JP3037848B2

JP3037848B2 - プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法

Info

Publication number: JP3037848B2
Application number: JP5084398A
Authority: JP
Inventors: 正宏小笠原; 好文田原; 聡中川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-04-17
Filing date: 1993-04-12
Publication date: 2000-05-08
Anticipated expiration: 2015-05-08
Also published as: JPH0620794A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成やエッチング
等に応用されるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、プラズマ処理は、半導体製造工程
の中でも微細加工が必要となる製造工程で広く利用され
ている。一般に、プラズマ処理を行なうための装置とし
て、例えば円筒形プラズマエッチング装置、平行平板形
プラズマエッチング装置、マイクロ波プラズマエッチン
グ装置等が知られている。また、高周波電界と磁界とに
よるマグネトロン放電によって処理ガスをプラズマ（有
磁界プラズマ）化するマグネトロンエッチング装置も開
発されている。マグネトロンエッチング装置では、プラ
ズマに磁界を印加することでプラズマの発生効率を高く
している。

【０００３】以下、図面を参照しながら、プラズマ処理
装置およびプラズマ処理方法の従来例について説明す
る。

【０００４】図１７は従来のプラズマ処理装置の正面断
面構造の概略を示すものであり、図１８はその平面断面
構造の概略を示すものである。両図において、１は処理
チャンバ、２は陰極、３は陽極、４は被処理材、５は電
源、６はガス導入口、７は排気口、８は磁界印加装置で
ある。

【０００５】図１７に示すように、被処理材４は陰極２
上に設置されている。陰極２に電源５が接続され、陽極
３は接地されている。処理チャンバ１にはガス導入口６
から処理ガスが導入される。処理ガスは例えばＣＨＦ₃
ガスを５０ｓｃｃｍとする。処理チャンバ１内は、排気
口７を通して排気することで、例えば５Ｐａの圧力に減
圧制御される。この後、電源５より例えば１３．５６Ｍ
Ｈｚ、８００Ｗの高周波電力を陰極２と陽極３との間の
空間に供給することでプラズマを発生させる。陰極２と
陽極３との間の電界９の方向は、図１７中の矢印で示さ
れている。

【０００６】陰極２と陽極３との間の空間には、電界印
加と同時に、図１８に示すように、少なくとも被処理材
４上において磁力線が互いに平行となる一様な磁界１０
が磁界印加装置８により印加されている。図１７中の電
界９は図１８には示されていないが、図１８の紙面に対
して垂直に電界が印加されている。

【０００７】互いに交叉する電界９と磁界１０とが存在
すると、プラズマ中の荷電粒子はローレンツ力を受け
る。このため、荷電粒子はサイクロイド運動をしながら
図１８中の矢印Ｄの方向にドリフトする。このドリフト
により、荷電粒子の衝突回数が増える。さらに、ガスの
電離度が高まり、高効率のプラズマが得られる。このプ
ラズマに被処理材４を曝し、エッチング等のプラズマ処
理を行なう。

【０００８】しかしながら、図１７および図１８の構成
では、磁界１０が被処理材４上に平行に印加されている
ため、ドリフトした荷電粒子によってプラズマ密度が大
きく偏る。すなわち、図１８において矢印Ｄで示される
方向、つまり紙面の上部に向けて荷電粒子は移動する。
このため被処理材４の両端（紙面上部と下部）に、各々
正・負に分極した帯電領域が発生する。このようなチャ
ージアップは被処理材４に静電気によるダメージを与え
る。例えば、半導体装置の製造工程では、半導体装置が
破壊したり、劣化したりする。よって、高集積化の進ん
だ半導体装置を製造する際にその歩留りを低下させると
いう問題があった。

【０００９】この問題点を解決するために、磁石を回転
させてプラズマ密度の均一化を図る方法が採用されてい
る。図１９は、回転磁石を備えた従来のマグネトロンエ
ッチング装置の正面断面構造を示すものである。このマ
グネトロンエッチング装置３０の主要部は、密閉の処理
チャンバ２１と、この処理チャンバ２１内の例えば上下
方向に離して対向配置される一対の上部電極２２および
下部電極２３と、例えば上部電極２２の上方において処
理チャンバ２１の外に回転可能に配設された磁界印加装
置としての磁石２９と、上部電極２２と下部電極２３と
の間の空間に高周波電力を供給するための高周波電源３
２とで構成されている。

