JPH1131686A

JPH1131686A - プラズマ処理方法及びその装置

Info

Publication number: JPH1131686A
Application number: JP10148491A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Kawai; 良信河合; Yoko Ueda; 洋子上田; Nobuo Ishii; 信雄石井; Satoshi Kawakami; 聡川上; Hideaki Amano; 秀昭天野
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-02-02

Abstract

(57)【要約】【課題】【目的】ＥＣＲプラズマを用いてウエハに対して成膜
やエッチングなどの処理を行うにあたり、面内均一性の
高い処理を行うこと。【解決手段】被処理基板から離れた位置であって、当
該被処理基板に対向するＥＣＲポイントにおける電子密
度を、Ｘ波の上限側カットオフ密度ｎｃに対して０．４
６ｎｃ以上でｎｃ未満の密度に設定することにより、当
該領域の端部には高い山形の電子密度分布を形成し、ま
た前記領域の中央部には前記端部よりもピ−ク値が低い
電子密度分布を形成する。この場合ＥＣＲポイントと基
板との間で磁場の外縁が一旦真空室の内壁を切り、更に
下流側に向かうにつれて前記外縁と内壁との間にＸ波の
波長の１／４以上の空間が形成されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子サイクロトロ
ン共鳴を用いたプラズマ処理方法及びその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近において、成膜処理やエッチングな
どをプラズマを用いて行う手法の一つとして、磁場中で
の電子のサイクロトロン運動とマイクロ波との共鳴現象
を用いてマイクロ波放電を起こすＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎＣｙｃｒｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）プラ
ズマ処理方法が注目されている。この方法によれば、高
真空で高密度のプラズマを無電極放電で生成できるた
め、高速な表面処理を実現でき、またウエハの汚染のお
それがないなどの利点がある。

【０００３】このＥＣＲプラズマ処理を行なう従来のプ
ラズマ処理装置の一例を、成膜処理を例にとって図１６
に基づいて説明すると、プラズマ生成室１Ａ内に例えば
２．４５ＧＨｚのマイクロ波を図示しない導波管を介し
て供給すると同時に所定の大きさ、例えば８７５ガウス
の磁界を電磁コイル１０により印加してマイクロ波と磁
界との相互作用（共鳴）でプラズマ生成用ガス例えばＡ
ｒガス及びＯ₂ガスを高密度にプラズマ化し、このプラ
ズマにより、成膜室１Ｂ内に導入された反応性ガス例え
ばＳｉＨ₄ガスを活性化させて活性種を形成し、載置台
１１上のシリコンウエハＷ表面にスパッタエッチングと
堆積とを同時進行で施すようになっている。相反するス
パッタエッチング操作と堆積操作はマクロ的に見れば堆
積操作の方が優勢となるようにコントロール（制御）さ
れ、全体としては堆積が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで半導体デバイ
スのパターンの微細化、高集積化に伴い、例えば層間絶
縁膜に代表されるように膜厚が極めて薄くなり、またよ
り一層の微細な加工が必要とされることなどから、より
一層面内均一性の高いプラズマ成膜、プラズマエッチン
グといったプラズマ処理が要求されてきている。従って
このような要求に見合うプロセス条件を確立していくこ
とが必要であるが、プロセスの挙動には解明されない点
が多く、特にＥＣＲによるウエハの処理については歴史
が浅いこともあって、装置の設計及びプロセス条件の設
定が非常に難しい。

【０００５】例えばチャンバの径をどの位にすればよい
か、ウエハからどの位離れたところで電子密度をどの程
度にするか、磁場勾配をどのようにするかといったこと
は試行錯誤で決めているのが実情であり、その作業は長
い時間と多くの労力を必要とし、しかも熟練者にとって
も困難なものになっている。このため面内均一性の高い
プラズマ処理を行うことは容易ではなく、その技術の確
立が要請されている。

