JP3199306B2 - Plasma processing apparatus and method - Google Patents

Plasma processing apparatus and method

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JP3199306B2
JP3199306B2 JP8761596A JP8761596A JP3199306B2 JP 3199306 B2 JP3199306 B2 JP 3199306B2 JP 8761596 A JP8761596 A JP 8761596A JP 8761596 A JP8761596 A JP 8761596A JP 3199306 B2 JP3199306 B2 JP 3199306B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理装置
および方法に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a plasma processing apparatus and method.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体製造工程においては、マイクロ波
などを印加して得られる高周波電界により励起される反
応性プラズマを用いて、半導体ウェハやLCD用ガラス
基板など被処理体に対して、薄膜形成やエッチング加工
が行われている。これらのプラズマ処理工程では、反応
性プラズマ中のラジカルが重要な役割を果たしている。
そして、近年、要求される加工精度が高度に微細化する
につれ、反応性プラズマ中のラジカルをより高精度にか
つ高速に制御する技術が要求されている。
2. Description of the Related Art In a semiconductor manufacturing process, a thin film is formed on an object to be processed such as a semiconductor wafer or a glass substrate for an LCD using a reactive plasma excited by a high-frequency electric field obtained by applying a microwave or the like. And the etching process is performed. In these plasma processing steps, radicals in the reactive plasma play an important role.
In recent years, as the required processing precision has become extremely fine, a technique for controlling radicals in reactive plasma with higher precision and higher speed has been required.

【0003】この点、従来は、プラズマ源に印加される
電力、処理室内の圧力などの各種パラメータを制御する
ことにより、反応性プラズマ中のラジカルを間接的に制
御するように試みていた。しかし、これらのパラメータ
は相互に相対的に変化するため、ラジカルのみを高精度
に制御することは困難であった。また、間接的な制御方
法であるため、ラジカルの状態を高速に最適化すること
も困難であった。さらに、同一の処理条件であっても、
反応容器壁の汚れなどの原因によりプロセスの再現性は
難しく、かかる点からも、ラジカルの高精度な制御が困
難であった。
[0003] In this regard, conventionally, it has been attempted to indirectly control radicals in reactive plasma by controlling various parameters such as power applied to a plasma source and pressure in a processing chamber. However, since these parameters change relative to each other, it has been difficult to control only radicals with high accuracy. In addition, because of the indirect control method, it has been difficult to quickly optimize the state of radicals. Furthermore, even under the same processing conditions,
Reproducibility of the process is difficult due to factors such as contamination of the reaction vessel wall, and from this point, it is difficult to control radicals with high accuracy.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のプラ
ズマ処理装置および方法が有する上記のような問題点に
鑑みて成されたものであり、処理室内の反応性プラズマ
中、若しくはリモートプラズマ中の粒子を、高い再現性
をもって高速にかつ高精度に制御することが可能な新規
かつ改良されたプラズマ処理装置および方法を提供する
ことを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the conventional plasma processing apparatus and method, and has been developed in a reactive plasma or a remote plasma in a processing chamber. It is an object of the present invention to provide a new and improved plasma processing apparatus and method capable of controlling particles at a high speed with high reproducibility and high accuracy.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に,本発明の第1の観点によれば,プラズマ生成室にお
いてパルス変調可能な高周波電界により励起された反応
性プラズマをプラズマ処理室に導入して,プラズマ処理
室内に載置された被処理体をエッチング処理するプラズ
マ処理方法であって,プラズマ生成室及び/又はプラズ
マ処理室内に存在するプラズマ中の粒子密度及び/又は
組成を赤外吸収分光法により計測する工程と,計測され
た粒子密度及び/又は組成に応じて,高周波電界をパル
ス変調して,粒子密度及び/又は組成を所定値に制御す
る工程とを有し,パルス変調は,パルスの周期及び/又
は出力を変化させるものであると共に,前記プラズマ中
の粒子密度及び/又は組成の測定は,前記被処理体の直
上略5mmから略10mmの位置で行われる,ことを特
徴とするものである。
According to a first aspect of the present invention, a reactive plasma excited by a pulse-modulatable high-frequency electric field in a plasma generation chamber is supplied to a plasma processing chamber. A plasma processing method for introducing and etching an object placed in a plasma processing chamber, wherein a particle density and / or a composition in plasma existing in a plasma generation chamber and / or a plasma processing chamber are measured by infrared light. A step of measuring the particle density and / or composition by absorption spectroscopy; and a step of pulse-modulating a high-frequency electric field in accordance with the measured particle density and / or composition to control the particle density and / or composition to a predetermined value. Is to change the period and / or output of the pulse ,
The measurement of the particle density and / or the composition of
The operation is performed at a position approximately 5 mm to approximately 10 mm above .

