JPH09167696A

JPH09167696A - 誘導結合プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH09167696A
Application number: JP7327421A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Fukuda; 誠一福田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1997-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ＲＦアンテナ、プラズマ処理室に
大幅な構造的変更を加えずに、プラズマ密度を均一化す
ることができ、外周壁の不均一な消耗を防止することが
できる誘導結合プラズマ処理装置を提供する。【解決手段】本発明を適用した誘導結合プラズマ処理
装置は、外周壁の一部が誘電体１１からなるチャンバ１
０と、誘電体１１の外周に配設されたＲＦアンテナ２３
と、誘電体１１とＲＦアンテナ２３の間であってＲＦア
ンテナ２３の接地端の近傍に設けられた環状の誘電体１
５とを備える。ＲＦアンテナ２３は、その接地端が天板
である対抗電極１２側に位置するように配設されてい
る。環状の誘電体１５は、誘電体１１とＲＦアンテナ２
３の間であって、ＲＦアンテナ２３の接地端の近傍に、
すなわちこの誘電体１５が設けられていないときにプラ
ズマ密度が高くなる空間１１３ａに対応して配設されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体回路を加工す
るプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の所謂ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等のよう
に半導体デバイスの高集積化に伴い、半導体チップの面
積が拡大し、ウェーハが大口径化している。また、デザ
インルールが高度に微細化されている。これらにより、
プラズマを用いてドライエッチングを行う所謂プラズマ
ＣＶＤ装置において、高選択性、実用的なエッチング速
度、良好な堆積速度、低汚染性、良好な再現性を同時に
可能な限り実現することが求められている。

【０００３】この多様な要求条件に対応するために、従
来から用いられている所謂平行平板型プラズマ処理装置
に加えて、マグネトロンプラズマ処理装置、ＥＣＲプラ
ズマ処理装置が開発され、また実用化されてきた。

【０００４】また、近年、構造が簡単、コストが安い等
の理由で誘導結合プラズマを用い、上述の要求条件を満
足するプラズマ処理装置の開発が、大学や企業を中心に
進められている。そして、一部には既に誘導結合型プラ
ズマを用いたプラズマ処理装置が実用化されている。プ
ラズマ処理装置において、反応性ガスをプラズマ化し、
半導体基板表面での反応を精密に制御するためには、プ
ラズマ自体の精密な制御が必要である。

【０００５】ここで、従来の誘導結合プラズマ処理装置
の構成について説明する。

【０００６】従来の誘導結合プラズマ処理装置は、図３
に示すように、外周壁の一部が誘電体１１１からなる円
筒状のチャンバ１１０と、上記誘電体１１１の外周に複
数回巻かれたＲＦアンテナ１２３と、上記ＲＦアンテナ
１２３に高周波電力を供給する誘導結合プラズマ用高周
波電源１２１と、半導体基板１０１を搭載する基板設置
電極１３３と、上記半導体基板１０１とチャンバ１１０
の天板である対抗電極１１２間に高周波の電圧を印加す
る基板バイアス用高周波電源１３１とを備える。

【０００７】チャンバ１１０の外周壁の一部である誘電
体１１１は石英からなり、この誘導結合プラズマ処理装
置では、誘導結合プラズマ用高周波電源１２１からブロ
ッキングコンデンサ１２２を介し、ＲＦアンテナ１２３
に高周波電力を供給してプラズマ放電を起こさせること
により、半導体基板１０１と対抗電極（アノード）１１
２の間の空間（以下、プラズマ処理室という。）１１３
にプラズマを発生する。

【０００８】そして、このプラズマが発生した状態にお
いて、基板バイアス用高周波電源１３１からブロッキン
グコンデンサ１３２及び基板設置電極１３３を介して、
半導体基板１０１に高周波のバイアス電圧を印加するこ
とにより、この誘導結合プラズマ処理装置では、半導体
基板１０１を、例えばエッチングするようになってい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のＲＦ
アンテナ１２３に相当するコイル状のアンテナのインピ
ーダンスＺは、式１に示すように表される。

【００１０】Ｚ＝Ｒ＋ｊ（ωＬ−１／（ωＣ））・・・（１）Ｒ：レジスタンスＬ：インダクタンスＣ：キャパシタンス ω：角周波数この式１で表されるインピーダンスＺのリアクタンス成
分は、式２で表される。