【０００６】本発明は、このような事情の下になされた
ものでありその目的は、ＥＣＲを用いたプラズマ処理方
法において面内均一性の高いプラズマ処理を行うことの
できる方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理方
法は、筒状の真空室内にて、真空室の軸方向にほぼ直交
するように被処理基板を載置し、前記軸方向にマイクロ
波を伝播させると共に前記真空室の軸に沿って磁力線が
走るように磁場を形成し、前記真空室内にプラズマ生成
用のガスを導入して電子サイクロトロン共鳴によりプラ
ズマを発生させ、このプラズマに基づいて前記被処理基
板を処理する方法において、電子サイクロトロン共鳴点
における電子密度をＰＤとし、Ｘ波の上限側カットオフ
密度をｎｃとすると、０．７ｎｃ≦ＰＤ＜ｎｃとなるよ
うに電子密度を設定することにより、電子サイクロトロ
ン共鳴点周辺部には高い山形の電子密度分布を形成し、
また電子サイクロトロン共鳴点の中央部には前記周辺部
よりもピ−ク値が低い電子密度分布を形成することを特
徴とする。この場合電子サイクロトロン共鳴点よりも磁
力線下流側において磁場の外縁が真空容器の内壁よりも
Ｘ波の波長の１／４以上の距離だけ外側に膨らんだ後、
更に下流側において真空容器の内壁よりも内方側に位置
するように磁場を形成することが好ましい。なおプラズ
マに基づいて被処理基板を処理するとは、被処理基板に
対して例えば成膜やエッチングを行う処理である。なお
本発明はこのような処理を実施する装置も権利範囲とす
るものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明方法の実施の形態を説明す
る前に本発明方法がどのような事実、知見に基づいて成
り立っているかについて述べておく。ウエハをＥＣＲに
よりプラズマ処理する場合、ウエハから離れたウエハの
対向領域に、図１に示すように中央部が平坦でかつ両端
部が中央部に比べて高い電子密度の分布パターンを形成
することによりウエハの面内におけるプラズマ処理の均
一性例えば成膜プロセスにおける膜厚の均一性が高いこ
とを本発明者は把握している。

【０００９】このような電子密度の分布パターンを持つ
プラズマがどのような条件で、どのようなメカニズムで
形成されるかを調べたところ、Ｘ波が関係していること
が分かった。Ｘ波とは、磁力線を横切って伝播する楕円
偏光波（電磁波）であり、いわば異常波である。このＸ
波は、電子密度を大きくしていくと、ある値以上になる
と発生しなくなり、この値はカットオフ密度と呼ばれて
いる。ただし逆に電子密度を小さくしていくと、ある値
以下になると発生しなくなり、従ってカットオフ密度は
厳密には上限側と下限側とが存在するが、本発明では上
限側のカットオフ密度を問題にしている。

【００１０】本発明は、図１に示す電子密度の分布パタ
ーンは、電子密度がＸ波の上限側カットオフ密度よりも
若干小さい値になったときに形成されることを見い出し
た点に基づいてなされたものであり、以下に本発明の具
体例、及び電子密度の分布パターンと、Ｘ波との関連な
どについて詳述していく。

【００１１】図２は、この実施の形態に用いられるプラ
ズマ処理装置の一例を示す図である。図示するようにこ
のプラズマ処理装置１００は、例えばアルミニウム等に
より形成された真空容器２を有しており、この真空容器
２は上方に位置してプラズマを発生させる円筒状の第１
の真空室２１と、この下方に連通するように連結された
円筒状の第２真空室２２とからなる。なおこの真空容器
２は接地されてゼロ電位になっている。

【００１２】この真空容器２の上端は、開口されてこの
部分にマイクロ波を透過する部材例えば石英等の材料で
形成された透過窓２３が気密に設けられており、真空容
器２内の真空状態を維持するようになっている。この透
過窓２３の外側には、例えば２．４５ＧＨｚのプラズマ
発生用高周波供給手段としての高周波電源部２４に接続
された導波管２５が設けられており、高周波電源部２４
により発生したマイクロ波Ｍを例えばＴＥモードにより
導波管２５で案内して透過窓２３から第１の真空室２１
内へ導入し得るようになっている。

【００１３】第１の真空室２１を区画する側壁には例え
ばその周方向に沿って均等に配置したプラズマガスノズ
ル２６が設けられると共にこのノズル２６には、図示し
ないプラズマガス源、例えばＡｒガスやＯ₂ガス源が接
続されており、第１の真空室２１内の上部にＡｒガスや
Ｏ₂ガス等のプラズマガスをムラなく均等に供給し得る
ようになっている。なお図中ノズル２６は図面の煩雑化
を避けるため２本しか記載していないが、実際にはそれ
以上設けている。

