JP3023931B2 - プラズマ処理方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマを利用して半
導体等に対する微細加工あるいは成膜等の処理を行うプ
ラズマ処理装置に関し、特にサブミクロン以下の微細加
工に好適な、プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラズマを利用したプラズマ処理
装置としては、いわゆるドライエッチング装置がある。
このドライエッチング装置では、高周波グロー放電（Ｒ
Ｆ放電）により反応性ガスをプラズマ化して、イオン及
び化学的に活性な中性化学種等を発生させ、これらを被
処理体の表面に輸送し、反応させてエッチングを行う方
法が一般に採用されて来た。なお、放電方式としては、
上記ＲＦ放電の他に、マイクロ波放電やＥＣＲ（電子サ
イクロトロン共鳴）放電がある。

【０００３】上記エッチング方法においては、高周波電
極上に表面がエッチングマスクで被覆された被処理体を
設置し、安定分子や化学的活性種（ラジカル等）の電気
的中性粒子を当該被処理体表面に吸着させると共に、当
該被処理体の表面上に誘起される負のバイアス電位によ
って、正イオンを当該被処理体の表面に対して垂直方向
に加速して当該被処理体に入射させることにより、入射
方向に形成されている吸着種と被処理体との反応を増速
させ、上記エッチングマスクに忠実な異方性の高い高精
度加工を達成している。

【０００４】ところが、上述のエッチング方法による微
細加工では、安定分子やラジカルが、電気的に中性であ
ることから、方向性の無い（等方的な）無秩序運動によ
って被処理体表面に輸送されるため、以下の問題があ
る。

【０００５】図４は、エッチング状態にある被処理体の
表面近傍の一部を示した拡大部分断面図である。

【０００６】上記被処理体１０の表面はエッチングマス
ク１２で被覆されており、エッチング処理により該マス
ク１２に被覆されない部分がエッチングされ、加工溝
（又は穴）１４、１６が形成される。

【０００７】上記エッチングでは、前述の如く、ラジカ
ル等の中性粒子Ｎが被処理体１０の表面に輸送され、吸
着して吸着種が形成され、その吸着種にイオンＩが衝突
することにより、反応が進行し、上記加工溝１４、１６
が垂直方向にエッチング形成される。

【０００８】上記イオンＩは、図示する如く、被処理体
１０に対して垂直方向に入射されるが、中性粒子Ｎは前
述の如く等方的に輸送されるため、加工溝１４、１６の
底面１４Ａ、１６Ａに到達する確率が低下する。従っ
て、上記底面１４Ａ、１６Ａでは有効な吸着種が不足し
た状態となり、イオンＩが入射されても十分に反応が進
行しなくなる。

【０００９】上記吸着種は、加工寸法の小さなパターン
ほど、又加工溝や穴が深いほど不足するため、そこでの
エッチング反応速度が低下する。その結果、上記図４に
示すように、加工溝１６の方が加工溝１４より幅が狭い
ために、エッチング速度が遅くなり、これら両溝１４、
１６においてエッチング深さに差ｇが生じる。即ち、加
工溝等のエッチング部の幅や深さに差があるとエッチン
グの均一性が低下する。

【００１０】このエッチングの均一性低下は、サブミク
ロンＬＳＩのパターンニングでは大きな問題となる。特
に、ゲート加工においては、下地が１０nm程度の極薄シ
リコン酸化膜であるため、エッチングの不均一性による
エッチング残りを防ぐために余分にエッチングする、い
わゆるオーバーエッチングを行うと、下地のシリコン酸
化膜の削れが大きくなって、性能上の問題が生じる。

【００１１】上記問題を解決する方法としては、微細な
加工溝の底面に対しても、幅の広い溝の場合と同程度の
量の中性粒子を供給することが考えられる。このように
幅の狭い溝に対しても、その底面に十分な量の中性粒子
を供給するには、例えば、方向の揃った中性ラジカルビ
ームを利用することができる。

