JP5581366B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＮＬＤ（磁気中性線放電）を利用したプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。
半導体製造分野の薄膜製造工程においては、基板の表面に配線用の薄膜や絶縁性薄膜を形成する成膜工程が行われる。成膜装置には、プラズマＣＶＤ装置やスパッタ装置が広く用いられている。
スパッタ装置としては、ターゲット裏面に電磁石や永久磁石を配置し、ターゲット表面上にリング状のマグネトロン放電プラズマを発生させ、ターゲットをスパッタし、そのスパッタ物を基板に堆積させて成膜するマグネトロンスパッタ装置が知られている（特許文献１参照）。マグネトロンスパッタ装置は、効率よくプラズマを形成できるため、比較的低温、低ガス圧下での成膜が可能であり、成膜レートも高いという利点がある。
また、従来、シリコン基板の表面の加工には、プラズマエッチング（ドライエッチング）方法が広く用いられている。室温における原子状（ラジカル）フッ素とシリコンの反応は自発的であり、比較的高いエッチングレートが得られることから、シリコン基板のエッチングでは、エッチングガスとしてＳＦ６、ＮＦ３、ＣＯＦ２、ＸｅＦ２等のフッ素を含むガスが多用されている。ところが、フッ素を含むエッチングガスを用いたシリコン基板のドライエッチングは等方的であるため、形成された凹凸パターン（エッチングパターン）の凹部の側面にもエッチングが進行する。このため、スルーホールやディープトレンチなどの微細でアスペクト比の高いビアを高精度に形成することが困難であった。
そこで近年、パターンの側面に保護膜を形成しながらエッチングを行うことで、エッチングの横方向の広がりを抑え、パターン側面の垂直性を維持できるシリコン基板の深掘り加工技術が提案されている。
例えば特許文献２，３には、エッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返して行うことで、エッチング工程で露出したパターンの底部および側面にポリマー層からなる保護膜を形成しながらエッチングを行う方法が開示されている。保護膜形成工程で凹部の側面に形成されたポリマー層は、パターンの底部に形成されたポリマー層に比べて、エッチング工程において除去される量が少ないため、このパターンの側面に形成されたポリマー層がエッチング保護膜として機能し、エッチング方向をパターンの深さ方向に制限する異方性エッチングが実現可能となる。
特に、特許文献２には、保護膜の成膜手法として、ＣＨＦ系ガスを用いたＣＶＤ法が開示されている。また、特許文献３には、保護膜の成膜手法として、基板に対向配置されたスパッタターゲットに対するアルゴンガスを用いたスパッタ法が開示されている。
特開２００１−２７１１６３号公報 米国特許第５，５０１，８９３号明細書 ＷＯ２００６／００３９６２号公報
一般に、スパッタ装置においては、プラズマ中のイオンとの衝突によりターゲット表面から叩き出されたスパッタ粒子（スパッタ物）は基板に対して直線的に入射するため、基板表面の段差部分や高アスペクト比の孔あるいは溝の側壁に対する成膜精度が基板とターゲットの間の幾何学的配置関係に大きく影響される。このため、基板表面の成膜領域全体にわたって均一なカバレッジ性を確保できないという問題がある。特にマグネトロンスパッタ装置においては、プラズマ密度の分布に起因したターゲットのエロージョン速度の相違が、均一性確保をより困難にしている。
一方、シリコン基板の深掘り加工技術の分野においては、加工精度の向上と生産性の改善が求められている。深掘り加工技術の加工精度の向上には、エッチングパターンの高精度な形状制御が必須となる。このため、形成したビアのサイドエッチングを保護膜で防止しながら、ビアの形状精度を向上させるようにしている。
この場合、エッチングパターンの凹部を被覆する保護膜のカバレッジ性が重要な要素となる。カバレッジ性は、一般に、パターンの形状が微細なほど、パターンの深さが深くなるほど、制御が困難となる。また、生産性の改善には、カバレッジ性の面内分布の向上を図らなければならない。したがって、所望のパターン形状を有するビア付き基板を生産性高く得るためには、保護膜のカバレッジ性向上とその面内分布を高度にコントロール可能な技術が不可欠となる。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、カバレッジ性の高い、面内均一性に優れたプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の一形態に係るプラズマ処理装置は、真空チャンバと、ステージと、ターゲット材と、プラズマ源とを具備する。
