JPH06252099A

JPH06252099A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH06252099A
Application number: JP6318693A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nishimori; 康博西森; Michio Taniguchi; 道夫谷口
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ中のラジカルを利用するプロセス
において、被処理物に流入するイオン・電子等の荷電粒
子を抑制し、ラジカルのみで所定の処理を行なう。【構成】プラズマ生成室内でプラズマを生成させて
同時に発生するラジカルを使用して、被処理物に対して
所定の処理を行うプラズマ処理装置を対象とし、複数の
スリットを平面的に有し、スリットの空隙に磁界を形成
させるスリット磁界発生手段を、スリットの開口部をプ
ラズマ生成室に向けて、被処理物側のプラズマ移動空間
内に配設し、プラズマ中の荷電粒子（イオン・電子）の
みを磁界により捕捉または軌道修正して、ラジカルのみ
をスリットに通過させることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置、特
にアッシング処理に好適なプラズマ処理装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】被処理物としての半導体デバイスの製造
工程の一つであるレジスト剥離（アッシング）処理は、
被処理物にエッチング（微細加工）を行う際に塗布した
有機系フォトレジストを、主に酸素と化学反応させるこ
とにより取り除く技術である。各種アッシング技術の
内、剥離速度、スループットの関係からプラズマ剥離法
が現在最も普及している。このプラズマ剥離法とは、プ
ラズマ中で分子状酸素（Ｏ₂）を分離することにより反
応性の高い中性酸素ラジカル（励起種）を生成させ、酸
素ラジカルと有機フォトレジスト構成物質とのガス状反
応生成物を、真空ポンプにより真空容器外へ排出して、
フォトレジストを剥離する方法である。

【０００３】しかし、プラズマ剥離法は、被処理物例え
ばウエハーがラジカル源となるプラズマと接しやすいた
めに、ウエハー上にシースが形成され、ウエハー近傍へ
到達した酸素イオンはシース電圧により加速されて入射
する。この高エネルギーイオンの入射によりデバイスが
損傷する。また、ウエハー上はデバイス形成のため、導
電体・絶縁体の各層から構成されているが、荷電粒子
（電子・イオン）の流入のために、絶縁体層に電界がか
かり、絶縁破壊を引き起こす可能性がある。

【０００４】また、エッチング処理においても、ラジカ
ルを主反応媒体として用いるＣＤＥ（ケミカルドライエ
ッチング）が行われる。ラジカルは、中性粒子であるた
めに方向性を持たず、アンダーカットの原因となるため
微細加工には不利であるとされているが、アッシング時
と同様に上記のデバイスの損傷を回避したい場合及びエ
ッチング時の線幅が大きい場合は、上記のＣＤＥも使用
されている。上記ＣＤＥにおいても、イオンは上記アッ
シング処理と同様にシース部で高エネルギーを得て、ウ
エハーへ入射するためデバイスの損傷という好ましから
ぬ結果を招く。また、イオンは荷電粒子であるために、
絶縁体層の絶縁破壊を引き起こす可能性もある。したが
って、上記ウエハーがプラズマと接することを回避する
ために、各種の工夫がなされているが、完全なる対策と
はいい難いのが現状である。

【０００５】図６及び図７は、それぞれプラズマ処理を
行う従来のダウンストリーム型アッシング装置の概略構
成図を示す。図６に示す従来例１においては、例えば
２．４５［ＧＨｚ］のマイクロ波は、主としてマグネト
ロンを利用した発振器１から、導波管３内を伝搬し、空
胴共振器を構成するプラズマ生成室４へと供給される。
この際、導波管３の途中に設けた整合器２を用いて、マ
イクロ波が効率よくプラズマで消費されるように、イン
ピーダンスの整合を行っている。

【０００６】プラズマ生成室４にはガス供給管５が設け
られ、反応室６にはウエハー（被処理物）７が配置さ
れ、またガス排気管８が設けられている。なお、導波管
３とプラズマ生成室４との結合部は、石英ガラス９によ
り真空封止されている。プラズマ生成室４の寸法は、プ
ラズマ生成室４の終端を短絡する終端短絡板１０を配設
することにより、管軸方向に定在波が整数個発生する空
胴共振器となるように、管径及び管軸長が決定される。

