JP2000269198A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速かつ高精度のプラズマ処理を可能とする。 【解決手段】プラズマ処理容器１内に対向して配置され
た上部電極２及び下部電極３と、正サイクルと負サイク
ルを有する低周波成分の出力波形を有する電力を下部電
極３に供給する第１高周波電源７と、高周波成分の出力
波形を有する電力を下部電極３に供給する第２高周波電
源８とを具備してなり、第２高周波電源８の高周波成分
を第１高周波成分７の低周波成分の負サイクルに同期さ
せて下部電極３に電力を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波電力により
発生せしめたプラズマにより被処理基体に所定の処理を
施すプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高密度化に伴い、素子同士
を接続する微細な配線を形成するためのエッチング・プ
ロセスにますます高度な技術が要求されている。次世代
の１ギガビットＤＲＡＭの世代において、上下の配線間
を導電物を埋め込んで接続するビア・ホールを形成する
ためには、配線層間膜である１〜２μｍのシリコン酸化
膜に直径０．１５〜０．１２μｍのごく微細な穴径を開
孔する必要がある。このような高アスペクト比（層間膜
の膜厚と穴径の比）のエッチングを従来使用されている
平行平板型エッチング装置で行う場合には様々な問題が
あった。その一つにチャージングによる形状不良があ
る。

【０００３】図５は従来のエッチング装置の概略構成図
である。プラズマ処理容器１内には上部電極２と下部電
極３が対向配置されている。この下部電極３上には被処
理基板４が載置される。また、プラズマ容器１はガスを
導入するガス供給系５を備えている。このガス供給系５
からガスを導入しながら、高周波電源４１が作り出す高
周波電力を整合器４２を経由して下部電極３に与え、プ
ラズマ処理容器１内にプラズマを発生させる。

【０００４】図６は図５に示すプラズマ処理装置を用い
た場合に発生するチャージングによる形状の異常を説明
した図である。被処理基板４は基板５１と、この基板５
１上に選択的に形成された層間膜５２と、この層間膜５
２上に形成されたレジスト層５３からなる。この被処理
基板４とプラズマの間にはシース領域が形成される。シ
ース領域では、電子は減速されるためレジスト層５３や
層間膜５２の上方に付着する。そのため、エッチングに
関与する正イオンは曲げられ、垂直なエッチング形状を
得るのが困難になったり、層間膜５２の途中でエッチン
グが止まってしまう現象が発生したりすることがあっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように従
来のエッチング装置では、エッチングに関与する正イオ
ンは曲げられ、垂直なエッチング形状を得るのが困難に
なったり、層間膜の途中でエッチングが止まってしまう
現象が発生したりすることがあった。

【０００６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、高速かつ異方性の
高いプラズマ処理を可能とするプラズマ処理方法及びプ
ラズマ処理装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
プラズマ処理方法は、処理室内に対向して配置された上
部電極及び下部電極の双方又はいずれか一方に高周波電
力を印加することにより生じたプラズマにより前記下部
電極上に載置される被処理基体に対して所定の処理を施
すプラズマ処理方法において、正サイクルと負サイクル
を有する低周波成分と、高周波成分とを有する少なくと
も２種類の周波数を重畳して前記高周波電力を生成し、
前記低周波成分の負サイクルに前記高周波成分を同期さ
せて前記電極に印加することを特徴とする。

【０００８】また、本発明の請求項３に係るプラズマ処
理装置は、処理室内に対向して配置された一対の電極
と、正サイクルと負サイクルを有する低周波成分の出力
波形を有する電力を前記電極に供給する第１の電源と、
高周波成分の出力波形を有する電力を前記電極に供給す
る第２の電源とを具備してなり、前記第２の電源の高周
波成分を前記第１の電源の低周波成分の負サイクルに同
期させて前記電極に電力を供給することを特徴とする。

