JP3085151B2 - プラズマ処理方法および装置 - Google Patents

プラズマ処理方法および装置

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JP3085151B2 JP07177086A JP17708695A JP3085151B2 JP 3085151 B2 JP3085151 B2 JP 3085151B2 JP 07177086 A JP07177086 A JP 07177086A JP 17708695 A JP17708695 A JP 17708695A JP 3085151 B2 JP3085151 B2 JP 3085151B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理方法および
装置に係り、特に試料へのバイアス印加を用いた処理に
好適なプラズマ処理方法および装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】RFバイアスの従来例を図5に示す。試
料1は試料台2上に載置されており、バイアス用高周波
電源3からは図6に示す高周波が出力され、コンデンサ
4を経由して正弦波状の電圧が印加される。処理室5内
には、処理ガスを流入しながら排気すると共に、プラズ
マ発生用高周波電源6からコイル7並びに絶縁体8を経
由して加えられる高周波電力によりプラズマが生成され
る。プラズマから試料に供給される電子の量が、正イオ
ンの量に比べて数十倍〜数百倍と多いため、コンデンサ
4の試料1側には負の電荷が蓄積される。この電荷のた
め、図7に示す様に負にシフトした電圧が基板上に表れ
る。この負電圧によってエッチング種である正イオンが
加速され、試料1に垂直に入射することにより垂直形状
のエッチングが可能となる。しかし、試料パターンが微
細化するにつれ、溝や穴の底面における正電荷のチャー
ジアップのため、次に述べる色々な問題点が出てきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】図7の基板バイアス波
形では、電子が試料に入射する正のサイクルで電子を加
速するための正電圧がほとんど0になっているため、電
子はほとんど加速されず基板に入射する。
【0004】このようなバイアス印加法を用いて微細パ
ターンの加工を行った場合、試料に局所的チャージアッ
プが生じる。イオンは加速されて試料に垂直入射するた
め微細パターンの底面まで達するのに対して、電子は加
速されず試料に等方的に入射するため微細パターンでは
マスクに遮られて底面まで到達することができない(電
子シェーディング現象)。このため微細パターンの側面
が負にチャージアップし底面が正にチャージアップす
る。
【0005】この電子シェーディングによるチャージア
ップは、プラズマエッチングにおいて様々な弊害をもた
らしている。その最も重大な問題の一つがゲート用ポリ
シリコン加工における局所異状サイドエッチ(ノッチ)
の発生である。
【0006】また、電子シェーディング現象によるチャ
ージアツプはメタル配線の加工においても発生し、ゲー
ト酸化膜にダメージを生じさせる。電子シェーディング
によって微細パターンの底面に生じた正電荷はメタル配
線につながっているフローティングゲートに集められ、
フローティングゲートと基板シリコンの間のゲート絶縁
膜に絶縁破壊等のダメージを発生させる。
【0007】この他にも、電子シェーディング現象によ
るチャージアップはトレンチやコンタクトホール等の微
細孔エッチングにおいても問題となっており、サブトレ
ンチやボーイング等の異状形状を発生される原因になっ
ている。ポリシリコンのエッチング場合と同様、孔の側
面が負に、孔の底面が正に、それぞれチャージアップす
る。このチャージアップによってエッチング種であるイ
オンの軌道が曲げられ、イオンは孔の側面や孔底の端部
に入射するようになる。このため、孔側面や孔底面端部
がエッチングされ、ボーイングやサブトレンチ等の異状
形状が発生する。
【0008】本発明は、電子シェーディング現象を解消
し、電子シェーディング現象に起因するノッチ、チャー
ジアップダメージ、ボーイング、サブトレンチ、マイク
