JPH10312900A

JPH10312900A - プラズマ処理方法、プラズマ処理装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH10312900A
Application number: JP9137512A
Authority: JP
Inventors: Masashi Inoue; 雅司井上
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1997-05-13
Publication date: 1998-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】試料に対してダメージを与えることなく均一
なプラズマ処理を行うこと。【解決手段】試料（１０）と真空容器（１２，１４）
の内壁との間に所定の磁界を形成して、真空容器（１
２，１４）の内壁側へのプラズマの拡散を抑制する。ま
た、プラズマの進行方向に対する試料（１０）の後方
に、高透磁率領域を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品や半導体
素子の製造プロセスにおいて被処理材料に対してエッチ
ングや薄膜形成等の処理をプラズマを利用して行うプラ
ズマ処理技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ処理装置は、微量の反応ガスを
含む真空容器内にマイクロ波を導入し、当該真空容器内
でガス放電を励起してプラズマを生成する。そして、こ
のプラズマを試料基板の表面に照射することによって、
エッチングや薄膜形成等の処理を行なう。このようなプ
ラズマ処理装置は、高集積半導体素子の製造に欠かせな
いものとして、その研究が進められている。特に、プラ
ズマの励起に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electr
on Cyclotron Resonance）を利用したＥＣＲプラズマ処
理装置は、低ガス圧領域下で活性度の高いプラズマを生
成できる装置として有望視され、実用化が進んでいる。

【０００３】ところで、プラズマ処理装置における処理
品質の向上のためには、プラズマが試料の全範囲にわた
って均等な密度を有することが重要である。特に、近年
開発の進んでいる直径１２インチ（３００ｍｍ）の半導
体ウエハのように試料の処理面積が大きくなると、その
試料上におけるプラズマ（特にイオン）の強度分布を均
一に保つことが今まで以上に重要となる。しかしなが
ら、試料上でのプラズマの均一性を保つことは容易でな
はい。例えば、試料に向かって磁界の強度が適当な勾配
を持って弱くなる発散磁界を利用して真空容器内で生成
されたプラズマを試料に照射するような場合には、試料
の処理面上での磁束密度の分布が一様でなくなる。ま
た、真空容器内のプラズマは、基本的には真空容器内の
磁場（発散磁界）に拘束されて試料上に照射されるが、
試料の外周部分では真空容器の内壁方向に拡散の影響が
顕著になる。

【０００４】試料上のプラズマ粒子の分布が不均一であ
ると、試料上において高イオン密度領域と低イオン密度
領域とが形成されるため、エッチング処理においては、
処理速度均一性又は異方性を悪化させる等の不都合が生
じる。また、試料上で電位差が生じて電流が流れ、当該
試料上に形成される半導体素子を破壊するという事態も
生じかねない。一方、ＣＶＤ処理においては、半導体基
板上に生成される膜厚の偏りなどが生じて均一な成膜が
困難になる。そして、最終的に製造される半導体装置の
性能が低下してしまう。

【０００５】このため、従来においては、特公平６−４
０５４２、特開平６−２１０６４６、特開平１−２２２
４３７に示されているように、プラズマの進行方向に対
する試料の後方に永久磁石を配置し、試料台上の磁束密
度分布を均一にすることにより、プラズマの均一性の向
上を図っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の方法では、プラズマ生成用のコイルにより
真空容器内に形成される磁場を試料上で強制的に制御し
ているため、種々の問題点が発生した。例えば、試料の
外周部下方（後方）に磁石を配置した場合には、試料の
外周部に比べて試料中央部でプラズマの発散が大きくな
ってしまう。その結果、試料中央部で荷電粒子が加速さ
れ、試料にダメージを与える原因となっていた。また、
試料表面に向かう磁束が局所的に曲げられるため、磁束
密度すなわちプラズマ密度が不均一となってしまう。更
に、試料（試料台）に対して高周波バイアス（ＲＦバイ
アス）を印加した時に、プラズマのインピーダンスが空
間的に不均一となり、試料に印加されるＲＦバイアスが
不均一となる。このような種々の問題が、試料の均一な
処理の妨げとなっていた。

【０００７】本発明は上記のような状況に鑑みてなされ
たものであり、試料へのダメージを最小限に抑えつつ均
一なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理方法
を提供することを第１の目的とする。

【０００８】また、試料へのダメージを最小限に抑えつ
つ均一なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理
装置を提供することを本発明の第２の目的とする。

