JP2006216903A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
安定かつ均一な密度を有するプラズマを生成することのできるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】
一面を平板状の絶縁材製窓で形成した処理チャンバ１と、処理チャンバの前記絶縁材製窓に対向する面に試料載置面を形成した試料載置電極５と、処理チャンバ内に処理用ガスを導入するガス導入手段１８と、前記絶縁材製窓の外表面に放射方向にスリットを設けて形成した容量結合アンテナ１１と、前記誘電体窓の外部に形成し該窓を介して処理チャンバ内に形成されるプラズマと誘導結合する誘導結合アンテナ１０とを備え、該誘導結合アンテナ１０は、前記試料載置面に直交する方向を長手方向として巻回したコイルで構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に安定、かつ均一なプラズマを生成することのできるプラズマ処理装置に関する。

近年、ＦｅＲＡＭ(Ferroelectric Random Access Memory)やＭＲＡＭ(Magnetoresistive Random Access Memory)といった新しいメモリデバイスは勿論、従来のＬＳＩデバイスにおいても、ＰｔやＩｒ等の貴金属材料、磁性体材料、不揮発性材料などが用いられるようになってきた。

例えば、ＦｅＲＡＭにおけるビット情報を保存するためのキャパシタ部は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ_３）、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）等の強誘電体材料をＩｒ、Ｒｕ、Ｐｔ等の貴金属の電極で挟み込んだ構造となっている。このような貴金属材料は、揮発性の高い反応生成物を作りにくく、エッチング処理がきわめて困難である。

これら、Ｐｔ、Ｆｅ系等の材料をパターニングして微細な電極や配線を形成する場合には、主に塩素ガス等のハロゲン系ガスを用いたプラズマエッチングが行われる。プラズマエッチングは、ＬＳＩ製造技術の進展の中で、主に、Ｓｉ，ＳｉＯ_２，Ａｌ系配線膜をパターニングする技術として、これまで重要な役割を担ってきた。これら、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ等の材料は、エッチングガスとして塩素、フッ素、臭素等を用いることにより、これらのガスと反応して反応生成物を作り、これを排気手段によって除去することができる。

しかしながら、今後新たに導入される材料である、前記Ｐｔ，Ｆｅ等の新材料は、ハロゲンガスとの反応性が低く、かつ、反応生成物であるこれらのハロゲン化物の蒸気圧は小さい。すなわち、これらの新材料は、エッチングレートが小さく、反応生成物の付着性がきわめて高いことが特徴である。

これら不揮発性材料をエッチングするためには、高バイアス条件下での高エネルギのイオンの入射し、更に反応生成物の昇華を促進するために、被処理物を高温に保つことが有効であることがよく知られている。例えば非特許文献１によれば、Ｃｌ_２／Ｏ_２ガスを用いてＰｔをエッチングする際に、２２０℃の高温にウエハを保つことにより、テーパ角の立った、より良好な形状のエッチングが実現可能であることが示されている。

このように、高温、高バイアスのプロセス条件を用いることによって、不揮発性材料のプラズマエッチングによるパターニングが良好に実現されることが実験・試作レベルで確認され、これらの材料を用いた新ＬＳＩデバイスが試作されつつある。しかしながら、このような不揮発性材料のプラズマエッチングを量産レベルで実現することは容易でない。なぜなら、これら不揮発性材料のプラズマエッチング処理中に発生する反応生成物は、蒸気圧が低いために、排気手段によって排気されることなく、大部分がチャンバの内壁面に付着することになる。実験・試作レベルでは、特に問題なくても、ＬＳＩの量産ラインにおいて、これらの材料のエッチング処理を行うと、数枚〜数十枚レベルの処理数で、チャンバの壁面は、反応生成物による堆積膜が厚く付着し、プラズマ状態を変化させたり、パーティクルを発生し、エッチング処理を困難にすることとなる。量産ラインに適用可能な不揮発性材料のエッチング装置を実現するためには、この堆積膜への対策が最も重要な課題となる。

現在、一般的な半導体デバイスの製造工程において、プラズマエッチング処理には、誘導結合型プラズマ処理装置がよく用いられている。誘導結合型プラズマ処理装置は、チャンバの一部を構成するアルミナや石英などの絶縁材製窓を介して処理チャンバの外にループ状の誘導結合アンテナを配置する。そして、この誘導結合アンテナに高周波電力を給電することにより、処理チャンバ内に導入されたプロセスガスにエネルギを供給し、プラズマを維持する方式のプラズマ装置である。

