JPH0469415B2 - - Google Patents
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- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、半導体装置の製造に好適とされたプ
ラズマ処理装置に関し、特に反応種の組成比やイ
オンエネルギ分布が制御可とされたプラズマ処理
装置に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a plasma processing apparatus suitable for manufacturing semiconductor devices, and particularly to a plasma processing apparatus in which the composition ratio of reactive species and ion energy distribution can be controlled. It is related to.
プラズマ処理装置においては、排気によつて真
空状態におかれた処理室に処理ガスを導入し、こ
れを例えばマイクロ波によつてプラズマ状態化し
たうえプラズマ中のイオンをイオン加速手段によ
つて被処理物に入射せしめることにより何等かの
処理が行なわれるものとなつている。具体的な処
理内容としてはパターンを形成するドライエツチ
ングや膜を形成するプラズマCVDなどがあるが、
近年半導体装置の高集積化に伴い1μｍ前後の微
細なパターンをエツチングすることや高品質な膜
を形成することが要求されるようになつているの
が実状である。これまで例えばマイクロ波を用い
たプラズマ処理装置としては特開昭昭56−13480
号公報に開示されたものが知られているが、プラ
ズマ処理特性を高精度に制御し得ないものとなつ
ている。
In a plasma processing apparatus, a processing gas is introduced into a processing chamber kept in a vacuum state by evacuation, and is converted into a plasma state using, for example, microwaves, and then ions in the plasma are exposed to ion acceleration means. Some kind of processing is performed by making the light incident on the object to be processed. Specific processing includes dry etching to form patterns and plasma CVD to form films.
In recent years, as semiconductor devices have become more highly integrated, it has become necessary to etch fine patterns of around 1 .mu.m and to form high-quality films. Until now, for example, as a plasma processing device using microwaves, there was
Although the method disclosed in the above publication is known, it is not possible to control the plasma processing characteristics with high precision.
即ち、第１図はそのプラズマ処理装置の概略構
成を示すが、これによると処理室１外周部には導
波管４およびマグネツト７が図示の如くに設けら
れており、駆動電源６によつてマグネトロン５よ
り発生されるマイクロ波は処理室１に導入される
ものとなつている。 That is, FIG. 1 shows a schematic configuration of the plasma processing apparatus, and according to this, a waveguide 4 and a magnet 7 are provided on the outer periphery of the processing chamber 1 as shown in the figure, and a drive power source 6 is used to provide a waveguide 4 and a magnet 7. Microwaves generated by the magnetron 5 are introduced into the processing chamber 1.
さて、処理室１内にガス導入口（図示せず）よ
り処理ガスを導入し、また、処理室１内を排気装
置（図示せず）で排気しつつ一定圧力にした状態
でマグネトロン５よりマイクロ波を導入すれば、
処理室１内にはプラズマが発生されるところとな
るものである。一方、ステージ２に高周波電源８
より高周波電圧を印加すれば、これによつて発生
する電界でプラズマ中のイオンが加速されステー
ジ２上に載置されたウエハ３に入射するところと
なるものである。 Now, a processing gas is introduced into the processing chamber 1 through a gas inlet (not shown), and while the processing chamber 1 is evacuated using an exhaust device (not shown) and maintained at a constant pressure, the magnetron 5 is If we introduce waves,
Inside the processing chamber 1, plasma is generated. On the other hand, high frequency power supply 8 is installed in stage 2.
If a higher frequency voltage is applied, the ions in the plasma will be accelerated by the electric field generated thereby and will be incident on the wafer 3 placed on the stage 2.
このようにこれまでのプラズマ処理装置にあつ
ては例えばマイクロ波電力を制御することによつ
てプラズマ密度を制御し得る一方、高周波電圧に
よつてはウエハに入射するイオンのエネルギを制
御し得るものとなつている。しかしながら、制御
可とされるものはプラズマの平均的な密度と電子
温度、更にはウエハ上のシース領域で加速されて
ある範囲でばらついたエネルギでウエハに入射す
るイオンに対して、ばらついているイオンエネル
ギの平均値だけと成つている。一般にプラズマ処
理特性を更に高精度に制御するためには電子温度
の分布や、プラズマ中で発生するイオン、ラジカ
ルの種類とそれらの比率をプラズマ内での反応条
件に応じて制御する必要があり、また、ウエハに
入射するイオンのエネルギのばらつき範囲、即ち
イオンエネルギの分布も処理反応に応じて制御さ
れる必要がある。即ち、これまでのプラズマ処理
装置にあつては、電子温度の分布や反応種の組成
比、イオンエネルギ分布を制御し得ないものとな
つている。 In this way, conventional plasma processing equipment can control the plasma density by controlling microwave power, for example, while it can control the energy of ions incident on the wafer depending on the radio frequency voltage. It is becoming. However, what can be controlled is the average plasma density and electron temperature, as well as ions that are accelerated in the sheath region on the wafer and enter the wafer with energy that varies within a certain range. It consists only of the average value of energy. Generally, in order to control plasma processing characteristics with higher precision, it is necessary to control the electron temperature distribution, the types of ions and radicals generated in the plasma, and their ratios according to the reaction conditions within the plasma. Furthermore, the range of variation in the energy of ions incident on the wafer, that is, the distribution of ion energy, also needs to be controlled according to the processing reaction. That is, in conventional plasma processing apparatuses, it is impossible to control the electron temperature distribution, the composition ratio of reactive species, and the ion energy distribution.
