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JPH11135438A - 半導体プラズマ処理装置 - Google Patents

半導体プラズマ処理装置

Info

Publication number
JPH11135438A
JPH11135438A JP9311051A JP31105197A JPH11135438A JP H11135438 A JPH11135438 A JP H11135438A JP 9311051 A JP9311051 A JP 9311051A JP 31105197 A JP31105197 A JP 31105197A JP H11135438 A JPH11135438 A JP H11135438A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
antenna
plasma
processing apparatus
plasma processing
semiconductor plasma
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9311051A
Other languages
English (en)
Inventor
Hideaki Fukuda
秀明 福田
Masushige Kouno
培栄 河野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NIPPON ASM KK
Original Assignee
NIPPON ASM KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NIPPON ASM KK filed Critical NIPPON ASM KK
Priority to JP9311051A priority Critical patent/JPH11135438A/ja
Priority to TW087115210A priority patent/TW427102B/zh
Priority to KR1019980044989A priority patent/KR19990037411A/ko
Priority to US09/181,147 priority patent/US6439154B2/en
Publication of JPH11135438A publication Critical patent/JPH11135438A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
    • H01J37/3211—Antennas, e.g. particular shapes of coils
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    • H01J37/3266—Magnetic control means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

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Abstract

(57)【要約】 【課題】一様で，安定かつ高密度なプラズマを生成する
誘導結合プラズマ処理装置を与える。 【解決手段】被処理体をプラズマによって処理する半導
体プラズマ処理装置は，被処理体を内部で処理するため
の排気された反応室と，反応室内部にあって，複数の直
線状導体から成るアンテナと，複数の直線状導体の一端
に接続されたRF高周波電源とから成る。当該アンテナ
は，互いに等間隔にアンテナの中心から放射状に配置さ
れた少なくとも３本の直線状導体から成り，該直線状導
体の各々は一端が接地され他端が前記RF高周波電源に接
続されている。また当該アンテナの直線状導体の表面は
絶縁処理されている。さらに，本発明にかかるプラズマ
処理装置は，誘導電場と直交する方向に磁場を発生させ
るための電磁石から成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，半導体製造用のプ
ラズマ処理装置に関し，特に，RF高周波による誘導結合
