JP4283360B2

JP4283360B2 - Plasma processing equipment

Info

Publication number: JP4283360B2
Application number: JP36464198A
Authority: JP
Inventors: ウィクラマナヤカスニル
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: JPH11283926A

Description

【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、半導体産業における集積回路上での化学的気相成長あるいはミクロン規模要素のエッチングの処理に有用なイオン、電子、中性ラジカル、紫外線、可視光を供給できる改善されたプラズマ源を備えたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体産業への３００ｍｍＳｉ（シリコン）ウェハー（基板）の進展に伴って、処理されるべき基板の表面全体にわたって均一なプラズマ密度を有する高密度プラズマが大きく要求されている。例えば２００ｍｍウェハーを処理するために設計された現存するプラズマ装置の規模を拡大することが上記要求を満足させるための１つのアプローチであるとしても、現存するプラズマ装置のハードウェア上の困難性がそのようにすることを妨げる。このことは図１５と図１６に従って２つの従来のプラズマ源を利用して説明され、これらの２つのプラズマ源は主に従来の２００ｍｍウェハー用のプラズマ処理装置に用いられている。
【０００３】
図１５に示された従来のプラズマ源の一例は金属で作られた反応容器５０を備え、この反応容器はトッププレート５１とボトムプレート５２と円筒型側壁５３によって形成されている。反応容器５０において、ウェハーすなわち基板６１が置かれた基板ホルダ５４はボトムプレート５２に近い下側位置に配置され、基板ホルダはトッププレート５１とボトムプレート５２の両者に対し平行である。基板ホルダ５４は絶縁体５７によって反応容器５０から電気的に絶縁されており、高周波電源５５によって整合回路５６とキャパシタ６０を通して高周波電流が供給されている。反応容器５０はワイヤ５８を通して電気的に接地されている。反応容器５０の構成によれば、プラズマは、高周波電力の静電結合に基づいてトッププレート５１と基板ホルダ５４の間のスペース５９で発生させられる。図１５に示されたプラズマ源は単一高周波電力供給システムである。
【０００４】
図１６は従来のプラズマ源の他の例を示す。この例では、反応容器７０の構成は、付加された高周波電極７１を除いて、図１５に示された反応容器５０とほとんど同じである。反応容器７０は、同様にまたトッププレート５１とボトムプレート５２と円筒型側壁５３を有し、金属で作られる。さらに反応容器７０は基板６１が載置された基板ホルダ５４、高周波電源５５、整合回路５６、キャパシタ６０、絶縁体５７、そしてワイヤ５８が備えられている。高周波電極７１は基板ホルダ５４に平行なトッププレート５０の少し下側に配置されている。上部の高周波電極７１は反応容器７０から電気的に絶縁されており、整合回路７３を通して高周波電源７２から高周波電流が与えられる。高周波電極７１に供給される高周波電流の周波数は、通常、基板ホルダ５４に供給される周波数と同じか、あるいは、当該周波数よりも高い。プラズマは高周波電極７１と基板ホルダ５４の間で高周波電力の静電結合によって発生させられる。図１６に示されたプラズマ源は２高周波電力供給システムである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１５と図１６に示された従来のプラズマ源の主たる問題の１つは高周波電源（５５，７２）からプラズマへの電力伝送効率が低いということである。このことは、使用された高周波電力のかなりの部分が望ましくないイオン加速に消費されたことに起因する。これは静電結合型プラズマの固有な属性である。これは低いプラズマ密度という結果をもたらす。さらに、３００ｍｍウェハーの処理は０．２５ミクロン技術に結び付けられるので、化学的処理は低い圧力、例えば約１０mTorr という圧力において実行されなければならないということが考慮される。しかしながら、静電的に結合されるプラズマのプラズマ密度は、圧力の低下と共にさらに低下する。こうして、経済的に実行可能な装置に要求されるより高い処理速度を達成することを得ることができない。
【０００６】
もし処理されるべき基板の直径が小さいとき、例えば２００ｍｍであるとき、プラズマ密度を増大させるようにより大きい高周波電力を適用することができる。しかしながら、もし処理されるべき基板の直径が３００ｍｍであるならば、適用される高周波電力は少なくとも同じ電力密度を維持するために２．２５倍だけ増加されなければならない。何故ならば、３００ｍｍウェハーの表面面積は２００ｍｍウェハーの表面面積よりも２．２５倍大きいからである。それ故に、望ましい電力密度を維持するための高周波電力に関する要求はいくつかの応用に制限されることになる。
【０００７】
加えて、２００ｍｍウェハー処理装置を３００ｍｍウェハー処理装置として用いるべくその規模を大きくするとき、処理チャンバにおける排気速度も同様にまた同じ反応速度を維持するために増大させられなければならない。
【０００８】
上記ハードウェアにおける困難性のため、図１５と図１６に示された２００ｍｍウェハー用の従来のプラズマ源は、３００ｍｍウェハープラズマ源用に単純にその規模を大きくすることはできない。これらの問題を避けるために、直径３００ｍｍの領域にわたってより高いプラズマ密度を作り出すプラズマ源を設計することが重要である。さらに３００ｍｍウェハーの表面全体にわたってより高いプラズマの均一性がなければならない。何故ならば、プラズマアシスト異方性エッチング方法のごときいくつかの半導体処理方法は、処理されるべき基板の表面全体にわたって９５％より良好なプラズマ均一性を必要とする。
【０００９】
本発明の目的は、磁気的に強化され静電的に結合された平面状プラズマを作り、半導体産業で用いられる大面積基板の化学的気相成長とエッチングのため、静電結合機構とカスプ磁界による電子の閉じ込め効果との組合せによって大面積にわたって均一なプラズマ密度を有する高密度プラズマを生成できるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１０】
さらに本発明の他の目的は、低アスペクト比のプラズマ源を実現することにある。
【００１１】
【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、上記目的を達成するために、非磁性金属で作られたトッププレートと、金属で作られたボトムプレートと、少なくとも一部に誘電体物質によって作られた部分を有する側壁とによって構成された反応容器と、該反応容器内に設けられた基板ホルダと、前記トッププレートの外側に配置されて当該トッププレートの内側にカスプ磁界を形成する複数のマグネットとを備え、前記トッププレートと前記基板ホルダの少なくとも一方にプラズマ形成用の高周波電力が供給されるプラズマ処理装置において、
前記マグネットが、碁盤目状に複数連なる四角形の各角部に対応する位置に配置されており、しかも前記各四角形の辺方向に隣接するマグネットの極性が反対の極性となっていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供するものである。
【００１２】
前述の本発明によれば、トッププレートにおけるマグネットの配列はトッププレートの下側に望ましいカスプ磁界を作る。当該カスプ磁界において、磁束線はトッププレートの内側面に近い空間において生成され、すべての磁束線はループを作るように閉じている。このカスプ磁界は、電子を制御し、大面積にわたって均一なプラズマ密度を有するプラズマを生成する静電的結合型の平面状プラズマのプラズマ密度を強化する。
【００１３】
前述の構成において、トッププレートは平板円形状であり、マグネットは平板状トッププレートの外側表面に直接に固定されている。
【００１４】
前述の構成において、トッププレートはドーム型の形状である。このドーム型トッププレートは、異なる寸法のカスプ磁界を用いて使用することができる。
【００１５】
前述の構成において、マグネットは上記ドーム型トッププレートを覆うようにして存在するドーム型カバーの内側面の上に配列される。マグネットの配列によって反応容器内に形成されるカスプ磁界は望ましい寸法になり得る。
【００１６】
ドーム型トッププレートが使用された前述の構成において、上記ドーム型カバーは回転可能である。
【００１７】
前述の構成において、トッププレートは反応容器の他の部分から電気的に絶縁されており、高周波電力が当該トッププレートに供給されることが好ましく、またトッププレートは、反応容器の他の部分から電気的に絶縁された状態又は電気的に接地された状態にあり、基板ホルダに高周波電力が供給される一方、トッププレートには高周波電力が供給されないことも好ましい。
【００１８】
前述の構成において、トッププレートの中心部付近の隣り合う２つのマグネット間の間隔が、トッププレートの周縁部付近の隣り合う２つのマグネットの間隔より大きくなっていることが好ましい。
【００１９】
前述の構成において、マグネットは、トッププレートの周縁部分にのみ帯状に配置されていることも好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付された図面に従って好ましい実施形態が説明される。この実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
【００２１】
本発明の第１の実施形態は図１〜図４に従って説明される。図１は第１の実施形態によるプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の全体構成を示す。特に、図１はプラズマ源の上壁（外側）における構造とその内側の構造を示す。プラズマ源を形成する反応容器１０の幾何学的構造が最初に説明される。反応容器１０はトッププレート１１と円筒型側壁１２とボトムプレート１３から形成される。円筒型側壁１２の下側部分１２ｂとボトムプレート１３は金属、例えばステンレススチールまたはＡｌ（アルミニウム）によって作られている。円筒型側壁１２の上側部分１２ａはセラミック（誘電体物質）によって作られている。トッププレート１１は平板円形形状を有し、非磁性金属、例えばＡｌによって作られているトッププレート１１は、円筒型側壁１２の上側部分１２ａの上に置かれているので、反応容器１０の他の部分から電気的に絶縁されている。トッププレート１１は、プラズマを生成するときに電極として作用する。円筒型側壁１２の上側部分１２ａと下側部分１２ｂの直径は同じである。当該直径の値は重要な問題ではなく、４０ｃｍから６０ｃｍの間で変わり得る。円筒型側壁１２のセラミック部分（１２ａ）の高さは同様にまた重要ではなく、１ｃｍから５ｃｍの範囲に存在する。円筒型側壁１２の下側部分１２ｂとボトムプレート１３は接地線１４を通して電気的に接地されている。トッププレート１１の直径は、円筒型側壁１２の直径に相当する。
【００２２】
反応容器１０の内部空間にはボトムプレート１３に取り付けられた基板ホルダ１５が存在する。この基板ホルダ１５は、例えば整合回路９を通して良く知られた高周波電源８に結合されている。高周波電源８は反応容器１０の外側に配置されている。処理されるべきウェハーすなわち基板１７は基板ホルダ１５の上に配置されている。参照符号１８は排気ポートとして使用されるガス排出ポートを示している。ガス排出ポート１８は良く知られた排気装置（図示されず）に接続される。トッププレート１１は整合回路２０を通して高周波電源１９に結合されている。トッププレート１１は高周波電源１９から必要な高周波電力が供給される。
【００２３】
反応容器１０の下側に配置された基板ホルダ１５はボトムプレート１３に平行である。基板ホルダ１５は絶縁体１６によって反応容器１０から電気的に絶縁されている。図１は整合回路９を通して基板ホルダ１５に接続された高周波電源８を示しているが、基板ホルダ１５は、実際には応用の目的に応じて高周波電源に接続しても良いし、接続しなくても良い。もし基板ホルダ１５に高周波電力が与えられるときには、高周波電力の周波数は、普通、高周波電源１９によってトッププレート１１に供給される高周波電力の周波数よりも低い。しかしながら、いくつかの応用に関しては、高周波電力供給源８，１９の２つの高周波は同じであってもよい。そうでない場合には、基板ホルダ１５は接地される。
【００２４】
図１、図３、図４に示されるように、複数のマグネット２１がトッププレート２１の上に配置され、さらにトッププレート１１の外側表面に固定されている。マグネット２１は対称的な位置関係で配置されるので、トッププレート１１の１／４の領域だけが平面図の状態にて図４に示される。マグネット２１は、トッププレート１１の内側にカスプ磁界を生成するように、トッププレート１１の外側表面の上に配置される。この場合、厳密に述べると、カスプ磁界２３は、４つのマグネット２１で決められるポイント・カスプ(point-cusp)磁界と呼ばれる。ポイント・カスプ磁界を形成するためのただ１つの要求は、各々隣り合うマグネットがトッププレート１１に向かう極で反対の極性を持たなければならないということである。このことは反応容器の内側に向かうマグネットの極性が交互に変化するということを意味する。例えば図４に示されるごとくトッププレート１１の上で点線によって描かれた四角形２２の各々の角部分（コーナー）に配置される。図３と図４においてＮとＳはマグネット２１の磁気的極性を意味する。いかなる２つの隣り合うマグネットの間隔（距離）は重要なことではなく、マグネットの強さとトッププレート１１の直径に依存して２ｃｍから１０ｃｍの範囲で変えることができる。マグネット２１の配列は、図３に示されるように、トッププレート１１の下側で、ポイント・カスプ磁界２３を、２つの隣り合う当該磁界２３の間に作られるカスプ２３ａと共に、作る。符号２３ｂは磁束線を示している。磁極から出た磁束線２３ｂは直接に最も近い反対の磁極に向かって曲がる。こうして、ポイント・カスプ磁界２３が形成される。トッププレート１１の内側表面の近くの空間において生成されたポイント・カスプ磁界２３は、ループを作るように閉じられた磁束線２３ｂを形成する。トッププレート１１の内側表面の近傍において、多くの磁束ループが形成され、その結果として磁界のカスプ２３ａが形成される。トッププレート１１上のマグネット２１によって形成された配列構造に依存してトッププレート１１の下側のプラズマの均一性が変化する。
【００２５】
マグネット２１の形状は、好ましくは、断面の形状がそれぞれ四角と円である立方体または円柱体である。図２に示されるようにマグネット２１の各々はトッププレート１１の外側表面上に形成された穴１１ａの中に配置される。例えば、トッププレート１１の厚みはおよそ２０ｍｍであり、穴１１ａの深さはおよそ１７ｍｍである。従って、マグネット２１の底の面は反応容器１０の内部空間に接近している。
【００２６】
マグネット２１の断面形状は円形または四角形である。もしマグネット２１の断面形状が円形であるならば、その直径は１０ｍｍから４０ｍｍの範囲の中に含まれる。直径の値は重要ではない。もしマグネット２１の断面形状が四角であるならば、円形断面形状を有するマグネットのそれらに相当する寸法が選択される。マグネット２１の高さは同様にまた重要ではなく、３ｍｍから１０ｍｍの範囲内にある。マグネット２１の磁気的強さはトッププレート１１の下側におよそ５０ガウス(Gauss) から５００ガウスの磁界の強さを持つように選択される。
【００２７】
加えて図３に示されるように、円形ガス通路２４がトッププレート１１の内部に形成される。円形ガス通路２４はガス供給パイプ２５を通してガス供給源（図示されず）に結合されており、トッププレート１１の内側表面に複数のガス導入孔６を有している。ガス供給源によって供給されるプロセスガスは円形ガス通路２４とガス導入孔２６を通して反応容器１０の内部空間に導入される。プロセスガスは第１に円形ガス通路２４に供給され、それからいくつかのガス導入孔２６を通して反応容器１０の内部空間に導入される。
【００２８】
反応容器１０の内部圧力は、ガスの流速を調整すること、およびガス排気ポート１８に配置された良く知られた可変オリフィス（図示されず）を調整することによって制御される。反応容器１０の内部圧力は例えば１mTorr から１００mTorr の範囲で変化される。適切な圧力は応用のタイプによって決定される。
【００２９】
