JP3174981B2 - ヘリコン波プラズマ処理装置 - Google Patents

ヘリコン波プラズマ処理装置

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JP3174981B2
JP3174981B2 JP09230393A JP9230393A JP3174981B2 JP 3174981 B2 JP3174981 B2 JP 3174981B2 JP 09230393 A JP09230393 A JP 09230393A JP 9230393 A JP9230393 A JP 9230393A JP 3174981 B2 JP3174981 B2 JP 3174981B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】プラズマ処理装置は、処理用ガスの存在
する処理容器内で真空放電させてプラズマを発生させ、
このプラズマを利用して被処理体に所定の処理を施すよ
うに構成されている。このプラズマ処理装置は、従来か
ら半導体製造工程における、スパッタリング工程、アッ
シング工程、CVD工程、あるいはエッチング工程など
で広く用いられている。
【0003】プラズマ処理装置として代表的なものとし
て、平行平板電極をプラズマ発生手段とするものある
が、このタイプのものは電極構造の関係から例えば数1
00mmTorrという比較的高いガス圧で用いられるため、
プラズマ中のイオン種などの活性種が電極に衝突して電
極をスパッタし、電極から不純物を発生させ、また、そ
れ故に最近のハーフミクロン以上の微細加工への対応が
困難である。そこで、数mmTorrの高真空下で無電極でマ
イクロ波によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置
や、ヘリコン波によりプラズマを発生させるプラズマ処
理装置などが種々開発されている。殊に、ヘリコン波プ
ラズマ処理装置は、ヘリコン波により高密度プラズマを
得ることができるため、半導体ウエハに超微細加工にと
って極めて有力な装置である。
【0004】図3は従来のヘリコン波プラズマ処理装置
の構成を示す概念図で、このプラズマ処理装置は、同図
に示すように、ガス供給配管1から供給されたプロセス
ガスのガス圧を所定の真空度に保持する処理容器2と、
この処理容器2内で半導体ウエハWを保持する保持体3
と、この保持体3で保持された半導体ウエハWに向けて
電磁波を印加するように処理容器2の外周面に配設され
たアンテナ4と、このアンテナ4の更に外側で処理容器
2を囲むように配設されて電磁波の進行方向と同方向の
磁場を印加するコイル5とを備えて構成されている。ま
た、上記保持体3にはコンデンサ6を介して高周波電源
7が接続され、また、アンテナ4にはマッチング回路8
を介して高周波電源9が接続されている。
【0005】次に、図3を参照しながら動作について説
明する。例えば25cmの処理容器1内で半導体ウエハW
を保持体3で保持した状態で処理容器1を真空排気して
内部を所定の真空度に維持した後、ガス供給配管1から
プロセスガス(CF )を流速27sccmで供給してその
ガス圧を3mmTorrの真空度に調整する。この状態でアン
テナ4に13.56MHzの高周波電圧を1.2KWのパ
ワーで印加し、このアンテナ4から処理容器1内で軸芯
方向に進行する電磁波を発信すると、この電磁波からプ
ロセスガスがエネルギーを得てプラズマ化する。また、
これと並行してコイル5により処理容器1内で電磁波と
平行な強度680Gの磁場を形成すると、この磁場の作
用により電磁波から低周波のヘリコン波が発生してプラ
ズマ中を伝搬する。このヘリコン波は磁場中を伝搬する
間にプラズマ中の電子を加速してプラズマを高密度化す
る一方、ランダウ減衰する。この時、保持体3には高周
波電源7によりコンデンサ6を介して高周波電圧が印加
されているため、プラズマ中の電子がイオンに優先して
保持体3に流入して自己バイアスが生じてプラズマとの
間にイオンシースを形成する。そして、このイオンシー
スの強い電界によってプラズマ中のイオンが半導体ウエ
