JP3310957B2

JP3310957B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP3310957B2
Application number: JP24490499A
Authority: JP
Inventors: 敏宏柳瀬
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP2001068458A; US6764606B2; US20020117473A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は金、白金、イリジ
ウムや、導電性金属酸化物をプラズマエッチングする技
術に関し、特にプラズマの生成にマイクロ波を導入する
型のプラズマエッチング装置をクリーニングする技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば携帯電話等の移動通信体に使われ
る高周波デバイスや、強誘電体メモリーでは、金や白
金、イリジウム等の金属がＬＳＩ内の配線や電極材とし
て使用される。例えば高周波デバイスとしてガリウム砒
素を基板として使用する素子は、その特性からの要求
上、ゲート電極等に金が使用される。また強誘電体メモ
リーでは、誘電体に金属酸化物が使用されるので、電極
材に耐酸化性が要求され、また電極材により誘電体が還
元されないように反応性の小さい金、白金、イリジウム
等が使用される。

【０００３】これらのパターニングにはＲＩＥ（reacti
ve ion etching）装置等が使用されるが、デバイスの微
細化に伴い、ＥＣＲ（electron cyclotron resonance）
プラズマ装置や表面波プラズマエッチング装置のよう
に、高密度プラズマを用いたエッチング技術が採用され
ようとしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしシリコンやアル
ミニウムとは異なり、上記金属はプラズマとの反応性が
小さいため、プラズマ処理を行っても主にスパッタリン
グによってそれらの金属がそのまま被処理材から飛ん
で、プラズマ装置のチャンバー内に付着する。

【０００５】このようにしてチャンバー内に付着した物
質は導電性を有している。電極を用いてプラズマを生成
するプラズマエッチング装置では、電極に導電性物質が
付着してもプラズマ生成に大きな影響はない。しかし、
マイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマエッ
チング装置では、マイクロ波を導入する窓に導電性物質
が付着すると、マイクロ波がそこで反射され、プラズマ
の生成が困難になって行く。

【０００６】また、上記金属の一部分は塩素や弗素と反
応するが、上記金属の塩化物や弗化物の蒸気圧は低い。
例えば常圧においてはＡｕＦ₃は３００℃付近で昇華
し、ＰｔＦ₆は６９℃で気化し、ＩｒＦ₃は２５０℃で分
解し、ＩｎＦ₃は１２００℃以上で気化する。従って、
プラズマ処理を行っても反応物が蒸気として排気されに
くく、やはりチャンバー内へ付着し、かつ導電性を有す
るので上記のプラズマ生成の困難性という問題が残る。
更に、エッチングガスとして塩素を採用すると、エッチ
ングすべき対象である金属が形成されている基板に別途
に形成された金属膜や絶縁膜、例えばＡｌ，ＡｌＳｉＣ
ｕ等のアルミニウム合金、ＳＢＴ（タンタル酸ストロン
チウムビスマス），ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロン
チウム）等の高誘電率金属酸化物を腐食させてダメージ
を与えることがあり、採用することは望ましくない。

【０００７】また、エッチング対象となる電極材料とし
ては上記金属以外にも、酸化錫、酸化ルテニウム、酸化
イリジウム等の導電性酸化物、酸化インジウム、酸化タ
ンタル等不純物の添加により導電性が生ずる酸化物が採
用されるが、これらも同様にしてスパッタリングによっ
てチャンバー内、特にマイクロ波導入窓に付着すること
で上記問題を招来する。

【０００８】本発明は上記問題を解決するためになされ
たもので、マイクロ波導入窓を介してマイクロ波を導入
し、プラズマを生成させ、このプラズマに基づいてエッ
チングを行う技術において、上記付着物によるプラズマ
生成の阻害を軽減することを目的としている。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明に基づくプラズ
マ処理装置の一つの局面では、プラズマによってエッチ
ング処理される対象となる導電層を有する試料を格納可
能なチャンバーと、前記チャンバーに弗素を含むガスを
導入するガス導入口と、前記ガスから前記プラズマを生
成するマイクロ波を前記チャンバーに導入し、少なくと
も前記プラズマに露出する部分が石英からなるマイクロ
波導入機構とを備えるプラズマ処理装置である。さら
に、前記マイクロ波導入機構は石英製のマイクロ波導入
窓を有する。さらに、前記石英製のマイクロ波導入窓
は、通過孔を有する導体の前記通過孔を充填して設けら
れる。

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【００２６】この発明に基づくプラズマ処理装置の他の
局面では、プラズマによってエッチング処理される対象
となる導電層を有する試料を格納可能なチャンバーと、
前記チャンバーにガスを導入するガス導入口と、前記ガ
スから前記プラズマを生成するマイクロ波を前記チャン
バーに導入するマイクロ波導入機構とを備えるプラズマ
処理装置である。そして、前記マイクロ波導入機構はマ
イクロ波を伝搬させる導波管と、前記導波管と前記チャ
ンバーの間に介在するマイクロ波透過性を有するマイク
ロ波導入窓と、前記マイクロ波の反射量を検出する反射
量検出手段とを有する。そして前記チャンバー内では、
前記マイクロ波の反射量が所定量を超えれば前記マイク
ロ波導入窓の前記プラズマに露出する部分をクリーニン
グするためのプラズマが生成される。

