JPH0883695A - プラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 少なくとも１か所に誘電体板よりなる高周波
導入用窓１４を有する金属製の反応容器１５と、この反
応容器１５外部の高周波導入用窓１４に近接して配設さ
れた帯状コイル１１ａと、帯状コイル１１ａに高周波電
力を供給する高周波電源が接続されている回路とを備え
たプラズマ生成装置において、コイルが逆向き２重螺旋
形状であるプラズマ生成装置。 【効果】 従来のプラズマ生成装置の場合のような帯状
コイルの中心の真下の位置における特異点は生じず、帯
状コイル１１ａの下部の全面にわたって均一なプラズマ
を形成することができ、半導体基板等の均一なエッチン
グが可能になる。また、生成したプラズマは試料基板Ｗ
方向に対して非常に低いエネルギーをもっているので、
試料基板Ｗへのダメージを極めて小さくすることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ生成装置に関
し、より詳細にはプラズマを利用して半導体素子基板等
の試料にエッチング処理又はＣＶＤ処理等を施すプラズ
マ生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】減圧、低ガス圧力下にある真空容器内
に、高周波電力を導入することによりガス放電を起こし
てプラズマを生成させ、該プラズマを試料基板の表面に
照射することにより、該試料基板にエッチングや薄膜形
成等の処理（以下、プラズマ処理と記す）を施すプラズ
マ生成装置は、高集積半導体素子等の製造に欠かせない
ものとなっており、さらに高性能のプラズマ生成装置を
開発するための研究が進められている。特に、処理する
半導体素子等にダメージを与えないプラズマ生成装置が
求められており、このためプラズマの生成と生成された
プラズマ中のイオンの加速とが独立に制御できるプラズ
マ生成装置は、ドライエッチング技術や薄膜形成におけ
る埋め込み技術に不可欠な装置となってきている。

【０００３】図５は、処理対象となる半導体素子等にダ
メージを与えずにプラズマ処理を施すことができるプラ
ズマ生成装置の一例を模式的に示した斜視図であり、図
６はその模式的な断面図である。図５及び図６に示した
前記プラズマ生成装置は米国特許第４９４８４５８号明
細書（１９９０年８月登録）に開示されており、図中、
１２は反応容器を示している。

【０００４】この反応容器１２の上部壁１６の中央部分
には高周波導入用窓１４が穿設され、この上部壁１６の
内側全体に窓用部材として誘電体板１８が接着され、反
応容器１２が密封されている。この誘電体板１８の直下
にはガス分散用リング５２が配設されており、反応容器
１２の側面に形成されたガス導入路５０から導入された
放電用ガスは一旦ガス分散用リング５２の内部に入った
後、ノズル５６から吹き出し、反応容器１２の内部に均
一に分散するようになっている。また、反応容器１２の
下部にはガス排気路５１が形成され、真空ポンプによる
排気速度を調整することにより反応容器１２内を一定の
圧力に維持することができるようになっている。さら
に、反応容器１２の下部には試料台１３が配設され、試
料台１３の上には試料基板Ｗが載置されるようになって
いる。

【０００５】一方、高周波導入用窓１４の内側の誘電体
板１８の上には、帯状コイル２０が螺旋形状に巻かれた
状態で載置されており、中心部の中央端子２２及び外側
部分の外部端子２４がそれぞれ別の帯状導電体３７、３
８に接続されている。外部端子２４に接続されている帯
状導電体３８はループ形状をなしており、他の帯状導電
体３７とコンデンサ４４を介して接続されている。この
ループ形状の帯状導電体３８は２次コイルの役割をはた
しており、その内側にはその周囲に線状一次コイル３６
が巻かれたディスク４０が配設され、この一次コイル３
６と帯状導電体３８によりマッチング回路が形成されて
いる。また、一次コイル３６は同軸ケーブル３２を介し
て図示しない高周波電源に接続されている。

