JP4554117B2

JP4554117B2 - 表面処理装置

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Publication number: JP4554117B2
Application number: JP2001213113A
Authority: JP
Inventors: 由紀香村; 康実佐護
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: JP2003031555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体等の製造装置に係わり、特にプラズマ利用平行平板表面処理装置に設けられるポイントカスプ磁場とガス孔の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から半導体製造プロセス等においては、エッチング、プラズマＣＶＤ(chemical vapor deposition)、アッシング等の表面処理に際して、真空容器内にプラズマを発生させ、被処理基板あるいはウェハの表面に所定の処理を行うように構成された表面処理装置が用いられてきた。
【０００３】
今日ではデバイスの集積度がますます高くなり、またスループットの向上も極めて重要であるため、これらの表面処理装置においては歩留まりの向上はもちろんのこと、微細な処理を高速に実施することがとりわけ重要視されている。更に、アスペクト比の高いコンタクトホールをエッチングする場合、プラズマ密度を上げると後で示す様にシース幅が短くなりシースで中性ガスと衝突して散乱されるイオンの量が減る。そのため、イオンがコンタクトホールの側壁に斜め方向に衝突してコンタクトホールが中膨れのボーイング形状になったり、垂直なホール形状が得られないといった問題が解消出来、垂直な形状のコンタクトホールをエッチング出来る。また、プラズマ密度が高いと高速エッチングが可能になる。
【０００４】
この為、プラズマ密度を上げて基板の高速処理を可能とするとともに、圧力を下げてイオンが加速されるシース中での散乱を防ぐのがエッチングプロセスにおける近年の技術趨勢である。また、アッシングする場合でも圧力が低いと蒸気圧の低い物質が残渣として残ることはなく、プラズマ密度が高いと高速処理が可能になる。プラズマＣＶＤを行う場合には、圧力が低いと気相反応が抑えられ、ダストが発生しない。
【０００５】
以上の説明の根拠の一つとなる前述の、プラズマ密度とシース幅について説明する。
【０００６】
プラズマのデバイ長は次式で与えられる。
【０００７】
λ_Ｄｅ＝７４３（Ｔ_ｅ／ｎ_ｅ）^0.5
ここにλ_Ｄｅはｃｍ表記のデバイ長で、Ｔ_ｅはｖｏｌｔで表した電子温度、ｎ_ｅはｃｍ^３当たりの電子密度である。このデバイス長を使うとプラズマのシース長Ｓは、チャイルドの式より次の様になる。
【０００８】
Ｓ＝［（２^1/2）／３］λ_Ｄｅ（２Ｖ_ｏ／Ｔ_ｅ）^3/4
ここで、Ｖ_ｏはシースにかかる電圧である。例えば、Ｔ_ｅ＝３ｅＶ、ｎ_ｅ＝１０^１１個／ｃｍ^３、Ｖ_ｏ＝６００Ｖの場合について計算するとシース幅は０．１７ｃｍ＝１．７ｍｍとなる。ガス圧４ＰａでＡｒ：３００ｓｃｃｍ、Ｃ_４Ｆ_８：１０ｓｃｃｍの標準プロセスでは、Ａｒの平均自由行程は３．５ｍｍであるのでシース中でのＡｒの散乱は４０％程度である。さらに、Ｃ_４Ｆ_８のＡｒ中の平均自由行程はＡｒの１／３．５倍程度しかないため、イオン化されたＣ_４Ｆ_８の平均自由行程は１ｍｍ程度となりシース中での衝突散乱は無視出来ない。実際、距離ｘを無衝突で走る粒子の割合はＥｘｐ（−ｘ／λ）で与えられ（ここで、λは平均自由行程、ｘは飛行距離）、これを計算するとＥｘｐ（−ｘ／λ）＝０．１８が得られる。従って、シースへ入射するイオン全体の８２％が衝突散乱する事になる。Ｃ_４Ｆ_８のイオン化率はＡｒよりはるかに大きいためこの散乱率は無視出来ない値となる。これが側壁のエッチングを引き起こし中ぶくれのボーイング形状となる原因となる。プラズマ密度を２倍に上げれば、シース長さは０．７倍程度になりボーイング形状を抑える事が出来る。
