JPH0845699A

JPH0845699A - プラズマ制御方法およびプラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH0845699A
Application number: JP6234815A
Authority: JP
Inventors: Toshirou Kizakihara; 稔郎木崎原; Akira Kojima; 明小島; Taiji Kato; 泰司加藤; Isao Motohori; 勲本堀; Satoshi Sakauchi; 敏坂内; Tomohiro Chiba; 智博千葉; Toshitaka Kawashima; 利孝河嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ内のイオンや電子の方向を制御でき
るプラズマ制御方法およびプラズマ処理装置を提供する
こと。【構成】本発明は、処理室１のプラズマ１３の雰囲気
内で被処理体１０の表面に対して垂直な方向に電界Ｅ_V
を発生させるとともにその表面に対して水平な方向に電
界Ｅ_Hを発生させ、その合成電界Ｅ_Cに基づきプラズマ
１３内のイオンや電子の方向を制御するプラズマ制御方
法である。また、被処理体１０の表面に対して垂直な方
向に電界Ｅ_Vを与える垂直電界発生手段と、被処理体１
０の表面に対して水平な方向に電界Ｅ_Hを与える水平電
界発生手段とを備えたプラズマ処理装置でもある。

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ＣＶＤやプラ
ズマＲＩＥ、スパッタリング等において用いられるプラ
ズマ制御方法およびプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマを用いた処理にはプラズマＣＶ
ＤやプラズマＲＩＥ、スパッタリング、イオンプレーテ
ィング等があり、それぞれ処理室内に被処理体を配置し
た状態で所定のプラズマを発生させ、イオンや電子の作
用によって被処理体に膜付を行ったり、エッチングを施
したりする。

【０００３】図１３は従来のプラズマ処理装置を説明す
る模式図であり、（ａ）は平行平板型、（ｂ）はＥＣＲ
型を示している。図１３（ａ）に示す平行平板型のプラ
ズマ処理装置は、ウエハ等の被処理体１０を配置する処
理室１と、処理室１内に相対向する状態で配置される上
部電極１１および下部電極１２と、下部電極１２に印加
するＤＣバイアス２および高周波バイアス３とから構成
される。

【０００４】平行平板型のプラズマ処理装置では、処理
室１内に所定のガス（図示せず）を導入するとともに例
えば１３．５６ＭＨｚの高周波バイアス３を印加するこ
とで上部電極１１と下部電極１２との間の空間にプラズ
マ１３を発生させ、例えば被処理体１０の表面に膜を形
成する。処理室１内のプラズマ１３は被処理体１０の表
面に対して垂直な方向の電界Ｅ _Vやガスの流れ等によっ
て制御され密度の均一化が図られている。

【０００５】また、図１３（ｂ）に示すＥＣＲ型のプラ
ズマ処理装置は、被処理体１０を配置する処理室１と、
処理室１内にマイクロ波を送り込むための導波管１ａ
と、磁場を発生させるコイル４３とから構成される。Ｅ
ＣＲ型のプラズマ処理装置では、処理室１内へガスを導
入するとともに導波管１ａから２．４５ＧＨｚ程度のマ
イクロ波を送り込んで放電を起こし、さらにコイル４３
からの磁場の印加に基づく電子の回転をマイクロ波の周
波数と共振させて高効率のプラズマ１３を発生してい
る。この処理室１内のプラズマ１３は所定のバイアスや
ガスの流れ等によって制御され被処理体１０への加工に
寄与している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
のプラズマ処理装置であってもイオンや電子を被処理体
の表面に対して垂直な方向に制御することで所望の処理
を行っている。このため、被処理体の表面に対して垂直
な方向、すなわち表面における膜厚やエッチング深さな
どは制御できても垂直方向以外の方向に対する制御が困
難であり、複雑な構造への処理には敵していない。例え
ば、半導体素子におけるトレンチ溝にテーパを設ける場
合やトレンチ溝の内側面に所望の厚さの酸化膜を被着す
る場合など、従来のプラズマ処理装置では十分な制御が
行えず複雑な加工を施す上での問題となっている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために成されたプラズマ制御方法およびプ
ラズマ処理装置である。すなわち、請求項１記載の発明
は、被処理体が配置される処理室内にプラズマを発生さ
せた状態でそのプラズマ内のイオンや電子の方向を制御
するプラズマ制御方法であり、被処理体の表面に対して
垂直な方向に電界を発生させるとともにその表面に対し
て水平な方向に電界を発生させ、各々の方向の合成電界
に基づきプラズマ内のイオンや電子の方向を制御するも
のである。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明における被処理体の表面に対して水平な方向の
電界を、表面に対して水平な方向に発生させた磁界の方
向を周期的に反転させることで発生させるプラズマ制御
方法である。

【０００９】また、請求項３記載の発明は、被処理体が
配置される処理室内にプラズマを発生させた状態でその
プラズマ内のイオンや電子の方向を制御するプラズマ制
御方法であり、被処理体の表面に対して垂直な方向に電
界を発生させるとともにその表面に対して水平な方向に
発生させた磁界をその表面に対して垂直な軸を中心とし
て回転させることでその表面に対して水平な方向に発生
する電界を回転させ、各々の方向の合成電界に基づきプ
ラズマ内のイオンや電子の方向を制御するものである。

【００１０】また、請求項４記載の発明は、請求項１か
ら請求項３記載のいずれかの発明において、処理室内に
導入するガスの圧力を調整することでプラズマ内のイオ
ンや電子の方向を制御するプラズマ制御方法である。

【００１１】また、請求項５記載の発明は、請求項１か
ら請求項４記載のいずれかの発明において、処理室内で
被処理体を載置するための電極部のリアクタンスおよび
導電率に基づき被処理体の表面に対して水平な方向に発
生させる電界を制御するプラズマ制御方法である。

