JPS6086831A - プラズマ処理方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製造に好適なプラズマ処理方法
、およびその装置に関するものであるＯ 〔発明の背景〕 プラズマ処理は真空に排気した処理室に、処理ガスを導
入し、処理室内に設けた平行平板電極に高周波電圧を印
加してプラズマを発生させ、処理を行うものである。処
理内容としてはプラズマにより発生した処理用ガスのイ
オンやラジカルによシ、レジストで形成したパターン通
シに腺をエツチングするドライエツチング、プラズマに
よ多処理ガスを分解し膜を形成するプラズマＯＶＤ、プ
ラズマにょ多処理ガスの重合反応を起し、膜の形成を行
うプラズマ重合などである。

近年これらプラズマ処理が半導体装置の為集積化や太陽
電池の低コスト化に伴い急速に生腫に用いられるように
なってきた。そこで生産歩留の向上を図るため、よシ尚
度な処理特性がめられている０例えばドライエツチング
では生産性を尚めるためにエツチングレートを上げるこ
と、歩留りの向上を図るために目的とする膜と、Ｆ地材
とのエツチングレート比、すなわち選択比を大きくする
ことや微細なパターンが筒装置でエツチングできること
が要求されているプラズマ処理では従来、エツチングや
成膜の特性コントロールをガスの種類、ガス圧力、ガス
流蓋、高周波電力のコントロール等によシ行ってきた。

しかしながら従来のコントロール要因では、ドライエツ
チングを例にとってみると次のような問題があシ、十分
な特性を得ることができなかった。

第１にガス圧力を高くすると選択比はよくなるが１工ツ
チング精度は悪くなるという問題点があった。

Ｍ２に高周波電力を為くするとエツチングレートは高く
なるが選択比が恐くなるという問題点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は従来技術の問題点に−み、成膜速度と膜
質やエツチングレート、選択比とエツチング精度など相
反するプラズマ処理特性を共に向上させるプラズマ処理
方法およびその装・　鑓を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明はプラズマを発生させる１０２Ｈｚ以上のＭＨｚ
程度の高周波電圧に周期的に変調をかけることにより、
イオンエネルギとその分布、電子温度分布、ラジカル量
や種類をコントロールできるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

本発明による実施例として、以下にいくつかノフラズマ
処理方法および装置について説明する・ 従来の平行平板を極に５〜２０ＭＨｚ程度（１＆５６Ｍ
Ｈｚ　）の高周波電圧を印加するドライエツチング方法
では、イオンエネルギ分布および、電子温度分布はガス
圧力、高周波・成力で決る分布となる。したがってアル
ミ腰などをエツチングする場合、アルミ自身のエツチン
グには＾いエネルギのイオンは不用であり、下地材であ
る酸化膜やシリコン膜のエツチングにはイオンのエネル
ギが必要である。したがってイオンエネルギを小さい条
件にすると選択比を向上させることができる。

しかしアルミ表面の酸化膜除去、および高精度エツチン
グのためには、レジスト面をイオンでたたき出てきたガ
スによるサイドエツチング防止用のサイドウオール形成
が必要であり、高いエネルギのイオンが不可欠でめる・ そこで従来方法によるイオンエネルギー分布を第１図に
腹式的に示す。

Ａ部のイオンエネルギは不可欠であるため、下地材を工
、チングするＢ部のイオンが存在し、選択比を十分大き
くすることができない。

そこでｊｆ！２図に示す従来の高周波印加電圧に対し本
発明による第３図に示すＡＭ変調した高周波電圧印加に
よるエツチング方法について説明する。

従来の処理条件に比ベガス圧を高く奴定する・ｔｌの部
分では従来のｖｌよシ低いｖ２の高周波電圧を印加する
。この時ガス圧が高いために、ｔｌの部分では入射する
イオンエネルギは低くなるが放電電流は増加する。この
ため、電極からプラズマに流れる電子のエネルギは低下
するが数が増加し、エツチングに寄与するラジカルの生
成が増加する。

ｔｌの部分では高い圧力下でもｖｌより高い■の高周波
電圧を印加するようにする。そのため酸化膜除去やサイ
ドウオール形成に十分なイオンエネルギを得ることかで
きる。この時のイオンエネルギ分布を第４図に腹式的に
示す０６部分の放電ではＤに示すような低エネルギのイ
オンやラジカルの量が増加するため、工。

