JPH08165584A

JPH08165584A - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JPH08165584A
Application number: JP6309245A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Okumura; 智洋奥村; Ichiro Nakayama; 一郎中山; Yoshihiro Yanagi; 義弘柳
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ処理結果の再現性に優れたプラズマ
処理方法の提供。【構成】高周波電力が供給される複数の電極３、４を
備えたプラズマ処理装置を使用するプラズマ処理方法に
おいて、下部電極３に被加工基板２を載置し、先ず、図
示しないガス供給系によって所定のプラズマ処理に対す
る不活性ガスを真空容器１内に導入し、図示しない真空
系によって所定の真空度に維持し、前記複数の電極３、
４に高周波電力を供給し、前記真空容器１内に発生する
プラズマが安定した後に、前記真空容器１内に導入する
ガスを、前記不活性ガスから、所定の反応ガスに切り換
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドライエッチング、プ
ラズマＣＶＤ等の薄膜加工技術におけるプラズマ処理方
法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伴い、ドラ
イエッチング技術においては高アスペクト比（加工穴
の、深さ／径）の加工等を行うために、又、プラズマＣ
ＶＤ技術においては高アスペクト比（埋込みの、深さ／
径）の埋め込み等を行うために、より高真空でプラズマ
処理を行うようになっている。

【０００３】これは、ドライエッチングにおいては、高
真空にして高密度プラズマを発生させると、加工される
基板の表面に形成されるイオンシース中で、イオンが中
性ガス分子に衝突する確率が小さくなり、イオン移動の
方向性が、加工される基板に向かって揃い、且つ、電離
度が高いために、基板に到達するイオン束と中性ラジカ
ルの入射粒子束との比が大きくなり、エッチングの異方
性が高められ、高アスペクト比の加工が可能になるから
である。

【０００４】又、プラズマＣＶＤにおいては、高真空に
し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、傾斜部より平坦部の堆積が速
くなり、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からであ
る。

【０００５】以下に、従来技術のプラズマ処理方法を、
一般的な平行平板型で、荷電電極が１つである、プラズ
マ処理装置を使用して行った第１従来例を図３に基づい
て説明する。

【０００６】図３において、図示しない真空系で排気さ
れ、図示しないガス供給系から所定のガスを供給され、
所定の真空度に維持される真空容器１内に、基板２を載
置する下部電極３と、上部電極４とが配置されている。
これらの電極３、４間に、下部電極用高周波電源５によ
って高周波電力を印加し、真空容器内にプラズマを発生
させる。

【０００７】尚、下部電極用マッチング回路６は、負荷
インピーダンスを接続ケーブル７の特性インピーダンス
にマッチングさせるための回路である。

【０００８】第１従来例では、荷電電極が１つであるプ
ラズマ処理装置を使用するので、真空度を高くすると、
電子とイオンとの衝突確率が減少し、高真空度では、高
密度プラズマを発生するのが困難になり、望ましい処理
速度が得られなくなるという問題点がある。

【０００９】又、第１従来例では、高周波電力を無理に
高くしてプラズマ密度を高くしようとすると、イオンエ
ネルギが大きくなり過ぎ、エッチング選択比が低下した
り、基板にダメージを与えるという問題点がある。

【００１０】これらの問題点を、従来技術のプラズマ処
理方法で解決するには、一般的な平行平板型でも複数の
荷電電極を有するプラズマ処理装置を使用すれば良い。
この場合の第２、第３従来例を、図１、図２に基づいて
説明する。

【００１１】第２従来例が使用する荷電電極が複数のプ
ラズマ処理装置を示す図１において、図３と相違するの
は、上部電極４にも、高周波電力を印加するために、上
部電極用高周波電源８と、負荷インピーダンスを接続ケ
ーブル１０の特性インピーダンスにマッチングさせる上
部電極用マッチング回路９とが付加されていることであ
る。

