JPH08274083A

JPH08274083A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH08274083A
Application number: JP7070264A
Authority: JP
Inventors: Hirotsugu Mabuchi; 博嗣馬渕; Toshiki Ehata; 敏樹江畑
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】【構成】マイクロ波導波路となる誘電体線路２１と、こ
の誘電体線路２１に対向する面にマイクロ波導入口３が
開口してあり、このマイクロ波導入口３がマイクロ波導
入板４で気密に封止された反応容器１と、この反応容器
１内に配設された試料台６と、この試料台６に高周波電
界または直流電界を印加する手段（高周波電源７）と、
前記マイクロ波導入板４と前記試料台６との間に設けら
れ、マイクロ波を透過させるまたはプラズマを導入させ
る孔５ｂを有する対向電極板５と、この対向電極板５を
接地する手段と、この対向電極板５に高周波電界または
直流電界を印加する手段（高周波電源８）と、これらを
切り換える手段９とを備えるプラズマ処理装置。【効果】長期の使用においても、均一で安定したプラズ
マ処理が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子基板、液晶
ディスプレイ用ガラス基板等にプラズマを利用して薄膜
形成、エッチング、およびアッシング等の処理を施すの
に適したプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】減圧された反応容器内に反応ガスとマイ
クロ波または高周波を導入して、プラズマを生成させ、
このプラズマを試料の表面に照射して、薄膜形成やエッ
チングを行う装置は、半導体素子等の製造に欠かせない
ものとなっている。その中でも特に、プラズマの生成と
プラズマ中におけるイオンのエネルギーとがそれぞれ独
立して制御可能なプラズマ処理装置は、薄膜形成におけ
る埋め込み技術やドライエッチング技術にとって不可欠
になってきており、その研究開発が進められている。

【０００３】図４は、上記のプラズマの生成とイオンの
エネルギーが独立に制御できるプラズマ処理装置の断面
図である（特開平6-104098号公報）。図中１は中空直方
体の反応容器である。反応容器１はアルミニウム（Ａ
ｌ）等の金属を用いて形成されている。反応容器１の周
囲壁の内部には恒温流体通路１５が形成され、所定の温
度の溶媒を循環させることにより、周囲壁の温度調整を
行っている。反応容器１の内部には反応室２が設けられ
ている。反応容器１の上部にはマイクロ波導入口３が開
口してあり、このマイクロ波導入口３はマイクロ波導入
板４にて反応容器１の上部壁との間にＯリング１１を挟
持することにより気密に封止されている。

【０００４】なおマイクロ波導入板４は、耐熱性とマイ
クロ波透過性とを有し、かつ誘電損失が小さい石英ガラ
ス（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の誘電体で
形成される。

【０００５】反応容器１の上方には、マイクロ波導入板
４と対向して、これを覆うように誘電体層２１ａと金属
板２１ｂとからなる誘電体線路２１が形成されている。
誘電体層２１ａにはテフロン（登録商標）等のフッ素樹
脂、ポリスチレン、ポリエチレン等が用いられる。金属
板２１ｂとしてはアルミニウム等が用いられる。誘電体
線路２１の一端には、導波管２３を介してマイクロ波発
振器２４が連結されている。マイクロ波は発振器２４か
ら導波管２３を経て誘電体線路２１に導入され、ここか
ら反応容器１内に導入される。

【０００６】反応室２内にはマイクロ波導入板４とは対
向する位置に、試料Ｓを載置する試料台６が配設されて
いる。試料台６は高周波電源７に接続されており、試料
Ｓ表面にバイアス電圧を発生させるための電極を兼ねて
いる。対向電極板５がマイクロ波導入板４の下面に接す
るように設けられている。この対向電極板５にはマイク
ロ波を透過させるための孔５ｂが開口されている。この
対向電極板５は接地されており、高周波が印加される試
料台６に対する対向電極の役割を果たす。すなわち、こ
の接地した対向電極板５を備えることにより、試料Ｓ表
面において均一で安定したバイアス電圧を発生させるこ
とができる。また、試料台６には試料Ｓを保持するため
の静電チャック等の吸着機構（図示しない）が設けられ
ているともに、試料Ｓを所定の温度に維持するための恒
温流体の循環機構が配設されている。

