JP3840821B2

JP3840821B2 - Plasma processing equipment

Info

Publication number: JP3840821B2
Application number: JP33881298A
Authority: JP
Inventors: 賢治前田; 一郎佐々木; 賢悦横川; 主人高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2018-11-30
Also published as: JP2000164394A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、液晶ディスプレー用基板等の製造工程において、エッチング、CVD(Chemical Vapor Deposition)、アッシング等の処理に好適なプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＲＡＭや、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ等の半導体装置の製造工程において、弱電離プラズマを用いたプラズマプロセッシングが広く用いられている。プラズマプロセスでは、プラズマにより生成したイオンや、ラジカルを、被処理基板に照射することにより基板の処理を行っている。半導体装置の微細化に伴い、配線やゲート電極、コンタクトホール等の加工に用いられるプラズマエッチング装置には、更なる微細加工性、高い選択性、高い処理均一性、低ダメージ性能等が求められている。
【０００３】
これらエッチング装置用のプラズマ源として古くから用いられてきたものに平行平板型プラズマ源がある。平行平板型プラズマは、プラズマと電源との結合が容量的であることから、ＣＣＰ（Capacitive Coupled Plasma）と呼ばれている。平行平板型プラズマ源は、装置体系が比較的単純であり、また、ブロッキングコンデンサをアノード電極側に入れる事により生じる比較的高い自己バイアスを用い、異方性エッチングを行っていた。しかし、半導体装置のパターン寸法が細かくなるに連れ、低圧で高密度プラズマを生成しずらい、という欠点が目立ちはじめた。
【０００４】
特開平7-297175号広報は、狭電極平行平板タイプリアクタの上部電極に数十MHzの高周波を印可することにより比較的高密度なプラズマを生成させ、また、被処理基板を載置する下部電極には数百kHzのバイアスを印可する事により、処理基板に入射するイオン量をコントロールする（IEM:Ion Energy Modulation）ものである。しかし、IEMを用い、安定にプラズマを生成可能な圧力は数十Pa〜5Pa程度であり、パターン寸法の更なる微細化に対応していくのは困難である。
【０００５】
比較的低圧で、かつ高密度のプラズマを生成可能なプラズマ源として、電子サイクロトロン共鳴（ECR: Electron Cyclotron Resonance）を用いた有磁場μ波型プラズマ源がある。共鳴を用いる事により低圧でも効率よくプラズマを生成できる。しかし、プロセスによっては、高密度、高電子温度が災いし、処理用ガスの解離が進みすぎ、マスク材や、下地材料との選択比が取れない、といった問題も発生している。また、磁場に起因するバイアスの不均一や、ダメージの問題も無視できなくなっている。
【０００６】
また、近年では、誘電体の容器の側面、もしくは上面にコイルを巻きつけ、該コイルに交番電流を流す事により生じる誘導電界でプラズマを維持する、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマも現れてきている。ＩＣＰも、ＥＣＲプラズマと同様、低圧で、高密度のプラズマを生成可能であるが、やはり、プロセスガスの解離が進みすぎる欠点を持っている。
【０００７】
近年注目されているのが、ＵＨＦ帯の電磁波を用いたプラズマ源である。第４４回秋季応用物理学会予稿集No.1, 28a-SQ-29に見られるように、誘電体板の上面にスポーク状アンテナを配置する場合や、第５８回春季応用物理学会予稿集No.1, 4p-B-5に見られるように、ＵＨＦ帯＋ＥＣＲを用いる場合もある。
【０００８】
これまで、プラズマの励起源周波としては、商用周波数である13.56MHzや、2.45GHzが用いられる事が多かったが、適度に高密度で、電子温度もさほど高くない、プロセスに好適なプラズマを生成可能な周波数帯域が、ＵＨＦ帯である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
