JPH0319332A - マイクロ波プラズマ処理装置 - 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８Ａは半導体デバイス製造にかける半導体基板のド
ライエッチングやプラズマＣＶＤｂよびスパッタ成膜な
どの処理を行うプラズマ処理装置に係り、特に安定かつ
均一な大口径のプラズマ形或に好適なプラズマ発生手段
を有するマイクロ波プラズマ処理装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の半導体デバイスのプラズマ処理装＆ｔぱ、例えば
ドライエッチング処理を行うには真空雰囲気の処理室に
処理ガスを導入してプラズマを形成し、処理ガスの電離
や解離過程によって化学的に反応性の高いイオンやラジ
カル（中性活性８ｍ）を生成して，これらの活性粒子が
物理的あるいは化学的に作用して半導体基板上の被処理
膜の所望部分をエッチング除去してデバイスバター／′
Ｉｋ形成するものである。この装置で、マスクパターン
に忠実ないわゆるサイドエッチングの少ないエッチング
処理を実現するためには、ガス分子との衝突によるイオ
ンの直進性の散乱を小さく抑えて、ラジカルの平均自由
行程を大きくとる必要がある。

また処理速度の向上を図るためにはイオンやラジカルの
濃度を高める必要があう、それには低い処理ガス圧力で
高密度のプラズマを形成する必要がある。この目的を達
成する方法の１つとしてマイクロ［１ｋ用いたプラズマ
発生方式がある。

従来のマイクロ波によりプラズマを発生する方式は、処
理ガスが低圧に保たれた処理室にマイクロ波を導入して
も、マイクロ波の電界強度が十分でないためプラズマ中
の電子に十分なエネルギが供給されず、筐た低圧である
ため電子のガス分子との衝突回数が少ないので効率よく
プラズマを発生させることが困難である。そのためマイ
クロ波を用いたプラズマ発生方式では低いガス圧力で高
密度プラズマを得るために、例えば特開昭６５−１０３
０８８号公報に記載のように周波数が２−４５ＧＨｚの
マイクロａを処理呈に導入する直前で空胴共振器によう
その電磁界強度を強め、これを空胴共振器の処理室側の
端面に設けたスリットによう処理室に導入して、安定な
高密度プラズマを形成するようにしたマイクロ波プラズ
マ処理装置がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は大口径のプラズマを安定かつ均一に形成
するという点について配慮がされてシらず、半導体基板
の大口径化にともないプラズマ処理装置に要求される課
題の１つが大口径プラズマをいかに均一に形成するかで
あシ、その要求が半導体デバイスの微細化の進むにつれ
て一段と厳しいものとなっている。例えばドライエッチ
ングにかいて処理の均一性が悪いと、処理速度の高い領
域での被処理膜の膜厚万向のエッチング終了後のサイド
エッチング進行による加工精度の低下や、薄膜化の傾向
にある下地酸化膜ａｕれ、筐た処理速度の低い領域での
エッチング残少の発生などがデバイスの歩留りに悪影響
を及ぼす。

上記従米技術によう大口径プラズマを得るためには、処
理室に接続する空胴共振器の寸法を大型化する必要があ
る。しかし空胴共振器寸法を単に大型化するだけでは空
胴共振器内でのマイクロ波共振に高次モードが現われ易
〈ｉって、共振モードが不安定となるという現象が生じ
る。１た空胴共振器内面をマイクロ波の電磁界変動に応
じて流れる表面電Ｒ＠度に疎密分布があるため、複数の
スロットを均等に配置しても処理室に放射されるマイク
ロ波電力が均一でなく、空胴共振器寸法が大型化すると
ともにその影響が現われ易くなる。

これらの現象のため大口径プラズマを安定かつ均一に得
られないという問題があった。

不発明の目的は大口径のプラズマを安定に形或できる空
胴共振万式のマイクロ波プラズマ処理装置を提供するこ
とにあυ、また本発明の他の目的は大口径のプラズマを
均一に形成できる空胴共振方式のマイクロ波プラズマ処
理装置を提供することにある。