【００１０】処理チャンバ２１は、その中で物体例えば
被処理基板である半導体ウエハＡ（以下、単にウエハと
いう）をエッチング処理するためのもので、その側方下
部に設けられた排気口３１に接続する排気手段（真空ポ
ンプ）２５により排気することによって、その中が真空
に保持されている。この処理チャンバ２１に配設される
下部電極２３と処理チャンバ２１の側壁との間は、絶縁
部材３４により絶縁されている。下部電極２３はその上
部中央に円板状のサセプタ２４を有し、このサセプタ２
４上にウエハＡが支持される。なお、このウエハＡを確
実にサセプタ２４上に支持させるため、チャック機構例
えば静電チャック２６をサセプタ２４上に設けてウエハ
Ａを吸着保持している。

【００１１】上部電極２２の内部にはサセプタ２４に対
向するように円板状の空間２７が形成されており、この
空間２７に連通して処理チャンバ２１内に向かう多数の
ガス拡散孔２８が形成されている。そして、空間２７に
連通するガス供給路３９に接続するガス導入管３５にマ
スフローコントローラ３６を介して処理ガス供給源３７
が接続されて、処理ガス供給源３７から供給される処理
ガス（例えば１００ｓｃｃｍのＣＨＦ₃等）が空間２７
および拡散孔２８を介して処理チャンバ２１内に導入さ
れるようになっている。なお、必要に応じて処理ガスを
常温以上に加熱する手段を設け、この加熱手段を通して
処理ガスを供給する場合もある。

【００１２】下部電極２３には、ウエハＡの温度を所望
温度（例えば−１００℃〜＋２００℃）に設定できる温
度調節機構（図示せず）が設けられている。また、下部
電極２３にはコンデンサ３３を介して高周波電源３２が
接続されており、この高周波電源３２の一端は接地され
ている。この高周波電源３２から、上部電極２２と下部
電極２３との間に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力
が供給される。

【００１３】処理チャンバ２１外において上部電極２２
の上方に設けられる上記磁石２９は、ウエハＡの表面方
向の磁界を形成するための磁石である。この磁石２９は
モータ等の駆動機構（図示せず）により所望の回転速度
で回転され、これによりウエハＡに印加される電界と交
叉する方向の磁界が形成される。

【００１４】以上のように構成された装置によってウエ
ハＡのエッチング処理を行なうためには、まず処理チャ
ンバ２１内に図示しない予備室からロードロックチャン
バを介してウエハＡを搬入し、このウエハＡを静電チャ
ック２６上に位置決めして吸着させる。その後、処理チ
ャンバ２１内を排気口３１から真空ポンプ２５により排
気し、真空度を例えば５Ｐａにする。

【００１５】次に、空間２７から拡散孔２８を介して処
理ガスを供給する。上部電極２２と下部電極２３との間
に高周波電源３２により電力を供給すると、ウエハＡの
表面に対して垂直な電界が生じる。このとき同時に、磁
石２９によって上部電極２２と下部電極２３との間の空
間に磁界が印加されるので、ウエハＡの表面には水平な
磁界３８と、この磁界３８に交叉する電界とが形成さ
れ、マグネトロン放電により有磁界プラズマが発生し、
このプラズマによりウエハＡのエッチングが行なわれ
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記回転磁石を備えた
従来のマグネトロンエッチング装置によれば、時間平均
をとると、プラズマ密度が均一化される。ところが、あ
る瞬間をとれば、プラズマ密度が依然として偏っている
のである。

【００１７】図２０は、図１９のマグネトロンエッチン
グ装置３０における被処理基板としてのウエハＡと磁界
３８とのある瞬間の関係を示す概略平面図である。図２
０における磁界３８と直交する断面（Ｘ−Ｘ断面，Ｐ−
Ｑ面）におけるプラズマ密度、エッチング速度（エッチ
レート：Ｅ／Ｒ）および電位（Ｖ_DC）の分布を図２１に
示す。ローレンツ力に起因した図２０中の矢印Ｄの方向
への荷電粒子のドリフトにより、図２１に示すように、
ウエハＡのＰ−Ｑ面上のプラズマ密度とエッチング速度
（Ｅ／Ｒ）とはＰからＱに向って減少し、電位（Ｖ_DC）
は逆に増大する。つまり、プラズマ密度が不均一になる
と共に電位（Ｖ_DC）が不均一となって、ウエハＡの両端
に各々正・負に分極した帯電領域が発生する。このよう
なチャージアップ現象はウエハＡのゲート酸化膜の絶縁
破壊を招いたり、その特性を劣化させたりする。また、
電位（Ｖ_DC）がウエハＡ面内で勾配をもつためウエハＡ
面内でイオンシースも傾斜をもつと考えられ、イオンは
シースに対して直交方向に進行する関係上、エッチング
形状が曲がるという問題もある。