【0006】上記プラズマ処理方法において,パルス変
調の制御をする際には,請求項2に記載のように,前記
パルス変調の制御は,プラズマ処理室及び/又はプラズ
マ生成室のプラズマ中のラジカルの組成が一定となるよ
うに,パルスの周期及び/又はデューティ比及び/又は
パワーを変化させることが好ましい。また,反応性プラ
ズマは,請求項3に記載のように,少なくともフルオロ
カーボンを含む反応性ガスをプラズマ化して得られるも
のであることが好ましく,さらに,特定すれば,請求項
4に記載のように,反応性プラズマは,少なくともC
F,CF2,CF3,FのラジカルとCF+イオンを含
み,CF/FとCF+及び/又はCF2/FとCF+の
ラジカル及びイオンの組成が一定になるように前記パル
ス変調の制御を行うことが好ましい
In the above-described plasma processing method, when controlling the pulse modulation, the control of the pulse modulation may be performed by controlling radicals in plasma in the plasma processing chamber and / or the plasma generation chamber. It is preferable to change the pulse period and / or duty ratio and / or power so that the composition is constant. Preferably, the reactive plasma is obtained by converting a reactive gas containing at least a fluorocarbon into a plasma as described in claim 3, and more specifically, as described in claim 4. , The reactive plasma is at least C
It is preferable to control the pulse modulation so that the radicals of F, CF2, CF3, F and CF + ions are included, and the composition of the radicals and ions of CF / F and CF + and / or CF2 / F and CF + is constant. .

【0007】本発明の第2の観点によれば,パルス変調
可能な高周波電界により反応性プラズマを励起するプラ
ズマ生成室と,そのプラズマ生成室と連通した載置台に
パルス変調可能な高周波電界を印加する機構と,該載置
台に載置された被処理体を処理するプラズマ処理室とを
備えたプラズマ処理装置が提供される。そして,このプ
ラズマ処理装置は,請求項に記載のように,プラズマ
生成室内の反応性プラズマ中及び/又はプラズマ処理室
の載置台の上部空間に存在するプラズマに所定波長の赤
外光を照射して,プラズマの粒子密度及び/又は組成を
測定する赤外吸収分光手段と,その赤外吸収分光手段に
より測定された粒子密度及び/又は組成に応じて,反応
性プラズマを励起する高周波電界及び載置台に印加する
高周波電界をパルス変調する制御器と,を有し,パルス
変調は,パルスの周期及び/又は出力を変化させるもの
であると共に,前記赤外吸収分光手段は,前記被処理体
の直上略5mmから略10mmの位置にある前記プラズ
マ中の粒子密度及び/又は組成の測定を行うように設置
される,ことを特徴としている。
According to a second aspect of the present invention, a high-frequency electric field capable of pulse modulation is applied to a plasma generation chamber for exciting a reactive plasma by a high-frequency electric field capable of pulse modulation and a mounting table communicating with the plasma generation chamber. A plasma processing apparatus is provided which includes a mechanism for performing a process and a plasma processing chamber for processing an object mounted on the mounting table. Then, the plasma processing apparatus, as claimed in claim 5, irradiating the plasma present in the upper space of the mounting table in the reactive plasma in the plasma generating chamber and / or plasma treatment chamber infrared light of a predetermined wavelength And an infrared absorption spectroscopy means for measuring the particle density and / or composition of the plasma, and a high frequency electric field and / or a radio frequency electric field for exciting the reactive plasma in accordance with the particle density and / or composition measured by the infrared absorption spectroscopy means. A controller for pulse-modulating a high-frequency electric field applied to the mounting table, wherein the pulse modulation changes a period and / or an output of a pulse, and the infrared absorption spectroscopy means comprises:
The plasm at a position of about 5 mm to about 10 mm immediately above
Installed to measure particle density and / or composition
It is characterized by that.

【0008】かかるプラズマ処理装置の制御器は,請求
に記載のように,プラズマ処理室及び/又はプラズ
マ生成室のプラズマ中のラジカルの組成が一定となるよ
うに,パルスの周期及び/又はデューティ比及び/又は
パワーを変化させるものであることが好ましい。また,
反応性プラズマは,請求項に記載のように,少なくと
もSiH3ラジカル及び/又はCH3ラジカル及び/又
はClラジカルを含み,SiH3ラジカル及び/又はC
H3ラジカル及び/又はClラジカルの密度が一定にな
るよう前記パルス変調の制御が行われることが好まし
い。あるいは請求項に記載のように,反応性プラズマ
は,少なくともCF,CF2,CF3,Fのラジカルと
CF+イオンを含み,CF/FとCF+及び/又はCF
2/FとCF+のラジカル及びイオンの組成が一定にな
るように前記パルス変調の制御を行うことが好ましい
[0008] Such a control unit of the plasma processing apparatus, as claimed in claim 6, as in the composition of the radicals in the plasma in the plasma processing chamber and / or plasma generation chamber is constant, the period of the pulse and / or It is preferable to change the duty ratio and / or the power. Also,
Reactive plasma, as described in claim 7, comprising at least SiH3 radicals and / or CH3 radicals and / or Cl radical, SiH3 radicals and / or C
It is preferable to control the pulse modulation so that the density of H3 radicals and / or Cl radicals becomes constant. Alternatively, as described in claim 8 , the reactive plasma contains at least CF, CF2, CF3, F radicals and CF + ions, and CF / F and CF + and / or CF + ions.
It is preferable to control the pulse modulation so that the composition of radicals and ions of 2 / F and CF + becomes constant .

