プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置
【課題】成膜レートを安定に維持することができるプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係るプラズマ処理方法は、エッチング工程と保護膜形成工程とを交互に繰り返し実施することでシリコン基板に高アスペクト比のビアを形成する。そして、保護膜の形成工程にはスパッタ法が適用される。スパッタ工程では、アンテナコイル２３に高周波電力（ＲＦ１）を供給して、真空槽２１内にスパッタ用ガスのプラズマを形成する。このとき、アンテナコイル２３に供給する高周波電力を２ｋＷ以上とする。アンテナコイル２３に供給する高周波電力が２ｋＷ以上の場合、当該高周波電力が２ｋＷ未満である場合と比較して、ターゲット３０の使用時間に依存しない安定した成膜レートを得ることが可能となる。
【解決手段】本発明の一形態に係るプラズマ処理方法は、エッチング工程と保護膜形成工程とを交互に繰り返し実施することでシリコン基板に高アスペクト比のビアを形成する。そして、保護膜の形成工程にはスパッタ法が適用される。スパッタ工程では、アンテナコイル２３に高周波電力（ＲＦ１）を供給して、真空槽２１内にスパッタ用ガスのプラズマを形成する。このとき、アンテナコイル２３に供給する高周波電力を２ｋＷ以上とする。アンテナコイル２３に供給する高周波電力が２ｋＷ以上の場合、当該高周波電力が２ｋＷ未満である場合と比較して、ターゲット３０の使用時間に依存しない安定した成膜レートを得ることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばシリコン基板の表面に高アスペクト比の孔やディープトレンチを形成するためのプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン基板の表面の加工には、プラズマエッチング（ドライエッチング）方法が広く用いられている。室温における原子状（ラジカル）フッ素とシリコンとの反応は自発的であり、比較的高いエッチングレートが得られることから、シリコン基板のエッチングでは、エッチングガスとしてＳＦ６、ＮＦ３、ＣＯＦ２、ＸｅＦ２等のフッ素を含むガスが多用されている。
【０００３】
一方、フッ素を含むエッチングガスを用いたシリコン基板のドライエッチングは等方的であるため、形成されたエッチングパターン（凹部）の側壁部にもエッチングが進行する。このため、スルーホールやディープトレンチなどの微細でアスペクト比の高いビアを高精度に形成することが困難であった。
【０００４】
そこで近年、エッチングパターンの側壁部に保護膜を形成しながら基板をエッチングすることで、エッチングの横方向の拡がりを抑え、パターン側壁部の垂直性を維持できるシリコン基板の深掘り加工技術が提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、エッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返すことで、エッチングパターンの側壁部にポリマー層からなる保護膜を形成しながらエッチングする方法が開示されている。特に、保護膜の形成方法として、真空室内に形成されたプラズマ中のイオンでターゲット材をスパッタすることで、基板の表面にターゲットの構成材料からなる保護膜を形成するようにしている。プラズマの発生原理としては、真空室の周囲にアンテナコイルを配置し、当該アンテナコイルに１ｋＷの高周波電力を供給することで、真空室内に導入されたアルゴンガスのプラズマを発生させるようにしている。
【０００６】
保護膜形成工程でエッチングパターンの側壁部に形成されたポリマー層は、エッチングパターンの底部に形成されたポリマー層に比べて、エッチング工程において除去される量が少ない。このため、このパターン側壁部に形成されたポリマー層が保護膜として機能し、エッチング方向をパターンの深さ方向に制限する異方性エッチングが実現可能となる。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００６／００３９６２（第１３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、シリコン基板の深掘り加工技術の必要性が高まっており、これに伴って生産性の向上が求められている。しかしながら、エッチング工程と保護膜形成工程の処理サイクルを繰り返すにつれて、保護膜の成膜レートが徐々に変化することがある。例えば、特許文献１に記載の保護膜の形成方法では、ターゲットの使用時間が長くなるほど、スパッタレート（成膜レート）が高くなる傾向にある。スパッタレートが変動すると、エッチングパターンの形状精度にばらつきが生じて、所期のパターン精度を安定に維持することが困難となる。
【０００９】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、成膜レートを安定に維持することができるプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態に係るプラズマ処理方法は、基板を収容した真空室内にスパッタ用ガスを導入することを含む。上記真空室の周囲に巻回したアンテナコイルに２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給することで上記真空室内に上記スパッタ用ガスのプラズマが形成される。上記基板に対向して配置された樹脂製ターゲットが上記プラズマ中のイオンでスパッタされる。これにより、上記基板の表面に樹脂膜が形成される。
【００１１】
本発明の一形態に係るプラズマ処理装置は、真空槽と、ステージと、ターゲットと、ガス導入手段と、アンテナコイルと、第１の高周波電源とを具備する。
上記真空槽は、真空室を形成する。上記ステージは、上記真空室に収容された基板を支持する。上記ターゲットは、上記ステージと対向する位置に配置される。上記ガス導入手段は、上記真空室内へスパッタ用ガスを導入するためのものである。上記アンテナコイルは、上記真空室の周囲に配置される。上記第１の高周波電源は、上記アンテナコイルへ２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理方法は、基板を収容した真空室内にスパッタ用ガスを導入することを含む。上記真空室の周囲に巻回したアンテナコイルに２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給することで上記真空室内に上記スパッタ用ガスのプラズマが形成される。上記基板に対向して配置されたターゲット材を上記プラズマ中のイオンでスパッタすることで、上記基板は成膜される。
【００１３】
上記プラズマ処理方法は、スパッタ用ガスのプラズマを形成するためのアンテナコイルに供給する高周波電力を２ｋＷ以上とする。アンテナコイルに供給する高周波電力が２ｋＷ以上の場合、当該高周波電力が２ｋＷ未満である場合と比較して、ターゲットの使用時間に依存しない安定した成膜レートを得ることが可能となる。また、上記第１の高周波電力が大きいほど高い成膜レートを得ることができるため、生産性の向上をも図れるようになる。
【００１４】
上記プラズマ処理方法は、上記基板を成膜した後、上記真空室内にエッチング用ガスを導入し、上記エッチング用ガスのプラズマを形成して上記基板をエッチングし、上記基板をエッチングした後、さらに、上記基板を成膜するようにしてもよい。
これにより、基板にエッチング保護膜を形成しながら高アスペクト比の孔又はトレンチを形成することが可能となる。また、成膜レートを安定に保持することができるので、エッチングパターンの加工精度のばらつきを抑えることが可能となる。
【００１５】
上記基板をエッチングする工程は、上記基板に第２の高周波電力を供給してもよく、上記基板を成膜する工程は、上記ターゲットに第３の高周波電力を供給するようにしてもよい。
基板に第２の高周波電力を供給することで、プラズマ中のイオンを基板へ引き寄せるバイアス効果が得られるため、エッチング効率を向上させることが可能となる。また、ターゲットに第３の高周波電力を供給することで、プラズマ中のイオンをターゲットへ引き寄せるバイアス効果が得られるため、スパッタ効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
