JPH02312227A - プラズマ処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、プラズマ処理方法及び装置に係り、特に半導
体素子基板等の試料をマイクロ波プラズマを利用してエ
ツチング処理、成膜処理するのに好適なプラズマ処理方
法及び装置に関するものである。

［従来の技術］ 半導体素子基板等の試料をマイクロ波プラズマをｆｆＩ
用してエツチング処理する技術としては、例えば、特開
昭５６−１３４８０号公報等に記載のような、マイクロ
波電界と磁界との相乗作用によりエツチングガスをプラ
ズマ化し、該プラズマを利用して試料をエツチング処理
する技術や１例えば、特開昭５７−１３３６３６号公報
等に記載のような、マイクロ波電界と磁界との相乗作用
により成膜用ガスをプラズマ化し、該プラズマを利用し
て試料を成膜処理する技術や、また１例えば、特公昭５
６−５５７４号公報等に記載のような、マイクロ波電界
によりエツチングガスをプラズマ化し、該プラズマを利
用して試料をエツチング処理する技術や、例えば、特開
昭６２−２１８５７５号公報等に記載のような、マイク
ロ波電界により成膜用ガスをプラズマ化し、該プラズマ
を利用して試料を成膜処理する技術等が知られている。

尚、マイクロ波源には、通常、マグネトロン（磁電管）
が用いられ、その駆動装置の出力としては、直流若しく
は商用周波数を平滑化した高圧が用いられている。

［発明が解決しようとする課題］ マイクロ波プラズマを利用した試料の処理においては、
処理速度の向上が強く望まれているが、しかし、上記従
来の技術は、この要求に十分応え得るものとはなってい
ない。

本発明の主な目的は、プラズマの電子温度を高めること
で、マイクロ波プラズマを利用した試料の処理速度を向
上できるプラズマ処理方法及び装置を提供することにあ
る。

［課睦を解決するための手段］ 上記上な目的は、プラズマ処理方法を、パルス放電によ
り処理ガスをプラズマ化する工程と、該プラズマを利用
して試料を処理する工程とを有する方法とし、プラズマ
処理装置を、処理室と、該処理室内を減圧排気する手段
と、前記処理室内に処理ガスを導入する手段と、パルス
放電を発生させ前記処理室内の処理ガスをプラズマ化す
る手段と、前記処理室内で試料を保持する手段とを具備
したものとすることにより、達成される。

［作　　　用］ 試料のプラズマ処理速度を向上させる方策としては、プ
ラズマの電子温度を高めること並びにプラズマ密度を増
大させることの二方策に集約される。

その内、プラズマの電子温度は、処理室内の処理ガスの
圧力を低下させたり、また、処理室の径を小さくするこ
とで高めることができる。然し乍ら、処理室内の処理ガ
スの圧力を低下させればプラズマ密度が低下し、ある圧
力以下では、プラズマ処理速度も低下するようになる。

また、処理室の径は、処理される試料の大きさにより限
定を受け、従って、処理室の径を十分に小さくすること
はできない。

ところで、処理室内の処理ガスの圧力の低下や処理室の
小径化は、プラズマの壁での損失を増加させることに対
応している。従って、パルス放電を発生せしめ、放電体
止期間における壁での損失の増加を強制的に行なわせれ
ば、プラズマの電子温度の上昇が期待できる。

ｒ実　施　例〕 以下、本発明の一実施例を第１図、第２図により説明す
る。

第１図は、いわゆる有磁場型のマイクロ波プラズマエ・
ンチング装置の構成図で、マイクロ波源１、マイクロ波
源駆動装置２．導波管３〜５、真空封止用石英チャンバ
６、磁場発生用コイル７、コイル駆動装置８．試料台９
、バイアス電源ｌＯ１試料１１．真空容器１２、ガス導
入配管１３、ガス導入バルブ１４、排気用配管１５等を
備えている。

