(57)【要約】【課題】誘導型プラズマ処理装置において、電子の駆動距離を無限大にすることを可能とし、プラズマの着火性を飛躍的に改善し、周方向のプラズマの均一性を良好なものとする。【解決手段】真空処理室の上方に設けた高周波誘導コイル７に高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、高周波誘導コイル７をｎ個（ｎは整数）の高周波誘導コイル要素７−１〜７−４に分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導コイル要素を一つの円周上に縦列に並べ、縦列に配置された前記高周波コイル要素７−２〜７−４と前記高周波電源との間に、遅延手段６−２〜６−４を設け、各高周波誘導コイル要素７−２〜７−４に高周波誘導コイル要素７−１より順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室の上方に設けた高周波誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記高周波誘導コイルをｎ個（ｎは整数）の高周波誘導コイル要素に分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導コイル要素を一つの円周上に縦列に並べ、縦列に配置された各高周波誘導コイル要素に順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を供給する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
真空処理室の上方に設けた高周波誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記高周波誘導コイルをｎ個（ｎは整数）の高周波誘導コイル要素に分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導コイル要素を一つの円周上に縦列に並べ、
縦列に配置された前記高周波コイル要素と前記高周波電源との間に、遅延手段を設け、各高周波誘導コイル要素に順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を供給する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
真空処理室と、該真空処理室の上方に設けた高周波誘導コイルと、該高周波誘導コイルに高周波電流を供給する高周波電源と、前記高周波誘導コイルをｎ個（ｎは整数）の高周波誘導コイル要素に分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導コイル要素を一つの円周上に縦列に並べ、縦列に配置された前記高周波コイル要素と前記高周波電源との間に、遅延手段を具備し、前記高周波誘導コイルに高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置における給電方法において、
分割され縦列に配置された前記各高周波誘導コイル要素に順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を供給する
ことを特徴とするプラズマ処理装置における給電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導結合プラズマを用いたプラズマ処理装置に関し、特にその高周波誘導コイル（アンテナ）の構造および給電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化に対応して、プラズマプロセスにおいては、ウェハ内で均一な処理結果が実現できるプロセス条件（プロセスウインドウ）が年々狭くなってきており、これからのプラズマ処理装置には、より完全なプロセス状態の制御が求められている。これを実現するためには、プラズマの分布やプロセスガスの解離やリアクタ内の表面反応を極めて高精度に制御できる装置が必要になる。
【０００３】
現在、これらのプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源として高周波誘導結合型プラズマ源がある。高周波誘導結合型プラズマ源では、まず、アンテナに流れる高周波電流がアンテナの周囲に高周波誘導磁場を発生させる。この時、プラズマを発生させたい空間に単体の電子が存在すると、その電子は高周波誘導磁場によって駆動され、ガス原子(分子)を電離してイオンと電子の対を発生させる。このようにして発生した電子は再び高周波誘導磁場によって駆動され、さらに電離が生じる。最終的に、この現象が雪崩現象的に生じることでプラズマが発生する。