JPH03241649A - プラズマ発生装置 - 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、半導体素子の製造工程の一つであるドライエ
ツチング及びＣＶＤ等に用いられるプラズマ発生装置に
関するものである。

［従来の技術］ 第３図に於いて従来のプラズマ発生装置について説明す
る。

高周波電源１に直流遮断用のコンデンサ８を介して接続
された平板電極〈カソード電極）２と、該平板型［ｉ２
に相対して接地電位にある対向電極（アノード電極）３
が設置されている。

前記カソード電＠２、アノード電極３は真空容器４に収
納され、カソード電極２は絶縁材５により真空容器４と
絶縁されている。

該真空容器４には反応性カスを導入する導入系６と真空
容器４内の圧力を一定に保つ為の排気系７が設けられて
いる。

被処理物、例えばシリコンウェーハ９は、通常前記カソ
ード電極２上に載置される。

前記両型［ｉ２．３間に高周波電力、例えば１３５６Ｍ
Ｈｚを印加して両電極間にプラズマを発生させるとプラ
ズマ内の電子と正イオンの移動速度の大きな違いにより
、高周波電力を印加しな側（カソード電極２側）のカソ
ードシースに大きな陰極降下電圧（セルフバイアス）が
発生ずる。

この陰極降下で反応性ガスイオンは加速されて被処理物
９に垂直に入射し、垂直方向のエツチングが進行する。

［発明が解決しようとする課題］ 斯かる装置によりエツチング処理を行う場合、エツチン
グ速度を決定する主な要素として陰極降下電圧（イオン
エネルギ）と被処理物に入射するイオンの数（イオン密
度−プラズマ密度）がある。

エツチング速度を増大させる為には、前記イオンエネル
ギ、プラズマ密度のうち特にプラズマ密度を増大させな
ければならないが、プラズマ密度を増大させるには印加
した高周波電力を増加すればよい６ 然し、この高周波電力を増加した場合、必然的に陰極降
下電圧（イオンエネルギ）も増加する。

従って、前記した被処理物か半導体素子製造の為のウェ
ーハである場合、従来のものではエツチング速度を増大
させるとイオンエネルギも増加し、更にイオンエネルギ
が必要以上に増加すると、ウェーハの表面に被膜したマ
スク、更には被エツチング層下の層、或は母材に損傷を
与えるという問題があった。

本発明は斯かる実情に鑑み、マスク、被エツチング層下
の損傷を防止しつつ且エツチング速度の高速化を実現す
る為のプラズマ発生装置を提供しようとするものである
。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、アノード電極とカソード電極間に高周波電源
により高周波電力を印加してプラズマを発生させるプラ
ズマ発生装置に於いて、カソード電極とアノード電極と
の間に電子放出手段を設けたことを特徴するものである
。

［作　用］ 高周波プラズマの発生により、カソード電極にシース電
圧を生じるが、電子放出手段によりカソード電極の電子
を等測的に抽出して放出することで、シース電圧を減じ
ることができ、この電子放出量を制御することでシース
電圧値を制御することが可能となる。

［実　施　例］ 以下、図面を参照しつつ本発明の一実施例を説明する。

第１図は第１の実施例の基本構成図を示しており、図中
第３図中で示したものと同一のものには同符号を付しで
ある。

先ず本発明の原理について説明する。

前述した様にアノード電極３とカソード電極２間に高周
波電力を印加してプラズマを発生さぜな場合、プラズマ
内の電子及びイオンの移動速度に起因し、カソード電極
側のカソードシースに大きな、陰極降下電圧が生ずる。

いいかえれば、カソードシースはイオンの集合帯であり
、イオンと電子のアンバランスな状態によって前記陰極
降下電圧が生じるといえる。従って、カソード電極２よ
り電子を放出すれは、陰極降下電圧を減ぜられる。

従って、印加する高周波電力を増大させても、それに見
合った電子をカソード電極２より放出する様にすれば、
陰極降下電圧を増大させることなく、プラズマ密度を高
めることができる。

