(57)【要約】【課題】誘導結合型プラズマ処理装置の構造に起因して生じる周方向の不均一性を除くことを目的とする。【解決手段】処理チャンバ１内に設けた電極６と、処理チャンバ１の上部に絶縁材９を介して誘導コイル１０および誘導コイルに接する形でリング形の導電体カバー１１を設け、誘導コイル１０に電力を供給する高周波電源１３とからなるプラズマ処理装置において、誘導コイル１０によりリング形の導体１１に誘導電流を生じさせ、導体１１に流れる誘導電流によってプラズマを誘導加熱する。誘導コイル１０によって生成される誘導磁界はプラズマが生成される領域まで漏れないようにシールドしておく。プラズマを誘導加熱する電流は、リング状の導体１１に流れる電流であり、通常のコイルのように端をもたないため、完全な周方向のプラズマ均一性が実現される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバと処理用のガスの導入手段および排気手段と、被処理物を載置するステージと、プラズマを発生させるための電力供給手段を備え、前記電力供給手段と接続された少なくとも一つの誘導コイルが、前記コイルに誘導結合するように設置された円形、リング形、ないしは、概ねこれらの形状と見なせる導電性部材に誘導電流を生じさせ、前記導電性部材を流れる誘導電流によって、処理チャンバ内にプラズマを生成することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、直接プラズマと誘導結合する別の誘導コイルを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、少なくとも誘導コイルとプラズマ発生空間との間に、前記コイルを横切る方向にスリットが入った導電体を設け、かつ、その導電体が電気的に接地可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、少なくとも誘導コイルとプラズマ発生空間との間に、前記コイルを横切る方向にスリットが入った導電体を設け、かつ、その導電体に高周波電圧が印加可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、なんらかの補助プラズマ生成手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【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、液晶ディスプレー用基板等の製造において、エッチングや成膜等の処理に好適なプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、ウエ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プロセス装置には、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、これらのプラズマプロセス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。誘導結合型プラズマ処理装置は、チャンバの一部である石英などの絶縁材を介して処理チャンバの外に配置された、一般的には、ループ、コイル、あるいは、螺旋といった形状をした高周波コイルに、数１００ｋＨｚから、数１００ＭＨｚの高周波電力を給電し、コイルによって形成される誘導電界によって、プラズマ中の電子を加速することによって、処理チャンバ内に導入されたプロセスガスにエネルギを供給し、プラズマを発生、維持する方式のプラズマ装置である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、コイルをチャンバ内に設けた構造の高周波誘導結合型プラズマ処理装置もあり、このプラズマ処理装置では、高周波誘導コイルである螺旋型のコイルを、チャンバ内の、被処理物である半導体ウエハに対向する位置に設置している（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
これらのプラズマ処理装置は、プラズマ中に誘導電流が生じ、電気回路的には、プラズマと高周波コイルが誘導結合している（コイルを一次コイル、プラズマ中の電流を２次コイルとみなしたトランス回路）ため、誘導結合型プラズマ処理装置と呼ばれる。誘導結合型プラズマ処理装置の利点は、単純なコイルと高周波電源という簡単で安価な構成で、数ｍＴｏｒｒの低圧下で、１Ｅ１１〜１Ｅ１２（ｃｍ−３）という比較的高密度のプラズマを発生できること、被処理物に対向して、平面的にコイルを配置することによって、大面積のプラズマを容易に発生させることができること、処理チャンバ内部がシンプルであるがゆえに、処理中に被処理物上に飛来する異物を少なくできる可能性があること等が挙げられる。これらの装置では、低圧下で、高密度のプラズマを発生することによって、イオンの平均自由行程が大きく、被処理物に入射するイオンの方向性がよいので、微細加工に適しており、かつ高い処理速度が得られている。
【０００６】
プラズマプロセスで主に処理される被処理物である半導体ウエハは円形をしており、これ用のプラズマ処理装置のチャンバもこれに応じて、水平な内断面が円形をしている。たとえばプラズマエッチング装置においては、中心あるいは側面からガスが導入され、多くの装置においては下側に排気される。ウエハのエッチング結果は完全にウエハ面内で均一であることが望ましいが、反応室内部のプラズマや解離種や反応生成物の分布によってウエハ上の反応の現象が完全に均一であることはない。例えば、反応生成物は、ウエハより生成されるので、どうしても反応室中心部で濃度が高くなる。
【０００７】
この濃度不均一によるエッチング不均一をカバーするために、外周でプラズマ密度を中心よりも下げる、あるいは、ウエハの温度を中心部より外周部で低くする等、の手段を講じることにより、ウエハのエッチング結果を均一にする必要がある。
