JPH03277775A - Plasma treatment - Google Patents
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Abstract
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明はプラズマ処理方法に関し、例えば乾式%式%
Vapor Deposition )等に代表される
、プラズマ中のイオン、励起活性種、ラジカル等を試料
基板に照射するプラズマ処理方法に関する。
〔従来の技術〕
プラズマ処理方法としては、乾式エツチング、スパッタ
リング、CVD等の方法が知られている。
乾式エツチングとは、プラズマ中のイオン等の粒子をS
iウェーハ等の試料基板に照射し、試料基板の表面を侵
食加工する処理方法であり、スパッタリングとは、アル
ゴン等の不活性ガスをプラズマ化し、該プラズマ中のイ
オン等の粒子をターゲツト材に照射し、該粒子の衝突エ
ネルギーによりターゲツト材からその成分を飛び出させ
、この飛び出した成分を真空容器内に配置された試料基
板に付着させて該試料基板表面に薄膜を形成する処理方
法であり、CVDとは、シランガス(Sins)やアン
モニアガス(NL)等の堆積性のガスをプラズマ化し、
該プラズマ中のラジカルやイオン等の粒子を試料基板に
照射することで、試料基板の表面に薄膜を形成する処理
方法である。
これらのプラズマ処理方法においては、従来、電子サイ
クロトロン共鳴(ECR)条件を利用し、高密度のプラ
ズマを形成させ、該プラズマ中に存在するイオンや励起
活性種、ラジカルを用いてプラズマ処理をおこなってい
る。
ECR条件とは、マイクロ波を効率良くガスに吸収させ
ることができる条件であって、下式によりあられされる
。
B=2 xm f / e−3,57X 10−’f
(Gauss)B:磁束密度
m:1を子の質量
e:1を子の電荷
f:マイクロ波の周波数
例えば、家電品用に工業的に大量生産されているマグネ
トロンの周波数である2、45GHzを用いると875
Gaussがこの条件テアル。
ECR条件により高密度のプラズマを形成される原理を
第2図を用いて説明する。第2図aは、ECR条件下で
、通常の直線偏波のマイクロ波投入した場合の電子の運
動を示す原理図である。第2図aにおいて、Z軸方向を
紙面の手前側から裏側とし、このz軸方間に磁場B0を
付加する場合、電子はマイクロ波が投入される前までは
、磁場B0によるローレンツ力によって破線で示したサ
イクロトロン運動をしている。ここに電場の偏波面をX
−Z面とする直線偏波のマイクロ波を投入した場合(進
行方向はZ軸方向)、電場はX軸方向の電場の振動であ
るから、電子はこの電場によりX軸方向に加速を受ける
ことになる。ECR条件の場合、電場の周期Tと該サイ
クロトロン運動の周期T6が一致しているので、電子は
常に矢印のX成分の加速を受け、電場のエネルギー(マ
イクロ波のエネルギー)を吸収して速度Vを増加させる
〔運動エネルギーを増加させる〕、このことにより、電
子がマイクロ波のエネルギーを効率的に得ることができ
、高密度のプラズマを形成することができるのである。
乾式エツチング、スパッタリング、CVD等のプラズマ
処理方法は、ガスをプラズマ化し、該プラズマ中のイオ
ン等の粒子を試料基板に照射するという点までは実質的
に同一の処理方法であるので、以下乾式エツチング方法
の場合について詳細に説明する。
電子サイクロトロン共鳴(ECR)条件を利用した乾式
エツチング装置には、大きく分けて3つのタイプがあり
、それぞれのタイプの装置構成を第12〜14図に模式
的に示す。
第12図に示す装置は、真空容器内に、磁場をコイルに
て供給するとともにマイクロ波を導波管にて導入して、
真空容器内に配置した試料基板の直上に電子サイクロト
ロン共鳴(ECR)条件を形成して試料に高密度プラズ
マを照射するタイプであり、所謂[マイクロ波プラズマ
エツチング装置Jと呼ばれている装置である。
(特開昭53−96938、特開昭60−134423
参照)。
第12図において、53は内部を59の真空排気ボート
より真空引き可能とされた真空容器であり、該真空容器
53内に、試料台56に載置して試料基板55を配置す
る。また、真空容器53は、ガス導入ポート58を有し
、該ボート58からプラズマ化するガス(例えばNF、
ガス等)を導入して真空容器53内のガス雰囲気を置換
する。
前記試料台56の一端は、前記真空容器53外部に引き
出されており、この真空容器53外の部分に高周波電源
57が接続されている。この高周波電源570周波数は
通常13.65MHzが使用される。
また、真空容器53には石英製のマイクロ波照射窓54
が組み込まれており、該マイクロ波照射窓54には導波
管52が接続されており、図示されてないマイクロ波源
からのマイクロ波を、導波管52およびマイクロ波照射
窓54を通して真空容器53内に導入する。このマイク
ロ波の周波数は通常2.45GHzが一使用されている
。また、51は磁場コイルであり、真空容器53内にE
CR条件となる875Gauss近傍の磁束密度ができ
るような磁場を供給する。このようにしてECR条件の
もとでプラズマを効率良く生成し、このプラズマの各種
粒子を試料基板55に照射することで乾式エツチング処
理をするのである。
第13図に示す装置は、磁場の供給とマイクロ波の導入
については、第12図に示す装置と同様にしておこなう
が、真空容器を、電子サイクロトロン共鳴(ECR)条
件を有するプラズマ生成室と、試料基板を置く試料室と
に分離し、プラズマ生成室にて高密度プラズマを発生さ
せ、コイルによって形成される発散磁界を利用してこの
プラズマのイオン等の粒子を試料室に引き出して試料に
あてるタイプであり、所謂rECRエツチング装置」と
呼ばれている装置である。
(特開昭56−155535 、特開昭5747797
5参照)。
第13図において第12図と同じ符号を付したものは第
12図と実質的に同じものを示すので説明を省略する。
第13図において、63は内部を真空排気可能とされた
試料室であって、該試料室63内に試料基板55を配置
する。また、試料室63は、同じく内部を真空排気可能
とされたプラズマ生成室61に連通しており、導波管5
2と石英窓62とを這してマイクロ波を導入するととも
に磁場コイル51により磁場を付加してECR条件を生
じさせ、プラズマ生成室61内に高密度のプラズマを生
成する。このプラズマを前記試料室63内に引き出して
、試料基板55にシャワー状に照射することで乾式エツ
チング処理をおこなうのである。
最後に、第14図に示す装置を説明すると、第14図に
示す装置は、磁場を永久磁石(マルチポール)にて供給
するとともにマイクロ波をアンテナ発振にて投入して花
形にECR条件を形成し、このECR条件により生成し
た高密度プラズマを拡散により試料にあてるタイプであ
る。
(*開開62−31999参WI ) 。
第14図において第12図と同じ符号を付したものは第
12図と実質的に同じものを示すので説明を省略する。
第14図において、53は真空容器であって、該真空容
器53の外周には、多極永久磁石65が配設されている
とともに、該真空容器53内には、マイクロ波発振アン
テナ64が挿入されており、該マイクロ波発振アンテナ
64から発散されるマイクロ波と前記多極永久磁石65
により付加される磁場とによりECR条件を花形に数多
くの場所で形成することで、より高密度のプラズマを生
成し、このプラズマを前記真空容器53内に配置した試
料基板55に照射することで乾式エツチング処理をする
のである。
ここで、高周波を源の果たす作用を説明する。
プラズマを用いた乾式エツチング方法においては、イオ
ン粒子がプラスの電荷を持つことを利用して、マイナス
の電荷を試料台に付加することで該試料台に載置した試
料基板にイオン粒子を吸引せしめて照射するイオンアシ
ストエツチング方法が有効であり、高周波電源は試料台
にマイナスの電荷を付加するために用いられる。この高
周波電源の代わりに負のDCバイアスを付加してもよい
。
次いで、ECR条件を用いてCVDをおこなう装置につ
いて説明する。第15図は第13図に示す装置構成とほ
ぼ同様な装置構成でCVDをおこなう装置を示すもので
ある。
第15図において第13図と同じ符号を付したものは第
13図と実質的に同じものを示すので説明を省略する。
第15図において、66はプラズマ生成室61内に堆積
反応用のアンモニアガス等を導入する第一ガス導入系で
あり、67は試料室63内に堆積性のガスであるシラン
ガス等を導入する第二ガス導入系である。この装置は、
プラズマ生成室61内にECR条件を生成してアンモニ
アガス等のプラズマを生成するとともに、プラズマの各
種粒子を試料室63内に引き出し、試料室63内のシラ
ンガス等の堆積性のガスと反応させ、試料基板55表面
に薄膜として形成する。
(特開昭56−155535参照)。
〔発明が解決しようとする課題〕
まず、請求項1記載の発明が解決しようとする課題を説
明する。
近年、半導体のデザインルールはサブミクロンの時代に
なり、エツチングの形状は益々高精度を要求される様に
なっている。エツチングの形状は、パターンを忠実に再
現する必要があり、垂直エツチング(異方性の向上)が
望ましい、プラズマエツチングにおいては、試料に入射
するイオンを有効に利用した前記イオンアシストエツチ
ングが該異方性を得るために有効であり、これによりイ
オンの入射方向を揃えている。
第16図は、イオンがプラズマから試料基板に向かい照
射される様子を描いた原理図である。イオン(図中eで
示す)の加速は、シース部(図中に破線で示す部分から
試料基板71までの部分)にてフローティングポテンシ
ャルvfもしくは発散磁界による磁場勾配による加速電
圧vt及び、別途印加されるRFバイアスないしはDC
バイアス■、にて行われる。この加速域(シース)にて
中性粒子(図中■で示す)との衝突がある場合、イオン
の方向が乱れて、試料基板71への入射方向を揃えるこ
とができなくなり、側壁72にもイオンの入射が生じて
垂直エツチングが行えなくなる。すなわち、第16図の
右側に示すようにマスキング部73の下方の側壁72が
扶れてしまうのである。かかる中性粒子との衝突の無視
できる条件は、このシース幅d、が中性粒子の平均自由
行程λ。に対してd、〈〈λ。であるときであり、中性
粒子の平均自由行程λ。は、例えば、アルゴンガスの場
合、圧力5X10−’Torrでは1.Icm程度であ
り、これは、圧力に反比例する。一方、シース幅djは
、プラズマ密度n D 、電子温度T、、フローティン
グポテンシャル■、に依存するものの、目安としては、
ECR装置では100μ−程度と考えられ(半導体プラ
ズマプロセス技術、産業図書、P138〜144 )
、イオンの中性粒子との衝突は低圧力にする程少なくな
ると考えられる。ただし、上記の値は平均値を意味して
おり分布を持っているので、圧力5xlO−’Torr
においても実際は中性粒子との衝突が存在する。従って
、垂直エツチングを行うには出来るかぎり低圧力におけ
る放電を利用することが望ましいのである。
しかし、圧力を下げていくとエツチングレートが低下す
るという問題があった。これを第17図を用いて説明す
る。第17図はアルゴンガスを用いて、導入するマイク
ロ波のパワーを120Wとすとともに最大磁場点を87
5Gaussとして、従来のECR条件が最大磁場点に
て成立する条件で放電を行った場合におけるプラズマ密
度の圧力依存性を示すグラフである。第17図かられか
るように、低圧力下ではガス密度自体が低下するためプ
ラズマ密度npも低下している。該プラズマ密度n2の
低下、すなわち、イオン密度の低下はイオンアシスト効
果並びに反応種の減少を意味し、エツチングレートを低
下させてしまうのである。
以上、乾式エツチングの場合の問題点について述べたが
、スパッタリング、CVDの場合では、成膜される薄膜
