(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＵＨＦ帯電磁波を用いて容器内にプラズマを励起し、当該容器内に載置された被加工試料に対して加工を行うプラズマ処理装置において、
前記被加工試料を載置する下部電極と、
該下部電極に対向して配置された電磁波放射部と、
当該電磁波放射部にＵＨＦ帯電磁波を供給する電源と、
該電磁波放射部を介して前記容器内にガスを導入するガス導入手段とを有し、
前記電磁波放射部は、当該ガスを前記容器内に導入するための導入経路となる微細孔と、前記下部電極との間にプラズマを生成する導体板と、当該導体板の上部に形成された誘電体と、該誘電体上部に形成されたアース電位導体との３層構造とを備え、
前記微細孔は、前記導体板と誘電体との界面に発生する定在波電界の電界強度の最大値の１／３以下の領域に貫通されて形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記電磁波は、３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの電磁波であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記容器外部に、前記プラズマを発生させるための磁場印加手段が設けられており、
前記磁場印加手段は、空心コイル、永久磁石、空心コイルと永久磁石の組み合わせの何れかの構成であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記電磁波放射部に、５０ＫＨｚ〜２０ＭＨｚの高周波電力を重畳させる第２の電源を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
ＵＨＦ帯電磁波を用いて容器内にプラズマを励起し、当該容器内に載置された被加工試料に対して加工を行うプラズマ処理装置において、
前記被加工試料を載置する下部電極と、
該下部電極に対向して配置された電磁波放射部と、
当該電磁波放射部にＵＨＦ帯電磁波を供給する電源と、
該電磁波放射部を介して前記容器内にガスを導入するガス導入手段とを有し、、
該電磁波放射部は、当該ガスを前記容器内に導入するための導入経路となる微細孔と、前記下部電極との間にプラズマを生成する導体板と、当該導体板の上部に形成された誘電体と、該誘電体上部に形成されたアース電位導体との３層構造とを備え、
前記微細孔は、前記電磁波放射部内に形成された定在波電界の節を中心とする５ｃｍ以内の領域に、前記導体板を貫通して形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記ガス導入経路に、孔径が５０マイクロメートル以上５００マイクロメートル以下である多孔質部材が充填されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造装置、特にエッチング行程の中でも主に酸化ケイ素を主成分とする層間絶縁膜のエッチングに用いられるプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスプロセスにおいて、ウエーハの１２インチ化が間近に迫っており、半導体プロセス装置、特にプラズマを用いたドライエッチング装置においてはいかに均一に表面処理を行うかがエッチング特性、スループット両面から極めて重要となっている。エッチングの均一化に不可欠な要素とは、ラジカルとイオン両フラックスのウエーハへの均一供給が挙げられる。ラジカルには、気相中のラジカル、レジスト等のウエーハ上における反応生成物、プラズマに接している壁等の表面における反応生成物が考えられるが、これらフラックスのウエーハへの均一入射を確保するためには、ガス流れを制御する必要がある。また、イオンフラックスの均一性にはプラズマの均一性と電場、磁場を制御しなければならない。
【０００３】
従来の酸化膜エッチング装置はプラズマ密度によって大きく二つの系統に分けることができる。一方は平行平板型に代表される低中密度プラズマ型で、他方はＥＣＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型に代表される高密度プラズマ型である。平行平板型の場合、電極間隔が１〜２ｃｍの狭電極構造にてラジカル、イオン両フラックスをウエーハに均一供給するために、上部電極にガス導入経路を設け、電極表面からガスを均一供給できるようなシャワープレート構造をとっている。プラズマの均一性については基本的に磁場が存在しないため、狭電極構造においても確保できる。