JP2001144077A

JP2001144077A - プラズマ処理装置及び方法

Info

Publication number: JP2001144077A
Application number: JP32428799A
Authority: JP
Inventors: Keiji Horioka; 啓治堀岡; Yoshio Ishikawa; 吉夫石川
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ中のイオン密度及びイオンエネルギ
ーを個別に変更し得る制御性を向上できるプラズマ処理
装置を提供する。【解決手段】本発明によるプラズマ処理装置としての
エッチング装置１０は、半導体基板１が収容され、プラ
ズマを形成するためのガスが供給されるチャンバ１４
と、このチャンバ１４内に設置され、半導体基板１を支
持するサセプタ１１と、このサセプタ１１に対向して配
置された対向電極１３と、所定範囲の周波数から選択さ
れる任意の周波数を有する高周波電力を出力可能な高周
波電源部４とを備え、高周波電力がサセプタ１１に印加
されることにより、チャンバ１４内にプラズマが形成さ
れることを特徴とする。

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装置及
び方法に関し、詳しくは、被処理基体のエッチング、Ｃ
ＶＤ法又はＰＶＤ法による成膜処理に用いられるプラズ
マ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造におけるエッチン
グや化学気相成長（ＣＶＤ）で使用されるプラズマ処理
装置としては、従来より図１２に示す装置が一般に用い
られてきた。図１２は、従来のプラズマ処理装置の構成
を示す模式断面図である。エッチング装置７０は、反応
室７２を有するチャンバ７４を備えており、このチャン
バ７４は、半導体基板１を支持するサセプタ７１と、接
地された対向電極７３を有している。サセプタ７１には
高周波電源ＲＦ０が接続されている。このエッチング装
置７０では、チャンバ７４内がポンプ７７によって減圧
された後、反応ガスがガス供給系７６から供給され、サ
セプタ７１に高周波電力が印加されて反応室７２内にプ
ラズマが発生し、半導体基板１のエッチングが行われ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、このよ
うな装置の特性について検討した結果、以下のような問
題点を発見した。図１３は、エッチング装置７０におけ
る高周波電源ＲＦ０の出力に対するイオン密度ｎｅ（電
子密度に相当する。以下同様）及びイオンエネルギーＥ
ｉの変化を模式的に示すグラフである。イオン密度（直
線Ｌ０）及びイオンエネルギー（直線Ｌ１）は、高周波
電力の出力の増加とともに増大する傾向にある。一般
に、エッチング速度を上げるにはイオン密度を大きくす
ればよいが、図１３より、イオン密度の高い出力ではイ
オンエネルギーも大きくなる。ところが、イオンエネル
ギーが過大であると、選択比が低下して半導体基板の下
地までスパッタされてしまい、そのスパッタされた物質
がエッチング部の周囲に堆積するおそれがある。また、
この場合には、チャンバ７４の内壁やチャンバ７４内の
部材が消耗してしまうことがある。一方、イオンエネル
ギーが過小であると、アンダーカットやボーイングが発
生したり、エッチング速度が低下する傾向にある。

【０００４】このような困難を解決するために、電子密
度とイオンエネルギーとを独立に制御するための装置
（例えば、米国特許第４４６４２２３号公報、特開平９
−１２９３９７号公報参照）が開発された。図１４は、
従来の他のプラズマ処理装置の構成を示す模式断面図で
ある。エッチング装置８０は、チャンバ８４内に第１電
極８３及び第２電極８９を有している。第１電極８３は
接地されており、サセプタ７１及び第２電極８９には、
それぞれ高周波電源ＲＦ１，ＲＦ２がマッチングネット
ワーク４１，４２を介して接続されている。そして、高
周波電源ＲＦ１，ＲＦ２から異なる周波数の高周波電力
が印加されると、プラズマが形成され、かつ、半導体基
板１のエッチングが行われる。

【０００５】図１５（ａ）は、エッチング装置８０にお
ける高周波電源の出力に対するイオン密度の変化を模式
的に示すグラフであり、図１５（ｂ）は、同高周波電源
ＲＦ２の出力に対するイオンエネルギーの変化を模式的
に示すグラフである。図１５（ａ）及び（ｂ）に示すよ
うに、高周波電源ＲＦ１，ＲＦ２の出力を個別に変化さ
せることによってイオン密度及びエネルギーを独立して
制御することを意図している。

【０００６】また、図１６は、従来の更に他のプラズマ
処理装置の構成を示す断面模式図である。エッチング装
置９０は、導結合型プラズマを用いた装置であり、チャ
ンバ９４内に対向電極９３と誘電体窓９９が配置され、
誘電体窓９９の外周に交流電源ＲＦ３に接続されたコイ
ルアンテナ９８が巻き付けられている。そして、コイル
アンテナに交流電流が印加されて反応室７２内に交番磁
界によるプラズマが形成され、サセプタ７１に高周波電
力が印加されると半導体基板１のエッチングが行われ
る。

【０００７】しかし、エッチング装置８０は、電極を二
つ備え、それらがプラズマに曝されて消耗するので、運
用コストが増大する傾向にあった。また、チャンバ内に
発生する不純物量が多くなり、半導体基板の汚染が発生
し易い傾向にあった。加えて、高周波電源が二系統必要
であり、装置構成が複雑であった。さらに、異なる周波
数の高周波電力が互いに影響を及ぼし、イオン密度及び
エネルギーを十分に独立して制御することが困難な傾向
にあった。また、エッチング装置９０では、反応室内の
温度制御、及び、イオン密度及びエネルギーの十分な独
立制御が困難な傾向にあった。

【０００８】そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなさ
れたものであり、簡易な装置構成で、プラズマ中のイオ
ン密度及びイオンエネルギーを個別に変更し得る制御性
（独立制御性）を向上できるプラズマ処理装置及び方法
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは鋭意研究を重ね、高周波電力の出力、
高周波電力の周波数、プラズマ中のイオン密度及びイオ
ンエネルギーの相互関係を見出し、本発明を完成するに
至った。すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、被処
理基体をプラズマによって処理するものであって、被処
理基体が収容され、プラズマを形成するためのガスが供
給されるチャンバと、チャンバ内に設置され、被処理基
体を支持する支持部と、チャンバ内に設置され、支持部
に対向して配置された対向電極と、所定範囲の周波数か
ら選択される任意の周波数を有する高周波電力を出力可
能な高周波電源部とを備え、高周波電力が支持部及び対
向電極のうち少なくともいずれか一方に印加されること
により、チャンバ内にプラズマが形成されることを特徴
とする。

【００１０】このように構成されたプラズマ処理装置で
は、被処理基体がチャンバ内の支持部に設置され、プラ
ズマを形成するためのガスが供給された後、支持部及び
対向電極のうち少なくといずれか一方、例えば支持部に
高周波電力が印加されると、チャンバ内に主に連続グロ
ー放電によるプラズマが形成される。プラズマ中に生じ
たイオンは、支持部と対向電極との間の電位によって、
被処理基体の表面に入射し、表面の物質と反応して表面
のエッチング等が行われる。

【００１１】また、支持部及び対向電極の極性、及びチ
ャンバに供給されるガスの種類によっては、プラズマ中
に生じたイオンが被処理基体上に堆積する。例えば、対
向電極に高周波電力が印加され、ＣＶＤ（Chemical Vap
or Deposition；化学的気相堆積）用の原料ガスがチャ
ンバに供給される場合には、プラズマ中に生じたイオン
は、被処理基体の表面又は表面上方で反応してその表面
に堆積する。

【００１２】さらに、チャンバが、スパッタリングとい
ったＰＶＤ（Physical Vapor Deposition；物理的気相
堆積）法による成膜等を行うチャンバであり、例えば不
活性ガスをチャンバ内に供給し、対向電極としてスパッ
タターゲットを有する電極に高周波電力を印加した場合
には、プラズマ中で電離されたイオンがターゲットをス
パッタし、スパッタされた物質が被処理基体表面に堆積
していく。

【００１３】ここで、高周波電源部から異なる周波数を
有する高周波電力が支持部及び／又は対向電極に印加さ
れると、プラズマ中の電子及びイオンの状態が以下のよ
うに変化する。すなわち、高周波電力の出力が一定であ
れば、周波数が高いほど、イオン密度は大きくなる一方
で、イオンエネルギーが小さくなる。逆に周波数が低い
ほど、イオン密度は小さくなる一方で、イオンエネルギ
ーが大きくなる。また、高周波電力の出力を高めると、
イオン密度及びエネルギーともに増加する。

