JPH08250470A

JPH08250470A - プラズマ処理方法及び処理装置

Info

Publication number: JPH08250470A
Application number: JP4956295A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Tsujimoto; 和典辻本; Naoyuki Koto; 直行小藤; Makoto Arai; 眞新井; Tatsumi Mizutani; 巽水谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】真空処理室の側壁面の加熱やプラズマによる壁
面クリーニングによらず、壁面の影響を防止し、真空処
理室側壁面に付着する物質の影響を減少させ得る改良さ
れたプラズマ処理方法及び処理装置を提供すること。【構成】プラズマ処理装置において、真空処理室７の側
壁面３と試料台１１の外周部との距離をｄとし、試料台
１１からその対向する処理室天井までの高さをｈとした
とき、ｄ／ｈ≧１／２を満足する構成にする。【効果】真空処理室側壁面３の付着物９やその他の壁の
影響を低減し、ドライエッチングにおいては、エッチ速
度、選択比の向上、装置内パーティクル低減、特性の経
時変化低減などの効果があり、成膜においては、異物の
発生を低減し、高品質の薄膜形成を可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体基板やガ
ラス基板等の電子部品にドライエッチングや薄膜形成
（成膜と略称）を行なうプラズマ処理方法及び処理装置
に係り、特にプラズマ処理によりプラズマ処理室の側壁
面に付着した付着物が基板上に飛散して、プラズマ処理
面にダメージを与えるのを防止して、つまり、プラズマ
処理室の側壁の影響を防止して安定性の高いプラズマ処
理を行うのに好適なプラズマ処理方法及び処理装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来からプラズマ処理においては、試料
基板の置かれたプラズマ処理室の壁面に、プラズマ処理
時のガス組成及び基板の材質等に応じて発生する粒子が
付着し、この付着物がプラズマ処理中に基板の被処理面
に再付着することによりプラズマ処理の品質低下をきた
すことが知られており、種々の対策が講じられている。

【０００３】以下、プラズマ処理としてドライエッチン
グの場合を代表例に説明する。図２は、従来のドライエ
ッチング装置の概略を示した要部断面図であり、マイク
ロ波プラズマエッチング装置の例を示している。マグネ
トロン１で２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させ、導
波管２によりマイクロは導入窓５を通してを真空処理室
７に伝搬させ、真空処理室内にプラズマ放電を発生させ
る。

【０００４】真空処理室７の外周部には磁場コイル６が
配置され、マイクロ波と磁場により電子サイクロトロン
共鳴を起こしてプラズマ７ａを発生する。プラズマ処理
を行う試料８は試料設置台１１の上に設置され、真空処
理室７の中に置かれてプラズマにさらされる。試料台１
１の大きさは通常、試料８の直径よりわずかに大きく作
られ、例えば８インチのウェハを試料８とする場合には
試料設置台１１の直径は９〜１０インチに作られる。こ
の場合、真空処理室７の大きさは直径が１４〜１６イン
チ、高さｈは２０〜３０ｃｍ程度の大きさが通常であ
る。なお、図中の１０は不図示の排気ポンプに接続され
る排気口を、１４は真空バッファ室を、それぞれ示して
いる。

【０００５】上記従来装置においては、処理室７の側壁
面３から試料設置台１１の周辺部分までの距離ｄが２〜
３．５インチ（約５〜８．７ｃｍ）であった。この場
合、プラズマエッチング処理中にウェハ表面から発生す
る物質（エッチングされた微粒子など）が側壁面３に付
着し易く、また、側壁面３に付着した物質９が試料表面
に再付着し、エッチング処理の安定性を阻害していた。

【０００６】このような付着物９は真空処理室７の側壁
面３に付着し易いため、側壁面３が試料８に近いほどこ
のような影響が大であった。このような壁面の影響を少
しでも減少させるため、従来は側壁面３をヒータ等で１
００℃程度に加熱することによって付着物９を処理室外
に排気して減少させる方法などが用いられていた。しか
し、真空処理室７の側壁面３が例えば石英などの加熱し
にくい物質でカバーされている場合などがあり、真空処
理室７の金属容器（通常、ステンレス鋼製）の加熱のみ
では付着物の除去が不十分な場合があった。