誘導結合型プラズマ装置の利点は、誘導結合アンテナと高周波電源という簡単で安価な構成で、０．１Ｐａ台の低圧下で、１×１０^１１〜×１０^１２（ｃｍ^−３）という比較的高密度のプラズマを発生できることである。

しかしながら、Ｐｔ、Ｆｅ等の不揮発性材料のエッチングにおいては、エッチング処理を重ねるにつれて、導電性をもった反応生成物が誘導結合アンテナに近接するアルミナや石英に付着することにより、誘導結合アンテナの電力がプラズマに投入されにくくなる。これにより、プラズマ密度が低下し、エッチングレートの低下を引き起こしたり、ウエハに飛来する異物が増加する。

このような問題を解決するために、例えば、特許文献１においては、誘導結合アンテナのパワーが投入される部分の絶縁材製窓を覆うように、誘導結合アンテナを横切るように（放射方向に）スリットが設けられた導電体部材を配置し、この導電体部材に高周波電圧を印加することにより、絶縁材製窓に入射するイオンのエネルギを増大させて、絶縁材製窓への反応生成物の堆積を防止する方法が開示されている。

この導電体部材は、接地電位に接続され、誘導結合アンテナの電圧がプラズマに影響するのを防ぐ目的で用いられるファラデーシールドと同様の構造である。しかしながら、前記スリットが設けられた導電体部材には、誘導結合アンテナに印加する高周波電力のラインから電力を分岐するなどして、所望の高周波電圧を印加できるようになっている。このように、スリットが設けられた導電体部材（静電容量結合アンテナ）に電圧を印加することにより、例えば、非特許文献２に示されているように、不揮発性材料のエッチングプロセスにおいても安定したエッチング処理が得られることが分かっている。
特開２０００−３２３２９８号公報 Hyoun-woo Kim (J. Vac. Sci. Technol. A 17, 1999, 2151) Manabu Edamura (Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 42, 7547 (2003).)

前記特許文献１に示される装置においては、円筒形やドーム型の絶縁体窓が用いられており、静電容量結合アンテナも円筒、円錐台型、あるいはドーム型である。このような円筒型、円錐台型、あるいはドーム型の静電容量結合アンテナを装備した誘導結合型プラズマ装置において、前記静電容量結合アンテナに高い電圧を印加すると、ウエハ位置でのプラズマ密度分布が凸分布になることが、発明者らの実験により明らかとなった。

ここで、図２は、円錐台型の静電容量結合アンテナ１１を用いたプラズマ処理装置を説明する図、図３は図２に示すプラズマ処理装置に用いる円錐台型アンテナ１１の平面図、図４は、図２に示すプラズマ処理装置におけるプラズマ密度分布を示す図である。

これらの図において、処理チャンバ１は、真空排気手段２および被処理物である半導体ウエハ３を搬入出するための搬送システム４を備える。

処理チャンバ１内には、半導体ウエハ３を載置するための電極５が設置される。搬送システム４により搬送用ゲートバルブ１７を通って処理チャンバ中に搬入されたウエハは、電極上に運ばれ、図示されない静電チャックによって、静電吸着されて保持される。電極５には、整合器８を介して、数百ＫＨｚから数十ＭＨｚの周波数の高周波電源９が接続される。

電極５のウエハ載置面以外の上部表面は、通常、絶縁材製の電極カバー７によってプラズマや反応性ガスから保護される。処理チャンバ上部の側面の絶縁材製窓６の直下には、プロセスガス導入口１８が設けられており、プロセス用のガスが処理チャンバ内に導入される。

一方、ウエハと対向する位置には、誘導結合方式によるプラズマ生成手段が配置される。すなわち、誘導結合アンテナ１０が、石英やアルミナセラミック等の絶縁材により形成された絶縁材製窓６を介して、大気側のウエハ１の対向面に設置される。また、誘導結合アンテナ１０と絶縁材製窓６の間には、円錐台型の静電容量結合アンテナ１１が設置される。また、円錐台型の静電容量結合アンテナ１１は、図３において平面図として示すように、放射状にスリットを備え、絶縁材製窓６に接するように配置されている。

円錐台型の静電容量結合アンテナ１１は、電気的には固定コンデンサ１２を介して、誘導結合アンテナに供給する高周波電力ラインに接続され、高周波電圧を与えることができるようになっている。