上記ターゲットの構成材料は、特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂材料とすることができる。また、上記基板は、例えば、シリコン基板とすることができる。
【００１７】
上記第１の高周波電力は、２ｋＷ以上でスパッタレートが安定化することが確認されている。また、第１の高周波電力を３ｋＷとすることで、２ｋＷのときと比べて、スパッタレートを更に安定化させることが可能となるともに、スパッタレートを向上させることが可能となる。勿論、第１の高周波電力は、３ｋＷを超える電力であってもよく、装置の電源システムに応じてその上限を定めることができる。
【００１８】
上記プラズマを形成する工程は、上記真空室の周囲に巻回した複数の磁気コイルに電流を供給して上記真空室内に磁気中性線を形成することを含んでいてもよい。
これにより、高密度なプラズマを形成でき、スパッタ効率および成膜レートの向上を図れるようになる。
【００１９】
本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置は、真空槽と、ステージと、ターゲットと、ガス導入手段と、アンテナコイルと、第１の高周波電源とを具備する。
上記真空槽は、真空室を形成する。上記ステージは、上記真空室に収容された基板を支持する。上記ターゲットは、上記ステージと対向する位置に配置される。上記ガス導入手段は、上記真空室内へスパッタ用ガスを導入するためのものである。上記アンテナコイルは、上記真空室の周囲に配置される。上記第１の高周波電源は、上記アンテナコイルへ２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給する。
【００２０】
上記プラズマ処理装置は、スパッタ用ガスのプラズマを形成するためのアンテナコイルに供給する高周波電力を２ｋＷ以上とする。アンテナコイルに供給する高周波電力が２ｋＷ以上の場合、当該高周波電力が２ｋＷ未満である場合と比較して、ターゲットの使用時間に依存しない安定した成膜レートを得ることが可能となる。また、上記第１の高周波電力が大きいほど高い成膜レートを得ることができるため、生産性の向上をも図れるようになる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施の形態によるプラズマ処理方法に適用されるプラズマ処理装置２０の概略構成図である。図示するプラズマ処理装置２０は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置として構成されており、基板表面のエッチング機能と、基板表面のエッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する機能とを兼ね備えている。
【００２３】
図１においては、２１は真空槽であり、内部にプラズマ形成空間２１ａを含む真空チャンバ（真空室）を構成している。真空槽２１は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等の真空ポンプに接続されており、内部が所定の真空度に排気可能に構成されている。
【００２４】
プラズマ形成空間２１ａの周囲は、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２によって区画されている。筒状壁２２は、石英等の透明絶縁材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１の高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナコイル）２３と、この高周波コイル２３の外周側に配置された磁気コイル群２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ）とがそれぞれ配置されている。
【００２５】
磁気コイル群２４は、３つの磁気コイル２４Ａ、２４Ｂ及び２４Ｃで構成されている。磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ、２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５が環状に連続して形成される。そして、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿った誘導電場（高周波電場）が形成されることで、プラズマ形成空間２１ａに放電プラズマが形成される。
【００２６】
特に、ＮＬＤ方式のプラズマエッチング装置においては、磁気コイル２４Ａ〜２４Ｃに供給する電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁気コイル２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃに供給する電流をそれぞれＩＡ、ＩＢ、ＩＣとしたとき、ＩＡ＞ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、ＩＡ＜ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに供給する電流ＩＢを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。
【００２７】
なお、磁気コイル群２４を構成する磁気コイルの数は上記の例に限られず、所望の磁気中性線を得るために磁気コイルの数は適宜変更することができる。
【００２８】
一方、真空槽２１の内部には、半導体ウェーハ（シリコン（Ｓｉ）基板）Ｗを支持するステージ２６が設置されている。ステージ２６は、コンデンサ２７を介して第２の高周波電源ＲＦ２に接続されている。ステージ２６には、基板Ｗを所定温度に加熱するためのヒータ等の加熱源が内蔵されている。
【００２９】
プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２９が設置されている。天板２９は、ステージ２６の対向電極として構成されており、コンデンサ２８を介して第３の高周波電源ＲＦ３に接続されている。天板２９のプラズマ形成空間２１ａ側の面には、スパッタにより基板を成膜するためのターゲット材（スパッタリングターゲット）３０が取り付けられている。ターゲット材３２は、本実施の形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂材料が用いられているが、これ以外の合成樹脂材料、あるいは珪素材、炭素材、炭化珪素材、酸化珪素材、窒化珪素材等が適用可能である。
【００３０】
天板２９の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入管３１が設置されている。本実施の形態において、プロセスガスは、エッチング用ガスとスパッタ用ガスが含まれる。
【００３１】
エッチング用のプロセスガスとしては、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＸｅＦ２の少なくとも何れか一種又は不活性ガスとの混合ガスが用いられる。混合ガスとしては、ＳＦ６／Ａｒ、ＨＢｒ／ＳＦ６／Ｏ２などの２種以上のガスの混合ガスを用いることができる。本実施の形態では、エッチングガスとして、ＳＦ６／Ａｒの混合ガスが用いられる。
【００３２】
一方、スパッタ用のプロセスガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）などの希ガスあるいは不活性ガスを用いることができる。
【００３３】
本実施の形態においては、ステージ２６上に載置された基板Ｗに対してエッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返し行うことで、基板Ｗの表面に高アスペクト比の孔またはディープトレンチ等からなるビアを形成する。
【００３４】
