JPH11251301A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大型の電磁石および複雑な装置構成を用いる
ことなく、均一で高密度のプラズマを形成することがで
きるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供す
ること。 【解決手段】 チャンバー１内に被処理体としての半導
体ウエハＷを支持するための支持テーブル２を設け、高
周波電源１０からチャンバー１内に３〜３００ＭＨｚの
範囲の高周波を印加するとともに、空芯コイル１１に給
電することにより、印加された高周波に対応する共鳴磁
場の整数倍の磁場を半導体ウエハＷに対して垂直、かつ
電界方向に対して平行に形成し、さらに処理ガス供給系
９からチャンバー１内に処理ガスを供給して、チャンバ
ー１内にＥＣＲプラズマを形成し、支持テーブル２に高
周波を印加することによりプラズマ中の電子を引き込ん
で半導体ウエハＷにプラズマ処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理体に対してエッチング処理、成膜処理等のプラズ
マ処理を行うプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体ウエハ上に形成された薄
膜の所定部分を所定形状に微細加工する技術として、ド
ライエッチング装置が多用されている。従来のドライエ
ッチング装置は平行平板型電極を有するものが主流であ
り、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）方式と、ＰＥ
（プラズマエッチング）方式が知られている。いずれの
方式の場合にも、減圧されたチャンバー内にエッチング
ガスのプラズマを形成して半導体ウエハ上の薄膜をエッ
チングするものであり、エッチングガスによるプラズマ
を生成させる観点およびそれを維持する観点から、エッ
チング室内のガス圧力を数１００ｍＴｏｒｒ以上の比較
的高い圧力に設定する必要がある。このように、比較的
高い圧力雰囲気下におけるエッチングでは、反応副生成
物が塵埃となり、特に近年の微細処理が求められる半導
体装置においては、その塵埃が処理の歩留まりを低下さ
せる原因となっている。

【０００３】また、ＲＩＥ方式のドライエッチング装置
では、物理的エッチングが主体であるため、たとえば５
００〜６００ｅＶもの高エネルギーのイオンがウエハに
向けて入射され、これによって半導体ウエハがダメージ
を受けるという問題がある。

【０００４】一方、近年、比較的低圧雰囲気にて高密度
のプラズマを生成して微細加工のエッチングを行うマグ
ネトロンプラズマエッチング装置が実用化されている。
この装置は、磁場を半導体ウエハに対して水平に印加す
るとともに、これに直交する高周波電界を印加して、マ
グネトロン放電を生じさせてエッチングするものであ
る。

【０００５】しかし、この装置は被処理体に対して水平
に磁場を印加するため、本質的に磁場方向に荷電粒子が
ドリフトするいわゆるＥ×Ｂドリフトが生じる。その結
果、輸送される荷電粒子の下流側と上流側では、プラズ
マの密度のバランスが崩れ、不均一になりやすいという
本質的な問題があり、これが半導体ウエハのチャージア
ップダメージを引き起こす。

【０００６】これに対して、このようなＥ×Ｂドリフト
に基づくプラズマの不均一が本質的に生じにくい磁場形
成手段を用いてプラズマ密度を向上させたエッチング装
置として、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方
式のプラズマエッチング装置が検討されている。

【０００７】しかし、この方式の場合には、周波数が数
ＧＨｚのマイクロ波を用いているため、共鳴磁場が極め
て大きなものとなる。例えば、２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波に対応した共鳴磁場は８７５Ｇとなり、極めて大型
の電磁石が必要となって現実的ではない。また、処理チ
ャンバーへ大電力を投入する必要があるが、その場合に
は導波管を用いなければならず、装置構成が複雑になっ
てしまう。一方、このような問題を解決するために印加
する高周波の周波数を低下させることが考えられるが、
その場合には電子のラーマー半径が大きくなって、電子
がサイクロトロン運動をする前にチャンバー壁に衝突し
てエネルギーを失うこととなり、プラズマの密度を向上
させることが困難となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
に鑑みてなされたものであって、大型の電磁石および複
雑な装置構成を用いることなく、均一で高密度のプラズ
マを形成することができるプラズマ処理装置およびプラ
ズマ処理方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１発明は、被処理体に対してプラズマ処理が行わ
れる処理室と、前記処理室内において被処理体を支持す
る支持部材と、前記処理室にプラズマ処理のための処理
ガスを導入する処理ガス導入手段と、前記処理室内の電
極に３〜３００ＭＨｚの範囲内の高周波を印加する高周
波印加手段と、印加された高周波に対応する共鳴磁場の
整数倍の磁場を被処理体に対して垂直、かつ電界方向に
対して平行に形成する磁場形成手段とを具備することを
特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