にガス中の不純物(例えば、OlやH,Oガス等)が混
入していない良質の膜を形成することが望まれている。
例えば、メタル系の試料基板を処理する場合、酸化の問
題があるので、02ガスの混入を防止することが必要な
のである。このためには、低圧で処理することが必要で
あって、その理由は、圧力を上げた場合、反応ガスのラ
ジカル等が試料基板表面で反応した後に生しる反応副生
成物の解離が効率良くおこなえず、また、解離した後も
、反応副生成物の平均自由行程が短く、試料基板表面の
付近に存在する確率が増加するためである。
請求項1記載の発明は、以上に述べた従来技術の問題を
解決すべく、イオン化率を上げることによってプラズマ
密度を向上させ、低圧下で異方性の高いプラズマ処理を
効率よく行う方法を提供することを目的とするものであ
る。
次いで、請求項2記載の発明が解決しようとする課題を
説明する。
近年、低温で成膜をおこなうために、従来の熱CVD方
法に代わってプラズマを用いたCVD方法が使用されて
いる。このプラズマを用いたCVD方法の中でも、マイ
クロ波によりプラズマを生成する方法が有効であり利用
に供されている。これは、成膜過程において試料基板に
放射損傷を与えることが少ないためである。上述のよう
に、従来においては、高密度のプラズマを生成できるE
CR条件を用いたプラズマCVD装置を使用することで
成膜速度の向上が図られている。しかし、高圧下では、
通常のECR条件では電子のLarvbor半径が、電
子の平均自由行程に比べて十分短くないため、電子が、
電子サイクロトロン運動をしながら、μ波のエネルギー
を十分吸収する前に中性子と衝突してしまい、プラズマ
密度の向上が図れなかった。また、スパッタリングにお
いても、同様の理由で、さらなる成膜速度の向上を図る
ことができなかった。
請求項2記載の発明は、以上に述べた従来技術の問題を
解決すべく、粒子密度の高い低減圧下において極めて成
膜速度の高いCVD方法もしくはスパッタリング方法を
従供することを目的とするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、上記従来技術の問題に鑑みなされたものであ
って、磁界を付加した真空容器内にガスとマイクロ波を
導入し、該真空容器内で放電を発生させることで該導入
したガスをプラズマ化し、該プラズマ中のイオン、励起
活性種、ラジカル等を試料基板に照射してエツチング、
スパッタリング、CVD等をおこなうプラズマ処理方法
において、進行方向に対して電界方向が右回りである右
偏マイクロ波を選択的に真空容器内に導入するとともに
、該真空容器内に電子サイクロトロン共鳴条件よりも高
い磁場を形成し、該高磁場領域にてマイクロ波を前記ガ
スに吸収させる高磁場マイクロ波吸収モードで高密度の
プラズマを生成することにあり、請求項1記載の発明は
、ガスの圧力を5 X 10− ”Torr以下にして
エツチング、スパッタリング、CVD等をおこなうもの
である。また、請求項2記載の発明は、ガスの圧力を5
X 10− ”Torr以上の減圧下としてCVDも
しくはスバッリングをおこなうものである。
(作用〕
本発明者等は、上記目的を達成するために鋭意実験を重
ねた結果、真空容器内に導入したガスを低圧に保持した
状態で、進行方向に対して電界方向が右回りである右偏
マイクロ波を選択的に真空容器内に導入するとともに電
子サイクロトロン共鳴条件よりも大きな磁界を付加し、
真空容器内のガス中で放電をおこして該ガスをプラズマ
化し、イオン、励起活性種、ラジカル等を真空容器内に
配置した試料基板に対して照射することで乾式エツチン
グをおこなう場合のエツチング速度等を調べたところ、
工業用マイクロ波周波数2.45GHzに対するECR
条件である磁場875Gaussより高い磁場強度を上
記空間全域に付加した状態にて、エツチング速度が著し
く大きくなるという注目すべき知見を得た。
真空容器内に形成される該高磁場状態は、従来のECR
条件を含まず、この現象は、ECR条件下におけるマイ
クロ波吸収と全く異なる原理に基づく特異な現象である
と考えられる。この現象の原理はまだ完全には解明され
てないが、ECRとの比較において発明者等が現在この
現象の原理の一つのモデルと考えているものを第1〜4
図を用いて説明する。
まず、ECR条件下で、通常の直線偏波のマイクロ波投
入した場合の電子の運動を、第2図に示す。第2図aは
、紙面の手前側から裏側に向かう方向をZ軸とし、該2
軸方向に磁場B0の付加した場合の電子の軌道を示す概
念図である。また、第2図すは、このときの電界Exの
時間Tに対する変化を示す概念図である。第2図aにお
いて、電子はマイクロ波が投入される前では、磁場B0
によるローレンツ力によって、破線で示したサイクロト
ロン運動をしている。ここに電場の偏波面をx−z面と
する直線偏波のマイクロ波を投入した場合(進行方向は
z軸方向)、電場はX軸方間の電場の振動であるから、
電子はこの電場によりX軸方向に加速を受けることにな
る。ECR条件の場合、電場の周期Tと該サイクロトロ
ン運動の周期Toが一致しているので、電子は同期しな
がら矢印のχ成分の加速を受け、電場のエネルギー(マ
イクロ波のエネルギー)を吸収して速度Vを増加させて
いく(運動エネルギーが増加する)。
このとき、y方向の電場による加速はない。これは、直
線偏波が、両者のy方向の電場の和は常に零となる大き
さと位相が同一の右回りの偏波(R波)と左回りの偏波
(L波)とに分解でき、マイクロ波のy方向の電場成分
は電子に吸収されないためである。
次いで、右回り円偏波のマイクロ波をECR条件下に投
入した場合における電子の運動を第3図に示す、第3図
aは、紙面の手前側から裏側に向かう方向をZ軸とし、
該2軸方向に磁場B、の付加した場合の電子の軌道を示
す概念図である。また、第3図すはこのときのR波によ
る電界ExとL波による電界Eyの周期T、に対する変
化を示す概念図である。R波はそのまま素通りさせるが
、L波は、円偏波器によって、マイクロ波のL波の位相
をR波の位相よりπ/2 radだけ遅らせる。
これにより、電場方向はマイクロ波の周波数に一致して
大きさ一定で右回りに回転する。この右回り円偏波をE
CR条件下に投入した場合、第3図に示す様に回転電場
の方向は電子のサイクロトロン運動の方向と一致するの
で、電子は常に、回転方向に加速され、電場のχ成分、
y成分の両方を吸収でき、直線偏波のマイクロ波投入し
た場合以上のマイクロ波の吸収が行われ、この場合の電
子の速度V゛は、第2図の電子の速度V以上に加速され
る。
電子の速度、すなわち、電子の運動エネルギーは電子温
度T、を意味し、電子の速度の増加は電子温度T、の増
加を意味する。従って、右回り円偏波のマイクロ波によ
るECRでは直線偏波のマイクロ波によるECR以上の
電子温度を得ることになる。
一方、電子の平均自由行程λ、は、圧力5xlO−”T
orrにて5.8c+s程度、圧力5xlO−’Tor
rにて588cm程度と計算できる。従って、平均自由
行程λ、が大きく衝突頻度が小さい低圧側の方が、長時
間、上記のマイクロ波の電場による加速を受けるため、
電子のエネルギー(運動エネルギー)が増加され、電子
温度が上昇する。この圧力と電子温度と関係を第17図
のグラフに・記号で示す。
第4図は、電子のエネルギーに、T、と分子のイオン化
断面積σ、の関係を示すグラフである。
イオン化断面積σ、は、電子と分子の衝突の際にガスが
イオン化する確率に相当する。一般に、電子のエネルギ
ーに、T、がFA[kmTい以上に増加してはじめてイ
オン化断面積σ8は値をもち(イオン化が起こり)、−
度極大値を経てがら零に収束する。ここで、闇値エネル
ギーklTいは、分子をイオン化するに必要な最小エネ
ルギーである。また、−度極大値を経てから零に収束す
る現象は、電子と分子の衝突時間(相互作用する時間)
を考慮することによって理解できる。すなわち、分子を
イオン化するためには、電子と分子の衝突時間が、不確
定性原理から決まる分子がイオン化する時間より長いこ
とが必要である。従って、電子のエネルギーが増加する
につれて衝突時間が短くなってゆき、イオン化の確率が
低下する。
このように、衝突の際にガスがイオン化する確率が電子
のエネルギーに、T、に比例しないので、イオン化率を
向上させるためには単純に電子エネルギーを増加させる
のではなく、極大値で示される電子のエネルギーktT
+may近傍の電子エネルギーを供給しなければならな
い。この適当な電子エネルギーは、電子がマイクロ波の
エネルギーを吸収する度合いとマイクロ波の電界の強さ
(マイクロ波のパワー)と、圧力に関係する衝突頻度(
平均自由行程の逆数1/λ、に比例)に依存する。
低圧下においては、上記の様に電子のエネルギーに、T
、が増加するので、ECR条件では第4図中のA点の電
子エネルギーを有する。
イオン化率を向上させるためには、電子のエネルギーに
、T、を下げるのが望ましく、圧力(衝突頻度)を上げ
るか、投入するマイクロ波のパワーを低下させるか又は
電子がマイクロ波のエネルギーを吸収する度合いを低下
させてやらなければならない、圧力を上げると上述のよ
うに異方性の高いプラズマ処理ができなくなり、マイク
ロ波のパワーを下げるとガスに吸収されるトータルのエ
ネルギーが低下し、絶対的イオン量を低下させてしまう
、したがって、低圧とマイクロ波のパワーを維持しつつ
電子エネルギーを下げる必要があり、吸収効率の高い右
回りの円偏波のマイクロ波を用いることにくわえて、磁
場をECR条件より高い高磁場領域にする必要があるの
である。
次いで、発明者等がこの現象のまた別のモデルとして考
えているものを説明する。ECR条件においては、該E
CRポイント(該ECRポイント近傍の比較的狭い空間
)でマイクロ波の異常吸収が起こり、マイクロ波(を磁
波)の伝播に関する分散関係から、マイクロ波がその点
より先の空間に伝播することができず、該ECRポイン
ト近傍の狭い空間のみで吸収され、広い空間での吸収が
行えない、すなわち、咳ECRポイントのみで吸収され
る場合、この限られた空間に存在するガス分子の数は低
圧下では少なく、充分なマイクロ波の吸収は行えず、吸
収されないマイクロ波は限られた空間から反射されてし
まう、このため、加速される電子の数は上記の理由から
少なくなり、電離衝突の絶対量が限られてしまい、プラ
ズマ密度の向上が図れなくなってしまう。
一方、ECR条件の共鳴磁場以上の高磁場領域における
、マイクロ波(iiiiff波)の伝播に関する分散関
係は、右回り円偏波に関して実数の解を持ち、充分プラ
ズマ内へ伝播でき(ホイッスラーモード)るため、マイ
クロ波を導入する窓から試料位置までの広い空間全域に
マイクロ波を伝播できる。咳高磁場領域においては、マ
イクロ波エネルギーの吸収は、第2図および第3図で示
したECR条件による吸収と異なり、サイクロトロン運
動とマイクロ波の電場の方向が一致せず、加速と減速を
繰り返していると考えられ、電子のエネルギーの向上は
、その加速と減速の効果の総和とじて生じると考えられ
る。1つ1つの電子では吸収されるエネルギーが少ない
が、この吸収はマイクロ波を導入する窓から試料位置ま
での空間全域で起こる。この広い空間では、低圧下にお
いてもガス分子の数が充分存在することにくわえて、電
子やイオンの寿命が低圧下においてはより長くなること
から、マイクロ波のエネルギーを吸収する電子やイオン
が数多く蓄積され、ECR条件で得られる電子温度より
低温の電子温度とECR条件で得られる電子密度より多
量の電子密度が得られてイオン密度も向上し、プラズマ
密度を低圧下で増加させることができるというモデルが
考えられる。
例えば、付加する磁場がECR条件の2倍である場合は
、電子は等量の加速と減速を繰り返して電子にはマイク
ロ波の電場エネルギーが吸収されない、この近傍の磁場
がマイクロ波を導入する窓から試料位置までの空間にひ
ろく存在する場合には、該高磁場領域においても電子密