【０００９】
プラズマ密度を上げるには周波数を上げ高周波電力を増やせばよいが、現在主に用いられているＶＨＦ帯例えば６０ＭＨｚ以上に周波数を上げると、高周波は伝送条件が厳しくなり、プラズマ負荷とうまく結合しなくなる等の問題もあり、平行平板型の表面処理装置に用いるには非常な努力が必要である。また、高周波電力を増やすと異常放電を起こしやすいと言った問題もある。
【００１０】
この問題を解決して、プラズマ密度を上げ、圧力を下げるために磁場を使うマグネトロン型平行平板表面処理装置が有望視されている。
【００１１】
例えば、特開平１１−２８３９２６号には、図５に示すプラズマ処理装置が開示されている。図５に示したプラズマ処理装置は、ポイントカスプ磁場を発生させるため、小さな柱状磁石Ｍａを、基板載置電極３に対向する対向電極２の裏側に極性を交互に変えて多数配置した装置である。この場合の磁場構造と作用について説明する。磁石Ｍａの極性が逆であるため、隣り合う磁石Ｍａの間に磁束が発生し、高周波により発生したプラズマ中の電子がトラップされ中性粒子を効率よくイオン化し、プラズマ密度が上がる。こうして低いガス圧でプラズマ密度を増加させ、精度良いエッチングが可能になるとしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には次のような問題が認められる。
【００１３】
すなわち、プラズマ密度が高くなるぶん対向電極２のガス板に開けられたガス孔の中にプラズマが入り込み異常放電し、ガス孔の内部がエッチングされてガス孔の径が広がりますます放電しやすくなり、ガス孔内部のプラズマ密度が濃くなりガス孔の外部に拡散していくと共にその部分のガスの分解が他の部分に比べて進み、エッチング装置ではガス板に対向する基板４の当該部分のエッチング速度が速くなるといった問題がある。またプラズマＣＶＤ装置では当該部分のデポジットの量が多くなり過ぎたり、気相反応によりパーティクルが発生すると言った問題がある。アッシングでも均一な処理が難しいと言った問題がある。
【００１４】
本発明はこのような問題点を改善するものであり、ポイントカスプ磁場を発生させるＮ極とＳ極が交代する様に配置されたＮ極２個とＳ極２個からなる４個のマグネットの中間位置に生まれるゼロ磁場部分にガス板のガス孔を設ける事でプラズマ密度の薄い部分にガス孔を配置し、ガス孔が濃いプラズマに曝されない表面処理装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明によれば、基板が載置される基板載置面を有する基板載置電極と、前記基板載置面に対向する対向面を有する対向電極と、前記基板載置電極と前記対向電極との間にプラズマが生成されるべく、前記基板載置電極及び前記対向電極の少なくとも一方に電力を供給する電力供給部とを有し、前記プラズマを利用して前記基板の表面に所定の処理を行う表面処理装置であって、前記対向電極の前記対向面側に、該対向面との間に一定の距離を置いて配置されたガス板と、前記対向電極の前記対向面と前記ガス板との間に配置され、前記ガス板の前記基板載置面に対向するガス板面側にポイントカスプ磁場を生成するポイントカスプ磁場生成部とを更に有し、前記ガス板は、前記対向電極の前記対向面に実質的に垂直な方向に穿孔された複数のガス孔を有し、これら複数のガス孔は、前記ガス板における、前記ポイントカスプ磁場の複数のゼロ磁場位置に設けられていることを特徴とする表面処理装置が得られる。
【００１６】
