JPH03224226A - Plasma processing and device to be used therefor - Google Patents

Plasma processing and device to be used therefor

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JPH03224226A
JPH03224226A JP27833790A JP27833790A JPH03224226A JP H03224226 A JPH03224226 A JP H03224226A JP 27833790 A JP27833790 A JP 27833790A JP 27833790 A JP27833790 A JP 27833790A JP H03224226 A JPH03224226 A JP H03224226A
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JP
Japan
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plasma
impedance
feedback
reaction chamber
plasma processing
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Application number
JP27833790A
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Japanese (ja)
Inventor
Uirubaa Datsuton Robaato
ロバート・ウィルバー・ダットン
Masabumi Kubota
正文 久保田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To reproduce the state of plasma with good accuracy regardless of a deposited film on the inner wall of a chamber and to improve the reproducibility and accuracy of a processing process to increase a practicability by a method wherein a plasma processing device is provided with a feedback mechanism consisting of an impedance matching circuit and the like. CONSTITUTION:In case a plasma processing device is applied to an ECR plasma etching, a system of the plasma processing device is operated. Hereupon, a plasma impedance is first measured by an impedance matching circuit 14 in a feedback mechanism 50. Then, the measured value is compared with a value, which has been set previously in a feedback parameter setting circuit 19 in the mechanism 50, and only in the case where a difference between both values exceeds predetermined, allowable value the amount of a feedback is calculated by the circuit 19 and the amount is fed back to a change in a prescribed feedback parameter (a microwave power or the like). Thereby a fluctuation in the plasma impedance is inhibited. As a result, the state of plasma is substantially held constant, a plasma processing having a good reproducibility is obtained, the reproducibility and accuracy of a processing process are improved and a practical effect can greatly be increased.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明(よ プラズマによる気相−固相界面における化
学的または物理的反応を利用した加工方法およびそれに
用いる装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a processing method using a chemical or physical reaction at a gas-solid interface caused by plasma, and an apparatus used therefor.

従来の技術 集積回路を中心としたマイクロエレクトロニクスの驚異
的な進歩は レーザを中心としたオプトエレクトロニク
スの高度化と共へ 産業革命に匹敵する大きな社会革命
をもたらしつつある。集積回路の発明以夾 集積回路の
集積度は飛躍的に増大L  L S I (large
 5cale IC,大規模集積回路)、V L S 
I (very large 5cale IC,超L
SI)、ULS I (ultra large 5c
ale IC,超々LSI)が次々に開発されている。
Astonishing advances in microelectronics centered on conventional technology integrated circuits, together with the sophistication of optoelectronics centered on lasers, are bringing about a major social revolution comparable to the industrial revolution. Since the invention of integrated circuits, the degree of integration of integrated circuits has increased dramatically.
5cale IC, large scale integrated circuit), VLS
I (very large 5cale IC, super L
SI), ULS I (ultra large 5c
Ale IC, ultra-super LSI) are being developed one after another.

このような大きな集積度(よ 素子寸法の微細化や素子
構造および回路の改良工夫などによって構成されてき九 素子構造について(表 従来の平面的な(つまり、2次
元的な)構造で(L これ以上の微細化を望めない段階
に達しており、方向性エツチング法を用いて基板に設け
たトレンチを利用する構造や、リフロー平坦化技術を用
いて配線を多層化した構造などの3次元的な構造か検討
されている。そして、集積回路の集積度(よ 今後L 
素子構造の物理的限界まで増大すると考えられも 集積回路の集積度を高めるに(表トランジスタや抵抗な
どの素子自体の寸法および配線パターンの寸法を縮小す
ることも必要である。最小パターン寸法について(よ 
現在のとこへ 1μの以下の微細パターンが実用化され
つつあり、光露光法の限界である約0.4μmに近づい
ていも 光露光法では光の波長より細かいパターンを描
くことはできないので、さらに微細なパターンを得るに
ζよ より波長の短いX線や電子線を用いる必要がある
。このような微細パターンの実現には リソグラフィ法
と並んで、 ドライエツチング法が重要な役割を担う。
With regard to the nine-element structure that has been constructed due to such a large degree of integration (i.e., miniaturization of element dimensions and improvements to the element structure and circuitry) (Table 1). We have reached a stage where further miniaturization cannot be expected, and three-dimensional structures such as structures that utilize trenches formed in the substrate using directional etching, and structures that have multilayered wiring using reflow planarization technology, have reached a stage where further miniaturization cannot be expected. The structure of integrated circuits is also being considered.
In order to increase the degree of integration of integrated circuits, it is also necessary to reduce the dimensions of elements such as front transistors and resistors, as well as the dimensions of wiring patterns, even though it is thought that the physical limit of the element structure will be increased. Yo
At present, fine patterns of 1 μm or less are being put into practical use, and even though they are approaching the limit of about 0.4 μm, which is the limit of light exposure method, it is not possible to draw patterns finer than the wavelength of light with light exposure method, so To obtain fine patterns, it is necessary to use X-rays or electron beams with shorter wavelengths than ζ. Along with lithography, dry etching plays an important role in realizing such fine patterns.

