JPH10255997A - 磁場増強型誘導結合平面プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 磁場増強型誘導結合平面プラズマは、複
数の矩形の窓13が上壁に形成され、基板を載置した基板
ホルダ12が配置される容器11と、この容器の中に高周波
電力を通過させ、各々が容器の内部に境界を与えるため
上記矩形の窓に配置される誘電体プレート14と、容器の
上壁に形成、ガス導入ポート15を有するガス供給チャン
ネル21と、容器の外側であって誘電体プレートの上方に
配置され、誘電体プレートを通して高周波電力を供給す
る導電性ロッド18と、上記容器の内部に所定の磁束パタ
ーンを発生させ、容器の外側に配置され、各々上記の導
電性ロッドのうちの隣り合う２つのものの間の中心に位
置する磁気的ロッド22とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁場増強型誘導結合平面
プラズマ発生装置に関し、特に、半導体産業において集
積回路でミクロン規模の素子を作るための化学的気相成
長（ＣＶＤ）あるいはエッチングを実行する高密度プラ
ズマ処理装置に用いられる磁場増強型誘導結合平面プラ
ズマ発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体産業の中における３００ｍｍシリ
コン基板（ウェハ）の進展に伴って、処理されるべき基
板の全面に渡って均一なプラズマ密度を持つ高密度プラ
ズマが大いに要求されている。この要求は、大きな寸法
のフラットパネルディスプレイが考えられるとき、より
強くなる。均一なプラズマ密度を持つ広い面積のプラズ
マに関し、当該要求を満たすために、今まで多くの異な
るプラズマ源の構成が提案されてきた。これらのプラズ
マ源の構成は、処理されるべき基板が配置される反応容
器において、広い面積に渡って高密度でかつ均一なプラ
ズマを実現することにより、プラズマ処理装置に適用さ
れてきた。

【０００３】従来のプラズマ源の構成の代表的な例を、
図８と図９と図１０に従って説明する。

【０００４】図８に示された第１例の反応容器２００
は、上部プレート２０１、底部プレート２０２、上部プ
レートと底部プレートの間に位置する円筒型側壁２０３
を備えている。上部プレートと底部プレートは金属で作
られ、これに対して、円筒型側壁は誘電体で作られてい
る。反応容器２００の内部には基板ホルダ２０４が底部
プレート２０２に近い低い位置に配置され、それらは電
気的に絶縁されている。ＣｕまたはＡｌで作られた高周
波（ｒｆ）コイル２０５は円筒型側壁２０３の周りに配
置されている。高周波コイル２０５は高周波電力源２０
６から高周波電力を供給される。一方、上部プレート２
０１と底部プレート２０２は共にアースされている。図
１１に示されるように、反応容器２００の半径は「Ｒ」
として示され、またその軸方向の長さは「Ｌ」として示
される。反応容器２００の構成によれば、基板が配置さ
れた基板ホルダ２０４の上方の空間に、円筒型側壁２０
３を通して高周波コイル２０５によって作られる誘導電
界に基づいて、プラズマが生成される。

【０００５】図９に示された第２例の反応容器３００
は、同様に、上部プレート３０１、底部プレート３０
２、円筒型側壁３０３を有している。この反応容器３０
０において、円筒型側壁と底部プレートは金属で作ら
れ、これに対して上部プレートは誘電体で作られる。反
応容器３００において、基板ホルダ３０４は底部プレー
ト３０２に近い低い位置に配置され、それらは電気的に
絶縁されている。ＣｕまたはＡｌで作られた渦巻き型平
面高周波コイル３０５が上部プレート３０１の上に配置
される。渦巻き型平面高周波コイル３０５は高周波電力
源３０６から高周波電力を供給される。この例におい
て、底部プレート３０２と円筒型側壁３０３はアースさ
れている。図９に示されるように反応容器３００の半径
は「Ｒ」として示され、軸方向の長さは「Ｌ」として示
されている。反応容器３００の構成によれば、同様に、
基板ホルダ３０４の上方の空間に、上部プレート３０１
を通して渦巻き型平面高周波コイル３０５によって作ら
れる誘導電界に基づいて、プラズマが生成される。