【００２７】

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【発明の実施の形態】第１の実施の形態：図１は本発明
の第１の実施の形態にかかるＥＣＲプラズマエッチング
装置の構成の概略を示す断面図である。チャンバー１１
にはガス導入口１２及び排気口１３が設けられ、それぞ
れ図示しないガス導入機構及び排気機構により、ガス２
１の導入及び排気２２が行われる。チャンバー１１内に
はチャンバー１１と絶縁されて試料台１７が備えられて
おり、これは高周波電源４によって高周波バイアスが印
加される電極部１７ｂと、電極部１７ｂをチャンバー１
１と絶縁しつつ保持する絶縁部１７ａとを有する。そし
て電極部１７ｂ上にエッチング対象となる試料３が載置
され、試料３には高周波電源４によって高周波バイアス
が印加されることになる。

【００３２】チャンバー１１のうち、試料台１７の上方
にはプラズマ発生領域２０が位置する。プラズマ発生領
域２０には、その周囲に設けられた電磁石１４によって
磁界が発生される一方、上方に接続された導波管１５か
らマイクロ波を透過するマイクロ波導入窓１６を介して
マイクロ波２３が導入される。そしてガス２１に対して
電子サイクロトロン共鳴を励起してプラズマを発生させ
る。例えば電磁石１４によって発生される磁界は８７５
Ｇａｕｓｓに、マイクロ波２３の周波数は２．４５ＧＨ
ｚに、それぞれ設定される。

【００３３】本実施の形態においては、マイクロ波導入
窓１６の少なくともプラズマ発生領域２０に露出する面
を石英で構成する一方、ガス２１に弗素を含める。これ
により、試料３に対するエッチングが実行されつつも、
石英で構成されたマイクロ波導入窓１６の表面も弗素を
含むプラズマによりエッチングされるので、試料３に対
するエッチングの際にマイクロ波導入窓１６の当該表面
へ付着した物質も除去される。従って試料３に対するエ
ッチングの際にマイクロ波導入窓１６へ付着する物質が
導電性であっても、マイクロ波２３の導入は劣化するこ
となく、プラズマの生成を阻害することもない。

【００３４】図２は本実施の形態における試料３の構成
例の概略を示す断面図である。ガリウム砒素基板３１ａ
上にチタン層３２、金層３３がそれぞれ約５０ｎｍ，約
５００ｎｍの厚さで積層されている。これらをパターニ
ングするためのエッチングのマスクとして、金層３３の
上にはパターンを形成したフォトレジスト層３４が設け
られている。

【００３５】例えばガス２１としてＣ₄Ｆ₈／Ｏ₂／Ａｒ
ガスをそれぞれ１００／１０／５０ｓｃｃｍにて流しつ
つ、排気２２によってチャンバー１１内の圧力を１０ｍ
Ｔｏｒｒに制御しマイクロ波２３を導入することによ
り、プラズマ発生領域２０でプラズマが生成される。

【００３６】試料３には試料台１７を介して高周波電源
４から４００ｋＨｚの高周波バイアスが１００Ｗで印加
されることにより、プラズマ中の弗素等のイオンが試料
３へと向かって加速され、フォトレジスト層３４をマス
クとして金層３３のエッチングが進行する。

【００３７】この金層３３のエッチングの進行過程にお
いて、金の弗化物またはスパッタリングされた金が放出
される。金の弗化物や金の蒸気圧は低いため、それらの
かなりの部分は排気口１３から排気される前にチャンバ
ー１１内に付着し、マイクロ波導入窓１６にも付着す
る。しかし上述のようにマイクロ波導入窓１６のプラズ
マ発生領域２０に相対する面がプラズマにより同時にエ
ッチングされるので、これらがマイクロ波導入窓１６へ
堆積することは殆どない。

【００３８】このように処理をすることにより、約１０
０ｎｍ／分のエッチングレートで５００ｎｍ厚の金層３
３をエッチングすることができ、しかも上記処理を２５
枚の試料３に対して連続して行っても、この処理中にお
いてマイクロ波２３の反射電力の増大、マッチングの大
きなずれは観測されず、プラズマは安定して生成されて
いた。

【００３９】一方、比較例として、弗素ガスを使用する
ＥＣＲプラズマエッチング装置で一般的に採用されるよ
うに、マイクロ波窓１６を酸化イットリウムをバインダ
として使用した窒化シリコンセラミックスで覆った場合
（図示せず）には、約５枚の処理を行った時点でマイク
ロ波２３の反射電力が入射電力の５％を超えた。そのた
め、それ以降、試料３のエッチング処理を行うことはで
きなかった。これは、窒化シリコンセラミックス表面に
金の弗化物や金が堆積し、それら導電体がマイクロ波２
３を反射したためであると考えられる。

【００４０】なお、本実施の形態に採用されるエッチン
グガスとしては、エッチングする材料と必要なエッチン
グ性能に合わせて、ＣＦ₄，Ｃ₄Ｆ₈，Ｃ₅Ｆ₈等のフロロ
カーボン系のガスや、ＳＦ₆等の弗素を含むガス、Ｎ
Ｆ₃、Ｆ₂等の高反応性弗素含有ガスを採用することがで
きる。またこれらにＯ₂，Ｎ₂，ＣＯを添加しても良い。
エッチングガスのエッチング特性を調整することができ
るからである。また、プラズマ安定性を向上するために
希釈ガスとしてＡｒ等の希ガス等を採用しても良い。

【００４１】但し、弗素以外のハロゲンを含まないこと
がより望ましい。弗素以外のハロゲンは、試料の基板の
材料、被処理部材、あるいは基板上に存在する他の部材
に対し、水分と反応を起こして腐食を生じさせる場合が
あるからである。

