JPS5947733A - プラズマプロセス方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はプラズマを用いて試料表面の処理を行なうプラ
ズマプロセス装置の改良に係り、特に、この棹の装置に
おいてエツチング、デポジションを行なうだめのプラズ
マの特性を広範囲に可変、制御可能にする手段に関する
。

〔従来技術〕

第１図は、従来のプラズマプロセス装置の−構成例を示
したものであり、これは有磁場マイクロ波プラズマエツ
チング装置（Ｊ（，５ｕｚｕｋｉ　ｅｔ　ａｔ。

：ＪＪＡＰ　　１６　（１９７７）１９７９　）とｊ山
林しているものである。同図において、反応室工および
放電室２からなる真空室が排気系１４によって真空（約
Ｉ　Ｑ　＝　’ｌ’ｏｒｒ　）に排気された後、ニード
ルパルプ３を介して放電ガスＧが所定の圧力（１０１〜
１０−Ｉ　Ｔｏｒｒ　）になるように真空室中に導入さ
れる。

マイクロ波発振器（通常、マグネトロン）６で発生した
マイクロ波（周波数が１〜ｌ０ＧＨ２，通常２．４５Ｇ
Ｈ２）は導波管７を伝播して放電室２を形成する放電管
８の内部に導入される。この放電管８はマイクロ波を通
過させるために絶縁物（通常、石英またはアルミナ）で
作られている。

１１はマイクロ波発振器６を動作させるための電源であ
る。電磁石９と永久磁石１０とによシ放電室２と反応室
１の一部とに磁場が形成される。この状態で放電室２に
マイクロ波発振器６にエシマ・ｆクロ波電界が供給され
ると、磁場とマイクロ波電界との相剰作用によシ有磁場
マイクロ波放電が発生し、プラズマが形成される。

プラズマ中で形成された活性なイオン、中性ラジカルが
試料５上に置かれた試料４の表面に到達してエツチング
が行なわれる。例えば、ＳＩウェーハからなる試料４を
ＣＦ　４カスでエツチングする場合には、ＣＦ４分子が
プラズマ中で分解して出来るＦ”　、ＣＦｎ”　（ｎ＝
１〜３）等のイオンや、Ｆ。

ＣＦｎ（ｎ＝１〜３）等の中性ラジカルがＢｉ試刺４の
・１１１ 表面に入射し、反応する。その結果、揮発％の物質５ｊ
Ｆ４を形成してＳ１原子を８’試料４の表面から奪い去
ることによってエツチングが実行される。半導体素子の
絶縁材料として辿常用いられる５ｆ０２　もＣＦ４ガス
の放電中で同様にエツチングされる。但し、Ｓｉのエツ
チングに寄与する粒子は主にＦ”、Ｆであｐ、５ｉＯｚ
のエツチングに寄与する粒子は主にＣｐｎ”（１１＝ｌ
〜３）である。

また、Ｆ”　、Ｃ＠Ｆｎ”　（ｎ＝１〜３）等のイオン
によシエッチングが行なわれる場合は第２図中）に示し
たようにエツチングは試料４の表向に対して垂直に進行
し、マスク１５の通シのエツチングが行なわれる（非等
方エツチング）。一方、Ｆ、　ＣＦｎ（ｎ＝１〜３）等
の中性ラジカルによシエッチングが行なわれる場合は第
２図（ａ）に示したようにエツチングの進行方向は等方
向となってマスク４の下部にサイドエツチング現象が発
生する（等方エツチング）。すなわち、エツチングを行
なう粒子がイオンであるのか、中性ラジカルであるのか
、または両者の割合がどの程度であるのかによってエツ
チングの断面形状が異なってくる。

実際の半導体素子の製造工程においては、（１）　　Ｓ
　’　ＨＳ　ｉＯｘ等の被エツチング材料のエツチング
速度比（選択比）の広範囲な制御、および （２）エツチングの断面形状の広範囲な制御が望まれる
。このような制御を行なうには、プラズマ中で形成され
、試料４の表面に入射するイオンと中性ラジカルとの比
やイオン種、中性ラジカル種を広範囲に制御することが
必要となる。その制御には、イオンや中性ラジカルを形
成するプラズマのパラメータ（電子温度やプラズマ密度
）を広範囲に制御することが必要となる。このパラメー
タの制御のためにはプラズマ発生に用いる電力、例えば
、マイクロ波電力、を広範囲に制御することが必要とな
る。

しかしながら、試料４の温度を低く　（１００Ｃ以下）
保つことが実用的に望まれるため、従来の装置ではプラ
ズマ発生電力を十分に大きくすることができないという
問題点があった。

以上は、プラズマエツチング装置についてのものである
が、プラズマデポジション装？＃等の他のプラズマプロ
セス装置においてもイオンと中性ラジカルとの比やイオ
ン種、中性ラジカル種を試料の温度を低く保ったままで
広範囲に制御することが望まれていることは同様である
。

