JPH10199699A

JPH10199699A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH10199699A
Application number: JP9014721A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kawakami; 聡川上; Makoto Koguchi; 信虎口
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-01-11
Filing date: 1997-01-11
Publication date: 1998-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロ波の周波数を低く限定することによ
り必要とする磁界の強度を小さくし、電磁コイルを小型
化したプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】被処理体Ｗを収容した処理容器２内に、
マイクロ波発生器５２からのマイクロ波を導入すると共
に、磁界を形成して電子サイクロトロン共鳴を生ぜしめ
てプラズマを発生し、前記被処理体に所定の処理を施す
プラズマ処理装置において、前記マイクロ波の周波数
を、前記処理容器の内径Ｌ１により定まる遮断周波数よ
りなる下限周波数から前記被処理体の表面に前記マイク
ロ波の定在波が生じない最大周波数を上限周波数とする
範囲内に設定する。このような周波数としては、例えば
９１５ＭＨｚを用いることができる。これにより、プラ
ズマ密度を低下させることなく使用周波数を従来装置と
比較して小さくすることができ、その分、磁界の強さを
小さくして電磁コイルの小型化を達成することができ
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、半導体ウエハ等の
被処理体に所定の処理を施すプラズマ処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製品の高密度化及び高微細
化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチ
ング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が
使用される場合があり、特に、０．１〜１０ｍＴｏｒｒ
程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズ
マを立てることができることからマイクロ波とリング状
のコイルからの磁場とを組み合わせて高密度プラズマを
発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向に
ある。従来、この種のマイクロ波プラズマ装置としては
例えば磁場形成手段を有するプラズマ発生室にマイクロ
波導入口を設けて電子サイクロトロン共鳴空間を形成
し、プラズマ発生室からイオンを引き出して反応室内の
処理ガスをこのプラズマで活性化させて成膜処理等を行
なうものが知られている。

【０００３】図３はこのような従来のプラズマ処理装置
を示す概略構成図であり、例えばアルミニウム等により
円筒状に成形された処理容器２内には、被処理体として
の半導体ウエハＷを載置するための載置台４が設けられ
る。この処理容器２は上部が段部状に狭めてあり、この
部分をプラズマ室６として構成すると共にこの下方を反
応室８として構成している。プラズマ室６の上方には、
この処理容器２の天井部を密閉する例えば石英製の天井
蓋１０が気密に設けられており、この部分にマイクロ波
導入窓１２を形成している。

【０００４】このマイクロ波導入窓１２に臨ませて、円
錐状のテーパ導波管１４が接続されると共にこのテーパ
導波管１４の頂部には矩形導波管１６が接続される。そ
して、この矩形導波管１６には、例えば２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器１８が介設さ
れており、ここで発生したマイクロ波をこれらの導波管
１６、１２を介して導入窓１２からプラズマ室６内へ導
入できるようになっている。また、処理容器２のプラズ
マ室６の外側及び容器底部の下方には、それぞれリング
状のメインコイル２０及びサブコイル２２が配置されて
おり、各コイル２０、２２より発生する下向き磁界によ
り処理容器２内の全体に亘って下方向に向うミラー磁界
を形成するようになっている。ここで、上記磁界とマイ
クロ波は電子サイクロトロン共鳴条件を満足するように
設定されており、２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対して
は、磁場の大きさは略８７５ガウスとなっている。

【０００５】従って、プラズマ室６に導入されたプラズ
マガス、例えばアルゴンガスは、投入されたマイクロ波
と磁場との相互作用により生ずる電子サイクロトロン共
鳴によってプラズマ化され、この下方に供給される処理
ガス、例えば成膜ガスとしてのシランガスや酸素を活性
化して反応させ、ウエハ表面上に成膜を施すようになっ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電子サイク
ロトロン共鳴条件を成立させるためには、荷電粒子の電
位、質量等を定めれば、その時のマイクロ波の周波数と
磁場の大きさは一義的に決まるが、上記したようにマイ
クロ波の周波数を２．４５ＧＨｚに設定した場合には、
これに対応する８７５ガウスの磁場強度を得るメインコ
イル２０及びサブコイル２２は非常に大型化しており、
例えば重さ１００Ｋｇ以上の重量物となってしまい、コ
スト高を余儀なくされるばかりか、メンテナンス作業も
大変になり、更には省スペース化にも反してしまう。

