JPH06338476A

JPH06338476A - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JPH06338476A
Application number: JP5346196A
Authority: JP
Inventors: Izumi Arai; 泉新井; Hiroshi Nishikawa; 浩西川; Yoshifumi Tawara; 好文田原; Yoshinobu Mitano; 好伸三田野
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1994-12-06

Abstract

(57)【要約】【目的】処理室内のプラズマ雰囲気下で半導体ウエハ
に対してエッチング処理を施す場合に、半導体ウエハの
チャージアップを防止するとともに、エッチングレート
を向上させる。【構成】基本波を発生する発振器Ｇ₁と、その周波数
の整数倍波を発生する発振器Ｇ₂〜Ｇ_nと、さらに各発振
器Ｇ₁〜Ｇ_nに対応する可変減衰器Ａ₁〜Ａ_nを用いて、こ
れらの出力波形を合成させて周波数変調を行い、下部電
極であるサセプタ５５に印加させる。出力波形によっ
て、プラズマ解離段階の進行を制御して過剰な入射イオ
ンの生成を防止し、さらに入射イオンの加速の制御も行
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えばマグネトロンＲＩＥ装
置においては、気密に構成された処理室内に高周波電力
の印加によるプラズマを発生させ、このプラズマ雰囲気
中で当該処理室内の被処理体、例えば半導体ウエハなど
に対してエッチング処理を施す場合、プラズマ密度を高
めてエッチングレートを向上させるため、その多くは例
えば周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、交流電
源によって印加するようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、そのように
単一の周波数の高周波電力を印加していると、例えば上
記マグネトロンＲＩＥ装置においては、上記半導体ウエ
ハの表面に、移動度の高い電子によって偏った帯電が発
生して電位の傾斜が生じ、その結果チャージアップによ
るデバイス破壊につながるおそれがあった。

【０００４】そこでそのようなチャージアップを防止す
るための何らかの手段が必要となってくるが、その際留
意しなければならないのは、エッチングレートを低下さ
せずに当該チャージアップを防止しなければならないと
いうことである。

【０００５】本発明はそのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、プラズマ密度を低下させずに上記のよう
なチャージアップを防止する新しいプラズマ処理方法を
提供することを第１の目的とする。

【０００６】ところで例えば前記したようなマグネトロ
ンＲＩＥ装置やＥＣＲプラズマ装置など、高密度のプラ
ズマを利用したプラズマ処理装置において、前述の如く
単一の周波数の高周波電力を印加していると、さらに別
な問題が生ずる。例えば被処理体である半導体ウエハに
対して、処理ガスとしてＣＦ₄ガスを用いて、基板のＳ
ｉに対する酸化膜のエッチングを行う場合、前記した高
密度プラズマではプラズマに吸収されるエネルギーが高
いため、ガス分子の解離が大きく進んでしまい、ＣＦ₄
の場合では最終段階の解離まで進んでしまって、ラジカ
ル成分はそのほとんどがＦ^*（フッ素ラジカル）となっ
てしまう。

【０００７】そのため、保護ポリマーのエッチング耐性
が大幅に低下してしまい、その結果選択比が低下してし
まうという問題があった。また最終段階の解離まで進ん
でしまうと、多量のＣが発生してしまい、それがウエハ
表面にデポジションしてエッチング自体が停止させられ
てしまうという問題も生じていた。そして単一の正弦波
形を有する交流高周波電力では、そのような解離の制御
は難しい。

【０００８】本発明は、このような点にも鑑みてなされ
たものであり、例えば高周波電力によって処理室内にプ
ラズマを発生させ、当該処理室内の被処理体に対して前
記プラズマ雰囲気の下で処理を施す方法において、前記
高周波電力に対して、変調を加えることにより、例えば
エッチングなどにおける選択比を向上させることを第２
の目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】叙上の如く、半導体ウエ
ハなどの被処理体に発生するチャージアップは、高周波
電力の印加によって、移動度の高い電子のみが移動して
帯電することに原因がある。そこで発明者らは、そのよ
うに帯電する電子を処理室内のイオンによって中和させ
ることとし、そのようなイオンを被処理体上まで移動さ
せるため、低周波電力を印加させるという手法を採っ
た。

【００１０】但し、高周波電力に代えて単に低周波電力
を印加するだけでは、プラズマ密度が低下してエッチン
グレートも低下してしまい、実用上問題がある。したが
って本発明では、エッチングレートを低下させないよう
に、高周波電力に対して部分的に低周波電力による変調
を加えて上記問題の解決を図るものである。

【００１１】具体的な構成についていうと、請求項１に
おいては、高周波電力によって処理室内にプラズマを発
生させ、当該処理室内の被処理体に対して処理を施す方
法において、前記高周波電力に低周波電力による周波数
変調を加えたことを特徴とする、プラズマ処理方法を提
供する。この場合、請求項２に記載したように振幅変調
によって低周波電力を加えるようにしてもよい。

【００１２】なお本発明において高周波電力とは、プラ
ズマの解離効率のよい周波数が１０ＭＨｚ以上のものを
いい、また低周波電力は便宜上、周波数が当該１０ＭＨ
ｚを超えないものをいうが、前記請求項１、２における
変調によって加えられる低周波電力の周波数は、３ＭＨ
ｚ以下、とりわけその中でも、２ＭＨｚ以下のものが好
ましい。

【００１３】また前記した第２の目的達成のため、請求
項３によれば、電流方向が経時変化する電力を用いて処
理室内にプラズマを発生させ、当該処理室内の被処理体
に対して前記プラズマ雰囲気の下で処理を施す方法にお
いて、基本周波数を有する電力に、当該基本周波数のｎ
倍（ｎ＝整数）の周波数によって周波数変調を加えるこ
とを特徴とする、プラズマ処理方法が提供される。

【００１４】さらに請求項４によれば、電流方向が経時
変化する電力を用いて処理室内にプラズマを発生させ、
当該処理室内の被処理体に対して前記プラズマ雰囲気の
下で処理を施す方法において、基本周波数を有する電力
に、当該基本周波数のｎ倍（ｎ＝整数）でかつ相互に異
なった複数の周波数によって、周波数変調を加えること
を特徴とする、プラズマ処理方法が提供される。