チングレートを高めることができる。

６２部分の放電では０に示す為エネルギのイオンが生成
され、そのイオン量とエネルギは１１とｔ２の時間比率
と印加電圧ｖ３によシコントレールできる。

そのためＣ部分は必要最少限のイオンエネルギとイオン
量にコントロールでキ、下地のエツチング速度を最少限
にすることができる。

以上ＡＭ変調をかけた場合について説明したが第５図に
示すＦＭ変調でも同様の効果を得ることができる。　ｔ
４部分ではｔ３部分の１５．５６　ＭＨｌに対しＩＭＨ
ｚと周波数を低くしすることにより放電電圧が高くなシ
、入射イオンエネルギが高くなる。

本発明の帛３図の高調方法による工、チング特性と、従
来のエツチング特性をｍ６図に示す・次にもう一つのエ
ツチング例として半導体ウェハのシリコン酸化膜を工、
チングする場合について説明する。シリコン酸化膜の下
にはシリコン面があり、酸化膜のエツチングが完了した
後、シリコン面のエツチングが進まないようシリコン酸
化膜のエツチング速度とシリコンのエツチング速度の差
ができるだけ大きい方がよい。

この時シリコン紘酸化膜に比べ低いイオンエネルギーで
エツチングされるため、酸化膜とシリコンの選択比を大
きくするにはイオンエネルギの分布が、酸化膜のエツチ
ングに必要なレベルより高くなければならない。このイ
オンエネルギを高くするためにはガス圧力を低くするか
、高周波電力を大きくしなければならない。

しかしガス圧力の低い条件ではイオンエネルギーは高く
なるがイオン化率が低下し、エツチング速度が低くなる
。また高周波電力を大きくする条件ではイオンエネルギ
ーの増加に伴い、発生する熱量も増加し、ウエノ・の温
度も高くなるＯ 半導体製品を作るウエノ・はウエノ・面上にノ（ターン
を形成するため、エツチング前にレジストのパターンが
形成されている。このレジストはウェハ温度が約１２０
”Ｏを越えると軟化し、パターン形状がくずれ、高精度
なエツチングできなくなり、場合によってはレジストが
変質し、エツチング後完全に除去することができない、
などの問題を生じる。

本発明では第７図に示すように従来よシ高い高周波電圧
ｖ４を７５秒間印加した後、７６秒間は印加電圧を小さ
くするというように周期的に変調した高周波電圧を印加
する・この印加された高周波電力はｔ５、ｔ＠の部分を
平均化すると従′来の為周波電力と同じにしている。

さき＃１ど述ぺたように８ｉ０ｚのエツチングでは８ｉ
などに比べ高いエネルギーのイオンが必要であシ、エツ
チング速度、選択比を大きくするためには、イオンエネ
ルギーが８ｉ０２エツチングに必要なレベルよル烏い方
に分布していなければならない。

しかるに本発明による放電でｆｉｔ５の部分ではｖ４を
大きくシ、ウェハに＾いエネルギーのイオンが入射し、
ｔ６の部分ではｆ３ｉをエツチングするエネルギーもな
ｉ低い電力で放電する。

以上よシ供ｉされる為周波電力は従来と同等であるため
、ウニへの表面に形成されたレジストが軟化することも
なく、イオンエネルギーの分布だけを高くし、エツチン
グレートを２．５倍に選択比を１８倍にすることができ
た。

以上工、チング方法について述べたが、プラズマ重合や
プラズマＯＶＤでも同様の効果を傅ることができる。生
成した膜の特性はプラズマ内の電子温度や、入射イオン
エネルギ、シース付近に生成されるイオンやラジカルに
関係する。

また電子温度をはじめこれらイオンやラジカルはさきに
エツチングで説明し次変調を行うことにより、分布、イ
オンやラジカルの種類、比率をコントロールできる。し
たがってよりよい膜特性を得る条件が明らかになれば、
それに合せて本発明による方法で放電プラズマをコント
ロールし、処理特性を向上させることができることは明
らかである。

