JP2913121B2

JP2913121B2 - Ｅｃｒプラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2913121B2
Application number: JP16342591A
Authority: JP
Inventors: 一成今橋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1991-06-10
Publication date: 1999-06-28
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: JPH04361530A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はＥＣＲプラズマ発生装
置に関するもので、特にマイクロ波と磁場によりプラズ
マを発生させ例えば半導体ウエハ等の試料をエッチング
あるいは成膜処理等するＥＣＲプラズマ発生装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体製品の微細化及び高品質化
に伴い、半導体製造工程において、マイクロ波とリング
状のコイルに電流を流すことにより発生した磁場により
高密度プラズマを発生させ、半導体ウエハをエッチング
あるいは成膜処理等するＥＣＲプラズマ発生装置が使用
されている。

【０００３】従来のこの種のＥＣＲプラズマ発生装置を
用いた半導体製造装置での工程は、先ずプラズマ加工を
行う真空反応室内の保持部に半導体ウエハを載置し、磁
場発生用コイルによって真空反応室内に磁場を発生さ
せ、導入口から処理ガスを反応室内に導入しておき、マ
イクロ波を照射して電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）
を発生させ高密度なプラズマを発生させ、このプラズマ
により半導体ウエハを処理している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような工程で半導体ウエハのプラズマ処理を行う従来の
ＥＣＲプラズマ発生装置においては、半導体ウエハの形
状が大きくなるにつれて、磁場発生のために大電力が必
要となってくる。すなわち、例えばＥＣＲ領域で８７５
ガウスの磁場と２４５０メガヘルツのマイクロ波が与え
られると、この付近の電子が共鳴して回転を始め、この
電子が反応性ガスと衝突して電離し、プラズマを発生す
るが、ウエハの直径が１０インチの場合には、磁場発生
用コイルの内直径５００mm、外直径６６０mm、高さ８０
mmという大きな寸法になってしまう。更に、この場合、
８７５ガウスという磁場をＥＣＲ領域全体に渡って発生
させるために磁場発生用コイルに流す電流は４万アンペ
アターン以上必要で、要する電力は１６KW以上にもな
る。更に、ウエハの直径が将来１２インチになった場合
には更に大電力を要し、しかも装置が大型となるという
問題がある。

【０００５】また、従来のこの種のプラズマ発生装置に
おいて、マイクロ波の導入によってプラズマを発生する
放電管をマイクロ波導入方向から試料方向に向って主放
電部より先の部分で広がった構造として、面積の広いプ
ラズマ処理を可能としたものも使用されている（特開昭
５９−２０２６３５号公報参照）。しかし、この種の構
造のものにおいてはリング状のコイルに電流を流して発
生させた磁力線が被処理体表面に対して垂直でなく傾斜
するため、ウエハ表面の例えばエッチング処理状態も磁
力線の方向に傾斜してしまい、垂直なエッチングを行う
ことができず微細加工が困難になるという問題があっ
た。

【０００６】この発明は上記事情に鑑みなされたもの
で、装置の小型化及び消費電力の省力化が図れ、かつ微
細加工が容易な効率のよいプラズマ処理を可能としたＥ
ＣＲプラズマ発生装置を提供することを目的とするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の第１のＥＣＲプラズマ発生装置は、マイ
クロ波の周波数と磁場の強さを所定の条件に一致させて
電子サイクロトロン共鳴を励起させることにより高密度
のプラズマを発生させるＥＣＲプラズマ発生装置を前提
とし、磁場形成手段を、対向配置される磁極と、磁極を
巻装する磁場発生用コイルと、対向方向と直交する方向
に分割される複数のヨークとで構成し、上記磁場形成手
段の対向配置された磁極間にプラズマ発生室を形成し、
かつ上記プラズマ発生室内において、試料に対して垂直
に磁力線及びイオン照射を行うことが可能なように、マ
イクロ波導入口の開口面と、試料を載置する持台の載置
面とを対向配置してなることを特徴とするものである。
また、この発明の第２のＥＣＲプラズマ発生装置は、上
記第１の発明のＥＣＲプラズマ発生装置において、磁場
形成手段におけるプラズマ発生室側の近傍位置に永久磁
石を配設してなるものである。更に、この発明の第３の
ＥＣＲプラズマ発生装置は、上記第１又は第２のＥＣＲ
プラズマ発生装置において、対向する磁場形成手段の中
央部に開口部を設けてなるものである。

