JP2775345B2 - プラズマ処理法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、プラズマを利用して試料、特に半導体ウエ
ハーにエッチング、レジストアッシング又は成膜する際
のプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理法及び
該プラズマ処理方法を実施するに適した装置に関する。

なお、本明細書にいう“プラズマ処理法”とは、特定
の物質をプラズマ化して活性の強いラジカルとイオンを
発生させ、このラジカルとイオンを被処理試料（例え
ば、基体等）に接触させて該被処理試料にエッチング、
堆積膜形成、スパッタリング、クリーニング、アッシン
グ（灰化）等の処理を施す加工方法をいう。また、“プ
ラズマ処理装置”とは、該プラズマ処理法を実施するに
ついて用いる装置をいう。

発明の背景 従来のプラズマ処理装置は、原料ガス導入口と排気口
とを有する真空容器で構成されたプラズマ処理室と、該
プラズマ処理室に導入される原料ガスをプラズマ化する
ためのエネルギーを供給する電磁波等の供給手段とから
なっている。

こうしたプラズマ処理装置を使用して実施するプラズ
マ処理法は上述したラジカルやイオンの強い活性に依拠
するものであり、ラジカルやイオンの密度や被処理試料
の温度等を適宜選択することにより、エッチング、堆積
膜形成等の各種の処理を所望に応じてなし得るものであ
る。そしてこうした各種の処理を制御性良く行うについ
て、電荷をもったイオンを制御する方法が採用される。

具体的には例えばプラズマ状態を形成するためのプラ
ズマ化エネルギーを与える媒体として、13.56MHzの高周
波を処理ガスに印加してプラズマを発生させ、試料に到
達するためのエネルギーをイオンに与えて制御を行う方
法がある。この方法は第９図に示す構成の装置を使用し
て実施される。第９図は13.56MHzの高周波によってプラ
ズマを発生させ、試料をエッチングするリアクティブイ
オンエッチング（RIE）装置の一例を模式的に示す図で
ある〔応用物理，第51巻，第３号、第350頁（1982）参
照〕。

第９図に示すリアクティブイオンエッチング装置にお
いては、真空容器903中に試料電極909が絶縁体910を介
して設けられており、試料電極909と対向して対向電極9
20が配設されている。そしてプラズマ906は試料電極909
と対向電極920の間の空間で形成され、該プラズマの作
用により試料電極909上の試料908はエッチングされる。
905は処理ガス導入口であり、923はマッチングボックス
である。

以上説明の第９図に示す装置を用いたエッチング工程
について、Cl₂ガスを用いてSi基板をエッチングする場
合を例に説明する。まず、被エッチング試料Si基板908
を試料電極909上に載置し、真空排気系によって真空容
器903内を例えば10^-4Torr以下に排気する。

次にガス導入口905を介してエッチングガスたるCl₂ガ
スを真空容器903内に導入し、該容器の内部の圧力を例
えば0.05Torrに保つ。続いて高周波電源919で発生させ
た高周波電力を、マッチングボックス923を介して試料
電極909に印加し、試料電極909と対向電極920の間にプ
ラズマ906を発生させる。

ここでプラズマ906に接する試料電極909は、絶縁体91
0とマッチングボックス923中にコンデンサ（図示せず）
によってアース電位からは電気的に絶縁されている。そ
れゆえ電子とイオンとの移動度の違いから、試料電極90
9には負のバイアス電圧（陰極降下電圧とも呼ばれ、そ
の大きさは印加した高周波電圧の最大値V_m程度）が誘起
される。そして該バイアス電圧によってイオンが加速さ
れて試料908に衝突し、ラジカルと共にエッチングが行
われる。ここではイオンのエネルギーの制御は、印加す
る高周波電力を調整し、前記バイアス電圧を変化させて
行われる。

しかしこのRIE装置を用いた場合には、試料表面に達
するイオンのエネルギーは、2eV_m（ここでｅは電子の電
荷量）程度の広がりを持っており、試料表面の表面状態
を気にするエッチングの場合には高エネルギーを有する
イオンによる試料の損傷が大きな問題となる。一方損傷
をなくすためイオンのエネルギーを下げ、即ち高周波電
圧を下げ（高周波電力を下げる）エネルギーを行うと、
今度はエッチング速度が小さくなり、適正なエッチング
速度が得られないという問題が新たに生ずる。こうした
状況下にあって、制御性に優れ、試料表面の損傷がな
く、かつ処理速度が速いプラズマ処理法が望まれてい
る。

上述の従来例は高周波エネルギーを印加してプラズマ
を発生させ、イオンにエネルギーを与えてエッチングを
行うものであるが、プラズマを発生させる手段として、
マイクロ波を用い、試料に照射するイオンのエネルギー
を制御する手段として、試料電極に高周波電力を印加し
プラズマ処理を行う方法もある。該処理法では、プラズ
マ状態の制御と試料に入射するイオンのエネルギーの制
御が独立に行えるので制御性の良い処理が行える。この
ような装置の一例として特公昭56−37311号公報に開示
されている。該装置は第10図に模式的に示す構成のもの
である。

第10図の装置をエッチング処理に用いる場合には、マ
イクロ波発生機（例えばマグネトロン）123で発生した
場合マイクロ波は導波管101を伝播し、磁場発生コイル1
04と永久磁石127とによって形成されるミラー磁場内に
配置された絶縁物からなる容器107内で例えば１気圧以
下に制御されたエッチングガス（リークバルブ124を通
して導入する）に吸収される。