〔課Ｍを解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明によるマイクロ波
プラズマ処理装置はマイクロ波発生器と接続する導波管
とプラズマ処理室との間に、該導波管と接続する第１の
空胴共振器と、該第１の空胴共振器と電磁気的に結合す
る第２の空胴共振器とを設置し、第１の空胴共振器と第
２の空胴共振器との間でマイクロ波電力の分配機能を持
たせるとともに、第１と第２の空胴共振器をそれぞれ低
次の共振モードの小型の共振器で構成するようにしたも
のである。

また上記の他の目的を達成するために、本発明によるマ
イクロ波プラズマ処理装置は上記の構成＃’Ｃ＞いて、
第１の空胴共振器と第２の空胴共振器とを電磁気的に結
合する複数のスロットの結合度に関して、第１の空胴共
振器と接続する導波管位置から第１と第２の空胴共振器
のプラズマ処理室への複数のマイクロ波放射スロットの
各位置までのマイクロ波伝播経路の放射インピーダンス
が等し〈なるように構威したものである。

〔作用〕

上記のマイクロ波プラズマ処゛理装置は、マイクａｇの
４Ｒ管よシまず第１の空胴共振器に導入されたマイクロ
波がある特定の低次の共振モードになるように設計され
た第１の空胴共振器内で定在波を生じてマイクロ波の電
磁界が強められるとともに、第１の空胴共振器と電磁気
的に結合する第２の空胴共振器にもマイクロ波が伝播し
て第２の空胴共振器内でもある特定の低次の共振モード
の定住波を生じてマイクロ波の竃磁界が強められ、ここ
で第１と第２の空胴共振器がともに低次の共振モードで
小型に設計されているため高次の共振モードの混在がな
く安定していて、これらのマイクロ波電力が第１と第２
の空胴共振器を電磁気的ＫＭ合するスロットの開口面積
に応じて第１と第２の空胴共振器に分配され、そして第
１と第２の空胴共振器をともにプラズマ処理室と結合し
て複数の空胴共振器から処理室側へ開口するスロットを
通してマイクロ波を導入することにより、単一の空胴共
振器の寸法を大型化することなしに小型の寸法の複数の
空胴共振器の筐筐広い領域から処理室へマイクロｔＩＬ
を導入できるので、それぞれＯ共振モードが安定してい
て処理室内に大口径のプラズマを安定に形成することが
できる。

曾た上記構成において、第１の空胴共振器に接続する導
波管位置からプラズマ処理室に開口する複数のマイクロ
波放射スロットの各位置１でのマイクロ波伝播経路の放
射インピーダンスが等しくなるように構成したマイクロ
波プラズマ処理装置は、かかる構成によシ第１の空胴共
振器から処理室へ放射されるのと第１の空胴共振器から
第２の空胴共振器を経て処理室へ放射されるのと分岐伝
播するマイクロ波電力が均等に分配されるので、処理室
内に大口径のプラズマ全均一に形或することができる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を第１図から第７図により説明す
る。

第１図は本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第
１の実施例を示す縦断面図である。第２図ｋよび第３図
はそれぞれ第１図の空胴共振器のＡＡ断面図およびＢＢ
断面図である。第１図［＞いて第１の空胴共振器１と、
第２の空胴共振器２とがあり、第１の空胴共振器１には
導波管３を介してＬ４５（ＪＨｚのマイクロ波発生器で
あるマグネトロン４が取り付けられる。ｇ１の空胴共振
器１と第２の空胴共振器２とはスロット５を介して電磁
気的に結合される。１た第１の空胴共振器１と＠２の共
振器２とは共に石英またはアルミナなどの誘電体からな
るマイクロ波透過窓６を介して処理室７Ｋ接続され、大
気圧下の第１の空胴共振器１かよび第２の空胴共振器２
と真空雰囲気下の処理室７とがマイクロ波透過窓６を隔
てて分離される。