このような誘導結合型プラズマ処理装置の例として、放電コイルに高周波電圧を印加することにより真空容器内にプラズマを発生させて基板電極上の基板を処理するプラズマ処理装置において、放電コイルを、一部または全部が多重渦巻き型の放電コイルにて構成し、放電コイル用マッチング回路のマッチング用並列コイルによる電力効率の低下を小さくし、温度上昇を小さくすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、全く同じ複数のコイルを、一定角度ごとに並列して設置する構造が提案されている。例えば、３系統のコイルを、１２０度おきに設置することにより、周方向の均一性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このコイルは、縦に巻かれたり、あるいは平面に巻かれたり、あるいはドームに沿って巻かれたりしている。特許文献２のように、まったく同じ複数のコイル要素を、回路的に並列に接続すると、複数のコイル要素からなる誘導コイルのトータルインダクタンスが低減される。
【０００５】
さらに、誘導結合型プラズマ処理装置において、誘導コイルを２以上の同一形状のコイル要素を回路的に並列に接続して構成するとともに、コイル要素の中心を被処理物の中心と一致するように配置し、各コイル要素の入力端を、３６０度を各コイル要素の数で割った角度おきに配置し、かつコイル要素が径方向と高さ方向に立体的な構造を持つように構成することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平８−８３６９６号公報
【特許文献２】特開平８−３２１４９０号公報
【特許文献３】特開２００５−３０３０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記各文献には、誘導型プラズマ処理装置において、電子の駆動距離を無限大にすること、プラズマの着火性を飛躍的に向上させることは、意図していない。
【０００７】
上記プラズマ処理装置は、高周波（ＲＦ）電流がアンテナ（放電コイル）を周回するうちに、浮遊容量を介してアースに流れ込み損失を生じることから、誘導磁場強度が周方向で強弱の分布を持ち、結果として周方向のプラズマの均一性が損なわれることとなり、波長短縮効果として現れる。例えＲＦ周波数として１３．５６ＭＨｚを使っていても、アンテナ長が２．５ｍ程度を超えると、アンテナループ内に定在波が発生し、アンテナループ内での電流分布が不均一となって、プラズマ密度分布が不均一になるという問題がある。
このことは、４５０φ向けの大口径プラズマ減では、性能悪化の大きな問題となる。
【０００８】
さらに、上記プラズマ処理装置のマルチアンテナでは、一つのアンテナの長さが短いため、電流の駆動距離が短くプラズマの着火性が悪いという問題がある。
【０００９】
このような誘導結合型プラズマ源では、高周波電流は周期的に位相：つまり流れる方向が変化し、これに従って高周波誘導時の向き：つまり電子の駆動方向が逆転するという問題がある。つまり、印加する高周波の周期毎に、電子は一旦停止し、逆方向に加速されることを繰り返す。このような状態において、高周波の最初の周期において電子による雪崩現象的な電離が不十分な場合、電子が停止した時に、その電子が拡散やイオンとの再結合で失われると、十分な密度のプラズマが発生しないという問題となる。一般に、高周波誘導結合プラズマ源は、例えばマイクロ波ECRプラズマ源や平行平板型プラズマ源よりもプラズマの着火性が悪いが、これには上記のような理由がある。
【００１０】
本発明は、上記問題にかんがみて行われたもので、誘導型プラズマ処理装置において、電子の駆動距離を無限大にすることを可能とし、プラズマの着火性を飛躍的に改善するとともに、周方向のプラズマの均一性を良好なものとし、かつどのような大口径の誘導型プラズマ処理装置においても対応可能なアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、真空処理室の上方に設けた高周波誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記高周波誘導コイルをｎ個（ｎは整数）の高周波誘導コイル要素に分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導コイル要素を一つの円周上に縦列に並べ、縦列に配置された各高周波誘導コイル要素に順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を供給する。
【００１２】
