JP3044049B2

JP3044049B2 - プラズマ処理方法及び装置

Info

Publication number: JP3044049B2
Application number: JP2063790A
Authority: JP
Inventors: 善三鳥居; 一男野尻; 道夫谷口; 勇二石田; 裕司吉迫
Original assignee: Daihen Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Daihen Corp; Hitachi Ltd
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 2000-05-22
Anticipated expiration: 2015-05-22
Also published as: JPH03263828A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、プラズマ処理技術に関し、特に半導体集積
回路装置の製造工程で行われるプラズマ処理技術に適用
して有効な技術に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のマイクロ波プラズマ装置において、その装置を
構成するマイクロ波発振装置においては、その立ち上げ
時あるいはメンテナンス時に、マグネトロンに高電圧を
印加してマイクロ波を発生した後、作業者が装置に設置
されている反射波電力メータを観測して、その測定値が
入射波電力の1/10以下となるように、スタブ整合器を手
動で調整しながら、出力設定つまみを徐々に増加し、所
定のマイクロ波電力がプラズマ生成室（以下、負荷とも
いう）側に印加されるように操作していた。

ところで、インピーダンスが定まらない負荷へマイク
ロ波電力を有効に送り込み、かつプラズマ放電の安定性
を良好にするには、マイクロ波発生源と負荷とのインピ
ーダンス整合が必要である。上記マイクロ波発振装置に
おいては、反射波電力が零（０）となるように、作業者
がスタブ整合器を手動で調整し、だいたいのインピーダ
ンス整合点を設定するようになっている。しかし、作業
者が反射波電力メータを観測しながら手動でインピーダ
ンス整合点を調整するのでは、充分な調整精度が得られ
ず、調整の度にその値が若干異なり、プラズマ処理の再
現性が良好といえない。さらに、プラズマ処理毎または
処理中に、例えばプラズマ生成室内における汚れ等の経
時変化やガス流量や圧力等の処理条件あるいはガスの種
類等の処理雰囲気の変動により、負荷のインピーダンス
が変動するが、人手調整では、その変動に追従してイン
ピーダンス整合点を設定することは不可能であり、プラ
ズマ放電が不安定となってしまう。

そこで、その整合動作を自動的に行うようにするため
に、マイクロ波オートマッチング装置を用いることが考
えられる。このマイクロ波オートマッチング装置を使用
する場合においては、４本のスタブを自動的に動作させ
ながら導波管内に設けられた４探針形の検出器によって
定在波の状態を検出し、定在波がなくなった状態、すな
わちインピーダンス整合点に設定された段階でスタブの
動作を停止するように構成される。例えばスタブは２本
で１組となって構成され、２本のスタブが１個のモータ
によって“つるべ運動する”ように構成することができ
る。スタブの動作は予めパターン化され、例えば次のよ
うに構成される。すなわち、まず、どちらか一方の組の
スタブを動作させながら所定時間毎に定在波の状態を検
出器により検出する。その動作中に定在波がなくなれば
その動作を停止するが、その組のスタブを最大まで動作
させても定在波がなくならない場合には、その組のスタ
ブを導波管から抜き出しながら他方の組のスタブを自動
的に動作させて定在波の状態を検出する。このような動
作を定在波がなくなるまで続けてインピーダンス整合点
を自動的に探索することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記したように、負荷のインピーダンス
は、例えば経時変化等により処理毎あるいは処理中に変
化してしまう。したがって、インピーダンス整合点は一
つではなく、負荷のインピーダンス値の変化に対応して
複数存在することになる。すなわち、本発明者の検討に
よれば、インピーダンス整合時のプラズマ安定モード
は、負荷のインピーダンスの違いによって複数存在する
ことが見い出された。

ところが、上記の自動インピーダンス整合技術を使用
する場合においては、インピーダンス整合をとることし
か考慮されないので、複数存在するプラズマ安定モード
のうちの所定のプラズマ安定モードを選択することはで
きず、処理毎、処理装置毎あるいは処理中に、負荷のイ
ンピーダンスおよびプラズマ安定モードが変化してしま
い、プラズマ放電の安定性および処理プロセスの再現性
が得られない問題があった。特に、処理中に、負荷のイ
ンピーダンスが変動し、例えばいずれもインピーダンス
整合状態であっても、その時の負荷のインピーダンスが
非線形的に移動し合うハンチング現象が発生してしま
い、プラズマ放電の安定性および処理プロセスの再現性
が得られない問題があった。

