JP3380948B2

JP3380948B2 - ヘリコン波プラズマ装置およびこれを用いたプラズマ処理方法

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Publication number: JP3380948B2
Application number: JP23988795A
Authority: JP
Inventors: 信久山岸
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2015-09-19
Also published as: JPH0992490A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体デバイス製造
等の微細加工分野に適用されるヘリコン波プラズマ装置
およびこれを用いたプラズマ処理方法に関し、特にプラ
ズマを励起させる円筒容器の半径ｒ方向に発生する高エ
ネルギー電子の分布の偏りを緩和して、均一性の高いプ
ラズマ・エッチングやプラズマＣＶＤを行う技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩといった半導
体デバイスにおいては、高集積度化・高密度化に伴って
最小加工寸法の縮小、チップ面積の拡大、デバイス構造
や回路パターンの複雑化が加速しており、その加工や生
産を担うプラズマ・エッチング装置やプラズマＣＶＤ装
置に対しても、より一層の性能改善が要求されている。
たとえば、プラズマ・エッチング装置に関しては、優れ
た形状異方性、高選択性、寸法変換差の低減、実用的な
エッチング速度、大口径基板（ウェハ）に対応できる高
いエッチング均一性、低ダメージ性、低汚染性といった
互いに相反する要件を最大限に満足できるものでなけれ
ばならない。

【０００３】これらの性能改善を図るために、電子サイ
クロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマや誘導結合プラズマ
等、１０¹¹／ｃｍ³ 以上のオーダーのプラズマ密度を達
成できるいわゆる高密度プラズマ装置が幾つか提案され
ている。かかる高密度プラズマ装置の中でも期待の大き
い装置のひとつに、ヘリコン波を用いてプラズマを励起
するヘリコン波プラズマ装置がある。ヘリコン波とは、
気体プラズマ中を伝搬するホイスラーと呼ばれる右回り
円偏波の一種であり、方位角モード数ｍに応じた円筒座
標系のθ方向への旋回を伴う点で電子サイクロトロン波
と相違している。

【０００４】このヘリコン波で励起されるヘリコン波プ
ラズマは、極めて高いイオン化率を特色としているが、
これにはプラズマによるヘリコン波の減衰機構として、
衝突減衰の他に無衝突減衰が関与しているからである。
中でもプラズマの高密度化に重要な役割を果たしている
のは、無衝突減衰の一種であるランダウ（Ｌａｎｄａ
ｕ）減衰であると考えられている。ランダウ減衰とは、
ヘリコン波の位相速度とほぼ等しい速度で磁力線方向に
運動する共鳴電子が、ヘリコン波の作る電界により直流
的に加速され続ける結果、ヘリコン波のエネルギーを吸
収する現象である。プラズマ中にはヘリコン波より高速
の電子と低速の電子の双方が存在するが、マクスウェル
分布によれば低速の電子の方が若干多いため、このよう
なヘリコン波からのエネルギー吸収が可能となる。かか
るエネルギー吸収機構により生成された高エネルギー電
子がガス分子の解離に関与するために、ヘリコン波プラ
ズマでは１０¹³／ｃｍ³ 以上のオーダーのプラズマ密度
が達成される。

【０００５】図８に、一般的なヘリコン波プラズマ装置
の構成を示す。この装置のプラズマ生成部は、ヘリコン
波プラズマＰを生成させるための円筒容器であるベルジ
ャ３１、このベルジャ３１の周囲に巻回されるループ・
アンテナ３２、上記ループ・アンテナ３２のさらに外側
にてベルジャ３１を周回し、その軸ｚ方向に沿った磁界
を生成させるソレノイド・コイル３３を主な構成要素と
する。上記ベルジャ３１は石英等の誘電体材料にて構成
される。また、上記ループ・アンテナ３２は、マッチン
グ・ネットワーク４０を介してプラズマ励起用ＲＦ電源
４１に接続され、その巻回様式に応じてｍ＝０モードも
しくはｍ＝１モードのヘリコン波を発生させるようにな
されている。

