JP2004165644A

JP2004165644A - プラズマ処理装置および方法

Info

Publication number: JP2004165644A
Application number: JP2003346594A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sumiya; 誠浩角屋; Hisateru Yasui; 尚輝安井; Seiichi Watanabe; 成一渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】プラズマ処理装置において、基板電極とアンテナ電極のいずれか一方の電極に常にアースとしての機能を持たせ、チャージングダメージを抑制するプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】試料を配置する基板電極１１５と該電極に対向するアンテナ電極１０３を設け、アンテナ電極１０３にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、該プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低い他の高周波電力を基板電極１１５とアンテナ電極１０３に逆位相となるように印加し、前記基板電極１１５とアンテナ電極１０３のいずれか一方の電極に常にアースとしての機能を持たせることを特徴とするプラズマ処理方法。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマ処理方法及び装置に係り、特にプラズマを用いて半導体素子等の試料の表面処理を行う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。

プラズマを用いてエッチング処理を行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化を図り、また被処理材に高周波バイアス電力を供給しプラズマ中のイオンを被処理材に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。

このような処理を行うプラズマ処理装置としては、真空容器外側の外周部に空心コイルを設け、真空容器内に設けた試料台に対向させて円形導体板を設け、円形導体板にＵＨＦ帯電源と第１の高周波電源を接続し、試料台に第２の高周波電源を接続し、円形導体板にＵＨＦ帯の周波数の電界とそのＵＨＦ帯の周波数とは異なる周波数の電界を重畳して供給し、ＵＨＦ帯電源による電磁波と空心コイルによる磁場との相互作用による電子サイクロトロン共鳴現象を用いてプラズマを形成し、重畳した第１の高周波電源による高周波電圧によって円形導体板にかかるバイアスを大きくして、円形導体板とプラズマとを反応させ、エッチングに寄与する活性種をより多く生成できるようにし、試料台に接続した第２の高周波電源によりプラズマ中のイオンの試料への入射エネルギーを制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、一般に有磁場プラズマ中では、磁場に対して垂直方向のプラズマのインピーダンスの方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（例えば、非特許文献１参照）。
特開平９−３２１０３１号公報（ＵＳＰ５，８９１，２５２）「プラズマ物理学入門」Ｆ．Ｆ．Ｃｈｅｎ著、丸善１９７７

上述のプラズマ処理装置では、被処理材に印加された高周波電力の電気回路が磁場を横切る方向に伝播するので、この磁場に対する垂直方向のプラズマのインピーダンスによって、被処理材面内に電位分布が形成されチャージングダメージを発生させる可能性がある。また、被処理材に入射するイオンエネルギーは、被処理材に供給するバイアス電力によって発生するセルフバイアス電位により決定されが、ウエハサイズの大口径化に伴って基板電極に対するアース面積の比率が減少するので、バイアスの印加効率が低下するという問題がある。

また、従来の装置では、真空容器が接地されており、プラズマが接地されてアース電位となっている真空容器内に広がり、十分に真空容器内の処理部に閉じ込めることができず外周部まで拡散していたため、真空容器内壁のスパッタおよび反応生成物の付着・脱離などが生じ、これにより異物の発生量が増加する可能性があった。

近年、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 Oxide 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、半導体素子の微細化に伴い、加工精度についてもＳＡＣ（Self
Aligned Contact）に代表されるように、マスク選択比を向上させることが要求されている。また装置内での異物等の発生は歩留まりを低下させかつ装置の稼働率を低下させることから、異物発生量の少ない装置が要求されている。

本発明の第１の目的は、プラズマ処理におけるチャージングダメージを抑制することのできるプラズマ処理方法及び装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、高精度表面処理を行うことのできるプラズマ処理方法及び装置を提供することにある。

本発明の第３の目的は、異物発生量を少なくできるプラズマ処理方法及び装置を提供することにある。

本発明の第４の目的は、スループットの高いプラズマ処理方法及び装置を提供することにある。

上記第１の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く逆位相となる他の高周波電力を印加することにより、達成される。