本発明の目的は、マイクロ波プラズマ処理装置
において、電子温度の分布や反応種の組成比、イ
オンエネルギの分布を制御することによつてプラ
ズマ処理特性が向上されるようにしたプラズマ処
理装置を供するにある。
An object of the present invention is to provide a microwave plasma processing apparatus in which plasma processing characteristics are improved by controlling the distribution of electron temperature, the composition ratio of reactive species, and the distribution of ion energy. It is in.
即ち、本発明は、上記目的を達成するために、
処理室内に導入された処理ガスにマイクロ波電力
を印加してプラズマを発生させるマイクロ波プラ
ズマ発生手段と、このマイクロ波プラズマ発生手
段に印加するマイクロ波電力を周期的に変調させ
て前記プラズマ中の電子温度の分布、および前記
プラズマ中に発生するイオンやラジカルなどの反
応種の発生比率を制御する放電変調手段と、前記
プラズマ中から被処理物に入射する前記イオンを
加速するための電圧を印加するイオン加速手段
と、前記電圧を周期的に変化させることにより前
記イオンの加速エネルギを制御するイオンエネル
ギ制御手段とを備えることにより、プラズマ中の
電子温度の分布やプラズマ中に発生するイオンや
ラジカルなどの反応種の発生比率を反応条件に応
じて制御できるようにすると共に、プラズマ中か
ら被処理物に入射するイオンのエネルギ分布を処
理反応に応じて制御できるようにした。
That is, in order to achieve the above object, the present invention has the following features:
Microwave plasma generation means for generating plasma by applying microwave power to a processing gas introduced into a processing chamber; and microwave power applied to the microwave plasma generation means being periodically modulated to generate plasma in the plasma. A discharge modulation means for controlling the distribution of electron temperature and the generation ratio of reactive species such as ions and radicals generated in the plasma, and applying a voltage for accelerating the ions entering the object to be processed from the plasma. By including an ion acceleration means for controlling the acceleration energy of the ions and an ion energy control means for controlling the acceleration energy of the ions by periodically changing the voltage, the electron temperature distribution in the plasma and the ions and radicals generated in the plasma can be controlled. In addition to making it possible to control the generation rate of reactive species such as ions according to the reaction conditions, it is also possible to control the energy distribution of ions that enter the object from the plasma according to the processing reaction.
以下、本発明を第２図から第５図により説明す
る。
The present invention will be explained below with reference to FIGS. 2 to 5.
