JPH09260097A - プラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のプラズマ発生装置では、単一種の電磁波
源と単一種の電磁波放射部を用いるため、それぞれのプ
ラズマ生成法特有の活性化が行われていた。このため、
ある特定のプラズマ源を用いると、ガス成分のバランス
が目的のプロセスに最適ではないという場合があった。 【解決手段】プラズマを保持する反応室と、電磁波発生
源と、前記電磁波発生源で発生した電磁波を前記反応室
に放射する電磁波放射部を備えたプラズマ生成装置にお
いて、一つあるいは複数の電磁波発生源を持ち、少なく
とも２種類以上の異なる電磁波放射部を組み合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ生成装置
を備えたプラズマ処理装置に係り、特に半導体素子の微
細加工に好適な処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマを用いたドライエッチング装置
や化学気相成膜(CVD)装置では、マイクロ波やＲＦ高周
波などの電磁波を放電室に照射してプラズマを生成す
る。そして、このプラズマにより放電室内に導入した分
子ガスを分解したりイオン化したり、あるいは励起して
活性化し、エッチングや成膜を行う。良好な形状のエッ
チングや良好な膜質の成膜を行うには、プラズマや活性
化したガスの成分のバランスが重要である。このような
ガスの活性化は、プラズマによって行われるため、どの
ような活性化が生じるかは、どのようなプラズマが生成
されるかに大きく依存する。つまり、放電室内に照射さ
れた電磁波のエネルギーが、どれくらいの量が、どのよ
うな経路をたどって活性化に結びつくかが重要なポイン
トになる。

【０００３】従来のプラズマ発生装置は、例えば、並行
平板電極によるRIEプラズマ装置、マイクロ波ECRプラズ
マ装置や誘導結合プラズマ装置が代表的である。これら
の装置では、用いる電磁波の波長、プラズマとの結合の
仕方(ECR、容量結合、誘導結合)が異なっており、それ
ぞれの装置に特有なガスの活性化が行われる。

【０００４】また、５インチ以上のウエハを用いるプロ
セスでは、ウエハ内の処理プロセスの均一化が重要課題
であり、電極やコイルの形状の最適化や、あるいはマイ
クロ波の放射状況の最適化を図ることにより、プラズマ
の分布を制御して均一な処理を行ってきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のプラズマ発生装
置では、単一種の電磁波源と単一種の電磁波放射部を用
いるため、それぞれのプラズマ生成法特有の活性化が行
われていた。このため、ある特定のプラズマ源を用いる
と、ガス成分のバランスが目的のプロセスに最適ではな
いという場合があった。また、配線の線幅や保護膜材の
厚みや材質等のウエハの条件を少し変化させると、その
プラズマ源では最適なプロセス条件が見いだせないとい
う場合もあった。本発明では、従来用いられてきた２種
類以上のプラズマ生成法を組み合わせる、あるいは、従
来用いられてきたプラズマ生成法に新しい原理に基づい
たプラズマ生成法を組み合わせることにより、異なるガ
スの活性化を混在させ、ガス成分の調整範囲を広げるこ
とを目的としている。

【０００６】さらに、単一種の電磁波放射部を用いる場
合、プラズマの分布を制御するには、電磁波放射部の形
状そのものを変化させる必要があり、広範囲な分布制御
を行うには多大な時間・費用や労力が必要であった。本
発明では、二つ以上のプラズマ生成法を混在させ、それ
ぞれのプラズマ生成部に与える電磁波の強度配分を変え
ることによりプラズマ分布の制御範囲を拡大する事を目
的としている。また、これらのプラズマ生成部の位置を
同心円上にすることにより、５インチ以上の大面積ウエ
ハでも均一な分布を得ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、プラズマを保持する反応室と、電磁波発生源と、前
記電磁波発生源で発生した電磁波を前記反応室に放射す
る電磁波放射部を備えたプラズマ生成装置において、一
つあるいは複数の電磁波発生源を持ち、少なくとも２種
類以上の異なる電磁波放射部を組み合わせる。