【００１２】また、請求項６記載の発明は、請求項２ま
たは請求項３記載の発明において、被処理体の表面に対
して水平な方向に発生させる磁界の移動周期に基づき被
処理体の表面付近における磁束密度を制御するプラズマ
制御方法である。

【００１３】また、請求項７記載の発明は、請求項１か
ら請求項６記載のいずれかの発明においてプラズマをプ
ラズマＣＶＤ時に用いるもの、請求項８記載の発明は、
請求項１から請求項６記載のいずれかの発明においてプ
ラズマをプラズマＲＩＥ時に用いるもの、請求項９記載
の発明は、請求項１から請求項６記載のいずれかの発明
においてプラズマをスパッタリング時に用いるもの、請
求項１０記載の発明は、請求項１から請求項６記載のい
ずれかの発明においてプラズマをイオンプレーティング
時に用いるプラズマ制御方法である。

【００１４】また、請求項１１記載の発明は、請求項１
から請求項６記載のいずれかの発明においてプラズマを
被処理体の平坦化のために用いるもの、請求項１２記載
の発明は、請求項１から請求項６記載のいずれかの発明
においてプラズマを被処理体の研磨のために用いるプラ
ズマ制御方法である。

【００１５】また、請求項１３記載の発明は、被処理体
が配置される処理室内にプラズマを発生させた状態でそ
のプラズマ内のイオンや電子の方向を制御するプラズマ
処理装置であり、被処理体の表面に対して垂直な方向に
電界を与えるための垂直電界発生手段と、被処理体の表
面に対して水平な方向に電界を与えるための水平電界発
生手段とを備えている。

【００１６】また、請求項１４記載の発明は、請求項１
３記載の発明の水平電界発生手段を、被処理体を間とし
た処理室の外側に相対向して配置される一対のコイル
と、一対のコイルに所定周期の交流電流を流すための電
源手段とから構成したプラズマ処理装置である。

【００１７】また、請求項１５記載の発明は、被処理体
が配置される処理室内にプラズマを発生させた状態でそ
のプラズマ内のイオンや電子の方向を制御するプラズマ
処理装置であり、被処理体の表面に対して垂直な方向に
電界を与えるための垂直電界発生手段と、被処理体の表
面に対して水平な方向に発生する磁界を回転させるため
の回転磁界発生手段とを備えている。

【００１８】また、請求項１６記載の発明は、請求項１
５記載の発明の回転磁界発生手段を、被処理体の周囲に
巻かれるコイルと、コイルに電流を流すための多相交流
電源とから構成したプラズマ処理装置である。

【００１９】また、請求項１７記載の発明は、請求項１
５記載の発明の回転磁界発生手段を、被処理体の周囲に
リング状に設けられ被処理体の表面に対して水平な方向
に磁界を発生するための永久磁石と、永久磁石を被処理
体の回りで回転させるための回転機構とから構成したプ
ラズマ処理装置である。

【００２０】また、請求項１８記載の発明は、請求項１
３から請求項１７記載のいずれかの発明において、処理
室内で被処理体を載置するための電極部の周囲および被
処理体の周囲に磁性体リングを設けたプラズマ処理装置
である。

【００２１】また、請求項１９記載の発明は、請求項１
３から請求項１８記載のいずれかの発明がプラズマＣＶ
Ｄ装置である場合、請求項２０記載の発明は、請求項１
３から請求項１８記載のいずれかの発明がプラズマＲＩ
Ｅ装置である場合、請求項２１記載の発明は、請求項１
３から請求項１８記載のいずれかの発明がスパッタリン
グ装置である場合、請求項２２記載の発明は、請求項１
３から請求項１８記載のいずれかの発明がイオンプレー
ティング装置である場合のプラズマ処理装置である。

【００２２】また、請求項２３記載の発明は、請求項１
３から請求項１８記載のいずれかの発明がプラズマによ
って被処理体の平坦化処理を行うための平坦化装置であ
る場合、請求項２４記載の発明は、請求項１３から請求
項１８記載のいずれかの発明がプラズマによって被処理
体の研磨処理を行うための研磨装置である場合のプラズ
マ処理装置である。

【００２３】

【作用】本発明のプラズマ制御方法では、被処理体の表
面に対して垂直な方向に電界を発生させるとともに水平
な方向にも電界を発生させており、垂直方向の電界と水
平方向の電界との合成電界によってプラズマ内のイオン
や電子に力を与え、移動方向を所望の方向へ制御するよ
うにしている。

【００２４】また、本発明のプラズマ制御方法では、被
処理体の表面に対して水平な方向に磁界を発生させ、そ
の磁界の方向を周期的に反転させることにより磁界の回
りに誘起電界を発生させている。これにより、発生した
誘起電界を被処理体の表面に対して水平な方向の電界と
して使用することができるようになる。

【００２５】また、本発明のプラズマ制御方法では、被
処理体の表面に対して水平な方向に発生させた磁界をそ
の表面に対して垂直な軸を中心として回転させるてい
る。この磁界の回転によって、その磁界を取り巻く状態
に誘起電界が発生し、しかもその誘起電界が被処理体の
表面に沿って回転する状態となる。この回転する誘起電
界と被処理体の表面に対して垂直な方向の電界との合力
を用いることでプラズマ内のイオンや電子の移動方向を
制御できることになる。

