JPH09162169A - Method and system for plasma processing - Google Patents

Method and system for plasma processing

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JPH09162169A
JPH09162169A JP31682095A JP31682095A JPH09162169A JP H09162169 A JPH09162169 A JP H09162169A JP 31682095 A JP31682095 A JP 31682095A JP 31682095 A JP31682095 A JP 31682095A JP H09162169 A JPH09162169 A JP H09162169A
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JP
Japan
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plasma
chamber
ions
generation chamber
plasma processing
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Application number
JP31682095A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuhiro Horiike
靖浩 堀池
Haruo Shindo
春雄 進藤
Satoru Narai
哲 奈良井
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent abnormal machining while taking account of high speed plasma processing using negative ions by introducing positive and negative ions into a processing chamber provided with a sample stage and performing plasma processing by applying a high frequency AC voltage to a sample mounted on the sample state in the processing chamber thereby neutralizing the accumulated charges of positive ions. SOLUTION: Positive ions are generated in a low pressure positive ion generation chamber 16 provided, in the circumference thereof, with a plurality of longitudinal slits 12 and an annular negative ion generation chamber 17 is cooled down to -40 deg.C through the slits 12. The negative ion generation chamber 17 is fed with chlorine gas and generates negative ions. A sample stage 30 is disposed at the lower part of the positive ion generation chamber 16 while being insulated from the body through an insulator 14. A sample 5 is mounted on the sample stage 30 and applied with a high frequency AC voltage from a high frequency power supply 8 and processed by means of a plasma 4. According to the method, abnormal machining is prevented by neutralizing the accumulated charges of positive ions while taking account of negative ion plasma processing.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は,半導体製造やLC
D等の平面表示板製造工程等に使用されるプラズマ処理
方法及びその装置に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor manufacturing and LC.
The present invention relates to a plasma processing method and apparatus used in a flat display panel manufacturing process such as D.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年,集積回路製造のエッチング工程
は,集積度を向上させるために,単位面積当たりの素子
の数を多くして,且つ集積回路全体のチップ面積を増加
させることで集積度及び経済性の向上を図っている。そ
のため,集積回路の素子の最小加工幅は年々小さくな
り,同時に処理を行う半導体被処理物は大口径化してい
る。従来上記のような半導体製造等には,プラズマ処理
技術が用いられている。ここで,従来のプラズマでは高
周波電力により材料ガスを電離し,電離により生じる正
イオンを,プラズマと被処理物との間に生じる被処理物
表面に垂直な方向の電位差(フローティング電位又は自
己バイアス電位)により加速し,加速された正イオンに
よるエネルギを用いて,例えばエッチング等を行ってい
る。この様なプラズマエッチングは,被処理物形状が矩
形であり加工寸法が正確であるため,微細加工に多用さ
れている。従って,プラズマ処理装置では,大口径で高
速であり且つ均質なエッチングを行うことが要求され,
且つ縦方向の加工幅も小さくなるので,処理中に下地の
膜の損傷をより少なくすることが要求されている。一般
的にプラズマよる異方性エッチングでは,被処理物とプ
ラズマとの間で発生する上記電位差(フローティング電
位又は自己バイアス電位)により加速されたイオンのエ
ネルギによりエッチングが行われる。プラズマは全体と
して電気的に中性であり,それを構成する荷電粒子は電
子とイオンより構成されている。イオンは電子に比べて
1000倍以上の質量を持つために,イオンの移動する
速度は電子に比べて遅く,プラズマより脱出しにくい。
逆に,負の電荷を持つ電子は移動速度が早く,イオンよ
り早く移動できる。プラズマはその移動速度の差から電
子を失いやすいので,全体として電気的中性を保とうと
して,プラズマの周辺に対して正に帯電する。つまり,
外壁や被処理物に対してはプラズマは正に帯電して電子
を静電気力で引き込み,プラズマ自身の電気的中性を保
ち安定している。そのようなプラズマ中に被処理物を置
くと,被処理物はプラズマに対して負に帯電することに
なる。エッチング等の処理は,主に被処理物とプラズマ
との間に発生する上記電位差により引き込まれる正イオ
ン自体もしくは,正イオンのエネルギにより行われる。
また工業的には,このイオンの引き込み電位を調節する
為に被処理物に対してコンデンサにより直流的に絶縁さ
れた電極に高周波を引加して,プラズマに対する被処理
物の電位を調節してエッチング等の処理の最適化を行っ
ている。
2. Description of the Related Art In recent years, in the etching process for manufacturing integrated circuits, in order to improve the integration degree, the number of elements per unit area is increased and the chip area of the entire integrated circuit is increased to improve the integration degree and The economy is being improved. For this reason, the minimum processing width of the elements of the integrated circuit is becoming smaller year by year, and the diameter of the semiconductor object to be processed simultaneously increases. Conventionally, a plasma processing technique has been used for the semiconductor manufacturing as described above. Here, in the conventional plasma, the material gas is ionized by the high frequency power, and the positive ions generated by the ionization generate a potential difference (floating potential or self-bias potential) between the plasma and the workpiece in the direction perpendicular to the surface of the workpiece. ) Is performed, and the energy of the accelerated positive ions is used to perform etching, for example. Such plasma etching is often used for fine processing because the shape of the object to be processed is rectangular and the processing dimensions are accurate. Therefore, the plasma processing apparatus is required to perform a large-diameter, high-speed and uniform etching,
Moreover, since the processing width in the vertical direction also becomes smaller, it is required to further reduce the damage to the underlying film during processing. Generally, in anisotropic etching using plasma, etching is performed by the energy of ions accelerated by the above potential difference (floating potential or self-bias potential) generated between the object to be processed and plasma. Plasma is electrically neutral as a whole, and the charged particles that make up it are composed of electrons and ions. Since the ion has a mass 1000 times or more that of the electron, the moving speed of the ion is slower than that of the electron, and it is difficult to escape from the plasma.
On the contrary, electrons with negative charges move faster and can move faster than ions. Since plasma easily loses electrons due to the difference in its moving speed, it tries to maintain electrical neutrality as a whole and is positively charged to the periphery of plasma. That is,
The plasma is positively charged with respect to the outer wall and the object to be processed, and the electrons are attracted by the electrostatic force, and the plasma itself maintains the electrical neutrality and is stable. When an object to be processed is placed in such plasma, the object to be processed is negatively charged with respect to the plasma. The processing such as etching is performed mainly by the positive ions themselves or the energy of the positive ions drawn by the above-mentioned potential difference generated between the object to be processed and the plasma.
In addition, industrially, in order to adjust the attraction potential of the ions, a high frequency is applied to the electrode that is galvanically insulated from the object by a capacitor to adjust the potential of the object to the plasma. We are optimizing processing such as etching.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら,近年の
微細加工においては,加工寸法と希望する処理の縦横比
(アスペクト比)の高さから,均一な密度分布を持つプ
ラズマを用いても,処理を行う形状の微細な形状効果の
ために,均一な処理を行えない事が報告されている。例
えば,電場効果トランジスタのゲート形成の工程で用い
るポリシリコンエッチングにおいては,プラズマエッチ
ングを行うと,微細なパターンの形状効果により,エッ
チング中に下地のシリコン酸化膜との間に界面に沿って
異常にエッチングが進む,所謂ノッチが生じる。また,
コンデンサ形成や素子分離のための,トレンチエッチン
グにおいては,垂直なエッチング側壁が得られず,トレ
ンチ側壁が窪むボーイング等の異常加工が発生する。こ
れらの微細なパターンによる形状効果による異常加工
は,電子とイオンの比処理物への流入量の比がパターン
に依存して異なることにより生じる電荷蓄積(チャージ
アップ)に起因する。また,本発明者等は,先の出願
(特願平7−8973号)において,負イオンのエッチ
ング速度が非常に早いことを報告した。しかし,同じプ
ラズマ発生装置で正イオンと負イオンとを同時に作るこ
とには困難性が伴う。即ち,ガス圧と発生するイオン密
度との関係を表す図2に示すように,正イオンと負イオ
ンとのそれぞれの発生する圧力領域はずれており,正イ
オンで垂直形状に試料を効率良くエッチングできる低圧
力では,負イオンを効率良く発生させることができない
ことが分かった。従って,本発明が目的とするところ
は,従来のプラズマエッチングで異常加工の原因となっ
ている試料上の正イオンによる電荷の蓄積(チャージア
ップ)を中和させることにより解消して異常加工を防止
すると共に,負イオンによる高速のプラズマ処理を加味
することの出来るプラズマ処理方法及びその装置を提供
することである。
However, in recent microfabrication, even if plasma having a uniform density distribution is used, the processing can be performed due to the processing dimension and the height of the desired aspect ratio of the processing. It has been reported that uniform treatment cannot be performed due to the fine shape effect of the shape to be performed. For example, in the polysilicon etching used in the step of forming the gate of an electric field effect transistor, when plasma etching is performed, the shape effect of a fine pattern causes abnormalities along the interface with the underlying silicon oxide film during etching. A so-called notch occurs, which is the progress of etching. Also,
In trench etching for capacitor formation and element isolation, vertical etching side walls cannot be obtained, and abnormal processing such as bowing in which the trench side walls are depressed occurs. The abnormal processing due to the shape effect due to these fine patterns is caused by the charge accumulation (charge-up) caused by the difference in the ratio of the inflow amount of electrons and ions into the processed object depending on the pattern. In addition, the present inventors reported in the previous application (Japanese Patent Application No. 7-8973) that the etching rate of negative ions was very high. However, it is difficult to simultaneously generate positive ions and negative ions with the same plasma generator. That is, as shown in FIG. 2, which shows the relationship between gas pressure and generated ion density, the pressure regions where positive ions and negative ions are generated deviate from each other, and the positive ions can efficiently etch the sample into a vertical shape. It was found that at low pressure, negative ions cannot be generated efficiently. Therefore, the object of the present invention is to prevent abnormal machining by neutralizing charge accumulation (charge-up) due to positive ions on the sample, which is the cause of abnormal machining in conventional plasma etching. At the same time, it is to provide a plasma processing method and apparatus capable of adding high-speed plasma processing with negative ions.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に方法面における本発明は、比較的高圧環境に設定され