【００１２】中性ラジカルビームを得る方法としては、
同種のイオンとラジカルとの間の効率的な電荷交換によ
り高速中性ラジカルビームを得る方法（特開昭６１−２
４８４２８）や、被処理体とプラズマとの間にグリッド
を設置し、グリッドからイオンへの電子移動によりイオ
ンを中性化させる方法（第５１回応用物理学界学術講演
会予稿集，２７Ｐ−ＺＦ−５，１９９０）が提案されて
いる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記両
方法では、どちらの場合も中性粒子ビーム（中性ラジカ
ルビーム）を被処理体に垂直に投射することができて
も、イオンビームと中性粒子ビームの比率を制御するこ
とが難しいため、均一なエッチング反応を十分な速さで
起させることができないという問題がある。

【００１４】本発明は、中性粒子ビーム及びイオンビー
ムを、一定の方向から被処理体に投射することができる
と共に、これら両ビームの比率を変化させることができ
るため、微細なパターンに対してもエッチング等の処理
を均一に、且つ十分な速度で行うことができるプラズマ
処理装置を提供することを課題とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ発生
手段を有するプラズマ室と、被処理体を収容し、該被処
理体をプラズマ処理する処理室とを備えたプラズマ処理
装置であって、プラズマ室と処理室との間に、該両室を
仕切る多孔質板が設けられ、上記多孔質板が、プラズマ
室から処理室へ微小粒子を通過させる多数の直線状のマ
イクロチャネル孔を有し、且つ該多孔質板の電位を前記
プラズマ室内のプラズマ電位より高い電位と低い電位の
間の振幅で周期的に変化させることが可能になされてお
り、前記プラズマ室から処理室へ、該プラズマ室と処理
室との中性粒子の密度差によって中性粒子を通過させて
中性粒子ビームを生成すると共に、前記プラズマ室から
処理室へ、前記多孔質板の周期的電位変化によってイオ
ンを周期的に通過させてイオンビームを生成し、前記被
処理体表面に、前記中性粒子ビームの照射と、前記中性
粒子ビームと前記イオンビームとの混合ビームの照射と
を交互に行うことにより、前記課題を達成したものであ
る。本発明は、又、プラズマ処理方法において、プラズ
マ室との間が多孔質板によって仕切られた処理室に被処
理体を収容し、前記プラズマ室内に中性粒子及びイオン
を含むプラズマを発生させ、前記プラズマ室と処理室と
の中性粒子の密度差により、前記プラズマ室内の中性粒
子を前記多孔質板に通過させて中性粒子ビームを生成す
ると共に、該多孔質板の電位を周期的に変化させ、該電
位がプラズマ電位未満のときに、前記プラズマ室内のイ
オンを前記多孔質板に通過させることにより、前記被処
理体表面に、中性粒子ビームの照射と、中性粒子ビーム
とイオンビームとの混合ビームの照射とを交互に行うこ
とにより、同様に前記課題を達成したものである。

【００１６】

【作用】本発明においては、処理室内の所定位置に被処
理体を設置し、プラズマ室をプラズマが発生可能な条件
に設定すると共に、処理室を該プラズマ室よりも低圧力
に設定し、且つマイクロチャネル孔を有する多孔質板
（以下、マイクロチャネル板という）の電位を任意の周
期で変化させる。

【００１７】上記条件の下で、プラズマ室でプラズマを
発生させると、プラズマ中に存在するラジカル等の中性
粒子は、プラズマ室と処理室との粒子密度差により、マ
イクロチャネル孔を通過して該処理室内に方向の揃った
中性粒子ビームとして導入されるため、該中性粒子ビー
ムを被処理体の表面に一定の方向で入射させることがで
きる。

【００１８】一方、プラズマ中に存在する正イオンは、
プラズマ電位により加速されて上記マイクロチャネル板
の方向に移動するが、該マイクロチャネル板は電位が周
期的に変化するため、マイクロチャネル孔への通過と遮
断とが繰返されることになる。

