JP3186689B2 - プラズマ処理方法およびその装置 - Google Patents
プラズマ処理方法およびその装置Info
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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、半導体装置の製造に好
適なプラズマ処理方法、およびその装置に関するもので
ある。 【０００２】 【従来の技術】プラズマ処理は真空に排気した処理室
に、処理ガスを導入し、処理室内に設けた平行平板電極
に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、処理を行
うものである。処理内容としてはプラズマにより発生し
た処理用ガスのイオンやラジカルにより、レジストで形
成したパターン通りに膜をエッチングするドライエッチ
ング、プラズマにより処理ガスを分解し膜を形成するプ
ラズマＣＶＤ、プラズマにより処理ガスの重合反応を起
し、膜の形成を行うプラズマ重合などである。 【０００３】近年これらプラズマ処理が半導体装置の高
集積化や太陽電池の低コスト化に伴い急激に生産に用い
られるようになってきた。そこで生産歩留の向上を図る
ため、より高度な処理特性が求められている。例えばド
ライエッチングでは生産性を高めるためにエッチングレ
ートを上げること、歩留りの向上を図るために目的とす
る膜と、Ｆ地材とのエッチングレート比、すなわち選択
比を大きくすることや微細なパターンが高精度でエッチ
ングできることが要求されている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】プラズマ処理では従
来、エッチングや成膜の特性コントロールをガスの種
類、ガス圧力、ガス流量、高周波電力のコントロール等
により行ってきた。 【０００５】しかしながら従来のコントロール要因で
は、ドライエッチングを例にとってみると次のような問
題があり、十分な特性を得ることができなかった。 【０００６】第１にガス圧力を高くすると選択比はよく
なるが、エッチング精度は悪くなるという問題点があっ
た。 【０００７】第２に高周波電力を高くするとエッチング
レートは高くなるが選択比が悪くなるという問題点があ
った。 【０００８】本発明の目的は従来技術の問題点に鑑み、
成膜速度と膜質やエッチングレート、選択比とエッチン
グ精度など相反するプラズマ処理特性を共に向上させる
プラズマ処理方法およびその装置を供給することにあ
る。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、プラズマ処理装置を、被処理基板を載
置する載置部と真空に排気する排気部とガスを導入する
ガス導入部とを備えた処理室と、排気部により処理室の
内部が真空に排気されてガス導入部からガスが導入され
た状態で処理室の内部に高周波電力によりプラズマを発
生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で
高周波電力によりプラズマを発生させた状態で高周波電
力を１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変調させることに
より載置部に載置した被処理基板に入射するイオンのエ
ネルギの分布を制御するをイオンエネルギ分布制御手段
とを備えて構成した。 【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
では、プラズマ処理装置を、高周波電源に接続して被処
理基板を載置する載置部と真空に排気する排気部とガス
を導入するガス導入部とを備えた処理室と、排気部によ
り処理室の内部が真空に排気されてガス導入部からガス
が導入された状態で処理室の内部に高周波電源より供給
された高周波電力によりプラズマを発生させるプラズマ
発生手段と、このプラズマ発生手段でプラズマを発生さ
せた状態で高周波電源から載置部に印加する高周波電力
の振幅を１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変調すること
によりイオンエネルギの分布を制御する変調手段とを備
えて構成した。 【００１１】更に、上記目的を達成するために、本発明
では、プラズマ処理方法において、真空に排気された処
理室の内部にガスを導入して所望の圧力に設定し、この
所望の圧力に設定した状態で処理室の内部に高周波電力
によりプラズマを発生させ、このプラズマを発生させた
状態で高周波電力を１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変
調させることにより処理室の内部の載置台に載置した被
処理基板に入射するイオンのエネルギの分布を制御しな
がら被処理基板を処理するようにした。 【００１２】更に、上記目的を達成するために、本発明
では、プラズマ処理方法において、真空に排気された処
理室の内部にガスを導入し、このガスを導入した状態で
処理室の内部にプラズマを発生させ、このプラズマを発
生させた状態で処理室の内部の被処理基板を載置する載
置台に１０Ｈｚ以上の周波数で振幅を周期的に変調させ
た高周波電力を印加することによりイオンエネルギの分
布を制御しながら被処理基板を処理するようにした。 【００１３】 【作用】上記したプラズマ処理方法及び装置を用いてプ
ラズマを発生させる１０9Ｈｚ以上のＧＨｚ程度の高周
波電力に時間的に変調をかけることにより、イオンエネ
ルギとその分布、電子偏度分布、ラジカル量や種類等