先ず、本発明によるプラズマ処理装置の一例で
の概略構成について説明する。第２図はその構成
を示したものである。これによると処理室９の周
囲には導波管１１およびマグネツト１５が設けら
れ、導波管１１の一端側に取付されたマグネトロ
ン１２には駆動電源１４の他、放電変調手段とし
てのコントロール電源１３が接続されるようにな
つている。また、処理室９内部に配されたステー
ジ１０には、マツチングボツクス１９、高周波増
幅器２０を介し信号発生器２１より高周波電圧が
印加されるものとなつている。更に処理室９には
処理ガス供給装置（図示せず）からのガス供給管
１７と排気装置（図示せず）への排気管１８が接
続されているが、プラズマを発生させる際処理室
９内部にはガス供給管１７より一定量の処理用ガ
スが導入される一方、その内部は排気管１８によ
つて排気されその内部は数Torr〜10-4Torrの設
定圧力に保たれるようになつている。このような
状態で駆動電源１４によりマグネトロン１２を動
作させれば、マグネトロン１２で発生されたマイ
クロ波は導波管１１内部を伝播されたうえ処理室
９に入つてマグネツト１５からの磁場により電子
サイクロトロン共鳴を起こすが、これにより処理
室９内部では強いプラズマが発生するところとな
るものである。この際にコントロール電源１３か
らの制御信号によつてマグネトロン１２の出力を
第３図に示す如くAM変調してその強度をA1、
A2といつた具合に変化せしめてやれば、強度が
A1である場合には電界強度が強いことによつて
電子のサイクロトロン運動が速くなり、これがた
めに電子温度は高くなるというものである。ま
た、強度がA2である場合は電界強度が弱くなる
ことによつて電子のサイクロトロン運動は遅くな
り、電子温度は低くなるというものである。した
がつて、強度A1、A2はもとよりそれら各々に対
する時間B1、B2の比も制御すれば、電子温度の
分布が任意に制御可能となるものである。 First, a schematic configuration of an example of a plasma processing apparatus according to the present invention will be described. FIG. 2 shows its configuration. According to this, a waveguide 11 and a magnet 15 are provided around the processing chamber 9, and a magnetron 12 attached to one end of the waveguide 11 has a drive power source 14 and a control power source 13 as a discharge modulation means. are now connected. Further, a high frequency voltage is applied to the stage 10 arranged inside the processing chamber 9 from a signal generator 21 via a matching box 19 and a high frequency amplifier 20. Furthermore, a gas supply pipe 17 from a processing gas supply device (not shown) and an exhaust pipe 18 to an exhaust device (not shown) are connected to the processing chamber 9. A certain amount of processing gas is introduced into the chamber through the gas supply pipe 17, while the inside thereof is exhausted through the exhaust pipe 18, and the inside thereof is maintained at a set pressure of several Torr to 10 -4 Torr. ing. When the magnetron 12 is operated by the drive power supply 14 in this state, the microwaves generated by the magnetron 12 are propagated inside the waveguide 11 and then enter the processing chamber 9, where the microwaves generated by the magnetron 12 are propagated inside the waveguide 11 and then enter the processing chamber 9, where the magnetic field from the magnet 15 causes the microwaves to flow into the electron cyclotron. This causes resonance, which causes strong plasma to be generated inside the processing chamber 9. At this time, the output of the magnetron 12 is AM-modulated by the control signal from the control power supply 13 as shown in FIG .
If you change it as shown in A 2 , the strength will increase.
In the case of A 1 , the cyclotron movement of electrons becomes faster due to the stronger electric field strength, which causes the electron temperature to rise. Furthermore, when the strength is A2 , the electric field strength becomes weaker, so the cyclotron motion of the electrons slows down, and the electron temperature becomes lower. Therefore, by controlling not only the intensities A 1 and A 2 but also the ratio of the times B 1 and B 2 to each of them, the distribution of electron temperature can be controlled arbitrarily.
例えばプラズマ処理を行なう際に必要な反応種
がイオンＣとラジカルＤであるとした場合、イオ
ンＣを生成する電子温度は高く、ラジカルＤを生
成する電子温度は低くなつている。よつて強度
A1をイオンＣを生成するのに好適な条件に設定
する一方、強度A2をラジカルＤを生成するのに
好適な条件に設定し、更にイオンＣとラジカルＤ
の必要な割合に応じ時間B1、B2を設定する場合
は、プラズマ中に発生する反応種が最適に制御さ
れることになるものである。 For example, when the reactive species required for plasma processing are ions C and radicals D, the electron temperature for generating ions C is high, and the electron temperature for generating radicals D is low. strength
A 1 is set to a condition suitable for generating ion C, while intensity A 2 is set to a condition suitable for generating radical D, and ion C and radical D are
If the times B 1 and B 2 are set according to the required ratio of the reaction species generated in the plasma, the reactive species generated in the plasma will be optimally controlled.
また、信号発生器２１によつて第３図に示す如
くの信号を発生したうえこれを高周波増幅器２
０、マツチングボツクス１９を介しステージ１０
に印加すれば、その信号の強弱に応じてプラズマ
中のイオンが加速されたうえウエハ１６に入射さ
れるというものである。即ち、A1対応の時間B1
帯ではイオンは強い電界によつて加速され大きな
エネルギをもつことになる一方、A2対応の時間
B2帯では加速電界が弱くイオンエネルギは小さ
くなるというわけである。したがつて、A1、A2
の大きさによりイオンエネルギの大きさを制御し
得、また、B1、B2の比によりそれぞれのイオン
量の割合を制御し得ることになり、結果的に印加
高周波電圧をAM変調してやればイオンエネルギ
の分布が制御されることになるものである。 Further, the signal generator 21 generates a signal as shown in FIG.
