JPH1126189A

JPH1126189A - プラズマ処理方法及び装置

Info

Publication number: JPH1126189A
Application number: JP9180900A
Authority: JP
Inventors: Muneo Furuse; 宗雄古瀬; Seiichi Watanabe; 成一渡辺; Hitoshi Tamura; 仁田村; Masahiro Kadoya; 誠浩角屋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 1999-01-29
Anticipated expiration: 2017-07-07
Also published as: JP3704894B2

Abstract

(57)【要約】【課題】真空処理室内のプラズマ密度分布が変わって
も、ウエハのエッチング処理を均一にする。【解決手段】真空処理室４のプラズマ密度分布に応じ
て、真空処理室４内の試料台９に印加する高周波バイア
スの周波数を変え、ウエハ１０に入射するイオンのエネ
ルギ分布を制御してウエハ全面を均一にエッチングす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理方法及
び装置に係り、特にエッチングおよび成膜等のプラズマ
処理を施すのに好適なプラズマ処理方法及び装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ処理装置、例えば、半導
体ドライエッチング技術（徳山巍編著、平成４年１０
月６日産業図書発行、Ｐ２４３−２４９）に記載のよう
な、マイクロ波プラズマエッチング装置では、真空処理
室へのプラズマ生成と試料台に印加する高周波バイアス
とは独自に制御されていた。なお、高周波バイアスの周
波数としては小電力でかつ試料の絶縁物層の厚さによっ
て最適周波数の選定が必要であり、一般には低周波ほど
低電力で高電圧になり、１３.５６ＭＨｚで１５０Ｗ必
要であったものが、２ＭＨｚでは約３０Ｗ、８００ＫＨ
ｚでは数Ｗでほぼ同じイオンのエネルギ効果が得られる
ことが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなマイクロ
波プラズマエッチング装置においては、真空処理室中の
プラズマの分布を均一にするために、プラズマにエネル
ギを供給する電磁コイルの巻き方や分布を工夫したり、
また、エネルギの供給源であるマイクロ波の導入方法を
工夫して均一なプラズマ密度分布とするようにしたり、
また、エッチング処理を行うウエハに印加する高周波バ
イアスを試料台全体で均一に印加されるように、これら
工夫を重ねている。

【０００４】上記従来技術は、エッチング処理を行うプ
ロセスによって真空処理室中のプラズマの分布が変化す
ることに関して配慮されていなかった。すなわち、エッ
チングを行う材料は常に一定のものではなく、プロセス
条件も大きく異なることが多い。その結果、最初にプラ
ズマ密度分布が均一となる条件であったとしても、プロ
セスの過程でプラズマの分布が大きく変化することがあ
り、全てのプロセスに対して均一なプラズマ密度分布を
得ることはできなかった。エッチングプロセスに依存し
てプラズマ条件が変化し、その結果としてプラズマの分
布も変化してしまう。また、試料台に印加する高周波の
バイアスは、エッチングプロセスの変化に伴ってプラズ
マの分布が変化しても常にバイアス電圧が均一な分布と
なるように制御されていた。その結果、プロセスの条件
によってはプラズマの分布が試料台上で外周高から中央
高まで変化することもあり、試料台中央と外周部でウエ
ハに入射するイオン量に差が生じてしまう。ウエハの面
内でエッチング速度を均一にするためには、プラズマの
分布も常に均一な分布としてエッチングすることが必要
であった。

【０００５】プラズマエッチングにおいては、ウエハに
入射するイオンの量と、個々のイオンのエネルギがエッ
チング特性に大きく影響するため、両者の制御が重要で
ある。プロセス制御の１つとしてエッチングの均一性を
ウエハの面内で得るためには、ウエハに入射するイオン
の量（飽和イオン電流密度）やイオンのエネルギ、さら
にエッチングによって気相中に飛び出す反応生成物の分
布の全てをウエハの面内で均一にする方法が考えられ
る。また、上記のパラメータがエッチング特性に及ぼす
影響や傾向がそれぞれ異なる場合、それぞれの特性が相
殺されるようにウエハ面内においてそれぞれの分布を制
御し、結果としてエッチング特性の均一化を図る方法が
考えられる。