【００１０】第２発明は、第１発明のプラズマ処理装置
において、前記高周波印加手段は、前記処理室内の電極
に３〜１００ＭＨｚの範囲内の高周波を印加することを
特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

【００１１】第３発明は、第１発明または第２発明のプ
ラズマ処理装置において、前記処理ガス導入手段は、前
記支持部材上の被処理体に向けて処理ガスを供給する多
数の孔を有し、内部に空間を有する導電体のシャワーヘ
ッドを備え、該シャワーヘッドが電極として機能するこ
とを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

【００１２】第４発明は、第１発明または第２発明のプ
ラズマ処理装置において、前記処理ガス導入手段は、前
記支持部材上の被処理体に向けて処理ガスを供給する多
数の孔を有し、内部に空間を有する絶縁体のシャワーヘ
ッドを備え、該シャワーヘッドの空間内に前記電極が配
置されることを特徴とするプラズマ処理装置を提供す
る。

【００１３】第５発明は、処理室内に被処理体を搬入す
る工程と、前記処理室に処理ガスを導入する工程と、前
記処理室内に３〜３００ＭＨｚの高周波を印加する工程
と、印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁
場を被処理体に対して垂直、かつ電界方向に対して平行
に形成する工程とを具備することを特徴とするプラズマ
処理方法を提供する。

【００１４】第６発明は、第５発明において、前記処理
室内に印加される高周波は３〜１００ＭＨｚであること
を特徴とするプラズマ処理方法を提供する。

【００１５】本発明においては、ＥＣＲ方式を前提と
し、被処理体に垂直に磁場を印加するので、本質的にＥ
×Ｂドリフトに基づくプラズマの不均一が生じず、チャ
ージアップダメージの問題を回避することができる。す
なわち、水平磁場の場合には、Ｅ×Ｂドリフトによっ
て、被処理体の面方向に荷電粒子が移動し、その結果、
被処理体の位置によりプラズマ密度が不均一になるが、
垂直磁場の場合は、荷電粒子が被処理体の面に垂直に移
動するから、磁場分布が面内で均一であれば、このよう
な不均一は生じない。また、３〜３００ＭＨｚという従
来のＥＣＲ方式における周波数よりも遥かに小さい周波
数を用いるので、大きな磁場を必要とせず、また、大電
力が不要であるため装置構成を複雑にする必要もない。
さらに、マイクロ波領域の高周波を用いた場合における
プラズマの均一性確保の困難性の問題も解消され、高密
度のプラズマを形成することができる。

【００１６】本発明は、本発明者の以下の知見に基づい
ている。例えば、２７．１２ＭＨｚの超短波領域の高周
波を印加する場合には、共鳴磁場強度は約１０Ｇとな
り、この条件での電子のラーマー半径は、シース加速電
圧を１０００Ｖとした場合、約９ｃｍとなり、マイクロ
波領域である２．４５ＧＨｚを印加した場合の１４０倍
となる。しかし、磁場強度を共鳴磁場の整数倍にする
と、共鳴周波数を整数倍にした際と同等のプラズマが生
成される（Japanese Journal of Applied Physics Vol.
29,No.11,1990,pp2641-2643）。つまり、周波数をその
ままにしてラーマー半径のみを整数分の１にすることが
できる。したがって、印加する高周波の周波数が小さく
てもエネルギー損失を回避することができる。この場合
に、磁場が整数倍となっても高々１００Ｇ程度でよいの
で、小型のマグネットで十分である。

【００１７】なお、印加する高周波の周波数を３〜３０
０ＭＨｚにしたのは、この領域であれば磁場が小さくて
よく、またこの領域がＶＨＦ〜ＵＨＦの領域であり装置
の構成上、電力の投入が容易だからである。この範囲の
中でも１５０ＭＨｚ以下が好ましく、異常放電およびロ
スを少なくする観点からは１００ＭＨｚ以下が特に好ま
しい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の実施の形態について説明する。図１は、本発明のプ
ラズマ処理装置をエッチング処理装置に適用した一実施
形態を示す断面図である。このエッチング装置は、ステ
ンレスまたはアルミニウムからなり、減圧可能に構成さ
れ、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき
円筒状のチャンバー１を有している。このチャンバー１
内には、被処理体である半導体ウエハＷ基板を水平に支
持するための支持テーブル２が図示しない昇降機構によ
り昇降可能に設けられている。半導体ウエハＷは、真空
チャック、静電チャック、クランプリング等の適宜の固
定手段により支持テーブル２に固定される。支持テーブ
ル２の下方の駆動部分は、ベローズ３で覆われている。
なお、チャンバー１は接地されており、支持テーブル２
の中に冷媒流路が設けられ冷却可能となっている。