また、処理条件や処理雰囲気等の異なる複数の処理ス
テップを一貫して行う多段階プラズマ処理等において
は、各ステップ毎に最適なプラズマ安定モードが存在す
るが、従来技術では、インピーダンス整合はとれても各
ステップに最適なプラズマ安定モードを選択することは
できないので、多段階プラズマ処理を一貫して良好に行
うことができない問題があった。

さらに、上記のようなスタブの自動動作では、負荷の
インピーダンスの急激、かつ微妙な変動に対して高速、
かつ高精度に対応することができないので、プラズマ放
電の安定性およびプロセスの再現性が得られない問題が
あった。

本発明は上記課題に着目してなされたものであり、そ
の目的は、プラズマ放電の安定性およびプロセスの再現
性を向上させることのできる技術を提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、多段階プロセスにおけるプラズ
マ処理を一貫して良好に行うことのできる技術を提供す
ることにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの
概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

すなわち、請求項１記載の発明は、プラズマ処理の立
ち上げ時に、またはプラズマ処理中に、与えられたマイ
クロ波に対して発生する電界定在波の振幅を検出して、
電圧定在波の振幅と位相を算出し、さらにその値に基づ
いて負荷のインピーダンス値を算出し、その算出値に基
づいてマイクロ波発生源側とプラズマ生成室側とのイン
ピーダンスを整合するとともに、前記算出値を予め設定
された目標値に近づけるように、プラズマモード選択手
段を制御することにより、複数存在するインピーダンス
整合点のそれぞれのプラズマ安定モードのうち、所定の
プラズマ安定モードを自動的に選択するプラズマ処理方
法とするものである。

〔作用〕

上記した請求項１記載の発明によれば、例えば一つの
プラズマ処理に際して常に一つのプラズマ安定モードを
選択するように目標値を設定することにより、処理毎、
装置毎あるいは処理中に、一貫して同一のプラズマ安定
モードでプラズマ処理を行うことができるので、処理毎
あるいは装置毎の特性のバラツキや処理中における負荷
のインピーダンス変動およびハンチング現象等を防止す
ることができる。

また、例えば多段階プラズマ処理等においては、各ス
テップ毎に最適なプラズマ安定モードを選択するように
目標値を設定することにより、各ステップに最適なプラ
ズマを生成することができるので、多段階プラズマ処理
を一貫して良好に行うことができる。

さらに、例えば負荷のインピーダンス値と、算出され
た負荷のインピーダンス値を目標値にするために最適な
プラズマモード選択手段の制御指令との相関表を作成し
ておき、その相関表に基づいてプラズマモード選択手段
を制御することにより、プラズマ処理の立ち上げに際し
ては、所定のプラズマ安定モードを高速で設定すること
ができ、また、プラズマ処理中においては、負荷のイン
ピーダンスの急激、かつ微妙な変動等に高速、かつ高精
度に対応することができる。

〔実施例１〕第１図は本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の
要部構成図、第２図はこのプラズマ処理装置のスタブ整
合器を示す説明図である。

以下、本実施例１のプラズマ処理装置を第１図および
第２図により説明する。

第１図に示す本実施例１のプラズマ処理装置１は、例
えばECRプラズマ・ドライエッチング装置である。

プラズマ処理装置１は、高圧電源２と、マイクロ波発
生源３と、アイソレータ４と、方向性結合器５と、導波
管６と、パワーモニタ（検出器）7aと、スタブ整合器
（プラズマモード選択手段）８と、プラズマ生成室９
と、石英等からなるベルジャ10と、第一，第二電磁コイ
ル（プラズマモード選択手段）11a,11bと、励磁用電源1
2と、パーソナルコンピュータ（コントロール部；以
下、単にコンピュータという）13と、下部ステージ14
と、バイアス用高周波電源15とを有しており、下部ステ
ージ14上には、例えばサブミクロンの設計ルールの半導
体集積回路が形成されるシリコン（Si）からなる半導体
ウエハ（被処理物）16が載置されている。

マイクロ波発生源３には、図示しないマグネトロンが
設置されている。マグネトロンは、高圧電源２から高電
圧が印加されると、例えば2.45G Hzのマイクロ波を発生
するようになっている。マイクロ波発生源３から発生し
たマイクロ波は、導波管６を通じてプラズマ生成室９内
へ伝搬されるようになっている。