ドライエツチング法41  プラズス ラジカノにおよ
びイオンなどによる気相−固相界面における化学的また
は物理的反応を利用し 薄膜または基板の不必要な部分
を除去する加工法である。 ドライエツチング法として
(よ 気相エツチング汰 プラズマエツチング法 スパ
ッタエツチング法 イオンビームエツチング法などがあ
も スパッタエツチング法およびイオンビームエツチン
グ法に関しては 活性イオンやラジカルを用いる場合が
あり、特!ミ それぞれ反応性スパッタエツチング法お
よび反応性イオンビームエツチング法と呼ばれていも 
集積回路の製造プロセス技術に適しているの4戴 これ
らの方法である。
Dry etching method 41 This is a processing method that removes unnecessary portions of a thin film or substrate by using chemical or physical reactions at the gas-solid interface caused by plasma radicans and ions. Dry etching methods include vapor phase etching, plasma etching, sputter etching, and ion beam etching.Sputter etching and ion beam etching may use active ions or radicals, and each method has a particular reactivity. They are also called sputter etching method and reactive ion beam etching method.
There are four of these methods that are suitable for integrated circuit manufacturing process technology.

反応性スパッタエツチング法(よ 反応性イオンエツチ
ング法とも呼ばれ 適当なガスの高周波放電により生成
されるプラズマ中の反応性イオンに試料を曝すと、エツ
チング反応によって、この試料表面の不必要部分が除去
されるというものであも な払 必要な部分は 通象 
マスクとして用いたホトレジストパターンによって保護
される。
Reactive sputter etching method (also called reactive ion etching method) When a sample is exposed to reactive ions in plasma generated by high-frequency discharge of an appropriate gas, unnecessary parts of the sample surface are removed by an etching reaction. It is said that the necessary part is common knowledge.
Protected by a photoresist pattern used as a mask.

第8図は従来のドライエツチング装置の一例として反応
性イオンエツチング装置を示す模式図であも この図に
示すように 金属性チャンバー1中に(よ ガスコント
ローラ2を通して反応性ガスが導入され 排気系3によ
って適切な圧力に制御されていム チャンバー1の上部
にはアノード(陽極)4が設けられ 下部にはカソード
(陰極)となる試料台5が設けられている。試料台5に
(よインピーダンス整合回路6を介してRF電源7が接
続されており、試料台5とアノード4との間で高周波放
電を起こすことができる。このような反応性イオンエツ
チング装置で(よ プラズマ中の反応性イオンが高周波
放電により生成されるイオンシース内で加速され 試料
8 (すなわ板 被エツチング材料)を衝撃してエツチ
ング反応を生よ方向性の強いエツチング加重 いわゆる
異方性エツチング加工を行うことができる。
Figure 8 is a schematic diagram showing a reactive ion etching apparatus as an example of a conventional dry etching apparatus.As shown in this figure, a reactive gas is introduced into a metal chamber 1 (through a gas controller 2) and an exhaust system. An anode (anode) 4 is provided at the top of the chamber 1, and a sample stage 5 serving as a cathode is provided at the bottom. An RF power source 7 is connected via a circuit 6, and a high frequency discharge can be generated between the sample stage 5 and the anode 4.In such a reactive ion etching device, reactive ions in the plasma Ions generated by high-frequency discharge are accelerated within the sheath and impact the sample 8 (ie, plate, the material to be etched) to produce an etching reaction, making it possible to perform a highly directional etching load, so-called anisotropic etching.

素子寸法が縮小されるにしたがって、例えζ瓜トランジ
スタのゲート酸化膜は薄く形成され また拡散層は浅く
形成されるようになっていも これに伴(\ ドライエ
ツチング法(主 選択性がより高く、使用するプラズマ
が低エネルギーであることが求められている。これは 
ゲート電場へのチャージアップによってゲート酸化膜の
破壊が生じたり、高エネルギーのイオンがシリコン基板
に衝撃することによって結晶欠陥の発生や不純物の混入
が生じたりするからであも このような問題点を解決す
るために プラズマ発生源に電子サイクロトロン共鳴(
electron cyclotron resona
nce:ECR)現象を利用したECRプラズマエツチ
ング法が使用され始めている。
As the device dimensions are reduced, even though the gate oxide film of a zeta melon transistor is formed thinner and the diffusion layer is formed shallower, the dry etching method (principally) The plasma used is required to have low energy.
However, problems such as this can occur because the charge-up to the gate electric field causes destruction of the gate oxide film, and the impact of high-energy ions on the silicon substrate causes crystal defects and the introduction of impurities. To solve the problem, electron cyclotron resonance (
electron cyclotron resona
An ECR plasma etching method that utilizes the ECR phenomenon has begun to be used.

発明が解決しようとする課題 しかし 従来の反応性イオンエツチング(RIE)法や
ECRプラズマエツチング法は プロセスの再現性に難
点があも これは 高選択比と異方性とを満足させるた
めに堆積性の雰囲気を使用しているので、チャンバー内
壁の堆積膜がエツチング特性に大きな影響を与えるため
であると考えられる。例えic  SFaを主要ガスと
するECRプラズマエツチングで(よ エツチングレー
トに処理枚数依存性が見られ プロセス不安定の主要因
の一つになっている。
Problems to be Solved by the Invention However, conventional reactive ion etching (RIE) and ECR plasma etching methods have problems in process reproducibility. This is thought to be because the deposited film on the inner wall of the chamber has a great influence on the etching characteristics since the atmosphere of For example, in ECR plasma etching using IC SFa as the main gas, the etching rate is dependent on the number of processed wafers, which is one of the main causes of process instability.

プラズマを用いたエツチング法で(!、プラズマ中に発
生した正イオンを加速するために 試料台に負のバイア
ス電圧を印加する必要がある。負のバイアス電圧を印加
する方法として(よ 独立した直流電源を用いる固定バ
イアス法と、コンデンサを用いて試料台を直流的に浮か
すことによって生じる負の電圧を利用するセルフバイア
ス法がある。
In the etching method using plasma (!), it is necessary to apply a negative bias voltage to the sample stage in order to accelerate the positive ions generated in the plasma. There is a fixed bias method that uses a power supply, and a self-bias method that uses a negative voltage generated by floating the sample stage using a capacitor.

