JPH0697087A - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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JPH0697087A
JPH0697087A JP24763892A JP24763892A JPH0697087A JP H0697087 A JPH0697087 A JP H0697087A JP 24763892 A JP24763892 A JP 24763892A JP 24763892 A JP24763892 A JP 24763892A JP H0697087 A JPH0697087 A JP H0697087A
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JP
Japan
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microwave
plasma
output
power
high frequency
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Application number
JP24763892A
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English (en)
Inventor
Hisao Yasunami
久夫 安並
Tetsunori Kaji
哲徳 加治
Seiichi Watanabe
成一 渡辺
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】高周波もしくはマイクロ波電力と、磁場とを用
いてプラズマを発生させて処理する装置において、プラ
ズマの不安定領域を狭くし、かつ高密度で均一な処理を
得ること。 【構成】マイクロ波発生器1からのマイクロ波電力と、
コイル8からの磁場とにより、プラズマを効率良く発生
して試料9の処理を行う装置において、マイクロ波発生
器用電源13によりマイクロ波電力を10ミリ秒以下の
周期で、かつその最大電力と最小電力との比を4以下で
変化させる。 【効果】不安定領域が減少し、かつ均一で速い速度のプ
ラズマ処理が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子等の製造時
の各種膜の成膜やエッチング等に使用されるプラズマ処
理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子の高集積化と試料の大口径化
に伴い、大面積の試料を微細加工する要求がますます増
大している。高周波ないしはマイクロ波と磁場とを用い
たプラズマ処理方法は、低ガス圧で高密度のプラズマを
生成でき、イオン流の指向性に優れ異方性処理が可能と
なる利点があり、半導体集積回路の製造への適用が進め
られている。
【0003】図11はマスクロ波を用いた従来のプラズ
マ処理装置の縦断面模式図である。1はマイクロ波発生
器、2はマイクロ波導入手段、3は石英ベルジャ、4は
金属容器、5はガス導入手段、6はバルブ、7は排気手
段、8はコイル、9は試料、10は試料台、11は内部
電極、12は交流発生器、13はマイクロ波発生器用電
源である。
【0004】石英ベルジャ3と金属容器4により気密容
器が構成され、ガス導入手段5、バルブ6及び排気手段
7とにより、所定のガスを所定の圧力に設定しながらガ
スを流す。マイクロ波発生器1から発生したマイクロ波
は、導波管等のマイクロ波導入手段2と石英ベルジャ3
を経由して気密容器内に入力される。コイル8の磁界と
マイクロ波との相互作用である電子サクイロトロン共鳴
(Electron CyclotronResonance,ECRと略す)現象
により、気密容器内のガスは効率よくプラズマ化され
る。プラズマ化されたイオン類は、試料台10と内部電
極11間に加えられた交流により引き寄せられ、試料面
に方向性よく印加される。なお、図11の装置構成で、
従来はマイクロ波発生器1からは連続して一定のマイク
ロ波電力が出力されていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図11に例示した様な
高周波もしくはマイクロ波と、磁場とを用いてプラズマ
を発生する装置においては、図8に示す様に高周波もし
くはマイクロ波の電力を増大させてゆくと、ある点もし
くは領域でプラズマのモードが変化する現象が見られる
(J.Vac.Sci.Technol. B9,2,PP339-347(91))。図8で
は縦軸をプラズマ密度にプロットしたものであり、プラ
ズマ密度のジャンプ現象がある。このプラズマモードが