【０００６】ここで、ｍ＝０モードにおける電界パター
ンは、位相角ψ＝０では純粋に電磁的である。位相角ψ
＝π／２では純粋に静電的な放射状パターンである。そ
の中間の方位角ψでは電磁的と静電的の中間的な螺旋状
パターンを示す。ｍ＝０モードのヘリコン波プラズマ
は、シンプルな１回巻きアンテナで励起することができ
る。一方のｍ＝１モードは常に電磁成分と静電成分の混
合であり、その電界パターンはヘリコン波の伝搬と共に
単純に時計方向に回転する。ｍ＝１モードのヘリコン波
プラズマは、ダブル・ループ型のアンテナを用いると、
電界に直交する時間依存型の磁界に誘導結合する形で励
起される。

【０００７】上記ベルジャ３１には、拡散チャンバ３４
が接続されている。これは、上記ソレノイド・コイル３
３が形成する発散磁界に沿ってヘリコン波プラズマＰを
引き出すことにより、内部に収容されたステージ３６の
上のウェハＷに対して所定のプラズマ処理を行うための
処理室である。上記ステージ３６は、絶縁部材を用いて
拡散チャンバ３４の壁面から絶縁されており、また、そ
の脚部にはブロッキング・コンデンサ４２やマッチング
・ネットワーク４３を介してバイアス印加用ＲＦ電源４
４が接続されている。プラズマ処理に必要なガスは、拡
散チャンバ３４の内部を図示されない排気系統により排
気孔３７を通じて矢印Ａ方向に高真空排気した後、天井
部に開口されるガス供給管３５より矢印Ｂ方向から供給
される。さらに、拡散チャンバ３４の側壁面にはゲート
・バルブ３８が設けられ、たとえば図示されないロード
・ロック室等との間でウェハＷを搬送可能となされてい
る。

【０００８】さらに、上記拡散チャンバ３４の外部に
は、上記ステージ３６近傍における発散磁界を収束さ
せ、またチャンバ壁によるプラズマ中の電子や活性種の
消滅を抑制するために、補助磁界生成手段としてマルチ
ポール磁石３９が配設されている。

【０００９】ヘリコン波プラズマは、その生成に強磁場
を必要とするＥＣＲプラズマに比べてプラズマの面内均
一性や再現性にも優れている。本発明者は、ヘリコン波
プラズマ装置による６インチ径ウェハ上でのＡｌ系多層
膜のドライエッチングにおいて、面内均一性±５％以
内、ウェハ間均一性±５％以内の良好な特性を確認して
いる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ヘリコン波
プラズマの均一性は、上述のようにＥＣＲプラズマに比
べれば相対的には優位であるが、今後の半導体デバイス
の一層の微細化およびチップ面積の拡大に伴う大口径ウ
ェハへの対応を考えると、絶対的な均一性には未だ改善
の余地がある。たとえば、第４１回応用物理学関係連合
講演会（１９９４年春季年会）講演予稿集ｐ．４６，演
題番号３１ｐ−ＺＥ−２には、商用装置と基本構成が類
似したＲＦループ・アンテナ励起によるヘリコン波プラ
ズマ装置において、アンテナ領域でのｍ＝０モードのヘ
リコン波プラズマの電子分布の空間構造を光学的に計測
した結果が報告されている。この研究によると、ｍ＝０
モードのヘリコン波の波形態に相関して、円筒容器内の
高エネルギー電子分布に同心円状の偏りが発生してい
る。

【００１１】図９は、ｍ＝０モードにおける高エネルギ
ー電子の偏在を概念的に説明するための図である。
（ａ）図は、ベルジャの半径ｒ方向における高エネルギ
ー電子密度分布を示しており、着色部分は電子温度Ｔe
が１０ｅＶよりも大きい分布極大領域を示す。この偏り
は、プラズマが拡散磁界によってプラズマ源からウェハ
面に向かう流束となって輸送される際にも、ほぼそのま
ま保存される。（ｂ）図は、この様子を示すグラフであ
り、規格化した飽和電子電流密度をウェハ径に沿ってプ
ロットすると、（ａ）図におけるドーナツ状の分布極大
領域に対応したピークが現れる。

【００１２】一方、図１０は、ｍ＝１モードについて同
様に高エネルギー電子の偏在を示した図である。ｍ＝１
モードの場合は、ベルジャの軸ｚを中心とする領域にお
いて電子密度が高くなる。

【００１３】いずれのモードを採用するにしても、かか
る高エネルギー電子の偏在は、プラズマ処理に不都合を
もたらす。この問題を、Ａｌ系多層膜のドライエッチン
グを例として、図１１を参照しながら説明する。