度やイオン密度が低下して、プラズマ密度が低下し、エ
ツチングレートは低下する。一方、付加する磁場がEC
R条件の3倍である場合は、加速と減速の総和としてマ
イクロ波の吸収が行え、有効な高磁場下のマイクロ波の
吸収が行える。したがって、マイクロ波を導入する窓か
ら試料位置までの空間をトータルとして有効な高磁場下
のマイクロ波の吸収を行えるようにすることが、高磁場
マイクロ波吸収モードを実現できる条件となる。
以上述べたように、本発明の「高磁場マイクロ波吸収モ
ード」とは、低圧下において、電子温度T、を下げイオ
ン化断面積σ、を上げる効果と、右回り円偏波マイクロ
波のエネルギーの吸収をマイクロ波を導入する窓から試
料位置までの空間全域に拡げ電子やイオンの絶対量を増
加させた効果の相互作用、もしくは、そのうち支配的な
効果を向上させることによって、低圧下の放電における
イオン化率を上げ、プラズマ密度を向上させることがで
きるモードである。
請求項1記載の発明では、真空容器内を5XIO−”丁
orr以下の高真空状態にすることが必要である。
これは、請求項1記載の発明の目的とする低圧下で異方
性の高いプラズマ処理を効率よく行う方法を実現するの
に必要であるからである。すなわち、この圧力より高く
なると、従来技術の課題の項で第16図を用いて説明し
たように異方性の高いプラズマ処理ができなくなるので
ある。
一方、請求項2記載の発明では、真空容器内を5X10
−”Torr以上の減圧下とすることが必要である。
これは、請求項2記載の発明の目的とする粒子密度の高
い低減圧下において極めて成膜速度の高いCVDもしく
はスパッタリング方法を提供するために必要であるから
である。これより低圧とした場合、プラズマ密度が相対
的にみれば低下し、成膜速度の面では低下していくこと
になる(異方性は高くなる)のである。
本発明の真空度に関して、第5図を用いて説明する。第
5図は、マイクロ波のパワーを100Wとしたときの真
空容器内の真空度に対するECR条件のイオンを流密度
のピーク値(第1図にP、で示す)と本発明に係わる高
磁場マイクロ波吸収モードにおけるイオンiit流密度
のピーク値(第1図にP2で示す)の比を、アルゴンガ
スと三弗化窒素について示すグラフである。
第5図から分るように、全ての真空度において本モード
におけるイオン電流密度の方がECR条件を利用した場
合のイオンN’lJ=密度より上回っているだけでなく
、高真空度側では、本モードにおける場合の方がECR
条件を利用した場合のイオン電流密度より大きくなって
おり、lXl0− ’Torrでは2倍となっている。
請求項1記載の発明は特にこの部分を有効に利用しよう
とするものである。
また、5X10−3Torr以上の圧力下においては、
本モードにおけるイオン電流密度のピーク値とECR条
件におけるピークとの比が急激に変化し、ECR条件に
おけるピーク値が低下するにもかかわらず、本モードに
よる′ti1度は高く維持される。
これは、本モードを用いるプラズマ処理方法がECR条
件を利用するプラズマ処理方法より高い圧力においても
高密度のプラズマを生成できることを意味している。請
求項2記載の発明はこの部分を有効に利用しようとする
ものである。
なお、lXl0− ’Torrにおける本モードのイオ
ン電流密度は110■^/ciiであった。
〔実施例〕
以下に、本発明の実施例について述べる。
第6図は請求項1記載の発明に使用する乾式エツチング
装置を模式的に示した図であって、請求項1記載の発明
のエツチング方法は、この装置により実験された。第6
図において、3は内部を真空排気ポート9より真空引き
可能とされた真空容器であり、該真空容器3内に試料基
板5が配置される。また、真空容器3は、ガス導入ポー
ト8を有しこのボート8からプラズマ化するガスを導入
する。また、真空容器3には石英で構成されたマイクロ
波照射窓12が嵌め込まれており、該マイクロ波照射窓
12には、円偏波器21と円形導波管22とがこの順に
連通状に接続されている。さらに、真空容器3の外周に
は、多極永久磁石13と磁場コイル1とが設けられてい
るとともに、試料基板5後方の真空容器3の外周部には
、ミラー磁場コイル19が設けられている。
図示されない2.45GHzのマイクロ波電源により発
生したマイクロ波を、同じく図示されない矩形導波管と
矩形円形テーパ導波管とを通して、円形導波管22に導
き、さらに、円偏波器21およびマイクロ波照射窓12
を通して、真空容器3内にガス導入ポート8から導入し
たガスに照射するとともに、磁場コイル1、多極永久磁
石13およびミラー磁場コイル19により形成される磁
場を付加することで高磁場マイクロ波吸収モードで該ガ
スをプラズマ化し、試料基板5に各種粒子を照射する。
この第6図に示す装置の寸法を一例として挙げると、マ
イクロ波照射窓12から試料基板5までの距離を330
1と、導入するマイクロ波の波長の2倍程度とし、試料
基板5の位置は磁場コイル1の下端部にできる限り近づ
け(図中の!=45、、) 、磁場コイル1の下端部よ
り排気側で生ずる磁場の栄、畦な発散の影響を低減して
いる。
真空容器3の外周に設けた磁場コイル1とミラー磁場コ
イル19に流す電流値を制御することにより、磁場の状
態を様々に可変できる。磁極を交互させた多極永久磁石
13はプラズマの閉じ込めを補助するものであり、同一
磁極の多極永久磁石としてもよく無くてもよい。また、
ミラー磁場コイル19は磁場の状態を制御するものであ
り、これが無くとも請求項1記載の発明を実施すること
ができる。なお、第6図においては図示省略しているが
、従来技術の項で説明したように、高周波電源やDCバ
イアス電源を接続した方がエツチングの異方性を高め、
処理速度を向上することができるのはいうまでもない。
第6図のエツチング装置を使用した場合の請求項1記載
の発明の作用効果を第7図と第1図を用いて説明する。
第7図は、シリコン(Si)基板のエツチングを、エツ
チングガスに三弗化窒素(NFS)を用い、圧力5xl
O−5Torrの低圧で、マイクロ波パワーを100−
を投入した時の磁場強度−エツチング速度特性を示すグ
ラフである。磁極を交互させた多極永久磁石は装着しミ
ラー磁場コイルは使用していない。また、第1図は、第
7図の状態で充分大きなりCバイアス−100vをプロ
ーブ電圧とじて与えたときのプローブ測定による磁場強
度−飽和イオン電流密度特性を示すグラフである0Mi
場強度とは真空容器中に存在する最大磁場強度の値であ
る。このときの磁場形状は、ガウスメータでの実測によ
り確認し、磁場コイル1のほぼ中心位置P、、、(具体
的には、真空容器3の径φ(=96s+m)方向の中心
、長手方向においてはマイクロ波照射窓12から試料基
板5方向に7011I!、試料基板5からの距離りが2
601の位置〕で最大磁場強度を示し、試料位置では最
大磁場強度の約1/2の値を持つ様に形成される。最大
磁場強度2200Gaussでの装置の各地点における
磁場強度を第8図に示した。第8図かられかるように、
ECRポイントQ(875Gauss )は試料基板5
より排気側に位置し、本発明によるプラズマ処理方法が
、従来のECRによるプラズマ処理とは全く異なった現
象により引き起こされているものであることがわかる。
第7図に示すように、エツチングレートは、磁場強度を
増大させていくとまず最大磁場強度1400Gauss
で極大値を示し、さらに磁場強度を増大させると一旦エ
ッチングレートが下がるが、その後急峻に立ち上がり最
大磁場強度2200Gauss程度に再び極大値をもつ
、このエツチングレートの特性は、第1図の飽和イオン
電流密度によく対応し、イオン密度の増大によるエツチ
ングレートの変化であると考えられる。また、最初の極
大点までは、試料位置にECRポイントが近づくことに
よるエツチングレートの増大であり、ECRによるエツ
チングとみなせる。一方、第2の極大点では、第8図に
示した様にマイクロ波照射窓12から試料位置5までに
ECR条件は存在せず、本発明にいう高磁場マイクロ波
吸収モードによるエツチングである。第7図に示すよう
に、この高磁場マイクロ波吸収モードによるエツチング
レートは極大点において1000人/winとECR条
件におる極大点における値(約500人/sin )よ
り2倍も大きな値をもち、本発明のプラズマ処理方法の
処理効率向上効果がわかる。
また、弗素のプラズマ量を示すPI?。1.の発光強度
を第2の極大点にて計測したところ、第2の極大点の高
磁場マイクロ波吸収モードの値は最初の極大点のECR
での値の約半分であり、高磁場マイクロ波吸収モードは
、ECRよりもラジカルの発生が少なく、イオン密度が
高いことから異方性の高いエツチングとなる特徴を有す
ることがわかる。エツチング形状のS E M (Sc
anning ElectronMicroscope
)観察でも、高磁場マイクロ波吸収モードでの形状は、
その垂直性が極めて良好であることが確認された。更に
、マイクロ波のパワーとして600−を投入し、同条件
のエンチング実験を行ったところ100−のときと同様
の傾向を示し、同様の極大点を有することを確認、した
。この場合における高磁場マイクロ波吸収モードによる
エツチングは、1500人/調1nもの極めて高いエン
チングレートを示した。
上記のエツチングレートは、発散磁場による加速電圧■
Lの効果も考えられるが、極大値をとることから、本質
的に高磁場マイクロ波吸収モードによるものと考えられ
、磁場形状は、発散型でもミラー磁場コイルを用いた均
一磁場型でもがまわない、また、イオン密度が増加して
いることから、試料にバイアス電圧を印加するようにす
れば、さらにエツチングレートは上がる。
また、高磁場マイクロ波吸収モードを形成する条件は、
プロセスガスの種類により異なり、磁場形状、並びに、
ガス圧力は変わる。乾式エツチングに一般に用いられて
いる三弗化窒素(NFs)の場合、1xlO−’Tor
r程度から顕著にあられれ、5xlO−’Torrでの
結果はすでに説明した通りである。
次いで、請求項1記載の発明を使用した場合のエツチン
グの異方性の向上を第11図を用いて説明する。第11
図aは、請求項1記載の発明を使用してエツチング処理
をした場合のエツチング断面をSEMにて観察した写真
であり、第11図すは、従来の方法を使用してエツチン
グ処理をした場合のエツチング断面をSEMにて観察し
た写真である。第11図aとbとを比較してわかるよう
に、請求項1記載の発明のエツチングの異方性は良好で
、はぼ完全な垂直エツチングが行えており、低圧下の異
方性の高い高速エツチングが実現できている。
以上のエツチング方法並びに装置は、低圧力下における
プラズマの照射が有効な他のプラズマ処理方法と装置に
転用でき、堆積性のガスを用いればCVD (化学的気
相法)への適用、アルゴンなどの希ガスを用いればスパ
ッタリング装置へ適用ができるのはいうまでもない。
第9図と第10図は、請求項1記載の発明を適用したス
パッタリング装置の模式的な構成図である。第9図と第
10図において第6r;jJと同一の番号を付したもの
は実質的に同一のものであるから説明を省略する。第9
図は真空容器3内の引き出し部にターゲットを23置き
、ターゲ・ノド23に高周波電源7によりRFバイアス
をかけ、低圧力下における高磁場マイクロ波吸収モード
の放電を利用した例であり、第10図は放電部をリング
状ターゲット23で被い、該ターゲット23にRFバイ
アスをかけ、低圧力下における高磁場マイクロ波吸収モ
ードの放電を利用した例を示す。
いずれの装置においても、高密度に生成されたプラズマ
からイオン等の粒子をターゲツト材23に衝突させ、こ
の衝突エネルギーによりターゲツト材23の成分を真空
容器3内に飛散せしめ、この成分を同じく真空容器3内
に配置した試料基板5に付着させて、該試料基板5表面
に薄膜を形成するのである。
また、5X10−3以下の低圧下においては、前述した
ように、CVDの場合では、表面律速反応における反応
副生成物が容易に除去され、成膜されたCVDP中に副