【００１４】このとき、イオン密度の増加率は、周波数
が高いほど大きく、イオンエネルギーの増加率は、周波
数が低いほど大きくなる。よって、被処理基体を構成す
る物質の表面処理に適した所望のイオン密度及びイオン
エネルギーが、高周波電力の周波数を変化させることに
より適宜得られる。しかも、従来のような高周波電力の
発生部及び電極を二種類有する複雑な装置構成ではな
く、例えば平行平板電極といった簡易な装置構成によっ
て、イオン密度及びイオンエネルギーの独立性制御性が
高められる。また、従来のような周波数の異なる２つの
高周波電力を印加しないので、高周波電力相互の影響が
ない。よって、イオン密度とイオンエネルギーの制御の
独立性が高められる。また、上記のスパッタリングを行
う場合にも、スパッタされた物質の密度及び被処理基体
への入射衝撃を適宜制御することが可能となる。

【００１５】さらに、支持部及び対向電極のうち少なく
ともいずれか一方と、高周波電源部との間に接続され、
支持部及び対向電極のうち少なくともいずれか一方に出
力される高周波電力の周波数を一定にした状態で、高周
波電源部よりもプラズマ側（ただし、高周波電源部を含
まない）のインピーダンスと、高周波電源部の出力イン
ピーダンスとを整合させるインピーダンス整合部を更に
備えると好ましい。

【００１６】このようにすれば、グロー放電によるプラ
ズマ形成において消費される電力が高められ、放電効率
が増大される。よって、イオンを生成する際のエネルギ
ー効率を向上される。また、高周波電源部よりもプラズ
マ側、すなわちプラズマ（負荷）及びインピーダンス整
合器のインピーダンス（合成値）と、高周波電力を出力
する側である高周波電源部の出力インピーダンスとの不
整合が解消され、高周波電源部の内部回路を保護でき
る。さらに、インピーダンスの整合を行う際に、高周波
電力の周波数が一定に保持されるので、被処理基体のプ
ラズマ処理に最適な周波数を確実に維持しつつ、放電効
率が低下するおそれを十分に低減できる。

【００１７】またさらに、インピーダンス整合部は、支
持部及び対向電極のうち少なくともいずれか一方に接続
され、支持部及び対向電極のうち少なくともいずれか一
方から反射される高周波成分を検知する反射波検知部
と、反射波検知部及び高周波電源部に接続され、反射波
検知部から出力される高周波成分の強度及び位相に基づ
いて自己インピーダンスを変化させるインピーダンス可
変部とを有するものであるとより好ましい。

【００１８】このようにすれば、インピーダンス整合部
がプラズマ側から反射される高周波成分を検知すること
により、高周波電源部よりもプラズマ側と、高周波電源
部の出力インピーダンスとの不整合の度合いが把握され
る。そして、反射波の強度及び位相に基づいて、自己イ
ンピーダンスを変化させることにより、高周波電源部よ
りもプラズマ側全体のインピーダンスを変化させてイン
ピーダンスの整合をとることができる。よって、高周波
電力の周波数を変化させるような高周波電源部へのフィ
ードバックが行われないので、高周波電力の周波数が好
適な値に維持される。

【００１９】またさらに、チャンバの周囲に配置され、
チャンバ内に磁場を誘導する磁場形成部を更に備えると
一層好ましい。この磁場形成部によりチャンバ内に磁場
が誘導されると、プラズマを形成するための放電効率が
一層高められ、エッチング、成膜等のプラズマ処理の速
度が向上される。さらにまた、高周波電源部は、１〜５
０ＭＨｚの範囲から選択される任意の周波数を有する高
周波電力を出力するものであると好適である。この周波
数が１ＭＨｚ未満であると、十分なイオン密度が得られ
難い傾向にある。一方、上記周波数が５０ＭＨｚを超え
ると、十分なイオンエネルギーを得難くなる傾向にあ
る。

【００２０】また、本発明のプラズマ処理方法は、被処
理基体をプラズマによって処理する方法であって、本発
明のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理に好適な方
法である。すなわち、支持部及び対向電極を有するチャ
ンバ内に被処理基体を収容し、支持部に被処理基体を設
置する第１の工程と、チャンバ内に所定のガスを供給す
る第２の工程と、第１の周波数を有する第１の高周波電
力の印加によってチャンバ内に形成されたプラズマによ
り被処理基体を処理する第３の工程と、第１の周波数と
異なる第２の周波数を有する第２の高周波電力の印加に
よってチャンバ内に形成されたプラズマにより被処理基
体を処理する第４の工程とを備えることを特徴とする。

【００２１】このようなプラズマ処理方法によれば、被
処理基体を構成する各層（膜）のエッチング、被処理基
体上への成膜等に際して、各層又は膜質に適したイオン
密度及びイオンエネルギーが発現される周波数を有する
高周波電力を用いてプラズマが形成される。この場合、
まず、ある層の構成物質又は膜質に適した第１の周波数
を有する第１の高周波電力を印加し、その層のエッチン
グ、又は、成膜の一部を行う。次に、別の層の構成物
質、又は、残りの成膜に適した第２の周波数を有する第
２の高周波電力を印加して、その別の層のエッチング、
又は、残りの成膜を行う。こうすることにより、被処理
基体の連続処理を良好にかつ高速で行うことができる。

【００２２】さらに、第１の工程においては、被処理基
体として、複数の物質が積層された半導体基板を用い、
上記物質が下記式（１）；Ｅａ（ｉ）＞Ｅａ（ｊ） …（１）（式中、Ｅａは、上記物質とプラズマ中で生成されるイ
オンとの反応の活性化エネルギーを示し、添字ｉ及びｊ
は物質を識別するための記号である。）、で表される関
係を満たすときに、第３の工程における第１の周波数と
第４の工程における第２の周波数とが下記式（２）；Ｆ（ｉ）＜Ｆ（ｊ） …（２）（式中、Ｆ（ｉ）は、第１又は第２の周波数のうちいず
れか一方の周波数を示し、Ｆ（ｊ）は他方の周波数を示
し、添字ｉ及びｊは上記式（１）に示すものと同一であ
る。）、で表される関係を満たすように、第１及び第２
の高周波電力をチャンバに印加すると好ましい。

【００２３】プラズマ中で生成された活性種であるイオ
ンにより被処理基体の表層をエッチングしたり除去する
といったプラズマ処理の場合、その表層を構成する物質
及び上記イオンによる反応の活性化エネルギー以上の運
動エネルギーが、活性種に付与されると、その反応が進
行する。よって、式（１）で表される活性化エネルギー
の大小に基づいて、式（２）で表される関係を満たすよ
うな第１の周波数及び第２の周波数を有する高周波電力
によりプラズマを形成することにより、被処理基体を構
成する各層毎のエッチング反応を制御することができ、
選択比の高い連続処理が可能となる。

【００２４】具体的には、活性化エネルギーが相対的に
小さい物質に対しては、相対的に高い周波数の高周波電
力を用いてイオンエネルギーを必要な程度に小さく抑
え、より大きな活性化エネルギーが必要な物質の反応を
抑制する。こうすれば、エッチングの選択比を高め得る
とともに、チャンバ内の他の部材をスパッタしたりエッ
チングしてしまうおそれを低減できる。また、複数層か
ら成る被処理基体の場合には、高周波電力の周波数を各
層に好適な周波数へと順次変化させたり、又は、ひとつ
の層の処理において、時間的に周波数を変化させて処理
速度を調節することもできる。

