JP2000164394A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】デバイスの微細化とウエハ径のΦ３００ｍｍ化
に対応するため、低圧で、十分なプラズマ密度を達成
し、さらに、大口径で均一な、かつ、制御性の良いプラ
ズマ処理装置を提供する。 【解決手段】電磁波を放射するために、共振タイプのア
ンテナを用い、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源の周
波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満た
すように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の
関係を満たすようにアンテナを設計する。さらに、静磁
場、もしくは時間的に緩やかに変動する磁場や、アンテ
ナバイアスを加える。 【効果】電磁波のパワーが効率よくプラズマに投入され
ることになり、プロセスに好適なプラズマ密度を達成で
きる。さらに、磁場によるＥＣＲ効果や、アンテナバイ
アスを併用することにより、高い均一性と制御性を達成
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置、液晶デ
ィスプレー用基板等の製造工程において、エッチング、
CVD(Chemical Vapor Deposition)、アッシング等の処理
に好適なプラズマ処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＤＲＡＭや、マイクロプロセッサ、ＡＳ
ＩＣ等の半導体装置の製造工程において、弱電離プラズ
マを用いたプラズマプロセッシングが広く用いられてい
る。プラズマプロセスでは、プラズマにより生成したイ
オンや、ラジカルを、被処理基板に照射することにより
基板の処理を行っている。半導体装置の微細化に伴い、
配線やゲート電極、コンタクトホール等の加工に用いら
れるプラズマエッチング装置には、更なる微細加工性、
高い選択性、高い処理均一性、低ダメージ性能等が求め
られている。

【０００３】これらエッチング装置用のプラズマ源とし
て古くから用いられてきたものに平行平板型プラズマ源
がある。平行平板型プラズマは、プラズマと電源との結
合が容量的であることから、ＣＣＰ（Capacitive Coupl
ed Plasma）と呼ばれている。平行平板型プラズマ源
は、装置体系が比較的単純であり、また、ブロッキング
コンデンサをアノード電極側に入れる事により生じる比
較的高い自己バイアスを用い、異方性エッチングを行っ
ていた。しかし、半導体装置のパターン寸法が細かくな
るに連れ、低圧で高密度プラズマを生成しずらい、とい
う欠点が目立ちはじめた。

【０００４】特開平7-297175号広報は、狭電極平行平板
タイプリアクタの上部電極に数十MHzの高周波を印可す
ることにより比較的高密度なプラズマを生成させ、ま
た、被処理基板を載置する下部電極には数百kHzのバイ
アスを印可する事により、処理基板に入射するイオン量
をコントロールする（IEM:Ion Energy Modulation）も
のである。しかし、IEMを用い、安定にプラズマを生成
可能な圧力は数十Pa〜5Pa程度であり、パターン寸法の
更なる微細化に対応していくのは困難である。

【０００５】比較的低圧で、かつ高密度のプラズマを生
成可能なプラズマ源として、電子サイクロトロン共鳴
（ECR: Electron Cyclotron Resonance）を用いた有磁
場μ波型プラズマ源がある。共鳴を用いる事により低圧
でも効率よくプラズマを生成できる。しかし、プロセス
によっては、高密度、高電子温度が災いし、処理用ガス
の解離が進みすぎ、マスク材や、下地材料との選択比が
取れない、といった問題も発生している。また、磁場に
起因するバイアスの不均一や、ダメージの問題も無視で
きなくなっている。

【０００６】また、近年では、誘電体の容器の側面、も
しくは上面にコイルを巻きつけ、該コイルに交番電流を
流す事により生じる誘導電界でプラズマを維持する、Ｉ
ＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマも現れて
きている。ＩＣＰも、ＥＣＲプラズマと同様、低圧で、
高密度のプラズマを生成可能であるが、やはり、プロセ
スガスの解離が進みすぎる欠点を持っている。

【０００７】近年注目されているのが、ＵＨＦ帯の電磁
波を用いたプラズマ源である。第４４回秋季応用物理学
会予稿集No.1, 28a-SQ-29に見られるように、誘電体板
の上面にスポーク状アンテナを配置する場合や、第５８
回春季応用物理学会予稿集No.1, 4p-B-5に見られるよう
に、ＵＨＦ帯＋ＥＣＲを用いる場合もある。