前記ステージは、基板を支持するためのもので、前記真空チャンバの内部に設置される。前記ターゲット材は、前記ステージと対向して設置される。前記プラズマ源は、前記真空チャンバ内に高周波電場を形成する電場形成手段と、前記真空チャンバ内に磁気中性線を形成する磁場形成手段とを含む。前記プラズマ源は、前記電場形成手段および前記磁場形成手段によって前記ステージと前記ターゲット材との間に発生させたプラズマで、前記基板をエッチングする、または、前記ターゲット材をスパッタし、そのスパッタ物を当該プラズマで分解して前記基板へ堆積させる。
本発明の第１の実施形態によるプラズマ処理装置の概略構成図である。 図１のプラズマ処理装置の一動作例を示すタイミングフローである。 ＮＬＤスパッタとＩＣＰスパッタによるパターンの溝幅とカバレッジ比との関係を示す図である。 スパッタ用ターゲット材（ＰＴＦＥ）のＣ１ｓ波形分離スペクトルを示す図である。 ＩＣＰスパッタ膜のＣ１ｓ波形分離スペクトルを示す図である。 ＮＬＤスパッタ膜のＣ１ｓ波形分離スペクトルを示す図である。 ＩＣＰスパッタおよびＮＬＤスパッタのスパッタレートの面内分布を示す図である。 ＩＣＰエッチングおよびＮＬＤエッチングのエッチングレートの面内分布を示す図である。 ＩＣＰおよびＮＬＤを用いたシリコン基板の深掘り加工を行ったときの面内のパターン形状を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるスパッタ装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態によるスパッタ装置の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態によるスパッタ装置の概略構成図である。 図１に示したプラズマ処理装置の構成の変形例を示す図である。
本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理方法は、真空チャンバの内部でプラズマを発生させて、基板をエッチングする工程と、エッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する工程とを交互に繰り返す。
前記保護膜の形成工程は、前記基板と前記基板に対向して配置されたターゲット材との間に高周波電場と磁気中性線を形成してプラズマを発生させることを含む。前記ターゲット材はスパッタされ、そのスパッタ物は前記プラズマで分解して前記基板へ堆積させられる。
上記プラズマ処理方法においては、プラズマによりターゲットから叩き出されたスパッタ物を基板表面に堆積させるに際して、そのスパッタ物をプラズマで分解、再励起してイオンや活性種を生成する。これにより、プラズマＣＶＤに類似した成膜形態が得られ、カバレッジ性の高い、面内均一性に優れたスパッタ成膜が可能となる。
特に、プラズマ源に高周波電場と磁気中性線を用いているので、磁場ゼロ領域で非常に高密度なプラズマを効率よく発生させることができる。このプラズマは、ＮＬＤ（磁気中性線放電）と称される高密度プラズマの一形態であり、磁気中性線の形成位置、大きさを任意に調整することで面内均一性の高いプラズマ処理が実現可能である。
上記プラズマ処理方法は、ターゲットのスパッタ物をプラズマで分解して基板上へ堆積させるようにしている。これにより、カバレッジ性の高い、面内均一性に優れたスパッタ成膜が可能となる。
上記プラズマ処理方法において、ターゲット材は、合成樹脂、珪素、炭素、炭化珪素、酸化珪素、窒化珪素など、成膜すべき材料の種類に応じて適宜選択することができる。また、プロセスガスは、アルゴン等の希ガスを含む不活性ガス、Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３等のフッ素含有ガス、あるいはこれらの混合ガスを用いることができる。フッ素含有ガスはそれ自体、成膜ガスとして機能させることができ、例えば、当該ガスの分解生成物とスパッタ物の反応物を基板上へ堆積させることが可能となる。
本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置は、本発明の一形態に係るプラズマ処理装置は、真空チャンバと、ステージと、ターゲット材と、プラズマ源とを具備する。
前記ステージは、基板を支持するためのもので、前記真空チャンバの内部に設置される。前記ターゲット材は、前記ステージと対向して設置される。前記プラズマ源は、前記真空チャンバ内に高周波電場を形成する電場形成手段と、前記真空チャンバ内に磁気中性線を形成する磁場形成手段とを含む。前記プラズマ源は、前記電場形成手段および前記磁場形成手段によって前記ステージと前記ターゲット材との間に発生させたプラズマで、前記基板をエッチングする、または、前記ターゲット材をスパッタし、そのスパッタ物を当該プラズマで分解して前記基板へ堆積させる。