【０００９】更に、半導体基板へのダメージを最小限に
抑えつつ均一なプラズマ処理を行うことで、高品質な半
導体装置の製造に寄与する半導体装置の製造方法を提供
することを本発明の第３の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の態様にかかるプラズマ処理方法にお
いては、試料（１０）と真空容器（１２，１４）の内壁
との間に所定の磁界を形成して、真空容器（１２，１
４）の内壁側へのプラズマの拡散を抑制する。また、プ
ラズマの進行方向に対する試料（１０）の後方に、高透
磁率領域を形成する。

【００１１】本発明の第２の態様にかかるプラズマ処理
装置は、試料（１０）と真空容器（１２，１４）の内壁
との間において、真空容器（１２，１４）の内壁側に拡
散するプラズマをトラップするための磁界を形成する磁
界形成手段（４４）を備える。また、プラズマの進行方
向に対する試料（１０）の後方に高透磁率材料（４６）
を配置する。

【００１２】更に、本発明の第３の態様にかかる半導体
装置の製造方法においては、半導体基板（１０）と真空
容器（１２，１４）の内壁との間に所定の磁界を形成し
て、真空容器（１２，１４）の内壁側に拡散するプラズ
マをトラップする。また、プラズマの進行方向に対する
半導体基板（１０）の後方に、高透磁率領域を形成す
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て実施例を用いて説明する。以下に示す実施例は、半導
体装置の製造工程の一部であるシリコンウエハのプラズ
マ処理に本発明の技術的思想を適用したものである。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の実施例にかかるプラズマ処
理装置の構成を示す。本実施例のプラズマ処理装置は、
直径１２インチのシリコンウエハ１０に対してエッチン
グ等の所定のプラズマ処理を行うものであり、プラズマ
を生成する中空円筒形状のプラズマ生成室１２と、この
プラズマ生成室１２に連通した反応室１４とを備えてい
る。本装置で処理される試料としては、直径１２インチ
のシリコンウエハ１０以外に、直径８インチのウエハや
液晶ディスプレイ用ガラス基板等、均一なプラズマ処理
が要求される各種の試料を対象とすることが出来る。プ
ラズマ生成室１２の上部には、マグネトロン等のマイク
ロ波発振器（図示せず）に接続された円形導波管１６が
連結されており、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を円形
導波管１６を介してプラズマ生成室１２に導くようにな
っている。

【００１５】円形導波管１６とプラズマ生成室１２との
間には、マイクロ波導入窓２０が配置されている。マイ
クロ波導入窓２０は、石英ガラス等のマイクロ波透過物
質からなり、プラズマ生成室１２を気密に封止するよう
に設計されている。プラズマ生成室１２の外側には、円
形導波管１６の接続部を含み、これらを同心円状に囲む
様に３段のメインコイル２２，２４，２６が配置されて
いる。メインコイル２２，２４，２６の下方には、１段
のサブコイル２８が配置されている。これらのメインコ
イル２２，２４，２６とサブコイル２８は、電流供給部
４０から必要な電流の供給を受けて、プラズマ生成室１
２内にＥＣＲ条件を満たす磁束密度８７５ガウスの領域
を形成する。

【００１６】反応室１４内には、シリコンウエハ１０を
静電吸着等の固定手段によって保持する試料台３２が設
置されている。試料台３２の周囲には、シリコンウエハ
１０と同心円となるように配置されたリング状の永久磁
石４４が備えられている。試料台３２の内部には、高透
磁率材料４６が配置されている。これら永久磁石４４及
び高透磁率材料４６は、本実施例の重要な構成要素であ
り、その作用及び効果については後述する。

【００１７】図２は、シリコンウエハ１０、試料台３２
及び永久磁石４４の位置関係を示す。また、図３は、シ
リコンウエハ１０の周辺に存在する磁界（磁束）の方向
を示す。永久磁石４４は、上側（プラズマ生成室１２
側）がＳ極、下側がＮ極となるように配置されており、
シリコンウエハ１０の外側において、メインコイル２
２，２４，２６及びサブコイル２８によって生じる発散
磁界５０に沿ってプラズマをトラップ（拡散を抑制）す
るようになっている。すなわち、反応室（真空容器）１
４の内壁１４ａの方向に逃げるプラズマを壁面に平行な
磁場でトラップする。

【００１８】一般にプラズマは反応室１４の内壁１４ａ
に接すると電子とイオンが再結合して消滅し、プラズマ
密度がゼロとなってしまう。すなわち、プラズマ密度は
内壁１４ａに向かって減少するような勾配を持つことに
なる。従って、永久磁石４４が内壁１４ａに近すぎる
と、プラズマを十分にトラップすることができずに壁１
４ａ側に逃げてしまう。そこで、本実施例においては、
プラズマを十分にトラップでき且つ反応室内壁１４ａの
影響を受けないように、内壁１４ａから適当な間隔を持
って永久磁石４４を配置する。

