JPH10229073A - プラズマ処理方法、プラズマ処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料に対してダメージを与えることなく均一
なプラズマ処理を行うこと。 【解決手段】 試料（１０）と真空容器（１２，１４）
の内壁との間に所定の磁界を形成して、真空容器（１
２，１４）の内壁側へのプラズマの拡散を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品や半導体
素子の製造工程におけるエッチングや薄膜形成等の処理
をプラズマを利用して行うプラズマ処理技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ処理装置は、微量の反応ガスを
含む真空容器内にマイクロ波を導入し、当該真空容器内
でガス放電を生起させてプラズマを生成する。そして、
このプラズマを試料基板の表面に照射することによっ
て、エッチングや薄膜形成等の処理を行なう。このよう
なプラズマ処理装置は、高集積半導体素子の製造に欠か
せないものとして、その研究が進められている。特に、
プラズマの励起に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：El
ectron Cyclotron Resonace）を利用したＥＣＲプラズ
マ処理装置は、低ガス圧領域下で活性度の高いプラズマ
を生成できる装置として実用化されている。

【０００３】ところで、プラズマ処理装置における処理
品質の向上のためには、プラズマが試料の全範囲にわた
って均等な密度を有することが重要である。特に、近年
開発の進んでいる直径１２インチの半導体ウエハのよう
に試料の処理面積が大きくなると、その試料上における
プラズマ（イオン）の強度分布を均一に保つことが今ま
で以上に重要となる。しかしながら、試料上でのプラズ
マの均一性を保つことは困難であった。例えば、試料に
向かって磁界の強度が適当な勾配を持って弱くなる発散
磁界を利用して真空容器内で生成されたプラズマを試料
に照射するような構成を採る場合には、試料の処理面上
での磁束密度の分布が一様でなくなる。また、真空容器
内のプラズマは、基本的には真空容器内の磁場（発散磁
界）に拘束されて試料上に照射されるが、試料の外周部
分では真空容器の内壁方向に拡散の影響が顕著になるた
め、試料上でのプラズマは均一にならない。

【０００４】試料上のプラズマ粒子の分布が不均一であ
ると、試料上において高イオン密度領域と低イオン密度
領域とが形成されるため、エッチング処理においては、
処理速度均一性又は異方性を悪化させる等の不都合が生
じる。また、試料上で電位差が生じて電流が流れ、当該
試料上に形成される半導体素子を破壊するという事態も
生じかねない。一方、ＣＶＤ処理においては、半導体基
板上に生成される膜厚の偏りなどが生じて均一な成膜が
困難になる。そして、半導体基板のプラズマ処理が均一
に行われない場合には、最終的に製造される半導体装置
の性能が劣化してしまう。

【０００５】このため、従来においては、特公平６−４
０５４２、特開平６−２１０６４６、特開平１−２２２
４３７に示されているように、プラズマの輸送方向に対
する試料の後方に永久磁石を配置し、試料台上の磁束密
度分布を均一にすることにより、プラズマの均一性の向
上を図っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の方法では、プラズマ生成用のコイルにより
真空容器内に形成される磁場を試料上で強制的に制御し
ているため、種々の問題点が発生した。例えば、試料の
外周部下方（後方）に磁石を配置した場合には、試料の
外周部に比べて試料中央部でプラズマの発散が大きくな
ってしまう。その結果、試料中央部で荷電粒子が加速さ
れ、試料にダメージを与える原因となっていた。また、
試料表面に向かう磁束が極所的に曲げられるため、磁束
密度すなわちプラズマ密度が不均一となってしまう。更
に、試料（試料台）に対して高周波バイアス（ＲＦバイ
アス）を印加した時に、プラズマのインピーダンスが空
間的に不均一となり、試料に印加されるＲＦバイアスが
不均一となる。このような種々の問題が、試料の均一な
処理の妨げとなっていた。

【０００７】本発明は上記のような状況に鑑みてなされ
たものであり、試料へのダメージを最小限に抑えつつ均
一なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理方法
を提供することを第１の目的とする。

【０００８】また、試料へのダメージを最小限に抑えつ
つ均一なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理
装置を提供することを本発明の第２の目的とする。

【０００９】更に、半導体基板へのダメージを最小限に
抑えつつ均一なプラズマ処理を行うことで、高品質な半
導体装置の製造に寄与する半導体装置の製造方法を提供
することを本発明の第３の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の態様にかかるプラズマ処理方法にお
いては、試料（１０）と真空容器（１２，１４）の内壁
との間に所定の磁界を形成して、真空容器（１２，１
４）の内壁側へのプラズマの拡散を抑制する。

