JP4997619B2 - 誘導結合型プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導結合型プラズマ処理装置に関し、プラズマ発生空間において発生したプラズマ中のイオンを、特に、被処理物を載置する載置台に高周波を印加して被処理物に衝突・接触させることによって被処理物をエッチングする誘導結合型プラズマ処理装置に関する。

近年、MEMS（Micro Electro-Mechanical System：半導体技術に基づく機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路などを一つのシリコン基板上に集積化した微小デバイス）などの微細加工分野の発展に伴い、高アスペクト比のエッチングをより高速で行うことが可能なプラズマ処理装置の開発が要望されている。

まず、高速度加工を実現するためにプラズマ処理装置に求められる基本的な課題は、生成されるプラズマの高密度化、及びプラズマ形状の適切な制御である。

高密度のプラズマの生成には、平行平板状の電極を用いた容量結合型よりも、高周波コイルを用いた誘導結合型プラズマ生成装置の方が適している。これまでに、誘導結合型プラズマ処理装置の特性を向上させることを目的とする、プラズマ密度の制御に関する様々な技術が開発・開示されてきた。

特許文献１には、ウエハ表面上に発生するプラズマ照射ダメージによる結晶転移などのダメージを防止するために、磁場密度が被エッチング材に向けて発散減衰するような高周波磁場を形成する技術が開示されている。この技術では、プラズマ発生室を円錐台形状とし、コイルを発生室の外壁に均一な巻き密度で巻き付けるようにしたり（図４参照）、プラズマ発生室を円筒形状とし、コイルの巻き密度が被エッチング材側に近づくに従って減少するように高周波印加コイルを巻き付ける構成とすることによって、高密度プラズマの密度制御が行われる。

しかし、特許文献１に記載の高周波磁場励起処理装置では、高アスペクト比のエッチングを行うことができないという問題がある。この処理装置においては、プラズマ発生室において大量のラジカルを発生させ、その大量のラジカルが被処理物の表面に降下することによって高速度エッチングが実現される。ところが、ラジカルによるエッチングは等方エッチングであるため、アスペクト比がどうしても小さくなってしまう。

上記の問題を回避するためには、CF₄、C₄F₈といった特定のエッチングガスを採用することにより、側壁に高分子保護膜を堆積させ、等方エッチングの進行を防止する手法が考えられる。しかしながら、この手法には、エッチングガスの種類が限定されたり、保護膜の除去が必要となって処理が煩雑になってしまうという問題点が存在する。

そこで、プラズマ処理においてアスペクト比をより向上させることを目的として、異方性エッチングを行うことができる、イオンによるエッチングを行う構成が考案されてきた。

イオンエッチング処理装置の一例として、特許文献２には、一端が開口で他端が閉じた閉端部である誘電体製のプラズマ生成容器を備え、プラズマ生成容器の外部の一部に環状アンテナが設置されたプラズマ処理装置が記載されている。この構成により、生成されるプラズマの密度を高くすることができ、処理の高速化が図られる。

ところが、特許文献２に記載のプラズマ処理装置には、発生するプラズマの形状を緻密に制御することができないという問題が存在している。

プラズマ処理装置によってエッチングを行う場合、処理条件によっては、プラズマ生成容器内でプラズマが被処理物の表面に対して均一な濃度で発生せず、コイルに沿ってリング状に発生してしまうことがしばしばある。プラズマがリング状を呈してしまうと、リング直下の部分ではエッチングが高速で進行する一方、プラズマ密度が薄いリング中央部直下ではエッチングの進行が中央部と比べて相対的に低速となる。即ち、被処理物表面におけるエッチング処理の均一性が低下してしまう。

被処理物の表面に対して均一な濃度のプラズマを発生させるためには、ガスの種類、ガス圧、励起コイルに印加するパワーなどの各種パラメータを適宜調節することが考えられるが、これらの条件を調節することによって、目的とするエッチング形状、エッチング速度、表面状態を得ることは、実際は容易ではない。

特許文献２に記載されているように、プラズマ処理装置のプラズマ生成容器が半球状である場合には、その形状に基づく径の変化を利用して、励起コイルの位置を適宜変化させることによってプラズマのサイズを制御するということが考えられる。しかしながら、均一濃度のプラズマを発生させるためのコイル位置の調節幅が狭いため、調整を簡便に行うことは困難である。

