JP2929275B2 - 透磁コアを有する誘導結合型−平面状プラズマの発生装置 - Google Patents

透磁コアを有する誘導結合型−平面状プラズマの発生装置

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    • C23C16/507—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using radio frequency discharges using external electrodes, e.g. in tunnel type reactors

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は平面型アンテナコイ
ルを有する誘導結合プラズマの発生装置であって、ウエ
ーハ材料等の表面処理におけるエッチング又はアッシン
グ、ＣＶＤ（化学的気相蒸着）及びスパッタリングを、
均一性のよい平面状プラズマによって行うための装置に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】プラズマプロセス装置における高周波プ
ラズマの生成方法は、電極構造や反応室の形状、高周波
電力の印加方法、及び周波数などによって違いがある
が、プラズマ発生源の形態としては、大別すると、平行
平板型、電磁誘導結合型、及びマイクロ波ＥＣＲ型に区
分される。本発明は、電磁誘導結合型（ＩＣＰ：Induct
ively Coupled Plasma又はＴＣＰ：Transformer Couple
d Plasma）に属するが、この電磁誘導結合型の中には、
円筒型のチャンバにコイルを数ターン巻いたヘリカル
型、外部に接地電極を設け、それと共振させるように
したヘリカル共振型、ベルジャー容器の外部に位相を
反転させた二重コイルを上下に巻いたヘリコン型、ス
パイラル状の平面コイルをチャンバ上部に設置したスパ
イラル平面コイル型、一回巻きの平面コイルをチャン
バ上部に設置したワンターン平面コイル型、などがあ
る。
【０００３】電磁誘導結合型プラズマ発生装置の動作原
理は、コイルに高周波電流を流すことによって「アンペ
ールの右ねじの法則」で発生した高周波誘導磁界が「フ
ァラデーの電磁誘導の法則」に従って高周波電界を誘起
し、この誘導電界によって処理ガスが十分にイオン化さ
れて導電性となり、その中の負帯電粒子である電子が加
速されてジュール加熱を生じることにより、イオンと電
子及び中性ラジカルに解離したプラズマ励起状態がさら
に促進及び維持されるというものである。
【０００４】本発明の対象とする平面コイル式、又はこ
れと等価な小巻数の単純ソレノイドコイル式の電磁誘導
結合型プラズマ発生装置は、コイル直下の薄い領域で高
密度プラズマを生成するため、ウエーハ処理にとって好
ましいとされるが、大口径のウエーハ処理においては、
プラズマ密度の均一性及び磁界結合効率をより向上させ
たいという要求を満たすことができず、さらには有害な
電磁波ノイズを不必要に空間に放射させるという欠点を
もっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の平面コイル式電
磁誘導結合型プラズマ発生装置が、上記のような問題点
を含む理由は次の通りである。まず、誘導磁界発生のた
めのコイルについて、プラズマ生成のためにはコイルの
チャンバ（プラズマ生成室）側において発生した磁界の
エネルギを利用し、チャンバの反対側の磁束は周囲空間
において電磁波を発生する。したがって、コイルが発生
した磁束に対する全体としての閉磁路の磁気抵抗は、チ
ャンバ側の値Ｒｍｃとチャンバ反対側の値Ｒｍａの和、
Ｒｍｃ＋Ｒｍａとなるが、空気中の磁気抵抗Ｒｍａは鉄
等の強磁性体に比して極めて大きいため、そのＲｍａに
よる起磁力降下が生じて、チャンバ内での磁界結合効率
は低くなり、また、空間には不要かつ有害な電磁波を放
出しているため、周辺環境で用いられる電気又は電子装
置における通信及び測定データのノイズや誤差要因とな
る誘導障害の原因となっていた。