【００１１】リアクタンス成分＝ｊ（ωＬ−１／（ωＣ））・・・（２）アンテナのある一点ｘにおける電圧をＶ、電流をＩとす
ると、式３が成立し、Ｖ＝ＺＩが成立する。

【００１２】

【数１】

【００１３】式２で表されるリアクタンス成分は、アン
テナの材質の特性インピーダンスにより、アンテナの長
さによって変化する。このため、アンテナの始点（高周
波電力供給端）付近と終点（接地端）付近において、電
位差を生じる。このアンテナの長さにより生じる電位差
は、プラズマ処理室１１３内に発生するプラズマの密度
に対しても影響を及ぼす。具体的には、上述の図３に示
すように、コイルの上部に位置する空間１１３ａのプラ
ズマ密度が高くなる。そして、アンテナが長くなるほ
ど、プラズマ密度も不均一となる。このプラズマ密度の
不均一性は、誘導結合プラズマ処理装置の例えばエッチ
ング等の加工性能に悪影響を及ぼすのみならず、プラズ
マ処理室１１３に隣接した誘電体１１１を含む外周壁を
不均一に消耗させたり、プラズマ処理室１１３内の一部
のみの温度を上昇させる等の作用を引き起こす。

【００１４】また、図４に示すように、円筒状のチャン
バ１４０の天板が誘電体１４１からなると共に、その外
周壁の一部が対抗電極１４２であり、誘電体１４１の上
部に螺旋状に巻かれたＲＦアンテナ１２４を備える従来
の誘導結合プラズマ処理装置においては、ＲＦアンテナ
１２４の中心部分に対応するプラズマ処理室１４３内の
空間１４３ａの電磁波が、外周部のコイルとの相互作用
により強くなって、図４に示すように、空間１４３ａの
プラズマ密度が不必要に高くなり、上述した加工性能、
誘電体１４１の損傷等の問題があった。なお、図３に示
す誘導結合プラズマ処理装置と同じ構成部品について
は、同じ符号を付して、説明を省略する。

【００１５】そこで、上述した従来の誘導結合プラズマ
処理装置の問題点を解決するため、ＲＦアンテナを複数
の等しい長さに分割する等が試みられているが、構造が
複雑になる等の問題がある。

【００１６】本発明は、上述のような実情に鑑みてなさ
れたものであり、ＲＦアンテナ及びプラズマ処理室に大
幅な構造的変更を加えずに、プラズマ処理室内のプラズ
マ密度を均一化することができ、例えばエッチング等の
加工性能が良好であって、外周壁の不均一な消耗を防止
することができる誘導結合プラズマ処理装置を提供する
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る誘導結合プ
ラズマ処理装置は、一部が電磁波を透過する第１の誘電
体からなるチャンバと、チャンバの第１の誘電体の外側
に配設された電磁波を発生するアンテナと、第１の誘電
体とアンテナの間であって、第１の誘電体の一部に対応
して配設された電磁波を透過する第２の誘電体とを備え
ることを特徴とする。そして、この誘導結合プラズマ処
理装置では、第２の誘電体を設けることにより、プラズ
マ処理室内に浸透する電磁波の強度を実効的に均等にす
ることができ、均一なプラズマ密度を作り出すことがで
きる。

【００１８】また、本発明に係る誘導結合プラズマ処理
装置は、一部が電磁波を透過する誘電体からなるチャン
バと、チャンバの誘電体の外側に配設された電磁波を発
生するアンテナとを備え、誘電体の一部を厚くしたこと
を特徴とする。そして、この誘導結合プラズマ処理装置
では、誘電体の一部を厚くすることにより、プラズマ処
理室内に浸透する電磁波の強度を実効的に均等にするこ
とができ、均一なプラズマ密度を作り出すことができ
る。

【００１９】また、本発明に係る誘導結合プラズマ処理
装置は、一部が電磁波を透過する誘電体からなるチャン
バと、チャンバの誘電体の外側に配設された電磁波を発
生するアンテナとを備え、誘電体を、互いに異なる誘電
率の第１の誘電体と第２の誘電体とから形成したことを
特徴とする。そして、この誘導結合プラズマ処理装置で
は、例えば第１の誘電体の誘電率を高くすることによ
り、プラズマ処理室内に浸透する電磁波の強度を実効的
に均等にすることができ、均一なプラズマ密度を作り出
すことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る誘導結合プラ
ズマ処理装置の実施の形態について図面を用いて詳細に
説明する。

