JPH05291189A

JPH05291189A - プラズマ装置

Info

Publication number: JPH05291189A
Application number: JP4087354A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Araki; 陽一荒木; Jiro Hata; 次郎畑
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1992-04-08
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 1993-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】被処理体へのスパッタや汚染のおそれが少な
く、均一な処理を行なうことができるプラズマ装置を提
供すること。【構成】電極を用いずに放電管に巻いた特定形状のア
ンテナに所定の高周波を印加することによりヘリコン波
を励起し、これによりプラズマを発生させる。このプラ
ズマは波動を有しているが、緩和領域を伝播するにつれ
て波動が減衰される。特に緩和領域の圧力が比較的高い
場合にはプラズマ同士の衝突による散乱によって波の間
に相互作用が生じ、減衰が促進される。このような状態
で電子加速手段により、プラズマから電子を引出すとと
もに加速して反応室に導き、反応ガスのプラズマを発生
させて被処理体を処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はプラズマエッチング、
プラズマＣＶＤ等のプラズマ処理を行なうためのプラズ
マ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程において、プラズマエッ
チング、プラズマＣＶＤ等のプラズマ処理が行なわれて
いる。例えばドライエッチングは微細なパターンを形成
するために欠くことのできない技術であり、真空中で反
応ガスを用いてプラズマを生成し、プラズマ中のイオ
ン、中性ラジカル、原子、分子などを用いて対象物を除
去していく反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が最も一
般的方法である。

【０００３】しかし、このようなプラズマを利用したＲ
ＩＥでは、イオン衝撃に伴うデバイスの劣化、セルフバ
イアスの問題や、電子ビームの通路、基板表面などの接
地から絶縁された領域に電荷が蓄積するチャージアップ
等の問題があった。一方、近年のパターンの微細化に伴
いこのようなエッチングプロセスにおいてもサブミクロ
ンの処理が求められ、このため高精度化、高速化、低損
傷化が要求されている。従来のＲＩＥの持つ欠点を解決
し、サブミクロン処理の要請に対応するために、マイク
ロ波を利用してプラズマを発生させる装置（ＥＣＲ）
や、プラズマから電子ビームを引出し、この電子ビーム
によって反応ガスのプラズマを発生させる装置（ＥＢＥ
Ｐ）が提案されている。

【０００４】ＥＣＲは一般に２．４５ＧＨｚのマイクロ
波によって生成したプラズマ中の電子の円運動を磁気コ
イルで制御して共鳴吸収を引き起こすことを利用したも
ので、１０^-5〜１０^-2の低ガス圧で放電効率を上げるこ
とを特徴としている。図３はＥＣＲ反応性イオンビーム
エッチング装置１００を示すもので、主としてプラズマ
発生室１０１と反応室１０２とから成り、プラズマ室１
０１には図示しない導波管を通して例えば２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波が印加される。プラズマ室１０１の外周
には磁界を印加するための磁気コイル１０３が設置され
ている。処理すべきウェハ１０４は反応室１０２のチャ
ック１０５に保持され、強い放電に晒されないようにプ
ラズマ流の下流に位置するようになっている。また、イ
オンの衝撃エネルギをコントロールするためにバイアス
をかけている。

【０００５】一方、ＥＢＥＰプラズマ装置２００は、図
４に示すように、例えばステンレス鋼等により円筒状に
形成された密閉容器２０１内の一方の端部にアルゴン
（Ａｒ）等のプラズマ生成用の放電ガスを噴出する導入
孔を有するカソード電極２０２を設け、密閉容器のカソ
ード電極と反対側の反応室の端部に被処理体である半導
体ウェハＷを保持するウェハホルダ２０４を配置した構
造となっている。更に、カソード電極２０２とウェハホ
ルダ２０４との間に、カソード電極側から順に、それぞ
れ同軸的に中央に通過孔を有する第１及び第２の中間電
極２０５、２０６とアノード電極２０７を設け、アノー
ド電極２０７との間に加速空間２０８を介して電子ビー
ム加速電極２０９を設けた構造になっている。