さらに、前記両電極にそれぞれ印加する逆位相となる他の高周波電力は、１８０°±４５°の範囲内である。

また、前記両電極にそれぞれ印加する逆位相となる他の高周波電力は、180°±３０°の範囲内である。

また、前記両電極にそれぞれ印加する他の高周波電力は、５ＭＨｚ以下の同一周波数とするプラズマ処理方法。

また、前記プラズマは高周波電力と磁場を用いて生成される。

また、上記第１の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低い他の高周波電力を印加し、両電極側でプラズマ中を流れる電流の方向を同じにし、同一方向の電流の向きを交互に変化させることにより、達成される。

さらに、前記両電極にそれぞれ印加する他の高周波電力は、５ＭＨｚ以下の同一周波数とする。

また上記第１の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低い他の高周波電力を印加し、両電極側でプラズマからの電子とイオンの入射方向を互いに逆向きにし、前記両電極側でプラズマからの電子とイオンの入射方向を交互に変化させることにより、達成される。

また上記第２の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低い他の高周波電力を印加し、一方の電極でイオン入射が行われる間、他方の電極で多くの電子を引き込み、前記イオン入射と電子の引き込みを交互に繰り返し、前記両電極に生じるバイアス電圧波形を負電圧側にシフトさせ、高エネルギーイオン量の多いイオンエネルギー分布にすることにより、達成される。

また、上記第３の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く逆位相となる他の高周波電力を印加し、両電極のいずれか一方の電極を常にアース電極として機能させ、プラズマから見て真空容器がアースとなるのを抑制することにより、達成される。

また上記第３の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低い他の高周波電力を印加し、前記両電極に印加されるそれぞれの高周波電圧によるバイアス電圧の正電圧の値を下げ、プラズマポテンシャルを低くしてアースに接地された真空容器内壁との電位差を小さく、プラズマ中のイオンによる前記真空容器内壁面の衝撃を抑制することにより、達成される。

また、上記第４の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記試料の処理中は前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く逆位相となる他の高周波電力を印加し、処理室内のクリーニング時には前記両電極にそれぞれ同位相となる他の高周波電力を印加することにより、達成される。

また、上記これらの目的を達成するため、本発明の態様に従えば、プラズマ処理装置は、内部を所定の減圧雰囲気に制御される容器と、前記容器内に設けられ試料を配置可能な基板電極と前記基板電極に対向する対向電極と、前記対向電極に接続され前記容器内にプラズマを生成するための高周波電力を印加するプラズマ生成電源と、前記基板電極および対向電極にそれぞれ接続され前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数の低い高周波電力を印加する複数のバイアス電源と、前記複数のバイアス電源の高周波電圧の位相を制御する位相制御器とを含む。

上記装置において、前記位相制御器は前記両電極にそれぞれ印加される高周波電圧の位相を逆位相に制御する。

また、前記位相制御器は前記両電極にそれぞれ印加される高周波電圧の位相を同位相および逆位相に制御する。

また、前記位相は０°±４５°または１８０°±４５°の範囲内で制御される。

また、前記位相は０°±３０°または１８０°±３０°の範囲内で制御される。

また、前記複数のバイアス電源は、５ＭＨｚ以下の同一周波数の高周波電力を出力する。

また、前記容器内に磁場を形成する磁場発生コイルを有する。

本発明の他の態様に従えば、プラズマ処理装置は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、前記処理室内へガスを供給するガス供給装置と、前記処理室内の設けられ被処理材を載置可能な基板電極と、前記処理室内で前記基板電極に対向して設けられプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極と、前記アンテナ電極に接続されたプラズマ生成用の第１の高周波電源と、前記基板電極へ接続された第２の高周波電源と、前記アンテナ電極へ接続された第３の高周波電源と、前記第２の高周波電源および前記第３の高周波電源によって印加する高周波電圧の位相を互いに逆位相に制御する位相制御器を含む。

本発明の他の態様に従えば、プラズマ処理装置は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く逆位相となる他の高周波電力を印加し、前記両電極を通過する磁力線を有する磁場を形成する。

