JP2001007089A

JP2001007089A - プラズマ処理方法及び装置

Info

Publication number: JP2001007089A
Application number: JP11179987A
Authority: JP
Inventors: Shiyuushin Amano; 修臣天野; Shoji Nakatani; 祥二中谷; Kenji Sumita; 賢二住田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ処理中に発生するプラズマの状態を
制御できるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】高周波電力発生源５とチャンバ１内に導
入されたガスをプラズマ化する磁界を発生させるコイル
６とのインピーダンス整合をとるインピーダンス整合器
７を備えたプラズマ処理装置において、コイル６とイン
ピーダンス整合器７の間に電圧・電流検出部１２を配設
し、電圧・電流検出部１２で検出された電圧・電流によ
り電圧、電流、位相差、インピーダンス、電力の高調波
成分を測定する高調波測定手段１３を設け、その測定結
果と実験的に判っているプラズマ処理結果との相関に基
づいて、高周波電力量とガス供給量とチャンバ１内の圧
力のすべて又は何れかを制御することでプラズマの状態
を制御するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ドライエッチング
装置、プラズマＣＶＤ装置、スパッタリング装置等のプ
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】近年、プラズマ処理は、ドライエッチン
グによる微細加工、薄膜形成、及び表面改質等の物質の
表面処理に広く利用されており、特に半導体の分野にお
いては、超高集積回路装置を製造する上で必要不可欠な
技術となっている。

【０００３】従来、プラズマ処理装置には、容量結合型
の平行平板プラズマ処理装置が広く用いられてきた。こ
れは、均一なプラズマ処理が要求される中で、比較的低
い真空度の圧力下で均一な低密度プラズマを容易に発生
させることができることによるものである。

【０００４】ところが、半導体集積回路の微細化が進む
につれ、最近では高い真空度の圧力下で高密度プラズマ
を生成する必要が生じてきており、コイルに流れる高周
波電流により形成される誘導磁界を減圧下の空間に作用
させてプラズマを発生させる誘導結合型プラズマ発生装
置及びそれを用いたプラズマ処理装置が注目を集めてい
る。

【０００５】ドライエッチング装置の場合は、高真空に
おいてプラズマを発生させると、基板表面に形成される
イオンシース中でイオンがイオン又は他の中性ガス粒子
と衝突する確率が小さくなるために、イオンの方向性が
基板に向かって揃い、エッチング異方性が高められ、高
アスペクト比の加工が可能になる。また、プラズマＣＶ
Ｄの場合は、高真空においてプラズマを発生させると、
イオンによるスパッタリング効果によって微細パターン
の埋め込みと平坦化作用が得られ、高アスペクト比の加
工が可能になる。

【０００６】以下、従来の誘導結合型プラズマ処理装置
の一例について、図２を参照して説明する。図２におい
て、１０１は円筒状のチャンバであって、このチャンバ
１０１の内部は、圧力制御手段１１０により所定の圧力
に保持される。チャンバ１０１には、反応ガスを導入す
る反応ガス導入手段１０９、図示しない排気手段及び被
処理物を出し入れする搬入出手段が設けられている。チ
ャンバ１０１の底部には、絶縁体１０２を介して下部電
極（試料台）１０３が設けられており、この下部電極１
０３はエッチングや膜堆積を行う半導体ウエハ等の被処
理物１０４を保持する。

【０００７】チャンバ１０１の上方には、第１の高周波
（ＲＦ：Radio Frequency ) 電源１０５が設けられると
ともに、各一端が接地された４本の渦巻き状のコイル部
分が電気的に並列に接続されてなるマルチスパイラルコ
イル１０６が設けられている。第１の高周波電源１０５
はインピーダンス整合器１０７を介してマルチスパイラ
ルコイル１０６に接続されている。