変化する付近の領域は、一般にプラズマが不安定となる
傾向がある。高周波もしくはマイクロ波の入力電力が低
い方のモードを低密度モード、入力電力の高い方を高密
度モードと呼ぶと、低密度モード中の入力電力の高い領
域は、プラズマが均一であるが密度が低い性質が見られ
た。一方高密度モードは、均一性は悪いが密度は高い性
質が見られた。
【0006】従って、高密度でかつ均一なプラズマを得
ることは、低密度モードを用いても高密度モードを用い
ても、満足させることが困難であった。この現象はEC
R現象を用いた装置に限定されるものではなく、数百K
〜数百MHzの高周波と磁場とを用いた装置でも生じる
(応用物理61,7,PP711-717('92))。
【0007】また、不安定領域が広く存在するため、利
用できる条件が制限される欠点がある。図9に、図11
に示す装置で現れる不安定領域の例を示す。縦軸はEC
R共鳴を生じる部分の高さであり、コイル8の磁場の強
さにより変化する。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記不安定領域を横切っ
て、マイクロ波/高周波の出力電力を所定の周期で変化
させる(図10参照)ことにより、不安定領域が減少
し、また密度が高くかつ均一性の良いプラズマが得ら
れ、均一で速い処理速度のプラズマ処理が可能となっ
た。マイクロ波/高周波の出力電力を変化させる周期と
しては、10ミリ秒より短く、10マイクロ秒より長い
方が好ましく、マイクロ波/高周波の出力の変化は4倍
以下である方が好ましい。マイクロ波/高周波の変化の
周期が上記の範囲より長いと、2つのモードが独立して
生じるため、上記の効果は少なくなると考えられる。一
方、周期が上記の範囲より短いと時間平均した電力を印
加した場合に近づいてくるため、上記効果は得られな
い。これはプラズマにより発生するイオンやラジカルの
平均寿命が数十マイクロ秒から数ミリ秒のオーダーであ
ることによると考えられる。
【0009】また、マイクロ波/高周波の出力は、不安
定領域をはさんで出力の大きい方と小さい方に変化させ
る。この時の出力の変化は4倍程度以下の比較的小さい
変化をさせる方が2つのモードの融合効果が生じ、密度
が高く均一な処理が可能であった。なお、この出力の変
化幅が大きくなりすぎると、パルス放電に近づき、電子
温度の上昇等が生じ、異方性良くプラズマ処理すること
が難しくなってくる。
【0010】
【作用】マイクロ波/高周波の出力を所定の周期で変化
させることにより、プラズマ密度を上げ、処理の均一性
を向上すると共に、不安定領域を狭くすることができる
【0011】。
【実施例】図1にマイクロ波発生器1として磁電管を用
いて2.45GHzのマイクロ波電力を周期的変化する
一実施例を示す。マイクロ波発生器用電源13は、この
場合、フィラメント電源13−1,高圧電源13−2,
電流検出抵抗13−3,電流制限抵抗13−4及び13
−5,電子スイッチ13−6,パルス源13−7,誤差
増幅回路13−8からなる。高速−高耐圧のMOSトラ
ンジスタ等で構成された電子スイッチ13−6は、パル
ス源13−7の信号によりオン/オフし、磁電管1の陽
極にながれる陽極電流IAはパルス状に変化する。陽極
電流IAの時間平均化した電流値は、誤差増幅回路13
−8に入力され、設定信号13−9との差の値により、
高圧電源13−2の出力電圧が変化する。このようにし
て平均陽極電流は設定値信号13−9により設定され、
陽極電流のパルスはパルス源13−7の設定により変化
する。尚、その他の装置構成は、この場合、図11と略
同様である。
【0012】磁電管のマイクロ波出力は、陽極電流にほ
ぼ比例しており、パルス的に変化するマイクロ波出力を
得ることができる。マイクロ波出力波形の例を図2〜図
5に示す。図2では低出力電力P1nと高出力電力P2
との比を一定にし、平均出力P0nを時間的に上昇して
いった時の波形を示す。比P2n/P1nは、4以下の値
が好ましい。パルスの周期Tは、数十マイクロ秒〜10
ミリ秒が好ましく、特に100マイクロ秒から数ミリ秒
の間に最適点が存在した。尚、図2でP01<P02<P03
<P04、また、P11<P12<P13<P14である。
【0013】図3はパルスの周期T及び低出力電力値P
1と高出力電力値P2は一定にしてパルス幅t1nを変化
させることにより、平均出力P0nを変化している。こ
の時は、図1の回路で誤差増幅器13−8の出力は一定
鎖線で示した様に、パルス源13−7に入力され、パル
スの幅を制御する。低出力電力値P1は、図9の低密度
モード領域に設定し、高出力電力値P2は図9の高密度
モード領域に設定する。但し、この方法では平均出力電
力の可変幅が狭くなる欠点がある。このため、図4に示
