JPH0621009A

JPH0621009A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH0621009A
Application number: JP4197780A
Authority: JP
Inventors: Susumu Tanaka; 進田中
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体ウエハを載せた電極の表面近傍で均質
なプラズマを形成して半導体ウエハに均一なプラズマ処
理を施すプラズマ処理装置を提供する。【構成】プラズマ処理装置は、プラズマの発生に必要
な真空空間を形成する反応容器１と、この反応容器１内
に配設された半導体ウエハ２を載置する載置部を兼ねた
電極３と、この電極３の上方で楕円環領域にプラズマを
発生させる一対の電極４１、４２を有するプラズマ発生
部４とを備え、且つ反応容器１の外部には電磁石５が配
設され、この電磁石５によって反応容器１の内部でプラ
ズマ発生部４及び半導体ウエハ２に対して垂直方向の磁
界Ｂを印加するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ処理装置は、処理用ガスの存在
する処理容器内で真空放電させてプラズマを発生させ、
このプラズマを利用して被処理体に所定の処理を施す装
置であり、例えば、従来から半導体製造工程における、
スパッタリング工程、アッシング工程、ＣＶＤ工程、あ
るいはエッチング工程などで用いられている。一方、近
年の半導体の高集積化に伴って配線構造が益々多層化及
び微細化し、更には被処理体である半導体ウエハが大口
径化してきているため、均一且つ高速なプラズマ処理が
益々重要な課題となってきている。

【０００３】そこで、従来のプラズマ処理装置では、磁
界を利用して電極周辺にプラズマを閉じ込めてその周辺
においてプラズマを高密度化、均質化して高速且つ均一
化にプラズマ処理をする方策が採られている。そして、
このような従来の技術としては、例えば、特開昭５９−
１４０３７５号公報及び特開昭６１−８６９４２号公報
に記載されたものがある。前者は、特殊構造のマグネト
ロン電極上にウエハを載せ、その周囲にプラズマを閉じ
込めるようにしたものであり、後者は、電極の表面に沿
って回転磁界を発生させると共に電極周辺の電子の挙動
を制限して均一且つ高速にプラズマ処理を行なうように
したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プラズマ処理装置では、被処理体に対して均一且つ高速
なプラズマ処理を行なうために、上述のように電極周辺
に高密度のプラズマを形成する種々の工夫が採られてい
るが、このようなプラズマ処理装置であっても半導体の
高集積化及び被処理体の大口径化の傾向に対処するには
均一処理及び高速処理の面で未だ十分なものではないと
いう課題があった。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、被処理体の表面に均質なプラズマを接触さ
せて被処理体を均一且つ高速にプラズマ処理することが
できるプラズマ処理装置を提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
のプラズマ処理装置は、プラズマの発生に必要な真空空
間を形成する処理容器と、この処理容器内に配設され且
つ被処理体の載置部を兼ねた電極と、この電極の上方で
楕円環領域にプラズマを発生させる電極対を有するプラ
ズマ発生部とを備え、且つ上記処理容器内で上記プラズ
マ発生部及び上記被処理体に対して垂直方向の磁界を印
加する磁界印加手段を設けると共に、上記電極と上記プ
ラズマ発生部とを相対回転可能に構成したものである。

【０００７】また、本発明の請求項２に記載のプラズマ
処理装置は、請求項１に記載の発明において、プラズマ
発生部を複数の電極対によって構成したものである。

【０００８】また、本発明の請求項３に記載のプラズマ
処理装置は、請求項１または請求項２に記載の発明にお
いて、電極に電源を接続すると共に、この電源による上
記電極に対する印加電圧を可変に構成した構成したもの
である。

【０００９】また、本発明の請求項４に記載のプラズマ
処理装置は、請求項１ないし請求項３のいずれか一つの
発明において、プラズマ発生部によって発生したプラズ
マを被処理体に向けて垂直に輸送する磁界を印加するよ
うに構成したものである。

【００１０】また、本発明の請求項５に記載のプラズマ
処理装置は、請求項１ないし請求項４のいずれか一つの
発明において、電極とプラズマ発生部との間に形成され
る隙間に、上記電極に対して平行する電界を印加して上
記隙間でのプラズマを均質化する電界印加手段を設けて
構成したものである。