プラズマ(ICP)処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より，半導体基板を反応室内でプラ
ズマ処理するための装置として，RF高周波を利用した容
量結合プラズマ処理装置が広く用いられてきた。これは
平行平板型の電極の片方または両方に高周波RF電力を供
給することで両電極間に電場を生成し，それを介してプ
ラズマ放電を発生させるもので，プラズマCVD法やRIE法
に応用されてきた。
【０００３】しかし，従来の平行平板型容量結合プラズ
マ処理装置では，高密度プラズマを生成するのに限界が
あった。また近年の半導体デバイスの超微細加工への要
求の高まりにより，プラズマの高密度化，均一化及び高
精度な制御がさらに重要となってきた。
【０００４】そこで，従来の平行平板型容量結合プラズ
マを超えるものとして，ECR（電子サイクロトロン共
鳴）プラズマ，ICP（誘導結合プラズマ）等が考案され
た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般にECR方式とは，
プラズマに対し磁場コイルによって強磁場を印加し，該
磁場と平行にマイクロ波（一般に2.45GHz）を入射し，
プラズマ密度を高めるというものである。サイクロトロ
ン周波数を有する電子がプラズマ内を浸透するマイクロ
波の波動エネルギーを吸収して加速され，その結果中性
粒子と電子の衝突頻度が増加しプラズマ密度が上昇す
る。しかし，この方法では装置が大型で複雑となるため
大口径で均一なプラズマを得ることは困難である。そこ
でこの改良型として，電気的に浮遊した（接地されてい
ない）アンテナにVHF帯（100MHz〜1GHz）の高周波電力
を印加することにより，電子の進行方向に平行な電場を
生成し電子を加速して高密度プラズマを発生させるとい
う方法がある。しかし，やはりこの方法でもRFのような
VHFよりも低い周波数帯の高周波を使用した場合には，
アンテナ長を長くしなければならず装置が大型化すると
いう点が問題である。
【０００６】一方ICP方式とは，絶縁体の容器の外周に
巻かれたコイルまたはループ状のアンテナにRF高周波(1
00kHz〜100MHz)電力を印加し，高周波電場を誘導して電
子を加速しプラズマを発生させるというものである。し
かし，この方法では被処理体が大口径になると，それに
伴って非常に高価な大口径のアルミナまたはクオーツ製
ベルジャーが必要となって装置コストが増大するという
問題がある。そこでこの改良型として，ループ状のアン
テナを反応室内部に設置する方法がある。しかし，この
方法でも使用するコイルまたはループが円形であるため
にその絶縁加工が難しく，不完全な絶縁加工の結果生成
されたプラズマとの間でアーキングや異常放電が生じて
プラズマが不安定になるばかりか，大きなRF電力を使用
することができないため生成されるプラズマ密度に限界
があるという問題がある。
【０００７】したがって，本発明の目的は，一様で，安
定かつ高密度なプラズマを生成する誘導結合プラズマ処
理装置を与えることである。
【０００８】また，本発明の他の目的は，高精度でプラ
ズマの空間プロファイルを制御することが可能な誘導結
合プラズマ処理装置を与えることである。
【０００９】さらに，本発明の他の目的は，付加的装置
が不要で，装置本体がコンパクトな誘導結合プラズマ処
理装置を与えることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプラズマ処理装置は以下の手段から成
る。
【００１１】本発明に係る被処理体をプラズマによって
処理する半導体プラズマ処理装置は，前記被処理体を内
部で処理するための排気された反応室と，前記反応室内
部にあって，複数の直線状導体から成るアンテナと，前
記複数の直線状導体の一端に接続されたRF高周波電源と
から成る。
【００１２】ここで前記アンテナは，具体的には互いに
等間隔にアンテナの中心から放射状に配置された少なく
とも３本の直線状導体から成り，該直線状導体の各々は
一端が接地され他端が前記RF高周波電源に接続されてい
る。
【００１３】替わって前記アンテナは，アンテナの中心
から等距離に配置された長さの等しい少なくとも３本の
直線状導体から成ることもできる。
【００１４】また前記複数の直線状導体は好適には互い
に並列に接続されているが，互いに直列に接続されるこ