このような構成を有するプラズマ処理装置においては、円錐台型アンテナ１１に高電圧を印加しない場合においては、比較的平坦なプラズマ分布を得ることができる。しかし、プラズマ処理に際して、静電容量結合アンテナ１１に高電圧を印加すると、図４に示すようにウエハの中心位置上にプラズマが集中する。静電容量結合アンテナに印加する電圧を増加したときには、平行平板型プラズマ装置と同様にプラズマ全体の電位が大きく変動する。しかし、平行平板型プラズマ装置とは異なり、円錐台型静電容量結合アンテナ１１の場合には、アンテナが円錐台型をしているため、プラズマ全体の電位変動により、ウエハ中心位置付近にプラズマが集中してしまうものと考えられる。

また、図２に示すように、誘導結合アンテナ１０を静電容量結合アンテナ１１に沿って配置すると、ウエハ位置におけるプラズマ密度の分布が不均一になり、エッチングレートの分布が周方向で不均一になる（プラズマやレートが偏ってしまう）。

すなわち、誘導結合アンテナ１０と静電容量結合アンテナ１１はその構成上、近接して配置せざるをえないが、このとき、これらのアンテナ間の浮遊容量により、誘導結合アンテナ１０から静電容量結合アンテナ１１に電流が流れる。特に誘導結合アンテナ１０の電圧が高い部分では、誘導結合アンテナ１０から静電容量結合アンテナ１１に流れる電流が大きくなり、誘導結合アンテナ１０を流れる電流が小さくなってしまう（図７参照）。このため、上述のように、プラズマ密度の分布が不均一になり、エッチングレートの分布が周方向で不均一になる
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、安定かつ均一なプラズマを生成することのできるプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

一面を平板状の絶縁材製窓で形成した処理チャンバと、処理チャンバの前記絶縁材製窓に対向する面に試料載置面を形成した試料載置電極と、処理チャンバ内に処理用ガスを導入するガス導入手段と、前記絶縁材製窓の外表面に放射方向にスリットを設けて形成した容量結合アンテナと、前記誘電体窓の外部に形成し該窓を介して処理チャンバ内に形成されるプラズマと誘導結合する誘導結合アンテナとを備え、該誘導結合アンテナは、前記試料載置面に直交する方向を長手方向として複数回巻回したコイルで構成する。

本発明は、以上の構成を備えるため、安定かつ均一なプラズマを生成することのできるプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。図１において、処理チャンバ１は、例えば、表面をアルマイト処理したアルミニウム製かステンレス製の真空容器であり、電気的に接地されている。処理チャンバ１は、真空排気手段２、および被処理物である半導体ウエハ３を搬入出するための搬送システム４を備える。

処理チャンバ１内には、半導体ウエハ３を載置するための電極５が設置される。搬送システム４により搬送用ゲートバルブ１７を通って処理チャンバ中に搬入されたウエハは、電極上に運ばれ、図示されない静電チャックによって、静電吸着されて保持される。電極５には、プラズマ処理中に半導体ウエハ３に入射するイオンのエネルギを制御する目的で、整合器８を介して、数百ＫＨｚから数十ＭＨｚの周波数の高周波電源９が接続される。さらに、電極５内には、図示しないが、プラズマによって加熱される処理中のウエハの温度を一定に保つための冷媒の流路が設けられている。また、ウエハを高温に保つことが要求される場合にはヒータが内蔵される。

電極５のウエハ載置面以外の上部表面は、通常、絶縁材製の電極カバー７によってプラズマや反応性ガスから保護される。処理チャンバ上部に形成した平板状の絶縁材製窓６の直下には、プロセスガス導入口１８が設けられており、プロセス用のガスが処理チャンバ内に導入される。

一方、ウエハと対向する位置には、誘導結合方式によるプラズマ生成手段が配置される。すなわち、電極５の試料載置面に直交する方向を長手方向として複数回巻回したコイルで形成した（すなわち立体構造を有する）誘導結合アンテナ１０が、石英やアルミナセラミック等の絶縁材により形成された絶縁材製窓６を介して、大気側のウエハ１の対向面に設置される。また、誘導結合アンテナ１０と絶縁材製窓６の間には、平板状の静電容量結合アンテナ１１が設置される。

静電容量結合アンテナ１１は、導電体製の平板であり、図３において平面図として説明した円錐台型アンテナ１１と同様に、放射状にスリットが入っており、絶縁材製窓６に接するように配置されている。