第１図で、マイクロ波発生源ｌとしてマグネトロン管（
磁電管）を用いた時に、マイクロ波源駆動装置２の出力
高圧電流■、高圧電圧Ｅ、バイアス電源ｌＯの出力電力
ＰＲ、コイル駆動装置８の出力電流Ｉｃを第２図に示す
。

試料１１としてＳｉＯ□を用い、ガスとしてＣ，、Ｆ、
もしくはＣ７Ｈ６−Ｆ　ｍ　（ｓ−、、，１，は整数）
を用いてエツチングを行なう場合で、マグネトロン管の
周波数が２．４５ＧＨｚ、バイアス電源１０の周波数が
２ＭＨｚで、コイル７の電流は、試料台９に設置された
試料１１の付近に電子サイクロトロン共鳴を生じるよう
に設定する。また、ガス圧力としては、０．０　Ｉ　Ｐ
ａ〜１０Ｐａの比較的低圧領域が好ましい。

試料１１のエツチング期間を、例えば、２つに分け、前
半（数十秒）はパルス放電を用いた高電子温度のエツチ
ング（モード１）を行ない、後半（数秒〜２０秒）は通
常の低ダメージエツチング（モード２）を行なう。

モードｌにおいて、パルス電流の半値幅Ｔ、＝１０μｓ
、パルス周期Ｔ＊＝＝３０ｕｓで電流パルス制御を行な
う。電流パルスのパルス間の期間の電流ＩＬは０の場合
が効果大であるが、一方、放電が不安定となる場合があ
る。この場合には、（Ｉ　Ｌ／Ｔ　、）＜０．１以下の
小電流を流すことにより放電を安定にすることができる
６また、この時のマグネトロン管に加太る電圧Ｅは、余
り変化しない（Ｅ□／ＥＬ＞０．７）、バイアス電源１
０の出力はモード１では大きく、モード２では小さく設
定する。

コイル７に加える電流は、全処理期間中一定でも良いが
、第２図でＩｔに示すように、モードｌでマグネトロン
管に加λる電流が大なる期間にほぼ対応して太き（シ、
マグネトロン管に加える電流が小なる期間にほぼ対応し
て小さくすることにより、エツチング処理速度の向上が
図れる。

本実施例によれば、パルス放電の使用により。

電子温度を上昇させることでエツチング処理速度を向上
でき、かつ、定常放電の処理を併用することで、高速で
、かつ、低ダメージのエツチング処理ができる。

つまり、弱い放電若しくは放電がない状態で強い放電を
開始させると、その開始時点に放電に大きな量のエネル
ギが供給され、放電の電子温度が上昇する。所定時間後
、放電を弱い状態若しくはない状態に戻すと１強い放電
により生じた電子、荷電粒子等は、容器の壁での再結合
等によって減衰する。このため、再度、強い放電を開始
する場合、放電の開始のために大きなエネルギが供給さ
れて放電の電子温度が上昇する。このように、パルス放
電により放電の電子温度を上昇させることにより、電子
、荷電粒子に多くのエネルギが与えられるため、エツチ
ング処理速度を向上させることができる。また、パルス
放電を用いると、試料へのダメージは増加する傾向にあ
る６そこで、まず、パルス放電により高速のエツチング
処理を行なった後に、通常の定常放電による低速で低ダ
メージのエツチング処理を短時間性なうことにより、高
速で、かつ、低ダメージのエツチング処理を行なうこと
ができる。

パルス電流の半値幅Ｔ、とじては、１００μｓ以下が効
果が大きく、１ｍｓ程度までパルス放電による上記効果
は認められる。また、パルス幅の小さい方は、数十ｎｓ
程度まで効果があると考えられるが、しかし、使用した
連続波のマグネトロン管内にフィルタを有していたため
、この場合、Ｔｗ＝ｌμｓ程度以下の駆動は困難であっ
た。また、パルスデューテ！　（ＴＶ　／ＴＲＸ　ｌ　
００）（％）としては１％〜５０％が好ましい、また、
上記一実施例では、２つのモードの場合について示した
が、このモード数を増したり、モードの移行をパルスデ
ューティを徐々に変久て滑らかに行なうこともできるこ
とは勿論のことである。

