JPS62122217A - マイクロ波プラズマ処理装置 - 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〕 本発明はマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特に被処
理試料の均一なエツチング、あるいは均一な膜形成に好
適なプラズマ濃度分布の制御手段を有するマイクロ波プ
ラズマ処理装置に関する。

〔発明の背景〕

従来のマイクロ波プラズマ処理装置は、特開昭５５−５
９７２３号公報に記載のように、平行平板型プラズマ処
理装置に比べて、プラズマ密度、電離底が数桁高くなり
、また、１０−３〜１０−’Ｔｏｒｒという高真空下で
放電できることから高選択比、異方性の処理（エツチン
グ等）が可能である。

しかし、従来のマイクロ波プラズマ処理装置では、処理
の均一性に関係するプラズマの分布の制御という点につ
いては配慮されていなかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した背景を踏まえ、マイクロ波プ
ラズマを利用する試料たる半導体基板表面の処理を行な
うマイクロ波プラズマ処理装置において、処理ガスの種
類、処理ガスの圧力、電場。

磁場、試料の位置および材質等によるプラズマの不均一
に起因する処理の不均一を防止できるマイクロ波プラズ
マ処理装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

マイクロ波励起によるプラズマ処理装置において、被処
理半導体基体（ウェハ）の均一性のよい加工をするため
、プラズマの均一性を向上させることが必要と考え、マ
イクロ波導波管の内部を伝播するマイクロ波を制御する
ことが解決策の一つと考えた。マイクロ波は導体面で反
射する性質があるので、被処理試料表面の材質により反
射の度合も異なり、試料の差があるごとにマイクロ波の
調整が必要になると予想された。実際のＳｉウェハ表面
にＳｉウェハ表面を酸化した試料によって差があること
が発見できたので、上記予想が確認できた。この発見に
基づき実試料を扱う上で必要なマイクロ波調整を自動的
に行えるように、マイクロ波調整要領と調整に必要な装
置構成を考案した。

プラズマの被処理ウェハ上での均一化を図るためには、
その他、ガス種、ガス圧、印加する磁場。

試料の材質・位置等も配慮することが必要である。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の実施例について説明する。

〔実施例１〕 第１図はマイクロ波プラズマエツチング装置の一例であ
る。プラズマ発生部１はマイクロ波導波回路の一部に設
けられており１石英またはアルミナ製による放電管２に
よって、真空と大気の分離およびマイクロ波の透過が可
能になっている。プラズマ発生部１の中に被処理試料台
３があり、電気的には？７遊にも、電位を与えることも
可能で。

試料４は試料台４と同電位になっている。試料４をエツ
チング処理するときには試料材料に適したハロゲン系ガ
スを主体とするエツチングガスがガス導入口５から供給
され、エツチングガスおよび反応生成物ガスは排気口６
から排出される。ガスの種類を変えることによってプラ
ズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）　　あるいはプラズマ重合、プラズマに
よるアッシングなどのエツチング以外のプロセスに応用
することができる。本エツチング装置例におけるマイク
ロ波回路はマグネトロン７で発生したマイクロ波を一度
２．４５Ｇ　Ｈｚ用の標準矩形導波管８に伝え、順次矩
形−円形変換導波管９．小口径円形導波管１０．円形テ
ーパ導波管１１．大口径円形導波管１８に伝播させる構
成になっている。もちろん他の構成によるマイクロ波回
路でも原理は変らないが、本マイクロ波回路はプラズマ
発生部１を大面積とし、かつプラズマ発生部１以外をで
きるだけ小型化するために工夫した構成である。さらに
低ガス圧力でも安定放電が得られるようにプラズマ発生
部１の周囲には電磁コイル１２が配置されている。本マ
イクロ波回路においては矩形−円形変換導波管９および
円形テーパ導波管１１があるために、導波管内のマイク
ロ波伝播モードが変化し、プラズマ発生部１に導入され
たガスに吸収されるとき、空間分布が一様でない場合が
ある。すなわちプラズマ濃度分布が不均一となる場合が
ある。その時のために、本装置の場合には小口径円形導
波管１０の円周上に複数個の導体棒１３を導波管の内外
に移動させることのできる導体棒導入口が設けである。

第２図に導体棒の数を４本とした構成図を示す。また導
体棒（チューナと呼ぶ）の取り付ける位置は小口径円形
導波管１０の位置だけでなく、その他の導波管部に設け
ても同様な効果がある。

以下簡単に導体棒（チューナ）の働きについて説明する
。導波管内に伝播するマイクロ波は多種の伝播モードが
あり、導波管の口径がある程度以下に細くなると伝播で
きなくなる場合がある。二二である程度の口径というの
は伝播モード別に異なっている。また導波管内の一部に
マイクロ波が透過できない導体が挿入されているとき、
この導体の近傍の電界強度（振幅）の空間的な分布が変
化する。またマイクロ波の一部は反射してマグネトロン
の設置されている発振部方向に逆戻りする。