【００１２】第２従来例が使用する図１に示す装置によ
ると、プラズマ密度は上部電極４に印加する高周波電力
で制御し、イオンエネルギは下部電極３に印加する高周
波電力で制御することができ、夫々を独立に制御するこ
とによって、かなり密度の高いプラズマで処理すること
ができる。

【００１３】第３従来例が使用するプラズマ処理装置を
示す図２において、図３と相違するのは、上部に多重渦
型放電コイル１１を備えることである。この多重渦型放
電コイル１１には、放電コイル用高周波電源１２と、負
荷インピーダンスを接続ケーブル１３の特性インピーダ
ンスにマッチングさせる放電コイル用マッチング回路１
４とが付属していることである。

【００１４】第３従来例が使用する図２に示す装置は、
高周波誘導方式のプラズマ処理装置であり、この種のも
のには、使用する高周波が十数ＭＨｚである図３に示す
ものと、使用する高周波が数ＭＨｚであるコイルが真空
容器の外周に巻かれているもの（図示しない）とがあ
る。これらの高周波誘導方式のプラズマ処理装置は、コ
イルによって、真空容器１内に高周波磁界を発生させ、
この高周波磁界によって、真空容器内に誘導磁界を発生
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させることができる。

【００１５】図１、図２に示す装置を使用する第２、第
３従来例において、図示しない真空系によって真空容器
１内を真空引きしながら、図示しないガス供給系から所
定の反応ガスを導入し、真空容器１内を所定の真空度に
維持しながら、図１の上部電極４に高周波電力を印加
し、或いは、図２の多重渦型放電コイル１１に高周波電
力を印加すると、真空容器１内にプラズマが発生し、基
板２を載置している下部電極３に、高周波電力を印加し
て、基板２に到達するイオンエネルギを制御することに
よって、前記基板２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。そして、上
記のように、高密度プラズマを発生することができるの
で、充分な処理速度を得ることができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の第２、
第３従来例では、高周波電力の投入から放電の安定まで
に、２〜１０秒程度の時間を要することが多く、しか
も、その時間が一定しない。通常のプラズマ処理では、
基板を処理する時間が、３０秒〜２分程度であるので、
前記の放電の安定までの時間を差し引くと、実際に正規
に放電する時間が、設定時間に対して、２〜３０％程度
短くなる。このために、例えば、エッチングの場合に
は、エッチングされる膜厚が、２〜３０％程度の範囲で
ばらついてしまい、プラズマ処理の再現性が得られない
という問題点がある。

【００１７】これは、投入される高周波電力が互いに干
渉しあうためと推定され、第１従来例が使用する図３に
示す、１つの電極にのみ、高周波電力を印加する方式で
は見られない現象である。

【００１８】そして、この問題は、放電が安定した直後
からプラズマ処理時間をカウントして時間管理をすれば
解決できるという問題ではない。なんとなれば、放電が
安定するまでに、すでに、放電が安定しない状態で起き
る現象が発生し、これが、プラズマ処理結果に影響する
からである。

【００１９】この具体例を、シリコン酸化膜のプラズマ
処理エッチングを例にして説明する。

【００２０】シリコン酸化膜のエッチングは、通常、Ｃ
およびＦを含むガスをプラズマ化して行うが、図１の装
置を使用する第２従来例では、基板２を載置した下部電
極３に印加する高周波電力の放電が安定せずに、上部電
極４に印加する高周波電圧のみが安定して放電している
状態の間は、ＣＦ系のポリマーが基板２上に堆積すると
いう現象が起きる。このポリマーは、エッチングされ難
い特性を有するので、高周波電力の投入から放電安定ま
での時間にバラツキがあると、堆積するポリマーの膜厚
がばらつく、その結果、放電安定後のエッチング時間を
同一にしても、エッチングされるシリコン酸化膜の膜厚
がかなりばらついてしまうという問題点がある。

