JPH06224154A

JPH06224154A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH06224154A
Application number: JP5010090A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Maruyama; 隆弘丸山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-01-25
Filing date: 1993-01-25
Publication date: 1994-08-12
Also published as: US5399830A

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ電位、電子密度およびイオン密度の
分布の不均一性を解消することにより、エッチングの均
一性の向上および異方性の向上を図る。【構成】反応容器１内に磁界を発生させ、かつマイク
ロ波を導入することにより反応容器１内の反応性ガスに
ＥＣＲ放電を起こさせてプラズマを発生させるように電
磁コイル３およびマイクロ波発生源４が設けられてい
る。反応容器１内で発生したプラズマによりウエハ２０
にエッチングなどの処理が施されるようにウエハ２０を
載置するための試料台９が反応容器１内に設置されてい
る。反応容器１は、第１の部分１ａと、この第１の部分
１ａと絶縁部分１ｃにより絶縁された第２の部分１ｂと
を有している。また、この第１の部分１ａと第２の部分
１ｂは、電源手段２ａにより電位差が与えられるように
構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に関
し、特に電子サイクロトロン共鳴（以下、ＥＣＲと略記
する）放電を利用したプラズマ処理装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃ
ｕｉｔ）などの半導体装置の製造においては、半導体基
板（ウエハ）の表面に、薄膜形成、エッチングなどの処
理が施される。このような半導体基板を処理する装置と
して、近年、ＥＣＲ放電によるプラズマを利用したプラ
ズマ処理装置が開発され実用化されている。以下、ＥＣ
Ｒ放電により発生するプラズマを利用した従来のプラズ
マ処理装置の構成について説明する。

【０００３】図１２は、従来のプラズマ処理装置の構成
を概略的に示す断面図である。図１２を参照して、プラ
ズマ処理装置３１０は、反応容器１０１、電磁コイル１
０３、マイクロ波発生源１０４、導波管１０５、マイク
ロ波導入窓１０６、パイプ１０７、排気孔１０８および
試料台１０９から構成されている。

【０００４】反応容器１０１の上部には、導波管１０５
の一方端部が取り付けられている。この導波管１０５と
反応容器１０１とは、マイクロ波導入窓１０６により区
切られている。また導波管１０５の他方端部には、マイ
クロ波発生源１０４が取り付けられている。反応容器１
０１の外周部には、反応容器１０１を取り囲むように電
磁コイル１０３が設けられている。また、反応容器１０
１の上部には、反応性ガスを供給するパイプ１０７が設
けられている。反応容器１０１の底部には排気孔１０８
が設けられている。この排気孔１０８には、ポンプ（図
示せず）が取り付けられている。反応容器１０１の内部
には、試料台１０９が取り付けられている。この試料台
１０９には、ウエハ１２０が載置可能である。

【０００５】次に、従来のプラズマ処理方法について説
明する。図１２を参照して、まず反応容器１０１内の残
留ガスが排気孔１０８から十分に排気される。次に、こ
の反応容器１０１内にパイプ１０７から反応性ガスが導
入される。反応性ガスが導入される一方で、反応性ガス
の一部が排気孔１０８から排気され、これにより反応容
器１０１のガス圧力が所定の値に保たれる。

【０００６】次に、マイクロ波発生源１０４からマイク
ロ波が発生される。このマイクロ波は、導波管１０５お
よびマイクロ波導入窓１０６を通じて、反応容器１０１
内に導入される。一方、電磁コイル１０３に通電するこ
とにより、反応容器１０１内に、反応容器１０１の上部
からウエハ１２０に向かって、徐々に減衰する磁場が形
成される。この磁場とマイクロ波とによりプラズマが生
成される。プラズマ中の電子は、磁界によるローレンツ
力によって磁力線に巻きつくように円運動する。その円
運動の周波数とマイクロ波の周波数とを一致させるよう
に磁界の強さを調整すると（すなわち、マイクロ波の周
波数ｆに対してｆ＝｜ｑ｜・Ｂ／２πｍを満たす磁束密
度Ｂにすると）、共鳴吸収によりマイクロ波のエネルギ
ーが電子の運動エネルギーに効率よく変換される。これ
が電子サイクロトロン共鳴である。通常、マイクロ波と
しては工業周波数である２．４５ＧＨｚが、またこれに
対する共鳴磁場として８７５Ｇａｕｓｓがよく利用され
る。

【０００７】このように、反応容器１０１内の反応性ガ
スの電子は、マイクロ波のエネルギーを吸収して加速さ
れ、高速で円運動する。この高速で円運動する電子が、
反応性ガス分子に衝突することにより、反応容器１内の
反応性ガスが高いイオン化率でイオン化し、高密度のガ
スプラズマが発生する。このプラズマ中の電子は、磁場
により拘束され、磁力線に巻きつくように螺旋運動をす
るが、減衰する磁場により、運動量が磁力線方向に変換
され、ウエハ１２０の方向に進行する。

