JP4676222B2

JP4676222B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4676222B2
Application number: JP2005071595A
Authority: JP
Inventors: 健吉岡; 剛島田; 学枝村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: JP2006253599A

Description

本発明は、アンテナに高周波電力を供給して電界を発生させ、その電界によりプラズマを発生し、そのプラズマにより基板のエッチングや薄膜形成等の表面処理を行うプラズマ処理装置に関する。

近年、半導体デバイス製造分野において、ＮiＦe、ＰtＭn、ＩrＭn などの強磁性・反強磁性材料、Ｐt、Ｉr、Ａu、Ｔa、Ｒu などの貴金属材料、又はＡl₂Ｏ₃、ＨfＯ₂、Ｔa₂Ｏ₃ などの高誘電体材料、更にはＰＺＴ、ＢＳＴ、ＳＢＴなどの強誘電体材料が、従来のＤＲＡＭやＡＳＩＣに代表される半導体デバイスだけでなく、ＦＲＡＭやＭＲＡＭなどの新しいメモリデバイスに多用されようとしている。

しかし、これらの材料は、従来から半導体デバイスの材料として多用されてきたＳi、Ａl、ＳiＯ₂ などと異なり、エッチング時の反応生成物の蒸気圧が低く、このため、ドライエッチング加工に際してエッチングされ難いという特性がある。

しかも、これらの材料の場合、一旦、エッチングされて生じた反応生成物がウエハから脱離した後、排気されずに反応容器内壁に付着してしまうので、これがエッチング反応の安定性(エッチング速度や、均一性、加工垂直性等の経時安定性)を阻害し、エッチング加工処理の生産性を悪化させていた。

そこで、このような不揮発性材料のドライエッチングを対象とした誘導結合方式のプラズマ処理装置において、誘導結合アンテナとプラズマとの間に静電容量結合アンテナを設け、この静電容量結合アンテナに高周波電力を供給することで、真空容器内壁への反応生成物の付着の低減、又は真空容器内壁のクリーニングを可能にした装置が従来から知られている(例えば、特許文献１、特許文献２参照。)。

そして、これら従来技術では、誘導結合アンテナとプラズマの間に置かれた誘電体封止窓部として、その直上に設置された静電容量結合アンテナ並びに誘導結合アンテナによるプラズマへの作用を確実にし、且つ機械的強度を十分に保つため、誘電率が高く、しかも機械的強度が大きいアルミナ(Ａl₂Ｏ₃)セラミックスなどの部材が用いられている。
特開平１０−２７５６９４号特開２０００−３２３２９８号公報

上記従来技術は、静電容量結合アンテナによる電圧が誘電体封止窓部に与える影響に配慮がされておらず、誘電体封止窓部にアルミナセラミックスを用いたことによる金属汚染の発生に問題があった。

誘導結合アンテナの磁界によりプラズマを発生させるようにしたプラズマ処理装置において、静電容量結合アンテナに電圧を印加し、アルミナセラミックスの誘電体封止窓部に対する反応生成物の付着を低減し、或いはクリーニングを可能にした装置の場合、プラズマによるエッチングが誘電体封止窓部の母材自体にも生起されてしまう。

このとき、誘電体封止窓部の母材にＡl(アルミニウム)、Ｍg(マグネシウム)などの金属不純物が含有されていたとすると、これらの不純物がプラズマ中に叩き出されてしまい、被処理物に金属汚染を引き起こしてしまうが、ここで、アルミナセラミックスの場合、Ａl やＭg を不純物として含むのが通例であり、従って、従来技術では、金属汚染が発生してしまうのである。

