JP2000012294A - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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JP2000012294A
JP2000012294A JP10179981A JP17998198A JP2000012294A JP 2000012294 A JP2000012294 A JP 2000012294A JP 10179981 A JP10179981 A JP 10179981A JP 17998198 A JP17998198 A JP 17998198A JP 2000012294 A JP2000012294 A JP 2000012294A
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magnetic field
plasma
wafer
antenna
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Ichiro Sasaki
一郎 佐々木
Kenji Maeda
賢治 前田
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ波等の電磁波およびこれと磁場を組
み合わせたECR方式のプラズマ処理装置では電磁波と
プラズマの相互作用が複雑で大口径プラズマの均一化、
処理の均一化がかなり困難になってきているが、ウェハ
の大型化に対応するためにはプラズマの均一化を図る必
要がある。 【解決手段】 電磁波の波長を処理室寸法より長くする
ことにより電磁波の挙動を静電場のそれに近づける。ま
た、アンテナの表面を曲面とすることより磁力線と電磁
波の電解とを交差させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置に
係り、特にウェハの大型化に対してもウェハ全面で均一
なプラズマ処理を行うことが可能なプラズマ処理装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】LSIの高集積化に伴いその製造工程で
は高精度の加工技術が要求されてくる。LSIの製造で
は、ウェハと呼ばれるシリコン基板上に薄膜を形成しさ
らにその上にマスク形成して不要部分をエッチング除去
するといった一連の工程を繰り返すことにより、トラン
ジスタ等の素子やそれらの間の配線を作っていく。これ
らのうちのエッチング工程では、加工精度を高めるため
にプラズマを用いたドライエッチング(プラズマエッチ
ング)が用いられている。
【0003】プラズマエッチングはフッ素系や塩素系の
ガスをプラズマ状態にしてその分子を解離、励起など活
性化したり、あるいはイオン化して反応性を高め、これ
らをウェハ上に輸送してエッチング反応を進めるもので
ある。
【0004】また、ガスをプラズマ状態にするには外部
からエネルギを与える必要があるが、これに電磁波を用
いる方法がある。これは電磁波の振動電界により電子を
加速し、加速された高エネルギの電子を分子に衝突させ
ることにより、これを活性化したりイオン化したりす
る。また電磁波と電子のエネルギ交換の効率を高めるた
めに磁場を印加する方法もある。磁場の存在下では電子
は磁力線の回りに、磁場の強度によって決まる周期で円
運動(サイクロトロン運動)する。そこでこの回転周期
と電磁波の周期を一致させれば共鳴現象が起こり、エネ
ルギ交換の効率が高められる。この現象は電子サイクロ
トロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance 略してE
CR)と呼ばれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のプラズ
マ処理では、ウェハ上でのエッチング反応は輸送されて
くる活性種やイオンに大きく影響されるため、ウェハ全
面で均一なプラズマ処理を行うことが困難であった。そ
して、これは、ウェハの大型化に伴いさらに困難とな
る。
【0006】ウェハ全面で均一なプラズマ処理を行うた
めには、イオン、活性種の生成量分布も均一になってい
る必要がある。すなわち、プラズマを均一に生成する必
要がある。
【0007】しかしながら、プラズマは導電性をもつた
め、導入した電磁波の進行は処理室の大きさや形状に依
存するだけでなく、プラズマの分布にも大きく左右され
る。均一なエネルギ密度の電磁波を導入したとしても、
プラズマが均一に生成されるとは限らない。すなわち従
来のプラズマ処理装置ではプラズマを均一に制御する手
段がないという問題があった。本発明の課題は、大型ウ
ェハに対しても、ウェハ全面で均一なプラズマ処理が行
えるプラズマ処理装置を提供することである。
【0008】
【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、被処理基板を載置す
る試料台を内部に設置した処理室と、この処理室に所定
の流量のガスを導入して所定の圧力を保持するガス導入
機構と、このガス導入機構により導入されたガスをプラ
ズマ化するための電磁波を導入する電磁波導入機構と、
前記電磁波と電子サイクロトロン共鳴を発生させる磁場
を生成する磁場発生機構とを備えたプラズマ処理装置に
おいて、下記を構成要件を備えたことを特徴とする。
