JP2006318725A - 誘導結合型プラズマ生成装置及びプラズマ生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマの空間分布を制御して、広い面積で成膜またはエッチング速度を均一にする誘導結合型プラズマ生成装置を提供する。
【解決手段】 チャンバ１内に供給されるガスをプラズマ化し、このプラズマを利用して基板３に対する成膜やエッチングの処理を行う誘導結合型プラズマ生成装置において、
独立した複数の誘導コイル４Ａ，４Ｂを同心状に内外に配設するとともに、各誘導コイル４Ａ，４Ｂに供給する高周波電流の位相を独立に制御し得るように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は誘導結合型プラズマ生成装置及びプラズマ生成方法に関し、特に真空容器内で所定の成膜やエッチングを行うプラズマＣＶＤ装置、エッチング装置に適用して有用なものである。

誘導結合型プラズマ生成装置は、誘導電界を形成するための高周波誘導コイルを真空引きしたチャンバの天井板上に配置し、その誘導コイルによる誘導電界によりチャンバ内に供給するガスのプラズマを生成し、チャンバ内に置かれた基板に対して成膜またはエッチングの処理をするためのものである。

ここで、チャンバ内のプラズマ分布は誘導コイルの配置、チャンバ内のガス圧力、チャンバの形状等に起因して変化する。そこで、基板上での成膜及びエッチング処理の均一性を向上するためには、基板位置（上下方向）を最適化する位置調整や誘導コイルの形状の最適化というハード面での対策によっていた。

しかしながら、基板位置の上下位置調整のためには、位置調整機構を追加する必要があるばかりでなく、上下動作によりプロセスのスループットが低下するという問題がある。特に、ＳｉＯ_２の成膜のように成膜とエッチングを同時に行う必要がある場合等、基板位置の調整だけでは成膜とエッチングの両者の均一性を同時に満たすことが困難な場合がある。

一方、誘導コイルの形状の変更は、事前にプロセス条件出しを行って決める必要があり、その後の変更・調整が困難である。

また、一般にチャンバ内のプラズマ分布は中心から径方向に沿いチャンバ壁に向けて減少する傾向にあり、これを補償して均一性を確保する必要がある等の問題が存在する。

なお、本発明に類似の公知技術として、複数の誘導コイルを有する回路において、誘導コイルと直列にコンデンサまたはインダクタンスを接続することで前記誘導コイルの電流の制御を行いプラズマ分布を制御する技術が存在する（特許文献１参照）。

ただ、この従来技術は、直列に挿入されたコンデンサあるいはインダクタにより誘導コイルのインピーダンスを変化させることで各誘導コイルの電流量を制御するものである。したがって、各誘導コイルが作る同方向磁場の重ね合わせの範囲におけるプラズマ分布の制御に限定される。また、プラズマ分布を時間的に揺動して均一化を図ることはできない。

特開２００２−１２４３９９号公報 特開２００２−０３３３０６号公報 特開２００３−１８８１５３号公報 特開平０７−２６３１８８号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、プラズマの空間分布を制御して、広い面積で成膜またはエッチング速度を均一にする誘導結合型プラズマ生成装置及びプラズマ生成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様は、
真空容器であるチャンバと、このチャンバ内に配設された基板と、高周波電流が供給される誘導コイルとを有し、この誘導コイルにより形成した高周波電界で前記チャンバ内に供給されるガスをプラズマ化し、このプラズマを利用して前記基板に対する成膜やエッチングの処理を行う誘導結合型プラズマ生成装置において、
独立した複数の誘導コイルを同心状に内外に配設するとともに、各誘導コイルに供給する高周波電流の位相を独立に制御し得るように構成したことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、
上記第１の態様において、各誘導コイルは個別に各高周波電源に接続され、各高周波電源で出力する高周波電流の位相を調整するように構成したことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、
上記第１の態様において、高周波電源が出力する高周波電流を複数に分配する分配器と、この分配器で分配した高周波電流の位相を制御する移相器とを有し、一つの高周波電源で位相が異なる高周波電流を各誘導コイルに供給するように構成したことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、
上記第１乃至第３の態様の何れか一つにおいて、前記基板を前記チャンバ内で昇降可能に形成して前記プラズマに対する基板の相対的な位置関係を調節可能にしたことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、
上記第１乃至第４の態様の何れか一つにおいて、相対的に外側の誘導コイルに供給する一つの高周波電流と相対的に内側の誘導コイルに供給する他の高周波電流の位相差を１８０度に設定するとともに、前記外側の誘導コイルに供給する高周波電流を前記内側の誘導コイルに供給する高周波電流よりも大きくしたことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、
高周波電流が供給される誘導コイルにより形成した高周波電界で真空容器であるチャンバ内に供給されるガスをプラズマ化して前記チャンバ内に配設された基板に対する成膜やエッチングの処理を行うためのプラズマを生成するプラズマ生成方法において、
同心状に内外に配設した複数の誘導コイルに供給する高周波電流の位相を独立に制御して前記プラズマの空間分布が前記チャンバの径方向に亘り広い範囲で均一になるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、誘導結合型プラズマ生成装置において、複数の誘導コイルの電流の位相を制御することで、均質かつ均一な成膜またはエッチングが可能となる。すなわち、誘導コイルの形状、配置等のハード面の変更を伴うことなく電気的な制御（電気的な制御）で均質かつ均一な成膜またはエッチングを可能にする。