ハWに衝突して半導体ウエハWをエッチングする。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ヘリコン波プラズマ処理装置の場合には、高密度プラズ
マを得るためにコイル5の磁場強度を例えば680Gに
上げると1013cm−3台の高密度のプラズマを得る
ことができるが、このような高密度のプラズマを用いて
半導体ウエハWのエッチングを行なうと、図2に示すよ
うにプラズマの高密度領域(半導体ウエハWの中心から
半径約10mm以内の領域)を超えた周縁部でのみ半導体
ウエハWをエッチングし、その内側である中央部分では
エッチングが殆ど行なわれない。また、磁場強度を68
0Gから低下させるとむしろエッチング速度が速くな
り、しかも半導体ウエハWの半径約10mm前後の位置で
エッチング速度が最も速く、この位置を超えた領域で徐
々にエッチング速度が遅くなり、その内側領域の高密度
プラスマ領域では半径約10mm前後の位置よりも遅くな
る傾向がある。要するに従来のヘリコン波プラズマ処理
装置では半導体ウエハWの位置によってエッチング速度
が一定せず、ウエハ全面に均一なエッチングを行なうこ
とができないという課題があった。そのため、従来のヘ
リコン波プラズマ装置では益々大口径化するこれからの
超微細加工技術に対応できなくなる虞があった。
【0007】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、大口径の被処理体を処理する場合であって
もヘリコン波プラズマを用いて全面を均一に高速処理す
ることができるヘリコン波プラズマ処理装置を提供する
ことを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来のヘ
リコン波プラズマ処理装置を用いた場合、半導体ウエハ
Wの中央部では却って周縁部よりエッチング速度が低下
する原因について種々検討した結果、半導体ウエハWの
中央部でのエッチング速度の低下は、プラズマの高密度
領域である半導体ウエハWの中央部分ではプロセスガス
を高解離して不要な活性種が生成すると共に反応生成物
をも活性化してその分解を促進し、これらの分解生成物
が半導体ウエハWに堆積して半導体ウエハWを成膜する
ことに起因していることが判った。また、これらの検討
過程で、ヘリコン波プラズマの高密度領域の半導体ウエ
ハWの中央部から外周縁部に至る途中、つまり図3では
半導体ウエハWの半径約10mmの位置でエッチング速度
が最も速くなることが判った。このことから、ヘリコン
波プラズマの高密度領域の外周部に最もエッチングに適
したプラズマ領域があることが判った。
【0009】本発明は、上記知見に基づいてなされたも
ので、請求項1に記載のヘリコン波プラズマ処理装置
は、ガス供給部から供給されたプロセスガスのガス圧を
所定の真空度に保持する処理容器と、この処理容器内で
被処理体を保持する保持体と、上記プロセスガスからヘ
リコン波プラズマを発生させるヘリコン波プラズマ発生
手段とを備え、上記ヘリコン波プラズマ発生手段は、電
磁波を発信する電磁波発信手段と、磁場を形成する磁場
形成手段とを備えたヘリコン波プラズマ処理装置におい
上記ヘリコン波プラズマ発生手段は上記処理容器の
側面に配設され、上記電磁波発信手段が上記保持体に平
行する電磁波を発信すると共に上記磁場形成手段が上記
電磁波と同方向で且つ上記電磁波の方向と直交する断面
が矩形状の磁場を形成して、上記被処理体と平行し且つ
上記被処理体との間に所定の間隔を隔てたシート状領域
で上記ヘリコン波プラズマを発生させることを特徴とす
ものである。
【0010】また、本発明の請求項2に記載のヘリコン
プラズマ処理装置は、請求項1に記載に発明におい
て、上記ヘリコン波プラズマ発生手段を上記処理容器に
対して左右対称に配設したことを特徴とするものであ
る。
【0011】また、本発明の請求項3に記載のヘリコン
プラズマ処理装置は、請求項1または請求項2に記載
に発明において、上記保持体の周囲に磁路を設け、この
磁路により上記被処理体近傍の磁場を軽減することを特
徴とするものである。