【０００８】この電子の進行により、ウエハ１２０の表
面上には、ウエハ１２０の表面に垂直な方向の電界、い
わゆるイオンシース電界が発生する。このイオンシース
電界は、プラズマを正とし、ウエハ１２０の表面を負と
する電界である。このイオンシース電界により、正イオ
ンであるプラズマ中の反応性イオンはウエハ１２０の方
向へ加速される。このように、反応性イオンがウエハ１
２０の表面に入射し、このイオンによりウエハ１２０の
表面にエッチングなどの処理が施される。

【０００９】このようなＥＣＲ放電を利用した従来のプ
ラズマ処理装置３１０では、マイクロ波のエネルギーが
効率よく電子に吸収されること、磁界により反応容器１
０１の径方向に電子が散逸しにくいことなどの特徴を有
している。それゆえ、プラズマの維持が困難な低ガス圧
においても、高密度のプラズマを生成することができ
る。よって、図１２に示す従来のＥＣＲ放電を利用した
プラズマ処理装置３１０は、現在広く用いられている。

【００１０】しかしながら、一般に反応容器１０１内に
生成されるプラズマ中の電子の熱運動による速度はイオ
ンのそれよりも十分に大きい。すなわち、プラズマ中の
電子はイオンよりも移動度が大きい。このため、電子の
方が先に反応容器１０１の内壁に到達し、消滅する。よ
って、反応容器１０１の中央部（一点鎖線ｃ−ｃ）では
イオンが比較的多数取り残された状態となるため、ＥＣ
Ｒ面１３０における反応容器１０１の径方向のプラズマ
電位は図１３に示すようになる。ここで、ＥＣＲ面と
は、マイクロ波の周波数ｆに対してｆ＝｜ｑ｜・Ｂ／２
πｍを満たす磁束密度Ｂを有する面のことである。

【００１１】図１３を参照して、横軸が反応容器１０１
の径方向の位置であり、縦軸がプラズマ電位である。ま
たプラズマ電位は矢印方向ほど正の電位が高いことを意
味している。反応容器１０１の中央部では、正の電荷を
有するイオンが比較的多数取り残されるため、プラズマ
電位は最も高い正電位を有し、反応容器１０１の内壁へ
向かうほど低くなる。また、反応容器１０１の内壁近傍
では、イオンよりも電子の移動度が大きいことに起因し
てイオンシース領域が形成され、この領域においてプラ
ズマ電位は急激に低くなる。このようにＥＣＲ面１３０
におけるプラズマ電位は不均一となる。上記のプラズマ
電位が反応容器１０１の径方向に不均一になることにつ
いてはＨｏｗｅ：Ｊ．Ａ．Ｐ．２４（１９５３）８９２
に示されている。

【００１２】このときの反応容器１０１の径方向の電子
の密度分布は、Ｂｏｌｔｓｍａｎの関係式より、

【００１３】

【数１】ｎ_e（ｘ）＝ｎ_e（０）ｅｘｐ（ｅφ（ｘ）／ｋ_BＴ_e）となる。ここで、ｘ：反応容器の中央からの距離、ｎ_e
（ｘ）：ｘ点での電子密度、φ（ｘ）：ｘ点での電位
（ただしφ（０）＝０）、ｋ_B：ボルツマン定数、
Ｔ_e：電子温度、ｅ：電子１個の電荷である。

【００１４】また、反応容器１０１の径方向のイオンの
密度分布は、エネルギー保存則と連続の式より、

【００１５】

【数２】

【００１６】となる。ここで、Ｍ：イオンの質量、ｖ：
イオンの平均速度である。したがって、反応容器１０１
の径方向のプラズマ電位の分布が図１３に示すような状
態である場合、図１４に示すように電子密度（ｎ_e）の
分布およびイオン密度（ｎ_i）の分布は共に反応容器１
０１の中央部から内壁に近づくにつれて減少することに
なる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】図１２に示す従来のＥ
ＣＲ放電を利用したプラズマ処理装置においては、反応
容器１０１の径方向におけるプラズマ電位分布、電子密
度分布およびイオン密度分布が不均一となる。このた
め、従来のプラズマ処理装置３１０においては以下に述
べる弊害が生じる。

【００１８】図１５（ａ）は、反応容器内に発生した磁
力線の様子を模式的に示す図である。また、図１５
（ｂ）、（ｃ）は、各々図１５（ａ）のＰ₂、Ｑ₂部に
おける電子の様子を模式的に示す図である。図１５
（ａ）を参照して、電磁コイル（図示せず）に通電する
ことにより、反応容器１０１内に反応容器１０１上部か
らウエハ１２０方向へ発散する磁力線１４０が形成され
る。反応容器１０１内のプラズマ中の電子は、この磁力
線１４０に沿って反応容器１０１上部からウエハ１２０
方向へ進行する。反応容器１０１内のＥＣＲ面での電子
密度は、図１４に示すように反応容器１０１の中央部で
高く、その外周部で低くなっている。このように、ＥＣ
Ｒ面では、反応容器１０１中央部での電子の数は、その
外周部に比較して多くなる。このため、反応容器１０１
の中央部に形成された磁力線１４０ｐに沿って進行する
電子の数は、その外周部に形成される磁力線１４０ｑに
沿って進行する電子の数よりも多くなる。すなわち、図
１５（ｂ）、（ｃ）に示すように磁力線１４０ｐのＰ₂
部における電子の数は磁力線１４０ｑのＱ₂部における
電子の数よりも多くなる。