【００１４】また、第１の真空室２１を区画する側壁の
外周には、これに接近させて磁界形成手段として例えば
リング状の主電磁コイル２７が配置されると共に、第２
真空室２２の下方側にはリング状の補助電磁コイル２８
が配置され、第１の真空室２１から第２真空室２２に亘
って上から下に向かう磁界例えば８７５ガウスの磁界Ｂ
を形成し得るようになっており、ＥＣＲプラズマ条件が
満たされている。なお電磁コイルに代えて永久磁石を用
いてもよい。

【００１５】このように第１の真空室２１内に周波数の
制御されたマイクロ波Ｍと磁界Ｂとを形成することによ
り、これらの相互作用により上記ＥＣＲプラズマが発生
する。この時、前記周波数にて前記導入ガスに共鳴作用
が生じてプラズマが高い密度で形成されることになる。
すなわちこの装置は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣ
Ｒ）プラズマ処理装置を構成することになる。

【００１６】一方前記第２の真空室２２の上部即ち第１
の真空室２１と連通している部分には、リング状の成膜
ガス供給部３０が設けられており、内周面から成膜ガス
が噴出するようになっている。また第２の真空室２２内
には、載置台３が昇降自在に設けられている。この載置
台３は、例えばアルミニウム製の本体３１の上に、ヒー
タを内蔵した静電チャック３２を設けてなり、静電チャ
ック３２の電極３３にはウエハＷにイオンを引き込むた
めのバイアス電圧を印加するように例えば高周波電源部
３４が接続されている。そしてまた第２の真空室２２の
底部には排気管３５が接続されている。

【００１７】次に上述の装置を用いて被処理体であるウ
エハＷ上に例えばＳｉＯ₂膜よりなる層間絶縁膜を形成
する方法について説明する。先ず、真空容器２の側壁に
設けた図示しないゲートバルブを開いて図示しない搬送
アームにより、例えば表面にアルミニウム配線が形成さ
れた被処理体であるウエハＷを図示しないロードロック
室から搬入して載置台３上に載置する。

【００１８】続いて、このゲートバルブを閉じて内部を
密閉した後、排気管３５より内部雰囲気を排出して所定
の真空度まで真空引きし、プラズマガスノズル２６から
第１の真空室２１内へプラズマ発生用ガス例えばＡｒガ
スを導入すると共に成膜ガス供給部３０から第２真空室
２２内へ成膜ガス例えばＳｉＨ₄ガスを所定の流量で導
入する。そして真空容器２内を所定のプロセス圧に維持
し、かつ高周波電源部３４により載置台３に１３．５６
ＭＨｚ、１５００Ｗのバイアス電圧を印加すると共に、
載置台３の表面温度をおよそ３００℃に設定する。

【００１９】プラズマ発生用高周波電源部２４からの
２．４５ＧＨｚの高周波（マイクロ波）は、導波管２５
を搬送されて真空容器２の天井部に至り、ここの透過窓
２３を透過してマイクロ波Ｍが第１の真空室２１内へ導
入される。この第１の真空室２１内には、電磁コイル２
７、２８により発生した磁界Ｂが上方から下方に向けて
例えば８７５ガウスの強さで印加されており、この磁界
Ｂとマイクロ波Ｍとの相互作用でＥ（電界）×Ｂ（磁
界）を誘発して電子サイクロトロン共鳴が生じ、この共
鳴によりＡｒガスがプラズマ化され、且つ高密度化され
る。なおＡｒガスを用いることによりプラズマが安定化
する。

【００２０】プラズマ生成室２１より第２の真空室２２
内に流れ込んだプラズマ流は、ここに供給されているＳ
ｉＨ₄ガスを活性化させて活性種を形成する。一方プラ
ズマイオン、この例ではＡｒイオンはプラズマ引き込み
用のバイアス電圧によりウエハ１０に引き込まれ、ウエ
ハＷ表面のパターン（凹部）に堆積されたＳｉＯ₂膜の
角をＡｒイオンのスパッタエッチング作用により削り取
って間口を広げながら、ＳｉＯ₂膜が成膜されて凹部内
に埋め込まれる。

【００２１】ここで上述の実施の形態では、ＥＣＲポイ
ント２００（ＥＣＲ条件を満たす位置）つまり磁場の強
さが８７５ガウスである、例えばウエハＷから十数ｃｍ
程度離れた領域において、中央部の電子密度がＸ波のカ
ットオフ密度ｎｃよりも若干小さい密度になるようにマ
イクロ波の電力及び真空室２１、２２内の圧力を調整し
ており、圧力を例えば１ミリＴｏｒｒ〜５ミリＴｏｒｒ
に設定している。このようにＥＣＲポイント２００にお
ける真空室２２の中央部のｎｃよりも若干小さい値に設
定すると、ＥＣＲポイント付近で図１に示す電子密度の
分布パターンが形成される。