更に本発明によれば、前記ポイントカスプ磁場生成部は、前記対向電極の前記対向面と前記ガス板との間に配置された複数の磁石を有し、前記複数の磁石は、前記ガス板にＮ極及びＳ極のうちの一方の極が対面した２個の第１の磁石と、前記ガス板にＮ極及びＳ極のうちの他方が対面した２個の第２の磁石とを有し、前記２個の第１の磁石のＮ極及びＳ極のうちの前記一方と、前記２個の第２の磁石のＮ極及びＳ極のうちの前記他方とは、方形の４角をなし、かつ、前記２個の第１の磁石のＮ極及びＳ極のうちの前記一方は前記方形の一つの対角をなし、前記２個の第２の磁石のＮ極及びＳ極のうちの前記他方は前記方形のもう一つの対角をなしており、前記方形の中心がゼロ磁場位置であることを特徴とする表面処理装置が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明を表面処理装置の一例であるエッチング装置に適用した場合について以下に説明する。エッチング装置だけでなく、アッシング、Ｐ（プラズマ）−ＣＶＤ等の表面処理装置でも同様である。
【００１８】
図１を参照すると、本発明の第１の実施例による表面処理装置（エッチング装置）が示されている。図１において、１は処理室、２は対向電極、３は基板載置電極、５は基板４を静電吸着する静電チャック、６は水冷電極、６ａは水冷電極冷却水入口、６ｂは水冷電極冷却水路、６ｃは水冷電極冷却水出口、１２は対向電極用電源である。１３は基板載置電極用電源、１３ａはブロッキングキャパシター、１５は静電チャック電極用電源、１５ａは高周波フィルター、１０は絶縁体、２１はガス供給系、２２は排気バルブ、３１は基板着脱に用いる突上げピンである。対向電極２にはガス孔１１ａが多数開けられたガス板１１とガス板１１を水冷する水冷ホルダー８が設置され、水冷ホルダー８に開けられた空隙に磁石ａと逆極性磁石ｂが交互に格子状に並べられている。これらの磁石ａ及びｂは磁石ａ及びｂに接着されたヨークに開けられたネジ穴により磁石支持板ｃにネジで固定されている。磁石支持板ｃの裏にはガス分散孔９ａが開けられたガス分散板９があり、ガスを均一化する役目をになう。水冷ホルダー８には水冷管８ｂがあり、水冷管入口８ａから冷却水が供給され、水冷管出口８ｃから出て行く。なお磁石支持板ｃにも、ガス孔が多数開けられガス分散の役目を一部になっている。
【００１９】
このエッチング装置を動作させるには、先ず、排気系に繋がるバルブ２２を通して処理室１内部を排気した後、静電チャック電源１５より電極に電圧を印加して基板４を吸着固定して、ガス供給系２１から対向電極２に処理ガスを送り処理室１の内部を一定圧力とする。
【００２０】
その後、対向電極用電源１２からＶＨＦ帯（例えば６０ＭＨｚ）の高周波電力を対向電極２に供給し、基板載置電極３に基板載置電極用電源１３からＨＦ帯（例えば１．６ＭＨｚ）の高周波電力を供給する。そうすると、ＶＨＦ帯の高周波電力によって比較的高密度のプラズマ及びエッチャントが生成され、ＨＦ帯の高周波電力によってイオン衝撃エネルギがプラズマ密度とは独立に制御される。ここで、格子状に極性が逆に置かれた磁石ａ，ｂにより生じる磁束１１１により、プラズマ中の電子はトラップされ、電子が中性粒子と何度も衝突して中性粒子をイオン化し、高密度プラズマを生む。
【００２１】
この様にして、目的とする低い圧力で、高密度プラズマが得られ、均一なエッチング処理が実行される。なおガス圧などの条件は従来技術で示したものと同じである。酸化膜エッチの場合、さらに酸素を５ｓｃｃｍ程度加えるのが普通である。この場合、基板温度は６０℃、対向電極温度は９０℃に保たれている。
【００２２】
高密度プラズマは、磁場に閉じ込められているが、ＥｘＢドリフトにより電子がサイクロイド運動しポイントカスプの磁場の弱い所に達し磁場から逃れて磁場の無いバルクプラズマに拡散していく。イオンは本実施例のような数百ガウスの磁場にトラップされる事はない。この様にして高密度プラズマ中の電子の拡散によりイオンも電子に引きずられて拡散し、基板４周辺のプラズマ密度も高くなり、かつ拡散中にプラズマ密度は均一化する。また、プロセスガスの解離やイオン化も進むためエッチングレートが向上する。これがポイントカスプ磁場を用いたエッチングの特徴となる。