【００１１】

【作用】本発明の請求項１に記載の発明によれば、処理
容器内の電極に被処理体を載置した状態で処理容器内に
処理用ガスを供給して所定の真空度を保持し、このよう
な状態下でプラズマ発生部の電極対によって楕円環領域
に処理用ガスのプラズマを発生させと共に、磁界印加手
段によってプラズマ発生部及び被処理体に対して垂直な
磁界を印加してプラズマ発生部のプラズマを高密度化す
ると、被処理体を載せた電極に対して相対回転するプラ
ズマ発生部によってそのプラズマが電極の上方で均質化
され、この均質化されたプラズマで被処理体を含む電極
表面全体を均一に覆って電極上の被処理体を均一にプラ
ズマ処理することができる。

【００１２】また、本発明の請求項２に記載の発明によ
れば、プラズマ発生部の複数の電極対によってより多く
のプラズマを発生させることができる。

【００１３】また、本発明の請求項３に記載の発明によ
れば、上記被処理体の種類によって電源による電極の印
加電圧を適宜変更して被処理体に最適なプラズマ処理を
行なうことができる。

【００１４】また、本発明の請求項４に記載の発明によ
れば、上記磁界印加手段によって印加した磁界によって
プラズマ発生部で発生したプラズマを被処理体に対して
垂直に輸送して被処理体をより高速にプラズマ処理する
ことができる。

【００１５】また、本発明の請求項５に記載の発明によ
れば、電界印加手段によって電極とプラズマ発生部との
間に形成される隙間に電界を印加すると、この部分の電
界によってプラズマを均質化して被処理体をより均一に
プラズマ処理することができる。

【００１６】

【実施例】以下、図１〜図４に示す実施例の基づいて本
発明を説明する。本実施例のプラズマ処理装置は、図１
に示すように、プラズマの発生に必要な真空空間を形成
する例えば、アルミニウムの表面をアルマイト処理した
処理容器としての反応容器１と、この反応容器１内に配
設された被処理体、例えば、半導体ウエハ２を水平に載
置する載置部を兼ねた電極３と、この電極３の上方で楕
円環領域にプラズマを発生させる一対の電極４１、４２
（図２参照）を有するプラズマ発生部４とを備えて構成
されている。また、上記反応容器１の外部には磁界印加
手段としての電磁石５が配設され、この電磁石５によっ
て上記反応容器１の内部で上記プラズマ発生部及び上記
半導体ウエハ２に対して垂直方向の磁界Ｂを印加するよ
うに構成されている。また、図示してないが、上記プラ
ズマ処理装置は、上記反応容器１に連設された真空予備
室を備え、半導体ウエハ２を効率的にプラズマ処理でき
るように構成されている。

【００１７】そこで、上記プラズマ処理装置を更に詳述
すると、反応容器１の側壁には、その内部を図示しない
真空ポンプによって真空引きされる真空排気口１２が設
けられ、更に、この真空排気口１２を介して真空引きさ
れた反応容器１内に処理用ガス（例えば、塩素等のハロ
ゲン系ガス、トリフルオロメタン等のフッ素系ガスな
ど）とアルゴン等の不活性ガスをそれぞれ単独であるい
は混合して供給する際に用いられるガス供給口１１が設
けられ、このガス供給口１１から供給された処理用ガス
によって半導体ウエハ２を処理した後の反応性生物であ
る生成ガスは上記排出口１２から排出されるように構成
されている。また、この反応容器１の底面中央には上記
電極３の軸３１が貫通する孔１３が形成され、また、こ
の反応容器１の上面中央には上記プラズマ発生部４の回
転軸４３が貫通する孔１４が形成されている。

【００１８】また、上記反応容器１の内部に配設された
電極３は、アルミニウム等の電極材料によって形成さ
れ、その下面に冷却されたエチレングリコール等の冷媒
が循環する冷却手段（図示せず）が一体化されている。
また、上記電極３の軸３１の内部には配線３２を通して
あり、この配線３２を介して上記電極３がブロッキング
コンデンサ３３及び高周波電源３４に接続され、しかも
上記電極３に印加する電圧を半導体ウエハ２の処理内容
に応じて電圧制御装置（図示せず）によって適宜可変制
御できるように構成されている。そして、上記電極３
は、プラズマ発生時にブロッキングコンデンサ３３によ
って負に自己バイアスされるようになっている。更に、
上記電極３は、図示しない昇降機構に接続され、上記プ
ラズマ発生部４との間隔を適宜調整できるように構成さ
れいる。また、この電極３は必要に応じて回転機構に接
続して回転できる構成にしてもよい。尚、図示してない
が上記電極３にはマッチング回路が接続され、このマッ
チング回路によって上記電極３の印加電圧を安定化して
いる。