ともできる。
【００１５】さらに前記アンテナは互いに平行な二層構
造を有することもできる。
【００１６】前記アンテナの前記直線状導体の表面は好
適には絶縁処理されている。
【００１７】さらに好適には前記アンテナは冷却水が流
れるための中空の管状構造を有することができる。
【００１８】本発明に係る半導体プラズマ処理装置はさ
らに，誘導電場と直交する方向に磁場を発生させるため
の磁場発生手段から成る。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下，図面を交えながら本願を説
明する。
【００２０】図１は，本発明に係るプラズマ処理装置の
概略図を示したものである。該プラズマ処理装置は，反
応室10，サセプタ12，サセプタに接続された高周波RF電
源9，プラズマを発生させるための誘導電場を生成する
アンテナ6，該アンテナの一端と接続された高周波RF電
源8，から成る。反応室10は好適にはアルミ製の内径400
mmの円筒状の容器であって，その外壁3には複数（好適
には８つ以上）のガス吸気口4及び排気口13が設けられ
ている。排気口13は真空排気装置（図示せず）に接続さ
れている。サセプタ12上には処理用の半導体基板が載置
され，サセプタに接続されたRF電源9によってバイアス
されている。アンテナ6は以下に詳しく説明する複数の
直線状導体が互いに等間隔にアンテナの中心から放射状
に結合したものである。当該アンテナの中心は反応室の
中心軸上に存在する。アンテナ6は好適にはステンレス
製の中空の管状体であって，入口1及び出口5を通じて内
部に冷却水を流すことができる。また，アンテナ6の表
面は，好適には厚さ2mmの酸化アルミニウム(Al2O3)製の
絶縁体7で被覆され，これによってプラズマとの絶縁が
完全に保証される。アンテナ6の中心上に垂直に伸張す
る伸張部2に高周波電源8が接続されている。また，アン
テナ6の各直線状導体の端部は，アルミ製の反応室外壁3
と電気的に導通するよう固定されており，外壁3は接地1
5されている。こうして，アンテナ6の各導体はRF電源8
と並列接続される。RF電源の周波数は好適には13.56MHz
であるが，100kHz〜100MHzの帯域の高周波電力を使用す
ることもできる。さらに，反応室上部には，電磁石14が
設けられている。電磁石14は好適には電磁石コイルであ
るが，永久磁石であってもよい。電磁石14は以下に説明
するように図面の上から下へまたは下から上の方向へ向
かう磁力線を与える。
【００２１】図２は，図１に示された本発明に係るアン
テナの好適実施例を拡大したものである。アンテナ6は
一端がアンテナ中心20で結合し互いに等間隔に放射状に
配置された８本の直線状導体21から成る。この場合，各
導体21は45度の角度で軸対称に配置されている。アンテ
ナ6の中心20には，垂直方向に伸びた伸張部2が設けら
れ，外部のRF電源8と接続される。アンテナ6の各直線導
体21の他端22は反応室10の外壁3と電気的に導通し，外
壁3を通じて接地15されている。こうして，各導体21は
好適にはRF電源8に対して並列接続される。アンテナ6
は，好適には反応室内部の部分のみが酸化アルミニウム
で絶縁被覆処理され，反応室との結合部分は通常のシー
ル手段によってシールされる。被覆処理の厚さは好適に
は2mmであるが，これより厚くしてもよい。また，酸化
アルミニウム以外で絶縁処理することも可能である。上
記したように，アンテナ6の各導体は中空の管状体であ
り，冷却水を循環させることができる。アンテナ6は好
適にはステンレス製であるが，その他の導体金属でもよ
い。またアンテナ6の各導体の外径は好適には10mmφで
あるが，これより大きくても小さくてもよい。
【００２２】図３は，本発明に係るアンテナの他の実施
例を示したものである。図３(A)は，図２の好適実施例
の導体の数を３本に減らした並列型アンテナの実施例で
ある。一方，図３(A')は導体の数を１２本に増やした並
列型アンテナの実施例である。これ以外にも，導体の数
は任意に選択することができる。図３(B)〜(E)は，アン
テナの中心から等距離に配置された長さの等しい複数の
直線状導体から成るアンテナの実施例について示したも
のである。図３(B)は，正三角形の直列型アンテナの実
施例である。図３(B')は図３(B)の実施例を重ねて二層