【００１９】このように、磁力線１４０に沿って進行す
る電子の数が反応容器１０１の中央部とその外周部とで
異なる。このため、ウエハ１２０の表面の単位面積に入
射される電子の数（すなわち、電子電流密度）も、ウエ
ハ１２０の中央部では多く、その外周部では少なくな
る。

【００２０】特に、ウエハ１２０の被エッチング膜が導
電性を有していない場合には、ウエハ１２０の表面に入
射される電子の数の不均一により、ウエハ１２０の表面
は不均一にチャージアップ（帯電）される。

【００２１】図１６は、ウエハの表面が不均一に帯電し
た様子を示すウエハの概略断面図である。図１６を参照
して、ウエハ１２０は、基板１２１と、基板１２１の表
面上に積層して形成された被エッチング膜１２２と、レ
ジストパターン１２３とからなっている。レジストパタ
ーン１２３は所望の形状にパターニングされており、反
応容器の中央部（一点鎖線ｃ−ｃ）では露出表面１２２
ａが、またその外周部では露出表面１２２ｂが各々レジ
ストパターン１２３より露出している。上述したように
ウエハ１２０の中央部ほど電子電流密度が大きくなるた
め、露出表面１２２ａには、露出表面１２２ｂより多く
の電子が入射する。このため、露出表面１２２ａは露出
表面１２２ｂよりも負にチャージアップされる程度が高
くなる。

【００２２】一般に、プラズマ中のイオン１８２は、ウ
エハ１２０表面が電気的に中性となるまで、すなわち電
子電流密度とイオン電流密度が等しくなるまでウエハ１
２０表面に入射される。それゆえ、露出表面１２２ａに
入射されるイオン１８２の数は、露出表面１２２ｂに入
射されるイオン１８２の数よりも多くなる。よって、露
出表面１２２ａでは、露出表面１２２ｂに比較してエッ
チング速度が速くなる。結果として、図１７に示すよう
にウエハ１２０の中央部（一点鎖線ｃ−ｃ）の露出表面
１２２ａでは、エッチング量が比較的大きく、その外周
部の露出表面１２２ｂではエッチング量が比較的小さく
なる。このようにＥＣＲ面における電子密度分布が不均
一になった場合には、ウエハの被エッチング膜が均一に
エッチングされない場合が生じる恐れがある。

【００２３】また、露出表面１２２ａなどの表面積が大
きい場合、図１８に示すように１つの露出表面１２２ａ
においても、中央部（一点鎖線ｃ−ｃ）ではエッチング
量が大きく、その周辺部ではエッチング量が小さくなる
というエッチングの不均一性を招く恐れがある。

【００２４】また、被エッチング膜が導電性を有する場
合でもエッチングの不均一性が生じる恐れがある。図１
９は、被エッチング膜が導電性を有する場合にエッチン
グの不均一性が生じることを説明するためのウエハの概
略断面図である。図１９を参照して、ウエハ１２０は、
基板１２４と、基板１２４の表面上に形成された絶縁膜
１２５と、導電性膜１２６と、導電性膜１２６の表面上
に形成されたレジストパターン１２７とからなってい
る。レジストパターン１２７は所望の形状にパターニン
グされており、このレジストパターン１２７をマスクと
して導電性膜１２６がエッチングされる。このエッチン
グの際、反応容器の中央部（一点鎖線ｃ−ｃ）ほどその
外周部に比較して電子電流密度が高い。しかしながら、
被エッチング膜が多結晶シリコンのように導電性を有す
る場合には、電子は導電性膜１２６中を移動する。この
ため、導電性膜１２６はウエハ１２０の表面全面で均一
に負にチャージアップされる。よって、導電性膜１２６
の各露出表面に入射されるイオンの数は均一となり、エ
ッチング量が不均一になることはない。

【００２５】しかし、導電性膜１２６がオーバーエッチ
ングされると、下地のシリコン酸化膜などよりなる絶縁
膜１２５が露出する。この絶縁膜１２５は導電性を有し
ないため上述と同様、反応容器の中央部（一点鎖線ｃ−
ｃ）の露出表面１２５ａではエッチング量が大きくな
り、その外周部の露出表面１２５ｂではエッチング量が
小さくなるというエッチングの不均一性を招く恐れがあ
る。

【００２６】このように、ＥＣＲ面における電子密度が
不均一になった場合、ウエハ表面におけるエッチングが
不均一になる恐れがあるという問題点があった。

【００２７】また、ＥＣＲ面での電子密度の分布が不均
一になった場合、図２０のＢ部に示すように電子密度分
布に局所的な電子密度のぶれが生じる、いわゆるドリフ
ト不安定性が生じる。このことは、田中基彦、西川恭治
著「高温プラズマの物理学」（丸善）他に示されてい
る。ドリフト不安定性が生じた場合、プラズマ中のイオ
ンは局所的な電子密度のぶれに沿って移動することとな
るため、イオンのランダムな運動が増長される。