【０００７】プラズマ生成室４及び反応室６は、ガス排
気管８から図示しない真空ポンプにより真空排気されて
おり、プラズマ生成室４はガス供給管５によりアッシン
グ反応する酸素ガスが一定流量だけ供給されている。

【０００８】プラズマ生成室４の内部では、マイクロ波
の電界から電子がエネルギーを得て振動し、中性酸素分
子と衝突することにより酸素イオンが発生し、プラズマ
Ｐへと進展する。その際、アッシング反応に寄与するラ
ジカルも生成される。本装置では、多孔状金属板により
形成した終端短絡板１０を、プラズマ生成室４と反応室
６との間を隔絶するシールドとして兼用することで、反
応室６側へのプラズマの流入、すなわち酸素イオンのウ
エハー７への入射を抑制している。一方、生成室４の内
部で発生したラジカルは、供給ガスの流れる方向と同様
に反応室６へと流入し、反応室内に戴置したウエハー７
上のレジスト構成物質と上記ラジカルとが反応し、ガス
状の反応生成物が蒸発し、レジストが剥離される。

【０００９】また、図７に示す従来例２においては、図
６と同一の構成部材は、同一符号を付している。発振器
１から発生したマイクロ波を伝搬させる導波管３の終端
部に終端短絡板２０が設けられ、この短絡板２０と整合
器２とにより空胴共振器を構成している。

【００１０】反応室２６には、ウエハー７が配置され、
またガス排気管８が設けられており、さらにラジカルが
拡散されやすいようにラッパ状部材を介して、この反応
室と連通するラジカル輸送管３０と、例えばガラスまた
はアルミナ等の絶縁材から成る管状のプラズマ生成室２
４とが順次に設けられている。プラズマ生成室２４は、
この他端にガス供給管５が設けられ、また整合器２と終
端短絡板２０との間の導波管３を貫通した状態で配置さ
れ、このプラズマ生成室２４と導波管３とが交差する生
成室２４内にプラズマＰが生成される。

【００１１】プラズマ生成室２４及び反応室２６は、ガ
ス排気管８から図示しない真空ポンプにより真空排気さ
れており、プラズマ生成室２４はガス供給管５によりア
ッシング反応する酸素ガスが一定流量だけ供給されてい
る。

【００１２】プラズマ生成室２４の内部では、図６に示
す装置と同様に、酸素イオンが発生し、プラズマへと進
展する。その際、アッシング反応に寄与するラジカルも
生成される。本装置では、プラズマ中のイオンとラジカ
ルのライフタイム（消滅までの時間）が異なることに着
目し、ラジカルが生成される生成室２４とウエハー７が
設置される反応室２６との間で、輸送管３０の物理的寸
法を大きくしていることである。一般に荷電粒子である
イオンは、中性のラジカルよりも寿命（ライフタイム）
が小さいので、生成室２４から反応室２６へと輸送管３
０中を移動する途中に電子と再結合し中性分子に戻る。
したがって、ウエハー７へはライフタイムが大きいラジ
カルのみが到達する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
１においては、プラズマは終端短絡板１０の孔を通過し
て反応室６側（ウエハー７側）へと流入し、ウエハーに
到達する。したがって、ウエハー上でのシースによる酸
素イオンの加速を完全に防ぐことは不可能であるので、
イオン入射に起因するウエハーのダメージも不可避であ
り、また電荷の蓄積（チャージアップ）による絶縁膜の
破壊も同様に避けられない。

【００１４】そこで、プラズマの反応室６側への流入を
低減するために、終端短絡板１０の孔径を小さくするな
ど開口率を低下させると、反応に必要なラジカルがウエ
ハーに到達する確率も低下するために、剥離速度が低下
する。

【００１５】また、終端短絡板１０を複数個設置し、そ
の間に電圧を印加することでポテンシャルの壁を作りイ
オンの流入を防ぐことは可能であるが、装置が複雑化す
るため余り好ましい方法とは考えられない。

【００１６】従来例２においては、輸送管３０の内部で
は、イオンだけでなく反応に必要なラジカルも消滅する
ため、従来例１に比較し、剥離速度が低下する。また、
イオンを消滅させるための輸送管を設ける必要があるた
めに、装置の物理的寸法が大きくなる。

