JPH0785995A

JPH0785995A - プラズマ生成方法及び装置

Info

Publication number: JPH0785995A
Application number: JP5232801A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kakehi; 豊掛樋; Seiichi Watanabe; 成一渡辺; Muneo Furuse; 宗雄古瀬; Taketo Usui; 建人臼井; Tetsunori Kaji; 哲徳加治; Katsuya Watanabe; 克哉渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は１０¹¹個／cm³以上の高密度プ
ラズマの発生領域を制御し、プラズマチャンバ、壁面の
エッチングを防止することである。【構成】マイクロ波をソレノイドコイル１３による磁界
中に導波管１２，導入窓（石英板）１４を介してチャン
バ２０に導入し、その際の磁場分布、電界分布を制御し
て、マイクロ波の強い吸収を１０¹¹個／cm³以上の高密
度プラズマにおいてもチャンバ中央部に設定できるよう
にした。これにより、低圧での高速エッチングを実現す
るとともに、形状制御性や選択性を高精度で制御するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ生成方法及び
装置に係り、チャンバ構成部材の影響を少くして半導体
素子基板等の試料の微細加工に好適なマイクロ波プラズ
マ生成方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ生成技術は、例えば、図
７（日立評論Ｖｏｌ．７３，Ｎｏ．９，ｐ８４８，１９
９１−９に記載に示すように、マイクロ波を伝播する導
波管２内に石英製の放電管４を有し、外部磁場３’とマ
イクロ波電界２’の作用により放電管内でプラズマを生
成させるようになっている。そして、該プラズマを利用
して半導体ウエハ５は処理される。１はマイクロ波出力
のためのマグネトロン、３は磁場供給のためのソレノイ
ドコイルであり、試料台６にはエッチングのためのＲＦ
バイアス電圧を印加するための高周波電源７が設けられ
ている。８はエッチングガスの導入口であり、９は排気
口である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術における
プラズマ密度分布の一例を図８に示す。縦軸に基板（ウ
エハ）５からの中心軸上の高さｚを取り、横軸にプラズ
マの電子密度Ｎｅを示している。マイクロ波パワーが小
さい時には０．７Ｗ／cm²の場合のようにマイクロ波は
ほとんどＥＣＲ面（ＥＣＲ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃ
ｒｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ，２．４５ＧＨｚの
場合、磁束が８７５Ｇａｕｓｓとなる所）で吸収され、
ＥＣＲ面で強いプラズマを形成する。所が、マイクロ波
パワーが１．０Ｗ／cm²以上となると８７５Ｇａｕｓｓ
以上の磁場においても強い吸収を示し、高密度のプラズ
マがμ波導入面である石英ベルジャに近づいていく。こ
れに伴い、μ波導入窓（この場合は石英ベルジャ４）の
エッチングが従来以上に生じ、エッチングガスによるプ
ラズマ成分の純度が低下し、エッチング等のプロセス精
度が変化するといった課題を有している。

【０００４】本発明の第１の目的は、高密度プラズマの
発生領域を制御し、プラズマチャンバ壁面のエッチング
の防止が可能なプラズマ生成方法及び装置を提供するこ
とにある。

【０００５】また、本発明の第２の目的はエッチングに
おける試料の形状制御や選択性の制御あるいは成膜にお
ける膜質等を高精度に制御するプラズマ生成方法及び装
置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、マイクロ波の強い吸収領域を高密度プラズマ（電子
密度１０¹¹個／cm³以上）においてもプラズマ生成室の
中央部に設定できるようにしたことである。

【０００７】具体的な手段を以下に述べる。第１の手段
としては、磁場勾配をマイクロ波導入窓付近で急激に強
くし、磁場の影響を変化させる手段を設けた点である。
第２の手段は、マイクロ波導入窓におけるマイクロ波電
界が小さくなるような共振器を設けてマイクロ波を導入
する点である。第３の手段はマイクロ波入力パワー密
度、ＥＣＲ面、プラズマ高さを設定してプラズマ領域を
制御することである。第４の手段はマイクロ波導入にア
ンテナを用い、プラズマ発生室の中央周辺部に設けてこ
れを磁場でプラズマ室壁を保護するように磁力線を配置
したことである。

【０００８】

【作用】プラズマ内におけるマイクロ波の吸収について
は、現在精力的に研究が進められ解明されつつある。Ｅ
ＣＲ条件に近い磁場ではドップラーシフトが生じ強い吸
収が得られる。従って、第１の手段のように、中央部で
よりＥＣＲに近い磁束密度でゆるやかな磁場勾配とし、
マイクロ波導入窓付近で磁場勾配を急激に強くすること
により、マイクロ波の吸収をより中央部で吸収させるこ
とが可能である。