【００２８】図２１は、ドリフト不安定性が生じた場合
の反応容器内におけるイオンの様子を示す図である。図
２１を参照して、イオン１８２のランダムな運動が増長
されると、小さい進入角度θでイオンシース領域１５０
に進入するイオンの数が増大する。このイオンシース領
域１５０内でのイオンの進行方向は、イオンシース領域
１５０への進入時のイオンのベクトルとイオンシース電
界Ｅのベクトルとの和により決定される。このため、進
入角度θが小さい場合には、イオンはウエハ１２０の表
面に垂直に入射されがたくなる。

【００２９】図２２は、ウエハにイオンが入射される様
子を拡大して示すウエハの概略的な部分断面図である。
図２２を参照して、ウエハ１２０は被エッチング膜１２
８と、被エッチング膜１２８上に形成されたレジストパ
ターン１２９とからなっている。レジストパターン１２
９は所望の形状にパターニングされており、このレジス
トパターン１２９をマスクとして下層の被エッチング膜
１２８がエッチングされる。このエッチング時に、イオ
ン１８２がウエハ１２０の表面に垂直に入射されない場
合には、イオン１８２は溝１２８ａの側壁に衝突するこ
ととなる。これにより、溝１２８ａの側壁は点線１２８
ｂに示すようにエッチング除去されて、異方性よくエッ
チングすることが困難となる。

【００３０】このように、電子密度の不均一に起因する
ドリフト不安定性により、エッチングの異方性が損なわ
れる恐れがあるという問題点があった。

【００３１】また、一般にイオンの大部分は、磁力線に
沿って移動する電子の流れに沿って移動する。このた
め、ＥＣＲ面におけるイオン密度が図１４に示すように
不均一な場合には、ウエハ１２０に入射するイオンの数
も不均一になると考えられる。すなわち、図１２を参照
して、反応容器１０１の中央部（一点鎖線ｃ−ｃ）で
は、イオン密度が比較的大きいため、ウエハ１２０の中
央部に入射されるイオンの数は多くなる。また、反応容
器１０１内の外周部ではイオン密度が比較的少ないため
ウエハ１２０の外周部に入射されるイオンの数は少なく
なる。このため、ウエハ１２０のエッチングは均一には
行なわれず、不均一になる恐れがある。

【００３２】このように、ＥＣＲ面でのイオン密度が不
均一になった場合には、エッチングが不均一になる恐れ
があるという問題点があった。

【００３３】さらに、プラズマ電位分布が図１３に示す
ように不均一になった場合には、エッチングの異方性が
低下する恐れがある。以下、そのことについて詳細に説
明する。

【００３４】図２３（ａ）は、プラズマ電位分布が不均
一な場合にエッチングの異方性が低下することを説明す
るための反応容器の模式的な断面図である。また図２３
（ｂ）は、図２３（ａ）の点線１３１に示す面における
プラズマ電位分布を示す図である。主に図２３（ａ）を
参照して、従来のプラズマ処理装置では、反応容器１０
１の径方向のプラズマ電位は電子およびイオンの移動度
の差に起因して、一般に不均一となる。すなわち、ＥＣ
Ｒ面１３０以外の径方向の面１３１においても図２３
（ｂ）に示すようにプラズマ電位が不均一となる。ま
た、プラズマ中のイオンは正電荷を有するため、プラズ
マ電位の低い方へ移動する傾向がある。このため、反応
容器１０１上方からウエハ１２０方向へ進行するイオン
１８２は、進行するにつれて反応容器１０１の中央部か
ら外周方向へと移動することとなる。結果として、イオ
ンシース領域１５０へ進入するイオン１８２の進入角度
θは小さくなり、上述と同様、異方性を低下させる恐れ
がある。

【００３５】このように、プラズマ電位の不均一性はエ
ッチングの異方性を低下させる恐れがあるという問題点
があった。

【００３６】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、プラズマ電位分布、電子密度分
布およびイオン密度分布の不均一性を解消することによ
り、エッチングの均一性の向上および異方性の向上を図
ることを目的とする。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理装
置は、反応室内に置かれた基板の主表面の上方で電子サ
イクロトロン共鳴放電によるプラズマを発生させること
により、基板の主表面に所定の処理を施し、プラズマを
包囲する周壁部を備えたプラズマ処理装置であって、そ
の周壁部は、第１の電圧を印加することができるように
配置された第１の周壁部と、第１の周壁部と絶縁され、
第１の電圧と異なる第２の電圧を印加することができる
ように配置された第２の周壁部と、第１および第２の周
壁部にそれぞれ第１および第２の電圧を印加するための
電源手段とを備えている。