図２（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施の形態のプラズマ処理装置２０の一動作例を示すタイミングチャートである。図２（Ａ）は、高周波コイル２３に供給される第１の高周波電源ＲＦ１（アンテナパワー）の電力印加タイミングを示している。ＲＦ１の周波数は１３．５６ＭＨｚ、電力は、エッチング工程で１５００Ｗ、スパッタ工程で３０００Ｗであり、工程毎に電力が切り替えられる。なお上記の例に限られず、エッチング工程とスパッタ工程とでアンテナパワー（ＲＦ１）を同一に設定してもよい。
【００３５】
図２（Ｂ）は、ステージ２６に供給される第２の高周波電源ＲＦ２の電力印加タイミング、図２（Ｃ）は、天板２９に供給される第３の高周波電源ＲＦ３の電力印加タイミングをそれぞれ示している。ＲＦ２及びＲＦ３の周波数は１２．５ＭＨｚ、ＲＦ２の電力は１５０Ｗ、ＲＦ３の電力は５００Ｗである。図２（Ｄ）は、真空槽２１の内部における圧力変化をそれぞれ示している。この例では、エッチング工程の処理圧力（プロセス導入量）は、保護膜形成工程のそれよりも高く設定されている。
【００３６】
基板Ｗの表面にはあらかじめ、マスクパターンが形成されている。このマスクパターンには、有機レジストやメタルマスク等のエッチングマスクが含まれる。エッチング工程及び保護膜形成工程では、プラズマ形成空間２１ａに、磁気コイル群２４による環状磁気中性線２５が形成され、更に、第１の高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３への電力投入により、環状磁気中性線２５に沿って誘導結合プラズマが形成される。
【００３７】
エッチング工程において、真空槽２１の内部に導入されたエッチングガス（ＳＦ６／Ａｒ）は、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化し、生成されたイオンとラジカルによりステージ２６上の基板Ｗをエッチング処理する。このとき、第２の高周波電源ＲＦ２からの電力投入で基板バイアスがＯＮとなり、イオンをステージ２６側へ加速させ、基板Ｗ上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高める。すなわち、フッ素ラジカルがシリコンと反応してラジカル生成物を形成し、これをプラズマ中のイオンによるスパッタ作用で除去することで、シリコン基板Ｗのエッチング処理が進行する。
【００３８】
一方、エッチング処理を所定時間行った後、真空槽２１の内部に残留するエッチングガスが排気される。そして、保護膜形成用のプロセスガス（Ａｒ）が真空槽２１の内部に導入されることで保護膜形成工程が開始される。導入されたプロセスガスは、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化される。このとき、基板バイアス（ＲＦ２）はＯＦＦとなり、代わりに、第３の高周波電源（ＲＦ３）からの電力投入で天板バイアスがＯＮとなる。その結果、天板２９に設置されたターゲット材３０はプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物が基板Ｗの表面に付着する。
【００３９】
以上のようにして、エッチングパターンの底部及び側壁部に、保護膜として機能するポリマー層が形成される。
【００４０】
ここで、ターゲット３０から叩き出されたスパッタ粒子は、プラズマ形成空間２１ａに形成されているＮＬＤプラズマを通過して基板Ｗへ到達する。このとき、スパッタ粒子は、環状磁気中性線２５が形成される高密度プラズマ領域で分解、再励起されることにより、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）に類似する成膜形態で、基板の表面に対して等方的に入射する。したがって、本実施の形態によって得られるエッチングパターンの段差被覆（保護膜）は、カバレッジ性が高く、面内均一性に優れる。
【００４１】
なお、保護膜形成工程のプロセスガスとして、例えばＡｒとフロロカーボン系ガス（Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３等）の混合ガスを用いることで、プロセスガス中の反応ガスがプラズマ形成空間２１ａにおいてプラズマ化し、そのラジカル生成物が基板表面に堆積することによって、保護膜として機能するポリマー層を形成することが可能である。更に、プロセスガスとして上記混合ガスを用いることで、Ａｒガスのみをプロセスガスとして用いる場合に比べて、スパッタレートの向上を図ることができる。
【００４２】
保護膜形成工程を所定時間行った後、再び上述したエッチング工程が行われる。このエッチング工程の初期段階は、エッチングパターンの底部を被覆する保護膜の除去作用に費やされる。その後、保護膜の除去により露出したエッチングパターンの底部のエッチング処理が再開される。このとき、プラズマ中のイオンは、基板バイアス作用によって基板に対して垂直方向に入射する。このため、エッチングパターンの側壁部に到達するイオンは、エッチングパターンの底部に到達するイオンに比べて少ない。したがって、エッチング工程の間、エッチングパターンの側壁部を被覆する保護膜は完全に除去されることなく残留する。これにより、エッチングパターンの側壁部とフッ素ラジカルとの接触が回避され、エッチングパターンの側壁部のエッチングによる浸食が回避される。
【００４３】
以降、上述のエッチング工程と保護膜形成工程が交互に繰り返し行われることで、基板表面に対して垂直方向の異方性エッチングが実現される。以上のようにして、基板Ｗの内部に高アスペクト比のビア（コンタクトホール、トレンチ）が作製される。
【００４４】
ところで、エッチング工程と保護膜形成工程の処理サイクルを繰り返すにつれて、保護膜の成膜レートが徐々に変化することがある。例えば、保護膜形成工程において高周波コイル２３へ供給される高周波電力（ＲＦ１）を１７００Ｗとした場合、ターゲットの使用時間が長くなるにつれて、スパッタレート（成膜レート）が高くなる傾向にある。スパッタレートが変動すると、エッチングパターンの形状精度にばらつきが生じて、所期のパターン精度を安定に維持することが困難となる。
【００４５】
図３は、ターゲットの使用時間（スパッタ時間）とスパッタレートとの関係例を示している。図３に示すように、高周波コイル２３へ供給される高周波電力（アンテナパワー、ＲＦ１）が１７００Ｗの場合、ターゲットの使用時間が長くなるにつれて、スパッタレートが徐々に上昇する傾向にある。したがって、ターゲット使用時間が長くなるにつれて保護膜の成膜レートが高くなり、パターンの形状精度にばらつきが生じる結果、エッチングパターンを高精度に維持することができなくなる。また、スパッタレートがターゲットの使用時間に強く依存する場合、ターゲットの交換直前とその交換直後との間で、スパッタレートに大きな差が発生する。その結果、ターゲットの交換後、保護膜の成膜プロセスの条件を設定し直す必要性が生じ、所望のエッチングパターンを安定して形成することが困難となる。
【００４６】
アンテナパワーを１７００Ｗにして、上述と同様な工程のプラズマ処理をしたときのエッチングパターンの一例の断面ＳＥＭ写真を図４（Ａ）、（Ｂ）に示す。図４（Ａ）は、ターゲットの交換直前に作製したサンプルを示し、図４（Ｂ）はターゲットの交換直後に作製したサンプルを示している。図４（Ｂ）から明らかなように、ターゲットの交換直後においては、スパッタレートが低下することに起因して保護膜の厚みが不十分となり、マスクの直下でアンダーカットが生じ、図４（Ａ）に示したパターン形状が得られない。
【００４７】
これに対して、本実施の形態では、アンテナパワー（ＲＦ１）を３０００Ｗとしている。アンテナパワーが３０００Ｗの場合、図３に示すように、ターゲットの使用時間に依存することなく、スパッタレートの安定化を図ることができる。これにより、長期にわたって安定した成膜レートを得ることが可能となり、所望のエッチングパターンを安定して形成することが可能となる。また、図３に示すように、アンテナパワーが３０００Ｗの場合、アンテナパワーが１７００Ｗの場合と比較して、高いスパッタレートを得ることができる。したがって、保護膜の形成工程に要する時間を短縮でき、生産性の向上を図ることが可能となる。
【００４８】
図４（Ｃ）は、アンテナパワーを３０００Ｗにして、上述と同様な工程のプラズマ処理をしたときのエッチングパターンの一例の断面ＳＥＭ写真を示している。図示するように、アンテナパワーが３０００Ｗの場合にはスパッタレートがほとんど変動しないため、ターゲットの交換前後を通じて保護膜を安定した成膜レートで形成することができる。これにより、所期のパターン形状を有するエッチングパターンを高精度かつ安定に作製することが可能となる。