【０００６】このように構成することにより、アノード
電極２０７及びカソード電極２０２間に放電電圧Ｖ₁を
印加し、放電させることによってカソード電極２０２を
収容する放電領域にプラズマが生成される。また、電子
ビーム加速電圧Ｖ₂を加速電極２０９に印加することに
よって放電領域で生じて電子ビーム加速領域に送られた
プラズマ中から電子を引出し加速してプラズマ処理領域
（具体的には反応室）２０３内に導入し、反応ガス導入
管２０３ａを介して反応室内に導入される塩素（Ｃ
ｌ₂）やアルゴン（Ａｒ）等の反応ガスを活性化して高
密度のプラズマを発生させ、半導体ウェハのプラズマ処
理を行なうことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来のプラズマ装置においては、まず図３に示すような
ＥＣＲの場合、ウェハダメージが少ないという利点があ
るが、マイクロ波を使っているため、人体に与える影響
が問題となる。また、ほとんどのＥＣＲは高密度プラズ
マを発生するが、使用する周波数が高いため高価な電源
を必要とし、またマイクロ波導波管を必要とする。

【０００８】一方、ＥＢＥＰの場合は、プラズマ発生の
ためにカソード電極を用いているため、次のような問題
点がある。即ち、１）カソードがスパッタにより消耗す
るので定期的に交換しなければならない、２）カソート
からのスパッタ物が被処理体まで到達おそれがある、
３）カソードの表面状態によって放電が不安定になった
り、再現性が悪くなる可能性がある。さらに、反応室の
プラズマの均一性を向上させるためにソースプラズマの
電子放出面を広くとるという考え方があるが、この場
合、カソードの電子放出面を広くとる必要があり、構造
的、電気回路的に大掛かりなものになるという難点があ
る。

【０００９】本発明はこのような従来の問題点を解決す
るためになされたもので、被処理体へのスパッタや汚染
のおそれが少なく、高密度プラズマを発生することがで
きるプラズマ装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
る本発明のプラズマ装置は、ヘリコン波プラズマを発生
するプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段により発
生したプラズマから電子を引出すための電子加速手段
と、反応性ガスが供給されるとともに前記電子加速手段
によって加速された電子により反応性ガスのプラズマを
発生させ被処理体を処理するための反応室とを備え、プ
ラズマ発生手段と電子加速手段との間にプラズマの波動
を緩和する緩和領域を設けたものである。

【００１１】

【作用】ヘリコン波は、放電管に巻いた特定形状のアン
テナに所定の高周波を印加することにより励起され、伝
播方向に向って右回りに回転するプラズマ中の波動を生
じる。プラズマは、定常的には波動のランダウ減衰によ
り電子にエネルギが供給され、その結果中性分子と衝突
した際に電離を引き起こすことにより発生する。このプ
ラズマは波動を有しているが、緩和領域を伝播するにつ
れて波動が減衰される。特に緩和領域の圧力が比較的高
い場合にはプラズマ同士の衝突による散乱によって波の
間に相互作用が生じ、減衰が促進される。このような状
態で電子加速手段は、プラズマから電子を引出すととも
に加速して反応室に導く。ここでこの加速された電子に
より反応ガスのプラズマを発生させて被処理体を処理す
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明のプラズマ装置について図面を
参照して説明する。図１は本発明のプラズマ装置が適用
されるプラズマエッチング装置１０を示す図で、主とし
て電子ビーム源となるプラズマをヘリコン波により発生
させるソースプラズマ室１と、ソースプラズマから電子
を引出して加速するための加速空間３と、被処理体であ
るウェハＷをエッチング処理するための反応室４とから
成る。

