JPH0594898A - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
精密に制御することが可能であり、かつ、プロセスパラ
メーターの制御も容易に行うことができるプラズマ処理
装置を提供することを目的とする。 【構成】 高周波電力波形及び高周波電力の測定手段
と;測定値に基づいて基体に入射するイオンのエネルギ
ーと密度を演算する演算手段と;プラズマの状態に関連
して決まるプロセスパラメーターを記憶するための記憶
手段と;記憶手段からの出力により記憶内容を表示する
ための表示手段と;イオンのエネルギーと密度とを所定
の値に設定するための設定手段と;設定手段にイオンの
エネルギー値と密度値を入力するための入力手段と;設
定手段において設定された値に応じて装置内におけるイ
オンのエネルギーと密度を設定値に制御するための制御
手段と;を少なくとも有する。
Description
り、特に基体に入射するイオンのエネルギーや密度を精
密に制御できるプラズマ処理装置に関するものである。
部から制御できる高周波電力、高周波周波数、ガス圧
力、ガス流量、ガスの種類、並びに添加ガスの種類をコ
ントロールしてプラズマ処理を施してきたため基板やチ
ャンバー表面に直接入射するイオンのエネルギーや密度
を制御することは不可能であった。イオンのエネルギー
や密度の最適条件を求めるためには、実際の基板を使い
多くの評価を試み、その結果に基づき経験的に最適条件
を求めていたため、その労力は膨大であった。また、プ
ラズマプロセス中に高エネルギーイオンが基板表面に入
射すると基板にダメージを与え、チャンバー表面に高エ
ネルギーイオンが入射するとチャンバー材がスパッタさ
れ、基板表面はチャンバー材で汚染されるという問題が
あった。これらの問題の解決と同時にエッチング速度や
エッチング形状を決めるのはほとんど不可能であった。
そのため将来のディープサブミクロンULSIの高性能
化や高信頼性を実現するためには大きな障害となる。そ
れらの問題を解決するためには基板表面に入射するイオ
ンのエネルギーや密度、並びにチャンバー表面に入射す
るイオンのエネルギー(プラズマボテンシャル)や密度
を精密に制御することが不可欠となる。したがってプラ
ズマ処理装置においてプラズマ励起中の基板に入射する
イオンのエネルギーや密度及びプラズマポテンシャルを
測定する方法と制御する方法が緊急の要請となってい
る。
並びにプラズマポテンシャルを正確に評価する方法とし
てはプローブを使った評価方法が一般的であるが、プロ
ーブ材がスパッタされることにより基板表面が汚染され
る可能性が大きい。またプラズマ中の励起種を同定する
方法として吸光や発光並びにレーザー光を使った分析方
法が有るが、光エネルギーが外部より入力されるためプ
ラズマ自体が乱される。さらに質量分析によるイオンの
エネルギーや密度分布の測定は電極構造が複雑となり、
分析に時間を要するためリアルタイムモニターには不向
きである。
制御できる高周波電力、高周波周波数、ガス圧力、ガス
流量、ガスの種類、並びに添加ガスの種類だけをコント
ロールしていたため、イオンのエネルギーや密度、並び
にプラズマポテンシャルを精密に制御することはほとん
ど不可能であった。
7号において基体に入射するイオンのエネルギーや密度
を検出することにより、基体に入射するイオンのエネル
ギーや密度を制御できる技術を提供している。しかし、
この技術は、イオンのエネルギーや密度にのみ着目して
おり、他のプロセスパラメーターを所望の値に制御する
ことについては関知していない。すなわち、イオンのエ
ネルギーや密度を検知するだけでは、イオンのエネルギ
ーや密度を実用上容易にプロセスのパラメーターに反映
させて制御することは困難であった。
するイオンのエネルギーや密度を精密に制御することが
可能であり、かつ、プロセスパラメーターの制御も容易
に行うことができるプラズマ処理装置を提供することを
目的とする。
電力の印加される少なくとも一つの電極とプラズマ処理
の対象物である基体を保持するためのホルダーを有する