【００１４】図１１は、Ｓｉ基板５１上に成膜されたＳ
ｉＯｘ層間絶縁膜５２の上で、レジスト・マスク５７
（ＰＲ）を用いるドライエッチングによりＡｌ系配線パ
ターン５６を形成した状態を示している。ここで、上記
Ａｌ系配線パターン５６は、下層側から順にＴｉＮバリ
ヤメタル・パターン５３ｎ（添字ｎはノッチング形状を
呈することを表す。）、Ａｌ−１％Ｓｉパターン５４ａ
（添字ａは異方性形状を呈することを表す。）、ＴｉＮ
反射防止膜パターン５５ａが積層されたものである。

【００１５】ここで、上記ＴｉＮバリヤメタル・パター
ン５３ｎにノッチングと呼ばれる切欠き形状が生じてい
るのは、ヘリコン波プラズマ中の高エネルギー電子の偏
りがウェハ上に局所的な電荷蓄積をもたらし、これによ
りイオンの軌道が曲がり、イオン・アシスト機構がウェ
ハ面に対して垂直に働かなくなるからである。すなわ
ち、ＴｉＮ反射防止膜やＡｌ−１％Ｓｉ膜のエッチング
時は、被エッチング領域に十分な厚さの導電膜が存在し
ているため、ウェハ上での電荷蓄積はそれほど問題とな
らず、よってこれらの膜は比較的、異方性加工され易
い。しかし、ＴｉＮバリヤメタルのエッチング時は、被
エッチング領域に十分量の導電膜が存在せず、しかも下
地はＳｉＯｘ層間絶縁膜５２であるから、ウェハ表面に
蓄積された電荷はリークされ難くなり、結果的にウェハ
近傍におけるイオンの入射軌道を曲げてしまう。このた
めに、パターンの側壁面からもイオン・アシスト機構が
働き、ＴｉＮバリヤメタル・パターン５３ｎにノッチン
グが生ずる。

【００１６】蓄積電荷に起因する問題はＣＶＤにおいて
も発生する。ＣＶＤの場合は、堆積種の入射軌道や平坦
化効果を担うイオンの入射軌道が曲がることにより、た
とえば配線間スペースが絶縁膜により十分に埋め込まれ
ずにボイドが発生する等の不都合が生ずる。

【００１７】従来は、これらノッチングや膜厚の不均一
化に対処するために、拡散磁界の勾配や磁束密度、ある
いはループ・アンテナの供給電力の最適化を図ってきた
が、これらの最適化はプラズマ・マージンの観点から、
必ずしも容易ではなかった。そこで本発明は、かかる従
来の課題に鑑みて提案されるものであり、大口径ウェハ
上でドライエッチングやＣＶＤを行うに際し、基本特性
および低ダメージ性に優れ、特に局所的な電荷蓄積等に
起因する形状異常を防止することが可能なヘリコン波プ
ラズマ装置およびこれを用いたプラズマ処理方法を提案
することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明では、ヘリコン波
プラズマ装置の円筒容器の半径ｒ方向、軸ｚ方向および
方位角θ方向に各々対応した誘導電界成分Ｅと誘導磁界
成分Ｂで表現されるヘリコン波の波形態、ならびにヘリ
コン波の衝突減衰および無衝突減衰に応じて該円筒容器
内に発生する高エネルギー電子の局部的な密度差を緩和
させるために、この円筒容器内に誘電体緩衝部材を配
し、これにより局在している高エネルギー電子を分散さ
せる。

【００１９】上記緩衝部材の形状は、軸ｚ方向の電界成
分Ｅと磁界成分Ｂの進行を妨げず、またヘリコン波のモ
ードを変化させることのない様、前記円筒容器の軸ｚに
垂直な仮想面におけるその断面積が該軸ｚ方向の少なく
とも一部にわたって単調に増大する形状とする。また、
この緩衝部材の設置様式は、上記断面積が最小となるそ
の先端部を、前記円筒容器の半径ｒ方向における高エネ
ルギー電子の分布極大領域の中心に略々合致させた様式
とする。これにより、高エネルギー電子の局在が効果的
に分散される。