が、被処理対象物にあわせてコントロールできる。 【００１４】 【実施例】本発明による実施例を説明する前に、その原
理について、以下にいくつかのプラズマ処理方法および
装置を用いて説明する。 【００１５】従来の平行平板電極に５〜２０ＭＨｚ程度
（13.56ＭＨｚ）の高周波電圧を印加するドライエッチ
ング方法では、イオンエネルギ分布および、電子温度分
布はガス圧力、高周波電力で決る分布となる。したがっ
てアルミ膜などをエッチングする場合、アルミ自身のエ
ッチングには高いエネルギのイオンは不用であり、下地
材である酸化膜やシリコン膜のエッチングにはイオンの
エネルギが必要である。したがってイオンエネルギを小
さい条件にすると選択比を向上させることができる。 【００１６】しかしアルミ表面の酸化膜除去、および高
精度エッチングのためには、レジスト面をイオンでたた
き出てきたガスによるサイドエッチング防止用のサイド
ウォール形成が必要であり、高いエネルギのイオンが不
可欠である。 【００１７】そこで従来方法によるイオンエネルギー分
布を図１に模式的に示す。 【００１８】Ａ部のイオンエネルギは不可欠であるた
め、下地材をエッチングするＢ部のイオンが存在し、選
択比を十分大きくすることができない。 【００１９】そこで図２に示す従来の高周波印加電圧に
対し本発明の原理による図３に示すＡＭ変調した高周波
電圧印加によるエッチング方法について説明する。 【００２０】従来の処理条件に比べガス圧を高く設定す
る。 【００２１】ｔ1の部分では従来のＶ1より低いＶ2の高
周波電圧を印加する。この時ガス圧が高いために、ｔ1
の部分では入射するイオンエネルギは低くなるが放電電
流は増加する。このため、電極からプラズマに流れる電
子のエネルギは低下するが数が増加し、エッチングに寄
与するラジカルの生成が増加する。 【００２２】ｔ2の部分では高い圧力下でもＶ1より高い
Ｖ3の高周波電圧を印加するようにする。そのため酸化
膜除去やサイドウォール形成に十分なイオンエネルギを
得ることができる。この時のイオンエネルギ分布を図４
に模式的に示す。 【００２３】ｔ1部分の放電ではＤに示すような低エネ
ルギのイオンやラジカルの量が増加するため、エッチン
グレートを高めることができる。 【００２４】ｔ2部分の放電ではＣに示す高エネルギの
イオンが生成され、そのイオン量とエネルギはｔ1とｔ2
の時間比率と印加電圧Ｖ3によりコントロールできる。 【００２５】そのためＣ部分は必要最少限のイオンエネ
ルギとイオン量にコントロールでき、下地のエッチング
速度を最少限にすることができる。 【００２６】以上ＡＭ変調をかけた場合について説明し
たが図５に示すＦＭ変調でも同様の効果を得ることがで
きる。ｔ4部分ではｔ3部分の13.56ＭＨｚに対し１ＭＨ
ｚと周波数を低くすることにより放電電圧が高くなり、
入射イオンエネルギが高くなる。 【００２７】本発明の原理による図３の変調方法による
エッチング特性と、従来のエッチング特性を図６に示
す。 【００２８】次にもう一つの本発明によるエッチングの
原理を説明する例として、半導体ウェハのシリコン酸化
膜をエッチングする場合について説明する。シリコン酸
化膜の下にはシリコン層があり、酸化膜のエッチングが
完了した後、シリコン層のエッチングが進まないようシ
リコン酸化膜のエッチング速度とシリコンのエッチング
速度の差ができるだけ大きい方がよい。この時シリコン
は酸化膜に比べ低いイオンエネルギでエッチングされる
ため、酸化膜とシリコンの選択比を大きくするにはイオ
ンエネルギの分布が、酸化膜のエッチングに必要なレベ
ルより高くなければならない。このイオンエネルギを高
くするためにはガス圧力を低くするか、高周波電力を大
きくしなければならない。 【００２９】しかしガス圧力の低い条件ではイオンエネ
ルギは高くなるがイオン化率が低下し、エッチング速度
が低くなる。また高周波電力を大きくする条件ではイオ
ンエネルギの増加に伴い、発生する熱量も増加し、ウェ
ハの温度も高くなる。 【００３０】半導体製品を作るウェハはウェハ面上にパ
ターンを形成するため、エッチング前にレジストのパタ
ーンが形成されている。このレジストはウェハ温度が約
120°Ｃを越えると軟化し、パターン形状がくずれ、高
精度なエッチングできなくなり、場合によってはレジス
トが変質し、エッチング後完全に除去することができな
い、などの問題を生じる。 【００３１】本発明の原理においては、図７に示すよう
に従来より高い高周波電圧Ｖ4をｔ5秒間印加した後、ｔ
6秒間は印加電圧を小さくするというように周期的に変
調した高周波電圧を印加する。この印加された高周波電
力はｔ5、ｔ6の部分を平均化すると従来の高周波電力と
同じにしている。 【００３２】さきほど述べたようにＳｉＯ2のエッチン
グではＳｉなどに比べ高いエネルギのイオンが必要であ
り、エッチング速度、選択比を大きくするためには、イ
オンエネルギがＳｉＯ2エッチングに必要なレベルより
高い方に分布していなければならない。 【００３３】しかるに本発明の原理による放電ではｔ5
の部分ではＶ4を大きくし、ウェハに高いエネルギのイ
オンが入射し、ｔ6の部分ではＳｉをエッチングするエ
ネルギもない低い電力で放電する。 【００３４】以上より供給される高周波電力は従来と同
等であるため、ウェハの表面に形成されたレジストが軟
化することもなく、イオンエネルギの分布だけを高く
し、エッチングレートを２.５倍に選択比を１.８倍にす
ることができた。 【００３５】以上本発明によるエッチング方法の原理に
ついて述べたが、プラズマ重合やプラズマＣＶＤでも同
様の効果を得ることができる。生成した膜の特性はプラ