【００２１】図２の装置を使用する第３従来例でも、上
記と同様の問題点がある。

【００２２】シリコン酸化膜等のエッチングに限らず、
プラズマＣＶＤ等の薄膜処理技術において、図１の装置
を使用する第２従来例と、図２の装置を使用する第３従
来例では、即ち、真空容器１内にあって基板２を載置す
る下部電極３以外の電極やコイルに高周波電力を供給す
る形式のプラズマ処理方法では、基板２を載置した下部
電極３に印加する高周波電力の放電が安定せずに、下部
電極３以外の電極やコイルに印加する高周波電圧のみが
安定して放電している状態の期間と、全ての電極やコイ
ルに印加する高周波電圧が安定して放電している状態の
期間とでは、基板２上で発生する現象が大きく異なる場
合が多いので、高周波電力の投入から放電安定までの時
間にバラツキがあると、放電安定後の時間を同一にして
も、処理の再現性が得られない場合が多いという問題点
がある。

【００２３】本発明は、上記の問題点を解決し、薄膜処
理技術において、プラズマ処理結果の再現性に優れたプ
ラズマ処理方法の提供を課題とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本願第１発明のプラズマ
処理方法は、上記の課題を解決するために、高周波電力
が供給される複数の電極を備えたプラズマ処理装置を使
用するプラズマ処理方法において、先ず、所定のプラズ
マ処理に対する不活性ガスを真空容器内に導入し、所定
の真空度に維持し、前記複数の電極に高周波電力を供給
し、前記真空容器内に発生するプラズマが安定した後
に、前記真空容器内に導入するガスを、前記不活性ガス
から、所定の反応ガスに切り換えることを特徴とする。

【００２５】本願第２発明のプラズマ処理方法は、上記
の課題を解決するために、高周波電力が供給される電極
と放電コイルとを備えたプラズマ処理装置を使用するプ
ラズマ処理方法において、先ず、所定のプラズマ処理に
対する不活性ガスを真空容器内に導入し、所定の真空度
に維持し、前記電極と放電コイルとに高周波電力を供給
し、前記真空容器内に発生するプラズマが安定した後
に、前記真空容器内に導入するガスを、前記不活性ガス
から、所定の反応ガスに切り換えることを特徴とする。

【００２６】本願第１、第２発明のプラズマ処理方法
は、上記の課題を解決するために、高周波電力の投入電
力に対する反射電力の比が減少して所定比に達した時点
で、不活性ガスから、所定の反応ガスに切り換えること
が好適であり、且つ、所定比は、１％であることが望ま
しい。

【００２７】本願第１、第２発明のプラズマ処理方法
は、上記の課題を解決するために、不活性ガスは、所定
のプラズマ処理では、イオン化しても、イオンによる堆
積やエッチング等の作用が起こらない、ヘリウム、アル
ゴン又は窒素を含むガスであることが好適である。

【００２８】

【作用】本発明のプラズマ処理方法は、先ず、所定のプ
ラズマ処理に対する不活性ガスを真空容器内に導入し、
所定の真空度に維持し、前記複数の電極に高周波電力を
供給し、前記真空容器内に発生するプラズマが安定した
後に、前記真空容器内に導入するガスを、前記不活性ガ
スから、所定の反応ガスに切り換えるので、放電が安定
するまでは、不要で有害な堆積やエッチングが起こらな
いようすることができ、不活性ガスから反応ガスに置換
し、所要の堆積やエッチングが起こり始める時点から放
電停止までの時間で、処理時間の管理を行うことができ
るので、プラズマ処理結果の再現性を良くすることがで
きる。

【００２９】又、放電が安定するまでは、高周波電力を
投入しても、放電しない分が反射して、高周波電力の投
入電力に対する反射電力の比率が大きくなっているが、
放電が安定すれば、前記投入電力に対する反射電力の比
率が小さくなる。従って、反射電力の投入電力に対する
％で放電の安定化を判断することができる。尚、反射電
力は、通常、高周波電源に付属している反射電力計を使
用して測定する。

【００３０】プラズマ処理の種類と条件とによって、こ
の反射電力の投入電力に対する比が、幾らの時点で切り
換えれば、プラズマ処理の再現性が良いかが異なるの
で、プラズマ処理の種類と条件とに応じ、再現性と作業
能率とが両立するように、所定比を決めれば良い。そし
て、１％が、再現性と、能率とが両立する目安の一つに
なる。