数十MHz程度の周波数帯（ＨＦ帯）では、電磁波の波長は、装置の寸法に比べだいぶ長く、電源とプラズマとの結合は、容量的（ＣＣＰタイプ）もしくは、誘導的（ＩＣＰタイプ）なものとして説明できる。しかし、ＵＨＦ帯では、電磁波の波長は、装置寸法と同程度になってくる為、電源とプラズマとの結合は、もはや、容量的、誘導的といった単純なものでは説明できなくなる。これは、プラズマ装置を造る側になってみると、単に電極を配置したり、コイルを巻くだけでは、電源からのパワーを効率よくプラズマに投入することは難しくなってくることを意味している。
【００１０】
電磁波を放射するアンテナの設計を誤ると、プラズマへの電力投入がうまくいかず、十分なプラズマ密度が得られない、安定したプラズマが生成できない、電源との整合が取れずプラズマが着火できない、等の弊害を生じることになる。
【００１１】
そこで、本発明の第一の目的は、ＵＨＦ帯の電磁波を効率よくプラズマに投入することにより、プロセスに好適なプラズマ密度を得ることにある。また、本発明の第二の目的は、十分なプラズマ密度を達成した上で、Φ３００ｍｍウエハにも対応しうる、大口径で均一なプラズマを生成することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
ＵＨＦ帯の電磁波を効率よくプラズマに投入する為には、共振タイプのアンテナを用い、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすようにアンテナを設計すればよい。これにより本発明の第一の目的は達成される。
【００１３】
以下、円形ＭＳＡ（Micro Strip Antenna）を例にとって説明を続ける。
【００１４】
円形ＭＳＡの共振周波数fcは、以下の式で現される。
【００１５】
【数式１】

【００１６】
ここで、TM11モードを励振する場合、χmn＝χ11=1.841 であり、TM01モードを励振する場合、χmn＝χ01=3.832である。C0は光速、εrはアンテナ−地導体板間の誘電体の比誘電率を表している。
【００１７】
Aeffは、フリンジング効果を考慮した場合のアンテナの実効半径であり、アンテナ半径A, 誘電体厚さh、比誘電率ε_rを用い、
【００１８】
【数式２】

【００１９】
と表される。
【００２０】
式（１）、（２）は、無限に広いとみなせる接地導体板と誘電体板上に円形ＭＳＡがある場合の式であり、実験値と比較的よく一致する事が知られている。
【００２１】
ウエハサイズやリアクタ内径等の制約で決まってくるアンテナ径と、用いる電源周波数ｆ０（≒ｆｃ）とから、誘電体板の比誘電率が求められることになる。
【００２２】
しかし、この円形ＭＳＡをプラズマリアクタに適用した場合、アンテナのすぐ近傍にリアクタ壁や、電極等が存在し、理論値からずれた値を取る。したがって、これらを考慮した数値シミュレーションを行ったところ、図４に示すように、アンテナ共振周波数ｆｃは、理論値よりも若干低い値をとることがわかった。
【００２３】
また、図２に示すように、リアクタ内に電磁波吸収体１０２をいれ、ネットワークアナライザ１０１により反射波の周波数特性を測定する事によりアンテナの共振周波数を観測する事が出来る。図３には、このようにして測定された反射波の周波数特性の典型的な結果を示す。反射波が極小となっている周波数が、アンテナの共振周波数である。また、数値シミュレーション値と、測定結果はほぼ一致した。
【００２４】
上記したような方法で、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすようにアンテナを設計したところ、高密度で、安定したプラズマを生成する事が出来た。逆に、共振周波数を極端にずらした場合は、プラズマの着火性も著しく悪く、また、安定したプラズマを生成する事ができなかった。
【００２５】
上記した方法で求められるアンテナの共振周波数は、プラズマ着火時には、若干ずれてくる。プラズマが誘電体として振る舞うからである。したがって、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと若干ずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも可能である。これにより、ある程度広い条件で、安定したプラズマの生成が可能となる。
【００２６】
また、円形ＭＳＡにおいては、アンテナ−地導体板間の誘電体板の厚さｈを増加させることにより、アンテナのＱ値を若干低くする事ができる。すなわち、より広帯域なアンテナ特性となり、負荷（プラズマ）の変動で共振周波数が若干ずれる事をカバーできる。
【００２７】
本発明の第二の目的は、上記方法でアンテナを設計した上で、５０〜４００Ｇ程度の静磁場、もしくは、時間的に緩やかに変動する磁場を加えることにより達成される。プラズマの分布は、磁場の強度や磁場形状に依存するが、ＥＣＲ共鳴を起こすような磁場（たとえば、電源周波数が４５０ＭＨｚであれば、１６１Ｇ程度）を加え、ＥＣＲ面形状を制御する事により、プラズマの均一性を制御する事が可能となる。また、磁場配位を時間的に緩やかに変化させる事により、プラズマ分布の制御範囲が広がることは、言うまでもない。