【００２０】ところで、円筒容器の半径ｒ方向の高エネ
ルギー電子分布はヘリコン波の伝搬モードによって異な
るので、上記緩衝部材の形状もこれに合わせて最適なも
のを選択する必要がある。たとえば、伝搬モードがｍ＝
０モードである場合は、高エネルギー電子が軸ｚの回り
に同心円状に局在するので、これを緩和させるために、
該軸ｚに垂直な仮想面における断面形状が円環状の緩衝
部材を使用する。

【００２１】また、ｍ＝１モードの場合は、局在領域が
軸ｚ上に発生するので、これを緩和させるために、軸ｚ
に垂直な仮想面における断面形状が円形の緩衝部材を円
筒容器の中心に配する。つまり、ｍ＝１モードの場合に
は、少なくとも先端部が円錐状の緩衝部材を、軸ｚに合
わせて配することになる。

【００２２】いずれのモードを採用するにしても、後は
このヘリコン波プラズマ装置を通常と同様に稼働させる
ことにより、高エネルギー電子分布を改善しながら各種
のプラズマ処理を行うことが可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】円筒座標系において、半径ｒ方向
の誘導電界成分をＥr 、方位角θ方向の誘導電界成分を
Ｅθ、軸ｚ方向の誘導電界成分をＥz 、半径ｒ方向の誘
導磁界成分をＢr 、方位角θ方向の誘導磁界成分をＢ
θ、軸ｚ方向の誘導磁界成分をＢz とそれぞれ規定する
と、ヘリコン波の波形態は次式［１］〜［３］で表され
る。

【００２４】

【数１】

【００２５】ここで、ｋはヘリコン波の波数、ωはヘリ
コン波の角周波数、Ａは定数、Ｔは直交波数、ｍは方位
角モード数、Ｊ_m(Ｔr)はベッセル関数、Ｊ'_m(Ｔr) はそ
の微分、ω_p は電子プラズマ周波数、ω_c は電子サイク
ロトロン周波数、ｃは光速である。

【００２６】ここで、ｍ＝０モードの場合、次式［４］

【００２７】

【数２】

【００２８】で示される回帰関係式よりＪ_-1＝−Ｊ₁、
およびＪ'₀＝−ＴＪ₁であるから、式［１］〜［３］は
それぞれ次式［５］〜［７］のように変形される。

【００２９】

【数３】

【００３０】ここで、ｒ＝ａ（半径）の時、境界条件を
Ｊ₁(Ｔa)＝０と置くと、放射モード数の最も小さい根Ｔ
a は、ｋ／αの値に無関係に３．８３となる。Ｂr とＢ
θは共にｒ／ａ＝１．８４／３．８３の地点で最大とな
る。

【００３１】一方、ｍ＝１モードでは、式［１］〜
［３］は次式［８］〜［１０］のように書き替えられ
る。

【００３２】

【数４】

【００３３】ここで、前述の式［４］で表される回帰関
係式よりＪ₁ ＝(Ｔｒ／２ｍ)(Ｊ₀＋Ｊ₂)、およびＪ'₁
＝(Ｔ／２)(Ｊ₀−Ｊ₂) であるから、式［８］，［９］
はさらに次式［１１］，［１２］のように書ける。

【００３４】

【数５】

【００３５】ｍ＝１モードでは、電界パターンはｍ＝０
モードの場合とは異なり、ｋ／αの値に応じて変化す
る。ｋ／αの各値についてＴの値は、式［１２］の解と
して求められる。すなわち、次式［１３］を解くことで
求められる。

【００３６】

【数６】

【００３７】また、ｍ＝１モードの電界線が集束する半
径上の地点ｒ₀ は、式［１１］の解として求められる。
すなわち、次式［１４］を解くことで求められる。

【００３８】

【数７】

【００３９】波のエネルギー吸収はＪ_m(Ｔr)によって変
化する。

【００４０】ヘリコン波プラズマ中の高エネルギー電子
の密度分布は、上述のような誘導電界成分Ｅと誘導磁界
成分Ｂの存在下で衝突減衰と無衝突減衰が生ずることに
よりもたらされる。本発明では、高エネルギー電子の局
在を、誘電体からなる緩衝部材を円筒容器内に設置する
ことにより分散させる。以下、本発明の具体的な実施の
形態として、ヘリコン波プラズマ装置の構成例とこれを
用いたＡｌ系配線膜のドライエッチングについて説明す
る。