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照しながら、
本発明にかかるプラズマ処理装置および方法をマイクロ
波を利用したECRプラズマ処理装置に適用した実施の
一形態について詳細に説明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
An embodiment in which the plasma processing apparatus and method according to the present invention are applied to an ECR plasma processing apparatus using microwaves will be described in detail.

【0010】図1に本発明を適用したECRプラズマ処
理装置の構成の一例を示す。同図中、1は、処理室を形
成する真空容器であり、この真空容器1の上部には、E
CR放電を発生する放電室2が連結されている。放電室
2には、例えば2.45GHzのマイクロ波を導入する
ための導波管3が石英などの誘電体から成る窓3aを介
して接続されている。さらに、導波管3はマイクロ波電
源4に接続されている。マイクロ波電源4は、パルス発
生装置5に接続され、これによりその出力はパルス状波
形から連続波形まで任意に制御可能である。また、例え
ばHe等の不活性ガスおよび三フッ化メタン(CHF
3)等の反応性ガス(A)を導入するための第1の導入
口6が放電室2に取り付けられている。7は放電室2の
外壁を水冷するために設けられた冷却機構であり、冷却
機構7の外側には、磁気コイル8が放電室2を取囲んで
取り付けられている。放電室2においてマイクロ波で放
電が生起し、その放電中で電子がサイクロトロン運動す
るように磁気コイル8により、例えば875ガウス程度
の磁界が与えられて高密度のプラズマが生成される。
FIG. 1 shows an example of the configuration of an ECR plasma processing apparatus to which the present invention is applied. In the figure, reference numeral 1 denotes a vacuum container forming a processing chamber, and an upper part of the vacuum container
A discharge chamber 2 for generating a CR discharge is connected. A waveguide 3 for introducing microwaves of, for example, 2.45 GHz is connected to the discharge chamber 2 through a window 3a made of a dielectric material such as quartz. Further, the waveguide 3 is connected to a microwave power supply 4. The microwave power supply 4 is connected to a pulse generator 5, whereby its output can be controlled arbitrarily from a pulse-like waveform to a continuous waveform. Further, for example, an inert gas such as He and methane trifluoride (CHF
A first inlet 6 for introducing a reactive gas (A) such as 3) is attached to the discharge chamber 2. Reference numeral 7 denotes a cooling mechanism provided for water-cooling the outer wall of the discharge chamber 2, and a magnetic coil 8 is attached to the outside of the cooling mechanism 7 so as to surround the discharge chamber 2. A discharge is generated by microwaves in the discharge chamber 2, and a magnetic field of, for example, about 875 gauss is applied by the magnetic coil 8 so that electrons move in a cyclotron during the discharge, thereby generating high-density plasma.

【0011】一方、真空容器1の内部には、電極として
の載置台9が設置され、この載置台9上に静電チャック
10などの吸着手段を介して被処理体Wとしてのウェハ
等が載置されている。静電チャック10はポリイミド樹
脂などの絶縁材料製の薄膜間に板状電極10aを介装し
たもので、この電極10aに電源10bより直流の高圧
電流を印加することにより、被処理体Wをクーロン力に
より吸着できるものである。また、載置台9には、液体
窒素を循環させることが可能な冷却ジャケットなどの冷
却装置11やヒータ12などから成る温調手段が設けら
れており、被処理体Wを所望の温度に温調することがで
きる。13は、伝熱ガス供給機構であり、静電チャック
10に穿設された複数の孔からヘリウムなどのバックク
ーリングガスを被処理体Wの裏面に供給することによ
り、載置台9から被処理体Wに至る伝熱の効率を高める
ための機構である。
On the other hand, a mounting table 9 as an electrode is provided inside the vacuum vessel 1, and a wafer or the like as a workpiece W is mounted on the mounting table 9 via an adsorption means such as an electrostatic chuck 10. Is placed. The electrostatic chuck 10 has a plate-shaped electrode 10a interposed between thin films made of an insulating material such as a polyimide resin, and applies a DC high-voltage current from a power supply 10b to the electrode 10a to coulomb the workpiece W. It can be adsorbed by force. Further, the mounting table 9 is provided with a temperature control means including a cooling device 11 such as a cooling jacket and a heater 12 capable of circulating liquid nitrogen, and a temperature control means for controlling the temperature of the workpiece W to a desired temperature. can do. Reference numeral 13 denotes a heat transfer gas supply mechanism, which supplies a back cooling gas such as helium to the back surface of the workpiece W from a plurality of holes formed in the electrostatic chuck 10 so that the workpiece W This is a mechanism for increasing the efficiency of heat transfer to W.