【００４２】高周波電源４の発生する高周波電力の周波
数は、エッチングする材料と必要な性能に合わせて、４
００ｋＨｚに限らず、８００ｋＨｚ，２ＭＨｚ，１３．
５６ＭＨｚに設定しても良い。但し、高周波電力の周波
数は５ＭＨｚ以下、より好ましくは２ＭＨｚ以下が望ま
しい。金、白金、イリジウム、インジウム等のプラズマ
との反応性が低い金属や金属化合物は、主にイオンの衝
撃によるスパッタとそれに付随する反応によりエッチン
グされる。そのため、イオンが高周波電界によって十分
加速されるように、印加される高周波電界の変化はイオ
ンが追随できる程度に緩やかである、すなわち周波数が
低い必要がある。この実施の形態の場合、１３．５６Ｍ
Ｈｚの高周波を印加した場合はエッチングレートは約１
０ｎｍ／分であり、２ＭＨｚの場合は１１０ｎｍ／分で
あった。

【００４３】マイクロ波導入窓１６は全て石英で作製し
ても良いし、他の部材の上に石英層を形成したものでも
良い。たとえば、ＡｌＮセラミックの板と石英の板を重
ねたものでも良いし、アルミナの板の上に石英層をＣＶ
Ｄ等の方法で形成しても良い。この場合は、石英層の厚
さが薄くなった場合、再度石英層を形成することによ
り、マイクロ波導入窓を再生することが可能となり、ラ
ンニングコストの低減につながる。

【００４４】エッチングする材料は、金、銀、銅、白
金、及び他の白金族の金属、インジウム、ガリウム、ゲ
ルマニウム、砒素、燐またはこれらの金属の合金の場
合、この発明は特に有効である。

【００４５】また、酸化錫、酸化ルテニウム、酸化イリ
ジウム等の導電性金属酸化物、または酸化インジウム、
酸化タンタル等の不純物の添加により導電性を有する金
属酸化物をエッチングする場合においても、マイクロ波
導入窓１６にこれらが堆積することを防止でき、処理の
安定性を向上させることができるので、本実施の形態の
技術は有効である。

【００４６】第２の実施の形態：図３は本発明の第２の
実施の形態にかかるＥＣＲプラズマエッチング装置の構
成の概略を示す断面図であり、図１に示された構成に対
してチャンバー１１の内壁にインナーベルジャー１８
ａ、防着板１８ｂを設け、試料台１７に石英製の試料台
カバー１７ｃを付加し、マイクロ波導入窓１６をマイク
ロ波導入窓１６ａ及び石英製の天板１６ｂで置換した構
成となっている。

【００４７】インナーベルジャー１８ａはプラズマ発生
領域２０において配置され、防着板１８ｂはプラズマ発
生領域２０の下方において配置される。インナーベルジ
ャー１８ａは例えばアルミニウム製であるが、石英、ア
ルミナ、ＡｌＮ等のセラミックスで構成してしても良
い。防着板１８ｂは例えば石英製であるが、アルミニウ
ム等の金属や石英、アルミナ、ＡｌＮ等のセラミックス
で構成してしても良い。

【００４８】試料台カバー１７ｃは試料台１７の絶縁部
１７ａを覆ってこれをプラズマから遮蔽する。図４は図
３の領域Ａを拡大して示した断面図であり、このように
試料台カバー１７ｃが電極部１７ｂの表面をも覆うこと
が望ましい。但し、試料台カバー１７ｃが電極部１７ｂ
よりも上方へと突出すると、試料３と電極部１７ｂとの
接触が不十分となって高周波バイアスが十分に試料３へ
と印加されなくなるので、試料台カバー１７ｃの上面は
電極部１７ｂの上面よりも下方へ退いていることが望ま
しい。

【００４９】本実施の形態においては、石英製の天板１
６ｂがマイクロ波導入窓１６ａをプラズマ発生領域２０
から隔離する隔離板として機能する。そしてガス２１に
弗素を含める。これにより試料３に対するエッチングが
実行されつつも、天板１６ｂの表面もエッチングされる
ので、マイクロ波窓１６ａを弗素プラズマでエッチング
されない材料、例えばＡｌＮで構成しても、実施の形態
１と同様の効果を得ることができる。

【００５０】また、石英製の試料台カバー１７ｃが絶縁
部１７ａを覆うので、絶縁部１７ａに導電性物質が付着
することがない。そして試料台カバー１７ｃに付着した
導電性物質も、試料台カバー１７ｃがエッチングされる
ことにより除去される。従って、試料台１７が与える高
周波バイアスが導電性物質の付着によって乱されること
も回避される。

【００５１】図５は本実施の形態における試料３の構成
例の概略を示す断面図である。シリコン基板３１ｂ上に
白金層３６ａ、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉）層３７、
白金層３６ｂがそれぞれ約１００ｎｍ，約１μｍ，約１
００ｎｍの厚さで積層されている。これらをパターニン
グするためのエッチングのマスクとして、白金層３６ｂ
の上にはパターンを形成したフォトレジスト層３８が設
けられている。

【００５２】例えばガス２１としてＣＦ₄／Ｏ₂ガスをそ
れぞれ２００／１０ｓｃｃｍ流しつつ、排気２２によっ
てチャンバー１１内の圧力を５ｍＴｏｒｒに制御し、マ
イクロ波２３を導入することにより、プラズマ発生領域
２０でプラズマが生成される。