【００１５】これらの各プラズマ処理方法において、請
求項５に記載したように、前記処理室内に導入された反
応ガスが、発生したプラズマによって最終段階の解離を
起こさないように、前記周波数変調を制御するように構
成してもよい。

【００１６】さらに請求項６では、高周波電力によって
処理室内にプラズマを発生させ、当該処理室内の被処理
体に対して前記プラズマ雰囲気の下で処理を施す方法に
おいて、周波数信号を周期単位に分割して、周波数変調
を加えることを特徴とする、プラズマ処理方法が提供さ
れる。

【００１７】また請求項７によれば、高周波電力によっ
て処理室内にプラズマを発生させ、当該処理室内の被処
理体に対して前記プラズマ雰囲気の下で処理を施す方法
において、前記高周波電力に対して振幅変調を加え、そ
の結果得られたエンベロープと呼ばれる、変調された波
形の頂点を結んで得られた搬送波形の立ち上がり部と立
ち下がり部の時間がそれぞれ１０μｓｅｃ．（秒）以下
となるようにしたことを特徴とする、プラズマ処理方法
が提供される。

【００１８】

【作用】プラズマ中のイオンと電子の移動は交流電界の
変化に伴って行われている。したがって質量の大きいイ
オンが追随可能な低周波電力を、プラズマの解離効率の
よい高周波電力に部分的に加えて変調させれば、プラズ
マ密度を低下させることなく、イオンの移動によってウ
エハなどの被処理体上のチャージをキャンセル（中和）
できる。

【００１９】請求項１に記載した周波数変調の場合に
は、時間によって高周波電力と低周波電力による作用が
独立して得られ、例えば高周波電力が印加されている間
はエッチングが促進され、低周波電力による変調が加え
られたときには、それまでに発生していた解離状態を消
滅させることなく、イオンが移動して被処理体上の電子
と中和し、その結果チャージがキャンセルされる。

【００２０】一方請求項２に記載した振幅変調の場合に
は、高周波電力と低周波電力が重なった状態で印加され
るが、変調を加える前のプラズマ状態をそのまま維持し
つつ、同時に低周波による上記の中和作用が得られる。

【００２１】また請求項１、２において夫々前記のよう
な変調を加えるタイミングは、被処理体に発生するチャ
ージアップ電圧の値に基づいて判断すればよい。

【００２２】ところで、発生したプラズマ中のイオンの
運動、とりわけエッチングなどの処理に直接影響する被
処理体への入射は、エネルギー源である電気信号の波形
によってその態様が異なっている。例えば従前の正弦波
によれば、加速度が一定ではなく、そのため既述の如
く、処理室内に導入された処理ガス分子の解離段階の制
御は難しい。

【００２３】この点、例えば所定間隔をおいて一定時
間、一定の出力が得られるパルス波はその波形における
平坦部では解離が進まないので、例えばパルス幅を調節
することによって解離段階を調節することが可能であ
り、また立ち下がり部の傾斜が一定な、ソウトゥース波
（鋸歯状波）やトライアングル波（三角波）、ラムプ波
（傾斜波）は加速度が一定であるため、エッチャントイ
オンのイオンボンバードメント（イオン衝撃）を大きく
することができ、結果的にエッチングレートを向上させ
ることが可能である。

【００２４】かかるような背景の下、請求項３によれ
ば、電流方向が経時変化する電力を用いて処理室内にプ
ラズマを発生させ、当該処理室内の被処理体に対して前
記プラズマ雰囲気の下で処理を施す方法において、例え
ば３８０ｋＨｚを始めとする任意の基本周波数を有する
電力に、当該基本周波数のｎ倍（ｎ＝自然数）の周波数
によって周波数変調を加えるので、単なる単一の正弦波
とは異なった波形を有するプラズマ発生用の電力を得る
ことができる。従って、当該波形に基づいてエッチャン
トイオンのイオンボンバードを制御することが可能とな
る。

【００２５】この点請求項４によれば、前記基本周波数
のｎ倍（ｎ＝整数）を有し、かつ相互に異なった複数の
周波数によって周波数変調を加えるので、前記したパル
ス波を始めとして、ソウトゥース波（鋸歯状波）やトラ
イアングル波（三角波）、ラムプ波（傾斜波）を容易に
創出させることができる。

【００２６】また請求項５では、これら請求項３、４の
プラズマ処理方法において、より具体的に処理室内に導
入された反応ガスが最終段階の解離を起こさないよう
に、周波数変調の制御を行うようにしたので、過剰なエ
ッチャントイオンを生成することはなく、選択比を向上
させることができる。

【００２７】さらに請求項６では、周波数信号を周期単
位に分割して、周波数変調を加えようにしているので、
周波数の高い部分で処理室内に導入された処理ガス分子
の解離を促進させたり、あるいは周波数の低い部分でイ
オンボンバードメントを大きくすることができることに
なる。しかもかかる場合、周波数信号を周期単位、例え
ば半周期、１周期、数周期ないしは数周期毎に分割して
周波数変調を加えるので、精緻な、精度の高い制御が可
能となる。

【００２８】また請求項７によれば、高周波電力に対し
て振幅変調を加え、その結果得られたエンベロープにお
ける立ち上がり部と立ち下がり部の時間が１０μｓｅ
ｃ．（秒）以下となるよう構成されているので、例えば
エッチング処理において、エッチング反応に直接関わる
ガス分子の解離反応時間よりも短く、これらの部分で前
記ガス分子の解離を進めることはない。従って、これら
立ち上がり部と立ち下がり部を除いた残りの部分によっ
て解離の制御を行うことができるので、制御しやすいも
のとなっている。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
すると、図１は第１の実施例を実施する場合に使用した
マグネトロンＲＩＥ装置１の構成を模式的に示してお
り、このマグネトロンＲＩＥ装置１は、アルミ等の材質
で構成され電気的に接地された気密容器である処理室２
を有している。