【０００７】さらに、側壁面３を加熱する代わりに、一
旦付着した物質９をプラズマ７ａなどを用いたクリーニ
ングにより除去する方法も用いられていた。この場合で
も、プラズマクリーニングのみで完全に真空処理室７の
内壁面３を清浄化することが困難であり、しかもクリー
ニングに長時間を要するためプロセス処理時間が長くな
るなどの問題があった。

【０００８】以上、プラズマ処理としてドライエッチン
グの場合を例に説明したが、成膜についても取り扱う原
料ガスが異なるだけで原理的にはドライエッチングの場
合と同様の問題があった。

【０００９】なお、本件従来技術に関連するものとして
は、例えば米国真空学会雑誌、ジャーナル・バキューム
・ソサイテイ・テクノロジー・Ｂ８（６）、第１１９２
頁〜第１１９８頁、１１月／１２月、１９９０年〔Ｊ．
Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ８（６），ｐｐ１
１９２−１１９８，Ｎｏｖ／Ｄｅｃ，（１９９０）〕が
挙げられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、このような従来の問題点を解消することにあ
り、真空処理室の側壁面の加熱やプラズマによる壁面ク
リーニングによらず、側壁面の影響を防止し、真空処理
室側壁面に付着する物質の影響を減少させ得る改良され
たプラズマ処理方法及び処理装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するために種々実験検討したところ、試料台と試
料台を取り巻く真空処理室内壁との関係を特定の条件下
に設定することにより、従来必須とされていた真空処理
室の側壁面の加熱やプラズマによる壁面クリーニングを
必要とせずに、真空処理室の側壁面の影響を防止し、真
空処理室側壁面に付着する物質の影響を減少させること
ができ、結果として成膜処理にしても、エッチング処理
にしても良好なプラズマ処理が実現できると云う有効な
知見を得ることができた。

【００１２】本発明は、このような知見に基づいてなさ
れたものであり、真空処理室７の側壁面３を試料台１１
の最外周部から一定距離遠ざけ、この最短距離をｄと
し、試料台１１からそれに対向する上部天井壁（図２の
場合にはマイクロは導入窓５の表面）までの高さ（間
隔）をｈとしたとき、両者の関係をｄ／ｈ≧１／２とし
て構成する。

【００１３】このｄ／ｈの値が１／２より小さくなると
効果が激減し、従来装置の場合に近づき好ましくないこ
とがわかった。本発明者等の実験によれば、より好まし
くはｄ／ｈ≧１であり、さらに好ましくはｄ／ｈ≧３／
２である。なお、ｄ／ｈの上限は装置構成上の制約から
実用的には３≧ｄ／ｈが望ましい。

【００１４】また、真空処理室７の排気口部分のコンダ
クタンスを大きくする構造にし、かつ試料設置台１１と
対向する処理室天井の間隔ｈを小さくし、試料表面から
処理室側壁面３を見込む見込角を小さくすることが望ま
しい。

【００１５】プラズマ発生手段としては、高周波エネル
ギ印加により放電させる手段で構成され、例えばマイク
ロ波放電、とりわけ高いプラズマ密度を得るには電子サ
イクロトロン共鳴（ＥＣＲ）が望ましいが、その他の高
周波放電（ＲＦ放電）など周知の発生源が使用できる。

