JP2000306891A

JP2000306891A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2000306891A
Application number: JP11114558A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kadoya; 誠浩角屋; Hitoshi Tamura; 仁田村; Seiichi Watanabe; 成一渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 1999-04-22
Publication date: 2000-11-02

Abstract

(57)【要約】【解決手段】真空排気装置が接続され内部を減圧可能な
真空容器１と該真空容器１内へガスを供給するガス供給
装置４、該真空容器１内にプラズマを発生させる手段、
被処理基板１０、該被処理基板１０を載置可能な基板電
極９、該被基板電極９に高周波電力を供給するための高
周波電源１２、該基板電極９と該高周波電源１２間に接
続された整合器１１、該真空容器１に設置されたアース
電極８からなるプラズマ処理装置において、該基板電極
を電位調整機構を介して接地する。【効果】本発明により、被処理基板に比べてアース電極
面積が小さい場合にも十分な自己バイアス電位を発生さ
せる事ができ、効率良くプラズマ中のイオンを被処理材
に入射させるため、高精度な表面処理を行う事ができる
という効果がある。同時に、少ないアース電極面積でも
十分な自己バイアス電位が得られるため、装置の小型化
がはかれるという効果もある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置に
係わり、特に半導体素子基板などの被処理材に高周波電
力を印加しプラズマを用いて表面処理を施すのに好適な
プラズマ処理方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子基板などの製作にプラズマ処
理が多く使用されているが、特にエッチング処理をプラ
ズマ処理装置を用いて行う場合、処理ガスをプラズマ化
し活性化することで、処理の高速化をはかる事ができ
る。また、被処理基板に高周波電力を供給し、自己バイ
アス電位を発生させ、イオン衝撃と活性種との相乗効果
により、高精度のエッチング処理を実現している。しか
し、特願平０８−７８９３４に記載のように、十分な自
己バイアス電位を発生させるためには、被処理基板面積
に対して十分大きな面積を有するアース電極を設置する
必要があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】半導体集積回路の集積
度が高まるにつれて、その製造工程もより複雑化する傾
向がある。これに対し被処理基板を大面積化しスループ
ットを向上する事が試みられてきた。次世代の被処理基
板は直径３００ｍｍの基板が用いられる見込みであり、
これに対応する半導体処理装置を提供する必要がある。

【０００４】アース電極面積に対して被処理基板面積が
大きくなり、プラズマに接する面積が増加すると被処理
基板がプラズマ電位に与える影響が大きくなり、自己バ
イアス電位が十分に発生せず、高精度なプラズマ処理を
行う事が困難になる傾向にある。また、アース面積の増
加は装置の大型化をもたらすという問題もある。また自
己バイアス電位が不十分であるとアース電極・プラズマ
間シース電圧が増加しアース電極にイオン入射による損
傷が発生し、アース電極の劣化および異物の発生などの
問題もある。

【０００５】本発明の目的は、被処理基板面積に比べて
十分大きなアース面積を確保できない場合にも、効果的
に自己バイアス電位を発生させ、高精度な表面処理が可
能なプラズマ処理装置を提供する事にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理装
置では、基板電極に整流機能をもつ基板電極電位制御回
路を接続する事により、自己バイアス電位をアース電極
面積によらず効率良く発生させ、高精度のエッチングを
可能とする事ができる。また、整流機能を持つアース電
極電位制御回路をアース電極に接続する事により、アー
ス電極・プラズマ間電位を低減し、アース電極へのイオ
ン衝撃を低減する事により、アース電極の劣化およびア
ース電極に起因する異物の発生を低減する事が可能であ
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例を図
１から図６を用いて説明する。

