JP2775274B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

プラズマ発生装置

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JP2775274B2
JP2775274B2 JP1013519A JP1351989A JP2775274B2 JP 2775274 B2 JP2775274 B2 JP 2775274B2 JP 1013519 A JP1013519 A JP 1013519A JP 1351989 A JP1351989 A JP 1351989A JP 2775274 B2 JP2775274 B2 JP 2775274B2
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實 菅原
剛 内藤
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体素子の製造工程の一つであるドライ
エッチング及びCVD等に用いられるプラズマ発生装置に
関するものである。
[従来の技術] 第8図に於いて従来のプラズマ発生装置について説明
する。
高周波電源1に直流遮断用のコンデンサ8を介して接
続された平板電極(カソード電極)2と、該平板電極2
に相対して接地電位にある対向電極(アノード電極)3
が設置されている。前記カソード電極2、アノード電極
3は真空容器4に収納され、カソード電極2は絶縁材5
により真空容器4と絶縁されている。
該真空容器4には反応性ガスを導入する導入系6と真
空容器4内の圧力を一定に保つ為の排気系7が設けられ
ている。
被処理物、例えばシリコンウェーハ9は、通常前記カ
ソード電極2上に載置される。
前記両電極2,3間に高周波電力、例えば13.56MHzを印
加して両電極間にプラズマを発生させるとプラズマ内の
電子と正イオンの移動速度の大きな違いにより、高周波
電力を印加した側(カソード電極2側)のカソードシー
スに大きな陰極降下電圧(セルフバイアス)が発生す
る。この陰極降下電圧で反応性ガスイオンは加速されて
被処理物9に垂直に入射し、垂直方向のエッチングが進
行する。
[発明が解決しようとする課題] 斯かる装置によりエッチング処理を行う場合、エッチ
ング速度を決定する主な要素として陰極降下電極(イオ
ンエネルギ)と被処理物に入射するイオンの数(イオン
密度=プラズマ密度)がある。
エッチング速度を増大させる為には、前記イオンエネ
ルギ、プラズマ密度のうち特にプラズマ密度を増大させ
なければならないが、プラズマ密度を増大させるには印
加した高周波電力を増加すればよい。
然し、この高周波電力を増加した場合、必然的に陰極
降下電圧(イオンエネルギ)も増加する。
従って、前記した被処理物が半導体素子製造の為のウ
ェーハである場合、従来のものではエッチング速度を増
大させるとイオンエネルギも増加し、更にイオンエネル
ギが必要以上に増加すると、ウェーハの表面に被膜した
マスク、更には被エッチング層下の層、或は母材に損傷
を与えるという問題があった。
本発明は斯かる実情に鑑み、マスク、被エッチング層
下の損傷を防止しつつ且エッチング速度の高速化を実現
する為のプラズマ発生装置を提供しようとするものであ
る。
[課題を解決する為の手段] 本発明は、真空容器内にアノード電極と該アノード電
極に対峙させて、高周波カソード電極を配設し、該高周
波カソード電極は主電極部と該主電極部と電気的に導通
状態にあり該主電極部の周囲に形成された周辺電極部と
から成り、該周辺電極部には所要の孔を穿設し、又該周
辺電極部に対向させ絶縁状態で直流カソード電極を設
け、前記高周波カソード電極に高周波電源を接続し、該
高周波電源に重畳させた直流電源を前記直流カソード電
極に接続し、前記アノード電極間と前記高周波カソード
電極間に高周波プラズマを発生させると共に前記周辺電
極部と前記直流カソード電極間に前記高周波プラズマに
隣接する直流プラズマを発生させることを特徴とするも
のであり、又高周波電源及び直流電源を独立して制御し
得る様構成したものである。
[作用] アノード電極と主電極部との間で高周波プラズマが発
生し、周辺電極部と直流カソード電極の間で直流プラズ
マが発生し、直流プラズマの電子が孔を通って補助電子
として主電極部の陰極降下領域に供給される。
補助電子の供給により陰極降下領域のイオンが中和さ
れ、その結果陰極降下電圧が減少する。従って、高周波
電力を増大させプラズマ密度を高めても陰極降下電圧を
小さくすることができる。又、高周波電源、直流電源の
個別の制御により、プラズマ密度、陰極降下電圧を独立
して制御し得、それぞれ任意の状態に維持することがで
きる。
[実 施 例] 以下、図面を参照しつつ本発明の一実施例を説明す
る。
先ず本発明の原理について説明する。
第1図は本発明の基本構成図を示しており、図中第8
図中で示したものと同一のものには同符号を付してあ
る。
前述した様にアノード電極とカソード電極間に高周波
電力を印加してプラズマを発生させた場合、プラズマ内
の電子及びイオンの移動速度に起因し、カソード電極側
のカソードシースに大きな、陰極降下電圧が生ずる。い
いかえれば、カソードシースはイオンの集合帯であり、