【０００６】このように構成されたプラズマ生成装置を
作動させるには、まず、放電用ガスをガス導入路５０及
びガス分散用リング５２を通して反応容器１２の内部１
９に導入する。また、このとき排気系も作動させ、反応
容器１２の内部１９を一定の真空圧に保つ。次に、高周
波電源からの所定周波数の高周波を同軸ケーブル３２を
通して出力するとマッチング回路を介して、帯状導電体
２０に効率よく高周波が印加され、これにより誘電体板
１８を通して反応容器１２の内部１９に磁界が誘起され
る。この誘起された磁界は螺旋形状の帯状導電体２０か
らの磁界とプラズマ中の電子電流により発生する磁界と
のベクトル和であり、その結果、螺旋形状の帯状導電体
２０により、帯状導電体２０の直径にわたってほぼ均一
な磁界が形成され、均一なプラズマが生成すると説明さ
れている。誘電体板１８と試料台１３とは平行に配設さ
れており、その上に配設された帯状導電体２０は試料基
板Ｗと平行になるので、生成したプラズマは試料基板Ｗ
に平行な平面状プラズマとなる。

【０００７】帯状導電体２０に高周波が印加された際
に、このように試料基板Ｗに平行な平面状プラズマが形
成されるのは、反応容器１２内の帯状導電体２０に平行
な平板領域においてＥ×Ｂドリフトにより電子が円運動
して均一な電子への流れが生じ、このような電子の平板
領域での円運動により、個々のガス分子への電子の衝突
により生成されるプラズマ中のイオン及び／又はラジカ
ルの均一な流れが生じるためである。また、試料基板Ｗ
は帯状導電体２０と平行に配置されるため、プラズマは
試料基板Ｗ方向に対しては非常に低いエネルギーをもっ
ている。このため、高エネルギーのプラズマによる試料
基板Ｗへのダメージは極めて小さくなる。

【０００８】図７は前記発明におけるプラズマの生成と
イオンの加速が独立に制御できる平面状プラズマ生成装
置の例を模式的に示した概念図である。

【０００９】図７に示したように、帯状導電体２０と試
料台１３との間に高周波を印加することにより、試料基
板Ｗに入射するイオンのエネルギーを制御することがで
きる。試料台１３は、図示しない静電チャックなどの試
料基板Ｗを吸着させる機構を有しており、またヒータあ
るいは冷却手段も有しているので試料基板Ｗの温度制御
が可能である。

【００１０】このプラズマ生成装置を作動させる際に
は、上記実施例の場合と同様に放電ガスを反応容器１２
の内部１９に導入し、所定の真空度にした後に帯状導電
体２０に高周波を印加してプラズマを生成させる。この
際、このプラズマ生成装置では、プラズマ中のイオンの
異方性及び加速エネルギーを制御するため、処理対象で
ある試料基板Ｗを置いた試料台１３に高周波電力を印加
し、試料基板Ｗ表面にバイアス電圧を発生させる。そし
て、このバイアス電圧により、イオンを試料基板Ｗに対
して垂直に入射させるとともに、試料基板Ｗに入射する
イオンのエネルギーを制御し、条件の最適化を図ること
ができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
上記した従来のプラズマ生成装置によれば、反応容器１
２の内部１９に試料基板Ｗに対して平行で均一なプラズ
マを発生させることができ、試料基板Ｗへのダメージを
極めて小さくすることができることが記載されている。
また、このプラズマ生成装置の試料台１３と帯状導電体
２０との間に高周波を印加する装置を接続すれば、試料
基板Ｗに入射するイオンのエネルギーを制御できること
が記載されている。

【００１２】しかしながら、上記した従来のプラズマ生
成装置におけるプラズマ生成機構を検討した結果、上記
従来のプラズマ生成装置には、図５に示した螺旋形状の
帯状導電体２０が使用されているため、以下に説明する
ような問題点が存在することを突き止めた。

【００１３】図８（ａ）はある瞬間における帯状導電体
２０に流れる電流の方向を示した概念図であり、（ｂ）
は帯状導電体２０の電流及び磁力線の方向を示した断面
図である。図８（ｂ）中に示している記号で、印の中に
×が表されているものは、電流が紙面の上側から下側に
向かって流れている状態を示しており、印の中に・が表
されているものは、電流が紙面の下側から上側に向かっ
て流れている状態を示している。

