JP3077009B2

JP3077009B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3077009B2
Application number: JP05092511A
Authority: JP
Inventors: 信雄石井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-03-27
Filing date: 1993-03-27
Publication date: 2000-08-14
Anticipated expiration: 2015-08-14
Also published as: JPH06280029A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマを用いて所定
の処理を行うプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、半導体集積回路の製造におい
ては、アッシング、エッチング、ＣＶＤ、スパッタリン
グ等の諸工程で、処理ガスのイオン化や化学反応等を促
進するために、プラズマが利用されている。従来より、
この種のプラズマを発生させる方法として、渦巻き状の
アンテナを用いる高周波誘導方式が知られている。この
高周波誘導方式は、たとえば欧州特許公開明細書第３７
９８２８号に記載されるように、ウエハ載置台と対向す
るチャンバの一面（一般に上面）を石英ガラス等の絶縁
物で構成して、その外側の壁面に渦巻き状のアンテナを
固定し、これに高周波電流を流してチャンバ内に高周波
電磁場をつくり、この電磁場空間内で流れる電子を処理
ガスの中性粒子に衝突させて、ガスを電離させ、プラズ
マを生成するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような高周波誘
導方式を用いるプラズマ処理装置では、渦巻き状アンテ
ナ直下のチャンバ内空間でプラズマが生成される。この
プラズマの生成密度は、各位置での電界強度に比例し、
半径方向において渦巻き状アンテナの中間部程に対応す
る位置でプラズマ密度が最も高く、それより内側および
外側に向かうほどプラズマ密度が低くなる。このように
半径方向において不均一な密度分布で発生したプラズマ
は高密度領域から低密度領域へ拡散するため、下方の半
導体ウエハ付近ではプラズマ密度がかなり均される。し
かし、従来のこの種のプラズマ処理装置においては、プ
ラズマの半径方向の拡散によって、半導体ウエハの表面
（被処理面）上で、ウエハ中心部付近のプラズマ密度が
ウエハ外周縁部付近のプラズマ密度よりも高くなる傾向
があり、プラズマ処理の均一性、再現性を得るのが難し
いという問題があった。

【０００４】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、渦巻き状の高周波アンテナを用いる高周波誘導
方式において被処理体の被処理面付近のプラズマ密度を
均一化し、プラズマ処理の均一性、再現性を得るように
したプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１のプラズマ処理装置は、チャンバ内
に配置された被処理体にプラズマを用いて所定の処理を
施すプラズマ処理装置において、前記チャンバ内の前記
被処理体の被処理面に対向して前記チャンバの外に配置
された渦巻きコイルからなる高周波アンテナと、前記高
周波アンテナの一部と重なって配置された常磁性金属か
らなる板体とを具備する構成とした。

【０００６】また、上記の目的を達成するために、本発
明の第２のプラズマ処理装置は、チャンバ内に配置され
た被処理体にプラズマを用いて所定の処理を施すプラズ
マ処理装置において、前記チャンバ内の前記被処理体の
被処理面に対向して前記チャンバの外に配置された中心
部を前記被処理体の直径に相当する径で開口させその回
りのリング状の空間内にコイル部を形成してなるリング
状渦巻きコイルからなる高周波アンテナを具備する構成
とした。

【０００７】また、上記の目的を達成するために、本発
明の第３のプラズマ処理装置は、チャンバ内に配置され
た被処理体にプラズマを用いて所定の処理を施すプラズ
マ処理装置において、前記チャンバ内の前記被処理体の
被処理面に対向して前記チャンバの外に配置された中心
部を所望の径で開口させその回りのリング状の空間内に
コイル部を形成してなるリング状渦巻きコイルからなる
第１の高周波アンテナと、前記第１の高周波アンテナに
第１の高周波電力を供給する第１の高周波電力供給手段
と、半径方向において前記第１の高周波アンテナの内側
に配置された渦巻きコイルからなる第２の高周波アンテ
ナと、前記第２の高周波アンテナに第２の高周波電力を
供給する第２の高周波電力供給手段とを具備する構成と
した。