イオンと電子のアンバランスな状態によって前記陰極降
下電圧が生じるといえ、カソードシースに電子を別途供
給しイオンを中和すれば、陰極降下電圧を減ぜられる。
従って、印加する高周波電力を増大させても、充分な
電子をカソードシースに供給する様にすれば、陰極降下
電圧を増大させることなく、プラズマ密度を高めること
ができる。
第1図に示す基本構成では、カソード電極2の電極供
給ラインにフィラメント11、電源12から成る電子供給手
段13を接続している。
カソード電極2とプラズマ14との間にはカソードシー
ス10が形成されており、このカソードシース電圧(セル
フバイアス)VSの電位傾斜を模式的に曲線15で表わす。
ここで、フィラメント11の電源12は高周波電圧に重畳し
ている。
斯かる系に於いて、補助電子電流(フィラメントから
エミッション電流)Iepがない場合、カソードシース10
内に流込む電子電流Iepとイオン電流Iisとはシース電圧
VSによってバランスしている。
従って、次記式が成立する。
Iis=(A/4)eniVi=Iio Iep=(A/4)eneVeexp [−(e/kTe)× (Vs+Vpsinωt)] =Ieoexp[−(e/kTe)× (Vs+Vp′)] Iis=Iep、 Iio=Ieoexp[−(e/kTe)× (Vs+Vp′)]より、 Vsについて解くと Vs=(kTe/e)ln[{Ieoexp (−eVp′/kTe)}/Iio] となる。これが外部より電子電流がない時のシース電圧
である。
ここで、 Iep:カソードシースに流入する電子電流 Iis:カソードシースに流入するイオン電流 A :カソード電極の面積 e :電荷 ni :プラズマ内のイオン密度 ne :プラズマ内の電子密度 Vi :イオンの平均速度 Ve :電子の平均速度 k :ボルツマン定数 Te :電子温度 Vs :シース電圧 Vp :高周波電圧の振幅 ω :高周波電圧の角周波数 t :時間 Ieo:(A/4)eneVe Vp′:Vpsinωt 次に、前記した電子供給手段13によって、カソードシ
ース10内に電子電流Iemを供給すると、 Iep=Iis+Iemより、 Iio+Iem =Ieoexp(−eVs/kTe)・ exp(−eVp′/kTe) これよりVsについて解くと、 Vs=(kTe/e)ln[{Ieoexp (eVp′/kTe)/(Iio+Iem)] となる。これにより、 [{Ieoexp(−eVp′/kTe)/ (Iio+Iem)]=1 となるまでIemを増すとVs=0とすることができる。
而して、高周波電圧を重畳した回路よりカソードシー
ス内に補助電子を供給することによってシース電圧を制
御することができる。
上記基本構成例では電子供給手段は、フィラメントか
らのエミッション電流を用いたものであるが、直流放電
によって生ずる電子を供給する様にしてもよい。
第2図は、直流放電により補助電子を供給する様にし
た本発明の他の基本構成図である。
アノード電極16に対峙させ、スリット、孔を多数穿設
した、或はメッシュ状の高周波カソード電極17を配設
し、該高周波カソード電極に対峙させアノード電極16の
反対側に直流カソード電極18を配設する。
前記アノード電極16は接地電極であり、又高周波カソ
ード電極17は直流阻止コンデンサ8を介して高周波電源
1に接続している。又、該高周波カソード電極17は補助
直流放電回路19のアノード電極兼ねており、直流電源20
の+側に接続されている。更に、前記直流カソード電極
18は抵抗21を介して直流電源20の−側に接続されてい
る。
而して、アノード電極16の高周波カソード電極17間、
及び高周波カソード電極17と直流カソード電極18間にそ
れぞれ高周波電力及び直流電力を供給することにより、
高周波プラズマ22、直流プラズマ23が発生する。
前記高周波カソード電極17の高周波プラズマ側に発生
するカソードシース10には、この直流プラズマ23側から
高周波カソード電極17の孔を通って補助電子が供給さ
れ、この補助電子の供給により前記シース電圧VSが減少
する。又、補助電子の供給量については直流電力を増減
することで制御することができる。
従って、直流電力の制御でシース電圧VSが制御でき、
プラズマ密度については高周波電力によって制御するこ
とができる。
尚、上記した系に於いては、高周波側のプラズマに
は、反応性ガスを用いたプラズマとし、直流側のプラズ
マには放電が安定な例えばアルゴンガス等の不活性ガス
を用いたプラズマとすることができる。
以下第3図に於いて本発明の実施例を説明する。
尚、該実施例は第2図で示される基本構成について具
体化したものである。
真空容器26の天井面側に円盤状のアノード電極27を設
け、該アノード電極27に対向させ床面側に高周波カソー
ド電極28を絶縁物29を介して設ける。
前記高周波カソード電極28は第4図に示される様にア
ノード電極27に対峙する主電極部28aと該主電極部28aの
周囲に広がり後述する直流カソード電極31のアノード電
極を兼ねるフランジ電極部28bを有し、該フランジ電極
部28bには円弧状のスリット孔30が穿設してある。
前記した直流カソード電極31は前記スリット孔30に対
向した凹部32が形成されたリング形状をしており、絶縁
物29を介在させた状態で高周波カソード電極28に取付け