【００１１】本発明の第２の態様にかかるプラズマ処理
装置は、試料（１０）と真空容器（１２，１４）の内壁
との間において、真空容器（１２，１４）の内壁側に拡
散するプラズマをトラップするための磁界を形成する磁
界形成手段（４４）を備えている。本発明においては、
試料（１０）に高周波電力を印加する電力供給手段（４
８）を備えた場合に特に有効である。また、磁界形成手
段としては、試料（１０）と真空容器（１２，１４）の
内壁との間に配置された永久磁石（４４）を使用するこ
とができる。そして、好ましくは、永久磁石（４４）
は、真空容器（１２，１４）の内壁の影響を受けないよ
うに、当該内壁から所定の間隔をもって配置する。更
に、永久磁石（４４）による磁界によって試料（１０）
上でのプラズマの密度が低下しないように、試料（１
０）から所定の間隔をもって配置する。また、永久磁石
は、試料（１０）の外周を囲むように、例えば、リング
状に形成することが望ましい。

【００１２】本発明の第３の態様にかかる半導体装置の
製造方法においては、半導体基板（１０）と真空容器
（１２，１４）の内壁との間に所定の磁界を形成して、
真空容器（１２，１４）の内壁側に拡散するプラズマを
トラップする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て実施例を用いて説明する。以下に示す各実施例は、半
導体装置の製造工程の一部であるシリコンウエハのプラ
ズマ処理に本発明の技術的思想を適用したものである。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の第１実施例にかかるプラズ
マ処理装置の構成を示す。本実施例のプラズマ処理装置
は、直径１２インチのシリコンウエハ１０に対してエッ
チング等の所定のプラズマ処理を行うものであり、プラ
ズマを生成する中空円筒形状のプラズマ生成室１２と、
プラズマ生成室１２に連通した反応室１４とを備えてい
る。本装置で処理される試料としては、直径１２インチ
のシリコンウエハ１０以外にも８インチのウエハ等、均
一なプラズマ処理が要求される各種の試料を対象とする
ことが出来る。プラズマ生成室１２の上部には、マグネ
トロン等のマイクロ波発振器（図示せず）に接続された
円形導波管１６が連結されており、マイクロ波（２．４
５ＧＨｚ）を円形導波管１６を介してプラズマ生成室１
２に導くようになっている。

【００１５】円形導波管１６とプラズマ生成室１２との
間には、マイクロ波導入窓２０が配置されている。マイ
クロ波導入窓２０は、石英ガラス等のマイクロ波透過物
質からなり、プラズマ生成室１２を気密に封止するよう
に設計されている。プラズマ生成室１２の外側には、円
形導波管１６の接続部を含み、これらを同心円状に囲む
様に３段のメインコイル２２，２４，２６が配置されて
いる。メインコイル２２，２４，２６の下方には、１段
のサブコイル２８が配置されている。これらのメインコ
イル２２，２４，２６とサブコイル２８は、マイクロは
導入方向の磁界を印加し、プラズマ生成室１２内にＥＣ
Ｒ条件を満たす磁束密度８７５ガウスの領域を形成す
る。

【００１６】メインコイル２２，２４，２６及びサブコ
イル２８は、制御部４２によって出力が制御される電流
供給部４０から必要な電流の供給を受けるようになって
いる。プラズマ生成室１２に連通された反応室１４内に
は、シリコンウエハ１０を静電吸着等の固定手段によっ
て保持する試料台３２が設置されている。試料台３２の
周囲には、シリコンウエハ１０と同心円となるように配
置されたリング状の永久磁石４４が備えられている。

【００１７】図２は、シリコンウエハ１０、試料台３２
及び永久磁石４４の位置関係を示す。また、図３は、シ
リコンウエハ１０の周辺に存在する磁界（磁束）の方向
を示す。永久磁石４４は、上側（プラズマ生成室１２
側）がＳ極、下側がＮ極となるように配置されており、
シリコンウエハ１０の外側において、メインコイル２
２，２４，２６及びサブコイル２８によって生じる発散
磁界５０に沿ってプラズマをトラップ（拡散を抑制）す
るようになっている。すなわち、反応室（真空容器）１
２の内壁１２ａの方向に逃げるプラズマを壁面に平行な
磁場でトラップする。

【００１８】一般的にプラズマは反応室１２の内壁１２
ａに接すると電子とイオンが再結合して消滅し、プラズ
マ密度がゼロとなってしまう。すなわち、プラズマ密度
は内壁１２ａに向かって減少するような勾配を持つこと
になる。従って、永久磁石４４が内壁１２ａに近すぎる
と、プラズマを十分にトラップすることができずに壁１
２ａ側に逃げてしまう。そこで、本実施例においては、
プラズマを十分にトラップでき且つ反応室内壁１２ａの
影響を受けないように、内壁１２ａから適当な間隔を持
って永久磁石４４を配置する。

