(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量結合型平行電極構造を備えるＣＶＤまたはエッチング処理のためのプラズマ処理装置であって、
反応容器と、
前記反応容器内に設けられた上部電極と、
前記反応容器内に設けられた基板ホルダと、
前記上部電極に形成された複数の円形形状の柱状突起と、
前記柱状突起に対応する位置で、かつ前記柱状突起の間の底部より前記突起の反対側に配置された複数のマグネットであって、互いに隣接するマグネットは異なる磁極であると共に、前記柱状突起の円形よりも小さい円形の断面形状を有する該複数のマグネットとを有し、
前記複数の柱状突起は、前記上部電極の中心に向かって低くなるように形成されていることを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記複数の柱状突起のうち隣り合う２つの前記柱状突起は等しい間隔で配置されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記上部電極は、誘電体リングを介して前記反応容器の側壁に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はプラズマ処理装置に関し、特に、均一に分散された柱状突起などを用いることによって半径方向に均一な大面積のプラズマを作ることができ、そして半導体産業における集積回路でのミクロン規模の要素の化学気相成長（ＣＶＤ）またはエッチングのプロセスのために役に立つイオン、電子、中性ラジカル、紫外線、そして可視光線を供給することのできる改良されたプラズマ源を備えたプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造において用いられるシリコン基板（Ｓｉウェハー）の直径の増大に伴って単一基板処理のシステムが重要となってきている。しかしながら、バッチ処理のプラズマ装置の代わりに単一基板の処理装置を用いることは、スループットを低下させる。それ故に、大面積で高密度のプラズマ源を開発することは、上記スループットを改善するより高い処理速度でウェハーあるいは基板を処理するためには極めて重要な要求である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
大面積のプラズマ源の開発において、プラズマ源によって生成されたプラズマの半径方向の均一性は重要なパラメータであり、何故ならば、非均一なプラズマはいくつかの基板処理の段階、例えば、異方性ドライエッチングプロセスにおいて電荷誘導ダメージを起こさせる原因となるからである。良好な半径方向の均一性を備えた大面積のプラズマ源の開発に関する限り、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）源はよい候補である。ｒｆ（ラジオ周波数）電極の平行な構造、そしてｒｆ電極に平行な均一なプラズマ生成領域のために、ＣＣＰ源はより良い半径方向の均一性を作り出す。しかしながら、与えられたｒｆ電力のかなりの部分がｒｆ電極に向ってイオンを加速するのに用いられるので、残りのｒｆ電力のみが電子の加熱に消費される。このことは低いプラズマ密度という結果をもたらす。
【０００４】
さらに厳密にはＣＣＰ源によって生成された大面積プラズマにおいて、中央領域におけるプラズマ密度は増加され、周辺領域におけるプラズマ密度は減少される。すなわちＣＣＰ源は、半径方向の均一性を有することなく大面積プラズマを生成する。ＣＣＰ源に関するこの問題はより改善されるべきものである。
【０００５】
従って、ＣＣＰ源によって生成されたプラズマ密度が他の手段によって、例えば磁界を応用することによって改善されなければ、半導体ウェハー処理におけるＣＣＰ源の応用は制限されたものになる。ＣＣＰ源におけるプラズマ密度を増大するための最も研究された技術は、ｒｆ電極に平行に磁界を応用することである。プラズマにおける電子は磁界の下ではサイクロトロン回転を行うのでプラズマにおけるイオン化の効率は改善され、そしてこの改善はプラズマ密度の増加という結果をもたらす。しかしながら、電子のＥ×Ｂドリフト（ここでＥとＢはそれぞれ直流電界と磁界である）によりプラズマ密度の半径方向の分布特性はさらに不均一となる。それ故に、磁気的に強められたＣＣＰ源の応用は同様にまた制限されたものとなる。
【０００６】