ここで第２図に示すように第１の空胴共振器１はＴＭΩ
，モードの円筒空胴共振器、第２の空胴共振器２はＴ３
ｉＭモードの同軸空胴共振器であや、スロット５で結合
されるマイクｃ１波の電界かよび磁界の方向がそれぞれ
実線矢印で示す電界８かよび破線矢印で示す磁界９のよ
うになる。第１図の第１の空胴共振器１および第２の空
胴共振器２の処理室７の側のマイクロ波透過窓６に接す
る端面にはマイクロ波放射用のスロッ｝１０．１１が設
けられる。ここで第５図に示すように第１の空胴共振赫
１および第２の空胴共振器２のマイクロ波放射用のスロ
ット１０．１１の形状は第２図の第１１第２０空胴共振
器１０．１１の電界８の方向を横切る形で配置される。

第１図の処理室７の内部には下部電極１２が絶縁体１５
によシアース電位に対して電気的に絶縁されて設置され
、絶縁体１３はアース電位の金属性カバー１４で覆われ
ている。この下部篭極１２には高局波電＃１５が接続さ
れ、プラズマ処理される半導体基板１６ぱ下部竃極１２
上に載置される。筐た処理室７には図示しないガス供給
装置が接続されてｈｙ、ガス供給ノズル１７より処理ガ
スが供給され、供給された処理ガスは反応したのち排気
口１８から図示しない排気装置にょう排気される。この
さい処理室７の圧力は図示しない圧力調！ｌＩ装置によ
υ所足の圧力に制御される。

上記の構成により、半導体基板１６をドライエ・ヘチン
グ処理する場合の動作を説明する。１ず処理室７に処理
ガスとしてＡｔ合金膜のドライエッチング処理の場合に
は例えばＣｔ２＋ＢＣｔｓなどをガス供給ノズル１７よ
ｂ供給し、処理室７内を所定の圧力１０　〜１０ＰＪＬ
に制御する。

続いてマグネトロン４よυＺ４５ＧＨｚのマイクロ波を
発生させ、導波管３を経て第１の空胴共振器１に導入す
る。この第１の空胴共振器１に導入されたマイクロ波は
第２図のようなＴＭ。，モードで共振し、その電磁界は
強められる。このときマイクロ波電力の一部はスロット
５を経て第２の空胴共振器２に伝播し、第２図のような
ＴＩＭモードで共振する。この第１の空胴共振器１かよ
び第２の空胴共振器２にかいて電磁界の強められたマイ
クロ波はそれそれの空胴共振器１．２内で第２図に示す
電界８および磁界９の万向に変動する電磁界を形成する
。そしてマイクロ波透過窓６に接し、スロッ｝１０．１
１ｔ−有して空胴共振器１．２を構或する金属板面上に
は第２図に示す電界８の方向の表面電流が流れる。する
と第３図に示すスロッ｝１０．１１がこの表面電流を横
切る形で配置されているので、スロッｔｌｏ．１１の両
端には表面電流によシ電荷がた１Ｌスロット１０，１１
部にこの電荷による電界が発生する。

この電界はマイクロ波の周波数によう変化するので、こ
の電界変化によｂスロッ｝１０．１１からマイクロ波が
処理室７に放射され、これによう処理室７内にプラズマ
が形或される。

ここで第１の空胴共振器１で共振するマイクロ波電力は
処理室７と第２の空胴共振器２に伝播するが、処理室７
に開口するスロット１０からの放射インピーダンスは第
２の空胴共振器２に開口するスロット５からの放射イン
ピーダンスに比べて大きく々ってかυ、第１の空胴共振
器１から伝播するマイクロ波電力は処理１１７よυも第
２の空胴共振器２に伝播する量が大きい。この放射イン
ピーダンスの制御は本実施例ではスロッ｝５．１０の開
口面積とスロット１０の場合には開口ピッチ径を変える
ことによってできる。そして第１の空胴共振器１に導入
されたマイクロ波が直接に処理一室７内に放射される伝
播経路と第２の空胴共振器２′ｔ−経て処理室７内に放
射される伝播経路のマイクロ波放射インピーダンスが等
しくなるようにスロッ｝５，１０．１１の開口面積かよ
び開ロビッテ径が設定されている。そのためスロット１
０，１１から処理Ｎ７内に放射されるマイクロ波電力の
密度分布は均一になっている。

