JPH03262119A - プラズマ処理方法およびその装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明はエツチング、アッシング、成膜などの処理を行
なう半導体製造装置の中で特に、マイクロ波と磁場の相
乗効果によりプラズマを生成し上記の処理を行なうマイ
クロ波プラズマ処理装置に関するものである。

［従来の技術］ 半導体デバイスの製造工程の中でエツチング、アッシン
グや成膜といった部門ではプラズマを利用したドライプ
ロセスが有効な手段として使われている。現在、このプ
ラズマの生成には、平行な２枚の対向電極に高周波（主
に１３．５６ＭＨｚ）を印加することによって行なう装
置が主流であるが、近年特開昭５６−１５５５３５号、
特開昭６０−１２０５２５号に開示されているようなよ
り周波数の高いマイクロ波（例えば２．４５ＧＨ２）を
用いたものが、注目されている。上記２例にもあるよう
に、プラズマ生成にマイクロ波を用いるものは、電離効
率を高めるために、５００〜１０００ガウス程度の磁場
を印加するものがほとんどである。これは磁場を加える
ことで電子のサイクロトロン運動を行なわせ、電子の衝
突確率を上げると共に荷電粒子の磁力線を横切る方向の
移動を制限し、拡散を防ぐためである。

マイクロ波によるプラズマはＲＦプラズマに対して１．
高密度プラズマ（〜１０”７ｃｍ３以上）が得られる。

２．低圧力（１０−’　〜１Ｏ−２Ｔｏｒｒ）で使用で
きる。３．被処理体に対するダメージが少ない。

等の半導体デバイス製造上の大きな有利点を持っている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のマイクロ波プラズマ処理装置は、
以上のような欠点を有している。

（１）該装置では、マイクロ波と磁場の相乗効果により
プラズマを生成するため、マイクロ波の電解強度分布、
あるいは印加する磁場の強度分布によりプラズマ密度に
不均一な空間分布が出来やすい。しかも磁場の作用のた
め荷電粒子は磁力線に束縛され拡散しないのでプラズマ
密度の不均一性は被処理体上までそのまま維持されるこ
とになる。一方、最近の半導体製造プロセスでは、処理
速度の点からだけでなく微細化や形状制御の点からもイ
オンによる処理操作は重要になってきており、又被処理
体の大口径化の傾向もあり、上記の欠点は重大な問題と
なってきている。

（２）プラズマ中のイオンを用いて処理を行なう場合、
加工速度調節、形状制御ダメージ制御などを行なうには
入射するイオンのエネルギーを制御する必要がある。従
来の高周波（ＲＦ波）を使った平行平板型の装置では被
処理体ホルダーに発生した電圧（ＶＯＣ）で試料に入射
するイオンを加速しエネルギーを与えることが出来、該
電圧（Ｖ、ｃ）は印加する電力で制御することができる
。しかし、マイクロ波によって作られたプラズマではｖ
Ｉ、ｃが十分得られない上、マイクロ波の電力を制御し
ても■１はほとんど変化しない。したがって必要なＶ。

Ｃを得るために特開昭６０−１２０５２５号に開示され
ているように、被処理体保持装置（ホルダー）に別個に
高周波電力を印加することが行なわれている。

この方法によれば、マイクロ波による高密度プラズマと
、高周波電力によるイオン入射エネルギーという２つの
パラメータを独立に制御することが可能となるが、被処
理体ホルダーは対向する電極をもたないため高周波電力
が印加されると、高周波電流が被処理体ホルダーと周囲
の処理室壁との間に流れ、このためイオン入射の効果が
、被処理体中央部に比べて周辺部の方が強くなってしま
うという問題点がある。

上記（１）、　（２）の問題点を解消するために次のよ
うな構成が考えられる。すなわち、第８図に示すように
マイクロ波の放電室への給電を被処理体ホルダー４に平
行に設置された平板（アンテナ板）１４の空孔３０を通
して行なう構成である。

