JP4527833B2

JP4527833B2 - プラズマ処理装置および方法

Info

Publication number: JP4527833B2
Application number: JP2000056049A
Authority: JP
Inventors: 誠浩角屋; 尚輝安井; 成一渡辺; 仁田村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP2001244248A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に係り、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エッチング処理を、プラズマ処理装置を用いて行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化をはかり、また処理材に高周波バイアス電力を供給しイオンを垂直に入射させることで、異方性形状などの高精度エッチング処理を実現している。従来の有磁場プラズマ処理装置は、特開平０９−３２１０３１号公報に記載のように、被処理材はアースに接続された処理室内に高周波電力を供給することにより生成されたプラズマにより表面処理されていた。
【０００３】
一般に有磁場プラズマ中では、「プラズマ物理入門」（F.F.Chen著、丸善１９７７）に記載があるように、磁場に対して垂直方向のプラズマのインピーダンスが平行方向のプラズマのインピーダンスに比べて大きいことが知られている。そこで処理材に印加された高周波電力が、磁場を横切る方向に伝播することにより、前記処理材に電位分布を形成し、チャージングダメージを発生させる可能性があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体集積回路の集積度が高まるにつれ、例えば半導体素子の代表的な一例であるＭＯＳ(Metal Oxcide Semiconductor)トランジスタのゲート酸化膜が薄膜化し、ゲート酸化膜が絶縁破壊する（チャージングダメージ）問題が深刻になりつつある。また、前記処理基板を大面積化しスループットを向上させるために、直径300ｍｍの基板が用いられる見込みであり、大面積で、チャージングダメージの発生がない半導体製造装置の実現が望まれていた。
【０００５】
本発明の目的は、チャージングダメージを抑制し、高精度な表面処理が可能なプラズマ処理方法および装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理装置では、処理室（処理容器）側壁と真空容器間を絶縁し、インピーダンス制御回路を設けたことに特徴がある。そしてそのインピーダンス制御回路の周波数特性は、周波数に対してインピーダンスが変化しない、あるいは基板バイアス電源周波数以上の周波数帯で高いインピーダンス値をもつこと、あるいは基板バイアス電源周波数よりも低い周波数帯で高いインピーダンス値をもつこと、あるいは基板バイアス電源周波数を中心にあらかじめ定められた周波数帯で高いインピーダンス値をもつ。
【０００７】
また、前記インピーダンス制御回路のインピーダンスを制御し、基板電極から上部電極に流入する電流を５０％以上に設定制御することにある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図1から図4を用いて説明する。図1は本発明を適用するプラズマ処理装置の一実施例であるプラズマエッチング装置の構成図である。上部が開放された真空容器１０１の上部に絶縁リング１０５、処理容器１０４、誘電体窓１０２(例えば石英製)、上部電極１０３(例えばSi製)を設置、密封することにより処理室１２０を形成する。上部電極１０３はエッチングガスを流すための多孔構造となっておりガス供給装置１０７に接続されている。また真空容器１０１には真空排気口１０６を介して真空排気装置(図示省略)が接続されている。上部電極１０３上部には同軸線路１１１、整合器１１０、フィルター１０９,１１３を介して高周波電源１０８(例えば周波数４５０MHz)、アンテナバイアス電源１１２(例えば周波数１３．５６ＭＨｚ)が接続されている。また、被処理材１１６を載置可能にしている基板電極１１５は、真空容器１０１の下部に設置され、整合器１１８を介して基板バイアス電源１１７(例えば周波数８００ｋＨｚ)に接続されている。
【０００９】
処理容器１０４は上下に設置された絶縁リング１０５により真空容器１０１と電気的に絶縁され、抵抗、コンデンサ、インダクタ等から構成されるインピーダンス制御回路１１９を介して接地されている。したがってインピーダンス制御回路１１９により処理容器１０４とアース間のインピーダンスを制御可能にしている。また、処理室１２０の外周部には接地された電磁波シールド１２１が設置されている。
【００１０】
上記のように構成された装置において処理室１２０の内部を真空排気装置(図示省略)により減圧した後、ガス供給装置１０７によりエッチングガスを処理室１２０内に導入し、所望の圧力に調整する。高周波電源１０８により発振された例えば周波数４５０MHzの高周波電力は同軸線路１１１を伝播し、上部電極１０３および誘電体窓１０２を介して処理室１２０内に導入され、磁場発生用コイル１１４(例えばソレノイドコイル)により形成された磁場との相互作用により、処理室１２０内に高密度プラズマを生成する。特に電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度(例えば１６０G)を処理室内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。
【００１１】
また、アンテナバイアス電源１１２より、例えば周波数13.56MHzの高周波電力が同軸線路１１１を介して上部電極１０３に供給する。被処理材１１６は基板電極１１５に載置され基板バイアス電源１１７より高周波電力(例えば周波数800kHz)が供給され、表面処理(例えばエッチング処理)がおこなわれる。
【００１２】