【００２２】カットオフ密度ｎｃは後述するようにマイ
クロ波の周波数と磁場の強さによって決まり、本例の条
件では１．５×１０¹¹（個）／ｃｍ³となる。そこで既
述の領域における電子密度をｎｃよりも若干小さい値に
設定することにより、図３に示すようにプラズマ形成領
域の端部領域Ｓ０においては、電子密度のピークが高い
山型の電子密度分布が形成され、中央部領域Ｓ１におい
ては、平坦に近い電子密度分布が形成される。このよう
な電子密度分布パターンは、Ｘ波の発生に基づいて形成
される。Ｘ波は既述のように磁力線に直交して伝播さ
れ、その波長は（数１）式で決定される。

【００２３】

【数１】第１の真空室２１の中央部領域Ｓ１の電子密度が分かっ
ているのでω_Pが決まり、またωは２．４５ＧＨｚ、Ｂ
は８７５ガウスであるから（数１）式よりＸ波の波長λ
が分かる。従って中央部領域Ｓ１では（１／２λ）×ｎ
（ｎは整数）の長さに亘ってＸ波の定在波が存在するこ
とになる。端部領域Ｓ０においては、共鳴現象により短
い波長のＸ波が存在し、このため電界強度が大きくな
り、図３に示す電子密度分布パターンが形成されるもの
と考えられる。

【００２４】電子密度を更に小さくすると、Ｘ波が真空
室２１の壁から、対向する壁に、ある波長の定在波で伝
播し、このため、電界強度はホイスラーモードが支配的
となり、従って電子密度分布パターンは中央部が高い山
形になる。即ちＥＣＲポイント２００における真空室２
２の中央部の電子密度をＰＤとすると、ＰＤがｎｃより
若干小さいとはせいぜい０．４６ｎｃが限度であり、こ
れよりも小さいと電子密度分布パターンにおいて中央部
が高い山形になり、所望のパターンが得られない。Ｘ波
のカットオフ密度は、（数１）式において波長λが無限
大のとき、つまりｋ＝０とおいたときのｎ_eとして、求
まる。

【００２５】逆に電子密度がカットオフ密度に極めて近
くなると、Ｘ波の発生が内壁付近に偏るようになり、中
央部領域Ｓ１の電子密度が谷状に低くなってしまい、ウ
エハに対するプラズマ処理についての面内均一性が悪く
なる。従って前記電子密度ＰＤは、カットオフ密度ｎｃ
まで大きくするとやはり所望のパターンが得られず、Ｐ
Ｄ＜ｎｃであることが必要であり、上記のことと合わせ
るとＰＤは０．４６ｎｃ≦ＰＤ＜ｎｃであることが必要
である。

【００２６】ところで図２に示すプラズマ処理装置で
は、主電磁コイル２７及び補助電磁コイル２８により図
４に示すようにミラー磁界が形成されている。ミラー磁
界は、真空容器２内全体の磁力線群を見たときに下方側
の磁力線が広がったままでなく中央側に寄せられる形状
をしている。図３に示す電子密度分布が形成された位置
からウエハＷの高さ位置に至るまでの磁力線は、中央付
近ではウエハＷに対してほぼ垂直に降りてくるが、外側
に寄った領域では下向きに広がっている。

【００２７】一方電子は磁力線に巻き付きながら下方側
に移動するので、図５に示すように端部のプラズマはウ
エハＷの高さまで降りてくると外側に広がって薄くな
る。このため端部の電子密度が小さくなり、この結果ウ
エハＷ面上における電子密度が一様になり、例えば面内
の膜厚について均一性の高い成膜処理を行うことができ
る。

【００２８】本実施の形態によれば、従来のような試行
錯誤に頼るのではなく、電子密度をＸ波のカットオフ密
度よりも若干小さな値に設定することにより図１に示す
パターンに近い電子密度パターンを形成することができ
るので、常に確実にかつ容易に均一性の高いプラズマ処
理を実現することができる。