ズマ内の電子温度や、入射イオンエネルギ、シース付近
に生成されるイオンやラジカルに関係する。 【００３６】また電子温度をはじめこれらイオンやラジ
カルはさきにエッチングで説明した変調を行うことによ
り、分布、イオンやラジカルの種類、比率をコントロー
ルできる。したがってよりよい膜特性を得る条件が明ら
かになれば、それに合せて本発明による方法で放電プラ
ズマをコントロールし、処理特性を向上させることがで
きることは明らかである。 【００３７】なお以上に述べた本発明の原理では、高周
波印加電圧の周波数として13.56ＭＨｚを使用している
が、基本的には放電を発生させ、維持させる周波数であ
ればよい。 【００３８】また、変調周波数は現在のプラズマ処理時
間１分〜数十分に対し十分小さな値、すなわち任意の時
間でプラズマ処理を停止しても処理条件に差が生じない
程度であればよい。以上より高周波印加電圧の周波数は
１０2ＨＺ以上、変調周波数はそれより一桁小さい１０
ＨＺ以上の周波数であればよい。 【００３９】また本発明の原理の説明においては、平行
平板電極によるエッチングやＣＶＤ、プラズマ重合につ
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものでな
く、外部容量形およびインダクタンス形電極によるプラ
ズマ処理、マイクロ波や電子サイクロトロン共鳴による
プラズマ発生を用いたプラズマ処理にも応用できること
は明らかである。これらの放電は処理室内に電極はない
が印加する高周波やマイクロ波に変調をかけることによ
りプラズマ内の電子温度分布や発生するイオン、ラジカ
ルの種類や量をコントロールでき、プラズマ処理特性を
コントロールできる。 【００４０】さらに、本発明の原理の説明においては、
矩形波による変調を行っているが、変調波形はこれに限
定されるものでないことは明らかである。つまりイオン
エネルギ分布電子温度分布、イオン、ラジカルの量、種
類の最適分布や比率が明らかな場合、変調波はそれに対
応する形で決るものである。 【００４１】次に、今まで述べた本発明によるプラズマ
処理方法を実現するプラズマ処理装置について説明す
る。 【００４２】図８は、先に述べたアルミ膜やシリコン酸
化膜をＡＭ変調放電でエッチングするのに用いるカソー
ドカップリング形のプラズマ処理装置である。 【００４３】処理室１０には処理用ガス供給口１１、排
気口１２が設けてある。また処理室内には接地されたア
ース電極１３と高周波電極１４があり、高周波電極は絶
縁プッシュ１５を介して処理室に固定し、周囲には処理
室内壁との放電を防止するシールドケース１６が設けて
ある。また高周波電極１４にはマッチングボックス１８
を介して高周波パワーアンプ１９が接続してある。13.5
6ＭＨｚの標準信号発生器２１の信号は、変調信号発生
器２２からの信号に従い、ＡＭ変調器２０でＡＭ変調さ
れ、高周波パワーアンプ１９に供給される。 【００４４】変調信号発生器２２は周期、振幅を変えた
矩形波や正弦波など任意の波形を発生することができ
る。 【００４５】変調信号発生器２２でプラズマ処理対象に
合せた図３や図７に示す波形に変調する変調信号を発生
し、13.56ＭＨｚの標準信号発生器２１の信号を変調し
て高周波パワーアンプ１９に入力する。 【００４６】高周波パワーアンプ１９からは図３や図７
に示すような波形が出力され、マッチングボックス１８
を通って高周波電極１４に印加される。ＡＭ変調の場
合、周波数は同じであるため、13.56ＭＨｚ用のマッチ
ングボックスでマッチングを取ることができる。 【００４７】以上によりプラズマ処理方法で述べた放電
プラズマを発生し、プラズマ処理を行うことができる。 【００４８】プラズマエッチングやプラズマＣＶＤなど
に用いるアノードカップリング形のプラズマ処理装置は
本実施例のアース電極１３と高周波電極１４の位置を交
換することで実現できる。 【００４９】図９に、本発明の原理を用いたＦＭ変調方
式によるアノードカップリング電極のプラズマ処理装置
に原理を示す。 【００５０】処理室２５には処理用ガス供給口２６、排
気口２７があり、上部には絶縁プッシュ３０、シールド
ケース３１を設けた高周波電極２８があり、下部にはア
ース電極２９がある。 【００５１】ウェハ３２はアース電極２９に載せ、高周
波電極２８には並列に設けられた13.56ＭＨｚ用マッチ
ングボックス３３と１ＭＨｚ用マッチングボックスを介
して高周波パワーアンプ３５に接続してある。 【００５２】13.56ＭＨｚの標準信号発生器３７の信号
は変調信号発生器３８からの信号に従い、ＦＭ変調器３
６で13.56ＭＨｚの部分と、１ＭＨｚの部分に変調され
る。 【００５３】13.56ＭＨｚと１ＭＨｚの比率は変調信号
により任意に設定できる。変調された信号は、高周波パ
ワーアンプ３５により増幅され、13.56ＭＨｚの周波数
部分は13.56ＭＨｚ用マッチングボックス３４を通り、
１ＭＨｚの部分は１ＭＨｚ用マッチングボックスを通っ
て高周波電極２８に伝達される。これにより電極間に変
調された高周波の放電が発生し、プラズマ処理を行うこ
とができる。 【００５４】上記した本発明の原理の説明においては、
変調信号の発生を変調器で行っているがこれに限定され
るものではなく図１０に示すような原理によってでも行
うことができる。 【００５５】標準信号発生器４０の信号をそれぞれ異な
る分周器４１に入れ、各分周器からの出力はアッテネー
タ４２により個別に変えられるようになっている。 【００５６】各アッテネータからの出力は加算器４３で
加算される。この装置では分周器き４１の数にもよるが