【０００８】チャンバ１０１の下方には、第２の高周波
電源１０８が設けられている。第２の高周波電源１０８
は、チャンバ１０１及び絶縁体１０２とは電気的に絶縁
されている一方、下部電極１０３とは電気的に接続され
ており、チャンバ１０１内に生成されるプラズマに対し
て高周波バイアス電圧を印加する。通常、安全のために
第１の高周波電源１０５、第２の高周波電源１０８及び
マルチスパイラルコイル１０６の接地電位は、チャンバ
１０１と同電位にとられている。

【０００９】次に、以上の構成の誘導結合型プラズマ処
理装置を用いてプラズマ処理を行う方法について説明す
る。まず、図示しない搬入出手段により被処理物１０４
をチャンバ１０１内に搬入して下部電極１０３の上に保
持する。その後、反応ガス導入手段１０９より反応ガス
をチャンバ１０１に導入するとともに、図示しない排気
手段によりチャンバ１０１内の気体を排出し、圧力制御
手段１１０によりチャンバ１０１の内部を所定の圧力に
維持する。次に、第１の高周波電源１０５から高周波電
力をマルチスパイラルコイル１０６に印加するととも
に、第２の高周波電源１０８から高周波電力を下部電極
１０３に印加する。

【００１０】ここで、プロセス結果等に影響を及ぼす反
応ガス導入手段１０９より導入するガスの供給量、圧力
制御手段１１０で調整するチャンバ１０１内の圧力、第
１の高周波電源１０５及び第２の高周波電源１０８から
印加する高周波電力供給量は、予め実験的に目標値が求
められ、プロセス制御中はその目標値となるように、コ
ントローラ１１１より指令を出し、コントロールされて
いる。

【００１１】こうして、マルチスパイラルコイル１０６
に印加される高周波電力によりマルチスパイラルコイル
１０６に高周波電流が流れ、この高周波電流により発生
する交番磁界がチャンバ１０１に作用するので、チャン
バ１０１内の空間に存在する電子は、マルチスパイラル
コイル１０６により発生する磁界を打ち消すような磁界
を発生させる方向に移動する。この誘導結合によって電
子が移動することにより、チャンバ１０１内の気体がプ
ラズマ化する。

【００１２】この場合、インピーダンス整合器１０７は
プラズマに対してインピーダンス整合をとるので、安定
なプラズマ放電を起こすことができる。チャンバ１０１
内に生成されたプラズマを被処理物１０４に作用させる
ことにより、被処理物１０４の表面酸化、表面窒化及び
不純物ドープ等の表面改質、並びに被処理物１０４表面
での薄膜形成及びドライエッチングなどが可能となる。

【００１３】被処理物１０４に対する処理が終了した時
点で、第１の高周波電源１０５及び第２の高周波電源１
０８からの高周波電力の供給を終了した後、チャンバ１
０１内への反応ガス導入を終了するとともに、チャンバ
１０１の残留気体を排出し、その後、被処理物１０４を
チャンバ１０１の外部に取り出すと、プラズマ処理は完
了する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のプラズマ処理装置では、チャンバ１０１内において
は、チャンバ１０１の壁面がコンタミネーションやデポ
ジションにより短時間または長時間で変動したり、温度
変化による各部材の電気的特性の変化等の要因により、
コイル１０６や下部電極１０３に供給される実際の電力
が変動する場合があり、高周波電源１０５、１０８によ
って設定した電力値と、実際に供給される電力とが異な
ってしまい、発生するプラズマの状態が変化する。とこ
ろが、高周波電源１０５、１０８、圧力制御手段１１
０、ガス導入手段１０９は、予め実験的に目標値が求め
られており、処理中はこの目標値になるようにコントロ
ーラ１１１より指令を出し、コントロールされているた
めに、例えばエッチングにおいては、エッチングレート
や均一性が変動してしまうという問題があった。

【００１５】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、プラ
ズマ処理中に発生するプラズマの状態を制御できるプラ
ズマ処理方法及び装置を提供することを目的としてい
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理方
法は、高周波電源からインピーダンス整合器を介してコ
イルに高周波電力を供給してチャンバ内に磁界を発生さ
せ、チャンバ内に導入されたガスをプラズマ化して処理
を行うプラズマ処理方法において、プラズマ処理中にプ
ラズマの状態の変化を検出し、検出結果に基づいて高周
波電源から出力される高周波電力量とガス供給量とチャ
ンバ内の圧力の全て又はいずれかを制御するものであ
る。