さらに、前記高周波電力の逆位相の値は前記試料面内のセルフバイアス電圧差が５Ｖ以下となる位相に設定される。

また、前記高周波電力の逆位相の値は前記試料面内のセルフバイアス電圧差が実質的に０Ｖとなる位相に設定される。

本発明のプラズマ処理では、基板電極に印加する高周波と基板電極に対向するアンテナ電極に印加する高周波の位相を制御することにより、プラズマ特性の面内分布に起因する被処理材面内の電位分布を低く押さえチャージングダメージの発生を抑制できる。また、高周波の位相を制御することにより、被処理材に入射するイオンのエネルギーを調整でき、高アスペクト比のエッチングを可能にした、マスク選択比の向上を図れる。これにより、高精度なエッチング処理が可能となる。また、高周波の位相を制御することにより、プラズマの拡散を抑制でき、真空容器内壁のスパッタおよび反応生成物の付着・脱離などによる異物の発生量を低減できる。これにより、歩留まり向上および装置のメンテナンス周期を長くでき、スループットの向上を可能とする。

以上、本発明によれば、基板電極と該電極に対向する電極にそれぞれ印加する高周波バイアスの位相を制御することにより、容器内壁との間に流れる電流を少なくでき、プラズマ特性の面内分布に起因する被処理材の面内の電位分布の電位差を小さくでき、チャージングダメージの発生を抑制することができる。これにより、試料の歩留を向上できるという効果がある。

また、高周波バイアスの位相を制御することにより、被処理材に入射するイオンエネルギーを自由に制御できるので、高精度なエッチング処理が可能になるという効果がある。

さらに、高周波バイアスの位相を制御することにより、容器内壁部のプラズマ密度および壁へのイオン衝撃を高周波電圧の位相により自由に制御できるので、装置内壁からの異物の発生を低減でき、クリーニング周期を長くできるのでスループットの向上が可能となる。

また、高周波バイアスの位相を制御することにより、容器内の効率的なクリーニングを実施できるという効果がある。

以下、本発明の一実施例を図１から図５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例であるエッチング装置の縦断面図である。真空容器１０１の上部開口部には、円筒状の処理容器１０２，導電体でなる平板状のアンテナ電極１０３，電磁波を透過可能な誘電体窓１０４を気密に設け、内部に処理室を形成している。処理容器１０２の外周部には処理室を囲んで磁場発生用
コイル１０５が設けてある。アンテナ電極１０３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が接続されている。また、真空容器１０１の下部には真空排気口１０６を介して真空排気装置（図示省略）が接続されている。

アンテナ電極１０３上部には同軸線路１０８が設けられ、同軸線路１０８，フィルター１０９，整合器１１０を介してプラズマ生成用の高周波電源１１１（例えば、周波数４５０ＭＨｚ）が接続されている。また、アンテナ電極１０３には同軸線路１０８，フィルター１１２，整合器１１３を介してアンテナバイアス電源１１４（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続されている。ここで、フィルター１０９は高周波電源１１１からの高周波電力を通過させ、アンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を効果的にカットする。フィルター１１２はアンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。

真空容器１０１内の下部には被処理材１１６を配置可能な基板電極１１５が設けられている。基板電極１１５にはフィルター１１７，整合器１１８を介して基板バイアス電源１１９（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続されている。また、基板電極１１５にはフィルター１２０を介して被処理材１１６を静電吸着させるための静電チャック電源１２１が接続されている。ここで、フィルター１１７は基板バイアス電源１１９からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。なお、通常、高周波電力はプラズマ中で吸収されるため基板電極１１５側へ流れることはないが、安全のためフィルター１１７を設けてある。フィルター１２０は静電チャック電源１２１からのＤＣ電力を通過させ、高周波電源１１１，アンテナバイアス電源１１４，基板バイアス電源１１９からの電力を効果的にカットする。

アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９は位相制御器１２２に接続されており、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９から出力する高周波の位相を制御可能となっている。この場合、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９の周波数は同一周波数とした。

位相制御器１２２は、アンテナバイアス電源１１４側のフィルター１１２と整合器１１３との間および基板バイアス電源１１９側のフィルター１１７と整合器１１８との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、位相制御器１２２内でそれぞれの電圧波形の位相が逆相、この場合、１８０°±４５°以内の所望の位相差になるように、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９とに位相をずらした小振幅の信号を出力する。この場合のアンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９はアンプ機能を有するのみで良い。

