JP3038828B2 - Plasma processing method - Google Patents

Plasma processing method

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、主として半導体基板等の被処理物をプラズ
マにより、エッチングまたはデポジション処理するため
のプラズマ処理方法に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing method for etching or depositing an object to be processed, such as a semiconductor substrate, with plasma.

<従来の技術> 低温プラズマを用いた装置を大別すれば、真空中で対
向電極方式、例えば平行平板の電極の一方に10KHz〜30K
Hz程度の高周波電圧を印加して、プラズマを発生させる
技術を用いるものと、2.45GHzのマイクロ波を真空室へ
導入してプラズマを発生させる技術を用いるものがあ
る。従来、これらの内で平行平板電極による技術が主と
して用いられてきた。
<Conventional technology> If a device using low-temperature plasma is roughly classified, in a vacuum, a counter electrode method, for example, 10 KHz to 30 K is applied to one of parallel plate electrodes.
There is a technique using a technique of generating a plasma by applying a high frequency voltage of about Hz, and a technique using a technique of generating a plasma by introducing a microwave of 2.45 GHz into a vacuum chamber. Conventionally, the technique using parallel plate electrodes has been mainly used among them.

一方、半導体素子の微細化に伴い、プラズマ処理時に
発生するイオンの衝撃により素子特性が影響を受けるこ
とが問題になってきた。さらに、処理能力の向上のため
に、処理速度を上げることが要請されている。
On the other hand, with the miniaturization of semiconductor devices, there has been a problem that the device characteristics are affected by the impact of ions generated during plasma processing. Further, there is a demand for increasing the processing speed in order to improve the processing capacity.

処理速度を高める場合、単にプラズマの密度またはラ
ジカル(イオン化直前の活性粒子)濃度を高めるだけで
は不十分である。プラズマ処理によるドライエッチング
及びプラズマCVDでは、イオンのエネルギーが重要な役
割を果たしている。ドライエッチングの場合、イオンの
エネルギーが大きすぎると、下地の膜が削られたり結晶
構造に影響を与え、素子特性が劣化する。また、小さす
ぎるとエッチング面に形成されるポリマーの除去が十分
行われず、エッチング速度が低下する。または、逆にポ
リマーによる保護膜が形成されず、パターンの側面がエ
ッチングされ、パターンの寸法精度が悪くなるといった
問題を発生する。
When increasing the processing speed, simply increasing the density of the plasma or the concentration of radicals (active particles immediately before ionization) is not sufficient. In dry etching by plasma processing and plasma CVD, ion energy plays an important role. In the case of dry etching, if the energy of the ions is too large, the underlying film is shaved or affects the crystal structure, and the device characteristics are degraded. On the other hand, if it is too small, the polymer formed on the etched surface is not sufficiently removed, and the etching rate is reduced. On the other hand, the polymer protective film is not formed, and the side surface of the pattern is etched, resulting in a problem that the dimensional accuracy of the pattern deteriorates.

プラズマCVDでもイオンのエネルギーが弱いと膜組成
が粗となり、エネルギーが強いと密になるというように
イオンエネルギーが成膜に影響する。
In plasma CVD, too, the ion energy affects the film formation such that the film composition becomes coarse when the energy of the ions is weak, and becomes dense when the energy is strong.

したがって、イオンエネルギーを適正に制御すること
が、今後のプラズマ処理に不可欠である。
Therefore, proper control of ion energy is essential for future plasma processing.

第2図は、従来の高周波放電によるエッチング用プラ
ズマ処理装置の概略図であって、処理室1には対向電極
方式、例えば平行平板のアノード電極2とカソード電極
3とが対向配置されている。カソード電極3には、C,L
回路網のマッチングボックス4を介して、13.56MHzのプ
ラズマ発生用電源である出力可変の高周波電源5が接続
されており、また処理基板6が載置されている。処理室
1を排気しながらエッチングガスを導入し、高周波電源
5により高周波電圧をカソード電極3に印加すると、ア
ノード電極2との間にプラズマ7が発生する。このプラ
ズマ中のイオンがプラズマ7とカソード電極3間の電界
で加速されて方向性をもって処理基板6に入射し、微細
なパターンのエッチングを行うことができる。
FIG. 2 is a schematic view of a conventional plasma processing apparatus for etching by high-frequency discharge. In a processing chamber 1, an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 of a parallel electrode type, for example, a parallel plate are arranged to face each other. The cathode electrode 3 has C, L
A variable output high-frequency power supply 5 which is a power supply for generating plasma of 13.56 MHz is connected via a matching box 4 of the circuit network, and a processing substrate 6 is placed thereon. When an etching gas is introduced while exhausting the processing chamber 1 and a high-frequency voltage is applied to the cathode electrode 3 by the high-frequency power supply 5, plasma 7 is generated between the processing chamber 1 and the anode electrode 2. The ions in the plasma are accelerated by the electric field between the plasma 7 and the cathode electrode 3 and are incident on the processing substrate 6 with a direction, so that a fine pattern can be etched.