【００１３】ソースプラズマ室１は、ガラス、石英等の
誘電体材料から成る円筒状の放電管１８と、放電管１８
内にヘリコン波を励起させるための高周波アンテナ２及
び磁気コイル８と、アンテナ２に高周波を印加するため
の高周波電源１９と、効率よく放電を行なうインピーダ
ンスを調整する整合器１７とから成る。アンテナ２の構
造は、例えば方位角がｍ＝１のホイッスラーモードのヘ
リコン波を励起させる場合、発生するヘリコン波が磁気
コイル８により作られる外部磁界に垂直な面内を右回り
に回転する電場成分と外部磁界の方向の磁場成分を持つ
進行波であるため、例えば図２のような放電管１８の経
方向に２つのループを持ち且つループ間をつなぐ螺旋形
状の部分を持つ導電体で形成される。螺旋形状の部分は
半回転程度である。高周波電源１９により印加される高
周波は数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚの比較的広い範囲のもの
が利用可能である。円筒状の放電管１８の一端には、プ
ラズマ発生用のガス、例えばアルゴンを導入するための
図示しないガス供給系に接続されたガス導入口７が形成
されている。このソースプラズマ室１においてヘリコン
波によりエネルギが与えられた電子がアルゴン等の中性
気体に衝突して電離を起こす。

【００１４】緩和領域２１は、ソースプラズマ室１に連
続して設けられ、図示しない排気系に接続開閉弁を介し
て図示しない真空ポンプが接続されており、緩和領域２
１の圧力を後続する加速空間３及び反応室４の真空圧よ
りも高く、例えば数１０ｍ〜数１００ｍTorrに維持す
る。また、緩和領域の長さ、即ち共鳴用の磁気コイル８
と加速空間に設けられる加速電極との間隔は、磁気コイ
ル８と加速電極のコイルのいずれかコイル径の大きい方
の径の数倍程度とするのが好ましい。これにより磁気コ
イル８と加速電極との間に磁場が広がって弱くなる領域
が形成され、波動が緩和される。さらに緩和領域２１の
圧力を比較的高く設定することにより、プラズマの衝突
による散乱により壁面からの散乱によって波動を減衰し
補完的に波動を緩和する効果を得ることができる。

【００１５】加速空間３は、電子ビームガイド電極９と
電子ビーム加速電極（以下、加速電極という）１０とそ
の間に形成される領域で、各電極９、１０はそれぞれ電
子が通過するための通過孔を有するリング状の電極であ
る。また加速電極１０には加速電圧Ｖが印加されてい
る。さらにこれら電極９、１０には加速空間内に引出さ
れた電子をプラズマ反応室４へ誘導するための電子誘導
用磁場形成のために例えば環状コイル１１、１２が配設
されている。なお、電極９の環状コイル１１により形成
される磁場は約４００ガウスであり、加速電極１０のコ
イル１２により形成される磁場は、約４００ガウスであ
る。また、加速空間３はその下部に設けられた排気孔１
３に開閉弁を介して図示しない真空ポンプが接続されて
おり、加速空間３内の真空圧が必要に応じて２×１０^-4
〜１×１０^-3Torrに維持されるようになっている。

【００１６】なお、加速空間の長さ、即ち電極間の距離
は、加速空間３の真空度と電子の平均自由行程を考慮し
て約２０ｃｍに設定されている。次に反応室４は、例え
ばステンレス鋼等により円筒状に形成された密閉容器か
ら成り、その一方の端部に電子によってプラズマ化する
反応ガス例えばＣｌガスやＡｒガスを導入するためのガ
ス導入口１４が形成され、ガス導入口１４は図示しない
ガス供給系に接続されている。また、反応室４には被処
理体である半導体ウェハＷを保持するためのウェハホル
ダー１５が備えられているともに半導体ウェハＷを搬
入、搬出するための開口（図示せず）を有しており、こ
の開口はロードロック室等とゲートバルブＧを介して連
結され、ウェハ搬送系に接続される。

【００１７】更に、反応室４には図示しない排気系に接
続された排気管１６が連結されており、反応室４内を所
定の真空度、例えばプラズマ処理前であれば１×１０^-6
〜１×１０^-7Torr、プラズマ処理時に１×１０^-4〜１×
１０^-3Torrに維持するするように構成される。次に以上
のような構成におけるプラズマエッチング装置の動作を
説明する。