本実施例の場合、磁場発生用コイル１１４により処理室１２０内に縦磁場が形成される。一般に有磁場プラズマ中では、磁場を横切る高周波電流により被処理材面内に電位分布が発生し、チャージングダメージ発生の一要因となる可能性がある。しかし、本発明では、処理室１２０側壁の絶縁リング１０５により絶縁された処理容器１０４を、インピーダンス制御回路１１９を用いてインピーダンス制御し、プラズマ中のインピーダンスの小さい縦方向の上部電極１０３に高周波電流を効率良く流すことにより、チャージングダメージを低減することができる。
【００１３】
側壁インピーダンスを制御した場合に、下部電極１１５から流入する高周波電流が上部電極１０３に流入する割合を図2に示す。縦軸は、上部電極電流／基板電極電流、すなわち電流比であり、横軸は対数目盛りで表わした側壁インピーダンスの値である。上部電極電流/基板電極電流の比の値を表わす曲線２０１は、側壁インピーダンスの増加に伴い増加する。つまり側壁インピーダンスを増加させることにより、基板電極から側壁に流れる電流を抑制し、上部電極電流／基板電極電流の比を増加させることができる。
【００１４】
図３に、ゲート酸化膜間電圧の側壁インピーダンス依存性を示す。縦軸はゲート酸化膜間電圧であり、横軸は対数目盛りで表わした側壁インピーダンスの値である。ゲート酸化膜間電圧３０１は側壁インピーダンスの増加に伴い減少する。つまり側壁インピーダンスを増加させることにより、基板電極１１５から上部電極１０３に効率良く高周波電流が流れることを意味し、結果として磁場を横切る方向の電流が減少することになる。その結果、被処理材１１６面内に発生する電位分布が抑制され、チャージングダメージを低減することができる。したがって、高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。また特に上部電極電流／基板電極電流の比を５０%以上とすることで被処理材１１６面内に発生する電位分布を効果的に低減することが可能であり、高精度なエッチング処理ができる効果がある。
【００１５】
またインピーダンス制御に、抵抗、コンデンサ、インダクタ、ダイオード、トランジスタ等の素子を組み合わせ、周波数特性を持たせることも可能である。インピーダンス制御回路１１９によるインピーダンスの具体的な周波数特性の例を図４の（ａ）、（ｂ），（ｃ）に示す。図は縦軸がインピーダンス制御回路１１９のインピーダンスであり、横軸が周波数である。インピーダンス制御回路として、周波数に対してインピーダンスが変化しない特性をもつ場合を図4の（ａ）、４０２に示す。４０１は基板バイアス電源（１１７）の周波数を示している。
【００１６】
基板バイアス周波数４０１よりも高周波側で高インピーダンスとなる場合を図4の（ｂ）、４０３ａに示す。基板バイアス周波数４０１よりも低周波側で高インピーダンスとなる場合を図４の（ｂ）、４０３ｂ（点線）として示した。基板バイアス周波数を中心としてあらかじめ定められた周波数帯でのインピーダンスが高くなる場合を図４の（ｃ）、４０４として示した。これらのいずれを適用した場合においても、先に述べた作用と同様に、基板電極１１５から上部電極１０３に効率良く高周波電流が流れるため、磁場を横切る方向の電流が減少する。その結果、被処理材１１６面内に発生する電位分布が抑制するように作用し、チャージングダメージを低減することが可能である。そのために高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。
【００１７】
特に基板バイアス周波数４０１よりも高周波側を高インピーダンスとした場合（図４の（ａ）４０３ａ）は、プラズマの直流的な電位が一定となるためにプラズマが安定して生成できるという効果がある。また、基板バイアス周波数４０１よりも低周波側を高インピーダンスとした場合（図４の（ｂ）４０３ｂ）は、プラズマ生成および上部電極バイアスとして用いられ、高周波電力(例えば周波数４５０MHzおよび１３．５６MHz)に対するインピーダンス制御回路１１９の影響がなく、安定なプラズマを生成することができるという効果がある。
【００１８】
また、基板バイアス周波数周辺の周波数帯でのインピーダンスを高くした場合（図４の（ｃ）４０４）は、上記の2つの効果を有するため、安定なプラズマを容易に生成することが可能である。従って、このような周波数特性を持つインピーダンス制御回路１１９を用いることで、安定で、チャージングダメージが発生しない処理が可能なので高精度なエッチング処理が可能である。
【００１９】
また上記実施例ではエッチング装置について述べたが、アッシング装置、ＣＶＤ装置など、他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。
【００２０】
【発明の効果】
本発明により、処理室側壁のインピーダンスが高くなるように制御することによって、プラズマ面内分布に起因する被処理材面内の電位分布を低減し、チャージングダメージの発生を抑制するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いたエッチング装置縦断面とブロック構成を示す図である。
【図２】側壁インピーダンスを制御した場合の、上部電極電流と下部電極電流の割合を示す特性図である。
【図３】側壁インピーダンスを制御した場合のゲート酸化膜間に発生する電圧を示す特性図である。
【図４】側壁インピーダンス制御回路の、周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
１０１・・・真空容器、１０２・・・誘電体、１０３・・・上部電極、１０４・・・処理容器、１０５・・・絶縁リング、１０６・・・真空排気口、１０７・・・ガス供給装置、１０８・・・高周波電源、１０９・・・フィルター、１１０・・・整合器、１１１・・・同軸線路、１１２・・・アンテナバイアス電源、１１３・・・フィルター、１１４・・・磁場発生用コイル、１１５・・・基板電極、１１６・・・被処理材、１１７・・・基板バイアス電源、１１８・・・整合器、１１９・・・インピーダンス制御回路、１２０・・・処理室、１２１・・・電磁波シールド、２０１・・・上部電極基板電極電流比、３０１・・・ゲート酸化膜間電圧、４０２，４０３ａ、４０３ｂ、４０４・・・インピーダンス制御回路のインピーダンス、４０１・・・基板バイアス周波数