なお以上の実胞例では為周波印加電圧の周親数として１
３．５６ｈＡＨｚを使用しているが、基本的には放電を
発生させ、持続させる周波数であればよい。

変調周波数は現在のプラズマ処理時間１公〜数十分に対
し十分小さな値、すなわち任意の時間でプラズマ処理を
停止しても処理条件に差が生じない程度であればよい。

以上よυ高周波印加電圧の周波数は１０２邪以上、変調
周波数はそれよシー桁小さい１０氾以上の周波数であれ
ばよい。

また本実施例では平行平板！極によるエツチングやＯＶ
Ｄ、プラズマ重合について説明したが、本発明はこれに
限定されるものでなく、外部容量形およびインダクタン
ス形電極によるプラズマ処理、マイクロ波や電子サイク
ロトロノ共鳴によるプラズマ発生を用いたプラズマ処理
にも応用できることは明らかである。これらの放電は処
理室内に電極はないが印加する高周波やマイクロ波に変
調をかけることによりプラズマ内の電子温度分布や発生
するイオン、レジカルの種類や量をコントロールでき、
プラズマ処理特性をコントロールできる。

さらに本実施例では矩形波による変調を行っているが、
変調波形はこれに限定されるものでないことは明らかで
ある。つまυイオンエネルギ分布゛慰子温度分布、イオ
ン、ラジカルの量、ａ１類の最適分布や比率が明らかな
場合、変調波はそれに対応する形で決るものである。

次に今まで述べたプラズマ処理方法を実現するプラズマ
処理装置の実施例について示す。

第８図は先に述べたアルミ膜やシリコン酸化膜をＡＭ変
調放電でエツチングするのに用いるカソードカップリン
グ形のプラズマ処理装置である。

処理室１０には処理用ガス供給口１１．排気口１２が設
けである。また処理室内には接地されたアース電極１３
と高周波電極１４があシ、高周波電極は絶縁プツシ−１
５を介して処理室に固定し、・周囲には処理室内壁との
放電を防止子るシールドケース１６が設けである。ｉた
篩周波１！他１４にはマツチングボックス１８を介して
高周波パワーアンプ１９が接続しである。１３．５６Ｍ
Ｈｚの標準信号発生器２１の信号は、変調信号発生器２
２からの信号に従い、ＡＭ変詞器２０でＡＭ変調され、
高周波パワ′−アンプ１９に供給される。

変調信号発生器２２は周期、振幅を変えた矩形波や正弦
波など任意の波形を発生することができる。

変調信号発生器２２でプラズマ処理対象に合せた第３図
や第７図に示す波形に変調する変調゛信号を発生し、１
５．５６　ＭＨｚの標準信号発生器２１の信号を変調し
て畠周波パワーアンプ１９に、入力する。

高周波パワーアンプ１９からは帛５図や第７図に示すよ
うな波形が出力され、マツチングボックス１８を通って
高周波電極１４に印加される。

ＡＭ変調の場合、周波数は同じであるため、１聞６ＭＨ
２用のマツチングボックスでマツチングを取ることがで
きる。

以上によりプラズマ処理方法で述べた放電プラズマを発
生し、プラズマ処理を行うことができる。

プラズマエツチングやプラズマＯＶＤなどに用いるアノ
ードカップリング形のプラズマ処理装置は本実施例のア
ース電＆１３と高周波電極１４゛の位置を交換すること
で実現できる。

第９図にＦＭ変一方式によるアノードカップリング電極
のプラズマ処理装置を示す。

処理室２５には処理用ガス供給口２６、排気口２７があ
シ、上部には絶縁ブツシュ３０、シールドケース！＋１
を設けた高周波電＆２Ｂがあ１シ、下部にはアース電極
２９がある・ ウェハ３２はアース電極２９に載せ、高周波電＆２８に
は並列に設けられた１３．５６■仏用マツチングボツク
ス３５と１肥用マツチングボツクスを介して高周波パワ
ーアンプ５５に接続しである。

１５．５６Ｍ１化の標準信号発生器３７の信号は変調信
号発生器３８からの信号に従い、ＦＭ変調器５６で１五
５６肥の部分と、１■侶の部分に変調され。

る。

１五５６肥と１肥の比率は変調信号にょシ任意に設定で
きる。変調された信号は、尚周波パワーアンプ３５によ
シ増幅され、１３．５ｓＭｆｉＺの周波数部分は１＆５
１ＳＭＨ２用マツチングボックス３４を通、９．ＩＭＨ
ｚの部分は１肚用マツチングボツクスを通って高周波電
極２８に伝達される。