第１図に於いて、１１は電子放出手段を示し、該電子放
出手段１１は、前記カソード電極２に接続されたフィラ
メント１２等の電子発生器、該フィラメント１２に電圧
を印加する直流電源１３、前記フィラメント１２に対向
して設けたプレート１４、該プレート１４と前記フィラ
メント１２とを真空雰囲気内に収納する真空室１５とか
ら構成されている。

上記構成に於いて、カソードに生じる直流電位は、プラ
ズマからカソードに流込む電子電流、プラズマからカソ
ードに流込むイオン電流及びカソードより流出する電子
電流の総和がＯになる様に、シース電圧■、とじて生じ
ることになる。

よって、次の式が成立する。

Ｉ　Ｉｓ　−Ｉ　、、＋Ｉ　、、＝　０（■８．はイオ
ン電流、１．、、Ｉ。イは電子電流であり、電流として
流れる方向はイオン、電子の流れる方向と逆である。） Ｉ　＋ｓ＝　（Ａ／４　）　ｅ　ｎｌ　ｖ、　＝　Ｉ　
＋６Ｉ　１１９−（Ａ／４　）　ｅ　ｎ、　ｖ、　ｅ　
ｘｐ［−（ｅ／ｋＴ、）ｘ （Ｖｓ　＋ｖＰｓｉｎ　ωｔ　）　］ ＝ｒ、。ｅｘｐ　［−（ｅ／ｋＴ、）ｘ（Ｖｓ　＋Ｖｐ
　’　）　］ ＋’ＬＩ＋６−Ｉｅｏｅｘｐ　　［−（ｅ／ｋＴａ　　
）　　Ｘ（ｖｓ　＋ＶＰ’　）　］　十ＩＩ、、＝＝　
０−（１）（１）式よりＶｌｌについて解くと、 Ｖｓ　＝　（ｋＴ−／ｅ）Ｉｎ　　［（Ｉ、。ｅｘｐ（
ｅＶｐ’／ｋＴ。））／（ＩＩ、＋ｉ、、）］となる。

高周波電圧を含む項を１周期について積分しその平均値
は、 １１！６Ｊ（＋　　（ｅＶｐ　／ｋＴａ　）ここで、Ｊ
ｏは変数（ｅＶｐ／ｋＴ、）の０次変形ベッセル関数。

よって、シース電圧Ｖｓは次の式で表される。

Ｖｓ　＝　（ｋ’Ｌ　／ｅ）Ｉｎ　　［ｘ−ｐＪｏ　　
（ｅＶｐ／ｋ１．）／（ＩＩ。＋■。、）］・・・（２
）この様に、シース電圧ｖ、ｌはカソードより流出する
電子電流■、１によって制御できる。

即ち、１．。Ｊ６　　（ｅＶＰ／ｋＴ、）＝（ＩＩ。

＋１．、）となるまで１１．を増やしていくとシース電
圧ｖ６は０となる。

ここで、 ■、２：シースに流入する電子電流 Ｉ　Ｉｍニシースに流入するイオン電流Ｉ　ａｍ：カソ
ードから流出する電子電流Ａ　：カソード電極の面積 ｅ　：電荷 ｎｌ　：プラズマ内のイオン密度 ｎ、：プラズマ内の電子密度 ■、：イオンの平均速度 ■、：電子の平均速度 ｋ　：ボルツマン定数 Ｔ、：電子温度 ■８：シース電圧 ■、：高周波電圧の振幅 ω　：高周波電圧の角周波数 ｔ　：時間 １、。：　（Ａ／　４　）　ｅ　ｎ　＊　Ｖ−ＶＰ　′
：　Ｖｐ　Ｓｌｎ　６）　を 第２図は他の実施例を示すものであり、該実施例では、
電子放出手段１１が補助プラズマ発生装置１８を具備し
ているものであり、この補助プラズマ発生装置１８のプ
ラズマ発生によって生じる電子を、シース電圧を利用し
て引出し加速し、カソード電＠２より電子を抽出し、更
にアノード電［ｉ３への放出電子を流入させているので
ある。