プロセスの再現性を向上させる試みとして、セルフバイ
アス法において、負のバイアス電圧を一定値に保持する
方法がある。これは 例えば反応性イオンエツチング法
においては エツチング時のイオンエネルギーが試料台
の直流電位Vdcにほぼ相当するので、Vdcが一定に
なるように RF電力を制御するものである。
As an attempt to improve process reproducibility, there is a method in which the negative bias voltage is held at a constant value in the self-bias method. For example, in the reactive ion etching method, the ion energy during etching approximately corresponds to the DC potential Vdc of the sample stage, so the RF power is controlled so that Vdc is constant.

しかし エツチング特性を左右するプラズマ状態(よ 
試料台の直流電位Vdcだけではなく、プラズマ中の電
子密度やイオン密度、電子温度などにも依存することが
知られている。上記の方法(よ これらの重要なパラメ
タ値を制御することはできないので、実際のエツチング
法に(飄 はとんど用いられていない。
However, the plasma state (such as
It is known that it depends not only on the DC potential Vdc of the sample stage but also on the electron density, ion density, electron temperature, etc. in the plasma. The above methods are rarely used in actual etching methods because these important parameter values cannot be controlled.

かくして、本発明が目的とするところiL  (1,)
チャンバー内壁の堆積膜とは無関係にプラズマ状態を精
度よく再現し得るプラズマ加工法を提供すること;(2
)加工の再現性および精度が著しく向上する実用性の高
いプラズマ加工法を提供すること、および(3)このよ
うな優れた利点を有するプラズマ加工法に使用する装置
を提供することである。
Thus, it is the object of the present invention to iL (1,)
To provide a plasma processing method capable of reproducing the plasma state with high precision regardless of the deposited film on the inner wall of the chamber; (2)
) To provide a highly practical plasma processing method that significantly improves processing reproducibility and accuracy; and (3) to provide an apparatus for use in the plasma processing method that has such excellent advantages.

課題を解決するための手段 本発明のプラズマ加工装置は 加工用のプラズマを発生
させるプラズマ反応室と、該プラズマ反応室にインピー
ダンス整合回路を介して高周波電力を供給する高周波電
源と、該プラズマ反応室内のプラズマインピーダンスを
実質的に一定に保持するためのフィードバック機構とを
備えており、該フィードバック機構(友 インピーダン
ス検知手段としても機能する該インピーダンス整合回路
を含む。
Means for Solving the Problems The plasma processing apparatus of the present invention includes a plasma reaction chamber that generates plasma for processing, a high-frequency power supply that supplies high-frequency power to the plasma reaction chamber via an impedance matching circuit, and a high-frequency power source that supplies high-frequency power to the plasma reaction chamber through an impedance matching circuit. and a feedback mechanism for maintaining the plasma impedance substantially constant, including the impedance matching circuit which also functions as an impedance sensing means.

ある好ましい実施態様で(よ 上記プラズマインピーダ
ンスの虚数部が実質的に保持される。
In some preferred embodiments, the imaginary part of the plasma impedance is substantially preserved.

ある好ましい実施態様で(訳 上記フィードバック機構
が、 インピーダンス整合回路に接続されたフィードバ
ックパラメタ設定回路を含み、 プラズマインピーダン
スに関する情報を基にして、少なくとも1つのフィード
バックパラメタ値を該フイ−ドパツクパラメタ設定回路
で設定し パラメタ値にフィードバックする力\ ある
いは上記フィードバック機構力叉 プラズマインピーダ
ンスに関する情報に基づいて、直像 フィードバックを
行う。
In one preferred embodiment, the feedback mechanism includes a feedback parameter setting circuit connected to an impedance matching circuit, and the feedback mechanism is configured to set the at least one feedback parameter value to the feedback parameter setting circuit based on information regarding plasma impedance. Direct image feedback is performed based on information about the plasma impedance, or the force set by the feedback mechanism described above.

ある好ましい実施態様で(友 上記フィードバック(よ
 プラズマ反応室内のガス圧力 プラズマ反応室内への
ガス流量、磁見 マイクロ波電力 および高周波電力か
らなる群から選択される少なくとも1つにかけられも さらに好ましい実施態様では プラズマインピーダンス
に関する情報(友 上記インピーダンス整合回路に用い
たコンデンサの少なくとも1つの容量値である。
In a further preferred embodiment, the above feedback is applied to at least one selected from the group consisting of: gas pressure within the plasma reaction chamber, gas flow rate into the plasma reaction chamber, magnetic field, microwave power, and radio frequency power. Information regarding plasma impedance (friend) is the capacitance value of at least one of the capacitors used in the above impedance matching circuit.

本発明によるプラズマ加工方法は プラズマ反応室内の
ガス圧力 プラズマ反応室内へのガス流量、磁見 マイ
クロ波電力 および高周波電力からなる群から選択され
る少なくとも1つにフィードバックをかけることにより
、プラズマインピーダンスを実質的に一定に保持しなか
収 プラズマを用いて、エツチングまたは膜の堆積を行
う工程を包含する、 好ましい実施態様で1上 上記プラズマインピーダンス
の虚数部が実質的に保持される。
The plasma processing method according to the present invention substantially controls the plasma impedance by applying feedback to at least one selected from the group consisting of gas pressure in the plasma reaction chamber, gas flow rate in the plasma reaction chamber, magnetic field, microwave power, and high frequency power. In a preferred embodiment, the imaginary part of the plasma impedance is substantially held constant, and the imaginary part of the plasma impedance is substantially held constant.

