JPH0957092A

JPH0957092A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH0957092A
Application number: JP7217417A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Shibuki; 俊一渋木; Takashi Akahori; 孝赤堀
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 1997-03-04

Abstract

(57)【要約】【課題】所望の指向性および均一性の良いプラズマ処理
を再現性良く試料に施すことができるプラズマ処理装置
を提供する。【解決手段】真空容器２０と、この真空容器内に高周波
電力を供給する手段（導波管２３等）と、この真空容器
２０内に磁場を形成する磁場発生手段２７と、この真空
容器２０内に反応ガスを導入する手段（ガス導入系２
８、２９）と、この真空容器２０内に試料を保持する試
料台１１とを設けたプラズマ処理装置において、前記試
料台１１の内部に高透磁率板１を設けたプラズマ処理装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子基板等
の試料にプラズマを利用してエッチング、ＣＶＤ、ＰＶ
Ｄおよびアッシング等の処理を施すプラズマ処理装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの微細化に伴い、ＥＣＲプ
ラズマ、ヘリコン波プラズマ等の磁場を用いた高密度プ
ラズマ源が注目されている。これらのプラズマ源を用い
たプラズマ処理装置においては、磁場を利用してプラズ
マを試料に導いている。

【０００３】しかしながら、単純な発散磁場を利用して
プラズマを試料に導いた場合、試料の中心では処理速度
が大きく試料の周辺では処理速度が小さい、あるいはエ
ッチングにおいては試料の周辺のエッチング形状が斜め
となる等の問題が生じる。

【０００４】これは、プラズマは磁力線に従って試料に
導かれるので、試料の中心に比べ試料の周辺に到達する
プラズマの方が大きく広げられ、また試料の周辺では磁
力線は試料に斜めに入射するためである。

【０００５】このようなプラズマ処理装置におけるプラ
ズマ処理の指向性と均一性を制御する方法して、プラズ
マ生成用の磁場による発散磁場に、他の磁場を組み合わ
せる方法が提案されている。

【０００６】例えば、ＥＣＲプラズマを用いたプラズマ
処理装置においては、反応室の周囲にプラズマ整形用の
磁場発生コイルを設けることにより、プラズマを試料に
均一に照射させる方法が提案されている（特開昭５７−
７９６２１号公報）。

【０００７】しかし、この方法には、プラズマ流整形用
の磁場発生手段を設けることにより装置が大型化する問
題や、磁場発生コイルのみの組み合わせでは、磁場の方
向と強度が同時に変化するため、所望の磁場の方向と強
度を同時に実現することが難しいという問題があった。

【０００８】このような問題を解決するものとして、試
料台上に高透磁率板を設ける方法が提案されている（特
開昭６１−１８１５３４号公報）。

【０００９】図８は、試料台上に高透磁率板を設けたプ
ラズマ処理装置の説明図である。この図において、試料
台１１上には軟鉄等の高透磁率材料で形成された高透磁
率板１が搭載され、その上面に石英板等の誘電体で形成
された遮蔽板３３を介して試料Ｓが載置されている。

【００１０】試料Ｓは高透磁率板１上に載置されている
ので、磁場発生コイル２７によって真空容器２０内に発
生する磁力線は、試料Ｓの表面に略均一にかつ略垂直な
形状で入射する。これによって、試料Ｓの表面のプラズ
マ処理の指向性と均一性を向上させことができる。

【００１１】図１０は、高透磁率材料を磁場内に置いた
ときの磁力線の変化を示す図であって、（ａ）は平行磁
場、（ｂ）は平行磁場に高透磁率材料の球を置いたとき
の磁場、（ｃ）は発散磁場、および（ｄ）は発散磁場に
高透磁率材料の板を置いたときの磁場である。

【００１２】磁場の存在する真空や大気等の媒質中に、
媒質の透磁率μ0 に比べて大きい透磁率μ（μ＞＞μ0
）を持つ高透磁率材料を設置した場合、前記磁場は前
記高透磁率材料表面にほぼ垂直に入射する。上述の試料
台上に高透磁率板を設けたプラズマ処理装置は、この特
性を利用するものである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、試料台
上に高透磁率板を設けたプラズマ処理装置には下記の
〜のような問題があった。