【０００８】これまで、プラズマの励起源周波として
は、商用周波数である13.56MHzや、2.45GHzが用いられ
る事が多かったが、適度に高密度で、電子温度もさほど
高くない、プロセスに好適なプラズマを生成可能な周波
数帯域が、ＵＨＦ帯である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】数十MHz程度の周波数
帯（ＨＦ帯）では、電磁波の波長は、装置の寸法に比べ
だいぶ長く、電源とプラズマとの結合は、容量的（ＣＣ
Ｐタイプ）もしくは、誘導的（ＩＣＰタイプ）なものと
して説明できる。しかし、ＵＨＦ帯では、電磁波の波長
は、装置寸法と同程度になってくる為、電源とプラズマ
との結合は、もはや、容量的、誘導的といった単純なも
のでは説明できなくなる。これは、プラズマ装置を造る
側になってみると、単に電極を配置したり、コイルを巻
くだけでは、電源からのパワーを効率よくプラズマに投
入することは難しくなってくることを意味している。

【００１０】電磁波を放射するアンテナの設計を誤る
と、プラズマへの電力投入がうまくいかず、十分なプラ
ズマ密度が得られない、安定したプラズマが生成できな
い、電源との整合が取れずプラズマが着火できない、等
の弊害を生じることになる。

【００１１】そこで、本発明の第一の目的は、ＵＨＦ帯
の電磁波を効率よくプラズマに投入することにより、プ
ロセスに好適なプラズマ密度を得ることにある。また、
本発明の第二の目的は、十分なプラズマ密度を達成した
上で、Φ３００ｍｍウエハにも対応しうる、大口径で均
一なプラズマを生成することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】ＵＨＦ帯の電磁波を効率
よくプラズマに投入する為には、共振タイプのアンテナ
を用い、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ
０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすよう
に、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を
満たすようにアンテナを設計すればよい。これにより本
発明の第一の目的は達成される。

【００１３】以下、円形ＭＳＡ（Micro Strip Antenn
a）を例にとって説明を続ける。

【００１４】円形ＭＳＡの共振周波数fcは、以下の式で
現される。

【００１５】

【数式１】

【００１６】ここで、TM11モードを励振する場合、χmn
＝χ11=1.841 であり、TM01モードを励振する場合、χ
mn＝χ01=3.832である。C0は光速、εrはアンテナ−地
導体板間の誘電体の比誘電率を表している。

【００１７】Aeffは、フリンジング効果を考慮した場合
のアンテナの実効半径であり、アンテナ半径A, 誘電体
厚さh、比誘電率ε_rを用い、

【００１８】

【数式２】

【００１９】と表される。

【００２０】式（１）、（２）は、無限に広いとみなせ
る接地導体板と誘電体板上に円形ＭＳＡがある場合の式
であり、実験値と比較的よく一致する事が知られてい
る。

【００２１】ウエハサイズやリアクタ内径等の制約で決
まってくるアンテナ径と、用いる電源周波数ｆ０（≒ｆ
ｃ）とから、誘電体板の比誘電率が求められることにな
る。

【００２２】しかし、この円形ＭＳＡをプラズマリアク
タに適用した場合、アンテナのすぐ近傍にリアクタ壁
や、電極等が存在し、理論値からずれた値を取る。した
がって、これらを考慮した数値シミュレーションを行っ
たところ、図４に示すように、アンテナ共振周波数ｆｃ
は、理論値よりも若干低い値をとることがわかった。

【００２３】また、図２に示すように、リアクタ内に電
磁波吸収体１０２をいれ、ネットワークアナライザ１０
１により反射波の周波数特性を測定する事によりアンテ
ナの共振周波数を観測する事が出来る。図３には、この
ようにして測定された反射波の周波数特性の典型的な結
果を示す。反射波が極小となっている周波数が、アンテ
ナの共振周波数である。また、数値シミュレーション値
と、測定結果はほぼ一致した。

【００２４】上記したような方法で、アンテナの共振周
波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０
＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜
ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすようにアンテナを設
計したところ、高密度で、安定したプラズマを生成する
事が出来た。逆に、共振周波数を極端にずらした場合
は、プラズマの着火性も著しく悪く、また、安定したプ
ラズマを生成する事ができなかった。

【００２５】上記した方法で求められるアンテナの共振
周波数は、プラズマ着火時には、若干ずれてくる。プラ
ズマが誘電体として振る舞うからである。したがって、
アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと
若干ずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０
＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、
プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも
可能である。これにより、ある程度広い条件で、安定し
たプラズマの生成が可能となる。