一方、ＥＣＲ型の場合、ガス供給は平行平板型同様、電磁波導入窓直下にシャワープレートを設けウエーハ上でのラジカルフラックスの均一入射が可能となるように構成されているが、プラズマの均一性に関しては磁場によるプラズマのトラップを考慮して、ある程度拡散させることにより均一性を達成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、酸化膜エッチング装置には前述したように平行平板型に代表される低中密度プラズマ型とＥＣＲ型に代表される高密度プラズマ型とがあるが、先に述べたように１２インチ以降のウエーハの大口径化、半導体装置の素子の微細化に伴い、さらなる高精度酸化膜エッチングを目指して、新たなプラズマ源を搭載したエッチング装置の研究開発が盛んであり、ＵＨＦ帯ＥＣＲプラズマ型もそのひとつである。プラズマ励起周波数として３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのＵＨＦ帯電磁波を用い、エッチング処理室外部に設けた磁場印加手段による磁場との電子サイクロトロン共鳴を積極的に利用することで、１０11ｃｍ-3台の中密度かつ拡散領域が１〜２．５ｅＶという低電子温度のプラズマを実現することが可能である。
【０００５】
この装置の場合、電磁波の導入は、同軸線路を介しアース電位導体、誘電体、導体板という構造をとるマイクロストリップアンテナ（以後、ＭＳＡと呼ぶ。）にて行われる。したがって、数十ＭＨｚ程度の高周波を用いる平行平板型の場合と異なり、アンテナ内部すなわちアース電位導体と導体板との間の誘電体内には発生する励振モードに応じた定在波が形成されており、強い電界が生じてしまう。従って、むやみな位置にガス導入経路を配したり、ガス導入管の大きさを無配慮に設計することは異常放電の原因となりかねず、現状ではアンテナ周辺の比較的電界強度の低いと考えられる領域から導入しているが、これはアンテナ表面反応による活性種やレジスト等のウエーハ表面からの活性種の分布を乱すことになり、エッチングの均一性に障害をもたらしている。また、ＭＳＡ構造をとるアンテナでは、電界ベクトルの成分が導体板の場所により異なっている。導体板中央ではウエーハに向かう縦成分の電界が強いのに対し、周辺部では横成分の電界が顕著である。したがって、縦磁場との相互作用による電子サイクロトロン共鳴現象を用いてプラズマを生成する場合、周辺領域が中央部に比べ高密度になりやすく、ウエーハ表面で均一性を達成するためにはアンテナ−ウエーハ間距離をある程度離す必要があった。
【０００６】
本発明目的は、上記ＵＨＦ帯ＥＣＲ型エッチング装置における原料ガス導入手段を改善し、活性種のウエーハへの輸送を均一化すること、さらにアンテナ−ウエーハ間距離を５〜１０ｃｍと狭帯化しイオンフラックスを均一化することにより、１２インチ以降のウエーハの大口径化に対し、シリコン酸化膜のエッチングを０．２マイクロメートル以下のレベルでも均一、高精度且つ高速に行うことが可能なエッチング装置を実現することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、導体板と誘電体とアース電位導体板の３層構造からなる電磁波放射アンテナに、ガスの導入経路をアンテナ部に発生する電界強度の最大値の１／３以下の領域に貫通させて形成することによって達成される。これによれば、電磁波導入手段であるアンテナ内部に電界が生じている場合、ガス導入経路を最大電界値の１／３以下の領域に配置することにより異常放電を抑制でき、高効率でプラズマ発生部に電力を供給できる。また異常放電に伴うガス導入経路側壁へのポリマー膜堆積が起こらないため、安定したガス供給が可能となる。また、３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの電磁波を導入した場合、顕著に効果がある。
【０００８】
また、前記プラズマ処理装置のプラズマ発生部に磁場印加手段を設け、その構成を空心コイルのみ、永久磁石のみ、空心コイルと永久磁石の組み合わせの何れかとすれば、電磁波と磁場との相互作用によるプラズマ形成が可能なため、プラズマ密度の向上が実現できる。
【０００９】
また、３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの電磁波導入手段である平面構造のアンテナに、５０ＫＨｚ〜２０ＭＨｚの高周波電力を重畳させれば、導体板前面のシース長が大きくなることにより電子と中性粒子との衝突回数が増えるので、導体板前面のプラズマ密度が増大し、均一性の向上が可能である。
【００１０】
また、アンテナ部に電界強度の定在波が形成されているため、ガス導入経路を定在波の節を中心とする幅５ｃｍの領域に配置させても良い。これによれば、電磁波放射手段であるアンテナ内部に励振モードに応じた定在波が形成される場合、ガス導入経路を定在波の節近傍に配置することで異常放電を抑制できる。
【００１１】
また、ガス導入経路の一部または全体に孔径が５０マイクロメートル〜５００マイクロメートルである多孔質部材を充填させると、ガスを通過させる多孔質部材の孔径が、放電可能空間以下であるために、異常放電を抑制できる。