【０００８】この場合の電磁波放射部の組み合わせとし
て、反応室に接続されたプラズマ生成部に取り付けられ
たプラズマ生成用コイルと、反応室内にあってプラズマ
に電力を供給する電極とする。このとき、電磁波放射部
は、一つあるいは複数個のプラズマ生成用コイルと、一
つあるいは複数個の電極の組み合わせとすることが出来
る。プラズマ生成用コイルもしくは電極は、同心円上に
配置する。

【０００９】反応室内にあってプラズマに電力を供給す
る電極には、電磁波を印可することが出来る。さらに、
電極にはDC電位を印可することが出来るが、このとき、
電極に生じるDC電位Vが、プラズマの電位をVs、プラズ
マの電子温度をTeとするとき、V>19xTe+Vsを満たすよう
に制御する。

【００１０】また、複数個のコイルを用いる場合、各コ
イルがインピーダン調整機能を有しており、かつ各コイ
ルが並列接続されており、かつ、各コイルに電磁波を供
給する電磁波発生器の出力側にインピーダンマッチング
機構を有する様に構成する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施例を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の実施例を示すプ
ラズマ発生装置の図であり、(a)はプラズマ発生装置の
断面図、(b)は被加工物とコイルおよび電極の位置関係
を示す平面図である。

【００１２】反応容器10内には、被処理物31を乗せた電
極32があり、マッチングボックス21Cを介して電磁波発
生装置20Cが接続されている。被処理物の対向部には、
少なくともその一部を絶縁体で構成したプラズマ生成室
11が接続され、プラズマ発生用のコイル23が配置されて
いる。反応室10内には、円筒状の電極24が配置されてい
る。これらのコイル23と電極24は、被加工物31の被加工
面の中心を通る垂直線を軸とした同心円の上に配置され
ている。電極24には、正電位のDC電源22が接続されてい
る。さらに、図１には示してないが、反応ガス導入機構
と排気機構が設けられている。

【００１３】上述のように構成されたプラズマ発生装置
では、次のようにプラズマを発生させる。まず、反応室
10を排気すると供に、反応室10内に反応ガスを供給して
反応室10内が所定の圧力になるように調整する。この状
態で、電磁波発生器20aからマッチングコントローラ21a
を通して電磁波をコイル23に供給すると、プラズマ生成
室11の中の電子はコイル23との誘導結合によって駆動さ
れ、電子はガス分子と衝突を繰り返し、その結果高密度
のプラズマがプラズマ生成室11内に生成する。

【００１４】プラズマ生成室11内で発生したプラズマ
は、拡散によって反応室10に広がる。このとき、反応室
10の大部分は接地されていることにより、プラズマは、
この接地された反応室に等量の電子とイオンが損失する
ように、プラズマ自身の電位を自己調整する。この結
果、プラズマの浮遊電位は接地電位近傍になり、プラズ
マ電位は、浮遊電位に電子温度の３−５倍の値を和した
電位、おおむね10-30V程度になる。

【００１５】このとき、電極24に正のDC電位Vを印可す
る。ここで、この電位Vは、プラズマの電位をVs、プラ
ズマの電子温度をTeとするとき、V>19xTe+Vsを満たすも
のとする。この条件を満たすと、電極にできる電子シー
ス端より電磁波が放出される。プラズマ中の電子は、電
子シースへ向かってドリフトすると供に、その電磁波で
振動する。このようにして、電極24からエネルギーを得
た電子は、反応室10内でもガス分子と次々と衝突を起こ
し、プラズマを発生させる。

【００１６】ここで、電子シース端から電磁波が放出さ
れる物理過程は以下の通りである。電子シースを構成す
るのは、プラズマ中から拡散してきた電子とイオンであ
る。従って、電子シース内の電界の応答速度は電子のプ
ラズマ周波数程度である。この電子シースに、電界の応
答速度以上の速度で電子が流入すると、電子シースの電
界は流入した電子の持つ電界の移動に追従できなくな
る。このとき、電子シース内に、電界の不連続面が形成
され、これが緩和する過程で発生する振動電界により電
磁波が放出される。このとき流入する電子の速度が大き
いほど、つまり、DC電源22より印可される電位Vが高い
ほど、放出される電磁波の強度は強くなる。また、放出
される電磁波の周波数は、プラズマ周波数(GHz)程度で
ある。この電磁波発生機構は、発振ダイオードの原理と
全く同じである。