この場合、アンテナ板１４に空ける孔の形状や分布を最
適化することによりアンテナ板径方向のプラズマ密度の
分布を均一化することが可能となり、又、アンテナ板が
、被処理体ホルダーに対し、対向する電極となるので、
被処理体全域にわたって均一な高周波電場を形成するこ
とができる。

しかし、この方式によっても以下の２つの課題が残る。

■マイクロ波はアンテナ板の出射孔（空孔）を出てすぐ
にプラズマに吸収されるため放射孔のパターンがプラズ
マ密度の分布に強く反映されたものとなる。マイクロ波
放射板（アンテナ板）と被処理体ホルダーとの距離が接
近している場合、あるいは、印加磁場の発散が小さく、
磁力線が垂直に近い場合、特にこの影響が強く出ること
になる。

■構造的には中心軸に対して対称であるが、実際にアン
テナ板を作成する場合、放射板の加工精度、平行度、中
心のずれ等が原因となって、マイクロ波出射強度の均一
性が悪くなることがある。

本発明は上記従来技術の改良と考えられるマイクロ波プ
ラズマ処理方法及びその装置の持つ課題を解決する新規
な構成による前記方法および装置を提供するものである
。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、マイクロ波と磁場との相互作用によってプラ
ズマを生成し被処理体のエツチング、アッシング又は成
膜処理を行なうプラズマ処理方法において、被処理体か
ら一定距離を隔て設けられている放射板の空孔から放射
されるマイクロ波により生ずるプラズマの面内密度分布
を、該空孔を被処置体に対し相対的に回転させることに
より、被処理体上で移動させて所望の処理を行なうこと
を特徴とするプラズマ処理方法であり、又該方法を実施
するための装置、すなわち反応ガスを導入するチャンバ
ー、チャンバーに磁場を印加する磁場発生コイル、反応
ガスをプラズマ化するマイクロ波を放射する空孔を有す
る平板型放射板、発生したプラズマにより処理する被処
理体を装着する被処理体ホルダーから少なくとも構成さ
れるエツチング、アッシング又は成膜処理用のプラズマ
処理装置において、前記放射板と被処理体とを相対的に
回転させる駆動機構を備えたことを特徴とする前記プラ
ズマ処理装置である。

本発明によれば、放射板を回転させるためチャンバー内
に生じるプラズマ密度の濃淡部を被処理体上で移動させ
このことにより被処置体上のプラズマ密度を時間的に平
均化することができ、さらにイオンエネルギー制御のた
め被処理体ホルダーに高周波電力を印加しても放射板が
被処理体ホルダーに対向する電極となることで、高周波
による電場分布も被処理体の付近で均一化されることに
より、従来装置の問題点であった成膜、エツチング等の
処理速度の不均一を、処理速度を高く保ったまま解消す
ることが可能となる。

［実施例］ 以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

実施例１ 第１図は本発明を実施するための装置の一態様を示す概
略図である。

すなわち、該装置は基本的に反応ガスを導入する放電室
２に空心コイル７により磁場を印加し、さらに反応ガス
をプラズマ化するマイクロ波を平板型放射板（アンテナ
板）１４に設けられた空孔（スリット）から放射し、発
生したプラズマにより被処理体ホルダー４に装着されて
いる被処理体３に所定の処理を施すようになっており、
さらに、アンテナ板１４と被処理体３とを相対的に回転
させる駆動機構として、アンテナ本体１１が回転するよ
うアンテナ本体１１につながる同軸管８（８ａ外部導体
、８ｂ内部導体）を回転させるかさ歯車１６．１７及び
モーター１８を備えている。本発明において、アンテナ
板と被処理体とを相対的に回転させるとはアンテナ板と
被処理体の位置関係を変えずに一方を回転させることで
あり、アンテナ板を回転させても又被処理体を回転させ
てもよい。本図においてはアンテナ板を回転させる構成
を示している。

