JPH08246146A

JPH08246146A - プラズマ処理方法及びその装置

Info

Publication number: JPH08246146A
Application number: JP8060625A
Authority: JP
Inventors: Toru Otsubo; 徹大坪; Yasuhiro Yamaguchi; 泰広山口; Naohiko Takeuchi; 尚彦竹内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1996-03-18
Publication date: 1996-09-24
Anticipated expiration: 2016-03-18
Also published as: JP2800766B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来技術の空胴共振器を使った方式では、共振
器の中でプラズマを発生させる構造のため、プラズマが
発生すると、マイクロ波の波長がプラズマの密度により
変化するため、共振条件が満たされず、プラズマが不安
定になるという問題があった。【解決手段】プラズマ処理装置を、マイクロ波発生源
と、このマイクロ波発生源から供給されたマイクロ波を
大気中で共振させる空胴共振器手段と、マイクロ波の波
長の半分以上の長さを有して空胴共振器手段で共振させ
たマイクロ波を放射する複数のスリットを平板上に配置
したスリット手段と、内部に基板を設置し所定の圧力に
維持された状態でスリット手段から放射されたマイクロ
波を導入するプラズマ処理室手段と、このプラズマ処理
室手段とスリット手段とを分離しマイクロ波を透過する
分離手段と、プラズマ処理室の内部に磁場を形成する磁
場形成手段とを備え、この磁場発生手段で形成した磁場
中にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生さ
せて基板を処理する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低温プラズマを用い
た半導体素子の製造に係り、特にＣＶＤ、エッチング、
スパッタ、アッシング等の各技術の高速でかつ均一な処
理に好適なプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】低温プラズマを用いた装置を大別すれ
ば、真空中で平行平板の電極の一方に１０ＫHz〜３０Ｍ
Hz程度の高周波電圧を印加して、プラズマを発生させる
技術を用いるもの（半導体研究１８；Ｐ１２１〜Ｐ１７
０，半導体研究１９；Ｐ２２５〜Ｐ２６７）と、２.４
５ＧHzのマイクロ波を真空室へ導入してプラズマを発生
させる技術を用いるものがある。従来、これらの内で平
行平板電極による技術が主として用いられてきた。

【０００３】一方、半導体素子の微細化に伴い、プラズ
マ処理時に発生するイオンの衝撃により素子特性が影響
を受けることが問題になってきた。更に、処理能力の向
上のために処理速度を上げることが要請されている。

【０００４】処理速度を高める場合、単にプラズマの密
度あるいはラジカル（イオン化直前の活性粒子）濃度を
高めるだけでは不十分である。プラズマ処理によるドラ
イエッチングや、プラズマＣＶＤではイオンのエネルギ
ーが重要な役割をはたしている。ドライエッチングの場
合、イオンのエネルギーが大きすぎると下地の膜が削ら
れたり結晶構造に影響を与え、素子特性が劣化する。ま
た小さすぎるとエッチング面に形成されるポリマーの除
去が十分行われず、エッチング速度が低下する。または
逆にポリマーによる保護膜が形成されず、パターンの側
面がエッチングされ、パターンの寸法精度が悪くなると
いった問題を発生する。

【０００５】プラズマＣＶＤでもイオンのエネルギーが
弱いと膜組成が粗となり、エネルギーが強いと密になる
というようにイオンエネルギーが成膜に影響する。

【０００６】したがってプラズマの高密度化と、イオン
エネルギーを適正に制御することが、今後のプラズマ処
理に不可欠である。公知例として特開昭５６−１３４８
０，特開昭５６−９６８４１号公報に示されるようなマ
イクロ波を用いた方式が提案されている。