【００３８】

【作用】本発明のプラズマ処理装置は、電源手段により
第１および第２の周壁部に各々異なる電位が与えられる
ように構成されている。このように第１および第２の周
壁部に電位差を与えることにより、反応室内における第
１および第２の周壁部付近の電子、イオンの挙動を制御
することが可能となる。これにより、たとえば、反応室
の径方向の電子密度分布における周壁部付近の電子密度
を増加させることができ、反応室の径方向の電子密度分
布の不均一性を改善することができる。このように電子
密度分布もしくはイオン密度分布を均一化することが可
能となる。また、これに伴ってプラズマ電位の分布を均
一化することも可能となる。したがって、エッチングの
均一化および高異方性化を達成することができる。

【００３９】

【実施例】以下、本発明のプラズマ処理装置について図
を用いて説明する。

【００４０】図１は、本発明の第１の実施例におけるプ
ラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。図
１を参照して、プラズマ処理装置１０は、反応容器１、
電源手段２ａ、電磁コイル３、マイクロ波発生源４、導
波管５、マイクロ波導入窓６、パイプ７、排気孔８およ
び試料台９から構成されている。

【００４１】反応容器１の上部には、導波管５の一方端
部が取り付けられている。この導波管５と反応容器１
は、マイクロ波導入窓６により区切られている。また導
波管５の他方端部にはマイクロ波発生源４が取り付けら
れている。反応容器１の外周部には、反応容器１を取り
囲むように電磁コイル３が設けられている。また反応容
器１の上部には反応性ガスを供給するパイプ７が設けら
れている。反応容器１の底部には排気孔８が設けられて
いる。反応容器１の内部には試料台９がウエハ２０を載
置可能なように取り付けられている。

【００４２】反応容器１は、第１の部分１ａと、第２の
部分１ｂと、絶縁部分１ｃとからなっている。第１の部
分１ａは、ＥＣＲ面３０の近傍に設けられており、かつ
電源手段２ａにより負の電圧を印加することが可能であ
る。また反応容器１の第１の部分１ａ以外の部分は、第
１の部分１ａと絶縁部分１ｃによって絶縁された第２の
部分１ｂよりなっている。この第２の部分１ｂは接地さ
れている。このように、第１の部分１ａおよび第２の部
分１ｂは、電源手段２ａにより所定の電位差が与えられ
るように構成されている。

【００４３】次に、本発明の第１の実施例におけるプラ
ズマ処理装置の動作について説明する。

【００４４】図１を参照して、反応容器１内の残留ガス
が排気孔８から十分に排気される。この後、反応容器１
内にパイプ７から反応性ガスが導入される。反応性ガス
が導入される一方でその反応性ガスの一部が排気孔８か
ら排気される。これにより、反応容器１内のガス圧力が
所定の値に保たれる。

【００４５】次に、マイクロ波発生源４からマイクロ波
が発生される。このマイクロ波は導波管５およびマイク
ロ波導入窓６を通じて反応容器１内に導入される。一
方、電磁コイル３に通電することにより、反応容器１内
に反応容器１の上部からウエハ２０に向かって徐々に減
衰する磁場が作られる。このマイクロ波と磁場とが前述
のサイクロトロン共鳴の条件を満足することにより、反
応容器１内の反応性ガスにＥＣＲ放電が起こる。さら
に、反応容器１の第１の部分１ａに電源手段２ａによ
り、たとえば１０〜１００Ｖ程度の負の電位が印加され
る。これにより、第１の部分１ａと第２の部分１ｂとに
電位差が与えられる。

【００４６】図２は、プラズマ処理装置が動作時の反応
容器内の様子を示す反応容器の概略断面図である。図２
を参照して、電磁コイルに通電することにより、反応容
器１内に反応容器１の上部からウエハ２０に向かって発
散する磁力線４０が形成される。この磁力線４０に沿っ
て電子は移動する。しかし、電源手段２ａにより第１の
部分１ａに負の電圧が印加されると、第１の部分１ａ付
近の電子の挙動に変化が生じる。

【００４７】図３は、第１の部分１ａに負の電圧を印加
したときの電子の挙動の様子を示す図２のＲ₁部の拡大
図である。図３を参照して、電子は負の電荷を有する。
このため、第１の部分１ａに負の電圧を印加すると、磁
力線４０ａに沿って矢印Ａ方向に移動してきた電子は第
１の部分１ａの電位によって磁力線４０ａの矢印Ｂ方向
に反力を受ける。これにより、電子は反応容器１の内壁
に到達せず、イオンシース領域６０の端部（一点鎖線Ｄ
−Ｄ）付近に停止する。よって、ＥＣＲ面３０におい
て、反応容器１の内壁付近の電子の数が増加し、図４に
示すようにＥＣＲ面での電子密度分布が均一化される。