【００１４】試料台上に高透磁率板を設けるため、プ
ラズマ加熱により、高透磁率板が加熱され、磁気特性が
変化してしまう。一般にパーマロイ（登録商標）等の高
透磁率材料は、ある温度（キュリー点）を超えると磁気
特性が急激に変化する。また、高透磁率材料は焼きなま
し処理にて作製されるので、高温に加熱されると、やは
り特性が変化してしまう。したがって、プラズマ処理を
続ける場合、高透磁率材料の磁気特性の変化が生じ、所
望のプラズマ処理の指向性および均一性が得られない、
さらに再現性が悪くなる。

【００１５】高温に加熱された場合、高透磁率材料の
磁気特性が変化するため、Ｃｕの高温エッチングや、Ｔ
ｉＮのＣＶＤなどの高温プロセスへの適用が困難であ
る。

【００１６】高透磁率材料には交流印加時に異常渦電
流損が大きいものが多い。このため、試料台上に高透磁
率板を設けた場合、高周波電力の印加が困難であった
り、仮に印加できたとしても損失が大きく、試料に高周
波電力を印加するプロセスへの適用もまた困難である。

【００１７】本発明はこのような課題を解決するために
なされたものであり、所望の指向性および均一性の良い
プラズマ処理を再現性良く試料に施すことができるプラ
ズマ処理装置を提供することを目的としている。

【００１８】さらに、高温プロセスや試料に高周波電力
を印加するプロセスにおいても、上記のような好適なプ
ラズマ処理が可能なプラズマ処理装置を提供することを
目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明者は次の３点に着
目して本発明を完成させた。

【００２０】（１）高透磁率板の磁気特性を一定にする
ことにより、所望の指向性および均一性の良いプラズマ
処理を再現性良く試料に施すことができる。

【００２１】（２）高透磁率板の温度を所定の温度（例
えばキュリー点）以下に抑えることにより、さらに一定
に制御することにより、高透磁率板の磁気特性を一定に
できる。

【００２２】（３）高透磁率板の面積が十分大きけれ
ば、高透磁率板を試料から少し離したとしても、試料に
磁力線をほぼ垂直に入射させることができる。

【００２３】本発明の装置では、高透磁率板を試料台の
内部に設ける。こうすることにより、高透磁率板のプラ
ズマ加熱を抑えることができるので、高透磁率板の温度
変化、特にキュリー点を超える温度変化、による磁気特
性の変化を抑えることができる。

【００２４】上記の高透磁率板を断熱材で熱的に隔離す
ることにより、試料台からの熱伝導を抑えることができ
るので、高透磁率板の磁気特性の変化をさらに抑えるこ
とができる。

【００２５】また、高透磁率板を強制的に冷却すること
により、高透磁率板の温度を所定の温度に制御でき、高
透磁率板の磁気特性を一定に保持することができる。

【００２６】本発明の装置において、高透磁率板より試
料側に試料の加熱手段を設けることにより、高透磁率板
を加熱せずに試料のみを加熱することができるので、Ｃ
ｕの高温エッチングやＴｉＮのＣＶＤなどの高温プロセ
スへの適用が可能になる。

【００２７】本発明の装置において、高周波電力が印加
される試料台であれば、その電極部分の内部に高透磁率
板を設けることにより、試料台に高周波を印加しても、
高透磁率板には高周波は印加されない。こうすることに
より、異常渦電流損の問題を抑えることができるので、
試料に高周波電力を印加するプロセスへも適用可能にな
る。

【００２８】また、高周波電力が印加される試料台の電
極部分から見て試料と反対側に高透磁率板を設けること
により、高透磁率板への高周波の印加を抑え、試料台の
みに高周波を効果的に印加できる。こうして、試料台の
電極部分の内部に高透磁率板を設ける場合と同様、異常
渦電流損の問題を抑え、試料に高周波電力を印加するプ
ロセスへも適用可能になる。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のプラズマ処理装
置の試料台の第１の例の模式的断面図である。試料台１
１の内部に円盤状の高透磁率板１が試料Ｓに平行に埋設
されている。

【００３０】この高透磁率板１の材料としては、パーマ
ロイ、スーパーマロイ（登録商標）、ヒステリシスパー
マロイ（登録商標）、ケイ素鋼、方向性ケイ素鋼、セン
ダスト（登録商標）、アルパーム（登録商標）、パーメ
ンジューム（登録商標）、フェライト等を用いることが
できる。

【００３１】この高透磁率板１の形状は、所望の磁場形
状（方向及び強度分布）に応じて、円盤状、リング状、
球状、中心部が厚いレンズ状、中心部が薄いレンズ状、
それらの表面に凹凸をつけたもの等とすれば良い。