該補助プラズマ発生装置１８は直流カソード電［！１９
と多孔の直流アノード電極２０との間に、補助直流電源
２１により直流プラズマを発生させ、この直流プラズマ
で発生した電子、即ちカソード電極２で抽出した電子を
前記シース電圧で加速し、前記プレート１４を経てアノ
ード電極３へ放出電子流Ｉ　ａｍとして流入させる。

該実施例も前記実施例同様に放出電流１　ａｍをプラズ
マ発生装置１８のプラズマ発生状態を変化０ させ電子電流を制御でき、即ちシース電圧Ｖ８を制御す
ることができる。

尚、上記第１の実施例に於いて、電子放出手段１１は真
空管であってもよく、又第２の実施例に於いて、プラズ
マ発生装置１８は高周波、マイクロ波、マグネトロン放
電等のいずれによるものでもよく、シース電圧を利用し
て電子の放出が可能であるものであればよい。

更に又、上記２つの実施例では電子放出手段をプラズマ
発生装置の真空容器４とは別体に設けたか、電子放出手
段を真空容器内に設けてもよい。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、下記の優れた効果を発
揮することができる。

（ｉ）　　別途設けた電子放出手段によってカソードシ
ース電圧を制御することができ、高周波電力の制御と合
せ、カソードシース電圧を所望の状態に維持してプラズ
マ密度を制御することができる６ ｉｉｉ）　　電子放出回路を入切りする、又はイオンエ
ネルギを制御することによりエツチング、テポジション
等のプロセス制御ができ、エツチング速度、選択比等の
制御をすることかできる。

（ｉｉｉ）イオンの可動周波数以上の励起周波数領域に
ついて適用可能であり、この領域ではイオンエネルぎ−
はシース電圧によって制御されるので、イオンの可動周
波数領域でイオンエネルギーが時間と共に変化する方式
に比ベイオンエネルギーが設定された値に常に一定に制
御されるので安定で再現性のあるエツチングが可能であ
る。

［ｉｖ）　　電極全体の電位を制御するので、電極間全
体に亘って均一な電位分布が得られる。

（Ｖ）　　電子放出手段はプラズマ発生領域とは別の所
に設けられる為、異常放電、スパッタリング等の汚染の
原因となる物質かなく、真空容器とは別の所で電子の生
成が可能であるので、塵の発生がない６

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す基本構成図、第２図は
他の実施例を示す基本構成図、第３図は従来例の説明図
である。 １は高周波電源、２はカソード電極、３はアノード電極
、４は真空容器、１１は電子放出手段、１２はフィラメ
ント、１８は補助プラズマ発生装置を示す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アノード電極とカソード電極間に高周波電源により
   高周波電力を印加してプラズマを発生させるプラズマ発
   生装置に於いて、カソード電極とアノード電極との間に
   電子放出手段を設けたことを特徴とするプラズマ発生装
   置。 ２）アノード、カソード間のプラズマ密度の制御は印加
   高周波電力によって行い、カソードシース電圧はカソー
   ドよりアノードに放出する電子流により制御することを
   特徴とするプラズマ発生装置。 ３）電子放出手段が電子発生器を有し、該電子発生器よ
   り発生した電子をアノード電極に流入させる様にした請
   求項第１項記載のプラズマ発生装置。 ４）電子放出手段がプラズマ発生手段を有し、該プラズ
   マ発生手段で発生した手段をシース電圧で加速し、アノ
   ード電極に流入させる様にした請求項第１項記載のプラ
   ズマ発生装置。 ５）カソード電極に直流カソード電極を接続し、該カソ
   ード電極に対向して直流アノード電極を設け、直流カソ
   ード電極と直流アノード電極との間で直流放電させ、こ
   の直流放電により発生した直流プラズマ内の電子を高周
   波プラズマのシース電圧によって加速し高周波プラズマ
   発生回路のアノードに流入させることを特徴とする請求
   項第１項記載のプラズマ発生装置。