【０００６】また、スパイラル平面コイル型装置では、
同一方向に巻いた隣接コイル導体間の、各導体による磁
界が互いに打ち消し合うため、コイル全体を巨視的に見
ると、一巻きの扁平コイル（但し、等価電流は巻き回数
に比例する）となり、チャンバ内の磁界強度とプラズマ
生成度の高い部分は、スパイラル平均径に対応する直径
をもった円環の下部において対応する円環状に発生し、
プラズマ分布も不均一になるという問題を含んでいる。
一方、ワンターン平面コイル型装置の場合、大口径ウエ
ーハとなるに従ってコイル径を大きくする必要があり、
それに伴ってコイル中心部でプラズマの生成度が下が
り、不均一分布となる。その解決策として、ウエーハま
での距離を大きくし、プラズマ分布を均一化しようとす
る拡散法を採用すると、ウエーハまでの距離の増加に従
ってプラズマ密度が下がるという問題があった。
【０００７】本発明の目的は、プラズマプロセス装置に
おける今日的課題として低圧力条件で高密度プラズマを
均一に発生させるための装置を提供すること、及び磁界
結合効率を上げると同時に、周囲空間に、不必要な電磁
波ノイズとなる高周波磁界を放出させることがないよう
にした構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、プラズマ生成室の上蓋に近接し、一側面を
前記プラズマ生成室の室内空間に対向して配置された平
面型コイルからなり、一巻きごとに交互に逆方向に巻か
れてなるアンテナコイルと、前記上蓋に近接して配置さ
れており、前記アンテナコイルの各導体を収納した溝
を、前記室内空間に対向する下面においてコイルパター
ンに従って形成してなる透磁コアとを備え、前記室内空
間の下部に被処理物を載置するサセプタを設けた透磁コ
アを有する誘導結合型−平面状プラズマの発生装置を構
成したものである。
【０００９】本発明の基本的態様においては、アンテナ
コイルを平面型コイルとし、そのコイルの巻き方向を一
巻き毎に交互に逆方向としたものである。
【００１０】上記の構成によれば、電子誘導結合コイル
としての平面型アンテナコイルに対し、透磁コアがプラ
ズマ生成室の対向面（上部）に存在すると、下向きのコ
ア端面から出る磁束がプラズマ生成室内に向かう指向性
をもち、かつ磁気エネルギの大部分は磁気抵抗の大きい
プラズマ生成室内において消費される（プラズマ生成に
寄与する）ため、磁界結合効率が向上する。また、プラ
ズマ生成室の反対側において磁束は透磁コアのみを通る
ため、空間に不必要な電磁波ノイズを放出しないという
効果が得られる。
【００１１】さらに、本発明の基本的態様に関連してプ
ラズマ生成室の、上部に設けられた磁気結合用の平面コ
イルはその巻き方向が順次同一方向でなく、交互に逆相
に巻かれているため、隣接コイル導体間における各導体
による磁界方向が一致し、透磁コアの端面で互いに強め
合う方向となり、これはプラズマ生成室に対してコイル
導体間毎の端面部分がＮ極、次いでＳ極とほぼ同じ磁界
強度で交互反転し、磁束は磁気抵抗の高い室内に十分均
等に拡散し、その結果、磁界強度は均一となり、発生す
るプラズマも均一となる。また、磁界結合効率がよいた
め、低圧力条件で高密度プラズマを均一に発生させるこ
とが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の構造の好ま
しい実施例を示す垂直断面図であり、１は例えば円筒形
の側壁２を有する金属製チャンバであり、内部をプラズ
マ生成室とするものである。プラズマ生成室３の上部に
は同じく金属製の上蓋４がチャンバ側壁２に支持されて
いる。上蓋４の下面にはプラズマ生成室の上部において
その内外を遮断する石英ガラス板５が装着されている。
上蓋４自体は中央要部が円形に打ち抜かれ、この円形開
口内には石英ガラス５の上面に支持された周辺ギャップ
スペーサ６を介して透磁コア７が載置される。透磁コア
７の下端面において、後述のようなコイルパターンに従
って形成されたキャンセル巻き溝７ａには平面型アンテ
ナコイル８が装備される。
【００１３】透磁コア７の上部にはインピーダンス整合
器のボックス９が載置され、このボックス内に検出器、