プラズマ処理装置において、前記電極に投入される高周
波電力波形及び高周波電力を測定するための手段と;測
定された高周波電力波形及び高周波電力の測定値に基づ
いて前記基体に入射するイオンのエネルギーと密度を演
算するための演算手段と;前記イオンのエネルギーと密
度の関数としてプラズマの状態に関連して決まるプロセ
スパラメーターを記憶するための記憶手段と;前記記憶
手段からの出力により記憶内容を表示するための表示手
段と;イオンのエネルギーと密度とを所定の値に設定す
るための設定手段と;前記設定手段にイオンのエネルギ
ー値と密度値を入力するための入力手段と;前記設定手
段において設定された値に応じて装置内におけるイオン
のエネルギーと密度を設定値に制御するための制御手段
と;を少なくとも有することを特徴とするプラズマ処理
装置に存在する。
及び高周波電力を測定するための測定手段を有してお
り、この測定手段によりプロセス中の高周波電力波形及
び高周波電力を測定する。
電力に基づき演算手段により基体に入射するイオンのエ
ネルギーと密度を演算する。
れぞれプラズマポテンシャル、イオンエネルギー、イオ
ン密度、高周波波形のピークトゥピーク電位、DCセル
フバイアス、高周波パワーである。
密度の関数であるプロセスパラメーターを、イオンのエ
ネルギーと密度の関数として求めておき、記憶手段(例
えば、コンピューターのCPU)に記憶させておく。こ
こで、イオンのエネルギーと密度の関数であるプロセス
パラメーターとしては、例えば、高周波電力、高周波周
波数、ガス圧力、ガス流量、ガスの種類、並びに添加ガ
スの種類等の外部パラメーターもしくはダメージの程
度、重金属汚染の程度、エッチング速度、選択比、成膜
速度等があげられる。
め求めておき、記憶手段に記憶させておけばよい。ま
た、成膜等のプロセス中にプロセスパラメーターの測定
を行い、逐一記憶手段内のデーターの更新を行ってもよ
い。
段(例えばCRT)により表示される。
ギーと密度を入力手段(例えば、キーボード)により入
力する。入力された値は、イオンのエネルギーと密度は
設定手段に出力される。設定手段からの信号に基づき、
イオンのエネルギーと密度を制御する制御手段(例え
ば、高周波数、電極間距離、ガス流量、ガス圧力、ガス
の種類、添加ガスの種類を制御する手段)が作動し、イ
オンのエネルギーと密度を所定の値に制御するととも
に、ダメージの程度、重金属汚染の程度、エッチング速
度、選択比、成膜速度等のプロセスパラメーターをも制
御する。
力によりグロー放電される電極を有するプラズマチャン
バーは圧力制御系と高周波電力入力系からなる。励起さ
れるガスはガス系15から導入され、プラズマ処理装置
内のガス圧力はガス流量を制御するマスフローコントロ
ーラー11と排気系のコンダクタンスを調整するスロッ
トルバルブ5により所定の値に調節される。圧力調節に
際し、排気系のコンダクタンスを小さくすることはプラ
ズマ処理装置内で発生した反応生成物を迅速に除去した
り、原料ガス純度をそのままプロセスガス純度として使
用するためには必要であり、マスフローコントローラー
だけで圧力を調節することが好ましい。
らの混合ガスであり、例えば、N2、O2、H2、He、
Ne、Ar、Xe、Kr等の一般ガス、SiH4、Si2
H6、PH3、AsH3、GeH4、B2H5、等の水素化物
系ガス、CCl4、CF4、AsCl3、AsF3、BCl
5、BF2、PCl3、PF5、NF3、SF2、Br2、C
l2、F3、WF3、フロン系等のハロゲン系ガス、Al
系、Cu系、Ga系等のアルコキシド系ガス、SiH2
Cl2、SiHCl3、TEOS、HI、HBr、HC
l、HF等のプラズマ励起される全てのガスが使用でき
る。
信機10から電力が調節されマッチングネットワーク8
を介して投入される。前記高周波電力が投入される電極
3は絶縁リング6により、プラズマチャンバー1と絶縁
される。
入力される電極上に設置されるカソードカップル型のプ
ラズマ処理装置である。これらの高周波電力入力電極や
基板設置電極の位置によりカソードカップル型、アノー
ドカップル型、もしくは2周波励起型と区別されるが、
