JPH10134995A

JPH10134995A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

Info

Publication number: JPH10134995A
Application number: JP8285537A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Kurihara; 一彰栗原; Makoto Sekine; 誠関根; Kazuhiro Tomioka; 和広冨岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】高密度で均一なプラズマを簡易な装置構成で
生成することが可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処
理方法を提供する。【解決手段】真空槽１１の少なくとも一部を該真空槽
１１内に電磁波を導入してプラズマを発生させるための
アンテナ１３とし、電磁波の波長をλとしたとき、電磁
波によって生じるプラズマが一定領域でほぼ均一となる
ようアンテナ１１の直径をｎ・λ／２（ｎは正の整数）
近傍に設定し、さらにアンテナを一定温度に保つ温度制
御機構を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理装置
及びプラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、平行平板型のプラズマ生成法を用
いたエッチング装置や薄膜堆積装置では、真空槽内にプ
ロセスガスを導入するとともに、被処理基板直下のカソ
ードに高周波を印加することでプラズマを発生させ、被
処理基板に対する処理を行っている。しかしながら、こ
の方法では、プラズマ密度の上昇に限界があるため、ス
ループットの上昇にも限界がある。さらに、単一の高周
波電力でプラズマ生成と被処理基板表面に形成されるバ
イアス電圧の制御を行うため、それぞれ独立に制御でき
ないという問題がある。

【０００３】一方、マイクロ波によるサイクロトロン共
鳴を利用したプラズマ生成法や高周波の誘導結合による
プラズマ生成法では、プラズマ密度を高くすることは可
能であるが、絶縁物を介してマイクロ波をチャンバ内に
導入したり、真空槽外に絶縁物を介してアンテナを設け
る必要があるため、その構成の複雑さによってコストの
増加を招いていた。また、被処理基板の大口径化に伴い
処理装置も大型化するが、誘導結合法で行われている真
空槽の外側にアンテナを設けるものでは、アンテナ直下
の絶縁物からなる真空容器壁も大型化せざるを得ず、大
気圧に耐えるために絶縁物の厚さも厚くしなければなら
ない。したがって、アンテナからプラズマ領域までの距
離が離れることになり、実効的にプラズマ中へ入力され
るパワーが大きく減少してしまい、エネルギー効率が低
下してしまう。

【０００４】さらに、絶縁物として使用される石英など
は熱伝導率が低く放電中に昇温する。エッチングやＣＶ
Ｄにおいては、チャンバー内壁に堆積物が形成され、そ
の表面での化学反応がプラズマ中の化学種構成に多大に
影響を与える。絶縁物の温度が時々刻々と変化すると表
面でのこの化学反応が変化し、プロセス特性が時間的に
変化してしまう、いわゆる経時変化を生じる。また、絶
縁物がプラズマにより侵食されその分解物がプラズマ中
へ飛散し、やはりプロセスの特性やその経時変化の原因
となる。このような経時変化が生じるプロセスは、将来
のＵＬＳＩ製造に要求される高精度の加工や成膜を制御
性よく行うことを不可能にする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
プラズマ処理装置では、高密度のプラズマを生成するこ
とが困難であったり、装置の構成が複雑になる、さらに
はプロセスの経時変化を生じやすいといった問題があっ
た。

【０００６】本発明の目的は、高密度で均一なプラズマ
を簡易な装置構成で生成することが可能な従来にない新
たなプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明におけるプラズマ
処理装置は、真空槽の少なくとも一部を該真空槽内に電
磁波を導入してプラズマを発生させるためのアンテナと
したことを特徴とする。このような構成により、高密度
のプラズマを簡易な装置構成で生成することが可能とな
る。したがって、エッチング装置や成膜装置として使用
した場合、高スループット化等を実現することができ
る。

【０００８】また、上記プラズマ処理装置において、電
磁波の波長をλとしたとき、電磁波によって生じるプラ
ズマが一定領域でほぼ均一となるようアンテナの直径を
ｎ・λ／２（ｎは正の整数）近傍に設定することが好ま
しい。

【０００９】また、上記プラズマ処理装置において、ア
ンテナの温度を一定に保持するための温度制御手段をさ
らに設けることにより、プロセスの経時変化を低減する
ことが可能となる。

【００１０】なお、上記プラズマ処理装置において、ア
ンテナから生じる電磁波の周波数を２５０ＭＨｚ以上に
することが好ましい。

【００１１】また、上記プラズマ処理装置において、真
空槽内に被処理基板を載置するサセプタを設け、このサ
セプタに１３．５６ＭＨｚ以下の高周波を印加すること
が好ましい。