アッテネータ４２をそれぞれ設定することにより変調波
形と同等の信号を得ることができる。 【００５７】図１１に、本発明の原理を用いた電子サイ
クロトロン共鳴方式のプラズマ処理装置の実施例を示
す。 【００５８】2.45ＣＨｚの標準信号発生器４４の信号は
変調信号発生器４６の信号に従いＡＭ変調器４５で変調
されパワーアンプ４７で増幅されて導波管４８に入る。 【００５９】変調されたマイクロ波は導波管４８に導び
かれ、石英製の処理室５０に入る。この処理室５０の周
囲には磁場を発生させるコイル４９と５１が設けられて
おり、磁場とマイクロ波による電子の共鳴でプラズマが
発生する。この時の電子のエネルギは入力マイクロ波の
強度に関係するため、変調により電子温度分布が制御で
き、それに伴い発生するイオンラジカルの種類、量をコ
ントロールできる。 【００６０】したがって電子サイクロトロン共鳴方式の
エッチング装置やＣＶＤ装置のエッチング特性や膜質を
コントロールすることができる。 【００６１】なお５４は処理用ガス導入管、５５は排気
管、５２はステージ、５３は基板である。 【００６２】以上プラズマ処理方法、およびプラズマ処
理装置の原理の説明及び実施例について述べたが、これ
からも明らかなように本発明はプラズマを応用するすべ
ての処理方法、処理装置に適用できることは本実施例の
説明から容易に維持できるものである。 【００６３】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
ラズマ中の電子温度分布、イオン、ラジカルの種類と
量、イオンエネルギ分布をコントロールすることがで
き、プラズマ処理の性能、すなわち、エッチング処理に
おけるエッチングレート、選択比、エッチング精度、成
膜における成膜速度、膜質を向上させる効果がある。
適なプラズマ処理方法、およびその装置に関するもので
ある。 【０００２】 【従来の技術】プラズマ処理は真空に排気した処理室
に、処理ガスを導入し、処理室内に設けた平行平板電極
に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、処理を行
うものである。処理内容としてはプラズマにより発生し
た処理用ガスのイオンやラジカルにより、レジストで形
成したパターン通りに膜をエッチングするドライエッチ
ング、プラズマにより処理ガスを分解し膜を形成するプ
ラズマＣＶＤ、プラズマにより処理ガスの重合反応を起
し、膜の形成を行うプラズマ重合などである。 【０００３】近年これらプラズマ処理が半導体装置の高
集積化や太陽電池の低コスト化に伴い急激に生産に用い
られるようになってきた。そこで生産歩留の向上を図る
ため、より高度な処理特性が求められている。例えばド
ライエッチングでは生産性を高めるためにエッチングレ
ートを上げること、歩留りの向上を図るために目的とす
る膜と、Ｆ地材とのエッチングレート比、すなわち選択
比を大きくすることや微細なパターンが高精度でエッチ
ングできることが要求されている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】プラズマ処理では従
来、エッチングや成膜の特性コントロールをガスの種
類、ガス圧力、ガス流量、高周波電力のコントロール等
により行ってきた。 【０００５】しかしながら従来のコントロール要因で
は、ドライエッチングを例にとってみると次のような問
題があり、十分な特性を得ることができなかった。 【０００６】第１にガス圧力を高くすると選択比はよく
なるが、エッチング精度は悪くなるという問題点があっ
た。 【０００７】第２に高周波電力を高くするとエッチング
レートは高くなるが選択比が悪くなるという問題点があ
った。 【０００８】本発明の目的は従来技術の問題点に鑑み、
成膜速度と膜質やエッチングレート、選択比とエッチン
グ精度など相反するプラズマ処理特性を共に向上させる
プラズマ処理方法およびその装置を供給することにあ
る。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、プラズマ処理装置を、被処理基板を載
置する載置部と真空に排気する排気部とガスを導入する
ガス導入部とを備えた処理室と、排気部により処理室の
内部が真空に排気されてガス導入部からガスが導入され
た状態で処理室の内部に高周波電力によりプラズマを発
生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で
高周波電力によりプラズマを発生させた状態で高周波電
力を１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変調させることに
より載置部に載置した被処理基板に入射するイオンのエ
ネルギの分布を制御するをイオンエネルギ分布制御手段
とを備えて構成した。 【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
では、プラズマ処理装置を、高周波電源に接続して被処
理基板を載置する載置部と真空に排気する排気部とガス
を導入するガス導入部とを備えた処理室と、排気部によ
り処理室の内部が真空に排気されてガス導入部からガス
が導入された状態で処理室の内部に高周波電源より供給
された高周波電力によりプラズマを発生させるプラズマ
発生手段と、このプラズマ発生手段でプラズマを発生さ
せた状態で高周波電源から載置部に印加する高周波電力
の振幅を１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変調すること
によりイオンエネルギの分布を制御する変調手段とを備