た第1のプラズマ発生室内で比較的多くの負イオンを含
むプラズマを発生させ,且つ,比較的低圧環境に設定さ
れた第2のプラズマ発生室内で比較的多くの正イオンを
含むプラズマを発生させ,上記正イオンと負イオンを試
料台を設けた処理室に導入すると共に,上記処理室内の
試料台に載置した試料に高周波の交番電圧を付与してプ
ラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理方法とし
て構成されている。また装置面における本発明は,比較
的高圧環境に設定され比較的多くの負イオンを含むプラ
ズマを発生させるための第1のプラズマ発生室と,比較
的低圧環境に設定され比較的多くの正イオンを含むプラ
ズマを発生させるための第2のプラズマ発生室内と,上
記正イオンと負イオンとが導入され,内部に試料台が設
けられた処理室と,上記処理室内の試料台に載置された
試料に高周波の交番電圧を付与する交番電圧付与手段と
を具備してなることを特徴とするプラズマ処理装置とし
て構成されている。上記処理室は,上記第2のプラズマ
発生室と兼用することができる。上記交番電圧付与手段
を高周波トランスにより構成することにより,装置の簡
略化を測ることができる。上記第1のプラズマ発生室及
び/又は第2のプラズマ発生室を複数設置することによ
り,プラズマの均一化を達成することができる。上記第
2のプラズマ発生室に磁場を引加する磁場引加手段をさ
らに設けることにより,正イオン発生室に電子を閉じ込
め,電子の流入を少なくし,正負両極性イオンのみによ
る理想的な処理条件に近づけることできる。上記第1の
プラズマ発生室と第2のプラズマ発生室とをスリット板
又は多孔板で仕切ることにより両室の圧力を保ちつつ粒
子の流通を可能とすることができる。上記スリット板又
は多孔板を冷却する冷却装置を設置することにより,ラ
ジカルの発生を抑えて,負イオンの発生を促進すること
ができる。上記スリット板又は多孔板を導電体により構
成することにより,負イオンの発生を促進することがで
きる。上記第1のプラズマ発生室を冷却する冷却装置を
具備して構成することにより,ラジカルの発生を抑え
て,負イオンの発生を促進することができる。上記第1
のプラズマ発生室を導電体により構成することにより,
負イオンの発生を促進することができる。上記交番電圧
付与手段により付与される高周波の波形を,正弦波,矩
形波,三角波のいずれか1つ又はそれ以外の任意の波形
とすることができる。出来るだけ矩形波に近づけること
により,エッチング速度を向上させることができる。上
記交番電圧付与手段を,上記高周波のオン,オフ比を制
御する機能を含んで構成することにより,正負のイオン
の入射量の比率を制御して,チャージアップを緩和する
ことができる。プラズマ雰囲気中にエッチングに対する
寄与の度合いの少ない元素又は寄与しない元素を混入さ
せることにより,チャージアップを減少させ,ノッチ防
止に効果のあるプラズマ処理装置を提供することができ
る。
In order to achieve the above object, the present invention in a method aspect is to generate a plasma containing a relatively large number of negative ions in a first plasma generating chamber set in a relatively high pressure environment. In addition, a plasma containing a relatively large number of positive ions is generated in the second plasma generation chamber set in a relatively low pressure environment, and the positive ions and negative ions are introduced into the processing chamber provided with the sample stage, The plasma processing method is characterized by applying a high frequency alternating voltage to the sample placed on the sample table in the processing chamber to perform plasma processing. Further, the present invention in terms of the apparatus includes a first plasma generating chamber set in a relatively high pressure environment for generating plasma containing a relatively large number of negative ions, and a relatively large number of positive ions set in a relatively low pressure environment. A second plasma generation chamber for generating a plasma containing helium, a processing chamber in which the positive ions and the negative ions are introduced, and a sample stage is provided therein, and the sample chamber is placed in the processing chamber. It is configured as a plasma processing apparatus characterized by comprising an alternating voltage applying means for applying a high frequency alternating voltage to a sample. The processing chamber can also serve as the second plasma generation chamber. By configuring the alternating voltage applying means by a high frequency transformer, simplification of the device can be measured. By providing a plurality of the first plasma generation chambers and / or the second plasma generation chambers, it is possible to achieve uniform plasma. By further providing a magnetic field adding means for applying a magnetic field to the second plasma generation chamber, electrons are confined in the positive ion generation chamber, the inflow of electrons is reduced, and ideal processing conditions with only positive and negative bipolar ions are provided. Can be approached to. By partitioning the first plasma generation chamber and the second plasma generation chamber with a slit plate or a perforated plate, it is possible to allow the particles to flow while maintaining the pressure in both chambers. By installing a cooling device for cooling the slit plate or the porous plate, it is possible to suppress the generation of radicals and promote the generation of negative ions. By forming the slit plate or the porous plate with a conductor, generation of negative ions can be promoted. By including the cooling device for cooling the first plasma generation chamber, it is possible to suppress the generation of radicals and promote the generation of negative ions. The first
By configuring the plasma generation chamber of
The generation of negative ions can be promoted. The high frequency waveform applied by the alternating voltage applying means may be any one of a sine wave, a rectangular wave, a triangular wave, or any other waveform. The etching rate can be improved by making the shape of the rectangular wave as close as possible. By configuring the alternating voltage applying means including the function of controlling the ON / OFF ratio of the high frequency, the ratio of the incident amount of positive and negative ions can be controlled and the charge-up can be mitigated. By mixing an element with a small contribution to etching or an element with no contribution to etching in the plasma atmosphere, it is possible to provide a plasma processing apparatus that reduces charge-up and is effective in preventing notches.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】具体的実施の形態を説明する前
に,本発明で用いられる負イオンを発生させる原理につ
いて説明することが,この発明の理解を容易にする。通
常のプラズマの発生過程は,まず,プラズマ処理室外か
ら供給される電場により加速された電子が材料ガス中の
中性粒子に衝突し,中性粒子の外殻電子にエネルギを与
え,外殻電子を中性粒子から離脱させる事により,新た
な電子と正イオンを発生させる過程を含む。この過程を
連鎖的に行うことによりプラズマは維持される。従っ
て,プラズマ生成領域では,必然的に正イオンが多く存
在することになる。しかしながら,プラズマ生成領域か
ら離れた所では,正イオンや中性粒子が,エネルギの比
較的弱い電子と再結合して,負イオンやラジカルを発生
することが知られている。特に,電気陰性度が大きいハ
ロゲン等は,電子を引きつけて負イオンを生成し易い。
本発明においては,この原理を用いて,負イオンを発生
させる。また負イオンの発生量については,プラズマの
圧力との因果関係が深い。即ち,一般に,プラズマ中の
粒子の平均エネルギは圧力により変化することが知られ
ている。圧力が低い程,粒子の平均自由行程が長くな
り,プラズマ発生領域の影響は周辺部まで及びやすい。
また衝突までの電場による加速時間が長くなるので,プ
ラズマ発生のために外部から与えられる電場により電子
は加速される一方,衝突までの時間が長くなるので,個
々の電子の持つエネルギの平均値が高くなり,電子のエ
ネルギが高い正イオンを発生させやすい。これに対し
て,より高い圧力下では,平均自由行程が短く,プラズ
マ発生領域から少し離れるとプラズマ発生領域の影響を
受けず,粒子が多数個衝突するので,個々の電子の平均
エネルギが低下して,低速電子の割合が増加するので,
プラズマ発生領域周辺で電子の付着が起こる確率が増加
し,結果として負イオンやラジカルの生成が増える。こ
のように,一般的に,圧力が低くプラズマ生成領域に近
い程正イオンが発生し易く,圧力が高く,プラズマ発生
領域から離れた領域程,負イオンが発生しやすい。特に
電気陰性度が高い原子を含むハロゲン等の粒子は,壁等
との衝突により,電子と再結合し,ラジカル又は負イオ
ンの生成が効率良く行われる。この場合,壁材料は電子
を連続的に供給できる導電体の物質で構成されることが
望ましい。本発明においては,上記のような圧力と正負
イオンの発生量との関係から,圧力の異なる2つのプラ
ズマ発生室を設け,個々のプラズマ発生室で比較的多く
の正イオンと,比較的多くの負イオンを夫々発生させ,
これらを混合したプラズマによりプラズマ処理を行うこ
とで試料表面における電荷の蓄積(チャージアップ)を
防止して,形成パターンの形状効果によるプラズマ処理
の前記不具合を解消しようとするものである。また,ト
ランス等の交番電圧付与手段により試料に高周波交番バ
イアス電圧を付与することで,正負のイオンによるプラ
ズマ処理を可能にしている。以下添付図面を参照して,
本発明を具体化した実施例につき説明し,本発明の理解
に供する。尚,以下の実施例は,本発明を具体化した一
例であって,本発明の技術的範囲を限定する性格のもの
ではない。ここに,図1は本発明の一実施形態に掛かる
プラズマエッチング装置を示す概略側面図,図2はプラ
ズマ室の圧力とそこで発生した正イオン及び負イオンの
密度の関係を示すグラフ,図3は上記図1に示した装置
に用いる負イオン発生装置の内容を示すもので,(a)
はその斜視図,(b)はその平断面図,(c)はマイク
ロ波導入部の詳細断面図,図4は試料に高周波電圧をか
けるための装置の概念図で,(a)はコンデンサを介し
て高周波電圧をかける場合を,(b)はトランスによっ
て高周波電圧をかける場合を示す。また図5は,プラズ
マ室内の圧力とシリコン基板のエッチング率との関係を
高周波電圧値との関係で示したグラフ,図6は各種の高
周波波形とエッチング率との関係を示すグラフで,
(a)は正弦波を,(b)は矩形波を,(c)はトラン
スにより引加する実際の波形を示す。図7は本実施形態
にかかる装置によるエッチング断面のSEM形状を示す
断面図,図8は他のプラズマ処理装置の概要を示す側面
図,図9は更に他のプラズマ処理装置の概要を示す側面
図,図10(a),(b)は,それぞれプラズマ処理装
置に磁界をかけるための装置の概要を示す図である。図
1に示すプラズマ処理装置では,ドーム状の石英ガラス
3にOリング11を介して円筒状の正イオン発生室16
(第2のプラズマ発生室の一例)が接続され,この正イ
オン発生室16にガス導入口9から材料ガスが導入され
る。上記石英ガラス3には,1ターンタイプのアンテナ
2が装着され,マッチング回路7を介して高周波電源8
から上記アンテナ2に高周波電力が供給され,高周波電
場の下に上記材料ガスがプラズマ化され,プラズマ4を
生じる。上記正イオン発生室16下部には,絶縁体14
により機器から絶縁された試料載置台30が置かれ,そ
の上に試料5が載せられる。上記試料5には,トランス
6を介して高周波電源8により高周波バイアス電圧が引
加される。上記正イオン発生室16の周囲には,縦方向
の複数のスリット12が形成され,このスリット12を
介してチラーにより−40度まで冷却され得る環状の負
イオン発生室17(第1のプラズマ発生室の一例)が設
けられている。上記負イオン発生室17の詳細は図3に
示されている。上記環状の負イオン発生室17の外周は
誘電体の一例であるテフロン樹脂で被覆され,内部のガ
スと接触する部分は石英ガラスで保護されており,複数
の材料ガス導入口9aから陰性度の高いハロゲン等の材
料ガスが導入される。テフロンを外周に巻き付けたの
は,マイクロ波の伝播を均一化させ,プラズマの均一化
を図るためである。上記環状の負イオン発生室17に
は,導波管を通じてマイクロ波10が導入され,上記材
料ガスがプラズマ化される。尚,マイクロ波導入部は図
3(c)に示すように,板状の石英ガラス板3aにより
上記環状の負イオン室17と仕切られている。上記スリ
ット12の代わりにカーボン材料を用いた多孔板を冷却
して用いることができる。この場合,負イオンの発生率
が高く,高周波電圧Vs通常を,50Vから30V程度
に低減することができる。処理後の試料にも重金属等は
検出されていない。上記Vsの値は,後記するように,
その電位が高い程,正イオンと負の電荷の粒子の移動度
が異なることを示しており,即ち,負イオンのプラズマ
中の比率を表すパラメータとして用いることが出来る。
つまり,負イオンの比率が高くなる程,Vsが低下する
現象が観測される。また負イオン室は,かならずしも接
地電位でなくてもよく,絶縁体を介して直流電位を加
え,負イオンの引き出しを行ってもよい。実施した装置
のデータの一例は次の通りである。 1.正イオン発生室の内径 300mm 2.1ターンアンテナ2により印加した高周波周波数 13.56MHz 3.正イオン発生室の圧力 10mTorr〜20mTorr 4.スリット12のサイズ(本数) 幅1mm×長さ50mm(20本) 5.負イオン発生室の圧力 40〜60mTorr 6.負イオン室に導入する材料ガス ハロゲンガス(塩素ガス) この実施形態では,図1に示すように,低圧力の正イオ
ン発生室16で正イオンを発生させると共に,スリット
12(又は多孔板)を介して隣接した比較的高圧の負イ
オン発生室17に塩素ガスを導入して負イオンを発生さ
せ,上記スリット12(又は多孔板)を通して効率良く
負イオンを正イオン発生室17に入射させることによ
り,チャージアップがなく,負イオンを有効に利用でき
るプラズマ処理装置を提供できた。この正イオン発生室
と負イオン発生室の圧力制御について、本発明者が行っ
た実験結果を図2により説明する。図2は,圧力を変化
させた場合のF6 ガスによるプラズマ中のイオン種を4
重極型質量分析装置で計測した結果を示している。図2
から明確に分かるように,正イオンと負イオンの発生が
最大である圧力条件は異なっている。これは,先に説明
したように,負イオンの生成が弱いエネルギを持つ電子
の付着により起こるので,比較的圧力が高く,低いエネ
ルギ電子が多い高圧力で盛んに行われているからであ
る。次に試料台のバイアス電位の制御について,本発明
で用いられたトランス結合の詳細を説明する。試料であ
る基板への高周波印加にトランスを用いることにより,
基板電位を接地電位に保ちながら,高周波によりイオン
の引き込み電圧を交互に変化させることができる。絶縁
体を持つ試料でも,高周波の場合は絶縁体がキャパシタ
となり,高周波を通すので,引き込み電圧を有効に印加
できる。また,トランスのコイルの巻き数を制御して,
インピーダンスマッチングを行い最適な高周波電流を流