【０００７】特に、１２インチウエハ対応の装置の場合
には、８インチウエハの場合と比較して更に容器の直径
も大きくなり、そのために更にコイルも大型化して例え
ば重さ２００Ｋｇ程度にもなってしまい、コイルの小型
化の対策が望まれている。

【０００８】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、マイクロ波の周波数を低く限定することによ
り、必要とする磁界の強度を小さくし、電磁コイルを小
型化したプラズマ処理装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、被処理体を収容した処理容器内に、マ
イクロ波発生器からのマイクロ波を導入すると共に、磁
界を形成して電子サイクロトロン共鳴を生ぜしめてプラ
ズマを発生し、前記被処理体に所定の処理を施すプラズ
マ処理装置において、前記マイクロ波の周波数を、前記
処理容器の内径により定まる遮断周波数よりなる下限周
波数から前記被処理体の表面に前記マイクロ波の定在波
が生じない最大周波数を上限周波数とする範囲内に設定
するように構成したものである。

【００１０】本発明によれば、上述のように遮断周波数
よりも大きく、しかも被処理体の表面に定在波を生ぜし
めることもないような周波数までマイクロ波の周波数を
低くするようにしたので、これに対応させて電子サイク
ロトロン共鳴条件を満たす磁界の強度も小さくすること
ができ、電磁コイルの小型化が可能となる。このマイク
ロ波の上限周波数は、被処理体の直径サイズが８インチ
の場合は、１．５ＧＨｚであり、１２インチの場合は
１．０ＧＨｚである。更に、マイクロ波の下限周波数は
被処理体の直径サイズや振動モードにより異なり、例え
ば直径サイズが８インチの場合において、マイクロ波の
振動モードがＴＥ１１モードの時は５８０ＭＨｚで、Ｔ
Ｍ０１モード時は７７０ＭＨｚである。また、直径サイ
ズが１２インチの場合において、振動モードがＴＥ１１
モードの時は４４０ＭＨｚで、ＴＭ０１モードの時は５
７０ＭＨｚである。このようなマイクロ波周波数として
は、例えば９１５ＭＨｚの工業用周波数を用いることが
できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るプラズマ処
理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１
は本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面図、
図２は半導体ウエハと定在波との関係を示す図である。
図３に示す部分と同一部分については同一符号を付して
説明する。

【００１２】本実施例では、プラズマ処理装置として電
子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ装置を
例にとった場合について説明する。このプラズマ処理装
置２４は、略全体が例えばアルミニウムにより円筒体状
に成形された処理容器２を有しており、この容器底部に
は、被処理体としての半導体ウエハＷを載置するための
例えばアルミニウム製の載置台４が設置されると共に、
この上面には内部に円板状の銅箔２６を埋め込んでな
る、例えばポリイミド樹脂製の静電チャック２８が貼り
付けて設けられている。この銅箔２６には給電線３０を
介して直流電源３２とマッチングボックス３４を介して
例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源３６が
並列に接続されており、スイッチ部３８を閉じて高い直
流電圧を静電チャック２６に供給することにより発生す
るクーロン力によりウエハＷを吸着保持する。また、静
電チャック２６にバイアス高周波を印加することによ
り、イオンの引き込みを効率的に行なうようになってい
る。

