JPH10289798A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 プラズマ生成用の磁場を変更した場合にも、
試料上において常に最適な磁場状態を確保する。 【解決手段】 真空容器（１２，１４）内にプラズマを
生成する第１の磁場を形成するとともに、試料（１０）
付近のプラズマ分布を制御すべく、当該試料（１０）の
近傍に第２の磁場を形成する。そして、第１の磁場の状
態に応じて第２の磁場を制御する。

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
素子の製造工程における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
でガス放電を生起させ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：El
ectron 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実用化されている。

【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困難であった。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構成を採る場合には、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への拡散の影響が顕著に
なるため、試料上でのプラズマは完全に均一とはならな
い。

【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、半導体基板のプラズマ処理が均一
に行われない場合には、最終的に製造される半導体装置
の性能が劣化してしまう。

【０００５】特公平６−４０５２、特開昭６３−４８４
７５、特開平６−２１６０４６等には、永久磁石を用い
て試料台上の磁束密度分布を均一にする方法が開示され
ている。このような方法により、試料の処理面全体に渡
って均一な密度のプラズマを得られるようになってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、試料上
のプラズマの均一性は試料台付近の磁場のみならず、プ
ラズマ生成用の電磁コイルによる磁界の影響を受ける。
すなわち、プラズマ生成用に形成された磁場と、試料付
近の磁場との相互作用によって試料上の磁束密度分布が
決まる。このため、試料台近傍の永久磁石の強度や位置
を最適な状態に設定しても、後にプラズマ生成用の電磁
コイルの電流値等を変更したときには、試料台上で最適
な磁束密度分布を得られないことがある。

【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、プラズマ生成用の磁場を変更した場合に
も、試料上において常に最適な磁場状態を確保できるプ
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、プラズマ生成用の磁場を変更した場
合にも、試料上において常に最適な磁場状態を確保でき
るプラズマ処理装置を提供することを第２の目的とす
る。

【０００９】更に、プラズマ処理工程において、プラズ
マ生成用の磁場を変更した場合にも、半導体基板上にお
いて常に最適な磁場状態を確保することにより、良好な
プラズマ処理を可能とし、常に高品質な半導体装置の製
造を可能とする半導体基板の製造方法を提供することを
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、真空容器（１２，１４）内にプラズマを生成す
る第１の磁場を形成するとともに、試料（１０）付近の
プラズマ分布を制御すべく、当該試料（１０）の近傍に
第２の磁場を形成する。そして、第１の磁場の状態に応
じて第２の磁場を制御する。

【００１１】本発明の第２の態様にかかるプラズマ処理
装置は、真空容器（１２，１４）内にプラズマを生成す
る第１の磁場を形成する第１の磁場形成手段（２２，２
４，２６）と、試料（１０）付近のプラズマ分布を制御
すべく、当該試料（１０）の近傍に第２の磁場を形成す
る第２の磁場形成手段（４２）とを備える。更に、第１
の磁場の状態に応じて第２の磁場を調整すべく第２の磁
場形成手段（４２）の位置を制御する磁場制御手段（４
４，４６）を備える。

【００１２】上記のようなプラズマ処理装置において
は、磁場制御手段（４４，４６）は、プラズマの進行方
向と平行な方向、又は／及び直交する方向における第２
の磁場形成手段（４２）の位置を調整することができ
る。また、第２の磁場形成手段（４２）は、真空容器
（１２，１４）の内壁と試料（１０）との間に配置する
ことができる。更に、第２の磁場形成手段（５０）は、
真空容器（１２，１４）の外側に配置しても良い。

【００１３】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、プラズマ処理工程を実行する際
に、真空容器（１２，１４）内にプラズマを生成する第
１の磁場を形成するとともに、半導体基板（１０）付近
のプラズマ分布を制御すべく、半導体基板（１０）の近
傍に第２の磁場を形成する。そして、第１の磁場の状態
に応じて第２の磁場を制御する。

【００１４】

【作用】本発明においては、プラズマ生成用の磁場の強
度や分布等の磁場状態に応じて試料台付近の第２の磁場
を制御しているため、プラズマ生成用の磁場を必要に応
じて変化させた場合にも、試料上の磁束密度分布を最適
に設定することが可能となる。例えば、プラズマ密度や
処理の大まかな分布を変更するために、プラズマ生成用
の磁場を変更した場合に、当該磁場の変化を考慮して、
試料上での磁束密度分布がトータルで最適な状態になる
ように第２の磁場を制御する。その結果、密度分布の均
一なプラズマを試料に対して照射することができ、プラ
ズマ処理品質が向上する。

【００１５】

【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思想を適用したものである。

【００１６】

【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、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以外にも８インチのウエハ等、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（２．４５Ｇ
Ｈｚ）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。

【００１７】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段のコイル２２，２４，２６が配置されている。
これらのコイル２２，２４，２６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１２内に
磁束密度８７５ガウスの軸方向磁界を印加し、ＥＣＲ現
象を引き起こすようになっている。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。