【００１９】また、シリコンウエハ１０に対しても適当
な間隔で永久磁石４４を配置することが重要である。す
なわち、永久磁石４４の内側（試料台３２側）には磁石
４４の上面の磁場と逆向きの磁場（下から上に向かう磁
場）が形成され、シリコンウエハ１０上のプラズマ密度
を下げるように作用することがある。このような永久磁
石４４の内側の磁場は、当該磁石４４の上面での磁場に
比べれば比較的弱い磁場であるが、当該磁石４４を試料
台３２に近づけすぎるとシリコンウエハ１０（試料）の
端部でのプラズマ密度を低くする可能性がある。そこ
で、本実施例においては、逆方向（下から上）の磁場の
影響が出ないように、試料台３２に対して適当な間隔を
あけて永久磁石４４を配置する。

【００２０】反応室１４の側壁には、プラズマ生成室１
２及び反応室１４のガスを排気する排気管３４が設けら
れており、当該排気管３４からの真空排気によりプラズ
マ生成室１２と反応室１４を高真空状態に維持するよう
になっている。反応室１４には、プラズマ生成に必要な
反応ガスを供給するためのガス供給管３６が設けられて
いる。また、図示しないが、プラズマ生成室１２の周囲
にはクーラントパスが形成され、このクーラントパスを
循環する冷却水（クーラント）によってプラズマ生成室
１２を冷却するようになっている。

【００２１】図１に示す装置においては、一端がアース
された高周波電源４８が試料台３２に接続されており、
当該試料台３２にＲＦ電力を印加することによって、シ
リコンウエハ１０の表面近傍で生じる化学反応を促進で
きるように構成されている。これにより、薄膜成膜速度
の向上等、プラズマ処理の効率を向上させることが可能
となる。

【００２２】次に、本実施例の全体的な動作について説
明する。本実施例の装置を用いてシリコンウエハ１０上
に形成されたポリシリコン膜のエッチングを行う場合に
は、まず、処理対象となるシリコンウエハ１０を試料台
３２上に固定し、排気管３４からの真空排気により、プ
ラズマ生成室１２及び反応室１４の内圧を所定圧にまで
減圧する。次に、ガス供給管３６からプラズマ生成室１
２及び反応室１４内に反応ガス（Ｃｌ2／Ｏ2）を導入
し、プラズマ生成室１２及び反応室１４の内圧を１×１
０-3Torr 前後に保つ。

【００２３】その後、メインコイル２２，２４，２６及
びサブコイル２８の通電によりプラズマ生成室１２の内
部に磁界を形成すると共に、円形導波管１６からマイク
ロ波導入窓２０を経てプラズマ生成室１２内にマイクロ
波を導入する。このマイクロ波は、周波数ｆ=２．４５
ＧＨｚ（波長λ=約１２．２ｃｍ）、パワー１０００Ｗ
に設定されている。

【００２４】プラズマ生成室１２内にマイクロ波が導入
されると、ＥＣＲ面１００において反応ガスを共鳴励起
し、プラズマを生成する。メインコイル２２，２４，２
６及びサブコイル２８により形成される磁界は、反応室
１４側に向かうに従って磁束密度が低下する発散磁界で
あり、プラズマ生成室１２で生成されたプラズマは、こ
の発散磁界の作用により反応室１４に引き出され、試料
台３２上のシリコンウエハ１０表面に照射されて、エッ
チングが行われる。上述したように、メインコイル２
２，２４，２６及びサブコイル２８によって生じる発散
磁界５０に沿って照射されるプラズマが、永久磁石４４
による磁界によってトラップされるため、反応室（真空
容器）１４の内壁１４ａに向かうプラズマを大幅に減少
させることができる。また、シリコンウエハ１０上にお
いては磁界の急激な変化が生じることが無く、シリコン
ウエハ１０上でのプラズマ密度の局所的な変化を引き起
こすこともない。

【００２５】一方、本実施例の装置を用いてシリコンウ
エハ１０への薄膜形成を行う場合には、以上の各手順に
加え、ガス供給管３６を経て所定の原料ガスを導入し、
当該ガスにより生成されたプラズマをシリコンウエハ１
０に照射する。これによりシリコンウエハ１０の表面に
は、原料ガスの反応により生成される物質の薄膜が形成
される。このような薄膜形成においても、均等な密度を
有するプラズマが生成され、シリコンウエハ１０の表面
に形成される薄膜の膜厚分布が均等化される。その結
果、最終的に製造される半導体装置の品質、性能が向上
する。ここで、半導体装置としては、トランジスタのよ
うな半導体素子自体や、ＲＡＭ等の完成された半導体デ
ィバイス等を含むものとする。