作用 本発明では前記の構成により、プラズマが一定値からシ
フトするとインピーダンスの変化としてそれが捉えられ
 インピーダンスの変化量に応じたプラズマ室内圧力 
磁見 ガス流量、または高周波電力等の変化としてフィ
ードバックされ プラズマインピーダンスが、引いては
プラズマ状態が一定値に保たれも 実施例 (実施例1) 第1図は本発明をECRプラズマエツチングに適用した
プラズマ加工装置を示す。この図において、参照番号1
0はプラズマ反応室11は石英ペルジャー、12は被エ
ツチング試礼13は試料台である。試料台13には イ
ンピーダンス整合回路14を介して、RFバイアス(1
3,56MHz)がRF電源15から供給される。プラ
ズマ反応室10には マグネトロン16からマイクロ波
電力が供給され このマイクロ波電力と、電磁石17か
ら発生する磁界とによって、電子サイクロトロン共鳴条
件が満足される。
In the present invention, due to the above-mentioned configuration, when the plasma shifts from a constant value, it is captured as a change in impedance, and the plasma chamber pressure changes depending on the amount of change in impedance.
Example (Example 1) Figure 1 shows the present invention applied to ECR plasma etching. A plasma processing device is shown. In this figure, reference number 1
0 is a plasma reaction chamber 11 which is a quartz Pelger, 12 is a sample to be etched, and 13 is a sample stage. The sample stage 13 is connected to an RF bias (1
3.56 MHz) is supplied from the RF power supply 15. Microwave power is supplied from the magnetron 16 to the plasma reaction chamber 10, and the electron cyclotron resonance condition is satisfied by this microwave power and the magnetic field generated from the electromagnet 17.

プラズマ反応室10は真空ポンプを含む排気系18によ
り排気さし101〜10−’Paのオーダーの真空度に
制御されていも 本実施例のプラズマ加工装置が従来のECRプラズマエ
ツチング装置と異なるの(よ 主として、インピーダン
ス整合回路14に接続されたフィードバックパラメタ設
定回路19を有するフィードバック機構50を備えてい
る点であa このフィードバック機構50はインピーダ
ンス整合回路14をも含んでいる。フィードバックパラ
メタ設定回路19(ヨインピーダンス検知手段として機
能するインピーダンス整合回路14から取り出されたプ
ラズマ反応室lO内のプラズマインピーダンスに関する
情報に基づいてフィードバックパラメタ値を設定し マ
グネトロン16にフィードバックをかけてそのマイクロ
波出力を制御することによって、プラズマインピーダン
スを実質的に一定に保持する。
Although the plasma reaction chamber 10 is controlled to a degree of vacuum on the order of 101 to 10-'Pa by an evacuation system 18 including a vacuum pump, the plasma processing apparatus of this embodiment is different from the conventional ECR plasma etching apparatus ( (a) This feedback mechanism 50 also includes the impedance matching circuit 14. By setting a feedback parameter value based on the information regarding the plasma impedance in the plasma reaction chamber 10 taken out from the impedance matching circuit 14 which functions as an impedance detection means, and applying feedback to the magnetron 16 to control its microwave output. , keeping the plasma impedance substantially constant.

ここで、本発明の基本的原理を、第1図および第2図A
のフローチャートを参照しながら、説明すも プラズマ加工装置のシステムが稼働すると、まずインピ
ーダンス検知手段14により、プラズマインピーダンス
が測定されも 次いで、フィードバックパラメタ設定回
路19に予め設定されている値との比較を行う。このと
き、両者の差が予め決められている許容値dを越える場
合だけ、フィードバックパラメタ設定回路19でフィー
ドバック量が計算され 所定のフィードバックパラメタ
(本実施例では マイクロ波電力であるが、 −膜内に
(表プラズマ反応室内へのガス流i プラズマ反応室内
のガス圧力 磁見 または高周波電力)の変化にフィー
ドバックされる。このようにして、プラズマインピーダ
ンスの変動が抑制され その結果プラズマ状態が実質的
に一定に保持される。
Here, the basic principle of the present invention is illustrated in FIGS. 1 and 2A.
This will be explained with reference to the flowchart below. When the system of the plasma processing apparatus starts operating, the plasma impedance is first measured by the impedance detection means 14. Next, the plasma impedance is compared with the value preset in the feedback parameter setting circuit 19. conduct. At this time, only when the difference between the two exceeds a predetermined tolerance value d, the amount of feedback is calculated in the feedback parameter setting circuit 19, and a predetermined feedback parameter (in this example, it is microwave power, - inside the membrane) is calculated. is fed back to changes in (the gas flow in the plasma reaction chamber, the gas pressure in the plasma reaction chamber, the magnetic field or the radio frequency power). In this way, fluctuations in plasma impedance are suppressed, and as a result, the plasma state substantially changes. held constant.