【００２６】また、円形ＭＳＡにおいては、アンテナ−
地導体板間の誘電体板の厚さｈを増加させることによ
り、アンテナのＱ値を若干低くする事ができる。すなわ
ち、より広帯域なアンテナ特性となり、負荷（プラズ
マ）の変動で共振周波数が若干ずれる事をカバーでき
る。

【００２７】本発明の第二の目的は、上記方法でアンテ
ナを設計した上で、５０〜４００Ｇ程度の静磁場、もし
くは、時間的に緩やかに変動する磁場を加えることによ
り達成される。プラズマの分布は、磁場の強度や磁場形
状に依存するが、ＥＣＲ共鳴を起こすような磁場（たと
えば、電源周波数が４５０ＭＨｚであれば、１６１Ｇ程
度）を加え、ＥＣＲ面形状を制御する事により、プラズ
マの均一性を制御する事が可能となる。また、磁場配位
を時間的に緩やかに変化させる事により、プラズマ分布
の制御範囲が広がることは、言うまでもない。

【００２８】さらに、アンテナに、プロセス制御のため
の第２の高周波を重畳して加える事により、プロセスに
寄与する解離種の制御も可能である。

【００２９】これまで円形ＭＳＡタイプのアンテナにつ
いて話を進めてきたが、本発明は円形ＭＳＡタイプアン
テナに限られるものではない。すなわち、電磁波の放射
にアンテナの共振を用いるタイプであれば、方形ＭＳＡ
や、ライン状のＭＳＡ，放射状ＭＳＡ，モノポール、ダ
イポールアンテナを処理室に巻き付けた形状等、どのよ
うなアンテナ形状にも適用可能である。さらに、本発明
は、処理室の形状や、処理用ガスの種類、圧力、電源パ
ワー、電源周波数、基板バイアス、磁場等の要因によら
ず、適用可能である。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１に本発明の第一の実施例を示
す。真空容器１の中に、被処理基板３と、基板を載置す
るためのステージ２と、略円盤状のアンテナ４と、アン
テナ裏誘電体５とが配置されている。ステージ２には、
プラズマにより生成されたイオンを被処理基板３に引き
込むためのバイアス電源１４と、第三の整合器１３が接
続されており、また、基板を温調するための温調装置１
５が接続されている。処理用ガスは、ガス供給装置１１
より、シャワープレート（図示していない）を介して処
理装置内に供給される。

【００３１】アンテナ４には、第一の整合器７を介し
て、第一の高周波電源８が接続されており、さらに、第
二の整合器９を介して第二の高周波電源１０が接続され
ている。

【００３２】プラズマの生成は、主に第一の高周波電源
８より供給される電磁波によって行われる。また、第２
の高周波電源１０は、プロセスに寄与する解離種の制御
に用いられる。このため、第２の高周波電源の周波数ｆ
１は、アンテナに不要な共振モードを作らず、また、第
１の電源周波数と干渉しない周波数が選定されている。

【００３３】アンテナの径や、アンテナ裏誘電体５の比
誘電率は、前述したように、アンテナの共振周波数ｆｃ
と、第一の高周波電源８の周波数ｆ０との関係が、０．
６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望まし
くは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすよう
に設定されている。これにより、プラズマに電磁波のパ
ワーを効率よく投入する事が可能となり、高密度で安定
したプラズマの生成が可能となる。

【００３４】また、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源
周波数ｆ０をわざと微妙にずらすことにより、すなわ
ち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠
１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振
が起こるようにすることも可能である。これにより、あ
る程度広い条件で、安定したプラズマの生成が可能とな
る。

【００３５】また、第一の整合器７は、より広い運転条
件に対応するために設置されたものであり、運転条件を
狭い範囲に限定し、また、前述した方法にてアンテナの
広帯域化を図る事により、省略可能となる。この場合、
運転条件は限定されるが、整合器が不要となり、コスト
ダウンが図れる。