このイオンの入射エネルギーは、高周波を印加する
と、第3図に示すような直流電圧分VDCを重畳した正弦
波電圧がカソード電極3に生じ、このときの直流電圧分
VDCに大きく依存していることが知られている。したが
って、イオンエネルギーの制御は、この直流電圧分VDC
が検出されるマッチングボックス4の出力電圧を測定
し、この測定結果を入力する制御装置8により高周波電
源5を制御することによって、所望のイオンエネルギー
を発生させることができる。
The incident energy of the ions is such that when a high frequency is applied, a sine wave voltage in which a DC voltage component VDC is superimposed is generated on the cathode electrode 3 as shown in FIG. 3, and largely depends on the DC voltage component VDC at this time. It has been known. Therefore, the ion energy is controlled by the DC voltage VDC
By measuring the output voltage of the matching box 4 in which is detected and controlling the high-frequency power supply 5 by the control device 8 which inputs the measurement result, it is possible to generate desired ion energy.

<発明が解決しようとする問題点> しかしながら、真のイオンエネルギーを制御する場
合、プラズマ7とカソード電極3との直流電位差である
プラズマ電位を測定しなければならないのに対して、従
来は、前述したように、カソード電極3に生じる直流電
圧分VDCを測定しており、これは通常アース電位にして
いる処理室1とカソード電極3間の直流電位差を測定し
ていることになる。したがって、エッチング特性等に大
きな影響を与える被処理物に対するプラズマ中のイオン
エネルギーが正確に制御されていないという重要な問題
があった。
<Problems to be Solved by the Invention> However, when controlling the true ion energy, the plasma potential, which is the DC potential difference between the plasma 7 and the cathode electrode 3, must be measured. As described above, the DC voltage component VDC generated at the cathode electrode 3 is measured, which means that the DC potential difference between the processing chamber 1 and the cathode electrode 3, which is normally set to the ground potential, is measured. Therefore, there is an important problem that the ion energy in the plasma with respect to the object to be processed, which greatly affects the etching characteristics and the like, is not accurately controlled.

<問題点を解決するための手段> 上記の問題点を解決するために、本発明においては、
処理室内に高周波電力またはマイクロ波電力を利用した
電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを発生させ、被
処理物にエッチングまたはデポジション処理を行うプラ
ズマ処理方法において、プラズマと被処理物を載置する
カソード電極との直流電位差であるプラズマ電位を直接
測定し、測定した結果に基づいて予め定めたイオンエネ
ルギーが発生するように、電極にバイアス電圧を印加す
るためのバイアス電圧印加用電源、プラズマを発生させ
るためのプラズマ発生用電源及び電子サイクロトロン共
鳴を引起こすための磁界発生用電源の少なくとも一つを
制御するすることを特徴としている。また、プラズマ電
位の測定には、好ましくはエミッシブプローブが用いら
れ、磁界発生用電源を動作させない場合の前記プラズマ
電位の測定には、ラングミュアプローブが用いられるこ
とを特徴としている。
<Means for Solving the Problems> In order to solve the above problems, in the present invention,
In a plasma processing method of generating plasma by electron cyclotron resonance using high frequency power or microwave power in a processing chamber and performing etching or deposition processing on an object to be processed, the plasma and a cathode electrode on which the object to be processed is mounted are formed. A bias voltage applying power supply for applying a bias voltage to the electrodes and a plasma for generating plasma so that a plasma potential, which is a DC potential difference, is directly measured and a predetermined ion energy is generated based on the measured result. It is characterized by controlling at least one of a power supply for generation and a power supply for generating a magnetic field for causing electron cyclotron resonance. Further, an emissive probe is preferably used for measuring the plasma potential, and a Langmuir probe is used for measuring the plasma potential when the power supply for generating a magnetic field is not operated.