【００１２】また、上記プラズマ処理装置において、磁
場発生手段を設け、プラズマの真空槽壁への拡散を防止
するようにしてもよい。

【００１３】本発明におけるプラズマ処理方法は、真空
槽の少なくとも一部を該真空槽内に電磁波を導入するた
めのアンテナとし、このアンテナによって真空槽内に導
入された電磁波により真空槽内にプラズマを発生させ、
このプラズマにより真空槽内の被処理基板の処理を行う
ことを特徴とする。このような方法を用いることによ
り、高密度のプラズマを簡易な方法で発生させることが
可能となる。したがって、エッチング装置や成膜装置に
上記処理方法を採用した場合、高スループット化等を実
現することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１５】図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理
装置の構成を模式的に示した図である。

【００１６】図１に示したプラズマ処理装置では、真空
槽１１を構成する壁の一部を真空槽１１内に電磁波を導
入してプラズマを発生させるためのアンテナ天板１３と
している。このアンテナ天板１３には、高周波電源１７
からマッチング回路１６を介して５００ＭＨｚの高周波
電力（波長λ）が供給されている。アンテナ天板１３は
円盤状で、その半径はλ／４であり、アンテナ天板１３
下に導入した電磁波の定在波が生じるようになってい
る。アンテナ天板１３はアルミニウムを用いて構成され
ており、その外側は絶縁部或いは空間１４を介して銅シ
ールド１２で覆われており、この銅シールド１２は接地
電位に保持されている。そして、アンテナ天板１３はそ
の外周部において銅シールド１２と接続されている。ま
た、アンテナ天板１３の内側はアルマイト加工による薄
い絶縁膜１５が形成されている。なお、アンテナ天板１
３はプラズマを発生させるための電磁波を放出するもの
であり、静電場を誘起するための電極とは基本的に異な
るものである。

【００１７】真空槽１１内のアンテナ天板１３と対向す
る位置には被処理基板Ｗを搭載するサセプタ１８が設け
てある。このサセプタ１８はカソード電極となってお
り、高周波電源２０からマッチング回路１９を介して４
０ＭＨｚ以下（例えば１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力
が供給されている。

【００１８】真空槽１１内にはガスボンベ２３からガス
導入管２２を通してプロセスガスが供給され、真空排気
装置２１によって真空槽１１内は排気される。

【００１９】また、真空槽１１の内部にカスプ状の１０
０ガウス程度の磁場が形成されるよう、真空槽１１の側
壁の外側に磁石２４が配置されており、プラズマの真空
槽壁への拡散を防止している。

【００２０】以上のように、真空槽１１の一部をアンテ
ナ天板１３とし、このアンテナ天板１３の半径をλ／２
として定在波が生じるように構成したことにより、高密
度で均一なプラズマを得ることができ、半導体製造にお
けるエッチング装置やＣＶＤ装置に利用することによ
り、高スループットを達成することができる。

【００２１】つぎに、第２実施形態について、図２を参
照して説明する。

【００２２】真空槽３５は、直径３００ｍｍ以上の大口
径Ｓｉウェハにも対応できるように、直径６００ｍｍと
している。また、プラズマの励起周波数には、その波長
（λ）が放電空間の直径に概ね等しい５５０ＭＨｚのＵ
ＨＦ帯高周波を選択した。ＵＨＦ電力は、図示していな
い電源及びマッチング回路から、同軸管３１及びカップ
リング３２を通して電力分配器３８へ給電される。電力
分配器３８は、真空槽３５の一部を構成するアンテナ天
板３６に、真空槽３５の中心軸Ｃからλ／４の距離で同
心円上に接続されている。また、アンテナ天板３６は真
空槽壁と同様、直流（ＤＣ）的には接地電位に保持され
ている。