また、位相制御器１２２が、アンテナバイアス電源１１４側のフィルター１１２と整合器１１３との間および基板バイアス電源１１９側のフィルター１１７と整合器１１８との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、電力の出力タイミングを支持するトリガー信号のみを出力するものである場合には、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９はオシレータ機能を有するものとする。

上記のように構成された装置において処理室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内に導入し所望の圧力に調整する。高周波電源１１１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１０８を伝播し、上部電極１０３および誘電体窓１０４を介して処理室内に導入される。処理室内に導入された高周波電力による電界は、磁場発生用コイル１０５（例えば、ソレノイドコイル）により処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室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、プラズマ生成用の高周波電源の周波数が４５０ＭＨｚの場合、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。また、アンテナバイアス電源１１４より高周波電力（例えば周波数８００ｋＨｚ）が同軸線路１０８を介してアンテナ電極１０３に供給される。また基板電極１１５に載置された被処理材１１６は、基板バイアス電源１１９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）される。

アンテナバイアス電源１１４によってアンテナ電極１０３に高周波電圧を印加することにより、アンテナ電極に所望の材料を用いた場合、該材料とプラズマ中のラジカルとが反応し、生成されるプラズマの組成を制御できる。例えば、酸化膜エッチングの場合、アンテナ電極１０３の材料にＳｉを用いることによって、酸化膜のエッチング特性、特にＳｉＯ_２／ＳｉＮ選択比等に影響するプラズマ中のＦラジカル量を減少させることが可能となる。

本構成の装置では、４５０ＭＨｚの高周波電源１１１によって主としてプラズマを生成し、アンテナバイアス電源１１４によってプラズマ組成あるいはプラズマ分布を制御し、基板バイアス電源１１９によってプラズマ中のイオンの被処理材１１６への入射エネルギーを制御している。このような装置では、プラズマ生成（イオン量）とプラズマ組成（ラジカル濃度比）を独立に制御できるというメリットがある。

一般にプラズマ中では、プラズマ特性の面内不均一などの影響により、被処理材に電位分布が形成され、チャージングダメージを発生させる可能性がある。膜厚４．５ｎｍをもつ半導体素子のゲート酸化膜間電圧では、約５Ｖ以上の電圧が印加されるとゲート酸化膜の劣化が生じることから、チャージングダメージを抑制するためにはゲート酸化膜間電圧を５Ｖ以下にすることが必要である。

図２は基板電極１１５とアンテナ電極１０３に印加する高周波電圧の位相とゲート酸化膜間に発生する電圧との関係を示す。図２の縦軸はゲート酸化膜間電圧を示し、横軸は高周波電圧の位相を示す。図２によれば、位相が０°付近においてはゲート酸化膜間電圧は約６Ｖ程度発生しているが、位相を１８０°付近、すなわち、１８０°±４５°の範囲以内にすることによりゲート酸化膜間電圧を許容値以下の小さい値に抑制できることが分かる。好ましくは、１８０°±３０°の範囲以内にすればゲート酸化膜間電圧を約２Ｖ以下にでき、さらに効果的である。

基板電極１１５とアンテナ電極１０３に印加する高周波電圧の位相を同位相とした場合と逆位相にした場合の基板電圧波形３０１，アンテナ電圧波形３０２，プラズマ電位波形３０３の関係をそれぞれ図３（ａ），（ｂ）に示す。図３（ａ）に示されるように同位相で高周波電力を印加した場合には、基板電極波形３０１，アンテナ電圧波形３０２ともに正弦波的である。また、プラズマ電位波形３０３は正電位側に大きな振幅で振動している。これに対し、図３（ｂ）に示されるように逆位相で高周波電力を印加した場合には、両電圧波形３０１，３０２ともに、電圧波形が負電圧側にシフトするとともに正電圧側で波形が歪み平坦化されている。これにより、プラズマ電位波形３０３も小さな電位のまま平坦化されている。このことから逆位相の場合は、結果として、セルフバイアス電位が大きく、すなわち、同位相の場合に比べセルフバイアス電位が増加していることが分かる。

