JP2002190450A

JP2002190450A - プラズマ処理方法とその装置

Info

Publication number: JP2002190450A
Application number: JP2000388865A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Niimura; 忠新村; Takemoto Yamauchi; 健資山内; Masashi Yamahana; 雅司山華; Hiroyuki Fukumizu; 裕之福水
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-07-05

Abstract

(57)【要約】【課題】処理室内の被処理体に対して均質な処理を行
なうことができて、かつ、装置の長寿命化を達成できる
プラズマ処理方法とその装置を提供すること。【解決手段】誘電体窓５の大気側に設けられ高周波電
源４に接続されたアンテナコイル１１により誘起された
誘電電磁界を、アンテナコイル１１近傍に設けられた金
属薄膜１２、１２ａ〜１２ｌにより均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置等の
電子デバイスの製造に用いられるドライエッチング、ス
パッタリング、およびＣＶＤ等のプラズマ処理方法とそ
の装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、薄膜堆積装置等に用いられている
誘導結合型のプラズマ源を用いたプラズマ処理装置は、
処理容器（真空容器）の内部の試料台（カソード電極）
にウエハ等の被処理体を載置し、処理容器に形成されて
いる誘電体窓等の外側にアンテナコイルが配置されてい
る。このアンテナコイルを流れるＲＦ電流により誘導電
磁界を発生させてプラズマを生成している。

【０００３】この誘導結合型プラズマ源を用いた処理装
置でのプラズマの均一性は、アンテナコイルの形状や、
誘電体窓の形状によって定まるプラズマの分布に大きく
依存している。このため、種々のアンテナコイル、誘電
体窓の形状が提案されている。

【０００４】例えば、試料台に置かれたウエハによって
引き起こされるプラズマの不均一性を補償し、ウエハの
面内の均一性を向上させるためには、試料台に置かれた
ウエハ周辺の形状を変化させ、ウエハに印加されるバイ
アス電位や、入射イオン電流およびエネルギーを制御す
る方法が行なわれている。

【０００５】また、真空容器の大きさや容器内の部品間
隔、高周波電力の供給方法によって発生してしまうプラ
ズマ自身の不均一性を改善するために、２系統以上の高
周波電力を真空容器中に供給し、真空容器内のプラズマ
密度を均一にするという方法も開示されている。

【０００６】また、特開２０００−５８２９６号公報に
は、アンテナコイルとして順に径の増加する異径の円状
コイルを、同心円状に内周側から外周側へ並べて設置し
た技術が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】誘導結合型プラズマを
用いたプラズマ処理装置では、処理装置内に誘導電磁界
を誘起するためのアンテナコイルが容量結合成分を持っ
ている。そのために、処理容器の内部のアンテナコイル
の近傍に電磁界が集中する。その結果、アンテナコイル
の近傍に設けられた誘電体窓は、プラズマからのイオン
衝撃によって、誘電体窓の窓材が影響を受けて、処理容
器の内部に載置された被処理体の汚染原因になったり、
誘電体窓自体の短寿命化が問題となっている。

【０００８】この誘電体窓のプラズマからのイオン衝撃
による、処理容器内の被処理体への汚染や、誘電体窓の
短寿命化といった問題に関しては、その緩和策として誘
電体窓とアンテナコイルとの距離を離すことによる容量
結合成分を抑えることが行われている。しかしながら、
この場合、アンテナコイルと処理容器の内部のプラズマ
生成領域との距離も離れてしまうために、誘導電磁界の
強度も弱まってしまう。その結果、処理速度の低下を意
味するプラズマ密度の低下を引き起こしてしまうという
問題が発生する。

【０００９】また、特開２０００−５８２９６号公報に
記載された異径の円状コイルを、同心円状に内周側から
外周側へ並べて設置した技術では、生成されたプラズマ
の分布が１つのパターンに固定されるために、様々な条
件毎に応じた均一なプラズマの分布を得ることができな
い。