えて構成した。 【００１１】更に、上記目的を達成するために、本発明
では、プラズマ処理方法において、真空に排気された処
理室の内部にガスを導入して所望の圧力に設定し、この
所望の圧力に設定した状態で処理室の内部に高周波電力
によりプラズマを発生させ、このプラズマを発生させた
状態で高周波電力を１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変
調させることにより処理室の内部の載置台に載置した被
処理基板に入射するイオンのエネルギの分布を制御しな
がら被処理基板を処理するようにした。 【００１２】更に、上記目的を達成するために、本発明
では、プラズマ処理方法において、真空に排気された処
理室の内部にガスを導入し、このガスを導入した状態で
処理室の内部にプラズマを発生させ、このプラズマを発
生させた状態で処理室の内部の被処理基板を載置する載
置台に１０Ｈｚ以上の周波数で振幅を周期的に変調させ
た高周波電力を印加することによりイオンエネルギの分
布を制御しながら被処理基板を処理するようにした。 【００１３】 【作用】上記したプラズマ処理方法及び装置を用いてプ
ラズマを発生させる１０9Ｈｚ以上のＧＨｚ程度の高周
波電力に時間的に変調をかけることにより、イオンエネ
ルギとその分布、電子偏度分布、ラジカル量や種類等
が、被処理対象物にあわせてコントロールできる。 【００１４】 【実施例】本発明による実施例を説明する前に、その原
理について、以下にいくつかのプラズマ処理方法および
装置を用いて説明する。 【００１５】従来の平行平板電極に５〜２０ＭＨｚ程度
（13.56ＭＨｚ）の高周波電圧を印加するドライエッチ
ング方法では、イオンエネルギ分布および、電子温度分
布はガス圧力、高周波電力で決る分布となる。したがっ
てアルミ膜などをエッチングする場合、アルミ自身のエ
ッチングには高いエネルギのイオンは不用であり、下地
材である酸化膜やシリコン膜のエッチングにはイオンの
エネルギが必要である。したがってイオンエネルギを小
さい条件にすると選択比を向上させることができる。 【００１６】しかしアルミ表面の酸化膜除去、および高
精度エッチングのためには、レジスト面をイオンでたた
き出てきたガスによるサイドエッチング防止用のサイド
ウォール形成が必要であり、高いエネルギのイオンが不
可欠である。 【００１７】そこで従来方法によるイオンエネルギー分
布を図１に模式的に示す。 【００１８】Ａ部のイオンエネルギは不可欠であるた
め、下地材をエッチングするＢ部のイオンが存在し、選
択比を十分大きくすることができない。 【００１９】そこで図２に示す従来の高周波印加電圧に
対し本発明の原理による図３に示すＡＭ変調した高周波
電圧印加によるエッチング方法について説明する。 【００２０】従来の処理条件に比べガス圧を高く設定す
る。 【００２１】ｔ1の部分では従来のＶ1より低いＶ2の高
周波電圧を印加する。この時ガス圧が高いために、ｔ1
の部分では入射するイオンエネルギは低くなるが放電電
流は増加する。このため、電極からプラズマに流れる電
子のエネルギは低下するが数が増加し、エッチングに寄
与するラジカルの生成が増加する。 【００２２】ｔ2の部分では高い圧力下でもＶ1より高い
Ｖ3の高周波電圧を印加するようにする。そのため酸化
膜除去やサイドウォール形成に十分なイオンエネルギを
得ることができる。この時のイオンエネルギ分布を図４
に模式的に示す。 【００２３】ｔ1部分の放電ではＤに示すような低エネ
ルギのイオンやラジカルの量が増加するため、エッチン
グレートを高めることができる。 【００２４】ｔ2部分の放電ではＣに示す高エネルギの
イオンが生成され、そのイオン量とエネルギはｔ1とｔ2
の時間比率と印加電圧Ｖ3によりコントロールできる。 【００２５】そのためＣ部分は必要最少限のイオンエネ
ルギとイオン量にコントロールでき、下地のエッチング
速度を最少限にすることができる。 【００２６】以上ＡＭ変調をかけた場合について説明し
たが図５に示すＦＭ変調でも同様の効果を得ることがで
きる。ｔ4部分ではｔ3部分の13.56ＭＨｚに対し１ＭＨ
ｚと周波数を低くすることにより放電電圧が高くなり、
入射イオンエネルギが高くなる。 【００２７】本発明の原理による図３の変調方法による
エッチング特性と、従来のエッチング特性を図６に示
す。 【００２８】次にもう一つの本発明によるエッチングの
原理を説明する例として、半導体ウェハのシリコン酸化
膜をエッチングする場合について説明する。シリコン酸
化膜の下にはシリコン層があり、酸化膜のエッチングが
完了した後、シリコン層のエッチングが進まないようシ
リコン酸化膜のエッチング速度とシリコンのエッチング
速度の差ができるだけ大きい方がよい。この時シリコン
は酸化膜に比べ低いイオンエネルギでエッチングされる
ため、酸化膜とシリコンの選択比を大きくするにはイオ
ンエネルギの分布が、酸化膜のエッチングに必要なレベ
ルより高くなければならない。このイオンエネルギを高
くするためにはガス圧力を低くするか、高周波電力を大
きくしなければならない。 【００２９】しかしガス圧力の低い条件ではイオンエネ
ルギは高くなるがイオン化率が低下し、エッチング速度
が低くなる。また高周波電力を大きくする条件ではイオ
ンエネルギの増加に伴い、発生する熱量も増加し、ウェ
ハの温度も高くなる。 【００３０】半導体製品を作るウェハはウェハ面上にパ
ターンを形成するため、エッチング前にレジストのパタ
ーンが形成されている。このレジストはウェハ温度が約
120°Ｃを越えると軟化し、パターン形状がくずれ、高