〔発明の目的〕

したがって、本発明の目的は、試料温度を低く保ったま
までプラズマプロセス用プラズマのパラメータを広範囲
に可変制御可能にするプラズマプロセス装置を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明においては、真空室に
放電ガスを導入するガス導入手段と、真空室中にて放電
ガスのプラズマを形成するプラズマ形成手段と、真空室
中においてプラズマ中の活性粒子を入射させることによ
って表面処理を行なうべき試料を載置する試料台と、プ
ラズマが強プラズマ状態と弱プラズマまだはプラズマ消
滅状態とを周期的に形成するようにプラズマ形成手段に
供給するエネルギーの大きさを変調するエネルギー変調
手段と罠よってプラズマプロセス装置ｅ［成したことを
特徴としている。

かかる本発明の特徴的な構成１ｃｊって高密度、高電子
温度のプラズマ（強プラズマ状態）と低密度、低電子温
度のプラズマ（弱プラズマ状態またはプラズマ消滅状態
）とを周期的に発生できるようになるため試料の温度を
低く保ったままで高密度、高電子ｍ度のプラズマを容易
に得ることが可能となる。その上、プラズマ発生状態と
プラズマ消滅状態とでは発生するイオン、中性ラジカル
の量及びその種類を異ならせることができるためエネル
ギー変調時のデュＷティを変えることによって試料の表
面処理に寄与するイオンと中性ラジカルとの比や、イオ
ン種、中性ラジカル捕ヲ広範囲に制御可能となる。

その結果、高性能で、かつ、応用軸回の広いプラズマプ
ロセス４−￥置が提供できるようになった。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図を用いて詳訓に説明する。

第３図は本発明によるマイクロ波プラズマプロセス装置
の基本構成を示したものである。同図において、反応室
１及び放電室２からなる真空室が排気系１４によって約
１０−’Ｔｏｒｒに排気された後、ニードルパルプ３を
介して放電ガスＧが所定の圧力（１０−５〜１０−ＩＴ
Ｏｒｒ　）になるように真空室中に導入される。マグネ
トロンのようなマイクロ波発振器６で発生した周波数が
２．４５ＧＨ２のマイクロ波は導波管７を伝播して放電
室２を形成する放電管８の内部に導入される。この放′
醒庁８はマイクロ波を通過させるため石英又はアルミナ
のような絶縁物からつくられている。マイクロ波発振器
６とマイクロ波発振器６を駆動するための電源１１との
間には電力変調器１２が接続されている。

電磁石９と永久磁石１０とに工υ放電室２と反応室工の
一部領域とに磁場が形成される。この状態で放電室２に
マイクロ波発振器６によシマイクロ波電界が供給される
と、磁場とマイクロ波電界との相剰作用により有磁場マ
イクロ波放電が発生し、プラズマが形成される。このプ
ラズマ中で形成された活性なイオンおよび中性ラジカル
が試料台５上に置かれた試料４の表面に到達してエツチ
ングが行なわれる。

さて、本実施例と第１図の従来例との異なる点は、マイ
クロ波発振器６とマイクロ波発振器６の駆動用電源１１
との間に電力変調器１２を挿入した点である。電力変調
器１２は、たとえばマイクロ波発振器６のエミッション
電流ｆ：３極真空管で制御することによって容易に実現
できる。これに、ｌニジ、マイクロ波出力を変調または
チョップすることが可能になる。この結果、放′亀室２
には高密度、高電子温度のプラズマと低密度、低電子温
度のプラズマとが周期的に発生する。表現を変えると、
強プラズマ状態と弱プラズマ状態（またはプラズマ消滅
状態）とが周期的に放電室２に現われるととＫなる。放
電室２に供給するマイクロ波電力の平均値、つまり、デ
ユティを一定にしておけば、試料４の温度を上げること
な〈従来装置では得られなかった高密度、高電子温度プ
ラズマを周期的に得ることができる。高密度、高電子温
度プラズマ（強プラズマ状態）では試料４の表面に入射
するイオン量を中性ラジカル量に比べ極めて大きくする
ことができる。一方、低密度、低電子温度プラズマ（弱
プラズマ状態）またはプラズマ消滅状態では試料４の表
面に入射する粒子で表面処理に寄与するのは中性ラジカ
ルが主になる。また、高密度、高電子温度プラズマ中と
低密度、低電子温度プラズマ中とでは発生するイオン種
、中性ラジカル種は異なることになる。

したがって、電力変調のデユティや高出力時と低出力時
の出力比を変えることによｌ）表面処理に寄与するイオ
ンと中性ラジカルとの比や、イオン種、中性ラジカルイ
１を広範囲に制御することが可能となる。

第４図は（力変調器１２によってマイクロ波発振器６へ
の電力を変調した時に、放電室２に供給されるマイクロ
波電力の時間的変化を示したものである。マイクロ波電
力が最大（Ｐ、、、、）時と最低（Ｐｆｆｉ＋ｎ）時と
の時間間隔をτ１．τ２としである。