さらに、従来の基板位置調整手段等とも簡単に組み合わせることが可能であり、組み合わせた場合にはより一層の制御性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本実施の形態の説明は例示であり、本発明の構成は以下の説明に限定されない。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置を概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置は、真空容器であるチャンバ１と、このチャンバ１内に配設した支持台２に載置した基板３と、高周波電流が供給される誘導コイル４とを有し、この誘導コイル４により形成した高周波電界で前記チャンバ１内に供給されるガスをプラズマ化し、このプラズマを利用して前記基板３に対する成膜やエッチングの処理を行うものである。

前記誘導コイル４は、図２に特にこの部分を抽出して詳細に示すように、半径が異なる独立した複数本（本形態では２本）の誘導コイル４Ａ、４Ｂを同心状に内外に配設して構成してある。ここで、誘導コイル４Ａ、４Ｂの高周波電流を供給する各給電点Ａ、Ｂは同一面上で１８０度異なる位置に配設してある。このように給電点Ａ、Ｂの位置を変えて配設することは必須ではないが、このような構成とすることでチャンバ１の径方向のプラズマ分布を均一化することができる。すなわち、給電点Ａ、Ｂには各誘導コイル４Ａ、４Ｂの垂直方向の立ち上がり部を有するので、この部分で電界及び磁界が乱れ、ひいてはプラズマの乱れを生起する。したがって、給電点Ａ、Ｂが同一位置に集中すると、プラズマの乱れも集中してしまうが、上述の如く給電点Ａ、Ｂを分散させた場合には、プラズマの乱れを分散させることができ、その分チャンバ１内のプラズマ密度の均一化を図ることができる。

また、前記各誘導コイル４Ａ、４Ｂは、それぞれに供給する高周波電流の位相を独立に制御し得るように構成してある。すなわち、誘導コイル４Ａには高周波電源５Ａがアンプ６Ａ及び整合器７Ａを介して、誘導コイル４Ｂには高周波電源５Ｂがアンプ６Ｂ及び整合器７Ｂを介してそれぞれ接続してあり、これら高周波電源５Ａ、４Ｂが独立にそれぞれの出力電流である高周波電流の位相を制御し得るようになっている。

かかる本形態の誘導結合型プラズマ生成装置においては、前記高周波電源５Ａ、５Ｂが出力する各高周波電流の位相を変化させて位相差を作ることができる。ここで、高周波電流の位相差が１８０度の場合には、誘導コイル４Ａ、４Ｂに流れる高周波電流の方向は常に正負反対となり、９０度の場合は、時間とともに両高周波電流の方向の正負が変化する。したがって、位相差の制御により各誘導コイル４Ａ、４Ｂに流れる各高周波電流の作る磁場（誘導電界）を変化させることでプラズマ空間分布を定常、非定常に変化させることができる。

このとき、外側の誘導コイル４Ａに供給する高周波電流を内側の誘導コイル４Ｂに供給する高周波電流よりも大きくすることで最大電界密度の領域を誘導コイル４Ａの真下よりもチャンバ１の径方向に関してチャンバ１の壁面側にシフトさせる。この結果、プラズマ分布をチャンバ１の壁面近傍まで拡張してより均一なプラズマ分布を形成することができる。

図３は、外側／内側の誘導コイル４Ａ、４Ｂに供給する高周波電流が逆位相（位相差１８０度）になるとともに、それぞれ１５０／−５０の割合で供給した場合のプラズマ分布Ｉを示している。図４は比較のため、２つの誘導コイル４Ａ、４Ｂに同位相で電流を流した場合のプラズマ分布ＩＩを示した。両図において、横軸の０．０の位置が、チャンバ１の中心軸に一致し、Ｗの位置がチャンバ１の壁面位置に一致するとともに、縦軸のＨの位置がチャンバ１の天井板位置に一致し、符号３の部分が基板位置に一致している。また、図５は基板３の位置でのイオンフラックスの均一性の比較結果を示すグラフである。このグラフは、イオンフラックスの最大値ＭＡＸと最小値ＭＩＮとを用い、（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）の値をＩＩの場合を基準として正規化した数値を表示したものである。したがって、数値が小さいほど均一であることを示している。

これらの図を参照すれば明らかな通り、図３に示す本形態の場合が明らかにプラズマ分布Ｉをチャンバ１の壁面近傍まで拡張することができている。すなわち、位相差１８０度の方がプラズマをよりチャンバ１の壁面に近い位置に維持することができ、その結果前記壁面でのプラズマの損失が補償され、基板３上でより広い範囲でプラズマ分布Ｉが均一となる。