【0012】
【作用】本発明の請求項1に記載の発明によれば、所定
の真空度でガス供給部から処理容器内へプロセスガスを
供給してそのガス圧を所定の真空度に保持した後、ヘリ
コン波プラズマ発生手段である電磁波発信手段から保持
体に平行する方向に電磁波を発信し、この電磁波により
プロセスガスをプラズマ化すると共に、磁場形成手段を
駆動して電磁波と同方向で電磁波と直交する断面が矩形
磁場を形成すると、矩形磁場の作用によって電磁波
からヘリコン波が発生し、このヘリコン波が矩形磁場
に沿って伝搬し、その間にヘリコン波によって保持体と
の間に隙間を空けた位置で高密度化したプラズマを薄く
広げてシート状領域にヘリコン波プラズマを形成し、シ
ート状の高密度プラズマから隙間分だけ隔てた位置にあ
る被処理体を高速度でプラズマ処理することができる。
【0013】また、本発明の請求項2に記載の発明によ
れば、請求項1に記載に発明において、上記ヘリコン波
プラズマ発生手段を上記処理容器に対して左右対称に配
設したため、プラズマ密度を減衰させることなく、被処
理体を均一にプラズマ処理できる。
【0014】また、本発明の請求項3に記載の発明によ
れば、請求項1または請求項2に記載に発明において、
上記保持体の周囲に磁路を設けて被処理体近傍の磁場を
軽減するようにしたため、被処理体近傍におけるプラズ
マの磁場によるムラを軽減してより均一なプラズマ処理
を行なうことができると共に強磁場下でエッチングする
時のエッチング形状への悪影響を回避することができ
る。
【0015】
【実施例】以下、図1に示す実施例に基づいて本発明に
ついて説明する。本実施例のプラズマ処理装置は、図1
に示すように、ステンレス等の導電性材料によって形成
されたガス供給部11と、このガス供給部11と同様の
材料によって形成され且つこのガス供給部11から供給
されたプロセスガスGのガス圧を所定の真空度に保持す
る処理容器12と、この処理容器12内に配設された被
処理体としての半導体ウエハWの保持体13と、この保
持体13上の半導体ウエハWから隙間δを隔てたシート
状領域でヘリコン波プラズマPを発生させる左右一対の
ヘリコン波プラズマ発生手段14、14とを備えて構成
されている。また、上記処理容器12の下面には保持体
13の周囲に排気配管15が複数取り付けられている。
そして、これらの排気配管15は保持体13の径方向に
等間隔を空けて配置されている。また、上記保持体13
にはブロッキングコンデンサ16を介してバイアス用高
周波電源17が接続され、例えば100KHzの高周波
電圧を印加するように構成されている。
【0016】また、上記処理容器12の左右側面には外
端の閉じた円筒状の印加部12Aがそれぞれの軸芯が一
致するように左右対称に取り付けられている。この印加
部12Aは、電磁波を透過する石英等の絶縁材料によっ
て形成されている。また、この印加部12Aは、全体が
石英等の絶縁材料によって形成されていなくても良く、
少なくともループアンテナ14Aを取り付ける部分が石
英等の絶縁材料によって形成されたものであれば良い。
そして、各印加部12A、12Aに上記ヘリコン波プラ
ズマ発生手段14を構成する電磁波発信手段及び矩形状
の磁場形成手段がそれぞれ配設されている。そして、こ
の軸芯は保持体13の上方に隙間δを隔てた位置を通る
ように構成されている。この隙間δは、ヘリコン波プラ
ズマPの高密度領域を外れる位置、例えば図3に示す条
件の場合であれば約10mmに設定することが好ましい。
上記電磁波発信手段は1ターンのループアンテナ14A
によって構成されている。そして、図示しないがこのル
ープアンテナ14Aにはマッチング回路を介して例えば
13.56MHzの高周波電圧を印加する高周波電源が接
続され、この高周波電圧の印加によりループアンテナ1
4Aから保持体13に沿って平行に伝搬する電磁波を発
信して後述のようにプロセスガスGを解離させて高密度
のプラズマを発生させるように構成されている。
【0017】そして、上記矩形状の磁場形成手段は、印
加部12Aの上下に沿って配設された一対の矩形状のコ
イル14B、14Bを備え、この印加部12Aの上下か
