JPH10154699A

JPH10154699A - リモートプラズマ型プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH10154699A
Application number: JP8329167A
Authority: JP
Inventors: Supika Mashiro; すぴか真白
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁破壊やイオン衝撃のダメージを被処理物
で発生させずに、微細なパターンのエッチングや膜堆積
を十分な処理速度で処理できるリモートプラズマ型プラ
ズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマ発生空間内にプラズマを発生さ
せるプラズマ発生装置11,12,13,17,21と、プラズマ発生
装置に連続したプロセスチャンバ15内に配置されかつ被
処理物14を載置するホルダ16と、このホルダに対してプ
ラズマ発生用とは別の高周波電力を印加する高周波電源
18を備え、ホルダに供給される高周波電力の周波数が好
ましくは１．０ＭＨｚ以上１．８ＭＨｚ以下となるよう
に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はリモートプラズマ型
プラズマ処理装置に関し、特に、プラズマを持続発生さ
せて生ずる励起種を利用し試料の加工あるいは堆積を行
う工程に利用されるものであり、例えば半導体デバイス
の製造プロセスにおけるエッチングや各種薄膜の堆積な
どの工程で利用されるリモートプラズマ型プラズマ処理
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラズマを発生させその励起種を
利用して試料の加工あるいは堆積を行う工程では、平行
平板電極型のプラズマ処理装置が一般的である。平行平
板電極型プラズマ処理装置では、真空容器内に互いに平
行して置かれた一対の電極間に高周波電力を印加し、真
空容器内に導入されたガスをプラズマ化して、いずれか
一方の電極に載置された被処理物の加工を行う。平行平
板電極型プラズマ処理装置では、プラズマ電位と電極の
電位差によりプラズマ中のイオンは加速され、電極表面
に入射する。つまり本装置では、イオンの入射エネルギ
は電極間に印加される高周波電力により制御されるの
で、イオンの数とエネルギとは独立に制御できない。さ
らに本装置では、イオンエネルギと印加する高周波電力
との間に必ずしも比例関係は成立しない。

【０００３】上記の平行平板電極型プラズマ処理装置の
欠点を克服し、所望のイオンエネルギとイオン密度、活
性種密度を被処理物に入射せしめる方法として、近年、
リモートプラズマを利用したプラズマ処理装置（以下
「リモートプラズマ型プラズマ処理装置」という）が提
案されている。この「リモートプラズマ型プラズマ処理
装置」は、被処理物を載置する電極とは独立にプラズマ
を持続発生する機構を備え、被処理物の載置された電極
に印加した高周波電力により被処理物に入射するイオン
のエネルギを任意の値に制御することが可能な機構を備
えたプラズマ処理装置である。

【０００４】図４は、プラズマの持続発生機構として外
部電極型高周波励起の一種であるヘリコン波励起を利用
したリモートプラズマ型プラズマ処理装置の一例とし
て、米国特許第４，９９０，２２９号記載のプラズマ処
理装置を示す。図４では、ガス導入部５０によってガス
をプラズマ発生チャンバ５１内に導入し、このガスを、
第１の高周波電源５２よりマッチング回路５３を介して
プラズマ発生チャンバ５１を取り囲むアンテナ５４に高
周波電力を供給することにより形成した高周波電場と、
磁場コイル５５により形成した軸方向の磁場との相互作
用により、プラズマに変換する。次いで、当該プラズマ
を上記磁場に沿って別のプロセスチャンバ５６内へ輸送
し、プラズマでホルダ５７上の被処理物５８を加工して
いる。

【０００５】また図４に示した装置では、被処理物５８
の載置されたホルダ５７に対して、第２の高周波電源５
９から第２のマッチング回路６０を介して高周波電力を
印加されるように構成される。これにより、被処理物５
８に入射するイオンのエネルギを所望の大きさに制御で
きる。

【０００６】上記装置の発明者等は第１と第２の高周波
電源の周波数について特に言及していないが、第１と第
２の高周波電源は共に商用周波数１３．５６ＭＨｚを適
用することが一般的である。