【００１６】具体的には、試料台もしくはそれに対向す
る天井部分にプラズマを発生するエネルギー供給源を設
けて、試料台と天井部分との間隙部分にプラズマを発生
させる際に、プラズマ密度の１０⁹ｃｍ^-3以上の部分が
真空処理室側壁に接触させない構成とすることである。
すなわち、プラズマ処理領域となる試料基板上のプラズ
マ密度は、通常、１０¹⁰〜１０¹¹ｃｍ^-3程度、もしくは
場合によってはこれ以上であることから、真空処理室側
壁の密度を１０⁹ｃｍ^-3以下とすれば真空処理室の側壁
面の影響を防止し、側面に付着する物質の影響を減少さ
せることができる。

【００１７】このような構成から成るプラズマ処理装置
を用いて、プラズマエッチングもしくはプラズマ成膜処
理する方法について説明する。先ず、試料台に所定の被
処理基板を載置し、真空処理室外に設けられた原料供給
ガス源から所定の流量で原料ガスを真空処理室内に供給
する。原料ガスが成膜材料であれば、原料ガスはプラズ
マ発生手段により形成されたプラズマ中で分解し、被処
理基板上に薄膜が形成される。

【００１８】一方、原料ガスがエッチングガスであれ
ば、被処理基板表面がエッチングされて所定のパターン
が基板上に形成される。これら何れのプラズマ処理にお
いても、真空処理室側壁のプラズマ密度は１０⁹ｃｍ^-3
以下に制御されているので、側壁面の影響は防止され、
壁面に付着する物質の影響を減少させることができるの
で、高品質のプラズマ処理が実現される。

【００１９】

【作用】真空処理室側壁面を試料表面から遠ざけること
により、処理中に試料表面から発生する物質が処理室側
壁面に付着しにくくなり、また、プラズマが処理室側壁
面から離れたところで発生するため、たとえ壁面に物質
が付着したとしてもプラズマの影響で側壁面から再離脱
して試料表面に付着することは防止できる。側壁面は試
料表面から遠く、かつ排気口に近い配置となっているた
め、再離脱物を真空処理室外に有効に排気できる。試料
台とその天井壁との間隔を小さくすることにより、試料
表面からみる処理室側壁面の見込角が小さくなり、側壁
面からの再離脱物質が試料表面に戻りにくくなってい
る。

【００２０】プラズマ密度は、一般に基板上のプラズマ
処理領域から側壁方向に拡散することにより急激に低下
する。本発明はこの現象を効果的に応用したものであ
り、先のｄ／ｈ≧１／２の条件は、真空処理室側壁のプ
ラズマ密度を１０⁹ｃｍ^-3以下に制御する条件でもあ
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面にしたがって
説明する。〈実施例１〉（１）プラズマ処理装置の構成例図１は、本発明の一実施例となるプラズマ処理装置の要
部断面図を示したものである。プラズマ発生手段とし
て、マグネトロン１で２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発
生させ、導波管２によりマイクロは導入窓５を通して真
空処理室７に伝搬させ、真空処理室内にプラズマ放電を
発生させる。真空処理室７の外周部には磁場コイル６が
配置され、マイクロ波と磁場の作用により電子サイクロ
トロン共鳴を起こしてプラズマ７ａを発生する。プラズ
マ処理を行う試料８は試料台１１の上に設置され、真空
処理室７の中に置かれてプラズマ７ａにさらされる。真
空処理室７には原料ガス供給管１２が接続され、不図示
のガス供給源から流量計を介してプラズマ処理に必要な
ガスが処理室７内に供給される。

【００２２】試料台１１は、その上に試料８として８イ
ンチのウェハが十分に載置できる大きさを有している。
試料台１１の上部対向側の真空処理室７の内壁はマイク
ロ波導入窓５であり、この試料台１１とマイクロ波導入
窓５との間隔ｈを約２０ｃｍとした。

【００２３】処理室側壁面３は、図２の従来装置のよう
な構造から図１のように横に幅を広げ、ｈの高さよりも
上下幅の大きい壁面ｈ₀（３０ｃｍ）とすると共に、試
料台１１の外周部からこの側壁面３までの距離ｄを約１
５ｃｍとした。この距離ｄと高さｈとの関係は、ｄ／ｈ
＝３／４（＝０．７５）である。

