JPH07254588A

JPH07254588A - プラズマ表面処理装置

Info

Publication number: JPH07254588A
Application number: JP7156594A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Shimonishi; 聡下西; Makoto Sekine; 誠関根
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-03-16
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 1995-10-03

Abstract

(57)【要約】【目的】均一性なプラズマ表面処理を行なえるプラズマ
表面処理装置を提供すること。【構成】プラズマにより被処理基体３の表面を処理する
ところの真空容器１と、この真空容器１の上壁を形成す
る上部電極７と、真空容器１内に設けられ、被処理基体
３を載置する下部電極２と、下部電極２に接続した高周
波電源５と、被処理基体３を囲むように配置されたＥ側
の円弧状電極３４ａおよびＷ側の円弧状電極３４ｂから
なり、Ｅ側の円弧状電極３４ａの電位よりも、Ｗ側の円
弧状電極３４ｂの電位が高い電子密度制御用電極とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマエッチング装
置やプラズマＣＶＤ装置等のプラズマを利用したプラズ
マ表面処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュ−タ−や通信機器の重要
部分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達
成するようにむすびつけ、１チップ上に集積化して形成
した大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されている。この
ため、機器全体の性能は、ＬＳＩ単体の性能と大きく結
び付いている。

【０００３】ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を高める
こと、つまり、素子の微細化により実現できる。このた
め、従来より種々の微細加工技術が開発されているが、
その一つにマグネトロンＲＩＥ（Reactive Ion Etchin
g）がある。

【０００４】図１１は、従来のマグネトロンＲＩＥ装置
の概略構成を示す模式図である。

【０００５】図中、８１は真空容器を示しており、この
真空容器８１の上壁は上部電極８２となっている。この
上部電極８２の下方には被処理基体８３の支持台の役割
を兼ねる下部電極８４が対向配置されている。この下部
電極８４はマッチング回路８５を介して高周波電源８６
に接続され、上部電極８２と下部電極８４との間に電界
８７を形成できるようになっている。

【０００６】真空容器８１の外部上方には回転可能なマ
グネット８８が設けられている。これによって真空容器
８１内のプラズマ８９に磁界が与えられ、電子がプラズ
マ８９中に閉じ込められ、プラズマ密度が高くなる。

【０００７】このようにマグネトロンＲＩＥ装置は、通
常のＲＩＥ装置に比べて、プラズマ密度を高くできるの
で、エッチング速度を高めることができる。更に、イオ
ンの方向性を高めたり、あるいは中性種と被エッチング
膜との反応（等方性の反応）を抑制する目的でガス圧力
を下げた場合においても、ダメージや選択比を低下させ
る原因となるイオンエネルギを十分に低く保つことがで
きる。

【０００８】しかし、従来のマグネトロンＲＩＥ装置に
は以下のような問題があった。

【０００９】プラズマの形成に磁界を使用しているため
に、プラズマと接する被処理基体の表面に生じる電界Ｅ
と磁界Ｂとの外積（以下、Ｅ×Ｂと記す）によって、電
子にドリフトが生じる。この電子のドリフトによって、
磁界ＢのＮ−Ｓ方向を軸として、その左右でプラズマ密
度の非対称が生じ、エッチング速度が不均一になるとい
う問題があった。

【００１０】また、エッチング速度の不均一を改善する
目的でマグネットを回転すると、ある程度の均一性を得
ることは可能であるが不十分である。また、プラズマ密
度自体は均一化されないため、プラズマ密度の不均一に
よって自己バイアス電圧が不均一になる。このため、例
えば、被処理基体に素子が形成されていると、素子が電
気的なダメージを受けるという問題が生じる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のマ
グネトロンＲＩＥ装置にあっては、電子のＥ×Ｂドリフ
トにより、磁界のＮ−Ｓ方向を軸として、その左右でプ
ラズマ密度の非対称が生じ、エッチング速度が不均一に
なるという問題があった。

【００１２】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、均一なプラズマ表面処
理（例えば、エッチング、成膜）を行なえるプラズマ表
面処理装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のプラズマ表面処理装置は、被処理基体が
収容される処理室と、前記処理室内に電場を形成する電
場形成手段と、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成
手段と、前記被処理基体の表面プラズマ処理に供するガ
スを前記処理室内に導入するガス導入手段と、複数の電
極からなり、これら複数の電極の電位が、前記被処理基
体の表面に生じる電場と前記磁場との外積の方向に向か
って、全体として高くなっている電極とを備えた構成に
なっている。

