JPH03158471A - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体デバイス製造工程における半導体基板の
ドライエツチング処理や、プラズマＣＶＤ処理などを行
うプラズマ処理装置に係り、特に高密度かつ均一なプラ
ズマを形成するに好適なマイクロ波プラズマ処理装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

半導体デバイスのプラズマ処理装置は、例えばドライエ
ツチング処理においては真空雰囲気としたプラズマ処理
室（以下、単に処理室と略称する）に処理ガスを導入し
てプラズマを形成し、処理ガスの電離や解離過程によっ
て化学的に反応性の高いイオンやラジカル（中性活性種
）を生成して。

これらの活性粒子が物理的あるいは化学的に作用して半
導体基板上の被処理膜の所望部分をエツチング除去して
デバイスパターンを形成するものである。このような装
置で、マスクパターンに忠実な、いわゆるサイドエツチ
ングの少ないエツチング処理を実現するためには、イオ
ンやラジカルの運動の指向性を増大する為に低圧力で処
理する必要がある。

また、処理速度の向上を図るためにはイオンやラジカル
の濃度を高める必要があり、このため低い処理ガス圧力
で高密度のプラズマを形成する必要が有る。

こうした必要性に応えるための技術の一つとして、マイ
クロ波を用いたプラズマ発生方式が有る。

マイクロ波を用いてプラズマを発生させる従来技術では
、処理ガスが低圧に保たれている処理室にマイクロ波を
導入しても、マイクロ波の電界強度が十分でないためプ
ラズマ中の電子に十分なエネルギが供給されず、また低
圧であるため電子のガス分子との衝突周波数が低いので
効率良くプラズマを発生させることが困難である。この
ため、マイクロ波を用いたプラズマ発生方式では、低い
ガス圧力で高密度プラズマを得るために、例えば特開昭
６３−１０３０８８号公報に記載のように、マイクロ波
を処理室に導入する直前で空洞共振器によりその電磁界
強度を強め、これを空洞共振器の処理室側の端面に設け
たスロットを介して処理室に導入して、高密度プラズマ
を形成するようにしたマイクロ波プラズマ処理装置が公
知である。

〔発明が解決しようとする課題〕

マイクロ波プラズマ処理の対象物である半導体基板は、
生産性向上のために大口径化される傾向にあり、１５０
φ、２００φのものが実用されている。

このように大口径の半導体基板をプラズマ処理するには
、大口径プラズマを形成する必要が有る。

しかし、前述の従来技術においては大口径プラズマを高
密度、かつ均一に安定形成するという点に配慮がされて
おらず、φ２００閣以上の大口径半導体基板を高速かつ
均一にしかも安定にプラズマ処理することが難しいとい
う問題があった。

また、大口径の半導体基板に対しては、プラズマ密度が
低下するためにイオン量が低下し、ドライエツチング処
理においてはサイドエツチングの少ない異方性エツチン
グを達成し難いという問題があった。

上記のような問題を生じている原因について、次に述べ
る。

従来技術においては、プラズマ処理の均一性を±１５％
以下で達成しようとすると、空洞共振器に配設するスロ
ットの最外周ピッチ径をＤとし、半導体基板を載置する
電極とスロットとの距離（電極間隔）をＨとして、Ｄ＃
（１〜３）Ｈの範囲で処理室を構成する必要があった。