【００１９】また、シリコンウエハ１０に対しても適当
な間隔で永久磁石４４を配置することが重要である。す
なわち、永久磁石４４の内側（試料台３２側）には磁石
４４の上面の磁場と逆向きの磁場（下から上に向かう磁
場）が形成され、シリコンウエハ１０上のプラズマ密度
を下げるように作用することがある。このような永久磁
石４４の内側の磁場は、当該磁石４４の上面での磁場に
比べれば比較的弱い磁場であるが、当該磁石４４を試料
台３２に近づけすぎるとシリコンウエハ１０（試料）の
端部でのプラズマ密度を低くする可能性がある。そこ
で、本実施例においては、逆方向（下から上）の磁場の
影響が出ないように、試料台３２に対して適当な間隔を
あけて永久磁石４４を配置する。

【００２０】反応室１４の側壁には、プラズマ生成室１
２及び反応室１４のガスを排気する排気管３４が設けら
れており、当該排気管３４からの真空排気によりプラズ
マ生成室１２と反応室１４を高真空状態に維持するよう
になっている。反応室１４には、プラズマ生成に必要な
反応ガスを供給するためのガス供給管３６が設けられて
いる。また、図示しないが、プラズマ生成室１２の周囲
にはクーラントパスが形成され、このクーラントパスを
循環する冷却水（クーラント）によってプラズマ生成室
１２を冷却するようになっている。

【００２１】試料台３２には、一端がアースされた高周
波電源４８が接続されており、当該試料台３２にＲＦ電
力を印加することによって、シリコンウエハ１０の表面
近傍で生じる化学反応を促進できるように構成されてい
る。これにより、薄膜成膜速度の向上等、プラズマ処理
の効率を向上させることが可能となる。

【００２２】次に、本実施例の全体的な動作について説
明する。本実施例の装置を用いてシリコンウエハ１０上
に形成されたポリシリコン膜のエッチングを行う場合に
は、まず、処理対象となるシリコンウエハ１０を試料台
３２上に固定し、排気管３４からの真空排気により、プ
ラズマ生成室１２及び反応室１４の内圧を所定圧にまで
減圧する。次に、ガス供給管３６からプラズマ生成室１
２及び反応室１４内に反応ガス（Ｃｌ²／Ｏ²）を導入
し、プラズマ生成室１２及び反応室１４の内圧を１×１
０^-3Torr 前後に保つ。

【００２３】その後、メインコイル２２，２４，２６及
びサブコイル２８の通電によりプラズマ生成室１２内に
磁界を形成すると共に、円形導波管１６からマイクロ波
導入窓２０を経てプラズマ生成室１２内にマイクロ波を
導入する。このマイクロ波は、周波数ｆ=２．４５ＧＨ
ｚ（波長λ=約１２．２ｃｍ）、パワー１０００Ｗに設
定されている。

【００２４】プラズマ生成室１２内にマイクロ波が導入
されると、ＥＣＲ面１００において反応ガスを共鳴励起
し、プラズマを生成する。プラズマ生成室１２で生成さ
れたプラズマは、メインコイル２２，２４，２６及びサ
ブコイル２８により形成される発散磁界５０の作用によ
り反応室１４に引き出され、試料台３２上のシリコンウ
エハ１０表面に照射されて、エッチングが行われる。

【００２５】上述したように、メインコイル２２，２
４，２６及びサブコイル２８によって生じる発散磁界５
０に沿って照射されるプラズマが、永久磁石４４による
磁界によってトラップされるため、反応室（真空容器）
１４の内壁１４ａに向かうプラズマを大幅に減少させる
ことができる。また、シリコンウエハ１０上においては
磁界の急激な変化が生じることが無く、シリコンウエハ
１０上でのプラズマ密度の局所的な変化を引き起こすこ
ともない。すなわち、シリコンウエハ１０上での磁場の
発散具合の不均一性による荷電粒子の加速によって、試
料にダメージを与えることがなくなる。また、高周波電
源４８からＲＦ電力（バイアス）を試料台３２に印加し
た場合にも、磁界の発散が局所的に大きく異なることが
ないため、プラズマのインピーダンスが空間的に不均一
となることもなく、シリコンウエハ１０に印加されるＲ
Ｆバイアスの均一化を図ることができる。その結果、シ
リコンウエハ１０に均一なプラズマ処理を行うことが可
能となる。