【0012】載置台9には、マッチング回路14を介し
てバイアス用高周波電力印加用の高周波電源15が接続
されている。高周波電源15には、パルス発生装置16
が接続され、これにより高周波電源15の高周波出力は
パルス状波形から連続波形まで任意に制御可能である。
従って、この電極9には、上記高周波の印加によりマイ
ナス数10〜マイナス300V程度のバイアスが生じ
る。また、真空容器1には、例えばHe等の不活性ガス
および三フッ化メタン(CHF3)等の反応性ガス
(B)を導入するための第2の導入口17が取り付けら
れるとともに、不図示の真空ポンプなどの真空排気装置
に通じる排気管18が接続されている。各ガス導入口
6、17から原料ガス、例えばフルオロカーボンを含む
反応ガスが一定量導入されるとともに、排気管18を介
して排気を行うことにより、装置真空容器1および放電
室2内は、所定のガス圧力に保たれる。
A high frequency power supply 15 for applying a high frequency power for bias is connected to the mounting table 9 via a matching circuit 14. The high frequency power supply 15 includes a pulse generator 16
Is connected, whereby the high-frequency output of the high-frequency power supply 15 can be arbitrarily controlled from a pulse-like waveform to a continuous waveform.
Therefore, a bias of about minus several tens to about minus 300 V is generated in the electrode 9 by the application of the high frequency. In addition, a second inlet 17 for introducing an inert gas such as He and a reactive gas (B) such as methane trifluoride (CHF 3) is attached to the vacuum vessel 1. An exhaust pipe 18 connected to a vacuum exhaust device such as a vacuum pump is connected. A predetermined amount of a raw material gas, for example, a reaction gas containing fluorocarbon is introduced from each of the gas inlets 6 and 17, and exhausted through an exhaust pipe 18. Maintained at gas pressure.

【0013】さらに、処理容器1の側壁には、石英など
の光透過性材料から成る少なくとも2つの窓19が相対
向する位置に設けられている。これらの窓を介して、所
定波長の赤外半導体レーザを出射するレーザ光源20a
と、このレーザ光源20aから出射され真空処理容器1
内を(従って、反応性プラズマ中を)通過した赤外半導
体レーザを検出する検出装置20bが設置されている。
このレーザ光源20aと検出装置20bは、赤外半導体
レーザ吸収分光装置20を成すもので、検出装置20b
により検出される赤外半導体レーザのスペクトルの変化
により、真空処理容器1内のプラズマ粒子、例えばラジ
カル、イオン、原子および分子などの密度や組成を計測
することが可能なものである。そして、検出装置20b
により計測された粒子の密度や組成に関する計測データ
は主制御器21に送られ、後述するように、パルス発生
装置5またはパルス発生装置16により、マイクロ波出
力またはバイアス用高周波出力をパルス変調するために
使用することができる。
Further, at least two windows 19 made of a light transmissive material such as quartz are provided on the side wall of the processing vessel 1 at positions facing each other. A laser light source 20a that emits an infrared semiconductor laser of a predetermined wavelength through these windows
And the vacuum processing vessel 1 emitted from the laser light source 20a.
A detection device 20b for detecting the infrared semiconductor laser that has passed through the inside (accordingly, in the reactive plasma) is provided.
The laser light source 20a and the detection device 20b constitute an infrared semiconductor laser absorption spectrometer 20, and the detection device 20b
It is possible to measure the density and composition of plasma particles, for example, radicals, ions, atoms, molecules, etc., in the vacuum processing container 1 by a change in the spectrum of the infrared semiconductor laser detected by the method. Then, the detection device 20b
The measurement data relating to the density and composition of the particles measured by the above is sent to the main controller 21 for pulse modulation of the microwave output or the high frequency output for bias by the pulse generator 5 or 16 as described later. Can be used for

【0014】さて、ガス導入口6を介して放電室2に導
入された三フッ化メタン(CHF3)は、マイクロ波に
よる高周波電界により反応性プラズマPになり、F、C
F、CF2、CF3等のラジカルおよびCF+等のイオ
ンが発生する。図示の例では、反応性プラズマPは、放
電室2から真空容器1内に向けて展開している。反応性
プラズマPに含まれるラジカルは、被処理体W上で重合
し、ポリマー薄膜が成長する。あるいは、被処理体Wに
高周波電源15より高周波出力を印加すれば、この高周
波により被処理体W表面にセルフバイアス電圧が誘起さ
れ、このバイアス電圧によりプラズマからイオンが引き
出されて被処理基板Wが衝撃される。従って、このイオ
ン衝撃により被処理体Wのエッチングが生じる。また、
高周波電源15の出力を適宜調整することにより、被処
理体W表面に高周波印加によるプラズマを発生させるこ
とも可能である。
The methane trifluoride (CHF 3) introduced into the discharge chamber 2 through the gas inlet 6 becomes a reactive plasma P due to a high frequency electric field generated by microwaves.
Radicals such as F, CF2 and CF3 and ions such as CF + are generated. In the illustrated example, the reactive plasma P is developed from the discharge chamber 2 into the vacuum vessel 1. Radicals contained in the reactive plasma P are polymerized on the target object W, and a polymer thin film grows. Alternatively, if a high-frequency output is applied to the object W from the high-frequency power supply 15, a self-bias voltage is induced on the surface of the object W by the high frequency, and ions are extracted from the plasma by the bias voltage, and the substrate W is processed. Shocked. Therefore, the workpiece W is etched by the ion bombardment. Also,
By appropriately adjusting the output of the high-frequency power supply 15, it is possible to generate plasma by applying a high frequency to the surface of the workpiece W.