【０００８】図１に本発明を用いたプラズマ処理装置の
一実施例である、有磁場マイクロ波プラズマドライエッ
チング装置を示す。上部が開放された真空容器１上部に
誘電体窓２（例えば石英窓）を設置し密封する。また真
空容器１には真空排気装置（図示省略）に接続された真
空排気口３およびガス供給装置４が接続されている。真
空容器１の内面には異物が真空容器壁面より混入するこ
とを防止するためのカバー７が設置されている。また真
空容器１の側面にはアース電極８が設置され、アース電
極電位制御回路１４を介して接地されている。また、真
空容器１の下部には基板電極９が設置され、整合器１１
を介して高周波電源１２に接続されている。また基板電
極９は基板電極電位制御回路１３を介して接地されてい
る。整合器１１の内部にはブロッキングコンデンサと呼
ばれるコンデンサがあり、直流的に基板電極９と高周波
電源１２を絶縁している。被処理材１０は基板電極９に
載置可能である。

【０００９】上記のように構成された装置において、真
空容器１の内部を真空排気装置（図示省略）により減圧
した後、ガス供給装置４よりエッチングガスを石英製の
多孔を有するシャワープレート１９を介して導入し所望
の圧力に調整する。電磁波源２０から放射された例えば
２．４５ＧＨｚの電磁波は、円矩形変換器２１を伝播し
空洞共振器６により誘電体窓２を介して真空容器１内に
放射され、磁場発生用コイル５により発生された磁場と
の相互作用により、効率良くガスを電離しプラズマを発
生させる。

【００１０】基板電極９には高周波電源１２より整合器
１１を介して供給される高周波電力（例えば周波数８０
０ｋＨｚ）により自己バイアス電位Vdcが形成される。
この自己バイアス電位Vdcにより、基板電極９上の被処
理材１０とプラズマとの間に電位が形成され、その電位
により加速されたイオンが被処理材に垂直に入射するた
め、高精度のエッチング処理を行う事が出来る。本一実
施例では、この自己バイアス電位Vdcを効率的に発生す
るため、基板電極９には効率良くイオンを基板電極に入
射させるための基板電極電位制御回路１３が接続されて
いる。図２aに基盤電極電位制御回路の例を示す。基盤
電極電位制御回路１３は例えば周波数８００ｋＨｚの高
周波電力が基板電極電位制御回路１３に流入する事を防
止するローパスフィルタとして作用するインダクタとダ
イオードとの直列接続である。ダイオードは基板電極９
に効率良くプラズマ電位に対して負の自己バイアス電位
Vdcが発生するように作用する。

【００１１】従って本一実施例では被処理材１０には効
率良くイオンが入射し、高精度のエッチング処理を行う
ことが出来るという効果がある。

【００１２】図３は自己バイアス電位／電極電圧振幅比
対アース電極面積／基板電極面積比の関係を示す特性図
であり、自己バイアス電位発生効率のアース／基板電極
面積比との関係を示している。図３において、縦軸は自
己バイアス電位Ｖｄｃと基板電極電位の振幅Ｖｐｐの比
であり、負側に大きいほど自己バイアス電位が効率良く
発生している事を現している。横軸はアース電極面積／
基板電極面積比である。縦軸、横軸とも等分目盛りであ
る。これによると、基板電極電位制御回路１３を用いな
い従来の方式（図中○印）では、基板電極面積に比べて
アース電極面積が小さい場合、自己バイアス電位は正と
なり高精度のエッチング処理は不可能であるが、基板電
極電位制御回路１３を用いた方式（図中□印）では、ア
ース電極面積の大きさに関わらず一定な負の自己バイア
ス電位を発生することから、いかなるアース面積におい
ても高精度なエッチング処理が可能となるように作用す
る。

【００１３】従って本一実施例では、アース電極を小型
化する事ができるので、処理装置を小型化する事ができ
るという効果がある。ここでは、基板電極電位制御回路
１３と、高周波電源１２および整合器１１を並列に接続
したが、基板電極電位制御回路１３と整合器１１を同一
の回路とすることも可能である。