【０００８】

【作用】第１のプラズマ処理装置では、高周波アンテナ
の一部（たとえばアンテナ中心部）と重なって配置され
た常磁性金属からなる板体が磁束の貫通を弱めるように
作用することにより、該板体と対応するチャンバ内空間
の位置で交番電界が弱められ、プラズマ生成密度も低く
なる。該常磁性金属板体の形状・サイズおよび配置箇所
を変えることで、プラズマ生成領域を補正または調整
し、プラズマ生成領域から周囲へのプラズマの拡散を通
じて、被処理体の被処理面付近でのプラズマ密度を均一
にすることができる。

【０００９】第２のプラズマ処理装置では、渦巻き形ア
ンテナがリング状に形成されることで、アンテナ中心部
を貫通する磁束の本数が減少し、その直下で誘起される
交番電界の電界強度が小さくなり、プラズマ生成領域が
半径方向において外側に変位する。これにより、プラズ
マ生成領域から周囲へのプラズマの拡散を通じて、被処
理体の被処理面付近でのプラズマ密度を均一にすること
ができる。

【００１０】第３のプラズマ処理装置では、第１および
第２の高周波電力供給手段が独立した第１および第２の
高周波電力を第１および第２の渦巻き形高周波アンテナ
にそれぞれ供給することにより、チャンバ内空間におけ
るプラズマ生成領域を半径方向において任意に調整また
は制御することができる。したがって、プラズマ生成領
域から周囲へのプラズマの拡散を通じて、被処理体の被
処理面付近でのプラズマ密度を均一にすることができ
る。

【００１１】

【実施例】以下、添付図を参照して本発明の実施例を説
明する。図１および図２は、本発明の一実施例によるプ
ラズマ処理装置の構成を模式的に示す斜視図および略断
面図である。

【００１２】図１に示すように、このプラズマ処理装置
のチャンバ１０は、底面および側面がアルミニウムで構
成され、上面が石英ガラス１２で構成された円筒状の密
閉容器である。チャンバ１０の底面中央部には円盤また
は円柱状の載置台１４が配設され、この載置台１４の上
面に被処理体として半導体ウエハＷが載置される。本プ
ラズマ処理装置がエッチング装置として構成される場
合、載置台１４には、チューニングキャパシタ１６を介
してエッチング用のたとえば１３．５６ＭＨｚの高周波
電源１８が接続される。載置台１４の内部には、高周波
による加熱を防止するため冷却水が図示しない冷却水供
給部より供給される。

【００１３】チャンバ１０の側面上部には、ガス導入口
１０ａが設けられ、このガス導入口１２ｂにガス供給管
２０が接続されている。ガス供給管２０よりチャンバ１
０内に供給される処理ガスは加工の種類によって異な
り、たとえばエッチング加工の場合にはＣＨＦ3 やＣＦ
4 等のエッチングガスが供給される。図示の例では、１
本のガス供給管２０だけ示されているが、処理ガスの種
類に応じた本数のガス供給管がチャンバ１０に接続され
てよい。

【００１４】チャンバ１０の側面下部には、ガス排出口
１０ｂが設けられ、このガス排出口１０ｂにガス排気管
２２が接続されている。このガス排気管２２は真空ポン
プ（図示せず）に接続されており、チャンバ１０内が所
定の真空度に排気されるようになっている。

【００１５】チャンバ１０内の載置台１４上に載置され
る半導体ウエハＷと対向して、チャンバ上面の石英ガラ
ス１２の外側の壁面には、渦巻きコイルからなる高周波
アンテナ２４が固着されている。この渦巻き形アンテナ
２４の両端子（内側端子２４ａおよび外側端子２４ｂ）
間には、プラズマ生成用の高周波電源２８よりマッチン
グ回路２６を介して、たとえば１３．５６ＭＨｚの高周
波電圧が印加される。これにより、アンテナ２４に高周
波電流ｉRFが流れ、後述するようにアンテナ２４直下の
チャンバ内空間でプラズマが生成されるようになってい
る。

