(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に導入されたプロセスガスをプラズマ状態にすることで前記処理室内に配置された基板にプラズマプロセスを施すプラズマプロセス方法であって、
前記基板に含まれる２種以上の膜からなる積層膜に対して、プラズマを用いたエッチングを行なう際に、プラズマ生成中に、エッチング処理の対象となる膜に応じてプラズマ生成条件を変化させる場合において、前記プラズマ生成条件の内、初めにプラズマの生成を安定に維持させるために第１のパラメータを変化させ、次に前記プロセスガスを変化させることを特徴とする、プラズマプロセス方法。
【請求項２】
前記プラズマ生成中に、前記プロセスガスを変化させるとともに、前記基板に印加するバイアス電圧を変化させることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマプロセス方法。
【請求項３】
前記第１のパラメータは、前記処理室内のプロセスガスの圧力であることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラズマプロセス方法。
【請求項４】
前記第１のパラメータは、プラズマ励起用電力源の出力であることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラズマプロセス方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマプロセス方法に関し、たとえば半導体や液晶表示素子の製造などに使用されるプラズマプロセス方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示装置や半導体装置などの製造工程においては、成膜工程、エッチング工程およびアッシング工程などにおいてプラズマを利用するプラズマプロセス装置が使用されている。このようなプラズマプロセス装置においては、処理対象である基板の被処理面全体に対して成膜などの処理を均一かつ安定に行なうためには、被処理面全体に対して安定なプラズマを作用させる必要がある。
【０００３】
また、近年、半導体記憶装置などに代表される半導体デバイスや液晶などの分野で基板の大型化が進んでいる。特に、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）液晶表示装置の場合、基板は５００ｍｍ角から１ｍ角というような大きなサイズから、さらにそれ以上の大きなサイズの基板が用いられる可能性がある。このような大型基板の被処理面全体に対して安定なプラズマを作用させることにより、被処理面内における処理の均一性、および速度を向上させることが可能なプラズマプロセス方法が求められている。
【０００４】
図６は、一般的なプラズマプロセス装置の構成を概略的に示す断面図である。図６を参照して、プラズマプロセスの動作を簡単に説明する。
【０００５】
まず、真空処理室１内部に被処理対象物である基板８が搬送された後、真空排気手段（排気管１１、制御式バルブ１２およびターボポンプ１３）により真空処理室１内部から雰囲気ガスが排気される。この結果、真空処理室１内部は真空状態に保持される。次に、プロセスガス供給源６からプロセスガス導入部７を介して、プロセスガスが真空処理室１内部へと供給される。同時に、基板ホルダ９および基板８が昇降手段１０により所望の位置に移動される。
【０００６】
一方、プラズマ励起用電力源５で発振せしめられたマイクロ波は、プラズマ励起用電力源５に接続された導波管４を経て、導波管４端部の開口部からマイクロ波導入窓３へと伝搬する。このマイクロ波導入窓３から誘電体プレート２へとさらにマイクロ波は伝搬する。そして、この誘電体プレート２から真空処理室１内部における基板８の全面に対向する領域へと、ほぼ均一にマイクロ波は放射される。
【０００７】
真空処理室１内部へ放射されたマイクロ波により反応ガスが励起されてプラズマが発生する。プラズマ発生後、高周波電源１４により基板ホルダ９から基板８にバイアスが印加される。発生したプラズマによって基板８の表面において成膜あるいはアッシングなどのプラズマプロセスを行なうことができる。
【０００８】
プラズマプロセスの終点は、真空処理室１に取付けられた光センサ１５により、プラズマ中の物質の発光強度変化を計測することで求められる。つまり、光センサ１５により計測された発光強度変化の信号は、演算処理部１６を経てマイクロ波発生源制御部１７などに入力され、それによりプラズマの生成が停止される。
【０００９】
このように、基板８の全面に対してプロセスガスを供給すると同時に、誘電体プレート２から均一にマイクロ波を放射することによって、基板８の全面に対向する領域においてほぼ均一なプラズマを形成することができる。
【００１０】