ら電磁波と同方向で電磁波と直交する断面が矩形磁場
(以下、「矩形磁場」と称す。)を印加部12A内部に
形成するように構成されている。この矩形磁場は上記ル
ープアンテナ14Aから発信される電磁波に作用すると
共にプラスマを閉じ込め、このプラズマ中で電磁波から
低周波のヘリコン波を発生するように構成されている。
このヘリコン波は矩形磁場を伝搬する間にプラズマ中で
ランダウ減衰しながらシート状領域でプラズマ中の電子
を加速してそのエネルギーを衝突によりプロセスガス分
子に与えてプラズマを高密度化してヘリコン波プラズマ
Pを発生するように構成されている。このヘリコン波プ
ラズマPは、矩形磁場で閉じ込められた薄く、幅広いシ
ート状領域内で均一な高密度プラズマとして形成されて
いる。また、このヘリコン波プラズマ発生手段14は処
理容器12に対して左右対称に配設されているため、処
理容器12内で減衰することなく略均一なシート状ヘリ
コン波プラズマPを半導体ウエハWから隙間δを隔てた
やや上方に形成することができるように構成されてい
る。
【0018】また、上記処理容器12の上部に配設され
たガス供給部11は、複数のガス供給孔11Aが全体に
均等に分散したシャワーヘッド11Bを備え、このシャ
ワーヘッド11Bから半導体ウエハW全面に向けてプロ
セスガスGをシャワー状に供給し、半導体ウエハWの上
方でプロセスガスGから均一なヘリコン波プラズマを発
生するように構成されている。また、上記保持体13の
周囲には磁性材料によって形成された磁路18が設けら
れ、この磁路18により半導体ウエハW近傍に形成され
る磁界の通路を作り、半導体ウエハW近傍の磁場を軽減
するように構成されている。磁場の軽減により半導体ウ
エハW近傍でのプラズマ分布の偏在を軽減して半導体ウ
エハWのプラズマ処理を均一化すると共に、低磁場での
エッチングを可能にしている。尚、図1において、19
Aは保持体13を冷却する液化窒素等の冷媒を供給する
供給配管、19Bは保持体13の冷却により生成した気
体を排気する排気配管である。
【0019】次に、動作について説明する。まず、保持
体13で半導体ウエハWを保持した状態で処理容器12
内を真空引きして所定の真空度にする。そして、ガス供
給部11から所定の真空度に保持された処理容器12内
へプロセスガスGを供給し、そのガス圧を所定の真空度
に保持する。その後、ヘリコン波プラズマ発生手段14
のループアンテナ14Aから保持体13に平行する方
電磁波を発信し、この電磁波によりプロセスガスGを
プラズマ化する。この時、上下の矩形状のコイル14B
により電磁波と同方向(平行方向)の矩形磁場を印加部
12A内に形成しているため、矩形磁場によってプラズ
マを閉じ込めると共に、このプラズマ中を電磁波がこの
矩形磁場に沿ってこれと平行方向に伝搬する間にこの矩
形磁場の作用を受けてヘリコン波を発生する。
【0020】このヘリコン波は矩形磁場で閉じ込められ
たシート状領域のプラズマ中を伝搬する間に、このシー
ト状領域のプラズマ中でランダウ減衰しながらプラズマ
中の電子を加速してプラズマを高密度化し、ヘリコン波
プラズマPを発生する。このヘリコン波プラズマPは、
左右の印加部12A、12Aの軸芯を含む水平面を中心
にしたシート状領域に発生する。従って、ヘリコン波プ
ラズマPが存在するシート状領域は、保持体13で保持
された半導体ウエハWに対して隙間δを介在したやや上
方に形成されている。
【0021】一方、保持体13にはコンデンサ16を介
して高周波電圧が印加されているため、その上方に形成
されたシート状領域のヘリコン波プラズマPから電子を
優先的に引き込み、負に自己バイアスされ、ヘリコン波
プラズマPとの間にイオンシースが形成されている。そ
のため、保持体13、つまり半導体ウエハWとヘリコン
波プラズマPとの間に大きな電位差ができ、ヘリコン波
プラズマP中のイオンが半導体ウエハWに衝突して所定
のプラズマ処理を行なう。
【0022】この際、プロセスガスGが高解離生成物あ
るいはプラズマ処理による生成物の分解生成物などプラ
ズマ処理を阻害する物質が多く含まれている高密度領域
は矩形磁場によって薄く、幅広いシート状領域に閉じ込