【００１２】
また、電磁波導入手段が導体板と誘電体とアース電位導体の３層構造からなる電磁波放射アンテナであり、前記アンテナに電力を導入する同軸線路の芯線が導体板近傍でテーパ形状をして前記導体板に接続されており、給電点を円周状に配置させても良い。この手段によれば、ＴＭ０１モードに代表される軸対称モードをプラズマとカップリングさせる場合、一点偏心給電ではなく、多点同位相給電とすることができるため、プラズマの均一性向上が実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明による実施の形態を以下で説明する。
【００１４】
本発明の実施に用いるエッチング装置概略図を図１に示す。本実施例では真空容器1の周囲に空心コイル２が設置されている。真空容器にはガス導入管３により原料ガスを導入し、同軸線路４を介して電磁波放射アンテナ５に５００ＭＨｚ電源６にて発生したの電磁波を供給して、前記空心コイルにより発生した磁場との相互作用によりプラズマを発生させる。真空容器には下部電極7があり、この上に被加工試料１０を設置する。この下部電極には、８００ＫＨｚの高周波バイアス電源８がブロッキングコンデンサ９を介して接続されており、発生するおよそ１ｋＶ〜２ｋＶのＶｐｐによりイオンを引き込んでエッチングを行う。本実施例では原料ガスとして、Ｃ4Ｆ8とＡｒの混合ガスを真空容器内に導入して、５〜２０ｍＴｏｒｒになるように調整し、シリコン酸化膜のエッチングを行う。
【００１５】
次に、電磁波供給系について詳しく説明する。図２は電磁波供給系である電磁波放射アンテナの詳細図である。ＵＨＦ電源により発生した５００ＭＨｚの電磁波は、同軸線路によりアース電位の導体板１４に誘電体１５を介して設置されたアルミニウム製の円板状導体板１６に供給される。円板状導体板径をある特性長にしておくことにより、励振モードが誘電体との界面に形成される。本実施例ではＴＭ１１モードの励振が可能な直径約１５ｃｍの導体板を用いている。本発明で基本となっているアース電位導体板、誘電体、導体板というＭＳＡ構造においては、給電点位置により、給電点からのインピーダンスが変化する。その値は一般的に中心から導体板の端までで、０から約３００Ωである。したがって、インピーダンス整合をとり高効率で電磁波を導体板裏面まで輸送しプラズマを発生維持させるために、図１に示すように導体板の中心を避けた偏心点に給電を行い、高い放射効率を達成している。また、この際、同軸線路からの電磁波を二系統に分割し、一方を４分の１波長長い線路にしておき円板状導体板上の二点に供給することも可能である。電磁波の伝送線路を４分の１波長分ずらしておくことにより位相を９０度ずらすことができ、円板状導体板上で回転電場を合成することで円偏波を励起できる。これにより、一点偏心給電に比べ放射電界の軸対称性と、電子サイクロトロン共鳴による電磁波の電子の運動エネルギーへの吸収効率が向上する。
【００１６】
次に、原料ガスの導入について説明する。原料ガスは原料ガス供給パイプによりアース電位導体板の裏面から導入されている。ガスの導入口は電磁波放射アンテナ部の中心に位置しており、さらに多孔質セラミック１７にて充填されている。これにより、ＴＭ１１モードを励振するＭＳＡ構造においては、径方向の中心では電圧が節となっていること、さらに５０〜５００マイクロメートルの放電可能空間以下の微細孔を有している多孔質セラミック中をガスが通過することで局所放電を防止することができる。誘電体には径の異なる多孔質セラミック円板１８が設けられている。これによりガスの均一分散を行うことが可能である。また、プラズマと直接接する電磁波放射アンテナである導体板には少なくとも１０個以上の微細孔が設けられており、プラズマ空間中にガスを均一に放射する構造となっている。
【００１７】
図３は飽和イオン電流密度の径方向分布を示す図である。プラズマガスはＡｒ１４５ｓｃｃｍにＯ２５０ｓｃｃｍを混合し１Ｐａに調整している。５００ＭＨｚの電磁波のみでプラズマを形成した場合、中央部に比べ周辺部がやや高密度になっていることがわかる。これに対し、５００ＭＨｚに加え８５ＫＨｚバイアス電源１３で発生した高周波電力２００Ｗを重畳した場合、３０ｃｍの直径でほぼ均一となっている。これは先に述べたように、放射電界ベクトルの向きが特にアンテナ近傍にて径方向で異なることによる。アンテナの導体板中央部では縦向きの電界が強いのに対し、周辺部では真空容器壁へ向かう横向きの電界が顕著になる。本実施例では、空心コイルによる縦磁場との電子サイクロトロン共鳴を用いるため、ある程度拡散を利用しない限りは周辺部の密度が高くなるのである。しかし、８５ＫＨｚの高周波電力を重畳することにより、−２０Ｖであったアンテナの導体板表面のＶｄｃが−２５０Ｖと増大し、アンテナの導体板前面のイオンシース長がおよそ７倍大きくなる。したがって、イオンシース領域においてマグネトロン効果により電子に吸収される電磁波の効率が向上するため、中央部の密度も上がり、均一性の達成できる領域が広がるのである。