【００２６】しかも、処理室内に導入するガスの圧力を
調整することでイオンや電子へ与える力を制御しその移
動方向および移動速度を制御できるようになる。さら
に、処理室内において被処理体を載置するための電極部
のリアクタンスおよび誘電率に基づき被処理体の表面に
対して水平な方向に発生させる電界を制御したり、被処
理体の表面に対して水平な方向に発生させる磁界の移動
周期に基づき被処理体の表面付近における磁束密度を制
御することで、電極部を貫通する磁束を外部へ追いや
り、被処理体の表面付近の磁束へ与える影響を軽減でき
るようになる。

【００２７】また、本発明のプラズマ処理装置では、垂
直電界発生手段によって被処理体の表面に対して垂直な
方向の電界を発生し、水平電界発生手段によって被処理
体の表面に対して水平な方向の電界を発生している。こ
れにより、各々の方向の合成電界によってプラズマ内の
イオンや電子の移動方向を制御できるようになる。

【００２８】また、回転磁界発生手段を用いて被処理体
の表面に対して水平な方向に発生する磁界を回転させる
ことによりその磁界の周囲を取り巻く状態に誘起電界が
発生するようになる。この誘起電界は磁界の回転ととも
に被処理体の表面に沿って回転し、垂直な方向の電界と
の合成電界に基づきプラズマ内のイオンや電子に力を与
えその移動方向を制御できるようになる。

【００２９】また、処理室内において被処理体を載置す
るための電極部の周囲および被処理体の周囲に磁性体リ
ングを設けることで、被処理体内部への磁束の貫通を防
ぎ回路破壊を抑制できるようになる。

【００３０】

【実施例】以下に、本発明のプラズマ制御方法およびプ
ラズマ処理装置の実施例を図に基づいて説明する。図１
は本発明のプラズマ制御方法の概略を説明する模式図で
あり、平行平板型のプラズマ処理装置を用いた場合を例
として示している。

【００３１】すなわち、本発明のプラズマ制御方法は、
処理室１内に配置された上部電極１１と下部電極１２と
の間の空間に発生するプラズマ１３において、このプラ
ズマ１３内のイオンや電子の移動方向を制御する方法で
ある。プラズマ１３内のイオンや電子の移動方向を制御
するには、処理室１内でウエハ等の被処理体１０の表面
に対して垂直な方向の電界Ｅ_Vと水平な方向の電界Ｅ _H
とを発生させ、その合成である電界Ｅ_Cの方向を制御す
るようにする。

【００３２】被処理体１０の表面に対して垂直な方向の
電界Ｅ_Vは、被処理体１０の表面に自然発生するプラズ
マシース電界と、下部電極１２の印加されるＤＣバイア
ス２によるＤＣバイアス電界と、例えば１３．５６ＭＨ
ｚの高周波バイアス３による高周波バイアス電界とから
構成される。

【００３３】また、被処理体１０の表面に対して水平な
方向の電界Ｅ_Hは、後述する被処理体１０の表面に水平
な方向の磁界の移動によって得られる誘起電界によって
構成される。本発明は、この被処理体１０の表面に対し
て垂直な方向の電界Ｅ_Vと水平な方向の電界Ｅ_Hとを所
定の比率で合成することにより、その合成電界である電
界Ｅ _Cを用いてプラズマ１３内のイオンや電子の移動方
向を制御している。

【００３４】ここで、プラズマエッチングで使用される
ＣＦ₄ ⁺イオンの電界周波数応答性について説明する。
数１に示すように、電界中のＣＦ₄ ⁺イオンに働く力
（Ｆ）は電荷量（ｑ）と電界強度（Ｅ）との積によって
求まる。また、ＣＦ₄ ⁺イオンに働く力（Ｆ）はＣＦ₄
⁺イオンの分子量（Ｍ）と加速度（α）との積でもあ
る。

【００３５】

【数１】

【００３６】さらにこの数１より、時間ｔにおけるＣＦ
₄ ⁺イオンの移動距離Ｌは、数２に示すようになる。

【００３７】

【数２】

【００３８】この数２より、垂直電界中のＣＦ₄ ⁺イオ
ンの移動距離Ｌ_Vは数３のようになる。

【００３９】

【数３】

【００４０】したがって、例えば１３．５６ＭＨｚ（半
周期の時間ｔ＝０．５×１３．５６×１０^-6（ｓｅ
ｃ））、電界強度Ｅ_V＝２×１０³Ｖ／ｍの場合の垂直
電界中のＣＦ₄ ⁺イオンの移動距離Ｌ_Vは１．４９×１
０^-6ｍとなる。なお、計算を分かりやすくするため、垂
直バイアス電界においては、プラズマシース電界と直流
バイアス電界との和を０として高周波バイアス電界のみ
を考慮した場合を例としている。

【００４１】同様に数２より、水平電界中のＣＦ₄ ⁺イ
オンの移動距離Ｌ_Hは数４のようになる。

【００４２】

【数４】

【００４３】したがって、例えば８００Ｈｚ（半周期の
時間ｔ＝０．５×８００×１０^-2（ｓｅｃ））、電界強
度Ｅ_H＝１．５×１０²Ｖ／ｍの場合の水平電界中のＣ
Ｆ₄ ⁺イオンの移動距離Ｌ_Hは３．２１×１０¹ｍとな
る。

【００４４】すなわち、１３．５６ＭＨｚ等の高周波電
界ではＣＦ₄ ⁺イオンはμｍオーダでしか移動しない
が、８００Ｈｚ程度の水平電界ではｍオーダで移動する
ことが分かる。これは、イオンの質量が電子の質量に比
べて大きく、電界が高周波となればなる程その応答性が
悪くなることに起因している。