処理室125の内部には、ガス導入口105、ガス排出口12
6、試料電極109、試料108、永久磁石127及び絶縁物130
が配されており、発生したプラズマ106中の活性イオン
はミラー磁場に沿って試料108に入射し、そこで試料108
の表面がエッチングされる。このとき、試料108及び試
料電極109には図に示したように高周波の交流電圧が印
加されている。その印加手段としては、巻数比がほぼ1:
1の空心トランス128の一次側コイルに高周波電源119を
接続し、二次側コイルの一端に試料電極109を、他端に
コンデンサ129をそれぞれ接続する方法がある。そし
て、コンデンサ129の他端は接地する。また、処理室125
の壁部に絶縁物130を設けて試料電極109を電気的に浮か
せており、試料電極109は電気的な導体で作製されてい
るために試料電極109に印加された高周波電圧は同時に
試料108にも印加される。コンデンサ129は例えば約0.1
μＦの容量を持っており、その機能は試料108を大地か
ら直流的に絶縁して高周波電流のみを通過させる働きを
する。

それゆえ、試料電極109には第11図に示すV_sのようにV
_fだけ負にバイアスされた高周波電圧が印加されること
になる。試料108（又は試料電極109）に到達するイオン
（なお、これ以後イオンとは陽イオンを示し、その大部
分は一価である）や電子はプラズマ電位V_pとの電位差V_s
−V_pによって加速或いは減速され、時間平均でこのイオ
ンと電子の到達電荷量が等しくなるように平均バイアス
V_fが決定される。ただし、V_pは、大きさが10〜20V程度
で、波形は第11図では便宜的に正弦波で表したが、実際
にはプラズマの非線型効果によって多少波形が変形す
る。ここで試料108に到達するイオンエネルギーは平均
でｅ（V_f−_Ｐ）（ここでｅは電子の電荷量）のエネル
ギーを持ち_ＰはV_fよりも非常に小さくなる（V_f≫
_Ｐ）ため、ほぼeV_f程度と近似でき、この平均的なエ
ネルギーで試料に衝突して、試料に所望の処理が行われ
る。このエネルギーの値はV_s、即ち高周波電源の電力に
よって制御でき、その制御によって制御性の良い処理
や、より高エネルギーのイオンによって高速処理が可能
となる。

ところで、一般にイオンエネルギーを利用してSiやSi
O₂ウエハーのプラズマ処理を行う場合、〜100eV以下の
エネルギーを持ったイオンを用いれば試料に与える損傷
はほんどないが、処理速度はエネルギーが大きい程大き
くなるため、損傷のない高速処理を行うためイオンのエ
ネルギー幅が狭いことが要求される。このエネルギー幅
が狭いということを第12図に模式的に示してあり、同図
においては100eV周辺のエネルギーをもつイオンに比べ
てそれ以外のエネルギーをもつイオンが極めて少なくな
っている。またあるイオンのエネルギーを境にして、エ
ネルギーの低い領域で堆積作用、高い領域でエッチング
作用が生ずる場合、処理を制御する上でイオンのエネル
ギー幅が狭いほうがより制御が容易となる。このイオン
エネルギーの大きさによって堆積作用、エッチング作用
が生ずることを第13図に模式的に示す。しかしながら、
前記従来法では試料に入射するイオンのエネルギーは試
料電極109に加わる電圧が第11図に示すように変化する
ため、最大2e|V_o−V_po|（ただしV_o、V_poは図に示した
V_p,V_sの正弦波部の最大値）まで分布している。例え
ば、V_o＝100Vの高周波電圧を印加すると、平均で100e
V、最大200eV程度のエネルギーをもったイオンが存在す
るようになる。従ってイオンのもつエネルギー幅は拡が
ってしまう。こうしたことから試料表面の損傷がなく、
高速度で高効率のプラズマ処理を定常的に行い得ないと
いう問題がある。

発明の要約 本発明は上述した問題点を克服し、所望の値に制御さ
れたエネルギー値をもち、かつエネルギー分散が小さい
イオンを用いることで試料への損傷の少ないプラズマ処
理を高速でしかも高効率で行うことができるプラズマ処
理方法を提供することを主たる目的とする。

本発明の他の目的は、制御性に優れたプラズマ処理を
定常的に行い得るプラズマ処理方法を提供することにあ
る。

本発明の更に他の目的はこれらのプラズマ処理方法を
実施するに適したプラズマ処理装置を提供することにあ
る。

本発明は従来技術における上述した問題点を解決し、
上記目的を達成すべく本発明者が鋭意研究を重ねた結
果、完成に至ったものである。

本発明により提供されるプラズマ処理方法はつぎのと
おりの構成のものである。即ち真空容器内の試料電極上
に被処理試料を載置し該真空容器内に、前記被処理試料
の処理に用いる処理ガスを導入し、該処理ガスにプラズ
マ生起用エネルギーを供給してプラズマを生起させ、該
プラズマにより前記被処理試料を処理するプラズマ処理
法であって、前記プラズマの電位に対する前記試料電極
の電圧が一定となるように前記試料電極に負の電圧を制
御しながら印加し、前記プラズマから前記被処理試料に
照射されるイオンのもつエネルギーの分散が所望状態に
なるようにして、前記イオンの照射を行う第１の工程
と、前記試料電極に正の電圧を印加して前記プラズマ中
の電子を前記被処理試料に照射する第２の工程の第１の
工程と第２の工程を交互に繰り返すことを特徴とするプ
ラズマ処理法である。