化したアンテナの実施例である。この場合各層のアンテ
ナどうしは並列接続される。図３(C)は正方形の並列型
アンテナの実施例であり，図３(C')は同じく正方形の直
列型アンテナの実施例である。図３(D)は五角形の直列
型アンテナの実施例である。図３(E)は六角形の並列型
アンテナの実施例である。これ以外にも多角形のアンテ
ナを構成することは可能である。また，それぞれのアン
テナは多層化することも可能である。さらに放射状のタ
イプでは，各導体が所定の角度だけ水平から傾斜して設
置されてもよく，必ずしも同一平面上に存在する必要は
ない。さらにまた，アンテナどうしの並列及び直列は任
意に選択可能である。図３(A)〜(E)のそれぞれの直線状
導体は反応室内部にある部分（すなわち，プラズマと接
触する部分）のみが絶縁被覆加工されている。したがっ
て，図３(B)〜(E)に示される各直線状導体どうしの結合
部分には絶縁加工は施されていない。こうすることで，
絶縁加工が完全となりプラズマが安定化する。
【００２３】
【作用】次に，上記構成を有する本発明に係るプラズマ
処理装置の作用について説明する。高周波RF電源8から
アンテナ6に高周波電流が印加されると，反応室10内に
高周波磁場が励起され，これにより高周波電場が誘導さ
れる。反応室内に存在する微量な電子がこの誘導電場に
よって加速され，反応室内に吸入された処理ガスの分子
と衝突する。その結果，電子がたたき出され，ガス分子
はイオン化される。生成された電子は高周波電場のエネ
ルギーを得て次の分子と衝突し該分子をイオン化する。
この電子衝突及びイオン生成過程が繰り返され，反応室
内にプラズマが発生する。半導体ウエハはもう一つの高
周波RF電源9によってバイアスされているため，プラズ
マ中のイオンはウエハの方向へ加速され，ウエハに対し
所望の処理を行う。処理ガスの種類を適宜選択すること
により，成膜処理またはエッチング処理を行うことが可
能である。
【００２４】本発明に係る好適実施例において，アンテ
ナを放射形状としたことにより，誘導電場も反応室の中
心から放射状に形成される。反応室内で生成されたプラ
ズマは，拡散しながら内壁面に達すると消失してしま
う。このため内壁近傍のプラズマ密度は反応室中心のプ
ラズマ密度よりも低くなり，反応室中心から周辺方向へ
の密度勾配が生じる。該密度勾配がプラズマの同方向へ
の拡散を助長し，その結果プラズマが全体的に損失して
しまう。この拡散を防止するために本発明においては，
電磁石14が設けられている。電磁石14により高周波電場
と直交する方向（図１では上から下または下から上）に
外部磁場が与えられる。拡散イオン及び電子は反応室の
内壁に沿った方向へ力を受けて運動するようになる。そ
の結果，中心から周辺方向への拡散が抑制される。
【００２５】次に，本発明のプラズマ処理装置の評価実
験について説明する。図４は従来のループ状アンテナと
本発明に係る好適実施例の直線放射状アンテナにおける
生成プラズマの安定性を比較した実験結果を示したもの
である。実験は，反応室内圧力：5mTorr，高周波電力：
500W（周波数13.56MHz），処理ガス：Arを使用し，浮遊
電位を時間的に測定することにより行った。図４(A)
は，絶縁被覆処理を施さない250mmφステンレス製管一
巻の従来の円形ループ形状アンテナを使用した場合を示
している。図４(B)は，(A)のループアンテナに厚さ5mm
の絶縁被覆処理を施した場合を示している。図４(C)は
本発明に係る好適実施例のアンテナ6を使用した場合を
示している。図４(A)を見ると，絶縁処理をしていない
ループアンテナの場合，平均の浮遊電位が他の２つに比
べ非常に高くなっているのがかわる。その結果，プラズ
マ中でアーク放電が多発し電位が安定しないことがわか
る。一方，図４(B)を見ると，表面に絶縁被覆処理をし
たループアンテナの場合，浮遊電位は低下したものの所
々に依然電位のばらつきが存在するのがわかる。これは
金属製のアンテナとプラズマとの絶縁が不完全であるこ
とに起因している。しかし，円形ループ形状のアンテナ
を間隙なく絶縁体で一様に被覆することは非常に困難で
あり，技術的に高度な材料加工精度が要求されるばかり
か製造コストが非常に高くなる。したがって，従来のル
ープ状アンテナの安定性をこれ以上向上させることは困
難である。これに対して，本発明に係る直線放射状アン
