JPH02256233A - プラズマ処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、プラズマ処理技術に関し、特に、半導体装置
の製造工程におけるウェハ処理工程に用いられる磁場発
生手段を備えているプラズマ処理技術に適用して有効な
技術に関する。

［従来の技術］ 磁場発生手段を備えたプラズマ処理技術は、２形式に大
別することができる。

一方のプラズマ処理技術としては、被処理基板としての
半導体ウェハが載置される電極およびこの電極に平行し
て対向する電極からなる平行平板電極と、互いに対向し
て配設されてミラー形磁場を形成する複数の電磁石とを
備え、前記電磁石による磁場と高周波電力の印加によっ
て前記平行平板電極間に発生した電界とが略直交するよ
うに構。

成した技術である（特開昭６０−１８９２２４号。

同６２−２０５２７０号、同６２−２４１３３５号公報
記載）。

他方のプラズマ処理技術としては、前記したと同様な平
行平板電極と、真空室外部に配設された永久磁石とを備
え、高周波電力の印加によって前記平行平板電極間に発
生した電界に前記永久磁石による発散磁界を作用させて
該電界と垂直となる成分を主に利用するプラズマ処理技
術である（特開昭６３−８６８７９号公報記載）。

この双方のプラズマ処理技術においては、平行平板電極
間の電界に対して垂直する磁界が作用すると、プラズマ
中の電子が磁界に沿ってサイクロン運動するため、発生
した電子が半導体ウェハ上において平行平板電極間にト
ラップされ、ガスプラズマの電離度が増加してイオン数
が増加する。

このため、プラズマのインピーダンスが低下し、イオン
シース間に発生するＤＣバイアスが小さくなり、このＤ
Ｃバイアスは磁界の磁束密度が大きくなるに従って次第
に小さくなってい（。

ここで、プラズマ処理におけるプラズマ処理速度は半導
体ウェハに入射したイオン数とイオンの平均的エネルギ
との積に比例する。イオンの平均的エネルギは前記ＤＣ
バイアスと比例関係にあることから、磁気発生手段を有
するプラズマ処理技術は磁気発生手段を有しないプラズ
マ処理技術に比べ、より小さいイオンのエネルギによっ
てプラズマ処理速度の向上を図ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、前記したミラー形ヱ磁場ないし永久磁石によ
るマグネトロンプラズマ処理技術は、半導体ウェハ面内
における磁束密度や磁界方向の分布が不均一であり、た
とえばその磁束密度のばらつきは最低で±ｌＯ％、最高
で±７０％以上である。

したがって、半導体ウェハ上のＤＣバイアス値が各個所
において異なり、プラズマ処理速度にばらつきが生じる
。

そこで、前記したマグネトロンプラズマ処理技術は、た
とえば半導体ウェハの外周側４方向に配。

設された各電磁石への通電電流を制御して磁場を回転さ
せたり、あるいは永久磁石を偏心回転運動させるなどの
手段によって半導体ウェハ面内でのプラズマ処理速度の
均一化を図っている。

このため、前記したマグネトロンプラズマ処理技術は、
プラズマ処理速度の均一化を図るためには磁場回転手段
が必要不可欠とされる。

また、前記したマグネトロンプラズマ処理技術は、たと
え、そのような磁場回転手段によりプラズマ処理速度の
均一化を図ったとしても、半導体ウェハ内におけるＤＣ
バイアス値が瞬間的にばらついていることには変わりは
ない。

このため、半導体ウェハ内の一部においては、平均的な
イオンエネルギより大きなエネルギでイオンが入射する
ため、この大きなエネルギのイオン入射により半導体ウ
ェハが損傷する。

また、半導体ウェハ内のＤＣバイアスが部分的に異なる
ため、そのＤＣバイアス差による表面電流が半導体ウェ
ハ上を流れて薄膜ゲート絶縁膜耐圧やその他の素子特性
などを劣化させる。

本発明の目的は、磁場回転手段などを要することなく、
プラズマ処理速度の均一化を図ることができ、またプラ
ズマダメージを低減させることができるプラズマ処理方
法および装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

［課題を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

すなわち、第１の発明のプラズマ処理方法は、被処理基
板の外周側において互いに対向的に配置される一対の半
環状の磁場発生手段によって該被処理基板の表面に略平
行な磁界を発生させてプラズマ処理するものである。