【００５３】試料３には試料台１７を介して高周波電源
４から２ＭＨｚの高周波バイアスが１００Ｗで印加され
ることにより、プラズマ中の弗素等のイオンが試料３へ
と向かって加速され、フォトレジスト層３８をマスクと
して白金層３６ｂのエッチングが進行する。

【００５４】このエッチングの進行過程において、白金
の弗化物またはスパッタリングされた白金が装置内に放
出される。これらの白金の弗化物や白金の蒸気圧は低い
ため、それらのかなりの部分は排気口１３から排気され
る前にチャンバー１１内に付着し、天板１６ｂや試料台
カバー１７ｃにも付着する。しかし上述のようにして、
白金やその弗化物が天板１６ｂや試料台カバー１７ｃへ
堆積することは殆どない。

【００５５】このように処理をすることにより、約５０
ｎｍ／分のエッチングレートで１００ｎｍ厚の白金層３
６ｂをエッチングすることができ、この処理中において
マイクロ波２３の反射電力の増大、マッチングの大きな
ずれは観測されず、プラズマは安定して生成されてい
た。また高周波電源４から印加される高周波電力につい
ても反射電力の増大、試料台１７の付近での異常放電は
観測されず、エッチングレートが低下することはなかっ
た。

【００５６】なお、試料台カバー１７ｃと天板１６ｂと
を併用して設ける必要はない。それぞれ別途に作用して
効果を得ることができるからである。従って天板１６ｂ
のみを設けることもできるし、試料台カバー１７ｃのみ
を使用することもできる。

【００５７】試料台カバー１７ｃ、天板１６ｂは、上記
のように全て石英で作製しても良いし、他の部材の表面
に石英層を形成したものでも良い。たとえば、ＡｌＮセ
ラミックの部材と石英の部材を重ねたものでも良いし、
アルミナの部材の上に石英層をＣＶＤ等の方法で形成し
ても良い。この場合は、石英層の厚さが薄くなった場
合、再度石英層を形成することにより、試料台カバー、
天板を再生することが可能となり、ランニングコストの
低減につながる。

【００５８】また、試料台カバー１７ｃは、絶縁部１７
ａの電極部１７ｂ近傍のみを覆うようにしても良いし、
電極部１７ｂ近傍のみを石英で構成し、他の部分をアル
ミナ、アルミニウム等で構成しても良い。

【００５９】第３の実施の形態：図６は本発明の第３の
実施の形態にかかるマイクロ波プラズマエッチング装置
の構成の概略を示す断面図である。本装置も第１の実施
の形態に示された装置と同様にしてチャンバー１１には
ガス導入口１２及び排気口１３が設けられ、それぞれ図
示しないガス導入機構及び排気機構により、ガス２１の
導入及び排気２２が行われる。チャンバー１１内にはチ
ャンバー１１と絶縁されて試料台１７が備えられてお
り、これには高周波電源４によって高周波バイアスが印
加される。この上にはエッチング対象となる試料３が載
置されるので、試料３には高周波電源４によって高周波
バイアスが印加されることになる。

【００６０】チャンバー１１は、上方に導波管１５が接
続されており、ここから石英製のマイクロ波導入窓１６
を介してマイクロ波２３が導入される。但し、ＥＣＲプ
ラズマエッチング装置のような電磁石１４は設けられて
おらず、マイクロ波導入窓１６の下方（即ちチャンバー
１１側）において発生する電界が、ガス２１からプラズ
マを発生させる。本発明はこのようなＥＣＲ以外のプラ
ズマエッチング装置においても適用することができる。

【００６１】もちろん第２の実施の形態のように、マイ
クロ波窓１６ａを石英製の天板１６ｂでチャンバー１１
内から隔離しても良いし、石英製の試料台カバー１７ｃ
を試料台１７に設けても良い。更にまた他の部分にイン
ナーベルジャー１８ａ、防着板１８ｂを設置しても良
い。

【００６２】例えば試料３として図２に構造が示された
ものを採用する。ガス２１としてＣ ₄Ｆ₈／Ｏ₂／Ａｒガ
スをそれぞれ１００／１０／５０ｓｃｃｍ流しつつ、排
気２２によってチャンバー１１内の圧力を５０ｍＴｏｒ
ｒに制御し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波２３を導入す
ることにより、チャンバー１１内にプラズマが生成され
る。

【００６３】試料３には試料台１７を介して高周波電源
４から４００ｋＨｚの高周波バイアスが１００Ｗで印加
されることにより、第１の実施の形態と同様にして金層
３３のエッチングが進行する。

【００６４】このエッチングの進行過程において、金の
弗化物またはスパッタリングされた金が装置内に放出さ
れ、マイクロ波導入窓１６に付着する。しかし上述のよ
うにして金やその弗化物がマイクロ波導入窓１６へ堆積
することは殆どない。

【００６５】このような処理をすることにより、約１７
０ｎｍ／分のエッチングレートで５００ｎｍ厚の金層３
３をエッチングすることができ、この処理中においてマ
イクロ波２３の反射電力の増大、マッチングの大きなず
れは観測されず、プラズマは安定して生成されていた。

【００６６】また、この処理を２５枚の試料３について
連続して行っても、マイクロ波２３の反射電力の増大、
マッチングの大きなずれは観測されず、プラズマは安定
して生成されていた。

【００６７】なお、この装置の第１の変形としては、例
えば表面波プラズマ装置があり、図７に示すように導波
管１５内に誘電体１５ａを設置することができる。また
第２の変形として例えば図８に示すようにマイクロ波２
３をチャンバー１１内に選択的に導入する通過孔を有す
る導体１９ｃをチャンバー１１側に設けても良い。