ロローディング、穴深さ方向のエッチングレート低下等
の諸問題を解決する。
【0009】本発明の目的は、微細パターンの形状制御
性の改善や深溝/深穴におけるエッチレート低下の改善
を行い、所望のエッチング形状を得ることのできるプラ
ズマ処理方法および装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、試料の載置手
段と、試料の載置手段を内蔵する処理室と、処理室内に
ガスを供給する手段と、処理室内を排気する手段と、処
理室内にプラズマを発生する手段とを具備したプラズマ
処理装置において、試料に加わる電圧もしくはこれとほ
ぼ等価な電圧の直流分を検知する手段と、検知手段で検
知された信号と設定信号との差信号により、パルス幅、
パルス周期もしくはパルス振幅のうちの少なくとも1つ
を変化させる電子加速機能を有するパルス性電源と、パ
ルス性電源の出力を容量素子を経由して試料に印加する
手段とを設けた装置とし、減圧下でガスをプラズマ化
し、該プラズマを用いて処理室内に配置した試料を処理
するプラズマ処理方法において、試料に加わる電圧の直
流分を検知し、該検知された信号と設定信号との差信号
により、電子加速のためのパルス電源のパルス幅、パル
ス周期もしくはパルス振幅のうちの少なくとも1つを変
化させ、該パルス電源の出力を容量素子を経由して試料
に印加し、プラズマ処理中の前記試料に加わる電圧の直
流分を所定値に制御する方法とすることにより、達成さ
れる。
【0011】
【作用】本発明において、試料にパルスバイアス電圧が
印加されるので電子が加速されて、微細パターンの底面
まで到達でき、底面における正電荷のチャージアップを
防止してノッチ等の発生を防止すると共に、試料に加わ
る電圧の直流分を検知しながら設定値との差がなくなる
様、パルス周期、パルス幅、パルス振幅等を制御するた
め、電子加速電圧やイオン加速電圧が所定値に制御さ
れ、常に安定した特性を得ることができる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1及び図2によ
り説明する。図1は、本発明のプラズマ処理装置のバイ
アス電圧が印加される電極部分を示す構成図である。本
図の電極部分は、例えば、図5に示した従来装置の試料
台部分に代えて設けられる。本図において図5と同符号
は同一部材を示す。本実施例は、図5の従来構成のプラ
ズマ処理装置のバイアス用高周波電源3に代えて、図1
に示すバイアス用パルス電源3′を用いる。バイアス用
パルス電源3′は図2(a)に示す様に正方向のパルスを
周期的に出力する。このパルスを容量成分4を経由して
試料1に加えた場合、試料1には図2(b)に示す様な試
料バイアス電圧が印加される。ここでτwはパルス幅、
Tはパルス周期、Vplsはパルス振幅、Vpはプラズマポ
テンシャル、VDCは試料1に加わる電圧の直流成分であ
る。
【0013】τw及びVplsを一定の下、パルス周期Tを
変化した時のVDCの変化を図2(c)に示す。(τw/
T)≪1の時、VDC≒0volt。VDC>−10voltの領域
はイオンの加速が不足するため、垂直形状が得られにく
く、またエッチングレートも低いため実用には好ましく
ない領域である。
【0014】また、VDC<Vp−Vpls+5なる領域は電
子の加速が5V以下のため、深溝や深穴の底面迄電子が
届きにくい。このため、電子加速による形状の改善や深
溝/穴でのエッチングレート低下を改善しにくい領域で
ある。
【0015】好ましい特性が得られる部分は、 −10volt>VDC>Vp−Vpls+5volt の部分であるが、図2(c)に示す通りこの部分ではパル
ス周期T等の少ない変化に対してもVDCは大きく変化す
る。また、プラズマの性質が少し変化してもVDCが大き
く変化する欠点がある。VDCの絶対値はイオン加速の平
均エネルギーに比例しており、試料1に電子電流が流入
する期間の平均電子加速エネルギーはVpls−Vp+VDC
にほぼ比例しており、この値が5volt以上で深穴や溝底
面での電荷中和効果がでてきて、この値が10volt以上
で上記効果が顕著になる。
【0016】尚、Vpls−Vp+VDCの値が200Volt程