【０００９】本発明の望ましい形態を以下に示す。

【００１０】（１）前記重畳高周波電力の低周波成分
は、１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下で望ましくは２０ｋＨ
ｚ以上４００ｋＨｚ以下、かつ高周波成分は３ＭＨｚ以
上１１０ＭＨｚ以下で望ましくは１０ＭＨｚ以上７０Ｍ
Ｈｚ以下である。さらに望ましくは、低周波成分は１０
０ｋＨｚ以下である。

【００１１】（２）少なくとも２つの高周波電源は、単
一の下部電極に接続される。

【００１２】（３）電極に印加する高周波電源の出力波
形は、正のサイクルに対して負のサイクルの期間の方が
長い。

【００１３】（４）電極に印加する高周波電源の出力波
形のうち、正のサイクルの期間を５０マイクロ秒以上５
００マイクロ秒以下、負のサイクルの期間を２００マイ
クロ秒以上１０ミリ秒以下である。

【００１４】（５）電極に印加する高周波電源の出力の
うち、正のサイクルの電圧を５０Ｖ以上２００Ｖ以下、
負のサイクルの電圧を−５００Ｖ以上−１０Ｖ以下とす
る。

【００１５】（作用）本発明では、プラズマ処理容器内
の一対の電極に、少なくとも２つの高周波電源からそれ
ぞれ異なる周波数で発振する重畳高周波電力を印加す
る。この重畳高周波電力のうち、低周波成分の出力波形
は正サイクルと負サイクルを有し、この負サイクルに高
周波成分を同期させて電極に印加する。これにより、被
処理基体が載置された下部電極に低周波成分の正サイク
ルが印加されているタイミングが確保され、効率よく電
子が被処理基体に入射するとともに、プラズマ中に生成
される負イオンも同時に被処理基体に入射する。また、
次の負のサイクルで、プラズマ処理に適した正イオンや
中性粒子が被処理基体に入射する。従って、プラズマ処
理における異方性を高くすることができる。

【００１６】例えばホール状のパターンをエッチングす
る場合には、負イオンの入射によりホール底まで電子及
び負イオンが供給される。従って、このタイミングの後
に下部電極が負サイクルの高周波成分が印加された場合
に、正イオンはホール底まで到達することができ、シー
ス領域の存在によりホールの側壁に付着した電子又は負
イオンとのクーロン力の影響が抑制される。従って、よ
り垂直形状に高速エッチングが可能になる。

【００１７】また、例えばＣＶＤに用いる場合には、反
応ガスの飛来方向の異方性を高くすることができるた
め、下地パターンの狭いギャップに対する埋め込みを良
好に行うことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。

【００１９】（第１実施形態）図１は本発明の第１実施
形態に係るプラズマ処理装置の模式的構成図である。

【００２０】図１に示すように、プラズマ処理容器１の
上端内壁には、上部電極２が配設されている。また、プ
ラズマ処理容器１内には、この上部電極２と対向配置さ
れた下部電極３が配設されており、この下部電極３上に
は被処理基板４が載置される。また、上部電極２の上面
であってプラズマ処理容器１外にはガス供給系５が設け
られている。また、プラズマ処理容器１の下部にはガス
排気系６が設けられ、ガス供給系５から導入されエッチ
ングに用いられたガスを排気することにより、プラズマ
処理容器１内を一定の圧力に保持する。

【００２１】一方、電極２及び３の間に電力を印加する
ための第１高周波電源７と第２高周波電源８は整合器９
に接続されている。整合器９はそれぞれの高周波電源
７，８から発生する高周波電力を合成すると同時に、プ
ラズマのインピーダンス整合動作を行う。また第１高周
波電源７は第２高周波電源８に出力信号を送り第１高周
波電源７の高周波電力がマイナスのサイクルにあるとき
に、第２高周波電源８の高周波電力が同期するように変
調を与える。