【００６８】図９は図６に示された構成に通過孔１９１
を有する導体１９ａを付加した本実施の形態の第３の変
形の構造を示す断面図である。このように導体１９ａを
マイクロ波導入窓１６によってチャンバー１１から隔離
することにより、導体１９ａにはプラズマが曝されず、
また試料３に対するプラズマ処理において導電性物質が
付着することもない。導体１９ａをマイクロ波導入窓１
６に密着させたり、一定距離を離したりすることによ
り、チャンバー１１内の電界の分布をより良好に制御し
ても良い。また、この態様は、導体１９ａ及びマイクロ
波導入窓１６を、それぞれマイクロ波導入窓及び石英製
の隔離板と把握することもできる。

【００６９】図１０は、図６に示された構成におけるマ
イクロ波導入窓１６を、通過孔１９２を有する導体１９
ｂで置換した本実施の形態の第４の変形の構造を示す断
面図である。通過孔１９２には石英が充填されており、
通過孔１９２に石英製のマイクロ波導入窓が充填されて
いるとみることもできる。よって試料３に対するプラズ
マ処理において導電性物質が通過孔１９２に堆積するこ
ともない。

【００７０】また、図６乃至図１０に示された構成にお
いて、マイクロ波導入窓１６上の導波管の形状を円環状
にすることもできる。図１１は図６に示された構造にお
いてマイクロ波導入窓１６上で円環形状を呈する導波管
１５を採用した本実施の形態の第５の変形の構成を示す
断面図であり、図１２はその上面図である。図１２にお
ける屈曲した仮想線に対する矢視ＡＡ方向の断面が図１
１に相当する。

【００７１】導波管１５はマイクロ波導入窓１６に対し
て開口する通過孔１９３をマイクロ波導入窓１６上の円
環形状において周期的に有している。そして導波管１５
に導入されたマイクロ波２３がこの円環形状において定
在波を形成するように寸法を制御し、通過孔１９３の配
置をその定在波の腹に相当する部分に位置させることに
より、マイクロ波導入窓１６からチャンバー１１側にお
いて形成される電界分布を良好にすることができる。か
かる態様においても、マイクロ波導入窓１６に導電性物
質が堆積しないようにガス２１を設定することができ
る。

【００７２】第４の実施の形態：図１３は本発明の第４
の実施の形態にかかるＥＣＲプラズマエッチング装置の
構成の概略を示す断面図である。第１の実施の形態に示
された構成に対し、導波管１５にスタブ型マイクロ波整
合器４１と定在波測定器６１を設けた点で異なってい
る。チャンバー１１からみてスタブ型マイクロ波整合器
４１及び定在波測定器６１よりも遠い側で導波管１５に
はマイクロ波発振器５が接続されている。本実施の形態
では試料３に対するプラズマ処理と同時にはプラズマ導
入窓１６ｃをクリーニングしない。

【００７３】スタブ型マイクロ波整合器４１は２組のス
タブ４１ａ，４１ｂを備えている。いずれのスタブも連
結された一対の金属棒であり、これらを導波管１５へ挿
入する量を調整することにより、マイクロ波発振器５と
チャンバー１１内で生成されるプラズマとのインピーダ
ンスを整合し、プラズマからのマイクロ波の反射を少な
くする。かかる反射の量は、導波管１５に挿入されたプ
ローブ６１ａを有する定在波測定器６１によって求めら
れる定在波比に基づいて計算できる。よって定在波測定
器６１の測定結果に基づいて２組のスタブ４１ａ，４１
ｂの導波管１５へのそれぞれの挿入量を制御することに
より、スタブ４１ａ，４１ｂの挿入についてインピーダ
ンスの整合を常時指向した制御を行うことができる。ス
タブ４１ａ，４１ｂの導波管１５へのそれぞれの挿入量
は、整合位置情報ＴＵＮＥ１，ＴＵＮＥ２として測定可
能としておく。もちろん、スタブ４１ａ，４１ｂの導波
管１５へのそれぞれの挿入は、定在波測定器６１からの
フィードバックに基づく態様に限定される必要はない。
また、スタブ型マイクロ波整合器だけではなく、Ｅスタ
ブを導波管に設け、そのスタブの内部の長さを内部に設
けられた短絡板の位置を変化することにより変え、それ
によって整合を採る形式の４Ｅチューナー等、他の形式
の整合器を用いても良い。

【００７４】図１４は本実施の形態における試料３の構
成例の概略を示す断面図である。シリコン酸化物からな
る基板３１ｃの上にはイリジウム層３９が形成されてい
る。イリジウム層３９は基板３１ｃの全面に１μｍ形成
された平坦層３９ａと、更に平坦層３９ａの一部分の上
に５μｍ形成されたには突起３９ｂとからなる。これは
５μｍ高さの金属マスクを用いて１μｍ厚さのエッチン
グを行うことと見ることもできる。

【００７５】試料３の全面を均一に１μｍエッチングす
ることにより、突起３９ｂの直下を除く平坦層３９ａを
全て除去して基板３１ｃを露出し、一部分には高さ５μ
ｍのイリジウムからなる突起を有する形状を得ることが
できる。しかし、シリコン酸化物の基板３１ｃをエッチ
ングしないようにするため、プラズマガスに弗素を用い
ることは望ましくなく、シリコン酸化膜を殆どエッチン
グしないＡｒをガス２１として用い、イリジウムをスパ
ッタリングにより取り除く。