【００４５】このようなことから、例えば１３．５６Ｍ
Ｈｚ等の高周波から成る垂直方向の電界Ｅ_Vに対して８
００Ｈｚ程度の垂直方向の電界Ｅ_Hの強度または周波数
を調整して与えることで被処理体１０の表面に対して垂
直な方向から水平な方向に至るまでの合成電界Ｅ_Cを自
由に生成できることになる。本発明は、この合成電界Ｅ
_Cを利用することでプラズマ１３内のイオンや電子の移
動方向を制御して、被処理体１０の表面に対する所望の
方向への作用を可能とするものである。

【００４６】次に、被処理体１０の表面に対して水平な
方向の電界Ｅ_Hを生成する方法について説明する。図２
は、反転磁界による水平電界誘起方法を説明する模式図
である。すなわち、この方法はプラズマ１３の雰囲気内
において被処理体１０の表面に対して水平な方向に磁束
密度Ｂの磁界を発生させ、その方向を（ａ）〜（ｂ）に
示すように周期的に反転させることでその磁界を取り巻
く方向に誘起電界Ｅを発生させるものである。

【００４７】この誘起電界Ｅにより、被処理体１０の表
面上では水平方向の電界Ｅ_Hが図中左右方向に周期的に
反転する状態となる。したがって、この電界Ｅ_Hを垂直
方向の電界Ｅ_V（図１参照）と合成させることでその合
成電界Ｅ_C（図１参照）の方向が所定角度をもって反転
させることができ、プラズマ１３内のイオンや電子の方
向を制御できるようになる。

【００４８】また、図３は回転磁界による水平電界誘起
方法を説明する模式図である。この方法は、先ず、プラ
ズマ１３の雰囲気内において被処理体１０の表面に対し
て水平な方向に磁束密度Ｂの磁界を発生させ（図３
（ａ）参照）、これを被処理体１０の表面に対して垂直
な軸を中心として回転させる。この水平方向の磁界の回
転により、磁界を取り巻く方向に帯状の誘起電界Ｅが発
生するとともにその帯状の誘起電界Ｅも磁界の回転とと
もに被処理体１０の表面に沿って回転する状態となる。

【００４９】すなわち、被処理体１０の表面上では、水
平方向の電界Ｅ_Hが磁界の回転とともに回転する状態と
なり、この水平方向の電界Ｅ_Hと垂直方向の電界Ｅ
_V（図１参照）との合成電界Ｅ_C（図１参照）が被処理
体１０の表面に対して所定角度で回転するようになる。

【００５０】次に、被処理体１０の表面上におけるて水
平方向の電界Ｅ_Hを平行かつ均一にするプラズマ制御方
法を説明する。先に説明したように、本発明では被処理
体１０の表面上における水平方向の電界Ｅ_Hと垂直方向
の電界Ｅ_vとの合成電界Ｅ_Cによってプラズマ１３内の
イオンや電子の方向を制御している。この水平方向の電
界Ｅ_Hを生成するための磁界が被処理体１０を載置する
ための下部電極１２を貫通すると下部電極１２側にも電
界が誘起されることになる。また、この電界によって電
流が流れ、さらにこの電流によって磁界が誘起されるこ
とになる。

【００５１】このため、被処理体１０の表面上における
磁界は、プラズマ１３側と下部電極１２側との磁界の合
成となる。図４は、プラズマ側および下部電極側におけ
る磁界と電界との関係を示す図である。図４において矢
印は初期の印加磁界、矢印は誘起電界、矢印は誘
起電流、矢印は誘起磁界、矢印は最終的な磁界、矢
印は最終的な誘起電界の大きさおよび方向をそれぞれ
示している。

【００５２】すなわち、矢印で示す初期の印加磁界に
対して直角な方向に矢印で示す誘起電界が発生する。
また、この誘起電界によって発生する誘起電流は矢印
で示すようにリアクタンスによる位相差が生じている。
図４（ａ）に示すプラズマ側では誘起電流矢印が矢印
に対して角度θ_pだけ位相遅れを生じ、図４（ｂ）に
示す下部電極側では誘起電流矢印が矢印に対して角
度θ_eだけ位相遅れを生じることになる。

【００５３】角度θ_eは角度θ_pに比べてはるかに大き
なものであり、この差に応じて矢印で示す誘起磁界お
よび矢印で示す最終的な磁界の方向および大きさがそ
れぞれ異なることになる。なお、プラズマ側に比べ下部
電極側の方が矢印で示す誘起電流が大きくなるのは、
プラズマ側より下部電極側の方の導電率が大きいからで
ある。この結果、矢印で示す最終的な誘起電界の方向
および大きさもプラズマ側と下部電極側とで異なること
になる。

【００５４】本発明では、矢印で示す最終的な誘起電
界の方向および大きさがプラズマ側と下部電極側とで異
なることに着目し、下部電極１２のリアクタンスおよび
導電率に基づいてプラズマ側と下部電極側との最終的な
誘起電界の方向および大きさを制御し、これらの誘起電
界の合成である被処理体１０の表面に対して水平な方向
の電界Ｅ_Hを制御している。

【００５５】例えば、下部電極１２の材料選択により導
電率を大きくしていくことで図４（ｂ）に示す矢印の
誘起電流の位相遅れを大きくし、図４（ａ）の矢印で
示すプラズマ側の最終的な誘起電界に与える影響を小さ
くして電界Ｅ_H（図１参照）を平行かつ均一にする。こ
れ以外にも下部電極１２のリアクタンスおよび導電率を
最適化することによって、被処理体１０の表面に対して
水平な方向の電界Ｅ_H（図１参照）を平行かつ均一にし
て的確な合成電界Ｅ_Cの制御を行うようにしている。

【００５６】次に、プラズマ１３内に発生させる磁界の
時間的変化（周波数）と磁束密度との関係によるプラズ
マ制御方法を図５に基づいて説明する。図５は、プラズ
マ１３内における磁界の時間的変化（周波数）と磁束密
度との関係を示す図である。