Claims

真空排気装置が接続されて内部が真空状態とされた真空容器と、内部が処理室とされた処理容器と、該処理室内へガスを供給するガス供給装置と、該処理室内にプラズマを発生させるための装置と、処理室内に設けられる、被処理材を載置可能な基板電極と、該基板電極と対向する上部電極と、上部電極へ高周波電力を供給する高周波電源と、磁場発生装置と、基板電極に接続された基板バイアス電源とからなる半導体のプラズマ処理装置において、処理容器は真空容器に絶縁リングによって電気的に絶縁され、内部を真空状態とされ、基板電極から処理容器に流れる電流が抑制され、前記基板バイアス電源から基板電極に供給される高周波電流に対する該基板電極から前記上部電極に流入する該高周波電流の比が５０％以上に制御され、前記処理容器にはインピーダンス制御回路が設けられ、前記比が増加するようにされることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、インピーダンス制御回路は、周波数変化に対してインピーダンスが変化しない周波数特性をもつことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、インピーダンス制御回路は、基板バイアス電源の周波数以上の周波数帯で高インピーダンスとなる周波数特性をもつことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、インピーダンス制御回路は、基板バイアス電源周波数以下の周波数帯で高インピーダンスとなる周波数特性をもつことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、インピーダンス制御回路は、基板バイアス電源周波数を中心としてあらかじめ定められた周波数帯で高インピーダンスとなる周波数特性をもつことを特徴とするプラズマ処理装置。
真空排気装置が接続されて内部が真空状態とされた真空容器と、内部が処理室とされた処理容器と、該処理室内へガスを供給するガス供給装置と、該処理室内にプラズマを発生させるための装置と、処理室内に設けられる、被処理材を載置可能な基板電極と、該基板電極と対向する上部電極と、上部電極へ高周波電力を供給する高周波電源と、磁場発生装置と、基板電極に接続された基板バイアス電源とからなる半導体のプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
処理容器を真空容器に対して絶縁リングによって電気的に絶縁して内部を真空状態にして構成し、基板電極から処理容器に流れる電流を抑制するようにし、前記基板バイアス電源から基板電極に供給される高周波電流に対する該基板電極から前記上部電極に流入する該高周波電流の比を５０％以上に制御されるようにし、前記処理容器を、インピーダンス制御回路を介して接地し、前記比を増加させるように前記処理容器のインピーダンスを制御すること
を特徴とするプラズマ処理方法。