【００３２】この高透磁率板１の大きさは試料よりも直
径が２ｃｍ程度大きいものにすれば良い。この高透磁率
板１の厚みは、所望の磁場形状に応じた厚みにすればよ
い。

【００３３】図２は、本発明のプラズマ処理装置の試料
台の第２の例の模式的断面図である。試料台１１の内部
に円盤状の高透磁率板１が断熱材２に覆われて試料Ｓに
平行に埋設されている。

【００３４】断熱材２として、ガラスウール（Ｓｉ
Ｏ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ガラス（Ｓｉ
Ｏ₂）、マグネシウム（Ｍｇ）粉末等を用いることがで
きる。

【００３５】図３は、本発明のプラズマ処理装置の試料
台の第３の例の模式的断面図である。試料台１１の内部
に円盤状の高透磁率板１が試料Ｓに平行に埋設され、そ
の高透磁率板１の冷却手段３が設けられている。冷却手
段３としては、例えば高透磁率板の裏面に銅パイプ等を
設け冷却水を通流させれば良い。

【００３６】図４は、本発明のプラズマ処理装置の試料
台の第４の例の模式的断面図である。試料台１１の内部
に円盤状の高透磁率板１が試料Ｓに平行に埋設されてい
る。

【００３７】加熱手段であるヒータ４が、高透磁率板１
に対して試料Ｓ側に配置される。

【００３８】図５は、本発明のプラズマ処理装置の試料
台の第５の例の模式的断面図である。試料台１１の内部
に円盤状の高透磁率板１が試料Ｓに平行に埋設されてい
る。

【００３９】試料台１１自身が金属であり高周波の電極
を兼ねており、高透磁率板１は高周波の電極の内部にあ
るため、試料台１１に高周波を印加しても高透磁率板１
には高周波は印加されない。試料台１１の高周波の電極
は一体物である必要がないことは言うまでもない。

【００４０】図６は、本発明のプラズマ処理装置の試料
台の第６の例の模式的断面図である。試料台１１の内部
に円盤状の高透磁率板１が試料Ｓに平行に埋設されてい
る。

【００４１】高透磁率板１の裏面には冷却手段３が設け
られており、さらにそれらを覆うように断熱材２が設け
られている。こうすることにより、試料台１１の温度に
関わらず、高透磁率板１の温度を制御できる。試料の加
熱手段であるヒータ４が高透磁率板より試料に近い方に
配置されている。

【００４２】本発明のプラズマ処理装置の一例について
説明する。

【００４３】図７は、本発明のプラズマ処理装置の一例
の模式的断面図である。

【００４４】プラズマ室２１の上部壁中央には円形のマ
イクロ波導入口２４が開口されており、このマイクロ波
導入口２４はマイクロ波導入窓２５にて気密に封止され
ている。このマイクロ波導入口２４には導波管２３を介
してマイクロ波発振器（図示せず）が接続されている。
磁場発生コイル２７はプラズマ室２１の周囲にこれを囲
む態様で配設してある。

【００４５】反応室２２はプラズマ引出口２６に臨ませ
て配設されている。反応室２２内にはプラズマ引出口２
６と対向する位置に試料台１１が配設されている。２８
はプラズマ室２１に連なるガス供給系、２９は反応室２
２に連なるガス供給系、３０は排気装置（図示せず）に
接続される排気口である。

【００４６】試料台１１には、図１から図６に示したよ
うな内部に高透磁率板を備えた試料台が用いられる。試
料台１１は、高周波が印加される場合は反応室２２と絶
縁されており、高周波が印加される場合は通常接地され
る。

【００４７】試料Ｓにプラズマ処理を施す方法について
説明する。プラズマ室２１および反応室２２内を排気す
る。プラズマ室２１および反応室２２内にガス供給系２
８およびガス供給系２９を通じてガスを供給して、所要
の圧力にする。磁場発生コイル２７にてＥＣＲ磁場をプ
ラズマ室２１内に形成する。導波管２３を介してプラズ
マ室２１内にマイクロ波を導入する。マイクロ波はプラ
ズマ室２１内を伝搬し、ＥＣＲ面でガスをＥＣＲ励起
し、プラズマを生成させる。生成したプラズマは磁場発
生コイル２７にて形成される発散磁場によって、プラズ
マ引出口２６を通って反応室２２内の試料Ｓ周辺に輸送
され（引き出され）る。そして、試料Ｓ表面にプラズマ
処理が施される。このとき、試料台１１の内部には高透
磁率板が埋設されているので、プラズマを試料Ｓの表面
に指向性と均一性良く照射でき、指向性と均一性の良い
プラズマ処理を施すことができる。