すことができるので,従来方法に比べて,有効に負イオ
ンを引き込み,負イオンの反応を利用できる。また,異
方性のある磁性体を,トランスのコアに用いて,正負の
ピーク電圧を変化させ,効果的に負イオンを引き込むこ
とができる。このことを図4を用いて更に詳細に説明す
る。従来の,試料電極と高周波電源の間にコンデンサが
ある場合(図4(a)),プラズマの電子と正イオンの
質量の違いから,プラズマと電極のシースがダイオード
と等価な回路を形成してしまう。これに直列にキャパシ
タが存在するので,等価回路としては,整流回路を形成
し,試料電極側が負電位にバイアスされてしまう。その
バイアス電位は従来正イオンを用いる処理では有効であ
ったが,負イオンを引き込むためには,静電気的な反発
力をもたらし障害となる。それに対して,図4(b)の
ように,トランスにより誘電結合を行った場合は,適度
な高周波電流が得られると共に,常にトランスの一端が
接地されているので,負イオンを引き込む場合問題とな
る負のバイアス電位は発生しない。従って,従来法に比
較して効率的に負イオンを引き込むことができる。しか
しながら,試料は正のVs(Vsについては後述する)
により負の電位となるので,試料電位がVsだけ正にな
った時に,負イオンの入射の障壁となる電位はなくなる
が,実際のエッチングは,イオンの引き込みエネルギが
一定以上に上昇した時に発生するので,Vsより少し電
位が上昇した所からエッチングは開始される。ここで,
本発明者が発見した負イオンのエッチングの効果につい
て図5,図6を用いて説明する。図5はプラズマ室の圧
力を変化させた場合のシリコン基板のエッチング速度を
示している。ガスはSF6を用いて実験を行った。高周
波はトランスを用いて試料に印加されている。試料電極
の電位Vppが100Vの場合と200Vの場合のエッ
チング速度を示している。この図から明らかにVppが
200Vの方がエッチング速度が速いことがわかる。こ
の現象を図6(a)を用いて説明する。たとえ試料電極
に負のバイアスがかからなくとも,通常プラズマは,電
子と正イオンの移動度の差から,プラズマが外壁に対し
て正に帯電している。この電位をスペースポテンシャル
Vsという。従って,試料基板は常にVsだけプラズマ
より低い電位にある。このため,プラズマ側から見て,
電極電位がVsだけ上昇した所で始めて,負イオンに対
して静電気的反発力がなくなる。これは本質的に試料が
プラズマよりVsだけ低い電位にある分を補ったからで
ある。このように,負イオンの引き込みは,Vsより高
い電極電位で始めて発生する。図6(a)では,Vpp
が100Vと200Vの場合で,Vsより電極電位が高
くエッチング開始電圧より高い部分のあることを示して
いる。明らかに,Vppが200Vの場合に,負イオン
の引き込み量が多くなっていることが分かる。これは図
5の実験結果を良く説明してる。特に負イオンは正イオ
ンに比べて反応性が高くエッチング速度が高いことは工
業的に有利であり注目される。上記バイアス高周波の効
果的な波形について説明する。図6(b)は矩形波が負
イオンの引き込みに有効であることを示す。図から明ら
かなように,矩形波の場合,パルス的にVsの値を素早
く越えるので,負イオン引き込みが素早く行われ,且
つ,引き込まれる時間が長いので,負イオン引き込みに
有利であることが分かる。例えば試料に印加する高周波
を矩形波にした場合,エッチング速度が正弦波に比べ,
10ミクロン毎分から12ミクロン毎分まで上昇した。
処理中の試料にMNOS試料を用いてArプラズマに3
0秒間曝した後のチャージアップ量を測定した。矩形波
を用いON/OFF制御しない場合,6インチ径の試料
の周辺部にチャージアップが観測されたが,ON/OF
F制御を行った場合,チャージアップは測定感度以下に
低下した。このときDuty比は50%であった。実際
の回路では,トランスのインダクタンスにより立ち上が
りの波形がなまる傾向があり,波形は三角波の組合せの
ようなものと実質的には変わらない。また現実のプラズ
マ中には,少なからず電子も存在するので,高周波に追
従して電子が流入することが考えられるので,断続的に
高周波を印加して,チャージアップを緩和し,正負のイ
オンの比率を制御することが望ましい。負イオンと正イ
オンの数がほぼ等しく,電子がない状態であると,理想
的な正負両極性イオンによるエッチングが達成される。
このような,正負イオンの量的比率を調整するために,
上記矩形波や正弦波,三角波等のON/OFF周期を切
り換える制御をすることが望ましい。正イオン発生室1
6に磁場を作用させることで,正イオン発生室に電子を
閉じ込め,電子の流入を少なくして理想的な両極性イオ
ンによる処理条件に近づけることができる。図10
(a)は,コイル31によって磁性体18に磁場を発生
させ,この磁場を前記図1に示したドーム状の石英ガラ
ス3(正イオン発生室16)に作用させる構成を示す。
また同図(b)は,ヨーク21で強化された永久磁石2
0,20により発生した磁場を,石英ガラス3に作用さ
せている状態を示す。上記ヨーク21は,磁力線が試料
を横切らないように磁力線を誘導するために重要な役割
を果たす。これらの図に示したように,電子の発生源で
ある正イオン発生室3に試料を横切らないように,磁場
を印加すると,質量が軽い電子は容易に磁力線にまとわ
りつくような運動を行い,磁場に閉じ込められる。その
反面,正イオンは,電荷は電子と等しいが,質量が10
00倍以上大きいので,磁場に関して殆ど影響を受けず
に拡散を行う。従って,正イオン発生室16に電子を閉
じ込めることにより,電子の流入を少なくして,理想的
な両極性イオンによる処理条件に近づけることができ
る。上記正イオン発生室16及び/又は負イオン発生室
17は,複数設けることができる。高速エッチングと共
に,大口径の試料を処理して,大口径平面表示装置や,
大口径試料のエッチングを均一に行う必要があること
は,既に述べた。上記のような大口径プラズマにおいて
は,強い磁場の不均一が試料に発生すると,先に述べた
ように,イオンと電子の挙動の違いから,プラズマ中に
電場の不均一を発生して,試料を破壊する問題がある。
従って均一磁場若しくは,無磁場に近い状態で処理を行
うことが必要となる。工業的に均一磁場による均一プラ
ズマの発生は困難であるので,無磁場に近い所に試料を
載置することが有効である。このいような場合,プラズ
マの均一性は,プラズマの拡散により決定されるため,
試料に対して特定の領域に発生源を持つプラズマ発生源
の制御が重要となる。一般的には,円形の試料に対し
て,円管状のプラズマ発生源を適度に離すことにより,
均一プラズマを発生させているが,将来,大口径プラズ
マを扱う場合は,このようなプラズマ発生源を複数用い
て,イオンを拡散させて,均一なプラズマを作成するこ
とが望まれる。このことは,正イオン発生室16と負イ
オン発生室17を交互に同心円上に作成することで具体
的に解決される。また,制御性を良くするために,各正
イオン発生室16と負イオン発生室17に供給されるプ
ラズマ発生用の電場は,相互に独立して制御されること
が望ましい。前記負イオン発生室17や,正イオン発生
室16と負イオン発生室17とを仕切るスリット12
(または多孔板)は冷却することが望ましい。前記した
ように,負イオンの発生は弱い電子の結合によるもので
あることが知られているため,壁部においては,正イオ
ンが電子と再結合して負イオンを発生させうることは容
易に推測される。しかしながら,通常プラズマに曝され
るチャンバ内壁は、高温になっており,再結合の過程
で,熱エネルギが与えられ,負イオンより安定したラジ
カルを発生させやすい。また,熱エネルギにより粒子が
壁面に付着する確率も減少する。従って,負イオン発生
室17及び,スリット12(または多孔板)は冷却され
ていた方が,負イオンを発生させやすく,また壁より電
子を与えやすいように導電体であることが望ましい。導
電体に金属を用いると,金属汚染の原因となるので,カ
ーボン材料等の高純度導電体材料が望ましい。上記負イ
オン発生室17と多孔板を冷却しなかった場合,負イオ
ン発生率が低下し,先に得られた30VのVsが35v
程度まで上昇した。また,正イオン発生室16を円柱の
石英ガラスに交換して,50ガウスの磁場(磁石間の中
心での値)を印加した場合は,Vsの値が20Vまで低
下した。さらに,プラズマ中にエッチングにあまり寄与
しないガスや,全く寄与しないガスを混入させると,前
記したノッチの防止に効果のあることが判明した。この
時の処理条件の一例を下記する。 処理条件: 正イオン発生室のガス成分: ガス1:塩素70%,HBr20%,Xe10%(希ガスあり) ガス2:塩素70%,HBr30% (希ガスなし) 負イオン発生室のガス成分:塩素100% 圧力: 正イオン発生室 15mTorr 負イオン発生室 60mTorr プラズマ発生方式: 正イオン発生室 ICP(誘導結合型プラズマ) 周波数 13.56MHz(1500W) 負イオン発生室 マイクロ波プラズマ(表面波) 周波数 2.45GHz(300W) バイアス高周波:400KHz,Vpp=200V(トランスカップル) エッチング速度:700nm毎分 選択比(シリコン酸化膜):300 エッチング形状:○希ガスなし(0.5ミクロンライン&0.5ミクロスペース )でノッチ発生(ポリシリコン膜厚1.5ミクロンに対して ノッチ長さ0.3ミクロン,オーバーエッチ100%) ○希ガス添加(上記条件でノッチなし) 上記条件では,Xeがポジティブイオンとなり,塩素,
臭素の負イオンのみで,エッチングを行えるので,下地
膜のダメージが少なく,高速なエッチングが行える。上
記装置で試料電極を−50°Cに冷却してSF6を用い
て,正イオン発生室圧力20mTorr,負イオン発生
室40mTorr,RF電力1500W,バイアスVp
p200Vで10ミクロン毎分の高速でポリ・シリコン
酸化膜エッチングを行うことが出来た。その時の断面S
EM形状を図7(a)に示す。これと同一条件で負イオ
ン発生室を20mTorrとした場合,正イオン主体の
エッチングが行われ,逆テーパー形状とノッチ形状が観
察された(図7(b))。前記した例では,負イオンに
よる積極的なエッチングについて説明している。しかし
負イオンをエッチングに関与させず,専ら試料のチャー
ジアップ防止のために用いることも可能である。特に高
選択比が要求されるような場合等,負イオンの反応を積
極的に抑える必要がある処理に有効である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing specific embodiments, it will be easier to understand the present invention by explaining the principle of generating negative ions used in the present invention. In the normal plasma generation process, first, electrons accelerated by an electric field supplied from outside the plasma processing chamber collide with neutral particles in the material gas to give energy to the outer shell electrons of the neutral particles, The process involves the generation of new electrons and positive ions by desorbing from the neutral particles. The plasma is maintained by performing this process in a chain. Therefore, a large number of positive ions are inevitably present in the plasma generation region. However, it is known that positive ions and neutral particles recombine with electrons having relatively low energy to generate negative ions and radicals at a place apart from the plasma generation region. In particular, halogen, which has a high electronegativity, tends to attract electrons and generate negative ions.
In the present invention, this principle is used to generate negative ions. In addition, the amount of negative ions generated is closely related to the plasma pressure. That is, it is generally known that the average energy of particles in plasma changes with pressure. The lower the pressure, the longer the mean free path of the particles, and the effect of the plasma generation region easily extends to the periphery.
Also, since the acceleration time due to the electric field until the collision becomes long, the electrons are accelerated by the externally applied electric field for plasma generation, while the time until the collision becomes long, the average value of the energy of each electron is It becomes high, and it is easy to generate positive ions with high electron energy. On the other hand, under higher pressure, the mean free path is short, and if it is a little away from the plasma generation region, it is not affected by the plasma generation region, and a large number of particles collide, so the average energy of each electron decreases. And the proportion of slow electrons increases,
The probability of electron attachment near the plasma generation region increases, and as a result, the production of negative ions and radicals increases. As described above, generally, positive ions are more likely to be generated as the pressure is lower and closer to the plasma generation region, and negative ions are more likely to be generated as the pressure is higher and the region is farther from the plasma generation region. In particular, particles of halogen or the like containing atoms having high electronegativity recombine with electrons due to collision with a wall or the like, and radicals or negative ions are efficiently generated. In this case, the wall material is preferably composed of a conductive substance capable of continuously supplying electrons. In the present invention, two plasma generation chambers having different pressures are provided from the relationship between the pressure and the generation amount of positive and negative ions as described above, and a relatively large number of positive ions and a relatively large number of plasma ions are generated in each plasma generation chamber. Generate negative ions respectively,
It is intended to prevent the accumulation of electric charges (charge-up) on the surface of the sample by performing plasma processing with the plasma in which these are mixed, and to eliminate the above-mentioned inconvenience of the plasma processing due to the shape effect of the formation pattern. Further, by applying a high frequency alternating bias voltage to the sample by an alternating voltage applying means such as a transformer, plasma processing with positive and negative ions is enabled. Referring to the attached drawings,
Examples for embodying the present invention will be described to provide an understanding of the present invention. The following embodiment is an example embodying the present invention and is not intended to limit the technical scope of the present invention. 1 is a schematic side view showing a plasma etching apparatus according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing the relationship between the pressure of the plasma chamber and the densities of positive ions and negative ions generated therein, and FIG. The contents of the negative ion generator used in the device shown in FIG.
