JP4450407B2

JP4450407B2 - プラズマ処理装置及び処理方法

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Publication number: JP4450407B2
Application number: JP2003088395A
Authority: JP
Inventors: 勉塚田
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004296868A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、特に高速でかつ垂直なエッチングを可能とするドライエッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ処理技術として、シリコンの高速ドライエッチング技術を例に挙げて説明する。
通常、高アスペクト比のホールのエッチングには、低圧高密度のプラズマを生成可能な誘導結合型プラズマエッチング装置が用いられる。このエッチング装置の一例を図７に示す。図７のエッチング装置は、ガス供給装置３及び排気装置６が連結された反応容器１０の内部にガス供給装置３から反応性ガスを導入し、外部アンテナ１１に高周波電源１２から電力を供給してプラスマを発生させる。一方、基板２６を保持する基板載置台２４に高周波電源２４から高周波電力を印加して基板にバイアスを印加する。このようにして、基板表面に輸送されるＦラジカルと基板バイアスにより引き込まれるイオンとにより、垂直な段差形状の異方性エッチングを行うことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この装置は、圧力が低いためＦラジカルの生成量は少なく高速エッチングは困難という問題がある。そこで、ラジカル密度を上げるために、通常、より大きな電力を供給する方法が採用されるが、このようにして得られるラジカル濃度はまだ十分でなく、その上、ラジカル以外にイオン濃度も増大して、さらには、基板に入射するイオンエネルギーも増加するため、斜め入射イオンによるホール内側壁のエッチング速度が増大して側壁保護膜を破壊したり、マスクのエッチング速度が増加しマスクに対するエッチング比が低下することにより、垂直エッチング性が悪化したり、深いホールのエッチングができなくなるという問題があった。
【０００４】
そこで、図８に示すように、真空容器内を多数の孔を有する隔壁板２０でプラズマ発生室１と基板処理室に分割した構成のエッチング装置が提案されている（特開平１０−２７０４２８号、特開平１０−２７０４２９号、特開平１０−２７０４３０号、特開平１０−２７０４３１等）。この装置は、プラズマ室１を高い圧力として、多量のラジカル及びイオンを発生させ、これを低い圧力の処理室２に輸送してイオンによる異方性エッチングを確保しながら、高速のエッチングを行うというものである。
しかし、図８の構成の装置であっても、処理室へ輸送された時点ではイオンはほとんど消滅してしまい、垂直性を保つイオンエッチングは困難となることが分かった。
【０００５】
かかる状況において、本発明者は、様々な装置構成、エッチング条件等を検討する中で、ラジカルを含むガスを再び放電させ、発生したプラズマでエッチング処理を行うことで、通常のガスの場合に比べてエッチング速度が大きく増加することを見出した。本発明は、かかる知見を基に、さらに検討を加えて完成したものである。
【０００６】
即ち、本発明は、低圧下にありながら、高速エッチングを確保するためのラジカルをより高濃度とすることができ、しかも垂直エッチング性に必要なイオン濃度を確保することが可能なドライエッチング装置及び処理方法を提供することを目的とする。さらに、ラジカル／イオン濃度比を制御することが可能で、より自由度の大きいエッチング処理を可能とするドライエッチング装置を提供することを目的とする。
さらにまた、種々の特性の膜を形成可能なプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置等のプラズマ処理装置や処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理装置は、反応性ガスを分解するガス分解手段を備えた分解室と、その下流側に配置され、前記ガス分解室から流入する分解ガスにより基板載置台に保持された基板の処理を行う処理室と、からなる基板処理装置であって、該処理室に前記分解ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生手段を備えたことを特徴とする。