【００４８】また、第１の部分１ａに負の電圧を印加し
たため、正の電荷を有するイオンは第１の部分１ａに引
き寄せられる。しかし、図３に示すように反応容器１の
手前のイオンシース領域６０の端部（一点鎖線Ｄ−Ｄ）
付近において電子の数が増加しており、またイオンの移
動度が小さいこともあって、イオンの消滅量は増加しな
い。このため、イオンシース領域６０から反応容器１の
内側では、イオン密度は低下しない。このことは、電極
に印加された負の電位が電子によって遮蔽されることを
示す。

【００４９】また、イオンシース領域６０の端部（一点
鎖線Ｄ−Ｄ）付近で電子密度が上昇すると、これらの電
子がＥＣＲ面３０においてマイクロ波エネルギーを受け
てプラズマを生成する。このため、イオンシース領域６
０の端部付近でプラズマ密度が上昇し、イオンシース領
域６０の端部付近でイオンの数も増加する。これによ
り、イオン密度の均一化も図られる。結果として第１の
部分１ａに負の電圧を印加することは、ＥＣＲ面におけ
るイオン密度の均一性を悪化させることなく、電子密度
の均一性を向上することができると考えられる。

【００５０】図４に示すようにＥＣＲ面における電子密
度分布が均一化された場合、磁力線に沿って進行する電
子の数は、反応容器１の中央部およびその外周部でほぼ
同数となる。すなわち、図２を参照して、磁力線４０ｐ
のＰ₁部における電子の数と磁力線４０ｑのＱ₁部にお
ける電子の数とは、図５（ａ）、（ｂ）に示すようにほ
ぼ同数となる。なお、図５（ａ）、（ｂ）は、各々図２
のＰ₁部、Ｑ₁部における電子の様子を模式的に示す図
である。

【００５１】このように、磁力線に沿って進行する電子
の数が中央部とその外周部でほぼ等しくなると、ウエハ
の表面には、単位面積に同数の電子がほぼ均一に入射す
ることとなる。このため、たとえ被エッチング膜が導電
性を有していない場合でも、ウエハの表面は均一に帯電
される。

【００５２】図６は、ウエハの表面が均一に帯電した様
子を示すウエハの概略断面図である。図６を参照して、
ウエハ２０は基板２１と、その基板２１の表面上に形成
された被エッチング膜２２と、レジストパターン２３と
からなっている。レジストパターン２３は所望の形状に
パターニングされており、このレジストパターン２３を
マスクとして被エッチング膜２２にエッチングが施され
る。このエッチング時においてウエハ２０の表面には、
単位面積に同数の電子が入射する。このため、レジスト
パターン２３から露出する各露出表面２２ａ、２２ｂは
電子８１によりほぼ均一にチャージアップされる。よっ
て、各露出表面２２ａ、２２ｂにはほぼ同数のイオン８
２が入射される。したがって、図７に示すように各露出
表面２２ａ、２２ｂは、ほぼ均一にエッチングされるこ
ととなる。このように、ＥＣＲ面における電子密度分布
が均一となると、ウエハのエッチングの均一性が向上す
ると考えられる。

【００５３】また、１つの露出表面２２ａにおいても、
その露出表面２２ａは均一にチャージアップされるた
め、図８に示すように均一性よくエッチングを施すこと
が可能となる。

【００５４】さらに、被エッチング膜が導電性膜であ
り、この導電性膜をオーバーエッチングした場合におい
ても、上述と同様、ほぼ均一に各露出表面にエッチング
が施される。

【００５５】また、ＥＣＲ面における電子密度の分布が
図４に示すように均一になるため、いわゆるドリフト不
安定性も生じがたくなる。これにより、ドリフト不安定
性に起因するイオンのランダムな運動が抑制され、これ
に伴うエッチングの異方性の低下も防止することができ
る。すなわち、電子密度の分布を均一化することによ
り、エッチングの異方性の向上をも達成することが可能
となると考えられる。

【００５６】なお、本発明の第１の実施例においては、
第１の部分１ａに負の電圧を印加し、第２の部分１ｂを
接地して各部分１ａ、１ｂに電位差を与える構成として
いる。しかし、本発明はこの構成に限られず、第１の部
分１ａを接地し、第２の部分１ｂに正の電圧を印加する
ことにより、各部分１ａ、１ｂに電位差を与えても同様
の効果を得ることができる。

【００５７】次に、本発明の第２の実施例におけるプラ
ズマ処理装置の構成について説明する。

【００５８】図９は、本発明の第２の実施例におけるプ
ラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。図
９を参照して、本発明の第２の実施例におけるプラズマ
処理装置１１０は、第１の実施例におけるプラズマ処理
装置１０の構成とほぼ同様であるためその説明は省略す
る。ただ、第１の部分１ａと第２の部分１ｂとに電位差
を与える電源手段２ｂが異なる点で相違する。この電源
手段２ｂには、高周波（ＲＦ）電源が用いられる。この
高周波電源による電圧が第１の部分１ａに印加される。
これ以外の第２の部分１ｂは接地されている。