【００４１】第１の実施の形態ここでは、ｍ＝０モードのヘリコン波プラズマを励起さ
せるプラズマ装置について、図１を参照しながら説明す
る。

【００４２】この装置のプラズマ生成部は、ヘリコン波
プラズマＰを生成させるための円筒容器であるベルジャ
１、このベルジャ１の周囲に巻回される１回巻きループ
・アンテナ２、上記１回巻きループ・アンテナ２のさら
に外側にてベルジャ１を周回し、その軸ｚ方向に沿った
磁界を生成させるソレノイド・コイル３を主な構成要素
とする。上記ベルジャ１は石英等の誘電体材料にて構成
される。また、上記ループ・アンテナ２は、マッチング
・ネットワーク１０を介してプラズマ励起用ＲＦ電源１
１に接続されている。ここでは、プラズマ励起用ＲＦ電
源１１の周波数を１３．５６ＭＨｚとした。

【００４３】上記ベルジャ１には、拡散チャンバ４が接
続されている。これは、上記ソレノイド・コイル３が形
成する発散磁界に沿ってヘリコン波プラズマＰを引き出
すことにより、内部に収容されたステージ６の上のウェ
ハＷに対して所定のプラズマ処理を行うための処理室で
ある。

【００４４】上記ステージ６は、絶縁部材を用いて拡散
チャンバ４の壁面から絶縁されている。この他、図示さ
れない静電チャック機構、冷却機構（エッチング用）あ
るいは加熱機構（ＣＶＤ用）のいずれか、および冷却ガ
ス流路が適宜配設されている。ステージ６の脚部にはブ
ロッキング・コンデンサ１２やマッチング・ネットワー
ク１３を介してバイアス印加用ＲＦ電源１４が接続され
ている。プラズマ処理に必要なガスは、拡散チャンバ４
の内部を図示されない排気系統により排気孔７を通じて
矢印Ａ方向に高真空排気した後、天井部に開口されるガ
ス供給管５より矢印Ｂ方向から供給される。さらに、拡
散チャンバ４の側壁面にはゲート・バルブ８が設けら
れ、たとえば図示されないロード・ロック室等との間で
ウェハＷを搬送可能となされている。

【００４５】さらに、上記拡散チャンバ４の外部には、
上記ステージ６近傍における発散磁界を収束させ、また
チャンバ壁によるプラズマ中の電子や活性種の消滅を抑
制するために、補助磁界生成手段としてマルチポール磁
石９が配設されている。このマルチポール磁石９は、拡
散チャンバ４内にマルチカスプ磁場を生成させてプラズ
マ閉じ込めを行うものである。なお、このマルチポール
磁石９の配設位置は、図示される例に限られず、たとえ
ばウェハ・ステージ６の支柱の周囲等の他の場所であっ
ても良い。さらにあるいは、これをソレノイド・コイル
に置き換え、ミラー磁場の形成によってプラズマ閉じ込
めを行うようにしても良い。

【００４６】本発明のヘリコン波プラズマ装置は、かか
る従来の一般的な構成に加え、ベルジャ１の内部にセラ
ミック・リング１５が配されている点を最大の特色とし
ている。このセラミック・リング１５を、図２に示す。
ここで、（ａ）図は（ｂ）図のＸ−Ｘ線断面図、すなわ
ち軸ｚを含む仮想面による断面図である。このセラミッ
ク・リング１５は、単なる円形パイプ状ではなく、その
先端部１５ｔから軸ｚ方向の途中までが、一定の頂角ｐ
をもって広がるようなＸ−Ｘ線断面形状となされてい
る。この頂角ｐは、おおよそ３０゜までの範囲で選択す
れば良い。したがって、このセラミック・リング１５の
軸ｚに垂直な仮想面における断面形状は円環状である
が、このときの断面積は該軸ｚ方向の少なくとも一部に
わたって単調に増大する。

【００４７】さらに、本発明ではこのセラミック・リン
グ１５の配設位置が重要である。すなわち、上記先端部
１５ｔは、上記ベルジャ１の半径ｒ方向における高エネ
ルギー電子の分布極大領域の中心に略々合致するごとく
配設される。すなわち、前出の図９の（ａ）図におい
て、電子温度Ｔe ＞１０ｅＶの領域を表す着色部分の中
心線（破線で示した。）に、上記先端部１５ｔを略々合
致させる。かかる配設位置は、上記セラミック・リング
１５の下方側壁面に取り付けられている支持部材１６の
高さ調整を行うことにより決定する。なお、この支持部
材１６の端部は、拡散チャンバ４の天井部に固定されて
いる。