上記プラズマ処理装置においては、プラズマによりターゲットから叩き出されたスパッタ物を基板表面に堆積させるに際して、そのスパッタ物をプラズマで分解、再励起してイオンや活性種を生成する。これにより、プラズマＣＶＤに類似した成膜形態が得られ、カバレッジ性の高い、面内均一性に優れたスパッタ成膜が可能となる。
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるプラズマ処理方法を実施するためのプラズマ処理装置１１の概略構成図である。図示するプラズマ処理装置１１は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置としての機能と、ＮＬＤを利用したスパッタ装置としての機能を有している。
図１において、真空槽２１は、プラズマ形成空間２１ａを含む真空チャンバを形成する。真空槽２１にはターボ分子ポンプ等の真空ポンプＰが接続され、真空槽２１の内部が所定の真空度に真空排気されている。
プラズマ形成空間２１ａの周囲は、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２によって区画されている。筒状壁２２は石英等の透明絶縁材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１の高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナ）２３（電場形成手段）と、この高周波コイル２３の外周側に配置された三つの磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃからなる磁気コイル群２４（磁場形成手段）がそれぞれ配置されている。
磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ，２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５が環状に連続して形成される。そして、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿って誘導電場（高周波電場）が形成されることで、放電プラズマが発生される。
特に、ＮＬＤ方式のプラズマ処理装置においては、磁気コイル２４Ａ〜２４Ｃに流す電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁気コイル２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに流す電流をそれぞれＩＡ、ＩＢ、ＩＣとしたとき、ＩＡ＞ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、ＩＡ＜ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに流す電流ＩＢを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。
一方、真空チャンバの内部には、半導体ウエハ（例えばシリコン基板）やガラス基板等の被処理基板Ｗを支持するステージ２６が設置されている。本実施形態では、被処理基板Ｗとしてシリコン基板が用いられている。ステージ２６は導電体で構成されており、コンデンサ２７を介して第２の高周波電源ＲＦ２に接続されている。なお、ステージ２６には、基板Ｗを所定温度に加熱するためのヒータ等の加熱源が内蔵されていてもよい。
プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２８が設置されている。天板２８は、ステージ２６の対向電極として構成されており、コンデンサ２９を介して第３の高周波電源ＲＦ３が接続されている。天板２８のプラズマ形成空間２１ａ側の面には、スパッタにより基板Ｗを成膜するためのターゲット材３１が取り付けられている。ターゲット材３１は、本実施形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂材が用いられているが、これ以外の合成樹脂材料、あるいは珪素材、炭素材、炭化珪素材、酸化珪素材、窒化珪素材等が適用可能である。