【００３０】前記処理室２内の底部に設けられた排気口
３には、真空ポンプなどの排気手段４に通ずる排気管５
が接続されており、この排気手段４によって前記処理室
２内はその底部周辺部から均等に真空引きして、所定の
減圧雰囲気、例えば数ｍＴｏｒｒ〜数十Ｔｏｒｒの範囲
の間の任意の値に、設定維持が可能なように構成されて
いる。

【００３１】前記処理室２内の底部中央には、セラミッ
ク等の絶縁板６を介してサセプタ支持台７が設けられ、
さらにこのサセプタ支持台７の上面には、アルミ等の材
質からなり下部電極を構成するサセプタ８が設けられて
いる。前記サセプタ支持台７の内部には冷媒室９が形成
されており、この冷媒室９内には、上記処理室２の底部
に設けられた冷媒導入管１０から導入されかつ冷媒排出
管１１から排出される温調冷媒が循環するように構成さ
れ、上記サセプタ８を所望の温度に制御するようになっ
ている。

【００３２】上記処理室２の外部には、高周波電源２１
と低周波電源２２が設けられている。この高周波電源２
１は、例えば１３．５６ＭＨｚなど周波数が１０ＭＨｚ
以上の高周波電力を出力するように構成されており、ま
た一方上記低周波電源２２は、例えば２ＭＨｚなど、周
波数が１００ｋＨｚ〜３ＭＨｚの相対的に低周波の電力
を出力するように構成されている。そして上記各高周波
電源２１と低周波電源２２からの電力は、一旦変調装置
２３に入力され、この変調装置２３の作動によって周波
数変調自在となるように構成され、その後ブロッキング
コンデンサ２４を介して上記サセプタ８に印加されるよ
うに構成されている。

【００３３】上記各高周波電源２１、低周波電源２２並
びに変調装置２３は、コントローラ２５によって制御さ
れるように構成され、このコントローラ２５では、例え
ば常態では高周波電源２１からの高周波電力のみを上記
サセプタ８に印加するように制御し、一定時間毎に低周
波電源２２からの低周波電力を上記高周波電源２１から
の高周波電力に所定時間加えて、周波数変調するように
構成されている。

【００３４】上記サセプタ８の上面には、被処理体であ
る半導体ウエハＷが直接載置されて吸引保持される、静
電チャック３１が設けられている。この静電チャック３
１は、例えば電界箔銅からなる導電層３２を上下両側か
らポリイミド・フィルム等の絶縁体で挟んで接着した構
成を有しており、上記処理室２外部に設けられている高
圧直流電源３３によって直流電圧が上記導電層３２に印
加されると、クーロン力によって上記半導体ウエハＷは
上記静電チャック３１に吸引保持されるようになってい
る。

【００３５】一方上記処理室２内の上部には、接地線４
１を介して電気的に接地されている上部電極４２が設け
られている。この上部電極４２は、例えばアモルファス
・カーボンやＳｉＣ表面処理されたアルミなどからなる
中空構造になっており、さらにこの上部電極４２におけ
る上記半導体ウエハＷとの対向面には多数のガス拡散孔
４３が設けられている。そして上部電極４２の上部中心
には、処理ガス導入管４４と通じているガス導入口４５
が設けられ、上記処理ガス導入管４４から供給されるエ
ッチングガスなどの処理ガスは、上記ガス導入口４５か
ら上記多数のガス拡散孔４３を介して、上記半導体ウエ
ハＷに向けて均等に吐出されるように構成されている。

【００３６】そして既述の上部電極４２の上面には、こ
れと近接して永久磁石４６が配置されている。この永久
磁石４６は、例えばモータなどの駆動機構（図示せず）
によって所望の回転速度で上記処理ガス導入管４４をそ
の回転中心軸として回転するように構成されており、前
出静電チャック３１上に載置される半導体ウエハＷに対
して、その表面にほぼ均一な平行磁界、例えば１０〜１
０００Ｇの範囲の間の任意の値の磁界を形成することが
可能になっている。

【００３７】本実施例を実施するために使用したマグネ
トロンＲＩＥ装置１は以上のように構成されており、こ
のマグネトロンＲＩＥ装置１によって半導体ウエハＷに
対してエッチングを行う場合について説明すると、まず
エッチング処理対象となる半導体ウエハＷは、このマグ
ネトロンＲＩＥ装置１にゲートバルブ（図示せず）を介
して設けられているロードロック室（図示せず）から処
理室２内に搬入され、静電チャック３１上に載置され
る。そして高圧直流電源３３の印加によって上記半導体
ウエハＷは、この静電チャック３１上に吸着保持され
る。

【００３８】その後処理室２内は排気手段４によって排
気されていき、また一方ガス導入口４５からエッチング
反応ガス、例えばＣＦ₄ガスが処理室２内に供給され、
処理室２内の圧力は例えば１０ｍＴｏｒｒに設定、維持
される。そして永久磁石４６を回転駆動させて上記半導
体ウエハＷ中心部付近で例えば１００Ｇの磁場を形成す
るように磁界がかけられる。

【００３９】一方コントローラ２５の指示により、まず
上記半導体ウエハＷに対して高周波電源２１から１３．
５６ＭＨｚの高周波電力がそのままサセプタ８に印加さ
れて、処理室２内にはプラズマが発生し、シース層で加
速された反応性イオンによる異方性エッチングが上記半
導体ウエハＷに対して行われる。

【００４０】ところでこのまま上記１３．５６ＭＨｚの
高周波によるエッチングを行っていると、図２に示した
ように、上記半導体ウエハＷ上には電位の傾斜が発生
し、そのまま上記１３．５６ＭＨｚの高周波電力による
印加を続けていくと、ついにはチャージアップによるデ
バイスの破壊が発生するおそれがある。

【００４１】そこでそのようなチャージアップを未然に
防止するため、上記コントローラ２５の指示によって、
低周波電源２２からの低周波、例えば２ＭＨｚの低周波
電力が変調装置２４によって上記高周波電源２１からの
１３．５６ＭＨｚの高周波電力に加えられて周波数変調
される。