【００１８】
また、本実施例では導体板をグラファイト板１９で覆っているが、プラズマ中で発生しレジストマスクやシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との選択比を低下させる原因となるＦを、表面反応を用いて選択比発現に有用なＣＦ、ＣＦ2という活性種に変換することができる材料であれば、同様の効果が得られる。
【００１９】
（実施例２）
次に図１の装置を用いているが、電磁波供給系のみ異なる別の実施形態について説明する。図４は電磁波放射アンテナの詳細図である。本実施例は給電点付近の構造と原料ガスの導入方法が大きく異なる。同軸線路を伝わってきた電磁波は電磁波放射アンテナであるアルミニウム製の導体板に供給されるが、同軸線路先端を図４に示すようにテーパ状２１にすることにより、給電点をアンテナに対し同心円状に配置することができる。本実施例の場合、アルミニウム製の導体板径を約２３ｃｍとＴＭ０１モードが励振できる構成にしているため、同心円上の各給電点における電磁波は同位相で供給されることになり、アンテナ内部及びアンテナ極近傍の電界分布は軸対称となる。したがって、図３で示したように本実施例においても５００ＭＨｚの電磁波に重畳させて高周波バイアスを印加することで、被加工試料に対し均一なプラズマが５〜１０ｃｍの間隔において生成可能となる。この際の給電点である同軸線路先端径であるが、インピーダンス整合をとり高効率で電磁波をアンテナまで供給できるよう調整している。
【００２０】
次に原料ガスの導入について説明する。本実施例では電磁波に５００ＭＨｚのＵＨＦ帯電力を導入する同軸線路の途中にノッチフィルタ２２と呼ばれる低域通過フィルタが内蔵された同軸線路の分岐を設けている。同軸線路長を１／４波長に調整しているため、ノッチフィルタ先端では電圧は節となっており、ここからＵＨＦ帯の電磁波に対し影響を与えることなく原料ガスを同軸線路の芯線２３に導入することができる。高周波電力はその周波数で決定される表皮厚さを持つ導体表面層のみを流れ、その厚さよりも内部に電界は全く存在しない。したがって、異常放電なく原料ガスを導体板まで輸送できる。しかし、テーパ状の給電点付近では強電界が存在するため多孔質セラミック２４で充填している。
【００２１】
なお、プラズマと直接接するグラファイト板の微細孔は、異常放電を防止するために放電可能空間以下の径となっている。
【００２２】
（実施例３）
図５に別の実施例を示す。図５は図４の記載の電磁波放射アンテナのガス導入方法を変更した詳細図である。ＴＭ０１モードを励振する場合、ＴＭ１１モードと異なり、中心からずれた位置に円周上に電界の節が存在する。したがって、図５に示すように電界強度の最小となる位置からガスを導入することも可能である。
【００２３】
その他、本実施例の動作及び詳細については図1の実施例と同様であるため、説明は省略する。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、ＭＳＡ構造を有するプラズマエッチング装置において問題となる、大口径ウエーハへの原料ガス供給及び電磁波供給の不均一性が大きく低減され、大面積でも均一なプラズマを生成することができ、歩留まりの向上に貢献できる。
【００２５】
以上のことから、例えばフロロカーボンガスを用いたシリコン酸化膜エッチングにおいて、０．２マイクロメートル以下の超精密加工を１２インチ以降の大口径ウエーハを用いた場合でも、均一、高精度且つ高速加工といった要求を同時に満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いるドライエッチング装置の概略図。
【図２】図１で用いる電磁波放射部の詳細図。
【図３】ＵＨＦ帯電磁波に高周波バイアスを重畳させたときの飽和イオン電流密度の径方向分布を示す図。
【図４】本発明で用いる図２とは別の電磁波放射部の説明図。
【図５】本発明で用いる図２、図４とは別の電磁波放射部の説明図。
【符号の説明】
１.真空容器、２.空心コイル、３.ガス導入管、４.同軸線路、５.電磁波放射アンテナ、６.５００ＭＨｚ電源、７.下部電極、８.高周波バイアス電源、９.ブロッキングコンデンサ、１０.ウエーハ、１１.コンダクタンスバルブ、１２.真空排気系、１３.８５ＫＨｚバイアス電源、１４.アース電位導体板、１５.誘電体、１６.円板状導体板、１７.多孔質セラミック、１８.多孔質セラミック円板、１９.グラファイト板、２０.石英リング、２１.テーパ状同軸線路芯線、２２.ノッチフィルタ、２３.同軸線路芯線。
【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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