【００１３】また、載置台４内には、プラズマ処理時に
ウエハＷが過度に加熱されることを防止するためにこれ
を冷却する冷却ジャケット３９や必要時にウエハＷを加
熱するための加熱ヒータ４０がそれぞれ設けられてお
り、それぞれ冷媒源４２及び加熱源４４に接続されてい
る。処理容器２内の上記載置台４の上方は反応室８とし
て構成されており、この天井部は開口されて、この部分
にマイクロ波を透過するために例えばＡｌＮ（窒化アル
ミ）等の誘電体よりなる天井蓋１０がＯリング等のシー
ル部材４６を介して気密に設けられており、マイクロ波
導入窓１２を構成している。

【００１４】このマイクロ波導入窓１２には、円錐状に
なされたテーパ導波管４８が接続されると共に、このテ
ーパ導波管４８にはマイクロ波の振動モードを変換する
変換導波管４９を介して、断面矩形状の矩形導波管５０
が接続されている。更に、この矩形導波管５０の端部
は、インピーダンス整合を行なうマッチング回路５１を
介してマイクロ波発生器５２に接続されており、プラズ
マ室６内にマイクロ波を導入し得るようになっている。

【００１５】ここで、マイクロ波発生器５２が発振する
マイクロ波の周波数としては、上記処理容器２の反応室
８の内径Ｌ１により定まる遮断周波数よりなる下限周波
数から半導体ウエハＷの表面にマイクロ波の定在波が生
じない最大周波数を上限周波数とする範囲内のいずれか
１つの周波数に設定されている。このようにマイクロ波
の周波数を限定した理由は、次のとおりである。電子サ
イクロトロン共鳴条件を満足した状態ではマイクロ波の
周波数と磁界の強さとは比例関係にあり、周波数を大き
くすると磁界も大きくする必要があるので電磁コイルも
それに従って大きくなって重量化しなければならない。

【００１６】更に、ウエハ表面にマイクロ波の定在波が
生ずるようになるとウエハ表面に電界の分布が生じて処
理の均一性が保てなくなって好ましくない。また、マイ
クロ波の周波数を処理容器の内径で定まる遮断周波数よ
りも小さくすると、マイクロ波を処理容器２内に導入で
きなくなって、電力投入ができなくなってしまう。これ
らの相反する特性を考慮して上述のようにマイクロ波の
周波数を決定する。マイクロ波の上限周波数は、ウエハ
サイズが８インチの場合は１．５ＧＨｚであり、１２イ
ンチの場合は１．０ＧＨｚである。また、マイクロ波の
下限周波数は、ウエハサイズやマイクロ波の振動モード
により異なり、例えばウエハサイズが８インチの場合に
おいて、マイクロ波の振動モードがＴＥ１１モードの時
は５８０ＭＨｚであり、ＴＭ０１モードの時は７７０Ｍ
Ｈｚである。また、ウエハサイズが１２インチの場合に
おいて、振動モードがＴＥ１１モードの時は４４０ＭＨ
ｚであり、ＴＭ０１モードの時は５７０ＭＨｚである。
従って、従来用いていた２．４５ＧＨｚよりも大幅にそ
の使用周波数は小さくなっている。

【００１７】本実施例においては、マイクロ波の周波数
として、上記両ウエハサイズを満足する９１５ＭＨｚの
工業用周波数を用いている。また、処理容器２の内径Ｌ
１は、一般にはウエハサイズよりも略１０ｃｍ程度大き
く、例えばウエハサイズが８インチの場合には、内径Ｌ
１は略３００ｍｍ程度に設定され、１２インチの場合に
は略４００ｍｍ程度に設定される。上記反応室８を区画
する処理容器２の側方には、これを取り囲むようにリン
グ状のメイン電磁コイル５４が設けられ、また、容器底
部の下方には同じくリング状になされたサブ電磁コイル
５６が配置されており、反応室８内に下向きのミラー磁
界Ｍ１を形成してイオンの閉じ込めを効果的に行なうと
共にこの磁界Ｍ１と投入されたマイクロ波とで電子サイ
クロトロン共鳴を生ぜしめてプラズマを発生するように
なっている。