Is a perspective view thereof, (b) is a plane sectional view thereof, (c) is a detailed sectional view of a microwave introducing portion, FIG. 4 is a conceptual diagram of a device for applying a high frequency voltage to a sample, and (a) is a capacitor. The case where a high frequency voltage is applied via the transformer and the case where a high frequency voltage is applied by a transformer are shown in FIG. 5 is a graph showing the relationship between the pressure in the plasma chamber and the etching rate of the silicon substrate as a function of the high frequency voltage value, and FIG. 6 is a graph showing the relationship between various high frequency waveforms and the etching rate.
(A) shows a sine wave, (b) shows a rectangular wave, and (c) shows an actual waveform added by a transformer. 7 is a cross-sectional view showing an SEM shape of an etching cross section by the apparatus according to the present embodiment, FIG. 8 is a side view showing an outline of another plasma processing apparatus, and FIG. 9 is a side view showing an outline of still another plasma processing apparatus. 10 (a) and 10 (b) are diagrams showing an outline of an apparatus for applying a magnetic field to the plasma processing apparatus, respectively. In the plasma processing apparatus shown in FIG. 1, a cylindrical positive ion generation chamber 16 is formed in a dome-shaped quartz glass 3 via an O-ring 11.
(One example of the second plasma generation chamber) is connected, and the material gas is introduced into the positive ion generation chamber 16 from the gas introduction port 9. A one-turn type antenna 2 is attached to the quartz glass 3, and a high frequency power source 8 is provided through a matching circuit 7.
From the above, high frequency power is supplied to the antenna 2, and the material gas is turned into plasma under a high frequency electric field to generate plasma 4. An insulator 14 is provided below the positive ion generation chamber 16.
The sample mounting table 30 insulated from the device is placed by the above, and the sample 5 is mounted thereon. A high frequency bias voltage is applied to the sample 5 by a high frequency power source 8 via a transformer 6. A plurality of vertical slits 12 are formed around the positive ion generation chamber 16 and an annular negative ion generation chamber 17 (first plasma generation) that can be cooled to -40 degrees by a chiller through the slits 12 is formed. An example of a room) is provided. Details of the negative ion generation chamber 17 are shown in FIG. The outer circumference of the annular negative ion generation chamber 17 is covered with Teflon resin, which is an example of a dielectric material, and the portion in contact with the gas inside is protected with quartz glass. A material gas such as high halogen is introduced. The reason why Teflon is wrapped around the outer circumference is to make microwave propagation uniform and plasma uniform. The microwave 10 is introduced into the annular negative ion generation chamber 17 through the waveguide, and the material gas is turned into plasma. As shown in FIG. 3C, the microwave introduction part is partitioned from the annular negative ion chamber 17 by a plate-shaped quartz glass plate 3a. Instead of the slit 12, a porous plate made of a carbon material can be cooled and used. In this case, the generation rate of negative ions is high, and the high frequency voltage Vs normal can be reduced from about 50V to about 30V. No heavy metals were detected in the processed sample. The value of Vs is as described below.
It is shown that the higher the potential is, the different mobility of positive ions and negatively charged particles, that is, it can be used as a parameter indicating the ratio of negative ions in plasma.
That is, a phenomenon is observed in which Vs decreases as the ratio of negative ions increases. Moreover, the negative ion chamber does not always have to be at the ground potential, and a negative potential may be extracted by applying a DC potential through the insulator. An example of the data of the implemented device is as follows. 1. Inner diameter of positive ion generation chamber 300 mm 2.1 High frequency applied by turn antenna 2 13.56 MHz 3. Pressure of positive ion generation chamber 10 mTorr to 20 mTorr 4. Size of slit 12 (number) 1mm width x 50mm length (20) 5. Pressure of negative ion generation chamber 40-60 mTorr 6. Material Gas Introduced into Negative Ion Chamber Halogen Gas (Chlorine Gas) In this embodiment, as shown in FIG. 1, positive ions are generated in the low-pressure positive ion generation chamber 16 and the slit 12 (or porous plate) is provided. By introducing chlorine gas into the relatively high pressure negative ion generating chambers 17 adjacent to each other via the slits 12 (or perforated plate), the negative ions are efficiently incident on the positive ion generating chambers 17. Therefore, we were able to provide a plasma processing device that can effectively use negative ions without charge-up. With respect to the pressure control of the positive ion generation chamber and the negative ion generation chamber, the result of an experiment conducted by the present inventor will be described with reference to FIG. Fig. 2 shows the ionic species in plasma generated by F 6 gas when the pressure is changed.
The result measured with the quadrupole mass spectrometer is shown. FIG.
As can be clearly seen from the above, the pressure conditions at which the generation of positive ions and negative ions are maximum differ. This is because, as described above, the generation of negative ions occurs due to the attachment of electrons having weak energy, so that the pressure is relatively high and many low-energy electrons are actively used at high pressure. Next, regarding the control of the bias potential of the sample stage, the details of the transformer coupling used in the present invention will be described. By using a transformer to apply a high frequency to the sample substrate,
While keeping the substrate potential at the ground potential, it is possible to alternately change the ion attraction voltage by high frequency. Even in the case of a sample with an insulator, the insulator becomes a capacitor in the case of high frequencies and allows high frequencies to pass, so the pull-in voltage can be effectively applied. Also, by controlling the number of turns of the transformer coil,
Since impedance matching can be performed and an optimum high-frequency current can flow, negative ions can be more effectively drawn in and the reaction of negative ions can be used compared to the conventional method. In addition, an anisotropic magnetic material can be used in the core of the transformer to change the positive and negative peak voltages and effectively draw the negative ions. This will be described in more detail with reference to FIG. When there is a conventional capacitor between the sample electrode and the high-frequency power source (Fig. 4 (a)), the sheath of plasma and electrode forms a circuit equivalent to a diode due to the difference in mass of electrons and positive ions of plasma. I will end up. Since there is a capacitor in series with this, a rectifying circuit is formed as an equivalent circuit, and the sample electrode side is biased to a negative potential. Conventionally, the bias potential was effective in the treatment using positive ions, but in order to pull in negative ions, electrostatic repulsion force is generated and becomes an obstacle. On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the dielectric coupling is performed by the transformer, an appropriate high frequency current is obtained and one end of the transformer is always grounded, which causes a problem when attracting negative ions. No negative bias potential is generated. Therefore, negative ions can be more efficiently attracted than in the conventional method. However, the sample is positive Vs (Vs will be described later)
Therefore, when the sample potential becomes positive by Vs, the potential that becomes a barrier to the incidence of negative ions disappears, but the actual etching occurs when the ion attraction energy rises above a certain level. Therefore, the etching is started from the place where the potential rises a little above Vs. here,
The effect of negative ion etching discovered by the present inventor will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows the etching rate of the silicon substrate when the pressure in the plasma chamber is changed. The experiment was conducted using SF6 as the gas. The high frequency is applied to the sample using a transformer. The etching rates are shown when the potential Vpp of the sample electrode is 100V and 200V. From this figure, it is apparent that the etching rate is higher when Vpp is 200V. This phenomenon will be described with reference to FIG. Even if the sample electrode is not negatively biased, the plasma is usually charged positively with respect to the outer wall due to the difference in mobility of electrons and positive ions. This potential is called space potential Vs. Therefore, the sample substrate is always lower in potential than plasma by Vs. Therefore, when viewed from the plasma side,
Electrostatic repulsion against negative ions disappears only when the electrode potential rises by Vs. This is because the sample essentially compensated for the fact that the sample was at a potential Vs lower than the plasma. In this way, the attraction of negative ions occurs only at the electrode potential higher than Vs. In FIG. 6A, Vpp