【００１０】本発明はこれらの事情にもとづいてなされ
たもので、処理室内の被処理体に対して均質な処理を行
なうことができて、かつ、装置の長寿命化を達成できる
プラズマ処理方法とその装置を提供することを目的とし
ている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、一部に誘電体窓を有し、内部に被処理体を
配する処理容器に対し、処理ガスを供給しながら排気を
行なうことで圧力を制御すると共に、前記処理容器外に
設けられた高周波電源に接続されたアンテナコイルによ
り励起された誘電電磁界を前記誘電体窓を介して導入
し、前記処理容器内にプラズマを生成させて前記被処理
体に対して所定の処理を施すプラズマ処理方法におい
て、前記プラズマは、前記処理容器外で前記アンテナコ
イル近傍に設けられた金属部材により均一化されている
ことを特徴とするプラズマ処理方法である。

【００１２】また請求項２の発明による手段によれば、
前記金属部材は浮遊電位にあることを特徴とするプラズ
マ処理方法である。

【００１３】また請求項３の発明による手段によれば、
前記金属簿膜は、接続された直流電源により電位を制御
されていることを特徴とするプラズマ処理方法である。

【００１４】また請求項４の発明による手段によれば、
内部に被処理体を収納可能に設けられ一部に誘電体窓が
形成された処理容器と、該処理容器に処理ガスを導入す
る処理ガス導入路と、前記処理容器を排気するガス排出
路と、前記誘電体窓の近傍に設けられ高周波電源に接続
されたアンテナコイルと、前記アンテナコイルの近傍に
設けられた金属部材とを有することを特徴とするプラズ
マ処理装置である。

【００１５】また請求項５の発明による手段によれば、
前記金属部材は、前記誘電体窓表面に形成された金属薄
膜であることを特徴とするプラズマ処理装置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のプラズマ処理装置
の実施の形態を、図面を参照して説明する。

【００１７】誘導結合型プラズマ源を用いたプラズマ装
置では、アンテナコイルと、それをプラズマから絶縁す
る誘電体からなるプラズマ源により、アンテナコイルに
流れるＲＦ電流によってＲＦ電磁界を発生させている。
ＲＦ電磁界は、電磁誘導により誘導電磁界を発生させ
て、これにより処理室である真空容器内にプラズマが生
成さて維持されている。

【００１８】図１は、本発明のプラズマ処理装置の模式
概略図である。

【００１９】処理容器である真空容器１は、内部にカソ
ード電極である電極板２が設けられている。この電極板
２は、電極としての機能も持たせるために金属等の良導
体を加工して形成されるが、ウエハ等の被処理体３を載
置するために上面が平坦に仕上げられるとともに絶縁処
理も施されている。また、電極板２には高周波電源４が
接続されている。この高周波電源４は独立に制御可能
で、プラズマ処理の異方性の源となるバイアス電圧を調
節しうるように、その出力パワーが可変のものであり、
周波数が２０ＭＨｚ〜４００ＫＨｚ程度のものを用いて
いる。

【００２０】真空容器１は、接地可能なようにアルミニ
ウム等の金属により形成されるが、天井部の壁の一部は
誘電体窓５で構成されている。この誘電体窓５は、交番
電磁界を真空容器１の内部のプラズマ処理空間に効率良
く伝搬するために誘電率の高いアルミナを主成分とする
セラミックまたは、石英等の絶縁部材により形成されて
いる。

【００２１】また、真空容器１には、それぞれ管路を介
してプロセスガス供給装置６と真空ポンプ７とが接続さ
れており、被処理体３に対して処理を施す際に、真空容
器１の内部を任意の圧力に制御できるように形成されて
いる。それらは、必要な真空度に基づいてロータリポン
プやメカニカルブースタ等が用いられる。

【００２２】なお、プロセスガス供給装置６から真空容
器１の内部へ供給される処理ガスとしては、ＣＦ系ガス
やシランガス等の反応ガスに適量の希釈ガスを混合させ
たもの等が用いられている。