本発明は上記プラズマ処理法を実施するに適したプラ
ズマ処理装置を包含する。該プラズマ処理装置は、つぎ
のとおりの構成のものである。即ち、被処理試料を載置
可能な試料電極が配され、かつ、前記被処理試料にプラ
ズマ処理を行い得るプラズマを保持可能な真空容器と、
前記被処理試料の処理に用いる処理ガスを前記真空容器
内に供給するガス供給手段と、前記真空容器内を真空排
気する排気手段と、前記試料電極に電圧を印加し、前記
プラズマ中のイオンの前記被処理試料への入射を制御す
る電圧印加手段とを有するプラズマ処理装置であって、
前記電圧印加手段は、前記試料電極に正負の電圧を交互
に印加可能であり、前記プラズマの電位に対する前記試
料電極の電圧が負となるとき前記プラズマ電位に対する
前記試料電極の電圧を一定に制御できるようにしたこと
を特徴とするものである。

上述した構成の本発明のプラズマ処理方法及びプラズ
マ処理装置によれば、被処理試料表面に到達するイオン
のエネルギー分散を所望状態に揃えることができ、しか
もそのエネルギーの値を制御することができるので、所
望のプラズマ処理を高速でしかも高効率で行うことがで
きる。具体的には例えばエッチング処理を行う場合に
は、試料表面に到達するイオンのエネルギーをエッチン
グ作用に適した状態のものに揃えることで極めて効率の
良いエッチングを行うことができる。また、成膜処理を
行う場合には、イオンのエネルギーを試料表面に損傷を
与えない範囲内で高エネルギーのものに揃えることで、
特性の良い堆積膜を効率良く形成することができる。

好ましい態様の詳細な説明 以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１（Ａ）図は本発明のマイクロ波を使用するプラズ
マ処理装置の好適な一例を示した模式図である。同図に
おいて101はマイクロ波を供給する導波管、102はマイク
ロ波を透過するマイクロ波透過窓、103は金属でできた
真空容器、104は真空容器103内に磁場を発生させるため
の空心コイルであり、105は真空容器103内に処理ガスを
導入するためのガス導入口である。106は真空容器103内
に発生するプラズマ、107は石英、アルミナ等で構成さ
れる絶縁容器、108は被処理試料、109は、試料108を載
置する導体で構成された試料電極であり、110は試料電
極109をアース電位から電気的に絶縁するための絶縁体
である。111a,111bはプラズマ106の電位を測定するため
のラングミュアープローブであり、112a,112b,112cはア
ッテネータである。113はラングミュアープローブ112a
及び111bによって検出した電圧からプラズマの電位V_pを
評価算出するプラズマ電位評価部であり、150a,150b
は、それぞれラングミュアープローブ111a,111bの場所
でのプラズマ電位算出用の外部電圧設定用直流電源であ
る。114はプラズマに対する試料電極109の電位V_spを評
価算出し、試料電極電圧信号を発生するプラズマ−試料
電極間電圧評価部であり、115は試料電極109に印加すべ
き理想波形をもつ基準波形信号を発生させる基準波形信
号発生部である。116は試料電極電圧信号と基準波形信
号とを比較し、差異を検出して試料電極電圧を制御する
信号を発生させる比較制御信号発信部、117は該信号を
増幅する制御信号増幅部、118は増幅された該信号を用
いて試料電極電圧を基準電圧と同じ波形を持ち、該波形
の値が所望の値となるように試料電極電圧を制御する試
料電極電圧制御部である。131,132は試料電極電圧制御
部118に直流電力を供給する直流電源である。

以上説明のプラズマ処理装置においては、理想波形
は、プラズマ処理に応じて適宜設定されるが、通常は試
料電極109がチャージアップしたままの状態とはならな
いように正の電位と負の電位をもつ波形が設定される。

次に、上述した構成のプラズマ処理装置を用いたプラ
ズマ処理の処理工程についてその一例を説明する。

まず、処理ガス（例えば、SiO₂のエッチング処理の場
合にはCHF₃等、Siのエッチング処理の場合にはSF₆又はC
l₂等、SiNの成膜処理の場合にはSiH₄＋N₂＋H₂等、ノボ
ラック型レジストのアッシング処理の場合にはO₂等）を
ガス導入口105より真空容器103内に導入し、真空排気を
行うことによって真空容器103内を所望の処理圧力（例
えば、５×10^-4〜１×10^-1Torr）に保持する。続いて真
空容器103内に空心コイル104によって磁場を発生させ
る。

次にマグネトロン発振機（図示せず）等で発生させた
マイクロ波（通常2.45GHz）を導波管101を介して伝搬さ
せ、真空容器103と導波管101の間にあって真空密閉され
たマイクロ波透過窓102を介して絶縁容器107内に導入す
る。

このようにして真空容器103内にプラズマ106が発生す
る。ここで磁場の大きさを2.45GHzのマイクロ波に対し
て電子サイクロトロン共鳴が起こる値（875Gauss）に設
定すると効率よくマイクロ波が吸収され、高密度プラズ
マを作ることができる。