本発明の目的は、上部電極の特別な内面構造と、より良い磁界とを用いることによって処理されるべき基板に近い下流側で大面積でかつ半径方向に均一なプラズマを作ることのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマ処理装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【０００８】
第１のプラズマ処理装置は、容量結合型平行電極構造を備えるＣＶＤまたはエッチング処理のためのプラズマ処理装置であって、反応容器と、反応容器内に設けられた上部電極と、反応容器内に設けられた基板ホルダと、上部電極に形成された複数の円形形状の柱状突起と、柱状突起に対応する位置で、かつ柱状突起の間の底部より突起の反対側に配置された複数のマグネットであって、互いに隣接するマグネットは異なる磁極であると共に、柱状突起の円形よりも小さい円形の断面形状を有する該複数のマグネットとを有し、複数の柱状突起は、上部電極の中心に向かって低くなるように形成されていることを有することを特徴とする。
上記のプラズマ処理装置において、複数の柱状突起のうち隣り合う２つの柱状突起は等しい間隔で配置されることを特徴とする。
上記のプラズマ処理装置において、上部電極は、誘電体リングを介して反応容器の側壁に固定されていることを特徴とする。
上記の本発明によるプラズマ処理装置では、容量結合型平行電極構造を備え、上部電極の内面は複数のプラズマ閉じ込め領域を備えた閉じ込め構造を有している。プラズマ閉じ込め領域において高いプラズマ密度が生成される。容量結合型平行構造は、ｒｆ（高周波）電力が印加される上部電極と、基板ホルダ（ウェハーステージ）であるところの下部電極とから構成されている。プラズマは、通常、上部電極の近傍に生成され、特に複数のプラズマ閉じ込め領域の中に生成され、そしてそれは上部電極と下部電極の間の空間を通って基板に向かって拡散する。プラズマ閉じ込め領域の中で生成されたプラズマはプラズマ閉じ込めの作用によって特に高い密度を有する。それ故に、大面積のプラズマは上部電極の下面の近傍において半径方向に非均一のプラズマ密度の状態にあるけれども、拡散することによって基板の近くの下流においては半径方向に均一なプラズマ密度を有するようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明によるプラズマ処理装置の好ましい実施形態は添付図面に従って説明される。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
【００１９】
本発明の第１実施形態が図１と図２に従って説明される。図１は第１実施形態のプラズマ処理装置の縦断面図を概略的に示し、図２は上部電極の底面図を示す。プラズマ処理装置のプラズマ源は内部空間が真空排気された反応容器１０を有する。反応容器中は気密構造を有し、よく知られた真空排気装置（図示されず）を備えている。１０ａは真空排気装置につながるガス出口部を示している。反応容器１０は、上部電極１１、基板ホルダ（ウェハーステージ）１２、円筒形側壁１３、そして底部プレート１４から構成されている。上部電極１０は反応容器１０のトッププレートとして機能する。基板ホルダ１２は電極部材を含み、下部電極として機能する。上部電極１１は基板ホルダ１２の上面に平行であり、それらは容量結合型平行電極構造を作っている。上部電極１１の下側（内側）の表面は、上部電極１１と下部電極１２との間に生成されるプラズマに向かって延びるいくつかの柱状突起１５を有している。いくつかの柱状突起１５のいかなる隣り合う２つの間の間隔は好ましくは等しい。従って、柱状突起１５は上部電極１１の上に描かれた四角形１６の各コーナーに配置されると推測される。柱状突起１５の断面図は好ましくは円形である。しかしながら、四角の断面形状を有する他の柱状突起を用いることもできる。柱状突起の断面形状が円形形状である場合には、その直径は好ましくは５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲にある。もしその断面形状が四角であるならば、それに相当する大きさが採用される。柱状突起１５の高さは重要なことではなく、好ましくは５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲にある。柱状突起１５のすべての高さは通常同じである。しかしながら柱状突起１５の高さはプラズマ密度を制御する目的でその位置に依存して変えることともできる。