【００１８】なお、ウエハＡにダメージを与えない程度
までプラズマ密度を低下させるエッチング方法もある
が、この方法においては、エッチング速度（Ｅ／Ｒ）が
低下すると共にスループットが低下する問題があった。

【００１９】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、プラ
ズマの偏りを小さくし、以て被処理材のチャージアップ
を抑制することができるプラズマ発生装置およびプラズ
マ発生方法を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明では、プラズマ中の荷電粒子のドリフト方向
を発散させるように、電界と磁界とをプラズマ空間に印
加することとした。

【００２１】具体的には、請求項１の発明は、減圧を保
持するチャンバ内のガスを電界と磁界とによるマグネト
ロン放電によってプラズマ化するためのプラズマ発生装
置において、互いの間の空間中のガスを電離させるため
の電界を該空間に印加するように前記チャンバ内に設置
された少なくとも２つの電極と、該電極による電界と交
叉する方向にかつ前記空間中のガスから生じた荷電粒子
が各々ローレンツ力を受けて互いに発散する方向にドリ
フトするように前記空間に磁界を印加するための磁界印
加装置とを備えた構成を採用したものである。

【００２２】また、請求項２の発明に係るプラズマ発生
装置では、互いの間の空間中のガスを電離させるための
電界を該空間に印加するようにチャンバ内に設置された
少なくとも２つの電極と、該電極による電界と交叉する
方向に前記空間に磁界を印加するための磁界印加装置と
を備えることとした。ただし、磁界印加装置により印加
される磁界は、前記空間中のガスから生じた荷電粒子の
各々に働くローレンツ力による該荷電粒子のドリフトの
方向に順次磁束密度が弱くなる勾配を持つようにする。

【００２３】請求項３の発明は、減圧空間内のガスを電
界と磁界とによるマグネトロン放電によってプラズマ化
するためのプラズマ発生方法において、前記減圧空間内
にガスを導入するステップと、該減圧空間内に導入され
たガスを電離させるように該減圧空間に電界を印加する
ステップと、該印加された電界と交叉する方向にかつ前
記減圧空間中のガスから生じた荷電粒子が各々ローレン
ツ力を受けて互いに発散する方向にドリフトするように
前記減圧空間に磁界を印加するステップとを備えた構成
を採用したものである。

【００２４】また、請求項４の発明に係るプラズマ発生
方法では、減圧空間内にガスを導入するステップと、該
減圧空間内に導入されたガスを電離させるように該減圧
空間に電界を印加するステップと、該印加された電界と
交叉する方向に前記減圧空間に磁界を印加するステップ
とを備えることとした。ただし、磁界印加ステップで印
加される磁界は、前記減圧空間中のガスから生じた荷電
粒子の各々に働くローレンツ力による該荷電粒子のドリ
フトの方向に順次磁束密度が弱くなる勾配を持つように
する。

【００２５】

【作用】請求項１〜４の発明によれば、プラズマ中の荷
電粒子のドリフトの方向を従来のように平行ではなく、
発散させることが可能となり、プラズマの偏りを少なく
できる。つまり、プラズマ密度が均一化されるので、被
処理材のチャージアップが少なくなり、静電気によるダ
メージが低減される。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例に係るプラズマ処理装
置およびプラズマ処理方法について、図面を参照しなが
ら説明する。

【００２７】図１および図２は、本発明の実施例に係る
プラズマ処理方法の原理図であって、いずれも従来例に
関する図１８に対応するものである。

【００２８】図１によれば、磁界印加装置８から、被処
理材４の面上において隣合う磁力線の方向が互いに平行
にならないように磁界１２が印加されている。すなわ
ち、被処理材４の一端（図１において紙面の下部）より
磁界１２の磁力線が放射状に発生している。紙面下部に
磁石が置かれた場合に、このような磁力線形状となる。
その磁石は紙面下部の中央より右にＮ極があり、左にＳ
極がある。このため被処理材４上では磁力線は決して平
行にはならない。この磁界印加と同時に、不図示の電界
が紙面に対して垂直に印加されている。