【００２４】なお、ｈ₀／ｈの実用的に好ましい範囲は
ｈ₀／ｈ≧１．５であり、上限を限定する理由はない
が、装置が必要以上に大きくなるのを避けるために３≧
ｈ₀／ｈ≧１．５が望ましい。

【００２５】（２）プラズマ処理方法（ドライエッチン
グ）の例図１のマイクロ波プラズマ処理装置のガス供給管１２
に、原料ガスとしてエッチングガスを導入することによ
り、この装置をプラズマエッチング処理装置として使用
する。以下に示す手順によりポリシリコンのドライエッ
チングを行った。

【００２６】先ず、試料基板８として、予めシリコンウ
ェハにＳｉＯ₂膜を、さらにその上にポリシリコン膜を
順次形成し、ポリシリコン膜上にレジストパターン（マ
スク）を形成したものを準備する。エッチングガスとし
てガス供給管１２からＣｌ₂ガスを処理室７内に供給
し、ポリシリコンのエッチングを行った。

【００２７】このときのマイクロ波パワーは１ＫＷ、バ
イアスパワーは５０Ｗ、ガス圧力は５ｍＴｏｒｒ、ガス
流量は１００ｓｃｃｍとした。エッチング結果として、
ポリシリコンのエッチ速度は４００ｎｍ／ｍｉｎ、ポリ
シリコン／ＳｉＯ₂選択比が５０であった。なお、比較
例として行なった図２の従来装置（ｄ／ｈ＝７ｃｍ／２
５ｃｍ＝０．２８）では、同様の条件でポリシリコン／
ＳｉＯ₂選択比は２５であったので、本実施例では選択
比を従来装置の２倍にする効果があった。

【００２８】なお、図３は、ポリシリコン／ＳｉＯ₂選
択比および装置内パーテイクル数（個／ウェハ）にｄ／
ｈが如何なる影響を及ぼすかについて測定した結果を示
した特性曲線図である。前述の通りｄは試料台１１の外
周から真空処理室側壁面３までの距離、ｈは試料台１１
から上方天井壁面までの高さである。図１の装置のｈを
２０ｃｍに固定し、ｄの値を変化させて測定したもので
ある。

【００２９】この図から明らかなように、ポリシリコン
／ＳｉＯ₂選択比は、ｄ／ｈ値を大きくするほど、すな
わち、距離ｄを大きくするほど増加する。例えば距離ｄ
が７ｃｍのところが比較例（従来装置ｄ／ｈ＝０．２
８）に該当し、このときの選択比は２５であるが、ｄが
さらに遠ざかり１５ｃｍのところではｄ／ｈ＝０．７５
で従来の２倍の選択比、さらに２５ｃｍのところでは、
ｄ／ｈ＝１．２５で従来の２．５倍以上の選択比を示し
ている。

【００３０】一方、装置内のパーティクル発生数につい
ても、８インチウェハ上において従来装置では約７６個
であったものが、ｄ／ｈ＝０．７５では約４３個、ｄ／
ｈ＝１．２５以上では約３０以下と従来装置の半分以下
になり、真空処理室側壁の影響を防止する効果が十分に
認められた。

【００３１】なお、パーティクル発生数のカウントは、
ウェハ異物計測装置によりウェハ上に付着した粒子数を
実測したものであり、これらの粒子は殆ど真空処理室側
壁から飛散してきたものである。さらに、ポリシリコン
やＳｉＯ₂のエッチング速度の経時変化も従来装置の約
１／２以下に低減した。

【００３２】〈実施例２〉この実施例ではプラズマ発生
手段を、実施例１のマイクロ波放電の代わりに高周波放
電による構成としたものである。図４はトランスフォー
マ・カップル・プラズマ（Transformer couple plasm
a）エッチングとよばれている誘導結合型のドライエッ
チング装置に本発明を適用した装置の要部断面図であ
る。