【００３１】又、不活性ガスには、所定のプラズマ処理
では、イオン化しても、イオンによる堆積やエッチング
等の作用が起こらないヘリウム、アルゴン又は窒素を含
むガスを使用すれば、プラズマ処理結果の再現性を良く
することができる。

【００３２】

【実施例】本発明のプラズマ処理方法の第１実施例を図
１に基づいて説明する。

【００３３】図１において、図示しない真空系で排気さ
れ、図示しないガス供給系から所定のガスを供給され、
所定の真空度に維持される真空容器１内に、基板２を載
置する下部電極３と、上部電極４とが配置されている。
下部電極３には、下部電極用高周波電源５からの高周波
電力が、下部電極マッチング回路６を介して供給され
る。下部電極用マッチング回路６は、負荷インピーダン
スを接続ケーブル７の特性インピーダンスにマッチング
させるための回路である。上部電極４には、上部電極用
高周波電源８からの高周波電力が、上部電極マッチング
回路９を介して供給される。上部電極用マッチング回路
９は、負荷インピーダンスを接続ケーブル１０の特性イ
ンピーダンスにマッチングさせるための回路である。

【００３４】本実施例では、先ず、行おうとするプラズ
マ処理において、イオン化しても、堆積せず、且つ、エ
ッチング作用も起こさない不活性ガスを所定の真空度を
維持されている真空容器１内に導入し、複数の電極に高
周波電力を印加し、放電を安定させ、次いで、前記の安
定して放電している不活性ガスを、反応ガス、即ち、行
おうとするプラズマ処理において、イオン化し、プラズ
マＣＶＤ処理で堆積し、エッチング処理でエッチング作
用を有するガスに置換する操作を行う。これによって、
放電が安定するまでは、不要で有害な堆積やエッチング
が起こらないようにし、不活性ガスから反応ガスに置換
した時点から放電停止までの時間で、処理時間の管理を
行い、プラズマ処理結果の再現性を良くすることができ
る。

【００３５】又、放電が安定するまでは、高周波電力の
投入電力に対する反射電力の比率が大きく、放電が安定
すれば、前記投入電力に対する反射電力の比率が小さく
なるので、反射電力の投入電力に対する％で放電の安定
化を判断する。反射電力は、通常、高周波電源に付属し
ている反射電力計を使用して測定する。そして、反射電
力の％が小さい程、放電が安定しているので、小さい％
で切り換える程、プラズマ処理の再現性は良くなるが、
作業時間がながくなるので、再現性と作業能率とを両立
させる％を設定すれば良い。

【００３６】本実施例では、反射電力が投入電力の１％
になる時点を、再現性と作業能率とを両立させる目安と
しているが、勿論、１％に限ることはなく、実態に合わ
せて設定すれば良い。

【００３７】以下に、図１に基づいて本実施例を、シリ
コン酸化膜のエッチングを例にして、具体的に説明す
る。

【００３８】図１に示す平行平板型プラズマ処理装置に
おいて、不活性ガスとして、アルゴンガスを、流量３０
ＳＣＣＭ（標準状態のガスの１分間の流量）、圧力５０
ｍＴｏｒｒで使用し、上部電極用高周波電源８と下部電
極用高周波電源５の周波数は共に１３．５６ＭＨｚ、投
入電力を夫々１０００Ｗ、３００Ｗとして、放電させ、
プラズマを発生させる。

【００３９】本実施例では、上部電極４側の反射電力
が、投入電力１０００Ｗの１％以下、即ち、１０Ｗ以下
になるのは、常に、電力投入後、１秒以内であったが、
下部電極３側では、反射電力が１％以下になるまでに、
早い場合で２秒、遅い場合では５秒を要した。