【0015】さて、かかる構成によるプラズマ処理装置
によれば、マイクロ波電源4から発生するマイクロ波出
力をパルス発生装置5にて変調し、あるいは、高周波電
源15から発生する高周波出力をパルス発生装置16に
より変調し、あるいはマイクロ波出力および高周波出力
の印加を時分割し、適宜組み合わせることにより、真空
容器1内におけるラジカルの密度および組成を制御する
ことが可能である。その際に、本発明によれば、赤外半
導体レーザ吸収分光装置20により、反応性プラズマ中
の粒子、例えばラジカル、イオン、原子および分子の密
度や組成を計測し、その計測値を制御器21を介して、
マイクロ波電源4用のパルス発生装置5や高周波電源1
5用のパルス発生装置13にフィードバックしながら、
反応性プラズマ中の粒子、例えばラジカル、イオン、原
子および分子の密度や組成が所望の値になるように、マ
イクロ波出力あるいは高周波出力をパルス変調すること
ができる。すなわち、本実施の形態によれば、エッチン
グや薄膜形成に重要な影響を与えるラジカル組成をリア
ルタイムで計測し、計測値をパルス変調にフィードバッ
クしながらラジカルのみを高精度で制御できるため、再
現性に優れた高精度エッチングおよび薄膜形成が可能と
なる。
According to the plasma processing apparatus having the above configuration, the microwave output generated from the microwave power supply 4 is modulated by the pulse generator 5 or the high frequency output generated from the high frequency power supply 15 is modulated by the pulse generator 16. The density and composition of the radicals in the vacuum vessel 1 can be controlled by modulating the temperature, or by time-sharing the application of the microwave output and the high-frequency output and appropriately combining them. At this time, according to the present invention, the infrared semiconductor laser absorption spectrometer 20 measures the density and composition of particles, for example, radicals, ions, atoms and molecules in the reactive plasma, and compares the measured values with the controller 21. Through
Pulse generator 5 for microwave power supply 4 and high frequency power supply 1
While feeding back to the pulse generator 13 for 5
The microwave output or the high-frequency output can be pulse-modulated so that the density or composition of particles, for example, radicals, ions, atoms, and molecules in the reactive plasma have desired values. That is, according to this embodiment, the radical composition that has an important effect on etching and thin film formation can be measured in real time, and only radicals can be controlled with high accuracy while feeding back the measured value to pulse modulation. Excellent high-precision etching and thin film formation are possible.

【0016】なお、本発明にかかるフィードバック制御
の目標値である反応性プラズマ粒子の密度や組成は、被
処理体の種類、プロセスの種類、プロセス条件などによ
って大きく異なるため、プロセスに応じてその都度実験
等により設定することが好ましい。また、パルス変調の
方法としては、マイクロ波電源4のマイクロ波出力、あ
るいは高周波電源15の高周波出力の周期やデューティ
比、さらにON/OFFのみではなく、パワーのHi/
Loなどを変化させることが可能であり、プロセスに応
じて最適なパルス変調方式を採用することができる。ま
た、パルス波形は方形波に限らず三角波あるいはノコギ
リ波であってもよい。
The density and composition of the reactive plasma particles, which are the target values of the feedback control according to the present invention, vary greatly depending on the type of the object to be processed, the type of the process, the process conditions, and the like. It is preferable to set by experiment or the like. The method of pulse modulation includes not only the cycle and duty ratio of the microwave output of the microwave power supply 4 or the high-frequency output of the high-frequency power supply 15 and ON / OFF, but also the power Hi /
Lo and the like can be changed, and an optimal pulse modulation method can be adopted according to the process. The pulse waveform is not limited to a square wave, but may be a triangular wave or a sawtooth wave.

【0017】また、赤外半導体レーザ吸収分光装置20
により、反応性プラズマ中の粒子、例えばラジカル、イ
オン、原子および分子の密度や組成を計測する位置とし
ては、被処理体Wの反応面の直上が好ましく、例えば、
被処理体Wの5mm〜10mm上部の反応性プラズマ中
の粒子の密度および組成を計測することにより、プロセ
スに強い影響を与えるラジカルのより真値に近い値を計
測することが可能となり、より高精度のプロセス制御が
可能となる。
The infrared semiconductor laser absorption spectrometer 20
Thereby, the position in which the density or composition of particles in the reactive plasma, for example, radicals, ions, atoms and molecules is measured, is preferably immediately above the reaction surface of the target object W, for example,
By measuring the density and composition of the particles in the reactive plasma 5 mm to 10 mm above the target object W, it becomes possible to measure a value closer to the true value of the radical that strongly affects the process, and a higher value is obtained. Accurate process control becomes possible.

【0018】なお、プラズマ放電室2と真空容器1内で
は、プラズマの有するエネルギー(電子温度)が異なっ
ている(すなわち、前者のプラズマエネルギーは後者の
ものよりも高い。)。そのため、図示の実施の形態で
は、ガス導入口6、17から、エネルギーの異なるプラ
ズマに対して異なる種類のガスを導入することで、様々
なプラズマ条件を生じさせることができるように構成さ
れている。しかし、本発明はかかる例に限定されず、単
一の処理ガスを導入し、その処理ガスをプラズマ化する
ように構成することもできることは言うまでもない。
The energy (electron temperature) of the plasma differs between the plasma discharge chamber 2 and the vacuum vessel 1 (that is, the plasma energy of the former is higher than that of the latter). Therefore, in the illustrated embodiment, various types of plasma conditions can be generated by introducing different types of gases from the gas inlets 6 and 17 to plasmas having different energies. . However, the present invention is not limited to such an example, and it goes without saying that a single processing gas may be introduced and the processing gas may be converted into plasma.

