JP2001244248A

JP2001244248A - プラズマ処理装置および方法

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Publication number: JP2001244248A
Application number: JP2000056049A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kadoya; 誠浩角屋; Hisateru Yasui; 尚輝安井; Seiichi Watanabe; 成一渡辺; Hitoshi Tamura; 仁田村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-07
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP4527833B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体集積回路の集積度が高まってきて、被処
理基板を大面積化してスループットを向上させる傾向に
ある。しかしどうしてもチャージングダメージが発生し
てしまう。本発明の目的は、チャージングダメージを抑
制し、高精度な表面処理が可能なプラズマ処理装置およ
び方法を提供することにある。【解決手段】処理室側壁と真空容器間を絶縁するととも
に、処理室側壁とアース間にインピーダンス制御回路を
接続し、インピーダンスを調整する。具体的には基板電
極電流の５０％以上が上部電極電流に効率良く流入させ
るようにインピーダンスを調整する。その結果、プラズ
マ電位分布に起因する被処理材面内の電位分布が低減さ
れ、チャージングダメージの発生が抑制される。

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
に係り、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処
理を行うのに好適なプラズマ処理装置および方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】エッチング処理を、プラズマ処理装置を
用いて行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処
理の高速化をはかり、また処理材に高周波バイアス電力
を供給しイオンを垂直に入射させることで、異方性形状
などの高精度エッチング処理を実現している。従来の有
磁場プラズマ処理装置は、特開平０９−３２１０３１号
公報に記載のように、被処理材はアースに接続された処
理室内に高周波電力を供給することにより生成されたプ
ラズマにより表面処理されていた。

【０００３】一般に有磁場プラズマ中では、「プラズマ
物理入門」（F.F.Chen著、丸善１９７７）に記載がある
ように、磁場に対して垂直方向のプラズマのインピーダ
ンスが平行方向のプラズマのインピーダンスに比べて大
きいことが知られている。そこで処理材に印加された高
周波電力が、磁場を横切る方向に伝播することにより、
前記処理材に電位分布を形成し、チャージングダメージ
を発生させる可能性があった。

【０００４】

【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、例えば半導体素子の代表的な一例で
あるＭＯＳ(Metal Oxcide Semiconductor)トランジスタ
のゲート酸化膜が薄膜化し、ゲート酸化膜が絶縁破壊す
る（チャージングダメージ）問題が深刻になりつつあ
る。また、前記処理基板を大面積化しスループットを向
上させるために、直径300ｍｍの基板が用いられる見込
みであり、大面積で、チャージングダメージの発生がな
い半導体製造装置の実現が望まれていた。

【０００５】本発明の目的は、チャージングダメージを
抑制し、高精度な表面処理が可能なプラズマ処理方法お
よび装置を提供することにある。

【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、処理室（処理容器）側壁と真空容器間を絶縁
し、インピーダンス制御回路を設けたことに特徴があ
る。そしてそのインピーダンス制御回路の周波数特性
は、周波数に対してインピーダンスが変化しない、ある
いは基板バイアス電源周波数以上の周波数帯で高いイン
ピーダンス値をもつこと、あるいは基板バイアス電源周
波数よりも低い周波数帯で高いインピーダンス値をもつ
こと、あるいは基板バイアス電源周波数を中心にあらか
じめ定められた周波数帯で高いインピーダンス値をも
つ。

【０００７】また、前記インピーダンス制御回路のイン
ピーダンスを制御し、基板電極から上部電極に流入する
電流を５０％以上に設定制御することにある。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図1から図4
を用いて説明する。図1は本発明を適用するプラズマ処
理装置の一実施例であるプラズマエッチング装置の構成
図である。上部が開放された真空容器１０１の上部に絶
縁リング１０５、処理容器１０４、誘電体窓１０２(例
えば石英製)、上部電極１０３(例えばSi製)を設置、密
封することにより処理室１２０を形成する。上部電極１
０３はエッチングガスを流すための多孔構造となってお
りガス供給装置１０７に接続されている。また真空容器
１０１には真空排気口１０６を介して真空排気装置(図
示省略)が接続されている。上部電極１０３上部には同
軸線路１１１、整合器１１０、フィルター１０９,１１
３を介して高周波電源１０８(例えば周波数４５０MH
z)、アンテナバイアス電源１１２(例えば周波数１３．
５６ＭＨｚ)が接続されている。また、被処理材１１６
を載置可能にしている基板電極１１５は、真空容器１０
１の下部に設置され、整合器１１８を介して基板バイア
ス電源１１７(例えば周波数８００ｋＨｚ)に接続されて
いる。

【０００９】処理容器１０４は上下に設置された絶縁リ
ング１０５により真空容器１０１と電気的に絶縁され、
抵抗、コンデンサ、インダクタ等から構成されるインピ
ーダンス制御回路１１９を介して接地されている。した
がってインピーダンス制御回路１１９により処理容器１
０４とアース間のインピーダンスを制御可能にしてい
る。また、処理室１２０の外周部には接地された電磁波
シールドが設置されている。