【００１９】従って、直線状のマイクロチャネル孔に対
して、被処理体の表面を垂直に配置しておくことによ
り、該表面に対して中性粒子を垂直に入射させることが
できるため、幅が狭く、しかも深い加工溝でもその底面
に該中性粒子を確実に輸送して幅が広い場合と同一密度
の吸着種を生成させることができると共に、該底面に対
してイオンビームを周期的に且つ垂直に打ち込むことが
できる。

【００２０】その結果、方向の揃った中性粒子及びイオ
ンを被処理体に対して垂直な方向に入射させることがで
き、しかも中性粒子のみの入射と中性粒子及びイオンの
混合粒子の入射とを任意の時間比率で入射させることが
できるため、幅の広狭及び深さの深浅の如何にかかわら
ず、所望の速度で加工溝等のパターンを垂直方向にエッ
チング形成することができる。

【００２１】即ち、ＬＳＩ等の微細なパターンに対して
も、均一なエッチングを、正確に且つ十分な速度で行う
ことができる。

【００２２】又、中性粒子とイオンとから被処理体表面
に被膜を形成する場合も、同様に微細で均一な被膜パタ
ーンを、正確に且つ十分な速度で形成することができ
る。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００２４】図１は、本発明の一実施例であるエッチン
グ装置を示す概略構成図で、図２は該エッチング装置の
要部の破断部を拡大して示す部分斜視図である。

【００２５】本実施例のエッチング装置（プラズマ処理
装置）は、プラズマ室２０とエッチング室（処理室）２
２とからなる密閉空間を備えている。

【００２６】上記プラズマ室２０には、プラズマ原料ガ
スを導入するガス導入口２４が設けられ、上記エッチン
グ室２２には真空系に接続された排気口２６が設けられ
ており、これらプラズマ室２０及びエッチング室２２を
それぞれ所望の減圧状態にすることが可能になってい
る。

【００２７】又、上記プラズマ室２０内には、プラズマ
を発生させるための高周波電極（プラズマ発生手段）２
８が設置され、該高周波電極２８には高周波電源３０が
接続されている。又、上記エッチング室２２内には、エ
ッチング処理（プラズマ処理）を行う対象である被処理
体３２が設置されている。

【００２８】更に、上記プラズマ室２０とエッチング室
２２との間には、該両室２０、２２を仕切るマイクロチ
ャネル板３４が、上記被処理体３２の表面に平行に配設
されている。このマイクロチャネル板３４は、微細なチ
ャネル孔を有し、且つその電位を周期的に変化させるこ
とができるプレートである。

【００２９】即ち、上記マイクロチャネル板３４には、
その破断した一部を図２に拡大して示すように、該マイ
クロチャネル板３４の厚さ方向に延びる直線状のマイク
ロチャネル孔３４Ａが多数形成されており、該マイクロ
チャネル孔３４Ａを通して、プラズマ室２０からエッチ
ング室２２へ中性粒子（ラジカル等）、イオン等の微小
粒子が通過可能になっている。

【００３０】上記マイクロチャネル板３４は、例えば、
直径d が数μm〜１００μm 程度の孔を有する中空状の
グラスファイバ集合体からなる石英製の薄板で形成で
き、その厚さl は数百μm 〜数mm程度にすることができ
る。

【００３１】又、上記マイクロチャネル板３４のエッチ
ング室２２側の表面には、イオンの通過を制御するため
のイオン制御電極３６が付設されており、該電極３６に
は交流電源３８（パルス電源でもよい）が接続され、該
電極３６の電位を周期的に変化させることが可能になっ
ている。このイオン制御電極３６は、例えば、上記マイ
クロチャネル板３４の一面に、インコネル合金（Ｆe −
Ｎi −Ｃr 合金）を蒸着することにより形成できる。

