JP3250699B2

JP3250699B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3250699B2
Application number: JP03183294A
Authority: JP
Inventors: 雄二塚本; 圭三広瀬
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 2002-01-28
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: JPH07221080A

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係
り、特に電子ビーム励起（ＥＢＥＰ）式のプラズマ処理
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体デバイスの高性能化、微細
化に伴って半導体ウェハ等の被処理体のプラズマ処理に
おいて微細加工が必要となっており、真空処理室内の真
空度をより低減させた状態で反応ガス、たとえばＣＨＦ
₃、ＣＦ₄等のガスあるいは不活性ガス、たとえばＡｒ、
Ｎ₂等のガスをプラズマ化して、より効率的に行う必要
性が高まっている。このプラズマ処理の１つとして、平
行平板状の電極の一方を接地し、他方に高周波電圧を印
加するＲＩＥ（反応性イオンエッチング）方式のプラズ
マ装置が知られているが、この種のプラズマ処理装置に
おいては、高周波電圧の印加によって反応ガスを励起し
てプラズマ化するため、異方性制御の制御性が悪く、半
導体デバイスの微細化への適用性が悪いという問題があ
り、そこで本願発明者はプラズマから電子を引き出して
加速して照射することにより所定のガスをプラズマ化
し、このプラズマにより被処理体の処理を行う電子ビー
ム励起（ＥＢＥＰ）式のプラズマ処理装置の開発を試み
ている。

【０００３】上記のような電子ビーム励起式のプラズマ
処理装置の典型例を図４に模式的に示すが、このプラズ
マ処理装置１００は、図示のように、円筒状容器１０１
の一方端にプラズマ生成用のアルゴンなどの不活性ガス
を噴出する導入口１０２を備えたカソード電極１０３を
設け、その円筒状容器１０１の他方端には被処理体であ
る半導体ウェハＷを保持するウェハホルダ１０４を有す
る処理室１０５を配置した構造となっている。さらに上
記カソード電極１０３と上記ウェハホルダ１０４との間
に、上記カソード電極１０３側から順に、それぞれ略中
央に電子ビーム通過口が同軸上に配置された予備放電電
極１０６、主放電電極１０７、およびアノード電極１０
８が配置されている。かかる構成により、上記カソード
電極１０３と上記アノード電極１０８との間に放電電位
を印加することにより、上記導入口１０２より容器内に
導入された不活性ガスをプラズマ化し、そこから電子ビ
ームを引き出し加速し、上記処理室１０５内に導入され
た処理ガスをプラズマ化し、上記ウェハホルダ１０４上
のウェハをプラズマ処理することが可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記処理容
器１０１の放電用電極に電圧を印加するための電源回路
は、図示のように、予備放電電極１０６と主放電電極１
０７に対して、同一の電源１０９から電力を供給し電圧
／電流制御を行っていた。そのため、立ち上げ時の初期
放電が不安定になり、放電条件によっては予備放電電極
に過電流が流れ主放電電極にまでプラズマが到達しない
など、プロセスに悪い影響を与える現象が発生するおそ
れがあった。さらにまた、電圧が必要な予備放電電極１
０６と電流を大きくとりたい主放電電極１０７に対して
同一電源１０９から電力を供給する必要上、大きな容量
の電源が必要でありそのために大きなスペースを要する
などの問題が生じていた。

【０００５】本発明は従来の電子ビーム励起式プラズマ
処理装置の電源装置の抱える上記のような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とすることころは、立
ち上げ時から安定した放電が得られ、予備放電電極に過
電流が流れるのを有効に防止することが可能であるとと
もに、電源の台数は増加するものの総量的には電源の小
型化が図れ、したがって電源の省スペース化を図ること
が可能な新規かつ改良されたプラズマ処理装置を提供す
ることである。

【０００６】上記課題を解決するために、本発明は、不
活性ガスをプラズマ化し、そのプラズマから電子を引き
出し加速して照射することにより、処理室内に供給され
る所定の反応ガスを励起してプラズマ化し、このプラズ
マにより被処理体の処理を行うプラズマ処理装置におい
て、前記不活性ガスをプラズマ化する領域に設けられた
カソード電極と、このカソード電極とともに前記不活性
ガスを予備放電する予備放電電極と、この予備放電電極
よりも処理室側に設けられ予備放電された前記不活性ガ
スのプラズマ化を促進するための主放電電極と、この主
放電電極よりも前記処理室側に設けられプラズマから電
子を引き出し加速して前記処理室内に導入するためのア
ノード電極と、前記カソード電極に電力を供給するため
のカソード主電源と、前記予備放電電極に補助電力を供
給するためのカソード補助電源を設け，前記カソード補
助電源は前記カソード主電源が前記カソード電極に供給
する電流よりも低いアンペアの電流を前記予備放電電極
に供給するものであることを特徴とするものである。