【００２６】図４は、本実施例の永久磁石４４を使用し
た場合と、使用しない各状況におけるシリコンウエハ１
０上のイオン電流密度の分布を示す。図４に示すデータ
は、電力１．０ｋＷのマイクロ波を使用し、プラズマ生
成室１２及び反応室１４の圧力を３mTorrに保ち、６０s
ccmのアルゴン（Ａｒ）ガスを使用して作業を行った結
果である。図４から判るように、シリコンウエハ１０の
中心付近（中心からのが距離０ｍｍ付近）での両者のイ
オン電流密度に大きな違いは存在しないが、中心から離
れた位置においては、永久磁石４４を使用しない場合に
はイオン電流密度がかなり低下している。すなわち、永
久磁石４４を使用した場合には、当該磁石を使用しない
場合に比べてイオン電流密度の均一性が優れている。

【００２７】また、半径１００mm の領域内でのイオン
電流均一性は、永久磁石使用の場合が１．２％、永久磁
石を使用しない場合が１６．５％となった。また、半径
１５０mm の領域内でのイオン電流均一性は、永久磁石
使用の場合が５．０％、永久磁石を使用しない場合が２
８．０％となり、処理領域が大きくなる程その差が顕著
となった。つまり、本実施例は処理面積の大きな試料、
例えば直径１２インチの半導体ウエハ等の処理において
特に顕著な効果を示すことが判る。更に、本実施例に依
れば、イオン電流の均一性のみならず、シリコンウエハ
１０（試料）上におけるイオン電流の絶対値も高く、処
理の均一化に加えて処理の高速化を図ることもできる。

【００２８】また、本実施例のプラズマ処理装置におい
ては、高周波電源４８からＲＦ電力（バイアス）を試料
台３２に印加した場合にも、磁界の発散が局所的に大き
く異なることがないため、プラズマのインピーダンスが
空間的に不均一となることもなく、試料に印加されるＲ
Ｆバイアスの均一化を図ることができる。その結果、処
理試料であるシリコンウエハ１０に対してより均一な処
理を行うことが可能となる。

【００２９】図５は、本発明の第２実施例にかかるプラ
ズマ処理装置の構成を示す。本実施例は、図１に示す第
１実施例のプラズマ処理装置と多くの構成が共通であ
り、同一又は対応する構成要素には同一の符号を付し、
重複した説明は省略する。本実施例は、シリコンウエハ
１０の試料台３２内に他の永久磁石６０を配置したもの
であり、先に説明した永久磁石４４と共用することによ
って、上記第１実施例に対して更に良好な効果を得よう
とするものである。すなわち、プラズマ生成室１２から
反応室１４に向かう発散磁界が、試料台３２の後方の永
久磁石６０から発生する磁界の影響を受けて、試料（シ
リコンウエハ１０）近傍で発散性が抑制される。更に、
試料台３２を囲む永久磁石４４によって、反応室内壁１
４ａへのプラズマの拡散を抑制する。なお、本実施例に
おいては、永久磁石６０と永久磁石４４の磁場の影響範
囲が空間的に重複するため、その点を十分に考慮して両
磁石（４４，６０）を設計及び配置する。

【００３０】図６は、本発明の第３実施例にかかるプラ
ズマ処理装置に使用される永久磁石５２ａ，５２ｂ，５
２ｃ，５２ｄの構成を示す。本実施例の永久磁石５２
ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄは、第１実施例のリング状
永久磁石４４（図２参照）を４分割したものであり、永
久磁石４４と同様に試料台３２の周囲を囲むように配置
する。

