JP2005517270A - 誘導結合型プラズマ発生装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 チャンバの側壁部に永久磁石を設置しないため構造が単純ながらも、プラズマ内の荷電粒子がチャンバの側壁と衝突することを抑制し、高密度プラズマを生成することができる誘導結合型プラズマ発生装置を提供することにある。
【解決手段】上記のような目的を達成するための本発明は、高周波電源、高周波電源から高周波電力を供給されるアンテナ、アンテナによって生成された電磁場によって発生するプラズマを形成するチャンバ、チャンバの側壁に均一に分散配置されたコイル及びコイルに印加されるコイル電源を含み、コイルはチャンバ内で発生した荷電粒子がチャンバの側壁を通じて消滅しないように、プラズマ内の荷電粒子を側壁から隔離させるための電磁場を発生する誘導結合型プラズマ発生装置を提供する。

Description

本発明は、乾式蝕刻あるいは薄膜蒸着装置に使用される誘導結合型高密度プラズマ発生装置に関し、より詳しくは、誘導結合型高密度プラズマ発生装置のチャンバの側壁に磁界が補強されるようにコイルを構成することによって、チャンバ内のプラズマ密度を高めて、プラズマ密度の均一性を向上するプラズマ発生装置に関する。

一般に、半導体の製造工程中、蝕刻（ｅｔｃｈｉｎｇ）工程は感光性樹脂であるフォトレジスト層の開口部を通じてそのすぐ下部の薄膜を選択的に取り除くためのものであり、大きく湿式蝕刻方式と乾式蝕刻方式とに区別される。湿式蝕刻方式はウェハーをボートに盛ってエッチング液が溜められた水槽に浸漬し、開口部をエッチング液と化学反応させることにより蝕刻する方式であり、蝕刻の精密度が落ちる短所がある。これに比べて乾式蝕刻は、微細パターンを形成するために開発された方式であり、エッチング液の代わりにエッチングガスを使用する方式であり、半導体工程で多く使用される乾式蝕刻方式の内の一つとしてプラズマを利用したプラズマ蝕刻方式を挙げることができる。

ここで、プラズマと言うのはイオン化された気体であり、陽イオン、陰イオン、及び中性粒子からなり、電気的性質及び熱的性質が正常状態の気体とは非常に相違するため、物質の第４の状態であると称したりする。即ち、プラズマはイオン化された気体を含んでいるため、電場あるいは磁場が印加されればプラズマ内であるいはプラズマと接している固体表面上にプラズマ粒子が加速されたり、拡散して、固体表面で化学反応及び物理的反応を起こすようになる。

プラズマは、数万度程の温度と１０⁹〜１０¹⁰／ｃｍ^-3程の密度を有する低温グロー放電プラズマと、数千万度以上の温度と１０¹³〜１０¹⁴／ｃｍ^-3程の密度を有する超高温核融合プラズマとに大別され、半導体蝕刻あるいは蒸着に使用されるプラズマは略９０％以上の中性気体を含んでいるイオン化度が低い低温グロー放電プラズマである。
一方、最近の半導体工程では、高密度プラズマを生成するプラズマ装置を利用して乾式蝕刻する場合が次第に増加している。これは半導体素子の集積度が高くなることによって微細加工の要求が増加しているためである。即ち、サブミクロン（ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ）級の微細パターンにおいては、蝕刻断面の垂直性を確保するためにプラズマ内で平均自由行路（ｍｅａｎ ｆｒｅｅ ｐａｔｈ）が長くなければならず、このためには高密度プラズマが要求されるためである。

さらに、直径が８インチを超過する大口径ウェハーの使用が増加することによって、プラズマ密度の均一性に対する要求も大きくなっている。特に、ＴＦＴ−ＬＣＤをはじめとするＰＤＰ、ＦＥＤなどさまざまな形態の平板ディスプレーの製造工程の場合は、シリコンウェハーに比べて大面積の基板が試片として使用されているだけではなく、円形基板ではない四角形なども使われており、チャンバ内の中央領域だけでなく、チャンバ外郭の角部分などでも高密度の均一なプラズマが維持されることが非常に重要となった。