【００７６】試料台１７上に試料３を載置し、電磁石１
４によってプラズマ発生領域２０に８７５Ｇａｕｓｓの
磁場を形成し、チャンバー１１内に、Ａｒからなるガス
２１を５００ｓｃｃｍ流しつつ、排気２２によって圧力
を１０ｍＴｏｒｒに制御する。２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波２３を導入することにより、プラズマ発生領域２０
にプラズマを生成する。その後、試料３に試料台１７を
介して４００ｋＨｚの高周波バイアスを１００Ｗ印加す
る。以上の操作により、イリジウム層３９のスパッタリ
ングが進行する。

【００７７】本実施の形態ではプラズマ中に弗素が含ま
れていないので、スパッタリングされたイリジウムの一
部分はマイクロ波窓１６ｃに付着し、堆積していく。そ
してクリーニングを行わずにこの処理を続けると、次第
にマイクロ波窓１６ｃに堆積するイリジウムの厚さが増
加する。堆積したイリジウムは導電性を有するため、マ
イクロ波２３の反射が増大し、ついにはマイクロ波２３
がチャンバー内１１へ導入されなくなってプラズマが生
成されなくなる。

【００７８】このような現象を防止するために、本実施
の形態では、マイクロ波導入窓１６ｃへの導電性物質の
堆積量が増加したことを、プラズマの状態を反映する情
報等で検出する。そしてこの情報が適正範囲を外れたと
きにはマイクロ波導入窓１６ｃのクリーニングを行う。
もちろん、実施の形態２と同様にして試料台カバー１７
ｃを採用しても良い。

【００７９】具体的には例えば、プラズマの状態を反映
する情報として上述の整合位置情報ＴＵＮＥ１，ＴＵＮ
Ｅ２を採用する。そして整合位置情報ＴＵＮＥ１の適正
範囲として下限値Ｌ１及び上限値Ｈ１を採用し、整合位
置情報ＴＵＮＥ２の適正範囲として下限値Ｌ２及び上限
値Ｈ２を採用する。これらの値は、例えば正常に、即ち
プラズマが安定してエッチングが行われているときの整
合位置情報ＴＵＮＥ１，ＴＵＮＥ２のそれぞれの下限値
及び上限値である。これらの値は予め設定しておくこと
ができる。

【００８０】またマイクロ波導入窓１６ｃのクリーニン
グは、マイクロ波導入窓１６ｃを石英製とし、試料３の
プラズマ処理とは別途に弗素を含むガス２１を導入して
プラズマを生成し、これによってマイクロ波導入窓１６
ｃに付着したイリジウム堆積膜を除去することにより行
う。

【００８１】マイクロ波導入窓１６ｃへのイリジウムの
堆積が増加すると、マイクロ波整合器４１からみたチャ
ンバー１１のインピーダンスが変化し、定在波測定器６
１からのフィードバックにより整合位置情報ＴＵＮＥ
１，ＴＵＮＥ２も変化する。よってこれらをモニタして
おけば、マイクロ波窓でのイリジウムの堆積量の増加を
検出することができる。

【００８２】図１５は本実施の形態のクリーニング処理
を示すフローチャートである。まず試料３のプラズマ処
理を開始するに当たり、クリーニングを実施するか否か
を示すクリーニングフラグを、ステップＳ１１において
０に設定する。本実施の形態ではクリーニングフラグの
値が０／１を採ることは、それぞれクリーニングの非実
施／実施を意味している。

【００８３】その後、整合位置情報ＴＵＮＥ１，ＴＵＮ
Ｅ２を測定しつつ、試料３に対するプラズマ処理、例え
ばエッチング処理を行う（ステップＳ１２）。フローチ
ャートの便宜上、ステップＳ１２からステップＳ１３，
Ｓ１４へと進むが、ステップＳ１３，Ｓ１４，Ｓ１５に
おいても試料３に対するプラズマ処理は実行されてい
る。

【００８４】ステップＳ１３においては整合位置情報Ｔ
ＵＮＥ１，ＴＵＮＥ２が適正範囲内に存在するか否かが
判断される。即ち、整合位置情報ＴＵＮＥ１は下限値Ｌ
１以上上限値Ｈ１以下であるか、整合位置情報ＴＵＮＥ
２は下限値Ｌ２以上上限値Ｈ２以下であるか、が判断さ
れ、両方が満足されればステップＳ１５へと進む。いず
れか一方でも満足されなければステップＳ１４へと進
み、クリーニングフラグを１に設定する。

【００８５】プラズマ処理中の整合位置情報ＴＵＮＥ
１，ＴＵＮＥ２の測定、並びにステップＳ１３の判断
は、全て図示しない制御装置によって自動的に行っても
良い。

【００８６】ステップＳ１５においてプラズマ処理が終
了したと判断されればステップＳ１６へと進んで試料の
搬出が行われる。そうでなければステップＳ１２へと戻
ってプラズマ処理が続行される。

【００８７】試料が搬出された後、ステップＳ１７にお
いてクリーニングフラグの値の吟味が行われる。これが
値１を採ればステップＳ１７に関して「ＹＥＳ」とな
り、ステップＳ１８へと進んでクリーニングが実施され
る。値０を採ればステップＳ１７に関して「ＮＯ」とな
り、次の試料が搬入される。

【００８８】ステップＳ１８において、ガス２１として
ＣＦ₄／Ｏ₂ガスをそれぞれ２０／１０ｓｃｃｍ流しつ
つ、排気２２によって圧力を３ｍＴｏｒｒに設定する。
そしてプラズマを生成し、石英製のマイクロ波導入窓１
６ｃをエッチングし、同時にその窓に堆積したイリジウ
ムを取り除く。例えばこのクリーニングには５分間が費
やされる。ステップＳ１８が終了すれば、次の試料が搬
入される。