【００１９】また、上記電極３の上方に配設されたプラ
ズマ発生部４は、図２に示すように、横方向に細長形状
の平板電極４１と、この平板電極４１を楕円環状の隙間
を介して囲繞する楕円環電極４２と、これら両者４１、
４２に高周波電圧を印加する高周波電源４４と、上記各
電極４１、４２に対して上記回転軸４３を介して連結さ
れ且つ両電極４１、４２を一体的に回転させるモータ４
５とを備えて構成されている。そして、上記反応容器１
内の処理用ガス圧を例えば１０^-2Torrの真空に調整した
状態下で、上記高周波電源４４によって上記各電極４
１、４２に高周波電圧を印加してこれら両者４１、４２
間でグロー放電を発生させて上記各電極４１、４２間の
楕円環領域に処理用ガスのプラズマを発生させると共
に、上記モータ４５によって各電極４１、４２、即ちプ
ラズマ領域を回転させて上記電極３及び半導体ウエハ２
の上方でこれらの全表面を均一に覆うプラズマを形成す
るように構成されている。

【００２０】更に、上記各電極４１、４２と高周波電源
４４との接続構造について図３を参照しながら説明する
と、上記プラズマ発生部４の回転軸４３は、パイプによ
って形成されていると共にその上端近傍にリング電極４
３Ａ、４３Ｂが形成されている。そして、これら両電極
４３Ａ、４３Ｂは、回転軸４３の内部を通る配線４６
Ａ、４６Ｂを介して上記各電極４１、４２に電気的に連
結されている。また、図２、図３において４７はフッ素
系樹脂等からなる絶縁部材である。また、上記高周波電
源４４は、上記各リング電極４３Ａ、４３Ｂに接触する
ブラシ４８Ａ、４８Ｂに接続され、これら各ブラシ４８
Ａ、４８Ｂ、上記各リング電極４３Ａ、４３Ｂ及び上記
配線４６Ａ、４６Ｂを介して上記各電極４１、４２に高
周波電圧を印加するように構成されている。尚、図１〜
図３において、４９はブロッキングコンデンサで、上記
電極４１はこのブロッキングコンデンサ４９によって自
己バイアスされるように構成されている。

【００２１】また、上記プラズマ発生部４の回転軸４３
が貫通する上記反応容器１の孔１４の周壁には、図３に
示すように、その全周に亘って溝１４Ａが複数段（本実
施例では３段）形成され、更に、これらの各溝１４Ａか
ら排気管及び真空ポンプ（共に図示せず）に連通する通
路１４Ｂが上記反応容器１の上面の厚肉内に沿って形成
されている。そして、本プラズマ処理装置が駆動してい
る間、上記真空ポンプが駆動して上記回転軸４３と孔１
４とで形成された細隙から反応容器１の内部へ流入しよ
うとする外気を３段の溝１４Ａ及びそれぞれの通路１４
Ｂを介して排気することによって上記細隙を排気シール
するようにしてある。

【００２２】また、上記反応容器１の外部に配設された
電磁石５は、継鉄等の磁性材料からなるヨーク５１と、
このヨーク５１の両端に取り付けられたコイル５２、５
３とを有すると共にコイル５２でＮ極を、コイル５３で
Ｓ極を形成している。そして、上記Ｎ極が上記反応容器
１の上方に位置し、上記Ｓ極が上記反応容器１の下方に
位置している。従って、この電磁石５を付勢することに
よって、上記反応容器１の内部でその上方から下方へ向
かう磁界Ｂ、つまり、上記プラズマ発生部４、上記電極
２及びこれに載置された半導体ウエハ２に対して垂直な
磁界Ｂを印加できるように構成されている。また、上記
電磁石５は、それぞれの磁極によって上記反応容器１の
上下両面を略全面に亘って覆ってプラズマ発生部４の回
転範囲及び上記電極３の全表面、即ち、半導体ウエハ２
全表面に垂直な磁界Ｂを形成するようにしてある。

【００２３】斯くして、上記磁界Ｂは、上記プラズマ発
生部４に高周波電圧を印加した時に各電極４１、４２間
に形成される電界Ｅと直交し、この直交電磁界によって
プラズマ発生部４に発生したプラズマ中の電子及びイオ
ン粒子にＥ×Ｂドリフト運動を誘起してプラズマを高密
度化する。更に、この磁界Ｂは、回転するプラズマ発生
部４からその外部へ均等に拡散する高密度のプラズマの
うち、特に、プラズマ発生部４の下方へ拡散するプラズ
マを上記電極３及び半導体ウエハ２に向けて垂直に進行
させて輸送し、半導体ウエハ２の表面に均質なプラズマ
を迅速に接触させ、プラズマ処理を高速化する。