0, Stage 10 via matching box 19
When the signal is applied to the wafer 16, the ions in the plasma are accelerated depending on the strength of the signal and are then incident on the wafer 16. That is, the time B 1 corresponding to A 1
In the band, ions are accelerated by a strong electric field and have a large amount of energy, while the time corresponding to A 2
In the B2 band, the accelerating electric field is weak and the ion energy is small. Therefore, A 1 , A 2
The magnitude of the ion energy can be controlled by the magnitude of B 1 and B 2 , and the proportion of each ion amount can be controlled by the ratio of B 1 and B 2 .As a result, if the applied high-frequency voltage is AM modulated, the ion energy can be controlled by The distribution of energy is to be controlled.
本実施例では強度をA1、A2、時間をB1、B2と
分けているが、本発明はこれに限定されるもので
はなく強度、時間を任意にコントロールし、変調
できることはいうまでもない。 In this embodiment, the intensity is divided into A 1 and A 2 and the time is divided into B 1 and B 2 , but the present invention is not limited to this, and it goes without saying that the intensity and time can be arbitrarily controlled and modulated. Nor.
第４図は本発明によるプラズマ処理装置の他の
態様での構成を示したものである。図示の如く本
態様でのものが第２図に示すものと異なることろ
は、イオンの加速手段がグリツド電極２２とされ
ていることのみである。この場合信号発生器２４
は第５図に示す如くの波形（波形は任意）の交流
重畳直流信号を発生するが、これがパワー増幅器
２３で100〜1000Vの電圧に増幅されたうえグリ
ツト電極２２に印加されるようになつているもの
である。したがつて、印加電圧がV1である間処
理室９内のプラズマイオンは加速大にして引き出
され、高いイオンエネルギでウエハ１６に入射す
る一方、印加電圧がV2（＜V1）である間は低いエ
ネルギでウエハ１６に入射することになるわけで
ある。この際周期的に印加される電圧V1、V2の
印加時間t1、t2を制御すれば、各エネルギ対応の
プラズマイオンのイオン量が制御されることにな
る。一般にグリツド電極２２に印加される電圧の
波形を所定に制御する場合は、ウエハに入射され
るプラズマイオンのエネルギ分布を所望に制御し
得るものである。 FIG. 4 shows the configuration of another embodiment of the plasma processing apparatus according to the present invention. As shown in the figure, the only difference between this embodiment and the one shown in FIG. 2 is that the ion acceleration means is a grid electrode 22. In this case the signal generator 24
generates an AC superimposed DC signal with a waveform (the waveform is arbitrary) as shown in FIG. It is something that exists. Therefore, while the applied voltage is V 1 , the plasma ions in the processing chamber 9 are extracted with high acceleration and enter the wafer 16 with high ion energy, while the applied voltage is V 2 (<V 1 ). During this period, the light is incident on the wafer 16 with low energy. At this time, by controlling the application times t 1 and t 2 of the periodically applied voltages V 1 and V 2 , the amount of plasma ions corresponding to each energy can be controlled. Generally, when the waveform of the voltage applied to the grid electrode 22 is controlled in a predetermined manner, the energy distribution of plasma ions incident on the wafer can be controlled as desired.
以上本発明をマイクロ波を用いたプラズマ処理
装置に例を採つて説明したが、これに限定される
ことなくプラズマ発生とイオンエネルギを個別に
制御し得る構成であれば十分本発明が適用可能で
ある。また、以上の例ではマイクロ波や高周波電
圧に対するAM変調の状態は第３図に示す如く単
に２つとされているが、これに限定されることな
く最適なプラズマ組成比やイオンエネルギ分布を
得べく一般に２以上の状態に任意に設定されれば
よい。更にマイクロ波や高周波電圧に対する変調
形式はAM変調であるとして説明されでいるが、
FM変調であつてもプラズマ特性やイオンエネル
ギが変化するから、AM変調に限定されることは
なくFM変調によつても同様な効果が得られる。 Although the present invention has been explained above by taking an example of a plasma processing apparatus using microwaves, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to any configuration in which plasma generation and ion energy can be individually controlled. be. In addition, in the above example, there are only two states of AM modulation for microwaves and high-frequency voltages as shown in Figure 3, but the present invention is not limited to this, and it is possible to obtain the optimal plasma composition ratio and ion energy distribution. In general, it may be arbitrarily set to two or more states. Furthermore, the modulation format for microwaves and high-frequency voltages is explained as AM modulation, but
Even with FM modulation, the plasma characteristics and ion energy change, so it is not limited to AM modulation, and similar effects can be obtained with FM modulation.