【０００７】マイクロ波によりプラズマを発生させる場
合、マグネトロンにより発生したマイクロ波を低圧にし
たプラズマ発生室に放射しても、マイクロ波の電界強度
が十分でないため電子に十分なエネルギーが供給され
ず、プラズマを発生させることは困難である。したがっ
てマイクロ波によりプラズマを発生させるためには、電
子が磁場と垂直な平面を回転するサイクロトロン周波数
とマイクロ波の周波数を合致させ共鳴状態にして電子に
エネルギーを供給する方法と、マイクロ波を空胴共振器
に放射してマイクロ波の振幅を大きくし、電界強度を強
めて電子にエネルギーを供給する方法の２つがある。前
者が特開昭５６−１３４８０号公報に示されたもので有
磁場マイクロ波、あるいはＥＣＲ（Electron Cyclotron
Resonance)法とよばれている。後者は特開昭５６−９
６８４１号公報に示されたものである。

【０００８】マイクロ波により発生したプラズマはマイ
クロ波より電子へ直接エネルギーを供給されるために、
プラズマと基板との間に形成されるシース間電圧はほと
んど変化しない。したがって基板を載せる電極に高周波
電圧を印加し、シース間電圧を任意にコントロールする
ことにより、高速化に必要な高いプラズマ密度と適正な
イオンエネルギーに制御できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】プラズマ処理ではイオ
ンのエネルギーが重要な役割をはたすことをさきに述べ
た。

【００１０】従来技術の中でＥＣＲ方式では、特開昭５
６−１３４８０号公報に示されるように、基板を載せた
電極に高周波電圧を印加すると、この電極の対向する側
にはアース電極がないため、高周波電流は周囲処理室と
の間に流れ、基板上でのイオンエネルギーの効果が基板
周囲で強く中心部で弱くなり、基板全体を均一な条件で
処理できないという問題があった。

【００１１】また空胴共振器を使った方式では、共振器
の中でプラズマを発生させる構造のため、プラズマが発
生すると、マイクロ波の波長がプラズマの密度により変
化するため、共振条件が満たされず、プラズマが不安定
になるという問題があった。即ち、プラズマが発生する
までは共振条件が満足されているためマイクロ波の電界
強度が強くなりプラズマが発生する。しかしプラズマが
発生しプラズマ密度が高くなると、マイクロ波の波長が
変わり共振条件が満たされなくなって電界強度が小さく
なる。そして電子へのエネルギーの供給が低下しプラズ
マ密度が低下する。プラズマ密度が低下すると共振条件
が満たされ、ふたたびプラズマ密度が高まる。このよう
な現象のためプラズマを安定に発生させることは困難で
あった。また、これらのプラズマから基板に入射するイ
オンのエネルギーを制御するため、高周波電圧印加電極
を空胴共振器内に設けると、マイクロ波の反射等が発生
し、プラズマがさらに不安定になるという問題があっ
た。

【００１２】本発明の目的は、安定で高密度なプラズマ
を発生させるとともに、基板に入射するイオンのエネル
ギーが、基板全体で均一にできるようにすることであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】一般に、導波管あるいは
導波管の一種と考えられる空胴共振器内をマイクロ波が
進行する場合、導波管の表面には、電場，磁場に対応し
た電流が流れる。

【００１４】したがってこの電流を横切るように導波管
の一部にスリットを設けると、スリットの両端に電荷が
たまり、これがマイクロ波の進行に伴って変化すること
からスリット両端間の電界が変化し導波管の外部にマイ
クロ波が放射される。

【００１５】前記目的を達成するために、本発明では上
記した原理に基づいて、プラズマ処理装置を、マイクロ
波発生源と、このマイクロ波発生源から供給されたマイ
クロ波を大気中で共振させる空胴共振器手段と、マイク
ロ波の波長の半分以上の長さを有して空胴共振器手段で
共振させたマイクロ波を放射する複数のスリットを平板
上に配置したスリット手段と、内部に基板を設置し所定
の圧力に維持された状態でスリット手段から放射された
マイクロ波を導入するプラズマ処理室手段と、このプラ
ズマ処理室手段とスリット手段とを分離しマイクロ波を
透過する分離手段と、プラズマ処理室の内部に磁場を形
成する磁場形成手段とを備え、この磁場発生手段で形成
した磁場中にマイクロ波を導入することによりプラズマ
を発生させ、この発生させたプラズマにより基板を処理
する構成とした。

