JPH10308298A

JPH10308298A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH10308298A
Application number: JP9132798A
Authority: JP
Inventors: Akinori Ozaki; 成則尾▲崎▼; Masashi Inoue; 雅司井上; Masahide Iwasaki; 征英岩▲崎▼
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 1998-11-17

Abstract

(57)【要約】【課題】試料へのダメージを最小限に抑えつつ、簡易
な方法で均一なプラズマ処理を実現すること。【解決手段】試料（１０）と真空容器（１２，１４）
の内壁との間において試料（１０）を包囲するように配
置され、プラズマの進行を規制する磁界を形成する永久
磁石（４４）を備える。そして、試料（１０）と磁石
（４４）との間隔を試料（１０）の円周方向において調
整している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品や半導体
素子の製造工程におけるエッチングや薄膜形成等の処理
をプラズマを利用して行うプラズマ処理技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ処理装置は、微量の反応ガスを
含む真空容器内にマイクロ波を導入し、当該真空容器内
でガス放電を生起させてプラズマを生成する。そして、
このプラズマを試料基板の表面に照射することによっ
て、エッチングや薄膜形成等の処理を行なう。このよう
なプラズマ処理装置は、高集積半導体素子の製造に欠か
せないものとして、その研究が進められている。特に、
プラズマの励起に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：El
ectron Cyclotron Resonance）を利用したＥＣＲプラズ
マ処理装置は、低ガス圧領域下で活性度の高いプラズマ
を生成できる装置として実用化されている。

【０００３】ところで、プラズマ処理装置における処理
品質の向上のためには、プラズマが試料の全範囲にわた
って均等な密度を有することが重要である。特に、近年
開発の進んでいる直径３００ｍｍの半導体ウエハのよう
に試料の処理面積が大きくなると、その試料上における
プラズマ（特にイオン）の強度分布を均一に保つことが
今まで以上に重要となる。しかしながら、試料上でのプ
ラズマの均一性を保つことは困難であった。例えば、試
料に向かって磁界の強度が適当な勾配を持って弱くなる
発散磁界を利用して真空容器内で生成されたプラズマを
試料に照射するような構成を採る場合には、試料の処理
面上での磁束密度の分布が一様でなくなる。また、真空
容器内のプラズマは、基本的には真空容器内の磁場（発
散磁界）に拘束されて試料上に照射されるが、試料の外
周部分では真空容器の内壁方向への拡散の影響が顕著に
なる。

【０００４】試料上のプラズマ粒子の分布が不均一であ
ると、試料上において高イオン密度領域と低イオン密度
領域とが形成されるため、エッチング処理においては、
処理速度均一性又は異方性を悪化させる等の不都合が生
じる。また、試料上で電位差が生じて電流が流れ、当該
試料上に形成される半導体素子を破壊するという事態も
生じかねない。一方、ＣＶＤ処理においては、半導体基
板上に生成される膜厚の偏りなどが生じて均一な成膜が
困難になる。そして、半導体基板のプラズマ処理の不均
一性により、最終的に製造される半導体装置の品質が低
下してしまう。

【０００５】このため、従来においては、特公平６−４
０５４２、特開平６−２１０６４６、特開平１−２２２
４３７に示されているように、プラズマの輸送方向に対
する試料の後方（試料台下）に永久磁石を配置し、試料
台上の磁束密度分布を均一にすることにより、プラズマ
の均一性の向上を図っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の方法では、プラズマ生成用のコイルにより
真空容器内に形成される磁場を試料上で強制的に制御し
ているため、種々の問題が発生した。例えば、試料の外
周部下方（後方）に磁石を配置した場合には、試料の外
周部に比べて試料中央部でプラズマの発散が大きくなっ
てしまう。その結果、試料中央部で荷電粒子が加速さ
れ、試料にダメージを与える原因となっていた。また、
試料表面に向かう磁束が局所的に曲げられるため、磁束
密度すなわちプラズマ密度が不均一となってしまう。更
に、試料（試料台）に対して高周波バイアス（ＲＦバイ
アス）を印加した時に、プラズマのインピーダンスが空
間的に不均一となり、試料に印加されるＲＦバイアスが
不均一となる。このような種々の問題が、試料の均一な
処理の妨げとなっていた。