【００１６】本実施例では、この渦巻き形アンテナ２４
の中心部と石英ガラス１２との間に常磁性金属たとえば
銅からなる円形の薄板３０が挿設される。この円形薄板
３０の直径は、アンテナ２４の形状・寸法、高周波電源
２８の出力電力、半導体ウエハＷの直径、アンテナ２４
とウエハＷ間の距離等に応じて所定の径に選ばれる。後
述するように、アンテナ２４の直下のチャンバ内空間に
おけるプラズマ生成領域（密度分布）が銅板３０によっ
て補正または調整され、プラズマの拡散を通じて半導体
ウエハＷの表面付近でプラズマ密度が均一化されるよう
になっている。

【００１７】次に、図２につき本実施例のプラズマ処理
装置におけるプラズマ生成およびプラズマ処理の作用を
説明する。処理を受けるべき半導体ウエハＷが載置台１
４上に配置され、チャンバ１０内が排気管２２を介して
所定の真空度に排気され、ガス供給管２０より所定の処
理ガスが所定の圧力・流量でチャンバ内に供給される状
態の下で、渦巻き形アンテナ２４に高周波電源２８から
の高周波電圧が印加される。

【００１８】この高周波電圧の印加によって渦巻き形ア
ンテナ２４に高周波電流ｉRFが流れると、アンテナ導体
の周りに交番磁界が発生し、その磁束Ｂの多くはアンテ
ナ中心部を縦方向に通って閉ループを形成する。このよ
うな交番磁界Ｂによってアンテナ２４の直下で概ね同心
円状に円周方向の交番電界Ｅが誘起され、この交番電界
Ｅにより円周方向に加速された電子が処理ガスの中性粒
子に衝突することで、ガスが電離して、プラズマが生成
される。

【００１９】このようにしてアンテナ２４の直下で生成
するプラズマは、図２で模式的に示すように、半径方向
においてアンテナ２４の中間部に対応する位置で密度が
最も高く、それより内側および外側に向かうほど密度が
低くなる。本実施例では、銅板３０内で磁束Ｂの貫通を
妨げるようなうず電流が流れるため、磁束Ｂはアンテナ
中心部を通りにくくなり、銅板３０が無い場合の点線で
示す磁束Ｂ’よりも外側を通る。このため、アンテナ直
下のプラズマ生成領域Ｐは、銅板３０が無い場合の点線
で示すプラズマ生成領域Ｐ’よりも半径方向で外側に変
位する。そうすると、プラズマが半径方向および下方へ
拡散する結果として、載置台１４に載置されている半導
体ウエハＷの表面付近では直線Ｐd で概念的に示すよう
にプラズマ密度が半径方向でほぼ一定に均される。

【００２０】したがって、プラズマに含まれるイオン、
電子やそれ以外の活性種が半導体ウエハＷの表面全体に
均一に供給または照射され、ウエハ表面全体で均一に所
定のプラズマ処理が行われる。たとえば、プラズマエッ
チングでは、プラズマで活性状態に励起されたガス分子
がウエハ表面の被加工物質と化学反応してその反応生成
物が気化し、ウエハ表面が削り取られる。プラズマＣＶ
Ｄでは、プラズマで活性状態に励起されたガス分子同士
が反応してその固体の反応生成物がウエハ表面に堆積し
て、膜が形成される。いずれのプラズマ処理において
も、本発明のプラズマ処理装置では、半導体ウエハＷの
表面全体にプラズマが均一な密度で作用するため、ウエ
ハ表面上で均一な処理が行われる。