【００８９】本実施の形態についてのある実験では、５
枚の試料を処理したときに整合位置情報ＴＵＮＥ１，Ｔ
ＵＮＥ２が適正範囲を外れた。よってその５枚目の試料
をプラズマ処理した後、クリーニングが行われた。クリ
ーニング後、次の試料の処理が行われたが、その時、ク
リーニング前には適正範囲を外れていた整合位置情報Ｔ
ＵＮＥ１，ＴＵＮＥ２は適正範囲内に収まっていた。

【００９０】クリーニングのためのプラズマを発生させ
るガスとしては、ＣＦ₄，Ｃ₄Ｆ₈，Ｃ₅Ｆ₈等のフロロカ
ーボン系のガスや、ＳＦ₆等の弗素を含むガス、ＮＦ₃、
Ｆ₂等の高反応性弗素含有ガスを用い、それにＯ₂，
Ｎ₂，ＣＯ，Ａｒ等のガスを添加しても良い。上述の例
ではクリーニング時には試料台１７には試料が載置され
ていないので、試料台１７もプラズマでクリーニングさ
れる。しかし、試料台１７をクリーニングのためのプラ
ズマから保護する必要があれば、試料台１７を保護する
ために試料の代わりに載置されるダミーとしてのウエハ
を、搬入／搬出するステップがそれぞれステップＳ１８
の直前／直後に挿入されればよい。

【００９１】なお、プラズマの状態を反映する情報とし
て反射マイクロ波の電力を採用しても良い。これは、導
波管１５に反射マイクロ波電力測定器を設置することに
より検出することができる。正常な状態、即ち導電性物
質がマイクロ波導入窓１６ｃに堆積していない状態にお
いて反射されるマイクロ波の電力の上限値Ｈ３を予め設
定しておき、試料のプラズマ処理中の反射マイクロ波の
電力と比較する。図１５に即して言えば、ステップＳ１
２での処理を「反射マイクロ波の電力Ｐｒを測定しつ
つ、プラズマ処理を行う」と読み替え、ステップＳ１３
での処理を「Ｐｒ≦Ｈ３？」と読み替えれば良い。

【００９２】また、マイクロ波導入窓１６ｃに付着する
導電性物質の量を反映する情報として、試料の処理枚数
を利用することもできる。各処理毎にある量の導電性物
質がマイクロ波導入窓１６ｃに付着し、処理枚数が増え
るに従ってその量も増加するからである。よって安定に
処理できる試料の枚数を予め設定しておき、その枚数分
を処理する毎にクリーニングによりマイクロ波導入窓１
６ｃに堆積した導電性物質を除去して、安定したプラズ
マ処理を行うことができる。

【００９３】図１６は試料の処理枚数によりクリーニン
グを行うか否かを決定するプラズマ処理を示すフローチ
ャートである。まずステップＳ２１において処理枚数Ｃ
を０に設定する。例えば図１３には図示されないが、試
料３を搬入する機構に処理枚数を計上する処理枚数カウ
ンタを設け、これにより処理枚数Ｃを求めることができ
る。そしてステップＳ２１においてこの処理枚数カウン
タをリセットすることで、処理枚数Ｃを０に設定する。

【００９４】次にステップＳ２２に進み、試料を搬入し
てプラズマ処理を行う。そしてプラズマ処理が終了する
と、ステップＳ２３へ進み、処理枚数カウンタが処理枚
数Ｃを１増加させるカウントを行う。そしてステップＳ
２４において、処理枚数Ｃが枚数Ｄを超えるか否かが判
断される。この枚数Ｄは、安定したプラズマ処理が行え
る処理枚数の上限として予め設定される。

【００９５】そしてステップＳ２４に関して「ＮＯ」で
あれば、クリーニングを行わなくても次の試料にプラズ
マ処理を安定して行えるのであるから、ステップＳ２５
へ進み、クリーニングフラグに０が設定される。一方、
ステップＳ２４に関して「ＹＥＳ」であれば、クリーニ
ングを行わないと、次の試料にプラズマ処理を安定して
行えないのであるから、ステップＳ２６へと進んでクリ
ーニングフラグに１が設定される。

【００９６】ステップＳ２５，Ｓ２６のいずれが実行さ
れた後も、ステップＳ２７へと進んで、ステップＳ２２
においてプラズマ処理がなされた試料が搬出される。次
にステップＳ２８へと進み、クリーニングフラグが１で
あるか否かが判断される。クリーニングフラグが０であ
ればステップＳ２８に関して「ＮＯ」となり、ステップ
Ｓ２２へと戻り、クリーニングが実施されないまま、次
の試料を搬入してプラズマ処理が行われる。

【００９７】一方、ステップＳ２８においてクリーニン
グフラグが１であればステップＳ２８に関して「ＹＥ
Ｓ」となり、ステップＳ２９へと進んでクリーニングが
実施される。そしてクリーニングが実施されればマイク
ロ波導入窓１６ｃに堆積した導電性物質は除去されるの
で、ステップＳ２９からはステップＳ２１へと戻って処
理枚数カウンタをリセットする。

