JPH09283300A - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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JPH09283300A
JPH09283300A JP8119496A JP11949696A JPH09283300A JP H09283300 A JPH09283300 A JP H09283300A JP 8119496 A JP8119496 A JP 8119496A JP 11949696 A JP11949696 A JP 11949696A JP H09283300 A JPH09283300 A JP H09283300A
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plasma
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JP8119496A
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Toshitaka Kawashima
利孝 河嶋
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Sony Corp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082Radio frequency generated discharge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266Magnetic control means

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 プラズマ中のイオン等の移動速度と方向を精
度良く制御して、複雑な加工処理を容易に行うことがで
きる。 【解決手段】 高周波電源からアンテナ14に電力が供
給され、チャンバ11内に準静電的な誘導電界EPSが発
生し、広範囲に渡って高密度のプラズマPが形成され、
又多相交流インバータ電源により多相交流マグネット1
7に対して交流電流が流れる。これにより半導体ウェハ
13の上に水平方向に磁束密度Bが発生すると共に、こ
の磁界が多相交流インバータ電源で設定された周波数で
回転する。これによりウェハ13の表面に回転電界Eが
発生し、この表面領域では、垂直方向には電界EV が発
生し、水平方向にはアンテナ14による誘導電界EPS
回転電界EMAG を加えた電界EH が発生し、電界EH
電界EV との合成電界EC がウェハ13の表面に対して
所定角度で生じる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はプラズマを用いて半
導体ウェハ等の被処理体の処理を行うプラズマ処理装置
に係り、特に、プラズマ中のイオン、電子、ラジカル
(中性活性元素)等のプラズマ構成粒子の速度およびそ
の方向を制御(ベクトル制御)するための制御手段を有
するプラズマ処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、半導体プロセスにおいて、プラ
ズマを用いた処理としては、プラズマCVD(Chemical
Vapor Deposition:化学的気相成長 )法やプラズマRI
E(Reactive Ion Etching) 法、スパッタリング法等が
あり、それぞれ処理室内に被処理体(半導体ウェハ)を
配置した状態で、所定のプラズマを発生させ、イオンや
電子等のプラズマ構成粒子の作用によって被処理体上に
成膜したり、エッチング処理を施したりする。
【0003】従来、この種の装置では、プラズマ発生の
ために種々の方法が考案され実用化されている。そし
て、現在では、低プロセスガス圧で高密度かつ均一なプ
ラズマを得るための新しいプラズマソースの開発が盛ん
に行われている。しかし、これらのプラズマソースでは
反応ガス、イオン等のプラズマ構成粒子の速度およびそ
の移動方向の制御は行えず、プロセスガス圧、投入電力
によるプラズマポテンシャル、熱運動方向、バイアス電
界等による、半導体ウェハの表面に垂直な方向の粒子の
加速などによってウェハに対して一次元制御を行うこと
が基本である。すなわち、プラズマのベクトル制御と言
う意味では、現在のプラズマソースでは行われていない
のが現状である。
【0004】そのため、被処理体の表面に対して垂直な
方向の制御、すなわち表面における膜厚やエッチング深
さなどは制御できても、垂直方向以外の方向に対する制
御が困難であり、複雑な構造への処理には適していな
い。例えば、半導体素子におけるトレンチ溝、ビアホー
ル、コンタクトホールなどにテーパを設ける場合やトレ
ンチ溝等の内側面に所望の厚さの酸化膜を被着する場合
など、従来のプラズマ処理装置では十分な制御が行えず
複雑な加工を施す上での問題となっている。
【0005】更に、今後の半導体配線パターンの微細化
の流れの中で、配線工程におけるウェハ表面の平坦化が
欠かすことのできない技術となっている。現在では、こ
の平坦化のためにCMP(Chemical and Mechanical Po