【０００７】図５は、プラズマの持続発生機構として電
子サイクロトロン共鳴を利用したリモートプラズマ型プ
ラズマ処理装置の一例を示す。図５に示した装置では、
プラズマ発生チャンバ６１の外部に設置された電磁石６
２によりプラズマ発生チャンバ６１内に８７５Ｇの磁場
を形成し、石英窓６３から導入される２．４５ＧＨｚの
マイクロ波電力との間で電子サイクロトロン共鳴を生じ
る。このときプラズマ発生チャンバ６１内に適切なガス
を流しておくことにより、効率良くプラズマを発生させ
ることができる。発生したプラズマを拡散により被処理
物６４を載置するホルダ６５に到達させ、所望の加工を
行う。ホルダ６５は、プラズマ発生チャンバ６１の下方
の処理チャンバ６６に配置される。この際、プラズマ中
のイオンを適正なエネルギで被処理物６４に入射させる
ため、高周波電源６７と可変コンデンサ６８によって、
数百ｋＨｚの周波数の高周波電力を被処理物６４を載置
するホルダ６５に印加することが一般的である。なお図
５において、６９はマイクロ波電源、７０はガス導入部
である。

【０００８】上記の装置では、被処理物６４に入射する
イオンのエネルギは、被処理物６４の載置されたホルダ
６５に印加した高周波電力により任意の値に制御され、
入射するイオンの数は石英窓６３から導入される２．４
５ＧＨｚのマイクロ波電力により制御できる。バイアス
印加する高周波電力の周波数として４００ｋＨｚが最適
であるとの報告がなされている。(S.Samukawa et al.
J. Vac. sci. Technol.B9(3), May/Jun 1991)

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のリモー
トプラズマ型プラズマ処理装置では、次のような問題が
あった。

【００１０】従来のリモートプラズマ型プラズマ処理装
置で、被処理物に入射するイオンのエネルギを任意の値
に制御することを目的として被処理物が載置されたホル
ダに印加される高周波電力を供給する高周波電源の発振
周波数は、商用周波数１３．５６ＭＨｚ、または４００
ｋＨｚもしくは４００ｋＨｚ未満が一般的である。これ
らの周波数の電力により被処理物に入射するイオンのエ
ネルギを制御する場合、被処理物の載置されたホルダに
印加される高周波電力が大きくなるほど、被処理物に電
気的・物理的ダメージを招く可能性が増大し、反対に、
被処理物の載置されたホルダに印加される高周波電力が
小さくなるほど、被処理物の加工処理性能の低下を招く
可能性が増大する。

【００１１】リモートプラズマ型のプラズマ処理装置に
おいて、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を被処理物の載
置されたホルダに印加した場合、ホルダや被処理物の表
面を流れる高周波電流の抵抗に比べ、ホルダから見たイ
オンシースのインピーダンスが非常に低い状態になる。
かかる条件下では、ホルダの外周部とアース電極である
ところのプロセスチャンバ壁面との間で局所放電が生じ
やすくなる。局所放電が生じた部分は高周波電流がより
多く流れるので、ホルダ外周部には、中央部よりも高周
波電流が多く流れ、ホルダの被処理物を載置する面内で
のセルフバイアス電圧分布は外周部ほど高く、中央部ほ
ど低くなる。そのようなセルフバイアス電圧分布の不均
一が存在すると、被処理物に入射するイオンのエネルギ
が場所による不均一を生じ、被処理物の加工速度のばら
つきを大きくする問題が生じる。また被処理物が半導体
デバイスである場合には、被処理物面内での電荷の蓄積
量に不均一を生じ、回路内に高電圧、大電流が励起さ
れ、素子の破壊が発生する問題を生じる。さらに、前述
したような素子の破壊が発生しないように被処理物の載
置されたホルダに印加する高周波電力を小さくした場合
には、処理速度の低下が不可避である。さらにまた、ホ
ルダに印加する高周波電力の大小に拘わらず、被処理物
へ入射するイオンのエネルギが場所によって異なるの
で、処理速度の均一性を確保することが困難である。