【００４９】
なお、図４（Ｃ）に示したサンプル写真の製造条件を以下に示す。
［スパッタ条件］
処理圧力：２．６［Ｐａ］
アンテナパワー（ＲＦ１）：３０００［Ｗ］、１３．５６［ＭＨｚ］
天板バイアスパワー（ＲＦ３）：５００［Ｗ］、１２．５［ＭＨｚ］
処理時間：３［秒］
ターゲット：ＰＴＦＥ（５ｍｍ厚）
スパッタ用ガス：Ａｒ（３０［ｓｃｃｍ］）
磁気コイルへの供給電流：上段（２４Ａ）：３０．６［Ａ］、中段（２４Ｂ）：４９．５［Ａ］、下段（２４Ｃ）：３０．６［Ａ］
［エッチング条件］
処理圧力：６［Ｐａ］
アンテナパワー（ＲＦ１）：１５００［Ｗ］、１３．５６［ＭＨｚ］
ステージバイアスパワー（ＲＦ２）：１５０［Ｗ］、１２．５［ＭＨｚ］
処理時間：２［秒］
エッチング用ガス：Ａｒ／ＳＦ６（３０／１５０［ｓｃｃｍ］）
磁気コイルへの供給電流：上段（２４Ａ）：３０．６［Ａ］、中段（２４Ｂ）：５４．０［Ａ］、下段（２４Ｃ）：３０．６［Ａ］
【００５０】
図５は、ターゲットの使用時間が４時間、２０時間及び４０時間のときのアンテナパワー（ＲＦ１）とスパッタレートとの関係を示している。図５に示すように、アンテナパワー（ＲＦ１）が２ｋＷ（２０００Ｗ）以上の場合、ターゲットの使用時間に依存せずに安定したスパッタレートが得られる。これに対して、アンテナパワー（ＲＦ１）が２ｋＷ未満の場合、ターゲットの使用時間によってスパッタレートが大きく変動するという結果が得られた。スパッタレートの変動率で見ると、アンテナパワーが２ｋＷ以上の場合、３．７％以下で安定に推移することが認められる。
【００５１】
なお、上記スパッタレートの変動率の算出に際しては、同一条件でスパッタレートを２回以上測定し、以下の（１）式によって計算した。
変動率＝｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×１００（％）…（１）
【００５２】
また、アンテナパワー（ＲＦ１）の大きさに関係なく、天板２９に供給する高周波電力（天板バイアスパワー、ＲＦ３）が高いほど、スパッタレートが向上する。バイアスパワー（ＲＦ３）を高くすることで、プラズマ中のイオンをターゲット３０へと衝突させるバイアス効果が高まるからである。図６（Ａ）に、アンテナパワー（ＲＦ１）が３０００Ｗ及び１７００Ｗのときのバイアスパワー（ＲＦ３）とスパッタレートとの関係の一例を示す。
【００５３】
なお、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の例において、バイアスパワー（ＲＦ３）が１００Ｗの場合のスパッタレートを１としたときの各バイアスパワーにおけるスパッタレートの増加率を示している。図６（Ｂ）に示すように、アンテナパワー（ＲＦ１）が３０００Ｗの場合の方がスパッタレートの増加率は低い。バイアスパワー（ＲＦ３）によってスパッタレートをコントロールすることは可能であるものの、アンテナパワー（ＲＦ１）が高くなるに従い、バイアスパワー（ＲＦ３）のスパッタレートに関する寄与度は低くなることを示している。したがって、アンテナパワーが高い場合、バイアスパワーのスパッタレートに関する寄与度が低くなるので、バイアスパワーの電源出力に多少の変動が発生したとしても、スパッタレートに影響せず、安定な成膜を行うことが可能となる。
【００５４】
さらに、本実施の形態においては、スパッタ工程におけるアンテナパワーよりも、エッチング工程におけるアンテナパワーを低くし、エッチング工程における圧力を、スパッタ工程における圧力よりも高くしている。しかし、これに限られるわけではなく、基板の種類やターゲットの種類に応じて、最適なスパッタ条件とエッチング条件を選択することができる。例えば、スパッタ工程におけるアンテナパワーと同じパワーでエッチングを行ってもよいし、スパッタ工程における圧力と同じ圧力でエッチングを行ってもよい。
【００５５】
そして、本実施の形態のプラズマ処理装置２０においては、ＮＬＤ方式のプラズマ発生機構を備えているので、通常のＩＣＰ型プラズマ処理装置に比べて、高密度なプラズマを形成でき、スパッタ効率および成膜レートの向上を図れるようになる。
【００５６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５７】
例えば、以上の実施の形態では、スパッタ処理とエッチング処理を交互に実施してシリコン基板に高アスペクト比のエッチングパターンを形成する例について説明したが、これに限られず、誘導結合プラズマを利用した成膜専用のスパッタ装置及びスパッタ方法にも、本発明は適用可能である。
【００５８】
また、以上の実施の形態では、高周波コイルと磁気コイルとを併用したＮＬＤ方式のプラズマ処理装置を例に挙げて説明したが、高周波コイルのみ用いたＩＣＰ方式のプラズマ処理装置にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】図１に示したプラズマ処理装置の動作例を説明するタイミングチャートである。
【図３】図１のプラズマ処理装置において、ターゲットの使用時間とスパッタレートとの関係の一例を示す図である。
【図４】図１のプラズマ処理装置を用いて作製したエッチングパターンの断面ＳＥＭ写真である。
【図５】図１のプラズマ処理装置において、アンテナパワーとスパッタレートとの関係の一例を示す図である。
【図６】図１のプラズマ処理装置において、ターゲットに印加するバイアスパワーとスパッタレートとの関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
２０…プラズマ処理装置
２１…真空槽
２２…筒状壁
２３…高周波コイル（アンテナコイル）
２４…磁気コイル群
２５…磁気中性線
２６…ステージ
２９…天板
３０…ターゲット材
３１…ガス導入管
ＲＦ１…第１の高周波電源（アンテナパワー）
ＲＦ２…第２の高周波電源（基板バイアスパワー）
ＲＦ３…第３の高周波電源（天板バイアスパワー）
Ｗ…基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばシリコン基板の表面に高アスペクト比の孔やディープトレンチを形成するためのプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン基板の表面の加工には、プラズマエッチング（ドライエッチング）方法が広く用いられている。室温における原子状（ラジカル）フッ素とシリコンとの反応は自発的であり、比較的高いエッチングレートが得られることから、シリコン基板のエッチングでは、エッチングガスとしてＳＦ６、ＮＦ３、ＣＯＦ２、ＸｅＦ２等のフッ素を含むガスが多用されている。
【０００３】
一方、フッ素を含むエッチングガスを用いたシリコン基板のドライエッチングは等方的であるため、形成されたエッチングパターン（凹部）の側壁部にもエッチングが進行する。このため、スルーホールやディープトレンチなどの微細でアスペクト比の高いビアを高精度に形成することが困難であった。
【０００４】
そこで近年、エッチングパターンの側壁部に保護膜を形成しながら基板をエッチングすることで、エッチングの横方向の拡がりを抑え、パターン側壁部の垂直性を維持できるシリコン基板の深掘り加工技術が提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、エッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返すことで、エッチングパターンの側壁部にポリマー層からなる保護膜を形成しながらエッチングする方法が開示されている。特に、保護膜の形成方法として、真空室内に形成されたプラズマ中のイオンでターゲット材をスパッタすることで、基板の表面にターゲットの構成材料からなる保護膜を形成するようにしている。プラズマの発生原理としては、真空室の周囲にアンテナコイルを配置し、当該アンテナコイルに１ｋＷの高周波電力を供給することで、真空室内に導入されたアルゴンガスのプラズマを発生させるようにしている。
【０００６】