導波管６内にはパワーモニタ7aとスタブ整合器８とが
設置されている。

パワーモニタ7aは、例えば電圧定在波の振幅等の定在
波量を検出するための検出部であり、マイクロ波の導波
管内波長をλｇとすると、例えばλg/4,λg/6,λg/8お
きに配置された少なくとも３本の探針（図示せず）によ
って構成されている。また、パワーモニタ7aは、コンピ
ュータ13と電気的に接続されており、検出された定在波
信号をコンピュータ13に伝送するようになっている。

ところで、本発明者の検討によれば、プラズマ生成室
９側に同じマイクロ波電力を供給しても負荷のインピー
ダンス値の違いによって全く異なるプラズマ安定モード
が存在すること、および負荷のインピーダンス値は、ス
タブ整合器または電磁コイルによって調整できることが
見い出された。そこで、本実施例１のプラズマ処理装置
１におけるスタブ整合器８においては、マイクロ波発生
源３側と負荷とのインピーダンスを整合する機能を備え
るとともに、コンピュータ13と電気的に接続されて、プ
ラズマ放電後のプラズマ処理装置１の立ち上げ時に、コ
ンピュータ13から伝送された制御信号に基づいて負荷の
インピーダンス値を所定値に設定し、複数存在するプラ
ズマ安定モードのうち、所定のプラズマ安定モードを自
動的に選択する機能を備えている。

スタブ整合器８は、第２図に示すように、例えば３本
のスタブ8a₁〜8a₃と、各スタブ8a₁〜8a₃毎に配置された
パルスモータ8b₁〜8b₃とから構成されている。

パワーモニタ7aより負荷側に設けられたスタブ整合器
８は、上記パワーモニタ7aを構成する探針から、例えば
パワーモニタ7aへスタブによる乱れが生じない程度に離
れた位置に配置されている。また、各スタブ8a₁〜8a
₃は、導波管６内に、例えばλg/6あるいはλg/4,λg/8
おきに配置されている。そして、各スタブ8a₁〜8a₃の挿
入、抜き出し動作は、各パルスモータ8b₁〜8b₃によって
独立して制御されるようになっている。

パルスモータ8b₁〜8b₃は、コンピュータ13と電気的に
接続されており、コンピュータ13によって、その動作が
制御されるようになっている。

一方、プラズマ処理装置１のベルジャ10の近傍には、
第一，第二電磁コイル11a,11bが設置されている。

第一，第二電磁コイル11a,11bは、電界に対して直交
する磁場を半導体ウエハ16の上方に形成し、電子を半導
体ウエハ16の上面近傍に閉じ込めてイオン化効率を向上
させる機能を備えている。

第一，第二電磁コイル11a,11bの各々は、励磁用電源1
2に独立して電気的に接続されている。すなわち、第
一，第二電磁コイル11a,11bには、励磁用電源12から独
立して電流が供給されるようになっている。励磁用電源
12は、コンピュータ13に電気的に接続されている。そし
て、本実施例１のプラズマ処理装置１における第一，第
二電磁コイル11a,11bは、プラズマ放電後のプラズマ処
理装置１の立ち上げ時に、コンピュータ13から伝送され
た制御信号に基づいて負荷のインピーダンス値を所定値
に設定し、複数存在するプラズマ安定モードのうち、所
定のプラズマ安定モードを自動的に選択できるようにな
っている。

コンピュータ13は、プラズマ放電後のプラズマ処理装
置１の立ち上げ時に、パワーモニタ7aによって検出され
た定在波量等に基づいて、例えば電圧定在波の振幅と位
相とを算出し、さらにその値に基づいて負荷のインピー
ダンス値を算出し、その算出値と予めコンピュータ13の
記憶部13aに記憶された負荷のインピーダンスの目標値
とを比較してその算出値が目標値の許容範囲を超えてい
る場合には、その算出値が目標値に近づくように、スタ
ブ整合器８または第一，第二電磁コイル11a,11bに制御
信号を伝送し、所定のプラズマ処理が一貫して同一のプ
ラズマ安定モードで行われるように自動制御するように
なっている。

記憶部13aに予め記憶された目標値には、所定のプラ
ズマ処理に際して、その処理を行うのに最も適したプラ
ズマ安定モードを選択するための負荷のインピーダンス
値が設定されている。