【０００６】ここで、ウエハに入射するイオンについて
見てみると、入射イオンエネルギは試料台に印加する高
周波バイアスのパワーによって制御されることが知ら
れ、また、イオン電流密度分布は、エッチング室のプラ
ズマ密度分布に依存して変化することが知られている。
また、イオンの入射方向に磁界を有する装置における入
射イオンエネルギの分布は、特に、試料台に印加される
高周波バイアスの周波数に依存して大きく変化すること
が本発明者らの研究により明らかになった。

【０００７】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決するためになされたもので、プラズマでエッチング
処理を行う試料台に印加する高周波のバイアス周波数を
変化させることで、真空処理室中のイオンエネルギ分布
を制御し、ウエハを均一にエッチング処理することので
きるプラズマ処理方法及び装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、試料が配置
される試料台に高周波電圧を印加し、マイクロ波と磁場
との作用により生成したプラズマを用いて試料を処理す
るプラズマ処理装置において、プラズマの密度分布を検
出する手段と、該手段により検出したプラズマ密度分布
によって高周波電源の周波数を設定する制御手段とを具
備した装置とし、マイクロ波と磁場の作用を用いてプラ
ズマを生成し、該プラズマにより処理される試料を配置
する試料台に高周波電圧を印加し、試料をエッチング処
理するプラズマ処理方法において、プラズマの密度分布
に合わせて前記高周波電圧の周波数を設定することによ
り達成される。

【０００９】すなわち、エッチング等の処理を行うウエ
ハを保持した試料台に印加する高周波バイアスの周波数
を、真空処理室中のプラズマ密度分布によって変化させ
ることにより、エッチング等の処理をウエハ全体で均一
にすることができる。これにより、プラズマ密度分布が
変化しても、ウエハ全体でエッチング速度の均一性を向
上させることが可能となる。例えば、エッチング処理を
ウエハ面内で均一に行うために、プラズマの分布が真空
処理室中で中央高の場合（ウエハに入るイオン量が電極
中央部で大きい場合）は、印加する高周波バイアスの周
波数を高くしてウエハ上のバイアスを外周高（ウエハ外
周部のイオンエネルギを高くする）とし、ウエハ外周部
のエッチング速度を向上させるようにする。プラズマの
分布が真空処理室中で外周高の場合（ウエハに入るイオ
ン量が電極外周部で大きい場合）は、印加する高周波バ
イアスの周波数を低くしさらにパワーを上げてウエハ上
のバイアスを中央高（ウエハ中央部のイオンエネルギを
高くする）とし、ウエハ中央部のエッチング速度を向上
させるようにする。プラズマの分布が真空処理室中で均
一な場合は、ウエハに印加する高周波バイアスの周波数
を中程度として、ウエハ全体を均一にエッチングさせる
ようにする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１およ
び図２により説明する。まず図１は、本発明のプラズマ
処理装置の一例である有磁場マイクロ波プラズマ処理装
置の縦断面図である。１はマグネトロンでありマイクロ
波の発振源である。２はマイクロ波の導波管であり、５
はその空洞共振部である。４は真空処理室であり、例え
ば純度の高いアルミ等で作られ、内面は硬質アルマイト
処理等が施されて絶縁されている。また、真空処理室４
外部は導電体であるため、マイクロ波の導波管の役目も
している。６及び７は真空処理室４に磁場を供給する磁
場供給用のソレノイドコイルである。８は真空排気装置
であり、真空処理室４に接続されて真空処理室４を真空
排気する。３は真空処理室４を真空封止しながらマイク
ロ波を真空処理室４に供給するための石英板である。９
はプラズマ処理を行なうウエハ１０を支持する試料台で
あり、バイアス用電源、例えば高周波電源１２が接続さ
れている。１１は真空処理室４の中心軸上で導波管２に
設けられた観察窓用の金網窓であり、マイクロ波の漏れ
を防止している。１３は真空処理室４内にエッチング処
理を行なうガスを供給するガス供給装置である。１４は
真空処理室４内のプラズマ密度分布を調べるためのモニ
ターであり、該モニター１４からの信号は制御装置１５
に入力され、制御装置１５によって真空処理室４内のプ
ラズマ密度分布を認識し、該プラズマ密度分布に応じた
高周波電圧の周波数となるように高周波電源１２の周波
数を設定する。