【0009】(1):前記電磁波の波長が前記処理室の
内径よりも長いこと。 処理室内を進行する電磁波の波長が処理室より長いと、
処理室の異なる位置における電磁界振動の位相差は小さ
くなる。すなわち電磁界は全体がほぼ同位相で振動する
ことになり、その強度分布は静電場の分布に近くなる。
したがって処理室の寸法形状を調整するとともに、外部
磁場の強度を調整すればECR吸収の位置と強度が制御で
き、プラズマ分布が制御可能となり、ウェハ全面で均一
なプラズマ処理が可能となる。
【0010】(2):(1)において、前記磁場発生機
構からの磁力線と前記電磁波導入機構からの電磁波電界
が交差するように前記電磁波導入機構を構成したこと。 (3):(1)において、前記電磁波導入機構の前記被
処理基板と対向する面を曲面としたこと。 前記電磁波導入機構の前記被処理基板と対向する面を曲
面とすることにより、この曲面に直角となる電界が傾
き、その結果磁力線と間に角度を持たせることができ、
ECR吸収を発生させることができる。さらにアンテナ表
面の湾曲の形を変えることにより電気力線の傾きを変え
ることができるので、ECR吸収の半径方向位置を制御す
ることができ、ウェハ全面で均一なプラズマ処理が可能
となる。
【0011】(4):(1)において、前記磁場発生機
構を前記電磁波導機構の前記被処理基板と対向する側と
は反対側に備えたこと。 この構成により磁力線と電界は交差する領域ができ、EC
R吸収が起きる。コイルに流す電流を調整することによ
り、磁場強度を変えられ、その結果ECR吸収の高さも変
えられる。
【0012】ウェハの全面で均一なエッチング処理を行
うためには、活性種やイオンを生成するプラズマを均一
化することが必要である。プラズマに対してこれを維持
するために電磁波によりエネルギを供給するが、リアク
タの構造や電磁波の供給方法を適正にし、プラズマのエ
ネルギ吸収を均一にし、プラズマを均一に維持すること
が有効である。
【0013】プラズマの生成、維持を外部から導入する
電磁波で行ない、かつエネルギ吸収の効率を高めるため
にECR現象を利用する場合、プラズマと電磁波のエネル
ギ交換は主にECR面(電磁波の周波数と電子のサイクロ
トロン周波数が一致するような磁界強度の位置)で行わ
れる。このECR面の処理室内での位置は外部磁場の分布
により決定される。したがって外部磁場を発生させるコ
イルの位置やそれに流す電流の大きさによりECR面を任
意の位置に設けることができる。
【0014】しかし、プラズマと電磁波のエネルギ交換
はECR面のすべての位置で均一に行われるわけではな
い。それはECR面におけるエネルギ交換は、電磁波の電
界強度に依存しまた電界ベクトルと外部磁場ベクトルの
なす角度にも依存するからである。電子のサイクロトロ
ン運動は磁力線をその軸として生じるため、電界ベクト
ルが外部磁場ベクトルと平行である場合にはECR現象は
起きず、したがってエネルギ交換の効率は低い。これに
対して、電界ベクトルと外部磁場ベクトルが直交する場
合にエネルギ交換の効率が高くなる。すなわちECR面に
おけるエネルギ交換の分布はプラズマ中を進行する電磁
波の挙動(進行)に大きく影響される。
【0015】プラズマ中を進行する電磁波は次の2点に
より複雑な挙動を示す。まず第1にエッチング処理室が
金属で囲まれた複雑な形状である点にある。電磁波は金
属面で反射するため、処理室に導入された電磁波は金属
面での反射を何回も繰り返しながらプラズマに吸収され
いく。そのため、電磁波は単純な平面波とは全く異なっ
た挙動を示す。第2にプラズマが電子、イオンといった
荷電粒子を多数含んだ導電性を示す媒質であり、かつ磁
場が存在するためその電磁気的性質が非等方的となる点
にある。このため、電磁波の進行については波長の変化
(プラズマの密度と磁場強度に対応して真空中の波長よ
り短かくなる)、共鳴(上述のECRでありこの点で波長
が最短となる)、遮断(電磁波が波動として進行できな
くなる)などの現象が現れ、そのため、電磁波の挙動
(進行状態)は非常に複雑である。
【0016】以上に述べた2点によりプラズマ中での電
磁波の挙動予測は困難であるが、電磁波の波長がエッチ
ング処理室の大きさ(例えば処理室内径や高さ)より長
ければ、電磁波の挙動をある程度予測し、また処理室の
形状によりその挙動を制御することができる。例えば45
0MHzのUHF帯の電磁波の場合、真空中での波長は約660mm
であり、処理室の大きさ(直径400〜500mm)より長くな
る。処理室内を進行する電磁波の波長が長いと、処理室
の異なる位置における電磁界振動の位相差は小さくな
る。すなわち電磁界は全体がほぼ同位相で振動すること
になり、その強度分布は静電場の分布に近くなる。した
がって処理室の寸法形状を調整するとともに、外部磁場
の強度を調整すればECR吸収の位置と強度が制御でき、
プラズマ分布が制御可能となる。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面に示した
実施例により詳細に説明する。図1は本発明の第1実施
例であるプラズマ処理装置の断面図である。ここではエ
ッチング処理を例として説明する。図1において処理室
である真空チャンバ1は排気口2により真空ポンプ(図
示無し)により常時排気されており、ガス供給系(図示
無し)よりエッチングガスが導入され所定の圧力に維持
されている。真空チャンバ1には450MHzの電磁波を供給