高周波電源１９の周波数はおよそ１ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲にあり、代表的に１３．５６ＭＨｚの周波数において動作する。高周波電源１９は通常低いインピーダンスを持ち、代表的におよそ５０オームであり、およそ１０アンペアから５０アンペアの電流を作り出すことができる。高周波電源１９の出力は、整合回路２０を通してトッププレート１１の中心部に供給される。
【００３０】
もし高周波電源８によって高周波電力が基板ホルダ１５に供給されるならば、高周波電力の周波数は１００ｋＨｚから１５ＭＨｚの範囲にある。この高周波電源８は同様にまた低いインピーダンスを有し、代表的にはおよそ５０オームであり、およそ１アンペアから５０アンペアの電流を作ることができる。当該高周波電力は整合回路９を通して基板ホルダ１５に適用される。
【００３１】
次に、前述のプラズマ源を備えた反応容器１０におけるプラズマ発生の機構が説明される。高周波電流１９ａが高周波電源１９からトッププレート１１に供給されるとき、高周波電力の静電的結合の機構によってプラズマが生成される。その時プラズマにおける電子はトッププレート１１上に配置されるマグネット２１によって作られたポイント・カスプ磁界２３の存在に基づきサイクロトロン回転を受ける。このことは電子の通過路の長さを増大させ、それによってプロセスガスのより高いイオン化割合をもたらす。加えて、電子とイオンのトッププレート１１の衝突がポイント・カスプ磁界２３によって部分的に抑圧される。それ故に、磁界２３の存在はプラズマ密度の増大という結果をもたらす。
【００３２】
一般的に磁界が存在しない場合、２つの平行プレートの間に静電的結合の機構によって生成されたプラズマは、より高い半径方向の均一性を持つ。磁界が存在する場合においては、このプラズマ均一性は変化する。上記第１実施形態におけるトッププレート１１上に配置されたマグネット２１はトッププレート１１の下側にポイント・カスプ磁界２３を形成する。トッププレート１１に平行に存在する磁界２３の強さが最大である場所においてプラズマ密度は最大である。同様にトッププレートに平行に存在する磁界２３の強さが最小であるところの場所ではプラズマ密度は低い。それ故に、トッププレート１１の近傍においてプラズマ密度は最大と最小となる。しかしながら、プラズマ密度のこれらの最大と最小は互いに接近しているので、下流側におけるトッププレート１１からより短い距離において拡散がプラズマの均一性を作る。さらに、マグネット２１は交互に反対の極性となるように配置されているので、ポイント・カスプ磁界２３の磁束線２３ｂはトッププレート１１の内側表面から近い距離で曲がる。それ故に、トッププレート１１からより近い距離において磁界がない環境が得られる。
【００３３】
均一なプラズマ密度を得る目的で、前述された構成とは異なる他のマグネット２１の配列を見出だすこともできる。例えば、トッププレート１１の中心部付近の２つの隣り合うマグネットの間の間隔を周辺部付近の隣り合う２つのマグネットの間隔よりも大きくすることができるし、あるいは、図５に示されるように、中央部におけるマグネットを取り除くこともできる。ここで、マグネット２１はトッププレート１１の周縁部分に接近した所のみに帯状に（バンドとして）配置されている。半径ｒ₁はトッププレート１１の半径であり、半径ｒ₂はマグネットが配置されていない円形領域の半径である。これらの配列によって、トッププレート１１の中心部付近のマグネット２１の個数は周縁部に近い部分の個数よりも少なくなる。すなわち、トッププレート１１の中心部およびその周縁の磁束密度は、その周縁部に近い部分の磁束密度よりも低くなる。
【００３４】
次に、前述のプラズマ源を用いたプラズマ処理装置に基づくプラズマ処理について実験的結果を説明する。２つの異なるマグネット配列（Ｉ）と（II）に関して実験が実行される。これらのマグネット２１の配列とそれらの磁界の強さはすでに説明された。マグネット配列（Ｉ）において、マグネット２１は図４に示されるようにトッププレート１１の上で均一な密度を伴って配置されている。マグネット配列（II）において、マグネット２１は図５に示されるようにトッププレート１１の半径ｒ₁とｒ₂の間にある領域内のみに配列されている。ｒ₁によって示されたトッププレート１１の半径は例えば２４０ｍｍである。半径ｒ₂の値は例えば１１０ｍｍである。両方の場合において１０ｍｍ×１０ｍｍ×１２ｍｍの寸法を有したＳｍ−Ｃｏマグネットが用いられた。マグネット２１はトッププレート１１の上でお互いに４０ｍｍの間隔を保って配置された。マグネット２１の表面における磁界２３の強さは９１５ｋＡ／ｍ（Ｂ_r＝１２．１kGauss）である。トッププレート１１の下側の磁界のパターンと強さはコンピュータシミュレーションによって計算され、データが図６，７，８，９，１０で示される。
【００３５】
図６と図７は上記コンピュータシミュレーションに使用されたマグネット配列の構造と生成された磁束のパターンを示す。図６で太い線によって描かれた四角の領域３１はコンピュータシミュレーションのために用いられる。図７に示されるように、拡大された四角の領域３１内の多くの矢３２はＸ−Ｙ平面における磁界の強さと方向を示している。トッププレート１１に平行な平面はＸ−Ｙ平面として扱われる。Ｘ−Ｙ平面に垂直な軸はＺ軸として扱われる。マグネット２１の下側表面はＺ＝０ｍｍとみなされる。Ｚはマグネット２１の下側表面からその下側（下流側）に向かって測定される。
【００３６】
図８，９，１０は拡大された四角の領域３１においてＸ−Ｙ平面でそれぞれＺ＝２０ｍｍ，３０ｍｍ，５０ｍｍにおける磁束の輪郭３３を示している。図８から図１０に示されるように、マグネット２１からその下流に向かうに従ってその距離の増大に伴って磁界の強さが減少する。Ｚ＝５０ｍｍにおいては、ポイント・カスプ磁界の強さは５ガウスより小さくなる。それ故に、もしＺ≧５０ｍｍである場所に基板１７が配置されるならば、その基板１７の表面で起きる反応処理に対する磁界２３による影響は全くなくなる。
【００３７】
マグネット配列（Ｉ）と（II）に関して、プラズマは、１３．５６ＭＨｚの周波数で動作する１０００Ｗの高周波電力を適用することによって生成された。反応容器１０の内側における圧力は２mTorr に設定された。プラズマガスとしては流量１００sccmのアルゴンが用いられた。プラズマのイオン電流密度はトッププレート１１から７５ｍｍの距離においてラングミュラープローブを用いることによって観測され、それらの観測されたグラフが図１１に示される。半径方向のプラズマ密度の不均一性は±［（Ｉ_max−Ｉ_min）／（Ｉ_max＋Ｉ_min）］（％）の式によって見積もられ、データは図１２に示される表１で与えられた。ここで、Ｉ_maxとＩ_minは最大イオン電流密度と最小イオン電流密度である。
【００３８】
上記実験の結果は、もしトッププレート１１の下側のポイント・カスプ磁界パターンが均一であるならば、反応容器１０の中心はより高いプラズマ密度を示すということを指摘している。中心部付近のマグネット２１を取り除くことによってトッププレート１１の周縁部に向かって高密度プラズマ生成領域がシフトするとき、トッププレート１１からより近い距離で径方向に均一なプラズマを得ることができる。
【００３９】
次に本発明の第２の実施形態を説明する。この第２の実施形態は図１３を用いて説明される。トッププレートの構成とマグネットの配列を除いて、他の構成はすべて第１実施形態におけるそれらと実質的に同じものである。
【００４０】
図１３において、プラズマ源を形成する反応容器１０は、非磁性金属によって作られたトッププレート４１、円筒型側壁１２、ボトムプレート１３によって構成されている。円筒型側壁１２の下側部分１２ｂとボトムプレート１３は金属で作られている。円筒型側壁１２の上側部分１２ａはセラミックで作られている。ボトムプレート１３は接地線１４を通して電気的に接地されている。反応容器１０はその内部に基板ホルダ１５を備えており、基板ホルダは絶縁体１６によってボトムプレート１３に配置される。処理されるべき基板１７は基板ホルダ１５の上に搭載されている。ガス排出ポート１８が基板ホルダ１５の下側のボトムプレート１３の下側に形成されている。
【００４１】
図１３に示されるように、第２の実施形態で用いられるトッププレート４１はドーム型を有している。ドーム型の構造は一般的に平板形状の構造よりもいっそう強いので、トッププレート４１の厚みをかなり減少させることができる。さらに、ドーム型トッププレート４１の中心部における厚みはその開放された周縁の境界部分における厚みよりもより薄く選択することができる。ドーム型トッププレート４１の内径は重要なことではない。通常、図１３において記号ｈとして示されたドーム型トッププレート４１の高さは５ｃｍから２０ｃｍの範囲に含まれる。この高さは基本的に円筒型側壁の半径に依存している。円筒型側壁１２の半径は第１実施形態において述べたように変化する。加えて、ドーム型トッププレート４１の内部構造はトッププレート１１と同じである。
【００４２】
高周波電力が整合回路２０を通して高周波電源１９からドーム型トッププレート４１の中心部に供給される。ドーム型トッププレート４１は電極として周波数と他の電気的極性は第１実施形態で説明されたものと同じである。
【００４３】
マグネット２１は金属で作られたドーム型カバー４２の内側表面に固定される。ドーム型カバー４２はドーム型トッププレート４１の上側に配置される。ドーム型カバー４２の頂部において、３ｃｍから５ｃｍの直径を持つ孔４２ａが形成される。この孔４２ａは、ドーム型カバー４２の下側に存在するドーム型トッププレート４１に、整合回路２０からの高周波電力線４３を接続するために作られている。マグネット２１の配列は第１の実施形態において説明されたものと同じである。しかしながら、マグネットは、表面のドーム形状の故に、正方形のコーナの代わりに不等辺四辺形のコーナに配置される。マグネット２１が固定されたドーム型カバー４２は回転機構４４の上に支持され、ギヤ機構４６を介して電気モータ４５に接続されている。ドーム型カバー４２はその軸の回りに回転できるように回転機構４４のベアリング４４ａの上に配置されている。電気モータ４５はギヤ機構４６を介してドーム型カバー４２の外側表面に接続されている。電気モータ４５はたいてい０．５Ｈｚ（すなわち１秒間に１８０度）の回転周波数にてドーム型カバー４２を回転させる。しかしながら、当該回転周波数は１０Ｈｚ程度まで高くしても良い。このように、多くのマグネット２１を備えたドーム型カバー４２は電気モータ４５によって望ましい角速度で回転させられる。ドーム型カバー４２の内側表面に固定されたマグネット２１の各々とドーム型トッププレート４１の間の間隔はおよそ５ｍｍから１０ｍｍに保持されている。
【００４４】
次に、前述の第２の実施形態の技術的利点を説明する。
【００４５】
さらに、ドーム型トッププレートの厚みがより薄くなるので、ドーム型トッププレート４１の下側でより高い磁束密度をもたらす結果となる。これはプラズマ密度の増大の原因となる。さらに、この構成を用いれば、高価でない低磁力度のマグネットを用いることができる。
【００４６】
ドーム型トッププレートの表面領域は第１実施形態で用いられた平板形状のトッププレートの表面領域よりも高くなる。このことはプラズマ発生領域の体積の増大をもたらす。
【００４７】
マグネット配列（Ｉ）を備える第１実施形態によって得られた径方向のプラズマ密度は反応容器の円筒型チャンバの中心部でより高いプラズマ密度を示す。この傾向はドーム型トッププレートを用いる場合には避けられる。ドーム型トッププレートが用いられる場合には、ドーム型トッププレートの中心部におけるプラズマ生成領域は円筒型側壁に近いプラズマ生成領域に比較して基板のレベルからさらに遠くなっている。それ故に、ドーム型トッププレートの中心部付近に生成されたプラズマは、円筒型側壁の近くで生成されたプラズマに比較してより長い距離を流れる。このことは円筒型チャンバの中心部においてプラズマ密度の低下をより大きくする原因となる。しかしながら、当該中心部でのプラズマ密度の低下は円筒型側壁に近い所で生成されたプラズマの拡散によって補われる。これは基板のレベルにおいて径方向に均一なプラズマをもたらす結果となる。
【００４８】
加えて、第２の実施形態で配列されたマグネット２１はドーム型トッププレート４１から離れている。このことは、いくつかの基板処理で必要とされるドーム型トッププレートの加熱を容易にする。
【００４９】
他の利点は、ドーム型トッププレート４１の上でマグネット２１を回転させるため、ドーム型トッププレート４１の近傍での時間平均化学作用が均一になるという点である。それ故に、もしドーム型ドッププレート４１の内側表面に膜が堆積するならば、当該膜の厚みが均一になる。同様に、もしドーム型トッププレート４１の内側表面でエッチングが起きるならば、エッチング形状（エッチング深さ）は全表面にわたって同じとなる。このことは反応容器１０のクリーニング処理を容易にする。しかしながら、第２の実施形態におけるマグネット２１を回転させる機構は、マグネットを分離されたプレート上に固定し、それをトッププレートの上方の少しばかり上側に配置することによって採用することもできる。
【００５０】
前述の実施形態で説明されたプラズマ源は２周波供給システムのタイプである。本発明によるプラズマ源の構成は以下のように変形することができる。
【００５１】
本発明の第３の実施形態は、プラズマ源の断面図を示す図１４に従って説明される。この実施形態と第１の実施形態との差異は、このプラズマ源はトッププレート１１のための高周波電力源を持たないこと、それ故にトッププレート１１は高い周波数の高周波電力が供給されないこと、そして基板ホルダ１５に電力を供給する高周波電力源８０が前述した高周波電力源８のそれに比較して高い周波数帯域を持つこと、である。この場合において、トッププレート１１は電気的に浮いた状態、すなわち電気的に絶縁された状態、または電気的に接地された状態にある。これらの違いを除いて、第３の実施形態によって与えられるプラズマ源の構成は、第１の実施形態で与えられたそれらと実質的に同じである。このようにして、このプラズマ源は１周波供給システムのタイプに属する。
【００５２】
第３の実施形態において、基板ホルダ１５は、高周波電極と基板ホルダの両方として機能する。基板ホルダに与えられる高周波電流の周波数は、高周波電力源８０から与えられ、１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲に含まれ、代表的には１３．５６ＭＨｚで動作する。高周波電力源８０は、通常、低いインピーダンスを持ち、代表的にはおよそ５０オームであり、そして０．５ｋＷから３ｋＷの高周波電力を作ることができる。高周波電力源８０の出力は整合回路９を通して基板ホルダ１５に供給される。
【００５３】
プロセスガス導入方法、真空を作る方法、そして圧力を決める方法は、第１実施形態で説明されたものと同じである。プラズマ生成のメカニズムも同様にまたほとんど第１実施形態で先に述べられたものと類似している。唯一の違いは、この実施形態におけるプラズマが基板ホルダ１５によって高周波電力の静電結合によってのみ生成されることである。しかしながら、トッププレート１１と基板ホルダ１５の間に磁界があるので、先に述べたようにプラズマ密度は増加する。さらに、電子の閉込めに起因して、トッププレート１１への電子損失が同様に減じられる。この事象は、トッププレート１１の内側表面におけるシース電圧とシースの厚みを低下する。シース電圧の減少は、トッププレート１１のスパッタリング速度の低下の原因となる、トッププレート１１上で衝突するイオンのエネルギを減少させる。
【００５４】
第３の実施形態の技術的な利点は以下に説明される。このプラズマ源は前述の実施形態で説明されたすべての利点を備えている。付け加えて、このプラズマ源は１つの高周波電力源のみを用いる。このことは、プラズマ源の構成を簡単化し、製造コストを減じる。第２にトッププレートは高周波の電気的接続を持たないので、トッププレートの構成が簡単である。それ故に、トッププレートのボリューム（体積）が小さくなり、プラズマ源のアスペクト比の更なる減少をもたらすという結果となる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によるプラズマ処理装置は基板の表面の全面にわたって均一な分布を有する大面積高密度プラズマを作ることができ、低アスペクト比を有するプラズマ源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図はプラズマ処理装置の内部と外部の構造を示す第１実施形態の透視図である。
【図２】この図はマグネットの固定構造を示すトッププレートの部分断面図である。
【図３】この図は、内部構造と磁界を示す、プラズマ源に配置されたトッププレートの部分断面図である。
【図４】この図はマグネット配列（Ｉ）を示すトッププレートの１／４領域の平面図である。