lishing : 化学的機械研磨)による検討がなされている
が、今後、製膜工程での狭く深いビアホールやトレンチ
溝、コンタクトホール内への直接的で三次元的な製膜の
技術が必要とされている。しかし、CMPによる方法で
は、生産性、ダスト管理、コンタミネーション(汚
染)、耐水性、更には今後の微細化への対応など、解決
すべき問題が多いのが現状である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このようなことから本
出願人と同一出願人は、先に、プラズマ中のイオンや電
子の被処理体の表面に対して垂直方向以外の方向への制
御を行うことができ、複雑なエッチング、加工等を施す
ことができる新規なプラズマ処理方法を提案した。
【0007】この方法は、被処理体(半導体ウェハ)の
表面に対して垂直な方向に電界を発生させると共に、そ
の表面に対して水平な方向にも電界を発生させ、各々の
方向の合成電界に基づきプラズマ内のイオンや電子の方
向を制御するものである。以下、その方法を図を参照し
て具体的に説明する。
【0008】すなわち、本出願人が先に提案した方法
は、図11に示したように、処理室100内に配置され
た上部電極101と下部電極102との間の空間に発生
するプラズマ103中において、このプラズマ103内
のイオンや電子の移動方向を制御するものであり、その
ために処理室100内で半導体ウェハ等の被処理体10
4の表面に対して垂直な方向の電界Evと水平方向の電
界EH とを同時に発生させ、これら電界Ev,EH を所
定の比率で合成することにより、その合成電界である電
界Ecを用いてプラズマ103内のイオンや電子の速度
およびその移動方向を制御するものである。
【0009】ここで、被処理体104の表面に対して垂
直な方向の電界Evは、被処理体104の表面に自然発
生するプラズマシース電界と、下部電極102に印加さ
れるDCバイアス105によるDCバイアス電界と、例
えば13.56MHzの高周波バイアス106による高
周波バイアス電界とから構成される。一方、被処理体1
04の表面に対して水平な方向の電界EH は、例えば被
処理体104の両側部に対向させて一対のコイルを配設
し、これらコイルに単相交流電源により所定周期の交流
電流を流すことにより、被処理体104の表面に水平な
方向に磁界を発生させると共にこの磁界の方向を周期的
に反転させることによりこれら磁界を取り巻く方向に発
生する誘起電界によって構成される。
【0010】このように、先に提案したプラズマ制御方
法では、垂直な方向の電界Evと水平方向の電界EH
の合成電界Ecを用いてプラズマ103内のイオンや電
子の移動方向を制御することができる。
【0011】しかしながら、この先に提案した方法で
は、DCバイアス105や高周波バイアス106によっ
て被処理体104の表面に対して垂直方向の電界を発生
させるために、この垂直電界Evが水平方向の電界EH
に比べて相当大きくなる。そのため水平方向の電界EH
としては十分な大きさのものを得ることが困難であり、
従って合成電界の制御すなわちイオンや電子の速度およ
びその方向の制御性が十分ではないという問題があっ
た。
【0012】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、被処理体の表面に対して水平な方向
の電界として十分に大きなものを得ることができ、よっ
てプラズマ中のイオン等プラズマ構成粒子の速度および
その方向をより精度良く制御することができ、プラズマ
による複雑な加工処理を容易に行うことができるプラズ
マ処理装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマ処
理装置は、プラズマ処理を行うための処理室の外部から
処理室の内部に誘導電界を発生させることによりプラズ
マを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生
手段により発生したプラズマ中において、前記被処理体
の表面に対して水平な方向に電界を発生させる水平電界
発生手段と、この水平電界発生手段により発生した水平
方向の電界を制御することによりプラズマ中のプラズマ
構成粒子の速度およびその方向を制御するための制御手
段とを備えたものである。
【0014】このプラズマ処理装置では、プラズマ発生
手段による無電極放電によって、処理室の外部から処理
室の内部に誘導電界が発生し、これにより処理室内にプ
ラズマが発生する。そして、このプラズマ発生手段によ
り発生したプラズマ雰囲気中では、水平電界発生手段に
よって、被処理体の表面に対して水平な方向に電界が発
生する。制御手段では、この水平電界発生手段により発
生した水平方向の電界を制御する。これにより、水平方
向の電界と垂直方向の電界(プラズマシース電界)との
合成電界の大きさおよびその方向が変化し、プラズマ中
のイオン等のプラズマ構成粒子の速度およびその方向を
制御することができる。ここで、被処理体の表面に対す
る垂直方向の電界はプラズマ自身により被処理体との境
界面に生じるプラズマシース電界のみである。従って、
水平方向の電界の大きさの垂直方向の電界に対する割合
が大きくなる。
【0015】