【００４８】上述のようなセラミック・リング１５を配
した本発明のヘリコン波プラズマ装置において実現され
るプラズマ特性を図３に示す。（ａ）図は、ベルジャ１
内の高エネルギー電子密度分布である。前出の図９の
（ａ）図と比較すると、密度極大領域が半径ｒ方向に分
散されている。また（ｂ）図は、規格化した飽和電子電
流密度をウェハ径に沿ってプロットしたグラフであり、
前出の図９の（ｂ）図と比較すると、ウェハＷの表面近
傍におけるプラズマ密度がより均一化されている様子が
明らかである。

【００４９】第２の実施の形態次に、本発明の別の実施の形態として、ｍ＝１モードの
ヘリコン波プラズマを励起させるプラズマ装置に用いら
れる誘電体緩衝部材について説明する。

【００５０】このｍ＝１モード用緩衝部材は、図４に示
されるようなセラミック・コーン１７である。ここで、
（ａ）図は（ｂ）図のＸ−Ｘ線断面図、すなわち軸ｚを
含む仮想面による断面図である。このセラミック・コー
ン１７は、円形ロッドの先端を円錐状に尖らせたもので
ある。すなわち、そのＸ−Ｘ線断面形状は、先端部１７
ｔから軸ｚ方向の途中までにおいて、一定の頂角ｑをも
って広がる形状となされている。この頂角ｑは、おおよ
そ３０゜までの範囲で選択すれば良い。したがって、こ
のセラミック・コーン１７の軸ｚに垂直な仮想面におけ
る断面形状は円形であるが、このときの断面積は該軸ｚ
方向の少なくとも一部にわたって単調に増大する。

【００５１】かかるセラミック・コーン１７は、その先
端部１７ｔがｍ＝１モード・プラズマの高エネルギー電
子の分布極大領域の中心に略々合致するごとく配設され
る。すなわち、前出の図１０の（ａ）図において、電子
温度Ｔe ＞１０ｅＶの領域を表す着色部分の中心Ｏに、
上記先端部１７ｔを略々合致させる。なお、セラミック
・コーン１７を配した状態のヘリコン波プラズマ装置の
全体図は省略するが、図１のセラミック・リング１５に
替えて、セラミック・コーン１７が支持部材１８を用い
て拡散チャンバ４の天井部に固定されたものである。

【００５２】上述のようなセラミック・コーン１７を配
した本発明のヘリコン波プラズマ装置において得られる
プラズマ特性を図５に示す。（ａ）図は、ベルジャ１内
の高エネルギー電子密度分布である。前出の図１０の
（ａ）図と比較すると、ベルジャ１の中心Ｏ近傍のプラ
ズマ密度が緩和され、密度極大領域がドーナツ状に分散
している。また（ｂ）図は、規格化した飽和電子電流密
度をウェハ径に沿ってプロットしたグラフであり、前出
の図１０の（ｂ）図と比較すると、ウェハＷの表面近傍
におけるプラズマ密度がより均一化されている様子が明
らかである。

【００５３】以上、本発明の２つの実施の形態について
説明したが、装置構成の細部は適宜変更が可能である。
たとえば、上述のセラミック・リング１５やセラミック
・コーン１７はいずれも単一部材であったが、本発明で
用いられる誘電体緩衝部材は、複数部材の組み合わせに
より構成されるものであっても良い。たとえば、直径の
異なる複数のセラミック・リングを互いに同心的に配置
すれば、あるリングにより分散された高密度プラズマ領
域がさらに別のリングで分散されるといった具合に分散
が繰り返され、より均一な密度分布を達成することがで
きる。セラミック・コーンを周回するごとくセラミック
・リングを配しても、同様の効果が得られる。

【００５４】さらに、全体としては単一の緩衝部材とし
て働くものであっても、これを形状的に分割された複数
のユニットから構成し、個々のユニットの位置関係を駆
動手段を用いて変化させることにより、たとえば円筒容
器の半径ｒ方向に伸縮可能なリング状の緩衝部材を得る
こともできる。このような緩衝部材であれば、プラズマ
条件に応じた寸法の微調整が可能であるため、プラズマ
密度の均一化をより精密に行うことができる。