【００２８】
さらに、アンテナに、プロセス制御のための第２の高周波を重畳して加える事により、プロセスに寄与する解離種の制御も可能である。
【００２９】
これまで円形ＭＳＡタイプのアンテナについて話を進めてきたが、本発明は円形ＭＳＡタイプアンテナに限られるものではない。すなわち、電磁波の放射にアンテナの共振を用いるタイプであれば、方形ＭＳＡや、ライン状のＭＳＡ，放射状ＭＳＡ，モノポール、ダイポールアンテナを処理室に巻き付けた形状等、どのようなアンテナ形状にも適用可能である。さらに、本発明は、処理室の形状や、処理用ガスの種類、圧力、電源パワー、電源周波数、基板バイアス、磁場等の要因によらず、適用可能である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第一の実施例を示す。真空容器１の中に、被処理基板３と、基板を載置するためのステージ２と、略円盤状のアンテナ４と、アンテナ裏誘電体５とが配置されている。ステージ２には、プラズマにより生成されたイオンを被処理基板３に引き込むためのバイアス電源１４と、第三の整合器１３が接続されており、また、基板を温調するための温調装置１５が接続されている。
処理用ガスは、ガス供給装置１１より、シャワープレート（図示していない）を介して処理装置内に供給される。
【００３１】
アンテナ４には、第一の整合器７を介して、第一の高周波電源８が接続されており、さらに、第二の整合器９を介して第二の高周波電源１０が接続されている。
【００３２】
プラズマの生成は、主に第一の高周波電源８より供給される電磁波によって行われる。また、第２の高周波電源１０は、プロセスに寄与する解離種の制御に用いられる。このため、第２の高周波電源の周波数ｆ１は、アンテナに不要な共振モードを作らず、また、第１の電源周波数と干渉しない周波数が選定されている。
【００３３】
アンテナの径や、アンテナ裏誘電体５の比誘電率は、前述したように、アンテナの共振周波数ｆｃと、第一の高周波電源８の周波数ｆ０との関係が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすように設定されている。これにより、プラズマに電磁波のパワーを効率よく投入する事が可能となり、高密度で安定したプラズマの生成が可能となる。
【００３４】
また、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと微妙にずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも可能である。これにより、ある程度広い条件で、安定したプラズマの生成が可能となる。
【００３５】
また、第一の整合器７は、より広い運転条件に対応するために設置されたものであり、運転条件を狭い範囲に限定し、また、前述した方法にてアンテナの広帯域化を図る事により、省略可能となる。この場合、運転条件は限定されるが、整合器が不要となり、コストダウンが図れる。
【００３６】
また、磁場コイル６により、ＥＣＲ共鳴を起こすような磁場を加える事により、プラズマの生成効率をさらにあげ、プラズマの均一性を制御する事も可能となる。プラズマの分布は、磁場の強度や磁場形状に依存するが、前述した方法でアンテナを設計した上で、ＥＣＲ共鳴を起こすような磁場（たとえば、電源周波数が４５０ＭＨｚであれば、１６１Ｇ程度）を加え、ＥＣＲ面形状を制御する事により、プラズマの均一性を制御する事が可能となる。また、時間的に緩やかに変動する磁場を用いる事で、さらなる制御性を得る事も可能である。
【００３７】
また、アンテナの共振周波数は、アンテナ径と、アンテナ裏誘電体５の比誘電率に強く影響を受ける。したがって、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、アンテナ裏の誘電体を、比誘電率の異なる２種類以上の材質で構成する、すなわち、第一の誘電体１０５と、第２の誘電体１０６のように構成する事により、あるアンテナ径と電源周波数にたいし、適切な共振周波数を持つアンテナを設計する事が可能となる。
【００３８】
また、図５（ｃ）に示したように、２種類の誘電体の厚さを徐々にかえることにより、リアクタ内の電界強度分布を制御する事ができ、したがって、プラズマ密度分布を制御する事が可能となる。
【００３９】
本発明は円形ＭＳＡタイプのアンテナに限られるものではない。図６に本発明の第２の実施例を示す。ガス供給系、ステージの構成等、第一の実施例と重複する部分の説明は省略する。
【００４０】