精度なエッチングできなくなり、場合によってはレジス
トが変質し、エッチング後完全に除去することができな
い、などの問題を生じる。 【００３１】本発明の原理においては、図７に示すよう
に従来より高い高周波電圧Ｖ4をｔ5秒間印加した後、ｔ
6秒間は印加電圧を小さくするというように周期的に変
調した高周波電圧を印加する。この印加された高周波電
力はｔ5、ｔ6の部分を平均化すると従来の高周波電力と
同じにしている。 【００３２】さきほど述べたようにＳｉＯ2のエッチン
グではＳｉなどに比べ高いエネルギのイオンが必要であ
り、エッチング速度、選択比を大きくするためには、イ
オンエネルギがＳｉＯ2エッチングに必要なレベルより
高い方に分布していなければならない。 【００３３】しかるに本発明の原理による放電ではｔ5
の部分ではＶ4を大きくし、ウェハに高いエネルギのイ
オンが入射し、ｔ6の部分ではＳｉをエッチングするエ
ネルギもない低い電力で放電する。 【００３４】以上より供給される高周波電力は従来と同
等であるため、ウェハの表面に形成されたレジストが軟
化することもなく、イオンエネルギの分布だけを高く
し、エッチングレートを２.５倍に選択比を１.８倍にす
ることができた。 【００３５】以上本発明によるエッチング方法の原理に
ついて述べたが、プラズマ重合やプラズマＣＶＤでも同
様の効果を得ることができる。生成した膜の特性はプラ
ズマ内の電子温度や、入射イオンエネルギ、シース付近
に生成されるイオンやラジカルに関係する。 【００３６】また電子温度をはじめこれらイオンやラジ
カルはさきにエッチングで説明した変調を行うことによ
り、分布、イオンやラジカルの種類、比率をコントロー
ルできる。したがってよりよい膜特性を得る条件が明ら
かになれば、それに合せて本発明による方法で放電プラ
ズマをコントロールし、処理特性を向上させることがで
きることは明らかである。 【００３７】なお以上に述べた本発明の原理では、高周
波印加電圧の周波数として13.56ＭＨｚを使用している
が、基本的には放電を発生させ、維持させる周波数であ
ればよい。 【００３８】また、変調周波数は現在のプラズマ処理時
間１分〜数十分に対し十分小さな値、すなわち任意の時
間でプラズマ処理を停止しても処理条件に差が生じない
程度であればよい。以上より高周波印加電圧の周波数は
１０2ＨＺ以上、変調周波数はそれより一桁小さい１０
ＨＺ以上の周波数であればよい。 【００３９】また本発明の原理の説明においては、平行
平板電極によるエッチングやＣＶＤ、プラズマ重合につ
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものでな
く、外部容量形およびインダクタンス形電極によるプラ
ズマ処理、マイクロ波や電子サイクロトロン共鳴による
プラズマ発生を用いたプラズマ処理にも応用できること
は明らかである。これらの放電は処理室内に電極はない
が印加する高周波やマイクロ波に変調をかけることによ
りプラズマ内の電子温度分布や発生するイオン、ラジカ
ルの種類や量をコントロールでき、プラズマ処理特性を
コントロールできる。 【００４０】さらに、本発明の原理の説明においては、
矩形波による変調を行っているが、変調波形はこれに限
定されるものでないことは明らかである。つまりイオン
エネルギ分布電子温度分布、イオン、ラジカルの量、種
類の最適分布や比率が明らかな場合、変調波はそれに対
応する形で決るものである。 【００４１】次に、今まで述べた本発明によるプラズマ
処理方法を実現するプラズマ処理装置について説明す
る。 【００４２】図８は、先に述べたアルミ膜やシリコン酸
化膜をＡＭ変調放電でエッチングするのに用いるカソー
ドカップリング形のプラズマ処理装置である。 【００４３】処理室１０には処理用ガス供給口１１、排
気口１２が設けてある。また処理室内には接地されたア
ース電極１３と高周波電極１４があり、高周波電極は絶
縁プッシュ１５を介して処理室に固定し、周囲には処理
室内壁との放電を防止するシールドケース１６が設けて
ある。また高周波電極１４にはマッチングボックス１８
を介して高周波パワーアンプ１９が接続してある。13.5
6ＭＨｚの標準信号発生器２１の信号は、変調信号発生
器２２からの信号に従い、ＡＭ変調器２０でＡＭ変調さ
れ、高周波パワーアンプ１９に供給される。 【００４４】変調信号発生器２２は周期、振幅を変えた
矩形波や正弦波など任意の波形を発生することができ
る。 【００４５】変調信号発生器２２でプラズマ処理対象に
合せた図３や図７に示す波形に変調する変調信号を発生
し、13.56ＭＨｚの標準信号発生器２１の信号を変調し
て高周波パワーアンプ１９に入力する。 【００４６】高周波パワーアンプ１９からは図３や図７
に示すような波形が出力され、マッチングボックス１８
を通って高周波電極１４に印加される。ＡＭ変調の場
合、周波数は同じであるため、13.56ＭＨｚ用のマッチ
ングボックスでマッチングを取ることができる。 【００４７】以上によりプラズマ処理方法で述べた放電
プラズマを発生し、プラズマ処理を行うことができる。 【００４８】プラズマエッチングやプラズマＣＶＤなど
に用いるアノードカップリング形のプラズマ処理装置は
本実施例のアース電極１３と高周波電極１４の位置を交
換することで実現できる。 【００４９】図９に、本発明の原理を用いたＦＭ変調方
式によるアノードカップリング電極のプラズマ処理装置
に原理を示す。 【００５０】処理室２５には処理用ガス供給口２６、排
気口２７があり、上部には絶縁プッシュ３０、シールド
ケース３１を設けた高周波電極２８があり、下部にはア