前記分解室と前記処理室との間に、複数の貫通孔を有する隔壁板が配置されていることを特徴とする。これにより、両室間の圧力差のみならず、処理室に輸送されるガスのラジカル／イオン濃度比を制御することができる。
【０００８】
また、前記ガス分解手段及び前記プラズマ発生手段は、誘導結合型又は容量結合型プラズマ発生装置であることを特徴とする。あるいは、前記ガス分解手段は、前記ガス分解室内部に配置されたタングステン、タンタル、ニオブ、オスミウム、イリジウム、モリブデン又はルテニウムのいずれかの高融点金属又は白金からなるヒータであって該ヒータの表面温度を前記反応性ガスの分解温度以上に加熱して前記反応性ガスを分解させる構成とし、前記プラズマ発生手段は、誘導結合型又は容量結合型プラズマ発生装置であることを特徴とする。
【０００９】
以上のように、高圧で多量にラジカルを発生させ、それをラジカル発生領域より圧力の低い処理室に導き、そこでプラズマを生成させ、得られるイオンを基板に照射させながら、多量のラジカルによりエッチングを行うことにより、高速でしかも垂直性に優れたエッチングが可能となる。この方法は、従来法に比べてより高濃度のラジカルが得られるため、より高速のエッチングが可能となる。
【００１０】
又、本発明において、前記プラズマ発生手段は、前記隔壁板に高周波電力を供給してプラズマを発生させる構成とすることができ、また、前記誘導結合方式及び容量結合方式プラズマ発生装置は、高周波プラズマ空間にマルチカスプ磁場を発生させる磁気装置を設けるのが好ましい。
なお、前記基板載置台に基板バイアス印加用の高周波電源を接続するのが好ましい。これにより、イオンエネルギを要求される処理に応じて制御することが可能となる。
【００１１】
本発明のプラズマ処理方法は、反応性ガスを分解室に導入して分解する工程と、該分解ガスを基板が載置された処理室まで輸送する工程と、前記処理室において前記分解ガスにより基板の表面処理を行う工程、とからなる基板処理方法であって、前記処理室において前記分解ガスのプラズマを発生させることを特徴とする。
前記反応性ガスの分解は、高周波電力により前記反応性ガスのプラズマを発生させて行ったり、前記反応性ガスの分解温度以上に加熱したタングステン、タンタル、ニオブ、オスミウム、イリジウム、モリブデン又はルテニウムのいずれかの高融点金属又は白金に接触させて行うことができる。
【００１２】
また、前記分解室の圧力を１００〜１００００Ｐａとし、前記処理室の圧力を１〜１０Ｐａとすることを特徴とするのが好ましい。これにより、高アスペクト比の微小ホールのエッチングを、より高精度かつ高速にエッチングすることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態であるドライエッチング装置の一構成例を示す模式図である。
図に示すように、ドライエッチング装置は、反応性ガスを分解する分解室１と、基板を処理する処理室２とから構成され、分解室は配管４を通してガス供給装置３に連結され、処理室はバルブ６を介して排気装置５に連結されている。
【００１４】
分解室１には、外部アンテナ（高周波電極）１１及び高周波電源１２とからなる誘導結合方式のプラズマ発生装置（第１のプラズマ発生装置）が取り付けられている。なお、分解室には、高周波電力が室内に供給されるように例えば石英ガラスのような誘電体材料が用いられる。
処理室２の内部には、基板２６を保持する基板載置台２４が取り付けられ、基板にバイアスを印加するための高周波電源２５が接続されている。処理室にもプラズマを発生させるために、高周波電極として作用する隔壁板２１と高周波電源２３とからなる容量結合方式のプラズマ発生装置（第２のプラズマ発生装置）が設けられる。隔壁板２１はガスを通す多数の貫通孔が形成され、絶縁体２２を介して処理室内壁に取り付けられている。隔壁板の貫通孔の大きさ及び数により上流側と下流側との圧力差が定められる。
【００１５】
次に、図１の装置を用いて、例えばシリコンのエッチング処理方法を説明する。基板２６を載置台２４にセットし排気装置５で装置内部を排気する。ガス供給装置３から、シリコンのエッチングガス（例えば、SF_６）を所定流量供給し、バルブ６を調整して処理室内の基板側圧力を例えば１〜１０Ｐａに設定する。一方、分解室側の圧力は、１００〜１００００Ｐａ程度となるように、隔壁板の貫通孔の数や径を予め形成しておく。孔径としては０．１〜１．０μｍ、開口率１０％以下が好適に用いられる。
【００１６】