保護膜形成工程でエッチングパターンの側壁部に形成されたポリマー層は、エッチングパターンの底部に形成されたポリマー層に比べて、エッチング工程において除去される量が少ない。このため、このパターン側壁部に形成されたポリマー層が保護膜として機能し、エッチング方向をパターンの深さ方向に制限する異方性エッチングが実現可能となる。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００６／００３９６２（第１３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、シリコン基板の深掘り加工技術の必要性が高まっており、これに伴って生産性の向上が求められている。しかしながら、エッチング工程と保護膜形成工程の処理サイクルを繰り返すにつれて、保護膜の成膜レートが徐々に変化することがある。例えば、特許文献１に記載の保護膜の形成方法では、ターゲットの使用時間が長くなるほど、スパッタレート（成膜レート）が高くなる傾向にある。スパッタレートが変動すると、エッチングパターンの形状精度にばらつきが生じて、所期のパターン精度を安定に維持することが困難となる。
【０００９】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、成膜レートを安定に維持することができるプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態に係るプラズマ処理方法は、基板を収容した真空室内にスパッタ用ガスを導入することを含む。上記真空室の周囲に巻回したアンテナコイルに２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給することで上記真空室内に上記スパッタ用ガスのプラズマが形成される。上記基板に対向して配置された樹脂製ターゲットが上記プラズマ中のイオンでスパッタされる。これにより、上記基板の表面に樹脂膜が形成される。
【００１１】
本発明の一形態に係るプラズマ処理装置は、真空槽と、ステージと、ターゲットと、ガス導入手段と、アンテナコイルと、第１の高周波電源とを具備する。
上記真空槽は、真空室を形成する。上記ステージは、上記真空室に収容された基板を支持する。上記ターゲットは、上記ステージと対向する位置に配置される。上記ガス導入手段は、上記真空室内へスパッタ用ガスを導入するためのものである。上記アンテナコイルは、上記真空室の周囲に配置される。上記第１の高周波電源は、上記アンテナコイルへ２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理方法は、基板を収容した真空室内にスパッタ用ガスを導入することを含む。上記真空室の周囲に巻回したアンテナコイルに２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給することで上記真空室内に上記スパッタ用ガスのプラズマが形成される。上記基板に対向して配置されたターゲット材を上記プラズマ中のイオンでスパッタすることで、上記基板は成膜される。
【００１３】
上記プラズマ処理方法は、スパッタ用ガスのプラズマを形成するためのアンテナコイルに供給する高周波電力を２ｋＷ以上とする。アンテナコイルに供給する高周波電力が２ｋＷ以上の場合、当該高周波電力が２ｋＷ未満である場合と比較して、ターゲットの使用時間に依存しない安定した成膜レートを得ることが可能となる。また、上記第１の高周波電力が大きいほど高い成膜レートを得ることができるため、生産性の向上をも図れるようになる。
【００１４】
上記プラズマ処理方法は、上記基板を成膜した後、上記真空室内にエッチング用ガスを導入し、上記エッチング用ガスのプラズマを形成して上記基板をエッチングし、上記基板をエッチングした後、さらに、上記基板を成膜するようにしてもよい。
これにより、基板にエッチング保護膜を形成しながら高アスペクト比の孔又はトレンチを形成することが可能となる。また、成膜レートを安定に保持することができるので、エッチングパターンの加工精度のばらつきを抑えることが可能となる。
【００１５】
上記基板をエッチングする工程は、上記基板に第２の高周波電力を供給してもよく、上記基板を成膜する工程は、上記ターゲットに第３の高周波電力を供給するようにしてもよい。
基板に第２の高周波電力を供給することで、プラズマ中のイオンを基板へ引き寄せるバイアス効果が得られるため、エッチング効率を向上させることが可能となる。また、ターゲットに第３の高周波電力を供給することで、プラズマ中のイオンをターゲットへ引き寄せるバイアス効果が得られるため、スパッタ効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
上記ターゲットの構成材料は、特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂材料とすることができる。また、上記基板は、例えば、シリコン基板とすることができる。
【００１７】
上記第１の高周波電力は、２ｋＷ以上でスパッタレートが安定化することが確認されている。また、第１の高周波電力を３ｋＷとすることで、２ｋＷのときと比べて、スパッタレートを更に安定化させることが可能となるともに、スパッタレートを向上させることが可能となる。勿論、第１の高周波電力は、３ｋＷを超える電力であってもよく、装置の電源システムに応じてその上限を定めることができる。
【００１８】
上記プラズマを形成する工程は、上記真空室の周囲に巻回した複数の磁気コイルに電流を供給して上記真空室内に磁気中性線を形成することを含んでいてもよい。
これにより、高密度なプラズマを形成でき、スパッタ効率および成膜レートの向上を図れるようになる。
【００１９】
本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置は、真空槽と、ステージと、ターゲットと、ガス導入手段と、アンテナコイルと、第１の高周波電源とを具備する。
上記真空槽は、真空室を形成する。上記ステージは、上記真空室に収容された基板を支持する。上記ターゲットは、上記ステージと対向する位置に配置される。上記ガス導入手段は、上記真空室内へスパッタ用ガスを導入するためのものである。上記アンテナコイルは、上記真空室の周囲に配置される。上記第１の高周波電源は、上記アンテナコイルへ２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給する。
【００２０】
上記プラズマ処理装置は、スパッタ用ガスのプラズマを形成するためのアンテナコイルに供給する高周波電力を２ｋＷ以上とする。アンテナコイルに供給する高周波電力が２ｋＷ以上の場合、当該高周波電力が２ｋＷ未満である場合と比較して、ターゲットの使用時間に依存しない安定した成膜レートを得ることが可能となる。また、上記第１の高周波電力が大きいほど高い成膜レートを得ることができるため、生産性の向上をも図れるようになる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施の形態によるプラズマ処理方法に適用されるプラズマ処理装置２０の概略構成図である。図示するプラズマ処理装置２０は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置として構成されており、基板表面のエッチング機能と、基板表面のエッチングパターンの側壁部に保護膜を形成する機能とを兼ね備えている。
【００２３】
図１においては、２１は真空槽であり、内部にプラズマ形成空間２１ａを含む真空チャンバ（真空室）を構成している。真空槽２１は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）等の真空ポンプに接続されており、内部が所定の真空度に排気可能に構成されている。
【００２４】
プラズマ形成空間２１ａの周囲は、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２によって区画されている。筒状壁２２は、石英等の透明絶縁材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１の高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナコイル）２３と、この高周波コイル２３の外周側に配置された磁気コイル群２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ）とがそれぞれ配置されている。