【００１０】上記のように構成された装置において処理
室１２０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１０７によりエッチングガスを処理
室１２０内に導入し、所望の圧力に調整する。高周波電
源１０８により発振された例えば周波数４５０MHzの高
周波電力は同軸線路１１１を伝播し、上部電極１０３お
よび誘電体窓１０２を介して処理室１２０内に導入さ
れ、磁場発生用コイル１１４(例えばソレノイドコイル)
により形成された磁場との相互作用により、処理室１２
０内に高密度プラズマを生成する。特に電子サイクロト
ロン共鳴を起こす磁場強度(例えば１６０G)を処理室内
に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成するこ
とができる。

【００１１】また、アンテナバイアス電源１１２より、
例えば周波数13.56MHzの高周波電力が同軸線路１１１を
介して上部電極１０３に供給する。被処理材１１６は基
板電極１１５に載置され基板バイアス電源１１７より高
周波電力(例えば周波数800kHz)が供給され、表面処理
(例えばエッチング処理)がおこなわれる。

【００１２】本実施例の場合、磁場発生用コイル１１４
により処理室１２０内に縦磁場が形成される。一般に有
磁場プラズマ中では、磁場を横切る高周波電流により被
処理材面内に電位分布が発生し、チャージングダメージ
発生の一要因となる可能性がある。しかし、本発明で
は、処理室１２０側壁の絶縁リング１０５により絶縁さ
れた処理容器１０４を、インピーダンス制御回路１１９
を用いてインピーダンス制御し、プラズマ中のインピー
ダンスの小さい縦方向の上部電極１０３に高周波電流を
効率良く流すことにより、チャージングダメージを低減
することができる。

【００１３】側壁インピーダンスを制御した場合に、下
部電極１１５から流入する高周波電流が上部電極１０３
に流入する割合を図2に示す。縦軸は、上部電極電流／
基板電極電流、すなわち電流比であり、横軸は対数目盛
りで表わした側壁インピーダンスの値である。上部電極
電流/基板電極電流の比の値を表わす曲線２０１は、側
壁インピーダンスの増加に伴い増加する。つまり側壁イ
ンピーダンスを増加させることにより、基板電極から側
壁に流れる電流を抑制し、上部電極電流／基板電極電流
の比を増加させることができる。

【００１４】図３に、ゲート酸化膜間電圧の側壁インピ
ーダンス依存性を示す。縦軸はゲート酸化膜間電圧であ
り、横軸は対数目盛りで表わした側壁インピーダンスの
値である。ゲート酸化膜間電圧３０１は側壁インピーダ
ンスの増加に伴い減少する。つまり側壁インピーダンス
を増加させることにより、基板電極１１５から上部電極
１０３に効率良く高周波電流が流れることを意味し、結
果として磁場を横切る方向の電流が減少することにな
る。その結果、被処理材１１６面内に発生する電位分布
が抑制され、チャージングダメージを低減することがで
きる。したがって、高精度なエッチング処理が可能であ
るという効果がある。また特に上部電極電流／基板電極
電流の比を５０%以上とすることで被処理材１１６面内
に発生する電位分布を効果的に低減することが可能であ
り、高精度なエッチング処理ができる効果がある。

【００１５】またインピーダンス制御に、抵抗、コンデ
ンサ、インダクタ、ダイオード、トランジスタ等の素子
を組み合わせ、周波数特性を持たせることも可能であ
る。インピーダンス制御回路１１９によるインピーダン
スの具体的な周波数特性の例を図４の（ａ）、（ｂ），
（ｃ）に示す。図は縦軸がインピーダンス制御回路１１
９のインピーダンスであり、横軸が周波数である。イン
ピーダンス制御回路として、周波数に対してインピーダ
ンスが変化しない特性をもつ場合を図4の（ａ）、４０
２に示す。４０１は基板バイアス電源（１１７）の周波
数を示している。

【００１６】基板バイアス周波数４０１よりも高周波側
で高インピーダンスとなる場合を図4の（ｂ）、４０３
ａに示す。基板バイアス周波数４０１よりも低周波側で
高インピーダンスとなる場合を図４の（ｂ）、４０３ｂ
（点線）として示した。基板バイアス周波数を中心とし
てあらかじめ定められた周波数帯でのインピーダンスが
高くなる場合を図４の（ｃ）、４０４として示した。こ
れらのいずれを適用した場合においても、先に述べた作
用と同様に、基板電極１１５から上部電極１０３に効率
良く高周波電流が流れるため、磁場を横切る方向の電流
が減少する。その結果、被処理材１１６面内に発生する
電位分布が抑制するように作用し、チャージングダメー
ジを低減することが可能である。そのために高精度なエ
ッチング処理が可能であるという効果がある。

【００１７】特に基板バイアス周波数４０１よりも高周
波側を高インピーダンスとした場合（図４の（ａ）４０
３ａ）は、プラズマの直流的な電位が一定となるために
プラズマが安定して生成できるという効果がある。ま
た、基板バイアス周波数４０１よりも低周波側を高イン
ピーダンスとした場合（図４の（ｂ）４０３ｂ）は、プ
ラズマ生成および上部電極バイアスとして用いられ、高
周波電力(例えば周波数４５０MHzおよび１３．５６MHz)
に対するインピーダンス制御回路１１９の影響がなく、
安定なプラズマを生成することができるという効果があ
る。