【0019】次に、図1に示すECRプラズマ処理装置
を用いて、シリコンあるいはシリコン窒化膜にシリコン
酸化膜が形成された半導体ウェハなどの被処理体を、少
なくともフルオロカーボンを含む反応ガスをプラズマ化
することによりエッチング処理する一実施例について説
明する。
Next, using an ECR plasma processing apparatus shown in FIG. 1, an object to be processed such as a semiconductor wafer having a silicon oxide film formed on a silicon or silicon nitride film is turned into a plasma with a reaction gas containing at least fluorocarbon. An embodiment for performing an etching process will be described.

【0020】まず、放電室2に少なくともフルオロカー
ボンを含む反応ガスを導入し、圧力0.4Paに保つ。
マイクロ波は、周期50μsecとし、パルス発生装置
5によりマイクロ波電源出力を時分割し、マイクロ波パ
ワー1000Wにて、デューティ比を1〜100%(連
続)まで変化させ、マイクロ波パワーの変調を行った。
この場合、被処理体Wとして、SiO2上に適当なエッ
チングパターンを形成したものを用いた。被処理体Wに
400KHzの高周波を引加し、バイアス250Vの電
圧を被処理体Wの表面に引加した。また、真空容器1に
設置した赤外半導体レーザ吸収分光装置20を用いて、
被処理体Wの10mm上部におけるCF、CF2、CF
3、Fのラジカル密度およびCF+イオン密度を測定し
た。
First, a reaction gas containing at least a fluorocarbon is introduced into the discharge chamber 2, and the pressure is maintained at 0.4 Pa.
The microwave has a cycle of 50 μsec, the microwave generator output is time-divided by the pulse generator 5, and the microwave power is modulated by changing the duty ratio from 1 to 100% (continuous) at a microwave power of 1000 W. Was.
In this case, an object to be processed W having a suitable etching pattern formed on SiO 2 was used. A high frequency of 400 KHz was applied to the object to be processed W, and a voltage of 250 V bias was applied to the surface of the object to be processed W. Further, using an infrared semiconductor laser absorption spectrometer 20 installed in the vacuum vessel 1,
CF, CF2, CF at 10 mm above the workpiece W
3. Radical density of F and CF + ion density were measured.

【0021】そして、赤外半導体レーザ吸収分光装置2
0の測定値に応じて、反応性プラズマ中のラジカルの組
成(CF/F、CF2/F)若しくはラジカルの組成と
イオンの組成が一定になるように、マイクロ波出力の周
期およびデューティ比を変化させた。その結果、本実施
例によれば、高精度にかつ高速に、反応性プラズマ中の
ラジカルの組成のみをフィードバック制御することがで
きた。
The infrared semiconductor laser absorption spectrometer 2
The cycle of the microwave output and the duty ratio are changed so that the composition of the radical (CF / F, CF2 / F) in the reactive plasma or the composition of the radical and the composition of the ion in the reactive plasma are constant according to the measured value of 0. I let it. As a result, according to the present embodiment, it was possible to feedback-control only the radical composition in the reactive plasma with high accuracy and high speed.

【0022】このエッチング特性を評価しところ、シリ
コン酸化膜のエッチング速度6000オングストローム
/secで、対シリコンエッチング選択比50、対シリ
コン窒化膜選択比25の高選択比エッチングが可能であ
った。シリコン酸化膜のエッチングパターン形状をSE
Mにより観測したところ、0.3μmまでの微細パター
ンに対してほぼ垂直であることが判った。
When the etching characteristics were evaluated, it was found that the silicon oxide film could be etched at a high etching rate of 6000 angstroms / sec with a high etching selectivity of 50 to silicon etching and 25 to silicon nitride film. SE etching pattern of silicon oxide film
Observation with M revealed that the pattern was almost perpendicular to a fine pattern of up to 0.3 μm.

【0023】さらに、経時変化を調べるために、ウェハ
(5000枚)について酸化膜/シリコンのエッチング
特性を評価したところ、ラジカル組成のフィードバック
を行わない場合は、1000枚あたりからエッチング速
度、選択比のばらつきが生じ、エッチング再現性の低下
が観測された。一方、フィードバックを行った場合は、
5000枚のウェハすべてにおいて良好なエッチング特
性が得られ、高い再現性が得られる。
Further, the etching characteristics of the oxide film / silicon were evaluated for the wafers (5000 wafers) in order to examine the change with time. When the feedback of the radical composition was not performed, the etching rate and the selection ratio were reduced from about 1000 wafers. Variation occurred, and a decrease in etching reproducibility was observed. On the other hand, if you provide feedback,
Good etching characteristics can be obtained for all 5000 wafers, and high reproducibility can be obtained.