【００１６】従来のＥＣＲ方式では導波管の開口部より
直接マイクロ波をプラズマ発生室に放射する構成となっ
ていて、プラズマ発生室と導波管の開口部の間にアース
電極を設置すると、マイクロ波がアース電極で反射さ
れ、プラズマ発生室に供給できなかったが、本発明で
は、導波管の端面を閉じた構造とし、この端面にマイク
ロ波を放射するスリットを設けた。そして必要に応じ
て、この導波管の端面をアース電位になるようにした。

【００１７】スリットの開口面積は導波管の端面全体の
1/3 程にすることができる。したがって基板を載せた電
極に高周波電圧を印加した場合、高周波電流は導波管の
端面と電極間に均等に流れ、イオンの効果を基板全面に
対し均等に発生させることができる。またスリットを通
して十分な量のマイクロ波が供給でき、高密度のプラズ
マを発生させることができる。

【００１８】一方、導波管に空胴共振器を接続した場合
には空胴共振器内で共振により振幅を大きくしたマイク
ロ波がスリットを通してプラズマ発生室に放射される。
そのためプラズマ発生室を従来のように空胴共振器構造
にしなくとも、高密度のプラズマを発生させることがで
きる。

【００１９】このため本発明に係る電極構造は従来のよ
うに空胴共振器との関連による制約を受けない。また空
胴共振器内ではプラズマが発生しないため、共振状態の
変化がなく、プラズマを安定に発生させることができ
る。さらに空胴共振器をアース電位に接続することで、
ＥＣＲ方式の場合と同様に、電極に平行な対向電極とす
ることができ、イオンの効果も基板全体に均一に発生さ
せることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図１により
説明する。

【００２１】空胴共振器１はＥ₀₁モードの円形空胴共振
器であり、導波管２を通してマグネトロン３からマイク
ロ波が供給される。導波管２の取付けはＥ₀₁モードとの
結合をよくするため、円形空胴共振器１に対し偏心して
取り付けられている。円形空胴共振器１のもう一方の側
にはセラミックス板４とスリット板５が固定してある。
その下にはプラズマ発生室６が接続してある。尚、セラ
ミックス板４により真空に封止した構造となっている。

【００２２】スリット板５の平面構造は図２５ｂに示
すようＥ₀₁モードの電界に対し、直角方向にリング状の
スリット開口部がある。各スリット５ｃの長さは２.４
５ＧHzのマイクロ波を用いた場合、スリットからのマイ
クロ波の放射をよくするため、マイクロ波の1/2 波長に
当る６０mm以上の寸法としている。

【００２３】プラズマ発生室６（図１）には電極７，ガ
ス供給管９，ガス排気管１０が設けてある。電極７は絶
縁材８を介してプラズマ発生室６に固定されており、さ
らに高周波電源１１が接続してある。

【００２４】ガス供給管９には図示しないガス源からプ
ラズマ処理用ガスが設定流量だけ供給できるようになっ
ている。

【００２５】ガス排気管１０には図示しない真空排気ポ
ンプが接続してあり、プラズマ発生室内を１〜１０~³To
rrの圧力にコントロールできるようになっている。

【００２６】マグネトロン３を動作させマイクロ波を発
振させ、導波管２により空胴共振器１に供給する。空胴
共振器内で振幅を大きくしたマイクロ波のエネルギーは
スリット板５のスリットよりプラズマ発生室に放射され
る。プラズマ発生室に放射されたマイクロ波の振幅は空
胴共振器１で大きくなっているため、プラズマ発生室６
が空胴共振器構造でなくともプラズマが点灯し、維持さ
れる。

【００２７】まずエッチングの場合について説明する。
ガス供給管９よりエッチングガスを供給し、ガス排気管
１０より排気し一定圧力として、マイクロ波を供給し
て、スリット板５と電極７の間にマイクロ波によるプラ
ズマを発生させる。マイクロ波はプラズマ中の電子に直
接作用するために、このプラズマと電極７の間の電位差
は２０〜３０Ｖのレベルである。電極７上に処理ウエハ
１２を置き、高周波電源１１より電極７に高周波電圧を
印加する。電極７とスリット板５は平行に設置されてお
り、高周波電流は電極７とスリット５の間に均等に流れ
る。そのため電極とプラズマ間に発生する電界は均等に
なり、ウエハ１２には全面均一なエネルギーのエッチン
グガスのイオンが高周波電圧印加により制御され、入射
する。