前記スリットは誘導結合アンテナ１０のループを横切るように放射状に形成されており、誘導結合アンテナ１０によって生じる誘導電流がプラズマに流れるのを阻害しないようになっている（スリットがないと静電容量結合アンテナ１１に誘導電流が流れてしまう）。静電容量結合アンテナは、電気的には固定コンデンサ１２を介して、誘導結合アンテナに供給する高周波電力ラインに接続され、高周波電圧を与えることができるようになっている。

静電容量結合アンテナにかかる電圧は、可変コンデンサ１３の静電容量を変えることにより調節できるようになっている。すなわち、可変コンデンサ１３と固定インダクタ１４が直列共振の条件になったとき、静電容量結合アンテナ１１はほぼ接地電位にショートされたと見なすことができ、このとき、静電容量結合アンテナ１１の電圧はゼロとなる。

このような場合には、静電容量結合アンテナ１１は、一般的に知られるファラデーシールドと同様に働く。可変コンデンサ１３を調節して直列共振状態から外すと、静電容量結合アンテナ１１には高周波電圧が印加され、この電圧により、プラズマ中のイオンが絶縁材製窓６の内表面に加速され、イオン衝撃により、堆積物の付着を防止することができる。また、静電容量結合アンテナを図１に示すように平板化したことにより、図４に示したようなプラズマ密度の中心への集中がなくなり、静電容量結合アンテナに高電圧を印加しても良好なプラズマ密度分布、エッチングレート分布が得られるようになる。

上記のように、前記第１の実施形態は、立体構造を有する誘導結合アンテナ１０及び平板状の静電容量結合アンテナ１１を組み合わせた点に特徴を有する。以下、この組み合わせの優位性について、図５ないし図９を参照して説明する。ここで、図５は平板化した静電容量結合アンテナとそれに沿った誘導結合アンテナを持つプラズマ処理装置を示す図、図６は誘導結合アンテナに沿っての浮遊容量を示す模式図、図７は誘導結合アンテナとファラデーシールドの間の浮遊容量に起因する電流損失を示す模式図、図８は誘導結合アンテナとファラデーシールドの間の浮遊容量のプラズマへの影響を評価するための実験及び計算の体系を示す模式図、図９は誘導結合アンテナとファラデーシールドの間の浮遊容量に起因する電流損失によって生じる誘導結合アンテナを流れる電流の不均一性の計算結果と、プラズマの不均一性の実験結果を示す図である。

図２に示すような円錐台型の放電部をそのまま平板型にすると、通常、図５のような構造が得られる。図２に示す例においても、図５に示す例においても、誘導結合アンテナ１０の２ターンのループは静電容量結合アンテナ１１に近接した構造となっている。しかし、このような構造ではプラズマ密度分布やエッチングレート分布に所定の方向への偏りが生じてしまう。この理由を図６、図７を用いて説明する。なお、この偏りの問題は、静電容量結合アンテナを接地電位に接続した場合と考えられる一般的なファラデーシールドでも同じことなので、ここでは簡単のため、接地電位のファラデーシールドとして説明する。 誘導結合アンテナ１０には高周波が印加され高電圧がかかっている。誘導結合アンテナ１０はファラデーシールドに近接しているため、これらの間には意図しない浮遊容量が形成される。静電容量結合アンテナ１１を設けない一般的な誘導結合型プラズマ装置においては、プラズマを導電体とみなせるので、プラズマと誘導結合アンテナとの間に浮遊容量が存在する（図６（ｂ））。しかしながら、ファラデーシールドを設けたプラズマ装置の場合は、誘導結合アンテナとファラデーシールドが近接しているので、この浮遊容量が比較的大きい（図６（ａ））。

誘導結合アンテナ１０には高電圧が印加されるが、この電圧（peak-to-peak電圧）の値は誘導結合アンテナのループに沿って一定ではない。例えば、図７のような簡単な系を考えてみる。一端を接地電位に繋いだ１ループの誘導結合アンテナ１０と、それに近接するファラデーシールド１９からなる最も簡単な場合である。この場合、誘導結合アンテナ１０にかかる電圧は、高周波電源側で最大となり、接地電位側で零、その中間では最大電圧の１／２となる。したがって、浮遊容量が、誘導結合アンテナに沿って均等に分布しているとすると、電流損失は高周波電源側で最大となる。これにより、プラズマは、接地電位側に偏ることになる。