【００１１】このように構成された装置により、エッチ
ングを行う前に予め真空処理室４内にダミーウエハを搬
入し、試料台９にダミーウエハ配置して、マイクロ波と
磁場を用いて真空処理室４内にプラズマを発生させ、プ
ラズマ密度分布をモニターして高周波電源１２の最適な
周波数を設定する。次に、製品用のウエハ１０を真空処
理室４に搬入し、真空処理室４中にプラズマを発生させ
るとともに、製品処理開始前に設定した周波数の高周波
電源１２より高周波電圧を試料台９に印加して、ウエハ
１０に高周波バイアスを作用させ、試料台９上に配置し
た製品用のウエハ１０にエッチング処理を行う。

【００１２】ここで、本発明者らの研究により明らかに
なったプラズマ密度分布とバイアス周波数とによるエッ
チング速度分布の関係を図２に示す。プラズマ密度分布
が真空処理室４中央で高い場合、試料台９に印加するバ
イアス周波数が、例えば、０．８ＭＨｚ程度と低い場合
は、ウエハ中央部と外周部でエッチング速度に差が生じ
てしまう。この場合、バイアス周波数は０．８ＭＨｚと
ある程度低いので、ウエハ１０に印加されるバイアスは
ウエハ全面でほぼ均一になる、すなわち、入射するイオ
ンのエネルギが均一になる。このため、中央高のプラズ
マ密度分布のようにウエハ中央部と外周部で入射するイ
オンの量に差が生じてしまい、真空処理室４中央高のエ
ッチング速度分布となる。

【００１３】一方、高周波電源１２のバイアス周波数
を、例えば、２ＭＨｚ程度と高くすると、ウエハに印加
されるバイアスはウエハ全面で不均一、この場合、外周
高となり、入射するイオンのエネルギはウエハ外周部で
大きくなる。その結果、ウエハに入射するプラズマ中の
イオンの量とイオンの入射エネルギの相互作用によって
エッチングは進行する。これにより、ウエハ外周部では
イオン量は少ないがイオンの入射エネルギが大きいので
エッチングが進行し、ウエハ中央部ではイオン量は多い
が入射エネルギが小さいので、ウエハ外周部分と同程度
のエッチング速度となって、全体的に均一化される。

【００１４】これは、真空処理室４内でウエハ１０への
イオンの入射方向とほぼ同方向に磁界が形成されている
ために、プラズマ中の電子は磁界に拘束されてウエハ中
央部から外側(真空処理室側壁側)へ流れ難くなるため
で、これを電気の等価回路に置き換えると試料台９と真
空処理室４側壁との間に抵抗およびコイルから成るイン
ピーダンスが生じ、ウエハ中央部ではウエハ外周部に比
べ真空処理室４側壁からの距離が遠くなり、インピーダ
ンスが大きくなる。このため、バイアス周波数が大きい
場合(例えば、２ＭＨｚ)には、インピーダンスによる影
響が大きいので、ウエハ中央部のバイアス電圧がウエハ
外周部よりも低くなり、外周高のバイアス電圧分布、言
い替えると、外周高のイオン入射エネルギ分布となる。
逆に、バイアス周波数が小さい場合(例えば、０.８ＭＨ
ｚ)には、インピーダンスによる影響が小さいので、ウ
エハ中央部のバイアス電圧もウエハ外周部のそれと差が
なくなり、ほぼ均等なバイアス電圧分布、言い替える
と、ほぼ均等なイオン入射エネルギ分布となる。

【００１５】また、本発明者らの実験によれば、ほぼ均
一なプラズマ密度分布の状態で、さらにバイアス周波数
を下げ(例えば、０.６ＭＨｚ)、試料台に印加する高周
波電力を上げた場合、図３に示すようにウエハ面内のエ
ッチング速度分布がウエハ中央で大きくなる中高のエッ
チング速度分布となった。言い替えると、このようなバ
イアス周波数の印加は、プラズマ密度分布が外周高の場
合に有効で、このような中高のプラズマ密度分布のとき
にこのように低い周波数のバイアスを印加することによ
り、ほぼ均一なエッチング速度分布の得られることが予
想される。

【００１６】以上、有磁場プラズマにおけるバイアス周
波数の性質を用い、エッチング処理をウエハ面内で均一
に行うために、プラズマの密度分布が真空処理室中で中
央高の場合は、印加する高周波バイアスの周波数を高く
してウエハ上のバイアスを外周高とし、ウエハ外周部の
エッチング速度を向上させるようにする。また、プラズ
マの分布が真空処理室中で均一な場合は、ウエハに印加
する高周波バイアスの周波数を低く(中程度)し、ほぼ均
一なバイアスにしてウエハ全体を均一にエッチングさせ
るようにする。さらに、プラズマの分布が真空処理室中
で外周高の場合は、印加する高周波バイアスの周波数を
さらに低くしパワーも上げてエッチング処理し、ウエハ
中央部のエッチング速度を向上させるようにする。