また、記憶部13aには、予め設定された負荷のインピ
ーダンス値と、その値に対応する制御指令とを記した相
関表が目標値とともに記憶されている。制御指令には、
負荷のインピーダンス値が算出された段階で、その算出
値を最も速く目標値に近づけるために、どのようにスタ
ブ整合器８または第一，第二電磁コイル11a,11bを制御
すべきか、例えば何番のスタブを何mm挿入すれば良い
か、あるいは何番の電磁コイルに何アンペア（Ａ）の励
磁電流を流せば良いか等の指令が記憶されている。

なお、バイアス用高周波電源15は、半導体ウエハ16に
高周波バイアス電圧を印加することにより、イオンエネ
ルギーを独立して制御し、エッチング速度やエッチング
形状等を制御するための電源である。

次に、本実施例のプラズマ処理方法を説明する。な
お、本実施例１においては、例えば酸素（O₂）プラズマ
を用いた場合について説明する。

まず、プラズマ生成室９内に、例えばO₂ガスを150ml/
min程度導入し、ロータリーポンプ（図示せず）により
プラズマ生成室９内の圧力を、例えば1.6×10^-3Torr程
度とする。この際、半導体ウエハ16と下部ステージ14と
の間に、例えばウエハ冷却用のヘリウム（He）を7ml/mi
n程度導入する。

この状態で高圧電源２からマイクロ波発生源３のマグ
ネトロンに、例えば850W程度の電力を供給して、例えば
2.45G Hzのマイクロ波を発生させ、このマイクロ波を導
波管６を通じてプラズマ生成室９に伝搬し、プラズマ生
成室９内にプラズマを生成する。この時の第一，第二電
磁コイル11a,11bの励磁電流は、各々、例えば25A,10Aと
する。

このようなプラズマ処理装置１の立ち上げ時に、パワ
ーモニタ7aは、定在波信号等を検出し、その信号をコン
ピュータ13に伝送する。コンピュータ13は、伝送された
定在波信号に基づいて、例えば電圧定在波の振幅と位相
とを算出し、さらにその値に基づいて負荷のインピーダ
ンス値を算出するとともに、例えば本実施例１において
は、その算出値に基づいて反射波が零（０）となるよう
に、スタブ整合器８に制御信号を伝送する。この際の各
スタブ8a₁〜8a₃の挿入量は、各々、例えば9.97mm,10.30
mm,0mmである。

ここで、単に反射波を零（０）にするようにスタブ整
合器８を制御しただけでは、目標以外の他のインピーダ
ンス整合点で整合がとれてしまう場合もあるので、本実
施例１においては、以下のようにする。すなわち、ま
ず、コンピュータ13は、負荷のインピーダンスの算出値
と、記憶部13aに予め設定された負荷のインピーダンス
の目標値とを比較し、その算出値が目標値の許容範囲を
超える場合には、その算出値が目標値に近づくように、
例えば第一，第二電磁コイル11a,11bを制御する。その
制御の方法として、コンピュータ13は、まず、予め記憶
部13aに記憶された負荷のインピーダンス値と電磁コイ
ルの制御指令との相関表を参照し、負荷のインピーダン
スの算出値を最も速く目標値に設定するための制御指令
を探索し、それを制御信号として励磁用電源12に伝送す
る。

励磁用電源12は、コンピュータ13から伝送された制御
信号に基づいて第一，第二電磁コイル11a,11bに所定の
励磁電流を流し、磁場を制御して負荷のインピーダンス
値を目標値に自動設定する。ここで、例えばプラズマ処
理に際して一貫して発光強度の強いプラズマ安定モード
となるように目標値を設定した場合、励磁用電源12は、
コンピュータ13からの制御信号に基づいて第一，第二電
磁コイル11a,11bに、各々、例えば25A,9Aの励磁電流を
流す。また、例えばプラズマ処理に際して一貫して発光
強度の弱いプラズマ安定モードとなるように目標値を設
定した場合、励磁用電源12は、コンピュータ13からの制
御信号に基づいて第一，第二電磁コイル11a,11bに、各
々、例えば16.5A,9Aの励磁電流を流す。