特開平6-196446号公報 特開2000-133498号公報

本発明が解決しようとする課題は、エッチングを高速、高アスペクト比で行うことができ、また、簡便な方法でプラズマの形状を制御することによって高い処理均一性を得ることが可能な誘導結合型プラズマ処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る誘導結合型プラズマ処理装置は、被処理物に向かって拡径する円錐台形状に形成されたプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器の外周側面の一部に、該外周側面に沿うように巻き付けられた螺旋状の励起コイルと、前記励起コイルの全体を前記プラズマ生成容器の外周側面に沿って被処理物の表面に垂直な方向に移動させるための可動機構とを備えることを特徴とする誘導結合型プラズマ処理装置において、前記可動機構が、前記被処理物の表面に垂直な方向に移動された前記励起コイルが前記プラズマ生成容器の外周側面に沿うように前記励起コイルの曲率を変更するための径可変機構を備えていることを特徴とする。
また、好ましくは、前記励起コイルが、外周側面の一部に2〜5回巻き付けられている構成とすることができる。

本発明に係る誘導結合型プラズマ処理装置では、励起コイルがプラズマ生成容器の外周側面の一部に、比較的少ない回数のみ巻き付けられて設けられているため、プラズマ生成容器の内部のプラズマにおいて、エッチングに寄与するのがラジカルよりもイオンとなる（詳細な理由は後述する。）。従って、等方的なエッチングを抑制することができ、アスペクト比が高い異方性エッチングを行うことが可能となる。また、本発明のプラズマ処理装置では、塩素などの、高分子膜を形成しない気体をエッチングガスとして使用したとしても、高いエッチング比を実現することができるため、エッチングガスの選択肢も広い。

加えて、円錐台形状のプラズマ生成容器の外周側面に沿ってコイルを移動させることができるため、生成するプラズマの空間的な広がりを自在に調節することが可能である。リング状のプラズマが発生してしまう場合には、励起コイルをプラズマ生成容器の径のより小さな位置に移動させるだけで、プラズマの形状が変化し、均一な濃度とすることができる。従って、被処理物の表面処理均一性も向上する。

本発明に係る誘導結合型プラズマ処理装置の一例について、図１を参照しつつ説明する。本発明の誘導結合型プラズマ処理装置１０は、その概略構成が、反応容器１１、反応容器１１内に設置される載置台２０、載置台２０の上部に形成されるプラズマ生成容器１４、プラズマ生成容器１４の外周側面の一部に巻き付けられる励起コイル３１、及び励起コイル３１の位置を変化させるための可動機構４０からなる。

プラズマ生成容器１４は、被処理物２１に向かって拡径する円錐台形状の部材であり、誘電体により形成される。このプラズマ生成容器１４の内部がプラズマ発生空間１２となる。プラズマ生成容器１４の材料には、石英板、サファイアガラスなどを用いることができる。

励起コイル３１は、プラズマ生成容器１４の外周側面に沿って、その一部に比較的少数回数巻き付けられている。この巻き付け回数は2〜5回程度が適切である。巻付回数が1回だとプラズマの発生量が不足する傾向にあり、逆に巻き付け回数が多すぎると、プラズマが過剰に発生してしまう。この構成により、イオンによるエッチングが優勢となる理由は次の通りである。

プラズマ中のイオンは、プラズマ領域中で絶えず発生と消滅（電子との再結合及びプラズマ生成容器側壁との衝突による消滅）を繰り返している。従って、被処理物のエッチングに寄与することができるイオンは、生成したプラズマのうち、電子の影響が少なく且つプラズマ生成容器側壁から離れた領域、即ち、被処理物に面した領域で発生したものに限られる。一方、ラジカルは、イオンと比較してプラズマ中での消滅が少ないため、プラズマ中に生成するほぼ全てのラジカルが被処理物のエッチングに寄与してしまう。

本発明のプラズマ処理装置の構成によれば、生成するプラズマにおいて上記のような領域が確保されつつ、発生するプラズマ全体の量が小さくなる。即ち、エッチングに寄与するイオンの量は変化しない一方で、ラジカルの量が減少するため、イオンによる異方性エッチングを優勢とすることができるのである。

プラズマ生成容器１４の形状が円錐台形状であるため、その外周側面に沿うように励起コイルを配置すると、励起コイル３１の径は、被処理物２１の表面からの距離に応じて大きく、又は小さくなる。なお、ここで励起コイル３１とプラズマ生成容器１４とは接触していても構わない。励起コイル３１は、螺旋状であってもよいし、同一軸上に複数の円形コイルを設けるようにしても構わない。さらに、本発明の励起コイルは巻き回数が比較的少ないが、プラズマの密度をより精密に調節するために、励起コイル３１の巻き密度を適宜変更するようにしてもよい。励起コイル３１の形状は、線材状、長尺板状、または管状とすることができ、その材料には銅などが好適である。