【０００６】他の構成として、図１０に示されるごと
く、プラズマ発生領域４０１と処理領域４０２を有した
反応容器４００がある。この反応容器４００では、プラ
ズマ発生領域４０１と処理領域４０２の各々の半径はお
互いに異なる。プラズマ発生領域４０１を形作る主チャ
ンバは誘電体で作られ、処理領域４０２を形作る下部チ
ャンバは金属で作られている。高周波電力源４０４に接
続された高周波コイル４０３は、プラズマ発生領域４０
１の円筒側壁の周囲に巻かれている。基板ホルダ４０５
は、処理領域４０２の低い位置に配置される。図１０に
おいて、前述した「Ｌ」と「Ｒ」が同様に示されてい
る。

【０００７】上記の反応容器２００，３００，４００で
誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）が生成される。誘導結合
型プラズマのプラズマ密度（ｎ₀ ）の限界は１０¹¹≦ｎ
₀ ≦１０¹³ｃｍ^-3の範囲にあり、当該プラズマ密度範囲
は高密度プラズマの領域に属する。これらのプラズマ
は、半導体産業で利用されるＣＶＤやエッチングのほと
んどにとって重要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のＩＣＰ源は、将
来のより微細な集積回路のプロセスを含む大部分の化学
的なプロセスにとって本質的な要求である高密度プラズ
マ環境を提供する。図８と図９に示された上記２つのＩ
ＣＰ源の構成はそれぞれ円筒型と平面型と呼ばれてい
る。これら２つの構成の各々は上記反応容器の直径また
はＲが増加するとき、不利な点を持つ。上記円筒型のＩ
ＣＰ源は半径Ｒが大きくなるにつれて半径方向のプラズ
マ密度の均一性が低下するという問題を持つ。平面型の
ＩＣＰ源では、半径Ｒが増加するとき、誘電体プレート
の強さが問題となる。

【０００９】上記の２つの構成のプラズマは、反応容器
の壁から数センチ以内で高周波電磁波が減衰するので、
反応容器の壁の近くで形成される。それ故に、大面積プ
ラズマを得るために半径Ｒを増加することは、例えば円
筒型コイルの構成で１５ｃｍを越えることは、中心での
プラズマ密度を減少させることになる。このことが反応
容器のＲの増加を制限する。以上の理由により、ＩＣＰ
の円筒型コイルの構成は高アスペクト比の装置として用
いられる。すなわち図１０に示されるようにＬがＲより
非常に大きくなり（Ｌ＞＞Ｒ）、プラズマ生成領域４０
１を形成する小径のチャンバからプロセス領域４０２を
形成するより大きな直径のチャンバへとプラズマが流れ
る。しかしながら、この構成において、Ｌは大面積プラ
ズマを得るためには増加されなければならない。Ｌの増
加は、プロセスチャンバにおいてプラズマ密度を相当に
低下させるので、ＣＶＤプロセスやエッチングプロセス
の効率を低下させる原因となる。

【００１０】上記と対照的に、平面型コイルの構成によ
れば、平面型高周波コイル３０５の面に平行な方向に比
較的に均一な密度分布が得られる。大面積プラズマを得
るためには、平面型高周波コイル３０５の下に存在する
誘電体上部プレート３０１の半径は増加されなければな
らない。誘電体上部プレートの半径の増加に伴って、当
該上部プレートの材質が金属ほどは強くないので、反応
容器３００の外側と内側の間の圧力差に耐え得るには、
誘電体上部プレート３０１の厚みも同様に増加されなけ
ればならない。誘電体上部プレート３０１の厚みの増大
は、プラズマ生成効率の低下の原因となる。

【００１１】前述の問題を考慮にいれるとき、上記の円
筒型コイルの構成あるいは平面型コイルの構成を用いる
ことなく大面積に渡ってＩＣＰを発生させるための装置
が重要になる。