このようにしてインピーダンス整合点および所定のプ
ラズマ安定モードを設定した後、プラズマ処理が一貫し
て同一のプラズマ安定モードで行われるように、スタブ
整合器８および第一，第二電磁コイル11a,11bの設定値
を固定してプラズマ処理を続ける。

なお、プラズマ処理に際しては、バイアス用高周波電
源15に、例えば30W程度の電力を供給することにより、
イオンエネルギーを独立して制御し、エッチング速度や
エッチング形状等を制御する。

このように本実施例１によれば、以下の効果を得るこ
とが可能となる。

（１）．プラズマ処理の立ち上げ時に、パワーモニタ7a
によって検出された検出信号に基づいて負荷のインピー
ダンス値を算出し、その算出値に基づいてマイクロ波発
生源３側と負荷とのインピーダンスを整合するととも
に、その算出値を、予め設定された常に一つのプラズマ
安定モードを選択する目標値に近づけるように、第一，
第二電磁コイル11a,11bを制御して、複数存在するプラ
ズマ安定モードのうち、所定のプラズマ安定モードを自
動的に選択することにより、プラズマ処理に際して、与
えられたマイクロ波に対して発生する負荷のインピーダ
ンス値を常に一定領域に保つことができるので、処理毎
あるいは装置毎の特性のバラツキ等を防止することが可
能となる。

（２）．負荷のインピーダンス値と、電磁コイルの制御
指令との相関表を予め作成しておき、その相関表基づい
て第一，第二電磁コイル11a,11bを制御することによ
り、負荷のインピーダンス値を目標値に高速で設定する
ことが可能となる。

（３）．上記（１），（２）により、プラズマ放電の安
定性およびプロセスの再現性を大幅に向上させることが
可能となる。

（４）．上記（１）〜（３）により、プラズマ処理にお
けるサブミクロン加工精度が大幅に向上するので、サブ
ミクロン構造の半導体集積回路装置の信頼性および歩留
りを向上させることが可能となる。

〔実施例２〕ところで、前記実施例１においては、所定のプラズマ
安定モードを第一，第二電磁コイル11a,11bによって自
動的に選択した場合について説明したが、これに限定さ
れるものではない。例えば、前記実施例１で用いた第１
図、第２図により説明すると、例えば所定のプラズマ安
定モードをスタブ整合器８によって自動的に選択しても
良い。そして、この場合、プラズマ放電直後の負荷のイ
ンピーダンス値が初めから目標値に近くなるように、プ
ラズマ放電の前にスタブ整合器８を予め自動設定してお
いても良い。

すなわち、本実施例２においてコンピュータ13は、例
えばプラズマ処理装置１の電源投入と同時に、プラズマ
放電直後の負荷のインピーダンス値が初めから目標値に
近くなるように、スタブ整合器８を自動設定する。

例えば発光強度の強いプラズマ安定モードとなるよう
に目標値を設定した場合は、スタブ8a₁のみを所定量だ
け挿入する。また、例えば発光強度の弱いプラズマ安定
モードとなるように目標値を設定した場合は、スタブ8a
₃のみを所定量だけ挿入する。ここで、本実施例２にお
いては、第一，第二電磁コイル11a,11bの励磁電流を、
各々、例えば25A、10Aに固定する。

次いで、プラズマ放電を開始すると、パワーモニタ7a
は、定在波量等を検出し、その信号をコンピュータ13に
伝送する。コンピュータ13では、その信号から負荷のイ
ンピーダンス値を算出する。コンピュータ13は、その算
出値に基づいて、例えば反射波が零（０）となるよう
に、かつその算出値と目標値とを比較してその算出値が
目標値の許容範囲を超えている場合には、その算出値が
目標値に近づくように、前記した相関表を参照して、ス
タブ整合器８に制御信号を伝送する。

スタブ整合器８は、コンピュータ13から伝送された制
御信号に基づいて、マイクロ波発生源３側と負荷とのイ
ンピーダンスを整合するとともに、スタブ8a₁〜8a₃を動
作させて負荷のインピーダンス値を目標値に自動設定す
る。この際、プラズマ放電前に、放電直後の負荷のイン
ピーダンス値が目標値に近くなるようにスタブ整合器８
をある程度設定してあるので、放電直後の負荷のインピ
ーダンス値を高速で目標値に設定することができる。