【００２４】また、上記プラズマ発生部４の下端と上記
電極３の表面との間に形成される隙間には、図１に示す
ように、上記電極３の表面に平行する電界Ｅを印加する
一対の電極１０Ａ、１０Ｂが配設されている。しかも各
電極１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ上記プラズマ発生部４
及び電極３よりも外側へ偏倚させて配設され、上記電極
３の上方でこれに平行する電界Ｅを形成するように構成
されている。更に、各電極１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ
の極性を交流電圧を印加し、あるいは間欠的に直流電圧
を反転させて印加するように構成され、上記磁界Ｂによ
って上記半導体ウエハ２に向かって輸送されてくるプラ
ズマに対して電界方向を交流的若しくは間欠的に直流を
反転させてプラズマ中のイオン粒子及び電子を同図中で
左右に揺動させ、プラズマを更に均質化するように構成
されている。

【００２５】次に、上記プラズマ処理装置を用いたエッ
チングの動作について説明する。まず、反応容器１の図
示しない開閉機構を開放して真空予備室から図示しない
搬送機構を用いて半導体ウエハ２を搬入する。然る後、
この半導体ウエハ２を電極３の上面に載置する。その
後、開閉機構を作動させて反応容器１を密閉して内部を
気密状態にして内部を所定の真空状態、例えば、１０^-4
Torrにする。

【００２６】然る後、電極３を昇降機構によって上昇さ
せ、この電極３の表面とプラズマ発生部４の下端との隙
間を例えば１０ｍｍ程度に設定し、反応容器１のガス供
給口１１からエッチングガスとして例えば塩素ガスを供
給し、そのガス圧を例えば１０^-2Torrに調整する。これ
と並行して高周波電源４４によってプラズマ発生部４の
各電極４１、４２に電圧を印加すると共にモータ４５を
駆動させて回転軸４３を介してプラズマ発生部４を回転
させる一方、電磁石５を付勢して反応容器１内でその上
方から下方に向かう例えば１００ガウスの磁界Ｂを印加
する。

【００２７】上述の動作の結果、プラズマ発生部４の電
極４１、４２間ではグロー放電が発生し、これによって
両電極４１、４２間で塩素ガスのプラズマが発生すると
共に、これら両者４１、４２間の電界Ｅとこれを垂直に
横切る磁界Ｂとでプラズマ領域に直交する電磁界が形成
され、この電磁界によってプラズマ中の電子及びイオン
粒子にＥ×Ｂドリフト運動を誘起し、プラズマ発生部４
の各電極４１、４２で形成される楕円環領域の空間に沿
ってサイクロイド運動を行なって特に電子の塩素分子と
の非弾性衝突が促進されてプラズマ中の電子及びイオン
を増大させ、楕円環領域に高密度化したプラズマを形成
する。しかもこのプラズマ領域は、プラズマ発生部４の
回転により回転し、電極３の上方でその全表面を覆うプ
ラズマ領域を形成すると共にこのプラズマ領域は徐々に
電極３及び半導体ウエハ２の方向へ拡散する。

【００２８】更に、拡散したプラズマには磁界Ｂが作用
し、プラズマをプラズマ発生部４から電極３及び半導体
ウエハ２に向けて垂直に輸送する。この輸送途上のプラ
ズマには更に間欠的に極性を反転する電極１０Ａ、１０
Ｂによる電界Ｅが作用してプラズマ中のイオン分布状態
を全領域に亘って徐々に均質化し、均質化したプラズマ
が半導体ウエハ２の全表面に接触する。

【００２９】そして、この時、高周波電源３４によって
半導体ウエハ２が載置された電極３に電圧を印加する
と、プラズマ中の電子がイオン粒子に優先して半導体ウ
エハ２の表面に達して帯電して負に自己バイアスされ、
プラズマ電圧と半導体ウエハ２の自己バイアス電圧との
間に大きな電位差が生じ、プラズマ領域と半導体ウエハ
２の表面間にイオンシースが形成される。そして、プラ
ズマ中のイオンがその電位差よって高速度でイオンシー
スを飛翔して半導体ウエハ２の表面に垂直に衝突し、半
導体ウエハ２のうち例えば露呈したシリコンのパターン
に従って異方性のある反応性イオンエッチングを行な
う。この時、プラズマ発生部４の回転によりプラズマ中
のイオンは半導体ウエハ２の全表面に亘って均一に分布
しているため、イオンによって半導体ウエハ２の表面を
均一にエッチングする。このエッチングの結果生じた生
成ガスは排出口１２から外部へ排出される。