【００１２】一方、リモートプラズマ型のプラズマ処理
装置において、４００ｋＨｚもしくは４００ｋＨｚ未満
の高周波電力を被処理物の載置されたホルダに印加した
場合、例えば半導体デバイスの製造プロセスにおけるエ
ッチング処理を行う装置では、被処理物基板として用い
られるＳｉ結晶にガスプラズマ中の原子が打ち込まれて
半導体デバイス上の素子の電気的特性を変化せしめ、ひ
いては半導体デバイスの性能不良を惹起するという問題
を生じやすい。これは、上記の周波数帯域において加速
されたイオンのエネルギには高低の幅を生じ易く、その
中の高エネルギのイオンが上述のような不純物の打ち込
みによるイオン衝撃ダメージの発生に寄与するからであ
る。かかる問題を防止するためには、被処理物の載置さ
れたホルダに印加する高周波電力を下げ、すべてのイオ
ンのエネルギを平均して下げることが有効とされてい
る。しかしながら、そのような方法では、イオンのエネ
ルギ平均値が一定値以下になるとエッチング処理が全く
進行しなかったり、エッチング処理速度がイオンのエネ
ルギ平均値の低下に伴い著しく減少したり、加工部分の
面積の割に加工する高さや深さの大きい高アスペクト比
のパターンのエッチング処理では最大加工可能アスペク
ト比の低下を招き、装置の処理能力を著しく損なうもの
である。つまり、４００ｋＨｚもしくは４００ｋＨｚ未
満の高周波電力を被処理物の載置された電極に印加する
リモートプラズマ型プラズマ処理装置においては、かか
る高周波電力をいかなる値に定めても、相反する要求の
いずれかもしくは両方をある程度犠牲にせざるを得な
い。

【００１３】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、絶縁破壊やイオン衝撃のダメージを被処理物
で発生させずに、微細なパターンのエッチングや膜堆積
を十分な処理速度で処理できるリモートプラズマ型プラ
ズマ処理装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るリモートプ
ラズマ型プラズマ処理装置は、上記の目的を達成するた
め、プラズマ発生空間内にプラズマを発生させるプラズ
マ発生装置と、前記プラズマ発生装置に連続した真空容
器内に配置されかつ基板等の被処理物を載置する被処理
物ホルダと、この被処理物ホルダに対してプラズマ発生
用とは別の高周波電力を印加する高周波電力供給手段を
備えるように構成され、さらに、被処理物ホルダに供給
される高周波電力の周波数が０．８ＭＨｚ以上２．０Ｍ
Ｈｚ以下となるように設定される。当該高周波電力の周
波数の範囲は、特に、１．０ＭＨｚ以上１．８ＭＨｚ以
下であることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１６】図１は、本発明に係るリモートプラズマ型
プラズマ処理装置の代表的な例として、ヘリコン波プラ
ズマ源を利用したプラズマエッチング装置を概略的に示
している。図１において、誘電体で形成されたプラズマ
発生チャンバ１１の周囲に、ヘリコン波励起電界を発生
するためのアンテナ１２と、ヘリコン波を励起するため
に必要な軸方向磁場を形成するための磁場コイル１３が
配置される。プラズマ発生チャンバ１１に接続して設け
られたプロセスチャンバ１５には、ガスをプロセスチャ
ンバ１５およびプラズマ発生チャンバ１１に導入するこ
とのできるガス導入管１９が接続されている。またプロ
セスチャンバ１５の内部空間には、プラズマ発生チャン
バ１１に相対してホルダ１６が設置され、前記ホルダ１
６上に被処理物１４が載置されている。前記ホルダ１６
には、バイアス電力供給用高周波電源１８から第２のマ
ッチングボックス２０を介して例えば周波数１．６ＭＨ
ｚの高周波電力が印加されている。