【００２１】なお、図２において、点線で示す曲線Ｐd'
は、銅板３０が無い場合の半導体ウエハＷの表面付近に
おける半径方向のプラズマ密度分布である。この場合
は、ウエハ中心部付近のプラズマ密度がウエハ外周縁部
付近のプラズマ密度よりも高くなるため、ウエハ表面上
で不均一な処理が行われる。

【００２２】上記のように、本実施例のプラズマ処理装
置では、渦巻き形アンテナ２４の中心部付近に常磁性金
属からなる薄板３０を配置することによって、アンテナ
直下のプラズマ生成領域Ｐを半径方向外側に変位させ、
結果的に半導体ウエハＷの表面（被処理面）上でプラズ
マ密度を均一化させるようにしたので、ウエハＷに均一
で再現性あるプラズマ処理を施すことができる。

【００２３】以上、好適な一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、そ
の技術的思想の範囲内で種々の変形・変更が可能であ
る。たとえば、アンテナ２４を図３〜図７に示す構成に
変形しても、上記と同等または同様の作用効果を得るこ
とが可能である。

【００２４】図３に示す変形例は、渦巻き形アンテナ２
４においてアンテナ中心部のアンテナ導体を省いて、ア
ンテナ２４をリング状の空間内に形成し、その中心開口
部に常磁性金属薄板３０を配置するものである。中心開
口部の径は、アンテナ２４の渦巻き数（旋回数）、高周
波電源２８の出力電力、半導体ウエハＷの直径、アンテ
ナ２４とウエハＷ間の距離等に応じて適当な径に選ばれ
る。

【００２５】図４に示す変形例は、図３の変形例におい
て常磁性金属薄板３０を除去したものである。この場合
のアンテナ中心開口部の径Ｒは、常磁性金属薄板３０の
作用がないぶん、図３の場合の径よりは大きくなり、た
とえば半導体ウエハＷの直径に相当する径に選ばれる。
このように、中心部を適当な径で開口させその回りのリ
ング状の空間内にコイル部を形成してなるリング状の渦
巻きコイルで高周波アンテナ２４を構成した場合でも、
アンテナ中心部を縦方向に貫通する磁束の本数が減少す
るため、その直下で誘起される交番電界の電界強度が小
さくなり、プラズマ生成領域Ｐが半径方向において外側
に変位する。これにより、上記実施例と同様の効果が得
られる。

【００２６】図５に示す変形例は、渦巻き形アンテナ２
４を半径方向において２つに分割して、各々に独立した
高周波電流を流すようにしたものである。外側の高周波
アンテナ２４Ａは図４に示したものと同様のリング状渦
巻きコイルからなり、その内側端子２４Ａａと外側端子
２４Ａｂとの間には、マッチング回路またはチューニン
グ回路２６Ａを介して第１の高周波電源２８Ａが接続さ
れる。内側の高周波アンテナ２４Ｂは外側の高周波アン
テナ２４Ａの内径よりも小さな外径を有する渦巻きコイ
ルからなり、その内側端子２４Ｂａと外側端子２４Ｂｂ
との間には、マッチング回路またはチューニング回路２
６Ｂを介して第２の高周波電源２８Ｂが接続される。

【００２７】第１および第２の高周波電源２８Ａ，２８
Ｂは、独立した第１および第２の高周波電力を同一周波
数（たとえば１３．５６ＭＨｚ）かつ同位相でそれぞれ
外側および内側の高周波アンテナ２４Ａ，２４Ｂに供給
する。図１および図２のプラズマ処理装置に適用される
場合は、第１の高周波電力に対して第２の高周波電力が
低い値に選ばれる。これにより、外側の高周波アンテナ
２４Ａには相対的に大きな高周波電流ｉARF が流れると
ともに、内側の高周波アンテナ２４Ｂには相対的に小さ
な高周波電流ｉBRF が流れる。この場合も、アンテナ直
下のチャンバ内空間におけるプラズマ生成領域Ｐが、単
一の渦巻き形アンテナ２４に同一の高周波電流ｉRFが流
れた場合のプラズマ生成領域Ｐ’よりも外側にシフトす
るので、上記実施例と同様の効果が得られる。