【００１４】図８（ａ）に示したように、帯状導電体中
の電流は一定の回転方向に揃って流れており、このとき
電流の流れによって誘起される磁界により、帯状導電体
２０の中心部において上から下に向い、帯状導電体２０
の下側において放射状に周縁部に伸びる一定の磁力線が
形成されている。図には示していないが、帯状導電体２
０中の電流の流れは全く逆になる場合もあり、その場合
には磁力線の方向が全く逆になる。また、帯状導電体２
０を流れる高周波電流は刻々とその大きさが変化するの
で、磁界の大きさも変化するが、磁力線の形成される経
路自体は殆ど変化しない。

【００１５】従って、帯状導電体２０の中心部は磁力線
の発散源（又は終端口）となり、帯状導電体２０の中心
の真下の部分は特異点となる。その結果、高周波電力が
印加された帯状導電体２０により発生したプラズマは、
帯状導電体２０の中心部の真下の位置においてその密度
が周囲と大きく異なり、試料基板Ｗにエッチング処理を
施す際には、帯状導電体２０の中心の真下の位置付近に
おいてエッチング速度が大きく異なるという課題があっ
た。

【００１６】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、帯状導電体の中心の下部付近での周囲と異な
る密度のプラズマの発生を防止し、帯状導電体の下側の
部分全体において均一な密度のプラズマを生成すること
ができるプラズマ生成装置を提供することを目的として
いる。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプラズマ生成装置は、少なくとも１か所
に誘電体板よりなる窓部を有する金属製の反応容器と、
該反応容器外部の前記窓部に近接して配設されたコイル
と、該コイルに高周波電力を供給する高周波電源が接続
されている回路とを備えたプラズマ生成装置において、
前記コイルが逆向き２重螺旋形状であることを特徴とし
ている（１）。

【００１８】また本発明に係るプラズマ生成装置は、上
記（１）記載のプラズマ生成装置において、前記コイル
と前記反応容器内部の試料台との間に高周波電源が接続
された回路を備えていることを特徴としている（２）。

【００１９】上記（１）又は（２）記載のプラズマ生成
装置において、前記コイルを構成する各導線はその断面
が円形でも矩形でもよく、従って、円形導線を用いて前
記コイルを形成してもよく、帯状の導板を用いて前記コ
イルを形成してもよい。また、このような逆向き２重螺
旋形状のコイルを１本の導線により形成するためには、
まず１本の導線を一定の曲率で１８０度曲げ、曲げた部
分の左右に位置する部分がお互いに平行になるように配
置する。次に、前記導線を平行に維持したまま螺旋形状
に巻くことにより逆向き２重螺旋形状のコイルを形成す
ることができる。コイルの材料は電気伝導性を有するも
のである必要があるが、そのなかでも電気伝導度が高く
高周波領域において電力損失が少ない点から特に銅が好
ましい。

【００２０】上記（１）又は（２）記載のプラズマ生成
装置においては、その他の部材として、上述した従来の
プラズマ生成装置の場合とほぼ同様の構成のものを使用
することができる。

【００２１】

【作用】図１（ａ）は本発明に係る上記（１）又は
（２）記載のプラズマ生成装置において用いられている
逆向き２重螺旋形状のコイルの形状及び電流の流れを示
した概念図であり、（ｂ）は逆向き２重螺旋形状の帯状
導電体の電流及び磁力線の方向を示した断面図である。

【００２２】図１より明らかなように、逆向き２重螺旋
形状の帯状コイル１１ａは、隣り合う各導線に流れるコ
イル電流が常に逆向きに流れるように構成されている。
従って図１（ｂ）に示したように、ある瞬間には帯状コ
イル１１ａの中心部分の隣り合うコイルの間で互いに下
に向う磁力線が形成され、その隣のコイル同士の間では
互いに上に向う磁力線が形成され、このように帯状コイ
ル１１ａの全体において、交互に上に向う磁力線と下に
向う磁力線とが形成される。一方、帯状コイル１１ａの
下側においては、一定方向の磁力線は形成されず、個々
のコイルの下側において、帯状コイル１１ａの中心に向
う磁力線と周縁に向う磁力線とが交互に形成される。ま
た、図１に示した場合と反対向きの電流が流れる場合に
は、図１（ｂ）に示した磁力線の方向と全く逆の方向の
磁力線が形成される。

【００２３】このため上記した従来のプラズマ生成装置
の場合のような帯状導電体２０の中心の下部付近におけ
る特異点は生じず、コイルの下部の全面にわたって均一
な密度の平面状プラズマが形成され、その結果、半導体
基板Ｗの均一なエッチングが可能になる。