【実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形
態を詳細に説明する。
【0016】まず、図1は本発明の第1の実施の形態に
係るプラズマ処理装置10の機能構成を表すものであ
る。すなわち、このプラズマ処理装置10は、内部に被
処理体が配置される処理室1と、この処理室1の外部か
ら処理室1の内部に誘導電界を発生させることによりプ
ラズマを発生させるプラズマ発生手段2と、このプラズ
マ発生手段2により発生したプラズマ中において、被処
理体の表面に対して水平方向に電界を発生させる水平電
界発生手段3と、この水平電界発生手段3により発生し
た水平方向の電界を制御することにより垂直方向の電界
との合成電界の大きさおよびその方向を制御し、プラズ
マ中のイオン等のプラズマ構成粒子の速度およびその方
向を制御するための制御手段4とを備えたものである。
【0017】本実施の形態では、プラズマ発生手段2と
して放電手段(アンテナ)を用いた無電極放電により誘
導電界を発生させる方法を適用し、また、水平電界発生
手段3として回転磁界により水平方向の回転電界を誘起
させる方法を適用している。更に、制御手段4において
は回転磁界の回転周波数を制御するものである。
【0018】図2はこのプラズマ処理装置10の具体的
な構成例、また、図3はその要部外観を一部破断して表
すものである。
【0019】すなわち、本実施の形態によるプラズマ処
理装置10は、処理室1として例えば石英製で円筒形状
のチャンバ(反応容器)11を備えている。このチャン
バ11内は図示しない排気手段(ポンプ)により高真空
に保持されている。また、チャンバ11の内部にはプロ
セスガス供給用のガスリング11aが設けられている。
チャンバ11の内部には、更にウェハ載置台12が配設
されており、このウェハ載置台12上に被処理体として
の半導体ウェハ13を載置するようになっている。一
方、チャンバ11の外部には内部のガスリング11aに
連結されたプロセスガスボンベ11bが設置されてお
り、このプロセスガスボンベ11b内のプロセスガスが
ガスリング11aを通じてチャンバ11内に供給される
ようになっている。また、チャンバ11の周囲にはアン
テナ14が配設されている。このアンテナ14は例えば
銅により形成されており、チャンバ11の外周部にそっ
てリング形状をなしている。このアンテナ14には図4
に展開して示したようにその長手方向にそって後述の磁
界の通路となるスリット14aが形成されている。アン
テナ14には整合回路(マッチングボックス)15を介
して高周波電源(RF)(例えば周波数13.56MH
z) 16に接続されており、この高周波電源16からの
給電を受けて外部からチャンバ11内に放電し、これに
よりチャンバ11の内部に誘導電界を誘起しプラズマP
を発生させるようになっている。以上のアンテナ14、
整合回路15および高周波電源16により図1に示した
プラズマ発生手段2を構成している。
【0020】チャンバ11の周囲には、更に、アンテナ
14の外周部にそって、チャンバ11内の半導体ウェハ
13の表面に対して水平方向の電界を発生させるための
多相交流マグネット17が配設されている。この多相交
流マグネット17にはアンテナ14のスリット14aに
対向して同じく後述の磁界の通路となる開口部17aが
設けられている。多相交流マグネット17には多相交流
インバータ電源18が接続されており、多相交流マグネ
ット17に対して多相(例えば3相)の交流電流を流す
ようになっている。これら多相交流マグネット17およ
び多相交流インバータ電源18により図1に示した水平
電界発生手段3を構成している。すなわち、多相交流マ
グネット17に交流電流を流すことにより半導体ウェハ
13の表面に、疑似的に水平方向の磁界(磁束密度B)
を発生させると共に、この磁界を回転させることにより
回転磁界を発生させ、この回転磁界により水平方向の回
転電界を誘起させるようになっている。
【0021】次に、本実施の形態によるプラズマ処理装
置10の作用について説明する。
【0022】まず、アンテナ14を用いたプラズマ発生
手段2によりチャンバ11内にプラズマPが発生する。
【0023】すなわち、アンテナ14のインダクタンス
をLi(ヘンリー)、アンテナ電流をIcosωt
(ω:角周波数)とすると、アンテナ14にはωLiI
cosωtの電圧が印加される。これによりチャンバ1
1内に準静電的な誘導電界EPSが発生し希薄なプラズマ
ができる。更に、この誘導電界EPSによりアンテナ14
によるプラズマへの電力注入が高い効率で行われ、その
結果チャンバ11内には広範囲に渡って高密度のプラズ
マPが形成される。
【0024】続いて、水平電界発生手段3によって、プ
ラズマP中の半導体ウェハ13の表面に垂直な軸を中心
にして水平方向に回転する回転電界が発生する。
【0025】すなわち、多相交流インバータ電源18の
周波数を数10Hz〜数10KHz程度に設定し、多相
交流マグネット17に対して交流電流を流すと、図5に
模式的に示したように半導体ウェハ13の上に水平方向
の磁界(磁束密度B)が発生する。ここで、図5におい
て半導体ウェハ13上の右側を磁界の進行方向の前方、
左側を進行方向の後方とすると、磁界の前方では磁束密
