JPH01222446A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はプラズマ処理装置に係り、特に、強異方性エツ
チング、高効率スパッタエツチング、平坦化成膜、ある
いはプラズマドーピングに好適なプラズマ処理装置に関
する。

（従来の技術） 従来の有磁界のマイクロ波プラズマ処理装置は、大別し
て次の２つの方式に分けられる。

（１）特開昭５５−１４１７２９号公報に記載のように
、プラズマ生成室内に電子サイクロトロン共鳴（以下、
ＥＣＲ）面を形成し、そこで発生したイオンを、該プラ
ズマ生成室の出口に設置したイオン引き出し電極によっ
て効率良く引き出そうとする装置。

（２）特開昭５６−１３４８０号公報に記載のように、
被処理物に交場電位を印加することによってイオンを加
速し、被処理物に対するイオンの衝撃度を大きくしよう
とする装置。

このような従来技術においては、イオンの励起度が最も
高くなるＥＣＲ面が被処理物から離れた所に形成された
ため、プラズマ処理効率が低かった。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来技術では、プラズマ源からのイオンの引き出し
や、被処理物である基板近傍に存在するイオンの該基板
への入射速度の制御については考慮されていたが、ＥＣ
Ｒ面で発生した高励起プラズマ種の有効利用については
考慮されていなかった。

プラズマ処理の効率は、電位勾配等によりイオンに与え
られる並進エネルギよりも、イオンの励起エネルギに大
きく依存している。

すなわち、イオンの電子エネルギ、振動エネルギ、およ
び回転エネルギが高いほど被処理物に対するプラズマ処
理効率が向上する。

一方、イオンの励起エネルギはＥＣＲ面において最も高
くなるが、ここで生成されたイオンの励起度は、被処理
物に到達する間のエネルギ散逸や他の粒子との衝突によ
つて徐々に失われ、被処理物までの距離がイオンの平均
自由行程よりも遠くなると、さらにその傾向が顕著にな
る。

したがって、被処理物に対するプラズマ処理効率は、Ｅ
ＣＲ面と被処理物との距離が短くなるほど向上する。

ところが、特開昭５５−１４１７２９号公報に記載の方
式では、このＥＣＲ面がプラズマ生成室内に形成される
ため、ＥＣＲ面と被処理物とはイオンの平均自由行程以
上に離れていた。

したがって、プラズマ生成室の出口に設置したイオン引
き出し電極によってイオンを効率良く引き出しても、イ
オンの励起度が、被処理物に到達するまでの他の粒子と
の衝突等によって低下するため、プラズマ処理効率は低
かった。

また、特開昭５６−１３４８０号公報に記載の方式では
、イオンは交場電位によって加速されて基板に直接入射
されるため、イオンの衝撃度は大きい。しかし、上記従
来技術と同様、ＥＣＲ面で発生する励起度の高いイオン
を利用していないので、イオン衝撃度の大きさの割りに
は処理効率が低いという問題があった。

本発明の目的は、上記の諸問題を解決し、高励起のイオ
ンを有効利用することによってプラズマ処理効率の高い
プラズマ処理装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前記の問題点を解決するために、本発明は、ＥＣＲ面を
、被処理物の表面からイオンの平均自由行程内に発生さ
せるようにした点に特徴がある。

さらに、前記被処理物とＥＣＲ面との間に、交場電位が
印加されるグリッドを設置した点に特徴がある。

（作用） 上記したように、ＥＣＲ面が被処理物の表面からイオン
の平均自由行程内に発生するようにしたので、ＥＣＲ面
において励起されたイオンは、他のイオン、粒子等に衝
突することによってその励起度を失うことなく、被処理
物の表面に入射される。

さらに、被処理物とＥＣＲ面との間に、交場電位が印加
されるグリッドを設置したので、イオンの励起エネルギ
を損なうこと無く、該イオンに対して並進エネルギを付
与すると共に、被処理物に入射する角度を改善すること
ができる。