天板２８の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入部材３０が設置されている。スパッタ用のプロセスガスとしては、アルゴンや窒素等の希ガスあるいは不活性ガスのほか、Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３等のフッ素含有ガス、あるいは、これら不活性ガスとフッ素含有ガスとの混合ガスが用いられる。特に、プロセスガスとしてＣ４Ｆ８、ＣＨＦ３等のフロロカーボン系ガスはそれ自体、成膜ガスとして機能させることができ、例えば、当該ガスの分解生成物とターゲット材３１のスパッタ物の反応物を基板Ｗ上へ堆積させることが可能となる。エッチングガスとしては、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＸｅＦ２、ＣＯＦ２の少なくとも何れか一種又は不活性ガスとの混合ガスが用いられる。本実施形態では、エッチングガスとして、ＳＦ６とＡｒの混合ガスが用いられる。
以上のように構成される本実施形態のプラズマ処理装置１１においては、ステージ２６上に載置された基板Ｗに対してエッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返し行うことで、基板表面に高アスペクト比の孔またはディープトレンチ等からなるビアを形成する。
図２は、本実施形態のプラズマ処理装置１１の一動作例を示すタイミングチャートである。図２において、Ａは、ステージ２６に印加される第２の高周波電源ＲＦ２の印加タイミング、Ｂは、天板２８に印加される第３の高周波電源ＲＦ３の印加タイミング、Ｃは、真空槽２１の内部における圧力変化を示している。この例では、エッチング工程の処理圧力（プロセスガス導入量）は、保護膜形成工程のそれよりも高く設定されている。なお、第１の高周波電源ＲＦ１は、エッチング工程および保護膜形成工程を通じて、高周波コイル２３に常時入力されている。
基板Ｗの表面にはあらかじめ、レジストマスクが形成されている。このレジストマスクには、有機レジストやメタルマスク等が用いられる。エッチング工程および保護膜形成工程では、プラズマ形成空間２１ａに、磁気コイル群２４により環状の磁気中性線２５が形成されるとともに、第１の高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３への電力投入により、磁気中性線２５に沿って誘導結合プラズマが形成される。
エッチング工程において、真空槽２１の内部に導入されたエッチングガス（例えばＡｒとＳＦ６）は、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化し、生成されたイオンとラジカルによりステージ２６上の基板Ｗをエッチング処理する。このとき、第２の高周波電源ＲＦ２からの電力投入で基板バイアスがＯＮとなり、イオンをステージ２６側へ加速させ、基板上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高める。すなわち、フッ素ラジカルがシリコンと反応してラジカル生成物を形成し、これをプラズマ中のイオンによるスパッタ作用で除去することで、シリコン基板のエッチング処理が進行する。
一方、エッチング工程を所定時間行った後、真空槽２１の内部に残留するエッチングガスが排気される。そして、成膜用のプロセスガス（例えばＡｒ）が真空槽２１の内部に導入されることで保護膜形成工程が開始される。導入されたプロセスガスは、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化する。このとき、基板バイアス（ＲＦ２）はＯＦＦとなり、代わりに、第３の高周波電源ＲＦ３からの電力投入で天板バイアスがＯＮとなる。その結果、天板２８に設置されたターゲット材３１はプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物が基板Ｗの表面および上述のエッチング工程で形成された凹部に付着する。以上のようにして、エッチング凹部の底部および側面に、保護膜として機能するポリマー層が形成される。
ここで、ターゲット材３１から叩き出されたスパッタ粒子は、プラズマ形成空間２１ａに形成されているＮＬＤプラズマを通過して基板Ｗへ到達する。このとき、スパッタ粒子は、磁気中性線２５が形成される高密度プラズマ領域で分解、再励起されることにより、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）に類似する成膜形態で、基板Ｗの表面に対して等方的に入射する。したがって、本実施形態によって得られるエッチングパターンの段差被膜（保護膜）は、磁気中性線２５が形成されないＩＣＰプラズマのみによるスパッタプロセスに比べて、カバレッジ性が高く、面内均一性に優れる。
