JP4364011B2

JP4364011B2 - プラズマ生成方法及びプラズマ生成装置

Info

Publication number: JP4364011B2
Application number: JP2004048164A
Authority: JP
Inventors: 雅司山華
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005243707A

Description

本発明は、半導体デバイスや液晶パネル上の薄膜素子の製造に用いられるプラズマ生成方法及びプラズマ処理装置に関し、特にエッチング加工や埋め込みについて精度の高い制御を行うことができるものに関する。

半導体基板（以下、「ウエハ」と称する。）を用い半導体装置を製造する製造装置の１つとしてドライエッチング装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。ドライエッチング装置は、半導体装置の製造にあたり、不必要な膜を除去するために、導入したエッチング用のプロセスガス（反応ガス）に高周波電力を印加してプラズマを発生させ、プロセスガスを活性な状態（以下、「プラズマ状態」と称する。）にして膜と反応させて除去（エッチング）するものである。

従来のドライエッチング装置では、加工対象となるウエハをチャンバ内に配置されたステージ上に吸着・保持する。チャンバ内が真空ポンプにより排気され、減圧状態とされた後、エッチング用のプロセスガス（反応ガス）が、ガス導入配管からチャンバ内部に供給される。チャンバ内に導入されたプロセスガスは、真空ポンプにより圧力制御が行われる。そして、プロセスガスの圧力が安定した後、ステージに接続された下部電極に高周波電源から高周波電力が印加され、プラズマが発生する。このとき、下部電極に対向した上部電極及びチャンバ内壁は、グランド電位に接続されている。そうすると、プロセスガスが反応性の高いプラズマ状態になり、ウエハ上の膜と反応して膜がエッチング除去される。
特開２００１−２４４２３９号公報

上述したドライエッチング装置であると次のような問題があった。すなわち、ドライエッチングにおいては被エッチング膜の加工形状を精密に制御することが求められる場合がある。しかしながらエッチング中には被エッチング膜が削れるのと同時に反応生成物が気相に発生し、これがエッチング速度やエッチング選択比、加工形状に影響を与えることが知られている。

また、エッチング中の現象としてエッチング以外にエッチングされた穴や溝の側壁や、処理容器内壁への堆積膜の形成及びそれら堆積膜とプラズマとの相互作用が生じるが、これらも温度制御を除いて特に制御されてはいない。

一方、プラズマＣＶＤ等のプラズマ処理方法においては微細な穴や溝の埋め込み時に側壁の堆積膜がオーバーハング状に成長し、埋め込み後に内部に空洞が残るという問題がある。

そこで本発明は、エッチング加工や埋め込みにおいて精度の高い加工制御を行うことができるプラズマ生成方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明のプラズマ生成方法及びプラズマ処理装置は次のように構成されている。

（１）チャンバ内を排気する排気工程と、上記チャンバ内に第１の反応ガスを導入する第１ガス導入工程と、上記チャンバ内に上記第１の反応ガスに基づくプラズマを発生させる第１プラズマ発生工程と、この第１プラズマ発生工程の後に、上記チャンバ内を排気する第１排気工程と、上記チャンバ内に第２の反応ガスを導入する第２ガス導入工程と、上記チャンバ内に上記第２の反応ガスに基づくプラズマを発生させる第２プラズマ発生工程と、この第２プラズマ発生工程の後に、上記チャンバ内を排気する第２排気工程とを備え、上記第１プラズマ発生工程と上記第２プラズマ発生工程とを交互に行うとともに、上記チャンバ内に上記第１及び第２の反応ガスとは異なる希ガスを常時導入することを特徴とする。

（２）上記（１）に記載されたプラズマ生成方法であって、上記第１の反応ガスは、上記第２の反応ガスに比べて膜堆積性が高いことを特徴とする。
（３）上記（２）に記載されたプラズマ生成方法であって、上記第１の反応ガスは、ＣＨＦ _３系のガスであることを特徴とする。