図６に示す第２の実施例では、誘電体製容器１６の周りにコイル状アンテナ１８を配置している。誘電体製容器１６とコイル状アンテナからなる放電部は、電磁シールド１７によって覆われている。本装置体系は、一見ＩＣＰタイプのプラズマ源のように見えるが、アンテナの両端を開放端とし、また、アンテナの全長を、おおむね、プラズマを生成するために用いる電磁波の1/4波長の整数倍とすることにより、コイル状アンテナを共振アンテナとして作用させることができる。給電点は、電源との整合を取るためにアンテナ端部から若干シフトさせている。
【００４１】
このようなタイプのアンテナでも、アンテナの共振周波数ｆｃと、高周波電源８の周波数ｆ０との関係が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすように、望ましくは、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２の関係を満たすように設定することにより、プラズマに電磁波のパワーを効率よく投入する事が可能となり、高密度で安定したプラズマの生成が可能となる。また、設計上重要なパラメータである共振周波数は、コイル状アンテナの場合、おおむねコイル全長により決定され、また、より正確な値は、ネットワークアナライザを用いることにより測定可能である。
【００４２】
また、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと微妙にずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも可能である。
【００４３】
さらに、整合器７は、第一の実施例で説明したのと同様、より広い運転条件に対応するために設置されたものであり、運転条件を狭い範囲に限定し、さらにアンテナの広帯域化を図る事により、省略可能となる。この場合、運転条件は限定されるが、整合器が不要となり、コストダウンが図れる。
【００４４】
【発明の効果】
これまで説明してきたように、大気より減圧された処理室と、処理室に処理用ガスを導入する手段と、処理室内のガスを排気する手段と、処理室内に設けられた、被処理基板を載置するためのステージと、処理用ガスをプラズマ化するための電磁波を放射するためのアンテナと、アンテナに電力を供給する高周波電源と、を有するプラズマ処理装置において、該アンテナの共振周波数ｆｃと、電源の周波数ｆ０が、０．６＜ｆｃ／ｆ０＜１．４の関係を満たすようにすることで、電磁波のパワーを効率よくプラズマに投入でき、プロセスに好適なプラズマ密度を発生させる事ができる。
【００４５】
また、上記条件を満たした上で、アンテナのサイズを適切に選定する事により、均一なプラズマを生成させる事を可能とする。
【００４６】
さらに、アンテナの共振周波数ｆｃと、電源周波数ｆ０をわざと若干ずらすことにより、すなわち、０．８＜ｆｃ／ｆ０＜１．２、かつｆｃ／ｆ０≠１．０とすることにより、プラズマ着火時に完全な共振が起こるようにすることも可能である。
【００４７】
さらに、アンテナのＱ値を低くする、つまりアンテナの広帯域化を図る事により、負荷（プラズマ）の変動で共振周波数が若干ずれる事をカバーでき、幅広い条件でプロセスに好適なプラズマを生成する事が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例に係わるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。
【図２】アンテナの共振周波数の計測法の一例を示す模式図である。
【図３】共振型アンテナをネットワークアナライザで測定した場合の、反射波の周波数特性を示す模式図である。
【図４】アンテナ裏誘電体の比誘電率とアンテナの共振周波数を示す模式図である。
【図５】アンテナ裏に複数の誘電体を用いた場合のアンテナまわりの構成の例を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係わるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１：真空容器、２：ステージ、３：被処理基板、４：アンテナ、５：アンテナ裏誘電体、６：磁場コイル、７：第一の整合器、８：第一の電源、９：第二の整合器、１０：第二の電源、１１：ガス供給装置、１３：第三の整合器、１４：バイアス用電源、１５：温調装置、１６：誘電体容器、１７：電磁シールド、１８：コイル状アンテナ、１０１：ネットワークアナライザ、１０２：電磁波吸収体、１０５：第一の誘電体、１０６：第二の誘電体。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus suitable for processes such as etching, CVD (Chemical Vapor Deposition), and ashing in the manufacturing process of a semiconductor device, a liquid crystal display substrate, and the like.
