JPH06112138A

JPH06112138A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH06112138A
Application number: JP4262091A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Katayama; 克生片山; Kyoichi Komachi; 恭一小町
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【構成】マイクロ波発振器２３と、マイクロ波を伝送
する導波管２２と、導波管２２に接続された誘電体線路
２１と、誘電体線路２１に対向配置されたマイクロ波導
入窓１４を有する反応器１１と、反応器１１内に設けら
れた試料保持部１５ａとを備えたマイクロ波プラズマ処
理装置において、試料保持部１５ａに高周波電界または
直流電界を印加する手段１８を備え、試料保持部１５ａ
の周辺部にアースされた電極手段３１が配設されている
マイクロ波プラズマ処理装置。【効果】マイクロ波によって反応室１３内で生成され
たプラズマのプラズマポテンシャルが安定し、前記試料
Ｓ表面において安定したバイアス電圧を発生させること
ができ、プラズマ中のイオンエネルギーの適正化を図る
ことができ、安定したプラズマ処理を行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波プラズマ処理
装置に関し、より詳細には例えば半導体素子基板等のエ
ッチング装置、薄膜形成処理装置等として用いられるマ
イクロ波プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空近くに減圧した容器内に反応ガスと
マイクロ波を導入し、ガス放電を起こさせてプラズマを
生成させ、このプラズマを基板表面に照射してエッチン
グや薄膜形成等の処理を行なわせるマイクロ波プラズマ
処理装置は、高集積半導体素子等の製造において欠くこ
とができないものとなってきている。その中でも特に、
プラズマの生成とプラズマ中のイオンの加速とがそれぞ
れ独立して制御可能なマイクロ波プラズマ処理装置は、
ドライエッチング技術や薄膜形成における埋め込み技術
にとって不可欠のものになってきており、その研究開発
が進められている。

【０００３】図５は、プラズマの生成とプラズマ中のイ
オンの加速とをそれぞれ独立して制御することを目的と
し、本出願人が特願平３−３３１２６９号において提案
しているマイクロ波プラズマエッチング装置を模式的に
示した断面図であり、図中１１は中空直方体形状の反応
器を示している。この反応器１１はステンレス等の金属
により形成され、その周囲壁は二重構造となっており、
その内部には冷却水通路１２が形成され、冷却水通路１
２に流れる冷却水は冷却水導入口１２ａより供給され、
冷却水排出口１２ｂより排出されるようになっている。
冷却水通路１２の内側には反応室１３が形成されてお
り、また反応器１１の上部はマイクロ波の透過性を有
し、誘電損失が小さく、かつ耐熱性を有する石英ガラ
ス、パイレックスガラス、アルミナセラミックス等の誘
電体板を用いて形成されたマイクロ波導入窓１４によっ
て気密状態に封止されている。反応室１３内におけるマ
イクロ波導入窓１４と対向する箇所には試料Ｓを保持す
るための試料保持部１５ａとこれを載置する試料台１５
とが配設されており、試料保持部１５ａには、試料Ｓ表
面にバイアス電圧を発生させるための高周波電源１８が
接続され、また試料Ｓを保持するために静電チャック等
の吸着機構（図示せず）が配設されるとともに、試料Ｓ
を冷却するために冷媒等を循環させる冷却機構（図示せ
ず）が配設されている。反応器１１の下部壁には図示し
ない排気装置に接続された排気口１６が形成されてお
り、また反応器１１の一側壁には反応室１３内に所要の
反応ガスを供給するためのガス供給管１７が接続されて
いる。

【０００４】一方、反応器１１の上方には誘電体線路２
１が配設されており、誘電体線路２１の上部にはアルミ
ニウム（Ａｌ）等を用いて形成された金属板２１ａが配
設され、また誘電体線路２１の終端は金属製の反射板２
１ｂで封止され、金属板２１ａ下面には誘電体層２１ｃ
が貼着されている。この誘電体層２１ｃは誘電損失の小
さいフッ素樹脂、ポリエチレンあるいはポリスチレン等
を用いて形成されている。誘電体線路２１には導波管２
２を介してマイクロ波発振器２３が連結されており、マ
イクロ波発振器２３からのマイクロ波が導波管２２を介
して誘電体線路２１に導入されるようになっている。