保護膜形成工程を所定時間行った後、再び上述したエッチング工程が行われる。このエッチング工程の初期段階は、エッチング凹部の底面を被覆する保護膜の除去作用に費やされる。その後、保護膜の除去により露出したエッチング凹部の底面のエッチング処理が再開される。このとき、プラズマ中のエッチングガスのイオンは、基板バイアス作用によって基板に対して垂直方向に入射する。このため、エッチング凹部の側面を被覆する保護膜に到達するイオンは、エッチング凹部の底面に到達するイオンに比べて少ない。したがって、エッチング工程の間、エッチング凹部の側面を被覆する保護膜は完全に除去されることなく残留する。これにより、エッチング凹部の側面とフッ素ラジカルとの接触が回避され、凹部の側面のエッチングによる侵食が防止される。
以後、上述のエッチング工程と保護膜形成工程が交互に繰り返し行われることで、基板表面に対して垂直方向の異方性エッチングが実現される。以上のようにして、基板Ｗの内部に高アスペクト比のビア（コンタクトホール、トレンチ）が作製される。
本実施形態によれば、基板Ｗ上のマスクパターンを含むエッチングパターンを覆う段差被膜としての保護膜の形成に際して、ＩＣＰプラズマを用いたスパッタ処理を磁気中性線２５の存在下で行うことにより、磁気中性線を形成せずにＩＣＰプラズマのみを用いてスパッタ処理を行った場合に比べて、高いカバレッジ性を得ることができる。
図３は、本発明に係るＮＬＤを利用したスパッタ処理におけるマスクパターンの溝幅とカバレッジ比との関係を示す一実験結果である。なお比較として、磁気中性線を形成せずにＩＣＰプラズマのみを利用してスパッタ処理を行った場合（以下単に「ＩＣＰスパッタ」ともいう。）のカバレッジ特性をも図３に示す。
カバレッジ比は、図３に示すように、シリコン基板（直径２０ｃｍ（８インチ））の表面に形成した厚さ１μｍのマスクパターンＰＲを被覆する段差被膜について、マスク上面（凹凸パターンの凸部上面）の膜厚（デポ厚）Ａに対するマスク側面（凹凸パターンの凹部側面）の膜厚（デポ厚）Ｂの比（Ｂ／Ａ）と定義される。ターゲット材はＰＴＦＥとした。ＮＬＤおよびＩＣＰのスパッタ条件はそれぞれ以下のとおりである。
（ＮＬＤスパッタ条件）
・プロセスガス：Ａｒ ３０［ｓｃｃｍ］
・高周波電力 ＲＦ１：３０００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ０［Ｗ］
ＲＦ３： ５００［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
・処理時間：４［ｓｅｃ］
・処理圧力：２．６［Ｐａ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：３０．６［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：４９．３［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：３０．６［Ａ］
環状磁気中性線の半径：１４６［ｍｍ］
（ＩＣＰスパッタ条件）
・プロセスガス：Ａｒ ３０［ｓｃｃｍ］
・高周波電力 ＲＦ１：３０００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ０［Ｗ］
ＲＦ３： ５００［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
・処理時間：４［ｓｅｃ］
・処理圧力：２．６［Ｐａ］
図３の結果から明らかなように、マスクパターンの凹部の幅（溝幅）が１００μｍ以下のとき、ＩＣＰスパッタの場合にはカバレッジ比が０．８（８０％）を下回っているのに対し、ＮＬＤスパッタの場合には０．８を超えるカバレッジ比が得られた。その理由は、ＮＬＤスパッタの方が、ＩＣＰスパッタに比べて、プラズマによるスパッタ粒子の再励起効率が高く、したがって電気的に中性なラジカルの発生量がＮＬＤスパッタの方が多くなり、基板上のマスクパターンに対して等方的に入射するスパッタ物が増えるためであると考えられる。
プラズマによるスパッタ粒子の再励起効率の違いは、基板上に形成されるスパッタ膜の材料組成の違いに現れる。図４、図５および図６は、ターゲット材、ＩＣＰスパッタ膜、およびＮＬＤスパッタ膜について測定したＣ１ｓ波形分離スペクトルをそれぞれ示している。ＩＣＰによるスパッタ膜の波形分離結果（図５）とＮＬＤによるスパッタ膜の波形分離結果（図６）を比較すると、「ＣＦ２」、「ＣＦ」および「Ｃ−Ｃ」のピークの大きさの相関が異なっており、両スパッタ膜の組成の相違が現れている。
また、図３に示すように、ＮＬＤスパッタの場合、パターン凹部の溝幅が５μｍ以下になるとカバレッジ比が大幅に向上することがわかる。そして、溝幅２μｍのときに０．９７という非常に高いカバレッジ比が得られた。このように、凹凸パターンが微細ピッチになるほど、ＮＬＤスパッタによる効果が顕著となり、微細パターンに対して優れたカバレッジ特性を得ることが可能となる。