本実施例で(よ フィードバック量を計算するための演
算回路がフィードバックパラメタ設定回路19に組み込
まれているが、第2図Bに示すよう区測定値と設定値と
の差が許容値dを越えていることを検出すれば 直撓 
フィードバック機構によって、一定量または差に比例し
た量のフィードバックを行ってもよしも さらζへ プラズマインピーダンスの測定について簡単
に説明すも ドライエツチングに使用されるプラズマ(
よ 第3図Aに示すよう番ミ 電子、イオン、および中
性分子の混在するバルクプラズマ20と、試料12の表
面近傍に形成される。電子がほとんど存在しないイオン
シース21とから構成される。イオンシース21に加わ
る電位差によって正イオンが加速されて試料12を衝撃
することにより、エツチング反応が起こる。このことか
収 イオンシース21がエツチング過程において重要な
役割を果たしていることがわかも 第3図Aのプラズマ(よ 第3図Bのような等価回路で
表し得る。プラズマの等価回路に関する表現について(
友 例えζ戯J、Ignacio Ulacia F、
他。
In this embodiment, an arithmetic circuit for calculating the amount of feedback is incorporated in the feedback parameter setting circuit 19, but as shown in FIG. 2B, the difference between the measured value and the set value exceeds the allowable value d. Direct deflection
A feedback mechanism may be used to provide feedback of a fixed amount or an amount proportional to the difference. A brief explanation of plasma impedance measurement.
As shown in FIG. 3A, a bulk plasma 20 containing electrons, ions, and neutral molecules is formed near the surface of the sample 12. The ion sheath 21 has almost no electrons. The positive ions are accelerated by the potential difference applied to the ion sheath 21 and impact the sample 12, causing an etching reaction. This indicates that the ion sheath 21 plays an important role in the etching process.The plasma shown in Figure 3A (can be represented by an equivalent circuit as shown in Figure 3B).About the expression regarding the equivalent circuit of the plasma (
Friend example ζgi J, Ignacio Ulacia F,
other.

Materials Re5earch 5ociet
y Symposia Proceedings、 V
ol、 98. pp、 203−208(1987)
を参照されたし〜バルクプラズマ20は抵抗Rbで表さ
れ イオンシース21は互いに並列に接続されたシース
容量Cshと抵抗Rshとで表される。プラズマインピ
ーダンス(友 このイオンシースの容11cshに反映
され般的には容量性となム プラズマ密度などが変化す
ると、イオンシースの厚さLshが変化するので、プラ
ズマインピーダンスの変化として検知される。
Materials Research 5ociet
y Symposia Proceedings, V
ol, 98. pp. 203-208 (1987)
The bulk plasma 20 is represented by a resistor Rb, and the ion sheath 21 is represented by a sheath capacitor Csh and a resistor Rsh connected in parallel. Plasma impedance is reflected in the capacity of the ion sheath (11csh) and is generally capacitive.When the plasma density changes, the thickness Lsh of the ion sheath changes, which is detected as a change in plasma impedance.

本実施例のプラズマ加工装置では インピーダンス整合
回路14でプラズマインピーダンスを測定してい、L 
 RF電源15からプラズマに最大の電力が供給される
よう圏 インピーダンス整合回路14ではインピーダン
ス整合が行われる。この際 インピーダンス整合回路1
4の出力端からプラズマを見たインピーダンスと、プラ
ズマ側から見たインピーダンス整合回路14を見たイン
ピーダンスと(よ互いに複素共役の関係にあ4 プラズ
マインピーダンスの測定(よ この関係を利用している
In the plasma processing apparatus of this embodiment, the plasma impedance is measured by the impedance matching circuit 14, and the L
Impedance matching is performed in the impedance matching circuit 14 so that maximum power is supplied to the plasma from the RF power source 15. At this time, impedance matching circuit 1
The impedance seen from the output terminal of 4 and the impedance seen from the impedance matching circuit 14 from the plasma side have a complex conjugate relationship with each other.Measurement of plasma impedance (4) This relationship is utilized.

例えは インピーダンス整合回路14力<、第3図Cに
示すよう&ミ 容量C1およびC2の2つの可変コンデ
ンサと、インダクタンスLのコイルとから構成されてい
る場合に(よ 予めC1およびC2の様々な値に対して
、プラズマ側から見たインピーダンスを測定してテーブ
ル化しておくことにより、C+およびC2の値からプラ
ズマインピーダンスを知ることができも 第4図1;L  5Fe(90%)と0a(10%)と
の混合ガスを用いた場合に 上記の方法で測定されたプ
ラズマインピーダンスのガス圧力に対する依存性を示す
For example, if the impedance matching circuit 14 is composed of two variable capacitors with capacitances C1 and C2 and a coil with inductance L (as shown in Figure 3C), By measuring and tabulating the impedance seen from the plasma side, the plasma impedance can be known from the values of C+ and C2. The dependence of plasma impedance on gas pressure measured by the above method when using a mixed gas with 10%) is shown.

