JPH04147969A

JPH04147969A - プラズマ処理装置およびその処理方法

Info

Publication number: JPH04147969A
Application number: JP26838490A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tamura; 仁田村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 1992-05-21
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JP3071814B2

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ＶＬＳＩ等の半導体のプラズマ処理を行うプラ
ズマ処理装置にかかわり、特に、配線幅が０．８μｍ以
下の微細構造を有するＶＬＳＩのプラズマ処理において
、高真空（１０−３Ｔｏｒｒ以下の圧力）で高密度のプ
ラズマを発生させ、被処理基板に均一かつ高速にプラズ
マ処理を行うことを可能とするプラズマ処理装置に関す
る。

〔従来の技術〕

高真空で安定に高密度のプラズマを発生できるプラズマ
処理装置として、電子サイクロトロン共鳴現象を用いた
もの、例えば特開昭５５−１４１７２９号公報に記載さ
れた装置がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＬＳＩの高集積化が進むに伴い、素子構造は微細化、複
雑化して工程数が増大する。このため、ＬＳＩのチップ
単価が増大し、ビット当たりの価格が増大することにな
る。そこで、ビット当たりの価格を現状以下に下げるた
めには、−度に多くのＬＳＩを作ることが必要となって
きており、基板は径１５０■から径２００ｍｍへと大径
化されている。そのため、プラズマ処理を均一性良く行
うことのできる処理装置が求められている。また、素子
構造の微細化に伴い、所望寸法に高精度にプラズマ処理
することが必要である。高精度のプラズマ処理を行うた
めには、処理室内の雰囲気ガス分子の衝突の平均自由行
程の長い高真空域で処理を行うことが有効である。本発
明は、低い圧力で高密度のプラズマを大面積にわたり均
一に発生させ、高精度のプラズマ処理を均一性良く行う
ことを意図するものである。

従来のプラズマ処理装置では、プラズマ発生用のエネル
ギーとして直流または高周波電力を用いているため、特
に圧力が１０−’　Ｔｏｒｒ以下といった高真空域では
、高密度のプラズマを発生させることは困難であった。

一方、高真空域でも高密度のプラズマを発生できるプラ
ズマ処理装置として、電子サイクロトロン共鳴現象（Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃ
ｅ）を用いた装置（以下、ＥＣＲ装置と呼ぶ）がある、
ＥＣＲ装置のように電磁波を用いたプラズマ処理装置で
は、処理室内を所定の圧力に保持しながら電磁波を大気
中から低圧の処理室内へ導入するため、電磁波を透過さ
せる誘電体製の部品（以下、「窓」と呼ぶ）が不可欠と
なる。

しかし、ＥＣＲ装置では、ｒ窓」近傍に「窓」の寸法と
同程度の大きさの広がりをもったプラズマが発生するた
め、均一に処理を行うためには、処理基板と同程度かそ
れ以上のサイズの「窓」が必要となる。そのため、基板
の大径化に対応して、［窓」の大径化、静磁界の発生手
段およびマイクロ波の導入手段の大型化が必要となり、
装置全体が巨大なものとなってしまう。そのため、今後
の基板の大径化に対し、実用上対応が困難になると考え
られる。また、後述するように、マイクロ波は波長が短
いために、基板表面に平行にマイクロ波の定在波が発生
し、プラズマ密度分布が不均一となり、処理の不均一が
起こりやすいという問題もある。

本発明の目的は、高真空でも高密度のプラズマを発生さ
せ、大面積基板に高速に均一なプラズマ処理を行えるプ
ラズマ処理装置を提供することにある。また、本発明の
他の目的は、上記高速かつ均一なプラズマ処理を、装置
を大型化することなく行える構成を有するプラズマ処理
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕高密度プラズマを発生させるには、プラズマ発生用の電
力を効率良くプラズマに吸収させる必要がある。また、
プラズマ分布の均一化を図るためには、プラズマ発生用
電力の分布を均一にすることが必要である。一般に、プ
ラズマ処理室のように電磁的に閉じた空間内の電磁波の
電力は通常波長オーダーの空間的分布をもつため、均一
化のためには波長の長い電磁波を用いることが有効であ
る。