【０００７】また本発明の別の実施例によれば、前記カ
ソード補助電源は前記カソード主電源が前記カソード電
極に供給する電圧よりも高いボルトの電圧、好ましくは
１桁以上高いボルトの電圧を前記予備放電電極に供給す
るものであることが好ましく、さらに、前記カソード主
電源から第１の抵抗器を介して電力が前記カソード電極
に供給されるとともに、前記カソード補助電源から第２
の抵抗器を介して電力が前記予備放電電極に供給され、
その際に前記第２の抵抗器のインピーダンスが前記第１
の抵抗器のインピーダンスよりも大きい値をとるように
構成されることが好ましく、さらにまた前記カソード主
電源および前記カソード補助電源がそれぞれ反対極性の
可変直流電源であることが好ましい。

【０００８】

【作用】本発明によれば、カソード主電源とは別にカソ
ード補助電源を設けたことにより、予備放電電極の電圧
／電流を主放電電極とは独立に制御することが可能なの
で、安定した放電を得ることが可能である。すなわち、
高電圧が必要な予備放電電極に対してはカソード補助電
源より、高電圧、低電流の電力を相対的に高いインピー
ダンスの抵抗器を介して供給するので、予備放電電極に
よる立ち上げ時の初期放電を安定して行うことができ
る。また、高電流が必要な主放電電極に対しては、高電
流、低電圧の電力を相対的に低いインピーダンスの抵抗
器を介して供給することができ、しかも予備放電電極に
接続されたカソード補助電源のために予備放電電極に過
電流が流れる心配がないので、主放電電極による放電を
安定化させることができる。また従来の装置において
は、主放電電極で要求される高電流と予備放電電極で要
求される高電圧を単一の電源から供給するためには大き
な容量の電源を使用せざるを得なかったが、本発明によ
れば、要求される負荷に応じて電源を分散するので、電
源の台数は増加するものの、総量的には小型の電源を使
用することが可能であり、したがって電源設置スペース
の節約を図ることが可能である。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に基づいて構成されたプラズ
マ処理装置を電子ビーム励起式プラズマ処理装置に適用
した一実施例について、添付図面を参照しながら詳細に
説明する。

【００１０】図１に示すように本発明に基づいて構成さ
れたプラズマエッチング装置１は、不活性ガスをプラズ
マ化する領域としてプラズマ生成室２と、このプラズマ
から電子を引き出すとともに引き出された電子を加速す
る電子加速室３と、電子加速室３により加速された電子
の照射により反応ガスをプラズマ化して被処理体、たと
えば半導体ウェハを処理する処理室４とで主要部が構成
され、それぞれの室は円筒状でかつ導電性部材、たとえ
ばステンレス鋼等の材質で形成され同心線Ｏ上に連設さ
れている。

【００１１】前記プラズマ生成室２の一方端には、凸状
に形成された高融点の金属、たとえばモリブデンよりな
るカソード電極５が導電性の支持部材、たとえばステン
レス鋼により形成された部材６により支持されて配置さ
れている。またこのカソード電極５にはプラズマ生成用
の放電ガス、たとえば不活性ガスとしてＡｒガスを供給
する供給管７が接続され、前記プラズマ生成室２内に不
活性ガスを噴出するための導入孔８が穿設されている。
さらにこのカソード電極５の先端には熱電子を放出する
ための熱電子放出部材９、たとえばホウ化物としてのＬ
ａＢ₆（ランタンボライド）が配置されている。

【００１２】また前記カソード電極５の処理室側には、
予備放電電極１０、主放電電極１１およびアノード電極
１２が順次配置されている。これらの電極１０、１１、
１２は、内側の内径が、たとえば２ｍｍ〜１０ｍｍの範
囲のリング形状に形成された高融点の金属、たとえばモ
リブデンより成る部材から構成され、これらの電極はそ
れぞれリング状の導電性の支持部材１３、たとえばステ
ンレス鋼により形成された部材により支持されている。