[0002]
[Prior art]
Plasma processing using weakly ionized plasma is widely used in the manufacturing process of semiconductor devices such as DRAMs, microprocessors, and ASICs. In the plasma process, the substrate is processed by irradiating the substrate to be processed with ions or radicals generated by the plasma. Along with the miniaturization of semiconductor devices, plasma etching devices used for processing of wiring, gate electrodes, contact holes, etc. are required to have further fine processability, high selectivity, high processing uniformity, low damage performance, etc. Yes.
[0003]
A parallel plate type plasma source has been used for a long time as a plasma source for these etching apparatuses. The parallel plate type plasma is called CCP (Capacitive Coupled Plasma) because the coupling between the plasma and the power source is capacitive. The parallel plate type plasma source has a relatively simple apparatus system and performs anisotropic etching using a relatively high self-bias generated by inserting a blocking capacitor on the anode electrode side. However, as the pattern size of the semiconductor device becomes finer, the disadvantage that it is difficult to generate high-density plasma at a low pressure has begun to stand out.
[0004]
JP-A-7-297175 discloses that a relatively high density plasma is generated by applying a high frequency of several tens of MHz to an upper electrode of a narrow electrode parallel plate type reactor, and a lower electrode on which a substrate to be processed is placed. In this case, by applying a bias of several hundred kHz, the amount of ions incident on the processing substrate is controlled (IEM: Ion Energy Modulation). However, the pressure at which plasma can be stably generated using IEM is about several tens of Pa to 5 Pa, and it is difficult to cope with further miniaturization of pattern dimensions.
[0005]
As a plasma source capable of generating a high-density plasma at a relatively low pressure, there is a magnetic field μ-wave type plasma source using electron cyclotron resonance (ECR). By using resonance, plasma can be generated efficiently even at low pressure. However, depending on the process, the high density and the high electron temperature are damaged, the dissociation of the processing gas proceeds too much, and there is a problem that the selection ratio with the mask material and the base material cannot be obtained. In addition, the bias nonuniformity and damage caused by the magnetic field cannot be ignored.
[0006]
In recent years, ICP (Inductively Coupled Plasma) plasma has also appeared, in which a coil is wound around a side surface or an upper surface of a dielectric container, and plasma is maintained by an induced electric field generated by passing an alternating current through the coil. . ICP, like ECR plasma, can generate a high-density plasma at a low pressure, but still has a drawback that the process gas dissociates too much.
[0007]
In recent years, a plasma source using electromagnetic waves in the UHF band has been attracting attention. As can be seen in the 44th Autumn Meeting of Applied Physics, No.1, 28a-SQ-29, when a spoke antenna is placed on the top surface of the dielectric plate, the 58th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics No. 1, 4p-B-5, UHF band + ECR may be used.
[0008]
Until now, 13.56MHz and 2.45GHz, which are commercial frequencies, were often used as the excitation frequency of the plasma, but it produced a plasma suitable for the process with moderately high density and low electron temperature. A possible frequency band is the UHF band.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the frequency band (HF band) of about several tens of MHz, the wavelength of the electromagnetic wave is much longer than the size of the device, and the coupling between the power source and the plasma is capacitive (CCP type) or inductive (ICP type) It can be explained as However, in the UHF band, the wavelength of the electromagnetic wave becomes almost the same as the size of the apparatus, and therefore the coupling between the power source and the plasma can no longer be explained by simple things such as capacitive and inductive. This means that when it comes to the side of building a plasma device, it is difficult to efficiently put power from the power source into the plasma simply by placing electrodes or winding coils. .
[0010]
If the antenna that radiates electromagnetic waves is mistakenly designed, power cannot be supplied to the plasma, sufficient plasma density cannot be obtained, stable plasma cannot be generated, plasma cannot be ignited due to inconsistency with the power source, etc. Will cause adverse effects.
[0011]
Accordingly, a first object of the present invention is to obtain a plasma density suitable for the process by efficiently introducing UHF band electromagnetic waves into the plasma. The second object of the present invention is to generate a large-diameter and uniform plasma that can be applied to a Φ300 mm wafer while achieving a sufficient plasma density.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to efficiently put electromagnetic waves in the UHF band into the plasma, a resonance type antenna is used, and the resonance frequency fc of the antenna and the frequency f0 of the power supply satisfy the relationship of 0.6 <fc / f0 <1.4. Thus, it is desirable to design the antenna so as to satisfy the relationship of 0.8 <fc / f0 <1.2. This achieves the first object of the present invention.