【００３０】以上説明したように本実施例によれば、回
転するプラズマ発生部４と電磁石５によってプラズマ発
生部４の電極４１、４２間で直交電磁界を形成してプラ
ズマ発生部４でのプラズマを高密度化すると共に、磁界
Ｂによって高密度化プラズマの半導体ウエハ２への輸送
を促進し、しかもこの輸送途上のプラズマを電極１０
Ａ、１０Ｂによって均質化した後半導体ウエハ２に接触
させるため、半導体ウエハ２の全面に亘って異方性エッ
チングを高速且つ均一に行なうことができる。

【００３１】また、図４は本発明の他の実施例に用いら
れるプラズマ発生部４０を示すもので、このプラズマ発
生部４０は、同図に示すように、上記実施例で用いられ
たプラズマ発生部４の一対の電極４１、４２を３対並設
した以外は上記実施例と同様に構成されている。従っ
て、本実施例によれば、３対の電極４１、４２によって
プラズマを発生させるため、プラズマ濃度を高めて異方
性エッチングをより高速に行なうことができる他、上記
実施例と同様の作用効果を期することができる。

【００３２】尚、上記各実施例では、電極３とプラズマ
発生部４との間に、極性を反転する電極１０Ａ、１０Ｂ
を配設してプラズマ発生部４から半導体ウエハ２に向か
うプラズマを均質化するようにしたものについて説明し
たが、この電極１０Ａ、１０Ｂがなくても、回転するプ
ラズマ発生部４及び電磁石５によって半導体ウエハ２の
異方性エッチングを均一且つ高速に行なうことができ
る。

【００３３】また、上記実施例では、電磁石５のＮ極が
反応容器１の上方に、Ｓ極が反応容器１の下方に位置す
る場合について説明したが、これらの極性が逆のもので
あってもよく、要は、反応容器１内で半導体ウエハ１に
対して垂直な磁界Ｂを形成する磁界印加手段を配設した
ものであればよく、また、磁界印加手段は電磁石に限定
されるものでもない。

【００３４】また、上記実施例では、電極３に電圧を印
加する電源３４を有する場合について説明したが、この
電源３４はなくてもよく、この場合でも電極３はプラズ
マ中の電子の衝突を受けて自己バイアスされて上述と同
様の異方性エッチングを行なうことができる。

【００３５】また、上記実施例では、反応性イオンエッ
チングに用いられるプラズマ処理装置についてのみ説明
したが、本発明のプラズマ処理装置は、その他、アッシ
ング、ＣＶＤ、スパッタリング等のプラズマ処理装置に
ついても同様に適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１〜
５に記載された発明によれば、被処理体の表面に均質な
プラズマを接触させて被処理体を均一且つ高速にプラズ
マ処理することができるプラズマ処理装置を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施例の要部を
示す断面斜視図である。

【図２】図１に示すプラズマ処理装置のプラズマ発生部
を取り出して示す斜視図である。

【図３】図１に示すプラズマ処理装置のプラズマ発生部
の回転軸と反応容器との関係を拡大して示す断面図であ
る。

【図４】本発明のプラズマ処理装置の他の実施例に用い
られるプラズマ発生部を取り出して示す斜視図である。

【符号の説明】

１反応容器（処理容器）２半導体ウエハ（被処理体）３電極４プラズマ発生部５電磁石（磁界形成手段）１０Ａ電極（電界印加手段）１０Ｂ電極（電界印加手段）３４高周波電源４１平板電極４２楕円環電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマの発生に必要な真空空間を形成
する処理容器と、この処理容器内に配設され且つ被処理
体の載置部を兼ねた電極と、この電極の上方で楕円環領
域にプラズマを発生させる電極対を有するプラズマ発生
部とを備え、且つ上記処理容器内で上記プラズマ発生部
及び上記被処理体に対して垂直方向の磁界を印加する磁
界印加手段を設けると共に、上記電極と上記プラズマ発
生部とを相対回転可能に構成したことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項２】上記プラズマ発生部を複数の電極対によ
って構成したことを特徴とする請求項１に記載のプラズ
マ処理装置。
【請求項３】上記電極に電源を接続すると共に、この
電源による上記電極に対する印加電圧を可変に構成した
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラ
ズマ処理装置。
【請求項４】上記磁界印加手段は、上記プラズマ発生
部によって発生したプラズマを上記被処理体に向けて垂
直に輸送する磁界を印加することを特徴とする請求項１
ないし請求項３のいずれか一つに記載のプラズマ処理装
置。
【請求項５】上記電極と上記プラズマ発生部との間に
形成される隙間に、上記電極に対して平行する電界を印
加して上記隙間でのプラズマを均質化する電界印加手段
を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のい
ずれか一つに記載のプラズマ処理装置。