【図５】この図はマグネット配列（II）を示すトッププレートの１／４領域の平面図である。
【図６】この図はＸ−Ｙ平面でのＺ＝０ｍｍにおけるコンピュータシミュレーションに用いられたマグネット構造と四角領域を示す図である。
【図７】この図はＸ−Ｙ平面での四角領域におけるＺ＝０ｍｍでの磁束線の強さと方向を示す図である。
【図８】この図はＸ−Ｙ平面での四角領域におけるＺ＝２０ｍｍでの磁束線密度のコンピュータシミュレーションの輪郭を示す図である。
【図９】この図はＸ−Ｙ平面の四角領域におけるＺ＝３０ｍｍでのコンピュータシミュレーションの磁束線密度の輪郭を示す図である。
【図１０】この図はＸ−Ｙ平面での四角領域におけるＺ＝５０ｍｍでの磁束線密度のコンピュータシミュレーションによる輪郭を示す図である。
【図１１】この図はＺ＝−７５ｍｍでの半径線に沿った電流密度の変化を示すグラフである。
【図１２】この図はマグネット配列（Ｉ），（II）の各々の場合における不均一性のデータを示す表を示す。
【図１３】この図はプラズマ処理装置の内部構造を示す第２の実施形態の垂直断面図であある。
【図１４】この図は本発明の第３実施形態を示す垂直断面図である。
【図１５】この図はプラズマ処理装置に用いられる第１の従来のプラズマ源を示す概略図である。
【図１６】この図はプラズマ処理装置に用いられる第２の従来のプラズマ源を示す概略図である。
【参照符号の説明】
１０反応容器
１１トッププレート
１２円筒型側壁
１３ボトムプレート
１５基板ホルダ
１６絶縁体
１７ウェハーすなわち基板
２１マグネット
２３磁界
４１ドーム型トッププレート
４２ドーム型カバー[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a plasma processing apparatus, and in particular, an improvement capable of supplying ions, electrons, neutral radicals, ultraviolet rays, and visible light useful for processing chemical vapor deposition or etching of micron-scale elements on integrated circuits in the semiconductor industry. The present invention relates to a plasma processing apparatus provided with a plasma source.
[0002]
[Prior art]
With the development of 300 mm Si (silicon) wafers (substrates) into the semiconductor industry, there is a great demand for high density plasma with a uniform plasma density over the entire surface of the substrate to be processed. For example, even though increasing the scale of an existing plasma device designed to process 200 mm wafers is one approach to satisfying the above requirements, the hardware difficulties of existing plasma devices are Prevent you from doing so. This is explained using two conventional plasma sources according to FIGS. 15 and 16, and these two plasma sources are mainly used in a conventional plasma processing apparatus for a 200 mm wafer.
[0003]
An example of a conventional plasma source shown in FIG. 15 includes a reaction vessel 50 made of metal, and this reaction vessel is formed by a top plate 51, a bottom plate 52, and a cylindrical side wall 53. In the reaction vessel 50, a substrate holder 54 on which a wafer, that is, a substrate 61 is placed is disposed at a lower position near the bottom plate 52, and the substrate holder is parallel to both the top plate 51 and the bottom plate 52. The substrate holder 54 is electrically insulated from the reaction vessel 50 by an insulator 57, and a high frequency current is supplied through a matching circuit 56 and a capacitor 60 by a high frequency power source 55. The reaction vessel 50 is electrically grounded through a wire 58. According to the configuration of the reaction vessel 50, plasma is generated in the space 59 between the top plate 51 and the substrate holder 54 based on electrostatic coupling of high frequency power. The plasma source shown in FIG. 15 is a single high frequency power supply system.
[0004]
FIG. 16 shows another example of a conventional plasma source. In this example, the configuration of the reaction vessel 70 is almost the same as that of the reaction vessel 50 shown in FIG. 15 except for the added high-frequency electrode 71. The reaction vessel 70 likewise has a top plate 51, a bottom plate 52 and a cylindrical side wall 53 and is made of metal. The reaction vessel 70 further includes a substrate holder 54 on which a substrate 61 is placed, a high frequency power supply 55, a matching circuit 56, a capacitor 60, an insulator 57, and a wire 58. The high frequency electrode 71 is disposed slightly below the top plate 50 parallel to the substrate holder 54. The upper high-frequency electrode 71 is electrically insulated from the reaction vessel 70, and a high-frequency current is applied from a high-frequency power source 72 through a matching circuit 73. The frequency of the high-frequency current supplied to the high-frequency electrode 71 is usually the same as or higher than the frequency supplied to the substrate holder 54. Plasma is generated between the high frequency electrode 71 and the substrate holder 54 by electrostatic coupling of high frequency power. The plasma source shown in FIG. 16 is a two high frequency power supply system.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
One of the main problems of the conventional plasma source shown in FIGS. 15 and 16 is that the power transmission efficiency from the high frequency power supply (55, 72) to the plasma is low. This is due to the fact that a significant portion of the high frequency power used was consumed for undesirable ion acceleration. This is a unique attribute of capacitively coupled plasma. This results in a low plasma density. In addition, since processing 300 mm wafers is tied to 0.25 micron technology, it is considered that chemical processing must be performed at low pressures, for example, about 10 mTorr. However, the plasma density of the electrostatically coupled plasma further decreases with decreasing pressure. Thus, it is not possible to achieve higher processing speeds required for economically viable devices.
[0006]
If the diameter of the substrate to be processed is small, for example 200 mm, higher radio frequency power can be applied to increase the plasma density. However, if the diameter of the substrate to be processed is 300 mm, the applied high frequency power must be increased by a factor of 2.25 to maintain at least the same power density. This is because the surface area of a 300 mm wafer is 2.25 times larger than the surface area of a 200 mm wafer. Therefore, the requirements for high frequency power to maintain the desired power density will be limited to some applications.
[0007]
In addition, when a 200 mm wafer processor is scaled up to be used as a 300 mm wafer processor, the exhaust rate in the processing chamber must also be increased to maintain the same reaction rate.
[0008]
Because of the above hardware difficulties, the conventional plasma source for 200 mm wafers shown in FIGS. 15 and 16 cannot simply be scaled up for a 300 mm wafer plasma source. To avoid these problems, it is important to design a plasma source that produces a higher plasma density over a 300 mm diameter region. Furthermore, there must be higher plasma uniformity across the surface of the 300 mm wafer. This is because some semiconductor processing methods, such as the plasma-assisted anisotropic etching method, require a plasma uniformity better than 95% across the surface of the substrate to be processed.
[0009]
It is an object of the present invention to create a magnetically enhanced and electrostatically coupled planar plasma for the chemical vapor deposition and etching of large area substrates used in the semiconductor industry for electrostatic coupling mechanisms and cusp fields. It is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus capable of generating a high-density plasma having a uniform plasma density over a large area by combining with the electron confinement effect.
[0010]
Another object of the present invention is to realize a plasma source having a low aspect ratio.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the plasma processing apparatus of the present invention provides:Made of non-magnetic metalA top plate;Made of metalA bottom plate,At least partially having a portion made of a dielectric materialA reaction vessel constituted by a side wall, a substrate holder provided in the reaction vessel, and a plurality of magnets arranged outside the top plate and forming a cusp magnetic field inside the top plate, In the plasma processing apparatus in which high frequency power for plasma formation is supplied to at least one of the top plate and the substrate holder,