【００１４】図１において高周波電源１２により供給さ
れる高周波電力は、整合器１１、基板電極１０、被処理
材１０を介してプラズマに印加され、プラズマ電位の揺
動を発生させる。プラズマ電位の揺動はアース電極、プ
ラズマ間シース電圧を増大させ、アース電極へ加速され
たイオンが入射し、アース電極の劣化・アース電極に起
因する異物発生を増大させる。本一実施例では、アース
電極・プラズマ間シース電圧を極小化するため、アース
電極８にはアース電極電位制御回路１４が接続されてい
る。

【００１５】図４にアース電極電位制御回路の例を示
す。一般に電子の拡散速度がイオンの拡散速度に比べて
早いために、プラズマ電位は正に保たれる。従って、ダ
イオードの作用によりアース電極電位はプラズマ電位と
等しくなるため、アース電極・プラズマ間電位は消滅
し、アース電極のイオン衝撃による劣化を低減する事が
できる。

【００１６】図５はアース電極・プラズマ間電圧波形で
ある。縦軸はアース電極・プラズマ間電圧であり、横軸
は時間である。縦軸、横軸ともに等分目盛りである。こ
れによれば、従来方式（図中の点線）と比べて、アース
電極電位制御回路を使用した方式（図中の実践）ではア
ース電極・プラズマ間シース電圧を低下する事が可能で
ある。このように、アース電極電位制御回路１４は、ア
ース電極電位とプラズマ電位との電位差を低減するよう
に作用するため、アース電極へのイオン衝撃が低減する
事から、アース電極の劣化及びアース電極に起因する異
物の発生を低減できる効果がある。

【００１７】また基板電極電位制御回路１３として図２
ｂに示すダイオードを使用する事により、基板電極９に
供給する正の高周波電力をカットすることにより、プラ
ズマ電位の揺動を抑制する事が可能である。図６は基板
電極電位制御回路１３として、図２a,b両方式を用いた
場合の比較である。いずれも縦軸は電圧、横軸は時間で
あり、縦軸横軸ともに等分目盛りである。コイルとダイ
オードを直列に接続した図２aの方式よりもダイオード
のみを使用した図2bの方式の方が、電極電位（図中の実
践）の正部分がカットされ、プラズマ電位（図中の点
線）の揺動が低減されている。このように基板電極電位
制御回路１３として図２ｂのような回路を使用すること
は、プラズマ電位の揺動を低減するように作用し、アー
ス電極・プラズマ間シース電圧を低下させる事から、ア
ース電極の劣化及びアース電極に起因する異物の発生を
低減できる効果がある。

【００１８】次に本発明の第２の実施例を図７を用いて
説明する。図７において図１と同符号は同一部材とし説
明を省略する。図７が図１と異なる点を以下説明する。
真空容器１上部にドーナツ状の誘電体窓２a（例えば石
英窓）が設置してある。また誘電体窓２a中心の下面に
は円盤状のアース電極８aが設置してある。アース電極
８aは内部導体１５、アース電極電位制御回路１４を介
して接地されている。電磁波源（図示省略）から放射さ
れた例えば２．４５ＧＨｚの電磁波は、同軸線路１６を
伝播し、誘電体窓２a中を中心から外周部に向けて放射
状に伝播し、真空容器１内に放射されプラズマを生成す
る。本一実施例では、第１の実施例と同様の作用により
被処理基板に比べてアース電極面積が小さい場合にも十
分な自己バイアス電位を発生させる事ができ、効率良く
プラズマ中のイオンを被処理材に入射させるため、高精
度な表面処理を行う事ができるという効果がある。同時
に、少ないアース電極面積でも十分な自己バイアス電位
が得られるため、装置の小型化が図れるという効果もあ
る。また、アース電極・プラズマ間シース電位を低下す
る事ができるため、アースへのイオン衝撃が低減し、ア
ースの劣化及びアースに起因する異物の発生を抑制する
事が出来るという効果がある。