その後、第１のプラズマ発生装置の高周波電源１２から、ＨＦ帯（例えば１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力を外部アンテナ１１に加えて、プラズマを発生させる。また、第２のプラズマ発生装置の高周波電源からＶＨＦ帯（例えば６０ＭＨｚ）の高周波電力を隔壁板２２に供給して隔壁板２１と基板２６間でプラズマを発生させる。同時に、ＨＦ帯（例えば１．６ＭＨｚ）の高周波電力を基板載置台２４に供給し、基板に所定のバイアスを印加する。
【００１７】
反応性ガスは、高周波電源１２から供給される高周波電力により、分解してＦラジカルやＳＦ_ｎ ^＋等のイオンを生成する。分解室内部の圧力は１００Ｐａ以上と高く設定されるため、高密度のＦラジカルやイオンが生成する。生成したＦラジカルやイオンは、未分解ガスその他の活性種と共に処理室に輸送される。ここで、Ｆラジカルの寿命はイオンに比べ非常に長いため、処理室に到達する際のガス中のＦラジカル濃度は高く保たれ、しかもＦラジカル／イオン濃度比はプラズマ中の値と比較して極めて大きな値とすることができる。Ｆラジカル／イオン濃度比は例えば輸送距離により調節することができる。
【００１８】
このように多量のＦラジカルを含んだガスは、隔壁板の貫通孔から１〜１０Ｐａ程度の低圧力状態にある基板方向に吹き出され、このガスをベースに第２のプラズマが生起される。即ち、第２のプラズマを発生するためのガスはもともと多量のＦラジカルを含んでいるため、このガスをベースにプラズマが生起されると、Ｆラジカルはさらに増大し、低い圧力であるにもかかわらず高濃度のＦラジカルを含むプラズマが発生する。一方、このようにして発生したプラズマは、高周波電力を過大に加えなくとも、Ｆラジカルを多量に含むため、イオン密度とイオンの基板入射エネルギーを低く抑えることができる。即ち、高密度のＦラジカルを含みながら僅かなイオンを小さなエネルギーで基板に対して垂直に入射させることができるため、エッチング底面の保護膜のみがこのイオンでエッチングされ側壁保護膜のエッチングは抑えられるため、Ｆラジカルによりシリコンの垂直方向エッチングが高速で進行する。
以上のように、イオンの異方性を利用できる低い圧力であるにも拘わらず、ラジカル量は第１のプラズマ発生装置により生成された量が加算されるため、高濃度ラジカルを含む低圧プラズマが実現され、従来にない高速のエッチングが可能となる。即ち、イオンによる垂直エッチングが確保されてしかも高速のエッチングを行うことができる。
【００１９】
なお、本実施形態において、隔壁板２１の上流側に、多数の貫通孔を有する、接地電位のシールド板を配置しても良い。これにより、第２のプラズマ発生装置によるプラズマは、隔壁板上方に延びることはなくなり、さらに第１のプラズマ発生装置により発生したプラズマと分離でき、イオンを遮断することができるため、プラズマ発生装置間の間隔を小さくすることができ、装置の小型化が可能となる。
【００２０】
２つのプラズマ発生装置を備えたドライエッチング装置は、誘導結合方式及び容量結合方式の組み合わせることにより、様々の構成の装置が考えられる。また、誘導結合方式には外部アンテナを用いる場合の他、内部アンテナを用いることもできる。これらのいくつかの構成例を図２〜図４の模式図に示す。
【００２１】
図２のドライエッチング装置は、分解室１と処理室２とが隔壁板２０で仕切られた構成である。分解室１の第１のプラズマ発生装置及び処理室２の第２のプラズマ発生装置として、それぞれ容量結合方式及び内部アンテナの誘導結合方式のプラズマ発生装置を用いたものである。
即ち、第１のプラズマ発生装置では、多数のガス噴き出し孔を有するシャワーヘッド１１が高周波電源１２に接続され、接地電位にある隔壁板２０との間で放電が起こりプラズマが生成する。一方、第２のプラズマ発生装置は、例えば一端に高周波電源２３と接続され、一端が処理室壁（接地電位）に接続された環状の内部アンテナ（電極）２１からなり、アンテナの周辺にプラズマが生成する。このような内部アンテナの誘導結合方式は例えば、特開平９−１０６８９９号公報に記載されたものが好適に用いられる。また、基板載置台２４には、基板バイアス印加用の高周波電源が接続される。
【００２２】
分解室１の圧力は、図１の場合と同様に、高濃度のＦラジカルを発生させるために１００〜１００００Ｐａと高い圧力に設定する。２つのプラズマの間の距離は短いため、第１のプラズマが隔壁の貫通孔を通してしみ出し、結果としてＦラジカル／イオン比の制御は難しくなる。そのため、本実施形態の隔壁板の貫通孔の形状、長さや密度等は、分解室と処理室の圧力比を定めるだけではなく、ラジカルだけが通しイオンを通さないような形状等にする必要があり、また、そのために屈曲する通路の貫通孔としても良い。