【０００８】
一方、ウエハの周方向についても、ガス流れやプラズマ生成の不均一により、不均一性が生じることがあるが、これはウエハ径方向の不均一性と異なり、解決できる不均一である。ガス流れについては、下部の排気構造を最適化することにより、ほとんど周方向に均一にすることができる。誘導結合型プラズマ処理装置においては、その構造に起因する周方向の不均一性が生じる。
【０００９】
すなわち、Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｓ．  Ｗｉｓｅらの論文に記載されているように、コイルには必ず、高周波電源側に接続される端と、設置側に接続される端があり、コイルの構造に起因するプラズマの周方向の不均一が生じる。また、低密度の領域ではコイルにかかる電圧によって直接電子が加速され、容量結合的に生成されるプラズマの影響が無視できない。コイルにかかる電圧は一定ではないので、この容量結合的なプラズマは電圧の高いところで多く生成し、周方向の不均一が生じる（例えば、非特許文献１参照）。
【００１０】
このような問題を解決するために、例えば、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、特許文献３参照）。特許文献３においては、３系統のコイルが、１２０度おきに設置されている。しかしながら、このような構造をとるとコイルの数が多くなるとともに、コイルへの電力の供給が中心からに限定されてしまい、装置設計上の制約が大きくなる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平２−２３５３３２号公報
【特許文献２】
特開平７−１０６０９５号公報
【特許文献３】
米国特許第５７５３０４４号明細書
【非特許文献１】
Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ６８，  ２４９９  （１９９６）：Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｓ．  Ｗｉｓｅ
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述したような従来技術の問題点である誘導結合プラズマ装置における、周方向のプラズマ不均一の問題を解決し、自在な場所でプラズマを生成し、より広い条件下で、安定したプラズマを高い効率で生成するプラズマ処理装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、次に説明するような構成によって解決される。例えば、誘導コイルに接する形でリング形の導体を設け、まず、プラズマではなくこの導体に誘導電流が流れるようにする。次にリング状の導体に流れる誘導電流によってプラズマが誘導加熱するようにする。誘導コイルによって生成される誘導磁界はプラズマが生成される領域まで漏れないようにシールドしておく。すなわち、通常の装置においては、誘導コイルが一次コイル、プラズマが二次コイルとして誘導結合しプラズマが生成されるが、本発明においては、誘導コイルが一次コイル、リング状の導体が二次コイル、プラズマが三次コイルとなりプラズマが生成される。プラズマを誘導加熱する電流は、リング状の導体に流れる電流であり、通常のコイルのように端をもたないため、完全な周方向のプラズマ均一性が実現される。
【００１４】
前記コイルに誘導結合するように設置されたリング状の導体は、円形、リング形、ないしは、概ねこれらの形状と見なせる導電性部材である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体デバイスの製造の分野に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、表面処理に適用が可能であるが、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。
【００１６】
図１に、本発明の一実施例を示す。図中の処理チャンバ１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。処理チャンバ１は、真空排気手段２、および、被処理物である半導体ウエハ３を搬入出するための搬送システム４を備える。処理チャンバ１中には、半導体ウエハ３を載置するための電極６が設置される。搬送システム４により、処理チャンバ中に搬入されたウエハは、電極上に運ばれ、電極６により保持される。電極６には、プラズマ処理中に半導体ウエハ３に入射するイオンのエネルギを制御する目的で、整合器７を介して、高周波電源８が接続される。エッチング処理用のガスが、導入口５より、チャンバ内に導入される。
【００１７】
一方、ウエハと対向する位置には、高周波誘導コイル１０が、石英やアルミナセラミック等の絶縁材９を介して大気側、ウエハ１の対向面に設置される。高周波誘導コイル１０には、それを覆うように図２に示すような構造のリング状の導電体カバー１１が設置されている。導電体カバーは誘導コイルとは電気的に絶縁されており、高周波誘導コイルの誘導磁場を妨げるように、すなわち逆向きに導電体カバーに高周波電流が流れる。この導電体カバーは、発熱ロスを少なくするために、表面を銅などの低電気抵抗材料を用いる。また、磁場シールド効果をもたせるための磁性体と２層にしてもよい。
【００１８】
高周波誘導コイル１０には、整合器１２を介して高周波電源１３から電力が供給される。
【００１９】
また、図３に示すように、誘導電流が流れる部分を規定するために、流れて欲しくない部分にコイルを横切るようにスリット１８を設けることが有効である。このとき、スリットの巾が大きいと誘導磁界が外に漏れてしまう。図４にスリット巾と誘導磁場強度との関係を示すように、スリットの巾を狭くする事によって、外に漏れる誘導磁場をさげることができるので、図４より明らかなようにスリットの巾は２ｍｍ以下にするのが望ましい。