【００２５】またさらに、第３及び第４の工程の工程
が、高周波電力の周波数を一定とした状態で、高周波電
力の印加によってプラズマが形成された側のインピーダ
ンスと、高周波電力を出力する側の出力インピーダンス
とを整合させる第５の工程を備えるとより好ましい。こ
うすれば、イオンエネルギー及びイオン密度を所望の値
に維持しつつ、プラズマを形成するための放電効率の低
下を十分に低減できる。さらにまた、第３及び第４の工
程の工程が、チャンバ内に磁場を誘導する第６の工程を
備えると特に好ましい。このようにすると、プラズマを
形成するための放電効率が一層高められ、処理速度が更
に向上される。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の要素には
同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【００２７】図１は、本発明によるプラズマ処理装置の
第１実施形態の構成を模式的に示す断面図である。図１
に示すプラズマ処理装置としてのエッチング装置１０
は、エッチングが行われる反応室１２を有するチャンバ
１４を備えたものである。このチャンバ１４は、半導体
基板１（被処理基体）を支持するサセプタ１１（支持
部）と、サセプタ１１に対向して設置された対向電極１
３とを有している。サセプタ１１は、導電性の部分を有
しており、この導電性の部分には、インピーダンス整合
器２（インピーダンス整合部）及び高周波電源部４がこ
の順に接続されている。高周波電源部４及び対向電極１
３は、同一電位にある接地電位に接続されている。ま
た、高周波電源部４は、所定範囲の周波数から適宜選択
される任意の周波数を有する高周波電力を発生するもの
であり、インピーダンス整合器２を通してサセプタ１１
へ印加される高周波電力の周波数を連続的又は段階的に
変化させることが可能である。

【００２８】図１８（ａ）〜（ｃ）は、高周波電源部４
の構成例を示す概略ブロック図である。図１８（ａ）に
示す高周波電源部４は、接地され且つ高周波の基本波形
信号を発生する高周波発生部ＲＡに増幅部３Ａが接続さ
れたものであり、増幅された高周波電力が増幅部３Ａか
らインピーダンス整合器２へ出力される。高周波発生部
ＲＡは、任意の周波数の基本波信号を発生することが可
能である。一方、図１８（ｂ）に示す高周波電源部４
は、接地され且つ所定周波数の高周波電力を発生する高
周波電源ＲＢに周波数インバータ３Ｂが接続されたもの
である。周波数インバータ３Ｂは、高周波電源ＲＢから
出力される高周波電力を任意の周波数に変換するもので
ある。

【００２９】他方、図１８（ｃ）に示す高周波電源部４
は、それぞれ接地され、互いに異なる周波数の高周波電
力を出力することが可能な複数の高周波電源ＲＣ１，Ｒ
Ｃｉ，ＲＣｎ（ただし、ｎは２以上の整数を示し、ｉ≠
１である。以下同様）を有するものである。各高周波電
源ＲＣ１，ＲＣｉ，ＲＣｎは、高周波切替部３Ｃに接続
されており、高周波電源ＲＣ１，ＲＣｉ，ＲＣｎのうち
一つが適宜選択されてその電源からの高周波出力がイン
ピーダンス整合器２へ出力される。このとき、他の電源
は電気的に切断される。

【００３０】また、チャンバ１４には、反応ガス供給系
１６から配管１５ａを通して供給されるプラズマ形成用
のガスをチャンバ１４内に導入するための供給口１４ａ
が設けられている。さらに、チャンバ１４には、反応室
１２内の減圧を行うための真空ポンプ１７に配管１５ｂ
を介して接続された排気口１４ｂが設けられている。

【００３１】このように構成されたエッチング装置１０
によってエッチングを行う場合には、まず、半導体基板
１がサセプタ１１上に載置され、その後、真空ポンプ１
７によりチャンバ１４内が減圧される。反応室１２が所
定の真空度になると、反応ガス供給系１６からチャンバ
１４内にガスが導入される。次に、反応室１２内の真空
度がほぼ一定となった後、サセプタ１１に高周波電力が
印加される。反応室１２内には交番電界が発生し、サセ
プタ１１と対向電極１３との間に連続グロー放電による
プラズマが形成される。そして、反応ガスの解離によっ
て生じた活性種であるイオンが、サセプタ１１と対向電
極１３との間に印加された電位により半導体基板１側に
引き込まれ、半導体基板１表面のエッチングが行われ
る。

【００３２】図２（ａ）及び（ｂ）は、エッチング装置
１０において、サセプタ１１に印加される高周波電力の
周波数をパラメータにして、高周波電源部４の出力と、
プラズマ中に生成するイオンの密度及び半導体基板１に
達するイオンのエネルギー（運動エネルギー）との関係
を模式的に示すグラフである。図２（ａ）は、高周波電
力の周波数を３段階（例えば、２ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、
３０ＭＨｚ）とし、高周波電源部４の出力を変化させた
ときの各周波数におけるイオン密度ｎｅの変化を示し、
図２（ｂ）は、同じくイオンエネルギーＥｉの変化を示
すものである。なお、図中のａ．ｕ．は任意単位である
ことを示す（以下同様）。また、図２（ａ）中の直線Ｌ
ｈ１，Ｌｍ１，Ｌｌ１は、それぞれ周波数２，１０，３
０ＭＨｚに対応し、図２（ｂ）中の直線Ｌｈ２，Ｌｍ
２，Ｌｌ２も、それぞれ周波数２，１０，３０ＭＨｚに
対応する。

【００３３】図２（ａ）より、高周波電源部４の出力が
一定であれば、サセプタ１１に印加される高周波電力の
周波数が高いほどイオン密度は大きくなる傾向にある。
一方、高周波電力の周波数が低いほどイオン密度は小さ
くなる傾向にある。言い換えると、周波数が高いほど、
高周波電源部４の出力に対するイオン密度の増加率が大
きくなる傾向にある。これに対し、図２（ｂ）より、高
周波電源部４の出力が一定であれば、サセプタ１１に印
加される高周波電力の周波数が高いほどイオンエネルギ
ーは小さくなる傾向にある。一方、高周波電力の周波数
が低いほどイオンエネルギーは大きくなる傾向にある。
すなわち、イオン密度の場合とは逆に、高周波電力の周
波数が低いほど、高周波電源部４の出力に対するイオン
エネルギーの増加率が大きい傾向にある。

【００３４】ここで、サセプタ１１へ印加される高周波
電力の周波数の範囲は、特に限定されるものでないが、
１〜５０ＭＨｚであると好ましい。この周波数が１ＭＨ
ｚ未満であると、プラズマ中で十分なイオン密度が得ら
れ難い傾向にある。一方、上記周波数が５０ＭＨｚを超
えると、十分なイオンエネルギーを得難くなる傾向にあ
る。

【００３５】以上のような特性により、エッチング装置
１０では、サセプタ１１へ印加される高周波電力の周
波数、高周波電源部４の出力、を適宜選択することに
より、所望のイオン密度及びイオンエネルギーが得られ
る。すなわち、上記及びは独立な変数パラメータで
あるので、イオン密度及びイオンエネルギーを独立に選
択できる。

【００３６】また、インピーダンス整合器２は、高周波
電源部４よりもプラズマ（厳密にはグロー放電部）側、
すなわち、プラズマ（負荷）のインピーダンスとインピ
ーダンス整合器２のインピーダンスとの合成インピーダ
ンスと、高周波電源部４の出力インピーダンス（例え
ば、図１８（ａ）に示す高周波発生部ＲＡと増幅部３Ａ
との合成インピーダンス）との整合をとるためのもので
ある。一般に、高周波電力の周波数が固定された装置の
インピーダンス整合においては、固定された周波数に適
合するように決められた回路定数（マッチング定数）を
有するマッチングネットワークが用いられる。なかに
は、プラズマの変動によりプラズマ側（負荷側）のイン
ピーダンスが変化した場合に、高周波電力の周波数を微
調整（例えば１ＭＨｚ程度の範囲内）して、インピーダ
ンスの整合を行う装置もある。

【００３７】しかし、エッチング装置１０のように、周
波数のダイナミックレンジ（例えば、１〜５０ＭＨｚ）
が大きい場合には、従来の方法及び装置では十分なイン
ピーダンス整合がとれず、グロー放電で消費される電力
が低下して十分なプラズマ形成ができなかったり、高周
波電源部４の内部回路の保護が十分ではないおそれがあ
る。