【００３３】また、図５はこの装置の従来構造を比較の
ために示した要部断面図である。従来装置では、試料台
１１の外周部から真空処理室側壁面３までの距離ｄと、
試料台１１と対向する天井壁殿の高さｈとの関係は、ｄ
／ｈ＜１／２であった。

【００３４】これに対して、図４の本発明による装置で
は、実施例１の場合と同様にｄ／ｈ≧１／２として試料
台１１の外周部から側壁面３までの距離ｄをより遠ざけ
る構造にすると共に、排気口１０に隣接する側壁面３の
幅ｈ₀を上下に拡げた。その一例として、試料台１１と
対向する天井壁殿の高さｈを３０ｃｍとし、試料台１１
の外周部から真空処理室側壁面３までの距離ｄを２０ｃ
ｍとして、ｄ／ｈ＝０．６７とした。なお、側壁面３の
上下幅ｈ₀は６０ｃｍとした。

【００３５】この装置によりエッチングガスとしてガス
供給管１２からＣｌ₂ガスを処理室７内に供給し、試料
８として表面に予めアルミニウム合金膜が形成された液
晶パネル用のガラス基板を準備し、このアルミニウム合
金膜上に周知のフォトリソグラフにより所定パターンの
レジストマスクを形成し、ドライエッチングにより配線
パターンを形成した。その結果、アルミニウム合金／Ｓ
ｉＯ₂のエッチ速度選択比が従来装置の３０％増加し、
装置内パーティクルが１／２以下に減少した。

【００３６】〈実施例３〉この実施例では、図１のプラ
ズマ処理装置を用いてＣＶＤにより、シリコン基板上に
ＳｉＯ₂膜を形成した例について説明する。図１のプラ
ズマ処理装置は原料ガスをエッチングガスからＣＶＤガ
スに切り換えるだけでプラズマＣＶＤによる成膜装置と
なる。

【００３７】先ず、原料ガスとしてモノシランＳｉ
Ｈ₄、ジシランＳｉ₂Ｈ₆及び酸素ガスをガス供給管１２
から送給し、成膜速度５００ｎｍ／分で２分間成膜し、
１．０μｍのＳｉＯ₂膜を形成した。膜質は良好であ
り、真空処理室７の側壁面３からの付着物９が飛散する
ことによる異物の発生は従来装置に比較して激減した。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明により、所期
の目的を達成することができた。すなわち、プラズマ処
理装置の壁の影響を低減することにより、例えばドライ
エッチングにおいては、エッチング選択比向上、エッチ
速度向上、装置内パーティクル低減、特性の経時変化低
減などの効果があり、成膜においては異物の発生を低減
し、高品質の薄膜形成を可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例となるプラズマ処理装置の要
部断面図。