【００１４】

【作用】本発明によれば、電極が設けられており、この
電極を構成する複数の電極の電位が、電場と磁場との外
積の方向（電子のＥ×Ｂドリフト方向と反対方向）に向
かって、全体として高くなっているため、従来よりも電
子密度の均一性が高くなり、これに伴ってプラズマ密度
の均一性が高くなるので、均一なプラズマ処理を行なえ
るようになる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００１６】図１は、本発明の第１の実施例に係るプラ
ズマ表面処理装置の概略構成を示す模式図である。ま
た、図２は、図１のプラズマ表面処理装置を被処理基体
の上からみた模式図である。

【００１７】図中、１は真空容器を示しており、この真
空容器１の上壁は上部電極７となっている。この上部電
極７の下方には、被処理基体３の支持台の役割を兼ねる
下部電極２が対向配置されている。この下部電極２はマ
ッチング回路９を介して高周波電源５（周波数１３．５
６ＭＨｚ）に接続され、上部電極７と下部電極２との間
に電界を形成できるようになっている。なお、上部電極
７、下部電極２に個々に高周波あるいは直流電力を供給
するようにしても良い。

【００１８】被処理基体３の周囲には、電子密度制御電
極としての二つに分割されたリング状電極、つまり、二
つの円弧状電極３４ａ，３４ｂが設けられ、これら円弧
状電極３４ａ，３４ｂは、それぞれ、ＲＦフィルタ３２
ａ，３２ｂを介して、直流電源３１ａ，３１ｂに接続し
ている。すなわち、円弧状電極３４ａ，３４ｂの電位を
独立に制御できるようになっている。

【００１９】真空容器１の周囲には、回転可能なダイポ
ールリングマグネット８が設けられており、これによっ
て真空容器１内のプラズマ中に磁場が形成され、電子が
プラズマ中に閉じ込められる。プラズマの形成は、上部
電極７と下部電極２との間に形成される電界によって、
ガス導入口４から真空容器１内に導入される反応性ガス
を放電することにより行なわれる。また、真空容器１の
下部に排気口６が設けられている。

【００２０】ダイポールリングマグネット８は、図３
（ａ）に示すように、円柱状の真空容器１を同心円状に
囲むように配設された１６個の磁石要素３０（図３
（ｂ））からなり、磁石方向３５の方向に着磁された磁
石要素３０からθだけ中心軸の回りに回転した位置にあ
る磁石要素は磁界方向３５に対して２θだけ回転した方
向３５′に着磁されており、磁石要素３０から１８０度
の位置にある磁石要素は再び磁界方向３５を向くように
環状に配列されている。

【００２１】図４にダイポールリングマグネット８によ
って形成された真空容器１内の磁界分布を示す。この図
４に示すように、ダイポールリングマグネット８の内部
中心付近における中心の強度に対する磁界強度の差が２
０％未満、また、中心における磁界方向に対して、ｘ−
ｙ平面内の磁界方向の傾きが±７°以内、ｘ−ｚ平面内
の磁界方向の傾きは±９°以内という均一な磁界が得ら
れることが分かる。

【００２２】また、本実施例では、ダイポールリングマ
グネット８により形成される磁場の磁力線Ｂと被処理基
体３とのなす角度が平行となるように設置されており、
被処理基体３に垂直な軸を中心としてダイポールリング
マグネット８を被処理基体３に対して相対的に回転させ
ることが可能となっている。

【００２３】このように構成されたプラズマ表面装置の
Ｅ側の円弧状電極３４ａに−４０Ｖの直流バイアス電
圧、Ｗ側の円弧状電極３４ｂに−１５Ｖの直流バイアス
電圧を印加し、以下の放電条件でプラズマを生成して、
エッチングを行なってみたところ、エッチング速度の均
一性が改善されたことを確認した。

【００２４】放電条件ガス流量：ＨＢｒ…１５０ｃｃ／ｍｉｎ．：０₂…４ｃｃ／ｍｉｎ．圧力 …１００ｍＴｏｒｒ電極温度 …４０℃ 高周波電力 …４．１Ｗ／ｃｍ² 具体的には、円弧状電極３４ａ，３４ｂがない、つま
り、図９に示すリング状電極９０を有するプラズマ表面
処理装置の場合には、８インチウェハ面内におけるＳｉ
Ｏ₂（被処理基体）のエッチング速度の不均一性は±２
０％であったが、本実施例の場合には、±５％以内に抑
えることができた。