【００２４】また、上記（２）記載のプラズマ生成装置
によれば、前記コイルと前記反応容器内部の試料台との
間に高周波電源が接続された回路を備えているので、上
記（１）記載の作用に加え、試料基板Ｗに入射するイオ
ンのエネルギーが前記試料台に印加される高周波により
制御される。

【００２５】

【実施例】以下、本発明に係るプラズマ生成装置の実施
例を図面に基づいて説明する。

【００２６】図２は実施例に係るプラズマ生成装置を模
式的に示した斜視図である。

【００２７】反応容器１５の形状が円筒状であり、帯状
コイル１１ａの形状が逆向き２重螺旋形状である他は、
図５及び図６に示した従来のプラズマ生成装置とその構
成は同様であるため、ここでは帯状コイル１１ａに関連
する部材以外の詳しい説明は省略する。

【００２８】図２に示したように、逆向き２重螺旋形状
の帯状コイル１１ａは高周波導入用窓１４の内側の誘電
体板１８の上に載置され、その形状に起因して２つの外
部端子２３を有している。そして、図２においては図示
していないが、この２つの外部端子２３は図５及び図６
に示した従来のプラズマ生成装置と同様にマッチング回
路や高周波電源等を有する高周波電力印加手段２５に接
続されており、これにより高周波電力を効率よく帯状コ
イル１１ａに印加することが可能になっている。

【００２９】このように構成された上記プラズマ生成装
置を作動させるには、まず、放電用ガスを反応容器１５
の内部１９に導入し、反応容器１５の内部１９を一定の
真空圧に保つ。次に、高周波電源からマッチング回路を
介して、帯状コイル１１ａに高周波電力を印加すると、
帯状コイル１１ａの下側の反応容器１５の内部１９にお
いて帯状コイル１１ａの直径にわたって、均一な密度の
プラズマが生成し、図６に示したプラズマ生成装置のよ
うに帯状コイル２０の中央の下部付近のプラズマ密度が
不均一になることはない。誘電体板１８と試料台１３と
は平行に配設されており、その上に配設された帯状コイ
ル１１ａは試料基板Ｗと平行になるので、生成したプラ
ズマは試料基板Ｗに平行で均一な平面状プラズマとな
る。

【００３０】図３は本発明に係るプラズマ生成装置の別
の実施例を模式的に示した概念図である。本実施例に係
るプラズマ生成装置は、帯状コイル１１ａと試料台１３
との間に高周波電力を印加するための高周波電力印加手
段２６が配設されている。また、試料台１３は図示しな
い静電チャック等の試料基板Ｗを吸着させる機構を有し
ており、図示しないヒータあるいは冷却手段も配設され
ているので、試料基板Ｗの温度制御が可能である。その
他の部材は上記した実施例に係るプラズマ生成装置と同
様に構成されている。

【００３１】次に、図３に示した前記実施例に係るプラ
ズマ生成装置を用い、シリコン（Ｓｉ膜）のエッチング
を行った。

【００３２】まず試料基板Ｗとして、８インチのシリコ
ンウエハ上にフォトレジストのパターンが形成されたも
のを使用し、放電用ガスとして、塩素（Ｃｌ₂ ）を５０
ｓｃｃｍの流量で流し、ガスの圧力を１０ｍＴｏｒｒに
維持した。次に、逆向き２重螺旋形状を有する帯状コイ
ル１１ａに、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１ｋＷの
パワーで供給してプラズマを生成させ、一方帯状コイル
１１ａと試料台１３との間には８００ｋＨｚの高周波電
力を５０Ｗのパワーで供給して試料基板Ｗへの入射イオ
ンのエネルギーを制御し、約１分間エッチングを実施
し、シリコンウエハ上の各位置（７か所）におけるＳｉ
膜のエッチング速度を測定した。図４はその結果を示し
たグラフであり、縦軸にシリコンのエッチング速度を、
横軸にシリコンウエハの面内位置をとっている。

【００３３】なお比較例として、図７に示した従来のプ
ラズマ生成装置を用い、上記実施例の場合と同様の条件
でシリコンウエハにエッチング処理を施し、上記実施例
の場合と同様にシリコンウエハ上の各位置におけるシリ
コンのエッチング速度を測定した。その結果を同じく図
４に示している。