【００１７】このように本実施例によれば、エッチング
等の処理を行うウエハを保持する試料台に印加する高周
波バイアスの周波数を制御することができるため、真空
処理室中のプラズマ密度分布によって任意にウエハ面内
におけるバイアス電圧によるイオン入射エネルギ分布を
制御することが可能となり、プラズマの分布に対応させ
た高周波バイアスの周波数とすることで、ウエハ面内の
エッチング速度の均一性を向上させることができ、ウエ
ハ面内において均一なエッチング処理を行うことができ
るという効果がある。

【００１８】なお、有磁場マイクロ波プラズマ処理装置
を使用し、商用周波数の高周波電源を用いる場合には、
８００ＫＨｚの電源を用いることにより、試料台のほぼ
全面で均等なバイアス電圧を得ることができる。また、
２ＭＨｚの電源を用いることにより、試料台の外周部で
バイアス電圧が高くなる電圧分布を得ることができる。
さらに、６００ＫＨｚの電源を用いることにより、ウエ
ハ中央部のエッチング速度を向上させることができる。

【００１９】なお、本実施例では有磁場マイクロ波プラ
ズマ処理装置を例に説明したが、プラズマの生成はマイ
クロ波に限定されるものではなく、例えば、誘導コイル
によるものでも良い。

【００２０】また、本実施例では、周波数可変型の高周
波電源を用いているが、周波数の異なる電源を複数台設
け、これらの電源を選択使用するようにしても良い。さ
らに、この変形として、異なるプロセスのエッチング装
置が複数台設けられている場合に、周波数の異なる電源
を複数台設けて電源装置とし、該電源装置を共用しそれ
ぞれの周波数の電源を選択使用するようにしても良い。

【００２１】また、以上のようなバイアス周波数の制御
により、プラズマ中のイオンの入射エネルギを制御する
ことが可能になるので、本実施例は反応性イオンを主体
としてエッチング処理されるゲート膜や酸化膜を被エッ
チング材とする試料に好適である。

【００２２】また、本実施例はエッチング装置について
説明したが、イオンの入射エネルギを利用して膜厚を調
整しながら成膜するＣＶＤ装置にも適用可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、真空処理室中の
プラズマ密度の分布によって、試料台に高周波を印加す
る高周波電源のバイアス周波数を変化させることで、ウ
エハ全体のエッチング速度の分布を均一にすることが可
能となり、ウエハ処理の歩留りを向上させることができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施例を示す縦
断面図である。