これによシミ極間に変調された高周波の放電が発生し、
プラズマ処理を行うことができる。

上記実施例では変調信号の発生を変調器で行っているが
これに限定されるものではなく第１０図に示す実施例で
行うこともできる。

標準信号発生器４０の信号をそれぞれ異なる分局器４１
に入れ、各分周器からの出力はアッテネータ４２によシ
個別に変えられるようになっている。

各アッテネータからの出力は加算器４３で力噂される・
この装置では分局器４１の数にもよるがアッテネータ４
２すそれぞれ設定することによシ変調波形と同等の信号
を得ることができる。

第１１図に電子サイクロトロン共鳴方式のプラズマ処理
装置の実施例を示す。

２．４５　ＧＨｚの標準信号発生器４４の信号は変調信
号発生器４６の信号に従い個変調器４５で変調されパワ
ーアンプ４７で増幅されて導波管４８に入る。

変調されたマイクロ波は導波管４８に導びかれ、石英製
の処理室５０に入る。この処理室５０の周囲には磁場を
発生させるコイル４９と５１が設けられておシ、磁場と
マイクロ波による電子の共鳴でプラズマが発生する。乙
の時の電子のエネルギは入力マイクロ波の強度に関係す
るため、変調によシミ子温度分布が制御でき、それに伴
い発生するイオンラジカルの種類、量をコントロールで
きる。

したがって電子サイクロトロン共鳴方式のエツチング装
置やＯＶＤ装置のエツチング特性や膜質をコントロール
することができる。

なお５４は処理用ガス導入管、５５は排気管、５２はス
テージ、５６は基板である。

、　以上プラズマ処理方法、およびプラズマ処理装置の
実施例について述べたが、これからも明らかなように本
発明はプラズマを応用するすべての処理方法、処理装置
に適用できることは本実施例の説明から容易に類推でき
るものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、プラズマ中の電子
温度分布、イオン、ラジカルの種類と量、イオンエネル
ギ分布をコントロールすることができ、プラズマ処理の
性能、すなわち、エツチング処理におけるエツチングレ
ート、選択比、エツチング精度、成膜における成膜速度
、膜質を向上させる効果がある・

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の平行平板プラズマ処理におけるイオンエ
ネルギ分布を示す図、第２図は従来のプラズマ処理にお
ける印加電圧を示す図、第６図は本発明によるＡＭｉ調
による印加電圧の実施例を示す図・ 第４図は第３図に示す印加電圧の場合のイオンエネルギ
分布を示す図、第５図は本発明によるＦＭ変調による印
加電圧の一実施例を示す図、第６図は本発明によるエツ
チング特性と従来のエツチング特性の比較図、第７図は
本発明によるシリコン酸化膜エツチング時の一実施例を
示す図、化８図は本発明によるＡＭ変調方式装置の一実
施例を示す図、第９図は本発明によるＦＭ変調装置の一
実施例を示す図、第１０図は食間波発生の一実施例を示
す図、第１１図は電子サイクロトロン共鳴式プラズマ処
理装置に適用した実施例を示す図である。 １０・・・・・・処理室 １４・・・・・・高周波電極 １９・・・・・・高周波パワーアンプ ２０・・・・・・ＡＭ変調器 ３６・・・・・・ＦＭ変調器 第　ＩＥ 第　２　図 第　４　図 第　５　図 第６図 讐 ガスＬカ（Ｐａ−） 第　７図 第　／Ｄ　図 粥　ｌＩ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｔ　プラズマ処理室内に処理用ガスを導入し、プラズマ
   発生装置に高周波電圧を周期的に便刺させて印加して、
   放電プラズマを生成し、このプラズマにより処理をする
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。 ２印加する高周波電圧をエツチング時間に比べ十分小さ
   な周期で変調することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のプラズマ処理方法。 ３、プラズマ処理室内に処理用ガスを導入するガス導入
   手段と、高周波電圧を周期的に変調させて印加する印加
   手段と、咳印加手段によって印加された高周波電圧によ
   って処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段
   とを備え付けだことを特徴とするプラズマ処理装置。 ４、上記印加手段の変調がＡＭ変調あるいはＦ’Ｍ変調
   であることを特徴とする特許請求範囲ｊ！４３項記載の
   プラズマ処理装置。 ５、上記プラズマ発生手段が、平行平板電極で構成され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲巣５項または第
   ４項起部のプラズマ処理装置。