プラズマ電位V_pを評価するにはいくつかの方法がある
が、第１図のプラズマ処理装置ではラングミュアープロ
ーブ111a及び111bを用いて評価できるようになってい
る。ここでラングミュアープローブ111a,111bは、プラ
ズマ106と試料電極109間に生ずるイオンシースの長さの
数倍から数十倍程度の距離（例えば0.5mm〜1cm程度）を
隔てて試料電極109の上部位置に設けるのが望ましい。
本例では２本のラングミュアープローブによって測定を
行うようにしているが、プラズマ電圧の測定精度を上げ
るためには更にラングミュアープローブの数を増して測
定することが望ましい。次に具体的なプラズマ電圧の評
価方法の一例を説明する。まずラングミュアープローブ
111a及び111bのそれぞれは、外部から電圧を加えること
なくプラズマ106のフローティング電位にする。ここで
それらの値をV_pfa,V_pfbとする。ラングミュアープロー
ブ111a,111bに誘起したフローティング電位V_pfa,V
_pfbは、アッテネータ112a,112bによってこの後の評価処
理に都合の良い電圧にする。本例では、これらアッテネ
ータに入力された電圧を例えば1/10に変換することが可
能である。フローティング電位の1/10になった電圧がプ
ラズマ電位評価部113に入力される。

例えば、真空容器103内の圧力が10^-2Torr以下ではイ
オンシース内でのイオンの衝突は少なく、ボーム条件
（Bohm condition）からプラズマ電位V_pは以下の式
（１）で表される。

ここでｋはボルツマン定数、Teは電子温度、m_iはイオ
ンの質量、m_eは電子の質量である。電子温度Teは処理中
にはほとんど変化しないので、ラングミュアープローブ
111a及び111bのそれぞれでの電圧電流特性を測定して、
それぞれの測定位置での電子温度Tea,Tebを決定するこ
とができる。つまり式（１）から明らかなようにそれぞ
れの測定位置でのプラズマ電位V_pa及びV_pbは、フローテ
ィング電位V_pfa及びV_pfbを検出し、電子温度Tea及びTeb
を検出することで簡単に求めることができる。

つまり、それぞれのラングミュアープローブ111a,111
bの場所でのV_T、即ち、V_Ta,V_Tbを計算し、それらの値の
例えば1/10の値を、それぞれの設定用直流電源150a,150
bを調整して、プラズマ電位評価部113に入力する。プラ
ズマ電位評価部113内にあるオペレーションアンプを基
本素子として構成された加算回路を用い、それぞれのラ
ングミュアープローブの場所でのプラズマ電位V_pa＝V_Ta
＋V_pfa及びV_pb＝V_Tb＋V_pfbを演算してプラズマ電位を求
め、更にV_PaとV_Pbの平均演算回路によって平均値を求め
る。

なおこの値は実際の値の1/10の大きさを持ち、プラズ
マ電位信号として出力される。

試料電極電圧（アース電位に対する）V_Psはアッテネ
ータ112cによって前述のアッテネータ112a,112bを用い
プラズマのフローティング電位V_pfの電圧を変換した理
由と同じ理由で変換し、同一の変換率1/10で変換する。
1/10に変換された試料電極電圧V_psはアースに対する試
料電極電圧信号としてアッテネータ112cから出力され
る。プラズマ電位信号とアースに対する試料電極電圧信
号が入力されたプラズマ−試料電極間電圧評価部114で
は、内部にある演算回路によってアースに対する試料電
極電圧信号からプラズマ−試料電極電圧信号を減算し、
プラズマに対する試料電極電圧V_psを求め、プラズマ−
試料電極電圧信号として出力する。なおこのV_psの値
は、実際の値の1/10になっている。

基準波形信号発生部115で発生させる基準波形信号V_R
を第２図に示す。基準波形信号V_Rはプラズマ−試料間電
圧の理想的な波形に等しくその値は例えば1/10に変換さ
れている。

第２図において、t₁はプラズマ106から試料電極109に
電子電流が流れ込む時間、t₂はプラズマ106から試料電
極109にイオン電流が流れ込む時間であり、V₁,−V₂はそ
れぞれの時間中の試料電極109のプラズマ106に対する電
圧の1/10の電圧を示している。まずt₁とt₂の時間につい
て考える。時間t₂の間にイオンが試料電極109に流れ込
み試料108を処理する。流れ込んだイオンの電荷はもし
何もしなければ試料電極109に留り試料電極109の電圧を
上昇させる一方、プラズマ106はイオンに比べ電子が増
えるのでプラズマ電位は下がり、やがてイオンは試料10
9に流れ込まなくなる。

そこでこの時間t₂の間、試料電極109に到達するイオ
ンのエネルギーを一定に保つためプラズマ−試料間電圧
V_PRを一定に保ち、プラズマ−試料間の電場から受け取
るエネルギーを一定にする制御を以下のように行なう。

プラズマ−試料間電圧評価部114及び、基準波形信号
発生部115から得られたプラズマ−試料電極電圧信号と
基準波形信号は、制御信号発生部116に入力され、差動
アンプによって、両信号の差に応じた信号が制御信号と
して出力される。更に制御信号増幅部117で増幅され試
料電極電圧制御部118に入力される。

第１（Ｂ）図に本発明に用いられる前記試料電極電圧
制御部の基本回路の一例を示す。第１（Ｂ）図におい
て、332はnpn型トランジスタ、333はpnp型トランジス
タ、334,335は該トランジスタのベース電流を調節する
電気抵抗、131,132は直流電源である。

このような構成の試料電極制御部は、トランジスタ、
332と333を直流電源131,132の間に入れ、トランジスタ3
32,333のコレクターエミッタ間の電圧を、制御信号増幅
部117で得られた制御信号によって制御された該トラン
ジスタのベースに流れる電流によって制御し、その結果
として、プラズマに対する試料電極109に印加される電
圧V_psを一定値、例えば−10V₂に保つ。