そこで、本発明では、マイクロ波と比べて波長が長い高
周波を効率良くプラズマに、吸収させるために、プラズ
マ中にホイスラー波と呼ばれる電磁波を励振するための
アンテナを備える構成として、上記問題を解決できるよ
うにした。

〔作用〕

静磁界を加えたプラズマ中を静磁界と平行な方向に伝搬
する電子サイクロトロン周波数より低い周波数をもつ電
磁波は、ホイスラー波と呼ばれる。

電磁波のエネルギーのプラズマへの吸収量は、プラズマ
中を流れる電流の自乗とプラズマの電気抵抗の積で評価
できる。エネルギーが吸収されると、プラズマ密度の増
大、電子温度の上昇などが起きる。プラズマの損失は、
主として処理室壁面にプラズマ中の電子が吸収されるこ
とによって起きる。そのため、高密度のプラズマを発生
させるには、処理室壁面から離れた位置で電磁波のエネ
ルギーを吸収させることが有効である。電磁波によって
流れる電流の大きさは、高周波磁束密度に比例する。そ
のため、高密度プラズマ発生には、プラズマ発生室内に
導入する電磁波の高周波磁束密度がプラズマ発生室中央
で高くなるような電磁界分布を実現することが望ましい
。

ホイスラー波を有効に励振するためには、ホイスラー波
の波長に対応したアンテナを用いるとよい。ホイスラー
波の波長λは、理論的に式（１）のように表現できる。

ユニで、λ　：ホイスラー波の波長（ｍ）Ｃ：光速（＝
３．０Ｘ１０”ｍ／ｓ）ｆ　：電磁波の周波数（Ｈｚ）ｆｃ：電子サイクロトロン周波数（Ｈｚ）ｆＰ：プラズ
マ周波数（Ｈｚ　）である。上式中の電子サイクロトロン周波数！。

およびプラズマ周波数ｆｐは、それぞれ静磁界の強さ、
プラズマ密度によって、以下のように表現される。

ここで、ｅ　：電子の電荷（Ｃ）Ｂｏ：磁束密度（Ｔ）ｍｏ：電子の質量（ｋｇ）ｎｏ：プラズマ密度（／ｍ３） ε　：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）である。

第９図に、印加する静磁界の大きさをパラメータとして
プラズマ密度ｎｅとホイスラー波の波長との関係を計算
した例を示す。ただし、電磁波の周波数ｆは１３．５６
ＭＨｚとした。この図から、例えばプラズマ密度が１０
１２／ｃｍ”の場合、数百Ｇ（ガウス）の磁束密度で波
長は数十ｃｍであることがわかる。

ここで、電磁波の周波数ｆ、電子サイクロトロン周波数
ｆｃ、プラズマ周波数ｆ、の間にｆ＜ｆｃ＜ｆｐ　　　
　　　　　　　　　　　・・・・・・（４）なる関係が
ある場合には、式（１）はと近似することもできる。

上記した式（１）または式（５）を用いれば。

効率良くホイスラー波を励振するためのアンテナのサイ
ズを決定することができる。

一般に、電磁波を効率良く励振するためには、長さがλ
。／２（λ。は当該電磁波の波長）である半波長アンテ
ナ、または長さがλ。／２の整数倍のアンテナを用いる
とよい。ただし、通常は、アンテナの小型化、損失の低
減の観点から、半波長アンテナを用いるのが望ましい。

枚葉処理を行う半導体処理装置の場合、処理室のサイズ
は被処理基板とオーダー的に同程度である。このため、
この処理室内にホイスラー波を励振するためには、ホイ
スラー波の波長は被処理基板のサイズと同程度でなけれ
ばならない。ホイスラー波の波長は１式（１）または式
（５）に示すように、プラズマ密度ｎ６と磁束密度の大
きさＢ。