本発明の装置は上記の基本的構成を有しているものであ
れば、その他の構成については、処理目的に応じて適宜
設定しておけばよ（、例えば第１図では被処理体ホルダ
ーには高周波電力を印加しイオンエネルギーを高めるた
めの高周波電源２２が設けられており、第７図ではイオ
ンビーム処理に適した構成で、プラズマからイオンを取
り出し所定のエネルギーに加速するための電極群２６が
設けられている。

次に第１図に示した装置についてさらに詳しく説明する
。同図において１は反応室２の真空を保つ真空容器、２
は反応室（放電部）、３は被処理体（試料）、４は被処
理体を保持し冷却機構（図示せず）を備えた被処理体ホ
ルダー、５は真空容器１内を減圧するための排気系、６
は処理反応に用いる反応ガスを導入するためのガス導入
口、７は反応室２に磁場を印加する磁場発生装置である
空心コイル、８はマイクロ波をマイクロ波出射アンテナ
部１１に導入する同軸導波管で８ａが外部導体、８ｂが
内部導体である。９ａ、ｂは、上下の同軸導波管８を電
気的に接続するチョークフランジ、１０はマイクロ波の
反射を抑えるためのテーパー　１１はマイクロ波出射ア
ンテナ本体、１２はアンテナを二層構造とするための導
体板、１３は誘電体で例えば、石英、アルミナ、ボロン
ナイトライド、フォルステライト等で構成される。１４
はマイクロ波を放電部２に放射するためのスリットの入
った例えば銅の薄膜等で構成される導体平板（アンテナ
板）、１５は導体平板１４が直接プラズマに接触しない
ためのマイクロ波透過絶縁板、１６は同軸導波管に固定
された、マイクロ波放射アンテナ１１を回転させるため
のかさ歯車、１７はかさ歯車１６と対になったかさ歯車
、１８はかさ歯車１７を駆動するためのモーター、１９
はマイクロ波の発振機、２０はアイソレーター、２１は
アンテナの整合をとるためのチューナー付同軸変換機、
２２は被処理体ホルダー４に高周波電力を供給する高周
波電源、２３は放電室２とマイクロ波放射アンテナ１１
の内部との間の真空封止する面、２４は上下同軸管８を
接続するフランジ９ａ、ｂの接続面である。

上記構成において、本発明をシリコン酸化膜のエツチン
グに適用した実施例について説明する。

まず排気系５により真空容器ｌ内を排気する。

このときの圧力としては、１０−’Ｔｏｒｒ以下が望ま
しいが処理目的により適宜調整する。次に図示されてい
ない試料交換室（予備排気室）より被エツチング試料で
あるシリコン酸化膜基板（被処理体３）を被処理体ホル
ダー４に搬送し、装着する。

該基板の温度上昇をおさえるため、静電吸着等の吸着機
構（図示せず）で被処理体ホルダー４に基１ ２ 板を熱的に接触させ、被処理体ホルダーを図示していな
い冷却系で冷却する。

次にシリコン酸化膜のエツチングに用いる反応ガス、例
えばＣ２Ｆ、、　ＣＨＦ、あるいは、これらのガスにＨ
２Ｃ２Ｈ２，０□などを添加したものをガス導入口６よ
り反応室２内に導入し、流量と排気速度の調整により内
部圧力を処理を行なう動作圧力であるＩ　Ｘ　１０−”
　〜５　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒにする。空心コイル７に
図示していない電源より電流を流し反応室２に５００〜
１０００ガウス程度の磁場を形成する。

マイクロ波発振器１９で発生したマイクロ波は、アイソ
レーター２０を通り導波管により供給され、整合をとる
ためのチューニング機構を備えた同軸変換器２１によっ
て同軸管８に変換されて、マイクロ波放射アンテナ１１
に供給される。

