JPH10302996A

JPH10302996A - プラズマ処理方法及び装置

Info

Publication number: JPH10302996A
Application number: JP9105595A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Okumura; 智洋奥村; Ichiro Nakayama; 一郎中山; Shigenori Hayashi; 重徳林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-04-23
Filing date: 1997-04-23
Publication date: 1998-11-13

Abstract

(57)【要約】【課題】均一なプラズマを発生させることができるプ
ラズマ処理方法及び装置を提供する。【解決手段】真空容器１内に、ガス供給ユニット２か
ら適当なガスを導入しつつ、ポンプ３により排気を行
い、真空容器１内を適当な圧力に保ちながら、コイル用
高周波電源４により１００MHzの高周波電力を、接続線
路９、マッチング回路１０、中央部に絶縁ブロック１３
を設けた遮蔽板１２を貫通する接続導体１１ａおよび１
１ｂを介して、誘電体１４に沿って配置されたコイル５
に供給するとともに、電極用高周波電源８により５００
kHzの高周波電力を電極６に供給し、真空容器１内にプ
ラズマを発生させ、電極６上に載置された基板７に対し
てエッチング、堆積、表面改質等のプラズマ処理を行う
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ドライエッチン
グ、スパッタリング、プラズマＣＶＤ等のプラズマ処理
方法及び装置に関し、特に高周波誘導方式のプラズマ処
理方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の微細化に対応して、
ドライエッチング技術においては高アスペクト比の加工
等を実現するために、またプラズマＣＶＤ技術において
は高アスペクト比の埋め込み等を実現するために、より
高真空でプラズマ処理を行うことが求められている。

【０００３】例えば、ドライエッチングの場合において
は、高真空において高密度プラズマを発生させると、基
板表面に形成されるイオンシース中でイオンが中性ガス
粒子等と衝突する確率が小さくなるために、イオンの方
向性が基板に向かって揃い、また電離度が高いために基
板に到達するイオン対中性ラジカルの入射粒子束の比が
大きくなる。したがって、エッチング異方性が高めら
れ、高アスペクト比の加工が可能となる。

【０００４】また、プラズマＣＶＤの場合においては、
高真空において高密度プラズマを発生させると、イオン
によるスパッタリング効果によって微細パターンの埋め
込み・平坦化作用が得られ、高アスペクト比の埋め込み
が可能になる。

【０００５】高真空において高密度プラズマを発生させ
ることができるプラズマ処理装置の１つとして、コイル
に高周波電圧を印加することによって真空容器内にプラ
ズマを発生させる高周波誘導方式のプラズマ処理装置が
ある。この方式のプラズマ処理装置は、真空容器内に高
周波磁界を発生させ、その高周波磁界によって真空容器
内に誘導電界を発生させて電子の加速を行い、プラズマ
を発生させるもので、コイル電流を大きくすれば高真空
においても高密度プラズマを発生することができ、十分
な処理速度を得ることができる。

【０００６】従来の高周波誘導方式のプラズマ処理装置
の一例を図６に示す。図６において、真空容器１内にガ
ス供給ユニット２から適当なガスを導入しつつポンプ３
により排気を行い、真空容器１内を適当な圧力に保ちな
がら、コイル用高周波電源４により高周波電力をコイル
５に供給すると、真空容器１内にプラズマが発生し、電
極６上に載置された基板７に対してエッチング、堆積、
表面改質等のプラズマ処理を行うことができる。このと
き、図６に示すように、電極６にも電極用高周波電源８
により高周波電力を供給することで、基板７に到達する
イオンエネルギーを制御することができる。なお、９は
高周波電源４とマッチング回路１０を接続するための接
続線路であり、同軸ケーブルまたは同軸管が用いられ
る。また、１１はマッチング回路１０とコイル５を接続
するための接続導体であり、銅板１１ａとポスト１１ｂ
から構成されている。なお、コイル５は、誘電体１４に
沿って設けられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示した従来の方式では、とくに高周波電力の周波数が３
０〜３００MHzである場合、コイルの実質的な中心に高
周波電力を印加しても、接続導体から放射される電磁波
が、真空容器内において、コイルの実質的な中心を通り
かつ基板に垂直な直線に対して対称とならないため、プ
ラズマがかたよってしまうという問題点があった。