【００３４】図４に示した結果から明らかなように、実
施例に係るプラズマ生成装置を用いた場合にはシリコン
ウエハの全面においてほぼ均一な速度でエッチングが進
行しており、その均一性は±５％以内であった。以上の
結果より、前記実施例に係るプラズマ生成装置では、反
応容器１５の内部１９の帯状コイル１１ａの下側の全体
において、均一な密度のプラズマが生成しており、この
プラズマにより一定面積の半導体ウエハ等の面全体を均
一の速度でエッチングできることが実証された。

【００３５】一方、比較例に係るプラズマ生成装置を用
いた場合には、シリコンウエハの中央部分でエッチング
速度が極端に大きくなり、エッチングの均一性に劣って
いた。

【００３６】上記実施例では、本発明に係るプラズマ生
成装置をエッチング装置として用いた場合について説明
したが、本発明に係るプラズマ生成装置の用途は、エッ
チングのみに限られるものではなく、例えば薄膜形成装
置等、種々の用途に使用することができることは言うま
でもない。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るプラズ
マ生成装置（１）にあっては、少なくとも１か所に誘電
体板よりなる窓部を有する金属製の反応容器と、該反応
容器外部の前記窓部に近接して配設されたコイルと、該
コイルに高周波電力を供給する高周波電源が接続されて
いる回路とを備えたプラズマ生成装置において、前記コ
イルが逆向き２重螺旋形状であるので、従来のプラズマ
生成装置の場合のようなコイルの中心の下部付近におけ
る特異点は生じず、コイルの下部の全面にわたって均一
な平面状プラズマを形成することができ、半導体基板等
の均一なエッチングが可能になる。また、生成したプラ
ズマは試料基板Ｗ方向に対して非常に低いエネルギーを
もっているので、試料基板Ｗへのダメージを極めて小さ
くすることができる。

【００３８】また、本発明に係るプラズマ生成装置
（２）にあっては、上記（１）記載のプラズマ生成装置
において、前記コイルと前記反応容器内部の試料台との
間に高周波電源が接続された回路を備えているので、上
記（１）記載のプラズマ生成装置が奏する効果に加え、
試料基板Ｗに入射するイオンのエネルギーを前記試料台
に印加する高周波のパワー等により制御することができ
るため、試料基板の薄膜形成における埋め込み技術等に
も応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係るプラズマ生成装置におい
て用いられている逆向き２重螺旋形状の帯状コイルの形
状及び電流の流れを示した概念図であり、（ｂ）は逆向
き２重螺旋形状の帯状コイルの電流及び磁力線の方向を
示した断面図である。

【図２】実施例に係るプラズマ生成装置を模式的に示し
た斜視図である。

【図３】別の実施例に係るプラズマ生成装置を模式的に
示した概念図である。

【図４】実施例及び比較例に係るプラズマ生成装置を用
いてＳｉ膜のエッチングを行った際のシリコンのエッチ
ング速度とウエハの面内位置との関係を示したグラフで
ある。

【図５】従来のプラズマ生成装置を模式的に示した斜視
図である。

【図６】従来のプラズマ生成装置を模式的に示した断面
図である。

【図７】従来の別のプラズマ生成装置を模式的に示した
概念図である。

【図８】（ａ）は従来のプラズマ生成装置において用い
られている螺旋形状のコイルの形状及び電流の流れを示
した概念図であり、（ｂ）は螺旋形状の帯状コイルの電
流及び磁力線の方向を示した断面図である。

【符号の説明】

１１ａ 帯状コイル １５ 反応容器 １４ 高周波導入用窓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/3065

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１か所に誘電体板よりなる窓
   部を有する金属製の反応容器と、該反応容器外部の前記
   窓部に近接して配設されたコイルと、該コイルに高周波
   電力を供給する高周波電源が接続されている回路とを備
   えたプラズマ生成装置において、前記コイルが逆向き２
   重螺旋形状であることを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 【請求項２】 前記コイルと前記反応容器内部の試料台
   との間に高周波電源が接続された回路を備えていること
   を特徴とする請求項１記載のプラズマ生成装置。