【００２５】このような良好な結果が得られた要因は、
本実施例の場合、Ｅ側の円弧状電極３４ａの電位に対し
て、Ｗ側の円弧状電極３４ｂの電位が相対的に正になる
ように直流バイアス電圧を印加したからである。

【００２６】すなわち、円弧状電極３４ａ，３４ｂによ
る電界の変化によって、Ｗ側の電子密度の増加が抑制さ
れ、一方、Ｅ側の電子密度が高く維持され、これによ
り、ウェハ上においてＷ側の電子密度およびＥ側の電子
密度が均一になり、この電子密度の均一化に伴ってプラ
ズマ密度の均一性が改善されたからである。そして、プ
ラズマ密度の均一性が改善されると、ウェハ面内におけ
るＤＣバイアスが均一化され、エッチング速度の均一性
が高くなる。

【００２７】また、本実施例によれば、エッチング速度
の均一性向上の効果の他に、プラズマ密度の均一化によ
って、被処理基体３の静電ダメージを少なくできるとい
う効果も得られる。

【００２８】また、被処理基体上の電子密度が他の領域
のそれよりも高くなるように、直流バイアス電圧や円弧
状電極の大きさを選ぶことにより、高密度プラズマを形
成でき、これにより、気相でのガスの分解や、反応が進
むため、膜質の改善も図ることができるようになる。

【００２９】ここでは、電子密度（プラズマ密度）を均
一化する場合について説明したが、本実施例によれば、
二つの円弧状電極３４ａ，３４ｂの電位を独立に制御で
きるので、意図的に電子密度に勾配を生じさせることも
できる。

【００３０】また、本実施例では、二つの円弧状電極３
４ａ，３４ｂに負の直流バイアス電圧を印加したが、正
の直流バイアス電圧を印加して、意図的にプラズマ密度
を低くすることで、処理速度を遅くすることもできる。

【００３１】また、本実施例によれば、二つの円弧状電
極３４ａ，３４ｂに印加する電位により、プラズマ密
度、つまり、プラズマの電位（プラズマポテンシャル）
を低くできる。これにより、真空容器内壁とプラズマと
の電位差を小さく保つことができ、処理中における真空
容器内壁等のスパッタリングを防止できる。このため、
真空容器内壁からの汚染が好ましくないプロセスにおい
て、汚染の少ない処理を行なえるようになる。

【００３２】また、本実施例では、直流バイアス電圧を
用いたが、交流バイアス電圧を用いても良い。周波数
は、処理に応じて１００ｋＨｚから１００ＭＨｚまでの
広い範囲にわたって選択可能である。

【００３３】以下、本発明の他の実施例について説明す
る。なお、以下の図において、前出した図と同一符号
（添字が異なるものを含む）は同一部分または相当部分
を示し、詳細な説明は省略する。

【００３４】図５は、本発明の第２の実施例に係るプラ
ズマ表面処理装置を被処理基体の上からみた模式図であ
る。

【００３５】本実施例が第１の実施例と異なる点は、被
処理基体３から離れたところに円弧状電極３４ａ，３４
ｂを設けたことにある。図５にはチェンバ内壁の近傍に
設けた図が示されているが、チェンバ内壁に埋め込んだ
構造にしても良い。

【００３６】本実施例でも、二つの円弧状電極３４ａ，
３４ｂの電位を独立に制御できるので、第１の実施例と
同様な効果が得られる。

【００３７】図６は、本発明の第３の実施例に係るプラ
ズマ表面処理装置を被処理基体の上からみた模式図であ
る。

【００３８】本実施例の特徴は、一方の円弧状電極３４
ａが第１の実施例と同様に被処理基体３の近傍に受けら
れ、他方の円弧状電極３４ｂが第２の実施例と同様に被
処理基体３から離れたところに設けられていることにあ
る。

【００３９】このような構成でも、二つの円弧状電極３
４ａ，３４ｂの電位を独立に制御できるので、第１の実
施例と同様な効果が得られる。

【００４０】図７は、本発明の第４の実施例に係るプラ
ズマ表面処理装置を被処理基体の上からみた模式図であ
る。

【００４１】本実施例が第１〜第３の実施例と異なる点
は、円弧状電極の数を多くしたことにある。図７には円
弧状電極を４つに分割した場合の図が示されている。す
なわち、円弧状電極３４ａ〜３４ｄは、それぞれ、ＲＦ
フィルタ３２ａ〜３２ｄを介して、直流電源３１ａ〜３
１ｄに接続されている。