【０００９】また、プラズマ密度が高まるにつれ、ＥＣ
Ｒ吸収に対する電子の衝突減衰の割合が高くなってく
る。従って、第２の手段のように、マイクロ波導入窓に
おけるマイクロ波電界を小さくすれば、電界が直接寄与
する衝突減衰を導入窓付近で弱めることができるので、
導入窓近傍のプラズマ密度を減少させることができる。

【００１０】先の図２で示した高密度のプラズマ領域も
もともとＥＣＲ吸収によるプラズマが土台となってお
り、ＥＣＲ面の位置も高密度領域に影響を与える。従っ
てＥＣＲ面をできるだけ中央から下に下げ、高密度プラ
ズマを中央にもってくるのが有効である。ただし、ＥＣ
Ｒ面を基板位置まで近づけてしまうとマイクロ波の吸収
面が即ちプラズマの消滅位置となり、プラズマの安定化
上問題がある。従って、ある程度基板から離してプラズ
マの安定化を図りつつ、できるだけ下に設定することが
有効である。

【００１１】第４の手段についてはプラズマの拡散を中
央部にのみ限定することができるので、プラズマ密度の
高い部分を壁から遠ざけることが可能である。

【００１２】

【実施例】本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置
（エッチング装置）の一実施例を図１によって説明す
る。１１はマグネトロン、１２は導波管、１３はソレノ
イドコイル、１４は石英板、１５はウエハ、１６は試料
台、１７は高周波電源、１８はエッチングガス導入系、
１９は排気系である。

【００１３】石英板１４はμ波導入窓となっており、そ
の上にステップ拡大状の導波管１２が設置され、ソレノ
イドコイルの一部は拡大した導波管の上方にも設置され
ている。

【００１４】本実施例によるプラズマ密度分布の一例を
図２に示す。μ波パワーは１．６Ｗ／cm²の場合であ
る。従来例の説明と同じように基板からの高さｚを縦軸
に取り、横軸に電子密度Ｎｅを示し、さらに、磁場分布
Ｂも示した。Ｂ＝８７５Ｇａｕｓｓとなる位置がＥＣＲ
面であり、この実施例ではＬ₁＝１／４Ｌ付近に設定し
た（Ｌ₁／Ｌ₂＝１／３）。

【００１５】本実施例によれば、ＥＣＲ面から上方に上
るにつれてゆるやかな磁場勾配を持たせ、μ波導入窓に
近づくにつれて磁場勾配が強激に上昇するようになされ
ている。また、導入窓のプラズマ側がマイクロ波の定在
波の反射面となり、共振器として作用するように導波管
が設計されている。従って、中央部でドップラーシフト
によるＥＣＲ吸収を高めると同時にμ波導入面近傍の電
界を小さくすることによりプラズマの電子密度分布は上
下方向に対して中央高の高密度プラズマが得られる。

【００１６】実際にμ波導入窓である石英板１４に到達
するイオン電流Ｉ_Qをウエハ１５に到達するエッチング
のためのイオン電流Ｉｗと比較して図３、図４に示す。

【００１７】図３において、プラズマ領域の高さＬ／Ｄ
ｗが１．０以上になるとウエハに入射するイオン電流Ｉ
ｗをあまり低下させずに石英板に入射するイオン電流Ｉ
_Qを大きく低下させることができる。プラズマ領域が大
きすぎると装置全体の高さが大となり、クリーンルーム
の余裕がなくなる等のことを考慮するとＬ／Ｄｗをでき
るだけ１．０に近づけるのが良い。

【００１８】図４において、μ波パワー密度が上りすぎ
ると、イオン電流Ｉ_Qが急激に大きくなることからパワ
ー密度を１．０Ｗ／cm²以上として１０¹¹個／cm³以上の
電子密度の高密度プラズマを実現し、１．６Ｗ／cm²以
下としてイオン電流Ｉ_Qの最大値を抑えるのが適切であ
る。

【００１９】図５に半径方向のプラズマ密度分布をマイ
クロ波電界Ｅの分布と共に示す。プラズマ室の側壁のエ
ッチングを防止するにはプラズマ分布の半径方向の制御
も重要であり、本実施例ではＴＥ₁₁とＴＥ₀₁の合成モー
ドを供給しており、基板径Ｄｗの範囲でやや中高ではあ
るが±５％以内の電子密度分布となり、周辺部では壁で
のプラズマの消滅もあって低いプラズマ密度に抑えるこ
とができている。

【００２０】以上説明したように、本発明によれば、電
子密度１０¹¹個／cm³以上の高密度プラズマをプラズマ
生成領域の中央部に制御して生成することができるの
で、プラズマ室壁面のエッチングが防止できる。またこ
れによって、エッチングにおける形状制御性や選択性の
制御を高精度で実施することができる。