【００２３】
高濃度のＦラジカルを含むガスは処理室２に輸送され、そこで高周波電力が供給されてプラズマが発生し、低圧であるにも拘わらず高濃度のＦラジカルを含むプラズマとなる。これにより、イオンによる垂直エッチング性が維持されて、かつ高速エッチングが可能とする。
なお、内部アンテナの形状は、環状に限らず、Ｕ字型、直線等、種々の形状のものが用いられる。
【００２４】
図３のドライエッチング装置は、２つのプラズマ発生装置をいずれも外部アンテナを有する誘導結合方式としたものである。従って、少なくともアンテナ配置部の室壁は石英ガラス等で構成する必要がある。
また、隔壁板２０は、図２の場合と同様、プラズマを分離してイオンを通さないよう、貫通孔の形状を工夫する。
【００２５】
図４に示したドライエッチング装置は、２つのプラズマ発生装置にいずれも容量結合方式を用いる構成としたものである。分解室１では、ガスを吹き出すシャワーヘッド（高周波電極）１１と多数の貫通孔を有する隔壁板（接地電位）２０との間で放電が起こる。また、処理室２では、多数の貫通孔を有する高周波電極２１と基板２６との間で放電が起こる。ここで、接地電位の隔壁板２０と高周波電極２１とは、両者間で放電が生じない間隔として配置される。
このような構成とすることにより、分解室と処理室との圧力差をさらに大きくすることができ、垂直エッチング性にさらに優れた高速エッチングが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施形態を図５を参照して説明する。
本実施形態は、反応性ガスの分解手段に、タングステンワイヤのヒータを用いたものであり、ワイヤを反応性ガスの分解温度以上に加熱しこれを反応性ガスに接触させてることにより、Ｆラジカルその他の活性種が生成する。即ち、図５に示すように、タングステンワイヤ１３を支持具１４に固定して取付け、外部電源１２から電力を供給する構成とする。
【００２７】
まず、排気装置５で処理室２及び分解室１の内部を排気した後、反応性ガスをガス供給装置３からガス配管４を介して導入し、バルブ６を調節して処理室内部を所定の圧力に設定する。続いて、タングステンワイヤ１３に電力を供給して、所定の温度に加熱するとともに、高周波電極（隔壁板）２２に高周波電力を供給して基板２６との間にプラズマを発生させる。
反応性ガスはタングステンワイヤ表面で分解し、Ｆラジカルその他の活性種が生成する。このＦラジカルは処理室２に輸送され、Ｆラジカルを含むガスにより放電が起こり、低い圧力でありながら高濃度のＦラジカルを含むプラズマが生成する。これにより、垂直エッチング性を保ちつつ、高速のエッチングを行うことができる。
【００２８】
本実施形態のワイヤ材料として、タングステンの他タンタル、ニオブ、オスミウム、イリジウム、モリブデン、ルテニウム等の高融点金属や白金を用いることができる。これらの金属ワイヤは、Ｆラジカルやその他の活性種と反応し、徐々に径が減少するため定期的に交換する必要があるが、この反応は高温ほど激しいものの、ワイヤを所定の温度以上に加熱すると逆に反応は起こらなくなることが確認され、従って、ワイヤ温度を上記反応が抑制される温度以上に加熱するのが好ましく、また、反応性ガスの導入前にこの温度以上に加熱しておくのが好ましい。例えば、タングステンの場合、２０００℃以上に加熱するとワイヤの細りを実質的に防止することが可能となり、交換等メンテナンスを大幅に伸ばすことができる。
また、ワイヤ以外に、棒状、板状等、通電により加熱できる形状であればどのような形状でも良い。
【００２９】
図５のドライエッチング装置のプラズマ発生手段の代わりに、図６に示すように、プラズマ発生装置を、例えば基板載置台２４を高周波電極としてこれに高周波電源２５から電力を供給して接地電位にある隔壁板２０との間でプラズマを発生させる構成としても良い。
さらに、本発明において、例えば特開平９−１０６８９９号公報に開示されているようにマルチカスプ磁場を形成する磁場装置を取り付けることにより、プラズマは磁場内に閉じこめられ、より高密度で均一なプラズマを生成することをできる。
【００３０】
本発明は、プラズマ発生装置の高周波にＶＨＦ帯のものを用いたが、その他、ＨＦ帯でも、ＥＣＲマイクロ波プラズマを用いても良い。様々な組み合わせの装置構成が可能である。また、シリコンのエッチングについて説明してきたが、シリコンに限定されないことはいうまでもない。また、エッチングに限らず、プラズマＣＶＤにも応用でき、様々なラジカル種又はその他の活性種とイオンとの関係を制御するという成膜の自由度が広くなり、広範囲な特性の薄膜を作製することが可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のプラズマは、低圧下にありながら、高速エッチングを確保するためのＦラジカルをより高濃度に生成することができ、しかも垂直エッチング性を達成するためのイオン濃度を確保することができる。