度Bが密になり、一方、後方では磁束密度Bが疎の状態
になるが、電磁誘導の法則によって、磁界の前方では磁
束密度を減少させる方向、これに対して後方では磁束密
度を増加させる方向に磁束が変化しようとする。すなわ
ち、磁界の前方と後方とでは磁束の増減方向が異なり、
この状態で磁界が半導体ウェハ13の表面に垂直な軸1
3aを中心にして図に矢印aで示したように多相交流イ
ンバータ電源18で設定された周波数に応じて回転す
る。
【0026】一方、プラズマPの中には、次式(1)で
示されるマックスウエルの電磁方程式によってプラズマ
P中を通過する多数の磁束を囲むように多数の渦電流1
9が流れる状態となる。ここで、プラズマPの内部の渦
電流19は隣り合う同士で電流の方向が逆であるために
互いにキャンセル仕合い、結果としてプラズマPの外周
だけに電流が流れ、全体として一方向の電界となる。す
なわち、磁界の前方と後方とでは、それぞれ磁界を取り
巻く状態で互いに異なる方向に誘起電界Eが発生し、更
にこの誘起電界Eも上述の磁界の回転と共に半導体ウェ
ハ13の表面に垂直な軸13aを中心にして図に矢印a
で示したように回転する。これにより半導体ウェハ13
の表面では水平方向の回転電界EMAG が発生する。従っ
て、半導体ウェハ13の表面領域では、垂直方向には電
界EV (すなわちプラズマシース電界Esheath)が発生
する一方、水平方向には前述のアンテナ14による誘導
電界EPSに回転電界EMAG を加えた電界EH が発生する
こととなり、これら電界E H と電界EV との合成電界E
C が半導体ウェハ13の表面に対して所定角度で生じる
状態となる。
【0027】
【数1】rotE=−∂B/∂t…(1)
【0028】このように本実施の形態によるプラズマ処
理装置10では、アンテナ14、整合回路15および高
周波電源16を用いたプラズマ発生手段2により放電が
行われ、これによりチャンバ11内に広範囲に渡って高
密度のプラズマPを発生させることができる。
【0029】また、このプラズマ処理装置10では、チ
ャンバ11の内部に電極を有しない、すなわち無電極放
電によってプラズマを発生させることができる。従っ
て、半導体ウェハ13に対する垂直方向の電界EV は、
無電極放電により発生したプラズマ自身によって半導体
ウェハ13の境界面に形成されるプラズマシース電界E
sheathのみとなる。このプラズマシース電界Esheath
前述の直流または交流のバイアス電界に比べて非常に小
さいものであり、そのため多相交流マグネット17およ
び多相交流インバータ電源18からなる水平電界発生手
段3によって得られる水平方向の回転電界EMAG として
従来よりも大きなものを得ることができ、垂直方向の電
界EV に対する割合が大きくなる。従って、制御手段4
による水平方向の誘起電界EH と垂直方向の電界E
V (すなわちプラズマシース電界Esheath)との合成電
界EC の大きさおよび方向の制御が容易であり、プラズ
マ中のイオンの速度およびその方向を精度良く制御する
ことが可能になる。そして、このイオンの移動に伴って
プラズマ中の反応ガス,電子,ラジカル等の他のプラズ
マ構成粒子が移動する。これにより半導体ウェハ13の
表面の平坦化、トレンチ溝、ビアホール、コンタクトホ
ール内の製膜やエッチングのベクトル制御、更にはこれ
らトレンチ溝等の内壁の角度制御などが可能になる。
【0030】次に、上記制御手段4によるプラズマP中
のイオン等のプラズマ構成粒子の速度およびその方向の
具体的な制御方法について詳しく説明する。
【0031】一般に、プラズマP中のシースとの境界面
において、イオンに働く電界は、前述のように半導体ウ
ェハ13の表面の垂直な電界と水平な電界との合成電界
と考えることができる。なお、電子はイオンに比べて質
量が小さいので、簡単化のために電子は電磁波の周波数
には全く無関係に動くと仮定する。ここで、合成電界の
うち半導体ウェハ13の表面に垂直な電界は、本実施の
形態では下記のようにプラズマシース電界Esheathのみ
である。一方、半導体ウェハ13の表面に水平な方向の
電界は、時間的変化を考慮すると、半導体ウェハ13の
表面に水平に印加した回転磁界が誘起する回転電界E
MAG cosωMAG t、チャンバ11の外部に設置したア
ンテナ14による誘導電界EPScosωrftである。な
お、回転電界の角周波数ωMAG を例えば2π×400H
zとする。
【0032】
【数2】 垂直電界:EV =Esheath 水平電界:EH =EPScosωrft+EMAG cosωMAG t (ωrf=2π×13.56MHz,ωMAG =2π×400MHz) 合成電界:EC =EV +EH =Esheath+EMAG cosωMAG t +EPScosωrft…(2)
【0033】ここで、プラズマ中のイオンは電子に比べ
て質量が大きいため、アンテナ14により誘起される高
周波電界EPS(13.56MHz)中の移動距離は、回
転磁界によって誘起される回転電界EMAG 中に比べて、
その移動距離が極端に短くなる。具体的に検討すると、
アンテナ14により誘起される高周波電界EPSの強度は
プラズマシーズ内(幅0.5mm)で約10V/5mm、回転
磁界によって誘起される回転電界EMAG の強度は約0.