上記課題は、高周波誘導コイルを複数に分割して縦列に配置し、それぞれの高周波誘導コイル要素に供給する電流の位相を、３６０度を分割数で除した角度だけ右回りまたは左回りに順に遅らせて給電する。このことにより、第１の高周波誘導コイル要素に流れる電流Ｉ１によって駆動されたプラズマ処理室内の電子が、第２の高周波誘導コイル要素の電流Ｉ２、第３の高周波誘導コイル要素の電流Ｉ３、第４の高周波誘導コイル要素の電流Ｉ４によって次々と駆動されて、周回することになり、周方向のプラズマの均一性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明にかかるプラズマ処理装置は、半導体デバイスの製造の分野にのみその使用が限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や、各種材料の成膜、表面処理等のプラズマ処理の各分野に適用することが可能であるが、ここでは、半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置を例にとって、実施例を示すことにする。
【００１４】
図１を用いて、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施例１の構成を説明する。高周波誘導結合型プラズマ処理装置は、内部に真空に維持された処理室１を有する有底状の円筒形の真空容器１１と、処理室の蓋であり高周波によって生じた電界を処理室内に導入する絶縁材１２と、処理室１内を真空に維持する例えば真空ポンプに結合された真空排気手段１３と、被処理体（半導体ウェハ）Ｗが載置される電極（試料台）１４と、被処理体である半導体ウェハＷを外部と真空処理室内との間で搬送するゲートバルブ２１を備えた搬送システム２と、処理ガスを導入するガス導入口３と、半導体ウェハＷにバイアス電圧を供給するバイアス用高周波電源４１と、バイアス用整合器４２と、プラズマ生成用高周波電源５１と、プラズマ生成用整合器５２と、複数の遅延手段６−２、６−３（図示せず）、６−４と、処理室１の周辺部上に配置され、複数に分割され縦列配置された高周波誘導コイル要素７−１（図示せず）、７−２、７−３（図示せず）、７−４とを有して構成される。
【００１５】
真空容器１１は、例えば、表面をアルマイト処理したアルミニウム製かステンレス製の真空容器であり、電気的に接地されている。処理室１には、真空排気手段１３、および被処理物である半導体ウェハＷを搬入出するためのゲートバルブ２１を有する搬送システム２を備える。処理室１中には、半導体ウェハＷを載置するための電極１４が設置される。搬送システム２により、処理室中に搬入されたウェハＷは、電極１４上に運ばれ、電極１４上に保持される。電極１４には、プラズマ処理中に半導体ウェハＷに入射するイオンのエネルギを制御する目的で、バイアス用整合器４２を介して、バイアス用高周波電源４１が接続される。エッチング処理用のガスが、ガス導入口３より、真空処理室１内に導入される。
【００１６】
一方、半導体ウェハＷと対向する位置には、高周波誘導コイル要素７−１（図示せず）、７−２、７−３（図示せず）、７−４が、石英やアルミナセラミック等の絶縁材１２を介して大気側で、半導体ウェハＷの対向面に設置される。高周波誘導コイル要素…、７−２、…、７−４は、その中心が半導体ウェハＷの中心と一致するように配置される。高周波誘導コイル要素…、７−２、…、７−４は、図には示されていないが、複数の同一形状を持つコイル要素からなる。複数のコイル要素の給電端Ａはプラズマ生成用整合器５２を介してプラズマ生成用高周波電源５１に接続され、設置端Ｂは接地電位に、いずれも全く同じように接続される。
【００１７】
高周波誘導コイル要素…、７−２、…、７−４とプラズマ生成用整合器５２との間には、各高周波誘導コイル要素…、７−２、…、７−４に流れる電流の位相を遅延させる遅延手段６−２、６−３（図示せず）、６−４が設けられる。
【００１８】
絶縁材１２には、図示を省略した冷却用の冷媒流路が設けられ、この冷媒流路に、水、フロリナート、空気、窒素などの流体を流すことによって冷却される。
【００１９】
誘導結合型プラズマ装置は、高周波誘導コイルを流れる高周波電流によってプラズマを励起する。一般に高周波誘導コイルのターン数（巻き数）を大きくすると、インダクタンスが増大し、電流が下がるが、電圧が上がる。ターン数を下げると逆に電圧は下がるが電流が上がる。誘導結合型プラズマ装置の設計に於いて、どの程度の電流および電圧が好ましいのかは、プラズマの均一性や安定性ならびに発生効率等の観点だけでなく、機械工学的見地からの様々な理由によって決定される。例えば、電流が増大することは、発熱の問題やそれによるロスの問題、整合回路に使用する可変コンデンサの耐電流の問題がある。一方、電圧が増大することは、異常な放電や、プラズマへの影響、可変コンデンサの耐電圧の問題等がある。そこで、設計者は、整合回路に使用する可変コンデンサ等の電気素子の耐電流特性及び耐電圧特性や、コイルの冷却の問題等を加味しながら、コイルの形状やターン数を決定する必要がある。
【００２０】