さらに詳しく考えるために、図８に示すように、１ループの誘導結合アンテナ１０の接地電位側に可変コンデンサを挿入し、該コンデンサのコンデンサ容量Ｃｔを変化させてみた。すなわち、容量Ｃｔを変化させることにより、誘導結合アンテナに発生する電圧の分布を変化させることができる。誘導結合アンテナ１０のインダクタンスをＬｃ、高周波の周波数をｆとしたとき、１／（２πｆＣｔ）＝１／２（２πｆＬ）となるときの容量Ｃｔにおいて、誘導結合アンテナの両端の電圧は等しくなり、誘導結合アンテナ１０のちょうど中間点で電圧はゼロになる。容量Ｃｔがそれより大きい場合は、高周波電源側、小さいときは接地電位側で電圧が高くなる。

図９は、容量Ｃｔを変化させたときの、ウエハ位置でのプラズマ分布の変化と、そのときの誘導結合アンテナ１０に沿って流れる電流の計算値（全浮遊容量Ｃｓ＝１２０ｐＦの場合）の分布を示している。図より明らかなように、誘導結合アンテナとファラデーシールドとの間の浮遊容量に起因して、誘導結合アンテナに流れる電流に分布が生じ、それによってプラズマの偏りが生じていることがわかる。

このような誘導結合アンテナとファラデーシールドとの間の浮遊容量に起因するプラズマの偏りを解消する方法は、誘導結合アンテナに発生する電圧を下げること、誘導結合アンテナをファラデーシールドから遠ざけることであることが容易に考えられる。しかしながら、プラズマの偏りを解消するためのこのような方法は、プラズマの着火性、安定性及びプラズマ生成効率を低下させる。

例えば、発明者の一人であるEdamuraらの論文(J. Vac. Sci. Technol. A 22, 293 (2004).)にも述べられているように、誘導結合型プラズマ装置においては、着火時や低パワーにおいては、誘導結合アンテナの電圧に起因する容量結合放電がプラズマを支えていることが知られている。ファラデーシールドを設置するということは、この誘導結合アンテナの電圧に起因する容量結合放電をカットすることに他ならない。したがって、ある程度、誘導結合アンテナの電圧がプラズマに漏れるようにしておかないと放電開始できない。また、ファラデーシールドを誘導結合アンテナとプラズマの間に設けることは、誘導結合アンテナとプラズマの間の結合を悪化させるので、この点からも誘導結合アンテナを遠ざけることには問題がある。また偏りを減らすためには誘導結合アンテナのターン数を増やすことも有効であると考えられるが、これはアンテナのインダクタンスを増大させるため、誘導結合アンテナの電圧を下げるということとの間のトレードオフとなる。

一方、アンテナを単純に遠ざける代わりに、縦構造をもつ（縦巻きの）誘導結合アンテナを平板上の絶縁材製窓の上に配置したプラズマ装置が、米国特許５７１１９９８号や米国特許６４６２４８１号に開示されている（ここに示されるプラズマ装置ではファラデーシールドは具備されていない）。このような構造にすれば、一番下のループはファラデーシールドに近接するが、上のループは遠くなるため、浮遊容量起因の電流損失は減少し、プラズマの偏りを改善する効果が得られるものと考えられる。しかしながら、前述した通り、ファラデーシールドを設置するとプラズマの着火性と安定性の問題が懸念される。

しかしながら、前記第１の実施形態においては、接地電位に固定されたファラデーシールドではなく、静電容量結合アンテナ１１の電圧を可変することができるため、着火時や低パワー時等の放電安定性を、静電容量結合アンテナへの電圧を増加させることで補うことができる。これは、着火時や低パワー時において、通常のプラズマ装置の誘導結合アンテナの電圧が果たす役割を、静電容量結合アンテナの電圧が代替するからである。したがって、図１０に示すように、試料載置面に直交する方向を長手方向として複数回巻回したコイルからなる誘導結合アンテナを用いても、着火性・放電安定性の問題をクリアすることができる。