【００３１】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に示された本発明の技術的思想とし
ての要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、試料台３２と反応室（真空容器）１４の内壁１
４ａとの間に配置される永久磁石の形状は、上述した実
施例のようにリング状や円弧状に限らず、同様の作用効
果を奏するものであれば種々の形状が適用可能である。
また、試料台３２周辺のプラズマをトラップする磁界を
発生する手段としては、永久磁石に限らず電磁石を使用
することも可能である。電磁石を利用することにより、
磁場のオン／オフを容易に行うことができ、プロセス及
びメンテナンスの面でのメリットがある。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、試
料（１０）と真空容器（１２，１４）の内壁との間に磁
界を形成して、真空容器（１２，１４）の内壁側へのプ
ラズマの拡散を抑制しているため、試料に対してダメー
ジを与えることなく均一なプラズマ処理を行うことがで
きるという効果がある。すなわち、試料上での磁場の発
散具合の不均一性による荷電粒子の加速によって、試料
にダメージを与えることがない。また、試料（試料台）
に対して高周波バイアス（ＲＦバイアス）を印加した時
にも、プラズマのインピーダンスの空間的均一性を損な
うこともなく、試料に印加されるＲＦバイアスが均一と
なる。そして、最終的には、本発明のプラズマ処理方法
によって製造された半導体装置の品質が向上することに
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例にかかるプラズマ
処理装置の概略構成を示す概念図である。

【図２】図２は、図１に示すプラズマ処理装置における
試料台近傍の構成を示す平面図である。

【図３】図３は、第１実施例の作用（現象）を説明する
ための説明図であり、試料台近傍の磁束の方向を示す。

【図４】図４は、第１実施例の効果を説明するための参
考図（グラフ）であり、本実施例と比較例のそれぞれの
場合での半導体基板上でのイオン電流密度の分布を示
す。

【図５】図５は、本発明の第２実施例にかかるプラズマ
処理装置の概略構成を示す概念図である。

【図６】図６は、本発明の第３実施例にかかるプラズマ
処理装置に使用される永久磁石及びその周辺の構成を示
す平面図である。

【符号の説明】

１０・・・シリコンウエハ（試料） １２・・・プラズマ生成室 １４・・・反応室 ２２，２４，２６・・・メインコイル ２８・・・サブコイル ４４，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ・・・永久磁石 ４８・・・高周波電源

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器内に配置された試料に対してプラ
   ズマを照射することにより、当該試料に対して所定の処
   理を施すプラズマ処理方法において、 前記試料と前記真空容器の内壁との間に所定の磁界を形
   成して、前記真空容器の内壁側へのプラズマの拡散を抑
   制することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】真空容器内に配置された試料に対してプラ
   ズマを照射することにより、当該試料に対して所定の処
   理を施すプラズマ処理装置において、 前記試料と前記真空容器の内壁との間において、前記真
   空容器内壁側へのプラズマの拡散を抑制するための磁界
   を形成する磁界形成手段を備えたことを特徴とするプラ
   ズマ処理装置。
3. 【請求項３】前記試料に高周波電力を印加する電力供給
   手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載のプラズ
   マ処理装置。
4. 【請求項４】前記磁界形成手段は、前記試料と前記真空
   容器の内壁との間に配置された永久磁石であることを特
   徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】前記永久磁石は、前記真空容器の内壁に向
   かって低下するプラズマ密度勾配の影響を受けないよう
   に、当該内壁から所定の間隔をもって配置されているこ
   とを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】前記永久磁石は、当該永久磁石による前記
   真空容器内の発散磁界と逆向きの磁界によって前記試料
   上のプラズマ密度が低下しないように、前記試料から所
   定の間隔をもって配置されていることを特徴とする請求
   項４又は５に記載のプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】前記永久磁石は、前記試料の外周を囲むよ
   うに配置されていることを特徴とする請求項４、５又は
   ６に記載のプラズマ処理装置。
8. 【請求項８】前記永久磁石は、リング状に形成されてい
   ることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理装
   置。
9. 【請求項９】真空容器内に導入されたマイクロ波による
   電子サイクロトロン共鳴によってプラズマを生成し、当
   該プラズマを用いて前記真空容器内に配置された半導体
   基板に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置におい
   て、 前記電子サイクロトロン共鳴を励起するために前記真空
   容器内に磁場を印加する電磁コイルと；前記半導体基板
   と前記真空容器の内壁との間において当該半導体基板を
   囲むように配置され、前記電磁コイルの磁場によって生
   じる発散磁界により前記半導体基板に照射されるプラズ
   マのうち前記真空容器内壁側へのプラズマの拡散を抑制
   するための磁界を形成するリング状の永久磁石と；前記
   半導体基板に対して高周波電力を印加する電力供給手段
   とを備えたことを特徴とするＥＣＲプラズマ処理装置。
10. 【請求項１０】真空容器内に配置された半導体基板に対
    してプラズマを照射することにより、当該半導体基板に
    対して所定の処理を施す工程を含む半導体装置の製造方
    法において、 前記半導体基板と前記真空容器の内壁との間に所定の磁
    界を形成して、前記真空容器内壁側へのプラズマの拡散
    を抑制することを特徴とする半導体装置の製造方法。