【００１９】チャンバー１の天壁近傍には、支持テーブ
ル２に対向するようにシャワーヘッド４が設けられてい
る。シャワーヘッド４は、その下面に多数のガス吐出孔
５が設けられており、かつその上部にガス導入部６を有
している。そして、ガス導入部６が絶縁部材７を介して
チャンバー１の天壁に取り付けられている。ガス導入部
６にはガス供給配管８が接続されており、このガス供給
配管８の他端には、エッチング用の反応ガスおよび希釈
ガスからなる処理ガスを供給する処理ガス供給系９が接
続されている。この場合に、反応ガスとしては、例えば
ＣＨＦ₃、ＣＦ₄、Ｃ₄Ｆ₈等のハロゲン含有ガスやＣＯガ
ス、Ｏ₂ガス等が用いられ、希釈ガスとしては、Ａｒガ
ス等の不活性ガスが用いられる。このような処理ガスに
より、半導体ウエハＷに形成された膜、例えば酸化膜が
エッチングされる。

【００２０】シャワーヘッド４には、図示しないマッチ
ング回路を介して高周波電源１０が接続されている。こ
の高周波電源１０は３〜３００ＭＨｚの範囲内の周波数
を有している。そして、この高周波電源１０より上記範
囲の周波数の高周波電力が供給されることにより、チャ
ンバー１内に垂直に３〜３００ＭＨｚの高周波電界が形
成される。

【００２１】チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心
状に、空芯コイル１１が設けられている。この空芯コイ
ル１１は、図示しない電源から電力が供給されることに
より電磁石として機能し、これによりチャンバー１内に
高周波電界と平行な垂直磁場が形成される。この場合
に、磁場の大きさが、高周波電源１０から印加される高
周波の共鳴磁場の整数倍の大きさになるように、空芯コ
イル１１に供給される電力が調整される。例えば、高周
波電源１０から供給される高周波の波長が２７．１２Ｍ
Ｈｚであるとすると、その際の共鳴磁場は約１０Ｇであ
るから、その整数倍、すなわち２０Ｇ、３０Ｇ、４０Ｇ
……に設定される。そして、このような条件により電子
サイクロトロン共鳴が生じ、チャンバー１内でＥＣＲプ
ラズマが形成される。

【００２２】また、支持テーブル２には、図示しないマ
ッチング回路を介して高周波電源１２が接続されてい
る。この高周波電源１２は、周波数が例えば５ＭＨｚ程
度に設定され、プラズマ中のイオンを半導体ウエハＷに
向けて引き込む。

【００２３】チャンバー１の下部１ｂの一方の側壁には
ゲートバルブ１３が設けられており、支持テーブル２が
下降された状態で、このゲートバルブ１３を介して半導
体ウエハＷが搬入出される。また、下部１ｂの他方の側
壁には排気ポート１４が形成されており、この排気ポー
ト１４には排気系１５が接続されている。そして排気系
１５に設けられた真空ポンプを作動させることによりチ
ャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができ
る。

【００２４】次に、このように構成されるエッチング装
置の動作について説明する。まず、ゲートバルブ１３を
開にした状態で、図示しない搬送アームにより半導体ウ
エハＷをチャンバー１内に搬入し、半導体ウエハＷを支
持テーブル２に載置し、搬送アームが退避した後、ゲー
トバルブ１３を閉じる。

【００２５】次に、支持テーブル２を上昇させて、半導
体ウエハＷとＥＣＲ面との距離を所定の距離、例えば５
０ｍｍになるようにする。この場合に、支持テーブル２
を通流する冷媒により半導体ウエハＷを所定の温度、例
えば２０℃に冷却する。また、チャンバー１の壁および
シャワーヘッド４の温度は例えば６０℃に設定する。

【００２６】この状態で、高周波電源１０から３〜３０
０ＭＨｚの範囲の所定の周波数の高周波電力をシャワー
ヘッド４に供給し、チャンバー１内に高周波電界を形成
するとともに、空芯コイル１１に給電してチャンバー１
内に垂直磁場を形成する。