【００２３】アンテナ天板１３に５５０ＭＨｚのＵＨＦ
電力を供給した場合、真空槽側壁３７と真空槽の中心軸
Ｃに節を持ち、電力分配器３８の接続部３９下に腹を持
つ定在波Ｓが誘起される（図に示した定在波Ｓは、アン
テナ天板３６下に形成される定在波の横方向の電界強度
分布を単に模式的に示したものである。）。この定在波
Ｓによりプラズマ中の電子を加熱（エネルギを与える）
し、その電子が中性のガスと衝突し電離（イオン化）す
ることでプラズマを維持する。定在波Ｓによる電界強度
はその腹の部分で最大となり、そこでのプラズマ生成
（電子の加熱）が最大となる。しかし、ＥＣＲ（電子サ
イクロトロン共鳴）プラズマのように共鳴条件に対応す
る狭い空間で電子加熱が起こるわけではなく、定在波の
腹を中心に電界強度はなだらかに減少し、電子加熱もこ
れに対応して広い空間で行われる。一方、真空槽中心軸
Ｃ上に定在波の腹を形成するような構成にすると、真空
槽３５の中央付近のプラズマ密度が上昇し、真空槽側壁
３７へ向かってプラズマ密度が減少する分布となり、均
一なプラズマとはならない。本構成のように、処理する
ウェハＷの外周部付近の上方に定在波Ｓの腹を形成する
と、その付近で加熱された電子はすばやく真空槽３５の
中央方向および真空槽側壁３７方向に拡散する。真空槽
３５の中央方向に拡散した電子と定在波Ｓの腹から真空
槽３５の中央部向かって徐々に弱まる電界で加熱された
電子により、定在波Ｓの腹から中心軸Ｃ付近に亘り極め
て均一なプラズマが形成される。一方、プラズマ（電
子）は真空槽壁との相互作用で消滅するため、真空槽３
５内全体で均−にプラズマ生成を行うと、真空槽中心軸
Ｃから真空槽側壁３７に向かってプラズマ密度が一様に
低下し、結果的にプラズマ密度は均一とはならない。本
構成では、意図的にウェハＷ外周部上方から真空槽側壁
３７に向かって徐々に強度が低下するプラズマ生成部を
形成することで、このような問題を解決している。

【００２４】なお、電力分配器３８とアンテナ天板３６
との接続点３９の位置を変えることにより、プラズマの
均一性の調整やマッチングの調整を行うことができる。

【００２５】ウェハＷはサセプタ４１を構成するバイア
ス電極４２上に載置され、図示しない静電チャック機構
により保持され、適宜温度制御がなされる。ウェハＷの
周辺にはバイアス電極４２の表面保護とバイアス電力の
均一な印加を目的にカバーリング４３が設けてある。こ
のカバーリング４３は、通常高純度カーボンやＳｉＣ、
或いは石英等を用いて構成され、プロセス条件（特にガ
ス種など）により適宜選択される。バイアス電極４２に
は、図示していないマッチング回路を通して高周波電源
が接続されている。バイアス電極４２に印加される高周
波は、１００ｋＨｚから４０ＭＨｚ程度の範囲で適宜選
択される。

【００２６】アンテナ天板３６とウェハＷとの距離（電
極間隔）は例えば１００ｍｍとすればよいが、３５ｍｍ
程度まで狭めてもプラズマの均一性は維持された。ただ
し、ガス導入を真空槽側壁３７側から行うとガスの流れ
に不均−が生じるため、電極間隔を狭めて使用する場合
は、アンテナ天板３６にガス導入口（シャワーへッド状
の多数のガス吹き出し穴）を設ける必要がある。電極間
隔を狭める理由は、プラズマの生成空間を小さくして、
プラズマ密度を上昇させる或いはガスのプラズマ中での
滞在時間を短縮してガス分解の状態を変化させる等のた
めであり、プロセス上の必要性に応じて適宜電極間隔を
決定する。なお、３５ｍｍの電極間隔においてもウェハ
Ｗ表面付近での電界強度はほぼゼロであり、ＵＨＦの電
力はプラズマですべて吸収されていると考えられる。

【００２７】なお、本構成における各部の構成材料とし
ては、つぎのようなものを用いることができる。真空槽
３５の内壁には表面をアルマイト処理（〜１００μｍ程
度のＡｌ₂Ｏ₃）したアルミニウム、アンテナ天板３６
にはＡｌ＋アルマイト処理、カーボン、ＳｉＣ等の低抵
抗かつ高熱伝導率の材料、電力分配器３８には表面を銀
メッキしたＣｕ等を用いることができる。

【００２８】本方式によるプラズマ生成の有効性を検証
するためにアルゴン（Ａｒ）ガスによる実験を行ったと
ころ、一定領域において圧力０．３ｍＴｏｒｒ〜２００
ｍＴｏｒｒの範囲で高い均一性を維持できることがわか
った。すなわち、図３に示すように、ウェハＷが存在す
る領域ではプラズマの密度（電子密度）が±３％以下に
維持され、サセプタ４１の周辺から真空槽側壁３７に向
かってプラズマ密度が急激に低下する。また、エッチン
グガスに（Ｃ₄Ｆ₈／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ₂）を用いてＢＰ
ＳＧのエッチングレート（Ｅ／Ｒ）を調べたところ、ウ
ェハＷの全面に亘って均一なエッチングレートが得られ
ることがわかった。