この図か収 ガス圧力の変動によって、プラズマ中の電
子密度やイオン密塞 電子温度などが変化し それに伴
って、プラズマインピーダンスが変化していることがわ
かム このように容量C1およびC2の値からリアルタイムに
プラズマインピーダンスを知ることができも 容量C1
およびC2の値に基づいて、フィードバックパラメタ設
定回路19の演算回路を介してマグネトロン16のマイ
クロ波出力にフィードバックをかけることにより、プラ
ズマインピーダンスを一定に保持することができも 一
般的に4よ 容量C1およびC2の値から複素インピー
ダンスの変化に対応した2つの値(つまり、実数部およ
び虚数部)が得られるので、これら2つの値について補
正する必要がある力t 場合によっては いずれかの値
の補正で充分であム 次く 第5図AおよびBを参照しなが収 このことを説
明すも 第5図AおよびB let、  インピーダン
ス整合回路において整合が取れた状態での容量C1およ
びC2と、プラズマインピーダンスの実数部(第5図A
)および虚数部(第5図B)との関係を示すグラフであ
も これらのグラフは 離散的な値から得られたもので
あり、スムージング処理は行われていなし〜 ここで、システム稼働時当初のインピーダンス設定値が
、 容量C1およびCeの値に換算して、それぞれ42
pFおよび183pF (図中に黒丸印で示す)であり
、マイクロ波電力を変化させた場合に 図中の破線のよ
うにプラズマインピーダンスが変化したと仮定すも 例
え&救 加工を進めるにつれて、石英ペルジャーへの膜
堆積によってマイクロ波の吸収量が増大し プラズマ密
度が減少すると、プラズマインピーダンスL はぼこの
破線に沿って変化する。したがって、プラズマインピー
ダンスが当初の設定値に戻るように マイクロ波電力を
変化させれcf、、プラズマ状態をほぼ一定に保持する
ことができる。この場合、プラズマインピーダンスの実
数部または虚数部のいずれか一方を当初の値に戻せ(戯
 他方の値もほぼ当初の値に戻る。
This figure shows that due to changes in gas pressure, the electron density, ion density, and electron temperature in the plasma change, and the plasma impedance changes accordingly.From the values of capacitances C1 and C2, It is possible to know the plasma impedance in real time.Capacitance C1
By applying feedback to the microwave output of the magnetron 16 via the calculation circuit of the feedback parameter setting circuit 19 based on the values of C and C2, the plasma impedance can be kept constant. Since the values of This will be explained with reference to FIGS. 5A and B. Let, capacitances C1 and C2 when matched in the impedance matching circuit, Real part of plasma impedance (Figure 5A
) and the imaginary part (Figure 5B) These graphs are obtained from discrete values, and no smoothing processing is performed. The impedance setting value of is converted to the value of capacitance C1 and Ce, respectively, and is 42
pF and 183 pF (indicated by a black circle in the figure), and it is assumed that when the microwave power is changed, the plasma impedance changes as shown by the broken line in the figure. When the amount of microwave absorption increases and the plasma density decreases due to film deposition, the plasma impedance L changes along the broken line. Therefore, by changing the microwave power cf so that the plasma impedance returns to the initial setting value, the plasma state can be maintained approximately constant. In this case, return either the real part or the imaginary part of the plasma impedance to its original value (the other value also returns to almost its original value).

−膜内に(表 プラズマ状態を完全に再現するために(
友 プラズマインピーダンスの実数部および虚数部の両
方を当初の設定値に戻す必要がある。
− In order to completely reproduce the plasma state (
Friend: It is necessary to return both the real and imaginary parts of the plasma impedance to their original settings.

上記の場合のように 実数部および虚数部のいずれか一
方で、プラズマ状態をほぼ一定に保持できる場合には 
虚数部で補正を行うほうが望ましい。
If the plasma state can be kept almost constant in either the real part or the imaginary part, as in the case above,
It is preferable to perform correction using the imaginary part.

なぜなぺ 虚数部はプラズマ反応と密接な関係にあるイ
オンシースの性質を反映していると考えられるからであ
る。
This is because the imaginary part is thought to reflect the properties of the ion sheath, which is closely related to plasma reactions.

プラズマ状態の再現性を向上させるという目的に対して
は 必ずしもプラズマインピーダンスの値を求める必要
はなり〜 プラズマインピーダンスに対応する物理量で
あれ(′L どのようなものであってもよく、例えばイ
ンピーダンス整合回路の可変コンデンサの容量C1およ
びC2を用いることができも 本実施例で(よ 実際へ このような方法で、プラズマ
状態を制御したとこへ 極めて再現性の高いエツチング
加工を行うことができた 第6図1友CaC1aFiガスとSFeガスとを用いて
反応性イオンエツチングを行った場合のウェハ処理枚数
とエツチングレートとの関係を示すグラフであも 従来
のエツチング装置で(表 エツチング処理枚数が増加す
ると、石英ペルジャー内壁に堆積膜が付着し この膜が
マイクロ波を吸収することによりプラズマに供給される
エネルギーが変化しその結果 プラズマ密度などの変化
が生じていたしたがって、従来のエツチング装置を用い
た場合には 第6図の曲線(b)のように ウェハ処理
枚数の増加に伴って、エツチングレートが低下し例えば
25枚処理すると、当初のエツチングレートの70%近
(にまで低下する場合があつ九 このたべ 実際の製造
ラインで(友 第6図の曲線(C)のようニ10枚毎に
チャンバークリーニングを行う必要があった これに対
し 本実施例では 第6図の曲線(a)のようへ エツ
チングレートはウェハ処理枚数にほとんど依存しなかっ
た これは 本実施例のプラズマ加工装置を用いること
によって、石英ペルジャー内壁への堆積膜に依存するこ
となく、プラズマ密度などが実質的に一定に保持され極
めて安定なエツチング特性が得られたことを示していも な耘 本実施例では プラズマインピーダンスの変化を
マイクロ波出力で補正する場合について例示したが、例
えばRF電旅 真空ポンプ栗 電磁石などにフィードバ
ックをかけてL 同様の結果が得られ九 (実施例2) 第7図は本発明をRIE (反応性イオンエツチング)
に適用したプラズマ加工装置を示す。この図において、
参照番号30はプラズマ反応室31は被エツチング試I
EI、  32は試料台であも 試料台32に(よ イ
ンピーダンス整合回路33を介して、RFバイアス(1
3,56MHz)がRF電源34から供給される。
For the purpose of improving the reproducibility of the plasma state, it is not necessarily necessary to determine the value of plasma impedance. In this example, it was possible to use the capacitances C1 and C2 of the variable capacitors. Figure 1 is a graph showing the relationship between the number of wafers processed and the etching rate when reactive ion etching is performed using CaC1aFi gas and SFe gas. A deposited film adheres to the inner wall of the quartz Pelger, and this film absorbs microwaves, which changes the energy supplied to the plasma, resulting in changes in plasma density, etc. Therefore, when using conventional etching equipment, As shown by curve (b) in Figure 6, as the number of wafers processed increases, the etching rate decreases.For example, when 25 wafers are processed, the etching rate may drop to nearly 70% of the initial etching rate. In the actual production line, it was necessary to perform chamber cleaning every 10 sheets as shown in curve (C) in Figure 6. In contrast, in this example, etching was performed as shown in curve (a) in Figure 6. The rate was almost independent of the number of wafers processed. This is because by using the plasma processing apparatus of this example, the plasma density etc. can be kept substantially constant without depending on the deposited film on the inner wall of the quartz Pelger. Although this shows that stable etching characteristics have been obtained, this example illustrates the case where changes in plasma impedance are corrected by microwave output. Similar results were obtained (Example 2). Figure 7 shows the present invention using RIE (reactive ion etching).
This figure shows the plasma processing equipment applied to. In this diagram,
Reference number 30 indicates a plasma reaction chamber 31 for the sample I to be etched.
EI, 32 is the sample stage.
3.56 MHz) is supplied from the RF power supply 34.