【０００７】更に、真空容器内に導入されたマイクロ波
の電界強度分布が、例えば、基本モードである円形ＴＥ
₁₁モードのように軸対称でない分布を有する場合には、
このマイクロ波によって生成されたプラズマの分布も軸
対称とはならない。その結果、試料の処理速度の分布も
Ｘ、Ｙ方向で異なってしまう。このような不都合は、真
空容器に導入する前のマイクロ波のモードを変換するこ
とによって回避することが可能であるが、プラズマ処理
装置の構成の複雑化及び大型化を伴うことになる。

【０００８】本発明は上記のような状況に鑑みてなされ
たものであり、試料へのダメージを最小限に抑えつつ、
簡素な構成で均一なプラズマ処理を実現可能なプラズマ
処理装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のプラズマ処理装置は、試料（１０）と真空
容器（１２，１４）の内壁との間において試料（１０）
を包囲するように配置され、プラズマの進行を規制する
磁界を形成する永久磁石（４４）を備える。そして、試
料（１０）と磁石（４４）との間隔を試料（１０）の円
周方向において調整している。

【００１０】例えば、永久磁石（４４）を複数の永久磁
石片（４４ａ）から構成し、これらの永久磁石片（４４
ａ）と試料（１０）との間隔を各々調整することができ
る。また、試料（１０）を包囲するように配置されたリ
ング状一体型の永久磁石（４８）を用い、その径を調整
して試料（１０）との間隔を調整することもできる。

【００１１】

【作用】上述したように、本発明においては、試料（１
０）と真空容器（１２，１４）の内壁との間に所定の磁
界を形成しているため、真空容器（１２，１４）の内壁
側へのプラズマの拡散が抑制され、真空容器（１２，１
４）側に向かって減少するプラズマ密度勾配を緩やかに
でき、試料（１０）上におけるプラズマ密度の均一性向
上に寄与することができる。このような方法は、試料
（１０）の中心から真空容器（１２，１４）の内壁に向
かう放射方向の均一性を向上させるものであり、試料
（１０）上での円周方向のプラズマ密度が均一の場合に
効果が大きい。しかしながら、真空容器（１２，１４）
に導入されるマイクロ波の磁界強度分布の影響等によっ
て試料（１０）の円周方向に不均一なプラズマが生成さ
れた場合には、試料（１０）上におけるプラズマの均一
性を十分に確保することが困難となる。本発明において
は、試料（１０）と磁石（４４）との間隔を試料（１
０）の円周方向において調整しているため、マイクロ波
の磁界強度分布の影響等によって試料（１０）の円周方
向に不均一なプラズマが生成された場合にも、試料（１
０）上におけるプラズマの均一性を確保することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て実施例を用いて説明する。以下に示す各実施例は、半
導体装置の製造工程の一部であるシリコンウエハのプラ
ズマ処理に本発明の技術的思想を適用したものである。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の実施例にかかるプラズマ処
理装置の構成を示す。本実施例のプラズマ処理装置は、
直径３００ｍｍのシリコンウエハ１０に対してエッチン
グ等の所定のプラズマ処理を行うものであり、プラズマ
を生成する中空円筒形状のプラズマ生成室１２と、プラ
ズマ生成室１２に連通した反応室１４とを備えている。
本装置で処理される試料としては、直径３００ｍｍのシ
リコンウエハ１０以外に、直径２００ｍのウエハやＬＣ
Ｄ用ガラス基板等、均一なプラズマ処理が要求される各
種の試料を対象とすることが出来る。プラズマ生成室１
２の上部には、マグネトロン等のマイクロ波発振器（図
示せず）に接続された円形導波管１６が連結されてお
り、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）をこの円形導波管１
６を介してプラズマ生成室１２に導くようになってい
る。

【００１４】円形導波管１６とプラズマ生成室１２との
間には、マイクロ波導入窓２０が配置されている。マイ
クロ波導入窓２０は、石英ガラス等のマイクロ波透過物
質からなり、プラズマ生成室１２を気密に封止するよう
に設計されている。プラズマ生成室１２の外側には、円
形導波管１６の接続部を含み、これらを同心円状に囲む
様に３段のメインコイル２２，２４，２６が配置されて
いる。メインコイル２２，２４，２６の下方には、１段
のサブコイル２８が配置されている。これらのメインコ
イル２２，２４，２６とサブコイル２８は、電流供給部
４０から必要な電流の供給を受け、プラズマ生成室１２
内にＥＣＲ条件を満たす磁束密度８７５ガウスの領域
（１００）を形成する。プラズマ生成室１２に連通され
た反応室１４内には、シリコンウエハ１０を静電吸着等
の固定手段によって保持する試料台３２が設置されてい
る。