これによυ大口径のプラズマを得るために空胴共振赫の
寸法を大型化する必要がなく、低次の共振モードの複数
の空胴共振器１．２を利用するので空胴共振器１，２内
での共振モードも安定して釦υ、しかも広い領域にわた
って均一にマイクロ波を処理室７に放射することができ
る。

筐た導波管３の第１の空胴共振器１への取付け位置は結
合度を上げるために電磁界の整合をとって偏心する場合
があるが、本実施例では空胴共振器１，２を大型化する
必要がないので処理室７に対する偏心量も小さく、プラ
ズマの偏シに対する導波管３の位置の影響を小さく抑え
ることができる。

したがって処理室７内に大口径のプラズマを安定にしか
も均一に形或することができる。

また処理室７にかいて半導体基板１６のエッチング処理
中には下部電極１２に高周波電源１５より１五５ｄＭＨ
ｚの高周波電力が印加され、との印加電力の制御によう
プラズマから半導体基板１６に入射するイオンのエネル
ギを制御することができる。これによう半導体基板１６
の下地酸化膜とのエッテングの選択比を確保しつつ、サ
イドエッチングのない異方性エッチングを達成できる条
件にイオンのエネルギを制御できる。

本実施例によれば、上記のように大口径のプラズマを安
定かつ均一に形成することができ、またイオンのエネル
ギも任意に制御できるので、大口径の半導体基板でも微
細なパターンを精度よくエッチング処理することができ
る。

第４図は本発明κよるマイクロ波プラズマ処理装置の第
２の実施例を示す縦断面図である。ｆｌＩＪ５図かよび
第６図はそれぞれ第４図の空胴共振器のＣＣ断面図かよ
びＤＤ断面図である。第４図において、第１図と同一符
号は相当部分を示し、第１図の第１の実施例κシける第
１の空胴共振器１にスロット５によう結合する第２の空
胴共振器２を本実施例では複数個だけ設置して、この複
数個の第２の空胴共振器２をいずれも処理Ｍ７にスロッ
ト１１を開口して結合するようＫ構成している。

処理室７はマイクロ波透過窓６によシ分離され、第１図
と同様の構成である。

第４図の導波管５ｔ介してマグネトロン４が取や付けら
れる第１の空胴共振器１は第５図に示すように！Ｂモー
ドの矩形空胴共振量であシ、この空胴共振器１内での電
界》よび磁界の方向はそれぞれ実締矢印で示す電界ａｊ
Ｐよび破線矢印で示す磁界９のようになる。複数傭の第
２の空胴共振器２は第５図に示すようにそれぞれ第１の
空胴共振器１と電界８をｍ厘に横切る形のスロット５を
介して結合してｈｐ、第１の空胴共振器１から４個の第
２の空胴共振器２に分配される。この分配されたマイク
ロ波電力は第２の空胴共振器２内で矩形空胴共振器の！
１モードで共振し、さらに第６図に示すような形に配置
されたスロット１１を介してそれぞれ処理ｍ７内に放射
される。これにより処理室７内で第１図と同様に半導体
基板１６のプラズマ処理が行なわれる。

本実施例によれば、第１図の第１の実施例と同様の動作
によシ、同等の効果を得ることができる。

第７図は本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第
３の実施例を示す縦断面図である。

第７図に》いて、第１図と同一符号は相当部分を示し、
第１図の第１の実施例における第１の空胴共振器１シよ
び第２の空胴共振器２を共に本実施例では同軸円簡空胴
共振器で構或し、第１の空胴共振器１からスロット５に
よシ第２の空胴共振器２に結合し、第２の空胴共振器２
のスリット１１を介して、処理室７の側面よｂマイクロ
波をマイクロ波透過窓６によシ分離された処理室７に導
入するように構成する。処理室７はガス供給ノズル１７
が下部電極１２に対向する位置に設置されるが、その他
は第１図と同様の構成である。