同様の効果は被処理試料によっても起こり、試料の材質
や試料台位置によって、マイクロ波回路内の伝播の様子
が変化する。またプラズマ発生部１の内部のガス圧力の
分布、ガス種の異なる場合のガス種の空間分布が異なる
と、マイクロ波がガス励起のために吸収される度合が上
記空間分布によって差が生じる。上記ガス種の空間分布
の影響については、例えば通常のドライエツチングでは
エツチング終点に達すると、反応生成物ガスが極度に減
少するため、放電発光色が変化するほどであり、上記異
種ガスの混入効果と類似する。また反応生成物ガスの分
布は試料表面中央部近傍で濃度が高いので、不均一性の
原因になりやすい。以上のような理由によって得られる
プラズマ発生部１のプラズマの空間密度分布が変化する
ことがある。

その結果被処理試料表面への各種反応種（ラジカル、イ
オン、重合物等）の入射量が不均一な分布になり、処理
結果が不均一なものになる。

プラズマおよび、被処理試料（半導体基板など）の様子
を観測する装置として、モニタ２０および２１が本処理
装置には備えられている。

以下処理をエツチング、被処理試料をＰｏ１ｙ　Ｓｉ。

Ｓｉ上に酸化膜５ｉＯｚを形成したウェハ、ホトレジス
トを塗布パターニングした各種ウェハを用いたときを例
にして説明する。エツチングガスにはＳＦａとＣＣＱ　
４の混合ガス、マスクロ波パワー３００Ｗ、電磁コイル
電流は上段コイルに２２Ａ、下段コイルに５Ａと一定に
し、試料台位置は第１図に示したように放電管２の開放
端部近傍位置に固定した状態で実験した。試料台に４イ
ンチＳｉウェハを表面酸化したのちＰｏ１ｙ　Ｓｉ膜形
成試料をのせ、エツチングの様子を調べた。このとき導
体棒（チューナ）の挿入程度により、Ｐｏ１ｙＳｉのエ
ッチ速度面内分布がはげしく変化した。

ウェハ中心のエッチ速度が極度に速いものから。

ウェハ周辺が極度に速いものまでチューナ挿入程度によ
り連続的に変化した。また複数本のチューナのうち一本
だけ動作させると、同心円状の分布ではなく、ウェハの
いずれか一端が極度に速くなるようなエッチ速度の不均
一性が観測された。ここでＰｏ１ｙ　Ｓｉのエッチ速度
がウェハ全面で均一に進行する条件に複数本のチューナ
挿入位置を固定することも容易にできる。Ｐｏ１ｙ　Ｓ
ｉが均一にエッチされる調整位置にチューナを固定し、
次に４インチＳｉウェハ表面を酸化した場合に表面に生
ずる５ｉＯｚ膜をエツチングした。上記ガスではもちろ
んＰｏ１ｙ　Ｓｉに対する場合よりも、エッチ速度は小
さくなり、膜厚減少程度は少いが、エッチ速度の不均一
性が明確であった。具体的にはＰｏ１ｙＳｉのエツチン
グの不均一性が±３％以下で良好な調整が行われていた
場合でも、５ｉＯｚエツチングでは±２０％程度の不均
一なものとなってしまう。このような特性は実際の半導
体素子を製造する場合に非常に不都合である。たとえば
ゲート電極材料をエツチングするとき、下地には薄い５
ｉＯｚゲート酸化膜があるが、せつか（Ｐｏ１ｙＳｉ、
各種シリサイド、Ｗなどの電極材料を均一性よくエツチ
ングしても、その後のオーバエツチング時に下地５ｉＯ
ｚ面が現われると、均一性が劣化し、下地５ｉＯｚの残
膜厚が不均一となり。

極端に悪い場合には部分的に８１０２膜が消失すること
もある。以上の例のようにエツチング進行中に試料表面
材料が変化する場合には、変化した時点から均一性が劣
化することがある。この対策としてあらかじめＰｏ１ｙ
　Ｓｉの処理均一性、５ｉＯｚの処理均一性の良好なチ
ューナ挿入位置を調べておき、エツチング進行中に発光
スペクトルの特定波長の強度の時経過を測定するエツチ
ングモニタ等で表面が変化する時点が検出されたとき、
チューナ位置を適切な挿入位置へ動かすことが良好な均
一性エツチングのために必要となる。このような必要性
は各種他の工程におけるドライエツチングにおいても起
っており、今後増々精密化を要求されるドライエツチン
グにおいて欠かせないものとなる。

なお、チューナ棒１３の挿入量は、チューナ控が４本の
場合、導波管径の約１／３だけ、導波管壁から入れた場
所が、最大であり、それ以上挿入すると放電が消えてし
まうことが多い。本実施例では導波管径約１００ｍｍの
場合で、最大挿入量を３０閣以内で調整した。