ここで、例えば発光強度の強いプラズマ安定モードと
なるように目標値を設定した場合は、スタブ8a₁〜8a
₃を、各々、例えば15mm,0mm,0mmとする。また、例えば
発光強度の弱いプラズマ安定モードとなるように目標値
を設定した場合は、スタブ8a₁〜8a₃を、各々、例えば0m
m,0mm,15mmとする。

このようにしてインピーダンス整合点および所定のプ
ラズマ安定モードを自動設定した後、プラズマ処理を一
貫して同一のプラズマ安定モードで行うように、スタブ
整合器８および第一，第二電磁コイル11a,11bの設定値
を固定してプラズマ処理を続ける。

以上、本実施例２によれば、プラズマ放電の前に、放
電直後の負荷のインピーダンス値が初めから目標値に近
くなるように、スタブ整合器８を予め自動設定しておく
ことにより、インピーダンス整合およびプラズマ安定モ
ードを高速で自動設定することが可能となる。

〔実施例３〕ところで、前記実施例1,2においては、プラズマ処理
装置１の立ち上げ時に、所定のプラズマ安定モードを自
動的に選択し、安定したプラズマを生成した。そして、
その際のスタブ整合器８および第一，第二電磁コイル11
a,11bの設定値を固定した状態でプラズマ処理を行っ
た。

しかし、プラズマ処理によっては、その処理中に、例
えばプラズマ生成室９内の汚れ等の経時変化やガス流量
や圧力等の処理条件の変化あるいはガスの種類等の処理
雰囲気の変化によって負荷のインピーダンス値が変動
し、プラズマ安定モードが非線形的に変動する場合があ
る。

そこで、本実施例３においては、プラズマ処理中にお
いても継続して所定のプラズマ安定モードを自動的に選
択するようにした。すなわち、例えば、前記実施例１で
用いた第１図、第２図により説明すると、パワーモニタ
7aは、プラズマ処理中においても定在波信号等を検出し
続け、その信号をコンピュータ13に伝送する。コンピュ
ータ13では、その信号から負荷のインピーダンス値を算
出し、かつその時々の算出値と目標値とを比較して、そ
の算出値が目標値の許容範囲を超えた場合には、その算
出値が目標値に近づくように、前記した負荷インピーダ
ンス値と制御指令との相関表を参照して、スタブ整合器
８または第一，第二電磁コイル11a,11bを自動的に制御
し続ける。

以上、本実施例３によれば、以下の効果を得ることが
可能となる。

（１）．すなわち、プラズマ処理中に負荷のインピーダ
ンスが何らかの原因で急激に変動しても、その時々に応
じて負荷のインピーダンス値を目標値に近づくように、
スタブ整合器８や第一，第二電磁コイル11a,11bを自動
制御することにより、プラズマ処理中に負荷のインピー
ダンス値を常に一定領域に保つことができるので、負荷
のインピーダンスの変動やハンチング現象等を防止する
ことができ、プラズマ放電の安定性およびプロセスの再
現性を大幅に向上させることが可能となる。

（２）．また、負荷のインピーダンス値と、電磁コイル
の制御指令との相関表を予め作成しておき、その相関表
に基づいて第一，第二電磁コイル11a,11bを制御するこ
とにより、負荷のインピーダンスの急激、かつ微妙な変
動に対して高速、かつ高精度に対応することが可能とな
る。

〔実施例４〕ところで、前記実施例１〜３においては、プラズマ処
理を一貫して同一のプラズマ安定モードで行う場合につ
いて説明した。しかし、例えば多段階プラズマエッチン
グ処理においては、各エッチングステップ毎に最適なプ
ラズマ安定モードが異なる場合がある。

例えばTiW/Al−Si−Cu/TiWの積層膜をプラズマエッチ
ング処理する場合、TiWは、通常、SF₆をベースとしたフ
ッ素（Ｆ）系のガスによってエッチングし、そのエッチ
ング処理においては、第一，第二電磁コイル11a、11bの
励磁電流を、各々、例えば25A,9Aとした時が最も安定な
プラズマを生成することができる。

一方、Al−Si−Cu合金は、通常、BCl₃＋Cl₂等の塩素
（Cl）系のガスによってエッチングし、そのエッチング
処理においては、第一，第二電磁コイル11a,11bの励磁
電流を、各々、例えば（25A,11A）、（25A,10A）あるい
は（25A,9A）とした時が最も安定なプラズマを生成する
ことができるが、その中でも、25A,10Aの時が最も塩素
の発光強度が強く、エッチングレートの高いプラズマを
生成することができる。