また、放電体止期間中に電子サイクロトロン共鳴用磁場
を減少させれば、１ｉｆｉ場による電子への拘束力が少
なくなり、この期間中における損失を増加させることが
できるので、電子温度の向上のためには好都合である。

また、試料台に加えるバイアス電源は、パルス放電期間
中若しくは放電体止後、所定時間内のイオンのみを加速
するように印加すれば、高エネルギを有するイオンのみ
が試料に到達するようになるので、エツチング処理速度
を向上させることができる。

また、上記一実施例の装置構成で、ガスとして例えば、
Ａｒ、ＳｉＨ４，ｏ２の混合ガスを用い、Ｏ，０ＯＩＰ
ａ−１０Ｐａのガス圧で処理することにより、高速、低
ダメージのＳｉＯ□膜の堆積を行なうことができる。

第３図は、磁場コイルを用いない場合の適用例である６
真空封止用石英チャンバ６と試料載置台′　９との間に
穴付金属板１７を設置し、真空封止用石英チャンバ６と
穴付金属板１７との間の空間で放電が生じ、非荷電粒子
は試料例の空間に移動しつるが、荷電粒子は穴付金属板
１７により阻止される。このため、試料１１は、非荷電
粒子によりプラズマ処理される。ガスとしてＯｚ＋ＣＦ
＜ａ合ガスを用い、ガス圧としてｌＰａ〜ｌ　００Ｐａ
にし、第２図の方法を用いることにより、高速で低ダメ
ージのアッシング処理ができる。

なお、Ｓ　ｉＯａのエツチングのようにイオンによるプ
ラズマ処理が必要な場合には、穴付金属板１７はない方
が好ましい。

また、プラズマ処理の試料内での均一性を向上させるた
めには、金属性、高誘電体もしくは高田性体を回転させ
たり変動させたりする撹拌器２１をマイクロ波電磁界の
存在する部分に用いると効果がある。

第４図は、第２図におけるモードｌからモード２への移
行する構成の実施例を示す。

マイクロ波電磁界は透過しないが、光が透過する金網の
窓１８を設け１分光機能を有する光検知部１９により光
電変換をし、信号処理部２０により処理の終了を判別し
、マイクロ波駆動装置２にモードｌからモード２の切換
を行なうモード切換信号２２ならびにモード２の終了を
行なう終了信号２３を出力する。信号処理部２０中には
パルス周期Ｔ、で変動する信号を平滑する部分を内蔵し
ている。マイクロ波電磁界を経由して光を取り出す方法
としては上に述べた金網の窓を用いる方法の他に、マイ
クロ波による損失の少ない材料（例えば石英）からなる
光ファイバーを用いることもできる。

モードの切換や終了は、光の変化によって行なう他に、
放電開始時点からの時間によって行なうこともできる。

第５図はパルス性電流を発生させるためのマイクロ波源
駆動装置の一実施例を示す。高圧（３〜４．５にＶ）で
遅い変化を制御する高圧直流電源部２−１と、パルスを
発生するパルス電源部２−２の縦続接続で構成される。

高圧直流電源部２−１の出力電流は高圧コンデンサ２−
１５に蓄積され、高圧コンデンサ２−１５の電圧に、パ
ルス電源部２−２のパルスが重量される。パルス電源部
２−２の出力が、高圧直流電源部２−１との間で影響を
及ぼさないように高周波阻止コイル２−１２．２−１３
．２−１４を設けている。パルス電源部２−２、高圧コ
ンデンサ２−５、および高周波阻止コイル２−１２．２
−１３．２−１４はマイクロ波源ｌの近（に設置するの
が好ましい。