【００４２】円弧状電極３４ａ〜３４ｄには、例えば、
以下のような直流バイアス電圧を印加する。

【００４３】まず、磁極のＥ側半分に位置する円弧状電
極３４ａに印加する直流バイアス電圧に対して、最もＷ
側に位置する円弧状電極３４ｄに印加する直流バイアス
電圧が相対的に正になるようにする。

【００４４】これにより、円弧状電極３４ａからプラズ
マへの電子の供給が容易に行なわれるとともに、被処理
基体３上でのＥ×Ｂドリフトによって集められた電子が
溜められるＷ側において、プラズマから円弧状電極３４
ｄへ電子が流れ込み易くなる。

【００４５】また、円弧状電極３４ａと円弧状電極３４
ｄとの間に位置する二つの円弧状電極３４ｂ，３４ｃに
は、円弧状電極３４ａに印加する直流バイアス電圧と円
弧状電極３４ｄのそれとの中間レベルの直流バイアス電
圧を印加する。

【００４６】これにより、第１〜第３の実施例に比べ
て、電子密度の勾配をより精密に制御できるようにな
る。

【００４７】なお、本実施例では、円弧状電極３４ａを
一番大きく、円弧状電極３４ｂ〜３４ｄを同サイズとし
た。その理由は、低電位の電極（Ｅ側）の面積が高電位
の電極（Ｗ側）の面積より大きい場合は、電子のプラズ
マへの供給をＥ側において効率良く達成できるからであ
る。しかし、円弧状電極３４ａ〜３４ｃの大きさは、適
宜変更可能である。

【００４８】図８は、本発明の第５の実施例に係るプラ
ズマ表面処理装置を被処理基体の上からみた模式図であ
る。

【００４９】本実施例が第１〜第４の実施例と異なる点
は、電子密度制御電極として、複数の円弧状電極の代わ
りに、複数の長方体状電極３４ｅ，３４ｆを用いたこと
にある。

【００５０】長方体状電極３４ｅ〜３４ｈには、例え
ば、以下のような直流バイアス電圧を印加する。

【００５１】Ｅ側に位置する二つの長方体状電極３４ｅ
に−４０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、一方、Ｗ側に
位置する二つの長方体状電極３４ｆに−１５Ｖの直流バ
イアス電圧する。

【００５２】これにより、Ｅ側における電子密度を高く
維持できるとともに、Ｗ側において電子が溜まるのを防
止できるようになる。

【００５３】図１０は、本発明の他の実施例に係るプラ
ズマ表面処理装置を被処理基体の上からみた模式図であ
る。

【００５４】本装置は、二つの円弧状電極３４ａ，３４
ｂを短絡した例である。この装置によれば円弧状電極３
４ａの電位と、円弧状電極３４ｂのそれとが等しくな
り、従来の装置に比べて、電子密度の均一性が向上す
る。

【００５５】このようなプラズマ表面処理装置でも、電
子密度の均一性が改善され、均一なプラズマ処理を行な
えるようになる。

【００５６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、電子密度制
御電極を構成する複数の電極の形状として、円弧状、長
方体状を選んだが、他の形状であっても良い。

【００５７】また、上記実施例では、電子密度制御電極
を構成する複数の電極が全て同じ導電性材料で形成され
たものと想定したが、異なる材料で形成しても良い。

【００５８】例えば、第１の実施例のプラズマ表面処理
装置において、Ｅ側の円弧状電極３４ａの電極材料とし
て、電子の放出確率が高い導電性物質であるＰｔ，Ｗ，
Ｓｎ，Ｔａを用いることにより、より効果的にＥ側のプ
ラズマ密度を高く保つことができるようになる。

【００５９】また、入射するイオンにより電子密度制御
電極がスパッタされ、その材料が被処理基体を汚染する
のを防ぐ目的で、スパッタリングされにくいカーボンあ
るいはタングステン、モリブデン等の金属や炭化珪素
や、シリコン等の半導体あるいはまた導電性セラミック
ス、例えば、ボロンナイトライド等の電極材料を用いて
も良い。

【００６０】また、電極材料は、金属に限定されず、例
えば、ＳｉＣ、多結晶シリコン、あるいはドープされた
Ｓｉなど一般に半導体と呼ばれているような材料を用い
ても良い。

【００６１】また、処理内容（成膜、エッチング等）に
よって電極材料を適宜選択することにより、成膜速度
や、選択性や、加工精度の均一性の更なる向上を図れる
ようになる。また、プラズマ密度の均一性もより良好に
なり、被処理基体の静電ダメージを最小限に抑えること
ができるようになる。