【０００８】ガス種及びその流量、圧力を、Ａｒ＝３０
sccm、１Ｐａに設定し、コイル５に１００MHzの高周波
電力１０００Wを供給してプラズマを発生させ、ラング
ミュアプローブ法を用いてイオン飽和電流密度を測定す
ることにより、従来方式のプラズマの面内分布を評価し
た結果を図７に示す。図７において、x-y軸は図６のx-y
軸に対応している。図７から、接続導体のうち銅板１１
ａのある右側に、プラズマがかたよっていることがわか
る。測定には１００MHzの高周波電源を使用したが、高
周波電力の周波数が概ね３０〜３００MHzである場合、
同様の問題が生じる。

【０００９】実際に、３００ｎｍ厚の多結晶シリコン膜
付きの８インチ径シリコン基板７を電極６上に載置し、
ガス種及びその流量、圧力を、Ｃl２＝３０sccm、１Ｐ
ａに設定し、コイル５に１００MHzの高周波電力１００
０Wを供給するとともに、電極に５００kHzの高周波電力
２０Wを供給したところ、多結晶シリコン膜がエッチン
グされたが、エッチング速度とその均一性は１９０nm/m
in±３２％という結果であった。

【００１０】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、均一
なプラズマを発生させることのできるプラズマ処理方法
及び装置を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願の第１発明のプラズ
マ処理方法は、真空容器内にガスを供給しつつ真空容器
内を排気し、真空容器内を適当な圧力に制御しながら、
マッチング回路を介してコイルの実質的な中心に高周波
電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発
生させて、真空容器内の電極に載置された基板を処理す
るプラズマ処理方法において、マッチング回路とコイル
を接続するための接続導体から放射される電磁波が、真
空容器内において、コイルの実質的な中心を通りかつ基
板に垂直な直線に対してほぼ対称であることを特徴とす
る。

【００１２】この方法は、高周波電力の周波数が３０〜
３００MHzである場合に、とくに有効な方法である。

【００１３】また、この方法において、電極に高周波電
力を供給することにより、基板に到達するイオンエネル
ギーを制御することが望ましい。

【００１４】本願の第２発明のプラズマ処理装置は、真
空容器内にガスを供給する手段と、真空容器内を排気す
る手段と、高周波電源と、マッチング回路と、コイル
と、高周波電源とマッチング回路を接続するための接続
線路と、マッチング回路とコイルを接続するための接続
導体と、基板を載置するための電極を備えたプラズマ処
理装置において、接続導体の全体が、コイルの実質的な
中心を通りかつ基板に垂直な直線に沿って設けられてい
ることを特徴とする。

【００１５】本願の第３発明のプラズマ処理装置は、真
空容器内にガスを供給する手段と、真空容器内を排気す
る手段と、高周波電源と、マッチング回路と、コイル
と、高周波電源とマッチング回路を接続するための接続
線路と、マッチング回路とコイルを接続するための接続
導体と、基板を載置するための電極を備えたプラズマ処
理装置において、接続導体のうちコイルの実質的な中心
を通りかつ基板に垂直な直線に沿っていない部分とコイ
ルとを電気的に遮蔽するための遮蔽板が設けられている
ことを特徴とする。

【００１６】これらの装置は、高周波電源の周波数が３
０〜３００MHzである場合に、とくに有効な装置であ
る。

【００１７】また、これらの装置は、電極に高周波電力
を供給する手段を備えることにより、基板に到達するイ
オンエネルギーを制御できる構成とすることが望まし
い。

【００１８】これらの装置においては、通常、接続線路
としては同軸ケーブルまたは同軸管が用いられる。

【００１９】また、これらの装置において、コイルの一
部または全部が多重の渦形であってもよい。渦形コイル
の一部または全部が多重の渦形であれば、渦形コイルの
インダクタンスが極めて小さくなるため、マッチング特
性にすぐれたプラズマ処理装置を提供することができ
る。なお、多重の渦形コイルの効果については、T.Okum
urａａnd I.Nａkａyａmａ, "New inductively coupled
plａsmａ source usingａ multispirａl coil", Rev.S
ci.Instrum.66(11), pp5262-5265, 1995 に詳しく述べ
られている。