（４）上記（１）に記載されたプラズマ生成方法であって、上記第１の反応ガスは、上記第２の反応ガスに比べてエッチング性が低いことを特徴とする。

（５）上記（４）に記載されたプラズマ生成方法であって、上記第２の反応ガスは、ＣＦ _４系のガスであることを特徴とする。

（６）チャンバと、このチャンバ内を排気するための排気装置と、上記チャンバに接続されるとともに外部から第１の反応ガスを導入する第１ガス導入部と、上記チャンバに接続されるとともに外部から第２の反応ガスを導入する第２ガス導入部と、上記チャンバ内に上記第１の反応ガス又は上記第２の反応ガスに基づいてプラズマを発生させるプラズマ発生部と、上記第１及び第２のガス導入部による上記第１及び第２の反応ガスの導入タイミング、上記排気装置によるチャンバ内の排気タイミングを制御する制御部と、上記チャンバに接続されるとともに外部から希ガスを常時導入する希ガス導入部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、エッチング加工や埋め込みにおいて精度の高い加工制御を行うことが可能となる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るドライエッチング装置（プラズマ生成装置）１０を示す模式図である。ドライエッチング装置１０は、例えばアルミニウムやステンレス等の金属製の真空容器からなるチャンバ２０と、チャンバ２０内にプラズマを発生させるプラズマ生成機構３０と、チャンバ２０内に反応ガス等を導入するガス導入機構４０とを備えている。

チャンバ２０には、チャンバ２０内にガスを導入するためのガス導入口２１と、チャンバ２０内を排気し減圧する排気ポンプ２２と、チャンバ２０内の圧力を０．０５Ｐａから５００Ｐａの範囲で調整する圧力調整部２３と、チャンバ２０内の圧力を測定する圧力センサ２４と、被処理体である半導体ウェハＷの搬入出口２５とを備えている。

プラズマ生成機構３０は、チャンバ２０内に配置された下部電極３１と、この下部電極３１上に設けられ、半導体ウェハＷをその下側から支持する保持具３２と、数百ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの周波数の電力を整合回路３３を介して与える電源３４とを備えている。整合回路３３は、半導体ウェハＷに入射するイオンエネルギを制御する機能を有している。さらにチャンバ２０内には、下部電極３１に対向配置された高周波アンテナ３５と、この高周波アンテナ３５に、数百ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの周波数の電力を整合回路３６を介して与える電源３７とを備えている。

ガス導入機構４０は、第１反応ガス供給部４１と、この第１反応ガス供給部４１からのガス流量を調整するガス流量調整弁４２と、第２反応ガス供給部４３と、この第２反応ガス供給部４３からのガス流量を調整するガス流量調整弁４４と、希ガスであるＡｒガス供給部４５と、このＡｒガス供給部４５からのガス流量を調整するガス流量調整弁４６と、これらとチャンバ２０のガス導入口２１とを接続する配管４７とを備えている。

さらに、ガス流量調整弁４２，４４，４６は、流量を時間に対して制御するための制御器４８により調整されており、さらに制御器４８にはパルス発生器４９が接続されている。

第１の反応ガスとして、例えばＣＨＦ_３系の膜堆積性が高くエッチング性が低いガスを用いた場合、エッチングによる加工を進めていくと反応生成物がエッチングによる加工孔の中に溜まりやすく、奥側に行くにつれて内径が狭くなる図２に示すような孔Ｔが形成される。なお、図中Ｒはレジストを示している。

一方、第２の反応ガスとして、例えばＣＦ_４系のエッチング性が高く膜堆積性が低いガスを用いた場合、エッチングによる加工を進めていくと半導体ウエハＷがマスクの孔の幅より大きく削れて、図３に示すような孔Ｔが形成される。

したがって、第１反応ガスと第２反応ガスとを組み合わせることによって、孔Ｔの内壁の角度を制御できることとなる。

このように構成されたドライエッチング装置１０では、次のようにしてエッチングを行う。すなわち、Ａｒガスを導入し、電源３４及び電源３７によりチャンバ２０内に電界を発生させ、プラズマを生成する。次に、第１の反応ガスの導入、排気、第２の反応ガスの導入、排気、第１の反応ガスの導入、…、というサイクルを繰り返しながら、エッチングを行う。