【００１７】バイアス電力供給用高周波電源１８からホ
ルダ１６に印加される高周波電力の周波数は好ましくは
１．０ＭＨｚ以上１．８ＭＨｚ以下の範囲に含まれる周
波数である。

【００１８】プラズマを生成することにより被処理物１
４に対してエッチング処理を行う場合に、プロセスチャ
ンバ１５とプラズマ発生チャンバ１１は、その内部を、
良く知られた排気機構（図示せず）によって所要レベル
まで減圧される。さらに、被処理物１４に対するエッチ
ング処理が行われるプロセスチャンバ１５に対し、ガス
導入機構（図示せず）によってガス導入管１９を通して
プロセスガスが必要な圧力にて導入される。

【００１９】ループ形状に形成されたヘリコン波励起用
アンテナ１２には、ソース電力供給用高周波電源１７か
らマッチングボックス２１を経由して１３．５６ＭＨｚ
の周波数を持つ高周波電力が供給される。ソース電力供
給用高周波電源１７から供給される高周波電力はプラズ
マ発生チャンバ１１に投入されるソース電力である。ま
た、ホルダ１６に対しては、上記のごとくバイアス電力
供給用高周波電源１８から高周波電力が供給される。バ
イアス電力供給用高周波電源１８から供給される高周波
電力は被処理物１４へ入射するイオンのエネルギを制御
するためのバイアス電力であり、その周波数を以下では
「バイアス周波数」と称する。

【００２０】なお、プラズマ発生チャンバ１１で生成さ
れたプラズマが、プロセスチャンバ１５の内側壁面に衝
突してプラズマが損失するのを抑制するために、プロセ
スチャンバ１５の外部に棒状の永久磁石（図示しない）
の磁極を交互に変えて配置することによりプロセスチャ
ンバ１５の内側壁面にカスプ磁場を形成することも好ま
しい。

【００２１】図１に示したプラズマエッチング装置を動
作させるには、プラズマ発生チャンバ１１およびプロセ
スチャンバ１５を排気機構により所定の減圧レベルまで
排気する。次に、図示しないガス供給機構によりＣ
Ｆ₄，ＣＨＦ₃，Ｃ₂Ｆ₆，Ｃ₄Ｆ₈等のフロロカーボ
ンガスを、図示しないマスフローコントローラにより流
量制御してガス導入管１９を通して供給する。さらに、
プロセスチャンバ１５と排気機構との間にあるバリアブ
ルオリフィス（図示せず）を圧力制御コントローラ（図
示せず）で制御して圧力を１〜１００mTorr の範囲内に
制御する。その際、ホルダ１６上には被処理物１４、例
えばシリコン酸化膜上にレジストにて所望のパターニン
グが施されたシリコンウェハを載置しておく。ホルダ１
６およびその上に載置された被処理物１４は、冷却水導
入経路（図示せず）を通して外部冷却機（図示せず）に
より冷却され、処理中の温度上昇によるレジストの熱損
傷を防ぐことができる。次に、ソース電力供給用高周波
電源１７によりマッチングボックス２１を介してアンテ
ナ１２にソース電力が供給される。同時に、ホルダ１６
には被処理物１４へのイオンの入射エネルギを制御する
ため、バイアス電力供給用高周波電源１８より所要のバ
イアス電力が供給される。

【００２２】上記のプラズマエッチング装置において、
前述の通り、バイアス電力供給用高周波電源１８より供
給される高周波電力のバイアス周波数は、１．０ＭＨｚ
以上１．８ＭＨｚ以下の範囲に含まれるようにした。

【００２３】バイアス周波数を１．８ＭＨｚ以下とした
ことにより、イオンシースのインピーダンスが上がっ
て、ホルダ１６とプロセスチャンバ１５のアース電極で
ある壁部との間で局所的な放電の発生がなくなり、当該
壁部からホルダ１６へと流れ込む高周波電流は、ホルダ
１６の被処理物１４が載置される面の全面で均一にな
り、ホルダ１６上に載置される被処理物１４の全面で均
一なセルフバイアス電圧が誘起される。被処理物１４に
入射するイオンのエネルギの平均値は、プラズマ電位に
セルフバイアス電圧の絶対値を加えたものにほかならな
いので、セルフバイアス電圧分布が良好になることによ
り、プロセスチャンバ１５内を拡散するプラズマのホル
ダ１６と平行な面内でのイオン電流密度の均一性を保っ
たまま、被処理物１４に所望のエネルギでイオンを入射
することができる。