【００２１】（１）実施例１本発明を適用した誘導結合プラズマ処理装置は、例えば
図１に示すように、外周壁の一部が誘電体１１からなる
円筒状のチャンバ１０と、上記誘電体１１の外周に複数
回巻かれたＲＦアンテナ２３と、上記ＲＦアンテナ２３
に高周波電力を供給する誘導結合プラズマ用高周波電源
２１と、半導体基板１を搭載する基板設置電極３３と、
上記半導体基板１とチャンバ１０の天板である対抗電
極１２間に高周波の電圧を印加する基板バイアス用高周
波電源３１と、上記誘電体１１とＲＦアンテナ２３の間
であって、ＲＦアンテナ２３の接地端の近傍に設けられ
た環状の誘電体１５とを備える。

【００２２】チャンバ１０の外周壁の一部である誘電体
１１及びその外周に配設された誘電体１５は、例えば石
英からなり、この誘導結合プラズマ処理装置では、誘導
結合プラズマ用高周波電源２１からブロッキングコンデ
ンサ２２を介し、ＲＦアンテナ２３に高周波電力を供給
してプラズマ放電を起こさせることにより、半導体基板
１と対抗電極（アノード）１２の間の空間（以下、プラ
ズマ処理室という。）１３にプラズマを発生する。

【００２３】そして、このプラズマが発生した状態にお
いて、基板バイアス用高周波電源３１からブロッキング
コンデンサ３２及び基板設置電極３３を介して、半導体
基板１に高周波のバイアス電圧を印加することにより、
この誘導結合プラズマ処理装置では、半導体基板１を、
例えばエッチングするようになっている。

【００２４】ここで、複数回巻かれたコイル状のＲＦア
ンテナ２３は、その接地端が天板である対抗電極１２側
に位置するように配設されている。そして、環状の誘電
体１５は、誘電体１１とＲＦアンテナ２３の間であっ
て、ＲＦアンテナ２３の接地端の近傍に、すなわち従来
の技術で述べたようにこの誘電体１５が設けられていな
いときにプラズマ密度が高くなる図３に示す空間１１３
ａに対応して配設されている。これにより、プラズマ処
理室１３内に浸透する電磁波の強度が実行的に均等にな
り、プラズマ処理室１３内のプラズマ密度を均一化する
ことができる。

【００２５】以上のように、チャンバ１０の外周壁の一
部を誘電体１１とし、この誘電体１１の外側にＲＦアン
テナ２３を配設した構造の誘導結合プラズマ処理装置で
は、ＲＦアンテナ２３の接地端に近くなるほど、すなわ
ちコイル上部に近くなるほどプラズマ密度が高くなる
が、この実施例では、図１に示すように、ＲＦアンテナ
２３と誘電体１１の間であって、プラズマ密度が高くな
る空間に対応した誘電体１１の一部の外周に直径が一回
り大きい誘電体１５を取り付けることにより、プラズマ
処理室１３内のプラズマ密度を均一化し、従来の装置で
問題となっていた誘電体１１の表面の局所的な損傷を防
止することができる。換言すると、ＲＦアンテナ及びプ
ラズマ処理室に大幅な構造的変更を加えずに、プラズマ
処理室内のプラズマ密度を均一化することができ、誘電
体、すなわち外周壁の不均一な消耗を防止することがで
き、かつ誘電体のライフを伸ばすことができるので、生
産性を向上させることができる。また、例えばエッチン
グ等の加工性能を向上させることができる。

【００２６】（２）実施例２つぎに、本発明を適用した誘導結合プラズマ処理装置の
第２の実施例を説明する。なお、第１の実施例の誘導結
合プラズマ処理装置と同じ構成部品については、同じ符
号を付している。

【００２７】この誘導結合プラズマ処理装置は、例えば
図２に示すように、天板が誘電体４１からなる円筒状の
チャンバ４０と、上記誘電体４１の上部に螺旋状に巻か
れたＲＦアンテナ２４と、上記ＲＦアンテナ２４に高周
波電力を供給する誘導結合プラズマ用高周波電源２１
と、半導体基板１を搭載する基板設置電極３３と、上記
半導体基板１と、チャンバ４０の外周壁の一部である対
抗電極４２間に高周波の電圧を印加する基板バイアス用
高周波電源３１と、上記誘電体４１とＲＦアンテナ２４
の間であって、ＲＦアンテナ２４の中心部分に設けられ
た円盤状の誘電体４５とを備える。

【００２８】チャンバ４０の天板である誘電体４１及び
その上部に配設された誘電体４５は、例えば石英からな
り、この誘導結合プラズマ処理装置では、誘導結合プラ
ズマ用高周波電源２１からブロッキングコンデンサ２２
を介し、ＲＦアンテナ２４に高周波電力を供給してプラ
ズマ放電を起こさせることにより、半導体基板１と誘電
体４１の間の空間（以下プラズマ処理室という。）４３
にプラズマを発生する。