<作 用> プラズマと被処理物を載置するカソード電極との直流
電位差を測定するために、プラズマの電位測定方法が用
いられており、この測定手段の具体例としてエミッシブ
プローブをプラズマに挿入することにより、プラズマの
電位が直接測定でき、また測定されたプラズマ電位に基
づいて各電源を制御することにより、予め定めたイオン
エネルギーを発生させることができるので、エッチング
特性等に大きな影響を与える被処理物に対するイオンエ
ネルギーが正確かつ適正に制御できる。
<Operation> A plasma potential measurement method is used to measure a DC potential difference between a plasma and a cathode electrode on which an object to be processed is placed. As a specific example of this measurement means, an emissive probe is inserted into the plasma. By doing so, the potential of the plasma can be directly measured, and by controlling each power supply based on the measured plasma potential, a predetermined ion energy can be generated, which greatly affects the etching characteristics and the like. The ion energy for the object to be processed can be accurately and appropriately controlled.

<実施例> 第1図は、本発明の方法をECR(電子サイクロトロン
共鳴)方式のエッチング用プラズマ処理装置に適用した
一実施例の概略図である。図において、21は処理室、23
はカソード電極、24はバイアス電圧印加用電源、25はプ
ラズマ発生用のマイクロ波電源、26は処理基板、27はプ
ラズマ、28は制御装置、29は導波管、30はコイル、31は
磁界発生用直流電源である。32はプラズマの電位が直接
測定できるエミッシブプローブであって、フィラメント
32aと電流源32bとから構成されており、フィラメント32
aがプラズマ28に挿入された状態で、エミッシブプロー
ブが全ての電極から絶縁されて配置される。
Embodiment FIG. 1 is a schematic view of an embodiment in which the method of the present invention is applied to an ECR (Electron Cyclotron Resonance) type plasma processing apparatus for etching. In the figure, 21 is a processing chamber, 23
Is a cathode electrode, 24 is a power supply for applying a bias voltage, 25 is a microwave power supply for generating plasma, 26 is a processing substrate, 27 is plasma, 28 is a control device, 29 is a waveguide, 30 is a coil, and 31 is a magnetic field. DC power supply. 32 is an emissive probe that can directly measure the plasma potential,
32a and a current source 32b.
With a inserted into the plasma 28, the emissive probe is placed insulated from all electrodes.

導波管29の一端には、出力可変のマイクロ波電源25が
取付けてあり、他端は処理室21を覆っている。その周囲
にはコイル30があり、処理室21中の下部には処理基板26
を載置するカソード電極23が設けられており、この電極
23には出力可変の直流または高周波電圧を発生するバイ
アス電圧印加用電源24が接続されている。
A microwave power supply 25 with variable output is attached to one end of the waveguide 29, and the other end covers the processing chamber 21. There is a coil 30 around it, and a processing substrate 26
A cathode electrode 23 for mounting the
23 is connected to a bias voltage applying power supply 24 for generating a variable output DC or high-frequency voltage.

また、処理室21には、エミッシブプローブ32のフィラ
メント32aがプラズマとカソード電極23間に生じるイオ
ンシース内に入らないように取付けられている。
In the processing chamber 21, the filament 32a of the emissive probe 32 is attached so as not to enter the ion sheath generated between the plasma and the cathode electrode 23.

プラズマ27は、マイクロ波電源25で発生したマイクロ
波とコイル30の磁界による電子サイクロトロン共鳴によ
って発生する。このプラズマのイオンエネルギーの制御
は、プラズマに挿入されたプローブ32の加熱電流を増加
すると、フィラメント32aからの熱電子の放出量が増加
し、見かけのイオン飽和電流が増加する。この結果、プ
ローブ電流がゼロになる浮動電位は、プラズマの電位に
等しくなる。したがって、電流源32bの一端とカソード
電極23間の電位差を測定することにより、プラズマ27と
カソード電極23との直流電位差であるプラズマ電位が直
接測定できる。この測定結果を入力とする制御装置28に
より、バイアス電圧印加用電源24、プラズマ発生用のマ
イクロ波電源25及び磁界発生用直流電源31の少なくとも
一つを単独または同時に制御することによって、被処理
物に対するイオンエネルギーを予め定めた値に正確かつ
適正に発生させることができる。
The plasma 27 is generated by electron cyclotron resonance caused by the microwave generated by the microwave power supply 25 and the magnetic field of the coil 30. In the control of the ion energy of the plasma, when the heating current of the probe 32 inserted into the plasma is increased, the amount of emitted thermoelectrons from the filament 32a increases, and the apparent ion saturation current increases. As a result, the floating potential at which the probe current becomes zero becomes equal to the potential of the plasma. Therefore, by measuring the potential difference between one end of the current source 32b and the cathode electrode 23, the plasma potential, which is the DC potential difference between the plasma 27 and the cathode electrode 23, can be directly measured. By controlling at least one of the bias voltage application power supply 24, the plasma generation microwave power supply 25, and the magnetic field generation DC power supply 31 singly or simultaneously by the control device 28 which receives the measurement result as an input, Can be generated accurately and appropriately at a predetermined value.