  The magnet is arranged at a position corresponding to each corner of a quadrangular quadrilateral in a grid pattern, and the magnets adjacent to each side of the quadrilateral have opposite polarities. A plasma processing apparatus is provided.
[0012]
According to the above-described present invention, the arrangement of magnets on the top plate creates the desired cusp field on the underside of the top plate. In the cusp magnetic field, the magnetic flux lines are generated in a space close to the inner surface of the top plate, and all the magnetic flux lines are closed to form a loop. The cusp magnetic field enhances the plasma density of the electrostatically coupled planar plasma that controls electrons and generates a plasma having a uniform plasma density over a large area.
[0013]
In the above-described configuration, the top plate has a circular plate shape, and the magnet is directly fixed to the outer surface of the flat plate top plate.
[0014]
  In the above configuration, the top plate is a dome.MoldShape. This dome-shaped top plate can be used with different sized cusp fields.
[0015]
In the above-described configuration, the magnets are arranged on the inner surface of the dome-shaped cover that covers the dome-shaped top plate. The cusp magnetic field formed in the reaction vessel by the arrangement of the magnets can have a desired size.
[0016]
  In the above-described configuration in which a dome-shaped top plate is used, the dome-shaped cover is rotatable.
[0017]
  In the above configuration, the top plateIs electrically insulated from other parts of the reaction vessel, and it is preferable that high frequency power is supplied to the top plate, and the top plate is electrically insulated from other parts of the reaction vessel or It is also preferable that high-frequency power is supplied to the substrate holder while being electrically grounded, while high-frequency power is not supplied to the top plate.
[0018]
  In the above-described configuration, it is preferable that the interval between two adjacent magnets near the center portion of the top plate is larger than the interval between two adjacent magnets near the peripheral portion of the top plate.
[0019]
  In the above-described configuration, it is also preferable that the magnet is disposed in a band shape only at the peripheral portion of the top plate.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. Details of the present invention will be clarified through the description of this embodiment.
[0021]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows the overall configuration of a plasma source used in the plasma processing apparatus according to the first embodiment. In particular, FIG. 1 shows the structure on the upper wall (outer side) of the plasma source and the inner structure. The geometry of the reaction vessel 10 that forms the plasma source will first be described. The reaction vessel 10 is formed from a top plate 11, a cylindrical side wall 12, and a bottom plate 13. The lower portion 12b and the bottom plate 13 of the cylindrical side wall 12 are made of metal, for example, stainless steel or Al (aluminum). The upper portion 12a of the cylindrical side wall 12 is made of ceramic (dielectric material). The top plate 11 has a flat circular shape, and the top plate 11 made of a nonmagnetic metal, for example, Al, is placed on the upper portion 12a of the cylindrical side wall 12. It is electrically insulated from the part. The top plate 11 acts as an electrode when generating plasma. The diameter of the upper part 12a and the lower part 12b of the cylindrical side wall 12 is the same. The diameter value is not an important issue and can vary between 40 cm and 60 cm. The height of the ceramic part (12a) of the cylindrical side wall 12 is likewise not critical and lies in the range of 1 cm to 5 cm. The lower portion 12 b of the cylindrical side wall 12 and the bottom plate 13 are electrically grounded through a ground wire 14. The diameter of the top plate 11 corresponds to the diameter of the cylindrical side wall 12.
[0022]
A substrate holder 15 attached to the bottom plate 13 exists in the internal space of the reaction vessel 10. The substrate holder 15 is coupled to a well-known high-frequency power source 8 through, for example, a matching circuit 9. The high frequency power source 8 is disposed outside the reaction vessel 10. A wafer or substrate 17 to be processed is placed on the substrate holder 15. Reference numeral 18 indicates a gas exhaust port used as an exhaust port. The gas exhaust port 18 is connected to a well-known exhaust device (not shown). The top plate 11 is coupled to a high frequency power source 19 through a matching circuit 20. The top plate 11 is supplied with necessary high frequency power from a high frequency power source 19.
[0023]
The substrate holder 15 disposed on the lower side of the reaction vessel 10 is parallel to the bottom plate 13. The substrate holder 15 is electrically insulated from the reaction vessel 10 by an insulator 16. Although FIG. 1 shows the high frequency power supply 8 connected to the substrate holder 15 through the matching circuit 9, the substrate holder 15 may or may not be connected to the high frequency power supply depending on the purpose of application. May be. If high frequency power is applied to the substrate holder 15, the frequency of the high frequency power is usually lower than the frequency of the high frequency power supplied to the top plate 11 by the high frequency power supply 19. However, for some applications, the two high frequencies of the high frequency power supplies 8, 19 may be the same. Otherwise, the substrate holder 15 is grounded.
[0024]
As shown in FIGS. 1, 3, and 4, a plurality of magnets 21 are disposed on the top plate 21, and are further fixed to the outer surface of the top plate 11. Since the magnets 21 are arranged in a symmetrical positional relationship, only a quarter region of the top plate 11 is shown in FIG. 4 in a plan view. The magnet 21 is disposed on the outer surface of the top plate 11 so as to generate a cusp magnetic field inside the top plate 11. In this case, strictly speaking, the cusp magnetic field 23 is called a point-cusp magnetic field determined by the four magnets 21. The only requirement for creating a point cusp field is that each adjacent magnet must have the opposite polarity at the pole toward the top plate 11. This means that the polarity of the magnet going to the inside of the reaction vessel changes alternately. For example, as shown in FIG. 4, it is arranged on each corner (corner) of a quadrangle 22 drawn by a dotted line on the top plate 11. 3 and 4, N and S mean the magnetic polarity of the magnet 21. The spacing (distance) between any two adjacent magnets is not critical and can vary from 2 cm to 10 cm depending on the strength of the magnet and the diameter of the top plate 11. As shown in FIG. 3, the arrangement of the magnets 21 creates a point cusp magnetic field 23 together with a cusp 23 a created between two adjacent magnetic fields 23 on the lower side of the top plate 11. Reference numeral 23b indicates magnetic flux lines. The magnetic flux lines 23b emerging from the magnetic pole bend toward the nearest opposite magnetic pole. Thus, the point cusp magnetic field 23 is formed. The point cusp magnetic field 23 generated in the space near the inner surface of the top plate 11 forms a magnetic flux line 23b that is closed to form a loop. Many magnetic flux loops are formed in the vicinity of the inner surface of the top plate 11, and as a result, a magnetic field cusp 23a is formed. Depending on the arrangement structure formed by the magnets 21 on the top plate 11, the uniformity of the plasma below the top plate 11 changes.