ース電極２９がある。 【００５１】ウェハ３２はアース電極２９に載せ、高周
波電極２８には並列に設けられた13.56ＭＨｚ用マッチ
ングボックス３３と１ＭＨｚ用マッチングボックスを介
して高周波パワーアンプ３５に接続してある。 【００５２】13.56ＭＨｚの標準信号発生器３７の信号
は変調信号発生器３８からの信号に従い、ＦＭ変調器３
６で13.56ＭＨｚの部分と、１ＭＨｚの部分に変調され
る。 【００５３】13.56ＭＨｚと１ＭＨｚの比率は変調信号
により任意に設定できる。変調された信号は、高周波パ
ワーアンプ３５により増幅され、13.56ＭＨｚの周波数
部分は13.56ＭＨｚ用マッチングボックス３４を通り、
１ＭＨｚの部分は１ＭＨｚ用マッチングボックスを通っ
て高周波電極２８に伝達される。これにより電極間に変
調された高周波の放電が発生し、プラズマ処理を行うこ
とができる。 【００５４】上記した本発明の原理の説明においては、
変調信号の発生を変調器で行っているがこれに限定され
るものではなく図１０に示すような原理によってでも行
うことができる。 【００５５】標準信号発生器４０の信号をそれぞれ異な
る分周器４１に入れ、各分周器からの出力はアッテネー
タ４２により個別に変えられるようになっている。 【００５６】各アッテネータからの出力は加算器４３で
加算される。この装置では分周器き４１の数にもよるが
アッテネータ４２をそれぞれ設定することにより変調波
形と同等の信号を得ることができる。 【００５７】図１１に、本発明の原理を用いた電子サイ
クロトロン共鳴方式のプラズマ処理装置の実施例を示
す。 【００５８】2.45ＣＨｚの標準信号発生器４４の信号は
変調信号発生器４６の信号に従いＡＭ変調器４５で変調
されパワーアンプ４７で増幅されて導波管４８に入る。 【００５９】変調されたマイクロ波は導波管４８に導び
かれ、石英製の処理室５０に入る。この処理室５０の周
囲には磁場を発生させるコイル４９と５１が設けられて
おり、磁場とマイクロ波による電子の共鳴でプラズマが
発生する。この時の電子のエネルギは入力マイクロ波の
強度に関係するため、変調により電子温度分布が制御で
き、それに伴い発生するイオンラジカルの種類、量をコ
ントロールできる。 【００６０】したがって電子サイクロトロン共鳴方式の
エッチング装置やＣＶＤ装置のエッチング特性や膜質を
コントロールすることができる。 【００６１】なお５４は処理用ガス導入管、５５は排気
管、５２はステージ、５３は基板である。 【００６２】以上プラズマ処理方法、およびプラズマ処
理装置の原理の説明及び実施例について述べたが、これ
からも明らかなように本発明はプラズマを応用するすべ
ての処理方法、処理装置に適用できることは本実施例の
説明から容易に維持できるものである。 【００６３】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
ラズマ中の電子温度分布、イオン、ラジカルの種類と
量、イオンエネルギ分布をコントロールすることがで
き、プラズマ処理の性能、すなわち、エッチング処理に
おけるエッチングレート、選択比、エッチング精度、成
膜における成膜速度、膜質を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の平行平板プラズマ処理におけるイオンエ
ネルギ分布を示す図。 【図２】従来のプラズマ処理における印加電圧を示す
図。 【図３】本発明によるＡＭ変調による印加電圧の原理を
説明する図。 【図４】図３に示す印加電圧の場合のイオンエネルギ分
布を示す図。 【図５】本発明によるＦＭ変調による印加電圧の原理を
説明する図。 【図６】本発明の原理によるエッチング特性と従来のエ
ッチング特性の比較図。 【図７】本発明によるシリコン酸化膜エッチング時の原
理を説明する図。 【図８】本発明によるプラズマ処理装置の略断面図。 【図９】本発明によるＦＭ変調装置の原理を説明する略
断面図。 【図１０】本発明による変調波発生の原理を説明するブ
ロック図。 【図１１】本発明による電子サイクロトロン共鳴式プラ
ズマ処理装置の原理を説明する略断面図。 【符号の説明】 １０…処理室 １４…高周波電極 １９…高周波パワーアンプ ２０…ＡＭ変調器 ３６…ＦＭ変調器 ４４…標準信号発生器 ４５…ＡＭ変調器 ４６…変調信号発生器 ４７…パワーアンプ ４９…コイル
ネルギ分布を示す図。 【図２】従来のプラズマ処理における印加電圧を示す
図。 【図３】本発明によるＡＭ変調による印加電圧の原理を
説明する図。 【図４】図３に示す印加電圧の場合のイオンエネルギ分
布を示す図。 【図５】本発明によるＦＭ変調による印加電圧の原理を
説明する図。 【図６】本発明の原理によるエッチング特性と従来のエ
ッチング特性の比較図。 【図７】本発明によるシリコン酸化膜エッチング時の原
理を説明する図。 【図８】本発明によるプラズマ処理装置の略断面図。 【図９】本発明によるＦＭ変調装置の原理を説明する略
断面図。 【図１０】本発明による変調波発生の原理を説明するブ
ロック図。 【図１１】本発明による電子サイクロトロン共鳴式プラ
ズマ処理装置の原理を説明する略断面図。 【符号の説明】 １０…処理室 １４…高周波電極 １９…高周波パワーアンプ ２０…ＡＭ変調器 ３６…ＦＭ変調器 ４４…標準信号発生器 ４５…ＡＭ変調器 ４６…変調信号発生器 ４７…パワーアンプ ４９…コイル
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｂ
(72)発明者 野口 稔
神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株