Shows that there is a portion where the electrode potential is higher than Vs and higher than the etching start voltage in the cases of 100 V and 200 V. Clearly, when Vpp is 200 V, the amount of negative ions drawn is large. This explains well the experimental results of FIG. In particular, it is noted that negative ions have a higher reactivity and a higher etching rate than positive ions, which is industrially advantageous and is noted. The effective waveform of the bias high frequency will be described. FIG. 6B shows that the rectangular wave is effective for attracting negative ions. As is clear from the figure, in the case of a rectangular wave, since the value of Vs is exceeded in a pulsed manner, negative ion attraction is performed quickly and the attraction time is long, which is advantageous for negative ion attraction. . For example, when the high frequency applied to the sample is a rectangular wave, the etching rate is
Increased from 10 microns to 12 microns per minute.
MNOS sample is used as the sample during processing and 3 for Ar plasma
The charge-up amount after exposure for 0 seconds was measured. When the ON / OFF control was not performed using the rectangular wave, charge-up was observed around the 6 inch diameter sample.
When F control was performed, the charge-up decreased below the measurement sensitivity. At this time, the duty ratio was 50%. In an actual circuit, the rising waveform tends to be rounded due to the inductance of the transformer, and the waveform is virtually the same as a combination of triangular waves. In addition, since electrons are present in the actual plasma to a large extent, it is possible that the electrons may follow the high frequency and flow in. Therefore, the high frequency is applied intermittently to mitigate the charge-up and to generate positive and negative ions. It is desirable to control the ratio. When the number of negative ions and positive ions is almost equal and there is no electron, ideal etching with positive and negative bipolar ions is achieved.
In order to adjust the quantitative ratio of positive and negative ions,
It is desirable to perform control to switch the ON / OFF cycle of the rectangular wave, sine wave, triangular wave, or the like. Positive ion generation chamber 1
By applying a magnetic field to 6, the electrons can be confined in the positive ion generation chamber, the inflow of electrons can be reduced, and the conditions for treatment with ideal bipolar ions can be approximated. FIG.
(A) shows a configuration in which a magnetic field is generated in the magnetic body 18 by the coil 31 and this magnetic field is applied to the dome-shaped quartz glass 3 (positive ion generation chamber 16) shown in FIG.
Further, FIG. 2B shows the permanent magnet 2 reinforced by the yoke 21.
The state where the magnetic field generated by 0 and 20 is applied to the quartz glass 3 is shown. The yoke 21 plays an important role in guiding the magnetic force lines so that the magnetic force lines do not cross the sample. As shown in these figures, when a magnetic field is applied so as not to cross the sample into the positive ion generation chamber 3 which is the electron generation source, the electron with a light mass easily moves to the magnetic field line and moves. Trapped in. On the other hand, positive ions have the same charge as electrons but have a mass of 10
Since it is more than 00 times larger, diffusion is performed with almost no effect on the magnetic field. Therefore, by confining the electrons in the positive ion generation chamber 16, the inflow of electrons can be reduced, and the conditions for treatment with ideal bipolar ions can be approximated. A plurality of positive ion generation chambers 16 and / or negative ion generation chambers 17 can be provided. Along with high-speed etching, a large-diameter sample is processed, and a large-diameter flat display device
As already mentioned, it is necessary to uniformly etch a large-diameter sample. In a large-diameter plasma as described above, when a strong magnetic field inhomogeneity occurs in the sample, as described above, the inhomogeneity of the electric field is generated in the plasma due to the difference in the behavior of ions and electrons. There is a problem of destroying.
Therefore, it is necessary to perform the processing in a uniform magnetic field or a state close to no magnetic field. Since it is industrially difficult to generate a uniform plasma by a uniform magnetic field, it is effective to place the sample in a place close to a non-magnetic field. In such cases, plasma uniformity is determined by plasma diffusion, so
It is important to control the plasma source that has a source in a specific region with respect to the sample. In general, for a circular sample, by separating the circular tubular plasma source appropriately,
Although a uniform plasma is generated, in the future, when handling a large-diameter plasma, it is desired to use a plurality of such plasma generation sources to diffuse the ions to create a uniform plasma. This is specifically solved by alternately forming the positive ion generation chambers 16 and the negative ion generation chambers 17 on concentric circles. In order to improve controllability, it is desirable that the electric fields for plasma generation supplied to the positive ion generation chambers 16 and the negative ion generation chambers 17 be controlled independently of each other. The negative ion generating chamber 17 and the slit 12 for partitioning the positive ion generating chamber 16 and the negative ion generating chamber 17
It is desirable to cool (or the perforated plate). As described above, since it is known that the generation of negative ions is due to weak electron coupling, it is easy for positive ions to recombine with electrons at the wall to generate negative ions. Guessed. However, the inner wall of the chamber that is normally exposed to plasma is at a high temperature, and thermal energy is given during the process of recombination, so that stable radicals are more likely to be generated than negative ions. Also, the probability that particles adhere to the wall surface due to thermal energy is reduced. Therefore, it is desirable that the negative ion generation chamber 17 and the slit 12 (or the perforated plate) be made of a conductor so that the negative ions are easily generated and electrons are easily given from the wall. When a metal is used for the conductor, it causes metal contamination, so a high-purity conductor material such as a carbon material is desirable. If the negative ion generation chamber 17 and the perforated plate were not cooled, the negative ion generation rate would decrease and the previously obtained Vs of 30V would be 35v.
Rose to the extent. When the positive ion generation chamber 16 was replaced with a cylindrical quartz glass and a magnetic field of 50 gauss (value at the center between the magnets) was applied, the value of Vs dropped to 20V. Further, it has been found that mixing a gas that does not contribute much to etching or a gas that does not contribute at all to plasma is effective in preventing the notch. An example of processing conditions at this time will be described below. Processing condition: Gas component of positive ion generation chamber: Gas 1: 70% chlorine, 20% HBr, 10% Xe (with noble gas) Gas 2: 70% chlorine, 30% HBr (no rare gas) Gas component of negative ion generation chamber: Chlorine 100% Pressure: Positive ion generation chamber 15mTorr Negative ion generation chamber 60mTorr Plasma generation method: Positive ion generation chamber ICP (inductively coupled plasma) Frequency 13.56MHz (1500W) Negative ion generation chamber Microwave plasma (surface wave) Frequency 2 .45 GHz (300 W) Bias high frequency: 400 KHz, Vpp = 200 V (transcouple) Etching rate: 700 nm / min Selectivity (silicon oxide film): 300 Etching shape: ○ No rare gas (0.5 micron line & 0.5 microspace) ) Causes notch (polysilicon film thickness 1.5 μm) To notch length 0.3 microns, overetching 100%) ○ rare gas added (in unnotched) the conditions under the above conditions, Xe becomes positive ions, chlorine,
Since etching can be performed only with negative ions of bromine, the underlying film is less damaged and high-speed etching can be performed. The sample electrode was cooled to −50 ° C. by using the above apparatus, and SF6 was used to set the positive ion generation chamber pressure 20 mTorr, the negative ion generation chamber 40 mTorr, RF power 1500 W, bias Vp.
It was possible to perform poly-silicon oxide film etching at a high speed of 10 microns per minute at p200V. Section S at that time
The EM shape is shown in FIG. When the negative ion generating chamber was set to 20 mTorr under the same conditions as this, etching mainly with positive ions was performed, and an inverse taper shape and a notch shape were observed (FIG. 7B). In the above-mentioned example, positive etching by negative ions is explained. However, it is also possible to use negative ions exclusively for preventing charge-up of the sample without participating in etching. This is particularly effective for processing that requires a positive suppression of negative ion reactions, such as when a high selection ratio is required.