[0025]
The shape of the magnet 21 is preferably a cube or a cylinder whose cross-sectional shape is a square and a circle, respectively. As shown in FIG. 2, each of the magnets 21 is disposed in a hole 11 a formed on the outer surface of the top plate 11. For example, the thickness of the top plate 11 is approximately 20 mm, and the depth of the hole 11a is approximately 17 mm. Therefore, the bottom surface of the magnet 21 is close to the internal space of the reaction vessel 10.
[0026]
The cross-sectional shape of the magnet 21 is circular or quadrangular. If the cross-sectional shape of the magnet 21 is circular, the diameter is included in the range of 10 mm to 40 mm. The diameter value is not important. If the cross-sectional shape of the magnet 21 is a square, dimensions corresponding to those of a magnet having a circular cross-sectional shape are selected. The height of the magnet 21 is likewise not critical and is in the range of 3 mm to 10 mm. The magnetic strength of the magnet 21 is selected to have a magnetic field strength of approximately 50 Gauss to 500 Gauss below the top plate 11.
[0027]
In addition, as shown in FIG. 3, a circular gas passage 24 is formed inside the top plate 11. The circular gas passage 24 is coupled to a gas supply source (not shown) through a gas supply pipe 25 and has a plurality of gas introduction holes 6 on the inner surface of the top plate 11. The process gas supplied by the gas supply source is introduced into the internal space of the reaction vessel 10 through the circular gas passage 24 and the gas introduction hole 26. The process gas is first supplied to the circular gas passage 24 and then introduced into the internal space of the reaction vessel 10 through several gas introduction holes 26.
[0028]
The internal pressure of the reaction vessel 10 is controlled by adjusting the gas flow rate and adjusting a well-known variable orifice (not shown) located at the gas exhaust port 18. The internal pressure of the reaction vessel 10 is changed in the range of 1 mTorr to 100 mTorr, for example. The appropriate pressure is determined by the type of application.
[0029]
The frequency of the high frequency power supply 19 is in the range of approximately 1 MHz to 100 MHz, and typically operates at a frequency of 13.56 MHz. The high frequency power supply 19 typically has a low impedance, typically about 50 ohms, and can produce a current of about 10 to 50 amperes. The output of the high frequency power source 19 is supplied to the center portion of the top plate 11 through the matching circuit 20.
[0030]
If high frequency power is supplied to the substrate holder 15 by the high frequency power supply 8, the frequency of the high frequency power is in the range of 100 kHz to 15 MHz. This high frequency power supply 8 also has a low impedance, typically about 50 ohms, and can produce a current of about 1 ampere to 50 amperes. The high frequency power is applied to the substrate holder 15 through the matching circuit 9.
[0031]
Next, the mechanism of plasma generation in the reaction vessel 10 equipped with the above-described plasma source will be described. When the high-frequency current 19a is supplied from the high-frequency power source 19 to the top plate 11, plasma is generated by a mechanism of electrostatic coupling of high-frequency power. At that time, electrons in the plasma are subjected to cyclotron rotation based on the presence of a point cusp magnetic field 23 created by a magnet 21 disposed on the top plate 11. This increases the length of the electron path, thereby resulting in a higher ionization rate of the process gas. In addition, collision of electrons and ions with the top plate 11 is partially suppressed by the point cusp magnetic field 23. Therefore, the presence of the magnetic field 23 results in an increase in plasma density.
[0032]
In general, in the absence of a magnetic field, the plasma generated by the mechanism of electrostatic coupling between two parallel plates has a higher radial uniformity. In the presence of a magnetic field, this plasma uniformity changes. The magnet 21 arranged on the top plate 11 in the first embodiment forms a point / cusp magnetic field 23 on the lower side of the top plate 11. The plasma density is maximum at the place where the strength of the magnetic field 23 existing parallel to the top plate 11 is maximum. Similarly, the plasma density is low at a place where the strength of the magnetic field 23 existing parallel to the top plate is minimum. Therefore, the plasma density is maximum and minimum in the vicinity of the top plate 11. However, since these maximum and minimum of plasma density are close to each other, diffusion creates plasma uniformity at a shorter distance from the top plate 11 on the downstream side. Further, since the magnets 21 are alternately arranged to have opposite polarities, the magnetic flux lines 23b of the point cusp magnetic field 23 bend at a close distance from the inner surface of the top plate 11. Therefore, an environment without a magnetic field at a closer distance from the top plate 11 is obtained.
[0033]
For the purpose of obtaining a uniform plasma density, it is possible to find another arrangement of the magnets 21 different from the above-described configuration. For example, the interval between two adjacent magnets near the center of the top plate 11 can be made larger than the interval between two adjacent magnets near the periphery, or as shown in FIG. The magnet at the center can also be removed. Here, the magnet 21 is arranged in a band shape (as a band) only at a position close to the peripheral portion of the top plate 11. Radius r₁Is the radius of the top plate 11 and the radius r₂Is the radius of the circular area where no magnet is placed. With these arrangements, the number of magnets 21 near the center portion of the top plate 11 is smaller than the number of portions near the peripheral portion. That is, the magnetic flux density at the center portion of the top plate 11 and the peripheral edge thereof is lower than the magnetic flux density at the portion close to the peripheral edge portion.
[0034]