【００１８】反応室１４の内壁と試料台３２との間に
は、試料台３２を囲むように配置されたリング状の永久
磁石４２が設けられている。この永久磁石４２は、反応
室１４の内壁へのプラズマの拡散を防止するものであ
り、プラズマを生成するためにコイル２２，２４，２６
によって形成される磁場の状態に応じて高さ調整できる
ようになっている。すなわち、コイル２２，２４，２６
に供給される電流値に応じ、プラズマの進行方向と平行
な方向における位置を調整可能に構成されている。永久
磁石４２の位置は、シミュレーションや実測によるウエ
ハ１０上のイオン電流密度分布に基づいて設定すること
ができる。

【００１９】図２（Ａ）、（Ｂ）は、永久磁石４２及び
これを昇降駆動する駆動機構を示す。永久磁石４２は、
上下方向に移動可能な昇降台４４上に設置されており、
モータ等の駆動部４６によって昇降可能となっている。
本実施例においては、永久磁石４２の高さは試料台３２
の上面に対する相対的な高さ（ｈ）として設定される。

【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。また、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。更に、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】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。

【００２２】その後、コイル２２，２４，２６の通電に
よりプラズマ生成室１２の内部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=２．４５ＧＨｚ（波長λ=約１２．
２ｃｍ）、パワー１０００Ｗに設定されている。

【００２３】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。メインコイル２２，２４，２
６により形成される磁界は、反応室１４側に向かうに従
って磁束密度が低下する発散磁界であり、プラズマ生成
室１２で生成されたプラズマは、この発散磁界の作用に
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。

【００２４】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。

【００２５】上記のようなエッチング及びＣＶＤ等のプ
ラズマ処理において、マイクロ波のパワーを１．４ｋＷ
に設定し、反応室１４内に６０sccm のＡｒを反応ガス
として導入し、プラズマ生成室１２及び反応室１４の内
圧を１×１０^-3Torr に保ち、コイル２２，２４，２６
に供給される電流を全て４０Ａとした場合の永久磁石４
２の最適高さｈ０（基準高さ）を２０ｍｍとする（図２
Ａ参照）。この様な状態でのウエハ１０上におけるイオ
ン電流密度分布を図３に示す。

【００２６】次に、コイル２２，２４，２６に供給され
る電流を４０Ａ、２０Ａ、０Ａに変更する。このような
変更は、例えば、ポリ・シリコンのエッチングにおいて
処理形状を考慮してプロセスウィンドウを広くとる等の
目的で行われる。上記のように、コイル２２，２４，２
６に供給される電流が変化すると、それに応じてプラズ
マ生成室１２及び反応室１４内の磁場が変化する。これ
に対して、図２（Ａ）に示すように、永久磁石４２の高
さを基準高さｈ０のままにした場合の、ウエハ１０上で
のイオン電流密度分布は図４に示すように、かなり不均
一になる。

【００２７】一方、本実施例においては、コイル２２，
２４，２６への電流値に応じ、駆動部４６により昇降台
４４を駆動することによって、永久磁石４２の高さを調
整する。すなわち、図２（Ｂ）に示すように、試料台３
２に対する永久磁石４２の高さをｈ０から１５ｍｍ下方
に下げ、ｈ＝３５ｍｍに設定する。このときのウエハ１
０上におけるイオン電流密度分布を図５に示す。図から
判るように、図４に示す場合（永久磁石４２の高さを調
整しない場合）に比べ、全体のイオン電流密度は若干低
下するものの、均一性は著しく向上している。

【００２８】以上のように、本実施例によれば、コイル
２２，２４，２６の電流値に応じて永久磁石４２の高さ
を調整しているため、プラズマの生成及び引き出しに用
いらられる磁場を変化させた場合にも、ウエハ１０上の
磁束密度分布を最適に設定することが可能となる。すな
わち、ウエハ１０上での磁束密度分布をトータルで最適
な状態になるように永久磁石４２の位置を制御している
ため、均一な密度分布のプラズマをウエハ１０に対して
照射することができ、プラズマ処理品質が向上する。そ
して、このように処理されたウエハ１０を用いて最終的
に製造される半導体装置の品質が向上する。

【００２９】上記実施例においては、永久磁石４２をプ
ラズマの進行方向に平行に移動させているが、プラズマ
進行方向に直交する方向に移動させるように構成するこ
ともできる。例えば、図６に示すように、永久磁石とし
て７分割されたリング状永久磁石４８ａ，４８ｂ，４８
ｃ，４８ｄ，４８ｅ，４８ｆ，４８ｇを用い、これらの
磁石４８ａ〜４８ｇを放射方向に各々移動させる。円弧
状の永久磁石４８ａ〜４８ｇは、先の実施例に使用され
た永久磁石４２と同様に、試料台３２を囲むように配置
され、コイル２２，２４，２６に供給される電流値の変
更等に応じて、その径を変化させる。