【００２７】そして、排気系１５の真空ポンプによりチ
ャンバー１内を排気して１０^-5〜１０^-6Torr程度の減圧
状態としてから、処理ガス供給源９から、反応ガスおよ
び希釈ガスからなる処理ガスを所定流量でシャワーヘッ
ド４を介してチャンバー１内へ供給し、例えば、１０〜
４０mTorrの圧力でエッチングする。この際の処理ガス
の流量は、例えば、Ｃ₄Ｆ₈ガス：１０ｓｃｃｍ、ＣＯガ
ス：５０ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス：５ｓｃｃｍ、Ａｒガス：
２００ｓｃｃｍである。

【００２８】このとき、高周波電源１０から供給される
高周波電力の周波数を３〜３００ＭＨｚの範囲内、好ま
しくは１５０ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１００ＭＨ
ｚ以下になるようにする。そして、空芯コイル１１に給
電することによって得られる電磁石による垂直磁場の大
きさを、印加された高周波の周波数における共鳴磁場の
大きさの整数倍になるようにする。例えば、印加する高
周波の周波数を６０ＭＨｚとした場合、共鳴磁場は２
１．４５Ｇ、また、２７．１２ＭＨｚとした場合、共鳴
磁場は約１０Ｇとなるが、それぞれ例えばこれらの倍の
４２．９Ｇ、２０Ｇとする。

【００２９】このように、磁場強度を共鳴磁場の整数
倍、例えば２倍とすると、共鳴周波数を２倍にしたのと
同様の効果が生じる。つまり、印加する周波数をそのま
まにして電子のラーマー半径のみを１／２とすることが
できる。したがって、印加する高周波の周波数が低い場
合における、電子のラーマ半径が大きいことに伴うエネ
ルギー損失の問題を回避することができ、高密度のプラ
ズマを得ることができる。

【００３０】例えば、２７．１２ＭＨｚの超短波領域の
高周波を印加する場合には、共鳴磁場強度は約１０Ｇと
なり、この条件での電子のラーマー半径は、シース加速
電圧を１０００Ｖとした場合、約９ｃｍと大きく、電子
がチャンバー壁に衝突する頻度が高いが、磁場強度を倍
の２０Ｇとした場合は、共鳴周波数を倍にした際と同等
のプラズマが形成され、電子のラーマー半径が約４．５
ｃｍとなって、電子がチャンバー壁に衝突する頻度を著
しく低下させることができ、プラズマ密度を高くするこ
とができる。

【００３１】このようなプラズマを形成しつつ、高周波
電源１２から、例えば５ＭＨｚの高周波電力を支持テー
ブル２に供給することにより、プラズマ中のイオンを半
導体ウエハＷに引き込み、半導体ウエハＷ上に形成され
た膜、例えば酸化膜（ＳｉＯ₂）をエッチングする。

【００３２】本実施の形態においては、電界方向と平行
に磁場を印加するので、ウエハ近傍のシース領域では、
電界方向と垂直に印加したときに生じるＥ×Ｂドリフト
が、電子の熱運動速度成分を除けば、ほとんどない。し
たがって、Ｅ×Ｂドリフトによるプラズマの不均一は原
理的に小さく、チャージアップダメージの問題を回避す
ることができる。また、上述したように３〜３００ＭＨ
ｚという従来のＥＣＲ方式における周波数よりも遥かに
小さい周波数を用いることが可能であるから、大きな磁
場を必要とせず、また、大電力が不要であるため装置構
成を大型化および複雑化する必要もない。さらに、この
範囲の周波数は、電力投入しやすいという利点もある。
また、周波数が１００ＭＨｚ以下の場合には、異常放電
およびロスを少なくすることができることから、この範
囲が特に好ましい。

【００３３】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。図２は、本発明のプラズマ処理装置をエッチング
装置に適用した他の実施形態を示す断面図であり、図１
と同等のものには同じ符号を付して説明を省略する。図
２の装置は誘導結合型のプラズマ発生部を有している。
この装置では、図１のシャワーヘッド４に代えて、絶縁
性のシャワーヘッド４’を用い、さらにこれに連続して
絶縁性のガス導入部６’を用いている。そして、シャワ
ーヘッド４’の下面に形成されたガス吐出孔５’からガ
スが吐出される。また、シャワーヘッド４’の内部空間
には水平に電極１６が設けられており、この電極１６に
高周波電源１０が接続されている。したがって、この装
置においては、高周波電源１０から電極１６に高周波電
力が印加されることにより高周波電界が形成される。