【００２９】互いに交叉する電界と磁界１２とにより、
プラズマ中の荷電粒子はローレンツ力を受ける。ローレ
ンツ力を受けた荷電粒子は、サイクロイド運動をしなが
ら矢印Ｄの方向にドリフトする。この際、被処理材４の
一方の端から対向端へ向かって荷電粒子のドリフトの方
向が発散するように磁界１２が印加されている。このド
リフトにより、荷電粒子の衝突回数が増え、処理ガスの
電離度が高まり、高効率のプラズマが得られる。このプ
ラズマに被処理材４を曝し、エッチング等のプラズマ処
理を実施する。しかも、荷電粒子のドリフトの方向は図
１の矢印Ｄに示すように発散しているので、平行な磁界
を印加する従来の場合（図１８）と比較してプラズマの
偏りが少なくなる。このため、半導体装置等のチャージ
アップによる破壊を防止できる。

【００３０】図２によれば、磁界印加装置８によって生
成される磁界１４は、被処理材４のほぼ中心を通る直線
から該被処理材４の両側方に向かうにつれて徐々に湾曲
した磁力線形状をしている。被処理材４のほぼ中心を通
る直線は紙面の左右方向である。紙面右側に磁石のＮ
極、左側にＳ極が置かれた場合に、このような磁力線形
状となる。このため荷電粒子のドリフトの方向は、矢印
Ｄで示すように、被処理材４の中心より下部にある荷電
粒子が被処理材４の端（紙面上部）に向かって発散して
いく方向となる。ただし、磁界１４は、処理チャンバ１
内での分布が図２の平面上で上下左右に対称になるよう
に印加されている。

【００３１】この場合にも荷電粒子のドリフトの方向は
図２の矢印Ｄに示すように発散しているので、平行な磁
界を印加する従来の場合（図１８）と比較してプラズマ
の偏りが少なくなり、半導体装置等のチャージアップに
よる破壊を防止できる。しかも、磁界１４の分布が図２
に示す平面の上下左右に対称であるから、被処理材４が
円板状である場合は、磁界１４の印加方向を回転させる
ことでプラズマ処理の均一性を向上させることができ
る。

【００３２】次に、上記原理を利用したマグネトロンエ
ッチング装置の具体例について説明する。図１９に示す
従来のマグネトロンエッチング装置３０中の磁石２９に
代えて以下の構成の磁界印加装置を採用すれば、磁界３
８の磁束密度すなわち磁界分布に所望の勾配（以下、磁
場勾配という）をもたせることができ、以てプラズマ中
の荷電粒子のドリフト方向を発散させ、プラズマ密度を
均一化することができる。すなわち、この磁場勾配をも
った空間にウエハＡを設置することにより、後に詳述す
るようにウエハＡの表面のチャージアップを防止または
抑制できる。

【００３３】以下、磁場勾配を形成するための８つの具
体的手段について説明する。ただし、各具体的手段によ
る磁界印加と同時に、ウエハＡの表面に対して垂直に高
周波電界が印加されるものとする。

【００３４】図３（ａ）および（ｂ）には、磁場勾配を
形成するための磁界印加装置の第１構成例の概略斜視図
およびその概略平面図が示されている。この第１構成例
は、ウエハＡの側方に磁石２９を配設して磁場勾配を形
成するようにしたものである。すなわち、処理チャンバ
２１の側方に磁石２９を配設することによって、図３
（ｂ）に示すように、ローレンツ力によるドリフトの方
向Ｄに順次弱くなる磁場勾配を形成して、プラズマ密度
の均一化を図るようにしたものである。

【００３５】図４（ａ）および（ｂ）には、磁界印加装
置の第２構成例の概略平面図およびその概略斜視図が示
されている。この第２構成例は、処理チャンバ２１内に
おけるウエハＡの左右側方において斜方位置にＮ極とＳ
極とを対向配置した内磁型磁石２９の構成を採用したも
のである。すなわち、ウエハＡの外周円とほぼ相似形の
曲面を有する処理チャンバ２１の側壁内面に、同様に相
似形の曲面を有する磁石２９のＮ極とＳ極とを配設する
と共に、このＮ極とＳ極をローレンツ力によるドリフト
の方向Ｄとは反対側に配設することにより、プラズマ密
度の均一化を図るようにしたものである。

【００３６】図５には、磁界印加装置の第３構成例の概
略斜視図が示されている。この第３構成例は、磁石２９
をウエハＡの上方において、ローレンツ力によるドリフ
トの方向Ｄとは反対側にウエハＡの中心から遠ざけて配
設することにより、磁場勾配を形成するものである。こ
のように磁石２９をウエハＡの真上より離して配設する
ことによって、プラズマ密度の濃い部分に弱い磁界３８
ａが印加され、逆にプラズマ密度の薄い部分に強い磁界
３８ｂが印加されるので、ウエハＡ表面のプラズマ密度
が均一になる。