生成物、すなわち不純物の混入が低減できる。また、ス
パッタリングの場合では、スパッタに用いるAr等の不
活性ガスの、純度を要求されるスパッタ膜中への混入を
低減でき、不純物量の少ない成膜をおこなうことができ
る。
なお、CVDに用いる装置は、図示を省略するが、本発
明がCVDにも用いることができるのはいうまでもない
。
次いで、請求項2記載の発明の詳細な説明する。第15
図に示すような試料室とプラズマ生成室に分離されてい
る装置に、右偏マイクロ波を選択的に導入するとともに
、電子サイクロトロン共鳴条件よりも高い磁場を形成し
て、シリコンナイトライド(Si3N、)膜および酸化
シリコン(Si(h)膜を形成する場合の成膜速度を測
定した。この実験の条件と結果を下記に示す。
災kM上
プラズマ生成室へN2ガスを30cc/諏inの速度で
導入し、試料室へ5IHaガスを20cc/sinの速
度で導入するとともに、容器内を8X10− ’Tor
rの圧力ニシ、200Wのパワーのマイクロ波を導入し
て、CVD処理をおこなった。このときの成膜速度は1
200人/s+inであり、従来のECR条件を使用し
た場合の成膜速度が530人/minであることを考え
ると約2.5倍の効率を得ることができた。
1隻■1
プラズマ生成室へ02ガスを30cc/sinの速度で
導入し、試料室へ5i)I4ガスを20cc/sinの
速度で導入するとともに、容器内を8X10−3Tor
rの圧力にし、200Wのパワーのマイクロ波を導入し
て、CVD処理をおこなった。このときの成膜速度は2
000人/ginであり、従来のECR条件を使用した
場合の成膜速度が1000人/win程度であることを
考えると約2倍の効率を得ることができた。
一方、5X10−’以上の高圧下においては、前述した
ように、CVDの場合では、電子の平均自由行程が短く
なり、ECR条件の電子のLarvor半径においては
、電子が、μ波のエネルギーを十分吸収するに必要な電
子サイクロトロン運動をする前に、中性子と衝突するた
め、filllに十分な闇値エネルギーを得られず、プ
ラズマ密度を増加できないが、本実施例の高磁場マイク
ロ波吸収モードでは、ECR条件よりLars+or半
径が小さく、かつECR条件より長時間に電子サイクロ
トロン運動をおこなうため、電子が、μ波から電離に十
分なエネルギーを吸収でき、プラズマ密度を向上できる
。
従って、ラジカル、励起活性種の密度も増加し、堆積率
(Deposition rait)が向上する。また
、スパッタリングの場合も、CVDと同様なメカニズム
によりプラズマ密度を向上でき、イオン密度が増加して
、スパッタ成膜率が向上できる。
以上、シリコンナイトライド<5rsya> IIおよ
び酸化シリコン(Sing)膜を形成を形成する場合に
ついて述べたが、ガス種類についてはこれに限定される
ものでなく、また、第15図に示す装置以外のCVD装
置を利用しても良いのはいうまでもない。また、請求項
2記載の発明は、スパンリングにも適用できるのはいう
までもない。[Industrial Field of Application] The present invention relates to a plasma processing method, and relates to a plasma processing method that irradiates a sample substrate with ions, excited active species, radicals, etc. in plasma, typified by, for example, dry vapor deposition. . [Prior Art] As plasma processing methods, methods such as dry etching, sputtering, and CVD are known. Dry etching is the process of removing particles such as ions in plasma with S.
Sputtering is a processing method that irradiates a sample substrate such as an i-wafer to erode the surface of the sample substrate. Sputtering is a process in which an inert gas such as argon is turned into plasma, and particles such as ions in the plasma are irradiated onto the target material. This is a processing method in which the components are ejected from the target material by the collision energy of the particles, and the ejected components are attached to a sample substrate placed in a vacuum container to form a thin film on the surface of the sample substrate. Converts deposition gases such as silane gas (Sins) and ammonia gas (NL) into plasma,
This is a processing method in which a thin film is formed on the surface of a sample substrate by irradiating the sample substrate with particles such as radicals and ions in the plasma. Conventionally, these plasma processing methods utilize electron cyclotron resonance (ECR) conditions to form high-density plasma, and perform plasma processing using ions, excited active species, and radicals present in the plasma. There is. The ECR conditions are conditions that allow gas to efficiently absorb microwaves, and are expressed by the following equation. B=2 x m f/e-3,57X 10-'f
(Gauss) B: Magnetic flux density m: 1 Mass of the child e: 1 Charge of the child f: Microwave frequency For example, 2.45 GHz, which is the frequency of magnetrons industrially mass-produced for home appliances. 875 when used
Gauss describes this condition. The principle of forming high-density plasma under ECR conditions will be explained using FIG. 2. FIG. 2a is a principle diagram showing the movement of electrons when ordinary linearly polarized microwaves are input under ECR conditions. In Figure 2a, when the Z-axis direction is from the front side to the back side of the page and a magnetic field B0 is applied between the Z-axis, the electrons will move along the broken line due to the Lorentz force due to the magnetic field B0 until the microwave is applied. It has the cyclotron motion shown in . Here, the polarization plane of the electric field is
- When a microwave with linear polarization in the Z plane is input (progressing direction is the Z-axis direction), the electric field is a vibration of the electric field in the X-axis direction, so the electrons are accelerated in the X-axis direction by this electric field. become. In the case of ECR conditions, the period T of the electric field and the period T6 of the cyclotron motion match, so the electron is always accelerated by the X component of the arrow, absorbs the energy of the electric field (microwave energy), and increases the velocity V. By increasing the kinetic energy, electrons can efficiently obtain microwave energy and form a high-density plasma. Plasma processing methods such as dry etching, sputtering, and CVD are essentially the same processing methods up to the point where gas is turned into plasma and particles such as ions in the plasma are irradiated onto the sample substrate. The case of the method will be explained in detail. Dry etching apparatuses using electron cyclotron resonance (ECR) conditions can be roughly divided into three types, and the apparatus configurations of each type are schematically shown in FIGS. 12 to 14. The device shown in FIG. 12 supplies a magnetic field with a coil and introduces microwaves with a waveguide into a vacuum container.