【００１９】次に本発明の第３の実施例を図８を用いて
説明する。本図において図１と同符号は同一部材とし説
明を省略する。本図が図１と異なる点を以下説明する。
誘電体窓２上部にはループアンテナ１７が設置され、ル
ープアンテナ１７は例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電
力を供給する高周波電源（図示省略）に整合器（図示省
略）を介して接続されている。ループアンテナ１７は誘
電体窓２を介して真空容器１内に高周波電力を放射し、
プラズマを生成する。本一実施例では、第１の実施例と
同様の作用により被処理基板に比べてアース電極面積が
小さい場合にも十分な自己バイアス電位を発生させる事
ができ、効率良くプラズマ中のイオンを被処理材に入射
できるため、高精度な表面処理を行う事ができるという
効果がある。同時に、少ないアース電極面積でも十分な
自己バイアス電位が得られるため、装置の小型化がはか
れるという効果もある。また、アース電極・プラズマ間
シース電位を低下する事ができるため、アースへのイオ
ン衝撃が低減し、アースの劣化及びアースに起因する異
物の発生を抑制する事が出来るという効果がある。

【００２０】次に本発明の第４の実施例を図９を用いて
説明する。本図において図１と同符号は同一部材とし説
明を省略する。本図が図１と異なる点を以下説明する。
上部が開放された真空容器１aに絶縁リング１８および
アース電極８ｂを設置し密封する。絶縁リング１８によ
り、アース電極８ｂと真空容器１aは絶縁されている。
またアース電極８ｂはアース電極電位制御回路１４を介
して接地されている。高周波電源１２aから整合器１１
および基板電極９を介して供給される高周波電力（例え
ば周波数１３．５６ＭＨｚ）はプラズマを生成する。本
一実施例では、第１の実施例と同様の作用により被処理
基板に比べてアース電極面積が小さい場合にも十分な自
己バイアス電位を発生させる事ができ、効率良くプラズ
マ中のイオンを被処理材に入射させるため、高精度な表
面処理を行う事ができるという効果がある。同時に、少
ないアース電極面積でも十分な自己バイアス電位が得ら
れるため、装置の小型化が図れるという効果もある。ま
た、アース電極・プラズマ間シース電位を低下する事が
できるため、アースへのイオン衝撃が低減し、アースの
劣化及びアースに起因する異物の発生を抑制する事が出
来るという効果がある。

【００２１】次に本発明の第５の実施例を図１０を用い
て説明する。図１０において図１と同符号は同一部材と
し説明を省略する。図１０が図１と異なる点を以下説明
する。上部が開放された真空容器１ｂ上部にリング状の
誘電体窓２ｂおよび円盤状の上部電極２２を設置し密封
する。上部電極２２はエッチングガスを導入するための
多孔構造となっており、ガス供給装置４に接続されてい
る。また上部電極２２は同軸線路２４を介してプラズマ
生成用高周波電源２５（例えば周波数４５０ＭＨｚ）、
アンテナバイアス用高周波電源２７（例えば周波数１
３．５６ＭＨｚ）がそれぞれフィルタ２６、２７を介し
て接続されている。ここでフィルタ２６、２７はそれぞ
れに接続されている高周波電源の周波数の高周波電力の
みを通過させるバンドパスフィルタとして作用する。さ
らに、上部電極２２は同軸線路２４およびフィルタ２９
を介してアース電極電位制御回路１４に接続されてい
る。アース電極電位制御回路１４は接地されている。こ
こで、フィルタ２９はプラズマ生成用高周波電源２５お
よびアンテナバイアス用高周波電源２７から供給された
高周波電力が、アース電極電位制御回路に流入すること
を防止するように作用する。真空容器１ｂの内面には異
物が真空容器壁面より混入することを防止するためのカ
バー７が設置されている。

【００２２】また真空容器１ｂの下部には基板電極９が
設置され、フィルター３０、整合器１１を介して高周波
電源１２に接続されている。フィルター３０は、プラズ
マ生成用電源２５およびアンテナバイアス用電源２７か
ら供給された高周波電力が高周波電源１２に流入するこ
とを防止するように作用する。また、基板電極９はフィ
ルタ３１を介して基板電極電位制御回路１３に接続され
ている。基板電極電位制御回路１３は接地されている。
整合室１１の内部にはブロッキングコンデンサと呼ばれ
るコンデンサがあり、直流的に基板電極９と高周波電源
１２を絶縁している。被処理材１０は基板電極９に載置
可能である。