【０００７】反応容器１の周囲壁には所要の反応ガスを
導入するためのガス導入孔１２が設けられている。また
反応容器１の下部壁には図示しない排気装置に接続され
る排気口１３が形成されており、ここから排気される。

【０００８】この装置において試料台６上に載置された
試料Ｓにプラズマ処理を施す方法について説明する。ま
ず所定の温度の溶媒を恒温流体通路１５内に循環させ
る。排気口１３から排気を行って反応室２内を所要の圧
力まで排気した後、周囲壁に設けられたガス導入孔１２
から反応ガスを供給し反応室２内を所定の圧力とする。

【０００９】次いで、マイクロ波発振器２４においてマ
イクロ波を発振させ、導波管２３を介して誘電体線路２
１に導入する。そうすると誘電体線路２１の下方に電界
が形成される。この電界がマイクロ波導入板４および対
向電極板５の孔５ｂを透過して反応室２内に供給され
て、プラズマが生成する。試料台６に高周波電力を印加
して、試料Ｓ表面にバイアス電圧を発生させ、プラズマ
中のイオンの異方性および加速エネルギーを制御する。
このようにして、プラズマ中のイオンの異方性およびエ
ネルギーを制御しつつ試料Ｓにプラズマ処理を施すので
ある。

【００１０】上述のプラズマ処理装置ではマイクロ波の
進行方向に沿って誘電体線路の下にプラズマを生成する
ので、容易に大面積のプラズマを生成させることができ
る。

【００１１】また、試料の表面に均一で安定したバイア
ス電圧を生じさせることができるので、イオンエネルギ
ーを制御しつつ試料にプラズマ処理を施すことができ
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プラズ
マを用いて試料上に成膜したり、デポジション性の高い
ガスを用いて試料をプラズマエッチング場合、試料上の
みならず、反応容器内に反応生成物が付着することがあ
る。

【００１３】上述のプラズマ処理装置では、対向電極板
の近傍がプラズマ生成源であり、しかもプラズマに曝さ
れる面積が大きいので、プラズマ中の反応生成物が付着
しやすく、この反応生成物が多く付着した場合、試料の
表面に発生するバイアス電圧が不安定となったり不均一
となり、プラズマ処理に影響が生じるという問題があっ
た。

【００１４】特に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）のよう
な絶縁膜を成膜する場合、対向電極板の表面に絶縁膜が
形成され、対向電極板が接地されているにもかかわら
ず、十分な効果がなくなり、試料の表面に発生するバイ
アス電圧が不安定となったり不均一となり、絶縁膜の埋
め込み平坦化が不十分であったり、成膜量が不均一にな
るという問題があった。

【００１５】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであり、長期の使用においても、均一で安定したプ
ラズマ処理が可能なプラズマ処理装置を提供することを
目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、図１に示すよ
うに、マイクロ波導波路となる誘電体線路２１と、この
誘電体線路２１に対向する面に開口されたマイクロ波導
入口３がマイクロ波導入板４で気密に封止された反応容
器１と、この反応容器１内に配設された試料台６と、こ
の試料台６に高周波電界または直流電界を印加する手段
（高周波電源７）と、前記マイクロ波導入板４と前記試
料台６との間に設けられ、マイクロ波を透過させるまた
はプラズマを導入させる孔５ｂを有する対向電極板５
と、この対向電極板５を接地する手段と、この対向電極
板５に高周波電界または直流電界を印加する手段（高周
波電源８）と、これらを切り換える手段９とを備えるプ
ラズマ処理装置を要旨とする。