【0006】[0006]

【実施例】図8及び図9は,本発明の実施の変形例を示
すものである。符号については,図1と同じ要素には共
通の符号を使用している。図8では,誘導結合型の正イ
オン発生室16の上部に2個のマイクロ波導入型の負イ
オン発生室17を設け,正イオン発生室16で形成した
プラズマ4に対向して前記負イオン発生室17のスリッ
ト12を設けた場合である。また図9の場合は,負イオ
ン発生室17が正イオン発生室16で形成されたプラズ
マ4を貫通している。いずれの場合も,複数のプラズマ
発生室が設けられているので,プラズマが均一に発生
し,大口径処理に適した装置となる。前記実施形態で
は,プラズマ処理室が第2のプラズマ発生室(正イオン
発生室)と兼用されているが,プラズマ処理室と,第2
のプラズマ発生室とを別個に構成することも可能であ
る。
8 and 9 show a modification of the embodiment of the present invention. Regarding the reference numerals, the same reference numerals are used for the same elements as in FIG. In FIG. 8, two microwave-introducing negative ion generation chambers 17 are provided above the inductively coupled positive ion generation chamber 16, and the negative ion generation is performed facing the plasma 4 formed in the positive ion generation chamber 16. This is the case where the slit 12 of the chamber 17 is provided. In the case of FIG. 9, the negative ion generation chamber 17 penetrates the plasma 4 formed in the positive ion generation chamber 16. In any case, since a plurality of plasma generation chambers are provided, plasma is uniformly generated, and the device is suitable for large-diameter processing. In the above embodiment, the plasma processing chamber is also used as the second plasma generation chamber (positive ion generation chamber).
It is also possible to separately configure the plasma generation chamber of.