【００１７】電極24に、電子シースが生成するには、反
応室10内のプラズマ全体から損失される電子のうち、電
極24に流入する電子の量が無視できる程度でなければな
らないという制限がある。従って、電極24の面積はいく
らでも大きくすることはできない。電極24の面積は、電
子のエネルギー分布や電子とイオンの質量比、および反
応室内の接地電位ある構造物の面積で決まり、おおむ
ね、応室内の接地電位ある構造物の面積の50%以下であ
る。理論上、電極24の面積が極小である場合は、プラズ
マの電位は電極に影響されない。しかし、電極24の面積
がある程度大きくなる、あるいは、電極24の電位がある
程度高くなると、電極近傍のプラズマの電位は電極24の
電位に引きずられて上昇し、プラズマ中に静電界を形成
する。この場合、電極24には、プラズマからの拡散だけ
ではなく、静電界によるドリフト機構でも電子が流入す
る。

【００１８】以上述べたように、電極24は、電磁波放出
と電子の静電ドリフトという二つの機構を通じて、エネ
ルギーを電子に伝達する。従って、DC電源22の電位を調
節することにより、電極からプラズマへのエネルギーの
伝達量を調整できる。このエネルギー伝達機構は、コイ
ル23による誘導結合とは異なるため、電極24近傍でのガ
ス分子の活性化は、プラズマ生成室11内でのそれとは異
なることになる。さらに、コイル23に印可する電磁波の
電力の調整と、電極に印可する電力を調整する事によ
り、反応室10内のプラズマ量と分布を制御できる。

【００１９】なお、本発明は図１に示した実施例に限ら
ず、種種の変形が可能である。例えば次のような変形が
あげられる。

【００２０】(1) 電極24の形状は自由に変形でき、図１
に示した１個の円筒状に限らず、平板状、棒状、リング
状であってもかまわないし、それらが分割されていても
かまわない。

【００２１】(2) 図２に示す実施例のように、電極24に
は、DC電源だけでなく、電磁波発生器を接続することも
できる。

【００２２】(3) 図２に示す実施例のように、コイル23
の巻き数や形状や数、あるいはプラズマ生成部11の形状
や反応室10との位置関係は、図示のものに限定されず、
自由に変形することができる。以下にこの第２の実施例
について説明する。

【００２３】図２に示した第２の実施例は、プラズマ生
成室11とコイル23の数を増やした構造を採用すると供
に、電極24に電磁波発生器20bをマッチングコントロー
ラ21bを介して接続した構成を採用している。(a)は、プ
ラズマ発生装置の断面図であり、(b)は、被加工物31と
コイル23および電極24の位置関係を示す平面図である。

【００２４】図２に示したように、複数個のプラズマ生
成室を同心円上に配置する事により、反応室10内のプラ
ズマの量と分布の制御性を上げることができる。つま
り、同心円の中心にあるプラズマ反応室23aと、円周上
に並ぶ複数個のプラズマ反応室23bと電極24とに対する
電力供給を制御することにより、反応室の各部分で発生
するプラズマの量と分布をより細かく制御できる。

【００２５】さらに、電極24に電磁波発生器より高周波
を印可すると、プラズマの電子にさらに異なる振動電界
を与えることができ、プラズマの発生量や、プラズマ分
布の制御をより細かく行うことができる。