以上説明したように本発明は、マイクロ波プラ
ズマ処理装置において、プラグマ中の電子温度の
分布やプラズマ中に発生するイオンやラジカルな
どの反応種の発生比率を反応条件に応じて制御で
きるようにするための放電変調手段と、プラズマ
中から被処理物に入射するイオンのエネルギ分布
を処理反応に応じて制御できるようにするための
イオンエネルギ制御手段とを設けたので、電子温
度の分布や反応種の組成比、イオンエネルギ分布
が制御され得、プラズマ処理特性の向上が図れる
という効果がある。
As explained above, the present invention enables a microwave plasma processing apparatus to control the distribution of electron temperature in pragma and the generation rate of reactive species such as ions and radicals generated in plasma according to reaction conditions. The present invention is equipped with a discharge modulation means for controlling the energy distribution of ions incident on the object to be processed from the plasma, and an ion energy control means for controlling the energy distribution of ions incident on the workpiece from the plasma according to the processing reaction. The composition ratio and ion energy distribution can be controlled, and the plasma processing characteristics can be improved.
第１図は、マイクロ波を用いたプラズマ処理装
置の概略構成を示す図、第２図は、本発明による
プラズマ処理装置の一例での概略構成を示す図、
第３図は、本発明に係るAM変調されたマグネト
ロン出力波形を示す図、第４図は、本発明による
プラズマ処理装置の他の態様での構成を示す図、
第５図は、その構成におけるグリツド電極に印加
される電圧の一例での波形を示す図である。
９……処理室、１０……ステージ、１１……導
波管、１２……マグネトロン、１３……コントロ
ール電源、１４……（マグネトロン）駆動電源、
１５……マグネツト、２０……高周波増幅器、２
１，２４……信号発生器、２３……パワー増幅
器。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a plasma processing apparatus using microwaves, FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a plasma processing apparatus according to the present invention,
FIG. 3 is a diagram showing an AM-modulated magnetron output waveform according to the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the plasma processing apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a waveform of an example of the voltage applied to the grid electrode in this configuration. 9... Processing chamber, 10... Stage, 11... Waveguide, 12... Magnetron, 13... Control power supply, 14... (Magnetron) drive power supply,
15...Magnet, 20...High frequency amplifier, 2
1, 24...signal generator, 23...power amplifier.
Claims (1)
力を印加してプラズマを発生させるマイクロ波プ
ラズマ発生手段と、前記マイクロ波電力を周期的
に変調させて前記プラズマ中の電子温度の分布お
よび前記プラズマ中に発生するイオンやラジカル
などの反応種の発生比率を制御する放電変調手段
と、前記プラズマ中から被処理物に入射する前記
イオンを加速するための電圧を印加するイオン加
速手段と、前記電圧を周期的に変化させることに
より前記イオンの加速エネルギを制御するイオン
エネルギ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 前記マイクロ波プラズマ発生手段は、磁場に
よる電子サイクロトロン共鳴を発生すべく磁場発
生手段を有することを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載のプラズマ処理装置。 ３ 前記イオンエネルギ制御手段は、印加電圧変
調手段によつて構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。 ４ 前記イオン加速手段は、前記被処理物を載置
するステージであることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のプラズマ処理装置。 ５ 前記イオン加速手段は、前記被処理基板の上
方に設けられたグリツド電極であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理装
置。 ６ 前記グリツド電極に印加する電圧は、交流成
分重畳直流電圧であることを特徴とする特許請求
の範囲第５項記載のプラズマ処理装置。[Scope of Claims] 1. Microwave plasma generation means for generating plasma by applying microwave power to a processing gas introduced into a processing chamber, and controlling the electron temperature in the plasma by periodically modulating the microwave power. discharge modulation means for controlling the distribution of ions and the generation ratio of reactive species such as ions and radicals generated in the plasma; and ion acceleration for applying a voltage for accelerating the ions entering the object from the plasma. and ion energy control means for controlling the acceleration energy of the ions by periodically changing the voltage. 2. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the microwave plasma generating means includes a magnetic field generating means for generating electron cyclotron resonance due to a magnetic field. 3. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the ion energy control means is constituted by applied voltage modulation means. 4. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the ion accelerating means is a stage on which the object to be processed is placed. 5. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the ion accelerating means is a grid electrode provided above the substrate to be processed. 6. The plasma processing apparatus according to claim 5, wherein the voltage applied to the grid electrode is a DC voltage with an AC component superimposed.
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1984
- 1984-06-29 JP JP13311784A patent/JPS6113625A/en active Granted
Patent Citations (1)
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