【００３８】これに対し、図１に示すインピーダンス整
合器２は、高周波電源部４から出力される高周波電力の
周波数が変更された場合に、サセプタ１１から反射され
る高周波成分を検知するモニター機能を有している。図
１７は、図１に示すインピーダンス整合器２の構成の一
例を示す概略ブロック図である。インピーダンス整合器
２は、サセプタ１１に接続された反射波検知回路２６
（反射波検知部）と、反射波検知回路２６に接続されて
おり、容量及びコイルインダクタンスが可変であるイン
ピーダンス整合回路２７（インピーダンス可変部）とを
備えるものである。また、インピーダンス整合回路２７
は高周波電源部４及び接地電位に接続されている。

【００３９】このように構成されたインピーダンス整合
器２では、サセプタ１１に高周波電力が印加されたとき
に、サセプタ１１から反射される高周波成分が反射波検
知回路２６に入射し、その強度及び位相が検知される。
反射波検知回路２６は、インピーダンス整合回路２７に
フィードバックをかけて、インピーダンス整合回路２７
の自己インピーダンスを変化させる。このとき、反射波
検知回路２６は、反射波（高周波成分）のモニタを行い
ながら、反射波の強度（具体的には波高値又は実効電力
値等）が極小となったときに、インピーダンス整合回路
２７のインピーダンスを固定する。これにより、サセプ
タ１１へ出力される高周波電力の周波数を一定に保った
状態で、プラズマ及びインピーダンス整合器２の合成イ
ンピーダンスの共役を、高周波電源部４の出力インピー
ダンス（例えば、図１８（ａ）に示す構成の高周波電源
部４の場合、高周波発生部ＲＡ及び増幅部３Ａの合成イ
ンピーダンス）にほぼ整合させる。

【００４０】以上のように構成されたエッチング装置１
０を用いた本発明によるプラズマ処理方法の好適な実施
形態について、図１及び図３〜図６を参照して説明す
る。

【００４１】図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるプラ
ズマ処理方法の第１実施形態によって半導体基板のエッ
チングを行っている状態を模式的に示す工程図である。
この場合には、まず、図３（ａ）に示す半導体基板１０
０（被処理基体）を、図１に示すチャンバ１４内に収容
し、サセプタ１１上に設置する（第１の工程）。この半
導体基板１００は、Ｓｉ層１０１の一部の上にＳｉＯ₂
層が積層されており、それらＳｉ層１０１及びＳｉＯ₂
層１０２上にＳｉＮ膜１０３が形成され、ＳｉＮ膜１０
３の上にＳｉＯ₂膜１０４が形成され、ＳｉＯ₂膜１０４
の上にレジスト１０５が所定のパターンで形成されたも
のである。

【００４２】次に、図１に示す真空ポンプ１７により反
応室１２内を減圧した後、反応室１２が所定の真空度と
なったら、反応ガス供給系１６から反応室１２内にエッ
チング用の反応ガスを導入する（第２の工程）。次い
で、反応室１２内の真空度がほぼ一定となった後、サセ
プタ１１に高周波電力を印加して反応室１２内にグロー
放電によるプラズマを形成させる。こうすると、反応ガ
スの解離によって生じたイオンが、サセプタ１１と対向
電極１３との間の電位によって半導体基板１側に引き込
まれ、半導体基板１００のエッチングが行われる。

【００４３】このとき、まず、所定の第１の周波数を有
する第１の高周波電力をサセプタ１１に印加してチャン
バ１４内にプラズマを形成し、このプラズマにより半導
体基板１００のエッチング処理を行う（第３の工程）。
高周波電源部４が例えば図１８（ａ）に示す構成であれ
ば、比較的高い周波数（第１の周波数）の基本波信号を
高周波発生部ＲＡで発生させ、この基本波形信号を増幅
部３Ａで増幅して第１の高周波電力が得られる。

【００４４】この第１の高周波電力により、所定の膜の
エッチングが終了した後、第１の周波数と異なる第２の
周波数を有する第２の高周波電力をサセプタ１１へ印加
してチャンバ１４内にプラズマを形成し、半導体基板１
００の他の膜のエッチング処理を行う（第４の工程）。
この場合、第１の周波数よりも低い周波数（第２の周波
数）を有する基本波形信号を高周波発生部ＲＡで発生さ
せ、これを増幅部３Ａで増幅して第２の高周波電力を得
る。

【００４５】更に他の膜のエッチングを行う場合には、
第２の周波数と異なる周波数の基本波形信号を高周波発
生部ＲＡで発生させ、これを増幅部３Ａで増幅して更に
異なる周波数を有する高周波電力をサセプタ１１へ順次
印加する。このようなステップを連続して行うことによ
り、半導体基板１００の連続エッチングを実施する。な
お、反応ガスとして、膜毎に適したガスを使用すること
ができ、この場合、エッチングの順序に応じて、チャン
バ１４内の減圧と反応ガスの供給を行って反応ガスを入
れ替える。

【００４６】また、高周波電源部４が図１８（ｂ）に示
す構成であれば、周波数インバータ３Ｂにより、高周波
電源ＲＢから出力される高周波電力の周波数を、第１の
周波数、第２の周波数、更に異なる周波数へと適宜変換
することができる。さらに、高周波電源部４が図１８
（ｃ）に示す構成であれば、異なる周波数を有する高周
波電力を出力する高周波電源ＲＣ１，ＲＣｉ，ＲＣｎを
適宜切り換えて使用することができる。

【００４７】ここで、図３（ａ）〜（ｃ）に示すエッチ
ングの順序は、次の通りである。まず、（ａ）反応ガス
としてＣＦ系ガス（例えば、Ｃ₄Ｈ₈＋ＣＯ）を用いてＳ
ｉＯ ₂膜１０４のエッチングを行ってホール１０６を形
成し、次に、（ｂ）反応ガスをＣＨＦ系ガス（例えば、
ＣＨ₂Ｆ₂＋Ｏ₂）と入れ替えてホール１０６底壁部のＳ
ｉＮ膜１０３ａをエッチングし、最後に、（ｃ）反応ガ
スをＯ₂を主成分とするガスに入れ替えてレジスト１０
５を剥離する。これらの（ａ）〜（ｃ）の各ステップで
は、サセプタ１１に印加する高周波電力の周波数を、エ
ッチング及び剥離の対象であるＳｉＯ₂、ＳｉＮ及びレ
ジストと、プラズマ中で生成されるイオンとの反応の活
性化エネルギーに基づいて順次変化させる。

【００４８】例を挙げると、シリコン酸化膜系（ＳｉＯ
₂等）は、結合が強固であって大きなイオンエネルギー
を必要とするので、比較的低周波数を用い、かつ、処理
速度を上げるために出力を大きくすると望ましい。ま
た、いわゆるシリコン膜系（ＳｉＮ、多結晶シリコン
等）及び金属膜（Ａｌ等）は、ハロゲンを含むイオンと
の反応性がシリコン酸化膜系より高いので、イオンエネ
ルギーはより小さくてよい。よって、より高い周波数を
有する高周波電力を用いることができ、この場合、出力
を高めなくともイオン密度を増大できる。さらに、レジ
ストの剥離やクリーニングを行う場合には、異方性の成
分は殆どの場合必要なく、かつ、高速処理が望まれる。
よって、更に高い周波数の高周波電力を用い、イオン密
度を一層高めて迅速な処理を行う。この場合、イオンエ
ネルギーが十分に低く抑えられ、部材の消耗を十分に低
減することができる。

【００４９】より具体的には、半導体基板１００を構成
する物質とプラズマ中のイオンとの反応の活性化エネル
ギーが下記式（１）；Ｅａ（ｉ）＞Ｅａ（ｊ） …（１）（式中、Ｅａは、上記反応の活性化エネルギーを示し、
添字ｉ及びｊは物質を識別するための記号である。）、
で表される関係を満たすときに、第３の工程における第
１の周波数と第４の工程における第２の周波数とが下記
式（２）；Ｆ（ｉ）＜Ｆ（ｊ） …（２）（式中、Ｆ（ｉ）は、第１又は第２の周波数のうちいず
れか一方の周波数を示し、Ｆ（ｊ）は他方の周波数を示
し、添字ｉ及びｊは上記式（１）に示すものと同一であ
る。）、で表される関係を満たすように、第１及び第２
の高周波電力をチャンバに印加する。