【００３２】次に、本実施例の作用を説明する。

【００３３】まず、前記プラズマ室２０に、塩素ガス
（Ｃl ₂ ）をガス導入口２４より導入し、１０^-1Ｔorr
程度の圧力下で高周波電極２８により、放電を行わせ
る。

【００３４】このとき、プラズマ室２０ではプラズマが
発生し、Ｃl ⁺等の塩素イオン及び塩素原子（Ｃl ・)
等の中性活性種（ラジカル）が生成する。

【００３５】発生したプラズマ中においては、安定な分
子（Ｃl ₂ ）、イオン及び中性活性種の密度は、放電方
式やプラズマ室２０の圧力に依存するが、ＲＦ放電では
中性活性種／イオンの比は１０³ 程度であり、中性活性
種に富んでいる。

【００３６】本実施例では、元々の塩素分子（Ｃl
₂ ）、中性活性種及びイオンの密度は、各々３×１０
¹⁴個／cm³ 、５×１０¹²個／cm³ 、１×１０¹⁰個／cm³
程度と観測された。

【００３７】一方、前記エッチング室２２は、排気口２
６により排気され、上記プラズマ室２０よりも低い圧力
に設定する。又、前記マイクロチャネル板３４に付設さ
れているイオン制御電極３６には、適切な周波数と振幅
からなる高周波電圧を印加する。

【００３８】このように、プラズマ室２０でプラズマを
発生させ、しかもエッチング室２２の圧力をプラズマ室
２０よりも低くすることにより、該プラズマ室２０から
中性活性種（ラジカル）等の微小粒子を、マイクロチャ
ネル孔３４Ａを通してエッチング室２２に流入させるこ
とが可能となる。

【００３９】又、上記イオン制御電極３６には、イオン
が追随できる程度の周波数（例えば、５００ kＨz 程度
以下）の高周波（又はパルス波）が印加される。

【００４０】プラズマ室２０に生成するプラズマはプラ
ズマ電位に保たれているため、当該プラズマ電位とイオ
ン制御電極３６の電位の差に応じてプラズマ中のイオン
がマイクロチャネル板３４に入射されてくる。従って、
イオン制御電極３６の電位をプラズマ電位（例えば、２
０Ｖ程度）より高くすれば、イオンは上記マイクロチャ
ネル板３４のチャンネル孔３４Ａを通過することができ
ない。

【００４１】従って、イオン制御電極３６へ印加する高
周波の周波数及びその電位振幅を調整することによりイ
オンの透過率及び通過エネルギを任意に制御することが
できる。

【００４２】一方、中性粒子については、その運動方向
がマイクロチャネル孔３４Ａに沿ったものだけが定常的
にマイクロチャネル板３４を通過する。その結果、中性
粒子ビームと中性粒子及びイオンの混合ビームとを交互
にエッチング室２２へ導入することができる。

【００４３】又、エッチング室２２をプラズマ室２０よ
り低圧にしてあるので、マイクロチャネル板３４を経
て、該エッチング室２２に流入してくる微小粒子が、該
エッチング室２２内の気体粒子等と衝突することによっ
て散乱することをも防止できる。

【００４４】例えば、エッチング室２２の圧力を１０^-3
Ｔorrに設定すると、この条件の下では気体の平均自由
経路が１０cm程度となる。従って、マイクロチャネル板
３４と被処理体３２との間隔を、例えば１cm程度とすれ
ば、マイクロチャネル孔３４Ａを通過した粒子は、イオ
ンはもとより中性粒子も殆ど散乱されないため、前記図
４に相当する図３に示すように、イオンＩ及び中性粒子
Ｎそれぞれを方向の揃ったイオンビーム及び中性粒子ビ
ームとして被処理体３２の表面に投射させることができ
る。