【０００５】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用いて例えば試料保持部１５ａ上に載置され
た試料Ｓ表面にエッチング処理を施す場合、まず排気口
１６から排気を行なって反応室１３内を所要の真空度に
設定した後、ガス供給管１７から反応室１３内に反応ガ
スを供給する。また冷却水を冷却水導入口１２ａから供
給し、冷却水排出口１２ｂから排出することによって冷
却水通路１２内に循環させる。次いで、マイクロ波発振
器２３においてマイクロ波を発振させ、このマイクロ波
を導波管２２を介して誘電体線路２１に導入する。する
と誘電体線路２１下方に電界が形成され、形成された電
界がマイクロ波導入窓１４を透過して反応室１３に供給
されてプラズマを生成させる。これと同時に高周波電源
１８を用いて試料保持部１５ａに高周波電界を印加し、
試料Ｓ表面にバイアス電圧を生じさせる。そしてこのバ
イアス電圧によりプラズマ中のイオンの方向性と加速エ
ネルギーとを制御しつつプラズマを試料Ｓ表面に当て、
試料Ｓ表面のエッチングを行なっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したマイクロ波プ
ラズマ処理装置においては、試料保持部１５ａに高周波
電界を印加した場合、アース電位となる反応器１１と試
料保持部１５ａとの間隔が大きく、かつこの間隔が場所
により一定していないことからプラズマから見たアース
電位が不明確となり、プラズマポテンシャル（プラズマ
電位）が不安定となり易い。このためプラズマが不安定
になり易く、試料Ｓ表面において安定したバイアス電圧
が生じ難く、したがってプラズマ中のイオンの方向性と
加速エネルギとを十分に制御することが難しいという課
題があった。

【０００７】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、試料保持部に高周波電界を印加した際におけ
るプラズマポテンシャルを安定させ、試料Ｓ表面に安定
したバイアス電圧を生じさせることができ、プラズマ中
のイオンエネルギーを適正化し、かつ試料表面に対して
イオンを垂直に照射することができるマイクロ波プラズ
マ処理装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、マイク
ロ波発振器と、マイクロ波を伝送する導波管と、該導波
管に接続された誘電体線路と、該誘電体線路に対向配置
されたマイクロ波導入窓を有する反応器と、該反応器内
に設けられた試料保持部とを備えたマイクロ波プラズマ
処理装置において、前記試料保持部に高周波電界または
直流電界を印加する手段を備え、前記試料保持部の周辺
部にアースされた電極手段が配設されていることを特徴
としている。

【０００９】また上記マイクロ波プラズマ処理装置にお
いて、アースされた電極手段と試料保持部との間に絶縁
体もしくは誘電体が介装されていることを特徴としてい
る。

【００１０】

【作用】一般にプラズマ領域内においてカソード電極に
対向してアノード電極を配設した場合、高周波電界もし
くは直流電界の印加によってカソード電極に発生するバ
イアス電圧（Ｖ_c ）については下記の数１の関係が成立
することが知られている。

【００１１】

【数１】

【００１２】したがって、バイアス電圧はカソード電極
の面積及びアノード電極の面積の影響を受けるととも
に、この電極面積はプラズマに接触している面積である
ため、プラズマの生成状況及び電極の配置の影響も強く
受けることになる。

【００１３】図５に示した装置においては、マイクロ波
によって発生するプラズマはマイクロ波導入窓１４と試
料保持部１５ａとの間で多く生成される。一方、試料保
持部１５ａに高周波電界または直流電界を印加した場
合、対向電極の役割を有するアースされている反応室１
３の壁はプラズマの主要生成箇所から離れた周辺部に配
設されている。そのため、反応室１３の壁とプラズマと
の接触が十分でない場合があり、このときにはプラズマ
による試料Ｓへのバイアス電位が安定しない場合が生じ
る。

【００１４】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置
によれば、前記試料保持部に高周波電界または直流電界
を印加する手段を備え、前記試料保持部の周辺部にアー
スされた電極手段が配設されているので、上記したカソ
ード及びアノードに相当する前記試料保持部及び前記ア
ースされた電極手段とプラズマとの接触面積が安定化す
る。このため、マイクロ波によって反応室内で生成され
たプラズマのプラズマポテンシャルが安定し、前記試料
Ｓ表面において安定したバイアス電圧が発生することと
なり、プラズマ中のイオンエネルギーの適正化が容易に
行なわれ、安定したプラズマ処理を行い得ることとな
る。