可動機構４０は、プラズマ生成容器の外周表面の一部に巻き付けられた励起コイル３１を被処理物の表面に垂直な方向に移動させるための機構である（図２）。なお、本可動機構は、必要な範囲で、励起コイルを被処理物の表面に対して平行な方向に移動させることができる機構を備えていることが好ましい。
また可動機構４０は、励起コイルから発生した高周波を効率よくプラズマ生成容器内に供給するために、励起コイルがプラズマ生成容器の外周側面に沿うように、励起コイルの曲率を変更するための径可変機構を備えることが好ましい。さらにまた、可動機構４０は、巻き密度を調節するための巻き密度可変機構を備えていてもよい。図３に、可動機構４０によって励起コイル３１の配置位置及び巻き密度を変化させた場合のプラズマ発生空間を示す。

反応ガス導入口１５は、プラズマ生成容器１４の側面部に設けることが好ましい。本発明に係る処理装置においては、プラズマ生成容器１４の側面部全面に励起コイルが配置されることがないため、この構成が可能となる。反応ガス導入口１５が側面部に設けられていることにより、被処理物の直上となるプラズマ生成容器の外部に光学測定器などの各種の測定器１６を配置することができ、被処理物のエッチング深さの測定などをリアルタイムで行うことができる。

本発明の誘導結合型プラズマ処理装置１０を使用する際は、まず載置台２０の上面に被処理物２１を載置した後、反応容器１１及びプラズマ発生空間１２内の空気を排出する。その後、プラズマ発生空間１２内に、被処理物２１に対して反応性のガスを所定圧力となるまで導入し、励起コイル３１に高周波電流（通常は13.56MHz）を流す。これにより、プラズマ発生空間１２内の、励起コイル３１に対応する箇所にプラズマ３０が形成される。このとき、可動機構４０によって励起コイル３１の配置位置や巻き密度を適宜調節し、プラズマ３０の濃度や形状を制御する。

次いで、載置台２０にバイアス電圧を印加することにより、プラズマ３０中のイオンが被処理物２１の表面に衝突する。このバイアス電圧を制御することによって、イオンの衝突エネルギーの最適化を行うことができる。

本発明者らは、本発明に係るプラズマ処理装置の効果を確認するための実験を行った。なお、「コイル高さ」とは、励起コイルが巻き付けられる部分の、被処理物に対して垂直な方向の距離（コイルの中心軸間距離）のことを指す。

[実施例１]
円錐台形状のプラズマ生成容器（材料：石英、厚み：3mm、閉端部半径：100mm、開口端部半径：200mm、高さ：200mm）の外周側面に沿って、励起コイル（材料：Cu、巻き回数：2回、コイル高さ：5mm）をプラズマ生成容器の閉端部から115〜120mmの位置に設けた誘導結合型プラズマ処理装置を用いた。エッチングガスはCl₂を使用し、被処理物はGaAs板とした。被処理物の表面は、精密にパターニングされたレジストで覆われていた。
結果：φ503nmの円形開口部が800nm間隔で最密配置されたホールパターンをエッチングした結果、エッチング深さ3.54μm時に、開口部505nm、表面から1.5μm下方で510nm、表面から3μm下方で502nmのエッチング加工物を得た。

[実施例２]
円錐台形状のプラズマ生成容器（素材：サファイアガラス、厚み：1mm、閉端部半径：100mm、開口端部半径：200mm、高さ：200mm）の外周側面に沿って、励起コイル（素材：Cuの表面にAl₂O₃塗装、巻き回数：3回、コイル高さ：7mm）をプラズマ生成容器の閉端部から113〜120mmの位置に設けた誘導結合型プラズマ処理装置を用いた。エッチングガスにはCF₄を用い、被処理物はシリコン板とした。被処理物の表面は、パターニングされたレジストで覆われていた。
結果：φ102nmの円形ドットが180nm間隔に最密配置されたポストパターンをエッチングした結果、エッチング深さ1.35μm時に、最表部101nm、表面から0.5μm下方で98nm、表面から1μm下方で102nmのエッチング加工物を得た。