【００５０】半導体基板１００のエッチング対象である
ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、レジストの場合には、上記式（１）
に示す関係は、下記式（３）に示すようになる。Ｅ（ＳｉＯ₂）＞Ｅ（ＳｉＮ）＞Ｅ（レジスト） …（３）したがって、これらの各物質から成る膜のエッチングに
際して印加される高周波電力は、下記式（４）に示す関
係を満たすようにする。Ｆ（ＳｉＯ₂）＜Ｆ（ＳｉＮ）＜Ｆ（レジスト） …（４）

【００５１】すなわち、（ａ）のステップ（第３の工
程）では、比較的低周波数であるＦ（ＳｉＯ₂）、例え
ば１〜１５ＭＨｚ（第１の周波数）を有する高周波電力
（第１の高周波電力）を用いて高イオンエネルギー（カ
ソードシースの降下電圧として、例えば３００〜７００
Ｖ）とし、出力を例えば２ｋＷとしてＳｉＯ₂膜１０４
の高速エッチングを可能とする。この場合、反応ガスの
種類をＳｉＯ₂に適したものを用いることも相俟って、
ＳｉＮ膜１０３に対するＳｉＯ₂膜１０４の選択比が高
められる。よって、ＳｉＮ膜１０３に対するエッチング
ダメージを低減できる（図３（ａ）参照）。また、高イ
オンエネルギーなので極めて異方性の高いエッチングが
可能となり、レジスト１０５下のＳｉＯ₂膜１０４のア
ンダーカットやボーイングの発生を抑制できる。

【００５２】次に、（ｂ）のステップ（第４の工程）で
は、比較的高周波数であるＦ（ＳｉＮ）、例えば２５〜
３０ＭＨｚ（第２の周波数）を有する高周波電力（第２
の高周波電力）を用いて低イオンエネルギー（カソード
シースの降下電圧として、例えば１０〜１００Ｖ）でＳ
ｉＮ膜１０３のエッチングを行う。このとき、高周波電
源部４の出力を、例えば、５００Ｗ程度とすれば、十分
なイオン密度が得られる。ここで、ＳｉＮ膜１０３の下
層であるＳｉ層１０１のエッチングには、比較的低周波
数（例えば、１５〜２５ＭＨｚ）の高周波電力が適して
いる。また、同じく下層のＳｉＯ₂層１０２のエッチン
グには、上述の如く高イオンエネルギーが必要である。
よって、Ｓｉ層１０１及びＳｉＯ₂層１０２に対するＳ
ｉＮ膜１０３の選択比が高められる。よって、Ｓｉ層１
０１及びＳｉＯ₂層１０２のエッチングダメージを十分
に低減できる（図３（ｂ）参照）。

【００５３】次いで、（ｃ）のステップ（第４の工程）
では、更に高周波数のＦ（レジスト）、例えば３５〜５
０ＭＨｚ（第２の周波数）を有する高周波電力（第２の
高周波電力）用いることにより、極端に低イオンエネル
ギー（極めて０に近い値）でレジストを剥離することが
できる。したがって、ＳｉＯ₂膜１０４にダメージを与
えるおそれが殆どない（図３（ｃ）参照）。このような
周波数では、異方性成分が殆ど無視でき、ほぼ等方性成
分のみとなり、かつ、イオン密度が十分に高められる。
よって、処理速度を格段に向上させることが可能とな
る。

【００５４】また、図３（ａ）〜（ｃ）に示す各ステッ
プ（第３の工程、第４の工程）では、サセプタ１１に印
加する高周波電力の周波数を一定にした状態で、第１又
は第２の高周波電力の印加によってプラズマが形成され
た側のインピーダンス、すなわち、インピーダンス整合
器２及びプラズマ（負荷）と、高周波電力を出力する高
周波電源部４の出力インピーダンスとの整合を、上述し
たインピーダンス整合器２によって行う（第５の工
程）。

【００５５】以上のように構成されたエッチング装置１
０、及び、それを用いたプラズマ処理方法によれば、高
周波電力の周波数を変化させることにより、プラズマ中
のイオン密度及びイオンエネルギーを個別に変更し得る
独立制御性を向上させることができる。よって、エッチ
ング処理の対象物質とイオンとの反応性に応じた所望の
周波数を有する高周波電力を適宜選択することにより、
選択比を高めてエッチングダメージを十分に低減でき
る。また、このようなイオンの制御が、対向して設置さ
れた一対の電極（サセプタ１１及び対向電極１３）、す
なわち平行平板電極といった極めて簡易な構成で達成で
きるので、消耗部品の低減及び設備費の軽減によりコス
トの削減を図ることができる。

【００５６】また、消耗部品から発生する不純物が低減
されるので、半導体基板の汚染を抑制できる。さらに、
高周波電源部４から出力される高周波電力の周波数を連
続的又は段階的に随時変更できるので、積層体から成る
半導体基板の高速な連続エッチングが可能となる。した
がって、プラズマ処理の効率を格段に向上させることが
できる。またさらに、高周波電力の周波数が変化した場
合に、インピーダンス整合器２によって、プラズマが形
成された側のインピーダンスと、高周波電力を出力する
側の出力インピーダンスとの整合がフィードバック制御
によってリアルタイムで行われ得る。よって、放電効率
の低下が抑制されてプラズマを良好な状態に維持でき
る。しかも、高周波電力の周波数を一定に保持した状態
でインピーダンス整合を行うので、イオンエネルギー及
びイオン密度が変動することなく、好適なプラズマ処理
を良好に維持できる。

【００５７】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるプラ
ズマ処理方法の第２実施形態によって半導体基板のエッ
チングを行っている状態を模式的に示す工程図である。
本実施形態のエッチング処理は、半導体基板１００を図
３（ａ）〜（ｃ）とは異なる手順でエッチングするもの
である。すなわち、図４（ａ）に示すステップでは、図
３（ａ）に示すのと同様に、周波数Ｆ（ＳｉＯ₂）、例
えば１〜１５ＭＨｚの高周波電力を出力２ｋＷで用い、
高イオンエネルギーでＳｉＯ₂膜１０４の高速エッチン
グを行う。

【００５８】次に、図４（ｂ）に示すステップでは、周
波数Ｆ（レジスト）、例えば３５〜５０ＭＨｚの高周波
電力を用いて、極めて低イオンエネルギーでレジストを
剥離する。こうして、ＳｉＯ₂膜１０４及びＳｉＮ膜１
０３に対するレジスト１０５の選択比を高め、ＳｉＯ₂
膜１０４及びＳｉＮ膜１０３にエッチングダメージを殆
ど与えることなくレジストを剥離できる。次いで、図４
（ｃ）に示すステップでは、周波数Ｆ（ＳｉＮ）、例え
ば２５〜３０ＭＨｚの高周波電力を出力５００Ｗで用
い、低イオンエネルギーでＳｉＮ膜１０３のエッチング
を行う。このような一連の手順を連続して行うことによ
り、選択比が高められてエッチングダメージが極めて少
ない良好なエッチング処理を、高い処理速度で実施する
ことが可能となる。

【００５９】図５は、本発明によるプラズマ処理方法の
第３実施形態によって半導体基板のエッチングを行って
いる途中の状態を示す模式断面図である。図５に示す半
導体基板１１０（被処理基体）は、Ｓｉ層１１１上にゲ
ート部１１６が形成されており、このゲート部１１６を
被覆するようにＳｉＮ膜１１３が成膜され、ＳｉＮ膜１
１３上にＳｉＯ₂膜１１４が被覆され、ＳｉＯ₂膜１１４
上にレジスト１１５が形成されたものである。この場合
には、まず、ＣＦ系の反応ガスを用い、比較的低周波数
である上述したＦ（ＳｉＯ₂）、例えば１〜１５ＭＨｚ
の高周波電力を用いて高イオンエネルギーでＳｉＯ₂膜
１１４の高速エッチングを行い、図５に示す状態を得
る。このとき、ＳｉＮ膜１１３に対するＳｉＯ₂膜１１
４の選択比が高められるので、ＳｉＮ膜１１３のオーバ
ーエッチング、及び、レジスト１１５下のＳｉＯ₂膜１
１４のアンダーカットを十分に抑制できる。