【００９８】その他、クリーニングを行うか否かを判定
するための指標としては合計処理時間、反射高周波電力
等を採用することもできる。即ち、プラズマ処理を実行
し、マイクロ波導入窓１６ｃに導電性物質が付着し、チ
ャンバー１１に入るマイクロ波の量が変化して起こるプ
ラズマの変化によって、変化する所定の情報を指標とす
ることができ、これが所定の条件を満足するか否かによ
ってクリーニングを行うか否かを決定すればよい。

【００９９】また、プラズマ生成直後の不安定時間にお
いては上記判定を行わない等、不感時間を設けても良い
し、例えば毎秒１回の指標の測定を行い、連続して３回
適正範囲から外れた場合にクリーニングを実施する等、
より正確にクリーニングが実行できるように判定条件及
び判定方法を設定しても良い。

【０１００】なお、本実施の形態においては、クリーニ
ングの際に試料３をチャンバー１１から搬出しているの
で、試料３にダメージを与える虞のあるプラズマを生成
するガス２１を導入することができる。上記の説明では
シリコン酸化物からなる基板３１ｃにダメージを与える
虞のあるプラズマを生成するガスとして、弗素を有する
ものを例示した。しかし、マイクロ波導入窓１６ｃをク
リーニングするためのプラズマを生成するガスとして
は、他のガスを採用することができる。即ち、必ずしも
マイクロ波導入窓１６ｃを石英製にする必要はなく、堆
積物あるいはマイクロ波導入窓１６ｃをエッチングでき
るプラズマを生成するガスを適宜選ぶことにより、マイ
クロ波導入窓１６ｃの材質の自由度が第１乃至第３の実
施の形態と比較して高いというメリットがある。

【０１０１】また第１乃至第３の実施の形態の様にエッ
チングに弗素を含むガスを使用した場合でも、完全にマ
イクロ波導入窓がクリーニングされず、徐々に導電性物
質が堆積していくような事態も考えられなくはない。か
かる事態を避けるために、本実施の形態の方法を併用す
ることもできる。その場合、更に長期間、安定してプラ
ズマ処理を行うことができるし、チャンバー１１を開放
して行う必要があるタイプのクリーニングの頻度を減ら
すことができる。

【０１０２】

【０１０３】

【０１０４】

【０１０５】

【発明の効果】本発明に基づくプラズマ処理装置の一つ
の局面によれば、マイクロ波導入機構から導入されたマ
イクロ波は、弗素を含むガスからプラズマを生成させ
る。そしてプラズマ処理によって、導電層やその化合物
がマイクロ波導入機構のプラズマに露出する部分に付着
しても、プラズマ中の弗素がマイクロ波導入機構の当該
部分をエッチングするので、マイクロ波を導入すること
の劣化が防止される。

【０１０６】

【０１０７】

【０１０８】本発明に基づくプラズマ処理装置の他の局
面によれば、導電層をエッチング処理することによって
マイクロ波導入窓に付着する導電性材料により大きくな
るマイクロ波の反射量を検出し、これが大きくなればマ
イクロ波導入窓をクリーニングするので、安定したプラ
ズマ処理を実行することができる。

【０１０９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の概略を示す断面
図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の試料の概略を示
す断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の概略を示す断面
図である。

【図４】図３の領域Ａを拡大して示した断面図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施の形態の試料の概略を示
す断面図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態の概略を示す断面
図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態の第１の変形を示
す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態の第２の変形を示
す断面図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態の第３の変形を示
す断面図である。

【図１０】本発明の第３の実施の形態の第４の変形を
示す断面図である。

【図１１】本発明の第３の実施の形態の第５の変形を
示す断面図である。

【図１２】図１１に示された構成の上面図である。

【図１３】本発明の第４の実施の形態の概略を示す断
面図である。

【図１４】本発明の第４の実施の形態の試料の概略を
示す断面図である。

【図１５】本発明の第４の実施の形態のクリーニング
処理を示すフローチャートである。

【図１６】本発明の第４の実施の形態の変形のクリー
ニング処理を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１１チャンバー、１２ガス導入口、１５導波管、
１６，１６ａ，１６ｃマイクロ波導入窓、１６ｂ天
板、１７試料台、１７ｃ試料台カバー、２１ガ
ス、２３マイクロ波、４１スタブ型マイクロ波整合
器、６１定在波測定器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/205 C23F 4/00 H05H 1/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマによってエッチング処理される
対象となる導電層を有する試料を格納可能なチャンバー
と、前記チャンバーに弗素を含むガスを導入するガス導入口
と、前記ガスから前記プラズマを生成するマイクロ波を前記
チャンバーに導入し、少なくとも前記プラズマに露出す
る部分が石英からなるマイクロ波導入機構とを備え、前記マイクロ波導入機構は、石英製のマイクロ波導入窓
を有し、前記石英製のマイクロ波導入窓は、通過孔を有
する導体の前記通過孔を充填して設けられている、プラ
ズマ処理装置。
【請求項２】プラズマによってエッチング処理される
対象となる導電層を有する試料を格納可能なチャンバー
と、前記チャンバーにガスを導入するガス導入口と、前記ガスから前記プラズマを生成するマイクロ波を前記
チャンバーに導入するマイクロ波導入機構とを備え、前記マイクロ波導入機構はマイクロ波を伝搬させる導波管と、前記導波管と前記チャンバーの間に介在するマイクロ波
透過性を有するマイクロ波導入窓と、前記マイクロ波の反射量を検出する反射量検出手段とを
有し、前記チャンバー内では、前記マイクロ波の反射量が所定
量を超えれば前記マイクロ波導入窓の前記プラズマに露
出する部分をクリーニングするためのプラズマが生成さ
れるプラズマ処理装置。