【００５７】先に説明したように、本発明ではプラズマ
１３内に磁束密度Ｂの磁界を発生させ、これを変化（反
転や回転）させることで被処理体１０の表面に対して水
平な方向の電界Ｅ_Hを発生させてプラズマ１３内のイオ
ンや電子の方向を制御している。一方、下部電極１２側
にも磁束密度Ｂ’の磁界が発生しており、被処理体１０
の表面上においてはこの下部電極１２側の電界とプラズ
マ１３側の電界との合成によって水平方向の電界Ｅ_Hが
決まることになる。

【００５８】そこで、本発明ではプラズマ１３内に発生
させる磁界の時間的変化（周波数）を制御することで下
部電極１２側に発生する磁束密度および被処理体１０の
表面付近での磁束密度を制御して、水平方向の電界Ｅ_H
を制御している。例えば、プラズマ１３内に発生させる
磁界の時間的変化を大きくすると、図５（ｂ）に示すよ
うに下部電極１２を貫通する磁束が少なくなる。すなわ
ち、その磁束は被処理体１０の表面付近へ追いやられる
ことになり、表面付近での磁束密度が高くなる（表皮効
果）。

【００５９】このように、被処理体１０の表面付近での
磁束密度を高めることで、下部電極１２側で発生する電
界が小さくなりプラズマ１３側における電界すなわち被
処理体１０の表面に対して水平な方向に発生する電界Ｅ
_Hを平行、均一かつ増強させることが可能となる。つま
り、プラズマ１３内における磁界の時間的変化を制御す
ることによって被処理体１０の表面に対して水平な方向
の電界Ｅ_H（図１参照）を平行、均一かつ増強し、的確
な合成電界Ｅ_Cの制御を行うようにしている。

【００６０】本発明では、このようなプラズマ制御方法
によるプラズマをプラズマＣＶＤ、プラズマＲＩＥ、ス
パッタリングおよびイオンプレーティグ等のプラズマ処
理を行う際に用いる。これにより、プラズマ１３内のイ
オンや電子の方向を制御でき被処理体１０の表面への所
定の膜付けやエッチング加工の方向性を制御できるよう
になる。また、本発明では、このプラズマを被処理体１
０の平坦化および研磨のために用いている。この場合に
は、被処理体１０の表面に対して水平な方向に合成電界
Ｅ_Cを生成することで、平坦化および研磨処理を行うこ
とができるようになる。

【００６１】また、本発明のプラズマ制御方法では、処
理室１（図１参照）内へ導入するガスの圧力を制御する
ことでプラズマ１３内のイオンや電子の方向を制御して
もよい。例えば、被処理体１０の表面に対して垂直な方
向にガスが導入される場合、その圧力を強くすることで
プラズマ１３内のイオンや電子の垂直方向への到達速度
すなわちエネルギーを強くすることができ、これを調節
することでイオンや電子の移動方向および移動速度を制
御できるようになる。

【００６２】次に、上記説明した水平電界誘起方法を実
現するための本発明のプラズマ処理装置について説明す
る。図６は、反転磁界による水平電界誘起方法（図２参
照）を実現するためのプラズマ処理装置を説明する模式
図である。すなわち、このプラズマ処理装置は、被処理
体１０を間として相対向して配置される一対のコイル
４、およびこのコイル４に対して所定周期の交流電流を
流すための単相交流電源５を備えている。

【００６３】一対のコイル４は、例えば処理室１（図１
参照）の外側に配置されており、単相交流電源５によっ
て数１０Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度の交流電流が与えられるこ
とにより被処理体１０の表面に対して水平な方向の磁束
密度Ｂから成る磁界を発生するものである。

【００６４】また、コイル４に流れる電流を周期的に変
化させることで被処理体１０の表面に対して水平な方向
の磁界が周期的に反転し、この磁界の反転によって磁界
を取り巻く方向に誘起電界Ｅが発生する状態となる。こ
の誘起電界Ｅは電流の周期に応じてその方向が反転し、
被処理体１０の表面上では水平方向の電界Ｅ_Hの方向も
周期的に反転するようになる。

【００６５】このプラズマ処理装置では、方向の反転す
る水平方向の電界Ｅ_Hと高周波バイアス３（図１参照）
等による垂直方向の電界Ｅ_V（図１参照）とを発生さ
せ、その合成電界Ｅ_C（図１参照）によってプラズマ１
３内のイオンや電子の移動方向を制御する。これによ
り、被処理体１０に対して所望の方向で膜付やエッチン
グ等の加工を施すことができるようになる。

【００６６】図７および図８は回転磁界による水平電界
誘起方法を実現する本発明のプラズマ処理装置を説明す
る図である。図７に示すプラズマ処理装置は、被処理体
１０の周囲に巻かれるコイル４１と、このコイル４１に
多相（例えば、３相）の交流電流を流すための多相交流
電源５１とから成る回転磁界発生手段を備えており、こ
のコイル４１に多相交流電流を与えることで疑似的に被
処理体１０の表面に対して水平な方向に発生する磁束密
度Ｂの磁界を回転させるものである。

【００６７】例えば、３相交流電流の周波数を数１０Ｈ
ｚ〜数ｋＨｚ程度にすることで、被処理体１０上に発生
した磁界が被処理体１０の表面に対して垂直な軸を中心
としてその交流電流の周波数に応じた回転数で回転する
ようになる。また、この磁界の回転とともに磁界を取り
巻く状態で帯状の誘起電界Ｅ（図３（ｂ）参照）が発生
し、さらにこの帯状の誘起電界Ｅも一緒に回転するよう
になる。