【０００８】この発明において、対向配置される磁場形
成手段の磁極はプラズマ発生室を介して対向するもので
あれば、その対向面の形状は平坦状であってもよいが、
好ましくは凹面状である方がよい。更に好ましくは対向
配置される磁場形成手段を対称に形成する方がよい。

【０００９】上記磁場発生用コイルは磁極に巻装される
ものであれば、その位置は任意でよく、例えば磁極のプ
ラズマ発生室側に巻装してもよく、あるいは磁極のプラ
ズマ発生室より離れた位置に巻装してもよい。

【００１０】上記磁場形成手段を構成するヨークは対向
方向に対して直交する方向に分割されるものであれば、
その配設位置は任意でよいが、好ましくはプラズマ発生
室の中心を通る垂直線に対して対称位置に配設する方が
よい。

【００１１】

【作用】上記のように構成されるこの発明のＥＣＲプラ
ズマ発生装置によれば、磁場形成手段を、対向配置され
る磁極と、磁極を巻装する磁場発生用コイルと、対向方
向と直交する方向に分割される複数のヨークとで構成
し、磁場形成手段の対向配置された磁極間にプラズマ発
生室を形成し、かつプラズマ発生室内において、試料に
対して垂直に磁力線及びイオン照射を行うことが可能な
ように、マイクロ波導入口の開口面と、試料を載置する
持台の載置面とを対向配置することにより、複数の磁気
回路を形成できるので、プラズマ発生部で均等の磁場を
形成することができると共に、試料に対して垂直に磁力
線及びイオンを照射することができ、微細加工及びプラ
ズマ処理の効率を向上することができる。

【００１２】また、磁場形成手段におけるプラズマ発生
室側の近傍位置に永久磁石を配設することにより、磁場
発生用コイルと永久磁石とが相俟って消費電力の削減が
図れると共に、磁場の制御が可能となる。しかも、永久
磁石はプラズマ発生室側の近傍位置に配設されるので、
外部への漏洩磁界を防止でき、装置周辺への磁気による
悪影響を少なくできる。

【００１３】更に、対向する磁場形成手段の中央部に開
口部を設けることにより、開口部を利用してマイクロ波
導入手段あるいは試料保持部等の装置への組込み等を容
易にすることができる。

【００１４】

【実施例】以下にこの発明の実施例を図面に基いて詳細
に説明する。

【００１５】 ◎第一実施例図１はこの発明のＥＣＲプラズマ発生装置の第一実施例
をエッチング装置に適用した場合の断面図、図２は図１
の平面図が示されている。

【００１６】この発明のＥＣＲプラズマ発生装置は、試
料である半導体ウエハ１（以下にウエハという）を載置
保持する支持台２を配設するプラズマ発生室３を有する
装置本体４と、この装置本体４の上下部においてプラズ
マ発生室３を形成すべく対向配置される磁場形成手段
５，６と、上部の磁場形成手段５とプラズマ発生室３と
の間に配設される例えば２．４５ギガヘルツのマイクロ
波が伝達されるマイクロ波導入手段であるラジアル導波
管７とで主要部が構成されている。

【００１７】この場合、装置本体４は、例えばアルミニ
ウム合金あるいはステンレス鋼等の非磁性体で形成され
ており、この装置本体４の上部開口部にマイクロ波を透
過する石英ガラス８を介してラジアル導波管７が配設さ
れている。このラジアル導波管７は、図３に示すように
放射方向に複数のスリット状のマイクロ波導入口９，９
…を有し、上部中央に開設された開口１０に図示しない
マグネトロンと接続する同軸ケーブル１１を接続し、そ
の周囲には無駄なマイクロ波を吸収するマイクロ波吸収
体１２が装着されている。なお、マイクロ波導入口８の
開口１０はマイクロ波の波長をλg としたとき、例えば
１cm×（λg ／２）に形成されている。このように構成
されるラジアル導波管７のマイクロ波導入口９を有する
面１３と対向してウエハ１の載置面２ａを有する導電性
の支持台２とで電子サイクロトロン共鳴を励起する空胴
共振器が構成される。すなわち、マイクロ波導入口９を
有する面１３と支持台２の載置面２ａとの間で形成され
る空胴距離を、マイクロ波の波長をλt としたとき、
（λt ／２）×ｎ（整数）として、反応室５をＴＥモー
ドあるいはＴＥＭモードの電子サイクロトロン共鳴を励
起する空胴共振器構造とすることができる。