次に、エッチング工程とスパッタ工程（保護膜形成工程）を交互に繰り返してシリコン基板を深掘り加工したときのパターン形状の面内均一性の評価結果について説明する。
シリコン基板（直径２０ｃｍ（８インチ））の表面にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてエッチング工程と保護膜形成工程（スパッタ工程）を交互に繰り返し、シリコン基板の深掘り加工を行った。プロセスは、磁気中性線を形成しないＩＣＰエッチング（以下単に「ＩＣＰエッチング」ともいう。）及びＩＣＰスパッタの組合せと、ＮＬＤエッチング及びＮＬＤスパッタの組合せで行った。
ＩＣＰエッチング条件およびＩＣＰスパッタ条件はそれぞれ以下のとおりである。
（ＩＣＰエッチング条件）
・プロセスガス：Ａｒ ３０［ｓｃｃｍ］
ＳＦ６ ３００［ｓｃｃｍ］
・高周波電力 ＲＦ１：１５００［Ｗ］ １３．５６ＭＨｚ
ＲＦ２： ６０［Ｗ］ １２．５０ＭＨｚ
ＲＦ３： ０［Ｗ］
・処理時間：７［ｓｅｃ］
・処理圧力：１０［Ｐａ］
（ＩＣＰスパッタ条件）
・プロセスガス：Ａｒ ３０［ｓｃｃｍ］
・高周波電力 ＲＦ１：３０００［Ｗ］ １３．５６ＭＨｚ
ＲＦ２： ０［Ｗ］
ＲＦ３： ５００［Ｗ］ １２．５０ＭＨｚ
・処理時間：４［ｓｅｃ］
・処理圧力：２．６［Ｐａ］
ＮＬＤエッチング条件およびＮＬＤスパッタ条件はそれぞれ以下のとおりである。
（ＮＬＤエッチング条件）
・プロセスガス：Ａｒ ３０［ｓｃｃｍ］
ＳＦ６ ３００［ｓｃｃｍ］
・高周波電力 ＲＦ１：１５００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ６０［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
ＲＦ３： ０［Ｗ］
・処理時間：７［ｓｅｃ］
・処理圧力：１０［Ｐａ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：３０．６［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：５４．０［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：３０．６［Ａ］
（ＮＬＤスパッタ条件）
・プロセスガス：アルゴン（Ａｒ） ３０［ｓｃｃｍ］
・高周波電力 ＲＦ１：３０００［Ｗ］ １３．５６［ＭＨｚ］
ＲＦ２： ０［Ｗ］
ＲＦ３： ５００［Ｗ］ １２．５０［ＭＨｚ］
・処理時間：４［ｓｅｃ］
・処理圧力：２．６［Ｐａ］
・磁気コイル電流 磁気コイル２４Ａ：３０．６［Ａ］
磁気コイル２４Ｂ：４９．３［Ａ］
磁気コイル２４Ｃ：３０．６［Ａ］
環状磁気中性線の半径：１４６［ｍｍ］
図７は、ＩＣＰスパッタおよびＮＬＤスパッタのそれぞれについて測定したスパッタレートの面内分布を示している。そして、図８は、ＩＣＰエッチングおよびＩＣＰエッチングのそれぞれについて測定したエッチングレートの面内分布を示している。図７、図８において、Ｘ軸、Ｙ軸は、基板面内における直交する２軸方向を表している。また、図９にＩＣＰおよびＮＬＤのそれぞれにおけるシリコン基板の加工部（ウエハ中心位置と径方向の両エッジ部から１０ｍｍ内方側の位置）の断面ＳＥＭ写真を示す。
図９に示すように、ＩＣＰエッチングの場合は、レジストマスクの直下部においてシリコン基板のサイドエッチングが認められる。これに対して、ＮＬＤエッチングの場合、シリコン基板のサイドエッチングはほとんど認められず、基板表面に対して垂直に一様な溝幅でパターンが形成されていることが確認される。これは、上述したようにＩＣＰスパッタに比べてＮＬＤスパッタの方が保護膜のカバレッジ特性が高く、その結果、パターンの側壁をサイドエッチングから効果的に防止できるためであると考えられる。
また、図７および図８に示すように、ＩＣＰスパッタによるスパッタレートの面内分布に関してはウエハ中心部の方がエッジ部よりも高く、ＩＣＰエッチングによるエッチングレートの面内分布に関してはウエハ中心部の方がエッジ部よりも低い。その結果、図９に示すように、ウエハ中心部に比べてエッジ部の方が、パターンのサイドエッチングの程度が大きく、特に、レジストマスクの直下部においてパターンが細く括れている。また、ＮＬＤエッチングの場合に比べて、ＩＣＰエッチングの場合にはエッチング深さの面内バラツキが大きい。