これは対向する両電極のアースとしての機能が向上し、十分な電流が対向する電極間で供給されることによるためと考えられる。すなわち、図４（ａ）に示すように、時間ｔ１におけるアンテナ電極１０３のアンテナ電圧波形３０２は正電位であって、プラズマ中の電子を引き込む時間帯であり、時間ｔ２ではアンテナ電圧波形は負電位であって、プラズマ中のイオンを引き込む時間帯である。これに対し、時間ｔ１における基板電極１１５の基板電圧波形３０１は負電位であって、プラズマ中のイオンを引き込む時間帯となり、時間ｔ２では基板電圧波形３０１は正電位であって、プラズマ中の電子を引き込む時間帯となる。これにより、両電極側ともプラズマ空間において、時間ｔ１では基板電極側に向かって電流（ｉ１，ｉ２）が流れ、時間ｔ２ではアンテナ電極側に向かって電流（ｉ３，ｉ４）が流れるので、基板，アンテナ両電極ともに、正電圧側となる位相のときに充分な電子が供給され負電圧側へシフトする。また、電流方向が同方向となるので、対向する両電極において、常にどちらか一方の電極がアースとして効率良く機能し、プラズマ電位を下げるよう作用して、プラズマ電位が小さい電位で平坦化される。

一方、図４（ｂ）に示すようにアンテナ電圧波形３０２と基板電圧波形３０１とを同位相にした場合には、両電極側のプラズマ空間では互いに電流（ｉ１，ｉ２，ｉ３，ｉ４）の向きが反対方向となり、電気回路はアースに接地された処理容器１０４との間で形成され、電流（ｉ５，ｉ６）は処理容器側、すなわち、壁側に流れる。また、図４（ｃ）に示すように基板電極１１５への基板電圧波形
３０１は図４（ａ）と同様で、アンテナ電極１０３に、例えば、周波数１３．５６ＭＨｚのアンテナ電圧波形３０２を印加した場合には、アンテナ電極１０３側にはセルフバイアス電圧Ｖｄｃが生じ、常にプラズマ中のイオンが引き込まれる状態となり、時間ｔ１では両電極側に向けて電流（ｉ１，ｉ２）が流れ逆方向となる。このため、両電極ともに処理容器１０２との間で電気回路が形成され、処理容器側から両電極側に向けて電流（ｉ５）が流れる。また、時間ｔ２では電流の方向はアンテナ電極１０３に向けて同方向となるが、アンテナ電極側の電流値と基板電極１１５側の電流値との差分（ｉ６）が処理容器１０２側へ流れることになる。

本実施例のように構成された装置では、高周波電流が側壁よりも対向する電極間でより多く流れることから、磁場を横切る方向の電流が減少しチャージングダメージの発生が抑制される。したがって、図２に示したように両電極に印加する高周波の位相を１８０°付近にすることによりチャージングダメージの発生を抑制でき、歩留の良い処理を行うことができる。

図５は、両電極に印加する高周波の位相を同位相（０°）にした場合（破線５０１）と逆位相（１８０°）にした場合（実線５０２）の両電極に入射するイオンエネルギーの分布を示す。これによると、逆位相の場合には同位相の場合に比べ、低イオンエネルギーの量が少なくなり、イオンエネルギーの値がさらに高い方向にシフトし高イオンエネルギーの量が増していることが分かる。被処理材１１６に入射するイオンエネルギーは基板電極１１５に生じるセルフバイアス電位により決定されるが、本実施例では図３に示したようにアンテナ電極１０３と基板電極１１５に印加する高周波電力の位相を逆相にすることにより、図５に示すように、高イオンエネルギーの量を増やすことができる、言い換えれば、セルフバイアス電位をさらに大きくすることができるので、アスペクト比の高い穴をさらに高アスペクトで加工することができ、高精度のエッチング処理を行うことができる。また、効率的な電力の投入により最適なエッチング形状を得る処理ができる。

さらに、アンテナ電極１０３と基板電極１１５に印加する高周波電力の位相を制御することによっても、自由にセルフバイアス電位を制御することができ、処理条件の範囲を広げることができる。