したがって、第１反応ガスと第２反応ガスとを交互に導入してエッチングによる加工を進めていくことで、穴や溝の側壁の角度を制御する。具体的には、各ガスの流量をパルス状に時間変化させ、そのＯＮ／ＯＦＦ時間と流量を時間に対して制御することで、各ガスの効果の強さを任意に設定し、孔Ｔの加工形状を制御できる。

図４は、第１反応ガスの供給、第２反応ガスの供給、排気の各タイミングの一例を示す説明図である。なお、排気はエッチングの際に発生した生成物を除去するとともに、前の反応ガスによる影響を最小限に抑えるために行っている。さらに、希ガスを常時チャンバ２０内に導入することにより、プラズマを安定させることが容易となる。

このように第１反応ガスの供給及び第２反応ガスの供給を制御することで、図５に示すように、任意の形状を有する孔Ｔを形成することが可能となる。

上述したように、本発明の一実施の形態に係るドライエッチング装置１０によれば、エッチング加工時にガスの導入量を制御することで、エッチングによる孔の形状を任意に制御することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、半導体デバイス製造用のドライエッチングを例にして示したが、ドライエッチングに限定されることなく、プラズマアッシング、プラズマＣＶＤ、プラズマスパッタ、プラズマクリーニング等に適用が可能であり、半導体デバイスの処理のみならず、液晶パネル上の薄膜素子の処理、あるいは平面や曲面の塗装等を目的としたプラズマ生成及びプラズマ処理にも適用可能である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施の形態に係るドライエッチング装置の構成を示す模式図。第１反応ガスによるエッチング形状の一例を示す断面図。第２反応ガスによるエッチング形状の一例を示す断面図。同ドライエッチング装置におけるガス導入タイミングを示す説明図。同ドライエッチング装置におけるエッチング形状の一例を示す断面図。

符号の説明

２０…チャンバ、２２…排気ポンプ、３０…プラズマ生成機構、４０…ガス導入機構、４１…第１反応ガス供給部、４２…ガス流量調整弁、４３…第２反応ガス供給部、４４…ガス流量調整弁、４５…Ａｒガス供給部、４６…ガス流量調整弁、４８…制御器、４９…パルス発生器。

Claims

チャンバ内を排気する排気工程と、
上記チャンバ内に第１の反応ガスを導入する第１ガス導入工程と、
上記チャンバ内に上記第１の反応ガスに基づくプラズマを発生させる第１プラズマ発生工程と、
この第１プラズマ発生工程の後に、上記チャンバ内を排気する第１排気工程と、
上記チャンバ内に第２の反応ガスを導入する第２ガス導入工程と、
上記チャンバ内に上記第２の反応ガスに基づくプラズマを発生させる第２プラズマ発生工程と、
この第２プラズマ発生工程の後に、上記チャンバ内を排気する第２排気工程と、
を備え、
上記第１プラズマ発生工程と上記第２プラズマ発生工程とを交互に行うとともに、上記チャンバ内に上記第１及び第２の反応ガスとは異なる希ガスを常時導入することを特徴とするプラズマ生成方法。
上記第１の反応ガスは、上記第２の反応ガスに比べて膜堆積性が高いことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成方法。
上記第１の反応ガスは、ＣＨＦ _３系のガスであることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ生成方法。
上記第１の反応ガスは、上記第２の反応ガスに比べてエッチング性が低いことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成方法。
上記第２の反応ガスは、ＣＦ _４系のガスであることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ生成方法。
チャンバと、
このチャンバ内を排気するための排気装置と、
上記チャンバに接続されるとともに外部から第１の反応ガスを導入する第１ガス導入部と、
上記チャンバに接続されるとともに外部から第２の反応ガスを導入する第２ガス導入部と、
上記チャンバ内に上記第１の反応ガス又は上記第２の反応ガスに基づいてプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
上記第１及び第２のガス導入部による上記第１及び第２の反応ガスの導入タイミング、上記排気装置によるチャンバ内の排気タイミングを制御する制御部と、
上記チャンバに接続されるとともに外部から希ガスを常時導入する希ガス導入部とを備えていることを特徴とするプラズマ生成装置。