【００２０】また、本願の第３発明のプラズマ処理装置
において、好適には、遮蔽板とコイルの距離が可変であ
ることが望ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施形態につ
いて、図１〜図２を参照して説明する。

【００２２】図１に、本発明の第１実施形態において用
いたプラズマ処理装置の斜視図を示す。図１において、
真空容器１内に、ガス供給ユニット２から適当なガスを
導入しつつ、ポンプ３により排気を行い、真空容器１内
を適当な圧力に保ちながら、コイル用高周波電源４によ
り１００MHzの高周波電力をコイル５の実質的な中心に
供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生
し、電極６上に載置された基板７に対してエッチング、
堆積、表面改質等のプラズマ処理を行うことができる。
電極６に高周波電力を供給するための電極用高周波電源
８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギ
ーを制御することができるようになっている。９は高周
波電源４とマッチング回路１０を接続するための接続線
路であり、同軸ケーブルを用いた。また、１１はマッチ
ング回路１０とコイル５を接続するための接続導体（ポ
スト）であり、接続導体１１の全体がコイル５の実質的
な中心を通りかつ基板に垂直な直線に沿って設けられて
いる。なお、コイル５は、誘電体１４に沿って設けられ
ている。

【００２３】ガス種及びその流量、圧力を、Ａｒ＝３０
sccm、１Ｐａに設定し、コイル５に１００MHzの高周波
電力１０００Wを供給してプラズマを発生させ、ラング
ミュアプローブ法を用いてイオン飽和電流密度を測定す
ることにより、プラズマの面内分布を評価した結果を図
２に示す。図２において、x-y軸は図１のx-y軸に対応し
ている。図２から、極めて均一なプラズマが得られるこ
とがわかる。その理由は、接続導体１１から放射される
電磁波が、真空容器内において、コイルの実質的な中心
を通りかつ基板に垂直な直線に対してほぼ対称となるか
らである。

【００２４】３００ｎｍ厚の多結晶シリコン膜付きの８
インチ径シリコン基板７を電極６上に載置し、ガス種及
びその流量、圧力を、Ｃl２＝３０sccm、１Ｐａに設定
し、コイル５に１００MHzの高周波電力１０００Wを供給
するとともに、電極に５００kHzの高周波電力２０Wを供
給したところ、多結晶シリコン膜がエッチングされ、エ
ッチング速度とその均一性は２９０nm/min±１．９％と
いう良好な結果が得られた。

【００２５】なお、本発明の第１実施形態において、接
続導体１１の全体をコイル５の実質的な中心を通りかつ
基板に垂直な直線に沿って設けたが、接続導体は、コイ
ルの質的な中心を通りかつ基板に垂直な軸に沿って対称
な形であれば、どんな形でもよい。

【００２６】次に、本発明の第２実施形態について、図
３〜図４を参照して説明する。図３〜図４に、本発明の
第２実施形態において用いたプラズマ処理装置の斜視図
および断面図を示す。図３〜図４において、真空容器１
内に、ガス供給ユニット２から適当なガスを導入しつ
つ、ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を適当な
圧力に保ちながら、コイル用高周波電源４により１５０
MHzの高周波電力をコイル５の実質的な中心に供給する
ことにより、真空容器１内にプラズマが発生し、電極６
上に載置された基板７に対してエッチング、堆積、表面
改質等のプラズマ処理を行うことができる。電極６に高
周波電力を供給するための電極用高周波電源８が設けら
れており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御す
ることができるようになっている。９は高周波電源４と
マッチング回路１０を接続するための接続線路であり、
同軸管を用いた。マッチング回路１０とコイル５を接続
するための接続導体１１のうちコイルの実質的な中心を
通りかつ基板に垂直な直線に沿っていない部分は銅板１
１ａにより構成され、接続導体１１のうちコイルの実質
的な中心を通りかつ基板に垂直な直線に沿っている部分
はポスト１１ｂにより構成されている。また、銅板１１
ａとコイル５とを電気的に遮蔽するための遮蔽板１２が
設けられている。遮蔽板１２の中央部には、ポスト１１
ｂと遮蔽板１２を電気的に絶縁するためのセラミック材
製絶縁ブロック１３が設けられているが、絶縁ブロック
１３は必ず設けなければならないものではなく、ポスト
１１ｂと遮蔽板１２間は空気絶縁としてもよい。