【００２９】Ｘ波のカットオフ密度は、マイクロ波の周
波数が２．４５ＧＨｚ、磁場の強さが８７５ガウスであ
ればほぼ１．５×１０¹¹／ｃｍ³であるから、装置にお
いて設定すべき前記電子密度は、０．４６×１．５×１
０¹¹／ｃｍ³（７×１０¹⁰／ｃｍ³）≦ＰＤ＜１．５×
１０¹¹／ｃｍ³となる。このような電子密度はマイクロ
波電力及び圧力を調整することによって得られる。

【００３０】一方マイクロ波の周波数及び磁場の強さが
決まると、Ｘ波の波長λと電子密度ｎ_eとの関係が決ま
ってくる。図６は上述の条件下におけるλとｎ_eとの関
係を示すグラフであり、このグラフとウエハサイズとに
基づいて第１の真空室２１の適切な内径を決めることが
できる。

【００３１】以上において、本発明者はＸ波の存在を確
かめるために図７に示す実験装置を用いて次のような実
験を行った。図７中４は円筒の真空容器、４１は導波
管、４２は高周波電源部、４３は円形のループアンテ
ナ、４４は混合器である。ループアンテナ４３は、真空
容器４の軸方向（ｙ方向）と直交する方向（ｘ方向：鎖
線矢印の方向）に移動できるようになっており、ループ
の部分の円はｙｚ平面にある。電源部４２からＴＥ₁₁モ
ードで２．４５ＧＨｚのマイクロ波を真空容器４内に導
入すると共に、真空容器４の周囲に巻装してある図示し
ない電磁コイルにより８７５ガウスの磁場を形成し、更
に真空容器４内の圧力を２ミリＴｏｒｒに維持しながら
窒素ガスを供給し、ＥＣＲによりプラズマを発生させ
た。そしてアンテナ４３を鎖線矢印に沿って直径方向に
端から端まで移動させ、高周波電源部４２からのマイク
ロ波に対応する信号波とアンテナ４３にて検出した検出
出力との混合出力を得る。

【００３２】この方法は干渉法と呼ばれるものであり、
高周波電源部４２におけるマイクロ波をＩ₁ｃｏｓω
ｔ、アンテナ４３の位置におけるマイクロ波をＩ₂ｃｏ
ｓ（ωｔ−θ）とすると、干渉計である混合器４４から
位相差θのコサイン分に対応する値を出力する。図８に
示すグラフは、マイクロ波電力が１５００Ｗの場合にお
ける、アンテナ４３の位置と干渉計出力との関係を示す
ものである。アンテナ４３の位置は、ＥＣＲポイント
（磁場が８７５ガウスの位置）よりも電源部側（上流
側）に寄った位置であり、磁場の強さは９００ガウスで
ある。干渉計出力は、磁界を横切る電磁波が存在しなけ
れば、θが一定であるはずなので一定の値になる。図８
の結果では出力が一定値ではなく、隣り合う山同士ある
いは谷同士の距離が、問題にしている電磁波の波長とな
る。（λ₁）／２は１８．４ｃｍで、波数が０．１７で
あり、（λ₂）／４は５．２ｃｍで、波数が０．３０で
ある。

【００３３】一方（数１）式よりプラズマ密度が決まる
ことによりｆ／ｆｃ（マイクロ波周波数／電子サイクロ
トロン周波数）とＸ波の波長λとの関係式が成り立ち、
これを分散曲線として表わすと図９に示すようになる。
ただしｂ１、ｂ２は電子密度が夫々１．３×１０¹¹／ｃ
ｍ³、１．１×１０¹¹／ｃｍ³のときの分散曲線であ
る。図８から波長を求めて図９上に黒丸で示すようにプ
ロットしたところ、分散曲線の上に乗っており、従って
図７に示す真空容器４内において鎖線矢印方向にＸ波が
伝播していることが裏付けられる。

【００３４】図１０は、アンテナ４３の位置をＥＣＲポ
イントよりも下流側に寄った位置にした場合のアンテナ
４３の位置と干渉計出力との関係を示すのもであり、ａ
１、ａ２、ａ３は、位相を変えている。なお磁場の強さ
は５００ガウス、マイクロ波電力は１５００Ｗである。
また測定器の都合上グラフの右端の部分はデ−タを取る
ことができなかったが、左端の部分のデ−タと同様であ
る。この場合の分散曲線は図１１に示すように表わされ
る。ただしｂ１、ｂ２及びｂ３は夫々電子密度が１．１
×１０¹¹／ｃｍ³、８×１０¹⁰／ｃｍ³及び５×１０¹⁰
／ｃｍ³である。図１０から波長λ₁、λ₂、λ₃、λ
₄を求めて図１１上に黒丸でプロットしたところ、分散
曲線の上に乗っており、やはりこの位置においても図７
に示す真空容器４内において鎖線矢印方向にＸ波が伝播
していることが裏付けられる。