以上の結果から明らかなように、ＩＣＰに比べて、ＮＬＤの方が、スパッタレートおよびエッチングレートの優れた面内均一性が得られ、基板表面全域にわたってエッチングパターンの側壁への均一な保護膜の形成と、基板表面に垂直なエッチング加工を実現することができる。また、本実施形態によれば、シリコン基板の深掘り加工技術において、加工精度の向上と生産性の改善を図ることができる。
＜第２の実施形態＞
図１０は、本発明の第２の実施形態によるプラズマ処理装置としてのスパッタ装置１２の概略構成図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
本実施形態のスパッタ装置１２は、真空槽２１と天板２８の間に筒状壁２２（図１）が設けられておらず、天板２８が直接、真空槽２１の上部に設置された構成を有している。ステージ２６と天板２８の間はプラズマ形成空間２１ａとされている。ステージ２６と天板２８の間のギャップＤは、１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下に設定されている。
プラズマの発生に必要な高周波電場は、ステージ２６とその対向電極である天板２８によって形成される。すなわち、ステージ２６と天板２８の間の容量結合によってプラズマ形成空間２１ａに高周波電場が形成される。また、真空槽２１の上部に配置された磁気コイル群２４によってプラズマ形成空間２１ａに環状の磁気中性線２５が形成される。なお、この環状磁気中性線２５は、磁気コイル２４Ａを流れる電流（ＩＡ）を、磁気コイル２４Ｃを流れる電流（ＩＣ）よりも大きくすることで、プラズマ形成空間２１ａの所定位置に形成される。
プラズマ形成空間２１ａは、導入されたプロセスガスのプラズマを発生させる。天板２８に設置されたターゲット材３１はプラズマによりスパッタされ、ターゲット材３１から叩き出されたスパッタ粒子は、プラズマで分解して基板Ｗ上に堆積される。これにより、上述の第１の実施形態と同様に、基板Ｗの表面に対して均一性の優れたスパッタ膜が形成される。
＜第３の実施形態＞
図１１は、本発明の第３の実施形態によるプラズマ処理装置としてのスパッタ装置１３の概略構成図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
本実施形態のスパッタ装置１３において、天板２８は、中央部に開口を有するリング状を呈し、これに合わせてターゲット材３１も環状に形成されている。天板２８の開口には、絶縁部材３４を介して電極部材３３が取り付けられており、この電極部材３３にはコンデンサ３２を介して第４の高周波電源ＲＦ４が接続されている。第４の高周波電源ＲＦ４は電極部材３３へ所定の高周波電力を印加して、プラズマ形成空間２１ａに高周波電場を形成するとともに、磁気コイル群２４によって形成される磁気中性線と協働して、プラズマ形成空間２１ａに高密度プラズマを発生させる。
本実施形態においても、上述の第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。特に本実施形態においては、プラズマ形成用の第４の高周波電源ＲＦ４と天板２８に対するバイアス印加用の第３の高周波電源ＲＦ３をそれぞれ別電源で構成している。これにより、プラズマを維持しながら天板２８に対する電力供給のＯＮ／ＯＦＦを周期的に切り替え、かつ、天板２８に対する電力供給の停止時にプロセスガスとしてエッチングガス（例えばＳＦ６とＡｒとの混合ガス）を導入することにより、基板Ｗに対する成膜プロセスとエッチングプロセスを交互に行うプラズマ処理装置を構成することが可能となる。この場合、成膜工程は、エッチングにより基板上に形成された凹所の側壁保護膜の形成工程として実施される。上記構成により、第１の実施形態と同様、加工精度および生産性に優れたシリコン基板の深掘り加工を実現することができるので、基板表面に高アスペクト比の孔または溝を形成することが可能となる。
＜第４の実施形態＞
図１２は、本発明の第４の実施形態によるプラズマ処理装置としてのスパッタ装置１４の概略構成図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
本実施形態のスパッタ装置１４において、天板２８は、中央部に開口を有するリング状を呈し、これに合わせてターゲット材３１も環状に形成されている。天板２８の開口には、石英等の透明絶縁材料からなる窓部材３５が取り付けられており、この窓部材３５には、第４の高周波電源ＲＦ４と接続されたアンテナコイル３６が取り付けられている。第４の高周波電源ＲＦ４はアンテナコイル３６へ所定の高周波電力を印加して、プラズマ形成空間２１ａに誘導電場を形成するとともに、磁気コイル群２４によって形成される磁気中性線と協働して、プラズマ形成空間２１ａに高密度プラズマを発生させる。