【００２４】またバイアス周波数を１．０ＭＨｚ以上と
したことにより、被処理物１４に入射するイオンのエネ
ルギの高低の幅を平均イオンエネルギの２０％以内とす
ることができ、従って、イオン衝撃ダメージを発生させ
ずに、平均のイオンエネルギを処理性能上必要なレベル
まで上げられるだけのバイアス電力をホルダ１６に投入
できる。

【００２５】図２は、開口径０．３μｍ、深さ１．５μ
ｍのコンタクトホール内でのシリコン酸化膜のエッチン
グ速度のバイアス電力密度依存性（３３，３４）と、同
じ条件のプラズマに曝したシリコン基板のサーマルウェ
ーブ（ＴＷ）信号強度のバイアス電力密度依存性（３
１，３２）を示すグラフである。サーマルウェーブ信号
強度と格子の乱れや欠陥の発生率や不純物原子の打ち込
み濃度との間の相関関係は定量性があって、イオン衝撃
ダメージが大きいほどサーマルウェーブ信号強度が高く
なることが知られている（Allen Prosengwaig:Thermal
Wave Inspectionin IC Manufacturing, Mat. Res. Soc
Symp. Proc., Vol.69(1986) 111-125 Material Researc
h Society）。図２において、実線３１，３３は、図１
に示した構成を持つバイアス周波数が１．６ＭＨｚの本
実施形態によるシリコン酸化膜エッチング装置において
得られた結果を表し、点線３２，３４は同じ構成を持つ
バイアス周波数が４００ｋＨｚの従来の同装置における
結果を表す。

【００２６】バイアス周波数が４００ｋＨｚの場合に
は、バイアス電力密度が３Ｗ（ワット）／ｃｍ²以上の
領域では、サーマルウェーブ信号強度が５００以上とな
るが、開口径０．３μｍ深さ１．５μｍのコンタクトホ
ール内でエッチングを進行させるためには５Ｗ／ｃｍ²
以上のバイアス電力密度が必要であり、イオン衝撃ダメ
ージを抑制し、かつ微細なパターンを加工することは不
可能である。これに対し、図１に示した構成を持ちバイ
アス周波数が１．６ＭＨｚのプラズマエッチング装置で
は、バイアス電力密度が６Ｗ／ｃｍ²以下の領域ではサ
ーマルウェーブ信号強度が５００以下を満足し、４Ｗ／
ｃｍ²以上のバイアス電力密度で、開口径０．３μｍ、
深さ１．５μｍのコンタクトホール内においても、実用
的なエッチング速度を確保できる。つまり、図１に示し
た構成を有するバイアス周波数が１．６ＭＨｚの本実施
形態によるプラズマエッチング装置では、イオン衝撃ダ
メージを抑制しつつ、エッチング性能を確保することが
できる。