【００２５】
磁気コイル群２４は、３つの磁気コイル２４Ａ、２４Ｂ及び２４Ｃで構成されている。磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ、２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５が環状に連続して形成される。そして、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿った誘導電場（高周波電場）が形成されることで、プラズマ形成空間２１ａに放電プラズマが形成される。
【００２６】
特に、ＮＬＤ方式のプラズマエッチング装置においては、磁気コイル２４Ａ〜２４Ｃに供給する電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁気コイル２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃに供給する電流をそれぞれＩＡ、ＩＢ、ＩＣとしたとき、ＩＡ＞ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、ＩＡ＜ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに供給する電流ＩＢを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。
【００２７】
なお、磁気コイル群２４を構成する磁気コイルの数は上記の例に限られず、所望の磁気中性線を得るために磁気コイルの数は適宜変更することができる。
【００２８】
一方、真空槽２１の内部には、半導体ウェーハ（シリコン（Ｓｉ）基板）Ｗを支持するステージ２６が設置されている。ステージ２６は、コンデンサ２７を介して第２の高周波電源ＲＦ２に接続されている。ステージ２６には、基板Ｗを所定温度に加熱するためのヒータ等の加熱源が内蔵されている。
【００２９】
プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２９が設置されている。天板２９は、ステージ２６の対向電極として構成されており、コンデンサ２８を介して第３の高周波電源ＲＦ３に接続されている。天板２９のプラズマ形成空間２１ａ側の面には、スパッタにより基板を成膜するためのターゲット材（スパッタリングターゲット）３０が取り付けられている。ターゲット材３２は、本実施の形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂材料が用いられているが、これ以外の合成樹脂材料、あるいは珪素材、炭素材、炭化珪素材、酸化珪素材、窒化珪素材等が適用可能である。
【００３０】
天板２９の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入管３１が設置されている。本実施の形態において、プロセスガスは、エッチング用ガスとスパッタ用ガスが含まれる。
【００３１】
エッチング用のプロセスガスとしては、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＸｅＦ２の少なくとも何れか一種又は不活性ガスとの混合ガスが用いられる。混合ガスとしては、ＳＦ６／Ａｒ、ＨＢｒ／ＳＦ６／Ｏ２などの２種以上のガスの混合ガスを用いることができる。本実施の形態では、エッチングガスとして、ＳＦ６／Ａｒの混合ガスが用いられる。
【００３２】
一方、スパッタ用のプロセスガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）などの希ガスあるいは不活性ガスを用いることができる。
【００３３】
本実施の形態においては、ステージ２６上に載置された基板Ｗに対してエッチング工程と保護膜形成工程を交互に繰り返し行うことで、基板Ｗの表面に高アスペクト比の孔またはディープトレンチ等からなるビアを形成する。
【００３４】
図２（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施の形態のプラズマ処理装置２０の一動作例を示すタイミングチャートである。図２（Ａ）は、高周波コイル２３に供給される第１の高周波電源ＲＦ１（アンテナパワー）の電力印加タイミングを示している。ＲＦ１の周波数は１３．５６ＭＨｚ、電力は、エッチング工程で１５００Ｗ、スパッタ工程で３０００Ｗであり、工程毎に電力が切り替えられる。なお上記の例に限られず、エッチング工程とスパッタ工程とでアンテナパワー（ＲＦ１）を同一に設定してもよい。
【００３５】
図２（Ｂ）は、ステージ２６に供給される第２の高周波電源ＲＦ２の電力印加タイミング、図２（Ｃ）は、天板２９に供給される第３の高周波電源ＲＦ３の電力印加タイミングをそれぞれ示している。ＲＦ２及びＲＦ３の周波数は１２．５ＭＨｚ、ＲＦ２の電力は１５０Ｗ、ＲＦ３の電力は５００Ｗである。図２（Ｄ）は、真空槽２１の内部における圧力変化をそれぞれ示している。この例では、エッチング工程の処理圧力（プロセス導入量）は、保護膜形成工程のそれよりも高く設定されている。
【００３６】
基板Ｗの表面にはあらかじめ、マスクパターンが形成されている。このマスクパターンには、有機レジストやメタルマスク等のエッチングマスクが含まれる。エッチング工程及び保護膜形成工程では、プラズマ形成空間２１ａに、磁気コイル群２４による環状磁気中性線２５が形成され、更に、第１の高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３への電力投入により、環状磁気中性線２５に沿って誘導結合プラズマが形成される。
【００３７】
エッチング工程において、真空槽２１の内部に導入されたエッチングガス（ＳＦ６／Ａｒ）は、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化し、生成されたイオンとラジカルによりステージ２６上の基板Ｗをエッチング処理する。このとき、第２の高周波電源ＲＦ２からの電力投入で基板バイアスがＯＮとなり、イオンをステージ２６側へ加速させ、基板Ｗ上のラジカル生成物をスパッタ除去してエッチング性を高める。すなわち、フッ素ラジカルがシリコンと反応してラジカル生成物を形成し、これをプラズマ中のイオンによるスパッタ作用で除去することで、シリコン基板Ｗのエッチング処理が進行する。
【００３８】
一方、エッチング処理を所定時間行った後、真空槽２１の内部に残留するエッチングガスが排気される。そして、保護膜形成用のプロセスガス（Ａｒ）が真空槽２１の内部に導入されることで保護膜形成工程が開始される。導入されたプロセスガスは、プラズマ形成空間２１ａでプラズマ化される。このとき、基板バイアス（ＲＦ２）はＯＦＦとなり、代わりに、第３の高周波電源（ＲＦ３）からの電力投入で天板バイアスがＯＮとなる。その結果、天板２９に設置されたターゲット材３０はプラズマ中のイオンによりスパッタされ、そのスパッタ物が基板Ｗの表面に付着する。
【００３９】
以上のようにして、エッチングパターンの底部及び側壁部に、保護膜として機能するポリマー層が形成される。
【００４０】
ここで、ターゲット３０から叩き出されたスパッタ粒子は、プラズマ形成空間２１ａに形成されているＮＬＤプラズマを通過して基板Ｗへ到達する。このとき、スパッタ粒子は、環状磁気中性線２５が形成される高密度プラズマ領域で分解、再励起されることにより、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）に類似する成膜形態で、基板の表面に対して等方的に入射する。したがって、本実施の形態によって得られるエッチングパターンの段差被覆（保護膜）は、カバレッジ性が高く、面内均一性に優れる。
【００４１】
なお、保護膜形成工程のプロセスガスとして、例えばＡｒとフロロカーボン系ガス（Ｃ４Ｆ８、ＣＨＦ３等）の混合ガスを用いることで、プロセスガス中の反応ガスがプラズマ形成空間２１ａにおいてプラズマ化し、そのラジカル生成物が基板表面に堆積することによって、保護膜として機能するポリマー層を形成することが可能である。更に、プロセスガスとして上記混合ガスを用いることで、Ａｒガスのみをプロセスガスとして用いる場合に比べて、スパッタレートの向上を図ることができる。