【００１２】本発明の目的は、半導体産業で用いられる
大面積基板の化学的気相成長とエッチングにとって、誘
導型結合機構と磁界による電子の閉じ込めとの組み合わ
せによってより大きな面積に渡って均一なプラズマ密度
を持つ高密度プラズマを生成できる磁場増強型誘導結合
平面プラズマ発生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】磁場増強型誘導結合平面
プラズマは、前述の目的を達成するため、複数の矩形の
窓が上壁に形成され、基板を載置した基板ホルダが配置
され、そして当該基板の上に平面プラズマが生成される
容器と、この容器の中に高周波電力を通過させ、各々が
容器の内部に境界を与えるため上記矩形の窓に配置され
る誘電体プレートと、容器の上壁に形成、ガス導入ポー
トを有するガス供給チャンネルと、容器の外側であって
誘電体プレートの上方に配置され、誘電体プレートを通
して高周波電力を供給する導電性ロッドと、上記容器の
内部に所定の磁束パターンを発生させるため、容器の外
側に配置され、各々上記の導電性ロッドのうちの隣り合
う２つのものの間の中心に位置する磁気的ロッドとから
構成される。

【００１４】前述の装置によれば、導電性ロッドは誘電
体プレートを通して平面プラズマを発生するための電力
を供給し、導電性ロッドの近くに所定磁場を作るための
複数の磁気的ロッドの配置にすることにより、プラズマ
密度は高密度になる。

【００１５】上記の構成において、矩形の窓と導電性ロ
ッドは互いに平行である。

【００１６】上記の構成において、隣り合う磁気的ロッ
ドはいかなるものも、容器の内部に向かう側において、
相対する磁極を持つ。

【００１７】上記の構成において、ガス供給チャンネル
は、上記２つの導電性ロッドの中心位置の近くに存在す
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、添付された図面に従って
好ましい実施形態が説明される。この実施形態の説明を
通して、本発明の詳細が明らかにされるであろう。

【００１９】図１はプラズマ生成装置の外観と内部構造
を部分的に示す代表的実施形態の部分的模式図である。
さらに図２はプラズマ生成装置の断面図を示し、そして
図３は拡大された詳細な垂直断面斜視図（透視図）を示
す。このプラズマ生成装置は、プラズマによって基板を
処理するためのプラズマ処理装置に用いられる。容器１
１は反応容器、すなわちプラズマが生成され、このプラ
ズマによって基板が処理されるプロセスチャンバを形作
る。容器１１は例えばステンレス鋼のごとき金属で作ら
れている。基板は容器１１に配置された基板ホルダ１２
の上に載置される。プラズマは容器１１内の基板ホルダ
１２の上方の領域に生成される。

【００２０】容器１１の外側の大きさは重要な問題では
なく、外側の大きさは、長さＬにおいて５０ｃｍから１
００ｃｍの範囲にあり、幅Ｗにおいて５０ｃｍから１０
０ｃｍの範囲にあり、そして高さＨにおいて２０ｃｍか
ら５０ｃｍの範囲にあることが好ましい。

【００２１】容器１１の上壁は複数の矩形形状の窓１３
を有し、それらは容器１１の幅方向に沿って互いに平行
である。矩形の窓１３の数は重要な問題ではなく、好ま
しい数は、容器１１の大きさとアプリケーションのタイ
プに依存して４から１０の数である。図１と図２に示さ
れた実施形態において、例えば、６個の矩形の窓１３が
存在する。矩形の窓１３の幅の長さは重要なことではな
く、好ましくは３ｃｍから１０ｃｍの範囲にある。矩形
の窓１３の長さは容器１１の幅Ｗと同じである。

【００２２】矩形の窓１３の各々は誘電体プレート１４
を備え、この誘電体プレート１４は、図２と図３におい
て明らかに示されるように、窓の縁部で支持され、当該
縁部に固定されている。これらの矩形の窓１３は、矩形
の窓１３と同等の大きさを有する誘電体プレート１４に
よって、その外側から覆われている。

【００２３】容器１１の上壁は複数の矩形の窓１３を持
っているので、当該上壁には金属ストリップ（metal st
rips：細長い金属部分または片状の金属部分）１１ａが
存在し、金属ストリップの各々は矩形の窓１３の間に存
在する。金属ストリップ１１ａの各々はガス導入ポート
（ガスを導入するための口部）１５とガス供給チャンネ
ル（ガスを供給する通路）２１を有している。加えて、
容器１１はその底壁１７にガス排出ポート（ガスを排出
する口部）１６を有している。ガス排出ポート１６は、
基板の表面上でのガス流パターンあるいは他の実際的な
利便性を考慮することによって、容器１１の側壁に配置
しても良い。