試料電極109の電圧がプラズマ106に対して一定である
ため、試料108に到達するイオンのエネルギーを一定値
−10eV₂に揃えることができる。従ってエネルギーの幅
の狭いイオンを用いてプラズマ処理ができ、イオンのエ
ネルギーもV₂を変えることによって適宜精密な制御が可
能となる。

t₂の長さは試料電極電圧制御部118の制御限界で決ま
り、t₂はそれ以下のある時間、例えば10μsec以下で一
定値にするか、他の方法として第３図に示すように試料
電極電圧制御部118から制御限界信号を基準波形信号発
生部115に送り、t₂の長さを決めてもよい。

次にt₁について考えてみる。t₁間でt₂間に下降したプ
ラズマ電位、上昇した試料電極電圧（共にアース電位を
基準）をそれぞれ上昇、下降させる。t₁間は移動速度が
大きい電子がプラズマ106から試料電極109に流れ込むた
め、t₂より短くてよい。V₁≧０でボーム条件のもとでは
t₁の値の範囲は となる。ここでm_iの質量を質量数で10程度（大部分のイ
オンは質量数が10以上）とすると、 t₁≧1.1×10²t₂ …（３） となり、t₁は少なくとも式（３）の条件を満たせば良
い。しかしあまり長い間V₁＞０であるとプラズマ電位V_p
と試料電極電圧（共にアース電位を基準）が下降しすぎ
てしまう。従って、プラズマ電位、または試料電極電圧
がある値（例えば、試料電極電圧制御をしないときの
値、またはアース電位）になったとき、このt₁を終わら
せる信号をアッテネータ112cより発生させ、基準波形信
号発生部115に送りt₁を終わらせる（第３図参照）こと
もできる。前記t₁,t₂を決定する制御信号を用いる場合
には基準電圧発生部115に負の値をもつ一定電圧を発生
させれば良く、第２図に示した正の値をもつ電圧部分を
もたない基準電圧波形で良い。また時間t₁の間のV_Rの波
形は、第２図では時間t₁の間変化せず一定であるが、こ
の間は電子のエネルギーは一定ではなくてもよいから、
この間のV₁がV₁≧０であればどんな波形でも良い。

尚、絶縁容器107がない場合、プラズマ106の電位はプ
ラズマ106がアース電位である真空容器103と接している
ため余り大きく変化しない。このようにプラズマ106の
電位の変化が少ない場合、試料電極電圧をプラズマ−試
料電極電圧の代わりに使ってもそれほど大きな問題とな
らないために装置を簡略化できる。

以上説明したプラズマ処理装置はマイクロ波を使用す
る場合のものであるが、本発明の装置は、マイクロ波以
外のエネルギーを使用する形態のものとすることができ
る。その一例として第８図に高周波を使用する装置を示
す。

第８図において803は真空容器、805はガス導入口、80
6はプラズマであり、810a,810bは絶縁体、819は高周波
電源である。820は真空容器803から絶縁体810bによって
電気的に絶縁され、試料電極109に対向する上部電極で
あり、823はマッチングボックス、821はスイッチであ
る。その他第１図と同一の符号を付したものは同一のも
のを示す。

第８図の装置を用いる場合、まず試料電極109に試料1
08を載せ真空容器803内を十分真空排気する。次いで真
空排気ガス導入口805より前述したのと同様の処理ガス
を導入し、真空容器803内の圧力を例えば10^-3〜1Torrに
保つ。続いてスイッチ821を高周波電源819側にし、例え
ば１〜300MHzの周波数の範囲にある特定の周波数を持っ
た高周波電源819を発振させて、高周波電力を上部電極8
20に供給する。このようにして該上部電極820と試料電
極109間にプラズマ806を発生させる。このときマッチン
グボックス823は反射電力が最小になるように調整す
る。この後の操作は前述の第１図の装置について説明し
た操作と同様である。

本発明のプラズマ処理装置は、上述した以外の構成の
ものとすることもできる。その場合の一例を以下に説明
する。即ち、第８図のスイッチ821を接地側にし、上部
電極820を接地した場合、高周波電源819と上部電源820
との電気的接続はなくなる。つまり、高周波電源819は
プラズマを発生させるためのエネルギー供給の機能は果
たさなくなる。しかしながらこの場合であっても、試料
電極電圧制御部118より前述したのち同様に制御電圧を
試料電極109に印加し、試料電極電圧制御部118から供給
されるエネルギーをプラズマ発生用のエネルギーとして
用いることで、プラズマ806を発生させてプラズマ処理
を行うことができる。

ただし、この場合試料電極電圧が負となるときの電圧
の大きさが小さすぎる（概ね100V以下）とプラズマが発
生せず、比較的大きな電力を供給する必要がある。その
ため、イオンのエネルギー制御や被処理試料のイオンダ
メージについては特別な配慮を要する。

〔実施例１及び比較実験例１〕 実験例１ 前記装置の有効性を調べるため試料へ入射するイオン
エネルギーの計測実験を行った。イイオンエネルギーの
計測は第１（ａ）図に示した装置におけるイオンエネル
ギー計測手段を第４図に示すように変更して行った。

第４図において、436は試料電極109に開けられた小孔
であり、437は試料電極109に接続され中心にメッシュ状
の加工が施された電子阻止電極であり、438は通過でき
るイオンのエネルギーを制御する制御電極であり、439
は該イオンエネルギーを変化させるための電圧可変可能
な直流電源であり、442は電子阻止電極用の直流電源で
あり、440はイオン収集電極であり、441は該イオン収集
電極に捕獲されたイオンの電流を測定するための微弱電
流計である。その他の構成は第１図に示したものと同一
である。