【００２６】一方、本実施例の装置を用いてシリコンウ
エハ１０への薄膜形成を行う場合には、以上の各手順に
加え、ガス供給管３６を経て所定の原料ガスを導入し、
当該ガスにより生成されたプラズマをシリコンウエハ１
０に照射する。これによりシリコンウエハ１０の表面に
は、原料ガスの反応により生成される物質の薄膜が形成
される。このような薄膜形成においても、均等な密度を
有するプラズマが生成され、シリコンウエハ１０の表面
に形成される薄膜の膜厚分布が均等化される。その結
果、最終的に製造される半導体装置の品質、性能が向上
する。ここで、半導体装置としては、トランジスタのよ
うな半導体素子自体や、ＲＡＭ等の完成された半導体デ
ィバイス等を含むものとする。

【００２７】次に、本発明の要部を成す高透磁率材料４
６の作用について説明する。図４は、本実施例によって
プラズマ処理を行った場合のシリコンウエハ１０上にお
ける磁界強度分布（磁束密度分布）を示す。また、図５
は本実施例の高透磁率材料４６を使用しない場合のシリ
コンウエハ１０上における磁界強度分布（磁束密度分
布）を示す。図４より分かるように、本実施例の場合に
は、高透磁率材料４６に対応する部分の磁界強度分布が
平坦になっている。なお、図４のグラフの左右のピーク
は、各々永久磁石４４の中心に対応する。一方、図５に
示すように、高透磁率材料４６を使用しない場合には、
本実施例の場合（図４）に比べれて磁界強度分布の均一
性が低くなっている。このように、本実施例において
は、高透磁率材料４６を設けているため、シリコンウエ
ハ１０上における磁界強度分布の均一化を更に向上させ
ることができる。すなわち、永久磁石４４の作用によっ
てシリコンウエハ１０上の磁界強度分布（プラズマ分
布）の均一性が向上し、高透磁率材料４６の作用によっ
て更にその効果が顕著になる。

【００２８】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に示された本発明の技術的思想とし
ての要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、試料台３２周辺のプラズマをトラップする磁界
を発生する手段としては、永久磁石に限らず電磁石を使
用することも可能である。電磁石を利用することによ
り、磁場のオン／オフを容易に行うことができ、プロセ
ス及びメンテナンスの面でのメリットがある。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、試
料（１０）と真空容器（１２，１４）の内壁との間に所
定の磁界を形成して、真空容器（１２，１４）の内壁側
へのプラズマの拡散を抑制するとともに、プラズマの進
行方向に対する試料（１０）の後方に、高透磁率領域を
形成しているため、試料へのダメージを最小限に抑えつ
つ均一なプラズマ処理を行うことができるという効果が
ある。最終的には、本発明のプラズマ処理工程を含む一
連のプロセスによって製造された半導体装置の品質の向
上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例にかかるプラズマ処理
装置の概略構成を示す概念図である。

【図２】図２は、図１に示すプラズマ処理装置における
試料台近傍の構成を示す平面図である。

【図３】図３は、実施例の作用（現象）を説明するため
の説明図であり、試料台近傍の磁束の方向を示す。

【図４】図４は、実施例の作用を説明するための参考図
（グラフ）であり、試料台内に高透磁率材料を配置した
場合の磁界強度分布を示す。

【図５】図５は、実施例の作用を説明するための参考図
（グラフ）であり、試料台内に高透磁率材料を配置しな
い場合の磁界強度分布を示す。

【符号の説明】

１０・・・シリコンウエハ（試料）１２・・・プラズマ生成室１４・・・反応室２２，２４，２６・・・メインコイル２８・・・サブコイル４４・・・永久磁石４６・・・高透磁率材料４８・・・高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/31 Ｈ０５Ｈ 1/10 Ｈ０５Ｈ 1/10 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に配置された試料に対してプラ
ズマを照射することによって所定の処理を施すプラズマ
処理方法において、前記真空容器の内壁側へのプラズマの拡散を抑制すべく
前記試料と前記真空容器の内壁との間に所定の磁界を形
成するとともに、前記プラズマの進行方向に対する前記試料の後方に、高
透磁率領域を形成することを特徴とするプラズマ処理方
法。
【請求項２】真空容器内に配置された試料に対してプラ
ズマを照射することによって所定の処理を施すプラズマ
処理装置において、前記試料と前記真空容器の内壁との間において、前記真
空容器内壁側へのプラズマの拡散を抑制するための磁界
を形成する磁界形成手段と；前記プラズマの進行方向に
対する前記試料の後方に配置された高透磁率材料とを備
えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】真空容器内に配置された半導体基板に対し
てプラズマを照射することによって所定のプラズマ処理
を施す工程を含む半導体装置の製造方法において、前記真空容器内壁側へのプラズマの拡散を抑制すべく前
記半導体基板と前記真空容器の内壁との間に所定の磁界
を形成するとともに、前記プラズマの進行方向に対する前記半導体基板の後方
に、高透磁率領域を形成することを特徴とする半導体装
置の製造方法。