【００６０】次に、反応ガスをＣＨＦ系ガスに入れ替
え、比較的高周波数である上述したＦ（ＳｉＮ）、例え
ば２５〜３０ＭＨｚの高周波電力を用いて低イオンエネ
ルギーでＳｉＮ膜１１３のエッチングを行う。その後、
反応ガスをＯ₂を主成分とするガスに入れ替えて、更に
高周波数である上述したＦ（レジスト）、例えば３５〜
５０ＭＨｚの高周波電力を用いて更に低イオンエネルギ
ーでレジストを剥離する。この場合にも、図３及び図４
に示したエッチング処理と同様に、選択比が高められて
エッチングダメージが極めて少ない良好なエッチング処
理を、高い処理速度で実施することが可能となる。

【００６１】図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明によるプラ
ズマ処理方法の第４実施形態によって半導体基板のエッ
チングを行っている状態を模式的に示す工程図である。
本実施形態におけるエッチング処理は、半導体基板１２
０のエッチングによりゲートの加工を行うものである。
半導体基板１２０は、Ｓｉ層１２１の上に多結晶シリコ
ン（ポリシリコン；以下、「ｐ−Ｓｉ」と記す）膜１２
２が成膜され、その上にＳｉＯ₂膜１２３が成膜されて
おり、ＳｉＯ₂膜１２３上の所定の部分にレジスト１２
４が形成されたものである（図６（ａ）参照）。

【００６２】この場合のエッチング手順としては、ま
ず、（ａ）ＳｉＯ₂膜１２３をエッチングし（図６
（ｂ）参照）、次に（ｂ）レジストを剥離した後（図６
（ｃ）参照）、（ｃ）ｐ−Ｓｉ膜１２２をエッチングす
る（図６（ｄ）参照）。このとき、ＳｉＯ₂、レジス
ト、ｐ−Ｓｉとプラズマ中のイオンとの反応の活性化エ
ネルギーに基づいて、使用する高周波電力の周波数を変
化させる。本実施形態においては、先述の式（１）に示
す関係は、下記式（５）に示すようになる。Ｅ（ＳｉＯ₂）＞Ｅ（ｐ−Ｓｉ）＞Ｅ（レジスト） …（５）したがって、各物質から成る膜に対して印加する高周波
電力は、先述の式（２）に従い、下記式（６）に示す関
係を満たすようにする。Ｆ（ＳｉＯ₂）＜Ｆ（ｐ−Ｓｉ）＜Ｆ（レジスト） …（６）

【００６３】すなわち、図６（ｂ）に示すステップで
は、比較的低周波数であるＦ（ＳｉＯ ₂）、例えば１〜
１５ＭＨｚの高周波電力を用いて高イオンエネルギーで
ＳｉＯ₂膜１２３のエッチングを行う。次に、図６
（ｃ）に示すステップでは、より高周波数であるＦ（レ
ジスト）、例えば３５〜５０ＭＨｚの高周波電力を用い
て、極めて低イオンエネルギーでレジストを剥離する。
そして、図６（ｄ）に示すステップでは、Ｆ（Ｓｉ
Ｏ₂）とＦ（レジスト）との中間の周波数であるＦ（ｐ
−Ｓｉ）、例えば２５〜３０ＭＨｚの高周波電力を用
い、言わば中間のイオンエネルギーでｐ−Ｓｉ膜１２２
のエッチングを行ってゲートを形成させる。

【００６４】こうすると、Ｓｉ層１２１及びＳｉＯ₂膜
１２３に対するｐ−Ｓｉ膜１２２の選択比が高めら、Ｓ
ｉ層１２１及びＳｉＯ₂膜１２３にエッチングダメージ
を殆ど与えない。また、異方性のあるエッチングが可能
となるので、図６（ｄ）に示すＳｉＯ₂膜（層）１２３
下のｐ−Ｓｉ膜１２２にアンダーカットやボーイングが
発生することを抑制できる。このように、本実施形態に
よれば、選択比が高められてエッチングダメージが極め
て少ない良好なエッチング処理を行えるので、ゲートを
良好に形成できる。また、高速な連続エッチングが可能
となるので、ゲート加工の処理効率を格段に向上させる
ことができる。

【００６５】図７は、本発明によるプラズマ処理装置の
第２実施形態の構成を模式的に示す断面図である。ま
た、図８は、図７に示すプラズマ処理装置の斜視図（一
部断面）である。プラズマ処理装置としてのエッチング
装置２０は、図１に示すエッチング装置１０に、更にソ
レノイドコイルといったコイル電磁石２４ａ，２４ｂ，
２５ａ，２５ｂ（磁場形成部）が設けられたものであ
る。図８に示すように、チャンバ１４は、密閉蓋２２で
覆われる開口部２３を有する筐体２１内に設けられてい
る。コイル電磁石２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂは、
筐体２１の外面に設置されており、それぞれ図示しない
電源に接続されている。なお、コイル電磁石は、２４ａ
及び２４ｂ、並びに、２５ａ及び２５ｂが、それぞれ対
になっている。

【００６６】このように構成されたエッチング装置２０
では、チャンバ１４内に、反応室１２に配置された半導
体基板１面と平行な磁場が誘導される。このとき、電源
が直流電源であれば直流磁場となり、電源が交流電源で
あれば交流磁場となって反応室１２内に交番磁界が発生
する。このような磁界が反応室１２内に発生すると、高
周波電源ＲＦからの高周波電力の印加によるグロー放電
の効率が高められ、プラズマの形成が促進される。ま
た、形成されたプラズマの閉じ込め性が向上されて、プ
ラズマが良好に維持される。その結果、エッチング等の
プラズマ処理の処理速度を向上させることができる。

【００６７】次に、このエッチング装置２０を用いたエ
ッチング処理方法（プラズマ処理方法）の一例について
説明する。上記の如く、磁場の導入によってエッチング
速度を向上させることができるが、チャージダメージが
起こり易くなるおそれがある。このチャージダメージ
は、エッチングにおける全行程で生じるよりは、むしろ
エッチングが終了する間際、すなわちオーバーエッチン
グが心配される時点で顕著となる傾向にある。

【００６８】そこで、エッチング装置２０を用いたエッ
チング処理では、例えば、半導体基板上の所定膜のエッ
チングにおける工程初期から工程終了間際まで、反応室
１２内にコイル電磁石２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ
による磁場を誘導しつつ（第６の工程）、サセプタ１１
に高周波電力を印加して（第３の工程、第４の工程）エ
ッチングを行う。そして、その膜厚が当初の例えば１／
１０の厚さとなった時点で、コイル電磁石２４ａ，２４
ｂ，２５ａ，２５ｂへの電力供給を止めて磁場の誘導を
なくし、その状態で高周波電力を印加し続けて残りの膜
のエッチングを行う。

【００６９】一例として、図６（ｃ）に示すｐ−Ｓｉ膜
１２２をエッチングするステップでは、周波数２５〜３
０ＭＨｚ（出力５００Ｗ）の高周波電力を印加すると同
時に、図７に示す反応室１２内に、例えば５〜１０ｍＴ
（５０〜１００Ｇ）の磁束密度の直流磁場を誘導する。
そして、ｐ−Ｓｉ膜１２２のエッチングが終了する間際
に、この磁場の誘導を停止する。こうすれば、図６
（ｄ）に示すＳｉ層１２１のオーバーエッチングを十分
に抑制しつつ、ｐ−Ｓｉ膜１２２のエッチング速度を一
層向上させることができる。このような磁場の制御を、
エッチング対象の各膜に対して実施することにより、オ
ーバーエッチングが十分に防止できる連続エッチングを
行うことができる。したがって、良好なエッチングを行
いつつ、エッチングの処理速度を一層向上させることが
可能となる。また、高周波電力の周波数を変化させるこ
とに加えて磁場を誘導することによって、より広い範囲
でイオンエネルギーの制御が可能となる。

【００７０】図９は、本発明によるプラズマ処理装置の
第３実施形態の構成を模式的に示す断面図である。図９
に示すプラズマ処理装置としてのＣＶＤ装置３０は、サ
セプタ１１と、サセプタ１１に対向して設置された対向
電極３３とを有するチャンバ３４を備えたものである。
チャンバ３４には、半導体基板１上にＣＶＤ法による成
膜を行うための反応室３２が設けられている。また、対
向電極３３には、インピーダンス整合器２を介して対向
電極３３に高周波電力を印加するための高周波電源部４
が接続されている。この高周波電源部４及びサセプタ１
１は、同一電位にある接地電位に接続されている。