本発明において使用されるプラズマ処理装置はどのタイ
プの装置でもよい。
属材料、光学的材料、電磁気材料等プラズマ処理される
全ての材料が使用でき、特に、Cu、Al、Ag、A
u、Pt、SnO2、In2O3、Cd2SnO4等の導
体、Y系,Ta系、Bi系酸化物超伝導体、Si、G
e、GaAs、GaP、InP、InSn等の半導体、
Al2O3、SiO2、Si3N4等の絶縁材料、PZT、
BaTiO2、Ta2O5、TiO2等の強誘電体、フェラ
イト系、アルニコ系、SmCo等の磁性体、光機能材料
が使用される。
極直下に備えられた高周波プローブ7とオシロスコープ
12により測定され、その高周波電力はパワーメーター
9により測定される。
マ中に発生する電子が周波数に追従でき、イオンが十分
に追従できないような数KHz〜数GHzの周波数範囲
が使用され、数MHz〜数100MHzの周波数範囲が
望ましく、測定された高周波電力波形は正弦波に近似さ
れることが望ましい。測定された高周波電圧波形と高周
波電力値はCRT(表示手段)を有するコンピューター
13に入力される。プラズマの状態、例えばイオンのエ
ネルギーや密度は図2に示す関係から以下の式により算
出する。
れぞれプラズマポテンシャル、イオンエネルギー、イオ
ン密度、高周波波形のピークトゥピーク電位、DCセル
フバイアス及び高周波パワーを示す。
範囲、高周波電力範囲でイオンのエネルギーと密度を測
定し、それらの測定結果を図3のように整理し、記憶手
段に記憶させておき、記憶手段からの出力により表示部
(CRT)上に表示される。実際に処理する際、所定の
イオンエネルギーと密度を入力ペンもしくはキーボード
(入力手段)から入力し、設定手段に出力する。なお、
入力値は、CRTに表示することが好ましい。プラズマ
処理中のイオンのエネルギーと密度をモニターし、所定
のイオンのエネルギーや密度からはずれないようコント
ロールする制御系14を有する。
力、マスフローコントローラー11の流量、排気系スロ
ットルバルブ5のコンダクタンスを制御することにより
イオンのエネルギーやイオン密度を制御した。そのほか
に高周波周波数、電極間距離、電極構造、ガス種並びに
添加ガス等の量を制御することによっても可能である。
当該プラズマ処理装置に質量分析計や吸光分光のような
分光分析を付加することもできる。それらから評価でき
るエネルギー分布とイオンやラジカルの種類並びに密度
のようなプラズマ状態に対する本発明のイオンエネルギ
ー、イオン密度の評価結果の関係をCRT上に示し、エ
ネルギー分布とイオンやラジカルの種類並びに密度をC
RT上に入力することにより制御することもできる。さ
らにプラズマ状態の他にダメージの程度、重金属汚染の
程度、エッチング速度や選択比、並びにスパッタ速度や
デポジション速度のようなプラズマに関連して決まるプ
ロセスパラメーターに対する本発明のイオンエネルギ
ー、イオン密度を関数として評価結果をCRT上に示
し、CRT上にそれらの値を入力することにより制御す
ることもできる。
ガス励起させるカソードカップル型RIE装置において
SiCl4ガスを用いたときのCRT画面に示されるイ
オンエネルギーと密度の関係を図4に示す。Eionは高
周波電力を上げるか、圧力を下げるに従い高くなり、D
ionは高周波電力を下げるか、圧力を上げるに従い増加
することが分かる。Si基板に酸化膜を形成し、その酸
化膜をマスクに加工後、Siをエッチングした場合、C
RT画面にイオンエネルギー、イオン密度をそれぞれ3
00eV、0.11c/secと入力し10分間エッチ
ングを行なうとSiのエッチング深さは5630Aであ
り、酸化膜のエッチング膜厚は520Aであった。
比で40%添加したガスを用いたときのCRT画面に示
されるイオンのエネルギーと密度を関数としたグラフ上
に外部から制御できる高周波電力とガス圧力の関係を図
5に示す。EionとDionはSiCl4と同様の傾向を示
す。Si基板に酸化膜を7000A成膜しその酸化膜を
レジストマスでエッチングした場合、CRT画面にイオ
ンエネルギー、イオン密度をそれぞれ350eV、0.