【００４２】
保護膜形成工程を所定時間行った後、再び上述したエッチング工程が行われる。このエッチング工程の初期段階は、エッチングパターンの底部を被覆する保護膜の除去作用に費やされる。その後、保護膜の除去により露出したエッチングパターンの底部のエッチング処理が再開される。このとき、プラズマ中のイオンは、基板バイアス作用によって基板に対して垂直方向に入射する。このため、エッチングパターンの側壁部に到達するイオンは、エッチングパターンの底部に到達するイオンに比べて少ない。したがって、エッチング工程の間、エッチングパターンの側壁部を被覆する保護膜は完全に除去されることなく残留する。これにより、エッチングパターンの側壁部とフッ素ラジカルとの接触が回避され、エッチングパターンの側壁部のエッチングによる浸食が回避される。
【００４３】
以降、上述のエッチング工程と保護膜形成工程が交互に繰り返し行われることで、基板表面に対して垂直方向の異方性エッチングが実現される。以上のようにして、基板Ｗの内部に高アスペクト比のビア（コンタクトホール、トレンチ）が作製される。
【００４４】
ところで、エッチング工程と保護膜形成工程の処理サイクルを繰り返すにつれて、保護膜の成膜レートが徐々に変化することがある。例えば、保護膜形成工程において高周波コイル２３へ供給される高周波電力（ＲＦ１）を１７００Ｗとした場合、ターゲットの使用時間が長くなるにつれて、スパッタレート（成膜レート）が高くなる傾向にある。スパッタレートが変動すると、エッチングパターンの形状精度にばらつきが生じて、所期のパターン精度を安定に維持することが困難となる。
【００４５】
図３は、ターゲットの使用時間（スパッタ時間）とスパッタレートとの関係例を示している。図３に示すように、高周波コイル２３へ供給される高周波電力（アンテナパワー、ＲＦ１）が１７００Ｗの場合、ターゲットの使用時間が長くなるにつれて、スパッタレートが徐々に上昇する傾向にある。したがって、ターゲット使用時間が長くなるにつれて保護膜の成膜レートが高くなり、パターンの形状精度にばらつきが生じる結果、エッチングパターンを高精度に維持することができなくなる。また、スパッタレートがターゲットの使用時間に強く依存する場合、ターゲットの交換直前とその交換直後との間で、スパッタレートに大きな差が発生する。その結果、ターゲットの交換後、保護膜の成膜プロセスの条件を設定し直す必要性が生じ、所望のエッチングパターンを安定して形成することが困難となる。
【００４６】
アンテナパワーを１７００Ｗにして、上述と同様な工程のプラズマ処理をしたときのエッチングパターンの一例の断面ＳＥＭ写真を図４（Ａ）、（Ｂ）に示す。図４（Ａ）は、ターゲットの交換直前に作製したサンプルを示し、図４（Ｂ）はターゲットの交換直後に作製したサンプルを示している。図４（Ｂ）から明らかなように、ターゲットの交換直後においては、スパッタレートが低下することに起因して保護膜の厚みが不十分となり、マスクの直下でアンダーカットが生じ、図４（Ａ）に示したパターン形状が得られない。
【００４７】
これに対して、本実施の形態では、アンテナパワー（ＲＦ１）を３０００Ｗとしている。アンテナパワーが３０００Ｗの場合、図３に示すように、ターゲットの使用時間に依存することなく、スパッタレートの安定化を図ることができる。これにより、長期にわたって安定した成膜レートを得ることが可能となり、所望のエッチングパターンを安定して形成することが可能となる。また、図３に示すように、アンテナパワーが３０００Ｗの場合、アンテナパワーが１７００Ｗの場合と比較して、高いスパッタレートを得ることができる。したがって、保護膜の形成工程に要する時間を短縮でき、生産性の向上を図ることが可能となる。
【００４８】
図４（Ｃ）は、アンテナパワーを３０００Ｗにして、上述と同様な工程のプラズマ処理をしたときのエッチングパターンの一例の断面ＳＥＭ写真を示している。図示するように、アンテナパワーが３０００Ｗの場合にはスパッタレートがほとんど変動しないため、ターゲットの交換前後を通じて保護膜を安定した成膜レートで形成することができる。これにより、所期のパターン形状を有するエッチングパターンを高精度かつ安定に作製することが可能となる。
【００４９】
なお、図４（Ｃ）に示したサンプル写真の製造条件を以下に示す。
［スパッタ条件］
処理圧力：２．６［Ｐａ］
アンテナパワー（ＲＦ１）：３０００［Ｗ］、１３．５６［ＭＨｚ］
天板バイアスパワー（ＲＦ３）：５００［Ｗ］、１２．５［ＭＨｚ］
処理時間：３［秒］
ターゲット：ＰＴＦＥ（５ｍｍ厚）
スパッタ用ガス：Ａｒ（３０［ｓｃｃｍ］）
磁気コイルへの供給電流：上段（２４Ａ）：３０．６［Ａ］、中段（２４Ｂ）：４９．５［Ａ］、下段（２４Ｃ）：３０．６［Ａ］
［エッチング条件］
処理圧力：６［Ｐａ］
アンテナパワー（ＲＦ１）：１５００［Ｗ］、１３．５６［ＭＨｚ］
ステージバイアスパワー（ＲＦ２）：１５０［Ｗ］、１２．５［ＭＨｚ］
処理時間：２［秒］
エッチング用ガス：Ａｒ／ＳＦ６（３０／１５０［ｓｃｃｍ］）
磁気コイルへの供給電流：上段（２４Ａ）：３０．６［Ａ］、中段（２４Ｂ）：５４．０［Ａ］、下段（２４Ｃ）：３０．６［Ａ］
【００５０】
図５は、ターゲットの使用時間が４時間、２０時間及び４０時間のときのアンテナパワー（ＲＦ１）とスパッタレートとの関係を示している。図５に示すように、アンテナパワー（ＲＦ１）が２ｋＷ（２０００Ｗ）以上の場合、ターゲットの使用時間に依存せずに安定したスパッタレートが得られる。これに対して、アンテナパワー（ＲＦ１）が２ｋＷ未満の場合、ターゲットの使用時間によってスパッタレートが大きく変動するという結果が得られた。スパッタレートの変動率で見ると、アンテナパワーが２ｋＷ以上の場合、３．７％以下で安定に推移することが認められる。
【００５１】
なお、上記スパッタレートの変動率の算出に際しては、同一条件でスパッタレートを２回以上測定し、以下の（１）式によって計算した。
変動率＝｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×１００（％）…（１）
【００５２】
また、アンテナパワー（ＲＦ１）の大きさに関係なく、天板２９に供給する高周波電力（天板バイアスパワー、ＲＦ３）が高いほど、スパッタレートが向上する。バイアスパワー（ＲＦ３）を高くすることで、プラズマ中のイオンをターゲット３０へと衝突させるバイアス効果が高まるからである。図６（Ａ）に、アンテナパワー（ＲＦ１）が３０００Ｗ及び１７００Ｗのときのバイアスパワー（ＲＦ３）とスパッタレートとの関係の一例を示す。
【００５３】
なお、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の例において、バイアスパワー（ＲＦ３）が１００Ｗの場合のスパッタレートを１としたときの各バイアスパワーにおけるスパッタレートの増加率を示している。図６（Ｂ）に示すように、アンテナパワー（ＲＦ１）が３０００Ｗの場合の方がスパッタレートの増加率は低い。バイアスパワー（ＲＦ３）によってスパッタレートをコントロールすることは可能であるものの、アンテナパワー（ＲＦ１）が高くなるに従い、バイアスパワー（ＲＦ３）のスパッタレートに関する寄与度は低くなることを示している。したがって、アンテナパワーが高い場合、バイアスパワーのスパッタレートに関する寄与度が低くなるので、バイアスパワーの電源出力に多少の変動が発生したとしても、スパッタレートに影響せず、安定な成膜を行うことが可能となる。
【００５４】
さらに、本実施の形態においては、スパッタ工程におけるアンテナパワーよりも、エッチング工程におけるアンテナパワーを低くし、エッチング工程における圧力を、スパッタ工程における圧力よりも高くしている。しかし、これに限られるわけではなく、基板の種類やターゲットの種類に応じて、最適なスパッタ条件とエッチング条件を選択することができる。例えば、スパッタ工程におけるアンテナパワーと同じパワーでエッチングを行ってもよいし、スパッタ工程における圧力と同じ圧力でエッチングを行ってもよい。
【００５５】
そして、本実施の形態のプラズマ処理装置２０においては、ＮＬＤ方式のプラズマ発生機構を備えているので、通常のＩＣＰ型プラズマ処理装置に比べて、高密度なプラズマを形成でき、スパッタ効率および成膜レートの向上を図れるようになる。