で決まる。ここで、他のパラメータと独立にプラズマ密
度を制御することは困難であるのに対し、磁束密度の大
きさは容易に制御することができる。

従って、磁束密度の大きさを、処理室内のホイスラー波
の波長が被処理基板のサイズと同程度となるように選び
、この波長に対応したアンテナを用いることで、効率良
く投入したエネルギーをプラズマ発生に用いることがで
きる。

通常のプラズマ処理装置におけるプラズマ密度ｎ０は１
０１１〜１０”／ｃｍ’程度である。プラズマ周波数ｆ
、は、式（３）に示すようにプラズマ密度ｎｅのみによ
って決まり、上記のプラズマ密度範囲に対応してｆｐは
２．８４ＧＨｚ〜２８．４ＧＨｚ程度となる。従って、
例えば１０”／ｃｍ”のプラズマ密度の場合、周波数１
３．５６ＭＨｚの電磁波によるホイスラー波の波長を２
０ｃｍ程度とするためには、磁束密度は２００Ｇ程度と
する必要がある。

プラズマ処理の均一化を図るためには、プラズマ密度分
布を均一にしなければならない、そのため、プラズマ発
生用として用いる電力の分布を均一にする必要がある。

マイクロ波を用いたプラズマ処理装置においてプラズマ
処理の不均一が問題となる原因の一つは、波長が処理室
のサイズと同じオーダーであるため、処理室内に被処理
基板と平行な方向に定在波が発生することである。

静磁界を印加したプラズマ中では、電磁波は波の伝搬方
向が静磁界に対して平行である場合と垂直である場合と
で異なる伝搬特性を示すことが知られている０通常のＥ
ＣＲ装置では、静磁界は被処理基板に対してほぼ垂直で
あるため、ＥＣＲ装置におけるプラズマ処理の不均一性
の原因の一つは、静磁界に対して垂直な方向に電磁波が
伝搬して、定在波が発生することであると考えられる。

そこで、これに起因する不均一性をなくすためには、静
磁界に対して垂直な方向に波が伝搬しないようにすれば
よい。静磁界に対して垂直な方向に伝搬する波には、異
常波と正常波の２種がある。

このうち、異常波は、理論的に次式（６）で示す周波数
ｆＬ以下では伝搬しないことが知られている。

ｆＬ＝（ｆｃ＋　　　ｃ　　＋　　ｐ）／２　　・＝−
（６）この周波数ｆＬは、通常のプラズマ処理装置では
マイクロ波帯にあり、従って、これより低い周波数の電
磁波を用いれば、異常波の伝搬に起因する不均一は避け
ることができる。

第１０図に、正常波の波長と周波数の関係を示す、正常
波は、静磁界の大きさに左右されず、プラズマ密度のみ
により伝搬特性が決まり、プラズマ周波数以上の電磁波
のみが伝搬可能となる性質をもつ、そのため、プラズマ
周波数以下の周波数の電磁波を用いれば、静磁界に垂直
な方向に定在波が発生することを防止できる。通常のプ
ラズマ処理装置では、プラズマ周波数は前述のように数
ＧＨｚ程度のマイクロ波と同じ周波数領域にあるので、
これより低い周波数領域の電磁波を用いることで、静磁
界に垂直な方向への正常波の伝搬を防止でき、プラズマ
処理の均一化を図ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明を実施したスパッタ装置の概略構成を示
したものである０図において、図示しない真空排気系お
よびガスの導入系によって、処理室１は処理に適した所
定の圧力に保持されている。

ターゲット２の裏面には電磁石３があり、その発生した
静磁界によりターゲット２の表面にプラズマを高密度に
閉じ込めるとともに、処理室１内にホイスラー波の波長
を調整するための静磁界を発生させる。ターゲット２に
対向して被処理基板４が設置されている。被処理基板４
にはバイアス電源５が接続されており、処理に適したバ
イアス電位を与えることができる。処理室１内にはさら
に、発振周波数が例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源
６に接続されたアンテナ７があり、処理室１内にホイス
ラー波を放射して、高密度のプラズマを発生させること
ができる。このアンテナ７は、その中心軸が電磁石３に
より発生する静磁界の方向とほぼ平行に配置されている
。なお、第１図において、符号２０として示したものは
スパッタ電源である。