【００２８】さらに、図５の構成例では、渦巻き形アン
テナの中心部と外周部とで高周波電力を独立に設定でき
るため、プラズマ生成領域をより精細かつ広範囲に制御
することができる。なお、高周波電源と両アンテナ２４
Ａ，２４Ｂとの間に電力分配回路を設けることで、第１
および第２の高周波電源２８Ａ，２８Ｂを１つの高周波
電源で共用化することも可能である。

【００２９】なお、図６に示すように、外側の渦巻き形
アンテナ２４Ａおよび内側の渦巻き形アンテナ２４Ｂの
各々を、互いに独立させて、任意の渦巻き形状および任
意の渦巻き数（旋回数）に構成することが可能である。

【００３０】図７の構成例は、単一の渦巻き形アンテナ
２４において、アンテナ導体の渦巻き密度（ピッチ）を
半径方向で変えたものであり、アンテナ外周部では密
に、アンテナ内周部（中心部）では疎に巻いてある。こ
のような渦巻き構造によれば、アンテナ直下で誘起され
る同心円状の交番電界が相対的に内周部（中心部）で小
さくなるため、プラズマ生成領域も半径方向外側にシフ
トし、上記実施例と同様の効果が得られる。

【００３１】なお、本発明において、高周波アンテナを
構成する渦巻きコイル（導体）は、板体、棒体、管体な
ど任意の形体が可能であり、導体径（太さ）は一定でな
くてもよく、中空状のパイプを用いて、その管内に冷却
媒体を流して冷却するように構成してもよい。また、本
発明による常磁性金属からなる板体は、アンテナ中心部
以外の箇所に配置されてもよく、必要に応じて複数の箇
所（たとえばアンテナ中心部とアンテナ外周部）に配置
されてもよい。また、本発明による常磁性金属からなる
板体は、アンテナの上に重なって配置されてもよい。

【００３２】また、上記実施例では、アンテナと処理室
との間に石英ガラスを設けたが、これに代えてセラミッ
クス等の他の絶縁体や、あるいは高抵抗体のＳｉＣで構
成することも可能である。

【００３３】図８はチャンバ１０の上面にシャワーヘッ
ド３４を取付する構成例を示す図であり、この図の(A)
は略斜視図、(B) は下面図、(C) は略断面図である。こ
のシャワーヘッド３４は、たとえばセラミックスからな
り、内部にガス導入口３４ａおよびバッファ室３４ｂを
有し、裏面に多数の通気孔３４ｃを有する。ガス導入口
３４ａにはガス供給管２０が接続される。ガス導入口３
４ｃよりバッファ室３４ｂに導入された処理ガスは、そ
こでいったん塞き止められてから各通気孔３４ｃより均
一な圧力・流量で下方の処理室へ吐出または噴射され
る。

【００３４】また、本発明は、プラズマエッチング装置
およびプラズマＣＶＤ装置に限定されるものではなく、
プラズマスパッタ装置やプラズマアッシング装置等の他
のプラズマ処理装置にも適用可能であり、被処理体も半
導体ウエハに限らず、ＬＣＤ基板その他の被処理体でも
可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１のプ
ラズマ処理装置によれば、磁束の貫通を弱める常磁性金
属からなる板体を渦巻き形高周波アンテナの一部と重ね
て配置することにより、チャンバ内のプラズマ生成領域
を任意に調整または制御できるようにしたので、プラズ
マの拡散を通じて被処理体の被処理面付近でのプラズマ
密度を均一化し、均一で再現性あるプラズマ処理を行う
ことができる。

【００３６】本発明の第２のプラズマ処理装置によれ
ば、渦巻き形アンテナをリング状に形成して、アンテナ
中心部を貫通する磁束の本数を減少させ、チャンバ内の
プラズマ生成領域を半径方向において外側に変位させる
ようにしたので、プラズマの拡散を通じて被処理体の被
処理面付近でのプラズマ密度を均一化することが可能で
あり、均一で再現性あるプラズマ処理を行うことができ
る。