【００４０】上部、下部の両電極において、供給する高
周波電力の反射電力の投入電力に対する比が１％以下に
なった直後に、不活性ガスのアルゴンガスを、反応ガス
のＣＨＦ₃ガスに切り換えて、シリコン酸化膜のエッチ
ングを行い、ガスをアルゴンガスからＣＨＦ₃ガスに切
り換えた時点から放電停止までの時間でエッチング処理
の時間管理を行った。ＣＨＦ₃ガスの流量は、３０ＳＣ
ＣＭとした。尚、ガスを切り換える際の真空度の変動
は、±２０％程度におさまれば良い。

【００４１】１００枚の基板を処理した結果、エッチン
グレートの平均は３０５０Å／ｍｉｎで、基板間のバラ
ツキは、±２．２％であり、良好な結果が得られた。

【００４２】比較のために、不活性ガスであるアルゴン
ガスによってプラズマ発生させる処理を省略して、同様
に、１００枚の基板をエッチングした結果、エッチング
レートの平均は２９３０Å／ｍｉｎで、基板間のバラツ
キは、±６．５％となった。

【００４３】尚、この場合、放電が安定してから放電停
止までの時間で、エッチング処理の時間管理を行った。

【００４４】以上のことから、本実施例は、プラズマ処
理結果の再現性が優れていることを確認できる。

【００４５】次に、本発明のプラズマ処理方法の第２実
施例を図２に基づいて説明する。

【００４６】図２において、図示しない真空系で排気さ
れ、図示しないガス供給系から所定のガスを供給され、
所定の真空度に維持される真空容器１内に、基板２を載
置する下部電極３と、多重渦型放電コイル１１とが配置
されている。下部電極３には、下部電極用高周波電源５
からの高周波電力が、下部電極マッチング回路６を介し
て供給される。下部電極用マッチング回路６は、負荷イ
ンピーダンスを接続ケーブル７の特性インピーダンスに
マッチングさせるための回路である。多重渦型放電コイ
ル１１には、放電コイル用高周波電源１２からの高周波
電力が、放電コイル用マッチング回路１３を介して供給
される。放電コイル用マッチング回路１３は、負荷イン
ピーダンスを接続ケーブル１４の特性インピーダンスに
マッチングさせるための回路である。

【００４７】不活性ガス、反応ガス、反射電力による放
電安定化の判断については、第１実施例と同様なので説
明を省略する。

【００４８】以下に、図２に基づいて本実施例を、シリ
コン酸化膜のエッチングを例にして、具体的に説明す
る。

【００４９】図２に示す高周波誘導方式のプラズマ処理
装置において、不活性ガスとして、アルゴンガスを、流
量３０ＳＣＣＭ（標準状態のガスの１分間の流量）、圧
力１０ｍＴｏｒｒで使用し、放電コイル用高周波電源１
２と下部電極用高周波電源５の周波数は共に１３．５６
ＭＨｚ、投入電力を夫々１０００Ｗ、３００Ｗとして、
放電させ、プラズマを発生させる。

【００５０】本実施例では、多重渦型放電コイル１１側
の反射電力が、投入電力１０００Ｗの１％以下、即ち、
１０Ｗ以下になるのは、常に、電力投入後、１秒以内で
あったが、下部電極３側では、反射電力が１％以下にな
るまでに、早い場合で３秒、遅い場合では１０秒を要し
た。

【００５１】多重渦型放電コイル１１と下部電極３とに
おいて、供給する高周波電力の反射電力の投入電力に対
する比が１％以下になった直後に、不活性ガスのアルゴ
ンガスを、反応ガスのＣＨＦ₃ガスに切り換えて、シリ
コン酸化膜のエッチングを行い、ガスをアルゴンガスか
らＣＨＦ₃ガスに切り換えた時点から放電停止までの時
間でエッチング処理の時間管理を行った。ＣＨＦ₃ガス
の流量は、３０ＳＣＣＭとした。尚、ガスを切り換える
際の真空度の変動は、±２０％程度におさまれば良い。