【００１７】

【作用】本発明のプラズマ処理装置は、対向電極板を接
地する手段と、対向電極板に高周波電界または直流電界
を印加する手段と、これらを切り換える手段を備えてい
る。このため、試料にプラズマ処理を施すときは、対向
電極板を接地して、試料表面に均一で安定したバイアス
電圧を生じさせてプラズマ処理を施すことができる。ま
た、定期的に行うクリーニング時には、対向電極板に高
周波電界または直流電界を印加して対向電極板の表面に
バイアス電圧を発生させ、イオンを対向電極板に加速し
て入射させることにより、対向電極板に付着した反応生
成物を効率的にスパッタ除去することができる。したが
って、試料表面に発生するバイアス電圧が不安定となっ
たり不均一となってプラズマ処理に及ぼされる影響をと
り除くことができる。特に、シリコン酸化膜（Ｓｉ
Ｏ₂）のような絶縁膜を成膜する場合に生じていた絶縁
膜の埋め込み平坦化が不十分であったり、成膜量が不均
一になる問題を解決することができる。

【００１８】また、こうすることにより、プラズマ処理
を重ねたときに、対向電極板に付着した反応生成物が剥
離してパーティクルの発生源となる問題も解決すること
ができる。

【００１９】また、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔ
ｉ）および窒化チタン（ＴｉＮ）のような金属膜を成膜
する場合、マイクロ波導入板に金属膜が付着しマイクロ
波透過不良を起こす問題がある。この場合には、この対
向電極板に高周波電界または直流電界を印加するプラズ
マクリーニングにより、対向電極板の近傍でプラズマを
強く発生できるので、マイクロ波導入板に付着した金属
膜を効率良く除去でき、この問題を解決することができ
る。

【００２０】

【実施例】本発明のプラズマ処理装置の一実施例を示す
断面図を図１に示す。本実施例のプラズマ処理装置にお
いては、切り換え手段９によって対向電極板５を接地す
るか高周波電源８に接続して高周波を印加するかを選択
できるようになっている。

【００２１】対向電極板５は石英、アルミナ等の絶縁体
（図示しない）によって反応容器１と絶縁されている。
図の詳細については、［従来技術］の欄で図４に基づき
説明したプラズマ装置と同じであるので説明を省略す
る。本実施例において用いたマイクロ波の周波数は２．
４５ＧＨｚであり、また高周波の周波数は１３．５６Ｍ
Ｈｚである。

【００２２】図２は対向電極板５の平面図である。マイ
クロ波を反応室２の中に導入するための矩形の孔５ｂが
複数設けられている。

【００２３】この装置において試料にプラズマ処理を施
す場合および対向電極板のクリーニングを行う場合につ
いて図１に基づき説明する。

【００２４】まず、試料にプラズマ処理を施す場合につ
いて説明する。予め、対向電極板５は切り換え手段９に
より接地しておく。所定の温度の溶媒を恒温流体通路１
５内に循環させる。排気口１３から排気を行って反応室
２内を所要の圧力まで排気した後、周囲壁に設けられた
ガス導入孔１２から反応ガスを供給し反応室２内を所定
の圧力とする。マイクロ波発振器２４においてマイクロ
波を発振させ、導波管２３を介して誘電体線路２１に導
入し、マイクロ波導入板４をおよび対向電極板５の孔５
ｂを介して反応室２内に供給して、プラズマを生成させ
る。試料台６に高周波電力を印加して試料Ｓ表面にバイ
アス電圧を発生させて、プラズマ中のイオンの異方性お
よび加速エネルギーを制御しつつ、試料Ｓにプラズマ処
理を施す。