【００１５】試料台３２の周囲には、シリコンウエハ１
０と同心円となるように永久磁石４４が備えられてい
る。永久磁石４４は、後に説明するように、複数の磁石
片４４ａ（図２）から構成され、各々の磁石片４４ａが
シリコンウエハ１０の放射方向に位置調整可能な構成と
なっている。

【００１６】反応室１４の側壁には、プラズマ生成室１
２及び反応室１４のガスを排気する排気管３４が設けら
れており、当該排気管３４からの真空排気によりプラズ
マ生成室１２と反応室１４を高真空状態に維持するよう
になっている。反応室１４には、プラズマ生成に必要な
反応ガスを供給するためのガス供給管３６が設けられて
いる。また、図示しないが、プラズマ生成室１２の周囲
にはクーラントパスが形成され、このクーラントパスを
循環する冷却水（クーラント）によってプラズマ生成室
１２を冷却するようになっている。

【００１７】図１に示す装置においては、一端がアース
された高周波電源４８が試料台３２に接続されており、
当該試料台３２にＲＦ電力を印加することによって、シ
リコンウエハ１０の表面近傍で生じる化学反応を促進で
きるように構成されている。これにより、薄膜成膜速度
の向上等、プラズマ処理の効率を向上させることが可能
となる。

【００１８】図２は、試料台３２の周辺に配置された永
久磁石４４の構成を示す。永久磁石４４は、試料台３２
を囲むように等間隔で配置された１６個の磁石片４４ａ
から構成されている。１６個の磁石片４４ａは同一の強
度（磁力）を有し、これら磁石片４４ａの内接円がシリ
コンウエハ１０の中心に対して楕円形となるように配置
されている。すなわち、Ｘ方向の径よりもＹ方向の径の
方が若干小さくなるように配列されている。なお、磁石
片４４ａの数は１６個に限らず、必要に応じて増減でき
ることは言うまでもない。また、磁石片４４ａの配置
（楕円率：縦径／横径）とシリコンウエハ１０の間隔の
割合は、プラズマの強度分布に応じて適宜変更する。

【００１９】また、各磁石片４４ａとシリコンウエハ１
０との距離についても、種々の影響を考慮して設定す
る。磁石片４４ａの内側（試料台３２側）には磁石４４
の上面の磁場と逆向きの磁場（下から上に向かう磁場）
が形成され、シリコンウエハ１０上のプラズマ密度を下
げるように作用することがある。このような磁場は、磁
石片４４ａの上面での磁場に比べれば比較的弱い磁場で
あるが、当該磁石片４４ａを試料台３２に近づけすぎる
と、シリコンウエハ１０（試料）の端部でのプラズマ密
度を低くする可能性がある。そこで、本実施例において
は、逆方向（下から上）の磁場の影響が出ないように、
試料台３２に対して適当な間隔をあけて各磁石片４４ａ
を配置する。

【００２０】また、磁石片４４ａと反応室１４の内壁と
の間隔についても、適当な値に設定している。プラズマ
密度は反応室１４の内壁に向かって減少するような勾配
を持つため、プラズマは当該内壁に接すると電子とイオ
ンが再結合して消滅し、プラズマ密度がゼロとなってし
まう。従って、磁石片４４ａが反応室１４の内壁に近す
ぎると、プラズマを十分にトラップすることができずに
壁１２ａ側に逃げてしまう。そこで、本実施例において
は、プラズマを十分にトラップでき且つ反応室内壁の影
響を受けないように、当該内壁から適当な間隔を持って
磁石片４４ａを配置する。