ところで、グリッドに印加される電位には直流と高周波
電位の２通りがあるが、直流電位を印加すると被処理物
にはイオンが連続的に到達する。

したがって、この被処理物が半導体基板であり、その表
面にホトレジストなどの絶縁物が形成されていると、該
絶縁物はイオンによってチャージアップされ、イオンの
入射が阻害される。

さらに、このチャージアップによって基板上の界面には
新たなエネルギ準泣面が形成されるので半導体のデバイ
ス特性が劣化する。

ところが、高周波電位を印加するとチャージアップが発
生しにくいため、グリッドに印加される電位は高周波電
位であることが望ましい。

また、グリッドに印加される電位が高周波電位であって
も、その周波数が１０ＭＨｚ以上であるとイオンが追随
できなくなってプラズマと基板との間に自己バイアス電
位が発生し、前記直流電圧を印加した場合と同様の問題
が発生する。

したがって、グリッドに印加される高周波電位の周波数
は、１０ＭＨｚ以下かつ、プラズマ処理中に少なくとも
１サイクルは経過する周波数であることが望ましく、こ
の周波数範囲の交場電位をグリッドに印加すれば、基板
がチャージアップすることなく、基板へのイオンの入射
効率が向上する。

さらに、界面準位の発生も防止できるので、チャージア
ップによるデバイス特性への悪影響を防止できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の主
要部の模式図である。

本実施例装置は処理室２、プラズマ生成室４、基板１を
支持する基板支持台３、マイクロ波導波管７（マイクロ
波発振器は図示省略）、マイクロ波６を導入するマイク
ロ波導入窓８、ＥＣＲ１１ｊＢを発生させる主磁界コイ
ル９、付加磁界コイル１２、排気口１１（排気系は図示
省略）、反応ガス供給ノズル５．１０（反応ガス供給系
は図示省略）、グリッド１４（電位印加手段は図示省略
）よりなる。

プラズマ生成室４は直径３７０ｍｍφ、長さ２００ａ＋
ｍであり、その一端は円錐形の透明石英製マイクロ波導
入窓８となっている。

処理室２は直径３７０ｍａφのステンレス鋼製であり、
その中に設置された基板支持台３は直径１２０ｍｍφの
アルミナ製である。

主磁界コイル９、付加磁界コイル１２はプラズマ生成室
４あるいは処理室２の周囲に設置されており、これらの
コイルによってプラズマ生成室４内に発生する最大磁束
密度は２　、　５　ＫＧａｕｓｓである。

グリッド１４および基板支持台３は装置の中心軸方向に
移動可能であり、グリッド１４に印加される電圧および
周波数も可変である。

第２図は、本実施例の装置内部における磁束密度分布を
示した図であり、点線は装置内部においてＥＣＲ条件を
満たす磁束密度を示し、共鳴周波数が２．４５ＧＨｚの
マイクロ波を用いた本実施例では、８７５　Ｇａｕｓｓ
である。

実線は主磁界コイル９、付加磁界コイル１２によって装
置内部に発生する磁束密度分布を示しており、この磁束
密度分布は前記主磁界コイル９、付加磁界コイル１２に
印加する電圧および周波数を制御することによって自由
に設定することができる。

ＥＣＲＣ工面は、主磁界コイル９、付加磁界コイル１２
によって装置内部に発生した磁束密度が、ＥＣＲ条件を
満たす領域、すなわち、同図においては点線と実線とが
交差する領域に形成される。

すなわち、本実施例では主磁界コイル９、付加磁界コイ
ル１２に印加する電圧および周波数を制御することによ
って、ＥＣＲＣ工面と基板１との距離を自由に設定する
ことができる。

したがって、本実施例では主磁界コイル９、付加磁界コ
イル１２を制御することによって、ＥＣＲＣ工面を基板
１の表面からイオンの平均自由行程内に発生させること
ができる。