【0007】[0007]

【発明の効果】本発明に係わるプラズマ処理方法及び装
置は,上記したように構成されているので,従来のプラ
ズマエッチングで異常加工の原因となっている試料上の
正イオンによる電荷の蓄積(チャージアップ)を中和さ
せることにより解消して異常加工を防止すると共に,負
イオンによる効率の良いプラズマ処理を加味することの
出来る能率のよいプラズマ処理方法及びその装置を提供
しうる。
Since the plasma processing method and apparatus according to the present invention are configured as described above, the accumulation of charges by positive ions on the sample which causes abnormal processing in the conventional plasma etching (charge). It is possible to provide an efficient plasma processing method and apparatus capable of eliminating abnormal processing by neutralizing (up) and preventing abnormal processing, and adding efficient plasma processing using negative ions.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一実施形態に掛かるプラズマエッチ
ング装置を示す概略側面図。
FIG. 1 is a schematic side view showing a plasma etching apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】 プラズマ室の圧力とそこで発生した正イオン
及び負イオンの密度の関係を示すグラフ。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the pressure in the plasma chamber and the densities of positive ions and negative ions generated therein.

【図3】 上記図1に示した装置に用いる負イオン発生
装置の内容を示すもので,(a)はその斜視図,(b)
はその平断面図,(c)はマイクロ波導入部の詳細断面
図。
3 shows the contents of a negative ion generator used in the device shown in FIG. 1, (a) is a perspective view thereof, and (b) is a diagram thereof.
Is a plan sectional view thereof, and (c) is a detailed sectional view of the microwave introduction part.

【図4】 試料に高周波電圧をかけるための装置の概念
図で,(a)はコンデンサを介して高周波電圧をかける
場合を,(b)はトランスによって高周波電圧をかける
場合を示す。
FIG. 4 is a conceptual diagram of an apparatus for applying a high frequency voltage to a sample, (a) shows a case where a high frequency voltage is applied via a capacitor, and (b) shows a case where a high frequency voltage is applied by a transformer.

【図5】 プラズマ室内の圧力とシリコン基板のエッチ
ング率との関係を高周波電圧値との関係で示したグラ
フ。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the pressure in the plasma chamber and the etching rate of the silicon substrate in relation to the high frequency voltage value.