【００２３】
次に、本願発明の主要部分である磁石ａ及びｂとガス孔１１ａの位置関係を、図２を用いて説明する。図２において、ａは磁石、ｂは逆極性磁石でガス板１１（図１）の裏にほぼ１ｃｍ間隔で交互に全面に設置されている。１００は磁石ａと逆極性磁石ｂによりつくられた磁束を表し、ポイントカスプ磁場を形成する。この様な、磁石ａ及びｂの配置では、互いに隣接する２個の磁石ａと２個の逆極性磁石ｂとでつくられる正方形の中心では磁場が打ち消されてゼロになる。本実施例では、このゼロ磁場の点にガス孔１１ａをガス板１１に設けて、ゼロ磁場の点にてガス孔１１ａがガス板１１を貫通するようにする。この様にすると、ガス孔１１ａ付近の磁場強度がほとんどゼロであるため他の箇所に比べてガス板１１のエッチングが進まず、またガス孔１１ａの内部もエッチングされない。この為、ガス孔１１ａの長さが短くなる事も、ガス孔１１ａの内径が大きくなる量も減るためガス孔１１のコンダクタンスはあまり変化せず、基板処理を長い間続けても処理条件が変化する事はない。
【００２４】
図１及び図２において、上述した本発明の第１の実施例による表面処理装置をまとめると、第１の実施例は、基板４が載置される基板載置面を有する基板載置電極３と、基板載置面に対向する対向面を有する対向電極２と、基板載置電極３と対向電極２との間にプラズマが生成されるべく、基板載置電極３及び対向電極２の少なくとも一方に電力を供給する電力供給部１２或いは１３とを有し、前記プラズマを利用して基板４の表面に所定の処理を行う表面処理装置であって、対向電極２の前記対向面側に、該対向面との間に一定の距離を置いて配置されたガス板１１と、対向電極２の前記対向面とガス板１１との間に配置され、ガス板１１の前記基板載置面に対向するガス板面側にポイントカスプ磁場（図１の１１１或いは図２の１００）を生成するポイントカスプ磁場生成部（ａ、ｂ、ｃ）とを更に有し、ガス板１１は、対向電極２の前記対向面に実質的に垂直な方向に穿孔された複数のガス孔１１ａを有し、これら複数のガス孔１１ａは、ガス板１１における、前記ポイントカスプ磁場の複数のゼロ磁場位置に設けられていることを特徴とする。
【００２５】
典型的には、前記ポイントカスプ磁場生成部は、図２に示すように、対向電極２の前記対向面とガス板１１との間に配置された複数の磁石（ａ、ｂ）を有し、複数の磁石は、ガス板１１にＮ極及びＳ極のうちの一方の極が対面した２個の第１の磁石（ａ）と、前記ガス板にＮ極及びＳ極のうちの他方が対面した２個の第２の磁石（ｂ）とを有し、前記２個の第１の磁石（ａ）のＮ極及びＳ極のうちの前記一方と、前記２個の第２の磁石（ｂ）のＮ極及びＳ極のうちの前記他方とは、方形の４角をなし、かつ、前記２個の第１の磁石（ａ）のＮ極及びＳ極のうちの前記一方は前記方形の一つの対角をなし、前記２個の第２の磁石（ｂ）のＮ極及びＳ極のうちの前記他方は前記方形のもう一つの対角をなしてなしており、前記方形の中心がゼロ磁場位置であることを特徴とする。
【００２６】
この第１の実施例以外の有力な案としては次の様なものが考えられる。磁石の位置とガス孔を同じ箇所にすると磁石の直上では発散磁場効果で電子密度ひいてはプラズマ密度が低下する。このため磁場ゼロにガス孔を貫通させるのと同様の効果が見込める。しかし、この様なガス孔と磁石の位置を同じにすると次の様な問題が生じる。
【００２７】
磁石はプラズマに近い方がプラズマを効率よく生成出来る。特にポイントカスプの特徴は、ガス板付近で強い磁場を作り、ガス板から離れると急速に磁場が弱くなり、基板付近ではほとんどゼロになる。この様に基板付近で磁場がゼロに近づくポイントカスプを使う理由は次の通りである。基板付近で磁場が存在するとプラズマ密度に差が出来、基板に流入する電流値が一様でなくなり、基板に一様でないチャージが溜り、絶縁の破壊などを引き起こしてデバイスに決定的なダメージを与える。これをポイントカスプは防ぐ事が出来る。