【００３５】このように磁場に垂直に確かにＸ波が伝播
しており、Ｘ波のカットオフ密度付近における真空容器
中央部の電子密度と電子密度分布パターンとの関係など
も加え合わせると、図１に示す電子密度分布に近似した
電子密度分布パターンはＸ波の定在波が存在する中央部
領域の電子密度をＸ波のカットオフ密度よりも若干小さ
くすることにより得られることが分かる。

【００３６】次に本発明の他の実施の形態について図１
２及び図１３を参照しながら説明する。この例において
もＥＣＲポイント２００における電子密度ＰＤは、先の
実施の形態と同様にＸ波のカットオフ密度ｎｃに対して
０．４６ｎｃ≦ＰＤ＜ｎｃに設定されているが、磁場が
次のように形成されている。即ち磁場は、ＥＣＲポイン
ト２００よりも下流側において外縁（図１２、１３中点
線で示す）３００が真空室２１の内壁より外側に位置し
た後、更に下流側において真空室２２の内壁よりも内方
側に位置するようにミラー磁場として形成されている。
これは磁場が一旦真空容器２の内壁をＰ点にて外側に切
った後、内壁（この例では真空室２２の内壁）と磁場の
外縁３００との間に図１３の斜線で示すように空間が形
成された格好になっている。なおここでいう内壁とは、
壁面本体のみならずその周方向に導電性のガス供給部材
が接して設けられている場合には、当該ガス供給部材も
内壁の一部として取扱う。

【００３７】ここで前記空間の横方向の距離つまり磁場
の外縁３００と真空室２２との距離はＸ波の波長をλと
するとλ／４以上の長さであることが必要である。ただ
しどの部位もこの条件を満足している必要はなく、載置
台３上のウエハＷと前記Ｐ点との間において局所的に前
記条件を満足していればよい。図１３は磁場と電子密度
分布とを重ね合わせて示した説明図であり、例えば磁場
の腹の部位における径方向の電子密度分布パターン４０
０は、端部においては電子密度のピークの高い山形をな
し、中央部においては平坦に近いパターン、縦断面で見
ればいわば両耳が形成されたようなパターンとなる。

【００３８】その理由については次のように考えられ
る。即ちプラズマ中に存在するモードはＲ（ホイッスラ
ー）波、Ｌ波及びＸ波であり、そのうち共鳴条件を持つ
ものはＲ波とＸ波である。Ｒ波はＥＣＲポイントよりも
下流側には存在しないので、ＥＣＲポイントよりも下流
側ではＸ波のみが関与している現象として扱うことがで
きる。ところでＥＣＲポイントよりも下流側では、電子
密度が１０¹¹／ｃｍ3 付近までは電磁波が存在している
ため、真空容器２の軸方向にＬ波が、また径方向にＸ波
が伝播し、その高域混成共鳴によりプラズマにマイクロ
波パワーを供給していると考えられる。磁力線が真空室
２２の内壁で切れる（Ｐ点）ことにより、プラズマが磁
力線に沿って移動している条件ではプラズマのない領域
が存在する。なおここでいうプラズマとは、発光してい
ない薄いプラズマについては含めていない。

【００３９】このため電子密度の径方向分布は磁力線の
外縁にてある程度の急勾配で減少し、Ｘ波にとってはそ
こで媒質が急激に変化するので境界となり、反射を生じ
て定在波を形成する。Ｘ波の一部は進行波となっている
ことを測定で確認しており、これがプラズマへエネルギ
ーを与えている。つまり電子密度が減少している境界領
域は、Ｘ波がプラズマへパワーを供給している場所であ
り、この境界領域では電子密度が中央部よりも高くなっ
てる。ただし磁場の外縁と真空室２２の内壁との距離が
Ｘ波の波長λの１／４よりも短いとＸ波が発生しないの
で図１３に示すような電子密度分布パターンは得られな
い。この実施の形態ではＸ波の波長はおよそ１６ｃｍで
あり、λ／４はおよそ４ｃｍ程度である。