【００２７】図３は、アンテナ比１０００００、絶縁膜
厚さ１０ｎｍのアンテナＭＯＳの絶縁破壊の発生率のバ
イアス電力密度依存性（３５，３６）と、同じ条件のプ
ラズマに曝したシリコン基板上のシリコン酸化膜のエッ
チング速度とのバイアス電力密度依存性（３７，３８）
を示す。図３において、実線３５，３７は図１に示した
構成を持つバイアス周波数が１．６ＭＨｚの本実施形態
によるシリコン酸化膜エッチング装置において得られた
結果を表し、点線３６，３８は同じ構成を持つバイアス
周波数が１３．５６ＭＨｚの従来の同装置における結果
を表す。バイアス周波数が１３．５６ＭＨｚの場合に
は、バイアス電力密度が２Ｗ／ｃｍ²以上の領域で絶縁
破壊が発生し始め、４Ｗ／ｃｍ²以上の領域では１００
％に達するが、シリコン酸化膜のエッチングを進行させ
るためには３Ｗ／ｃｍ²以上のバイアス電力密度が必要
であり、イオン衝撃ダメージを抑制しつつシリコン酸化
膜をエッチングすることは不可能である。これに対し、
図１に示した構成を持ちバイアス周波数が１．６ＭＨｚ
のエッチング装置では、バイアス電力密度が６Ｗ／ｃｍ
²以下の領域では絶縁破壊は全く発生せず、しかもシリ
コン酸化膜のエッチング速度はバイアス電力密度が４．
５Ｗ／ｃｍ²の条件で飽和する。つまり、図１に示した
構成を持つバイアス周波数が１．６ＭＨｚの本実施形態
によるエッチング装置ではチャージアップダメージを生
ずることなく十分な処理速度を得ることができる。

【００２８】前述の実施形態では、ヘリコン波プラズマ
源によるシリコン酸化膜の例によって説明したが、本発
明によるリモートプラズマ型プラズマ処理装置は、前述
の例に限定されるわけではない。例えば、アルミ合金や
多結晶シリコンのエッチング装置の他に、プラズマによ
る表面改質やプラズマＣＶＤ等を上げることができる。
またヘリコン波プラズマ源以外のリモートプラズマ発生
手段、例えばＥＣＲ、ＴＣＰ、ＩＣＰ等に適用できるの
は勿論である。バイアス周波数は１．６ＭＨｚのバイア
ス用高周波電源の使用が最も好ましく、またバイアス周
波数は１．０ＭＨｚ以上１．８ＭＨｚ以下であれば好ま
しく、さらに０．８ＭＨｚ以上２．０ＭＨｚ以下であっ
ても同様の効果を得ることを期待できる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、リモートプラズマ型プラズマ処理装置において、
ホルダおよび被処理物に印加されるバイアス用高周波電
力のバイアス周波数を所定範囲に含まれる周波数とした
ため、絶縁破壊ダメージやイオン衝撃ダメージを発生さ
せず、微細なパターンエッチングや膜堆積を十分な処理
速度で処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的実施形態を示すヘリコン波プラ
ズマ処理装置の概略的な構成図である。

【図２】本実施形態のヘリコン波プラズマ処理装置を使
用した場合と、従来のヘリコン波プラズマ処理装置を使
用した場合のサーマルウェーブ（ＴＷ）信号強度と、開
口径０．３μｍ、深さ１．５μｍの微細ホール内部での
シリコン酸化膜エッチング速度のバイアス電力密度依存
性を比較したグラフである。

【図３】本実施形態のヘリコン波プラズマ処理装置を使
用した場合と、従来のヘリコン波プラズマ処理装置を使
用した場合のアンテナＭＯＳ絶縁破壊発生率と、シリコ
ン酸化膜エッチング速度のバイアス電力密度依存性を比
較したグラフである。

【図４】従来のヘリコン波プラズマ処理装置の概略的な
構成図である。

【図５】従来のＥＣＲプラズマ処理装置の概略的な構成
図である。

【符号の説明】

１１プラズマ発生チャンバ１２アンテナ１３磁場コイル１４被処理物１５プロセスチャンバ１６ホルダ１７ソース電力供給用高周波電源１８バイアス電力供給用高周波電源２０，２１マッチングボックス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ発生空間内にプラズマを発生さ
せるプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置に連続
した真空容器内に配置されかつ被処理物を載置する被処
理物ホルダと、この被処理物ホルダに対してプラズマ発
生用とは別の高周波電力を印加する高周波電力供給手段
を備えてなるリモートプラズマ型プラズマ処理装置にお
いて、前記被処理物ホルダに供給される前記高周波電力
の周波数が０．８ＭＨｚ以上２．０ＭＨｚ以下であるこ
とを特徴とするリモートプラズマ型プラズマ処理装置。