図７は、従来のプラズマプロセス方法を示すフローチャートである。図６および図７を参照して、まず真空処理室１内部に基板８が搬送された後（ステップＳ１０１）、真空処理室１内部の雰囲気ガスが一度真空排気される（ステップＳ１０２）。その後にプロセスガスが真空処理室１内部に供給され、真空処理室１内部が所定の圧力値に達した後（ステップＳ１０３）、マイクロ波などのエネルギが真空処理室１内に放射されることにより、プロセスガスが励起されプラズマが生成する。生成されたプラズマにより、エッチングなど所望の処理が所定時間行なわれた後（ステップＳ１０４、Ｓ１０５）、マイクロ波などのエネルギの供給が停止され、続いて反応ガスが排気され、真空処理室１内部が真空排気される（ステップＳ１０６）。その後、処理された基板８が真空処理室１外へ搬送され（ステップＳ１０７）、一連のプロセスが終了する。
【００１１】
しかし、上記処理基板８のＴｉ（チタン）系薄膜とＡｌ（アルミニウム）膜との積層膜をドライエッチングする際、プロセスガスとしてＣｌ2（塩素）とＡｒ（アルゴン）との混合ガスを用いると、以下に示す問題が生じることがあった。
【００１２】
上記積層膜のエッチングにおいては、Ｃｌ2ガスの比率を高くするとエッチングレートが高くなることが知られている。そこで、上記積層膜をエッチングする際、Ａｌ膜をエッチングする際にはＣｌ2比の高いプロセスガスを供給しても安定したプラズマを生成することができたが、Ｔｉ系薄膜をエッチングする際にはプラズマが明滅するなど不安定になることがあった。一方、放電を安定化させるためにＣｌ2の比率を下げて積層膜の処理を行なうと、エッチングに直接寄与するＣｌ2の比率が下がることになり、エッチングレートが低下するという問題があった。
【００１３】
上記課題を解決するため、エッチングプロセスを２段階に分け、積層膜の各層ごとにプラズマ生成条件を変更する方法が考えられた。つまり、Ｔｉ系薄膜をエッチングする際にはＣｌ2流量比を低く設定し、Ａｌ膜をエッチングする際にはＣｌ2流量比を高く設定することにより、放電を安定させるとともに処理速度を向上させる方法が考えられた。このエッチングプロセスを２段階に分けて行なう従来技術としては、たとえば特開平１１−１１１７０２号公報に開示された技術がある。この技術は、被処理膜をエッチングするときの被処理膜側壁のテーパ形状の制御とプロセスの処理速度の向上を目的として、図８に示すようなプロセスを採用している。
【００１４】
図６および図８を参照して、図７のプロセスと同様、まず基板８が搬入され（ステップＳ１０１）、真空排気がなされた後（ステップＳ１０２）、処理基板８の積層膜のエッチングが行なわれる。この積層膜のエッチングプロセスは第１のエッチングと第２のエッチングとの２段階に分けられている。第１のエッチングでは、第１のエッチング用のガスが導入され、調圧された後（ステップＳ２０３）、第１のエッチングが行なわれる（ステップＳ２０４、Ｓ２０５）。この第１のエッチング終了後に、一旦、マイクロ波電力の印加が停止され、その後に第２のエッチングが行なわれる。この第２のエッチングにおいても、第１のエッチングと同様、第２のエッチング用のガスが導入されて調圧された後（ステップＳ２０６）、第２のエッチングが行なわれる（ステップＳ２０７、Ｓ２０８）。
【００１５】
この後、図７のプロセスと同様、エッチング後の排気が行なわれ（ステップＳ１０９）、基板８が搬出される（ステップＳ１１０）。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示す上記エッチング方法を用いた場合、以下に示す処理速度に関する問題があった。
【００１７】
図８のプロセスでは、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程の間で一度、マイクロ波電力の印加が停止される。このため、プラズマの消滅を待つ時間およびプラズマの再生成を待つ時間が必要となり、プラズマプロセス以外に要する時間が長くなる。その結果、基板８搬入からプラズマプロセスを終えて基板８を搬出するまでに要する総時間が長くなり、処理速度の向上に関して問題が残っていた。
【００１８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、種々のプラズマプロセスにおいてプラズマプロセス時間・タクトタイムの短縮、およびドライエッチングにおける形状の制御が可能なプラズマプロセス方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマプロセス方法は、処理室内に導入されたプロセスガスをプラズマ状態にすることで処理室内に配置された基板にプラズマプロセスを施すプラズマプロセス方法であって、基板に含まれる２種以上の膜からなる積層膜に対して、プラズマを用いたエッチングを行なう際に、プラズマ生成中に、エッチング処理の対象となる膜に応じてプラズマ生成条件を変化させる場合において、プラズマ生成条件の内、初めにプラズマの生成を安定に維持させるために第１のパラメータを変化させ、次にプロセスガスを変化させることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明のプラズマプロセス方法によれば、プラズマ生成中に（つまりプラズマの生成を停止させることなく）プロセスガスを変化させるため、従来例のようにプラズマの消滅や再生成を待つ時間を省略することができる。このため、プラズマプロセスに要する総時間を短くでき、処理速度を向上することができる。