【００１７】すなわち、プラズマ処理を行っているプラ
ズマ放電中において、電流・電圧波形はさまざまな歪み
波形となり、この波形の歪み・変動はプラズマの状態の
変化に対応しており、プロセス条件により異なる形状を
示すことになる。しかし、どのように変化するのかとい
うことは従来明らかでなかったが、本発明者等は、電
圧、電流、位相差、インピーダンス、電力についてそれ
ぞれ第５次までの高調波成分の測定を行い、その変化が
プラズマ処理結果と相関があるということが判った。こ
れによって、プラズマ処理中にプラズマの状態の変化を
検出し、検出結果に基づいて高周波電源から出力される
高周波電力量とガス供給量とチャンバ内の圧力の全て又
はいずれかを制御することにより、プラズマの状態を適
切に制御できる。

【００１８】また、コイルとインピーダンス整合器の間
に配設した電圧・電流検出部にて検出された電圧・電流
により、電圧、電流、位相差、インピーダンス、電力の
高調波成分を測定することにより、プラズマの状態を適
切にリアルタイムで検出し、プラズマの状態を適切に制
御できる。

【００１９】また、本発明のプラズマ処理装置は、内部
が真空状態に保持されるチャンバと、チャンバ内の圧力
を調整する圧力制御手段と、チャンバ内にガスを導入す
るガス導入手段と、高周波電力を発生させる高周波電力
発生源と、チャンバ内に導入されたガスをプラズマ化す
る磁界を発生させるコイルと、高周波電力発生源とコイ
ルとのインピーダンス整合をとるインピーダンス整合器
とを備えたプラズマ処理装置において、コイルとインピ
ーダンス整合器の間に電圧・電流検出部を配設し、電圧
・電流検出部で検出された電圧・電流により、電圧、電
流、位相差、インピーダンス、電力の高調波成分を測定
する高調波測定手段を設けたものであり、電圧、電流、
位相差、インピーダンス、電力の高調波成分を測定する
ことにより、プラズマ処理中の実際のプラズマの状態を
検出することができる。

【００２０】また、高調波測定手段により検出される値
に従って、高周波電力発生源から出力される高周波電力
量と、ガス導入手段から導入されるガス供給量と、圧力
制御手段により調整されるチャンバ内の圧力の全て又は
いずれかを制御する制御手段を備えることにより、発生
するプラズマの状態を制御し、例えばエッチングレート
や均一性の安定化を図ることができる。

【００２１】また、電圧・電流検出部は、インピーダン
ス整合器の中に設置し、またはコイルとインピーダンス
整合器の間に電磁シールド用の部材を設置してその中に
設置することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のプラズマ処理方法
及び装置の一実施形態について、図１を参照して説明す
る。

【００２３】図１において、１は円筒状のチャンバであ
って、このチャンバ１の内部は、圧力制御手段１０によ
り所定の圧力に保持される。チャンバ１には、反応ガス
を導入する反応ガス導入手段９、図示しない排気手段及
び被処理物を出し入れする搬入出手段が設けられてい
る。チャンバ１の底部には、絶縁体２を介して下部電極
（試料台）３が設けられており、この下部電極３はエッ
チングや膜堆積を行う半導体ウエハ等の被処理物４を保
持する。

【００２４】チャンバ１の上方には、例えば１３．５６
Ｍｈｚの高周波電力を出力する第１の高周波電源５が設
けられるとともに、各一端が接地された４本の渦巻き状
のコイル部分が電気的に並列に接続されてなるマルチス
パイラルコイル６が設けられている。第１の高周波電源
５はインピーダンス整合器７を介して、さらに電圧、電
流を検出する電圧・電流検出部１２を介してマルチスパ
イラルコイル６に接続されている。電圧・電流検出部１
２は、マルチスパイラルコイル６とインピーダンス整合
器７の間に配設された電磁シールド用の部材の中に設置
されているが、インピーダンス整合器７の中に設置して
もよい。電圧・電流検出部１２で検出された電圧・電流
信号は、電圧、電流、位相差、インピーダンス、電力の
高調波成分を測定できる高調波測定手段１３に取り込ま
れる。