高密度プラズマとしては、ローレンツの法則によって磁場内に入射した電子が円形軌道回転運動をする時、ここに共振周波数のマイクロ波を印加することによって、惹起される共鳴現象を利用するＥＣＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ、ヘリコンまたはホイスラー波を利用するヘリコンプラズマ及び高温低圧のプラズマを利用する誘導結合型プラズマがある。ここで、ＥＣＲプラズマは低圧下でも高密度のプラズマを生成することができる長所があるが、プラズマの分布を均一に形成することが困難である短所があり、ヘリコンプラズマは電場と磁場のエネルギーを複合して励起させることにより、小規模のプラズマでは均一な分布を有する高密度のプラズマを発生させることができるが、広い面積ではそれほど均一でない分布を有する短所がある。一方、誘導結合プラズマは、コイル周囲に形成される磁界を利用して電子の衝突確率を増大させて高密度プラズマを得る方式である。

次に、図１または図２を参照して従来の誘導結合プラズマの構造及び動作原理を詳しく見ることにする。

プラズマ発生装置は、プラズマが生成されるチャンバ１０８を含み、このチャンバはチャンバ壁によって大気と遮断されて真空を維持するようになっている。このチャンバ１０８には反応ガスを供給するためのガス注入口１０６とチャンバ内部を真空で維持して反応が終了すれば反応ガスを排出するための真空ポンプ１１２及びガス排出口１１４が形成される。さらに、チャンバ１０８の内部には、ウェハーまたは硝子基板などの試片１１０を搭載するためのチャック（ｃｈｕｃｋ）１１６が形成されており、チャンバ１０８の上部（図１）またはチャンバ１０８の側壁部（図２）には高周波電源１００が接続されたアンテナ１０２が設けられる。アンテナ１０２とチャンバ１０８との間にはクオーツプレート（ｑｕａｒｔｚ ｐｌａｔｅ）１０４を設けてアンテナとプラズマとの間の容量性結合を遮断することによって、高周波電源１００からのエネルギーが誘導性結合を通じてのみプラズマに伝達されるようにする。上述した構造のプラズマ発生装置は、初期に真空ポンプ１１２を稼動してチャンバ１０８の内部を真空状態に作った後、ガス注入口１０４からプラズマを発生させるための反応ガスを注入した後、アンテナ１０２に高周波電源１００を印加する。電源１００が印加されれば、アンテナ１０２がなす平面と垂直方向に時間に従って変化する磁場が形成され、この磁場はチャンバ１０８の内部に誘導電場を形成する。誘導電場はチャンバ内部のガス粒子を加速させ、加速された粒子は互いに衝突してイオン及びラジカルを生成し、生成されたプラズマ状態のイオン及びラジカルは試片の蝕刻及び蒸着に利用される。

しかし、チャンバ内で生成されたプラズマ状態のイオン及びラジカルは、反応チャンバの側壁と衝突して消滅するため、一定の程度以上の高密度及び高均一度のプラズマを得ることができないという問題がある。

従来には、このような問題を克服するために、図３に示されるように、反応チャンバ１０８の外壁に永久磁石（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ）２００を設けて、永久磁石２００によって形成される磁界によってチャンバ内の電子またはイオンが反応チャンバの側壁と衝突しないようにすることによって、高密度のプラズマを得ることができるようにした。このような方式によってチャンバ内に形成された電子またはイオンはプラズマ内に留まるようになり、その結果プラズマ内に形成された粒子と電子がさらに多く衝突するようになってプラズマ密度はさらに増加するようになる。

しかしこのような構造は永久磁石を追加して使用するようになることによって構造が複雑になり、工程の特性に応じてプラズマの密度及び均一度を調節する必要がある場合にも永久磁石を容易に入れ替ることができないため、他の工程を試みたり、新しい工程を開発するにおいて、多くの制約があるという問題がある。

本発明の目的は、チャンバの側壁部に永久磁石を設置しないため構造が単純ながらも、プラズマ内の荷電粒子がチャンバの側壁と衝突することを抑制し、高密度プラズマを生成することができる容量結合プラズマまたは誘導結合プラズマのようなプラズマ発生装置を提供することにある。

本発明のまた別の目的は、プラズマ密度が位置によって均一に維持されるように、チャンバの側壁部に均一に分散配置されたコイルを設置した容量結合プラズマまたは誘導結合プラズマのようなプラズマ発生装置を提供することにある。