【００４２】この場合、上記変調を加えるタイミング
は、例えば半導体ウエハＷ上における上記チャージ電圧
（図２におけるＥ）が１０Ｖ付近に達したとき、好まし
くは５Ｖのときに変調することが望ましい。一般的にこ
の種のチャージアップによるデバイス破壊は、１０Ｖ以
上になると発生する場合が多いからである。但し、この
電圧はデバイスの構造によって異なるのは言うまでもな
い。したがってそれ以前の段階で上記のような２ＭＨｚ
の低周波電力による変調を加えれば、イオンの移動によ
る中和が行われて、上記半導体ウエハＷ上にチャージは
キャンセルされ、チャージアップによる破壊は未然に防
止されるのである。

【００４３】なお、そのように半導体ウエハＷ上におけ
る上記チャージ電圧が１０Ｖや５Ｖに達した時点の判断
は、例えばダミーウエハを用いて同一条件でエッチング
した際の当該ダミーウエハ上のチャージ電圧を計測して
おき、そのように１０Ｖや５Ｖに達した時の時間をデー
タとして記録し、当該記録したデータを上記コントロー
ラ２５に記憶させ、それに基づいて変調させるようにし
てもよい。そして一定時間そのように変調した後は、再
び変調を停止して、上記高周波電源２１からの１３．５
６ＭＨｚの高周波電力の印加によってエッチングを継続
させればよい。これらの制御はコントローラ２５によっ
て行われる。

【００４４】以上のようにしてエッチング終了までに再
び上記チャージ電圧が１０Ｖや５Ｖに達した時に、再び
変調装置２３による変調を繰り返して行けばよい。この
ようにすることによって、被処理体である半導体ウエハ
Ｗのチャージアップによるデバイス破壊は防止される。
しかもチャージ電圧が１０Ｖに達した時のみ低周波電力
による変調が行われので、プラズマ密度を殆ど低下させ
ることはないので、エッチングレートが低下することは
ない。

【００４５】なお上記第１の実施例においては高周波電
源２１と低周波電源２２の２つの電源を使用していた
が、周波数変調の場合には、１の電源装置を使用して、
例えば上記コントローラ２５の制御によって、周波数を
適宜高周波と低周波に切り換えるようにしてもよい。

【００４６】なお上記第１の実施例における変調装置２
３は、周波数変調を行うように構成されていたが、これ
に限らず振幅変調を行う変調装置を用いて、振幅変調に
よる変調を行っても、上記と同様な効果が得られるもの
である。

【００４７】また上記第１の実施例で使用したプラズマ
処理装置は、マグネトロンＲＩＥ装置であったが、これ
に限らず本発明はプラズマ処理の際に被処理体上にチャ
ージアップのおそれが生ずるような各種のプラズマ装置
に対して適用可能である。

【００４８】次に第２の実施例について説明する。図３
は、第２の実施例を実施するために用いられたプラズマ
エッチング装置５１の断面を模式的に示しており、この
プラズマエッチング装置５１は、前出第１の実施例の際
に用いたマグネトロンＲＩＥ装置１とは異なり、所謂平
行平板型ＲＩＥ装置として構成されている。

【００４９】プラズマエッチング装置５１は前出マグネ
トロンＲＩＥ装置１と同様、例えば表面が酸化アルマイ
ト処理されたアルミニウムなどからなる円筒あるいは矩
形状に成形された処理室５２を有しており、この処理室
５２の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被
処理体、例えば半導体ウェハＷを載置するための略円柱
状のサセプタ支持台５４が収容され、さらにこのサセプ
タ支持台５４の上部には、下部電極を構成するサセプタ
５５が設けられている。

【００５０】上記サセプタ支持台５４の内部には、冷媒
室５６が設けられており、この冷媒室５６には例えば液
体窒素などの温度調節用の冷媒が冷媒導入管５７を介し
て導入可能であり、導入された例えば液体窒素などの冷
媒は同冷媒室５６内を循環し、その間生ずる冷熱は冷媒
室５６からサセプタ５５を介して半導体ウエハＷに対し
て伝熱し、半導体ウエハＷの処理面を所望する温度まで
冷却することが可能である。なお、例えば液体窒素を冷
媒として用いた場合、その核沸騰により生じた窒素ガス
は冷媒排出管５８より処理室５２外へ排出される。

【００５１】上記サセプタ５５は、上端中央部が凸状の
円板状に成形され、その中央には、前出マグネトロンＲ
ＩＥ装置１と同様、装置被処理体である半導体ウエハＷ
と略同形の静電チャック６１が設けられ、２枚の高分子
ポリイミド・フィルム間の導電層６２に対して、処理室
５２外部に設置されている直流高圧電源６３から、例え
ば１．５ｋＶの直流高電圧を印加することによって、こ
の静電チャック６２上面に載置された半導体ウエハＷ
は、その位置で吸着保持される。

【００５２】上記サセプタ支持台５４、サセプタ５５並
びに静電チャック６１には、これらを貫通してＨｅなど
の熱伝達ガスを半導体ウエハＷの裏面に供給するための
ガス通路６４が形成されており、被処理体であるこの半
導体ウエハＷを所定の処理温度に設定、維持させること
が可能なように構成されている。

【００５３】上記サセプタ５５の上端周縁部には、静電
チャック６１上に載置された半導体ウエハＷを囲むよう
に、環状のフォーカスリング６５が配置されている。こ
のフォーカスリング６５は反応性イオンを引き寄せない
絶縁性の材質からなり、プラズマよって発生した反応性
イオンを、その内側の半導体ウエハＷにだけ効果的に入
射せしめるように構成されている。

【００５４】上記サセプタ５５の上方には、このサセプ
タ５５と平行に対向して、これより約１５〜２０ｍｍ程
度離間させて位置に、接地線７１によって接地された上
部電極７２が設けられており、例えばＣＦ₄などのエッ
チング反応ガスは、この上部電極７２の中心に位置する
処理ガス導入管７３から、中空部７４を経て、ガス拡散
孔７５より前記半導体ウエハＷに対して、均等に吐出さ
れるように構成されている。