度以上では、レジスト膜の削れが大きくなる等の逆効果
が顕著になる。Vpls−Vp+VDCの値は前途の値の範囲
内で試料の材質、パターン、穴のアスペクト比等に合わ
せて最適化する。
【0017】このため、VDCが変動するとイオンや電子
の加速エネルギーが変化するため、エッチングレートや
溝/穴底での電子の中和効果が大幅に変化する。
【0018】これを改善するには、図1(処理室の他の
部分は図5と同じ)に示す様に試料台2に加わる電圧を
低域通過フィルタ10を介し、VDC信号としてバイアス
用パルス電源3′にフィードバックし、試料1に加わる
電圧の直流成分であるVDCが常に一定になる様制御す
る。このようにすることにより、プラズマ等が変動して
も常に一定のVDCが試料に加わるため、電子加速電圧や
イオン加速電圧が所定値に制御され、安定した処理が可
能となる。
【0019】試料1と試料台2間が導通している場合に
は、図1に示す方法にて試料1に加わるVDCの検知が可
能であるが、図3(処理室の他の部分は図5と同じ)に
示す様に試料1と試料台2間に絶縁物11が存在する場
合(例えば静電吸着機能付試料台等)には、試料1と直
接接触する電極12を設置し、この信号を低域通過フィ
ルタを介してVDC信号を得ることにより、図1と同様に
フィードバック制御が出来る。図3で11は静電吸着用
絶縁物、13は静電吸着用直流電源である。
【0020】尚、試料の裏面が絶縁物で覆われている場
合には、図6の方法でもVDCを測定できない。この場合
には、プラズマと接する部分に導体を設置し、この導体
と試料台とを容量的に結合させると共に、この導体を低
域通過フィルタに接続すれば、試料とほぼ等しいVDC
得ることができる。
【0021】フィードバック制御が可能なバイアス用パ
ルス電源3′の一例を図4に示す。
【0022】VDCの設定値(設定信号1)とVDCのモニ
タ値(モニタ信号)との差を差動増幅器3−1で増幅
し、電圧制御発振器3−2に入力し、パルス周期Tを設
定する。その後、設定信号2の指示によりパルス幅発生
器3−3により所定のパルス幅τwを生成し、設定信号
3の指示により増幅器3−4により所定のパルス振幅V
plsに増幅して出力する。このバイアス用パルス電源
3′を用いることにより、試料1に加わる電圧の直流成
分VDCが常に設定に等しくなる様、パルスの周期Tが自
動的に制御される。尚、VDC等を常に一定にさせる為に
制御するパラメータとしては図4の例の外に、パルス幅
τwを制御したり、パルス振幅Vplsを制御してもよい。
但し、イオン加速エネルギーや電子加速エネルギーを一
定に保つ上では、パルス周期やパルス幅を制御する方が
好ましい。
【0023】尚、通常のプラズマでは、 0.01μs<τw<10μs 好ましくは、0.03μs<τw<0.5μs 1/103<(τw/T)<1/10 好ましくは3/103<(τw/T)<5/102 Vp+15volt<Vpls −10volt<VDC<Vp−Vpls+5volt Vp≒10〜20volt 尚、本実施例では図1に示しす誘導結合した高周波によ
りプラズマを発生させる場合について述べたが、本発明
はプラズマの発生方法によらず、例えば、マイクロ波プ
ラズマ、高周波+直流磁場によるプラズマ、ECRプラ
ズマ等にも共通に適用できる。
【0024】尚、バイアス用パルス電源3′の出力波形
は図2(a)に示した波形に限定するものではない。交
流を重畳したもの、交流の振幅を変化させたもの、複数
パルスを用いたもの等においても、試料の表面電位がプ
ラズマポテンシャル(Vp)より5V以上高い電位にな
る電子加速期間の一周期中の総和(τw)及びその周期
(T)等が前途の条件を満たせば同様に本発明を適用で
きる。
【0025】以上本実施例によれば、試料に5V以上の
電子加速を行うパルスバイアス電源を設け、かつ試料に
加わる電圧の直流分VDCが、 −10volt<VDC<Vp−Vpls+5volt の範囲でかつ一定になる様にフィードバック制御するの
で、微細パターン底面における正電荷のチャージアップ
を中和し、ノッチの発生、マイクロローディング、深溝
/穴でのエッチレートの低下等を防止でき、かつ電子加
速電圧やイオン加速電圧が所定値に制御され、プラズマ