なお、本発明の方法の他の適用例として、平行平板電
極方式のカソード電極にバイアス電圧印加用電源を設け
たプラズマ処理装置があり、またECR方式でバイアス電
圧印加用電源のないプラズマ処理装置がある。
In addition, as another application example of the method of the present invention, there is a plasma processing apparatus in which a bias voltage applying power supply is provided on a cathode of a parallel plate electrode type, and a plasma processing apparatus without a bias voltage applying power supply in an ECR method. is there.

また、プローブとして、磁場の影響を受けないエミッ
シブプローブが好適であり、磁界発生用電源を動作させ
ない場合には、ラングミュアプローブが適している。
An emissive probe that is not affected by a magnetic field is suitable as a probe, and a Langmuir probe is suitable when a power supply for generating a magnetic field is not operated.

<発明の効果> 以上のように、本発明によれば、プラズマと被処理物
を載置するカソード電極との直流電位差であるプラズマ
電位を直接測定することにより、被処理物に対するイオ
ンエネルギーが予め定めた値に正確かつ適正に制御でき
るので、良好なエッチング特性またはデポジション特性
を有するプラズマ処理方法を提供することができる。
<Effects of the Invention> As described above, according to the present invention, by directly measuring the plasma potential, which is the DC potential difference between the plasma and the cathode electrode on which the object is placed, the ion energy with respect to the object can be reduced in advance. Since it can be accurately and appropriately controlled to the determined value, it is possible to provide a plasma processing method having good etching characteristics or deposition characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の方法を実施するための装置の一実施
例を示す概略図である。 第2図は、従来の高周波放電によるプラズマ処理装置の
概略図である。 第3図は、被処理物を載置するカソード電極に生じる電
圧波形図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of an apparatus for performing the method of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of a conventional high-frequency discharge plasma processing apparatus. FIG. 3 is a diagram showing a voltage waveform generated at a cathode electrode on which an object to be processed is placed.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 21/31 H01L 21/302 D (56)参考文献 特開 昭62−40386(JP,A) 特開 昭58−171822(JP,A) 特開 昭61−241921(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 16/00 - 16/56 C23C 1/00 - 4/04 H01L 21/205 H01L 21/302 H01L 21/31 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI H01L 21/31 H01L 21/302 D (56) References JP-A-62-40386 (JP, A) JP-A-58-171822 ( JP, A) JP-A-61-241921 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C23C 16/00-16/56 C23C 1/00-4/04 H01L 21 / 205 H01L 21/302 H01L 21/31 JICST file (JOIS)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】処理室内に高周波電力またはマイクロ波電
力を利用した電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを
発生させ、被処理物にエッチングまたはデポジション処
理を行うプラズマ処理方法において、 前記プラズマと前記被処理物を載置するカソード電極と
の直流電位差であるプラズマ電位を直接測定し、 前記測定した結果に基づいて予め定めたイオンエネルギ
ーが発生するように、前記電極にバイアス電圧を印加す
るためのバイアス電圧印加用電源、前記プラズマを発生
させるためのプラズマ発生用電源及び前記電子サイクロ
トロン共鳴を引起こすための磁界発生用電源の少なくと
も一つを制御するプラズマ処理方法。
1. A plasma processing method in which plasma is generated in a processing chamber by electron cyclotron resonance using high-frequency power or microwave power, and etching or deposition processing is performed on an object to be processed. A bias voltage for applying a bias voltage to the electrode so as to directly measure a plasma potential which is a DC potential difference from a cathode electrode to be mounted, and to generate a predetermined ion energy based on the measurement result. A plasma processing method for controlling at least one of a power supply, a plasma generation power supply for generating the plasma, and a magnetic field generation power supply for causing the electron cyclotron resonance.
【請求項2】前記プラズマ電位の測定に、エミッシブプ
ローブを用いる請求項1記載のプラズマ処理方法。
2. The plasma processing method according to claim 1, wherein an emissive probe is used for measuring the plasma potential.
【請求項3】前記磁界発生用電源を動作させない場合の
前記プラズマ電位の測定に、ラングミュアプローブを用
いる請求項1記載のプラズマ処理方法。
3. The plasma processing method according to claim 1, wherein a Langmuir probe is used for measuring the plasma potential when the power supply for generating a magnetic field is not operated.
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