式会社日立製作所生産技術研究所内
(72)発明者 藤井 輝
神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株
式会社日立製作所生産技術研究所内
(56)参考文献 特開 昭58−125830（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−33839（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−131374（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01C 21/3065
C23C 16/50
H01J 37/305
H01L 21/205
H05H 1/46
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．被処理基板を載置する載置部と真空に排気する排気
部とガスを導入するガス導入部とを備えた処理室と、前
記排気部により前記処理室の内部が真空に排気されて前
記ガス導入部からガスが導入された状態で前記処理室の
内部に高周波電力によりプラズマを発生させるプラズマ
発生手段と、該プラズマ発生手段で高周波電力によりプ
ラズマを発生させた状態で前記高周波電力を１０Ｈｚ以
上の周波数で周期的に変調させることにより前記載置部
に載置した被処理基板に入射するイオンのエネルギの分
布を制御するをイオンエネルギ分布制御手段とを備えた
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 ２．前記イオンエネルギ制御手段が、前記載置部に接続
する高周波電源と該高周波電源から前記載置部に印加す
る高周波電力の振幅または周波数を変調する変調部とを
備えたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装
置。 ３．前記プラズマ発生手段は、前記載置部に接続する高
周波電源部を備え、該高周波電源部から前記載置部に高
周波電力を印加して前記処理室の内部にプラズマを発生
させることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装
置。 ４．高周波電源に接続して被処理基板を載置する載置部
と真空に排気する排気部とガスを導入するガス導入部と
を備えた処理室と、前記排気部により前記処理室の内部
が真空に排気されて前記ガス導入部からガスが導入され
た状態で前記処理室の内部に前記高周波電源より供給さ
れた高周波電力によりプラズマを発生させるプラズマ発
生手段と、該プラズマ発生手段でプラズマを発生させた
状態で前記高周波電源から前記載置部に印加する高周波
電力の振幅を１０Ｈｚ以上の周波数で周期的に変調する
ことによりイオンエネルギの分布を制御する変調手段と
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。 ５．前記プラズマ発生手段は、前記載置部に接続する高
周波電源により前記処理室の内部にプラズマを発生さる
ことを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。 ６．前記変調手段は、１０Ｈｚ以上の周波数で前記高周
波電力の振幅を切換ることを特徴とする請求項４記載の
プラズマ処理装置。 ７．真空に排気された処理室の内部にガスを導入して所
望の圧力に設定し、該所望の圧力に設定した状態で前記
処理室の内部に高周波電力によりプラズマを発生させ、
該プラズマを発生させた状態で前記高周波電力を１０Ｈ
ｚ以上の周波数で周期的に変調させることにより前記処
理室の内部の載置台に載置した被処理基板に入射するイ
オンのエネルギの分布を制御しながら前記被処理基板を
処理することを特徴とするプラズマ処理方法。 ８．前記プラズマを、前記載置台に高周波電力を印加し
て発生させることを特徴とする請求項７記載のプラズマ
処理方法。 ９．真空に排気された処理室の内部にガスを導入し、該
ガスを導入した状態で前記処理室の内部にプラズマを発
生させ、該プラズマを発生させた状態で前記処理室の内
部の被処理基板を載置する載置台に１０Ｈｚ以上の周波
数で振幅を周期的に変調させた高周波電力を印加するこ
とによりイオンエネルギの分布を制御しながら前記被処
理基板を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。 １０．前記プラズマを、前記載置台に印加した高周波電
力により発生させることを特徴とする請求項９記載のプ
ラズマ処理方法。 １１．前記載置台に印加する高周波電力を１０Ｈｚ以上
の周波数で切換えることを特徴とする請求項９記載のプ
ラズマ処理方法。
Priority Applications (1)
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| JP3377773B2 (ja) * | 2000-03-24 | 2003-02-17 | 三菱重工業株式会社 | 放電電極への給電方法、高周波プラズマ発生方法および半導体製造方法 |
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-
1998
- 1998-03-27 JP JP08172098A patent/JP3186689B2/ja not_active Expired - Lifetime
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