【００２１】本発明の実施例ではエッチング装置につい
て説明したが、ＣＶＤ装置等の成膜に用いる場合には膜
質等を高精度に制御することができる。

【００２２】本発明の他の実施例を図６に示す。２１は
μ波導入アンテナであり、円周方向に数個設けている。
チャンバ２４の周辺には永久磁石２２により図示すよう
な磁場が形成されている。２５はウエハ、２６は試料
台、２９は排気系、２８はエッチングガス供給系であり
チャンバ２４の上部からシャワー状に供給している。本
実施例において、ＥＣＲ条件を満たす磁場の位置は壁付
近になっているが、そこから中央に向かって磁束密度は
急激に減少しており、従ってプラズマは中央部に向かっ
て拡散し、中央部に高密度のプラズマを生成することが
できるので、上記実施例と同様の効果を得ることができ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば電
子密度１０¹¹個／cm³以上の高密度プラズマをプラズマ
生成領域の中央部に制御して生成することができるの
で、プラズマ室壁面のエッチングが防止でき、プラズマ
のエッチングガスによる純度を高めることができる。従
って、エッチングガスにおける低圧での高速エッチング
を実現するとともに、形状制御性や選択性の制御を高精
度で実施することができる。また、ＣＶＤ装置等の成膜
装置に適用した場合には膜質等を高精度に制御すること
ができるという著しい効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】図２は図１におけるプラズマ密度分布を示す分
布図である。

【図３】図３は図１における石英板に入射するイオン電
流特性を示す特性図である。

【図４】図４は図１におけるイオン電流のμ波パワー依
存性を示す特性図である。

【図５】図５は図１における半径方向のプラズマ密度分
布を示す分布図である。

【図６】図６は他の実施例を示す構成図である。

【図７】図７は従来のμ波エッチング装置を示す構成図
である。

【図８】図８は従来のプラズマ密度分布を示す分布図で
ある。

【符号の説明】

１１…マグネトロン、１２…導波管、１３…ソレノイド
コイル、２０，２４…プラズマチャンバ（プラズマ生成
室）、１４…μ波導入窓（石英板）、１５，２５…ウエ
ハ（基板）、２１…マイクロ波アンテナ、２２…永久磁
石。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者臼井建人茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者加治哲徳山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者渡辺克哉山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマチャンバの中央部に１０¹¹個／cm
³以上の高電子密度のプラズマを生成させることを特徴
とするプラズマ生成装置。
【請求項２】マイクロ波を導入して磁場との作用でプラ
ズマを生成することを特徴とする請求項１に記載のプラ
ズマ生成装置。
【請求項３】ＥＣＲ面をマイクロ波導入部からチャンバ
中央より遠ざけ、パワー密度を１．０〜１．６Ｗ／cm²
として高密度部をチャンバ中央に設定したことを特徴と
する請求項２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】プラズマ生成チャンバ内に処理基板を設置
して処理することを特徴とする請求項１に記載のプラズ
マ生成装置。
【請求項５】磁場勾配をマイクロ波導入窓近傍で急激に
変化させ、導入窓近傍のプラズマ密度を低下させたこと
を特徴とする請求項２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項６】マイクロ波電界モードをＴＥ₀₁のように最
外周の電界が小さくなるモードを用い、チャンバ部材周
辺のプラズマ密度を低下させたことを特徴とする請求項
２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項７】プラズマ生成室の高さが処理基板の大きさ
以上であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ
生成装置。
【請求項８】プラズマ生成室の内径が処理基板の２倍以
上であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ生
成装置。
【請求項９】半導体デバイスのエッチングあるいはＣＶ
Ｄプロセスを行うことを特徴とする請求項１〜８に記載
のプラズマ生成装置。
【請求項１０】プラズマチャンバの中央部にのみマイク
ロ波を導入し、チャンバを磁力線でカバーしたことを特
徴とする請求項２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項１１】プラズチャンバの中央部に１０¹¹個／cm
³以上の高電子密度のプラズマを生成させることを特徴
とするプラズマ生成方法。
【請求項１２】マイクロ波を導入して磁場との作用でプ
ラズマを生成することを特徴とする請求項１に記載のプ
ラズマ生成方法。
【請求項１３】ＥＣＲ面をマイクロ波導入部からチャン
バ中央より遠ざけ、パワー密度を１．０〜１．６Ｗ／cm
²として高密度部をチャンバ中央に設定したことを特徴
とする請求項２に記載のプラズマ生成方法。
【請求項１４】プラズマ生成チャンバ内に処理基板を設
置して処理することを特徴とする請求項１に記載のプラ
ズマ生成方法。
【請求項１５】半導体デバイスのエッチングあるいはＣ
ＶＤプロセスを行うことを特徴とする請求項１０〜１４
に記載のプラズマ生成方法。
【請求項１６】プラズマチャンバの中央部にのみマイク
ロ波を導入し、チャンバを磁力線でカバーしたことを特
徴とする請求項１１に記載のプラズマ生成方法。