プラズマ反応室30(戴  真空ポンプを含む排気系3
5により排気さし101〜10” Paのオーダーの真
空度に制御されている。
Plasma reaction chamber 30 (exhaust system 3 including vacuum pump)
5, the degree of vacuum is controlled to be on the order of 101 to 10" Pa.

本実施例のプラズマ加工装置が従来のRIE装置と異な
るの(戴 主として、インピーダンス整合回路33に接
続されたフィードバックパラメタ設定回路36を有する
フィードバック機構51を備えている点であも このフ
ィードバック機構51はインピーダンス整合回路33を
も含んでいも フィードバックパラメタ設定回路36&
ヨ  インピーダンス検知手段として機能するインピー
ダンス整合回路33から取り出されたプラズマ反応室3
0内のプラズマインピーダンスに関する情報に基づいて
フィードバックパラメタ値を設定t、、RF電源34ま
たは排気系35にフィードバックをかけて、RF比出力
たは真空度を制御することによって、プラズマインピー
ダンスを実質的に一定に保持すa 本実施例で(表 実際に このような方法で、プラズマ
状態を制御したとこへ 極めて再現性の高いエツチング
加工を行うことができ島 従来のエツチング装置を用いた場合に(よ エツチング
処理枚数の増加に伴って、プラズマ反応室内壁に付着し
た堆積膜からガスが放出され プラズマ状態が変化する
ので、エツチング特性が変化していた これに対し 本実施例で(友 エツチング特性はエツチ
ング処理枚数にほとんど依存しなかっ九これζよ 本実
施例のプラズマ加工装置を用いることによって、プラズ
マ反応室内壁への堆積膜に依存することなく、プラズマ
密度などが実質的に一定に保持され 極めて安定なエツ
チング特性が得られたことを示している。
The plasma processing apparatus of this embodiment differs from the conventional RIE apparatus (mainly in that it is equipped with a feedback mechanism 51 having a feedback parameter setting circuit 36 connected to an impedance matching circuit 33). It also includes an impedance matching circuit 33 and a feedback parameter setting circuit 36 &
y) Plasma reaction chamber 3 taken out from impedance matching circuit 33 functioning as impedance detection means
Setting the feedback parameter value based on information regarding the plasma impedance within 0, by applying feedback to the RF power supply 34 or the exhaust system 35 to control the RF specific output or the degree of vacuum, the plasma impedance can be substantially adjusted. In this example, when the plasma state was actually controlled using this method, etching could be performed with extremely high reproducibility. As the number of etched sheets increases, gas is released from the deposited film attached to the inner wall of the plasma reaction chamber and the plasma state changes, causing the etching characteristics to change.In contrast, in this example, the etching characteristics were By using the plasma processing apparatus of this embodiment, the plasma density is kept substantially constant and is extremely stable, without depending on the film deposited on the inner wall of the plasma reaction chamber. This shows that excellent etching characteristics were obtained.

な抵 上記の実施例1および2で(よ ドライエツチン
グの場合について説明したが、プラズマを用いたプロセ
ス加工技術であれ(′L 化学的気相成長法(CVD法
)などの膜堆積技術にも適用することができる。
In Examples 1 and 2 above, the case of dry etching was explained, but it can also be applied to film deposition techniques such as chemical vapor deposition (CVD). Can be applied.

発明の詳細 な説明したようく 本発明によればチャンバー周囲壁の
状態にかかわらず再現性のよいプラズマプロセスを得る
ことができ、プロセス再現性、高精度化が実現され そ
の実用的効果は大きい。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION According to the present invention, a plasma process with good reproducibility can be obtained regardless of the condition of the surrounding wall of the chamber, and process reproducibility and high precision are realized, which has great practical effects.