【００２４】複数の導電性ロッド１８が容器１１の上壁
の外側に配置される。導電性ロッド１８の各々は、対応
する誘電体プレート１４の中心位置にて、誘電体プレー
ト１４の長軸に平行になるように配置されている。導電
性ロッド１８は、例えば銅のごとき金属で作られてい
る。導電性ロッド１８は誘電体プレート１４に接触させ
ても良いし、あるいは誘電体プレート１４の上方にてお
よそ数ｃｍ離して、好ましくは２ｃｍよりも小さい距離
に離して配置しても良い。導電性ロッド１８の長さは容
器１１の幅と同等である。導電性ロッド１８の一方の端
部は、整合回路２０を通して高周波（ｒｆ）電力源に接
続されており、他方の端部は接地されている。この実施
形態によれば、導電性ロッド１８は外径が、例えば５ｍ
ｍから２０ｍｍの範囲に含まれる値をとる円形断面を有
している。また代わりに、例えば導電性ロッド１８とし
て偏平でかつ薄い棒状部材を用いることもできる。

【００２５】高周波電源１９は、各導電性ロッド１８に
対し、それらを電力供給部として駆動するための高周波
（ｒｆ）電力を供給する。導電性ロッド１８は一般的に
プラズマ処理装置の動作時において用いられる。高周波
電源１９は、通常、約１３．５６ＭＨｚから１００ＭＨ
ｚの範囲における周波数で作動し、代表的には１３．５
６ＭＨｚの周波数で作動させる。高周波電源１９は、通
常、低いインピーダンス、例えば代表的に約５０オーム
を持ち、そして約１〜８０アンペアの電流を生成するこ
とができる。高周波電源１９の出力は整合回路２０を通
して導電性ロッド１８に供給される。

【００２６】上述の誘電体プレート１４は、上壁におけ
る矩形の窓１３の形に相当する矩形の形を持っている。
誘電体プレート１４の厚みは重要なことではなく、好ま
しくは容器１１の内側と外側の間の差圧に耐えるに十分
となるように、選択されている。好ましくは、石英が誘
電体プレート１４の材質として用いられる。誘電体プレ
ート１４のための他の物質としてセラミック材が特に用
いられる。誘電体プレート１４は容器１１の内部を外部
から隔離し、かつ導電性ロッド１８の回りに生成される
磁場の侵入を可能とする。矩形の誘電体プレート１４の
幅は相対的に小さいので、より薄い誘電体プレートを用
いることができる。それ故に、従来の平面型のＩＣＰで
用いられたより厚い誘電体プレートの場合に比較して、
高周波電力のより高い割合の部分が、容器１１の内部空
間に伝えられる。このことは、誘電体物質が、導電性ロ
ッド１８から容器１１の内部へ伝送される高周波の電気
的エネルギの一部を吸収するからである。

【００２７】ソースガスが、内部の導入ポート１５と上
壁の金属ストリップ１１ａに形成されたガス供給チャン
ネルを通って、容器１１の中に供給される。ガス導入ポ
ート１５とガス供給チャンネル２１は金属ストリップ１
１の中心位置近くに形成される。ガス導入ポートの配置
は基板表面の上で均一なガス流パターンを提供し、この
均一なガス流パターンが基板表面に全面に渡って均一な
反応速度を導くことができる。導入ポートの配置に基づ
く当該特徴は、特に、ＣＶＤプロセスにとって重要であ
る。しかしながら、ガス導入ポートの他の配置、基板表
面上で均一なガス流速を提供することのできる配置を選
択することもできる。金属ストリップ１１ａ内のガス供
給チャンネル２１は直線的形状となるように形成され
る。ガス導入ポート１５を通して容器１１内に供給され
るガスは、ガス供給チャンネル２１からガス導入ポート
１５へ流れる。ガス導入ポート１５の方向は、この実施
形態では、好ましくはまっすぐ下方である。しかしなが
ら、容器１１の内部で、ガスの流れを循環流もしくは乱
流のパターンとするために、角度を有するガス導入ポー
トを作ることもできる。容器１１へのガス流速は周知の
マスフローコントローラ（図示されず）によって制御さ
れ、容器１１の内部圧力はガス排出ポート１６に配置さ
れた周知の可変オリフィス（図示されず）によって調整
される。容器１１の内部圧力は好ましくは１mTorr から
１００mTorr の範囲内にある。