【００１８】また、反応室８を区画する側壁にはプラズ
マガス導入ノズル５８が設けられており、このノズル５
８にはガス通路６０を介してＡｒガス源６２、酸素ガス
源６４及びクリーニングガスとして例えばＮＦ₃ ガス源
６６が接続されており、それぞれ開閉弁６８Ａ、６８
Ｂ、６８Ｃやマスフローコントローラ７０Ａ、７０Ｂ、
７０Ｃにより流量制御を行なうようになっている。更
に、反応室８を区画する壁には、処理ガス導入ノズル７
２が設けられており、このノズル７２にはガス通路７４
を介して処理ガス、例えばシラン源７６が接続されてい
る。このガスは、ガス通路７４の途中に開設した開閉弁
６８Ｄ及びマスフローコントローラ７０Ｄによりその流
量が制御される。そして、処理容器２の側壁には、この
内部を真空引きするための図示しない真空ポンプに接続
された排気口７８が設けられると共に、ゲートバルブ８
０を介してロードロック室８２が接続される。

【００１９】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、ロードロック室８２から
未処理の半導体ウエハＷを処理容器２内へ搬入して、こ
れを載置台４に載置し、静電チャック２８のクーロン力
により吸着保持する。そして、処理容器２内を密閉した
後に、真空引きし、所定の真空度に達したならば各ガス
源からＡｒガス、Ｏ₂ ガス及び原料ガスである、例えば
シランガスをこの処理容器２内に供給しつつ所定のプロ
セス圧力、例えば１ｍＴｏｒｒ程度に維持する。これと
同時に、マイクロ波発生器５２から発生したマイクロ波
を矩形導波管５０に伝搬させてこれを変換導波管４９に
より所定の振動モードに変換し、更に、このモード変換
後のマイクロ波はテーパ導波管４８を伝搬してマイクロ
波導入窓１２からプラズマ室６内に導入する。更に、メ
イン電磁コイル５４及びサブ電磁コイル５６を駆動して
処理容器２内に下方向に向かうミラー磁界Ｍ１を形成す
る。

【００２０】このミラー磁界Ｍ１と、導入されたマイク
ロ波との相互作用で電子サイクロトロン共鳴を生ぜし
め、反応室８にてアルゴンガスがプラズマ化されて発生
したイオンは、下向き磁界Ｍ１に沿って閉じ込められつ
つ移動し、このプラズマエネルギーにより酸素及びシラ
ンガスが活性化されて反応し、ウエハ表面に対してスパ
ッタを行ないつつＳｉＯ₂ の成膜が施される。この時、
静電チャック２８の銅箔２６へはバイアス高周波電源３
６よりバイアス電圧を印加し、ウエハ表面へのイオンの
引き付けを良好に行なわしめている。

【００２１】プラズマ化された荷電粒子は、サイクロト
ロン振動数に共鳴するマイクロ波を吸収して円運動を行
ないつつウエハ側へ引き付けられて行くが、本実施例で
はマイクロ波の周波数を、処理容器２の内径Ｌ１により
定まる遮断周波数である下限周波数からウエハ表面に定
在波が生じない最大周波数を上限とする上限周波数の範
囲内の所定の周波数に設定している。このような周波数
として従来装置のマイクロ波周波数である２．４５ＧＨ
ｚよりもかなり低い周波数、例えば９１５ＭＨｚの工業
用周波数に設定することができ、しかも、プラズマ密度
をほとんど低下させることはない。ここで周波数２．４
５ＧＨｚ（波長１２２ｍｍ）に対する電子サイクロトロ
ン条件を満たす磁場強度は８７５ガウス程度であるのに
対して、周波数９１５ＭＨｚ（波長３２９ｍｍ）に対す
る電子サイクロトロン条件を満たす磁場強度は３２６．
８ガウス程度であり、その磁場強度を大幅に減少させる
ことかできるので、その分、メイン電磁コイル５４及び
サブ電磁コイル５６を小型軽量化させることが可能とな
る。