第２の発明のプラズマ処理装置は、被処理基板の表面に
略平行な磁界を発生させる磁場発生手段を備えているプ
ラズマ処理装置であって、前記磁。

場発生手段が少なくとも前記被処理基板の外周側におい
て互いに対向的に配置される一対の半環状の磁場発生手
段によって形成されているものである。

［作用］ 前記した第１の発明および第２の発明によれば、前記被
処理基板の外周側において互いに対向的に配置される一
対の半環状の磁場発生手段によって被処理基板面に対し
て略平行な磁界が発生されることにより、特に、磁場回
転手段が不要とされた簡素で小形の装置によって被処理
基板上に磁束密度の均一な磁場を形成することができ、
このため、高エネルギイオンの入射やＤＣバイアスのば
らつきによる表面電流に起因する被処理基板のプラズマ
ダメージを低減させることができるとともに、被処理基
板に対するプラズマ処理速度の均一化や高速化の向上を
図ることができる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示
す縦断面図、第２図はそのプラズマ処理装置において発
生される磁界を説明するための説明図、第３図（ａ）、
ら）ｉｃ）はそのプラズマ処理装置のトロイダルコイル
の変形例を示すための縦断面図、第４図（ａ）、ら）は
そのプラズマ処理装置の磁場発生手段の変形例を示す説
明図、第５図は本発明のプラズマ処理装置と従来のプラ
ズマ処理装置とによる被処理基板内の磁束密度の分布状
態を示す説明図である。

本実施例のプラズマ処理方法および装置は、半導体装置
におけるウェハ処理工程に用いられる平行平板電極方式
のプラズマエツチング処理方法および装置に適用されて
いる。

第１図に示すように、プラズマ処理装置は、処理室１　
（真空室）を構成する装置函体２と石英およびアルミニ
ウム合金などからなるチャンバ３とを備え、装置函体２
にチャンバ３が○リングなどのシール部材４を介して気
密に装着されて構成されている。

処理室１は、その下方側が図示しないシャッタ機構によ
って閉塞されて密閉され、図示しない排気管を通じて所
定の真空度とされるようになっている。

処理室１の下部中央側には試料台を兼ねている下部電極
５が配設され、この下部電極５に２００ｍｍΦ以上の半
導体ウェハ６　（被処理基板）がクランブリング７によ
って密着的に載置されるようになっている。

下部電極５は、ブロッキングコンデンサ８およびマツチ
ングボックス９を介して高周波電源１０に電気的に接続
されている。

下部電極５内には、その軸方向に沿って貫通孔５ａが形
成され、この貫通孔５ａにウェハ押上ピン１１が０リン
グなどのシール部材１２を介して遊挿されている。

ウェハ押上ピン１１はウェハ押上機構１３によって上下
動され、このウェハ押上ピン１１の上下動によって半導
体ウェハ６が下部電極５上で上下動される構造とされて
いる。

下部電極５０貫通孔５ａには、ガス導入口５ｂが接続さ
れていて、ヘリウムガスなどの冷却用ガスがガス導入口
５ｂ、貫通孔５ａを経て半導体ウェハ６の裏面側に導入
され、下部電極５が温調器１４によって所定の温度に制
御されて冷却される構造とされている。

前記処理室１の上部中央側には、０リングなどのシール
部材１５を介してチャンバ３に取り付けられている上部
電極１６が下部電極５に対向し平行して配設され、この
上部電極１６は設置されている。

上部電極１６には、ガス導入孔１６ａが形成され、この
ガス導入孔１６ａを経たエツチングガスが処理室１内の
下部電極５および上部電極１６間にシャワー状に導入さ
れるようになっている。

処理室１の外部には、半環状のコア１７ａ、１８ａおよ
びこのコア１７ａ、１８ａの外周囲に夫々巻回されたト
ロイダルコイル１７ｂ、１８ｂからなる半環状の電磁石
１７．１８（磁場発生手段）が互いに対向的に、かつチ
ャンバ３の外周壁を取り囲むようにして配置されている
。

半導体ウェハ６は、その表面が第１図における電磁石１
７．１８の横断面に対し略平行となるように下部電極５
上に載置される。

そして、電磁石１７．１８により発生される磁界は、一
方のコア１７ａ中の磁界の方向と他方のコア１８ａ中の
磁界の方向とが互いに逆方向（反発し合う方向）に流れ
て、たとえば第２図の矢印で示すように電磁石１７．１
８間の領域内においてその一端側のＮ極側から他端側の
Ｓ極側に流れることにより、下部電極５に載置された半
導体ウェハ６の表面上に平行な磁界１９が発生される。