負荷インピーダンス可変キャパシタ、位相可変キャパシ
タ等のインピーダンス整合素子（後述）が装備されてい
る。ボックス９の側面にはＲＦ電力の入力コネクタ１０
が設けられている。
【００１４】石英ガラス５の上面には、さらに透磁コア
８の下端面に対向した非磁性−導電性金属（例えば、Ａ
ｌ又はＣｕ）からなるファラデーシールド板１１が支持
され、チャンバ１内において石英ガラス５の直下におけ
るチャンバ側壁の内面には、処理ガス供給管路１２が設
置される。この管路１２はチャンバ側壁外に突出した処
理ガス導入口１３から導入したガスを、自身の円錐状内
周面１４に設けた複数の処理ガス供給ノズル１５からプ
ラズマ処理室内に供給するものである。チャンバ１の底
壁からは半導体ウエーハ、その他の被処理物を支持する
ためのサセプタ１６が設置される。サセプタ１６の円板
状本体は平面型アンテナコイル８及び透磁コア７の下方
に位置し、処理ガス供給管路１２の円錐面１４はこれら
のアンテナコイル７およびサセプタ１６本体を結ぶ仮想
円筒と同軸に位置している。サセプタ１６の支柱部は適
当な樹脂材料等からなる絶縁体１７を介してチャンバ１
の底壁に嵌合支持されている。チャンバ１の底壁にはさ
らに、真空吸引口１８が設けられている。
【００１５】サセプタ１６は金属製であって被処理物支
持面として絶縁膜をコーティングしたものであり、載置
した被処理物（ウエーハ１９）に直流電源又はバイアス
用電源により生成したバイアス電圧を印加して、エッチ
ング特性に異方性を与えることができる。この場合、フ
ァラデーシールド板１１は非磁性体金属からなるため、
磁界だけを通して電界を遮蔽する性質を利用し、サセプ
タ１６の対向電極となるように所定の電位を与えること
ができる。
【００１６】透磁コアはＮｉ−Ｚｎフェライト若しくは
比透磁率がこれより低いカーボニル鉄ダストを焼結した
ものであり、このコア７に装備されたコイルによる磁気
エネルギのチャンバ外における消耗を最小限にすること
ができる。
【００１７】アンテナコイル８は図１に示す二重巻きの
場合、例えば、図２Ａ及びＢに示すようなキャンセル巻
き構造にされる。図２Ａの場合、コイルは外周の一個所
に信号電位端子８ａを形成するとともに、これに近接し
て接地端子８ｂを形成し、これらの端子８ａ、８ｂの直
径方向の対向端側においてそれぞれ内周巻線８ｃの各辺
に折り返されることにより、内周及び外周コイルが互い
に逆相の関係で電流を流すようになっている。また、図
２Ｂのアンテナコイルは内周コイルの一個所に信号電位
端子８ａ’を形成するとともに、これに近接して接地端
子８ｂ’を形成し、その直径方向の対向端側からそれぞ
れ外周コイル８ｄに折り返したことにより、同じく内周
コイル及び外周コイルが互いに逆相関係で電流を流すよ
うになっている。
【００１８】図３に示したアンテナコイル８’は三重巻
きにおいて同様なキャンセル巻きを形成したものであ
り、ここでは、外周の一個所に信号電位端子８ａ”を形
成するとともに、これに近接して接地端子８ｂ”を形成
し、同様に直径方向の対向端で順次内周のコイルに折り
返した構造を示すものである。
【００１９】これらのコイルには図４に示すようなイン
ピーダンス整合回路を介して高周波電力が供給され、イ
ンピーダンス整合器のボックス９内には図４Ａ又はＢに
示すようなインピーダンス整合回路が装備される。図４
Ａにおいて、整合器ボックスに設けられたＲＦ電力入力
コネクタ１０から供給された高周波電力は、計器用変成
器を備えた検出部２０を経て、マッチングコイル２１及
び位相調整用可変キャパシタ２２を通り、出力端子２３
に導かれ、ここからアンテナコイル８の信号電位端子に
供給され、接地端子より還流するようになっている。検
出部２０とチョークコイル２１の接続ラインと接地電位
との間には負荷インピーダンス調整用可変キャパシタ２
４が挿入され、このキャパシタ２４は位相調整用キャパ
シタ２２とともにコントロール部２５により、それぞれ
サーボモータＭ1 及びＭ2 を介して調整操作される。コ
ントロール部２５は検出部２０に接続され、その検出信
号に従って制御信号を発するものである。