以下に具体的な計測方法を述べる。まず真空容器103
内を真空排気し圧力を10^-6Torr以下にした。次いでガス
導入口105よりArガスを20sccmの流量で導入し、真空容
器103内の圧力が３×10^-4Torrになるように真空排気状
態を調整した。続いて空芯コイル104に150Aの電流を流
して真空容器103内に875Gaussの磁場を発生させ、2.45G
Hz、200Wのマイクロ波をマイクロ波透過窓102を通して
供給し、プラズマ106を発生させた。

具体的な計測として、まず、ラングミュアープローブ
115a,116bの電圧電流特性を測定してそれぞれの場所で
の電子温度Teを算出した。算出の結果それぞれkTea＝2.
3eV,kTeb＝2.5eVという値が得られた。また、これらの
値の時間変動は±0.1eV範囲内に納まっており、ほとん
ど変動しなかった。本実験ではアッテネータ112a,112b,
112cの縮小率1/10とした。それぞれのラングミュアープ
ローブの場所におけるV_Ta,V_Tbを算出したところ11.9V,1
3.0Vとなり、直流電源150a及び直流電源150bを調整し、
それぞれ1.19V,1.30Vをプラズマ電位評価部113に入力し
た。

本実験では基準波形信号発生部115として、ヒューレ
ットパッカード社のパルスジェネレータ8112Aを用い、t
₁＝20nsec、t₂＝１μsec、V₁＝0.5V、V₂＝5V、10V及び1
5Vに設定した。また直流電源131,132はそれぞれ電圧が3
00V,−300Vのものを用いた。

試料電極109に到達したイオンと電子の一部は、小孔4
36を通過し、試料電極109に対し負の電圧を印加（−50
V）した電子阻止電極437によって電子が阻止され、イオ
ンのみが電子阻止電極437を通過する。そして制御電極4
38に直流電源439から電圧V_iを印加し、該電圧を変化さ
せることで制御電極438を通過し、イオン収集電極440に
到達するイオンを制御できる。イオン収集電極440に捕
獲されたイオンの電流I_iを微弱電流計441によって測定
し、V_i−I_i特性を求め、更にdI_i/dV_iを算出しイオンの
エネルギー分布を求めた。第５図に結果を示す。同図に
おいて561,562,563の曲線がそれぞれV₂＝5V,10V,15Vの
時得られたイオンのエネルギー分布である。それぞれの
エネルギー分布は、最大分布となるエネルギー中心にし
て鋭いピークを持つ単一分布であり、その最大分布とな
るエネルギーはV_iにほとんど正確に10倍、即ちアッテネ
ータ112a,112b,112cの縮小率の逆数倍であり、またエネ
ルギーの分布幅、即ち、半値幅はそれぞれ10eV,12eV,13
eVであることが確認された。以上の測定結果から、試料
電極に入射イオンのエネルギーの分散が小さく、かつそ
のエネルギーはV₂によって正確に所望の値に設定するこ
とができることが分かった。

比較実験例１ 試料電極109に、高周波電力を印加した第６図に示す
従来タイプの装置でも同様の測定を行った。第６図にお
いて、619は13.56MHz、出力電力可変な最大500Wの高周
波電源、623はマイクロボックスであり、その他、第４
図と同一の符号を付したものは同一のものを示す。

前記実験例と同一条件、同一の方法でプラズマを発生
させた後、13.56MHzの高周波電力240Wを印加し、反射波
を最低にするようにマッチングボックス623を調整し
た。この時の試料電極のバイアス電圧は−100Vであっ
た。この電圧では、前述の実験例１でV₂＝10Vの時とイ
オンの平均エネルギーが等しい。そこで前述の実験例と
同一の方法で試料電極109に入射するイオンのエネルギ
ー分布を測定した。第５図の564が本比較実験で得られ
たイオンのエネルギー分布である。イオンのエネルギー
は０〜200eV間に広く分布していることが分かった。

以上二つの実験結果から明らかなように試料電極109
に高周波電力を印加した従来タイプの装置を用いたもの
に比べ、試料電極109に達するイオンのエネルギー分布
は本発明を実施することによって著しく改善され、かつ
そのエネルギー分布が揃ったイオンが得られることが確
認された。

実験例２ 第４図に示した装置を用い、第２図に示した基準波形
信号発生部115で発生させる基準波形信号のt₁とt₂の関
係を評価した。

前述の実験例１と同様にしてArプラズマを発生させ、
試料電極109に入射するイオンのエネルギー分布を求
め、該エネルギー分布が単一分布になるt₁とt₂の関係を
t₁＝10,20,30nsce時について求めた。第７図に結果を示
す。同図において、点線770は式（２）で等号で表され
る直線で、斜線部は不等号で表される領域である。それ
ぞれt₁のとき、t₂が771,772,773の範囲では、エネルギ
ー分布が単一分布となる限界でそれより短いt₂で安定し
た単一分布が得られた。これはほぼ直線770上にあり、
式（２）の有効性が確認された。

〔実施例１及び比較例１〕 実施例１ ｐ−type−Si基板上に膜厚100Åの熱酸化膜を形成
し、更にその上にリンをドープした膜厚4000Åのpoyl−
Si膜を堆積した被処理試料を用意し、これに第１図に示
した装置を用いてエッチングを施し、MOS構造を作製し
た。前記被処理試料に、まずレジスト（OFPR−800、東
京応化工業株式会社製）を塗布し、半導体分野で通常用
いられる露光装置によって露光現像処理を行い、直径1m
mのレジストパターンを該試料上に形成した。