【0024】以上、本発明をマイクロ波プラズマ処理装
置に適用した実施の一形態について説明したが、本発明
はかかる例に限定されない。本発明は、真空容器内の反
応性プラズマをパルス変調制御することが可能な各種プ
ラズマ処理装置、例えば、平行平板型プラズマ処理装
置、誘導結合プラズマ処理装置などにも適用できること
は言うまでもない。
The embodiment of the present invention applied to a microwave plasma processing apparatus has been described above, but the present invention is not limited to such an example. It is needless to say that the present invention can be applied to various plasma processing apparatuses capable of performing pulse modulation control of reactive plasma in a vacuum vessel, for example, a parallel plate plasma processing apparatus, an inductively coupled plasma processing apparatus, and the like.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明によれば、エッチングおよび薄膜
形成に重要な影響を与える反応性プラズマ中のラジカル
の密度や組成を赤外半導体レーザ吸収分光装置によりリ
アルタイムで計測し、その計測値をフィードバックしな
がらパルス変調制御し、ラジカルのみを高精度で制御で
きるため、再現性に優れた高精度のエッチングおよび薄
膜形成が可能となる。
According to the present invention, the density and composition of radicals in reactive plasma, which have an important effect on etching and thin film formation, are measured in real time by an infrared semiconductor laser absorption spectrometer, and the measured values are fed back. Since pulse modulation is controlled while controlling only radicals with high accuracy, highly accurate etching and thin film formation with excellent reproducibility can be performed.

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

【図1】本発明をマイクロ波プラズマ処理装置に適用し
た実施の一形態を示し概略的な断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment in which the present invention is applied to a microwave plasma processing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

W 被処理体(半導体ウェハ) 1 真空容器(処理室) 2 プラズマ放電室 3 マイクロ波導波管 4 マイクロ波発生装置 5 パルス発生装置 6 ガス導入口 8 磁気コイル 9 電極(載置台) 14 マッチング回路 15 高周波電源 16 パルス発生装置 17 ガス導入口 18 排気孔 19 透過窓 20 赤外半導体レーザ吸収分光装置 20a レーザ源 20b 検出装置 21 主制御器 P 反応性プラズマ W Object to be processed (semiconductor wafer) 1 Vacuum vessel (processing chamber) 2 Plasma discharge chamber 3 Microwave waveguide 4 Microwave generator 5 Pulse generator 6 Gas inlet 8 Magnetic coil 9 Electrode (mounting table) 14 Matching circuit 15 High frequency power supply 16 Pulse generator 17 Gas inlet 18 Exhaust hole 19 Transmission window 20 Infrared semiconductor laser absorption spectrometer 20a Laser source 20b Detector 21 Main controller P Reactive plasma

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 輿水 地塩 東京都港区赤坂5丁目3番6号 東京エ レクトロン株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−149965(JP,A) 特開 平7−94130(JP,A) 特開 平7−122543(JP,A) 特開 昭63−20484(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 C23C 16/52 C23F 4/00 G01N 21/35 H01L 21/205 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Koshimizu Shioji 5-3-6 Akasaka, Minato-ku, Tokyo Inside Tokyo Electron Co., Ltd. (56) References JP-A-1-149965 (JP, A) JP-A JP-A-7-94130 (JP, A) JP-A-7-122543 (JP, A) JP-A-63-20484 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21 / 3065 C23C 16/52 C23F 4/00 G01N 21/35 H01L 21/205