This is a type of device that creates electron cyclotron resonance (ECR) conditions directly above a sample substrate placed in a vacuum container and irradiates the sample with high-density plasma, and is the so-called microwave plasma etching device J. . (JP-A-53-96938, JP-A-60-134423
reference). In FIG. 12, 53 is a vacuum container whose interior can be evacuated by an evacuation boat 59, and a sample substrate 55 is placed in the vacuum container 53 on a sample stage 56. Further, the vacuum vessel 53 has a gas introduction port 58, and gas (for example, NF,
gas, etc.) is introduced to replace the gas atmosphere inside the vacuum container 53. One end of the sample stage 56 is drawn out to the outside of the vacuum container 53, and a high frequency power source 57 is connected to the portion outside the vacuum container 53. The frequency of this high frequency power supply 570 is normally 13.65 MHz. Further, the vacuum container 53 has a microwave irradiation window 54 made of quartz.
A waveguide 52 is connected to the microwave irradiation window 54, and microwaves from a microwave source (not shown) are transmitted to the vacuum vessel 53 through the waveguide 52 and the microwave irradiation window 54. to be introduced within. The frequency of this microwave is usually 2.45 GHz. Further, 51 is a magnetic field coil, and E is placed inside the vacuum container 53.
A magnetic field is supplied that produces a magnetic flux density near 875 Gauss, which is the CR condition. In this way, plasma is efficiently generated under ECR conditions, and the sample substrate 55 is irradiated with various particles of this plasma to perform the dry etching process. The apparatus shown in FIG. 13 is similar to the apparatus shown in FIG. 12 in terms of magnetic field supply and microwave introduction, but the vacuum chamber is replaced with a plasma generation chamber having electron cyclotron resonance (ECR) conditions. Separated into a sample chamber where the sample substrate is placed, high-density plasma is generated in the plasma generation chamber, and particles such as ions of this plasma are drawn into the sample chamber using the divergent magnetic field formed by the coil and applied to the sample. This type of device is called a so-called rECR etching device. (Japanese Patent Publication No. 56-155535, Japanese Patent Application Publication No. 5747797
(see 5). In FIG. 13, the same reference numerals as in FIG. 12 indicate substantially the same components as in FIG. 12, so the explanation will be omitted. In FIG. 13, reference numeral 63 denotes a sample chamber whose interior can be evacuated, and a sample substrate 55 is placed inside the sample chamber 63. The sample chamber 63 also communicates with a plasma generation chamber 61 whose interior can be evacuated, and the waveguide 5
2 and the quartz window 62, and a magnetic field is applied by the magnetic field coil 51 to generate ECR conditions, thereby generating high-density plasma in the plasma generation chamber 61. This plasma is drawn into the sample chamber 63 and irradiated onto the sample substrate 55 in a shower to perform a dry etching process. Finally, to explain the device shown in Fig. 14, the device shown in Fig. 14 supplies a magnetic field with a permanent magnet (multipole) and injects microwaves with antenna oscillation to form a flower-shaped ECR condition. This is a type in which high-density plasma generated under these ECR conditions is applied to the sample by diffusion. (*Reference 62-31999 WI). In FIG. 14, the same reference numerals as in FIG. 12 indicate substantially the same components as in FIG. 12, so the explanation will be omitted. In FIG. 14, reference numeral 53 denotes a vacuum container, and a multipolar permanent magnet 65 is disposed around the outer periphery of the vacuum container 53, and a microwave oscillation antenna 64 is inserted into the vacuum container 53. The microwave emitted from the microwave oscillation antenna 64 and the multipole permanent magnet 65
By forming the ECR conditions in a flower shape at many locations using the magnetic field applied by the magnetic field, a higher density plasma is generated, and by irradiating this plasma onto the sample substrate 55 placed in the vacuum container 53, a dry process is performed. It is an etching process. Here, the effect of the high frequency source will be explained. In the dry etching method using plasma, the fact that ion particles have a positive charge is used to add a negative charge to the sample stage, thereby attracting the ion particles to the sample substrate placed on the sample stage. Ion-assisted etching is effective, and a high-frequency power source is used to add a negative charge to the sample stage. A negative DC bias may be added instead of this high frequency power source. Next, an apparatus for performing CVD using ECR conditions will be described. FIG. 15 shows an apparatus for performing CVD with substantially the same apparatus configuration as that shown in FIG. 13. In FIG. 15, the same reference numerals as in FIG. 13 indicate substantially the same components as in FIG. 13, so the explanation will be omitted. In FIG. 15, 66 is a first gas introduction system that introduces ammonia gas, etc. for deposition reaction into the plasma generation chamber 61, and 67 is a first gas introduction system that introduces silane gas, etc., which is a deposition gas, into the sample chamber 63. It is a two-gas introduction system. This device is
ECR conditions are generated in the plasma generation chamber 61 to generate plasma such as ammonia gas, and various particles of the plasma are drawn into the sample chamber 63 and reacted with a deposition gas such as silane gas in the sample chamber 63. It is formed as a thin film on the surface of the sample substrate 55. (Refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-155535). [Problem to be solved by the invention] First, the problem to be solved by the invention according to claim 1 will be explained. In recent years, semiconductor design rules have entered the submicron era, and etching shapes are increasingly required to have high precision. The shape of the etching must faithfully reproduce the pattern, and vertical etching (improving anisotropy) is desirable.In plasma etching, the above-mentioned ion-assisted etching, which effectively utilizes ions incident on the sample, is anisotropic. This is effective for obtaining the same properties, thereby aligning the direction of ion incidence. FIG. 16 is a principle diagram depicting how ions are irradiated from plasma toward a sample substrate. The acceleration of ions (indicated by e in the figure) is achieved by applying an acceleration voltage vt due to a floating potential vf or a magnetic field gradient caused by a divergent magnetic field at the sheath part (from the part indicated by a broken line in the figure to the sample substrate 71), and by applying an acceleration voltage vt separately. RF bias or DC
Bias ■. If there is a collision with a neutral particle (indicated by ■ in the figure) in this acceleration region (sheath), the direction of the ions will be disturbed, making it impossible to align the direction of incidence on the sample substrate 71, and the side wall 72 will also be affected. Ion incidence occurs, making vertical etching impossible. That is, as shown on the right side of FIG. 16, the lower side wall 72 of the masking portion 73 becomes deviated. The condition under which the collision with such a neutral particle can be ignored is that the sheath width d is equal to the mean free path λ of the neutral particle. For d, 〈〈λ. and the mean free path λ of the neutral particle. For example, in the case of argon gas, the pressure is 1. It is on the order of Icm, which is inversely proportional to the pressure. On the other hand, the sheath width dj depends on the plasma density n D , the electron temperature T, and the floating potential ■, but as a guide,
In an ECR device, it is thought to be about 100 μ- (Semiconductor Plasma Process Technology, Sangyo Tosho, pages 138-144)
It is thought that the lower the pressure, the fewer collisions of ions with neutral particles. However, the above values mean average values and have a distribution, so the pressure 5xlO-'Torr
In reality, collisions with neutral particles also exist. Therefore, it is desirable to use electrical discharge at as low a pressure as possible to perform vertical etching. However, there was a problem in that the etching rate decreased as the pressure was lowered. This will be explained using FIG. 17. Figure 17 shows that using argon gas, the power of the microwave to be introduced is 120W, and the maximum magnetic field point is 87.
5 Gauss is a graph showing the pressure dependence of plasma density when discharge is performed under conditions where the conventional ECR condition is satisfied at the maximum magnetic field point. As can be seen from FIG. 17, since the gas density itself decreases under low pressure, the plasma density np also decreases. A decrease in the plasma density n2, that is, a decrease in ion density means a decrease in the ion assist effect and a decrease in reactive species, resulting in a decrease in the etching rate. The problems with dry etching have been described above, but in the case of sputtering and CVD, it is important to ensure that the thin film formed is of good quality and does not contain impurities in the gas (for example, Ol, H, O gas, etc.). It is desired to form a For example, when processing a metal sample substrate, there is a problem with oxidation, so it is necessary to prevent the 02 gas from entering. For this purpose, it is necessary to process at low pressure, and the reason for this is that when the pressure is increased, the reaction by-products generated after the radicals of the reaction gas react on the sample substrate surface are dissociated more efficiently. This is because reaction byproducts have a short mean free path and are more likely to exist near the surface of the sample substrate even after dissociation. The invention according to claim 1 provides a method for efficiently performing highly anisotropic plasma processing under low pressure by increasing plasma density by increasing the ionization rate, in order to solve the problems of the prior art described above. The purpose is to Next, the problem to be solved by the invention according to claim 2 will be explained. In recent years, in order to form films at low temperatures, CVD methods using plasma have been used instead of conventional thermal CVD methods. Among the CVD methods using plasma, a method of generating plasma using microwaves is effective and is in use. This is because radiation damage to the sample substrate is less likely to occur during the film formation process. As mentioned above, conventionally, E
The film formation rate is improved by using a plasma CVD apparatus using CR conditions. However, under high pressure,
Under normal ECR conditions, the Larvbor radius of the electron is not sufficiently short compared to the mean free path of the electron, so the electron
While the electron cyclotron was moving, it collided with neutrons before absorbing enough μ-wave energy, making it impossible to improve plasma density. Further, in sputtering, it has not been possible to further improve the film formation rate for the same reason. The invention as claimed in claim 2 aims to solve the above-mentioned problems of the prior art by providing a CVD method or a sputtering method that has an extremely high film formation rate under reduced pressure with a high particle density. . [Means for Solving the Problems] The present invention has been made in view of the problems of the prior art described above, and involves introducing gas and microwaves into a vacuum container to which a magnetic field is applied, and causing electrical discharge within the vacuum container. The introduced gas is turned into plasma by generation, and ions, excited active species, radicals, etc. in the plasma are irradiated onto the sample substrate to perform etching.
