JPH0783016B2 - 変調方式を用いるプラズマ発生装置及び方法 - Google Patents

変調方式を用いるプラズマ発生装置及び方法

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、変調方式を用いるプラズマ発生装置および方
法に関するもので、半導体製造工程のうちエッチングや
成膜工程に応用されるECR（電子サイクロトロン共鳴）
方式を用いる装置やECR方式を用いるプラズマ発生装置
においてプラズマの内部均一度を向上するるための装置
および方法に関する。
［従来の技術］ 一般に商業的な目的で製造されている半導体装置は半導
体基板の表面に成膜、エッチングなどの処理を施して製
造されている。
プラズマを利用した半導体基板の処理装置では磁場を回
転させることによって形成した高密度のプラズマの均一
性を改善したり、また、導波管と、矩形モードのマイク
ロ波を円形モードに変換する矩形／円形変換手段を備え
て、プラズマ生成密度の不均一を改善するプラズマ反応
装置が開発され、実用化されている。
第３図は従来のECR（電子サイクロトロン共鳴:Electron
Cyclotron Resonance）によるプラズマ発生装置の構造
を示す断面図であり、１は磁場形成コイル、２は導波
管、３は石英窓、４はチェンバー壁、５はプラズマ接続
リング、６は試料支持台、７は試料を示している。
電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ発生装置
は、磁場形成コイルによって発生する磁場により回転運
動をする電子の回転周波数と、外部から導入するマイク
ロ波の周波数を一致させ、回転する電子の回転周波数と
の間で共鳴を生ずるとき、電子サイクロトロン中におけ
る電子の運動と同様にマイクロ波のエネルギーを効率よ
く電子に吸収させるもので、このときプラズマ発生効率
は最大となる。例えば、第３図の装置において導波管２
から2.45GHzの周波数のマイクロ波を供給する場合に
は、磁場形成コイル１によって形成される磁場の磁束密
度が875ガウスであればECRの条件が成立して共鳴が生ず
る。
ところが、磁場形成コイルによって形成される磁場の磁
束密度は中央部分が大きいので、共鳴が生ずる部分は限
定される。このため、プラズマの中央部分のイオン密度
は高く、周辺が低くなるのが一般的であった。
［発明が解決しようとする課題］ このようにして作られた従来のプラズマはプラズマ接続
リング５を通じて半導体のウエハ等の試料７に到達し、
エッチングまたは化学的気相成長（CVD）の処理がなさ
れるようになっているが、第３図においてＣで示されて
いるウエハの中央部と同図のＬおよびＲで示されている
ような周辺部のエッチング速度または成膜速度の差が大
きくなるという不均一性の問題が発生するなどの欠点が
あった。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記のような従来の欠点を解消するため、プ
ラズマが発生する発生室の内部に電子サイクロトロン共
鳴が生ずる高密度イオン発生部分を磁場形成コイルに供
給する電流を変調することによって移動させることによ
りウエハ上での平均エッチング速度の均一性を高めるの
ものである。
また、本発明の装置は２個以上の磁場形成コイルと、多
数個の出力波形の電流を発生する関数電圧発生器と、固
定電流方式から可変電流方式へ変更するための変調用の
関数電圧発生器の出力電圧と基準電圧を合成して変調さ
れた電圧波形を作る電圧合成器とを有し、上記電圧合成
器の出力電圧の変化によって電流を可変する電源から構
成されたプラズマ発生装置である。
［作用］ 本発明は、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ
発生装置において、関数電圧発生器と関数電圧発生器の
出力電圧と基準電圧を合成して変調された電圧波形を作
る電圧合成器と、電子に回転力を与える２個以上の磁場
形成コイルの電流を上記電圧合成器の出力電圧によって
可変する電源装置からなる変調方式を用いるプラズマ発
生装置およびプラズマ発生方法であって、電子に回転力
を与える磁場形成コイルに供給する電流を可変してプラ
ズマの均一性を高めるものである。
［実施例］ 以下に本発明の実施例を示し更に詳細に説明する。
本発明は、従来の電子サイクロトロン共鳴によるプラズ
マ発生装置において、磁場発生に用いる２個以上のコイ
ルに供給される電流を固定電流から変調された可変電流
へ変更するもので、このために変調用の関数電圧発生器
の出力電圧と基準電圧を合成して変調された電圧波形を
作る電圧合成器から構成されており、上記電圧合成器を
利用して基準電圧と関数電圧発生器の電圧を変調し、変
調した電圧を入力電圧の変化によって出力電流が可変さ
れる電流供給装置に入力して最終的に２個以上の磁場形
成コイルに供給される電流ｉを変調波形とするものであ
る。とくに、本発明は、磁場形成のためのコイルを第１
図に示すような従来の単一コイル方式ではなく、２個以
上のコイルからなる複合コイル方式から構成されている
ことを特徴としている。そして、第２図に示すように上
下に分かれた複合コイル方式を使用した場合には、上部
コイル21に供給する電流i1と下部コイル22に供給する電
流i2を互いにそれぞれ制御できるようにし、それぞれの
コイルに供給する可変電流の位相を相互に反転させる場
合には更に効果を大きくすることができる。
本発明の磁場形成用の電流の電源装置は第５図に示すよ
うに、関数電圧発生器８、および基準電圧発生器９の出
力電圧を合成して変調された電圧を出力する電圧合成器
10、電圧合成器の出力電圧によって磁場形成コイル１へ
の供給電流を可変する電流供給装置11から構成されてお
り、関数電流発生器および基準電圧発生器には制御装置
からの制御信号12が与えられる。
本発明の電流供給装置は、入力電圧の変化に基づいて出
力電流を変化するものであれば任意のものを使用するこ
とができるが、通常はOVないし10Vまで変化する入力電
圧V1により出力電流ｉが可変される機能を有するものを
使用しており、磁場形成コイルに電流を供給し、所定の
磁場を作っている。
第４図は従来のECR装置において磁場形成用電流の電源
装置のV1入力ポートにシステムのアナログ出力信号を印
加し、電子サイクロトロン共鳴を生成する条件の一定値
の電流を得ていることを示しているが、従来の装置では
一般に、プラズマの中央部分に共鳴が生ずるように調整
するため、このときのプラズマイオン密度分布は第６図
に示すように、中央部が高く周辺部は低くなる。
本発明は電源装置の入力ポートV1に電圧合成器の出力電
圧を接続し、電圧合成器は通常の関数電圧発生器の出力
ポートの電圧V2（第７図（ａ）ないし第７図（ｄ））と
システムの基準電圧V3を合成したものであるので、電源
装置の出力電流は、第８図（ａ）ないし第８図（ｄ）の
ように変調された電流ｉ（ｔ）が得られる。なお、本発
明の電圧合成器は多数個の能動素子との組合せ回路で構
成することができる。
関数電圧発生器の出力電圧V2が第７図（ａ）ないし第７
図（ｄ）で表されるように変化する結果、第９図に示す
ような電流が磁場形成コイルに供給され、０ないしt1時
間の範囲の電圧変化に対応した部分に電子サイクロトロ
ン共鳴が生じる875ガウスの磁場が形成され、中央部分
は875ガウスより強いために、中央部分にプラズマ密度
は小さくなりその結果ドーナツ状となり、第９図のＦの
ようなイオン密度分布を得るようになる。
一方、t1ないしt2の時間の範囲では中央部が875ガウス
近くとなり、中央部のイオン密度が最も高い状態（第９
図のＥ）を有する。
このとき、t1、t2のデューティサイクルと周波数Ｔを適
切に設定する場合、第９図のＥとＦのイオン密度分布を
有するようになり、これによってエッチング時の蝕刻速
度の均一度が向上し、まら成膜工程に応用されるときに
は、成膜速度の均一性が向上する。
この場合、デューティサイクルであるt1／t2は0.1ない
し0.9の範囲が可能であり、周波数Ｔはコイルのインダ
クタンスを考慮して、0.1ないし10Hzの範囲が使用可能
である。
なお、磁場形成コイルの電流を可変する手段について、
関数電圧発生器の出力電圧によって変調した信号電圧に
よって可変することについて述べたが、電流の可変の手
段は関数電圧発生器の出力に基づかなくとも可能なこと
は言うまでもない。
［発明の効果］ 本発明は電子サイクロトロン共鳴（ECR）を利用したプ
ラズマ発生装置のプラズマイオン密度分布を均一にする
ために、２個以上の磁場形成用コイルを使用し、それぞ
れの磁場形成用コイルに変調した電流を供給し、電子サ
イクロトロン共鳴が生ずる高密度イオンの部分を放射状
の形態に移動させており、従来の固定電流方式と比べて
プラズマイオン密度分布が均一である面積が広くなり、
ウェーハ面における蝕刻速度または浸漬速度の均一性を
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は磁場形成コイルに変調させた電流を供給する電
子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ発生装置の断
面図を示し、第２図には磁場形成用コイルを分割した電
子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ発生装置の断
面図を示し、第３図には従来の電子サイクロトロン共鳴
を利用したプラズマ発生装置を示し、第４図は第３図の
磁場形成コイルに流れる電流を示し、第５図は磁場形成
コイルに電流を供給する電源装置のブロック図であり、
第６図は従来の電子サイクロトロン共鳴により発生され
たプラズマ内部のイオン密度分布図、第７図は第５図の
電源装置の関数電圧発生器が作り出す電圧波形を示す
図、第８図は第５図の電源装置により作られた変調され
た電流波形を示す図、第９図は本発明による電子サイク
ロトロン共鳴による発生されたプラズマ内部のイオン密
度分布を示す。 １…磁場形成コイル、２…導波管、３…石英窓、４…チ
ェンバー壁、５…プラズマ接続リング、６…試料支持
台、７…試料、８…関数電圧発生器、９…基準電圧発生
器、10…電圧合成器、11…電流供給装置、12…制御信
号、21…上部コイル、22…下部コイル