【００１３】前記カソード電極５と前記予備放電電極１
０との間にはカソード室１４Ａが形成されるとともに、
前記予備放電電極１０と前記主放電電極１１との間には
中間室１４が形成され、この中間室１４の側壁には、中
間室１４内を１ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲の
所定圧力、たとえば４ｍＴｏｒｒに設定するとともに、
前記予備放電電極１０の開口部１５を介して前記予備放
電電極１０近傍の圧力を、たとえば０．１Ｔｏｒｒ〜１
０Ｔｏｒｒ以下の所定圧力、たとえば０．８Ｔｏｒｒに
設定するために排気する排気手段、たとえば真空ポンプ
１６が排気管１７を介して接続されている。

【００１４】さらに前記主放電電極１１と前記アノード
電極との間には加速室１８が形成され、この加速室１８
の側壁には、加速室１８内の圧力を前記中間室の圧力よ
りも低圧力に設定するために排気するための排気手段、
たとえば真空ポンプ１９が排気管２０を介して接続され
ている。

【００１５】また前記予備放電電極１０、前記主放電電
極１１、前記アノード電極１２の外周には、それぞれの
内径の中心点を前記同心線Ｏ上に有するリング状の第
１、第２および第３の磁界発生手段、たとえば電磁コイ
ル２１、２２、２３が設けられており、それぞれの電磁
コイル２１、２２、２３により発生される中心磁界の向
きを調整することにより、プラズマから引き出された電
子ビームを効率よく前記処理室４側へと案内することが
可能なように構成されている。

【００１６】そして処理室４内には被処理体、たとえば
半導体ウェハＷを載置するウェハホルダ２４が設けられ
ており、このホルダ２４に載置される半導体ウェハＷの
処理面の中心点は前記同心線Ｏ上に配置されるように構
成されている。この処理室４には、処理室４内に所定の
反応ガス、たとえばＣｌ₂ガスを導入する導入管２５が
接続されている。さらに、その処理室４の底壁には、こ
の処理室４内の圧力を前記電子加速室１８内の圧力より
低圧力、たとえば１００ｍＴｏｒｒ以下の圧力、好まし
くは０．５〜５ｍＴｏｒｒの圧力に設定するために排気
手段、たとえば真空ポンプ２６が排気管２７を介して接
続されている。

【００１７】また、前記処理室４の側壁には、開口部２
８が設けられており、開閉機構、たとえばゲートバルブ
２９により開閉可能に構成されており、さらにこのゲー
トバルブ２９を介して前記処理室４内には半導体ウェハ
Ｗを搬入出する搬送機構３０を内蔵し、減圧可能に構成
された減圧室、たとえばロードロック室３１が併設され
ている。

【００１８】次に上記のように構成されたプラズマエッ
チング装置１の各電極８、１０、１１、１２に電力を供
給するための電源回路の構成について説明する。図示の
ように、前記カソード電極５には、所定のインピーダン
ス、たとえば２．５Ωを有する安定化抵抗器３２を介し
て、たとえば２５０Ｖ／２０Ａの電力を供給することが
可能な第１の電源３３が接続されており、前記カソード
電極５と前記主放電電極１１との間に高電流を印加する
ことが可能である。また前記補助電極１２には、所定の
インピーダンス、たとえば２００Ωを有する安定化抵抗
器３４および開閉手段、たとえば電磁スイッチ３５を介
して、たとえば３５０Ｖ／１Ａの電力を供給することが
可能な第２の電源３６が接続されており、前記カソード
電極５と前記予備放電電極１０との間に高電圧を印加す
ることが可能である。さらに前記アノード電極１２には
アノード電源３７が接続されており、プラズマ生成室に
て発生した電子ビームを加速させるための加速電圧をア
ノード電極１２に印加することが可能である。さらにま
た処理室４内のウェハホルダ２４にもバイアス電源３８
を介してバイアス電位を印加することが可能であり、処
理室４内に発生したプラズマ中のイオンや活性種を半導
体ウェハＷの表面に効率的に入射させることができるよ
うに構成されている。

【００１９】以上のように本発明を適用可能な電子ビー
ム励起式プラズマエッチング装置１は構成されている。
次に、上記のように構成される電子ビーム励起式プラズ
マエッチング装置１の作用について説明する。