本発明のまた別の目的は、チャンバの側壁部に均一に分散配置された誘導結合型コイルを設けて、誘導結合型コイルに印加する電力を調節してプラズマ密度を調節することができるようにすることによって、蝕刻あるいは蒸着工程の柔軟性を向上させることができる容量結合プラズマまたは誘導結合プラズマのようなプラズマ発生装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、チャンバの上部に位置したアンテナとチャンバの側壁部に位置したコイルとを互いに連結することにより、一つの信号でこれらを駆動することによって、構造がさらに単純で、さらに高密度のプラズマを発生する容量結合プラズマまたは誘導結合プラズマのようなプラズマ発生装置を提供することにある。

本発明のまた別の目的は、高密度、高均一度のプラズマを発生する方法を提供することにある。

本発明のまた別の目的は、チャンバ内部のプラズマ密度または均一度を調節することによって、プラズマを利用した蝕刻及び蒸着工程などに柔軟性を提供する容量結合プラズマまたは誘導結合プラズマのようなプラズマ発生方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明は、高周波電源、高周波電源から高周波電力を供給されるアンテナ、アンテナによって生成された電磁場によって発生するプラズマを形成するチャンバ、チャンバの側壁に均一に分散配置されたコイル及びコイルに印加されるコイル電源を含み、コイルはチャンバ内で発生した荷電粒子がチャンバの側壁を通じて消滅しないように、プラズマ内の荷電粒子を側壁から隔離させるための電磁場を発生する容量結合プラズマまたは誘導結合プラズマのようなプラズマ発生装置を提供する。

本発明は、従来の永久磁石を使用する代りに、コイルで形成される磁界が領域４００で互いに補強されるようにコイルを設けている。その結果既存の誘導結合型プラズマ発生装置で使用される永久磁石が必要でなく、コイルによってプラズマ密度、プラズマ均一度を向上させることができる。

さらに、コイルに印加する電源３００の強さ及び周波数を変化させてコイル周囲に形成される磁場を変化させることができるため、蝕刻あるいは蒸着装備の工程条件の変化によるプラズマの変化に簡単に対応することができ、蝕刻あるいは蒸着工程の柔軟性を向上させることができる。従来の誘導結合型プラズマ発生装置で上部に設けられたコイルと側壁に設けられたコイルとを連結して一つのコイルとして作ることができ、プラズマ発生装置の構造をさらに簡単にすることもできる。

本発明は、チャンバの側壁部にコイルを均一に分散配置し、ここにコイル電源を印加して電磁場を発生させることにより、プラズマ内の荷電粒子反応チャンバの壁を通じて消滅することを抑制するようにする。このようにすることによって、荷電粒子がチャンバと衝突して消滅する現象が抑制されて高密度のプラズマを生成することができるようになる。特に、チャンバの側壁に沿ってコイルを均一に分散配置したため、コイル配置形態がプラズマの均一度に及ぼす悪影響は最小化し、荷電粒子とチャンバの側壁との衝突によるプラズマ側壁付近の密度減少を防止してプラズマ密度はさらに均一になる効果を生む。

従来にも図２に示されたように、表面波プラズマ（Ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｖｅ ｐｌａｓｍａ）を利用したプラズマ発生装置が存在し、Ｓｍｕｌｌｉｎ ａｎｄ Ｃｈｏｒｎｅｙ（１９５８）及びＴｒｉｖｅｌｐｉｅｃｅ ａｎｄ Ｇｏｕｌｄ（１９５９）に発表された。Ｍｏｉｓａｎ ａｎｄ Ｚａｋｒｚｅｗｓｋｉ（１９９１）がこの装置を利用して１ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ範囲のアンテナ周波数でプラズマが発生するようにしたことがある。これらは本発明の側壁コイルと類似する形態のコイルを使用してプラズマを生成するものであるが、このようなプラズマ形成装置は半導体工程用装備として相応しくないため使用されなかった。