【００３０】図３〜図５に示したケースと同様に、マイ
クロ波のパワーを１．４ｋＷに設定し、反応室１４内に
６０sccm のＡｒを反応ガスとして導入し、プラズマ生
成室１２及び反応室１４の内圧を１×１０^-3Torr に保
ち、コイル２２，２４，２６に供給される電流を全て４
０Ａとした場合の永久磁石４２の内径を２００ｍｍ（実
線）とする。その後、コイル２２，２４，２６に供給さ
れる電流を４０Ａ、２０Ａ、０Ａに変更する。この時、
図の破線で示すように半径を２０ｍｍ広げて半径２２０
ｍｍにする。このような制御により、上記実施例と略同
様の効果を得ることが可能となる。なお、この例では、
７分割の永久磁石４８ａ〜４８ｇを用いているが、分割
数は７分割に限定されるものではない。

【００３１】図７は、本発明の他の実施例にかかるプラ
ズマ処理装置の構成を示す。この実施例は、図１に示す
実施例とほぼ同様の構成を有し、試料台３２近傍に配置
される永久磁石（４２，５０）の位置のみを変更したも
のである。すなわち、本実施例においては、永久磁石５
０を反応室１４の内側ではなく外側に配置し、当該永久
磁石５０の移動を容易にしている。また、必要に応じて
永久磁石を試料台３２の内部に配置することも可能であ
る。

【００３２】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の近傍に配置される永久磁石がヨー
クを備える場合には、ヨーク自体も可動にすることが好
ましい。この場合、必要に応じて磁石のみを移動し、又
はヨークのみを移動し、或いは磁石とヨークの両方を移
動するように構成することができる。また、磁石とヨー
クの両方の位置を変更する場合には、それぞれを独立に
駆動するようにしても良い。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
ラズマの生成及び引出しに用いられる磁場を変化させた
場合にも、試料上の磁束密度分布を最適に設定すること
が可能となる。その結果、均一な密度分布のプラズマを
試料に対して照射することができ、プラズマ処理品質が
向上する。更に、このように処理されたウエハ１０を用
いて最終的に製造される半導体装置の品質が向上する。

【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（Ａ），（Ｂ）は、図１に示す実施例の試
料台近傍の構成を示すと共に、当該実施例の動作を説明
するための側面図（一部断面）である。

【図３】図３は、実施例の作用を説明するために使用さ
れるグラフであり、ウエハ上におけるイオン電流密度分
布を示す。

【図４】図４は、実施例の作用を説明するために使用さ
れるグラフであり、ウエハ上におけるイオン電流密度分
布を示す。

【図５】図５は、実施例の作用を説明するために使用さ
れるグラフであり、ウエハ上におけるイオン電流密度分
布を示す。

【図６】図６は、本発明の他の実施例の要部を示す平面
図であり、分割式の永久磁石の構成を示す。

【図７】図７は、本発明の他の実施例にかかるプラズマ
処理装置の構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１０・・・シリコンウエハ（試料） １２・・・プラズマ生成室（真空容器） １４・・・反応室（真空容器） ２２，２４，２６・・・コイル ４２，４８ａ〜４８ｇ，５０・・・永久磁石 ４４・・・昇降台 ４６・・・駆動部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【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プラズマ処理を行う
   プラズマ処理方法において、 前記真空容器内に前記プラズマを生成する第１の磁場を
   形成する工程と；前記試料付近のプラズマ分布を制御す
   べく、当該試料の近傍に第２の磁場を形成する工程と；
   前記第１の磁場の状態に応じて前記第２の磁場を制御す
   る工程とを含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【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プラズマ処理を行う
   プラズマ処理装置において、 前記真空容器内に前記プラズマを生成する第１の磁場を
   形成する第１の磁場形成手段と；前記試料付近のプラズ
   マ分布を制御すべく、当該試料の近傍に第２の磁場を形
   成する第２の磁場形成手段と；前記第１の磁場の状態に
   応じて前記第２の磁場を調整すべく前記第２の磁場形成
   手段の位置を制御する磁場制御手段とを備えたことを特
   徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】前記磁場制御手段は、前記プラズマの進行
   方向と平行な方向における前記第２の磁場形成手段の位
   置を調整する構成であることを特徴とする請求項２に記
   載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】前記磁場制御手段は、前記プラズマの進行
   方向と直交する方向における前記第２の磁場形成手段の
   位置を調整する構成であることを特徴とする請求項２又
   は３に記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】前記第２の磁場形成手段は、前記真空容器
   の内壁と前記試料との間に配置されていることを特徴と
   する請求項２、３又は４に記載のプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】前記第２の磁場形成手段は、前記真空容器
   の外側に配置されていることを特徴とする請求項２、３
   又は４に記載のプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】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
   を行うプラズマ処理工程を含む半導体装置の製造方法に
   おいて、 前記プラズマ処理工程が、前記真空容器内に前記プラズ
   マを生成する第１の磁場を形成する工程と；前記半導体
   基板付近のプラズマ分布を制御すべく、当該半導体基板
   の近傍に第２の磁場を形成する工程と；前記第１の磁場
   の状態に応じて前記第２の磁場を制御する工程とを含む
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。