【００２２】図２は第１高周波電源７及び第２高周波電
源８の出力波形及び変調が加えられた出力波形を示す図
である。図２（ａ）は第１高周波電源７の出力波形を、
図２（ｂ）は第２高周波電源８の出力波形を、図２
（ｃ）は下部電極３に印加される波形を示し、横軸は時
間、縦軸は電圧である。図２（ａ）に示すように、第１
高周波電源７の出力波形は入力電圧が正となる正サイク
ルと、入力電圧が負となる負サイクルが交互に繰り返さ
れる波形であり、その周波数は１００ｋＨｚである。図
２（ｂ）に示すように、第２高周波電源８の出力波形
は、一定時間入力電圧が０を保持した後、周波数４０．
６８ＭＨｚの高周波が表れる。これら第１高周波電源７
の電力と第２高周波電源８の電力を整合器９により合成
すると、図２（ｃ）に示すような出力波形となる。この
出力波形は、第１高周波電源７の出力波形における負サ
イクルに、第２高周波電源８の高周波の波形が同期する
ように変調して生成される。

【００２３】上記実施形態に係るプラズマ処理の動作を
説明する。

【００２４】まず、図示しない搬送機構により被処理基
板４をプラズマ処理容器１内に搬送し、下部電極３上に
載置する。この被処理基板４は基板上に酸化シリコン膜
が形成され、さらにこの酸化シリコン膜の上に選択的に
レジストが形成され、直径０．１５μｍの微細なホール
パターンが形成されている。

【００２５】そして、第１高周波電源７により図２
（ａ）に示す出力波形信号を第１高周波電源７及び整合
器９に出力する。また、第２高周波電源８により図２
（ｂ）に示す出力波形信号を整合器９に出力する。整合
器９は第１高周波電源７と第２高周波電源８からの高周
波電力を合成して図２（ｃ）に示す出力波形を有する高
周波電力を生成して下部電極３に印加するとともに、プ
ラズマのインピーダンス整合動作を行う。なお、高周波
電源７から印加する電力は３０００Ｗ、高周波電源８か
ら印加する電力は３００Ｗとする。

【００２６】この下部電極３への高周波電力の印加とと
もにガス供給系５によりエッチングガスとしてＣ₄Ｆ₈ガ
ス及びＡｒガスをそれぞれ２０ｓｃｃｍ及び５００ｓｃ
ｃｍ導入し、プラズマ処理容器１を図示しない圧力計に
より２５ｍＴｏｒｒに保持してプラズマを励起する。

【００２７】このプラズマの励起により、上部電極２及
び下部電極３間にはプラズマが生成され、正イオン、負
イオン、電子及び中性活性種等が発生する。図２（ｃ）
に示す出力波形の高周波電力が下部電極３に印加されて
いる場合、低周波の正のサイクルにおいては、下部電極
３は正電位となり、電子のみならず負イオンも効率よく
ホール底まで供給される。この電子及び負イオンの被処
理基板４への引き込みの際に、ホール底に充分な量の電
子及び負イオンが到達する。一方、被処理基板４とプラ
ズマとの間に形成されたシース領域により電子は減速さ
れ、レジストや酸化シリコン膜の上方に付着する。

【００２８】次に、負のサイクルになると、正のイオン
が被処理基板４に入射する。この被処理基板４への入射
の際に、ホール底に到達した電子及び負イオンからの電
荷に引き寄せられるように正のイオンが入射するため、
垂直方向に効率よく正のイオンが到達する。従って、よ
り垂直形状に高速エッチングすることが可能となる。

【００２９】図３は本実施形態に示した条件により行っ
た実験におけるホール寸法とエッチング深さの関係を示
す図である。本実施形態での実験では、膜厚１μｍのシ
リコン酸化膜上のフォトレジストに、様々なホール寸法
を有するパターンを形成した。また、比較のため、従来
のプラズマ処理装置を用いて同様にエッチングを行っ
た。縦軸はホール寸法、横軸はエッチング深さを表す。