【００１７】なお、従来技術として例示したアッシング
装置のプラズマ発生部としては、２．４５［ＧＨｚ］の
マイクロ波の空胴共振器を使用しているが、１３．５６
［ＭＨｚ］帯または４００［ｋＨｚ］帯の高周波を平行
平板電極に印加するものがあり、上述したウエハーへの
プラズマの流入によるデバイスの損傷問題は、周波数に
関係なく存在している。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ生成
室内でプラズマを生成させて同時に発生するラジカルを
使用して、被処理物に対して所定の処理を行うプラズマ
処理装置を対象とし、複数のスリットを平面的に有し、
スリットの空隙に磁界を形成させるスリット磁界発生手
段を、スリットの開口部をプラズマ生成室に向けて、被
処理物側のプラズマ移動空間内に配設し、プラズマ中の
荷電粒子（イオン・電子）のみを磁界により捕捉または
軌道修正して、ラジカルのみをスリットに通過させる。

【００１９】

【作用】プラズマ生成室内で発生したイオン、電子及び
ラジカルは、反応室へと移動するが、電荷を持つイオン
及び電子は、磁界中ではそれぞれ左回り及び右回りで磁
力線に絡みつくような、いわゆるラーマ運動を行う。電
子及びイオンのラーマ運動の半径は、荷電粒子の質量、
電荷、エネルギー及び磁界の強さ（磁束密度）に依存
し、磁気スリットの空隙に発生させる磁束密度を所望の
値以上とし、磁気スリットの高さをイオンの上記半径の
２倍以上とすることで、プラズマ中の荷電粒子（イオン
及び電子）を空隙内に捕捉することが可能となる。ま
た、磁気スリットの高さをイオンの上記半径と一致させ
ると、イオンは軌道を修正され、プラズマ中へと逆戻り
する。

【００２０】

【実施例】

＜実施例１＞図１は本発明の第１の実施例を示すアッシ
ング装置の概略図であり、従来例１に適用した実施例を
示す。同図において、１は発振器、２は整合器、３は導
波管、４はプラズマ生成室、５はガス供給管、６は反応
室、７はウエハー（被処理物）、８はガス排気管、９は
石英ガラス、１０は終端短絡板であって、図７と全く同
様である。

【００２１】本実施例は、プラズマＰにより生成された
荷電粒子（イオン・電子）のみを捕捉または軌道修正
し、ラジカルのみを選択して通過させるために、例えば
矩形状スリットを複数個平面的に設け、このスリットの
短辺と平行な方向に磁界を形成させるスリット磁界発生
手段１１（以下、磁気スリットという）を、スリットの
開口部をプラズマ生成室４に向けて、プラズマ移動空間
であるウエハー７側で終端短絡板１０に隣接して対向配
置させたものである。

【００２２】磁気スリット１１は、図２に示すように、
磁極性が同一方向を指すＹ軸方向にＬの距離を隔てた１
組の永久磁石１１ａ，１１ｂを、この磁石による磁路を
形成させる磁性体１１ｃを介して極性が交互となるよう
に、Ｘ軸方向に複数個配設し、さらにＸ軸方向の両端に
も、磁路を形成させる磁性体１１ｃを配設する。上記の
構成により、開口部の長辺及び短辺の寸法がそれぞれ
Ｌ，Ｄの矩形状スリット１１ｓが形成され、このスリッ
トの空隙には、矢印に示すように交互に反転したＺ軸に
垂直な磁力線Ｍが発生する。磁気スリット１１の実効寸
法（長さ：Ｌ、幅：Ｗ）は、アッシングを行うウエハー
サイズ以上が望ましい。また、磁気スリットを終端短絡
板１０に隣接させる場合は、プラズマ生成室４の開口部
のサイズ以上が望ましい。

【００２３】以上のような構成において、前述したよう
にプラズマ生成室４内で発生したイオン、電子及びラジ
カルは、終端短絡板１０を通過して反応室６へと移動す
る。しかし、電荷を持つイオン及び電子は、磁界中では
それぞれ左回り及び右回りで磁力線に絡みつくような、
いわゆるラーマ運動を行う。電子及びイオンのラーマ運
動の半径Ｒｅ，Ｒｉ［ｍ］（以下、ラーマ半径という）
は、荷電粒子の質量、電荷、エネルギー及び磁界の強さ
（磁束密度）に依存し、それぞれ（１）式及び（２）式
により求められる。