【００２３】一方、誘電体窓５の大気側には、真空容器
１の内部に誘導電磁界を誘起するために、高周波電源８
に接続されたアンテナコイル１１と金属薄膜１２が対の
状態で設置されている。アンテナコイル１１は、誘電体
窓５と接触していても、図１に示したように、誘電体窓
５と一定の距離を有して設置されていてもよい。また、
アンテナコイル１１に接続されている高周波電源８は出
力パワーが可変のものであり、プラズマの励起および維
持のために、その最大出力パワーは大きい。また、その
周波数は５ＭＨｚ〜５１０ＭＨｚ程度のものを用いてい
る。

【００２４】金属薄膜１２は、アンテナコイル１１とは
電気的に絶縁されており、かつ、接地されておらずに浮
遊電位となっている。材質は、ＡｌやＣｕ等の導体であ
ればいずれのものでも用いることができる。また、金属
薄膜１２は、薄膜個体を誘電体窓５やその近傍に配置し
ても、誘電体窓５にコーティングにより形成してもよ
い。

【００２５】図２（ａ）〜（ｅ）は、誘電体窓５とアン
テナコイル１１と金属薄膜１２のパターンの例を示した
平面図である。図２（ａ）は、比較例として示したもの
で、金属薄膜１２を配置していないアンテナコイル１１
のみを配置したの場合である。図２（ｂ）は、アンテナ
コイル１１と同心状にアンテナコイル１１の内部に円形
状の金属薄膜１２ｂを配置した場合である。図２（ｃ）
も、アンテナコイル１１と同心状にアンテナコイル１１
の内部に円形状の金属薄膜１２ｃを配置した場合である
が、図２（ｂ）に示した場合に比べて金属薄膜１２ｃの
径が大きいものを用いている。したがって、金属薄膜１
２ｃの外周とアンテナコイル１１との距離は、図２
（ｂ）に示した場合に比べて狭くなっている。図２
（ｄ）は、図２（ｃ）で示した金属薄膜１２ｃに十文字
状の枝を外延させた金属薄膜１２ｄの場合である。な
お、この場合平面図であるので、十文字状の枝がアンテ
ナコイル１１と接しているように表現されているが、両
者は離間しており電気的な接続はしていない。図２
（ｅ）は、図２（ｄ）で示した金属薄膜１２ｄに、さら
に枝を増やした金属薄膜１２ｅであり、それぞれ等間隔
に配置された枝の数は全部で１６本である。

【００２６】これらの構成により、被処理体３への処理
は、被処理体３であるウエハ７を真空容器１の内部の電
極板２の上に載置し、真空ポンプ７で真空容器１の内部
を排気した後、プロセスガス供給装置６から、ＣＦ系ガ
スやシランガス等の反応ガスに適量の希釈ガスを混合さ
せた処理用ガスを真空容器１の内部に導入する。そし
て、真空容器１の内部の圧力を所定の値に制御した後、
アンテナコイル１１に高周波電源８より高周波を印加す
ることにより、誘導磁場を誘起し真空容器１の内部にプ
ラズマを形成する。また、被処理体３であるウエハを載
置した電極板２に、高周波電源４から高周波を印加する
ことにより、ウエハに対しての所定のプラズマ処理を行
っている。

【００２７】図３は、これらのプラズマ処理を、誘電体
窓５の表面上に図２（ａ）〜（ｅ）で示したアンテナコ
イル１１と金属薄膜１２ｂ〜１２ｅを配置した際の、真
空容器１の内部に形成されたプラズマの分布を、真空容
器１の中心から内壁までの間で、位置毎に電子密度の空
間分布を測定した結果を示すグラフである。なお、図３
で示した折れ線Ａは図２（ａ）で示した構成の場合であ
り、以下、同様に折れ線Ｂ〜Ｅは、それぞれ、図２
（ｂ）〜（ｅ）で示した構成に対応している。