電流検出用抵抗２−３からの信号を、低電流部／平均電
流検知回路２−４を介して、低電流部／平均電流設定値
との差を誤差増幅器２−５によって増幅し、高圧電流電
源部２−１に入力する。

一方、電流検出用抵抗２−３からの信号を、ピーク検出
器２−６を介して、ピーク電流設定値との差を誤差増幅
器２−７によって増幅し、パルス源２−９の振幅を制御
し、モード切換器２−１０を介して、パルス電源部２−
２に入力する。パルス電源部２−２では、トランジスタ
により電流パルスを発生させ、高周波昇圧トシンスによ
り昇圧して出力する。なお、低電流部／平均電流検知回
路２−４は、パルス放電モード（第２図のモードｌ）で
は、第２図の工１部分の電流を検知し保持する動作をし
、定常放電モード（第２図のモード２）では、低域通過
フィルタの動作を行なう、また、定常放電モードではモ
ード切換器２−１０は、アース側に切り換えられる。ま
た、終了信号が入力されると、切換器２−１６．２−１
７はアース側に切り換えられる。ヒータ用電源２−１１
はマイクロ波発生源ｌのヒータ電流を供給する電源であ
る。

第６図はパルス性電流を発生させるためのマイクロ波源
駆動装置の他の実施例及び第７図はその主要部の波形を
示す、パルス繰返しが１０ＫＨｚ程度以上の２つのパル
ス信号源２−２８．２−２９をもとに、可変低圧直流電
源２−２０、コイル２−２１、パルス駆動用トランジス
タ２−２３、コンデンサ２−２４．昇圧トランス２−２
２により高圧の電圧パルスとし、高圧コンデンサ２−２
５、高圧ダイオード、２−２６．２−２７により、倍電
圧、整流を行なってマイクロ波源１に印加する。マイク
ロ波源■のアノードヒータ間の電圧Ｅ、電流Ｉは第７図
に示す。モードｌでは、パルスデューティＴ、１／Ｔ、
ｌが小さいパルス源２−２９により１幅の狭いパルス電
流を発生させ、マイクロ波源ｌに加える。低ダメージ用
のモード２ではパルスデューティＴ　、、／　Ｔ　ｌ１
２の大きいパルス！２−２８を用いて幅の広いパルス電
流を発生させマイクロ波源ｌに加える。

モードｌでは、電流検出抵抗２−３からの信号をピーク
検出器を介して、ピーク電流設定値との差を誤差増幅器
２−７によって増幅し、可変低圧直流電源２−２０の電
圧を制御する。

モード２では電流検出抵抗からの信号を平均電流検出器
２−３０を介して、平均電流設定値との差を誤差増幅器
２−５によって増幅し、可変低圧直流電源２−２０の電
圧を制御する。

以上、いくつかの実施例について述べたが、本発明はこ
れらの例に限定されるものではない。

マイクロ波を用いて試料をプラズマ処理する装置であれ
ば同様に適用可能である。

本発明は、パルス状のマイクロ波電力を周期的に発生さ
せ、種々のガスに加えてプラズマを生起せしめることに
より、電子温度の高いプラズマを発生する部分を有する
ものであり、上記マイクロ波電力の周期は１ｍｓ以下、
パルスのデユーティは、５０％以下に限定される。