Next, experimental results of plasma processing based on the plasma processing apparatus using the above-described plasma source will be described. Experiments are performed on two different magnet arrays (I) and (II). The arrangement of these magnets 21 and the strength of their magnetic fields have already been described. In the magnet arrangement (I), the magnets 21 are arranged with a uniform density on the top plate 11 as shown in FIG. In the magnet arrangement (II), the magnet 21 has a radius r of the top plate 11 as shown in FIG.₁And r₂It is arranged only in the area between. r₁The radius of the top plate 11 indicated by is, for example, 240 mm. Radius r₂The value of is, for example, 110 mm. In both cases, Sm-Co magnets with dimensions of 10 mm x 10 mm x 12 mm were used. The magnets 21 were arranged on the top plate 11 with an interval of 40 mm between them. The strength of the magnetic field 23 on the surface of the magnet 21 is 915 kA / m (B_r= 12.1 kGauss). The pattern and strength of the magnetic field under the top plate 11 are calculated by computer simulation, and the data are shown in FIGS.
[0035]
6 and 7 show the structure of the magnet array used in the computer simulation and the pattern of the generated magnetic flux. A square area 31 drawn by a thick line in FIG. 6 is used for computer simulation. As shown in FIG. 7, many arrows 32 in the enlarged square region 31 indicate the strength and direction of the magnetic field in the XY plane. A plane parallel to the top plate 11 is treated as an XY plane. An axis perpendicular to the XY plane is treated as the Z axis. The lower surface of the magnet 21 is regarded as Z = 0 mm. Z is measured from the lower surface of the magnet 21 toward the lower side (downstream side).
[0036]
8, 9, and 10 show magnetic flux contours 33 in the enlarged square region 31 at Z = 20 mm, 30 mm, and 50 mm, respectively, on the XY plane. As shown in FIGS. 8 to 10, the magnetic field strength decreases as the distance increases from the magnet 21 toward the downstream side. At Z = 50 mm, the strength of the point cusp field is less than 5 gauss. Therefore, if the substrate 17 is disposed at a place where Z ≧ 50 mm, the influence of the magnetic field 23 on the reaction process occurring on the surface of the substrate 17 is completely eliminated.
[0037]
For magnet arrays (I) and (II), the plasma was generated by applying 1000 W of high frequency power operating at a frequency of 13.56 MHz. The pressure inside the reaction vessel 10 was set to 2 mTorr. Argon having a flow rate of 100 sccm was used as the plasma gas. The ion current density of the plasma was observed by using a Langmuir probe at a distance of 75 mm from the top plate 11, and their observed graph is shown in FIG. The non-uniformity of the plasma density in the radial direction is ± [(I_max-I_min) / (I_max+ I_min)] (%) And the data are given in Table 1 shown in FIG. Where I_maxAnd I_minIs the maximum ion current density and the minimum ion current density.
[0038]
The results of the above experiment indicate that the center of the reaction vessel 10 exhibits a higher plasma density if the point cusp field pattern below the top plate 11 is uniform. When the high-density plasma generation region shifts toward the peripheral edge of the top plate 11 by removing the magnet 21 near the center, uniform plasma can be obtained in the radial direction at a closer distance from the top plate 11.
[0039]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This second embodiment will be described with reference to FIG. Except for the configuration of the top plate and the arrangement of the magnets, all other configurations are substantially the same as those in the first embodiment.
[0040]
In FIG. 13, the reaction vessel 10 forming the plasma source is constituted by a top plate 41, a cylindrical side wall 12, and a bottom plate 13 made of a nonmagnetic metal. The lower portion 12b and the bottom plate 13 of the cylindrical side wall 12 are made of metal. The upper part 12a of the cylindrical side wall 12 is made of ceramic. The bottom plate 13 is electrically grounded through a ground wire 14. The reaction vessel 10 includes a substrate holder 15 therein, and the substrate holder is disposed on the bottom plate 13 by an insulator 16. A substrate 17 to be processed is mounted on a substrate holder 15. A gas exhaust port 18 is formed below the bottom plate 13 below the substrate holder 15.
[0041]
As shown in FIG. 13, the top plate 41 used in the second embodiment has a dome shape. Since the dome-shaped structure is generally stronger than the flat plate-shaped structure, the thickness of the top plate 41 can be considerably reduced. Furthermore, the thickness at the central portion of the dome-shaped top plate 41 can be selected to be thinner than the thickness at the boundary portion of the opened periphery. The inner diameter of the dome shaped top plate 41 is not important. Usually, the height of the dome-shaped top plate 41 shown as symbol h in FIG. 13 is included in the range of 5 cm to 20 cm. This height basically depends on the radius of the cylindrical side wall. The radius of the cylindrical side wall 12 changes as described in the first embodiment. In addition, the internal structure of the dome-shaped top plate 41 is the same as that of the top plate 11.
[0042]
High frequency power is supplied from the high frequency power supply 19 to the center of the dome-shaped top plate 41 through the matching circuit 20. The dome-shaped top plate 41 has the same frequency and other electrical polarities as those described in the first embodiment.
[0043]
The magnet 21 is fixed to the inner surface of a dome-shaped cover 42 made of metal. The dome cover 42 is disposed on the upper side of the dome top plate 41. At the top of the dome-shaped cover 42, a hole 42a having a diameter of 3 cm to 5 cm is formed. The hole 42 a is formed to connect the high frequency power line 43 from the matching circuit 20 to the dome top plate 41 existing below the dome cover 42. The arrangement of the magnets 21 is the same as that described in the first embodiment. However, because of the dome shape of the surface, the magnet is placed in an unequal quadrilateral corner instead of a square corner. The dome-type cover 42 to which the magnet 21 is fixed is supported on the rotation mechanism 44 and connected to the electric motor 45 through the gear mechanism 46. The dome-shaped cover 42 is disposed on the bearing 44a of the rotation mechanism 44 so as to be rotatable about its axis. The electric motor 45 is connected to the outer surface of the dome-type cover 42 through a gear mechanism 46. The electric motor 45 usually rotates the dome-shaped cover 42 at a rotational frequency of 0.5 Hz (ie, 180 degrees per second). However, the rotational frequency may be increased to about 10 Hz. As described above, the dome-shaped cover 42 having many magnets 21 is rotated at a desired angular velocity by the electric motor 45. The distance between each of the magnets 21 fixed to the inner surface of the dome-type cover 42 and the dome-type top plate 41 is maintained at about 5 mm to 10 mm.
[0044]
Next, technical advantages of the second embodiment will be described.
[0045]
Furthermore, since the thickness of the dome-shaped top plate is thinner, this results in a higher magnetic flux density below the dome-shaped top plate 41. This causes an increase in plasma density. Further, if this configuration is used, a magnet having a low magnetic force that is not expensive can be used.
[0046]
The surface area of the dome-shaped top plate is higher than the surface area of the flat top plate used in the first embodiment. This leads to an increase in the volume of the plasma generation region.
[0047]