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズ
    マ発生装置において、関数電圧発生器、関数電圧発生器
    の出力電圧と基準電圧を合成して変調される電圧波形を
    作る電圧合成器、電子に回転力を与える２個以上の磁場
    形成コイル、およびそれぞれの磁場形成コイルの電流を
    該電圧合成器の出力電圧によって変化させる電流供給装
    置を有することを特徴とする変調方式を用いるプラズマ
    発生装置。
  2. 【請求項２】電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズ
    マ発生方法において、関数電圧発生器の出力電圧と基準
    電圧を電圧合成器で合成して得られた変調された電圧に
    よって、電子に回転力を与える２個以上の磁場形成コイ
    ルへの供給電流を変化させ、形成されるプラズマの均一
    性を高めることを特徴とする変調方式を用いるプラズマ
    発生方法。
  3. 【請求項３】関数電圧発生器のデューティー比が0.1な
    いし0.9であり、周波数は0.1Hzないし10Hzであることを
    特徴とする請求項２記載の変調方式を用いるプラズマ発
    生方法。
  4. 【請求項４】関数電圧発生器のデューティー比および周
    波数を調整して、ウエハの全面に対して平均化されたイ
    オン密度分布を形成することを特徴とする請求項２記載
    の変調方式を用いるプラズマ発生方法。
  5. 【請求項５】関数電圧発生器の出力波形が矩形波、鋸歯
    状波、三角波、正弦波であることを特徴とする請求項２
    ないし４記載の変調方式を用いるプラズマ発生方法。
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