【００３６】また、磁場コイル６により、ＥＣＲ共鳴を
起こすような磁場を加える事により、プラズマの生成効
率をさらにあげ、プラズマの均一性を制御する事も可能
となる。プラズマの分布は、磁場の強度や磁場形状に依
存するが、前述した方法でアンテナを設計した上で、Ｅ
ＣＲ共鳴を起こすような磁場（たとえば、電源周波数が
４５０ＭＨｚであれば、１６１Ｇ程度）を加え、ＥＣＲ
面形状を制御する事により、プラズマの均一性を制御す
る事が可能となる。また、時間的に緩やかに変動する磁
場を用いる事で、さらなる制御性を得る事も可能であ
る。

【００３７】また、アンテナの共振周波数は、アンテナ
径と、アンテナ裏誘電体５の比誘電率に強く影響を受け
る。したがって、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ア
ンテナ裏の誘電体を、比誘電率の異なる２種類以上の材
質で構成する、すなわち、第一の誘電体１０５と、第２
の誘電体１０６のように構成する事により、あるアンテ
ナ径と電源周波数にたいし、適切な共振周波数を持つア
ンテナを設計する事が可能となる。

【００３８】また、図５（ｃ）に示したように、２種類
の誘電体の厚さを徐々にかえることにより、リアクタ内
の電界強度分布を制御する事ができ、したがって、プラ
ズマ密度分布を制御する事が可能となる。

【００３９】本発明は円形ＭＳＡタイプのアンテナに限
られるものではない。図６に本発明の第２の実施例を示
す。ガス供給系、ステージの構成等、第一の実施例と重
複する部分の説明は省略する。

【００４０】図６に示す第２の実施例では、誘電体製容
器１６の周りにコイル状アンテナ１８を配置している。
誘電体製容器１６とコイル状アンテナからなる放電部
は、電磁シールド１７によって覆われている。本装置体
系は、一見ＩＣＰタイプのプラズマ源のように見える
が、アンテナの両端を開放端とし、また、アンテナの全
長を、おおむね、プラズマを生成するために用いる電磁
波の1/4波長の整数倍とすることにより、コイル状アン
テナを共振アンテナとして作用させることができる。給
電点は、電源との整合を取るためにアンテナ端部から若
干シフトさせている。

【００４１】このようなタイプのアンテナでも、アンテ
ナの共振周波数ｆｃと、高周波電源８の周波数ｆ０との
関係が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすよ
うに、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係
を満たすように設定することにより、プラズマに電磁波
のパワーを効率よく投入する事が可能となり、高密度で
安定したプラズマの生成が可能となる。また、設計上重
要なパラメータである共振周波数は、コイル状アンテナ
の場合、おおむねコイル全長により決定され、また、よ
り正確な値は、ネットワークアナライザを用いることに
より測定可能である。

【００４２】また、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源
周波数ｆ０をわざと微妙にずらすことにより、すなわ
ち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠
１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振
が起こるようにすることも可能である。

【００４３】さらに、整合器７は、第一の実施例で説明
したのと同様、より広い運転条件に対応するために設置
されたものであり、運転条件を狭い範囲に限定し、さら
にアンテナの広帯域化を図る事により、省略可能とな
る。この場合、運転条件は限定されるが、整合器が不要
となり、コストダウンが図れる。

【００４４】

【発明の効果】これまで説明してきたように、大気より
減圧された処理室と、処理室に処理用ガスを導入する手
段と、処理室内のガスを排気する手段と、処理室内に設
けられた、被処理基板を載置するためのステージと、処
理用ガスをプラズマ化するための電磁波を放射するため
のアンテナと、アンテナに電力を供給する高周波電源
と、を有するプラズマ処理装置において、該アンテナの
共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ
／ｆ０＜１．４の関係を満たすようにすることで、電磁
波のパワーを効率よくプラズマに投入でき、プロセスに
好適なプラズマ密度を発生させる事ができる。

【００４５】また、上記条件を満たした上で、アンテナ
のサイズを適切に選定する事により、均一なプラズマを
生成させる事を可能とする。

【００４６】さらに、アンテナの共振周波数ｆｃと、電
源周波数ｆ０をわざと若干ずらすことにより、すなわ
ち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠
１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振
が起こるようにすることも可能である。

【００４７】さらに、アンテナのＱ値を低くする、つま
りアンテナの広帯域化を図る事により、負荷（プラズ
マ）の変動で共振周波数が若干ずれる事をカバーでき、
幅広い条件でプロセスに好適なプラズマを生成する事が
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例に係わるプラズマ処理装
置の構成を示す断面図である。