The radial plasma density obtained by the first embodiment with the magnet arrangement (I) shows a higher plasma density at the center of the cylindrical chamber of the reaction vessel. This tendency can be avoided when using a dome-shaped top plate. When a dome type top plate is used, the plasma generation region at the center of the dome type top plate is further away from the substrate level than the plasma generation region near the cylindrical side wall. Therefore, the plasma generated near the center of the dome top plate flows a longer distance compared to the plasma generated near the cylindrical sidewall. This causes a greater decrease in plasma density at the center of the cylindrical chamber. However, the decrease in plasma density at the center is compensated by the diffusion of plasma generated near the cylindrical side wall. This results in a radially uniform plasma at the substrate level.
[0048]
In addition, the magnets 21 arranged in the second embodiment are separated from the dome-shaped top plate 41. This facilitates heating of the dome top plate, which is required for some substrate processing.
[0049]
Another advantage is that since the magnet 21 is rotated on the dome-shaped top plate 41, the time average chemical action in the vicinity of the dome-shaped top plate 41 becomes uniform. Therefore, if a film is deposited on the inner surface of the dome-shaped dopp plate 41, the thickness of the film becomes uniform. Similarly, if etching occurs on the inner surface of the dome-shaped top plate 41, the etching shape (etching depth) is the same over the entire surface. This facilitates the cleaning process of the reaction vessel 10. However, the mechanism for rotating the magnet 21 in the second embodiment can also be adopted by fixing the magnet on the separated plate and placing it slightly above the top plate.
[0050]
The plasma source described in the previous embodiments is a dual frequency supply system type.sois there. The configuration of the plasma source according to the present invention can be modified as follows.
[0051]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 14 showing a cross-sectional view of a plasma source. The difference between this embodiment and the first embodiment is that this plasma source does not have a high frequency power source for the top plate 11, and therefore the top plate 11 is not supplied with high frequency high frequency power, and the substrate. The high-frequency power source 80 that supplies power to the holder 15 has a higher frequency band than that of the high-frequency power source 8 described above. In this case, the top plate 11 is in an electrically floating state, that is, in an electrically insulated state or in an electrically grounded state. Except for these differences, the configuration of the plasma source provided by the third embodiment is substantially the same as those provided in the first embodiment. Thus, this plasma source belongs to the type of single frequency supply system.
[0052]
In the third embodiment, the substrate holder 15 functions as both a high-frequency electrode and a substrate holder. The frequency of the high-frequency current supplied to the substrate holder is supplied from the high-frequency power source 80, is included in the range of 10 MHz to 100 MHz, and typically operates at 13.56 MHz. The high frequency power source 80 typically has a low impedance, typically around 50 ohms, and can produce high frequency power from 0.5 kW to 3 kW. The output of the high frequency power source 80 is supplied to the substrate holder 15 through the matching circuit 9.
[0053]
Process gas introduction method, method of creating vacuum, and pressureTheThe determination method is the same as that described in the first embodiment. The plasma generation mechanism is also almost similar to that previously described in the first embodiment. The only difference is that the plasma in this embodiment is generated by the substrate holder 15 only by electrostatic coupling of high frequency power. However, since there is a magnetic field between the top plate 11 and the substrate holder 15, the plasma density increases as described above. Further, due to the confinement of electrons, the electron loss to the top plate 11 is similarly reduced. This event reduces the sheath voltage and sheath thickness on the inner surface of the top plate 11. The decrease in the sheath voltage reduces the energy of ions that collide on the top plate 11 that causes a decrease in the sputtering rate of the top plate 11.
[0054]
The technical advantages of the third embodiment are described below. This plasma source has all the advantages described in the previous embodiments. In addition, this plasma source uses only one high frequency power source. This simplifies the configuration of the plasma source and reduces manufacturing costs. Secondly, since the top plate does not have high-frequency electrical connection, the configuration of the top plate is simple. Therefore, the volume of the top plate is reduced resulting in a further reduction in the aspect ratio of the plasma source.
[0055]
【The invention's effect】
The plasma processing apparatus according to the present invention can generate a large-area high-density plasma having a uniform distribution over the entire surface of the substrate, and can realize a plasma source having a low aspect ratio.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment showing an internal structure and an external structure of a plasma processing apparatus.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a top plate showing a magnet fixing structure.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a top plate disposed in a plasma source showing the internal structure and magnetic field.
FIG. 4 is a plan view of a quarter region of a top plate showing a magnet arrangement (I).
FIG. 5 is a plan view of a quarter region of the top plate showing a magnet arrangement (II).
FIG. 6 is a diagram showing a magnet structure and a square region used for computer simulation in Z = 0 mm on the XY plane.
FIG. 7 is a diagram showing the intensity and direction of magnetic flux lines at Z = 0 mm in a square region on the XY plane.
FIG. 8 is a diagram showing an outline of a computer simulation of magnetic flux line density at Z = 20 mm in a square region on the XY plane.
FIG. 9 is a diagram showing an outline of magnetic flux line density in a computer simulation at Z = 30 mm in a square region of the XY plane.
FIG. 10 is a diagram showing a contour by computer simulation of magnetic flux line density at Z = 50 mm in a square region on the XY plane.
FIG. 11 is a graph showing the change in current density along the radial line at Z = −75 mm.
FIG. 12 is a table showing nonuniformity data in each case of magnet arrangements (I) and (II).
FIG. 13 is a vertical sectional view of a second embodiment showing the internal structure of the plasma processing apparatus.
FIG. 14 is a vertical sectional view showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic view showing a first conventional plasma source used in a plasma processing apparatus.
FIG. 16 is a schematic view showing a second conventional plasma source used in a plasma processing apparatus.
[Explanation of reference signs]
10 reaction vessel
11 Top plate
12 Cylindrical side wall
13 Bottom plate
15 Substrate holder
16 Insulator
17 Wafer or substrate
21 Magnet
23 Magnetic field
41 Dome-shaped top plate
42 Dome type cover