【００６２】また、上記実施例では、真空容器内に磁界
を形成する磁場形成手段として、ダイポールリングマグ
ネットを用いたが、処理内容等に応じて適宜他の磁場形
成手段、例えば、電磁石を用いても良い。なお、磁界強
度は、各プロセスに応じて異なるが、数ガウス以上が好
ましい。

【００６３】また、より高密度のプラズマ形成を目的と
して、磁界強度の大きい磁場形成手段を用いれば、より
均一なプラズマの形成が可能であり、処理速度の高速化
を図ることができる。

【００６４】なお、上記実施例では、高周波電力の周波
数として１３．５６ＭＨｚを選んだが、エッチングする
材料に応じて、例えば、高めのイオンエネルギが必要な
酸化膜系の材料のエッチング場合には、１００ｋＨｚか
ら１ＭＨｚ程度の比較的低い周波数が有効である。

【００６５】一方、燐を添加した多結晶シリコン、ある
いはアルミニウム合金等のように下地基板に対して選択
性が要求され、比較的低いイオンエネルギが要求される
場合には、２０ＭＨｚから数１００ＭＨｚ程度の高い周
波数が有効である。

【００６６】いずれの場合においても、磁界強度との組
み合わせにより、加工に適したイオンエネルギ、プラズ
マ密度、その他のプラズマパラメータを制御する。

【００６７】また、使用するガスについては、エッチン
グする材料に合わせて適宜ガスを選択すれば良い。さら
に、不活性ガス、水素ガス、窒素ガス、酸素ガスなどを
添加しても良い。

【００６８】また、上記実施例では、プラズマエッチン
グ装置の場合について説明したが、本発明は、プラズマ
ＣＶＤ装置、スパッタリング装置等の他のプラズマ表面
処理装置にも適用できる。

【００６９】また、本発明は、プラズマによる表面改質
装置や、イオン注入装置のプラズマイオン源、ＥＣＲ装
置や、ウィスラー波（ヘリコン波）プラズマを形成し、
プラズマ、電子、イオン、中性活性種のソースとして利
用する装置などにも適用できる。

【００７０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
子密度を制御する電極により、電子密度の均一性を改善
できるので、均一なプラズマ表面処理を行なえるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るプラズマ表面処理
装置の概略構成を示す模式図

【図２】図１のプラズマ表面処理装置を被処理基体の上
からみた模式図

【図３】ダイポールリングマグネットを説明するための
図

【図４】ダイポールリングマグネット内の磁界を示す図

【図５】本発明の第２の実施例に係るプラズマ表面処理
装置を被処理基体の上からみた模式図

【図６】本発明の第３の実施例に係るプラズマ表面処理
装置を被処理基体の上からみた模式図

【図７】本発明の第４の実施例に係るプラズマ表面処理
装置を被処理基体の上からみた模式図

【図８】本発明の第５の実施例に係るプラズマ表面処理
装置を被処理基体の上からみた模式図

【図９】従来のマグネトロンＲＩＥ装置を被処理基体の
上からみた模式図

【図１０】本発明の第６の実施例に係るプラズマ表面処
理装置を被処理基体の上からみた模式図

【図１１】従来のマグネトロンＲＩＥ装置の概略構成を
示す模式図

【符号の説明】

１…真空容器（処理室）２…下部電極（電界形成手段）３…被処理基体４…ガス導入口（ガス導入手段）５…高周波電源（電界形成手段）６…排気口７…上部電極（電界形成手段）８…ダイポールリングマグネット（磁場形成手段）９…マッチング回路３１ａ〜３１ｆ…直流電源３２ａ〜３２ｆ…ＲＦフィルタ３４ａ〜３４ｄ…円弧状電極３４ｅ，３４ｆ…長方体状電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基体が収容される処理室と、前記処理室内に電場を形成する電場形成手段と、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成手段と、前記被処理基体の表面プラズマ処理に供するガスを前記
処理室内に導入するガス導入手段と、複数の電極からなり、これら複数の電極の電位が、前記
被処理基体の表面に生じる電場と前記磁場との外積の方
向に向かって、全体として高くなっている電極とを具備
してなることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項２】前記電極は、複数の円弧状電極からなり、
且つこれら複数の円弧状電極が、前記被処理基体を囲む
ように配置されていることを特徴とする請求項１に記載
のプラズマ表面処理装置。