375V/mmである。これらの電界強度でのイオンの
移動距離は、電界中のイオンに働く力Fにより求めるこ
とができる。このイオンに働く力Fは次式(3)に示し
たように電荷量qと電界強度Eとの積によって求められ
る。また、このイオンに働く力Fはイオンの分子量Mと
加速度αとの積でもある。
【0034】
【数3】F=qE=Mα…(3)
【0035】更に、この式より、t時間(回転磁界の半
周期の時間)におけるイオンの水平方向の移動距離Lは
次式のようになる。
【0036】
【数4】 LH =(1/2)・αt2 =(1/2)(qE/M)t2 …(4)
【0037】ここで、時間tは、高周波電界EPS(1
3.56MHz)の場合には(1/2)・(1/13.
56MHz)sec、また、回転磁界による回転電界E
MAG (400Hz)の場合には(1/2)・(1/40
0Hz)secとなる。よって、例えばCF4 + イオン
の高周波電界および回転電界それぞれの周波数での水平
方向の移動距離LHrf ,LHMAGは、上式(4)により、
Hrf =1.49×10-6m、LHMAG=464.98m
となる。すなわち、高周波電界ではCF4 + イオンはμ
mオーダでしか移動しないが、400Hz程度の回転電
界ではmオーダで移動する。これは、イオンの質量が電
子の質量に比べて大きく、電界が高周波となればなる程
その応答性が悪くなることに起因している。なお、計算
を分かりやすくするため、移動途中での他の分子、イオ
ンとの衝突は無いものとし、CF4 + イオンの分子量M
は1.462×10- 25Kgとした。
【0038】以上より、プラズマP中のイオンの移動距
離は、高周波電界EPSによる移動よりも、回転電界E
MAG によるイオンの移動の効果が支配的になることが理
解される。この結果より、図1に示した制御手段4にお
いては回転電界を誘起するための回転磁界の回転周波数
を適宜設定することにより、水平方向の電界EH と垂直
方向の電界EV (プラズマシース電界Esheath)との合
成電界EC の大きさおよびその方向、すなわち、プラズ
マ中のイオンの速度およびその方向を精度良く制御で
き、よって半導体ウェハ13の表面に対するイオン、電
子等の入射角度を自由に制御できるものである。
【0039】次に、本発明の他の実施の形態について説
明する。
【0040】図6は第2の実施の形態に係るプラズマ処
理装置20の構成を表すものである。本実施の形態で
は、図1に示したプラズマ発生手段2として、マイクロ
波を用いた無電極放電により誘導電界を発生させ、これ
によりプラズマを発生させるようにしたものである。な
お、図2と同一構成部分については同一符号を付してそ
の説明を省略する。
【0041】本実施の形態に係るプラズマ処理装置20
は、チャンバ11の外部にマイクロ波(周波数2.45
GHz)を発生するマグネトロン21を設置すると共
に、このマグネトロン21から発生したマイクロ波をチ
ャンバ11内に導くための導波管22を配設したもので
ある。その他の構成は第1の実施の形態と同様であるの
で、その説明は省略する。
【0042】このプラズマ処理装置20においても、マ
グネトロン21から発生したマイクロ波によってチャン
バ11内には上記実施の形態のプラズマ処理装置10と
同様に高密度のプラズマPが発生する。そして、このプ
ラズマP中において、多相交流マグネット17および多
相交流インバータ電源18からなる水平電界発生手段3
(図1)によって、半導体ウェハ13の表面に、水平方
向の磁界が発生すると共に、この磁界が回転し、この回
転磁界により水平方向の回転電界EMAG が誘起されるこ
とは第1の実施の形態と同様である。また、その効果も
同様である。
【0043】なお、第2の実施の形態では、チャンバ1
1の外部に配設した多相交流マグネット17による磁界
がプラズマP中に発生するため、この磁界の強度がマイ
クロ波と適当な関係を満たすと、プラズマ中の電子が円
運動をする電子サイクロトロン共鳴(ECR)の現象が
生じる。この現象を利用することにより更にイオン化効
率が向上し、上記実施の形態に比べてより高密度のプラ
ズマを得ることができる。
【0044】図7は第3の実施の形態に係るプラズマ処
理装置30の要部構成を表すものである。本実施の形態
では、図1に示した水平電界発生手段3として、反転磁
界により水平方向の電界を誘起させる方法を適用してい
る。また、制御手段4においては反転磁界により誘起さ
れる反転電界の反転周期を制御する構成としたものであ
る。なお、図2と同一構成部分については同一符号を付