【００２５】次に、対向電極板のクリーニングを行う場
合について説明する。所定の温度の溶媒を恒温流体通路
１５内に循環させる。排気口１３から排気を行って反応
室２内を所要の圧力まで排気した後、周囲壁に設けられ
たガス導入孔１２からクリーニング用ガスを供給し反応
室２内を所定の圧力とする。マイクロ波発振器２４にお
いてマイクロ波を発振させ、導波管２３を介して誘電体
線路２１に導入し、マイクロ波導入板４および対向電極
板５の孔５ｂを介して反応室２内に供給して、プラズマ
を生成させる。切り換え手段９により対向電極板５に高
周波電源８を接続し、高周波を印加する。そうすると、
対向電極板５近傍にさらにプラズマが生成するととも
に、対向電極板５にバイアス電圧が発生し、イオンが対
向電極板５に向けて加速され、対向電極板５のクリーニ
ング処理が行われる。このとき、試料台表面の保護のた
め、試料台６上にはダミーウエハが載置されている。ま
た試料台６は接地しても良いし、高周波電界または直流
電界を印加しても良い。

【００２６】本実施例の装置を、層間絶縁膜用のシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）の成膜に適用した。成膜条件は
以下の通りである。ガス流量は、ＳｉＨ₄：９０sccm、
Ｏ₂：１５０sccm、Ａｒ：６０sccmであり、圧力は３０m
Torr 、マイクロ波パワーは１５００Ｗ、試料台の高周
波パワーは１００Ｗとした。

【００２７】この条件で成膜処理を繰り返していくと、
ウエハ１０００枚の処理、すなわち５００μｍの成膜
で、成膜量の低下と均一性の悪化が見られた。

【００２８】これに対して、クリーニング処理を８００
枚の処理に１回、すなわち４００μｍの成膜で１回、定
期的に行うことにより、埋め込み平坦化形状の悪化、成
膜量の低下、および成膜量のウエハ面内均一性の悪化を
抑えることができた。また、パーティクルの発生量を抑
制することができた。

【００２９】このときのクリーニング条件は以下の通り
である。ガス流量は、ＣＦ₄：１００sccm、Ｏ₂：４０
０sccmであり、圧力は４０mTorr 、マイクロ波パワーは
１３００Ｗ、対向電極の高周波パワーは３００Ｗとし
た。試料台は接地した。

【００３０】本発明のプラズマ処理装置の他の実施例を
示す断面図を図３に示す。本実施例のプラズマ処理装置
においては、マイクロ波導入板４と試料台６との間に対
向電極板５が設けられたものである。このとき、対向電
極板５の孔５ｂはマイクロ波を透過させるとともにマイ
クロ波導入板４と対向電極板５との間で生成したプラズ
マを試料台６の方に導入させるものとなる。本実施例に
おいても先の実施例と同様の効果が得られた。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明装置にあっ
ては、長期の使用においても、均一で安定したプラズマ
処理が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の実施例の断面図で
ある。

【図２】本発明のプラズマ処理装置の実施例の対向電極
板を示す平面図である。

【図３】本発明のプラズマ処理装置の他の実施例の断面
図である。

【図４】従来のプラズマ処理装置の断面図である。

【符号の説明】

１反応容器２反応室３マイクロ波導入口４マイクロ波導入板５対向電極板５ａ対向電極板本体５ｂ孔６試料台７高周波電源８高周波電源９切り換え手段１１Ｏリング１２ガス導入孔１３排気口１５恒温流体経路２１誘電体線路２１ａ誘電体層２１ｂ金属板２２空気層２３導波管２４マイクロ波発振器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波導波路となる誘電体線路と、こ
の誘電体線路に対向する面に開口されたマイクロ波導入
口がマイクロ波導入板で気密に封止された反応容器と、
この反応容器内に配設された試料台と、この試料台に高
周波電界または直流電界を印加する手段と、前記マイク
ロ波導入板と前記試料台との間に設けられ、マイクロ波
を透過させるまたはプラズマを導入させる孔を有する対
向電極板と、この対向電極板を接地する手段と、この対
向電極板に高周波電界または直流電界を印加する手段
と、これらを切り換える手段とを備えることを特徴とす
るプラズマ処理装置。