この場合に、本実施例においては、磁界１９が半導体ウ
ェハ６の外周側において互いに対向的に配置される一対
の半環状の電磁石１７．１８によって形成されるので、
電磁石１７．１８間の領域外への磁束の漏れが極めて少
なく、またＮ極からＳ極に集中的に流れる主流としての
磁束１９ａと電磁石１７．１８間の領域内に漏れる漏れ
磁束１９ｂとの相互作用により該半導体ウェハ６の表面
上の磁束密度が大きくされ、かつ均一化される構造とさ
れている。

また、半導体ウェハ６の表面上の磁束密度は、トロイダ
ルコイル１７ｂ、１８ｂに流す電流値の制御により所定
値に増減させることが可能な構造とされている。

ここで、第１図、第２図における電磁石１７゜１８の縦
断面は、製作上の容易さなどを考慮して矩形状に形成さ
れている。

しかしながら、電磁石ＩＴ、１８は、その縦断面が対同
士で点対称とされる形状に形成すれば良く、たとえば第
３図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）に夫々示すような形状
とすることが可能である。

また、第４図（ａ）に示すように、電磁石１７，１８を
第２の電磁石２０．２１上に同軸的に重ね合わせて配置
したり、同図（ｂ）に示すように、電磁石の内周面中央
側に互いに対向するミラー形の電磁石２２．２３を夫々
配置したり、永久磁石（図示せず）を追加することによ
り、半導体ウェハ６の表面上に形成される磁束密度の均
一化や強化などが更に図られる構造とすることも可能で
ある。

また、前記電磁石１７．１８，２０，２１．２゜２．２
３ないし永久磁石が回転機構によって半導体ウェハ６の
外周囲上において任意に回転される構造とすることによ
り、半導体ウェハ６の表面上に形成される磁束密度の均
一化が更に図られる構造とすることも可能である。

次に、本実施例のプラズマ処理装置による処理方法につ
いて説明する。

先ず、第１図に示すように、下部電極５上には、エツチ
ング処理すべき半導体ウェハ６がクランブリング７によ
って密着的に載置される。

次いで、処理室１内を図示しないシャッタ機構によって
密閉した後に、図示しない排気管を介して所定の真空度
に排気するとともに、ガス導入管１６ａを介して所定の
エツチングガスを処理室ｌ内の下部電極５および上部電
極１６間に導入して所定圧力に調整する。

次いで、トロイダルコイル１７ｂ、１８ｂに通電して半
導体ウェハ６の表面上に平行な磁界１９を発生させ、ま
た高周波電源１０から下部電極５と上部電極１６との間
に所定の高岡１Ｍ電力を印加する。

そして、互いに略直交する高周波電力による電界と電磁
石１７．１８による磁界１９との相互作用により、エツ
チングガスを励起し、荷電粒子をサイクロトロン運動さ
せ、そのエネルギによりエツチングガスをプラズマ化し
て、プラズマ中の励起されたエツチング種と、半導体ウ
ェハ６表面との間のエツチング反応や、プラズマから半
導体ウェハ６表面へ入射するイオンの衝撃などによって
、半導体ウェハ６表面に被着されている所定の薄膜のエ
ツチングが行われる。

この場合に、本実施例においては、半環状の電磁石１７
．１８が半導体ウェハ６の外周側において互いに対向的
に配置されている構造とされているので、電磁石１７．
１８間の領域外への磁束の漏れが極めて少なく、またＮ
極からＳ極に集中的に流れる主流としての磁束１９ａと
電磁石１７゜１８間の領域内に漏れる漏れ磁束１９ｂと
の相互作用により該半導体ウェハ６の表面上の磁束密度
が大きくされ、かつ均一化される。

たとえば、第５図に示すように、本実施例における半導
体ウェハ６内の位置に対する磁束密度の分布は、従来の
磁場回転手段を有しないプラズマ処理装置における不均
一な磁束密度の分布に比べ均一化され、そのばらつきを
±５％以下とすることができる。