してその説明を省略する。
【0045】本実施の形態に係るプラズマ処理装置30
は、チャンバ11の外部に互いに対向させて一対のコイ
ル31a,31bを配置し、これらコイル31a,31
bに対して単相交流電源32により所定周期の交流電流
(数10Hz〜数KHz)を流すようにしたものであ
る。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
【0046】このプラズマ処理装置30においては、コ
イル31a,31bに交流電流(数10Hz〜数KH
z)を流すことにより、プラズマP中において、半導体
ウェハ13の表面に対して水平な方向に磁界(磁束密度
B)が発生すると共に、その方向が周期的に反転する。
そして、これら磁界を取り巻く方向に誘起電界Eが発生
し、この誘起電界Eも磁界に応じて反転する。これによ
り、半導体ウェハ13の表面上では水平方向の電界ETO
が周期的に反転する状態となる。従って、この電界ETO
にアンテナ14による高周波電界EPSを加えた水平方向
の電界EH (=EPS+ETO)を垂直方向の電界Ev(プ
ラズマシース電界)と合成させることにより、その合成
電界Ec(図2参照)の方向を所定角度をもって反転さ
せることができる。これによって、本実施の形態におい
ても第1の実施の形態と同様の効果を得ることができ
る。
【0047】図8は第4の実施の形態に係るプラズマ処
理装置40の要部構成を表すものである。本実施の形態
では、図1に示した水平電界発生手段3として、回転磁
界を利用して回転電界を誘起させる第1の実施の形態と
は異なり、回転磁界を利用することなく水平方向の回転
電界を直接誘起させる方法を適用している。また、制御
手段4においても回転電界の回転周期を直接制御する構
成となっている。なお、図2と同一構成部分については
同一符号を付してその説明を省略する。
【0048】本実施の形態に係るプラズマ処理装置40
は、図1に示した水平電界発生手段3を、チャンバ11
の外周部にそって所定の間隔で配設された複数(例えば
3個)の導波管41〜43と、これら導波管41〜43
各々を通じてチャンバ11内に同じ周波数で、かつ互い
に位相の異なる(例えば120度づつ異なる)マイクロ
波を供給するための3相マグネトロン44とにより構成
したものである。
【0049】このプラズマ処理装置40においては、導
波管41〜43各々を通じて3相マグネトロン44より
同じ周波数で、かつ互いに位相の異なるマイクロ波が供
給されることにより、図10に示したようにチャンバ1
1内のプラズマP中において、半導体ウェハ13の表面
に対して水平な方向に回転電界E(EDR)が発生する。
従って、この電界EDRにアンテナ14(図2参照)によ
る高周波電界EPSを加えた水平方向の電界EH (EDR
PS)を垂直方向の電界Ev(プラズマシース電界)と
合成させることにより、その合成電界EC の方向を所定
角度をもって回転させることができる。なお、本実施の
形態においては、制御手段4によって直接に回転電界の
回転周波数を制御すればよい。これによって、本実施の
形態においても第1の実施の形態と同様の効果を得るこ
とができる。
【0050】図9は第5の実施の形態に係るプラズマ処
理装置50の要部構成を表すものである。本実施の形態
では、図8に示した3相マグネトロン44の代わりに出
力電力の周波数を位相変化させることのできる高周波電
源を用いている。
【0051】本実施の形態に係るプラズマ処理装置50
は、図1に示した水平電界発生手段3を、チャンバ11
の外周部にそって所定の間隔で配設された複数(例えば
3個)の電極51〜53と、これら電極51〜53各々
に対して同じ周波数で、かつ互いに位相の異なる(例え
ば120度づつ異なる)高周波電力を供給するための高
周波電源(例えば周波数13.56MHz)54とによ
り構成したものである。高周波電源54の3つの端子5
4a〜54cはそれぞれチャンバ11の周囲に配設され
た電極51〜53の各端子51a〜53aに接続されて
いる。
【0052】このプラズマ処理装置50においては、電
極51〜53各々に対して高周波電源54より同じ周波
数で、かつ互いに位相の異なる高周波電力が供給される
ことにより、図10に示したようにチャンバ11内のプ
ラズマP中において、半導体ウェハ13の表面に対して
水平な方向に回転電界E(EDR)が発生する。従って、
この電界EDRにアンテナ14による高周波電界EPSを加
えた水平方向の電界EH (EDR+EPS)を垂直方向の電
界Ev(プラズマシース電界)と合成させることによ