【００４８】このプラズマ処理装置は、ＴｉＮの成膜、
高温ＣｕエッチングおよびＳｉＯ₂のエッチングなどに
適用できる。

【００４９】また、ヘリコン波プラズマ、ＩＣＰ（Indu
ctively Coupled Plasma）等、磁場を用いたプラズマ源
であれば適用可能であり、エッチング、ＣＶＤ、ＰＶ
Ｄ、アッシング等のプラズマ処理に適用できる。

【００５０】

【実施例】図７に示したプラズマ処理装置において、図
４および図６に示した試料台を用いて、ホール形状への
ＴｉＮの成膜を行った。

【００５１】本実施例の図４に示した試料台について具
体的に説明する。試料台１１はインコネル（登録商標）
にて作製した。高透磁率板１の材料はスーパーマロイ
（Ｎｉ：７９％、Ｍｏ：５％、Ｆｅ：１６％）とし、そ
の形状は直径が２５ｃｍ、厚みが１ｃｍの円盤とした。
このスーパーマロイの比透磁率は１０００００、キュリ
ー点は４１０℃である。ヒータ４はシースヒータとし
た。また、高透磁率板１から試料台表面までの距離は２
ｃｍとした。

【００５２】本実施例の図６に示した試料台について具
体的に説明する。試料台１１は同じくインコネルにて作
製した。高透磁率板１も同じく、スーパーマロイ（Ｎ
ｉ：７９％、Ｍｏ：５％、Ｆｅ：１６％）とし、その形
状も直径が２５ｃｍ、厚みが１ｃｍの円盤とした。冷却
手段３として銅パイプを高透磁率板の裏面に設け、これ
に恒温流体循環装置により２０℃の冷却水を循環させ
た。断熱材２としてガラスウールを用いた。ヒータ４も
同じくシースヒータとした。高透磁率板１から試料台表
面までの距離は２．５ｃｍとした。

【００５３】比較例として、図９に示した試料台を用い
て、同様の試験を行うこととした。

【００５４】図９は、従来のプラズマ処理装置の試料台
の模式的断面図である。試料台１１の上に円盤状の高透
磁率板１が試料Ｓに平行に配設されている。この高透磁
率板１は遮蔽板３３によって表面を保護されている。試
料台１１の内部には加熱手段であるヒータ４が配置され
ている。試料台には高周波を印加できる構成である。

【００５５】試料台１１はインコネル（登録商標）にて
作製した。高透磁率板１の材料はスーパーマロイ（Ｎ
ｉ：７９％、Ｍｏ：５％、Ｆｅ：１６％）とし、その形
状は直径が２５ｃｍ、厚みが１ｃｍの円盤とした。遮蔽
板３３の材料は石英とし、その形状は直径が３０ｃｍ、
厚みが２ｃｍの円盤とした。ヒータ４はシースヒータと
した。なお、ＴｉＮの成膜に関しては、試料台に高周波
は印加していない。

【００５６】ＴｉＮの成膜の内容は、８インチシリコン
ウエハ上にＳｉＯ₂を１μｍ成膜し、０．５ミクロン径
のホール形状を形成した試料に成膜するものとした。

【００５７】ＴｉＮの成膜の条件は、以下の通りであ
る。ＴｉＣｌ₄：１０sccm、Ｈ₂：１００sccm、Ｎ₂：
１０sccm、Ａｒ：１００sccm、圧力：０．５ mTorr、マ
イクロ波の周波数：２．４５ＧＨｚ、マイクロ波電力：
３ｋＷとした。試料台温度は２００℃、４００℃、６０
０℃、７００℃と変化させた。試料台の温度は試料台に
埋め込んだ熱電対によって測定した。

【００５８】図１１は、試料台の加熱温度を変化させて
成膜したときのホール底部での成膜の傾きθの測定結果
を示すグラフである。このとき試料Ｓの端部１０ｍｍの
位置でのホール底部での成膜の傾きθを調べた。ただ
し、傾きθは図１２のように定義した。

【００５９】比較例である図９に示した試料台を用いた
場合、２００℃程度から傾きθの悪化が見られた。これ
に対して、図４に示した試料台を用いた場合、４００℃
まで傾きθの変化が見られなかった。また、図６に示し
た試料台を用いた場合、７００℃まで傾きθはほとんど
０であった。