【００２０】
導電体に誘導された電流は、今度はプラズマと誘導結合し、プラズマを生成、維持する。誘導結合プラズマ装置は、着火時、低密度時には、誘導コイルに生じる高電圧によって容量結合的にプラズマが生成することが知られている。図１のような構成にするとコイルに生じる電圧がさほど高くなく、その結果プラズマが着火しなくなるという問題がある。そのため、図１に示した実施例においては、プラズマを着火し、ある一定密度までひきあげるための別のプラズマ源１９が設置されている。
【００２１】
図５に本発明による別の実施例を示す。図５の実施例においては、図１における別のプラズマ源に相当するものとして、通常の誘導コイル１５が処理チャンバの中心付近に設置されている。近年、ウエハが大きくなったことにより処理チャンバ内のプラズマ均一性が重要となっている。プラズマ均一性を制御するためには、複数系統の誘導コイルを設置し、これらのコイルの電流バランスを変える方法が有効である。図５の実施例においては、中心に設置された誘導コイルによりプラズマを着火し、高密度まで引き上げると共に、外周部近傍に設置された導電体を流れる電流により、周方向均一性の優れたプラズマを大面積で生成する。
【００２２】
誘導コイル１５と導電体１１を流れる電流のバランスを制御する事によりプラズマの分布制御が実現される。この中心部に設置された誘導コイル１５は、コイル端をもつために、このコイルによって生成されるプラズマは、若干偏心する可能性があるが、中心付近のプラズマ生成よりも外周部のプラズマ生成の方がはるかに軸対称性のよいプラズマの生成には重要である。したがって、外側にある導電体にある程度の電流を流し、外周部でのプラズマ生成が行われている条件においては、周方向の均一性が高いプラズマを生成することができる。
【００２３】
図６に本発明による別の実施例を示す。図５の構成に加えて、図７に示したような放射状にスリット１８の入った導電性部材であるファラデーシールド１６をプラズマと誘導コイル・導電体の間に設置したものである。ファラデーシールドはコイル・導電体とプラズマとの間の容量結合を遮断するシールドで、通常は電気的に接地され、コイルの電圧の効果によるプラズマの周方向の不均一を解消すると共に、絶縁材の消耗を防止する。
【００２４】
ファラデーシールドは通常接地されるが、絶縁材表面の反応を制御するためには、図８の実施例に示すように、この部品に高周波電圧を印加することも効果的である。このとき前述のように、誘導結合プラズマ装置は、着火時、低密度時には、誘導コイルに生じる高電圧によって容量結合的にプラズマが生成することが知られているので、このシールドに電圧を印加することにより、プラズマを着火させることができる。すなわち、図１で説明した別のプラズマ源としても機能する。
【００２５】
図９は、本発明のさらに別の実施例である。図９においては、ほぼ平板状の導電体１７に誘導電流を流して、その電流によってプラズマを生成する。平板状の導電体は、図１０に示すようなスリット１８が入っており、誘導電流はリング状に繋がった部分を集中して流れる。スリットの巾は、誘導コイルが生成する誘導磁界がプラズマに対して影響しないよう、十分小さくするようことが望ましい（２ｍｍ以下）。リング状の部分を流れる誘導電流が、プラズマを効率的に生成する。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態を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示したが、本発明は、プラズマエッチング装置に限定されることなく、プラズマＣＶＤ装置、プラズマアッシング装置、プラズマスパッタ装置などに適用が可能であり、半導体デバイスの処理のみならず、液晶ディスプレイ基板の処理や、その他、表面処理全般に適用が可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、周方向の完全なプラズマ均一性が実現される。プラズマエッチング結果も周方向で均一になり、プラズマエッチングプロセス条件を構築する際には、径方向の均一性だけを考慮すればよく、エッチング条件を決めることが簡易かつ迅速になる。その結果、全体としてのプラズマ処理性能、および装置の稼働率が向上し、ハイスループットでの微細なエッチング加工や、高品質な成膜加工、表面処理等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかるプラズマ処理装置の構造を説明する図。
【図２】本発明の一実施例に用いる誘導コイルの形状を説明する図。
【図３】本発明の一実施例に用いる誘導コイルの形状の変形例を説明する図。
【図４】図４に示した誘導コイルのスリットと誘導磁界の関係を説明する図。
【図５】本発明の一実施例にかかるプラズマ処理装置の構造を説明する図。
【図６】本発明の一実施例にかかるプラズマ処理装置の構造を説明する図。
【図７】本発明に用いるファラデーシールドの形状を説明する図。
【図８】本発明の一実施例にかかるプラズマ処理装置の構造を説明する図。
【図９】本発明の一実施例にかかるプラズマ処理装置の構造を説明する図。
【図１０】本発明に用いる平板状の導電体の形状を説明する図。
【符号の説明】
１…処理チャンバ、２…真空排気手段、３…半導体ウエハ、４…搬送システム、５…ガス吹き出し口、６…電極、７…整合器、８…高周波電源、９…絶縁材、１０…誘導コイル、１１…導電体カバー、１２…整合器、１３…高周波電源、１４…電力分岐回路、１５…（内）誘導コイル、１６…ファラデーシールド、１７…平板状の導電体、１８…スリット、１９…別のプラズマ源。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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