【００５５】上記処理室５２の側壁下部には排気管７６
が接続されており、この処理室５２内を、ターボ分子ポ
ンプなどの排気手段（図示せず）によって真空引きでき
るように構成されるとともに、側壁中央部には開閉自在
なゲートバルブ（図示せず）が設けられており、このゲ
ートバルブを介して被処理体である半導体ウエハＷは、
搬送アームなどの搬送手段（図示せず）によって搬入搬
出されるように構成されている。

【００５６】そして前出サセプタ５５には、ブロッキン
グコンデンサ７７を介して、図４にその詳細が示された
パワーユニット８１からの電力が印加されるように構成
されている。このパワーユニット８１は、基本波、例え
ば３８０ｋＨｚの周波数を持った正弦波を発振する基本
波発振器Ｇ₁並びに、前記基本波の整数倍の周波数の正
弦波を発振する複数の発振器Ｇ₂〜Ｇ_nから構成された発
振装置Ｇと、前記各発振器Ｇ₁〜Ｇ_nに各々対応して設け
られた可変減衰器Ａ₁〜Ａ_nから構成された減衰装置Ａ
と、これら減衰装置Ａにおける各可変減衰器Ａ₁〜Ａ_nか
らの出力信号をミキシングするミキシング装置（又はコ
ンバイン装置）８２と、このミキシング装置８２の出力
信号を増幅するための広帯域周波数増幅装置８３を有し
ている。

【００５７】前記各発振器Ｇ₁〜Ｇ_n及び可変減衰器Ａ₁
〜Ａ_nは中央制御装置８４によって制御され、各発振器
Ｇ₁〜Ｇ_nの中の任意の発振器が組み合わされて作動し、
さらに作動された各発振器の各減衰度がそれぞれ個別に
調整されて、これらの各出力信号はミキシング装置８２
に入力されるように構成されている。そしてミキシング
装置８２に入力された各可変減衰器Ａ₁〜Ａ_nからの各信
号は合成され、さらに広帯域周波数増幅装置８３によっ
て増幅されて、プラズマ発生のためのパワーとして前出
処理室５２内のサセプタ５５に印加されるようになって
いる。なお前記広帯域周波数増幅装置８３には、レベル
変更器８５が別途設けられており、サセプタ５５に印加
する波形のレベルの変更を任意に調整することが可能で
ある。

【００５８】第２実施例を実施するためのプラズマエッ
チング装置５１は以上のように構成されており、次にそ
の動作等について説明すると、このプラズマエッチング
装置５１の場合も、被処理体である半導体ウエハＷの処
理室５２内への基本的な搬入動作は前出第１の実施例で
用いたマグネトロンＲＩＥ装置１と全く同様であり、ま
ずゲートバルブ（図示せず）を介して設けられているロ
ードロック室（図示せず）から処理室５２内に搬入さ
れ、静電チャック６１上に載置される。そして高圧直流
電源６３の印加によって上記半導体ウエハＷは、この静
電チャック６１上に吸着保持される。

【００５９】その後処理室５２内は排気手段によって排
気されていき、また一方ガス拡散孔７５からエッチング
反応ガス、例えばＣＦ₄ガスが処理室５２内に供給さ
れ、処理室５２内の圧力は例えば１０ｍＴｏｒｒに設
定、維持される。そしてパワーユニット８１から所定の
電力が前記サセプタ５５に印加されて、上部電極７２と
サセプタ５５間にプラズマを発生させて前記ＣＦ₄ガス
を解離させ、被処理体である半導体ウエハＷに対して所
定のエッチング処理が施されるのであるが、前記パワー
ユニット８１は、既述の如く図４に示された構成を有し
ているから、前記印加させる電力に対して周波数変調を
行って、各エッチング処理に最も適した波形を創出さ
せ、これによって前記した解離を制御することが可能で
ある。

【００６０】例えば半導体ウエハＷ表面にコンタクト・
ホールを形成するための、ＣＦ₄を用いたシリコン酸化
膜のエッチングを例にとって説明すると、プラズマによ
って励起されたＣＦ₄ガス分子は、プラズマ中において
は次のように多段階の解離を起こす。

【００６１】即ち、ＣＦ₄は、・ＣＦ₃ ＋Ｆ^- ＣＦ₃ ^- ＋・ＦＣＦ₃ ⁺ ＋Ｆ^- ＣＦ₃ ⁺ ＋・Ｆ＋ｅ^- のように解離していき、Ｆ^- は、Ｆ^- → Ｆ^* ＋ｅ
^- となって、このＦ^*（フッ素ラジカル）がウエハＷ表
面のＳｉＯ₂に対してエッチングを行う。

【００６２】この点、単一の正弦波による従来の高密度
プラズマによれば、前記した解離が最終段階まで進行し
てしまって、フッ素ラジカルが過剰に生成されてしま
い、保護ポリマー中にＦが混入してエッチング耐性が低
下し、Ｓｉに対する酸化膜の選択比が低下してしまって
いた。

【００６３】ところが前記したプラズマエッチング装置
５１のパワーユニット８１によれば、周波数変調によっ
て前記サセプタ５５に印加させる電力の波形を任意のも
のにすることができ、目的に応じて最適の出力波形を得
ることが可能である。例えば発振器Ｇ₁から基本波Ｆ
（例えば３８０ｋＨｚ）を発振させ、他の発振器Ｇ₂以
降の発振器からは、当該基本波Ｆの整数倍の周波数、例
えば２倍波（７６０ｋＨｚ）、３倍波（１１４０ｋＨ
ｚ）、４倍波（１５２０ｋＨｚ）、・・・を発振させ、
例えば図５に示したように、偶数倍波の出力については
位相を１８０゜ずらせ、奇数倍波についてはそのままの
位相で、これらを各可変減衰器Ａ₁〜Ａ_nで調整して、ミ
キシング装置８２で合成すれば、図６に示したような、
ソウトゥース波（鋸歯状波）を得ることができる。