【００２８】
この様な問題を回避する為にはポイントカスプのように磁石から離れるに従って磁場が急速に減少し基板付近では磁場がほとんどゼロになる事が好ましい。しかし、ポイントカスプにおいて磁石とガス孔の位置を同じにするとガス孔にガスを流す為ガス板と磁石の距離を離しかつその距離を一定にする必要がある。この距離が一定でないとコンダクタンスがガス孔ごとに変化して個々のガス孔に流れ込むガス流量に差が出来ガス孔付近のエッチング特性が不均一になってしまう。この距離を決めるために磁石とガス板をネジ止めしたり、接着剤で止めたりするが正確な値を出す事は難しい。さらに、磁石とガス孔がオフセットした位置にある場合に比べ、磁石とガス位置が同じ場合には、ガス流を確保する必要上磁石からガス板のプラズマ側の表面までの距離が遠くなる。磁力の強さは磁石からの距離の２乗（双極子と見れば距離の３乗）で変化するため、ガス板付近の磁力が小さくなるが、基板付近の磁場の強さはほとんど変わらず、ポイントカスプの有利な特徴が減殺される。この為、磁石とガス孔の位置は相互にずれていると磁石をガス板に近づける事が出来、好ましい。
【００２９】
さらに、この実施例以外の有力な案のように、ガス孔と磁石が同じ位置にあると、ガス孔にプラズマが入り込みプラズマ密度が増大する事がある。これを図３を用いて説明する。ガス板１１のガス孔１１ａが磁石ａの直上にある場合、磁束は磁石ａから垂直に出る為、磁束はガス孔１１ａの側壁に平行に流れる。そうするとプラズマ中の電子はこのガス孔１１ａの側壁に平行な磁束にトラップされ、ガス孔１１ａの側壁に衝突して消えるまでの時間が長くなり、ガス孔１１ａの中でのプラズマ生成の効率が上昇する。その結果、プラズマ密度が上がり、ガス孔１１ａの内径が大きくなり、ますますプラズマ密度が上昇し、ついにはホローカソード放電となってガス孔の径が急激に広がると共に、プラズマ密度の不均一により基板のエッチレートのバラツキが大きくなる。
【００３０】
また、この様な異常放電が拡大しない場合でも磁石がプラズマに触れプラズマの加熱で磁石の温度が上昇し、キューリー点を越え磁力が無くなったり、そこまで行かなくても磁石が減磁して初期の磁場特性を維持出来なくなり、プラズマ状態が変化してエッチング特性が変化してしまう。この様な一部のわずかなエッチング特性の変化は見出す事が難しく、問題が見過ごされたまま長期にわたりデバイスを生産し続けて不良品の山を築く事になる。
【００３１】
この様な二つの理由から、ガス孔の位置は磁石直下ではなく磁石からずれたゼロ磁場の位置に持ってくる事が好ましい。
【００３２】
次に本発明の第２の実施例による表面処理装置について図４を用いて説明する。
【００３３】
この第２の実施例は、磁石ａ（或いはｂ）をプラズマに近づけ、かつガス孔１１ａと磁石ａ（或いはｂ）との間のガスが存在するスペースをなくす事を目的としている。図４において、ガス板１１のガス孔１１ａは、隣接する２個の磁石ａ及び２個の逆極性磁石ｂ（図１）からなる正方形の中心にあるゼロ磁場ポイントに設けられている。磁石ａはガス板１１に穿たれた磁石孔１１ｂに一部が入り込む形で設置され、反対側（裏側）は磁石支持板ｃ（図１）で保持されている。磁石ａの周囲は万一プラズマがガス板１１の裏側に回り込んでも磁石ａがプラズマに曝されないよう磁石保護筒１１ｃが設けられている。この様に磁石ａの位置とガス孔１１ａの位置をオフセットすると、設計の自由度が得られるというメリットもある。
【００３４】
なお、ガス板１１の裏にエッチング物質がデポジットする場合ガス流量を増やしガス孔１１ａの径を小さくすればデポジットを防げることは、特開平３−１７５６２７号公報に記載されているのでこの方法を用いることが出来る。