【００３０】図３に示すように、ホール寸法が１．０μ
ｍの場合には、従来例及び本実施形態ともにエッチング
深さが１．０μｍとなり、シリコン酸化膜底面までエッ
チングが進行したことが分かる。ホール寸法を小さくし
ていくと、従来例の場合、エッチング深さは急激に浅く
なっていき、０．１５μｍのホール寸法においてはエッ
チングはほとんど進行せず、約０．１μｍ以上エッチン
グすることは不可能であった。これは、エッチングする
時間を延長しても、エッチング深さは増加することはな
かった。

【００３１】これに対して本実施形態の場合は、ホール
寸法が小さくなるにつれてエッチング深さは多少浅くな
るが、ホール寸法を０．１５μｍとした場合でも、エッ
チング深さは０．７〜０．８μｍ程度は保たれる。これ
より、垂直形状にエッチングが行われていることが分か
る。

【００３２】これは、第１高周波電源７の正のサイクル
で、プラズマより適度の電流量とエネルギーの電子がホ
ールの底に引き込まれ、また負のサイクルにてエッチン
グに適した種類のフロロカーボンのイオンや中性粒子が
ホール内に到達するものと考えられる。

【００３３】（第２実施形態）図４は本発明の第２実施
形態に係るプラズマ処理における高周波電源の出力波形
を示す図である。本実施形態で用いられるプラズマ処理
装置は図１に示す第１実施形態のものと同様であるので
説明は省略する。

【００３４】図４は、下部電極３に印加される高周波電
力の出力波形であり、第１高周波電源７により５００マ
イクロ秒の期間マイナス５０Ｖの電位を保持した後、５
０マイクロ秒の正のサイクルでプラス１５０Ｖの矩形波
を作成する。図４においてマイナスの電位の期間及びプ
ラスの期間をそれぞれＡとＢで示す。このＡとＢの期間
の比、すなわちデューティー比を変更する点が第１実施
形態と異なる。

【００３５】第１高周波電源７がマイナスの期間中、第
２高周波電源８は４０．６８ＭＨｚの高周波を出力す
る。このときの第２高周波電源８の出力は５００Ｗとす
る。

【００３６】その他プラズマ処理容器１に導入したガス
の種類、圧力等は第１実施形態と同一の条件とする。

【００３７】この条件によりエッチングを行った結果、
０．１５μｍの微細なパターンの酸化シリコン膜のスル
ーホールを垂直形状にエッチングして形成することが可
能となった。Ａに示す期間は５００マイクロ秒とした
が、２００マイクロ秒〜１０ミリ秒の間に変化させても
エッチング形状はほぼ変わらなかった。またＡに示す期
間は電位を−１０Ｖから−５００Ｖに変化させても同様
に形状に変化はなかった。

【００３８】一方、Ｂに示す期間は５０マイクロ秒から
５００マイクロ秒の期間変化させてみたが、同様にエッ
チング形状に大きな差異はなかった。また、Ｂに示す期
間の電位を５０Ｖから２００Ｖまで変化させてみたが、
同様に大きな形状の変化はなかった。ここで、第２高周
波電源８の周波数は３ＭＨｚ以上１１０ＭＨｚ以下で、
望ましくは１０ＭＨｚ以上７０ＭＨｚ以下がよい。

【００３９】また、図３に本実施形態に係るプラズマ処
理方法を用いて行った実験におけるホール寸法とエッチ
ング深さの関係を示す。図３に示すように、ホール寸法
が小さくなるにつれ、エッチング深さは従来例と比較す
ると充分に確保されていることは第１実施形態と同様で
ある。

【００４０】さらに、第１実施形態の場合と比較してみ
ても、エッチング深さはさらに深く確保され、異方性の
高いエッチングが行われていることが分かる。これは、
正サイクルと負サイクルのデューティー比を最適化した
ことにより、電子や負イオンのホール底への到達作用
と、正イオンの引き込み作用の均衡がとれ、エッチング
が効率的に行われたことによるものと考えられる。

【００４１】このように本実施形態によれば、正サイク
ルと負サイクルのデューティー比を調整して高周波電力
を下部電極３に印加することにより、エッチングの際の
異方性をさらに高めることができる。