したがって、本実施例によれば、特に、磁場回転手段が
不要とされて装置の簡素化や小形化を図ることができる
にかかわらず、半導体ウェハ６の表面上の磁束密度を大
きく、かつ均一化させることができるので、高エネルギ
イオンの入射やＤＣバイアスのばらつきによる表面電流
に起因する半導体ウェハ６のプラズマダメージを低減さ
せることができるとともに、半導体ウェハ６に対するプ
ラズマ処理速度の均一化や高速化の向上を図ることがで
きる。

このようにして、本実施例のプラズマ処理装置は、半導
体ウェハ６の表面に被着されている所定の薄膜のエツチ
ングが行われて処理される。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。

たとえば、前記実施例において、本発明のプラズマ処理
方法および装置は、エツチング処理方法およびエツチン
グ装置に適用されているが、本発明においてはそのよう
なエツチング処理方法および装置に限定されるものでは
なく、たとえばプラズマＣＶＤ装置やスパッタ装置およ
びそれらの処理方法について適用することが可能である
。

また、電磁石の断面形状は、第３図（ａ）、　（ｂ）、
　（Ｃ）に示すような断面形状に限定されるものではな
く任意である。

また、前記実施例におけるプラズマ処理装置は、ウェハ
押上ビン１１を有している構造とされているが、本発明
におけるプラズマ処理装置は、そのようなウェハ押上ビ
ン１１に代えて、たとえば実開昭５６−４３１５８号公
報に記載されているようなウェハ用仮載置台を用いても
良い。

また、ガス導入孔１６ａなどの配置や前記した実施例に
示す各部材なども前記実施例に限定されるものではない
。

［発明の効果］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりであ
る。

すなわち、前記した第１の発明および第２の発明によれ
ば、前記被処理基板の外周側において互いに対向的に配
置される一対の半環状の磁場発生手段によって被処理基
板面に対して略平行な磁界が発生されることにより、特
に、磁場回転手段が不要とされた簡素で小形の装置によ
って、被処理基板上に磁束密度の均一な磁場を形成する
ことができるので、高エネルギイオンの入射やＤＣバイ
アスのばらつきによる表面電流に起因する被処理基板の
プラズマダメージを低減させることができるとともに、
被処理基板に対するプラズマ処理速度の均一化や高速化
の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示
す縦断面図、 第２図はそのプラズマ処理装置において発生される磁界
を説明するための説明図、 第３図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）はそのプラズマ処理
装置のトロイダルコイルの変形例を示すための縦断面図
、第４図（ａ）、　（ｂ）はそのプラズマ処理装置の磁
場発生手段の変形例を示す説明図、 第５図は本発明のプラズマ処理装置と従来のプラズマ処
理装置とによる被処理基板内の磁束密度の分布状態を示
す説明図である。 １・・・処理室、２・・・装置函体、３・・・チャンバ
、４，１２．１５・・・シール部材、５・・・下部電極
、５ａ・・・貫通孔、５ｂ、１６ａ・・・ガス導入孔、
６・・・半導体ウェハ（被処理基板）、７・・・クラン
プリング、８・・・ブロッキングコンデンサ、９・・・
マツチングボックス、１０・・・高周波電源、１１・・
・ウェハ押上ビン、１３・・・ウェハ押上＠構、１４・
・・温調器、１６・・・上部電極、１７．１８・・・電
磁石（磁場発生手段）、２０．２１，２２゜２３・・・
電磁石、１７ａ、１８ａ・・・コア、１７ｂ、１８ｂ・
・・トロイダルコイル、１９・・・磁界、１９ａ、１９
ｂ・・・磁束。 代理人　弁理士　筒　井　大　和 第 図 第 図 （（］） （ｂ） （Ｃ） 第 図 Ｂ １９：磁界 第 図 （Ｇ） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被処理基板の外周側において互いに対向的に配置さ
   れる一対の半環状の磁場発生手段によって該被処理基板
   の表面に略平行な磁界を発生させてプラズマ処理するこ
   とを特徴とするプラズマ処理方法。 ２、被処理基板の表面に略平行な磁界を発生させる磁場
   発生手段を備えているプラズマ処理装置であって、前記
   磁場発生手段が少なくとも前記被処理基板の外周側にお
   いて互いに対向的に配置される一対の半環状の磁場発生
   手段によって形成されていることを特徴とするプラズマ
   処理装置。