マイクロ波の出射電力は４００〜１００ＯＷ程度である
。

上記同軸管８の外部導体８ａはその途中で上下に分離さ
れた外部導体８ａの下方と、内部導体８ｂはアンテナ本
体１１に固定され、モーター１８、かさ歯車１６．１７
によって、アンテナ本体１１といっしょに回転する。こ
こで、同軸管８の外部導体８ａの接合面は、マイクロ波
が漏洩しないことと、回転運動が可能であることが必要
であるが、チョーク構造をもったフランジ９を設けるこ
とにより、マイクロ波の漏洩を機械的に非接触な状態で
防ぐことが出来るため、接合面の回転に対して、高い耐
久性が得られる。

アンテナ１１内に入ったマイクロ波は、最終的にマイク
ロ波放射板１４に設けられたスリット孔から放電室２内
に出射される。このマイクロ波と先はどの磁場により放
電室２内に〜１０”／ｃｍ３程度の強いプラズマが形成
される。このプラズマ磁場線に沿って移動する。磁場が
発散している場合は、これによってプラズマを下方に加
速できるため被処理体を放電部から離すことができる。

磁場によるプラズマの加速を用いない場合は放電部に直
接被処理体を置くことになる。いづれにしても放電室で
生成された反応ガスプラズマが被処理体ホルダー４上の
被処理体であるシリコン酸化膜基板３に照射される。被
処理体ホルダー４には高周波電源２２より高周波が印加
され、放電部２より照射されるプラズマと高周波電力に
よるバイアス電圧によって、シリコン酸化膜のエツチン
グが進行する。エツチング速度はホルダー４に印加する
高周波電力によって異なるが、高周波電力１００Ｗで３
０００〜４０００人／ｍｉｎのエツチング速度が得られ
る。

次に、本発明の主眼であるマイクロ波放射アンテナ板１
４の回転によるエツチングの均一化の方法について以下
に説明する。

第２図は本発明で使用するスリットを入れた導体板（ア
ンテナ１４）の例を示す模式平面図である。ここで、３
０は幅Ｓ、間隔ｄの渦状スリットである。このものを用
い第１図に示した構成においては、同軸管８を伝播して
きたマイクロ波、導体１２で仕切られた上層を、外周部
に向かって伝播し、導体板１２で仕切られた下層を、外
周部から内部に向かって伝播する間に、マイクロ波放射
板１４のスリット（第２図に示したスリット３０）より
徐々に放電室内に放射される。なお、プラズマが直接ア
ンテナ板１４に接し金属がスパックされ試料が該金属に
よって汚染されるのを防ぐために、１５の絶縁体を設置
する。処理反応の面内分布を決定するマイクロ波の放射
強度分布はアンテナ板１４に開けられた、スリット３０
の幅Ｓと間隔ｄを変えることによって制御できる。

例えば中心部のマイクロ波放射強度が強ければ、スリッ
ト間隔ｄを中心部で大きくし、周辺部で小さくするるこ
とで対処できる。又、スリット幅Ｓを変化させることに
よっても、マイクロ波の放射特性を変えることができる
。しかし、マイクロ波はスリットから放射されるとすぐ
にプラズマに吸収されてしまう。そのため、アンテナ板
のスリットがある部分とない部分でプラズマ密度に差を
生じる。第４図は第２図のアンテナ板１４ａを回転させ
ずマイクロ波放射を行ない作られたプラズマ密度の分布
例をアンテナ板の横断面に対応させて表したものである
が、スリットの位置に対応し５ ６ て、プラズマ密度の強弱が現われており、これが処理速
度の面内分布に反映されてしまうことになる。ここでこ
のアンテナ板１４ａをアンテナ本体１１ごと同軸管８に
取りつけた歯車１６と駆動モーター１８により回転させ
ると、第５図に示すアンテナ板の平面図と対応させて表
わしたプラズマ密度の例えば第４図のプラズマ密度の高
い領域の一つに注目した図でわかるように、この領域は
外周部から中心部へと移動する。このように、回転によ
ってプラズマ密度の高い（あるいは低い）領域を走査す
れば、各点でのプラズマ密度のムラを第６図に示したよ
うに時間的に平均化することができ、従ってエツチング
の均一性を向上させることができることがわかる。又、
円周方向にムラがある場合にも回転により平均化するこ
とができる。通常、Ｓ、ｄは従来Ｓ＝２ｍｍ前後、ｄ＝
１０〜２０ｍｍ程度でよく、マイクロ波の放射状態によ
り適宜設定する。