【００２９】なお、上記の結果は圧力２０ｍＴｏｒｒで
行ったが、均一性に関しては１０^-4〜１０^-1Ｔｏｒｒの
広い範囲で均一性が保たれる。

【００３０】つぎに、第３実施形態について、図４を参
照して説明する。

【００３１】本実施形態の基本的な構成は、上記第２実
施形態と類似しており、第２実施形態の構成要素と対応
する構成要素については同一の番号を付し、詳細な説明
は省略する。

【００３２】先に説明した第２実施形態ではアンテナ天
板３６を真空槽３５の上壁全体に設けていたが、本実施
形態では、アンテナ天板３６の端を真空槽中心軸Ｃと真
空槽側壁３７とのほぼ中央に位置させ、真空槽３５上壁
の他の部分には絶縁物４６を介して側壁３７と同様の真
空槽壁を設けている。また、本実施形態では、アンテナ
天板３６と電力分配器３８との間に温度調節機構４５
（冷媒流路やヒータ等）を設け、アンテナ天板３６を一
定の温度に保持することでプロセスの経時変化を抑制で
きた。

【００３３】本実施形態においても、第２実施形態と同
様、均一な高密度プラズマを得ることができる。

【００３４】ここで、上記各実施形態で説明したプラズ
マ処理装置の温度調整機構について説明する。

【００３５】プラズマに直接晒されるアンテナや真空槽
側壁は、内部に冷媒を循環させる或いはヒータをつける
などして、プラズマ生成中もプラズマが生成されていな
いときも常に一定の温度に保つことが好ましい。プラズ
マ生成中はアンテナ天板の表面温度が上昇する。この温
度変化は、プラズマ中の活性種組成に強い影響を及ぼ
し、選択比等のエッチング特性がエッチングを続けるう
ちに徐々に変化（経時変化）してくる。また、温度の上
昇、低下の繰り返しは表面に堆積した膜（例えばフロロ
カーボン系のガスを使用すると（−ＣＦ₂−）が重合し
て薄膜が形成される。）にストレスを与えるため、膜剥
がれが生じてパーティクル発生の原因となる。そこで、
真空槽内壁、特にアンテナ表面の温度を常に一定に保つ
ために、温度調整機構を設けるとともに、熱伝導率の良
いＡｌあるいはカーボンなどを材料として選択する。従
来装置では、誘電体（厚い石英やセラミクス）を介して
高周波やＵＨＦ電力を供給するため、プラズマに晒され
た誘電体表面の温度が変化して、長期間安定なプロセス
が得られなかったが、本発明のアンテナによってプラズ
マを励起する手法において初めて、経時変化のない高精
度加工技術が実現された。

【００３６】図４に指示した第３実施形態例では、この
ような観点からアンテナ天板３６の上部に温度調節機構
４５を設けているが、以上の説明から明らかなように、
このような温度調整機構は他の実施形態においても当然
採用することが好ましく、またアンテナ天板以外の真空
槽壁の温度を一定に保つような温度調節機構を設けるよ
うにしてもよい。

【００３７】なお、上記の例では、ＵＨＦの周波数をそ
の波長λが真空槽の内径或いはアンテナ径と同等となる
ように選択したが、真空槽の内径にかかわらず、真空槽
中心軸Ｃと電力分配器の接続部或いはアンテナ端部との
距離を（λ／４）程度から（０．７λ／４）程度の範囲
に設定することで、同等の効果があることを確認した。
したがって、上記範囲で使用周波数（ＶＨＦ帯、ＵＨＦ
帯、マイクロ波帯から選択）や真空槽の内径を、処理す
べきウェハ径に応じて適宜選択することができる。

【００３８】以上のように、本発明により大面積の均一
プラズマを容易に生成することが可能となり、大口径ウ
ェハの均一なプロセスが実現できる。なお、均一なプラ
ズマとは、プラズマ密度（電子密度に対応）、電子温
度、イオン密度、空間電位などのプラズマの特性値の空
間分布が少なく、ウェハ表面へ供給されるイオンや電子
及びそれらのエネルギがウェハ面内で均一であることを
指す。