【００２１】図３は、マイクロ波導入窓２０を透過して
プラズマ室１２に導入されるマイクロ波（円形ＴＥ₁₁モ
ード）の電界強度分布を示す。図から分かるように、マ
イクロ波の電界強度分布はＸ方向とＹ方向とで異なって
おり、シリコンウエハ１０上では円周方向におけるプラ
ズマ密度分布が不均一になる。このようなプラズマ密度
分布の不均一性を補正するのが本発明の装置である。

【００２２】次に、本実施例の全体的な動作について説
明する。本実施例の装置を用いてシリコンウエハ１０上
に形成されたポリシリコン膜のエッチングを行う場合に
は、まず、処理対象となるシリコンウエハ１０を試料台
３２上にセットし、排気管３４からの真空排気により、
プラズマ生成室１２及び反応室１４の内圧を所定圧にま
で減圧する。次に、ガス供給管３６からプラズマ生成室
１２及び反応室１４内に反応ガス（Ｃｌ₂）を導入し、
プラズマ生成室１２及び反応室１４の内圧を１×１０^-3
Torr 前後に保つ。

【００２３】その後、メインコイル２２，２４，２６及
びサブコイル２８の通電によりプラズマ生成室１２の内
部に磁界を形成すると共に、円形導波管１６からマイク
ロ波導入窓２０を経てプラズマ生成室１２内にマイクロ
波を導入する。このマイクロ波は、周波数ｆ=２．４５
ＧＨｚ（波長λ=約１２．２ｃｍ）、パワー１５００Ｗ
に設定されている。

【００２４】プラズマ生成室１２内にマイクロ波が導入
されると、ＥＣＲ面１００において反応ガスを共鳴励起
し、プラズマを生成する。メインコイル２２，２４，２
６及びサブコイル２８により形成される磁界は、反応室
１４側に向かうに従って磁束密度が低下する発散磁界で
あり、プラズマ生成室１２で生成されたプラズマは、こ
の発散磁界の作用により反応室１４に引き出され、試料
台３２上のシリコンウエハ１０表面に照射されて、エッ
チングが行われる。

【００２５】上述したように、メインコイル２２，２
４，２６及びサブコイル２８によって生じる発散磁界に
沿って照射されるプラズマが、永久磁石４４（４４ａ）
による磁界によってトラップされるため、反応室（真空
容器）１４の内壁に向かうプラズマを大幅に減少させる
ことができる。また、シリコンウエハ１０上においては
磁界の急激な変化が生じることが無く、シリコンウエハ
１０上でのプラズマ密度の局所的な変化を引き起こすこ
ともない。更に、磁石片４４ａとシリコンウエハ１０と
の間隔をシリコンウエハ１０の円周方向において調整し
ているため、例えば、マイクロ波導入窓２０を透過して
プラズマ室１２に導入されるマイクロ波（円形ＴＥ₁₁モ
ード）の電界強度分布がＸ方向とＹ方向とで異なり、シ
リコンウエハ１０の円周方向におけるプラズマ密度分布
が不均一な場合にも、シリコンウエハ１０上でのプラズ
マ密度分布を補正することができる。

【００２６】シリコンウエハ１０と反応室１４の内壁と
の間に形成された磁界の強さを調整する方法としては、
シリコンウエハ１０を包囲する複数の永久磁石の強度を
予め調整しておく（変えておく）こともできる。ただ
し、この方法では、少しずつ強度の異なる磁石を多数製
造するために多くのコストがかかるという不都合があ
る。そこで、上記実施例のように、各磁石片４４ａの強
度を一定とし、磁石片４４ａとシリコンウエハ１０との
間隔をシリコンウエハ１０の円周方向において調整する
ことにより上記不都合を解消することができる。

【００２７】次に、本実施例の装置を用いてシリコンウ
エハ１０への薄膜形成を行う場合には、以上の各手順に
加え、ガス供給管３６を経て所定の原料ガスを導入し、
当該ガスにより生成されたプラズマをシリコンウエハ１
０に照射する。これによりシリコンウエハ１０の表面に
は、原料ガスの反応により生成される物質の薄膜が形成
される。このような薄膜形成においても、均等な密度を
有するプラズマが生成され、シリコンウエハ１０の表面
に形成される薄膜の膜厚分布が均等化される。その結
果、最終的に製造される半導体装置の品質、性能が向上
する。ここで、半導体装置としては、トランジスタのよ
うな半導体素子自体や、ＲＡＭ等の完成された半導体デ
バイス等を含むものとする。