【数１】

【数２】

【００２４】ここで、Ｔｅ：電子温度［Ｋ］、Ｔｉ：イ
オン温度［Ｋ］、Ｂ：磁束密度［Ｔ］、Ａ：イオンの質
量数（分子量）、Ｚ：（イオンの電荷）／（素電荷ｅ）
である。

【００２５】（２）式を変形すると、（３）式が得られ
る。

【数３】

【００２６】（３）式により得られた磁束密度Ｂを有す
る磁界中に所定のイオンが入射すれば、イオンは元の軌
道を修正され、半径Ｒｉの円軌道を描く。

【００２７】上記の磁場中の荷電粒子の性質を利用する
ことにより、プラズマからラジカルのみを抽出し、アッ
シング速度を損なわずにイオン衝撃によるダメージを低
減することが可能となる。

【００２８】以下、具体的な実施例を詳述すると、本発
明を適用したアッシング装置においては、アッシングガ
スとして主に酸素ガスを使用している。したがって、酸
素イオンの軌道を磁場中で変更し、捕捉することが必要
となる。故に（３）式において各パラメータを以下のよ
うに仮定する。

【００２９】Ａ＝３２（酸素イオンの分子量）、Ｚ＝１
（プラズマ中で発生する酸素イオンは主にＯ₂ ⁺）、Ｒ
ｉ＝１×１０^-2［ｍ］（所望ガスのイオンのラーマ半径
は磁気スリット１１の高さＨ以下であることが必要であ
る。）、Ｔｉ＝１［ｅＶ］＝１．１６×１０⁴［Ｋ］
（通常の低気圧プラズマ中におけるイオン温度Ｔｉは、
電子温度Ｔｅよりもかなり低い値であり、安全のため高
い目に見積もって、電子温度Ｔｅが数ｅＶであることか
ら上記の値を用いた。）

【００３０】上記の値を（３）式に代入することによ
り、Ｂ＝８１６［Ｇａｕｓｓ］となり、１［ｅＶ］の酸
素イオンの軌道を修正させ、半径１［ｃｍ］の円軌道内
に捕捉するために必要な磁束密度は、ほぼ８２０［Ｇａ
ｕｓｓ］であることが求められる。

【００３１】なお、上記磁場中での電子のラーマ半径Ｒ
ｅは、（２）式において電子温度Ｔｅを５［ｅＶ］と仮
定することにより、Ｒｅ＝０．９［μｍ］となる。

【００３２】したがって、スリット１１ｓの空隙に発生
させる磁束密度Ｂを８２０［Ｇａｕｓｓ］以上とし、磁
気スリット１１の高さＨをイオンのラーマ半径Ｒｉの２
倍以上とすることで、図４に示すように、プラズマ中の
荷電粒子（イオン及び電子）を空隙内に捕捉することが
可能となり、プラズマ生成室４内のプラズマ中からラジ
カルのみが反応室６へと導入される。また、図５に示す
ように、磁気スリット１１の高さＨをイオンのラーマ半
径Ｒｉと一致させると、イオンは軌道を修正され、プラ
ズマ中へと逆戻りする。すなわち、磁気スリット１１の
高さＨの最小値をラーマ半径Ｒｉ以上に設定する。

【００３３】上記スリット１１ｓの空隙に発生させる磁
束密度が低く、イオンが磁界によって捕捉されない場合
であっても、電子がスリット１１ｓの空隙内に捕捉され
る程度の磁界がスリット１１ｓの空隙に存在しておれ
ば、プラズマ中からラジカルのみを反応室へ引き出す効
果が得られる。これは、スリット１１ｓの空隙内にに捕
捉されることにより生じる負の電荷によって、正の電荷
を有するイオン（主に酸素）が捕捉されると考えられる
からである。

【００３４】なお、磁気スリット１１の開口率は、スリ
ット１１ｓの空隙内でイオン及び電子を捕捉することが
可能な範囲で大きくした方が望ましい。また、スリット
１１ｓの数、幅：Ｄ及び磁性体１１ｃの数、幅は、磁気
スリットの作用が損わない範囲内で上記開口率をできる
限り高くすることが望ましい。