り、その合成電界EC の方向を所定角度をもって回転さ
せることができることは第4の実施の形態と同様であ
る。
【0053】以上種々の実施の形態を挙げて本発明を説
明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるもので
はなく、その均等の範囲で種々変形可能である。例え
ば、プラズマ発生手段2、水平電界発生手段3としては
それぞれ上記実施の形態で示したもの以外の方法による
ものであってもよい。
【0054】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係るプラズ
マ処理装置によれば、処理室の外部から無電極放電によ
って処理室の内部に誘導電界を発生させると共に、この
プラズマ中において、被処理体の表面に対して水平方向
の電界を発生させ、この水平方向の電界を制御すること
によりプラズマ中のイオン等のプラズマ構成粒子の速度
およびその方向を制御するようにしたので、被処理体に
対する垂直方向の電界は、無電極放電により発生したプ
ラズマ自身によって被処理体との境界面に形成されるプ
ラズマシース電界のみとなり、水平方向の電界の大きさ
として比較的に大きなものを得ることができる。従っ
て、水平方向の電界と垂直方向の電界との合成電界の大
きさおよびその方向、すなわち、プラズマ中のイオン等
のプラズマ構成粒子の速度およびその方向を精度良く制
御することができる。よって、特に、半導体ウェハの表
面の平坦化、トレンチ溝、ビアホール、コンタクトホー
ル内の製膜やエッチングのためのベクトル制御、更には
これらトレンチ溝等の内壁の角度制御などを精度良く行
うことができ、半導体デバイスの微細化に対応した複雑
な加工処理が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るプラズマ処理
装置の機能構成を説明するためのブロック図である。
【図2】図1に示したプラズマ処理装置の具体的構成を
表す図である。
【図3】図2のプラズマ処理装置の要部の構成を一部破
断して表す斜視図である。
【図4】図2のプラズマ処理装置に用いられるアンテナ
の構成を説明するための側面図である。
【図5】図2のプラズマ処理装置の電界発生状態を説明
するための模式図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態に係るプラズマ処理
装置の構成を表す図である。
【図7】本発明の第3の実施の形態に係るプラズマ処理
装置の要部構成を表す図である。
【図8】本発明の第4の実施の形態に係るプラズマ処理
装置の要部構成を表す図である。
【図9】本発明の第5の実施の形態に係るプラズマ処理
装置の要部構成を表す図である。
【図10】図8のプラズマ処理装置における水平電界の
発生状態を説明するための図である。
【図11】先に提案したプラズマ処理装置の構成を表す
図である。
【符号の説明】
1…処理室、2…プラズマ発生手段、3…水平電界発生
手段、4…制御手段 10,20,30,40,50…プラズマ処理装置、1
1…チャンバ、13…半導体ウェハ、14…アンテナ、
16…高周波電源、17…多相交流マグネット、18…
多相交流電源、21…マグネトロン、22…導波管、3
1a〜31b…コイル、32…単相交流電源、41〜4
3…導波管、44…3相マグネトロン、51〜53…電
極、54…交流電源
───────────────────────────────────────────────────── 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 C23F 4/00 C23F 4/00 D G C H01L 21/203 H01L 21/203 S 21/205 21/205 21/3065 21/302 B

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部に被処理体が配置される処理室と、 この処理室の外部から前記処理室の内部に誘導電界を発
    生させることによりプラズマを発生させるプラズマ発生
    手段と、 このプラズマ発生手段により発生したプラズマ中におい
    て、前記被処理体の表面に対して水平な方向に電界を発
    生させる水平電界発生手段と、 この水平電界発生手段により発生した水平方向の電界を
    制御することにより前記プラズマ中のプラズマ構成粒子
    の速度およびその方向を制御するための制御手段とを備
    えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 【請求項2】 前記プラズマ発生手段は、前記処理室の
    外部に設置されると共に、前記処理室の内部に放電し誘
    導電界を発生させるための放電手段と、この放電手段に
    対して高周波電力を供給するための高周波電力供給手段
    とを含むことを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理
    装置。
  3. 【請求項3】 前記プラズマ発生手段は、前記処理室の
    外部に設置されたマイクロ波発生手段と、このマイクロ
    波発生手段により発生されたマイクロ波を前記処理室内
    に導き、前記処理室内に誘導電界を発生させる導波手段
    とを含むことを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理
    装置。
  4. 【請求項4】 前記水平電界発生手段は、前記被処理体
    の表面に対して水平な方向に磁界を発生させると共にこ
    の磁界を変化させ、この変化する磁界により前記被処理
    体の表面に対して水平方向に電界を発生させることを特
    徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置。
  5. 【請求項5】 前記水平電界発生手段は、前記被処理体
    の表面に対して水平な方向に磁界を発生させると共にこ
    の磁界を回転させ、この回転磁界により回転電界を発生
    させることにより前記被処理体の表面に対して水平方向
    に電界を発生させることを特徴とする請求項4記載のプ
    ラズマ処理装置。
  6. 【請求項6】 前記水平電界発生手段は、多相交流電源
    と、前記処理室の外周部に沿って配設されると共に前記
    多相交流電源からの電力供給を受けて前記処理室の内部
    の前記被処理体の表面に垂直な軸を中心にして水平方向
    に回転する回転磁界を発生させるための多相交流マグネ
    ットとを含むことを特徴とする請求項5記載のプラズマ
    処理装置。
  7. 【請求項7】 前記水平電界発生手段は、前記被処理体
    の表面に対して水平な方向に磁界を発生させると共にこ
    の磁界の方向を周期的に反転させることにより前記被処
    理体の表面に対して水平な方向に電界を発生させること
    を特徴とする請求項4記載のプラズマ処理装置。
  8. 【請求項8】 前記水平電界発生手段は、前記処理室の
    外周部にそって所定の間隔で配設された複数の電極と、
    これら電極各々に対して同じ周波数で、かつ互いに位相
    の異なる高周波電力を供給し、前記処理室内に回転電界
    を発生させるための高周波電力供給手段とを含むことを
    特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置。
  9. 【請求項9】 前記制御手段は、前記水平電界発生手段
    により発生した前記被処理体の表面に対して水平な方向
    の磁界の時間的変化の割合を制御することにより、垂直
    方向の電界との合成電界の大きさおよびその方向を制御
    し、前記プラズマ中のプラズマ構成粒子の速度およびそ
    の方向を制御することを特徴とする請求項4記載のプラ
    ズマ処理装置。
  10. 【請求項10】 前記制御手段は、前記水平電界発生手
    段により発生した前記被処理体の表面に対して水平な方
    向の回転磁界の回転周波数を制御することを特徴とする
    請求項9記載のプラズマ処理装置。
  11. 【請求項11】 前記制御手段は、前記水平電界発生手
    段により発生した前記被処理体の表面に対して水平な方
    向の磁界の反転周波数を制御することを特徴とする請求
    項9記載のプラズマ処理装置。
  12. 【請求項12】 前記制御手段は、前記水平電界発生手
    段により発生した前記被処理体の表面に対して水平な方
    向の回転電界の回転周波数を制御することにより、垂直
    方向の電界との合成電界の大きさおよびその方向を制御
    し、前記プラズマ中のプラズマ構成粒子の速度およびそ
    の方向を制御することを特徴とする請求項8記載のプラ
    ズマ処理装置。
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