本実施形態においても、上述の第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、プラズマ形成用の第４の高周波電源ＲＦ４と天板２８に対するバイアス印加用の第３の高周波電源ＲＦ３がそれぞれ別電源で構成されていることから、上述の第３の実施形態と同様に、エッチング工程と成膜工程を交互に実施可能なプラズマ処理装置を構成することができる。
さらに、透明な窓部材３５の上方に基板Ｗの被処理面を検出するセンサ（図示略）を設置することで、基板Ｗのスパッタ膜厚あるいはエッチング深さを検出することが可能となる。これにより、基板を横方向から検出する場合と異なり、基板の表面変化をリアルタイムで検出することが可能となる。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば以上の第１の実施形態では、プラズマ発生用の第１の高周波電源ＲＦ１とターゲットバイアス用の第３の高周波電源ＲＦ３とをそれぞれ別電源で構成した例について説明したが、これに限らず、図１３に示すように、単一の高周波電源ＲＦをこれら２つの高周波電源として構成することも可能である。なお、符号３７は、高周波電源ＲＦと天板２８との間に設置された可変コンデンサである。
また、以上の実施形態では、保護膜形成用のプロセスガスとして、Ａｒガス単体を用いた例について説明したが、これに限られない。例えば保護膜形成工程のプロセスガスに、Ａｒと反応性ガス（Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３等）の混合ガスを用いてもよい。この場合、プロセスガス中の反応性ガスがプラズマ形成空間２１ａにおいてプラズマ化し、そのラジカル生成物が基板表面に堆積することによって、保護膜として機能するポリマー層を形成する。プロセスガスとして上記混合ガスを用いることで、Ａｒガスのみをプロセスガスとして用いる場合に比べてスパッタレートの向上を図ることが可能となる。
また、以上の実施形態では、磁気中性線２５の形成に磁気コイル群２４を用いたが、これに代えて、真空チャンバの外部に配置した複数の永久磁石を用いて磁気中性線を形成するようにしてもよい。
更に、以上の実施形態では、本発明に係るスパッタ装置を、シリコン基板に対する深掘り加工用のプラズマ処理装置に適用した例について説明したが、これに限られず、エッチング処理を伴わない通常の成膜用途のスパッタ装置にも適用可能である。
１１〜１４ スパッタ装置（プラズマ処理装置）
２１ 真空槽
２１ａ プラズマ形成空間（真空チャンバ）
２３ 高周波コイル（電場形成手段）
２４ 磁気コイル（磁場形成手段）
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
２８ 天板（対向電極）
３０ ガス導入部
３１ ターゲット材
３３ 電極部材（電場形成手段）
３５ 窓部材
３６ アンテナコイル（電場形成手段）

Claims (4)

  1. 真空チャンバと、
    前記真空チャンバの内部に設置された、表面に凹部の幅が１００μｍ以下である凹凸パターンを有するレジストマスクが形成された基板を支持するためのステージと、
    前記ステージと対向して設置され、中央部に開口を有する環状に形成されたターゲット材と、
    前記真空チャンバ内に高周波電場を形成する前記開口に設置された電場形成手段と、前記真空チャンバ内に磁気中性線を形成する磁場形成手段とを含み、前記電場形成手段および前記磁場形成手段によって前記ステージと前記ターゲット材との間に発生させたプラズマで、前記基板をエッチングする、または、前記ターゲット材をスパッタし、そのスパッタ物を当該プラズマで分解して前記基板へ堆積させるプラズマ源と
    を具備する
    プラズマ処理装置。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記磁場形成手段は、前記ターゲット材に関して前記ステージ側とは反対側の前記真空チャンバの外部に配置された複数の磁気コイルを含む
    プラズマ処理装置。
  3. 請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記電場形成手段は、前記真空チャンバの外部に配置された高周波コイルを含む
    プラズマ処理装置。
  4. 請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記電場形成手段は、
    前記ステージに対向する対向電極と、
    前記対向電極に接続された高周波電源とを含む
    プラズマ処理装置。
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