テナを使用した図４(C)を見ると，浮遊電位の平均も他
の２つに比べ低く，また非常に安定していることがわか
る。ここで，電磁石14による拡散抑制用の磁場は印加さ
れていないが，印加した場合も同様の安定性を示した。
【００２６】この実験結果から，アンテナを直線状にす
ることによってアンテナ表面の絶縁被覆処理が容易かつ
経済的となり，アンテナとプラズマの絶縁が完全となっ
てプラズマの安定性が非常に向上することがわかった。
【００２７】図５は，本発明に係るプラズマ処理装置の
好適実施例の反応室中心における飽和イオン電流密度と
印加RF電力の関係を測定した実験結果である。飽和イオ
ン電流密度はプラズマ密度にほぼ対応している。実験
は，反応室内圧力：5mTorr，RF周波数：13.56MHz，処理
ガス：Arを使用し，印加RF電力を変化させることにより
行った。グラフ50は磁場発生手段により磁場を印加しな
かった場合であり，グラフ51は電磁石コイル14に10Aの
電流を流し磁場を印加した場合である。グラフ50を見る
と，印加するRF電力の増加にともなって飽和イオン電流
密度も単調に増加しており，プラズマ密度を容易に向上
できることがわかる。例えば，2.5kWのRF電力を印加し
た場合のプラズマ密度は，0.5kWのRF電力を印加した場
合のプラズマ密度の約４倍である。これは，本発明に係
る直線放射状のアンテナの絶縁が完全であるために安心
して大電力を印加できること，及び複数の導体を並列に
接続しているために高周波の電圧振幅が低下し大電力を
効率よく印加することができることに起因する。またグ
ラフ51を見ると，RF電力が一定でも外部磁場を印加した
ことにより，プラズマ密度がさらに向上していることが
わかる。例えば，印加RF電力が2kWの時に外部磁場を印
加すると約1.5倍もプラズマ密度が向上する。これは，
プラズマイオンの拡散が抑制され，損失が防止されたた
めにプラズマ密度がさらに向上したことに起因する。
【００２８】この実験結果から，アンテナを直線状とし
たことにより大電力のRF高周波を印加することが可能と
なって，プラズマ密度を容易に向上させることができる
ようになったことがわかった。また，外部磁場の印加に
よって，印加RF電力を変化させなくともさらにプラズマ
密度を向上させることが可能なことがわかった。
【００２９】図６は，本発明に係るプラズマ処理装置の
好適実施例の反応室内部における飽和イオン電流密度と
反応室中心からの距離の関係を測定した実験結果であ
る。飽和イオン電流密度は同様にプラズマ密度にほぼ対
応している。この実験結果から反応室内のプラズマの空
間プロファイルがわかる。実験は，反応室内径：400mm
φ，反応室内圧力：5mTorr，RF周波数：13.56MHz，処理
ガス：Arを使用し，印加RF電力及び外部磁場強度を変化
させることにより行った。グラフ60はRF電力2.0kW，電
磁石電流0Aのときのプラズマのプロファイルを表す。グ
ラフ61はRF電力2.5kW，電磁石電流5Aのときのプラズマ
のプロファイルを表す。グラフ62はRF電力2.5kW，電磁
石電流10Aのときのプロファイルを表す。グラフ63はRF
電力3.0kW，電磁石電流15Aのときのプロファイルを表
す。これらのグラフから半径100mm付近までの範囲では
プラズマ密度はほぼ均一であって，電磁石電流を大きく
すると均一性がさらに向上することがわかる。この高い
均一性及び制御性は本発明に係るアンテナが中心の回り
に一定の角度で等間隔に放射状に配置されていること，
及び外部磁場によってイオン及び電子の拡散が抑制でき
たことに起因する。
【００３０】この実験結果から，本発明に係る直線状ア
ンテナによって生成されるプラズマは空間的に非常に高
い均一性及び制御性を有することがわかった。またこの
プラズマの均一性及び制御性をより大きな内径の反応室
に応用することによって，大口径の半導体ウエハの処理
を容易に行うことができることがわかった。
【００３１】
【発明の効果】本発明に係る直線状アンテナによって，
アンテナ表面の絶縁被覆処理が容易かつ経済的となり，
アンテナとプラズマの絶縁が完全となってプラズマの安
定性が非常に向上する。
【００３２】また，本発明に係る直線状アンテナによっ
て，大電力のRF高周波を印加することが可能となり，プ
ラズマ密度を容易に向上させることができる。また，外