その理由は、表面波プラズマを利用したプラズマ発生装置でプラズマを生成する場合に、エネルギーがプラズマに充分に吸収されるためにはＲ（チャンバ半径）とＬ（側壁コイルの垂直長さ）の比であるＬ／Ｒが充分に大きくなければならないが（Ｌｉｂｅｒｍａｎｎ、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、ｃｈａｐｔｅｒ １３参考）、このためには、結局チャンバが長々しい形態にならなければならないためプラズマ発生装置が大きくなる問題があるためである。

これに比べて、本発明では側壁コイルに電源を印加してチャンバ内にプラズマを形成しようとすることが主要目的ではなく、側壁コイルによって側壁に磁界を形成し、これを利用してチャンバ内に形成されたプラズマ状態の電子及びイオンがチャンバの側壁と衝突して消滅することを防止することによって、プラズマの密度及び均一度を向上させようとすることが主要目的であるため、Ｌ／Ｒが充分に大きくならなければならないという必要性がないため、上述した問題が発生しない。

さらに、コイル電源としてＤＣあるいは低周波数ＡＣを使用するようになれば、側壁コイルから発生するリアクタンス（ｒｅａｃｔａｎｃｅ（ωＬ））が小さいため、リフレクティブパワー（ｒｅｆｅｌｅｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ）による問題の発生する余地がなく、チャンバ上部コイルに印加される電源とのカップリング問題も発生しない。

即ち、本発明では高周波電源が印加されるチャンバ上部アンテナによってプラズマを発生させ、チャンバの側壁コイルによってはチャンバ内に形成されたプラズマの均一度を調節する。特に、ウェハーの大きさが増加されることによってプラズマの均一度はその重要度が増しており、このような観点から本発明は非常に有用な結果をもたらす。

一方、磁場の強さはコイルからの距離の二乗に反比例して減少するため、コイル付近のチャンバの側壁では荷電粒子の接近が強く抑制されるが、コイルが位置しない付近のチャンバの側壁では荷電粒子が相対的に容易にチャンバの側壁と衝突して消滅するようになる。従って、プラズマ密度が位置によって均一ではなくなる。これを防止するため、本発明ではコイルを巻回する形態を球形、円形、三角波形または正弦波形などにすることによって、コイルの間で磁場の強さが弱くなることを補強できるようにコイルを設け、位置の変化にもかかわらず均一な密度のプラズマを形成するようにする。

図４は本発明による第１実施例の構成を示した構成図であり、図５は図４に示された形態のコイルに電源が印加される場合、コイル周囲に形成される磁場の方向を示したダイヤグラムである。以下では、図４及び図５を参照して本発明の構成及び動作を詳しく説明する。特に、図４の構成は電源３００とコイル３０２と除外しては、図１と同一の構成であるため、同一の構成に対する説明は省略し、電源３００とコイル３０２に対してのみ説明することにする。

高周波電源１００とアンテナ１０２によってチャンバ１０８の内部に生成されたプラズマは、拡散を通じてチャンバ１０８の側壁に衝突する。しかし、コイル３０２に電源３００を印加すれば、図５に示されるような磁場が形成され、陰極性または両極性の電気的性質を有するプラズマ内の荷電粒子は磁場の影響を受けてチャンバ１０３側壁から隔離されるようになる。特に、コイルが位置しない領域４００から、印加電源による電流が例えば図５に示された方向に流れれば、領域４００での磁場はコイルの一部である導線（Ａ）による磁場と導線（Ｂ）による磁場が加わるため、コイルから離隔した位置であるとしても、磁場の強さが大きく劣化されることはないようになる。このような理由によって、チャンバ内部のプラズマは、高密度、高均一度を維持することができるようになる。

さらに、本発明では、コイルに印加する電源の強さ及び周波数を調節することができるため、前記プラズマを利用する蝕刻工程等の工程の特性に応じて、プラズマの密度及び均一度を調節することができる。このようにプラズマの密度及び均一度を調節することができることによって、新しい工程を設計するにあたり、プラズマ密度や均一度の条件から自由になることができ、工程設計がより容易になるという長所がある。特に、この点は永久磁石を使用する従来の技術からは決して実現することができない本発明の特有の効果であると言える。

