JP2972227B2

JP2972227B2 - プラズマ処理方法及び装置

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Publication number: JP2972227B2
Application number: JP1132637A
Authority: JP
Inventors: 哲徳加治; 三郎金井; 温司伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1999-11-08
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JPH02312227A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はプラズマ処理方法及び装置に係り、特に半導
体素子基板等の試料をプラズマの生成された処理室でエ
ッチング処理、成膜処理する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。

〔従来の技術〕

半導体素子基板等の試料をマイクロ波プラズマを利用
してエッチング処理する技術としては、例えば、特開昭
56−13480号公報等に記載のような、マイクロ波電界と
磁界との相乗作用によりエッチングガスをプラズマ化
し、該プラズマを利用して試料をエッチング処理する技
術や、例えば、特開昭57−133636号公報等に記載のよう
な、マイクロ波電界と磁界との相乗作用により成膜用ガ
スをプラズマ化し、該プラズマを利用して試料を成膜処
理する技術や、また、例えば、特公昭56−5574号公報等
に記載のような、マイクロ波電界によりエッチングガス
をプラズマ化し、該プラズマを利用して試料をエッチン
グ処理する技術や、例えば、特開昭62−218575号公報等
に記載のような、マイクロ波電界により成膜用ガスをプ
ラズマ化し、該プラズマを利用して試料を成膜処理する
技術等が知られている。

尚、マイクロ波源には、通常、マグネトロン（磁電
管）が用いられ、その駆動装置の出力としては、直流若
しくは商用周波数を平滑化した高圧が用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

マイクロ波プラズマを利用した試料の処理において
は、処理速度の向上が強く望まれているが、しかし、上
記従来の技術は、この要求に十分応え得るものとはなっ
ていない。

本発明の目的は、高速でかつ低ダメージのエッチング
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。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的は、処理室と、該処理室内を減圧排気す
る手段と、処理室内に処理ガスを導入する手段と、パル
ス放電及び定常放電を発生させ処理室内の処理ガスをプ
ラズマ化する手段と、処理室内で試料を保持する手段
と、試料のプラズマ処理状況に基づき放電の発生を切り
替える手段とを具備した装置とし、プラズマを生じさせ
る電界の強さをパルス的に発生させ該パルスによる強い
放電を発生させるモードと、プラズマを生じさせる電界
の強さを一定にして放電させるモード若しくは強い放電
を発生させるパルスの幅よりも幅の広いパルスにより放
電を発生させるモードとを、試料の処理中に切り替え、
モードの異なるプラズマによって試料を処理する方法と
することにより、達成される。

〔作用〕

試料のプラズマ処理速度を向上させる方策としては、
プラズマの電子温度を高めること並びにプラズマ密度を
増大させることの二方策に集約される。

その内、プラズマの電子温度は、処理室内の処理ガス
の圧力を低下させたり、また、処理室の径を小さくする
ことで高めることができる。然し乍ら、処理室内の処理
ガスの圧力を低下させればプラズマ密度が低下し、ある
圧力以下では、プラズマ処理速度も低下するようにな
る。また、処理室の径は、処理される試料の大きさによ
り限定を受け、従って、処理室の径を十分に小さくする
ことはできない。

ところで、処理室内の処理ガスの圧力の低下や処理室
の小径化は、プラズマの壁での損失を増加させることに
対応している。従って、パルス放電を発生せしめ、放電
休止期間における壁での損失の増加を強制的に行わせれ
ば、次にパルス放電を生じさせたときには、最初にプラ
ズマを生じさせるときの放電開始時点と同様に大きなエ
ネルギを必要とする。すなわち、放電開始時は放電の電
子温度が高い状態でないとプラズマが発生せず、このた
め、放電開始時の放電の電子温度は定常の放電時よりも
上昇している。この状態は、プラズマ中の電子や荷電粒
子に多くのエネルギが与えられた状態であり、これによ
りプラズマ密度が高いものとなっているので、プラズマ
による試料の処理速度が向上する。

また、電子温度が高い状態ではプラズマ処理速度が大
きいが、試料へのダメージも増加する。一方、放電開始
以後の定常放電時には、放電を維持するためのエネルギ
は放電開始時点のような大きなエネルギは必要ない。こ
のため、放電の電子温度は低い状態で放電を維持する。
したがって、電子温度が低い場合には試料へのダメージ
を抑えることができる。よって、パルス放電と通常放電
を併用することにより、高速でかつ定ダメージのエッチ
ング処理が行える。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図により説明
する。