【００６８】これによって被処理体１０の表面上では水
平方向の電界Ｅ_H（図３（ｂ）参照）が回転する状態と
なり、プラズマ処理装置はこの電界Ｅ_Hと図１に示すよ
うな高周波バイアス３による垂直方向の電界Ｅ_Vとの合
成電界Ｅ_Cによってプラズマ１３内のイオンや電子の移
動方向を制御できるようになる。

【００６９】また、図８に示すプラズマ処理装置は、被
処理体１０の周囲にリング状に設けられ被処理体１０の
表面に対して水平な方向に磁束密度Ｂの磁界を発生させ
る永久磁石４２と、この永久磁石４２を被処理体１０の
回りで回転させるための回転機構（図示せず）とから成
る回転磁界発生手段を備えている。

【００７０】リング状の永久磁石４２は、例えばＭ₁、
Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄から成る４つの磁石片を連結した状態
で構成されており、その断面は回転してもガスの気流を
乱さないような流線形状となっている。このプラズマ処
理装置では、リング状の永久磁石４２を例えば数千回転
／分〜数万回転／分で回転させることによりＮ極からＳ
極に向かう磁界を被処理体１０の表面に対して垂直な軸
を中心に回転することができる。この磁界の回転によっ
て磁界を取り巻く状態で帯状の誘起電界Ｅ（図３（ｂ）
参照）が発生し、さらにこの帯状の誘起電界Ｅも一緒に
回転するようになる。

【００７１】この誘起電界Ｅの回転によって被処理体１
０の表面上では水平方向の電界Ｅ_H（図３（ｂ）参照）
が回転する状態となる。プラズマ処理装置は、この電界
Ｅ_Hと図１に示すような高周波バイアス３による垂直方
向の電界Ｅ_Vとの合成電界Ｅ_Cによってプラズマ１３内
のイオンや電子の移動方向を制御できるようになる。

【００７２】また、図９は磁性体リングを備えたプラズ
マ処理装置の例を説明する図であり、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は断面図、（ｃ）は磁束の流れを示すものであ
る。図９（ａ）および（ｂ）に示すように、このプラズ
マ処理装置は被処理体１０を載置するための下部電極１
２の周囲および被処理体１０の周囲に磁性体リング１４
を備えており、ウエハ等の被処理体１０内部へ磁束が貫
通するのを防ぎ形成された電子回路の破壊を防止するも
のである。

【００７３】すなわち、図９（ｃ）に示すように、被処
理体１０の表面に対して水平な方向に向かう磁束密度Ｂ
の磁界は、磁性体リング１４によって下部電極１２およ
び被処理体１０を避けるようにして進んで行き、被処理
体１０の内部へ影響を与えないようになる。これによっ
て、被処理体１０の内部に流れる不要な電流を抑制で
き、形成された電子回路の破壊を防止できるようにな
る。

【００７４】図６〜図９に示したプラズマ処理装置は、
例えばプラズマＣＶＤ装置であったり、プラズマＲＩＥ
装置、スパッタリング装置、イオンプレーティング装置
であったりする。また、このプラズマ処理装置は、被処
理体１０の平坦化処理を行うための平坦化装置、被処理
体１０の研磨処理を行うための研磨装置であったりもす
る。

【００７５】なお、各種加工装置として使用される本発
明のプラズマ処理装置には、被処理体１０の表面に対し
て垂直な方向の電界Ｅ_V（図１参照）と水平な方向の電
界Ｅ _Hとの強度や周波数の比率を調整するための調整手
段（図示せず）が設けられており、この調整手段（図示
せず）を用いることで電界Ｅ_V（図１参照）と電界Ｅ _H
との合成電界Ｅ_C（図１参照）の方向を制御して、被処
理体１０に対する所望の加工方向を決定できるようにな
っている。

【００７６】図１０〜図１２は、本発明のプラズマ制御
方法およびプラズマ処理装置による加工例を説明する断
面図である。図１０はトレンチ溝の加工例を説明する断
面図である。例えば、本発明を適用したプラズマＲＩＥ
装置を用いて図１０（ａ）に示すような被処理体１０の
表面に対して垂直な方向のトレンチ溝１０ａを形成する
には、被処理体１０の表面に対して垂直な方向へ合成電
界Ｅ_Cを生成し（例えば、図１に示す電界Ｅ_Vを１００
％、電界Ｅ_Hを０％にして合成する）、イオンや電子の
方向を制御して被処理体１０の表面に対して垂直なトレ
ンチ溝１０ａを形成するようにする。

【００７７】さらに、この状態でトレンチ溝１０ａの開
口部にテーパを設ける場合には、図１０（ｂ）に示すよ
うにそのテーパの角度に応じて合成電界Ｅ_Cを生成し
（図１に示す電界Ｅ_Vと電界Ｅ_Hとを角度に応じた所定
の割合で合成する）、イオンや電子の方向を制御するこ
とで所定角度のテーパ状にエッチングすることができる
ようになる。また、図１０（ｃ）に示すように初めから
被処理体１０の表面に対して斜めに合成電界Ｅ_Cを生成
しておき、トレンチ溝１０ａの内側面全体にテーパをつ
ける加工を行うこともできる。なお、本発明では、先に
説明した調整手段を用いることで、このような各種形状
に対応したエッチング処理を同一の装置で行うことがで
きるようになる。

【００７８】また、図１１は堆積加工例を説明する断面
図である。図１１（ａ）に示すように被処理体１０の上
面に酸化膜等の上面堆積物Ａを被着するには、例えば、
本発明を適用したプラズマＣＶＤ装置を用いてその合成
電界Ｅ_Cを被処理体１０の表面に対して垂直な方向に生
成する。これによって、被処理体１０の表面やトレンチ
溝１０ａの底面に上面堆積物Ａを被着することができ
る。