【００２０】まず電磁コイル２１、２２を励起してカソ
ード室１４Ａから中間室１４を通って加速室１８に向か
う軸方向磁界を形成する。またプラズマ生成用の不活性
ガス、たとえばＡｒガスをカソード室１４Ａ内に導入孔
８を介して所定流量、たとえば４０ｓｃｃｍで噴出させ
るとともに、中間室１４、加速室１８および処理室４内
をそれぞれ前述の所定圧力に真空ポンプ１６、１９、２
６を駆動して真空引きして設定する。

【００２１】ついでそれぞれ反対極性のカソード電源３
３およびカソード補助電源３６をオンにすることによ
り、カソード電極５と予備放電電極１０との間に十分な
高い電位差が生じるので立ち上がり時であっても安定し
た初期放電を得ることができる。かかる初期放電により
生じた熱電子放出部材９から熱電子が磁力線に沿って中
間室１４方向に流れていく。その際、予備放電電極１０
側のインピーダンスよりも主放電電極１１側のインピー
ダンスが小さいので、カソード電極５と予備放電電極１
０との間に生じた放電が予備放電電極１０と主放電電極
１１との間の中間室１４に移行していく。このようなプ
ラズマの移行時に、従来の単一の大容量電源を用いた場
合には、放電条件によっては、予備放電電極１０に過電
流が流れ、プラズマがカソード室１４Ａに留まってしま
うおそれがあったが、本発明によれば、予備放電電極１
０には補助電源３６が介挿されているので過電流が流れ
ることがなく、プラズマをカソード室１４Ａから中間室
１４に円滑に移行させることが可能である。このように
してカソード電極５と主放電電極１０間において安定し
た放電が形成された後は、電磁スイッチ３５を開放する
ことが可能である。

【００２２】こうして生成されたプラズマ内の電子は加
速領域である加速室１８の処理室側に配置されたアノー
ド電極１２に電源３７より加速電圧を印加することによ
り、磁力線に沿って加速室１８に引き出され加速され、
処理室４内に導入されることになる。この際、処理室４
内には、導入管２５を介して所定の反応ガス、たとえば
Ｃｌ₂ガスが導入されるとともに、真空ポンプ２６を稼
動することにより、この処理室４内の圧力を１００ｍＴ
ｏｒｒ以下の圧力、好ましくは０．５〜５ｍＴｏｒｒの
圧力に設定されているので、加速された電子流は、処理
室内のＣｌ₂ガスに照射され、その反応ガスが励起され
て高密度プラズマが発生される。そして、ウェハホルダ
２４に電源３８よりバイアス電位を印加することによ
り、プラズマ中の活性種が半導体ウェハＷの処理面に作
用しエッチングなどのプラズマ処理が施される。

【００２３】以上のように本発明に基づいて構成された
プラズマ処理装置は作用する。次にかかるプラズマ処理
装置の効果について図２および図３を参照しながら従来
のプラズマ処理装置と比較しながら説明する。なお図２
には従来のプラズマ処理装置の電源回路が模式的に示さ
れており、図３には本願のプラズマ処理装置の電源回路
が模式的に示されているが、これらの装置は図１に示す
装置とほぼ同様の構成を有しており、図１に示す装置と
同様の機能を発揮する構成部材については同一の番号を
付することによりその詳細な説明は省略することにす
る。

【００２４】図２に示すように、従来の電源回路は、高
電流が要求される主放電電極１１と高電圧が要求される
予備放電電極１０とを同時に電圧／電流制御するため
に、カソード電極５に対して単一の大容量、たとえば６
００Ｖ／２０Ａの電源３３’が接続されていた。そのた
め大きな電源用スペースが必要であるとともに、立ち上
がり時の放電が不安定であり、また放電条件によって
は、過電流が予備放電電極１０に流れ、カソード室１４
Ａにおいて生じた初期放電が中間室１４にまで到達しな
いおそれがあった。

【００２５】これに対して、本願の電源回路は、図３に
示すように、高電流が要求される主放電電極１１に対し
て２５０Ｖ／２０Ａの電源３３を用意し、高電圧が要求
される予備放電電極１０に対して３５０Ｖ／１Ａの電源
３６を用意しているため、立ち上がり時には予備放電電
極１０とカソード電極５との間に初期放電を生じさせる
に十分な電位を発生させることが可能であり、予備放電
電極１０に過電流が流れるのが防止されるので、カソー
ド室１４Ａに生じたプラズマを円滑に中間室１４に移行
させることが可能である。さらに本願の電源回路では、
電源の台数は増えるものの、小型の小容量の電源を使用
可能なのでトータルスペースでは従来回路よりも省スペ
ース化を図ることが可能である。