また初めにプラズマの生成を安定に維持させるために第１のパラメータを変化させ、次にプロセスガスを変化させるため、プラズマ生成中にプロセスガスを変化させても、プラズマを安定に維持することができる。
【００２１】
上記のプラズマプロセス方法において好ましくは、プラズマ生成中に、プロセスガスが変えられるとともに、基板に印加するバイアス電圧が変えられる。
【００２２】
エッチングレートの高いプロセスガスを用いてエッチングを行なうとレジストとメタル膜とのエッチング選択比が高くなり、被エッチング膜側壁のテーパ角が大きくなることがある。しかし、プロセスガスの混合比またはガス種などを変化させると同時にバイアスの出力を上げることにより、処理速度の向上を実現すると同時にテーパ形状を所望の形状に制御することが可能となる。
【００２７】
上記のプラズマプロセス方法において好ましくは、第１のパラメータは、処理室内のプロセスガスの圧力である。
【００２８】
プラズマ生成条件を変化させた場合、条件によってはプラズマの状態が不安定になることがあるが、処理室内のプロセスガスの圧力を制御することにより、安定な放電の維持が可能となる。
【００２９】
上記のプラズマプロセス方法において好ましくは、プラズマの生成を安定に維持させるためのプラズマ生成条件は、プラズマ励起用電力源の出力である。
【００３０】
プラズマ生成条件を変化させた場合、条件によってはプラズマの状態が不安定になることがあるが、プラズマ励起用電力源の出力を大きくすることにより、プラズマを安定に維持することが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるプラズマプロセス方法を示すフローチャートである。図１および図６を参照して本発明の実施の形態１におけるプラズマプロセス方法について説明する。
【００３３】
まず、真空処理室１内部に、被処理物であるＴｉ系薄膜とＡｌ膜との積層膜が形成された基板８が搬送され（ステップＳ１）、その後、真空処理室１内の雰囲気ガスが真空排気される（ステップＳ２）。次に、第１のプラズマ生成条件でエッチングプロセスを行なうため、第１のプロセスガスが真空処理室１内部に供給される。
【００３４】
ここで、Ｔｉ系薄膜のエッチングを行なう際の、安定な放電が得られる条件範囲を図２に示す。図２の縦軸は放電の維持に必要なマイクロ波の出力を示し、横軸はＣｌ2比を示している。図２に示すようにＣｌ2比が高くなるほど、またプロセスガスの圧力が低くなるほど放電の維持に必要なマイクロ波の出力が高くなる。つまり、マイクロ波出力が一定の状態でＣｌ2比を高くしたり、プロセスガスの圧力を下げると放電が不安定になる。よって、第１のエッチングプロセスであるＴｉ系薄膜のエッチングにおいては放電安定性を維持するため、Ｃｌ2：Ａｒの比率が２０：８０のプロセスガスを用いてエッチングが行なわれる。
【００３５】
図１および図６を参照して、上記混合比のプロセスガスが真空処理室１内部へ供給され、真空処理室１内部の圧力が所定の圧力値に達した後（ステップＳ３）、マイクロ波電力などのエネルギが真空処理室１内に放射される。これにより、プロセスガスが励起され、プラズマが発生し、Ｔｉ系薄膜のエッチングが行なわれる（ステップＳ４）。Ｔｉ系薄膜のエッチング終点の検出は、真空処理室１内の発光強度の変化を、ＥＰＤ（End Point Detector）により測定し判断している（ステップＳ５）。
【００３６】
ＥＰＤとは、ある特定波長の光の強度を計測し、発光強度の変化量がある一定の値を超えたときエッチングの終点と判断するものである。発光強度の変化が起こるのは、エッチング終了前後でエッチングにより消費されるＣｌ2の量が変化するためである。終点を検知すると自動的に第２のプラズマ生成条件に変更するよう設定がなされており、終点検知後、第２のエッチングプロセスへの移行が自動的に行なわれる。
【００３７】
ここで、従来のプラズマプロセス方法では、第１エッチングから第２のエッチングへの移行時にマイクロ波電力の印加が停止されていた。これに対して、本実施の形態によるプラズマプロセス方法では、マイクロ波電力の印加を停止せずにプラズマを維持したまま第２のエッチングプロセスが開始される（ステップＳ６）。すなわち、第１のエッチングが終了すると同時に第２のプロセスガスの真空処理室１内への供給が開始される。この間、マイクロ波電力などのエネルギは真空処理室１内に放射し続けられ、よってプラズマも生成されたままの状態になっている。