［発明の効果］ 本発明によれば、パルス放電の使用により電子温度の上
昇がはかられて、プラズマ処理を高速に行なうことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例の有磁場型のマイクロ波プ
ラズマエツチング装置の構成図、第２図は、第１図の装
置でのマイクロ波源駆動装置の出力高圧電流、高圧電圧
、バイアス電源の出力電力、コイル駆動装置の出力電流
の波形模式図、第３図は、本発明の他の実施例の無磁場
型のマイクロ波プラズマ処理装置の構成図、第４図は、
第２図におけるモード移行構成の一実施例の構成図、第
５図は、マイクロ波源駆動装置の一実施例の回路構成図
、第６図は、同じく他の実施例の回路構成図、第７図は
、第６図のマイクロ波源駆動装置の主要部の波形模式図
である。 １−−−−−一マイクロ波源、２−−−−−一マイクロ
波源駆動装置、８−−−−−−コイル駆動装置。 １０−−−プ匂ア又電漂 イ３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、パルス放電により処理ガスをプラズマ化する工程と
   、該プラズマを利用して試料を処理する工程とを有する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。 ２、少なくともマイクロ波電界の強さを変化させて前記
   パルス放電を発生させる第１請求項に記載のプラズマ処
   理方法。 ３、前記マイクロ波の出力を前記試料の処理中に変化さ
   せて前記マイクロ波電界の強さを変化させる第２請求項
   に記載のプラズマ処理方法。 ４、前記マイクロ波の出力を前記試料の処理中に周期的
   に変化させる第３請求項に記載のプラズマ処理方法。 ５、前記マイクロ波の出力を１ｍｓ以下の周期で周期的
   に変化させる第４請求項に記載のプラズマ処理方法。 ６、前記マイクロ波の出力の最大値が最小値の少なくと
   も２倍である第３請求項に記載のプラズマ処理方法。 ７、前記マイクロ波の出力の大きい期間が、出力変化の
   繰り返し周期の５０％以下である第３請求項に記載のプ
   ラズマ処理方法。 ８、前記マイクロ波の出力の変化に対応して該マイクロ
   波を発振するマイクロ波源に印加する電圧の変化を５０
   ％以下とする第３請求項に記載のプラズマ処理方法。 ９、マイクロ波電界の強さと磁界の強さとを変化させて
   前記パルス放電を発生させる第１請求項に記載のプラズ
   マ処理方法。 １０、前記マイクロ波電界の強さの変化に同期して前記
   磁界の強さとを変化させる第９請求項に記載のプラズマ
   処理方法。 １１、前記マイクロ波の出力を前記試料の処理中に変化
   させて前記マイクロ波電界の強さを変化させ、前記磁界
   を発生する電磁コイルへの通電量を前記マイクロ波の出
   力の変化に同期して変化させる第１０請求項に記載のプ
   ラズマ処理方法。 １２、パルス放電により処理ガスをプラズマ化する工程
   と、該プラズマを利用して試料を処理する工程と、該処
   理中に前記試料に加えるバイアス電力を前記パルス放電
   に同期して変化させる工程とを有することを特徴とする
   プラズマ処理方法。 １３、少なくともマイクロ波の出力の変化でマイクロ波
   電界の強さを変化させて前記パルス放電を発生させ、前
   記バイアス電力を前記マイクロ波の出力の変化に同期し
   て変化させる第１２請求項に記載のプラズマ処理方法。 １４、処理ガスをプラズマ化する工程と、該プラズマを
   利用して試料を処理する工程と、前記プラズマを生成す
   るための少なくともマイクロ波の出力を変化させるモー
   ドと前記マイクロ波の出力を一定にするモード若しくは
   出力パルスのデューティより大きい出力変化モードとを
   前記試料の処理中に切り替える工程とを有することを特
   徴とするプラズマ処理方法。 １５、前記マイクロ波の出力を１ｍｓ以下の周期で周期
   的に変化させるモードと前記マイクロ波の出力を一定に
   するモード若しくは出力パルスのデューティより大きい