図６に基板電極１１５よりも外側で測定したイオン飽和電流密度６０１と高周波電圧の位相との関係を示す。図６によれば、基板電極１１５の外側において、印加する高周波電圧の位相が同相の場合にはプラズマ密度が高く、逆相の場合にはプラズマ密度が低いことが分かる。つまり両電極に印加する高周波電圧の位相を１８０°付近にすることにより、常に両電極の一方が効率良くアース電極となるので、プラズマ電位の上昇が抑制され、プラズマと接地された処理容器１０２および真空容器１０１の内壁との電位差が小さくなり、処理容器１０２内に生成されたプラズマが処理容器１０２および真空容器１０１の内壁側に広がることがないことを示している。言い換えると、プラズマを処理容器１０２内に効率よく閉じ込めることが可能である。

一般に接地された真空容器１０１および処理容器１０２はプラズマによりスパッタされ、また反応生成物の付着・脱離等により異物の発生源となり、スループット低下の原因となる。しかしながら、本実施例では図６に示したように、高周波電圧の位相を１８０°付近とすることにより、プラズマを処理容器内に効率よく閉じ込められることから真空容器１０１に付着する反応生成物を抑制することができ、かつ図３（ｂ）に示すようにプラズマ電位３０３の変動を低く押さえることが可能なので、真空容器１０１および処理容器１０２へのイオン衝撃によるスパッタを低減することができる。これより真空容器１０１および処理容器１０２からの異物の発生が低減され、装置のメンテナンス周期を長くでき、スループットを向上させることができる。

また、本実施例では、磁場発生用コイル１０５によって処理室内にアンテナ電極１０３から基板電極１１５に向かって発散磁場を形成している。これにより、プラズマ中の電子は磁場に拘束されて動くので、一方の電極から流れ出た高周波（ＲＦ）電流は、処理室側壁に向かって流れるよりも、対向する電極に向かってより効率的に流れる。このためチャージングダメージに関係する基板電極面内に生じるセルフバイアス電圧差（δＶｄｃ）を低減することができる。図７に磁場発生用コイル１０５による磁場強度を変えたときのバイアス電圧の位相差と、基板電極の中央部と外周部に生じるセルフバイアス電圧の差（δＶｄｃ＝中央のＶｄｃ−外周のＶｄｃ）との関係を示す。図７によれば、磁場発生用コイルへ供給する電流値を大きくする、すなわち、垂直方向の成分を大きくすることにより、セルフバイアス電圧差（δＶｄｃ）をゼロ（零）にすることのできるコイル電流値とバイアス電圧位相差とが存在することが分かる。したがって、磁場発生用コイル１０５によって処理室内に形成する磁場に、被処理材１１６に対して垂直方向の成分を多く持たせることによって、対向電極間隔が大きい場合（例えば、３０ｍｍ以上）でも、より効果的にプラズマの拡散を抑制できる。

また、処理室内の磁場形状において、処理室中央部から外周部に向かって磁場強度が強くなる磁場形状を用いても、プラズマ中の電子は処理室外周に向かって移動しにくくなる。このため、一方の電極から流れ出た高周波（ＲＦ）電流は、処理室側壁に向かって流れるよりも、対向する電極に向かって流れ、同様の効果を得ることができる。このような磁場は、電磁コイルによるカスプ磁場あるいは永久磁石を用いたカスプ磁場によっても実現できる。

なお、上述の実施例では、被処理材のプラズマ処理について述べたが、プラズマを用いて装置内壁面のクリーニングを行う場合には、両電極に印加する高周波の位相を０°付近（同相）とすることにより、広範囲にプラズマが拡散され、かつ壁に効率よくイオン衝撃を与えられるので、クリーニング効果を向上させる効果がある。

また、アンテナ電極１０３と基板電極１１５に印加される逆相又は同相の高周波電圧において、逆相の場合には１８０°±４５°程度、好ましくは１８０°±３０°、同相の場合には高周波電圧の位相差が０°±４５°程度、好ましくは０°±３０°の範囲内であれば同様の効果が期待できる。