[比較例１]
上記実施例２で用いた円錐台形状のプラズマ生成容器（素材：サファイアガラス、厚み：1mm、閉端部半径：100mm、開口端部半径：200mm、高さ：200mm）の外周側面に沿って、励起コイル（素材：Cuの表面にAl₂O₃塗装、巻き回数：5回、コイル高さ：190mm）を設けた誘導結合型プラズマ処理装置を用い、エッチングガスにCF₄を用い、シリコン板のエッチングを行った。シリコン表面は、パターニングされたレジストで覆われていた。
結果：φ102nmの円形ドットが180nm間隔に最密配置されたポストパターンをエッチングした結果、エッチング深さ1.55μm時に、最表部141nm、表面から0.5μm下方で170nm、表面から1μm下方で70nmのエッチング形状となった。

上記の実験より、本発明のプラズマ処理装置によって、異方度の高いエッチングを行えることが明らかとなった。

続いて、本発明に係るプラズマ処理装置によるエッチングの均一性を確認するための実験を行った。
[実施例３]
円錐台形状のプラズマ生成容器（素材：Al₂O₃、厚み：2mm、閉端部半径：100mm、開口端部半径：250mm、高さ：300mm）の外周側面に沿って、励起コイル（素材：Cu、巻き回数：2回、コイル高さ：5mm）をプラズマ生成容器の閉端部から192〜187mmの位置に設けた誘導結合型プラズマ処理装置を用いた。
CF₄：30sccm、O₂：7sccm、圧力：10Pa、ICP投入パワー：250Wの条件下で、6インチのSi基板を被処理物とした時のエッチングレートを測定した。
結果：中心部のエッチングレートは1.9μm/分であり、シリコン基板の外周から10mm内側の周上、8等配の位置で測定したエッチングレートの平均は1.8μm/分であった。

[比較例２]
円柱状のプラズマ生成容器（素材：SiO₂、厚み：3mm、高さ：300mm、直径：240mm）の外周側面に沿って、励起コイル（素材：Cu、巻き回数：2回、コイル高さ：5mm）をプラズマ生成容器の閉端部から215〜220mmの位置に設けたプラズマ処理装置を用いた。
CF₄：30sccm、O₂：7sccm、圧力：10Pa、ICP投入パワー：250Wの条件下で、6インチのSi基板を被処理物とした時のエッチングレートを測定した。
結果：中心部のエッチングレートは1.3μm/分であり、シリコン基板の外周から10mm内側の周上、8等配の位置で測定したエッチングレートの平均は1.7μm/分であり、シリコン基板を均一にエッチングできなかった。

[比較例３]
半球状プラズマ生成容器（素材：SiO₂、厚み：3mm、高さ：120mm、直径：240mm）の外周側面に沿って、励起コイル（素材：Cu、巻き回数：2回、コイル高さ：5mm）を設けた。励起コイルの配置位置に関わりなく、発生したプラズマはリング状となった。
CF₄：30sccm、O₂：7sccm、圧力：10Pa、ICP投入パワー：250Wの条件下で、6インチのSi基板を被処理物とした時のエッチングレートを測定した。
結果：中心部のエッチングレートは1.2μm/分であり、シリコン基板の外周から10mm内側の周上、8等配の位置で測定したエッチングレートの平均は1.8μm/分であり、シリコン基板を均一にエッチングできなかった。

本発明に係る誘導結合型プラズマ処理装置の一例の概略構成図。 本発明に係る可動機構の一例。 励起コイルの配置位置及び巻き密度を変化させた場合のプラズマ発生空間を示す図。 従来のプラズマ処理装置の構成の一例。

符号の説明

１０…誘導結合型プラズマ処理装置
１１…反応容器
１２…プラズマ発生空間
１３…バイアス用交流電源
１４…プラズマ生成容器
１５…反応ガス導入口
１６…測定器
２０…載置台
２１…被処理物
３０…プラズマ
３１…励起コイル
３２…高周波電源
４０…可動機構

Claims (3)

1. 被処理物に向かって拡径する円錐台形状に形成されたプラズマ生成容器と、
   前記プラズマ生成容器の外周側面の一部に、該外周側面に沿うように巻き付けられた螺旋状の励起コイルと、
   前記励起コイルの全体を前記プラズマ生成容器の外周側面に沿って被処理物の表面に垂直な方向に移動させるための可動機構と、
   を備えていることを特徴とする誘導結合型プラズマ処理装置において、
   前記可動機構が、前記被処理物の表面に垂直な方向に移動された前記励起コイルが前記プラズマ生成容器の外周側面に沿うように前記励起コイルの曲率を変更するための径可変機構を備えていることを特徴とする誘導結合型プラズマ処理装置。
2. 前記励起コイルが、前記プラズマ生成容器の外周側面の一部に2〜5回巻き付けられていることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
3. 反応ガス導入口が前記プラズマ生成容器の側面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導結合型プラズマ処理装置。

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