[0013]
Hereinafter, description will be continued by taking a circular MSA (Micro Strip Antenna) as an example.
[0014]
The resonance frequency fc of the circular MSA is expressed by the following equation.
[0015]
[Formula 1]

[0016]
Here, when exciting the TM11 mode, χmn = χ11 = 1.841, and when exciting the TM01 mode, χmn = χ01 = 3.832. C0 represents the speed of light, and εr represents the relative dielectric constant of the dielectric between the antenna and the ground conductor plate.
[0017]
Aeff is the effective radius of the antenna when the fringing effect is taken into account, using the antenna radius A, the dielectric thickness h, and the relative dielectric constant ε _r ,
[0018]
[Formula 2]

[0019]
It is expressed.
[0020]
Expressions (1) and (2) are expressions in the case where there is a circular MSA on the ground conductor plate and the dielectric plate that can be regarded as infinitely wide, and it is known that the values agree relatively well with the experimental values.
[0021]
The relative dielectric constant of the dielectric plate is obtained from the antenna diameter determined by constraints such as the wafer size and reactor inner diameter and the power supply frequency f0 (≈fc) to be used.
[0022]
However, when this circular MSA is applied to a plasma reactor, there are reactor walls, electrodes, etc. in the immediate vicinity of the antenna, and the values deviate from the theoretical values. Therefore, when a numerical simulation taking these into consideration was performed, it was found that the antenna resonance frequency fc was slightly lower than the theoretical value, as shown in FIG.
[0023]
In addition, as shown in FIG. 2, the resonant frequency of the antenna can be observed by placing the electromagnetic wave absorber 102 in the reactor and measuring the frequency characteristics of the reflected wave with the network analyzer 101. FIG. 3 shows a typical result of the frequency characteristics of the reflected wave thus measured. The frequency at which the reflected wave is minimal is the resonance frequency of the antenna. Moreover, the numerical simulation value and the measurement result almost coincided.
[0024]
Preferably, 0.8 <fc / f0 <1 so that the resonance frequency fc of the antenna and the frequency f0 of the power supply satisfy the relationship of 0.6 <fc / f0 <1.4. When the antenna was designed to satisfy the relationship of .2, it was possible to generate high-density and stable plasma. On the contrary, when the resonance frequency is extremely shifted, the ignitability of the plasma is remarkably deteriorated, and stable plasma cannot be generated.
[0025]
The resonance frequency of the antenna required by the above method is slightly shifted during plasma ignition. This is because plasma behaves as a dielectric. Therefore, by intentionally shifting the resonance frequency fc of the antenna and the power supply frequency f0 slightly, that is, by setting 0.8 <fc / f0 <1.2 and fc / f0 ≠ 1.0, the plasma is completely ignited. It is also possible to cause such resonance to occur. This makes it possible to generate stable plasma under a wide range of conditions.
[0026]
In the circular MSA, the Q value of the antenna can be slightly lowered by increasing the thickness h of the dielectric plate between the antenna and the ground conductor plate. That is, the antenna characteristics have a wider band, and it is possible to cover that the resonance frequency is slightly shifted due to fluctuations in the load (plasma).
[0027]
The second object of the present invention is achieved by designing the antenna by the above method and applying a static magnetic field of about 50 to 400 G or a magnetic field that gradually changes with time. The distribution of plasma depends on the strength of the magnetic field and the shape of the magnetic field, but by applying a magnetic field that causes ECR resonance (for example, about 161 G if the power supply frequency is 450 MHz) and controlling the shape of the ECR surface, It is possible to control the uniformity of the image. It goes without saying that the control range of the plasma distribution is broadened by gradually changing the magnetic field configuration with time.
[0028]
Furthermore, by adding a second high frequency for process control to the antenna in a superimposed manner, it is possible to control dissociated species that contribute to the process.