アンテナのスリットの型は第２図のように渦巻状のもの
だけでなく第３図のように細線状の複数７ のスリットをら線状に配列したタイプなとてよい。この
場合、マイクロ波放射強度の制御はスリットの円周方向
の間隔Ｓ、、径方向の間隔Ｓ。

のほかにスリットの長さＳ、　（又はその形状）で行な
うことかてき、第２図のパターンに比べてマイクロ波放
射強度の面内分布をより細かく制御することが可能とな
る。なお、円周方向にのみ不均一性がある場合は、前述
の渦状のパターン以外（例えば、同心円状）でも、アン
テナ板を回転することによって均一性を向上させること
かてきる。又、導体板に代え誘電体１３の反応室２側の
面に上述のパターンをメツキしたりメタライズ等によっ
て付着させても同様の効果が得られる。

ここで、アンテナ板の回転速度はプラズマ密度の面内分
布の不均一性、スリットの形状（ｄｓ、ｓ、、ｓ、　　
、ｓ、等）により設定すればよく、例えば分布の不均一
が同一ても渦状スリットのｄが小さければ回転速度は比
較的小さくてよいが、通常５〜２０　ｒ、ｐ、ｍ程度て
、又渦状スリットによる場合は被処理体半径方向のプラ
ズマ密度外　８ 布移動速度は１　ｍｍ／ｓｅｅ〜７　ｍｍ／ｓｅｃ程度
でよい。又回転はアンテナ板のみでなく被処理体を同時
に回転させても、被処理体単独で回転させてもよい。

尚、前記プラズマ密度の測定は可動式ラングミュアプロ
ーブにより行なうことがてきるものである。

以上述べたきたように、本発明によって従来の磁場印加
型マイクロ波処理装置の問題てあったプラズマ密度の不
均一を解消し、エツチングの均一化を図ることが可能と
なる。

以ト、本発明をシリコン酸化膜のエツチングに適用した
場合を例に説明してきたが、この効果は、ＳＦ６．ＣＩ
系のガスによるシリコンのエツチング、あるいはＳｉＨ
，などのガスによるアモルファスシリコンやシリコン酸
化膜の成膜などその他のエツチング、アッシング、成膜
プロセスにも同様の作用により好適に適用できる。

尚、本実施例で処理を施こされたシリコン酸化膜は例え
ば表１に示すとおりアンテナ板を回転さ　９ せないて同様にして行なったシリコン酸化膜の場合と比
ベエッチング速度の面内均一性は６”ウェハー内で２０
％から６％へ低減していた。

実施例２ 第７図は本発明を実施するための装置の他の態様を示す
概略図である。第７図において、２５はイオン源チャン
バー、２６はイオン引き出し電極群、２７はプラズマ生
成室、２８は反応室、その他の記号は、第１図と同しで
ある。