以下に、上記した構成を有する本発明のプラズマ処理装
置を用いて行ったエツチングの結果について説明する。

第３図は、エツチングの強異方性とグリッド−基板間の
距離との関係を示した図であり、強異方性を示す尺度は
、基板に対して垂直方向のエツチング速度と基板に対し
て平行方向のエツチング速度との比（垂直方向エツチン
グ速度／平行エツチング速度）によって表した。

なお、このときの基板１は直径１００＋ｍのシリコンウ
ェハであり、その表面には厚さ１００ｎａ＋の熱酸化膜
が形成されている。

さらに、該熱酸化膜の表面には厚さ５００ｎｗの多結晶
シリコンが堆積され、さらに、その表面にはレジストパ
ターニングが施されている。

上記のような基板に対して、本実施例では、プラズマ生
成室内に第１のガス導入管５よりＣ１２を３０　Ｉｌｌ
／ａｋｉｎの速度で導入し、周波数２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波６を導波管７より伝搬させてマイクロ波導入窓
８からプラズマ生成室内に導入した。

さらに、主磁界コイル９、付加磁界コイル１２によって
前記プラズマ生成室内に８７５　Ｇａｕｓｓの磁界を発
生させた。

このとき、処理室内の圧力は１ｍＴｏｒｒに保ち、ＥＣ
Ｒ面とグリッドとの距離は２ｃｍであった。

以上のような条件下でのエツチングにおいて、グリッド
と基板との距離を変化させて異方性を測定すると、異方
性は、第３図に示されるようにグリッドと基板との距離
がＣｌイオンの平均自由行程である１３ｃ諷よりも短い
距離では著しく強くなる。

第４図は、エツチングの強異方性とグリッドに印加する
交場電位の周波数との関係を示した図である。

このときのＥＣＲ面とグリッドとの距離、およびグリッ
ドと基板との距離は共に２ｃｍに設定されており、その
他の条件は前記と同様である。

同図より明らかなように、異方性はグリッドに印加され
る交場電位の周波数が１０’Ｈｚを越えるあたりから著
しく低下する。

第５図は、エツチングの強異方性とグリッドに印加する
交場電位の電圧との関係を示した図であり、特に、実線
は交場電位の周波数が１０ＢＨｚの場合の関係を示し、
点線は交場電位の周波数が１０８Ｈｚの場合の関係を示
している。

第５図によれば、Ｃｌイオンによるエツチングの場合、
グリッドと基板との距離を２ｃｍに設定し、交場電位の
周波数を１０６Ｈｚとすると、異方性は交場電位の電圧
がＩＯＶを越えるあたりから著しく強くなり、約２５Ｖ
の時点において一旦鈍るものの、その後も電圧の上昇と
共に強くなる。

これに対して、交場電位の周波数を１０θ　Ｈｚとする
と、交場電位の周波数が１０ｅ′Ｈｚの場合に認められ
たようなイオン処理効率の著しい向上は認められず、単
に印加電圧に比例した向上しか認められない。しかも、
その処理効率は交場電位の周波数が１０ＧＨｚの場合に
較べて非常に低いことがわかる。

すなわち、イオン処理効率は、交場電位の電圧にかかわ
らず、交場電位の周波数が１０’Ｈｚの場合のほうが、
１０８Ｈｚの場合よりも高いと言える。

以上のことから、ＥＣＲ面と基板との距離をイオンの平
均自由行程よりも短くシ、さらに、ＥＣＲ面と基板との
間にグリッドを設け、該グリッドに印加する交場電位の
周波数をイオンが追随できる周波数に設定すれば、イオ
ン処理効率が著しく向上することがわかる。

以下に、第１図に示した本発明の装置を用いてスパッタ
リングを行った結果について説明する。

第６図は、熱酸化膜のスパッタレートとグリッド−基板
間の距離との関係を示した図である。

なお、このときの処理基板１は直径１０ｈａのシリコン
ウェハであり、その表面には厚さ１００ｎ１の熱酸化膜
が形成されている。

本実施例では、プラズマ生成室内に第１のガス導入管５
よりＡ「ガスを３０　ｍｌ／ａｌｎの速度で導入した。

このときのＥＣＲ面とグリッドとの距離は２ｃｍであり
、グリッドに印加される交場電位の電圧は２００ｖ、周
波数は１０６Ｈｚ、その他の条件は前記実施例と同様で
ある。