【００３５】＜実施例２＞図３は本発明の第２の実施例
を示すアッシング装置の概略図であり、従来例２に適用
した実施例を示す。同図において、１は発振器、２は整
合器、３は導波管、２４はプラズマ生成室、５はガス供
給管、２６は反応室、７はウエハー（被処理物）、８は
ガス排気管、９は石英ガラス、２０は終端短絡板であっ
て、図７と全く同様である。

【００３６】本実施例は、図２に示した磁気スリット１
１を、スリットの開口部をプラズマ生成室２４に向け
て、プラズマＰの移動空間であるウエハー７側のラジカ
ルを拡散させるラッパ状部材内に配置させたものであ
る。

【００３７】本実施例においては、実施例１と同様に、
磁気スリット１１による荷電粒子の捕捉効果により、プ
ラズマ生成室２４内のプラズマ中からラジカルのみを反
応室２６へと導入することが可能になるので、輸送管３
０が不要となる。

【００３８】なお、磁気スリット１１は、電子サイクロ
トロン共鳴（ＥＣＲ）を利用してプラズマを生成させる
プラズマ処理装置、また平行平板電極または誘導結合形
アンテナに高周波を印加してプラズマを生成させるプラ
ズマ処理装置に適用可能である。

【００３９】上記の各実施例において、永久磁石の部分
は、この永久磁石と同寸の磁性体にソレノイドコイルを
巻回した電磁石でもよい。また、永久磁石の部分を同寸
の磁性体とし、磁路を形成させる磁性体１１ｃのＹ軸方
向の両端にそれぞれソレノイドコイルを巻回してもよ
い。さらに、永久磁石、電磁石のいづれの場合でも、高
温になる可能性がある場合は、冷却水等による冷却を行
うことが望ましい。また、磁性体の部分は、軟鉄を用い
るのが一般的であると考えられるが、雰囲気が酸素イオ
ン及び酸素ラジカルであることを考慮して、表面を耐酸
化性物質によるコーティング等により保護した方が望ま
しい。

【００４０】上記実施例１においては、終端短絡板と磁
気スリットとを併用したが、磁気スリットを構成する磁
性体の表面を金属メッキ等により導電性を向上させて、
終端短絡板の代りに磁気スリットを配設することによ
り、マイクロ波によりプラズマを生成させるプラズマ処
理装置の場合の終端短絡板として作用することができ
る。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、プラズ
マ中の荷電粒子（イオン・電子）を捕捉または軌道修正
することにより、ウエハーへプラズマ（イオン・電子）
が到達することを抑える。したがって、高エネルギーイ
オンがウエハーに入射することに起因するデバイスダメ
ージが抑制される。また、荷電粒子のウエハーへの流入
によるチャージアップに起因する絶縁層の破壊が抑制さ
れる。

【００４２】特に、ラジカル輸送管を使用しないので、
従来例１の装置に比較し、アッシング速度が大幅に向上
する。したがって、ウエハーの処理時間が短縮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すプラズマ処理装置
の概略構成図である。

【図２】本発明の実施例で用いられる磁気スリットの斜
視図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示すプラズマ処理装置
の概略構成図である。

【図４】図２のＡ−Ａ線断面図での磁気スリットの高さ
Ｈをイオンのラーマ半径Ｒｉの２倍以上としたときの磁
界中の荷電粒子の挙動を示す図である。

【図５】図２のＡ−Ａ線断面図での磁気スリットの高さ
Ｈをイオンのラーマ半径Ｒｉと等しくしたときの磁界中
の荷電粒子の挙動を示す図である。

【図６】プラズマ処理を行う第１の従来例を示すダウン
ストリーム型アッシング装置の概略構成図である。

【図７】プラズマ処理を行う第１の従来例を示すダウン
ストリーム型アッシング装置の概略構成図である

【符号の説明】

１１ｓスリット１１スリット磁界発生手段４，２４プラズマ生成室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ生成室内でプラズマを生成させ
て同時に発生するラジカルを使用して、被処理物に対し
て所定の処理を行うプラズマ処理装置において、複数のスリットを平面的に有し、前記スリットの空隙に
磁界を形成させるスリット磁界発生手段を、前記スリッ
トの開口部を前記プラズマ生成室に向けて、前記被処理
物側のプラズマ移動空間内に配設し、プラズマ中の荷電
粒子（イオン・電子）のみを前記磁界により捕捉または
軌道修正して、ラジカルのみを前記スリットに通過させ
るプラズマ処理装置。