〔実施例２〕 本実施例では、実施例１では手動だったチューナ棒１３
に第２図に示したように駆動機構１４を設け、各種材料
のエツチング均一性の良好な挿入位置へ自動的にチュー
ナを動かせる駆動方式の装置を設けた。駆動機構１４に
はチューナ挿入位置を測定できるセンサを含む場合と、
ステップモータによるカウント方式の場合とがあり、ど
ちらの方式でもよい。この方式とマイコン制御と組み合
せ、エツチングモニタ信号による制御を行うことにより
均一性の良好なエツチングが行えた。

上記実施例１及び実施例２ではエツチングガス混合比、
ガス圧力、電磁コイルによる磁場強度。

試料台位置などを一定としていたが、これらの条件を変
化させても均一性は変化する。たとえばＳＦｓとＣＣＱ
　ａガス混合比ではＣＣＵ　４成分を減少させると均一
性の良好なエツチングになりやすい、ガス圧力では圧力
を下げると均一性が向上しやすい。電磁コイル電流では
上下コイル電流量の比を変えると同心円状に分布が変化
する。試料台位置では下方はど均一エツチングになりや
すい。

これらの現象を上記実施例で行ったチューナｍｌ５Ｆと
置き替えても同様の効果が得られる。ただしガス混合比
や圧力を変化させる方式では、エツチング断面形状や仕
上り寸法変化が起り得るので注意が必要である。また試
料台位置を変化させると全般的なエッチ速度の低下など
の変化を伴うことがあるので注意が必要である。ｉｌ電
磁コイル電流制御する方式が、最もチューナ制御法に近
く、他のエツチング特性を劣化させることが少ない。

次にチューナ捧１３についてであるが、導体棒を円柱状
のものにしたときだけでなく、第３図に示すとおり導体
棒の先に平板４体１５や、導体棒でなく石英やアルミナ
のような絶縁体の棒１９を用い、その先端部に各種形状
を型どった導体１６゜１７をとりつける方法も有効であ
った。これらの方法ではチューナ棒を出し入れする挿入
法だけでなく、回転させることによって調整を容易にす
ることもできた。

以上エツチングを実施例として説明したが、マイクロ波
プラズマを利用する処理装置であれば、エツチングに限
らず、プラズマＣＶＤ、アッシング、プラズマ重合膜形
成装置においても同一原理を応用し、各種均一な膜形成
やエツチング、ドーピング等の加工処理が可能になる。

以上の実施例中で、プラズマの不均一性を測定する方法
としては、以下の方法がある。

（１）放電色の強度分布を観測する方法。これは放電管
２を上方から観測できる位置に設けたノゾキ窓又はカメ
ラによって、放電色が一様かを観測するのである。

（２）試料表面の干渉色をＩ３！測する方法。こｈは５
ｉＯｚあるいは５ｉＯｚ上にＰｏ１ｙ　Ｓ　ｉ　’ｓ：
形成した試料など光透過性の強い材料の膜厚の変化によ
る干渉色の変化を観測し、エツチングの均一性を観測し
、結果としてプラズマの均一性を知る方法である。

（３）エツチングモニタを使用する。これは、試料から
の発光スペクトルの特定波長の強度の時間経過を測定す
るものである。

（４）定量的な方法として、エツチング深さの面内分布
を測定する方法。これは、触針法による場合および走査
型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面の測定をすることに
より、間接的にプラズマの均一性を知ることができる。

その他、膜厚モニタとしては、レーザを試料に入射し、
その反射又は干渉光の強度の観測を利用することも可能
である。そして、膜厚の変化によって、エツチングの均
一性およびプラズマの均一性を知ることができる。

サンプルに対する以上の方法によって測定し、プラズマ
の状態を知ることによりプラズマの分布を制御すること
によって、半導体基板の良好な処理を達成できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マイクロ波プラズマを利用する装置に
おいて、プラズマの空間分布を自由に制御することが可
能となり、被エツチング試料の上層、下層の膜がとのよ
うな組み合せであっても、各層毎に均一なエツチング処
理ができるという効果がある。本発明は増々高精度な加
工精度を要求する半導体素子製造におけるマイクロ波プ
ラズマ処理装置を提供する発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のマイクロ波プラズマ処理装置
の縦断面図、第２図はチューナ棒を設えた円形導波管の
縦断面図と横断面図、第３図はチューナ棒の先端に各種
形状の導体板を設けた円形導波管の縦断面図。 １・・・プラズマ発生部、２・・・放電管、３・・・試
料台、４・・・試料、５・・・ガス導入口、６・・・排
気口、７・・・マグネトロン、８・・・標準矩形導波管
、９・・・矩形−円形変換導波管、１０・・・小口径円
形導波管、１１・・・円形テーパ導波管、１８・・・大
口径円形導波管。 １２・・・電磁コイル、１３・・・導体棒、１４・・・
チューナ駆動機構、１５・・・平板導体、１６・・・リ
ング状導茅　　１　　図 第２図　　　第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、マイクロ波による電場により処理ガスをプラズマと
   し、前記プラズマによつて半導体基板を処理するマイク
   ロ波プラズマ処理装置において、前記半導体基板上のプ
   ラズマの分布を制御する手段を具備したことを特徴とす
   るマイクロ波プラズマ処理装置。