本発明の目的は、真空容器の誘電体封止窓部にアルミナセラミックスを用いても真空容器内壁への反応生成物の付着と金属汚染の双方が抑えられるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、コイル状の誘導結合アンテナと、板状の静電容量結合アンテナと、前記誘導結合アンテナと前記静電容量結合アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備え、前記誘導結合アンテナによる磁界と前記静電容量結合アンテナによる電界を誘電体封止窓部から処理室の中に導入してプラズマを発生させ、半導体デバイス材料を処理するプラズマ処理装置において、前記誘電体封止窓部を、前記処理室に向いている方の面に厚さ２ｍｍの石英板が設けられた厚さ１５ｍｍのアルミナセラミックスで構成し、前記静電容量結合アンテナに前記高周波電源から１０００Ｖの高周波電圧を印加することにより、前記誘電体封止窓部の母材であるアルミナセラミックスに対するエッチングを前記石英板により抑止しながら前記半導体デバイス材料のエッチングにより生じる反応生成物の前記誘電体封止窓部に対する付着の抑制が得られるようにして達成される。

このとき、前記石英板の厚さが、前記静電容量結合アンテナにより前記誘電体封止窓部の前記処理室に向いている方の面に誘起される電圧の、前記石英板が存在したことによる低下が約８０％になるような値に選ばれているようにしてもよい。

本発明によれば、誘電体封止窓部に反応生成物を付着させることなく、且つアルミナセラミックスに含まれる金属による汚染を生じることなく、不揮発性材料のエッチングを行うことができる。

以下、本発明によるエッチング処理装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の一例で、この場合、エッチング処理室１１は、誘電体封止窓部２０と処理ガス導入部１３を備えた真空容器２１により区画されている。そして、このエッチング処理室１１の中に試料台１２が設けられ、その上に被処理物１８が載置されるようになっている。

このとき誘電体封止窓部２０は、上記したように、アルミナ(Ａl₂Ｏ₃)セラミックスで作られていて、磁界と電界をエッチング処理室１１内に誘起させる働きをするもので、このため、その上面(エッチング処理室の外側の面)に、板状の静電容量結合アンテナ１９が設置され、更に、その上部には、コイル状の誘導結合アンテナ１５が設置されている。ここで静電容量結合アンテナ１９は、溶射法により生成したタングステンのコーティング層により形成されている。

そして、これら誘導結合アンテナ１５と静電容量結合アンテナ１９には高周波装置１６が接続され、例えば１３ＭＨｚの高周波電力がそれぞれに供給されるようになっている。このため、高周波装置１６には、１３ＭＨｚの高周波電源とマッチングボックスが備えられている。

また、試料台１２には、別の高周波装置１７が接続され、これにより、その上に載置した被処理物１８に入射されるイオンエネルギーが制御できるようになっている。

ここで、誘電体封止窓部２０の下面(エッチング処理室の内側の面)に設けてあるのが石英カバーガラス２２であり、これは、図２に詳細に示されているように、石英ボルト２３により、誘電体封止窓部２０の下面にねじ止めされている。このときアルミナセラミックス製の誘電体封止窓部２０の厚みは、例えば１５ｍｍであり、石英カバーガラス２２は、例えば厚さ２ｍｍである。

プラズマ処理に際しては、高周波装置１６からコイル状誘導結合アンテナ１５に高周波電力を供給し、エッチング処理室１１内にプラズマを発生させるのであるが、このとき、高周波装置１６は、板状の静電容量結合アンテナ１９にも高周波電力を供給し、誘導結合アンテナ１５と静電容量結合アンテナ１９の双方に夫々任意の強さの電力が供給できるようになっている。

既に説明したように、Ｐt やＩr などの不揮発性材料の場合、エッチング処理中に誘電体封止窓部２０に付着する反応生成物の量が多くなり、プラズマ不着火や異物発生の原因となる。そのため、エッチング処理中には、静電容量結合アンテナ１９に高周波電圧を印加し、誘電体封止窓部２０に反応生成物が付着しないようにする。