【００２７】ラングミュアプローブ法を用いてイオン飽
和電流密度を測定することにより、プラズマの面内分布
を評価した結果、図２と同様の極めて均一なプラズマが
得られた。また、多結晶シリコン膜をエッチングした結
果も、第１実施形態と同様、良好であった。その理由
は、接続導体（銅板１１ａおよびポスト１１ｂ）から放
射される電磁波が、真空容器内において、コイルの実質
的な中心を通りかつ基板に垂直な直線に対してほぼ対称
となるからである。

【００２８】なお、遮蔽板１２を、銅板１１ａの直下の
みに配置しても、イオン飽和電流密度は均一にならなか
った。そこで、どの程度の範囲を遮蔽すべきかを検討す
るために、遮蔽板１２の大きさをいろいろと変化させて
調べたところ、コイル５の全体に外接する円よりも大き
い範囲を遮蔽したときにイオン飽和電流密度の改善がみ
られた。

【００２９】図３〜図４において、遮蔽板とコイルの距
離を可変にすることによって、マッチング状態の微調整
を図ることも可能である。

【００３０】以上述べた本発明の実施形態では、コイル
に供給する高周波電力の周波数が１００MHz及び１５０M
Hzである場合について説明したが、周波数はこれに限定
されるものではなく、３０MHz〜３００MHz程度の周波数
において、本発明のプラズマ処理方法及び装置は有効で
ある。

【００３１】また、以上述べた本発明の実施形態では、
多結晶シリコン膜のエッチングについて説明したが、い
うまでもなく、その他のエッチング、スパッタリング、
CVD等のプラズマ処理においても、本発明を適用するこ
とができる。なお、これらの処理において、電極に高周
波電力を供給する必要のないものもあるが、本発明はそ
のような処理についても有効であることはいうまでもな
い。

【００３２】また、以上述べた本発明の実施形態では、
接続導体として銅板やポストを用いた場合について説明
したが、接続導体は導電性の部材であればどのような形
状のものであってもかまわない。

【００３３】また、以上述べた本発明の実施形態では、
平面状の多重の渦形コイルが平面状の誘電体に沿って載
置されている場合について説明したが、いうまでもな
く、コイルの形状及び真空容器とコイルとの位置関係は
これに限定されるものではない。例として、図５（ａ）
では、平面状の多重化していないコイル５を用いる場合
を、また、図５（ｂ）では、ドーム状の誘電体１４を用
いる場合を示している。その他、様々なバリエーション
が考えられるが、他の形態も含め、あらゆる形態の高周
波誘導方式のプラズマ処理方法及び装置についても、本
発明を適用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本願の
第１発明のプラズマ処理方法によれば、真空容器内にガ
スを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を適当
な圧力に制御しながら、マッチング回路を介してコイル
の実質的な中心に高周波電力を供給することにより、真
空容器内にプラズマを発生させて、真空容器内の電極に
載置された基板を処理するプラズマ処理方法において、
マッチング回路とコイルを接続するための接続導体から
放射される電磁波が、真空容器内において、コイルの実
質的な中心を通りかつ基板に垂直な直線に対してほぼ対
称であるため、均一なプラズマを発生させることがで
き、均一なプラズマ処理を行うことができる。

【００３５】また、本願の第２発明のプラズマ処理装置
によれば、真空容器内にガスを供給する手段と、真空容
器内を排気する手段と、高周波電源と、マッチング回路
と、コイルと、高周波電源とマッチング回路を接続する
ための接続線路と、マッチング回路とコイルを接続する
ための接続導体と、基板を載置するための電極を備えた
プラズマ処理装置において、接続導体の全体が、コイル
の実質的な中心を通りかつ基板に垂直な直線に沿って設
けられているため、均一なプラズマを発生させることが
でき、均一なプラズマ処理を行うことができる。