ここで、仮にAl−Si−Cu合金に合わせて第一，第二電
磁コイル11a,11bの設定値を25A,10Aに設定して積層膜の
プラズマエッチング処理を一貫して行うと、TiWのエッ
チング処理の際に、プラズマ放電が不安定となるととも
に、インピーダンス整合もとれなくなく、実効入射電力
の再現性が得られなくなってしまう。

そこで、本実施例４においては、多段階プラズマエッ
チング処理に際して、TiW→（Al−Si−Cu合金）→TiWの
各エッチングステップ毎に、それに最適なプラズマ安定
モードが選択されるように目標値を予め設定しておくよ
うにした。そして、コンピュータ13は、パワーモニタ7a
によって検出された定在波信号等に基づいて、負荷のイ
ンピーダンス値を算出し、その算出値と各エッチングス
テップ毎に設定された負荷のインピーダンスの目標値と
を比較して、各エッチングステップ毎に、それに最適な
プラズマが生成されるように、前記相関表を参照して、
スタブ整合器８または第一，第二電磁コイル11a,11bを
自動的に制御する。

以上、本実施例４によれば、以下の効果を得ることが
可能となる。

（１）．すなわち、例えば多段階プラズマエッチング処
理において、各エッチングステップ毎に最適なプラズマ
安定モードを選択するように目標値を予め設定しておく
ことにより、その処理に際し、各エッチングステップ毎
に最適なプラズマを生成することができるので、多段階
プラズマエッチング処理を一貫して良好に行うことが可
能となる。

（２）．また、各ステップ毎に最適なプラズマ安定モー
ドを選択できるので、プロセスマージンを大きくするこ
とができ、プラズマ処理装置１の適用処理範囲を広くす
ることが可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づ
き具体的には説明したが、本発明は前記実施例１〜４に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施例１〜４においては、プラズマ安定
モードを選択するための目標値を負荷のインピーダンス
とした場合について説明したが、これに限定されるもの
ではなく、種々変更可能である。例えば本発明者の検討
によれば、プラズマ安定モードが変化すると、プラズマ
発光強度も変化することが見い出された。そこで、プラ
ズマ安定モードを選択するための目標値をプラズマ発光
強度値としても良い。この場合、第３図に示すように、
プラズマ処理装置１のベルジャ10の外方に発光強度モニ
タ（検出器）7bを設け、そのモニタ7bで検出された発光
スペクトル等の信号をコンピュータ13に伝送できるよう
にする。

また、本発明者の検討によれば、プラズマ安定モード
が変化すると、イオン電流も変化することが見い出され
た。そこで、プラズマ安定モードを選択するための目標
値をイオン電流値としても良い。この場合、第４図に示
すように、プラズマ処理装置１のベルジャ10内にプロー
ブ等のイオン電流モニタ（検出器）7cを設置し、そのモ
ニタ7cで検出された信号をコンピュータ13に伝送できる
ようにする。

また、前記実施例１〜４においては、電磁コイルをベ
ルジャの外周に設置したプラズマ処理装置に適用した場
合について説明したが、これに限定されるものではな
く、例えば電磁コイルを下部ステージの下方に設置した
プラズマ処理装置に適用することも可能である。

また、前記実施例１〜３においては、プラズマガスを
O₂としたが、これに限定されるものではなく、種々変更
可能である。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発
明をその背景となった利用分野であるECRプラズマ・ド
ライエッチング技術に適用した場合について説明した
が、これ限定されず種々適用可能であり、例えばマイク
ロ波プラズマ処理技術、ECRプラズマ・アッシング技
術、ECRプラズマCVD技術、ECRプラズマ・スパッタリン
グ技術等の他のプラズマ処理技術に適用することが可能
である。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものに
よって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおり
である。

すなわち、請求項１記載の発明によれば、以下の効果
を得ることが可能となる。

（１）．例えば一つのプラズマ処理に際して常に一つの
プラズマ安定モードを選択するように目標値を設定する
ことにより、プラズマ処理毎、装置毎あるいはプラズマ
処理中に、同一のプラズマ安定モードでプラズマ処理を
行うことができるので、処理毎あるいは装置毎の特性バ
ラツキや処理中の負荷インピーダンスの変動およびハン
チング現象等を防止することができ、プラズマ放電の安
定性およびプロセスの再現性を大幅に向上させることが
できる。