【００３７】図６には、磁界印加装置の第４構成例の概
略斜視図が示されている。この第４構成例は、磁石２９
自体の磁力に変化をもたせて磁場勾配を形成するように
したものである。すなわち、ウエハＡの上方に配設され
る磁石本体２９ａの上面に、その磁石本体２９ａの磁化
方向と同一および反対の磁化方向を有する複数の磁界制
御用棒磁石２９ｂを載置することによって、磁石２９全
体の磁束密度に勾配をもたせるようにしたものである。
例えば、図６に示すように、磁石本体２９ａの上面にお
いて、ローレンツ力によるドリフトの方向Ｄ側の端部に
磁石本体２９ａの磁化方向とは反対の磁化方向を有する
３本の棒磁石２９ｂを配設し、その３本の棒磁石の隣に
同様の磁化方向を有する２本の棒磁石２９ｂを配設し、
その２本の棒磁石の隣に逆の磁化方向を有する２本の棒
磁石２９ｂを配設し、そして、その２本の棒磁石の隣に
同様の磁化方向を有する３本の棒磁石２９ｂを配設す
る。これにより、ローレンツ力によるドリフトの方向Ｄ
側に弱い磁界３８ａを印加し、反対側に強い磁界３８ｂ
を印加して、プラズマの均一化を図ることができる。な
お、磁石本体２９ａの中心を境にして磁化方向が互いに
逆の棒磁石２９ｂを配列するものであれば、該棒磁石２
９ｂの数は任意に選定できる。

【００３８】図７には、磁界印加装置の第５構成例の概
略斜視図が示されている。この第５構成例は、磁石２９
をウエハＡ表面の平行面に対して所定の角度αだけ傾斜
させ、すなわちローレンツ力によるドリフトの方向Ｄ側
を上方に持ち上げるように傾斜させて配設することによ
り、磁場勾配を形成したものである。このように磁石２
９をウエハＡ表面の平行面に対して傾斜させることによ
って、ウエハＡ表面上にはＤ方向に凸に湾曲した磁力線
分布が得られる。このためウエハＡ表面で、荷電粒子の
ドリフト方向Ｄが発散する。つまり、プラズマ密度の濃
い部分に弱い磁界３８ａが印加され、逆にプラズマ密度
の薄い部分に強い磁界３８ｂが印加されるので、ウエハ
Ａ表面のプラズマ密度が均一になる。

【００３９】図８には、磁界印加装置の第６構成例の概
略斜視図が示されている。この第６構成例は、磁石２９
自体のボリュームに変化をもたせて磁場勾配を形成する
ようにしたものである。すなわち、ローレンツ力による
ドリフトの方向Ｄ側に向って漸次肉厚を薄くした磁石２
９をウエハＡの上方に配設することにより、ドリフト方
向Ｄ側に弱い磁界３８ａを印加し、反対側に強い磁界３
８ｂを印加して、プラズマの均一化を図るようにしたも
のである。

【００４０】図９（ａ）および（ｂ）には、磁界印加装
置の第７構成例の概略平面図およびその磁場勾配の説明
図が示されている。この第７構成例は、電磁石を用いて
磁場勾配を形成するようにしたものである。すなわち、
ウエハＡの外側の四周方向にそれぞれ対をなす２組の電
磁石２９ｃを配設し、各組の電磁石２９ｃの端部背面側
にそれぞれサブ電磁石２９ｄを配設することにより、サ
ブ電磁石２９ｄを配設した側の磁界を強くして、磁場勾
配をもたせるようにしたものである（図９（ｂ）参
照）。この場合、電磁石２９ｃ、サブ電磁石２９ｄは固
定してもよいが、これらを回転させることによって、よ
り一層プラズマ密度の均一化を図ることができる。

【００４１】図１０（ａ）および（ｂ）には、磁界印加
装置の第８構成例の概略平面図が示されている。第８構
成例は、第７構成例と同様に電磁石を用いて磁場勾配を
形成するようにしたものであって、ウエハＡの外側の四
周方向に電磁石２９ｃを配設し、隣接する２つの電磁石
２９ｃに逆方向の電流を流して磁場勾配を形成すると共
に、順次電磁石２９ｃを電気的に切換え（図１０（ｂ）
参照）、隣接する２つの電磁石２９ｃをＯＮにした場合
は残りの２つの電磁石２９ｃをＯＦＦにしてプラズマ密
度を均一にするようにしたものである。