【００１５】また上記マイクロ波プラズマ処理装置にお
いて、アースされた電極手段と試料保持部との間に絶縁
体もしくは誘電体が介装されている場合には、前記アー
スされた電極手段と前記試料保持部との間に生じるおそ
れのある異常放電が確実に抑制される。このため、マイ
クロ波によって反応室内で生成されたプラズマのプラズ
マポテンシャルがより一層安定し、前記試料Ｓ表面にお
いてより一層安定したバイアス電圧が発生することとな
り、プラズマ中のイオンエネルギーの適正化が容易に行
なわれ、より一層安定したプラズマ処理が行ない得るこ
ととなる。

【００１６】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るマイクロ波プ
ラズマ処理装置の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、従来例と同一機能を有する構成部品には同一の符号
を付すこととする。図１は実施例に係るマイクロ波プラ
ズマ処理装置を模式的に示した断面図であり、図中１１
は中空直方体形状の反応器を示している。従来例のもの
と同様、反応器１１はステンレス等の金属により形成さ
れ、その周囲壁は二重構造となっており、その内部には
冷却水通路１２が形成され、冷却水通路１２に流れる冷
却水は冷却水導入口１２ａより供給され、冷却水排出口
１２ｂより排出されるようになっている。冷却水通路１
２の内側には反応室１３が形成されており、また反応器
１１の上部はマイクロ波の透過性を有し、誘電損失が小
さく、かつ耐熱性を有する石英ガラス、パイレックスガ
ラス、アルミナセラミックス等の誘電体板を用いて形成
されたマイクロ波導入窓１４によって気密状態に封止さ
れている。また、反応室１３内におけるマイクロ波導入
窓１４と対向する箇所には試料Ｓを保持するための試料
保持部１５ａとこれを載置する試料台１５とが配設され
ている。試料台１５は金属によって形成され、この表面
には酸化膜あるいはテフロン等により絶縁コーティング
が施されており、試料台１５には上下方向に昇降が可能
なように駆動装置（図示せず）が接続されている。試料
保持部１５ａには、試料Ｓ表面にバイアス電圧を発生さ
せるための高周波電源１８が接続され、また試料Ｓを保
持するための静電チャック等による吸着機構（図示せ
ず）と試料Ｓを冷却するための冷媒等を循環させる冷却
機構（図示せず）とが配設されている。試料保持部１５
ａの周辺部には環状（ドーナツ状）に形成されたＡｌ製
のアースされた電極手段３１が配設され、電極手段３１
には導線３２が接続され、反応器１１の下部壁を介して
接地されている。試料保持部１５ａ外周部とアースされ
た電極手段３１内周部との間隔ｄはマイクロ波によるプ
ラズマ放電を行なった際、両部品間に異常放電を起こさ
せない距離に設定されている。すなわち試料保持部１５
ａ外周部とアースされた電極手段３１内周部との間隔ｄ
は反応ガスの圧力、プラズマ密度（マイクロ波電力）、
試料保持部１５ａへ印加する高周波電界の電力量等の因
子に基づいて設定されている。反応器１１の下部壁には
図示しない排気装置に接続された排気口１６が形成され
ており、また反応器１１の一側壁には反応室１３内に所
要の反応ガスを供給するためのガス供給管１７が接続さ
れている。

【００１７】一方、反応器１１の上方には誘電体線路２
１が配設されており、誘電体線路２１の上部はＡｌ等の
金属板２１ａが配設され、また誘電体線路２１の終端は
金属製の反射板２１ｂで封止され、金属板２１ａ下面に
は誘電体層２１ｃが貼着されている。この誘電体層２１
ｃは例えば誘電損失の小さいフッ素樹脂、ポリエチレン
あるいはポリスチレン等を用いて形成されている。誘電
体線路２１には導波管２２を介してマイクロ波発振器２
３が連結されており、マイクロ波発振器２３から発生し
たマイクロ波が導波管２２を介して誘電体線路２１に導
入されるようになっている。