められ、高密度領域の外側(下面側)のプラズマ処理に
最も適したプラズマ領域が半導体ウエハWに接触してい
るため、半導体ウエハWへの高解離生成物、分解生成物
などの堆積を抑制して本来のエッチング作用等のプラズ
マ処理を確実且つ高速に行なうことができる。また、ヘ
リコン波プラズマ発生手段14が処理容器12に対して
左右対称に配設されているため、プラズマ密度を減衰さ
せることがなく、半導体ウエハW全面を均一にプラズマ
処理することができる。
【0023】また、プロセスガスGを供給する際に、ガ
ス供給部11のシャワーヘッド11Bから半導体ウエハ
Wに向けてシャワー状に供給するようにしているため、
処理容器12内でのプロセスガスGの偏在を抑制するこ
とができ、より均一なヘリコン波プラズマPを発生させ
ることができる。そして、プラズマ処理によって生成し
た反応性生物は保持体13の周囲で径方向等間隔に配設
された複数の排気配管15から排気するようにしたた
め、処理容器12底面で保持体13近傍から均等且つ迅
速に排気することができ、反応生成物の影響を抑制する
ことができる。更に、保持体13の周囲には磁路18を
設けて半導体ウエハW近傍の磁場を軽減するようにした
ため、被処理体近傍におけるヘリコン波プラズマPの磁
場によるムラを軽減してより均一なプラズマ処理を行な
うことができると同時に、低磁場でのエッチングを可能
にすることができる。
【0024】以上説明したように本実施例によれば、
定の真空度でガス供給部11から処理容器12内へプロ
セスガスGを供給してそのガス圧を所定の真空度に保持
した後、ヘリコン波プラズマ発生手段14であるアンテ
ナ14Aから保持体13に平行する方向に電磁波を発信
し、この電磁波によりプロセスガスGをプラズマ化する
と共に、矩形状コイル14Bを駆動して電磁波と同方向
で電磁波と直交する断面が矩形の磁場を形成して保持体
13上の半導体ウエハWとの間に隙間δを介して高密度
化したプラズマを薄く広げてシート状領域にヘリコン波
プラズマを形成するようにしたため、最もプラズマ処理
を速く行なうシート状のプラズマ領域を半導体ウエハW
全面に接触させることができるため、大口径の半導体ウ
エハWを処理する場合であっても薄く広がったシート状
領域内で高密度化したヘリコン波プラズマによって全面
を均一に高速処理することができる。また、本実施例で
は、ヘリコン波プラズマ発生手段14を処理容器12に
対して左右対称に配設したため、ヘリコン波プラズマP
の密度を減衰させることがなく、半導体ウエハWを均一
にプラズマ処理することができる。また、本実施例によ
れば、ガス供給部11のシャワーヘッド11Bから半導
体ウエハW全面に向けてプロセスガスGをシャワー状に
供給するため、処理容器11内のプロセスガスGの偏在
を抑制してより均一なヘリコン波プラズマPを発生させ
ることができる。更にまた、保持体13の周囲に磁路1
8を設けて半導体ウエハW近傍の磁場を軽減するように
したため、半導体ウエハW近傍におけるヘリコン波プラ
ズマPの磁場によるムラを軽減してより均一で低磁場で
のプラズマ処理を行なうことができる。
【0025】尚、上記実施例では、電磁波発信手段とし
て1ターンのループアンテナ14A、矩形状の磁場形成
手段として矩形状のコイル14Bを用いたものについて
説明したが、電磁波発信手段及び矩形状の磁場形成手段
は必要に応じて適宜設計変更することができる。また、
印加部12Aは円筒状に制限されるものではなく、角筒
状に形成されたものであっても良く、またアンテナも円
形に制限されるものでなく、矩形状であっても良い。本
発明は上記実施例に何等制限されるものではなく、保持
体で保持された被処理体との間に隙間を介在したシート
状領域でプロセスガスからヘリコン波プラズマを発生す
るようにしたプラズマ処理装置であれば、全て本発明の
包含される。また、本発明のプラズマ処理装置は、エッ
チング装置、CVD装置、アッシング装置等に適用する
ことができる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項1に
記載の発明によれば、ガス供給部から供給されたプロセ