   出力変化モードとを前記試料の処理中に切り替える第１
   ４請求項に記載のプラズマ処理方法。 １６、前記マイクロ波の出力を変化させるモードの後で
   前記マイクロ波の出力を一定にするモード若しくは出力
   パルスのデューティより大きい出力変化モードに切り替
   える第１４請求項に記載のプラズマ処理方法。 １７、処理室と、該処理室内を減圧排気する手段と、前
   記処理室内に処理ガスを導入する手段と、パルス放電を
   発生させ前記処理室内の処理ガスをプラズマ化する手段
   と、前記処理室内で試料を保持する手段とを具備したこ
   とを特徴とするプラズマ処理装置。 １８、前記プラズマ化手段が、マイクロ波を出力変化可
   能に発振する手段と、前記処理室を構成する放電管に前
   記マイクロ波を伝播する手段とを備えた第１７請求項に
   記載のプラズマ処理装置。 １９、前記マイクロ波発振手段が、前記マイクロ波の出
   力を１ｍｓ以下の周期で周期的に変化可能である第１８
   請求項に記載のプラズマ処理装置。 ２０、前記プラズマ化手段が、マイクロ波を出力変化可
   能に発振する手段と、前記処理室を構成する放電管に前
   記マイクロ波を伝播する手段と、前記放電管内でのマイ
   クロ波電界との相乗作用で前記処理ガスをプラズマ化す
   る磁界を発生する手段とを備えた第１７請求項に記載の
   プラズマ処理装置。 ２１、前記磁界発生手段が、前記マイクロ波の出力の変
   化に同期して前記磁界の強さを変化可能である第２０請
   求項に記載のプラズマ処理装置。 ２２、前記磁界発生手段が、電磁コイルと、該電磁コイ
   ルへの通電量を前記マイクロ波の出力の変化に同期して
   変化させる手段とを備えた第２１請求項に記載のプラズ
   マ処理装置。 ２３、処理室と、該処理室内を減圧排気する手段と、前
   記処理室内に処理ガスを導入する手段と、パルス放電を
   発生させ前記処理室内の処理ガスをプラズマ化する手段
   と、前記処理室内で試料を保持する手段と、処理中の前
   記試料にバイアス電力を加える手段と、前記バイアス電
   力を前記パルス放電に同期して変化させる手段とを具備
   したことを特徴とするプラズマ処理装置。 ２４、処理室と、該処理室内を減圧排気する手段と、前
   記処理室内に処理ガスを導入する手段と、パルス放電及
   び定常放電を発生させ前記処理室内の処理ガスをプラズ
   マ化する手段と、前記処理室内で試料を保持する手段と
   、前記試料のプラズマ処理状況に基づき前記放電の発生
   を切り替える手段とを具備したことを特徴とするプラズ
   マ処理装置。 ２５、前記プラズマ化手段が、マイクロ波を発振する手
   段と、前記処理室を構成する放電管に前記マイクロ波を
   伝播する手段と、前記放電管内でのマイクロ波電界との
   相乗作用でエッチングガスをプラズマ化する磁界を発生
   する手段とを備え、前記放電切替手段が、前記試料のプ
   ラズマエッチング処理状況を検知し判定する手段と、前
   記マイクロ波発振手段からのマイクロ波の出力モードを
   前記判定手段での判定結果に基づき出力変化モードから
   出カ一定モード若しくは出力パルスのデューティより大
   きい出力変化モードに切り替える手段とを備えた第２４
   請求項に記載のプラズマ処理装置。 ２６、前記プラズマ化手段が、マイクロ波を発振する手
   段と、前記処理室を構成する放電管に前記マイクロ波を
   伝播する手段とを備え、前記放電切替手段が、前記試料
   のプラズマエッチング処理状況を検知し判定する手段と
   、前記マイクロ波発振手段からのマイクロ波の出力モー
   ドを前記判定手段での判定結果に基づき出力変化モード
   から出カ一定モード若しくは出力パルスのデューティよ
   り大きい出力変化モードに切り替える手段とを備えた第
   ２４請求項に記載のプラズマ処理装置。 ２７、マイクロ波源と、該マイクロ波源への出力を周期
   的に変化可能なマイクロ波源駆動装置とを具備したこと
   を特徴とするマイクロ波発振装置。