τ０＝τ１＋τ２は変調の周期である。Ｐ、１！と比Ｔ
１／Ｔｏは試料４の温度を低く保つ条件から相互に関係
を持ち、 Ｉ Ｐ、ｎ、、　−−（４００Ｗａ　ｔ　ｔτ０ が望ましい。そして、τ１は、プラズマ中のイオンの滞
在時間（＝１０−５ｓｅｃ）より十分長く、中性ラジカ
ルの反応室１内での滞在時間（＝１０−’５ｅａ）より
十分短いことが望ましい。即ち、 １０−５Ｓｅｃ（ｒ　ｌ（１０−１ｇ（ｙ２が望ましい
。

なお、τ２は試料（加熱）外性がほとんどなく輻射冷却
時間に相当するので、他の水冷試料手段を用いなくても
低温に保てる。

τ！とτ２の比率によってすよ水冷手段を必要とする場
合もある。

第５図は、放電室２へ供給するマイクｒｌ波、−１．ｃ
力を変調するだめの別の手段を示したものである。

つまυ、マイクロ波を伝播する導波・Ｒ７の途中に電気
的導体物質でできたシャッター１３が設けられている。

シャッター１３を矢印で示した如く機械的に開閉するこ
とによりノｊ％波菅７を曲過するマイクロ波電力を変調
することができる。もちろん反射波によるマグネトロン
６の保獲はア・インレーターなどを用いて行うのが望ま
しい。

以上は有磁場マイクロ波放電を用いたプラズマプロセス
装置について述べたが、他のプラズマプロセス装置（例
えばＲＦ放電を用いたもの）においてもプラズマを発生
維持させるだめの電力（例えばＲＦ電力）に変調を加え
れば同様の効果が得られることは当然である。また、放
電ガスの侃類を変えることに、！ニジエツチング作用や
デポジション作用を行なわせ得ることは云うまでもない
。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明によって高密度、高電子温度の
プラズマ（強プラズマ状態）と低密度、低電子温度（弱
プラズマ状態）またはプラズマ消滅状態とを周期的に発
生できるようになるためデユティの上限値を抑えておけ
ば試料の温度を低く保ったままで高密度、高電子温度の
プラズマを容易に得ることができる。そのため、プラズ
マのパラメータを広範囲に可変、制御することが可能と
なる。その上、強プラズマ状態と弱プラズマ状態とでは
発生するイオン、中性ラジカルの量およびこれらの徨類
を異ならせることができるためエオルギー変調時のデユ
ティを変えることによって試料の表面処理に寄与するイ
オンと中性ラジカルとの比や、イオン種、中性ラジカル
種を広範囲に制御可能となる。

その結果、本発明によって高性能で、かつ、応用範囲の
広いプラズマプロセス装置が提供できるようＫなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプラズマプロセス装置の基本構成図、第
２図はエツチング断面形状の説明図、第３図は本発明に
よるプラズマプロセス装置の基本構成図、第４図はマイ
クロ波電力の変調例を示す図、第５図は本発明の別の実
施例の部分構成図である。 １・・・反応室、２・・・放電室、３・・・ニードルバ
ルブ、４・・・試料、訃・・試料台、６・・・マイクロ
波発振器、７・・・導波管、８・・・放電管、９・・・
准磁石、１０・・・永久磁石、１１・・・マイクロ波発
振器用、妬動屯源、１２・・・変調器、１３・・・シャ
ッター、１４・・・排気用、第　１２ ′第２２ （ａ）　　　　　　＜ｂ） ＩＦ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．１空室中に放電ガスを導入するガス導入手段と、上
   記真空室中にて上記放電ガスのプラズマを形成するプラ
   ズマ形成手段と、上記真空室中において上記プラズマ中
   の活性粒子を入射させることによって表面処理を行なう
   べき試料を載置する試料台と、上記プラズマが強プラズ
   マ状態と弱プラズマ状態またはプラズマ消滅状態とを周
   期的に形成するように上記プラズマ形成手段に供給する
   エネルギーの大きさを変調するエネルギー変調手段とを
   備えてなることを特徴とするプラズマプロセス装置。 ２、上記プラズマ形成手段が上記真空室中に導入された
   上記放′亀ガスにマイクロ彼電界と磁界とを印加する手
   段からなることを特徴とする第１項のプラズマプロセス
   装置。 ３、上記マイクロ波電界印加手段が上記マイクロ波を発
   生する発振器と、上記発振器を駆動する電源と、発生し
   た上記マイクロ波を上記真空室へ導く導波管とからなり
   、かつ、上記磁界印加手段が上記真空室の外周に設けら
   れｆ’Ｗｔ磁石からなることを特徴とする第２項のプラ
   ズマプロセス装置。 ４、上記エネルギー変調手段が上記電源と上記発振器と
   の間に設けられた電力変８周器からなることを特徴とす
   る第３項のプラズマプロセス装置。 ５、上記エネルギー変調手段が上記導波管中に設けられ
   たシャッタからなることを特徴とする第３項のプラズマ
   プロセス装置。