10c/secと入力しエッチングを行なうと17分で
Si上の酸化膜がエッチングされた。
ガス励起させるカソードカップル型プラズマCVD装置
において、SiH4ガスを用いたときCRT画面に示さ
れるイオンのエネルギーと密度を関数としたグラフ上に
外部から制御できる高周波電力とガス圧力の関係を図6
に示す。EionとDionはSiCl4と同様の傾向を示
す。
ガス励起させるカソードカップル型スパッタ装置におい
てArガスを用いたときのCRT画面に示されるイオン
のエネルギーと密度を関数としたグラフ上に外部から制
御できる高周波電力とガス圧力の関係を図7に示す。E
ionとDionはSiCl4と同様の傾向を示す。
ガス励起させるカソードカップル型RIE装置におい
て、CCl4ガスを用いたときのCRT画面に示される
イオンのエネルギーと密度を関数としたグラフ上に外部
から制御できる高周波電力とガス圧力の関係を図8に示
す。圧力が高い領域においてはEion一定のままDionだ
けが著しく増加する。一方、圧力が低い領域では、D
ion一定のままEion岳が著しく増加する。さらに、高周
波電力一定でガス圧力を上げると、130W以上の高電
力側では、Dionが上昇し、Eionは減少するが、さらに
ガス圧力が上がると変曲点からEionがわずかに上昇
し、Dionは減少するが、76W以下の起電力ではEion
がわずかに上昇し、Dionは減少する。
ガス励起させるカソードカップル型RIE装置におい
て、CRT画面に示されるイオンのエネルギーと密度を
関数としたグラフ上にSiCl4ガスを用いたときのS
iを酸化膜マスクでエッチングした場合のエッチング速
度と酸化膜との選択比の関係をそれぞれ図8、図9に示
す。エッチング速度はEionとDionが増加すると速くな
り、一方選択比はEionが減少し、Dionが高いほど増加
する。
ガス励起させるカソードカップル型RIE装置におい
て、CRT画面に示されるイオンのエネルギーと密度を
関数としたグラフ上にSiCl4ガスで5分間エッチン
グしたときのSi基板に入るダメージを評価する指標と
なる酸化膜誘起積層欠陥(OSF)密度評価結果を図1
1に示す。図中の実線はOSFが観察される限界線を示
しており、限界線よりEionとDionが増加するに従い、
OSFは多く観察され、Si基板にダメージが入ってい
ることが分かる。
ガス励起させるカソードカップル型RIE装置におい
て、CRT画面に示されるイオンのエネルギーと密度を
関数としたグラフ上にSiCl4ガスで5分間エッチン
グしたときのSi基板に入る重金属汚染を全反射蛍光X
線分析装置(TRXF)で評価した結果を図12に示
す。図中の実線は等プラズマポテンシャル線(Vp)を
示す。FeとNiはVが高いほど増加し、NiはどのE
ionとDionにおいても広く分布していることが分かる。
ドを製作したときのCRT画面に示されるイオンのエネ
ルギーと密度を関数としたグラフ上に小数キャリアの生
成ライフタイムと酸化膜耐圧結果をそれぞれ図13、図
14に示す。MOSダイオードのげーと酸化膜厚は30
0Aであり、1μmのAl電極を形成した。小数キャリ
アの生成ライフタイムはEionが400eV以上で著し
く短くなり、酸化膜耐圧はVpが高いと劣化しているこ
とが分かる。
中のイオンのエネルギーは図15に示すように経時変化
し、17分間でエッチングが終了したことが分かる。こ
のようにエッチングの終点の検出も可能である。
囲に電位制御できるシールド電極を設置し、その電極を
電位制御することによりプラズマポテンシャルを制御す
ることもできる。その結果を図16に示す。上部電極に
100MHzの高周波電力を投入しシールド電極の電位
を変化させると−5Vでプラズマポテンシャルは負の電
位となる。
したときの結果を図17に示すようにCRT画面上にま
とめて表すことができる。ダメージフリー、重金属汚染
フリー、高速、高選択エッチングを実現するためには塗
りつぶした領域のEion、Dion範囲内でエッチングする
ことが要求される。
されたガスを励起する全てのプラズマ処理装置におい
て、高周波電圧波形、並びに高周波電力を測定する簡単
な手段によって基板に入射するイオンのエネルギーと密
度といった重要なパラメーターを決定し、その結果に基