【００２２】ここで、下限周波数及び上限周波数につい
て詳しく説明する。ここでは処理容器２の内径Ｌ１によ
り定まる遮断周波数を下限周波数としているが、一般
に、マイクロ波を効率的に吸収してプラズマを発生させ
るためには、マイクロ波を処理容器２内の深部に伝搬さ
せて、メイン電磁コイル５４の下端部が位置する水平レ
ベル８４まで導入する必要がある。この水平レベル８４
は、ＥＣＲ面と称され、テーパ導波管４８を伝搬してき
たマイクロ波はＡｌＮ製の天井蓋１０を透過して処理容
器２内に導入し、更に、処理容器２内を深部まで伝搬し
てＥＣＲ面８４にて略完全に吸収されることが理想であ
る。従って、反応室８の部分を区画する処理容器２は導
波管として機能しなければならず、そのために、この部
分をマイクロ波が減衰することなく伝搬するためにはマ
イクロ波の周波数を遮断周波数よりも大きくしなければ
ならない。

【００２３】この遮断周波数は、円形導波管の内径、す
なわちここでは処理容器２が円形導波管として機能する
ことから、この処理容器８の内径Ｌ１とマイクロ波の振
動モードに依存し、遮断周波数ｆｃは以下の式１に示す
ように表わされる。ｆｃ＝１／λ＝１／（Ａ・ａ） …（１）ここでλｃは遮断波長であり、Ａは振動モードによって
異なる導波管定数であり、ａは導波管の内径であり、こ
こではａ＝Ｌ１／２となる。尚、上記導波管定数は、昭
和４４年２月２８日に日刊工業新聞社より発行された
［マイクロ波回路］の付録５（第２４７項）にλｃ／ａ
として記載されている。この付録５によれば、導波管定
数は、マイクロ波の振動モードがＴＥ１１モードの場合
は３．４１３であり、ＴＭ０１モードの場合は２．６１
３である。

【００２４】今、直径８インチ（略２０ｃｍ）のウエハ
を処理する処理容器の内径Ｌ１を、ウエハ径よりも１０
０ｍｍ程度大きく設定したと仮定すると、内径Ｌ１は
０．３ｍとなる。この時の遮断周波数ｆｃは導入された
マイクロ波の振動モードがＴＥ１１モードの場合には略
５８０ＭＨｚとなり、ＴＭ０１モードの場合には略７７
０ＭＨとなり、これらが下限周波数である。また、直径
１２インチ（略３０ｃｍ）のウエハを処理する処理容器
の内径Ｌ１を、ウエハ径よりも１００ｍｍ程度大きく設
定したと仮定すると、内径Ｌ１は０．４ｍとなる。この
時の遮断周波数ｆｃは、導入されたマイクロ波の振動モ
ードがＴＥ１１モードの場合には略４４０ＭＨｚとな
り、ＴＭ０１モードの場合には略５７０ＭＨｚとなり、
これらが下限周波数である。

【００２５】ここでは、処理容器の内径Ｌ１がウエハ径
よりも余裕長さとして１００ｍｍ程度大きい場合を例に
とって説明したが、この余裕長さは容器設計上、１００
ｍｍよりも小さくも或いは大きくもでき、それに応じて
下限周波数も変動することになる。式１より明らかなよ
うに、余裕長さが小さくなれば下限周波数はその分、大
きくなり、余裕長さが大きくなれば下限周波数はその
分、小さくなる。

【００２６】次に、上限周波数について説明する。図２
に示すようにウエハＷの表面に一波長分の定在波８６が
生ずるようになると、ウエハ表面に大きな電位の分布が
生じ、これがためにプラズマ処理の不均一性が大きくな
って膜厚の均一性が劣化してしまう。従って、マイクロ
波の周波数は、ウエハ表面に一波長分の定在波が立たな
いような周波数としなければならず、そのような周波数
はウエハサイズが８インチの場合は１．５ＧＨｚであ
り、１２インチの場合は１．０ＧＨｚであり、これらが
それぞれのウエハサイズに対する上限周波数となる。従
って、前述したようにマイクロ波の周波数を９１５ＭＨ
ｚに設定すれば、両サイズのウエハに対応することがで
きる。