【００１８】まず、反応室４の開口を開けてウェハＷを
搬送し、ウェハホルダー１５に載置した後、開口を閉じ
排気管１６を介して反応室４内を所定の真空度に真空引
きした後、ガス導入口７、１４からそれぞれソースプラ
ズマの放電用ガスとしてアルゴンガス等の不活性ガス及
び反応ガスとしてＣｌ₂ガスを所定の流量で導入して所
定の圧力、例えばソースプラズマ室１が数１０ｍ〜数１
００ｍTorr、反応室４が約５×１０^-4Torrとなるように
維持する。次いでヘリコン波発生用のアンテナ２に所定
周波数例えば１３．５６ＭＨｚ、所定電力値例えば１ｋ
Ｗの高周波電力を印加しながら、放電管５内にヘリコン
波を励起させる。

【００１９】放電管１８においては、このヘリコン波の
ランダウ減衰によってエネルギを供給された電子が、中
性分子に衝突して電離を起こし効率よくプラズマが発生
する。このように発生したプラズマは、緩和領域Ｗ２１
を伝播するに従って波動が減衰する。このような状態で
プラズマ中の電子が、電極９、１０によって加速空間３
に引出されるとともに、加速電圧Ｖが印加されている加
速電極１０によって、加速されて加速空間を通過し、反
応室４に導入される。一方、反応室４にはガス導入管１
４からＣｌ₂ガス等の反応ガスが導入されており、この
加速された電子によって反応ガスが解離して多種類の活
性種を発生し、例えば以下のような反応によってウェハ
をエッチング処理する。

【００２０】Ｓｉ＋４Ｃｌ^-→ＳｉＣｌ₄ ＳｉＯ₂＋４Ｃｌ^-→ＳｉＣｌ₄＋Ｏ₂ ここで、ソースプラズマの発生においてカソードなど電
極を用いていないので、これらの電極のスパッタや電極
材料の蒸発による金属汚染等のおそれがない。なお、以
上の実施例ではエッチング装置に適用した例について説
明したが、本発明はプラズマエッチング装置のみなら
ず、プラズマＣＶＤ、プラズマスパッタエッチング、レ
ジスト除去のためのプラズマアッシャ等にも適用でき
る。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように本発明
のプラズマ装置によれば、プラズマ発生源としてヘリコ
ン発生装置を用いたので、プラズマ発生用の電極を不要
とし、装置全体を簡略な構成とすることができる。ま
た、プラズマ発生用電極を用いていないので、カソード
電極のイオンによる被処理体のスパッタやアノード電極
の温度上昇に伴う材料の気化による金属汚染の問題をな
くすことができる。また、本発明のプラズマ装置では波
動を緩和するようにしたので、波動が反応室に伝わるこ
となく均一な処理を行なうことができる。さらに本発明
で用いるヘリコン波は、マイクロ波に比べて低い周波数
で励起できるので安価な高出力電源を使用することで
き、またマイクロ波導波路を不要とし、しかも人体への
影響が少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ装置を適用したエッチング装
置の一実施例を示す図。

【図２】図１のプラズマ装置の要部を示す斜視図。

【図３】従来のプラズマ装置（ＥＣＲ）を示す図。

【図４】従来のプラズマ装置（ＥＢＥＰ）を示す図。

【符号の説明】

１・・・・・・ソースプラズマ室２・・・・・・高周波アンテナ３・・・・・・加速空間４・・・・・・反応室８・・・・・・磁気コイル９、１０・・・・・・加速電極１７・・・・・・整合器１９・・・・・・高周波電源２１・・・・・・緩和領域Ｗ・・・・・・ウェハ（被処理体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヘリコン波プラズマを発生するプラズマ発
生手段と、該プラズマ発生手段により発生したプラズマ
から電子を引出すための電子加速手段と、反応性ガスが
供給されるとともに前記電子加速手段によって加速され
た電子により反応性ガスのプラズマを発生させ被処理体
を処理するための反応室とを備え、前記プラズマ発生手
段と前記電子加速手段との間に前記プラズマの波動を緩
和する緩和領域を設けたことを特徴とするプラズマ装
置。
【請求項２】前記緩和領域の圧力が前記電子加速手段に
おける圧力より高く設定されていることを特徴とする請
求項１記載のプラズマ装置。