【００２９】そして、このプラズマが発生した状態にお
いて、基板バイアス用高周波電源３１からブロッキング
コンデンサ３２及び基板設置電極３３を介して、半導体
基板１に高周波のバイアス電圧を印加することにより、
この誘導結合プラズマ処理装置では、半導体基板１を、
例えばエッチングするようになっている。

【００３０】ここで、円盤状の誘電体４５は、誘電体４
１とＲＦアンテナ２４の間であって、ＲＦアンテナ２４
の中心部分に、すなわち従来の技術で述べたようにこの
誘電体４５が設けられていないときにプラズマ密度が高
くなる図４に示す空間１４３ａに対応して配設されてい
る。これにより、プラズマ処理室４３内に浸透する電磁
波の強度が実行的に均等になり、プラズマ処理室４３内
のプラズマ密度を均一化することができる。

【００３１】以上のように、チャンバ４０の天板を誘電
体４１とし、この誘電体４１の上部に螺旋状のＲＦアン
テナ２４を配設した構造の誘導結合プラズマ処理装置で
は、ＲＦアンテナ２４の中心部分の電磁波が外周部のコ
イルとの相互作用により強くなり、ＲＦアンテナ２４の
中心部分のプラズマ密度が高くなるが、この実施例で
は、図２に示すように、ＲＦアンテナ２４と誘電体４１
の間であって、プラズマ密度が高くなる空間に対応して
誘電体４１を取り付けることにより、中心部分のプラズ
マ密度を低下させてプラズマ処理室４３内のプラズマ密
度を均一化し、誘電体４１の表面の局部的損傷及び局所
的な温度上昇を抑制することができる。換言すると、Ｒ
Ｆアンテナ及びプラズマ処理室に大幅な構造的変更を加
えずに、プラズマ処理室内のプラズマ密度を均一化する
ことができ、誘電体、すなわち外周壁の不均一な消耗を
防止することができ、かつ誘電体のライフを伸ばすこと
ができるので、生産性を向上させることができる。ま
た、例えばエッチング等の加工性能を向上させることが
できる。

【００３２】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ものではなく、例えば、誘電体１５、４５を設ける代わ
りに、プラズマ密度が高くなる空間１１３ａ、１４３ａ
（図３、４）に対応する誘電体１１、４１の部分の厚さ
を厚くするようにしてもよい。また、例えば、誘電体１
５、４５を設ける代わりに、プラズマ密度が高くなる空
間１１３ａ、１４３ａ（図３、４）に対応する誘電体１
１、４１の部分の誘電率を他の部分に比して高くするよ
うにしてもよい。さらに、例えば、誘電体１５、４５を
取り外し可能にし、必要に応じて種々の誘電率の誘電体
を取り付けるようにしてもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明でも明らかなように、本発明
に係る誘導結合プラズマ処理装置は、一部が電磁波を透
過する第１の誘電体からなるチャンバと、チャンバの第
１の誘電体の外側に配設された電磁波を発生するアンテ
ナと、第１の誘電体とアンテナの間であって、第１の誘
電体の一部に対応して配設された電磁波を透過する第２
の誘電体とを備えることを特徴とする。そして、この誘
導結合プラズマ処理装置では、第２の誘電体を設けるこ
とにより、プラズマ処理室内に浸透する電磁波の強度を
実効的に均等にすることができ、均一なプラズマ密度を
作り出すことができる。

【００３４】また、本発明に係る誘導結合プラズマ処理
装置は、一部が電磁波を透過する誘電体からなるチャン
バと、チャンバの誘電体の外側に配設された電磁波を発
生するアンテナとを備え、誘電体の一部を厚くしたこと
を特徴とする。そして、この誘導結合プラズマ処理装置
では、誘電体の一部を厚くすることにより、プラズマ処
理室内に浸透する電磁波の強度を実効的に均等にするこ
とができ、均一なプラズマ密度を作り出すことができ
る。

【００３５】また、本発明に係る誘導結合プラズマ処理
装置は、一部が電磁波を透過する誘電体からなるチャン
バと、チャンバの誘電体の外側に配設された電磁波を発
生するアンテナとを備え、誘電体を、互いに異なる誘電
率の第１の誘電体と第２の誘電体とから形成したことを
特徴とする。そして、この誘導結合プラズマ処理装置で
は、例えば第１の誘電体の誘電率を高くすることによ
り、プラズマ処理室内に浸透する電磁波の強度を実効的
に均等にすることができ、均一なプラズマ密度を作り出
すことができる。