特性が少々変動しても常に安定した特性が得られる。こ
れにより、電子やイオンを加速する電圧が一定するの
で、加速電子による溝底/穴底での電荷の中和や、加速
イオンによるエッチングレートが常に安定して得られ
る。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、試料に加わる電圧の直
流分VDCを一定にし、微細パターン底面における正電
荷のチャージアップを中和できるので、微細パターンの
形状制御性の改善や深溝/深穴におけるエッチレート低
下の改善が行え、所望のエッチング形状を得ることがで
きるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマ処理装置に用いられる電極部
の一実施例を示す構成図である。
【図2】図1の装置のバイアス用パルス電源の出力波
形,試料に加わるバイアス電圧波形およびその特性を示
す図である。
【図3】本発明のプラズマ処理装置に用いられる電極部
の他の実施例を示す構成図である。
【図4】図1の装置のバイアス用パルス電源の一例を示
す構成図である。
【図5】従来のプラズマ処理装置を示す図である。
【図6】図6におけるバイアス用高周波電源の出力波形
を示す図である。
【図7】図6における試料に加わるバイアス電圧波形を
示す図である。
【符号の説明】
1…試料、2…試料台、3…バイアス用高周波電源、
3′…バイアス用パルス電源、4…容量素子、5…処理
室、6…プラズマ発生用高周波電源、7…コイル、8…
絶縁体、10…低域通過フィルタ、11…絶縁物、12
…電極、13…静電吸着用直流電源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−255782(JP,A) 特開 平7−193049(JP,A) 特開 平7−94130(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05H 1/46 C23C 16/50 C23F 4/00 H01L 21/3065

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】減圧下でガスをプラズマ化し、該プラズマ
    を用いて処理室内に配置した試料を処理するプラズマ処
    理方法において、 前記試料に加わる電圧の直流分を検知し、該検知された
    信号と設定信号との差信号により、電子加速のためのパ
    ルス電源のパルス幅、パルス周期もしくはパルス振幅の
    うちの少なくとも1つを変化させ、該パルス電源の出力
    を容量素子を経由して試料に印加し、プラズマ処理中の
    前記試料に加わる電圧の直流分を所定値に制御すること
    を特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載において、(パルス幅/パル
    ス周期)の値を0.1以下とするプラズマ処理方法。
  3. 【請求項3】請求項1記載において、前記試料に加わる
    電圧の直流分を検知し、該検知された信号と設定信号と
    の差信号により、電子加速のためのパルス電源のパルス
    幅、もしくはパルス周期を変化させるプラズマ処理方
    法。
  4. 【請求項4】試料の載置手段と、前記試料の載置手段を
    内蔵する処理室と、前記処理室内にガスを供給する手段
    と、前記処理室内を排気する手段と、前記処理室内にプ
    ラズマを発生する手段とを具備したプラズマ処理装置に
    おいて、 前記試料に加わる電圧もしくはこれとほぼ等価な電圧の
    直流分を検知する手段と、該検知手段で検知された信号
    と設定信号との差信号により、パルス幅、パルス周期も
    しくはパルス振幅のうちの少なくとも1つを変化させる
    電子加速機能を有するパルス性電源と、該パルス性電源
    の出力を容量素子を経由して試料に印加する手段とを設
    けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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