【００１８】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用いて例えば試料保持部１５ａ上に載置され
た試料Ｓ表面にエッチング処理を施す場合、まず試料台
１５に載置された試料Ｓの位置が所定の高さになるよう
に前記駆動装置を用いて調整した後、排気口１６から排
気を行なって反応室１３内を所要の真空度に設定し、そ
の後にガス供給管１７から反応室１３内に反応ガスを供
給する。また冷却水を冷却水導入口１２ａから供給し、
冷却水排出口１２ｂから排出することによって冷却水通
路１２内に循環させる。次いで、高周波電源１８を用い
て試料保持部１５ａに高周波電界を印加し、アースされ
た電極手段３１によって試料Ｓ表面に安定したバイアス
電圧を生じさせる。これと同時にマイクロ波発振器２３
においてマイクロ波を発振させ、このマイクロ波を導波
管２２を介して誘電体線路２１に導入する。すると誘電
体線路２１下方に電界が形成され、形成された電界がマ
イクロ波導入窓１４を透過して反応室１３内においてプ
ラズマを生成させる。そしてこの安定したバイアス電圧
によってプラズマ中のイオンを試料Ｓ表面に対して垂直
に照射させるとともにその加速エネルギーを制御しなが
らエッチングを行なう。

【００１９】図２は別の実施例に係るマイクロ波プラズ
マ処理装置を模式的に示した断面図であり、図１で示し
た装置におけるアースされた電極手段３１と試料保持部
１５ａとの間に、異常放電を抑制するためのアルミナあ
るいは石英を用いて形成された絶縁体３４が介装されて
おり、その他の構成は図１に示した装置の場合と同様に
構成されている。

【００２０】また、図３はさらに別の実施例に係るマイ
クロ波プラズマ処理装置を模式的に示した断面図であ
り、試料台１５の上面周辺部に薄く環状（ドーナツ状）
に形成されたＡｌ製のアースされた電極手段３５が配設
され、アースされた電極手段３５には導線３２が接続さ
れ、反応器１１の下部壁を介して接地されている。試料
保持部１５ａ外周部とアースされた電極手段３５内周部
との間隔ｄはマイクロ波によるプラズマ放電を行なった
際、両部品間に異常放電を起こさせない距離に設定され
ている。すなわち試料保持部１５ａ外周部とアースされ
た電極手段３５内周部との間隔ｄは反応ガスの圧力、プ
ラズマ密度（マイクロ波電力）、試料保持部１５ａへ印
加する高周波電界の電力量等の因子に基づいて設定され
ている。その他の構成は図１に示した装置の場合と同様
に構成されており、詳細な説明は省略する。

【００２１】また、図４はさらに別の実施例に係るマイ
クロ波プラズマ処理装置を模式的に示した断面図であ
り、図３で示した装置におけるアースされた電極手段３
５と試料保持部１５ａとの間に、異常放電を抑制するた
めの石英を用いて形成された絶縁体３６が介装されてお
り、その他の構成は図３に示した装置の場合と同様に構
成されている。

【００２２】以下に、図４に示した装置を用いてシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）のエッチングを行った結果につ
いて説明する。この場合、試料Ｓとしては 8インチのシ
リコンウエハ上に 1μm の厚さのＳｉＯ₂ 膜が形成され
たものを使用し、放電用ガスとしてはＣＦ₄ を略30scc
m、ＣＨＦ₃ を略30sccm及びＡｒを略100sccm 供給し、
反応室１３内のガス圧力を 30mTorrに設定した。またマ
イクロ波は周波数が2.45GHz のものを用い、1kW の電力
によりプラズマを発生させた。さらに試料保持部１５ａ
には周波数が400kHzの高周波を600Wの電力で供給した。

【００２３】その結果は、ＳｉＯ₂ 膜の平均エッチレー
トが400nm/min 、8 インチのシリコンウエハにおけるエ
ッチレートの均一性が±5%であった。なお、比較例とし
てアースされた電極手段３５及び異常放電防止手段３６
が配設されていない装置を用いて同様の条件で実験を行
なった場合、ＳｉＯ₂ 膜の平均エッチレートは300nm/mi
n であり、またプラズマが不安定化してエッチレートが
低下する場合が見られた。