次いでプラズマの電子温度を求めるため前記試料と同
一のダミー試料を試料電極109上に載せた後、真空容器1
03内の圧力が10^-6Torr以下となるように真空排気した。
次いでガス導入口105よりCl₂ガスを20sccmの流量で導入
し、真空容器103内の圧力を３×10^-4Torrにした。空芯
コイル104に150Aの電流を流して真空容器103内に875Gau
ssの磁場を発生させると共に200Wのマイクロ波（2.45GH
z）をマイクロ波透過窓102を通して供給し、塩素プラズ
マ106を発生させた。なおこの場合、試料電極電圧制御
部118からは電圧を印加しなかった。

ラングミュアープローブ111a,111bを用いて、それぞ
れラングミュアープローブの電圧電流特性を測定し、そ
れぞれラングミュアープローブが配されている場所での
プラズマの電子温度を求めた。ラングミュアープローブ
111aによる電子温度はkTea＝2.5eV、ラングミュアープ
ローブ111bによる電子温度はkTeb＝2.7eVであった。こ
れらの電子温度の値から式（１）のV_Tを求めると、それ
ぞれの場所でのV_T、即ちV_Ta,V_Tbはそれぞれ12.8eV,13.9
Vであった。本実施例ではアッテネータ112a,112b,112c
をそれぞれ変換率1/10に設定したので、設定用直流電源
150a及び150bのそれぞれの出力電圧をこれらのV_Ta,V_Tb
の値の1/10の電圧に設定した。

基準波形信号発生部115で発生させた基準波形信号の
時間と電圧のパラメータは、試料に入射するイオンのエ
ネルギーを100eVにするためそれぞれ、t₁＝20nsec、t₂
＝１μsec、V₁＝0.5V,V₂＝10Vに設定した。また直流電
源131,132はそれぞれ電圧が300V,−300Vのものを用い
た。

次に被処理試料108を試料電極109に載せ、前述のダミ
ー試料の場合と同様の操作を行い塩素プラズマ106を発
生させた。試料電極電圧制御部118から制御電圧を印加
し、エネルギーの揃ったイオンによってpoly−Siのエッ
チングを行い、直径1mmのpoly−Si電極を持つMOS構造を
作製した。この時のpoly−Siのエッチングレートは6200
Å/minであった。またこのMOS構造でSi基板とpoly−Si
電極間に電圧を加えて耐圧試験をしたところ、作製した
MOS構造の絶縁破壊電場は４〜6MV/cmであった。

比較例１ 第６図に示した従来型の装置から試料電極109の下部
に設けられたイオンエネルギー測定部を取り去ったもの
をエッチング装置として用いて、実施例１と同様の操作
を行った。具体的には実施例１におけると同様の被処理
試料を試料電極109に載せ、マイクロ波エネルギーによ
って塩素プラズマを発生させた後、高周波電源619より3
40Wの高周波電力（13.56MHz）を試料電極109に印加して
エッチングを行い、直径1mmのpoly−Si電極を持つMOS構
造を作製した。このとき試料電極109に発生したバイア
ス電圧は−100Vであったので、平均的にはイオンの持つ
エネルギーは実施例１の場合と同じになった。ここで、
エッチングレートは3400Å/minであった。また、実施例
１と同様にSi基板とpoly−Si電極間に電圧を加えた耐圧
試験をしたところ、作製したMOS構造の絶縁破壊電場は
１〜3MV/cmであった。

以上の結果からつぎのことが判った。即ち、実施例１
の場合、イオンエネルギーをSOi₂膜へのイオンダメージ
を与えない範囲内でエッチング作用に適した状態のもの
に揃えることができるため、比較例１に比べてエッチン
グレートは増大し、素子の耐圧も向上する。

つまり、本発明のプラズマ処理方法及び処理装置によ
れば、イオンのエネルギーを所望の状態に揃えることが
できるので、所望のプラズマ処理を効率良く行うことが
できる。

〔実施例２及び比較例２〕 実施例２ 第８図に示した装置を用いて、Si基板上に2000Å厚の
水素化アモルファスシリコン窒化膜（ａ−SiN:H）を形
成した。

予め試料電極内109に設置したヒータ（図示せず）に
よって300℃に加熱された試料電極109上に試料であるダ
ミーSi基板108を載せ、該Si基板108を300℃に加熱し
た。真空容器803内部を真空排気し内部の圧力が10^-6Tor
r以下になるようにした。次いでガス導入口805より、Si
H₄ガスを3nccm、N₂ガスを100sccm、H₂ガスを40sccmを導
入し、内部の圧力が0.6Torrに調整した。

高周波電源819として、300W（100MHz）の出力のもの
を使い、スイッチ821を高周波電源819側に位置させ、上
部電極820に高周波電力を供給し、マッチングボックス8
23を反射波が最小になるように調節した。このようにし
てプラズマ806を上部電極820と試料電極109の間に発生
させた。なおこの場合、試料電極電圧制御部118からは
電圧を印加しなかった。

次に実施例１と同様の方法でラングミュアープローブ
111a及び111bの設置場所におけるプラズマの電子温度を
求めると、ラングミュアープローブ111aによる電子温度
はkTea＝3.3eV、ラングミュアープローブ111bによる電
子温度はkTeb＝3.1eVであった。これらの電子温度の値
から式（１）のV_Tを求めると、それぞれの場所でのV_T、
即ちV_Ta,V_Tbはそれぞれ16.6V,15.6Vであった。本実施例
ではアッテネータ112a,112b,112cをそれぞれ変換率1/10
に設定したので、設定用直流電源150a及び150bのそれぞ
れの出力電圧をこれらのV_Ta,V_Tbの値の1/10になるよう
に設定した。