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 プラズマ生成室においてパルス変調可能
な高周波電界により励起された反応性プラズマをプラズ
マ処理室に導入して,前記プラズマ処理室内に載置され
た被処理体をエッチング処理するプラズマ処理方法であ
って, 前記プラズマ生成室及び/又はプラズマ処理室内に存在
するプラズマ中の粒子密度及び/又は組成を赤外吸収分
光法により計測する工程と, 前記計測された粒子密度及び/又は組成に応じて,前記
高周波電界をパルス変調して,前記粒子密度及び/又は
組成を所定値に制御する工程とを有し, 前記パルス変調は,前記パルスの周期及び/又は出力を
変化させるものであると共に, 前記プラズマ中の粒子密度及び/又は組成の測定は,前
記被処理体の直上略5mmから略10mmの位置で行わ
れる, ことを特徴とするプラズマ処理方法。
1. Pulse modulation is possible in a plasma generation chamber
Reactive plasma excited by a high-frequency electric field
Into the plasma processing chamber and placed in the plasma processing chamber.
A plasma processing method for etching a processed object.
Therefore, it exists in the plasma generation chamber and / or the plasma processing chamber.
Particle density and / or composition in the changing plasma
Measuring by an optical method, and according to the measured particle density and / or composition,
The high frequency electric field is pulse modulated to obtain the particle density and / or
Controlling the composition to a predetermined value, wherein the pulse modulation comprises changing the period and / or output of the pulse.
To changeWith The measurement of the particle density and / or composition in the plasma
Performed at a position approximately 5 mm to approximately 10 mm directly above the object to be processed
,  A plasma processing method characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 前記パルス変調の制御は,前記プラズマ
処理室及び/又はプラズマ生成室のプラズマ中のラジカ
ルの組成が一定となるように,パルスの周期及び/又は
パワーを変化させるものであることを特徴とする,請求
項1に記載のプラズマ処理方法。
2. The control of the pulse modulation is to change a pulse period and / or a power so that a composition of radicals in plasma in the plasma processing chamber and / or the plasma generation chamber is constant. The plasma processing method according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記反応性プラズマは,少なくともフル
オロカーボンを含む反応性ガスをプラズマ化して得られ
るものであることを特徴とする,請求項1又は2に記載
のプラズマ処理方法。
3. The plasma processing method according to claim 1, wherein the reactive plasma is obtained by converting a reactive gas containing at least fluorocarbon into plasma.
【請求項4】 前記反応性プラズマは,少なくともC
F,CF2,CF3,FのラジカルとCF+イオンを含
み,CF/FとCF+及び/又はCF2/FとCF+の
ラジカル及びイオンの組成が一定になるように前記パル
ス変調の制御が行われることを特徴とする,請求項2又
は3に記載のプラズマ処理方法。
4. The reactive plasma comprises at least C
The control of the pulse modulation is performed so that the composition of the radicals and ions of CF / F and CF + and / or CF2 / F and CF + includes the radicals of F, CF2, CF3, and F +. The plasma processing method according to claim 2 or 3, wherein
【請求項5】 パルス変調可能な高周波電界により反応
性プラズマを励起するプラズマ生成室と,前記プラズマ
生成室と連通した載置台にパルス変調可能な高周波電界
を印加する機構と,前記載置台に載置された被処理体を
処理するプラズマ処理室とを備えたプラズマ処理装置で
あって, 前記プラズマ生成室内の反応性プラズマ中及び/又は前
記プラズマ処理室の載置台の上部空間に存在するプラズ
マに所定波長の赤外光を照射して,前記プラズマの粒子
密度及び/又は組成を測定する赤外吸収分光手段と, 前記赤外吸収分光手段により測定された粒子密度及び/
又は組成に応じて,前記反応性プラズマを励起する高周
波電界及び前記載置台に印加する高周波電界をパルス変
調する制御器と,を有し, 前記パルス変調は,前記パルスの周期及び/又は出力を
変化させるものであると共に, 前記赤外吸収分光手段は,前記被処理体の直上略5mm
から略10mmの位置にある前記プラズマ中の粒子密度
及び/又は組成の測定を行うように設置される, ことを
特徴とする,プラズマ処理装置。
5. A reaction by a high-frequency electric field capable of pulse modulation.
A plasma generation chamber for exciting a reactive plasma;
High-frequency electric field that can be pulse-modulated on the mounting table communicating with the generation chamber
And a mechanism for applying
Plasma processing equipment with a plasma processing chamber for processing
In and / or before the reactive plasma in the plasma generation chamber
Plas present in the upper space of the mounting table in the plasma processing chamber
Irradiates the plasma with infrared light of a predetermined wavelength to generate particles of the plasma.
Infrared absorption spectroscopy means for measuring density and / or composition, and particle density and / or
Or, depending on the composition, a high frequency to excite the reactive plasma
The wave electric field and the high-frequency electric field applied to the
A pulse controller for controlling the pulse period and / or output.
To changeWith The infrared absorption spectroscopy unit is located approximately 5 mm directly above the object to be processed.
Particle density in the plasma at a position approximately 10 mm from
And / or installed to take compositional measurements; That
Characteristic plasma processing equipment.
【請求項6】 前記制御器は,前記プラズマ処理室及び
/又はプラズマ生成室のプラズマ中のラジカルの組成が
一定となるように,パルスの周期及び/又はパワーを変
化させるものであることを特徴とする,請求項に記載
のプラズマ処理装置。
6. The controller according to claim 1, wherein the controller changes a pulse period and / or a power so that a radical composition in plasma in the plasma processing chamber and / or the plasma generation chamber becomes constant. The plasma processing apparatus according to claim 5 , wherein
【請求項7】 前記反応性プラズマは,少なくともSi
H3ラジカル及び/又はCH3ラジカル及び/又はCl
ラジカルを含み,SiH3ラジカル及び/又はCH3ラ
ジカル及び/又はClラジカルの密度が一定になるよう
前記パルス変調の制御が行われることを特徴とする,請
求項5又は6に記載のプラズマ処理装置。
7. The reactive plasma includes at least Si.
H3 radical and / or CH3 radical and / or Cl
7. The plasma processing apparatus according to claim 5 , wherein the pulse modulation is controlled such that the density of the SiH 3 radicals and / or the CH 3 radicals and / or the Cl radicals is constant.
【請求項8】 前記反応性プラズマは,少なくともC
F,CF2,CF3,FのラジカルとCF+イオンを含
み,CF/FとCF+及び/又はCF2/FとCF+の
ラジカル及びイオンの組成が一定になるように前記パル
ス変調の制御が行われることを特徴とする,請求項5又
は6に記載のプラズマ処理装置。
8. The reactive plasma may include at least C
The control of the pulse modulation is performed so that the composition of the radicals and ions of CF / F and CF + and / or CF2 / F and CF + includes the radicals of F, CF2, CF3, and F +. Claim 5 or
7. The plasma processing apparatus according to 6 .
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