In plasma processing methods such as sputtering and CVD, right-polarized microwaves whose electric field direction is clockwise with respect to the direction of propagation are selectively introduced into a vacuum chamber, and the conditions are lower than electron cyclotron resonance conditions within the vacuum chamber. The purpose of the present invention is to generate high-density plasma in a high-field microwave absorption mode in which a high magnetic field is formed and microwaves are absorbed by the gas in the high-field region, Etching, sputtering, CVD, etc. are carried out at a pressure of 5 X 10-'' Torr or less.Furthermore, in the invention as claimed in claim 2, the gas pressure is set to 5 X 10-'' Torr or less.
CVD or swelling is performed under reduced pressure of X 10-'' Torr or more. (Operation) The inventors of the present invention have conducted intensive experiments to achieve the above object, and as a result, the gas introduced into the vacuum container While maintaining the pressure at a low pressure, right-polarized microwaves with an electric field clockwise relative to the direction of travel are selectively introduced into the vacuum chamber, and a magnetic field larger than the electron cyclotron resonance conditions is applied.
Etching speed, etc. when dry etching is performed by causing a discharge in a gas in a vacuum container to turn the gas into plasma, and irradiating ions, excited active species, radicals, etc. onto a sample substrate placed in a vacuum container. When I investigated, I found that
ECR for industrial microwave frequency 2.45GHz
A remarkable finding was obtained that the etching rate increases significantly when a magnetic field strength higher than the magnetic field strength of 875 Gauss, which is the condition, is applied to the entire space. The high magnetic field state formed within the vacuum container is similar to that in conventional ECR
Regardless of the conditions, this phenomenon is considered to be a unique phenomenon based on a completely different principle from microwave absorption under ECR conditions. The principle of this phenomenon has not yet been completely elucidated, but in comparison with ECR, the inventors present models 1 to 4 that are currently considered to be one model of the principle of this phenomenon.
This will be explained using figures. First, Figure 2 shows the movement of electrons when ordinary linearly polarized microwaves are input under ECR conditions. In Figure 2 a, the direction from the front side to the back side of the paper is the Z axis, and the 2
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the trajectory of electrons when a magnetic field B0 is applied in the axial direction. Furthermore, FIG. 2 is a conceptual diagram showing changes in the electric field Ex with respect to time T at this time. In Figure 2a, the electrons are in the magnetic field B0 before the microwave is applied.
Due to the Lorentz force caused by this, the cyclotron motion is shown by the broken line. If a linearly polarized microwave with an electric field polarized in the x-z plane is input here (progressing direction is the z-axis direction), the electric field is an oscillation of the electric field in the x-axis direction, so
The electrons will be accelerated in the X-axis direction by this electric field. In the case of ECR conditions, the period T of the electric field and the period To of the cyclotron motion match, so the electrons are synchronously accelerated by the χ component of the arrow and absorb the energy of the electric field (microwave energy). The velocity V is increased (kinetic energy increases). At this time, there is no acceleration due to the electric field in the y direction. This means that a linearly polarized wave can be decomposed into a clockwise polarized wave (R wave) and a counterclockwise polarized wave (L wave), which have the same magnitude and phase, such that the sum of both electric fields in the y direction is always zero. This is because the electric field component of the microwave in the y direction is not absorbed by electrons. Next, Figure 3 shows the movement of electrons when right-handed circularly polarized microwaves are input under ECR conditions.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the trajectory of electrons when a magnetic field B is applied in the two axial directions. Further, FIG. 3 is a conceptual diagram showing changes in the period T of the electric field Ex due to the R wave and the electric field Ey due to the L wave at this time. The R wave is allowed to pass through as is, but the phase of the L wave of the microwave is delayed by π/2 rad from the phase of the R wave using a circular polarizer. As a result, the electric field direction rotates clockwise with a constant magnitude in accordance with the frequency of the microwave. This right-handed circularly polarized wave is E
When placed under CR conditions, the direction of the rotating electric field matches the direction of the cyclotron motion of the electrons, as shown in Figure 3, so the electrons are always accelerated in the rotational direction, and the χ component of the electric field,
Both y components can be absorbed, and more microwave absorption is achieved than when linearly polarized microwaves are input, and the electron velocity V' in this case is accelerated to more than the electron velocity V shown in Figure 2. . The velocity of the electrons, that is, the kinetic energy of the electrons, means the electron temperature T, and an increase in the electron velocity means an increase in the electron temperature T. Therefore, in ECR using right-handed circularly polarized microwaves, an electron temperature higher than ECR using linearly polarized microwaves is obtained. On the other hand, the mean free path λ of the electron is the pressure 5xlO−”T
About 5.8c+s at orr, pressure 5xlO-'Tor
It can be calculated to be about 588 cm at r. Therefore, the low pressure side, where the mean free path λ is larger and the collision frequency is smaller, is accelerated by the microwave electric field for a longer time, so
The energy (kinetic energy) of the electrons increases and the electron temperature rises. The relationship between this pressure and electron temperature is shown in the graph of FIG. 17 by the symbol. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the electron energy, T, and the ionization cross section σ of the molecule. The ionization cross section σ corresponds to the probability that the gas will be ionized upon collision between electrons and molecules. In general, the ionization cross section σ8 has a value (ionization occurs) only when the electron energy T increases beyond FA [kmT], and -
It converges to zero after reaching a maximum value. Here, the dark value energy klT is the minimum energy required to ionize a molecule. In addition, the phenomenon that converges to zero after passing through the -degree maximum value is the collision time (interaction time) of electrons and molecules.
This can be understood by considering. That is, in order to ionize a molecule, the collision time between an electron and a molecule must be longer than the time for ionization of a molecule determined by the uncertainty principle. Therefore, as the energy of the electron increases, the collision time becomes shorter and the probability of ionization decreases. In this way, the probability that gas will be ionized during a collision is not proportional to the electron energy, T, so in order to improve the ionization rate, rather than simply increasing the electron energy, it is indicated by the maximum value. electron energy ktT
+may electron energy must be supplied. This appropriate electron energy is determined by the degree to which electrons absorb microwave energy, the strength of the microwave electric field (microwave power), and the collision frequency (microwave power), which is related to pressure.
(proportional to the reciprocal of the mean free path, 1/λ). Under low pressure, as mentioned above, the electron energy has T
, increases, and therefore has the electron energy at point A in FIG. 4 under ECR conditions. In order to improve the ionization rate, it is desirable to lower the electron energy T, either by increasing the pressure (collision frequency), decreasing the power of the microwave input, or by allowing the electrons to absorb the microwave energy. If the pressure is increased, highly anisotropic plasma processing as mentioned above will not be possible, and if the microwave power is lowered, the total energy absorbed by the gas will decrease, and the absolute Therefore, it is necessary to lower the electron energy while maintaining low pressure and microwave power, and in addition to using clockwise circularly polarized microwaves with high absorption efficiency, magnetic field It is necessary to set the magnetic field to a high magnetic field region higher than the ECR conditions. Next, we will explain what the inventors consider as another model for this phenomenon. Under ECR conditions, the E
Abnormal absorption of microwaves occurs at the CR point (a relatively narrow space near the ECR point), and due to the dispersion relationship regarding the propagation of microwaves (magnetic waves), microwaves cannot propagate to the space beyond that point. First, if the gas is absorbed only in a narrow space near the ECR point and cannot be absorbed in a wider space, that is, if it is absorbed only at the cough ECR point, the number of gas molecules existing in this limited space will be lower than the number of gas molecules under low pressure. Therefore, the number of accelerated electrons decreases for the above reasons, and the absolute amount of ionizing collisions decreases. is limited, making it impossible to improve plasma density. On the other hand, the dispersion relationship regarding the propagation of microwaves (IIIFF waves) in the high magnetic field region above the resonant magnetic field under ECR conditions has a real number solution for right-handed circularly polarized waves, and can sufficiently propagate into the plasma (Whistler mode). Therefore, the microwave can be propagated over a wide area from the window where the microwave is introduced to the sample position. In the cough high magnetic field region, the absorption of microwave energy is different from the absorption under the ECR conditions shown in Figures 2 and 3, and the direction of the cyclotron motion and the microwave electric field do not match, causing repeated acceleration and deceleration. It is thought that the increase in electron energy occurs as the sum of the effects of acceleration and deceleration. Although the energy absorbed by each electron is small, this absorption occurs throughout the space from the window that introduces the microwave to the sample position. In this wide space, there are a sufficient number of gas molecules even under low pressure, and the lifespan of electrons and ions is longer under low pressure, so there are many electrons and ions that absorb microwave energy. It is said that the electron temperature is lower than that obtained under ECR conditions, and a higher electron density than that obtained under ECR conditions is obtained, and the ion density is also improved, making it possible to increase plasma density under low pressure. A model can be considered. For example, if the applied magnetic field is twice the ECR condition, the electrons repeat equal acceleration and deceleration, and the electric field energy of the microwave is not absorbed by the electrons.The magnetic field in this vicinity is the window for introducing microwaves. If it exists widely in the space from the sample position to the sample position, the electron density and ion density decrease even in the high magnetic field region, the plasma density decreases, and the etching rate decreases. On the other hand, the applied magnetic field is EC
If it is three times the R condition, microwave absorption can be performed as a sum of acceleration and deceleration, and effective microwave absorption under a high magnetic field can be performed. Therefore, a condition for realizing the high magnetic field microwave absorption mode is to enable effective absorption of microwaves under a high magnetic field in the entire space from the microwave introduction window to the sample position. As described above, the "high magnetic field microwave absorption mode" of the present invention has the effect of lowering the electron temperature T, increasing the ionization cross section σ, and increasing the energy of right-handed circularly polarized microwaves under low pressure. In the discharge under low pressure, the absorption is spread over the entire space from the microwave introduction window to the sample position, and the absolute amount of electrons and ions is increased, or by improving the dominant effect. This mode can increase the ionization rate and improve the plasma density. In the invention set forth in claim 1, it is necessary to bring the inside of the vacuum container into a high vacuum state of 5 This is because it is necessary to realize a method for efficiently performing high-pressure plasma processing.In other words, when the pressure is higher than this, high anisotropy occurs as explained using Fig. 16 in the section on problems with the prior art. On the other hand, in the invention as claimed in claim 2, the inside of the vacuum container is
-''Torr or more. This is necessary in order to provide a CVD or sputtering method with extremely high film formation rate under reduced pressure with high particle density, which is the object of the invention as claimed in claim 2. This is because if the pressure is lower than this, the plasma density will decrease relatively, and the deposition rate will decrease (the anisotropy will increase). The degree of vacuum in the invention will be explained using Fig. 5. Fig. 5 shows the peak value of the flow density (the first The graph shows the ratio of the peak value of the ion IIT flow density (indicated by P2 in FIG. 1) in the high magnetic field microwave absorption mode according to the present invention for argon gas and nitrogen trifluoride. As can be seen from Figure 5, the ion current density in this mode is not only higher than the ion N'lJ = density when using ECR conditions at all vacuum degrees, but also on the high vacuum side. So, in this mode, the ECR is better.