【００２８】さらに容器１１の上壁において、磁気的ロ
ッド２２が金属ストリップ１１ａの各々の中心位置に配
置されている。誘電体プレート１４の各々は２つの磁気
的ロッド２２の間の中心位置に位置する。それ故に、磁
気的ロッド２２の本数は矩形の誘電体プレート１４の数
よりも一つだけ多い。いかなる２つの隣接する磁気的ロ
ッド２２の容器１１の内部に向う側は、相対する極性を
持っている。磁気的ロッド２２の幅と高さは重要なこと
ではなく、それぞれ、１ｃｍから５ｃｍの範囲、０．５
ｃｍから２ｃｍの範囲にあることが好ましい。磁気的ロ
ッド２２の長さは容器１１の幅Ｗと同等である。磁気的
ロッド２２は上壁の金属ストリップ１１ａに触れても良
いし、あるいは金属ストリップ１１ａの上方に好ましく
は３ｃｍより小さい距離で配置されてもよい。磁気的ロ
ッド２２と金属ストリップ１１ａの間の距離は、実際に
は、磁気的ロッド２２の強さとアプリケーションのタイ
プによって決定される。磁気的ロッド２２によって生成
される磁束の強さは導電性ロッド１８の下側で５０〜５
００ガウス(Gauss) の範囲に含まれる磁場を持つように
選択される。図４は、磁束３０のパターンを示してい
る。磁束を表す線は、磁場の方向に垂直になるように存
在するため、プラズマ中の電子はサイクロトン回転を行
う。上壁の上側にある磁束線は、図４において省略され
ている。

【００２９】図５は、前述の７本の磁気的ロッド２２の
周りの、コンピュータでシミュレートされた磁束３１を
示している。シミュレートされた磁束のために用いられ
た磁気的ロッドの強さは６５０ｋＡ／ｍ（Ｂｒ＝８．５
kGauss ）である。当該シミュレーションのために用い
られた磁気的ロッドの幅と高さはそれぞれ例えば１０ｍ
ｍと６ｍｍである。磁気的ロッドの長さはシミュレーシ
ョンの目的に即して無限であるとして考えられている。
磁気的ロッドが配置されるステンレス製の平板の厚みは
２ｃｍとして扱われている。図６は２つの磁気的ロッド
２４の周りの磁束線の拡大図を示し、そして図７は磁気
的ロッド２４の水平なセンタ線２５に垂直に位置する２
つの磁気的ロッド２４の垂直センタ線２３における磁束
密度の変化を示す。磁束密度は磁気的ロッド２４の垂直
センタ線２３から２〜６ｃｍの領域においてより高くな
っている。図７は、同様にまた、水平センタ線２５から
１０ｃｍ離れた場所における磁場密度が約７ガウスであ
ることを指摘している。それ故に、基板表面上の磁束の
効果は無視できると考えられる。

【００３０】高周波電力が高周波電源１９から導電性ロ
ッド１８へ供給されるとき、導電性ロッド２４の軸に対
して垂直な環状の磁場が生成される。生成された磁場は
誘電体プレート１４を通って容器１１に伝播する。磁場
の方向は、適用される高周波の周波数と共に変化するの
で、交番電場が容器１１の内部に生成される。この交番
電場によって活性化される電子は、ガスの分子や原子を
分解し、イオン化し、その結果プラズマを発生する。プ
ラズマは初期に導電性ロッド１８の下に生成され、そし
てその後他の領域に拡散する

【００３１】図４は、容器１１の上壁の金属ストリップ
１１ａの中心位置に配置された磁気的ロッド２２によっ
て生成された磁束の方向を示す。当該磁束の方向は交番
電場の方向に垂直であるので、プラズマ中の電子は、衝
突の間の区間では螺旋状の軌跡をとる。このことは磁場
が存在しない場合におけるそれらよりもより長い行程、
そして高いイオン化効率をもたらす。それ故に、金属ス
トリップの上に配置された磁気的ロッドの総合的な効果
は、磁気的ロッドを備えない場合に比較してプラズマ密
度が増加するということである。