【００３４】なお、本発明は、上述した実施の形態に限
定されることなく、種々変形可能である。処理ガスとし
て用いた反応ガスおよび希釈ガスの種類は、例示したも
のに限らず被処理体に応じて種々ガスを単独または組合
せて用いることができる。また、希釈ガスは必ずしも用
いなくてもよい。処理ガスを選択することにより、被エ
ッチング膜も酸化膜に限らず種々の膜に適用することが
できる。さらに被処理体としては、半導体ウエハに限ら
ず、液晶表示装置のガラス基板等他のものであってもよ
い。

【００３５】また、上記実施の形態では本発明をエッチ
ング装置に適用したが、本発明の原理上エッチング装置
に限らず、他のプラズマ処理に適用可能であることは明
らかである。例えば、処理ガスを適宜選択することによ
り、ＣＶＤ成膜装置に適用することも可能である。例え
ば、以下に示す反応等種々のものが考えられる。 ＳｉＨ₄＋Ｏ₂ → ＳｉＯ₂ ＷＦ₆＋Ｈ₂ → Ｗ ＴｉＣｌ₄＋ＮＨ₃ → ＴｉＮ

【００３６】また、ＣＶＤ成膜の他、チャンバー内に半
導体ウエハと対峙するようにターゲットを配置すること
によってプラズマによりターゲットをスパッタするよう
に構成された、ＰＶＤ的な成膜装置にも適用することが
できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｅ
ＣＲ方式によるプラズマ発生機構をプラズマ処理装置に
適用し、被処理体に垂直に磁場を印加するので、本質的
にＥ×Ｂドリフトに基づくプラズマの不均一が生じず、
チャージアップダメージの問題を回避することができ
る。また、３〜３００ＭＨｚという従来のＥＣＲ方式に
おける周波数よりも遥かに小さい周波数を用いるので、
大きな磁場を必要とせず、また、大電力が不要であるた
め、大型の磁石が不要であり、装置構成を複雑にする必
要もない。さらに、マイクロ波領域の高周波を用いた場
合のプラズマの均一性確保の困難性も解消され、高密度
のプラズマを形成することができる。

【００３８】そして、３〜３００ＭＨｚの範囲の周波数
であれば、電力投入も容易である。さらに、印加する高
周波の周波数を１００ＭＨｚ以下とすることにより、異
常放電およびロスを少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置をエッチング装置に
適用した一実施形態を示す断面図。

【図２】本発明のプラズマ処理装置をエッチング装置に
適用した他の実施形態を示す断面図。

【符号の説明】

１……チャンバー ２……支持テーブル ４……シャワーヘッド ９……処理ガス供給系 １０，１２……高周波電源 １１……空芯コイル １５……排気系 Ｗ……半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｃ２３Ｃ 14/40 Ｃ２３Ｃ 14/40

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理体に対してプラズマ処理が行われ
   る処理室と、 前記処理室内において被処理体を支持する支持部材と、 前記処理室にプラズマ処理のための処理ガスを導入する
   処理ガス導入手段と、 前記処理室内の電極に３〜３００ＭＨｚの範囲の高周波
   を印加する高周波印加手段と、 印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁場を
   被処理体に対して垂直、かつ電界方向に対して平行に形
   成する磁場形成手段とを具備することを特徴とするプラ
   ズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記高周波印加手段は、前記処理室内の
   電極に３〜１００ＭＨｚの範囲の高周波を印加すること
   を特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記処理ガス導入手段は、前記支持部材
   上の被処理体に向けて処理ガスを供給する多数の孔を有
   し、内部に空間を有する導電体のシャワーヘッドを備
   え、該シャワーヘッドが電極として機能することを特徴
   とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装
   置。
4. 【請求項４】 前記処理ガス導入手段は、前記支持部材
   上の被処理体に向けて処理ガスを供給する多数の孔を有
   し、内部に空間を有する絶縁体のシャワーヘッドを備
   え、該シャワーヘッドの空間内に前記電極が配置される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラ
   ズマ処理装置。
5. 【請求項５】 処理室内に被処理体を搬入する工程と、 前記処理室に処理ガスを導入する工程と、 前記処理室内に３〜３００ＭＨｚの高周波を印加する工
   程と、 印加された高周波に対応する共鳴磁場の整数倍の磁場を
   被処理体に対して垂直、かつ電界方向に対して平行に形
   成する工程とを具備することを特徴とするプラズマ処理
   方法。
6. 【請求項６】 前記処理室内に印加される高周波は３〜
   １００ＭＨｚであることを特徴とする請求項５に記載の
   プラズマ処理方法。