誘導結合アンテナを立体化する効果は浮遊容量起因の電流損失を低減する効果だけではない。図１１は、平面構造をもつ誘導結合アンテナ１０ｂによって生成される誘導磁界２８と、立体構造をもつ誘導結合アンテナ１０によって生成される誘導磁界を示す模式図である。プラズマは、絶縁体製窓６の直下で、これらの誘導磁界が最も強くなる部分で主に生成することが知られている。平面構造の誘導結合アンテナ１０ｂでは、絶縁体製窓直下に生成される磁界が比較的平坦であることが図より明らかである。プラズマは、平坦な中でも最も磁界が強い径で多く生成することになるが、前述の浮遊容量による電流損失等により、磁界が偏ったときに、プラズマの生成位置が動きやすい。一方、立体構造をもつ誘導結合アンテナ１０の場合は、磁界が強い径が固定されているので、プラズマの生成位置が偏りにくい。

したがって、図１に示したような、平板構造の静電容量結合アンテナ１１と立体構造をもった誘導結合アンテナ１０の組み合わせにより、不揮発性材料被膜のエッチングを行うことにより、（１）安定して着火・放電が可能であり、（２）静電容量結合アンテナに高電圧を印加して、反応生成物の付着を防ぎながら安定に多数のウエハを処理し、（３）高電圧を印加した状態でも中心にプラズマが集中することが無く、径方向で均一なプラズマの生成とエッチングレート分布が得られ、かつ、（４）プラズマの偏りがなく周方向で均一なエッチングレート分布が得られる。すなわち、（１）〜（４）に示す全ての性能が、図１に示すような構造を持つ処理装置によって達成可能となる。

図１２は、本発明の他の実施形態を説明する図である。プラズマエッチング装置では、プラズマ分布の微調整が必要なことがある。そこで、図１２に示す例では、内側のコイル及び外側のコイルからなる２系統のコイルで形成した誘導結合アンテナ（３０，３１）が具備されている。回路的には内側のコイルで形成した誘導結合アンテナ３０と、外側のコイルで形成した誘導結合アンテナ３１は並列に接続されているが、このような場合、よりインピーダンスの小さい方に電流が多く流れるので、内側及び外側のアンテナを同じターン数のコイルで形成した場合、ループの小さい内側に多くの電流が流れる。そこで、内側と外側のコイルに流れる電流を調整するために、外側のコイルと直列に可変コンデンサ３２を設ける。

このようにして、内側と外側の電流比を変えることにより、プラズマやエッチングレートの分布を微調整することができる。このとき、内側のコイルと外側のコイル間の距離を大きくしすぎると、図１１に示した平面的にアンテナを巻いたのと同じような状態になり、分布が偏りやすい。内側のアンテナと外側のアンテナの距離は、得たいプラズマ分布の調整範囲と、分布の偏りの許容限度とのトレードオフで決まる。

図１３は、本発明の更に他の実施形態を説明する図である。誘導結合アンテナ１０は静電容量結合アンテナ１１あるいはウエハ３に対して、完全に垂直な構造をもつ必要はなく、図１３に示すように傾斜した構造（円錐台あるいは逆円錐台状構造）をもっていてもよい。傾斜角（θ）は、図１３の矢印の向きを正として、±４５°程度までは、図１に示した例とさほど効果の違いはない。

図１４、１５は、本発明の更に他の実施形態を説明する図である。この例では、内側と外側のコイルが交差した２列の構造をもっている。図１２で説明したように内と外のアンテナの距離はあまり大きくない方がよい。図１５は、内側と外側のコイルが交差した構造の詳細を説明する図である。内側と外側のコイルを図１５に示したように交差させるのは、並列化した２系統のコイルのインダクタンスをほぼ同じにするためである。

誘導アンテナの構造については、以上説明したように、誘導アンテナの構造は、アンテナを構成するコイルを、交叉したり、並列化したり、傾きをつけて巻回したりすることができる。

図１６は、本発明の更に他の実施形態を説明する図である。この図の例では、図１０に示す試料載置面に直交する方向を長手方向として円筒状に複数回巻回したコイルに代えて、円筒状に巻回した複数のコイル（アンテナ要素）を並列に接続して誘導結合アンテナを構成している。これにより、電流分布の偏りをさらに低減し、周方向の均一性を改善することができる。電流分布の偏りを低減するためには、図１６に示すように、全く同じ複数のアンテナ要素を、回路的に並列して、一定角度ごとに設置する構造が有効である。さらに、並列に複数のアンテナ要素を接続すると、電気回路的にも明らかなように、複数のアンテナ要素からなる誘導結合アンテナのトータルのインダクタンスが低減され、アンテナ電圧が下がり、浮遊容量を介しての電流ロスを低減することができる。また、電圧低下により従来の装置では着火性が低下する問題があるが、本発明では、誘導結合アンテナを介して静電容量結合アンテナに電圧を印加することにより着火性の低下を抑制できるため、このような問題が発生しないことは前述の通りである。