【００２０】
例えば、図３に示されるように、柱状突起２５の高さは上部電極１１の中心に向かって次第に低くすることができる。加えて、柱状突起の高さは反対の向きに次第に低くすることもできる。このようにして複数の柱状突起は異なる高さを持つ。
【００２１】
柱状突起１５のいかなる２つの間の間隔は一般的にプラズマの動作圧力に依存して選択される。隣り合う柱状突起１５の壁の間の間隔は、通常、プラズマ中の電子の平均自由行程と同程度の寸法に選択される。例えばもし動作圧力が１０ｍＴｏｒｒであるならば、柱状突起１５の壁の間の間隔はおよそ２５ｍｍに選ばれる。
【００２２】
ｒｆ発生器１７からのｒｆ（ラジオ周波数：または高周波）電力は上部電極１１に印加される。ｒｆ発生器１７のｒｆ周波数は、通常、１０〜１００ＭＨｚの範囲にあり、代表的には１３．５６ＭＨｚで動作する。ｒｆ電力は、整合回路１８を通して上部電極１１に供給される。ｒｆ電力発生器１７は、およそ３〜５ｋＷの最大動作電力を生成する。
【００２３】
プロセスガスは上部電極１１または側壁１３で作られたガス導入孔を介して反応容器１０に導入される。プラズマのプロセスの型に依存して、装置に導入する適当なガスが用いられる。ガス導入装置のメカニズムは簡単化のため図１において示されていない。ガス出口ポート１０ａに配置された可変オリフィスは反応容器１０の内部圧力を制御する。この可変オリフィスも同様にまた図１において示されていない。
【００２４】
基板１９は基板ホルダ１２の上面に搭載されている。基板１９の表面を処理するプラズマは上部電極１１と基板ホルダ１２の間に生成される。上部電極１１と反応容器１０の円筒形側壁１３との間に誘電体リング２０が存在する。そして上部電極１１は当該誘電体リング２０の上に設けられている。さらに上部電極１１の外側はカバー部材２１で覆われている。
【００２５】
次に、柱状突起がない場合に比較して、プラズマ生成のメカニズムとプラズマ密度の増加とが説明される。ｒｆ電力が上部電極１１に与えられるとき、プラズマは容量結合型メカニズムによって生成される。プラズマ密度の増加は２つの理由に帰することができる。
【００２６】
第１の理由は、上部電極１１の下面に柱状突起１５が存在するので、柱状突起がない場合の同じ大きさの上部電極のそれに比較してその表面積がより大きくなる。それ故に、プラズマの生成体積がより大きくなる。このプラズマは上部電極１１の周辺領域内で生成されるので、柱状突起がない場合の同じ大きさの上部電極によって生成されたプラズマに比較してプラズマ密度は大きくなる。
【００２７】
第２の理由は、複数の柱状突起１５のいかなる隣り合う２つのものの間の空間（または領域）２２の中に存在する電子が、柱状突起１５の壁で多数回反射によって水平に閉じ込められるということである。このことは、いったんプラズマが作られると、上部電極１１の表面が負にバイアスされるからである。それ故に、上部電極の表面に到達する電子は反射してプラズマの中に戻される。電子の平均自由行程は柱状突起１５の壁の間の間隔にほぼ等しいので、電子は柱状突起１５の壁で何回もの反射を受け、それによって、電子がガスの原子あるいは分子と衝突する前により高い温度になるよう加熱される。このプロセスが高温度の電子を作り出し、それによってより高いイオン化速度がプラズマ密度の増大という結果をもたらす。
【００２８】
上で説明されたように柱状突起１５（または２５）の間の空間２２の中でのプラズマ密度は増加される。こうして、上部電極１１の部分、それは複数の柱状突起１５を含んでなるものであり、これは上部電極１１の下面においてプラズマ閉じ込め構造（一般的な用語として）を作っている。このプラズマは、それから、拡散し、下流に向かって流れ出す。上部電極１１に近いところのプラズマ密度は、それ故に、図３に示されるように不均一になる。分布特性（または半径方向のプラズマ密度の輪郭形状）３１は上部電極１１に近い不均一なプラズマを示している。分布特性３１によれば、プラズマ密度は柱状突起１５の間で高くなり、そして柱状突起１５の位置で低下する。分布特性３１で示された不均一なプラズマは拡散プロセスによって下流に分布特性３２によって示される均一なプラズマを作り出す。均一なプラズマの場所は上部電極１１から離れたところにある。従って、処理されるべき基板１９、それは基板ホルダ１２の上に搭載され、これは均一なプラズマの場所に配置されている。上部電極１１から均一なプラズマまでの距離は、通常、柱状突起１５の間の間隔、柱状突起の直径、そして動作圧力に依存する。柱状突起の間の間隔、柱状突起の直径、動作圧力の減少は、均一なプラズマと上部電極１１の間の距離を短縮する原因となる。