その為、大口径プラズマを得るためにはスロットの最外
周ピッチ径りを大きく取る必要がある。

そのため、処理の均一性を確保するためには、必然的に
電極間隔Ｈを増大せざるを得なかった。

しかし、電極間隔Ｈが増大すると、プラズマ中の電子や
イオンの処理室内壁への損失が増大する。

この為、半導体基板近傍のプラズマ密度が低下するのみ
ならず、処理室の半径方向にプラズマ密度が低下して半
導体基板近傍のプラズマ密度分布が不均一となる。

その上、スロットの最外周ピッチ径りが大きくなること
によって、スロットから放射されるマイクロ波の電界強
度が弱くなるために、プラズマが安定に形成できなくな
る。

こうした理由により、従来においては大口径のプラズマ
を高密度で、均一に、しかも安定した状態で形成するこ
とが出来なかった。

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、大口径の
プラズマを高密度、かつ均一に、しかも安定した状態で
形成して、大口径半導体基板を高速かつ均一に処理し得
るマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、プラズマ処理室へマイクロ波を導入する
直前で該マイクロ波の電磁界強度を強める空洞共振器、
および該空洞共振器からプラズマ処理室へマイクロ波を
放射するスロット、ならびに該プラズマ処理室の内壁近
傍に磁場を形成する複数個の磁石を設け、 かつ、上記複数個の磁石のプラズマ処理室内に向けられ
た磁極が、隣接磁石ごとに極性が反対となるように配置
することによって達成される。

本発明を実施する際、前記の磁場が多重極性のカスプ磁
場となるように磁石配置を設定することが望ましい。

さらに、処理室内の各磁極位置における磁束密度が電子
サイクロトロン共鳴磁場を形成するように設定すること
か望ましい。

〔作用〕

プラズマ中の電子やイオン等の荷電粒子は、磁場が存在
すると荷電粒子の運動方向と磁場の方向に垂直な方向に
ローレンツ力を受けるので、磁力線の回りにサイクロト
ロン運動を行う、したがって、プラズマ処理室内壁に並
行する磁場を形成することによって、プラズマから処理
室内壁に向かって運動する荷電粒子は、磁束密度の大き
さに反比例した半径でサイクロトロン運動を行うので、
荷電粒子の処理室内壁への拡散損失が抑制される。

前述の構成の如く、隣接磁極の極性が反対であると、一
つの磁極から出た磁力線は処理室内部に深く進入するこ
となく、処理室内壁に沿って隣接磁極に流入する。この
ため、処理室内壁近傍には該内壁と並行する強い磁場が
形成され、かつ、処理室内の中央部付近に形成される磁
場は磁束密度の小さい磁場となる。

これにより、処理室内の中央部付近においてはプラズマ
中の荷電粒子の拡散抑制効果が小さいので、スロット近
傍のスロット開口領域と非開口領域のプラズマ密度の疎
密分布は、半導体基板近傍に至るまでに拡散によって均
等化される。

また、処理室内壁近傍では、内壁に並行する磁場により
荷電粒子の処理室内壁への損失が抑制される。

これにより、大口径プラズマを得るためのスロトピッチ
径や電極間隔を広くとっても、処理室の半径方向のプラ
ズマ密度の低下が緩和されるので。

大口径の均一なプラズマを形成し得る。

さらに、荷電粒子の損失が抑制される為にプラズマは高
密度で維持することができる。

また、処理室内の各磁極位置における磁束密度が、電子
サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満足する（マイク
ロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合。

磁束密度８７５Ｇ）と、この位置で電子のサイクロトロ
ン周波数とマイクロ波の周波数とが一致して電子のサイ
クロトロン共鳴現象が誘起されるので、マイクロ波のエ
ネルギが効率良く電子に吸収され、プラズマを安定した
状態で形成し得る。

〔実施例〕

次に、第１図乃至第６図を参照して第１の実施例を説明
する。

第１図は、本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の
第１の実施例を示す縦断面図である。第２図、第３図お
よび第４図は、それぞれ第１図における空洞共振器１の
ＡＡ断面図、処理室のＢＢ断面図およびＣＣ断面図であ
る。第１図において。

空洞共振器１には導波管２を介して２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波発生器であるマグネトロン３が取り付けられる
。空洞共振器１はある特定の共振モードになるように設
計されており、円形空洞共振器がＴ　Ｍｏ、モードの場
合、スロット４は、第２図に示す様に電界を横切る方向
に同心円弧状に構成する。

第１図の空洞共振器１は１石英またはアルミナなどの誘
電体から成るマイクロ波透過窓５を介して、スロット４
を設けた面で処理室６に接続され、大気圧下の空洞共振
器１と真空雰囲気下の処理室６とがマイクロ波透過窓５
を隔てて分離される。