Claims

A reaction vessel comprising a top plate made of a non-magnetic metal, a bottom plate made of metal, and a side wall having a portion made of at least a part of a dielectric material , and provided in the reaction vessel And a plurality of magnets that are disposed outside the top plate and that form a cusp magnetic field inside the top plate, and at least one of the top plate and the substrate holder has high-frequency power for plasma formation In the plasma processing apparatus supplied with
The magnet is arranged at a position corresponding to each corner of a quadrangular quadrilateral in a grid pattern, and the magnets adjacent to each side of the quadrilateral have opposite polarities. Plasma processing equipment.

Said top plate has a flat and circular shape, the magnet is a plasma processing apparatus according to claim 1, characterized in that it is directly fixed to the outer surface of the flat top plate.

Said top plate plasma processing apparatus according to claim 1, characterized in that it has the shape of a dome.

The magnet is a plasma processing apparatus according to claim 3, characterized in that it is arranged on the inner surface of the dome cover that lies over the dome shaped top plate.

Pre Symbol plasma processing apparatus according to claim 4, wherein you wherein the domed cover is rotatable.

It said top plate being electrically insulated from other parts of the pre-Symbol reaction vessel according to any one of claims 1 to 5, wherein the high frequency power, characterized in that it is supplied to the top plate Plasma processing equipment.

Said top plate, said there to other parts electrically insulated state or electrically grounded state from the reaction vessel, while the high frequency power to the substrate holder Ru is supplied, the in the top plate 6. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein high-frequency power is not supplied.

The distance between two adjacent magnets near the center of the top plate is larger than the distance between two adjacent magnets near the peripheral edge of the top plate. The plasma processing apparatus according to any one of the above.

The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the magnet is disposed in a band shape only at a peripheral portion of the top plate.