【００４５】上述した如く、本実施例によれば、上記マ
イクロチャネル孔３４Ａが直線状で、且つ被処理体３２
の表面に垂直になっているので、イオン制御電極３６の
電位がプラズマ電位以上に印加されているときは、プラ
ズマ室２０で生成したプラズマからイオンを除いた中性
粒子のみを、方向の揃った中性粒子ビームとして被処理
体３２の表面に垂直に入射させることができる。

【００４６】又、上記イオン制御電極３６の電位がプラ
ズマ電位未満のときは、前記図３に示したように、共に
方向の揃ったイオンビームと中性粒子ビームとからなる
混合ビームとして上記被処理体３２に垂直に入射させる
ことができる。

【００４７】上記エッチング装置では、イオン制御電極
３６の電位を周期的に変化させるため、上記の中性粒子
ビーム及び混合ビームは、周期的に交互に被処理体３２
の表面に入射させることができる。

【００４８】従って、被処理体３２の表面に、方向の揃
ったラジカル等の中性粒子が入射されると、該表面に吸
着種が形成され、該吸着種が形成された表面にイオンが
入射されると、該表面のエッチング反応が円滑に進行す
る。

【００４９】上記エッチング反応では、中性粒子及びイ
オンのいずれも被処理体３２の表面に垂直に入射される
ため、幅の狭いパターンからなる加工溝であっても、幅
の広い場合と同一の速度でエッチングすることができ、
且つ異方性の高いエッチングが可能である。従って、図
３のように、狭い加工溝１６の底面１６Ａを、広い加工
溝１４の底面１４Ａと同一の深さにエッチングすること
が可能であると共に、極めて高精度のエッチングパター
ンの形成が可能となる。

【００５０】又、本実施例では、被処理体３２の表面積
より広い範囲に亘って形成されたマイクロチャネル孔３
４Ａから、イオンビーム及び中性粒子ビームが該被処理
体３２の表面に入射するようにしてあるため、被処理体
３２の表面積が大きい場合でも、異方性の高いエッチン
グを全体的に行うことが可能となる。

【００５１】又、上記イオン制御電極３６に対する印加
電圧の大きさ及びその周期を調整することにより、エッ
チング室２２に導入されるイオンと中性粒子の割合を任
意に調整することができるため、エッチング速度を任意
に調整することができる。なお、その際、上記イオン制
御電極３６には、バイアス電位を印加しておくことによ
り、イオンの入射エネルギを調整することもできる。

【００５２】次に、具体例を挙げ、本実施例の効果を明
らかにする。

【００５３】エッチング装置としては、マイクロチャネ
ル孔３４Ａの直径d が約２５μm で、厚さl が約１mmの
マイクロチャネル板３４を設けたものを使用した。

【００５４】被処理体３２としては、表面にエッチング
マスクとなるレジストパターンを被着形成したシリコン
基板（ウェハ）を使用し、該シリコン基板の表面（エッ
チング面）と、マイクロチャネル板３４の表面とは約１
cm離して平行にした。

【００５５】プラズマ室２０に塩素を導入し、約０．１
Ｔorr の圧力の下で放電させ、エッチング室２２を１０
^-3Ｔorr とし、且つマイクロチャネル板３４に形成され
たイオン制御電極３６に、電位振幅６０Ｖで５０ kＨz
の高周波電圧を印加して、上記シリコン基板のエッチン
グを行った。

【００５６】その結果、上記シリコン基板に対しては、
±１０nm以下の誤差で、マスクパターン通りにエッチン
グ加工でき、且つサイドエッチングも無く、垂直な異方
性の高いエッチング形状となった。

【００５７】又、エッチング速度はパターン（エッチン
グ部）の粗密等に依存せず、パターンの微細なエッチン
グ部のエッチング速度が広いパターンのエッチング部に
比べて低下する、いわゆるマイクロローディング効果は
全く見られなかった。

【００５８】以上、本発明を具体的に説明したが、本発
明は前記実施例に示したものに限定されるものでなく、
その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【００５９】例えば、マイクロチャネル板は、グラスフ
ァイバの集合体に限るものでなく、同様の目的に使用で
きるものであれば任意の材料で形成することができる。