【００２８】こられエッチングガスのイオンやプラズマ
中で励起されたエッチングガスの活性種（ラジカル）と
ウエハ１２上の被処理膜が反応しエッチングが進行す
る。

【００２９】この時入射するイオンのエネルギーが均等
であるため、ウエハ全面で均一なエッチングができる。

【００３０】次に本装置によるプラズマＣＶＤへの適用
を説明する。ＳiＨ₄およびＮ₂，Ｎ₂Ｏの混合ガスをガス
供給管９より供給し、プラズマによりＮ₂Ｏ，ＳiＨ₄を
分解しＳiＯ₄を生成し、ウエハ１２上に成膜する。さら
にプラズマからのイオンの入射により膜質が制御され
る。この時イオンの入射エネルギーが均等化できるた
め、ウエハ全面に均質な成膜が行える。

【００３１】本実施例では円形導波管内のマイクロ波モ
ードがＥ₀₁モードではある場合について説明したが、本
発生はこれに限定されるものではない。ただしスリット
が空胴共振器の表面に流れる電流に対し直角方向である
とマイクロ波放射の効率がよいため、Ｈ₀₁モードの場合
は図３に示す構造となり、Ｈ₁₁モードの場合は図４に示
す構造となる。

【００３２】このように本発明によればプラズマ処理に
不可欠なイオンの効果が均等化でき、かつ安定なプラズ
マを発生させることができる効果がある。

【００３３】図１に示す実施例ではプラズマ発生室にマ
イクロ波を放射するだけであるため、発生するプラズマ
密度が１０¹¹cm~³以上になるとマイクロ波が反射され、
それ以上プラズマ密度を高めることはできない。プラズ
マ密度が１０¹¹cm~³以上必要な場合は図５に示すように
コイル１３，コルイ１４により、マイクロ波の放射方向
と平行な磁場１５を設ける。

【００３４】本実施例の場合、マイクロ波の振幅は空胴
共振器１により高められているため、電子サイクロトロ
ンレゾナンスの状態にする必要はなく、必要なプラズマ
密度により磁場強度を選択することができる。またマイ
クロ波の振幅が従来のレゾナンス方式より大きくなるた
め、より真空度の高い領域で安定な放電を立てられる効
果もある。

【００３５】図６に本発明をアッシング処理に適用した
実施例を示す。

【００３６】本実施例は図１に示すものと同一番号の部
分は同じであるため、異なる部分のみ説明する。

【００３７】プラズマ処理室６の内部にはメッシュ板２
０がありウエハ１２はテーブル２１の上に置かれてい
る。

【００３８】ガス供給管９より酸素ガスを供給し、マグ
ネトロン３を動作させ、マイクロ波を供給し、スリット
板５とメッシュ板２０の間にプラズマを発生させる。

【００３９】メッシュ板２０はマイクロ波が透過しない
寸法となっているため、プラズマはメッシュ板５とスリ
ットの間にとじ込められる。酸素ガスはプラズマにより
ラジカル状態となり、メッシュ板２０を通してウエハ１
２上に供給される。この酸素ラジカルにより、ウエハ上
のレジスト膜がアッシング処理される。

【００４０】以上示した実施例では円形空胴共振器とス
リット板を組合せたものについて説明してきたが、本発
明はこれに限定されるものではない。

【００４１】図７にスパッタ装置に適用した例を説明す
る。

【００４２】処理室３３はセラミックス製であり図示し
ないガス供給口、ガス排気口により処理室内を１０~⁴To
rr〜１０~²Torrの圧力に制御できるようになっている。

【００４３】処理室３３内にはターゲット３４とウエハ
テーブル３６がある。ターゲットには高周波電源３５が
接続されており、ウエハテーブル３６はアースに接続さ
れている。処理室３３の外側にはシールド室４０と矩形
リング状の共振器３１ａが設けられている。