第１図は、いわゆる有磁場型のマイクロ波プラズマエ
ッチング装置の構成図で、マイクロ波源１、マイクロ波
源駆動装置２、導波管３〜５、真空封止用石英チャンバ
６、磁場発生用コイル７、コイル駆動装置８、試料台
９、バイアス電源10、試料11、真空容器12、ガス導入配
管13、ガス導入バルブ14、排気用配管15等を備えてい
る。

第１図で、マイクロ波発生源１としてマグネトロン管
（磁電管）を用いた時に、マイクロ波源駆動装置２の出
力高圧電流Ｉ、高圧電圧Ｅ、バイアス電源10の出力電力
P_B、コイル駆動装置８の出力電流I_Cを第２図に示す。

試料11としてSiO₂を用い、ガスとしてC_nF_mもしくはC_n
H_lF_m（_ｌ、_ｎ、_ｍは整数）を用いてエッチングを行なう
場合で、マグネトロン管の周波数が2.45GHz、バイアス
電源10の周波数が2MHzで、コイル７の電流は、試料台９
に設置された試料11の付近に電子サイクロトロン共鳴を
生じるように設定する。また、ガス圧力としては、0.01
Pa〜10Paの比較的低圧領域が好ましい。

試料11のエッチング期間を、例えば、２つに分け、前
半（数十秒）はパルス放電を用いた高電子温度のエッチ
ング（モード１）を行ない、後半（数秒〜20秒）は通常
の低ダメージエッチング（モード２）を行なう。

モード１において、パルス電流の半値幅T_W＝10μｓ、
パルス周期T_R＝30μｓで電流パルス制御を行なう。電流
パルスのパルス間の期間の電流I_Lは０の場合が効果大で
あるが、一方、放電が不安定となる場合がある。この場
合には、（I_L/I_H）0.1以下の小電流を流すことにより
放電を安定することができる。また、この時のマグネト
ロン管に加える電圧Ｅは、余り変化しない（E_H/E_L0.
7）。バイアス電源10の出力はモード１では大きく、モ
ード２では小さく設定する。

コイル７に加える電流は、全処理期間中一定でも良い
が、第２図でI_Cに示すように、モード１でマグネトロン
管に加える電流が大なる期間にほぼ対応して大きくし、
マグネトロン管に加える電流が小なる期間にほぼ対応し
て小さくすることにより、エッチング処理速度の向上が
図れる。

本実施例によれば、パルス放電の使用により、電子温
度を上昇させることでエッチング処理速度を向上でき、
かつ、定常放電の処理を併用することで、高速で、か
つ、低ダメージのエッチング処理ができる。

つまり、弱い放電若しくは放電がない状態で強い放電
を開始させると、その開始時点に放電に大きな量のエネ
ルギが供給され、放電の電子温度が上昇する。所定時間
後、放電を弱い状態若しくはない状態に戻すと、強い放
電により生じた電子、荷電粒子等は、容器の壁での再結
合等によって減衰する。このため、再度、強い放電を開
始する場合、放電の開始のために大きなエネルギが供給
されて放電の電子温度が上昇する。このように、パルス
放電により放電の電子温度を上昇させることにより、電
子、荷電粒子に多くのエネルギが与えられるため、エッ
チング処理速度を向上させることができる。また、パル
ス放電を用いると、試料へのダメージは増加する傾向に
ある。そこで、まず、パルス放電により高速のエッチン
グ処理を行なった後に、通常の定常放電による低速で低
ダメージのエッチング処理を短時間行なうことにより、
高速で、かつ、低ダメージのエッチング処理を行なうこ
とができる。

パルス電流の半値幅T_Wとしては、100μｓ以下が効果
が大きく、1ms程度までパルス放電による上記効果は認
められる。また、パルス幅の小さい方は、数十ns程度ま
で効果があると考えられるが、しかし、使用した連続波
のマグネトロン管内にフィルタを有していたため、この
場合、T_W＝１μｓ程度以下の騒動は困難であった。ま
た、パルスデューティ（T_W/T_R×100）（％）としては１
％〜50％が好ましい。また、上記一実施例では、２つの
モードの場合について示したが、このモード数を増した
り、モードの移行をパルスデューティを徐々に変えて滑
らかに行なうこともできることは勿論のことである。