また、誘導コイル４Ａ、４Ｂに供給する高周波電流の位相差が９０度の場合は高周波電流１／４周期毎に、プラズマ励起電流が最大となる位置が変化するので、プラズマが生成される位置を動的に変化させることが可能となる。すなわち、位相差θを０度＜θ≦１８０度の範囲で任意に変化させる位相制御を行うことにより、誘導コイル４Ａ、４Ｂの位置を変えることなくプラズマ分布Ｉを目的に応じて制御することが可能となる。

＜第２の実施の形態＞
図６は本発明の第２の実施の形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置を概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置は、誘導コイル４に高周波電流を供給するための給電系の構成が異なるだけで他の構成は図１に示す第１の実施の形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置と同一である。そこで、図６中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

図６に示すように、本形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置では、高周波電源１５は１個であるが、各誘導コイル４Ａ、４Ｂにそれぞれ供給する高周波電流の位相を独立に制御し得るように構成してある。すなわち、高周波電源１５が出力する高周波電流は分配器１８で分配され、その一方がアンプ６Ａ及び整合器７Ａを介して誘導コイル４Ａに供給される。一方、分配器１８で分配された他方の高周波電流は、移相器１９でその位相を所定の位相に制御し、アンプ６Ｂ及び整合器７Ｂを介して誘導コイル４Ｂに供給される。

かかる本形態の誘導結合型プラズマ生成装置においても、高周波電源１５が出力する高周波電流の位相を変化させて各誘導コイル４Ａ，４Ｂに供給する高周波電流の位相差を作ることができる。すなわち、移相器１９における位相制御により第１の実施の形態と全く同様のプラズマ分布を形成することができる。

以上、要するに本発明によれば、複数の誘導コイルを用いた誘導結合型プラズマ装置において、各誘導コイルに供給する高周波電流の位相を変化させることで、プラズマの空間分布を制御することができる。また、ここで位相変化の時定数を適切に選択することで時間的な空間分布の制御も可能になる。

なお、基板を上下してその位置を制御する従来の基板位置調整手段を、上記第１又は第２の実施の形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置と組み合わせることも可能である。この場合には、基板位置調整手段による基板とプラズマとの相対的な位置関係を適切に制御した上でチャンバ内のプラズマ密度の均一化も図り得るので、さらに良好な成膜やエッチングを行うことができる。

本発明は半導体デバイスを製造するための成膜、エッチング等の処理を行う装置等の製造、販売に関する産業分野で利用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置を概念的に示す説明図である。 図１の誘導コイルの部分を抽出して詳細に示す拡大図である。 外側/内側の誘導コイルに供給する高周波電流が逆位相（位相差１８０度）になるとともに、それぞれ１５０／−５０の割合で供給した場合のプラズマ分布Ｉを示す説明図である。 図３に示すプラズマ分布との比較のため、２つの誘導コイルに同位相で電流を流した場合のプラズマ分布ＩＩを示す説明図である。 チャンバ内の基板の位置でのイオンフラックスの均一性の比較結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る誘導結合型プラズマ生成装置を概念的に示す説明図である。

符号の説明

Ｉ，ＩＩ プラズマ分布
１ チャンバ
２ 支持台
３ 基板
４，４Ａ，４Ｂ 誘導コイル
５Ａ，５Ｂ 高周波電源
１５ 高周波電源
１８ 分配器
１９ 移相器

Claims (6)

1. 真空容器であるチャンバと、このチャンバ内に配設された基板と、高周波電流が供給される誘導コイルとを有し、この誘導コイルにより形成した高周波電界で前記チャンバ内に供給されるガスをプラズマ化し、このプラズマを利用して前記基板に対する成膜やエッチングの処理を行う誘導結合型プラズマ生成装置において、
   独立した複数の誘導コイルを同心状に内外に配設するとともに、各誘導コイルに供給する高周波電流の位相を独立に制御し得るように構成したことを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
2. 請求項１において、
   各誘導コイルは個別に各高周波電源に接続され、各高周波電源で出力する高周波電流の位相を調整するように構成したことを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
3. 請求項１において、
   高周波電源が出力する高周波電流を複数に分配する分配器と、この分配器で分配した高周波電流の位相を制御する移相器とを有し、一つの高周波電源で位相が異なる高周波電流を各誘導コイルに供給するように構成したことを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一つにおいて、
   前記基板を前記チャンバ内で昇降可能に形成して前記プラズマに対する基板の相対的な位置関係を調節可能にしたことを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一つにおいて、
   相対的に外側の誘導コイルに供給する一つの高周波電流と相対的に内側の誘導コイルに供給する他の高周波電流の位相差を１８０度に設定するとともに、前記外側の誘導コイルに供給する高周波電流を前記内側の誘導コイルに供給する高周波電流よりも大きくしたことを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
6. 高周波電流が供給される誘導コイルにより形成した高周波電界で真空容器であるチャンバ内に供給されるガスをプラズマ化して前記チャンバ内に配設された基板に対する成膜やエッチングの処理を行うためのプラズマを生成するプラズマ生成方法において、
   同心状に内外に配設した複数の誘導コイルに供給する高周波電流の位相を独立に制御して前記プラズマの空間分布が前記チャンバの径方向に亘り広い範囲で均一になるように制御することを特徴とするプラズマ生成方法。
   

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