【００５９】このように、電源手段２ｂにより第１の部
分１ａに、たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波電位が印
加された場合、第１の部分１ａには、自己バイアス的に
負の電圧が生じる。よって、第１の部分１ａに負の電圧
が印加された状態と同様の状態となる。このため、第２
の実施例におけるプラズマ処理装置１１０においても、
第１のプラズマ処理装置１０で得られる効果とほぼ同様
の効果を得ることが期待できる。

【００６０】次に、本発明の第３の実施例におけるプラ
ズマ処理装置について説明する。図１０は、本発明の第
３の実施例におけるプラズマ処理装置の構成を概略的に
示す断面図である。図１０を参照して、本発明の第３の
実施例におけるプラズマ処理装置２１０の構成は、第１
の実施例におけるプラズマ処理装置１０の構成とほぼ同
様であるためその説明は省略する。ただ、反応容器１を
構成する第１の部分１ａと第２の部分１ｂとに電位差を
与える電源手段２ｃが異なる点で相違する。すなわち、
プラズマ処理装置２１０は、ＥＣＲ面３０の近傍に設け
られている第１の部分１ａには、電源手段２ｃにより正
の電位が印加されるように構成されている。また、第２
の部分１ｂは、接地されている。

【００６１】次に、本発明の第３の実施例におけるプラ
ズマ処理装置の動作について説明する。

【００６２】図１０を参照して、反応容器１内の残留ガ
スが排気孔８から十分に排気される。この後、反応容器
１内にパイプ７から反応性ガスが導入される。反応性ガ
スが導入される一方でその反応性ガスの一部が排気孔８
から排気される。これにより、反応容器１内のガス圧力
が所定の値に保たれる。

【００６３】次にマイクロ波発生源４からマイクロ波が
発生される。このマイクロ波は、導波管５およびマイク
ロ波導入窓６を通じて反応容器１内に導入される。一
方、電磁コイル３が通電される。これにより、反応容器
１の上部からウエハ２０に向かって徐々に減衰する磁場
が作られる。このマイクロ波と磁場とがサイクロトロン
共鳴の条件を満足することにより、反応容器１内の反応
性ガスがＥＣＲ放電を起こす。さらに電源手段２ｃによ
り第１の部分１ａにたとえば１０〜１００Ｖの正の電圧
が印加される。これにより、第１の部分１ａと第２の部
分１ｂに電位差が与えられる。

【００６４】図１１（ａ）は、プラズマ処理装置が動作
時の図１０のＲ₂部の様子を拡大して示す模式図であ
る。図１１（ａ）を参照して、電磁コイル（図示せず）
により形成された磁力線４０に沿ってプラズマ中の電子
が移動する。第１の部分１ａには電源手段２ｃにより正
の電圧が印加されるため、磁力線４０ｃに沿って移動す
る負の電荷を有する電子は第１の部分１ａに引き込まれ
る。したがって、ＥＣＲ面３０のＣ部においては、Ｄ部
におけるよりも多数の電子が磁力線４０ｃに沿って第１
の部分１ａに移動することとなる。このため、ＥＣＲ面
３０における反応容器１の周辺部（すなわち、Ｃ部付
近）では、相対的に多数の負の電荷が失われる。よっ
て、ＥＣＲ面３０における反応容器１の周辺部のプラズ
マ電位は図１１（ｂ）に示すように嵩上げされた状態と
なる。これにより、ＥＣＲ面３０におけるプラズマ電位
は均一化され、反応容器１の径方向における電界が減少
する。

【００６５】このように、第１の部分１ａに正の電圧を
印加することにより、ＥＣＲ面３０のみならず反応容器
１の径方向のプラズマ電位を均一化することが可能とな
る。このため、イオンは、不均一な電界の影響により、
反応容器１の上方からウエハ２０方向へ進行するにつれ
て反応容器１の中央部から外周方向へ移動することは妨
げられる。結果として、イオンがイオンシース領域へ進
入する際の進入角度は比較的大きくなり、異方性を向上
させることが可能になると考えられる。

【００６６】しかしながら、このように第１の部分１ａ
に正の電圧を印加した場合、反応容器１の周辺部の電子
密度が低下することとなる。これにより、反応容器１の
径方向における電子密度分布が一層不均一となり、ドリ
フト不安定性が増大する恐れがあり、これに伴うエッチ
ングの異方性も低下すると考えられる。このため、エッ
チングの異方性を向上できるか否かについては、磁場配
位や反応容器１の形状などに依存することになると考え
られる。

【００６７】なお、本発明の第３の実施例におけるプラ
ズマ処理装置２１０においては、第１の部分１ａに正の
電圧を印加し、第２の部分１ｂに接地電位を印加するこ
とにより両部分１ａ、１ｂに電位差を与える構成として
いる。しかし、第１の部分１ａに接地電位を印加し、第
２の部分１ｂに負の電圧を印加した場合も上記と同様に
第１の部分１ａと第２の部分１ｂとに電位差を与えるこ
とができる。このため、上記とほぼ同様の効果を得るこ
とができると考えられる。