アンテナ７は、後に詳説するが、ここでは第５図に示す
ように２枚の湾曲した導電性の高い材料からなる板を対
向させた構造となっている。しかし、アンテナ７として
、第６図から第８図に示すものを用いてもよい。

導電性材料を成膜する場合には、アンテナがスパッタさ
れて膜中に不純物として混入する恐れがあることを考慮
して、アンテナの材料を成膜材料と同一にすることが望
ましい。

第２図、第３図に、本発明を実施したスパッタ装置の他
の例を示す。第２図、第３図に示す装置は、第１図に示
したスパッタ装置とアンテナ７の位置が異なる以外は同
様の構成となっている。すなわち、第２図は被処理基板
４の周囲近傍にアンテナ７を設置した例であり、第３図
はターゲット２の中央部にアンテナ７を設置した例であ
る。両者とも、第１図に示す実施例と同様に、アンテナ
７の中心軸は電磁石３により発生する静磁界の方向とほ
ぼ平行になるように配置されている。第１図に示す例で
は、処理室１内のプラズマ密度を均一に高めるのに対し
、対２図に示す例では、被処理基板４の近傍に高密度の
プラズマを発生させることが可能で、アンテナ７に印加
する高周波電力によって被処理基板４に入射するプラズ
マ中のイオンの量を容易に制御することができる。また
、第３図に示す例では、アンテナ７を電磁石３の中心部
に配置することで、ターゲット２からスパッタされ直線
的に運動する成膜粒子がアンテナ７に付着することを防
止できる。なお、アンテナ７としては、第１図に示した
実施例と同様に、第５図に示すもの以外に第６図から第
８図に示すものを用いてもよい。

第４図は本発明を実施したエツチング装置の概略構成を
示したものである０図において、処理室１０は、ガス導
入口８を含む処理ガスの導入系と図示しない真空排気系
によって、処理に適した所定の圧力に保持されている。

処理室１０内には被処理基板４が設置されている。被処
理基板４にはバイアス電源９が接続されており、処理に
適したバイアス電位を印加することができる。処理室１
０の上部には１石英などの電磁波の損失の小さい誘電体
からなるプラズマ発生室１１が、処理室１０と連接して
設置されている。プラズマ発生室１１の周囲には、発振
周波数が例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源１３に接
続されたアンテナ７がある。さらにその外側には電磁石
１２があり、プラズマ発生室１１内に処理に適した静磁
界を発生させている。このアンテナ７は、その中心軸が
電磁石１２により発生する静磁界の方向とほぼ平行に配
置されている。アンテナ７として、ここでは第５図に示
すものを用いているが、第６図から第８図に示すものを
用いてもよい０本実施例によれば、高真空域でも高密度
のプラズマを均一性よく発生できるため、処理の高品質
化、高速化が図れる。なお、同様の構成で処理ガスの変
更により、本発明を実施したＣＶＤ装置を構成すること
ができる。

上記の説明では、アンテナ７がプラズマ発生室１１の外
側にある場合を示したが、アンテナ７はプラズマ発生室
１１の内側に配置してもよい。この場合、プラズマ発生
室１１の材質は、誘電体以外の材料例えばアルミニウム
などの金属であってもよい。

次に、アンテナ７について詳細に説明する。第５図から
第８図にアンテナ７の形状を示す、これらの各アンテナ
は、第１図から第４図に示した各実施例に用いることが
できる。まず、第５図は、湾曲した２枚の例えば銅など
の電気抵抗が小さい材質からなる板１５を対向させた構
造をもつアンテナを示している。図示するように、板１
５の長さはλ／２（ここで、λはホイスラー波の波長）
となっている、２枚の板１５には、発振周波数が例えば
１３．５６ＭＨｚの高周波電源１４が接続されており、
板１５の間に発生する高周波電界により、ホイスラー波
を励振することができる。