これは、静電容量結合アンテナ１９に電圧が印加されていると、誘電体封止窓部２０の下面にバイアスがかけられ、プラズマ中のイオンを引き込んでスパッタエッチングを起こし、これにより反応生成物の堆積を抑えるようにする働きが得られるからであるが、このとき、反応生成物の堆積を効率よく抑えるようにするためには、静電容量結合アンテナ１９よる電界が、誘電体封止窓部２０の上面から下面に効率よく誘導される必要がある。

そのためには、誘電体封止窓部２０を、誘電率εが高く(例えばε＝９程度)、薄くても充分な強度が保てる材料で作る必要があり、このような材料として、上記したアルミナセラミックスは好適であり、従って、この実施形態では、これも上記したように、厚みが１５ｍｍ程度まで薄くできるのである。

ところで、このように静電容量結合アンテナ１９に電圧を印加した場合、印加電圧をいかに適度に調節したとしても、誘電体封止窓部２０の母材であるアルミナセラミックス自体にエッチングが生じてしまうのが避けられず、この結果、反応生成物の抑制は得られるものの、これに伴って誘電体封止窓部２０の母材から不純物が析出されてしまう。

このときアルミナセラミックスは、一般に、純度９９．５％程度が限度であり、しかも不純物としてＭg(マグネシウム)やＡl(アルミニウム)が２５００ｐｐｍ程度含まれているのが通例であり、従って、静電容量結合アンテナ１９に電圧を印加した場合、誘電体封止窓部２０の母材であるアルミナセラミックスからＭg やＡl がプラズマ中に叩き出され、被処理物に好ましくない金属が混入してしまうという、いわゆる金属汚染が引き起こされてしまう。なお、これが、上記した従来技術の問題であることは既に説明したところである。

そこで、この実施形態では、石英カバーガラス２２を、図示のように、誘電体封止窓部２０の下面に設けたものである。ここで周知のように、石英材は成分がＳiＯ₂ であり、しかも含有不純物が極めて少ない素材なので、表面がスパッタされることによる金属汚染の虞はほとんどなくなる。

従って、この実施形態によれば、静電容量結合アンテナを用いたことによる反応生成物の抑制を、金属汚染の虞なく得ることができ、この結果、不揮発性材料のドライエッチングにも適したプラズマ処理装置を提供することができる。

ここで、図３は、静電容量結合アンテナ１９に印加した電圧に対して、誘電体封止窓部２０の下面に誘起される実効電圧、すなわち誘電体封止窓部２０の母材であるアルミナセラミックスにイオンスパッタリングを起こしてしまう電圧の関係を示した特性図で、ここでは、まず、誘電体封止窓部２０が厚さ１５ｍｍのアルミナセラミックス製で、石英カバーガラス２２が無い場合の特性をＸとし、これに厚さ２ｍｍの石英カバーガラス２２を有する場合、つまり本発明の実施形態の場合の特性をＹとして示したもので、このとき、参考として誘電体封止窓部を厚さ３０ｍｍの石英だけで構成した場合の特性がＺとして示されている。

そして、まず、誘電体封止窓部が厚さ１５ｍｍのアルミナセラミックスだけで構成されている場合、特性Ｘに示すように、静電容量結合アンテナの印加電圧を約８００Ｖにすれば、誘電体封止窓部の下面での実効電圧は、反応生成物の抑圧に好適な１００〜１５０Ｖの電圧になり、反応生成物を付着させないでプラズマ処理することができる。

但し、この特性Ｘの場合、つまり誘電体封止窓部を厚さ１５ｍｍのアルミナセラミックスだけで構成した場合は、上記した金属汚染の発生が免れないことは言うまでもない。

次に、誘電体封止窓部として、厚さ１５ｍｍのアルミナセラミックスに厚さ２ｍｍの石英カバーガラスを組み合わせたものを用いたときの特性Ｙの場合、静電容量結合アンテナの印加電圧を約１０００Ｖにしてやれば、誘電体封止窓部の下面での実効電圧が反応生成物の抑圧に好適な１００〜１５０Ｖの電圧になり、反応生成物を付着させないでプラズマ処理できることが判る。