【００７１】このように構成されたＣＶＤ装置３０を用
い、ＣＶＤ法による半導体基板１上への成膜を行うに
は、まず、半導体基板１を、チャンバ３４内に設置し
（第１の工程）、チャンバ３４内を減圧して所定の真空
度とした後、チャンバ３４内に反応ガス供給系３６から
成膜材料である原料ガスを供給する（第２の工程）。そ
して、反応室３２内を所定の真空度（原料ガス分圧）と
し、対向電極３３に所定の周波数を有する高周波電力を
印加して反応室３２内にプラズマを形成させる。こうす
ることにより、原料ガスが電離又は解離して生じたイオ
ンが、半導体基板１の表面又はその上方の気相で反応し
て半導体基板１上へ堆積していき、成膜が行われる。

【００７２】このとき、高周波電源部４が例えば図１８
（ａ）に示す構成であれば、成膜の初期には、比較的高
周波数（第１の周波数）の基本波信号を高周波発生部Ｒ
Ａで発生させ、この基本波形信号を増幅部３Ａで増幅し
て得られる第１の高周波電力を対向電極３３に印加して
プラズマを形成する（第３の工程）。これにより、プラ
ズマ中のイオン密度が高められるので、半導体基板１上
への物質の堆積量が増大され、成膜速度が高められる。
そして、成膜の最終段階（ステップ）では、第１の周波
数よりも低い周波数（第２の周波数）を有する基本波形
信号を高周波発生部ＲＡで発生させ、これを増幅部３Ａ
で増幅して得られる第２の高周波電力を対向電極３３に
印加してプラズマを形成する（第４の工程）。こうする
と、プラズマ中のイオンのエネルギーが増大されるの
で、既に成膜された部分へのイオンの入射衝撃が、それ
までに比して大きくなる。その結果、半導体基板１に対
するカバレッジ（被覆性）及び膜の緻密性が向上され、
膜質の改善を図ることができる。

【００７３】このように、ＣＶＤ装置３０及びそれを用
いた成膜方法によれば、高周波電力の周波数を適宜変化
させることにより、ＣＶＤ法による半導体基板１上への
成膜において、プラズマ中で原料ガスから生成されるイ
オンの密度とエネルギーを個別に独立して制御できる。
したがって、成膜される膜質の改善を確実かつ簡易に実
施することが可能となる。しかも、成膜速度の向上が図
られるので、処理効率を高めることができる。なお、本
実施形態における高周波数から低周波数への変換（第３
の工程から第４の工程）は、高周波電力を対向電極３３
へ印加した状態で行い、周波数の変更を行いながらイン
ピーダンスの整合を実施する（第５の工程）と、周波数
を変更する間に放電効率が低下することを抑制でき、プ
ラズマを良好に維持できるので好適である。

【００７４】図１０は、本発明によるプラズマ処理装置
の第４実施形態の構成を模式的に示す断面図である。図
１０に示すプラズマ処理装置としてのスパッタリング装
置４０は、サセプタ１１と、サセプタ１１に対向して設
置されたターゲット電極４３（対向電極）とを有するチ
ャンバ４４を備えるものである。チャンバ４４には、半
導体基板１上に高周波スパッタリングによる成膜を行う
ための反応室４２が設けられている。また、ターゲット
電極４３は、導電性を有する電極部にスパッタターゲッ
トとしてのＳｉＯ₂が設けられたものであり、ＳｉＯ₂
が半導体基板１に対向するように設置されている。この
ターゲット電極４３の電極部には、インピーダンス整合
器２及び高周波電源部４がこの順に接続されており、高
周波電源部４及びサセプタ１１は、同一電位にある接地
電位に接続されている。また、チャンバ４４にはプラズ
マを形成するためのＡｒガス等の不活性ガスを導入する
ためのガス導入系（図示せず）が接続されている。

【００７５】このスパッタリング装置４０を用いた本発
明によるプラズマ処理方法の一例について、図１１
（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。図１１（ａ）及
び（ｂ）は、本発明によるプラズマ処理方法の第５実施
形態によって半導体基板上への成膜を行っている状態を
模式的に示す工程図である。図１１（ａ）に示す半導体
基板１３０は、トレンチ又は接続孔が加工されたＳｉ層
１３１から成っている。この場合、まず、半導体基板１
をサセプタ１１上に載置し（第１の工程）、チャンバ４
４内を減圧して所定の真空度とした後、チャンバ１４内
にＡｒガスを供給する（第２の工程）。反応室４２内が
所定の真空度となった後、図１０に示すターゲット電極
４３に、所定の周波数を有する高周波電力を印加してプ
ラズマを形成させる。プラズマ中に生成したＡｒイオン
は、ターゲット電極４３のＳｉＯ₂をスパッタし、スパ
ッタされたＳｉＯ₂が半導体基板１３０に堆積してい
き、ＳｉＯ₂膜を成膜させる。

【００７６】高周波電力の周波数としては、まず、例え
ば２５〜３０ＭＨｚ（第１の周波数）を有する第１の高
周波電力を印加することによりプラズマを形成させる
（第３の工程）。こうすると、プラズマ中に生成される
Ａｒイオンの密度は、高周波電力の周波数が数ＭＨｚ程
度の場合に比して高められ、スパッタされるＳｉＯ₂の
量が比較的多くなってＳｉＯ₂膜１３２が高速で成膜さ
れていく。この場合、ＳｉＯ₂膜のうちＳｉ層１３１に
形成されたトレンチ上方に成膜される部分には、シーム
が発生した溝部１３３ａが形成されることがある（図１
１（ａ）参照）。

【００７７】次に、高周波電源部４から出力される高周
波電力の周波数を、例えば、１〜１５ＭＨｚ（第２の周
波数）の範囲に低下させ、この第２の周波数を有する第
２の高周波電力によりプラズマを形成させる（第４の工
程）。こうすることにより、Ａｒイオンのイオンエネル
ギーが高められ、スパッタされて半導体基板１３０近傍
に到達するＳｉＯ₂の運動エネルギーが高められる。そ
の結果、スパッタにおける異方性の成分が多くなり、溝
部１３３ａのシーム近傍の鋭い溝が緻密に埋められ、傾
斜の緩やかな溝部１３３ｂを形成させるといった膜質の
改善を図ることができる。

【００７８】このように構成されたスパッタリング装置
４０及びそれを用いた成膜方法によれば、高周波電源部
４から出力される高周波電力の周波数を適宜選択するこ
とにより、スパッタリングといったＰＶＤ法による半導
体基板１，１３０上への成膜において、ターゲット電極
４３のスパッタターゲットをスパッタするイオンの密度
とエネルギーを個別に変更し得る制御性を向上できる。
その結果、スパッタされた物質の堆積速度や入射衝撃を
制御して膜質の改善を図ることが確実かつ簡易に実施で
きる。しかも、成膜速度の向上が図られるので、処理効
率を高めることができる。なお、本実施形態における高
周波数から低周波数への変更は、高周波電力を出力した
状態で行い、周波数の変更を行いながらインピーダンス
の整合を実施する（第５の工程）と、周波数変換の間に
放電効率が低下することを抑制でき、プラズマを良好に
維持できるので好適である。

【００７９】なお、上述したエッチング装置２０は、チ
ャンバ内に磁場を誘導するためにコイル電磁石２４ａ，
２４ｂ，２５ａ，２５ｂを用いているが、永久磁石を用
いてもよい。また、本発明のエッチング装置１０，２０
をエッチング処理におけるドライクリーニング工程に用
いてもよい。この場合、エッチング工程を比較的低周波
数で行い、ドライクリーニング工程では、高周波数の高
周波電力を用いる。こうすれば、クリーニングガスの解
離効率が高められてクリーニングの効率が向上されると
ともに、クリーニングガスのプラズマに曝される電極、
チャンバ内の他の部品等に対するイオンの衝撃エネルギ
ーを十分に低下させることができる。よって、クリーニ
ングにおける部材の消耗を抑制できる。