部磁場の印加によって，印加RF電力を変化させなくとも
さらにプラズマ密度を向上させることもできる。
【００３３】さらに，本発明に係る直線状アンテナによ
って，生成されるプラズマの空間的均一性及び制御性が
非常に向上する。またこのプラズマの均一性及び制御性
をより大きな内径の反応室に応用することによって，大
口径の半導体ウエハの処理を容易に行うことができる。
【００３４】さらにまた，本発明に係る直線状アンテナ
によって，装置寸法が小さく，コンパクトで経済的なプ
ラズマ処理装置を与えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は，本発明に係るプラズマ処理装置の概略
図である。
【図２】図２は，本発明の好適実施例のアンテナの平面
図を示す。
【図３】図３は，本発明に係るアンテナの他の実施例を
示したものである。
【図４】図４(A)及び(B)は，従来のアンテナを使用した
場合のプラズマ安定性を示し，図４(C)は本発明に係る
好適実施例のアンテナを使用した場合のプラズマの安定
性を示したグラフである。
【図５】図５は，本発明に係る好適実施例のアンテナの
プラズマ密度とRF電力の関係を示したグラフである。
【図６】図６は，本発明に係る好適実施例のアンテナの
生成するプラズマの空間プロファイルを示したものであ
る。
【符号の説明】
1 冷却水入口 2 垂直伸張部 3 反応室外壁 4 ガス吸気口 5 冷却水出口 6 アンテナ 7 絶縁被覆 8 高周波RF電源 9 高周波RF電源 10 反応室 11 半導体ウエハ 12 サセプタ 13 ガス排気口 14 電磁石 15 接地 20 アンテナ中心 21 直線状導体 22 直線状導体の端部

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被処理体をプラズマによって処理する半導
    体プラズマ処理装置であって，前記被処理体を内部で処
    理するための排気された反応室と，前記反応室内部にあ
    って，複数の直線状導体から成るアンテナと，前記複数
    の直線状導体の一端に接続されたRF高周波電源と，から
    成る半導体プラズマ処理装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の装置であって，前記アン
    テナは，互いに等間隔にアンテナの中心から放射状に配
    置された少なくとも３本の直線状導体から成り，該直線
    状導体の各々は一端が接地され他端が前記RF高周波電源
    に接続されている，ところの半導体プラズマ処理装置。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の装置であって，前記アン
    テナは，アンテナの中心から等距離に配置された長さの
    等しい少なくとも３本の直線状導体から成る，ところの
    半導体プラズマ処理装置。
  4. 【請求項４】請求項２または３に記載の装置であって，
    前記複数の直線状導体は互いに並列に接続されている，
    ところの半導体プラズマ処理装置。
  5. 【請求項５】請求項２または３に記載の装置であって，
    前記複数の直線状導体は互いに直列に接続されている，
    ところの半導体プラズマ処理装置。
  6. 【請求項６】請求項４または５に記載の装置であって，
    前記アンテナは互いに平行な二層構造を有する，ところ
    の半導体プラズマ処理装置。
  7. 【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載の装置で
    あって，前記アンテナの前記直線状導体の表面は絶縁処
    理されている，ところの半導体プラズマ処理装置。
  8. 【請求項８】請求項７に記載の装置であって，前記アン
    テナは冷却水が流れるための中空の管状構造を有する，
    ところの半導体プラズマ処理装置。
  9. 【請求項９】請求項１から８のいずれかに記載の装置で
    あって，さらに，誘導電場と直交する方向に磁場を発生
    させるための磁場発生手段から成る，ところの半導体プ
    ラズマ処理装置。
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