一方、本発明は、場合によっては図６に示されたように、コイル３０２とアンテナ１０２とを同一の電源１００で駆動することによって、誘導結合型プラズマ発生装置の構成をさらに単純化させることもできる。しかし、このようにする場合には、アンテナ１０２に印加される電源１００が高周波電源ではなければならないため、コイル３０２にＤＣ電源を供給することはできず、アンテナ１０２に印加されるものと同一の高周波電源が印加されるようになる。即ち、アンテナ１０２とコイル３０２とを別個の電源で駆動する場合には、コイル３０２に印加される電源はＡＣ及びＤＣ電源が皆可能であるが、同一電源で駆動するようになれば、コイル３０２にはＡＣ電源だけが印加され得るようになる。

図７ではコイルの形態を球形、円形、三角波形及び正弦波形などで多様に示しており、このような形態のコイルは図５の領域４００での磁場補強効果と同一の効果を生むことができる形態であり、工程の条件や、チャンバの大きさなどに応じて、コイルの大きさ及び巻回する回数などを決定することができる。

図８では工程条件やチャンバの大きさに応じてコイルを複数回巻回した場合を示している。

以上、本発明を例を挙げて説明したものであり、本発明は上述した例に限定されることなく、本発明の権利は添付された特許請求の範囲に記載したものによって決定される。さらに、同業界に携わる者によって本発明の多様な変形例が実施されることができるが、これらは皆本発明の権利範囲に属するものであることは明確である。

従来の誘導結合型プラズマ発生装置を示した構成図である。 従来の誘導結合型プラズマ発生装置を示した構成図である。 永久磁石を使用した従来の誘導結合型プラズマ発生装置を示した構成図である。 本発明の第１実施例による誘導結合型プラズマ発生装置を示した構成図である。 図４に示されたコイルの周囲で磁場が形成される方向を示した図である。 本発明の第２実施例による誘導結合型プラズマ発生装置を示した構成図である。 本発明の第３実施例によるコイルの形態を示したダイヤグラムである。 本発明の第４実施例に従って、コイルを複数回巻回した誘導結合型プラズマ発生装置を示した構成図である。

符号の説明

１００ アンテナに印加される高周波電源
１０２ チャンバ上部に設けられたアンテナ
１０４ クオーツプレート（Ｑｕａｒｔｚ ｐｌａｔｅ）
１０６ ガス注入口
１０８ チャンバ
１１０ 試片
１１２ 排気ポンプ
１１４ 排気口
２００ 永久磁石
３００ 電源
３０２ コイル

Claims (8)

1. 誘導結合型プラズマ発生装置であって、
   高周波電源；
   前記高周波電源から高周波電力を供給されるアンテナ；
   前記アンテナによって生成された電磁場によって発生するプラズマを形成するチャンバ；
   前記チャンバの側壁に沿って均一に分散配置されたコイル；及び
   前記コイルに印加されるコイル電源を含み、
   前記コイルは、前記チャンバ内で発生したプラズマが前記チャンバの側壁と反応しないように、プラズマを前記チャンバの側壁から隔離させるための電磁場を発生することを特徴とする装置。
2. 前記コイルは、前記チャンバの側壁に沿って球形、円形、正弦波形または三角波形に形成されることによって、コイルとコイルとの間の磁界が補強されるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記コイル電源は直流または低周波の交流電源であり、プラズマを利用する蝕刻あるいは蒸着工程などの工程の特性に応じて強さ及び周波数が調節され得ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記コイルは、プラズマチャンバの外壁に１回以上巻回することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコイル。
5. 前記アンテナと前記コイルは同一の電源によって駆動されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
6. 誘導結合型プラズマ発生方法であって、
   チャンバを真空状態に作るために真空ポンプを稼動してチャンバ内のガスを排出する段階；
   ガス注入口を通じて反応ガスを注入する段階；
   前記チャンバ上部のアンテナに高周波電源を印加してチャンバ内にプラズマを形成する段階；及び
   前記チャンバの側壁に沿って均一に分散配置されたコイルにコイル電源を印加してプラズマをチャンバの側壁と隔離させる段階を含むことを特徴とする方法。
7. 前記コイル電源は直流または低周波の交流電源であり、プラズマを利用する蝕刻及び蒸着工程などの工程の特性に応じて強さ及び周波数が調節され得ることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記アンテナと前記コイルとを同一の電源によって駆動することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の方法。

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