上記の構成によシ、本実施例でぱ導波管５を介してマグ
ネットロン４を取っ付けた第１の空胴共振器１内で共振
したマイクロ波は円周上に設けた複数個のスロット５を
介して第２の空胴共振器２に伝播する。そのため導波管
３の取付け位置によって第２の空胴共振器２からスロッ
ト１１を介して処理室７に放射されるマイクロ波電力の
偏ｂｔ緩和することができ、この偏ｂをさらに補正する
のには複数個のスロット５の開口面積に分布を与えるこ
とによって実施できる。

本実施例によれば、処理室７の＠面に複数個のリット１
１が設置されておｂ１第１図の第１の実施例と同様の効
果を得ることができ、さらに本実施例の場合にはガス供
給ノズル１７を下部電極１２に対向する位置に設置でき
るので、ガス流れの均一化の面からも半導体基板１６の
エッチング処理などの均一化を図ることができる。

上記の実施例における第１，第２の空胴共振器の構造は
各実施例で示した個々の共振モードのもののみに限定さ
れるものではなく、安定した低次の共振モードの空胴共
振器であって電磁気的に結合がとれるものであれば、Ｔ
ｌｉＭモードやＴ１ｉモードやＴＭモードに関係な←構
成でき、また空胴共振器の形状も円筒や矩形や同軸同筒
々どのいずれの構成であってもよい。

筐た上記の実施例に釦いてはドライエッチング処理の場
合を説明したが、単にドライエッチング処理にのみ適用
されるものではなく、半導体基板のプラズマＣＶＤによ
る成膜技術やプラズマ酸化々どのプラズマを用ｈた処理
にも同様に適用可能なことは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、低次の共振モードの複数個の空胴共振
器からマイクロ′＆を処理室内の広い領域に放射するよ
うに構成しているので、空胴共振器内での高次の共振モ
ードの浬在がなくて安定にマイクロ波を処理室の広い領
域に放射することができる。筐た空胴共振器と４１続す
るマイクｃ１波導波管の位置から複数個の空胴共振器を
介して処理室への複数個のマイクロ波放射スロットの各
位置璽でのマイクロ波伝播経路の放射インピーダンスが
等しくなるように構威しているので、処理室の広い領域
に均一にマイクロ波を放射することができる。したがっ
て処理室内に大口径のプラズマを安定かつ均一に形成す
ることができ、半導体基板をプラズマ処理する場合に半
導体デバイス製造の歩留υ向上シよび生産性向上に効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第
１の実施例を示す縦断面図、第２図は第１図のＡＡ断面
図、第３図は第１図のＢＢ断面図、第４図は本発明によ
るマイクロ波プラズマ処理装置の第２の実施例を示す縦
断面図、第５図は第４図のＣＣ断面図、第６図は第４図
のＤＤ断面図、第７図は本発明κよるマイクロ波プラズ
マ処理装置の第３の実施例を示す縦断面図である。 １・・・第１の空胴共振器、２・・・第２の空胴共振器
、５・・・導波管、５・・・スロット、６・・・マイク
ロ波透過窓、７・・・処理室、１０．１１・・・スロッ
ト、１２・・・下部電極、１５・・・高周波電源、１６
・・・半導体基板、１７・・・ガス供給ノズル、１８・
・・排気口。 ４図 第 ５救 第 ６図 第 ７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　プラズマ処理室へのマイクロ波によるプラズマ発
   生手段と処理ガス供給手段と処理ガス排気手段とから成
   るプラズマ処理装置において、プラズマ発生手段がマイ
   クロ波発生器からの導波管と接続する第１の空胴共振器
   と該第１の空胴共振器に電磁気的に結合する第２の空胴
   共振器とを備え、該第１と第２の空胴共振器との間でマ
   イクロ波電力を分配してプラズマ処理室へ導入しかつ第
   １と第２の空胴共振器がともに低次の共振モードで動作
   するように構成したことを特徴とするマイクロ波プラズ
   マ処理装置。
2. ２．　第１と第２の空胴共振器を電磁気的に結合する複
   数のスロットの結合度に関して第１の空胴共振器に接続
   する導波管位置からプラズマ処理室への複数のマイクロ
   波放射スロットの各位置までのマイクロ波伝播経路の放
   射インピーダンスが等しくなるように構成したことを特
   徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。