【００３７】本発明の第３のプラズマ処理装置によれ
ば、第１および第２の高周波電力供給手段より独立した
第１および第２の高周波電力を第１および第２の渦巻き
形高周波アンテナにそれぞれ供給することにより、チャ
ンバ内空間におけるプラズマ生成領域を半径方向におい
て任意に調整または制御できるようにしたので、プラズ
マの拡散を通じて被処理体の被処理面付近でのプラズマ
密度を均一化することが可能であり、均一で再現性ある
プラズマ処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるプラズマ処理装置の構
成を示す斜視図である。

【図２】実施例におけるプラズマ処理装置の構成を示す
略断面図である。

【図３】一変形例による高周波アンテナの構成および常
磁性金属からなる板体の配置構成を示す略平面図であ
る。

【図４】別の変形例による高周波アンテナの構成を示す
略平面図である。

【図５】他の変形例による高周波アンテナの構成を示す
略平面図である。

【図６】他の変形例による高周波アンテナの構成を示す
略平面図である。

【図７】他の変形例による高周波アンテナの構成を示す
略平面図である。

【図８】実施例のプラズマ処理装置における処理ガス導
入部の別の構成例を示す図である。

【符号の説明】

１０チャンバ１２石英ガラス１４載置台１８，１８Ａ，１８Ｂ高周波電源２４，２４Ａ，２４Ｂ渦巻き形アンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 C23F 4/00 - 4/04 H01L 21/205 H01L 21/3065 H01L 21/31 H01Q 9/27 H05H 1/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバ内に配置された被処理体にプラ
ズマを用いて所定の処理を施すプラズマ処理装置におい
て、前記チャンバ内の前記被処理体の被処理面に対向して前
記チャンバの外に配置された渦巻きコイルからなる高周
波アンテナと、前記高周波アンテナの一部と重なって配置された常磁性
金属からなる板体とを具備することを特徴とするプラズ
マ処理装置。
【請求項２】前記常磁性金属からなる板体は円形であ
る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】前記常磁性金属からなる板体は前記高周
波アンテナの中心部に対して重なるように配置されるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理
装置。
【請求項４】チャンバ内に配置された被処理体にプラ
ズマを用いて所定の処理を施すプラズマ処理装置におい
て、前記チャンバ内の前記被処理体の被処理面に対向し
て前記チャンバの外に配置された中心部を前記被処理体
の直径に相当する径で開口させその回りのリング状の空
間内にコイル部を形成してなるリング状渦巻きコイルか
らなる高周波アンテナを具備したことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項５】チャンバ内に配置された被処理体にプラ
ズマを用いて所定の処理を施すプラズマ処理装置におい
て、前記チャンバ内の前記被処理体の被処理面に対向して前
記チャンバの外に配置された中心部を所望の径で開口さ
せその回りのリング状の空間内にコイル部を形成してな
るリング状渦巻きコイルからなる第１の高周波アンテナ
と、前記第１の高周波アンテナに第１の高周波電力を供給す
る第１の高周波電力供給手段と、半径方向において前記第１の高周波アンテナの内側に配
置された渦巻きコイルからなる第２の高周波アンテナ
と、前記第２の高周波アンテテに第２の高周波電力を倶給す
る第２の高周波電力供給手段とを具備したことを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項６】前記第１の高周波アンテナの渦巻きコイ
ルおよび前記第２の高周波アンテナの渦巻きコイルはそ
れぞれ々独立した渦巻き形状または渦巻き数を有する請
求項５に記載のプラズマ装置。
【請求項７】前記第２の高周波アンテナの渦巻きコイ
ルは実質的に１回の渦巻き数を有することを特徴とする
請求項５または６に記載のプラズマ装置。