【００２０】図４Ｂにはマッチングコイル２１を用いな
いインピーダンス整合回路が示されている。この回路で
は検出部２０から直接アンテナコイル８の信号電位端子
に高周波電力を供給し、同端子にＡの回路と同様な負荷
インピーダンス調整用可変キャパシタ２４が接続される
とともに、コイルの端末側（Ａにおいて接地側と称して
いたコイル端子）において位相調整用可変キャパシタ２
２が接続され、これにより電力供給回路を完結したもの
である。
【００２１】高周波電力の周波数は半導体ドライプロセ
スにおいて通常５０ｋＨｚ〜６０ＭＨｚであるが、本実
施例においては、１３．５６ＭＨｚのエッチング装置と
して構成された。この高周波電力は５０Ωケーブルを通
じてインピーダンス整合器の入力コネクタ１０に接続さ
れ、この電力供給に応じてアンテナコイル８が誘起する
高周波電磁界によりチャンバ１のプラズマ生成室内が励
起され、この励起空間内には処理ガス入口１３より供給
された適当な処理ガスがノズル１５より供給され、ウエ
ーハ１９は温度制御された状態においてエッチング等の
処理を施される。所望に応じ、ウエーハ１９及びサセプ
タ１６には別のバイアス用電源により異方性エッチング
のための負電圧が与えられる。
【００２２】チャンバ内の圧力は０．０１〜１Ｐａに維
持され、プラズマ密度は１０11〜１０12／ｃｍ-3であっ
て大口径（０．３〜０．５ｍφ）の範囲内では、電子密
度Δｎe ／ｎe ＜３％とし、ウエーハに照射されるイオ
ンエネルギが５０ｅＶ以下となるように調整される。
【００２３】プラズマ生成室３内の高周波磁界は、図５
に示すような状態となる。例えば、図２Ａ又はＢのアン
テナコイル８において外周コイルの左辺は上向きに流
れ、内周コイルの左辺は下向きに、さらに、内周コイル
の右辺は上向きに、そして、外周コイルの右辺は下向き
に流れるものとすると、磁界は図５に示すように、コイ
ル導体の室外側は空気中に比して極めて磁気抵抗の小さ
い透磁コア７を通り、各コイル導体間では磁界の方向が
互いに一致するため、透磁コア７のチャンバ内に向かっ
た下端面７ａからは、この面と直角下向き（チャンバ向
き）において両側コイル導体による磁界が互いに加算さ
れた状態で放出もしくは流入し、下方空間、特にウエー
ハ表面部分で均一に拡散した電磁場が形成されることに
なる。従来のワンターン平面コイル型又はスパイラル平
面コイル型においては、磁界が単一のパターンに集約さ
れるため、前述の通りアンテナコイルと被処理物との距
離を長くすることで、プラズマの均一性を図ろうとして
いたことにより、プラズマ密度はプラズマ発生部そのも
のに比べて１／１０〜１／１００まで低下したが、図５
に示したような本発明の磁界パターンにおいては、その
ような距離の延長による平均的な密度低下をもたらすこ
となく、高密度においてプラズマを均一に形成すること
ができる。
【００２４】しかも、アンテナコイル８は上方より透磁
コア７の下端開放形の溝に覆われているため、アンテナ
コイルに供給された高周波電力は大部分が相対的に磁気
抵抗の高いチャンバ内において消費される（プラズマ生
成に寄与する）ことになる。これによりプラズマ変換効
率はきわめて高く、また、透磁コア８は磁束の全体を実
質的に通過させるため、空間への電磁波ノイズの放出を
阻止し得ることは明らかである。
【００２５】さらに、アンテナコイル７の巻き方向が順
次逆相となっていることで、インダクタンスが減少し、
これによってコイルへの供給電力及び周波数を上げるこ
とが可能となり、これらの相乗効果により、投入電力−
対−プラズマ発生効率を顕著に向上させることができる
ため、省エネルギに役立つとともにウエーハ処理時間を
短縮する一要件をも満たすことが可能となった。
【００２６】なお、平面型コイルは供給電力が１ｋＷ以
下の場合には冷却機構を必要としないが、１ｋＷを越え
る高周波電力を供給する場合には、コイル導体をパイプ
状とし、そのパイプ内に冷却媒体を流して冷却する。
【００２７】図６は本発明の第２の実施例として、アン
テナコイルが順次隣接して巻かれた単純ソレノイド型で
ある場合の透磁コア及びコイル断面を示すものである。