処理室６の側面には、大気側に永久磁石７，８゜９が配
設され、これら永久磁石の外周側には透磁率の高い材料
から成るヨーク１０．１１が設置される。

ここで、永久磁石７，８．９の磁極は処理室内壁側でそ
れぞれＮ、Ｓ、Ｎと隣り合う極性が逆極性となるように
配置される。したがって、磁界は磁力線１２で示す様に
形成される。

また、永久磁石７．および同８，９の処理室横断面にお
ける配置は、それぞれ第３図および第４図に示す様に偶
数個配置されており、互いに隣り合う磁石は極性が逆極
性となっている。したがって、処理室６の横断面におい
ては、磁界は磁力線１３および１４で示す様に多重磁極
のカスプ磁場が形成される。ここで、永久磁石７，８．
９は、処理室内の各磁極位置で磁束密度が８７５０のＥ
ＣＲ条件になるような残留磁束密度の高い磁石で構成さ
れる。

第１図の処理室６の内部には下部電極１５が絶縁体１６
によりアース電位に対して電気的に絶縁されて設置され
、絶縁体１６はアース電位の金属性カバー１７で覆われ
ている。この下部電極１５には高周波電源１８が接続さ
れ、プラズマ処理される半導体基板１９は下部電極１５
上に載置される。また、処理室６には図示しないガス供
給装置が接続されており、ガス供給ノズル２０より処理
ガスが供給され、供給された処理ガスは反応したのち排
気口２１から図示しない排気装置により排気される。こ
の際、処理室６の圧力は、図示しない圧力調整装置によ
り所定の圧力に制御される。

上記の構成により、半導体基板１９をトライエツチング
処理する場合の動作について説明する。

ＡＱ合金膜をドライエツチング処理する場合は、処理ガ
スとして例えばＣＯ２−＋ＢＣＱ３が用いられ、ガス供
給ノズル２０から処理室６内に供給するとともに、該処
理室６内を所定の圧力１０°〜１０−’Ｐａに制御する
。続いてマグネトロン３から２．４５ＧＨｚのマイクロ
波を発生させ、導波管２を経て空洞共振器１に導入する
。空洞共振器１に導入されたマイクロ波は１例えばＴ　
Ｍｏ、モードで共振してその電磁界が強められ、スロッ
ト４から処理室６に放射され、これにより処理室６内に
プラズマが形成される。

プラズマ中の荷電粒子、特にイオンに比べて２桁高い熱
速度で運動する電子は、第１図および第３図、第４図に
示す磁力線１２．１３．１４に捕捉されてサイクロトロ
ン運動を行うので、電子のマイクロ波透過窓５、処理室
６内壁への損失が抑制される。これにより、処理室内の
プラズマは高密度に維持される。

従って、大口径プラズマを得るためにマイクロ波透過窓
５から電極１５までの距離Ｈを広くとっても、半導体基
板近傍のプラズマ密度は高密度に維持できるのみならず
、荷電粒子の処理室内壁への損失が抑制され、処理室半
径方向のプラズマ密度の低下が緩和されるので半導体基
板近傍のプラズマ密度の分布が均一となる。

また、処理室内の各磁極位置で電子サイクロトロン共鳴
現象を利用することにより、プラズマを安定した状態で
形成できる。

第５図は、前記の距離Ｈ（第１図参照）と電極流入イオ
ン電流密度との関係を示す図表である。

黒丸を実線で繋いだカーブは本実施例における実測値で
ある。

また、本実施例の装置から永久磁石７，８．９を取り外
して従来例と同様の状態とした場合の実測値は白丸を鎖
線で繋いだカーブとなる。

本例によれば、半導体基板近傍のプラズマ密度を高く維
持できるので、イオン電流密度が高く、特に距離Ｈが１
００〜１５０ｍの広い時に２〜３倍と高密度プラズマの
維持に効果が大きい。

第６図は、電極中心からの距離と電極流入イオン電流密
度との関係を示した図表であり、黒丸を繋いだ実線は本
実施例、白丸を繋いだ鎖線は前記の永久磁石７，８．９
を取り外した従来例相当の装置における実測値である０
本実施例におけるイオン電流密度分布は、イオン電流密
度の絶対量が多いのみならず、電極周辺部におけるイオ
ン電流密度の低下が抑制されるので、φ２００ｍ５の大
口径電極においても高い均一性を達成することができる
。