【００８０】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のプラズマ処
理装置及び方法によれば、プラズマ中のイオン密度及び
イオンエネルギーを個別に変更し得る独立制御性を向上
させることができるので、エッチングにおける各膜の選
択比が高められてエッチングダメージを十分に低減でき
る。また、高速なエッチングが可能であり、半導体基板
といった被処理基体の処理速度を向上させることができ
るので、プラズマ処理された被処理基体の生産性を格段
に向上させることができる。さらに、ＣＶＤ法、ＰＶＤ
法等による成膜処理においても、プラズマ中のイオン密
度及びイオンエネルギーを個別に独立して制御できるの
で、膜質の改善を図りつつ、処理効率を向上させること
ができる。またさらに、本発明のプラズマ処理装置は、
プラズマに曝される部品点数が従来に比して削減される
ので、それらの部品から発生する生成物による被処理基
体の汚染を低減できる。またさらに、プラズマによる部
品の消耗を低減でき、かつ、装置構成が簡略なので、コ
ストを削減できて経済性を向上させることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ処理装置の第１実施形態
の構成を模式的に示す断面図である。

【図２】図１に示すエッチング装置において、サセプタ
に印加される高周波電力の周波数をパラメータにして、
高周波電源の出力と、プラズマ中に生成するイオンの密
度及び半導体基板に達するイオンのエネルギーとの関係
を模式的に示すグラフである。

【図３】本発明によるプラズマ処理方法の第１実施形態
によって半導体基板のエッチングを行っている状態を模
式的に示す工程図である。

【図４】本発明によるプラズマ処理方法の第２実施形態
によって半導体基板のエッチングを行っている状態を模
式的に示す工程図である。

【図５】本発明によるプラズマ処理方法の第３実施形態
によって半導体基板のエッチングを行っている途中の状
態を示す模式断面図である。

【図６】本発明によるプラズマ処理方法の第４実施形態
によって半導体基板のエッチングを行っている状態を模
式的に示す工程図である。

【図７】本発明によるプラズマ処理装置の第２実施形態
の構成を模式的に示す断面図である。

【図８】図７に示すプラズマ処理装置の斜視図（一部断
面）である。

【図９】本発明によるプラズマ処理装置の第３実施形態
の構成を模式的に示す断面図である。

【図１０】本発明によるプラズマ処理装置の第４実施形
態の構成を模式的に示す断面図である。

【図１１】本発明によるプラズマ処理方法の第５実施形
態によって半導体基板上への成膜を行っている状態を模
式的に示す工程図である。

【図１２】従来のプラズマ処理装置の構成を示す模式断
面図である。

【図１３】図１２に示す従来のプラズマ処理装置におけ
る高周波電源の出力に対するイオン密度及びイオンエネ
ルギーの変化を模式的に示すグラフである。

【図１４】従来の他のプラズマ処理装置の構成を示す模
式断面図である。

【図１５】従来の他のプラズマ装置における高周波電源
の出力に対するイオン密度及びイオンエネルギーの変化
を模式的に示すグラフである。

【図１６】従来の更に他のプラズマ処理装置の構成を示
す断面模式図である。

【図１７】図１に示すインピーダンス整合器の構成の一
例を示す概略ブロック図である。

【図１８】本発明のプラズマ処理装置を構成する高周波
電源部の構成例を示す概略ブロック図である。

【符号の説明】

１，１００，１１０，１２０，１３０…半導体基板（被
処理基体）、２…インピーダンス整合器（インピーダン
ス整合部）、４…高周波電源部、１０，２０…エッチン
グ装置（プラズマ処理装置）、１１…サセプタ（支持
部）、１３，３３…対向電極、１４，３４，４４…チャ
ンバ、２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ…コイル電磁石
（磁場形成部）、２６…反射波検知回路（反射波検知
部）、２７…インピーダンス整合回路（インピーダンス
可変部）、３０…ＣＶＤ装置（プラズマ処理装置）、４
０…スパッタリング装置（プラズマ処理装置）、４３…
ターゲット電極（対向電極）、Ｅｉ…イオンエネルギ
ー、ｎｅ…イオン密度。

フロントページの続き (72)発明者堀岡啓治千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内 (72)発明者石川吉夫千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内Ｆターム(参考） 5F004 AA05 AA06 AA16 BA20 BB11 BC08 DA00 DA15 DA27 DB02 DB03 DB07 DB26 DB27 EA28 EB01 EB02 5F045 AA08 BB09 BB16 DP03 EH14 EH16 EH19 GB08 GB20 5F103 AA08 BB09 BB60 NN10 RR02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基体をプラズマによって処理する
プラズマ処理装置であって、被処理基体が収容され、前記プラズマを形成するための
ガスが供給されるチャンバと、前記チャンバ内に設置され、前記被処理基体を支持する
支持部と、前記チャンバ内に設置され、前記支持部に対向して配置
された対向電極と、所定範囲の周波数から選択される任意の周波数を有する
高周波電力を出力可能な高周波電源部と、を備え、前記高周波電力が前記支持部及び前記対向電極のうち少
なくともいずれか一方に印加されることにより、前記チ
ャンバ内にプラズマが形成される、ことを特徴とするプ
ラズマ処理装置。
【請求項２】前記支持部及び前記対向電極のうち少な
くともいずれか一方と、前記高周波電源部との間に接続
され、前記支持部及び前記対向電極のうち少なくともい
ずれか一方に出力される前記高周波電力の周波数を一定
にした状態で、前記高周波電源部よりも前記プラズマ側
のインピーダンスと、前記高周波電源部の出力インピー
ダンスとを整合させるインピーダンス整合部を更に備え
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】前記インピーダンス整合部は、前記支持部及び前記対向電極のうち少なくともいずれか
一方に接続され、該支持部及び該対向電極のうち少なく
ともいずれか一方から反射される高周波成分を検知する
反射波検知部と、前記反射波検知部及び前記高周波電源部に接続され、前
記反射波検知部から出力される前記高周波成分の強度及
び位相に基づいて自己インピーダンスを変化させるイン
ピーダンス可変部と、を有するものであることを特徴と
する請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記チャンバの周囲に配置され、該チャ
ンバ内に磁場を誘導する磁場形成部を更に備えることを
特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズ
マ処理装置。
【請求項５】前記高周波電源部は、１〜５０ＭＨｚの
範囲の周波数から選択される任意の周波数を有する高周
波電力を出力するものであることを特徴とする請求項１
〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】被処理基体をプラズマによって処理する
プラズマ処理方法であって、支持部及び対向電極を有するチャンバ内に前記被処理基
体を収容し、前記支持部に該被処理基体を設置する第１
の工程と、前記チャンバ内に所定のガスを供給する第２の工程と、第１の周波数を有する第１の高周波電力の印加によって
前記チャンバ内に形成されたプラズマにより前記被処理
基体を処理する第３の工程と、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の
高周波電力の印加によって前記チャンバ内に形成された
プラズマにより前記被処理基体を処理する第４の工程
と、を備えることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】前記第１の工程においては、前記被処理
基体として、複数の物質が積層された半導体基板を用
い、前記物質が下記式（１）；Ｅａ（ｉ）＞Ｅａ（ｊ） …（１）（式中、Ｅａは、前記物質とプラズマ中で生成されるイ
オンとの反応の活性化エネルギーを示し、添字ｉ及びｊ
は前記物質を識別するための記号である。）で表される
関係を満たすときに、前記第３の工程における前記第１
の周波数と前記第４の工程における前記第２の周波数と
が下記式（２）；Ｆ（ｉ）＜Ｆ（ｊ） …（２）（式中、Ｆ（ｉ）は、前記第１又は前記第２の周波数の
うちいずれか一方の周波数を示し、Ｆ（ｊ）は他方の周
波数を示し、添字ｉ及びｊは上記式（１）に示すものと
同一である。）で表される関係を満たすように、前記第
１及び第２の高周波電力を前記チャンバに印加する、こ
とを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理方法。
【請求項８】前記第３及び第４の工程の工程は、前記高周波電力の周波数を一定とした状態で、前記高周
波電力の印加によって前記プラズマが形成された側のイ
ンピーダンスと、前記高周波電力を出力する側の出力イ
ンピーダンスとを整合させる第５の工程を備える、こと
を特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマ処理方
法。
【請求項９】前記第３及び第４の工程は、前記チャン
バ内に磁場を誘導する第６の工程を備えることを特徴と
する請求項６〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理
方法。