【００３２】

【発明の効果】本発明による装置は、誘電体プレートの
周りに巻かれた高周波コイルを用いず、かつプラズマソ
ースチャンバの１つの壁として大面積の誘電体プレート
を用いないプラズマ生成チャンバを備えている。その代
わりに、容器上壁に作られた矩形の窓に存在する矩形の
誘電体プレートの上に導電性ロッドが配置される。高周
波電力は矩形の誘電体プレートを通ってプラズマ生成チ
ャンバの中に伝送される。プラズマ生成チャンバの大き
さは、上壁での矩形の窓の数の増加によって増加さるこ
とになる。さらに、矩形の窓の間の距離を小さくするこ
とによって、上壁からより近い距離の場所に均一のプラ
ズマが得られる。磁場の応用はパーティクルの制限と高
密度プラズマを作るイオン化効率を高める。

【図面の簡単な説明】

【図１】この図はプラズマ生成装置の外観と内部構造を
部分的に示す代表的実施形態の部分的模式図である。

【図２】この図は図１に示したプラズマ生成装置の断面
図を示す。

【図３】この図は矩形の窓の拡大垂直断面斜視図を示
す。

【図４】この図は磁気的ロッドによって生成された磁束
の方向を示す。

【図５】この図は互いに１０ｃｍの距離で配置された磁
気的ロッドの周りの、コンピュータでシミュレイトされ
た磁束を示す。

【図６】この図は図５に示された２つの隣接する磁気的
ロッドの周りの磁束の拡大図を示す。

【図７】この図は図６に示したいかなる２つの隣接する
磁気的ロッドの垂直なセンタ線に沿う磁束密度の変化を
示す。

【図８】この図はヘリックス型高周波コイルを備えた従
来の円筒形の構成を有する誘導結合型プラズマ源を示
す。

【図９】この図は平面ヘリックス高周波コイルを備えた
従来の円筒型に構成された誘導結合型プラズマ源を示
す。

【図１０】この図は、プラズマが小径ソースチャンバで
生成され大径プロセスチャンバに送られる従来の誘導的
な状態のプラズマ源の模式的解説図を示す。

【符号の説明】

１１ 容器 １２ａ 金属ストリップ １２ 基板ホルダ １３ 矩形の窓 １４ 誘電体プレート １５ ガス導入ポート １６ ガス排出ポート １８ 導電性ロッド １９ 高周波（ｒｆ）電源 ２０ 整合回路 ２１ ガス供給チャンネル ２２ 磁気的ロッド

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上壁に形成された複数の矩形の窓を備
   え、内部に、基板が搭載された基板ホルダが配置され、
   前記基板の上方に平面プラズマが生成される容器と、 前記容器の内部を区切るため前記矩形の窓に配置され、
   前記容器内に高周波電力を通す誘電体プレートと、 前記容器の上壁に形成され、ガス導入ポートを備えたガ
   ス供給チャンネルと、 前記容器の外側であって前記誘電体プレートの上方に配
   置され、前記誘電体プレートを通して前記容器の中に前
   記高周波電力を供給する導電性ロッドと、 前記容器の外側に配置され、隣り合う２つの前記導電性
   ロッドの間の中心に位置し、前記容器の内部に所定の磁
   束パターンを作る磁気的ロッドと、 から構成されることを特徴とする磁場増強型誘導結合平
   面プラズマ発生装置。
2. 【請求項２】 前記矩形の窓と前記導電性ロッドは互い
   に平行であることを特徴とする請求項１記載の磁場増強
   型誘導結合平面プラズマ発生装置。
3. 【請求項３】 隣り合う磁気的ロッドは、どれも、前記
   容器の内部に面している側で反対の磁極を持つことを特
   徴とする請求項１記載の磁場増強型誘導結合平面プラズ
   マ発生装置。
4. 【請求項４】 前記ガス供給チャンネルは２つの前記導
   電性ロッドの間の中心位置の近くに存在することを特徴
   とする請求項１記載の磁場増強型誘導結合平面プラズマ
   発生装置。