【００６４】このソウトゥース波を処理室５２のサセプ
タ５５に印加させると、エッチャントイオンのイオンボ
ンバードを強くすることができ、エッチングレートを向
上させることが可能である。なおこのような波形操作
は、中央制御装置８４及び図示されない周辺装置によっ
て行うことが可能である。

【００６５】さらにまた発振器Ｇ₁並びに発振器Ｇ₃、Ｇ
₅、Ｇ₇・・・を作動させて基本波に対して、図７に示し
たように、奇数倍波のみ発振させてこれを合成して周波
数変調させれば、図８に示したような矩形波を得ること
ができる。かかる矩形波をサセプタ５５に印加してプラ
ズマを発生させれば、そのパルス幅を制御することによ
り、反応ガスである前出ＣＦ₄ガスの解離を制御するこ
とが可能である。

【００６６】例えばパルス幅を１０μｓｅｃ．以下に設
定することにより、ＣＦ₄ガス分子の解離を第２段目のＣＦ₃ ^- ＋・Ｆの段階までに抑制することが可能である。従って、過剰
なフッ素ラジカルの発生を抑制して、保護ポリマーのエ
ッチング耐性を損ねることはなく、また解離を進行させ
ないので、デポジションとなってエッチングを停止させ
るＣ（炭素）の生成も抑えることができる。それゆえ選
択比の高いエッチング処理を行うことが可能である。

【００６７】またさらに、図９に示したように、基本波
Ｆの２倍波、７倍波、８倍波についてはそのままの位相
にて適宜可変減衰器Ａ₂、Ａ₇、Ａ₈でその出力調整を
し、基本波Ｆの４倍波、５倍波については、各々位相を
１８０゜ずらせて可変減衰器Ａ₄、Ａ₅でその出力調整し
て、これらを合成すれば、図１０に示したように、パル
ス幅の狭いかつ非対称のパルス波を得ることができる。
なお前記パワーユニット８１においては、広帯域周波数
増幅装置８３にレベル変更器８５が設けられているか
ら、このレベル変更器８５の作動によって、そのような
非対称パルス波を得ることが可能である。

【００６８】その他図１１に示したように、奇数倍波の
み発振させ、かつそれらを交互に１８０゜位相をずらせ
て周波数変調させることにより、図１２に示したよう
な、立ち上がり、立ち下がりが同時間のトライアングル
波（三角波）を得ることができる。このトライアングル
波によれば、エッチャントイオンを常に一定の加速度で
入射させることが可能である。もちろん前述の波形に限
らず、中央制御装置８４による制御によって、他の波形
を創出させることも可能である。

【００６９】以上のように基本波に対してその整数倍波
を適宜組み合わせて周波数変調させることにより、既述
のＣＦ₄ガス分子を始めとして、各種の反応性ガスのエ
ッチャントイオンの種類、質量に応じてそのイオンボン
バードの強弱を制御したり、さらにガス分子の解離を制
御したりすることによって、エッチングレートを向上さ
せて選択比の高いエッチング処理を被処理体に施すこと
が可能である。

【００７０】このような周波数変調によって所望する所
定の波形を得るには、概ね基本波の７〜９倍波まで発振
させればよいので、前出パワーユニット８１に設ける発
振器並びに対応する可変減衰器は、夫々発振器Ｇ₁〜Ｇ
₁₀、可変減衰器Ａ₁〜Ａ₁₀程度の数を装置しておけば、
実用上支障はない。また基本波に対して小電力で済むか
らレトロフィット改造に適し、コストも安価で実現可能
である。

【００７１】もちろんエッチャントイオンの加速を制御
できるから、既述の第１の実施例で図った、ウエハＷ上
のチャージアップもキャンセルさせることが可能であ
る。

【００７２】なお前出パワーユニット８１において、ミ
キシング装置８２と広帯域周波数増幅装置８３との間
に、例えば電圧制御フィルタやノッチフィルタを介在さ
せて、フィルタのカットオフ周波数を変調させるように
してもよい。この場合には、エッチャントの発生効率と
載置台（下部電極）へのイオンの引き込み比率を可変で
きるという作用効果が得られる。

【００７３】またさらに全体のＤＣバイアスを強制的に
変化させる機構として、例えば高周波成分をカットした
直流安定化電源を上部印加機構、又は下部印加機構のい
ずれか、あるいはその両方に設けてもよい。この場合に
は、エッチャントをウエハ上にフォーカスさせたり、発
散させたりすることができるという作用効果が得られ
る。

【００７４】前記パワーユニット８１は、基本波に対し
てその整数倍波を発振させて、これらを適宜組み合わせ
て周波数変調を行う構成を採っていたが、かかる構成を
有するパワーユニット８１に代えて、図１３に示したよ
うなパワーユニット９１を用いてもよい。

【００７５】このパワーユニット９１は、発振器として
夫々工業用周波数や電波法適合周波数を有する複数、例
えば４つの発振器Ｋ₁〜Ｋ₄を具備し、夫々例えば発振器
Ｋ₁は３８０ｋＨｚ、発振器Ｋ₂は１３．５６ＭＨｚ、発
振器Ｋ₃は２７．１２ＭＨｚ、発振器Ｋ₄は４０．６８Ｍ
Ｈｚの周波数の正弦波を出力する構成となっている。そ
して前記各発振器Ｋ₁〜Ｋ₄の出力は、夫々対応するタイ
ミングゲートＴ₁〜Ｔ₄に入力される。これらタイミング
ゲートＴ₁〜Ｔ₄は、中央制御装置９２の制御によって、
ゲートを開閉するように構成され、いずれか１つのタイ
ミングゲートのみが開放するようになっている。