【００２７】また、マイクロ波の周波数を９１５ＭＨｚ
に設定すれば、上記した式１より、処理容器２の直径Ｌ
１は、振動モードがＴＭ０１モードの時は２５ｃｍ程度
が下限値となる。このように、マイクロ波の周波数を従
来用いていた２．４５ＧＨｚよりもかなり小さく設定す
ることができるので、前述のようにその分、ＥＣＲ共鳴
条件を満足するための磁界強度を小さくすることがで
き、電磁コイル５４、５６の小型化に寄与することがで
きる。マイクロ波周波数としては、シールを十分に行な
えば上限・下限周波数の範囲内でどのような周波数でも
よく、上記した工業用周波数である９１５ＭＨｚに限定
されず、周波数を上記した範囲内で小さくすればする
程、その分、磁界強度が小さくなるので、コイルの小型
化に寄与することができる。

【００２８】尚、上記実施例にあっては、成膜ガスとし
てシランを用いた場合について説明したが、これに限定
されず、ジシラン等の他の成膜ガスを用いることもでき
る。更に、ミラー磁界のみならずカスプ磁界の場合にも
本発明を適用することができる。また、本実施例では、
ＥＣＲ型のプラズマＣＶＤ装置を例にとって説明した
が、これに限定されず、プラズマアッシング装置、プラ
ズマエッチング装置等にも適用することができ、更に半
導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板等についても適用
することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のプラズマ
処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮す
ることができる。電子サイクロトロン共鳴を利用して被
処理体に対してプラズマ処理を施す場合に、マイクロ波
の周波数を従来装置の場合よりも小さくして、所定の範
囲内に入るように設定したので、磁界の強さを小さくす
ることができ、その分、電磁コイルの小型化及び省スペ
ース化に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す断
面図である。

【図２】半導体ウエハと定在波との関係を示す図であ
る。

【図３】従来のプラズマ処理装置の一例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

２処理容器４載置台６プラズマ室８反応室１０天井蓋１２マイクロ波導入窓２４プラズマ発生装置２８静電チャック４８テーパ導波管４９変換導波管５０矩形導波管５２マイクロ波発生器５４メイン電磁コイル５６サブ電磁コイル６２Ａｒガス源７６シランガス源８４ＥＣＲ面８６定在波Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体を収容した処理容器内に、マイ
クロ波発生器からのマイクロ波を導入すると共に、磁界
を形成して電子サイクロトロン共鳴を生ぜしめてプラズ
マを発生し、前記被処理体に所定の処理を施すプラズマ
処理装置において、前記マイクロ波の周波数を、前記処
理容器の内径により定まる遮断周波数よりなる下限周波
数から前記被処理体の表面に前記マイクロ波の定在波が
生じない最大周波数を上限周波数とする範囲内に設定す
るように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記上限周波数は、前記被処理体の直径
サイズが８インチの場合には、１．５ＧＨｚであり、直
径サイズが１２インチの場合には、１．０ＧＨｚである
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記マイクロ波の下限周波数は前記被処
理体の直径サイズが８インチで振動モードがＴＥ１１モ
ードの時は５８０ＭＨｚで、振動モードがＴＭ０１モー
ドの時は７７０ＭＨｚであり、前記被処理体の直径サイ
ズが１２インチで振動モードがＴＥ１１モードの時は４
４０ＭＨｚで、振動モードがＴＭ０１の時は、５７０Ｍ
Ｈｚであることを特徴とする請求項１または２記載のプ
ラズマ処理装置。
【請求項４】前記マイクロ波の周波数は、前記被処理
体の直径サイズが８インチ及び１２インチの場合には、
９１５ＭＨｚであることを特徴とする請求項１記載のプ
ラズマ処理装置。