また、上述の実施例では磁場を用いたエッチング装置を例に述べたが、磁場を有さないエッチング装置又は、エッチング装置以外のアッシング装置、プラズマＣＶＤ装置など基板電極へ高周波電力を供給する他のプラズマ処理装置においても適用可能である。

また、上述の実施例では、アンテナ電極１０３と基板電極１１５に印加される高周波電圧の周波数は８００ｋＨｚを例に述べたが、これに限定されるものではなく、シースが抵抗性となる周波数、約５ＭＨｚ以下の周波数の電源を用いることにより、効果を奏することができる。

また、上述の実施例では、両電極に印加する高周波電圧の位相を制御するために、フィルター１１２，２２７と整合器１１３，１１８との間から電圧信号を取るようにしているが、整合器１１３，１１８内部の出力部から電圧信号を取るようにしても良い。位相制御用の電圧信号は電極部で検出するのが最良であるが、他の高周波電圧ノイズを除去するために少なくともフィルターを介して検出するのが望ましい。また、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９の出力部での高周波電圧と電極１０３，１１５部での高周波電圧の位相は一致しないので、できるだけ電極に近い側で検出するのが望ましい。

本発明を用いた第１の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図。ゲート酸化膜間電圧と高周波電圧の位相差の関係を示す特性図。基板電極とアンテナ電極に同じ周波数のバイアスを印加した場合の基板電極・アンテナ電極電圧波形図。基板電極とアンテナ電極に印加する高周波電圧と、プラズマ中のイオンおよび電子の動きとの関係を示す図。同位相と逆位相のときの電極に入射するイオンエネルギー分布を示す図。外周部イオン飽和電流密度と位相の関係を示す特性図。磁場強度を変えたときのバイアス電圧の位相と基板面内のセルフバイアス電圧差との関係を示す図。

符号の説明

１０１…真空容器、１０２…処理容器、１０３…アンテナ電極、１０４…誘電体窓、１０５…磁場発生用コイル、１０６…真空排気口、１０７…ガス供給装置、１０８…同軸線路、１０９，１１２，１１７，１２０…フィルター、１１０，１１３，１１８…整合器、１１１…高周波電源、１１４…アンテナバイアス電源、１１５…基板電極、１１６…被処理材、１１９…基板バイアス電源、１２１…静電チャック電源、１２２…位相制御器。

Claims

試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く逆位相となる他の高周波電力を印加することを特徴とするプラズマ処理方法。
試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低い他の高周波電力を印加し、両電極側でプラズマ中を流れる電流の方向を同じにし、同一方向の電流の向きを交互に変化させることを特徴とするプラズマ処理方法。
試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く逆位相となる他の高周波電力を印加し、両電極のいずれか一方の電極を常にアース電極として機能させ、プラズマから見て真空容器がアースとなるのを抑制することを特徴とするプラズマ処理方法。
試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低い他の高周波電力を印加し、前記両電極に印加されるそれぞれの高周波電圧によるバイアス電圧の正電圧の値を下げ、プラズマポテンシャルを低くしてアースに接地された真空容器内壁との電位差を小さく、プラズマ中のイオンによる前記真空容器内壁面の衝撃を抑制することを特徴とするプラズマ処理方法。
内部を所定の減圧雰囲気に制御される容器と、前記容器内に設けられ試料を配置可能な基板電極と前記基板電極に対向する対向電極と、前記対向電極に接続され前記容器内にプラズマを生成するための高周波電力を印加するプラズマ生成電源と、前記基板電極および対向電極にそれぞれ接続され前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数の低い高周波電力を印加する複数のバイアス電源と、前記複数のバイアス電源の高周波電圧の位相を制御する位相制御器とを具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、前記処理室内へガスを供給するガス供給装置と、前記処理室内の設けられ被処理材を載置可能な基板電極と、前記処理室内で前記基板電極に対向して設けられプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極と、前記アンテナ電極に接続されたプラズマ生成用の第１の高周波電源と、前記基板電極へ接続された第２の高周波電源と、前記アンテナ電極へ接続された第３の高周波電源と、前記第２の高周波電源および前記第３の高周波電源によって印加する高周波電圧の位相を逆位相に制御する位相制御器を有することを特徴とするプラズマ処理装置。