【図２】比較例となる従来装置の要部断面図。

【図３】装置構成のパラメータとなるｄ／ｈの関係が、
エッチング特性に及ぼす影響を示した本発明の一実施例
となる特性曲線図。

【図４】本発明の他の実施例となるプラズマ処理装置の
要部断面図。

【図５】比較例となる他の従来装置の要部断面図。

【符号の説明】

１…マグネトロン、２…導
波管、３…処理室側壁面、
４…処理室天井壁、５…マイクロ波導入窓、
６…磁場コイル、７…真空処理室、
７ａ…プラズマ、８…試料（基
板、ウェハ）、９…付着物、１０…
排気口、１１…試料
台、１２…ガス供給管、１
４…真空バッファ室、１５…プラズマ励起コイル、ｄ…
試料台の外周部から側壁面までの距離、ｈ…試料台と対
向する天井壁殿の高さ、ｈ₀…処理室側壁面の上下幅。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水谷巽東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料処理室を真空に排気し、室内に処理ガ
スを導入すると共に、高周波エネルギを印加することに
より処理室内にプラズマを発生させ、このプラズマ空間
に試料台に載置された基板表面を曝すことによってプラ
ズマ処理を行なう工程を有するプラズマ処理方法におい
て、試料台の外周部から真空処理室側壁面までの最短距
離をｄとし、試料台上に対向する天井壁の高さをｈとし
たとき、これら両者の関係をｄ／ｈ≧１／２とする条件
下でプラズマ処理を行なう工程を有して成るプラズマ処
理方法。
【請求項２】試料処理室を真空に排気し、室内に処理ガ
スを導入すると共に、高周波エネルギを印加することに
より処理室内にプラズマを発生させ、このプラズマ空間
に試料台に載置された基板表面を曝すことによってプラ
ズマ処理を行なう工程を有するプラズマ処理方法におい
て、試料台と処理室天井壁面とに挟まれた空間領域にプ
ラズマを発生させる際に、プラズマ処理領域となる試料
基板上のプラズマ密度を少なくとも１０¹⁰ｃｍ^-3以上と
し、真空処理室側壁面に接触するプラズマ密度を１０⁹
ｃｍ^-3以下として成るプラズマ処理方法。
【請求項３】処理ガスとしてエッチングガスを導入し、
基板表面にプラズマ処理を行なう工程を、ドライエッチ
ング工程として成る請求項１もしくは２記載のプラズマ
処理方法。
【請求項４】処理ガスとしてＣＶＤガスを導入し、基板
表面にプラズマ処理を行なう工程を、ＣＶＤによる成膜
工程として成る請求項１もしくは２記載のプラズマ処理
方法。
【請求項５】試料基板を半導体、もしくはガラスからな
る電子部品用基板で構成し、前記電子部品用基板の表面
に所望のプラズマ処理を施す工程を有して成る請求項１
乃至４何れか一つに記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】真空処理室と、真空処理室内に処理ガスを
供給する手段と、高周エネルギを印加することにより処
理室内にプラズマを発生させる手段と、真空処理室内を
排気する手段と、真空処理室内に発生させたプラズマに
試料基板のプラズマ被処理面を曝す手段とを有して成る
プラズマ処理装置において、試料台の外周部から真空処
理室側壁面までの距離をｄとし、試料台上に対向する天
井壁面の高さをｈとしたとき、これら両者の関係をｄ／
ｈ≧１／２とする条件下に設定した真空処理室を具備し
て成るプラズマ処理装置。
【請求項７】真空処理室と、真空処理室内に処理ガスを
供給する手段と、高周エネルギを印加することにより処
理室内にプラズマを発生させる手段と、真空処理室内を
排気する手段と、真空処理室内に発生させたプラズマに
試料基板のプラズマ被処理面を曝す手段とを有して成る
プラズマ処理装置において、試料台と処理室天井壁面と
の空間領域に発生させるプラズマのうち、プラズマ処理
領域となる試料基板上のプラズマ密度を少なくとも１０
¹⁰ｃｍ^-3以上、真空処理室側壁面に接触するプラズマ密
度を１０⁹ｃｍ^-3以下に制御された真空処理室を具備し
て成るプラズマ処理装置。
【請求項８】真空処理室側壁の下端部が試料台より低い
位置に存在し、かつこの下端部に隣接した真空処理室底
部に排気口を配設して成る請求項６もしくは７記載のプ
ラズマ処理装置。
【請求項９】真空処理室側壁の上端部の高さが、試料台
上に対向する処理室天井壁の高さｈよりも高く、かつ真
空処理室側壁の下端部が試料台より低い位置に存在し、
かつこの下端部に隣接した真空処理室底部に排気口を配
設して成る請求項６もしくは７記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１０】真空処理室側壁の上端から下端に至る上
下幅をｈ₀とし、試料台上に対向する処理室天井壁の高
さをｈとしたとき、これら両者の関係をｈ₀／ｈ≧１．
５とする条件下に設定した真空処理室を具備して成る請
求項６乃至９何れか一つに記載のプラズマ処理装置。