【００３６】したがって、本発明では、プラズマに接触
する誘電体表面の局所的損傷を防止することができ、誘
電体のライフが伸びるので生産性を向上させることがで
きる。また、プラズマ密度の不均一性に起因する加工の
不均一性を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した誘導結合プラズマ処理装置
の構造を示す模式図である。

【図２】本発明を適用した誘導結合プラズマ処理装置
の構造を示す模式図である。

【図３】従来の誘導結合プラズマ処理装置の構造を示
す模式図である。

【図４】従来の誘導結合プラズマ処理装置の構造を示
す模式図である。

【符号の説明】

１半導体基板１０、４０チャンバ１１、４１誘電体１２、４２対抗電極１３、４３プラズマ室１５、４５誘電体２１誘導結合プラズマ用高周波電源２３、２４ＲＦアンテナ３１基板バイアス用高周波電源３３基板設置電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘導結合プラズマを用いるプラズマ処理
装置において、一部が電磁波を透過する第１の誘電体からなるチャンバ
と、上記チャンバの第１の誘電体の外側に配設された電磁波
を発生するアンテナと、上記第１の誘電体とアンテナの間であって、第１の誘電
体の一部に対応して配設された電磁波を透過する第２の
誘電体と、を備えることを特徴とする誘導結合プラズマ処理装置。
【請求項２】上記チャンバが円筒状であって、チャン
バの外周壁の一部が上記第１の誘電体からなり、上記ア
ンテナがコイル状であって第１の誘電体の外側に配設さ
れると共に、アンテナの接地端がチャンバの天板側にあ
り、上記第２の誘電体を、環状とすると共に、上記第１の誘
電体とアンテナの間であって上記チャンバの天板の近傍
に設けたことを特徴とする請求項１記載の誘導結合プラ
ズマ処理装置。
【請求項３】上記チャンバが円筒状であって、チャン
バの円盤状の天板が上記第１の誘電体からなり、上記ア
ンテナが螺旋状であって第１の誘電体の上部に配設さ
れ、上記第２の誘電体を、円盤状とすると共に、上記第１の
誘電体とアンテナの間であってアンテナの中心部分に対
応して設けたことを特徴とする請求項１記載の誘導結合
プラズマ処理装置。
【請求項４】上記第２の誘電体が取り外し可能なこと
を特徴とする請求項２又は３記載の誘導結合プラズマ処
理装置。
【請求項５】誘導結合プラズマを用いるプラズマ処理
装置において、一部が電磁波を透過する誘電体からなるチャンバと、上記チャンバの誘電体の外側に配設された電磁波を発生
するアンテナとを備え、上記誘電体の一部を厚くしたことを特徴とする誘導結合
プラズマ処理装置。
【請求項６】上記チャンバが円筒状であって、チャン
バの外周壁の一部が上記誘電体からなり、上記アンテナ
がコイル状であって誘電体の外側に配設されると共に、
アンテナの接地端がチャンバの天板側にあり、チャンバの天板に近い上記誘電体の部分を厚くしたこと
を特徴とする請求項５記載の誘導結合プラズマ処理装
置。
【請求項７】上記チャンバが円筒状であって、チャン
バの円盤状の天板が上記誘電体からなり、上記アンテナ
が螺旋状であって誘電体の上部に配設され、上記円盤状の誘電体の中心部分を厚くしたことを特徴と
する請求項５記載の誘導結合プラズマ処理装置。
【請求項８】誘導結合プラズマを用いるプラズマ処理
装置において、一部が電磁波を透過する誘電体からなるチャンバと、上記チャンバの誘電体の外側に配設された電磁波を発生
するアンテナとを備え、上記誘電体を、互いに異なる誘電率の第１の誘電体と第
２の誘電体とから形成したことを特徴とする誘導結合プ
ラズマ処理装置。
【請求項９】上記チャンバが円筒状であって、チャン
バの外周壁の一部が上記誘電体からなり、上記アンテナ
がコイル状であって誘電体の外側に配設されると共に、
アンテナの接地端がチャンバの天板側にあり、チャンバの天板に近い上記第１の誘電体の誘電率を、上
記第２の誘電率よりも高くしたことを特徴とする請求項
８記載の誘導結合プラズマ処理装置。
【請求項１０】上記チャンバが円筒状であって、チャ
ンバの円盤状の天板が上記誘電体からなり、上記アンテ
ナが螺旋状であって誘電体の上部に配設され、円盤状の誘電体の中心部分である上記第１の誘電体の誘
電率を、円盤状の誘電体の周辺部分である上記第２の誘
電体の誘電率よりも高くしたことを特徴とする請求項８
記載の誘導結合プラズマ処理装置。