【図6】 各種の高周波波形とエッチング率との関係を
示すグラフで,(a)は正弦波を,(b)は矩形波を,
(c)はトランスにより引加する実際の波形を示す。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between various high-frequency waveforms and the etching rate. (A) shows a sine wave, (b) shows a rectangular wave,
(C) shows an actual waveform added by the transformer.

【図7】 本実施形態にかかる装置によるエッチング断
面のSEM形状を示す断面図。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an SEM shape of an etching cross section by the device according to the present embodiment.

【図8】 他のプラズマ処理装置の概要を示す側面図。FIG. 8 is a side view showing the outline of another plasma processing apparatus.

【図9】 更に他のプラズマ処理装置の概要を示す側面
図。
FIG. 9 is a side view showing the outline of still another plasma processing apparatus.

【図10】 (a),(b)は,それぞれプラズマ処理
装置に磁界をかけるための装置の概要を示す図。
10A and 10B are diagrams showing an outline of an apparatus for applying a magnetic field to a plasma processing apparatus, respectively.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…排気口 2…アンテナ 3…石英ガラス 4…プラズマ 5…試料 6…トランス 7…マッチング回路 8…高周波電源 9…ガス導入口 10…マイクロ波 11…Oリング 12…スリット(多孔板) 14…絶縁体 30…試料台 16…正イオン発生室 17…負イオン発生室 18…磁性体 20…永久磁石 21…ヨーク 22…シールド板 23…テフロン 31…コイル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Exhaust port 2 ... Antenna 3 ... Quartz glass 4 ... Plasma 5 ... Sample 6 ... Transformer 7 ... Matching circuit 8 ... High frequency power supply 9 ... Gas inlet 10 ... Microwave 11 ... O-ring 12 ... Slit (perforated plate) 14 ... Insulator 30 ... Sample stage 16 ... Positive ion generation chamber 17 ... Negative ion generation chamber 18 ... Magnetic material 20 ... Permanent magnet 21 ... Yoke 22 ... Shield plate 23 ... Teflon 31 ... Coil

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 進藤 春雄 神奈川県厚木市愛甲910−1−6−301 (72)発明者 奈良井 哲 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Haruo Shindo 910-1-6-301 Aiko, Atsugi City, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Satoshi Narai 1-5-5 Takatsukadai, Nishi-ku, Kobe City, Hyogo Kobe Steel Ltd. Tokoro Kobe Research Institute

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 比較的高圧環境に設定された第1のプラ
ズマ発生室内で比較的多くの負イオンを含むプラズマを
発生させ,且つ,比較的低圧環境に設定された第2のプ
ラズマ発生室内で比較的多くの正イオンを含むプラズマ
を発生させ,上記正イオンと負イオンを試料台を設けた
処理室に導入すると共に,上記処理室内の試料台に載置
した試料に高周波の交番電圧を付与してプラズマ処理す
ることを特徴とするプラズマ処理方法。
1. A plasma containing a large number of negative ions is generated in a first plasma generation chamber set in a relatively high-pressure environment, and a plasma is generated in a second plasma generation chamber set in a relatively low-pressure environment. A plasma containing a relatively large number of positive ions is generated, the positive ions and negative ions are introduced into a processing chamber having a sample stage, and a high-frequency alternating voltage is applied to the sample placed on the sample stage in the processing chamber. A plasma processing method, characterized in that the plasma processing is performed.
【請求項2】 上記処理室が上記第2のプラズマ発生室
と兼用されている請求項1記載のプラズマ処理方法。
2. The plasma processing method according to claim 1, wherein the processing chamber is also used as the second plasma generation chamber.
【請求項3】 比較的高圧環境に設定され比較的多くの
負イオンを含むプラズマを発生させるための第1のプラ
ズマ発生室と,比較的低圧環境に設定され比較的多くの
正イオンを含むプラズマを発生させるための第2のプラ
ズマ発生室内と,上記正イオンと負イオンとが導入さ
れ,内部に試料台が設けられた処理室と,上記処理室内
の試料台に載置された試料に高周波の交番電圧を付与す
る交番電圧付与手段とを具備してなることを特徴とする
プラズマ処理装置。
3. A first plasma generation chamber set in a relatively high pressure environment for generating a plasma containing a relatively large number of negative ions, and a plasma set in a relatively low pressure environment and containing a relatively large number of positive ions. A second plasma generating chamber for generating a high frequency, a processing chamber in which the positive ions and negative ions are introduced and a sample stage is provided inside, and a high frequency is applied to a sample placed on the sample stage in the processing chamber. And an alternating voltage applying means for applying the alternating voltage.
【請求項4】 上記処理室が上記第2のプラズマ発生室
と兼用されている請求項3記載のプラズマ処理装置。
4. The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein the processing chamber also serves as the second plasma generation chamber.
【請求項5】 上記交番電圧付与手段が高周波トランス
である請求項3若しくは4記載のプラズマ処理装置。
5. The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein the alternating voltage applying means is a high frequency transformer.
【請求項6】 上記第1のプラズマ発生室及び/又は第
2のプラズマ発生室が複数設けられてなる請求項4記載
のプラズマ処理装置。
6. The plasma processing apparatus according to claim 4, wherein a plurality of the first plasma generation chambers and / or the second plasma generation chambers are provided.
【請求項7】 上記第2のプラズマ発生室に磁場を引加
する磁場引加手段をさらに具備してなる請求項3若しく
は4記載のプラズマ処理装置。
7. The plasma processing apparatus according to claim 3, further comprising magnetic field adding means for applying a magnetic field to the second plasma generation chamber.
【請求項8】 上記第1のプラズマ発生室と第2のプラ
ズマ発生室とがスリット板又は多孔板で仕切られている
請求項4記載のプラズマ処理装置。
8. The plasma processing apparatus according to claim 4, wherein the first plasma generating chamber and the second plasma generating chamber are partitioned by a slit plate or a perforated plate.
【請求項9】 上記スリット板又は多孔板を冷却する冷
却装置を具備してなる請求項8記載のプラズマ処理装
置。
9. The plasma processing apparatus according to claim 8, further comprising a cooling device for cooling the slit plate or the perforated plate.
【請求項10】 上記スリット板又は多孔板が導電体に
より構成されてなる請求項8記載のプラズマ処理装置。
10. The plasma processing apparatus according to claim 8, wherein the slit plate or the perforated plate is made of a conductor.
【請求項11】 上記第1のプラズマ発生室を冷却する
冷却装置を具備してなる請求項3若しくは4記載のプラ
ズマ処理装置。
11. The plasma processing apparatus according to claim 3, further comprising a cooling device that cools the first plasma generation chamber.
【請求項12】 上記第1のプラズマ発生室が導電体に
より構成されてなる請求項3若しくは4記載のプラズマ
処理装置。
12. The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein the first plasma generation chamber is made of a conductor.
【請求項13】 上記交番電圧付与手段により付与され
る高周波の波形が,正弦波,矩形波,三角波のいずれか
1つ又はそれ以外の任意の波形である請求項3若しくは
4記載のプラズマ処理装置。
13. The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein the high-frequency waveform applied by the alternating voltage applying means is any one of a sine wave, a rectangular wave, and a triangular wave, or any other waveform. .
【請求項14】 上記交番電圧付与手段が,上記高周波
のオン,オフ比を制御する機能を含んでなる請求項3も
しくは4記載のプラズマ処理装置。
14. The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein the alternating voltage applying means includes a function of controlling an on / off ratio of the high frequency.
【請求項15】 プラズマ雰囲気中にエッチングに対す
る寄与の度合いの少ない元素又は寄与しない元素を混入
させる請求項3もしくは4記載のプラズマ処理装置。
15. The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein an element that contributes little to etching or an element that does not contribute to etching is mixed in the plasma atmosphere.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030069340A (en) * 2002-02-20 2003-08-27 비오이 하이디스 테크놀로지 주식회사 Vaccum dry plasma process
WO2002078043A3 (en) * 2001-03-26 2003-12-04 Ebara Corp Beam processing apparatus
WO2019009114A1 (en) 2017-07-06 2019-01-10 日立オートモティブシステムズ株式会社 Vehicle control device, and vehicle control simulation device
US10217613B2 (en) 2015-12-28 2019-02-26 Hitachi High-Technologies Corporation Plasma processing apparatus

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