以上のような条件下でのスパッタリングにおいても、グ
リッドと基板との距離を変化させて熱酸化膜のスパッタ
レートをΔ−１定すると、第６図に示されるようにグリ
ッドと基板との距離が短い程スパッタレートが高くなり
、その距離がイオンの平均自由行程よりも短ければ、そ
の傾向が顕著になる。

また、第１図に示した本発明の装置において、第１のガ
ス導入管５より、前記Ａ「ガスに０２ガスを３０　ｍｌ
／＋ｉｎ混合し、さらに、第２のガス導入管１０よりＳ
　ｉＨ４ガスを６　ｍｌ／ｓｉｎの速度で導入して平坦
化成膜を行ったところ、グリッドと基板との距離が短い
ほど平坦化成膜速度が大きくなり、その距離がイオンの
平均自由行程よりも短ければ、その傾向が顕著になるこ
とが確認された。

なお、上記した実施例においては、交場電位をＥＣＲ面
と基板との間に設置したグリッドに印加するものとして
説明したが、該ＥＣＲ面が基板に十分近い位置に形成さ
れる場合は、交場電位を基板あるいは基板支持台に印加
するようにしても良く、この場合にはグリッドを設ける
必要は無い。

すなわち、基板近傍に存在するイオンに並進エネルギを
付与し、該イオンの基板への入射角度が改善させるよう
な電界を発生することができれば、交場電位はどのよう
に印加されても良い。

（発明の効果） 本発明によれば、ＥＣＲ面が被処理物の表面からイオン
の平均自由行程内に発生するようにしたので、被処理物
に入射されるイオンは高い励起度を保ち、プラズマ処理
効率が向上する。

さらに、被処理物とＥＣＲ面との間に、イオンに交場電
位を印加するための電界を発生させるようにしたので、
被処理物をチャージアップさせることなくイオンに対し
て並進エネルギを付加すると共に該イオンの基板への入
射角度を改善させることができ、その結果、プラズマ処
理効率をさらに向上させることができる。

したがって、該被処理物が半導体基板であっても、半導
体基板のデバイス特性を劣化させずに高効率なプラズマ
処理が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の主
要部の模式図である。 第２図は本実施例の装置内部における磁束密度分布を示
した図である。 第３図はエツチングの強異方性とグリッド−基板間の距
離との関係を示した図である。 第４図はエツチングの強異方性とグリッドに印加する交
場電位の周波数との関係を示した図である。 第５図はエツチングの強異方性とグリッドに印加する交
場電位の電圧との関係を示した図である。 第６図はスパッタレートとグリッド−基板間の距離との
関係を示した図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理物を収納する真空容器と、 前記真空容器の内部にあって被処理物を支持する支持台
   と、 前記真空容器にプラズマガスを供給する手段と、電子サ
   イクロトロン共鳴を、被処理物の表面からイオンの平均
   自由行程内に引起こすのに必要な磁界を発生するための
   磁界発生コイルとを具備したことを特徴とするプラズマ
   処理装置。
2. （２）被処理物近傍に存在するイオンに対して交場電位
   を与えるための電界を発生させる手段を具備したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理装
   置。
3. （３）前記被処理物と電子サイクロトロン共鳴が引起こ
   される領域との間に、交場電位が印加されるグリッドを
   設置したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   プラズマ処理装置。
4. （４）前記被処理物を支持する支持台には、交場電位が
   印加されることを特徴とする特許請求の範囲第２項また
   は第３項記載のプラズマ処理装置。
5. （５）前記交場電位の周波数は、１０ＭＨｚ以下である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項ないし第４項の
   いずれかに記載のプラズマ処理装置。