【００４０】この実施の形態ではウエハＷの上方にて図
１３に示すような電子密度分布パターンが得られるの
で、磁場の形状を調整することにより、（発明の実施の
形態）の冒頭で述べた如くウエハＷ面上において均一な
プラズマ処理を行うことができる。なおこの実施の形態
のようなミラー磁場を形成しない場合、例えば単純な円
筒型の真空容器を用い、ウエハＷに向かうにつれて末広
がりとなる発散磁場を形成して、真空容器の内壁と磁場
の外縁との間に空間が存在しない場合、あるいは空間が
存在しても径方向の長さがＸ波の波長λの１／４に満た
ない場合であっても、ＥＣＲポイントにて図１に示すよ
うな端部の電子密度が高い電子密度分布パターンが得ら
れ、これが既述の図５に示す如く磁場に沿ってウエハＷ
まで降りてくるので、ウエハＷ表面の電子密度分布に反
映され、従って面内均一性の高いプラズマ処理を行うこ
とについての効果はある。しかしながら図１２及び図１
３に示すようなミラー磁場を形成すれば端部の電子密度
の高いパターンをウエハＷの近傍で作ることができ、そ
れをウエハＷ表面における電子密度分布にかなり大きな
自由度で反映させることができるので、より一層好まし
いといえる。

【００４１】ここで既述の図７に示す実験装置を用い
て、磁場の形状とウエハＷの近傍の電子密度との関係を
調べた。この実験では図１４に示すように内径２９０ｍ
ｍの円筒の真空容器４の周囲に６個の電磁コイルＭ１〜
Ｍ６を設けた。各電磁コイルＭ１〜Ｍ６の右側にカッコ
書きで示す長さは、マイクロ波の透過窓５１の位置を基
準（０ｍｍ）とし、ここから下流側にどのくらい離れて
いるかを示している。例えばコイルＭ３であれば、透過
窓５１から軸方向に３００ｍｍ離れていることになる。
ただし図６の便宜上各電磁コイルＭ１〜Ｍ６の相互間隔
が等間隔で描いている。またＥＣＲポイント５２はコイ
ルＭ２とＭ３との間に位置し、被処理基板であるウエハ
Ｗは透過窓５１から１０００ｍｍの所に位置している。
電磁コイルＭ１〜Ｍ３及びＭ６に流れる電流を１９０Ａ
とし、残りの２つの電磁コイルＭ４〜Ｍ５の電流を１０
Ａ〜１００Ａの間で後述のように６通りの値に設定し、
ウエハＷから５０ｍｍ上流側位置において真空容器４の
径方向の電子密度の分布を測定した。なお真空容器４内
にはＨｅガスを圧力が２ミリＴｏｒｒになるように導入
しており、その他の条件は先の実験例と同じである。図
１５は測定結果であり、ａは電磁コイルＭ４、Ｍ５の電
流を１０Ａに設定した場合の電子密度分布パターンであ
る。同様にｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆは、夫々電磁コイルＭ
４、Ｍ５の電流を２０Ａ、４０Ａ、６０Ａ、８０Ａ、１
００Ａに設定した場合の結果である。

【００４２】電磁コイルＭ４、Ｍ５の電流を少なくする
と、磁場はこの領域で膨らみ１０Ａ〜６０Ａでは磁場の
外縁が真空容器４の内壁よりも外に位置している。つま
り磁力線が当該内壁を切っている状態である。この場合
電子密度の測定ポイントでは、磁場の外縁が前記内壁よ
りもλ／４以上内方側に寄っており、従ってＸ波の発生
により端部の密度が高いパターンとなっている。これに
対して電磁コイルＭ４、Ｍ５の電流が８０Ａ、１００Ａ
では磁場の膨らみ方が小さいので磁力線が前記内壁を切
っておらず、このため測定ポイントではＸ波が発生しな
いので、予定としている電子密度分布パターンが得られ
ていない。

【００４３】以上において本発明は成膜処理を行うこと
に限られるものではなく例えばフッ素系のガスを用いて
Ｓ_iＯ₂膜をエッチングする場合などにも適用すること
ができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、ＥＣＲを用いたプラズ
マ処理方法において、面内均一性の高いプラズマ処理を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】理想的な電子密度分布パターンを示す特性図で
ある。