【００４２】以上のようにして磁場勾配を形成した空間
にウエハＡを設置すれば、図１１に示すように、ウエハ
ＡのＰ−Ｑ面上のプラズマ密度、エッチング速度（Ｅ／
Ｒ）および電位（Ｖ_DC）がいずれもほぼ均一となるた
め、ウエハＡの表面のチャージアップを防止または抑制
できる。同図は、従来のマグネトロンエッチング装置に
関する図２１に対応する本実施例の場合の図である。ま
た、本実施例によればイオンシースが均一化されるの
で、エッチング形状が片側に曲がるという問題をも解消
することができる。これにより、８インチウエハのみな
らず、今後の大口径化に対しても加工形状をウエハＡ面
内で揃えることが容易となる。

【００４３】以上のとおり、上記実施例に係るマグネト
ロンエッチング装置によれば、高周波電界と磁界とによ
るマグネトロン放電によって処理ガスをプラズマ化して
ウエハＡのエッチングを行なうに際し、高周波電界と交
叉する方向に印加される磁界３８に、ローレンツ力によ
るドリフト方向Ｄに順次磁束密度が弱くなる勾配が与え
られる。これによりプラズマ密度が均一になるので、エ
ッチング速度を低下させることなくエッチング処理の均
一化を図ることができる。なお、磁石２９は、ウエハＡ
の裏面側に設けても、また表面側と裏面側との双方に設
けてもよく、プラズマ空間に磁場勾配を形成すればよ
い。したがって、磁石２９の位置に限らず、ウエハＡを
斜めに設置しても、またウエハＡの位置を変えてもよ
い。すなわち、ウエハＡと磁石２９との位置関係を相対
的に設定すればよい。

【００４４】次に、上記マグネトロンエッチング装置に
おける磁界分布の最適条件を説明する。最適条件は、
(1) 磁力線がウエハＡの表面に対して平行であって、こ
れに交叉しないこと、(2) ウエハＡの中心部と周辺部と
の磁束密度が同一であること、(3) ローレンツ力による
荷電粒子のドリフトの方向に順次弱くなるように磁束密
度が勾配を持つことの３条件が同時に満たされることで
ある。

【００４５】図１２は比較例を、図１３は最適条件を満
たす場合（実施例）を各々示すマグネトロンエッチング
装置の概略正面断面図である。両図中の矢印は磁界３８
の向きを示し、その長さが磁束密度の大きさを表わして
いる。図１２中の磁界３８は、ウエハＡの中心付近では
その表面とほぼ平行になっており、磁束密度は小さい。
ウエハＡの左側端部では、磁束密度は大きいが、ウエハ
Ａの表面から離れるに従って発散方向に磁界３８が湾曲
している。逆にウエハＡの右側では、磁界３８が収束方
向に湾曲している。一方、図１３では、全ての磁界３８
がウエハＡの表面に対して平行であり、かつほぼ同じ磁
束密度で分布している。

【００４６】ここで、ウエハＡに対して平行な方向（水
平方向）の磁界３８の成分について、ウエハＡの中心部
の磁束密度Ｂ１に対する周辺部の磁束密度Ｂ２の比をＲ
（＝Ｂ２／Ｂ１）と定義する。図１２ではＲ＞１であ
り、図１３ではＲ＝１（最小値かつ理想値）である。

【００４７】表面に例えばＥＥＰＲＯＭ素子を形成した
ウエハＡでは、絶縁膜のチャージアップにより素子のフ
ラットバンド電圧がエッチング処理中にシフトしてしま
う。そこで、Ｒの変化に起因してフラットバンド電圧が
−０．５Ｖ〜＋０．５Ｖの範囲外にまでシフトする割
合、すなわちチャージアップによる不良発生率（以下、
不良率という。）を実験により調べた。エッチング条件
は、圧力５Ｐａ、印加高周波電力１０００Ｗ、ガスＣＨ
Ｆ₃、ガス流量５０ｓｃｃｍである。ウエハＡの中心部
での磁束密度は、１２〜２４ｍＴに設定した。

【００４８】実験の結果、Ｒ＝２．４の時には約７０％
の不良率であったが、Ｒ＝１．８５の時には不良率が約
２８％に減少した。また、Ｒを約１．０〜１．５の範囲
に設定すれば２つの磁石２９のＮ極とＳ極との対向方向
（Ｎ−Ｓ方向）におけるウエハＡのチャージアップを防
止できることを確認できた。これは、Ｒを１に近づける
と、ウエハＡ面上の磁界３８だけでなくプラズマ放電空
間中の磁界３８の形状が水平に近づき（図１３参照）、
均一なプラズマが形成されるためである。