【００４２】なお、上記第１，２実施形態で示した高周
波電源の出力は、連続で運転したときの実効電力を示し
ている。

【００４３】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はない。

【００４４】第１高周波電源及び第２高周波電源ともに
下部電極３に接続する場合を示したが、一方を上部電極
に、他方を下部電極に接続する場合でも、双方を上部電
極に接続する場合でも、本発明の効果を奏する。また、
電源は２つに限定されず、３つ以上の電源を接続する場
合であっても良い。また、上記実施形態に示した周波
数、振幅等にも限定されない。また、プラズマ処理とし
てエッチングについて述べたがこれに限定されるわけで
なく、プラズマＣＶＤ、プラズマクリーニング処理やプ
ラズマダウンストリーム処理等、あらゆるプラズマ処理
に応用が可能である。また、印加される高周波電力の出
力波形は矩形波のみならず、三角波、正弦波等でもよ
い。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
極に印加する重畳周波数電力の低周波成分の出力波形は
正サイクルと負サイクルを有し、この負サイクルに高周
波成分を同期させることにより、被処理基体が載置され
た下部電極に低周波成分の正サイクルが印加されている
タイミングが確保される。従って、効率よく電子が被処
理基体に入射するとともに、プラズマ中に生成される負
イオンも同時に被処理基体に入射する。従って、プラズ
マ処理における異方性を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置
の構成を示す模式図。

【図２】同実施形態に係る高周波電源の出力波形を示す
図。

【図３】同実施形態に係るプラズマ処理を用いて行った
実験におけるホール寸法とエッチング深さの関係を示す
図。

【図４】本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理に用
いられる高周波電源の出力波形を示す図。

【図５】従来のプラズマ処理装置の構成を示す模式図。

【図６】従来のプラズマ処理の問題点を説明するための
図。

【符号の説明】

１…プラズマ処理容器 ２…上部電極 ３…下部電極 ４…被処理基板 ５…ガス導入系 ６…ガス排気系 ７…第１高周波電源 ８…第２高周波電源 ９…整合回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｍ Ｆターム(参考） 4K030 DA04 FA03 JA18 KA49 4K057 DA12 DB20 DD03 DD08 DE06 DE14 DM01 DM02 DM08 DM16 DM17 DM18 DM20 DM31 DM33 DN01 5F004 BA04 BA09 BB11 BB18 BB28 CA09 DA00 DA23 DB03 EB01 5F045 AA08 AA19 DP01 DP02 DP03 EF05 EH13 EH14 EH19 EH20

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室内に対向して配置された上部電極
   及び下部電極の双方又はいずれか一方に高周波電力を印
   加することにより生じたプラズマにより前記下部電極上
   に載置される被処理基体に対して所定の処理を施すプラ
   ズマ処理方法において、 正サイクルと負サイクルを有する低周波成分と、高周波
   成分とを有する少なくとも２種類の周波数を重畳して前
   記高周波電力を生成し、前記低周波成分の負サイクルに
   前記高周波成分を同期させて前記電極に印加することを
   特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】 前記重畳高周波電力の低周波成分は、２
   ０ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下であり、かつ高周波成分
   は１０ＭＨｚ以上７０ＭＨｚ以下であることを特徴とす
   る請求項１に記載のプラズマ処理方法。
3. 【請求項３】 処理室内に対向して配置された一対の電
   極と、 正サイクルと負サイクルを有する低周波成分の出力波形
   を有する電力を前記電極に供給する第１の電源と、 高周波成分の出力波形を有する電力を前記電極に供給す
   る第２の電源とを具備してなり、 前記第２の電源の高周波成分を前記第１の電源の低周波
   成分の負サイクルに同期させて前記電極に電力を供給す
   ることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 前記重畳高周波電力の低周波成分は、２
   ０ｋＨｚ以上４００ＭＨｚ以下であり、該電力の高周波
   成分は１０ＭＨｚ以上７０ＭＨｚ以下であることを特徴
   とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。