以上説明したように、本発明によれば、（１）安定して着火・放電が可能である。（２）静電容量結合アンテナに高電圧を印加することにより反応生成物の付着を防ぎながら安定に多数のウエハを処理することができる。（３）静電容量結合アンテナに高電圧を印加した状態においても中心にプラズマが集中することが無く、径方向で均一なプラズマを生成することにより均一なエッチングレート分布が得られる。（４）プラズマの偏りがなく周方向で均一なエッチングレート分布が実現可能である。

このため、薄膜材料を使用した新しい半導体デバイス等の、反応生成物が多くかつ反応生成物の付着性の高い試料にプラズマ処理を施す際、安定したプラズマ処理を施すことができる。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。 円錐台型の静電容量結合アンテナを用いたプラズマ処理装置を説明する図である。 図２に示すプラズマ処理装置に用いる円錐台型アンテナの平面図である。 図２に示すプラズマ処理装置におけるプラズマ密度分布を示す図である。 平板化した静電容量結合アンテナとそれに沿った誘導結合アンテナを持つプラズマ処理装置を示す図である。 誘導結合アンテナに沿っての浮遊容量を示す模式図である。 誘導結合アンテナとファラデーシールドの間の浮遊容量に起因する電流損失を示す模式図である。 誘導結合アンテナとファラデーシールドの間の浮遊容量のプラズマへの影響を評価するための実験及び計算の体系を示す模式図である。 誘導結合アンテナを流れる電流の不均一性の計算結果とプラズマの不均一性の実験結果を示す図である。 誘導結合アンテナの構造を示す斜視図である。 平面構造をもつ誘導結合アンテナによって生成される誘導磁界と、立体構造をもつ誘導結合アンテナによって生成される誘導磁界を示す模式図である。 本発明の他の実施形態を説明する図である。 本発明の更に他の実施形態を説明する図である。 本発明の更に他の実施形態を説明する図である。 内側と外側のコイルが交差した構造の詳細を説明する図である。 本発明の更に他の実施形態を説明する図である。

符号の説明

１ 処理チャンバ
２ 真空排気手段
３ 半導体ウエハ
４ 搬送システム
５ 電極
６ 絶縁体窓
７ 電極カバー
８ ウエハバイアス用整合器
９ ウエハバイアス用高周波電源
１０ 誘導結合アンテナ
１１ 静電容量結合アンテナ
１２ 固定コンデンサ
１３ 静電容量結合アンテナ電圧制御用可変コンデンサ
１４ 固定インダクタ
１５ 整合器
１６ 高周波電源
１７ 搬送用ゲートバルブ
１８ プロセスガス導入口
１９ ファラデーシールド
２０ 誘導結合アンテナ給電端（接地電位側）
２１ 誘導結合アンテナ給電端（高周波電源側）
２２ 静電容量結合アンテナ給電部
２７ プラズマ
２８ 誘導磁界
２９ プラズマ生成部
３０ 誘導結合アンテナ（内側）
３１ 誘導結合アンテナ（外側）

Claims (6)

1. 一面を平板状の絶縁材製窓で形成した処理チャンバと、
   処理チャンバの前記絶縁材製窓に対向する面に試料載置面を形成した試料載置電極と、
   処理チャンバ内に処理用ガスを導入するガス導入手段と、
   前記絶縁材製窓の外表面に放射方向にスリットを設けて形成した容量結合アンテナと、
   前記誘電体窓の外部に形成し該窓を介して処理チャンバ内に形成されるプラズマと誘導結合する誘導結合アンテナとを備え、
   該誘導結合アンテナは、前記試料載置面に直交する方向を長手方向として巻回したコイルであることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘導結合アンテナを介して前記容量結合アンテナに高周波電圧を供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘導結合アンテナを構成するコイルは、同軸に巻回した複数のコイルを並列に接続して形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
   前記複数のコイルのうちの少なくとも一つのコイルには、コイル間の電流分担を調整するためのインピーダンス素子を接続したことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘導結合アンテナを形成するコイルは円錐台状または逆円錐台状に巻回したことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘導結合アンテナを構成するコイルは、同軸の円筒状に巻回した複数のコイルを並列に接続して形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。

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