（２）．例えば多段階プラズマ処理等においては、各ス
テップ毎に最適なプラズマ安定モードを選択するように
目標値を設定することにより、プラズマ処理に際して、
各ステップ毎に最適なプラズマを生成することができる
ので、多段階プラズマ処理を一貫して良好に行うことが
可能となる。

（３）．例えば負荷のインピーダンス値と、算出された
負荷のインピーダンス値を目標値にするために最適なプ
ラズマモード選択手段の制御指令との相関表を作成して
おき、その相関表に基づいてプラズマモード選択手段を
制御することにより、プラズマ処理の立ち上げに際して
は、所定のプラズマ安定モードを高速で設定することが
でき、また、プラズマ処理中においては、負荷のインピ
ーダンスの急激、かつ微妙な変動等に高速、かつ高精度
に対応することができるので、プラズマ放電の安定性お
よびプロセスの再現性を大幅に向上させることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の要
部構成図、第２図はこのプラズマ処理装置のスタブ整合器を示す説
明図、第３図および第４図は本発明の他の実施例であるプラズ
マ処理装置をそれぞれ示す要部構成図である。１……プラズマ処理装置、２……高圧電源、３……マイ
クロ波発生源、４……アイソレータ、５……方向性結合
器、６……導波管、7a……パワーモニタ（検出器）、7b
……発光強度モニタ（検出器）、7c……イオン電流モニ
タ（検出器）、８……スタブ整合器（プラズマモード選
択手段）、8a₁〜8a₃……スタブ、8b₁〜8b₃……パルスモ
ータ、９……プラズマ生成室、10……ベルジャ、11a…
…第一電磁コイル（プラズマモード選択手段）、11b…
…第二電磁コイル（プラズマモード選択手段）、12……
励磁用電源、13……コンピュータ（コントロール部）、
13a……記憶部、14……下部ステージ、15……バイアス
用高周波電源、16……半導体ウエハ（被処理物）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷口道夫大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号株式会社ダイヘン内 (72)発明者石田勇二大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号株式会社ダイヘン内 (72)発明者吉迫裕司大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号株式会社ダイヘン内 (56)参考文献特開平２−141101（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−241922（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00 H05H 1/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ処理の立ち上げ時に、またはプラ
ズマ処理中に、与えられたマイクロ波に対して発生する
定在波量を検出し、その検出信号に基づいて負荷のイン
ピーダンス値を算出し、その算出値に基づいてマイクロ
波発生源側とプラズマ生成室側とのインピーダンスを整
合するとともに、前記算出値を予め設定された目標値に
近づけるように、プラズマモード選択手段を制御するこ
とにより、複数存在するインピーダンス整合点のそれぞ
れのプラズマ安定モードのうち、所定のプラズマ安定モ
ードを自動的に選択することを特徴とするプラズマ処理
方法。
【請求項２】マイクロ波発生源側から発生したマイクロ
波を導波管を通じてプラズマ生成室側に伝搬し、前記プ
ラズマ生成室内に収容された被処理物に対して所定のプ
ラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、前記マイ
クロ波に対して発生する定在波量を検出する検出器と、
前記マイクロ波発生源側とプラズマ生成室側との複数の
インピーダンス整合点の各々に存在するプラズマ安定モ
ードのうち、所定のプラズマ安定モードを自動的に選択
するプラズマモード選択手段と、前記所定のプラズマ安
定モードを自動的に選択するために予め設定された目標
値を記憶する記憶部と、前記検出器によって検出された
信号に基づいて負荷のインピーダンス値を算出し、その
算出値に基づいて前記マイクロ波発生源側とプラズマ生
成室側とのインピーダンスを整合し、かつ前記算出値を
前記目標値に近づけるように、前記プラズマモード選択
手段を制御するコントロール部とを備えるプラズマ処理
装置。
【請求項３】前記目標値が、定在波量から算出された負
荷のインピーダンス値である他、イオン電流値、プラズ
マ発光強度値であって、それにより所定のプラズマ安定
モードを自動的に選択することを特徴とする請求項２記
載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記プラズマモード選択手段が、電磁コイ
ルまたはスタブ整合器であることを特徴とする請求項２
記載のプラズマ処理装置。