【図２】本発明方法を実施するプラズマ処置装置の一例
を示す縦断側面図である。

【図３】図２のプラズマ処理装置を用いて測定した電子
密度分布パターンを示す特性図である。

【図４】図２のプラズマ処理装置における磁場を示す説
明図である。

【図５】ウエハに近づくにつれて電子密度パターンが変
わる様子を示す説明図である。

【図６】電子密度とＸ波の波長との関係を示す特性図で
ある。

【図７】Ｘ波の存在を調べるために行った実験装置を略
解して示す斜視図である。

【図８】図７の装置を用いて行った実験結果を示す特性
図である。

【図９】Ｘ波に関する分散曲線を示す特性図である。

【図１０】図７の装置を用いて行った実験結果を示す特
性図である。

【図１１】Ｘ波に関する分散曲線を示す特性図である。

【図１２】本発明の他の実施の形態に係るプラズマ処理
方法に用いられるプラズマ処理装置を示す縦断側面図で
ある。

【図１３】図１２のプラズマ処理装置を用いて測定した
電子密度分布パターンを示す特性図である。

【図１４】電子密度分布を調べるために用いた実験装置
の概略構成を示す説明図である。

【図１５】電子密度分布の測定結果を示す説明図であ
る。

【図１６】従来のプラズマ処理装置を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１００プラズマ処理装置２真空容器２１第１の真空室２２第２の真空室２４高周波電源部２５導波管Ｗ半導体ウエハ２７主電磁コイル２８補助電磁コイルＭマイクロ波 β 磁界３載置台２００ＥＣＲポイント４真空容器４１導波管４２高周波電源部４３アンテナ４４混合器３００電子密度分布パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者川上聡神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号東京エレクトロン東北株式会社相模事業所内 (72)発明者天野秀昭神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号東京エレクトロン東北株式会社相模事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状の真空室内にて、真空室の軸方向に
ほぼ直交するように被処理基板を載置し、前記軸方向に
マイクロ波を伝播させると共に前記真空室の軸に沿って
磁力線が走るように磁場を形成し、前記真空室内にプラ
ズマ生成用のガスを導入して電子サイクロトロン共鳴に
よりプラズマを発生させ、このプラズマに基づいて前記
被処理基板を処理する方法において、電子サイクロトロン共鳴点における電子密度をＰＤと
し、Ｘ波（異常波）の上限側カットオフ密度をｎｃとす
ると、０．４６ｎｃ≦ＰＤ＜ｎｃとなるように電子密度
を設定することにより、電子サイクロトロン共鳴点周辺
部には高い山形の電子密度分布を形成し、また電子サイ
クロトロン共鳴点の中央部には前記周辺部よりもピ−ク
値が低い電子密度分布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】電子サイクロトロン共鳴点よりも磁力線
下流側において磁場の外縁が真空容器の内壁よりも外側
に膨らんだ後、更に下流側において真空容器の内壁より
もＸ波の波長の１／４以上の距離だけ内方側に位置する
ように磁場を形成することを特徴とする請求項１記載の
プラズマ処理方法。
【請求項３】プラズマに基づいて被処理基板を処理す
るとは、被処理基板に対して成膜を行う処理であること
を特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理方
法。
【請求項４】プラズマに基づいて被処理基板を処理す
るとは、被処理基板に対してエッチングを行う処理であ
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
理方法。
【請求項５】筒状の真空室内にて、真空室の軸方向に
ほぼ直交するように被処理基板を載置し、前記軸方向に
マイクロ波を伝播させると共に前記真空室の軸に沿って
磁力線が走るように磁場を形成し、前記真空室内にプラ
ズマ生成用のガスを導入して電子サイクロトロン共鳴に
よりプラズマを発生させ、このプラズマに基づいて前記
被処理基板を処理する装置において、電子サイクロトロン共鳴点における電子密度をＰＤと
し、Ｘ波の上限側カットオフ密度をｎｃとすると、０．
４６ｎｃ≦ＰＤ＜ｎｃとなるように電子密度を設定する
ことにより、電子サイクロトロン共鳴点周辺部には高い
山形の電子密度分布を形成し、また電子サイクロトロン
共鳴点の中央部には前記周辺部よりもピ−ク値が低い電
子密度分布を形成すると共に、電子サイクロトロン共鳴点よりも磁力線下流側において
磁場の外縁が真空容器の内壁よりも外側に膨らんだ後、
更に下流側において真空容器の内壁よりもＸ波の波長の
１／４以上の距離だけ内方側に位置するような磁場を形
成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。