【００５６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５７】
例えば、以上の実施の形態では、スパッタ処理とエッチング処理を交互に実施してシリコン基板に高アスペクト比のエッチングパターンを形成する例について説明したが、これに限られず、誘導結合プラズマを利用した成膜専用のスパッタ装置及びスパッタ方法にも、本発明は適用可能である。
【００５８】
また、以上の実施の形態では、高周波コイルと磁気コイルとを併用したＮＬＤ方式のプラズマ処理装置を例に挙げて説明したが、高周波コイルのみ用いたＩＣＰ方式のプラズマ処理装置にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】図１に示したプラズマ処理装置の動作例を説明するタイミングチャートである。
【図３】図１のプラズマ処理装置において、ターゲットの使用時間とスパッタレートとの関係の一例を示す図である。
【図４】図１のプラズマ処理装置を用いて作製したエッチングパターンの断面ＳＥＭ写真である。
【図５】図１のプラズマ処理装置において、アンテナパワーとスパッタレートとの関係の一例を示す図である。
【図６】図１のプラズマ処理装置において、ターゲットに印加するバイアスパワーとスパッタレートとの関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
２０…プラズマ処理装置
２１…真空槽
２２…筒状壁
２３…高周波コイル（アンテナコイル）
２４…磁気コイル群
２５…磁気中性線
２６…ステージ
２９…天板
３０…ターゲット材
３１…ガス導入管
ＲＦ１…第１の高周波電源（アンテナパワー）
ＲＦ２…第２の高周波電源（基板バイアスパワー）
ＲＦ３…第３の高周波電源（天板バイアスパワー）
Ｗ…基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を収容した真空室内にスパッタ用ガスを導入し、
前記真空室の周囲に巻回したアンテナコイルに２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給することで前記真空室内に前記スパッタ用ガスのプラズマを形成し、
前記基板に対向して配置されたターゲット材を前記プラズマ中のイオンでスパッタすることで前記基板を成膜する
プラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記基板を成膜した後、前記真空室内にエッチング用ガスを導入し、
前記エッチング用ガスのプラズマを形成して前記基板をエッチングし、
前記基板をエッチングした後、さらに、前記基板を成膜する
プラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
前記基板をエッチングする工程は、前記基板に第２の高周波電力を供給し、
前記基板を成膜する工程は、前記ターゲットに第３の高周波電力を供給する
プラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記ターゲットを構成する材料は、ポリテトラフルオロエチレンであり、
前記基板は、シリコン基板である
プラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記第１の高周波電力は、３ｋＷである
プラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記プラズマを形成する工程は、前記真空室の周囲に巻回した複数の磁気コイルに電流を供給して前記真空室内に磁気中性線を形成することを含む
プラズマ処理方法。
【請求項７】
真空室を形成する真空槽と、
前記真空室に収容された基板を支持するステージと、
前記ステージと対向する位置に配置されたターゲットと、
前記真空室内へスパッタ用ガスを導入するためのガス導入手段と、
前記真空室の周囲に配置されたアンテナコイルと、
前記アンテナコイルへ２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給するための第１の高周波電源と
を具備するプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマ処理装置であって、
前記ステージへ第２の高周波電力を供給する第２の高周波電源と、
前記ターゲットへ第３の高周波電力を供給する第３の高周波電源とをさらに具備する
プラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマ処理装置であって、
前記真空室内へ磁気中性線を形成するための複数の磁気コイルをさらに具備する
プラズマ処理装置。
【請求項１】
基板を収容した真空室内にスパッタ用ガスを導入し、
前記真空室の周囲に巻回したアンテナコイルに２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給することで前記真空室内に前記スパッタ用ガスのプラズマを形成し、
前記基板に対向して配置されたターゲット材を前記プラズマ中のイオンでスパッタすることで前記基板を成膜する
プラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記基板を成膜した後、前記真空室内にエッチング用ガスを導入し、
前記エッチング用ガスのプラズマを形成して前記基板をエッチングし、
前記基板をエッチングした後、さらに、前記基板を成膜する
プラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
前記基板をエッチングする工程は、前記基板に第２の高周波電力を供給し、
前記基板を成膜する工程は、前記ターゲットに第３の高周波電力を供給する
プラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記ターゲットを構成する材料は、ポリテトラフルオロエチレンであり、
前記基板は、シリコン基板である
プラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記第１の高周波電力は、３ｋＷである
プラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記プラズマを形成する工程は、前記真空室の周囲に巻回した複数の磁気コイルに電流を供給して前記真空室内に磁気中性線を形成することを含む
プラズマ処理方法。
【請求項７】
真空室を形成する真空槽と、
前記真空室に収容された基板を支持するステージと、
前記ステージと対向する位置に配置されたターゲットと、
前記真空室内へスパッタ用ガスを導入するためのガス導入手段と、
前記真空室の周囲に配置されたアンテナコイルと、
前記アンテナコイルへ２ｋＷ以上の第１の高周波電力を供給するための第１の高周波電源と
を具備するプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマ処理装置であって、
前記ステージへ第２の高周波電力を供給する第２の高周波電源と、
前記ターゲットへ第３の高周波電力を供給する第３の高周波電源とをさらに具備する
プラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマ処理装置であって、
前記真空室内へ磁気中性線を形成するための複数の磁気コイルをさらに具備する
プラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２１４４２（Ｐ２０１０−２１４４２Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８１９６１（Ｐ２００８−１８１９６１）
【出願日】平成２０年７月１１日（２００８．７．１１）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１１日（２００８．７．１１）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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