【００６０】又、マイクロチャネル板に形成するマイク
ロチャネルの形成密度は、必要に応じて任意に変更可能
である。

【００６１】又、マイクロチャネル板を導体で形成し、
該マイクロチャネル板自体にイオン制御電極の機能を持
たせてもよい。又、イオン制御電極はマイクロチャネル
板のプラズマ室側あるいは両面に取付けることも可能で
ある。

【００６２】又、イオン制御電極に印加する周期的電圧
は正弦波に限らず、パルス波あるいは矩形波でも又それ
らの組合わせでも効果は変わらない。

【００６３】又、本発明のプラズマ処理装置は、エッチ
ング装置に限られるものでなく、他のプラズマ処理にも
適用可能であることはいうまでもない。

【００６４】例えば、成膜装置としても有効であり、本
発明のプラズマ処理装置によれば、低ダメージ、低応
力、高緻密で良質な膜を得ることができ、極めて有益で
あることが確認された。

【００６５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、中
性粒子ビーム及びイオンビームを、一定の方向から被処
理体に投射できると共に、これら両ビームの比率を変化
させることができるため、微細なパターンに対してもエ
ッチング等の処理を均一に且つ十分な速度で行うことが
できる。従って、被処理体に対してサブミクロン程度の
微細加工を高精度で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例であるエッチング装
置を示す概略構成図である。

【図２】図２は、上記エッチング装置の要部の一部を拡
大して示す部分斜視図である。

【図３】図３は、本発明の作用を示す概略説明図であ
る。

【図４】図４は、従来の問題点を示す概略説明図であ
る。

【符号の説明】

２０…プラズマ室、 ２２…エッチング室、 ２８…高周波電極、 ３２…被処理体、 ３４…マイクロチャネル板、 ３４Ａ…マイクロチャネル孔、 ３６…イオン制御電極、 ３８…電位可変電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−163287（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−94282（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−301455（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマ発生手段を有するプラズマ室と、
   被処理体を収容し、該被処理体をプラズマ処理する処理
   室とを備えたプラズマ処理装置であって、 プラズマ室と処理室との間に、該両室を仕切る多孔質板
   が設けられ、 上記多孔質板が、プラズマ室から処理室へ微小粒子を通
   過させる多数の直線状のマイクロチャネル孔を有し、且
   つ該多孔質板の電位を前記プラズマ室内のプラズマ電位
   より高い電位と低い電位の間の振幅で周期的に変化させ
   ることが可能になされており、前記 プラズマ室から処理室へ、該プラズマ室と処理室と
   の中性粒子の密度差によって中性粒子を通過させて中性
   粒子ビームを生成すると共に、前記プラズマ室から処理室へ、前記多孔質板の周期的電
   位変化によって イオンを周期的に通過させてイオンビー
   ムを生成し、 前記被処理体表面に、前記中性粒子ビームの照射と、前
   記中性粒子ビームと前記イオンビームとの混合ビームの
   照射とを交互に行うことを特徴とするプラズマ処理装
   置。
2. 【請求項２】プラズマ室との間が多孔質板によって仕切
   られた処理室に被処理体を収容し、 前記プラズマ室内に中性粒子及びイオンを含むプラズマ
   を発生させ、前記プラズマ室と処理室との中性粒子の密
   度差により、前記プラズマ室内の中性粒子を前記多孔質
   板に通過させて中性粒子ビームを生成すると共に、 該多孔質板の電位を周期的に変化させ、該電位がプラズ
   マ電位未満のときに、前記プラズマ室内のイオンを前記
   多孔質板に通過させることにより、 前記被処理体表面に、中性粒子ビームの照射と、中性粒
   子ビームとイオンビームとの混合ビームの照射とを交互
   に行うことを特徴とするプラズマ処理方法。