られる。而して、高周波カソード電極28はコンデンサ8
を介して出力電圧を制御可能とした高周波電源1が接続
され、直流カソード電極には高周波電圧に重畳する様に
抵抗21を介して出力電力を制御可能とした直流電源20が
接続され、アノード電極27と高周波カソード電極28間に
高周波プラズマが発生され、高周波カソード電極28と直
流カソード電極31間に直流プラズマが発生される。更
に、直流プラズマからはスリット孔30を通って高周波プ
ラズマ側へ補助電子が供給され、シース電圧を制御す
る。而して、直流電源20、抵抗21に依って構成される補
助直流放電回路19は高周波電圧に重畳しているので直流
プラズマは高周波プラズマに完全に同期した理想的な状
態で発生される。即ち、補助電子の供給は高周波電圧の
影響を受けずに独立して制御が可能である。
尚、上記した直流カソード電極31は凹部32の形成によ
って、ホロー電極構造となっており、ホロー陰極放電が
行われ、低電圧でも高密度のプラズマが得られる。
又、前記スリット孔30は同一円周上に配した多数の孔
であってもよく、凹部32も連続した溝であっても、多数
の穴であってもよい。更に補助電子供給手段としてはホ
ットフィラメント、電子銃等種々のものを採用し得るこ
とは勿論である。
次に、第5図は本発明の他の実施例を示すものであ
り、該実施例では前記実施例中のフランジ電極部28bを
主電極部28aに対して同心円筒形状とした円筒電極部28
b′を形成し、該円筒電極部28b′に対し直流カソード電
極31′を同心多重に配設したものである。
該実施例に於いても前記実施例と同様な作用、効果を
奏することは言うまでもない。
更に、第6図、第7図は本発明の他の実施例を示すも
のであり、該実施例では真空容器26自体を接地電位とし
てアノード電極とし、又高周波カソード電極28を以下の
如くしたものである。
即ち、高周波カソード電極28を円形平板状とし、該高
周波カソード電極28を放射状に延びる孔30″の列で区画
し、該区画した部分にウェーハ等の処理物を載置可能と
してこの部分を主電極部28a″とし、該主電極部28a″の
周辺及び孔30″の列を含む部分を周辺電極部として構成
したものである。
尚、図中31″は高周波カソード電極28に対峙させた直
流カソード電極である。
尚、本発明は主電極部とその周辺に形成されるフラン
ジ電極部等周辺電極部とを別体に形成して電気的に接続
する等種々変更し得るものであり、上記した実施例の電
極形状、構造に限定されるものではないことは勿論であ
る。
[発明の効果] 以上述べた如く本発明によれば、高周波プラズマに隣
接して発生させた直流プラズマから高周波電極の陰極降
下領域に電子を供給することによってカソードトース電
圧を制御することができ、高周波電力の制御と合せ、カ
ソードシース電圧を所望の状態に維持して、プラズマ密
度を自在に制御することができるという優れた効果を発
揮する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理を示す基本構成図、第2図は他の
基本構成図、第3図は本発明の一実施例を示す説明図、
第4図は該実施例中の高周波カソード電極の形状を示す
斜視図、第5図は他の実施例を示す説明図、第6図は更
に他の実施例を示す説明図、第7図は該実施例の高周波
カソード電極の平面図、第8図は従来例の基本構成図で
ある。 1は高周波電源、13は電子供給手段、16,27はアノード
電極、17,28は高周波カソード電極、18,31は直流カソー
ド電極、19は補助直流放電回路、20は直流電源を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H05H 1/46 H05H 1/46 M (56)参考文献 特開 昭61−2328(JP,A) 特開 昭60−195939(JP,A)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空容器内にアノード電極と該アノード電
    極に対峙させて、高周波カソード電極を配設し、該高周
    波カソード電極は主電極部と該主電極部と電気的に導通
    状態にあり該主電極部の周囲に形成された周辺電極部と
    から成り、該周辺電極部には所要の孔を穿設し、又該周
    辺電極部に対向させ絶縁状態で直流カソード電極を設
    け、前記高周波カソード電極に高周波電源を接続し、該
    高周波電源に重畳させた直流電源を前記直流カソード電
    極に接続し、前記アノード電極間と前記高周波カソード
    電極間に高周波プラズマを発生させると共に前記周辺電
    極部と前記直流カソード電極間に前記高周波プラズマに
    隣接する直流プラズマを発生させることを特徴とするプ
    ラズマ発生装置。
  2. 【請求項2】直流カソード電極をホロー陰極構造とした
    請求項第1項記載のプラズマ発生装置。
  3. 【請求項3】高周波電源、直流電源を個別に制御し得る
    様構成した請求項第1項記載のプラズマ発生装置。
  4. 【請求項4】高周波プラズマには反応性ガスを用い、直
    流プラズマには不活性ガスを用いる請求項1のプラズマ
    発生装置。
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