【００７９】さらに、図１１（ｂ）に示すようにトレン
チ溝１０ａの内側面に側面堆積物Ｂを被着する場合に
は、先に説明した調整手段を用いて電界Ｅ_V（図１参
照）と電界Ｅ_H（図１参照）との比率を調整して合成電
界Ｅ_Cの方向に所定の角度をもたせイオンや電子がトレ
ンチ溝１０ａの内側面に作用できるような状態とする。
これによって、トレンチ溝１０ａの内側面に側面堆積物
Ｂを被着でき、被処理体１０の表面からトレンチ溝１０
ａの内面全てを酸化膜等の堆積物で覆うことが可能とな
る。

【００８０】これは、正確なトレンチキャパシタを歩留
り良く製造する上で特に有効な方法となる。なお、上記
説明ではトレンチ溝１０ａの加工を例としたが本発明は
これに限定されず、例えばビアホール、コンタクトホー
ル等の各種ホールの内面処理にも適応可能である。

【００８１】また、図１２は平坦化の加工例を説明する
断面図である。図１２（ａ）に示すように、被処理体１
０の上面にアルミニウム等の金属配線６が設けられ、そ
の上に絶縁層７が設けられている場合、その絶縁層７の
表面は下の金属配線６の凹凸によってうねりが生じてし
まう。このような場合に、本発明を適用した平坦化装置
を用い、先に説明した調整手段によって被処理体１０の
表面に対して水平な方向の合成電界Ｅ_Cを生成するよう
にする。

【００８２】この合成電界Ｅ_Cによって、プラズマ１３
（図１参照）内のイオンや電子が被処理体１０の表面に
対して水平な方向に移動するようになり、絶縁層７の表
面が削り取られて図１２（ｂ）に示すような平坦化処理
を施すことが可能となる。また、被処理体１０の研磨処
理を行う場合には、研磨する面の方向に沿って合成電界
Ｅ_Cを生成し、イオンや電子の移動方向を制御すれば平
坦化と同様な削り取りによって研磨を行うことが可能と
なる。

【００８３】また、上記説明したプラズマによるエッチ
ング、堆積処理および平坦化処理等を組み合わせること
でエッチバック等の他の処理も施すことが可能となる。
すなわち、被処理体１０の表面に対して垂直な方向の電
界Ｅ_V（図１参照）と水平な方向の電界Ｅ_H（図１参
照）との合成電界Ｅ_Cによりプラズマ１３（図１参照）
内のイオンや電子の方向を制御することで被処理体１０
に対する３次元的な加工を施すことが可能となる。

【００８４】なお、本実施例において示した各電界の周
波数や強度は一例であり、本発明はこれに限定されな
い。また、本実施例で示した加工例も一例であり、本発
明を被処理体１０に対する他の加工において適用しても
同様である。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のプラズマ
制御方法およびプラズマ処理装置によれば次のような効
果がある。すなわち、本発明ではプラズマ内において被
処理体の表面に対して垂直な方向の電界だけでなく水平
な方向の電界も制御しているため、これらの合成電界に
よってプラズマ内のイオンや電子の移動方向を自由に制
御できるようになる。また、被処理体を載置する電極部
のリアクタンスおよび導電率に基づき被処理体の表面に
対して水平は方向の電界を制御したり、被処理体の表面
に対して水平な方向に発生させる磁界の移動周期に基づ
き被処理体の表面付近の磁束密度を制御することで、被
処理体の表面に対して平行な方向に発生させる誘起電界
を平行、均一かつ増強でき、プラズマ内のイオンや電子
の移動方向を的確に制御できるようになる。

【００８６】また、プラズマ生成のガスの導入圧力を調
整することでイオンや電子の移動速度も制御できるよう
になる。これらによってトレンチ溝等の加工（テーパ加
工等）やトレンチ溝等の内側面への加工、または被処理
体に対する平坦化処理、研磨処理等を自在に行うことが
可能となる。本発明は、特に半導体素子等の微細化、３
次元構造化を図る上で有効な方法および装置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ制御方法の概略を説明する模
式図である。

【図２】反転磁界による水平電界誘起方法を説明する模
式図である。

【図３】回転磁界による水平電界誘起方法を説明する模
式図である。

【図４】磁界と電界との関係を示す図で、（ａ）はプラ
ズマ側、（ｂ）は下部電極側である。

【図５】周波数と磁束密度との関係を示す図である。

【図６】反転磁界を用いたプラズマ処理装置を説明する
斜視図である。

【図７】回転磁界を用いたプラズマ処理装置の説明する
図（その１）である。

【図８】回転磁界を用いたプラズマ処理装置の説明する
図（その２）である。

【図９】磁性体リングを備えた例を説明する図で、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は磁束の流れ
を示すものである。