［実施例１］図２を用いて、本発明の第１の実施例を説明する。この実施例では、図１の上から見た図２（Ａ）に示すように、高周波誘導コイルを円周上で４（ｎ：整数）個の高周波誘導コイル要素７−１〜７−４に分割し、それぞれの高周波誘導コイル要素７−１、７−２、７−３、７−４は、時計回転方向に３６０°／４（３６０°／ｎ）ずつ離れて配置され、それぞれの高周波誘導コイル要素７−１、７−２、７−３、７−４にプラズマ生成用高周波電源５１からプラズマ生成用整合器５２を介し、給電点５３から各給電端Aを介して高周波電流を供給する。この実施例では、各高周波誘導コイル要素７−１〜７−４は、それぞれ円周の右回りに給電端A側からλ／４離れて接地端B側が配置される。給電点５３と高周波誘導コイル要素７−２、７−３、７−４の給電端A間には、それぞれλ／４遅延回路６−２、λ／２遅延回路６−３、λ３／４遅延回路６−４が挿入される。これにより、各誘導コイル要素７−１〜７−４に流れる電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は、順にλ／４ずつ位相が遅れることになる。電流Ｉ１で駆動された、プラズマ中の電子は、電流Ｉ２で続いて駆動される。また、電流Ｉ３で駆動されたプラズマ中の電子は、電流Ｉ４で続いて駆動される。
【００２１】
図３を用いて、図２に示した高周波誘導コイルを用いた場合のプラズマ中の電子の駆動形態を説明する。図３（Ａ）は、ある時間での各電流の位相とこの電流による誘導結合で駆動される電子の向きを示している。すなわち、第１の高周波誘導コイル要素７−１では、高周波電流Ｉ１が正方向から負方向へ流れる方向が変化する時間であり、このとき高周波電流Ｉ１によってプラズマ中の電子は、右回り（時計回り）の回転と左回り（反時計回り）の回転に駆動される。第２の高周波誘導コイル要素７−２では、負方向の電流が最大値に達する直前から減少し始める時間であり、このとき高周波電流Ｉ２によってプラズマ中の電子は、半時計方向に駆動される。第３の高周波誘導コイル要素７−３では、高周波電流Ｉ３が負方向から正方向へ流れる方向が変化する時間であり、このとき高周波電流Ｉ３によってプラズマ中の電子は、反時計回りの回転と右回り時計回りの回転に駆動される。第４の高周波誘導コイル要素７−４では、正方向の電流が最大値に達する直前から減少し始める時間であり、このとき高周波電流Ｉ４によってプラズマ中の電子は、時計方向に駆動される。時計回りの電子の流れと反時計回りの電子が合流する第１の高周波駆動コイル要素７−１の領域（第１の領域）から、反時計回りの電子と時計回りの電子が流れ出す第３の高周波コイル要素７−３の領域（第３の領域）へ向けて、電子は図示の円の中心を通過して流れる。この中心部を通過する電子の流れは、時間の経過とともに時計方向に回転してゆく。
【００２２】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の時刻からλ／４分時間が経過した後を示しており、第１の領域では電子が時計方向に、第２の高周波誘導コイル要素７−２の領域（第２の領域）では、電子が反時計方向に、第３の領域では電子が反時計方向に、第４の高周波誘導コイル要素７−４の領域（第４の領域）では電子が時計方向に駆動される。時計回りの電子の流れと反時計回りの電子の流れが入り込む第１の領域と第２の領域の境界から、反時計回りの電子と時計回りの電子が流れ出す第３の領域と第４の領域の境界へ向けて、電子は図示の円の中心を通過して流れる。この中心部を通過する電子の流れは、時間の経過とともに時計方向に回転してゆく。
【００２３】
ここで、図６を用いて実施例1の場合の定在波について説明する。まず、図６の最上段に示すように、アンテナの給電点から供給された高周波電流は、接地点を反射端とした定在波を形成する。この時、接地点では常に高周波電圧が０Ｖ（図示せず、電圧定在波の節）で、電流の振幅が最大（電流定在波の腹）になる。この電流定在波は、給電点から供給された高周波電流の位相に応じて振動する。
【００２４】
この高周波誘導コイル要素（７−１〜７−４）における電流定在波の振動の様子を図６の第２段から第５段に示す。これは、高周波誘導コイル要素７−１の接地点に電流定在波の正の最大値が現れた瞬間である。この時、高周波誘導コイル要素７−２には、λ／４（９０度）の位相遅れで高周波電流が供給されているため、コイル要素全体にわたって電流０Ａの状態が現れる。同様に、高周波誘導コイル要素７−３には、負の最大電流の振幅が現れ、高周波誘導コイル要素７−4には、コイル要素全体にわたって電流０Ａの状態が現れる。
【００２５】
以上、図３と図６より、印加する高周波電流の位相によらず、プラズマ発生部である処理室１内には常に電子を加速する誘導磁場があることがわかる。これが本技術の最大の特徴であり、常にリアクタの中でプラズマを生成出来る。これにより、前述した高周波誘導結合プラズマ源の着火性の悪さを大幅に改善でき、着火性の良い高密度のプラズマを発生することができる。
【００２６】