【００２６】複数個のコイル23を用いる場合、各コイル
から放出されるエネルギーを制御する機構が必要にな
る。この制御機構を図３に示す。各コイルをコイルＬと
インピーダン調整部Ｚで構成し、これを並列に接続す
る。これに、インピーダンマッチングコントローラ21a
を通して、電磁波発生源20aを接続する。コイル23に電
磁波を入射入射すると、コイル23のインピーダンで決ま
るある割合に従って、電磁波のエネルギーはその一部が
透過し、残りが反射される。ところが、反射された電磁
波のエネルギーは、インピーダンマッチングコントロー
ラー21aによって再び各コイルに反射される。これが繰
り返されることで、電磁波のエネルギーは最終的には、
全てコイル23を透過する。例えば、二つのコイル23a、2
3bが有り、それらのインピーダンが、入射エネルギーの
a%とb%を透過するように調整されていたとすると、図３
の回路では、最終的に入射した全てのエネルギーがコイ
ル23a、23bに対して、a:bに分配される。従って、複数
個のコイルを並列接続しても、各コイルのインピーダン
を調整する事により、各コイルに配分される電磁波のエ
ネルギーを調整する事ができる。

【００２７】(4) 図４(a)に示す実施例のように、反応
室10における電極24とコイル23（プラズマ生成室11）の
位置関係を反転させることも可能である。この場合、図
４(a)の円筒状の電極24を、図４(b)の平面図に示すよう
に、複数個の円盤状電極に置き換えることも可能であ
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、プラズマを保持す
る反応室と、電磁波発生源と、前記電磁波発生源で発生
した電磁波を前記反応室に放射する電磁波放射部を備え
たプラズマ生成装置において、電磁波放射部が、反応室
に接続されたプラズマ生成部に取り付けられたプラズマ
生成用コイルと、反応室内にあってプラズマに電力を供
給する電極であることとすることによって、反応室内の
プラズマ量とその分布、あるいはガス成分の活性度を制
御できるプラズマ発生源を供する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるプラズマ発生装置の概
略構成図である。

【図２】本発明の他の実施例によるプラズマ発生装置の
概略構成図である。

【図３】複数のコイルに対する電磁波エネルギ分配制御
法を示した構成図である。

【図４】本発明の他の実施例によるプラズマ発生装置の
概略構成図である。

【符号の説明】

１０…プラズマ反応室、１１…プラズマ生成部、２０…
電磁波発生装置、２１…インピーダンマッチングコント
ローラ、２２…ＤＣ電源、２３…コイル、２４…電極、
２５…チョークコイル、３１…被加工物、３２…加工物
を搭載する電極。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマを保持する反応室と、電磁波発生
   源と、前記電磁波発生源で発生した電磁波を前記反応室
   に放射する電磁波放射部を備えたプラズマ生成装置にお
   いて、電磁波放射部が、反応室に接続されたプラズマ生
   成部に取り付けられたプラズマ生成用コイルと、反応室
   内にあってプラズマに電力を供給する電極であることを
   特徴とするプラズマ生成装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のプラズマ生成装置におい
   て、電磁波放射部が、一つあるいは複数個のプラズマ生
   成用コイルと、一つあるいは複数個の電極の組み合わせ
   であることを特徴とするプラズマ生成装置。
3. 【請求項３】請求項１記載のプラズマ生成装置におい
   て、プラズマ生成用コイルもしくは電極が円周上に配置
   されていることを特徴とするプラズマ生成装置。
4. 【請求項４】前記プラズマ生成装置において、反応室内
   にあってプラズマに電力を供給する電極に印可する電圧
   Vが、プラズマの電位をVs、プラズマの電子温度をTeと
   するとき、V>19xTe+Vsを満たすことを特徴とするプラズ
   マ生成装置。
5. 【請求項５】前記プラズマ生成装置において、反応室内
   にあってプラズマに電力を供給する電極の面積が、反応
   室内でプラズマに接している接地電位にある構造物の面
   積より小さいことを特徴とするプラズマ生成装置。
6. 【請求項６】前記プラズマ生成装置において、複数個の
   コイルを用いる場合、各コイルがインピーダン調整機能
   を有しており、かつ各コイルが並列接続されており、か
   つ、各コイルに電磁波を供給する電磁波発生器の出力側
   にインピーダンマッチング機構を有していることを特徴
   とするプラズマ生成装置。