【００２６】なお上記実施例においては、本発明のプラ
ズマ処理装置をプラズマエッチング装置に適用した場合
について説明したが、本発明はかかる実施例に限定され
ず、たとえばＣＶＤ装置やスパッタ装置その他の電子ビ
ーム励起式プラズマ装置にも適用できることがもちろん
である。また前記実施例では被処理体が半導体ウェハの
場合について説明したが、被処理体は半導体ウェハに限
定されるものではなく、たとえばＬＣＤ基板などについ
ても同様に処理することができる。

【００２７】また上記実施例では、反応ガス（エッチン
グガス）としてＣｌ₂ガスを使用した例について述べた
が、エッチングガスはＣｌ₂ガスに限定されるものでは
なく、ハロゲン系ガスの単ガス、たとえばＨＣｌ、ＣＦ
₄、ＣＣｌ₄、ＨＢｒを用いてもよく、またこれら単ガス
を組み合わせて複合ガスとしてエッチングガスに用いる
ことができる。またこれらのエッチングガスに添加ガ
ス、たとえばＨｅ、Ａｒ、Ｈ₂、Ｏ₂を単ガス、あるいは
組み合わせた複合ガスとして使用しても、電子ビーム励
起式プラズマ処理装置を構成して、高いエッチングレー
トと高い異方性のある高効率の装置とすることができ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明装置によれ
ば、立ち上げ時であっても安定した補記放電を得ること
が可能であり、また予備放電電極に過電流が流れること
がないので、カソード室から中間室にプラズマを円滑に
移行させることができ、安定したプラズマ処理を行うこ
とができる。また電源の台数は増加するが、小型の電源
を用いることができるので、トータルスペースでは従来
の電源回路よりも省スペースの装置を構成することがで
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一例を示す概略断
面図である。

【図２】従来のプラズマ処理装置の電源回路の模式図で
ある。

【図３】本願のプラズマ処理装置の電源回路の模式図で
ある。

【図４】従来のプラズマ処理装置を示す概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１プラズマエッチング装置２プラズマ生成室３電子加速室４処理室５カソード電極１０予備放電電極１１主放電電極１２アノード電極３３カソード主電源３６カソード補助電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 22/3065 C23C 14/44

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】不活性ガスをプラズマ化し，そのプラズ
マから電子を引き出し加速して照射することにより，処
理室内に供給される所定の反応ガスを励起してプラズマ
化し，このプラズマにより被処理体の処理を行うプラズ
マ処理装置において，前記不活性ガスをプラズマ化する
領域に設けられたカソード電極と，このカソード電極と
ともに前記不活性ガスを予備放電する予備放電電極と，
この予備放電電極よりも処理室側に設けられ予備放電さ
れた前記不活性ガスのプラズマ化を促進するための主放
電電極と，この主放電電極よりも前記処理室側に設けら
れプラズマから電子を引き出し加速して前記処理室内に
導入するためのアノード電極と，前記カソード電極に電
力を供給するためのカソード主電源と，前記予備放電電
極に補助電力を供給するためのカソード補助電源を設
け，前記カソード補助電源は前記カソード主電源が前記
カソード電極に供給する電流よりも低いアンペアの電流
を前記予備放電電極に供給するものであることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項２】前記カソード補助電源は前記カソード
主電源が前記カソード電極に供給する電圧よりも高いボ
ルトの電圧を前記予備放電電極に供給するものであるこ
とを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記カソード主電源から第１の抵抗器を
介して電力が前記カソード電極に供給されるとともに，
前記カソード補助電源から第２の抵抗器を介して電力が
前記予備放電電極に供給され，その際に前記第２の抵抗
器のインピーダンスが前記第１の抵抗器のインピーダン
スよりも大きい値をとるように構成されたことを特徴と
する，請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記カソード主電源および前記カソード
補助電源がそれぞれ反対極性の可変直流電源であること
を特徴とする，請求項１，２または３のいずれかに記載
のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記カソード補助電源は前記カソード
主電源が前記カソード電極に供給する電流よりも１桁以
上低いアンペア数の電流を前記予備放電電極に供給する
ものであることを特徴とする，請求項１，２，３または
４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】前記第２の抵抗器のインピーダンスが前
記第１の抵抗器のインピーダンスよりも１桁以上高く設
定されるように構成されたことを特徴とする，請求項
１，２，３，４または５のいずれかに記載のプラズマ処
理装置。