【００１８】また、プラズマ発生室３には、例えばＣｌ
2 、ＳＦ6 、ＣＦ4 等の反応性ガスの供給口１４，１５
と、図示しない排気手段に接続された排気口１６が設け
られて、プラズマ発生室３内が所定の真空雰囲気に維持
されるように構成されている。なお、石英ガラス８はＯ
リング１７を介して装置本体４に装着されて、真空維持
が図られており、また、排気口１６には例えば導電性の
メッシュ状のマイクロ波を通過させないフィルタ１８が
設けられている。

【００１９】一方、磁場形成手段５，６は、装置本体４
の上下に対向配置される上部及び下部磁極１９，２０
と、これら磁極１９，２０の周囲にそれぞれ巻装されて
プラズマ発生室３での磁場の強さを制御する磁場発生用
コイル２１，２１と、上部磁極１９と下部磁極２０を連
結する良磁性体例えば軟鉄からなる複数のヨーク２２，
２２…とで構成されており、対向配置される磁極１９，
２０間にプラズマ発生室３が形成されている。この場
合、ヨーク２２，２２…は、上部磁極１９と下部磁極２
０の対向方向と直交する方向すなわちプラズマ発生室３
の中心を通る垂直線に関して対称の方向に４分割されて
いる。そして、対向する上部磁極１９と下部磁極２０の
対向する面１９ａ，２０ａはそれぞれ凹状に形成されて
おり、上部磁極１９と下部磁極２０の間に形成される磁
力線Ａをウエハ１の表面に対して垂直でありウエハ１表
面と平行な面における磁場の強さを均一にすることがで
きるように構成されている。

【００２０】また、対向する上部磁場形成手段５と下部
磁場形成手段６における上部磁極１９と下部磁極２０の
中央部には開口部２３，２３が設けられている。この開
口部２３，２３は、それぞれラジアル導波管７の同軸ケ
ーブル１１の案内挿入、あるいは支持台２のプラズマ発
生室３内への組込み等に利用することができるようにな
っている。

【００２１】上記のように構成されるこの発明のＥＣＲ
プラズマ発生装置において、装置外方のマグネトロン
（図示せず）からラジアル導波管７に供給される例えば
２．４５ギガヘルツのマイクロ波と磁場形成手段５，６
の磁場発生用コイル２１の励磁により形成される８７５
ガウスの磁場とにより、ＥＣＲプラズマを発生させるプ
ラズマ発生源が生成される。そして、プラズマ発生室３
内に供給される反応性ガスを高密度にプラズマ化すると
共に、プラズマ中のイオンをウエハ１に垂直に照射する
ことによってウエハ１のエッチング処理を行うことがで
きる。

【００２２】上記のように構成されるこの発明のＥＣＲ
プラズマ発生装置において、上部磁極１９と下部磁極２
０との対向する間隔が３０cm、磁極１９，２０の直径が
５０cm、磁場発生用コイル２１の内直径が４４cm、外直
径が５２cm、高さ６cmのものを使用してテストを行った
ところ、８７５ガウスの磁束密度を発生するためにコイ
ル２１に必要な電流量は上下合せて約３０，０００アン
ペアターンであった。また、コイル２１が消費する電力
は上下合せて７KWであった。

【００２３】なお、上記第一実施例において、マイクロ
波導入手段がラジアル導波管７にて形成される場合につ
いて説明したが、必ずしもラジアル導波管７である必要
はなく、例えばラジアル導波管７に変えて矩形導波管を
使用することもでき、マイクロ波を外側から水平方向に
導入するようにしてもよい。また、上記説明では磁場形
成手段５，６のヨーク２２が４分割の場合について説明
したが、必ずしも４分割である必要はなく、プラズマ発
生室３の中心を通る垂直線に関して対称であれば、２分
割、３分割あるいは５分割以上であってもよい。

【００２４】 ◎第二実施例図４はこの発明のＥＣＲプラズマ発生装置の第二実施例
をエッチング装置に適用した場合の断面図が示されてい
る。

【００２５】第二実施例のＥＣＲプラズマ発生装置は、
更に磁束密度を高めると共に、消費電力の削減を図れる
ようにした場合である。すなわち、各組の磁気回路を構
成する上部磁極１９と下部磁極２０のプラズマ発生室３
側の近傍位置に永久磁石２４，２４を配設し、この永久
磁石２４，２４だけで所望磁場の例えば９０％以上を得
るようにすることにより、磁場発生用コイル２１では残
りの１０％の磁場を得るようにして、磁場発生用コイル
２１の消費電力の低減を図れるようにした場合である。
また、このように永久磁石２４をプラズマ発生室３側の
近傍位置に配設することにより、永久磁石２４の漏洩磁
場を少なくすることができ、装置周辺への磁気による悪
影響を少なくすることができる。この場合、磁場発生用
コイル２１，２１に流れる電流を制御することにより、
永久磁石２４及び全ての磁気回路の製作誤差を補正制御
することができる。