【００７６】また前記中央制御装置９２には、前記タイ
ミングゲートＴ₁〜Ｔ₄の開閉によって波形が切換わる際
の位相を補正して、これを連続波とするための位相補正
装置９３が設けられている。そして前記各タイミングゲ
ートＴ₁〜Ｔ₄の開閉によって出力された信号は、出力信
号をミキシングするミキシング装置（又はコンバイン装
置）９４によって、１つの連続波となって、増幅装置９
５及びブロッキングコンデンサ７７を介して、処理室５
２内のサセプタ５５に印加されるように構成されてい
る。

【００７７】かかる構成を有するパワーユニット９１を
使用すれば、例えば図１４に示したような出力波形を持
ったパワーをサセプタ５５に印加させることが可能とな
る。即ち、同図に示された波形は、波形自体は全て正弦
波であるが、例えば半周期又は１周期毎にその周波数が
変化し、周波数の高低がかかる周期毎に実現されてい
る。このような出力波形によれば、例えばエッチャント
イオンの入射エネルギーを、極めて微細にコントロール
することができ、より高いレベルでのエッチング特性の
制御が可能である。

【００７８】このような周波数変調を行う場合、例えば
１秒、２秒というように時間単位で変調する方式も考え
られるが、既述の如く、かかるオーダーでの変調は、反
応ガス分子の解離時間と較べて極めて大きいため、エッ
チングレートの低下は避けられない。ところが前記した
ように、これを周期単位で変調させることにより、解離
反応を進行させない範囲で、エッチャントイオンの入射
エネルギーを制御してそのイオンボンバードを調整し、
エッチングレートを向上させることが可能である。従っ
て、異方性の高いエッチング処理を実施することが可能
となっている。しかも図１４のグラフに示したように、
途中でインターバルＰを設定して電力の印加を停止させ
ることも可能であり、より微細な制御が可能である。

【００７９】またさらに前述のパワーユニット８１、９
１に代えて、図１５に示したパワーユニット１０１も提
案できる。このパワーユニット１０１は、振幅変調を行
うための構成を採っており、例えば１３．５６ＭＨｚの
周波数を発信する高周波電源１０２と、この高周波電源
１０２の出力波形における振幅を減衰するための可変減
衰器１０３と、前記可変減衰器１０３を経た出力を増幅
するための増幅器１０４と、整合器１０５とを有してお
り、この整合器１０５を経て前出処理室５２内のサセプ
タ５５に所定の高周波電力が印加されるように構成され
ている。

【００８０】かかるパワーユニット１０１を用いて、例
えば図１６に示された振幅変調を行って、上部電極７２
とサセプタ５５との間にプラズマを発生させると、次の
ようなプラズマ制御が可能である。まず同図のグラフで
示された振幅変調は、この振幅変調によって変調された
波形の頂点を結んだエンベロープと呼ばれる搬送波（図
１６中の破線で示される）Ｃが、略台形波を形成するよ
うに行われている。そしてこの搬送波Ｃにおける、例え
ば図中の立ち上がり部Ａ₁、Ａ₂、平坦部Ｓ₁、Ｓ₂、
Ｓ₃、Ｓ₄、立ち下がり部Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃の時間が、いず
れも１０μｓｅｃ．（秒）以下となるように設定されて
いる。

【００８１】このように振幅変調した際に得られる搬送
波Ｃにおける少なくとも立ち上がり部と立ち下がり部
が、各々１０μｓｅｃ．（秒）以下となる波形によって
処理室５２内にプラズマを発生させて、被処理体である
半導体ウエハＷに対してエッチングを行うので、例えば
前出のように反応ガスとしてＣＦ₄を用いた場合に即し
て説明すると、このＣＦ₄の解離を最終段階まで進めな
いで、エッチャントイオンに入射エネルギーを加えるこ
とができ、エッチングレートを向上させることが可能で
ある。

【００８２】なお図１６では、搬送波Ｃは略台形波であ
って、その波形特性がリニアとなるように振幅変調させ
たが、もちろんこれに限らず、被処理体のエッチング対
象、エッチャントイオンの質量や種類に応じて、搬送波
Ｃの波形並びに増幅度を定めればよい。例えば搬送波Ｃ
における立ち上がり部と立ち下がり部が、階段状となっ
ているものでもよい。このような波形特性は、例えばＡ
／Ｄ変換器を用いて、変調を加えることによって得られ
る。

【００８３】さらにまたそのように振幅変調によって搬
送波（エンベロープ）を構成する時点は、増幅プロセス
における初段、中間段、終段のいずれであってもよい。
但し、未だ出力が小さい、初段側の方が変調を加えやす
い。なお変調以後の増幅にあたっては、交流入力の全期
間に渡って出力電流を生ずるように構成されたＡ級増幅
モードが、出力の歪みが少ないので、より好ましい。

【００８４】またかかるパワーユニット１０１を用いて
も、もちろん既述のチャージアップによる半導体ウエハ
Ｗ上のデバイス破壊を防止することが可能である。なお
前記した各パワーユニット８１、９１、１０１が使用さ
れる処理装置は、平行平板型ＲＩＥ装置であったが、こ
れに限らず、例えば第１の実施例の際に使用した、マグ
ネトロンＲＩＥ装置に対しても適用できる。さらに被処
理体も既述の如き半導体ウエハに限らず、例えばＬＣＤ
基板であってもよい。

【００８５】

【発明の効果】請求項１によれば、プラズマ密度を殆ど
低下させることなく、被処理体のチャージアップを防止
して、当該チャージアップ現象によるデバイスの破壊を
防止することが可能である。またそれを実現するための
構成も極めて簡易であり、例えば既存のプラズマ処理装
置に対して適用することができ、その際の変調方法も、
周波数変調並びに請求項２、７に記載したような振幅変
調の方式を採ることが可能である。

【００８６】請求項３によれば、例えばプラズマエッチ
ング処理する場合、ガス分子の解離進行を抑えたり、エ
ッチャントイオンのイオンボンバードを制御することが
可能であり、その選択比を向上させて良好な異方性エッ
チングを実施することが可能である。