【００２４】この結果から明らかなように、本実施例に
係るマイクロ波プラズマ処理装置では、試料保持部１５
ａに高周波電界または直流電界を印加する手段１８を備
え、試料保持部１５ａの周辺部にアースされた電極手段
３５が配設され、アースされた電極手段３５と試料保持
部１５ａとの間に絶縁体３６が介装されているので、ア
ースされた電極手段３５と試料保持部１５ａとの間に生
じるおそれのある異常放電を抑制することができる。こ
のため、マイクロ波によって反応室１３内で生成された
プラズマのプラズマポテンシャルを安定させ、試料Ｓ表
面において安定したバイアス電圧を発生させることがで
きる。したがってプラズマ中のイオンエネルギーの適正
化が容易に行なえ、かつ試料Ｓ表面に対してイオンを垂
直に照射することができ、したがってシリコンウエハを
異方性を有して大きいエッチレートにより、しかも均一
にエッチングすることができる。

【００２５】なお、上記実施例においては図４に示した
装置を用いてエッチングを行った結果について説明した
が、図１、図２、図３に示した装置の場合についても上
記実施例の場合と同様の方法によって略同様の効果を得
ることができる。また、上記各実施例においては試料保
持部１５ａに高周波電源１８が接続されているが、別の
実施例では直流電源を用いてもよい。

【００２６】また、上記実施例におけるアースされた電
極手段３１、３５にはＡｌが使用されているが、導電性
材料であれば何らこれに限定されるものではなく、例え
ばＳｉ、Ｃ等についても同様に使用することができる。
また、上記実施例におけるアースされた電極手段３１、
３５の表面に凹凸を形成してもよく、これによってプラ
ズマ領域におけるアースされた電極手段３１、３５の露
出面積を拡大することができる。

【００２７】また、上記実施例においてはアースされた
電極手段３１あるいはアースされた電極手段３５との間
に絶縁体３４あるいは絶縁体３６が介装されている場合
を示したが、別の実施例では絶縁体３４あるいは絶縁体
３６に代えて誘電体が使用されてもよい。

【００２８】また、上記各実施例においてはエッチング
装置に適用した構成について説明したが、何らこれに限
定されるものではなく、例えば薄膜形成装置等にも本発
明を同様に適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るマイク
ロ波プラズマ処理装置にあっては、前記試料保持部に高
周波電界または直流電界を印加する手段を備え、前記試
料保持部の周辺部にアースされた電極手段が配設されて
いるので、上記したカソード及びアノードに相当する前
記試料保持部及び前記アースされた電極手段とプラズマ
との接触面積が安定する。このため、マイクロ波によっ
て反応室内で生成されたプラズマのプラズマポテンシャ
ルが安定し、前記試料Ｓ表面において安定したバイアス
電圧を発生させることができ、プラズマ中のイオンエネ
ルギーの適正化を図ることができ、安定したプラズマ処
理を行うことができる。

【００３０】また上記マイクロ波プラズマ処理装置にお
いて、アースされた電極手段と試料保持部との間に絶縁
体もしくは誘電体が介装されている場合には、前記アー
スされた電極手段と前記試料保持部との間に生じるおそ
れのある異常放電を確実に抑制することができる。この
ため、マイクロ波によって反応室内で生成されたプラズ
マのプラズマポテンシャルがより一層安定し、前記試料
Ｓ表面においてより一層安定したバイアス電圧を発生さ
せることができ、プラズマ中のイオンエネルギーの適正
化を容易に図ることができ、より一層安定したプラズマ
処理を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の一
実施例を模式的に示した断面図である。

【図２】別の実施例に係るマイクロ波プラズマ処理装置
を模式的に示した断面図である。

【図３】さらに別の実施例に係るマイクロ波プラズマ処
理装置を模式的に示した断面図である。

【図４】さらに別の実施例に係るマイクロ波プラズマ処
理装置を模式的に示した断面図である。

【図５】従来のマイクロ波プラズマエッチング装置を模
式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１１反応器１４マイクロ波導入窓１５ａ試料保持部２１誘電体線路２２導波管２３マイクロ波発振器３１アースされた電極手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発振器と、マイクロ波を伝送
する導波管と、該導波管に接続された誘電体線路と、該
誘電体線路に対向配置されたマイクロ波導入窓を有する
反応器と、該反応器内に設けられた試料保持部とを備え
たマイクロ波プラズマ処理装置において、前記試料保持
部に高周波電界または直流電界を印加する手段を備え、
前記試料保持部の周辺部にアースされた電極手段が配設
されていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
置。
【請求項２】アースされた電極手段と試料保持部との
間に絶縁体もしくは誘電体が介装されていることを特徴
とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。