これは、本発明をマイクロ波イオン源によるイオンビー
ム処理装置に適用した例であり、やは　０ す、エツチング、アッシング、成膜などを対象としてい
る。

実施例１との違いは、プラズマ生成室２７を反応室２８
と分離し、プラズマ生成室２７をイオン源チャンバー２
５とし、容器１との間に、おたがいに絶縁されそれぞれ
に、図示していない電源に接続された数枚で構成された
イオン引き出し電極群２６を配置したことである。この
電極群２６に電源より適当な電圧を加えることによりプ
ラズマ生成室２７で発生したプラズマから、イオンを取
り出し、所定のエネルギーに加速し、被処理体３に照射
することができるものである。このイオンビーム処理装
置の場合は、プラズマ生成室２７のプラズマが均一であ
っても引き出し電極群２６により引き出されるイオンビ
ームは、半径方向の不均一性が生じやすいので、マイク
ロ波放射板スリットパターンによって分布を変えられる
本方法は、より効果が大きい。この実施例の場合も第１
の実施例と同様に、アンテナ本体１１を駆動系１６〜１
８て回転させることにより被処理体３の１ 均一な処理を行なうことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明はマイクロ波放射孔（スリッ
ト）を持つ導体板（アンテナ板）を回転させることによ
って、マイクロ波と磁場によって生成されるプラズマを
用いてエツチング、アッシング又は成膜を行なう半導体
処理装置において、この方式の欠点であった処理速度の
面内均一性を、高い処理速度のままで向上させ、さらに
渦状に配されたスリットを用いることにより大幅に均性
を向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一態様を示す概略図、第２図、
第３図はそわぞれ本発明で用いることのできるアンテナ
板１４のパターンの一例を示す平面図、 第４図は第２図に示したアンテナ板（１４ｂ）を用いた
ときの放電室のプラズマ密度分布を示す模式図、 第５図は第２図のアンテナ板（１４ｂ）を用い２ 回転を行なったときのプラズマ密度の移動を説明する模
式図、 第６図は本発明によりプラズマ密度分布を走査し時間的
に重なり合わせた様子を示す模式図、第７図は本発明の
装置の態様を示す概略図、第８図はスリットを開けたア
ンテナ板よりマイクロ波を放射するタイプの従来例を示
し、（ａ）は装置の概略図、（ｂ）はアンテナ板平面図
である。 １・・・真空器　　　　　　２・・・放電室３・・・被
処理体　　　　　４・・・被処理体ホルダー５・・・排
気系　　　　　　６・・・ガス導入系７・・・空心コイ
ル　　　　８・・・同軸管８ａ・・・外部導体　　　　
８ｂ・・・内部導体９・・・チョークフランジ １０・・・テーパー　　　　１１・・・アンテナ本体１
２・・・導体板 １３・・・マイクロ波透過話電体 １４・・・スリット付き導体板（アンテナ板）１５・・
・絶縁体　　　　　１６．１７・・・かさ歯車　３ ８・・・モーター　　　　１９・・・マイクロ波発生器
０・・・アイツレ−ター ト・・チューナー付き同軸変換器 ２・・・高周波電源　　　２３・・・真空封止面５・・
・イオン源チャンバー ６・・・イオン引き出し電極群 ７・・・放電室　　　　　２８・・・反応室０．３１・
・・空孔（スリット）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．反応ガスを導入するチャンバー、チャンバーに磁場
   を印加する磁場発生コイル、反応ガスをプラズマ化する
   マイクロ波を放射する空孔を有する平板型放射板、発生
   したプラズマにより処理する被処理体を装着する被処理
   体ホルダー、から少なくとも構成されるエッチング、ア
   ッシング又は成膜処理用のプラズマ処理装置において、
   前記放射板と被処理体とを相対的に回転させる駆動機構
   を備えたことを特徴とする前記プラズマ処理装置。
2. ２．前記放射板の空孔が渦状に配置されている請求項１
   に記載の装置。
3. ３．前記回転における回転部と固定部の接合をチョーク
   構造を有する同軸管によって行なう機構を有する請求項
   １に記載の装置。
4. ４．マイクロ波と磁場との相互作用によってプラズマを
   生成し被処理体のエッチング、アッシング又は成膜処理
   を行なうプラズマ処理方法において、 被処理体から一定距離を隔て設けられている放射板の空
   孔から放射されるマイクロ波により生ずるプラズマの面
   内密度分布を、 該空孔を被処理体に対し相対的に回転させることにより
   、被処理体上で移動させて所望の処理を行なうことを特
   徴とするプラズマ処理方法。
5. ５．前記空孔を渦状に配置し、プラズマの面内密度分布
   を被処理体上でその半径方向に移動させる請求項３に記
   載の方法。