【００４４】リング状共振器は矩形導波管をリングにし
たもので、リングの周長を管内波長の1/2 の整数倍にし
ている。リング状導波管の一部には終端壁を設け、共振
するマイクロ波の位置がずれないようにしている。

【００４５】リング状共振器３１ａの平面構造を図８に
示す。共振器３１にはマグネトロン３２，導波管３０よ
りマイクロ波が供給される。シールド室４０（図７）の
外側にはコイル３７，コイル３８があり、カプス磁場４
２を発生する。シールド室はアルミまたはステンレス製
でありマイクロ波を外に出さないが、磁場は通す材料を
用いている。

【００４６】リング状共振器の内側には全周スリット４
３が設けられている。マイクロ波をリング状共振器に供
給すると、共振器内でマイクロ波の振幅が増幅され、振
幅の大きいマイクロ波がスリット４３より処理室３３内
に放射される。

【００４７】処理室３３内にアルゴンガスを導入し１０
~³Ｔorrレべルに保つと、カプス磁場４２にとじ込めら
れたプラズマがターゲット３４とウエハテーブル３６の
間に発生する。次に高周波電源３５より高周波電圧を印
加しアルゴンガスのイオンをターゲットに入射させ、タ
ーゲット材をスパッタしてウエハ３９上に成膜する。本
方式では図５に示す実施例でも述べたように振幅の大き
なマイクロ波により、より真空度の高い条件でも安定し
てプラズマを発生することができ、膜質をよくできる効
果がある。

【００４８】このリング状共振器とスリットを組合せた
方式はスパッタリングのみならず、エッチング，プラズ
マＣＶＤにも用いることができる。

【００４９】図９にエッチングに応用した実施例を示
す。

【００５０】基本構成は図７に説明したスパッタリング
装置と同じであるため、異なる点のみ説明する。

【００５１】処理室３３内には下部電極４６，上部電極
４５があり下部電極は絶縁物４１を介して処理室に固定
され、高周波電源４７より高周波電圧が印加できるよう
になっている。上部電極４５はアースに接続されてい
る。

【００５２】エッチングガスを導入し、処理室３３内を
１０~²Ｔorrレベルの圧力に保ち、マイクロ波をリング
状共振器３１に供給する。マイクロ波の振幅は増幅され
スリット４３より処理室内に放射され、上部電極４５と
下部電極４６の間にマイクロ波によるプラズマが発生す
る。

【００５３】下部電極４６に高周波電圧を印加すると、
平行な電極間に高周波電流が均等に流れ、ウエハ３９に
入射するイオンは均等なシース間電位差で加速されウエ
ハ全面で均一なエッチング処理特性を得ることができ
る。

【００５４】以上述べたように本発明によれば、マイク
ロ波を用いてプラズマを発生させる際に、ウエハを処理
する電極と対向する面にも電極を設置することができ
る。このため均一なプラズマ処理が可能となる。更に、
プラズマ発生室を空胴共振器の構造にする必要がないた
め、電極構造，プラズマ発生室の構造に制約がなくなる
効果がある。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロ波発生源で発
生したマイクロ波を、大気中で共振させて振幅を大きく
してスリット手段から処理室内に放射し処理室内にプラ
ズマを発生させるので、マイクロ波を共振させる部分と
プラズマを発生させる部分とが分離され、処理室内に高
密度のプラズマを安定に発生させることが可能となる。
また、スリット手段のスリットを円弧状に複数配置する
ことにより、被処理物に対するプラズマ中のイオンやラ
ジカルの効果を均一に発生させることができるので、上
記高密度プラズマ中においても被処理物を均一に処理す
ることが可能となる。

【００５６】この結果、高速で最適なイオンエネルギー
によるプラズマ処理が可能となる。更に、半導体ウエハ
の微細パターンを高精度、高速でかつ損傷を少なくして
形成できる。更にまた、均一な成膜を高速に行えるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の斜視図である。