【００５２】１００枚の基板を処理した結果、エッチン
グレートの平均は５２００Å／ｍｉｎで、基板間のバラ
ツキは、±１．８％であり、良好な結果が得られた。

【００５３】比較のために、不活性ガスであるアルゴン
ガスによってプラズマ発生させる処理を省略して、同様
に、１００枚の基板をエッチングした結果、エッチング
レートの平均は４９５０Å／ｍｉｎで、基板間のバラツ
キは、±５．１％となった。

【００５４】尚、この場合、放電が安定してから放電停
止までの時間で、エッチング処理の時間管理を行った。

【００５５】以上のことから、本実施例は、プラズマ処
理結果の再現性が優れていることを確認できる。

【００５６】

【発明の効果】本発明のプラズマ処理方法は、不活性ガ
スで放電を安定させてから、所定の反応ガスに切り換え
ることによって、放電が安定するまでには、不安定で不
要で有害な堆積やエッチングが起こらないようにし、不
活性ガスから反応ガスに置換し、所要の堆積やエッチン
グが起こり始める時点から放電停止までの時間で、処理
時間の管理を行うことにより、プラズマ処理結果の再現
性を良くすることができるという効果を奏する。

【００５７】又、高周波電力の投入電力に対する反射電
力の％で放電の安定化を判断し、不活性ガスから反応ガ
スへの切り換え時期を設定することによって、プラズマ
処理の制御が容易になり、再現性と作業能率とを両立さ
せることができるという効果を奏する。

【００５８】又、不活性ガスには、所定のプラズマ処理
では、イオン化しても、イオンによる堆積やエッチング
等の作用が起こらないヘリウム、アルゴン又は窒素を含
むガスを使用すれば、プラズマ処理結果の再現性を良く
することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】高周波電力が印加される電極を複数有する平行
平板型のプラズマ処理装置の一例を示す斜視図である。

【図２】複数の高周波電力が印加される高周波誘導方式
のプラズマ処理装置の一例を示す斜視図である。

【図３】高周波電力が印加される電極が１つの平行平板
型のプラズマ処理装置の一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１真空容器２基板３下部電極４上部電極５下部電極用高周波電源６下部電極用マッチング回路７接続ケーブル８上部電極用高周波電源９上部電極用マッチング回路１０接続ケーブル１１多重渦型放電コイル１２放電コイル用高周波電源１３放電コイル用マッチング回路１４接続ケーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/3065

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波電力が供給される複数の電極を備
えたプラズマ処理装置を使用するプラズマ処理方法にお
いて、先ず、所定のプラズマ処理に対する不活性ガスを
真空容器内に導入し、所定の真空度に維持し、前記複数
の電極に高周波電力を供給し、前記真空容器内に発生す
るプラズマが安定した後に、前記真空容器内に導入する
ガスを、前記不活性ガスから、所定の反応ガスに切り換
えることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】高周波電力が供給される電極と放電コイ
ルとを備えたプラズマ処理装置を使用するプラズマ処理
方法において、先ず、所定のプラズマ処理に対する不活
性ガスを真空容器内に導入し、所定の真空度に維持し、
前記電極と放電コイルとに高周波電力を供給し、前記真
空容器内に発生するプラズマが安定した後に、前記真空
容器内に導入するガスを、前記不活性ガスから、所定の
反応ガスに切り換えることを特徴とするプラズマ処理方
法。
【請求項３】請求項１、又は２に記載のプラズマ処理
方法において、高周波電力の投入電力に対する反射電力
の比が減少して所定比に達した時点で、不活性ガスか
ら、所定の反応ガスに切り換えるプラズマ処理方法。
【請求項４】請求項３に記載のプラズマ処理方法にお
いて、所定比は、１％であるプラズマ処理方法。
【請求項５】請求項１、２、３、又は４に記載のプラ
ズマ処理方法において、不活性ガスは、所定のプラズマ
処理では、イオン化しても、イオンによる堆積やエッチ
ング等の作用が起こらない、ヘリウム、アルゴン又は窒
素を含むガスであるプラズマ処理方法。