【００２３】上記のように構成された装置において、真
空容器１ｂの内部を真空排気装置（図示省略）により減
圧した後、ガス供給装置４よりエッチングガスを上部電
極２２の多孔より導入し、所望の圧力に調整する。プラ
ズマ生成用高周波電源２５から真空容器１ｂ内に放射さ
れた例えば４５０ＭＨｚの電磁波は、ガスを電離しプラ
ズマを発生する。また、上部電極２２にはアンテナバイ
アス用電源２７より例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電
力が供給される。本実施例では、第１の実施例と同様の
作用により十分な自己バイアス電位を発生させる事がで
き、効率良くプラズマ中のイオンを被処理材に入射させ
るため、高精度な表面処理を行う事ができるという効果
がある。また、基板電極９に供給した高周波電力（例え
ば周波数８００ｋＨｚ）により発生する上部電極・プラ
ズマ間シース電位を低下する事ができるため、上部電極
２２へのイオン衝撃が低減し、上部電極の劣化を抑制す
る事が出来るという効果がある。

【００２４】次に本発明の第６の実施例を図１１を用い
て説明する。本図において図１と同符号は同一部材とし
説明を省略する。本図が図１と異なる点を以下説明す
る。上部が開放された真空容器１a上部にリング状の誘
電体窓２cを設置し密封する。誘電体窓上部に上部電極
２２および誘電体窓2bが設置されている。また上部電極
２２は同軸線路２４を介してプラズマ生成用高周波電源
２５（例えば周波数４５０ＭＨｚ）が、れフィルタ２６
を介して接続されている。ここでフィルタ２６は接続さ
れている高周波電源の周波数の高周波電力のみを通過さ
せるフィルタとして作用する。また真空容器１の下部に
は基板電極９が設置され、フィルター３０、整合器１１
を介して高周波電源１２に接続されている。フィルター
３０は、プラズマ生成用電源２５から供給された高周波
電力が高周波電源１２に流入することを防止するように
作用する。

【００２５】また、基板電極９はフィルタ３１を介して
基板電極電位制御回路１３に接続されている。基板電極
電位制御回路１３は接地されている。上記のように構成
された装置において、真空容器１の内部を真空排気装置
（図示省略）により減圧した後、ガス供給装置４よりエ
ッチングガスを導入し、所望の圧力に調整する。プラズ
マ生成用高周波電源２５から真空容器１内に放射された
例えば４５０ＭＨｚの電磁波は、ガスを電離しプラズマ
を発生する。本一実施例では、第１の実施例と同様の作
用により被処理基板に比べてアース電極面積が小さい場
合にも十分な自己バイアス電位を発生させる事ができ、
効率良くプラズマ中のイオンを被処理材に入射させるた
め、高精度な表面処理を行う事ができるという効果があ
る。同時に、少ないアース電極面積でも十分な自己バイ
アス電位が得られるため、装置の小型化が図れるという
効果もある。

【００２６】また、アース電極・プラズマ間シース電位
を低下する事ができるため、アースへのイオン衝撃が低
減し、アースの劣化及びアースに起因する異物の発生を
抑制する事が出来るという効果がある。

【００２７】以上の実施例のように本発明は被処理基板
に高周波電力を印加するプラズマ処理装置に適用可能で
あり、特定のプラズマ発生方式に固有のものではない。

【００２８】

【発明の効果】本発明により、被処理基板に比べてアー
ス電極面積が小さい場合にも十分な自己バイアス電位を
発生させる事ができ、効率良くプラズマ中のイオンを被
処理材に入射させるため、高精度な表面処理を行う事が
できるという効果がある。同時に、少ないアース電極面
積でも十分な自己バイアス電位が得られるため、装置の
小型化がはかれるという効果もある。また、アース電極
・プラズマ間シース電位を低下する事ができるため、ア
ースへのイオン衝撃が低減し、アースの劣化及びアース
に起因する異物の発生を抑制する事が出来るという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いたプラズマ処理装置の第１の実施
例であるドライエッチング装置を示す縦断面図である。