本実施例によれば、２００φ以上の大口径半導体基板の
近傍のプラズマを、高密度に、しかも安定した状態に維
持することができるので、大口径半導体基板を高速かつ
均一に処理できる効果がある。

また、ドライエツチングにおいては、プラズマから半導
体基板に直進性を持って入射するイオンの量が高いので
、サイドエツチングの少ない異方性エツチングを達成し
易いという効果がある。

第７図は１本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の
第２の実施例を示す縦断面図である。第８図および第９
図は、それぞれ第７図の処理室６のＤＤ断面およびＥＥ
断面である。第７図および第８図、第９図において、第
１図に示した第１の実施例と同一構成要素には同一符号
を記した６本実施例の場合には、第７図に現われた永久
磁石７゜８の処理室内壁側における極性は互いに逆極性
であるが、第８図、第９図に示されているように処理室
６の横断面で見た極性配置は永久磁石７も８も処理室内
壁側において同極性の磁極が隣接している。

本例においては第７図に示されたように磁力線１２’が
形成される。このような構成の第２の実施例においても
、前記第１の実施例におけると同様の動作により同様の
効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、処理室内壁近傍で磁力線がプラズマ処
理室内壁に並行するような磁場が形成され、プラズマ中
の荷電粒子の処理室内壁への損失が小さく抑制される。

従って、大口径プラズマを得るために最外周のスロット
ピッチ径と電極間隔を大きくとって荷電粒子の損失面積
が増大しても、大口径半導体基板近傍のプラズマを高密
度かつ均一性良く維持することができる。また、処理室
内壁近傍の各磁極位置には電子サイクロトロン共鳴条件
の磁場を形成すると、大口径プラズマを得るために最外
周のスロットピッチ径を大きくとってマイクロ波の電界
強度が低下しても、マイクロ波中のエネルギがプラズマ
中の電子に効率よく吸収されるので、大口径プラズマを
安定に維持することができる。

したがって、大口径半導体基板を高速で均一性良くプラ
ズマ処理することができ、半導体デバイス製造の生産性
向上９歩留り向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の第
１の実施例を示す縦断面図、第２図は第１図のＡＡ断面
図、第３図は第１図のＢＢ断面図。 第４図は第１図のＣＣ断面図である。 第５図及び第６図は上記第１の実施例の効果を説明する
ための図表である。 第７図は本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の第
２の実施例を示す縦断面図、第８図は第７図のＤＤ断面
図、第９図は同じ＜ＥＥ断面図である。 １・・・空洞共振器、２・・・導波管、４−・・スロッ
ト、５・・・マイクロ波透過窓、６・・・処理室、７，
８．９・・永久磁石、　１０．１１・・・ヨーク、１２
．１３．１４・・・磁力線、１５・・・下部電極、１８
・・・高周波電源、１９・・・半導体基板。 第 図 、２（導Ｘ奮）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．プラズマ処理室と、上記プラズマ処理室にマイクロ
   波を導入する手段と、該プラズマ処理室に処理ガスを供
   給する装置と、該プラズマ処理室内を真空に排気する手
   段とよりなるプラズマ処理装置において、 前記プラズマ処理室へマイクロ波を導入する直前で該マ
   イクロ波の電磁界強度を強める空洞共振器、および該空
   洞共振器からプラズマ処理室へマイクロ波を放射するス
   ロット、ならびに該プラズマ処理室の内壁近傍に磁場を
   形成する複数個の磁石が設けられており、 かつ、上記複数個の磁石は、プラズマ処理室内に向けら
   れた磁極のうち、互いに隣接する磁極が逆極性となるよ
   うに配置されていることを特徴とするマイクロ波プラズ
   マ処理装置。
2. ２．前記のプラズマ処理室の内壁近傍に形成される磁場
   が多重極性のカスプ磁場となるように、前記複数個の磁
   石が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の
   マイクロ波プラズマ処理装置。
3. ３．前記プラズマ処理室内の各磁極位置における磁束密
   度が、電子サイクロトロン共鳴条件となるような磁場が
   形成されるように設定されていることを特徴とする請求
   項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。