す様に安定な電力領域(P01,P02,P05,P06)では
パルス変調はせず、不安定もしくはその近くの電力領域
(P03,P04)においてのみ、図3のパルス幅制御を行
えば平均出力電力の可変幅は広くなり、プラズマの不安
定領域は減少して、均一でかつ高密度の処理が可能とな
った。比P2/P1及びパルス周期Tは、図2の場合とほ
ぼ同様であった。尚、図3でP01<P02<P03また、t
11<t12<t13である。
【0014】図5は、図8に示した様なプラズマがヒス
テリシス特性をもつ場合の出力波形を示す。不安定とな
る領域ないしはその近くでは、正/負の幅(t2)の狭
いパルスを重畳し、低密度モードと高密度モードを短い
周期T中で変化させることにより、同様な効果が得られ
る。周期Tは図2の場合と同様であり、比t2/Tとし
ては1/10程度以下が好ましい。図5に示した電力出
力は図1のA−B間を図6に示す様に、電子スイッチ1
3−2,電流制限抵抗13−11,及びパルス源13−
13を追加することにより得られる。
【0015】マイクロ波発生器1として、クライストロ
ン管の様に入力信号を増幅して出力する機構のものを使
用する場合には、図7に示す様に入力変調信号源13−
14と直流電源13−10とを入力し、所望の出力が得
られる様に入力変調信号源13−14から所定の信号を
入力してやれば良い。
【0016】これまではプラズマを発生させるパワー源
としてマイクロ波を用いる場合について述べたが、何ら
これに限定されるものでない。
【0017】前に述べた様に、磁場と数百K〜数百MH
zの高周波とを併用する装置においては、高周波出力を
図2〜図5の出力変化となる様制御してやれば、同様の
効果が得られる。
【0018】また、出力電力波形の例は図2〜図5に示
したが、何らこれに限定されるものではない。例えば、
正弦波状に出力電力波形が変化する場合も、同様な効果
が得られる。但し、その周期T,最大と最小の電力比P
2/P1は図10で述べた範囲が好ましい。
【0019】
【発明の効果】マイクロ波や高周波の出力電力を所定の
周期で変化させることにより、不安定領域が減少し、ま
た密度が高く均一性の良いプラズマが得られ、均一で速
い処理速度のプラズマ処理が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す装置構成の説明図であ
る。
【図2】不安定領域の説明図である。
【図3】不安定領域の説明図である。
【図4】本発明の高周波出力波形の説明図である。
【図5】本発明を実施するマイクロ波発生器とマイクロ
波発生用電源の説明図である。
【図6】本発明のマイクロ波出力/高周波出力波形の説
明図である。
【図7】本発明のマイクロ波出力/高周波出力波形の説
明図である。
【図8】本発明のマイクロ波出力/高周波出力波形の説
明図である。
【図9】本発明のマイクロ波出力/高周波出力波形の説
明図である。
【図10】本発明を実施するマイクロ波発生用電源内回
路の説明図である。
【図11】本発明を実施するマイクロ波発生器とマイク
ロ波発生用電源の他の例の説明図である。
【符号の説明】
1…マイクロ波発生器,2…マイクロ波導入手段,3…
石英ベルジャ,4…金属容器,5…ガス導入手段,6…
バルブ,7…排気手段,8…コイル,9…試料,10…
試料台,11…内部電極,12…交流発生器,13…マ
イクロ波発生器用電源,13−7及び13−13…パル
ス源,13−4,13−5及び13−11電流制限抵
抗,13−6及び13−12…電子スイッチ,13−3
…電流検出抵抗。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低圧のガス又はガス状混合物を内部に蓄え
    る気密容器と、該気密容器内にガスを導入する手段及び
    該気密容器からガスを排出する手段と、高周波ないしは
    マイクロ波を発生する高周波発生器と、該高周波発生器
    と前記気密容器間に高周波ないしはマイクロ波電力を伝
    達する高周波導入手段と、プラズマの発生効率を高める
    ための磁場とを有し、前記気密容器内にプラズマを生成
    させるよう構成されたプラズマ処理装置において、前記
    高周波発生器の出力を所定の周期で変化させることを特
    徴とするプラズマ処理装置。
  2. 【請求項2】前記高周波発生器の出力の変化が4倍以下
    で、かつ変化の周期が10ミリ秒以下であることを特徴
    とする請求項1に記載のプラズマ処理装置。
JP24763892A 1992-09-17 1992-09-17 プラズマ処理装置 Pending JPH0697087A (ja)

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