【００３８】
第２のエッチングであるＡｌ膜のエッチングに対しては、Ｃｌ2比が高くても安定な放電が維持できるということが確認されている。したがって、Ｃｌ2：Ａｒの比率が８０：２０のプロセスガスを用いてエッチング処理が行なわれる。このプロセスガスではエッチングに寄与するＣｌ2比が高いため、図７に示す従来のプラズマ処理方法に比べてＡｌ膜のエッチング速度が向上する。
【００３９】
第１のエッチングプロセスから第２のエッチングプロセスへ移行する際、供給するプロセスガスの混合比を変化させるよりも先に、真空処理室１内の圧力や供給するプラズマ励起用電力源５の出力も変化させることが好ましい。これにより、生成されているプラズマをより安定に維持しつつプロセスを移行することができる。
【００４０】
このようにして第２のプロセスであるＡｌ膜のエッチングが開始され、ＥＰＤでエッチング終点が検知されるまでエッチングが行なわれる（ステップＳ７）。第１および第２のエッチング終了後に処理室１内部が真空排気され（ステップＳ８）、処理された基板８が真空処理室１外へと搬送され（ステップＳ９）、一連のプロセスが終了する。
【００４１】
上述のように本実施の形態によるプラズマプロセス方法では、第１のエッチングプロセスから第２のエッチングプロセスへの移行の際に、マイクロ波電力の印加が停止されることなく、プラズマ生成は維持されたままである。よって、プラズマの消滅および再生成にかかる時間を省略することができる。
【００４２】
本実施の形態と従来例との各プラズマプロセスに要する時間を調べたところ、図３に示すように、図７に示すプロセスに比べて３２秒、図８に示すプロセスに比べて２０秒短縮して本実施の形態のプラズマプロセスを行なうことができた。
【００４３】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるプラズマプロセス方法を示すフローチャートである。図４および図６を参照して、本発明の実施の形態２としてプラズマ生成中にガス種を変更した場合について説明する。
【００４４】
まず実施の形態１と同様にＴｉ系薄膜とＡｌ膜との積層膜が形成された基板８が搬送され（ステップＳ１）、その後に処理室１内の雰囲気ガスが真空排気される（ステップＳ２）。次に、第１のプロセスガスとしてＢＣｌ3とＡｒの混合ガスが真空処理室１内部に供給される。このガスを導入する目的は、基板８の被処理物（金属層）表面に形成された酸化膜などの表面変質層を除去して金属層表面を露出させることである。つまり、分子量が比較的大きいＢＣｌ3を用いてプラズマ処理を行なうことにより、イオンが表面変質層表面に衝突して表面変質層をエッチング除去する。
【００４５】
第１のプロセスガスが供給され、真空処理室１内が所定の圧力値に達した後（ステップＳ３）、マイクロ波電力などのエネルギが真空処理室１内に放射される。これにより、真空処理室１内のプロセスガスが励起され、プラズマが生成されて、第１のプロセスである表面変質層のエッチングが行なわれる（ステップＳ１１）。この表面変質層のエッチングが所定時間行なわれ、終了と同時に、プラズマが維持されたまま第２のプロセスガスの供給が開始され、第２のプロセスに移行する（ステップＳ１２）。第２のプロセスガスとしては、金属層のエッチング（第１のエッチング）を実際に行なうＣｌ2とＡｒとの混合ガスが用いられる。
【００４６】
この後、実施の形態１と同様のステップＳ５〜Ｓ６を経ることにより、一連のプラズマプロセスが完了する。
【００４７】
本実施の形態では、第１のプロセスで用いるＢＣｌ3とＡｒとの混合ガスによる放電においては、表面変質層は除去されるが金属層はほとんどエッチングされないことが実験により確認されている。よって、プラズマ生成中にガス種を急変させることによりエッチング形状に影響を与えることはない。
【００４８】
このようにプラズマ生成中にガス種が変更されるため、第１のプロセスから第２のプロセスへ移行する際にマイクロ波電力の印加が停止されることはない。よって、プラズマの消滅およびプラズマの再生成にかかる時間を省略することができ、処理速度の向上が可能となる。
【００４９】
しかし、処理対象物の層ごとに供給するプロセスガスの混合比や種類を変えると、エッチングレートとともにレジストと積層膜の各層のエッチング選択比も変化する。このため、図５に示すようにエッチングで加工された処理対象物（Ｔｉ系薄膜２２およびＡｌ膜２１）側壁のテーパ形状（つまりテーパ角）も変化することになる。ここでいうテーパ角とは、下地表面と積層膜２１、２２の側壁との角度のことをいう。このテーパ角は、金属層よりなる積層膜２１、２２のエッチングレートがフォトレジスト２３のエッチングレートよりも高い場合には大きくなり、積層膜２１、２２のエッチングレートがフォトレジスト２３のエッチングレートよりも低い場合には小さくなる。このテーパ角が大きくなると、後工程で積層膜の上層に配線を形成した際に電流のリークなどが生じやすくなるため、テーパ形状の制御は処理速度の向上と同時に求められている。そこで、供給するプロセスガスの混合比や種類を変化させる際、テーパ形状に影響を与えると考えられる場合には、バイアス出力を同時に変化させることによりテーパの形状を所望の形状に制御することができる。