つまり、上記実施形態の場合、誘電体封止窓部の下面での実効電圧として、反応生成物の抑圧に好適な１００〜１５０Ｖの電圧を得るためには、静電容量結合アンテナ１９の印加電圧を、特性Ｘのときの約２０％高の１０００Ｖにする必要があるが、この程度の電圧上昇は実用上、それ程問題無く容易であり、これで反応生成物を付着させないでプラズマ処理できることになる。

従って、この実施形態によれば、静電容量結合アンテナ１９に対する印加電圧を２０％程度、上げてやるだけで金属汚染を抑えることができ、誘導結合方式のプラズマ処理装置による利点が充分に享受できることが判る。

ところで、上記実施形態では、石英カバーガラス２２の厚さが２ｍｍで、このときの静電容量結合アンテナ１９に対する印加電圧は、図３の特性Ｙから明らかなように、１０００Ｖであり、一方、図３の特性Ｘから明らかなように、石英カバーガラスが無い場合の印加電圧は８００Ｖであるから、厚さ２ｍｍの石英カバーガラスを設けたことによる印加電圧の低下は、約８０％であるということができる。

ここで、参考例として示した特性Ｚについて説明すると、この場合、図示のように、静電容量結合アンテナの印加電圧を２０００Ｖに高くしても、下面での実効電圧は３０Ｖにしかならず、従って、この場合は充分な反応生成物抑制効果が得られないことが判る。

ここで、石英製窓の場合でも、その厚さを３０ｍｍよりも薄くしてやれば良いように思えるかもしれない。しかし、ここで厚さを３０ｍｍとかなり大きく取ったのは、大気圧に耐えるのに必要な機械的強度を得るためであり、石英の場合は３０ｍｍの厚さにして、やっと厚さ１５ｍｍのアルミナセラミックスと同等な機械的強度が得られるに過ぎないからである。

このように、本発明の実施形態によれば、機械的強度が高いアルミナセラミックスにより誘電体封止窓部２０を構成し、その内側の表面に適切な厚さの石英カバーガラス２２を設けた結果、反応生成物を付着させることなく、且つアルミナセラミックスに含まれる金属による汚染を生じることなく、不揮発性材料のエッチングを行うことができる。

なお、以上の実施形態では、本発明を半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置に適用した場合について説明したが、本発明は、半導体デバイスの製造の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や、各種材料の成膜、表面処理にも適用が可能であり、特に、不揮発性材料のエッチングや、壁面に多量の堆積物が付着するプラズマＣＶＤに適しているものである。

本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図である。本発明の一実施形態における誘電体封止窓部の詳細図である。本発明の効果を説明するための特性図である。

符号の説明

１１：エッチング処理室
１２：試料台
１３：処理ガス導入部
１５：誘導結合アンテナ
１６：高周波装置(アンテナ用)
１７：高周波装置(試料台用)
１８：被処理物
１９：静電容量結合アンテナ
２０：誘電体封止窓部
２１：真空容器
２２：石英カバーガラス
２３：石英ボルト

Claims

コイル状の誘導結合アンテナと、板状の静電容量結合アンテナと、前記誘導結合アンテナと前記静電容量結合アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備え、
前記誘導結合アンテナによる磁界と前記静電容量結合アンテナによる電界を誘電体封止窓部から処理室の中に導入してプラズマを発生させ、半導体デバイス材料を処理するプラズマ処理装置において、
前記誘電体封止窓部を、前記処理室に向いている方の面に厚さ２ｍｍの石英板が設けられた厚さ１５ｍｍのアルミナセラミックスで構成し、
前記静電容量結合アンテナに前記高周波電源から１０００Ｖの高周波電圧を印加することにより、
前記誘電体封止窓部の母材であるアルミナセラミックスに対するエッチングを前記石英板により抑止しながら前記半導体デバイス材料のエッチングにより生じる反応生成物の前記誘電体封止窓部に対する付着の抑制が得られるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。