また、放電休止期間中に電子サイクロトロン共鳴用磁
場を減少させれば、磁場による電子への拘束力が少なく
なり、この期間中における損失を増加させることができ
るので、電子温度の向上のためには好都合である。

また、試料台に加えるバイアス電源は、パルス放電期
間中若しくは放電休止後、所定時間内のイオンのみを加
速するように印加すれば、高エネルギを有するイオンの
みが試料に到達するようになるので、エッチング処理速
度を向上させることができる。

また、上記一実施例の装置構成で、ガスとして例え
ば、Ar、SiH₄、O₂の混合ガスを用い、0.001Pa〜10Paの
ガス圧で処理することにより、高速、低ダメージのSiO₂
膜の堆積を行なうことができる。

第３図は、磁場コイルを用いない場合の適用例であ
る。真空封止用石英チャンバ６と試料載置台９との間に
穴付金属板17を設置し、真空封止用石英チャンバ６と穴
付金属板17との間の空間で放電が生じ、非荷電粒子は試
料例の空間に移動しうるが、荷電粒子は穴付金属板17に
より阻止される。このため、試料11は、非荷電粒子によ
りプラズマ処理される。ガスとしてO₂＋CF₄混合ガスを
用い、ガス圧として1Pa〜100Paにし、第２図の方法を用
いることにより、高速で低ダメージのアッシング処理が
できる。

なお、SiO₂のエッチングのようにイオンによるプラズ
マ処理が必要な場合には、穴付金属板17はない方が好ま
しい。

また、プラズマ処理の試料内での均一性を向上させる
ためには、金属性、高誘電体もしくは高磁性体を回転さ
せたり変動させたりする撹拌器21をマイクロ波電磁界の
存在する部分に用いると効果がある。

第４図は、第２図におけるモード１からモード２への
移行する構成の実施例を示す。

マイクロ波電磁界は透過しないが、光が透過する金網
の窓18を設け、分光機能を有する光検知部19により光電
変換をし、信号処理部20により処理の終了を判別し、マ
イクロ波駆動装置２にモード１からモード２の切換を行
なうモード切換信号22ならびにモード２の終了を行なう
終了信号23を出力する。信号処理部20中にはパルス周期
T_Rで変動する信号を平滑する部分を内蔵している。マイ
クロ波電磁界を経由して光を取り出す方法としては上に
述べた金網の窓を用いる方法の他に、マイクロ波による
損失の少ない材料（例えば石英）からなる光ファイバー
を用いることもできる。

モードの切換や終了は、光の変化によって行なう他
に、放電開始時点からの時間によって行なうこともでき
る。

第５図はパルス性電流を発生させるためのマイクロ波
源駆動装置の一実施例を示す。高圧（３〜4.5KV）で遅
い変化を制御する高圧直流電源部２−１と、パルスを発
生するパルス電源部２−２の縦続接続で構成される。高
圧直流電源部２−１の出力電流は高圧コンデンサ２−15
に蓄積され、高圧コンデンサ２−15の電圧に、パルス電
源部２−２のパルスが重量される。パルス電源部２−２
の出力が、高圧直流電源部２−１との間で影響を及ぼさ
ないように高周波阻止コイル２−12、２−13、２−14を
設けている。パルス電源部２−２、高圧コンデンサ２−
５、および高周波阻止コイル２−12、２−13、２−14は
マイクロ波源１の近くに設置するのが好ましい。

電流検出用抵抗２−３からの信号を、低電流部／平均
電流検知回路２−４を介して、低電流部／平均電流設定
値との差を誤差増幅器２−５によって増幅し、高圧電流
電源部２−１に入力する。

一方、電流検出用抵抗２−３からの信号を、ピーク検
出器２−６を介して、ピーク電流設定値との差を誤差増
幅器２−７によって増幅し、パルス源２−８の振幅を制
御し、モード切換器２−10を介して、パルス電源部２−
２に入力する。パルス電源部２−２では、トランジスタ
により電流パルスを発生させ、高周波昇圧トランスによ
り昇圧して出力する。なお、低電流部／平均電流検知回
路２−４は、パルス放電モード（第２図のモード１）で
は、第２図のI_L部分の電流を検知し保持する動作をし、
定常放電モード（第２図のモード２）では、低域通過フ
ィルタの動作を行なう。また、定常放電モードではモー
ド切換器２−10は、アース側に切り換えられる。また、
終了信号が入力されると、切換器２−16、２−17はアー
ス側に切り換えられる。ヒータ用電源２−11はマイクロ
波発生源１のヒータ電流を供給する電源である。