【００２９】
本発明の第２の実施形態が図５、図６、図７に従って説明される。図５に示されたプラズマ源は、複数のマグネット４１を追加したこと以外は、図１で与えられたものとほとんど同じものである。図５と図６において、前述の図で示されたものと実質的に同じ構成要素には同じ参照番号がされている。注意すべき他の事実は、柱状突起１５の壁の間の間隔は必ずしも電子平均自由行程に相当していないということである。柱状突起１５の間の間隔は５〜４０ｍｍの範囲に存在している。前述の差異を除いて、他の詳細のすべては第１実施形態で説明されたそれらと同じである。以下において、特に、マグネットの配列とプラズマの属性に対するその影響が説明される。
【００３０】
図６は第２実施形態における上部電極４２の平面図を示す。図５と図６に示されるように、上部電極４２の上側（外側）の上に、複数のマグネット４２が配置される。マグネット４１の各々は図６に示されるごとく対応する柱状突起１５の中心の位置に配置されている。図６において上部電極４２の下面での柱状突起１５の位置は破線によって示されている。マグネット４１の外側あるいは内側の極性は交替的に変化させられている。マグネット４１の直径と高さは重要なことではない。好ましくはマグネット４１の直径と高さは１０〜２０ｍｍの範囲に存在する。マグネット４１の強さも同様にまた重要なことではなく、１〜１２キロガウス（ｋＧａｕｓｓ）の範囲に存在することができる。これらのマグネット４１はちょうど上部電極４２の上側表面上に存在する。好ましくは、それらは図５に示されるごとく上部電極４２の上側表面に部分的に埋め込まれている。
【００３１】
マグネット４１が図５と図６に示されるように上部電極４２の上に配置されるとき、複数の磁束によって表現された磁界は上部電極４２の水平な表面、これは図５において内側表面として示され、これにほとんど平行に生成される。４つの柱状突起１５に関する前述の磁界４３の磁束４３ａのパターンは図７に示されている。
【００３２】
さて、プラズマ密度の増加に関するマグネット４１による影響が説明される。空間２２の中において柱状突起１５の間に磁界４３が存在するので、空間２２における電子はサイクロトロンの回転を受ける。電子のこの動きは、より高いイオン化効率という結果をもたらす電子の移動の長さを増大させる。電子のサイクロトロン回転に加えて、それらはＥ×Ｂドリフトを行い、ここでＥとＢはそれぞれＤＣ（直流）電界の強さおよび磁界の強さである。ＤＣ電界（Ｅ）は上部電極４２と基板ホルダ１２の間に適用されるＤＣ電圧によって生成され、磁界（Ｂ）は上部電極４２の外側表面に配置された複数のマグネット４１によって与えられる。マグネット４１の構成で、空間２２における電子のＥ×Ｂドリフトは図７に示されるように柱状突起１５の周りの円形（または環状）の通路４４の上に存在する。このことは、柱状突起１５の側壁での衝突による電子の損失が抑えられることを意味する。これは、柱状突起１５の間のプラズマ密度の増大をもたらし、それによってより高いプラズマ密度を持ったプラズマが上部電極４２の下面の下側に生成される。こうして、複数のマグネット４２はプラズマ密度を増加させるプラズマ閉じ込め構造を与える部分として機能する。半径方向におけるプラズマ密度、それは上部電極４２に接近しており、図４に示されるように不均一である。この不均一なプラズマは、第１の実施形態において説明されたように拡散のプロセスによって下流において均一となる。
【００３３】
次に、本発明の第３実施形態が図８と図９を参照し説明される。この実施形態は、上部電極の構成を除いて、磁界の利用に関する第２実施形態とほとんど類似している。図８は、第３実施形態の上部電極５１の下面の斜視図である。当該下面はいくつかの同心円の位置関係にある円形（外国語明細書における「circular」の訳（「円形の」または「丸い」）であり、環状またはリング状の意味を有することは図８等より自明である。本実施形態に関する「円形」という用語については翻訳文提出書の本明細書を通してこの意味で用いられる。）の突起５２とそれらの間の溝５３を有している。各円形の突起５２と円形の溝５３の中心は上部電極５１の中心と一致している。突起５２と溝５３の半径方向の幅は重要な事項ではない。例えば、溝５３の半径方向の幅は５〜３０ｍｍの範囲で変わり得る。円形の溝５３の数は同様にまた重要なことではなく、上部電極５１の直径と、そして２つの隣り合う溝５３の間の間隔に依存している。２つの隣り合う溝の間の間隔は同様にまた重要なことではなく、１０〜３０ｍｍで変わり得る。円形の溝５３の深さは５〜３０ｍｍで変えることができる。