【図２】本発明の実施例に係わる基板電極電位制御回路
の説明図である。

【図３】本発明の実施例に係わる自己バイアス電位とア
ース電極面積との関係図である。

【図４】本発明の実施例に係わるアース電極電位制御回
路の説明図である。

【図５】本発明の実施例に係わるアース電極・プラズマ
間電圧波形の説明図である。

【図６】本発明の実施例に係わる基板電極電位制御回路
によるアース電極・プラズマ間シース電圧の制御例の説
明図である。

【図７】本発明を用いたプラズマ処理装置の第２の実施
例であるドライエッチング装置を示す縦断面図である。

【図８】本発明を用いたプラズマ処理装置の第３の実施
例であるドライエッチング装置を示す縦断面図である。

【図９】本発明を用いたプラズマ処理装置の第４の実施
例であるドライエッチング装置を示す縦断面図である。

【図１０】本発明を用いたプラズマ処理装置の第５の実
施例であるドライエッチング装置を示す縦断面図であ
る。

【図１１】本発明を用いたプラズマ処理装置の第６の実
施例であるドライエッチング装置を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１,１a,１ｂ…真空容器、２,２a,２ｂ,２ｃ…誘電体
窓、３…真空排気口、４…ガス供給装置、５…磁場発生
用コイル、６…空洞共振器、７…カバー、８,８a,８ｂ
…アース電極、９…基板電極、１０…被処理材、１１…
整合器、１２, １２a…高周波電源、１３…基板電極電
位制御回路、１４…アース電極電位制御回路、１５…内
部導体、１６…同軸線路、１７…ループアンテナ、１８
…絶縁リング、１９…シャワープレート、２０…電磁波
源、２１…円矩形変換器、２２…上部電極、２３…内部
導体、２４…同軸線路、２５…プラズマ生成用高周波電
源、２６,２８,２９,３０,３１…フィルター、２７…ア
ンテナバイアス用高周波電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺成一山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内Ｆターム(参考） 4K057 DA02 DD01 DM02 DM05 DM08 DM16 DM17 DM18 DM21 DM22 DM28 DM29 DM31 DM33 DM40 DN01 5F004 AA06 BA04 BA09 BA14 BA20 BB11 BB13 BB14 BB18 BB28 BC08 CA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空排気装置が接続され内部を減圧可能な
処理室と該処理室内へガスを供給するガス供給装置、該
処理室内にプラズマを発生させる手段、被処理基板、該
被処理基板を載置可能な基板電極、該被基板電極に高周
波電力を供給するための高周波電源、該基板電極と該高
周波電源間に接続された整合器、該処理室内に接地され
たアース電極からなるプラズマ処理装置において、前記
基板電極に電位調整機構を接続した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、電位調整機構がダイオード素子により構成された事
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、電位調整機構がリアクタンス素子およびダイオード
素子により構成された事を特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項４】真空排気装置が接続され内部を減圧可能な
処理室と該処理室内へガスを供給するガス供給装置、該
処理室内にプラズマを発生させる手段、被処理基板、該
被処理基板を載置可能な基板電極、該被基板電極に高周
波電力を供給するための高周波電源、該基板電極と該高
周波電源間に接続された整合器、該処理室内に接地され
たアース電極からなるプラズマ処理装置において、前記
アース電極に電位調整機構を接続したことを特徴とする
プラズマ処理装置。
【請求項５】請求項４記載のプラズマ処理装置におい
て、電位調整機構がダイオード素子により構成された事
を特徴とするプラズマ処理装置。