【００４９】図１４は、ウエハＡの表面上の磁界分布に
関する発散角θの定義を説明するための平面図である。
同図中の矢印は磁界３８の向きを示し、その長さが磁束
密度の大きさを表わしている。不図示の電界は、紙面に
対して垂直方向に印加されている。２つの磁石を結ぶ方
向（Ｎ−Ｓ方向）をｘ軸とし、それに垂直な方向（Ｅ−
Ｗ方向）をｙ軸とする。ウエハＡの右側端部に作用して
いる磁界３８の矢印のｘ軸への投影長さをＢｘ、ｙ軸へ
のそれをＢｙとするとき、発散角θ＝ｔａｎ^-1（Ｂｙ／
Ｂｘ）と定義する。

【００５０】図１５はθ＜０の場合（比較例）を、図１
６はθ＞０の場合（実施例）を各々示す磁界分布の平面
図である。図１５では、磁界３８がＥ側に膨らむように
分布しており（θ＜０）、磁束密度はローレンツ力によ
る荷電粒子のドリフト方向Ｄ０〜Ｄ２に（すなわちＥか
らＷに向って）順次強くなるような勾配を持っている。
したがって、ドリフト方向Ｄ０〜Ｄ２が収束傾向を示す
ようになり、Ｅ−Ｗ方向におけるチャージアップ量が従
来（図１８参照）より増大する。一方、図１６では、磁
界３８がＷ側に膨らむように分布しており（θ＞０）、
磁束密度は荷電粒子のドリフト方向Ｄ０〜Ｄ２に（すな
わちＥからＷに向って）順次弱くなるような勾配を持っ
ている。したがって、ドリフト方向Ｄ０〜Ｄ２が発散傾
向を示すようになり、Ｅ−Ｗ方向におけるチャージアッ
プ量が低減される。

【００５１】上記Ｒ依存性の場合と同じエッチング条件
で不良率のθ依存性を調べたところ、θ＝０の時の不良
率は５８％であり、θ＜０の場合にはこれより悪くな
る。これに対して、θ＝＋３．８°とすれば、不良率を
５％に低減することができた。また、θを約＋１°〜＋
８９°の範囲に設定すれば、ウエハＡのＥ−Ｗ方向のチ
ャージアップを防止できることを確認できた。

【００５２】なお、上記実施例では本発明をプラズマエ
ッチングに適用した場合について具体的に説明したが、
本発明はマグネトロンプラズマを発生する全ての場合に
適用可能である。例えばスパッタリング装置、プラズマ
ＣＶＤ装置、イオン源、電子ビーム源、Ｘ線源、アッシ
ング装置等のいずれに適用してもよい。

【００５３】また、上記実施例では磁界の分布に勾配を
つけているが、電界の分布に勾配を設けることにより、
ローレンツ力による荷電粒子のドリフト方向をコントロ
ールすることもできる。これによって、磁界に勾配をも
たせた場合と同様の効果を得ることができる。

【００５４】本発明は、理解を明瞭にするために図解お
よび例示の方法によって以上のとおり詳細に説明された
けれども、ある変化およびある変形は特許請求の範囲で
行なわれ得る。

【００５５】

【発明の効果】以上説明してきたとおり、請求項１〜４
の発明によれば、プラズマ中の荷電粒子のドリフト方向
を発散させるように電界と磁界とをプラズマ空間に印加
する構成を採用したので、プラズマの偏りを小さくし、
チャージアップによる被処理材の損傷を低減することが
できる。本発明を例えば半導体装置の製造工程に応用す
ると、高効率かつ低損傷のプラズマ処理が実現でき、半
導体装置の歩留まりや信頼性を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理方法におけ
る磁界分布を説明するためのプラズマ処理装置の概略平
面断面図である。

【図２】本発明の実施例に係るプラズマ処理方法におけ
る他の磁界分布を説明するための図１と同様の図であ
る。

【図３】（ａ）は本発明の実施例に係るマグネトロンエ
ッチング装置において磁場勾配を形成するための磁界印
加装置の第１構成例を示す概略斜視図であり、（ｂ）は
その概略平面図である。