図４を用いて第１の実施例の第１の変形例を説明する。図４（Ａ）は、高周波誘導コイル要素７−１〜７−４に流れる電流の回転の向きを図２とは逆にした例である。すなわち、この変形例では、各高周波誘導コイル要素７−１〜７−４は、それぞれ円周の左回り（逆時計回転方向）に給電端Ａから接地端Ｂが配置され、高周波誘導コイル要素７−１〜７−４を図２とは逆方向に回転させて配置している。この例では、ある時間での各電流の位相とこの電流による誘導結合で駆動される電子の向きは、図３とは逆方向となり、時計回りの電子の流れと反時計回りの電子が合流する第１の高周波駆動コイル要素７−１の領域から、反時計回りの電子と時計回りの電子が流れ出す第３の高周波コイル要素７−３の領域へ向けて、電子は図示の円の中心を通過して流れる。この中心部を通過する電子の流れは、時間の経過とともに時計方向に回転してゆく。
【００２７】
この変形例は、単に図２の実施例と電流の向き、すなわち、電子加速方向が逆になっているだけであり、図２の実施例と機能は同じである。
【００２８】
図４（Ｂ）を用いて、第１の実施例の第２の変形例を説明する。この変形例は、高周波電源５１を第１の高周波電源５１−１と第２の高周波電源５１−２に分け、一つの発振器５４からの高周波電流を、直接第１の高周波電源５１−１に供給するとともに、λ／２遅延回路５５を介して第２の高周波電源５１−２に供給する。第１の高周波電源５１−１からの高周波電流は、第１の整合器５２−１を介して第１の給電点５３−１に供給され、第１の給電点５３−１から、図２と同様に配置された第１の高周波駆動コイル要素７−１の給電端Aに直接、第２の高周波誘導コイル要素７−２の給電端Aにλ／４遅延回路６−１を介して供給される。同様に、第２の高周波電源５１−２からの高周波電流は、第２の整合器５２−２を介して第２の給電点５３−２に供給され、第２の給電点５３−２から、第３の高周波誘導コイル要素７−３の給電端Aに直接、第４の高周波誘導コイル要素７−４の給電端Aにλ／４遅延回路６−２を介して供給される。
【００２９】
図５を用いて、本発明の第１の実施例の第３の変形例を説明する。上記第１、第２の変形例では、アンテナの位相遅延回路を簡略化できるという効果がある。これをさらに進めた第３の変形例としては、図５に示すように高周波電源（５１−１…５１−４）の４電源にし、それぞれ位相が異なる高周波電流（Ｉ１〜Ｉ４）をアンテナ（７−１〜７−４）に供給する。このように電源を増やすことで、整合回路が増えるが、電源単体の電力量を小さくでき、電源の信頼性を上げることが可能になる。また、各アンテナに供給する電力を微調整することにより、周方向のプラズマの均一性を高くすることができる。
【００３０】
以上の例では、高周波誘導コイル７を高周波誘導コイル７の円周（１倍、２倍）上で４分割して、分割されたそれぞれの高周波誘導コイルをλ／４ずつ遅れて配置し、各高周波誘導コイルに最初の誘導コイルに供給する高周波電流より順次λ／４ずつ遅延させた高周波電流を供給するようにしている。本発明は、これに限らず、高周波コイルを高周波誘導コイルの円周（１倍、２倍、…）上を整数ｎで分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導コイルに、λ／ｎずつ遅延させた高周波電流を供給することによって、高周波電流による定在波の形成を阻止することができる。
【００３１】
以上のように、本発明によれば、常に処理室内に電流を駆動する高周波誘導磁場が形成されているため、プラズマの着火性能をあげ、高密度のプラズマが得られる。また、本発明によれば、高周波誘導コイルの長さを制御することができ、どのような大口径化の要求にも対応することができ、また、周方向のプラズマ均一性を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明が適用されるプラズマ処理装置の構成の概要を説明する縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施例にかかる高周波誘導コイルへの給電方法を説明する図。
【図３】本発明の第１の実施例におけるプラズマの生成態様を説明する図。
【図４】本発明の第１の実施例の第１および第２の変形例を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施例の第３の変形例を説明する図。
【図６】本発明の第１の実施例の高周波誘導コイル要素における電流定在波の振動の様子を説明する図。
【符号の説明】
【００３３】
１：処理室
１１：真空容器
１２：絶縁材
１３：真空排気手段
１４：電極（試料台）
２：搬送システム
２１：ゲートバルブ
３：ガス導入口
４１：バイアス用高周波電源
４２：バイアス用整合器
５１：プラズマ生成用高周波電源
５２：プラズマ生成用整合器
５３：給電点
５４：発振器
６：遅延手段
７：高周波誘導コイル（アンテナ）
７−１〜７−４：高周波誘導コイル要素
７８：給電線
８９：接地線
Ａ：給電端
Ｂ：設置端
Ｗ：被処理体（半導体ウェハ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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