【００５０】
なぜなら、バイアスの出力を上げるとエッチングに寄与するイオンを引き込む力が強くなり、物理的なエッチングが促進される。金属層２１、２２はケミカルな反応によりエッチングが進むが、フォトレジスト２３は物理的にエッチングされる傾向が強い。このため、バイアスの出力を上げた場合はフォトレジスト２３のエッチングレートの方がより高くなり、その結果、テーパ角が小さくなる。
【００５１】
実際、印加するバイアスの出力を上げることにより、フォトレジスト２３と金属層２１、２２とのエッチング選択比が小さくなりテーパ角が小さくなることが確認されている。実験では、バイアス出力を１．０ｋＷから１．６ｋＷに上げることによりテーパ角が５〜１０°小さくなった。
【００５２】
また、プロセスガスの圧力については、第１のエッチング時のプラズマ生成条件と第２のエッチング時のプラズマ生成条件とで同じであることが好ましい。しかし、これらのプラズマ生成条件においてプロセスガスの圧力が異なる場合においても、プラズマ生成中にガス圧を変化させた場合、調圧に要する時間は３秒以内とごく短時間であり、その間の圧力変動によるテーパ形状への影響は見られなかった。
【００５３】
上述のように本発明によるプラズマプロセス方法は、基板表面の状態に応じて放電条件を変化させることにより、より高速でかつ安定なプラズマプロセス、およびドライエッチングにおける形状の制御を可能とするものである。
【００５４】
なお、本発明によるプラズマプロセス方法においてエッチング対象物は上述したものに限定されるものではなく、ガス種もこれに限定されるものではない。また、本発明のプラズマプロセス方法は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置やＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）装置などに用いることもできる。
【００５５】
また、実施の形態１においては、第１のエッチングから第２のエッチングへの移行の際に、プロセスガスの混合比を変化させた場合について説明したが、プロセスガスの種類が変化させられてもよい。また同様に、実施の形態２においては、第１のプロセスから第２のプロセスへ移行する際にプロセスガスのガス種を変更させる場合について説明したが、ガスの混合比が変化されてもよい。
【００５６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマプロセス方法によれば、同一真空処理室内にて、放電条件が異なる複数のプラズマ処理工程を連続して行なう場合、その間のプラズマ励起用電力の供給停止などプラズマ処理以外の部分を省略できるため、プラズマの安定性を損なうことなく処理速度の向上が可能となる。また、上記のプラズマプロセス方法を用いた場合のドライエッチングにおける対象処理物側壁のテーパ形状の制御が可能となる。
【００５８】
このようにプラズマを利用したプロセスにおいてトータルでの処理時間を短縮することができる本発明のプラズマプロセス方法は、多層集積回路や磁気記録デバイスなどの生産性の向上に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１におけるプラズマプロセス方法を示すフローチャートである。
【図２】  Ｔｉ系薄膜のエッチング時におけるプラズマ生成安定範囲を示す図である。
【図３】  各プラズマプロセス方法による処理時間の比較を示す図である。
【図４】  本発明の実施の形態２におけるプラズマプロセス方法を示すフローチャートである。
【図５】  処理対象物側壁のテーパ角を説明するための図である。
【図６】  一般的なプラズマプロセス装置の構成を示す概略断面図である。
【図７】  従来のプラズマプロセス方法を示すフローチャートである。
【図８】  特開平１１−１１１７０２号公報に開示されたプラズマプロセス方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  真空処理室、２  誘電体プレート、３  マイクロ波導入窓、４  導波管、５  プラズマ励起用電力源、６  プロセスガス供給源、７  プロセスガス導入部、８  基板、９  基板ホルダ、１０  昇降装置、１１  排気管、１２  制御式バルブ、１３  ターボポンプ、１４  高周波電源、１５  光センサ、１６  演算処理部、１７  マイクロ波発生源制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003733021.tif 000009