【００５５】この他、支持部材の本数や形状も、誘導電
界成分Ｅや誘導磁界成分Ｂを変化させない限りにおい
て、適宜変更・選択が可能である。

【００５６】

【実施例】ここでは、ｍ＝０モード・プラズマ用のセラ
ミック・リング１５を配した図１のヘリコン波プラズマ
装置を用いて、Ａｌ系多層膜のドライエッチングを行っ
た。このプロセスを、図６および図７を参照しながら説
明する。

【００５７】本実施例で用いたサンプル・ウェハの構造
を、図６に示す。この図は、Ｓｉ基板２１上にＳｉＯｘ
層間絶縁膜２２とＡｌ系多層膜２６とを順次積層し、さ
らにこのＡｌ系多層膜２６の上でレジスト・マスク２７
（ＰＲ）をパターニングした状態を示している。ここ
で、上記Ａｌ系多層膜２６は、下層側から順にＴｉＮバ
リヤメタル２３、Ａｌ−１％Ｓｉ膜２４、ＴｉＮ反射防
止膜２５が積層されたものである。また、上記レジスト
・マスク２７は、たとえば化学増幅系フォトレジスト材
料を用いて、ＫｒＦエキシマ・レーザ・リソグラフィお
よび現像処理を経て０．２５μｍのライン・アンド・ス
ペース状に形成されたものである。

【００５８】この状態のウェハを図１のヘリコン波プラ
ズマ装置にセットした。ただし、ベルジャ１の直径は６
ｃｍ、軸ｚ方向の長さは２０ｃｍ、セラミック・リング
１５の先端部１５ｔの直径は２．９ｃｍ、頂角ｐは２０
゜とした。１回巻きループ・アンテナ２に接続されるプ
ラズマ励起用ＲＦ電源１１の周波数は、１３．５６ＭＨ
ｚである。エッチング条件は、たとえば、ＢＣｌ₃ 流量３０ＳＣＣＭＣｌ₂ 流量６０ＳＣＣＭ圧力０．７Ｐａアンテナ供給電力２０００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）ソレノイドコイル供給電力４５ＡＲＦバイアス電力１４０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ温度４０ ℃ 裏面Ｈｅガス圧力８００Ｐａ静電チャック供給電力 −３００Ｗとした。

【００５９】このエッチングにより、図７に示されるよ
うに、良好な異方性形状を有するＡｌ系配線パターン２
６ａが形成された。ここで、図７中、異方性エッチング
により形成された各材料膜パターンは、元の符号に添字
ａを付して表してある。この異方性形状は、ウェハＷの
全面にわたってほぼ一様に得られた。これに対し、上記
セラミック・リング１５を取り外して同様の条件でエッ
チングを行った時には、図１１に示したように、ＴｉＮ
バリヤメタル・パターンにノッチング形状が発生した。

【００６０】以上、本発明の具体的な実施例について説
明したが、本発明では上述のＡｌ系多層膜のみならず、
ポリシリコン膜，ポリサイド膜，シリサイド膜，高融点
金属膜，Ｃｕ膜，Ａｇ膜，Ａｕ膜等の従来公知の配線材
料を必要に応じて従来公知のバリヤメタルや反射防止膜
と組み合わせた配線膜、さらには絶縁膜や有機膜をエッ
チングの対象とすることができる。また、本発明のプラ
ズマ装置はＣＶＤやプラズマ表面処理に用いることも可
能である。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば、大口径化されつつあるウェハ上に形成
される微細パターンの局所形状異常や、同じくウェハ上
に堆積される堆積膜の膜厚むらを、何ら複雑な制御や多
大な設備投資を行うことなく容易に解消することができ
る。したがって本発明は、プラズマ処理の高精度化を通
じて半導体装置の微細化、高性能化、高信頼化に大きく
貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヘリコン波プラズマ装置（ｍ＝０モー
ド用）の構成例を示す模式的断面図である。

【図２】本発明のヘリコン波プラズマ装置に用いるセラ
ミック・リング（ｍ＝０モード用）を示す図であり、
（ａ）図は（ｂ）図のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）図は部分
斜視図である。

【図３】本発明のｍ＝０モード・プラズマにおけるプラ
ズマ特性を説明するための図であり、（ａ）図はベルジ
ャの半径ｒ方向に分散された高エネルギー電子密度分布
を表す模式図、（ｂ）図はウェハ径方向の飽和電子電流
密度分布を表すグラフである。