第６図は、ダブルループアンテナと呼ばれるもので、図
に示すように高さがλ／２となっている。

材質は例えば鋼などの電気抵抗の小さい線材１６ででき
ており、発振周波数が例えば１３．５６ＭＨｚの高周波
電源１４が接続されている。線材１６を流れる高周波電
流によって発生する高周波磁界により、ホイスラー波を
励振することができる。

第７図、第８図は、それぞれ第５図、第６図に示すアン
テナを１８０°ねじった構造となっている。ホイスラー
波は半波長進行すると偏波面が半回転する円偏波である
ことが知られている。従って、第７図、第８図に示す構
造とすることにより、円偏波であるホイスラー波をさら
に効率良く励振できる。その他の特徴は第５図、第６図
に示すアンテナと同様である。

上記の説明では、第５図から第８図にはすべて長さがλ
／２の例を示したが、λ／２の整数倍の長さのものを用
いてもよい。この場合、第７図、第８図に示すアンテナ
におけるねじる角度は、長さλ／２について１８０’と
なる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高真空域でも空間的均一性が高く高密
度のプラズマを発生でき、高真空域で安定して均一な処
理を可能とするプラズマ処理装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図はそれぞれ本発明を実施したスパッタ
装置の概略構成図、第４図は本発明を実施したエツチン
グ装置の概略構成図、第５図から第８図はそれぞれ処理
室内にホイスラー波を励振するためのアンテナを示す斜
視図、第９図はホイスラー波の波長とプラズマ密度との
関係を示すグラフ、第１０図は正常波の波長と周波数と
の関係を示すグラフである。符号の説明１・・・処理室　　　　　２・・・ターゲット３・・・
電磁石　　　　　４・・・被処理基板５・・・バイアス
電源　　６・・・高周波電源７・・・アンテナ　　　　
８・・・ガス導入口９・・・バイアス電源　　１０・・
・処理室１１・・・プラズマ発生室１２・・・電磁石１３゜１４・・・高周波電源１５・・・板１６・・・線材

Claims

【特許請求の範囲】

１．静磁界の発生手段および電磁波の発生手段を備えた
プラズマ処理装置において、処理室内にホイスラー波を
励振するためのアンテナを備えたことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
２．請求項１に記載のプラズマ処理装置において、ホイ
スラー波を励振するアンテナが、処理室内へ電磁波を導
入するアンテナであり、かつ上記静磁界の発生手段によ
って形成された磁界とほぼ平行な方向のアンテナの長さ
ｌがほぼ下記の式を満足するものであることを特徴とす
るプラズマ処理装置。ｌ＝ｎ（ｃ）／（２ｆ）√｛１−（ｆｃ／ｆ）／１−（
ｆｃ／ｆ）−（ｆｐ／ｆ）＾２｝ｃ：光速ｆ：電磁波の周波数（Ｈｚ）ｆｃ：電子サイクロトロン周波数（Ｈｚ）ｆｐ：プラズマ周波数（Ｈｚ）ｎ：正の整数
３．請求項１または２に記載のプラズマ処理装置におい
て、処理室内にホイスラー波を励振するためのアンテナ
の長さがほぼホイスラー波の半波長の整数倍であり、該
アンテナを処理室内の静磁界の方向とほぼ平行に設けた
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
４．請求項３に記載のプラズマ処理装置において、処理
室内に設けられたアンテナがループアンテナであること
を特徴とするプラズマ処理装置。
５．請求項４に記載のプラズマ処理装置において、ルー
プアンテナが、静磁界とほぼ平行な方向のホイスラー波
の半波長分の長さあたり半回転だけねじられた構造を有
することを特徴とするプラズマ処理装置。
６．請求項３に記載のプラズマ処理装置において、処理
室内に設けられるアンテナが対向した複数の平板で構成
された構造を有することを特徴とするプラズマ処理装置
。
７．請求項６に記載のプラズマ処理装置において、対向
した複数の平板で構成されたアンテナが、静磁界とほぼ
平行な方向のホイスラー波の半波長分の長さあたり半回
転だけねじられた構造を有することを特徴とするプラズ
マ処理装置。