It is larger than the ion current density when using the conditions, and is twice as high at lXl0-'Torr. The invention set forth in claim 1 is particularly intended to effectively utilize this portion. In addition, under pressure of 5X10-3 Torr or more,
Although the ratio between the peak value of the ion current density in this mode and the peak under ECR conditions changes rapidly, and the peak value under ECR conditions decreases, the 'ti1 degree in this mode is maintained high. This means that the plasma processing method using this mode can generate high-density plasma even at a higher pressure than the plasma processing method using ECR conditions. The invention recited in claim 2 is intended to effectively utilize this portion. The ion current density in this mode at lXl0-'Torr was 110 ^/cii. [Examples] Examples of the present invention will be described below. FIG. 6 is a diagram schematically showing a dry etching apparatus used in the invention according to claim 1, and the etching method according to the invention according to claim 1 was tested using this apparatus. 6th
In the figure, reference numeral 3 denotes a vacuum container whose interior can be evacuated through an evacuation port 9, and a sample substrate 5 is placed inside the vacuum container 3. Further, the vacuum vessel 3 has a gas introduction port 8, and gas to be turned into plasma is introduced from the boat 8. Further, a microwave irradiation window 12 made of quartz is fitted into the vacuum container 3, and a circular polarizer 21 and a circular waveguide 22 are connected in this order to the microwave irradiation window 12. It is connected. Further, a multipolar permanent magnet 13 and a magnetic field coil 1 are provided on the outer periphery of the vacuum container 3, and a mirror magnetic field coil 19 is provided on the outer periphery of the vacuum container 3 behind the sample substrate 5. . Microwaves generated by a 2.45 GHz microwave power source (not shown) are guided to the circular waveguide 22 through a rectangular waveguide and a rectangular circular tapered waveguide (also not shown), and are further guided to a circular polarizer 21 and a microwave. Wave irradiation window 12
high magnetic field microwave absorption mode by irradiating the gas introduced from the gas introduction port 8 into the vacuum container 3 through the 300° C., and adding a magnetic field formed by the magnetic field coil 1, multipolar permanent magnet 13, and mirror magnetic field coil 19. The gas is turned into plasma, and the sample substrate 5 is irradiated with various particles. Taking the dimensions of the apparatus shown in FIG. 6 as an example, the distance from the microwave irradiation window 12 to the sample substrate 5 is 330 mm.
1, which is about twice the wavelength of the microwave to be introduced, and the position of the sample substrate 5 is as close as possible to the lower end of the magnetic field coil 1 (!=45, in the figure), and the exhaust is exhausted from the lower end of the magnetic field coil 1. This reduces the effects of the magnetic field generated on the sides and the divergence of the ridges. By controlling the current values flowing through the magnetic field coil 1 and the mirror magnetic field coil 19 provided on the outer periphery of the vacuum container 3, the state of the magnetic field can be varied in various ways. The multipolar permanent magnets 13 with alternating magnetic poles assist in confining plasma, and may or may not be multipolar permanent magnets with the same magnetic poles. Also,
The mirror magnetic field coil 19 controls the state of the magnetic field, and the invention described in claim 1 can be carried out without it. Although not shown in FIG. 6, as explained in the prior art section, connecting a high frequency power source or a DC bias power source increases the anisotropy of etching.
Needless to say, processing speed can be improved. The effects of the invention according to claim 1 when the etching apparatus shown in FIG. 6 is used will be explained with reference to FIG. 7 and FIG. 1. Figure 7 shows the etching of a silicon (Si) substrate using nitrogen trifluoride (NFS) as the etching gas and a pressure of 5xl.
At low pressure of O-5 Torr, microwave power is 100-
3 is a graph showing the magnetic field strength vs. etching rate characteristics when . Multipolar permanent magnets with alternating magnetic poles are installed, and mirror magnetic field coils are not used. In addition, FIG. 1 is a graph showing the magnetic field strength-saturated ion current density characteristics obtained by probe measurement when a sufficiently large C bias of -100 V is applied as the probe voltage in the state shown in FIG. 7.
Field strength is the value of the maximum magnetic field strength that exists in the vacuum container. The shape of the magnetic field at this time was confirmed by actual measurement with a Gauss meter, and was found to be approximately at the center position P of the magnetic field coil 1, (specifically, at the center of the diameter φ (=96s+m) of the vacuum vessel 3, in the longitudinal direction. 7011I! from the microwave irradiation window 12 in the direction of the sample substrate 5, the distance from the sample substrate 5 is 2
601], and the magnetic field strength is approximately 1/2 of the maximum magnetic field strength at the sample position. FIG. 8 shows the magnetic field strength at each point of the apparatus at a maximum magnetic field strength of 2200 Gauss. As shown in Figure 8,
ECR point Q (875 Gauss) is sample substrate 5
It can be seen that the plasma processing method according to the present invention, which is located closer to the exhaust side, is caused by a completely different phenomenon from the plasma processing using conventional ECR. As shown in Figure 7, as the magnetic field strength increases, the etching rate first reaches a maximum magnetic field strength of 1400 Gauss.
When the magnetic field strength is further increased, the etching rate temporarily decreases, but then rises sharply and reaches the maximum value again at a maximum magnetic field strength of about 2200 Gauss.The characteristics of this etching rate are as follows: It corresponds well to the density, and is thought to be a change in etching rate due to an increase in ion density. Further, up to the first maximum point, the etching rate increases as the ECR point approaches the sample position, and can be regarded as etching due to ECR. On the other hand, at the second maximum point, as shown in FIG. 8, there is no ECR condition from the microwave irradiation window 12 to the sample position 5, and etching is performed in the high magnetic field microwave absorption mode according to the present invention. As shown in Figure 7, the etching rate due to this high magnetic field microwave absorption mode is 1000 people/win at the maximum point, which is twice as large as the value at the maximum point under ECR conditions (approximately 500 people/sin). , the effect of improving the processing efficiency of the plasma processing method of the present invention can be seen. Also, PI?, which indicates the plasma amount of fluorine? . 1. When the emission intensity was measured at the second maximum point, the value of the high-field microwave absorption mode at the second maximum point was equal to the ECR of the first maximum point.
It can be seen that the high-field microwave absorption mode generates fewer radicals than ECR and has a higher ion density, which makes it a highly anisotropic etching. Etched shape S E M (Sc
anning Electron Microscope
) Observations show that the shape in high magnetic field microwave absorption mode is
It was confirmed that the verticality was extremely good. Furthermore, when an enching experiment was conducted under the same conditions using a microwave power of 600-, it was confirmed that the same tendency as at 100- was observed, and that the same maximum point was found. In this case, etching using the high magnetic field microwave absorption mode showed an extremely high etching rate of 1500 people/tone 1n. The above etching rate is the accelerating voltage due to the divergent magnetic field■
The effect of L is also considered, but since it takes a maximum value, it is considered to be essentially due to the high magnetic field microwave absorption mode, and the magnetic field shape can be either a divergent type or a uniform magnetic field type using a mirror magnetic field coil. Furthermore, since the ion density has increased, the etching rate can be further increased by applying a bias voltage to the sample. In addition, the conditions for forming the high magnetic field microwave absorption mode are:
It varies depending on the type of process gas, the shape of the magnetic field, and
Gas pressure changes. In the case of nitrogen trifluoride (NFs), which is commonly used for dry etching, 1xlO-'Tor
It becomes noticeable from around r, and the results at 5xlO-'Torr are as already explained. Next, the improvement in etching anisotropy when the invention according to claim 1 is used will be explained using FIG. 11. 11th
Figure a is an SEM photograph of an etched cross section when etching is performed using the invention as claimed in claim 1, and Figure 11 is a photograph when etching is performed using the conventional method. This is a photograph of an etched cross section observed with an SEM. As can be seen by comparing FIGS. 11a and 11b, the etching anisotropy of the invention described in claim 1 is good, almost perfect vertical etching can be performed, and high anisotropy under low pressure is achieved. High-speed etching has been achieved. The etching method and apparatus described above can be applied to other plasma processing methods and apparatuses in which plasma irradiation under low pressure is effective. Needless to say, if a rare gas of 1 is used, it can be applied to a sputtering device. 9 and 10 are schematic configuration diagrams of a sputtering apparatus to which the invention according to claim 1 is applied. In FIG. 9 and FIG. 10, the parts numbered the same as 6r;jJ are substantially the same, so the explanation will be omitted. 9th
The figure shows an example in which a target 23 is placed in the drawer part of the vacuum container 3, an RF bias is applied to the target nod 23 by the high frequency power source 7, and discharge in the high magnetic field microwave absorption mode is utilized under low pressure. The figure shows an example in which a discharge section is covered with a ring-shaped target 23, an RF bias is applied to the target 23, and discharge in a high magnetic field microwave absorption mode under low pressure is utilized. In either device, particles such as ions are collided with the target material 23 from plasma generated at high density, and the components of the target material 23 are scattered into the vacuum container 3 by the collision energy, and these components are also transferred to the vacuum container 3. A thin film is formed on the surface of the sample substrate 5 by adhering it to the sample substrate 5 placed in the sample substrate 3 . In addition, under low pressure of 5X10-3 or less, as mentioned above, in the case of CVD, reaction by-products in the surface rate-controlled reaction are easily removed, and by-products, that is, impurities, are removed in the formed CVDP film. Contamination can be reduced. Furthermore, in the case of sputtering, it is possible to reduce the mixing of an inert gas such as Ar used in sputtering into a sputtered film that requires purity, and it is possible to form a film with a small amount of impurities. Although the apparatus used for CVD is not shown in the drawings, it goes without saying that the present invention can also be used for CVD. Next, the invention according to claim 2 will be explained in detail. 15th
Right-polarized microwaves are selectively introduced into a device separated into a sample chamber and a plasma generation chamber as shown in the figure, and a magnetic field higher than the electron cyclotron resonance conditions is created to generate silicon nitride (Si3N, ) film and silicon oxide (Si(h) film) were measured.The conditions and results of this experiment are shown below.N2 gas was supplied to the plasma generation chamber at a rate of 30cc/in. 5IHa gas was introduced into the sample chamber at a rate of 20cc/sin, and the inside of the container was heated to 8X10-'Tor.