【００１８】また、基板バイアス周波数周辺の周波数帯
でのインピーダンスを高くした場合（図４の（ｃ）４０
４）は、上記の2つの効果を有するため、安定なプラズ
マを容易に生成することが可能である。従って、このよ
うな周波数特性を持つインピーダンス制御回路１１９を
用いることで、安定で、チャージングダメージが発生し
ない処理が可能なので高精度なエッチング処理が可能で
ある。

【００１９】また上記実施例ではエッチング装置につい
て述べたが、アッシング装置、ＣＶＤ装置など、他のプ
ラズマ処理装置においても同様の効果がある。

【００２０】

【発明の効果】本発明により、処理室側壁のインピーダ
ンスが高くなるように制御することによって、プラズマ
面内分布に起因する被処理材面内の電位分布を低減し、
チャージングダメージの発生を抑制するという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いたエッチング装置縦断面とブロッ
ク構成を示す図である。

【図２】側壁インピーダンスを制御した場合の、上部電
極電流と下部電極電流の割合を示す特性図である。

【図３】側壁インピーダンスを制御した場合のゲート酸
化膜間に発生する電圧を示す特性図である。

【図４】側壁インピーダンス制御回路の、周波数特性を
示す図である。

【符号の説明】

１０１・・・真空容器、１０２・・・誘電体、１０３・・・
上部電極、１０４・・・処理容器、１０５・・・絶縁リン
グ、１０６・・・真空排気口、１０７・・・ガス供給装
置、１０８・・・高周波電源、１０９・・・フィルター、
１１０・・・整合器、１１１・・・同軸線路、１１２・・・ア
ンテナバイアス電源、１１３・・・フィルター、１１４・・・
磁場発生用コイル、１１５・・・基板電極、１１６・
・・被処理材、１１７・・・基板バイアス電源、１１８・・
・整合器、１１９・・・インピーダンス制御回路、１
２０・・・処理室、１２１・・・電磁波シールド、２０
１・・・上部電極基板電極電流比、３０１・・・ゲート酸化膜
間電圧、４０２，４０３ａ、４０３ｂ、４０４・・・イ
ンピーダンス制御回路のインピーダンス、４０１・・・基
板バイアス周波数

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者田村仁茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内Ｆターム(参考） 4K030 DA04 FA01 FA02 JA16 JA18 KA08 KA20 KA30 KA45 LA15 5F004 AA06 BA16 BA20 BB07 BB11 BB13 BD01 CA06 5F045 AA08 AA10 BB16 DP03 DQ10 EH03 EH05 EH06 EH11 EH16 EH17 EH20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空排気装置が接続された真空容器内部を
減圧した処理容器と該処理室内へガスを供給するガス供
給装置と、該処理室内にプラズマを発生させるための装
置と、被処理材を載置可能な基板電極と、該基板電極へ
高周波電力を供給する高周波電源と、該基板電極と対向
する上部電極と、磁場発生装置と、基板バイアス電源と
からなる半導体のプラズマ処理装置において、該処理室
側壁と真空容器間を電気的に絶縁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、該処理室側壁とアース間にインピーダンス制御回路
を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項２記載のプラズマ処理装置におい
て、該インピーダンス制御回路は、周波数に対してイン
ピーダンスが変化しない周波数特性をもつことを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項４】請求項２記載のプラズマ処理装置におい
て、該インピーダンス制御回路は、基板バイアス電源の
周波数以上の周波数帯で高インピーダンスとなる周波数
特性をもつことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】請求項２記載のプラズマ処理装置におい
て、該インピーダンス制御回路は、基板バイアス電源周
波数以下の周波数帯で高インピーダンスとなる周波数特
性をもつことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】請求項２記載のプラズマ処理装置におい
て、該インピーダンス制御回路は、基板バイアス電源周
波数を中心としてあらかじめ定められた周波数帯で高イ
ンピーダンスとなる周波数特性をもつことを特徴とする
プラズマ処理装置。
【請求項７】請求項1記載のプラズマ処理装置におい
て、該プラズマ処理装置装置が電子サイクロトロン共鳴
プラズマであることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】真空排気装置が接続された真空容器内部を
減圧した処理容器と該処理室内へガスを供給するガス供
給装置と、該処理室内にプラズマを発生させるための装
置と、被処理材を載置可能な基板電極と、該基板電極へ
高周波電力を供給する高周波電源と、該基板電極と対向
する上部電極と、磁場発生装置と、基板バイアス電源と
からなる半導体のプラズマ処理装置の電流制御におい
て、該インピーダンス制御回路のインピーダンスを調整
し、基板電極から上部電極に流入する電流を基板電極電
流の５０％以上に設定し、処理することを特徴とするプ
ラズマ処理方法。