第６図はパルス性電流を発生させるためのマイクロ波
源駆動装置の他の実施例及び第７図はその主要部の波形
を示す。パルス繰返しが10KHz程度以上の２つのパルス
信号源２−28、２−29をもとに、可変低圧直流電源２−
20、コイル２−21、パルス駆動用トランジスタ２−23、
コンデンサ２−24、昇圧トランス２−22により高圧の電
圧パルスとし、高圧コンデンサ２−25、高圧ダイオー
ド、２−26、２−27により、倍電圧、整流を行なってマ
イクロ波源１に印加する。マイクロ波源１のアノードヒ
ータ間の電圧Ｅ、電流Ｉは第７図に示す。モード１で
は、パルスデューティT_W1/T_R1が小さいパルス源２−29
により、幅の狭いパルス電流を発生させ、マイクロ波源
１に加える。低ダメージ用のモード２ではパルスデュー
ティT_W2/T_R2の大きいパルス源２−28を用いて幅の広い
パルス電流を発生させマイクロ波源１に加える。

モード１では、電流検出抵抗２−３からの信号をピー
ク検出器を介して、ピーク電流設定値との差を誤差増幅
器２−７によって増幅し、可変低圧直流電源２−20の電
圧を制御する。

モード２では電流検出抵抗からの信号を平均電流検出
器２−30を介して、平均電流設定値との差を誤差増幅器
２−５によって増幅し、可変低圧直流電源２−20の電圧
を制御する。

以上、いくつかの実施例について述べたが、本発明は
これらの例に限定されるものではない。

マイクロ波によるプラズマが生成される処理室内で試
料をプラズマ処理する装置であれば同様に適用可能であ
る。

本発明は、パルス状のマイクロ波電力を周期的に発生
させ、種々のガスに加えてプラズマを生起せしめること
により、電子温度の高いプラズマを発生する部分を有す
るものであり、上記マイクロ波電力の周期は1ms以下、
パルスのデューティは、50％以下に限定される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、パルス放電の使用により電子温度の
上昇が図られて、プラズマ処理を高速に行うことができ
るという効果がある。

また、本発明によれば、パルス放電と定常放電とを併
用することにより、高速でかつ低ダメージのエッチング
処理を行うことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の有磁場型のマイクロ波プ
ラズマエッチング装置の構成図、第２図は、第１図の装
置でのマイクロ波源駆動装置の出力高圧電流、高圧電
圧、バイアス電源の出力電力、コイル駆動装置の出力電
流の波形模式図、第３図は、本発明の他の実施例の無磁
場型のマイクロ波プラズマ処理装置の構成図、第４図
は、第２図におけるモード移行構成の一実施例の構成
図、第５図は、マイクロ波源駆動装置の一実施例の回路
構成図、第６図は、同じく他の実施例の回路構成図、第
７図は、第６図のマイクロ波源駆動装置の主要部の波形
模式図である。１……マイクロ波源、２……マイクロ波源駆動装置、８
……コイル駆動装置、10……バイアス電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−80539（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−65623（ＪＰ，Ａ) 特開平１−236629（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−73620（ＪＰ，Ａ) 特開昭39−171491（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−15967（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00 H01L 21/205 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマを生じさせる電界の強さをパルス
的に発生させ該パルスによる強い放電を発生させるモー
ドと、前記プラズマを生じさせる電界の強さを一定にし
て放電させるモード若しくは前記強い放電を発生させる
パルスの幅よりも幅の広いパルスにより放電を発生させ
るモードとを、試料の処理中に切り替え、前記モードの
異なるプラズマによって前記試料を処理することを特徴
とするプラズマ処理方法。
【請求項２】処理室と、該処理室内を減圧排気する手段
と、前記処理室内に処理ガスを導入する手段と、パルス
放電及び定常放電を発生させ前記処理室内の処理ガスを
プラズマ化する手段と、前記処理室内で試料を保持する
手段と、前記試料のプラズマ処理状況に基づき前記放電
の発生を切り替える手段とを具備したことを特徴とする
プラズマ処理装置。