【００６８】以上のように、本発明の第１、第２および
第３の実施例におけるプラズマ処理装置は、第１の部分
１ａに正、負あるいは高周波（ＲＦ）の電圧を印加する
ことにより、第１の部分１ａと第２の部分１ｂとに電位
差を与える構成となっている。これにより、エッチング
の異方性および均一性の制御が可能となる。

【００６９】なお、本発明の第１、第２および第３の実
施例におけるプラズマ処理装置１０、１１０、２１０に
おいては、第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂを設け
て２つの部分に異なる電位を印加するような構成として
いる。しかし、本発明のプラズマ処理装置の構成はこれ
に限られるものではなく、互いに絶縁された３以上の複
数の部分を設けて各部分に各々異なる電圧を印加する構
成としてもよい。上記の構成とした場合には、電源手段
が複数となる構成もあり得る。

【００７０】

【発明の効果】本発明のプラズマ処理装置は、電源手段
により第１および第２の周壁部に各々異なる電位が与え
られるような構成にされている。このように第１および
第２の周壁部に電位差を与えることにより、反応室内に
おける第１および第２の周壁部付近の電子、イオンの挙
動を制御することが可能となる。したがって、エッチン
グの均一化および高異方性化を達成することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるプラズマ処理装
置の構成を概略的に示す断面図である。

【図２】プラズマ処理装置が動作時の反応容器内の様子
を示す反応容器の概略断面図である。

【図３】第１の部分に負の電圧を印加したときの電子の
挙動の様子を示す図２のＲ₁部の拡大図である。

【図４】本発明の第１の実施例におけるＥＣＲ面におけ
る電子密度分布を示す図である。

【図５】図２のＰ₁部およびＱ₁部における電子の様子
を模式的に示す図である。

【図６】被エッチング膜の表面が均一に帯電した様子を
示すウエハの概略断面図である。

【図７】被エッチング膜の表面が均一に帯電された場合
の被エッチング膜のエッチング状態を示すウエハの概略
断面図である。

【図８】図７の露出表面２２ａのエッチング後の形状を
拡大して示す概略断面図である。

【図９】本発明の第２の実施例におけるプラズマ処理装
置の構成を概略的に示す断面図である。

【図１０】本発明の第３の実施例におけるプラズマ処理
装置の構成を概略的に示す断面図である。

【図１１】本発明の第３の実施例におけるプラズマ処理
装置が動作時の図１０のＲ₂部の様子を拡大して示す模
式図（ａ）、第３の実施例におけるプラズマ処理装置の
ＥＣＲ面におけるプラズマ電位を示す図（ｂ）である。

【図１２】従来のプラズマ処理装置の構成を概略的に示
す断面図である。

【図１３】従来のプラズマ処理装置のＥＣＲ面における
プラズマ電位分布を示す図である。

【図１４】従来のプラズマ処理装置のＥＣＲ面における
電子密度（ｎ_e）およびイオン密度（ｎ_i）分布を示す
図である。

【図１５】従来のプラズマ処理装置の反応容器内に発生
した磁力線の様子を模式的に示す図（ａ）、（ａ）のＰ
₂、Ｑ₂部における電子の様子を模式的に示す図
（ｂ）、（ｃ）である。

【図１６】被エッチング膜の表面が不均一に帯電した様
子を示すウエハの概略断面図である。

【図１７】被エッチング膜が不均一に帯電した場合の被
エッチング膜のエッチング状態を示すウエハの概略断面
図である。

【図１８】図１７の露出表面１２２ａのエッチング後の
形状を拡大して示す概略断面図である。

【図１９】被エッチング膜が導電性を有する場合にエッ
チングの不均一性が生じることを説明するためのウエハ
の概略断面図である。

【図２０】電子密度分布が不均一になった場合にドリフ
ト不安定性が生じることを説明するための図である。

【図２１】ドリフト不安定性が生じた場合の反応容器内
におけるイオンの様子を示す図である。

【図２２】ウエハにイオンが入射される様子を拡大して
示すウエハの概略的な部分断面図である。

【図２３】プラズマ電位分布が不均一な場合にエッチン
グの異方性が低下することを説明するための反応容器の
模式的な断面図（ａ）、（ａ）の点線１３１に示す面に
おけるプラズマ電位分布を示す図（ｂ）である。

【符号の説明】

１反応容器１ａ第１の部分１ｂ第２の部分１ｃ絶縁部分２ａ、２ｂ、２ｃ電源手段３電磁コイル４マイクロ波発生源９試料台１０、１１０、２１０プラズマ処理装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応室内に置かれた基板の主表面の上方
で電子サイクロトロン共鳴放電によるプラズマを発生さ
せることにより、前記基板の主表面に所定の処理を施
し、前記プラズマを包囲する周壁部を備えたプラズマ処
理装置であって、前記周壁部は、第１の電圧を印加することができるように配置された第
１の周壁部と、前記第１の周壁部と絶縁され、前記第１の電圧と異なる
第２の電圧を印加することができるように配置された第
２の周壁部と、前記第１および第２の周壁部にそれぞれ前記第１および
第２の電圧を印加するための電源手段とを備えた、プラ
ズマ処理装置。