スガスのガス圧を所定の真空度に保持する処理容器と、
この処理容器内で被処理体を保持する保持体と、上記プ
ロセスガスからヘリコン波プラズマを発生させるヘリコ
ン波プラズマ発生手段とを備え、上記ヘリコン波プラズ
マ発生手段は、電磁波を発信する電磁波発信手段と、磁
場を形成する磁場形成手段とを備えたヘリコン波プラズ
マ処理装置において、上記ヘリコン波プラズマ発生手段
は上記処理容器の側面に配設され、上記電磁波発信手段
が上記保持体に平行する電磁波を発信すると共に上記磁
場形成手段が上記電磁波と同方向で且つ上記電磁波の方
向と直交する断面が矩形状の磁場を形成して、上記被処
理体と平行し且つ上記被処理体との間に所定の間隔を隔
てたシート状領域で上記ヘリコン波プラズマを発生させ
るようにしたため、大口径の被処理体を処理する場合で
あっても薄く広がったシート状領域内で高密度化した
リコン波プラズマを用いて全面を均一に高速処理する
とができるヘリコン波プラズマ処理装置を提供すること
ができる。
【0027】また、本発明の請求項2に記載の発明によ
れば、請求項1に記載に発明において、上記ヘリコン波
プラズマ発生手段を上記処理容器に対して左右対称に配
設したため、プラズマ密度を減衰させることがなく、被
処理体を均一にプラズマ処理できるヘリコン波プラズマ
処理装置を提供することができる。
【0028】また、本発明の請求項3に記載の発明によ
れば、請求項1または請求項2に記載に発明において、
上記保持体の周囲に磁路を設けて被処理体近傍の磁場を
軽減するようにしたため、被処理体近傍におけるプラズ
マの磁場によるムラを軽減してより均一なプラズマ処理
を行なうヘリコン波プラズマ処理装置を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明のヘリコン波プラズマ処理装置の
一実施例を示す構成図である。
【図2】 図1に示すヘリコン波プラズマ処理装置を用い
た場合の半導体ウエハとエッチング速度との関係を示す
グラフである。
【図3】 従来のヘリコン波プラズマ処理装置の一例を示
す構成図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H05H 1/46 H05H 1/46 H01L 21/302 H 合議体 審判長 辻 徹二 審判官 伊藤 昌哉 審判官 高橋 美実 (56)参考文献 特開 平3−68773(JP,A) 特開 平4−302429(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガス供給部から供給されたプロセスガス
    のガス圧を所定の真空度に保持する処理容器と、この処
    理容器内で被処理体を保持する保持体と、上記プロセス
    ガスからヘリコン波プラズマを発生させるヘリコン波プ
    ラズマ発生手段とを備え、上記ヘリコン波プラズマ発生
    手段は、電磁波を発信する電磁波発信手段と、磁場を形
    する磁場形成手段とを備えたヘリコン波プラズマ処理
    装置において上記ヘリコン波プラズマ発生手段は上記
    処理容器の側面に配設され、上記電磁波発信手段が上記
    保持体に平行する電磁波を発信すると共に上記磁場形成
    手段が上記電磁波と同方向で且つ上記電磁波の方向と直
    交する断面が矩形状の磁場を形成して、上記被処理体と
    平行し且つ上記被処理体との間に所定の間隔を隔てたシ
    ート状領域で上記ヘリコン波プラズマを発生させること
    を特徴とするヘリコン波プラズマ処理装置。
  2. 【請求項2】 上記ヘリコン波プラズマ発生手段を上記
    処理容器に対して左右対称に配設したことを特徴とする
    請求項1に記載のヘリコン波プラズマ処理装置。
  3. 【請求項3】 上記保持体の周囲に磁路を設け、この磁
    路により上記被処理体近傍の磁場を軽減することを特徴
    とする請求項1または請求項2に記載のヘリコン波プラ
    ズマ処理装置。
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