[0029]
Up to now, the circular MSA type antenna has been discussed, but the present invention is not limited to the circular MSA type antenna. That is, as long as the antenna resonance is used for electromagnetic wave radiation, it can be applied to any antenna shape such as a rectangular MSA, a linear MSA, a radial MSA, a monopole, or a dipole antenna wound around a processing chamber. Is possible. Furthermore, the present invention is applicable regardless of factors such as the shape of the processing chamber, the type of processing gas, pressure, power supply power, power supply frequency, substrate bias, and magnetic field.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. In the vacuum vessel 1, a substrate 3 to be processed, a stage 2 for placing the substrate, a substantially disk-shaped antenna 4, and an antenna back dielectric 5 are arranged. The stage 2 is connected to a bias power source 14 for drawing ions generated by the plasma into the substrate 3 to be processed and a third matching unit 13, and a temperature adjustment device 15 for adjusting the temperature of the substrate. Is connected.
The processing gas is supplied from the gas supply device 11 into the processing device via a shower plate (not shown).
[0031]
A first high frequency power source 8 is connected to the antenna 4 via a first matching unit 7, and a second high frequency power source 10 is further connected to the antenna 4 via a second matching unit 9.
[0032]
Plasma is generated mainly by electromagnetic waves supplied from the first high-frequency power supply 8. The second high frequency power supply 10 is used to control dissociated species that contribute to the process. For this reason, the frequency f1 of the second high-frequency power supply is selected such that it does not create an unnecessary resonance mode for the antenna and does not interfere with the first power supply frequency.
[0033]
As described above, the diameter of the antenna and the relative dielectric constant of the antenna back dielectric 5 are such that the relationship between the resonance frequency fc of the antenna and the frequency f0 of the first high frequency power supply 8 is 0.6 <fc / f0 <. In order to satisfy the relationship of 1.4, it is preferably set to satisfy the relationship of 0.8 <fc / f0 <1.2. As a result, the power of electromagnetic waves can be efficiently input to the plasma, and high-density and stable plasma can be generated.
[0034]
Further, by intentionally shifting the resonance frequency fc of the antenna and the power supply frequency f0, that is, by setting 0.8 <fc / f0 <1.2 and fc / f0 ≠ 1.0, the plasma is ignited. It is also possible to cause complete resonance. This makes it possible to generate stable plasma under a wide range of conditions.
[0035]
In addition, the first matching unit 7 is installed to cope with a wider range of operating conditions. By limiting the operating conditions to a narrow range, and by increasing the bandwidth of the antenna by the method described above. This can be omitted. In this case, although the operating conditions are limited, a matching unit is not necessary, and the cost can be reduced.
[0036]
Further, by applying a magnetic field that causes ECR resonance by the magnetic field coil 6, it is possible to further increase the plasma generation efficiency and control the uniformity of the plasma. The plasma distribution depends on the strength of the magnetic field and the shape of the magnetic field, but after designing the antenna by the method described above, a magnetic field that causes ECR resonance (for example, about 161 G if the power supply frequency is 450 MHz) is added. By controlling the ECR surface shape, the uniformity of the plasma can be controlled. Further, it is possible to obtain further controllability by using a magnetic field that gradually changes with time.
[0037]
Further, the resonance frequency of the antenna is strongly influenced by the antenna diameter and the relative dielectric constant of the antenna back dielectric 5. Therefore, as shown in FIGS. 5A to 5C, the dielectric on the back of the antenna is made of two or more kinds of materials having different relative dielectric constants, that is, the first dielectric 105 and the second dielectric By configuring like the dielectric 106, it is possible to design an antenna having an appropriate resonance frequency for a certain antenna diameter and power supply frequency.
[0038]
Further, as shown in FIG. 5C, the electric field strength distribution in the reactor can be controlled by gradually changing the thicknesses of the two kinds of dielectrics, and therefore the plasma density distribution can be controlled. Is possible.
[0039]
The present invention is not limited to circular MSA type antennas. FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. The description of the same parts as the first embodiment, such as the gas supply system and the stage configuration, is omitted.
[0040]
In the second embodiment shown in FIG. 6, a coiled antenna 18 is arranged around a dielectric container 16. The discharge part composed of the dielectric container 16 and the coiled antenna is covered with an electromagnetic shield 17. At first glance, this system looks like an ICP type plasma source, but with both ends of the antenna open, and the overall length of the antenna is generally an integral multiple of 1/4 wavelength of the electromagnetic wave used to generate plasma. Thus, the coiled antenna can act as a resonant antenna. The feed point is slightly shifted from the end of the antenna for matching with the power source.