【００２５】チャンバ１の下方には、第２の高周波電源
８が設けられている。第２の高周波電源８は、チャンバ
１及び絶縁体２とは電気的に絶縁されている一方、下部
電極３とは電気的に接続されており、チャンバ１内に生
成されるプラズマに対して高周波バイアス電圧を印加す
るものであって、通常数１００Ｋｈｚから１３．５６Ｍ
ｈｚまでの周波数が使用される。なお、通常、安全のた
めに第１の高周波電源５、第２の高周波電源８及びマル
チスパイラルコイル６の接地電位は、チャンバ１と同電
位にとられている。

【００２６】次に、以上の構成のプラズマ処理装置を用
いてプラズマ処理を行う方法について説明する。まず、
図示しない搬入出手段により被処理物４をチャンバ１内
に搬入して下部電極３の上に保持する。次に、反応ガス
導入手段９より反応ガスをチャンバ１に導入するととも
に、図示しない排気手段によりチャンバ１内の気体を排
出し、圧力制御手段１０によりチャンバ１の内部を所定
の圧力に維持する。次に、第１の高周波電源５から高周
波電力をマルチスパイラルコイル６に印加するととも
に、第２の高周波電源８から高周波電力を下部電極３に
印加する。

【００２７】マルチスパイラルコイル６に印加される高
周波電力によりマルチスパイラルコイル６に高周波電流
が流れ、この高周波電流により発生する交番磁界がチャ
ンバ１に作用するので、チャンバ１内の空間に存在する
電子はマルチスパイラルコイル６により発生する磁界を
打ち消すような磁界を発生させる方向に移動する。この
誘導結合によって電子が移動することにより、チャンバ
１内の気体がプラズマ化する。この場合、インピーダン
ス整合器７はプラズマに対してインピーダンス整合をと
るので、安定なプラズマ放電を起こすことができる。

【００２８】放電がはじまった後、プラズマ放電中にお
ける電流・電圧波形は、様々な歪み波形となり、プロセ
ス条件により異なる形状を示す。この波形の歪み・変動
は、プラズマの状態の変化から生じるものであり、これ
を電圧・電流検出部１２で検出し、高調波測定手段１３
により、電圧、電流、位相差、インピーダンス、電力に
ついて、それぞれ第５次までの高調波成分の測定をリア
ルタイムで行うことにより、プラズマの状態を検出する
ことができる。この測定結果をコントローラ１１に出力
し、コントローラ１１にて高周波電源５、８から出力さ
れる高周波電力量と、反応ガス導入手段９から導入され
るガス供給量と、圧力制御手段１０により調整されるチ
ャンバ１内の圧力の、全て又はいずれかを制御すること
で、発生するプラズマの状態を制御することができる。

【００２９】このようにして、チャンバ１内に生成され
たプラズマを被処理物４に作用させることにより、被処
理物４の表面酸化、表面窒化及び不純物ドープ等の表面
改質、並びに被処理物４表面での薄膜形成及びドライエ
ッチングが可能となる。

【００３０】被処理物４に対する処理が終了した時点
で、第１の高周波電源５及び第２の高周波電源８からの
高周波電力の供給を終了した後、チャンバ１内への反応
ガス導入を終了するとともに、チャンバ１の残留気体を
排出し、その後、被処理物４をチャンバ１の外部に取り
出すと、プラズマ処理は完了する。

【００３１】

【発明の効果】本発明のプラズマ処理方法によれば、以
上のようにプラズマ処理中にプラズマの状態の変化を検
出し、検出結果に基づいて高周波電源から出力される高
周波電力量とガス供給量とチャンバ内の圧力の全て又は
いずれかを制御するものであり、プラズマの状態を適切
に制御できる。