この場合、透磁コア２６は下面に一周の周回溝を刻設
し、ソレノイドコイル２７は、例えば３回巻きであって
透磁コア２６の溝２８の内周壁に巻着されたものであ
る。
【００２８】上記の構造において、コイルに図示のよう
な方向の高周波電流（瞬時値）が流れると、高周波磁界
の瞬時パターンは図の如く、コア下端面の周辺から出た
磁束がチャンバ内で拡散しつつ、コア下端面の中央部に
還流するものとなり、チャンバ外側において磁束は実質
上すべてがコア２６内を通り、チャンバ外への電磁波放
出は先の実施例と同様に阻止される。したがって、この
実施例においても同様の磁束拡散及びプラズマの均一か
つ効率のよい生成が可能となる。関連する他の構造及び
回路は、先の実施例に準じて構成できるため、それらに
ついての説明は省略する。
【００２９】
【発明の効果】本発明は以上述べた通り、透磁コアを用
いた平面型又は単純ソレノイド型コイルにより電波障害
なく、磁界変換効率の優れたプラズマ発生装置を提供す
るものであり、さらに、アンテナコイルの巻き方向をキ
ャンセル巻きすることにより、総合的に顕著にプラズマ
発生効率を高めるようにしたプロセスプラズマ装置を提
供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ発生装置の基本的実施例にお
ける基本構造を示す垂直断面図である。
【図２】本発明の２回巻きアンテナコイルにおけるキャ
ンセル巻き構造の二つの態様（Ａ及びＢ）を示す平面図
である。
【図３】本発明の３回巻きアンテナコイルにおけるキャ
ンセル巻き構造を示す平面図である。
【図４】本発明の装置に用いられるインピーダンス整合
器においてマッチングコイルを用いた回路（Ａ）及びマ
ッチングコイルを用いない回路（Ｂ）を示す回路図であ
る。
【図５】本発明のアンテナコイル及び透磁コアを用いた
場合の磁界発生状態を示す模式図である。
【図６】本発明の第２の実施例の要部を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
１ チャンバ ２ チャンバの側壁 ３ プラズマ生成室 ４ 上蓋 ５ 石英ガラス板 ６ ギャップスペーサ ７ 透磁コア ８ アンテナコイル ９ 整合器ボックス １０ ＲＦ電力の入力コネクタ １１ ファラデーシールド板 １２ 処理ガス供給管路 １３ 処理ガス導入口 １４ 円錐状内周面 １５ 処理ガス供給ノズル １６ サセプタ １７ 絶縁体 １８ 真空吸引口 １９ ウエーハ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラズマ生成室の上蓋に近接し、一側面
    を前記プラズマ生成室の室内空間に対向して配置された
    平面型コイルからなり、一巻きごとに交互に逆方向に巻
    かれてなるアンテナコイルと、前記上蓋に近接して配置
    されており、前記アンテナコイルの各導体を収納した溝
    を、前記室内空間に対向する下面においてコイルパター
    ンに従って形成してなる透磁コアとを備え、前記室内空
    間の下部に被処理物を載置するサセプタを設けたことを
    特徴とする透磁コアを有する誘導結合型−平面状プラズ
    マの発生装置。
  2. 【請求項２】 プラズマ生成室の上蓋に近接し、一端面
    を前記プラズマ生成室の室内空間に対向して配置された
    単純ソレノイド型コイルからなるアンテナコイルと、前
    記上蓋に近接して配置されており、前記アンテナコイル
    の隣接コイル導体を一括して収納した前記ソレノイドの
    直径に対応する直径の周回溝を、前記室内空間に対向す
    る下面において形成してなる透磁コアとを備え、前記室
    内空間の下部に被処理物を載置するサセプタを設けたこ
    とを特徴とする透磁コアを有する誘導結合型−平面状プ
    ラズマの発生装置。
  3. 【請求項３】 前記平面型コイルのコイル導体が内部に
    冷却媒体を通ずるパイプからなることを特徴とする請求
    項１記載の装置。
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