【００２６】なお、第二実施例において、その他の部分
は上記第一実施例と同じであるので、同一部分には同一
符号を付して、その説明は省略する。

【００２７】上記のように構成される第二実施例のプラ
ズマ発生装置において、上部磁極１９と下部磁極２０と
の対向する間隔が３０cm、磁極１９，２０の直径が５０
cm、磁場発生用コイル２１の内直径が４４cm、外直径が
５２cm、高さ４cmのものを使用してテストを行ったとこ
ろ、８７５ガウスの磁束密度を発生するためにコイル２
１に必要な電流量は上下合せて約３，５００アンペアタ
ーンであった。また、コイル２１が消費する電力は上下
合せて０．７KWであった。

【００２８】なお、上記実施例はＥＣＲプラズマ発生装
置をエッチング装置に適用した場合について説明した
が、必ずしもエッチング装置にのみ適用されるものでは
なく、その他のプラズマ処理を必要とする装置、例えば
プラズマＣＶＤ装置等に使用することも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明のＥＣ
Ｒプラズマ発生装置によれば、上記のように構成されて
いるので、以下のような効果が得られる。

【００３０】１）請求項１記載のＥＣＲプラズマ発生装置によれば、
磁場形成手段を、プラズマ発生室を形成すべく対向配置
される磁極と、磁極を巻装する磁場発生用コイルと、対
向方向と直交する方向に分割される複数のヨークとで構
成して、複数の磁気回路を構成するので、プラズマ発生
室内で試料に対して垂直な方向の磁場であり、また、試
料設置領域において均一な磁場を形成することができ、
微細加工及びプラズマ処理の効率を向上させることがで
きる。

【００３１】２）請求項２記載のＥＣＲプラズマ発生装置によれば、
磁場形成手段におけるプラズマ発生室側の近傍位置に永
久磁石を配設してなるので、上記１）に加えて磁場発生
用コイルの消費電力を削減することができる。また、永
久磁石による装置周辺への磁界の漏洩を防止することが
できるので、安全である。

【００３２】３）請求項３記載のＥＣＲプラズマ発生装置によれば、
対向する磁場形成手段の中央部に開口部を設けるので、
上記１），２）に加えて開口部を利用してマイクロ波導
入手段や試料保持部等の機器等を装置内に容易に組込む
ことができると共に、装置の小型化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のＥＣＲプラズマ発生装置の第一実施
例を示す断面図である。

【図２】図１の平面図である。

【図３】この発明におけるマイクロ波導入手段を示す一
部断面斜視図である。

【図４】この発明のＥＣＲプラズマ発生装置の第二実施
例を示す断面図である。

【符号の説明】１半導体ウエハ（試料）２支持台２ａ載置面３プラズマ発生室５上部磁場形成手段６下部磁場形成手段７ラジアル導波管（マイクロ波導入手段）９マイクロ波導入口１０開口１９上部磁極２０下部磁極２１磁場発生用コイル２２ヨーク２３開口部２４永久磁石

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00 H01L 21/205 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波の周波数と磁場の強さを所定
の条件に一致させて電子サイクロトロン共鳴を励起させ
ることにより高密度のプラズマを発生させるＥＣＲプラ
ズマ発生装置において、磁場形成手段を、対向配置される磁極と、磁極を巻装す
る磁場発生用コイルと、対向方向と直交する方向に分割
される複数のヨークとで構成し、上記磁場形成手段の対向配置された磁極間にプラズマ発
生室を形成し、かつ上記プラズマ発生室内において、試料に対して垂直
に磁力線及びイオン照射を行うことが可能なように、マ
イクロ波導入口の開口面と、試料を載置する支持台の載
置面とを対向配置してなることを特徴とするＥＣＲプラ
ズマ発生装置。
【請求項２】磁場形成手段におけるプラズマ発生室側
の近傍位置に永久磁石を配設してなることを特徴とする
請求項１記載のＥＣＲプラズマ発生装置。
【請求項３】請求項１又は２記載のＥＣＲプラズマ発
生装置において、対向する磁場形成手段の中央部に開口部を設けたことを
特徴とするＥＣＲプラズマ発生装置。