するアンテナ3が設けてあり、450MHzの電源4とケーブ
ルで結ばれている。450MHzの電磁波は石英ブロック5を
通過して真空チャンバ1内に導入され、エッチングガス
をプラズマ化し生成された活性種、イオンによりウェハ
6をエッチング処理する。
【0018】真空チャンバ1の外にはコイル7が設置さ
れており、磁力線8で示されるような磁場を発生する。
電磁波の周波数が450MHzの場合、磁場強度は0.0161テス
ラ(161ガウス)で電子サイクロトロン共鳴(ECR)が起
きる。図1の場合、磁場強度が0.0161テスラとなる等磁
束密度線(ECR面9)上でECRが起きる。ただしECRは磁力
線と電磁波の電界が交差していることが必要であるた
め、ECR面9上のすべての位置で起きるとは限らない。
【0019】450MHzの電磁波は石英ブロック5を通過し
て真空チャンバ1に放射される。前に述べたように電磁
波の波長が真空チャンバ1の大きさに比べて長いこと、
および電界の性質として導体表面ではその接線成分が0
となる(電界は導体表面に直角となる)ことにより、例
えばアンテナ3が平板でかつウェハと平行である場合に
は、電気力線はアンテナ3とウェハ6に挟まれた空間で
はすべて平行でアンテナ3に直角となる。コイル7によ
る磁場の磁力線8もほぼアンテナ3に直角方向であるた
め、アンテナ3とウェハ6に挟まれた空間では電界と磁
場が平行となりECR面9の位置でもECR吸収は起こらな
い。そこで図1に示すようにアンテナ3のプラズマ側
(図1では下側)を平板ではなく湾曲した形状にしてお
けば、アンテナ表面に直角となる電界が傾き、その結果
磁力線と間に角度を持たせることができ、ECR吸収を発
生させることができる。さらにアンテナ表面の湾曲の形
を変えることにより電気力線の傾きを変えることができ
るので、ECR吸収の半径方向位置を制御することがで
き、プラズマの半径方向分布を制御できる。
【0020】アンテナ3の表面は必ずしも連続的な曲面
である必要はなく、図2〜図5のような形状でも同じ効
果が得られる。
【0021】本発明の第2実施例を図6により説明す
る。この実施例では磁場の分布(磁力線の形)を制御す
ることにより、電界と磁力線のなす角度を制御しECR吸
収を制御するものである。図6においてコイル7をアン
テナ3の上部に配置し、かつ図6に示す形状のヨーク10
を用いる。このとき磁力線8は図に示すごとくヨーク10
の内側からヨーク10の外側に向かうような形となる。そ
の結果、図の11の部分では磁力線8はアンテナ3と平行
になる。すなわちこの位置では磁力線と電界は交差する
ことになり、ECR吸収が起きる。コイル7に流す電流を
調整することにより、磁場強度を変えられ、その結果EC
R吸収の高さも変えられる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、エッチング処理装置に
おけるプラズマの分布を均一化できるので、大型ウェハ
に対しても、ウェハ全面で均一なプラズマ処理が行える
プラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例であるエッチング処理装置
の断面図である。
【図2】本発明の第1実施例であるエッチング処理装置
のアンテナ形状の一例である。
【図3】本発明の第1実施例であるエッチング処理装置
のアンテナ形状の一例である。
【図4】本発明の第1実施例であるエッチング処理装置
のアンテナ形状の一例である。
【図5】本発明の第1実施例であるエッチング処理装置
のアンテナ形状の一例である。
【図6】本発明の第2実施例であるエッチング処理装置
の断面図である。
【符号の説明】
1…真空チャンバ、2…排気口、3…アンテナ、4…電
源、5…石英ブロック、6…ウェハ、7…コイル、8…
磁力線、9…ECR面、10…ヨーク。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被処理基板を載置する試料台を内部に設置
    した処理室と、この処理室に所定の流量のガスを導入し
    て所定の圧力を保持するガス導入機構と、このガス導入
    機構により導入されたガスをプラズマ化するための電磁
    波を導入する電磁波導入機構と、前記電磁波と電子サイ
    クロトロン共鳴を発生させる磁場を生成する磁場発生機
    構とを備えたプラズマ処理装置において、前記電磁波の
    波長が前記処理室の内径よりも長いことを特徴とするプ
    ラズマ処理装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記磁場発生機構から
    の磁力線と前記電磁波導入機構からの電磁波の電界が交
    差するように前記電磁波導入機構を構成したことを特徴
    とするプラズマ処理装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記電磁波導入機構の
    前記被処理基板と対向する面を曲面としたことを特徴と
    するプラズマ処理装置。
  4. 【請求項4】請求項1において、前記磁場発生機構を前
    記電磁波導機構の前記被処理基板と対向する側とは反対
    側に備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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