【図２】図１の装置を用いて処理したときのプラズマ密
度およびバイアス周波数とエッチング速度との関係を示
す図である。

【図３】図１の装置を用い低い周波数の電源で出力を変
えたときのエッチング速度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１…マグネトロン、２…導波管、３…石英板、４…真空
処理室、５…空洞共振部、６，７…ソレノイドコイル、
８…真空排気装置、９…試料台、１０…ウエハ、１１…
金網窓、１２…高周波電源、１３…ガス供給装置、１４
…モニター、１５…制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者角屋誠浩山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波と磁場の作用を用いてプラズマ
を生成し、該プラズマにより処理される試料を配置する
試料台に高周波電圧を印加し、前記試料をエッチング処
理するプラズマ処理方法において、前記プラズマの密度分布に合わせて前記高周波電圧の周
波数を設定することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】請求項１記載のプラズマ処理方法におい
て、前記プラズマ密度分布が中央部で高い場合は前記高
周波電圧の周波数を高くし、前記プラズマ密度分布が外
周部で高い場合は前記高周波電圧の周波数を低くするこ
とを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】請求項２記載のプラズマ処理方法におい
て、前記高い周波数は２ＭＨｚで、前記低い周波数は６
００ＫＺで、この間で前記プラズマ密度に合わせて前記
周波数を設定することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】試料が配置される試料台に高周波電圧を印
加し、マイクロ波と磁場との作用により生成したプラズ
マを用いて前記試料を処理するプラズマ処理装置におい
て、前記プラズマの密度分布を検出する手段と、該手段によ
り検出したプラズマ密度分布によって前記高周波電源の
周波数を設定する制御手段とを具備したことを特徴とす
るプラズマ処理装置。
【請求項５】請求項４記載のプラズマ処理装置におい
て、前記検出手段が中央部で高いプラズマ密度分布を検
出した場合に前記制御手段は前記高周波電源の周波数を
高くし、前記検出手段が外周部で高いプラズマ密度分布
を検出した場合に前記制御手段は前記高周波電源の周波
数を低くすることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】請求項５記載のプラズマ処理装置におい
て、前記高周波電源は周波数可変電源であることを特徴
とするプラズマ処理装置。
【請求項７】請求項６記載のプラズマ処理装置におい
て、前記高周波電源は少なくとも周波数６００ＫＺから
２ＭＨｚまでの周波数可変域を有した電源であることを
特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】請求項５記載のプラズマ処理装置におい
て、前記高周波電源は周波数の異なる電源からなること
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】内部を減圧可能な真空処理室と、前記真空
処理室内を減圧排気する真空排気手段と、前記真空処理
室内にガスを供給するガス供給手段と、前記真空処理室
内に導入されたガスをプラズマ化するプラズマ発生手段
と、前記真空処理室内に設けられ前記プラズマにより処
理されるウエハを保持する試料台と、前記試料台に保持
される前記ウエハに高周波バイアスを印加する手段とか
ら成るプラズマ処理装置の運転方法において、前記試料
台に印加する高周波のバイアス周波数を、前記プラズマ
の密度分布によって変化させることを特徴とするプラズ
マ処理装置の運転方法。
【請求項１０】請求項９記載のプラズマ処理装置の運転
方法において、前記プラズマ密度の分布が前記真空処理
室中央で高い場合、前記試料台に印加する高周波のバイ
アス周波数を高くすることを特徴とするプラズマ処理装
置の運転方法。
【請求項１１】請求項９記載のプラズマ処理装置の運転
方法において、前記プラズマ密度の分布が前記真空処理
室外周部で高い場合、前記試料台に印加する高周波のバ
イアス周波数を低くすることを特徴とするプラズマ処理
装置の運転方法。
【請求項１２】請求項９記載のプラズマ処理装置の運転
方法において、前記プラズマ密度の分布が前記真空処理
室中央で高い場合、その度合によって前記試料台に印加
する高周波のバイアス周波数を可変的に高くすることを
特徴とするプラズマ処理装置の運転方法。
【請求項１３】請求項９記載のプラズマ処理装置の運転
方法において、前記プラズマ密度の分布が前記真空処理
室外周部で高い場合、その度合によって前記試料台に印
加する高周波のバイアス周波数を可変的に低くすること
を特徴とするプラズマ処理装置の運転方法。
【請求項１４】請求項９記載のプラズマ処理装置の運転
方法において、前記プラズマ密度の分布が前記真空処理
室中央で高い場合、その度合によって試料台に印加する
高周波のバイアスパワーを可変的に高くすることを可能
としたことを特徴とするプラズマ処理装置の運転方法。
【請求項１５】請求項９記載のプラズマ処理装置の運転
方法において、前記プラズマ密度の分布が前記真空処理
室外周部で高い場合、その度合によって前記試料台に印
加する高周波のバイアスパワーを可変的に低くすること
を特徴とするプラズマ処理装置の運転方法。
【請求項１６】有磁場プラズマ処理装置において、中高
のプラズマ密度分布を形成するプラズマ処理室と、該プ
ラズマ処理室内に設けられた試料台に２ＭＨｚの周波数
を出力する高周波電源を接続して成ることを特徴とする
有磁場プラズマ処理装置。
【請求項１７】有磁場プラズマ処理装置において、略均
一なプラズマ密度分布を形成するプラズマ処理室と、該
プラズマ処理室内に設けられた試料台に８００ＫＨｚの
周波数を出力する高周波電源を接続して成ることを特徴
とする有磁場プラズマ処理装置。
【請求項１８】有磁場プラズマ処理装置において、外周
高のプラズマ密度分布を形成するプラズマ処理室と、該
プラズマ処理室内に設けられた試料台に６００ＫＨｚの
周波数を出力する高周波電源を接続して成ることを特徴
とする有磁場プラズマ処理装置。