【図１０】トレンチ溝の加工例を説明する断面図であ
る。

【図１１】堆積加工の例を説明する断面図である。

【図１２】平坦化加工の例を説明する断面図である。

【図１３】従来例を説明する模式図で、（ａ）は平行平
板型、（ｂ）はＥＣＲ型を示している。

【符号の説明】

１処理室２ＤＣバイアス３高周波バイアス１０被処理体１１上部電極１２下部電極１３プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｃ 16/50 Ｃ２３Ｆ 4/00 Ａ 9352−4ＫＨ０１Ｌ 21/203 Ｓ 9545−4Ｍ 21/205 21/3065 21/304 ３２１Ｍ 21/31 (72)発明者本堀勲東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者坂内敏東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者千葉智博東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者河嶋利孝東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体が配置される処理室内にプラズ
マを発生させた状態で該プラズマ内のイオンや電子の方
向を制御するプラズマ制御方法であって、前記被処理体の表面に対して垂直な方向に電界を発生さ
せるとともに該表面に対して水平な方向に電界を発生さ
せ、各々の方向の合成電界に基づき前記イオンや電子の
方向を制御することを特徴とするプラズマ制御方法。
【請求項２】前記被処理体の表面に対して水平な方向
の電界は、該表面に対して水平な方向に発生させた磁界
の方向を周期的に反転させることで発生させることを特
徴とする請求項１記載のプラズマ制御方法。
【請求項３】被処理体が配置される処理室内にプラズ
マを発生させた状態で該プラズマ内のイオンや電子の方
向を制御するプラズマ制御方法であって、前記被処理体の表面に対して垂直な方向に電界を発生さ
せるとともに該表面に対して水平な方向に発生させた磁
界を該表面に対して垂直な軸を中心として回転させるこ
とで該表面に対して水平な方向に発生する電界を回転さ
せ、各々の方向の合成電界に基づき前記イオンや電子の
方向を制御することを特徴とするプラズマ制御方法。
【請求項４】前記処理室内に導入するガスの圧力を調
整することを特徴とする請求項１から請求項３のうちい
ずれか一つに記載のプラズマ制御方法。
【請求項５】前記処理室内において前記被処理体を載
置するための電極部のリアクタンスおよび導電率に基づ
き該被処理体の表面に対して水平な方向に発生させる電
界を制御することを特徴とする請求項１から請求項４の
うちいずれか一つに記載のプラズマ制御方法。
【請求項６】前記被処理体の表面に対して水平な方向
に発生させる磁界の移動周期に基づき該被処理体の表面
付近における磁束密度を制御することを特徴とする請求
項２または請求項３記載のプラズマ制御方法。
【請求項７】前記プラズマがプラズマＣＶＤ時に用い
られるものであることを特徴とする請求項１から請求項
６のうちいずれか一つに記載のプラズマ制御方法。
【請求項８】前記プラズマがプラズマＲＩＥ時に用い
られるものであることを特徴とする請求項１から請求項
６のうちいずれか一つに記載のプラズマ制御方法。
【請求項９】前記プラズマがスパッタリング時に用い
られるものであることを特徴とする請求項１から請求項
６のうちいずれか一つに記載のプラズマ制御方法。
【請求項１０】前記プラズマがイオンプレーティング
時に用いられるものであることを特徴とする請求項１か
ら請求項６のうちいずれか一つに記載のプラズマ制御方
法。
【請求項１１】前記プラズマが前記被処理体の平坦化
のために用いられるものであることを特徴とする請求項
１から請求項６のうちいずれか一つに記載のプラズマ制
御方法。
【請求項１２】前記プラズマが前記被処理体の研磨の
ために用いられるものであることを特徴とする請求項１
から請求項６のうちいずれか一つに記載のプラズマ制御
方法。
【請求項１３】被処理体が配置される処理室内にプラ
ズマを発生させた状態で、該プラズマ内のイオンや電子
の方向を制御するプラズマ処理装置であって、前記被処理体の表面に対して垂直な方向に電界を与える
ための垂直電界発生手段と、前記被処理体の表面に対して水平な方向に電界を与える
ための水平電界発生手段とを備えていることを特徴とす
るプラズマ処理装置。
【請求項１４】前記水平電界発生手段は、前記被処理
体を間とした前記処理室の外側に相対向して配置される
一対のコイルと、前記一対のコイルに所定周期の交流電流を流すための電
源手段とから構成されていることを特徴とする請求項１
３記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】被処理体が配置される処理室内にプラ
ズマを発生させた状態で、該プラズマ内のイオンや電子
の方向を制御するプラズマ処理装置であって、前記被処理体の表面に対して垂直な方向に電界を与える
ための垂直電界発生手段と、前記被処理体の表面に対して水平な方向に発生する磁界
を回転させるための回転磁界発生手段とを備えているこ
とを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１６】前記回転磁界発生手段は、前記被処理
体の周囲に巻かれるコイルと、前記コイルに電流を流すための多相交流電源とから構成
されていることを特徴とする請求項１５記載のプラズマ
処理装置。
【請求項１７】前記回転磁界発生手段は、前記被処理
体の周囲にリング状に設けられ該被処理体の表面に対し
て水平な方向に磁界を発生するための永久磁石と、前記永久磁石を前記被処理体の回りで回転させるための
回転機構とから構成されていることを特徴とする請求項
１５記載のプラズマ処理装置。
【請求項１８】前記処理室内において前記被処理体を
載置するための電極部の周囲および該被処理体の周囲に
磁性体リングを設けたことを特徴とする請求項１３から
請求項１７のうちいずれか一つに記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１９】プラズマＣＶＤ装置であることを特徴
とする請求項１３から請求項１８のうちいずれか一つに
記載のプラズマ処理装置。
【請求項２０】プラズマＲＩＥ装置であることを特徴
とする請求項１３から請求項１８のうちいずれか一つに
記載のプラズマ処理装置。
【請求項２１】スパッタリング装置であることを特徴
とする請求項１３から請求項１８のうちいずれか一つに
記載のプラズマ処理装置。
【請求項２２】イオンプレーティング装置であること
を特徴とする請求項１３から請求項１８のうちいずれか
一つに記載のプラズマ処理装置。
【請求項２３】前記プラズマによって前記被処理体の
平坦化処理を行うための平坦化装置であることを特徴と
する請求項１３から請求項１８のうちいずれか一つに記
載のプラズマ処理装置。
【請求項２４】前記プラズマによって前記被処理体の
研磨処理を行うための研磨装置であることを特徴とする
請求項１３から請求項１８のうちいずれか一つに記載の
プラズマ処理装置。