用高周波電源とを有するプラズマ処理装置であって、前記プラズマ源は平面渦巻き状コイルで構成され、かつ、前記コイルの一端を接地するとともに、前記コイルの一端と他端との間の位置に高周波電力が印加され、さらに前記誘導結合プラズマ源は前記電極の基板載置部の周縁部より外側に配置され、かつ、前記容量結合プラズマ源は、前記電極の基板載置部を跨いで配置されたことを特徴とする。

本発明のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置によれば、誘導結合型プラズマと容量結合型プラズマの複合によりプラズマ密度分布の均一性を向上できると共に、誘導結合型プラズマのみを有するものに比して選択比を大幅に向上することができ、さらに基板上の全面で均一なプラズマ密度分布を確実に得ることができる。

本発明のプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置によれば、高周波電力を印加すると、誘導結合型プラズマと、容量結合型プラズマが発生する。誘導結合型放電のプラズマ密度は、電極の中心付近で極大となるような分布を示す（例えば、文献”Ｊ．Ｈｏｐｗｏｏｄｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ａ１１（１），１９９３，ｐ．１５２”に示されている）。これに対して容量結合型放電のプラズマ密度は電極面内ではほぼ一様な分布を示す。本発明では、これら誘導結合型プラズマと容量結合型プラズマの複合により密度分布の均一なプラズマが複合して発生することにより、誘導結合型放電の高いプラズマ密度を保持しつつ、容量結合型放電の高い均一性を両立させ、プラズマ密度及びその分布の均一性を向上できる。また、高周波電圧を印加する位置を変化させることにより、プラズマ密度分布を制御でき、被加工物に最適なプラズマ密度分布を得ることができる。

また、容量結合型プラズマは選択比が高く、高真空においてもそれが維持されるという特長を有しているのに対して、誘導結合型プラズマは選択比が低いという短所を有しているが、本発明においては誘導結合型プラズマと容量結合型プラズマが複合していることにより、誘導結合型プラズマに比して選択比を大幅に向上することができる。

また、誘導結合プラズマ源は前記電極の基板載置部の周縁部より外側に配置され、かつ、前記容量結合プラズマ源は、前記電極の基板載置部を跨いで配置されているため、基板上の全面で均一なプラズマ密度分布が確実に得られ、また基板を載置する電極に高周波電圧を印加することにより基板に到達するイオンエネルギーを制御することができる。

以下、本発明の一実施例のプラズマ処理装置について図１、図２を参照して説明する。

図１において、真空容器１内に基板３を載置するための電極２が設けられている。電極２は電極用高周波電源４に接続されており、基板３へ入射するイオンのエネルギーを制御できるように構成されている。真空容器１の基板３に対向する壁面１ａに沿ってコイル５が配設されている。このコイル５は、壁面１ａの中央部を中心とする渦巻き状のコイルから成り、ほぼ６巻されている。そして、コイル５の外端５ａは接地され、かつコイル５に対して高周波電圧を供給するコイル用高周波電源６がコイル５の外端よりほぼ２巻の中間位置５ｂに接続され、内端５ｃは開放されている。この高周波電圧が供給される中間位置５ｂは、コイル５における電極２の投影領域の周縁より外側に位置している。

次にその動作を説明する。真空容器１内にＡｒガスを２０ｓｃｃｍ導入しつつ排気を行って真空容器１内を１０ｍＴｏｒｒの圧力に保ち、その状態でコイル用高周波電源６にてコイル５に高周波電圧を印加すると、真空容器１内にプラズマを発生する。この実施例では高周波電力の投入量を６００Ｗとした。

図２に、本実施例における基板３上でのプラズマ密度の瞬間的な分布と、図５に示した従来例における基板１３上でのプラズマ密度の瞬間的な分布を示す。図２から分かるように、本実施例と従来例ともに高密度のプラズマが得られているが、プラズマ密度分布は本実施例は従来例に比して均一な分布を示しており、非常に良好な結果が得られている。これは、従来例のコイル１７に対する高周波電圧の印加方法では放電が誘導結合プラズマに大きく依存しているが、本実施例のコイル５に対する高周波電圧の印加方法では誘導結合と容量結合の複合したプラズマを生成させているため、高密度でかつ均一性のあるプラズマが形成されるものと考えられる。

次に、真空容器１内にＣＨＦ₃ガスを２０ｓｃｃｍ導入しつつ排気を行い、真空容器１内を１０ｍＴｏｒｒの圧力に保ちながらコイル用高周波電源６にてコイル５に６００Ｗの高周波電力を投入し、同時に電極用高周波電源４より電極２に３００Ｗの高周波電力を投入した。基板３はシリコン基板上にシリコン酸化膜を成長させたものであり、上記条件でエッチングを行った。