【００３２】また、コイルとインピーダンス整合器の間
に配設した電圧・電流検出部にて検出された電圧・電流
により、電圧、電流、位相差、インピーダンス、電力の
高調波成分を測定することにより、プラズマの状態を適
切にリアルタイムで検出し、プラズマの状態を適切に制
御できる。

【００３３】また、本発明のプラズマ処理装置によれ
ば、コイルとインピーダンス整合器の間に電圧・電流検
出部を配設し、電圧・電流検出部で検出された電圧・電
流により、電圧、電流、位相差、インピーダンス、電力
の高調波成分を測定する高調波測定手段を設けたので、
電圧、電流、位相差、インピーダンス、電力の高調波成
分を測定することにより、プラズマ処理中の実際のプラ
ズマの状態を検出することができる。

【００３４】また、高調波測定手段により検出される値
に従って、高周波電力発生源から出力される高周波電力
量と、ガス導入手段から導入されるガス供給量と、圧力
制御手段により調整されるチャンバ内の圧力の全て又は
いずれかを制御する制御手段を備えると、発生するプラ
ズマの状態を制御し、例えばエッチングレートや均一性
の安定化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の誘導結合型プラズマ処理
装置の概略構成図である。

【図２】従来例の誘導結合型プラズマ処理装置の概略構
成図である。

【符号の説明】

１チャンバ５第１の高周波電源６マルチスパイラルコイル７インピーダンス整合器９反応ガス導入手段１０圧力制御手段１１コントローラ（制御手段）１２電圧・電流検出部１３高調波測定手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者住田賢二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 4K030 EA03 FA04 JA05 JA09 JA16 KA30 KA34 KA39 KA41 KA46 4K057 DA16 DG07 DG08 DG15 DM16 DM33 5F004 AA01 AA16 BA20 BB13 CA02 CA03 CB05 5F045 EH11 GB04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波電源からインピーダンス整合器を
介してコイルに高周波電力を供給してチャンバ内に磁界
を発生させ、チャンバ内に導入されたガスをプラズマ化
して処理を行うプラズマ処理方法において、プラズマ処
理中にプラズマの状態の変化を検出し、検出結果に基づ
いて高周波電源から出力される高周波電力量とガス供給
量とチャンバ内の圧力の全て又はいずれかを制御するこ
とを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】コイルとインピーダンス整合器の間に配
設した電圧・電流検出部にて検出された電圧・電流によ
り、電圧、電流、位相差、インピーダンス、電力の高調
波成分を測定し、その測定値に基づいて高周波電源から
出力される高周波電力量とガス供給量とチャンバ内の圧
力の全て又はいずれかを制御することを特徴とする請求
項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】内部が真空状態に保持されるチャンバ
と、チャンバ内の圧力を調整する圧力制御手段と、チャ
ンバ内にガスを導入するガス導入手段と、高周波電力を
発生させる高周波電力発生源と、チャンバ内に導入され
たガスをプラズマ化する磁界を発生させるコイルと、高
周波電力発生源とコイルとのインピーダンス整合をとる
インピーダンス整合器とを備えたプラズマ処理装置にお
いて、コイルとインピーダンス整合器の間に電圧・電流
検出部を配設し、電圧・電流検出部で検出された電圧・
電流により、電圧、電流、位相差、インピーダンス、電
力の高調波成分を測定する高調波測定手段を設けたこと
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】高調波測定手段により検出される値に従
って、高周波電力発生源から出力される高周波電力量
と、ガス導入手段から導入されるガス供給量と、圧力制
御手段により調整されるチャンバ内の圧力の全て又はい
ずれかを制御する制御手段を備えたことを特徴とする請
求項３記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】インピーダンス整合器の中に電圧・電流
検出部を設置したことを特徴とする請求項３又は４記載
のプラズマ処理装置。
【請求項６】コイルとインピーダンス整合器の間に電
磁シールド用の部材を設置し、その中に電圧・電流検出
部を設置したことを特徴とする請求項３又は４記載のプ
ラズマ処理装置。