[0041]
Even in this type of antenna, it is desirable that the relationship between the resonance frequency fc of the antenna and the frequency f0 of the high-frequency power supply 8 satisfies the relationship of 0.6 <fc / f0 <1.4. By setting so as to satisfy the relationship of <fc / f0 <1.2, it is possible to efficiently put the power of electromagnetic waves into the plasma, and it is possible to generate high-density and stable plasma. In addition, in the case of a coiled antenna, the resonance frequency, which is an important parameter for design, is generally determined by the total coil length, and a more accurate value can be measured by using a network analyzer.
[0042]
Further, by intentionally shifting the resonance frequency fc of the antenna and the power supply frequency f0, that is, by setting 0.8 <fc / f0 <1.2 and fc / f0 ≠ 1.0, the plasma is ignited. It is also possible to cause complete resonance.
[0043]
Further, the matching unit 7 is installed to cope with a wider range of operating conditions, as described in the first embodiment, and the operating conditions are limited to a narrow range, and further widening the antenna. By trying, it can be omitted. In this case, although the operating conditions are limited, a matching unit is not necessary, and the cost can be reduced.
[0044]
【The invention's effect】
As described so far, a processing chamber depressurized from the atmosphere, means for introducing processing gas into the processing chamber, means for exhausting gas in the processing chamber, and a substrate to be processed provided in the processing chamber. In a plasma processing apparatus having a stage for mounting, an antenna for radiating electromagnetic waves for converting a processing gas into plasma, and a high-frequency power source for supplying power to the antenna, a resonance frequency fc of the antenna By making the frequency f0 of the power supply satisfy the relationship of 0.6 <fc / f0 <1.4, the power of electromagnetic waves can be efficiently injected into the plasma, and a plasma density suitable for the process can be generated. it can.
[0045]
Moreover, it is possible to generate uniform plasma by appropriately selecting the size of the antenna while satisfying the above conditions.
[0046]
Further, the antenna resonance frequency fc and the power supply frequency f0 are intentionally shifted slightly, that is, 0.8 <fc / f0 <1.2 and fc / f0 ≠ 1.0, so that the plasma is completely ignited. It is also possible to cause such resonance to occur.
[0047]
Furthermore, by reducing the antenna Q value, that is, by increasing the bandwidth of the antenna, it is possible to cover that the resonance frequency is slightly shifted due to fluctuations in the load (plasma), and it is possible to generate plasma suitable for the process under a wide range of conditions. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a method for measuring the resonance frequency of an antenna.
FIG. 3 is a schematic diagram showing frequency characteristics of a reflected wave when a resonant antenna is measured with a network analyzer.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a dielectric constant of an antenna back dielectric and a resonance frequency of the antenna.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a configuration around an antenna when a plurality of dielectrics are used on the back of the antenna.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a plasma processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: vacuum container, 2: stage, 3: substrate to be processed, 4: antenna, 5: antenna back dielectric, 6: magnetic field coil, 7: first matching unit, 8: first power supply, 9: second Matching device, 10: Second power supply, 11: Gas supply device, 13: Third matching device, 14: Power supply for bias, 15: Temperature control device, 16: Dielectric container, 17: Electromagnetic shield, 18: Coiled antenna, 101: network analyzer, 102: electromagnetic wave absorber, 105: first dielectric, 106: second dielectric.

Claims

A processing chamber depressurized from the atmosphere; means for introducing a processing gas into the processing chamber; means for exhausting gas in the processing chamber; and a stage for placing a substrate to be processed transported into the processing chamber And a substantially planar antenna for radiating an electromagnetic wave for converting the processing gas into a plasma provided at a position facing the stage, and a high-frequency power source for supplying power to the antenna with a frequency of 10 MHz to 1000 MHz. The resonance frequency fc of the antenna and the frequency f0 of the high-frequency power supply satisfy the relationship of 0.6 <fc / f0 <1.4, and are superimposed on the high-frequency power supply to generate a second high-frequency power supply (frequency A plasma processing apparatus, wherein f1) is applied.