【００３５】
なお、ガス板１１付近で高密度プラズマが発生するため、ガス板１１をＳｉやＳｉＯ_２等のスカベンジャー材で作る事が好ましい。また高周波の伝播という点からは、ガス板１１を絶縁物、ドーピングされた半導体、金属にする事も可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明を用いると、各々のガス孔の流量を一定に制御出来、磁場をガス板付近で高く基板付近で無視出来るほど小さく出来、高いプラズマ密度と基板付近での均一なプラズマ密度を両立させる事が出来る。そうすると、エッチングでは高速かつ均一性も良くエッチング形状も均一な基板処理を実現出来る。プラズマＣＶＤでは高速でかつ膜質も膜厚も均一な基板処理を実現出来る。
【００３７】
また磁石とガス孔が相互にずれた位置に置かれる為、ガス孔の中にプラズマが入り込んでも磁石にプラズマが触れず、磁石の温度が上昇して減磁し磁場特性が変化する事を防げる。この為プラズマ特性が変化しエッチングやプラズマＣＶＤ特性が変わると言った問題もない。
【００３８】
また、アッシングではアッシングレートの均一性や残渣の均一性を実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による表面処理装置の断面図である。
【図２】図１の表面処理装置において、磁石と、ガス板に設けられるガス孔との位置関係を説明するための図である。
【図３】上記第１の実施例以外の有力な案を説明するためのガス板と磁石の断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例による表面処理装置のガス板と磁石の断面図である。
【図５】従来のプラズマ処理装置の斜視図である。
【符号の説明】
１処理室
２対向電極
３基板載置電極
４基板
８水冷ホルダー
８ｂ水冷管
８ａ水冷管入口
８ｃ水冷管出口
９ガス分散板
９ａガス分散孔
１１ガス板
１１ａガス孔
１１ｂ磁石孔
１１ｃ磁石保護筒
１２対向電極用電源
１３基板載置電極用電源
ａ磁石
ｂ磁石（逆極性磁石）
ｃ磁石支持板

Claims

基板が載置される基板載置面を有する基板載置電極と、前記基板載置面に対向する対向面を有する対向電極と、前記基板載置電極と前記対向電極との間にプラズマが生成されるべく、前記基板載置電極及び前記対向電極の少なくとも一方に電力を供給する電力供給部とを有し、前記プラズマを利用して前記基板の表面に所定の処理を行う表面処理装置であって、前記対向電極の前記対向面側に、該対向面との間に一定の距離を置いて配置されたガス板と、前記対向電極の前記対向面と前記ガス板との間に配置され、前記ガス板の前記基板載置面に対向するガス板面側にポイントカスプ磁場を生成するポイントカスプ磁場生成部とを更に有し、前記ガス板は、前記対向電極の前記対向面に実質的に垂直な方向に穿孔された複数のガス孔を有し、これら複数のガス孔は、前記ガス板における、前記ポイントカスプ磁場の複数のゼロ磁場位置に設けられていることを特徴とする表面処理装置。
請求項１に記載の表面処理装置において、
前記ポイントカスプ磁場生成部は、前記対向電極の前記対向面と前記ガス板との間に配置された複数の磁石を有し、前記複数の磁石は、前記ガス板にＮ極及びＳ極のうちの一方の極が対面した２個の第１の磁石と、前記ガス板にＮ極及びＳ極のうちの他方が対面した２個の第２の磁石とを有し、前記２個の第１の磁石のＮ極及びＳ極のうちの前記一方と、前記２個の第２の磁石のＮ極及びＳ極のうちの前記他方とは、方形の４角をなし、かつ、前記２個の第１の磁石のＮ極及びＳ極のうちの前記一方は前記方形の一つの対角をなし、前記２個の第２の磁石のＮ極及びＳ極のうちの前記他方は前記方形のもう一つの対角をなしており、前記方形の中心がゼロ磁場位置であることを特徴とする表面処理装置。