【００２８】折れ線Ａでは、アンテナコイル１１の位置
のみに電子密度のピーク値が存在し、それ以外の位置で
は極めて低く、真空容器１の中心とアンテナコイル１１
との間では、電子密度の位置による差異が大きく不均一
が著しい。

【００２９】折れ線Ｂでは、アンテナコイル１１の位置
で形成されるピーク値が折れ線Ａに比べて幅が広くなっ
ているが、真空容器１の中心とアンテナコイル１１との
間では、電子密度の位置による差異が大きく、電子密度
の位置による不均一は解消されていない。

【００３０】折れ線Ｃでは、アンテナコイル１１の位置
で形成されるピーク値が折れ線Ｂに比べても更に幅が広
くなっており、また、真空容器１の中心とアンテナコイ
ル１１との間では、電子密度の位置による差異も折れ線
Ｂに比べれば小さくなっているが、依然として、電子密度
の位置による不均一は解消されていない。

【００３１】折れ線Ｄでは、アンテナコイル１１の位置
で形成されるピーク値が折れ線Ｃに比べても幅が広くな
っており、また、真空容器１の中心とアンテナコイル１
１との間では、電子密度が高く、また、位置による差異
も折れ線Ｂに比べれば小さくなっており、かなり電子密
度が均一になっている。

【００３２】折れ線Ｅでは、アンテナコイル１１の位置
で形成されるピーク値の電子密度が幅広く均一に維持さ
れており、電子密度の位置による差異も少なく、最も良
好な分布状態である。

【００３３】これらの結果から、アンテナコイル１１の
近傍では、高周波によって誘起される電磁界強度が強い
ために、電子密度が高くなっているが、金属薄膜１２ｂ
〜１２ｅを設置することで、電子密度の分布が均一にな
っていくことが確認できた。

【００３４】また、プラズマとの容量結合成分がアンテ
ナコイル１１に集中することなく、金属薄膜１２ｂ〜１
２ｅの設置された領域に分散されることで、誘電体窓５
の削れが、一箇所に集中することも回避できることも確
認できた。

【００３５】なお、アンテナコイル１１と金属薄膜１２
ｂ〜１２ｅとの組合せによる相互の配置は、上述の場合
に制限されず、それ以外にも形成することができる。

【００３６】図４（ａ）〜（ｄ）は、アンテナコイル１
１と金属薄膜１２ｇ〜１２ｌとの組合わせの変形例の一
例を示す側面図である。

【００３７】図４（ａ）では、金属薄膜１２ｇ、１２ｈ
をアンテナコイル１１の内側の円盤状１２ｇとアンテナ
コイル１１の外側のリング状１２ｈとに分離して誘電体
窓５の表面に形成している。

【００３８】図４（ｂ）では、金属薄膜１２ｉをアンテ
ナコイル１１個所の上方をコ字状に屈曲させて、アンテ
ナコイル１１と非接触を保ち、アンテナコイル１１の外
側まで延在させて誘電体窓５の表面に形成している。こ
の場合は、アンテナコイル１１の内周と外周とに設置さ
れた金属薄膜１２ｉの電位を同一にするために、アンテ
ナコイル１１の上部を通過して電気的に接続しているの
で、金属薄膜１２ｉは、誘電体窓５に接触して設置され
る必要はなく、誘電体窓５と一定の距離を離すことで
も、プラズマ分布を制御することができる。

【００３９】図４（ｃ）では、金属薄膜１２ｊ、１２ｋ
をアンテナコイル１１内の円盤状１２ｊとアンテナコイ
ル１１の外側のリング状１２ｋとに分離して誘電体窓５
の表面に形成している。ただしこの場合は、金属薄膜１
２ｊ、１２ｋも誘電体窓５の表面からアンテナコイル１
１と略銅距離離間して形成している。