CVD treatment was carried out by introducing microwaves at a pressure of R and a power of 200 W. At this time, the film formation rate was 1
The efficiency was approximately 2.5 times higher than that of 530 people/min when conventional ECR conditions were used. 1 ship ■1 Introduce 02 gas into the plasma generation chamber at a rate of 30cc/sin, introduce 5i) I4 gas into the sample chamber at a rate of 20cc/sin, and set the inside of the container to 8X10-3 Tor.
The CVD process was carried out by setting the pressure to r and introducing microwaves with a power of 200 W. At this time, the film formation rate was 2
000 people/gin, and considering that the film formation rate when using conventional ECR conditions is about 1000 people/win, the efficiency was about twice as high. On the other hand, under high pressures of 5X10-' or more, as mentioned above, in the case of CVD, the mean free path of electrons becomes short, and at the Larvor radius of electrons under ECR conditions, electrons can absorb enough μ-wave energy. Since the electrons collide with neutrons before performing the electron cyclotron movement necessary for absorption, sufficient dark energy cannot be obtained for filling and the plasma density cannot be increased. However, in the high magnetic field microwave absorption mode of this example, Since the Lars+or radius is smaller than under the ECR condition and the electron cyclotron motion is performed for a longer time than under the ECR condition, electrons can absorb sufficient energy for ionization from the μ-waves, and the plasma density can be improved. Therefore, the density of radicals and excited active species also increases, and the deposition rate improves. Furthermore, in the case of sputtering, the plasma density can be improved by a mechanism similar to that of CVD, and the ion density can be increased, thereby improving the sputtering film formation rate. The above has described the case of forming silicon nitride <5rsya> II and silicon oxide (Sing) films, but the type of gas is not limited to this, and the apparatus other than the one shown in FIG. It goes without saying that a CVD device may also be used. Moreover, it goes without saying that the invention described in claim 2 can also be applied to a spun ring.
以上詳述したように、本発明によるプラズマ処理方法は
、「高磁場マイクロ波吸収モード」を用いて、低圧下に
おいて、電子温度T、を下げイオン化断面積σ8を上げ
る効果と、右回り円偏波マイクロ波のエネルギーの吸収
をマイクロ波を導入する窓から試料位置までの空間全域
に拡げ電子やイオンの絶対量を増加させた効果の相互作
用、もしくは、そのうち支配的な効果を向上させること
によって、低圧下において従来のECR条件を利用した
方法よりイオン化率を上げプラズマ密度を向上させるこ
とができる。また、低真空度においても電離を高く維持
することができ、この部分においても従来のECR条件
を利用した方法よりプラズマ密度を向上させることがで
きる。As detailed above, the plasma processing method according to the present invention uses the "high magnetic field microwave absorption mode" to reduce the electron temperature T and increase the ionization cross section σ8 under low pressure, and the effect of increasing the ionization cross section σ8 and clockwise circular polarization. By expanding the absorption of microwave energy over the entire space from the microwave introduction window to the sample position and increasing the absolute amount of electrons and ions, or by improving the dominant effect. , it is possible to increase the ionization rate and plasma density under low pressure compared to the conventional method using ECR conditions. Furthermore, ionization can be maintained at a high level even in low vacuum conditions, and the plasma density can be improved in this area as well compared to the conventional method using ECR conditions.
第1図は飽和イオン電流密度の磁場強度依存性を示すグ
ラフ、
第2図は直線偏波のマイクロ波によるECRの原理を説
明する概念図であって、第2図aは電子の運動を示す概
念図、第2図すは電界の時間に対する変化を示すグラフ
、
第3図は右回りに円偏波されたマイクロ波によるECR
の原理を説明する概念図であって、第3図aは電子の運
動を示す概念図、第3図すは電界の時間に対する変化を
示すグラフ、
第4図は電子温度とイオン化断面積との関係を示すグラ
フ、
第5図は圧力に対するECR条件を利用した場合のイオ
ン電流密度と本発明に係わる高磁場マイクロ波吸収モー
ドを利用した場合のイオン電流密度の比を示すグラフ、
第6図は本発明にエツチング装置に適用した場合の一実
施例を模式的に示す構成図、
第7図はエツチングレートの磁場強度依存性を示すグラ
フ、
第8図は本発明における磁場の形状を示す模式第9図お
よび第10図は本発明をスパッタリング装置に適用した
場合の実施例を模式的に示す構成図、
第11図は請求項1記載の発明の効果を示すSEMによ
る金属組織写真であって、第11aは請求項1記載の発
明を適用した場合の基板面の金属組織写真、第11図す
は従来の方法を適用した場合の基板面の金属組織写真、
第12図乃至第14図は従来のECR条件を用いたプラ
ズマ処理装置を模式的に示す構成図、第15図は従来の
ECR条件を用いたCVD装置を模式的に示す構成図、
第16図はエツチング形状の圧力依存性を説明する原理
図、
第17図はプラズマ密度と電子温度の圧力依存性および
電子温度の圧力依存性を示すグラフである。
1−磁場コイル、
3−真空容器、
5−試料基板、
8−ガス導入ボート、
9−真空排気ボート、
2−マイクロ波照射芯、
1−円偏波器、
2−円形導波管、
3−ターゲツト材。Figure 1 is a graph showing the dependence of saturated ion current density on magnetic field strength, Figure 2 is a conceptual diagram explaining the principle of ECR using linearly polarized microwaves, and Figure 2a shows the movement of electrons. Conceptual diagram, Figure 2 is a graph showing changes in electric field over time, Figure 3 is ECR using clockwise circularly polarized microwaves.
Fig. 3a is a conceptual diagram showing the movement of electrons, Fig. 3 is a graph showing changes in electric field over time, and Fig. 4 is a graph showing the relationship between electron temperature and ionization cross section. A graph showing the relationship, FIG. 5 is a graph showing the ratio of ion current density when using ECR conditions with respect to pressure and ion current density when using the high magnetic field microwave absorption mode according to the present invention, and FIG. FIG. 7 is a graph showing the dependence of etching rate on magnetic field strength; FIG. 8 is a schematic diagram showing the shape of the magnetic field in the present invention. 9 and 10 are block diagrams schematically showing an embodiment in which the present invention is applied to a sputtering apparatus, and FIG. 11 is a metal structure photograph taken by SEM showing the effect of the invention according to claim 1, 11a is a photograph of the metal structure of the substrate surface when the invention according to claim 1 is applied, FIG. 11 is a photograph of the metal structure of the substrate surface when the conventional method is applied, and FIGS. 12 to 14 are photographs of the metal structure of the substrate surface when the conventional method is applied. Fig. 15 is a block diagram schematically showing a plasma processing apparatus using conventional ECR conditions, Fig. 15 is a block diagram schematically showing a CVD apparatus using conventional ECR conditions, and Fig. 16 explains the pressure dependence of etching shape. FIG. 17 is a graph showing the pressure dependence of plasma density and electron temperature, and the pressure dependence of electron temperature. 1-Magnetic field coil, 3-Vacuum vessel, 5-Sample substrate, 8-Gas introduction boat, 9-Evacuation boat, 2-Microwave irradiation core, 1-Circular polarizer, 2-Circular waveguide, 3- Target material.
Claims (2)
導入し、該真空容器内で放電を発生させることで該導入
したガスをプラズマ化し、該プラズマ中のイオン、励起
活性種、ラジカル等を試料基板に照射してエッチング、
スパッタリング、CVD等をおこなうプラズマ処理方法
において、前記ガスの圧力を5×10^−^3Torr
以下にし、進行方向に対して電界方向が右回りである右
偏マイクロ波を選択的に真空容器内に導入するとともに
、該真空容器内に電子サイクロトロン共鳴条件よりも高
い磁場を形成し、該高磁場領域にてマイクロ波を前記ガ
スに吸収させる高磁場マイクロ波吸収モードを用いて前
記真空容器内に生成したプラズマを用いるプラズマ処理
方法。(1) Gas and microwaves are introduced into a vacuum container to which a magnetic field is applied, and the introduced gas is turned into plasma by generating a discharge in the vacuum container, and ions, excited active species, radicals, etc. in the plasma are generated. etching by irradiating the sample substrate with
In plasma processing methods such as sputtering and CVD, the pressure of the gas is set to 5 x 10^-^3 Torr.
Right-polarized microwaves whose electric field direction is clockwise with respect to the traveling direction are selectively introduced into the vacuum container, and a magnetic field higher than the electron cyclotron resonance condition is formed in the vacuum container. A plasma processing method using plasma generated in the vacuum container using a high magnetic field microwave absorption mode in which the gas absorbs microwaves in a magnetic field region.
導入し、該真空容器内で放電を発生させて該導入したガ
スをプラズマ化することでCVDもしくはスパッタリン
グをおこなうプラズマ処理方法において、前記ガスの圧
力を5×10^−^3Torr以上の減圧下とし、進行
方向に対して電界方向が右回りである右偏マイクロ波を
選択的に真空容器内に導入するとともに、該真空容器内
に電子サイクロトロン共鳴条件よりも高い磁場を形成し
、該高磁場領域にてマイクロ波を前記ガスに吸収させる
高磁場マイクロ波吸収モードを用いて前記真空容器内に
生成したプラズマを用いてCVDもしくはスパッタリン
グをおこなうプラズマ処理方法。(2) A plasma processing method in which a gas and microwave are introduced into a vacuum container to which a magnetic field is applied, and a discharge is generated in the vacuum container to turn the introduced gas into plasma, thereby performing CVD or sputtering. The gas pressure is reduced to 5 x 10^-^3 Torr or more, and right-polarized microwaves whose electric field direction is clockwise with respect to the traveling direction are selectively introduced into the vacuum vessel, and CVD or sputtering is performed using plasma generated in the vacuum container using a high magnetic field microwave absorption mode in which a magnetic field higher than electron cyclotron resonance conditions is formed and microwaves are absorbed by the gas in the high magnetic field region. The plasma treatment method used.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7731890A JPH03277775A (en) | 1990-03-26 | 1990-03-26 | Plasma treatment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7731890A JPH03277775A (en) | 1990-03-26 | 1990-03-26 | Plasma treatment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03277775A true JPH03277775A (en) | 1991-12-09 |
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ID=13630585
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7731890A Pending JPH03277775A (en) | 1990-03-26 | 1990-03-26 | Plasma treatment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03277775A (en) |
-
1990
- 1990-03-26 JP JP7731890A patent/JPH03277775A/en active Pending
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