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

第1図は本発明のプラズマ加工装置の一実施例を示す模
式図 第2図(A)および(B)は本発明のプラズマ加
工方法の2つの異なる手順を説明するためのフローチャ
ート医 第3図(A)はドライエツチングに利用される
プラズマの状態を示す模式図 第3図(B)は第3図法
)に示すプラズマの等価回路医第3図(C)はインピー
ダンス整合回路の一例を示す回路皿 第4図はプラズマ
インピーダンスの測定結果を示す特性医 第5図(Aン
および(B)は第3図(すのインピーダンス整合回路に
おいて整合が取れた状態での容量C1およびC2と、プ
ラズマインピーダンスのそれぞれ実数部および虚数部と
の関係を示す特性医 第6図は第1図のプラズマ加工装
置および従来のエツチング装置を反応性イオンエツチン
グに用いた場合のウェハ処理枚数とエツチングレートと
の関係を示す特性医 第7図は本発明のプラズマ加工装
置の他の実施例を示す模弐皿第8図は従来の反応性イオ
ンエツチング装置を示す模式図である。 10、30・・・・プラズマ反応i  13,32・・
・・試料台、14、33・・・・インピーダンス整合回
Ii&  15.34・・・・RF電#16・・・・マ
グネトロン、18.35・・・・排気栗19.36・・
・・フィードバックパラメタ設定回應50゜51・・・
・フィードバック機構。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the plasma processing apparatus of the present invention. FIG. 2 (A) and (B) are flowcharts for explaining two different procedures of the plasma processing method of the present invention. (A) is a schematic diagram showing the state of plasma used in dry etching. Figure 3 (B) is an equivalent circuit diagram of the plasma shown in Figure 3. Figure 3 (C) is a circuit diagram showing an example of an impedance matching circuit. Figure 4 shows the plasma impedance measurement results. Figure 5 (A and Figure 6 shows the relationship between the number of wafers processed and the etching rate when the plasma processing equipment shown in Figure 1 and the conventional etching equipment are used for reactive ion etching. Fig. 7 shows another embodiment of the plasma processing apparatus of the present invention. Fig. 8 is a schematic diagram showing a conventional reactive ion etching apparatus. 10, 30... Plasma reaction i 13,32...
...Sample stage, 14, 33...Impedance matching circuit Ii & 15.34...RF power #16...Magnetron, 18.35...Exhaust chestnut 19.36...
・Feedback parameter setting times 50゜51...
・Feedback mechanism.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)加工用のプラズマを発生させるプラズマ反応室と
、該プラズマ反応室にインピーダンス整合回路を介して
高周波電力を供給する高周波電源と、該プラズマ反応室
内のプラズマインピーダンスを実質的に一定に保持する
ためのフィードバック機構とを備え、該フィードバック
機構が、インピーダンス検知手段としても機能する該イ
ンピーダンス整合回路を含む、プラズマ加工装置。
(1) A plasma reaction chamber that generates plasma for processing, a high-frequency power supply that supplies high-frequency power to the plasma reaction chamber via an impedance matching circuit, and a plasma impedance within the plasma reaction chamber that is maintained substantially constant. A plasma processing apparatus comprising: a feedback mechanism for detecting impedance; the feedback mechanism includes the impedance matching circuit that also functions as an impedance detection means.
(2)前記プラズマインピーダンスの虚数部が実質的に
保持される、請求項1に記載のプラズマ加工装置。
(2) The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the imaginary part of the plasma impedance is substantially maintained.
(3)前記フィードバック機構が、インピーダンス整合
回路に接続されたフィードバックパラメタ設定回路を含
み、プラズマインピーダンスに関する情報を基にして、
少なくとも1つのフィードバックパラメタ値が該フィー
ドバックパラメタ設定回路に設定される、請求項1に記
載のプラズマ加工装置。
(3) The feedback mechanism includes a feedback parameter setting circuit connected to an impedance matching circuit, and based on information regarding plasma impedance,
The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein at least one feedback parameter value is set in the feedback parameter setting circuit.
(4)前記フィードバックパラメタが、プラズマ反応室
内のガス圧力、プラズマ反応室内へのガス流量、磁界、
マイクロ波電力、および高周波電力からなる群から選択
される、請求項3に記載のプラズマ加工装置。
(4) The feedback parameters include gas pressure in the plasma reaction chamber, gas flow rate in the plasma reaction chamber, magnetic field,
The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein the plasma processing apparatus is selected from the group consisting of microwave power and high frequency power.
(5)プラズマインピーダンスに関する前記情報が、前
記インピーダンス整合回路に用いたコンデンサの少なく
とも1つの容量値である、請求項3に記載のプラズマ加
工装置。
(5) The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein the information regarding plasma impedance is a capacitance value of at least one of the capacitors used in the impedance matching circuit.
(6)前記フィードバック機構が、プラズマインピーダ
ンスに関する情報に基づいて、直接、フィードバックを
行う、請求項1に記載のプラズマ加工装置。
(6) The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the feedback mechanism directly provides feedback based on information regarding plasma impedance.
(7)前記フィードバックが、プラズマ反応室内のガス
圧力、プラズマ反応室内へのガス流量、磁界、マイクロ
波電力、および高周波電力からなる群から選択される少
なくとも1つにかけられる、請求項6に記載のプラズマ
加工装置。
(7) The feedback is applied to at least one selected from the group consisting of gas pressure within the plasma reaction chamber, gas flow rate into the plasma reaction chamber, magnetic field, microwave power, and radio frequency power. Plasma processing equipment.
(8)プラズマインピーダンスに関する前記情報が、前
記インピーダンス整合回路に用いたコンデンサの少なく
とも1つの容量値である、請求項6に記載のプラズマ加
工装置。
(8) The plasma processing apparatus according to claim 6, wherein the information regarding plasma impedance is a capacitance value of at least one of the capacitors used in the impedance matching circuit.
(9)プラズマ反応室内のガス圧力、プラズマ反応室内
へのガス流量、磁界、マイクロ波電力、および高周波電
力からなる群から選択される少なくとも1つにフィード
バックをかけることにより、プラズマインピーダンスを
実質的に一定に保持しながら、プラズマを用いて、エッ
チングまたは膜の堆積を行う工程を包含する、プラズマ
加工方法。
(9) By applying feedback to at least one selected from the group consisting of gas pressure in the plasma reaction chamber, gas flow rate into the plasma reaction chamber, magnetic field, microwave power, and high frequency power, the plasma impedance can be substantially adjusted. A plasma processing method that includes etching or depositing a film using a plasma while maintaining the plasma constant.
(10)前記プラズマインピーダンスの虚数部が実質的
に保持される、請求項9に記載のプラズマ加工方法。
(10) The plasma processing method according to claim 9, wherein the imaginary part of the plasma impedance is substantially maintained.
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