さらに、ラジカル濃度／イオン濃度比を制御することが可能で、より自由度の大きいエッチング、成膜を可能とするプラズマ処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態であって、反応性ガスの分解にプラズマを用いたプラズマ処理装置を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の他の態様例を示す模式図である。
【図３】第１の実施形態の他の態様例を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態の他の態様例を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であって、高温に加熱された高融点金属との接触により反応性ガスの分解を行うプラズマ処理装置を示す模式図である。
【図６】第２の実施形態の他の態様例を示す模式図である。
【図７】従来のドライエッチング装置の一例を示す模式図である。
【図８】従来のドライエッチング装置の他の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１分解室、
２処理室、
３ガス供給装置、
４配管、
５排気装置、
６バルブ、
１１高周波電極
１２、２３，２５高周波電源、
２０隔壁板、
２１高周波電極（隔壁板）、
２２絶縁体、
２４基板載置台、
２６基板。

Claims

反応性ガスを分解するガス分解手段を備えた分解室と、その下流側に配置され、前記ガス分解室から流入する分解ガスにより基板載置台に保持された基板の処理を行う処理室と、からなる基板処理装置であって、該処理室に前記分解ガスのプラズマを発生させる容量結合方式のプラズマ発生手段を備え、前記分解室と前記処理室との間に、複数の貫通孔を有する第１の隔壁板と第２の隔壁板とを配置し、上流側に配置した第１の隔壁板をアースに接続し、下流側に配置した第２の隔壁板を前記プラズマ発生手段の一部を構成する高周波電源に接続し、前記第１の隔壁板と前記第２の隔壁板の間隔を両者間で放電が生じない間隔としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記第１の隔壁板の上流側に第１のプラズマを発生させ、前記第２の隔壁板の下流側に第２のプラズマを発生させることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記ガス分解手段及び前記プラズマ発生手段は、容量結合方式のプラズマ発生装置であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記基板載置台に基板バイアス印加用の高周波電源が接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記基板のエッチング処理を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
反応性ガスを分解室に導入して分解する工程と、該分解ガスを基板が載置された処理室まで輸送する工程と、前記処理室において前記分解ガスにより基板の表面処理を行う工程、とからなる基板処理方法であって、前記分解室と前記処理室との間に、複数の貫通孔を有する第１の隔壁板と第２の隔壁板とを配置し、上流側に配置した第１の隔壁板をアースに接続し、下流側に配置した第２の隔壁板を容量結合方式のプラズマ発生手段の一部を構成する高周波電源に接続し、かつ前記第１の隔壁板と前記第２の隔壁板の間隔を両者間で放電が生じない間隔とし、前記処理室において前記プラズマ発生手段により前記分解ガスのプラズマを発生させることを特徴とするプラズマ処理方法。
前記第１の隔壁板の上流側に第１のプラズマを発生させ、前記第２の隔壁板の下流側に第２のプラズマを発生させることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
前記分解室の圧力を１００〜１００００Ｐａとし、前記処理室の圧力を１〜１０Ｐａとすることを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマ処理方法。