【００３６】また、本願の第３発明のプラズマ処理装置
によれば、真空容器内にガスを供給する手段と、真空容
器内を排気する手段と、高周波電源と、マッチング回路
と、コイルと、高周波電源とマッチング回路を接続する
ための接続線路と、マッチング回路とコイルを接続する
ための接続導体と、基板を載置するための電極を備えた
プラズマ処理装置において、接続導体のうちコイルの実
質的な中心を通りかつ基板に垂直な直線に沿っていない
部分とコイルとを電気的に遮蔽するための遮蔽板が設け
られているため、均一なプラズマを発生させることがで
き、均一なプラズマ処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態で用いたプラズマ処理装
置の構成を示す斜視図

【図２】本発明の第１実施形態における、プラズマの面
内分布を評価した結果を示す図

【図３】本発明の第２実施形態で用いたプラズマ処理装
置の構成を示す斜視図

【図４】本発明の第２実施形態で用いたプラズマ処理装
置の構成を示す断面図

【図５】本発明の他の実施形態で用いたプラズマ処理装
置の構成を示す図

【図６】従来例で用いたプラズマ処理装置の構成を示す
断面図

【図７】従来例における、プラズマの面内分布を評価し
た結果を示す図

【符号の説明】

１真空容器２ガス供給ユニット３ポンプ４コイル用高周波電源５コイル６電極７基板８電極用高周波電源９接続線路１０マッチング回路１１ａ接続導体の一部（銅板）１１ｂ接続導体の一部（ポスト）１２遮蔽板１３絶縁ブロック１４誘電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内にガスを供給しつつ真空容器
内を排気し、真空容器内を適当な圧力に制御しながら、
マッチング回路を介してコイルの実質的な中心に高周波
電力を供給することにより、真空容器内にプラズマを発
生させて、真空容器内の電極に載置された基板を処理す
るプラズマ処理方法において、マッチング回路とコイル
を接続するための接続導体から放射される電磁波が、真
空容器内において、コイルの実質的な中心を通りかつ基
板に垂直な直線に対してほぼ対称であることを特徴とす
るプラズマ処理方法。
【請求項２】高周波電力の周波数が３０〜３００MHz
であることを特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理
方法。
【請求項３】電極に高周波電力を供給することを特徴
とする、請求項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】真空容器内にガスを供給する手段と、真
空容器内を排気する手段と、高周波電源と、マッチング
回路と、コイルと、高周波電源とマッチング回路を接続
するための接続線路と、マッチング回路とコイルを接続
するための接続導体と、基板を載置するための電極を備
えたプラズマ処理装置において、接続導体が、コイルの
実質的な中心を通りかつ基板に垂直な軸に沿って対称な
形に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項５】真空容器内にガスを供給する手段と、真
空容器内を排気する手段と、高周波電源と、マッチング
回路と、コイルと、高周波電源とマッチング回路を接続
するための接続線路と、マッチング回路とコイルを接続
するための接続導体と、基板を載置するための電極を備
えたプラズマ処理装置において、接続導体の全体が、コ
イルの実質的な中心を通りかつ基板に垂直な直線に沿っ
て設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】真空容器内にガスを供給する手段と、真
空容器内を排気する手段と、高周波電源と、マッチング
回路と、コイルと、高周波電源とマッチング回路を接続
するための接続線路と、マッチング回路とコイルを接続
するための接続導体と、基板を載置するための電極を備
えたプラズマ処理装置において、接続導体のうちコイル
の実質的な中心を通りかつ基板に垂直な直線に沿ってい
ない部分とコイルとを電気的に遮蔽するための遮蔽板が
設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】高周波電源の周波数が３０〜３００MHz
であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記
載のプラズマ処理装置。
【請求項８】電極に高周波電力を供給する手段を備え
たことを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載の
プラズマ処理装置。
【請求項９】接続線路が同軸ケーブルであることを特
徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載のプラズマ処
理装置。
【請求項１０】接続線路が同軸管であることを特徴と
する、請求項４〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１１】遮蔽板とコイルの距離が可変であるこ
とを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載のプラ
ズマ処理装置。
【請求項１２】コイルの一部または全部が多重の渦形
であることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載
のプラズマ処理装置。