【００８７】また請求項４によれば、任意の各種の波
形、例えばパルス波を始めとして、ソウトゥース波（鋸
歯状波）やトライアングル波（三角波）、ラムプ波（傾
斜波）を容易に創出させることができるので、プラズマ
処理における解離段階をさらに細かく制御したり、イオ
ンボンバードメントの制御を行うことが可能である。従
って、エッチングレートをより一層向上させることが可
能である。

【００８８】また請求項５では、これら請求項３、４の
プラズマ処理方法において、より具体的に処理室内に導
入された反応ガスが最終段階の解離を起こさないよう
に、周波数変調の制御を行うように構成されているの
で、過剰なエッチャントイオンや不要な堆積物を生成す
ることはなく、エッチング処理における選択比を向上さ
せることができる。

【００８９】さらに請求項６では、周波数信号を周期単
位に分割して、周波数変調を加えようにしているので、
周波数の高い部分で処理室内に導入された処理ガス分子
の解離を促進させたり、あるいは周波数の低い部分でイ
オンボンバードメントを大きくすることができ、しかも
精緻な、精度の高い制御が可能となる。

【００９０】また請求項７によれば、振幅変調に基づい
て、処理室内のガス分子の解離の制御を行うことがで
き、また制御しやすいものとなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を実施する際に用いたマ
グネトロンＲＩＥ装置の側面の説明図である。

【図２】半導体ウエハがチャージアップされた様子を示
す説明図である。

【図３】本発明の第２の実施例を実施する際に用いた平
行平板型ＲＩＥ装置の側面の説明図である。

【図４】図３の平行平板型ＲＩＥ装置に使用されるパワ
ーユニットの説明図である。

【図５】図４のパワーユニットを用いて周波数変調して
ソウトゥース波（鋸歯状波）を得る際の、基本波及び整
数倍波のスペクトラムと増幅度との関係を示すグラフで
ある。

【図６】図５に示された基本波及び整数倍波のスペクト
ラムと増幅度との関係によって周波数変調されて得たソ
ウトゥース波（鋸歯状波）の波形を示すグラフである。

【図７】図４のパワーユニットを用いて周波数変調して
対称矩形波を得る際の基本波及び整数倍波のスペクトラ
ムと増幅度との関係を示すグラフである。

【図８】図７に示された基本波及び整数倍波のスペクト
ラムと増幅度との関係によって周波数変調されて得た矩
形波の波形を示すグラフである。

【図９】図４のパワーユニットを用いて周波数変調して
非対称矩形波を得る際の基本波及び整数倍波のスペクト
ラムと増幅度との関係を示すグラフである。

【図１０】図９に示された基本波及び整数倍波のスペク
トラムと増幅度との関係によって周波数変調されて得た
非対称矩形波の波形を示すグラフである。

【図１１】図４のパワーユニットを用いて周波数変調し
てトライアングル波（三角波）を得る際の基本波及び整
数倍波のスペクトラムと増幅度との関係を示すグラフで
ある。

【図１２】図１１に示された基本波及び整数倍波のスペ
クトラムと増幅度との関係によって周波数変調されて得
たトライアングル波（三角波）の波形を示すグラフであ
る。

【図１３】図３の平行平板型ＲＩＥ装置に使用されるパ
ワーユニットの他の例の説明図である。

【図１４】図１３に示されたパワーユニットを用いて周
波数変調して得られた出力の波形を示すグラフである。

【図１５】図３の平行平板型ＲＩＥ装置に使用されるパ
ワーユニットの他の例の説明図である。

【図１６】図１５に示されたパワーユニットを用いて振
幅変調して得られた出力の波形を示すグラフである。

【符号の説明】

１マグネトロンＲＩＥ装置２処理室８サセプタ２１高周波電源２２低周波電源２３変調装置２５コントローラ４２上部電極４６永久磁石Ｗ半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三田野好伸東京都新宿区西新宿２丁目３番１号東京エレクトロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波電力によって処理室内にプラズマ
を発生させ、当該処理室内の被処理体に対して前記プラ
ズマ雰囲気の下で処理を施す方法において、前記高周波
電力に低周波電力による周波数変調を加えたことを特徴
とする、プラズマ処理方法。
【請求項２】高周波電力によって処理室内にプラズマ
を発生させ、当該処理室内の被処理体に対して前記プラ
ズマ雰囲気の下で処理を施す方法において、前記高周波
電力に低周波電力による振幅変調を加えたことを特徴と
する、プラズマ処理方法。
【請求項３】電流方向が経時変化する電力を用いて処
理室内にプラズマを発生させ、当該処理室内の被処理体
に対して前記プラズマ雰囲気の下で処理を施す方法にお
いて、基本周波数を有する電力に、当該基本周波数のｎ
倍（ｎ＝整数）の周波数によって周波数変調を加えるこ
とを特徴とする、プラズマ処理方法。
【請求項４】電流方向が経時変化する電力を用いて処
理室内にプラズマを発生させ、当該処理室内の被処理体
に対して前記プラズマ雰囲気の下で処理を施す方法にお
いて、基本周波数を有する電力に、当該基本周波数のｎ
倍（ｎ＝整数）でかつ相互に異なった複数の周波数によ
って周波数変調を加えることを特徴とする、プラズマ処
理方法。
【請求項５】処理室内に導入された処理ガスが、発生
したプラズマによって最終段階の解離を起こさないよう
に、前記周波数変調を制御することを特徴とする、請求
項３又は４に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】高周波電力によって処理室内にプラズマ
を発生させ、当該処理室内の被処理体に対して前記プラ
ズマ雰囲気の下で処理を施す方法において、周波数信号
を周期単位に分割して、周波数変調を加えることを特徴
とする、プラズマ処理方法。
【請求項７】高周波電力によって処理室内にプラズマ
を発生させ、当該処理室内の被処理体に対して前記プラ
ズマ雰囲気の下で処理を施す方法において、前記高周波
電力に対して振幅変調を加え、その結果得られた搬送波
形における立ち上がり部と立ち下がり部の時間がいずれ
も１０μｓｅｃ．以下となるようにしたことを特徴とす
る、プラズマ処理方法。