【図２】アンテナの共振周波数の計測法の一例を示す模
式図である。

【図３】共振型アンテナをネットワークアナライザで測
定した場合の、反射波の周波数特性を示す模式図であ
る。

【図４】アンテナ裏誘電体の比誘電率とアンテナの共振
周波数を示す模式図である。

【図５】アンテナ裏に複数の誘電体を用いた場合のアン
テナまわりの構成の例を示す断面図である。

【図６】本発明の第２の実施例に係わるプラズマ処理装
置の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１：真空容器、２：ステージ、３：被処理基板、４：ア
ンテナ、５：アンテナ裏誘電体、６：磁場コイル、７：
第一の整合器、８：第一の電源、９：第二の整合器、１
０：第二の電源、１１：ガス供給装置、１３：第三の整
合器、１４：バイアス用電源、１５：温調装置、１６：
誘電体容器、１７：電磁シールド、１８：コイル状アン
テナ、１０１：ネットワークアナライザ、１０２：電磁
波吸収体、１０５：第一の誘電体、１０６：第二の誘電
体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横川 賢悦 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 高橋 主人 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 Ｆターム(参考） 5F004 AA01 BA14 BA20 BB07 BB11 BB32 CA03

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大気より減圧された処理室と、該処理室に
   処理用ガスを導入する手段と、前記処理室内のガスを排
   気する手段と、前記処理室内に設けられた被処理基板を
   載置するためのステージと、前記処理用ガスをプラズマ
   化するための電磁波を放射するアンテナと、該アンテナ
   に電力を供給する高周波電源とを具備し、電磁波を放射
   するためにアンテナの共振を用いることを特徴とするプ
   ラズマ処理装置。
2. 【請求項２】大気より減圧された処理室と、該処理室に
   処理用ガスを導入する手段と、前記処理室内のガスを排
   気する手段と、前記処理室内に設けられた被処理基板を
   載置するためのステージと、前記処理用ガスをプラズマ
   化するための電磁波を放射するためのアンテナと、該ア
   ンテナに電力を供給する高周波電源とを具備し、該アン
   テナの共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６
   ＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすことを特徴とする
   プラズマ処理装置。
3. 【請求項３】大気より減圧された処理室と、該処理室に
   処理用ガスを導入する手段と、前記処理室内のガスを排
   気する手段と、前記処理室内に設けられた被処理基板を
   載置するためのステージと、該ステージに対向する位置
   に設けられた処理用ガスをプラズマ化する電磁波を放射
   するための略平面状のアンテナと、該アンテナに電力を
   供給する高周波電源とを具備し、該アンテナの共振周波
   数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜
   １．４の関係を満たすことを特徴とするプラズマ処理装
   置。
4. 【請求項４】請求項２、または請求項３に記載のプラズ
   マ処理装置において、 前記プラズマ未着火時のアンテナ共振周波数ｆｃを電源
   周波数ｆ０とを若干ずらしたこと（０．８＜ｆｃ／ｆ０
   ＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０）を特徴とするプラ
   ズマ処理装置。
5. 【請求項５】請求項３、または請求項４に記載のプラズ
   マ処理装置において、前記電磁波を放射する略平面状の
   アンテナ裏に、誘電率の異なる２種類以上の誘電体を備
   えた事を特徴とするプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】請求項１から請求項５に記載のプラズマ処
   理装置において、 前記アンテナに電力を供給する高周波電源の周波数ｆ０
   が、１０ＭＨｚ＜ｆ０＜１０００ＭＨｚであることを特
   徴とするプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】請求項６に記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記高周波に重畳して、第２の高周波（周波数ｆ１）を
   印加する事を特徴とするプラズマ処理装置。
8. 【請求項８】請求項７に記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記第２の高周波の周波数ｆ１は、前記第１の高周波の
   周波数ｆ０の1/2倍以下であることを特徴とするプラズ
   マ処理装置。
9. 【請求項９】請求請１から請求請８に記載のプラズマ処
   理装置において、 ５０Ｇ〜４００Ｇの静磁場、もしくは、時間的に緩やかに
   変動する磁場を加える事を特徴とするプラズマ処理装
   置。
10. 【請求項１０】請求項１から請求項９に記載のプラズマ
    処理装置において、 前記被処理基板を載置するステージに、１００ｋＨｚ〜
    １３．５６ＭＨｚの第３の高周波をバイアスとして印加
    することを特徴とするプラズマ処理装置。