基準波形信号発生部115で発生させた基準波形信号の
時間と電圧のパラメータは、被処理試料に入射するイオ
ンのエネルギーを30eVにするため、それぞれ、t₁＝20ns
ce、t₂＝0.8μsec、V₁＝0.3V,V₂＝3Vに設定した。また
直流電源131,132はそれぞれ電圧が300V,−300Vのものを
用いた。

次に被処理試料であるSi基板108を試料電極109に載
せ、前述のダミー試料の場合と同様の条件と方法でプラ
ズマ806を発生させた。試料電圧制御部118から制御電圧
を印加し、エネルギーの揃ったイオンを用いてプラズマ
CVD法によってSi基板上にａ−SiN:H膜を2000Åの膜厚で
形成した。この時の堆積速度は14nm/minであった。この
後作製したａ−SiN:H膜上にAl電極を形成し耐圧試験を
したところ、作製したａ−SiN:H膜の絶縁破壊電場は10
〜12MV/cmであった。

比較例２ 第８図に示した装置のラングミュアープローブ111a,1
11bを用いず、また試料電極電圧制御部118とアッテネー
タ112cを外し、試料電極109を接地（真空容器３に接続
する）したプラズマ処理装置を用いて、実施例２と同様
にしてSi基板上に2000Å厚のａ−SiN:H膜を形成した。
この時の堆積速度は11nm/minであった。作製したａ−Si
N:H膜上に実施例２と同様の方法で実施例２の場合と同
じ形状のAl電極を形成し、耐圧試験を行ったところ、作
製したａ−SiN:H膜の絶縁破壊電場は５〜7MV/cmであっ
た。

以上の結果からつぎのことが判った。即ち、本発明の
方法及び装置を用いて堆積させたａ−SiN:H膜は、従来
法で堆積させたものに比べ堆積速度と耐圧性が向上す
る。本発明のプラズマ処理方法及び処理装置を用いれば
所望のプラズマ処理を効率良く行うことができる。

図面の簡単な説明 第１図（Ａ）図は本発明のプラズマ処理装置の一例を
示す模式図である。第１（Ｂ）図は、本発明のプラズマ
処理装置に使用可能な回路の１例を示す回路図である。

第２図は本発明のプラズマ処理装置の一構成部として
適用可能な基準波形信号発信部より発信される基準波形
の一例である。

第３図は本発明のプラズマ処理装置の試料電圧を制御
する制御部の１例を示す模式図である。

第４図は本発明のプラズマ処理装置の一例を示す模式
図である。

第５図は試料電極に入射するイオンのもつエネルギー
の分布を示すグラフである。

第６図は従来のプラズマ処理装置の一例を示す模式図
である。

第７図は本発明のプラズマ処理装置の一構成部として
適用可能な基準波形信号発生部より発信される基準波形
のt₁とt₂の関係を示すグラフである。

第８図は本発明のプラズマ処理装置の一例を示す模式
図である。

第９図は従来のプラズマ処理装置の一例を示す模式図
である。

第10図は従来のプラズマ処理装置の一例を示す模式図
である。

第11図は試料電極に印加される電圧の変化を示すグラ
フである。

第12図はイオンエネルギーとイオン数との関係を示す
グラフである。

第13図はイオンエネルギーとスパッタレートの関係を
示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｃ 21/31 21/302 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 16/50 C23F 4/00 H01L 21/302 H01L 21/205 H01L 21/31 H01L 21/304

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器内の試料電極上に被処理試料を載
   置し、該真空容器内に、前記被処理試料の処理に用いる
   処理ガスを導入し、プラズマ生起用エネルギーを供給し
   てプラズマを生起させ、該プラズマにより前記被処理試
   料を処理するプラズマ処理法であって、前記プラズマの
   電位に対する前記試料電極の電圧が一定となるように前
   記試料電極に負の電圧を制御しながら印加し、前記プラ
   ズマから前記被処理試料に照射されるイオンのもつエネ
   ルギーの分散が所望状態になるようにして、前記イオン
   の照射を行う第１の工程と、前記試料電極に正の電圧を
   印加して前記プラズマ中の電子を前記被処理試料に照射
   する第２の工程の第１の工程と第２の工程を交互に繰り
   返すことを特徴とするプラズマ処理法。
2. 【請求項２】前記プラズマ生起用エネルギーはマイクロ
   波エネルギー、または高周波エネルギーである請求項１
   に記載のプラズマ処理法。
3. 【請求項３】被処理試料を載置可能な試料電極が配さ
   れ、かつ前記被処理試料にプラズマ処理を行い得るプラ
   ズマを保持可能な真空容器と、前記被処理試料のプラズ
   マ処理に用いる処理ガスを前記真空容器内に供給するガ
   ス供給手段と、前記真空容器内を真空排気する排気手段
   と、前記試料電極に電圧を印加し、前記プラズマ中のイ
   オンの前記被処理試料への入射を制御する電圧印加手段
   とを有するプラズマ処理装置であって、前記電圧印加手
   段は、前記試料電極に正負の電圧を交互に印加可能であ
   り、前記プラズマの電位に対する前記試料電極の電圧が
   負となるとき前記プラズマ電位に対する前記試料電極の
   電圧を一定に制御可能なようにしたことを特徴とするプ
   ラズマ処理装置。