【００３９】次に、本発明のプラズマ処理装置をエッチ
ング装置として用い、酸化膜をエッチングした場合の例
について述べる。

【００４０】まず、図２の装置に、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＯ、Ａ
ｒ、Ｏ₂のガスをそれぞれ２０、３５０、５５０、５ｓ
ｃｃｍの流量で真空槽内に導入し、ガス圧力を２０ｍＴ
ｏｒｒに設定した。ＵＨＦ電力は１ｋＷとし、バイアス
周波数、電力はそれぞれ１ＭＨｚ、７００Ｗとした。

【００４１】直径２００ｍｍのＳｉ基板に厚さ２μｍの
酸化膜（ＢＰＳＧ）及び厚さ０．７μｍのレジストマス
クを形成し、直径０．８〜０．１５μｍのホールの形成
を行った。レジストのパターン形成にはＸ線リソグラフ
ィーを使用した。なお、先に示した図３のデータは、パ
ターンのない酸化膜をエッチングして得たデータである
が、ここでは微細パターンのエッチング形状を評価する
ため、微細パターンの形成が可能な２００ｍｍウェハを
使用した。

【００４２】エッチング速度は、パターンの無いウェハ
では図３に示すように約０．６３μｍ／ｍｉｎである
が、φ０．８〜０．１５μｍの穴パターンがほぼ全面に
形成されエッチング面積がウェハ全表面積の数％である
場合は、約１μｍ／ｍｉｎであった。また、エッチング
速度についてのパターン寸法依存性は、φ０．８〜０．
１５μｍの範囲では少なく、良好なエッチング特性を実
現できることがわかった。

【００４３】次に、本発明のプラズマ処理装置を成膜装
置（ＣＶＤ装置）として用い、層間絶縁膜を形成した場
合の例について述べる。

【００４４】まず、図２の装置に、ＳｉＨ₄、Ｏ₂、Ａ
ｒのガスをそれぞれ３５、４５、４０ｓｃｃｍの流量で
真空槽内に導入し、ガス圧力を５ｍＴｏｒｒに設定し
た。ＵＨＦ電力は３ｋＷとし、バイアス周波数、電力は
それぞれ１３．５６ＭＨｚ、１ｋＷとした。加工するウ
ェハには、ライン幅及びスペース幅がそれぞれ０．３５
μｍのライン＆スペース（Ｌ＆Ｓ）が形成されており、
その上に酸化膜の形成を行った。その結果、堆積速度５
００ｎｍ／ｍｉｎが得られ、スペース間に隙間なくシリ
コン酸化膜を埋めることができた。

【００４５】また、温度調節機構を設けてアンテナ天板
等の温度を調整することにより、真空槽内壁への堆積物
の量を低く抑えることができるとともに、堆積物から発
生するダストの問題もほとんど生じることがなかった。
また、使用周波数がＵＨＦ帯であり、アンテナ天板近傍
に形成される静電場の強度が弱いため、スパッタリング
によるアンテナ天板の損傷も見られなかった。

【００４６】以上のことから、良好な酸化膜を効率よく
得ることが可能となった。

【００４７】

【発明の効果】本発明では、真空槽の少なくとも一部を
該真空槽内に電磁波を導入してプラズマを発生させるた
めのアンテナとし、さらにアンテナの温度を制御するこ
とにより、高密度で均一、さらに経時変化の少ないプラ
ズマを簡易な装置構成で生成することが可能となる。し
たがって、エッチング装置や成膜装置として使用した場
合、高スループット化、高生産性等を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置
の構成例を示した図。

【図２】本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置
の構成例を示した図。

【図３】図２の装置によって達成されるプラズマの均一
性を示した図。

【図４】本発明の第３実施形態に係るプラズマ処理装置
の構成例を示した図。

【符号の説明】

１１、３５…真空槽１３、３６…アンテナ４５…温度制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空槽の少なくとも一部を該真空槽内に
電磁波を導入してプラズマを発生させるためのアンテナ
としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記電磁波の波長をλとしたとき、前記
電磁波によって生じるプラズマが一定領域でほぼ均一と
なるよう前記アンテナの直径をｎ・λ／２（ｎは正の整
数）近傍に設定したことを特徴とする請求項１に記載の
プラズマ処理装置。
【請求項３】請求項１に記載のプラズマ処理装置にお
いて、前記アンテナの温度を一定に保持するための温度
制御手段をさらに設けたことを特徴とするプラズマ処理
装置。
【請求項４】真空槽の少なくとも一部を該真空槽内に
電磁波を導入するためのアンテナとし、このアンテナに
よって前記真空槽内に導入された電磁波により前記真空
槽内にプラズマを発生させ、このプラズマにより前記真
空槽内の被処理基板の処理を行うことを特徴とするプラ
ズマ処理方法。