【００２８】図４は、本発明の他の実施例にかかる永久
磁石４８の構成を示す。この永久磁石４８は、図１及び
図２に示す永久磁石４４に替えて使用されるものであ
り、基本的な作用、効果は上述した実施例の永久磁石４
４と同一である。永久磁石４８は、リング状に一体的に
成形されており、その幅ｗは１０ｍｍ、Ｘ方向の径ａ＝
４５０ｍｍ、Ｙ方向の径ｂ＝４００ｍｍに設定されてい
る。

【００２９】図５は、図４の実施例の永久磁石４８を使
用した場合のシリコンウエハ１０上におけるイオン電流
密度の分布を示す。図５に示すデータは、電力１．５ｋ
Ｗのマイクロ波を使用し、プラズマ生成室１２及び反応
室１４の圧力を２×１０^-3Torrに保ち、１００sccmのＣ
ｌ₂ガスを使用して試験を行った結果である。また、図
６はＸ、Ｙ両方向の径が共に４５０ｍｍに設計されたリ
ング状永久磁石を用いた場合のシリコンウエハ１０上の
イオン電流密度の分布を示す。図５及び図６から分かる
ように、本実施例の永久磁石４８を用いた場合の方がシ
リコンウエハ１０上のイオン電流密度均一性が優れてい
る。更に、本実施例によれば、イオン電流の均一性のみ
ならず、シリコンウエハ１０（試料）上におけるイオン
電流の絶対値も高く、処理の均一化に加えて処理の高速
化を図ることも期待できる。

【００３０】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に示された本発明の技術的思想とし
ての要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、試
料（１０）と真空容器（１２，１４）の内壁との間に磁
界を形成して、真空容器（１２，１４）の内壁側へのプ
ラズマの拡散を抑制しているため、試料に対してダメー
ジを与えることなく均一なプラズマ処理を行うことがで
きるという効果がある。また、試料（１０）と磁石（４
４）との間隔を試料（１０）の円周方向において調整し
ているため、マイクロ波の磁界強度分布の影響等によっ
て試料（１０）の円周方向に不均一なプラズマが生成さ
れた場合にも、試料（１０）上におけるプラズマの均一
性を十分に確保することができる。その結果、最終的に
は、本発明のプラズマ処理方法を経て製造された半導体
装置の品質が向上することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例にかかるプラズマ処理
装置の概略構成を示す概念図である。

【図２】図２は、図１に示すプラズマ処理装置に使用さ
れる永久磁石の構成を示す平面図である。

【図３】図３は、実施例のプラズマ処理装置の真空容器
内に導入されるＴＥ₁₁モードのマイクロ波の電界強度分
布を示すグラフである。

【図４】図４は、本発明の他の実施例にかかる永久磁石
の構成を示す平面図である。

【図５】図５は、図４に示す実施例の効果を説明するた
めの実験データを示すグラフである。

【図６】図６は、図４に示す実施例の効果を説明するた
めに使用される比較例に対する実験データを示すグラフ
である。

【符号の説明】

１０・・・シリコンウエハ（試料）１２・・・プラズマ生成室１４・・・反応室２２，２４，２６・・・メインコイル２８・・・サブコイル４４，４８・・・永久磁石４４ａ・・・磁石片

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０５Ｈ 1/10 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に配置された試料に対してプラ
ズマを照射することにより所定の処理を施すプラズマ処
理装置において、前記試料と前記真空容器の内壁との間において前記試料
を包囲するように配置され、前記プラズマの進行を規制
する磁界を形成する永久磁石を備えると共に、前記試料と前記磁石との間隔を前記試料の円周方向にお
いて調整したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記永久磁石は複数の永久磁石片から構成
され、前記複数の永久磁石片と前記試料との間隔を各々調整し
たことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装
置。
【請求項３】前記永久磁石は前記試料を包囲するように
配置されたリング状一体型の永久磁石であり、前記試料と前記永久磁石との間隔を調整すべく、その径
を調整して前記永久磁石を成形したことを特徴とする請
求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記真空容器内に電子サイクロトロン共鳴
を励起するための励磁コイルを更に備えたことを特徴と
する請求項１、２又は３に記載のプラズマ処理装置。