【００３４】
図９は電極５１の平面図を示す。上部電極５１の上側表面の上に、好ましくは、中心の円柱のマグネット５４ａといくつかの円形のマグネット（あるいはリングマグネット）５４が配置されている。円形のマグネットの各々は２つの隣り合う円形の溝５３の間にその位置を有し、図８に示されるように互いに同心円的な位置関係を有している。円形のマグネット５４の各々は必ずしも単一のマグネットとして作られる必要はない。その代わりに、それはいくつかの小さなマグネットを固定することで円形の形に形成するように作ることができる。図９に示された円形の破線は上部電極５１の下面における溝５３の位置である。マグネット５４は反応容器の内側に向かう交互に変わる磁極極性をもって配置されている。マグネット５４の断面の大きさおよび強さは重要なことではなく、好ましくは第１実施形態で述べられたごとく選択される。
【００３５】
上で説明されたようにマグネット５４ａ，５４が上部電極５３の上に配置されるとき、円形の溝５３内で生成された磁界はその上側表面に平行な状態で、そしてそれらの側壁に垂直な状態で存在する。それ故に、円形の溝５３における電子はＥ×Ｂドリフトによってその側壁に平行な円形通路５５において移動する。これは概略的に図１０に示されている。図１０において、５６は磁束線を示す。この電子ドリフトは、側壁での電子損失を減少させる原因になるので、それによってプラズマ密度を増加させる。円形の溝５３は前述のプラズマ閉じ込め領域として機能し、マグネット５４ａ，５４はプラズマ密度を増加させるプラズマ閉じ込め構造に影響を与える部分として機能する。この構造で得られる上部電極５１の下面に接近したプラズマ密度の分布形状は図４で示された第１の実施形態のそれに類似している。この不均一なプラズマは第１実施形態で説明されたように下流において均一なプラズマを作り出す。
【００３６】
本発明のプラズマ処理装置は、各実施形態で述べられたいかなる特徴をも組み合わせることによって構成することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によるプラズマ処理装置は、容量結合型電極構造の上部電極がプラズマに晒される内面にさまざまなプラズマ閉じ込め構造を持ち、その上面に配置された所定のマグネットを有するように形成されたため、基板表面にて、改善された大面積プラズマで半径方向に均一なプラズマ密度を持つプラズマを作り出すことのできるプラズマ源を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は本発明の第１実施形態の縦断面図を示す。
【図２】この図は第１実施形態の上部電極の底面図を示す。
【図３】この図は異なる高さの柱状突起を備えた上部電極の変形を示す。
【図４】この図は上部電極に接近したプラズマ密度と上部電極から離れたプラズマ密度の半径方向の分布特性を示す。
【図５】この図は第２実施形態の縦断面図を示す。
【図６】この図は実施形態の上部電極の頂部平面図を示す。
【図７】この図は柱状突起に関し磁束と電子のＥ×Ｂドリフトの方向の概略図を示す。
【図８】この図は第３の実施形態による下側に円形の溝を有する上部電極の斜視図を示す。
【図９】この図は第３の実施形態の上部電極の平面図を示す。
【図１０】この図は円形の溝における電子の移動を示す。
【符号の説明】
１０              反応容器
１１              上部電極
１２              基板ホルダ（ウェハーステージ）
１３              円筒形側壁
１４              ボトムプレート
１５              柱状突起
２２              空間（領域）
４１              マグネット
４２              上部電極
５１              上部電極
５２              円形の突起
５３              円形の溝
【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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