【図４】（ａ）は磁界印加装置の第２構成例を示す概略
平面図であり、（ｂ）はその概略斜視図である。

【図５】磁界印加装置の第３構成例を示す概略斜視図で
ある。

【図６】磁界印加装置の第４構成例を示す概略斜視図で
ある。

【図７】磁界印加装置の第５構成例を示す概略斜視図で
ある。

【図８】磁界印加装置の第６構成例を示す概略斜視図で
ある。

【図９】（ａ）は磁界印加装置の第７構成例を示す概略
平面図であり、（ｂ）はその磁場勾配の説明図である。

【図１０】（ａ）は磁界印加装置の第８構成例を示すあ
る瞬間の概略平面図であり、（ｂ）は他の瞬間における
同様の図である。

【図１１】本発明の実施例に係るマグネトロンエッチン
グ装置におけるプラズマ密度、エッチング速度および電
位の分布を示すグラフである。

【図１２】本発明の比較例に係るプラズマ処理方法にお
ける磁界分布を示すマグネトロンエッチング装置の概略
正面断面図である。

【図１３】本発明の実施例に係るプラズマ処理方法にお
ける磁界分布を示す図１２と同様の図である。

【図１４】ウエハ表面上の磁界分布に関する発散角θの
定義を説明するための平面図である。

【図１５】本発明の比較例に係るプラズマ処理方法にお
ける磁界分布の平面図である。

【図１６】本発明の実施例に係るプラズマ処理方法にお
ける図１５と同様の図である。

【図１７】従来のプラズマ処理装置の概略正面断面図で
ある。

【図１８】図１７のプラズマ処理装置の概略平面断面図
である。

【図１９】従来のマグネトロンエッチング装置の正面断
面構造図である。

【図２０】図１９のマグネトロンエッチング装置におけ
る被処理基板としてのウエハと磁界との関係を示す概略
平面図である。

【図２１】図２０中のＸ−Ｘ断面におけるプラズマ密
度、エッチング速度および電位の分布を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１，２１処理チャンバ２，３，２２，２３電極４被処理材５，３２（高周波）電源８磁界印加装置９電界１０，１２，１４，３８磁界２９磁石２９ａ磁石本体２９ｂ棒磁石２９ｃ電磁石２９ｄサブ電磁石３０マグネトロンエッチング装置Ａ被処理基板（半導体ウエハ）Ｄローレンツ力による荷電粒子のドリフト方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中川聡大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 C23C 16/50 C23F 4/00 H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧を保持するチャンバ内のガスを電界
と磁界とによるマグネトロン放電によってプラズマ化す
るためのプラズマ発生装置であって、互いの間の空間中のガスを電離させるための電界を前記
空間に印加するように前記チャンバ内に設置された少な
くとも２つの電極と、前記電極による電界と交叉する方向に、かつ前記空間中
のガスから生じた荷電粒子が各々ローレンツ力を受けて
互いに発散する方向にドリフトするように、前記空間に
磁界を印加するための磁界印加装置とを備えたことを特
徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】減圧を保持するチャンバ内のガスを電界
と磁界とによるマグネトロン放電によってプラズマ化す
るためのプラズマ発生装置であって、互いの間の空間中のガスを電離させるための電界を前記
空間に印加するように前記チャンバ内に設置された少な
くとも２つの電極と、前記電極による電界と交叉する方向に、前記空間中のガ
スから生じた荷電粒子の各々に働くローレンツ力による
該荷電粒子のドリフトの方向に順次磁束密度が弱くなる
勾配を持った磁界を前記空間に印加するための磁界印加
装置とを備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項３】減圧空間内のガスを電界と磁界とによる
マグネトロン放電によってプラズマ化するためのプラズ
マ発生方法であって、前記減圧空間内にガスを導入するステップと、前記減圧空間内に導入されたガスを電離させるように該
減圧空間に電界を印加するステップと、前記印加された電界と交叉する方向に、かつ前記減圧空
間中のガスから生じた荷電粒子が各々ローレンツ力を受
けて互いに発散する方向にドリフトするように、前記減
圧空間に磁界を印加するステップとを備えたことを特徴
とするプラズマ発生方法。
【請求項４】減圧空間内のガスを電界と磁界とによる
マグネトロン放電によってプラズマ化するためのプラズ
マ発生方法であって、前記減圧空間内にガスを導入するステップと、前記減圧空間内に導入されたガスを電離させるように該
減圧空間に電界を印加するステップと、前記印加された電界と交叉する方向に、前記減圧空間中
のガスから生じた荷電粒子の各々に働くローレンツ力に
よる該荷電粒子のドリフトの方向に順次磁束密度が弱く
なる勾配を持った磁界を前記減圧空間に印加するステッ
プとを備えたことを特徴とするプラズマ発生方法。