【００４０】図４（ｄ）では、金属薄膜１２ｌをアンテ
ナコイル１１内に断面がＶ字状になるように屈曲させて
誘電体窓５と離間した位置に形成している。

【００４１】なお、上述の場合は、いずれも、金属薄膜
１２ｂ〜１２ｌの大きさや形状や配置を変化させること
で、アンテナコイル１１との距離を変化させ、金属薄膜
１２ｂ〜１２ｌの電位を制御しているが、同様な効果を
得るために、金属薄膜１２ｂ〜１２ｌの電位を制御する
ための、独立したＤＣ電源とコンデンサ等によるや回路
を設けて、それによって制御することもできる。

【００４２】以上に述べたように、本発明によれば、アン
テナコイルとは異なる金属薄膜を、誘電体窓の表面やそ
の近傍に設置することで、アンテナコイルの近傍に発生
する電磁界を分散させ、処理装置内の誘電体窓表面での
電位を均一化することで、処理の均一性を向上させるこ
とができる。また、同時に、プラズマからのイオン衝撃
による誘電体窓の局所的な削れを抑えることができて、
誘電体窓の長寿命化が図れる。

【００４３】また、金属薄膜は容易に交換して変更する
ことができるので、新規の真空容器１や内部を改良した
真空容器１に対して、真空容器の内部のプラズマの分布
状況が不均一でも、金属薄膜１２を交換することで、均一
で良好なプラズマの分布状態を得ることができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマ処理装置内で
均一なプラズマを生成することが可能で、かつ、アンテ
ナコイル近傍の電磁界集中も抑えられるために、誘電体
窓の局所的な削れも抑制可能で、誘電体窓の長寿命化が
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の模式概略図。

【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の誘電体窓とアンテ
ナコイルと金属薄膜のパターンの例を示した平面図。

【図３】図２（ａ）〜（ｅ）に対応した電子密度の空間
分布の測定結果のグラフ。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は、アンテナコイルと金属薄膜
との組合わせの変形例の一例を示す側面図。

【符号の説明】

１…真空容器、２…電極板、３…被処理体、４…高周波
電源、５…誘電体窓、６…プロセスガス供給装置、８…
高周波電源、１１…アンテナコイル、１２、１２ａ〜１
２ｌ…金属薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山華雅司神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内 (72)発明者福水裕之神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内Ｆターム(参考） 4G075 AA42 AA51 BC02 BC04 BC06 CA25 CA43 CA47 CA65 EB01 EB41 EC21 FB02 FB04 FB06 FC11 FC15 4K030 FA04 KA30 KA45 5F004 AA01 BA20 BB11 BD04 DA00 5F045 AA08 AC01 AF01 DP04 EH02 EH04 EH08 EH11 EH20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一部に誘電体窓を有し、内部に被処理体
を配する処理容器に対し、処理ガスを供給しながら排気
を行なうことで圧力を制御すると共に、前記処理容器外
に設けられた高周波電源に接続されたアンテナコイルに
より励起された誘電電磁界を前記誘電体窓を介して導入
し、前記処理容器内にプラズマを生成させて前記被処理
体に対して所定の処理を施すプラズマ処理方法におい
て、前記プラズマは、前記処理容器外で前記アンテナコイル
近傍に設けられた金属部材により均一化されていること
を特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】前記金属部材は浮遊電位にあることを特
徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】前記金属簿膜は、接続された直流電源に
より電位を制御されていることを特徴とする請求項１記
載のプラズマ処理方法。
【請求項４】内部に被処理体を収納可能に設けられ一
部に誘電体窓が形成された処理容器と、該処理容器に処
理ガスを導入する処理ガス導入路と、前記処理容器を排
気するガス排出路と、前記誘電体窓の近傍に設けられ高
周波電源に接続されたアンテナコイルと、前記アンテナ
コイルの近傍に設けられた金属部材とを有することを特
徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】前記金属部材は、前記誘電体窓表面に形
成された金属薄膜であることを特徴とする請求項４記載
のプラズマ処理装置。