づき、イオンのエネルギーと密度を関数としたグラフ上
に外部から制御できる高周波電力、高周波周波数、ガス
圧力、ガス流量、ガスの種類、並びに添加ガスの種類等
の外部パラメーターもしくはダメージの程度、重金属汚
染の程度、エッチング速度、選択比、成膜速度等のプロ
セスパラメーターをプロットし、所定の値にイオンのエ
ネルギーや密度を精密に制御し、プロセスのパラメータ
ーをも制御することにより実現することができる。
の関係を示すグラフ。
の関係を示すグラフ。
度及び高周波電力とガス圧力の関係を示すグラフ。
度及び高周波電力とガス圧力の関係を示すグラフ。
度及び高周波電力とガス圧力の関係を示すグラフ。
度及び高周波電力とガス圧力の関係を示すグラフ。
度及びSiCl4ガスを用いたときのSiを酸化膜マス
クでエッチングした場合のエッチング速度の関係を示す
グラフ。
密度及びSiCl4ガスを用いたときのSiを酸化膜マ
スクでエッチングした場合の酸化膜との選択比の関係を
示すグラフ。
密度及びSiCl4ガスで5分間エッチングしたときの
Si基板に入るダメージを評価する指標となる酸化膜誘
起積層欠陥(OSF)密度の関係を示すグラフ。
と密度及びSiCl4ガスで5分間エッチングしたとき
のSi基板に入る重金属汚染を全反射蛍光X線分析装置
(TRXF)で評価した結果との関係を示すグラフ。
と密度及びSiCl4ガスで5分間エッチングしたとき
のSi基板に入る重金属汚染を全反射蛍光X線分析装置
(TRXF)で評価した結果との関係を示すグラフ。
と密度及びSiCl4ガスで5分間エッチングしたとき
のSi基板に入る重金属汚染を全反射蛍光X線分析装置
(TRXF)で評価した結果との関係を示すグラフ。
密度及び小数キャリアの生成ライフタイムとの関係を示
すグラフ。
密度及び酸化膜耐圧との関係を示すグラフ。
エッチング時間との関係を示すグラフ。
を示すグラフ。
密度及び各種のプロセスパラメーターとの関係を示すグ
ラフ。
Claims (6)
- 【請求項1】 高周波電力の印加される少なくとも一つ
の電極とプラズマ処理の対象物である基体を保持するた
めのホルダーを有するプラズマ処理装置において、 前記電極に投入される高周波電力波形及び高周波電力を
測定するための手段と;測定された高周波電力波形及び
高周波電力の測定値に基づいて前記基体に入射するイオ
ンのエネルギーと密度を演算するための演算手段と;前
記イオンのエネルギーと密度の関数としてプラズマの状
態に関連して決まるプロセスパラメーターを記憶するた
めの記憶手段と;前記記憶手段からの出力により記憶内
容を表示するための表示手段と;イオンのエネルギーと
密度とを所定の値に設定するための設定手段と;前記設
定手段にイオンのエネルギー値と密度値を入力するため
の入力手段と;前記設定手段において設定された値に応
じて装置内におけるイオンのエネルギーと密度を設定値
に制御するための制御手段と;を少なくとも有すること
を特徴とするプラズマ処理装置。 - 【請求項2】 前記電極が前記ホルダーを兼ねているこ
とを特徴とする前記請求項1記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項3】 前記ホルダーに、前記電極と異なる周波
数の高周波電力を印加するための手段を設けたことを特
徴する請求項1記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項4】 前記高周波電力と前記プラズマ処理装置
に導入されるガスの流量を制御して前記イオンのエネル
ギーと密度を所定の値に制御するようにしたにしたこと
を特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項5】 前記プラズマ処理装置により励起される
ガスは単体もしくはそれらの混合ガスであることを特徴
とする前記請求項1記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項6】 基体に入射するイオンのエネルギーと密
度の経時変化を測定する手段を設けたことを特徴とする
請求項1記載のプラズマ処理装置。
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