その結果、シリコン酸化膜のエッチング速度は４０００Å／分であり、図５に示した従来の高周波電力印加方法のときのエッチング速度と同様であったが、エッチング均一性に関して本実施例の高周波電力印加方法が良好であった。

また、上記シリコン酸化膜をエッチングした条件でポリシリコンをエッチングした結果、本実施例の高周波電圧の印加方法でのエッチング速度は６５０Å／分、従来例の場合はエッチング速度は９００Å／分であり、本実施例ではシリコン酸化膜の対ポリシリコンの選択性が大幅に向上した。

このように本実施例が従来例に比して選択比が優れる理由は次のように考えられる。誘導結合型放電では、真空容器中１中に発生する誘導電界によって電子は基板面に対して平行でかつ閉じた円弧状に沿って加速される。この結果、電子が真空容器１内の壁で失われる確率が減少し、高密度プラズマが実現されるが、同時にポリシリコンをエッチングするフッ素ラジカルを多量に生成してしまうため、シリコン酸化膜エッチングにおける対ポリシリコンエッチング選択比が低下してしまうことになる。これに対して、平行平板容量結合型放電では、電子は基板面に対して垂直な向きに加速されるため、電子が電極に衝突して失われる確率が高く、プラズマ密度は低いが、非常にエネルギーの高い電子の数は少ないため、フッ素ラジカルの生成が抑制され、高い選択比が得られる。かくして、誘導結合型放電において見られる基板面に対して平行な向きへの電子の加速と同時に、平行平板容量型放電において見られる基板面に対して垂直な向きへの電子の加速を行い、高密度プラズマを保持しつつ非常に高いエネルギーを持つ電子の割合を相対的に低減することによってフッ素ラジカルの生成を抑制することができるため、シリコン酸化膜エッチングにおける対ポリシリコンエッチング選択比を高めることができるものと考えられる。

上記実施例ではコイル５として渦巻き状のコイルを使用してその外端５ａを接地し、高周波電圧の印加位置は、コイル５における電極２の投影領域の周縁部より外側位置としているが、少なくとも基板３の投影領域の周縁より外側位置でないと、基板３上に均一なプラズマ密度分布が得られない。なお、高周波電圧の印加位置がコイル５における電極２の投影領域の内側になると、プラズマが誘導結合に大きく依存度が増えるため選択性が悪化し、選択性を要求されるエッチングの場合被処理物に適したプラズマを生成することは困難であることが分かった。コイル５の外端５ａと中間位置５ｂの間の巻数は少なくとも１巻き以上あればよい。

本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置の構成図である。同実施例と従来例におけるプラズマ密度の分布図である。従来例の平行平板型のプラズマ処理装置の構成図である。従来例の円筒型高周波誘導方式のプラズマ処理装置の構成図である。従来例の平板型高周波誘導方式のプラズマ処理装置の構成図である。

符号の説明

１真空容器
１ａ基板と対向する壁面
２電極
３基板
４電極用高周波電源
５コイル
６コイル用高周波電源

Claims

真空容器内にガスを導入しつつ排気し、前記真空容器内の圧力を保ちながら、前記真空容器内の電極に対向して配設された誘導結合プラズマ源と容量結合プラズマ源が複合されたプラズマ源に高周波電力を印加することで前記電極に載置された基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記プラズマ源は平面渦巻き状コイルで構成され、かつ、前記コイルの一端を接地するとともに、前記コイルの一端と他端との間の位置に高周波電力が印加され、さらに前記誘導結合プラズマ源は前記電極の基板載置部の周縁部より外側に配置され、かつ、前記容量結合プラズマ源は、前記電極の基板載置部を跨いで配置されたことを特徴とするプラズマ処理方法。
真空容器内に基板を載置する電極と、前記電極に高周波電圧を印加する電極用高周波電源と、前記電極に対向して配設された誘導結合プラズマ源と容量結合プラズマ源が複合されたプラズマ源と、前記プラズマ源に高周波電圧を印加するコイル用高周波電源とを有するプラズマ処理装置であって、前記プラズマ源は平面渦巻き状コイルで構成され、かつ、前記コイルの一端を接地するとともに、前記コイルの一端と他端との間の位置に高周波電力が印加され、さらに前記誘導結合プラズマ源は前記電極の基板載置部の周縁部より外側に配置され、かつ、前記容量結合プラズマ源は、前記電極の基板載置部を跨いで配置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。