【００６０】図７に示したプラズマ処理装置において、
図６に示した試料台を用いて、バイアスＥＣＲＣＶＤ法
によりＳｉＯ₂の成膜を行い、試料の断面形状を調べ
た。比較例として、図９に示した試料台を用いて、同様
の成膜を行い、試料の断面形状を調べた。

【００６１】ＳｉＯ₂の成膜の内容は、高さ１μｍ幅１
μｍのラインアンドスペースが形成された８インチシリ
コンウエハ上に成膜することとした。

【００６２】ＳｉＯ₂の成膜の条件は、以下の通りであ
る。ＳｉＨ₄：５０sccm、Ｏ₂：８０sccm、Ａｒ：７０
sccm、圧力：１mTorr 、マイクロ波の周波数：２．４５
ＧＨｚ、マイクロ波電力：２ｋＷ、高周波の周波数：１
３．５６ＭＨｚ、高周波電力：１．４ｋＷ。

【００６３】図１３は、ウエハの断面形状の図であっ
て、（ａ）は図６に示した試料台のものであり、（ｂ）
は図９に示した試料台のものである。（ａ）の図６に示
した試料台を用いた方が、角部がスパッタされており、
高周波が有効にウエハに印加されていた。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明装置によれ
ば、高透磁率板の温度を所定の温度（例えばキュリー
点）以下に抑え、さらに一定に制御することにより、高
透磁率板の磁気特性を一定にできる。この結果、所望の
指向性を有し均一性に優れたプラズマ処理を再現性良く
試料に施すことができる。

【００６５】また、高温プロセスや試料に高周波電力を
印加するプロセスにおいても、上記の好適なプラズマ処
理を試料に施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の試料台の第１の例
の模式的断面図である。

【図２】本発明のプラズマ処理装置の試料台の第２の例
の模式的断面図である。

【図３】本発明のプラズマ処理装置の試料台の第３の例
の模式的断面図である。

【図４】本発明のプラズマ処理装置の試料台の第４の例
の模式的断面図である。

【図５】本発明のプラズマ処理装置の試料台の第５の例
の模式的断面図である。

【図６】本発明のプラズマ処理装置の試料台の第６の例
の模式的断面図である。

【図７】本発明のプラズマ処理装置の一例の模式的断面
図である。

【図８】従来の試料台上に高透磁率板を設けたプラズマ
処理装置の説明図である。

【図９】従来のプラズマ処理装置の試料台の模式的断面
図である。

【図１０】高透磁率材料を磁場内に置いたときの磁力線
の変化を示す図であって、（ａ）は平行磁場、（ｂ）は
平行磁場に高透磁率材料の球を置いたときの磁場、
（ｃ）は発散磁場、および（ｄ）は発散磁場に高透磁率
材料の板を置いたときの磁場である。

【図１１】試料台の加熱温度を変化させて成膜したとき
のホール底部での成膜の傾きθの測定結果を示すグラフ
である。

【図１２】成膜したときのホール底部での成膜の傾きθ
の定義を示す図である。

【図１３】ウエハの断面形状の図であって、（ａ）は図
６に示した試料台のものであり、（ｂ）は図９に示した
試料台のものである。

【符号の説明】

１高透磁率板２断熱材３冷却手段４ヒータ６高周波電源１１試料台２０真空容器２１プラズマ室２２反応室２３導波管２４マイクロ波導入口２５マイクロ波導入窓２６プラズマ引出口２７磁場発生コイル２８、２９ガス供給系３０排気口３１放電管３２マイクロ波発振器３３遮蔽板３５磁力線３６高透磁率材料の球３７高透磁率材料の板４１シリコン基板４２ＳｉＯ₂ ４３ホール４４ＴｉＮＥＥＣＲ面Ｐプラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０５Ｈ 1/46 ＣＨ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器内に磁場を形成
する磁場発生手段と、この真空容器内に反応ガスを導入
する手段と、この真空容器内において試料を保持する試
料台とを備えたプラズマ処理装置において、前記試料台
の内部に高透磁率板を設けたことを特徴とするプラズマ
処理装置。
【請求項２】高透磁率板が断熱材によって試料台から熱
的に隔離されていることを特徴とする請求項１記載のプ
ラズマ処理装置。
【請求項３】高透磁率板の冷却手段を備えたことを特徴
とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】高透磁率板より試料側の位置に試料の加熱
手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか
に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】試料台に高周波電力を印加する手段を備
え、その高周波電力が印加される試料台の電極部分の内
部または電極部分から見て試料と反対側に高透磁率板が
設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
かに記載のプラズマ処理装置。