【図４】本発明のヘリコン波プラズマ装置に用いるセラ
ミック・コーン（ｍ＝１モード用）を示す図であり、
（ａ）図は（ｂ）図のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）図は部分
斜視図である。

【図５】本発明のｍ＝１モード・プラズマにおけるプラ
ズマ特性を説明するための図であり、（ａ）図はベルジ
ャの半径ｒ方向に分散された高エネルギー電子密度分布
を表す模式図、（ｂ）図はウェハ径方向の飽和電子電流
密度分布を表すグラフである。

【図６】本発明を適用したＡｌ系多層膜のドライエッチ
ングにおいて、エッチング前のウェハの状態を示す模式
的断面図である。

【図７】図６のＡｌ系多層膜が異方性エッチングされた
状態を示す模式的断面図である。

【図８】従来のヘリコン波プラズマ装置の構成例を示す
模式的断面図である。

【図９】従来のｍ＝０モード・プラズマにおけるプラズ
マ特性を説明するための図であり、（ａ）図はベルジャ
の半径ｒ方向の高エネルギー電子密度分布を表す模式
図、（ｂ）図はウェハ径方向の飽和電子電流密度分布を
表すグラフである。

【図１０】従来のｍ＝１モード・プラズマにおけるプラ
ズマ特性を説明するための図であり、（ａ）図はベルジ
ャの半径ｒ方向の高エネルギー電子密度分布を表す模式
図、（ｂ）図はウェハ径方向の飽和電子電流密度分布を
表すグラフである。

【図１１】従来のヘリコン波プラズマを用いたＡｌ系多
層膜のドライエッチングにおいて、ＴｉＮバリヤメタル
にノッチング形状が発生した状態を示す模式的断面図で
ある。

【符号の説明】

１ベルジャ２１回巻きループ・アンテナ３ソレノイド・コイル４拡散チャンバ６ウェハ・ステージ１１プラズマ励起用ＲＦ電源１４バイアス印加用ＲＦ電源１５セラミック・リング１５ｔ（セラミック・リング１５の）先端部１７セラミック・コーン１７ｔ（セラミック・コーン１７の）先端部１６，１８支持部材２２ＳｉＯｘ層間絶縁膜２６Ａｌ系多層膜２６ａＡｌ系配線パターン２７レジスト・マスクＷウェハＰヘリコン波プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (56)参考文献特開平７−86239（ＪＰ，Ａ) 特開平６−279984（ＪＰ，Ａ) 特開平６−5386（ＪＰ，Ａ) 特開平７−230898（ＪＰ，Ａ) 特開平３−68773（ＪＰ，Ａ) 第41回応用物理学関係連合講演会予稿集，日本，（社）応用物理学会，1994年３月28日，ｐ．46／演題番号31Ｐ−ＺＥ −２ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 C23C 16/50 C23F 4/00 H01L 21/205 H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒容器内でｍ＝０モードのヘリコン波を
用いてプラズマを励起するヘリコン波プラズマ装置にお
いて、円筒容器内に前記円筒容器の軸ｚに垂直な仮想面
におけるその断面積が該軸ｚ方向の少なくとも一部にわ
たって単調に増大する形状となされ、かつ該断面積が最
小となるその先端部が前記円筒容器の半径ｒ方向におけ
る高エネルギー電子の分布極大領域の中心に略々合致
し、前記円筒容器の軸ｚに垂直な仮想面における前記緩
衝部材の断面形状が円環状であるセラミック・リングか
らなるヘリコン波緩衝部材が配されてなるヘリコン波プ
ラズマ装置。
【請求項２】円筒容器内でｍ＝０モードのヘリコン波を
用いて励起されたプラズマを用い、該円筒容器内に保持
された基板に対して所定のプラズマ処理を行うプラズマ
処理方法において、円筒容器内に前記円筒容器の軸ｚに
垂直な仮想面におけるその断面積が該軸ｚ方向の少なく
とも一部にわたって単調に増大する形状となされ、かつ
該断面積が最小となるその先端部が前記円筒容器の半径
ｒ方向における高エネルギー電子の分布極大領域の中心
に略々合致し、前記円筒容器の前記軸ｚに垂直な仮想面
における前記緩衝部材の断面形状が円環状であり、セラ
ミック・リングからなるヘリコン波緩衝部材が配され
て、前記所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理方法。