【図２】図１の実施例で用いられるスリットの平面図で
ある。

【図３】図２のスリットの別の実施例の平面図である。

【図４】図２のスリットの第３の実施例の平面図であ
る。

【図５】本発明の別の実施例の断面図である。

【図６】本発明を灰化装置に適用したときの一実施例の
断面図である。

【図７】本発明をスパッタ装置に適用したときの一実施
例の断面図である。

【図８】図７のスパッタ装置で用いられた共振器の平面
図である。

【図９】本発明をエッチング又はＣＶＤ装置に適用した
ときの一実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…空胴共振器、５…スリット板、６…プラズマ発生室、７…電極、１１…高周波電源、３１…リング状共振器、３３…処理室、３４…ターゲット、３６…ウエハテーブル、３５…高周波電源。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発生源と、該マイクロ波発生源
から供給されたマイクロ波を大気中で共振させる空胴共
振器手段と、前記マイクロ波の波長の半分以上の長さを
有して前記空胴共振器手段で共振させた前記マイクロ波
を放射する複数のスリットを平板上に配置したスリット
手段と、内部に基板を設置し所定の圧力に維持された状
態で前記スリット手段から放射されたマイクロ波を導入
するプラズマ処理室手段と、該プラズマ処理室手段と前
記スリット手段とを分離し前記マイクロ波を透過する分
離手段と、前記プラズマ処理室の内部に磁場を形成する
磁場形成手段とを備え、該磁場発生手段で形成した磁場
中に前記マイクロ波を導入することによりプラズマを発
生させ、該発生させたプラズマにより前記基板を処理す
ることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記プラズマ処理室の内部の磁場が、該磁
場の磁力線の向きが前記マイクロ波を導入する方向と平
行な方向に向くように形成されていることを特徴とする
請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】マイクロ波発生源と、該マイクロ波発生源
から供給されるマイクロ波の波長の半分以上の長さを有
して前記マイクロ波を放射する複数のスリットを平板上
に配置したスリット手段と、内部に基板を設置し所定の
圧力に維持された状態で前記スリット手段から放射され
たマイクロ波を導入するプラズマ処理室手段と、該プラ
ズマ処理室手段と前記スリット手段とを分離し前記マイ
クロ波を透過する分離手段と、前記プラズマ処理室の内
部に磁場を形成する磁場形成手段とを備え、該磁場発生
手段で形成した磁場中に前記マイクロ波を導入すること
によりプラズマを発生させ、該発生させたプラズマによ
り前記基板を処理することを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項４】マイクロ波発生源と、該マイクロ波発生源
から供給されるマイクロ波を放射する複数のスリットを
有するスリット手段と、内部に基板を設置し所定の圧力
に維持された状態で前記スリット手段から放射されたマ
イクロ波を導入するプラズマ処理室手段と、該プラズマ
処理室手段と前記スリット手段とを分離し前記マイクロ
波を透過する分離手段と、前記プラズマ処理室の内部に
磁場を形成する磁場形成手段と、前記プラズマ処理室の
内部にエッチングガスを供給するガス供給手段とを備
え、前記プラズマ処理室の内部に前記ガス供給手段によ
りエッチングガスを供給し前記磁場発生手段で形成した
磁場中に前記マイクロ波を導入してプラズマを発生させ
ることにより、前記基板をエッチング処理することを特
徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波
を大気中で共振させ、前記マイクロ波の波長の半分以上
の長さを有するスリットを介して所定の圧力に維持され
磁場が形成されたプラズマ処理室の内部に前記共振させ
たマイクロ波を放射し、前記磁場中で前記放射されたマ
イクロ波によりプラズマを発生させ、該発生させたプラ
ズマにより前記プラズマ処理室内に設置された基板を処
理することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】前記プラズマは、前記マイクロ波が前記プ
ラズマ処理室の内部に放射される方向と平行な方向に磁
力線が向くように形成された前記磁場中で発生すること
を特徴とする請求項５記載のプラズマ処理方法。
【請求項７】エッチングガスが供給されて所定の圧力に
維持され磁場が形成されたプラズマ処理室の内部にマイ
クロ波をスリットを介して導入することにより前記磁場
中でプラズマを発生させ、該発生させたプラズマにより
前記プラズマ処理室内に設置された基板をエッチング処
理することを特徴とするプラズマ処理方法。